JPWO2014045766A1 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

放熱性が良好で、信頼性が高く、加工コストの負荷の増大が抑制された半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供する。半導体装置１は、絶縁基板１２と、半導体素子１３、１４と、冷却器２０とを備える。冷却器２０は、絶縁基板１２に接合される放熱基板２１と、該放熱基板２１における絶縁基板１２との接合面とは反対側の面に設けられた複数のフィン２２と、フィン２２を収容するとともに冷却液の導入口及び排出口が設けられたケース２３とを有する。該ケース２３の側壁２３ｂの上端部に設けられた切り欠き２３ｋに放熱基板２１の端部が配設されて放熱基板２１とケース２３とが液密に接合されている。

Description

本発明は、半導体素子を冷却するための冷却器を備える半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等に代表される、モータを使用する機器には、省エネルギーのために電力変換装置が利用されている。この電力変換装置には、広く半導体モジュールが用いられている。こうした省エネルギーのための制御装置を構成する半導体モジュールは、大電流を制御するパワー半導体素子を備えている。通常のパワー半導体素子は、大電流を制御する際に発熱し、電力変換装置の小型化や高出力化が進むにつれてその発熱量が増大している。そのため、パワー半導体素子を複数備えた半導体モジュールでは、その冷却方法が大きな問題となる。

半導体モジュールを冷却するために半導体モジュールに取り付けられる冷却器として、従来から液冷式の冷却器が用いられている。冷却効率を向上させるために、液冷式の冷却器は、冷却液の流量を増加させたり、冷却器が備える放熱用のフィン（冷却体）を熱伝達率のよい形状としたり、またはフィンを構成する材料に、熱伝導率の高いものを使用したりするなど、様々な工夫がなされている。

また放熱用のフィンを備えた半導体装置に関して、例えば、絶縁基板を介してパワー半導体素子と放熱用の放熱基板とが接合された構造がある。このような構造の半導体装置においては、放熱基板の厚み全体を低減することにより放熱性向上を高め、冷却効率を向上させることができる。よって、パワー半導体の温度上昇を効果的に低減することができる。しかし、絶縁基板のセラミックス材料と放熱基板のベース材料とは線膨張係数差が大きく、そのためにパワー半導体素子で発生した熱が放熱基板の変形を生じさせる。したがって上記の構造の半導体装置においては、放熱基板の厚み全体を低減すると、線膨張係数差の影響から放熱基板に変形が生じ、これにより絶縁基板と放熱基板との接合部の信頼性を低減させるなどの問題があった。

セラミックス製の絶縁基板の一方の面に導体層が形成され、他方の面に該導体層の同程度の厚さのフィンベースを兼ねた放熱層が形成され、この放熱層の外周側の厚みを、フィンベース部よりも厚くして補強し、変形を抑えた構造（特許文献１）が提案されている。

特開２００９−２６９５７号公報（段落番号［００１５］及び図２参照）

しかしながら、特許文献１に記載の構造は、フィンベースを兼ねた放熱層の厚さが導体層と同程度であって、外力により変形するおそれがある。
また、絶縁基板を介してパワー半導体素子と放熱用の放熱基板とが接合され、この放熱基板の外周部の厚みを維持し絶縁基板との接合部の厚みだけを薄くした構造は、構造を複雑にするなどの問題から加工コストへの負荷が大きくなっていた。
更に、接合する放熱基板や絶縁基板の材料の改善や、それらの接合部に応力緩和材料を設けるなどの改善も考えられるが、何れもプロセス工数の増加などコストへの影響が大きく、コストへの影響を最低限に放熱性改善と信頼性向上を両立することは困難であった。

本発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、放熱性が良好で、信頼性が高く、加工コストの負荷の増大が抑制された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。

上記目的を達成するために以下のような半導体装置、及び半導体装置の製造方法が提供される。
この半導体装置は、絶縁基板と、絶縁基板上に搭載された半導体素子と、半導体素子を冷却する冷却器とを備える。冷却器は、絶縁基板に接合される放熱基板と、放熱基板における絶縁基板との接合面とは反対側の面に設けられた複数のフィンと、これらのフィンを収容するとともに冷却液の導入口及び排出口が設けられたケースとを有している。ケース側壁の上端部に設けられた切り欠きに放熱基板の端部が配設されて放熱基板とケースとは液密に接合されている。

この半導体装置の製造方法は、絶縁基板と、絶縁基板上に搭載された半導体素子と、半導体素子を冷却する冷却器とを備える半導体装置を製造する方法である。この製造方法は、放熱基板、複数のフィン及びケースを有する冷却器のうちの放熱基板と該ケースとを接合する工程を含む。ケース側壁の上端に切り欠きを形成した前記ケースを用意し、ケースの切り欠きに放熱基板の端部を配設して放熱基板とケースとを液密に接合する。

本発明によれば、冷却器のケースの上端部に切り欠きが設けられ、この切り欠きに適合させた放熱基板がケースの上部開口を塞いで設けられるため、所定の厚さを有する放熱基板の良好な放熱性を維持ししつつ、加工が容易なものとして、製造コストの増大を抑制することができる。

図１は、本発明の半導体装置の一例を示す外観斜視図である。 図２は、図１の半導体装置のＩＩ‐ＩＩ線に沿って示す矢視断面図である。 図３は、半導体モジュールとして構成される電力変換回路の一例を示す図である。 図４は、３種のフィンの形状を説明する図であって、（ａ）はブレードフィンを示す斜視図、（ｂ）は円柱形状のピンを有するピンフィンを示す斜視図、（ｃ）は角柱形状のピンを有するピンフィンを示す斜視図である。 図５は、冷却器のケースの要部構成を示す斜視図である。 図６は、本発明の半導体装置の別の例を示す断面図である。 図７は、従来の半導体モジュールを第１の比較例として説明する図であって、従来の半導体モジュール構造の断面図である。 図８は、比較例の半導体装置の構成別熱抵抗値の比較結果を示した図である。 図９は、実施例の半導体装置の構成別熱抵抗値の比較結果を示した図である。

本発明の半導体装置及びその製造方法の実施形態を、図面を用いて具体的に説明する。
図１に斜視図で、図２に断面図で示す本発明の一実施形態の半導体装置１は、半導体モジュール１０と、この半導体モジュールを冷却する冷却器２０とを備えている。半導体モジュール１０は、図示した本実施形態では、冷却器２０の上に配置された複数の回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを有している。これらの回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃにより、半導体モジュール１０は、例えば三相インバータ回路が構成されている。

回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの各々は、図２に示すように絶縁基板１２を有している。この絶縁基板１２は、電気絶縁性の板よりなる絶縁層１２ａと、この絶縁層１２ａの両面のそれぞれに形成された導体層１２ｂ、１２ｃとからなる。絶縁基板１２の絶縁層１２ａには、例えば窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等のセラミック基板を用いることができる。絶縁基板１２の導体層１２ｂ、１２ｃは、銅やアルミニウム等の導電性の金属箔（例えば、銅箔、アルミニウム箔）を用いて形成することができる。

絶縁基板１２の導体層１２ｂは、回路パターンが形成されている導体層であり、この導体層１２ｂ上に、半導体素子１３、１４が、はんだ等の接合層１５を介して接合されている。半導体素子１３、１４は、導体層１２ｂの回路パターンにより直接に、又はワイヤ（図示せず）を介して、電気的に接続される。なお、絶縁基板１２の導体層１２ｂ、１２ｃの露出表面や、半導体素子１３、１４と導体層１２ｂとを電気的に接続するワイヤ表面には、ニッケルめっき等により、それらの表面を汚れ、腐食、外力等から保護するための保護層を形成するようにしてもよい。

このような絶縁基板１２上に搭載される半導体素子１３、１４として、図示した本実施形態ではパワー半導体素子を用いている。半導体モジュール１０は、図３に回路図を示すように、一例として電力変換回路としての三相インバータ回路４０を構成している。図３に示すインバータ回路４０は、一方の半導体素子１３をフリーホイールダイオード（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＦＷＤ）とし、他方の半導体素子１４を絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）としていて、三相交流モータ４１が接続されている。

以上の説明では、半導体モジュール１０について、回路素子部１１Ａ〜１１Ｃを３個とした例を示した。しかし、回路素子部の個数は、半導体モジュール１０が用いられる回路、用途、又は機能に応じて、適宜に変更可能であり、必ずしも３個には限定されない。半導体モジュール１０は、回路素子部１１Ａ〜１１Ｃを囲うように樹脂ケース１７が設けられている。この樹脂ケース１７は、図１では理解を容易にするために図示を省略している。

半導体素子１３、１４が搭載された絶縁基板１２は、もう一方の導体層１２ｃ側で、接合層１６を介して冷却器２０の放熱基板２１が接合される。こうして、絶縁基板１２及び半導体素子１３、１４は、冷却器２０と熱伝導可能に接続された状態になる。

冷却器２０は、放熱基板２１と、この放熱基板２１に固定された複数のフィン２２と、このフィン２２を収容するケース２３とを有している。フィン２２は、放熱板、換言すればヒートシンク（ｈｅａｔ ｓｉｎｋ）として用いられる。

フィン２２は、例えば図４（ａ）に示すように、ブレード（ｂｌａｄｅ）形状の複数のフィンが互いに平行に設けられたブレードフィンとして形成することができる。このブレードフィンの代わりに、同図（ｂ）に示す円柱形状のピン２２Ａ又は同図（ｃ）に示す角柱形状のピン２２Ｂを複数個、間隔を空けて配列させたピンフィンを用いることもできる。このようなフィン２２のフィン形状については、ブレードフィン、ピンフィン以外にも様々な形状のものを用いることが可能である。もっとも、フィン２２は、冷却器２０内に冷却液を流したときに、この冷却液の抵抗になるので、冷却液に対する圧力損失が小さい形状を有するものが望ましい。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、冷却液の流動方向を矢印で示した。

フィン２２の形状及び寸法は、冷却液の冷却器２０への導入条件（すなわち、ポンプ性能等）、冷却液の種類と性質（特に粘性等）、目的とする除熱量等を考慮して、適宜設定することが好ましい。また、フィン２２は、ケース２３に収容されたときにフィン２２の先端とケース２３の底壁２３ａとの間に一定のクリアランスＣが存在するような寸法（高さ）に形成される。もっとも、クリアランスをゼロとする構成を排除するものではない。

図４に示した形状を有するフィン２２は、例えば図２に示したように、放熱基板２１の表面から垂直方向に延びるように当該放熱基板２１の所定領域に取り付けて固定され、放熱基板２１と一体化されている。放熱基板２１においてフィン２２が取り付けられる領域は、好ましくは、放熱基板２１が絶縁基板１２に接合された状態で、この絶縁基板１２上の半導体素子１３、１４が搭載された領域を、放熱基板２１の厚み方向に投影させた領域を含む領域である。換言すれば、半導体素子１３、１４の直下の領域を含む領域であることが好ましい。

図２では、複数のフィン２２が、あらかじめ板状のフィン基材２２ａに接合されることにより一体化され、この一体化されたフィン２２のフィン基材２２ａの表面と放熱基板２１の表面とが接合されることにより、放熱基板２１とフィン２２とが一体化されている。これによりフィン２２は、フィン基材２２ａ及び放熱基板２１によって保持された状態でケース２３内に収容される。

図２ではフィン２２はフィン基材２２ａを有しているが、フィン基材２２ａは必須ではない。例えばフィン２２をダイカストにより放熱基板２１と一体的に鋳造することにより形成することができる。また、フィン２２をロウ付け、又は各種の溶接法により、放熱基板２２に直接的に接合することにより、フィン２２を放熱基板２１と一体的に形成することもできる。更に、ダイカストやプレス鍛造によって放熱基板２１の一方の表面からヒートシンクの概略形状になるような凸部を形成した後、この凸部を切削やワイヤーカット法によって所望するフィン形状に加工することによって形成することもできる。また、プレス鍛造法のみで放熱基板２１とフィン２２とを一体的に形成することも可能である。

フィン２２からなるヒートシンクの外形は略直方体であり、好ましくは直方体であり、本発明の効果を損ねない範囲で面取りや変形された形状であってもよい。

フィン２２及び放熱基板２１は、熱伝導率の高い材料よりなることが好ましく、特に金属材料が好ましい。例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等の金属材料を用いて形成することができ、例えばＡ１０５０、Ａ６０６３等が望ましい。より好ましくは、２００Ｗ／ｍｋ以上のアルミニウムを用いることができる。フィン２２と放熱基板２１とは、同種の金属材料であってもよいし、異種の金属材料であってもよい。フィン２２がフィン基材２２ａに接合される場合の当該フィン基材２２ａは、例えば金属材料を用いることができる。

フィン２２を収容するケース２３は、底壁２３ａと、この底壁２３ａの周縁に設けられた側壁２３ｂとを有し、上部が開口となっている箱型形状である。図５に示すように、ケース２３は、外形が略直方体形状であるが、略直方体形状に限定されるものではない。

図５に示されるように、ケース２３は、ケース２３内に冷却液を導入するための導入口２３ｃが、短辺側の側壁２３ｂのうちの一方の側壁２３ｂの角部近傍に設けられ、またケース２３内から外部に冷却液を排出するための排出口２３ｄが、短辺側の側壁２３ｂのうちの他方の側壁２３ｂの対角近傍に設けられている。フィン２２が収容されたときに、ケース２３内は、導入口２３ｃからケース２３の長辺側の側壁２３ｂに沿って冷却液導入流路２３ｅが形成され、排出口２３ｄからケース２３の長辺側の側壁２３ｂに沿って冷却液排出流路２３ｆが形成され、この冷却液導入流路２３ｅと冷却液排出流路２３ｆとの間に、フィン２２の間隙としての冷却用流路２３ｇが形成されている。図５では理解を容易にするため切り欠き２３ｋの図示を省略している。

ケース２３は、フィン２２及び放熱基板２１と同様に、熱伝導率の高い材料よりなる材料や、ユニット形成時の周辺部品を取りこんだ場合での材料など、構造によって材料を選定する必要がある。熱伝導性を考慮した場合、Ａ１０５０やＡ６０６３等の材料が好ましく、周辺部材、特に固定部やパワーモジュールを収めるインバータケースとのシールが必要な場合はＡＤＣ１２やＡ６０６１等の材料が好ましい。またケース２３をダイカストで製造し、かつ、熱伝導性が求められる場合は、三菱樹脂株式会社のダイカスト用高熱伝導アルミニウム合金であるＤＭＳシリーズの材料を適用することも可能である。このような金属材料を用いてケース２３を形成する場合、例えばダイカストによって、上記のような導入口２３ｃ、排出口２３ｄや、ケース２３内の流路を形成することができる。ケース２３は、金属材料にカーボンフィラーを含有する材料を用いることもできる。また、冷却液の種類やケース２３内に流れる冷却液の温度等によっては、セラミック材料や樹脂材料等を用いることも可能であるが、後述する摩擦攪拌接合法によってケース２３と放熱基板２１とを接合する場合には、セラミック材料や樹脂材料は用いられない。

ケース２３の側壁２３ｂの上端と放熱基板２１の端部とが、側壁２３ｂに沿って液密に接合されている。このことにより、ケース２３内に導入口２３ｃから導入された冷却液が、冷却液導入流路２３ｅ、冷却用流路２３ｇ及び冷却液排出流路２３ｆを通して排出口２３ｄから排出されるという冷却液の流動を生じさせているときにもケース２３と放熱基板２１との接合部から冷却液が漏れ出ることが防止される。

本実施形態の液密な接合の例を具体的に説明する。図２に示すように、ケース２３は、側壁２３ｂの上端に、断面がＬ字形状となるような切り欠き２３ｋが形成されていて、放熱基板２１は、このケース２３の切り欠き２３ｋに適合する端部の形状、大きさを有している。ケース２３の切り欠き２３ｋは、放熱部材２１の端部が当該切り欠き２３ｋに配設されたときに、ケース２３の側壁２３ｂの上端面と、放熱基板２１の上面とが、同一平面になるような寸法で形成されている。このケース２３の側壁２３ｂ上端の切り欠き２３ｋに、放熱基板２１の端部が、載置されるように配設されている。その側壁２３ｂの切り欠き２３ｋの部分と放熱基板２１の端部とが公知の方法により接合されていることより、放熱基板２１とケース２３とは、液密に接合されている。

ケース２３の側壁２３ｂの上端と放熱基板２１の端部との接合法は、公知の方法である、ろう付けや、はんだによって行うこともできるが、摩擦攪拌接合法（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）であることが、より好ましい。摩擦攪拌接合法であることにより、ケース２３の側壁２３ｂの上端と放熱基板２１の端部との液密な接合を、確実にすることができる。摩擦攪拌接合法により接合する場合は、側壁２３ｂの切り欠き２３ｋと放熱基板２１の接合界面における、ケース２３の上面から放熱基板の厚み方向に延びる部分を接合する。この部分を接合する際は、ケース２３の底面を支持しながら、ケース２３と放熱基板２１との接合界面に向けて摩擦攪拌接合法のツールを上方から当てて接合できるので、確実な接合が可能となる。さらに、摩擦攪拌接合法により接合することにより、放熱基板２１とケース２３の材料として、例えばＡ６０６３及びＤＭＳシリーズの合金、大紀アルミニウム工業所のダイカスト用高熱伝導アルミニウム合金であるＨＴ−１等の熱伝導率の高い材料を用い、放熱性を向上することができる。

ケース２３に切り欠き２３ｋを形成するのは、ほとんどコスト増加とならない。また、放熱基板２１は、平板形状とすることができ、換言すれば放熱基板２１の端部又はフィン２２が接合される部分について、他の部分よりも厚さを異ならせるための加工を必ずしも必要としないので、製造が容易でコスト増加を招くことはない。また、放熱基板２１を平板形状とすることにより、ダイカスト、プレス鍛造や切削法により放熱基板２１とフィン２２とを一体的に形成する場合に、微細なフィン２２を比較的容易に精度よく形成することができる。また、放熱基板２１は、所定の厚さを有することにより、変形に対する信頼性と、良好な放熱性を具備することができる。放熱基板２１の厚さは、例えばフィンが接合される領域において、１〜３ｍｍが望ましい。

冷却器２０の使用時には、導入口２３ｃに図示しないポンプが接続され、排出口２３ｄに図示しない熱交換器が接続されて、冷却器２０、ポンプ及び熱交換器を含む閉ループの冷却液流路が構成される。冷却液は、このような閉ループ内をポンプによって強制循環される。冷却液は、水やロングライフクーラント（ＬＬＣ）等を用いることができる。

本実施形態の半導体装置１は、図３に示した電力変換回路の動作時に、図１、図２に示す各回路素子部１１Ａ〜１１Ｃの半導体素子１３、１４で発生した熱が、絶縁基板１２に接合されている放熱基板２１へと伝わり、放熱基板２１に接合されたフィン２２へと伝わる。ケース２３内において、上述したようにフィン２２の間隙として冷却用流路２３ｇが形成されているから、この冷却用流路２３ｇに冷却液が流通されることで、フィン２２により構成されたヒートシンクが冷却される。このようにして回路素子部１１Ａ〜１１Ｃに生じた熱は、冷却器２０により冷却される。

図６に本発明の別の実施形態の半導体装置２を断面図で示す。なお、図６に示した半導体装置２において、図２の半導体装置１と同一の部材には同一の符号を付しており、以下ではこれらの部材について重複する説明は省略する。図６の半導体装置２は、冷却器２０を構成する放熱基板２４の断面形状が、Ｌ字形状であり、図２の半導体装置１の放熱基板２１と相違している。この放熱基板２４は、フィン２２がフィン基材２２ａを介して放熱基板２４に接合される部分（フィン領域）の厚さｔ１が、このフィン領域の周辺の部分（周辺領域）の厚さｔ２よりも薄くなっている。ケース２３は、側壁２３ｂの上端に、断面がＬ字形状となるような切り欠き２３ｋが形成されている。この切り欠き２３ｋは、当該ケース２３の切り欠き２３ｋに放熱部材２４の端部が載置されるように配設されたときに、ケース２３の側壁２３ｂの上端面と、放熱基板２４の上面とが、同一平面になるような寸法で形成されている。放熱基板２４の端部とケース２３の側壁２３ｂの上端とが側壁２３ｂに沿って公知の方法により液密に接合されている。

ケース２３の側壁２３ｂの上端と放熱基板２４の端部との接合法は、公知の方法である、ろう付けや、はんだによって行うこともできるが、摩擦攪拌接合法（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）であることが、より好ましい。摩擦攪拌接合法であることにより、ケース２３の側壁２３ｂの上端と放熱基板２４の端部との液密な接合を、確実にすることができる。摩擦攪拌接合法により接合する場合は、側壁２３ｂの切り欠き２３ｋと放熱基板２４の接合界面における、ケースの上面から放熱基板の厚み方向に延びる部分を接合する。この部分を接合する際は、ケース２３の底面を支持しながら、ケース２３と放熱基板２４との接合界面に向けて摩擦攪拌接合法のツールを上方から当てて接合できるので、確実な接合が可能となる。さらに、摩擦攪拌接合法により接合することにより、放熱基板２４とケース２３の材料として、例えばＡ６０６３及びＤＭＳシリーズの合金、大紀アルミニウム工業所のダイカスト用高熱伝導アルミニウム合金であるＨＴ−１等の熱伝導率の高い材料を用い、放熱性を向上することができる。

図６に示した本実施形態の半導体装置２は、ケース２３に切り欠き２３ｋを形成するのは、ほとんどコスト増加とならない。また、放熱基板２４は、フィン領域が周辺領域よりも薄いことから、放熱性を向上させることができる。また、放熱基板２４は、周辺領域が所定の厚さを有することにより、変形に対する信頼性を具備することができる。放熱基板２４の厚さは、例えばフィンが接合される領域において、１〜３ｍｍが望ましい。

次に、本発明の半導体装置の製造方法の一実施形態について説明する。
図１及び図２に示した半導体装置１を製造するに当たっては、冷却器２０の放熱基板２１とケース２３とを接合する工程を含む。この工程を行う前には、放熱基板２１には、絶縁基板１２とフィン２２が接合されていて、また、この絶縁基板１２上には半導体素子１３、１４が搭載されている。

冷却器２０の放熱基板２１とケース２３とを接合する工程では、まず、側壁２３ｂの上端を、一周にわたって、切り欠き２３ｋを有する形状に成形したケース２３を用意する。この切り欠きはケース２３がダイカストにより製造される場合には、このダイカスト時に形成すればよい。もっとも、ダイカスト後に切削加工等の加工を行って形成することもできる。ケース２３の切り欠き２３ｋに放熱基板２１の端部を配設して、その切り欠き２３ｋの部分と放熱基板２１の端部とが公知の方法により接合されていることより、放熱基板２１とケース２３とは、液密に接合されている。この液密な接合は、好ましくは摩擦攪拌接合法によって行う。図６に示した半導体装置２を製造する際も、上記と同様にして製造することができる。

次に、本発明の半導体装置の実施例を、比較例と対比させて説明する。
（比較例）
比較例は、従来の半導体装置であって図７に断面図で示す。図７に示す半導体装置１０１は、半導体モジュール１１０が冷却器１２０に対し、フィン１２２間を流れる冷却液の流れる方向に対し２行、その垂直方向に３列の計６つの回路素子部を有する構造である。図７は断面図であるので、これらの回路素子部のうちの３つの回路素子部１１１Ａ〜１１１Ｃが示されている。これらの回路素子部１１１Ａ〜１１１Ｃの構成は、図２に示した本発明の実施形態の回路素子部１１Ａ〜１１Ｃと同じ構成を有していて、図７では図２と同じ符号を付しており、以下ではこれらの構成について重複する説明は省略する。

図７の半導体装置１００は、放熱基板１２１とケース１２３とがシール部材１２３ｓを介して密閉される構造であり、それぞれにアルミ材料を適用した構造である。放熱基板１２１は均一な厚さのものとして５ｍｍ、３．５ｍｍ、２．５ｍｍ及び１．５ｍｍの４種を用いた。またシール部材１２３ｓを用いた場合は、放熱基板１２１に用いることができる材料に制約があるため、それぞれ熱伝導率は１７０Ｗ／ｍｋのアルミニウム材料を適用した。また変形や組立て交差を考慮し、フィン１２２先端とケース１２３とのクリアランスＣは１．５ｍｍとした。

また、ケース１２３の設計によっては複数配置されたフィン１２２の間を流れる冷却液の流速分布に偏流が生じるが、ケース１２３に設けられた導入口や排出口（図示せず）を工夫することで均一に流れる状態とした形状にした。

半導体装置１００の回路素子部の半導体素子１３、１４に特定の動作条件を印加した場合の当該半導体素子の半導体素子１３、１４の発熱温度を、上述した放熱基板１２１の厚さ５ｍｍ、３．５ｍｍ、２．５ｍｍ及び１．５ｍｍの４種について熱流体シミュレーションを用いて比較した。その結果を図８に示す。

図８は、不凍液を１０Ｌ／ｍｉｎの流量で一定に循環させ、一定の損失を与えた定常状態での、半導体素子１３、１４上部のジャンクション温度と導入口の水温との間の熱抵抗を比較した結果である。この結果によれば、放熱基板１２１の厚さを１．５ｍｍまで削減することで、熱抵抗を１０％低減することが可能である。放熱基板１２１の材料の熱伝導率は１７０Ｗ／ｍｋであって、絶縁基板の材料やはんだ材などと比較して、熱伝導率が高い材料であるが、熱広がりよりも高さ方向の熱伝導が支配的であり、この効果に至ったものと推定できる。さらに、放熱基板１２１の厚さを薄くすることで、フィン２２の高さを変更することなく、放熱基板１２１上面からフィン２２先端までの高さであるベース全体の高さを削減でき、冷却器全体の体積削減も可能となる。

（実施例）
上述した比較例との対比で、実施例は、半導体モジュール１０用の冷却器２０の放熱性を向上させるため、放熱基板２１とケース２３とを一体化した冷却器２０の好適な例について説明する。基本構造は図１に記載の構造と同様であり、機械的な接合によりシール部材を省いた構成である。

上述した比較例では、放熱基板１２１とケース１２３とはシール部材を介して密閉されている。このシール部材は、例えばＯリングやメタルガスケットである。このシール部材を用いた場合、シール性能（液密）を確保するために放熱基板の材料に求められる強度（硬度）や厚さに制約があった。特に材料の種類は熱伝導率を左右する場合があり、高熱伝導率化との両立が困難であった。アルミニウム部材の場合、熱伝導率１７０Ｗ／ｍｋ程度の材料を用いざるを得なかった。
そこで、実施例では、機械的な接合、例えば熱拡散法、摩擦攪拌接合法などを用いた。これにより、シール部材を省くことができ、放熱基板２１の材料に、熱伝導率が２００Ｗ／ｍｋ以上の材料を適用でき、厚さも薄くできるので、高放熱化が可能になる。なお、機械的な接合に限られず、ロウ付けを行って接合してもよい。

また、放熱基板２１とケース２３とが一体化されることで、フィン２２の先端とケース２３とのクリアランスＣは、熱変形や圧力印加時の広がりが軽減され、冷却液の有効活用が可能になり、組立てなどを考慮した間隔を削減することができる。
さらに、シール部材を省くことで、組立て工数の削減やシール面の面粗度に注意を払う工程を少なくすることができるため、コスト性にメリットがある。

ここで、クリアランスＣと放熱基板２１の熱伝導率改善効果について、クリアランスを１．５ｍｍ、０．５ｍｍ、０ｍｍの３水準、熱伝導率を１７０Ｗ／ｍｋ、２１０Ｗ／ｍｋの２水準について、熱流体シミュレーションを用いて比較した。ここで比較する放熱の構造は、冷却部の放熱基板厚さを２．５ｍｍ、フィン高さを１０ｍｍ一定のものとし、冷却液条件など条件は比較例と同一条件とした。

図９に示すように、熱伝導率の改善効果に加え、フィン先端部とケース間のクリアランスＣを制御し、冷却液を有効に活用することで、ジャンクション−導入口位置の冷却液温度を基準とした熱抵抗は約１２％改善することが確認できる。クリアランスが０．５ｍｍの実施例１とクリアランスが０ｍｍの実施例２とを比較したとき、クリアランスＣの影響度については、このクリアランスＣがフィン２２の間隔より狭く、よって冷却液がクリアランス領域に逃げにくい状態であったため、大きな差は見られないが、従来構成とフィン高さ中央部のフィン間に流れる冷却液流速は従来比で２〜３割改善傾向があった。

このように放熱基板の材料変更やクリアランスＣを制御する手段は、ケース２３と放熱基板２１とが全面又は部分的に接合されることで得られる効果であるが、これらは放熱性に限らず、この熱により発生する熱応力が信頼性に与える影響を鑑みた場合も、一体化による強度向上が望める構造である。

１ 半導体装置
１０ 半導体モジュール
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ 回路素子部
１２ 絶縁基板
１２ａ 絶縁層
１２ｂ、１２ｃ 導体層
１３、１４ 半導体素子
１５、１６ 接合層
１７ 樹脂ケース
２０ 冷却器
２１ 放熱基板
２２ フィン
２２ａ フィン基材
２３ ケース
２３ｂ 側壁
２３ｃ 導入口
２３ｄ 排出口
２３ｅ 冷却液導入流路
２３ｆ 冷却液排出流路
２３ｇ 冷却用流路
２３ｋ 切り欠き
１２ 絶縁基板
４０ インバータ回路
４１ 三相交流モータ
Ｃ クリアランス

図２ではフィン２２はフィン基材２２ａを有しているが、フィン基材２２ａは必須ではない。例えばフィン２２をダイカストにより放熱基板２１と一体的に鋳造することにより形成することができる。また、フィン２２をロウ付け、又は各種の溶接法により、放熱基板２１に直接的に接合することにより、フィン２２を放熱基板２１と一体的に形成することもできる。更に、ダイカストやプレス鍛造によって放熱基板２１の一方の表面からヒートシンクの概略形状になるような凸部を形成した後、この凸部を切削やワイヤーカット法によって所望するフィン形状に加工することによって形成することもできる。また、プレス鍛造法のみで放熱基板２１とフィン２２とを一体的に形成することも可能である。

本実施形態の液密な接合の例を具体的に説明する。図２に示すように、ケース２３は、側壁２３ｂの上端に、断面がＬ字形状となるような切り欠き２３ｋが形成されていて、放熱基板２１は、このケース２３の切り欠き２３ｋに適合する端部の形状、大きさを有している。ケース２３の切り欠き２３ｋは、放熱基板２１の端部が当該切り欠き２３ｋに配設されたときに、ケース２３の側壁２３ｂの上端面と、放熱基板２１の上面とが、同一平面になるような寸法で形成されている。このケース２３の側壁２３ｂ上端の切り欠き２３ｋに、放熱基板２１の端部が、載置されるように配設されている。その側壁２３ｂの切り欠き２３ｋの部分と放熱基板２１の端部とが公知の方法により接合されていることより、放熱基板２１とケース２３とは、液密に接合されている。

図６に本発明の別の実施形態の半導体装置２を断面図で示す。なお、図６に示した半導体装置２において、図２の半導体装置１と同一の部材には同一の符号を付しており、以下ではこれらの部材について重複する説明は省略する。図６の半導体装置２は、冷却器２０を構成する放熱基板２４の断面形状が、Ｌ字形状であり、図２の半導体装置１の放熱基板２１と相違している。この放熱基板２４は、フィン２２がフィン基材２２ａを介して放熱基板２４に接合される部分（フィン領域）の厚さｔ１が、このフィン領域の周辺の部分（周辺領域）の厚さｔ２よりも薄くなっている。ケース２３は、側壁２３ｂの上端に、断面がＬ字形状となるような切り欠き２３ｋが形成されている。この切り欠き２３ｋは、当該ケース２３の切り欠き２３ｋに放熱基板２４の端部が載置されるように配設されたときに、ケース２３の側壁２３ｂの上端面と、放熱基板２４の上面とが、同一平面になるような寸法で形成されている。放熱基板２４の端部とケース２３の側壁２３ｂの上端とが側壁２３ｂに沿って公知の方法により液密に接合されている。

図７の半導体装置１００は、放熱基板１２１とケース１２３とがシール部材１２３ｓを介して密閉される構造であり、それぞれにアルミ材料を適用した構造である。放熱基板１２１は均一な厚さのものとして５ｍｍ、３．５ｍｍ、２．５ｍｍ及び１．５ｍｍの４種を用いた。またシール部材１２３ｓを用いた場合は、放熱基板１２１に用いることができる材料に制約があるため、それぞれ熱伝導率は１７０Ｗ／ｍｋのアルミニウム材料を適用した。また変形や組立て公差を考慮し、フィン１２２先端とケース１２３とのクリアランスＣは１．５ｍｍとした。

上記目的を達成するために以下のような半導体装置、及び半導体装置の製造方法が提供される。
この半導体装置は、絶縁基板と、絶縁基板上に搭載された半導体素子と、半導体素子を冷却する冷却器とを備える。冷却器は、絶縁基板に接合される放熱基板と、放熱基板における絶縁基板との接合面とは反対側の面に設けられた複数のフィンと、これらのフィンを収容するとともに冷却液の導入口及び排出口が設けられたケースとを有している。ケース側壁の上端部に設けられた切り欠きに放熱基板の端部が配設されて放熱基板とケースとは液密に接合されていて、フィンの先端が、ケースの底面に近接している。

この半導体装置の製造方法は、絶縁基板と、絶縁基板上に搭載された半導体素子と、半導体素子を冷却する冷却器とを備える半導体装置を製造する方法である。この製造方法は、放熱基板、複数のフィン及びケースを有する冷却器のうちの放熱基板と該ケースとを接合する工程を含む。ケース側壁の上端に切り欠きを形成した前記ケースを用意し、ケースの切り欠きに放熱基板の端部を配設して放熱基板とケースとを液密に接合し、前記放熱基板に設けられた前記複数のフィンの先端を、前記ケースの底面に近接させた。

Claims (7)

1. 絶縁基板と、該絶縁基板上に搭載された半導体素子と、該半導体素子を冷却する冷却器とを備える半導体装置であって、
   前記冷却器が、該絶縁基板に接合される放熱基板と、該放熱基板における該絶縁基板との接合面とは反対側の面に設けられた複数のフィンと、該フィンを収容するとともに冷却液の導入口及び排出口が設けられたケースとを有し、かつ、該ケース側壁の上端部に設けられた切り欠きに前記放熱基板の端部が配設されて該放熱基板と該ケースとが液密に接合されたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記放熱基板と前記ケースとが摩擦攪拌接合で接合されてなる請求項１記載の半導体装置。
3. 前記放熱基板が、前記ケースの熱伝導率と同等以上の熱伝導率を有する材料からなる請求項１記載の半導体装置。
4. 前記フィンが、ブレード形状及びピン形状から選ばれるいずれかの形状を有する請求項１記載の半導体装置。
5. 前記フィンの先端が、前記ケースの底面に近接している請求項１記載の半導体装置。
6. 絶縁基板と、該絶縁基板上に搭載された半導体素子と、該半導体素子を冷却する冷却器とを備える半導体装置の該冷却器が有する放熱基板、複数のフィン及びケースのうちの該放熱基板と該ケースとを接合する工程を含む半導体装置の製造方法であって、
   前記ケース側壁の上端に切り欠きを形成した前記ケースを用意し、該ケースの該切り欠きに前記放熱基板の端部を配設して該放熱基板と該ケースとを液密に接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 前記放熱基板と前記ケースとの液密な接合が、摩擦攪拌接合である請求項６記載の半導体装置の製造方法。

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