JP2018200908A - 電力半導体装置の製造方法および電力半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却器の封止部を高耐圧化および高耐熱化し、半導体素子や絶縁基板を接合した接合材の再溶融が無く信頼性の高い電力半導体装置の製造方法および電力半導体装置を提供する。【解決手段】非磁性金属材料から成るヒートシンク７の上面と、一方の面上に半導体素子３が設けられた基板５の他方の面とを接合材６によって接合する工程と、側壁９１で囲まれた開口部を有し断面が凹状を呈する冷媒ジャケット９の側壁９１の開口部側に設けられた磁性金属部１０上にはんだを形成する工程と、ヒートシンク７の下面をはんだ１２に接触させつつ、磁性金属部１０を高周波誘導加熱して発生した熱によりはんだ１２を溶融せしめてヒートシンク７と冷媒ジャケット９とをはんだ接合する工程と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、冷却器を備えた電力半導体装置に関するものである。

電力半導体装置は、産業用機器から、家電、情報端末まで幅広い機器の主電力の制御に用いられており、特に輸送機器等においては高い信頼性が求められている。また、従来のシリコン（Ｓｉ）を用いた半導体素子に代えて、炭化珪素（ＳｉＣ）等のワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子を備えた半導体装置の開発も進められており、電力半導体装置の高パワー密度化と高温動作化が進んでいる。

電力半導体装置に接続されたモータなどの負荷が消費する電力は、三相交流電力の電圧と周波数とで制御され、この制御には電力半導体装置内に設けられたＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−ｏｘｃｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）等の半導体素子のスイッチング動作が利用されている。半導体素子はスイッチング動作により発熱するため、電力半導体装置には、発熱体である半導体素子の過熱を防止するために排熱を促進する冷却器が備えられている。

従来の電力半導体装置では、パワーモジュールに備えられた半導体素子から発生する熱を放熱するための放熱フィンを、内部空間を水などの流体である冷媒が通る冷却器の壁面に設けられた開口部に挿入し、放熱フィンを冷媒の流路である冷却器の内部空間に配置することでパワーモジュールからの排熱を促進していた。パワーモジュールは、放熱フィンが設けられた平板状のフィンベースと、冷却器に設けられた開口部との間にＯリングなどのシール部材を設けて開口部を液密に封止して、冷却器に取付けられていた（例えば、特許文献１参照）。

また、他の従来の電力半導体装置では、半導体チップを備えた絶縁基板が一方の主面に接合された金属ベース板の他方の主面と、冷却器であるヒートシンクとの間に、ニッケル層とアルミ層とを積層して形成した反応性金属箔と、反応性金属箔を挟んだはんだとを設け、反応性金属箔に電流を流して自己発火させることで、はんだを溶融させて、金属ベース板とヒートシンクとをはんだ接合していた。反応性金属箔によりはんだが瞬時に溶融するため、ヒートシンクとはんだとの界面、金属ベース板とはんだとの界面に、それぞれ金属接合が形成され、金属ベース板とヒートシンクを強固に接合されていた（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１２−１４６７５９号公報 特開２０１３−１６５２５号公報

特許文献１に記された従来の電力半導体装置にあっては、冷却器の内部空間に冷媒を流して、放熱フィンからの排熱を積極的に行っているが、近年の電力半導体装置の小型化や軽量化の要求に対応するためには、冷却器も小型化する必要があり、そのためには冷媒の流速を増加する必要があるが、冷媒の流速を増加すると冷媒の圧力が増大するため、Oリングなどのシール部材で封止した封止部から冷媒が漏れやすくなる。Ｏリングによる封止は、冷却器とフィンベースとをボルトで締結し、その締結力により冷却器とフィンベースとの間に挟まれたＯリングを変形させて、Ｏリングを冷却器およびフィンベースに密着させることで行っている。従って、冷却器内部の冷媒の圧力が高い場合には、冷媒の漏れを防止するために更に高いボルト締結力が必要となるが、更に高い締結力を印加することで、冷却器やフィンベースが変形するといった問題点があった。また、電力半導体装置を高温環境で動作させたり、大電力を入力して半導体素子の発熱が大きいような条件で動作させたりすると、冷媒温度や冷却器が高温になり、Oリングを変質させて、Oリングによる封止部から冷媒が漏れやすくなるといった問題点があった。

一方、特許文献２に記載された従来の電力半導体装置にあっては、放熱用の金属ベース板と冷却器であるヒートシンクとをはんだ接合しており、金属ベース板およびヒートシンクとはんだとの界面にそれぞれ金属接合を形成しているため、これを特許文献１に記された電力半導体装置に適用すれば、耐圧性の高い封止を実現することができ、また封止部の耐熱性も向上する。しかし、反応性金属箔は、反応時の最高温度が１３５０℃〜１５００℃にも達するため、反応性金属箔を自己発火させて金属ベース板とヒートシンクとをはんだ接合する際に、パワーモジュール内部の半導体素子と絶縁基板との間のはんだ、および絶縁基板と金属ベース板との間のはんだが再溶融する場合があり、電力半導体装置の製造歩留りの低下や信頼性の低下が起こるといった問題点があった。

本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、冷却器の封止部を高耐圧化および高耐熱化し、半導体素子や絶縁基板を接合した接合材の再溶融が無く信頼性の高い電力半導体装置の製造方法および電力半導体装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電力半導体装置の製造方法は、非磁性金属材料から成るヒートシンクの上面と、一方の面上に半導体素子が設けられた基板の他方の面とを接合材によって接合する工程と、側壁で囲まれた開口部を有し断面が凹状を呈する冷媒ジャケットの前記側壁の開口部側に設けられた磁性金属部上にはんだを形成する工程と、前記ヒートシンクの下面を前記はんだに接触させつつ、前記磁性金属部を高周波誘導加熱して発生した熱により前記はんだを溶融せしめて前記ヒートシンクと前記冷媒ジャケットとをはんだ接合する工程と、を備える

また、本発明に係る電力半導体装置は、側壁で囲まれた開口部を有し断面が凹状を呈する冷媒ジャケットと、前記側壁の開口部側に設けられた磁性金属部と、前記磁性金属部上にはんだで接合された非磁性材料から成るヒートシンクと、前記ヒートシンク上に接合され、半導体素子が載置された基板と、を備える。

本発明に係る電力半導体装置の製造方法によれば、半導体素子や絶縁基板を接合した接合材の再溶融が無いため、冷却器の封止部を高耐圧化および高耐熱化し、信頼性の高い電力半導体装置の製造方法を提供できる。

また、本発明に係る電力半導体装置によれば、半導体素子や絶縁基板を接合した接合材の再溶融が無いため、冷却器の封止部を高耐圧化および高耐熱化し、信頼性の高い電力半導体装置を提供できる。

本発明の実施の形態１における電力半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における電力半導体装置を示す上面図である。 本発明の実施の形態１における電力半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における電力半導体装置の製造方法を示す断面図および上面図である。 本発明の実施の形態１における電力半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における電力半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態３における電力半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態４における電力半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態４における他の電力半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態５における電力半導体装置および電力半導体装置の製造方法を示す断面図である。

実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１における電力半導体装置の構成を説明する。図１は、本発明の実施の形態１における電力半導体装置を示す断面図である。また、図２は本発明の実施の形態１における電力半導体装置を示す上面図である。図１の断面図は、図２の破線Ａ−Ｂにおける断面図である。

図１に示すように、電力半導体装置１は、パワーモジュール２と冷却器８とがはんだ１２により接合されて構成されている。

パワーモジュール２は、シリコンや炭化珪素で形成された半導体素子３と、はんだや焼結銀などの接合材４を介して一方の面に半導体素子３を接合した絶縁基板５と、絶縁基板５の他方の面にはんだなどの接合材６を介して接合されたアルミやアルミ合金などの熱伝導率が高い非磁性金属材料で形成したヒートシンク７とを備えている。ヒートシンク７は絶縁基板５が接合材６で接合される平面を有するフィンベース７１と、フィンベース７の絶縁基板５が接合される面とは反対側、すなわち裏面側に直立した放熱フィン７２とにより構成される。絶縁基板５は、窒化アルミ（ＡｌＮ）などの絶縁物基板５１の両面に導電パターン５２、５３を設けて構成される。さらに、パワーモジュール２は、半導体素子３と絶縁基板５とを覆う樹脂モールドなどのケースを備えている（図示せず）。

冷却器８は、アルミやアルミ合金などの非磁性金属材料で形成され、内側に冷媒流路１１を備え、ヒートシンク７の放熱フィン７２を、冷媒流路１１に挿入するための開口部を有する冷媒ジャケット９と、冷媒ジャケット９の開口部の周囲に、冷却器８の外側に一部を露出させて、冷媒ジャケット９との間を液密に密着して設けられた磁性金属部１０とを備えている。なお、冷却器８の内側とは、図１において磁性金属部１０の上面１０ｂを含む平面より下側であって冷媒流路１１を有する領域を言い、冷媒ジャケット９の内側とは、図１において磁性金属部１０の下面を含む平面より下側であって冷媒流路１１を有する領域を言う。図１に示すように、磁性金属部１０は、側面である面１０ａと上面である面１０ｂの一部とが冷却器８の外側に露出している。

図１は断面図であるため、冷媒ジャケット９の側壁９１が放熱フィン７２の紙面左右側にしか存在しないように見えるが、冷媒ジャケット９の側壁９１は放熱フィン７２の紙面奥側および紙面手前側にも存在し、放熱フィン７２を四方から囲うように設けられている。従って、磁性金属部１０も放熱フィン７２を四方から囲うように設けられている。図２に示すように、冷却器８の外側に露出した磁性金属部１０の面１０ａは冷却器８の四方に露出しており、磁性金属部１０の面１０ｂの一部は、ヒートシンク７の外側を囲うように紙面上方に対して露出している。

図１に示す冷媒ジャケット９の、放熱フィン７２の紙面奥側および紙面手前側の側壁９１には、一方に、冷却器８の外部から冷媒流路１１に冷媒を流入させる冷媒流入口と、他方に、冷媒流路１１から冷却器８の外部に冷媒を流出させる冷媒流出口とが設けられている（図示せず）。冷媒には、例えば、水などの流体が使用される。また、冷媒流入口および冷媒流出口は雌ねじ切りされており、先端に雄ねじ切り部を有する配管を冷媒流入口および冷媒流出口に接続して、ラジエータなどの外部装置に接続される。図１の冷媒流路１１に紙面垂直方向に水などの冷媒が流れることで、放熱フィン７２の熱が冷媒に熱伝達し、パワーモジュール２の半導体素子３で発生した熱が排熱される。

磁性金属部１０は、鉄や鋼、ニッケル、コバルト、フェライト系ステンレスなどの磁性金属材料で形成されており、磁性金属部１０の一面が冷媒ジャケット９に、熔接、ろう付け、あるいは、かしめなどによって接合されている。

また、図２に示すように、ヒートシンク７には、ヒートシンク７と磁性金属部１０とをはんだ１２で接合する際に用いられる位置決め用穴１３が設けられている。位置決め用穴１３は、半導体素子３と絶縁基板５とを保護する図示しないケースの外側に設けられている。位置決め用穴１３は、ヒートシンク７の表裏を貫通して設けられ、冷却器８にも位置決め用穴１３に対応する位置に位置決め用穴１４が設けられている（図３参照）。冷却器８に設けられた位置決め用穴１４は、磁性金属部１０を貫通し、冷媒ジャケット９に到達して設けられる。

図１に示すように、パワーモジュール２のヒートシンク７と冷却器８の磁性金属部１０との間には、磁性金属部１０に沿ってはんだ１２が設けられ、はんだ１２によってヒートシンク７と磁性金属部１０との間が液密に接合されて、電力半導体装置１は構成される。ヒートシンク７とはんだ１２との間および磁性金属部１０とはんだ１２との間は、それぞれ金属接合により液密に封止されるため、冷媒ジャケット９の開口部が高耐圧、且つ高耐熱に封止される。放熱フィン７２から冷媒への熱伝達率は、冷媒の流速が大きいほど高くなり、放熱フィン７２と冷媒との温度差が大きいほど高くなるので、本実施の形態１の電力半導体装置では、冷媒流路１１に流す冷媒の圧力を高くして冷媒の流速を速くすることができるため、放熱フィン７２から冷媒への熱伝達率が高まり、放熱フィン７２のサイズを小さくしても十分な排熱性能が得られる。また、冷却器８の封止部がはんだ１２によりはんだ接合されているため耐熱性が高く、半導体素子３を高温動作させることができるため、放熱フィン７２と冷媒との温度差を大きくして、放熱フィン７２から冷媒への熱伝達率をさらに高くすることができるため、冷却器を小型化することができる。

ヒートシンク７と冷却器８とは、共に半導体素子３が発生する熱を外部に排出して冷却するものであり、以下、ヒートシンク７と冷却器８とを合わせて冷却機構と呼ぶ。

なお、本発明において、磁性金属材料とは、はんだ１２の融点以下の温度において強磁性体の金属材料を言い、鉄、ニッケル、コバルト単体あるいはこれらの元素を含む合金であって、磁石につく金属材料を言う。また、非磁性金属材料とは、常磁性体あるいは反磁性体の金属材料を言い、銅、アルミ、クロムなどの金属元素単体あるいはこれらの合金であって、磁石につかない金属材料を言う。また、磁性金属材料、非磁性金属材料ともに、金属材料であるから導電性を有し、１０μΩｍ以下の電気抵抗率を有する。従って、例えば、酸化鉄を主成分とするフェライトはセラミックスであり絶縁物であるため、強磁性体であり金属元素を含んでいるものの、本発明で言う磁性金属材料ではない。

次に、本実施の形態１の電力半導体装置の製造方法について説明する。

本実施の形態１の電力半導体装置１は、半導体素子３を絶縁基板５に接合する工程と、絶縁基板５をヒートシンク７に接合してパワーモジュール２を作製する工程と、冷媒ジャケット９に磁性金属部１０を設けて冷却器８を作製する工程と、冷却器８とヒートシンク７との間にはんだ１２を設ける工程と、高周波誘導加熱装置で磁性金属部１０を誘導加熱してはんだ１２を溶融した後、溶融したはんだ１２を凝固させてヒートシンク７と冷却器８とを接合し、冷却器８あるいは冷媒ジャケット９に設けられた開口部を封止する工程とを備えた製造方法により製造することができる。

図３は、本実施の形態１の電力半導体装置の製造方法を示す断面図である。また、図４は、本実施の形態１の電力半導体装置の製造方法を示す断面図および上面図である。さらに、図５は、本実施の形態１の電力半導体装置の製造方法を示す断面図である。図３は、半導体素子３と絶縁基板５とヒートシンク７とを接合してパワーモジュール２を製造する工程を示しており、図４は、冷却器８の磁性金属部１０にはんだ１１を設ける工程を示している。また、図５は磁性金属部１０を誘導加熱してパワーモジュール２と冷却器８とをはんだ接合する工程を示している。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は図２における破線Ａ−Ｂの位置での断面図であり、図４（ａ）および図５は図２における破線Ｃ−Ｄの位置での断面図である。また、図４（ｂ）は図４（ａ）の上面図である。なお、図５では分かりやすくするために、半導体素子３、接合材４、絶縁基板５および接合材６も合わせて示した。

半導体素子３と絶縁基板５とヒートシンク７とは、接合材４および接合材６によって、同時あるいは別々に接合される。図３（ａ）は、半導体素子３と絶縁基板５とを接合する工程と、絶縁基板５とヒートシンク７とを接合する工程とを同時に行う製造方法を示したものであり、図３（ｂ）は、半導体素子３と絶縁基板５とを接合する工程の後に、絶縁基板５とヒートシンク７とを接合する工程を行う製造方法を示したものである。なお、ヒートシンク７の絶縁基板５との接合面には、はんだ材６ではんだ接合する前に、はんだとの濡れ性が良く耐食性の良いニッケルめっき等のめっき膜を形成しておくのが良い。

図３（ａ）のように、半導体素子３と絶縁基板５とヒートシンク７とを同時に接合する場合には、ヒートシンク７上にペーストはんだや板はんだなどで構成された接合材６を配置し、接合材６の上に絶縁基板５の導電パターン５３を配置し、さらに絶縁基板５の導電パターン５２の上にペーストはんだや板はんだなどで構成された接合材４を配置し、接合材４の上に半導体素子３を配置する。そして、このようにそれぞれの部材を重ね合わせたものをリフロー炉などで同時に加熱し、接合材４および接合材６を溶融し、その後、冷却することで接合材４および接合材６を凝固させて、接合材４が半導体素子３と絶縁基板５とを接合し、接合材６が絶縁基板５とヒートシンク７とを接合して、図３（ｃ）のように一体化される。以上のように、図３（ａ）に示す製造方法では、半導体素子３を絶縁基板５に接合する工程と、絶縁基板５をヒートシンク７に接合する工程とが同時に行われる。

一方、図３（ｂ）のように、半導体素子３と絶縁基板５とを接合した後に、絶縁基板５とヒートシンク７とを接合する場合には、接合材６を溶融させた場合に、半導体素子３と絶縁基板５とを接合している接合材４が再溶融しないことが必要である。このため、接合材４に焼結銀を用いて、接合材６にはんだ材を用いてもよく、あるいは接合材４と接合材６とを共にはんだ材として、接合材６に接合材４よりも融点が低いはんだ材を用いてもよい。なお、焼結銀とは、ナノメートルサイズの銀ナノ粒子の反応性の高さを利用して銀の融点よりも低い温度で焼結させる接合材料であり、接合させるための焼結温度が、焼結後の融点よりも低いため、低温で部材を接合させた後、銀の融点以下であれば高温になっても部材の接合状態を維持できる接合材料である。

まず、図３（ｂ）に示すように焼結銀やはんだ材からなる接合材４により、絶縁基板５の導電パターン５２上に半導体素子３が接合される。次に、ヒートシンク７の上にペーストはんだや板はんだなどで構成された接合材６を配置し、接合材６の上に絶縁基板５の導電パターン５３を配置する。そして、リフロー炉などで加熱し、接合材６を溶融し、その後、冷却することで接合材６を凝固させて、接合材６が絶縁基板５とヒートシンク７とを接合して、半導体素子３と絶縁基板５とヒートシンク７とが図３（ｃ）のように一体化される。以上のように、図３（ｂ）に示す製造方法では、半導体素子３を絶縁基板５に接合する工程の後に、絶縁基板５をヒートシンク７に接合する工程が行われる。

図３（ａ）の製造方法または図３（ｂ）の製造方法により、図３（ｃ）のように半導体素子３と絶縁基板５とヒートシンク７とが一体化された後、半導体素子３と絶縁基板５とを保護する樹脂モールドなどのケースを設けてパワーモジュール２が作製される。なお、ケースは位置決め用穴１３がケースの外側になるように設けられる。

図４（ａ）、（ｂ）は、冷媒ジャケット９に磁性金属部１０を設ける工程と、冷却器８とヒートシンク７との間にはんだ１２を設ける工程とを行う製造方法を示す図である。

まず、冷媒ジャケット９に磁性金属部１０を設ける工程について説明する。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、冷媒ジャケット９は断面が凹形状で上方に開口部１１ａを有し、開口部１１ａと連通する冷媒流路１１を内側に備えており、冷媒ジャケット９の開口部１１ａの周囲に磁性金属部１０が設けられる。従って、冷媒ジャケット９に磁性金属部１０を設けて構成した冷却器８も冷媒流路１１に連通する開口部１１ａを有する。磁性金属部１０は、磁性金属材料で形成された板材を加工して形成してよい。磁性金属部１０は、磁性金属部１０の一部の面１０ａを冷媒ジャケット９の外側に露出させて、溶接、ろう付け、あるいは、かしめなどの方法により冷媒ジャケット９の開口部１１ａの周囲に接合されて設けられる。磁性金属部１０は、冷媒ジャケット９と磁性金属部１０との間から冷媒が漏れないように液密に、冷媒ジャケット９に密着して設けられ、冷却器８が得られる。なお、冷媒流路１１には、水などの流体である冷媒が流れるため、冷媒流路１１の内壁を構成する部分、すなわち冷媒ジャケット９の内側と磁性金属部１０の内側にはニッケルめっきなど耐食性が良いめっき膜を形成しておくことが好ましい。ニッケルめっき膜は冷媒ジャケット９の外側にも形成されていても構わないので、冷媒ジャケット９に磁性金属部１０を接合した後に、全体をめっき液に浸漬させてニッケルめっき膜を形成してもよい。

なお、磁性金属部１０は、上記の方法に限らず、めっき、あるいは溶射などの膜を形成する方法で、冷媒ジャケット９の開口部１１ａの周囲に直接形成してもよいが、磁性金属部１０の厚さは０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。磁性金属部１０の厚さが０．１ｍｍ未満の場合には、磁性金属部１０の厚さが薄いために電気抵抗が大き過ぎて、誘導加熱時の誘導電流が十分に磁性金属部１０に流れないので、磁性金属部１０を誘導加熱する効率が悪くなるためである。従って、例えば、はんだの濡れ性を良くする目的で形成するニッケルめっき膜は、膜厚がせいぜい数μｍであるので、例え、形成したニッケルめっき膜が磁性を有する場合であっても、このような薄い膜では十分に誘導加熱を行うことができず、本発明の目的を達し得ない。すなわち、磁性金属部１０は少なくとも０．１ｍｍ以上の厚さであり、５０ｍｍ以下の厚さであることが好ましい。より好ましくは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。磁性金属部１０は、鉄などで形成されているので、アルミやアルミ合金で形成された冷媒ジャケット９よりも比重が大きいため、磁性金属部１０の厚さが５０ｍｍを超えると電力半導体装置１が重くなるため好ましくない。また、磁性金属部１０の厚さが５０ｍｍを超えると熱容量が大き過ぎて、誘導加熱時の磁性金属部１０の温度制御の応答性が悪くなるため、ヒートシンク７の接合材６との接合部の温度が接合材６の融点近くまで上昇しないように制御することが困難になるので好ましくない。

冷媒ジャケット９に磁性金属部１０を設けた後に、磁性金属部１０の面１０ｂに、はんだ１２を配置する。磁性金属部１０のはんだ接合される面１０ｂには、予めはんだの濡れ性が良いニッケルめっき等のめっき膜を形成しておくのが良く、上述の冷媒による腐食を防止するためのめっき膜と同時に形成してもよい。はんだ１２には、ペーストはんだや板はんだを使用してもよい。また、磁性金属部１０の面１０ｂにはんだ１２を配置した後に加熱して、はんだ１２を一旦溶融させて、その後、冷却してはんだ１２を凝固させて、はんだ１２を磁性金属部１０の面１０ｂ上にプリフォームしてもよい。はんだ１２を磁性金属部１０の面１０ｂ上にプリフォームしておくと、磁性金属部１０とはんだ１２との間の熱伝導が良くなるので、磁性金属部１０を誘導加熱してヒートシンク７とはんだ接合する場合の加熱時間を短くすることができる。

このように磁性金属部１０の面１０ｂにはんだ１２を配置した後に、図３（ｃ）で示したパワーモジュール２を、ヒートシンク７の位置決め用穴１３と磁性金属部１０および冷媒ジャケット９に設けた位置決め用穴１４との位置を揃えて、磁性金属部１０の上に配置する。これにより、冷却器８とパワーモジュール２のヒートシンク７との間に、はんだ１２が設けられる。その後、位置決め用穴１３と位置決め用穴１４に固定ピンを挿入し仮止めする。

図５は、高周波誘導加熱装置で磁性金属部１０を誘導加熱してはんだ１２を溶融した後、溶融したはんだ１２を凝固させてパワーモジュール２と冷却器８とを接合し、冷媒流路１１に連通する開口部を封止する工程を行う製造方法を示す図である。

上記のように、冷却器８の磁性金属部１０とパワーモジュール２のヒートシンク７とを、はんだ１２を挟んで重ねて設け、位置決め用穴１３と位置決め用穴１４とに挿入した固定ピン１５により仮止めした後、高周波誘導加熱装置１６に配置し、高周波誘導加熱装置１６のコイルに高周波電流を供給する。磁性金属部１０の面１０ａおよび面１０ｂの一部が、冷却器８の外側に露出しているので、高周波誘導加熱装置１６のコイルが発生する高周波磁束は、他の非磁性金属材料に妨げられることなく磁性金属部１０に到達し、磁性金属部１０が誘導加熱され温度が上昇する。

電力半導体装置１は、ヒートシンク７と冷媒ジャケット９とが共にアルミやアルミ合金などの非磁性金属材料で形成されているため、磁性金属部１０が冷却器８の外側に全く露出していないと、高周波誘導加熱装置１６により発生した高周波磁束は、非磁性金属材料に到達した際に、電磁誘導により非磁性金属材料内に高周波磁束を打ち消す向きの誘導電流を発生させるため、磁性金属部１０に高周波磁束が到達しなくなり、磁性金属部１０は誘導加熱されなくなる。しかし、本発明の電力半導体装置１では、磁性金属部１０の一部が冷却器８の外側に露出しているため、高周波誘導加熱装置１６により発生した高周波磁束は磁性金属部１０に到達し、磁性金属部１０を誘導加熱することができる。

なお、高周波誘導加熱装置１６のコイルは冷却器８の幅より、幅が大きい筒状コイルであって、図５に示すように、冷却器８の下方の一部が筒状コイルの上端より下方に位置するように設けられるのが好ましい。筒状コイルの上端と冷却器８の下端との距離が大きく離れていると、磁性金属部１０を誘導加熱する効率が悪くなり、誘導加熱時の磁性金属部１０とヒートシンク７の接合材６で絶縁基板５を接合した部分との温度差が小さくなり好ましくない。一方、筒状コイルの上端を磁性金属部１０と水平な位置より上方に設けても、誘導加熱時の磁性金属部１０とヒートシンク７の接合材６で絶縁基板５を接合した部分との温度差が小さくなり好ましくない。

なお、磁性金属部１０は耐食性を得るために、磁性金属部１０の表面に非磁性金属のめっき膜が形成されていてもよい。上述のように、はんだの濡れ性を良くしたり耐食性を良くしたりする目的で形成するめっき膜はせいぜい厚さが数μｍであるから、電気抵抗が大き過ぎて、磁性金属部１０の誘導加熱を妨げるような誘導電流が流れないので、高周波磁束は磁性金属部１０の表面に形成されためっき膜に流れる誘導電流に打ち消されることなく、磁性金属部１０の磁性金属材料部分に到達する。磁性金属材料は非磁性金属材料に比べ比透磁率が１０倍以上大きいので、磁性金属材料内では磁束密度が大きく、電磁誘導により大きな誘導電流が流れ、誘導電流によるジュール熱により磁性金属部１０が発熱する。

以上のように、磁性金属部１０の表面に非磁性金属のめっき膜が形成されていても、磁性金属部１０が誘導加熱されることを妨げないので、表面に形成された非磁性金属のめっき膜を含めて磁性金属部１０と呼ぶ。すなわち、表面に非磁性金属のめっき膜が形成された磁性金属部１０が電力半導体装置１の外側に露出している場合、厳密に言えば冷却器８の外側の空間と接しているのは非磁性金属と言えるが、上記のように表面の非磁性金属のめっき膜を含めて磁性金属部１０と呼ぶので、このような場合であっても磁性金属部１０が冷却器８の外側に露出していることを意味する。さらに、磁性金属部１０が非磁性材料の絶縁物で表面を覆われている場合も、非磁性材料の絶縁物は高周波磁束に対して何ら影響せず、物理現象的には存在しないことと同じなので無視して考えてよい。ただし、磁性金属部１０の表面を覆う絶縁物がフェライトコアなどの強磁性体である場合には、高周波磁束により磁性金属部１０が誘導加熱されるのを妨げるため、磁性金属部１０の電力半導体装置１の外側に露出した部分を強磁性体の絶縁物で覆うのは望ましくない。

一方、非磁性金属材料で形成された冷媒ジャケット９やヒートシンク７の表面に磁性のニッケルめっきが設けられている場合であっても、上述したように数μｍ程度の厚さのニッケルめっき膜は、抵抗が大きいためほとんど誘導加熱されないので、非磁性金属材料で形成されているとしてよい。

誘導加熱により直接加熱された磁性金属部１０の熱は、熱伝導によりはんだ１２に伝熱し、磁性金属部１０の温度が上昇するに従ってはんだ１２の温度も上昇する。なお、はんだ１２を磁性金属部１０の上で一旦溶融した後、凝固させてプリフォームした場合には、磁性金属部１０とはんだ１２とが密着しているため、磁性金属部１０からはんだ１２への熱伝導が良く、短時間にはんだ１２の温度を上昇させることができるので好ましい。

磁性金属部１０からはんだ１２に伝熱した熱は、はんだ１２と接しているヒートシンク７のフィンベース７１にも伝熱され、フィンベース７１の温度も上昇する。はんだ１２の温度がはんだ１２の融点以上まで上昇すると、はんだ１２が溶融する。この結果、はんだ１２とフィンベース７１との密着性が向上し、はんだ１２からフィンベース７１への熱伝達率が高くなるので、フィンベース７１のはんだ１２と接する部分の温度が急速に上昇する。そして、フィンベース７１のはんだ１２と接する部分の温度が、はんだ１２の融点以上になると、溶融したはんだ１２がフィンベース７１を濡らし、フィンベース７１に拡散し、合金層を形成することではんだ接合が行われる。なお、この時点では合金層が形成されはんだ接合された状態ではあるものの、はんだ１２は溶融した状態であり、ヒートシンク７と磁性金属部１０とは固着されていない。

はんだ１２がフィンベース７１に拡散してはんだ接合が行われると、高周波誘導加熱装置１６のコイルへの高周波電流の供給を停止する。すると、冷却ジャケット９の外側に露出した磁性金属部１０の面１０ａに到達していた高周波磁束が無くなるので誘導加熱は停止され、磁性金属部１０、はんだ１２、および、フィンベース７１の温度が低下する。はんだ１２の温度が融点を下回ると、溶融したはんだ１２が凝固して、冷却器８の磁性金属部１０とパワーモジュール２のヒートシンク７とがはんだ１２により接合され固着される。そして、固定ピン１５を取り外し電力半導体装置１が完成する。

誘導加熱による磁性金属部１０の加熱は、磁性金属部１０自身が発熱源となる直接加熱であるので、加熱温度の制御性が極めてよい。また、フィンベース７１のはんだ１２によりはんだ接合される部分も、磁性金属部１０からの距離が近いので加熱温度の制御性が良い。磁性金属部１０、はんだ１２、フィンベース７１のはんだ１２によりはんだ接合される部分の少なくともいずれか一つの温度を測定しながら高周波誘導加熱装置１６のコイルへ供給する高周波電流を制御すると、ヒートシンク７の接合材６との接合部の温度が接合材６の融点以上にならないようにしながら、はんだ１２によるはんだ接合を容易且つ確実に行うことができる。磁性金属部１０、はんだ１２、フィンベース７１のはんだ１２によりはんだ接合される部分の温度は、例えば、放射温度計などの非接触温度測定手段により測定してもよい。

なお、はんだ接合を行う毎に、はんだ１２がフィンベース７１を濡らし、フィンベース７１に拡散し、合金層を形成したことを確認する必要はなく、予備試作などによる検討で予め高周波誘導加熱装置１６のコイルに高周波電流を供給する時間や温度を決定しておき、はんだ接合を行う毎に、高周波電流をその決定した時間コイルに供給する、あるいはその決定した温度になるようにコイルに供給すればよい。

また、高周波誘導加熱装置１６のコイルに供給する高周波電流は必ずしも開始および停止される必要はなく、例えば、ベルトコンベアなどの搬送装置の進行方向の所定の区間に高周波磁束を発生するコイルを設け、その区間を予め定めた時間で通過させることにより、誘導加熱が予め定めた時間行われるようにしてもよい。すなわち、搬送装置上にパワーモジュール２と冷却器８との間にはんだ１２を設け固定ピン１５で仮止めしたものを配置し、所定の区間を予め定めた時間で通過することにより、厳密に誘導加熱する時間が管理されて、はんだ接合を行うことができる。

高周波誘導加熱装置１６により磁性金属部１０を誘導加熱すると、フィンベース７１のはんだ１２と接する部分の温度を急速に上昇させて、局所的にはんだ１２の融点以上の温度にすることができる。しかし、フィンベース７１のはんだ１２と接する部分がはんだ１２の融点以上の温度になっても、磁性金属部１０からはんだ１２を介してフィンベース７１に流入する熱量は限られるため、ヒートシンク７の絶縁基板５との接合部の温度をはんだの融点以下に抑えることができる。この結果、絶縁基板５とヒートシンク７とを接合する接合材６の温度が融点以上になるのを抑制し、また、当然ながら半導体素子３と絶縁基板５とを接合する接合材４の温度が融点以上になることも抑制することができる。従って、接合材４および接合材６が再溶融することが無いので、電力半導体装置１の信頼性を高く保つことができる。

また、高周波誘導加熱は、間接加熱ではなく、磁性金属部１０を直接発熱させるため温度制御性が良く、必要以上にはんだ１２およびその周囲の接合箇所の温度を上昇させないので、接合材４および接合材６を確実に再溶融させないようにすることができ、電力半導体装置１の信頼性を高めることができる。

さらに、冷却器８の開口部が、磁性金属部１０とはんだ１２との金属接合およびヒートシンク７とはんだ１２との金属接合により封止されるため、耐圧性および耐熱性を高めることができる。

なお、本実施の形態では図１に示すように、磁性金属部１０の面１０ａと面１０ｂとが冷却器８の外側に露出している場合について説明したが、ヒートシンク７のフィンベース７１の幅が冷媒ジャケット９の幅と同じであり、磁性金属部１０の面１０ｂが冷却器８の外側に露出していない場合であっても、高周波誘導加熱装置１６が発生した高周波磁束は、冷却器８の外側に露出した磁性金属部１０の面１０ａに到達して、磁性金属部１０を誘導加熱することができる。従って、上記のように電力半導体装置１の磁性金属部１０は少なくとも面１０ａが冷却器８の外側に露出していればよい。ただし、図１に示すように磁性金属部１０の面１０ａと面１０ｂとの両方が冷却器８の外側に露出している方が、磁性金属部１０を誘導加熱する効率がよくなるので好ましい。

以上のように本実施の形態１によれば、パワーモジュール２内の接合材４および接合材６による接合部の信頼性が高く、且つ、冷却器８の封止部の耐圧性と耐熱性とが高い電力半導体装置を得ることができるといった効果が得られる。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２における電力半導体装置を示す断面図である。図６において、図１と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１とは、磁性金属部１０の一部が冷媒ジャケット９の外側に突出した構成が相違している。

図６に示すように、電力半導体装置１は、実施の形態１と同様、磁性金属部１０が冷却器８の冷媒ジャケット９の開口部の周囲に設けられるが、磁性金属部１０の一部が冷媒ジャケット９の側面９ａよりも外側に突出している。磁性金属部１０は、側面である面１０ａと下面である面１０ｃの一部とが、電力半導体装置１の外側に露出している。また、ヒートシンク７のフィンベース７１は、幅が冷媒ジャケット９の幅より広くなっており、フィンベース７１と磁性金属部１０とは、冷媒ジャケット９の側面９ａから外側に突出した部分で、はんだ１２により接合されている。

電力半導体装置１は、実施の形態１に記した製造方法により製造される。しかし、本実施の形態２の電力半導体装置１は、上記のように磁性金属部１０の一部が、冷媒ジャケット９の側面９ａよりも外側に突出しているので、高周波誘導加熱装置１６のコイルが発生する高周波磁束が冷媒ジャケット９に妨げられることなく、磁性金属部１０の面１０ａと面１０ｃ冷媒ジャケット９の側面９ａよりも外側に突出した部分とに到達するので、この突出した部分を効率良く誘導加熱することができる。はんだ１２は、この突出した部分の上に設けられるので、はんだ１２をより短時間で溶融させて、ヒートシンク７とはんだ接合することができる。従って、パワーモジュール２内の接合材４および接合材６を再溶融させることがより一層無くなり、電力半導体装置１の信頼性をさらに高めることができる。

以上のように本実施の形態２によれば、パワーモジュール２内の接合材４および接合材６による接合部の信頼性がより高く、且つ、冷却器８の封止部の耐圧性と耐熱性とが高い電力半導体装置を得ることができるといった効果が得られる。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３における電力半導体装置を示す断面図である。図７において、図１と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１とは、磁性金属部１０が冷媒ジャケット９の側面に設けられた構成が相違している。

図７に示すように、電力半導体装置１は、磁性金属部１０が冷媒ジャケット９の側面９ａに溶接、ろう付け、あるいは、かしめなどの方法により設けられ、冷媒ジャケット９と接合される面とはんだ接合される面１０ｂとを除いた、側面である面１０ａと下面である面１０ｃとが冷却器８の外側に露出している。磁性金属部１０は、磁性金属部１０のはんだ１２が設けられる面１０ｂと、冷媒ジャケット９の開口部を有する面９ｂとが、段差が無く同一平面となるように設けられる。磁性金属部１０は、冷媒ジャケット９の側面９ａとの間に隙間を設けず、液密に密着して設けられるのが好ましいが、図７に示すように、はんだ１２が磁性金属部１０と冷媒ジャケット９とに亘って設けられるため、必ずしも磁性金属部１０と冷媒ジャケット９との間を液密に密着させなくてもよく、隙間がある場合には、隙間ははんだ１２によって埋められる。

また、図７に示すように、本実施の形態３の電力半導体装置１は、磁性金属部１０が冷媒流路１１とははんだ１２により隔てて設けられるため、冷媒流路１１内に流れる水などの冷媒が磁性金属部１０に触れることが無く、磁性金属部１０の腐食を抑制することができる。

電力半導体装置１は、実施の形態１と同様の製造方法により製造される。しかし、本実施の形態３の電力半導体装置１は、はんだ１２が磁性金属部１０と冷却ジャケット９とに亘って設けられるため、誘導加熱ではんだ１２を溶融してはんだ接合する際の現象が異なる。以下、異なる部分について説明する。

磁性金属部１０および冷却ジャケット９のはんだ１２が設けられる面には、はんだ１２を配置する前に、はんだの濡れ性が良く耐食性の良いニッケルめっきなどのめっき膜が形成しておくのが良い。

冷却器８の、冷媒ジャケット９の開口部を有する面９ｂと、この面９ｂと同一平面に配置された磁性金属部１０の面１０ｂとに亘って、ペーストはんだや板はんだ等で構成されたはんだ１２を配置する。はんだ１２は、はんだ１２を配置した後に、一旦加熱してはんだ１２を溶融させ、冷却して凝固させることにより、はんだ１２を冷媒ジャケット９の開口部を有する面９ｂと、この面９ｂと同一平面に配置された磁性金属部１０の面１０ｂとに亘って、プリフォームしてもよい。はんだ１２をプリフォームしておくと、誘導加熱された磁性金属部１０からはんだ１２への熱伝導が良好になり、はんだ接合時間を短くできるので好ましい。

上記のように冷却器８の上にはんだ１２を配置した後、はんだ１２の上にパワーモジュール２のヒートシンク７を配置し、誘導加熱装置１６が発生する高周波磁束で磁性金属部１０を誘導加熱する。誘導加熱されて磁性金属部１０の温度が上昇すると、磁性金属部１０の熱が冷媒ジャケット９およびはんだ１２に伝熱し、冷媒ジャケット９およびはんだ１２の温度が上昇する。はんだ１２の温度が融点以上になると、はんだ１２は溶融する。はんだ１２は磁性金属部１０と接した部分から溶融し始め、冷媒ジャケット９と接する部分に向かって溶融が進展する。はんだ１２がプリフォームされていない場合には、はんだ１２の冷媒ジャケット９と接する部分が溶融し、冷媒ジャケット９の温度が磁性金属部１０やはんだ１２からの熱伝導によりはんだ１２の融点以上になると、冷媒ジャケット９および磁性金属部１０とはんだ１２とが金属接合を形成する。

一方、ヒートシンク７のフィンベース７１は、はんだ１２と接する部分がはんだ１２からの熱伝導によって温度が上昇し、はんだ１２が溶融すると熱伝導が更に良くなり急速に温度上昇する。そして、フィンベース７１のはんだ１２と接する部分の温度がはんだ１２の融点以上になると、フィンベース７１とはんだ１２とが金属接合を形成する。

フィンベース７１とはんだ１２とが金属接合を形成すると、高周波誘導加熱装置１６による誘導加熱を停止する。はんだ１２の温度が融点未満に低下すると、はんだ１２は凝固し、磁性金属部１０と冷媒ジャケット９とを有する冷却器８と、ヒートシンク７を有するパワーモジュール２とがはんだ１２によりはんだ接合される。

本実施の形態３の電力半導体装置１は、磁性金属部１０の側面である面１０ａと下面である面１０ｃとが、冷却器８の外側に露出しているため、高周波誘導金装置１６が発生する高周波磁束が冷媒ジャケット９およびヒートシンク７に妨げられることなく磁性金属部１０に到達し、磁性金属部１０を誘導加熱する。磁性金属部１０は実施の形態１や実施の形態２の磁性金属部と比べサイズが小さくいため熱容量が小さく、誘導加熱による磁性金属部１０の温度上昇を急速に行い、冷却器８とパワーモジュール２とのはんだ接合を短時間に行うことができる。この結果、パワーモジュール２内の接合材６と接合材４とが再溶融することが無くなり電力半導体装置の信頼性を高めることができる。また、冷却器８とパワーモジュール２のヒートシンク７とがはんだ接合されるので、冷却器８の封止部の耐圧性と耐熱性とが高い電力半導体装置を得ることができる。

実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４における電力半導体装置を示す断面図である。図８において、図１と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１とは、冷媒ジャケットがヒートシンクの役割を兼ねた構成が相違している。

図８に示すように、電力半導体装置１は、パワーモジュール２がヒートシンクの代わりに冷媒ジャケット９を用いて構成されている。冷媒ジャケット９は、ヒートシンクのフィンベースに相当するフィンベース７１と、ヒートシンクの放熱フィンに相当する放熱フィン７２とを備えており、さらにフィンベース７１から直立し、放熱フィン７２より長い側壁９１と、側壁９１で囲われた内側に冷媒流路１１と、フィンベース７１の反対側の側壁９１の端部側に開口部とを備えている。このような形状はアルミやアルミ合金の直方体等を切削加工することでも形成できるが、ダイキャストにより形成することもできる。また、必ずしも一体として形成する必要はなく、放熱フィン７２を有するヒートシンクに、ヒートシンクとは別に作製した側壁９１を溶接、ろう付け、あるいは、かしめ等により接合して設けることで冷媒ジャケット９を構成してもよい。

なお、本実施の形態４では、冷媒ジャケット９がフィンベース７１と側壁９１とを備えているため、冷却器の代わりに冷却機構８１を用いて説明する。冷却機構８１は、上記実施の形態１〜３では冷却器８とヒートシンク７とを合わせてものである。

磁性金属部１０は平板状の磁性金属材料で形成されており、冷媒ジャケットの側壁９１の端面９１ａにはんだ１２により接合されて、冷却機構８１の底壁を構成している。冷媒ジャケット９の側壁９１の端面９１ａと磁性金属部１０との間は液密に密着して設けられており、冷媒ジャケット９は、側壁９１の端面９１ａに磁性金属部１０が接合されて封止される。磁性金属部１０は、側面である面１０ａと下面である面１０ｃとが冷却機構８１の外側に露出されている。

電力半導体装置１は、実施の形態１と同様の方法により製造される。すなわち、冷媒ジャケット９のフィンベース７１に、半導体素子３が接合材４で接合された絶縁基板５を接合材６で接合するまでの工程は同じであり、その後、はんだ１２が配置された磁性金属部１０を高周波誘導加熱装置１６により誘導加熱して、はんだ１２を溶融することで、側壁９１の端面９１ａと磁性金属部１０とがはんだ接合される。

実施の形態１で述べたように、磁性金属部１０にはんだ１２を配置する前に、磁性金属部１０のはんだ接合される面と、側壁９１の端面９１ａであるはんだ接合される面とには、ニッケルめっきなどはんだの濡れ性が良く耐食性の良いめっき膜を形成しておくのが良い。磁性金属部１０の上面である面１０ｂは、側壁９１の端面９１ａとはんだ接合されると共に、冷媒流路１１に露出するので、水などの冷媒による腐食を抑制するためにも、磁性金属部１０の面１０ｂの全面にニッケルめっきなどのめっき膜を形成しておくのが良い。

まず、磁性金属部１０にペーストはんだや板はんだからなるはんだ１２を配置する。なお、はんだ１２は磁性金属部１０にプリフォームしておくのが好ましい。磁性金属部１０上にはんだ１２を配置した後、はんだ１２の上に側壁９１の端面９１ａを接触させて配置し、磁性金属部１０を高周波誘導加熱装置１６により誘導加熱する。なお、高周波誘導加熱装置１６のコイルは、冷却器８の底面であり冷却器８の外側に露出した磁性金属部１０の面１０ｃに対向するように配置された平板状のコイルであってもよい。

高周波誘導加熱装置１６が発生する高周波磁束により磁性金属部１０が誘導加熱されると、磁性金属部１０の温度が上昇し、磁性金属部１０の熱が熱伝導によりはんだ１２に伝熱される。はんだ１２の温度が上昇し、はんだ１２の融点以上になるとはんだ１２が溶融し、はんだ１２から側壁９１の端面９１ａへの熱伝導が促進され、側壁９１の端面９１ａの温度が急速に上昇する。側壁９１の端面９１ａの温度がはんだ１２の融点以上になると、側壁９１の端面９１ａとはんだ１２とが金属結合を形成する。その後、高周波誘導加熱装置１６による磁性金属部１０の誘導加熱を停止すると、はんだ１２の温度が低下し、はんだ１２が凝固して、磁性金属部１０と冷媒ジャケット９の側壁９１の端面９１ａとがはんだ接合される。

以上のように、電力半導体装置１は、パワーモジュール２内の接合材６および接合材４から最も遠い位置である冷媒ジャケット９の側壁９１の端面９１ａを、磁性金属部１０とはんだ接合させて、冷媒流路１１に連通する開口部の封止を行うので、はんだ１２の溶融時に接合材６および接合材４の温度上昇を抑制し再溶融しないようにすることができる。

図９は、本発明の実施の形態４における他の電力半導体装置を示す断面図である。図９において、図８と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。図９の電力半導体装置は、図８の電力半導体装置とは、放熱フィン７２と側壁９１とが同じ長さである点が相違する。

図９に示すように、電力半導体装置１は、冷媒ジャケット９のフィンベース７１に直立して設けられた放熱フィン７２と側壁９１とが同じ長さであり、放熱フィン７２の端面７２ａと側壁９１の端面９１ａとが同一平面内に位置する。放熱フィン７２の端面７２ａおよび側壁９１の端面９１ａと磁性金属部１０の上面である面１０ｂとは、それぞれはんだ１２により接合されている。はんだ１２による接合方法は、上述の図８に示す電力半導体装置の場合と同様である。図９に示す電力半導体装置１の場合は、放熱フィン７２の端面７２ａにも、はんだ接合前にニッケルめっき等のはんだの濡れ性が良く耐食性の良いめっき膜を形成しておくのが良く、また磁性金属部１０の放熱フィン７２の端面７２ａとはんだ接合される位置に、はんだ１２を配置し、プリフォームしておくのが良い。

図９に示す電力半導体装置１は、冷媒流路１１に連通する開口部を封止するためのはんだ接合が、パワーモジュール２内の接合材６および接合材４から最も遠い位置で行われるため、はんだ１２を溶融する際に、接合材６および接合材４の温度上昇を抑制し再溶融しないようにすることができる。また、磁性金属部１０が、側壁９１の端面９１ａと放熱フィン７２の端面７２ａとの両方とはんだ接合されるため、はんだ接合される面積が大きくなり、封止部の耐圧性をさらに高めることができる。

以上のように、本実施の形態４の電力半導体装置によれば、半導体素子３が接合材４により接合された絶縁基板５を接合材６で接合したフィンベース７１から最も遠い位置で、磁性金属部１０を誘導加熱して、磁性金属部１０の発熱によりはんだ１２を溶融してはんだ接合することで、冷却機構８１の冷媒流路１１に連通する開口部を封止しているので、開口部を封止する際に接合材４および接合材６の温度上昇を抑制することができるので、信頼性が高く、耐圧性および耐熱性に優れた冷却器を備えた電力半導体装置が得られるといった効果を奏する。

実施の形態５．
図１０は本発明の実施の形態５の電力半導体装置および電力半導体装置の製造方法を示す断面図である。図１０（ａ）は電力半導体装置の製造方法を示す図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の製造方法により製造される電力半導体装置を示す図である。図１０において、図１と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１とは、磁性金属部が冷媒ジャケットに一体化されておらず、電力半導体装置１を製造した後に磁性金属部を取り外す構成が相違している。

まず、図１０（ａ）を用いて電力半導体装置１の製造方法について説明する。電力半導体装置１のパワーモジュール２は実施の形態１で説明した製造方法により作製される。すなわち、接合材４で半導体素子３が接合された絶縁基板５を接合材６でヒートシンク７のフィンベース７１に接合してパワーモジュール２が作製される。

冷媒ジャケット９の周囲には、磁性金属部１０が冷媒ジャケット９に接触して設けられる。従って、本実施の形態５では、冷却器８と冷媒ジャケット９とは同一のものである。冷媒ジャケット９と磁性金属部１０とは一体に接合されておらず分離可能であり、環状の磁性金属部１０の内側に冷媒ジャケット９が挿入されることで、冷媒ジャケット９の周囲には磁性金属部１０が接触して設けられる。また、ヒートシンク７のフィンベース７１とはんだ接合される冷媒ジャケット９の端面９ｂには、ペーストはんだや板はんだ等のはんだ１２が配置される。冷媒ジャケット９の端面９ｂにははんだ１２を配置する前に、ニッケルめっきなどはんだの濡れ性が良く耐食性が良いめっき膜を形成しておくのが良い。また、はんだ１２は冷媒ジャケット９の端面９ｂに配置した後、一旦溶融させた後凝固させてプリフォームしておくのが好ましい。なお、はんだ１２は、冷媒ジャケット９の周囲に磁性金属部１０を設ける前に端面９ｂに配置してもよく、冷媒ジャケット９の周囲に磁性金属部１０を設けた後に端面９ｂに配置してもよい。

冷媒ジャケット９の端面９ｂにはんだ１２を配置し、周囲に磁性金属部１０を設けた後に、端面９ｂのはんだ１２の上にパワーモジュール２のヒートシンク７をはんだ１２と接触させて配置する。これにより冷却器８の冷媒ジャケット９とパワーモジュール２のヒートシンク７との間にはんだ１２が設けられる。なお、ヒートシンク７のフィンベース７１とはんだ１２と接触させる部分には、ニッケルめっきなどのはんだの濡れ性が良く耐食性の良いめっき膜を形成しておくのが良い。

次に、高周波誘導加熱装置１６により高周波磁束を発生させて、磁性金属部１０を誘導加熱する。環状の磁性金属部１０は、外周面１０ａが冷却器８の外側に露出しているので、高周波誘導加熱装置１６が発生した高周波磁束は、非磁性金属で形成された冷媒ジャケット９やヒートシンク７に妨げられることなく、効率良く磁性金属部１０を誘導加熱する。磁性金属部１０が誘導加熱されると、磁性金属部１０の温度が上昇し、磁性金属部１０から冷媒ジャケット９に伝熱し、冷媒ジャケット９の温度が上昇する。

磁性金属部１０が誘導加熱されると、磁性金属部１０は熱膨張するが、冷媒ジャケット９は、鉄などの磁性金属材料から成る磁性金属部１０よりも熱膨張率が大きいアルミやアルミ合金で形成されているため、冷媒ジャケット９の方が磁性金属部１０よりも温度上昇が小さくても同等以上に熱膨張し、冷媒ジャケット９と磁性金属部１０との接触は保持される。

冷媒ジャケット９の温度が上昇し、冷媒ジャケット９の端面９ｂの温度がはんだ１２の融点以上になると、はんだ１２が溶融する。はんだ１２が溶融すると、はんだ１２とヒートシンク７のフィンベース７１との密着性が高まり、はんだ１２からフィンベース７１への熱伝達率が高まるので、フィンベース７１のはんだ１２と接する部分の温度が急速に上昇する。フィンベース７１のはんだ１２と接する部分の温度が、はんだ１２の融点以上になると、はんだ１２とフィンベース７１とが合金層を形成する。その後、高周波誘導加熱装置１６による高周波磁束の発生を停止し、磁性金属部１０の誘導加熱を停止することで、はんだ１２の温度が融点未満に低下し、はんだ１２が凝固することで、冷媒ジャケット９とヒートシンク７とがはんだ１２により接合される。この結果、冷媒ジャケット９の開口部がはんだ１２で接合されたヒートシンク７のフィンベース７１により液密に封止される。

高周波誘導加熱装置１６による誘導加熱を停止して、磁性金属部１０および冷媒ジャケット９の温度が低下した後に、冷媒ジャケット９の周囲に設けた磁性金属部１０を取り外し、図１０（ｂ）に示すように電力半導体装置１を得ることができる。電力半導体装置１は冷媒ジャケット９に磁性金属部１０を接合した実施の形態１の電力半導体装置に比べ、磁性金属部１０を有しないため軽量化が可能であり、また、冷媒ジャケット９に磁性金属部１０を溶接やろう付などにより接合する工程を省くことができるので、電力半導体装置１の製造コストを低減できるといった効果が得られる。

一方、本実施の形態５の電力半導体装置の製造方法は、はんだ１２が磁性金属部１０の上には配置されておらず、冷媒ジャケット９の上に配置されているために、誘導加熱により磁性金属部１０で発熱した熱は、磁性金属部１０から冷媒ジャケット９に伝熱し、冷媒ジャケット９からはんだ１２に伝熱するため、実施の形態１〜４の電力半導体装置の製造方法と比較すると、はんだ１２の温度上昇に時間がかかり温度制御の応答性が遅い。実施の形態１〜４の電力半導体装置１では、磁性金属部１０の上にはんだ１２が配置されているために、磁性金属部１０からはんだ１２に直接伝熱するので、はんだ１２の温度上昇を短時間で行え、はんだ１２およびはんだ１２の周辺部の温度制御の応答性が速く、はんだ１２やフィンベース７１のはんだ１２が接合される部分の温度制御を高精度に行える。従って、半導体素子３が搭載された絶縁基板５とヒートシンク７とを接合する接合材６の温度を融点以上に上昇させずに、高い信頼性を得るためには、実施の形態１〜４に示した製造方法により電力半導体装置１を製造するのが良い。一方、本実施の形態５の電力半導体装置の製造方法は、冷媒ジャケット９に磁性金属部１０を溶接やろう付などにより接合する工程を省くことができるので、電力半導体装置１の製造コストを低減できる。従って、より安価に電力半導体装置１を得るには、本実施の形態５に示した製造方法により電力半導体装置１を製造してもよい。

１ 電力半導体装置
２ パワーモジュール
３ 半導体素子
４ 接合材
５ 絶縁基板
６ 接合材
７ ヒートシンク、７１ フィンベース、７２ 放熱フィン
８ 冷却器
９ 冷媒ジャケット
１０ 磁性金属部
１１ 冷媒流路
１２ はんだ

Claims (9)

1. 非磁性金属材料から成るヒートシンクの上面と、一方の面上に半導体素子が設けられた基板の他方の面とを接合材によって接合する工程と、
   側壁で囲まれた開口部を有し断面が凹状を呈する冷媒ジャケットの前記側壁の開口部側に設けられた磁性金属部上にはんだを形成する工程と、
   前記ヒートシンクの下面を前記はんだに接触させつつ、前記磁性金属部を高周波誘導加熱して発生した熱により前記はんだを溶融せしめて前記ヒートシンクと前記冷媒ジャケットとをはんだ接合する工程と、
   を備える電力半導体装置の製造方法。
2. 前記磁性金属部は、前記側壁の上端部に設けられる請求項１に記載の電力半導体装置の製造方法。
3. 前記磁性金属部は、前記側壁の側周部に設けられる請求項１に記載の電力半導体装置の製造方法。
4. 一方の面上に半導体素子が設けられた基板の他方の面と、側壁で囲まれた開口部を有し断面が凹状を呈する非磁性金属材料から成る冷媒ジャケットの前記開口部とは反対側の面とを接合材によって接合する工程と、
   前記側壁の開口部側の端部に接合される磁性金属材料から成る金属板の前記端部との接合領域にはんだを形成する工程と、
   前記端部を前記はんだに接触させつつ、前記金属板を高周波誘導加熱して発生した熱により前記はんだを溶融せしめて前記金属板と前記冷媒ジャケットとをはんだ接合する工程と、
   を備える電力半導体装置の製造方法。
5. 非磁性金属材料から成るヒートシンクの上面と、一方の面上に半導体素子が設けられた基板の他方の面とを接合材によって接合する工程と、
   側壁で囲まれた開口部を有し断面が凹状を呈する冷媒ジャケットの前記側壁の開口部側上端部にはんだを形成する工程と、
   前記ヒートシンクの下面を前記はんだに接触させつつ、前記側壁に沿って配置された磁性金属部を高周波誘導加熱して発生した熱により前記はんだを溶融せしめて前記ヒートシンクと前記冷媒ジャケットとをはんだ接合する工程と、
   を備える電力半導体装置の製造方法。
6. 側壁で囲まれた開口部を有し断面が凹状を呈する冷媒ジャケットと、
   前記側壁の開口部側に設けられた磁性金属部と、
   前記磁性金属部上にはんだで接合された非磁性材料から成るヒートシンクと、
   前記ヒートシンク上に接合され、半導体素子が載置された基板と、
   を備える電力半導体装置。
7. 前記磁性金属部は、前記側壁の上端部に設けられた請求項６に記載の電力半導体装置。
8. 前記磁性金属部は、前記側壁の側周部に設けられた請求項６に記載の電力半導体装置。
9. 磁性金属材料から成る金属板と、
   前記金属板の上面に開口部を囲む側壁の端部がはんだで接合された断面が凹状を呈する非磁性金属材料から成る冷媒ジャケットと、
   前記冷媒ジャケットの前記開口部とは反対側の面に接合され、半導体素子が載置された基板と、
   を備える電力半導体装置。

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