半導體裝置以及半導體裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種半導體裝置以及半導體裝置的制造方法，所述半導體裝置的散熱性良好，可靠性高，且抑制了加工成本的負擔增大。半導體裝置(1)包括絕緣基板(12)、半導體元件(13、14)以及冷卻器(20)。冷卻器(20)具有：散熱基板(21)，與絕緣基板(12)接合；多個散熱片(22)，設(shè)置在所述散熱基板(21)的與絕緣基板(12)接合的面的相反側(cè)的面；以及殼體(23)，收納散熱片(22)并且設(shè)置有冷卻液的導入口及排出口。在設(shè)置在所述殼體(23)的側(cè)壁(23b)的上端部的缺口(23k)設(shè)置有散熱基板(21)的端部并且散熱基板(21)與殼體(23)液密地接合。
【專利說明】半導體裝置以及半導體裝置的制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導體裝置以及半導體裝置的制造方法，所述半導體裝置包括用來將半導體元件冷卻的冷卻器。

【背景技術(shù)】
[0002]在以混合動力汽車或電動汽車等為代表的使用電動機的機器中，為了節(jié)能而利用功率轉(zhuǎn)換裝置。在該功率轉(zhuǎn)換裝置中，廣泛地使用半導體模塊。這種構(gòu)成用于節(jié)能的控制裝置的半導體模塊包括控制大電流的功率半導體元件。通常的功率半導體元件在控制大電流時會發(fā)熱，且發(fā)熱量隨著功率轉(zhuǎn)換裝置不斷小型化或高輸出化而增大。因此，包括多個功率半導體元件的半導體模塊的冷卻方法成為大問題。
[0003]以往，為了將半導體模塊冷卻而安裝于半導體模塊的冷卻器是使用液冷式的冷卻器。為了提高冷卻效率，對液冷式的冷卻器采取了各種方法，例如使冷卻液的流量增加，或使冷卻器所包括的散熱用散熱片(冷卻體)為熱導率良好的形狀，或構(gòu)成散熱片的材料使用高熱導率的材料等。
[0004]另外，關(guān)于包括散熱用散熱片的半導體裝置，例如有功率半導體元件與散熱用散熱基板隔著絕緣基板而接合的構(gòu)造。在這種構(gòu)造的半導體裝置中，可以通過減小散熱基板的整體厚度而提高散熱性，從而提高冷卻效率。由此，可以有效地減少功率半導體的溫度上升。然而，因為絕緣基板的陶瓷材料與散熱基板的基底材料的線膨脹系數(shù)差較大，所以在功率半導體元件中產(chǎn)生的熱會使散熱基板發(fā)生變形。因此，在上述構(gòu)造的半導體裝置中，如果減小散熱基板的整體厚度，會有如下等問題:因線膨脹系數(shù)差的影響而導致散熱基板發(fā)生變形，由此導致絕緣基板與散熱基板的接合部的可靠性降低。
[0005]已提出如下構(gòu)造:在陶瓷制的絕緣基板的一面形成導體層，在另一面形成厚度與該導體層為相同程度的兼作散熱片基座的散熱層，且使該散熱層的外周側(cè)的厚度比散熱片基座部更厚而予以加強，從而抑制變形(專利文獻I)。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0007]專利文獻
[0008]專利文獻1:日本專利特開2009-26957號公報(參照段落編號
[0015]及圖2)


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009][發(fā)明所要解決的技術(shù)問題]
[0010]然而，專利文獻I所記載的構(gòu)造中，兼作散熱片基座的散熱層的厚度與導體層為相同程度，而有因外力引起變形的擔憂。
[0011]另外，功率半導體元件與散熱用散熱基板隔著絕緣基板而接合，且維持該散熱基板的外周部的厚度，僅使與絕緣基板的接合部的厚度變薄這種構(gòu)造會因使構(gòu)造變得復雜等問題而導致加工成本的負擔變大。
[0012]進而，也考慮改善要進行接合的散熱基板或絕緣基板的材料、或者進行在它們的接合部設(shè)置應力緩和材料等改善，但均因步驟數(shù)增加等而對成本的影響較大，難以在使對成本的影響為最低限度的狀態(tài)下同時實現(xiàn)散熱性改善與可靠性提高。
[0013]本發(fā)明有利地解決所述問題，目的在于提供一種半導體裝置以及半導體裝置的制造方法，所述半導體裝置的散熱性良好，可靠性高，且抑制了加工成本的負擔增大。
[0014][解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案]
[0015]為了達成所述目的，提供如下的半導體裝置以及半導體裝置的制造方法。
[0016]所述半導體裝置包括:絕緣基板；半導體元件，搭載在絕緣基板上；以及冷卻器，將半導體元件冷卻。冷卻器具有:散熱基板，與絕緣基板接合；多個散熱片，設(shè)置在散熱基板的與絕緣基板接合的面的相反側(cè)的面；以及殼體，收納這些散熱片并且設(shè)置有冷卻液的導入口及排出口。在設(shè)置在殼體側(cè)壁的上端部的缺口設(shè)置有散熱基板的端部并且散熱基板與殼體液密地接合。
[0017]所述半導體裝置的制造方法是制造如下半導體裝置的方法，所述半導體裝置包括:絕緣基板；半導體元件，搭載在絕緣基板上；以及冷卻器，將半導體元件冷卻。所述制造方法包括如下步驟:將具有散熱基板、多個散熱片以及殼體的冷卻器中的散熱基板與所述殼體進行接合。準備在殼體側(cè)壁的上端形成有缺口的所述殼體，在殼體的缺口設(shè)置散熱基板的端部并且將散熱基板與殼體液密地接合。
[0018][發(fā)明效果]
[0019]根據(jù)本發(fā)明，在冷卻器的殼體的上端部設(shè)置著缺口，且適配該缺口的散熱基板以堵住殼體的上部開口的方式設(shè)置，因此能夠維持具有規(guī)定厚度的散熱基板的良好的散熱性，并且使加工容易，從而抑制制造成本增大。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是表示本發(fā)明的半導體裝置的一個示例的外觀立體圖。
[0021]圖2是圖1的半導體裝置的沿著I1-1I線表示的箭視剖視圖。
[0022]圖3是表示構(gòu)成為半導體模塊的功率轉(zhuǎn)換電路的一個示例的圖。
[0023]圖4是說明三種散熱片的形狀的圖，(a)是表示葉片狀散熱片的立體圖，(b)是表示具有圓柱形狀的針的針狀散熱片的立體圖，(C)是表示具有棱柱形狀的針的針狀散熱片的立體圖。
[0024]圖5是表示冷卻器的殼體的主要部分構(gòu)成的立體圖。
[0025]圖6是表示本發(fā)明的半導體裝置的另一個示例的剖視圖。
[0026]圖7是將以往的半導體模塊作為第一比較例進行說明的圖，且是以往的半導體模塊構(gòu)造的剖視圖。
[0027]圖8是表示比較例的半導體裝置按構(gòu)成而不同的熱阻值的比較結(jié)果的圖。
[0028]圖9是表示實施例的半導體裝置按構(gòu)成而不同的熱阻值的比較結(jié)果的圖。

【具體實施方式】
[0029]使用附圖具體地說明本發(fā)明的半導體裝置以及半導體裝置的制造方法的實施方式。
[0030]圖1的立體圖且圖2的剖視圖所示的本發(fā)明的一實施方式的半導體裝置I包括半導體模塊10、以及將該半導體模塊冷卻的冷卻器20。在圖示的本實施方式中，半導體模塊10具有配置在冷卻器20上的多個電路元件部11A、11B、11C。半導體模塊10由這些電路元件部11A、I IB、IIC構(gòu)成例如三相反相器電路。
[0031]如圖2所示，電路元件部11A、11B、11C分別具有絕緣基板12。該絕緣基板12包含:絕緣層12a，由電絕緣性的板構(gòu)成；以及導體層12b、12c，分別形成在該絕緣層12a的兩面。絕緣基板12的絕緣層12a可以使用例如氮化鋁、氧化鋁等陶瓷基板。絕緣基板12的導體層12b、12c可以使用銅或鋁等導電性的金屬箔(例如銅箔、鋁箔)而形成。
[0032]絕緣基板12的導體層12b是形成著電路圖案的導體層，在該導體層12b上經(jīng)由焊料等接合層15而接合著半導體元件13、14。半導體元件13、14通過導體層12b的電路圖案而直接地電連接、或者經(jīng)由導線(未圖示)而電連接。此外，也可以在絕緣基板12的導體層12b、12c的露出表面、或?qū)雽w元件13、14與導體層12b電連接的導線表面，通過鍍鎳等而形成用來保護它們的表面免受污染、腐蝕、外力等的保護層。
[0033]作為這種搭載在絕緣基板12上的半導體元件13、14，在圖示的本實施方式中使用功率半導體元件。如圖3的電路圖所示，舉一個例子來說，半導體模塊10構(gòu)成作為功率轉(zhuǎn)換電路的三相反相器電路40。圖3所示的反相器電路40中，將其中一個半導體元件13設(shè)為續(xù)流二極管(Free Wheeling D1de:FWD)，將另一半導體元件14設(shè)為絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor:1GBT),并且連接著三相交流電動機 41。
[0034]在以上的說明中，關(guān)于半導體模塊10，已示出將電路元件部IIA?IIC設(shè)為三個的示例。但是，電路元件部的個數(shù)可以根據(jù)使用半導體模塊10的電路、用途或功能而適當進行變更，未必限定于三個。半導體模塊10中，以包圍電路元件部IlA?IlC的方式設(shè)置有樹脂殼體17。在圖1中為了易于理解而省略了該樹脂殼體17的圖示。
[0035]搭載著半導體元件13、14的絕緣基板12在另一導體層12c側(cè)，經(jīng)由接合層16而與冷卻器20的散熱基板21接合。這樣一來，絕緣基板12及半導體元件13、14成為可導熱地與冷卻器20連接的狀態(tài)。
[0036]冷卻器20具有散熱基板21、固定于該散熱基板21的多個散熱片22、以及收納所述散熱片22的殼體23。散熱片22被用作散熱板,換言之為散熱器(heat sink)。
[0037]例如圖4(a)所示，散熱片22可以形成為由多個葉片(blade)形狀的散熱片相互平行地設(shè)置而成的葉片狀散熱片。也可以代替該葉片狀散熱片，而使用由多個圖4(b)所示的圓柱形狀的針22A或圖4(c)所示的棱柱形狀的針22B隔開間隔地排列多個而成的針狀散熱片。關(guān)于這種散熱片22的散熱片形狀，除葉片狀散熱片、針狀散熱片以外，還可以使用各種形狀的散熱片。但是，當冷卻液在冷卻器20內(nèi)流動時，散熱片22會成為該冷卻液的阻力，因此散熱片22理想的是具有對冷卻液的壓力損失小的形狀。在圖4(a)、(b)、(c)中以箭頭表示出冷卻液的流動方向。
[0038]散熱片22的形狀及尺寸優(yōu)選考慮向冷卻器20導入冷卻液的條件(即，泵性能等)、冷卻液的種類與性質(zhì)(尤其是粘性等)、目標除熱量等而適當設(shè)定。另外，散熱片22形成為如下尺寸(高度)，即，當收納于殼體23時，在散熱片22的前端與殼體23的底壁23a之間存在一定的間隙C。但是，并不排除使間隙為零的結(jié)構(gòu)。
[0039]例如圖2所示，具有圖4所示的形狀的散熱片22是以從散熱基板21的表面沿垂直方向延伸的方式安裝并固定在該散熱基板21的規(guī)定區(qū)域，從而與散熱基板21 —體化。散熱基板21中安裝著散熱片22的區(qū)域優(yōu)選包含如下區(qū)域，即，在散熱基板21與絕緣基板12接合的狀態(tài)下，該絕緣基板12上的搭載著半導體元件13、14的區(qū)域投影在散熱基板21的厚度方向上的區(qū)域。換言之，散熱基板21中安裝著散熱片22的區(qū)域優(yōu)選包含半導體元件13,14的正下方的區(qū)域。
[0040]在圖2中，多個散熱片22通過預先接合于板狀的散熱片基材22a而成為一體，且通過將該一體化的散熱片22的散熱片基材22a的表面與散熱基板21的表面接合，而使散熱基板21與散熱片22 —體化。由此，散熱片22在由散熱片基材22a及散熱基板21保持的狀態(tài)下收納在殼體23內(nèi)。
[0041]在圖2中，散熱片22具有散熱片基材22a，但散熱片基材22a并非必需。例如可以通過利用壓鑄與散熱基板21 —體地進行鑄造而形成散熱片22。另外，也可以通過利用焊接或各種熔接法將散熱片22直接接合在散熱基板22，從而與散熱基板21 —體地形成散熱片22。進而，也可以通過如下方式形成散熱片22，即，通過利用壓鑄或加壓鍛造從散熱基板21的其中一表面形成如成為散熱器的大致形狀的凸部之后，利用切削或線切割法將該凸部加工為所需的散熱片形狀而形成。另外，也可以僅利用加壓鍛造法一體地形成散熱基板21與散熱片22。
[0042]由散熱片22構(gòu)成的散熱器的外形為大致長方體，優(yōu)選為長方體，也可以是在不損及本發(fā)明的效果的范圍內(nèi)經(jīng)倒角或變形的形狀。
[0043]散熱片22及散熱基板21優(yōu)選由高熱導率的材料形成，特別優(yōu)選金屬材料?？梢允褂美玟X、鋁合金、銅、銅合金等金屬材料而形成，理想的是例如A1050、A6063等?？梢愿鼉?yōu)選地使用熱導率大于等于200W/mk的鋁。散熱片22與散熱基板21既可以是同種金屬材料，也可以是不同種金屬材料。將散熱片22接合在散熱片基材22a時的該散熱片基材22a例如可以使用金屬材料。
[0044]收納散熱片22的殼體23為箱型形狀，具有底壁23a、以及設(shè)置在該底壁23a的周緣的側(cè)壁23b，且上部開口。如圖5所示，殼體23的外形為大致長方體形狀，但并不限定于大致長方體形狀。
[0045]如圖5所不,殼體23中，用來向殼體23內(nèi)導入冷卻液的導入口 23c設(shè)置在短邊側(cè)的側(cè)壁23b中的一側(cè)壁23b的角部附近，而且，用來將冷卻液從殼體23內(nèi)向外部排出的排出口 23d設(shè)置在短邊側(cè)的側(cè)壁23b中的另一側(cè)壁23b的對角附近。當收納著散熱片22時，在殼體23內(nèi)，從導入口 23c沿著殼體23的長邊側(cè)的側(cè)壁23b形成著冷卻液導入流路23e，從排出口 23d沿著殼體23的長邊側(cè)的側(cè)壁23b形成著冷卻液排出流路23f，在該冷卻液導入流路23e與冷卻液排出流路23f之間，形成著作為散熱片22的間隙的冷卻用流路23g。在圖5中為了易于理解而省略了缺口 23k的圖示。
[0046]與散熱片22及散熱基板21同樣地，殼體23必須根據(jù)構(gòu)造而選定材料，例如由高熱導率的材料形成的材料、或?qū)⑿纬蓡卧獣r的周邊零件加入考慮的情況下的材料等。當考慮導熱性時，優(yōu)選A1050或A6063等材料，當必須與周邊部件、尤其是固定部或收納功率模塊的反相器殼體進行密封時，優(yōu)選ADC12或A6061等材料。另外，當通過壓鑄制造殼體23且要求導熱性時，也可以使用三菱樹脂股份有限公司的作為壓鑄用高導熱鋁合金的DMS系列的材料。當使用這種金屬材料形成殼體23時，可以通過例如壓鑄而形成如上所述的導入口 23c、排出口 23d或殼體23內(nèi)的流路。殼體23也可以使用在金屬材料中含有碳填料的材料。另外，根據(jù)冷卻液的種類或在殼體23內(nèi)流動的冷卻液的溫度等，也可以使用陶瓷材料或樹脂材料等，但當通過下述摩擦攪拌接合法將殼體23與散熱基板21接合時，無法使用陶瓷材料或樹脂材料。
[0047]殼體23的側(cè)壁23b的上端與散熱基板21的端部沿著側(cè)壁23b而液密地接合。由此，在產(chǎn)生了冷卻液的流動時也可以防止冷卻液從殼體23與散熱基板21的接合部漏出，所述冷卻液的流動是指從導入口 23c導入至殼體23內(nèi)的冷卻液通過冷卻液導入流路23e、冷卻用流路23g及冷卻液排出流路23f而從排出口 23d排出。
[0048]將具體地說明本實施方式的液密性接合的示例。如圖2所示，殼體23中，在側(cè)壁23b的上端形成著如截面成為L字形狀的缺口 23k，散熱基板21具有與該殼體23的缺口 23k適配的端部的形狀、大小。殼體23的缺口 23k是以如下尺寸形成，S卩，當散熱部件21的端部設(shè)置在該缺口 23k時，殼體23的側(cè)壁23b的上端面與散熱基板21的上表面成為同一平面。散熱基板21的端部以載置的方式設(shè)置于該殼體23的側(cè)壁23b上端的缺口 23k。利用公知的方法將該側(cè)壁23b的缺口 23k的部分與散熱基板21的端部接合，由此，散熱基板21與殼體23液密地接合。
[0049]殼體23的側(cè)壁23b的上端與散熱基板21的端部的接合法雖然也可以是公知的方法即焊接或利用焊料而進行，但更優(yōu)選為摩擦攪拌接合法(Frict1n Stir Welding)。通過摩擦攪拌接合法，可以可靠地將殼體23的側(cè)壁23b的上端與散熱基板21的端部液密地接合。當利用摩擦攪拌接合法進行接合時，將側(cè)壁23b的缺口 23k與散熱基板21的接合界面處的從殼體23的上表面沿散熱基板的厚度方向延伸的部分接合。在將該部分接合時，可以一邊支撐殼體23的底面，一邊從上方朝殼體23與散熱基板21的接合界面放上摩擦攪拌接合法的工具而進行接合，因此能夠可靠地進行接合。進而，通過利用摩擦攪拌接合法進行接合，可以使用例如A6063及DMS系列的合金、大紀鋁工業(yè)所的作為壓鑄用高導熱鋁合金的HT-1等高熱導率的材料作為散熱基板21與殼體23的材料，且可以提高散熱性。
[0050]在殼體23形成缺口 23k幾乎不會使成本增加。另外，散熱基板21可以設(shè)為平板形狀，換言之，對于散熱基板21的端部或要接合散熱片22的部分，不一定必須進行用來使厚度與其他部分不同的加工，因此易于制造且不會導致成本增加。而且，通過將散熱基板21設(shè)為平板形狀，當利用壓鑄、加壓鍛造或切削法一體地形成散熱基板21與散熱片22時，可以相對容易且高精度地形成微小的散熱片22。另外，散熱基板21通過具有規(guī)定厚度，而可以具備對抗變形的可靠性與良好的散熱性。例如在要接合散熱片的區(qū)域中，散熱基板21的厚度理想的是I?3mm。
[0051]在使用冷卻器20時，在導入口 23c連接未圖示的泵，在排出口 23d連接未圖示的熱交換器，而構(gòu)成包含冷卻器20、泵及熱交換器的閉回路的冷卻液流路。利用泵使冷卻液在這種閉回路內(nèi)強制循環(huán)。冷卻液可以使用水或長效冷卻劑(Long Life Coolant, LLC)等。
[0052]本實施方式的半導體裝置I中，當圖3所示的功率轉(zhuǎn)換電路運作時，在圖1、圖2所示的各電路元件部IlA?IlC的半導體元件13、14產(chǎn)生的熱向與絕緣基板12接合的散熱基板21傳遞，并向與散熱基板21接合的散熱片22傳遞。在殼體23內(nèi)，如上所述形成著作為散熱片22的間隙的冷卻用流路23g，因此通過使冷卻液在該冷卻用流路23g流通，可以將由散熱片22構(gòu)成的散熱器冷卻。這樣一來,在電路兀件部IlA?IlC產(chǎn)生的熱被冷卻器20冷卻。
[0053]在圖6中以剖視圖表示本發(fā)明的另一實施方式的半導體裝置2。此外，在圖6所示的半導體裝置2中，對與圖2的半導體裝置I相同的部件標注相同的符號，并且以下省略關(guān)于這些部件的重復說明。圖6的半導體裝置2中，構(gòu)成冷卻器20的散熱基板24的截面形狀為L字形狀，與圖2的半導體裝置I的散熱基板21不同。該散熱基板24中，散熱片22隔著散熱片基材22a而與散熱基板24接合的部分(散熱片區(qū)域)的厚度tl薄于該散熱片區(qū)域的周邊部分(周邊區(qū)域)的厚度t2。殼體23中，在側(cè)壁23b的上端形成著如截面成為L字形狀的缺口 23k。該缺口 23k是以如下尺寸形成，S卩，當散熱部件24的端部以載置的方式設(shè)置于該殼體23的缺口 23k時，殼體23的側(cè)壁23b的上端面與散熱基板24的上表面成為同一平面。散熱基板24的端部與殼體23的側(cè)壁23b的上端通過公知的方法而沿著側(cè)壁23b液密地接合。
[0054]殼體23的側(cè)壁23b的上端與散熱基板24的端部的接合法雖然也可以是公知的方法即焊接或利用焊料而進行，但更優(yōu)選為摩擦攪拌接合法(Frict1n Stir Welding)。通過摩擦攪拌接合法，可以可靠地將殼體23的側(cè)壁23b的上端與散熱基板24的端部液密地接合。當利用摩擦攪拌接合法進行接合時，將側(cè)壁23b的缺口 23k與散熱基板24的接合界面處的從殼體的上表面沿散熱基板的厚度方向延伸的部分接合。在將該部分接合時，可以一邊支撐殼體23的底面，一邊從上方朝殼體23與散熱基板24的接合界面放上摩擦攪拌接合法的工具而進行接合，因此能夠可靠地進行接合。進而，通過利用摩擦攪拌接合法進行接合，可以使用例如A6063及DMS系列的合金、大紀鋁工業(yè)所的作為壓鑄用高導熱鋁合金的HT-1等高熱導率的材料作為散熱基板24與殼體23的材料，且可以提高散熱性。
[0055]圖6所示的本實施方式的半導體裝置2中，在殼體23形成缺口 23k幾乎不會使成本增加。另外，散熱基板24的散熱片區(qū)域比周邊區(qū)域薄，因此能夠提高散熱性。而且，通過使周邊區(qū)域具有規(guī)定厚度，散熱基板24可以具備對抗變形的可靠性。例如在要接合散熱片的區(qū)域，散熱基板24的厚度理想的是I?3mm。
[0056]接下來，對本發(fā)明的半導體裝置的制造方法的一實施方式進行說明。
[0057]在制造圖1及圖2所示的半導體裝置I時，包括將冷卻器20的散熱基板21與殼體23進行接合的步驟。在進行該步驟之前，散熱基板21上接合著絕緣基板12與散熱片22，而且，該絕緣基板12上搭載著半導體元件13、14。
[0058]在將冷卻器20的散熱基板21與殼體23進行接合的步驟中，首先，準備殼體23，該殼體23的側(cè)壁23b的上端成形為整個一周具有缺口 23k的形狀。當通過壓鑄制造殼體23時，只要在該壓鑄時形成該缺口即可。但是，也可以在壓鑄后進行切削加工等加工而形成。在殼體23的缺口 23k設(shè)置散熱基板21的端部，利用公知的方法將該缺口 23k的部分與散熱基板21的端部接合，由此，散熱基板21與殼體23液密地接合。所述液密性接合優(yōu)選利用摩擦攪拌接合法進行。在制造圖6所示的半導體裝置2時，也能夠以與所述相同的方式進行制造。
[0059]實施例
[0060]接下來，將本發(fā)明的半導體裝置的實施例與比較例對比而進行說明。
[0061](比較例)
[0062]比較例是以往的半導體裝置且在圖7中以剖視圖表示。圖7所示的半導體裝置101為半導體模塊110相對于冷卻器120而具有共六個電路元件部的構(gòu)造，所述六個電路元件部沿在散熱片122間流動的冷卻液的流動方向成兩行，沿該流動方向的垂直方向成三列。因為圖7是剖視圖，所以示出這些電路元件部中的三個電路元件部IllA?111C。這些電路元件部IllA?IllC的結(jié)構(gòu)具有與圖2所示的本發(fā)明的實施方式的電路元件部IlA?IlC相同的結(jié)構(gòu)，因而在圖7中標注與圖2相同的符號，并且以下省略關(guān)于這些構(gòu)成的重復說明。
[0063]圖7的半導體裝置100為散熱基板121與殼體123經(jīng)由密封部件123s而密閉的構(gòu)造，且為分別使用招材料的構(gòu)造。散熱基板121的厚度均勻且使用5mm、3.5mm、2.5mm及
1.5mm這四種厚度。另外，在使用密封部件123s的情況下，可以用于散熱基板121的材料存在限制，因此散熱基板121與殼體123分別使用熱導率為170W/mk的鋁材料。此外，考慮到變形或組裝交叉而將散熱片122前端與殼體123的間隙C設(shè)為1.5_。
[0064]另外，根據(jù)殼體123的設(shè)計的不同，在配置有多個的散熱片122之間流動的冷卻液的流速分布會產(chǎn)生偏流，但通過對設(shè)置在殼體123的導入口或排出口(未圖示)進行設(shè)計而形成為使流速分布為均勻地流動的狀態(tài)的形狀。
[0065]針對所述散熱基板121的厚度為5mm、3.5mm、2.5mm及1.5mm這四種厚度,使用熱流體模擬來比較對半導體裝置100的電路元件部的半導體元件13、14施加規(guī)定的動作條件的情況下的該半導體元件的半導體元件13、14的發(fā)熱溫度。將其結(jié)果示于圖8中。
[0066]圖8是使防凍液以10L/min的流量固定地循環(huán)且產(chǎn)生固定損失的穩(wěn)定狀態(tài)下的半導體元件13、14上部的接面溫度與導入口的水溫之間的熱阻的比較結(jié)果。根據(jù)該結(jié)果，通過將散熱基板121的厚度削減至1.5mm,可以減少10%的熱阻。散熱基板121的材料的熱導率為170W/mk，與絕緣基板的材料或焊料等相比為高熱導率的材料，而相比于熱擴散，高度方向的熱傳導為支配性，從而可以推斷達到了所述效果。進而，通過使散熱基板121的厚度變薄，可以在不變更散熱片22的高度的狀態(tài)下削減從散熱基板121上表面至散熱片22前端為止的高度即基座整體的高度，也可以削減冷卻器整體的體積。
[0067](實施例)
[0068]在與所述比較例的對比中，關(guān)于實施例，對為了使半導體模塊10用冷卻器20的散熱性提高而將散熱基板21與殼體23 —體化而成的冷卻器20的優(yōu)選示例進行說明?；緲?gòu)造與圖1中所記載的構(gòu)造相同，且是通過機械性接合而省略密封部件的構(gòu)成。
[0069]在所述比較例中，散熱基板121與殼體123經(jīng)由密封部件而密閉。該密封部件例如為O型環(huán)或金屬墊片。當使用該密封部件時，為了確保密封性能(液密)，對散熱基板的材料所要求的強度(硬度)或厚度便存在限制。尤其是材料的種類有影響熱導率的情況，從而難以兼顧高熱導率化。在鋁部件的情況下，必須使用熱導率為170W/mk左右的材料。
[0070]于是，在實施例中，使用機械性接合，例如熱擴散法、摩擦攪拌接合法等。由此，可以省略密封部件，且可以使用熱導率大于等于200W/mk的材料作為散熱基板21的材料，也可以使厚度變薄，因此可以實現(xiàn)高散熱化。此外，并不限于機械性接合，也可以進行焊接而接合。
[0071]另外，通過使散熱基板21與殼體23—體化，散熱片22的前端與殼體23的間隙C在熱變形或施加壓力時的擴大得以減輕，而可以有效利用冷卻液，且可以削減考慮到組裝等所得的間隔。
[0072]進而，通過省略密封部件，可以削減組裝步驟數(shù)或減少注意密封面的面粗糙度的步驟，因此成本上存在優(yōu)勢。
[0073]這里，針對間隙C及散熱基板21的熱導率改善效果，將間隙設(shè)為1.5mm、0.5mm,Omm這三種水準，將熱導率設(shè)為170W/mk、210W/mk這兩種水準，使用熱流體模擬進行比較。這里所要比較的散熱的構(gòu)造中，冷卻部的散熱基板厚度固定為2.5mm,散熱片高度固定為1mm,且冷卻液條件等條件設(shè)為與比較例相同的條件。
[0074]如圖9所示，可以確認到在熱導率的改善效果的基礎(chǔ)上，通過控制散熱片前端部與殼體之間的間隙C以有效地利用冷卻液，以接面-導入口位置的冷卻液溫度為基準的熱阻改善約12%。當將間隙為0.5mm的實施例1與間隙為Omm的實施例2加以比較時，就間隙C的影響度而言，因為所述間隙C比散熱片22的間隔窄，所以冷卻液為不易逃逸至間隙區(qū)域的狀態(tài)，因此未見大的差異，但在散熱片高度中央部的散熱片間流動的冷卻液流速與以往構(gòu)成相比有比以往改善20%?30%的傾向。
[0075]可以如此變更散熱基板的材料或控制間隙C，是通過將殼體23與散熱基板21整體或局部地接合而獲得的效果，這些構(gòu)造并不限于提高散熱性，在考慮因該熱而產(chǎn)生的熱應力對可靠性產(chǎn)生的影響的情況下，也可以期待通過一體化而提高強度。
[0076][標號說明]
[0077]I半導體裝置
[0078]10半導體模塊
[0079]11A、11B、11C 電路元件部
[0080]12絕緣基板
[0081]12a絕緣層
[0082]12b、12c 導體層
[0083]13、14半導體元件
[0084]15、16接合層
[0085]17樹脂殼體
[0086]20冷卻器
[0087]21散熱基板
[0088]22散熱片
[0089]22a散熱片基材
[0090]23殼體
[0091]23b側(cè)壁
[0092]23c導入口
[0093]23d排出口
[0094]23e冷卻液導入流路
[0095]23f冷卻液排出流路
[0096]23g冷卻用流路
[0097]23k缺口
[0098]12絕緣基板
[0099]40反相器電路
[0100]41三相交流電動機
[0101] C間隙
【權(quán)利要求】
1.一種半導體裝置，包括:絕緣基板；半導體元件，搭載在所述絕緣基板上；以及冷卻器，將所述半導體元件冷卻；其特征在于: 所述冷卻器具有散熱基板、多個散熱片以及殼體，所述散熱基板與所述絕緣基板接合，所述多個散熱片設(shè)置在所述散熱基板的與所述絕緣基板接合的面的相反側(cè)的面，所述殼體收容所述散熱片并且設(shè)置有冷卻液的導入口及排出口，并且，在設(shè)置在所述殼體側(cè)壁的上端部的缺口設(shè)置有所述散熱基板的端部并且所述散熱基板與所述殼體液密地接合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體裝置，其特征在于，所述散熱基板與所述殼體通過摩擦攪拌接合的方式而接合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體裝置，其特征在于，所述散熱基板由熱導率大于等于所述殼體的熱導率的材料形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體裝置，其特征在于，所述散熱片具有選自葉片形狀及針形狀中的任一種形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體裝置，其特征在于，所述散熱片的前端接近所述殼體的底面。
6.一種半導體裝置的制造方法，包括如下步驟:將包含絕緣基板、半導體元件以及冷卻器的半導體裝置的所述冷卻器所具有的散熱基板、多個散熱片以及殼體中的所述散熱基板、與所述殼體進行接合，所述半導體元件搭載在所述絕緣基板上，所述冷卻器將所述半導體元件冷卻，所述半導體裝置的制造方法的特征在于: 準備在所述殼體側(cè)壁的上端形成有缺口的所述殼體，在所述殼體的所述缺口設(shè)置所述散熱基板的端部并且將所述散熱基板與所述殼體液密地接合。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，所述散熱基板與所述殼體的液密的接合為摩擦攪拌接合。
【文檔編號】H01L23/473GK104247009SQ201380018894
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月19日
【發(fā)明者】鄉(xiāng)原廣道, 兩角朗, 山田教文 申請人:富士電機株式會社