(57)【要約】【課題】パワー半導体素子および絶縁基板のはんだ接合不均一を解決し、さらにはパワー半導体素子の放熱不均一をも解決することができるパワー半導体モジュール、および該モジュールを搭載したパワー半導体デバイスを提供する。【解決手段】本発明に係るパワー半導体モジュールは、放熱フィン４と周壁部５が一体成形されてフィン付ベースプレート２を構成し、放熱フィン４の突出量が周壁部５の突出量以下であり、周壁部５の周壁端面が同一平面となっている。また、本発明に係るパワー半導体デバイス１０は、上記パワー半導体モジュールと冷却ジャケット１１とで冷却媒体の流路を形成し、給水口１２と排水口１３が流路の隅部対角位置に配置されている。【選択図】図７
2008251932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のパワー半導体素子と、
前記複数のパワー半導体素子が表面にはんだ接合される複数の絶縁基板と、
前記複数の絶縁基板の裏面側が表面にはんだ接合される平板状のベースプレートと、
前記ベースプレートの裏面側の、前記複数の絶縁基板と前記ベースプレートの接合領域に相対向する領域から突出した複数の放熱フィンと、
前記複数の放熱フィンの周囲を取り囲むように前記ベースプレートの裏面側から突出した周壁部とを備え、
前記ベースプレート、前記複数の放熱フィンおよび前記周壁部は一体成形されるフィン付ベースプレートを構成し、前記複数の放熱フィンが冷却媒体の通流方向に沿って配置され、前記複数の放熱フィンの突出量が前記周壁部の突出量以下であり、かつ、前記周壁部の端面が同一平面であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
複数のパワー半導体素子と、
前記複数のパワー半導体素子が表面にはんだ接合される熱拡散板と、
前記熱拡散板の裏面側に配置される絶縁樹脂層と、
前記絶縁樹脂層が表面に密着して配置される平板状のベースプレートと、
前記ベースプレートの裏面側の、前記絶縁樹脂層と前記ベースプレートの接合領域に相対向する領域から突出した複数の放熱フィンと、
前記複数の放熱フィンの周囲を取り囲むように前記ベースプレートの裏面側から突出した周壁部とを備え、
前記ベースプレート、前記複数の放熱フィンおよび前記周壁部は一体成形されるフィン付ベースプレートを構成し、前記複数の放熱フィンが冷却媒体の通流方向に沿って配置され、前記複数の放熱フィンの突出量が前記周壁部の突出量以下であり、かつ、前記周壁部の端面が同一平面であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項３】
前記複数の放熱フィンの突出量と前記周壁部の突出量との差が、０．２〜１．０ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
前記周壁部の端面の面粗度が、２μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
前記複数の放熱フィン間を流れる冷却媒体の通流方向に対して直角に位置する前記周壁部の内壁に１５〜４５°のテーパーを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
前記フィン付ベースプレートは、熱膨張係数が３〜１０ｐｐｍ／℃のアルミニウムと炭化ケイ素の複合材であることを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項７】
前記絶縁基板が、絶縁性セラミックス層と、該層の両面に貼り合わされた金属層からなることを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項８】
前記フィン付ベースプレートがリング形状かつ平板形状を有し、前記複数の放熱フィンがリング形状中心軸に対して同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載のパワー半導体モジュールと、
前記パワー半導体モジュールの前記周壁部の端面にシール材を介して貼り合わされて、前記複数の放熱フィン間に冷却媒体の流路を形成する冷却ジャケットとからなり、
前記冷却ジャケットは、
前記流路内に冷却媒体を導入する給水口と、
前記流路から前記冷却媒体を排出する排水口と、
を備え、前記給水口と前記排水口が、前記流路の隅部対角位置に配置されていることを特徴とするパワー半導体デバイス。
【請求項１０】
前記シール材が、エチレンプロピレン系またはシリコーン系樹脂を主成分とする弾性材料からなる、Ｏリングまたはメタルガスケットであることを特徴とする請求項９に記載のパワー半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケイ素（Ｓｉ）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳ  ＦＥＴ等のパワー半導体素子を備えたパワー半導体モジュール、および該モジュールを搭載したパワー半導体デバイスに関し、特にパワー半導体素子を搭載した絶縁基板をフィン付ベースプレート上に配置し、該フィンが直接冷却されるパワー半導体モジュール、および該モジュールを搭載したパワー半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、ハイブリッド自動車または電気自動車には、大容量の走行用モータを駆動すべく電力変換装置（以下、インバータ）が使用されている。インバータには、ＩＧＢＴモジュール等のパワー半導体モジュールが使用され、直流電力を三相交流電力に変換して走行用モータを駆動するとともに、三相交流電力を直流電力に変換してエネルギーを回生するようになっている。
パワー半導体モジュールは、大電流を制御して走行用モータを駆動するため、発熱量が非常に大きい。その一方で、上記ハイブリッド自動車または電気自動車に搭載されるパワー半導体モジュールには小形化が要求されている。従って、パワー半導体モジュールの冷却は、冷却効率が高い水冷構造とするのが一般的である。
【０００３】
図１に、内部に冷却媒体が循環される冷却ジャケットの載置面上に、パワー半導体モジュールを搭載して放熱する、いわゆる間接冷却構造の一例を示す。
図１（Ａ）に示すように、パワー半導体モジュール２０は、冷却ジャケット２１の載置面２１ａ上にネジ止め固定される。パワー半導体モジュール２０と冷却ジャケット２１の接触面には、熱抵抗低減用のシリコングリースが塗布され、熱伝導性が高められている。給水口２３から導入された冷却媒体は、冷却ジャケット２１の内部を通った後に、排水口２４から排出される。冷却ジャケット２１の内部には、１〜２ｍｍピッチで並んだ放熱フィン２２が一体成形され、放熱性能が高められている。
【０００４】
図１（Ｂ）は、パワー半導体モジュール２０と冷却ジャケット２１を組み合わせたパワー半導体デバイスを図１（Ａ）に示すＢ方向から見た断面図である。
パワー半導体モジュール２０は、パワー半導体素子２８が搭載された絶縁基板３１をベースプレート２５の表面にはんだ接合し、さらに、素子周囲を取り囲むようにハウジング２６をベースプレート２５に取り付けて構成される。絶縁基板３１は、熱伝導特性が良好でかつ熱膨張係数がＳｉに近い絶縁性セラミックス（例えば、窒化アルミニウムまたは窒化ケイ素）等の絶縁材料からなる絶縁層３０と、その両面に設けられた銅またはアルミニウム等からなる金属層２９で構成される。上側の金属層２９には、パワー半導体素子２８がはんだ接合される。また、下側の金属層２９は、ベースプレート２５の表面にはんだ接合される。
【０００５】
金属層２９の厚さは、回路パターンに流れる電流量を考慮して決定される。また、ベースプレート２５の厚さは、熱拡散板としての機能を高めるために通常３〜４ｍｍに設定され、熱容量が高められている。
ハウジング２６には外部端子２７が一体成形され、パワー半導体素子２８または上側の金属層２９と外部端子２７とがアルミワイヤでボンディング接続されている。
【０００６】
上述したように、図１（Ａ）および（Ｂ）に示した間接冷却構造のパワー半導体デバイスは、パワー半導体モジュール２０と冷却ジャケット２１との熱抵抗を低減すべく、その接触面にシリコングリースが塗布されている。しかしながら、通常使用されるシリコングリースの熱伝導率は、ベースプレート２５や絶縁基板３１の熱伝導率と比較して２桁以上小さい１Ｗ／ｍ・Ｋ程度で、パワー半導体素子２８の発熱を冷却ジャケット２１側に十分伝導できず、満足する放熱性能が得られていなかった。
【０００７】
そこで、例えば特許文献１では、図２に示すように、ベースプレート自体に放熱フィン２２を一体成形してフィン付ベースプレート３２として、冷却ジャケット３３の内部を循環する冷却媒体でフィン付ベースプレート３２の下面側を直接冷却するようにした直接冷却構造のパワー半導体デバイスが提案されている。
【特許文献１】特開２００４−２３５１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に係るパワー半導体デバイスにおいても、以下に示す２つの課題を有していた。
【０００９】
［第１の課題］（はんだ接合の均一化）
第１の課題である「はんだ接合の均一化」について説明するにあたり、まず、パワー半導体素子２８と絶縁基板３１、および絶縁基板３１とフィン付ベースプレート３２のはんだ接合工程について説明する。
【００１０】
図２に示すパワー半導体デバイスにおいて、パワー半導体素子２８と絶縁基板３１、および絶縁基板３１とフィン付ベースプレート３２は接合面積が大きいため、大気中ではんだ接合を行うと溶融したはんだ層３４の内部に気泡による空隙（以下、ボイド）が生じる虞がある。ボイドが生じると、パワー半導体素子２８の発熱がフィン付ベースプレート３２まで効率よく伝達されず、パワー半導体素子２８の十分な放熱が行えなくなり、使用電流範囲が制限される等の問題が発生する。このため、上記はんだ接合は、減圧雰囲気ではんだ溶融を行うことができる真空リフロー炉を用いて行われる。
【００１１】
図３に、真空リフロー炉における、パワー半導体素子２８と絶縁基板３１、および絶縁基板３１とフィン付ベースプレート３２のはんだ接合工程の態様を示す。パワー半導体素子２８と絶縁基板３１との間には、パワー半導体素子２８と略同サイズのはんだ箔３４’が配置される。また、絶縁基板３１とフィン付ベースプレート３２の間には、絶縁基板３１と略同サイズのはんだ箔３４’が配置される。はんだ箔３４’を配置する替わりに、はんだペーストを塗布してもよい。パワー半導体素子２８および絶縁基板３１が配置されたフィン付ベースプレート３２は、平坦なヒーター伝熱板５０上に載置される。真空リフロー炉の熱源（下面ヒーター５１、上面ヒーター５２）は、ヒーター伝熱板５０内、および天井部にそれぞれ配置されている。
【００１２】
はんだ接合は、まず、真空リフロー炉内を大気状態からＮ２雰囲気状態に置換し、温度をはんだ溶融点の直前まで上昇させる。そして、その状態を一定時間保持することによって、フィン付ベースプレート３２および絶縁基板３１の内部温度を均一化するとともに、はんだ箔３４’を軟化させる。次に、真空リフロー炉内のＮ２を排気し、真空度を数ｋＰａまで減圧した後、はんだ溶融点よりも高い温度で一定時間保持し、はんだを溶融させる。はんだ溶融時に減圧するのは、はんだ箔３４’の内部に生じた気泡を外部に排出して、ボイド発生を抑制するためである。
【００１３】
真空リフロー炉内における加熱には、上面ヒーター５２および／または下面ヒーター５１が使用されるが、減圧時には、下面ヒーター５１の固体熱伝導が支配的な役割を果たし、上面ヒーター５２からの輻射熱伝導は、補助的に寄与するのみである。
従って、図２に示すフィン付ベースプレート３２を用いたパワー半導体モジュールにおいて、パワー半導体素子２８と絶縁基板３１、および絶縁基板３１とフィン付ベースプレート３２のはんだ接合の均一性は、放熱フィン２２の先端とヒーター伝熱板５０との接触の安定性に大きく依存することになる。
【００１４】
通常、フィン付ベースプレート３２の成形は、その素材として銅を使用した場合には押出成形によって行われ、ＡｌとＳｉＣの複合体を用いた場合にはグリーン加工、または金型による成形によって行われる。
しかしながら、いずれの成形方法によっても、放熱フィン２２の形状（特に、突出量）に多少のばらつきが生じ、全ての放熱フィン２２をヒーター伝熱板５０に均等に接触させるのは困難であった。このため、ヒーター伝熱板５０からフィン付ベースプレート３２および絶縁基板３１への熱伝導に不均一が生じ、はんだ箔３４’の溶融むらによるボイドが発生していた。
【００１５】
［第２の課題］（パワー半導体素子の放熱均一化）
次に、第２の課題である「冷却媒体流路の流量分布均一化」について、図２に示すパワー半導体デバイスの平面図（図４（Ａ））、および図２とは直角方向から見た断面図（図４（Ｂ））を用いて説明する。なお、図４（Ａ）では、絶縁基板３１上に搭載されるパワー半導体素子を省略している。
【００１６】
図４（Ａ）および（Ｂ）に示すパワー半導体デバイスにおいて、冷却媒体は、液体ガスケットで貼り合わされた２つの筐体部材３６、３６’で形成される流路を、給水口２３から排水口２４に向かって通流する。フィン付ベースプレート３２は、放熱フィン２２を筐体３７の開口部に嵌合し、その周辺をネジ止めして筐体３７に固定される。冷却媒体の流路は、フィン付ベースプレート３２および筐体部材３６の間に挟まれるＯリング３５で液密封止される。
【００１７】
上記パワー半導体デバイスにおける冷却媒体の流量は、図４（Ａ）に矢印で示すようになる。すなわち、給水口２３−排水口２４間の流路距離は、内回り（給水口２３の左端〜排水口２４の右端）が短く、外回り（給水口２３の右端〜排水口２４の左端）が長い。また、冷却媒体の流量は流路距離に依存し、冷却能力は流量に依存する。従って、絶縁基板３１上のパワー半導体素子（図示せず）は、搭載される場所によって冷却媒体による冷却度合いにばらつきが生じることになる。その結果、十分に冷却されないパワー半導体素子は温度上昇が顕著となり、使用電流範囲が制限される等の問題が生じていた。
【００１８】
以上のことから、本発明は、第１の課題であるパワー半導体素子と絶縁基板、および絶縁基板とフィン付ベースプレートのはんだ接合の不均一を解決することができるパワー半導体モジュール、および該モジュールを搭載したパワー半導体デバイスを提供することを課題とする。
また、本発明は、第１の課題とともに、第２の課題である冷却媒体の流量分布不均一に伴うパワー半導体素子の放熱の不均一をも解決することができるパワー半導体モジュール、および該モジュールを搭載したパワー半導体デバイスを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明に係るパワー半導体モジュールは、複数のパワー半導体素子と、前記複数のパワー半導体素子が表面にはんだ接合される複数の絶縁基板と、前記複数の絶縁基板の裏面側が表面にはんだ接合される平板状のベースプレートと、前記ベースプレートの裏面側の、前記複数の絶縁基板と前記ベースプレートの接合領域に相対向する領域から突出した複数の放熱フィンと、前記複数の放熱フィンの周囲を取り囲むように前記ベースプレートの裏面側から突出した周壁部とを備え、前記ベースプレート、前記複数の放熱フィンおよび前記周壁部は一体成形されるフィン付ベースプレートを構成し、前記複数の放熱フィンが冷却媒体の通流方向に沿って配置され、前記複数の放熱フィンの突出量が前記周壁部の突出量以下であり、かつ、前記周壁部の端面が同一平面であることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係るもう一つのパワー半導体モジュールは、複数のパワー半導体素子と、前記複数のパワー半導体素子が表面にはんだ接合される熱拡散板と、前記熱拡散板の裏面側に配置される絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層が表面に密着して配置される平板状のベースプレートと、前記ベースプレートの裏面側の、前記絶縁樹脂層と前記ベースプレートの接合領域に相対向する領域から突出した複数の放熱フィンと、前記複数の放熱フィンの周囲を取り囲むように前記ベースプレートの裏面側から突出した周壁部とを備え、前記ベースプレート、前記複数の放熱フィンおよび前記周壁部は一体成形されるフィン付ベースプレートを構成し、前記複数の放熱フィンが冷却媒体の通流方向に沿って配置され、前記複数の放熱フィンの突出量が前記周壁部の突出量以下であり、かつ、前記周壁部の端面が同一平面であることを特徴とする。
【００２１】
好ましくは、上記パワー半導体モジュールの前記複数の放熱フィンの突出量と前記周壁部の突出量との差は、０．２〜１．０ｍｍである。
また、好ましくは、上記パワー半導体モジュールの前記周壁部の端面の面粗度は、２μｍ以下である。
また、好ましくは、上記パワー半導体モジュールは、前記複数の放熱フィン間を通流する冷却媒体の通流方向に対して直角に位置する前記周壁部の内壁に１５〜４５°のテーパーが設けられる。
また、好ましくは、上記パワー半導体モジュールの前記フィン付ベースプレートは、熱膨張係数が３〜１０ｐｐｍ／℃のアルミニウム（Ａｌ）と炭化ケイ素（ＳｉＣ）の複合材である。
さらに好ましくは、上記パワー半導体モジュールの前記絶縁基板は、絶縁性セラミックス層と、該層の両面に貼り合わされた金属層からなる。
【００２２】
また、上記パワー半導体モジュールは、前記フィン付ベースプレートがリング形状かつ平板形状を有し、前記複数の放熱フィンがリング形状中心軸に対して同心円状に配置されていてもよい。
【００２３】
上記課題を解決するために、本発明に係るパワー半導体デバイスは、上記パワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの前記周壁部の端面にシール材を介して貼り合わされて、前記複数の放熱フィン間に冷却媒体の流路を形成する冷却ジャケットと、からなり、前記冷却ジャケットは、前記流路内に冷却媒体を導入する給水口と、前記流路から前記冷却媒体を排出する排水口とを備え、前記給水口と前記排水口が、前記流路の隅部対角位置に配置されている。
【００２４】
好ましくは、上記パワー半導体デバイスの前記シール材は、エチレンプロピレン系またはシリコーン系樹脂を主成分とする弾性材料からなる、Ｏリングあるいはメタルガスケットである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、パワー半導体素子と絶縁基板、および絶縁基板とフィン付ベースプレートのはんだ接合の不均一を解決することができるパワー半導体モジュール、並びに該モジュールを搭載したパワー半導体デバイスを提供することができる。また、本発明によれば、上記はんだ接合の不均一とともに、冷却媒体の流量分布不均一に伴うパワー半導体素子の放熱の不均一をも解決することができるパワー半導体モジュール、および該モジュールを搭載したパワー半導体デバイスを提供することができる。
【００２６】
さらに、本発明によれば、冷却媒体の流路の液密性を良好に確保することができるとともに、容易にフィン付ベースプレートを成形することができる。
【００２７】
また、フィン付ベースプレートをリング形状かつ平板形状にして、モータハウジングを利用して冷却媒体の流路を形成し、または、絶縁基板の替わりに安価な絶縁シートを利用することによって、製造コストを削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施形態について説明する。
【実施例１】
【００２９】
図５（Ａ）および（Ｂ）は、６００Ｖ／６００Ａクラスの直接冷却型パワー半導体モジュール１の斜視図で、（Ａ）は表面、（Ｂ）は裏面である。図５（Ａ）において、フィン付ベースプレート２の表面には、３個の絶縁基板３が配置されている。本実施例における各絶縁基板３は窒化アルミニウムからなり、構成は全て同一である。各絶縁基板３は、Ｕ相インバータの上下アーム、Ｖ相インバータの上下アーム、Ｗ相インバータの上下アームをそれぞれ構成するものである。
【００３０】
本実施例において、フィン付ベースプレート２の寸法は１０ｃｍ×２１ｃｍである。また、フィン付ベースプレート２の厚さは１１ｍｍであり、このうち表面側に位置する平板状のベースプレート２’は３ｍｍである。フィン付ベースプレート２の材質はＡｌ−ＳｉＣ複合材であり、その各面はＮｉメッキされている。
【００３１】
Ａｌ−ＳｉＣ複合材からなるフィン付ベースプレート２は、ＳｉＣを主成分とする素材に適当なバインダーを混合して成形し、この成形体を焼結して硬度を高めた後に、Ａｌを含浸して作成される。Ａｌ−ＳｉＣ複合材は、複雑な形状を金型成形するのに適しており、放熱フィン４を成形するために面倒な切削加工等を必要としない。
また、Ａｌ−ＳｉＣ複合材は、Ａｌの比率を３０〜４０％にし、熱膨張係数を他の構成部材に合わせて３〜１０ｐｐｍ／℃としている。これにより、フィン付ベースプレート２と他の構成部材との接触面において、温度変化に伴うストレスが発生するのを抑制することができる。さらに、ＳｉＣに上記比率でＡｌを含浸することによって、曲げ応力に対する耐性を改善することもできる。
【００３２】
また、本実施例における絶縁基板３の寸法は４．７ｃｍ×６．０ｃｍで、チップサイズ１０ｍｍ×１６ｍｍのＩＧＢＴ素子とチップサイズ７ｍｍ×１０ｍｍのＦＷＤ素子がそれぞれ４チップずつ融点２４０℃以上の鉛フリーはんだで接合されている。はんだ厚は約０．１ｍｍである。各素子の電圧／電流定格は６００Ｖ／３００Ａであり、２素子が並列接続されることにより、定格６００Ｖ／６００Ａのモジュールとなっている。
【００３３】
絶縁基板３とフィン付ベースプレート２は、融点約２００℃の鉛フリーはんだで接合されている。はんだ厚は約０．１ｍｍである。
なお、簡略化のために、図５（Ａ）では、フィン付ベースプレート２の表面側を覆うハウジングおよび接続用アルミワイヤを省略している。
【００３４】
図５（Ｂ）に示すように、フィン付ベースプレート２の裏面側に一体成形された放熱フィン４は、フィン付ベースプレート２の長手方向（冷却媒体通流方向）と平行に配置されている。本実施例において、放熱フィン４は１７本形成されており、それぞれ突出量８ｍｍ、幅１．５ｍｍである。また、放熱フィン４のピッチは３ｍｍ、放熱フィン４間の流路幅は１．５ｍｍである（図６（Ａ）参照）。
なお、本明細書中における放熱フィン４の突出量、および後述する周壁部５の突出量は、それぞれ、平板上のベースプレート２’の裏面からの量で定義されるものである。
【００３５】
放熱フィン４の周囲を取り囲む周壁部５の突出量は、放熱フィン４と同一か、または放熱フィン４よりも僅かに大きい（図６（Ｂ）参照）。また、周壁部５はベースプレート２’の裏面と平行な同一平面からなる周壁端面６を有している。
図５（Ｂ）に示す周壁部５の長手方向および長手垂直方向の幅寸法は、それぞれ、２０ｍｍ、１５ｍｍである。また、周壁部５には、パワー半導体モジュール１と冷却ジャケットとの固定に用いられるボルト挿入穴が適宜設けられている。
【００３６】
図７に、図５に示すパワー半導体モジュール１と冷却ジャケット１１とを、シール材１４を介して一体化したパワー半導体デバイス１０を示す。パワー半導体デバイス１０において、冷却媒体は給水口１２から流路内に導入され、フィン付ベースプレート２の裏面側に形成された放熱フィン４の間を通って排水口１３から排出されるようになっている。本実施例において、給水口１２および排水口１３の内径はφ１５ｍｍである。
なお、本実施例で用いた冷却媒体は、主成分がエチレングリコールのロングライフクーラント（ＬＬＣ）５０ｖｏｌ．％である。また、シール材１４は、エチレンプロピレン系またはシリコーン系樹脂を主成分とする弾性材料からなる、Ｏリングあるいはメタルガスケットである。
【００３７】
図７（Ａ）および（Ｂ）に示すように、冷却ジャケット１１は、給水口１２および排水口１３の直上に、それぞれ給水空洞１２’および排水空洞１３’を備えている。また、図７（Ｂ）に示すように、給水口１２および排水口１３は、それぞれ給水空洞１２’および排水空洞１３’に対角配置されている。つまり、本発明において、給水口１２から導入された冷却媒体は、給水空洞１２’において全放熱フィン４に分配されるとともに、排水空洞１３’において排水口１３に集約される。
【００３８】
また、給水口１２および排水口１３を対角配置することにより、図７（Ｂ）に示すように、給水口１２から各放熱フィン４間を通って排水口１３に至るまでの流路距離が同一になる。
従って、本発明に係るパワー半導体デバイス１０は、各放熱フィン４の間を流れる冷却媒体の流量分布が均一となり、搭載される場所によって、パワー半導体素子の冷却度合いにばらつきが生じることなく、安定した冷却能力が得られる。
【００３９】
さらに、本発明に係るパワー半導体デバイス１０は、図８に示すように、放熱フィン４間を通流する冷却媒体の通流方向に対して直角に位置する周壁部５の内壁に約３０°のテーパーが設けられている。同様のテーパーが、給水側においても設けられている。これにより、冷却媒体の通流方向が垂直方向から水平方向に、またはその反対に変更されることによる圧力損失を低減し、冷却媒体の通流をスムーズに行うことができる。
なお、テーパー角度θが大きいほど上記効果は高くなるが、放熱フィン４の表面積が縮小して冷却能力が低下しないように、テーパー角度θは１５〜４５°の範囲で設定するのが望ましい。
【００４０】
図６に、真空リフロー炉における本発明に係るパワー半導体モジュール１のはんだ接合工程の態様を示す。図３を用いて上述したように、パワー半導体素子１５（ＩＧＢＴ素子、ＦＷＤ素子）と絶縁基板３、および絶縁基板３とフィン付ベースプレート２の接合には、はんだ箔またははんだペーストが用いられる。また、真空リフロー炉には、熱源として、ヒーター伝熱板５０内に配置される下面ヒーター５１と、天井部に配置される上面ヒーター５２が備えられる。
【００４１】
図６中の一部拡大図に示されるように、本実施例において、ベースプレート２’に対する放熱フィン４の突出量は、周壁部５の突出量よりも０．２〜１．０ｍｍ少なくなるように設計されており、フィン付ベースプレート２をヒーター伝熱板５０上に載置しても、放熱フィン４の先端とヒーター伝熱板５０は直接接触しない。また、ヒーター伝熱板５０に接触する周壁端面６は、冷却ジャケットと一体化した際の冷却媒体の密封を考慮して、表面粗さＲａが１μｍ以下の面粗度で研磨されていることから、周壁端面６とヒーター伝熱板５０載置面との接触は良好に確保される。
なお、放熱フィン４の周壁端面６の高さは同一としてもよく、また、周壁端面６の面粗度を２μｍ以下としても、はんだ接合工程におけるヒーター伝熱板５０との接触性、およびシール材１４を介して冷却ジャケット１１と一体化した際の冷却媒体流路の液密性を良好に確保することができる。
【００４２】
以上のように、本発明に係るパワー半導体デバイス１０は、周壁端面６とヒーター伝熱板５０とが広い面積で接触し、均一な熱伝導によってはんだが溶融されるため、安定したはんだ接合を行うことができる。
【実施例２】
【００４３】
放熱フィンの形状は、他の形状にすることもできる。
例えば、図９に示す実施例２に係るフィン付ベースプレート２は、冷却媒体との接触面積が大きく熱伝導係数が高い波形状の放熱フィン４を冷却媒体の通流方法に沿って備えている。また、パワー半導体素子の直下に集中的に放熱フィン４を配置することで、冷却媒体の圧力損失を極力抑えつつ、効率的な放熱を行うことができる。
【実施例３】
【００４４】
図１０に示す実施例３に係るパワー半導体デバイス１０は、リング形状かつ平板形状のフィン付ベースプレート２を適用し、ハイブリッド自動車または電気自動車用の走行用モータに一体化することができる。図１０に示す構成によれば、冷却ジャケット１１の替わりに、走行用モータのハウジング端壁を使用することによって冷却媒体の流路を形成することができるので、小形軽量化、およびコスト削減が実現できる。また、インバータと、その駆動対象である走行用モータの距離とを近づけて配置することによって、回路結線を短くすることができ、配線損失を低減することができる。
また、実施例３に係るパワー半導体デバイス１０の中空部は、モータシャフトを通したり、走行用モータへの電力供給線を配置したりする領域として利用することができる。
【実施例４】
【００４５】
図１１は、図６に示すパワー半導体モジュールの絶縁基板を絶縁樹脂層に置き換えたものである。
実施例４に係るパワー半導体モジュール１は、フィン付ベースプレート２上に絶縁樹脂層１６を密着して配置し、さらにその絶縁樹脂層１６上に導体板１７を配置している。導体板１７は、絶縁樹脂層１６上に銅板を接合し、エッチング処理によってその銅板から不必要な導体パターン以外の部分を除去（パターンニング）して形成される。また、導体板１７とフィン付ベースプレート２は、これらの間に配置される絶縁樹脂層１６とパターンニングされた沿面距離によって絶縁性能が確保されている。
【００４６】
複数のパワー半導体素子１５が熱拡散板１８にはんだ接合され、熱拡散板１８は、導体板１７にはんだ接合される。熱拡散板１８は、熱伝導率と熱容量がともに大きい材質（例えば、本実施例では銅）が選択され、パワー半導体素子１５の発熱は、面内方向に急速に拡散するとともに、フィン付ベースプレート２で放熱される。これによって、パワー半導体素子１５の急激な発熱に対する過渡的な温度上昇を抑制することができる。
また、実施例４に係る構成によれば、窒化アルミニウム基板等の高価な絶縁基板を使用する必要がないので、コストを削減することができる。
【００４７】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではなく、当業者が種々の変形例を想到できることは自明である。
【００４８】
例えば、各実施例に係るパワー半導体モジュールおよびパワー半導体デバイスにおいて、各構成部材のサイズ、フィン付ベースプレートに搭載される絶縁基板の数量、絶縁基板に搭載されるパワー半導体素子の数量、成形される放熱フィンの数量、および放熱フィンの形状等は、適宜変更することができる。
【００４９】
また、実施例４に係るパワー半導体モジュールにおいて、ヒートサイクル性能などの耐環境性を向上したい場合には、熱拡散板１８の材質を熱膨張係数の小さい銅−モリブデン複合材に置き換えてもよい。また、パワー半導体素子１５の発熱量が大きくない場合には、熱拡散板１８を省略して、パワー半導体素子１５と導体板１７を直接接合してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】間接冷却構造のパワー半導体デバイスの一例を示す図であって、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。
【図２】直接冷却構造のパワー半導体デバイスを示す断面図である。
【図３】直接冷却構造のパワー半導体モジュールのはんだ接合工程を示す断面図である。
【図４】直接冷却構造のパワー半導体デバイスを示す図であって、（Ａ）は冷却媒体の流量を示す平面図、（Ｂ）は図２とは直角の方向から見た断面図である。
【図５】実施例１に係るパワー半導体モジュールの斜視図であって、（Ａ）は表面、（Ｂ）は裏面である。
【図６】実施例１に係るパワー半導体モジュールのはんだ接合工程を示す断面図である。
【図７】実施例１に係るパワー半導体デバイスを示す図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は冷却媒体の流量を示す平面図である。
【図８】実施例１に係るパワー半導体デバイスの排水口付近を示す拡大断面図である。
【図９】実施例２に係る放熱フィン形状を示す平面図である。
【図１０】実施例３に係るパワー半導体デバイスを示す斜視図である。
【図１１】実施例４に係るパワー半導体モジュールを示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１    パワー半導体モジュール
２    フィン付ベースプレート
２’    ベースプレート
３    絶縁基板
４    放熱フィン
５    周壁部
６    周壁端面
１０    パワー半導体デバイス
１１    冷却ジャケット
１２    給水口
１２’    給水空洞
１３    排水口
１３’    排水空洞
１４    シール材
１５    パワー半導体素子
１６    絶縁樹脂層
１７    導体板
１８    熱拡散板
３４    はんだ層
３４’    はんだ箔
５０    ヒーター伝熱板
５１    下面ヒーター
５２    上面ヒーター
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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