(57)【要約】【課題】液冷方式のパワー半導体モジュールにおいて、ケースへの追加加工を必要とすることなく、またシール材やシール材取り付け溝の形成に高い精度を必要とすることなく、外部への冷却液の漏えいを防止することができる半導体装置を提供する。【解決手段】ケース側ではなくベース側にシール材取り付け用の溝を形成するとともに、弾性材で構成されたシール材と溝の側面が断続的に接する幅を有するシール材や溝を設ける。【選択図】図１
2015073012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
主面に前記半導体素子が接合された絶縁基板と、
主面に該絶縁基板の他主面が接合され、他主面に凸部が設けられ、該凸部の外周に環状の溝が設けられたベースと、
環状の弾性体で構成され、前記溝に沿って挿入されているシール材と、
を備え、
開口部を有するケースの前記開口部の外縁が前記シール材と接するように配置され、
前記シール材と前記溝の側面が断続的に接していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記シール材はシール幅広部とシール幅狭部を有し、
前記シール材の前記溝への挿入前において前記シール幅広部は前記溝より幅が広く、
前記シール幅狭部は前記溝より幅が狭いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記溝は溝幅狭部と溝幅広部を有し、
前記シール材の前記溝への挿入前において前記溝幅狭部は前記シール材より幅が狭く、
前記溝幅広部は前記シール材より幅が広いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ベースの他主面に接するように冷却液が流されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ベースの凸部は前記ベースを構成する部材とは異なる部材で構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体素子は、縦型パワー半導体素子であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記ベースは、銅もしくは銅合金で構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特にパワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のパワー半導体モジュールにおいては、パワー密度向上の要求に答えるべく、液冷方式のパワー半導体モジュールが用いられている。従来の液冷方式のパワー半導体モジュールの断面模式図を図６に示す。
【０００３】
図６において、パワー半導体モジュール１００は、半導体素子１０１と、絶縁基板１０２と、フィンなどの凸部１１０を備えた金属製のベース１０６と、冷却液を流すための金属製のケース１０８とで構成されている。
【０００４】
またこのパワー半導体モジュール１００においては、ベース１０６と接するケース１０８の開口部の外縁に溝１０９を設け、その溝１０９に弾性体で構成されるシール材１０７が挿入され、ボルトなどの固定機構１１１を用いてベース１０６とケース１０８を押さえつけるように保持することにより、冷却液１１２の外部への漏えいを防止している（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
図７は別の従来例の液冷方式のパワー半導体モジュール２００の断面模式図である。この従来例においては、ベース１０６の下面を突出させ、その突出部の側面に溝１１４を設け、その溝にシール材１０７が挿入されている。この状態でケース１０８の開口部とベース１０６の突出部とを嵌合させ、ボルトなどの固定機構１１１を用いてベース１０６とケース１０８を保持することにより、冷却液１１２の外部への漏えいを防止している（例えば特許文献２、３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２５０９１８号公報
【特許文献２】特開２００６−１９４７７号公報
【特許文献３】特開２０１１−１９８９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された従来例においては、ケース１０６の開口部の外縁に溝１０９を形成する工程が必要となる。この溝１０９の形成工程において、冷却液１１２の漏えいを防止するには±５０μｍ程度の精度が必要となるため、製造コストの高い機械加工による工程が必要となる。このことから、製造コストが増加するという課題がある。
【０００８】
また特許文献２及び３に記載された従来例においては、ベース１０６の突出部とケース１０８の開口部とを嵌合する際に、溝１１４の深さに対してシール材１０７が小さすぎると冷却液１１２が外部に漏えいし、逆に大きすぎるとシール材１０７がつかえて、ケース１０８の嵌合が困難になる。このことからシール材１０７及び溝１１４の寸法に高い精度が必要となり、製造コストが増加するという課題がある。さらにケース１０８の嵌合時にシール材１０７にねじれ力が加わりやすく、このねじれた状態でベース１０６とケース１０８が保持されると、シール材１０７の長期信頼性が悪化するという課題がある。
【０００９】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、液冷方式のパワー半導体モジュールにおいて、ケースへの追加加工を必要とすることなく、またシール材やシール材取り付け溝の形成に高い精度を必要とすることなく、外部への冷却液の漏えいを防止することができる半導体装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、この発明の一態様では、半導体装置は、半導体素子と、主面に前記半導体素子が接合された絶縁基板と、主面に該絶縁基板の他主面が接合され、他主面に凸部が設けられ、該凸部の外周に環状の溝が設けられたベースと、環状の弾性体で構成され、前記溝に沿って挿入されているシール材と、を備え、開口部を有するケースの前記開口部の外縁が前記シール材と接するように配置され、前記シール材と前記溝の側面が断続的に接している構成とする。
【発明の効果】
【００１１】
上記の手段によれば、液冷方式のパワー半導体モジュールにおいて、ケースへの追加の溝加工を必要とすることなく、またシール材やシール材取り付け溝の形成に高い工作精度を必要とすることもないため、製造コストを抑えながら外部への冷却液の漏えいを防止することが可能となっている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施例１に係る半導体装置の断面図（ａ）及びベースの下面図（ｂ）である。
【図２】この発明の実施例１に係るベースの溝及びシール材を拡大した下面図（ａ）、Ａ−Ａ’断面図（ｂ）及びＢ−Ｂ’断面図（ｃ）である。
【図３】この発明の実施例２に係る半導体装置の断面図（ａ）及びベースの下面図（ｂ）である
【図４】この発明の実施例３に係る半導体装置の断面図（ａ）及びベースの下面図（ｂ）である。
【図５】この発明の実施例３に係るベースの溝及びシール材を拡大した下面図（ａ）、Ｃ−Ｃ’断面図（ｂ）及びＤ−Ｄ’断面図（ｃ）である。
【図６】この発明の従来例に係る半導体装置の断面図である。
【図７】この発明の別の従来例に係る半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を図面に基づいて説明する。
実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。
【００１４】
なおこの実施例は、説明された実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
[実施例１]
図１は、この発明の実施例１のパワー半導体モジュール５０の構成図であり、同図（ａ）は要部断面図、同図（ｂ）はベースの下面図である。
【００１５】
図示するパワー半導体モジュール５０は、半導体素子１と、絶縁基板２と、凸部１０を備えたベース６と、冷却液１２を保持するためのケース８などで構成されている。
半導体素子１は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の縦型のパワー半導体素子が該当する。これらの半導体素子は動作時に高温を発生させるため、高いパワー密度を実現するには放熱性の確保が重要となる。
【００１６】
絶縁基板２は、回路パターン薄膜３、絶縁板４及び金属薄膜５の３層構造で構成されている。絶縁板４は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）焼結体、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）等のセラミックで構成されている。回路パターン薄膜３及び金属薄膜５は銅（Ｃｕ）を主成分とする金属で構成され、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）法などを用いて絶縁板４のそれぞれの面に形成されている。また回路パターン薄膜３は選択的にパターン形成され、半導体装置５０に必要な回路が形成されている。
【００１７】
そして回路パターン薄膜３の表面には、Ｓｎ−Ａｇ系などの鉛フリー半田などで構成される接合材（図示せず）を介して、少なくとも一つの半導体素子１の裏面電極（例えばコレクタ電極）が接合されている。
【００１８】
半導体素子１にはさらに、その表面電極（例えばエミッタ電極やゲート電極）にボンディングワイヤや金属板などを用いて各種配線が形成され、半導体装置５０に必要な回路が形成されるとともに、その周囲は外枠や蓋、封止樹脂などで保護されているが、ここでは図示及び説明は省略する。
【００１９】
ベース６は、板状であり、銅や銅合金などの金属材料で構成されている。これは半導体装置５０の動作時に半導体素子１から発生した熱を、冷却液１２へ効率よく伝え、放熱特性を高めることができるからである。そのためベース６には、Ｓｎ−Ａｇ系などの鉛フリー半田などで構成される接合材（図示せず）を介して、絶縁基板２の金属薄膜５が接合されている。
【００２０】
またベース６には、絶縁基板２が接合される面とは反対の面に、フィンなどの凸部１０が設けられている。これはベース６と冷却液１２との接触面積を増加させ、放熱特性をさらに高めることを目的としている。凸部１０は、ベース６の冷却液１２と接する側の主面の所定の箇所に嵌合凹部１３を形成し、そこに凸部１０を構成する部材を嵌合させることにより形成することができる。図１（ｂ）に示すように、凸部１０が設けられた面のベース６端部には、凸部１０の外周を囲むように環状のシール材取り付け用の溝９が設けられている。
【００２１】
ケース８は、開口部を持つ箱形状であり、冷却液１２を半導体装置５０内に保持させる機能を持つ。ケース８はアルミニウムやアルミニウム合金などの金属材料で構成されている。これは、冷却液１２を用いた場合の耐久性に優れ、かつ軽量なため半導体装置５０の軽量化に寄与することができるからである。
【００２２】
またケース８は、冷却液１２を外部放熱装置と循環させるための供給口及び排出口を備えているが、ここでは図示及び説明は省略する。
ベース６とケース８とは、その間に弾性体で構成されている環状のシール材７が、環状のシール材取り付け用の溝９に挿入されるように配置され、ボルトなどの固定機構１１やベース６に設けられた貫通孔１４など用いて、押さえつけるように保持されている。これによりベース６とケース８の間の隙間全体を弾性のあるシール材７で埋めることができるため、冷却液１２の外部への漏えいを防止することができる。
【００２３】
本実施例と図６に示した従来例とを比較した場合、異なる点としてはシール材７をベース６とケース８の間に配置するためのシール材取り付け用の溝９が、ケース８ではなくベース６に形成されている点である。これにより、従来ケース側に行っていたシール材取り付け用溝の形成工程を省略することができる。一方、本実施例においてベース６側に行うシール材取り付け用の溝９の形成工程に関しては、凸部１０取り付け用の嵌合凹部１３の形成工程と同時に行うことができるため、追加の工程は不要である。つまり製造工程全体としては工程数を削減することができるため、従来例と比較して製造コストの低減が可能となっている。本実施例において、溝９及び嵌合凸部１３は例えば型成型により形成することができる。
【００２４】
一方ベース側にシール材取り付け用の溝を設けた場合、パワー半導体モジュールの製造工程において、シール材が挿入されている溝から抜け落ちる可能性がある。これを防止するため、本実施例においては、シール材７を図１（ｂ）で示すようなシール幅広部７ａとシール幅狭部７ｂを有する構造にしている。弾性変形可能なシール材７と溝９の側面が断続的に密着し、溝９にシール材７が保持されている。本構造の詳細を図２に示す。
【００２５】
図２（ａ）はシール材７のシール幅広部７ａ、シール幅狭部７ｂ、及びベース６に配置されたシール材取り付け用の溝９の拡大図であり、図２（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、図２（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。
【００２６】
図２（ｂ）及び（ｃ）で示すように、シール幅広部７ａはシール幅狭部７ｂよりも幅が広く、また溝９への挿入前において溝９の幅よりも幅が広いため、弾性を利用してシール幅広部７ａを溝９に押し込むように配置することにより、シール材７を溝９に確実に保持することが可能となっている。なぜならシール材７は弾性体で構成され、溝９に押し込まれるとシール幅広部７ａの端部が断続的に溝９の内壁に密着するからである。またシール材７の高さ（厚み）はケース８に密着するように溝９の深さより大きく、さらに図２で示すようにシール幅広部７ａとシール幅狭部７ｂの高さは変わらないため、シール材７を用いてケース６とベース８との間の隙間を均等に埋めることができる。
【００２７】
また本実施例と図７で示した従来例とを比較した場合、本実施例ではベース６とケース８を押さえつけるように保持しているため、シール材７及び溝９のある程度の寸法精度の誤差はシール材７の弾性で吸収することができる。そのため図７で示した従来例に比べてシール材及び溝の寸法に高い精度は必要なく、結果として製造コストを低減することができる。さらに、本実施例ではベース６とケース８を取り付ける際にシール材７にねじれ力が加わらないため、図７で示した従来例に比べて良好な長期信頼性を実現することができる。
【００２８】
ところで環状のシール材の幅を全周にわたって連続的にシール材取り付け用溝の幅よりも広く取り、シール材取り付け用溝にシール材を押し込んで挿入した場合でも、本実施例と同様にベース側の溝へのシール材の保持は可能となる。しかしこの場合は、全周にわたって連続的にシール材を溝に押し込んで挿入する必要があり、シール材を溝に挿入する工程が長時間必要になる。一方本実施例においては、図２（ｃ）に示すようにシール幅狭部７ｂは溝９に比べて幅が狭いため、シール幅狭部７ｂでは溝９に押し込むことなく挿入が可能となる。このことにより、シール材挿入工程を短時間で行うことができるため、製造コストを低く抑えることが可能となっている。
【００２９】
本実施例におけるシール材７は、ニトリルゴムやフッ素ゴム、シリコーンゴムなどのゴム材料で構成されており、金型を用いて成型することができる。そのためシール幅広部７ａ及びシール幅狭部７ｂを有する形状のシール材も容易に形成することができる。
【００３０】
本実施例においては、図１（ｂ）に示すようにシール材取り付け用の溝９の環状形状を矩形状にしているが、この場合シール幅広部７ａを溝９の各辺ごとに１個以上、好ましくは複数個配置すれば、シール材７を溝９に良好に保持することができる。
【００３１】
また本実施例においては、凸部１０はベース６とは異なる材料を用いることができる。例えばベース６に用いる材料よりもさらに加工性が高い材料を用い、複雑な形状の凸部を形成してからベース６に配置することにより、放熱特性をさらに改善することも可能である。
【００３２】
さらに本実施例においては、冷却液１２には例えば水を用いることができる。しかしながら冷却液１２は水に限定されること無く、比熱が大きく（放熱特性を確保するため）、粘性が小さく（冷却液を循環する際の圧力損失を低減するため）、ベース６、ケース８、凸部１０及びシール材９などの構成材料との反応性が低い（長期信頼性を確保するため）特性を持つ液体であれば、何を用いてもよい。
[実施例２]
図３は、この発明の実施例２のパワー半導体モジュール６０の構成図であり、同図（ａ）は要部断面図、同図（ｂ）はベースの下面図である。
【００３３】
図示するパワー半導体モジュール６０は実施例１と同様、半導体素子１と、絶縁基板２と、凸部１０を備えたベース６と、冷却液１２を保持するためのケース８などで構成されている。
【００３４】
本実施例が実施例１と異なる点としては、ベース６の冷却液１２が接する面に凹部１５を設けることにより、凸部１０が形成されている点である。この場合においても、ベース６と冷却液１２の接触面積は増加するため、放熱特性を改善することが可能となっている。
【００３５】
本実施例において、凹部１５は切削加工によりシール材取り付け用の溝９と同時に形成することができるため、追加の製造工程は必要ない。それゆえ、実施例１と同様の製造コスト削減効果を得ることができる。
[実施例３]
図４は、この発明の実施例３のパワー半導体モジュール７０の構成図であり、同図（ａ）は要部断面図、同図（ｂ）はベースの下面図である。
【００３６】
図示するパワー半導体モジュール７０は実施例１と同様、半導体素子１と、絶縁基板２と、凸部１０を備えたベース６と、冷却液１２を保持するためのケース８などで構成されている。
【００３７】
本実施例と実施例１とを比較した場合、シール材７と溝９の側面が断続的に密着し、溝９にシール材７が保持されている点で共通し、異なる点としては、シール材７の幅が全周にわたって均等である一方、シール材取り付け用の溝９が、溝幅狭部９ａ及び溝幅広部９ｂを有している点である。本構造の詳細を図５に示す。
【００３８】
図５（ａ）はシール材７及びベース６に配置されたシール材取り付け用の溝９の溝幅狭部９ａ、溝幅広部９ｂの拡大図であり、図５（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’断面図、図５（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。
【００３９】
図５（ｂ）及び（ｃ）で示すように、溝幅狭部９ａは溝幅広部９ｂよりも幅が狭く、またシール材７の挿入前においてシール材７の幅よりも幅が狭いため、弾性を利用してシール材７を溝幅狭部９ａに押し込むように配置することにより、シール材７を溝９に保持することが可能となっている。なぜならシール材７は弾性体で構成され、溝９に押し込まれると溝幅狭部９ａの内壁がシール材７に断続的に密着するからである。さらに図５で示すように溝幅狭部９ａと溝幅広部９ｂの深さは変わらないため、シール材７を用いてケース６とベース８の間の隙間を均等に埋めることができる。
【００４０】
本実施例においても、ベース８に形成するシール材取り付け用の溝９の形成工程に関しては、凸部１０取り付け用の嵌合凹部１３の形成工程（例えば型成型）、もしくは凸部１０形成用の凹部１５の形成工程（例えば切削加工）と同時に行うことができるため、追加の製造工程は不要であり、従来に比べて製造コストの低減が可能である。
【００４１】
また本実施例においては、図５（ｃ）に示すように溝幅広部９ｂはシール材７に比べて幅が広いため、溝幅広部９ｂではシール材７を押し込むことなく挿入が可能となる。このことにより、シール材挿入工程を短時間で行うことができるため、製造コストを低く抑えることが可能となっている。
【００４２】
本実施例においては、図４（ｂ）に示すようにシール材取り付け用の溝９の環状形状を矩形状にしているが、この場合溝幅狭部９ａを溝９の各辺ごとに１個以上、好ましくは複数個配置すれば、シール材７を溝９に良好に保持することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１    半導体素子
２    絶縁基板
３    回路パターン薄膜
４    絶縁板
５    金属薄膜
６    ベース
７    シール材
７ａ  シール幅広部
７ｂ  シール幅狭部
８    ケース
９    溝
９ａ  溝幅狭部
９ｂ  溝幅広部
１０  凸部
１１  固定機構
１２  冷却液
１３  嵌合凹部
１４  貫通孔
１５  凹部
５０、６０、７０    パワー半導体モジュール
【図１】
2015073012.tif 000003
【図２】
2015073012.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2015073012.tif 000007
【図６】
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【図７】
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