(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基材の第１の面に第１の導体層を有し、前記セラミック基材の前記第１の面とは反対側の第２の面に第２の導体層を有するセラミック回路基板と、
前記第１の導体層に実装された半導体素子と、
第３の面と前記第３の面の反対側の第４の面とを有し、前記第２の導体層と前記第３の面が接合層を介して接合されたヒートシンクと、
前記ヒートシンクの前記第４の面に設けられたフィンと、
前記フィンを包み込んだ状態で前記ヒートシンクの周端部に固着された冷媒流路筐体と、を備え、
前記ヒートシンクの前記第３の面は、
凸平面が前記接合層との接合面積よりも小さい面積を有する凸状部と、
前記凸状部の端部に設けられ、対応する部分の前記ヒートシンクの厚さが前記凸状部に対応する部分の前記ヒートシンクの厚さよりも薄い第１の段差部と、
前記第１の段差部の端部に設けられ、対応する部分の前記ヒートシンクの厚さが前記第１の段差部に対応する部分よりもさらに薄い第２の段差部と、を有し、
前記凸状部の前記凸平面の端部よりも外側に前記第２の導体層の端部が配置されており、且つ前記第２の導体層の端部よりも外側に前記第１の段差部の面の端部が配置されており、さらに前記第１の段差部の面の端部よりも外側に前記第２の段差部の面の端部が配置されており、
前記接合層は、前記ヒートシンクの前記凸状部及び前記第１の段差部に接合されており、前記第２の段差部の面の一部を露出させた状態で前記第２の段差部と接合されており、
前記第２の導体層の端部は、前記接合層の端部より内側に配置されており、前記接合層で覆われていることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記凸状部の前記凸平面のコーナー部分及び前記第１の段差部のコーナー部分を円弧形状とすることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記第１の段差部及び前記第２の段差部は、前記凸状部の四角形の前記凸平面の４辺のうち対向する２辺の外側のみに形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記第１の段差部と前記第２の段差部との間の段壁面は、前記第１の段差部の面との成す角度が９０度以上であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記第２の段差部の端部には周縁部が設けられており、
前記周縁部に対応する部分の前記ヒートシンクの厚さが、前記凸状部に対応する部分の前記ヒートシンクの厚さと同一であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体モジュールを用いて構成したことを特徴とするインバータ装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、導体層を有するセラミック回路基板を用いて回路を構成する半導体モジュール、ならびに半導体モジュールを用いたインバータ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体モジュールでは、半導体素子が実装されたセラミック回路基板をはんだ等の接合層を介してヒートシンクに接合した後、接合時の高温から常温に戻した際に接合層の端部に熱応力に起因した歪集中が生じる。この歪集中を緩和するために、ヒートシンクには、接合層との接合面積よりも小さい面積を有する凸状部が設けられている（例えば、特許文献１参照）。この構成により、歪集中が起こる接合層の端部を厚くすることで、歪集中を緩和するようにしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２６５９７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の半導体モジュールにおいては、接合層の端部で生じる歪集中は緩和されたものの、接合時の高温から常温に戻すと、依然として線膨張係数の差から半導体モジュール全体としてヒートシンクの反りが発生する。ヒートシンクが反っていると、その後工程において冷媒流路用の筐体をヒートシンクの端部に固着する際に、ヒートシンクの反りを矯正する必要がある。冷媒流路用の筐体とヒートシンクとの固着時にヒートシンクの反りを矯正しようとすると、セラミック回路基板とヒートシンク間の接合層の端部に歪集中が生じ、信頼性保障期間が短くなるという問題があった。【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、信頼性が向上した半導体モジュールを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る半導体モジュールは、セラミック基材の第１の面に第１の導体層を有し、前記セラミック基材の前記第１の面とは反対側の第２の面に第２の導体層を有するセラミック回路基板と、前記第１の導体層に実装された半導体素子と、第３の面と前記第３の面の反対側の第４の面とを有し、前記第２の導体層と前記第３の面が接合層を介して接合されたヒートシンクと、前記ヒートシンクの前記第４の面に設けられたフィンと、前記フィンを包み込んだ状態で前記ヒートシンクの周端部に固着された冷媒流路筐体と、を備え、前記ヒートシンクの前記第３の面は、凸平面が前記接合層との接合面積よりも小さい面積を有する凸状部と、前記凸状部の端部に設けられ、対応する部分の前記ヒートシンクの厚さが前記凸状部に対応する部分の前記ヒートシンクの厚さよりも薄い第１の段差部と、前記第１の段差部の端部に設けられ、対応する部分の前記ヒートシンクの厚さが前記第１の段差部に対応する部分よりもさらに薄い第２の段差部と、を有し、前記凸状部の前記凸平面の端部よりも外側に前記第２の導体層の端部が配置されており、且つ前記第２の導体層の端部よりも外側に前記第１の段差部の面の端部が配置されており、さらに前記第１の段差部の面の端部よりも外側に前記第２の段差部の面の端部が配置されており、前記接合層は、前記ヒートシンクの前記凸状部及び前記第１の段差部に接合されており、前記第２の段差部の面の一部を露出させた状態で前記第２の段差部と接合されており、前記第２の導体層の端部は、前記接合層の端部より内側に配置されており、前記接合層で覆われていることを特徴とするものである。
また、この発明に係るインバータ装置は、この発明に係る半導体モジュールを用いて構成したものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明は、冷媒流路筐体とヒートシンクとを固着する際に、接合層の端部に加わる応力を緩和することが可能である。これにより、信頼性が向上した半導体モジュール及びインバータ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る半導体モジュールを示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る半導体モジュールのヒートシンクを示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る半導体モジュールのセラミック回路基板とヒートシンクを示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る半導体モジュールを用いたインバータ装置を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る変形例である複数のセラミック回路基板を有する半導体モジュールを示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る半導体モジュールのヒートシンクを示す図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係る半導体モジュールのヒートシンクを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図1（ａ）は、本実施の形態に係る半導体モジュール１００の断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す半導体モジュール１００を上から見た図である。また、図１（ａ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａでの断面図となっている。図１に示すように、セラミック基材１は、第１の面としての一方の面に第１の導体層２が、第１の面と反対側の第２の面としてのもう一方の面に第２の導体層３が設けられている。以下では、セラミック基材１、第１の導体層２及び第２の導体層３を併せてセラミック回路基板３０と呼ぶ。このセラミック回路基板３０の第１の導体層２上には、半導体素子４が実装されている。図１（ａ）及び図１（ｂ）では、半導体素子４が４つ実装されている例を図示している。
【００１０】
セラミック回路基板３０の第２の導体層３には、例えば、はんだ等の高温で溶解し常温に戻すと固化する接合層５を介してヒートシンク１０ａが接合されている。ヒートシンク１０ａは、接合層５と接している第３の面と、第３の面の反対側の第４の面とを有している。接合層５と接している側であるヒートシンク１０ａの第３の面には、凸状部１１、第１の段差部１２、第２の段差部１３及び周縁部１９が設けられている。
【００１１】
凸状部１１の平面部分を、凸平面１５と呼ぶこととする。凸状部１１は、四角形の凸平面１５と端部の凸平面１５に垂直な第１段壁面１６とから成っている。図１から明らかなように、凸状部１１は、接合層５よりも内側となっており、その結果、凸平面１５の面積は、接合層５とヒートシンク１０ａの第３の面との接合面積よりも小さい。第１の段差部１２は、凸状部１１の端部の周囲に設けられた面であって、第１の段差部１２でのヒートシンク１０ａの厚さは、凸状部１１でのヒートシンク１０ａの厚さよりも薄い。言い換えると、第１の段差部１２は、凸状部１１の端部の周囲に設けられた面であって、第１の段差部１２に対応する部分のヒートシンク１０ａの厚さは、凸状部１１に対応する部分のヒートシンク１０ａの厚さよりも薄い。第２の段差部１３は、第１の段差部１２の端部の周囲に第１段壁面１６と平行なもう１つの段壁面である第２段壁面１７を挟んで設けられた面であって、第２の段差部１３でのヒートシンク１０ａの厚さは、第１の段差部１２でのヒートシンク１０ａの厚さよりもさらに薄い。言い換えると、第２の段差部１３は、第１の段差部１２の端部の周囲に第２段壁面１７を挟んで設けられた面であって、第２の段差部１３に対応する部分のヒートシンク１０ａの厚さは、第１の段差部１２に対応する部分のヒートシンク１０ａの厚さよりもさらに薄い。また、第１の段差部１２の面と第２の段差部１３の面との間には、先に述べた第２段壁面１７がある。すなわち、第１の段差部１２の端部には第２段壁面１７が繋がり、さらに第２段壁面１７の端部に第２の段差部１３が繋がっている。ここで、接合層５は、凸状部１１及び第１の段差部１２に接合している。
【００１２】
本実施の形態に係るヒートシンク１０ａにおいては、第２の段差部１３の端部の周囲に第１段壁面１６及び第２段壁面１７と平行な第３段壁面１８を挟んで周縁部１９が設けられている。周縁部１９は、凸平面１５と同じ面上にあり、周縁部１９に対応する部分のヒートシンク１０ａの厚さは、凸状部１１に対応する部分のヒートシンク１０ａの厚さと同一である。すなわち、本実施の形態に係るヒートシンク１０ａは、所定の厚さのＡｌの板に第１の段差部１２に対応する第１の溝と第２の段差部１３に対応する第２の溝を削り出すことによって形成される。従って、第２の段差部１３に対応する第２の溝の深さは、第１の段差部１２に対応する第１の溝の深さより深い。なお、周縁部１９に対応する部分のヒートシンク１０ａの厚さは、凸状部１１に対応する部分のヒートシンク１０ａの厚さと同一としたが、第２の段差部１３に対応する部分のヒートシンク１０ａの厚さより厚ければよく、凸状部１１に対応する部分のヒートシンク１０ａの厚さより薄くてもよい。
【００１３】
ヒートシンク１０ａの第４の面には、冷却用のフィン１４が設けられている。ヒートシンク１０ａの端部の周囲には、フィン１４を冷媒である冷却液に接触させるため、内部に冷媒の流路を形成する冷媒流路筐体であるウォータージャケット２０が、フィン１４を包み込むように固着されている。ウォータージャケット２０には、冷却液の入口２１及び出口２２が設けてあり、図１（ａ）では冷却液の流れを矢印で示している。入口２１から入った冷却液は、ウォータージャケット２０内を通って、出口２２から出る。セラミック回路基板３０で発生した熱が、ヒートシンク１０ａに伝わり、ヒートシンク１０ａのフィン１４から冷媒に伝わることによって、セラミック回路基板３０が冷却される。本実施の形態に係る半導体モジュール１００においては、冷媒流路筐体であるウォータージャケット２０を流れる冷媒は、冷却液であって、水または不凍液等が用いられる。
【００１４】
次に、図１（ａ）の破線Ａ、破線Ｂ、破線Ｃ及び破線Ｄについて説明する。破線Ａは、凸状部１１の凸平面１５の端部（第１段壁面１６）の位置を示す線である。破線Ｂは、第２の導体層３の端部の位置を示す線である。破線Ｃは、第１の段差部１２の端部（第２段壁面１７）の位置を示す線である。破線Ｄは、第２の段差部１３の端部の位置を示す線である。したがって、図１（ａ）から明らかなように、凸状部１１の凸平面１５の端部（破線Ａ）よりも外側に第２の導体層３の端部（破線Ｂ）が、且つ第２の導体層３の端部（破線Ｂ）よりも外側に第１の段差部１２の面の端部（破線Ｃ）が、さらに第１の段差部１２の端部（破線Ｃ）よりも外側に第２の段差部１３の端部（破線Ｄ）がある。
【００１５】
本実施の形態における、凸状部１１、第１の段差部１２及び第２の段差部１３の寸法の一例について説明する。凸状部１１の凸平面１５の端部（破線Ａ）は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各辺共に第１の段差部１２の両端部（破線Ｃ）から内側にそれぞれ１ｍｍずつ小さくしたものとしている。凸状部１１の高さは、第１の段差部１２の面から１ｍｍとしている。さらに、第１の段差部１２の面の端部（破線Ｃ）に設けた第２の段差部１３の面は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各辺共に第１の段差部１２の両端部（破線Ｃ）から外側にそれぞれ１ｍｍずつ大きくしたものとしている。また、第１の段差部１２と第２の段差部１３との間の段壁面の高さは１ｍｍとしている。
【００１６】
本実施の形態では、凸状部１１の端部（破線Ａ）から第１の段差部１２の端部（破線Ｃ）までの距離及び第１の段差部１２の端部（破線Ｃ）から第２の段差部１３の端部（破線Ｄ）までの距離を同じ１ｍｍとしたが、必ずしも同じ大きさにする必要はない。第１の段差部１２の端部（破線Ｃ）から第２の段差部１３の端部（破線Ｄ）までの距離は、接合層５が存在しないため、ウォータージャケット２０とヒートシンク１０ａの固着時の反りの矯正による歪集中を緩和出来ればよく、凸状部１１の端部（破線Ａ）から第１の段差部１２の端部（破線Ｃ）までの距離より小さくしても良い。なお、凸状部１１の凸平面１５はより小さく、凸状部１１はより高くすることで応力緩和効果は高くなる。また、第２段壁面１７から第２の段差部１３の端部までの距離はより大きく、第２段壁面１７の高さはより高くすることで、応力緩和効果は高くなる。さらに、接合層５の端部に加わる接合後の歪集中を低減させるには、凸状部１１の凸平面１５の端部（破線Ａ）と第２の導体層３の端部（破線Ｂ）の距離が大きく、第２の導体層３の端部（破線Ｂ）と第１の段差部１２の端部（破線Ｃ）の距離が大きい方が良い。また、ウォータージャケット２０とヒートシンク１０ａの固着時の反りの矯正による接合層５の端部に生じる歪集中を低減させるには、第２の段差部１３でのヒートシンク１０ａの厚さが薄い方が良い。
【００１７】
図２（ａ）に、本実施の形態に係る半導体モジュール１００のヒートシンク１０ａを上から見た図を示す。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂでの断面図を示す。図２（ｃ）は、図２（ａ）のＣ−Ｃでの断面図を示す。図２（ａ）に示すように、凸状部１１、第１の段差部１２及び第２の段差部１３の、それぞれのＸ軸方向の辺及びＹ軸方向の辺が交差するコーナー部分は、本実施の形態では円弧形状としている。これは、接合距離が長いために最も応力が集中する接合層５のコーナー部分の厚みを増やすことで応力を緩和する効果を高めるためである。
【００１８】
本実施の形態では凸状部１１、第１段差部１２及び第２段差部１３は削り出しにより作製したが、金型による成型、２層貼り合わせなどの方法により第１の段差部１２及び第２の段差部１３を形成してもなんら問題はない。
【００１９】
本実施の形態では、ヒートシンク１０ａの材質としてＡｌを用いたが、Ｃｕ又はＡｌ−ＳｉＣといった材質を用いても良い。ヒートシンク１０ａの材質としてＡｌを用い、接合層５の材質としてはんだを用いる場合、削り出し等によって第１段差部１２を形成した後のヒートシンク１０ａ上に、はんだの濡れ性向上のため、Ｎｉめっきを施した後、削り出し等によって第２の段差部１３を形成するとよい。Ｎｉめっき後に削り出し等によって形成した第２の段差部１３は、はんだの濡れ性が悪いので、接合層５の形状をより容易に制御することができ、良好な形状の接合層５を形成することができる。
【００２０】
接合層５の材質として、以下では一例としてはんだを用い、ヒートシンク１０ａの第３の面にスクリーン印刷にて供給した場合について詳細に説明する。供給方法に関しては限定されるものではなく、ディスペンサー、インクジェット、または、はんだシートによる供給であってもよい。本実施の形態では、供給量は、はんだ接合実施後のはんだ高さが平均０．３ｍｍとなるように調整した。また、接合層５の材質は、高温にすると溶解し、常温に戻すと固化して接合できるものであれば、はんだに限られるものではないことは言うまでもない。接合層５に用いる部材は、はんだでなくても良く、例えば、Ａｇペーストまたは導電性接着剤でも良い。また、接合層５にはんだの材質として鉛フリーはんだを用いると、鉛フリーはんだは融点が高く、接合後、常温に戻した際の接合層５の端部に加わる歪が大きくなるので、本発明を用いることによって一層の応力緩和の効果を得られる。
【００２１】
半導体素子４が実装されたセラミック回路基板３０を、高温でヒートシンク１０ａに接合した後、常温に戻した際に接合層５の端部に生じる歪集中は、セラミック回路基板３０の線膨張係数とヒートシンク１０ａの線膨張係数の差が大きいほど大きくなり、接合層５の厚みが小さいほど大きくなる。本実施の形態は、凸状部１１と第１の段差部１２及び第２の段差部１３を設けたことにより、接合層５がヒートシンク１０ａの凸状部１１及び第１の段差部１２と接合する。一方、メカニズムについては後述するが、接合層５は第２の段差部１３とは接合しない。その結果、ヒートシンク１０ａの凸状部１１の凸平面１５に対応する位置の接合層５の厚さよりも、ヒートシンク１０ａの第１の段差部１２に対応する位置の接合層５の厚さの方が厚くなるように構成されている。この構成により、接合層５の信頼性を高める作用が働く。特に、第１段差部１２のコーナー部分を円弧形状にすることでさらに応力緩和の効果を得ている。
【００２２】
接合層５にはんだを用い、第１の導体層２及び第２の導体層３にＣｕを用い、ヒートシンク１０ａにＡｌを用いる場合、第１の導体層２及び第２の導体層３に用いるＣｕの熱伝導率はおよそ４００Ｗ／ｍＫであり、ヒートシンク１０ａに用いるＡｌの熱伝導率（およそ２００Ｗ／ｍＫ）と比較して高い値を有する。それに対し、接合層５となるはんだの熱伝導率は、通常、Ｃｕ及びＡｌの熱伝導率よりも小さい５０Ｗ／ｍＫ程度である。したがって、接合層５は金属とは言え、厚みが大きいと半導体素子４からヒートシンク１０ａへの熱抵抗を大きくしてしまうという問題がある。しかしながら、接合時の高温から常温に戻す工程において、ヒートシンク１０ａの凸状部１１の付近に比べて、その周辺の第１の段差部１２の付近の方が、放熱性が大きいため温度が下がりやすい。したがって、接合層５全体の温度をより均一に下げるためには、先に述べたように、高温となるヒートシンク１０ａの凸状部１１の凸平面１５に対応する位置の接合層５の厚さを、ヒートシンク１０ａの第１の段差部１２に対応する位置の接合層５の厚さよりも薄くなるように構成した方が望ましい。以上のように構成したので、接合層５の凸状部１１の付近と周囲の第１の段差部１２付近との温度差が大きくなることを抑制でき、応力を緩和し、より高信頼性を実現できる。
【００２３】
本実施の形態では、接合層５としてセラミック回路基板３０とヒートシンク１０ａのはんだによる接合を実施する際に、半導体素子４を搭載したセラミック回路基板３０を、はんだを供給したヒートシンク１０ａの第３の面上に搭載した後、はんだリフローを実施することで２５０℃まで加熱し、はんだによる接合を実施する。本実施の形態によると、メカニズムについては後述するが、はんだによる接合を実施した後の接合層５のフィレットは、第１の段差部１２の面上で保持されており、第２の段差部１３の面上には、はんだが流出しない。したがって、セラミック回路基板３０とヒートシンク１０ａの接合の際に、ソルダレジストなどを用いる必要がなくなり、製造工程が容易になるという効果がある。
【００２４】
本実施の形態によると、ヒートシンク１０ａにはソルダレジストを設ける必要がない理由を説明する。本実施の形態では、第１の段差部１２の面と第２段壁面１７が成す角は９０度としている。つまり、第１の段差部１２の端部では、第１の段差部１２の面上と比較して接合層５の接触角が９０度加算されることになる。これにより、接合層５の接触角が第１の段差部１２の端部における接触角＋９０度になるまでは第２の段差部１３まではんだが流出することがなく、接合層５のフィレットは、第１の段差部１２の端部で保持される。例えば、接合層５とヒートシンク１０ａの接触角が３０度以上になると、接合層５が濡れ広がるとした場合、第１の段差部１２の面上では３０度以上で濡れが広がる。これに対し、第１の段差部１２の端部では１２０度以上にならなければ、第１の段差部１２の端部を越えて濡れ広がることができない。なお、第１の段差部１２の面と第２段壁面１７が成す角は、９０度以上とすることで、接合層５のフィレットの形状の保持に関してより高い効果が得られる。
【００２５】
接合層５のフィレットの形状がなめらかな程、接合層５の歪量が局所的に大きくなる事を防止できる。したがって、本実施の形態によれば、安定した形状の接合層５を自動的に形成できるため、半導体モジュール１００の信頼性を保証できる期間を長くできる。
【００２６】
図３は、本実施の形態に係るセラミック回路基板３０とヒートシンク１０ａの接合状態の別の例を示す断面図である。セラミック回路基板３０とヒートシンク１０ａの接合状態としては、図１（ａ）に示すように接合層５が第１の段差部１２の端部まで広がった状態が最も好ましい。しかしながら、接合層５の供給量のばらつき等によって、図３に示すように、第１の段差部１２の端部まで接合層５が広がらない場合もある。第１の段差部１２に全くはんだがないという事象が発生しない限り、問題はなく、本発明の効果を得ることができる。また、接合層５が第１の段差部１２を越えて第２段壁面１７または第２の段差部１３まで広がってしまう場合もある。この場合も、第２の段差部１３の全てにはんだが広がらない限り、問題はなく、本発明の効果を得ることができる。
【００２７】
図４は、本実施の形態に係る半導体モジュール１００を組み込んだインバータ装置４０の断面図である。図４において、本実施の形態の半導体モジュール１００が制御基板５０と一体的にモールド樹脂５１で封止することによってインバータ装置４０を形成している。本実施の形態の半導体モジュール１００をインバータ装置４０に組み込むことによって、インバータ装置４０の信頼性を向上させることが可能である。
【００２８】
次に、本実施の形態の変形例を説明する。図５に、半導体素子４が実装された複数のセラミック回路基板３０ａ、３０ｂ、３０ｃを有する場合の半導体モジュール１０１の変形例の断面図を示す。図５には、図１（ａ）及び図１（ｂ）と同様に、１つのセラミック回路基板３０ａ、３０ｂ、３０ｃには半導体素子４が４つ実装されている例を図示している。また、本実施の形態の変形例では、図５に示すように、同一のヒートシンク１０ｂに対して隣接して３つのセラミック回路基板３０ａ、３０ｂ、３０ｃを接合した。図５における矢印は、図１と同様に冷却液の流れを示している。図５に示すヒートシンク１０ｂにおいては、各セラミック回路基板３０ａ、３０ｂ、３０ｃに対応するように凸状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃが設けられ、各凸状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの周囲に対応する第１の段差部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び第２の段差部１３ａ、１３ｂ、１３ｃが設けられている。すなわち、ヒートシンク１０ｂは、所定の厚さのＡｌの板に第１の段差部１２に対応する第１の溝と第２の段差部１３に対応する第２の溝を削り出すことによって形成される。セラミック回路基板３０ａに対応する段差部１３ａの端部の周辺、セラミック回路基板３０ｂに対応する段差部１３ｂの端部の周辺、及びセラミック回路基板３０ｃに対応する段差部１３ｃの端部の周辺には、周縁部１９が設けられている。すなわち、セラミック回路基板３０ａに対応する第２段差部１３ａとセラミック回路基板３０ｂに対応する第２段差部１３ｂとの間には、凸状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃと同じ平面の周縁部１９が設けられ、セラミック回路基板３０ｂに対応する第２段差部１３ｂとセラミック回路基板３０ｃに対応する第２段差部１３ｃの間には、周縁部１９が設けられている。ここで、セラミック回路基板３０ａ、３０ｂ、３０ｃの接合時に高温から常温に戻す際、セラミック回路基板３０ａ、３０ｂ、３０ｃの数が多い分、ヒートシンク１０ｂには大きな反りが発生する。しかしながら、大きな反りが発生している状態のヒートシンク１０ｂをウォータージャケット２０に固着する際に加圧ツールで反りを矯正しながら溶接を実施したとしても、接合層５の端部に発生した圧縮応力は第２の段差部１３ａ、１３ｂ、１３ｃで吸収されるので、半導体モジュール１０１の信頼性を向上することができる。 
【００２９】
以上のとおり、本発明の実施の形態１に示す半導体モジュールは、セラミック基材の第１の面に第１の導体層を有し、セラミック基材の第１の面とは反対側の第２の面に第２の導体層を有するセラミック回路基板と、第１の導体層に実装された半導体素子と、第３の面と第３の面の反対側の第４の面とを有し、第２の導体層と第３の面が接合層を介して接合されたヒートシンクと、ヒートシンクの第４の面に設けられたフィンと、フィンを包み込んだ状態でヒートシンクの周端部に固着された冷媒流路筐体と、を備え、ヒートシンクの第３の面は、凸平面が接合層との接合面積よりも小さい面積を有する凸状部と、凸状部の端部に設けられ、対応する部分のヒートシンクの厚さが凸状部に対応する部分のヒートシンクの厚さよりも薄い第１の段差部と、第１の段差部の端部に設けられ、対応する部分のヒートシンクの厚さが第１の段差部に対応する部分よりもさらに薄い第２の段差部と、を有し、凸状部の凸平面の端部よりも外側に第２の導体層の端部が配置されており、且つ第２の導体層の端部よりも外側に第１の段差部の面の端部が配置されており、さらに第１の段差部の面の端部よりも外側に第２の段差部の面の端部が配置されており、接合層は、ヒートシンクの凸状部及び第１の段差部に接合されており、第２の段差部の面の一部を露出させた状態で第２の段差部と接合されており、第２の導体層の端部は、接合層の端部より内側に配置されており、接合層で覆われているものである。これによって、線膨張係数の異なる冷媒流路筐体とヒートシンクとを固着する際に、接合層の端部に加わる応力を緩和することが可能であり、信頼性が向上した半導体モジュールを得ることができる。また、本発明の実施の形態１に示す半導体モジュールを用いてインバータ装置を構成することによって、インバータ装置の信頼性を向上することができる。 
【００３０】
実施の形態２．
図６（ａ）に、本実施の形態のヒートシンク１０ｃを上から見た図を示す。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＤ−Ｄでの断面図を示す。図６（ｃ）は、図６（ａ）のＥ−Ｅでの断面図を示す。実施の形態１に示すヒートシンク１０ａ、１０ｂにおいては、凸状部１１の四角形の凸平面１５の４辺の外側に第１の段差部１２及び第２の段差部１３を設けた。本実施の形態に示すヒートシンク１０ｃでは、第１の段差部１２、第２の段差部１３および周縁部１９が、凸状部１１の四角形の凸平面１５の４辺のうち対向する２辺の外側のみに設けられているが、もう一方の対向する２辺の外側には設けられていない。すなわち、ヒートシンク１０ｃは、所定の厚さのＡｌの板に、凸状部１１の四角形の凸平面１５の４辺のうち対向する２辺の外側のみに第１の段差部１２に対応する第１の溝と第２の段差部１３に対応する第２の溝を削り出すことによって形成される。図６に示すヒートシンク１０ｃでは、四角形の凸平面１５のＹ軸方向に平行な対向する２辺の外側に第１の段差部１２、第２の段差部１３及び周縁部１９を設け、Ｘ軸方向に平行な対向する２辺の外側には第１の段差部１２、第２の段差部１３及び周縁部１９を設けていない例を示している。本実施の形態の半導体モジュールは、ヒートシンク１０ｃの構造以外は、実施の形態１の半導体モジュール１００と同じである。ヒートシンク１０ｃを有する半導体モジュールは、半導体素子４が実装されたセラミック回路基板３０を高温で接合した後、常温に戻した際に反りが大きくなる方向と直交する方向に伸びる凸平面１５の２辺の外側のみに第１の段差部１２及び第２の段差部１３を設けることで、ヒートシンク１０ｃを有する半導体モジュールの信頼性を保証できる期間をより長くできる。
【００３１】
なお、本実施の形態では、第１の段差部１２、第２の段差部１３及び周縁部１９を凸状部１１の四角形の凸平面１５の４辺のうち対向する２辺の外側のみに設けたため、押出し成形によりヒートシンク１０ｃを形成することができる。したがって、本実施の形態の半導体モジュールによると、製造、組立が容易になるという効果が得られる。
【００３２】
以上のとおり、本実施の形態２に示す半導体モジュールは、第１の段差部及び第２の段差部は、凸状部の四角形の凸平面の４辺のうち対向する２辺の外側のみに形成される。これによって、ヒートシンクを有する半導体モジュールの信頼性をより向上することができる。また、本実施の形態２に示す半導体モジュールは、押出し成形によってヒートシンクを形成することができるので、半導体モジュールの製造、組立が容易になるという効果が得られる。
【００３３】
実施の形態３．
図７（ａ）に、本実施の形態のヒートシンク１０ｄを上から見た図を示す。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＦ−Ｆでの断面図を示す。図７（ｃ）は、図７（ａ）のＧ−Ｇでの断面図を示す。本実施の形態のヒートシンク１０ｄでは、第１の段差部１２及び第２の段差部１３を、凸状部１１の四角形の凸平面１５の４辺のうち対向する２辺の外側のみに設け、もう一方の対向する２辺の外側には設けていない。すなわち、ヒートシンク１０ｄは、所定の厚さのＡｌの板に、凸状部１１の四角形の凸平面１５の４辺のうち対向する２辺の外側のみに第１の段差部１２に対応する第１の溝と第２の段差部１３に対応する第２の溝を削り出すことによって形成される。図７は、四角形の凸平面１５のＹ軸方向に平行な対向する２辺の外側に第１の段差部１２及び第２の段差部１３を設けた例を示している。また、本実施の形態のヒートシンク１０ｄは、第２の段差部１３の端部の外側に周縁部１９が設けられていない点が実施の形態２に示すヒートシンク１０ｃと異なっている。その他の構造は、実施の形態２に示す半導体モジュールと同じである。ヒートシンク１０ｄを有する半導体モジュールは、実施の形態２と同様に、半導体素子４が実装されたセラミック回路基板３０を高温で接合した後、常温に戻した際に反りが大きくなる方向と直交する方向に伸びる凸平面１５の２辺の外側のみに、第１の段差部１２及び第２の段差部１３を設けることで、ヒートシンク１０ｄを有する半導体モジュールの信頼性を保証できる期間をより長くできる。 
【００３４】
なお、本実施の形態では、第１の段差部１２及び第２の段差部１３を凸状部１１の四角形の凸平面１５の４辺のうち対向する２辺の外側のみに設けたため、削り出しではなく押出し成形によりヒートシンク１０ｄを形成することもできる。したがって、本実施の形態の半導体モジュールによると、半導体モジュールの製造、組立が容易になるという効果が得られる。
【００３５】
以上のとおり、本実施の形態３に示す半導体モジュールは、第１の段差部及び第２の段差部は、凸状部１１の四角形の凸平面の４辺のうち対向する２辺の外側のみに形成される。これによって、ヒートシンクを有する半導体モジュールの信頼性をより向上することができる。また、本実施の形態３に示す半導体モジュールは、押出し成形によってヒートシンクを形成することができるので、半導体モジュールの製造、組立が容易になるという効果が得られる。
【００３６】
なお、本実施の形態３に示すヒートシンク１０ｄにおいては、第２の段差部１３の端部の外側に周縁部１９が設けられていない点が実施の形態２に示すヒートシンク１０ｃと異なっている。実施の形態１に示すヒートシンク１０ａまたはヒートシンク１０ｂにおいても、第２の段差部１３の外側に周縁部１９を設けない構成としてもよい。
【００３７】
また、実施の形態１〜３に示す半導体モジュールにおいては、冷媒流路筐体内を流れる冷媒は、冷却液としたが、必ずしも液体である必要はなく、空気等の気体であってもよい。
【００３８】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１  セラミック基材、２  第１の導体層、３  第２の導体層、４  半導体素子、
１０ａ  ヒートシンク、１０ｂ  ヒートシンク、１０ｃ  ヒートシンク、１０ｄ  ヒートシンク、１１  凸状部、１１ａ  凸状部、１１ｂ  凸状部、１１ｃ  凸状部、１２  第１の段差部、１２ａ  第１の段差部、１２ｂ  第１の段差部、１２ｃ  第１の段差部、１３  第２の段差部、１３ａ  第２の段差部、１３ｂ  第２の段差部、１３ｃ  第２の段差部、１４  フィン、１５  凸平面、１６  第１段壁面、１７  第２段壁面、１８  第３段壁面、１９  周縁部、２０  ウォータージャケット、３０  セラミック回路基板、３０ａ  セラミック回路基板、３０ｂ  セラミック回路基板、３０ｃ  セラミック回路基板、４０  インバータ装置、５０  制御基板、５１  モールド樹脂、１００  半導体モジュール、１０１  半導体モジュール。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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