(57)【要約】【課題】冷却性能を向上するとともに、長期信頼性を向上することを目的とする。【解決手段】パワー半導体素子２、パワー半導体素子２の線膨張率と同じオーダの線膨張率を有しパワー半導体素子２を接合した絶縁性基板３、絶縁性基板３を接合し、パワー半導体素子２及び絶縁性基板３の線膨張率と同じオーダの線膨張率を有する低熱膨張金属板４０が接合され、冷却液が流通する複数の溝５１が内部に形成された放熱部材、放熱部材４１の低熱膨張金属板４０の接合面と反対側の外周面に結合され、この結合面の内側の面において放熱部材４１との間に隙間５０が形成された蓋体２を備えた構成とする。【選択図】　　　　図５
2004006717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子、
該パワー半導体素子の線膨張率と同じオーダの線膨張率を有し、上記パワー半導体素子が接合された絶縁性基板、
上記パワー半導体素子及び絶縁性基板の線膨張率と同じオーダの線膨張率を有し、絶縁性基板が接合された低熱膨張金属板、
該低熱膨張金属板を上記絶縁性基板が接合された側の面と反対側の面に接合され、内部に冷却液が流通する冷却液流路が設けられたヒートシンクを備えたことを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項２】
パワー半導体素子、
該パワー半導体素子の線膨張率と同じオーダの線膨張率を有し、上記パワー半導体素子が接合された絶縁性基板、
上記パワー半導体素子及び絶縁性基板の線膨張率と同じオーダの線膨張率を有し、絶縁性基板が接合された低熱膨張金属板、
該低熱膨張金属板の上記絶縁性基板が接合された側の面と反対側の面に接合され、内部に冷却液が流通する冷却液流路が設けられた放熱部材を備えたことを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項３】
ヒートシンクは、低熱膨張金属板が接合された放熱部材と、該放熱部材の上記低熱膨張金属板接合面と反対側面で結合された蓋体とで構成されていることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体装置。
【請求項４】
冷却液流路は、ヒートシンク内部に並行に形成された複数の溝及び該溝間に形成されるフィンにより構成されていることを特徴とする請求項１または３記載のパワー半導体装置。
【請求項５】
冷却液流路は、ヒートシンク内部に直交する方向に形成された複数の溝及び該溝間に形成される柱形状の柱状フィンにより構成されていることを特徴とする請求項１または３記載のパワー半導体装置。
【請求項６】
放熱部材と蓋体とは外周面で結合され、該結合された外周面の内側の面において上記放熱部材と上記蓋体との間に隙間が形成されていることを特徴とする請求項３、４または５のいずれかに記載のパワー半導体装置。
【請求項７】
外周面は、シール部材を介して結合されていることを特徴とする請求項６記載のパワー半導体装置。
【請求項８】
ヒートシンクに溝状凹部からなる冷却液流入用及び流出用の複数のマニホールド形成され、該マニホールドはそれぞれ複数の冷却液流路に連通するように形成されていることを特徴とする請求項１、３ないし７のいずれかに記載のパワー半導体装置。
【請求項９】
ヒートシンクに溝状凹部からなる冷却液流入用及び流出用のマニホールドが形成され、該マニホールドは複数の冷却液流路全てに連通するように形成されていることを特徴とする請求項４ないし８のいずれかに記載のパワー半導体装置。
【請求項１０】
冷却液流入用及び流出用のマニホールドが、蓋体の外方に開口する開口部と、該開口部に蓋をする蓋部材とによって形成されていることを特徴とする請求項８または９記載のパワー半導体装置。
【請求項１１】
冷却液流路は、ヒートシンクの一端から他端まで延在し、筒状のマニホールドが、該マニホールドの流路と上記冷却液流路とを上記一端及び他端で連通するように設けられていることを特徴とする請求項１、３ないし７のいずれかに記載のパワー半導体装置。
【請求項１２】
マニホールドには外部の冷却配管と結合するためのジョイント部が設けられており、上記マニホールドの流路断面積を上記ジョイント部から遠ざかるにしたがって小さくなるようにしたことを特徴とする請求項８ないし１１のいずれかに記載のパワー半導体装置。
【請求項１３】
低熱膨張金属板は、モリブデンまたはタングステンからなることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載のパワー半導体装置。
【請求項１４】
放熱部材は、銅またはアルミニウムからなることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載のパワー半導体装置。
【請求項１５】
低熱膨張金属板の板厚をｈ１（ｍ）、上記放熱部材の断面の図心線から上記放熱部材と上記低熱膨張金属板との接合面までの距離をη（ｍ）、上記低熱膨張金属板の縦弾性係数をＥ１（Ｐａ）、上記放熱部材の縦弾性係数をＥ２（Ｐａ）、上記放熱部材の断面２次モーメントをＩ２、厚さ２ηとしたときの上記放熱部材の断面２次モーメントをＩ２ｅとしたとき、上記放熱部材のηが、下記式（１）を満たしていることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載のパワー半導体装置。
【数１】
2004006717.tif 000007
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換装置等に用いられるパワー半導体装置に関し、特に、パワー半導体素子１個当りの発熱量がおよそ０．１〜１キロワットまたはそれ以上、あるいはパワー半導体基板１個当りの発熱量がおよそ１〜１０キロワットまたはそれ以上というような大容量のパワー半導体装置における信頼性向上の技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２５は、汎用のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　ＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）モジュールと冷却装置から構成される従来のパワー半導体装置の一例を示す側面図である。図において、１はＩＧＢＴモジュール、２はＩＧＢＴ素子、３は両面に銅やアルミニウム等の金属箔が接着された、アルミナや窒化アルミ等からなる絶縁性基板、４はモリブデンやタングステン等からなる放熱用金属板、５はヒートシンク等の冷却装置、６、７は半田、８はグリース等のコンパウンドである。
【０００３】
上記図２５の構成においては、放熱用金属ベース板４上に絶縁性基板３及びＩＧＢＴ素子２が順に半田６及び７で接合されてＩＧＢＴモジュール１が形成されており、ＩＧＢＴモジュール１は冷却装置５にコンパウンド８を介して接続され、圧接されている。
【０００４】
ＩＧＢＴモジュール１を運転した際にＩＧＢＴ素子２で発生する熱は、絶縁性基板３と放熱用金属ベース板４を介して冷却装置５に伝導し、ＩＧＢＴ素子２は冷却される。
【０００５】
また、パワー半導体装置の他の構造として、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ　Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ　Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）等のパワー半導体モジュールの両面にヒートシンク等の冷却装置を取り付け、それぞれの接続部は外部からの圧接で接続する圧接スタック型がある。
【０００６】
上記のパワー半導体モジュールでは、運転時に温度変化によって接合部に生じる熱応力を低減するために、主要部分には、線膨張率がＩＧＢＴ素子２の線膨張率に近い部材を使用している。例えば、ＩＧＢＴ素子２の線膨張率がけい素で約２．６×１０−６／Ｋであるのに対して、絶縁性基板３には線膨張率が約４×１０−６／Ｋの窒化アルミ、放熱用金属ベース板４には線膨張率が約４．８×１０−６／Ｋのモリブデンまたは約４．５×１０−６／Ｋのタングステンを使用している。
【０００７】
一方、ヒートシンク等の冷却装置５には、熱伝導率のよい銅やアルミニウムが使用されており、線膨張率は銅で約１６．６×１０−６／Ｋ、アルミニウムで約２３．２×１０−６／ＫとＩＧＢＴモジュール１の線膨張率に比べて１オーダー大きい。
【０００８】
図２６は、従来のパワー半導体装置の別の例を示す側面図であり、例えば、特開平９−９２７６５号公報に記載されたものである。図において、１０１は電力用トランジスタまたは電力用ダイオード等の電力用半導体素子、１０２はセラミック板等からなる絶縁基板である。１０３は放熱ベースであり、銅板やアルミニウム板等の板状体に冷却液体用通路１３１が穿設されている。１０５は電極、１０６はケースである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパワー半導体装置は以上のように構成されており、パワー半導体モジュールで使用されている部材の線膨張率と冷却装置で使用されている部材の線膨張率とが違うため、運転時の温度変化による熱によりパワー半導体モジュールと冷却装置との間には伸びの差が発生する。
【００１０】
また、大容量化に伴い、半導体素子からの発熱量は増大し、熱による伸びに大きな差が発生する。さらに長期信頼性の観点から要求される熱サイクル数も増大している。
【００１１】
図２５に示したパワー半導体装置では、パワー半導体モジュールと冷却装置とをコンパウンドを介して接続し圧接することによって、熱による伸縮で発生する熱応力を逃がす構造が採られているが、コンパウンドの熱伝導率が低いためにパワー半導体モジュールと冷却装置との間の熱抵抗が高く、冷却性能が低下するという問題があった。
【００１２】
また、パワー半導体モジュールの両面にヒートシンク等の冷却装置を取り付け、それぞれの接続部は外部から加圧して接続する圧接スタック型の場合も、パワー半導体モジュールと冷却装置との間で熱による伸びに大きな差が生じ、接続部に亀裂が生じる可能性があるという問題があった。
【００１３】
また、図２６のように、電力用半導体素子に接続される放熱ベースに冷却液体用通路を穿設し、冷却液体を流通させて放熱ベースを冷却することによって、ヒートシンクを用いる場合に比べてコンパクト化や冷却能力の向上が図れるが、放熱ベースと電力用半導体素子及び絶縁基板との間には熱による伸びに大きな差が生ずる。
【００１４】
従って、電力用半導体素子と放熱ベースとの接続に熱伝導率の高い半田を用いた場合には、接続部に亀裂が発生する可能性があり、亀裂発生を避けるために半田に代えてコンパウンドを用いた場合には冷却性能が低下するという問題があった。
【００１５】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、パワー半導体装置の熱伝導経路における熱抵抗を低減して冷却性能を向上するとともに、熱伝導経路における部材間の熱応力を低減することによって長期信頼性を向上することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るパワー半導体装置は、
パワー半導体素子、
該パワー半導体素子の線膨張率と同じオーダの線膨張率を有し、上記パワー半導体素子が接合された絶縁性基板、
上記パワー半導体素子及び絶縁性基板の線膨張率と同じオーダの線膨張率を有する低熱膨張金属板が接合され、該低熱膨張金属板を介して上記絶縁性基板が接合され、内部に冷却液が流通する冷却液流路が設けられたヒートシンクを備えたものである。
【００１７】
また、パワー半導体素子、
該パワー半導体素子の線膨張率と同じオーダの線膨張率を有し、上記パワー半導体素子が接合された絶縁性基板、
上記パワー半導体素子及び絶縁性基板の線膨張率と同じオーダの線膨張率を有し、絶縁性基板が接合された低熱膨張金属板、
該低熱膨張金属板の上記絶縁性基板が接合された側の面と反対側の面に接合され、内部に冷却液が流通する冷却液流路が設けられた放熱部材を備えたものである。
【００１８】
また、ヒートシンクは、低熱膨張金属板が接合された放熱部材と、該放熱部材の上記低熱膨張金属板接合面と反対側面で結合された蓋体とで構成されているものである。
【００１９】
また、冷却液流路は、ヒートシンク内部に並行に形成された複数の溝及び該溝間に形成されるフィンにより構成されているものである。
【００２０】
また、冷却液流路は、ヒートシンク内部に直交する方向に形成された複数の溝及び該溝間に形成される柱形状の柱状フィンにより構成されているものである。
【００２１】
また、放熱部材と蓋体とは外周面で結合され、該結合された外周面の内側の面において上記放熱部材と上記蓋体との間に隙間が形成されているものである。
【００２２】
また、外周面は、シール部材を介して結合されているものである。
【００２３】
また、ヒートシンクに溝状凹部からなる冷却液流入用及び流出用の複数のマニホールド形成され、該マニホールドはそれぞれ複数の冷却液流路に連通するように形成されているものである。
【００２４】
また、ヒートシンクに溝状凹部からなる冷却液流入用及び流出用のマニホールドが形成され、該マニホールドは複数の冷却液流路全てに連通するように形成されているものである。
【００２５】
また、冷却液流入用及び流出用のマニホールドが、蓋体の外方に開口する開口部と、該開口部に蓋をする蓋部材とによって形成されているものである。
【００２６】
また、冷却液流路は、ヒートシンクの一端から他端まで延在し、筒状のマニホールドが、該マニホールドの流路と上記冷却液流路とを上記一端及び他端で連通するように設けられているものである。
【００２７】
また、マニホールドには外部の冷却配管と結合するためのジョイント部が設けられており、上記マニホールドの流路断面積を上記ジョイント部から遠ざかるにしたがって小さくなるようにしたものである。
【００２８】
また、低熱膨張金属板は、モリブデンまたはタングステンからなるものである。
【００２９】
また、放熱部材は、銅またはアルミニウムからなるものである。
【００３０】
また、低熱膨張金属板の板厚をｈ１（ｍ）、上記放熱部材の断面の図心線から上記放熱部材と上記低熱膨張金属板との接合面までの距離をη（ｍ）、上記低熱膨張金属板の縦弾性係数をＥ１（Ｐａ）、上記放熱部材の縦弾性係数をＥ２（Ｐａ）、上記放熱部材の断面２次モーメントをＩ２、厚さ２ηとしたときの上記放熱部材の断面２次モーメントをＩ２ｅとしたとき、上記放熱部材のηが、下記式（１）を満たしているものである。
【数２】
2004006717.tif 000003
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明は、パワー半導体モジュールが搭載された絶縁性基板を低熱膨張金属板に接合し、低熱膨張金属板を銅あるいはアルミニウム等からなり、パワー半導体モジュールが発生する熱を放熱するための放熱部材に接合した構成において、低熱膨張金属板と放熱部材との線膨張率の違いによるバイメタル効果により、図１に示すような湾曲変形を生じさせ、放熱部材４１の板厚と低熱膨張金属板４０の板厚の比を適切な値に設定することによって、湾曲変形時に低熱膨張金属板４０の絶縁性基板接合側表面における応力がほぼ零になるようにするものである。なお、図１には放熱部材４１に冷却液を流す冷却液流路として孔が設けられている場合と、溝が設けられている場合を合わせて示している。
【００３２】
上記のように、湾曲変形時に低熱膨張金属板４０の絶縁性基板接合側表面における応力がほぼ零になるようにするための、低熱膨張金属板４０に対する放熱部材４１の板厚について、以下に説明する。
【００３３】
低熱膨張金属板４０の板厚をｈ１（ｍ）、放熱部材４１の断面の図心線から放熱部材４１と低熱膨張金属板４０との接合面までの距離をη（ｍ）、低熱膨張金属４０の縦弾性係数をＥ１（Ｐａ）、放熱部材４１のの縦弾性係数をＥ２（Ｐａ）、放熱部材４１の断面２次モーメントをＩ２（ｍ４）、厚さ２ηとしたときの放熱部材４１の断面２次モーメントをＩ２ｅ（ｍ４）とすると放熱部材４１の断面の図心線から放熱部材４１と低熱膨張金属板４０との接合面までの距離をη（ｍ）と低熱膨張金属板４０の板厚をｈ１（ｍ）との比は、下記式（２）で精度よく近似することができる。
【００３４】
【数３】
2004006717.tif 000004
【００３５】
上記式（１）において、Ｉ２は孔あるいは溝等の断面形状を加味した実際の断面２次モーメントであり、Ｉ２ｅは孔あるいは溝等がない厚さ２ηとしたときの断面２次モーメントである。
【００３６】
図２は、１例として、低熱膨張金属板４０の材質をモリブデン、板厚を０．００２（ｍ）、温度上昇を６０Ｋとし、放熱部材４１の材質を銅、温度上昇を３０Ｋ、長さを０．２（ｍ）としたときの撓み量δ（ｍ）と、放熱部材４１の断面の図心線から放熱部材４１と低熱膨張金属板４０との接合面までの距離をη（ｍ）との関係を示したものであり、撓み量δはほとんどの場合、概略０．０００５（ｍ）以下にあり十分小さいといえる。
【００３７】
図３は、上記図２の１例において、低熱膨張金属板４０の絶縁性基板接合側表面における応力σ（Ｐａ）とη（ｍ）との関係を示したものであり、概略η＝０．００３（ｍ）においてσ＝０となっている。長時間にわたる繰り返し応力に対して、低熱膨張金属板４０と絶縁性基板との半田等による接合部は、σ＝−２×１０７〜２×１０７（Ｐａ）、すなわち、η＝０．００１５〜０．００６（ｍ）であれば耐性を有する。
【００３８】
従って、下記式（１）に示すように、放熱部材４１の断面のηが上記式（２）に係数０．００１５／０．００３〜０．００６／０．００３、すなわち０．５〜２．０を乗じた範囲になるように板厚及び断面形状を選択すれば、温度が上昇しバイメタル効果によって湾曲変形したときに生じる絶縁性基板との接合側における低熱膨張金属板４１表面の応力を小さくし、長時間にわたる繰り返し応力に対して低熱膨張金属板４０と絶縁性基板との接合部が割れたりすることのない、長期信頼性の高いパワー半導体装置が得られる。
【００３９】
【数４】
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【００４０】
以下に、本発明の具体的な実施の形態を説明する。
実施の形態１．
図４は、本発明に係るパワー半導体装置の実施の形態１の構成を示す平面図であり、図５は、図１のＡ−Ａ断面図、図６は、図４のＢ−Ｂ断面図である。図において、２はパワー半導体素子であり、例えば、ＩＧＢＴ素子である。パワー半導体素子２の線膨張率は、けい素の場合、約２．６×１０−６／Ｋである。
【００４１】
３は両面に銅やアルミニウム等の箔が接着された窒化アルミ等からなる絶縁性基板であり、窒化アルミの線膨張率は約４×１０−６／Ｋで、パワー半導体素子２の線膨張率と同じオーダである。
【００４２】
４０は線膨張率がパワー半導体素子２及び絶縁性基板３の線膨張率と同じオーダーまたはそれ以下の低熱膨張金属板であり、例えばモリブデン（約４．８×１０−６／Ｋ）あるいはタングステン（約４．５×１０−６／Ｋ）等からなる。
【００４３】
４１はヒートシンクの放熱部材であり、例えば、熱伝導性のよい銅等からなり、低熱膨張金属板４０とは圧接等によって強固に接合されている。
【００４４】
５１は冷却液が流通する冷却流路を形成するための溝であり、フィン４１ａで仕切られた複数本の溝５１がヒートシンクの放熱部材４１内部に、並行に設けられている。
【００４５】
４２は溝５１に蓋をして冷却流路を形成するための蓋体であり、銅、アルミニウム、鋼あるいはプラスチック等の板からなる。
【００４６】
５２及び５３はそれぞれ複数の溝５１に連通する冷却液流入用マニホールド及び冷却液流出用マニホールドである。
【００４７】
本実施の形態において、溝５１は放熱部材４１のパワー半導体素子２搭載部に対応する領域の近傍に設けられ、マニホールド５２、５３は溝５１の両端部に連通するように放熱部４１及び蓋体４２の両方に溝状凹部を形成して設けられている。
【００４８】
５４及び５５はそれぞれ、マニホールド５２及び５３と図示していない外部の冷却液配管とを結合するための冷却液入口側及び出口側ジョイント部である。６及び７は半田、１０は圧接接合部、９は放熱部材４１と蓋体４２とをその周辺部で接合している半田または接着剤等である。５０は放熱部材４１と蓋体との間に設けられたわずかな隙間であり、蓋体４２または放熱部材４１の接合した周辺部より内側の面をわずかに凹面とすることによって設けられている。
【００４９】
パワー半導体素子２は絶縁性基板３上に半田６で接合され、絶縁性基板３は低熱膨張金属板４０に半田７で接合され、低熱膨張金属板４０はヒートシンクの放熱部材４１上に圧接により圧接部１０で接合され、放熱部材４１は蓋体４２と半田または接着剤９で接合される。
【００５０】
ＩＧＢＴ素子１個当りの発熱量は、およそ０．１〜１キロワットまたはそれ以上であり、本実施の形態では低熱膨張金属板４０を圧接した放熱部材４１上に６個のＩＧＢＴ素子が配置されている。
【００５１】
図７はジョイント部５４、５５の近傍を拡大して示す断面図である。ジョイント部５４、５５は、例えば、テーパネジを形成した配管接続口金具で構成され、蓋体４２側のマニホールド５２、５３に連通するように設けた貫通口１４２にロウ付けまたは接着剤等で固定され、外部配管は配管接続口金具のテーパネジを介して接続される。
【００５２】
上記のように構成された本実施の形態のパワー半導体装置において、冷却液は溝５１と蓋４２によって形成された冷却液流路を放熱部材４１に直接接触しながら流れて、放熱部材４１を効率よく冷却する。なお、冷却液には、例えば、水等が用いられる。
【００５３】
次に、溝５１の寸法形状の一例について説明する。図８は、図４の一方のマニホールド近傍を拡大して示す平面図であり、図９は図８のＡ−Ａ断面図、図１０は図８のＢ−Ｂ断面図である。
【００５４】
低熱膨張金属板４０には線膨張率が小さいモリブデンまたはタングステン等の高価な材料を使用していること、及び銅に比べて熱伝導率が低いことを考慮して、厚さが０．５ｍｍないし３．０ｍｍというような薄板を使用している。
【００５５】
放熱部材４１にはバイメタル効果と冷却液の液圧に対する強度を考慮して、厚さ３ｍｍ程度（２．７５ｍｍ）の板を使用している。溝５１のサイズは冷却性を考慮して幅１．０ｍｍ×高さ１．５ｍｍとしており、溝５１の間隔すなわちフィン４１ａの厚さはフィン効率、加工性及び経年的な信頼性を考慮して０．５ｍｍとしている。蓋体４２には、厚さ３ｍｍ程度（２．７５ｍｍ）の板を使用している。また、マニホールド５２、５３は、幅２．５ｍｍ×高さ３．５ｍｍとしている。
【００５６】
次に、パワー半導体装置全体の寸法形状の一例について説明する。図１１はパワー半導体装置の要部を拡大して示す断面図である。
【００５７】
パワー半導体素子２の厚さは０．６ｍｍ、絶縁性基板３は、厚さが１．８ｍｍ、幅が２５ｍｍ、パワー半導体素子２は、幅が２０ｍｍであり、冷却液流路となる溝５１は、パワー半導体素子２及び絶縁性基板３に対向する位置に、絶縁性基板３の範囲または絶縁性基板３の範囲あるいはそれよりも少し大きい範囲にわたって配置されている。なお、図４及び図５では煩雑さを避けるために５本の溝５１を示しているが、実際には図１１に示したように、１８本（９本×２）設けられている。
【００５８】
上記のような本実施の形態の構成において、パワー半導体装置の運転時にパワー半導体素子２で発生する熱は、絶縁性基板３から低熱膨張金属板４０を経由して放熱部材４１に伝導し、冷却される。この時、冷却液によって放熱部材４１を直接冷却しているので、従来のように放熱部材にコンパウンドを介して冷却装置を接続したものに比べて熱抵抗が低く、また、フィン構造としているので冷却性能を向上させることができる。
【００５９】
また、低熱膨張金属板４０の線膨張率はパワー半導体素子２や絶縁性基板３の線膨張率と同じオーダで小さく、一方、圧接等で低熱膨張金属板４０を強固に接合している放熱部材４１は熱伝導率のよい銅等からなり、線膨張率が大きいので、バイメタル効果によって放熱部材４１側が凸の湾曲変形が生ずる。さらに、放熱部材４１と蓋体４２とは周辺部分で接合されているが、内部にはわずかな隙間５０があり、拘束されることなく湾曲変形するので、低熱膨張金属板４０の絶縁性基板接合側表面が放熱部材４１によって引き伸ばされることはなく、低熱膨張金属板４０と絶縁性基板３及びパワー半導体素子２との間の熱による伸びの差を小さくすることができる。従って、低熱膨張金属板４０と絶縁性基板３との間の半田７及びパワー半導体素子２部の半田６を破損させるような熱応力は発生することはなく、長期信頼性を高めることができる。
【００６０】
また、放熱部材４１に薄板を使用しているため、マニホールド５２、５３における冷却液の流路断面積を大きくすることができない場合があり、この場合、マニホールド５２、５３を流通する冷却液の流速が大きくなり、流通抵抗が大きくなりすぎることがあるが、本実施の形態のように、マニホールド５２、５３をパワー半導体素子２の小さな単位（図では２個）の冷却液流路（溝５１）に連通するように複数個設ける構成とし、外部の配管と結合するためのジョイント部５４、５５もマニホールド５２、５３毎に設け、各マニホールドに並列に冷却液を流すことによって、冷却液の流通抵抗を小さくすることができる。
【００６１】
また、溝５１を並列に複数本形成したフィン構造とし、蓋体４２で溝５１に蓋をすることによって冷却液流路を形成しているので、冷却液流路の製造が容易であり、かつ、フィン構造によって冷却性能を向上させることができる。
【００６２】
なお、本実施の形態において、ヒートシンクの冷却液流路を上記実施の形態１と同様、放熱部材４１に形成した溝５１と蓋体４２とによって構成し、溝５１間のフィンも蓋体４２に半田等によって接合して放熱部材４１と蓋体４２とを完全に一体化するようにしてもよい。この場合放熱部材４１及び蓋体４２が低熱膨張金属板４０とのバイメタル効果によって凸変形するようにする。
【００６３】
実施の形態２．
図１２は、本発明に係るパワー半導体装置の実施の形態２の構成を示す断面図である。
【００６４】
上記実施の形態１では、低熱膨張金属板を圧接等で強固に接合し、溝を形成した放熱部材と、放熱部材に形成された溝に蓋をするための蓋体とによってヒートシンクを構成し、冷却液が流通する冷却液流路を形成した。
【００６５】
また、マニホールドは、図示していないが、パワー半導体素子２の小さな単位毎に分割して放熱部材４１に複数個、設けている。
【００６６】
本実施の形態のヒートシンクでは、低熱膨張金属板４０を圧接等で強固に接合した放熱部材４１に、図１２（ａ）及び（ｂ）に示したように、角形断面形状あるいは円形断面形状の冷却液流路５１ａを複数本、並行に形成している。
【００６７】
放熱部材４１は、低熱膨張金属板４０とのバイメタル効果によって低熱膨張金属板４０の接合面と反対側の面で凸変形しやすい厚さにしている。従って、低熱膨張金属板４０の絶縁性基板３と接合されている側の表面が放熱部材４１によって引き伸ばされることはなく、低熱膨張金属板４０と絶縁性基板３及びパワー半導体素子２との間の熱による伸びの差を小さくすることができ、低熱膨張金属板４０と絶縁性基板３との間の半田７及びパワー半導体素子２部の半田６を破損させるような熱応力は発生することはなく、長期信頼性が向上する。
【００６８】
実施の形態３．
図１３は、本発明に係るパワー半導体装置の実施の形態３の構成を示す平面図であり、図１４は、図１３のＡ−Ａ断面図、図１５は、図１３のＢ−Ｂ断面図である。
【００６９】
本実施の形態は、ヒートシンク内に設けるマニホールドを全ての冷却液流路に共通なものとすることにより、外部配管が複雑になるのを回避するものである。
【００７０】
上記実施の形態１及び２では、マニホールド５２、５３をパワー半導体素子２の小さな単位毎に分割して複数個設ける構成としたが、本実施の形態では、分割せずに全溝５１に共通のマニホールド５２、５３としている。
【００７１】
放熱部材４１と蓋体４２とは、外周を半田あるいは接着剤で接合することによって一体化されている。
【００７２】
前述のように、放熱部材４１に薄板を使用しているが、この薄板の幅を大きくし、マニホールド５２、５３の幅Ｗを大きくすることによって、マニホールド５２、５３の流路断面積を大きくし、流通抵抗を小さくし、マニホールド５２、５３の分割数を少なくし、本実施の形態のように、分割せずに全溝５１に共通のマニホールド５２、５３とすることが可能である。
【００７３】
本実施の形態のように、分割せずに全溝５１に共通のマニホールド５２、５３とすることによって、冷却液の流入、流出のパスを減らすことができるので、冷却液の配管が複雑になるのを避けることができる。
【００７４】
なお、図１３では、外部の配管と結合するための冷却液入口側及び出口側ジョイント部５４、５５は、それぞれマニホールド５２、５３の端部に設けているが、中央部に設けて両側に流れるようして、溝５１に流通する冷却液の流量をより均一にすることができる。
【００７５】
また、本実施の形態では、放熱部材４１に形成された溝５１と蓋体４２とによって冷却液流路が形成される場合について説明したが、上記実施の形態２の場合についても、同様に全冷却液流路に共通のマニホールドをヒートシンク（放熱部材）に設けることによって、冷却液の流入、流出のパスを減らし、冷却液の配管が複雑になるのを避けることができる。
【００７６】
また、本実施の形態並びに上記実施の形態１及び２ではマニホールド５２、５３における幅Ｗを一定にしているが、ジョイント部５４、５５で幅Ｗを最大にして流路断面積を最大にし、ジョイント部５４、５５から遠ざかるにしたがって幅Ｗを小さくして流路断面積をしだいに小さくすることによって、溝５１に流通する冷却液の流量を均一にすることができる。
【００７７】
なお、本実施の形態及び上記実施の形態１では、マニホールド５２、５３の溝状凹部が放熱部材４１及び蓋体４２の両方に形成されている場合を示したが、マニホールド５２、５３の溝状凹部が放熱部材４１または蓋体４２のいずれか一方に形成された構造としてもよい。
【００７８】
実施の形態４．
図１６は、本発明に係るパワー半導体装置の実施の形態４の構成を示す平面図であり、要部すなわち一方のマニホールド近傍を拡大して示している。図１７は、図１６のＡ−Ａ断面図、図１８は、図１５のＢ−Ｂ断面図である。なお、これらの図では、パワー半導体素子及び絶縁性基板は省略している。
【００７９】
本実施の形態は、ヒートシンクを構成する放熱部材と蓋体との外周面における接合をＯリング等からなるシール部材を介してボルト等による締結によって行うものである。
【００８０】
また、ヒートシンクの外方に開口する開口部を設け、この開口部を蓋部材で蓋をすることによってマニホールドを形成し、マニホールドを十分な大きさとし、十分な流路断面積を確保することができるようにしたものである。
【００８１】
図において、６１はＯリング等からなるシール部材であり、例えば、シリコーンゴム等からなる。６２は溝５１やマニホールド５３、５２（図４参照）を取り囲むように蓋体４２に形成されたシール部材用溝である。６３は蓋部材である。
【００８２】
上記実施の形態１及び３では、蓋体４２と放熱部材４１とを半田や接着剤で接合した場合について説明したが、本実施の形態では蓋体４２にシール部材用溝６２が形成されており、溝６２にＯリングからなるシール部材６１を配備し、ボルト等によって放熱部材４１に蓋体４２を結合することによってシールしている。
【００８３】
シール部材６１を介して放熱部材４１に蓋体４２を結合することによって、低熱膨張金属板４０と放熱部材４１のバイメタル効果による凸変形を蓋体４２が拘束すること及び放熱部材４１と蓋体４２との間のわずかな温度差によって生じるわずかな変形をシール部材６１で緩和することができる。
【００８４】
また、蓋体４２の厚みを利用して蓋体４２に十分な大きさのマニホールド５３を形成している。図１８に示したように、蓋体４２に放熱部材４１との接合面と反対側の面に開口部を形成し、この開口部に蓋部材６３を接着剤あるいは溶接等によって接合し、開口部に蓋をすることによってマニホールド５３を設け、溝５１を短くしたり蓋体４２の幅を広げたりすることなくマニホールド５３を十分な大きさとし、十分な流路断面積を確保することができるようにしている。
【００８５】
以上、一方のマニホールド５３の構成について説明したが、他方のマニホールドの構成についても同様である。
【００８６】
なお、シール用材料としてＯリングの代わりに、ガスケットを用いてもよい。図１９は、本実施の形態においてガスケットを用いた場合の平面図であり、図２０は図１９のＡ−Ａ断面図、図２１は図１９のＢ−Ｂ断面図であり、これらの図でパワー半導体素子及び絶縁性基板は省略している。図において、６４はガスケットであり、例えば、シリコーンゴム等からなる。
【００８７】
また、図１９〜２１では溝６２を設け、溝６２内にガスケット６４を挿入した場合を示しているが、溝６２は設けなくてもよい。
【００８８】
また、本実施の形態において、マニホールド５３の開口部は蓋体４２及び放熱部材４１の両方に形成した構造を示したが、蓋体４２のみに形成した構造としてもよい。
【００８９】
また、マニホールド５３における幅Ｗを一定にしているが、ジョイント部５４、５５で幅Ｗを最大にして流路断面積を最大にし、ジョイント部（図示せず）から遠ざかるにしたがって幅Ｗを小さくして流路断面積をしだいに小さくすることによって、溝５１に流通する冷却液の流量を均一にすることができる。
【００９０】
実施の形態５．
図２２は、本発明に係るパワー半導体装置の実施の形態５の構成を示す平面図であり、図２３は、図２２のＡ−Ａ断面図、図２４は、図２２のＢ−Ｂ断面図である。
【００９１】
上記実施の形態１ないし４では、ヒートシンクの冷却液流路に連通するマニホールドをヒートシンク内部に設けた例を示したが、本実施の形態では、冷却液流路をヒートシンクの両端部まで延在させ、両端部で冷却液流路と連通する冷却液流路を有する円筒形状のマニホールドを設けるものである。
【００９２】
図に示したように、溝５１が放熱部材４１の一端から他端まで延在している。マニホールド５２、５３は、その内部を冷却液流路とする筒状体である。マニホールド５２、５３は、放熱部材４１の端部で溝５１とマニホールド５２、５３の冷却液流路とが連通するように設けられている。
【００９３】
本実施の形態の一例を示す図２４では、マニホールド５２、５３に放熱部材４１及び蓋体４２の材料と同じ銅などの金属パイプを使用し、この金属パイプに合わせ面加工を施して合わせ面を放熱部材４１及び蓋体４２の端面に差し込み、金属パイプを放熱部材４１及び蓋体４２に半田、接着剤または溶接等で接合する。
【００９４】
マニホールド５２、５３に金属パイプを使用することによって、冷却液の流路断面積を大きくすることができ、マニホールド５２、５３を流通する冷却液の流速を下げ、流通抵抗が大きくならないようにすることができ、マニホールド５２、５３を分割しなくもよいので、冷却液の配管が複雑になるのを避けることができる。
【００９５】
なお、外部の冷却液の配管と結合するための入口側及び出口側のジョイント部は図示していないが、マニホールド５２、５３の端部または中央部のいずれに設けてもよい。
【００９６】
また、マニホールド５２、５３の流路断面積を、ジョイント部で最大にし、ジョイント部から遠ざかるに従って小さくなるようにすることによって、溝５１における冷却液の流量を均一にすることができる。
【００９７】
また、マニホールド５２、５３に用いる金属パイプの断面は、本実施の形態のような円形に限られるものではなく、角形等筒状体のものであればよい。
【００９８】
また、本実施の形態では、放熱部材４１に形成された溝５１と蓋体４２とによって冷却液流路が形成される場合について説明したが、上記実施の形態２の場合についても、同様に冷却液流路をヒートシンクの両端部まで延在させ、両端部で冷却液流路と連通する流路を有する筒状のマニホールドを設けることによって、冷却液の流路断面積を大きくすることができ、マニホールドを流通する冷却液の流速を下げ、流通抵抗が大きくならないようにすることができ、マニホールドを分割しなくてもよいので、冷却液の配管が複雑になるのを避けることができる。また、マニホールドの流路断面積を、ジョイント部で最大にし、ジョイント部から遠ざかるに従って小さくなるようにすることによって、ヒートシンク内の冷却液の流量を均一にすることができる。
【００９９】
なお、本実施の形態では、放熱部材４１に溝５１を設ける場合を示したが、蓋体４２に、放熱部材４１の溝５１に対応した溝を設けることによって、冷却液の流路断面積を大きくすることができる。
【０１００】
実施の形態６．
上記実施の形態１及び３〜５では、図２５の平面図（ａ）、Ｙ軸方向断面図（ｂ）及びＸ軸方向断面図（ｃ）に示したように、放熱部材４１に形成された溝５１及びフィン４１ａはＸ軸方向に形成し、各溝５１及びフィン４１ａをＹ軸方向に並行に配列されるようにした。
【０１０１】
図２５の場合は、Ｘ軸方向にのみ溝５１があるため、Ｘ軸周りについては曲げ剛性が低くバイメタル変形し易いが、Ｘ軸方向に通ったフィン４１ａがあるため、Ｙ軸周りについては曲げ剛性がＸ軸周りの曲げ剛性よりも高くなりバイメタル変形しにくく、温度上昇によりバイメタル変形した場合、曲率半径Ｒ１に対して曲率半径Ｒ２が大きくなる。
【０１０２】
従って、低熱膨張金属板４０に絶縁基板を取り付けている半田の応力はＹ軸方向に対してＸ軸方向が高くなり、このＸ軸方向及びＹ軸方向の両方の応力値を許容値内に入れなければならず、バイメタル変形を起こさせる設計の制約条件が厳しくなる。
【０１０３】
図２６は、本実施の形態を示す平面図（ａ）、Ｙ軸方向断面図（ｂ）及びＸ軸方向断面図（ｃ）である。
【０１０４】
同図に示したように、本実施の形態では、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に溝５１を形成しており、フィン形状は、柱状の柱状フィン４１ｂとなっている。
【０１０５】
本実施の形態によれば、Ｙ軸方向にも溝５１があるので、Ｘ軸回り及びＹ軸回り両方の曲げ剛性が低くなり、Ｘ軸回り及びＹ軸回り共にバイメタル変形しやすくなり、バイメタル変形した場合の曲率半径Ｒ１及び曲率半径Ｒ２共に小さくできるように設計することが容易にできる。
【０１０６】
【発明の効果】
本発明に係るパワー半導体装置によれば、
パワー半導体素子、
該パワー半導体素子の線膨張率と同じオーダの線膨張率を有し、上記パワー半導体素子が接合された絶縁性基板、
上記パワー半導体素子及び絶縁性基板の線膨張率と同じオーダの線膨張率を有する低熱膨張金属板が接合され、該低熱膨張金属板を介して上記絶縁性基板が接合され、内部に冷却液が流通する冷却液流路が設けられたヒートシンクを備えたものであるので、冷却性能が向上するとともに、長期信頼性が向上したパワー半導体装置が得られる。
【０１０７】
また、パワー半導体素子、
該パワー半導体素子の線膨張率と同じオーダの線膨張率を有し、上記パワー半導体素子が接合された絶縁性基板、
上記パワー半導体素子及び絶縁性基板の線膨張率と同じオーダの線膨張率を有し、絶縁性基板が接合された低熱膨張金属板、
該低熱膨張金属板の上記絶縁性基板が接合された側の面と反対側の面に接合され、内部に冷却液が流通する冷却液流路が設けられた放熱部材を備えたものであるので、冷却性能が向上するとともに、長期信頼性が向上したパワー半導体装置が得られる。
【０１０８】
また、ヒートシンクは、低熱膨張金属板が接合された放熱部材と、該放熱部材の上記低熱膨張金属板接合面と反対側面で結合された蓋体とで構成されているものであるので、冷却液流路の製造を容易にすることができる。
【０１０９】
また、冷却液流路は、ヒートシンク内部に並行に形成された複数の溝及び該溝間に形成されるフィンにより構成されているものであるので、冷却性能が向上する。
【０１１０】
また、冷却液流路は、ヒートシンク内部に直交する方向に形成された複数の溝及び該溝間に形成される柱形状の柱状フィンにより構成されているものであるので、バイメタル変形した場合の直交する方向の曲率半径を共に小さくできるように設計することが容易にできる。
【０１１１】
また、放熱部材と蓋体とは外周面で結合され、該結合された外周面の内側の面において上記放熱部材と上記蓋体との間に隙間が形成されているものであるので、バイメタル効果により拘束されることなく放熱部材が湾曲変形する。
【０１１２】
また、外周面は、シール部材を介して結合されているものであるので、低熱膨張金属板と放熱部材のバイメタル効果による凸変形を蓋体が拘束すること及び放熱部材と蓋体との間のわずかな温度差によるわずかな変形をシール部材で緩和することができる。
【０１１３】
また、ヒートシンクに溝状凹部からなる冷却液流入用及び流出用の複数のマニホールド形成され、該マニホールドはそれぞれ複数の冷却液流路に連通するように形成されているものであるので、各マニホールドに並列に冷却液を流すことによって、冷却液の流通抵抗を小さくすることができる。
【０１１４】
また、ヒートシンクに溝状凹部からなる冷却液流入用及び流出用のマニホールドが形成され、該マニホールドは複数の冷却液流路全てに連通するように形成されているものであるので、冷却液を流す外部配管が複雑になるのを回避することができる。
【０１１５】
また、冷却液流入用及び流出用のマニホールドが、蓋体の外方に開口する開口部と、該開口部に蓋をする蓋部材とによって形成されているものであるので、マニホールドの流路断面積を大きくすることができ、冷却液の流通抵抗を小さくすることができる。
【０１１６】
また、冷却液流路は、ヒートシンクの一端から他端まで延在し、筒状のマニホールドが、該マニホールドの流路と上記冷却液流路とを上記一端及び他端で連通するように設けられているものであるので、マニホールドの流路断面積を大きくすることができ、冷却液の流通抵抗を小さくすることができる。
【０１１７】
また、マニホールドには外部の冷却配管と結合するためのジョイント部が設けられており、上記マニホールドの流路断面積を上記ジョイント部から遠ざかるにしたがって小さくなるようにしたものであるので、冷却液の流量を複数の冷却液流路間で均一にすることができる。
【０１１８】
また、低熱膨張金属板は、モリブデンまたはタングステンからなるものであるので、発生する熱応力が小さくなり、長期信頼性の向上が図れる。
【０１１９】
また、放熱部材は、銅またはアルミニウムからなるものであるので、熱伝導率が大きくなり、冷却性能の向上が図れる。
【０１２０】
また、低熱膨張金属板の板厚をｈ１（ｍ）、上記放熱部材の断面の図心線から上記放熱部材と上記低熱膨張金属板との接合面までの距離をη（ｍ）、上記低熱膨張金属板の縦弾性係数をＥ１（Ｐａ）、上記放熱部材の縦弾性係数をＥ２（Ｐａ）、上記放熱部材の断面２次モーメントをＩ２、厚さ２ηとしたときの上記放熱部材の断面２次モーメントをＩ２ｅとしたとき、上記放熱部材のηが、下記式（１）を満たしているものであるので、発生する熱応力が小さくなり、長期信頼性の向上が図れる。
【数５】
2004006717.tif 000006
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るパワー半導体装置の基本的な構成における動作を説明する断面図である。
【図２】撓み量δと放熱部材の断面の図心線から低熱膨張金属板との接合面までの距離ηとの関係の一例を示す図である。
【図３】低熱膨張金属板の絶縁性基板との接合面における応力σと放熱部材の断面の図心線から低熱膨張金属板との接合面までの距離ηとの関係の一例を示す図である。
【図４】本発明に係るパワー半導体装置の実施の形態１の構成を示す平面図である。
【図５】図４におけるＡ−Ａ断面図である。
【図６】図４におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図７】本発明に係るパワー半導体装置の実施の形態１におけるジョイント部を拡大して示す断面図である。
【図８】本発明に係るパワー半導体装置の実施の形態１におけるマニホールド近傍を拡大して示す断面図である。
【図９】図８におけるＡ−Ａ断面図である。
【図１０】図８におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図１１】本発明に係るパワー半導体装置の実施の形態１における要部を拡大して示す断面図である。
【図１２】本発明に係るパワー半導体装置の実施の形態２の構成を示す断面図である。
【図１３】本発明に係るパワー半導体装置の実施の形態３の構成を示す平面図である。
【図１４】図１３におけるＡ−Ａ断面図である。
【図１５】図１３におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図１６】本発明に係るパワー半導体装置の実施の形態４の要部の構成を示す平面図である。
【図１７】図１６におけるＡ−Ａ断面図である。
【図１８】図１６におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図１９】本発明に係るパワー半導体装置の実施の形態４の要部の別の構成を示す平面図である。
【図２０】図１９におけるＡ−Ａ断面図である。
【図２１】図１９におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図２２】本発明に係るパワー半導体装置の実施の形態５の要部の構成を示す平面図である。
【図２３】図２２におけるＡ−Ａ断面図である。
【図２４】図２２におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図２５】実施の形態１、３〜５における溝及びフィンの形状を示す図である。
【図２６】本発明の実施の形態６における溝及びフィンの形状を示す図である。
【図２７】従来のパワー半導体装置の構成を示す正面図である。
【図２８】従来のパワー半導体装置の別の構成を示す正面図である。
【符号の説明】
２　パワー半導体素子、３　絶縁性基板、６，７，８　半田、
９　半田または接着剤、１０　圧接部、４０　低熱膨張金属板、
４１　放熱部材、４１ａ　フィン、４１ｂ　柱状フィン、４２　蓋体、
５０　隙間、５１　溝、５１ａ　冷却液流路、５２，５３　マニホールド、
５４，５５　ジョイント部、６１　シール部材（Ｏリング）、
６２　シール部材用溝、６３　蓋部材、６４　シール部材（ガスケット）。
【図１】
2004006717.tif 000008
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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