JP2013115297A - パワー半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】軽量、高放熱効率、高剛性のパワー半導体装置を提供する。
【解決手段】ベース１と、ベース１に配設される半導体回路２と、半導体回路２を冷却する冷却フィン３と、を備えるパワー半導体装置であって、ベース１には１つ以上の凸部１ａ，１ｂが形成され、凸部１ａ，１ｂにおける、ベース１表面に平行な方向の幅が、ベース１の厚さよりも長くなっていることにより、軽量、高放熱効率、高剛性のパワー半導体装置１００，２００，３００，４００を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体装置に関する。
半導体回路を有する半導体装置が広く用いられている。中でも、パワー半導体回路を有するパワー半導体装置は、大出力のモータや発電機等の電気機器の制御や電力変換の用途に用いられている。このようなパワー半導体装置としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が挙げられる。
近年、船舶や鉄道、さらには電気自動車やハイブリッド電気自動車等の自動車等に搭載される電力制御装置として、パワー半導体装置の需要が拡大してきている。そのため、パワー半導体装置は、電気機器としての高効率化や大容量化のみならず、車載用部材として軽量化等の要求も高まっている。このような要求に応えるべく、軽量なパワー半導体装置を提供する技術として、特許文献１〜４に記載の技術が知られている。
特開２００９−０２６９５７号公報 特開平１１−２１４６１２号公報 特開２０１０−０２７７３５号公報 特開平０９−１２１０１８号公報
軽量なパワー半導体装置を得るためには、パワー半導体装置を構成するベース（基材）の厚さを薄くすることが考えられる。しかしながら、ベースを単に薄くした場合、ベースの強度に課題が生じることがある。
また、パワー半導体装置は、使用中に通常高温になるため、放熱が重要である。特に、半導体装置に通流する電流が大きければ大きいほど、発生する熱量も大きい。そのため、大電流を扱う半導体装置において、発生する熱を効率よく外部へ放出することがとりわけ重要である。
ベースの材料として、通常は金属材料が用いられる。そのため、半導体装置から発生する熱によって金属が膨張することがある。これにより、ベースと各部材とを固着させるはんだ等の接続部が、ベースの膨張によって疲労することがある。従って、接続部が破損しやすくなり、長期間の使用が困難になることがある。即ち、パワー半導体装置の寿命が短くなる。
本発明は前記課題に鑑みて為されたものである。本発明の目的は、軽量、高放熱効率、高剛性のパワー半導体装置を提供することである。
本発明者らは前記課題を解決するべく鋭意検討した結果、ベース上に凸部を形成することにより前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
本発明によれば、軽量、高放熱効率、高剛性のパワー半導体装置を提供することができる。
第１実施形態に係るパワー半導体装置１００の断面図である。 パワー半導体装置１００におけるベース１のみの断面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。 熱抵抗及び寿命を評価するためのモデル部材１５０である。 ベースの厚さと熱抵抗比との関係を示すグラフである。 モデル部材１５０を加熱したときの反りの様子を示す図である。 ベースの厚さと寿命比との関係を示すグラフである。 ベースの反り量を評価するためのモデル部材１６０である。 ベースの厚さと反り量比との関係を示すグラフである。 パワー半導体装置１００の製造方法を示す図である。 第２実施形態に係るパワー半導体装置２００の断面図である。 第３実施形態に係るパワー半導体装置３００の断面図である。 第４実施形態に係るパワー半導体装置４００の断面図である。
以下、図面を適宜参照しながら、本発明を実施するための形態（本実施形態）を説明する。
［１．第１実施形態］
＜構成＞
第１実施形態に係るパワー半導体装置１００は、図１に示すように、ベース１と、ベース１に配設される半導体回路２と、半導体回路２を冷却する冷却フィン３とを備える。そして、ベース１は、その周辺を囲う縁部１ａと、縁部１ａによって囲んで形成される空間内部に前記縁部１ａを架橋して形成される凸部１ｂと、凸部１ｂが形成される底部１ｃとを備える。なお、縁部１ａは、特許請求の範囲で規定する「凸部」の一形態である。従って、本実施形態においては、特許請求の範囲で規定する「凸部」が２つ以上設けられていることになる。
縁部１ａ、凸部１ｂ及び底部１ｃの詳細は、図２（ａ）を参照しながら後記する。
さらに、パワー半導体装置１００は、図１に示すように、冷却ジャケット４と、シール部材５と、ブロック６と、電極７と、配線２ｆと、を備える。そして、ベース１内は、シリコンゲル９によって満たされ、半導体回路２が封止されている。さらに、ベース１と冷却ジャケット４との間に形成される空間には冷媒（図示しない）が通流している。
ベース１は、アルミニウムにより構成される部材である。なお、図示はしていないが、ベース１の表面には、ニッケル等のメッキが施されている。これにより、後記する半導体回路２の接続性（固定強度）が向上するほか、耐腐蝕性を向上させることもできる。
ベース１は、前記した図１並びに図２に示すように、縁部１ａと凸部１ｂと底部１ｃとを備える。縁部１ａ及び凸部１ｂは、それぞれ独立して所定の高さ及び幅を有するものである。即ち、パワー半導体装置１００においては、底部１ｃの上面１Ａに、縁部１ａ及び凸部１ｂが形成される形態になっている。なお、「高さ」とは、ベース１の底部１ｃに垂直な方向の長さである。また、「幅」とは、ベース１の底部１ｃに平行な方向の長さである。
ここで、パワー半導体装置１００における、ベース１と凸部１ｂと冷却フィン３を構成するピンフィン３ａとの関係について説明する。
はじめに、ベース１と凸部１ｂとの関係について説明する。図２（ａ）に示すように、凸部１ｂの幅をＷとする。また、ベース１の底部１ｃの厚さをＴとする。さらに、隣接するピンフィン３ａ同士の間隔（ピンフィン３ａのベース１への接合部分を起点とする）をＬとする。
そして、このように、幅Ｗ及び厚さＴを規定する場合、パワー半導体装置１００においては、幅Ｗは厚さＴよりも長くなっている。このように、パワー半導体装置１００が凸部１ｂをベース１（具体的には底部１ｃ）表面に備え、しかも前記関係を満たすことで、ベース１の底部１ｃを薄肉化しつつもベース１の剛性を高めることができる。しかも、底部１ｃが薄肉化されているので、パワー半導体装置１００を軽量化することもできる。
冷媒等によって冷却される機構を備える従来のパワー半導体装置のベースは、通常、銅により構成されている。それは、例えばアルミニウム等を用いると、熱抵抗が増加して半導体回路が冷却されにくくなるという課題があるからである。即ち、半導体回路から冷却手段（冷却フィン等）への伝熱が行われにくくなるため、放熱効率が低下するからである。
また、例えばアルミニウム等を用いると、アルミニウムの熱膨張率が大きいため、ベース自体の熱膨張が大きくなる。そのため、ベースが熱膨張して変形することがある。そのため、ベース上に設けられるはんだの寿命が短くなるという課題がある。
しかしながら、本実施形態に係るパワー半導体装置１００においては、ベース１を構成する材料としてアルミニウムを用いている。ただ、単にアルミニウムをベース１の材料として用いただけでは、前記のような課題が存在する。そこで、パワー半導体装置１００においては、凸部１ｂを設けている。そして、この凸部１ｂの幅Ｗとベース１の底部１ｃの厚さＴとの関係を前記のようなものにすることにより、従来の銅を用いて為し得なかった厚さのベース１を形成することができる。そして、これにより、ベース１を薄肉化することができ、半導体回路２から冷却フィン３への熱抵抗の増加を抑制することができる。そのため、ベース１の材料としてアルミニウムを用いた場合でも、高い放熱効率を維持することができる。
しかも、ベース１を薄肉化しても、高い剛性を維持することができる。さらには、ベース１は薄肉化されているため、パワー半導体装置１００全体の軽量化を図ることができる。また、ベース１は薄肉化されているため、熱による膨張量を抑制することができ、ベース１の反りを抑制することができる。その結果、はんだの接合部分の劣化を防止でき、しかも、冷媒の漏れを防止することができる。
前記した幅Ｗと厚さＴとの具体的な数値範囲に特に制限はない。例えば、ベース１の紙面横方向の寸法が１５０ｍｍ、紙面に垂直な方向の寸法（奥行き）が６０ｍｍである場合、幅Ｗは２ｍｍより大きく１０ｍｍ以下、厚さＴは２ｍｍ以下とすることができる。また、他の部位の長さとしては、例えば、縁部１ａの高さ（底部１ｃの厚さを含む）は１５ｍｍとすることができる。
次に、凸部１ｂとピンフィン３ａとの関係について説明する。本実施形態に係るパワー半導体装置１００においては、ピンフィン３ａ同士の距離のうちの最短距離Ｌが、凸部１ｂの幅Ｗよりも短くなっている。パワー半導体装置１００がこのように構成されている理由を説明する。
本実施形態に係るパワー半導体装置１００においては、幅Ｗと最短距離Ｌとが前記の関係を満たしている。そして、このような関係を満たすことで、ピンフィン３ａの間隔を密なものとすることができる。その結果、ピンフィン３ａと冷媒との接触面積を十分なものにすることができ、ピンフィン３ａ（即ち冷却フィン３）による十分な冷却を行うことができる。
冷却フィン３に関する具体的な数値に特に制限は無い。例えば、前記と同様に、ベース１の紙面横方向の寸法が１５０ｍｍ、紙面に垂直な方向の寸法（奥行き）が６０ｍｍである場合、ピンフィン３ａの高さは６ｍｍ、最短距離Ｌは１ｍｍとすることができる。ただし、ピンフィン３ａの間隔が広すぎる場合、ピンフィン３ａの本数が少なすぎるため、放熱効率が低下することがある。また、間隔が過度に狭すぎる場合、ピンフィン３ａの間にごみ等が詰まって、やはり放熱効率が低下することがある。そのため、前記の最短距離Ｌは、１ｍｍ程度以上とすることが好ましい。
図１に戻り、パワー半導体装置１００の全体構成を説明する。
半導体回路２は、パワー半導体装置１００としての機能を発揮させるための回路群である。具体的には、半導体回路２は、ＩＧＢＴ素子２ａと、ダイオード素子２ｂと、素子下はんだ２ｃと、基板上面導体層２ｄと、絶縁基板２ｅと、を備えてなる。そして、半導体回路２は、配線２ｆを介して電極７に電気的に接続されている。さらに、ＩＧＢＴ素子２ａとダイオード素子２ｂとは、配線２ｆにより電気的に接続されている。そして、ダイオード素子２ｂは基板上面導体層２ｄとも、配線２ｆにより電気的に接続されている。
半導体回路２は、縁部１ａと凸部１ｂとの間であり、ベース１の底部１ｃの上面（回路接続面）１Ａに固定される。このとき、半導体回路２は、基板下面導体層１０及び基板下はんだ１１を介して底面１Ａ（即ちベース１）に固定される。
ＩＧＢＴ素子２ａが発生する熱を効率よく外部（具体的には冷媒）に放出するために、絶縁基板２ｅは熱伝導性の優れたものを用いる。具体的には、絶縁基板２ｅを構成する材料としては、例えば窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ等のセラミックスが用いられる。絶縁基板２ｅがこのような材料により構成されることで、ＩＧＢＴ素子２ａからの熱を効率よく外部へ放出することができる。
ちなみに、半導体回路２からの熱は、基板下面導体層１０、基板下はんだ１１、ベース１及び冷却フィン３をこの順で伝達されて、冷却フィン３に接する冷媒に伝達される。従って、冷却フィン３が、半導体回路２を冷却する部材となる。
また、パワー半導体装置１００においては、ＩＧＢＴ素子２ａはスイッチング用途として用いられる。さらに、ダイオード素子２ｂは整流用途として用いられる。
パワー半導体装置１００における、半導体回路２を構成する各部材の大きさは以下のようになっている。即ち、絶縁基板２ｅの紙面横方向の寸法は５０ｍｍ、紙面に垂直な方向の寸法は３０ｍｍであり、厚さは０．３ｍｍである。また、基板上面導体層２ｄ及び基板下面導体層１０の寸法はいずれも等しく、紙面横方向の寸法は４８ｍｍ、紙面に垂直な方向の寸法は２８ｍｍ、厚さは０．５ｍｍである。なお、基板上面導体層２ｄは、紙面では別部材として示しているが、前記の寸法は一体物と看做した時の寸法である。即ち、基板上面導体層２ｄの紙面左端部から紙面右端部までの長さが４８ｍｍとなる。
さらに、ＩＧＢＴ素子２ａの紙面横方向の寸法は１０ｍｍ、ダイオード素子２ｂの紙面横方向の寸法は６ｍｍである。これらにおいて、紙面に垂直な方向の寸法と厚さは両者に共通であり、紙面に垂直な方向の寸法は１０ｍｍ、厚さは０．１ｍｍである。
このように、絶縁基板２ｅの紙面横方向の長さは、基板上面導体層２ｄ及び基板下面導体層１０の紙面横方向の長さよりも長くなっている。そのため、半導体回路２の側面が縁部１ａ又は凸部１ｂに接触した場合でも、絶縁基板２ｅが縁部１ａ又は凸部１ｂと接触するようになっている。このため、ベース１と半導体回路２との間で、電気的な絶縁が維持できる。
冷却フィン３は、図１に示すように、半導体回路２が配設される面とは逆側のベース１に配設されている。なお、本実施形態においては、冷却フィン３はベース１と一体的に成形されている。これらは別体として成形されてその後接合されるようにしてもよいが、この点についての詳細は後記する。
冷却フィン３は、前記のように、複数のピンフィン３ａにより構成される。冷却フィン３を構成する材料は、ベース１と同様の材料を用いる。即ち、本実施形態における冷却フィン３を構成する材料はアルミニウムとなる。そして、前記したように、ベース１と冷却ジャケット４（後記する）との間に形成される空間には冷媒が通流し、この冷媒と冷却フィン３とが接触する。これにより、冷却フィン３から熱が冷媒に伝達され、半導体回路２が冷却される。
ベース１及び冷却フィン３は、前記のようにアルミニウムにより構成されている。アルミニウムは銅と比較して成形性や加工性に優れている。従って、ベース１及び冷却フィン３をアルミニウムにより構成することで、本実施形態のように一体的に成形することができる。そして、一体成形可能なことで、製造工程の簡略化及び製造コストの削減を図ることができる。このような一体成形は、例えば鍛造等により行うことができる。
また、冷却フィン３のみをはじめに鍛造した後に、機械加工によりベース１の部分を削り出すようにしてもよい。このような方法を採ることで、鍛造時に成形の必要な面が冷却フィン３側の面のみとなるので、鍛造が容易になるという利点がある。なお、もちろん、ベース１と冷却フィン３とを別体として鍛造した後、それらをロウ付けしてもよい。このようにすることで、鍛造時に冷却フィン３側の面の成形が不要となるため、鍛造が容易になるという利点がある。
冷却ジャケット４は、図示しないボルト締結によってベース１に対して固定される。そして、冷却ジャケット４とベース１とにより形成される空間に、水等の冷媒が通流する。また、ベース１と冷却ジャケット４との接続面間には、Ｏリング等のシール部材５が設けられる。これにより、冷媒の漏出が防止される。
ブロック６は、ベース１と後記する電極７とを電気的に絶縁するものである。即ち、ブロック６は、ベース１と電極７との間に配設される絶縁部材である。このようなブロック６を構成する材料として、本実施形態においては、樹脂を含む部材が用いられている。樹脂の具体例としては、ＰＢＴ（PolyButylene Terephtalate）、ＰＰＳ（PolyPhenylene Sulfide）等が挙げられる。
また、電極７は、半導体回路２と配線（電気信号線）２ｆを介して接続される接続端子であって、図示しない外部装置と接続される。
シリコンゲル９は、ベース１の縁部１ａにより囲まれて形成される空間に充填されるものである。図１に示すように、縁部１ａの高さはシリコンゲル９の高さよりも高い。そのため、シリコンゲル９の漏出が防止される。一方で、シリコンゲル９の高さは、半導体回路２の高さよりも高い。従って、半導体回路２は、シリコンゲル９によって封止された状態になっている。これにより、半導体回路２が、湿気や埃等の外雰囲気から保護される。さらに、図示はしていないが、シリコンゲル９の上面全体を覆うように樹脂製の蓋部材が配設されている。この蓋部材により、パワー半導体装置１００内部が外雰囲気から保護される。
＜効果＞
パワー半導体装置１００の動作時、ＩＧＢＴ素子２ａ及びダイオード素子２ｂが特に大きなジュール熱を発する。そこで、パワー半導体装置１００を冷却するうえで、ＩＧＢＴ素子２ａ及びダイオード素子２ｂで発生するジュール熱をベース１の下面に可能な限り小さなロスで伝達し、冷媒に逃がすことが重要である。この点を考慮し、パワー半導体装置１００におけるベース１の底部１ｃは、縁部１ａの厚み（高さ）よりも薄肉化している。そのため、パワー半導体装置１００では熱伝導のロスが小さく、放熱効率が高い。
また、縁部１ａや凸部１ｂと比較して底部１ｃを薄肉化することは、半導体回路２を固定する基板下はんだ１１の疲労寿命低下の抑制にもつながる。パワー半導体装置１００は、前記のように動作時に高温になる。そのため、熱膨張係数の異なる部材間には、大きな熱応力が作用する。例えば、絶縁基板２ｄの熱膨張係数は、窒化ケイ素により構成した場合で約２．５ｐｐｍ／Ｋ、アルミナにより構成した場合には約７．１ｐｐｍ／Ｋである。一方で、ベース１の熱膨張係数は、アルミニウムにより構成した場合は約２４．０ｐｐｍ／Ｋである。このように、絶縁基板２ｄの熱膨張係数とベース１の熱膨張係数とは、大きく異なる。
そのため、パワー半導体装置１００のオン／オフにより温度変化が繰り返されると、特に、絶縁基板２ｄとベース１とを接続する部材である、基板下はんだ１１の熱疲労が生じ易い。従って、基板下はんだ１１の熱疲労寿命の確保が大きな課題となる。この点を鑑み、本発明が想起された。即ち、前記したように、パワー半導体装置１００においては、ベース１の底部１ｃの厚さが薄肉化されているため、基板下はんだ１１が固定されるベース１の部分での熱膨張が低減される。そのため、基板下はんだ１１の疲労寿命低下を抑制することができる。
さらに、ベース１の下部（冷却ジャケット４が固定される側）には、冷媒が通流している。そのため、ベース１の下部には、冷媒の圧力が印加される。そして、この圧力によってベース１の反り変形が大きい場合には、通流する冷媒が外部へ漏出することがある。従って、薄肉化しつつも、ベース１を高剛性に維持することも重要な課題である。そこで、この点に鑑み、ベース１には、凸部１ｂが形成されている。これにより、ベース１の底部を薄肉化しつつも、ベース１全体としての剛性を向上させることができる。さらには、縁部１ａにより、よりいっそうの高剛性化を図っている。
また、パワー半導体装置１００においては、凸部１ｂがベース１の中央付近に形成されている（図１及び図２参照）。そのため、凸部１ｂと対向する２つの縁部１ａとの間に形成される領域は、ほぼ同じ面積となる。そのため、半導体回路２をこの面積程度の大きさとすることで、これら２つの領域に半導体回路２をそれぞれ固定することができる。
即ち、パワー半導体装置１００の製造時、縁部１ａと凸部１ｂとにより形成される領域（凹み）に、半導体回路２をはめ込むことができる。このようにすることで、半導体回路２の複雑な位置決めを行う必要が無い。そのため、はんだ付け時に別途の位置決め冶具等の用意や取付けが不要となり、製造コストや製造時間を削減できる。
以上の効果を、図３〜図８を参照しながらより詳細に説明する。
パワー半導体回路１００による効果を確認するために、図３に示すモデル部材１５０を作製した。図３（ｂ）には、図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図を示している。モデル部材１５０は、素子用基板２０と、素子下はんだ２１と、基板上面導体層２２と、絶縁基板２３と、基板下面導体層２４と、基板下面はんだ２５と、ベース２６を備える。
なお、素子用基板２０は図１に示すＩＧＢＴ素子２ａ及びダイオード素子２ｂに、素子下はんだ２１は素子下はんだ２ｃに、基板上面導体層２３は基板上面導体層２ｄに、絶縁基板２３は絶縁基板２ｅに、基板下面導体層２４は基板下面導体層１０に、基板下はんだ２５は基板下はんだ１１に、ベース２６はベース１の底部１ｃに相当する。
そして、モデル部材１５０を用い、パワー半導体装置１００の熱抵抗低減効果を評価した。その結果を図４に示す。図４の横軸は、ベース２６の厚さ（紙面上下方向の厚さ）である。また、縦軸は、厚さ３ｍｍの銅製ベース（従来のベース）を用いた場合の熱抵抗を１（プロットＲ０）として正規化した値（熱抵抗比）としている。
モデル部材１５０における熱抵抗の測定は、素子用基板２０の上面を１５０℃に加熱し、ベース２６の下面から放熱する条件での熱伝導解析を実施することで行った。即ち、素子用基板２０とベース２６下面との間の熱抵抗を測定した。なお、アルミニウムの熱伝導率は約２４０Ｗ／ｍＫである。また、銅の熱伝導率は３９０Ｗ／ｍＫである。従って、銅の熱伝導率は、アルミニウムの熱伝導率と比較して１．６倍の大きさである。
図４に示すように、銅製ベースと同じ厚さ３ｍｍのアルミニウム製ベース２６を用いると、熱抵抗は１１％増加した（プロットＲ１）。しかし、ベース２６の厚さを薄肉化することで熱抵抗は減少した。具体的には、厚さを２ｍｍまで薄肉化すれば、厚さ３ｍｍの銅製ベースと比較して、熱抵抗が４％減少した（プロットＲ２）。さらに、厚さを１ｍｍまで減らせば、熱抵抗は２１％減少した（プロットＲ３）。ちなみに、銅製ベースと同程度の熱抵抗となるのは、厚さが２．３ｍｍの時であった。このように、従来の銅製ベースと比較して薄肉化することで、良好な熱抵抗値とすることが可能であった。これにより、従来のパワー半導体装置と比較して軽量にしつつ、良好な放熱効率とすることができることがわかった。
次に、半導体回路２をベース１に固定するはんだ（基板下はんだ１１，２５に相当）の寿命を評価した。図５は、モデル部材１５０全体の温度を１２５℃から−４０℃まで変化させた場合の変形を有限要素法による熱応力解析により計算し、−４０℃での変形形状を、変形量を１０倍に拡大して示したものである。
図１に示すパワー半導体装置１００は動作時に高温になる。そのため、パワー半導体装置１００も、図５に示すモデル部材１５０と同様に変形する。従って、前記のように、半導体回路２をベース１に固定するはんだの疲労寿命低下を抑制することが重要である。図６に、ベース２６の厚さと基板下はんだ２５の疲労寿命との関係を示す。
図６は、図５の熱応力解析結果から、基板下はんだ２５の塑性ひずみを取得して寿命に換算し、ベース厚さ３ｍｍの場合のはんだ寿命を１として正規化したもの（寿命比）である。なお、このベースは、アルミニウム製のものである。
図６に示すように、ベース２６の厚さが２ｍｍのとき、３ｍｍの場合と比較して、寿命が１８％向上していた。また、厚さが１ｍｍのとき、３ｍｍの場合と比較して、寿命が６１％向上していた。このように、ベース２６を薄肉化すればするほど、はんだ寿命が向上することがわかった。
次に、パワー半導体装置１００におけるベース１と冷却ジャケット４との間を通流する冷媒の漏出防止効果を評価した。図７に、ベース２７の縁に凸部２８が形成された、即ち、矩形板の４縁近傍に凸部２８を設けたモデル部材１６０（図７（ａ））と、凸部を形成しないモデル部材１６１（図７（ｂ））とを示す。なお、モデル部材１６０及びモデル部材１６１のいずれにおいても、冷却フィンを固定するボルト孔２９を併せて示している。
前記したように、ベースを薄肉化することで、アルミニウム製ベースを用いた場合でも熱抵抗増加を抑制し、はんだ寿命の低下を抑制することができる。しかし、図７（ｂ）に示すモデル部材１６１のような、凸部が無いベース３０のみの構成であると、単に薄肉化するとベース３０の剛性が低下する。特に、前記したように、パワー半導体装置１００においては、ベース１の下面から冷媒の圧力が負荷されるので、十分なベース１の剛性を確保することが重要となる。そのため、図１や図７（ａ）に示す凸部１ｂ，２８を設けることで、冷媒圧力に対するベース１，２７の反りを抑制し、冷媒の漏出を防止することができる。
図８は、図７に示すモデル部材１６０，１６１のベース２７，３０下面から水圧を負荷する有限要素解析を実施し、ベース２７の縁部２８での最大の反り量を比較したものである。縦軸は、モデル部材１６１での厚さ３ｍｍの銅製ベースの反り量を１とし、正規化したもの（反り量比）を示している。なお、図８には、従来の厚さ３ｍｍの銅製ベースを用い、モデル部材１６１の結果も併せて示している（プロットＷ０）。
さらに、図７（ａ）に示す構造（アルミニウム製のモデル部材１６０）について、ベース２７の厚さが２ｍｍ、凸部２８の厚さが４ｍｍのときの反り量比（１．１）を一点鎖線Ａで示している。同様に、ベース２７の厚さが２ｍｍ、凸部２８の厚さが５ｍｍのときの反り量比（０．６７）を一点鎖線Ｂで示している。
図８に示すように、凸部を備えず、厚さ３ｍｍのアルミニウム製のベースを用いた場合（アルミニウム製のモデル部材１６１）、銅製のベースを用いた場合と比較して、反り量比が１．８倍に増加した（プロットＷ１）。さらに、凸部を備えず、厚さ２ｍｍのアルミニウム製のベースを用いた場合（アルミニウム製のモデル部材１６１）、銅製のベースを用いた場合と比較して、反り量比が４．２倍に増加した（プロットＷ２）。このように、従来の銅製ベースを単にアルミニウム製ベースに変更すると、反り量が極めて大きくなることが分かった。
一方、凸部２８の厚さを４ｍｍ、ベース２７の厚さを２ｍｍとしたアルミニウム製のモデル部材１６０の場合（一点鎖線Ａ）、反り量比の増加は１０％に抑制された。即ち、従来の銅製ベースでは３ｍｍの肉厚を、アルミニウム製ベースで２ｍｍにしても、過度に反り量が増加することがなかった。さらに、凸部２８の厚さを５ｍｍに設定すれば、反り量は３３％減少した。即ち、凸部２８を形成することにより、従来の銅製ベースよりも薄肉化できるとともに、反り量を従来と同程度に維持できるか、或いは従来よりも大幅に低減できることがわかった。
＜製造方法＞
次に、図９を参照しながら、図１に示すパワー半導体装置１００の製造方法を説明する。
はじめに、前記したように、鍛造等によって、冷却フィン３を備えるベース１を製造する。そして、製造したベース１の縁部１ａに、ベース１内壁に密着するように樹脂製のブロック６が嵌め込まれる（図９（ａ））。ブロック６の縁部１ａへの固定は、ボルトや接着剤等によって行われる。なお、電極７は、ブロック６の成形時に埋め込まれ、ブロック６に電極７が固定される。
次に、半導体回路２と基板下面導体層１０とが一体に構成された部材を、基板下はんだ１１を介してベース１の底面１Ａに固定する（図９（ｂ））。固定方法は、以下のように行われる。即ち、ベース１の底面１Ａ上に基板下はんだ１１を載せた後、その上に半導体回路２と基板下面導体層１０とが一体に構成された部材を載せる。そして、これら全体を高温炉で加熱することで、半導体回路２及び基板下面導体層１０が、基板下はんだ１１によって、ベース１に固定（接続）される。
なお、高温炉で加熱する際、基板下はんだ１１は融解する。しかしながら、ベース１には縁部１ａが形成されているので、融解したはんだが外部へ漏出することがない。また、前記したように、縁部１ａ及び凸部１ｂによって、半導体回路２の配設場所が予め定められているため、載置時の位置決めが不要となる。そのため、位置決めのための別途の冶具等が不要となる。
基板下はんだ１１によって半導体回路２がベース１に固定された後、半導体回路２と電極７とを配線２ｆによって電気的に接続する（図９（ｃ）参照）。
次に、縁部１ａにより囲まれて形成された空間内にシリコンゲル９を注入する（図９（ｃ））。これにより、半導体回路２がシリコンゲル９で封入される。なお、前記した基板下はんだ１１と同様、ベース１には縁部１ａが形成されているため、シリコンゲルが外部へ漏出することが無い。この後、図示しないが、シリコンゲル９の状面を覆うように、樹脂製の蓋部材が装着される。
そして、ベース１と冷却ジャケット４との間にシール部材５を介在させ、この状態で、冷却ジャケット４をボルト（図示しない）にてベース１に固定する（図９（ｄ））。そして、ベース１と冷却ジャケット４との間の空間に冷媒を通流することで、パワー半導体装置１００が製造される。
なお、パワー半導体装置１００の製造方法は、前記の内容になんら限定されない。従って、適宜変更して製造すればよい。
［２．第２実施形態］
次に、図１０を参照しながら、第２実施形態に係るパワー半導体装置２００を説明する。なお、図１に示すパワー半導体装置１００と同様の部材については同様の符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。
パワー半導体装置２００においては、パワー半導体装置１００における凸部１ｂの高さが縁部１ａの高さと同程度になっている。即ち、パワー半導体装置１００においては、縁部１ａによってのみ囲まれて１つの空間が形成されていた。しかしながら、パワー半導体装置２００においては、縁部１ａによって囲まれて形成される１つの空間が凸部１ｂによって区画され、２つの空間が形成されている。
このように凸部１ｂを形成することで、縁部１ａ及び凸部１ｂの両方の高さを、シリコンゲル９の高さよりも高くすることができる。そして、このようにパワー半導体装置２００を構成することでも、前記したパワー半導体装置１００と同様のパワー半導体装置とすることができる。
また、凸部１ｂに隣接して、ブロック６及び電極７が新たに設けられている。そのため、パワー半導体装置１００と比較して、電極７の本数を増加させることができる。
［３．第３実施形態］
次に、図１１を参照しながら、第３実施形態に係るパワー半導体装置３００を説明する。なお、図１に示すパワー半導体装置１００と同様の部材については同様の符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。
パワー半導体装置３００においては、冷却フィン３の形状が、パワー半導体装置１００の冷却フィン３の形状とは異なっている。即ち、パワー半導体装置３００における冷却フィン３は、隙間３ｃを有する矩形（板状）フィン３ｂにより構成されている。このように冷却フィン３を構成することで、隙間３ｃの中も冷媒が通流することができる。そのため、矩形フィン３ｂに対する冷媒の接触面積が広くなり、冷却フィン３による放熱効率をよりいっそう向上させることができる。
［４．第４実施形態］
次に、図１２を参照しながら、第４実施形態に係るパワー半導体装置４００を説明する。なお、図１に示すパワー半導体装置１００と同様の部材については同様の符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。
パワー半導体装置４００においては、パワー半導体装置１００において設けられていた基板下面導体層１０及び基板下はんだ１１が除去されている。即ち、絶縁基板２ｅとベース１の底面１Ａとが、はんだを介さずに直接固定されている。
絶縁基板２ｅのベース１への固定は、溶湯接合法によって行われる。即ち、ベース１を鍛造によって成形し、鍛造後の冷却途中（アルミニウムが完全に固化する前）にベース１と絶縁基板２ｅとを接触させることで、絶縁基板２ｅを固定することができる。この際、ベース１と絶縁基板２ｅとの界面には合金層が形成され、絶縁基板２ｅが直接固定されることになる。
このようにすることで、基板下面導体層１０及び基板下はんだ１１を設けなくてもよい。そのため、熱抵抗がパワー半導体装置１００よりも小さくなるため、半導体回路２の熱をより効率よく冷却フィン３に伝達することができる。また、基板下はんだ１１を設けていないため、前記したはんだの疲労が課題にならないという利点もある。
［５．変更例］
前記した４つの実施形態の他にも、本発明の要旨を損なわない範囲で前記実施形態を適宜変更して実施可能である。
例えば、前記した各実施形態においては縁部１ａ及び凸部１ｂを設けているが、縁部１ａを設けずに凸部１ｂのみを設けてもよい。また、凸部１ｂを設けず、縁部１ａのみを設けてもよい。この場合、縁部１ａが、特許請求の範囲で特定する「凸部」に相当する。
凸部１ｂの場所は特に制限されず、どこであってもよい。ただし、本発明の効果を最大限発揮させるという観点から、対向するベースの縁同士を架橋するように設けることが好ましい。例えば矩形状のベースの場合、４隅のうちの対向する隅同士を架橋するように設けることができる。
さらに、凸部１ｂの高さが、縁部１ａの高さよりも高くなっていてもよい。そして、凸部１ｂの数も１つに限定されず、複数形成されていてもよい。これらのようにしても、本発明の効果を奏することができる。
また、ベース１を構成する材料についても、アルミニウムの単体に限定されず、アルミニウム合金、アルミニウムで被覆された絶縁体等、アルミニウムを含む材料であればどのようなものであってもよい。
また、冷却フィン３の構成も前記の実施形態に何ら限定されず、放熱を効率よく行える限り、任意の形状にすることができる。
冷却フィン３としてピンフィンを用いる場合（第１実施形態等）、ピンフィン３ａの配置は特に制限されない。前記した好適な最短距離Ｌを考慮して、適宜設計して配置すればよい。
また、半導体回路２の構成も前記の実施形態に何ら限定されず、任意の半導体回路を同様に適用可能である。また、電極７の数も同様に任意に設定すればよい。
また、シール部材５の種類もＯリングに何ら限定されず、パッキン等適宜変更可能である。
また、半導体回路２を封止するゲルもシリコンゲル９に限定されず、絶縁可能なゲルであれば任意のゲルを用いることができる。
１ ベース
１ａ 縁部（凸部）
１ｂ 凸部
２ 半導体回路
２ａ ＩＧＢＴ素子
２ｂ ダイオード素子
２ｃ 素子下はんだ
２ｄ 基板上面導体層
２ｅ 絶縁基板
２ｆ 配線（電気信号線）
３ 冷却フィン
３ａ ピンフィン
４ 冷却ジャケット
５ シール部材
６ ブロック（絶縁部材）
７ 電極（接続端子）
９ シリコンゲル（ゲル）
１０ 基板下面導体層
１１ 基板下はんだ
１００ パワー半導体装置
２００ パワー半導体装置
３００ パワー半導体装置
４００ パワー半導体装置

Claims (13)

  1. ベースと、前記ベースに配設される半導体回路と、前記半導体回路を冷却する冷却フィンと、を備えるパワー半導体装置であって、
    前記ベースには１つ以上の凸部が形成され、
    前記凸部における前記ベース表面に平行な方向の幅が、前記ベースの厚さよりも長くなっている
    ことを特徴とする、パワー半導体装置。
  2. 請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
    前記冷却フィンは複数のピンフィンにより構成され、
    前記冷却フィンを構成する複数のピンフィンのうち、ピンフィン同士の最短距離が、前記凸部の幅よりも短くなっている
    ことを特徴とする、パワー半導体装置。
  3. 請求項１又は２に記載のパワー半導体装置であって、
    前記ベースの底部の厚さが、２ｍｍ以下である
    ことを特徴とする、パワー半導体装置。
  4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のパワー半導体装置であって、
    前記冷却フィンが、前記ベースの前記半導体回路が配設される面とは逆側の面に配設されている
    ことを特徴とする、パワー半導体装置。
  5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のパワー半導体装置であって、
    前記凸部が少なくとも１つの領域を形成して設けられ、
    前記空間にゲルが充填されている
    ことを特徴とする、パワー半導体装置。
  6. 請求項５に記載のパワー半導体装置であって、
    前記凸部の高さが、前記ゲルの高さよりも高くなっている
    ことを特徴とする、パワー半導体装置。
  7. 請求項１〜６の何れか１項に記載のパワー半導体装置であって、
    前記凸部は少なくとも２つ以上形成され、
    前記半導体回路が、２つの前記凸部の間に配設されている
    ことを特徴とする、パワー半導体装置。
  8. 請求項１〜７の何れか１項に記載のパワー半導体装置であって、
    前記半導体回路と電気信号線を通じて接続される接続端子を備え、
    前記凸部と前記接続端子との間には絶縁部材が配設されている
    ことを特徴とする、パワー半導体装置。
  9. 請求項８に記載のパワー半導体装置であって、
    前記絶縁部材は、樹脂を含む部材である
    ことを特徴とする、パワー半導体装置。
  10. 請求項１〜９の何れか１項に記載のパワー半導体装置であって、
    前記半導体回路が、前記ベースに対し、はんだを介して固定されている
    ことを特徴とする、パワー半導体装置。
  11. 請求項１〜９の何れか１項に記載のパワー半導体装置であって、
    前記半導体回路が、前記ベースに対し、界面に合金層を形成して直接固定されている
    ことを特徴とする、パワー半導体装置。
  12. 請求項１〜１１の何れか１項に記載のパワー半導体装置であって、
    前記ベースが、アルミニウムを含む部材である
    ことを特徴とする、パワー半導体装置。
  13. 請求項１〜１２の何れか１項に記載のパワー半導体装置であって、
    前記冷却フィンに対して冷媒が接触している
    ことを特徴とする、パワー半導体装置。
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