CN116762170A - 功率半导体装置及其制造方法以及电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

功率半导体装置(1)具备功率模块部(11)和散热器(51)。在功率模块部(11)的模块基座(13)形成有凹凸部(15)。凹凸部(15)包含凹部(15a)和缓冲凹部(15c)。在散热器(51)的散热器基座部(53)形成有凹凸部(55)。通过凿紧加工使凹凸部(15)与凹凸部(55)彼此嵌合，由此使功率模块部(11)的模块基座(13)与散热器(51)的散热扩散部(53)一体化。缓冲凹部(15c)作为空间而保留。

Description

功率半导体装置及其制造方法以及电力转换装置
技术领域
本公开涉及功率半导体装置及其制造方法以及电力转换装置。
背景技术
作为具备电力用半导体元件的功率半导体装置的一个方式，提出了使搭载有电力用半导体元件的功率模块部与散热器一体化的散热器一体型的功率半导体模块(专利文献1～专利文献10)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5236127号公报
专利文献2：日本特许第5373688号公报
专利文献3：日本特许第5418601号公报
专利文献4：日本特许第5432085号公报
专利文献5：日本特许第6009209号公报
专利文献6：日本特许第6091633号公报
专利文献7：日本特开平06-5750号公报
专利文献8：日本特开2011-155118号公报
专利文献9：国际公开WO2018-079396号
专利文献10：国际公开WO2018-097027号
发明内容
发明要解决的课题
在作为功率半导体装置的散热器一体型的功率半导体模块中，关于使功率模块部与散热器一体化，要求生产率的进一步提高。
本公开是作为这样的开发的一环而完成的，一个目的在于提供能够实现生产率的进一步提高的功率半导体装置，另一目的在于提供这样的功率半导体装置的制造方法，又一目的在于提供应用了这样的功率半导体装置的电力转换装置。
用于解决课题的手段
本公开的功率半导体装置具有功率模块部、散热器基座部以及多个散热翅片。功率模块部具有形成有第1凹凸部的模块基座，在模块基座搭载有电力用半导体元件并利用密封材料进行了密封。散热器基座部形成有第2凹凸部，并以使第2凹凸部与第1凹凸部彼此嵌合的方式与模块基座接合。多个散热翅片被安装于散热器基座部。模块基座和散热器基座部以如下方式形成：在模块基座与散热器基座部接合的状态下，第1凹凸部和第2凹凸部中的任意方具备作为空间而保留的缓冲凹部。
本公开的功率半导体装置的制造方法包括以下工序。准备形成有第1凹凸部的模块基座。在模块基座搭载电力用半导体元件，以使第1凹凸部露出的方式利用密封材料将电力用半导体元件密封，由此形成功率模块部。准备形成有与第1凹凸部嵌合的第2凹凸部的散热器基座部。使第1凹凸部与第2凹凸部彼此对置，将功率模块部的模块基座和散热器基座部中的一方向另一方按压，使第1凹凸部与第2凹凸部彼此嵌合，由此使模块基座与散热器基座部一体化。在准备模块基座的工序以及准备散热器基座部的工序中形成为如下状态：在模块基座与散热器基座部接合的状态下，第1凹凸部和第2凹凸部中的任意方具备作为空间而保留的缓冲凹部。
本公开的电力转换装置具备：主转换电路，其具有上述功率半导体装置，对所输入的电力进行转换并输出；以及控制电路，其将控制主转换电路的控制信号输出至主转换电路。
发明效果
根据本公开的功率半导体装置，模块基座和散热器基座部以如下方式形成：在模块基座与散热器基座部接合的状态下，第1凹凸部和第2凹凸部中的任意方具备作为空间而保留的缓冲凹部。由此，能够降低使模块基座与散热器基座部一体化时的载荷。其结果是，能够得到能够提高生产率的功率半导体装置。
根据本公开的功率半导体装置的制造方法，在准备模块基座的工序以及准备散热器基座部的工序中形成为如下状态：在模块基座与散热器基座部接合的状态下，第1凹凸部和第2凹凸部中的任意方具备作为空间而保留的缓冲凹部。由此，能够降低使模块基座与散热器基座部一体化时的载荷。其结果是，能够提高功率半导体装置的生产率。
根据本公开的电力转换装置，通过具有上述功率半导体装置，能够得到能够提高生产率的电力转换装置。
附图说明
图1是示出实施方式1的功率半导体装置的、包含一部分截面的分解侧视图。
图2是在该实施方式中示出形成于图1所示的功率半导体装置的功率模块部的模块基座上的凹凸部的图案的一例的仰视图。
图3是在该实施方式中示出使功率模块部与散热器一体化的状态的、包含一部分截面的侧视图。
图4是在该实施方式中示出功率半导体装置的制造方法的一个工序的、包含一部分截面的侧视图。
图5是在该实施方式中示出在图4所示的工序之后进行的工序的、包含一部分截面的侧视图。
图6是在该实施方式中示出在图5所示的工序之后进行的工序的、包含一部分截面的侧视图。
图7是在该实施方式中用于说明功率半导体装置的作用效果的第1图。
图8是在该实施方式中用于说明功率半导体装置的作用效果的第2图。
图9是在该实施方式中示出凹凸部的结构的第1变形例的、包含一部分截面的分解侧视图。
图10是在该实施方式中用于说明功率半导体装置的作用效果的第3图。
图11是在该实施方式中用于说明功率半导体装置的作用效果的第4图。
图12是在该实施方式中用于说明功率半导体装置的作用效果的第5图。
图13是在该实施方式中用于说明功率半导体装置的作用效果的第6图。
图14是在该实施方式中用于说明功率半导体装置的作用效果的第7图。
图15是在该实施方式中用于说明功率半导体装置的作用效果的第8图。
图16是在该实施方式中用于说明功率半导体装置的作用效果的第9图。
图17是在该实施方式中示出形成于功率模块部的模块基座上的凹凸部的图案的另一例的仰视图。
图18是在该实施方式中示出凹凸部的结构的第2变形例的、包含一部分截面的分解侧视图。
图19是在该实施方式中示出凹凸部的结构的第3变形例的、包含一部分截面的分解侧视图。
图20是在该实施方式中示出凹凸部的结构的第4变形例的、包含一部分截面的分解侧视图。
图21是在该实施方式中示出散热器的结构的第1变形例的、包含一部分截面的分解侧视图。
图22是在该实施方式中示出散热器的结构的第2变形例的、包含一部分截面的分解侧视图。
图23是在该实施方式中示出散热器中的散热翅片的结构的第1变形例的仰视图。
图24是在该实施方式中用于说明图23所示的散热器的作用效果的仰视图。
图25是在该实施方式中用于说明图23所示的散热器的作用效果的、示出制造方法的一个工序的、包含一部分截面的侧视图。
图26是在该实施方式中用于说明图23所示的散热器的作用效果的、示出在图24所示的工序之后进行的工序的、包含一部分截面的侧视图。
图27是在该实施方式中用于说明图21所示的散热器的作用效果的、示出制造方法的一个工序的、包含一部分截面的侧视图。
图28是在该实施方式中用于说明图21所示的散热器的作用效果的、示出在图27所示的工序之后进行的工序的、包含一部分截面的侧视图。
图29是在该实施方式中示出散热器中的散热翅片的结构的第2变形例的仰视图。
图30是在该实施方式中用于说明图29所示的散热器的作用效果的仰视图。
图31是在该实施方式中示出散热器中的散热翅片的结构的第3变形例的仰视图。
图32是在该实施方式中用于说明图31所示的散热器的作用效果的仰视图。
图33是在该实施方式中用于说明缓冲凹部的作用效果的、放大了功率半导体装置的一部分的局部放大剖视图和包含一部分截面的侧视图。
图34是示出实施方式2的功率半导体装置的、包含一部分截面的分解侧视图。
图35是在该实施方式中示出使功率模块部与散热器一体化的状态的一例的、包含一部分截面的侧视图。
图36是在该实施方式中示出使功率模块部与散热器一体化的状态的另一例的、包含一部分截面的侧视图。
图37是实施方式3的、应用了功率半导体装置的电力转换装置的框图。
具体实施方式
实施方式1
对实施方式1的功率半导体装置进行说明。图1示出功率半导体装置的包含一部分截面的分解侧视图。如图1所示，功率半导体装置1具备功率模块部11和散热器51。在功率模块部11形成有作为第1凹凸部的凹凸部15。在散热器51形成有作为第2凹凸部的凹凸部55。
功率模块部11具备模块基座13。在模块基座13的一个表面，隔着绝缘片21配置有引线框架23。芯片27通过焊料25与引线框架23接合。在芯片27形成有电力半导体元件。芯片27等由作为密封材料的模塑树脂29密封。引线框架23的一部分作为外部端子从模塑树脂29的侧面突出。
在模块基座13的另一个表面形成有凹凸部15。凹凸部15形成为在平坦部15f形成有凹部15a等的形态的凹凸形状。凹凸部15包含凹部15a和缓冲凹部15c。即，在该情况下，模块基座13以凹凸部15具备缓冲凹部15c的方式形成。关于缓冲凹部15c在后面叙述。
如图2所示，凹部15a等例如沿着作为第1方向的Y轴方向延伸，并且在与Y轴方向交叉的X轴方向上隔开间隔地形成。另外，凹凸部15意味着包含凹部15a和缓冲凹部15c的模块基座13的整个表面的形状。
散热器51具备：散热器基座部53，其包含散热扩散部53a；以及散热翅片63。在此，采用通过凿紧加工使散热翅片63与散热器基座部53一体化的凿紧结构的散热器51a作为散热器51。在散热器基座部53(散热扩散部53a)形成有凹凸部55。凹凸部55形成为在平坦部55f形成有凸部55a的形态的凹凸形状。
散热翅片63在散热器基座部53中的与形成有凹凸部55的一侧相反的一侧沿着作为第2方向的Y轴方向配置，并且在作为第3方向的X轴方向上彼此隔开间隔地配置。
如图3所示，在功率半导体装置1中，通过凿紧加工使形成于功率模块部11的凹凸部15与形成于散热器51的凹凸部55彼此嵌合，由此将功率模块部11与散热器51接合而一体化。在此，凸部55a未与缓冲凹部15c嵌合。具体而言，在模块基座13与散热器基座部53嵌合的状态下，在凹凸部15形成有使凹部作为空间而保留的缓冲凹部15c。此外，虽然缓冲凹部15c在凹凸部15与凹凸部55彼此嵌合而相邻的一个凹部15a与另一个凹部15a之间配置有一个，但也可以配置有两个以上。
模块基座13例如通过切削加工、压铸加工、铸造加工或挤压加工等来制作。模块基座13例如由铝或铝合金等形成。散热器基座部53通过切削加工、压铸加工、铸造加工或挤压加工等来制作。散热器基座部53例如由铝或铝合金等形成。实施方式1的功率半导体装置1如上所述那样构成。
接下来，对上述的功率半导体装置1的制造方法的一例进行说明。首先，准备形成有包含凹部15a和缓冲凹部15c的凹凸部15的模块基座13(参照图4)。将形成有电力半导体元件的芯片27搭载于模块基座13，并利用模塑树脂29进行密封，由此形成功率模块部11(参照图4)。此外，准备形成有凹凸部55和凿紧部61的散热器51a(51)(参照图4)。进而，准备板状的多个散热翅片63(参照图4)。
接下来，如图4所示，以形成于功率模块部11的模块基座13的凹凸部15与形成于散热器基座部53的凹凸部55对置的方式配置功率模块部11和散热器基座部53。此外，将多个散热翅片63配置在与形成于散热器基座部53的凿紧部61对置的位置。
接下来，如图5所示，将多个散热翅片63分别***对应的、位于相邻的凿紧部61与凿紧部61之间的槽(翅片***槽)中，并朝向凿紧部61***作为加工工具的冲压刃71。
接下来，如图6所示，使冲压刃71与凿紧部61接触。在该状态下，通过从上方按压功率模块部11，使模块基座13(功率模块部11)的凹凸部15与散热器基座部53的凹凸部55彼此嵌合，从而将功率模块部11与散热器基座部53接合。
此外，通过利用冲压刃71对凿紧部61进行凿紧，将多个散热翅片63与散热器基座部53接合。然后，通过将冲压刃71卸下，完成图3所示的功率模块部11与散热器51一体化的功率半导体装置1。
在上述的功率半导体装置1中，在模块基座13形成有缓冲凹部15c，形成于散热器基座部53的凹凸部55中的凸部55a未与该缓冲凹部15c嵌合。由此，能够降低将模块基座13与散热器基座部53接合时的载荷。使用示意性的图对该情况进行说明。
首先，在图7中，作为比较的对象，示意性地示出未形成有缓冲凹部的模块基座13的情况下的、使模块基座13与散热器基座部53嵌合之前(散热器凿紧前)的状态、以及使模块基座13与散热器基座部53嵌合之后(散热器凿紧后)的状态。
另一方面，在图8中，示意性地示出实施方式1的形成有缓冲凹部15c的模块基座13的情况下的、使模块基座13与散热器基座部53嵌合之前(散热器凿紧前)的状态、以及使模块基座13与散热器基座部53嵌合之后(散热器凿紧后)的状态。另外，无论在哪个情况下，均在使模块基座13与散热器基座部53嵌合时施加了基准的载荷作为冲压载荷。该基准的载荷被记作“1AkN”。
如图7所示，在未形成有缓冲凹部的模块基座13的情况下，即使施加基准的1AkN的载荷，在模块基座13的平坦部15f与散热器基座部53的平坦部55f之间也存在距离，散热器凿紧尚未完成。在此，散热器凿紧完成是指如下状态：即使使冲压载荷增加，模块基座13与散热器基座部53之间的间隙也不发生变化。
另一方面，如图8所示，在形成有缓冲凹部15c的模块基座13的情况下，在施加了基准的1AkN的载荷时，模块基座13的位于缓冲凹部15c的周围的部分发生塑性变形。因此，模块基座13的平坦部15f与散热器基座部53的平坦部55f接触，即使使冲压载荷增加，模块基座13与散热器基座部53之间的间隙也不发生变化，散热器凿紧完成。
这样，在实施方式1的功率半导体装置1中，通过在模块基座13设置缓冲凹部15c，能够降低为了完成散热器凿紧而施加的冲压载荷。
此外，通过使模块基座13的位于缓冲凹部15c的周围的部分塑性变形，从而与未设置缓冲凹部15c的情况相比，对模块基座13与散热器基座部53(散热器51)的相对位置偏移的允许范围扩大。
因此，能够放宽散热器凿紧时的、模块基座13与散热器基座部53(散热器51)的定位精度，从而能够使用更简便的定位辅具作为定位辅具。由此，与专利文献9、专利文献10分别公开的、通过使形成于模块基座的凹凸部与形成于散热器的凹凸部嵌合而一体化的功率半导体装置相比较，能够实现生产率良好的散热器凿紧。
此外，基于定位精度的观点(放宽)，如图9所示，也可以设置比凹部15a的深度更深的凹部15b作为凹凸部15，并设置比凸部55a的高度更高的凸部55b作为凹凸部55。
通过设置这样的更深的凹部15b和更高的凸部55b，从而在进行模块基座13与散热器基座部53(散热器51)的位置对准时，能够进行模块基座13相对于散热器基座部53(散热器51)的大致的位置对准。
通过在该状态下施加载荷，使更高的凸部55b在更深的凹部15b的倾斜部分滑动，开始散热器凿紧。在该情况下，能够进一步放宽X轴方向上的定位精度，从而能够使用更简便的定位辅具作为定位辅具。由此，能够实现生产率更良好的散热器凿紧。
优选的是，使更深的凹部15b在模块基座13中配置于X轴方向(正方向)上的端部和X轴方向(负方向)上的端部，并使更高的凸部55b在散热器基座部53中配置于X轴方向(正方向)上的端部和X轴方向(负方向)上的端部。由此，能够容易地进行模块基座13相对于散热器基座部53(散热器51)的大致的位置对准，能够有助于散热器凿紧的生产率的提高。
接下来，发明人通过塑性加工分析(模拟)对缓冲凹部15c的效果进行了评价。对该评价进行说明。
在图10中，示出未形成有缓冲凹部的模型(比较例)和形成有缓冲凹部的模型(实施方式)作为用于分析的模型。将模块基座13和散热器基座部53各自的各部分中的较短的部分(参照较短的尺寸线)的尺寸设定为几mm左右，模块基座13和散热器基座部53各自的各部分中的较长的部分(参照较长的尺寸线)的尺寸设定为几十mm左右。使凸部55a的X轴方向的中心线的位置(参照虚线)与凹部15a等的X轴方向的中心线的位置(参照虚线)一致。
此外，设定了纯铝的A1050系作为模块基座13的材质。设定了铝-镁-硅系的A6063系作为散热器基座部53的材质。使用该模型，根据有无缓冲凹部而对模块基座13等如何发生塑性变形进行了分析。
将分析的结果在图11和图12中示出。图11和图12中的上段示出形成有缓冲凹部的实施方式1的模型(模型A)，下段示出未形成有缓冲凹部的比较例的模型(模型B)。另外，在分析中，虽然在模块基座13和散热器基座部53中分别设定格子来进行了分析，但在图11和图12中，为了避免附图变得复杂，仅示出模块基座13和散热器基座部53各自的轮廓而未示出格子。
在图11中，分别针对模型A和模型B示出散热器凿紧前的状态、施加了基准载荷(1AkN)的状态、以及施加了基准载荷的1.5倍的载荷(1.5AkN)的状态。
在图12中，分别针对模型A和模型B示出施加了基准载荷的2.0倍的载荷(2.0AkN)的状态、施加了基准载荷的2.5倍的载荷(2.5AkN)的状态、以及施加了基准载荷的3.0倍的载荷(3.0AkN)的状态。
如图11和图12所示，可知随着冲压载荷变大，模型A和模型B双方中的凸部55a嵌入凹部15a，模块基座13的平坦部15f与散热器基座部53的平坦部55f之间的间隙逐渐变窄。
接下来，根据图11和图12所示的评价结果求出了冲压载荷与该间隙之间的关系。将该结果示出在图13中。横轴为冲压载荷。纵轴为间隙RD。如图14所示，间隙RD被设为模块基座13的平坦部15f与散热器基座部53的平坦部55f之间的距离。另外，该距离可以理解为是直至模块基座13的凸部嵌入到散热器基座部的凹部中为止的剩余的距离。
在此，设在间隙RD的值为0.05mm以下的情况下，散热器凿紧完成。这样的话，可知在模型B(比较例)中，完成散热器凿紧所需的冲压载荷为2.5AkN，与此相对，在模型A(实施方式1)中，完成散热器凿紧所需的冲压载荷为2.0AkN。因此，明确了与模型B(比较例)相比较，在模型A(实施方式1)中能够将完成散热器凿紧所需的冲压载荷降低20％。
上述的评价结果是一个例子，通过在模块基座13和散热器基座部53中的包含缓冲凹部15c的结构方面下功夫，能够进一步降低冲压载荷。
能够降低冲压载荷被认为是因为利用缓冲凹部15c使模块基座13等发生塑性变形。发明人对该塑性变形量进行了评价。图15示出散热器凿紧前的状态。图16示出施加了基准冲压载荷的3.0倍的冲压载荷(3.0AkN)的状态下的塑性变形量(X轴方向上)的等高线(等高图)。
如图15和图16所示，可知通过从散热器凿紧前的状态施加冲压载荷(3.0AkN)，模块基座13在X轴方向上塑性变形了约±0.2mm左右。通过该评价，能够确认伴随缓冲凹部15c的形成而产生的模块基座13的塑性变形有助于冲压载荷的降低。
另外，通过对设置不与凸部55a等嵌合的缓冲凹部15c的区域(面积)进行增减，能够调整散热器凿紧后的模块基座13与散热器基座部53的保持强度。在该情况下，保持强度是指垂直拉伸强度，是指在对模块基座13和散热器基座部53进行拉伸试验时，模块基座13与散热器基座部53即将分离之前的最大强度。在要求模块基座13与散热器基座部53的保持强度的情况下，只要将缓冲凹部15c的区域(面积)调整为能够获得降低冲压载荷的效果的程度即可。
(缓冲凹部的变形)
作为上述的形成于功率半导体装置1的模块基座13的缓冲凹部15c，以沿着Y轴方向一样地形成的情况为例进行了说明(参照图2)。作为缓冲凹部15c，不限于此，如图17所示，也可以是沿着Y轴方向不连续地形成的缓冲凹部15c。在该情况下，也能够获得与缓冲凹部15c一样地形成的情况相同的效果。
另外，在包含缓冲凹部15c的凹凸部15不连续地形成的情况下，形成于散热器基座部53的凹凸部55也以与凹凸部15对应的方式不连续地形成。
此外，在上述的功率半导体装置1的模块基座13中，以在与凸部55a分别嵌合的相邻的凹部15a与凹部15a之间的各处(7处)分别配置有一个缓冲凹部15c的情况为例进行了说明(参照图3)。
作为缓冲凹部15c的配置方式，不限于此，如图18所示，也可以仅在模块基座13中的一处设置在相邻的凹部15a与凹部15a之间形成有缓冲凹部15c的结构。此外，如图19所示，也可以在模块基座13中的4处设置在相邻的凹部15a与凹部15a之间形成有缓冲凹部15c的结构。即使是这样的缓冲凹部15c的配置方式，也能够有助于冲压载荷的降低。
此外，在上述的功率半导体装置1中，以在模块基座13形成有缓冲凹部15c的结构为例进行了说明，但也可以将缓冲凹部形成在散热器基座部53。
如图20所示，在功率半导体装置1中，在模块基座13形成有凹凸部17。凹凸部17形成为在平坦部17f形成有凸部17a等的形态的凹凸形状。在散热器基座部53(散热扩散部53a)形成有凹凸部57。凹凸部57包含凹部57a和缓冲凹部57c。
凸部17a不与缓冲凹部57c嵌合。凹凸部57形成为在平坦部57f形成有凹部57a和缓冲凹部57c的形态的凹凸形状。即，在该情况下，散热器基座部53以凹凸部57具备缓冲凹部57c的方式形成。
通过使形成于散热器基座部53的凹凸部57包含不与形成于模块基座13的凹凸部17的凸部17a嵌合的缓冲凹部57c，能够与图1等所示的功率半导体装置1同样地降低冲压载荷，从而能够有助于生产率的提高。
(散热翅片)
散热器51的散热翅片63例如被设为由铝或铝合金等形成的板材(轧制材料)。通过设为这样的板材，能够兼顾加工性和散热性双方。
此外，也可以通过对散热翅片63实施轧花加工而在散热翅片63的表面形成微小的凹陷。通过在散热翅片63的表面形成凹陷，使得散热翅片63的散热表面积增加，从而能够提高散热性能。此外，轧花加工能够利用在通过冲压加工制造散热翅片63时所使用的模具来实施。由此，能够在不增加生产成本的情况下对散热翅片63的表面实施轧花加工。
此外，在使实施了轧花加工的散热翅片63层叠的情况下，在相邻的散热翅片63与散热翅片63之间接触的接触面积减少，从而能够降低散热翅片63间彼此的表面摩擦。由此，能够实现使散热器基座部53与散热翅片63一体化的凿紧加工所使用的生产设备的简化。此外，能够加快生产节奏，提高生产率。
此外，在实施了轧花加工的散热翅片63中，在将散热翅片63凿紧加工于散热器基座部53时，通过使凿紧部61嵌入实施了轧花加工的凹陷中，能够发挥锚定效果。由此，从凿紧部拔出散热翅片63的方向的摩擦力变大，能够提高散热翅片63相对于散热器基座部53的垂直拉伸强度。
在此，在散热翅片63的硬度比散热器基座部53的硬度大(硬)的情况下，散热器基座部53的凿紧部61与其说是嵌入散热翅片63，不如说是以沿着实施了轧花加工的散热翅片63的表面的方式发生塑性变形。由此，能够提高实施了轧花加工的散热翅片相对于散热器基座部53的垂直拉伸强度。
另一方面，在散热器基座部53(凿紧部61)的硬度比散热翅片63的硬度大(更硬)的情况下，通过使凿紧部61嵌入散热翅片63的表面，使得散热翅片63发生塑性变形。在该情况下，与其说是轧花加工起到的效果，不如说是通过散热翅片63的塑性变形，能够提高散热翅片63相对于散热器基座部53的垂直拉伸强度。
根据这些发现，为了提高散热翅片63相对于散热器基座部53的垂直拉伸强度，优选采用对散热翅片63的表面实施轧花加工的方法、以及使散热器基座部53(凿紧部61)的硬度比散热翅片63的硬度大(硬)的方法中的至少任一方法。
发明人制作了由铝-镁-硅合金的铝6000系的材料形成散热器基座部53、由纯铝的铝1000系的材料形成散热翅片63的试样(试样A)，并对垂直拉伸强度进行了评价。此外，作为比较例，制作了由纯铝的铝1000系的材料形成散热器基座部53和散热翅片63双方的试样(试样B)，并对垂直拉伸强度进行了评价。其结果可知，试样A的垂直拉伸强度比试样B的垂直拉伸强度强约2.5～3.6倍。
另外，在功率半导体装置1中，作为模块基座13、散热器基座部53以及散热翅片63的材料，不限于铝系的材料，可以根据功率半导体装置1的规格而适当使用最佳的材料。例如，基于散热能力的观点，通过应用导热率比铝系材料的导热率大的铜系的板材作为散热翅片36，能够进一步提高散热性能。
在上述的功率半导体装置1中，采用通过凿紧加工使散热翅片63与散热器基座部53一体化的凿紧结构的散热器51a作为散热器51。由此，能够与散热器基座部53分别设计并制造与规格对应的散热翅片63，能够有助于散热器51a的散热能力的提高。
此外，除了可以应用凿紧结构的散热器51a作为功率半导体装置1的散热器51外，也可以应用散热翅片63与散热器基座部53一体化形成的散热器51作为功率半导体装置1的散热器51。如图21所示，作为散热器51，也可以是通过挤压加工、切削加工或锻造加工而使散热器基座部53与散热翅片63一体地形成的散热器51b。此外，如图22所示，也可以是通过压铸加工而使散热器基座部53与散热翅片63一体地形成的散热器51c。
此外，作为配置于散热器基座部53的散热翅片63的配置方式，如图23所示，也可以将散热翅片63配置在散热器基座部53的沿着外周形成的外周区域以外的区域。在该情况下，如图24所示，能够使散热器基座部53的外周区域作为进行凿紧加工时的载荷承受部65发挥功能。
如图25所示，在通过凿紧加工将散热翅片63凿紧于散热器基座部53之后，将散热器基座部53载置于散热器设置辅具73上。接下来，通过从上方朝向散热器基座部53按压功率模块部11，使形成于模块基座13的凹凸部15与形成于散热器基座部53的凹凸部55彼此嵌合，将功率模块部11与散热器基座部53接合。
然后，将散热器设置辅具73卸下，由此，如图26所示，制造出功率模块部11与散热器51(散热器基座部53)一体化的功率半导体装置1。通过使用散热器设置辅具73使功率模块部11与散热器51一体化，从而与不使用散热器设置辅具73的情况相比，能够更简单且高效地进行一体化。
此外，散热器设置辅具73也可以应用于使用散热翅片63与散热器基座部53一体化形成的散热器51b、51c的情况。如图27所示，将散热翅片63与散热器基座部53一体地形成的散热器51b、51c载置于散热器设置辅具73上。
接下来，通过从上方朝向散热器基座部53按压功率模块部11，使形成于模块基座13的凹凸部15与形成于散热器基座部53的凹凸部55彼此嵌合，从而使功率模块部11与散热器基座部53一体化。
然后，将散热器设置辅具73卸下，由此，如图28所示，制造出功率模块部11与散热器51一体化的功率半导体装置1。在散热翅片63与散热器基座部53一体化形成的散热器51的情况下，通过使用散热器设置辅具73，能够容易地使功率模块部11与散热器51一体化。
另外，在使散热器基座部53与散热翅片63一体地形成的散热器51b、51c的情况下，也可以使用将冲压刃71的前端形成为平坦的形状的辅具(未图示)来代替图5所示的冲压刃71。在该情况下，通过在使该辅具与散热器基座部53接触的状态下从上方按压功率模块部11，能够将功率模块部11与散热器基座部53接合。
此外，作为散热翅片63，以沿着Y轴方向一样地形成的情况为例进行了说明(参照图23)。作为散热翅片63，不限于此，如图29所示，也可以是由沿着Y轴方向不连续地形成的散热翅片63a和散热翅片63b构成的散热翅片63。
在该情况下，如图30所示，作为散热翅片63的配置方式，优选以除沿着散热器基座部53的外周形成的外周区域外的方式配置散热翅片63，从而能够使散热器基座部53的外周区域作为进行凿紧加工时的载荷承受部65发挥功能。
此外，如图31所示，也可以是如下散热翅片63，该散热翅片63被配置成，使散热翅片63b的X轴方向上的位置相对于散热翅片63a的X轴方向上的位置错开。在该情况下，通过使散热翅片63b位于彼此相邻的散热翅片63a与散热翅片63a之间，能够提高作为功率半导体装置1的散热性。此外，如图32所示，能够使散热器基座部53的外周区域作为进行凿紧加工时的载荷承受部65发挥功能。
此外，在使功率模块部11与散热器51一体化的功率半导体装置1中，功率模块部11的模块基座13的尺寸在功率模块部11(模具)中是唯一地设定的。因此，在功率半导体装置1(功率模块部11)中产生的热的发热密度变化的情况下，通过改变散热器基座部53的除厚度外的尺寸(宽度和进深)、散热翅片63的片数以及散热翅片63的尺寸，能够确保与各自的发热密度对应的散热能力。
即，针对一个功率模块部11，能够使能够与根据规格而产生的各种发热量对应的散热器51与功率模块部11接合。由此，与专利文献1～专利文献8分别公开的、由模塑树脂构成的模塑部和模块基座部的尺寸存在制约的功率半导体装置相比，能够实现功率模块部11的共用化。其结果是，能够有助于功率半导体装置1(功率模块部11)的生产率提高。
另外，如图33所示，在已完成的功率半导体装置1中，缓冲凹部15c作为空间而保留，因此也能够根据该空间的形成状态来判定散热器凿紧工序是否良好。例如，通过向功率半导体装置1照射光来测定该光的投影面积，估计空间距散热器基座部53的高度(参照尺寸线)，由此能够判定散热器凿紧工序是否良好。通过设置这样的测定器具，能够自动地进行散热器凿紧工序是否良好的判定。
此外，通过使空气(风)流过作为空间而保留的缓冲凹部15c，能够有助于在功率半导体装置1中产生的热的散热。特别是，在使用风扇(未图示)等强制地进行空气冷却的情况下，能够发挥较大的效果。
实施方式2
对实施方式2的功率半导体装置进行说明。图34示出功率半导体装置1的包含一部分截面的分解侧视图，图35示出使功率模块部11与散热器51一体化的功率半导体装置1的侧视图。
如图34和图35所示，功率半导体装置1的散热器基座部53由散热扩散部53a和加高部53b构成。加高部53b形成为从散热扩散部53a朝向功率模块部11侧突出。另外，除此以外的结构与图1等所示的功率半导体装置1的结构相同，因此对同一部件标注同一标号，除了需要的情况外，不重复其说明。
在上述的功率半导体装置1中，除了通过形成有上述的缓冲凹部15c而获得的生产率提高的效果以外，还能够获得如下所述的效果。在功率半导体装置1中，以从散热扩散部53a朝向功率模块部11侧突出的方式形成有加高部53b。由此，能够确保功率模块部11的从模塑树脂29突出的引线框架23与散热器基座部53的散热扩散部53a之间的绝缘距离L。
散热器基座部53通过切削加工、锻造加工、挤压加工或压铸加工来制造，加高部53b是在制造该散热器基座部53时同时形成的。因此，能够自由地设定加高部53b的厚度(高度)，能够在不阻碍生产率的情况下容易地确保与规格对应的所需的绝缘距离L。
另外，如图36所示，作为确保引线框架23与散热扩散部53a之间的绝缘距离L的方法，也可以考虑加厚模块基座13的厚度的结构。在该情况下，模块基座13的热容量伴随模块基座13变厚而增加，因此，考虑到在对模塑树脂29进行成型时的生产率等，优选通过在散热扩散部53a形成加高部53b来确保绝缘距离L。
此外，对形成于模块基座13的凹凸部15被形成为在平坦部15f形成有凹部15a等的形态的凹凸形状、并且形成于散热器基座部53(散热扩散部53a)的凹凸部55被形成为在平坦部55f形成有凸部55a的形态的凹凸形状的情况进行了说明。作为凹凸形状，也可以在模块基座13中形成为在平坦部形成有凸部的形态的凹凸形状，并在散热器基座部53中形成为在平坦部形成有凹部的形态的凹凸形状。在该情况下，散热器基座部53的凹凸形状具备缓冲凹部。
实施方式3
在此，对应用了在上述的实施方式1或实施方式2中进行了说明的功率半导体装置1的电力转换装置进行说明。本公开不限于特定的电力转换装置，以下，作为实施方式3，对将本公开应用于三相逆变器的情况进行说明。
图37是示出应用了本实施方式的电力转换装置的电力转换***的结构的框图。图37所示的电力转换***由电源100、电力转换装置200、负载300构成。电源100是直流电源，向电力转换装置200供给直流电。电源100可以由各种电源构成，例如可以由直流***、太阳能电池、蓄电池构成。此外，也可以由与交流***连接的整流电路或AC/DC转换器构成。此外，也可以由将从直流***输出的直流电转换为规定的电力的DC/DC转换器构成电源100。
电力转换装置200是连接在电源100与负载300之间的三相逆变器，将从电源100供给的直流电转换为交流电，并向负载300供给交流电。如图37所示，电力转换装置200具备：主转换电路201，其将直流电转换为交流电而输出；以及控制电路203，其将控制主转换电路201的控制信号输出至主转换电路201。
负载300是由从电力转换装置200供给的交流电驱动的三相电动机。另外，负载300不限于特定的用途，被用作搭载于各种电气设备的电动机，例如被用作面向混合动力汽车、电动汽车、铁路车辆、电梯或空调设备的电动机。
以下，对电力转换装置200的详细情况进行说明。主转换电路201具备开关元件和续流二极管(均未图示)。开关元件进行开关，由此，将从电源100供给的直流电转换为交流电并供给至负载300。虽然主转换电路201的具体的电路结构有各种结构，但本实施方式的主转换电路201是2电平的三相全桥电路，可以由6个开关元件和与各个开关元件反并联的6个续流二极管构成。
在主转换电路201的各开关元件和各续流二极管中的至少任一个中，将上述的实施方式1或实施方式2的功率半导体装置1构成为半导体模块202。6个开关元件每2个开关元件串联连接而构成上下臂，各上下臂构成全桥电路的各相(U相、V相、W相)。并且，各上下臂的输出端子、即主转换电路201的3个输出端子与负载300连接。
此外，主转换电路201具备驱动各开关元件的驱动电路(未图示)，驱动电路可以内置于半导体模块202，也可以是与半导体模块202分开具备驱动电路的结构。驱动电路生成驱动主转换电路201的开关元件的驱动信号，并将驱动信号提供给主转换电路201的开关元件的控制电极。具体而言，根据来自后述的控制电路203的控制信号，将使开关元件成为接通状态的驱动信号、以及使开关元件成为断开状态的驱动信号输出至各开关元件的控制电极。在将开关元件维持为接通状态的情况下，驱动信号是开关元件的阈值电压以上的电压信号(接通信号)，在将开关元件维持为断开状态的情况下，驱动信号成为开关元件的阈值电压以下的电压信号(断开信号)。
控制电路203对主转换电路201的开关元件进行控制，以对负载300供给期望的电力。具体而言，根据应向负载300供给的电力而计算出主转换电路201的各开关元件应成为接通状态的时间(接通时间)。例如，能够通过根据应输出的电压对开关元件的接通时间进行调制的PWM控制，对主转换电路201进行控制。然后，在各时刻向主转换电路201所具备的驱动电路输出控制指令(控制信号)，使得向应成为接通状态的开关元件输出接通信号，向应成为断开状态的开关元件输出断开信号。驱动电路根据该控制信号，向各开关元件的控制电极输出接通信号或断开信号作为驱动信号。
在本实施方式的电力转换装置中，在主转换电路201的各开关元件和各续流二极管中的至少任一个中应用实施方式1或实施方式2中进行了说明的功率半导体装置1作为半导体模块202。由此，能够有助于电力转换装置的生产率的提高。
在本实施方式中，对将本公开应用于2电平的三相逆变器的例子进行了说明，但本公开不限于此，能够应用于各种电力转换装置。虽然在本实施方式中设为2电平的电力转换装置，但也可以是3电平或多电平的电力转换装置，在向单相负载供给电力的情况下，也可以将本公开应用于单相的逆变器。此外，在向直流负载等供给电力的情况下，也可以将本公开应用于DC/DC转换器或AC/DC转换器。
此外，应用了本公开的电力转换装置并不限于上述的负载为电动机的情况，例如也可以用作放电加工机、激光加工机、感应加热烹调器或非接触器供电***的电源装置，还可以用作太阳能发电***或蓄电***等的功率调节器。
另外，关于在各实施方式中进行了说明的功率半导体装置，可以根据需要进行各种组合。
本次公开的实施方式为示例，并不限于此。本公开的范围并不是由上述说明的范围示出，而是由权利要求书的范围示出，意在包含与权利要求书的范围均等的意义和范围内的全部变更。
产业上的可利用性
本公开被有效地利用于使功率模块与散热器一体化的散热器一体型的功率半导体装置。
标号说明
1：功率半导体装置；11：功率模块部；13：模块基座；15：凹凸部；15a、15b：凹部；15c：缓冲凹部；15f：平坦部分；17：凹凸部；17a、17b：凸部；17f：平坦部分；21：绝缘片；23：引线框架；25：焊料；27：芯片；29：模塑树脂；51、51a、51b、51c：散热器；53：散热器基座部；53a：散热扩散部；53b：加高部；55：凹凸部；55a、55b：凸部；55f：平坦部；57：凹凸部；57a、57b：凹部；57c：缓冲凹部；57f：平坦部；61：翅片凿紧部；63：散热翅片；63a、63b：散热翅片；65：载荷承受部；71：冲压刃；73：散热器设置辅具。

Claims (14)

1.一种功率半导体装置，其中，所述功率半导体装置具有：
功率模块部，其具有形成有第1凹凸部的模块基座，在所述模块基座搭载有电力用半导体元件并利用密封材料进行了密封；
散热器基座部，其形成有第2凹凸部，并以使所述第2凹凸部与所述第1凹凸部彼此嵌合的方式与所述模块基座接合；以及
多个散热翅片，它们被安装于所述散热器基座部，
所述模块基座和所述散热器基座部以如下方式形成：在所述模块基座与所述散热器基座部接合的状态下，所述第1凹凸部和所述第2凹凸部中的任意方具备作为空间而保留的缓冲凹部。
2.根据权利要求1所述的功率半导体装置，其中，
所述散热器基座部包含散热扩散部，该散热扩散部被安装了所述散热翅片，
所述第2凹凸部形成于所述散热扩散部。
3.根据权利要求1所述的功率半导体装置，其中，
所述散热器基座部包含：
散热扩散部，其被安装了所述散热翅片；以及
加高部，其从所述散热扩散部朝向所述功率模块部所处的一侧被加高，
所述第2凹凸部形成于所述加高部。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的功率半导体装置，其中，
所述第1凹凸部形成为沿第1方向延伸，
所述第2凹凸部形成为沿所述第1方向延伸。
5.根据权利要求4所述的功率半导体装置，其中，
在所述第1凹凸部和所述第2凹凸部设有不连续的部分。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的功率半导体装置，其中，
所述缓冲凹部在所述第1凹凸部与所述第2凹凸部彼此嵌合而相邻的一个凹部与另一个凹部之间配置有至少一个。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的功率半导体装置，其中，
多个所述散热翅片被配置成分别沿第2方向延伸，并且在与所述第2方向交叉的第3方向上彼此隔开间隔地配置。
8.根据权利要求7所述的功率半导体装置，其中，
多个所述散热翅片包含：
多个散热翅片第1部，它们分别沿所述第2方向延伸；以及
多个散热翅片第2部，它们与多个所述散热翅片第1部在所述第2方向上隔开间隔地分别沿所述第2方向延伸。
9.根据权利要求8所述的功率半导体装置，其中，
多个所述散热翅片第1部各自的所述第3方向上的位置与多个所述散热翅片第2部各自的所述第3方向上的位置彼此错开。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的功率半导体装置，其中，
所述散热翅片被安装于所述散热器基座部的位于外周部的区域以外的区域。
11.一种功率半导体装置的制造方法，其中，包括如下工序：
准备形成有第1凹凸部的模块基座；
在所述模块基座搭载电力用半导体元件，以使所述第1凹凸部露出的方式利用密封材料将所述电力用半导体元件密封，由此形成功率模块部；
准备形成有与所述第1凹凸部嵌合的第2凹凸部的散热器基座部；以及
使所述第1凹凸部与所述第2凹凸部彼此对置，将所述功率模块部的所述模块基座和所述散热器基座部中的一方向另一方按压，使所述第1凹凸部与所述第2凹凸部彼此嵌合，由此使所述模块基座与所述散热器基座部一体化，
在准备所述模块基座的工序以及准备所述散热器基座部的工序中形成为如下状态：在所述模块基座与所述散热器基座部接合的状态下，所述第1凹凸部和所述第2凹凸部中的任意方具备作为空间而保留的缓冲凹部。
12.根据权利要求11所述的功率半导体装置的制造方法，其中，
准备所述散热器基座部的工序包括准备在与所述功率模块部接合的一侧的相反侧形成有散热翅片***槽和凿紧部的所述散热器基座部的工序，其中，所述散热翅片***槽供多个散热翅片***，所述凿紧部对***于所述散热翅片***槽的所述散热翅片进行凿紧，
将所述模块基座与所述散热器基座部接合的工序包括如下工序：
使所述第1凹凸部与所述第2凹凸部彼此对置，并且将多个所述散热翅片配置于对应的所述散热翅片***槽；以及
使凿紧辅具与所述凿紧部接触，将所述散热器基座部朝向所述模块基座按压，由此使所述第1凹凸部与所述第2凹凸部彼此嵌合，并且对所述凿紧部进行凿紧而将多个所述散热翅片安装于所述散热器基座部，从而使所述模块基座、所述散热器基座部以及多个所述散热翅片一体化。
13.根据权利要求11所述的功率半导体装置的制造方法，其中，
准备所述散热器基座部的工序包括准备在与所述功率模块部接合的一侧的相反侧一体地配置有多个散热翅片的所述散热器基座部的工序，
将所述模块基座与所述散热器基座部接合的工序包括如下工序：
将所述散热器基座部配置于散热器设置辅具；
以使所述第1凹凸部与配置于所述散热器设置辅具的所述散热器基座部的所述第2凹凸部对置的方式配置所述功率模块部；以及
通过将所述功率模块部朝向所述散热器基座部按压而将所述第1凹凸部与所述第2凹凸部彼此嵌合。
14.一种电力转换装置，其中，所述电力转换装置具备：
主转换电路，其具有权利要求1至10中的任一项所述的功率半导体装置，对所输入的电力进行转换并输出；以及
控制电路，其将控制所述主转换电路的控制信号输出至所述主转换电路。
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