JP2009105166A - 半導体モジュールの冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の半導体モジュールの冷却装置は、パワー半導体モジュールと放熱装置等とを接合するロウ材を溶融させる熱によって、パワー半導体モジュールの絶縁基板と金属層とを接合しているロウ材が再溶融して、該絶縁基板と金属層との接合端部が剥離してしまう場合があった。
【解決手段】絶縁基板１２の一面側に上部電極１３を介してパワー半導体素子１１が接合されたパワー半導体モジュール２の他面側を、冷却器３の天板３２に接合して構成される半導体モジュールの冷却装置１であって、前記絶縁基板１２と冷却器３の天板３２とを接合するロウ材２２ｂを、前記絶縁基板１２と上部電極１３とを接合するロウ材２２ａよりも低い溶融温度を有する部材にて構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、絶縁基板の一側面に電極板を介して半導体素子を接合して構成される半導体モジュールの冷却装置に関する。

一般的に、従来のＩＧＢＴモジュール等のパワー半導体モジュールは、絶縁基板の一面側に電極板や回路層を介してパワー半導体素子を実装するとともに、前記絶縁基板の他面側に電極板を接合して構成されており、前記他面側の放熱板を冷却器の天板に接合して、パワー半導体が発した熱を冷却器へ伝導させて放熱するように構成している。
このような、パワー半導体モジュールの熱を放熱するための放熱装置としては、例えば特許文献１に示すようなものがある。

特許文献１の放熱装置に接合されるパワーモジュール用基板においては、絶縁基板の一面に形成された回路層上に半導体素子が実装され、他面に金属層が接合されている。また、前記金属層には、応力緩和部材を介して放熱装置が接合されている。
前記回路層、金属層、応力緩和部材、および放熱装置は、多くの場合、熱伝導性の観点からアルミにて構成されており、前記絶縁基板、金属層、応力緩和部材、および放熱装置を接合するロウ材はアルミ合金にて構成されている。
また、前記パワー半導体モジュールは、前記絶縁基板の一面側に形成される回路層に半導体素子を実装するとともに、該絶縁基板の他面側に電極板となる金属層をロウ材にて接合して構成されており、絶縁基板に接合された電極板に応力緩和部材をロウ材にて接合し、さらに応力緩和部材と放熱装置とをロウ材にて接合することで、パワー半導体モジュールの放熱装置が構成される。

また、パワー半導体モジュールを冷却する装置としては、図９に示すような冷却装置がある。
図９に示すパワー半導体モジュールの冷却装置１０１は、パワー半導体素子１１１を備えたパワー半導体モジュール１０２を冷却器１０３の上に接合することで構成されており、前記パワー半導体モジュール１０２は、絶縁基板１１２の上面にロウ材１２２を介して接合された上部電極板１１３上にパワー半導体素子１１１を実装するとともに、絶縁基板１１２の下面にロウ材１２２を介して下部電極板１１４を接合して構成されている。
また、前記パワー半導体モジュール１０２は、応力緩和材１１５を介して冷却器１０３における冷却器本体１３１の天板に接合されている。前記応力緩和材１１５はロウ材１２２によりパワー半導体モジュール１０２および冷却器本体１３１の天板と接合されている。

図９に示す冷却装置１０１の場合も、熱伝導性の観点から、前記上部電極板１１３、下部電極板１１４、応力緩和材１１５、および冷却器本体１３１をアルミにて構成しており、前記上部電極板１１３と絶縁基板１１２、絶縁基板１１２と下部電極板１１４、下部電極板１１４と応力緩和材１１５、応力緩和材１１５と冷却器本体１３１とを接合するロウ材１２２はアルミ合金（例えばＡｌ−Ｓｉ）にて構成されている。

これにより、パワー半導体素子１１１にて生じた熱を、上部電極板１１３、絶縁基板１１２、下部電極板１１４、および応力緩和材１１５を通じて冷却器１０３に伝達し、放熱するように構成されている。
また、前記冷却器１０３においては、冷却器本体１３１の内部に形成される冷却水通路１３１ａ内に多数の冷却フィン１３２を形成して、冷却水通路１３１ａ内を流れる冷却水による冷却効率を向上させている。
特開２００７−１９２０３号公報

前述の特許文献１に記載された放熱装置においては、ロウ材にて絶縁基板の他面に金属層を接合した状態のパワー半導体モジュールを、ロウ材にて応力緩和部材および放熱装置に接合するように構成されているが、絶縁基板と金属層とを接合するロウ材と、金属層と応力緩和部材、および応力緩和部材と放熱装置とを接合するロウ材とは同種の材質（アルミ合金）にて構成されているため、両者のロウ付け温度が略等しくなっている。
従って、前記パワー半導体モジュールを応力緩和部材および放熱装置に接合する際の、パワー半導体モジュールにおける温度分布や接合装置による温度制御のばらつきによっては、パワー半導体モジュールと応力緩和部材および放熱装置とを接合するロウ材を溶融させる熱によって、絶縁基板と金属層とを接合しているロウ材が再溶融してしまい、該絶縁基板と金属層との接合端部が剥離してしまう場合があった。

また、前記図９に示す冷却装置１０１においても、絶縁基板１１２の上面にロウ材１２２を介して接合された上部電極板１１３上にパワー半導体素子１１１を実装するとともに、絶縁基板１１２の下面にロウ材１２２を介して下部電極板１１４を接合して構成されたパワー半導体モジュール１０２を、前記ロウ材１２２により応力緩和材１１５を介して冷却器本体１３１の天板に接合している。
従って、パワー半導体モジュール１０２と前記応力緩和材１１５および冷却器本体１３１とを接合する際に、該パワー半導体モジュール１０２と前記応力緩和材１１５および冷却器本体１３１とを接合するロウ材１２２を溶融させる熱によって、絶縁基板１１２に上部電極板１１３および下部電極板１１４を接合しているロウ材が再溶融してしまい、該絶縁基板１１２と上部電極板１１３および下部電極板１１４との接合端部が剥離してしまうという問題があった。

そこで、本発明においては、パワー半導体モジュールを冷却装置に接合する際に、該パワー半導体モジュールの絶縁基板に接合される電極板等の接合部が、パワー半導体モジュールと冷却装置とを接合するためのロウ材を溶融させる熱によって剥離することがない、信頼性の高いパワー半導体モジュールの冷却装置を提供するものである。

上記課題を解決する半導体モジュールの冷却器は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、絶縁基板の一面側に電極板を介して半導体素子が接合された半導体モジュールの他面側を、冷却器の天板に接合して構成される、半導体モジュールの冷却装置であって、前記絶縁基板と冷却器の天板とを接合する第二の接合材を、前記絶縁基板と電極板とを接合する第一の接合材よりも低い溶融温度を有する部材にて構成する。
特に、請求項２記載の如く、前記絶縁基板の一面側の電極板は銅材にて構成され、前記冷却器の天板はアルミにて構成され、前記第一の接合材は銀と銅とチタンとの合金材にて構成され、前記第二の接合材はアルミとシリコンまたはマグネシウムとの合金材にて構成される。

これにより、電極板を絶縁基板に接合する際の温度よりも、絶縁基板を冷却器の天板に接合する際の温度を、大きな温度差をもって低くすることができる。
従って、既に電極板が接合された絶縁基板を前記天板に接合する際に、該電極板を接合している第一の接合材が再溶融することがなく、該電極板と絶縁基板との接合部端が剥離することがなく、組み立てられたパワー半導体モジュールの冷却装置において、パワー半導体素子からの発熱の冷却器への伝達が阻害されることがなく、信頼性の高い冷却装置を構成することが可能となる。

また、請求項３記載の如く、絶縁基板の一面側に第一の電極板を介して半導体素子が接合された半導体モジュールの他面側を、第二の電極板を介して冷却器の天板に接合して構成される、半導体モジュールの冷却装置であって、前記第一の電極板および第二の電極板と前記冷却器の天板とを同質部材にて構成するとともに、前記絶縁基板と第一の電極板および第二の電極板とを接合する接合材ならびに前記第二の電極板と前記天板とを接合する接合材を同質部材にて構成し、前記第二の電極板の周縁部に、第二の電極板と天板とを接合する接合材が、少なくとも前記第二の電極板と絶縁基板との接合界面に接触することを防止するための接触防止材が塗布される。
特に、請求項４記載の如く、前記第一の電極板および第二の電極板と前記冷却器の天板とはアルミにて構成され、前記絶縁基板と第一の電極板および第二の電極板とを接合する接合材ならびに前記第二の電極板と前記天板とを接合する接合材はアルミとシリコンまたはマグネシウムとの合金材にて構成され、前記接触防止材はホウ素または酸化チタンにて構成される。

これにより、前記接合材による接合時に絶縁基板と第二の電極板との接合界面に、溶融した接合材が侵入して第二の電極板の中へ拡散して偏析することを防止することができ、第二の電極板と前記天板との接合を行うときに、絶縁基板と第二の電極板との接合部が再溶融して剥離することを防止できる。

また、請求項５記載の如く、絶縁基板の一面側に第一の電極板を介して半導体素子が接合された半導体モジュールの他面側を、第二の電極板を介して冷却器の天板に接合して構成される、半導体モジュールの冷却装置であって、前記第二の電極板と冷却器の天板とを接合する第二の接合材を、前記絶縁基板と第一の電極板とを接合する第一の接合材よりも低い接合温度を有する部材にて構成し、前記第二の電極板の周縁部に、前記第二の接合材が、少なくとも前記第二の電極板と絶縁基板との接合界面に接触することを防止するための接触防止材が塗布される。
特に、請求項６記載の如く、前記第一の電極板は銅材にて構成され、前記第二電極板と前記冷却器の天板とはアルミにて構成され、前記第一の接合材は銀と銅とチタンとの合金材にて構成され、前記第二の接合材はアルミとシリコンまたはマグネシウムとの合金材にて構成され、前記接触防止材はホウ素または酸化チタンにて構成される。

これにより、第一の電極板を絶縁基板に接合する際の温度よりも、絶縁基板を冷却器の天板に接合する際の温度を、大きな温度差をもって低くすることができるとともに、前記第二の接合材による接合時に絶縁基板と第二の電極板との接合界面に、溶融した接合材が侵入して第二の電極板の中へ拡散して偏析することを防止することができ、第二の電極板と前記天板との接合を行うときに、絶縁基板と第二の電極板との接合部が再溶融して剥離することを防止できる。
従って、組み立てられたパワー半導体モジュールの冷却装置において、パワー半導体素子からの発熱の冷却器への伝達が阻害されることがなく、信頼性の高い冷却装置を構成することが可能となる。

本発明によれば、パワー半導体モジュールを冷却器に接合する際に、該パワー半導体モジュールの絶縁基板に既に接合された電極板の該絶縁基板との接合部が再溶融して剥離することを防止でき、信頼性の高いパワー半導体モジュールの冷却装置を構成することが可能となる。

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。

[第一の実施形態]
図１に示すパワー半導体モジュールの冷却装置１は、パワー半導体モジュール２と冷却器３とを接合して構成されており、該パワー半導体モジュール２のパワー半導体素子１１からの発熱を冷却器３へ放熱して冷却するものである。
前記パワー半導体モジュール２は、パワー半導体素子１１、電極板である上部電極１３、および絶縁基板１２を積層して構成されており、前記絶縁基板１２の上面に上部電極１３がロウ材２２ａを介して接合され、前記上部電極１３の上面にパワー半導体素子１１がはんだを介して接合されている。

前記冷却器３は、上面が開口した箱体に形成され、内部に冷却水が流れる冷却器本体３１と、該冷却器本体３１の上面を閉塞する天板３２とを備えており、該冷却器本体３１と天板３２とがロウ材２２ｂにより接合されている。

前記天板３２には開口部３２ａが形成されており、天板３２の一面（図１における上面）側における前記開口部３２ａの周縁部には、嵌合凹部３２ｂが形成されている。
前記嵌合凹部３２ｂは、前記絶縁基板１２の外形と略同じ形状で略同じ大きさか若干大きく形成されており、該絶縁基板１２の周縁部が嵌合凹部３２ｂに嵌合可能となっている。

また、絶縁基板１２の周縁部と嵌合凹部３２ｂとの間には前記ロウ材２２ｂが介装されており、該ロウ材２２ｂにより絶縁基板１２の周縁部と嵌合凹部３２ｂとが接合されている。
また、前記絶縁基板１２の他面（図１における下面）側には、複数の冷却フィン１４・１４・・・が取り付けられており、該冷却フィン１４・１４・・・は前記天板３２の開口部３２ａから冷却器本体３１内へ向けて突出している。
前記冷却フィン１４・１４・・・は前記ロウ材２２ａにより前記絶縁基板１２に接合されている。

前記絶縁基板１２は、例えば熱伝導率が高くて高強度なセラミックス材（Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ等）にて構成され、前記上部電極１３および冷却フィン１４・１４・・・は、例えば熱伝導性が高い銅材（Ｃｕ）にて構成されている。前記絶縁基板１２と上部電極１３および冷却フィン１４・１４・・・とを接合するためのロウ材２２ａは、例えばチタン（Ｔｉ）および銅材（Ｃｕ）を添加した銀合金材（銀ロウ；Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ）にて構成されており、例えばペースト状、線状、または箔状に形成されたものが用いられる。
また、前記冷却器本体３１および天板３２は熱伝導性が高いアルミ材（Ａｌ）にて構成されており、前記絶縁基板１２と前記天板３２、および前記天板３２と冷却器本体３１とを接合するためのロウ材２２ｂは例えば熱伝導性が高いアルミ合金（Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｍｇ）にて構成されており、例えばペースト状、線状、または箔状に形成されたものが用いられる。
また、前記ロウ材２２ｂは、冷却器本体３１および天板３２の接合部に予めクラッドしたものを用いることもできる。

このように、パワー半導体素子１１から冷却器３の間にかけて介在される部材に熱伝導性が高い部材を用いることで、パワー半導体素子１１で発生した熱を効率良く冷却器３へ伝達させるようにしている。

また、前記冷却フィン１４・１４・・・は、図２に示すように、ロールフォーミング等により薄板状部材を凹凸形状に折り畳むように屈曲させて、垂直部１４ａ、底部１４ｂ、および頂部１４ｃを備えた略三角形状に形成されている。
この三角形状の冷却フィン１４・１４・・・においては、前記底部１４ｂが絶縁基板１２に接合される部分となり、前記頂部１４ｃとその両側の垂直部１４ａとが前記冷却器本体３１内へ侵入して熱を冷却水へ放熱するフィン部分となっている。

このように、冷却フィン１４・１４・・・を、薄板状部材を凹凸形状に屈曲させた後に折り畳み方向に圧縮して略三角形状に形成することで、冷却フィン１４・１４・・・の表面積を大きくして、冷却効率の向上を図ることが可能となっている。
また、前記底部１４ｂにより広い面積で冷却フィン１４・１４・・・を絶縁基板１２に接合することにより、絶縁基板１２から冷却フィン１４・１４・・・への熱伝導性を向上させている。

また、前述のように構成されるパワー半導体モジュールの冷却装置１は、次のようにして組み立てが行われる。
つまり、図３に示すように、まず、絶縁基板１２の上面にロウ材２２ａを介して上部電極１３を配するとともに、絶縁基板１２の下面にロウ材２２ａを介して冷却フィン１４・１４・・・を配して、該絶縁基板１２に上部電極１３および冷却フィン１４・１４・・・を組み付けた状態で（Ｓ０１）、前記ロウ材２２ａを加熱して溶融させ、上部電極１３および冷却フィン１４・１４・・・をロウ材２２ａにより絶縁基板１２に接合する（Ｓ０２）。

この場合、前記上部電極１３および冷却フィン１４・１４・・・が銅材（Ｃｕ）にて構成されており、ロウ材２２ａが銀合金材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ）にて構成されているため、ロウ付け温度は８００℃程度に設定される。
また、ロウ材２２ａのロウ付け時の酸化を防止するために真空炉内でのロウ付けが行われる。

次に、上部電極１３および冷却フィン１４・１４・・・が接合された絶縁基板１２を、前記ロウ材２２ｂを介して前記天板３２の嵌合凹部３２ｂに嵌合させて、該絶縁基板１２を天板３２に組み付ける（Ｓ０３）。
この状態で、前記ロウ材２２ｂを加熱して溶融させ、前記絶縁基板１２を天板３２に接合する（Ｓ０４）。この場合、絶縁基板１２と天板３２とは、両者が密着されるように冶具により加圧固定される。
また、この際同時に、前記冷却器本体３１と天板３２とをロウ材２２ｂにより接合することも可能である。冷却器本体３１と天板３２とを接合する際にも、該冷却器本体３１と天板３２とは、両者が密着されるように冶具により加圧固定される。

この場合、前記天板３２および冷却器本体３１はアルミ材にて構成されており、前記ロウ材２２ｂはアルミ合金（Ａｌ−Ｓｉ等）にて構成されているため、ロウ付け温度は６００℃程度に設定される。
また、ロウ材２２ｂのロウ付け時の酸化を防止するために、例えば１×１０^−５Ｔｏｒｒ程度の真空炉内でのロウ付けが行われる。
ロウ付け後、天板３２および冷却器本体３１は冷却されるが、ロウ付け時に両者は冶具により加圧固定されているため、その熱歪が低減されている。

このように、本例のパワー半導体モジュールの冷却装置１においては、上部電極１３および冷却フィン１４・１４・・・を銅材（Ｃｕ）にて構成するとともに、ロウ材２２ａを銀合金材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ）にて構成し、前記天板３２および冷却器本体３１をアルミ材にて構成するとともに、前記ロウ材２２ｂをアルミ合金（Ａｌ−Ｓｉ等）にて構成しているので、上部電極１３および冷却フィン１４・１４・・・を絶縁基板１２に接合する際のロウ付け温度（８００℃程度）よりも、絶縁基板１２を天板３２にロウ付けする際のロウ付け温度（６００℃程度）を、大きな温度差をもって低くすることができる。

これにより、既に上部電極１３および冷却フィン１４・１４・・・が接合された絶縁基板１２を天板３２に接合する際に、該上部電極１３および冷却フィン１４・１４・・・を接合しているロウ材２２ａが再溶融することがなく、該上部電極１３と絶縁基板１２との接合部端、および冷却フィン１４・１４・・・と絶縁基板１２との接合部端が剥離することもない。
従って、組み立てられたパワー半導体モジュールの冷却装置１において、パワー半導体素子１１からの発熱の冷却器３への伝達が阻害されることがなく、信頼性の高い冷却装置１を構成することが可能となっている。

また、パワー半導体モジュールの冷却装置１においては、前記絶縁基板１２と天板３２との接合は、該絶縁基板１２の周縁部と天板３２の嵌合凹部３２ｂとを接合することで行われており、絶縁基板１２の他側面の大部分（天板３２の開口部３２ａに相当する部分）は天板３２と接合されていない。
従って、従来のように絶縁基板１２の他側面の全面を、下部電極を介して放熱板に接合する場合に比べて、絶縁基板１２の他側面における接合面積が小さくなり、絶縁基板１２と天板３２との線膨張係数の差に伴って両者間に生じる応力を低減して、絶縁基板１２の反り変形を抑えることが可能となっている。

さらに、前記天板３２は板状部材にて構成されており、前記天板３２の嵌合凹部３２ｂの外周側周辺部位には天板３２を屈曲させて形成したベント部３３が配置されている。
該ベント部３３は、力が加わると弾性変形が可能となっているため、絶縁基板１２の周縁部と天板３２の嵌合凹部３２ｂとの接合部に応力が発生した際に、該接合部の近傍に位置するベント部３３が変形することとなって、前記接合部に生じた応力を低減させることが可能となる。

また、前記冷却フィン１４・１４・・・は、その底部１４ｂ・１４ｂ・・・が絶縁基板１２の他面に接合されているが、該底部１４ｂ・１４ｂ・・・と前記絶縁基板１２の一面に接合されている上部電極１３との剛性や熱容量が等しくなるように構成して、絶縁基板１２に上部電極１３および冷却フィン１４・１４・・・を接合する際に、該絶縁基板１２に反りが生じないようにしている。

また、前記冷却フィン１４・１４・・・は、絶縁基板１２が冷却器３に接合された状態では冷却器本体３１内に侵入しているが、該冷却器本体３１の内壁面と接触しないように構成されている。
これは、冷却フィン１４・１４・・・と冷却器本体３１とが接触すると、該冷却フィン１４・１４・・・を構成する銅材と冷却器本体３１を構成するアルミとの電位差によりアルミに電解腐食が生じることとなるが、このような電解腐食が発生することを防止するためである。
また、冷却フィン１４・１４・・・の頂部１４ｃが冷却器本体３１の底面と接触しないように構成することで、絶縁基板１２の熱による伸縮の影響を受けて冷却器本体３１に反りが生じることを防止することが可能となっている。

また、前記各冷却フィン１４の垂直部１４ａの底部１４ｂに対する角度θは（図２参照）、本例の場合７０°程度以下となるように設定されている。
これは、パワー半導体素子１１と上部電極１３とを接合するはんだ中における、放熱を阻害するボイドの有無を、前記冷却装置１の上方または下方からＸ線を照射することにより検査しているが、前記冷却フィン１４の垂直部１４ａの角度θが７０°程度を超えると（垂直部１４ａが底部１４ｂに対して垂直に近くなると）、Ｘ線の前記垂直部１４ａを透過する距離が長くなって該垂直部１４ａの影が写し出されることとなり、ボイドの判別力が低下する原因となるからである。

また、パワー半導体モジュールの冷却装置１においては、前記絶縁基板１２の他側面に接合される複数の冷却フィン１４・１４・・・が、冷却器本体３１の内部に天板３２の開口部３２ａを通じて侵入しており、絶縁基板１２の他側面は開口部３２ａを通じて冷却器本体３１内に面している。
従って、冷却器本体３１内を流れる冷却水により、絶縁基板１２に直接接合される冷却フィン１４・１４・・・のみならず、該絶縁基板１２の他側面も冷却されるため、従来のように絶縁基板１２を下部電極や放熱板を介して冷却器に接合した場合に比べて、パワー半導体素子１１の冷却効率が向上する。

また、該絶縁基板１２の他面、該他面と各冷却フィン１４・１４・・・との接合部、および天板３２が、前記冷却水により同時に冷却されることとなるため、絶縁基板１２や天板３２の各部の温度に温度勾配が生じにくく、絶縁基板１２と天板３２との線膨張係数の差による応力も発生し難くなっている。

[第二の実施形態]
図４に示すパワー半導体モジュールの冷却装置５１は、パワー半導体モジュール５２と冷却器３とを接合して構成されており、該パワー半導体モジュール５２のパワー半導体素子１１からの発熱を冷却器３へ放熱して冷却するものである。
以下に本例の冷却装置５１について説明するが、前述の冷却装置１と同様の構成となる部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

前記パワー半導体モジュール５２は、パワー半導体素子１１、上部電極６３、絶縁基板１２、および下部電極６６を積層して構成されており、前記絶縁基板１２の上面に上部電極１３がロウ材２２ｂを介して接合され、前記上部電極６３の上面にパワー半導体素子１１がはんだを介して接合されている。
また、前記下部電極６６はロウ材２２ｂにより絶縁基板１２に接合されており、該下部電極６６の下面には冷却フィン６４・６４・・・がロウ材２２ｂにより接合されている。

このように上部電極６３、下部電極６６、および冷却フィン６４・６４・・・が接合された絶縁基板１２は、前記ロウ材２２ｂにより冷却器３の天板３２に接合されており、該天板３２は前記冷却器本体３１とロウ材２２ｂにより接合されている。
前記絶縁基板１２が天板３２に接合された状態では、前記冷却フィン６４・６４・・・が前記天板３２の開口部３２ａから冷却器本体３１内へ向けて突出している。

本例における前記上部電極１３、下部電極６６、および冷却フィン６４・６４・・・は、前記冷却器本体３１および天板３２と同様に、例えば熱伝導性が高いアルミ材（Ａｌ）にて構成されている。

また、前記冷却フィン６４・６４・・・は、前記冷却フィン１４・１４・・・と同様に、ロールフォーミング等により薄板状部材を凹凸形状に折り畳むように屈曲させて、垂直部６４ａ、底部６４ｂ、および頂部６４ｃを備えた略三角形状に形成されている。
この三角形状の冷却フィン６４・６４・・・においては、前記底部６４ｂが下部電極６６に接合される部分となり、前記頂部６４ｃとその両側の垂直部６４ａとが前記冷却器本体３１内へ侵入して熱を冷却水へ放熱するフィン部分となっている。

このように構成されるパワー半導体モジュールの冷却装置５１は、次のようにして組み立てが行われる。
つまり、図５に示すように、まず、絶縁基板１２の上面および下面にロウ材２２ｂを介して上部電極６３および下部電極６６をそれぞれ配するとともに、前記下部電極６６の下面にロウ材２２ｂを介して冷却フィン６４・６４・・・を配して、該絶縁基板１２に上部電極６３、下部電極６６および冷却フィン６４・６４・・・を組み付けた状態で（Ｓ１１）、前記ロウ材２２ｂを加熱して溶融させ、上部電極６３、下部電極６６および冷却フィン６４・６４・・・をロウ材２２ｂにより絶縁基板１２に接合する（Ｓ１２）。

この場合、前記上部電極６３、下部電極６６および冷却フィン６４・６４・・・はアルミ材にて構成され、前記ロウ材２２ｂはアルミ合金（Ａｌ−Ｓｉ等）にて構成されているため、ロウ付け温度は６００℃程度に設定される。
また、ロウ材２２ｂのロウ付け時の酸化を防止するために真空炉内でのロウ付けが行われる。

なお、前記ステップＳ１２にてロウ付けを行うときには、接合後の下部電極６６内に、前記ロウ材２２ｂに含まれるシリコン（Ｓｉ）が所定の濃度で均一に分散している状態となるような条件でロウ付けを行う。この場合におけるシリコン（Ｓｉ）の分散濃度は、例えば０．２％以下に設定する。
これは、図６に示すように、下部電極６６内におけるシリコン（Ｓｉ）の分散濃度が０．２％以下であると、下部電極６６を構成するアルミ材の融点が６４０℃以上の高い温度となるためであり、後述するステップＳ１４にて下部電極６６と天板３２とをロウ付けする際の加熱により、下部電極６６と絶縁基板１２との接合部における下部電極６６および間のロウ材２２ｂが再溶融し難くなる。

次に、上部電極６３、下部電極６６、および冷却フィン６４・６４・・・が接合された絶縁基板１２を、前記ロウ材２２ｂを介して前記天板３２の嵌合凹部３２ｂに嵌合させて、該絶縁基板１２を天板３２に組み付ける（Ｓ１３）。
この状態では、下部電極６６が前記嵌合凹部３２ｂに当接しており、前記ロウ材２２ｂを加熱して溶融させることで、前記下部電極６６と天板３２とが接合される（Ｓ１４）。この場合、絶縁基板１２と天板３２とは、下部電極６６と天板３２とが密着されるように冶具により加圧固定される。
また、この際同時に、前記冷却器本体３１と天板３２とをロウ材２２ｂにより接合することも可能である。冷却器本体３１と天板３２とを接合する際にも、該冷却器本体３１と天板３２とは、両者が密着されるように冶具により加圧固定される。

この場合、前記天板３２および冷却器本体３１はアルミ材にて構成され、前記ロウ材２２ｂはアルミ合金（Ａｌ−Ｓｉ等）にて構成されているため、ロウ付け温度は６００℃程度に設定される。

ここで、図６に示すように、前述のごとくアルミ材内のシリコン分散濃度が少ないと溶融温度が高くなるが（０．２％以下で６４０℃以上）、アルミ材内にシリコン（Ｓｉ）が偏析してシリコン濃度が高くなると溶融温度が低くなる（例えばアルミ材中のシリコン濃度が１０％程度になると溶融温度は５７７℃程度となる）。
なお、アルミ合金が「Ｓｉ−Ｍｇ」にて構成されている場合も同様である（以下についても同様）。

また、図７に示すように、下部電極６６内にシリコン（Ｓｉ）が低濃度で分散するように絶縁基板１２と下部電極６６とをロウ付けした場合でも、その後にロウ材２２ｂにより下部電極６６にそのまま冷却器３の天板３２をロウ付けすると、下部電極６６と冷却器３との間のロウ材２２ｂが、下部電極６６の外周端面に上ってフィレットを形成する。そして、下部電極６６の外周端面に上ったロウ材２２ｂ内のシリコン（Ｓｉ）が下部電極６６の外周端部および下部電極６６と絶縁基板１２との接合界面に偏析することとなる。
特に、下部電極６６と絶縁基板１２との接合界面は下部電極６６の母材よりも低密度となるためロウ材２２ｂ内のシリコン（Ｓｉ）が侵入し易く偏析することとなる。

このように、下部電極６６と天板３２とを接合する際に、下部電極６６の外周端部および下部電極６６と絶縁基板１２との接合界面に、ロウ材２２ｂ内のシリコン（Ｓｉ）が偏析することで、これらの部分の融点が低くなって再溶融し、下部電極６６と絶縁基板１２との接合端部が剥離する恐れがある。
これは、下部電極６６と冷却フィン６４・６４・・・との接合部についても同様のことがいえる。

そこで、本例のパワー半導体モジュールの冷却装置５１においては、次のようにして、下部電極６６と天板３２との接合時に下部電極６６へのシリコン（Ｓｉ）の偏析の発生を抑え、下部電極６６と絶縁基板１２との接合端部に剥離が生じることを防止している。

つまり、図８に示すように、下部電極６６と天板３２とを接合する前に、絶縁基板１２と下部電極６６との接合端部、および下部電極６６と冷却フィン６４・６４・・・との接合端部に、これらの接合端部がロウ材２２ｂと接触することを防止する、接触防止材６９を塗布するようにしている。
前記接触防止材６９は、前記ロウ材２２ｂを構成するアルミ合金（Ａｌ−Ｓｉ等）と反応しない、ホウ素や酸化チタン等にて構成されている。

このように、アルミ合金と反応しない材質で構成される接触防止材６９を前記接合端部に予め塗布することで、ロウ材２２ｂのロウ付け時に絶縁基板１２と下部電極６６との接合界面、および下部電極６６と冷却フィン６４・６４・・・との接合界面に、溶融したロウ材２２ｂが侵入して下部電極６６等の中へ拡散して偏析することを防止することができる。
これにより、下部電極６６と天板３２との接合を行うときに、絶縁基板１２と下部電極６６との接合部が再溶融して剥離することを防止できる。

また、前記接触防止材６９を塗布することで、ロウ付けを行う際に接合部の酸化膜除去や再酸化防止を行うためのフラックスを下部電極６６と天板３２との接合部分に塗布したとしても、塗布したフラックスが絶縁基板１２と下部電極６６との接合界面、および下部電極６６と冷却フィン６４・６４・・・との接合界面に浸入して、該接合界面へのロウ材２２ｂの侵入を促進することもないので、絶縁基板１２と下部電極６６、および下部電極６６と冷却フィン６４・６４・・・との接合作業を、接合部分にフラックスを塗布して行うことで、大気圧の窒素雰囲気にて行うことが可能となる。
このように大気圧中での接合作業を行うことで、真空炉内で接合作業を行う場合に比べて真空引きの時間やワークの加熱時間を短縮することができ（大気圧中で加熱すると対流伝熱効果により早く加熱できるため）、冷却装置５１の生産性の向上を図ることができる。

パワー半導体モジュールの冷却装置を示す側面断面図である。 冷却フィンを示す側面断面図である。 パワー半導体モジュールの冷却装置の組み付け手順を示す図である。 パワー半導体モジュールの冷却装置の第二の実施形態を示す側面断面図である。 パワー半導体モジュールの冷却装置の第二の実施形態の組み付け手順を示す図である。 アルミ−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）の状態図を示す図である。 下部電極（アルミ板）にシリコンが偏析している様子を示す側面断面図である。 絶縁基板と下部電極との接合端部、および下部電極と冷却フィンとの接合端部に塗布された接触防止材を示す側面断面図である。 従来のパワー半導体モジュールの冷却装置を示す側面断面図である。

符号の説明

１・５１ パワー半導体モジュールの冷却装置
２・５２ パワー半導体モジュール
３ 冷却器
１１ パワー半導体素子
１３・６３ 上部電極
１４・６４ 冷却フィン
１４ａ・６４ａ 垂直部
１４ｂ・６４ｂ 底部
１４ｃ・６４ｃ 頂部
２２ａ・２２ｂ ロウ材
３１ 冷却器本体
３２ 天板
３２ｂ 嵌合凹部
３３ ベント部
６６ 下部電極
６９ 接触防止材

Claims (6)

1. 絶縁基板の一面側に電極板を介して半導体素子が接合された半導体モジュールの他面側を、冷却器の天板に接合して構成される、半導体モジュールの冷却装置であって、
   前記絶縁基板と冷却器の天板とを接合する第二の接合材を、
   前記絶縁基板と電極板とを接合する第一の接合材よりも低い溶融温度を有する部材にて構成する、
   ことを特徴とする半導体モジュールの冷却装置。
2. 前記絶縁基板の一面側の電極板は銅材にて構成され、
   前記冷却器の天板はアルミにて構成され、
   前記第一の接合材は銀と銅とチタンとの合金材にて構成され、
   前記第二の接合材はアルミとシリコンまたはマグネシウムとの合金材にて構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュールの冷却装置。
3. 絶縁基板の一面側に第一の電極板を介して半導体素子が接合された半導体モジュールの他面側を、第二の電極板を介して冷却器の天板に接合して構成される、半導体モジュールの冷却装置であって、
   前記第一の電極板および第二の電極板と前記冷却器の天板とを同質部材にて構成するとともに、前記絶縁基板と第一の電極板および第二の電極板とを接合する接合材ならびに前記第二の電極板と前記天板とを接合する接合材を同質部材にて構成し、
   前記第二の電極板の周縁部に、第二の電極板と天板とを接合する接合材が、少なくとも前記第二の電極板と絶縁基板との接合界面に接触することを防止するための接触防止材が塗布される、
   ことを特徴とする半導体モジュールの冷却装置。
4. 前記第一の電極板および第二の電極板と前記冷却器の天板とはアルミにて構成され、
   前記絶縁基板と第一の電極板および第二の電極板とを接合する接合材ならびに前記第二の電極板と前記天板とを接合する接合材はアルミとシリコンまたはマグネシウムとの合金材にて構成され、
   前記接触防止材はホウ素または酸化チタンにて構成される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュールの冷却装置。
5. 絶縁基板の一面側に第一の電極板を介して半導体素子が接合された半導体モジュールの他面側を、第二の電極板を介して冷却器の天板に接合して構成される、半導体モジュールの冷却装置であって、
   前記第二の電極板と冷却器の天板とを接合する第二の接合材を、
   前記絶縁基板と第一の電極板とを接合する第一の接合材よりも低い接合温度を有する部材にて構成し、
   前記第二の電極板の周縁部に、前記第二の接合材が、少なくとも前記第二の電極板と絶縁基板との接合界面に接触することを防止するための接触防止材が塗布される、
   ことを特徴とする半導体モジュールの冷却装置。
6. 前記第一の電極板は銅材にて構成され、
   前記第二電極板と前記冷却器の天板とはアルミにて構成され、
   前記第一の接合材は銀と銅とチタンとの合金材にて構成され、
   前記第二の接合材はアルミとシリコンまたはマグネシウムとの合金材にて構成され、
   前記接触防止材はホウ素または酸化チタンにて構成される、
   ことを特徴とする請求項５に記載の半導体モジュールの冷却装置。

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