(57)【要約】【課題】  放熱特性が高くかつ小型化の可能な、ヒートシンクを備えたパワー半導体モジュールを提供する。【解決手段】  ヒートシンクを備えたパワー半導体モジュールが、表面と裏面とを有する絶縁基板と、絶縁基板の表面に設けられた金属パターンと、金属パターン上に設けられた半導体素子と、絶縁基板の裏面に設けられた突起部と、絶縁基板の裏面に沿った供給方向に冷却液を流す供給手段とを含む。突起部は、冷媒の流れに対して乱流を発生させるように配置される。供給手段は、絶縁基板の裏面に対して略垂直な方向に冷媒を供給し、冷媒を裏面に沿った供給方向に流す手段であっても良い。【選択図】図１
2005136278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンクを備えたパワー半導体モジュールであって、
表面と裏面とを有する絶縁基板と、
該絶縁基板の表面に設けられた金属パターンと、
該金属パターン上に設けられた半導体素子と、
該絶縁基板の裏面に設けられた突起部と、
該絶縁基板の裏面に沿った供給方向に冷媒を流す供給手段とを含み、
該突起部が、該冷媒の流れに対して乱流を発生させるように配置されたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
ヒートシンクを備えたパワー半導体モジュールであって、
表面と裏面とを有する絶縁基板と、
該絶縁基板の表面に設けられた金属パターンと、
該金属パターン上に設けられた半導体素子と、
該絶縁基板の裏面に設けられた突起部と、
該絶縁基板の裏面に対して略垂直な方向に冷媒を供給し、更に該冷媒を該裏面に沿った供給方向に流す供給手段とを含み、
該突起部が、該冷媒の流れに対して乱流を発生させるように配置されたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項３】
上記突起部が、上記供給方向に略垂直な方向に延びたストライプ形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
上記突起部が、上記供給方向に対して略４５°の角度で傾いて配置された複数の直方体状の突起部であって、隣接する該突起部の配置方向が互いに略９０°異なって配置されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
上記突起部が、円柱形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
上記突起部が、上記絶縁基板から離れるほど直径が小さくなるメサ形状であることを特徴とする請求項５に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項７】
上記突起部が、上記金属パターンと同じ材料から形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項８】
ヒートシンクを備えたパワー半導体モジュールであって、
表面と裏面とを有する絶縁基板と、
該絶縁基板の表面に設けられた金属パターンと、
該金属パターン上に設けられた半導体素子と、
該半導体基板の裏面に所定の流路で冷媒を供給する冷媒の供給手段と、
該絶縁基板の裏面の該流路中に配置された突起部とを含むことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項９】
上記突起部が、ストライプ形状の突起部、円柱形状の突起部、または隣接する突起部の配置方向が互いに略９０°異なって配置された直方体状の突起部のいずれかからなることを特徴とする請求項８に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１０】
ヒートシンクを備えたパワー半導体モジュールの製造方法であって、
絶縁基板を準備する工程と、
該絶縁基板の表面に第１金属層を形成する工程と、
該第１金属層をエッチングして金属パターンを形成する工程と、
該絶縁基板の裏面に第２金属層を形成する工程と、
該第２金属層をエッチングして突起部を形成する工程と、
該金属パターン上に半導体素子を載置する工程と、
該突起部に冷媒を衝突させる冷媒通路を形成する工程とを含むことを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
【請求項１１】
ヒートシンクを備えたパワー半導体モジュールの製造方法であって、
絶縁基板を準備する工程と、
該絶縁基板の表面に第１金属層を形成する工程と、
該絶縁基板の裏面に第２金属層を形成する工程と、
該第１金属層と該第２金属層とを同時にエッチングして、該絶縁基板の表面の金属パターンと、該絶縁基板の裏面の突起部とを形成するエッチング工程と、
該金属パターン上に半導体素子を載置する工程と、
該突起部に冷媒を衝突させる冷媒通路を形成する工程とを含むことを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
【請求項１２】
上記エッチング工程が、
上記第１及び第２金属層の上にそれぞれマスクを形成する工程と、
該第１及び第２金属層をエッチング液に浸漬して、該第１金属層を上記金属パターンに加工するとともに、該第２金属層を上記突起部に加工する工程とを含むことを特徴とする請求項１１に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールに関し、特に、ヒートシンクを備えたパワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワー半導体モジュールでは、パワーデバイスを搭載した半導体装置に、冷却用のヒートシンクが取り付けられた構造を有する。半導体装置とヒートシンクとの間は、グリース等の有機材料やはんだ材料等で接合されている。かかる構造を有することにより、パワーデバイスから出る熱をヒートシンクを通して放出している（例えば、特許文献１）。
【０００３】
また、従来の他のパワー半導体モジュールでは、同じくパワーデバイスを搭載した半導体装置に複数のワイヤをボンディングし、これをヒートシンクとして、パワーデバイスから出る熱を放出している（例えば特許文献２）。
【特許文献１】特開２００２−９８４５４号公報
【特許文献２】特開平０７−１７６６５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のパワー半導体モジュールでは、半導体装置とヒートシンクの間の有機材料やはんだ材料が熱伝導の妨げとなり、放熱特性が低下するという問題があった。また、ヒートシンクが大型で重く、パワー半導体モジュールの小型化が困難であるという問題もあった。
また、特許文献２に記載のパワー半導体モジュールでは、複数のワイヤをボンディングするという複雑な工程が必要となり、生産性が低下し、製造コストが高くなるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、放熱特性が高く、かつ小型化の可能な、ヒートシンクを備えたパワー半導体モジュールの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ヒートシンクを備えたパワー半導体モジュールであって、表面と裏面とを有する絶縁基板と、絶縁基板の表面に設けられた金属パターンと、金属パターン上に設けられた半導体素子と、絶縁基板の裏面に設けられた突起部と、絶縁基板の裏面に沿った供給方向に冷媒を流す供給手段とを含み、突起部が、冷媒の流れに対して乱流を発生させるように配置されたことを特徴とするパワー半導体モジュールである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明にかかるパワー半導体モジュールでは、突起部により冷却液等の冷媒中に乱流を発生させるため、冷却効率を向上させることができる。また、絶縁基板の裏面を直接冷却するため、高い冷却効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの断面図である。パワー半導体モジュール１００は、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックからなる絶縁基板１を含む。絶縁基板１の表面には、金属パターン２が設けられ、その上にＩＧＢＴ等のパワーデバイス３が載置されている。金属パターン２とパワーデバイス３とは、アルミニウム等のボンディングワイヤ４で電気的に接続されている。
一方、絶縁基板１の裏面には、複数の突起部が設けられる。ここでは、突起部は、ストライプ状金属のフィン５からなる。フィン５の詳細については後述する。
【０００９】
絶縁基板１の裏面には、冷却ジャケット７が設けられる。冷却ジャケット７には、Ｏリング溝８とヘッダ９が設けられており、ボルト１０で外装ケース１１に取り付けられている。冷却ジャケット７を外装ケース１１に取り付ける場合、Ｏリング溝８内に配置されたＯリング１３を介して絶縁基板１が外装ケース１１に押しつけられて固定される。絶縁基板１と冷却ジャケット７との間はＯリング１３によりシールされ、冷媒通路から冷却液が漏れないようにしている。
このように、冷却ジャケット７中に、所定の流路で冷却液が流れる冷媒通路が形成され、パワーデバイス３を冷却するヒートシンクとなる。冷媒通路には、パイプ等の供給手段（図示せず）により冷却液が供給される。冷却液は移動方向２０の向きに沿って流れる。
また、外装ケース１１の中には、パワーデバイス３やボンディングワイヤ４を埋め込むようにシリコンゲル６が充填されている。更に、外装ケース１１の上面は、カバー１２で覆われて蓋されている。
【００１０】
図２は、パワー半導体モジュール１００に含まれる絶縁基板１であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は底面図である。図２中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示し、また、符号２０は、冷却水等の冷却液の移動方向を示す。
図２（ｂ）に示すように、絶縁基板１の裏面には、冷却液の流路中に、冷却液の移動方向２０に略垂直な方向（絶縁基板１の幅方向）に、略平行に延びた複数のフィンが所定のピッチで設けられている。フィン５の高さは、例えば１ｍｍ以下であり、好ましくは０．５ｍｍ以下である。フィン５を金属パターンより形成することで、熱伝達特性が向上する。
【００１１】
このようなストライプ状のフィン５を用いることにより、冷却液の流れに対して、フィン５の先端部で乱流の形成が促進される。この結果、フィン５や絶縁基板１から冷却液への熱伝達性能を向上できる。
ここでいう乱流とは、時間的、空間的に不規則な変動、即ち乱れを含む流れをいう。
【００１２】
かかるフィン５は、絶縁基板１の裏面に金や銅の金属層を形成した後に、マスクを用いて金属層を所定の形状にエッチングして形成する。このように、エッチング工程を用いてフィン５を形成することにより、フィン形状に対する製造上の柔軟性が大きくなり、微細なフィン５の形成も可能となる。
【００１３】
このように、本実施の形態にかかるパワー半導体モジュール１００では、フィン５が冷却液中で乱流を形成することにより、放熱特性の向上を図ることができる。
特に、フィン５の先端部のコーナでの渦流の発生、または絶縁基板１の裏面近傍のフィン５の側面における渦流の発生により、乱流の形成が促進される。このため、放熱特性を向上させるためには、渦流の発生部と絶縁基板１の裏面との距離が小さいほうが好ましい。
本実施の形態にかかるパワー半導体モジュール１００では、金属層をエッチングしてフィン５を形成する。このため、フィン５の高さを、例えば０．５ｍｍ以下のように低く形成でき、高い放熱特性を有するフィン５が容易に形成できる。
【００１４】
また、パワー半導体モジュール１００では、乱流を形成するためのフィン５は微細構造からなるため、パワー半導体モジュール１００の小型化の妨げとはならない。
【００１５】
更に、パワー半導体モジュール１００では、絶縁基板１の裏面が、冷媒が通る冷媒通路の一部を構成し、絶縁基板１の裏面を直接冷媒で冷却している。このため、パワーデバイス３の放熱効果を大きくすることができる。
【００１６】
次に、本実施の形態にかかるパワー半導体モジュール１００の製造方法について簡単に説明する。
かかる製造方法では、まず、絶縁基板１を準備し、その表面に、金や銅からなる第１金属層を形成し、一般的な、リソグラフィ技術、エッチング技術を用いて第１金属層をエッチングして、金属パターン２を形成する。
【００１７】
続いて、絶縁基板１の裏面に、金や銅からなる第２金属層を形成し、第１金属層と同様に、エッチング方法を用いて第２金属層をエッチングしてフィン５を形成する。
【００１８】
続いて、金属パターン２上にパワーデバイス３を載置する。
【００１９】
最後に、フィン５に冷却水等の冷媒を衝突させる冷媒通路を形成する。具体的には、Ｏリング溝８とヘッダ９が設けられた冷却ジャケット７と、外装ケース１１との間に絶縁基板１を挟み。これにより、絶縁基板１の裏面に冷媒通路を形成する。かかる冷媒通路を冷却水等の冷媒が流れることにより、パワーデバイス３が冷却される。
【００２０】
特に、第１金属層と第２金属層とを、同じ金属材料から形成することにより、絶縁基板１の表面の金属パターン２の形成と、裏面のフィン５の形成とを、同じエッチング工程で行なうことができる。
具体的には、第１及び第２金属層の上にそれぞれマスクを形成した後、エッチング液に浸漬して、第１金属層を金属パターン２に加工するとともに、第２金属層をフィン５に加工する。
【００２１】
このように、金属パターン２とフィン５とを同時に形成することにより、部品点数や製造工程を増加させることなくフィン５が形成でき、フィン５の形成により製造コストは増加しない。
なお、本実施の形態に含まれる他のフィンも、エッチング工程を用いて、絶縁基板１の表面の金属パターン２と同時に形成することができる。
【００２２】
図３は、パワー半導体モジュール１００に用いられる代わりの絶縁基板１の裏面図であり、図３中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
かかる絶縁基板１では、冷却液の移動方向２０に対して、複数の直方体状のフィン１５が略４５°傾斜して設けられている。また、冷却液の移動方向２０に沿って、上から順に１列目、２列目（図３において、最上部の７つのフィンが１列目、次の７つのフィンが２列目）とすると、１列目のフィン１５と２列目のフィン１５とは、配置方向が約９０°傾斜している。以下、３列目、４列目と、それぞれ配置方向が、隣接するフィン１５に対して約９０°傾斜するように配置される。
【００２３】
かかるフィン１５の配置では、移動方向に２０に向って供給される冷却液が、互に傾いて配置されたフィン１５にあたるとともに、冷却液同士も衝突して乱流の形成を促進する。このため、パワー半導体モジュールの放熱特性が向上する。
このように、かかるパワー半導体モジュールでは、冷却液同士の衝突による冷却液の流れの乱れと、フィン先端部での渦流の発生の双方を促進するようにフィン１５を形成する。フィン１５の高さは、実施の形態１と同様に、１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
なお、冷却液の移動方向２０に対するフィン１５の角度、隣接するフィン１５同士の角度は、それぞれ略４５°、略９０°とするのが好ましいが、乱流を発生させる角度であれば、それ以外の角度で配置してもかまわない。
【００２５】
図４は、パワー半導体モジュール１００に用いられる代わりの絶縁基板１の裏面図であり、図４中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
かかる絶縁基板１では、絶縁基板１の裏面に、円柱状のフィン２５が千鳥状に配置されている。このように、円柱状のフィン２５を設けることにより、フィン２５の側面で渦流を発生させ、冷却効率を向上できる。
【００２６】
図４では、フィン２５を円柱状としたが、図５の側面図に示すようなメサ形状としても良い。メサ形状のフィン３５では、絶縁基板１に水平な移動方向２０を有する冷却液が、フィン３５の側面に衝突した後、絶縁基板１と所定の角度を有する矢印２１の方向に、らせん状に進行する渦流を発生させる（図５、６参照）。このため、圧力損失の増大を抑えながら乱流の発生を促進することができ、放熱特性が向上する。
【００２７】
メサ形状のフィン３５は、エッチング条件を適性化することにより作製できる。即ち、レジストマスクを用いて、絶縁基板１上の金属層を等方性エッチングすることにより、形成できる。好適には、絶縁基板１から離れるほど直径が小さくなる形状である。
具体的には、フィン３５の高さを、絶縁基板１の表面の金属パターン２の高さより若干小さくする。これにより、金属パターンのエッチングが完了する時点で、金属層ではサイドエッチングが進み、メサ形状のフィン３５が形成できる。
【００２８】
実施の形態２．
図７は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２にかかるパワー半導体モジュール２００の断面図である。図７中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
パワー半導体モジュール２００では、冷却液の供給手段であるノズル１４から、絶縁基板１の裏面に対して略垂直な方向３０に冷却液を衝突させる。衝突した冷却液は、絶縁基板１に略平行な移動方向に沿って両側に流れ、両側のヘッダ９から排出される。他の構成は、図１に示すパワー半導体モジュール１００と同じである。
【００２９】
パワー半導体モジュール２００では、絶縁基板１の裏面に、ストライプ状のフィン５（図２参照）が形成されている。このため、絶縁基板１の裏面に、略垂直方向から衝突した冷却液は、フィン５により乱流を発生させる。この結果、絶縁基板１の冷却効率が向上する。
【００３０】
図７に示す絶縁基板１の代わりに、図３〜５に示す他の絶縁基板を用いても構わない。特に、図５に示すメサ形状のフィン３５を用いることにより、フィン３５の側面に沿って流れが連続的に方向を変えるため、圧力損失を増加させることなく、冷却効率を向上させることができる。
【００３１】
パワー半導体モジュール２００では、フィンの高さは、１ｍｍ以下であり、好適には０．５ｍｍ以下である。このように、微細なフィン構造であっても、乱流の発生を促進し、冷却効率を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
パワー半導体モジュールに限らず、放熱量の大きなデバイスの効率的な冷却に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体モジュールの断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体モジュールの絶縁基板である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体モジュールの他の絶縁基板である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体モジュールの他の絶縁基板である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体モジュールの他の絶縁基板である。
【図６】本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体モジュールの他の絶縁基板である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかるパワー半導体モジュールの断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  絶縁基板、２  金属パターン、３  パワーデバイス、４  ボンディングワイヤ、５  フィン、６  シリコンゲル、７  冷却ジャケット、８  Ｏリング溝、９  ヘッド、１０  ボルト、１１  外装ケース、１２  カバー、１３  Ｏリング、２０  移動方向、１００  パワー半導体モジュール。
【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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