JP6870253B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
パワー半導体素子を含む半導体モジュールの信頼性を保つために、半導体モジュールを冷却装置に搭載することにより、パワー半導体素子を効率的、安定的に冷却することができる。
冷却装置は、例えば、流入口に取り付けられた配管部から冷媒を導入して、冷却装置内部に配置した複数の放熱フィンの間を冷媒が流通し、流出口に取り付けられた配管部から冷媒が排出するように冷媒が巡回する。半導体モジュールから発する熱は冷却装置内を循環する冷媒を介して放熱されることで、パワー半導体素子が冷却される。
しかし、冷却装置は、半導体モジュールが搭載される上蓋と、放熱フィンと、放熱フィンが収納されて流路を構成する筐体部とから構成され、さらに、流入口と流出口とに配管部がそれぞれ接合されて、複数の物品から構成されることになる。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、構成の点数を削減して製造コストの削減を図る半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一観点によれば、半導体素子を有する半導体モジュールと、おもて面及び前記おもて面に対向する裏面を有し、前記半導体モジュールが前記おもて面に搭載された蓋、及び、前記蓋の前記裏面にロウ材で接合された収納部を有する冷却装置と、を含む半導体装置が提供される。前記収納部は、底面を有する筐体状であり、前記蓋と前記底面の間に冷媒の流路を有し、前記流路の一端に流入口が前記底面に設けられ、前記流路の他端に流出口が前記底面に設けられ、前記底面から前記蓋に向かって形成された階段状の第１厚肉部及び第２厚肉部を備え、前記第１厚肉部は前記流入口の周囲に、前記第２厚肉部は前記流出口の周囲に、それぞれ設けられた筐体部と、前記筐体部を外部の被設置領域に固定するため、前記流入口の周囲に設けられた第１固定部及び前記流出口の周囲に設けられた第２固定部と、を備える。さらに、前記第１固定部は中実で、前記第１厚肉部より厚い第１中実部を備え、前記第２固定部は中実で、前記第２厚肉部より厚い第２中実部を備え、前記筐体部、前記第１固定部及び前記第２固定部が、前記ロウ材の液相線温度以上の液相線温度を有する材料を含み、一体成形された構成品である。
また、上記半導体装置の製造方法が提供される。
開示の技術によれば、半導体装置の製造コストの削減を図ることができる。
以下、実施の形態について図面を用いて説明する。
まず、半導体装置及び半導体装置の製造について、図１並びに図２を用いて説明する。
図１は、実施の形態の半導体装置の製造工程を説明するための図である。
まず、半導体装置及び半導体装置の製造について、図１並びに図２を用いて説明する。
図１は、実施の形態の半導体装置の製造工程を説明するための図である。
図２は、実施の形態の半導体装置の側面図である。
半導体装置１は、図１及び図２に示されるように、半導体モジュール２と、半導体モジュール２が図示を省略するはんだを介して搭載された冷却装置３とを有する。
半導体装置１は、図１及び図２に示されるように、半導体モジュール２と、半導体モジュール２が図示を省略するはんだを介して搭載された冷却装置３とを有する。
半導体モジュール２は、パワー半導体素子２１ａ，２１ｂと、積層基板２２とを有している。
パワー半導体素子２１ａ，２１ｂは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等である。パワー半導体素子２１ａ，２１ｂは、２つに限らず、必要に応じた数が設けられる。
パワー半導体素子２１ａ，２１ｂは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等である。パワー半導体素子２１ａ，２１ｂは、２つに限らず、必要に応じた数が設けられる。
積層基板２２は、絶縁板２２ａと、絶縁板２２ａのおもて面に形成された回路板２２ｂと、絶縁板２２ａの裏面に形成された金属板２２ｃとを有している。
絶縁板２２ａは、電気的に絶縁性を有する材料により構成されている。このような材料として、例えば、酸化アルミニウム、窒化ケイ素等により構成されている。
絶縁板２２ａは、電気的に絶縁性を有する材料により構成されている。このような材料として、例えば、酸化アルミニウム、窒化ケイ素等により構成されている。
回路板２２ｂは、導電性に優れた銅等の金属等により構成されており、複数の回路パターン（図示を省略）を有している。
金属板２２ｃは、絶縁板２２ａの裏面全面に配置されており、熱伝導率が高いアルミニウム、鉄、銀、銅、または、これらを含む合金等により構成されている。
金属板２２ｃは、絶縁板２２ａの裏面全面に配置されており、熱伝導率が高いアルミニウム、鉄、銀、銅、または、これらを含む合金等により構成されている。
半導体モジュール２は、パワー半導体素子２１ａ，２１ｂ及び積層基板２２を収容するケース、パワー半導体素子２１ａ，２１ｂを回路パターンに接続する配線や、パワー半導体素子２１ａ，２１ｂ、回路板２２ｂ及び配線を封止する封止材を含んでよい。半導体モジュール２は、トランスファ成形法により封止されてもよい。
冷却装置３は、半導体モジュール２が搭載されており、上蓋３２と、下部収納部３３とを有している。冷却装置３は、さらに、放熱フィン部３１を有してもよい。なお、図２では、冷却装置３の各構成の図示は省略している。
以下、冷却装置３の各構成及び冷却装置３について、図３〜図６（並びに図１）を用いて説明する。
図３は、実施の形態の放熱フィン部の斜視図である。
図３は、実施の形態の放熱フィン部の斜視図である。
図４は、実施の形態の上蓋の斜視図である。
図５は、実施の形態の下部収納部の斜視図（おもて面側）である。
図６は、実施の形態の下部収納部の斜視図（裏面側）である。
図５は、実施の形態の下部収納部の斜視図（おもて面側）である。
図６は、実施の形態の下部収納部の斜視図（裏面側）である。
放熱フィン部３１は、図３に示されるように、複数のフィンを平行に具備している。放熱フィン部３１は押出加工またはプレス加工によって形成される。放熱フィン部３１は、熱伝導性に優れたアルミニウム等により構成されている。
上蓋３２は、図４に示されるように、おもて面３２ｆとおもて面３２ｆに対向する裏面３２ｂを有する矩形状の板である。上蓋３２は四隅にねじ孔３２１ａ〜３２１ｄがそれぞれ形成されている。上蓋３２は、プレス加工によって形成される。上蓋３２は、熱伝導性に優れたアルミニウム等により構成されている。
下部収納部３３は、溶融したアルミニウム系の合金を鋳型に流し込んで冷却した後、鋳型から取り出すことで得られる鋳造（ダイカスト（die casting））により形成される。なお、ダイカスト材であるアルミニウム合金は、その熱伝導率は、１５０Ｗ／（ｍＫ）以上、その液相線温度が６００℃以上の特性を有している。熱伝導率は、１５０Ｗ／（ｍＫ）以上、２００Ｗ／（ｍＫ）以下、液相線温度は、６００℃以上、６６０℃以下のアルミニウム合金が鋳造性の観点から好ましい。このような合金として、例えば、ＡＣ４Ｄ（アルミニウム−シリコン−銅−マグネシウム合金）、日本軽金属株式会社製のＤＸ１７（アルミニウム−７シリコン−マグネシウム−鉄合金）、ＤＸ２６（アルミニウム−２ニッケル−鉄合金）が挙げられる。
このようにして形成される下部収納部３３は、図５及び図６に示されるように、底面３３１ｂを有する筐体状の箱形の容器である。下部収納部３３は筐体部３３１、第１固定部３３４ａ，３３４ｂ及び第２固定部３３４ｃ，３３４ｄを備える。
図示する例では筐体部３３１は略直方体の形状である。筐体部３３１は、一端に流入口３３２ａが、流路３３１ｐを間に挟んだ反対側の他端に流出口３３２ｂが設けられている。流入口３３２ａ及び流出口３３２ｂはそれぞれ筐体部３３１の底面３３１ｂに設けられてよい。上蓋３２と筐体部３３１の底面３３１ｂとの間には冷媒が流れ得る流路３３１ｐが設けられる。流入口３３２ａ及び流出口３３２ｂには冷媒の循環系を接続でき、流入口３３２ａ、流路３３１ｐ及び流出口３３２ｂの経路で冷媒が循環し得る。
第１固定部３３４ａ，３３４ｂ及び第２固定部３３４ｃ，３３４ｄは外部の被設置領域に固定され得る。筐体部３３１及び第１固定部３３４ａ，３３４ｂ及び第２固定部３３４ｃ，３３４ｄは一体成形されている。
流入口３３２ａと流出口３３２ｂとは、筐体部３３１の長手方向の中心線（図５の一点鎖線）上に対向してそれぞれ形成されている。また、流入口３３２ａの周囲には第１厚肉部３３３ａが、流出口３３２ｂの周囲には第２厚肉部３３３ｂがそれぞれ形成されている。第１厚肉部３３３ａ及び第２厚肉部３３３ｂは筐体部３３１の底面３３１から上蓋３２に向かって階段（テラス）状になるように形成される。第１厚肉部３３３ａ及び第２厚肉部３３３ｂは筐体部３３１の底面３３１ｂよりも厚く形成されている。流入口３３２ａ及び流出口３３２ｂはそれぞれテラスに開口している。
流入口３３２ａの（短手方向の）両側には第１固定部３３４ａ，３３４ｂが筐体部３３１に一体的に形成されており、筐体部３３１と第１固定部３３４ａ，３３４ｂとの繋ぎ目には窪み３３５ａ，３３５ｂが構成されている。流入口３３２ａの当該両側は筐体部３３１の側壁が第１固定部３３４ａ，３３４ｂ（曲線ａ１，ａ２）に沿って角度を有して形成されており、当該側壁の高さは第１固定部３３４ａ，３３４ｂと同様の厚さである。
流出口３３２ｂの（短手方向の）両側にも第２固定部３３４ｃ，３３４ｄが筐体部３３１に一体的に形成されており、筐体部３３１と第２固定部３３４ｃ，３３４ｄとの繋ぎ目には窪み３３５ｃ，３３５ｄが構成されている。流出口３３２ｂの当該両側は筐体部３３１の側壁が第２固定部３３４ａ，３３４ｂ（曲線ａ３，ａ４）に沿って角度を有して形成されており、当該側壁の高さは固定部３３４ｃ，３３４ｄと同様の厚さである。
第１固定部３３４ａ，３３４ｂは、中実な中実部３３４ａｓ，３３４ｂｓを含む。第２固定部３３４ｃ，３３４ｄは、中実な中実部３３４ｃｓ，３３４ｄｓを含む。中実部３３４ａｓ，３３４ｂｓ及び中実部３３４ｃｓ，３３４ｄｓは、第１厚肉部３３３ａ及び第２厚肉部３３３ｂより厚く、鍛造法により筐体部３３１と一体成形される。第１固定部３３４ａ，３３４ｂ及び第２固定部３３４ｃ，３３４ｄは、中実部３３４ａｓ，３３４ｂｓ及び中実部３３４ｃｓ，３３４ｄｓに加えて、それぞれおもて面から裏面へ貫通する孔を有してよい。これらの貫通孔は上蓋３２のねじ孔３２１ａ〜３２１ｄとそれぞれ同軸に設けられてよい。
第１固定部３３４ａ，３３４ｂの中実部３３４ａｓ，３３４ｂｓは、流入口３３２ａを間に挟んで対向する、第１側壁３３４ａｗ及び第２側壁３３４ｂｗを含む。第１側壁３３４ａｗ及び第２側壁３３４ｂｗは、第１厚肉部３３３ａから上蓋３２に向かって形成されている。第１側壁３３４ａｗ及び第２側壁３３４ｂｗは、平行でなく、曲線ａ１，ａ２で示すように角度を有しており、両者の間隔は第２固定部３３４ｃ，３３４ｄから離れるにつれて小さくなっている。
同様に、第２固定部３３４ｃ，３３４ｄの中実部３３４ｃｓ，３３４ｄｓは、流入口３３２ｂを間に挟んで対向する、第３側壁３３４ｃｗ及び第４側壁３３４ｄｗを含む。第３側壁３３４ｃｗ及び第４側壁３３４ｄｗは、第２厚肉部３３３ｂから上蓋３２に向かって形成されている。第３側壁３３４ｃｗ及び第４側壁３３４ｄｗは、平行でなく曲線ａ３，ａ４で示すように角度を有しており、両者の間隔は第１固定部３３４ａ，３３４ｂから離れるにつれて小さくなっている。
なお、下部収納部３３の裏面３３６は、図６に示されるように、筐体部３３１と固定部３３４ａ〜３３４ｄとが平面的に形成されており、平らになっている。
また、このような下部収納部３３の底面３３１ｂの最小肉厚は１ｍｍ程度であり、第１厚肉部３３３ａ及び第２厚肉部３３３ｂの厚さは、４ｍｍ程度である。さらに、下部収納部３３の流入口３３２ａ及び流出口３３２ｂの両側を包囲する側壁（第１側壁３３４ａｗ、第２側壁３３４ｂｗ、第３側壁３３４ｃｗ及び第４側壁３３４ｄｗ）の高さは、１０ｍｍ程度である。
また、このような下部収納部３３の底面３３１ｂの最小肉厚は１ｍｍ程度であり、第１厚肉部３３３ａ及び第２厚肉部３３３ｂの厚さは、４ｍｍ程度である。さらに、下部収納部３３の流入口３３２ａ及び流出口３３２ｂの両側を包囲する側壁（第１側壁３３４ａｗ、第２側壁３３４ｂｗ、第３側壁３３４ｃｗ及び第４側壁３３４ｄｗ）の高さは、１０ｍｍ程度である。
次に、冷却装置３の組み立て構成について図７〜図９（並びに図１）を用いて説明する。
図７は、実施の形態の放熱フィン部が収納された筐体部の斜視図（おもて面側）である。
図７は、実施の形態の放熱フィン部が収納された筐体部の斜視図（おもて面側）である。
図８は、実施の形態の冷却装置の斜視図である。
図９は、実施の形態の下部収納部と下部収納部にロウ付けされた上蓋との要部断面図である。
図９は、実施の形態の下部収納部と下部収納部にロウ付けされた上蓋との要部断面図である。
まず、下部収納部３３の筐体部３３１内に、例えば、金、銀、銅、アルミニウム等のロウ材を塗り、図７に示されるように、筐体部３３１内に放熱フィン部３１を配置する。ロウ材として好ましくはアルミニウム及びシリコンを主要成分とするアルミニウムろうが用いられる。アルミニウムろうは、銅、マグネシウムや亜鉛等の添加成分を含んでよい。
なお、流入口３３２ａと流出口３３２ｂは、このようにして配置された放熱フィン部３１を挟んで各フィンの一方側と他方側の筐体部３３１の底面３３１ｂに、放熱フィン部３１の中心線（図７中破線）上に形成されている。このため、流入口３３２ａから筐体部３３１内に流入された冷媒は、放熱フィン部３１の各フィンの間を流通して、流出口３３２ｂから流出する。このようにして筐体部３３１内には、上蓋３２と筐体部３３１の底面３３１ｂとの間に、放熱フィン部３１を含む冷媒の流路３３１ｐが設けられる。
次いで、このような下部収納部３３に対して、図８に示されるように、裏面３２ｂにロウ材が塗られた上蓋３２を筐体部３３１の開口に配置する。上蓋３２として、ロウ材を予め層状に接合したクラッド材を用いてもよい。なお、この際、上蓋３２のねじ孔３２１ａ〜３２１ｄと、固定部３３４ａ〜３３４ｄとがそれぞれ位置合わせされている。
そして、５７５℃以上、６００℃未満のロウ付け温度で、上蓋３２を下部収納部３３側に押圧してロウ付けを行う。これにより、上蓋３２が放熱フィン部３１の上端部と、筐体部３３１の縁と、固定部３３４ａ〜３３４ｄとにそれぞれロウ付けされ、また、放熱フィン部３１の下端部が筐体部３３１の底面３３１ｂにロウ付けされる。
この際、下部収納部３３の液相線温度はロウ材の液相線温度よりも高い６００℃以上であるために、ロウ付けにより下部収納部３３が溶けることなく、放熱フィン部３１と、上蓋３２と、下部収納部３３とを一体的に確実にロウ付けすることができる。
なお、下部収納部３３の筐体部３３１の縁は、図９に示されるように、外側に反った形状をなしている。このため、上蓋３２を下部収納部３３の筐体部３３１の縁に確実にロウ付けすることができるようになる。
このような冷却装置３の上蓋３２上にはんだを介して、半導体モジュール２が設置されることで半導体装置１が構成される。
なお、冷却装置３に対して、流入口３３２ａに冷媒を流入して、流出口３３２ｂから流出した冷媒を循環させるポンプと循環する冷媒の熱を外部に放熱する放熱装置（ラジエータ）とが備えられてもよい。
なお、冷却装置３に対して、流入口３３２ａに冷媒を流入して、流出口３３２ｂから流出した冷媒を循環させるポンプと循環する冷媒の熱を外部に放熱する放熱装置（ラジエータ）とが備えられてもよい。
半導体装置１では、半導体モジュール２のパワー半導体素子２１ａ，２１ｂが動作するに伴って発生した熱は、積層基板２２を経由して冷却装置３に伝導する。冷却装置３では、上蓋３２を経由して放熱フィン部３１に伝導した熱が放熱フィン部３１で冷媒に伝導して、冷媒が循環することで外部に放熱される。
また、冷却装置３の断面図について、図１０を用いて説明する。
図１０は、実施の形態の冷却装置の断面図である。
なお、図１０は、図８の冷却装置３の一点鎖線Ｙ−Ｙにおける断面図である。
図１０は、実施の形態の冷却装置の断面図である。
なお、図１０は、図８の冷却装置３の一点鎖線Ｙ−Ｙにおける断面図である。
冷却装置３では、下部収納部３３の筐体部３３１に収納された放熱フィン部３１は、その下端部が筐体部３３１の底面３３１ｂに、その上端部が上蓋３２の裏面３２ｂにそれぞれロウ付けされている。
冷却装置３の上蓋３２上に配置された半導体モジュール２が発熱すると、上蓋３２は熱応力が発生して反りが発生する。しかしながら、放熱フィン部３１の上端と下端とが上蓋３２と筐体部３３１の底面とにそれぞれロウ付けされていることから、上蓋３２の反りが抑制される。これにより、冷却装置３が破損してしまうことが防止されて、冷却装置３の信頼性の低下を抑制することができる。
次に、冷却装置３において、配管部が接合された下部収納部について、図１１を用いて説明する。
図１１は、実施の形態の配管部が接合された下部収納部の斜視図（裏面側）である。
図１１は、実施の形態の配管部が接合された下部収納部の斜視図（裏面側）である。
下部収納部３３ａは、上記の筐体部３３１の流入口３３２ａと流出口３３２ｂとに裏面３３６側から配管部３３７ａ，３３７ｂがそれぞれ一体的に設けられたものであり、他の構成は、下部収納部３３と同様の構成をなしている。
このような下部収納部３３ａでは、下部収納部３３の形成で利用した鋳型に対して新たに配管部３３７ａ，３３７ｂに対する型が形成されている鋳型が利用される。このような鋳型に対して、下部収納部３３の場合と同様にダイカストを行うことで、筐体部３３１と、固定部３３４ａ〜３３４ｄと、配管部３３７ａ，３３７ｂとが一体的に形成された下部収納部３３ａが形成される。
ここで、参考例としての冷却装置について、図１２及び図１３を用いて説明する。
図１２は、参考例の半導体装置の製造工程を説明するための図である。
図１３は、参考例の半導体装置の斜視図である。
図１２は、参考例の半導体装置の製造工程を説明するための図である。
図１３は、参考例の半導体装置の斜視図である。
参考例の半導体装置（図示を省略）は、図１２及び図１３に示されるように、実施の形態と同様の半導体モジュール２と、半導体モジュール２が図示を省略するはんだを介して搭載された冷却装置４とを有する。
半導体モジュール２は、図２で説明したように、パワー半導体素子２１ａ，２１ｂと、積層基板２２とを有する。このため、パワー半導体素子２１ａ，２１ｂと積層基板２２との詳細な説明は省略する。
冷却装置４は、半導体モジュール２が搭載されるものであり、放熱フィン部４１と、上蓋４２と、筐体部４３と、配管部４４ａ，４４ｂと、フランジ（図示を省略）と、固定部４５ａ〜４５ｄとを有している。
以下、冷却装置４の各構成及び冷却装置４について、図１４〜図１６（並びに図１２及び図１３）を用いて説明する。
なお、放熱フィン部４１は、上記で説明した放熱フィン部３１と同様の構成をなしているために、説明を省略する。
なお、放熱フィン部４１は、上記で説明した放熱フィン部３１と同様の構成をなしているために、説明を省略する。
図１４は、参考例の上蓋の斜視図である。
図１５は、参考例の筐体部の斜視図（おもて面側）である。
図１６は、参考例の配管部の斜視図である。
図１５は、参考例の筐体部の斜視図（おもて面側）である。
図１６は、参考例の配管部の斜視図である。
上蓋４２は、図１４に示されるように、矩形状をなしており、四隅にねじ孔４２１ａ〜４２１ｄがそれぞれ形成されている。上蓋４２は、プレス加工によって形成される。上蓋４２は、熱伝導性に優れたアルミニウム等により構成されている。
筐体部４３は、図１５に示されるように、例えば、上面視で八角形の容器型の形状をなしており、対向する一対の側壁には冷媒の流入口４３１ａ及び冷媒の流出口４３１ｂがそれぞれ形成されている。筐体部４３は、プレス加工によって形成される。筐体部４３は、熱伝導性に優れたアルミニウム等により構成されている。
配管部４４ａ，４４ｂは、図１６に示されるように、例えば、円筒状をなしており、後述するように、筐体部４３の流入口４３１ａと流出口４３１ｂとに接合される端部にはフランジ（図示を省略）が形成されている。配管部４４ａ，４４ｂは、金型に配管形状の素材をセット後、型締めし、高圧の液体を充填しながら素材の両端を軸方向に圧縮して中空成形を行うバルジ加工によって形成する。または、配管部４４ａ，４４ｂは、切削加工によっても形成することも可能である。配管部４４ａ，４４ｂは、熱伝導性に優れたアルミニウム等により構成されている。
固定部４５ａ〜４５ｄは、後述する図１７に示されるように、ねじが嵌合するねじ孔を有している。固定部４５ａ〜４５ｄは、構成材料を強圧して所定の金型の孔から押し出す押出加工により形成する。または、固定部４５ａ〜４５ｄは、切削加工によっても形成することが可能である。
次に、冷却装置４の組み立てについて図１７（並びに図１２及び図１３）を用いて説明する。
図１７は、参考例の放熱フィン部が収納され、配管部が接続され、固定部がセットされた筐体部の斜視図（おもて面側）である。
図１７は、参考例の放熱フィン部が収納され、配管部が接続され、固定部がセットされた筐体部の斜視図（おもて面側）である。
まず、筐体部４３内にロウを塗り、図１７に示されるように、放熱フィン部４１を配置する。
そして、筐体部４３の流入口４３１ａと流出口４３１ｂとに、配管部４４ａ，４４ｂをそれぞれ接合する。
そして、筐体部４３の流入口４３１ａと流出口４３１ｂとに、配管部４４ａ，４４ｂをそれぞれ接合する。
なお、配管部４４ａ，４４ｂを筐体部４３に先に接合した後に、筐体部４３内に放熱フィン部４１を配置しても構わない。
このように放熱フィン部４１が配置され、配管部４４ａ，４４ｂが接合された筐体部４３に対して、固定部４５ａ〜４５ｄを所定位置にセットする。
このように放熱フィン部４１が配置され、配管部４４ａ，４４ｂが接合された筐体部４３に対して、固定部４５ａ〜４５ｄを所定位置にセットする。
上蓋４２のねじ孔４２１ａ〜４２１ｄ付近と、筐体部４３及び放熱フィン部４１と接合する箇所にロウを塗布し、上蓋４２を筐体部４３の開口に配置する。なお、この際、上蓋４２のねじ孔４２１ａ〜４２１ｄと、固定部４５ａ〜４５ｄとがそれぞれ位置合わせされている。
そして、５７５℃〜６００℃の温度下で、上蓋４２を筐体部４３側に押圧する。これにより、上蓋４２が放熱フィン部４１の上端と筐体部４３の縁とにそれぞれロウ付けされ、また、放熱フィン部４１の下端が筐体部４３の底面にロウ付けされる。
これにより、図１３に示した冷却装置４が得られる。
このような冷却装置４は、上蓋４２及び放熱フィン部４１以外の構成が、筐体部４３と、配管部４４ａ，４４ｂと、固定部４５ａ〜４５ｄとの３つに分かれていることになる。
このような冷却装置４は、上蓋４２及び放熱フィン部４１以外の構成が、筐体部４３と、配管部４４ａ，４４ｂと、固定部４５ａ〜４５ｄとの３つに分かれていることになる。
一方、冷却装置３の下部収納部３３（並びに下部収納部３３ａ）は、筐体部３３１と固定部３３４ａ〜３３４ｄと（配管部３３７ａ〜３３７ｄと）が一体となっており、構成の点数の増加が抑制されている。
また、冷却装置４の筐体部４３では、流入口４３１ａ及び流出口４３１ｂに、配管部４４ａ，４４ｂをそれぞれ接合する際の寸法公差をできる限り小さくすることが要求される。この寸法公差が大きい場合には、筐体部４３と、配管部４４ａ，４４ｂとの気密性確保が難しくなる。寸法公差を小さくするためのシール材等を新たに要し、構成の点数が増加してしまう。
一方、冷却装置３の下部収納部３３ａは、筐体部３３１の流入口３３２ａ及び流出口３３２ｂに対して配管部３３７ａ，３３７ｂが鋳造により一体的に接合されているために、高い寸法精度を実現することができる。
次に、冷却装置３の冷却性能に関して行ったシミュレーション結果について、図１８を用いて説明する。
図１８は、実施の形態の熱伝導率に対する半導体モジュールのジャンクション温度を示すグラフである。
図１８は、実施の形態の熱伝導率に対する半導体モジュールのジャンクション温度を示すグラフである。
なお、図１８の横軸は熱伝導率（Ｗ／（ｍＫ））を、縦軸は、半導体モジュール２のジャンクション温度（℃）をそれぞれ表している。
また、図１８のグラフは、半導体装置１において、上記冷却装置３の下部収納部３３のダイカスト材を異ならせた場合の半導体モジュール２のジャンクション温度のシミュレーション結果を表している。
また、図１８のグラフは、半導体装置１において、上記冷却装置３の下部収納部３３のダイカスト材を異ならせた場合の半導体モジュール２のジャンクション温度のシミュレーション結果を表している。
Ａ点（黒丸）は、参考例であって、熱伝導率が９６Ｗ／（ｍＫ）、液相線温度が５８０℃のアルミニウム合金（ＡＤＣ１２）をダイカスト材としている場合を表している。Ｂ点（白丸）は、熱伝導率が１７０Ｗ／（ｍＫ）、液相線温度が６１０℃のアルミニウム合金（実施の形態のＤＸ１７）、Ｃ点（白丸）は、熱伝導率が１９０Ｗ／（ｍＫ）、液相線温度が６５５℃のアルミニウム合金（実施の形態のＤＸ２６）をダイカスト材としている場合をそれぞれ表している。
また、冷却装置３に用いる冷媒として、６０℃のエチレングリコール系の希釈ＬＬＣ（Long Life Coolant）を設定し、流量を２リットル／分としている。
このグラフによれば、参考例のＡ点では、ジャンクション温度が１５５℃を超えていることが分かる。一方、Ｂ点及びＣ点では、Ａ点よりもジャンクション温度が１００℃以上も低下して、より冷却していることが分かる。これは、Ｂ点及びＣ点の下部収納部３３は、Ａ点の下部収納部３３よりも熱伝導率が高いために、放熱率がＡ点の場合よりも高いことが考えられる。
このグラフによれば、参考例のＡ点では、ジャンクション温度が１５５℃を超えていることが分かる。一方、Ｂ点及びＣ点では、Ａ点よりもジャンクション温度が１００℃以上も低下して、より冷却していることが分かる。これは、Ｂ点及びＣ点の下部収納部３３は、Ａ点の下部収納部３３よりも熱伝導率が高いために、放熱率がＡ点の場合よりも高いことが考えられる。
さらに、既述の通り、Ｂ点及びＣ点の下部収納部３３のダイカスト材の液相線温度は６００℃を超えており、ロウ付け温度（５７５℃〜６００℃）よりも高い。このため、ダイカストにより一体成形された下部収納部３３に対して放熱フィン部３１と上蓋３２とをロウ付けしても、下部収納部３３は溶融することなく、冷却装置３を得ることができる。
一方、Ａ点の下部収納部３３のダイカスト材の液相線温度は６００℃未満であり、ロウ付け温度程度である。このため、ダイカストにより一体成形された下部収納部３３に対して放熱フィン部３１と上蓋３２とをロウ付けすると、下部収納部３３が溶融してしまうおそれがあり、冷却装置３を適切に得ることができない場合が生じる。
上記の半導体装置１は、パワー半導体素子２１ａ，２１ｂを備える半導体モジュール２と、おもて面及びおもて面に対向する裏面を有し、半導体モジュール２がおもて面に搭載された上蓋３２、及び、上蓋３２の裏面にロウ材で接合された下部収納部３３を有する冷却装置３とを有している。下部収納部３３は、底面３３１ｂを有する筐体状であり、上蓋３２と底面３３１ｂの間に冷媒の流路３３１ｐを有し、流路３３１ｐの一端に流入口３３２ａが設けられ、流路３３１ｐの他端に流出口３３２ｂが設けられた筐体部３３１と、筐体部３３１を外部の被設置領域に固定するため、流入口３３２ａの周囲に設けられた第１固定部３３４ａ，３３４ｂ及び流出口３３２ｂの周囲に設けられた第２固定部３３４ｃ，３３４ｄと、を備える。筐体部３３１、第１固定部３３４ａ，３３４ｂ及び第２固定部３３４ｃ，３３４ｄが、ロウ材の液相線温度以上の液相線温度を有する材料を含む、鋳造法により一体成形された鋳造品である。
このような半導体装置１の冷却装置３では、筐体部３３１と、固定部３３４ａ〜３３４ｄとが液相線温度がロウ付け温度以上の材料を用いた鋳造法により一体成形された下部収納部３３と、上蓋３２と、放熱フィン部３１とがロウ付けにより一体成形されている。さらに、当該材料の熱伝導率が１５０Ｗ／（ｍＫ）以上である。
このような冷却装置３は、構成の点数を減らして、製造コストの削減を図ることができると共に、放熱性の低下を抑制することができる。下部収納部３３ａでは、さらに、筐体部３３１と固定部３３４ａ〜３３４ｄとに加えて、筐体部３３１の流入口３３２ａと流出口３３２ｂとに配管部３３７ａ，３３７ｂを同様の鋳造法により一体成形されている。このために、構成の点数を減らして、製造コストの削減を図ることができると共に、放熱性の低下を抑制することができ、高い寸法精度及び位置精度を実現することができる。また、下部収納部３３，３３ａは、鋳造加工で用いられる鋳型に応じて配管部３３７ａ，３３７ｂと流入口３３２ａ及び流出口３３２ｂとの配管形状・配置位置を個別最適に形成でき、設計自由度が向上する。
また、下部収納部３３，３３ａには、第１厚肉部３３３ａ及び第２厚肉部３３３ｂが、筐体部３３１の底面３３１ｂよりも厚く形成されている。さらに、流入口３３２ａ及び流出口３３２ｂの両側は、中実な中実部３３４ａｓ，３３４ｂｓ及び中実部３３４ｃｓ，３３４ｄｓと、第１側壁３３４ａｗ、第２側壁３３４ｂｗ、第３側壁３３４ｃｗ及び第４側壁３３４ｄｗとを含む第１固定部３３４ａ，３３４ｂ及び第２固定部３３４ｃ，３３４ｄで囲まれている。収納部３３，３３ａが鋳造法により成形されるので、第１厚肉部３３３ａ、第２厚肉部３３３ｂ、中実部３３４ａｓ，３３４ｂｓ及び中実部３３４ｃｓ，３３４ｄｓを、工数を増やさずに形成できる。
このような構造により、流入口３３２ａや流出口３３２ｂに機械的な大きな力が加えられても、冷却装置３が座屈し難い。さらに、第１側壁３３４ａｗ、第２側壁３３４ｂｗ、第３側壁３３４ｃｗ及び第４側壁３３４ｄｗの高さは固定部３３４ａ〜３３４ｄと同様の厚さであり、当該側壁は、図５中曲線ａ１〜ａ４に沿った角度を有してよい。これにより、冷却装置３の流入口３３２ａと流出口３３２ｂとに圧力がかかっても下部収納部３３が座屈してしまうことを防止することができる。
１ 半導体装置
２ 半導体モジュール
３ 冷却装置
２１ａ，２１ｂ パワー半導体素子
２２ 積層基板
２２ａ 絶縁板
２２ｂ 回路板
２２ｃ 金属板
３１ 放熱フィン部
３２ 上蓋
３３，３３ａ 下部収納部
３２１ａ〜３２１ｄ ねじ孔
３３１ 筐体部
３３１ｂ 底面
３３１ｐ 流路
３３２ａ 流入口
３３２ｂ 流出口
３３３ａ 第１厚肉部
３３３ｂ 第２厚肉部
３３４ａ，３３４ｂ 第１固定部
３３４ａｓ，３３４ｂｓ，３３４ｃｓ，３３４ｄｓ 中実部
３３４ａｗ 第１側壁
３３４ｂｗ 第２側壁
３３４ｃ，３３４ｄ 第２固定部
３３４ｃｗ 第３側壁
３３４ｄｗ 第４側壁
３３５ａ〜３３５ｄ 窪み
３３６ 裏面
３３７ａ〜３３７ｄ 配管部
２ 半導体モジュール
３ 冷却装置
２１ａ，２１ｂ パワー半導体素子
２２ 積層基板
２２ａ 絶縁板
２２ｂ 回路板
２２ｃ 金属板
３１ 放熱フィン部
３２ 上蓋
３３，３３ａ 下部収納部
３２１ａ〜３２１ｄ ねじ孔
３３１ 筐体部
３３１ｂ 底面
３３１ｐ 流路
３３２ａ 流入口
３３２ｂ 流出口
３３３ａ 第１厚肉部
３３３ｂ 第２厚肉部
３３４ａ，３３４ｂ 第１固定部
３３４ａｓ，３３４ｂｓ，３３４ｃｓ，３３４ｄｓ 中実部
３３４ａｗ 第１側壁
３３４ｂｗ 第２側壁
３３４ｃ，３３４ｄ 第２固定部
３３４ｃｗ 第３側壁
３３４ｄｗ 第４側壁
３３５ａ〜３３５ｄ 窪み
３３６ 裏面
３３７ａ〜３３７ｄ 配管部
Claims (12)
- 半導体素子を有する半導体モジュールと、
おもて面及び前記おもて面に対向する裏面を有し、前記半導体モジュールが前記おもて面に搭載された蓋、及び、前記蓋の前記裏面にロウ材で接合された収納部を有する冷却装置と、
を含み、
前記収納部は、
底面を有する筐体状であり、前記蓋と前記底面の間に冷媒の流路を有し、前記流路の一端に流入口が前記底面に設けられ、前記流路の他端に流出口が前記底面に設けられ、前記底面から前記蓋に向かって形成された階段状の第１厚肉部及び第２厚肉部を備え、前記第１厚肉部は前記流入口の周囲に、前記第２厚肉部は前記流出口の周囲に、それぞれ設けられた筐体部と、
前記筐体部を外部の被設置領域に固定するため、前記流入口の周囲に設けられた第１固定部及び前記流出口の周囲に設けられた第２固定部と、を備え、
前記第１固定部は中実で、前記第１厚肉部より厚い第１中実部を備え、前記第２固定部は中実で、前記第２厚肉部より厚い第２中実部を備え、
前記筐体部、前記第１固定部及び前記第２固定部が、前記ロウ材の液相線温度以上の液相線温度を有する材料を含み、一体成形された構成品である、
半導体装置。 - 前記材料の液相線温度は６００℃以上であり、
前記材料の熱伝導率は１５０Ｗ／（ｍＫ）以上である、
請求項１に記載の半導体装置。 - 前記材料はアルミニウム合金である、
請求項２に記載の半導体装置。 - 前記ロウ材の液相線温度は、５７５℃以上、６００℃未満である、
請求項１に記載の半導体装置。 - 前記第１中実部は、前記流入口を間に挟んで対向する、前記第１厚肉部から前記蓋に向かって形成された第１側壁及び第２側壁を含んでおり、前記第１側壁と前記第２側壁との間隔が前記第２固定部から離れるにつれて小さくなっている、
請求項１に記載の半導体装置。 - 前記流入口及び前記流出口が前記筐体部の中心を通る中心線上に対向してそれぞれ配置されている、
請求項１に記載の半導体装置。 - 前記第１固定部が前記中心線に直交して前記流入口の両側に配置し、
前記流入口の周囲の前記筐体部の側壁が前記第１固定部に沿って形成されている、
請求項６に記載の半導体装置。 - 前記第２固定部が前記中心線に直交して前記流出口の両側に配置し、
前記流出口の周囲の前記筐体部の側壁が前記第２固定部に沿って形成されている、
請求項６に記載の半導体装置。 - 前記収納部は、前記流入口及び前記流出口に配管部がそれぞれ一体成形されている、
請求項１に記載の半導体装置。 - 前記流入口と前記流出口とに挟まれて、前記流入口から流入された前記冷媒が前記流出口に流通する方向と平行に複数のフィンを具備する放熱フィン部が前記筐体部に収納されている、
請求項６に記載の半導体装置。 - 前記放熱フィン部の下端部は前記筐体部の前記底面にロウ付けされ、前記放熱フィン部の上端部は前記蓋の前記裏面にロウ付けされている、
請求項１０に記載の半導体装置。 - 半導体素子を有する半導体モジュールを用意する工程と、
蓋を用意する工程と、
底面を有する筐体状をなし、冷媒の流入口と前記冷媒の流出口とが前記底面に形成され、前記底面から前記底面に対向する方向に向かって形成された階段状の第１厚肉部及び第２厚肉部を備え、前記第１厚肉部は前記流入口の周囲に、前記第２厚肉部は前記流出口の周囲に、それぞれ設けられた筐体部と、
前記筐体部を外部の被設置領域に固定するため、前記流入口の周囲に設けられ、中実で前記第１厚肉部より厚い第１中実部を備える第１固定部と、
前記筐体部を外部の被設置領域に固定するため、前記流出口の周囲に設けられ、中実で前記第２厚肉部より厚い第２中実部を備える第２固定部と、
が一体成形された収納部を用意する工程と、
前記筐体部を前記蓋で覆ってロウ材で接合することにより一体成形して冷却装置を形成する工程と、
前記冷却装置に前記半導体モジュールを搭載する工程と、を有し、
前記筐体部と前記第１固定部と前記第２固定部とが前記ロウ材の液相線温度以上の液相線温度を有する材料を含む半導体装置の製造方法。
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