(57)【要約】【課題】半導体素子の作動の信頼性を向上させる半導体素子の冷却構造、を提供する。【解決手段】半導体素子の冷却構造は、絶縁基板６０と、互いに間隔を隔てて配置される複数の半導体素子５６ｐ，５６ｑと、伝熱板７０と、ヒートシンク８０とを備える。絶縁基板６０は、表面６０ａと、表面６０ａの裏側に配置される裏面６０ｂとを有する。複数の半導体素子５６ｐ，５６ｑは、表面６０ａ上に搭載される。伝熱板７０は、裏面６０ｂ上に設けられる。ヒートシンク８０は、伝熱板７０に対して絶縁基板６０の反対側に設けられ、伝熱板７０を介して伝えられた半導体素子５６ｐ，５６ｑの熱を放熱する。絶縁基板６０には、互いに隣り合って配置された半導体素子５６ｐ，５６ｑ間で延びる溝６３が形成される。伝熱板７０は、裏面６０ｂと対向しながら複数の半導体素子５６間で連続するように設けられる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１表面と、前記第１表面の裏側に配置される第２表面とを有する絶縁基板と、
互いに間隔を隔てて配置され、前記第１表面上に搭載される複数の半導体素子と、
前記第２表面上に設けられる伝熱板と、
前記伝熱板に対して前記絶縁基板の反対側に設けられ、前記伝熱板を介して伝えられた前記半導体素子の熱を放熱する放熱器とを備え、
前記絶縁基板には、互いに隣り合って配置された前記半導体素子間で延びる溝が形成され、
前記伝熱板は、前記第２表面と対向しながら複数の前記半導体素子間で連続するように設けられる、半導体素子の冷却構造。
【請求項２】
前記絶縁基板は、前記伝熱板よりも小さい線膨張率を有し、
前記溝は、前記第１表面に形成される、請求項１に記載の半導体素子の冷却構造。
【請求項３】
前記伝熱板は、前記絶縁基板および前記放熱器に接触して設けられる、請求項１または２に記載の半導体素子の冷却構造。
【請求項４】
前記伝熱板は、アルミニウムにより形成され、
前記絶縁基板は、窒化アルミニウムにより形成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体素子の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子の冷却構造に関し、より特定的には、車両に搭載されるパワー制御ユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）に適用される半導体素子の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体素子の冷却構造に関して、たとえば、特開２００８−１７２０１４号公報には、冷却効率を向上させることを目的とした半導体素子の冷却構造が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された半導体素子の冷却構造においては、複数の半導体素子が、搭載構造を介してヒートシンク上に搭載されている。搭載構造は、半導体素子ごとに設けられている。
【０００３】
また、特開２００３−１５３５５４号公報には、インバータ主回路における冷却効率を高めることによって通電容量を向上させ、かつ小型化に寄与し、さらに高い信頼性を得ることを目的としたインバータ装置が開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示されたインバータ装置においては、半導体チップであるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）およびコンバータが、銅製の導体を介して冷却器に接合されている。
【０００４】
また、特開２００９−１５８５０２号公報には、応力緩和効果の向上と、高熱伝導性の確保とを両立することを目的とした半導体モジュールが開示されている（特許文献３）。特許文献３に開示された半導体モジュールとしてのパワーモジュールは、複数の半導体素子と、複数の半導体素子を実装するセラミック基板と、冷却器と、セラミック基板と冷却器との間に介在する応力緩和層とを有する。応力緩和層は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム板により形成されている。応力緩和層は、セラミック基板との接合面内にスリットを有する。
【０００５】
また、特開２００２−２０３９９３号公報には、冷却・昇温特性の向上および高出力化を図るとともに、耐熱サイクル特性を向上させることを目的とした熱電モジュールが開示されている（特許文献４）。特許文献４に開示された熱電モジュールにおいては、窒化ケイ素基板の少なくとも一方の面に、３０個以上の熱電素子を搭載するための金属板が接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１７２０１４号公報
【特許文献２】特開２００３−１５３５５４号公報
【特許文献３】特開２００９−１５８５０２号公報
【特許文献４】特開２００２−２０３９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
インバータ回路などに使用される半導体素子の作動には、非常に大きい発熱を伴うため、各種の冷却構造が採用されている。たとえば、特許文献１に開示された半導体素子の冷却構造では、複数の半導体素子が、搭載構造を介してヒートシンク上に搭載されている。半導体素子で発生した熱は、搭載構造を通じてヒートシンクに伝わることによって放熱される。
【０００８】
一方、このような半導体素子の冷却構造の製造に際しては、ロウ付けによる接合工程などを伴う。この接合工程時に冷却構造の構成部品が高温から低温に変化すると、部品間における線膨張率の差に起因して過大な内部応力が発生する。たとえば、特許文献１における搭載構造として、半導体素子を電気的に絶縁するための絶縁基板が設けられていると想定すると、内部応力の発生により絶縁基板に割れが生じ、半導体素子の電気的な絶縁が確保されないという懸念が生じる。この場合、半導体素子の作動の信頼性を十分に得ることができない。
【０００９】
また、特許文献１に開示された半導体素子の冷却構造では、搭載構造が半導体素子ごとに設けられているため、互いに隣り合う搭載構造間に空間を設ける必要が生じる。これにより、各搭載構造とヒートシンクとの接触面積が減少し、半導体素子の冷却効率が低下するという懸念が生じる。この場合にも、半導体素子の作動の信頼性を十分に得ることができない。
【００１０】
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、半導体素子の作動の信頼性を向上させる半導体素子の冷却構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に従った半導体素子の冷却構造は、絶縁基板と、互いに間隔を隔てて配置される複数の半導体素子と、伝熱板と、放熱器とを備える。絶縁基板は、第１表面と、第１表面の裏側に配置される第２表面とを有する。複数の半導体素子は、第１表面上に搭載される。伝熱板は、第２表面上に設けられる。放熱器は、伝熱板に対して絶縁基板の反対側に設けられ、伝熱板を介して伝えられた半導体素子の熱を放熱する。絶縁基板には、互いに隣り合って配置された半導体素子間で延びる溝が形成される。伝熱板は、第２表面と対向しながら複数の半導体素子間で連続するように設けられる。
【００１２】
このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、絶縁基板には、互いに隣り合って配置された半導体素子間で延びる溝が形成されるため、絶縁基板に内部応力が発生した場合にその応力を溝に集中させる。これにより、各半導体素子の直下で絶縁基板が破損することを防止し、半導体素子の電気的な絶縁を確保することができる。また、伝熱板は、第２表面と対向しながら複数の半導体素子間で連続するように設けられるため、より大きい体積を有する伝熱板を、絶縁基板と放熱器との間に配置することができる。これにより、半導体素子から放熱器に向けて効率よく熱を伝え、半導体素子の冷却効率を向上させることができる。したがって、本発明によれば、半導体素子の作動の信頼性を向上させることができる。
【００１３】
また好ましくは、絶縁基板は、伝熱板よりも小さい線膨張率を有する。溝は、第１表面に形成される。
【００１４】
このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、絶縁基板と伝熱板との線膨張率の差に起因して絶縁基板に内部応力が発生した場合に、絶縁基板は、第１表面側が凸となり、第２表面側が凹となるように変形する。この際、変形に伴って絶縁基板の第１表面側に生じる引っ張り応力を溝に集中させる。これにより、各半導体素子の直下で絶縁基板が破損することを防止し、半導体素子の電気的な絶縁を確保することができる。
【００１５】
また好ましくは、伝熱板は、絶縁基板および放熱器に接触して設けられる。このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、絶縁基板と放熱器との間には伝熱板のみが設けられる。これにより、冷却構造を簡易化するとともにに、半導体素子から放熱器に向けて効率よく熱を伝えることができる。
【００１６】
また好ましくは、伝熱板は、アルミニウムにより形成される。絶縁基板は、窒化アルミニウムにより形成される。このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、絶縁基板および伝熱板の材質の差に起因して絶縁基板に内部応力が発生した場合であっても、各半導体素子の直下で絶縁基板が破損することを防止できる。
【発明の効果】
【００１７】
以上に説明したように、この発明に従えば、半導体素子の作動の信頼性を向上させる半導体素子の冷却構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ハイブリッド自動車のモータジェネレータ制御に関する構成を示す回路図である。
【図２】図１中のパワー制御ユニットに適用される半導体素子の冷却構造を示す平面図である。
【図３】図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線上に沿った半導体素子の冷却構造を示す断面図である。
【図４】図２および図３中の半導体素子の冷却構造の製造方法の流れを示すフローチャートである。
【図５】図２および図３中の半導体素子の冷却構造の製造方法の第１工程を示す断面図である。
【図６】図２および図３中の半導体素子の冷却構造の製造方法の第２工程を示す断面図である。
【図７】比較のための半導体素子の冷却構造を示す断面図である。
【図８】図２および図３中の半導体素子の冷却構造の第１変形例を示す平面図である。
【図９】図２および図３中の半導体素子の冷却構造の第２変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、ハイブリッド自動車のモータジェネレータ制御に関する構成を示す回路図である。本実施の形態では、本発明における半導体素子の冷却構造が、ハイブリッド自動車に搭載されるパワー制御ユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）に適用される。図１を参照して、まず、ハイブリッド自動車のモータジェネレータ制御に関して説明する。
【００２１】
ハイブリッド自動車は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な２次電池（バッテリ）から電力供給されるモータとを動力源とする。
【００２２】
ハイブリッド自動車は、バッテリユニット４０と、車両用駆動装置２０と、図示しないエンジンとを有する。車両用駆動装置２０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と、図示しないエンジンおよびモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の間で動力を分配する動力分割機構２６と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の制御を行なうパワー制御ユニット２１とを有する。
【００２３】
モータジェネレータＭＧ１は、主にジェネレータとして機能し、エンジンの出力により発電を行なう。また、モータジェネレータＭＧ１は、エンジン始動時にはスタータとして作動する。モータジェネレータＭＧ２は、主にモータとして機能し、エンジンの出力を補助し、駆動力を高める。また、モータジェネレータＭＧ２は、回生制動時には発電を行ない、バッテリＢを充電する。
【００２４】
バッテリユニット４０には端子４１，４２が設けられている。ＰＣＵ２１にはＤＣ端子４３，４４が設けられている。端子４１とＤＣ端子４３との間および端子４２とＤＣ端子４４との間は、それぞれ、ケーブル６およびケーブル８によって電気的に接続されている。
【００２５】
バッテリユニット４０は、バッテリＢと、バッテリＢの正極と端子４１との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲ２と、バッテリＢの負極と端子４２との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲ３と、バッテリＢの正極と端子４１との間に直列に接続される、システムメインリレーＳＭＲ１および制限抵抗Ｒとを有する。システムメインリレーＳＭＲ１〜ＳＭＲ３は、後述の制御装置３０から与えられる制御信号ＳＥに応じて導通／非導通状態が制御される。
【００２６】
バッテリユニット４０は、バッテリＢの端子間の電圧ＶＢを測定する電圧センサ１０と、バッテリＢに流れる電流ＩＢを検知する電流センサ１１とを有する。バッテリＢとしては、ニッケル水素、リチウムイオン等の２次電池や、燃料電池などを用いることができる。バッテリＢに代わる蓄電装置として、電気二重層コンデンサ等の大容量キャパシタを用いることもできる。
【００２７】
パワー制御ユニット２１は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２にそれぞれ対応して設けられるインバータ２２，１４と、インバータ２２，１４に共通して設けられる昇圧コンバータ１２と、制御装置３０とを有する。
【００２８】
昇圧コンバータ１２は、ＤＣ端子４３，４４間の電圧を昇圧する。昇圧コンバータ１２は、一方端が端子４３に接続されるリアクトル３２と、昇圧用ＩＰＭ（Intelligent Power Module）１３と、平滑用コンデンサ３３とを有する。昇圧用ＩＰＭ１３は、昇圧後の電圧ＶＨを出力する昇圧コンバータ１２の出力端子間に直列に接続されるＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２と、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２にそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ１，Ｄ２とを有する。平滑用コンデンサ３３は、昇圧コンバータ１２によって昇圧された電圧を平滑化する。
【００２９】
リアクトル３２の他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタおよびＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタに接続されている。ダイオードＤ１のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のコレクタと接続され、ダイオードＤ１のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタと接続されている。ダイオードＤ２のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタと接続され、ダイオードＤ２のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ２のエミッタと接続されている。
【００３０】
インバータ１４は、車輪を駆動するモータジェネレータＭＧ２に対して昇圧コンバータ１２の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。インバータ１４は、回生制動に伴い、モータジェネレータＭＧ２において発電された電力を昇圧コンバータ１２に戻す。このとき、昇圧コンバータ１２は、降圧回路として動作するように制御装置３０によって制御される。
【００３１】
インバータ１４は、走行用ＩＰＭ１８を構成するＵ相アーム１５、Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７を有する。Ｕ相アーム１５，Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７は、昇圧コンバータ１２の出力ライン間に並列に接続されている。
【００３２】
Ｕ相アーム１５は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４と、ＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ３，Ｄ４とを有する。ダイオードＤ３のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ３のコレクタと接続され、ダイオードＤ３のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ３のエミッタと接続されている。ダイオードＤ４のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ４のコレクタと接続され、ダイオードＤ４のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ４のエミッタと接続されている。
【００３３】
Ｖ相アーム１６は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６と、ＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ５，Ｄ６とを有する。ダイオードＤ５のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ５のコレクタと接続され、ダイオードＤ５のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ５のエミッタと接続されている。ダイオードＤ６のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ６のコレクタと接続され、ダイオードＤ６のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ６のエミッタと接続されている。
【００３４】
Ｗ相アーム１７は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８と、ＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ７，Ｄ８とを有する。ダイオードＤ７のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ７のコレクタと接続され、ダイオードＤ７のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ７のエミッタと接続されている。ダイオードＤ８のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ８のコレクタと接続され、ダイオードＤ８のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ８のエミッタと接続されている。
【００３５】
各相アームの中間点は、モータジェネレータＭＧ２の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭＧ２は、三相の永久磁石同期モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルは各々一方端が中性点に共に接続されている。Ｕ相コイルの他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４の接続ノードに接続されている。Ｖ相コイルの他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６の接続ノードに接続されている。Ｗ相コイルの他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８の接続ノードに接続されている。
【００３６】
電流センサ２５は、モータジェネレータＭＧ１に流れる電流をモータ電流値ＭＣＲＴ１として検出し、モータ電流値ＭＣＲＴ１を制御装置３０に出力する。電流センサ２４は、モータジェネレータＭＧ２に流れる電流をモータ電流値ＭＣＲＴ２として検出し、モータ電流値ＭＣＲＴ２を制御装置３０に出力する。
【００３７】
インバータ２２は、昇圧コンバータ１２に対してインバータ１４と並列的に接続される。インバータ２２は、モータジェネレータＭＧ１に対して昇圧コンバータ１２の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。インバータ２２は、昇圧コンバータ１２から昇圧された電圧を受けてたとえばエンジンを始動させるためにモータジェネレータＭＧ１を駆動する。
【００３８】
また、インバータ２２は、エンジンのクランクシャフトから伝達される回転トルクによってモータジェネレータＭＧ１で発電された電力を昇圧コンバータ１２に戻す。このとき、昇圧コンバータ１２は降圧回路として動作するように制御装置３０によって制御される。なお、インバータ２２の内部の構成はインバータ１４と同様であるため、詳細な説明は繰返さない。
【００３９】
制御装置３０は、トルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２、モータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２、電圧ＶＢ，ＶＬ，ＶＨ、電流ＩＢの各値、モータ電流値ＭＣＲＴ１，ＭＣＲＴ２および起動信号ＩＧＯＮを受ける。
【００４０】
ここで、トルク指令値ＴＲ１，モータ回転数ＭＲＮ１およびモータ電流値ＭＣＲＴ１は、モータジェネレータＭＧ１に関するものであり、トルク指令値ＴＲ２，モータ回転数ＭＲＮ２およびモータ電流値ＭＣＲＴ２は、モータジェネレータＭＧ２に関するものである。電圧ＶＢは、バッテリＢの電圧であり、電流ＩＢは、バッテリＢに流れる電流である。電圧ＶＬは、昇圧コンバータ１２の昇圧前電圧であり、電圧ＶＨは、昇圧コンバータ１２の昇圧後電圧である。
【００４１】
制御装置３０は、昇圧コンバータ１２に対して昇圧指示を行なう制御信号ＰＷＵ，降圧指示を行なう制御信号ＰＷＤおよび動作禁止を指示する信号ＣＳＤＮを出力する。
【００４２】
制御装置３０は、インバータ１４に対して昇圧コンバータ１２の出力である直流電圧をモータジェネレータＭＧ２を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ２と、モータジェネレータＭＧ２で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ２とを出力する。制御装置３０は、インバータ２２に対して直流電圧をモータジェネレータＭＧ１を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ１と、モータジェネレータＭＧ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ１とを出力する。
【００４３】
図２は、図１中のパワー制御ユニットに適用される半導体素子の冷却構造を示す平面図である。図３は、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線上に沿った半導体素子の冷却構造を示す断面図である。続いて、図１中のパワー制御ユニットに適用される半導体素子の冷却構造について説明する。
【００４４】
図２および図３を参照して、本実施の形態における半導体素子の冷却構造は、ヒートシンク８０と、伝熱板７０Ａおよび伝熱板７０Ｂ（以下、特に区別しない場合は伝熱板７０という）と、絶縁基板６０Ａおよび絶縁基板６０Ｂ（以下、特に区別しない場合は絶縁基板６０という）と、複数の半導体素子５６Ａおよび複数の半導体素子５６Ｂ（以下、特に区別しない場合は、半導体素子５６という）とを有する。
【００４５】
ヒートシンク８０上の領域５１に配置された複数の半導体素子５６は、図１中に示すＭＧ２用のインバータ１４の走行用ＩＰＭ１８（Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７）を構成し、領域５２に配置された複数の半導体素子５６は、図１中のＭＧ１用のインバータ２２の走行用ＩＰＭ１８（Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７）を構成し、領域５３に配置された複数の半導体素子５６は、図１中の昇圧コンバータ１２の昇圧用ＩＰＭ１３を構成する。
【００４６】
複数の半導体素子５６Ａは、互いに間隔を隔てて、矢印２００に示す一方向に並んで設けられている。複数の半導体素子５６Ｂは、互いに間隔を隔てて、矢印２００に示す一方向に並んで設けられている。各半導体素子５６Ａと各半導体素子５６Ｂとは、矢印２００に示す方向に直交する矢印２１０に示す方向に互いに離れて配置されている。複数の半導体素子５６Ａと複数の半導体素子５６Ｂとは、互いに平行に並んで設けられている。
【００４７】
絶縁基板６０Ａには、複数の半導体素子５６Ａが搭載され、絶縁基板６０Ｂには、複数の半導体素子５６Ｂが搭載されている。
【００４８】
絶縁基板６０Ａと絶縁基板６０Ｂとは、矢印２１０に示す方向に互いに離れて配置されている。絶縁基板６０は、高い電気絶縁性を有する材料により形成されている。絶縁基板６０は、高い熱伝導性を有する材料により形成されている。絶縁基板６０は、セラミックスにより形成されている。本実施の形態では、絶縁基板６０が、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により形成されている。
【００４９】
絶縁基板６０は、複数の半導体素子５６を車両本体側から電気的に絶縁するために設けられている。より具体的には、パワー制御ユニット２１には、高圧系の半導体素子５６に加えて、オーディオ機器や照明機器、小型モータなどに供給する電力を制御するための低圧系の半導体素子が含まれる。絶縁基板６０は、車両本体を通じて高圧系と低圧系とが導通することを防ぐために設けられている。
【００５０】
伝熱板７０Ａは、絶縁基板６０Ａに対して複数の半導体素子５６Ａの反対側に設けられ、伝熱板７０Ｂは、絶縁基板６０Ｂに対して複数の半導体素子５６Ｂの反対側に設けられている。伝熱板７０Ａと伝熱板７０Ｂとは、矢印２１０に示す方向に互いに離れて配置されている。
【００５１】
伝熱板７０は、高い熱伝導性を有する材料により形成されている。伝熱板７０は、絶縁基板６０とは異なる材料により形成されている。伝熱板７０は、絶縁基板６０と線膨張率の異なる材料により形成されている。絶縁基板６０の線膨張率は、伝熱板７０の線膨張率よりも小さい。本実施の形態では、伝熱板７０が、アルミニウムにより形成されている。伝熱板７０は、半導体素子５６で発生した熱をヒートシンク８０に伝える伝熱機能と、線膨張率の差に起因して絶縁基板６０とヒートシンク８０との間で生じる応力を吸収する応力緩和機能とを有する。
【００５２】
ヒートシンク８０は、伝熱板７０に対して絶縁基板６０の反対側に設けられている。絶縁基板６０とヒートシンク８０との間に伝熱板７０が配置され、絶縁基板６０とヒートシンク８０との間に伝熱板７０が配置されている。ヒートシンク８０は、半導体素子５６で発生した熱を放熱する機能を有する。
【００５３】
ヒートシンク８０は、ケース体８３、フィン８２および蓋体８１が組み合わさって構成されている。ケース体８３は、一方向に開口する筐体形状を有する。蓋体８１は、ケース体８３の開口部を塞ぐように設けられている。ケース体８３および蓋体８１は、互いに一体となって冷媒が流通する内部空間を形成している。フィン８２は、ケース体８３および蓋体８１によって形成された内部空間に収容されている。ヒートシンク８０は、冷媒を供給するための冷媒供給口８６と、冷媒を排出するための冷媒排出口８７とを有する。
【００５４】
ヒートシンク８０は、高い熱伝導性を有する材料により形成されている。ヒートシンク８０は、絶縁基板６０とは異なる材料により形成されている。本実施の形態では、ヒートシンク８０が、アルミニウムにより形成されている。ヒートシンク８０は、伝熱板７０と同じ材料により形成されている。
【００５５】
本実施の形態における半導体素子の冷却構造において、伝熱板７０、絶縁基板６０および複数の半導体素子５６が設けられる形態についてより詳細に説明すると、絶縁基板６０は、表面６０ａと、表面６０ａの裏側に配置される裏面６０ｂとを有する。複数の半導体素子５６は、絶縁基板６０の表面６０ａ上に搭載されている。絶縁基板６０Ａは、複数の半導体素子５６Ａの並び方向に沿って板状に延在し、絶縁基板６０Ｂは、複数の半導体素子５６Ｂの並び方向に沿って板状に延在している。
【００５６】
本実施の形態における半導体素子の冷却構造は、電極部５８をさらに有する。電極部５８は、導電性材料により形成されている。本実施の形態では、電極部５８がアルミニウムにより形成されている。電極部５８は、複数の半導体素子５６の各々と絶縁基板６０との間に介挿されている。電極部５８は、絶縁基板６０に対してロウ付けされている。半導体素子５６は、電極部５８に対して半田付けされている。
【００５７】
絶縁基板６０には、溝６３が形成されている。溝６３は、互いに隣り合う半導体素子５６Ａ間で延びるように絶縁基板６０Ａに形成されている。溝６３は、互いに隣り合う半導体素子５６Ｂ間で延びるように絶縁基板６０Ｂに形成されている。
【００５８】
たとえば、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線上に沿った位置に注目して溝６３が形成される形態について説明すると、絶縁基板６０Ａの表面６０ａ上には、半導体素子５６ｐおよび半導体素子５６ｑが互いに隣り合って配置されている。半導体素子５６ｐは、表面６０ａ上の領域６６に形成され、半導体素子５６ｑは、表面６０ａ上の領域６８に形成され、溝６３は、表面６０ａ上の領域６６と領域６８との間の領域６７に形成されている。溝６３は、表面６０ａに形成されている。溝６３は、表面６０ａから凹み、表面６０ａと裏面６０ｂとの間に溝底を有する形態に形成されている。溝６３は、その溝底が図３中において湾曲した断面を有するように形成されている。溝６３は、直線状に延びている。溝６３は、複数の半導体素子５６Ａの並び方向に直交する方向に延びている。溝６３は、半導体素子５６ｐを搭載する表面６０ａと、半導体素子５６ｑを搭載する表面６０ａとを離間させるように形成されている。
【００５９】
伝熱板７０は、絶縁基板６０の裏面６０ｂ上に設けられている。伝熱板７０は、絶縁基板６０に接触して設けられている。伝熱板７０は、絶縁基板６０に対してロウ付けされている。
【００６０】
伝熱板７０は、裏面６０ｂと対向しながら、複数の半導体素子５６間で連続するように設けられている。より具体的には、伝熱板７０Ａは、裏面６０ｂと対向しながら、複数の半導体素子５６Ａの並び方向に沿って延在し、複数の半導体素子５６Ａ間で連続している。伝熱板７０Ｂは、裏面６０ｂと対向しながら、複数の半導体素子５６Ｂの並び方向に沿って延在し、複数の半導体素子５６Ｂ間で連続している。たとえば、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線上に沿った位置に注目すれば、伝熱板７０Ａは、裏面６０ｂと対向しながら、半導体素子５６ｐと半導体素子５６ｑとの間で連続するように設けられている。伝熱板７０Ａは、領域６６、領域６７および領域６８の間で途切れることなく連続して設けられている。
【００６１】
伝熱板７０は、さらにヒートシンク８０に接触して設けられている。すなわち、本実施の形態では、絶縁基板６０とヒートシンク８０との間に伝熱板７０のみが設けられている。伝熱板７０は、ヒートシンク８０に対してロウ付けされている。
【００６２】
パワー制御ユニット２１の作動に伴って複数の半導体素子５６が発熱する。複数の半導体素子５６Ａで発生した熱は、電極部５８および絶縁基板６０Ａを伝わって伝熱板７０Ａに向かい、複数の半導体素子５６Ｂで発生した熱は、電極部５８および絶縁基板６０Ｂを伝わって伝熱板７０Ｂに向かう。熱は、伝熱板７０Ａおよび伝熱板７０Ｂを伝わってヒートシンク８０に達する。本実施の形態では、上記のとおり、絶縁基板６０とヒートシンク８０との間に伝熱板７０のみが設けられるため、両者の間に多層構造を設ける場合と比較して、効率よく熱をヒートシンク８０に伝えることができる。
【００６３】
冷媒供給口８６を通じて供給された冷却油などの冷媒がヒートシンク８０内を流通する。この間、冷媒とフィン８２との間で熱交換が行なわれることによって、半導体素子５６で発生した熱が放熱される。受熱により温度上昇した冷媒は、冷媒排出口８７を通じてヒートシンク８０から排出される。
【００６４】
続いて、本実施の形態における半導体素子の冷却構造の製造方法について説明する。図４は、図２および図３中の半導体素子の冷却構造の製造方法の流れを示すフローチャートである。図５および図６は、図２および図３中の半導体素子の冷却構造の製造方法の工程を示す断面図である。
【００６５】
図４および図５を参照して、まず、絶縁基板ユニット９０を組み立てる（Ｓ１０１）。具体的には、絶縁基板６０の表面６０ａに、電極部５８をロウ付けし、絶縁基板６０の裏面６０ｂに、伝熱板７０をロウ付けすることにより、絶縁基板６０、電極部５８および伝熱板７０からなる絶縁基板ユニット９０を完成させる。
【００６６】
図４および図６を参照して、次に、絶縁基板ユニット９０とヒートシンク８０とを接合する（Ｓ１０２）。具体的には、絶縁基板ユニット９０の伝熱板７０をヒートシンク８０の蓋体８１にロウ付けする。この際、絶縁基板ユニット９０は、使用されるロウ材の融点よりも高い温度まで加熱され、その後、室温まで冷却される。加熱温度の一例を挙げれば、９００℃以上である。
【００６７】
図１および図４を参照して、次に、電極部５８にめっき層を形成する（Ｓ１０３）。電極部５８に半導体素子５６を半田付けする場合、電極部５８の表面の半田に対する濡れ性を高める必要がある。そこで、本工程では、半導体素子５６が半田付けされる電極部５８の表面にめっき層を形成する。めっき層としては、たとえば、ニッケル（Ｎｉ）めっきが用いられる。
【００６８】
次に、先の工程で形成されためっき層に含まれる不純物を除去するためのベーク工程を実施する（Ｓ１０４）。この際、絶縁基板ユニット９０は、たとえば、３００℃以上の温度に加熱される。最後に、電極部５８に半導体素子５６を半田付けするリフロー工程を実施する（Ｓ１０５）。以上の工程により、図２および図３中に示す半導体素子の冷却構造が完成する。
【００６９】
続いて、本実施の形態における半導体素子の冷却構造によって奏される作用、効果について説明する。
【００７０】
図７は、比較のための半導体素子の冷却構造を示す断面図である。図中には、図３に対応する断面が示されている。図７を参照して、本比較例では、半導体素子５６ｐを搭載する絶縁基板６０および伝熱板７０と、半導体素子５６ｑを搭載する絶縁基板６０および伝熱板７０とが、ヒートシンク８０上に別々に設けられている。すなわち、半導体素子５６ごとに絶縁基板６０および伝熱板７０が設けられている。
【００７１】
このような構成においては、半導体素子の冷却構造の製造時、半導体素子５６ごとに、絶縁基板６０および伝熱板７０の接合工程を実施する必要がある。これに対して、本実施の形態における半導体素子の冷却構造においては、複数の半導体素子５６Ａが一括して絶縁基板６０Ａおよび伝熱板７０Ａに設けられ、複数の半導体素子５６Ｂが一括して絶縁基板６０Ｂおよび伝熱板７０Ｂに設けられるため、半導体素子の冷却構造の製造工程を簡易化することが可能となる。また、複数の半導体素子５６を一括して絶縁基板６０および伝熱板７０に設けることにより、複数の半導体素子５６間の位置精度も向上させることができる。これにより、複数の半導体素子５６に対するワイヤボンディング工程などを、容易かつ精度よく実施することができる。
【００７２】
また、図４中に示すＳ１０２の接合工程時、ロウ付けに伴って高温に加熱された絶縁基板６０および伝熱板７０が熱収縮する。この際、絶縁基板６０と伝熱板７０との間の線膨張率の差に起因して、絶縁基板６０に内部応力（残留応力）が発生する。より具体的には、絶縁基板６０は、線膨張率が大きく、より熱収縮しようとする伝熱板７０に接合されているため、絶縁基板６０の表面６０ａ側に引っ張りの残留応力が発生する。このような絶縁基板６０が、図４中に示すＳ１０４のベーク工程により加熱処理されると、絶縁基板６０内の残留応力が開放される。これにより、絶縁基板６０は、表面６０ａ側が凸となり、裏面６０ｂ側が凹となるように変形しようとする。
【００７３】
図７中に示す比較例では、このような変形によって絶縁基板６０に割れが生じ、半導体素子５６および伝熱板７０間の絶縁が確保されないという懸念が生じる。これに対して、本実施の形態における半導体素子の冷却構造においては、絶縁基板６０に、互いに隣り合う半導体素子５６間で延びる溝６３が形成されている。このような構成により、絶縁基板６０の変形に伴う応力は溝６３に集中するため、仮に絶縁基板６０に割れが生じることがあっても、その割れは半導体素子５６が配置されていない領域６７に生じる。これにより、半導体素子５６の直下で絶縁基板６０が割れることを防ぎ、半導体素子５６の電気的な絶縁を確保することができる。
【００７４】
また、図７中に示す比較例では、半導体素子５６ごとに絶縁基板６０および伝熱板７０を設けられており、さらに半導体素子５６間の沿面距離を確保しようとすると、伝熱板７０とヒートシンク８０との接触面積が減少してしまう。この場合、ヒートシンク８０への熱伝達の効率が低下するという懸念が生じる。これに対して、本実施の形態における半導体素子の冷却構造においては、伝熱板７０が複数の半導体素子５６間で連続するように設けられている。このような構成により、伝熱板７０の体積を増大させることが可能となり、伝熱板７０を通じたヒートシンク８０への熱伝達の効率を向上させることができる。
【００７５】
以上に説明した、この発明の実施の形態１における半導体素子の冷却構造についてまとめて説明すると、本実施の形態における半導体素子の冷却構造は、絶縁基板６０と、互いに間隔を隔てて配置される複数の半導体素子５６と、伝熱板７０と、放熱器としてのヒートシンク８０とを備える。絶縁基板６０は、第１表面としての表面６０ａと、表面６０ａの裏側に配置される第２表面としての裏面６０ｂとを有する。複数の半導体素子５６は、表面６０ａ上に搭載される。伝熱板７０は、裏面６０ｂ上に設けられる。ヒートシンク８０は、伝熱板７０に対して絶縁基板６０の反対側に設けられ、伝熱板７０を介して伝えられた半導体素子５６の熱を放熱する。絶縁基板６０には、互いに隣り合って配置された半導体素子５６間で延びる溝６３が形成される。伝熱板７０は、裏面６０ｂと対向しながら複数の半導体素子５６間で連続するように設けられる。
【００７６】
このように構成された、この発明の実施の形態１における半導体素子の冷却構造によれば、絶縁基板６０に、互いに隣り合う半導体素子５６間で延びる溝６３を形成することによって、半導体素子の冷却構造の製造時に発生する応力を溝６３に集中させる。これにより、絶縁基板６０が半導体素子５６の直下で割れることを防止し、半導体素子５６の電気的な絶縁を確保することができる。また、複数の半導体素子５６を一括して絶縁基板６０および伝熱板７０に設けることにより、半導体素子の冷却構造の製造工程を簡易化するとともに、半導体素子５６の冷却効率を向上させることができる。以上の理由により、半導体素子５６を適切に作動させることが可能となり、信頼性の高いパワー制御ユニット２１を実現することができる。
【００７７】
なお、本発明を、燃料電池と２次電池とを動力源とする燃料電池ハイブリッド車（ＦＣＨＶ：Fuel Cell Hybrid Vehicle）または電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）に搭載されるパワー制御ユニットに適用することもできる。本実施の形態におけるハイブリッド自動車では、燃費最適動作点で内燃機関を駆動するのに対して、燃料電池ハイブリッド車では、発電効率最適動作点で燃料電池を駆動する。また、２次電池の使用に関しては、両方のハイブリッド自動車で基本的に変わらない。
【００７８】
また、本発明は、パワー制御ユニットに限られず、半導体素子の冷却が必要となる各種装置に適用される。
【００７９】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１における半導体素子の冷却構造の各種変形例について説明する。
【００８０】
図８は、図２および図３中の半導体素子の冷却構造の第１変形例を示す平面図である。図８は、実施の形態１における図２に対応する図である。
【００８１】
図８を参照して、本変形例では、矢印２００に示す方向に並べられた複数の半導体素子５６Ａと、矢印２００に示す方向に並べられた複数の半導体素子５６Ｂとが、一括して、１つの絶縁基板６０および１つの伝熱板７０に設けられている。絶縁基板６０には、溝６４および溝６５が形成されている。溝６４は、矢印２００に示す方向に並ぶ半導体素子５６Ａ間および半導体素子５６Ｂ間でそれぞれ延びている。溝６５は、矢印２１０に示す方向に並ぶ半導体素子５６Ａと半導体素子５６Ｂとの間で延びている。溝６４および溝６５は、直線状に延びている。溝６４および溝６５は、互いに交差している。溝６４および溝６５は、格子状に延びている。
【００８２】
図９は、図２および図３中の半導体素子の冷却構造の第２変形例を示す断面図である。図９は、実施の形態１における図３に対応する図である。図９を参照して、本変形例では、溝６３が裏面６０ｂに形成されている。溝６３は、裏面６０ｂから凹み、裏面６０ｂと表面６０ａとの間に溝底を有する形態に形成されている。なお、溝６３は、表面６０ａおよび裏面６０ｂの両方に形成されてもよい。
【００８３】
このように構成された、この発明の実施の形態２における半導体素子の冷却構造によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に得ることができる。
【００８４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
この発明は、主に、半導体素子を搭載する各種装置の冷却構造に適用される。
【符号の説明】
【００８６】
６，８  ケーブル、１０  電圧センサ、１１  電流センサ、１２  昇圧コンバータ、１４，２２  インバータ、１５  Ｕ相アーム、１６  Ｖ相アーム、１７  Ｗ相アーム、２０  車両用駆動装置、２１  パワー制御ユニット、２４，２５  電流センサ、２６  動力分割機構、３０  制御装置、３２  リアクトル、３３  平滑用コンデンサ、４０  バッテリユニット、４１，４２  端子、４３，４４  ＤＣ端子、５１，５２，５３，６６，６７，６８  領域、５６，５６Ａ，５６Ｂ，５６ｐ，５６ｑ  半導体素子、５８  電極部、６０，６０Ａ，６０Ｂ  絶縁基板、６０ａ  表面、６０ｂ  裏面、６３，６４，６５  溝、７０，７０Ａ，７０Ｂ  伝熱板、８０  ヒートシンク、８１  蓋体、８２  フィン、８３  ケース体、８６  冷媒供給口、８７  冷媒排出口、９０  絶縁基板ユニット。
【図１】
2012186201.tif 000003
【図２】
2012186201.tif 000004
【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】
2012186201.tif 000009
【図８】
2012186201.tif 000010
【図９】
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