JP5098473B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置に関する。
汎用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールにおいては、ＩＧＢＴ素子を安全に動作させるために、定格負荷時において、接合部温度ＴｊをＴｊ−ｍａｘを超えないように設計する必要がある。また、過負荷時等の異常時にも対応できるように、接合部温度Ｔｊが常時Ｔｊ−ｍａｘ以下になるような放熱構造を備えることが必要である。さらに、モジュール内の内蔵ダイオードであるＦＷＤ（Free Wheeling Diode）においても同様の対処を要する。
従来、Ｔｊ−ｍａｘが比較的低い（例えば、１００℃前後）低パワーの半導体モジュールでは、このような放熱対策を主に空冷式冷却体により対処してきた。
具体的には、アルミ材をフィンとした空冷式冷却体と半導体モジュールとをサーマルコンパウンド（熱伝導ペースト）や熱伝導シートを介して接続することにより放熱を遂行してきた。即ち、ＩＧＢＴ素子やＦＷＤ素子からの発熱をモジュールの下部方向に伝熱し、サーマルコンパウンド等を介して、空冷式冷却体に放熱するようにしていた。
しかし、近年、Ｔｊ−ｍａｘが１５０℃以上になる高パワーの半導体モジュールの需要が高まりつつある。このような半導体モジュールでは、空冷式冷却体を備えるだけでは、充分に半導体モジュールを冷却できないという問題が生じている。
このような問題に対し、近年、半導体モジュールを水冷式の冷却体で放熱させる半導体装置が開示されている（特許文献１，２参照）。
例えば、特許文献１（特開２００３−１８８３２６号公報）では、図１３に示す半導体装置が開示されている。
図１３は水冷式冷却体を備えた半導体装置の一例を説明する概略図である。ここで、図（Ａ）では、半導体装置の要部上面図が示され、図（Ｂ）では、図（Ａ）のａ−ｂ間における半導体装置の要部断面図が示されている。
この図に示すように、半導体装置２００は、金属ベース板２０１上に、窒化アルミ（ＡｌＮ）基板２０２を搭載し、さらに、窒化アルミ基板２０２上に配設した銅（Ｃｕ）電極パターン２０３，２０４上に、ＩＧＢＴ素子２０５と、ＦＷＤ素子２０６が搭載されている。そして、金属ベース板２０１下に、水冷式の冷却体である水路ケーシング２０７が接合されている。
また、水路ケーシング２０７には、給水口２０８と排水口２０９が設けられている。そして、給水口２０８と排水口２０９とを仕切る間隔１ｍｍの壁状水路遮断板２１０を備えている。
このような冷却体構造によれば、給水口２０８から供給された冷却媒体は、給水口２０８で湧き上がり、排水口２０９では渦流が発生する。そして、金属ベース板２０１直下に、冷却媒体を流通させることにより、ＩＧＢＴ素子２０５並びにＦＷＤ素子２０６からの発熱が水冷式の水路ケーシング２０７に放熱される。
また、特許文献２（特開２００２−３１４２８１号公報）では、図１４に示す半導体装置が開示されている。
図１４は水冷式冷却体を備えた半導体装置の一例を説明する概略図である。ここで、図（Ａ）では、半導体モジュール３０１の搭載領域下の冷却媒体路構造が示され、図（Ｂ）では、半導体モジュール３０１の非搭載領域下の冷却媒体路構造が示されている。
先ず、図（Ａ）に示すように、この半導体装置３００では、冷却媒体の流速の増大に伴う流量の増大を抑制するために、半導体モジュール３０１下に深さの浅い冷却媒体路３０２を設けることにより抑制している。
従来、このような浅い冷却媒体路３０２を同一の水路ケーシング３０４内に形成することは困難であったが、冷却媒体路３０２を形成した金属板３０３ａ，３０３ｂを水路ケーシング３０４内に接着することで、浅い冷却媒体路３０２を形成している。
また、このような流路断面積の小さい経路に高速で冷却媒体を流す場合には、圧力損失の増大が問題となるが、この半導体装置３００では、図（Ｂ）に示すように、半導体モジュール３０１を搭載していない部分の水路ケーシング３０４の形状を深く窪ませることにより、深い冷却媒体路３０５を形成させ、圧力損失を抑制している。
このように、図１３，１４に示す半導体装置２００，３００では、半導体素子の下方に冷却媒体を流通させて、半導体素子を冷却する。
特開２００３−１８８３２６号公報 特開２００２−３１４２８１号公報
しかしながら、特許文献１，２に示す開示例では、いずれも半導体素子を搭載する平板状の支持基体下において、冷却媒体を流通させているに過ぎない。
このような冷却体の構造では、冷却体として充分な放熱面積を有していない。従って、半導体素子の単位面積当たりの発熱が大きくなると、半導体素子から放出させる熱を冷却体に均等に分散させ、放熱させることができないという問題があった。
例えば、単位面積（ｃｍ2）当たり数ｋＷ相当のパワー半導体素子を半導体モジュール内に複数搭載した場合には、半導体装置を作動させた動的な条件では、パワー半導体素子もしくはパワー半導体素子と冷却体との接合部において、局部的な温度上昇が生じ、素子や接合部の破損により、半導体装置としての信頼性が低下するという問題が生じている。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、冷却媒体の流量並びに圧力損失を抑制し、且つ充分な放熱効果を有する半導体装置を提供することを目的とする。
本発明では上記課題を解決するために、半導体モジュール内に搭載された半導体素子を冷却体によって冷却可能な半導体装置であって、前記冷却体は、前記半導体モジュールの支持基体に金属層を介して接合され、前記半導体素子の搭載領域下の前記冷却体内に、前記冷却体の内面に当接する冷却フィンを備え、前記冷却フィンは、外側パイプと、前記外側パイプ内に内設される複数の内側パイプと、により構成され、前記冷却体の一部が前記半導体モジュールの側面に近接するように、前記冷却体の両端に凸部を設け、前記凸部の一方に冷却媒体用の注入口を設け、前記注入口から供給され、前記内側パイプ内を流通した前記冷却媒体が排出される排出口を前記凸部の他方に設けたことを特徴とする半導体装置が提供される。
また、本技術では、半導体モジュール内に搭載された半導体素子を冷却体によって冷却する半導体装置であって、前記半導体素子の搭載領域下の冷却体内に、間隔を隔てた複数の仕切板が備えられていることを特徴とする半導体装置が提供される。
また、本技術では、前記仕切板の上断面がＴ字状または矩形状であることを特徴とする半導体装置が提供される。
また、本技術では、半導体モジュール内に搭載された半導体素子を冷却体によって冷却する半導体装置であって、前記半導体素子の搭載領域下の冷却体内に、前記冷却体の内面に当接する多孔質金属材が備えられていることを特徴とする半導体装置が提供される。
また、本技術では、フィン部が間隔を隔てた複数の仕切板により構成されていることを特徴とする半導体装置が提供される。
さらに、本技術では、このような半導体装置の製造方法であって、冷却体の枠体を構成する上側金属枠と下側金属枠とを加工する工程と、前記下側金属枠の内面にフィン部を接合する工程と、前記上側金属枠と前記下側金属枠とを接合すると共に、前記上側金属枠の内面と前記フィン部とを接合する工程と、前記上側金属枠上面と前記半導体モジュールの支持基体とを金属層を介して接合する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
また、本技術では、半導体モジュール内に搭載された半導体素子と、前記半導体素子を冷却可能な冷却体とを備え、前記冷却体は、前記半導体モジュールの支持基体に金属層を介して接合され、前記半導体素子の搭載領域下の前記冷却体内に、前記冷却体の内面に当接する冷却フィンを備え、前記冷却フィンは、外側パイプと、前記外側パイプ内に内設される複数の内側パイプと、により構成され、前記冷却体の一部が前記半導体モジュールの側面に近接するように、前記冷却体の両端に凸部を設け、前記凸部の一方に冷却媒体用の注入口を設け、前記注入口から供給され、前記内側パイプ内を流通した前記冷却媒体が排出される排出口を前記凸部の他方に設けた半導体装置の製造方法であって、前記冷却体の枠体を構成する上側金属枠と下側金属枠とを加工する工程と、前記下側金属枠の内面にフィン部を接合する工程と、前記上側金属枠と前記下側金属枠とを接合すると共に、前記上側金属枠の内面と前記フィン部とを接合する工程と、前記上側金属枠上面と前記半導体モジュールの支持基体とを金属層を介して接合する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
また、本技術では、前記フィン部が間隔を隔てた複数の仕切板により構成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
また、本技術では、前記フィン部が多孔質金属材により構成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
このような半導体装置の製造方法によれば、冷却体の枠体を構成する上側金属枠と下側金属枠とを加工し、下側金属枠の内面に冷却フィン、複数の仕切板または多孔質金属材であるフィン部を接合し、上側金属枠と下側金属枠とを接合すると共に、上側金属枠の内面とフィン部とを接合し、上側金属枠上面と半導体モジュールの支持基体とを金属層を介して接合する。
これにより、このような半導体装置を簡便な方法で作製し得る半導体装置の製造方法が実現する。
本発明では、半導体モジュール内に搭載された半導体素子を冷却体によって冷却する半導体装置において、半導体素子の搭載領域下の冷却体内に、冷却体の内面に当接する冷却フィンを備え、その冷却フィンを外側パイプと、外側パイプ内に内設される複数の内側パイプと、により構成するようにした。
これにより、冷却媒体の流量並びに圧力損失が抑制され、且つ充分な放熱効果を有する半導体装置が実現する。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は第１の実施の形態の半導体装置の構成を説明する要部模式図である。ここで、図（Ａ）には、半導体装置の要部上面模式図が示され、図（Ｂ）には、半導体装置の要部断面模式図が示されている。また、図（Ｂ）においては、図（Ａ）に示したＡ−Ｂ位置の断面が示されている。なお、図（Ａ）においては、半導体モジュール内の構成を図示するために、半導体モジュールの上蓋が省略されている。
図示する半導体装置１００は、半導体モジュール１０が水冷式の冷却体２０上に、半田層１１を介して、直接的に固着された構造をしている。
まず、半導体モジュール１０においては、放熱用の金属ベース板１０ａの上方の主面の外端に、成形された樹脂ケース１０ｂが固着され、外端を除いた金属ベース板１０ａの上方の主面に、銅電極１０ｃが半田層１０ｄを介して接合されている。そして、銅電極１０ｃの全面には、絶縁基板１０ｅが接合されている。また、絶縁基板１０ｅ上には、パターニングされた銅電極１０ｆ，１０ｇ，１０ｈがそれぞれ配設されている。これらの銅電極１０ｃ，１０ｆ，１０ｇ，１０ｈは、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）法で、絶縁基板１０ｅの主面に接合された電極である。
銅電極１０ｇの主面には、複数の半導体素子が搭載されている。例えば、半導体素子として、ＩＧＢＴ素子１２とＦＷＤ素子１３が銅電極１０ｇ上に半田層１０ｉ，１０ｊを介して、半田付けされている。そして、銅電極１０ｇにより、ＩＧＢＴ素子１２のコレクタ電極及びＦＷＤ素子１３のカソード側との電気的な接続が確保されている。
また、ＩＧＢＴ素子１２及びＦＷＤ素子１３の配置については、ＩＧＢＴ素子１２及びＦＷＤ素子１３からの発熱を銅電極１０ｇの下方に位置する冷却体２０に効率よく拡散させるために、ＩＧＢＴ素子１２及びＦＷＤ素子１３を所定の距離を隔てて配置させている。
さらに、ＩＧＢＴ素子１２及びＦＷＤ素子１３からの発熱を上方からも放熱させるために、ＩＧＢＴ素子１２のエミッタ電極、並びにＦＷＤ素子１３のアノード側に、金属板１０ｋ，１０ｌが半田層１０ｍ，１０ｎを介して、それぞれ半田付けされている。即ち、この金属板１０ｋ，１０ｌは、ＩＧＢＴ素子１２及びＦＷＤ素子１３のヒートスプレッダとして機能する。
そして、ＩＧＢＴ素子１２のエミッタ電極及びＦＷＤ素子１３のアノード側との電気的な接続を確保するために、金属板１０ｋの上面に、金属ワイヤ１４ａの一端がボンディングされ、その他端が金属板１０ｌに接続されている。
さらに、金属板１０ｌの上面には、金属ワイヤ１４ｂの一端がボンディングされ、その他端は、銅電極１０ｆに電気的に接続されている。
また、ＩＧＢＴ素子１２上面に配設されたゲート電極１２ａには、金属ワイヤ１４ｃの一端がボンディングされ、その他端は、銅電極１０ｈに電気的に接続されている。
そして、銅電極１０ｆ，１０ｇ，１０ｈ上には、半導体モジュール１０の外部導出端子（不図示）に電気的に接続される導体板１５ａ，１５ｂ，１５ｃ（リードフレーム）が半田層を介して接合されている。
例えば、導体板１５ａは、エミッタ用端子として機能し、導体板１５ｂは、コレクタ用端子として機能する。また、導体板１５ｃは、制御用端子として機能する。なお、これらの導体板１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、中途から半導体モジュール１０の水平方向に折曲されている。
なお、図１においては、それぞれ１個のＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３が示されているが、本実施の形態においては、特に、この数に限定されるものではない。即ち、それぞれ複数個のＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３を銅電極１０ｇ上に配置させてもよい。
次に、半導体モジュール１０の下部に固着させた水冷式の冷却体２０の構造を説明する。
上述したように、この冷却体２０は、半導体モジュール１０の支持基体である金属ベース板１０ａに、半田層１１を介して直接的に接合されている。そして、冷却体２０には、その一方の下端に冷却媒体の注入口２０ａが設けられ、他方の下端に冷却媒体の排出口２０ｂが設けられている。冷却媒体としては、例えば、水またはアルコールを含有した水（不凍液）、シリコンオイル、フロリナート（登録商標）などを用いる。
また、冷却体２０内の水路空間２０ｃ，２０ｄの間には、上述したように、冷却体２０の内面に当接する冷却フィン３０が設置されている。即ち、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１２の下地である銅電極１０ｇの下方に、冷却フィン３０が位置している。この冷却フィン３０が冷却体２０の上面に当接する面積は、半導体素子を搭載する領域より大きく、冷却フィン３０は、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３の搭載領域下に位置する。そして、注入口２０ａから供給された冷却媒体は、冷却フィン３０の内壁と接触しながら、冷却フィン３０内を流通し、排出口２０ｂから排出される。
なお、冷却体２０の幅（冷却体２０の短手方向の幅）は、例えば、半導体モジュール１０の幅（半導体モジュール１０の短手方向の幅）の０．６倍から１．２倍で、その長さ（冷却体２０の長手方向の長さ）が半導体モジュール１０の長さ（半導体モジュール１０の長手方向の長さ）の０．８倍から１．５倍に構成されている。さらに、この冷却フィン３０の構造を詳細に説明するために、別の図を用いて、その構造を説明する。
図２は冷却フィンの要部断面模式図である。この図は、図１（Ｂ）のＣ−Ｄ位置の断面が示されている。
図示する冷却フィン３０は、矩形状の外側パイプ３０ａと、外側パイプ３０ａ内に積層された複数の内側パイプ３０ｂにより主に構成されている。そして、外側パイプ３０ａは、その長さが半導体モジュール１０の長さの０．８倍以上１．０倍以下に構成されている。また、外側パイプ３０ａの幅は、半導体モジュール１０の幅の０．６倍以上０．８倍以下に構成されている。外側パイプ３０ａの肉厚は、外側パイプ３０ａ断面の四角口径の長さあるいは幅の２％以上１０％以下に構成されている。
また、内側パイプ３０ｂの内径は、１．８ｍｍ以上３．３ｍｍ以下であり、その肉厚は、５０μｍ以上２００μｍ以下に構成されている。
また、このような外側パイプ３０ａ並びに複数の内側パイプ３０ｂにより構成された冷却フィン３０の厚みは、例えば、１０ｍｍ以下に構成されている。
このように、図１、図２に示す冷却体２０の構成によれば、注入口２０ａから供給された冷却媒体は、水路空間２０ｃに到達し、内側パイプ３０ｂ内の通水路３０ｃを経て、水路空間２０ｄに到達する。そして、排出口２０ｂから排出される。
また、ＩＧＢＴ素子１２及びＦＷＤ素子１３を動作させた時に発生される熱は、主に、半田層１０ｉ，１０ｊ、銅電極１０ｇ、絶縁基板１０ｅを順に流通し、銅電極１０ｃを介して金属ベース板１０ａまで伝導する。そして、半田層１１を介して冷却体２０に伝導する。さらに、冷却体２０内に配置した冷却フィン３０の外側パイプ３０ａ並びに内側パイプ３０ｂにまで伝導し、内側パイプ３０ｂ内を流通する冷却媒体に伝導する。
このような放熱経路により、ＩＧＢＴ素子１２及びＦＷＤ素子１３を動作させた時に発生される熱を効率よく均等に放熱させることができる。
また、半導体装置１００には、半導体モジュール１０と、冷却体２０とを、半導体装置１００を用いる装置（電力変換装置など）に固定するための取付け用のネジ孔１０ｐ，２０ｅが設けられている。これらのネジ孔１０ｐ，２０ｅは、半導体モジュール１０及び冷却体２０に連通している。なお、これらのネジ孔１０ｐ，２０ｅについては、半導体装置１００を振動や衝撃の非常に少ない用途で用いる場合には、特に設ける必要はない。
また、これらの冷却体２０の枠体、冷却フィン３０を構成する外側パイプ３０ａ、並びに内側パイプ３０ｂは、例えば、銅、アルミニウム（Ａｌ）等により構成されている。また、上述した半田層１１，１０ｄ，１０ｉ，１０ｊ，１０ｍ，１０ｎの材質は、例えば、錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系の鉛フリー半田で構成される。
このように、半導体装置１００は、半導体モジュール１０の支持基体である金属ベース板１０ａと、冷却体２０とが半田層１１を介して直接的に接合されている。また、冷却体２０内には、冷却フィン３０が備えられ、放熱面積を増加させている。その結果、高い放熱効果を得る。
また、半導体モジュール１０と冷却体２０との接合材に、半田を用いている。従って、接合材として、熱抵抗の大きい熱伝導ペースト（サーマルコンパウンド）や導電シートを用いた場合に比べて、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３から冷却体２０までの熱伝達率が大きくなる。その結果、一度に複数のパワー半導体素子を動作させても、規定内の接合部温度を常時維持することができ、接合信頼性を向上させることができる。
また、接合材として、熱伝導ペーストや導電シートを用いないことから、半導体装置のコストを低減させることができる。
さらに、冷却体２０の幅を半導体モジュール１０の幅の０．６倍から１．２倍にし、その長さを半導体モジュール１０の長さの０．８倍から１．５倍にしている。その結果、半導体装置１００のサイズがコンパクトになる。
また、冷却体２０内に、冷却フィン３０を備えているので、冷却体２０の厚さ方向の機械的強度が増加する。
また、放熱効果を増加させたことから、半導体素子や基材、それらの接合部における反りが抑制され、半導体素子に印加される熱応力が緩和される。さらに、熱衝撃やパワーサイクル等で生じる半導体装置の熱疲労、劣化が抑制される。その結果、半導体装置の信頼性が向上する。
さらに、このような冷却体２０の構造では、圧力損失が抑制され、低ポンプ能力で半導体装置１００を冷却することができる。また、冷却媒体の使用量を抑えることができる（後述）。
＜第２の実施の形態＞
図３は第２の実施の形態の半導体装置の構成を説明する要部模式図である。ここで、図（Ａ）には、半導体装置の要部上面模式図が示され、図（Ｂ）には、半導体装置の要部断面模式図が示されている。また、図（Ｂ）においては、図（Ａ）に示したＡ−Ｂ位置の断面が示されている。なお、図（Ａ）においては、半導体モジュール内の構成を図示するために、半導体モジュールの上蓋が省略されている。なお、この実施の形態で図示する部材においては、図１、図２に示した同一の部材には、同一の符号を付し、その説明の詳細については省略する。
図示するように、半導体装置１０１は、半導体モジュール１０が水冷式の冷却体２０上に、半田層１１を介して直接的に固着された構造をしている。そして、半導体モジュール１０は、絶縁基板１０ｅ下部にＤＣＢ法で接合させた銅電極１０ｃを支持基体とし、絶縁基板１０ｅ及び銅電極１０ｃの外端には、成形された樹脂ケース１０ｂが固着されている。
また、絶縁基板１０ｅ上に配設させた銅電極１０ｇ上には、複数の半導体素子が搭載されている。例えば、この半導体装置１０１では、ＩＧＢＴ素子１２とＦＷＤ素子１３が銅電極１０ｇ上に半田層１０ｉ，１０ｊを介して、半田付けされている。このようなＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３は、それぞれ１個とは限らず、複数個の半導体素子を搭載してもよい。
また、上述したように、冷却体２０は、半導体モジュール１０の銅電極１０ｃと半田層１１を介して、直接的に接合されている。そして、冷却体２０には、その一方の下端に注入口２０ａが設けられ、他方の下端に排出口２０ｂが設けられている。
また、冷却体２０内の水路空間２０ｃ，２０ｄの間には、上述したように、冷却フィン３０が設置されている。即ち、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３の下地である銅電極１０ｇの下方に、冷却フィン３０が位置している。この冷却フィン３０が冷却体２０の上面に当接する面積は、半導体素子を搭載する領域より大きい。冷却フィン３０は、外側パイプ３０ａと、外側パイプ３０ａ内に積層された複数の内側パイプ３０ｂにより主に構成されている。そして、注入口２０ａから供給された冷却媒体が冷却フィン３０の内壁と接触しながら、冷却フィン３０内を流通し、排出口２０ｂから排出される。
なお、冷却体２０の幅は、例えば、半導体モジュール１０の幅の０．６倍から１．２倍で、その長さが半導体モジュール１０の長さの０．８倍から１．５倍に構成されている。
このように、半導体装置１０１は、半導体モジュール１０の支持基体を構成する銅電極１０ｃと、冷却体２０とが半田層１１を介して直接的に接合されている。また、冷却体２０内には、冷却フィン３０が備えられ、放熱面積を増加させている。そして、注入口２０ａから供給された冷却媒体が水路空間２０ｃに到達し、内側パイプ３０ｂ内の通水路３０ｃを経て、水路空間２０ｄに到達する。そして、排出口２０ｂから排出される。その結果、高い放熱効果を得る。
また、半導体モジュール１０と冷却体２０との接合材に、半田を用いている。従って、接合材として、熱抵抗の大きい熱伝導ペーストや導電シートを用いた場合に比べて、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３から冷却体２０までの熱伝達率が大きくなる。その結果、一度に複数のパワー半導体素子を動作させても、規定内の接合部温度を常時維持することができ、接合信頼性を向上させることができる。
また、接合材として、熱伝導ペーストや導電シートを用いず、さらに、図１に示す半導体装置１００で使用した金属ベース板１０ａを用いないことから、半導体装置のコストを低減させることができる。
さらに、冷却体２０の幅を半導体モジュール１０の幅の０．６倍から１．２倍にし、その長さを半導体モジュール１０の長さの０．８倍から１．５倍にしている。その結果、半導体装置１０１のサイズがコンパクトになる。
また、冷却体２０内に、冷却フィン３０を備えているので、冷却体２０の厚さ方向の機械的強度が増加する。
また、放熱効果を増加させたことから、半導体素子や基材、それらの接合部における反りが抑制され、半導体素子に印加される熱応力が緩和される。さらに、熱衝撃やパワーサイクル等で生じる半導体装置の熱疲労、劣化が抑制される。その結果、半導体装置の信頼性が向上する。
さらに、このような冷却体２０の構造では、圧力損失が抑制され、低ポンプ能力で半導体装置１０１を冷却することができる。また、冷却媒体の使用量を抑えることができる。
＜第３の実施の形態＞
図４は第３の実施の形態の半導体装置の構成を説明する要部模式図である。ここで、図（Ａ）には、半導体装置の要部上面模式図が示され、図（Ｂ）には、半導体装置の要部断面模式図が示されている。また、図（Ｂ）においては、図（Ａ）に示したＡ−Ｂ位置の断面が示されている。なお、図（Ａ）においては、半導体モジュール内の構成を図示するために、半導体モジュールの上蓋が省略されている。なお、この実施の形態で図示する部材においては、図１乃至図３に示した同一の部材には、同一の符号を付し、その説明の詳細については省略する。
図示する半導体装置１０２は、水冷式の冷却体２１上に、半導体モジュール１０の支持基体である金属ベース板１０ａを半田層１１を介して、直接的に接合させた構造をしている。そして、金属ベース板１０ａの外端に、成形された樹脂ケース１０ｂが固着されている。
また、金属ベース板１０ａ上には、銅電極１０ｃが半田層１０ｄを介して接合されている。そして、銅電極１０ｃ上には、絶縁基板１０ｅが接合されている。さらに、絶縁基板１０ｅ上には、パターニングされた銅電極１０ｆ，１０ｇ，１０ｈが配設されている。
これらの銅電極１０ｃ，１０ｆ，１０ｇ，１０ｈは、ＤＣＢ法で、絶縁基板１０ｅ上に接合されている。
また、銅電極１０ｇの上には、複数の半導体素子が搭載されている。例えば、この半導体装置１０２では、ＩＧＢＴ素子１２とＦＷＤ素子１３が銅電極１０ｇ上に半田層１０ｉ，１０ｊを介して、半田付けされている。このようなＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３は、それぞれ１個とは限らず、複数個の半導体素子を搭載してもよい。
また、半導体装置１０２の長手方向においては、冷却体２１の一部が半導体モジュール１０の側面に近接するように、冷却体２１の両端に凸部２１ｆ，２１ｇが設けられている。そして、冷却体２１の長手方向においては、その一方の側面（凸部２１ｆの側面）に注入口２１ａが設けられ、他方の側面（凸部２１ｇの側面）に排出口２１ｂが設けられている。
また、冷却体２１内の水路空間２１ｃ，２１ｄの間には、上述したように、冷却フィン３０が設置されている。この冷却フィン３０が冷却体２１の上面に当接する面積は、半導体素子を搭載する領域より大きい。即ち、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３の下地である銅電極１０ｇの下方に、冷却フィン３０が位置している。冷却フィン３０は、外側パイプ３０ａと、外側パイプ３０ａ内に積層された複数の内側パイプ３０ｂにより主に構成されている。そして、注入口２１ａから供給された冷却媒体が冷却フィン３０の内壁と接触しながら、冷却フィン３０内を流通し、排出口２１ｂから排出される。
なお、冷却体２１の幅は、例えば、半導体モジュール１０の幅の０．６倍から１．２倍で、その長さが半導体モジュール１０の長さの１．２倍から１．５倍に構成されている。
また、導体板１５ａ，１５ｂ，１５ｃに、冷却体２１の上面が接しないように、冷却体２１の高さは、半導体モジュール１０の上面の高さから＋１０ｍｍ以下に構成されている。
このように、半導体装置１０２は、半導体モジュール１０の支持基体である金属ベース板１０ａと、冷却体２１とが半田層１１を介して直接的に接合されている。また、冷却体２１内には、冷却フィン３０が備えられ、放熱面積を増加させている。そして、注入口２１ａから供給された冷却媒体が水路空間２１ｃに到達し、内側パイプ３０ｂ内の通水路３０ｃを経て、水路空間２１ｄに到達する。そして、排出口２１ｂから排出される。その結果、高い放熱効果を得る。
また、半導体モジュール１０と冷却体２１との接合材に、半田を用いている。従って、接合材として、熱抵抗の大きい熱伝導ペーストや導電シートを用いた場合に比べて、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３から冷却体２１までの熱伝達率が大きくなる。その結果、一度に複数のパワー半導体素子を動作させても、規定内の接合部温度を常時維持することができ、接合信頼性を向上させることができる。
また、接合材として、熱伝導ペーストや導電シートを用いないことから、半導体装置のコストを低減させることができる。
さらに、冷却体２１の幅を半導体モジュール１０の幅の０．６倍から１．２倍にし、その長さを半導体モジュール１０の長さの１．２倍から１．５倍にしている。その結果、半導体装置１０２のサイズがコンパクトになる。
また、冷却体２１内に、冷却フィン３０を備えているので、冷却体２１の厚さ方向の機械的強度が増加する。
また、放熱効果を増加させたことから、半導体素子や基材、それらの接合部における反りが抑制され、半導体素子に印加される熱応力が緩和される。さらに、熱衝撃やパワーサイクル等で生じる半導体装置の熱疲労、劣化が抑制される。その結果、半導体装置の信頼性が向上する。
さらに、このような冷却体２１の構造では、圧力損失が抑制され、低ポンプ能力で半導体装置１０２を冷却することができる。また、冷却媒体の使用量を抑えることができる。
＜第４の実施の形態＞
図５は第４の実施の形態の半導体装置の構成を説明する要部模式図である。ここで、図（Ａ）には、半導体装置の要部上面模式図が示され、図（Ｂ）には、半導体装置の要部断面模式図が示されている。また、図（Ｂ）においては、図（Ａ）に示したＡ−Ｂ位置の断面が示されている。なお、図（Ａ）においては、半導体モジュール内の構成を図示するために、半導体モジュールの上蓋が省略されている。なお、この実施の形態で図示する部材においては、図１乃至図４に示した同一の部材には、同一の符号を付し、その説明の詳細については省略する。
図示する半導体装置１０３は、水冷式の冷却体２１上に、半導体モジュール１０を半田層１１を介して、直接的に固着させた構造をしている。そして、半導体モジュール１０は、絶縁基板１０ｅ下部にＤＣＢ法で接合させた銅電極１０ｃを支持基体とし、絶縁基板１０ｅ及び銅電極１０ｃの外端に、成形された樹脂ケース１０ｂが固着されている。
また、絶縁基板１０ｅ上に配設した銅電極１０ｇ上には、複数の半導体素子が搭載されている。例えば、この半導体装置１０３では、ＩＧＢＴ素子１２とＦＷＤ素子１３が銅電極１０ｇ上に半田層１０ｉ，１０ｊを介して、半田付けされている。このようなＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３は、それぞれ１個とは限らず、複数個の半導体素子を搭載してもよい。
また、上述したように、冷却体２１は、半導体モジュール１０の銅電極１０ｃと、半田層１１を介して、直接的に接合されている。また、半導体装置１０３の長手方向においては、冷却体２１の一部が半導体モジュール１０の側面に近接するように、冷却体２１の両端に凸部２１ｆ，２１ｇが設けられている。
また、冷却体２１の長手方向においては、その一方の側面（凸部２１ｆの側面）に注入口２１ａが設けられ、他方の側面（凸部２１ｇの側面）に排出口２１ｂが設けられている。
また、冷却体２１内の水路空間２１ｃ，２１ｄの間には、冷却フィン３０が備えられている。即ち、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３の下地である銅電極１０ｇの下方に、冷却フィン３０が位置している。この冷却フィン３０が冷却体２１の上面に当接する面積は、半導体素子を搭載する領域より大きい。冷却フィン３０は、外側パイプ３０ａと、外側パイプ３０ａ内に積層された複数の内側パイプ３０ｂにより主に構成されている。そして、注入口２１ａから供給された冷却媒体が冷却フィン３０の内壁と接触しながら、冷却フィン３０内を流通し、排出口２１ｂから排出される。
なお、冷却体２１の幅は、例えば、半導体モジュール１０の幅の０．６倍から１．２倍で、その長さが半導体モジュール１０の長さの１．２倍から１．５倍に構成されている。また、導体板１５ａ，１５ｂ，１５ｃに、冷却体２１の上面が接しないように、冷却体２１の高さが半導体モジュール１０の上面の高さから＋１０ｍｍ以下に構成されている。
このように、半導体装置１０３は、半導体モジュール１０の支持基体を構成する銅電極１０ｃと、冷却体２１とが半田層１１を介して直接的に接合されている。また、冷却体２１内には、冷却フィン３０が備えられ、放熱面積を増加させている。そして、注入口２１ａから供給された冷却媒体が水路空間２１ｃに到達し、内側パイプ３０ｂ内の通水路３０ｃを経て、水路空間２１ｄに到達する。そして、排出口２１ｂから排出される。その結果、高い放熱効果を得る。
また、半導体モジュール１０と冷却体２１との接合材に、半田を用いている。従って、接合材として、熱抵抗の大きい熱伝導ペーストや導電シートを用いた場合に比べて、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３から冷却体２１までの熱伝達率が大きくなる。その結果、一度に複数のパワー半導体素子を動作させても、規定内の接合部温度を常時維持することができ、接合信頼性を向上させることができる。
また、接合材として、熱伝導ペーストや導電シートを用いず、さらに、図１に示す半導体装置１００で使用した金属ベース板１０ａを用いないことから、半導体装置のコストを低減させることができる。
さらに、冷却体２１の幅を半導体モジュール１０の幅の０．６倍から１．２倍にし、その長さを半導体モジュール１０の長さの１．２倍から１．５倍にしている。その結果、半導体装置１０３のサイズがコンパクトになる。
また、冷却体２１内に、冷却フィン３０を備えているので、冷却体２１の厚さ方向の機械的強度が増加する。
また、放熱効果を増加させたことから、半導体素子や基材、それらの接合部における反りが抑制され、半導体素子に印加される熱応力が緩和される。さらに、熱衝撃やパワーサイクル等で生じる半導体装置の熱疲労、劣化が抑制される。その結果、半導体装置の信頼性が向上する。
さらに、このような冷却体２１の構造では、圧力損失が抑制され、低ポンプ能力で半導体装置１０３を冷却することができる。また、冷却媒体の使用量を抑えることができる。
次に、半導体モジュール１０を冷却する冷却体２１の変形例について説明する。
＜第５の実施の形態＞
図６は第５の実施の形態の半導体装置の構成を説明する要部模式図である。ここで、図（Ａ）には、半導体装置の冷却体の要部上面模式図が示され、図（Ｂ）、図（Ｃ）には、主に、冷却体の要部断面模式図が示されている。
但し、図（Ａ）においては、冷却体の内部構造を詳細に説明するために、冷却体内部の透過図が示されている。また、図（Ｂ）においては、図（Ａ）に示したＡ−Ｂ位置の断面が示され、図（Ｃ）においては、図（Ａ）に示したＥ−Ｆ位置の断面が示されている。
また、この実施の形態で図示する部材においては、図１乃至図５に示した同一の部材には、同一の符号を付し、その説明の詳細については省略する。
また、この図においては、冷却体２２上に、半導体モジュール１０が搭載され、その外枠のみが破線で示されているが、その内部の構成は、図１乃至図５に示す半導体モジュール１０の構成と同様である。そして、半導体モジュール１０の支持基体は、図１または図４に示す半導体装置１００，１０２の支持基体の金属ベース板１０ａであってもよく、図３または図５に示す半導体装置１０１，１０３の銅電極１０ｃであってもよい。さらに、半導体モジュール１０内に搭載されるＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３は、それぞれ１個とは限らず、それぞれ複数個の半導体素子を搭載してもよい。
図示する半導体装置１０４は、半導体モジュール１０が水冷式の冷却体２２上に、半田層１１を介して直接的に固着された構造をしている。そして、冷却体２２には、その一方の側面に注入口２２ａが設けられ、他方の側面に排出口２２ｂが設けられている。
また、冷却体２２内の水路空間２２ｃ，２２ｄの間には、平板状で上断面が矩形状の仕切板３１ａ並びに上断面がＴ字状の仕切板３１ｂが複数個、互いに間隔を隔てて備えられている。
なお、このような仕切板の形状については、冷却媒体と仕切板との接触面積が所望の大きさであればよく、その上断面形状は上記に示すＴ字状または矩形状に限らない。
例えば、仕切板３１ａ，仕切板３１ｂに代えて、上断面が「＋」となるプラス記号状や「┛」となるかぎ括弧状の上断面を有した仕切板を用いてもよい。特に、「┛」状（かぎ括弧状）の断面の仕切り板は、平板を折り曲げ加工するだけで作製できるため、製造が容易であり、コストを低減させることができる。
ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３の下地である銅電極１０ｇ（図６では不図示）の下方に、複数個の仕切板３１ａ，３１ｂが位置している。ここで、Ｔ字状の仕切板３１ｂのピッチは、１．８ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に構成されている。そして、注入口２２ａから供給された冷却媒体が複数の仕切板３１ａ，３１ｂと接触しながら、排出口２２ｂから排出される。
なお、冷却体２２の幅は、例えば、半導体モジュール１０の幅の０．６倍から１．２倍で、その長さが半導体モジュール１０の長さの１．２倍から１．５倍に構成されている。
このように、半導体装置１０４は、半導体モジュール１０の支持基体と、冷却体２２とが半田層１１を介して直接的に接合されている。また、冷却体２２内には、複数個の仕切板３１ａ，３１ｂが備えられ、放熱面積を増加させている。その結果、高い放熱効果を得る。
また、半導体モジュール１０と冷却体２２との接合材に、半田を用いている。従って、接合材として、熱抵抗の大きい熱伝導ペーストや導電シートを用いた場合に比べて、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３から冷却体２２までの熱伝達率が大きくなる。その結果、一度に複数のパワー半導体素子を動作させても、規定内の接合部温度を常時維持することができ、接合信頼性を向上させることができる。
また、接合材として、熱伝導ペーストや導電シートを用いないことから、半導体装置のコストを低減させることができる。
さらに、冷却体２２の幅を半導体モジュール１０の幅の０．６倍から１．２倍にし、その長さを半導体モジュール１０の長さの１．２倍から１．５倍にしている。その結果、半導体装置１０４のサイズがコンパクトになる。
また、冷却体２２内に、複数の仕切板３１ａ，３１ｂを備えているので、冷却体２２の厚さ方向の機械的強度が増加する。
また、放熱効果を増加させたことから、半導体素子や基材、それらの接合部における反りが抑制され、半導体素子に印加される熱応力が緩和される。さらに、熱衝撃やパワーサイクル等で生じる半導体装置の熱疲労、劣化が抑制される。その結果、半導体装置の信頼性が向上する。
なお、この図に示す冷却体２２においては、冷却体２２の一部が半導体モジュール１０の側面に近接するように、冷却体２２の両端に凸部２２ｆ，２２ｇを設け、さらに、冷却体２２の長手方向において、その一方の側面に注入口２２ａを設け、他方の側面に排出口２２ｂが設けられた構造が示されている。しかし、注入口２２ａ並びに排出口２２ｂの配置については、この構造に限られるものではない。即ち、図１または図３に示された半導体装置１００，１０１のように、冷却体２２の一方の下端に注入口を設け、他方の下端に排出口を設けた冷却体構造でもよい。
＜第６の実施の形態＞
図７は第６の実施の形態の半導体装置の構成を説明する要部模式図である。ここで、図（Ａ）には、半導体装置の冷却体の要部上面模式図が示され、図（Ｂ）、図（Ｃ）には、主に、冷却体の要部断面模式図が示されている。
但し、図（Ａ）においては、冷却体の内部構造を詳細に説明するために、冷却体内部の透過図が示されている。また、図（Ｂ）においては、図（Ａ）に示したＡ−Ｂ位置の断面が示され、図（Ｃ）においては、図（Ａ）に示したＥ−Ｆ位置の断面が示されている。
また、この実施の形態で図示する部材においては、図１乃至図６に示した同一の部材には、同一の符号を付し、その説明の詳細については省略する。
また、この図においては、半導体モジュール１０の外枠のみが示されているが、半導体モジュール１０の内部の構成は、図１乃至図６に示す半導体モジュール１０の構成と同様である。そして、その支持基体は、図１または図４に示す半導体装置１００，１０２の金属ベース板１０ａであってもよく、図３または図５に示す半導体装置１０１，１０３の銅電極１０ｃであってもよい。なお、半導体モジュール１０内に搭載されるＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３は、それぞれ１個とは限らず、それぞれ複数個の半導体素子を搭載してもよい。
図示する半導体装置１０５は、半導体モジュール１０が水冷式の冷却体２１上に、半田層１１を介して直接的に固着された構造をしている。そして、冷却体２１は、その一方の側面に注入口２１ａが設けられ、他方の側面に排出口２１ｂが設けられている。
また、冷却体２１内の水路空間２１ｃ，２１ｄ間には、冷却体２１の内面に当接する冷却フィン３２が備えられている。即ち、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３の下地である銅電極１０ｇ（図７では不図示）の下方に、冷却フィン３２が位置している。この冷却フィン３２が冷却体２１の上面に当接する面積は、半導体素子を搭載する領域より大きく、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３の搭載領域下に冷却フィン３２が位置している。そして、注入口２１ａから供給された冷却媒体が冷却フィン３２の内壁と接触しながら、冷却フィン３２内を流通し、排出口２１ｂから排出される。
なお、冷却体２１の幅は、例えば、半導体モジュール１０の幅の０．６倍から１．２倍で、その長さが半導体モジュール１０の長さの１．２倍から１．５倍に構成されている。
ここで、この半導体装置１０５では、冷却フィン３２の構造を図（Ｃ）に示すように、ハニカム構造としている。
冷却フィン３２は、外側パイプ３２ａと、外側パイプ３２ａ内に積層される複数の内側パイプ３２ｂにより主に構成されている。そして、外側パイプ３２ａは、その長さが半導体モジュール１０の長さの０．８倍以上１．０倍以下に構成されている。また、外側パイプ３２ａの幅は、半導体モジュール１０の幅の０．６倍以上０．８倍以下に構成されている。外側パイプ３２ａの肉厚は、外側パイプ３２ａ断面の四角口径の長さあるいは幅の２％以上１０％以下に構成されている。
また、内側パイプ３２ｂの断面形状は、例えば、六角形であり、複数の内側パイプ３２ｂが互いに密接し合うことにより、冷却フィン３２の断面構造として、ハニカム形状を構成する。
また、内側パイプ３２ｂの断面において、六角形の対抗する辺の距離は、１．８ｍｍ以上３．３ｍｍ以下である。また、内側パイプ３２ｂの肉厚は、５０μｍ以上２００μｍ以下に構成されている。ここで、上記六角形を正六角形とし、これに内接する円を断面とするパイプと比較すると、六角形部の方が円に比べ、断面積ならびに冷却媒体との接触面積ともに１０％ほど大きくなる。冷却媒体の流路抵抗を大きくせずに接触面積を大きくすることができる。
なお、冷却フィン３２の厚みは、例えば、１０ｍｍ以下に構成されている。
このような冷却体２１の構成によれば、注入口２１ａから供給された冷却媒体は、水路空間２１ｃに到達し、内側パイプ３２ｂ内の通水路３２ｃを経て、水路空間２１ｄに到達する。そして、排出口２１ｂから排出される。
このように、半導体装置１０５は、半導体モジュール１０の支持基体と、冷却体２１とが半田層１１を介して直接的に接合されている。また、冷却体２１内には、冷却フィン３２が備えられ、放熱面積を増加させている。その結果、高い放熱効果を得る。
また、半導体モジュール１０と冷却体２１との接合材に、半田を用いている。従って、接合材として、熱抵抗の大きい熱伝導ペーストや導電シートを用いた場合に比べて、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３から冷却体２１までの熱伝達率が大きくなる。その結果、一度に複数のパワー半導体素子を動作させても、規定内の接合部温度を常時維持することができ、接合信頼性を向上させることができる。
また、接合材として、熱伝導ペーストや導電シートを用いないことから、半導体装置のコストを低減させることができる。
さらに、冷却体２１の幅を半導体モジュール１０の幅の０．６倍から１．２倍にし、その長さを半導体モジュール１０の長さの１．２倍から１．５倍にしている。その結果、半導体装置１０５のサイズがコンパクトになる。
また、冷却体２１内に、断面がハニカム形状の冷却フィン３２を備えているので、冷却体２１の厚さ方向の機械的強度が増加する。
また、放熱効果を増加させたことから、半導体素子や基材、それらの接合部における反りが抑制され、半導体素子に印加される熱応力が緩和される。さらに、熱衝撃やパワーサイクル等で生じる半導体装置の熱疲労、劣化が抑制される。その結果、半導体装置の信頼性が向上する。
なお、この図に示す冷却体２１においては、冷却体２１の一部が半導体モジュール１０の側面に近接するように、冷却体２１の両端に凸部２１ｆ，２１ｇを設け、さらに、冷却体２１の長手方向において、その一方の側面に注入口２１ａを設け、他方の側面に排出口２１ｂを設けた構造が示されている。しかし、注入口２１ａ並びに排出口２１ｂの配置については、この構造に限られるものではない。即ち、図１または図３に示された半導体装置１００，１０１のように、一方の下端に注入口を設け、他方の下端に排出口を設けた冷却体構造でもよい。
＜第７の実施の形態＞
図８は第７の実施の形態の半導体装置の構成を説明する要部模式図である。ここで、図（Ａ）には、半導体装置の冷却体の要部上面模式図が示され、図（Ｂ）、図（Ｃ）には、主に、冷却体の要部断面模式図が示されている。
但し、図（Ａ）においては、冷却体の内部構造を詳細に説明するために、冷却体内部の透過図が示されている。また、図（Ｂ）においては、図（Ａ）に示したＡ−Ｂ位置の断面が示され、図（Ｃ）においては、図（Ａ）に示したＥ−Ｆ位置の断面が示されている。
また、この実施の形態で図示する部材においては、図１乃至図７に示した同一の部材には、同一の符号を付し、その説明の詳細については省略する。
また、この図においては、半導体モジュール１０の外枠のみが示されているが、その内部の構成は、図１乃至図７に示す半導体モジュールの構成と同様である。そして、その支持基体は、図１または図４に示す半導体装置１００，１０２の金属ベース板１０ａであってもよく、図３または図５に示す半導体装置１０１，１０３の銅電極１０ｃであってもよい。なお、半導体モジュール１０内に搭載されるＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３は、それぞれ１個とは限らず、それぞれ複数個の半導体素子を搭載してもよい。
図示する半導体装置１０６は、半導体モジュール１０が水冷式の冷却体２１上に、半田層１１を介して直接的に固着された構造をしている。そして、冷却体２１には、その一方の側面に注入口２１ａが設けられ、他方の下端に排出口２１ｂが設けられている。
また、冷却体２１内の水路空間２１ｃ，２１ｄ間には、冷却体２１の内面に当接する多孔質金属材部３３が設置されている。即ち、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３の下地である銅電極１０ｇ（図８では不図示）の下方に、多孔質金属材部３３が位置している。この多孔質金属材部３３が冷却体２１の上面に当接する面積は、半導体素子を搭載する領域より大きく、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３の搭載領域下に多孔質金属材部３３が位置している。
そして、注入口２１ａから供給された冷却媒体が多孔質金属材部３３の内部金属と接触しながら、多孔質金属材部３３内を流通し、排出口２１ｂから排出される。
なお、冷却体２１の幅は、例えば、半導体モジュール１０の幅の０．６倍から１．２倍で、その長さが半導体モジュール１０の長さの１．２倍から１．５倍に構成されている。
このような冷却体２１の構成によれば、注入口２１ａから供給された冷却媒体は、水路空間２１ｃに到達し、多孔質金属材部３３内を経て、水路空間２１ｄに到達する。そして、排出口２１ｂから排出される。
このように、半導体装置１０６は、半導体モジュール１０の支持基体と、冷却体２１とが半田層１１を介して直接的に接合されている。また、冷却体２１内には、多孔質金属材部３３が備えられ、放熱面積を増加させている。その結果、高い放熱効果を得る。
また、半導体モジュール１０と冷却体２１との接合材に、半田を用いている。従って、接合材として、熱抵抗の大きい熱伝導ペーストや導電シートを用いた場合に比べて、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３から冷却体２１までの熱伝達率が大きくなる。その結果、一度に複数のパワー半導体素子を動作させても、規定内の接合部温度を常時維持することができ、接合信頼性を向上させることができる。
また、接合材として、熱伝導ペーストや導電シートを用いないことから、半導体装置のコストを低減させることができる。
さらに、冷却体２１の幅を半導体モジュール１０の幅の０．６倍から１．２倍にし、その長さを半導体モジュール１０の長さの１．２倍から１．５倍にしている。その結果、半導体装置１０６のサイズがコンパクトになる。
また、放熱効果を増加させたことから、半導体素子や基材、それらの接合部における反りが抑制され、半導体素子に印加される熱応力が緩和される。さらに、熱衝撃やパワーサイクル等で生じる半導体装置の熱疲労、劣化が抑制される。その結果、半導体装置の信頼性が向上する。
なお、この図に示す冷却体２１においては、冷却体２１の一部が半導体モジュール１０の側面に近接するように、冷却体２１の両端に凸部２１ｆ，２１ｇを設け、さらに、冷却体２１の長手方向において、その一方の側面に注入口２１ａを設け、他方の側面に排出口２１ｂを設けた構造が示されている。しかし、注入口２１ａ並びに排出口２１ｂの配置については、この構造に限られるものではない。即ち、図１または図３に示された半導体装置１００，１０１のように、冷却体２１の一方の下端に注入口を設け、他方の下端に排出口を設けた冷却体構造でもよい。
＜第８の実施の形態＞
図９は第８の実施の形態の半導体装置の構成を説明する要部模式図である。ここで、図（Ａ）には、半導体装置の冷却体の要部上面模式図が示され、図（Ｂ）、図（Ｃ）には、主に、冷却体の要部断面模式図が示されている。
但し、図（Ａ）においては、冷却体の内部構造を詳細に説明するために、冷却体内部の透過図が示されている。また、図（Ｂ）においては、図（Ａ）に示したＡ−Ｂ位置の断面が示され、図（Ｃ）においては、図（Ａ）に示したＥ−Ｆ位置の断面が示されている。
また、この実施の形態で図示する部材においては、図１乃至図８に示した同一の部材には、同一の符号を付し、その説明の詳細については省略する。
また、この図においては、半導体モジュール１０の外枠が示されているが、その内部の構成は、図１乃至図８に示す半導体モジュール１０の構成と同様である。そして、その支持基体は、図１または図４に示す半導体装置１００，１０２の金属ベース板１０ａであってもよく、図３または図５に示す半導体装置１０１，１０３の銅電極１０ｃであってもよい。なお、半導体モジュール１０に搭載されるＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３は、それぞれ１個とは限らず、それぞれ複数個の半導体素子を搭載してもよい。
図示する半導体装置１０７は、半導体モジュール１０が水冷式の冷却体２１上に、半田層１１を介して直接的に固着された構造をしている。そして、冷却体２１には、その一方の側面に注入口２１ａが設けられ、他方の側面に排出口２１ｂが設けられている。
また、冷却体２１内の水路空間２１ｃ，２１ｄ間には、上述したように、冷却体２１の内面に当接する冷却フィン３４が設置されている。即ち、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３の下地である銅電極１０ｇ（図９では不図示）の下方に、冷却フィン３４が位置している。この冷却フィン３４が冷却体２１の上面に当接する面積は、半導体素子を搭載する領域より大きく、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３の搭載領域下に冷却フィン３４が位置している。そして、注入口２１ａから供給された冷却媒体が冷却フィン３４の内壁と接触しながら、冷却フィン３４内を流通し、排出口２１ｂから排出される。
なお、冷却体２１の幅は、例えば、半導体モジュール１０の幅の０．６倍から１．２倍で、その長さが半導体モジュール１０の長さの１．２倍から１．５倍に構成されている。
ここで、半導体装置１０７の冷却フィン３４においては、図（Ｃ）に示すように、外側パイプ３４ａと、外側パイプ３４ａ内に積層させた複数の内側パイプ３４ｂにより主に構成されている。
但し、内側パイプ３４ｂは、半導体モジュール１０側に近接するほど、口径が小さくなり、冷却フィン３４の上方ほど、内側パイプ３４ｂの数が増加する構造をしている。そして、外側パイプ３４ａは、その長さが半導体モジュール１０の長さの０．８倍以上１．０倍以下に構成されている。また、外側パイプ３４ａの幅は、半導体モジュール１０の幅の０．６倍以上０．８倍以下に構成されている。
また、これらの内側パイプ３４ｂの内径は、１．８ｍｍ以上３．３ｍｍ以下の範囲にあり、その肉厚は、５０μｍ以上２００μｍ以下に構成されている。なお、冷却フィン３４の厚みは、例えば、１０ｍｍ以下に構成されている。
このような冷却体２１の構成によれば、注入口２１ａから供給された冷却媒体は、水路空間２１ｃに到達し、内側パイプ３４ｂ内の通水路３４ｃを経て、水路空間２１ｄに到達する。そして、排出口２１ｂから排出される。
このように、半導体装置１０７は、半導体モジュール１０の支持基体と、冷却体２１とが半田層１１を介して直接的に接合されている。また、冷却体２１内には、冷却フィン３４が備えられ、放熱面積を増加させている。その結果、高い放熱効果を得る。
また、半導体モジュール１０と冷却体２１との接合材に、半田を用いている。従って、接合材として、熱抵抗の大きい熱伝導ペーストや導電シートを用いた場合に比べて、ＩＧＢＴ素子１２並びにＦＷＤ素子１３から冷却体２１までの熱伝達率が大きくなる。その結果、一度に複数のパワー半導体素子を動作させても、規定内の接合部温度を常時維持することができ、接合信頼性を向上させることができる。
また、接合材として、熱伝導ペーストや導電シートを用いないことから、半導体装置のコストを低減させることができる。
さらに、冷却体２１の幅を半導体モジュール１０の幅の０．６倍から１．２倍にし、その長さを半導体モジュール１０の長さの１．２倍から１．５倍にしている。その結果、半導体装置１０７のサイズがコンパクトになる。
また、冷却体２１内に、冷却フィン３４を備えているので、冷却体２１の厚さ方向の機械的強度が増加する。
また、放熱効果を増加させたことから、半導体素子や基材、それらの接合部における反りが抑制され、半導体素子に印加される熱応力が緩和される。さらに、熱衝撃やパワーサイクル等で生じる半導体装置の熱疲労、劣化が抑制される。その結果、半導体装置の信頼性が向上する。
なお、この図に示す冷却体２１においては、冷却体２１の一部が半導体モジュール１０の側面に近接するように、冷却体２１の両端に凸部２１ｆ，２１ｇを設け、冷却体２１の長手方向において、その一方の側面に注入口２１ａを設け、他方の側面に排出口２１ｂを設けている。しかし、注入口２１ａ並びに排出口２１ｂの配置については、この構造に限られるものではない。即ち、図１または図３に示された半導体装置１００，１０１のように、一方の下端に注入口を設け、他方の下端に排出口を設けた冷却体構造でもよい。
また、図９においては、内側パイプ３４ｂの断面形状として、円状のタイプが例示されているが、その断面形状については、六角形状でもよい。
次に、半導体装置の製造方法について説明する。ここでは、以下に示す図として、第３または第４の形態に示された半導体装置１０２，１０３を例に、その製造方法について説明する。最初に、冷却フィンの製造工程について説明する。
図１０は冷却フィン製造工程を説明する要部断面模式図である。
図（Ａ）では、成形された外側パイプ３０ａの正面図と側面図が示されている。図（Ａ）に示すように、所定の長さの外側パイプ３０ａを伸管成型法により伸管させ、断面が角形の外側パイプ３０ａを用意する。
次いで、図（Ｂ）では、成形された内側パイプ３０ｂの正面図と側面図が示されている。図（Ｂ）に示すように、複数の内側パイプ３０ｂを、同様に伸管成型法により伸管させ、複数の内側パイプ３０ｂを用意する。
そして、図（Ｃ）に示すように、複数の内側パイプ３０ｂを外側パイプ３０ａに通し、外側パイプ３０ａと共に、内側パイプ３０ｂを伸管成型法により伸管させる。
次いで、この後においては、所定の長さの外側パイプ３０ａ並びに内側パイプ３０ｂを目的の長さに切断・個片化し、冷却フィン３０を製造する。
なお、伸管成型の際には、隣接する少なくとも一組の内側パイプ３０ｂ間に、ろう材もしくは半田等を流入し、当該接合材により、隣接する内側パイプ３０ｂを互いに接合させてもよい。
続いて、冷却体２１の製造方法について説明する。
図１１は冷却体製造工程を説明する要部断面模式図である。
図（Ａ）では、加工された金属枠内に冷却フィン３０が搭載された断面図が示されている。図（Ａ）に示すように、冷却体２１を構成する上側金属枠２１ｈ及び下側金属枠２１ｉを機械研削または鋳造により、加工する。このとき、取付け用のネジ孔２０ｅを、上側金属枠２１ｈ並びに下側金属枠２１ｉに孔開け加工する。また、注入口２１ａ、排出口２１ｂを上側金属枠２１ｈに孔開け加工する。
続いて、加工した下側金属枠２１ｉ内に、冷却体のフィン部を構成する冷却フィン３０を搭載・固着させる。即ち、冷却フィン３０の下側金属枠２１ｉに対する位置決めを行い、銅ろう付けまたはＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接等により、冷却フィン３０を下側金属枠２１ｉ内に固接する。
次に、図（Ｂ）では、下側金属枠２１ｉ上に、上側金属枠２１ｈが搭載・固着された状態の断面図が示されている。
即ち、上側金属枠２１ｈの下側金属枠２１ｉに対する位置決めを行い、銅ろう付けまたはＴＩＧ溶接等により、上側金属枠２１ｈを下側金属枠２１ｉに固接させ、上側金属枠２１ｈと下側金属枠２１ｉとを一体化する。
また、上側金属枠２１ｈと冷却フィン３０の間においても、銅ろう付けまたはＴＩＧ溶接等を行い、それぞれを面接合する。
このような工程で、冷却フィン３０を内蔵した冷却体２１が完成する。
そして、この後においては、半導体モジュール１０を上側金属枠２１ｈ上面に半田層を介して接合する（不図示）。即ち、冷却体２１上に、半導体モジュール１０が半田層を介して接合される。
このような工程で、半導体装置１０２，１０３が完成する。
なお、第１または第２の形態に示された半導体装置１００，１０１についても同様の製造工程で製造される。
また、図１０、図１１に示す冷却フィン３０は、一例であり、図１１（Ａ）に示す段階で、冷却フィン３０以外の冷却フィン３２，３４、或いは、仕切板３１ａ，３１ｂ、または多孔質金属材部３３のようなフィン部を下側金属枠２１ｉ内に、搭載・固着させ、半導体装置１０４、１０５、１０６、１０７を製造してもよい。
次に、第１乃至第４の実施の形態の半導体装置１００〜１０３を例に、冷却フィン３０の圧力損失（ＫＰａ）と、冷却フィン３０内に流れる冷却媒体の流速（ｍ／ｓ）を説明する。
図１２は圧力損失並びに冷却媒体の流速を説明する図である。ここで、図（Ａ）の横軸は、冷却媒体の流量（Ｌ／ｍｉｎ）であり、縦軸は、圧力損失（ＫＰａ）が示されている。また、図（Ｂ）の横軸は、冷却媒体の流量（Ｌ／ｍｉｎ）であり、縦軸は、流速（ｍ／ｓ）である。そして、それぞれのグラフの中には、冷却フィン３０内の内側パイプ３０ｂの内径がφ１．８ｍｍとφ３．０ｍｍの場合の結果が示されている。
図（Ａ）に示すように、内側パイプ３０ｂの径がφ１．８ｍｍでは、流量が２Ｌ／ｍｉｎ以上になると、圧力損失が２００ＫＰａ以上になるが、流量が０〜２Ｌ／ｍｉｎでは、圧力損失が２００ＫＰａ以下である。
また、内側パイプ３０ｂの径がφ３．０ｍｍでは、流量が０〜１０Ｌ／ｍｉｎの範囲で、圧力損失が２００ＫＰａ以下になる。
また、図（Ｂ）に示すように、内側パイプ３０ｂの径がφ１．８ｍｍでは、流量が１．５Ｌ／ｍｉｎ以上になると、流速が１０ｍ／ｓｅｃ以上になるが、０〜１．５Ｌ／ｍｉｎでは、流速が１０ｍ／ｓｅｃ以下である。
また、内側パイプ３０ｂの径がφ３．０ｍｍでは、冷却媒体の流量が０〜２Ｌ／ｍｉｎでは、流速が５ｍ／ｓｅｃ以下である。
以上の結果から、冷却媒体の流量が０．３〜１Ｌ／ｍｉｎの範囲では、いずれの径のパイプを用いても、圧力損失を２００ＫＰａ以下に抑えることができる。その結果、低ポンプ能力で、半導体モジュール１０を冷却することができる。
また、冷却媒体の流量が０．３〜１Ｌ／ｍｉｎの範囲で冷却媒体を使用する限りでは、いずれの径の内側パイプ３０ｂを用いても、流速として、１〜３ｍ／ｓｅｃが確保される。
また、上述したように、第１乃至第８の実施の形態の半導体装置１００〜１０７では、半導体モジュール１０と、冷却体２０，２１，２２とをサーマルコンパウンドや熱伝導シートで接合することなく、半田等で直接接合している。従って、サーマルコンパウンドや熱伝導シートを用いた場合に発生する熱抵抗損失が抑制される。
例えば、金属ベース板１０ａもしくは銅電極１０ｃ直下から冷却媒体との間の熱抵抗をＲｔｈ（ｃ−ｗ）、ＩＧＢＴ素子１２もしくはＦＷＤ素子１３直下から冷却媒体との間の熱抵抗をＲｔｈ（ｊ−ｗ）とすると、サーマルコンパウンドを用いて接合した場合は、Ｒｔｈ（ｃ−ｗ）が０．１３０２℃／Ｗ、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）が０．５７７２℃／Ｗであるのに対し、半導体装置１００〜１０７のように、半導体モジュール１０と、冷却体２０，２１，２２とを半田等で直接接合した場合は、Ｒｔｈ（ｃ−ｗ）が０．０４３６℃／Ｗ、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）が０．４６８３６℃／Ｗまで減少する。
また、第１乃至第８の実施の形態の半導体装置１００〜１０７においては、０．３Ｌ／ｍｉｎ程度の流量で、１チップ当たりの発熱密度が２５０Ｗ／ｃｍ2のパワー半導体素子を規定温度以下で確実に冷却することができる。
さらに、０．３〜４０Ｌ／ｍｉｎの流量では、熱伝達量として、３５０００（Ｗ／ｍ2）・Ｋ、熱伝達係数として３００００〜３５０００Ｗ／（ｍ2・ΔＴ）を確保し、１チップ当たりの発熱密度が４０Ｗ／ｃｍ2〜約５ＫＷ／ｃｍ2の半導体素子を複数搭載した半導体モジュールを規定温度以下で確実に冷却することができる。
第１の実施の形態の半導体装置の構成を説明する要部模式図である。 冷却フィンの要部断面模式図である。 第２の実施の形態の半導体装置の構成を説明する要部模式図である。 第３の実施の形態の半導体装置の構成を説明する要部模式図である。 第４の実施の形態の半導体装置の構成を説明する要部模式図である。 第５の実施の形態の半導体装置の構成を説明する要部模式図である。 第６の実施の形態の半導体装置の構成を説明する要部模式図である。 第７の実施の形態の半導体装置の構成を説明する要部模式図である。 第８の実施の形態の半導体装置の構成を説明する要部模式図である。 冷却フィン製造工程を説明する要部断面模式図である。 冷却体製造工程を説明する要部断面模式図である。 圧力損失並びに冷却媒体の流速を説明する図である。 水冷式冷却体を備えた半導体装置の一例を説明する概略図である（その１）。 水冷式冷却体を備えた半導体装置の一例を説明する概略図である（その２）。
符号の説明
１０ 半導体モジュール
１０ａ 金属ベース板
１０ｂ 樹脂ケース
１０ｃ，１０ｆ，１０ｇ，１０ｈ 銅電極
１０ｅ 絶縁基板
１０ｄ，１０ｉ，１０ｊ，１０ｍ，１０ｎ，１１ 半田層
１０ｋ，１０ｌ 金属板
１０ｐ，２０ｅ ネジ孔
１２ ＩＧＢＴ素子
１２ａ ゲート電極
１３ ＦＷＤ素子
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 金属ワイヤ
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ 導体板
２０，２１，２２ 冷却体
２０ａ，２１ａ，２２ａ 注入口
２０ｂ，２１ｂ，２２ｂ 排出口
２０ｃ，２０ｄ，２１ｃ，２１ｄ，２２ｃ，２２ｄ 水路空間
２１ｆ，２１ｇ，２２ｆ，２２ｇ 凸部
２１ｈ 上側金属枠
２１ｉ 下側金属枠
３０，３２，３４ 冷却フィン
３０ａ，３２ａ，３４ａ 外側パイプ
３０ｂ，３２ｂ，３４ｂ 内側パイプ
３０ｃ，３２ｃ，３４ｃ 通水路
３１ａ，３１ｂ 仕切板
３３ 多孔質金属材部
１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７ 半導体装置

Claims (10)

  1. 半導体モジュール内に搭載された半導体素子を冷却体によって冷却可能な半導体装置であって、
    前記冷却体は、前記半導体モジュールの支持基体に金属層を介して接合され、前記半導体素子の搭載領域下の前記冷却体内に、前記冷却体の内面に当接する冷却フィンを備え、
    前記冷却フィンは、外側パイプと、前記外側パイプ内に内設される複数の内側パイプと、により構成され、
    前記冷却体の一部が前記半導体モジュールの側面に近接するように、前記冷却体の両端に凸部を設け、前記凸部の一方に冷却媒体用の注入口を設け、前記注入口から供給され、前記内側パイプ内を流通した前記冷却媒体が排出される排出口を前記凸部の他方に設けたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半導体モジュールの前記支持基体上に、第１の金属層を介して第２の金属層が接合され、前記第２の金属層に絶縁基板が接合され、前記絶縁基板上に第３の金属層が接合され、前記第３の金属層上に、第４の金属層を介して前記半導体素子の電極部が接合されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記半導体モジュールの前記支持基体上に絶縁基板が接合され、前記絶縁基板上に第３の金属層が接合され、前記第３の金属層上に、第４の金属層を介して前記半導体素子の電極部が接合されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  4. 前記外側パイプの断面形状が矩形状であり、前記内側パイプの断面形状が円状または六角形状であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  5. 前記外側パイプ内に内設される複数の前記内側パイプの径が半導体素子に近接するほど、小さくなることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
  6. 前記冷却体の幅が前記半導体モジュールの幅の０．６〜１．２倍であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記冷却体の長さが前記半導体モジュールの長さの０．８〜１．５倍であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記冷却体の長さが前記半導体モジュールの長さの１．２〜１．５倍であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 前記冷却フィンの幅が前記半導体モジュールの０．６〜０．８倍であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  10. 前記半導体モジュール及び前記冷却体に、連通するネジ孔が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。
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