特許 7573748 パワー半導体装置およびその製造方法ならびに電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-17

(45)【発行日】2024-10-25

(54)【発明の名称】パワー半導体装置およびその製造方法ならびに電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/40 20060101AFI20241018BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20241018BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20241018BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20241018BHJP

【ＦＩ】

H01L23/40 Z

H01L23/36 C

H01L23/36 Z

H01L25/04 C

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2023530337

(86)(22)【出願日】2022-06-14

(86)【国際出願番号】 JP2022023763

(87)【国際公開番号】W WO2022265003

(87)【国際公開日】2022-12-22

【審査請求日】2023-11-22

(31)【優先権主張番号】P 2021101541

(32)【優先日】2021-06-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】多田 晴菜

(72)【発明者】

【氏名】後藤 正喜

(72)【発明者】

【氏名】六分一 穂隆

(72)【発明者】

【氏名】寺田 隼人

(72)【発明者】

【氏名】三田 泰之

【審査官】花田 尚樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１６５１２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０９７０２７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００７－０１９２０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０７９３９６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／４０

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１凹凸部が形成されたモジュールベースを有し、前記モジュールベースに電力用半導体素子が搭載されて封止材によって封止されたパワーモジュール部と、
第２凹凸部が形成され、前記第２凹凸部と前記第１凹凸部とを互いに嵌合させる態様で前記モジュールベースに接合されたヒートシンクベース部と、
前記ヒートシンクベース部に装着された複数の放熱フィンと
を備え、
前記モジュールベースおよび前記ヒートシンクベース部では、
前記第１凹凸部および前記第２凹凸部は、前記第１凹凸部と前記第２凹凸部とが互いに嵌合して第１方向に延在する部分を有し、
前記モジュールベースと前記ヒートシンクベース部とが接合された状態で、前記第１凹凸部は、空間として残されるバッファ凹部を有し、
前記第１凹凸部は、前記モジュールベースにおける、前記電力用半導体素子が搭載されている一方の表面とは反対側の他方の表面に形成され、
前記バッファ凹部は、前記他方の表面における平坦部において、前記一方の表面に向かって形成され、かつ、前記第１方向と交差する第２方向に延在するように形成された、パワー半導体装置。

【請求項2】

第１凹凸部が形成されたモジュールベースを有し、前記モジュールベースに電力用半導体素子が搭載されて封止材によって封止されたパワーモジュール部と、
第２凹凸部が形成され、前記第２凹凸部と前記第１凹凸部とを互いに嵌合させる態様で前記モジュールベースに接合されたヒートシンクベース部と、
前記ヒートシンクベース部に装着された複数の放熱フィンと
を備え、
前記モジュールベースおよび前記ヒートシンクベース部では、
前記第１凹凸部および前記第２凹凸部は、前記第１凹凸部と前記第２凹凸部とが互いに嵌合して第１方向に延在する部分を有し、
前記モジュールベースと前記ヒートシンクベース部とが接合された状態で、前記第２凹凸部は、空間として残されるバッファ凹部を有し、
前記バッファ凹部は、前記ヒートシンクベース部における平坦部において、前記モジュールベースが接合されている側とは反対側に向かって形成され、かつ、前記第１方向と交差する第２方向に延在するように形成された、パワー半導体装置。

【請求項3】

前記ヒートシンクベース部は、複数の前記放熱フィンが装着された放熱拡散部を含み、
前記第２凹凸部は、前記放熱拡散部に形成された、請求項１または２に記載のパワー半導体装置。

【請求項4】

前記ヒートシンクベース部は、
複数の前記放熱フィンが装着された放熱拡散部と、
前記放熱拡散部から前記パワーモジュール部が位置する側に向かって嵩上げされた嵩上げ部と
を含み、
前記第２凹凸部は、前記嵩上げ部に形成された、請求項１または２に記載のパワー半導体装置。

【請求項5】

前記第１凹凸部および前記第２凹凸部のいずれかには、不連続な部分が設けられた、請求項１または２に記載のパワー半導体装置。

【請求項6】

複数の前記放熱フィンは、前記ヒートシンクベース部における外周部に位置する領域以外の領域に装着された、請求項１または２に記載のパワー半導体装置。

【請求項7】

第１凹凸部が形成されたモジュールベースを用意する工程と、
前記モジュールベースに電力用半導体素子を搭載し、前記第１凹凸部を露出させる態様で前記電力用半導体素子を封止材によって封止することによって、パワーモジュール部を形成する工程と、
前記第１凹凸部と嵌合する第２凹凸部が形成されたヒートシンクベース部を用意する工程と、
前記第１凹凸部と前記第２凹凸部とを互いに対向させて、前記パワーモジュール部における前記モジュールベースおよび前記ヒートシンクベース部の一方を他方に押圧し、前記モジュールベースと前記ヒートシンクベース部とを一体化する工程と
を備え、
前記モジュールベースを用意する工程および前記ヒートシンクベース部を用意する工程では、前記第１凹凸部および前記第２凹凸部は、前記第１凹凸部と前記第２凹凸部とが互いに嵌合して第１方向に延在する部分を有するように形成され、
前記モジュールベースを用意する工程では、
前記第１凹凸部は、前記モジュールベースにおける、前記電力用半導体素子が搭載される一方の表面とは反対側の他方の表面に形成され、
前記第１凹凸部は、前記モジュールベースと前記ヒートシンクベース部とが接合された状態で、空間として残されるバッファ凹部を有するように形成され、
前記バッファ凹部は、前記他方の表面における平坦部において、前記一方の表面に向かって形成され、かつ、前記第１方向と交差する第２方向に延在するように形成される、パワー半導体装置の製造方法。

【請求項8】

第１凹凸部が形成されたモジュールベースを用意する工程と、
前記モジュールベースに電力用半導体素子を搭載し、前記第１凹凸部を露出させる態様で前記電力用半導体素子を封止材によって封止することによって、パワーモジュール部を形成する工程と、
前記第１凹凸部と嵌合する第２凹凸部が形成されたヒートシンクベース部を用意する工程と、
前記第１凹凸部と前記第２凹凸部とを互いに対向させて、前記パワーモジュール部における前記モジュールベースおよび前記ヒートシンクベース部の一方を他方に押圧し、前記モジュールベースと前記ヒートシンクベース部とを一体化する工程と
を備え、
前記モジュールベースを用意する工程および前記ヒートシンクベース部を用意する工程では、前記第１凹凸部および前記第２凹凸部は、前記第１凹凸部と前記第２凹凸部とが互いに嵌合して第１方向に延在する部分を有するように形成され、
前記ヒートシンクベース部を用意する工程では、
前記第２凹凸部は、前記モジュールベースと前記ヒートシンクベース部とが接合された状態で、空間として残されるバッファ凹部を有するように形成され、
前記バッファ凹部は、前記ヒートシンクベース部における平坦部において、前記モジュールベースが接合される側とは反対側に向かって形成され、かつ、前記第１方向と交差する第２方向に延在するように形成される、パワー半導体装置の製造方法。

【請求項9】

前記ヒートシンクベース部を用意する工程は、前記パワーモジュール部が接合される側とは反対側に、複数の放熱フィンが挿入される放熱フィン挿入溝と、前記放熱フィン挿入溝に挿入された前記放熱フィンをかしめるかしめ部とが形成された前記ヒートシンクベース部を用意する工程を含み、
前記モジュールベースと前記ヒートシンクベース部とを接合する工程は、
前記第１凹凸部と前記第２凹凸部とを互いに対向させるとともに、複数の前記放熱フィンを対応する前記放熱フィン挿入溝に配置する工程と、
かしめ治具を前記かしめ部に接触させ、前記ヒートシンクベース部を前記モジュールベースに向けて押圧することにより、前記第１凹凸部と前記第２凹凸部とを互いに嵌合させるとともに、前記かしめ部をかしめて複数の前記放熱フィンを前記ヒートシンクベース部に装着させて、前記モジュールベース、前記ヒートシンクベース部および複数の前記放熱フィンを一体化する工程と
を含む、請求項７または８に記載のパワー半導体装置の製造方法。

【請求項10】

前記ヒートシンクベース部を用意する工程は、前記パワーモジュール部が接合される側とは反対側に、複数の放熱フィンが一体的に配置された前記ヒートシンクベース部を用意する工程を含み、
前記モジュールベースと前記ヒートシンクベース部とを接合する工程は、
前記ヒートシンクベース部をヒートシンクセット治具に配置する工程と、
前記ヒートシンクセット治具に配置された前記ヒートシンクベース部の前記第２凹凸部に前記第１凹凸部が対向するように、前記パワーモジュール部を配置する工程と、
前記パワーモジュール部を前記ヒートシンクベース部に向かって押圧することにより、前記第１凹凸部と前記第２凹凸部とを互いに嵌合する工程と
を含む、請求項７または８に記載のパワー半導体装置の製造方法。

【請求項11】

請求項１または２に記載のパワー半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と
を備えた、電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、パワー半導体装置およびその製造方法ならびに電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電力用半導体素子を備えたパワー半導体装置の一形態として、電力用半導体素子を搭載したパワーモジュール部とヒートシンクとを一体化したヒートシンク一体型のパワー半導体モジュールが提案されている（特許文献１～特許文献１０）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５２３６１２７号公報

【文献】特許第５３７３６８８号公報

【文献】特許第５４１８６０１号公報

【文献】特許第５４３２０８５号公報

【文献】特許第６００９２０９号公報

【文献】特許第６０９１６３３号公報

【文献】特開平０６－５７５０号公報

【文献】特開２０１１－１５５１１８号公報

【文献】国際公開ＷＯ２０１８－０７９３９６号

【文献】国際公開ＷＯ２０１８－０９７０２７号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

パワー半導体装置としてのヒートシンク一体型のパワー半導体モジュールでは、パワーモジュール部とヒートシンクとを一体化させることについて、生産性のさらなる向上が求められている。

【0005】

本開示は、このような開発の一環としてなされたものであり、一つの目的は生産性のさらなる向上を図ることができるパワー半導体装置を提供することであり、他の目的は、そのようなパワー半導体装置の製造方法を提供することであり、さらに他の目的は、そのようなパワー半導体装置を適用した電力変換装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る一のパワー半導体装置は、パワーモジュール部とヒートシンクベース部と複数の放熱フィンとを備えている。パワーモジュール部は、第１凹凸部が形成されたモジュールベースを有し、モジュールベースに電力用半導体素子が搭載されて封止材によって封止されている。ヒートシンクベース部には、第２凹凸部が形成され、ヒートシンク部は、第２凹凸部と第１凹凸部とを互いに嵌合させる態様でモジュールベースに接合されている。複数の放熱フィンは、ヒートシンクベース部に装着されている。モジュールベースおよびヒートシンクベース部では、第１凹凸部および第２凹凸部は、第１凹凸部と第２凹凸部とが互いに嵌合して第１方向に延在する部分を有している。モジュールベースとヒートシンクベース部とが接合された状態で、第１凹凸部は、空間として残されるバッファ凹部を有している。第１凹凸部は、モジュールベースにおける、電力用半導体素子が搭載されている一方の表面とは反対側の他方の表面に形成されている。バッファ凹部は、他方の表面における平坦部において、一方の表面に向かって形成され、かつ、第１方向と交差する第２方向に延在するように形成されている。
本開示に係る他のパワー半導体装置は、パワーモジュール部とヒートシンクベース部と複数の放熱フィンとを備えている。パワーモジュール部は、第１凹凸部が形成されたモジュールベースを有し、モジュールベースに電力用半導体素子が搭載されて封止材によって封止されている。ヒートシンクベース部には、第２凹凸部が形成され、ヒートシンク部は、第２凹凸部と第１凹凸部とを互いに嵌合させる態様でモジュールベースに接合されている。複数の放熱フィンは、ヒートシンクベース部に装着されている。モジュールベースおよびヒートシンクベース部では、第１凹凸部および第２凹凸部は、第１凹凸部と第２凹凸部とが互いに嵌合して第１方向に延在する部分を有している。モジュールベースとヒートシンクベース部とが接合された状態で、第２凹凸部は、空間として残されるバッファ凹部を有している。バッファ凹部は、ヒートシンクベース部における平坦部において、モジュールベースが接合されている側とは反対側に向かって形成され、かつ、第１方向と交差する第２方向に延在するように形成されている。

【0007】

本開示に係る一のパワー半導体装置の製造方法は、以下の工程を備えている。第１凹凸部が形成されたモジュールベースを用意する。モジュールベースに電力用半導体素子を搭載し、第１凹凸部を露出させる態様で電力用半導体素子を封止材によって封止することによって、パワーモジュール部を形成する。第１凹凸部と嵌合する第２凹凸部が形成されたヒートシンクベース部を用意する。第１凹凸部と第２凹凸部とを互いに対向させて、パワーモジュール部におけるモジュールベースおよびヒートシンクベース部の一方を他方に押圧し、モジュールベースとヒートシンクベース部とを一体化する。モジュールベースを用意する工程およびヒートシンクベース部を用意する工程では、第１凹凸部および第２凹凸部は、第１凹凸部と第２凹凸部とが互いに嵌合して第１方向に延在する部分を有するように形成される。モジュールベースを用意する工程では、第１凹凸部は、モジュールベースにおける、電力用半導体素子が搭載される一方の表面とは反対側の他方の表面に形成される。第１凹凸部は、モジュールベースとヒートシンクベース部とが接合された状態で、空間として残されるバッファ凹部を有するように形成される。バッファ凹部は、他方の表面における平坦部において、一方の表面に向かって形成され、かつ、第１方向と交差する第２方向に延在するように形成される。
本開示に係る他のパワー半導体装置の製造方法は、以下の工程を備えている。第１凹凸部が形成されたモジュールベースを用意する。モジュールベースに電力用半導体素子を搭載し、第１凹凸部を露出させる態様で電力用半導体素子を封止材によって封止することによって、パワーモジュール部を形成する。第１凹凸部と嵌合する第２凹凸部が形成されたヒートシンクベース部を用意する。第１凹凸部と第２凹凸部とを互いに対向させて、パワーモジュール部におけるモジュールベースおよびヒートシンクベース部の一方を他方に押圧し、モジュールベースとヒートシンクベース部とを一体化する。モジュールベースを用意する工程およびヒートシンクベース部を用意する工程では、第１凹凸部および第２凹凸部は、第１凹凸部と第２凹凸部とが互いに嵌合して第１方向に延在する部分を有するように形成される。ヒートシンクベース部を用意する工程では、第２凹凸部は、モジュールベースとヒートシンクベース部とが接合された状態で、空間として残されるバッファ凹部を有するように形成される。バッファ凹部は、ヒートシンクベース部における平坦部において、モジュールベースが接合される側とは反対側に向かって形成され、かつ、第１方向と交差する第２方向に延在するように形成される。

【0008】

本開示に係る電力変換装置は、上記パワー半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、主変換回路を制御する制御信号を主変換回路に出力する制御回路とを備えている。

【発明の効果】

【0009】

本開示に係るパワー半導体装置によれば、モジュールベースおよびヒートシンクベース部は、モジュールベースとヒートシンクベース部とが接合された状態で、第１凹凸部および第２凹凸部のいずれかが、空間として残されるバッファ凹部を備える態様で形成され、バッファ凹部は、第１凹凸部と第２凹凸部とが互いに嵌合して第１方向に延在する部分に対して、第１方向と交差する第２方向に延在するように形成されている。これにより、モジュールベースとヒートシンクベース部とを一体化する際の荷重を低減することができる。その結果、生産性を向上することができるパワー半導体装置が得られる。

【0010】

本開示に係るパワー半導体装置の製造方法によれば、モジュールベースを用意する工程およびヒートシンクベース部を用意する工程では、第１凹凸部および第２凹凸部は、第１凹凸部と第２凹凸部とが互いに嵌合して第１方向に延在する部分を有するように形成される。第１凹凸部および第２凹凸部のいずれかには、モジュールベースとヒートシンクベース部とが接合された状態で、空間として残されるバッファ凹部が、第１方向と交差する第２方向に延在するように形成される。これにより、モジュールベースとヒートシンクベース部とを一体化する際の荷重を低減することができる。その結果、パワー半導体装置の生産性を向上することができる。

【0011】

本開示に係る電力変換装置によれば、上記パワー半導体装置を有していることで、生産性を向上することができる電力変換装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施の形態１に係るパワー半導体装置を示す、一部断面を含む第１分解側面図である。

【図2】同実施の形態において、パワー半導体装置を示す、一部断面を含む第２分解側面図である。

【図3】同実施の形態において、パワーモジュール部とヒートシンクとを一体化した状態を示す、一部断面を含む第１側面図である。

【図4】同実施の形態において、パワーモジュール部とヒートシンクとを一体化した状態を示す、一部断面を含む第２側面図である。

【図5】同実施の形態において、パワー半導体装置の製造方法の一工程を示す、一部断面を含む側面図である。

【図6】同実施の形態において、図５に示す工程の後に行われる工程を示す、一部断面を含む側面図である。

【図7】同実施の形態において、図６に示す工程の後に行われる工程を示す、一部断面を含む側面図である。

【図8】同実施の形態において、パワー半導体装置の作用効果を説明するための第１の図である。

【図9】同実施の形態において、パワー半導体装置の作用効果を説明するための第２の図である。

【図10】同実施の形態において、パワー半導体装置の作用効果を説明するための第３の図である。

【図11】同実施の形態において、パワー半導体装置の作用効果を説明するための第４の図である。

【図12】同実施の形態において、凹凸部の構造の第１変形例を示す、一部断面を含む第１分解側面図である。

【図13】同実施の形態において、凹凸部の構造の第１変形例を示す、一部断面を含む第２分解側面図である。

【図14】同実施の形態において、パワー半導体装置の作用効果を説明するための第５の図である。

【図15】同実施の形態において、パワー半導体装置の作用効果を説明するための第６の図である。

【図16】同実施の形態において、パワー半導体装置の作用効果を説明するための第７の図である。

【図17】同実施の形態において、パワー半導体装置の作用効果を説明するための第８の図である。

【図18】同実施の形態において、モジュールベースに形成される凹凸部の配置構造と、ヒートシンクベース部に形成される凹凸部の配置構造とを説明するための第１の図である。

【図19】同実施の形態において、モジュールベースに形成される凹凸部の配置構造と、ヒートシンクベース部に形成される凹凸部の配置構造とを説明するための第２の図である。

【図20】同実施の形態において、凹凸部の構造の第２変形例を示す、一部断面を含む第１分解側面図である。

【図21】同実施の形態において、凹凸部の構造の第２変形例を示す、一部断面を含む第２分解側面図である。

【図22】同実施の形態において、凹凸部の構造の第３変形例を示す、一部断面を含む第１分解側面図である。

【図23】同実施の形態において、凹凸部の構造の第３変形例を示す、一部断面を含む第２分解側面図である。

【図24】同実施の形態において、凹凸部の構造の第４変形例を示す、一部断面を含む第１分解側面図である。

【図25】同実施の形態において、凹凸部の構造の第４変形例を示す、一部断面を含む第２分解側面図である。

【図26】同実施の形態において、凹凸部の構造の第５変形例を示す、一部断面を含む第１分解側面図である。

【図27】同実施の形態において、凹凸部の構造の第５変形例を示す、一部断面を含む第２分解側面図である。

【図28】同実施の形態において、パワーモジュール部におけるモジュールベースに形成された凹凸部のパターンの変形例を示す下面図である。

【図29】同実施の形態において、ヒートシンクにおける放熱フィンの配置構造の第１例を示す下面図である。

【図30】同実施の形態において、ヒートシンクにおける放熱フィンの配置構造の第２例を示す下面図である。

【図31】同実施の形態において、図２９に示すヒートシンクの作用効果を説明するための下面図である。

【図32】同実施の形態において、図２９に示すヒートシンクの作用効果を説明するための、パワー半導体装置の製造方法の一工程を示す、一部断面を含む側面図である。

【図33】同実施の形態において、図２９に示すヒートシンクの作用効果を説明するための、図３２に示す工程の後に行われる工程を示す、一部断面を含む側面図である。

【図34】同実施の形態において、図３０に示すヒートシンクの作用効果を説明するための下面図である。

【図35】同実施の形態において、ヒートシンクの構造の第１変形例を示す、一部断面を含む第１分解側面図である。

【図36】同実施の形態において、ヒートシンクの構造の第１変形例を示す、一部断面を含む第２分解側面図である。

【図37】同実施の形態において、ヒートシンクの構造の第２変形例を示す、一部断面を含む第１分解側面図である。

【図38】同実施の形態において、ヒートシンクの構造の第２変形例を示す、一部断面を含む第２分解側面図である。

【図39】同実施の形態において、図３５および図３６に示すヒートシンクの作用効果を説明するための、パワー半導体装置の製造方法の一工程を示す、一部断面を含む側面図である。

【図40】同実施の形態において、図３５および図３６に示すヒートシンクの作用効果を説明するための、図３９に示す工程の後に行われる工程を示す、一部断面を含む側面図である。

【図41】実施の形態２に係るパワー半導体装置を示す、一部断面を含む分解側面図である。

【図42】同実施の形態において、パワーモジュール部とヒートシンクとを一体化した状態の一例を示す、一部断面を含む側面図である。

【図43】同実施の形態において、パワーモジュール部とヒートシンクとを一体化した状態の他の例を示す、一部断面を含む側面図である。

【図44】実施の形態３に係る、パワー半導体装置を適用した電力変換装置のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

各実施の形態に係るパワー半導体装置は、ヒートシンク一体型のパワー半導体モジュールである。ヒートシンク一体型のパワー半導体モジュールでは、パワーモジュール部とヒートシンクとがかしめ加工によって一体化されている。パワー半導体装置の構造の説明のために、必要に応じてＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を使用して説明する。

【0014】

実施の形態１．
実施の形態１に係るパワー半導体装置の一例について説明する。図１に、パワーモジュール部１１とヒートシンク５１とをかしめ加工によって一体化する前の、パワー半導体装置１の一部断面を含む第１分解側面図を示す。図２に、パワーモジュール部１１とヒートシンク５１とをかしめ加工によって一体化する前の、パワー半導体装置１の一部断面を含む第２分解側面図を示す。

【0015】

図３に、パワーモジュール部１１とヒートシンク５１とをかしめ加工によって一体化した後の、パワー半導体装置１の一部断面を含む第１側面図を示す。図４に、パワーモジュール部１１とヒートシンク５１とをかしめ加工によって一体化した後の、パワー半導体装置１の一部断面を含む第２側面図を示す。

【0016】

図１、図２、図３および図４に示すように、パワー半導体装置１は、パワーモジュール部１１およびヒートシンク５１を備えている。パワーモジュール部１１には、第１凹凸部としての凹凸部１５が形成されている。ヒートシンク５１には、第２凹凸部としての凹凸部５５が形成されている。

【0017】

パワーモジュール部１１は、モジュールベース１３を備えている。モジュールベース１３の一方の表面には、絶縁シート２１を介在させてリードフレーム２３が配置されている。リードフレーム２３には、はんだ２５によってチップ２７が接合されている。チップ２７には、電力半導体素子が形成されている。チップ２７等は、封止材としてのモールド樹脂２９によって封止されている。モールド樹脂２９の側面から、リードフレーム２３の一部が外部端子として突出している。

【0018】

モジュールベース１３の他方の表面には、凹凸部１５が形成されている。凹凸部１５は、平坦部１５ｆに凹部１５ａ等が形成された態様の凹凸形状とされる。凹凸部１５は、凹部１５ａとバッファ凹部１５ｃとを含む。このパワー半導体装置１では、モジュールベース１３は、凹凸部１５がバッファ凹部１５ｃを備える態様で形成されている。凹部１５ａは、第１方向としてのＹ軸方向に延在する。バッファ凹部１５ｃは、第２方向としてのＸ軸方向に延在する。なお、バッファ凹部１５ｃは、凹部１５ａが延在する方向と略直交する方向に形成されている他に、バッファ凹部１５ｃが、凹部１５ａが延在する方向と交差する方向に形成されていればよい。

【0019】

ヒートシンク５１は、放熱拡散部５３ａを含むヒートシンクベース部５３と、放熱フィン６３とを備えている。ここでは、ヒートシンクベース部５３として、かしめ加工によって、放熱フィン６３とヒートシンクベース部５３とを一体化したかしめ構造のヒートシンク５１ａが採用されている。ヒートシンクベース部５３（放熱拡散部５３ａ）には、凹凸部５５が形成されている。凹凸部５５は、平坦部５５ｆに凸部５５ａが形成された態様の凹凸形状とされる。

【0020】

放熱フィン６３は、ヒートシンクベース部５３において、凹凸部５５が形成されている側とは反対の側に配置されている。放熱フィン６３は、Ｙ－Ｚ平面に略平行に配置されている。放熱フィン６３は、Ｘ軸方向に互いに間隔を隔てて配置されている。

【0021】

図３および図４に示すように、パワー半導体装置１では、パワーモジュール部１１に形成された凹凸部１５と、ヒートシンク５１に形成された凹凸部５５とを、かしめ加工によって互いに嵌合させることで、パワーモジュール部１１とヒートシンク５１とが接合されて、一体化されている。

【0022】

具体的に、パワーモジュール部１１とヒートシンクベース部５３とは、凹凸部１５と凹凸部５５とが互いに嵌合する部分を含むとともに、凹凸部１５と凹凸部５５とが互いに嵌合しない部分を含む態様で、一体化されている。凹凸部１５と凹凸部５５とが互いに嵌合しない部分として、このパワー半導体装置１では、図４に示すように、パワーモジュール部１１の凹凸部１５は、バッファ凹部１５ｃを含む。バッファ凹部１５ｃには、凸部５５ａは嵌合していない。バッファ凹部１５ｃは、パワーモジュール部１１とヒートシンクベース部５３とが接合された状態で、空間として残されている。

【0023】

モジュールベース１３は、たとえば、切削加工、ダイキャスト加工、鍛造加工または押出加工等によって作製される。モジュールベース１３は、たとえば、アルミニウムまたはアルミニウム合金等によって形成される。ヒートシンクベース部５３は、切削加工、ダイキャスト加工、鍛造加工または押出加工等によって形成される。ヒートシンクベース部５３は、たとえば、アルミニウムまたはアルミニウム合金等によって形成される。実施の形態１に係るパワー半導体装置１は、上記のように構成される。

【0024】

次に、上述したパワー半導体装置１の製造方法の一例について説明する。まず、凹部１５ａおよびバッファ凹部１５ｃを含む凹凸部１５が形成されたモジュールベース１３を用意する（図５参照）。電力半導体素子が形成されたチップ２７をモジュールベース１３に搭載し、モールド樹脂２９により封止することによって、パワーモジュール部１１を形成する（図５参照）。また、凹凸部５５およびかしめ部６１が形成されたヒートシンク５１ａ（５１）を用意する（図５参照）。さらに、板状の複数の放熱フィン６３を用意する（図５参照）。

【0025】

次に、図５に示すように、パワーモジュール部１１のモジュールベース１３に形成された凹凸部１５と、ヒートシンクベース部５３に形成された凹凸部５５とが対向するように、パワーモジュール部１１とヒートシンクベース部５３とを配置する。また、複数の放熱フィン６３を、ヒートシンクベース部５３に形成されたかしめ部６１と対向する位置に配置する。

【0026】

次に、図６に示すように、複数の放熱フィン６３のそれぞれを、対応する、隣り合うかしめ部６１とかしめ部６１との間に位置する溝（フィン挿入溝）に挿入し、かしめ部６１に向けて、かしめ治具（加工ツール）としてのプレス刃７１を挿入する。

【0027】

次に、図７に示すように、プレス刃７１をかしめ部６１に接触させる。その状態で、パワーモジュール部１１を上方から押圧することで、モジュールベース１３（パワーモジュール部１１）の凹凸部１５とヒートシンクベース部５３の凹凸部５５とが互いに嵌合し、パワーモジュール部１１がヒートシンクベース部５３に接合される。

【0028】

また、プレス刃７１によってかしめ部６１がかしめられることによって、複数の放熱フィン６３がヒートシンクベース部５３に接合される。その後、プレス刃７１を取り外すことによって、図３および図４に示す、パワーモジュール部１１とヒートシンク５１とを一体させたパワー半導体装置１が完成する。

【0029】

上述したパワー半導体装置１では、モジュールベース１３には、ヒートシンクベース部５３に形成された凹凸部５５における凸部５５ａが嵌合しないバッファ凹部１５ｃが形成されている。バッファ凹部１５ｃは、パワーモジュール部１１とヒートシンクベース部５３とが接合された状態で、空間として残されている。これにより、モジュールベース１３をヒートシンクベース部５３に接合する際の荷重を低減することができる。このことについて、模式的な図を用いて説明する。

【0030】

まず、図８および図９に、比較の対象として、バッファ凹部が形成されていないモジュールベース１３の場合における、モジュールベース１３とヒートシンクベース部５３とを嵌合させる前（ヒートシンクかしめ前）の状態と、嵌合させた後（ヒートシンクかしめ後）の状態とを模式的に示す。

【0031】

一方、図１０および図１１に、実施の形態１に係る、バッファ凹部１５ｃが形成されたモジュールベース１３の場合における、モジュールベース１３とヒートシンクベース部５３とを嵌合させる前（ヒートシンクかしめ前）の状態と、嵌合させた後（ヒートシンクかしめ後）の状態とを模式的に示す。なお、いずれの場合も、モジュールベース１３とヒートシンクベース部５３とを嵌合させる際には、プレス荷重として、基準となる荷重を付与した。この基準となる荷重を、「１ＡｋＮ」と記す。

【0032】

図８および図９に示すように、バッファ凹部が形成されていないモジュールベース１３の場合には、基準の１ＡｋＮの荷重を加えても、モジュールベース１３における平坦部１５ｆとヒートシンクベース部５３における平坦部５５ｆとの間には距離があり、ヒートシンクかしめは完了していない。ここで、ヒートシンクかしめが完了したとは、プレス荷重を増加させても、モジュールベース１３とヒートシンクベース部５３との間の隙間が変化しない状態をいう。

【0033】

一方、図１０および図１１に示すように、バッファ凹部１５ｃが形成されているモジュールベース１３の場合には、基準の１ＡｋＮの荷重を加えた際に、点線丸枠１６内に示すように、バッファ凹部１５ｃの周囲に位置するモジュールベース１３の部分が塑性変形をする。このため、モジュールベース１３における平坦部１５ｆとヒートシンクベース部５３における平坦部５５ｆとが接触し、プレス荷重を増加させても、モジュールベース１３とヒートシンクベース部５３との間の隙間は変化せず、ヒートシンクかしめが完了する。

【0034】

なお、バッファ凹部が形成されていないモジュールベース１３の場合と、バッファ凹部が形成されているモジュールベース１３の場合との双方において、モジュールベース１３の外周部では、凸部５５ａが凹部１５ａに嵌合することによって、凹部１５ａの周囲に位置するモジュールベース１３の部分が塑性変形をする（点線丸枠１６参照）。

【0035】

このように、実施の形態１に係るパワー半導体装置１では、モジュールベース１３にバッファ凹部１５ｃを設けることで、ヒートシンクかしめを完了させるために加えるプレス荷重を低減することができる。

【0036】

また、バッファ凹部１５ｃの周囲に位置するモジュールベース１３の部分が塑性変形をすることで、バッファ凹部１５ｃが設けられていない場合と比べて、モジュールベース１３とヒートシンクベース部５３（ヒートシンク５１）との相対的な位置ずれに対する許容範囲が広がることになる。

【0037】

このため、ヒートシンクかしめの際の、モジュールベース１３とヒートシンクベース部５３（ヒートシンク５１）との位置決め精度を緩くすることができ、位置決め治具として、より簡便な位置決め治具を用いることができる。これにより、特許文献９、１０のそれぞれに開示された、モジュールベースに形成された凹凸部とヒートシンクに形成された凹凸部とを嵌合することによって一体化させたパワー半導体装置と比較すると、生産性の良好なヒートシンクかしめを実現することができる。

【0038】

また、バッファ凹部１５ｃは、凸部５５ａが延在する方向と交差する方向に延在することで、Ｘ軸方向とＹ軸方向との双方にアンカー効果を発現することができる。これにより、各方向からパワーモジュール部１１等に作用する外力（せん断応力）に対して、保持強度を高めることができる。

【0039】

さらに、位置決め精度の観点（緩和）から、図１２および図１３に示すように、凹凸部１５として、凹部１５ａの深さよりも深い凹部１５ｂを設け、凹凸部５５として、凸部５５ａの高さよりも高い凸部５５ｂを設けてもよい。なお、この場合には、モジュールベース１３には、より高い凸部５５ｂに対応したより深いバッファ凹部１５ｄが形成される。

【0040】

このような、より深い凹部１５ｂとより高い凸部５５ｂとを設けることで、モジュールベース１３とヒートシンクベース部５３（ヒートシンク５１）に対するモジュールベース１３のおおよその位置合わせを行うことができる。特に、より高い凸部５５ｂをＸ軸方向における端（正側と負側）に配置することで、位置合わせをより容易に行うことができ、生産性の向上に寄与することができる。

【0041】

その状態で荷重を加えることで、より高い凸部５５ｂが、より深い凹部１５ｂの傾斜部分をスライドし、ヒートシンクかしめが開始される。この場合には、Ｘ軸方向の位置決め精度をさらに緩やかにすることができ、位置決め治具としてさらに簡便な位置決め治具を用いることができる。これにより、生産性のさらに良好なヒートシンクかしめを実現することができる。

【0042】

発明者らは、バッファ凹部１５ｃの効果について、塑性加工解析（シミュレーション）によって、凸部５５ａが凹部１５ａにどの程度侵入するかを評価した。次に、この評価について説明する。

【0043】

まず、解析に用いたモジュールベース１３およびヒートシンクベース部５３のそれぞれのモデルについて説明する。図１４に、Ｘ－Ｚ平面に平行な、モジュールベース１３およびヒートシンクベース部５３のモデルを示す。このモデルは、モジュールベース１３にバッファ凹部が形成されていない比較例に係るモデルと、モジュールベース１３にバッファ凹部が形成された実施の形態に係るモデルとに共通である。

【0044】

図１５に、Ｙ－Ｚ平面に平行な、モジュールベース１３およびヒートシンクベース部５３のモデルを示す。このモデルは、モジュールベース１３にバッファ凹部が形成されていない比較例に係るモデルである。図１６に、Ｙ－Ｚ平面に平行な、モジュールベース１３およびヒートシンクベース部５３のモデルを示す。このモデルは、モジュールベース１３にバッファ凹部が形成された実施の形態に係るモデルである。

【0045】

モジュールベース１３における凹部１５ａ、１５ｂの深さおよび幅等の寸法（寸法線参照）を、数ｍｍ程度に設定した。モジュールベース１３の厚さ（寸法線参照）を、十数ｍｍ程度に設定した。また、バッファ凹部１５ｃ、１５ｄの深さおよび幅等の寸法（寸法線参照）を、数ｍｍ程度に設定した。

【0046】

ヒートシンクベース部５３における凸部５５ａの高さおよび幅等（寸法線参照）を数ｍｍ程度に設定した。ヒートシンクベース部５３の厚さ（寸法線参照）を、十ｍｍ程度に設定した。凹凸部５５（凸部５５ａ、凸部５５ｂ）のＸ軸方向の中心線の位置（点線参照）と、凹凸部１５（凹部１５ａ、１５ｂ）のＸ軸方向中心線の位置（点線参照）とを一致させた。

【0047】

また、モジュールベース１３の材質として、純アルミニウムのＡ１０５０系を設定した。ヒートシンクベース部５３の材質として、アルミニウム－マグネシウム－シリコン系のＡ６０６３系を設定した。このモデルを用いて、バッファ凹部の有無によって、ヒートシンクベース部５３の凸部５５ａが、モジュールベース１３の凹部１５ａにどの程度侵入するかを評価した。

【0048】

その結果を、図１７に示す。図１７では、プレス荷重と、モジュールベース１３とヒートシンクベース部５３との隙間ＲＤとの関係を示す。隙間ＲＤは、ヒートシンクかしめ侵入深さの残り長さに相当する。図１７では、基準の荷重（１ＡｋＮ）を加えた場合と、基準の荷重の２．０倍の荷重（２ＡｋＮ）を加えた場合と、基準の荷重の３．０倍の荷重（３ＡｋＮ）を加えた場合と、基準の荷重の４．０倍の荷重（４ＡｋＮ）を加えた場合とをそれぞれ示す。

【0049】

ここで、隙間ＲＤが０．０５ｍｍ以下になった場合に、ヒートシンクかしめが完了したとする。そうすると、ヒートシンクかしめを完了させるには、比較例では、４ＡｋＮの荷重を加える必要があるのに対して、実施の形態１では、２ＡｋＮの荷重を加えることでヒートシンクかしめを完了できることが判明した。

【0050】

したがって、実施の形態１に係るパワー半導体装置１では、モジュールベース１３にバッファ凹部１５ｃを形成することで、ヒートシンクかしめを完了させるために必要なプレス荷重を約５０％低減できることがわかった。

【0051】

なお、上述した評価結果は一例であり、モジュールベース１３およびヒートシンクベース部５３において、バッファ凹部１５ｃを含む構造を工夫することによって、プレス荷重をさらに低減することが可能である。また、モジュールベース１３の材料と、ヒートシンクベース部５３の材料とが異なる材料である場合について評価したが、モジュールベース１３の材料と、ヒートシンクベース部５３の材料とが同じ材料である場合についても、材料が異なる場合と同様の効果が得られると考えられる。

【0052】

なお、パワーモジュール部１１とヒートシンクベース部５３とが接合された状態で、空間として残されるバッファ凹部１５ｃを設ける領域（面積）を増減することによって、ヒートシンクかしめ後のモジュールベース１３とヒートシンクベース部５３との保持強度を調整することができる。保持強度とは、この場合、垂直引張強度であり、モジュールベース１３とヒートシンクベース部５３との引張強度をした際に、モジュールベース１３とヒートシンクベース部５３とが引き離される直前の最大強度をいう。モジュールベース１３とヒートシンクベース部５３との保持強度が要求される場合には、プレス荷重の低減効果が得られる程度に、バッファ凹部１５ｃの領域（面積）を調整すればよい。

【0053】

また、パワー半導体装置１の平面形状が矩形（長方形）である場合には、バッファ凹部は、その機能を果たすように配置されていればよい。また、凹凸部１５等の寸法を調整することによって、バッファ凹部１５ｃの配置構造としては、バッファ凹部１５ｃが長辺に沿って形成されている配置構造と、バッファ凹部１５ｃが短辺に沿って形成されている配置構造とのいずれの配置構造でもよい。

【0054】

図１８に、バッファ凹部１５ｃが長辺に沿って形成されている配置構造の一例を示す。図１８では、ヒートシンクかしめ前のヒートシンクベース部５３と、モジュールベース１３とが示されている。また、ヒートシンクかしめ後のヒートシンク一体型パワーモジュール（パワー半導体装置１）が示されている。図１８における右上図に示すように、モジュールベース１３には、凹部１５ａがＹ軸方向（短辺）に沿って形成されているとともに、バッファ凹部１５ｃがＸ軸方向（長辺）に沿って形成されている。

【0055】

一方、図１９に、バッファ凹部１５ｃが短辺に沿って形成されている配置構造の一例を示す。図１９では、ヒートシンクかしめ前のヒートシンクベース部５３と、モジュールベース１３とを示す。また、ヒートシンクかしめ後のヒートシンク一体型パワーモジュール（パワー半導体装置１）を示す。図１９における右上図に示すように、モジュールベース１３には、凹部１５ａがＸ軸方向（長辺）に沿って形成されているとともに、バッファ凹部１５ｃがＹ軸方向（短辺）に沿って形成されている。

【0056】

（バッファ凹部のバリエーション）
上述したパワー半導体装置１におけるモジュールベース１３に形成されたバッファ凹部１５ｃとして、Ｘ軸方向にそれぞれ延在する４つのバッファ凹部１５ｃが形成されている場合を例に挙げて説明した（図２参照）。

【0057】

バッファ凹部１５ｃとしては、これに限られるものではなく、図２０および図２１に示すように、モジュールベース１３に、Ｘ軸方向に延在する１つのバッファ凹部１５ｃが形成されたパワー半導体装置１であってもよい。また、図２２および図２３に示すように、モジュールベース１３に、Ｘ軸方向にそれぞれ延在する２つのバッファ凹部１５ｃが形成されたパワー半導体装置１であってもよい。このようなバッファ凹部１５ｃが、少なくとも１つ形成されていれば、上述したパワー半導体装置１と同様に、プレス荷重を低減することができ、生産性の向上に寄与することができる。

【0058】

また、上述したパワー半導体装置１では、モジュールベース１３にバッファ凹部１５ｃを形成した構造を例に挙げて説明したが、バッファ凹部をヒートシンクベース部５３に形成してもよい。図２４および図２５に示すように、パワー半導体装置１では、モジュールベース１３に凹凸部１７が形成されている。凹凸部１７は、平坦部１７ｆに凸部１７ａが形成された態様の凹凸形状とされる。

【0059】

ヒートシンクベース部５３（放熱拡散部５３ａ）に凹凸部５７が形成されている。凹凸部５７は、凹部５７ａとバッファ凹部５７ｃとを含む。凹部５７ａは、Ｙ軸方向に延在するように形成されている。バッファ凹部５７ｃは、Ｘ軸方向に延在するように形成されている。凹凸部５７は、平坦部５７ｆに凹部５７ａとバッファ凹部５７ｃとが形成された態様の凹凸形状とされる。

【0060】

ヒートシンクベース部５３に形成される凹凸部５７が、パワーモジュール部１１とヒートシンクベース部５３とが接合された状態で、空間として残されるバッファ凹部１５ｃを含むことで、上述したパワー半導体装置１と同様に、プレス荷重を低減することができ、生産性の向上に寄与することができる。

【0061】

さらに、図２６および図２７に示すように、凹凸部１７と凹凸部５７とが形成されたパワー半導体装置１の場合、モジュールベース１３に、凸部１７ａが延在する方向と交差する方向にバッファ凹部１７ｃを形成するようにしてもよい。このようなパワー半導体装置１においても、上述したパワー半導体装置１と同様に、プレス荷重を低減することができ、生産性の向上に寄与することができる。

【0062】

また、モジュールベース１３に形成される凹凸部１５、１７およびヒートシンクベース部５３に形成される凹凸部５５、５７では、凹部１５ａ等または凸部５５ａ等は、連続的に形成されていてもよいし、不連続となるように部分的に形成されていてもよい。図２８に、一例として、モジュールベース１３に形成される凹凸部１５の凹部１５ａが不連続に形成された場合を示す。このような態様で、たとえば、バッファ凹部１５ｃが不連続に形成されていてもよい。この場合、モジュールベース１３とヒートシンクベース部５３との保持強度が確保されることを前提（条件）として、プレス荷重の低減効果が得られる程度に、凹部１５ａまたはバッファ凹部１５ｃの領域（面積）を調整すればよい。

【0063】

さらに、上述したパワー半導体装置１では、パワーモジュール部１１に搭載されたチップ２７等を、モールド樹脂２９によって封止する際に、モールド成形金型を用いる場合には、そのモールド成形金型にモジュールベース１３を載置することで、パワーモジュール部１１の反りを低減することができる。

【0064】

たとえば、モジュールベース１３の凹凸部１５のうち、ヒートシンクベース部５３の凹凸部５５、５７と嵌合しないバッファ凹部１５ａ等に対応する支持部をモールド成形金型に設けることで、モジュールベース１３がモールド成形金型によって下方から確実に支持されることになる。これにより、モールド樹脂２９によって封止した後のパワーモジュール部１１の反り量を低減することができる。その結果、チップ２７またはモール樹脂２９等に割れが生じるのを抑制することができ、生産性を向上させることができる。

【0065】

（放熱フィン）
ヒートシンク５１の放熱フィン６３は、たとえば、アルミニウムまたはアルミニウム合金等から形成された板材（圧延材）とされる。このような板材とすることで、加工性と放熱性との双方を両立させることができる。

【0066】

さらに、放熱フィン６３にエンボス加工を施すことによって、放熱フィン６３の表面に微小な凹みを形成してもよい。放熱フィン６３の表面に凹みを形成することで、放熱フィン６３の放熱表面積が増加し、放熱性能を向上させることができる。また、エンボス加工は、放熱フィン６３をプレス加工によって製造する際に使用する金型によって施すことができる。これにより、生産コストを増やすことなく、放熱フィン６３の表面にエンボス加工を施すことができる。

【0067】

さらに、エンボス加工が施された放熱フィン６３を積層させた場合には、隣り合う放熱フィン６３と放熱フィン６３との間で接触する接触面積が減少し、放熱フィン６３間同士の表面摩擦を低減することができる。これにより、ヒートシンクベース部５３と放熱フィン６３とを一体化するかしめ加工に使用する生産設備の簡略化を図ることができる。また、生産タクトの短縮が図られて、生産性を向上させることができる。

【0068】

また、エンボス加工を施した放熱フィン６３では、放熱フィン６３をヒートシンクベース部５３にかしめ加工する際に、エンボス加工が施された凹みに、かしめ部６１が食い込むことで、アンカー効果を発揮させることができる。これにより、放熱フィン６３がかしめ部から引き抜く方向の摩擦力が大きくなり、放熱フィン６３のヒートシンクベース部５３に対する垂直引張強度を向上させることができる。

【0069】

ここで、放熱フィン６３の硬度がヒートシンクベース部５３の硬度よりも高い（硬い）場合には、ヒートシンクベース部５３のかしめ部６１は、放熱フィン６３に食い込むというよりは、エンボス加工が施された放熱フィン６３の表面に倣うように塑性変形をすることになる。これにより、エンボス加工が施された放熱フィンのヒートシンクベース部５３に対する垂直引張強度を向上させることができる。

【0070】

一方、ヒートシンクベース部５３（かしめ部６１）の硬度が放熱フィン６３の硬度よりも高い（硬い）場合には、かしめ部６１が、放熱フィン６３の表面に喰い込むことで、放熱フィン６３が塑性変形することになる。この場合には、エンボス加工による効果というよりは、放熱フィンが６３が塑性変形することによって、ヒートシンクベース部５３に対する垂直引張強度を向上させることができる。

【0071】

これらの知見から、放熱フィン６３のヒートシンクベース部５３に対する垂直引張強度を向上させるには、放熱フィン６３の表面にエンボス加工を施す手法、および、ヒートシンクベース部５３（かしめ部６１）の硬度を放熱フィン６３の硬度よりも高い（硬い）する手法のうち、少なくともいずれかの手法を採ることが望ましい。

【0072】

発明者らは、ヒートシンクベース部５３をアルミニウム－マグネシウム－シリコン合金のアルミニウム６０００系の材料から形成し、放熱フィン６３を純アルミニウムのアルミニウム１０００系の材料から形成した試料（試料Ａ）を作製し、垂直引張強度を評価した。また、比較例として、ヒートシンクベース部５３と放熱フィン６３との双方を、純アルミニウムのアルミニウム１０００系の材料から形成した試料（試料Ｂ）を作製し、垂直引張強度を評価した。その結果、試料Ａの垂直引張強度は、試料Ｂの垂直引張強度よりも約２．５～３．６倍強いことがわかった。

【0073】

なお、パワー半導体装置１では、モジュールベース１３、ヒートシンクベース部５３および放熱フィン６３の材料としては、アルミニウム系の材料に限られるものではなく、パワー半導体装置１の仕様に応じて、適宜、最適な材料が使用される。たとえば、放熱能力の観点からでは、放熱フィン３６としては、アルミニウム系の材料よりも熱伝導率が大きい銅系の板材を適用することで、放熱性能をさらに向上させることができる。

【0074】

また、上述したパワー半導体装置１では、放熱フィン６３の配置構造としては、第１配置構造と第２配置構造とが想定される。図２９に示すように、第１配置構造は、放熱フィン６３がヒートシンクベース部５３の長辺と略直交する方向に沿って配置される場合、すなわち、放熱フィン６３がヒートシンクベース部５３の短辺に沿って配置される構造である。一方、図３０に示すように、第２配置構造は、放熱フィン６３がヒートシンクベース部５３の短辺と略直交する方向に沿って配置される場合、すなわち、放熱フィン６３がヒートシンクベース部５３の長辺に沿って配置される構造である。

【0075】

第１配置構造は、放熱フィン６３を短辺に沿って配置することで、より高い冷却性能が得られる場合に採用される。また、第１配置構造は、放熱フィン６３を短辺に沿って配置させないと、パワー半導体素子が動作する最大温度（ジャンクション温度）が、要求される仕様温度以下まで下がらないような場合に採用される。

【0076】

一方、第２配置構造は、放熱フィン６３を長辺に沿って配置することで、より高い冷却性能が得られる場合に採用される。また、第２配置構造は、放熱フィン６３を長辺に沿って配置させないと、パワー半導体素子が動作する最大温度（ジャンクション温度）が、要求される仕様温度以下まで下がらないような場合に採用される。

【0077】

また、パワー半導体装置１においては、パワーモジュール部１１と、たとえば、制御基板、または、主回路端子に接続されるバスバー等の他の組付け部品と電気的な接続を行う際に、主端子または制御端子等が、ヒートシンクベース部５３の長辺側に配置されている場合の方が組付けやすい場合がある。

【0078】

一方、パワーモジュール部１１と他の組付け部品と電気的な接続を行う際に、主端子等が、ヒートシンクベース部５３の短辺側に配置されている場合の方が組付けやすい場合がある。上述したパワー半導体装置１では、このような周囲の構造に応じて、第１配置構造または第２配置構造を採用すればよい。

【0079】

このように、パワー半導体装置１では、パワーモジュール部１１とヒートシンク５１とをかしめることによって一体化する構造が採用されている。このため、一つのパワーモジュール部１１に対して、たとえば、発熱量等に応じた放熱フィン６３が配置されたヒートシンク５１を一体化させることができる。これにより、パワーモジュール部１１の共通化を図り、生産性の向上に寄与することができる。

【0080】

また、パワーモジュール部１１に対して、パワー半導体装置１の周囲の組付け部品の配置関係に対応した構造を有するヒートシンク５１を一体化させることができる。このため、たとえば、組付け部品の変更が生じた場合等においては、変更が生じた組付け部品に対応したヒートシンク５１を、パワーモジュール部１１に一体化させればよい。これにより、パワー半導体装置１とその周辺の設計の自由度を高めることができる。

【0081】

さらに、放熱フィン６３の第１配置態様では、ヒートシンクベース部５３の外周に沿って位置する外周領域以外の領域に、放熱フィン６３を配置させることで、図３１に示すように、ヒートシンクベース部５３における外周領域を、かしめ加工を行う際の荷重受け部６５として機能させることができる。

【0082】

この場合には、放熱フィン６３をヒートシンクベース部５３にかしめ加工によりかしめた後、図３２に示すように、ヒートシンクセット治具７３に、ヒートシンクベース部５３を載置する。次に、パワーモジュール部１１を上方から、ヒートシンクベース部５３に向けて押圧することにより、モジュールベース１３に形成された凹凸部１５と、ヒートシンクベース部５３に形成された凹凸部５５とが互いに嵌合し、パワーモジュール部１１がヒートシンクベース部５３に接合される。

【0083】

その後、ヒートシンクセット治具７３を取り外すことで、図３３に示すように、パワーモジュール部１１とヒートシンク５１（ヒートシンクベース部５３）とが一体化されたパワー半導体装置１が製造される。

【0084】

このように、ヒートシンクセット治具７３を用いてパワーモジュール部１１とヒートシンク５１とを一体化することで、ヒートシンクセット治具７３を用いない場合と比較して、一体化をより簡易的にかつ効率よく行うことができる。

【0085】

放熱フィン６３の第２配置態様についても、ヒートシンクベース部５３の外周に沿って位置する外周領域以外の領域に、放熱フィン６３を配置させることで、図３４に示すように、ヒートシンクベース部５３における外周領域を、かしめ加工を行う際の荷重受け部６５として機能させることができる。その結果、第１配置態様と同様に、パワーモジュール部１１とヒートシンク５１との一体化を、より簡易的にかつ効率よく行うことができる。

【0086】

また、パワー半導体装置１のヒートシンク５１として、放熱フィン６３をヒートシンクベース部５３にかしめたかしめ構造のヒートシンク５１ａの他に、放熱フィン６３とヒートシンクベース部５３とが一体的に形成されたヒートシンク５１を適用してもよい。

【0087】

図３５および図３６に示すように、ヒートシンク５１として、押出加工、切削加工または鍛造加工によって、ヒートシンクベース部５３と放熱フィン６３とを一体的に形成したヒートシンク５１ｂでもよい。また、図３７および図３８に示すように、ダイキャスト加工によって、ヒートシンクベース部５３と放熱フィン６３とを一体的に形成したヒートシンク５１ｃでもよい。

【0088】

パワー半導体装置１において、パワーモジュール部１１のモジュールベース１３のサイズは、１つのパワー半導体装置１の製造に使用される金型によって決まっている。このため、チップ２７からの発熱量が増大し発熱密度が高くなるような場合には、その発熱密度に応じて、ヒートシンクベース部５３の厚み以外のサイズ（幅、奥行き）、放熱フィンの枚数、放熱フィンのサイズを変更することで、発熱密度に応じた放熱能力を確保することができる。

【0089】

すなわち、１つのパワーモジュール部１１に対して、仕様に応じて発生する様々な発熱量に対応しうるヒートシンク５１をパワーモジュール部１１に接合させることができる。これにより、特許文献１～８のそれぞれに開示された、モールド樹脂から構成されるモールド部とモジュールベース部とにサイズに制約があるパワー半導体装置と比べると、パワーモジュール部１１の共通化を図ることができる。その結果、パワー半導体装置１（パワーモジュール部１１）の生産性向上に寄与することができる。

【0090】

また、このような、放熱フィン６３とヒートシンクベース部５３とが一体的に形成されたヒートシンク５１の場合（図３５および図３６と図３７および図３８とを参照）においても、ヒートシンクセット治具７３（図３２参照）を用いて、パワーモジュール部１１とヒートシンク５１とを一体化することができる。

【0091】

図３９に示すように、放熱フィン６３とヒートシンクベース部５３とが一体的に形成されたヒートシンク５１ｂ（図３５および図３６）を、ヒートシンクセット治具７３に載置する。次に、パワーモジュール部１１を上方から、ヒートシンクベース部５３に向けて押圧することにより、モジュールベース１３に形成された凹凸部１５と、ヒートシンクベース部５３に形成された凹凸部５５とが互いに嵌合し、パワーモジュール部１１とヒートシンクベース部５３とが一体化される。

【0092】

その後、ヒートシンクセット治具７３を取り外すことで、図４０に示すように、パワーモジュール部１１とヒートシンク５１とが一体化されたパワー半導体装置１が製造される。放熱フィン６３とヒートシンクベース部５３とが一体化されたヒートシンク５１の場合には、ヒートシンクセット治具７３を用いることで、パワーモジュール部１１とヒートシンク５１とを容易に一体化することができる。なお、図３７および図３８に示すヒートシンク５１ｃについても、同様に、ヒートシンクセット治具７３を用いて、パワーモジュール部１１とヒートシンクベース部５３とを一体化することができる。

【0093】

実施の形態２．
実施の形態２に係るパワー半導体装置の一例について説明する。図４１に、パワーモジュール部１１とヒートシンク５１とをかしめ加工によって一体化する前の、パワー半導体装置１の一部断面を含む分解側面図を示す。図４２に、パワーモジュール部１１とヒートシンク５１とをかしめ加工によって一体化した後の、パワー半導体装置１の一部断面を含む側面図を示す。

【0094】

図４１および図４２に示すように、パワー半導体装置１におけるヒートシンクベース部５３は、放熱拡散部５３ａと嵩上げ部５３ｂとから構成される。嵩上げ部５３ｂは、放熱拡散部５３ａからパワーモジュール部１１側に向かって突出するように形成されている。なお、これ以外の構成については、図１等に示すパワー半導体装置１の構成と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。

【0095】

上述したパワー半導体装置１では、前述したバッファ凹部１５ｃが形成されていることによる生産性向上の効果に加えて、次のような効果が得られる。パワー半導体装置１では、放熱拡散部５３ａからパワーモジュール部１１側に向かって突出するように嵩上げ部５３ｂが形成されている。これにより、図４２に示すように、パワーモジュール部１１におけるモールド樹脂２９から突出するリードフレーム２３と、ヒートシンクベース部５３の放熱拡散部５３ａとの絶縁距離Ｌを確保することができる。

【0096】

ヒートシンクベース部５３は、切削加工、鍛造加工、押出加工またはダイキャスト加工によって製造されており、嵩上げ部５３ｂは、そのヒートシンクベース部５３を製造する際に同時に形成される。このため、嵩上げ部５３ｂの厚み（高さ）を自由に設定することができ、生産性を阻害することなく、仕様に応じた必要な絶縁距離Ｌを容易に確保することができる。

【0097】

なお、図４３に示すように、リードフレーム２３と放熱拡散部５３ａとの絶縁距離Ｌを確保する手法としては、モジュールベース１３の厚さを厚くする構造も考えられる。この場合には、モジュールベース１３が厚くなることに伴ってモジュールベース１３の熱容量が増加することになるため、モールド樹脂２９を成型する際の生産性を考慮すると、放熱拡散部５３ａに嵩上げ部５３ｂを形成することによって、絶縁距離Ｌを確保することが望ましい。

【0098】

実施の形態３．
ここでは、上述した実施の形態１または実施の形態２において説明したパワー半導体装置１を適用した電力変換装置について説明する。本開示は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態３として、三相のインバータに本開示を適用した場合について説明する。

【0099】

図４４は、本実施の形態に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。図４４に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のものにより構成することが可能であり、たとえば、直流系統、太陽電池、蓄電池により構成することができる。また、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ／ＤＣコンバータにより構成してもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成してもよい。

【0100】

電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図４４に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。

【0101】

負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動する三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、たとえば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、または、空調機器向けの電動機として用いられる。

【0102】

以下、電力変換装置２００の詳細について説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えている（いずれも図示せず）。スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力が交流電力に変換されて、負荷３００に供給される。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。

【0103】

主変換回路２０１の各スイッチング素子および各還流ダイオードの少なくともいずれかに、上述した実施の形態１または実施の形態２に係るパワー半導体装置１を、半導体モジュール２０２として構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。

【0104】

また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示せず）を備えているが、駆動回路は半導体モジュール２０２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。

【0105】

制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるように、主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。たとえば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるように、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号
またはオフ信号を駆動信号として出力する。

【0106】

本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１の各スイッチング素子および各還流ダイオードの少なくともいずれかに、実施の形態１または実施の形態２において説明したパワー半導体装置１を、半導体モジュール２０２として適用する。これにより、電力変換装置の生産性の向上に寄与することができる。

【0107】

本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本開示を適用する例について説明したが、本開示は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが、３レベルまたはマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には、単相のインバータに本開示を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータに本開示を適用することも可能である。

【0108】

また、本開示を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、たとえば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器または非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには、太陽光発電システムまたは蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。

【0109】

なお、各実施の形態において説明したパワー半導体装置については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。

【0110】

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本開示は上記で説明した範囲ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲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】

【0111】

本開示は、パワーモジュールとヒートシンクとを一体化したヒートシンク一体型のパワー半導体装置に有効に利用される。

【符号の説明】

【0112】

１ パワー半導体装置、１１ パワーモジュール部、１３ モジュールベース、１５ 凹凸部、１５ａ、１５ｂ 凹部、１５ｃ、１５ｄ バッファ凹部、１５ｆ 平坦部分、１６ 点線丸枠、１７ 凹凸部、１７ａ、１７ｂ 凸部、１７ｃ バッファ凹部、１７ｆ 平坦部分、２１ 絶縁シート、２３ リードフレーム、２５ はんだ、２７ チップ、２９ モールド樹脂、５１、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ ヒートシンク、５３ ヒートシンクベース部、５３ａ 放熱拡散部、５３ｂ 嵩上げ部、５５ 凹凸部、５５ａ、５５ｂ 凸部、５５ｆ 平坦部、５７ 凹凸部、５７ａ、５７ｂ 凹部、５７ｃ バッファ凹部、５７ｆ 平坦部、６１ フィンかしめ部、６３ 放熱フィン、６５ 荷重受け部、７１ プレス刃、７３ ヒートシンクセット治具。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】

【図40】

【図41】

【図42】

【図43】

【図44】