(57)【要約】  絶縁配線基板の下側に接合される放熱基板を従来より薄くしても、絶縁配線基板と放熱基板とを接合するはんだ層に生じる応力集中を緩和し、はんだ層にクラックが発生し難い電力用半導体モジュールを提供する。  絶縁配線基板１と、該絶縁配線基板１の一方の主面上に搭載される半導体素子４と、該絶縁配線基板１の他方の主面に接合される放熱基板１０ａと、該放熱基板１０ａの他方の主面に一端が固定され他端が自由端の複数のフィン１０ｂと、該複数のフィン１０ｂを収容し該フィン１０ｂ間に冷却液を流動させるためのウォータージャケット１１とを備える半導体モジュールにおいて、前記複数のフィンの一部の他端が前記ウォータージャケット１１に接合されて補強フィンにされている電力用半導体モジュールとする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁配線基板と、該絶縁配線基板の一方の主面上に搭載された半導体素子と、該絶縁配線基板の他方の主面に接合された放熱基板と、該放熱基板の他方の主面に一端が固定され他端が自由端の複数のフィンと、該複数のフィンを収容し該フィン間に冷却液を流動させるためのウォータージャケットとを備える電力用半導体モジュールにおいて、
前記複数のフィンの少なくとも一部の前記他端が、前記ウォータージャケットに接合されて補強フィンにされていることを特徴とする電力用半導体モジュール。
【請求項２】
前記絶縁配線基板が、絶縁性薄板と、該絶縁性薄板の一方の主面に接合される金属回路配線層と、他方の主面に接合される金属層とを備えることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項３】
前記補強フィンは、前記絶縁配線基板の下方であって、かつ、前記絶縁配線基板の１辺の長さをＡ、前記絶縁配線基板の端から前記補強フィンまでの距離をＢとしたとき、Ｂ／Ａの比率が百分率で２０％以下の位置にあるものを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項４】
前記補強フィンは、前記絶縁配線基板の下方であって、かつ、前記絶縁性基板の対向する両側辺から前記距離Ｂをおいて内側に位置する少なくとも一対のものを含むことを特徴とする請求項３記載の電力用半導体モジュール。
【請求項５】
前記補強フィンの前記他端は、前記ウォータージャケットに接合された領域と、自由端の領域とを備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電力用半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられる電力用半導体モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の電力用半導体素子を含む電力用半導体モジュールが広く用いられている。電力用半導体素子は、大電流を制御する際に発熱するため、実際には、この電力用半導体素子を冷却するために、複数のフィンを放熱基板に組み込んで一体化した水冷式の電力用半導体モジュールの構造として利用される。【０００３】
このような電力用半導体モジュールは、例えば、絶縁性薄板よりなるセラミックス基板と、この基板の一方の面に直接接合またはロウ接合された金属回路配線層と、他方の面にほぼ全面に直接接合またはロウ接合された金属層とを有する絶縁配線基板を備える。前記金属回路配線層の表面の一部には、はんだ接合された電力用半導体素子を備え、前記絶縁配線基板の裏面に形成された金属層にはんだ接合される放熱基板を備える。さらに、この放熱基板の反対面（下側面）には、所定の間隔で一体に接合される複数のフィンと、この複数のフィン間に形成される空間を冷却水が流動し易いような間隙を持ってフィン全体を取り囲む収容器とを備える構造の電力用半導体モジュールが知られている（特許文献１）。この電力用半導体モジュールは、フィン保持用に新たな放熱基板の挿入をしない構造または放熱基板とフィン間に放熱グリースを介在させない構造にされる。すなわち、半導体素子を搭載した絶縁配線基板を、フィンと一体化された放熱基板に直接接合する構造にすることによって、半導体素子から放熱基板に至る熱抵抗を低減して、放熱性の改善と製品の信頼性向上を図るものである。この放熱基板は一般的にアルミニウム又は銅を主成分とした材料からなることが多い。【０００４】
他の文献には、半導体モジュールを構成する部材間の熱膨張差による応力を低減し、部品の削減と半導体モジュールの小型化および簡略化を図れる半導体素子冷却用放熱器に関する技術が記載されている（特許文献２、３）。【０００５】
また、他の文献には、ヒートシンクの反りを抑制するとともに、反り抑制板材をヒートシンクに容易にロウ付けすることができる半導体装置に関する技術が記載されている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３６０９４号公報
【特許文献２】特開２００７−１７３３０１号公報
【特許文献３】特開２００８−２７０２９７号公報
【特許文献４】特開２０１０−１８２８３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述した放熱基板とフィンとを一体化したフィンベースを備える電力用半導体モジュールでは、絶縁配線基板を構成する絶縁性薄板としてのセラミックス基板の線膨張係数が一般的に３×１０−６／℃〜８×１０−６／℃程度である。これに対し、フィンベースを構成する放熱基板の線膨張係数は、例えばアルミニウムの場合２３×１０−６／℃程度、銅の場合１７×１０−６／℃程度であり、絶縁性薄板に比べて大きい。これらの線膨張係数差によって、熱サイクル時に熱応力が発生し、この熱応力により、絶縁配線基板の金属層とフィンベースの放熱基板との間に設けられ、金属層と放熱基板とを接合するはんだ層にクラックが発生し、破断が生じる問題があった。【０００８】
近年、電力用半導体モジュールは、小型化や高耐熱化に対する要求が厳しいものになってきている。これらの要求に対応する一つの方策として、フィンと一体に接合される放熱基板の薄板化がある。放熱基板を薄くすると、熱抵抗を低下することができ、電力用半導体モジュールの半導体素子の温度Ｔｊを下げることが可能となるからである。しかし、一方で、放熱基板を薄くすると放熱基板が容易に変形するようになり、モジュール全体の反りが大きくなる。反りが大きいと、絶縁配線基板と放熱基板とを接合しているはんだ層にクラックが入り易くなる問題があった。【０００９】
そこで、本発明は、前述の問題点を考慮して、絶縁配線基板の下側に接合される放熱基板を薄くしてもモジュール全体の反りを抑制でき、かつ絶縁配線基板と放熱基板とを接合するはんだ層にクラックが発生し難い電力用半導体モジュール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】
【００１０】
前述した課題を解決して、その目的を達成するために、本発明は、絶縁配線基板と、該絶縁配線基板の一方の主面上に搭載された半導体素子と、該絶縁配線基板の他方の主面に接合された放熱基板と、該放熱基板の他方の主面に一端が固定され他端が自由端の複数のフィンと、該複数のフィンを収容し該フィン間に冷却液を流動させるためのウォータージャケットとを備える半導体モジュールにおいて、前記複数のフィンの少なくとも一部の前記他端が、前記ウォータージャケットに接合されて補強フィンにされている電力用半導体モジュールとする。【００１１】
前記絶縁配線基板が絶縁性薄板と、該絶縁性薄板の一方の主面に接合される金属回路配線層と、他方の主面に接合される金属層とを備えることが好ましい。
また、前記補強フィンは、前記絶縁配線基板の下方であって、かつ、前記絶縁配線基板の１辺の長さをＡ、前記絶縁配線基板の端から前記補強フィンまでの距離をＢとしたとき、Ｂ／Ａの比率が百分率で２０％以下の位置にあるものを含むことが好ましい。
また、前記補強フィンは、前記絶縁配線基板の下方であって、かつ、前記絶縁性基板の対向する両側辺から前記距離Ｂをおいて内側に位置する少なくとも一対のものを含むことが好ましい。【００１２】
また、前記補強フィンの前記他端は、前記ウォータージャケットに接合された領域と、自由端の領域とを備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、絶縁配線基板の下側に接合される放熱基板を薄くしてもモジュール全体の反りを抑制でき、かつ絶縁配線基板と放熱基板とを接合するはんだ層にクラックが発生し難い電力用半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態の電力用半導体モジュールの断面模式図である。
【図２】比較実験例１にかかる従来の電力用半導体モジュールの断面図である。
【図３】本発明の一実施形態の電力用半導体モジュールであって、絶縁配線基板のサイズＡと、この絶縁配線基板の端から補強フィンまでの距離Ｂを示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態を含む実験例１〜３と、比較実験例１〜４である。熱応力シミュレーションによって、Ｂ／Ａ比率（％）と、比較実験例１と比較した反り量の比率（％）と、比較実験例１と比較した塑性ひずみ振幅の比率（％）との関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の電力用半導体モジュールにかかる実施例について、図面を参照して詳細に説明する。以下の実施例の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、実施例で説明される添付図面は、見易くまたは理解し易くするために正確なスケール、寸法比で描かれていない。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。
【００１６】
まず、本発明の電力用半導体モジュールの実施形態の全般的な技術思想または考え方について、図面を用いて説明する。図１に断面図で示す本発明の一実施形態の電力用半導体モジュール１００は、図示の範囲では半導体素子４の数は４つ示されているが、図示範囲外の半導体素子を含めると、例えば６つのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と６つのフリーホイールダイオード（Ｆｒｅｅ  Ｗｈｅｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：ＦＷＤ）を有して、三相インバータ回路を構成してもよい。
【００１７】
絶縁配線基板１は、絶縁性薄板７、金属回路配線層６および金属層８で構成されている。金属回路配線層６は絶縁性薄板７のおもて面に配置されている。金属層８は、絶縁性薄板７の裏面に配置されている。金属回路配線層６の上には、はんだ層５を介して半導体素子４が接合されている。
【００１８】
半導体素子４は、その上部に図示していない上部電極を設け、この上部電極からボンディングワイヤ３を介して、外部導出用電極端子１２に導電接続される。ボンディングワイヤ３の接続先は、外部導出用電極端子１２に代わって、金属回路配線層６の所要の場所にしてもよい。
【００１９】
フィンベース１０は、放熱基板１０ａと、この放熱基板１０ａの下面に一端を接合されて取付けられたフィン１０ｂおよび補強フィン１０ｃとで構成される。ウォータージャケット１１は、フィン１０ｂおよび補強フィン１０ｃを覆うように放熱基板１０ａに接合されている。金属層８は、放熱基板１０ａ表面にはんだ層９を介して接合される。
【００２０】
フィンベース１０の放熱基板１０ａ表面上にはんだ接合された前記絶縁配線基板１と半導体素子４は、半導体素子４の高さより高い樹脂ケース２により囲まれることが好ましい。側面を樹脂ケース２、底部をフィンベース１０とで囲まれた空間は、図示しない樹脂を注いで埋めるか、あるいは図示しない樹脂蓋により覆う。樹脂で埋めることと、樹脂蓋で覆うことを両方実施してもよい。この結果、内部の半導体素子４は外部環境および機械的外部応力から保護される。
【００２１】
この絶縁配線基板１は既知の部品であり、例えばセラミックス基板などの絶縁性薄板７と、この絶縁性薄板７のおもて面に直接接合またはロウ付けされる薄い金属回路配線層６と、この絶縁性薄板７の裏面に接合される金属層８からなる構成を有する。絶縁配線基板１の絶縁性薄板７として、例えば窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、または窒化ケイ素等を原材料としたセラミックス基板を用いることができる。絶縁配線基板１を構成する金属回路配線層６と金属層８は、銅やアルミニウム等の良導電性の金属箔を用いて絶縁性薄板７に予め直接接合またはロウ付けされている。
【００２２】
なお、図１では２個ずつの半導体素子４が絶縁配線基板１上に接合される構成を図示しているが、本発明の電力用半導体モジュール１００は、絶縁配線基板１上に接合される半導体素子４が２個である場合に限られず、１個でもよいし、３個以上でもよい。
【００２３】
また図１の電力用半導体モジュール１００では、２個の半導体素子４が絶縁配線基板１上に接合される絶縁配線基板１を２枚備える構成として示されているが、本発明の電力用半導体モジュール１００は、絶縁配線基板１が２枚の構成に限定されるものではない。絶縁配線基板１の枚数は、電力用半導体モジュール１００が採用される外部回路、およびその用途又は機能に応じて、適宜に変更可能である。
【００２４】
半導体素子４が搭載された絶縁配線基板１が、絶縁配線基板１の下面の金属層８とフィンベース１０との間ではんだ層９を介して接合されると、半導体素子４からフィンベース１０の間の熱抵抗を低い状態にできる。
【００２５】
フィン１０ｂおよび補強フィン１０ｃの形態としては、例えば、ブレードフィン、コルゲートフィン、ピンフィンが用いられる。ブレードフィンとは、ブレード（ｂｌａｄｅ）形状の複数のフィンが互いに平行に所定の間隔で放熱基板１０ａに接合されたものである。コルゲートフィンとは、一枚の板を一定の距離間隔で周期的に折り畳んで放熱基板１０ａに接合されたものである。ピンフィンとは、放熱基板１０ａに円柱又は角柱形状のピンを複数個、所定の間隔を空ける配列で接合させたものである。フィンの形態は、これらのブレードフィン、コルゲートフィン、ピンフィンに限られず、さらに異なる様々な形態のものを用いることが可能である。ただし、フィンは冷却液をフィンの間隙に流したときに抵抗になるので、冷却液の流れ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。
前述したように、フィンベース１０は、放熱基板１０ａの下面に一端を接合されて取付けられたフィン１０ｂおよび補強フィン１０ｃを有している。フィン１０ｂは、放熱基板１０ａから離れた他端が自由端となっており、補強フィン１０ｃは、放熱基板１０ａから離れた他端がウォータージャケット１１に接合されている。
従来は、すべてのフィンが、フィンベース１０から離れた他端が自由端となっていた。しかし、上記従来の態様では、熱抵抗を低減し半導体素子４の接合温度Ｔｊを下げる目的で、フィンの一端側を固定している放熱基板１０ａを薄くした場合、フィンベース１０が変形し易くなってモジュール全体の反りが増大し、放熱基板１０ａと絶縁配線基板１とを接合しているはんだ層９に熱応力が集中し易くなる。このはんだ層９に熱応力が集中すると、はんだ層９にクラックが入るなどの問題が生じ、接合面の破断に至る恐れが生じるという問題があった。
本発明では、複数のフィンのうち、少なくとも一部のフィンの自由端（他端側）をウォータージャケット１１に接合して補強フィン１０ｃとすることにより、フィンベース１０の変形によるモジュール全体の反りを抑制し、はんだ層９にクラックが入るなどの問題を回避できるようにした。
本発明では、すべてのフィンの他端をウォータージャケット１１に接合し固定して補強フィン１０ｃとすることもできるが、その場合には、圧力損失が上昇するデメリットが発生する。したがって、フィンの一部を補強フィン１０ｃとし、他のフィン１０ｂは、放熱基板１０ａから離れた他端が自由端となっていることが好ましい。
【００２６】
本発明の電力用半導体モジュール１００では、フィン１０ｂおよび補強フィン１０ｃは、その一端側を放熱基板１０ａに接合され、フィン１０ｂ、１０ｃと放熱基板１０ａとが一体化されている。一体化する手段は、鋳造、ロウ付け、溶接、押し出し法などを利用できる。またさらに、ダイキャストやプレス鍛造によって、フィン１０ｂ、１０ｃの概略的な外形となる凸部を、放熱基板１０ａと同時に形成した後、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仕上げ加工することによってフィンベース１０を形成することもできる。また、プレス鍛造法のみでフィン１０ｂ、１０ｃと放熱基板１０ａとを一体的に形成することも可能である。
そして、絶縁配線基板１の下側に位置するフィンのうちの一部の他端をウォータージャケット１１に接合して補強フィン１０ｃにする。補強フィン１０ｃの他端は、ウォータージャケット１１に接合された領域と、自由端の領域とを備えることにしてもよい。自由端の領域が広い程、冷却液が通流する際の圧力損失が少なくなるため、冷却液を送液するポンプの負荷を低減できる。
【００２７】
さらに、図１に示すように、ウォータージャケット１１は、フィン１０ｂと補強フィン１０ｃとを内部に収容するために、放熱基板１０ａの周縁の下面に接合されるように上部が開口となっている凹型形状を有する。また、ウォータージャケット１１は図示しない冷却液の導入口及び排出口を有する。このようなウォータージャケット１１内での冷却液流動によりフィン１０ｂ、補強フィン１０ｃは冷却液で冷却される。排出された冷却液は、回収され、図示しない熱交換器で外部に熱を放出させた後、図示しないポンプにより導入口に導かれて循環する。ウォータージャケット１１は、放熱基板１０ａ、フィン１０ｂ、補強フィン１０ｃと同様に、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る。
【実施例】
【００２８】
次に、本発明の電力用半導体モジュール１００の具体的な一実施例の構造について、図１〜図４と表１を参照して、発明の効果とともに詳細に説明する。図１に示す絶縁配線基板１は、絶縁性薄板７と、絶縁性薄板７のおもて面側の金属回路配線層６と、絶縁性薄板７の裏面側の金属層８で構成されている。絶縁性薄板７は、０．３２ｍｍ厚の窒化ケイ素を主成分とするセラミックス基板とした。表面側の金属回路配線層６と裏面側の金属層８はそれぞれ０．４ｍｍ厚の銅箔とし、絶縁性薄板７と銅箔との共晶反応により予め直接接合させたものを用いた。絶縁配線基板１とフィンベース１０の放熱基板１０ａとの間は、はんだ層９としてＳｎ−Ｓｂ系はんだを用いて約０．４５ｍｍ厚にて接合させた。【００２９】
フィンベース１０は、アルミニウム材を押し出し成型にて形成した。放熱基板１０ａの厚さは、１ｍｍとし、従来の放熱基板の厚さ２．０〜５．０ｍｍに比べて薄くした。フィン１０ｂおよび補強フィン１０ｃの厚さを０．８ｍｍにて形成した。一端が放熱基板１０ａに接合され他端がすべて自由端となる従来のフィンベースの場合、放熱基板１０ａの厚さは少なくとも１．２ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍ以上でないと、放熱基板１０ａに加わる応力により、フィンベース１０の変形が生じることがある。フィンベース１０の変形が生じると、絶縁配線基板１と放熱基板１０ａとの間を接合しているはんだ層９にクラックが入る恐れが生じる。【００３０】
本発明にかかるフィンベース１０の放熱基板１０ａを従来のものに比べて薄くすることができる理由は、フィンの他端をすべて自由端とせず、自由端を有するフィン１０ｂと、他端がウォータージャケット１１に接合される補強フィン１０ｃとを共に備える構成とするからである。さらに、本発明の好ましい態様では、この補強フィン１０ｃを配置させる場所に特徴がある。すなわち、絶縁配線基板１の一辺の長さをＡとし、絶縁配線基板１の端から、絶縁配線基板１の内側の位置に配置した補強フィン１０ｃの位置までの距離をＢとしたとき、補強フィン１０ｃを配置させる場所を、絶縁配線基板１の端から内側方向に、Ｂ／Ａが百分率で好ましくは２０％以内、より好ましくは１５％以内とすることである。このような補強フィン１０ｃの配置構成とした理由について、シミュレーションによる実験結果を含めて、以下説明する。【００３１】
放熱基板１０ａ、フィン１０ｂ、補強フィン１０ｃ及びウォータージャケット１１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る。より好ましくは、アルミニウム又はアルミニウム合金を用いることができる。放熱基板１０ａ、フィン１０ｂ、補強フィン１０ｃ及びウォータージャケット１１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。同種の金属材料であると、製造が容易である。【００３２】
前述の本発明の特徴にかかる補強フィン１０ｃの配置を有する構成と、補強フィン１０ｃを全く有しない構成を持つ電力用半導体モジュールについて、熱応力シミュレーションにより、熱サイクル時にはんだ層９に発生する塑性ひずみ振幅および、はんだ付け後のモジュールの反り量との関係を調べた。【００３３】
ここで、塑性ひずみ振幅に関する既知の法則について説明する。一般的にはんだの低サイクル疲労寿命は、下式のマンソン−コフィン則に従うとされる。
ΔεｐＮｆｂ＝Ｃ（Δεｐ：塑性ひずみ振幅、Ｎｆ：疲労寿命、ｂおよびＣ：材料による定数）
したがって、疲労寿命を延ばすためには、前記マンソン−コフィン則から塑性ひずみ振幅を小さくすれば良いことが分かる。【００３４】
表１に、本発明の電力用半導体モジュールの実験例と比較実験例について熱応力シミュレーションに使用したデータと得られた結果の値の一覧を示す。【００３５】
【表１】
2015033724.tif 000003
【００３６】
表１では、すべてのフィン１０ｂの他端が自由端の場合を比較実験例１とする。比較実験例１にかかる電力用半導体モジュールの断面図を図２に示す。図２が図１に示す電力用半導体モジュールの断面図と異なる点はフィンベース１０のフィン１０ｂの他端がすべて固定されず自由端となっている点である。図１と図２で寸法などは縮尺が違っているので異なるように見えるが、前述の異なる点以外は、樹脂ケース２およびボンディングワイヤ３が図面の簡略化の観点で省略されている点を除き同じである。【００３７】
図３は実験例１〜３にかかる本発明の電力用半導体モジュールの断面図である。図３は図１の断面模式図と異なる寸法比率で描かれているが、同じ本発明の電力用半導体モジュールの構造を示す断面図である。図３の電力用半導体モジュールでは、フィンの一部の他端がウォータージャケット１１に接合されて、補強フィン１０ｃをなしていることが特徴である。
表１における実験例１〜３および比較実験例４は、絶縁配線基板１の端から補強フィン１０ｃまでの距離Ｂがそれぞれ異なる。実験例１〜３は、本発明の効果がより良好に得られる実験例である。実験例１〜３の補強フィン１０ｃの位置は、絶縁配線基板１の下方にあって、前記距離Ｂが、絶縁配線基板１の１辺の長さをＡに対して、比率Ｂ／Ａの百分率で２０％以下となっている。
一方、比較実験例４では、補強フィン１０ｃの位置は、絶縁配線基板１の下方にあるが、比率Ｂ／Ａの百分率で、２０％を超える５０％となっている。
表１における比較実験例１は、図２に示すように、全てのフィンが自由端を有するフィン１０ｂとなっていて、補強フィン１０ｃを有さない例である。
一方、表１における比較実験例２、３（図示せず）は、補強フィン１０ｃの位置が実験例１〜３および比較実験例４とは異なり、絶縁配線基板１の下方には無い場合で、絶縁配線基板１の下方から離れたところに設けられている場合である。表１および図４では、そのような絶縁配線基板１の端からの距離ＢおよびＢ／Ａの百分率にマイナス（−）記号を付けて示した。【００３８】
図４は、前記表１の値を基にグラフ化したものであり、絶縁配線基板１の端からウォータージャケット１１に接合された補強フィン１０ｃまでの距離と反り量および塑性ひずみ振幅との関係図である。図４の横軸は、絶縁配線基板１の一辺の長さを１００％としたときに、絶縁配線基板１の端からウォータージャケット１１に接合される補強フィン１０ｃまでの距離の比率Ｂ／Ａ（％）である。また縦第１軸（左側）はすべてのフィン他端をウォータージャケットに接合しない構造の場合（比較実験例１）の塑性ひずみ振幅を１００％とした場合の塑性ひずみ振幅の比率を百分率（％）で示している。縦第２軸（右側）は、比較実験例１の反り量を１００％とした場合の反り量の比率を百分率（％）で示している。
各実験例１〜３および比較実験例２〜４について、塑性ひずみ振幅の比率を□で、反り量の比率を■で表している。【００３９】
図４から、実験例１〜３は比較実験例１（１００％とする）に比べて、塑性ひずみ振幅が８４％から８９％程度に低減し、反り量は３９％から４９％程度にそれぞれ小さくなっている。
比較実験例４は、比較実験例１と比べて反り量は６６％とそれなりに小さくなっているが、塑性ひずみ振幅は９９％とほとんど同じである。【００４０】
比較実験例２，３は、グラフ横軸で距離Ｂが０より左側のマイナス（−）のところに示されている。比較実験例２と３の塑性ひずみ振幅の比較実験例１（１００％）に対する比率は１０４％と１０１％であり、反り量は８４％と７１％であり、反り量は若干小さくなっているが、塑性ひずみ振幅はほとんど変わらないかむしろ少し大きくなっている。【００４１】
以上の説明により、図４から、補強フィン１０ｃまでの距離が絶縁配線基板１の一辺の長さの０％〜２０％の範囲において、塑性ひずみ振幅が比較実験例より１０％以上低減できており、かつ反り量が５０％以上低減でき、良好な結果が得られることが分かる。
なお、比較実験例２，３，４においても、補強フィンを設けない比較実験例１に比べると、反り量は低減されており、本発明の効果がある程度は達成されるものである。
なお、実験例１〜３及び比較実験例２〜４では、補強フィン１０ｃは、各絶縁配線基板１の対向する両側辺に近接して一対ずつ設けられている。このように、本発明では、補強フィン１０ｃは、少なくとも、絶縁配線基板１の対向する両側辺に近接して一対ずつ設けられていることが好ましい。【００４２】
以上説明した実施例の電力用半導体モジュールによれば、絶縁配線基板の下側に接合される放熱基板を薄くしても絶縁配線基板と放熱基板とを接合するはんだ層に生じる応力集中を緩和し、はんだ層にクラックが発生し難いフィン一体型直接水冷構造を備える電力用半導体モジュールを提供することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１：絶縁配線基板
２：ケース
３：ホンディングワイヤー
４：半導体素子
５：はんだ層
６：金属回路配線層
７：絶縁性薄板
８：金属層
９：はんだ層
１０：フィンベース
１０ａ：放熱基板
１０ｂ：フィン
１０ｃ：補強フィン
１１：ウォータージャケット
１２：外部導出用電極端子
１００：電力用半導体モジュール
【図１】
2015033724.tif 000004
【図２】
2015033724.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年8月1日(2016.8.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁配線基板と、該絶縁配線基板の一方の主面上に搭載された半導体素子と、該絶縁配線基板の他方の主面に接合された放熱基板と、該放熱基板の他方の主面に一端が固定され他端が自由端の複数のフィンと、該複数のフィンを収容し該フィン間に冷却液を流動させるためのウォータージャケットとを備える電力用半導体モジュールにおいて、
前記複数のフィンの一部の前記他端が、前記ウォータージャケットに接合されて補強フィンにされており、
前記補強フィンは、前記絶縁配線基板の下方であって、かつ、前記絶縁配線基板の１辺の長さをＡ、前記絶縁配線基板の端から前記補強フィンまでの距離をＢとしたとき、Ｂ／Ａの比率が百分率で２０％以下の位置にあるものを、前記絶縁配線基板の対向する両側辺に近接して少なくとも一対含むことを特徴とする電力用半導体モジュール。
【請求項２】
前記絶縁配線基板が、絶縁性薄板と、該絶縁性薄板の一方の主面に接合される金属回路配線層と、他方の主面に接合される金属層とを備えることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項３】
前記補強フィンの前記他端は、前記ウォータージャケットに接合された領域と、自由端の領域とを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力用半導体モジュール。
【国際調査報告】
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