JP2011086805A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工程数や製造コストを増やすことなく絶縁基板を冷却器の天板に位置決めしたコンパクトな半導体装置及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】半導体装置1は、冷却器2の上に絶縁基板3を介して半導体素子4を設けている。冷却器2は、天板12を含むケース13と、ケース13に収容され、天板12の方へ向いた複数のフィン部14aを有する冷却フィン14とを含む。絶縁基板3は天板12上に接合される。冷却フィン14の複数のフィン部14aのうち、天板12上の絶縁基板3の配置に整合する部分のフィン部14aが他の部分のフィン部14aより丈が短いことで冷却フィン14の上側に凹部16が形成される。天板12上に絶縁基板3を接合するときに、天板12を絶縁基板3を介して加圧しながら軟化させて冷却フィン14の凹部16に倣って天板12を沈み込ませ、天板12に生じた沈み込み部分17に絶縁基板3を嵌め込むことで、絶縁基板3を天板12上にて位置決めしている。
【選択図】 図２

Description

この発明は、冷却器の上に絶縁基板を介して半導体素子を設けた半導体装置及びその製造方法に関する。

従来、この種の半導体装置では、半導体素子が、絶縁基板を介して冷却器の天板にロウ付けにより接合されている。ここで、絶縁基板を天板に密着させるために、接合治具に設けられるバネにより絶縁基板を加圧する。一般に、冷却器はアルミ製のため、接合温度（６００℃）では、治具との線膨張差により治具と天板との間に位置ズレが生じる。このため、接合治具のバネに横向きの力が発生し、天板上に位置決め手段がない場合は、絶縁基板に位置ズレが生じるおそれがあった。

そこで、例えば、下記の特許文献１には、冷却器に位置決め手段を備えたパワーモジュール（半導体装置）が提案されている。この半導体装置は、絶縁基板の一方の面に回路層が形成され、他方の面に金属層が設けられ、金属層が冷却器に接合される。冷却器は、複数のフィン部と、それらフィン部のベース部となる厚肉な天板とを備える。この天板には、金属層の少なくとも一部が収容される収容凹部が予め形成される。そして、収容凹部に金属層を収容した状態で、金属層の表面と収容凹部の底面とが接合される。これにより、絶縁基板を冷却器の天板に位置決めしながら接合している。

特開２００８−２７７６５４号公報 特開２００６−２２９１８０号公報 特開２００７−３３５４２６号公報 特開２００８−１５９９４６号公報

ところが、特許文献１に記載の半導体装置では、冷却器の天板に収容凹部を予め形成するための加工が必要となり、その加工の分だけ工程数が増え、製造コストが増すことになった。また、収容凹部を設けるために天板が厚肉に形成されるので、その分だけ半導体装置が嵩張ることとなった。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、工程数や製造コストを増やすことなく絶縁基板を冷却器の天板に位置決めしたコンパクトな半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、冷却器の上に絶縁基板を介して半導体素子を設けた半導体装置であって、冷却器は、天板を含むケースと、ケースに収容され、天板の方へ向いた複数のフィン部を有する冷却フィンとを含むことと、絶縁基板は天板の上に接合されることと、半導体素子は、絶縁基板の上に設けられることと、冷却フィンの複数のフィン部のうち、天板の上の絶縁基板の配置に整合する部分のフィン部が他の部分のフィン部より丈が短いことで冷却フィンの上側に凹部が形成されることとを備え、天板の上に絶縁基板を接合するときに、天板を絶縁基板を介して加圧しながら軟化させて冷却フィンの凹部に倣って天板を沈み込ませ、天板に生じた沈み込み部分に絶縁基板
を嵌め込むことにより、絶縁基板を天板の上にて位置決めしたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、半導体素子を設けた絶縁基板は、冷却器の天板の沈み込み部分に嵌め込まれて位置決めされる。天板の沈み込み部分は、絶縁基板を接合するときに天板を絶縁基板を介して加圧しながら軟化させて沈み込ませることで形成されるので、特別な加工工程を要しない。また、天板の沈み込み部分は、冷却フィンの凹部に倣って沈み込むので、嵩張らない。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、冷却器の上に絶縁基板を介して半導体素子を設けた半導体装置の製造方法であって、冷却器は、天板を含むケースと、ケースに収容され、天板の方へ向いた複数のフィン部を有する冷却フィンとを含むことと、冷却フィンは、複数のフィン部のうち、一部のフィン部を他のフィン部より丈を短くすることで上側に凹部が予め形成されており、冷却器の天板の上に絶縁基板を接合するために、天板を絶縁基板を介して加圧しながら軟化させて冷却フィンの凹部に倣って天板の一部を沈み込ませ、天板に生じた沈み込み部分に絶縁基板を嵌め込むことにより、絶縁基板を天板の上にて位置決めし、次に、絶縁基板の上に半導体素子を接合することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、冷却器の天板の上に絶縁基板を接合するために、天板を絶縁基板を介して加圧しながら軟化させて冷却フィンの凹部に倣って天板の一部を沈み込ませ、天板に生じた沈み込み部分に絶縁基板を嵌め込むことにより、絶縁基板が天板に位置決めされる。従って、天板に沈み込み部分を形成するのに、特別な加工工程を要しない。また、天板の沈み込み部分は、冷却フィンの凹部に倣って沈み込むので、嵩張らない。

請求項１に記載の発明によれば、冷却器の上に絶縁基板を介して半導体素子を設けた半導体装置につき、工程数や製造コストを増やすことなく絶縁基板を冷却器の天板に位置決めして接合することができ、全体をコンパクトにすることができる。

請求項２に記載の発明によれば、工程数や製造コストを増やすことなく絶縁基板を冷却器の天板に位置決めしたコンパクトな半導体装置を製造することができる。

第１実施形態に係り、半導体装置を示す斜視図。 同実施形態に係り、半導体装置を示す分解斜視図。 同実施形態に係り、半導体装置をその幅方向に垂直に切断して示す断面図。 同実施形態に係り、製造方法の一工程を示す断面図。 同実施形態に係り、製造方法の一工程を示す断面図。 同実施形態に係り、製造方法の一工程を示す断面図。 同実施形態に係り、製造方法の一工程を示す断面図。 同実施形態に係り、製造方法の一工程を示す断面図。 第２実施形態に係り、冷却フィンを示す分解斜視図。 第３実施形態に係り、半導体装置をその長手方向に垂直に切断して示す断面図。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の半導体装置及びその製造方法を具体化した第１実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態の半導体装置１を斜視図により示す。図２に、半導体装置１を分解斜視図により示す。図３に、半導体装置１をその幅方向に垂直に切断して断面図により示す。図１〜３に示すように、この半導体装置１は、冷却器２の上に絶縁基板３を介して半導体素子としてのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）４が設けられる。絶縁基板３は、冷却器２の上に接合され、ＩＧＢＴ４は、絶縁基板３の上に接合される。

冷却器２は、ケース本体１１及び天板１２を含むケース１３と、ケース１３に収容され、天板１２の方へ向いた複数のフィン部１４ａを有する櫛形タイプの冷却フィン１４とを含む。ケース本体１１は、前側、後側及び上側を開放した有底の樋形をなす。天板１２は、ケース本体１１の上側開放部を塞ぐようにケース本体１１に固定される。絶縁基板３は、この天板１２の上面に接合される。ケース本体１１は、底壁１１ａと、一対の側壁１１ｂとを含む。ケース１３は、その長手方向の両端、すなわち冷却フィン１４のフィン部１４ａが延びる方向の前後両端が開口する。その一方の開口部が冷却水の入口となり、その他方の開口部が冷却水の出口となる。冷却フィン１４は、複数のフィン部１４ａを上向きにしてケース本体１１の中に収容され、フィン部１４ａの上から天板１２により覆われる。この収容状態で、各フィン部１４ａの間の隙間１５がそれぞれ冷却水の通路となる。

冷却フィン１４は、複数のフィン部１４ａが、互いに隙間１５を置いて平行に形成され、かつ平板状のベース部１４ｂから垂直に突き出して形成される。冷却フィン１４の複数のフィン部１４ａのうち、天板１２上の絶縁基板３の配置に整合する部分のフィン部１４ａは、他の部分のフィン部１４ａより丈が短く形成される。これにより、冷却フィン１４の上側に凹部１６が予め形成される。

天板１２には、冷却フィン１４の凹部１６に整合するように、絶縁基板３が配置される部分に位置決め用の沈み込み部分１７が形成される。この沈み込み部分１７は、天板１２の上に絶縁基板３を接合するときに、天板１２を絶縁基板３を介して加圧しながら軟化させて冷却フィン１４の凹部１６に倣って天板１２を沈み込ませることにより形成される。このように形成される沈み込み部分１７に、絶縁基板３を嵌め込ませることにより、絶縁基板３を天板１２の上にて位置決めするようになっている。

この実施形態では、天板１２は、ケース本体１１の上面にハンダ等の接合剤により接合される。絶縁基板３は、天板１２の沈み込み部分１７にハンダ等の接合剤により接合される。ＩＧＢＴ４は、絶縁基板３の上面に、接合剤により接合される。絶縁基板３は、ＩＧＢＴ４からの発熱を拡散して天板１２及び冷却フィン１４等に伝えるようになっている。

この半導体装置１の冷却器２の入口には、冷却水が導入される。導入された冷却水は、ケース１３の中の複数のフィン部１４ａの間の隙間１５を流れ、冷却器２の出口から導出される。このとき、ＩＧＢＴ４で発生する熱は、絶縁基板３、天板１２及び冷却フィン１４を介して冷却水に奪われ、ＩＧＢＴ４が冷却される。

次に、この実施形態の半導体装置１の製造方法について説明する。図４〜図８は、この製造方法の各工程を断面図により示す。

この製造に先立って、冷却フィン１４は、一部のフィン部１４ａを他のフィン部１４ａより丈を短くすることで、図２に示すように、上側に凹部１６を予め形成しておく。この実施形態で、冷却フィン１４は、予め鍛造により一体成形される。このように上側に凹部１６を有する冷却フィン１４は、金型の構成を凹部１６ができるように変更するだけで従来と同様の工程に一体成形することができる。

先ず、第１の工程では、図４に示すように、ケース本体１１を水平に配置する。第２の工程では、図５に示すように、ケース本体１１の中に、上記のように成形された冷却フィン１４を収容して接合剤により接合する。具体的には、冷却フィン１４のベース部１４ｂをケース本体１１の底壁１１ａの上に接合する。

次に、第３の工程では、図６に示すように、冷却フィン１４を収容したケース本体１１の上に平板状の天板１２を接合する。

次に、第４の工程では、図７に示すように、天板１２の上面に絶縁基板３を載せて、接合する。天板１２の上に絶縁基板３を接合するときには、図８に示すように、天板１２を絶縁基板３を介して接合治具（図示略）により加圧しながら軟化させて冷却フィン１４の凹部１６に倣って天板１２を部分的に沈み込ませる。そして、天板１２に生じた沈み込み部分１７に絶縁基板３を嵌め込むことにより、絶縁基板３を天板１２の上にて位置決めすると共に接合する。この絶縁基板３の接合時には、加圧は、絶縁基板３を天板１２に密着させるために行う。このときの接合温度（約６００℃）では、アルミ製の天板１２が軟化するため、天板１２は加圧により変形する。この結果、絶縁基板３と共に天板１２の一部が沈み込み、冷却フィン１４の凹部１６に入り込む。このように天板１２を変形させるために、絶縁基板３を天板１２に接合する接合温度や加圧を利用しているだけなので、特別な加工工程を別途設定する必要がない。

その後、絶縁基板３の上面にＩＧＢＴ４を接合剤により接合することにより、図１，３に示すような半導体装置１が得られる。

以上説明したこの実施形態の半導体装置１によれば、ＩＧＢＴ４を設けた絶縁基板３が、冷却器２の天板１２の沈み込み部分１７に嵌め込まれて位置決めされる。このため、絶縁基板３を天板１２に対して接合治具により加圧するときには、横向きの力によって絶縁基板３に位置ズレが生じることがない。

また、この実施形態では、天板１２の沈み込み部分１７は、絶縁基板３を天板１２に接合するときに、天板１２を絶縁基板３を介して加圧しながら軟化させて沈み込ませることにより形成されるので、特別な加工工程を別途追加する必要がない。このため、工程数や製造コストを増やすことなく絶縁基板３を冷却器２の天板１２に位置決めすることができる。また、天板１２の沈み込み部分１７は、冷却フィン１４の凹部１６に倣って沈み込むので、嵩張らない。このため、半導体装置１の全体をコンパクトにすることができる。

この実施形態の半導体装置１によれば、冷却器２の冷却フィン１４のうち、凹部１６に対応する部分の各フィン部１４ａの丈が他の部分のそれに比べて短くなっている。このため、冷却フィン１４の隙間１５を冷却水が流れるときに、その流れ方向に対してフィン部１４ａの高さが途中で変化する構成となる。従って、冷却水の流れが、凹部１６の部分で乱れ、乱流が発生する。このため、冷却水との熱交換を促進することができ、冷却器２の冷却性能を向上させることができる。

また、この実施形態の半導体装置１の製造方法によれば、冷却器２の天板１２の上に絶縁基板３を接合するために、天板１２を絶縁基板３を介して加圧しながら軟化させて冷却フィン１４の凹部１６に倣って天板１２の一部を沈み込ませ、天板１２に生じた沈み込み部分１７に絶縁基板３を嵌め込むことにより、絶縁基板３が天板１２に位置決めされる。従って、天板１２に沈み込み部分１７を形成するのに、特別な加工工程を要しない。また、天板１２の沈み込み部分１７は、冷却フィン１４の凹部１６に倣って沈み込むので、嵩張らない。その後、絶縁基板３の上にＩＧＢＴ４を接合することで、半導体装置１が得られる。このため、工程数や製造コストを増やすことなく絶縁基板３を冷却器２の天板１２に位置決めしたコンパクトな半導体装置１を製造することができる。

＜第２実施形態＞
次の、本発明の半導体装置及びその製造方法を具体化した第２実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

なお、以下の説明においては、前記第１実施形態と同等の構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なった点を中心に説明する。

この実施形態では、冷却フィン１４の構成の点で第１実施形態の半導体装置１と構成が異なる。図９に、この実施形態の冷却フィン１４を分解斜視図により示す。この冷却フィン１４は、凹部１６を有する第１ブロック１４Ａと、凹部１６を有しない第２ブロック１４Ｂ及び第３ブロック１４Ｃとを組み合わせることで、図２に示すと同等の形状を有する一つの冷却フィン１４が構成される。具体的には、第１ブロック１４Ａの両端面に対して第２及び第３のブロック１４Ｂ，１４Ｃの一端面をそれぞれ接合することにより、一つの冷却フィン１４を形成することができる。この実施形態では、各ブロック１４Ａ〜１４Ｃは、２種類の押し出し型を使用するだけで成形される。

従って、この実施形態では、２種類の押し出し型を使用するだけで、従来と同様の工程で、２種類のブロック１４Ａ〜１４Ｃを容易に押し出し成形することができる。このため、成形型構成の変更のみで、凹部１６を上面中央に有する冷却フィン１４を容易に成形することができる。この意味で、冷却フィン１４の成形コストを抑えることができる。

＜第３実施形態＞
次の、本発明の半導体装置及びその製造方法を具体化した第３実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

この実施形態では、一つのケースに対して、複数の絶縁基板及び複数のＩＧＢＴ等を設けるように構成した点で前記各実施形態と異なる。図１０に、この実施形態の半導体装置２１をその長手方向に垂直に切断して断面図により示す。この実施形態のケース１３は、一つのケース本体１１と、複数（この実施形態では３つ）の天板１２とにより構成される。冷却フィン２４は、第２実施形態で説明した第１〜第３のブロック１４Ａ〜１４Ｃをそれぞれ２つずつ交互に直列に組み合わせることで構成される。これにより、図１０に矢印で示す冷却水の流れ方向において、冷却フィン２４の上側には、凹部１６のある部分とない部分が複数交互に並ぶこととなる。

このため、この実施形態の半導体装置２１によれば、冷却フィン２４の隙間を冷却水が流れるとき、その流れ方向においてフィン部１４ａの高さが各凹部１６の部分で変化する構成となる。従って、冷却水が、複数の凹部１６を通過する過程で複数回乱れ、複雑な乱流が発生することとなる。この結果、冷却水との熱交換をより一層促進することができ、冷却器２の冷却性能を向上させることができる。

なお、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することができる。

（１）前記各実施形態では、冷却器２のケース１３につき、ケース本体１１と天板１２を別体に構成したが、ケース本体と天板を一体に構成してもよい。

（２）前記各実施形態では、一つの天板１２に一つの絶縁基板３を設けるように構成したが、一つの天板に複数の絶縁基板を設けるように構成してもよい。

この発明は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等のにおいて、高電流、高電圧を制御するための半導体装置に適用することができる。

１ 半導体装置
２ 冷却器
３ 絶縁基板
４ ＩＧＢＴ（半導体素子）
１２ 天板
１３ ケース
１４ 冷却フィン
１４ａ フィン部
１６ 凹部
１７ 沈み込み部分
２１ 半導体装置
２４ 冷却フィン

Claims (2)

1. 冷却器の上に絶縁基板を介して半導体素子を設けた半導体装置であって、
   前記冷却器は、天板を含むケースと、前記ケースに収容され、前記天板の方へ向いた複数のフィン部を有する冷却フィンとを含むことと、
   前記絶縁基板は前記天板の上に接合されることと、
   前記半導体素子は、前記絶縁基板の上に設けられることと、
   前記冷却フィンの複数のフィン部のうち、前記天板の上の前記絶縁基板の配置に整合する部分の前記フィン部が他の部分の前記フィン部より丈が短いことで前記冷却フィンの上側に凹部が形成されることと
   を備え、前記天板の上に前記絶縁基板を接合するときに、前記天板を前記絶縁基板を介して加圧しながら軟化させて前記冷却フィンの前記凹部に倣って前記天板を沈み込ませ、前記天板に生じた沈み込み部分に前記絶縁基板を嵌め込むことにより、前記絶縁基板を前記天板の上にて位置決めしたことを特徴とする半導体装置。
2. 冷却器の上に絶縁基板を介して半導体素子を設けた半導体装置の製造方法であって、
   前記冷却器は、天板を含むケースと、前記ケースに収容され、前記天板の方へ向いた複数のフィン部を有する冷却フィンとを含むことと、
   前記冷却フィンは、前記複数のフィン部のうち、一部のフィン部を他のフィン部より丈を短くすることで上側に凹部が予め形成されており、
   前記冷却器の前記天板の上に前記絶縁基板を接合するために、前記天板を前記絶縁基板を介して加圧しながら軟化させて前記冷却フィンの前記凹部に倣って前記天板の一部を沈み込ませ、前記天板に生じた沈み込み部分に前記絶縁基板を嵌め込むことにより、前記絶縁基板を前記天板の上にて位置決めし、
   次に、前記絶縁基板の上に前記半導体素子を接合する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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