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WO2024190132A1 - 放熱ベース、半導体モジュール、及びエネルギー変換装置 - Google Patents

放熱ベース、半導体モジュール、及びエネルギー変換装置 Download PDF

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WO2024190132A1
WO2024190132A1 PCT/JP2024/003211 JP2024003211W WO2024190132A1 WO 2024190132 A1 WO2024190132 A1 WO 2024190132A1 JP 2024003211 W JP2024003211 W JP 2024003211W WO 2024190132 A1 WO2024190132 A1 WO 2024190132A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat dissipation
dissipation base
shape
center
curve
Prior art date
Application number
PCT/JP2024/003211
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
亮 野間口
仁隆 宮越
Original Assignee
富士電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 富士電機株式会社 filed Critical 富士電機株式会社
Priority to JP2025506545A priority Critical patent/JPWO2024190132A1/ja
Priority to DE112024000138.6T priority patent/DE112024000138T5/de
Priority to CN202480004121.5A priority patent/CN119948622A/zh
Publication of WO2024190132A1 publication Critical patent/WO2024190132A1/ja
Priority to US19/092,168 priority patent/US20250226286A1/en

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    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
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    • H01L23/40—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs
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    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
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    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49811—Additional leads joined to the metallisation on the insulating substrate, e.g. pins, bumps, wires, flat leads

Definitions

  • Some semiconductor devices used in power conversion devices such as inverter devices have a heat dissipation base on which wiring boards, semiconductor elements, etc. are arranged, attached to a cooler.
  • Some heat dissipation bases used in this type of semiconductor device have a convex second surface facing the cooler, opposite the first surface on which the wiring boards, semiconductor elements, etc. are arranged (see, for example, Patent Documents 1 to 7).
  • a wiring board is bonded to the first surface of the heat dissipation base with a bonding material.
  • the heat dissipation base is molded so that the second surface is convex, and when it is attached to the cooler, the second surface deforms in a direction that changes from a convex curved surface to a flat surface. Therefore, deformation of the heat dissipation base applies deformation stress to the wiring board bonded to the first surface of the heat dissipation base with a bonding material, which may damage the wiring board.
  • the present invention aims to prevent damage to the wiring board due to deformation of the heat dissipation base to which the wiring board is joined.
  • a second curve representing the shape of the second surface on a second straight line that passes through the center of the second surface and extends in the second direction is represented by a downward convex curve, with the change in shape including the end and from the end toward the center
  • a third curve representing the shape of the second surface on a straight line diagonal to the heat dissipation base is represented by an upward convex curve, with the change in shape including the end and from the end toward the center, and a downward convex curve, with the change in shape including the center and from the center toward the end.
  • the above-mentioned embodiment makes it possible to prevent damage to the wiring board due to deformation of the heat dissipation base to which the wiring board is joined.
  • FIG. 1 is a top view illustrating a configuration example of an energy conversion device according to an embodiment.
  • 2 is a cross-sectional side view showing an example of the internal configuration of the energy conversion device taken along line A-A' in FIG. 1.
  • 2 is a cross-sectional side view of the energy conversion device taken along line B-B' in FIG. 1.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a semiconductor module.
  • 10A to 10C are bottom views illustrating examples of application patterns of thermally conductive material when the heat dissipation base is attached to a cooler.
  • 11A and 11B are diagrams illustrating the spreading of the thermally conductive material when the heat dissipation base is attached to the cooler.
  • 1A and 1B are diagrams illustrating an example of a problem that occurs when a heat dissipation base is attached to a cooler.
  • 1A to 1C are top views illustrating examples of shapes of a heat dissipation base according to an embodiment.
  • 9 is a graph illustrating the warpage tendency in three directions in the heat dissipation base illustrated in FIG. 8 .
  • 9 is a graph illustrating a specific example of warpage in a diagonal direction in the heat dissipation base illustrated in FIG. 8 .
  • 9A to 9C are diagrams illustrating deformation of the heat dissipation base illustrated in FIG. 8 when the heat dissipation base is attached to a cooler.
  • 13A and 13B are diagrams providing supplementary information regarding the shape of a convex curved surface in a heat dissipation base according to an embodiment.
  • the X, Y, and Z axes in each of the referenced figures are shown for the purpose of defining planes and directions in the illustrated energy conversion device, semiconductor module, etc.
  • the X, Y, and Z axes are mutually perpendicular and form a right-handed system.
  • the Z direction may be referred to as the up-down direction.
  • a plane including the X and Y axes may be referred to as the XY plane
  • a plane including the Y and Z axes may be referred to as the YZ plane
  • a plane including the Z and X axes may be referred to as the ZX plane.
  • an example of an energy conversion device according to the present disclosure will be a device that is applied to a power conversion device such as an inverter device for an industrial or vehicle-mounted motor. For this reason, the following description will omit detailed descriptions of configurations, functions, operations, assembly methods, etc. that are the same as or similar to known energy conversion devices.
  • FIG. 1 is a top view showing an example of the configuration of an energy conversion device according to one embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional side view showing an example of the configuration inside the energy conversion device cut along the line A-A' in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional side view of the energy conversion device cut along the line B-B' in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the configuration of a circuit of a semiconductor module. Note that the sealing material that seals the wiring board and semiconductor elements is omitted in FIG. 1.
  • FIG. 2 shows a schematic configuration example of the energy conversion device cut along the line A-A' in FIG. 1, the part located on the left side of the line A-A', as viewed from the right. In FIG.
  • FIG. 3 shows a schematic configuration example of the energy conversion device cut along the line B-B' in FIG. 1, the part located on the left side of the line B-B', as viewed from the right.
  • the energy conversion device 1 illustrated in Figures 1 to 3 includes a semiconductor module 2 as a semiconductor device, and a cooler 10.
  • the semiconductor module 2 includes a heat dissipation base 3, a wiring board 4, semiconductor elements 5A and 5B, a plurality of bonding wires 7A to 7F, a case 8, and a sealing material 9.
  • the cooler 10 includes fins 11 and a water jacket 12.
  • the semiconductor module 2 is attached to the cooler 10 by a screw 13 that is inserted through a through hole in the heat dissipation base 3 and has a male thread that screws into a screw hole (female thread) provided on the upper surface 1110 of the fin 11 of the cooler 10.
  • the heat dissipation base 3 of the semiconductor module 2 and the fin 11 of the cooler 10 are connected via a thermally conductive material 14 such as thermal grease or thermal compound.
  • the semiconductor module 2 illustrated in Figs. 1 to 3 constitutes a single-phase voltage-type half-bridge inverter circuit as illustrated in Fig. 4.
  • a wiring board 4 is disposed on the upper surface of the heat dissipation base 3 in this type of semiconductor module 2.
  • the wiring board 4 includes an insulating substrate 400, a first conductor pattern 401 and a second conductor pattern 402 provided on the upper surface (first surface) of the insulating substrate 400, and a third conductor pattern 403 provided on the lower surface (second surface) of the insulating substrate 400.
  • the wiring board 4 may be, for example, a DCB (Direct Copper Bonding) substrate or an AMB (Active Metal Brazing) substrate.
  • the wiring board 4 may also be called a laminated substrate or an insulating circuit substrate.
  • the insulating substrate 400 is not limited to a specific substrate.
  • the insulating substrate 400 may be a ceramic substrate formed of a ceramic material such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), or a composite material of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ).
  • the insulating substrate 400 may be, for example, a substrate formed of an insulating resin such as an epoxy resin, a substrate formed by impregnating a base material such as glass fiber with an insulating resin, or a substrate formed by coating the surface of a flat metal core with an insulating resin.
  • the third conductor pattern 403 is a member that functions as a heat conducting member that conducts heat generated in the inverter circuit to the heat dissipation base 3, and is formed, for example, from a metal plate or metal foil such as copper or aluminum.
  • the third conductor pattern 403 is joined to the heat dissipation base 3 by a joining material 21 such as solder.
  • the third conductor pattern 403 may also be called a heat dissipation layer or heat dissipation pattern.
  • the first conductor pattern 401 and the second conductor pattern 402 are members that function as wiring members in an inverter circuit, and are formed, for example, from a metal plate or metal foil such as copper or aluminum.
  • the first conductor pattern 401 and the second conductor pattern 402 may also be called a conductor layer, conductor plate, conductive layer, or wiring pattern.
  • a first semiconductor element 5A is disposed on the first conductor pattern 401 and is joined to the first conductor pattern 401 by a bonding material (not shown).
  • a second semiconductor element 5B is disposed on the second conductor pattern 402 and is joined to the second conductor pattern 402 by a bonding material 2122.
  • the first semiconductor element 5A and the second semiconductor element 5B are each joined to the first conductor pattern 401 and the second conductor pattern 402 by a conductive bonding material such as solder.
  • Each of the first semiconductor element 5A and the second semiconductor element 5B is, for example, an RC (Reverse Conducting)-IGBT element that integrates an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) element, which is a switching element, and a diode element such as an FWD (Free Wheeling Diode) element connected in inverse parallel to the switching element.
  • the switching elements and diode elements in the semiconductor elements 5A and 5B are not limited to a Si substrate, and may be formed on a semiconductor substrate using a wide band gap semiconductor such as SiC (silicon carbide) or GaN (gallium nitride).
  • Each of these types of semiconductor elements 5A and 5B has a first main electrode (not shown) on the bottom surface and a second main electrode and a control electrode (gate electrode) (not shown) on the top surface. That is, the first conductor pattern 401 is electrically connected to the first main electrode of the first semiconductor element 5A by a conductive bonding material, and the second conductor pattern 402 is electrically connected to the first main electrode of the second semiconductor element 5B by a conductive bonding material 22.
  • the second main electrode provided on the upper surface of the first semiconductor element 5A is electrically connected to an output terminal 803 provided on the case 8 by a bonding wire 7A.
  • the control electrode provided on the upper surface of the first semiconductor element 5A is electrically connected to a first control terminal 804 provided on the case 8 by a bonding wire 7C.
  • the first conductor pattern 401 electrically connected to the first main electrode provided on the lower surface of the first semiconductor element 5A is electrically connected to a first input terminal (P terminal) 801 provided on the case 8 by a bonding wire 7B. That is, the first main electrode of the first semiconductor element 5A is electrically connected to the first input terminal 801 provided on the case 8 via the bonding material, the first conductor pattern 401, and the bonding wire 7B.
  • the second main electrode provided on the upper surface of the second semiconductor element 5B is electrically connected to the second input terminal (N terminal) 802 provided on the case 8 by a bonding wire 7D.
  • the control electrode provided on the upper surface of the second semiconductor element 5B is electrically connected to the second control terminal 805 provided on the case 8 by a bonding wire 7F.
  • the second conductor pattern 402 electrically connected to the first main electrode provided on the lower surface of the second semiconductor element 5B is electrically connected to the output terminal 803 provided on the case 8 by a bonding wire 7E. That is, the first main electrode of the second semiconductor element 5B is electrically connected to the output terminal 803 provided on the case 8 via the bonding material 22, the second conductor pattern 402, and the bonding wire 7E.
  • the first input terminal 801, the second input terminal 802, the output terminal 803, the first control terminal 804, and the second control terminal 805 are provided integrally with the insulating member 800 of the case 8.
  • the insulating member 800 has openings on the top and bottom, and has a hollow portion capable of accommodating the wiring board 4, the semiconductor elements 5A and 5B, the bonding wires 7A to 7F, and the like, which are arranged on the top surface of the heat dissipation base 3.
  • the insulating member 800 is formed using an insulating resin material such as PPS (Poly Phenylene Sulfide) or PA (Poly Amide).
  • the first input terminal 801, the second input terminal 802, the output terminal 803, the first control terminal 804, and the second control terminal 805 are formed using, for example, a metal plate such as a copper plate, and are integrated with the insulating member 800 by, for example, insert molding.
  • the first input terminal 801, the second input terminal 802, and the output terminal 803 are bent so that the portions protruding from the upper surface of the insulating member 800 extend along the upper surface of the insulating member 800.
  • a storage section (not shown) capable of storing a nut 15 with the axis of the screw hole oriented vertically is provided.
  • the first input terminal 801, the second input terminal 802, and the output terminal 803 are provided with a through hole (not shown) that allows a screw part such as a bolt to be screwed into the nut 15 stored in the storage section of the insulating member 800.
  • first input terminal 801, the second input terminal 802, the output terminal 803, the first control terminal 804, and the second control terminal 805 is exposed on the inner circumferential surface that defines the hollow portion in the insulating member 800.
  • One end of each of the bonding wires 7A to 7F is electrically connected to the portion of the corresponding terminal that is exposed on the inner circumferential surface of the insulating member 800.
  • the case 8 is attached to the heat dissipation base 3 by adhering the bottom surface of the insulating member 800 to the top surface of the heat dissipation base 3.
  • the adhesive 16 that adheres the insulating member 800 to the heat dissipation base 3 may be, for example, an epoxy-based or silicone-based adhesive.
  • the wiring board 4, semiconductor elements 5A and 5B, and bonding wires 7A to 7F arranged on the top surface of the heat dissipation base 3 are located in the recessed space defined by the insulating member 800 of the heat dissipation base 3 and the case 8, and are sealed by the sealing material 9 that fills the recessed space.
  • the sealing material 9 may be, for example, epoxy resin, silicone gel, etc.
  • the heat dissipation base 3 is a plate-like member that has a roughly rectangular shape with rounded corners in a plan view, and has through holes (not shown) at the corners through which the shafts of the screws 13 can be inserted.
  • the heat dissipation base 3 is a member that functions as a heat-conducting member that conducts heat generated by the semiconductor elements 5A and 5B to the cooler 10, and is formed of a metal plate such as a copper plate or an aluminum plate.
  • the heat dissipation base 3 is formed by warping a flat metal plate, for example, by pressing, so that the lower surface 301 becomes a convex curved surface.
  • the insulating member 800 of the case 8 has its outer corners cut off so that it does not overlap with the through holes of the heat dissipation base 3 in a plan view (more specifically, so that the screws 13 can be screwed into the screw holes of the fins 11).
  • the semiconductor module 2 described above with reference to FIGS. 1 to 3 constitutes a single-phase voltage-type half-bridge inverter circuit (hereinafter referred to as a "half-bridge inverter circuit") as illustrated in FIG. 4.
  • the half-bridge inverter circuit includes a switching element 503 and a diode element 504 connected between the first input terminal IN(P) and the output terminal OUT, and a switching element 505 and a diode element 506 connected between the second input terminal IN(N) and the output terminal OUT.
  • the portion between the first input terminal IN(P) and the output terminal OUT may be called an upper arm, and the portion between the second input terminal IN(N) and the output terminal OUT may be called a lower arm.
  • the switching element 503 and the diode element 504 of the upper arm are formed in the first semiconductor element 5A, and the switching element 505 and the diode element 506 of the lower arm are formed in the second semiconductor element 5B.
  • the switching elements 503 and 505 are IGBT elements
  • the first main electrode on the lower surface side of the first semiconductor element 5A and the second semiconductor element 5B is called the collector electrode
  • the second main electrode on the upper surface side is called the emitter electrode.
  • the collector electrode of the switching element 503 of the upper arm is connected to a first input terminal IN(P) which may be a first input terminal 801
  • the emitter electrode of the switching element 505 of the lower arm is connected to a second input terminal IN(N) which may be a second input terminal 802.
  • the first input terminal IN(P) and the second input terminal IN(N) are connected to the positive and negative poles of a DC power supply, respectively.
  • the emitter electrode of the switching element 503 of the upper arm and the collector electrode of the switching element 505 of the lower arm are connected to an output terminal OUT which may be an output terminal 803.
  • the gate of switching element 503 and the gate of switching element 505 are connected to a control circuit (not shown) via a first control terminal 804 and a second control terminal 805, respectively.
  • the half-bridge inverter circuit illustrated in FIG. 4 can convert the direct current between the first input terminal IN(P) and the second input terminal IN(N) into alternating current and output it from the output terminal OUT by a control signal applied to the gate of the switching element 503 of the upper arm and a control signal applied to the gate of the switching element 505 of the lower arm.
  • a three-phase AC inverter circuit can be formed.
  • the semiconductor module 2 having the half-bridge inverter circuit described above with reference to Figure 4 is not limited to the configuration described above with reference to Figures 1 to 3.
  • the switching elements 503 and 505 may be configured, for example, with a power MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), a BJT (Bipolar Junction Transistor), or the like.
  • MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  • BJT Bipolar Junction Transistor
  • the diode elements 504 and 506 may be composed of, for example, an SBD (Schottky Barrier Diode), a JBS (Junction Barrier Schottky) diode, an MPS (Merged PN Schottky) diode, a PN diode, etc.
  • the substrate on which the switching elements 503 and 505 and the diode elements 504 and 506 are formed is not limited to a Si substrate, and may be, for example, a substrate using a wide band gap semiconductor such as SiC (silicon carbide) or GaN (gallium nitride).
  • the switching element 503 and the diode element 504 of the upper arm, and the switching element 505 and the diode element 506 of the lower arm may be separate semiconductor elements.
  • the switching element 503 and the diode element 504 of the upper arm are not limited to one semiconductor element 5A (one semiconductor chip) formed on one semiconductor substrate, but may be composed of one or more semiconductor elements (one or more semiconductor chips) forming the switching element 503 and one or more semiconductor elements (one or more semiconductor chips) forming the diode element 504.
  • the shape, number, and location of the semiconductor elements can be changed as appropriate.
  • the layout of the conductor pattern as the wiring member provided on the upper surface side of the wiring board 4 is changed according to the type, shape, number, and location of the semiconductor elements to be mounted.
  • some or all of the bonding wires 7A to 7F in the semiconductor module 2 described above may be replaced with leads formed by processing a metal plate such as a copper plate.
  • the control electrodes provided on the upper surfaces of the semiconductor elements 5A and 5B may include a gate electrode and an auxiliary electrode.
  • the auxiliary electrode may be an auxiliary emitter electrode or an auxiliary source electrode that is electrically connected to the main electrode on the upper surface side and serves as a reference potential for the gate potential.
  • the auxiliary electrode may be a temperature sensing electrode that is electrically connected to a temperature sensing section that may be included in an inverter device having the semiconductor module 2, and that measures the temperature of the semiconductor elements 5A and 5B.
  • These electrodes (main electrodes, and control electrodes including gate electrodes and auxiliary electrodes) formed on the upper surfaces of the semiconductor elements 5A and 5B may be collectively referred to as upper surface electrodes.
  • the circuit configuration of the semiconductor module 2 is not limited to the half-bridge inverter circuit described above with reference to FIG. 4.
  • the inverter circuit of the semiconductor module 2 may be, for example, a single-phase full-bridge inverter circuit.
  • the inverter circuit in one semiconductor module 2 is not limited to a single-phase inverter circuit, and may be, for example, a three-phase AC inverter circuit as described above.
  • the cooler 10 attached to the semiconductor module 2 described above with reference to Figures 1 to 3 includes fins 11 and a water jacket 12.
  • the fins 11 include a base 1101 having an upper surface 1110 on which the semiconductor module 2 is attached, and a plurality of fins 1102 extending downward from the lower surface of the base 1101.
  • the fins 1102 are shaped to define a flow path of the coolant.
  • the energy conversion device 1 of this embodiment dissipates a portion of the heat generated by the semiconductor elements 5A and 5B during operation of the semiconductor module 2 by conducting it to the cooler 10 via the wiring board 4 and the heat dissipation base 3.
  • the heat can be efficiently conducted from the heat dissipation base 3 to the cooler 10 (fins 11) by improving the adhesion between the heat dissipation base 3 and the fins 11 using a thermally conductive material 14 such as thermal grease.
  • Figure 5 is a bottom view illustrating an example of a pattern for applying thermally conductive material when attaching the heat dissipation base to the cooler.
  • Figure 6 is a diagram illustrating how the thermally conductive material spreads when attaching the heat dissipation base to the cooler.
  • Figure 7 is a diagram illustrating an example of a problem that occurs when attaching the heat dissipation base to the cooler. Note that the fin portion 1102 of the fin 11 is omitted in Figures 6 and 7.
  • FIG. 6A to FIG. 6C is a curved surface in which the center of the lower surface 301 is the apex in plan view, and the change in the relative position of each point of the lower surface 301 in the Z direction with respect to the center is represented by a downwardly convex curve.
  • the multiple thermally conductive materials 14 are arranged on the lower surface 301 of the heat dissipation base 3 excluding the areas around the through holes 303.
  • the arrangement pattern of the multiple thermally conductive materials 14 is not limited to the pattern in which materials of the same shape and dimensions are aligned as illustrated in FIG. 5.
  • the multiple thermally conductive materials 14 arranged on the lower surface 301 of the heat dissipation base 3 may, for example, have multiple shapes, or may have the same shape and multiple dimensions.
  • the arrangement pattern of the multiple thermally conductive materials 14 may change depending on, for example, the distance from the center of the lower surface 301 of the heat dissipation base 3 in a plan view.
  • the thermally conductive material 14 placed at the center and its periphery of the lower surface 301 first comes into contact with the upper surface 1110 of the fin 11, as shown in FIG. 6A. Then, for example, when the heat dissipation base 3 is pressed against the upper surface 1110 of the fin 11, the thermally conductive material 14 in contact with the fin 11 is integrated between the lower surface 301 of the heat dissipation base 3 and the upper surface 1110 of the fin 11 while spreading radially outward from the center of the lower surface 301, as shown in FIG. 6B and FIG. 6C.
  • the thermally conductive material 14 is more likely to spread radially outward from the center of the lower surface 301 of the heat dissipation base 3, and voids are less likely to occur within the integrated thermally conductive material 14.
  • the wiring board 4 is joined to the upper surface 302 of the heat dissipation base 3, as illustrated in Figures 6A to 6C.
  • the heat conductive material 14 is spread between the heat dissipation base 3 and the fins 11, and then the heat dissipation base 3 is fixed to the fins 11 using the screws 13.
  • Figure 7 shows a schematic diagram of the deformation of the heat dissipation base 30 used in a conventional semiconductor device (semiconductor module) that occurs when the heat dissipation base 30 is attached to the fins 11 of the cooler 10.
  • semiconductor device semiconductor module
  • the shape of the lower surface 301 as viewed on a diagonal line passing through the through holes 303 for screw fastening is represented by a downward convex curve.
  • the heat dissipation base 30 deforms from the convex curved surface of the lower surface 301 (curved surface represented by the curve shown by the solid line) to a curved surface close to flat with a small curvature (curved surface represented by the curve shown by the two-dot chain line), as illustrated in FIG. 7.
  • the heat dissipation base 30 when the heat dissipation base 30 is attached to the fin 11 with the screw 13, the heat dissipation base 30 deforms in a direction that reduces the warp compared to before attachment.
  • a deformation stress is applied to the wiring board 4 joined to the upper surface 302 of the heat dissipation base 30, and damage to the wiring board 4 occurs, such as, for example, the insulating substrate 400 cracks, or the conductor patterns 401 to 403 peel off from the insulating substrate 400.
  • Such damage to the wiring board 4 is likely to occur when the area of the lower surface 301 of the heat dissipation base 30 is large, the wiring board 4 is positioned close to the through hole 303, and the through hole 303 through which the screw 13 is inserted is formed in the corner of the lower surface 301.
  • FIG. 8 is a top view illustrating an example of the shape of a heat dissipation base according to one embodiment.
  • FIG. 9 is a graph illustrating the warping tendency in three directions in the heat dissipation base illustrated in FIG. 8.
  • FIG. 10 is a graph illustrating a specific example of diagonal warping in the heat dissipation base illustrated in FIG. 8.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating deformation of the heat dissipation base illustrated in FIG. 8 when the heat dissipation base is attached to a cooler.
  • FIG. 8 shows a diagram for explaining the definition of parameters used to explain the shape of the heat dissipation base 3 according to this embodiment.
  • the shape of the convex curved surface of the lower surface 301 of the heat dissipation base 3 according to this embodiment is explained by a curve showing the shape of the lower surface 301 as viewed on a straight line S1 in the longitudinal direction (X direction) passing through the center P of the lower surface 301 in a plan view, a curve showing the shape of the lower surface 301 as viewed on a straight line S2 in the lateral direction (Y direction), and a curve showing the shape of the lower surface 301 as viewed on a straight line S3 in the diagonal direction (D direction).
  • curve R1 indicates the shape of the lower surface 301 as viewed on a straight line S1 in the longitudinal direction (X direction) of the heat dissipation base 3 illustrated in FIG. 8 and curve R2 indicates the shape of the lower surface 301 as viewed on a straight line S2 in the lateral direction (Y direction) of the heat dissipation base 3 illustrated in FIG. 8.
  • curve R3 indicates the shape of the lower surface 301 as viewed on a straight line S3 in the diagonal direction (D direction) of the heat dissipation base 3 illustrated in FIG. 8.
  • the shape of the lower surface 301 shown by the straight line S3 includes the opening end of the through hole 303 on the lower surface 301 side.
  • the horizontal axis is the distance from the center P of the lower surface 301, and the distance of the part located on the positive side of the center P in each of the X direction, Y direction, and D direction is indicated as a positive value, and the distance of the part located on the negative side of the center P is indicated as a negative value.
  • the vertical axis represents the relative Z-direction position of each point with respect to the Z-direction position of center P when the lower surface 301 of the heat dissipation base 3 faces downward (negative Z-direction side).
  • the lower surface 301 of the heat dissipation base 3 of this embodiment is represented as a curve convex downwards as a whole, such that the relative position in the Z direction of each point on a straight line S2 in the short side direction (Y direction) passing through the center P is represented by a curve R2.
  • the relative position in the Z direction in the direction from the end point to the center P, including the end point (end point) of the straight line S2, and the relative position in the Z direction in the direction from the center P to the end point, including the center P all change as represented by a curve convex downwards.
  • the lower surface 301 of the heat dissipation base 3 of this embodiment has a section where the relative position in the Z direction of each point on a straight line S3 in the diagonal direction (D direction) passing through the center P changes as represented by a curve R3, and a section where the relative position changes as represented by a curve convex downwards.
  • the relative position in the Z direction in the direction from the end point to the center P, including the end point (end point) of the straight line S3 changes as represented by a curve convex upwards
  • the relative position in the Z direction in the direction from the center P to the end point, including the center P changes as represented by a curve convex downwards.
  • the distances -Li and Li associated with the position of the inflection point Q are set, for example, between the minimum value Lk1 and maximum value Lk2 of the distance from the center of the screw-fastening through hole 303 formed at the corner of the heat dissipation base 3.
  • the minimum value Lk1 and maximum value Lk2 of the distance are set, for example, based on the longitudinal dimension Lx and lateral dimension Ly of the heat dissipation base 3, as well as the hole diameter of the screw-fastening through hole 303.
  • the relative position in the Z direction at the diagonal end can be, for example, about 240 ⁇ m.
  • the change in the relative position in the diagonal Z direction is limited to a change represented by a downward convex curve without an inflection point Q, similar to the change in the longitudinal direction and the change in the lateral direction, the change in the relative position in the Z direction at the end section will be the change shown by the dotted line in Figure 10. In this case, the relative position in the Z direction at the diagonal end will be, for example, about 310 ⁇ m.
  • the distance in the Z direction from the corner of the heat dissipation base 3 to the upper surface 1110 of the fin 11 can be made shorter than that of the heat dissipation base 30 (see FIG. 7) in which the shape of the curved surface is represented by a downwardly convex curve to the end shown by the dotted line.
  • the amount of deformation of the heat dissipation base 3 caused when the screw 13 is inserted into the through hole 303 of the heat dissipation base 3 and screwed into the screw hole 1111 of the fin 11 can be made smaller than the amount of deformation of the conventional heat dissipation base 30 described above with reference to FIG. 7. Therefore, by using the heat dissipation base 3 of this embodiment, the deformation stress caused in the wiring board 4 due to the deformation of the heat dissipation base 3 when the heat dissipation base 3 is attached to the fin 11 can be reduced, and damage to the wiring board 4 due to the deformation stress can be prevented.
  • FIG. 12 is a diagram providing additional information regarding the shape of the convex curved surface of the heat dissipation base in one embodiment.
  • the curve R3 shown in Figures 9 and 10 shows the shape of the lower surface 301 before the wiring board 4 is bonded to the upper surface 302 of the heat dissipation base 3.
  • the relative position in the Z direction at each point on the diagonal straight line S3 may change, for example, as represented by the curve R4 shown in Figure 12.
  • the curve R4 has a section in which the relative position in the Z direction changes as represented by a downward convex curve, and a section in which the relative position in the Z direction changes as represented by an upward convex curve.
  • the curve R4 has two end sections, including the end points of the curve R4, which are divided by the positions of the distances -Li and Li, and in which the relative position in the Z direction in the direction from the end points to the center P changes only as represented by an upward convex curve, and a central section located between the two end sections.
  • the change in relative position in the Z direction in the central section of curve R4 differs from the change in the central section of curve R3, and includes a section represented by a downward convex curve and a section represented by an upward convex curve.
  • the relative positions in the Z direction at each point on a longitudinal line passing through the center of the lower surface 301, and the relative positions in the Z direction at each point on a lateral line can also be represented by a curve having a section represented by a downward convex curve, such as the central section of curve R4, and a section represented by an upward convex curve.
  • the heat dissipation base 3 has a convex curved lower surface 301 that faces the fins 11 of the cooler 10, and the shape of the lower surface 301 on the longitudinal line S1 passing through the center P of the lower surface 301 and the shape of the lower surface on the lateral line S2 include the ends, and the change in shape from the ends toward the center P is represented by a downward convex curve, and the shape of the lower surface 301 on the diagonal line S3 includes the ends, and the change in shape from the ends toward the center P is represented by an upward convex curve.
  • the heat dissipation base 3 can reduce the amount of deformation when attached to the fins 11, as compared to the heat dissipation base 30 (see FIG. 7) in which the shape of the lower surface 301 on the diagonal line S3 also includes the ends, and the change in shape from the ends toward the center P is represented by a downward convex curve. Therefore, in the energy conversion device 1 using the heat dissipation base 3 according to this embodiment, damage to the wiring board 4 due to deformation stress can be prevented, and failure of the energy conversion device 1 (semiconductor module 2) can be prevented.
  • the embodiments of the heat dissipation base 3 and energy conversion device 1 according to the present invention are not limited to the above-mentioned embodiments, and may be modified, substituted, or altered in various ways without departing from the spirit of the technical idea. Furthermore, if the technical idea can be realized in a different way due to technological advances or derived other technologies, it may be implemented using that method. Therefore, the claims cover all embodiments that may fall within the scope of the technical idea.
  • the heat dissipation base 3 according to the above-mentioned embodiment is formed by warping a flat base plate by press processing or the like to form a convex curved lower surface 301, and a concave curved upper surface 302 to which the wiring board 4 is joined.
  • the heat dissipation base 3 according to the present invention is not limited to such a shape.
  • the heat dissipation base 3 according to the present invention may be formed, for example, such that the lower surface 301 facing the fin 11 of the cooler 10 is a convex curved surface, and the upper surface 302 to which the wiring board 4 is joined is a flat surface.
  • the position of the apex when the lower surface 301 of the heat dissipation base 3 is made convexly curved is not limited to the position at the center of the lower surface 301 in a plan view, and may be a position shifted from the center.
  • the number of wiring boards 4 joined to one heat dissipation base 3 may be two or more.
  • it is desirable that the inflection point Q in the heat dissipation base 3 is outside the area to which the wiring board 4 is joined in a plan view, from the viewpoint of preventing the wiring board 4 from cracking, etc., starting from the inflection point Q when screwing.
  • some of the inflection points Q distributed in a curved shape on the lower surface 301 of the heat dissipation base 3 may be present inside the region of the heat dissipation base 3 where the wiring board 4 is joined.
  • the through holes 303 for screwing the heat dissipation base 3 may be formed, for example, in the middle part of the end side in the longitudinal direction in addition to the corners of the lower surface 301.
  • the shape of the heat dissipation base 3 in a plan view is not limited to the roughly rectangular planar shape in which the sides extending in the X direction and the sides extending in the Y direction are different in length as described above with reference to FIG. 8, but may also be a roughly square planar shape in which the sides extending in the X direction and the sides extending in the Y direction are approximately the same in length.
  • the heat dissipation base is a heat dissipation base having a first surface to which a wiring board is joined and a second surface opposite the first surface and facing a cooler, the second surface of the heat dissipation base being a convex curved surface and having a shape in a plan view that is approximately rectangular having a side extending in a first direction and a side extending in a second direction, and when the second surface is facing downward, the shape of the second surface on a first straight line that passes through the center of the second surface and extends in the first direction is
  • the first curve represents the shape of the second surface on a second line that passes through the center of the second surface and extends in the second direction
  • the change in shape from the end to the center is represented by a downward convex curve
  • the third curve represents the shape of the second surface on a diagonal line, and the change in shape from the end to the center is represented by an upward convex curve, and the change in shape from the center to the end is represented
  • the heat dissipation base in the above embodiment has a through hole formed at a position that is a corner of the second surface in a plan view, through which a male screw can be inserted to attach the heat dissipation base to the cooler.
  • the third curve representing the shape of the second surface on the diagonal straight line has an inflection point at a position closer to the center than the through hole, and the section of the third curve between the end and the inflection point is an upwardly convex curve.
  • the inflection point is outside the area where the wiring board is joined.
  • the inflection point is located within a distance from the center of the through hole of 5 mm to 20 mm.
  • the first surface is a concave curved surface that corresponds to the convex curved surface of the second surface.
  • the third curve representing the shape of the second surface on the diagonal straight line includes the end portions, and has two end sections in which the change in shape from the end portions toward the center is represented by the upwardly convex curve, and a central section located between the two end sections, and has a subsection within the central section represented by an upwardly convex curve.
  • the heat dissipation base in the above embodiment has sides extending in the first direction that are different in length from sides extending in the second direction.
  • the semiconductor module according to the above embodiment includes a heat dissipation base according to the above embodiment, a wiring board joined to the first surface of the heat dissipation base, and a semiconductor element disposed on the upper surface of the wiring board.
  • the energy conversion device includes the semiconductor module according to the above embodiment, the cooler arranged facing the second surface of the heat dissipation base and attached to the heat dissipation base, and a thermally conductive material filled between the heat dissipation base and the cooler.
  • the present invention has the effect of preventing damage to the wiring board caused by deformation of the heat dissipation base when the heat dissipation base to which the wiring board is joined is attached to a cooler, and is particularly useful for inverter devices for industrial or electrical equipment.

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Abstract

配線板が接合された放熱ベースの変形による配線板の損傷を防ぐ。配線板（４）が接合される第１の面と冷却器（１０）と向い合せにされる第２の面とを有する放熱ベース（３）の第２の面は、凸状の曲面であり、かつ平面視での形状が第１の方向に延伸する辺と第２の方向に延伸する辺とを有する概略矩形であり、第２の面を下向きにしたときに、第２の面の中心を通り第１の方向に延伸する第１の直線上における第２の面の形状を表す第１の曲線、及び第２の面の中心を通り第２の方向に延伸する第２の直線上における第２の面の形状を表す第２の曲線は、それぞれ、端部を含む、端部から中心に向かう方向の形状の変化が下に凸の曲線で表され、対角方向の直線上での第２の面の形状を表す第３の曲線は、端部を含み、端部から中心に向かう方向の形状の変化が上に凸の曲線で表され、かつ中心を含み、中心から端部に向かう方向の形状の変化が下に凸の曲線で表される。

Description

放熱ベース、半導体モジュール、及びエネルギー変換装置
　本発明は、放熱ベース、半導体モジュール、及びエネルギー変換装置に関する。
　インバータ装置等の電力変換装置に用いられる半導体装置には、配線板及び半導体素子等が配置された放熱ベースを冷却器に取り付けたものがある。この種の半導体装置に用いられる放熱ベースには、配線板及び半導体素子等を配置する第１の面とは反対側の、冷却器と向い合せる第２の面が凸状になるように成形したものがある（例えば、特許文献１～７を参照）。
特開２０１８－１９５７１７号公報 特開２０２０－１８８１５２号公報 特開２０１６－１６７５４８号公報 国際公開第２０１２／１０８０７３号 特開２００７－８８０４５号公報 特開２００５－３９０８１号公報 米国特許第７５１１９６１号明細書
　放熱ベースの第１の面には、接合材により配線板が接合されている。第２の面が凸状になるように成形した放熱ベースは、冷却器に取り付けるときに、第２の面が凸状の曲面から平坦な面に変化する方向に変形する。このため、放熱ベースが変形することにより、放熱ベースの第１の面に接合材により接合された配線板に変形応力が加わり、配線板が損傷することがある。
　１つの側面において、本発明は、配線板が接合された放熱ベースの変形による配線板の損傷を防ぐことを目的とする。
　１つの態様に係る放熱ベースは、配線板が接合される第１の面と、前記第１の面の反対側であって冷却器と向い合せにされる第２の面と、を有する放熱ベースであって、前記放熱ベースの前記第２の面は、凸状の曲面であり、かつ平面視での形状が、第１の方向に延伸する辺と、第２の方向に延伸する辺とを有する概略矩形であり、前記第２の面を下向きにしたときに、前記第２の面の中心を通り前記第１の方向に延伸する第１の直線上における前記第２の面の形状を表す第１の曲線、及び前記第２の面の中心を通り前記第２の方向に延伸する第２の直線上における前記第２の面の形状を表す第２の曲線が、それぞれ、端部を含む、前記端部から中心に向かう方向の形状の変化が下に凸の曲線で表され、前記放熱ベースの対角方向の直線上での前記第２の面の形状を表す第３の曲線が、端部を含み、前記端部から中心に向かう方向の形状の変化が上に凸の曲線で表され、かつ中心を含み、前記中心から前記端部に向かう方向の形状の変化が下に凸の曲線で表される。
　上述の態様によれば、配線板が接合された放熱ベースの変形による配線板の損傷を防ぐことができる。
一実施の形態に係るエネルギー変換装置の構成例を示す上面図である。 図１のＡ－Ａ’線で切断したエネルギー変換装置内部の構成例を示す断面側面図である。 図１のＢ－Ｂ’線で切断したエネルギー変換装置の断面側面図である。 半導体モジュールの回路の構成例を示す図である。 放熱ベースを冷却器に取り付けるときの熱伝導材の塗布パターンの例を説明する下面図である。 放熱ベースを冷却器に取り付けるときの熱伝導材の広がりの様子を説明する図である。 放熱ベースを冷却器に取り付けるときに生じる問題の一例を説明する図である。 一実施の形態に係る放熱ベースの形状の例を説明する上面図である。 図８に例示した放熱ベースにおける３つの方向での反りの傾向を説明するグラフ図である。 図８に例示した放熱ベースにおける対角方向の反りの具体例を説明するグラフ図である。 図８に例示した放熱ベースを冷却器に取り付けるときの放熱ベースの変形を説明する図である。 一実施の形態に係る放熱ベースにおける凸状の曲面の形状に関する補足をする図である。
　以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、参照する各図におけるＸ、Ｙ、Ｚの各軸は、例示するエネルギー変換装置、半導体モジュール等における平面や方向を定義する目的で示している。Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸は互いに直交し、右手系を成している。以下の説明では、Ｚ方向を上下方向と呼ぶことがある。また、Ｘ軸及びＹ軸を含む面をＸＹ面と呼び、Ｙ軸及びＺ軸を含む面をＹＺ面と呼び、Ｚ軸及びＸ軸を含む面をＺＸ面と呼ぶことがある。これらの方向や面は、説明の便宜上用いる文言であり、エネルギー変換装置等の取付姿勢によっては、ＸＹＺ方向のそれぞれとの対応関係が変わることがある。例えば、本明細書では、エネルギー変換装置を構成する部材におけるＺ方向正側（＋Ｚ方向）を向いた面を上面と呼び、Ｚ方向負側（－Ｚ方向）を向いた面を下面と呼ぶが、Ｚ方向負側を向いた面が上面と呼ばれ、Ｚ方向正側を向いた面が下面と呼ばれてもよい。また、本明細書において、平面視は、エネルギー変換装置等の上面又は下面（ＸＹ面）をＺ方向からみた場合を意味する。
　各図における縦横比や各部材同士の大小関係は、あくまで模式的に表されており、実際に製造されるエネルギー変換装置等における関係とは必ずしも一致しない。説明の便宜上、各部材同士の大小関係を誇張して表現している場合も想定される。また、異なる図面間では、同一の部材の形状が異なっている場合もある。
　以下の説明では、本開示に係るエネルギー変換装置の例として、産業用又は車載用モータのインバータ装置等の電力変換装置に適用される装置を挙げる。このため、以下の説明では、既知のエネルギー変換装置と同一の、又は類似した構成、機能、動作、及び組み立て方法等についての詳細な説明を省略する。
　図１は、一実施の形態に係るエネルギー変換装置の構成例を示す上面図である。図２は、図１のＡ－Ａ’線で切断したエネルギー変換装置内部の構成例を示す断面側面図である。図３は、図１のＢ－Ｂ’線で切断したエネルギー変換装置の断面側面図である。図４は、半導体モジュールの回路の構成例を示す図である。なお、図１では、配線板及び半導体素子等を封止する封止材を省略している。図２には、図１のＡ－Ａ’線で切断したエネルギー変換装置のうちのＡ－Ａ’線を境として左側に位置する部分を右方から見た場合の構成例を概略的に示している。図２では、封止材の断面であることを示すハッチングを省略している。図３には、図１のＢ－Ｂ’線で切断したエネルギー変換装置のうちのＢ－Ｂ’線を境として左側に位置する部分を右方から見た場合の構成例を概略的に示している。
　図１～図３に例示したエネルギー変換装置１は、半導体装置としての半導体モジュール２と、冷却器１０とを含む。半導体モジュール２は、放熱ベース３と、配線板４と、半導体素子５Ａ及び５Ｂと、複数のボンディングワイヤ７Ａ～７Ｆと、ケース８と、封止材９と、を含む。冷却器１０は、フィン１１と、ウォータージャケット１２とを含む。半導体モジュール２は、放熱ベース３の貫通穴に挿通され、冷却器１０のフィン１１の上面１１１０に設けられたねじ穴（雌ねじ）と螺合する雄ねじを有するねじ１３によって、冷却器１０に取り付けられている。半導体モジュール２の放熱ベース３と冷却器１０のフィン１１とは、サーマルグリス、サーマルコンパウンド等の熱伝導材１４を介して接続されている。
　図１～図３に例示した半導体モジュール２は、図４に例示したような単相電圧形ハーフブリッジインバータ回路を構成する。この種の半導体モジュール２における放熱ベース３の上面には、配線板４が配置されている。配線板４は、絶縁基板４００と、絶縁基板４００の上面（第１の面）に設けられた第１の導体パターン４０１及び第２の導体パターン４０２と、絶縁基板４００の下面（第２の面）に設けられた第３の導体パターン４０３とを含む。配線板４は、例えば、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板やＡＭＢ（Ａｃｔｉｖｅ　Ｍｅｔａｌ　Ｂｒａｚｉｎｇ）基板であり得る。配線板４は、積層基板、絶縁回路基板と呼ばれてもよい。
　絶縁基板４００は、特定の基板に限定されない。絶縁基板４００は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、及び酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）との複合材料等のセラミックス材料によって形成されたセラミックス基板であってよい。絶縁基板４００は、例えば、エポキシ樹脂等の絶縁樹脂を成形した基板、ガラス繊維等の基材に絶縁樹脂を含侵させた基板、平板状の金属コアの表面を絶縁樹脂でコーティングした基板等であってもよい。
　第３の導体パターン４０３は、インバータ回路で発生した熱を放熱ベース３に伝導する熱伝導部材として機能する部材であり、例えば、銅やアルミニウム等の金属板又は金属箔等によって形成される。第３の導体パターン４０３は、はんだ等の接合材２１によって放熱ベース３に接合される。第３の導体パターン４０３は、放熱層、放熱パターンと呼ばれてもよい。
　第１の導体パターン４０１及び第２の導体パターン４０２は、インバータ回路における配線部材として機能する部材であり、例えば、銅やアルミニウム等の金属板又は金属箔等によって形成される。第１の導体パターン４０１及び第２の導体パターン４０２は、導体層、導体板、導電層、又は配線パターンと呼ばれてもよい。
　第１の導体パターン４０１の上には、図示しない接合材により第１の導体パターン４０１に接合された第１の半導体素子５Ａが配置されている。第２の導体パターン４０２の上には、接合材２１２２により第２の導体パターン４０２に接合された第２の半導体素子５Ｂが配置されている。第１の半導体素子５Ａ及び第２の半導体素子５Ｂの各々は、はんだ等の導電性の接合材によって第１の導体パターン４０１及び第２の導体パターン４０２に接合される。
　第１の半導体素子５Ａ及び第２の半導体素子５Ｂの各々は、例えば、スイッチング素子であるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素子と、スイッチング素子に逆並列に接続されるＦＷＤ（Ｆｒｅｅ　Ｗｈｅｅｌｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）素子等のダイオード素子と、を一体化したＲＣ（Ｒｅｖｅｒｓｅ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ）－ＩＧＢＴ素子で構成される。半導体素子５Ａ及び５Ｂにおけるスイッチング素子及びダイオード素子は、Ｓｉ基板に限らず、例えば、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（窒化ガリウム）等のワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体基板に形成されてもよい。この種の半導体素子５Ａ及び５Ｂの各々は、下面に図示しない第１の主電極が設けられ、上面に図示しない第２の主電極及び制御電極（ゲート電極）が設けられている。すなわち、第１の導体パターン４０１は、導電性の接合材により第１の半導体素子５Ａの第１の主電極と電気的に接続され、第２の導体パターン４０２は、導電性の接合材２２により第２の半導体素子５Ｂの第１の主電極と電気的に接続される。
　第１の半導体素子５Ａの上面に設けられた第２の主電極は、ボンディングワイヤ７Ａによって、ケース８に設けられた出力端子８０３と電気的に接続される。第１の半導体素子５Ａの上面に設けられた制御電極は、ボンディングワイヤ７Ｃによって、ケース８に設けられた第１の制御端子８０４と電気的に接続される。第１の半導体素子５Ａの下面に設けられた第１の主電極と電気的に接続された第１の導体パターン４０１は、ボンディングワイヤ７Ｂによって、ケース８に設けられた第１の入力端子（Ｐ端子）８０１と電気的に接続される。すなわち、第１の半導体素子５Ａの第１の主電極は、接合材、第１の導体パターン４０１、及びボンディングワイヤ７Ｂを介して、ケース８に設けられた第１の入力端子８０１と電気的に接続される。
　第２の半導体素子５Ｂの上面に設けられた第２の主電極は、ボンディングワイヤ７Ｄによって、ケース８に設けられた第２の入力端子（Ｎ端子）８０２と電気的に接続される。第２の半導体素子５Ｂの上面に設けられた制御電極は、ボンディングワイヤ７Ｆにより、ケース８に設けられた第２の制御端子８０５と電気的に接続される。第２の半導体素子５Ｂの下面に設けられた第１の主電極と電気的に接続された第２の導体パターン４０２は、ボンディングワイヤ７Ｅにより、ケース８に設けられた出力端子８０３と電気的に接続される。すなわち、第２の半導体素子５Ｂの第１の主電極は、接合材２２、第２の導体パターン４０２、及びボンディングワイヤ７Ｅを介して、ケース８に設けられた出力端子８０３と電気的に接続される。
　第１の入力端子８０１、第２の入力端子８０２、出力端子８０３、第１の制御端子８０４、及び第２の制御端子８０５は、ケース８の絶縁部材８００と一体的に設けられる。絶縁部材８００は、上面及び下面が開口しており、放熱ベース３の上面に配置された配線板４、半導体素子５Ａ及び５Ｂ、ボンディングワイヤ７Ａ～７Ｆ等を収容可能な中空部を有する。絶縁部材８００は、例えば、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙ　Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　Ｓｕｌｆｉｄｅ）、ＰＡ（Ｐｏｌｙ　Ａｍｉｄｅ）等の絶縁性の樹脂材料を用いて形成される。第１の入力端子８０１、第２の入力端子８０２、出力端子８０３、第１の制御端子８０４、及び第２の制御端子８０５は、例えば、銅板等の金属板等を用いて形成され、例えば、インサート成形により絶縁部材８００と一体化される。
　第１の入力端子８０１、第２の入力端子８０２、及び出力端子８０３は、絶縁部材８００の上面から突出した部分が、絶縁部材８００の上面に沿って延伸するように折り曲げられている。絶縁部材８００の上面のうちの、第１の入力端子８０１と重なる領域内、第２の入力端子８０２と重なる領域内、及び出力端子８０３と重なる領域内のそれぞれには、ねじ穴の軸芯方向が上下方向になる向きでナット１５を収容可能な収容部（図示せず）が設けられている。第１の入力端子８０１、第２の入力端子８０２、及び出力端子８０３は、絶縁部材８００の収容部に収容されたナット１５にボルト等のねじ部品を螺合可能にする貫通穴（図示せず）が設けられている。
　第１の入力端子８０１、第２の入力端子８０２、出力端子８０３、第１の制御端子８０４、及び第２の制御端子８０５の各端子は、一方の端部が絶縁部材８００における中空部を画成する内周面に露出している。ボンディングワイヤ７Ａ～７Ｆの一端は、対応する端子のうちの絶縁部材８００の内周面に露出した部分と電気的に接続される。
　ケース８は、絶縁部材８００の下面を放熱ベース３の上面に接着することにより、放熱ベース３に取り付けられる。絶縁部材８００と放熱ベース３とを接着する接着剤１６は、例えば、エポキシ系、シリコーン系の接着剤であり得る。放熱ベース３の上面に配置された配線板４、半導体素子５Ａ及び５Ｂ、ボンディングワイヤ７Ａ～７Ｆは、放熱ベース３とケース８の絶縁部材８００によって画成される凹部空間内に位置し、当該凹部空間内に充填された封止材９によって封止される。封止材９は、例えば、エポキシ樹脂、シリコーンゲル等であり得る。
　放熱ベース３は、図１に例示したように、平面視での形状が角部を丸くした概略矩形であり、角部にねじ１３の軸を挿通可能な貫通穴（図示せず）が形成されている板状部材である。放熱ベース３は、半導体素子５Ａ及び５Ｂが発した熱を冷却器１０に伝導する熱伝導部材として機能する部材であり、例えば、銅板やアルミニウム板等の金属板によって形成される。放熱ベース３は、例えば、プレス加工等によって、平板状の金属板を下面３０１が凸状の曲面になるように反らせている。ケース８の絶縁部材８００は、平面視で放熱ベース３の貫通穴と重ならないように（より具体的には、ねじ１３をフィン１１のねじ穴に螺合させることができるように）、外周側の角部が切り取られた形状になっている。
　上記のように、図１～図３を参照して上述した半導体モジュール２は、図４に例示したような単相電圧形ハーフブリッジインバータ回路（以下「ハーフブリッジインバータ回路」と記載する）を構成する。ハーフブリッジインバータ回路は、第１の入力端ＩＮ（Ｐ）と出力端ＯＵＴとの間に接続されたスイッチング素子５０３及びダイオード素子５０４と、第２の入力端ＩＮ（Ｎ）と出力端ＯＵＴとの間に接続されたスイッチング素子５０５及びダイオード素子５０６と、を含む。第１の入力端ＩＮ（Ｐ）と出力端ＯＵＴとの間は、上アームと呼ばれることがあり、第２の入力端ＩＮ（Ｎ）と出力端ＯＵＴとの間は、下アームと呼ばれることがある。図１～図３を参照して上述した半導体モジュール２において、上アームのスイッチング素子５０３及びダイオード素子５０４は第１の半導体素子５Ａ内に形成されており、下アームのスイッチング素子５０５及びダイオード素子５０６は第２の半導体素子５Ｂ内に形成されている。
　スイッチング素子５０３及び５０５がＩＧＢＴ素子の場合、第１の半導体素子５Ａ及び第２の半導体素子５Ｂの下面側の第１の主電極がコレクタ電極と呼ばれ、上面側の第２の主電極がエミッタ電極と呼ばれる。上アームのスイッチング素子５０３は、コレクタ電極が第１の入力端子８０１であってよい第１の入力端ＩＮ（Ｐ）に接続され、下アームのスイッチング素子５０５のエミッタ電極は、第２の入力端子８０２であってよい第２の入力端ＩＮ（Ｎ）に接続される。第１の入力端ＩＮ（Ｐ）及び第２の入力端ＩＮ（Ｎ）は、それぞれ、直流電源の正極及び負極に接続される。上アームのスイッチング素子５０３のエミッタ電極、及び下アームのスイッチング素子５０５のコレクタ電極は、出力端子８０３であってよい出力端ＯＵＴに接続される。また、スイッチング素子５０３のゲート及びスイッチング素子５０５のゲートは、それぞれ、第１の制御端子８０４及び第２の制御端子８０５を介して、図示しない制御回路に接続される。
　図４に例示したハーフブリッジインバータ回路は、上アームのスイッチング素子５０３のゲートに印加される制御信号と、下アームのスイッチング素子５０５のゲートに印加される制御信号と、により、第１の入力端ＩＮ（Ｐ）と第２の入力端ＩＮ（Ｎ）との間の直流を交流に変換して出力端ＯＵＴから出力することができる。また、図４に例示したハーフブリッジインバータ回路を第１の入力端ＩＮ（Ｐ）と第２の入力端ＩＮ（Ｎ）との間に３つ並列に接続し、各回路に印加する制御信号を制御することにより、三相交流のインバータ回路とすることができる。
　図４を参照して上述したハーフブリッジインバータ回路を備える半導体モジュール２は、図１～図３を参照して上述した構成に限定されない。スイッチング素子５０３及び５０５は、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＢＪＴ（Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等で構成されてもよい。スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴ素子の場合、半導体素子５Ａ及び５Ｂの下面側の主電極はドレイン電極と呼ばれてもよく、上面側の主電極はソース電極と呼ばれてもよい。また、ダイオード素子５０４及び５０６は、例えば、ＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ　Ｂａｒｒｉｅｒ　Ｄｉｏｄｅ）、ＪＢＳ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ　Ｂａｒｒｉｅｒ　Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）ダイオード、ＭＰＳ（Ｍｅｒｇｅｄ　ＰＮ　Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）ダイオード、ＰＮダイオード等で構成されてもよい。また、スイッチング素子５０３及び５０５、ダイオード素子５０４及び５０６を形成する基板は、Ｓｉ基板に限らず、例えば、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（窒化ガリウム）等のワイドバンドギャップ半導体を用いた基板であってもよい。
　また、半導体モジュール２は、例えば、上アームのスイッチング素子５０３及びダイオード素子５０４、並びに下アームのスイッチング素子５０５及びダイオード素子５０６の各素子が、別個の半導体素子であってもよい。例えば、上アームのスイッチング素子５０３とダイオード素子５０４とは、１つの半導体基板にそれらを形成した１つの半導体素子５Ａ（１つの半導体チップ）に限らず、スイッチング素子５０３を形成した１つ以上の半導体素子（１つ以上の半導体チップ）と、ダイオード素子５０４を形成した１つ以上の半導体素子（１つ以上の半導体チップ）とで構成されてもよい。半導体素子の形状、配置数、配置箇所等は適宜変更が可能である。配線板４の上面側に設けられる配線部材としての導体パターンのレイアウトは、搭載される半導体素子の種類、形状、配置する数、配置箇所等に応じて変更される。また、上述した半導体モジュール２におけるボンディングワイヤ７Ａ～７Ｆのうちのいくつか、又はすべては、例えば、銅板等の金属板を加工して形成されたリードに置き換えられてもよい。
　また、半導体素子５Ａ及び５Ｂの上面に設けられる制御電極は、ゲート電極と、補助電極とを含んでもよい。例えば、補助電極は、上面側の主電極と電気的に接続され、ゲート電位に対する基準電位となる補助エミッタ電極あるいは補助ソース電極であってよい。また、補助電極は、半導体モジュール２を有するインバータ装置等に含まれることがある温度センス部と電気的に接続され、半導体素子５Ａ及び５Ｂの温度を測定する温度センス電極であってよい。半導体素子５Ａ及び５Ｂの上面に形成されたこれらの電極（主電極、並びにゲート電極及び補助電極を含む制御電極）は、総じて上面電極と呼ばれてもよい。
　半導体モジュール２の回路構成は、図４を参照して上述したハーフブリッジインバータ回路に限定されない。半導体モジュール２のインバータ回路は、例えば、単相フルブリッジインバータ回路であってもよい。また、１個の半導体モジュール２におけるインバータ回路は、例えば、単相に限らず、上記のような三相交流のインバータ回路であってもよい。
　図１～図３を参照して上述した半導体モジュール２に取り付ける冷却器１０は、フィン１１と、ウォータージャケット１２とを含む。フィン１１は、半導体モジュール２を取り付ける上面１１１０を有する基部１１０１と、基部１１０１の下面から下方に延伸する複数のフィン部１１０２とを含む。ウォータージャケット１２は、フィン１１に取り付けられたときに、フィン部１１０２が配置された冷媒の流路を画成する形状をなす。本実施の形態のエネルギー変換装置１は、半導体モジュール２の動作中に半導体素子５Ａ及び５Ｂが発した熱の一部を、配線板４及び放熱ベース３を介して冷却器１０に伝導して放熱する。この種のエネルギー変換装置１では、サーマルグリス等の熱伝導材１４により放熱ベース３とフィン１１との密着性を向上させることで、放熱ベース３から冷却器１０（フィン１１）に効率よく熱を伝導させることができる。
　図５は、放熱ベースを冷却器に取り付けるときの熱伝導材の塗布パターンの例を説明する下面図である。図６は、放熱ベースを冷却器に取り付けるときの熱伝導材の広がりの様子を説明する図である。図７は、放熱ベースを冷却器に取り付けるときに生じる問題の一例を説明する図である。なお、図６及び図７では、フィン１１のフィン部１１０２を省略している。
　サーマルグリス等の熱伝導材１４により放熱ベース３とフィン１１との密着性を向上させる場合、例えば、図５及び図６のＡに例示したように、放熱ベース３の下面３０１に複数の熱伝導材１４を所定のパターンで配置する。放熱ベース３は、平面視での形状が矩形の角部を丸くした形状であり、角部にはねじ１３を挿通する貫通穴３０３が形成されている。また、放熱ベース３は、例えば、プレス加工等によって平板状の金属板を下面３０１が凸状の曲面になるように反らせた形状にしてある。図６のＡ～Ｃに例示した放熱ベース３の下面３０１は、平面視で下面３０１の中心部分が頂部になり、下面３０１の各点における中心部分に対するＺ方向の相対位置の変化が下に凸の曲線で表される曲面である。
　複数の熱伝導材１４は、放熱ベース３の下面３０１における貫通穴３０３の周囲を除いた部分に配置される。複数の熱伝導材１４の配置パターンは、図５に例示したような同一形状で同一寸法のものを整列配置するパターンに限定されない。放熱ベース３の下面３０１に配置する複数の熱伝導材１４は、例えば、形状が複数通りであってもよいし、同一形状で寸法が複数通りであってもよい。複数の熱伝導材１４は、例えば、平面視での放熱ベース３の下面３０１の中心からの距離に応じて配置パターンが変化してもよい。
　放熱ベース３の下面３０１をフィン１１の上面１１１０と向い合せてフィン１１上に配置すると、図６のＡに例示したように、下面３０１の中心及びその周辺に配置された熱伝導材１４がまずフィン１１の上面１１１０と接触する。その後、例えば、放熱ベース３をフィン１１の上面１１１０に押し付けると、図６のＢ及びＣに示したように、フィン１１と接触した熱伝導材１４が、放熱ベース３の下面３０１とフィン１１の上面１１１０との間で下面３０１の中心から径外方向に広がりながら一体化される。このとき、放熱ベース３の下面３０１を凸状の曲面にしておくと、熱伝導材１４が放熱ベース３の下面３０１の中心から径外方向に広がりやすくなり、かつ一体化された熱伝導材１４内に空隙が生じにくくなる。
　しかしながら、放熱ベース３を冷却器１０のフィン１１に取り付けるときには、図６のＡ～Ｃに例示したように、放熱ベース３の上面３０２に配線板４が接合されている。また、放熱ベース３を冷却器１０のフィン１１に取り付けるときには、放熱ベース３とフィン１１との間に熱伝導材１４を広がらせた後、ねじ１３を利用して放熱ベース３をフィン１１に固定する。
　図７には、従来の半導体装置（半導体モジュール）に用いられる放熱ベース３０を冷却器１０のフィン１１に取り付けるときに生じる放熱ベース３０の変形を模式的に示している。従来の放熱ベース３０は、下面３０１を下に向けたときに、例えば、ねじ止め用の貫通穴３０３を通る対角方向の直線上でみた下面３０１の形状が下に凸の曲線で表される。
　放熱ベース３０の下面３０１における角部にねじ止め用の貫通穴３０３がある場合、貫通穴３０３に挿通したねじ１３をフィン１１の上面１１１０のねじ穴１１１１に螺合させると、図７に例示したように、放熱ベース３０は、下面３０１の凸状の曲面（実線で示した曲線で表される曲面）から、曲率の小さい平坦に近い曲面（二点鎖線で示した曲線で表される曲面）になるように変形する。すなわち、ねじ１３によって放熱ベース３０をフィン１１に取り付けると、放熱ベース３０は、取り付け前と比べて反りが小さくなる方向に変形する。放熱ベース３０に反りが小さくなる方向の変形が生じると、放熱ベース３０の上面３０２に接合された配線板４に変形応力が加わり、例えば、絶縁基板４００が割れる、導体パターン４０１～４０３が絶縁基板４００から剥離する等の、配線板４の損傷が生じる。このような配線板４の損傷は、放熱ベース３０の下面３０１の面積が広く、配線板４が貫通穴３０３近傍にまで配置されており、かつ下面３０１の角部にねじ１３を挿通する貫通穴３０３が形成されている場合に生じやすい。
　図８は、一実施の形態に係る放熱ベースの形状の例を説明する上面図である。図９は、図８に例示した放熱ベースにおける３つの方向での反りの傾向を説明するグラフ図である。図１０は、図８に例示した放熱ベースにおける対角方向の反りの具体例を説明するグラフ図である。図１１は、図８に例示した放熱ベースを冷却器に取り付けるときの放熱ベースの変形を説明する図である。
　図８には、本実施の形態に係る放熱ベース３の形状の説明に用いるパラメータの定義を説明する図が示されている。本実施の形態に係る放熱ベース３における下面３０１の凸状の曲面の形状は、平面視で下面３０１の中心Ｐを通る、長手方向（Ｘ方向）の直線Ｓ１上でみた下面３０１の形状を示す曲線、短手方向（Ｙ方向）の直線Ｓ２上でみた下面３０１の形状を示す曲線、及び対角方向（Ｄ方向）の直線Ｓ３上でみた下面３０１の形状を示す曲線によって説明される。図８に例示した放熱ベース３は、長手方向の寸法をＬｘ（ｍｍ）、短手方向の寸法をＬｙ（ｍｍ）、対角方向の寸法をＬｄ（ｍｍ）としている。また、説明を簡単にするために、放熱ベース３の下面３０１は、平面視での中心Ｐを頂点とする凸状の曲面であるとする。
　図９のグラフ図において、曲線Ｒ１は、図８に例示した放熱ベース３における長手方向（Ｘ方向）の直線Ｓ１上でみた下面３０１の形状を示し、曲線Ｒ２は、図８に例示した放熱ベース３における短手方向（Ｙ方向）の直線Ｓ２上でみた下面３０１の形状を示す。図９のグラフ図において、曲線Ｒ３は、図８に例示した放熱ベース３における対角方向（Ｄ方向）の直線Ｓ３上でみた下面３０１の形状を示す。直線Ｓ３で示される下面３０１の形状は、貫通穴３０３の下面３０１側の開口端となる部分を含む。図９のグラフにおいて、横軸は、下面３０１の中心Ｐからの距離であり、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＤ方向の各方向において中心Ｐよりも正側に位置する部分の距離を正の値で示し、中心Ｐよりも負側に位置する部分の距離を負の値で示している。また、図９のグラフ図において、縦軸は、放熱ベース３の下面３０１を下（Ｚ方向負側）に向けたときの、中心ＰのＺ方向の位置に対する各点のＺ方向の相対位置である。
　本実施の形態の放熱ベース３の下面３０１は、中心Ｐを通る長手方向（Ｘ方向）の直線Ｓ１上の各点のＺ方向の相対位置が、曲線Ｒ１で表されるように、全体として下に凸の曲線で表される。直線Ｓ１上では、直線Ｓ１の端点（端部）を含む、端点から中心Ｐに向かう方向でのＺ方向の相対位置、及び中心Ｐを含む、中心Ｐから端点に向かう方向でのＺ方向の相対位置が、いずれも、下に凸の曲線で表される変化をする。同様に、本実施の形態の放熱ベース３の下面３０１は、中心Ｐを通る短手方向（Ｙ方向）の直線Ｓ２上の各点のＺ方向の相対位置が、曲線Ｒ２で表されるように、全体として下に凸の曲線で表される。直線Ｓ２上では、直線Ｓ２の端点（端部）を含む、端点から中心Ｐに向かう方向でのＺ方向の相対位置、及び中心Ｐを含む、中心Ｐから端点に向かう方向でのＺ方向の相対位置が、いずれも、下に凸の曲線で表される変化をする。
　これに対し、本実施の形態の放熱ベース３の下面３０１は、中心Ｐを通る対角方向（Ｄ方向）の直線Ｓ３上の各点のＺ方向の相対位置が、曲線Ｒ３で表されるように、下に凸の曲線で表される変化をする区間と、上に凸の曲線で表される変化をする区間とを有する。直線Ｓ３上では、直線Ｓ３の端点（端部）を含む、端点から中心Ｐに向かう方向でのＺ方向の相対位置が上に凸の曲線で表される変化をし、中心Ｐを含む、中心Ｐから端点に向かう方向でのＺ方向の相対位置が下に凸の曲線で表される変化をする。具体的には、中心からの距離ＬｐがＬｉ＞Ｌｐ＞－Ｌｉである区間は下に凸の曲線で表される変化をし、Ｌｐ＞Ｌｉである区間は上に凸の曲線で表される変化をする。すなわち、曲線Ｒ３は、中心Ｐからの距離－Ｌｉ及びＬｉに変曲点Ｑが存在する。
　変曲点Ｑの位置と関連付けられる距離－Ｌｉ及びＬｉは、例えば、放熱ベース３の角部に形成されたねじ止め用の貫通穴３０３の中心からの距離の最小値Ｌｋ１と最大値Ｌｋ２との間になるように設定される。距離の最小値Ｌｋ１及び最大値Ｌｋ２は、例えば、放熱ベース３の長手方向の寸法Ｌｘ及び短手方向の寸法Ｌｙ、並びにねじ止め用の貫通穴３０３の穴径等に基づいて設定される。放熱ベース３の長手方向の寸法Ｌｘ及び短手方向の寸法ＬｙがＬｘ＝約１２０ｍｍ及びＬｙ＝約６０ｍｍであり、ねじ止め用の貫通穴３０３の穴径が約５ｍｍの場合、距離の最小値Ｌｋ１及び最大値Ｌｋ２は、例えば、Ｌｋ１＝５ｍｍ及びＬｋ２＝２０ｍｍに設定することができる。
　図９に例示した曲線Ｒ３において変曲点Ｑを境とする下に凸の曲線と上に凸の曲線とは、例えば、図１０に示したように、変曲点Ｑの位置における上に凸の曲線の接線が下に凸の曲線の接線Ｔと一致するようにすることが望ましい。このようにすることで、対角方向の直線Ｓ３上における端点から直近の変曲点Ｑまでの端部区間の各点におけるＺ方向の相対位置を、２つの変曲点Ｑの間の中央区間におけるＺ方向の相対位置の変化を端部区間に延長した場合の相対位置（図１０に点線で示される相対位置）よりも小さくすることができる。
　放熱ベース３における対角方向（Ｄ方向）での凸状の曲面の変化が上述した条件（曲線Ｒ３の条件）を満たし、中心からの距離Ｌｉが約４８ｍｍ、距離Ｌｉの位置におけるＺ方向の相対位置が１６０μｍである場合、対角方向の端部におけるＺ方向の相対位置は、例えば、約２４０μｍにすることができる。一方、対角方向のＺ方向の相対位置の変化を、長手方向の変化及び短手方向の変化と同様の、変曲点Ｑが存在しない下に凸の曲線で表される変化のみにした場合、端部区間におけるＺ方向の相対位置の変化は、図１０に点線で示した変化となる。この場合、対角方向の端部におけるＺ方向の相対位置は、例えば、約３１０μｍとなる。
　このように、放熱ベース３の下面３０１の凸状の曲面を、図８～図１０を参照して上述したような形状にすることにより、放熱ベース３を冷却器１０（フィン１１）に取り付けるときに生じる、放熱ベース３の反りが小さくなる方向への変形の変形量を小さくすることができる。
　すなわち、本実施の形態の放熱ベース３を冷却器１０のフィン１１に取り付ける場合、図１１に示すように、放熱ベース３の角部からフィン１１の上面１１１０までのＺ方向での距離を、曲面の形状が点線で示した端部まで下に凸の曲線で表される放熱ベース３０の場合（図７を参照）と比べて、短くすることができる。このため、ねじ１３を放熱ベース３の貫通穴３０３に挿通してフィン１１のねじ穴１１１１に螺合させたときに生じる放熱ベース３の変形量を、図７を参照して上述した従来の放熱ベース３０の変形量よりも小さくすることができる。したがって、本実施の形態の放熱ベース３を用いることにより、放熱ベース３をフィン１１に取り付けたときの放熱ベース３の変形により配線板４に生じる変形応力を小さくすることができ、変形応力による配線板４の破損を防ぐことができる。
　また、本実施の形態の放熱ベース３は、図１０を参照して上述したように、対角方向の直線Ｓ３上でみた場合に生じる変曲点Ｑにおいて、下面３０１を下に凸の曲面から上に凸の曲面に滑らかに変化させることができる。このように、変曲点Ｑにおいて下面３０１の曲面を滑らかに変化させることにより、例えば、変曲点Ｑの周囲で接線が不連続に変化するような折り曲げ加工をする場合と比べて、変曲点Ｑへの応力集中が起こりにくく、放熱ベース３の変形に伴う配線板４の変形応力を低減させやすい。
　図１２は、一実施の形態に係る放熱ベースにおける凸状の曲面の形状に関する補足をする図である。
　本実施の形態の放熱ベース３における対角方向の直線Ｓ３上での下面３０１の形状の例として、図９及び図１０に示した曲線Ｒ３は、放熱ベース３の上面３０２に配線板４を接合する前の下面３０１の形状を示している。上述した本実施の形態の放熱ベース３の上面に配線板４を接合した場合、対角方向の直線Ｓ３上の各点におけるＺ方向の相対位置は、例えば、図１２に示した曲線Ｒ４で表される変化をすることがある。曲線Ｒ４は、曲線Ｒ３と同様、Ｚ方向の相対位置が下に凸の曲線で表される変化をする区間と、上に凸の曲線で表される変化をする区間とを有する。曲線Ｒ４は、距離－Ｌｉ及びＬｉの位置で分割される、曲線Ｒ４の端点を含む、端点から中心Ｐに向かう方向でのＺ方向の相対位置が上に凸の曲線のみで表される変化をする２つの端部区間と、当該２つの端部区間の間に位置する中央区間とを有する。曲線Ｒ４の中央区間におけるＺ方向の相対位置の変化は、曲線Ｒ３の中央区間の変化とは異なり、下に凸の曲線で表される区間と、上に凸の曲線で表される区間とが含まれる。
　また、図を参照した説明は省略するが、放熱ベース３に配線板４を接合した場合、下面３０１の中心を通る長手方向の直線上の各点におけるＺ方向の相対位置、及び短手方向の直線上の各点におけるＺ方向の相対位置も、曲線Ｒ４の中央区間のように下に凸の曲線で表される区間と、上に凸の曲線で表される区間と有する曲線で表されることがある。
　しかしながら、中央区間内に下に凸の曲線で表される区間と、上に凸の曲線で表される区間と有する場合も、端点（端部）を含み、端点から中心に向かう方向でのＺ方向の相対位置の変化は、図９及び図１０を参照して説明した変化になる。したがって、中央区間内に下に凸の曲線で表される区間と、上に凸の曲線で表される区間と有する場合であっても、放熱ベース３を冷却器１０（フィン１１）に取り付けるときに生じる変形の変形量を小さくすることができる。
　以上説明したように、本実施の形態に係る放熱ベース３は、冷却器１０のフィン１１と向い合せにする下面３０１が凸状の曲面であり、かつ、下面３０１の中心Ｐを通る長手方向の直線Ｓ１上での下面３０１の形状、及び短手方向の直線Ｓ２上での下面の形状は、端部を含み、端部から中心Ｐに向かう方向の形状の変化が下に凸の曲線で表され、対角方向の直線Ｓ３上での下面３０１の形状は、端部を含み、端部から中心Ｐに向かう方向の形状の変化が上に凸の曲線で表される。このため、本実施の形態に係る放熱ベース３は、対角方向の直線Ｓ３上での下面３０１の形状も、端部を含み、端部から中心Ｐに向かう方向の形状の変化が下に凸の曲線で表される放熱ベース３０（図７を参照）と比べて、フィン１１に取り付ける際の変形量を小さくすることができ、放熱ベース３の上面に接合された配線板４に生じる変形応力を小さくできる。したがって、本実施の形態に係る放熱ベース３を用いたエネルギー変換装置１では、変形応力による配線板４の損傷を防ぐことができ、エネルギー変換装置１（半導体モジュール２）の故障を防ぐことができる。
　本発明に係る放熱ベース３及びエネルギー変換装置１の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらに、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。
　例えば、上述した実施の形態に係る放熱ベース３は、プレス加工等により平板状のベース板を反らせて下面３０１を凸状の曲面にしており、配線板４を接合する上面３０２は凹状の曲面になっている。しかしながら、本発明に係る放熱ベース３は、そのような形状に限定されない。本発明に係る放熱ベース３は、例えば、冷却器１０のフィン１１と向い合せる下面３０１が凸状の曲面であり、配線板４を接合する上面３０２が平坦な面であってもよい。また、放熱ベース３の下面３０１を凸状の曲面にするときの頂点の位置は、平面視で下面３０１の中心になる位置に限らず、中心からずれた位置であってもよい。また、１つの放熱ベース３に接合される配線板４の数は、２つ以上であってもよい、また、放熱ベース３における変曲点Ｑは、例えば、ねじ止め時に変曲点Ｑを起点として配線板４が割れること等を防ぐ観点では、平面視で配線板４を接合する領域の外側に存在することが望ましい。しかしながら、例えば、図８に例示したように放熱ベース３の下面３０１に曲線状に分布する変曲点Ｑの一部が放熱ベース３における配線板４を接合する領域の内側に存在してもよい。更に、放熱ベース３のねじ止め用の貫通穴３０３は、例えば、下面３０１における角部に加え、長手方向の端辺における中間部分に形成されてもよい。また、平面視での放熱ベース３の形状は、図８を参照して上述したようなＸ方向に延伸する辺とＹ方向に延伸する辺との長さが異なる概略長方形の平面形状に限らず、Ｘ方向に延伸する辺とＹ方向に延伸する辺との長さが略同一の概略正方形の平面形状であってもよい。
　以下、上述した実施の形態における特徴点を整理する。
　上述した実施の形態に係る放熱ベースは、配線板が接合される第１の面と、前記第１の面の反対側であって冷却器と向い合せにされる第２の面と、を有する放熱ベースであって、前記放熱ベースの前記第２の面は、凸状の曲面であり、かつ平面視での形状が、第１の方向に延伸する辺と、第２の方向に延伸する辺とを有する概略矩形であり、前記第２の面を下向きにしたときに、前記第２の面の中心を通り前記第１の方向に延伸する第１の直線上における前記第２の面の形状を表す第１の曲線、及び前記第２の面の中心を通り前記第２の方向に延伸する第２の直線上における前記第２の面の形状を表す第２の曲線が、それぞれ、端部を含む、前記端部から中心に向かう方向の形状の変化が下に凸の曲線で表され、対角方向の直線上での前記第２の面の形状を表す第３の曲線が、端部を含み、前記端部から中心に向かう方向の形状の変化が上に凸の曲線で表され、かつ中心を含み、前記中心から前記端部に向かう方向の形状の変化が下に凸の曲線で表される。
　上記実施の形態に係る放熱ベースは、平面視で前記第２の面の角部となる位置に、前記放熱ベースを前記冷却器に取り付けるための雄ねじを挿通可能な貫通穴が形成されている。
　上記実施の形態に係る放熱ベースにおいて、前記対角方向の直線上での前記第２の面の形状を表す前記第３の曲線は、前記貫通穴よりも前記中心に近い位置に変曲点を有し、前記第３の曲線における前記端部と前記変曲点との間の区間が上に凸の曲線である。
　上記実施の形態に係る放熱ベースにおいて、前記変曲点は、前記配線板が接合される領域の外側にある。
　上記実施の形態に係る放熱ベースにおいて、前記変曲点は、前記貫通穴の中心からの距離が５ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内に位置する。
　上記実施の形態に係る放熱ベースにおいて、前記第１の面は、前記第２の面の前記凸状の曲面と対応した凹状の曲面である。
　上記実施の形態に係る放熱ベースにおいて、前記対角方向の直線上での前記第２の面の形状を表す前記第３の曲線は、前記端部を含み、前記端部から前記中心に向かう方向の形状の変化が前記上に凸の曲線で表される２つの端部区間と、前記２つの端部区間の間に位置する中央区間とを有し、前記中央区間内に、上に凸の曲線で表される部分区間を有する。
　上記実施の形態に係る放熱ベースは、前記第１の方向に延伸する前記辺の長さと、前記第２の方向に延伸する前記辺の長さとが異なる。
　上記の実施の形態に係る半導体モジュールは、上記実施の形態に係る放熱ベースと、前記放熱ベースの前記第１の面に接合された配線板と、前記配線板の上面に配置された半導体素子と、を備える。
　上記の実施の形態に係るエネルギー変換装置は、上記実施の形態に係る半導体モジュールと、前記放熱ベースの前記第２の面と向い合せに配置され、前記放熱ベースに取り付けられた前記冷却器と、前記放熱ベースと前記冷却器との間に充填された熱伝導材と、を備える。
　上述のように、本発明は、配線板が接合された放熱ベースを冷却器に取り付ける際の放熱ベースの変形による配線板の損傷を防ぐことができるという効果を有し、特に、産業用又は電装用のインバータ装置に有用である。
　本出願は、２０２３年３月１３日出願の特願２０２３－０３８２１４に基づく。この内容は、すべてここに含めておく。
１　エネルギー変換装置
２　半導体モジュール
３　放熱ベース
３０１　下面
３０２　上面
３０３　貫通穴
４　配線板
４００　絶縁基板
４０１、４０２、４０３　導体パターン
５Ａ、５Ｂ　半導体素子
７Ａ～７Ｆ　ボンディングワイヤ
８　ケース
８００　絶縁部材
８０１、８０２　入力端子
８０３　出力端子
８０４、８０５　制御端子
９　封止材
１０　冷却器
１１　フィン
１１１０　上面
１１１１　ねじ穴
１２　ウォータージャケット
１３　ねじ
１４　熱伝導材
１５　ナット
１６　接着剤

 

Claims (10)

  1. 　配線板が接合される第１の面と、前記第１の面の反対側であって冷却器と向い合せにされる第２の面と、を有する放熱ベースであって、
    　前記放熱ベースの前記第２の面は、凸状の曲面であり、かつ平面視での形状が、第１の方向に延伸する辺と、第２の方向に延伸する辺とを有する概略矩形であり、前記第２の面を下向きにしたときに、
    　　前記第２の面の中心を通り前記第１の方向に延伸する第１の直線上における前記第２の面の形状を表す第１の曲線、及び前記第２の面の中心を通り前記第２の方向に延伸する第２の直線上における前記第２の面の形状を表す第２の曲線が、それぞれ、端部を含む、前記端部から中心に向かう方向の形状の変化が下に凸の曲線で表され、
    　　前記放熱ベースの対角方向の直線上での前記第２の面の形状を表す第３の曲線が、端部を含み、前記端部から中心に向かう方向の形状の変化が上に凸の曲線で表され、かつ中心を含み、前記中心から前記端部に向かう方向の形状の変化が下に凸の曲線で表される、
    放熱ベース。
  2. 　平面視で前記第２の面の角部となる位置に、前記放熱ベースを前記冷却器に取り付けるための雄ねじを挿通可能な貫通穴が形成されている、請求項１に記載の放熱ベース。
  3. 　前記対角方向の直線上での前記第２の面の形状を表す前記第３の曲線は、前記貫通穴よりも前記中心に近い位置に変曲点を有し、前記第３の曲線における前記端部と前記変曲点との間の区間が上に凸の曲線である、請求項２に記載の放熱ベース。
  4. 　前記変曲点は、前記配線板が接合される領域の外側にある、請求項３に記載の放熱ベース。
  5. 　前記変曲点は、前記貫通穴の中心からの距離が５ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内に位置する、請求項３に記載の放熱ベース。
  6. 　前記第１の面は前記第２の面を下向きにしたときに、前記第２の面の前記凸状の曲面と対応した凹状の曲面である、請求項１に記載の放熱ベース。
  7. 　前記対角方向の直線上での前記第２の面の形状を表す前記第３の曲線は、前記端部を含み、前記端部から前記中心に向かう方向の形状の変化が前記上に凸の曲線で表される２つの端部区間と、前記２つの端部区間の間に位置する中央区間とを有し、前記中央区間内に、上に凸の曲線で表される部分区間を有する、請求項１に記載の放熱ベース。
  8. 　前記第１の方向に延伸する前記辺の長さと、前記第２の方向に延伸する前記辺の長さとが異なる、請求項１に記載の放熱ベース。
  9. 　請求項１～８のいずれか一項に記載の放熱ベースと、
    　前記放熱ベースの前記第１の面に接合された配線板と、
    　前記配線板の上面に配置された半導体素子と、
    を備える半導体モジュール。
  10. 　請求項９に記載の半導体モジュールと、
    　前記放熱ベースの前記第２の面と向い合せに配置され、前記放熱ベースに取り付けられた前記冷却器と、
    　前記放熱ベースと前記冷却器との間に充填された熱伝導材と、
    を備えるエネルギー変換装置。

     
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001291809A (ja) * 2000-04-07 2001-10-19 Denki Kagaku Kogyo Kk 放熱部品
US7511961B2 (en) * 2006-10-26 2009-03-31 Infineon Technologies Ag Base plate for a power semiconductor module
WO2013002249A1 (ja) * 2011-06-27 2013-01-03 ローム株式会社 半導体モジュール
US20130037932A1 (en) * 2009-12-18 2013-02-14 Infineon Technologies Ag Flange for Semiconductor Die
JP2013069748A (ja) * 2011-09-21 2013-04-18 Toshiba Corp ベースプレートおよび半導体装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001291809A (ja) * 2000-04-07 2001-10-19 Denki Kagaku Kogyo Kk 放熱部品
US7511961B2 (en) * 2006-10-26 2009-03-31 Infineon Technologies Ag Base plate for a power semiconductor module
US20130037932A1 (en) * 2009-12-18 2013-02-14 Infineon Technologies Ag Flange for Semiconductor Die
WO2013002249A1 (ja) * 2011-06-27 2013-01-03 ローム株式会社 半導体モジュール
JP2013069748A (ja) * 2011-09-21 2013-04-18 Toshiba Corp ベースプレートおよび半導体装置

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