半導体装置及びその製造方法
【課題】本発明は、製造工程で変形することなく半導体パッケージに固定可能な冷却器を備える半導体装置及びその製造方法の提供を目的とする。
【解決手段】本発明の半導体装置は、内部に冷媒通路を有する複数の冷却管２と、各冷却管２の一主面に固定された半導体パッケージ１と、複数の冷却管２を離間配置した棚状の冷却構造体として積層すると共に、前記冷却構造体の端部において気密性を保つためのシールスペーサ部（突出部２ａ）と、前記冷却構造体の一端および他端に設けられ、各冷却管２の夫々に冷媒を出し入れする一つの開口がシールスペーサ部と気密状に接続されたヘッダ（入口側ヘッダ３、出口側ヘッダ４）とを備える。
【解決手段】本発明の半導体装置は、内部に冷媒通路を有する複数の冷却管２と、各冷却管２の一主面に固定された半導体パッケージ１と、複数の冷却管２を離間配置した棚状の冷却構造体として積層すると共に、前記冷却構造体の端部において気密性を保つためのシールスペーサ部（突出部２ａ）と、前記冷却構造体の一端および他端に設けられ、各冷却管２の夫々に冷媒を出し入れする一つの開口がシールスペーサ部と気密状に接続されたヘッダ（入口側ヘッダ３、出口側ヘッダ４）とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液冷媒を循環させて半導体パッケージを冷却する冷却器を用いた半導体装置の構造およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置は高温で動作するため、冷却器と一体に配置されることがある。
【０００３】
例えば特許文献１には、半導体素子を収納した半導体パッケージと冷却管を交互に積層配置し、冷却管の両側には各々の冷却管に液冷媒を分流して循環させるための分流器を設けた構成が示されている。各冷却管は積層方向に開口した突出管部を備えており、突出管部同士を嵌合させると共に突出管部の側壁同士を接合することにより、分流器が冷却管と一体として形成されている。
【０００４】
このような、いわば棚状に並んだ冷却管の間に半導体パッケージやその他の積層する必要のある部材を挿入し、組み立てることにより冷却器が構成される。ここで冷却器と半導体パッケージを固定するために、積層した複数の冷却管と半導体パッケージを押圧し、冷却管や分流器の一部を変形させることによって、半導体パッケージと冷却管を接触させて固定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−５３３０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の半導体装置の冷却構造では、組立ての際に半導体パッケージを押圧する荷重によって冷却器が変形する。この荷重が過大であれば、冷却管が過度に変形して冷却構造が損なわれる懸念がある。例えば、冷却管内部のフィンが変形することによる伝熱性能の悪化、圧力損失の上昇、又は熱リーク等の発生が懸念される。
【０００７】
このような懸念を解消するべく冷却器の変形を抑制しようとすれば、半導体パッケージを冷却器に対して十分に固定することができ少しの荷重で半導体パッケージを冷却器に固定させようと冷ないという問題がある。又、冷却管同士の距離を小さくすると、半導体パッケージの組付けが困難になるという問題がある。
【０００８】
この発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、組み付け容易であると共に製造工程で変形することなく、半導体パッケージに固定可能な冷却器を備える半導体装置及びその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の半導体装置は、内部に冷媒通路を有する複数の冷却管と、各前記冷却管の一主面に固定された半導体パッケージと、複数の前記冷却管を離間配置した棚状の冷却構造体として積層すると共に、前記冷却構造体の端部において気密を保つためのシールスペーサ部と、前記冷却構造体の一端および他端に設けられ、各前記冷却管に冷媒を出し入れする一つの開口が前記シールスペーサ部と気密状に接続されたヘッダとを備える。
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法は、（ａ）長さ方向と垂直な方向に突出した突出部を両端に有する冷却管を用意する工程と、（ｂ）冷却管の一主面に半導体パッケージを固定してパワーユニットアセンブリを形成する工程と、（ｃ）工程（ｂ）の後、前記突出部同士を接合することにより、複数の前記パワーユニットアセンブリを積層して冷却構造体を形成する工程と、（ｄ）工程（ｃ）の後、ヘッダを、その開口が前記冷却管の開口と連続するようにして前記突出部と当接して前記冷却構造体に組み付ける工程と、（ｅ）前記組み付け箇所の周縁をシールする工程とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体装置は、内部に冷媒通路を有する複数の冷却管と、各前記冷却管の一主面に固定された半導体パッケージと、複数の前記冷却管を離間配置した棚状の冷却構造体として積層すると共に、前記冷却構造体の端部において気密を保つためのシールスペーサ部と、前記冷却構造体の一端および他端に設けられ、各前記冷却管に冷媒を出し入れする一つの開口が前記シールスペーサ部と気密状に接続されたヘッダとを備えるので、組み付け容易であると共に冷媒通路の気密を確実かつ容易に保つことが出来る。
【００１２】
本発明の半導体装置の製造方法は、（ａ）長さ方向と垂直な方向に突出した突出部を両端に有する冷却管を用意する工程と、（ｂ）冷却管の一主面に半導体パッケージを固定してパワーユニットアセンブリを形成する工程と、（ｃ）工程（ｂ）の後、前記突出部同士を接合することにより、複数の前記パワーユニットアセンブリを積層して冷却構造体を形成する工程と、（ｄ）工程（ｃ）の後、ヘッダを、その開口が前記冷却管の開口と連続するようにして前記突出部と当接して前記冷却構造体に組み付ける工程と、（ｅ）前記組み付け箇所の周縁をシールする工程とを備えるので、組み付け容易であると共に冷媒通路の気密を確実かつ容易に保つことが出来る。また、冷却管の変形を要する工程がないので、変形に伴う機械的ダメージを避けることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１に係る半導体装置の構成図である。
【図２】実施の形態１に係るパワーユニットアセンブリの構成を示す断面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図４】実施の形態１に係る半導体装置の組立て工程を示す図である。
【図５】実施の形態２に係る冷却管の構成を示す要部断面図である。
【図６】実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す要部断面図である。
【図７】実施の形態３に係る半導体装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施の形態１）
＜構成＞
図１は、実施の形態１に係る半導体装置の構成図である。この半導体装置は、半導体パッケージ１と、半導体パッケージ１を冷却する冷却器とを備える。半導体パッケージ１は、電気的回路を構成するトランジスタやダイオードなどの半導体素子を内部に収納し保護している。半導体素子は通電時に発熱して高温になるので、半導体パッケージ１は冷却器により冷却されて所定以下の温度に保たれる。
【００１５】
冷却器は、複数の冷却管２、入口側ヘッダ３、出口側ヘッダ４、入口側パイプ５、出口側パイプ６を備える。
【００１６】
図２（ａ）は冷却管２の長手方向断面図、図２（ｂ）は冷却管２を図２のＢ方向から見た図である。図２（ａ）に示すように、冷却管２は内部に冷媒通路が形成された中空形状であって、両端に開口部を有している。また図２（ｂ）に示すように、冷却管２の短手方向断面形状は長方形である。冷却管２の一主面には半導体パッケージ１が固定される。以下、冷却管２と半導体パッケージ１の接合体をパワーユニットアセンブリと呼ぶ。
【００１７】
複数のパワーユニットアセンブリは図１に示すように積層され、冷却構造体を構成する。以下、パワーユニットアセンブリの積層体を冷却構造体と呼ぶ。図２（ａ）に示すように、冷却管２はその両端においてパワーユニットアセンブリの積層方向に冷却管２からフランジ状に突出した突出部２ａを有しており、冷却構造体では隣接する冷却管２の突出部２ａ同士が、図１に示す接合部位で当接し、接合される。このように、複数の冷却管２は突出部２ａ以外の部分において離間配置されて棚状の冷却構造体として積層することにより、半導体パッケージ１が高密度に配置され、半導体装置の小型化が可能になる。
【００１８】
図１に示すように、冷却構造体は入口側ヘッダ３及び出口側ヘッダ４と接合する。各冷却管２の一端が入口側ヘッダ３と接合し、他端で出口側ヘッダ４と接合する。入口側ヘッダ３及び出口側ヘッダ４は中空形状であって開口部を有しており、当該開口部が各冷却管２の開口と連続するようにして冷却管２と接合する。また、入口側ヘッダ３は入口側パイプ５に接続し、入口側パイプ５はポンプ（図示せず）に接続する。同じく出口側ヘッダ４は出口側パイプ６に接続し、出口側パイプ６は前記ポンプに接続する。
【００１９】
以上の要素で構成される冷却器はポンプを循環動力源とする冷媒通路を形成する。入口側パイプ５を通った冷媒は入口側ヘッダ３に流れ込み、さらに入口側ヘッダ３から各冷却管２に分流して冷却管２で半導体パッケージ１を冷却する。冷却管２を通過した冷媒は出口側ヘッダ４に集められ、出口側ヘッダ４から出口側パイプを通って再び入口側パイプへと流れ込む。
【００２０】
冷却管２は突出部２ａを有しているので、冷却管２内部の冷媒通路を曲線にすることなく隣接する冷却管２同士を接続することが可能である。冷媒通路はほぼ直線状に形成されることから、冷却管２における圧力損失が小さくなり高い冷却性能が得られる。また、冷却管２が直線形状であることは、製造の簡単化の点でも有利である。
【００２１】
冷却器の外部に冷媒が漏れないよう、冷却管２と入口側ヘッダ３及び出口側ヘッダ４との接合部分において気密性を確保する。図１に示すように、隣接する冷却管２間で突出部２ａ同士が線状に当接し、当該当接箇所を接合することにより気密性が確保されている。すなわち、突出部２ａは、冷却管２を離間配置して棚状の冷却構造体として積層すると共に、冷却構造体の端部における気密性を保つためのシールスペーサ部としての役割を果たす。
【００２２】
ここでシール方法には、溶接、ろう付、圧接など様々な方法があるが、溶融溶接やろう付によりシールする方法が信頼性は高い。例えば、レーザなどのビーム源を熱源とする溶接やろう付であれば、溶接箇所が３次元的に入り組んだ構造でも容易に溶接することができる。
【００２３】
図３は図１のＡ−Ａ断面図である。図３には、冷却構造体と出口側ヘッダ４との接合箇所を示しているが、入口側ヘッダ３との接合箇所もこれと同様である。出口側ヘッダ４と冷却構造体の取り付け箇所の周縁を図３のようにシールする。このシール方法にも、溶接、ろう付、圧接などの方法があるが、溶融溶接やろう付によりシールする方法が信頼性は高い。例えば、レーザなどのビーム源を熱源とする溶接やろう付であれば、溶接箇所が３次元的に入り組んだ構造でも容易に溶接することができる。突出部２ａの周縁をシールするので、シール箇所に十分な面積が確保されて信頼性が向上すると共に、シールの作業性も向上する。
【００２４】
半導体素子を収納する半導体パッケージ１は、図２に示すように冷却管２の上に搭載されてパワーユニットアセンブリを構成する。半導体素子は冷却管２によって冷却される必要があるため、半導体パッケージ１は冷却管２に固着され機械的に保持される。固着方法については例えば、グリス、接着剤、粘着剤を用いる方法や金属接合などがあり、これらを用いて半導体パッケージ１を簡単に冷却管２へ固着することが出来る。グリスなどが介在するだけでは十分な固着強度が保てない場合には、例えば締結などの方法で強度確保を行う。
【００２５】
各パワーユニットアセンブリを構成する半導体パッケージ１や冷却管２には、同一のものを用いることが出来るので、半導体パッケージ１と冷却管２を大量製造することによって生産性の向上とコストの低減を図ることができる。
【００２６】
＜製造工程＞
次に、図４を用いて実施の形態１の半導体装置の組み上げ手順を説明する。まず、冷却管２に半導体パッケージ１を固着したパワーユニットアセンブリを複数用意し、これらを積層して冷却構造体を形成する（図４（ａ））。隣接する冷却管２同士の突出部２ａを当接し、当接部を溶接などで接合することにより、複数のパワーユニットアセンブリが一つの冷却構造体に組み上げられる。
【００２７】
その後、入口側ヘッダ３と出口側ヘッダ４を冷却構造体に組み付け（図４（ｂ））、組付箇所を溶接する（図４（ｃ））。図３に示したように、組み付け箇所の周縁を溶接などでシールする。このように、組み付け箇所の周縁及び突出部２ａの当接部をしっかりとシールすることによって、冷媒通路の気密性を確保する。
【００２８】
以上の工程では、半導体パッケージ１を冷却管２に固着した後にパワーユニットアセンブリの積層やヘッダの取り付けを行う。そのため、半導体パッケージ１を冷却管２に固定するべく冷却管２やヘッダ３，４を変形させる必要がない。そのため、当該変形によって冷却効率が低減したり、シール箇所の信頼性が低減したりすることを抑制できる。
【００２９】
また、パワーユニットアセンブリや冷却構造体は、一方向組立で製造できるので、生産しやすいという利点がある。
【００３０】
図１、４では、半導体パッケージ１と冷却管２が交互に並ぶようにパワーユニットアセンブリを積層する様子を示しているが、冷却管２の半導体パッケージ１が接続される面とは反対側の面同士が対向するようにパワーユニットアセンブリを積層しても良い。
【００３１】
また、冷却管２は冷媒との接触面積を増加させるべく、内部に波板状などの構造体を含むことが好ましい。また、当該構造体を冷却管２の半導体パッケージ１と接続する面及び反対側の面の内壁に接合すれば、冷却管２の剛性が向上して形状のばらつきが低減する。例えば、冷媒通路を開口した１枚以上のプレートを冷却管２の内壁間に積層すると、冷却管２の剛性が向上する。
【００３２】
なお、冷却管２と隣接する冷却管２に搭載された半導体パッケージ１との間の空間に伝熱部材を挿入しても良い。半導体パッケージ１は半導体素子の動作時の発熱により昇温するが、その温度は半導体素子の損失ばらつきや半導体パッケージ２の熱抵抗のばらつきによって各半導体パッケージ１間で異なり、半導体装置の冷却性能は最も高温になる半導体パッケージ１との関係で定まる。しかし、冷却管２と隣接する冷却管２に搭載された半導体パッケージ１との間の空間に伝熱部材を挿入することによって、半導体パッケージ１の冷却を、これが搭載された冷却管２のみならず隣接する冷却管２によって効率良く冷却することが出来る。伝熱部材には熱伝導性の高い金属やセラミックからなるプレート部材を用いることが好ましい。あるいは、樹脂を用いれば隙間に充填し易いので作業性の観点から好ましい。樹脂を用いる場合には、金属や無機材料からなる粒子を樹脂に混合すると、より伝熱性が高くなり好ましい。さらには、上述のプレート部材と樹脂を組み合わせて用いても良い。また、半導体素子から隣接する冷却管にいたる半導体パッケージ本体に伝熱部材をモールドなどの方法で一体化して形成すれば、組み付ける手間を省くことができる。
【００３３】
なお、半導体パッケージ１が収納する半導体素子に、耐熱性が高いＳｉＣを主成分とするものを採用すれば、冷却能力をより小さくしても実用できるため、冷却器をよりコンパクトにすることができる。
【００３４】
＜効果＞
実施の形態１の半導体装置は、内部に冷媒通路を有し外部に主面を有する複数の冷却管２と、各冷却管２の前記主面に固定された半導体パッケージ１と、複数の冷却管２を離間配置した棚状の冷却構造体として積層すると共に、前記冷却構造体の端部において気密性を保つためのシールスペーサ部と、前記冷却構造体の一端および他端に設けられ、各冷却管２に冷媒を出し入れする一つの開口が前記シールスペーサ部と気密状に接続されたヘッダ３，４とを備える。複数の冷却管２を棚状に配置することにより、半導体パッケージ１を高密度に配置することが可能になり、半導体装置の小型化に貢献する。また、シールスペーサ部を設け、ヘッダ３，４をシールスペーサ部と気密状に接続することにより、冷媒通路の気密化を確保する。
【００３５】
また、前記シールスペーサ部は、冷却管２の両端において冷却管２の積層方向に冷却管２から突出した突出部２ａであり、冷却構造体において隣接する冷却管２の突出部２ａ同士が接合されるので、冷却管２内部の冷媒通路を曲線にせずに隣接する冷却管２同士を接続できる。冷媒通路はほぼ直線状に形成されることから、冷却管２における圧力損失が小さくなり高い冷却性能が得られる。また、冷却管２が直線形状であることは、製造の簡単化の点でも有利である。
【００３６】
さらに、一の冷却管２に固定された半導体パッケージ１と、これに隣接した冷却管２との間のギャップを伝熱部材で埋めることにより、半導体パッケージ１の冷却を、これが搭載された冷却管２のみならず隣接する冷却管２によって効率良く冷却することが出来る。
【００３７】
また、ＳｉＣを主成分とする半導体素子を用いれば、冷却能力をより小さくしても実用可能なため、冷却器をよりコンパクトにすることができ、半導体装置の小型化に貢献する。
【００３８】
実施の形態１の半導体装置の製造方法は、（ａ）長さ方向と垂直な方向に突出した突出部２ａを両端に有する冷却管２を用意する工程と、（ｂ）冷却管２の一主面に半導体パッケージ１を固定してパワーユニットアセンブリを形成する工程と、（ｃ）工程（ｂ）の後、突出部２ａ同士を接合することにより、複数の前記パワーユニットアセンブリを棚状に積層して冷却構造体を形成する工程と、（ｄ）工程（ｃ）の後、１つの開口を有するヘッダ３，４を、その開口が複数の冷却管２の開口と連続するように突出部２ａと当接して前記冷却構造体の一端および他端に組み付ける工程と、（ｅ）前記組み付け箇所の周縁をシールする工程とを備える。予め半導体パッケージ１を冷却管２に固着した状態で冷却器の組立てを行っていくので、半導体パッケージ１を冷却管２に固着する過程で冷却管２やヘッダ３，４を変形させることがない。そのため、当該変形によって冷却効率が低減したり、シール箇所の信頼性が低減したりすることを抑制できる。
【００３９】
また、実施の形態１の半導体装置の製造方法は、（ｆ）半導体パッケージ１と、前導体パッケージ１が固定された冷却管２に隣接する冷却管２の間に伝熱部材を挿入する工程をさらに備えるので、半導体パッケージ１の冷却を、これが搭載された冷却管２のみならず隣接する冷却管２によって冷却する、冷却効率の高い半導体装置を製造出来る。
【００４０】
また、工程（ｂ）は、冷却管２の一主面にＳｉＣを主成分とする半導体素子を収納した半導体パッケージ１を固定する工程であるので、冷却器を小型化することによって半導体装置の小型化が可能である。
【００４１】
（実施の形態２）
図５は、実施の形態２の半導体装置における冷却管２の突出部２ｂの構成を示す要部拡大図である。この突出部２ｂでは、冷却管２の一方向に突出した部分が、他方向に突出した部分よりも冷却管２の長さ方向に突出部２ｂの厚みだけずらして形成される。
【００４２】
複数の冷却管２の突出部２ｂが全てこのように構成されることにより、隣接する冷却管２の突出部２ｂ同士は、図５に示すようにその側面で当接する。側面で当接することにより、突出部２ｂに一定の寸法ばらつきがあってもなお当接することが可能である。そして、当接部分を溶接することにより冷媒通路の気密性を確保する。
【００４３】
このように、パワーユニットアセンブリを積層する際に冷却管２の寸法ばらつきを吸収する手段を設けることにより、冷却管２の寸法に高い精度を求めなくても冷却構造体を形成することが可能となり、製造コストが低減する。なお、寸法ばらつきの吸収手段は図５に示すものに限定しない。
【００４４】
冷却管２の寸法公差により、パワーユニットアセンブリの積層体である冷却構造体の寸法にもばらつきが生じる。そこで、図６に示すように冷却構造体と組み付ける出口側ヘッダ４の側にも寸法ばらつきの吸収手段を設ける。出口側ヘッダ４の開口部の周縁をその外側よりも一段低い受け部とし、受け部に冷却構造体を組み付けるが、ここで受け部の幅を冷却構造体の寸法よりも若干大きく形成する。これにより、冷却構造体の寸法が多少変動しても、出口側ヘッダ４の受け部に冷却構造体を組み付けることができ、当接部分を溶接することにより冷媒通路の気密性を確保することが出来る。各部材の寸法を厳格に揃えなくとも、組み付け箇所の気密性を確保できることから、信頼性の確保と製造コストの抑制が可能である。なお、入口側ヘッダ３も出口側ヘッダ４と同じように構成する。
【００４５】
これ以外の構成は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００４６】
＜効果＞
実施の形態２の半導体装置において、突出部２ｂのうち一方向に突出した部分は、他方向に突出した部分よりも突出部２ｂの厚みだけ冷却管２の長手方向にずらして設けられるので、隣接する冷却管２の突出部２ｂ同士は側面で当接する。そのため、冷却管２に一定の寸法ばらつきがあっても突出部２ｂ同士はなお当接する。当接部分を溶接することにより、冷媒通路の気密性を確保することが出来る。これにより、冷却管２の寸法に高い精度を必要としないので、製造コストを低減できる。
【００４７】
また実施の形態２の半導体装置において、ヘッダ（入口側ヘッダ３、出口側ヘッダ４）の開口の周縁部は、その外側より一段低い受け部として形成され、冷却構造体は当該受け部に接合されるので、冷却構造体やヘッダに一定の寸法ばらつきがあっても、ヘッダの受け部に冷却構造体を組み付けることができ、当接部分を溶接することにより冷媒通路の気密性を確保することが出来る。冷却管２やヘッダの寸法に高い精度を必要としないので、信頼性の確保と製造コストの抑制が可能である。
【００４８】
また、実施の形態２の半導体装置の製造方法において、突出部２ｂのうち一方向に突出した部分が他方向に突出した部分よりも突出部２ｂの厚みだけ冷却管２の長手方向にずらして形成された冷却管２を用意する工程を備えるので、冷却管２に一定の寸法ばらつきがあってもなお、突出部２ｂ同士を互いの側面に当接させることができ、当接部分を溶接することにより冷媒通路の気密性を確保することが出来る。これにより、冷却管２の寸法に高い精度を必要としないので、製造コストを低減できる。
【００４９】
また、実施の形態２の半導体装置の製造方法において、外側より一段低く形成された入口側ヘッダ３及び出口側ヘッダ４の開口の周縁部を、突出部２ａと当接して冷却構造体に組み付けるので、冷却構造体やヘッダに一定の寸法ばらつきがあっても、ヘッダの受け部に冷却構造体を組み付けることができ、当接部分を溶接することにより冷媒通路の気密性を確保することが出来る。冷却管２やヘッダの寸法に高い精度を必要としないので、信頼性の確保と製造コストの抑制が可能である。
【００５０】
（実施の形態３）
図７は、実施の形態３に係る半導体装置の構成図である。この半導体装置は冷却構造体をその積層方向に押圧する押圧機構を備える。押圧機構は、冷却構造体の上方で入口側ヘッダ３と出口側ヘッダ４間に亘る支持部材７と、支持部材７に取り付けられたばね８を備える。なお、押圧機構は冷却構造体の上方のみならず下方に設けても良い。押圧機構以外の構成は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００５１】
支持部材７は、冷却構造体に入口側ヘッダ３と出口側ヘッダ４を組み付ける際あるいは異なるタイミングで、入口側ヘッダ３と出口側ヘッダ４に組み付けられる。支持部材７とこれに相対する半導体パッケージ１間に設けられたばね８は、当該半導体パッケージ１を押圧する。
【００５２】
隣接するパワーユニットアセンブリ同士は、伝熱部材や緩衝部材を介し、あるいは直接に隙間無く接触している。冷却構造体の最上段に位置する半導体パッケージ１の主面を押圧すると、半導体パッケージ１と冷却管２の間の接合層に圧縮方向の力が加わり、接合層の機械的信頼性が向上する。特に、金属接合や接着剤などで接合している場合、半導体パッケージ１と冷却管２の線膨張係数差に起因する引張応力により接合層に亀裂が発生する場合があるが、圧縮方向に力を加えることで引張応力を小さくすることができ、亀裂に対して強くなる。
【００５３】
また、パワーユニットアセンブリ間に伝熱部材を設けている場合には、押圧することによって接触部位の伝熱性能が顕著に良くなるため、特に半導体パッケージ１から隣接する冷却管２への放熱が容易となり、装置全体としての冷却性能が格段に向上する。
【００５４】
ばね８による加圧が１点に集中しないよう、ばね８と半導体パッケージ１間に緩衝プレートを介在させても良い。しかし、半導体パッケージ１がトランスファーモールドやインジェクションモールドで半導体素子を収納する構成であれば、緩衝プレートを設けずに直接半導体パッケージ１を押圧しても、半導体パッケージ１表面の硬質なモールド構造体がばねの圧力を分散する役割を果たす。
【００５５】
＜効果＞
実施の形態３の半導体装置は、冷却構造体を積層方向に押圧する押圧機構を備えるので、半導体パッケージ１と冷却管２の接合層の信頼性を高める。また、パワーユニットアセンブリ間に伝熱部材を設けている場合には、押圧することによって接触部位の伝熱性能が顕著に向上するため、半導体パッケージ１から隣接する冷却管２への放熱が容易となり、装置全体としての冷却性能が格段に向上する。
【００５６】
また、実施の形態３の半導体装置において、半導体パッケージ１はトランスファーモールド又はインジェクションモールドで半導体素子を収納するので、押圧機構は緩衝プレートを介さずに直接半導体パッケージ１の主面を押圧することが可能になる。
【００５７】
実施の形態３の半導体装置の製造方法は、（ｇ）前記冷却構造体を積層方向に押圧する押圧機構を形成する工程を備えるので、半導体パッケージ１と冷却管２の接合層の信頼性を高める。また、パワーユニットアセンブリ間に伝熱部材を設ける場合には、押圧することによって接触部位の伝熱性能が顕著に向上するため、半導体パッケージ１から隣接する冷却管２への放熱が容易となり、装置全体としての冷却性能が格段に向上する。
【００５８】
また、実施の形態３の半導体装置の製造方法では、トランスファーモールド又はインジェクションモールドで半導体素子を収納した前記半導体パッケージを採用するので、押圧機構は緩衝プレートを介さずに直接半導体パッケージ１の主面を押圧することが可能になる。
【符号の説明】
【００５９】
１ 半導体パッケージ、２ 冷却管、２ａ 突出部、３ 入口側ヘッダ、４ 出口側ヘッダ、５ 入口側パイプ、６ 出口側パイプ、７ 支持部材、８ ばね。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液冷媒を循環させて半導体パッケージを冷却する冷却器を用いた半導体装置の構造およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置は高温で動作するため、冷却器と一体に配置されることがある。
【０００３】
例えば特許文献１には、半導体素子を収納した半導体パッケージと冷却管を交互に積層配置し、冷却管の両側には各々の冷却管に液冷媒を分流して循環させるための分流器を設けた構成が示されている。各冷却管は積層方向に開口した突出管部を備えており、突出管部同士を嵌合させると共に突出管部の側壁同士を接合することにより、分流器が冷却管と一体として形成されている。
【０００４】
このような、いわば棚状に並んだ冷却管の間に半導体パッケージやその他の積層する必要のある部材を挿入し、組み立てることにより冷却器が構成される。ここで冷却器と半導体パッケージを固定するために、積層した複数の冷却管と半導体パッケージを押圧し、冷却管や分流器の一部を変形させることによって、半導体パッケージと冷却管を接触させて固定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−５３３０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の半導体装置の冷却構造では、組立ての際に半導体パッケージを押圧する荷重によって冷却器が変形する。この荷重が過大であれば、冷却管が過度に変形して冷却構造が損なわれる懸念がある。例えば、冷却管内部のフィンが変形することによる伝熱性能の悪化、圧力損失の上昇、又は熱リーク等の発生が懸念される。
【０００７】
このような懸念を解消するべく冷却器の変形を抑制しようとすれば、半導体パッケージを冷却器に対して十分に固定することができ少しの荷重で半導体パッケージを冷却器に固定させようと冷ないという問題がある。又、冷却管同士の距離を小さくすると、半導体パッケージの組付けが困難になるという問題がある。
【０００８】
この発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、組み付け容易であると共に製造工程で変形することなく、半導体パッケージに固定可能な冷却器を備える半導体装置及びその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の半導体装置は、内部に冷媒通路を有する複数の冷却管と、各前記冷却管の一主面に固定された半導体パッケージと、複数の前記冷却管を離間配置した棚状の冷却構造体として積層すると共に、前記冷却構造体の端部において気密を保つためのシールスペーサ部と、前記冷却構造体の一端および他端に設けられ、各前記冷却管に冷媒を出し入れする一つの開口が前記シールスペーサ部と気密状に接続されたヘッダとを備える。
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法は、（ａ）長さ方向と垂直な方向に突出した突出部を両端に有する冷却管を用意する工程と、（ｂ）冷却管の一主面に半導体パッケージを固定してパワーユニットアセンブリを形成する工程と、（ｃ）工程（ｂ）の後、前記突出部同士を接合することにより、複数の前記パワーユニットアセンブリを積層して冷却構造体を形成する工程と、（ｄ）工程（ｃ）の後、ヘッダを、その開口が前記冷却管の開口と連続するようにして前記突出部と当接して前記冷却構造体に組み付ける工程と、（ｅ）前記組み付け箇所の周縁をシールする工程とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体装置は、内部に冷媒通路を有する複数の冷却管と、各前記冷却管の一主面に固定された半導体パッケージと、複数の前記冷却管を離間配置した棚状の冷却構造体として積層すると共に、前記冷却構造体の端部において気密を保つためのシールスペーサ部と、前記冷却構造体の一端および他端に設けられ、各前記冷却管に冷媒を出し入れする一つの開口が前記シールスペーサ部と気密状に接続されたヘッダとを備えるので、組み付け容易であると共に冷媒通路の気密を確実かつ容易に保つことが出来る。
【００１２】
本発明の半導体装置の製造方法は、（ａ）長さ方向と垂直な方向に突出した突出部を両端に有する冷却管を用意する工程と、（ｂ）冷却管の一主面に半導体パッケージを固定してパワーユニットアセンブリを形成する工程と、（ｃ）工程（ｂ）の後、前記突出部同士を接合することにより、複数の前記パワーユニットアセンブリを積層して冷却構造体を形成する工程と、（ｄ）工程（ｃ）の後、ヘッダを、その開口が前記冷却管の開口と連続するようにして前記突出部と当接して前記冷却構造体に組み付ける工程と、（ｅ）前記組み付け箇所の周縁をシールする工程とを備えるので、組み付け容易であると共に冷媒通路の気密を確実かつ容易に保つことが出来る。また、冷却管の変形を要する工程がないので、変形に伴う機械的ダメージを避けることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１に係る半導体装置の構成図である。
【図２】実施の形態１に係るパワーユニットアセンブリの構成を示す断面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図４】実施の形態１に係る半導体装置の組立て工程を示す図である。
【図５】実施の形態２に係る冷却管の構成を示す要部断面図である。
【図６】実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す要部断面図である。
【図７】実施の形態３に係る半導体装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施の形態１）
＜構成＞
図１は、実施の形態１に係る半導体装置の構成図である。この半導体装置は、半導体パッケージ１と、半導体パッケージ１を冷却する冷却器とを備える。半導体パッケージ１は、電気的回路を構成するトランジスタやダイオードなどの半導体素子を内部に収納し保護している。半導体素子は通電時に発熱して高温になるので、半導体パッケージ１は冷却器により冷却されて所定以下の温度に保たれる。
【００１５】
冷却器は、複数の冷却管２、入口側ヘッダ３、出口側ヘッダ４、入口側パイプ５、出口側パイプ６を備える。
【００１６】
図２（ａ）は冷却管２の長手方向断面図、図２（ｂ）は冷却管２を図２のＢ方向から見た図である。図２（ａ）に示すように、冷却管２は内部に冷媒通路が形成された中空形状であって、両端に開口部を有している。また図２（ｂ）に示すように、冷却管２の短手方向断面形状は長方形である。冷却管２の一主面には半導体パッケージ１が固定される。以下、冷却管２と半導体パッケージ１の接合体をパワーユニットアセンブリと呼ぶ。
【００１７】
複数のパワーユニットアセンブリは図１に示すように積層され、冷却構造体を構成する。以下、パワーユニットアセンブリの積層体を冷却構造体と呼ぶ。図２（ａ）に示すように、冷却管２はその両端においてパワーユニットアセンブリの積層方向に冷却管２からフランジ状に突出した突出部２ａを有しており、冷却構造体では隣接する冷却管２の突出部２ａ同士が、図１に示す接合部位で当接し、接合される。このように、複数の冷却管２は突出部２ａ以外の部分において離間配置されて棚状の冷却構造体として積層することにより、半導体パッケージ１が高密度に配置され、半導体装置の小型化が可能になる。
【００１８】
図１に示すように、冷却構造体は入口側ヘッダ３及び出口側ヘッダ４と接合する。各冷却管２の一端が入口側ヘッダ３と接合し、他端で出口側ヘッダ４と接合する。入口側ヘッダ３及び出口側ヘッダ４は中空形状であって開口部を有しており、当該開口部が各冷却管２の開口と連続するようにして冷却管２と接合する。また、入口側ヘッダ３は入口側パイプ５に接続し、入口側パイプ５はポンプ（図示せず）に接続する。同じく出口側ヘッダ４は出口側パイプ６に接続し、出口側パイプ６は前記ポンプに接続する。
【００１９】
以上の要素で構成される冷却器はポンプを循環動力源とする冷媒通路を形成する。入口側パイプ５を通った冷媒は入口側ヘッダ３に流れ込み、さらに入口側ヘッダ３から各冷却管２に分流して冷却管２で半導体パッケージ１を冷却する。冷却管２を通過した冷媒は出口側ヘッダ４に集められ、出口側ヘッダ４から出口側パイプを通って再び入口側パイプへと流れ込む。
【００２０】
冷却管２は突出部２ａを有しているので、冷却管２内部の冷媒通路を曲線にすることなく隣接する冷却管２同士を接続することが可能である。冷媒通路はほぼ直線状に形成されることから、冷却管２における圧力損失が小さくなり高い冷却性能が得られる。また、冷却管２が直線形状であることは、製造の簡単化の点でも有利である。
【００２１】
冷却器の外部に冷媒が漏れないよう、冷却管２と入口側ヘッダ３及び出口側ヘッダ４との接合部分において気密性を確保する。図１に示すように、隣接する冷却管２間で突出部２ａ同士が線状に当接し、当該当接箇所を接合することにより気密性が確保されている。すなわち、突出部２ａは、冷却管２を離間配置して棚状の冷却構造体として積層すると共に、冷却構造体の端部における気密性を保つためのシールスペーサ部としての役割を果たす。
【００２２】
ここでシール方法には、溶接、ろう付、圧接など様々な方法があるが、溶融溶接やろう付によりシールする方法が信頼性は高い。例えば、レーザなどのビーム源を熱源とする溶接やろう付であれば、溶接箇所が３次元的に入り組んだ構造でも容易に溶接することができる。
【００２３】
図３は図１のＡ−Ａ断面図である。図３には、冷却構造体と出口側ヘッダ４との接合箇所を示しているが、入口側ヘッダ３との接合箇所もこれと同様である。出口側ヘッダ４と冷却構造体の取り付け箇所の周縁を図３のようにシールする。このシール方法にも、溶接、ろう付、圧接などの方法があるが、溶融溶接やろう付によりシールする方法が信頼性は高い。例えば、レーザなどのビーム源を熱源とする溶接やろう付であれば、溶接箇所が３次元的に入り組んだ構造でも容易に溶接することができる。突出部２ａの周縁をシールするので、シール箇所に十分な面積が確保されて信頼性が向上すると共に、シールの作業性も向上する。
【００２４】
半導体素子を収納する半導体パッケージ１は、図２に示すように冷却管２の上に搭載されてパワーユニットアセンブリを構成する。半導体素子は冷却管２によって冷却される必要があるため、半導体パッケージ１は冷却管２に固着され機械的に保持される。固着方法については例えば、グリス、接着剤、粘着剤を用いる方法や金属接合などがあり、これらを用いて半導体パッケージ１を簡単に冷却管２へ固着することが出来る。グリスなどが介在するだけでは十分な固着強度が保てない場合には、例えば締結などの方法で強度確保を行う。
【００２５】
各パワーユニットアセンブリを構成する半導体パッケージ１や冷却管２には、同一のものを用いることが出来るので、半導体パッケージ１と冷却管２を大量製造することによって生産性の向上とコストの低減を図ることができる。
【００２６】
＜製造工程＞
次に、図４を用いて実施の形態１の半導体装置の組み上げ手順を説明する。まず、冷却管２に半導体パッケージ１を固着したパワーユニットアセンブリを複数用意し、これらを積層して冷却構造体を形成する（図４（ａ））。隣接する冷却管２同士の突出部２ａを当接し、当接部を溶接などで接合することにより、複数のパワーユニットアセンブリが一つの冷却構造体に組み上げられる。
【００２７】
その後、入口側ヘッダ３と出口側ヘッダ４を冷却構造体に組み付け（図４（ｂ））、組付箇所を溶接する（図４（ｃ））。図３に示したように、組み付け箇所の周縁を溶接などでシールする。このように、組み付け箇所の周縁及び突出部２ａの当接部をしっかりとシールすることによって、冷媒通路の気密性を確保する。
【００２８】
以上の工程では、半導体パッケージ１を冷却管２に固着した後にパワーユニットアセンブリの積層やヘッダの取り付けを行う。そのため、半導体パッケージ１を冷却管２に固定するべく冷却管２やヘッダ３，４を変形させる必要がない。そのため、当該変形によって冷却効率が低減したり、シール箇所の信頼性が低減したりすることを抑制できる。
【００２９】
また、パワーユニットアセンブリや冷却構造体は、一方向組立で製造できるので、生産しやすいという利点がある。
【００３０】
図１、４では、半導体パッケージ１と冷却管２が交互に並ぶようにパワーユニットアセンブリを積層する様子を示しているが、冷却管２の半導体パッケージ１が接続される面とは反対側の面同士が対向するようにパワーユニットアセンブリを積層しても良い。
【００３１】
また、冷却管２は冷媒との接触面積を増加させるべく、内部に波板状などの構造体を含むことが好ましい。また、当該構造体を冷却管２の半導体パッケージ１と接続する面及び反対側の面の内壁に接合すれば、冷却管２の剛性が向上して形状のばらつきが低減する。例えば、冷媒通路を開口した１枚以上のプレートを冷却管２の内壁間に積層すると、冷却管２の剛性が向上する。
【００３２】
なお、冷却管２と隣接する冷却管２に搭載された半導体パッケージ１との間の空間に伝熱部材を挿入しても良い。半導体パッケージ１は半導体素子の動作時の発熱により昇温するが、その温度は半導体素子の損失ばらつきや半導体パッケージ２の熱抵抗のばらつきによって各半導体パッケージ１間で異なり、半導体装置の冷却性能は最も高温になる半導体パッケージ１との関係で定まる。しかし、冷却管２と隣接する冷却管２に搭載された半導体パッケージ１との間の空間に伝熱部材を挿入することによって、半導体パッケージ１の冷却を、これが搭載された冷却管２のみならず隣接する冷却管２によって効率良く冷却することが出来る。伝熱部材には熱伝導性の高い金属やセラミックからなるプレート部材を用いることが好ましい。あるいは、樹脂を用いれば隙間に充填し易いので作業性の観点から好ましい。樹脂を用いる場合には、金属や無機材料からなる粒子を樹脂に混合すると、より伝熱性が高くなり好ましい。さらには、上述のプレート部材と樹脂を組み合わせて用いても良い。また、半導体素子から隣接する冷却管にいたる半導体パッケージ本体に伝熱部材をモールドなどの方法で一体化して形成すれば、組み付ける手間を省くことができる。
【００３３】
なお、半導体パッケージ１が収納する半導体素子に、耐熱性が高いＳｉＣを主成分とするものを採用すれば、冷却能力をより小さくしても実用できるため、冷却器をよりコンパクトにすることができる。
【００３４】
＜効果＞
実施の形態１の半導体装置は、内部に冷媒通路を有し外部に主面を有する複数の冷却管２と、各冷却管２の前記主面に固定された半導体パッケージ１と、複数の冷却管２を離間配置した棚状の冷却構造体として積層すると共に、前記冷却構造体の端部において気密性を保つためのシールスペーサ部と、前記冷却構造体の一端および他端に設けられ、各冷却管２に冷媒を出し入れする一つの開口が前記シールスペーサ部と気密状に接続されたヘッダ３，４とを備える。複数の冷却管２を棚状に配置することにより、半導体パッケージ１を高密度に配置することが可能になり、半導体装置の小型化に貢献する。また、シールスペーサ部を設け、ヘッダ３，４をシールスペーサ部と気密状に接続することにより、冷媒通路の気密化を確保する。
【００３５】
また、前記シールスペーサ部は、冷却管２の両端において冷却管２の積層方向に冷却管２から突出した突出部２ａであり、冷却構造体において隣接する冷却管２の突出部２ａ同士が接合されるので、冷却管２内部の冷媒通路を曲線にせずに隣接する冷却管２同士を接続できる。冷媒通路はほぼ直線状に形成されることから、冷却管２における圧力損失が小さくなり高い冷却性能が得られる。また、冷却管２が直線形状であることは、製造の簡単化の点でも有利である。
【００３６】
さらに、一の冷却管２に固定された半導体パッケージ１と、これに隣接した冷却管２との間のギャップを伝熱部材で埋めることにより、半導体パッケージ１の冷却を、これが搭載された冷却管２のみならず隣接する冷却管２によって効率良く冷却することが出来る。
【００３７】
また、ＳｉＣを主成分とする半導体素子を用いれば、冷却能力をより小さくしても実用可能なため、冷却器をよりコンパクトにすることができ、半導体装置の小型化に貢献する。
【００３８】
実施の形態１の半導体装置の製造方法は、（ａ）長さ方向と垂直な方向に突出した突出部２ａを両端に有する冷却管２を用意する工程と、（ｂ）冷却管２の一主面に半導体パッケージ１を固定してパワーユニットアセンブリを形成する工程と、（ｃ）工程（ｂ）の後、突出部２ａ同士を接合することにより、複数の前記パワーユニットアセンブリを棚状に積層して冷却構造体を形成する工程と、（ｄ）工程（ｃ）の後、１つの開口を有するヘッダ３，４を、その開口が複数の冷却管２の開口と連続するように突出部２ａと当接して前記冷却構造体の一端および他端に組み付ける工程と、（ｅ）前記組み付け箇所の周縁をシールする工程とを備える。予め半導体パッケージ１を冷却管２に固着した状態で冷却器の組立てを行っていくので、半導体パッケージ１を冷却管２に固着する過程で冷却管２やヘッダ３，４を変形させることがない。そのため、当該変形によって冷却効率が低減したり、シール箇所の信頼性が低減したりすることを抑制できる。
【００３９】
また、実施の形態１の半導体装置の製造方法は、（ｆ）半導体パッケージ１と、前導体パッケージ１が固定された冷却管２に隣接する冷却管２の間に伝熱部材を挿入する工程をさらに備えるので、半導体パッケージ１の冷却を、これが搭載された冷却管２のみならず隣接する冷却管２によって冷却する、冷却効率の高い半導体装置を製造出来る。
【００４０】
また、工程（ｂ）は、冷却管２の一主面にＳｉＣを主成分とする半導体素子を収納した半導体パッケージ１を固定する工程であるので、冷却器を小型化することによって半導体装置の小型化が可能である。
【００４１】
（実施の形態２）
図５は、実施の形態２の半導体装置における冷却管２の突出部２ｂの構成を示す要部拡大図である。この突出部２ｂでは、冷却管２の一方向に突出した部分が、他方向に突出した部分よりも冷却管２の長さ方向に突出部２ｂの厚みだけずらして形成される。
【００４２】
複数の冷却管２の突出部２ｂが全てこのように構成されることにより、隣接する冷却管２の突出部２ｂ同士は、図５に示すようにその側面で当接する。側面で当接することにより、突出部２ｂに一定の寸法ばらつきがあってもなお当接することが可能である。そして、当接部分を溶接することにより冷媒通路の気密性を確保する。
【００４３】
このように、パワーユニットアセンブリを積層する際に冷却管２の寸法ばらつきを吸収する手段を設けることにより、冷却管２の寸法に高い精度を求めなくても冷却構造体を形成することが可能となり、製造コストが低減する。なお、寸法ばらつきの吸収手段は図５に示すものに限定しない。
【００４４】
冷却管２の寸法公差により、パワーユニットアセンブリの積層体である冷却構造体の寸法にもばらつきが生じる。そこで、図６に示すように冷却構造体と組み付ける出口側ヘッダ４の側にも寸法ばらつきの吸収手段を設ける。出口側ヘッダ４の開口部の周縁をその外側よりも一段低い受け部とし、受け部に冷却構造体を組み付けるが、ここで受け部の幅を冷却構造体の寸法よりも若干大きく形成する。これにより、冷却構造体の寸法が多少変動しても、出口側ヘッダ４の受け部に冷却構造体を組み付けることができ、当接部分を溶接することにより冷媒通路の気密性を確保することが出来る。各部材の寸法を厳格に揃えなくとも、組み付け箇所の気密性を確保できることから、信頼性の確保と製造コストの抑制が可能である。なお、入口側ヘッダ３も出口側ヘッダ４と同じように構成する。
【００４５】
これ以外の構成は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００４６】
＜効果＞
実施の形態２の半導体装置において、突出部２ｂのうち一方向に突出した部分は、他方向に突出した部分よりも突出部２ｂの厚みだけ冷却管２の長手方向にずらして設けられるので、隣接する冷却管２の突出部２ｂ同士は側面で当接する。そのため、冷却管２に一定の寸法ばらつきがあっても突出部２ｂ同士はなお当接する。当接部分を溶接することにより、冷媒通路の気密性を確保することが出来る。これにより、冷却管２の寸法に高い精度を必要としないので、製造コストを低減できる。
【００４７】
また実施の形態２の半導体装置において、ヘッダ（入口側ヘッダ３、出口側ヘッダ４）の開口の周縁部は、その外側より一段低い受け部として形成され、冷却構造体は当該受け部に接合されるので、冷却構造体やヘッダに一定の寸法ばらつきがあっても、ヘッダの受け部に冷却構造体を組み付けることができ、当接部分を溶接することにより冷媒通路の気密性を確保することが出来る。冷却管２やヘッダの寸法に高い精度を必要としないので、信頼性の確保と製造コストの抑制が可能である。
【００４８】
また、実施の形態２の半導体装置の製造方法において、突出部２ｂのうち一方向に突出した部分が他方向に突出した部分よりも突出部２ｂの厚みだけ冷却管２の長手方向にずらして形成された冷却管２を用意する工程を備えるので、冷却管２に一定の寸法ばらつきがあってもなお、突出部２ｂ同士を互いの側面に当接させることができ、当接部分を溶接することにより冷媒通路の気密性を確保することが出来る。これにより、冷却管２の寸法に高い精度を必要としないので、製造コストを低減できる。
【００４９】
また、実施の形態２の半導体装置の製造方法において、外側より一段低く形成された入口側ヘッダ３及び出口側ヘッダ４の開口の周縁部を、突出部２ａと当接して冷却構造体に組み付けるので、冷却構造体やヘッダに一定の寸法ばらつきがあっても、ヘッダの受け部に冷却構造体を組み付けることができ、当接部分を溶接することにより冷媒通路の気密性を確保することが出来る。冷却管２やヘッダの寸法に高い精度を必要としないので、信頼性の確保と製造コストの抑制が可能である。
【００５０】
（実施の形態３）
図７は、実施の形態３に係る半導体装置の構成図である。この半導体装置は冷却構造体をその積層方向に押圧する押圧機構を備える。押圧機構は、冷却構造体の上方で入口側ヘッダ３と出口側ヘッダ４間に亘る支持部材７と、支持部材７に取り付けられたばね８を備える。なお、押圧機構は冷却構造体の上方のみならず下方に設けても良い。押圧機構以外の構成は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００５１】
支持部材７は、冷却構造体に入口側ヘッダ３と出口側ヘッダ４を組み付ける際あるいは異なるタイミングで、入口側ヘッダ３と出口側ヘッダ４に組み付けられる。支持部材７とこれに相対する半導体パッケージ１間に設けられたばね８は、当該半導体パッケージ１を押圧する。
【００５２】
隣接するパワーユニットアセンブリ同士は、伝熱部材や緩衝部材を介し、あるいは直接に隙間無く接触している。冷却構造体の最上段に位置する半導体パッケージ１の主面を押圧すると、半導体パッケージ１と冷却管２の間の接合層に圧縮方向の力が加わり、接合層の機械的信頼性が向上する。特に、金属接合や接着剤などで接合している場合、半導体パッケージ１と冷却管２の線膨張係数差に起因する引張応力により接合層に亀裂が発生する場合があるが、圧縮方向に力を加えることで引張応力を小さくすることができ、亀裂に対して強くなる。
【００５３】
また、パワーユニットアセンブリ間に伝熱部材を設けている場合には、押圧することによって接触部位の伝熱性能が顕著に良くなるため、特に半導体パッケージ１から隣接する冷却管２への放熱が容易となり、装置全体としての冷却性能が格段に向上する。
【００５４】
ばね８による加圧が１点に集中しないよう、ばね８と半導体パッケージ１間に緩衝プレートを介在させても良い。しかし、半導体パッケージ１がトランスファーモールドやインジェクションモールドで半導体素子を収納する構成であれば、緩衝プレートを設けずに直接半導体パッケージ１を押圧しても、半導体パッケージ１表面の硬質なモールド構造体がばねの圧力を分散する役割を果たす。
【００５５】
＜効果＞
実施の形態３の半導体装置は、冷却構造体を積層方向に押圧する押圧機構を備えるので、半導体パッケージ１と冷却管２の接合層の信頼性を高める。また、パワーユニットアセンブリ間に伝熱部材を設けている場合には、押圧することによって接触部位の伝熱性能が顕著に向上するため、半導体パッケージ１から隣接する冷却管２への放熱が容易となり、装置全体としての冷却性能が格段に向上する。
【００５６】
また、実施の形態３の半導体装置において、半導体パッケージ１はトランスファーモールド又はインジェクションモールドで半導体素子を収納するので、押圧機構は緩衝プレートを介さずに直接半導体パッケージ１の主面を押圧することが可能になる。
【００５７】
実施の形態３の半導体装置の製造方法は、（ｇ）前記冷却構造体を積層方向に押圧する押圧機構を形成する工程を備えるので、半導体パッケージ１と冷却管２の接合層の信頼性を高める。また、パワーユニットアセンブリ間に伝熱部材を設ける場合には、押圧することによって接触部位の伝熱性能が顕著に向上するため、半導体パッケージ１から隣接する冷却管２への放熱が容易となり、装置全体としての冷却性能が格段に向上する。
【００５８】
また、実施の形態３の半導体装置の製造方法では、トランスファーモールド又はインジェクションモールドで半導体素子を収納した前記半導体パッケージを採用するので、押圧機構は緩衝プレートを介さずに直接半導体パッケージ１の主面を押圧することが可能になる。
【符号の説明】
【００５９】
１ 半導体パッケージ、２ 冷却管、２ａ 突出部、３ 入口側ヘッダ、４ 出口側ヘッダ、５ 入口側パイプ、６ 出口側パイプ、７ 支持部材、８ ばね。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷媒通路を有し外部に主面を有する複数の冷却管と、
各前記冷却管の前記主面に固定された半導体パッケージと、
複数の前記冷却管を離間配置した棚状の冷却構造体として積層すると共に、前記冷却構造体の端部において気密性を保つためのシールスペーサ部と、
前記冷却構造体の一端および他端に設けられ、各前記冷却管に冷媒を出し入れする一つの開口が前記シールスペーサ部と気密状に接続されたヘッダとを備える、
半導体装置。
【請求項２】
前記シールスペーサ部は、前記冷却管の両端において前記冷却管の積層方向に前記冷却管から突出した突出部であり、
前記冷却構造体において隣接する前記冷却管の前記突出部同士が接合される、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記突出部のうち一方向に突出した部分は、他方向に突出した部分よりも前記突出部の厚みだけ前記冷却管の長手方向にずらして設けられる、
請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ヘッダの開口の周縁部は、その外側より一段低い受け部として形成され、
前記冷却構造体は前記受け部と接合する、
請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
一の前記冷却管に固定された前記半導体パッケージと、これに隣接した前記冷却管との間のギャップに形成された伝熱部材をさらに備える、
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記冷却構造体を積層方向に押圧する押圧機構をさらに備える、
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体パッケージはトランスファーモールド又はインジェクションモールドで半導体素子を収納している、請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体パッケージは、ＳｉＣを主成分とする半導体素子を収納する、
請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項９】
（ａ）長さ方向と垂直な方向に突出した突出部を両端に有する冷却管を用意する工程と、
（ｂ）前記冷却管の一主面に半導体パッケージを固定してパワーユニットアセンブリを形成する工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後、前記突出部同士を接合することにより、複数の前記パワーユニットアセンブリを棚状に積層して冷却構造体を形成する工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後、１つの開口を有するヘッダを、その開口が複数の前記冷却管の開口と連続するようにして前記突出部と当接して前記冷却構造体の一端および他端に組み付ける工程と、
（ｅ）前記組み付け箇所の周縁をシールする工程とを備える、
半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ａ）は、前記突出部のうち一方向に突出した部分が他方向に突出した部分よりも前記突出部の厚みだけ前記冷却管の長手方向にずらして形成された冷却管を用意する工程である、
請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記工程（ｄ）は、外側より一段低く形成された前記ヘッダの開口の周縁部を、前記突出部と当接して前記冷却構造体に組み付ける工程である、
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
（ｆ）前記半導体パッケージと、前記半導体パッケージが固定された前記冷却管に隣接する前記冷却管の間に伝熱部材を挿入する工程をさらに備える、
請求項９〜１１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
（ｇ）前記冷却構造体を積層方向に押圧する押圧機構を形成する工程をさらに備える、
請求項９〜１２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記工程（ｂ）は、トランスファーモールド又はインジェクションモールドで半導体素子を収納した前記半導体パッケージを固定する工程である、
請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記工程（ｂ）は、前記冷却管の一主面にＳｉＣを主成分とする半導体素子を収納した前記半導体パッケージを固定する工程である、
請求項９〜１４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
内部に冷媒通路を有し外部に主面を有する複数の冷却管と、
各前記冷却管の前記主面に固定された半導体パッケージと、
複数の前記冷却管を離間配置した棚状の冷却構造体として積層すると共に、前記冷却構造体の端部において気密性を保つためのシールスペーサ部と、
前記冷却構造体の一端および他端に設けられ、各前記冷却管に冷媒を出し入れする一つの開口が前記シールスペーサ部と気密状に接続されたヘッダとを備える、
半導体装置。
【請求項２】
前記シールスペーサ部は、前記冷却管の両端において前記冷却管の積層方向に前記冷却管から突出した突出部であり、
前記冷却構造体において隣接する前記冷却管の前記突出部同士が接合される、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記突出部のうち一方向に突出した部分は、他方向に突出した部分よりも前記突出部の厚みだけ前記冷却管の長手方向にずらして設けられる、
請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ヘッダの開口の周縁部は、その外側より一段低い受け部として形成され、
前記冷却構造体は前記受け部と接合する、
請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
一の前記冷却管に固定された前記半導体パッケージと、これに隣接した前記冷却管との間のギャップに形成された伝熱部材をさらに備える、
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記冷却構造体を積層方向に押圧する押圧機構をさらに備える、
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体パッケージはトランスファーモールド又はインジェクションモールドで半導体素子を収納している、請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体パッケージは、ＳｉＣを主成分とする半導体素子を収納する、
請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項９】
（ａ）長さ方向と垂直な方向に突出した突出部を両端に有する冷却管を用意する工程と、
（ｂ）前記冷却管の一主面に半導体パッケージを固定してパワーユニットアセンブリを形成する工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後、前記突出部同士を接合することにより、複数の前記パワーユニットアセンブリを棚状に積層して冷却構造体を形成する工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後、１つの開口を有するヘッダを、その開口が複数の前記冷却管の開口と連続するようにして前記突出部と当接して前記冷却構造体の一端および他端に組み付ける工程と、
（ｅ）前記組み付け箇所の周縁をシールする工程とを備える、
半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ａ）は、前記突出部のうち一方向に突出した部分が他方向に突出した部分よりも前記突出部の厚みだけ前記冷却管の長手方向にずらして形成された冷却管を用意する工程である、
請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記工程（ｄ）は、外側より一段低く形成された前記ヘッダの開口の周縁部を、前記突出部と当接して前記冷却構造体に組み付ける工程である、
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
（ｆ）前記半導体パッケージと、前記半導体パッケージが固定された前記冷却管に隣接する前記冷却管の間に伝熱部材を挿入する工程をさらに備える、
請求項９〜１１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
（ｇ）前記冷却構造体を積層方向に押圧する押圧機構を形成する工程をさらに備える、
請求項９〜１２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記工程（ｂ）は、トランスファーモールド又はインジェクションモールドで半導体素子を収納した前記半導体パッケージを固定する工程である、
請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記工程（ｂ）は、前記冷却管の一主面にＳｉＣを主成分とする半導体素子を収納した前記半導体パッケージを固定する工程である、
請求項９〜１４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−２６３６８（Ｐ２０１３−２６３６８Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５８６８３（Ｐ２０１１−１５８６８３）
【出願日】平成２３年７月２０日（２０１１．７．２０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２０日（２０１１．７．２０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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