(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の開口部を有する冷媒流路が設けられた筐体と、
それぞれ第１の面を有し、その第１の面でそれぞれ前記開口部を塞ぐように設けられた半導体素子と、
前記冷媒流路内を減圧したときに前記半導体素子が吸着保持されるように、前記開口部の周りにそれぞれ設けられたシーリング部材と、を備え、
前記筐体は、
前記冷媒流路が形成され、前記半導体素子がシーリング部材を介して装着された冷却ブロックと、
前記半導体素子を押圧して固定するように前記冷却ブロックの少なくとも一方の面に対向して設けられた固定ブロックとを有してなる半導体装置。
【請求項２】
複数の開口部を有する冷媒流路が設けられた筐体と、
それぞれ第１の面を有し、その第１の面でそれぞれ前記開口部を塞ぐように設けられた半導体素子と、
前記冷媒流路内を減圧したときに前記半導体素子が吸着保持されるように、前記開口部の周りにそれぞれ設けられたシーリング部材と、を備え、
前記開口部は面対称に配置されており、前記半導体素子は２つの素子が冷媒流路を挟んで対向するように配置され、
前記筐体は、
前記開口部が面対称に配置されるように前記冷媒流路が設けられ、前記半導体素子がシーリング部材を介して装着された冷却ブロックと、
前記半導体素子を押圧して固定するように前記冷却ブロックの両側に設けられた固定ブロックとを有してなる半導体装置。
【請求項３】
前記半導体装置は給排水口ブロックをさらに備え、該給排水口ブロックは前記冷媒通路を密封するように前記冷却ブロックに取り付けられている請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記冷媒流路に冷媒が充填された請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項５】
筐体に複数の半導体素子が組み込まれた半導体装置の製造方法であって、
複数の開口部を有する冷媒流路が形成されてなり、前記筐体の一部を構成する冷却ブロックと、該冷却ブロックに組み合わされて前記筐体の他の部分を構成する固定ブロックとを作製する筐体準備工程と、
前記開口部を塞ぐように前記複数の半導体素子の一部又は全てを前記冷却ブロックに装着する装着工程と、
前記冷媒流路を減圧して前記装着された半導体素子を吸着する吸着工程と
前記複数の半導体素子の全てを前記冷却ブロックに装着した後に、前記半導体素子を押圧するように前記固定ブロックを冷却ブロックに組み合わせる組み立て工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記装着工程は、前記複数の半導体素子の一部を前記冷却ブロックに装着する第１装着工程と、前記複数の半導体素子のうちの残りの半導体素子の一部又は全てを前記冷却ブロックに装着する第２装着工程とを含み、
前記第１装着工程と前記第２装着工程の間で前記吸着工程を実行する請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１装着工程と前記第２装着工程の間で実行される前記吸着工程の前に、前記半導体素子によって塞がれていない前記開口部の残りの全てを、シート材又はテープ材によって塞いで前記開口部を仮に密封する密封工程を含む請求項６記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
給排水口を有する給排水口ブロックを、接合部分が密封されるように前記冷却ブロックに取り付ける取り付け工程をさらに含む請求項５〜７のうちのいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記組み立て工程及び前記取り付け工程の後に、前記冷媒流路に冷媒を充填する不凍液充填工程をさらに含む請求項８記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を冷却するための冷媒流路を有する半導体装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー伝送用の電流を制御する半導体装置は、その主要な素子として用いられるサイリスタやトランジスタなどのパワー半導体素子を冷却する必要があることから、冷却流路が形成された筐体を用いて構成される。
例えば、特許文献１には、内部に冷媒流路が設けられた金属製ベース基板の両面に半導体素子を設けて一体モールドした半導体モジュールが開示されている（例えば、特許文献１の図１及び段落００３８）。
【特許文献１】特開２００４−３４９６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、通常、複数のパワー半導体素子を用いて構成される半導体装置（パワー半導体装置）は、その冷却構造が複雑であるために、製造過程において、一部又は全部の半導体素子を仮固定する必要があるなど、製造コストを安価にできないという問題があった。
また、従来の半導体装置は、冷媒流路の気密性劣化のために寿命が短くなる虞がとあるという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、製造時の取り扱いを容易にでき、安価で信頼性の高い半導体装置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】
【０００５】
以上の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、複数の開口部を有する冷媒流路が設けられた筐体と、それぞれ第１の面を有し、その第１の面でそれぞれ前記開口部を塞ぐように設けられた半導体素子と、前記冷媒流路内を減圧したときに前記半導体素子が吸着保持されるように、前記開口部の周りにそれぞれ設けられたシーリング部材と、を備え、前記筐体は、前記冷媒流路が形成され、前記半導体素子がシーリング部材を介して装着された冷却ブロックと、前記半導体素子を押圧して固定するように前記冷却ブロックの少なくとも一方の面に対向して設けられた固定ブロックとを有してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
以上のように構成された本発明に係る半導体装置は、前記冷媒流路内を減圧したときに前記シーリング部材により前記半導体素子が吸着保持されるので、製造時の取り扱いを容易にでき、かつ冷媒流路を確実に密閉できるので、安価で信頼性の高い半導体装置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】
【０００７】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体装置について説明する。
本発明に係る実施の形態の半導体装置は、図１に示すように、複数の半導体素子３が、冷媒流路１２ｐに形成された開口部１２ｏｐによって、冷媒流路１２ｐ内の冷媒に直接触れるように筐体１０内に設けられることにより構成されている。
ここで特に、本実施の形態の半導体装置は、筐体１０の一部を構成する冷却ブロック１２に半導体素子３を載置して冷媒流路を減圧したときに、外側から押さえることなく半導体素子３が吸着されて保持されるようになっていることを特徴している。
【０００８】
以下、実施の形態の半導体装置について詳細に説明する。
なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。
【０００９】
まず、実施の形態の半導体装置において、筐体１０は、複数の開口部を持つ冷媒流路が形成された冷却ブロック１２と、その冷却ブロック１２を上下から挟んで半導体素子を固定する上固定ブロック１１と下固定ブロック１３の３つの部材によって構成されている。
冷却ブロック１２は、例えば、金属（例えば、銅）からなり、冷媒流路１２ｐは、半導体素子３と冷媒とを接触させるための開口部１２ｏｐ（取り付ける半導体素子の数と同じ数）と、給排水口１４ａに連通させるための２つの給排水口用開口部を有している。
【００１０】
本実施の形態における冷却ブロック１２では、冷却ブロック１２の上下面に開口部１２ｏｐが対称（上面と下面と等距離にある面に対して面対称）に配置されており、半導体素子３が冷却ブロック１２の上面と下面の両方に配置される。このようにすると、実装面積を半分にでき、小型化が図れる。
また、冷却ブロック１２の上面及び下面において、開口部１２ｏｐの周りにはそれぞれ半導体素子３によって開口部１２ｏｐが密閉されるように、シーリング部材（Ｏリング１）をガイドするガイド溝１２ａが形成されている。
【００１１】
本実施の形態の半導体装置では、このシーリング部材を設けることにより、製造過程において冷却ブロック１２に半導体素子３を配置した段階で冷媒流路１２ｐを減圧することにより、固定ブロック１１（又は１３）で半導体素子３を押圧することなく、半導体素子３を吸着保持することが可能になっている。これにより、製造時において、固定ブロック１１，１３を取り付ける前の冷却ブロック１２の取り扱いを容易にできる。特に、冷却ブロック１２に半導体素子３を配置した後、固定ブロック１１，１３を取り付ける前においては、半導体素子に必要な配線を施す必要があるなど、比較的多くの工数が必要となるため、固定ブロック１１，１３を取り付ける前の冷却ブロック１２の取り扱いが容易になることによる効果は大きい。
【００１２】
そして、上固定ブロック１１は冷却ブロック１２の上面に設けられた半導体素子３の上面に接するように配置され、下固定ブロック１３は冷却ブロック１２の下面に設けられた半導体素子３の下面に接するように配置される。
この半導体素子３を介して上下から冷却ブロック１２を上下から挟み込むように配置された上固定ブロック１１と下固定ブロック１３は、ガイド溝１２ａ内に設けられた弾力のあるシーリング部材（Ｏリング１）がそれぞれ上下から押さえられてシーリング効果が高まる程度に変形するまで固定ねじ２１と固定ボルト２２で締め付けられている。
ここで、上固定ブロック１１及び下固定ブロック１３は、例えば、ＰＰＳ（Poly phenylene Sulfide）などからなる。
【００１３】
このようにして、上固定ブロック１１と冷却ブロック１２の上面の間及び下固定ブロック１３と冷却ブロック１２の下面との間に複数の半導体素子３が強固に、かつ冷却流路１２に冷媒を循環させたときに、冷媒が外部に流出しないように固定される。
【００１４】
また、本実施の形態の半導体装置では、上固定ブロック１１を介して冷却ブロック１２の給排水口用開口部にそれぞれ連通するように、２つの給排水口ブロック１４が取り付けられている。
尚、本実施の形態では、上固定ブロック１１を取り付ける前であっても、冷却ブロック１２に給排水口ブロック１４が取り付けることが可能な構造とすることが好ましい。このようにすると、給排水口ブロック１４の給排水口１４ａを用いて冷媒流路１２ｐを減圧して半導体素子３を吸着することが可能である。
また、給排水口ブロック１４の取り付け部分は、例えば、シーリング部材１６を用いて冷媒通路１２ｐを密封するように取り付けられている。
【００１５】
本実施の形態の半導体装置において、半導体素子３は、例えば、ＩＧＢＴ、パワーＦＥＴ、ダイオード等が、例えばエポキシ樹脂などの封止樹脂により封止されることにより構成されている。また、半導体素子３は、例えば銅や窒化アルミニウム、アルミナ等からなる放熱板を含むものでもよいことはいうまでもない。放熱板を含んだ半導体素子を用いる場合、その放熱板に近い面が直接冷媒に触れるように冷却ブロック１２に装着することが好ましい。
【００１６】
以上のように構成された本発明に係る実施の形態の半導体装置によれば、以下のような工程計画が可能になる。
例えば、図４は、冷却ブロック１２の全ての開口部１２ｏｐに半導体素子３を配置した後、固定ブロック１１，１３を取り付ける前に、冷媒流路１２ｐを減圧して半導体素子３を吸着した様子を示している。このように、本実施の形態の半導体装置では、全ての半導体素子３を配置して吸着することにより、特別な半導体素子の固定治具を用いることなく、固定ブロック１１，１３を取り付ける前までの必要な工程を行うことが可能になる。
【００１７】
尚、図５は、図４において、破線で示したＡ部を拡大して示している。この図に示すように、シーリング材（Ｏリング１）の弾性を利用することにより、適度な強度に吸着させることが可能である。
【００１８】
また、図６は、冷却ブロック１２の上面にある開口部１２ｏｐに半導体素子３を配置した後、冷却ブロック１２の下面にある開口部１２ｏｐを、例えばゴムなどからなるシート材２３で塞いで冷媒流路１２ｐを減圧して半導体素子３を吸着した様子を示している。このように、本実施の形態の半導体装置では、一部の半導体素子３を配置して吸着することにより、特別な半導体素子の固定治具を用いることなく、固定ブロック１１，１３を取り付ける前までの必要な工程を行うことが可能になる。
【００１９】
このように、半導体素子３により塞がれていない開口部をシート材などにより塞いで半導体素子を吸着させると比較的弱い真空ポンプで吸着することが可能でかつ冷媒流路１２ｐ内に異物を巻き込むことも防止できる。すなわち、半導体素子３で塞がれていない開口部をシート材などにより塞ぐことなく、強力な真空ポンプで半導体素子を吸着させることも可能であるが、このような場合塞がれていない開口部１２ｏｐから異物を巻き込む虞がある。
【００２０】
尚、図７に示すように、シート材２３に代えて、冷却ブロック１２の下面にテープ２４を貼り付けるようにして、冷媒流路１２ｐ内を減圧するようにしてもよい。
【００２１】
また、以上説明した装着過程と吸着過程とを繰り返して工程計画を立てることもできる。
例えば、図６及び図７に示すように、冷却ブロック１２の上面にある開口部１２ｏｐに半導体素子３を配置して吸着した後、その吸着された半導体素子３に対して必要な処理（例えば、配線）を行い、その後、図４に示すように、冷却ブロック１２の下面に半導体素子３を装着して吸着させ、その半導体素子に必要な処理を施すようにしてもよい。
【００２２】
また、図４〜図７に示した状態で半導体素子３を吸着する場合、給排水口１４ａに、しんくうポンプを取り外したとき、冷媒流路１２ｐ内の減圧状態を保持することが可能な開閉バルブ３１を設けることが好ましい（図８）。
このようにすると、真空ポンプと切り離した状態で冷媒流路１２ｐ内を減圧した状態に保つことができ、半導体素子３が吸着された冷却ブロック１２の取り扱いをより容易にできる。
【００２３】
また、開閉バルブ３１を取り付けた冷却ブロック１２に、固定ブロック１１，１３を組み込んで冷媒流路１２ｐに冷却水を注入した後（図９）、開閉バルブ３１を閉めて冷却流路１２ｐの密封状態を確認できる（冷却水漏れの試験が可能）。
【００２４】
さらに、本実施の形態の半導体装置を製造した後、例えば、インバーターユニットに組み込まれるまでの間、当該インバータユニットで使用される不凍液（冷媒）と同種の不凍液を冷媒流路１２ｐに注入して保管又は運搬するようにすることができる。このようにすると、例えば、シーリング材の酸化等による劣化を防止することができ、高い機密性を保持することが可能である。
【００２５】
また、以上の実施の形態の半導体装置において、冷却流路１２ｐに冷却水や不凍液等の冷媒を注入する際、図１０に示すように、半導体装置を縦に置いて冷媒を注入するようにすることが好ましい。
このようにすると、冷媒流路内の気泡を容易に抜くことができ、気泡の混入を防止できる。
【００２６】
以上説明した実施の形態の半導体装置では、冷却ブロック１２の上面と下面の両方に半導体素子３を配置するように構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、上面又は下面の一方の面に半導体素子３を配置するようにしても、製造過程において半導体素子を吸着することは可能であり、実施の形態の半導体装置と同様、製造時のハンドリングを容易にできるという本発明に特有の効果は得られる。この場合、固定ブロックは、上又は下固定ブロックの一方だけでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る実施の形態の半導体装置の断面図である。
【図２】実施の形態の半導体装置の側面図である。
【図３】実施の形態の半導体装置の上面図である。
【図４】実施の形態の半導体装置の製造過程において、全ての半導体素子を取り付けたときの様子を示す冷却ブロックの断面図である。
【図５】図４のＡ部を拡大して示す断面図である。
【図６】実施の形態の半導体装置の製造過程において、上面のみに半導体素子を取り付けたときの様子を示す冷却ブロックの断面図である。
【図７】図６の変形例を示す断面図である。
【図８】実施の形態の半導体装置の製造過程において、冷却ブロックに開閉バルブを取り付け、さらに全ての半導体素子を取り付けたときの様子を示す断面図である。
【図９】実施の形態の半導体装置において、冷媒流路に冷却水を注入したときの様子を示す断面図である。
【図１０】実施の形態の半導体装置に冷媒を注入する際の様子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  シーリング部材、３  半導体素子（パワー半導体素子）、１０  筐体、１１  上固定ブロック、１３  下固定ブロック、１４  給排水ブロック、１４ａ  給排水口、１５  押え板、１６  シーリング部材。
【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】
0004617266.tif 000009
【図９】
0004617266.tif 000010
【図１０】
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