(57)【要約】【課題】半導体モジュールの冷却特性および低温から高温に至る冷熱サイクルに対する信頼性を向上する。【解決手段】Ｍｏ板１１と、ＧａＮ素子１３と、ＧａＮ素子１３およびＭｏ板を電気的に絶縁するＡｌＮシート１２と、Ｍｏ板１１のＧａＮ素子１３が設けられていない側に形成され、冷却水が流通すると共に熱応力で可逆的に変形するＡｌ板２２が収容された流路２１を有する冷却器２０とを有しており、Ｍｏ板１１が冷却器２０の流路２１の路壁を形成している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子との間の熱膨張係数の差が±５ｐｐｍ／Ｋの範囲内であって、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上である低熱膨張基材と、
前記低熱膨張基材の前記パワー半導体素子が設けられる側と反対側に形成されており、冷媒が流通し、熱応力に対して変形可能な熱伝導性材料が収容された流路を有し、前記冷媒との熱交換により少なくとも前記パワー半導体素子を冷却する冷却器と、
前記パワー半導体素子と前記低熱膨張基材との間に配され、前記パワー半導体素子および前記冷却器を電気的に絶縁する絶縁部材と、
を備え、前記低熱膨張基材が前記冷却器の器壁の一部を形成する半導体モジュール。
【請求項２】
前記低熱膨張基材は、熱膨張係数が７ｐｐｍ／Ｋ以下であり、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であ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】
前記低熱膨張基材は、モリブデン基材またはモリブデンを含有する基材であることを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記熱伝導性材料は、銅、アルミニウム、並びに銅およびアルミニウムの少なくとも一方を含有する金属材料のいずれかであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記冷却器は、前記低熱膨張基材で形成された前記器壁の一部以外の器壁の少なくとも一部が熱膨張係数７ｐｐｍ／Ｋ以下の材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記熱膨張係数７ｐｐｍ／Ｋ以下の材料が、モリブデン、ＦｅＮｉ合金、並びにモリブデンおよびＦｅＮｉ合金の少なくとも一方を含有する金属材料のいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記絶縁部材の前記パワー半導体素子が設けられる側に、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であって電気抵抗率が１０×１０−６Ωｃｍ以下である配線用金属板を更に備え、前記パワー半導体素子が前記配線用金属板に配されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
前記パワー半導体素子が、ＧａＮまたはＳｉＣを用いた半導体素子であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールに関し、詳しくは、発熱性のパワー半導体素子を備えた半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、放熱部材と共に用いられる回路基板は、個々に用意された金属回路板、セラミックス基板、べタ形状の金属板などが積層された構造になっており、それぞれの熱応力が不均衡である場合には、回路基板に反りが発生したり、放熱部材で冷却される際に発生する熱応力で互いの接合界面で剥離やクラックが発生する。
【０００３】
このような現象は、組み合わされる材料間の熱膨張係数の違いによるところが大きく、高温になるほど熱応力も大きくなり、反りや剥離、クラックの程度も悪化する。
【０００４】
特に、次世代のパワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣは、２００℃以上での動作が可能である。しかしながら、これらの熱膨張係数は３〜４ｐｐｍ／Ｋと小さいため、冷却器などの冷却部材に一般に用いられるアルミニウム（Ａｌ；熱膨張係数２３ｐｐｍ／Ｋ）や銅（Ｃｕ；熱膨張係数１７ｐｐｍ／Ｋ）などに比べると差が大きく、これらを組み合わせて例えば層状に接合したパワーモジュールでは、低温（例えば０℃以下）〜高温（例えば２００℃以上）間の冷熱サイクルにより、各接合部分に大きな熱応力や歪みが生じ、短時間のうちに反りが発生し、あるいは剥離やクラックなどを伴なって破壊に至る。
なお、線膨張係数は、温度が１℃変化した時の単位長さ当たりの寸法変化である。
【０００５】
上記に関連する技術として、インバータ用パワーモジュールの構造において、パワー半導体素子と冷却器との間の熱膨張係数差に伴なう熱応力を緩和する層を設けるために、伝熱グリスを用いることが記載されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
また、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の絶縁基板がＣｕ板に直接接合され、また、冷却器には部分的に孔の開いたＣｕを貼り合わせて冷却水を流す構造の冷却器一体型のモジュールが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
上記以外にも、金属回路板の隙間を絶縁体で埋めて、熱に伴なう反りの発生を回避する技術などが知られている。
【特許文献１】特開平１０−２６１８８６号公報
【非特許文献１】「ＨＶインバータ品質確保の取組み」、馬場陽一郎（平成１７年度秋季全国大会フォーラム、「エレクトロニクス実装技術動向と今後の展開−環境配慮型車載用電子実装から次世代パワーエレクトロニクス実装の展開まで−」、座長：高橋康夫等）
【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、上記のように熱応力を緩和するためにグリスを用いると、グリスは高温時に粘性が小さく液状に近づくために容易に変形し、また、冷熱サイクルに伴なう熱応力を緩和する効果は得られるものの、グリスの熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以下と極めて低いためにグリス部分、すなわちパワー半導体素子と冷却器との間の熱抵抗が高くなり、全体として冷却特性が悪化する。さらに、２００℃以上の高温時は、グリスが顕著に液状化して粘性が大幅に低下するため、周囲に染み出しやすくなり、その結果本来グリスが充填されている部分に空隙などができて、部分的に熱抵抗が高くなってしまう不具合も生じる。
【０００９】
また、上記した冷却器一体型のモジュールでは、絶縁材料であるＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３とＣｕが直接接合されるが、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３とＣｕとの間の熱膨張係数差が大きいため、高温側において２００℃を超える冷熱サイクルで大きな熱応力あるいは歪みを生じ、短時間で絶縁材料にクラックなどの不具合を生じてしまう。また同様に、この構造の半導体近傍は低熱膨張である一方、冷却器は高熱膨張に構成されているため、冷熱サイクル時に反りを生じ、更には絶縁材料等の脆性な部分にクラックなどの破壊を生じる。
【００１０】
パワーモジュールなど冷却を要する半導体モジュールについては、従来から冷却効率等の冷却特性をはじめ種々の検討がなされているものの、上記のように低〜高温間の温度変化で生ずる熱応力を緩和しようとすると冷却特性が保持できず、熱伝導性（冷却特性）を確保しようとするとクラック等による破壊が発生してしまうといった、冷却特性の維持とクラック等の発生防止（信頼性の確保）との相反する技術的要素を含むことから、冷却特性を維持しつつ、温度差の大きい冷熱サイクルに耐える信頼性をも確保した半導体モジュールの提供が期待されている。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、冷却効率が高く冷却特性に優れると共に、低温から高温に至る冷熱サイクルに対する信頼性の高い半導体モジュールを提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の半導体モジュールは、パワー半導体素子と、パワー半導体素子との間の熱膨張係数の差が±５ｐｐｍ／Ｋの範囲内であって、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上である低熱膨張基材と、低熱膨張基材の前記パワー半導体素子が設けられる側と反対側に形成されており、冷媒が流通し、熱応力に対して（好ましくは可逆的に）変形可能な熱伝導性材料が収容された流路を有し、前記冷媒との熱交換により少なくとも前記パワー半導体素子を冷却する冷却器と、前記パワー半導体素子と前記低熱膨張基材との間に配され、前記パワー半導体素子および前記冷却器を電気的に絶縁する絶縁部材とを設け、低熱膨張基材で冷却器の器壁の一部が形成されるように構成したものである。
【００１３】
本発明におけるパワー半導体素子は、整流素子やインバータ素子などに代表される電気エネルギーを制御するため半導体であり、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）や炭化珪素（ＳｉＣ）などの半導体が含まれる。
【００１４】
本発明の半導体モジュールは、低熱膨張基材を中心に、該低熱膨張基材の一方の側に少なくともパワー半導体および絶縁部材が接合されて素子実装部が形成され、他方の側に器壁の一部（好ましくは、冷却器の流路の路壁の一部）が該低熱膨張基材で構成された冷却器が少なくとも形成されてなる一体構造となっており、低熱膨張基材は熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上で高く、しかも素子実装部をグリスなどを介さずに接合状態にすると共に、低熱膨張基材の素子実装部非形成面に直接冷却器を構成することで、パワー半導体および冷却器間の熱抵抗を下げて熱伝導性が確保されるので、冷却効率が向上し、冷却特性を高めることができる。
【００１５】
さらに、パワー半導体素子と冷却器とを画する低熱膨張基材の熱膨張係数を、比較的熱膨張係数の小さいパワー半導体素子の熱膨張係数との差が±５ｐｐｍ／Ｋとなる範囲内とし、冷却器の流路内を流通する冷媒と接触して熱交換可能な位置に熱伝導性で熱応力に対して（好ましくは可逆的に）変形可能な材料を配することで、冷却器の見かけの熱膨張係数が小さくなり重量やコストを抑え得ると共に冷却効率が向上し、低温（例えば０℃以下）〜高温（例えば２００℃以上）間の冷熱サイクルにより生ずる熱応力や歪みを解消することができるので、モジュールの反りや剥離、クラックなどによる破壊を効果的に防止することができる。
【００１６】
以上のように、本発明の半導体モジュールは、冷却効率が高く冷却特性に優れると同時に、冷熱サイクルによる破壊が防止され、高い信頼性をも具えている。
【００１７】
本発明の半導体モジュールを構成する低熱膨張基材は、熱膨張係数が７ｐｐｍ／Ｋ以下であって、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上である基材を用いて構成することができる。
【００１８】
熱膨張係数が７ｐｐｍ／Ｋ以下であると、パワー半導体素子との間の熱膨張係数の差が小さく、冷熱サイクルで生ずる熱応力や歪み、ひいては破壊の発生が抑えられ、信頼性が高まる。また、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であると、パワー半導体素子および冷却器間の熱伝達特性が高まる。
【００１９】
この低熱膨張基材としては、特にモリブデン基材、またはモリブデンを含有する基材であることが好ましい。モリブデンは、上記のように熱膨張係数がパワー半導体素子に近いほか、ヤング率が高く薄厚にできるので、熱抵抗を小さくすることが可能で冷却効率の向上に有利である。
【００２０】
本発明の半導体モジュールを構成する冷却器の流路に収容される「熱応力に対して（好ましくは可逆的に）変形可能な熱伝導性材料」には、銅、アルミニウム、あるいは銅およびアルミニウムの少なくとも一方を含有する金属材料が好ましい。
【００２１】
この熱伝導性材料には、重量やコストが比較的小さく、しかも流路内を流通する冷媒と熱交換するための材料であるから熱伝導性を有し、モジュール構造に変形を与えない材料が望ましく、かかる観点からは銅、アルミニウムを用いた材料が好適である。
【００２２】
銅やアルミニウムは、熱伝導性の高い金属であり、また、比較的柔らかく、冷熱サイクルで熱応力や歪みが生じても自己変形するので、冷却効率を確保すると同時にモジュール構造の破壊を防止するのに有効である。
【００２３】
また、冷却器の器壁の一部（例えば流路のパワー半導体素子と対向する路壁）は上記した低熱膨張基材で構成されるが、この器壁の一部を除く器壁の少なくとも一部は熱膨張係数７ｐｐｍ／Ｋ以下の材料で形成することができる。
【００２４】
低熱膨張基材で構成された路壁以外の他の路壁の全部またはその一部（例えば、冷却器が上記の低熱膨張基材で１面が形成された６面体の形状に構成されている場合、この１面（低熱膨張基材）以外の他の５面の全部またはその一部）を熱膨張係数７ｐｐｍ／Ｋ以下の材料で形成すると、パワー半導体素子との間の熱膨張係数の差が小さくなり、冷熱サイクルで生ずる熱応力や歪み、ひいては破壊の発生がより効果的に抑えられるので、信頼性をより高めることができる。
【００２５】
この熱膨張係数７ｐｐｍ／Ｋ以下の材料としては、特に、モリブデン、ＦｅＮｉ合金、あるいはモリブデンおよびＦｅＮｉ合金の少なくとも一方を含有する金属材料が好ましい。
【００２６】
本発明の半導体モジュール中の絶縁部材のパワー半導体素子が設けられる側には、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であって電気抵抗率が１０×１０−６Ωｃｍ以下である配線用金属板を更に設けることができ、この配線用金属板にパワー半導体素子が配された構成とすることができる。この配線用金属板は、熱伝導性が良好で電気抵抗が低いので、パワー半導体素子および冷却器間の冷却特性を損なうことなく、パワー半導体素子への電力供給を良好に行なうことができる。
【００２７】
本発明におけるパワー半導体素子としては、ＧａＮまたはＳｉＣを用いた半導体素子であることが効果の点で望ましい。これらの半導体素子は、発熱が高温にまで達し、冷熱サイクルでモジュール構造に熱応力や歪みが生じやすいことから、冷却特性と共に信頼性を確保する本発明の効果をより効果的に発揮することができる。
【００２８】
本発明の半導体モジュールは、次世代のパワーエレクトロニクス分野において、ＧａＮやＳｉＣなどのパワー半導体素子を用いた２００℃以上での動作に対して、高い冷熱サイクル信頼性と冷却特性とを兼ね備えたシステムを構築することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、冷却特性に優れると共に、低温から高温に至る冷熱サイクルに対する信頼性の高い半導体モジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照して、本発明の半導体モジュールの実施形態を説明する。但し、本発明においてはこれら実施形態に制限されるものではない。
【００３１】
本実施形態の半導体モジュールは、モリブデン（Ｍｏ）板の一方の側にＧａＮパワーデバイスを設け、他方の側には、このＭｏ板を１面とする方形（６面体）の冷却器を形成すると共に、冷却器の流路内に比較的軟性の薄膜状のアルミニウム（Ａｌ）板を複数配し、この流路に冷却水を流してＡｌ板との間で熱交換可能なように構成したものである。
【００３２】
本実施形態の半導体モジュールは、図１に示すように、低熱膨張基材であるモリブデン（Ｍｏ）板１１と、Ｍｏ板１１の一方の側に接合して積層された絶縁膜（絶縁部材）である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）シート１２およびパワー半導体素子であるＧａＮパワーデバイス（以下、「ＧａＮ素子」ということがある。）１３と、Ｍｏ板１１の他方の側にＭｏ板に接合して形成された冷却器２０とを備えている。
【００３３】
モリブデン（Ｍｏ）板１１は、長さ４０ｍｍ×幅５０ｍｍ×厚み３ｍｍのモリブデン製の板材であり、熱膨張係数は４ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率は１４０Ｗ／ｍＫである。
【００３４】
低熱膨張基材は、パワー半導体素子との間の熱膨張係数差が小さく（≦７ｐｐｍ／Ｋ；より好ましくは、パワー半導体素子の熱膨張係数との差が±５ｐｐｍ／Ｋ以内）、熱的に良導性（熱伝導率≧１００Ｗ／ｍＫ）の基材から目的等に応じて適宜選択することができる。例えば、モリブデン基材のほか、モリブデンと他の金属（例えばＣｕ）との混合材料からなる基材、およびこれらの積層材などを用いることができる。
【００３５】
Ｍｏ板（低熱膨張基材）１１の厚みについては、モジュールの熱による反りの防止や熱伝導性（冷却効率）を考慮して選択され、上記の厚みのほか、好ましくは０．５〜８ｍｍの範囲から選択できる。薄厚の点では、Ｍｏは好ましい。
【００３６】
ＡｌＮシート１２は、長さ３０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚み０．６ｍｍの、電気抵抗率が１０１４Ωｃｍ以上（焼成後）の絶縁性を有する窒化アルミニウムの絶縁膜であり、ＧａＮ素子１３とＭｏ板１１との間に配されて、ＧａＮ素子１３（具体的にはＧａＮ素子が接合されている図１中のＡｌ配線板１４）と冷却器２０とが電気的に絶縁されるようになっている。
【００３７】
ＡｌＮシート１２の厚みは、材質や絶縁性能、強度などを考慮して、０．２〜３ｍｍの範囲で選択することができる。
【００３８】
ＡｌＮシート１２は、窒化アルミニウムの粉末、ポリビニルブチラール等の有機結合剤、ジブチルフタレート等の可塑剤、およびトルエン等の有機溶剤等を混合して混錬し、得られた泥漿をドクターブレードによって均一な厚さになるように板状に延ばし、焼成後の厚みが０．６ｍｍとなる厚みに形成されたシートを作製した後、このシートを裁断し、プレス等の型抜きを行なうことにより成形し、さらに乾燥、脱脂、焼成を行なうことにより作製できる。
なお、ＡｌＮシート１２は、乾燥・脱脂・焼成により、１０〜２０％寸法が収縮するため、予め所望の厚さより厚く形成しておくことが望ましい。
【００３９】
ＡｌＮシート以外には、絶縁部材として熱伝導性が高く線膨張係数の小さいセラミックス材の中から選択して好適に用いることができる。前記セラミックス材としては、窒化アルミニウムのほか、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化シリコン（Ｓｉ２Ｎ４）、酸化シリコン、酸化ベリリウム、シリコンカーバイドなどが挙げられ、目的等に応じて一種もしくは二種以上を選択して用いることができる。
【００４０】
本実施形態のＡｌＮシート１２には、ＧａＮ素子１３が設けられる素子側表面に０．４ｍｍ厚のアルミニウム（Ａｌ）板からなるＡｌ配線板１４が貼り合わされている。また、この素子側表面と反対側の表面には、図示しない０．４ｍｍ厚のアルミニウム膜が貼り合わされている。
【００４１】
Ａｌ配線板１４は、半導体素子が配される配線用金属板であり、本実施形態ではその表面にＧａＮ素子（パワー半導体素子；熱膨張係数３〜４ｐｐｍ／Ｋ）１３が接合されると共に、外部電源と導通されて、ＧａＮ素子１３に電流を供給し作動させることができるようになっている。ＧａＮ素子１３は、図１に示すように、はんだ１５を挟んでＡｌ板に接合されている。
【００４２】
配線用金属板は、電気的に良導性の金属材料から目的等に応じて適宜選択して構成することができ、アルミニウム板以外に、例えば、銅、タングステン、モリブデン、インバー（Ｆｅ−Ｎｉ合金）、およびこれらの積層材などを用いることができる。
【００４３】
前記配線用金属板としては、好ましくは熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属材料であり、伝熱効率を確保し、ＧａＮ素子１３の冷却効率を高め、熱応力による反りを回避する点で、銅やアルミニウム、タングステン、及びモリブデンなどが好ましい。また、電気抵抗率が１０×１０−６Ωｃｍ以下の金属材料が好ましく、電気伝導性を確保し、素子の動作性能を良好に保つ点で、銅やアルミニウム、タングステン、及びモリブデンなどが好適である。
【００４４】
Ａｌ配線板（配線用金属板）の厚みとしては、特に制限はないが、通常０．１〜１ｍｍ程度であり、熱応力および配線抵抗の点で、０．２〜０．７ｍｍが好ましい範囲である。なお、Ｃｕ配線板の厚み以外のサイズについては、目的等に応じて適宜選択すればよい。
【００４５】
このＡｌ配線板１４の上には、図１に示すように、ＧａＮ素子１個と図示しないダイオード１個とが設けられており、インバータを形成するために必要な最小単位であるユニットが構成されている。
【００４６】
例えばハイブリッド車等に用いる三相インバータの場合には、図２に示すように、このユニット２個を直列したもの（アーム）３組（またはその倍数）を並列に組んで構成されている。
【００４７】
冷却器２０は、図１に示すように、断面矩形の直方体に構成されており、その６面のうち広幅な１面がＭｏ板１１で形成されている。すなわち、ＧａＮ素子１３と冷却器２０とはＭｏ板１１を介して互いに異なる側に画されると同時に、ＧａＮ素子１３が冷却器上（具体的には、冷媒である冷却水が流通する流路の路壁表面）にＡｌＮシート等を介して直接設けられた構造になっており、冷却が効率良く行なえる構成となっている。
【００４８】
冷却器２０は、器壁（流路壁）をなすＭｏ板１１のＡｌＮシート１２が接合された側と反対側に冷媒である冷却水が流通する流路２１と、この流路２１の一部をなすＭｏ板１１の流路内表面に接合された、可逆的に変形可能な熱伝導性材料である薄板状の複数のアルミニウム（Ａｌ）板２２とを設けて構成されている。
【００４９】
流路２１は、４つの側壁２３ａとＭｏ板１１と同サイズの底壁２３ｂとからなる外形を有する凹状部材（底壁と対向する面が開口している）２３を、その各側壁を図１−（ｃ）のようにＭｏ板１１の外周面（厚み分の面）に接合して、Ｍｏ板１１に固定することによって形成されている。この凹状部材は、厚み５ｍｍのＦｅＮｉ合金の板材からなる側壁２３ａおよび底壁２３ｂを用いて作製されたものである。
【００５０】
この凹状部材２３の４つの側壁２３ａのうち、互いに対向する一対の２壁には、図１に示すように、それぞれテーパねじ継ぎ手が装着されており、冷却水を内部に供給するための流入口２５と、熱交換して暖まった冷却水を外部に排出するための流出口２６とが形成されており、流入口２５から供給された冷却水が路内を流れて流出口２６から外部に排出されることで、冷却水と熱交換してＧａＮ素子およびダイオードの冷却が行なえるようになっている。
【００５１】
冷却器２０を構成する凹状部材２３に用いる材料としては、ＦｅＮｉ合金などの熱膨張係数７ｐｐｍ／Ｋ以下（より好ましくは、パワー半導体素子の熱膨張係数との差が±５ｐｐｍ／Ｋ以内）の材料がＧａＮ素子（パワー半導体素子）との間の熱膨張係数差が小さくできる点で好ましく、ＦｅＮｉ合金以外には、例えば、モリブデン、あるいはモリブデンまたはＦｅＮｉ合金のいずれか一方もしくは両方と他の金属（例えばＣｕ）との混合材料からなる材料などを用いることができる。
【００５２】
流路２１内のＡｌ板２２は、０．２ｍｍ厚の薄板状のアルミニウム板（純度９９．９９％）をワイヤーカットでカットして、１０ｍｍ×２０ｍｍのサイズに成形されたものであり、その端部がＭｏ板１１の流路内表面にロウ材で接合されて、複数のアルミニウム板が約１ｍｍピッチで３次元的に配置された状態で収容されている。
【００５３】
このＡｌ板２２は、一般に熱交換用部材として用いられるいわゆるフィンや柱材などと同様に、流路２１内を流通する冷却水と接触して熱交換するものであるが、Ａｌ板２２は純度が高く比較的柔らかい性状を有するために、熱応力を受けても自ら変形して熱応力や歪みを吸収し、モジュール構造中の剥離やクラック等による破壊を回避しながら、ＧａＮ素子１３およびダイオードの冷却を効率良く行なえる構成となっている。
【００５４】
熱伝導性材料には、Ａｌ板以外に、上記の低熱膨張基材や冷却器の凹状部材などの構造骨格部よりも剛性が低く熱伝導性（好ましくは熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上）のものを選択でき、好ましくは、銅、あるいは銅またはアルミニウムのいずれか一方または両方と他の金属との混合材料からなる材料などを用いることができる。
【００５５】
このＡｌ板２２は、複数のＡｌ板をタングステン製のスリットに狭持させた状態にして、ＡｌＮシート１２の流路内表面に接触させた後、７００℃〜１０００℃の温度領域に加熱することにより直接接合してもよい。
【００５６】
以下、本実施形態の半導体モジュールの作製方法を一例を挙げて詳細に説明する。
パワー半導体素子（ＧａＮ素子）、Ｍｏ板（長さ４０ｍｍ×幅５０ｍｍ×厚み３ｍｍ）、ＡｌＮシート（一方に０．４ｍｍ厚のＡｌ膜を、他方に０．１ｍｍ厚のＡｌ膜を貼り合わせたもの）、および０．２ｍｍ厚の薄板状のＡｌ板（純度９９．９９％）を用意した。ここで、ＡｌＮシートには、Ａｌ配線板とした０．４ｍｍ厚のＡｌ膜に対して、フォトリソグラフィー法によりマスクを形成し、Ａｌ配線板の表面のみがエッチング溶液に浸漬されるように配置してエッチングしたことにより、Ａｌ配線板に配線パターン（回路）を形成した。
【００５７】
次に、厚み５ｍｍのＦｅＮｉ合金の板材を用いて、図１−（ｃ）のように、４つの側壁２３ａとＭｏ板１１と同サイズの底壁２３ｂとからなる外形を有した凹型箱材（底壁と対向した面が開口している）２３を作製した。作製した凹型箱材２３の互いに向き合う側壁のうち対をなす２つの側壁にそれぞれ貫通孔を設け、図１−（ａ）に示すように、設けられた２ヶ所の貫通孔にテーパねじ継ぎ手を装着したことにより、冷却水の流入口２５と流出口２６とを形成した。
【００５８】
そして、まず薄板状のＡｌ板の端部を、Ｍｏ板の一方の表面にロウ付けして接合した。続いて、Ｍｏ板のＡｌ板接合面が凹型箱材の凹部に入り込むようにＭｏ板を配置し、凹型箱材の側壁とＭｏ板の外周面（厚み分の面）とを溶接して接合した。続いて、そのＭｏ板のＡｌ板が接合されていない側の表面にＡｌＮシートを０．４ｍｍ厚のＡｌ膜の膜面にてロウ付けして接合した。その後、ＡｌＮシートの配線パターンが形成されているＡｌ配線板（０．４ｍｍ厚のＡｌ膜）の表面に、ＧａＮ素子をリフロー炉を用いてはんだ接合し、パワーモジュールとした。
【００５９】
次に、本実施形態の半導体モジュールの性能について述べる。
（1）熱抵抗の測定
本発明の半導体モジュールを構成する冷却器２０に設けられた流入口２５および流出口２６と冷却水・温水循環装置の循環ノズルとをホースにより連通して、温度６５℃（以下、水温を「Ｔｗ」と略記する）の温水を一定の流量で循環させる。この冷却水・温水循環装置は、例えば自動車に搭載されているラジエーターとポンプの役割を担うものである。
【００６０】
次に、ゲート電極とエミッタ電極との間に電圧（以下、「Ｖｇｅ」と略記する）を印加する。このとき、しきい値（Ｖｇｅ（th）；通常、４Ｖ〜８Ｖ）を越えるＶｇｅが印加されると、ＧａＮ素子はＯＮ状態になる。本実施形態では、Ｖｇｅとして１５Ｖを印加するものとする。
また、コレクター電極とエミッタ電極との間に電圧（以下、「Ｖｃｅ」と略記する）を印加すると、コレクター電極とエミッタ電極との間に電流（以下、「Ｉｃｅ」と略記する）が流れ始める。飽和状態においては、Ｖｃｅが約２Ｖまでは電流が流れにくいが、約１〜２Ｖを超えるとＶｃｅの上昇と共にＩｃｅも増大する。このとき、ＧａＮ素子において、ＶｃｅとＩｃｅとの積で表される電力損失に相当する熱Ｑが発生する。絶縁型のシース熱電対をエミッタ電極（ＧａＮ素子の上面）に接触させ、ＧａＮ素子の表面温度を測定し、測定された値をＧａＮ素子のジャンクション温度（以下、「Ｔｊ」と略記する）とする。ＧａＮ素子と冷却水との温度差ΔＴは、ΔＴ＝Ｔｊ−Ｔｗである。
以上から、半導体素子から冷却水に至る熱抵抗（以下、「Ｒｔｈ」と略記する）は、Ｒｔｈ＝ΔＴ／Ｑで計算される。
【００６１】
上記に基づいて、冷却水の流量を６Ｌ／ｍｉｎとし、ＧａＮ素子１３に電流を流し、Ｒｔｈを測定したところ、約０．３Ｋ／Ｗが得られた。この値は、従来の市販のＧａＮパワーモジュールの熱抵抗（素子とケースの間）が０．６Ｋ／Ｗ程度であるのに比較し、水冷式に構成された本実施形態の半導体モジュールの熱抵抗（Ｒｔｈは、素子とケースに加え冷却器の熱抵抗が加算される）は、極めて小さく良好なことを示した。
【００６２】
（2）信頼性試験
下記方法により冷熱サイクル試験を行ない、信頼性を評価した。
具体的には、半導体モジュールを気相冷熱サイクル試験装置に設置し、大気下、低温雰囲気（−４０℃）と高温雰囲気（＋２００℃）との間で冷熱サイクルを１０００回繰り返して行なった。
【００６３】
本実施形態の半導体モジュールでは、上記の冷熱サイクルの後の各部を観察したところ、ＡｌＮシートに貼り合わされたＡｌ膜に若干の変形がみられたものの、クラックや剥離などの構造上の不具合は認められず、良好な状態を保つことができた。
【００６４】
ここで、本実施形態の半導体モジュールに対する比較として、（a）図３に示すように、ＧａＮパワーデバイスが設けられたＣｕ−Ｍｏ合金基板と冷却器との間にグリスを用いた構造に構成した比較モジュールと、（b）図４に示すように、ＧａＮパワーデバイスが接合されたＣｕ板と部分的に孔の開いたＣｕを貼り合わせた冷却器との間にＡｌＮ絶縁基板が設けられた構造に構成した比較モジュールとを作製し、本実施形態の半導体モジュールに対して行なった方法と同様にして、熱抵抗の測定および信頼性試験を行なった。
【００６５】
その結果、比較モジュール（a）では、ＧａＮ素子から冷却水までの熱抵抗Ｒｔｈは０．６Ｋ／Ｗであった。また、冷熱サイクルを行なったところ、ＡｌＮ絶縁基板とヒートシンクとの間のはんだ層に顕著なクラックと空隙が観察された。さらに、グリスが周辺にしみ出してしまう不具合も認められた。
また、比較モジュール（b）では、熱抵抗Ｒｔｈが０．２Ｋ／Ｗであったものの、冷熱サイクルを行なったところ、ＡｌＮ絶縁基板に顕著なクラックが認められた。
【００６６】
上記の実施形態では、パワー半導体素子としてＧａＮパワーデバイスを用いた場合を中心に説明したが、ＧａＮで構成した場合に限られず、ＳｉＣを用いた半導体素子などで構成した場合も同様である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態に係る半導体モジュールの構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の本発明の実施形態に係る半導体モジュールを側面からみたときの側面図であり、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ´線断面図である。
【図２】三相インバータの回路の構成例を略説するための説明図である。
【図３】従来の半導体モジュールのグリスを用いた構成例を示す概略断面図である。
【図４】従来の半導体モジュールの他の構成例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１１…モリブデン（Ｍｏ）板
１２…ＡｌＮシート
１３…ＧａＮパワーデバイス（ＧａＮ素子）
２０…冷却器
２１…流路
２２…薄板状のＡｌ板（可逆的に変形可能な熱伝導性材料）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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