電力用半導体装置および製造方法
【課題】小型で冷却性能に優れた電力用半導体装置を提供する。
【解決手段】電力用の半導体素子４３又は電力用の半導体モジュール１３を冷却できる電力用半導体装置１１であって、使用時に発熱する電力用の半導体素子４３と、半導体素子４３と接触する伝熱性のモジュール基板４１とを有する電力用の半導体モジュール１３と、モジュール基板４１に熱伝導可能に固定された伝熱性の伝熱板１５と、伝熱板１５を挟持する溝部２０を有し、伝熱板１５から伝わる熱を放散する放熱板２３とを備え、各溝部２０は、側壁の少なくとも一方が伝熱板１５とともに塑性変形をして接触する。
【解決手段】電力用の半導体素子４３又は電力用の半導体モジュール１３を冷却できる電力用半導体装置１１であって、使用時に発熱する電力用の半導体素子４３と、半導体素子４３と接触する伝熱性のモジュール基板４１とを有する電力用の半導体モジュール１３と、モジュール基板４１に熱伝導可能に固定された伝熱性の伝熱板１５と、伝熱板１５を挟持する溝部２０を有し、伝熱板１５から伝わる熱を放散する放熱板２３とを備え、各溝部２０は、側壁の少なくとも一方が伝熱板１５とともに塑性変形をして接触する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体装置に関し、特に、電力用の半導体素子又は電力用の半導体モジュールを冷却できる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置は、鉄道車両、ハイブリッドカー、電気自動車等の車両、家電機器、産業用機械等において、比較的大きな電力を制御、整流するために利用されている。電力用半導体装置を使用する場合、通電、スイッチング等に伴って半導体素子に電力損失が生じる。電力損失は、半導体素子の発熱を引き起こす。半導体素子は、動作温度を超えると、破壊されて機能しなくなる。そのため、半導体素子を冷却する技術は、電力用半導体装置を利用するために重要な技術要素である。特に、電力用半導体装置が制御等する電力が大きくなる程、半導体素子の発熱は大きくなり、半導体素子を冷却する技術はより重要になる。
【０００３】
従来、電力用の半導体素子を含む半導体モジュールを冷却するための冷却部を備える電力用半導体装置が提案されている。特許文献１には、モールド樹脂でカバーされたモールド面と、これに対向する放熱面とを有する少なくとも一対のパワーモジュールと、パワーモジュールのそれぞれのモールド面が互いに当接し、放熱面が当接するようにパワーモジュールを挟持する一対の冷却フィンとを備える電力用半導体装置が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、Ｕ字状フィンまたはコルゲート状フィンの折り曲げ部をベースプレートのフィン取り付け面に設けられた溝部に配し、折り曲げ部の内側に金属部材を配して、その金属部材を塑性変形させることによって、折り曲げ部を溝部にかしめて固定するヒートシンクが記載されている。
【特許文献１】特開２００６−１９０９７２号公報
【特許文献２】特開２００２−１７２４４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電力用半導体装置を利用する場合、それを取り付けるためのスペースは限られている。例えば自動車等の車両の場合、比較的狭く限定されたスペースに、電力用半導体装置を含む種々の装置を搭載する必要がある。そのため、電力用半導体装置を取り付けるためのスペースも狭くなる。例えば、エンジンのみを動力とする自動車の構造設計を基本としてモーター駆動装置を追加したハイブリッド型自動車の場合、電力用半導体装置を容易に車両に搭載するためには、補機バッテリーを搭載する場所をエンジンルームから移し、空いた領域に電力用半導体装置を収納する方法がある。従って、電力用半導体装置は補機バッテリーの容積に収まる大きさであることが望ましい。そのため、より小型で冷却性能に優れた電力用半導体装置の提供が課題になっている。
【０００６】
そこで、本発明は、上記の課題を解決するため、小型で冷却性能に優れた電力用半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明の電力用半導体装置は、電力用の半導体素子又は電力用の半導体モジュールを冷却できる電力用半導体装置であって、使用時に発熱する電力用の半導体素子と、上記半導体素子と接触する伝熱性のモジュール基板とを有する電力用の半導体モジュールと、上記モジュール基板に熱伝導可能に固定された伝熱性の伝熱板と、上記伝熱板を挟持する溝部を有し、伝熱板から伝わる熱を放散する放熱板とを備え、上記溝部は、側壁の少なくとも一方が上記伝熱板とともに塑性変形をして接触する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、放熱板と伝熱板とは、互いに塑性変形した部分で接触する。一般に、塑性変形を伴う接触の場合、塑性変形を伴わない接触の場合に比べて、その接触部分での伝熱効率が飛躍的に向上する。従って、伝熱板から放熱板への伝熱効率が向上し、その結果、小型で冷却性能に優れた電力用半導体装置を実現することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。全図を通して同一の部位には同一の符号を付す。
【００１０】
（実施の形態）
図１から図３は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す。図１は、実施の形態１の電力用半導体装置の一部を切り欠いて示す斜視図であり、図２は、同装置の側方断面図であり、図３は、同装置の平面図である。
【００１１】
電力用半導体装置１１は、比較的大きな電力を制御、整流するための装置であり、半導体モジュール１３と、伝熱板１５と、放熱板１６と、冷却部２７とを備える。
【００１２】
半導体モジュール１３は、それぞれ、電力用の半導体素子４３と、半導体素子４３及び内部配線４５を支持するモジュール基板４１と、外部配線に接続するための端子４９とを有する。半導体素子４３と内部配線４５とモジュール基板４１とは、樹脂４７によってモールドされている。樹脂４７の材料は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、シリコンゲル、シリコンゴム等から適宜選択される。ゲルやゴムを流し込んで熱硬化させる場合は、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を成型した、モジュール形状を規定するための枠を用いる。樹脂モールドによって、半導体モジュール１３の内部は、外気、水分、油分、塵埃等の外部環境から保護される他、電気的に絶縁されて電気的に保護されるとともに、機械的な負荷及び衝撃から保護される。
【００１３】
モジュール基板４１は、伝熱性と電気的な絶縁性とを備える薄板である。モジュール基板４１の材料は、例えば窒化物又は酸化物である。モジュール基板４１の全部又は一部は、樹脂モールドされておらず、半導体モジュール１３の外壁の一部を形成する。また、モジュール基板４１は半導体素子４３と接触している。このような構成によって、半導体素子４３が発生させる熱は、モジュール基板４１を介して外部に伝達される。
【００１４】
端子４９は、放熱板１６の反対側の半導体モジュール１３に設けられる。そのため、端子４９は、モジュール基板４１を挟んで放熱板１６とは反対側にのみ配置され、電力用半導体装置１１において、端子４９に接続する配線側と放熱側とが明確に分離される。その結果、装置全体の構造を簡略化することができ、装置の小型化が可能になる。
【００１５】
端子４９は、半導体素子４３から電気的に接続される配線の端部である引出端子５１と、外部配線を接続するための接続用端子５３とを有する。引出端子５１と接続用端子５３とは、１００Ａ程度の大電力を制御するために、機械的な強度と、高温でもクリープを起こしにくい安定性と、小さい抵抗とが実現できるように接続されている。引出端子５１と接続用端子５３とは、例えば、ＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接により接続される。ＴＩＧ溶接は、非消耗電極方式のアーク溶接法の１つである。
【００１６】
伝熱板１５は、銅、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属又はそれらを主成分とする合金を用いて作られた、伝熱性を有する四角形の金属板である。伝熱板１５は、モジュール基板４１が取り付けられるモジュール取付部と、放熱板１６に固定される固定部とを含む。
【００１７】
伝熱板１５のモジュール取付部には、電力モジュール１３のモジュール基板４１が固定される。この固定には、はんだ等のロウ材、接着剤等が用いられる。熱伝導率を向上させるために銀等を含むものが用いてもよい。このように、電力モジュール１３はロウ材、接着剤等を用いて伝熱板１５に固着されるため、従来のように半導体モジュールを挟持する場合に比べると、電力モジュール１３に外圧等の負荷はほとんど掛からない。そのため、半導体モジュールの機械的強度は弱くても構わず、半導体モジュール１３小型化や軽量化が可能になる。
【００１８】
伝熱板１５の固定部は、伝熱板１５の一端面である底面及びその近傍の一定幅の帯状部分であり、後述する放熱板１６の溝部２０に挟持される部分である。
【００１９】
放熱板１６は、半導体素子４３から伝熱板１５を介して伝わる熱を、水や空気等の冷媒中に放散する金属板である。放熱板１６の材料は、銅、アルミニウム等の金属及びそれらを用いた合金等の伝熱性を有するものであり、熱伝導率が高いものが好ましい。
【００２０】
放熱板１６は、四角形の平板部１７と、フィン２５とを有する。平板部１７は、互いに対向する表裏の関係にある取付面１８と放熱面２３とを有する。取付面１８は、複数の伝熱板１５が取り付けられる面であり、放熱面２３は、熱を放散する面である。
【００２１】
放熱板１６の取付面１８は、平行な複数の溝を形成する複数の溝部２０を有する。各溝部２０は、各伝熱板１５の固定部を挟持し、これによって、各伝熱板１５が放熱板１６に伝熱可能に立設される。隣接する溝部２０の間隔は、半導体モジュール１３の厚さに応じて、適宜決定される。これにより、複数の伝熱板１５を取付面１８に並べて立設することが可能になる。そのため、放熱板１６に半導体モジュール１３を高密度で取り付けることができ、電力用半導体装置１１の小型化が可能になる。
【００２２】
さらに、放熱板１６の取付面１８は、図２及び図３に示すように、各溝部２０の長さ方向に沿って、複数の窪み部２２と、複数の塑性変形部２４とを有する。
【００２３】
窪み部２２はそれぞれ、パンチを上方から没入させることによって形成された窪みを有し、溝部２０の開口が有する長辺の一方から一定の距離だけ離れた位置に、一定の間隔で形成される。本実施の形態において、窪み部２２を上方から見た場合、その形状は、長方形である。各窪み部２２が有する窪みの深さ、間隔、位置等は、良好な熱伝達と堅固な固定が可能になるように決定され、これらは、必ずしも一定でなくてもよい。例えば、窪み毎にその深さや溝に対する窪みの位置が異なってもよい。また、窪みの間隔が、一定でなくてもよい。
【００２４】
塑性変形部２４は、パンチを上方から没入させることによって、窪み部２２から溝部２０の溝の中へ突き出すように塑性変形した部分である。塑性変形部２４の一部は、伝熱板１５の固定部に食い込んでいる。従って、塑性変形部２４と接触する伝熱板１５の固定部も塑性変形している。
【００２５】
伝熱板１５と放熱板１６との接触部分は、伝熱板１５から放熱板１６への主たる熱伝導路である。上述のように伝熱板１５と放熱板１６との接触部分は、両者の塑性変形を伴って形成される。一般に、塑性変形を伴う接触の場合、塑性変形を伴わない接触の場合と比較して、接触部分の伝熱抵抗は著しく小さくなる。この現象の原因は、塑性変形を伴う接触の場合、接触面の微小な凹凸によるすき間が減少すること、密着した接触面の間では電子が自由に移動できるようになること等であると考えられる。このような現象によって、伝熱板１５と放熱板１６との間の伝熱抵抗が著しく小さくなり、その結果、伝熱効率を飛躍的に向上させることが可能になる。
【００２６】
また、溝部２０の壁部は、その開口側に塑性変形部２４を有する一方、その底部側に塑性変形しない部分を有する。そのため、塑性変形部２４は伝熱板１５の上方向及び左右方向の移動を係止することができ、伝熱板１５を堅固に固定するアンカー効果が得られる。車載用途等の振動環境下の使用においても安定した特性を維持することが可能になる。
【００２７】
また、上述のような堅固な固定と優れた伝熱効率とは、放熱板１６にパンチを没入させて、窪み部２２を形成するという簡単な工程で実現できる。そのため、固定に要する時間を短くすることができ、電力用半導体装置の生産効率を向上させることが可能になる。
【００２８】
放熱板１６の放熱面２３は、冷媒としての水が内部を流れる冷却部２７の上部を画するものであり、冷却部２７の中へ突き出た複数のフィン２５を有する。冷却部２７の中を流れる水は、流入管３１から流入して、隔壁３２で画された内部流路２９及び配管３５により形成される一連の流路を通過して、排水管３３から排水される。内部流路２９には上記フィン２５の表面が冷媒に曝されるように配置されているため、冷媒との熱交換が促進され、効率的な放熱が可能になる。
【００２９】
このように、半導体素子とモジュール基板４１、モジュール基板４１と伝熱板１５、伝熱板１５と放熱板１６が、それぞれ伝熱可能に接続されている。そのため、半導体素子の熱は放熱板１６の放熱面から放熱される。従って、半導体素子の温度上昇を抑えることができ、半導体素子ないし電力用半導体装置の本来の機能を持続して発揮させることができる。
【００３０】
この構造は半導体モジュール１３を接近して配列し、全体を小型化出来るメリットがある。例えばＳｉＣベースの化合物半導体素子の機能を維持するために十分な熱を伝熱板１５から放熱板１６に伝えることができる。ＳｉＣベースの化合物半導体デバイスでは、オン抵抗がＳｉ半導体デバイスより１／２〜１／５程度と低い。電力損失もオン抵抗に比例して１／２〜１／５程度になる。具体的には、ＳｉのＩＧＢＴのオン抵抗が２０ｍΩ・ｃｍ２程度であるのに対し、ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴでは、３〜１０ｍΩ・ｃｍ２程度のオン抵抗である。又、ＳｉＣベースの半導体素子は、動作温度の上限が３００℃程度ときわめて高く、Ｓｉに比べて温度上昇に対する制約が緩やかである。従って、塑性変形を利用して伝熱板１５を放熱板１６に固定する上述の方法は、ＳｉＣデバイスを用いた半導体装置に適用できる。
【００３１】
上記特性から、ＳｉＣベースの化合物半導体素子を実装する場合は、半導体チップ間の熱干渉による制約も小さいため、チップ間の距離を小さくとって、モジュール寸法を極小化することが可能であり、本方式のメリットをさらに享受することが出来る。
【００３２】
また、溝部２０の底部近傍の塑性変形をしない部分と伝熱板１５との間に生じるすき間に、はんだ等のロウ材、接着剤等を充填してもよい。これにより、固定がより強固になるだけでなく、充填材を介して熱が伝わるため、伝熱板１５から放熱板１６へ伝わる熱量をさらに増加させることができる。接着剤を用いる場合には、より熱伝導率を向上させるために、銀粒子を多く含有するものを利用することが好ましい。例えば、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋより高い接着剤を用いて、６０ｍｍ２程度の面積で接続した場合、接続部分での熱抵抗は、０．３℃／Ｗ以下になる。例えば、半導体素子がＳｉベースのＩＧＢＴとダイオードで構成されている場合、ピーク電流７５Ａ、キャリア周波数３ｋＨｚで１５０Ｗの損失があるとすると、接続部分の熱抵抗が０．３℃／Ｗであるならば、温度上昇は４５℃となる。Ｓｉベースの半導体素子の一般的な動作温度上限は１５０℃程度であるため、適切な冷却部を前提とすれば、接続部以外の部材の熱抵抗を考慮しても、動作温度の範囲を超えない設計を行うことは容易である。従って、本発明によれば、大電流容量のＳｉベースの半導体素子を動作させることができる小型の電力用半導体装置を提供することが可能になる。
【００３３】
これまで、電力用半導体装置１１の構成について説明した。ここから、電力用半導体装置１１の製造方法、特に伝熱板１５を放熱板１６に固定する方法について、図を参照して説明する。
【００３４】
図４は、パンチ６３が放熱板１６を押圧する前の状態を側方から示す断面図であり、図５は、パンチ６３が放熱板１６を押圧した状態を側方から示す断面図である。パンチ６３は、放熱板１６よりも硬い材料を用いたものを使用する。また、本実施の形態に係るパンチ６３の先端の横断面の形状は、窪み部２２を上方から見た形状に対応した、長方形である。
【００３５】
図４に示すように、伝熱板１５が、取付面１８に対してほぼ垂直に起立した状態で、載置台６１の上に載置された放熱板１６の溝部２０の中に挿入される。この状態で、上方から伝熱板１５と平行な方向（図４の矢印６４の方向）にパンチ６３を下方へ移動させる。下方へ移動したパンチ６３の先端は、放熱板１６の取付面１８に当接する（図示せず）。
【００３６】
さらにパンチ６３を下方へ移動させると、パンチ６３が放熱板１６よりも硬い材料からなるため、パンチ６３の先端は、放熱板１６の取付面１８の下方に没入する。パンチ６３が放熱板１６に没入すると、放熱板１６のパンチ６３の周辺部分が押圧され、パンチ６３が押圧する部分と溝部２０の上部開口との間が、溝部２０の中へ突き出すように塑性変形する。
【００３７】
さらに、パンチ６３が深く没入するに従って、塑性変形した部分は、開口近傍から次第に溝部２０の底部側へと広がりながら、伝熱板５の方へ伸びる。やがて、塑性変形した部分は、伝熱板１５に当接して、伝熱板１５の固定部の側面に食い込む。
【００３８】
パンチ６３は、図５に示すような塑性変形部２４が形成されるまで没入する。同図の塑性変形部２４は、伝熱板の固定部の側面に食い込んでおり、かつ、溝部２０の底部近傍に塑性変形しない部分が残る大きさである。パンチ６３の形状及びそれを没入させる条件、例えばパンチ６３の先端の大きさや、１つの溝部２０当たりに押圧するパンチの数、パンチを押圧する溝部２０に対する位置、パンチを没入させる深さ等は、溝部２０の幅、溝部２０の深さ、伝熱板１５の厚み等を考慮して、望ましいアンカー効果と熱伝達が達成できるように決定される。
【００３９】
ここで、パンチ６３の押し込み圧力と、パンチ６３を放熱板１６に没入させる深さ（以下、「没入深さ」という。）と、実質的に熱伝導路となる接触部分の面積（以下、「実効接触面積」という。）との関係について、説明する。
【００４０】
没入深さは、パンチの押し込み圧力との関係で決まる。具体的には、パンチの押し込み圧力が一定以上であって、放熱板１６の変位が閾値を超える場合、没入深さは、指数関数的に増加する。また、没入深さは、実効接触面積に影響する。具体的には、没入深さが第１閾値を超えると、伝熱板１５と放熱板１６とが接触する。そして、没入深さが深くなるにつれて実効接触面積は次第に大きくなるが、没入深さが（第１閾値より大きい）第２閾値にまでなると、実効接触面積の増加は、急激に逓減する。ここで、第１閾値は、塑性変形部２４が溝部２０と伝熱板１５とのすき間と同じだけ突き出す没入深さである。
【００４１】
このような、パンチ６３の押し込み圧力と実効接触面積との関係の概要を図６に示す。同図の実効接触面積は、伝熱板１５から放熱板１６へ伝わる熱量を測定することによって算出されたものである。図６では、第１閾値に対応する押し込み圧力が５００ＭＰａである例を示す。
【００４２】
例えば、放熱板１６の材料がＪＩＳ番号Ａ５０５２等のアルミ合金であり、パンチの断面積が１〜５ｍｍ２、溝部２０と伝熱板１５とのすき間が０．０５ｍｍ〜０．２０ｍｍの条件である場合、押し込み圧力３００〜５００ＭＰａ以上で固定が可能であり、望ましい押し込み圧力は、７００ＭＰａ以上である。押し込み圧力の上限は、工具鋼材料の特性から、約１０００〜１５００ＭＰａである。工具鋼材料の特性に基づく制約のため、伝熱板１５は、望ましくは、少なくとも固定部の塑性変形する部分において、銅、アルミ等、引張強さが３５０ＭＰａ以下の軟質材料を用いて作られる。
【００４３】
銅を外面部分に用いたクラッド材の場合、上記の適切な条件にて１００μｍ程度の食い込み深さが見込まれる。そのため、固定部の塑性変形する部分の銅の厚みは、少なくとも１００μｍ以上であり、望ましくは１５０μｍ以上である。溝部２０の深さは、深い程、大きい塑性変形部２４が形成されるため、より大きなアンカー効果を得ることができる。そのため、上記の溝部２０と伝熱板１５とのすき間が０．０５ｍｍ〜０．２０ｍｍの条件において、好ましい溝部２０の深さは、１．５〜３．０ｍｍである。アンカー効果を十分に発揮するために、溝部２０の幅と深さのアスペクト比が、幅１．０に対して深さ１．３以上であることが望ましい。
【００４４】
最後に、パンチ６３を上方に引き上げることによって、伝熱板１５の放熱板１６への固定は完了する。この固定方法を実行することによって、伝熱板１５の取付面１８に、パンチ６３が没入した痕である窪み部２２が形成されるとともに、塑性変形部２４が形成され、その結果、堅固にかつ良好に熱伝達できるように、伝熱板１５が放熱板１６に固定される。
【００４５】
ここで、電力用半導体装置１１は、複数の塑性変形部２４を備えるが、複数の塑性変形部２４は、１つ又は複数のパンチ６３を用いて上述の固定方法を複数回繰り返すことによって形成されてもよい。また、形成すべき塑性変形部２４と同じ数のパンチ６３を用いて上述の固定動作を１回実行することによって、複数の塑性変形部２４のすべてが形成されてもよい。
【００４６】
このように、伝熱板１５を溝部２０に挿入した後に、放熱板１６の取付面１８の所定位置にパンチ６３を没入させるという、極めて簡単な工程で伝熱板１５を放熱板１６に固定することができる。そのため、固定に要する時間を短くすることができ、電力用半導体装置の生産効率を向上させることが可能になる。
【００４７】
また、上述の固定方法では、伝熱板１５と放熱板１６とを固定するために、他の部品を使用しない。そのため、他の部品を配置するための製造工程を減少させることができる。そのため、少ない簡単な工程で製造でき、その結果、生産効率を向上させることが可能になる。
【００４８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は実施の形態に限定されるものではなく、以下の変形例も本発明に含まれる。
【００４９】
例えば、伝熱板１５は、１種類の金属からなるだけでなく、モジュール基板４１との熱膨張係数の差異を考慮して、異種組成の金属を積層したクラッド材と呼ばれる複合金属板であってもよい。具体例として、銅／インバー合金／銅からなる３層の金属板や、銅と他の金属を組み合わせた２層の金属板を挙げることができる。さらに、同じ理由から伝熱板１５は、Ａｌ−ＳｉＣ等のアルミニウムとセラミックスからなる複合材料（いわゆる、Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）であってもよい。上述の材料又はその他の材料を適宜選択して用いることによって、伝熱板１５の熱膨張率を調整することができ、半導体モジュール１３のモジュール基板４１及び後述する放熱板１６と、伝熱板１５との接触状態を適切に維持して、伝熱効率を向上させることが可能になる。
【００５０】
また例えば、実施の形態に係る冷却部２７での放熱方法は、水冷式であるとしたが、この放熱方法は、種々の放熱方法を実現する一例にすぎない。冷却部の放熱方法は、空冷、自然放熱等の他の方法であってもよい。また、放熱板１６の放熱面２３は、フィンを有するとしたが、フィンを有していなくてもよい。放熱板１６の放熱面がフィンを有するか否かは、いかなる放熱方法とも任意に組み合わせてよい。
【００５１】
また例えば、フィン２５を水冷する場合、フィン２５を空冷する場合とは異なり、フィン２５からの放熱量が大きいため、伝熱板１５と放熱板１６との間の伝熱抵抗を無視できない。そのため、伝熱板１５と放熱板１６との接触部分に熱伝導性に優れた物質を介在させることよって、伝熱板１５と放熱板１６との接続部分の伝熱抵抗をさらに低減させてもよい。具体的には、伝熱板１５の溝部２０に、予め、熱伝導性グリース、熱伝導性ゲル、銀粒子分散ペースト、銀粒子分散液等を塗布した状態で、又は、薄いグラファイトシートを予め取り付けた状態で、取付面１８を押圧することによって、実現できる。
【００５２】
例えば、伝熱板１５及び放熱板１６の材料は、実施の形態に挙げたような金属であるが、これらは、良好な熱伝達と十分なアンカー効果とを実現するために、好ましい組み合わせが適宜選択されてもよい。上方から押圧された放熱板１６は、押圧された部分を中心に全方向に変形するが、伝熱板１５の取付面１８の形状のため、主に溝部２０の方へ変形する。そのため、放熱板１６の材料は、伝熱板１５の固定部の材料より軟らかくてもよい。
【００５３】
また例えば、本実施の形態において、パンチの先端の横断面の形状は、長方形であるとしたが、その形状は、円形その他の形状であってもよく、伝熱板１５と放熱板１６とを堅固に固定させ、かつ、良好な熱伝達を保持できる塑性変形部２４を形成できる形状が、適宜選択されてよい。この場合、窪み部２２を上方から見た形状は、パンチの先端の横断面の形状に対応して円形等になるのはもちろんである。
【００５４】
また例えば、パンチの先端は、側方から見た場合に、伝熱板１５から離れるに従って下方へ伸びるように傾斜していてもよい。パンチ６３の先端が、このような傾斜を有することによって、塑性変形部２４が伝熱板１５の方へより大きく突き出すことになり、その結果、伝熱板１５をより堅固に固定し且つ／又は効率よく熱伝達するように接触する塑性変形部２４を形成することが可能になる。この場合、窪み部２２の側方断面において、窪み部２２の底部は、パンチの先端の形状に対応して、伝熱板１５から離れるに従って深くなるように傾斜する。
【００５５】
また例えば、溝部２０の幅と伝熱板１５の厚さの差をできるだけ小さくして、溝部２０の両側の近傍の取付面１８を上方からパンチを没入させることによって、伝熱板１５を放熱板１６に固定してもよい。
【００５６】
また例えば、実施の形態において、パンチ６３は、溝部２０の一方の長辺の近傍のみを押圧することとしたが、溝部２０の対向する長辺の両方の近傍を押圧してもよい。ここで、近傍とは、良好な熱伝達と堅固な固定が可能になるように決定される、溝部２０に対する場所である。このように、溝部２０の長辺の両方の近傍を押圧することによって、対向して突き出す塑性変形部が形成される。そのため、伝熱板１５と放熱板１６とが塑性変形を伴って接触する部分の面積を大きくすることができ、伝熱効率を向上させることが可能になる。また、この場合、アンカー効果もより大きくなる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、電力用の半導体素子又は電力用の半導体モジュールを備える電力用半導体装置等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力用半導体装置の一部を切り欠いて示す斜視図。
【図２】本発明の実施の形態に係る電力用半導体装置の側方断面図。
【図３】本発明の実施の形態に係る電力用半導体装置の平面図。
【図４】パンチが放熱板を押圧する前の状態を側方から示す断面図。
【図５】パンチが放熱板を押圧した状態を側方から示す断面図。
【図６】本発明の実施の形態に係る伝熱板の固定部の実効接触面積の特性を説明する図。
【符号の説明】
【００５９】
１１ 電力用半導体装置、１３ 半導体モジュール、１５ 伝熱板、１６ 放熱板、１７ 平板部、１８ 取付面、２０ 溝部、２２ 窪み部、２３ 放熱面、２４ 塑性変形部、２５ フィン、２７ 冷却部、２９ 流路、３１ 流入管、３２ 隔壁、３３ 排水管、３５ 配管、４１ モジュール基板、４３ 半導体素子、４５ 配線、４７ 樹脂、４９ 端子、５１ 引出端子、５３ 接続用端子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体装置に関し、特に、電力用の半導体素子又は電力用の半導体モジュールを冷却できる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置は、鉄道車両、ハイブリッドカー、電気自動車等の車両、家電機器、産業用機械等において、比較的大きな電力を制御、整流するために利用されている。電力用半導体装置を使用する場合、通電、スイッチング等に伴って半導体素子に電力損失が生じる。電力損失は、半導体素子の発熱を引き起こす。半導体素子は、動作温度を超えると、破壊されて機能しなくなる。そのため、半導体素子を冷却する技術は、電力用半導体装置を利用するために重要な技術要素である。特に、電力用半導体装置が制御等する電力が大きくなる程、半導体素子の発熱は大きくなり、半導体素子を冷却する技術はより重要になる。
【０００３】
従来、電力用の半導体素子を含む半導体モジュールを冷却するための冷却部を備える電力用半導体装置が提案されている。特許文献１には、モールド樹脂でカバーされたモールド面と、これに対向する放熱面とを有する少なくとも一対のパワーモジュールと、パワーモジュールのそれぞれのモールド面が互いに当接し、放熱面が当接するようにパワーモジュールを挟持する一対の冷却フィンとを備える電力用半導体装置が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、Ｕ字状フィンまたはコルゲート状フィンの折り曲げ部をベースプレートのフィン取り付け面に設けられた溝部に配し、折り曲げ部の内側に金属部材を配して、その金属部材を塑性変形させることによって、折り曲げ部を溝部にかしめて固定するヒートシンクが記載されている。
【特許文献１】特開２００６−１９０９７２号公報
【特許文献２】特開２００２−１７２４４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電力用半導体装置を利用する場合、それを取り付けるためのスペースは限られている。例えば自動車等の車両の場合、比較的狭く限定されたスペースに、電力用半導体装置を含む種々の装置を搭載する必要がある。そのため、電力用半導体装置を取り付けるためのスペースも狭くなる。例えば、エンジンのみを動力とする自動車の構造設計を基本としてモーター駆動装置を追加したハイブリッド型自動車の場合、電力用半導体装置を容易に車両に搭載するためには、補機バッテリーを搭載する場所をエンジンルームから移し、空いた領域に電力用半導体装置を収納する方法がある。従って、電力用半導体装置は補機バッテリーの容積に収まる大きさであることが望ましい。そのため、より小型で冷却性能に優れた電力用半導体装置の提供が課題になっている。
【０００６】
そこで、本発明は、上記の課題を解決するため、小型で冷却性能に優れた電力用半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明の電力用半導体装置は、電力用の半導体素子又は電力用の半導体モジュールを冷却できる電力用半導体装置であって、使用時に発熱する電力用の半導体素子と、上記半導体素子と接触する伝熱性のモジュール基板とを有する電力用の半導体モジュールと、上記モジュール基板に熱伝導可能に固定された伝熱性の伝熱板と、上記伝熱板を挟持する溝部を有し、伝熱板から伝わる熱を放散する放熱板とを備え、上記溝部は、側壁の少なくとも一方が上記伝熱板とともに塑性変形をして接触する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、放熱板と伝熱板とは、互いに塑性変形した部分で接触する。一般に、塑性変形を伴う接触の場合、塑性変形を伴わない接触の場合に比べて、その接触部分での伝熱効率が飛躍的に向上する。従って、伝熱板から放熱板への伝熱効率が向上し、その結果、小型で冷却性能に優れた電力用半導体装置を実現することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。全図を通して同一の部位には同一の符号を付す。
【００１０】
（実施の形態）
図１から図３は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す。図１は、実施の形態１の電力用半導体装置の一部を切り欠いて示す斜視図であり、図２は、同装置の側方断面図であり、図３は、同装置の平面図である。
【００１１】
電力用半導体装置１１は、比較的大きな電力を制御、整流するための装置であり、半導体モジュール１３と、伝熱板１５と、放熱板１６と、冷却部２７とを備える。
【００１２】
半導体モジュール１３は、それぞれ、電力用の半導体素子４３と、半導体素子４３及び内部配線４５を支持するモジュール基板４１と、外部配線に接続するための端子４９とを有する。半導体素子４３と内部配線４５とモジュール基板４１とは、樹脂４７によってモールドされている。樹脂４７の材料は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、シリコンゲル、シリコンゴム等から適宜選択される。ゲルやゴムを流し込んで熱硬化させる場合は、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を成型した、モジュール形状を規定するための枠を用いる。樹脂モールドによって、半導体モジュール１３の内部は、外気、水分、油分、塵埃等の外部環境から保護される他、電気的に絶縁されて電気的に保護されるとともに、機械的な負荷及び衝撃から保護される。
【００１３】
モジュール基板４１は、伝熱性と電気的な絶縁性とを備える薄板である。モジュール基板４１の材料は、例えば窒化物又は酸化物である。モジュール基板４１の全部又は一部は、樹脂モールドされておらず、半導体モジュール１３の外壁の一部を形成する。また、モジュール基板４１は半導体素子４３と接触している。このような構成によって、半導体素子４３が発生させる熱は、モジュール基板４１を介して外部に伝達される。
【００１４】
端子４９は、放熱板１６の反対側の半導体モジュール１３に設けられる。そのため、端子４９は、モジュール基板４１を挟んで放熱板１６とは反対側にのみ配置され、電力用半導体装置１１において、端子４９に接続する配線側と放熱側とが明確に分離される。その結果、装置全体の構造を簡略化することができ、装置の小型化が可能になる。
【００１５】
端子４９は、半導体素子４３から電気的に接続される配線の端部である引出端子５１と、外部配線を接続するための接続用端子５３とを有する。引出端子５１と接続用端子５３とは、１００Ａ程度の大電力を制御するために、機械的な強度と、高温でもクリープを起こしにくい安定性と、小さい抵抗とが実現できるように接続されている。引出端子５１と接続用端子５３とは、例えば、ＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接により接続される。ＴＩＧ溶接は、非消耗電極方式のアーク溶接法の１つである。
【００１６】
伝熱板１５は、銅、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属又はそれらを主成分とする合金を用いて作られた、伝熱性を有する四角形の金属板である。伝熱板１５は、モジュール基板４１が取り付けられるモジュール取付部と、放熱板１６に固定される固定部とを含む。
【００１７】
伝熱板１５のモジュール取付部には、電力モジュール１３のモジュール基板４１が固定される。この固定には、はんだ等のロウ材、接着剤等が用いられる。熱伝導率を向上させるために銀等を含むものが用いてもよい。このように、電力モジュール１３はロウ材、接着剤等を用いて伝熱板１５に固着されるため、従来のように半導体モジュールを挟持する場合に比べると、電力モジュール１３に外圧等の負荷はほとんど掛からない。そのため、半導体モジュールの機械的強度は弱くても構わず、半導体モジュール１３小型化や軽量化が可能になる。
【００１８】
伝熱板１５の固定部は、伝熱板１５の一端面である底面及びその近傍の一定幅の帯状部分であり、後述する放熱板１６の溝部２０に挟持される部分である。
【００１９】
放熱板１６は、半導体素子４３から伝熱板１５を介して伝わる熱を、水や空気等の冷媒中に放散する金属板である。放熱板１６の材料は、銅、アルミニウム等の金属及びそれらを用いた合金等の伝熱性を有するものであり、熱伝導率が高いものが好ましい。
【００２０】
放熱板１６は、四角形の平板部１７と、フィン２５とを有する。平板部１７は、互いに対向する表裏の関係にある取付面１８と放熱面２３とを有する。取付面１８は、複数の伝熱板１５が取り付けられる面であり、放熱面２３は、熱を放散する面である。
【００２１】
放熱板１６の取付面１８は、平行な複数の溝を形成する複数の溝部２０を有する。各溝部２０は、各伝熱板１５の固定部を挟持し、これによって、各伝熱板１５が放熱板１６に伝熱可能に立設される。隣接する溝部２０の間隔は、半導体モジュール１３の厚さに応じて、適宜決定される。これにより、複数の伝熱板１５を取付面１８に並べて立設することが可能になる。そのため、放熱板１６に半導体モジュール１３を高密度で取り付けることができ、電力用半導体装置１１の小型化が可能になる。
【００２２】
さらに、放熱板１６の取付面１８は、図２及び図３に示すように、各溝部２０の長さ方向に沿って、複数の窪み部２２と、複数の塑性変形部２４とを有する。
【００２３】
窪み部２２はそれぞれ、パンチを上方から没入させることによって形成された窪みを有し、溝部２０の開口が有する長辺の一方から一定の距離だけ離れた位置に、一定の間隔で形成される。本実施の形態において、窪み部２２を上方から見た場合、その形状は、長方形である。各窪み部２２が有する窪みの深さ、間隔、位置等は、良好な熱伝達と堅固な固定が可能になるように決定され、これらは、必ずしも一定でなくてもよい。例えば、窪み毎にその深さや溝に対する窪みの位置が異なってもよい。また、窪みの間隔が、一定でなくてもよい。
【００２４】
塑性変形部２４は、パンチを上方から没入させることによって、窪み部２２から溝部２０の溝の中へ突き出すように塑性変形した部分である。塑性変形部２４の一部は、伝熱板１５の固定部に食い込んでいる。従って、塑性変形部２４と接触する伝熱板１５の固定部も塑性変形している。
【００２５】
伝熱板１５と放熱板１６との接触部分は、伝熱板１５から放熱板１６への主たる熱伝導路である。上述のように伝熱板１５と放熱板１６との接触部分は、両者の塑性変形を伴って形成される。一般に、塑性変形を伴う接触の場合、塑性変形を伴わない接触の場合と比較して、接触部分の伝熱抵抗は著しく小さくなる。この現象の原因は、塑性変形を伴う接触の場合、接触面の微小な凹凸によるすき間が減少すること、密着した接触面の間では電子が自由に移動できるようになること等であると考えられる。このような現象によって、伝熱板１５と放熱板１６との間の伝熱抵抗が著しく小さくなり、その結果、伝熱効率を飛躍的に向上させることが可能になる。
【００２６】
また、溝部２０の壁部は、その開口側に塑性変形部２４を有する一方、その底部側に塑性変形しない部分を有する。そのため、塑性変形部２４は伝熱板１５の上方向及び左右方向の移動を係止することができ、伝熱板１５を堅固に固定するアンカー効果が得られる。車載用途等の振動環境下の使用においても安定した特性を維持することが可能になる。
【００２７】
また、上述のような堅固な固定と優れた伝熱効率とは、放熱板１６にパンチを没入させて、窪み部２２を形成するという簡単な工程で実現できる。そのため、固定に要する時間を短くすることができ、電力用半導体装置の生産効率を向上させることが可能になる。
【００２８】
放熱板１６の放熱面２３は、冷媒としての水が内部を流れる冷却部２７の上部を画するものであり、冷却部２７の中へ突き出た複数のフィン２５を有する。冷却部２７の中を流れる水は、流入管３１から流入して、隔壁３２で画された内部流路２９及び配管３５により形成される一連の流路を通過して、排水管３３から排水される。内部流路２９には上記フィン２５の表面が冷媒に曝されるように配置されているため、冷媒との熱交換が促進され、効率的な放熱が可能になる。
【００２９】
このように、半導体素子とモジュール基板４１、モジュール基板４１と伝熱板１５、伝熱板１５と放熱板１６が、それぞれ伝熱可能に接続されている。そのため、半導体素子の熱は放熱板１６の放熱面から放熱される。従って、半導体素子の温度上昇を抑えることができ、半導体素子ないし電力用半導体装置の本来の機能を持続して発揮させることができる。
【００３０】
この構造は半導体モジュール１３を接近して配列し、全体を小型化出来るメリットがある。例えばＳｉＣベースの化合物半導体素子の機能を維持するために十分な熱を伝熱板１５から放熱板１６に伝えることができる。ＳｉＣベースの化合物半導体デバイスでは、オン抵抗がＳｉ半導体デバイスより１／２〜１／５程度と低い。電力損失もオン抵抗に比例して１／２〜１／５程度になる。具体的には、ＳｉのＩＧＢＴのオン抵抗が２０ｍΩ・ｃｍ２程度であるのに対し、ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴでは、３〜１０ｍΩ・ｃｍ２程度のオン抵抗である。又、ＳｉＣベースの半導体素子は、動作温度の上限が３００℃程度ときわめて高く、Ｓｉに比べて温度上昇に対する制約が緩やかである。従って、塑性変形を利用して伝熱板１５を放熱板１６に固定する上述の方法は、ＳｉＣデバイスを用いた半導体装置に適用できる。
【００３１】
上記特性から、ＳｉＣベースの化合物半導体素子を実装する場合は、半導体チップ間の熱干渉による制約も小さいため、チップ間の距離を小さくとって、モジュール寸法を極小化することが可能であり、本方式のメリットをさらに享受することが出来る。
【００３２】
また、溝部２０の底部近傍の塑性変形をしない部分と伝熱板１５との間に生じるすき間に、はんだ等のロウ材、接着剤等を充填してもよい。これにより、固定がより強固になるだけでなく、充填材を介して熱が伝わるため、伝熱板１５から放熱板１６へ伝わる熱量をさらに増加させることができる。接着剤を用いる場合には、より熱伝導率を向上させるために、銀粒子を多く含有するものを利用することが好ましい。例えば、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋより高い接着剤を用いて、６０ｍｍ２程度の面積で接続した場合、接続部分での熱抵抗は、０．３℃／Ｗ以下になる。例えば、半導体素子がＳｉベースのＩＧＢＴとダイオードで構成されている場合、ピーク電流７５Ａ、キャリア周波数３ｋＨｚで１５０Ｗの損失があるとすると、接続部分の熱抵抗が０．３℃／Ｗであるならば、温度上昇は４５℃となる。Ｓｉベースの半導体素子の一般的な動作温度上限は１５０℃程度であるため、適切な冷却部を前提とすれば、接続部以外の部材の熱抵抗を考慮しても、動作温度の範囲を超えない設計を行うことは容易である。従って、本発明によれば、大電流容量のＳｉベースの半導体素子を動作させることができる小型の電力用半導体装置を提供することが可能になる。
【００３３】
これまで、電力用半導体装置１１の構成について説明した。ここから、電力用半導体装置１１の製造方法、特に伝熱板１５を放熱板１６に固定する方法について、図を参照して説明する。
【００３４】
図４は、パンチ６３が放熱板１６を押圧する前の状態を側方から示す断面図であり、図５は、パンチ６３が放熱板１６を押圧した状態を側方から示す断面図である。パンチ６３は、放熱板１６よりも硬い材料を用いたものを使用する。また、本実施の形態に係るパンチ６３の先端の横断面の形状は、窪み部２２を上方から見た形状に対応した、長方形である。
【００３５】
図４に示すように、伝熱板１５が、取付面１８に対してほぼ垂直に起立した状態で、載置台６１の上に載置された放熱板１６の溝部２０の中に挿入される。この状態で、上方から伝熱板１５と平行な方向（図４の矢印６４の方向）にパンチ６３を下方へ移動させる。下方へ移動したパンチ６３の先端は、放熱板１６の取付面１８に当接する（図示せず）。
【００３６】
さらにパンチ６３を下方へ移動させると、パンチ６３が放熱板１６よりも硬い材料からなるため、パンチ６３の先端は、放熱板１６の取付面１８の下方に没入する。パンチ６３が放熱板１６に没入すると、放熱板１６のパンチ６３の周辺部分が押圧され、パンチ６３が押圧する部分と溝部２０の上部開口との間が、溝部２０の中へ突き出すように塑性変形する。
【００３７】
さらに、パンチ６３が深く没入するに従って、塑性変形した部分は、開口近傍から次第に溝部２０の底部側へと広がりながら、伝熱板５の方へ伸びる。やがて、塑性変形した部分は、伝熱板１５に当接して、伝熱板１５の固定部の側面に食い込む。
【００３８】
パンチ６３は、図５に示すような塑性変形部２４が形成されるまで没入する。同図の塑性変形部２４は、伝熱板の固定部の側面に食い込んでおり、かつ、溝部２０の底部近傍に塑性変形しない部分が残る大きさである。パンチ６３の形状及びそれを没入させる条件、例えばパンチ６３の先端の大きさや、１つの溝部２０当たりに押圧するパンチの数、パンチを押圧する溝部２０に対する位置、パンチを没入させる深さ等は、溝部２０の幅、溝部２０の深さ、伝熱板１５の厚み等を考慮して、望ましいアンカー効果と熱伝達が達成できるように決定される。
【００３９】
ここで、パンチ６３の押し込み圧力と、パンチ６３を放熱板１６に没入させる深さ（以下、「没入深さ」という。）と、実質的に熱伝導路となる接触部分の面積（以下、「実効接触面積」という。）との関係について、説明する。
【００４０】
没入深さは、パンチの押し込み圧力との関係で決まる。具体的には、パンチの押し込み圧力が一定以上であって、放熱板１６の変位が閾値を超える場合、没入深さは、指数関数的に増加する。また、没入深さは、実効接触面積に影響する。具体的には、没入深さが第１閾値を超えると、伝熱板１５と放熱板１６とが接触する。そして、没入深さが深くなるにつれて実効接触面積は次第に大きくなるが、没入深さが（第１閾値より大きい）第２閾値にまでなると、実効接触面積の増加は、急激に逓減する。ここで、第１閾値は、塑性変形部２４が溝部２０と伝熱板１５とのすき間と同じだけ突き出す没入深さである。
【００４１】
このような、パンチ６３の押し込み圧力と実効接触面積との関係の概要を図６に示す。同図の実効接触面積は、伝熱板１５から放熱板１６へ伝わる熱量を測定することによって算出されたものである。図６では、第１閾値に対応する押し込み圧力が５００ＭＰａである例を示す。
【００４２】
例えば、放熱板１６の材料がＪＩＳ番号Ａ５０５２等のアルミ合金であり、パンチの断面積が１〜５ｍｍ２、溝部２０と伝熱板１５とのすき間が０．０５ｍｍ〜０．２０ｍｍの条件である場合、押し込み圧力３００〜５００ＭＰａ以上で固定が可能であり、望ましい押し込み圧力は、７００ＭＰａ以上である。押し込み圧力の上限は、工具鋼材料の特性から、約１０００〜１５００ＭＰａである。工具鋼材料の特性に基づく制約のため、伝熱板１５は、望ましくは、少なくとも固定部の塑性変形する部分において、銅、アルミ等、引張強さが３５０ＭＰａ以下の軟質材料を用いて作られる。
【００４３】
銅を外面部分に用いたクラッド材の場合、上記の適切な条件にて１００μｍ程度の食い込み深さが見込まれる。そのため、固定部の塑性変形する部分の銅の厚みは、少なくとも１００μｍ以上であり、望ましくは１５０μｍ以上である。溝部２０の深さは、深い程、大きい塑性変形部２４が形成されるため、より大きなアンカー効果を得ることができる。そのため、上記の溝部２０と伝熱板１５とのすき間が０．０５ｍｍ〜０．２０ｍｍの条件において、好ましい溝部２０の深さは、１．５〜３．０ｍｍである。アンカー効果を十分に発揮するために、溝部２０の幅と深さのアスペクト比が、幅１．０に対して深さ１．３以上であることが望ましい。
【００４４】
最後に、パンチ６３を上方に引き上げることによって、伝熱板１５の放熱板１６への固定は完了する。この固定方法を実行することによって、伝熱板１５の取付面１８に、パンチ６３が没入した痕である窪み部２２が形成されるとともに、塑性変形部２４が形成され、その結果、堅固にかつ良好に熱伝達できるように、伝熱板１５が放熱板１６に固定される。
【００４５】
ここで、電力用半導体装置１１は、複数の塑性変形部２４を備えるが、複数の塑性変形部２４は、１つ又は複数のパンチ６３を用いて上述の固定方法を複数回繰り返すことによって形成されてもよい。また、形成すべき塑性変形部２４と同じ数のパンチ６３を用いて上述の固定動作を１回実行することによって、複数の塑性変形部２４のすべてが形成されてもよい。
【００４６】
このように、伝熱板１５を溝部２０に挿入した後に、放熱板１６の取付面１８の所定位置にパンチ６３を没入させるという、極めて簡単な工程で伝熱板１５を放熱板１６に固定することができる。そのため、固定に要する時間を短くすることができ、電力用半導体装置の生産効率を向上させることが可能になる。
【００４７】
また、上述の固定方法では、伝熱板１５と放熱板１６とを固定するために、他の部品を使用しない。そのため、他の部品を配置するための製造工程を減少させることができる。そのため、少ない簡単な工程で製造でき、その結果、生産効率を向上させることが可能になる。
【００４８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は実施の形態に限定されるものではなく、以下の変形例も本発明に含まれる。
【００４９】
例えば、伝熱板１５は、１種類の金属からなるだけでなく、モジュール基板４１との熱膨張係数の差異を考慮して、異種組成の金属を積層したクラッド材と呼ばれる複合金属板であってもよい。具体例として、銅／インバー合金／銅からなる３層の金属板や、銅と他の金属を組み合わせた２層の金属板を挙げることができる。さらに、同じ理由から伝熱板１５は、Ａｌ−ＳｉＣ等のアルミニウムとセラミックスからなる複合材料（いわゆる、Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）であってもよい。上述の材料又はその他の材料を適宜選択して用いることによって、伝熱板１５の熱膨張率を調整することができ、半導体モジュール１３のモジュール基板４１及び後述する放熱板１６と、伝熱板１５との接触状態を適切に維持して、伝熱効率を向上させることが可能になる。
【００５０】
また例えば、実施の形態に係る冷却部２７での放熱方法は、水冷式であるとしたが、この放熱方法は、種々の放熱方法を実現する一例にすぎない。冷却部の放熱方法は、空冷、自然放熱等の他の方法であってもよい。また、放熱板１６の放熱面２３は、フィンを有するとしたが、フィンを有していなくてもよい。放熱板１６の放熱面がフィンを有するか否かは、いかなる放熱方法とも任意に組み合わせてよい。
【００５１】
また例えば、フィン２５を水冷する場合、フィン２５を空冷する場合とは異なり、フィン２５からの放熱量が大きいため、伝熱板１５と放熱板１６との間の伝熱抵抗を無視できない。そのため、伝熱板１５と放熱板１６との接触部分に熱伝導性に優れた物質を介在させることよって、伝熱板１５と放熱板１６との接続部分の伝熱抵抗をさらに低減させてもよい。具体的には、伝熱板１５の溝部２０に、予め、熱伝導性グリース、熱伝導性ゲル、銀粒子分散ペースト、銀粒子分散液等を塗布した状態で、又は、薄いグラファイトシートを予め取り付けた状態で、取付面１８を押圧することによって、実現できる。
【００５２】
例えば、伝熱板１５及び放熱板１６の材料は、実施の形態に挙げたような金属であるが、これらは、良好な熱伝達と十分なアンカー効果とを実現するために、好ましい組み合わせが適宜選択されてもよい。上方から押圧された放熱板１６は、押圧された部分を中心に全方向に変形するが、伝熱板１５の取付面１８の形状のため、主に溝部２０の方へ変形する。そのため、放熱板１６の材料は、伝熱板１５の固定部の材料より軟らかくてもよい。
【００５３】
また例えば、本実施の形態において、パンチの先端の横断面の形状は、長方形であるとしたが、その形状は、円形その他の形状であってもよく、伝熱板１５と放熱板１６とを堅固に固定させ、かつ、良好な熱伝達を保持できる塑性変形部２４を形成できる形状が、適宜選択されてよい。この場合、窪み部２２を上方から見た形状は、パンチの先端の横断面の形状に対応して円形等になるのはもちろんである。
【００５４】
また例えば、パンチの先端は、側方から見た場合に、伝熱板１５から離れるに従って下方へ伸びるように傾斜していてもよい。パンチ６３の先端が、このような傾斜を有することによって、塑性変形部２４が伝熱板１５の方へより大きく突き出すことになり、その結果、伝熱板１５をより堅固に固定し且つ／又は効率よく熱伝達するように接触する塑性変形部２４を形成することが可能になる。この場合、窪み部２２の側方断面において、窪み部２２の底部は、パンチの先端の形状に対応して、伝熱板１５から離れるに従って深くなるように傾斜する。
【００５５】
また例えば、溝部２０の幅と伝熱板１５の厚さの差をできるだけ小さくして、溝部２０の両側の近傍の取付面１８を上方からパンチを没入させることによって、伝熱板１５を放熱板１６に固定してもよい。
【００５６】
また例えば、実施の形態において、パンチ６３は、溝部２０の一方の長辺の近傍のみを押圧することとしたが、溝部２０の対向する長辺の両方の近傍を押圧してもよい。ここで、近傍とは、良好な熱伝達と堅固な固定が可能になるように決定される、溝部２０に対する場所である。このように、溝部２０の長辺の両方の近傍を押圧することによって、対向して突き出す塑性変形部が形成される。そのため、伝熱板１５と放熱板１６とが塑性変形を伴って接触する部分の面積を大きくすることができ、伝熱効率を向上させることが可能になる。また、この場合、アンカー効果もより大きくなる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、電力用の半導体素子又は電力用の半導体モジュールを備える電力用半導体装置等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力用半導体装置の一部を切り欠いて示す斜視図。
【図２】本発明の実施の形態に係る電力用半導体装置の側方断面図。
【図３】本発明の実施の形態に係る電力用半導体装置の平面図。
【図４】パンチが放熱板を押圧する前の状態を側方から示す断面図。
【図５】パンチが放熱板を押圧した状態を側方から示す断面図。
【図６】本発明の実施の形態に係る伝熱板の固定部の実効接触面積の特性を説明する図。
【符号の説明】
【００５９】
１１ 電力用半導体装置、１３ 半導体モジュール、１５ 伝熱板、１６ 放熱板、１７ 平板部、１８ 取付面、２０ 溝部、２２ 窪み部、２３ 放熱面、２４ 塑性変形部、２５ フィン、２７ 冷却部、２９ 流路、３１ 流入管、３２ 隔壁、３３ 排水管、３５ 配管、４１ モジュール基板、４３ 半導体素子、４５ 配線、４７ 樹脂、４９ 端子、５１ 引出端子、５３ 接続用端子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用の半導体素子又は電力用の半導体モジュールを冷却できる電力用半導体装置であって、
使用時に発熱する電力用の半導体素子と、上記半導体素子と接触する伝熱性のモジュール基板とを有する電力用の半導体モジュールと、
上記モジュール基板に熱伝導可能に固定された伝熱性の伝熱板と、
上記伝熱板を挟持する溝部を有し、伝熱板から伝わる熱を放散する放熱板とを備え、
上記溝部は、側壁の少なくとも一方が上記伝熱板とともに塑性変形をして接触することを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
上記放熱板は、上記溝の近傍を上方から押圧することによって形成された窪み部を上記溝に沿って有することを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
上記窪み部は、上記溝に沿って所定の間隔で複数設けられたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記溝部の塑性変形した側壁は、上記溝部の開口近傍に塑性変形した部分を有し、上記溝部の底部近傍において塑性変形していない部分を有することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
上記伝熱板は、少なくとも塑性変形を生じる部分の引張強さが３５０ＭＰａ以下である軟質材料からなることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
上記溝部が形成する溝の幅と伝熱板の厚みの差が０．０５ｍｍ〜０．２０ｍｍであり、上記溝の深さが１．５〜３．０ｍｍであることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
使用時に発熱する電力用の半導体素子と、上記半導体素子と接触する伝熱性のモジュール基板とを有する電力用の半導体モジュールと、
上記モジュール基板に熱伝導可能に固定された伝熱性の伝熱板と、
上記伝熱板を挟持する溝部を有し、伝熱板から伝わる熱を放散する放熱板とを備える電力用半導体装置の製造方法であって、
上記溝部が有する溝に上記伝熱板を挿入するステップと、
上記伝熱板に挿入された上記溝部の側壁の少なくとも一方を塑性変形させるステップとを含み、
上記塑性変形させるステップにおいて、上記塑性変形した側壁は、上記伝熱板に接触し、さらに上記伝熱板を押圧して塑性変形させることを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
【請求項１】
電力用の半導体素子又は電力用の半導体モジュールを冷却できる電力用半導体装置であって、
使用時に発熱する電力用の半導体素子と、上記半導体素子と接触する伝熱性のモジュール基板とを有する電力用の半導体モジュールと、
上記モジュール基板に熱伝導可能に固定された伝熱性の伝熱板と、
上記伝熱板を挟持する溝部を有し、伝熱板から伝わる熱を放散する放熱板とを備え、
上記溝部は、側壁の少なくとも一方が上記伝熱板とともに塑性変形をして接触することを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
上記放熱板は、上記溝の近傍を上方から押圧することによって形成された窪み部を上記溝に沿って有することを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
上記窪み部は、上記溝に沿って所定の間隔で複数設けられたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記溝部の塑性変形した側壁は、上記溝部の開口近傍に塑性変形した部分を有し、上記溝部の底部近傍において塑性変形していない部分を有することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
上記伝熱板は、少なくとも塑性変形を生じる部分の引張強さが３５０ＭＰａ以下である軟質材料からなることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
上記溝部が形成する溝の幅と伝熱板の厚みの差が０．０５ｍｍ〜０．２０ｍｍであり、上記溝の深さが１．５〜３．０ｍｍであることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
使用時に発熱する電力用の半導体素子と、上記半導体素子と接触する伝熱性のモジュール基板とを有する電力用の半導体モジュールと、
上記モジュール基板に熱伝導可能に固定された伝熱性の伝熱板と、
上記伝熱板を挟持する溝部を有し、伝熱板から伝わる熱を放散する放熱板とを備える電力用半導体装置の製造方法であって、
上記溝部が有する溝に上記伝熱板を挿入するステップと、
上記伝熱板に挿入された上記溝部の側壁の少なくとも一方を塑性変形させるステップとを含み、
上記塑性変形させるステップにおいて、上記塑性変形した側壁は、上記伝熱板に接触し、さらに上記伝熱板を押圧して塑性変形させることを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１２９８０６（Ｐ２０１０−１２９８０６Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０３５２６（Ｐ２００８−３０３５２６）
【出願日】平成２０年１１月２８日（２００８．１１．２８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２８日（２００８．１１．２８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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