(57)【要約】【課題】パワー半導体素子を有し、低熱抵抗化を図る直接水冷型パワー半導体モジュール構造の更なる高熱伝達率を達成し、冷却効果を高める。【解決手段】前記課題を解決する代表例を例示すると、少なくとも電流をスイッチングするパワー半導体素子を搭載し、前記パワー半導体素子搭載面の対向面にストライプ状の冷却フィンを有する直接水冷型パワー半導体モジュール構造において、前記冷却フィンのフィン長手方向に対して略垂直な断面のコーナーに面取り部を有する【選択図】    図１
2004349324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも電流をスイッチングするパワー半導体素子を搭載し、前記パワー半導体素子搭載面の対向面にストライプ状の冷却フィンを有する直接水冷型パワー半導体モジュール構造において、
前記冷却フィンのフィン長手方向に対して略垂直な断面のコーナーに面取り部を有することを特徴とする直接水冷型パワー半導体モジュール構造。
【請求項２】
請求項１において、フィン長手方向に対して略垂直な断面に有するコーナーは、Ｒ面取りである直接水冷型パワー半導体モジュール構造。
【請求項３】
請求項２において、フィン長手方向に対して略垂直な断面の形状は、フィン先端の幅が、フィン根元の幅よりも小さい台形である直接水冷型パワー半導体モジュール構造。
【請求項４】
請求項３において、パワー半導体モジュール用金属ベースの材質は銅または銅合金であり、フィン長手方向に対して略垂直な断面の形状は、フィン先端の幅がフィン根元の幅よりも小さい台形、かつ、平均フィン幅、平均フィン間隔、フィン高さ、コーナーＲの各寸法が、各々、０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下、０．３ｍｍ以上である直接水冷型パワー半導体モジュール構造。
【請求項５】
請求項３または４において、パワー半導体モジュール用金属ベースのパワー半導体素子を搭載する平板部のフィン長手方向に対して略垂直断面の４箇所のコーナーＲは、フィン断面のコーナー￥Ｒよりも大きい直接水冷型パワー半導体モジュール構造。
【請求項６】
請求項４または５において、銅ベースのビッカース硬度は６０以上である直接水冷型パワー半導体モジュール構造。
【請求項７】
少なくとも電流をスイッチングするパワー半導体素子を搭載し、前記パワー半導体素子搭載面の対向面にストライプ状の冷却フィンを有する直接水冷型パワー半導体モジュール構造において、
パワー半導体素子を搭載する平板部のフィン領域は、フィン長手方向に対して略垂直方向の断面形状が、フィン先端方向に向かって凸形状に厚くなっており、かつ、フィン長手方向両端で、該凸形状に厚くなっている部分は削除され、周囲の平板部と段差を有することを特徴とする直接水冷型パワー半導体モジュール構造。
【請求項８】
請求項７において、請求項１〜６のいずれか１項に記載の構成を備えた直接水冷型パワー半導体モジュール構造。
【請求項９】
少なくとも電流をスイッチングするパワー半導体素子を搭載し、前記パワー半導体素子搭載面の対向面にストライプ状の冷却フィンを有する直接水冷型パワー半導体モジュール構造において、
パワー半導体モジュール用金属ベースのフィンが形製されている面の表面粗さは、少なくともフィン長手方向で、フィン両端のフィンのない部分（領域Ａ）の表面粗さが、他の領域（領域Ｂ）の表面粗さよりも大きいことを特徴とする直接水冷型パワー半導体モジュール構造。
【請求項１０】
請求項９において、領域Ａの平均表面粗さＲａは０．８μｍ以上、領域ＢのＲＡは０．８μｍより小さい直接水冷型パワー半導体モジュール構造。
【請求項１１】
請求項９または１０において、請求項１〜８のいずれか１項に記載の構成を備えた直接水冷型パワー半導体モジュール構造。
【請求項１２】
少なくとも電流をスイッチングするパワー半導体素子を搭載し、前記パワー半導体素子搭載面の対向面にストライプ状の冷却フィンを有する直接水冷型パワー半導体モジュール構造において、
前記冷却フィンを、長手方向に複数に分割したことを特徴とする直接水冷型パワー半導体モジュール構造。
【請求項１３】
請求項１１または１２において、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の構成を備えた直接水冷型パワー半導体モジュール構造。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の直接水冷型パワー半導体モジュール構造を備えたインバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＧＢＴ）等のパワー半導体素子を有する、直接水冷型パワー半導体モジュール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッド電気自動車用モータ等、大出力モータを制御するインバータには、ＩＧＢＴモジュール等のパワー半導体モジュールが使用される。この自動車用インバータ中のＩＧＢＴモジュールの冷却は、水冷が一般的である。高発熱であるため大きな冷却能力が必要であるにもかかわらず、車載のため、小型であることが要求されるためである。ヒートシンク部体積が大きくなるため、一般に、空冷は許容されない。さらには、冷却性能を向上させるため、パワー半導体モジュールの金属ベースにフィンを設け、フィン付金属ベースに直接冷却水を当てる構造（直接水冷）も提案されている。
【０００３】
本構造の断面摸式図を図２に示す。
【０００４】
ＩＧＢＴモジュール２００と、アルミダイカスト製筐体２０５等ＩＧＢＴモジュール２００の冷却に関する部品のみを示している。フィン２０２をＩＧＢＴモジュール２００の金属ベース２０１に形製（フィン付ＩＧＢＴモジュール）し、筐体２０５の開口部２０６より筐体２０５の外へ出し、直接冷却水を当てている。即ち、冷却用水路２０３は、アルミダイカスト製水路カバー２０４と金属ベース２０１で形製される。本構造で、従来、金属ベースとヒートシンク間に存在した、金属と比べて２桁以上高熱抵抗の熱伝導グリースは削除でき、かつ、フィン２０２は熱伝導率の高い銅等の金属で形製されるため、フィン効率は高く、フィン無しの平板の場合と比べて、大幅な低熱抵抗化が図れる。
【０００５】
なお、直接水冷型パワー半導体モジュール構造に関する従来技術は、例えば下記の特許文献１に記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−３０８２４６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の水冷用フィン付ＩＧＢＴモジュールの構造は、冷却性能に関して以下の点で改善の余地がある。
【０００８】
水冷用フィン付ＩＧＢＴモジュールは、上述のように主として自動車用インバータに使用される。この場合、冷却水を循環させる電動ポンプの能力は極めて小さい。通常、吐出可能な最大流量は１０Ｌ／ｍｉｎ程度、最大吐出圧力は数十ｋＰａである。インバータ同様、小型が要求されるとともに、燃費向上のために、低消費電力が要求されるためである。このため、インバータの冷却水路の圧力損失ΔＰは、通常、数ｋＰａ以下と極めて小さくなければならない。ΔＰと冷却性能、即ち、熱伝達率ｈは、トレードオフ関係にあるため、ＩＧＢＴモジュールベースに単にフィンを設けて冷却しただけでは、十分大きな熱伝達率を得ることはできない。例えば、フィンの高さを大きくしすぎると、冷却水の速度が減少し、フィンを設けない場合と比べて、大きな熱伝達率を得ることができない場合もある。さらには、フィンをＩＧＢＴモジュールベースに製造する製造コストについても配慮しなければならない。
本発明の目的は、パワー半導体素子を有し、低熱抵抗化を図る直接水冷型パワー半導体モジュール構造の更なる高熱伝達率を達成し、冷却効果を高めることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の要旨を、図１，３，７，８を使用して、以下に説明する。
【００１０】
図１（ａ）は、フィン付ＩＧＢＴモジュール用銅ベース１００裏面、即ち、フィン形製面の平面模式図であり、同（ｂ），（ｃ）は、同（ａ）のＡＡ断面、及び、ＢＢ断面模式図である。図３は図１（ｃ）の拡大模式図、図７は、本発明のフィン構造に冷却水を流した場合の冷却水流れの様子を模式的に示したものである。図８は、図７と異なり、本発明を適用しない場合の冷却水流れの摸式図である。
【００１１】
ΔＰを小さくし、かつ、高熱伝達を実現するためには、フィンの寸法を含む断面形状、フィン平面形状、フィン表面粗さについて考慮しなければならない。
【００１２】
まず、フィン断面形状に関しての手段である。前述のように、ΔＰの制約から、フィン１０１はストライプ状フィンとし、フィン１０１の断面形状は、図１（ｃ）、及び、図３に示すように、フィン１０１の根元が広く、先端に向かって狭くなる台形とする。この形状とすることで、より熱伝達に寄与する、フィン１０１の根元で冷却水の流速を高流速とすることができるので、ｈを増大できる。一方、冷却流路となるフィン間の断面積は、フィン断面が矩形の場合と同じにできるため、ΔＰ決定の主因子である平均流速を増大させることがないため、ΔＰを増大させることはない。さらに、フィンの断面形状は、図３に示すように、コーナーＲ３０４，３０５が形製されている。コーナーＲが形製されておらず、角が存在すると、例えば冷却水のスケール等が堆積し易く、その部分で冷却水が滞り易い、さらには、熱伝達境界層が角の部分では厚くなり、熱伝達に悪影響を及ぼす。
【００１３】
次に、フィン平面形状、フィン表面粗さに関しての手段である。図８に、平面形状に対して本発明を適用していない場合のフィン付銅ベース裏面の平面拡大図を示す。フィン８０１の断面形状は、図３と同じ台形形状である。冷却水導入部のフィン先端８０４にもコーナーＲ８０３が形製されている。この場合、模式的に示した冷却水流れ８０２はスムーズなものになる。このような流れになると、冷却水の流れがすぐに発達してしまい、熱伝達境界層の厚さが厚くなり、冷却性能は悪化する。このことを改善したのが図７である。フィン長手方向先端１０８にコーナーＲは設けていない。このため、冷却水流れ７００は領域７０２のように激しく乱れ、熱伝達を促進させる。このように、コーナーＲを持たないフィン先端形状７０１にするためには、切削加工が適した方法である。図１の領域１０７はこの切削加工を行った領域である。ΔＰには、冷却水が接液する面の面粗さも影響するため、フィン１０１の表面、及び、銅ベース１００裏面の面粗さは可能な限り小さくする。従って、領域１０７は切削加工を行うため、平均面粗さＲａは、領域１０７以外と比べて大きくなることが本発明の特徴であり、領域１０７は、冷却水導入部でもあるため、面粗さを粗くすることにより、冷却水の乱流化を促進することができる。
【００１４】
以上、本発明の特徴を述べた。上述以外の本発明の特徴は、以下の本発明実施例で明らかとなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を、以下図面を使用して詳細に説明する。
（実施例１）
図１，３，５，６を使用して第一の実施例について詳細に説明する。５０ｋＷクラスの水冷３相インバータに適用される、３相ＩＧＢＴモジュールの実施例である。
【００１６】
図１はフィン付銅ベース１００の構造のみを示したものであり、図３は図１（ｃ）の一部を拡大した図である。平面形状１００ｍｍ×２１０ｍｍのフィン付銅ベース１００の中央に、ストライプ状フィン１０１を１２本形製している。銅ベース１００の材質はタフピッチ銅（Ｃ１１００）である。フィン１０１の長さ１０５は１７０ｍｍ、銅ベース１００の平板部厚さ１０３は３ｍｍ、フィン１０１の高さ１０４は５ｍｍである。平板部厚さ１０３は、ＩＧＢＴモジュール組立て時の反り等が大きくならないように適度な剛性を持たせること、かつ、窒化アルミ基板を接着するはんだ層の歪みが大きくならないように剛性が大きくなりすぎないこと、等に配慮されて決定された。また、フィン１０１のピッチ１０６は４ｍｍである。フィン高さ１０４、ピッチ１０６については後述する。
【００１７】
フィン１０１の断面形状について、図３で詳細に説明する。フィン１０１断面形状はフィン根元から先端に向かって細くなる台形としている。根元の幅３００は２ｍｍで、先端の幅３０２は１ｍｍとしている。従って、平均のフィン１０１の幅は１．５ｍｍである。一方、フィン根元、及び、先端のフィン間隔３０１，３０３は、各々２ｍｍ，３ｍｍとしており、平均フィン間隔は２．５ｍｍである。また、フィン１０１断面の各コーナー３０４，３０５は、Ｒ＝０．５ｍｍで面取りされている。従って、フィン１０１の先端は、半径０．５ｍｍの半円となっている。コーナーＲの大きさは、例えばコーナー３０４を１ｍｍとすると、フィン間隔、即ち、冷却水路幅の減少が無視できなくなる、かつ、例えば、０．２ｍｍと小さいと上述した本発明の効果が顕著に期待できなくなる、等の理由で決定された。また、本実施例において、銅ベース１００は押出し法で製造されており、その表面粗さＲａは０．４以下である。つまり、本発明の特徴である、冷却水接液面の小さい面粗さが実現できている。図１の領域１０７は本発明の一つである、フィン先端１０８で乱流を促進する目的で、コーナーをシャープな形状にするために、フィン１０７を切削した領域である。このため、領域１０７の面粗さＲａは１．６と、その他の領域よりも大きくなっている。この面荒さは、後述するように、Ｏリングで冷却水を封止する際に、封止性能を劣化させない範囲で、大きくしたものである。本実施例では、全体の冷却水路幅は５ｃｍとし、冷却水の流量は１０Ｌ／ｍｉｎを想定している。この場合、フィン１０１で構成される冷却水の平均流速は、１．０ｍ／ｓである。ΔＰの制約から、冷却水の流速は１．０ｍ／ｓ程度が上限であることが明らかになっている。一方、例えば、フィン高さ１０４を６ｍｍと高くすると、伝熱面積は増大できるものの、平均流速は５ｍｍの場合の８３％と小さくなり、熱伝達率，ｈは流速に比例するため、結果として、冷却能力は若干低下する。ただし、この場合であっても、図２に示すこの種構造物に較べて熱伝達率を向上させることができる。
【００１８】
以上、本発明の目的を達成するためのフィン形状について述べた。ここで、改めて各寸法について、その限界の値を含めて記述する。
【００１９】
フィン幅／間隔／高さは、冷却水流量と密接に関係し、最適な値が決定される。冷却水流量は、一般に最大１０Ｌ／ｍｉｎ程度である。フィン幅を減少させると、フィン本数はある程度増大できるが、流速が減少し、熱伝達率が減少してしまう。検討結果、１０Ｌ／ｍｉｎ程度の条件のもとで、フィン幅は０．５ｍｍ以上でなければ良好な放熱を実現できないことが明らかとなった。フィン高さについては、高くすれば伝熱面積は増大できるが、フィン効率低減、及び、上述と同じ理由で流速低下が生じるため上限が存在する。検討結果、同じく１０Ｌ／ｍｉｎ程度の条件のもとで１０ｍｍ以下とする必要があることが分かった。フィン間隔は圧力損失の制約で決定される。圧力損失は流速の約２乗に比例して増大する。高性能な電動ポンプを使用したとしても圧力損失は数１０ｋＰａ以下でなければならず、この場合、フィン間隔は１ｍｍ以上でなければならないことが明らかとなった。
【００２０】
また、コーナーＲについては、故意に汚染された冷却水を流し、コーナー部の汚れ具合を観察した結果、Ｒ＝０．３ｍｍ以上で、水垢堆積防止の効果があることが明らかとなった。つまり、本発明の効果を達成するためにはＲ≧０．３ｍｍとすることが望ましい。
【００２１】
さらに、圧力損失に関して、面粗さの影響を調べたところ、以下のことが明らかになった。
【００２２】
紙やすりで故意に表面状態を荒くする事により面粗さ程度の影響を実験すると、Ｒａ＝０．８以上になると圧力損失は増大し出すことが分かった。つまり、圧力損失を増大させないためにはＲａ≦０．８とすることが望ましい。
【００２３】
最後に金属ベースの硬度についての最適値である。金属ベースは、硬度（降伏応力）が低いと、使用時の温度履歴で変形してしまう問題が生じる。このことを避けるための硬度は、ビッカース硬度で評価すると、６０程度以上であることが明らかとなった。
【００２４】
図５は本発明フィン付銅ベース１００をＩＧＢＴモジュールに適用した場合の構造例である。モジュールの主端子、制御端子、ケース等を省略し、銅ベース１００、ＩＧＢＴ５１５，ＦＷＤ５１４等をはんだ接着した銅貼り窒化アルミ基板５０１、主端子用電極パッド５１２、制御端子用電極パッド５１０等のみを表している。図５（ａ）は平面模式図、同（ｂ），（ｃ）は同（ａ）のＡＡ，ＢＢ断面模式図である。断面摸式図において、絶縁基板５０１表面の回路パタン、及び、接着用の裏面金属パタン、さらに、半導体チップと絶縁基板５０１の回路パタン、絶縁基板と金属ベースの接着層は省略している。窒化アルミ基板５０１の大きさは２．６ｃｍ×５ｃｍで、チップサイズ１１ｍｍ□のＩＧＢＴペレット５１５、チップサイズ６ｍｍ×９ｍｍのＦＷＤペレット５１４各２チップが、融点３００℃以上の高温はんだで接着されている。はんだ膜厚は０．１ｍｍ程度である。各ペレットの電圧／電流定格は６００Ｖ／２００Ａであり、２並列接続されることにより、定格６００Ｖ／４００Ａのモジュールとなっている。さらに、窒化アルミ基板５０１には、ＩＧＢＴを並列駆動する場合の共振防止用ゲート抵抗ペレット５０５、温度検出用サーミスタ５０９がはんだ接着されている。ＩＧＢＴペレット５１５、ＦＷＤペレット５１４と窒化アルミ基板５０１上銅パタン５１６，５１７との接続は、アルミワイヤ５０６，５０８，５０７で行う。本ワイヤの線経は４００μｍφである。アルミワイヤ５０７，５０８は、全本数でなく、代表的なワイヤのみを表現している。本パワー半導体搭載窒化アルミ基板５０１と銅ベース１００は、融点１８０℃程度の低融点はんだである共晶はんだで接着されている。はんだ膜厚は約０．１５ｍｍである。低融点はんだを使用する目的は、ＩＧＢＴ５１５，ＦＷＤ５１４接着はんだ層の再溶融を防ぐためである。窒化アルミ基板５０１と主端子、制御端子用電極パッド５１２，５１０との接続も、アルミワイヤ５１３，５１１で行われる。このワイヤの線経は５００μｍφである。アルミワイヤ５０６，５０８，５０７は、半導体ペレット表面にボンディングされるため、低ダメージに配慮する必要ある。従って、４００μｍと比較的細いワイヤを使用している。しかし、アルミワイヤ５１３，５１１はダメージに配慮する必要ないため、ボンディング本数の低減、かつ、電気抵抗低減に配慮して、太いワイヤを使用している。３相モジュールの各アームは、一枚の窒化アルミ基板５０１から構成され、合計６枚の基板５０１が大きさ１０ｃｍ×２１ｃｍ、平板部の厚さ３ｍｍのフィン付銅ベース１００にはんだ接着されている。前述したフィン１０１の本数は、発熱体である窒化アルミ基板５０１接着領域に設けられ、高効率で放熱できるように設計されている。窒化アルミ基板５０１領域以外にフィン１０１を設けても、冷却水の流速を低減させるのみで、放熱能力向上に寄与しないのである。
【００２５】
本モジュールに、水路カバーを取り付けた場合の実施例を図６に示す。図５（ａ）のＡＡ断面摸式図に水路カバーを取り付けた場合の摸式図を示している。フィン１０１の底面にアルミダイカスト製水路カバー６０１を接触させて水路を構成している。水路カバー６０１の肉厚は、強度を考慮し３ｍｍとした。また、図５（ａ）のＢＢ断面は図示していないが、水路カバー内側の幅、即ち、全体の冷却水路幅は５ｃｍとしている。以上のように、水路カバー６０１をフィン１０１に接触させているのは、フィン間に冷却水を効率良く流し、ｈを可能な限り向上させるためである。冷却水のシールは、銅ベース１００の筐体６０２への取付けをＯリング６００で行って実施している。Ｏリング挿入用に、アルミダイカスト製インバータ筐体６０２に溝６０３を設けている。筐体の肉厚は、水路カバーと同様３ｍｍとした。Ｏリングの線径は１．９ｍｍφ、溝６０３の深さは１．４ｍｍである。また、モジュールはＭ６ボルトで取付け、締付けトルクは２．４５Ｎ・ｍとした。このトルクは、通常のモジュール取付けトルクと同程度である。
【００２６】
以上の構成のモジュール、及び水路に、エチレングリコールが主成分であるロングライフクーラント５０ｖｏｌ．％の冷却水を、流量１０Ｌ／ｍｉｎ、温度７５℃で給水口６０４から通流し、冷却性能を測定した。前記の通り、冷却水の平均流速は、１．０  ｍ／ｓである。
【００２７】
まず、冷却性能の指標である、冷却水からＩＧＢＴチップジャンクションまでの熱抵抗，Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）を評価した。結果、０．１２５Ｋ／Ｗとなった。また、給排水管間の圧力損失は、２．５ｋＰａであった。本ＩＧＢＴモジュールが想定している最大損失は、ＩＧＢＴについては、４００Ｗ／アームである。従って、冷却水からの温度上昇は約５０℃となる。即ち、ＩＧＢＴチップの最大温度は１２５℃である。通常、ＩＧＢＴの最大温度定格は１５０℃であり、余裕のある温度にできることが分かった。また、例えば、ＨＥＶ用インバータの場合、モータ／ジェネレータ用、２つのインバータで１セットになることが一般的であり、要求されるΔＰは、一般に、１０ｋＰａ程度以下である。本実施例の場合、１インバータ（１ＩＧＢＴモジュール）で２．５ｋＰａであり、２インバータで５ｋＰａ程度となり、ΔＰも余裕があることが分かった。本発明の効果を検証するため、本発明フィン形状でなく、フィン断面形状が長方形の場合についても、本実施例と同じモジュールを製造し、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）、ΔＰを評価した。フィン断面の形状は、幅１．５ｍｍ、高さは同じ５ｍｍ、フィン間隔は２．５ｍｍとした。つまり、フィン幅／間隔は、本実施例の平均距離としている。また、フィンは、全て切削で形製したため、銅ベースの平均荒さＲａは０．８〜１．６になっている。測定結果、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）＝０．１３Ｋ／Ｗ、ΔＰ＝３ｋＰａとなった。本発明により、熱抵抗、ΔＰいずれも性能向上していることが分かった。Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）の低減効果は、上述の通り、フィン断面が台形形状、かつ、Ｒａ＝０．５ｍｍとしているためであり、ΔＰ改善は、本発明の場合、表面面荒さが小さいためである。
（実施例２）
本発明の第二の実施例を、図４を利用して説明する。本実施例は、放熱能力向上を目的とした実施例である。図４は、図１のＢＢ断面摸式図に相当するの部分の拡大図である。
【００２８】
パワーチップの発熱は、チップから冷却水へと、基本的に放射状に拡散する。従って、本実施例では、フィン付銅ベース４０３の平板部４００のフィン領域４０５を、領域４０４のように、フィン４０１先端に向かって緩やかに凸にしている。本形状とすることにより、放射状にフィン４０１先端に向かって拡散する熱は、より高効率で冷却水へと放熱できる。平板部４００の厚さは実施例１と同様３ｍｍである。領域４０４の厚さ４０２が重要である。即ち、大きくなるに従い、つまり、半円に近づくにつれ、フィン４０１へ熱は伝わり易くなるが、フィン４０１の高さが小さくなり、肝心の伝熱面積が小さくなってしまうのである。本実施例では、厚さ４０２は１ｍｍとしている。
【００２９】
このフィン付銅ベース４０３で、実施例１と同じＩＧＢＴモジュールを製造し、同じ冷却水条件でＲｔｈ（ｊ−ｗ）を測定した。結果、０．１２Ｋ／Ｗと実施例１に比べて５％程度低減させることができた。また、ΔＰは、実施例と同様２．５ｋＰａであった。
【００３０】
本実施例構造は、前記放熱能力向上以外にも以下の効果がある。フィン付銅ベースの製造方法として、押出し成型は一つの有効な製法である。この場合、フィンは銅ベース長手方向全領域に渡って形製される。従って、ＩＧＢＴモジュールに適用するためには、図６に示すように、Ｏリング６００等で冷却水を封止するため、図１の領域１０７のフィンを削除する必要がある。この場合、フィン領域４０５とその他の領域４０６を平坦にしなければならない。フィン領域４０５に凸部か形成されていると、この凸部はなだらかに領域４０６とつながっているので、凸部を切削するのみで容易に平坦にできる。凸部が形製されていない、もしくは、フィン部の平板部が凹になっていると、領域４０６の切削も必要になり、平坦化するのが容易ではない。
【００３１】
さらに、本実施例において、平板のコーナー４０７にもコーナーＲを形製している。Ｒ＝１ｍｍと、フィン４０１のコーナーよりも大きくしている。ＩＧＢＴモジュール製造において、銅ベースと樹脂ケースの接着は、重要な工程の一つである。ＩＧＢＴ，ＦＷＤペレットを封止するゲルを樹脂ケースに注入する際に、このゲルを、ケース外へ漏れ出すことのないようにするために重要なのである。コーナー４０７に、本実施例のように大きなコーナーＲが形製されていると、樹脂ケースをベースに勘合し易く、密着性を高めることができる。
（実施例３）
本発明の第三の実施例を、図９を利用して説明する。本実施例も、実施例２と同様、放熱能力向上を目的とした実施例である。
【００３２】
図７で説明したように、フィン長手方向の先端１０８で冷却水は激しく乱され、熱伝達境界層は薄くなるため、ｈは増大し、冷却能力は向上する。しかしながら、この場合でも、長手方向を流れて行くに従い、冷却水流れは発達し、次第に境界層が厚くなり、若干とはいえ冷却能力が減少する。そこで、本実施例では、フィン付銅ベース９００のフィンを複数分割（図では３分割）し、フィン９０２，９０３，９０４としている。フィンの幅、高さ、間隔等断面形状は全て実施例と同じである。分割する領域は、窒化アルミ基板５０１間の領域としている。フィン分割領域の幅は５ｍｍとし、全体のフィン長さ９０５は、実施例１と同じ１７０ｍｍとしている。このフィン構成で、例えば、図９の左手から右手へ冷却水を流した場合、実施例１，２では、窒化アルミ基板９０７のＲｔｈ（ｊ−ｗ）は、窒化アルミ基板９０６のＲｔｈ（ｊ−ｗ）よりも５％程度増加影響するが、本実施例では、同程度にすることができた。
【００３３】
本実施例によれば、直線型フィンのフィン長手方向に対して垂直断面（断面Ａ）の各コーナーにＲ面取りを設け、かつ、フィン長手方向に対して平行断面（断面Ｂ）のコーナーには面取りを設けない。断面ＡにコーナーＲを設けず、角が存在すると、例えば冷却水のスケール等が堆積し易く、その部分で冷却水が滞り易いく、さらには、境界層が角の部分では厚くなり、熱伝達に悪影響を及ぼすからであり、一方、断面ＢにコーナーＲが存在しないと、その部分で冷却水の乱流効果が大きくなり、熱伝達が促進されるからである。
【００３４】
ΔＰには、冷却水が接液する面の面粗さも影響するため、フィンの表面、及び、銅ベース裏面の面粗さは可能な限り小さくすることが望ましい。しかしながら、断面Ｂの両端、及び、その近傍は、乱流効果を促進させるため、面粗さは荒いことが望まれる。従って、断面Ｂの両端、及び、その近傍の面荒さをその他の領域よりも大きくすることは、低ΔＰ、高熱伝達を両立させる効果がある。
【００３５】
さらに、断面Ａの形状を、フィン根元が広く、先端に向かって狭くなる台形としている。この形状とすることで、より熱伝達に寄与するフィン１０１の根元で冷却水の流速を高流速とすることができるので、熱伝達率を増大できるにもかかわらず、冷却流路となるフィン間の断面積は、断面Ａが矩形の場合と同じにできるため、圧力損失，ΔＰ決定の主因子である平均流速を増大させることないため、ΔＰを増大させない効果がある。
【００３６】
また、ストライプ状の冷却フィンを、その長手方向に複数に分割することにより、全ての基板のＲｔｈ（ｊ−ｗ）を同程度にすることができ、冷却能力の減少を抑えることができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、パワー半導体素子を有し、低熱抵抗化を図る直接水冷型パワー半導体モジュール構造の更なる高熱伝達率を達成し、冷却効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構造を示すＩＧＢＴモジュール銅ベースの模式図で、（ａ）は平面構造、（ｂ），（ｃ）は断面構造を示す。
【図２】従来水冷インバータの断面模式図である。
【図３】本発明フィン付銅ベースの断面構造の拡大図である。
【図４】本発明の一実施例の断面構造模式図である。
【図５】本発明銅ベースを適用したＩＧＢＴモジュールの平面構造模式図である。
【図６】水路カバーを含んだ実施例を示す図である。
【図７】本発明を適用したフィン構造の場合の冷却水の流れを示す図である。
【図８】本発明を適用しない場合の冷却水の流れを示す図である。
【図９】本発明の一実施例の断面構造模式図である。
【符号の説明】
１００，４００，９００，８００…ＩＧＢＴモジュール銅ベース、１０１，４０１，９０２，９０３，９０４，８０２…直線型フィン、１０２…ＩＧＢＴモジュール取付け穴、１０３…ＩＧＢＴモジュール銅ベース平板部厚さ、１０４…フィン高さ、１０５…フィンの長さ、１０６…フィンピッチ、１０７…表面粗さの粗い領域、２００…パワー半導体モジュール、２０１…金属ベース、２０２…フィン、２０３…冷却水路、２０４，６０１…冷却水路カバー、２０５，６０２…筐体、２０６…モジュール取付け用開口部、３００，３０２…フィン幅、３０１，３０３…フィン間隔、３０４…フィン根元コーナーＲ、３０５…フィン先端コーナーＲ、４０２…フィン領域凸部厚さ、４０３…銅ベース平板部コーナーＲ、４０４…フィン領域凸部、４０５…銅ベース平板部のフィン領域、４０６…銅ベース平板部のフィン部以外の領域、４０７…銅ベース平板部コーナーＲ、５０１，９０６，９０７…窒化アルミ基板、５０５…ゲート抵抗チップ、５０６…ゲートワイヤ、５０７…エミッタワイヤ、５０８…カソードワイヤ、５０９…サーミスタ、５１０…制御端子用電極、５１１…制御配線ワイヤ、５１２…主端子用電極、５１３…主配線ワイヤ、５１４…ＦＷＤペレット、５１５…ＩＧＢＴペレット、５１６…ゲート配線パタン、５１６…エミッタ配線パタン、６００…Ｏリング、６０３…Ｏリング用溝、６０４…給水口、６０５…排水口、７００，８０２…冷却水の流れ、１０８，８０４…フィン長手方向先端（冷却水導入部）、７０２…冷却水の流れが乱れる領域、８０３…フィン長手方向先端コーナーＲ、９０５…全体のフィン長さ。
【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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