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JP5273101B2 - 半導体モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

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JP5273101B2
JP5273101B2 JP2010143057A JP2010143057A JP5273101B2 JP 5273101 B2 JP5273101 B2 JP 5273101B2 JP 2010143057 A JP2010143057 A JP 2010143057A JP 2010143057 A JP2010143057 A JP 2010143057A JP 5273101 B2 JP5273101 B2 JP 5273101B2
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fin
semiconductor
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semiconductor chip
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裕明 新井
山内　　芳幸
康桜 山崎
尚規 杉本
泰幸 酒井
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Description

本発明は、ヒートスプレッダ（放熱板）による放熱が行われる半導体パワー素子が形成された半導体チップとヒートスプレッダとを樹脂モールドして一体構造とした半導体モジュールに関するもので、例えば、インバータの上アーム（ハイサイド側素子）と下アーム（ローサイド側素子）のいずれかの半導体パワー素子を樹脂モールド部にてモールドした１ｉｎ１構造や、上下アームの二つの半導体パワー素子を一つの樹脂モールド部にてモールドした２ｉｎ１構造等の半導体モジュールに適用すると好適である。
従来より、半導体モジュールでは、半導体パワー素子が形成された半導体チップと半導体チップの放熱を行うためのヒートスプレッダとを樹脂モールドして一体化構造とすることが一般的である。そして、このような半導体モジュールとして、放熱効率をより高めるために、冷却フィンを一体化したヒートスプレッダが用いられている。このような半導体モジュールでは、冷却水などの冷媒が流される冷却機構が備えられ、ヒートスプレッダの冷却フィン側を冷媒流れに接するように配置することで、半導体パワー素子で発した熱が良好に放出されるようにしている。
しかしながら、冷媒に接するようにヒートスプレッダを配置する構造とする場合、ヒートスプレッダからのリークを発生させ、そのために腐食が発生する可能性がある。また、複数並べて配置された半導体チップの放熱用のヒートスプレッダ同士の間が冷媒を通じて導通してしまう可能性もある。このため、ヒートスプレッダの表面に絶縁物を設けることで、ヒートスプレッダからのリークの発生を防止している。冷却フィンを一体化したヒートスプレッダの場合には、冷却フィンの表面に絶縁材を形成することで、ヒートスプレッダからのリークの発生を抑制できる構造としている（特許文献１参照）。
特開２００６−１６５５３４号公報
しかしながら、凹凸のある冷却フィンの表面に信頼性の高い絶縁物を形成することは困難である。すなわち、冷却フィンの表面に絶縁物を形成する方法として、スパッタリング、ＣＶＤ、溶射などの気相成長法を採用することが考えられるが、冷却フィンの隙間に均一に絶縁物を形成することは難しい。このため、ヒートスプレッダからのリークの発生を的確に防止できない可能性がある。
また、一般的に冷却フィンと一体構造のヒートスプレッダは、削り出し、鍛造、押し出し成形などによって形成されるが、これらの加工方法では微細なフィン形状を形成することは困難である。このため、十分な伝熱面積を確保することが難しい。
本発明は上記点に鑑みて、冷却フィンを備えて放熱効率を向上させる構造とする場合に、ヒートスプレッダからのリークの発生を的確に防止でき、かつ、微細なフィン形状にも対応できる構造の半導体モジュールおよびその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体チップ（１１）、第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）、端子（１５〜１７）を樹脂モールド部（２０）にてモールド化したものを１つのユニット（１０）として、該ユニット（１０）を蓋部（４０、４１）にて挟み込み、かつ、ユニット（１０）と蓋部（４０、４１）を固定具（４３）にて固定した半導体モジュールであって、第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）のうち半導体チップ（１１）と反対側の面は平坦面とされ、この平坦面には、当該平坦面を覆う絶縁膜（１３ｂ、１４ｂ、５０）が備えられいると共に、該絶縁膜（１３ｂ、１４ｂ、５０）を介して冷却フィン（１８、１９）が接合されていることを特徴としている。
このように、第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）と冷却フィン（１８、１９）とを別体で構成し、第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）に対して絶縁膜（１３ｂ、１４ｂ、５０）を介して冷却フィン（１８、１９）が接合するようにしている。したがって、平坦面上に絶縁膜（１３ｂ、１４ｂ、５０）を均一に形成できると共に、絶縁膜（１３ｂ、１４ｂ、５０）により、第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）からのリークの発生を防止できる。また、冷却フィン（１８、１９）を第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）とは別々に形成できることから、微細なフィン形状にも対応することが可能となる。
また、請求項１に記載の発明では、ユニット（１０）は複数個備えられ、該複数個のユニット（１０）が積層されることで積層体が構成されていると共に、該積層体の両先端部が蓋部（４０、４１）にて挟まれて固定されており、複数個のユニット（１０）それぞれに備えられた第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）に対して冷却フィン（１８、１９）が接合されていることで、隣り合うユニット（１０）に備えられた冷却フィン（１８、１９）同士が対向配置させられていることを特徴としている。
このように、複数個のユニット（１０）を積層し、隣り合うユニット（１０）に備えられた冷却フィン（１８、１９）同士が対向配置されるようにすることができる。
さらに、請求項１に記載の発明では、冷却フィン（１８、１９）をフィン部（１８ｂ、１９ｂ）が第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）の平坦面に対して垂直方向から見た形状がウェーブ状で、該平坦面に対して垂直かつ互いに直行する２平面での断面形状もウェーブ状とされたウェーブフィンで構成し、隣り合うユニット（１０）に備えられた冷却フィン（１８、１９）のフィン部（１８ｂ、１９ｂ）について、冷却フィン（１８、１９）のうちの一方のウェーブ状のフィン部（１８ｂ、１９ｂ）に対して、冷却フィン（１８、１９）のうちの他方のウェーブ状のフィン部（１８ｂ、１９ｂ）が１８０度位相がずらされたクロスウェーブ形状が形成されるレイアウトとし、フィン部（１８ｂ、１９ｂ）の先端同士の間に所定のクリアランスを設けることを特徴としている。
このように、対向配置される冷却フィン（１８、１９）によってクロスウェーブ形状が形成されるレイアウトとすることで、冷却フィン（１８、１９）を通過する冷媒により多くの乱流を発生させることが可能となる。このため、この乱流によってより冷却フィン（１８、１９）による冷却効率を高めることが可能となる。
請求項２に記載の発明では、樹脂モールド部（２０）には、冷却フィン（１８、１９）と対応する形状であって、冷却フィン（１８、１９）の位置決め用の凹部（２１ａ）が形成されていることを特徴としている。
このように、樹脂モールド部（２０）に凹部（２１ａ）を形成しておくことで、冷却フィン（１８、１９）の位置決めが容易に行えるようになる。したがって、製造工程を簡略化できる半導体モジュールにできる。
例えば、請求項３に記載したように、第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）を、半導体チップ（１１）側に配置される金属板（１３ａ、１４ａ）と、該金属板（１３ａ、１４ａ）に対して半導体チップ（１１）と反対側に配置された絶縁膜（１３ｂ、１４ｂ）と、絶縁膜（１３ｂ、１４ｂ）を挟んで金属板（１３ａ、１４ａ）と反対側に配置された金属膜（１３ｃ、１４ｃ）とを有した構成とすれば、冷却フィン（１８、１９）を金属膜（１３ｃ、１４ｃ）に対して溶接することができる。
また、請求項４に記載したように、第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）を、半導体チップ（１１）側に配置される金属板（１３ａ、１４ａ）と、該金属板（１３ａ、１４ａ）に対して半導体チップ（１１）と反対側に配置された絶縁膜（１３ｂ、１４ｂ）と、絶縁膜（１３ｂ、１４ｂ）を挟んで金属板（１３ａ、１４ａ）と反対側に配置された接着剤（５０）とを有した構成とすれば、接着剤（５０）を導電性接着剤にて構成し、接着剤（５０）にて第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）と冷却フィン（１８、１９）とを接着する構造とすることができる。
このように、溶接以外の手法によって冷却フィン（１８、１９）を第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）に接続することもできる。この場合、導電性接着剤を用いることで、高い熱伝導率を得ることができる。
さらに、請求項５に記載したように、接着剤（５０）によって冷却フィン（１８、１９）を第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）に接着することもできる。この場合、第１、第２ヒートシンク（１３、１４）と冷却フィン（１８、１９）とを同材料で構成すると好ましい。
このように、接着剤（５０）にて第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）と冷却フィン（１８、１９）とを接着する場合、第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）と冷却フィン（１８、１９）とを同材料で構成することで、温度変化時にこれらの間に配置される接着剤（５０）に加わる熱応力を小さくすることができる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
本発明の第１実施形態にかかる半導体モジュール１の断面図である。 図１に示す半導体モジュール１を構成するユニット１０の１つを取り出した図であり、（ａ）はユニット１０の正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。 冷却フィン１８（１９）の正面図および断面図である。 図１に示す半導体モジュール１の製造工程を示した断面図である。 図４に続く半導体モジュール１の製造工程を示した断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる半導体モジュール１に備えられる１つのユニット１０を表した図であり、（ａ）はユニット１０の正面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。 本発明の第３実施形態にかかる半導体モジュール１を構成するユニット１０の１つを取り出した断面図である。 本発明の第４実施形態にかかる半導体モジュール１を構成するユニット１０のうち隣り合うユニット１０の対向する冷却フィン１８、１９を示した図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はレイアウト図である。 本発明の第５実施形態にかかる半導体モジュール１を構成するユニット１０のうち隣り合うユニット１０の対向する冷却フィン１８、１９を示した図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はレイアウト図である。 本発明の第６実施形態にかかる半導体モジュール１を構成するユニット１０のうち隣り合うユニット１０の対向する冷却フィン１８、１９の側面図である。 本発明の第７実施形態にかかる半導体モジュール１を構成するユニット１０のうち隣り合うユニット１０の対向する冷却フィン１８、１９を示した図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）はレイアウト図である。 本発明の第７実施形態にかかる半導体モジュール１を構成するユニット１０のうち隣り合うユニット１０の対向する冷却フィン１８、１９を示した図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）はレイアウト図である。 他の実施形態で説明する凹部２１ａの形状を変更した場合のユニット１０の正面図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる冷却機構を備えた半導体モジュールについて説明する。この半導体モジュールは、例えば車両用の三相モータの駆動を行うためのインバータ等に適用される。
図１は、本実施形態にかかる半導体モジュール１の断面図である。この図に示すように、半導体モジュール１は、例えばインバータを構成する半導体パワー素子などが形成された半導体チップ１１などの各種構成部品を樹脂モールドしたものを１つのユニット１０として、ユニット１０を複数個積層することによって構成されている。
図２は、半導体モジュール１を構成するユニット１０の１つを取り出した図であり、（ａ）はユニット１０の正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。
図２（ａ）〜（ｃ）に示されるように、各ユニット１０は、半導体パワー素子が形成された半導体チップ１１に加えて、金属ブロック１２、ヒートスプレッダ１３、１４、正極リード１５、負極リード１６、制御端子１７等を備え、これらが樹脂モールド部２０によって樹脂モールドされることで一体化された構造とされている。また、各ユニット１０には、冷却フィン１８、１９が備えられており、この冷却フィン１８、１９によって、より高い放熱効率が得られるようにしている。なお、ここでは各ユニット１０に、半導体パワー素子が形成された半導体チップ１１を１つのみ備えた１ｉｎ１構造について説明するが、半導体チップ１１を２つ備える２ｉｎ１構造、半導体チップ１１を３つ備える３ｉｎ１構造など、他の構造についても１ユニットとすることができる。例えば、インバータの場合、２ｉｎ１構造としては上下アームを構成する２つの半導体チップ１１をモールドして一体構造とする場合が想定され、３ｉｎ１構造としては三相分の上アームもしくは下アームを構成する３つの半導体チップ１１をモールドして一体構造とする場合が想定される。
半導体チップ１１には、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどの半導体パワー素子が形成されている。例えば、半導体モジュール１が三相モータ駆動用のインバータに適用される場合、上アームもしくは下アームのいずれか一方を構成する半導体パワー素子とフリーホイールダイオード（以下、ＦＷＤという）とが１チップ化されたものが半導体チップ１１とされる。本実施形態では、半導体パワー素子を基板厚み方向に電流を流す縦型の半導体素子としており、半導体チップ１１の表面側や裏面側には、各種パッドが形成された構造とされている。具体的には、半導体チップ１１の表面側には、半導体パワー素子のゲート等に接続されるパッドが形成されていると共に、半導体パワー素子のエミッタに接続されるパッドが形成され、裏面側は、裏面全面が半導体パワー素子のコレクタに繋がるパッドとされている。
なお、図２では半導体チップ１１を１チップ化した構造として図示してあるが、半導体パワー素子とＦＷＤとが別々のチップに形成されているような構造であっても良い。また、半導体チップ１１に基板横方向に電流を流す横型の半導体パワー素子が形成された構造であっても構わない。
金属ブロック１２は、熱伝達率の高い金属で構成され、例えば銅やアルミニウム等によって構成される。この金属ブロック１２は、半導体チップ１１の表面側に形成された半導体パワー素子のエミッタに接続されるパッド上にはんだ等を介して電気的および物理的に接続されている。この金属ブロック１２が半導体チップ１１の表面側に備えられることにより、半導体チップ１１の表面からヒートスプレッダ１４までの距離が所定間隔空けられている。
ヒートスプレッダ１３、１４は、半導体チップ１１から伝えられる熱を広範囲に拡散させて放出する放熱板として機能する。一方のヒートスプレッダ１３は、半導体チップ１１の裏面側のパッドに物理的にだけでなく電気的にも接続されることで、放熱板としての機能に加えて、半導体パワー素子のコレクタに接続される配線としても機能している。また、他方のヒートスプレッダ１４は、金属ブロック１２に対して電気的および物理的に接続されることで、放熱板としての機能に加えて、半導体パワー素子のエミッタに接続される配線としても機能している。これらヒートスプレッダ１３、１４のうち半導体チップ１１と反対側の面は、樹脂モールド部２０から露出させられている。この露出させられている面に冷却フィン１８、１９が貼り付けられることで、冷却フィン１８、１９を介して冷却水による冷却が行える構成とされている。
また、ヒートスプレッダ１３、１４は、ヒートスプレッダ１３、１４からのリーク、特に隣り合うユニット１０同士のヒートスプレッダ１３、１４の間が冷却水を介して導通してしまわないような絶縁構造を有し、かつ、冷却フィン１８、１９の接合が行える構造とされている。具体的には、ヒートスプレッダ１３、１４は、金属板１３ａ、１４ａと絶縁膜１３ｂ、１４ｂおよび金属膜１３ｃ、１４ｃによって構成されている。
金属板１３ａ、１４ａは、主に放熱板および電流経路として機能する部分であり、例えば所定厚さの四角形の部材で構成され、熱伝達率が高く、導電率も高い銅などの金属で構成されている。絶縁膜１３ｂ、１４ｂは、金属板１３ａ、１４ａのうち半導体チップ１１と反対側の表面に形成されている。絶縁膜１３ｂ、１４ｂは、アルミナなどの絶縁材料で構成され、例えばスパッタリング、ＣＶＤ、溶射などの気相成長法によって形成されておいる。金属板１３ａ、１４ａのうち絶縁膜１３ｂ、１４ｂが形成される面が平坦面となっているため、絶縁膜１３ｂ、１４ｂの膜厚は、ほぼ均一になっている。金属膜１３ｃ、１４ｃは、冷却フィン１８、１９と同材料の金属もしくは接合性の良い金属で構成され、例えばアルミニウムなどで構成されている。金属膜１３ｃ、１４ｃの膜厚は、後述する理由を考慮して、各構成要素を積層したときに発生するヒートスプレッダ１３、１４の傾斜、換言すれば高さのバラツキを見込んだ厚みとされている。
このように、ヒートスプレッダ１３、１４のうち半導体チップ１１に電気的に接続される金属板１３ａ、１４ａよりも冷却水側に絶縁膜１３ｂ、１４ｂを備えていることから、この絶縁膜１３ｂ、１４ｂによって冷却水との絶縁が図られている。このため、ヒートスプレッダ１３、１４が冷却水に接することによるリークの発生を抑制することができる。
正極リード１５は、半導体チップ１１の正極端子を構成するものである。この正極リード１５は、ヒートスプレッダ１３に対して一体成形もしくははんだや溶接等によって接合され、ヒートスプレッダ１３を介して半導体チップ１１の裏面側に備えられた半導体パワー素子のコレクタに繋がるパッドに電気的に接続されている。また、正極リード１５におけるヒートスプレッダ１３に接合された端部と反対側の端部は、樹脂モールド部２０から露出させられており、この露出部分を通じて外部との接続が行えるように構成されている。
負極リード１６は、半導体チップ１１の負極端子を構成するものである。この負極リード１６は、ヒートスプレッダ１４に対して一体成形もしくははんだや溶接等によって接合され、ヒートスプレッダ１４を介して半導体チップ１１の表面側に備えられた半導体パワー素子のエミッタに繋がるパッドに電気的に接続されている。また、負極リード１６におけるヒートスプレッダ１４に接合された端部と反対側の端部は、樹脂モールド部２０から露出させられており、この露出部分を通じて外部との接続が行えるように構成されている。
制御端子１７は、半導体パワー素子のゲート配線や半導体パワー素子に流れる電流のセンス、半導体チップ１１の温度のセンス等に用いられるもので、半導体チップ１１の表面側に形成された半導体パワー素子のゲート等に接続されるパッドにボンディングワイヤ１７ａを介して電気的に接続されている。制御端子１７における半導体チップ１１と接続される端部と反対側の端部は、樹脂モールド部２０から露出させられており、この露出部分を通じて外部との接続が行えるように構成されている。なお、半導体チップ１１の表面とヒートスプレッダ１４との間が金属ブロック１２によって所定間隔空けられていることから、ボンディングワイヤ１７ａはヒートスプレッダ１４と干渉することなく、良好に半導体チップ１１と制御端子１７との電気的接続が行えるようになっている。
冷却フィン１８、１９は、ヒートスプレッダ１３、１４の露出している面、つまり金属膜１３ｃ、１４ｃの表面に超音波溶接にて接合されている。冷却フィン１８、１９としては、どのようなタイプのものであっても構わないが、本実施形態では、ウェーブフィンとしている。図３は、冷却フィン１８の正面図および断面図である。なお、ここでは冷却フィン１８について図示したが、冷却フィン１９についても同様の形状とされているため、図３中に括弧付きで冷却フィン１９の対応場所の符号を付しておく。
この図に示されるように、冷却フィン１８（１９）は、平坦面１８ａ（１９ａ）に対してウェーブ形状に突出させたフィン部１８ｂ（１９ｂ）を有した構造とされ、フィン部１８ｂ（１９ｂ）において放熱面積が拡大されることで、放熱効率が高まるようにされている。冷却フィン１８（１９）の材質は、ヒートスプレッダ１３、１４に備えられた金属膜１３ｃ、１４ｃと同材料の金属もしくは接合性の良い金属で構成され、例えばアルミニウムなどで構成されている。
樹脂モールド部２０は、上述したユニット１０内に備えられる各構成部品（半導体チップ１１、金属ブロック１２、ヒートスプレッダ１３、１４、正極リード１５、負極リード１６および制御端子１７）の接続を終えたものを成形型内に設置したのち、その成形型内に樹脂を注入してモールド化することで構成される。具体的には、樹脂モールド部２０は、各構成部品を熱硬化性樹脂でモールド化した熱硬化性樹脂モールド部２１と、熱硬化性樹脂モールド部２１の外縁を囲むように熱可塑性樹脂でモールド化した熱可塑性樹脂モールド部２２とによって構成されている。
熱硬化性樹脂モールド部２１は、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂にて構成されており、上述した各構成部品を覆いつつ、正極リード１５や負極リード１６および制御端子１７の一端側を露出させ、かつ、ヒートスプレッダ１３、１４の一面側を露出させるように構成されている。そして、樹脂モールド部２０のうち、この熱硬化性樹脂モールド部２１のみによって各構成部品の防水が行えるようになっている。また、熱硬化性樹脂モールド部２１は、一方向が長手方向となる長方板状とされ、その長辺を構成する一側面から正極リード１５および負極リード１６が引き出されており、その長辺と対向する長辺を構成する一側面から制御端子１７が引き出されている。ここで、各構成部品を熱硬化性樹脂モールド部２１によって覆った部分をパワーカードと呼び、このパワーカードの部分のみでもリユースが可能な構成とされている。
一方、熱可塑性樹脂モールド部２２は、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂等の熱硬化性樹脂にて構成されており、熱硬化性樹脂モールド部２１の外縁を覆いつつ、各構成部品のうち熱硬化性樹脂モールド部２１から露出させられている部分、すなわち正極リード１５や負極リード１６および制御端子１７の一端側やヒートスプレッダ１３、１４の一面側を露出させている。熱可塑性樹脂モールド部２２は枠状に形成され、熱可塑性樹脂モールド部２２の内側を窓部２２ａ、２２ｂとして、各窓部２２ａ、２２ｂを通じてヒートスプレッダ１３、１４が露出させられている。
また、熱可塑性樹脂モールド部２２は、半導体モジュール１の冷却機構を構成する冷媒通路としての水路３０（図１参照）の一部を構成している。具体的には、本実施形態の熱可塑性樹脂モールド部２２も、熱硬化性樹脂モールド部２１の長手方向と同方向を長手方向とする長円形板状部材にて構成されている。熱可塑性樹脂モールド部２２には、熱硬化性樹脂モールド部２１の長手方向両端よりも外側に突き出している部分に形成された主水路を構成する通路穴２２ｃと、熱可塑性樹脂モールド部２２の両面において外縁部よりも凹ませた凹部２２ｄとが形成されている。これら通路穴２２ｃや凹部２２ｄが水路３０の一部を構成しており、複数のユニット１０を積層したときに各通路穴２２ｃと凹部２２ｄとを含む水路３０が構成されるようになっている。
さらに、熱可塑性樹脂モールド部２２には、凹部２２ｄを囲むように形成されたシール部材セット用の溝部２２ｅが形成されている。この溝部２２ｅには後述するＯリング４２（図１参照）が嵌め込まれる。そして、複数のユニット１０を積層したときに、Ｏリング４２によりユニット１０同士の間のシールが為され、水路３０に流される冷媒としての冷却水が樹脂モールド部２０の外部に漏れることを防止している。このような構造により、各ユニット１０が構成されている。
さらに、半導体モジュール１には、図１に示すように蓋部４０、パイプ付蓋部４１、Ｏリング４２および固定具４３が備えられている。
蓋部４０およびパイプ付蓋部４１は、上記のように構成されたユニット１０を複数個積層したときの両先端部にそれぞれ配置されるものである。蓋部４０は、各ユニット１０の樹脂モールド部２０と対応する形状の板状部材で構成されている。蓋部４０を複数個積層したユニット１０の積層体の一方の先端部に配置したときに、蓋部４０とユニット１０との間には、凹部２２ｄによる隙間が形成されるようになっている。一方、パイプ付蓋部４１は、各ユニット１０の樹脂モールド部２０と対応する形状の板状部材に対して２本のパイプ４１ａ、４１ｂを備えた構成とされている。２本のパイプ４１ａ、４１ｂの一方は冷却水の入口、他方は冷却水の出口とされ、それぞれ各ユニット１０に形成された通路穴２２ｃと対応する位置に配置されている。また、パイプ付蓋部４１のうちユニット１０側の面には、シール部材セット用の溝部４１ｃが形成されている。
Ｏリング４２は、各ユニット１０に形成されたシール部材セット用の溝部２２ｅやパイプ付蓋部４１に形成されたシール部材セット用の溝部４１ｃ内に嵌め込まれ、積層された各ユニット１０の間やユニット１０と蓋部４０およびパイプ付蓋部４１の間をシールする。
固定具４３は、溝部２２ｅおよび溝部４１ｃ内にＯリング４２を嵌め込みつつ、積層した複数個のユニット１０の両先端部に蓋部４０およびパイプ付蓋部４１を配置したのち、蓋部４０およびパイプ付蓋部４１の両側から挟み込むことで固定するものである。この固定具４３によって固定されることで、パイプ４１ａ、４１ｂおよび各ユニット１０に形成した通路穴２２ｃおよび凹部２２ｄによる水路３０が構成された半導体モジュール１が構成されている。この固定具４３は着脱可能に構成されており、固定具４３を取り外すことにより、各ユニット１０や蓋部４０およびパイプ付蓋部４１が分解できるようになっている。本実施形態では、固定具４３は、両端がフックとされており、両端のフックの間の間隔が蓋部４０と複数個のユニット１０およびパイプ付蓋部４１を積層したときの幅よりも狭くされ、両フックの弾性力によって固定できるようになっている。なお、ここでは固定具４３を両端にフックを設けた構造としたが、勿論、固定具４３をネジ締め固定できるような構造としても構わない。
以上のような構造により、本実施形態にかかる半導体モジュール１が構成されている。このような構成の半導体モジュール１は、各ユニット１０の間やユニット１０と蓋部４０およびパイプ付蓋部４１の間がＯリング４２によってシールされているため、水路３０からの冷却水漏れを防止しつつ、冷却水による高い冷却効果により各ユニット１０に備えられた半導体チップ１１を冷却することができる。特に、ヒートスプレッダ１３、１４の表面に冷却フィン１８、１９を備えているいることから、より放熱面積を増大させることができ、さらに高い冷却効果を得ることが可能となる。
具体的には、図１に示すように、パイプ４１ａおよび各ユニット１０に形成された２つの通路穴２２ｃのうちの一方にて一方の主水路３１が構成されると共に、各ユニット１０に形成された２つの通路穴２２ｃのうちの他方およびパイプ４１ｂにて構成されるもう一方の主水路３２が構成される。また、各ユニット１０の凹部２２ｄにて分岐水路３３が構成される。このため、図１中に矢印で示したように、パイプ４１ａから供給された冷却水が一方の主水路３１を通じて各ユニット１０に行き渡った後、分岐水路３３を通じてもう一方の主水路３２側に移動し、さらにその主水路３２からパイプ４１ｂを通じて排出される。このとき、各ユニット１０に備えられたヒートスプレッダ１３、１４および冷却フィン１８、１９が冷却水に接して冷却されるため、半導体チップ１１で発した熱を効果的に放出することが可能となる。
次に、上記のように構成される半導体モジュール１の製造方法について説明する。図４および図５は、図１に示す半導体モジュール１の製造工程を示した断面図である。これらの図を参照して、半導体モジュール１の製造方法を説明する。
〔図４（ａ）の工程〕
まず、正極リード１５や負極リード１６および制御端子１７が一体化されたリードフレーム付きヒートスプレッダ１３の表面側に、はんだ等を介してＩＧＢＴやＦＷＤなどの半導体パワー素子が形成された半導体チップ１１を実装したのち、半導体チップ１１の表面に形成された半導体パワー素子のゲート等に繋がるパッドと制御端子１７とをボンディングワイヤ１７ａにて接続する。続いて、金属ブロック１２や負極リード１６の表面にはんだ等を設置した後、その上にリードフレーム付きヒートスプレッダ１４を配置し、金属ブロック１２とヒートスプレッダ１４とを接合する。
〔図４（ｂ）の工程〕
各部が接続された各構成部品をトランスファー成形機などの成形型内に配置したのち、成形型内にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を注入し、熱硬化性樹脂モールド部２１を形成する。これにより、パワーカードが構成される。このとき、ヒートスプレッダ１３、１４のうち半導体チップ１１と反対側の面が最初から露出した状態となるような成形を行っても良いが、ここではヒートスプレッダ１４の当該面まで熱硬化性樹脂モールド部２１にて覆われるようにしている。
すなわち、ヒートスプレッダ１３、１４の面内において、半導体チップ１１や金属ブロック１２およびヒートスプレッダ１３、１４等の部品の寸法公差や組付け公差により、各構成要素を積層したとき傾きが生じる。このため、ヒートスプレッダ１３、１４が平行にはならず傾斜してしまい、成形型によってヒートスプレッダ１３、１４を上下から加圧するような樹脂成形を行うと加圧力がヒートスプレッダ１４に対し、片当りとなり、局所的に大きな応力を発生させて半導体チップ１１やはんだにダメージを与える可能性がある。これを回避するために、ここではヒートスプレッダ１４を露出させずに熱硬化性樹脂モールド部２１にて覆われるようにしている。
〔図４（ｃ）の工程〕
切削もしくは研削などによる平坦加工装置を用意し、これによってヒートスプレッダ１４の表面を覆っている熱硬化性樹脂モールド部２１の一部を除去し、ヒートスプレッダ１４を露出させる。このとき、半導体チップ１１などの各構成要素を積層したときのトータルの高さのバラツキによってヒートスプレッダ１３、１４が傾斜した状態になっているため、その傾斜に応じた分、ヒートスプレッダ１３、１４の露出面も除去されることになる。これを考慮して、ヒートスプレッダ１３、１４のうちの金属膜１３ｃ、１４ｃが除去されて薄くなったとしても、金属膜１３ｃ、１４ｃが絶縁膜１３ｂ、１４ｂの表面全面に残るように、金属膜１３ｃ、１４ｃの膜厚を設定してある。
つまり、冷却フィン１８、１９をヒートスプレッダ１３、１４に溶接によって接合するためには、金属膜１３ｃ、１４ｃが絶縁膜１３ｂ、１４ｂの表面全面に残っている必要がある。このため、各構成要素を積層したときに発生するヒートスプレッダ１３、１４の傾斜を見込んで、その傾斜により発生し得る高さバラツキの最大値よりも金属膜１３ｃ、１４ｃの膜厚が大きくなるように設定することで、金属膜１３ｃ、１４ｃが絶縁膜１３ｂ、１４ｂの表面全面に残るようにしている。なお、以下で説明する図４（ｄ）、図４（ｅ）、図５（ａ）〜（ｃ）についても、各ヒートスプレッダ１３、１４は金属板１３ａ、１４ａと絶縁膜１３ｂ、１４ｂおよび金属膜１３ｃ、１４ｃの三層構造とされているが、図を見易くするためにためにヒートスプレッダ１３、１４を簡略化して示してある。
〔図４（ｄ）の工程〕
熱硬化性樹脂モールド部２１によって各構成部品をモールド化したパワーカードをさらに別の成形型内に配置したのち、成形型内にポリフェニレンサルファイド樹脂等の熱可塑性樹脂を注入し、熱可塑性樹脂モールド部２２を形成する。
〔図４（ｅ）の工程〕
熱硬化性樹脂モールド部２１から露出させられているヒートスプレッダ１３、１４の表面に冷却フィン１８、１９を接合する。本実施形態では、これらの接合を超音波溶接によって行っている。この超音波溶接の方法について説明する。
まず、図４（ｄ）の工程まで経たワークの下面（ヒートスプレッダ１３側の面）を超音波溶接機のステージに固定する。次に、放熱フィン１９をワークの上面（ヒートスプレッダ１４側の面）の上にセットする。そして、放熱フィン１９と対応する先端形状を持つツールと放熱フィン１９との位置合わせを行うことで、放熱フィン１９とツールの設定が完了する。その後、一般的な超音波溶接と同様、ツールに対して荷重を掛けることで放熱フィン１９をヒートスプレッダ１４側に押し付けるように荷重を掛けながら超音波溶接を行うことで、ヒートスプレッダ１４の露出面側の金属膜１４ｃと放熱フィン１９とを溶接する。
今度は、ワークを取り出したのち、ワークの上面を超音波溶接機のステージに固定し、上記と同様の手法によってヒートスプレッダ１３の露出面側の金属膜１３ｃと放熱フィン１８とを溶接する。このとき、先に溶接しておいた放熱フィン１９が外れないように、ワークをステージに固定することが必要である。これにより、ユニット１０が形成される。
〔図５（ａ）の工程〕
図４（ｅ）の工程まで実施したユニット１０を複数個（本実施形態の場合には３個）用意し、各ユニット１０における熱可塑性樹脂モールド部２２の溝部２２ｅ内にＯリング４２を嵌め込む。そして、ユニット１０を複数個（図１中では３個）積層する。
〔図５（ｂ）の工程〕
蓋部４０およびパイプ付蓋部４１を用意し、パイプ付蓋部４１に形成されたシール部材セット用の溝部４１ｃにＯリング４２を嵌め込む。そして、積層した複数のユニット１０の積層方向の一方の先端部に蓋部４０を配置すると共に、他方の先端部にパイプ付蓋部４１を配置する。
〔図５（ｃ）の工程〕
蓋部４０と複数のユニット１０およびパイプ付蓋部４１を積層したものを固定具４３にて固定する。これにより、図１に示した本実施形態の半導体モジュール１が完成する。
以上説明したように、本実施形態の半導体モジュール１では、ヒートスプレッダ１３、１４と冷却フィン１８、１９とを別体で構成し、ヒートスプレッダ１３、１４を金属板１３ａ、１４ａと絶縁膜１３ｂ、１４ｂおよび金属膜１３ｃ、１４ｃで構成して、冷却フィン１８、１９を後付けする構造としている。したがって、各ヒートスプレッダ１３、１４に備えた絶縁膜１３ｂ、１４ｂにより、ヒートスプレッダ１３、１４からのリークが発生することを防止できると共に、冷却フィン１８、１９をヒートスプレッダ１３、１４とは別々に形成できることから、微細なフィン形状にも対応することが可能となる。
また、従来のように、冷却フィンがヒートスプレッダと一体構造とされている場合、樹脂成形時に冷却フィンの間にモールド樹脂が入り込まないようにするために、冷却フィンが入り込む穴を有した成形型を用いなければならない。このような成形型を用いた場合、冷却フィンと冷却フィンが入り込む穴との位置決めが困難であると同時に、フィン部の穴への抜き差し時に冷却フィンが変形、破損、汚染されるという問題が発生する。また、フィン高さが揃っていないと製造工程途中においてワークが傾き、半導体チップ実装時の位置決めが困難にもなる。
したがって、本実施形態のように、冷却フィン１８、１９をヒートスプレッダ１３、１４と別体構造とすることで、冷却フィン１８、１９が無い状態で樹脂モールド部２１の樹脂成形を行うことができるため、製造工程の簡略化を図ることができると共に、冷却フィン１８、１９が変形、破損、汚染されることを防止することができる。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して冷却フィン１８、１９の位置決めが行える構造を追加したものであり、その他の部分については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図６は、本実施形態にかかる半導体モジュール１を構成するユニット１０の１つを取り出した図であり、（ａ）はユニット１０の正面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。
この図に示したように、本実施形態では、熱硬化性樹脂モールド部２１に位置決め用の凹部２１ａを備えた構造としている。凹部２１ａは、熱硬化性樹脂モールド部２１のうちヒートスプレッダ１３、１４を囲むように、換言すれば凹部２１ａの側面がヒートスプレッダと１３、１４の側面と対向するように形成されている。そして、凹部２１ａは冷却フィン１８、１９よりも一回り大きな寸法で形成されており、凹部２１ａ内に冷却フィン１８、１９に配置すると、冷却フィン１８、１９の位置決めが行えるようになっている。
このように、熱硬化性樹脂モールド部２１に凹部２１ａを形成しておくことで、冷却フィン１８、１９の位置決めが容易に行えるようになり、より製造工程の簡略化を可能とすることができる。
なお、ここでは熱硬化性樹脂モールド部２１に凹部２１ａを形成するようにしたが、熱可塑性樹脂モールド部２２と熱硬化性樹脂モールド部２１との境界部が同一平面とならないようにし、熱可塑性樹脂モールド部２２の窓部２２ａ、２２ｂが段差形状となるようにすることで、窓部２２ａ、２２ｂを位置決め用の凹部としても良い。
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して冷却フィン１８、１９の接合方法を変更したものであり、その他の部分については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図７は、本実施形態にかかる半導体モジュール１を構成するユニット１０の１つを取り出した断面図である。この図は、図２（ａ）のＡ−Ａ’断面に相当する断面図である。
この図に示したように、本実施形態では、接着剤５０を用いて、ヒートスプレッダ１３、１４に対して冷却フィン１８、１９を接合している。接着剤５０としては、導体が含まれている導電性ペーストや導電性シートのように、両面に接着力を発揮でき、かつ、熱伝導率が高いものを用いている。具体的には、第１実施形態で説明した図４（ｄ）の工程まで経たワークに対して、ヒートスプレッダ１３、１４の表面に接着剤５０を塗布し、その接着剤５０に冷却フィン１８、１９を貼り付けることにより図７に示す構造を実現している。
このように、冷却フィン１８、１９を溶接以外の手法によってヒートスプレッダ１３、１４に接続するようにしても良い。
なお、冷却フィン１８、１９とヒートスプレッダ１３、１４との材料が異なっていると、温度変化時にこれらの間に配置される接着剤５０に熱応力が加わることになる。このため、熱応力を小さくするために、冷却フィン１８、１９とヒートスプレッダ１３、１４とが同材料で構成されるようにすると好ましい。また、本実施形態のように、接着剤５０によって冷却フィン１８、１９をヒートスプレッダ１３、１４に貼り付ける場合、超音波溶接を行うわけではないため、ヒートスプレッダ１３、１４に金属膜１３ｃ、１４ｃを備えることは必須ではない。さらに、接着剤５０を絶縁性接着剤とする場合、ヒートスプレッダ１３と冷却フィン１８、１９との間が接着剤５０によって絶縁できることになる。このため、このような場合には、ヒートスプレッダ１３、１４に絶縁膜１３ｂ、１４ｂを備えることも必要なくなる。
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して冷却フィン１８、１９のフィン部１８ｂ、１９ｂのレイアウトを変更したものであり、その他の部分については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図８（ａ）、（ｂ）は、本実施形態にかかる半導体モジュール１を構成するユニット１０のうち隣り合うユニット１０の対向する冷却フィン１８、１９を示した図であり、図８（ａ）は側面図、図８（ｂ）はレイアウト図である。具体的には、図８（ａ）は図１の紙面右方向から分岐通路３３側を見た場合の冷却フィン１８、１９の様子、図８（ｂ）は図１の紙面上方から見たときの冷却フィン１８、１９のレイアウトに相当している。
図８（ａ）、（ｂ）に示すように、隣り合うユニット１０に備えられている対向する冷却フィン１８、１９について、冷却フィン１８、１９のウェーブ状のフィン部１８ｂ、１９ｂ同士が対向するように配置されている。そして、冷却フィン１８のフィン部１８ｂの構成するウェーブに対して、冷却フィン１９のフィン部１９ｂの構成するウェーブが１８０度位相をずらした関係となるようなクロスウェーブ形状となるようにしている。そして、各冷却フィン１８、１９の対向するフィン部１８ｂ、１９ｂの先端同士の間には所定のクリアランスが設けられており、冷却フィン１８、１９同士が接しないようにされている。
このよう、冷却フィン１８、１９によってクロスウェーブ形状が形成されるレイアウトとすることで、冷却フィン１８、１９を通過する冷却水により多くの乱流を発生させることが可能となる。このため、この乱流によってより冷却フィン１８、１９による冷却効率を高めることが可能となる。
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して冷却フィン１８、１９をストレートフィンにしたものであり、その他の部分については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図９（ａ）、（ｂ）は、本実施形態にかかる半導体モジュール１を構成するユニット１０のうち隣り合うユニット１０の対向する冷却フィン１８、１９を示した図であり、図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は側面図である。図９（ｂ）は図１の紙面右方向から分岐通路３３側を見た場合の冷却フィン１８、１９の様子に相当している。
図９（ａ）に示すように、冷却フィン１８、１９をフィン部１８ｂ、１９ｂが直線状に突出したストレートフィンとすることもできる。このように、冷却フィン１８、１９をストレートフィンとする場合には、図９（ｂ）に示すように、隣り合うユニット１０に備えられている対向する冷却フィン１８、１９について、冷却フィン１８、１９の突出したフィン部１８ｂ、１９ｂの先端部同士が対向するような配置としている。そして、各冷却フィン１８、１９の対向するフィン部１８ｂ、１９ｂの先端同士の間には所定のクリアランスが設けられており、冷却フィン１８、１９同士が接しないようにされている。このように、冷却フィン１８、１９をストレートフィンにて構成することもできる。
（第６実施形態）
本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態は、第５実施形態のように冷却フィン１８、１９をストレートフィンにした場合において、フィン部１８ｂ、１９ｂの配置関係やフィン部１８ｂ、１９ｂの高さを変更したものであり、その他の部分については第５実施形態と同様であるため、第５実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図１０は、本実施形態にかかる半導体モジュール１を構成するユニット１０のうち隣り合うユニット１０の対向する冷却フィン１８、１９の側面図である。この図は図１の紙面右方向から分岐通路３３側を見た場合の冷却フィン１８、１９の様子に相当している。
図１０に示すように、本実施形態では、第５実施形態と比較して、冷却フィン１８、１９のフィン部１８ｂ、１９ｂの高さ（突出量）を長くしている。また、隣り合うユニット１０に備えられている対向する冷却フィン１８、１９について、冷却フィン１８、１９のフィン部１８ｂ、１９ｂ同士が重ならないように配置し、冷却フィン１８、１９のフィン部１８ｂ、１９ｂの先端部同士が対向するもう一方の冷却フィン１８、１９のフィン部１８ｂ、１９ｂが形成されていない凹んでいる箇所に入り込むようにしている。また、このような構成においても、各冷却フィン１８、１９のフィン部１８ｂ、１９ｂの先端が他方の冷却フィン１８、１９に接しないようにクリアランスが設けられている。
このように、対向する冷却フィン１８、１９のフィン部１８ｂ、１９ｂが互いのフィン部１８ｂ、１９ｂ以外の凹んだ部分に入り込むような構成とすることもできる。このような構成とすれば、より冷却水に乱流を発生させることが可能となり、さらに冷却効果を高めることが可能となる。
（第７実施形態）
本発明の第７実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して冷却フィン１８、１９をピンフィンにしたものであり、その他の部分については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図１１（ａ）、（ｂ）は、本実施形態にかかる半導体モジュール１を構成するユニット１０のうち隣り合うユニット１０の対向する冷却フィン１８、１９を示した図であり、図１１（ａ）は側面図、図１１（ｂ）はレイアウト図である。具体的には、図１１（ａ）は図１１（ｂ）のＥ−Ｅ’矢視断面図、図１１（ｂ）は図１の紙面上方から見たときの冷却フィン１８、１９のレイアウトに相当している。なお、図１１（ｂ）では、冷却フィン１８のフィン部１８ｂは白丸、冷却フィン１９のフィン部１９ｂは黒丸で示してある。
図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、冷却フィン１８、１９をピン形状のフィン部１８ｂ、１９ｂが複数本備えられたピンフィンとしている。図１１（ｂ）に示すように、冷却フィン１８、１９のフィン部１８ｂ、１９ｂを構成する各ピンが千鳥状に配置されたレイアウトとし、かつ、冷却フィン１８のフィン部１８ｂを構成する各ピンと冷却フィン１９のフィン部１９ｂを構成する各ピンが一列ずつ、交互に配置されたレイアウトとしている。また、図１１（ａ）に示すように、隣り合うユニット１０に備えられている対向する冷却フィン１８、１９について、冷却フィン１８、１９のフィン部１８ｂ、１９ｂ同士が重ならないように配置し、冷却フィン１８、１９のフィン部１８ｂ、１９ｂの先端部同士が対向するもう一方の冷却フィン１８、１９のフィン部１８ｂ、１９ｂが形成されていない凹んでいる箇所に入り込むようにしている。そして、各冷却フィン１８、１９のフィン部１８ｂ、１９ｂの先端が他方の冷却フィン１８、１９に接しないようにクリアランスが設けられている。
このように、冷却フィン１８、１９をピンフィンとし、互いのフィン部１８ｂ、１９ｂを構成する各ピン同士がフィン部１８ｂ、１９ｂが形成されていない凹んでいる箇所に入り込むようにすることで、冷却フィン１８、１９を通過する冷却水により多くの乱流を発生させることが可能となる。このため、この乱流によってより冷却フィン１８、１９による冷却効率を高めることが可能となる。
（第８実施形態）
本発明の第８実施形態について説明する。本実施形態は、第７実施形態のように冷却フィン１８、１９をピンフィンにした場合において、フィン部１８ｂ、１９ｂのレイアウトを変更したものであり、その他の部分については第７実施形態と同様であるため、第７実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図１２（ａ）、（ｂ）は、本実施形態にかかる半導体モジュール１を構成するユニット１０のうち隣り合うユニット１０の対向する冷却フィン１８、１９を示した図であり、図１２（ａ）は側面図、図１２（ｂ）はレイアウト図である。具体的には、図１２（ａ）は図１２（ｂ）のＦ−Ｆ’矢視断面図、図１２（ｂ）は図１の紙面上方から見たときの冷却フィン１８、１９のレイアウトに相当している。なお、図１２（ｂ）では、冷却フィン１８のフィン部１８ｂは白丸、冷却フィン１９のフィン部１９ｂは黒丸で示してある。
図１２（ｂ）に示すように、本実施形態でも冷却フィン１８、１９のフィン部１８ｂ、１９ｂを構成する各ピンが千鳥状に配置されるようにしているが、冷却フィン１８のフィン部１８ｂを構成する各ピンと冷却フィン１９のフィン部１９ｂを構成する各ピンが一列ずつではなく二列ずつ、交互に配置されたレイアウトとしている。
冷却フィン１８、１９のフィン部１８ｂ、１９ｂを構成する各ピンを千鳥状に配置する場合、基本的には冷却水がいずれかのピンによって流れが遮られ、乱流を発生させることになる。しかしながら、第７実施形態のように冷却フィン１８のフィン部１８ｂを構成する各ピンと冷却フィン１９のフィン部１９ｂを構成する各ピンを一列ずつ、交互に配置されたレイアウトにすると、各冷却フィン１８、１９のフィン部１８ｂ、１９ｂを構成する各ピンの先端ともう一方の冷却フィン１８、１９の平坦面１８ａ、１９ａとの間に形成されるクリアランスを通じて冷却水が冷却フィン１８、１９を通り抜けてしまう可能性がある。つまり、同じ直線上に並ぶピンが冷却フィン１８のものだけ、もしくは冷却フィン１９のものだけとなり、その直線上において、ピンが配置されている箇所でも常にクリアランス分の隙間が設けられた状態になる。このため、冷却水の流れが遮られる箇所がなくなり、乱流をあまり発生させることなく冷却水が冷却フィン１８、１９を通り抜けてしまうのである。
これに対して、本実施形態のように、冷却フィン１８のフィン部１８ｂを構成する各ピンと冷却フィン１９のフィン部１９ｂを構成する各ピンを二列ずつ、交互に配置されたレイアウトとしている。このため、同じ直線上に並ぶピンが冷却フィン１８のものと冷却フィン１９のものの両方となる。したがって、その直線上において、冷却水の流れを遮る箇所が存在することになり、確実に乱流を発生させることが可能となる。これにより、本実施形態のように冷却フィン１８、１９のピン部をレイアウトすることで、より冷却効率を高めることが可能となる。
（他の実施形態）
（１）上記実施形態では、樹脂モールド部２０が熱硬化性樹脂モールド部２１と熱可塑性樹脂モールド部２２とによって構成される場合を例に挙げて説明した。しかしながら、これら樹脂モールド部をすべて熱硬化性樹脂もしくは共に熱可塑性樹脂にて構成しても良い。ただし、耐熱性を考慮すると、半導体チップ１１などの構成要素を覆う部分については熱硬化性樹脂で構成するのが好ましく、各ユニット１０の外縁部のみを交換してパワーカードをリユースできるようにするのであれば、比較的低温で軟化するように、その外縁部を熱可塑性樹脂で構成するのが好ましい。
（２）上記実施形態では、三相モータを駆動するインバータに対して半導体モジュール１を適用する場合を例に挙げて説明したが、インバータに限らず、他の装置に本発明の半導体モジュール１を適用しても良い。
（３）上記第２実施形態では、冷却フィン１８、１９の位置決めが行える構造として、熱硬化性樹脂モールド部２１に位置決め用の凹部２１ａを備えた構造としている。そして、その凹部２１ａの側面全面が冷却フィン１８、１９と対向するようにしている。しかしながら、これは凹部２１ａの形状の一例を示したに過ぎず、他の形状であってもよい。図１３は、凹部２１ａの形状を変更した場合のユニット１０の正面図である。この図に示されるように、凹部２１ａが通路孔２２ｃまで続く形状とされており、冷却フィン１８、１９が配置される箇所において凹部２１ａの幅を広くすることで冷却フィン１８、１９が嵌め込めるようになっている。このように、凹部２１ａが冷却フィン１８、１９と対応する形状となっていれば、必ずしも凹部２１ａの側面全面が冷却フィン１８、１９と対向するような構造でなくても、冷却フィン１８、１９の位置決めを行うことができる。
（４）上記実施形態では、冷媒として冷却水を例に挙げて説明したが、他の冷媒を用いても構わない。また、冷却フィン１８、１９のタイプとして、ウェーブフィン、ストレートフィン、ピンフィンを上げて説明したが、様々なタイプのコルゲートフィン等を適用することができる。
１ 半導体モジュール
１０ ユニット
１１ 半導体チップ
１３、１４ ヒートスプレッダ
１５ 正極リード
１６ 負極リード
１７ 制御端子
１８、１９ 冷却フィン
２０ 樹脂モールド部
２１ 熱硬化性樹脂モールド部
２１ａ 凹部
２２ 熱可塑性樹脂モールド部
２２ｃ 通路穴
３０ 水路
４０ 蓋部
４１ パイプ付蓋部
４３ 固定具

Claims (5)

  1. 表面および裏面を有し、半導体パワー素子が形成された半導体チップ（１１）と、
    前記半導体チップ（１１）の裏面側に接続される第１ヒートスプレッダ（１３）と、
    前記半導体チップ（１１）の表面側に接続される第２ヒートスプレッダ（１４）と、
    前記半導体パワー素子に電気的に接続される端子（１５〜１７）と、
    前記半導体パワー素子に電気的に接続された前記端子（１５〜１７）の一部を露出させると共に、前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）のうち前記半導体チップ（１１）と反対側の面を露出させつつ、前記半導体チップ（１１）、前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）および前記端子（１５〜１７）を覆い、かつ、冷媒が流される冷媒通路の一部を構成する樹脂モールド部（２０）と、を有し、
    前記半導体チップ（１１）、前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）、前記端子（１５〜１７）を前記樹脂モールド部（２０）にてモールド化したものを１つのユニット（１０）として、該ユニット（１０）の両端を蓋部（４０、４１）にて挟み込んで固定具（４３）にて固定した半導体モジュールであって、
    前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）のうち前記半導体チップ（１１）と反対側の面は平坦面とされ、この平坦面には、当該平坦面を覆う絶縁膜（１３ｂ、１４ｂ、５０）が備えられいると共に、該絶縁膜（１３ｂ、１４ｂ、５０）を介して冷却フィン（１８、１９）が接合されており、
    前記ユニット（１０）は複数個備えられ、該複数個のユニット（１０）が積層されることで積層体が構成されていると共に、該積層体の両先端部が前記蓋部（４０、４１）にて挟まれて固定されており、
    前記複数個のユニット（１０）それぞれに備えられた前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）に対して前記冷却フィン（１８、１９）が接合されていることで、隣り合う前記ユニット（１０）に備えられた前記冷却フィン（１８、１９）同士が対向配置させられ、
    さらに、前記冷却フィン（１８、１９）は、フィン部（１８ｂ、１９ｂ）が前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）の前記平坦面に対して垂直方向から見た形状がウェーブ状で、該平坦面に対して垂直かつ互いに直行する２平面での断面形状もウェーブ状とされたウェーブフィンであり、
    隣り合う前記ユニット（１０）に備えられた前記冷却フィン（１８、１９）の前記フィン部（１８ｂ、１９ｂ）は、前記冷却フィン（１８、１９）のうちの一方のウェーブ状のフィン部（１８ｂ、１９ｂ）に対して、前記冷却フィン（１８、１９）のうちの他方のウェーブ状のフィン部（１８ｂ、１９ｂ）が１８０度位相がずらされ、クロスウェーブ形状が形成されるレイアウトとされていると共に、前記フィン部（１８ｂ、１９ｂ）の先端同士の間には所定のクリアランスが設けられていることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記樹脂モールド部（２０）には、前記冷却フィン（１８、１９）と対応する形状であって、前記冷却フィン（１８、１９）の位置決め用の凹部（２１ａ）が形成されてい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。
  3. 前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）は、前記半導体チップ（１１）側に配置される金属板（１３ａ、１４ａ）と、該金属板（１３ａ、１４ａ）に対して前記半導体チップ（１１）と反対側に配置された前記絶縁膜（１３ｂ、１４ｂ）と、前記絶縁膜（１３ｂ、１４ｂ）を挟んで前記金属板（１３ａ、１４ａ）と反対側に配置された金属膜（１３ｃ、１４ｃ）とを有し、
    前記冷却フィン（１８、１９）は、前記金属膜（１３ｃ、１４ｃ）に対して溶接されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記冷却フィン（１８、１９）は、接着剤（５０）によって前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）に対して接着されており、
    前記接着剤（５０）が導電性接着剤にて構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
  5. 前記絶縁膜は、絶縁材料からなる接着剤（５０）であり、該接着剤（５０）にて前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）と前記冷却フィン（１８、１９）とが接着されており、前記第１、第２ヒートシンク（１３、１４）と前記冷却フィン（１８、１９）が同材料で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
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