WO2024014410A1 - パワー半導体装置および電力変換装置 - Google Patents

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WO2024014410A1
WO2024014410A1 PCT/JP2023/025284 JP2023025284W WO2024014410A1 WO 2024014410 A1 WO2024014410 A1 WO 2024014410A1 JP 2023025284 W JP2023025284 W JP 2023025284W WO 2024014410 A1 WO2024014410 A1 WO 2024014410A1
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recess
semiconductor device
heat sink
convex portion
power semiconductor
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PCT/JP2023/025284
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晴菜 多田
泰之 三田
正喜 後藤
達志 森貞
隼人 寺田
穂隆 六分一
嘉教 伊藤
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三菱電機株式会社
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    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
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Definitions

  • the present disclosure relates to a power semiconductor device and a power conversion device, and particularly relates to a power semiconductor device having a heat sink base and a power conversion device having the power semiconductor device.
  • Patent Document 1 discloses a semiconductor device.
  • the semiconductor device includes a power module and a heat dissipation member.
  • the power module includes a semiconductor element, a metal component on which the semiconductor element is mounted, and a sealing material that seals the semiconductor element and exposes at least a portion of the metal component. Either one of a plurality of recesses or a plurality of projections is formed in the metal component, and the other of the plurality of recesses or projections is formed in the heat dissipation member.
  • the metal component and the heat dissipation member are integrated at the plurality of concave and convex portions where the plurality of concave portions and the plurality of convex portions are in contact with each other.
  • the first uneven portion which is a part of the plurality of uneven portions, has a larger dimension in the height direction than the second uneven portion other than the first uneven portion among the plurality of uneven portions.
  • caulking is performed on the concave portion and the convex portion in order to integrate the metal component and the heat dissipation member.
  • the first concave portion and the first convex portion which constitute the first concavo-convex portion having a dimension larger in the height direction than the second concavo-convex portion, are connected to the power module in the original connection with the heat sink. It has the role of preventing the unit from being integrated while tilting with respect to the aspect, in other words, it has the role of a guide mechanism.
  • the load required for caulking may increase due to manufacturing variations that cause at least one of positional deviation and dimensional error.
  • simply adjusting the design of the concavo-convex portion so as to reduce the required load tends to lead to a decrease in the strength of the caulked joint and an increase in thermal contact resistance in the caulked joint.
  • the present disclosure has been made to solve the above-mentioned problems, and one purpose is to reduce the strength of the caulked joint while suppressing the increase in the load required for caulking due to manufacturing variations. It is an object of the present invention to provide a power semiconductor device that can also suppress the following: and an increase in thermal contact resistance during caulking.
  • a power semiconductor device includes a module base, a semiconductor element, a resin sealing part, and a heat sink base.
  • the module base has a mounting surface and a back surface opposite to the mounting surface in the thickness direction.
  • the semiconductor element is mounted on the mounting surface of the module base.
  • the resin sealing portion seals the semiconductor element on the mounting surface of the module base.
  • the heat sink base has a mounting surface attached to the back surface of the module base, and a heat radiation surface opposite to the mounting surface in the thickness direction.
  • the first surface shape of the back surface of the module base and the second surface shape of the mounting surface of the heat sink base fit together, so that the back surface of the module base and the heat sink base The mounting surfaces are fixed to each other.
  • first surface shape and the second surface shape one includes a first convex portion and a second convex portion, and the other includes a first convex portion that fits with the first convex portion. It includes a concave portion and a second concave portion that fits into the second convex portion.
  • the first convex portion has a tip that contacts the first concave portion
  • the second convex portion has a tip that is distant from the second concave portion.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a power semiconductor device in Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a state of the power semiconductor device shown in FIG. 1 before the module base and the heat sink base are caulked together.
  • 3 is a partial plan view schematically showing the configuration of the back surface of the module base shown in FIG. 2.
  • FIG. FIG. 4 is a partial plan view showing a modified example of the back surface of the module base shown in FIG. 3;
  • FIG. 4 is a partial plan view showing a modified example of the back surface of the module base shown in FIG. 3;
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view schematically showing the configuration of a second convex portion and a second recessed portion shown in FIG. 1.
  • FIG. 7 is a partial cross-sectional view schematically showing a state immediately before a caulking step in a method for manufacturing a power semiconductor device according to a comparative example.
  • FIG. 7 is a partial cross-sectional view schematically showing a state immediately after a caulking step in a method for manufacturing a power semiconductor device according to a comparative example.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view schematically showing a state immediately before a caulking step in the method for manufacturing a power semiconductor device according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a partial cross-sectional view schematically showing a state immediately after a caulking step in a method for manufacturing a power semiconductor device according to a comparative example.
  • FIG. 3 is a sectional view showing a modification of the heat sink shown in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a sectional view showing a modification of the heat sink shown in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a modified example of the power semiconductor device shown in FIG. 2 before the module base and the heat sink base are caulked together.
  • 14 is a partial cross-sectional view illustrating dimensions of the module base and heat sink base shown in FIG. 13.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a modified example of the power semiconductor device shown in FIG. 2 before the module base and the heat sink base are caulked together.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a modified example of the power semiconductor device shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a modified example of the power semiconductor device shown in FIG. 2 before the module base and the heat sink base are caulked together.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a state immediately before a caulking step in the method for manufacturing a power semiconductor device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a state during a caulking step in the method for manufacturing a power semiconductor device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a state immediately after a caulking step in the method for manufacturing a power semiconductor device according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view for explaining a modification of the caulking process in the method for manufacturing the power semiconductor device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a modification of the caulking step in the method for manufacturing the power semiconductor device in the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a power semiconductor device according to a second embodiment.
  • 24 is a cross-sectional view schematically showing a state of the power semiconductor device shown in FIG. 23 before the module base and the heat sink base are caulked together.
  • FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a power semiconductor device in Embodiment 3.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a modification of the caulking process in the method for manufacturing the power semiconductor device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a modification of the caulking step in the method for manufacturing the power semiconductor device in the
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing one step in a method for manufacturing a power semiconductor device according to a third embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing one step in a method for manufacturing a power semiconductor device according to a third embodiment.
  • FIG. 3 is a block diagram schematically showing the configuration of a power conversion device in Embodiment 4.
  • metal can mean not only pure metals but also alloys, unless otherwise specified.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a power semiconductor device 101 in the first embodiment.
  • Power semiconductor device 101 includes a power module section 1 and a heat sink section 2.
  • the power semiconductor device 101 is a device in which a power module section 1 and a heat sink section 2 are integrated, in other words, a heat sink integrated power module.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a state before the module base 10 of the power module section 1 and the heat sink base 14 of the heat sink section 2 are joined by caulking. Note that caulking between the module base and the heat sink base may be referred to as "heat sink caulking" below. Note that the heat sink caulking timing in manufacturing the power semiconductor device 101 is not limited to one timing, and the same applies to other embodiments.
  • FIG. 2 above corresponds to the case where heat sink caulking is performed alone in the last step in manufacturing.
  • the power module section 1 includes a module base 10, at least one semiconductor element 5 (semiconductor chip), and a resin sealing section 4 (mold). Further, the power module section 1 may include a lead frame 3.
  • the module base 10 has a mounting surface PM and a back surface PO opposite to the mounting surface PM in the thickness direction (vertical direction in FIGS. 1 and 2).
  • the semiconductor element 5 is mounted on the mounting surface PM of the module base 10.
  • a bonding material 6 made of solder may be used for this mounting.
  • Semiconductor element 5 includes a power semiconductor element.
  • the power semiconductor element is, for example, a switching element or a freewheeling diode.
  • the semiconductor element 5 may be a semiconductor element using a wide bandgap semiconductor, that is, a wide bandgap semiconductor element.
  • the wide bandgap semiconductor is, for example, SiC (silicon carbide).
  • the resin sealing portion 4 seals the semiconductor element 5 on the mounting surface PM of the module base 10.
  • the lead frame 3 (metal electrode) may be attached on the mounting surface PM of the module base 10, and an insulating sheet 9 may be provided between the lead frame 3 and the mounting surface PM.
  • Lead frame 3 is electrically connected to semiconductor element 5. Note that a wiring member (typically a bonding wire) not shown may be used for this electrical connection.
  • the lead frame 3 has a portion covered with the resin sealing portion 4 and a portion protruding outward from the resin sealing portion 4.
  • the heat sink section 2 includes a heat sink base 14.
  • the heat sink base 14 has a mounting surface PF attached to the back surface PO of the module base 10, and a heat radiation surface PR opposite to the mounting surface PF in the thickness direction.
  • the heat sink section 2 includes a heat radiation fin 15 attached to the heat radiation surface PR of the module base 10.
  • the radiation fin 15 is attached to the caulking portion 11 of the module base 10 by caulking. This caulking may be referred to as "fin caulking" hereinafter.
  • the module base 10 of the power module section 1 and the heat sink base 14 of the heat sink section 2 are prepared separately and then joined to each other by heat sink caulking. Therefore, the design of the heat sink section 2 can be changed without changing the design of the module base 10, and the heat dissipation ability for removing heat from the semiconductor element 5 can be adjusted by the change.
  • Design elements of the heat sink section 2 for adjusting the heat dissipation capacity include, for example, the dimensions of the heat sink base 14 in the in-plane direction perpendicular to the thickness direction, the number of heat dissipation fins 15, and the size of each heat dissipation fin 15.
  • the module base 10 is made of metal.
  • the module base 10 is made of aluminum or an aluminum alloy, and is manufactured by cutting, die-casting, forging, or extrusion.
  • the heat sink base 14 is made of metal.
  • the heat sink base 14 is made of aluminum or an aluminum alloy, and is manufactured by cutting, die-casting, forging, or extrusion.
  • the radiation fins 15 are made of, for example, a metal plate (rolled material) such as aluminum or aluminum alloy.
  • the surface shape of the back surface PO of the module base 10 (hereinafter also referred to as "first surface shape") and the surface shape of the mounting surface PF of the heat sink base 14 (hereinafter also referred to as "second surface shape”)
  • first surface shape and the second surface shape one includes a first convex portion 51 and a second convex portion 52
  • the other includes a first convex portion 51 and a second convex portion 52.
  • It includes a recess 61 and a second recess 62 that fits into the second protrusion 52 .
  • the second surface shape includes the first convex portion 51 and the second convex portion 52
  • the first surface shape includes the first concave portion 61 and the second convex portion 52.
  • a recess 62 is included.
  • FIG. 3 is a partial plan view schematically showing the configuration of the back surface PO (FIG. 2) of the module base 10.
  • a plane layout perpendicular to the thickness direction of the recess group 60 including the first recess 61 and the second recess 62 extends along the first direction (vertical direction in FIG. 3), and the recess group 60 includes the first recess 61 and the second recess 62.
  • the pattern includes a plurality of patterns arranged at intervals in a second direction (lateral direction in FIG. 3) perpendicular to .
  • the convex group including the first convex portion 51 and the second convex portion 52 may also have a planar layout corresponding to the above-described planar layout.
  • FIG. 4 and 5 is a partial plan view showing a modification of FIG. 3.
  • the planar layout of the recess group 60 perpendicular to the thickness direction extends along the first direction (vertical direction in the figure) and extends in the second direction (vertical to the first direction).
  • a plurality of patterns P1 arranged at intervals in the horizontal direction in the figure; and at least one pattern P2 extending along a third direction (horizontal direction in the figure) different from the first direction.
  • the modified example in FIG. 5 includes a pattern that extends discontinuously along the first direction, as indicated by the two-dot chain line in the figure.
  • FIG. 6 is a partial cross-sectional view schematically showing the configuration of the second protrusion 52 and the second recess 62 in a cross-sectional view parallel to the thickness direction.
  • the second convex portion 52 has a tip TE remote from the second concave portion 62 . Therefore, a gap GP is formed between the second convex portion 52 and the second concave portion 62.
  • the tip TE of the second convex portion 52 is a surface protruding from the substantially flat surface (lower surface in FIG. 6) of the mounting surface PF at a substantially uniform height H52. It is.
  • the tip TE of the second convex portion 52 is apart from the second concave portion 62, the side surface of the second convex portion 52 is in contact with the side wall of the second concave portion 62. It is preferable that the height H52 is 0.5 mm or more.
  • the tip TE of the second protrusion 52 has a width W52 of the second protrusion 52 .
  • the second recess 62 has a width W62 at the position of the tip TE of the second protrusion 52 in the thickness direction.
  • the width W52 is preferably 65% or more and less than 100% of the width W62.
  • the width dimension is a dimension in a direction perpendicular to the extending direction, for example, a dimension in the lateral direction in any one of FIGS. 3 to 5.
  • the distance HG between the tip TE of the second convex portion 52 and the bottom surface of the second recess 62 is greater than zero, may be 0.1 mm or more, and may be 0.2 mm or more.
  • the first protrusion 51 (FIG. 1) has a tip that contacts the first recess 61.
  • a gap may be formed between the recess 61 and the recess 61 .
  • the gap is preferably smaller than the gap GP (FIG. 6) between the second convex portion 52 and the second concave portion 62, and preferably has an area of 50% or less of the area of the first concave portion 61. preferable. It is preferable that the height H52 (FIG. 6) of the second protrusion 52 is smaller than the height of the first protrusion 51.
  • a surface pressure is applied at least locally between the first protrusion 51 and the first recess 61 for the purpose of caulking.
  • a surface pressure may be applied at least locally.
  • the maximum surface pressure between the second protrusion 52 and the second recess 62 is greater than the maximum surface pressure between the first projection 51 and the first recess 61.
  • it is low.
  • a surface pressure SP1 and a surface pressure SP2 are applied to the right side surface and the left side surface of the first convex portion 51, respectively.
  • the surface pressure SP1 or SP2 may be zero, and as another modification, the surface pressure SP1 and the surface pressure SP2 may be zero.
  • fluid typically air
  • gap GP FOG. 6
  • the processing state may be inspected by observing the gap GP during or after the heat sink crimping process. For example, the area of the gap GP in the in-plane direction perpendicular to the extending direction of the second recess 62 may be observed. Such observation may be performed, for example, by measuring the projected area of light passing through the gap GP.
  • An automatic inspection device having a mechanism for performing such measurements can automatically inspect the state of heat sink caulking.
  • FIGS. 7 and 8 are partial cross-sectional views schematically showing the states immediately before and after the caulking step in the method for manufacturing a power semiconductor device of a comparative example.
  • 9 and 10 are partial cross-sectional views schematically showing the states immediately before and after the caulking step in the method for manufacturing the power semiconductor device 101 according to the first embodiment.
  • the press load for caulking is approximately the same in the case of the comparative example (FIGS. 7 and 8) and the case of the first embodiment.
  • the heat sink base 14Z of the comparative example has the second concave portion 62, but the second convex portion 52 (FIGS. 9 and 10: this embodiment).
  • the second convex portion 52 is provided on the heat sink base 14.
  • first condition the height H52B of the second convex portion 52 is smaller than the depth H62B of the second concave portion 62.
  • second condition the width W52B of the tip of the second convex portion 52 is smaller than the width W62B of the bottom of the second recess 62.
  • the contact between the second concave portion 62 and the second convex portion 52 progresses, and the surface pressure between them further increases. Due to the shrinkage of the second recess 62, the surface pressure between the first protrusion 51 and the first recess 61 is reduced. This leads to a decrease in the strength of the crimped joint and an increase in thermal contact resistance in the crimped joint.
  • the progress of contact between the second concave portion 62 and the second convex portion 52 and the further increase in the contact pressure between them leads to an increase in the strength of the caulked joint. , leading to a reduction in thermal contact resistance in caulked joints. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the strength of caulking and an increase in thermal contact resistance in caulking, which are concerns in the comparative example.
  • the first convex portion 51 has a tip (FIG. 1) that contacts the first concave portion 61
  • the second convex portion 52 has a tip that contacts the first concave portion 61. 62 with a distal end TE (FIG. 6).
  • the caulking process of the first convex part 51 and the first concave part 61 is performed prior to the caulking process of the second convex part 52 and the second concave part 62. You can start doing so.
  • caulking of the first convex portion 51 and the first concave portion 61 may be difficult to proceed due to manufacturing variations that cause at least one of positional deviation and dimensional error.
  • the surface pressure between the first convex part 51 and the first concave part 61 will increase, resulting in plastic deformation that causes the second concave part 62 to shrink. occurs.
  • This plastic deformation suppresses an increase in surface pressure between the first protrusion 51 and the first recess 61. Therefore, an excessive increase in the load required for caulking can be avoided.
  • the second convex portion 52 prevents the second concave portion 62 from being excessively reduced. Therefore, it is possible to prevent the surface pressure between the first protrusion 51 and the first recess 61 from becoming too small.
  • the strength of the caulked joint is decreased and the thermal contact resistance in the caulked joint is increased due to the surface pressure between the first convex portion 51 and the first recessed portion 61 being too small. can be suppressed. From the above, while suppressing an increase in the load required for caulking due to manufacturing variations, it is also possible to suppress a decrease in the strength of the caulked joint and an increase in thermal contact resistance in the caulked joint.
  • the large load required for caulking may reduce the productivity of the power semiconductor device, or may damage the components of the power semiconductor device, thereby reducing its reliability.
  • Phenomena that lead to a decrease in reliability include damage to the semiconductor element 5 (semiconductor chip), cracks in the semiconductor element 5, changes in characteristics of the semiconductor element 5, cracks in the resin sealing part 4, and decrease in dielectric strength of the power semiconductor device 101. , separation between members of the power semiconductor device 101, and the like.
  • the surface of the radiation fin 15 may be embossed to provide minute depressions.
  • the radiation fins 15 may be manufactured by press working using a mold, and if embossing is performed during this press working, an increase in the cost for embossing can be almost avoided.
  • Heat dissipation performance is improved by increasing the heat dissipation area by embossing. Further, when the heat dissipation fins 15 as members used in manufacturing the power semiconductor device 101 are stacked, if the heat dissipation fins 15 are embossed, the contact area between the heat dissipation fins 15 is reduced, so the heat dissipation fins 15 The surface friction between the two is reduced.
  • the heat dissipation fins 15 are embossed, when the fins are caulked, the embossed portions of the heat sink base 15 are more sensitive to the embossed portions of the heat sink base 15 than the non-embossed portions.
  • the caulking part 11 penetrates deeper, thereby exerting an anchor effect, and therefore, the thickness direction (vertical direction in FIGS. 1 and 2) between the heat dissipation fin 15 and the caulking part 11 of the heat sink base 14. friction increases. This improves the vertical tensile strength of the radiation fins 15 after fin caulking.
  • the caulked portions 11 of the heat sink base 14 are only plastically deformed along the surface of the radiation fins 15, and there is no flow into the inside of the surface. Hard to dig into. Therefore, by performing embossing in advance, the vertical tensile strength of the radiation fin after fin caulking is particularly improved.
  • the heat sink base 14 is harder than the radiation fins 15, the caulked portions 11 of the heat sink base 14 tend to dig into the surface of the radiation fins 15 during the fin caulking process, thereby exerting an anchor effect. Therefore, when the heat sink base 14 is harder than the radiation fins 15, the effect of embossing the radiation fins 15 is small.
  • embossing is applied to the surface of the heat dissipation fins 15, and a material harder than the material of the heat dissipation fins 15 is selected as the material for the heat sink base 14. It is preferable that at least one of the following is performed. For example, if the material of the heat sink base 14 is made of aluminum 6000 series material and the material of the radiation fins 15 is made of aluminum 1000 series material, both the material of the heat sink base 14 and the material of the radiation fins 15 are made of aluminum 1000 series material. The vertical tensile strength of the radiation fins 15 was approximately 2.5 to 3.6 times higher than that of the material.
  • the material of the heat sink base 14 and the material of the radiation fins 15 are not limited to aluminum-based materials, and may be different materials.
  • the materials of the radiation fins 15 are made of aluminum.
  • the heat dissipation ability is improved by making it from a copper-based plate material that has higher thermal conductivity than other materials.
  • the heat sink part 2 is produced by caulking and joining the heat sink base 14 and the heat dissipation fins 15, which are prepared separately. Since the processing constraints (aspect ratio) of processing or extrusion processing do not matter, the radiation fins can be designed relatively freely so that the heat radiation ability of the heat sink portion 2 is improved.
  • FIG. 11 is a sectional view showing a heat sink section 2M that is a modification of the heat sink section 2 (FIG. 2).
  • the heat sink base 14M and the radiation fins 15M are integrally formed from the beginning, so fin caulking is not necessary.
  • the heat sink portion 2M is manufactured, for example, by extrusion, cutting, or forging.
  • FIG. 12 is a sectional view showing a heat sink section 2N that is a modification of the heat sink section 2 (FIG. 2).
  • the heat sink base 14N and the radiation fins 15N are integrally formed from the beginning, so fin caulking is not necessary.
  • the heat sink portion 2N is manufactured, for example, by die-casting.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing a modified example of the power semiconductor device 101 (FIG. 2) before the module base 10A and the heat sink base 14A are caulked together.
  • a guide recess 63 is provided in the surface shape (first surface shape) of the back surface PO of the module base 10A. The depth of the guide recess 63 is greater than the depth of the first recess 61 and the depth of the second recess 62.
  • a guide convex portion 53 is provided on the surface shape (second surface shape) of the mounting surface PF of the heat sink base 14A. The depth of the guide protrusion 53 is greater than the depth of the first protrusion 51 and the depth of the second protrusion 52. In the example shown in FIG.
  • FIG. 14 is a partial cross-sectional view illustrating dimensions of the module base 10A and heat sink base 14A shown in FIG. 13.
  • the module base 10A and the heat sink base 14A can be roughly positioned using the guide protrusion 53 and the guide recess 63. Further, as the caulking process progresses, the guide protrusion 53 slides within the guide recess 63, so that the positional shift can be corrected to some extent. Due to this effect, the allowable positional deviation during heat sink caulking becomes larger. Thereby, productivity of the power semiconductor device can be improved. Furthermore, a simpler jig can be used for caulking the heat sink.
  • FIGS. 15 and 16 show a modification from this point of view.
  • module base 10B has only one second recess 62
  • heat sink base 14B has only one second protrusion 52.
  • the module base 10C has second recesses 62 at alternate locations between the first recesses 61, and the heat sink base 14B has a plurality of second recesses 62 between the first projections 51. It has second protrusions 52 at every other location.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view schematically showing a modified example of the power semiconductor device 101 (FIG. 2) before the module base 10 and the heat sink base 14 are caulked together.
  • the surface shape (first surface shape) of the back surface PO of the module base 10D is the first convex portion 51 and the second convex portion 52.
  • the surface shape (second surface shape) of the mounting surface PF of the heat sink base 14D includes a first recess 61 and a second recess 62. Note that the features of this modification may be applied to the above-described modification of the first embodiment and other embodiments to be described later.
  • FIGS. 18 and 19 are cross-sectional views schematically showing states immediately before the caulking process, during the caulking process, and immediately after the caulking process in the method for manufacturing the power semiconductor device 101 (FIG. 1).
  • heat dissipation fins 15 are inserted into fin insertion grooves 20 that heat sink base 14 has.
  • the jig 21 is inserted into the caulking portion 11 of the heat sink base 14.
  • a load is applied between the power module part 1 and the jig 21 in the thickness direction.
  • the heat sink crimping process and the fin crimping process are performed simultaneously.
  • This construction method is suitable when the planar layout shown in FIG. 3 is used.
  • a load is applied so that the back surface PO of the power module section 1 is pressed against the mounting surface PF of the heat sink section 2M (FIG. 11) or the heat sink section 2N (FIG. 12) supported by a jig similar to the jig 23.
  • Heat sink caulking may be performed by.
  • the tip of the jig has a wide flat surface without having a tapered shape.
  • FIG. 21 is a plan view for explaining the construction method
  • FIG. 22 is a cross-sectional view for explaining the construction method.
  • a jig 23 is used that supports an outer region PR2 around an inner region PR1 to which the heat dissipation fins 15 are attached, of the heat dissipation surface PR of the heat sink portion 2 formed by fin caulking.
  • Heat sink caulking is performed by applying a load so that the back surface PO of the power module section 1 is pressed against the mounting surface PF of the heat sink section 2 supported by the jig 23.
  • This construction method is suitable when the planar layout shown in FIG. 3 is not used (for example, when the planar layout shown in FIG. 4 or 5 is used).
  • FIG. 23 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of power semiconductor device 102 in the second embodiment.
  • the power semiconductor device 102 has a heat sink base 14S instead of the heat sink base 14 of the power semiconductor device 101 (FIG. 1).
  • the rest of the configuration is almost the same as the configuration of the first embodiment (FIGS. 1 and 2) described above.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view schematically showing a state of the power semiconductor device 102 shown in FIG. 23 before the module base 10 and the heat sink base 14S are caulked together.
  • the heat sink base 14S has a heat dissipation surface PR (lower surface of the heat sink base 14S in FIGS. 23 and 24) arranged outside the mounting surface PF in the in-plane direction perpendicular to the thickness direction (lateral direction in FIGS. 23 and 24). It has an outer surface PP opposite to.
  • the outer surface PP is arranged to be shifted toward the heat radiation surface PR (in other words, shifted downward in FIGS. 23 and 24) from the mounting surface PF in the thickness direction.
  • an outer surface PP is provided as a surface opposite to the heat dissipation surface PR. Therefore, in the second embodiment, the external area of the heat dissipation surface PR is larger than the external area of the mounting surface PF.
  • the heat sink base 14S can be considered to have a module mounting portion 14a forming a mounting surface PF, and a heat diffusion portion 14d forming an outer surface PP and a heat radiation surface PR.
  • the heat diffusion section 14d and the module base 10 are separated by a module mounting section 14a.
  • the heat diffusion portion 14d extends to the outside of the module attachment portion 14a in the in-plane direction. Note that the boundary between the module attachment part 14a and the heat diffusion part 14d (broken line in FIGS. 23 and 24) may be virtual.
  • the portion of the lead frame 3 that protrudes from the resin sealing portion 4 does not face the mounting surface PF in the thickness direction, but faces the outer surface PP at a distance D2.
  • the distance D2 corresponds to the insulation distance (typically, the distance separated by air) between the lead frame 3 and the heat sink base 14S.
  • the insulation distance between the lead frame 3 and the heat sink base 14 corresponds to the distance D1 (FIG. 1), which is approximately the same as the thickness of the module base 10. Therefore, in order to increase the insulation distance in the first embodiment described above, it is necessary to increase the thickness of the module base 10. If the thickness of the module base 10 becomes too large, it will lead to a decrease in productivity of the power semiconductor device.
  • the heat capacity of the module base 10 increases, it is necessary to raise the temperature to the process temperature in the process of forming the resin sealing part 4 in manufacturing the power semiconductor device 101, that is, the molding process. As the time increases, productivity decreases. Second, since the mold for the molding process becomes larger, the equipment that performs the molding process also becomes larger, which reduces productivity. Third, as the size of the mold for the molding process increases, so does its heat capacity, which increases the time required to bring the mold up to process temperature, thereby reducing productivity.
  • the outer surface PP is arranged to be shifted toward the heat radiation surface PR from the mounting surface PF in the thickness direction.
  • FIG. 25 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of power semiconductor device 103 in the third embodiment.
  • 26 and 27 are cross-sectional views schematically showing steps in a method for manufacturing the power semiconductor device 103.
  • the heat sink base 14P includes a third recess 64, a pin member 29 having an insertion portion inserted into the third recess 64, and a protrusion portion protruding from the third recess 64.
  • the second convex portion 52 is constituted by this protruding portion. Note that the boundary between the third recess 64 and the pin member 29 is actually observable.
  • the third recess 64 of the heat sink base 14P is made of the first metal material
  • the pin member 29 of the heat sink base 14P is made of the second metal material.
  • the portion of the heat sink base 14P other than the pin member 29 may be made of the first metal material.
  • the second metal material may be the same as or different from the first metal material.
  • the second metal material is preferably a harder material than the first metal material, thereby suppressing plastic deformation of the second convex portion 52 during heat sink caulking. Therefore, the increase in surface pressure between the second recess 62 and the second protrusion 52 due to the reduction of the second recess 62 can be made more rapid. Therefore, the effects described in Embodiment 1 can be further enhanced. Note that the configuration other than the above is almost the same as the configuration of the first embodiment (FIG. 1) described above.
  • the second convex portion 52 is provided on the mounting surface PF by inserting the pin member 29 (see FIG. 27).
  • the third recess 64 of the module base is made of the first metal material
  • the pin member 29 of the module base is made of the second metal material.
  • the portion of the module base other than the pin member 29 may be made of the first metal material.
  • the second metal material may be the same as or different from the first metal material. In the latter case, the second metal material is preferably a harder material than the first metal material.
  • the power semiconductor device according to at least one of the first to third embodiments described above is applied to a power conversion device.
  • Application of the power semiconductor devices according to Embodiments 1 to 3 is not limited to a specific power conversion device, but hereinafter, as Embodiments 1 to 3, the power semiconductor devices according to Embodiments 1 to 3 are applied to a three-phase inverter. A case where at least one of the power semiconductor devices is applied will be described.
  • FIG. 28 is a block diagram showing the configuration of a power conversion system to which the power conversion device according to the present embodiment is applied.
  • the power conversion system shown in FIG. 28 includes a power supply 100, a power conversion device 200, and a load 300.
  • Power supply 100 is a DC power supply and supplies DC power to power conversion device 200.
  • the power source 100 can be composed of various things, for example, it can be composed of a DC system, a solar battery, a storage battery, or it can be composed of a rectifier circuit or an AC/DC converter connected to an AC system. Good too.
  • the power supply 100 may be configured with a DC/DC converter that converts DC power output from a DC system into predetermined power.
  • the power conversion device 200 is a three-phase inverter connected between the power source 100 and the load 300, converts the DC power supplied from the power source 100 into AC power, and supplies the AC power to the load 300.
  • the power conversion device 200 includes a main conversion circuit 201 that converts DC power into AC power and outputs it, and a control circuit 203 that outputs a control signal for controlling the main conversion circuit 201 to the main conversion circuit 201. It is equipped with
  • the load 300 is a three-phase electric motor driven by AC power supplied from the power conversion device 200.
  • the load 300 is not limited to a specific application, but is a motor installed in various electrical devices, and is used, for example, as a motor for a hybrid vehicle, an electric vehicle, a railway vehicle, an elevator, or an air conditioner.
  • the main conversion circuit 201 includes a switching element and a freewheeling diode (not shown), and when the switching element switches, it converts DC power supplied from the power supply 100 into AC power, and supplies the alternating current power to the load 300.
  • the main conversion circuit 201 is a two-level three-phase full bridge circuit, and has six switching elements and each switching element. It can be constructed from six freewheeling diodes arranged in antiparallel.
  • Each switching element and each freewheeling diode of the main conversion circuit 201 are constituted by a semiconductor module 202 corresponding to the power semiconductor device according to at least one of the first to third embodiments described above.
  • the six switching elements are connected in series every two switching elements to form upper and lower arms, and each upper and lower arm forms each phase (U phase, V phase, W phase) of the full bridge circuit.
  • the output terminals of the upper and lower arms, that is, the three output terminals of the main conversion circuit 201, are connected to the load 300.
  • the main conversion circuit 201 includes a drive circuit (not shown) that drives each switching element, but the drive circuit may be built in the semiconductor module 202 or may be provided separately from the semiconductor module 202. It may be a configuration in which it is provided.
  • the drive circuit generates a drive signal for driving the switching element of the main conversion circuit 201 and supplies it to the control electrode of the switching element of the main conversion circuit 201. Specifically, according to a control signal from a control circuit 203, which will be described later, a drive signal that turns the switching element on and a drive signal that turns the switching element off are output to the control electrode of each switching element.
  • the drive signal When keeping the switching element in the on state, the drive signal is a voltage signal (on signal) that is greater than or equal to the threshold voltage of the switching element, and when the switching element is kept in the off state, the drive signal is a voltage signal that is less than or equal to the threshold voltage of the switching element. signal (off signal).
  • the control circuit 203 controls the switching elements of the main conversion circuit 201 so that the desired power is supplied to the load 300. Specifically, based on the power to be supplied to the load 300, the time (on time) during which each switching element of the main conversion circuit 201 should be in the on state is calculated. For example, the main conversion circuit 201 can be controlled by PWM control that modulates the on-time of the switching element according to the voltage to be output. Then, a control command (control signal) is given to the drive circuit included in the main conversion circuit 201 so that an on signal is output to the switching element that should be in the on state at each time, and an off signal is output to the switching element that should be in the off state. Output.
  • the drive circuit outputs an on signal or an off signal as a drive signal to the control electrode of each switching element according to this control signal.
  • the power semiconductor device according to at least one of Embodiments 1 to 3 is applied as including at least one of the switching element and the freewheeling diode of the main conversion circuit 201. Thereby, productivity or reliability of the power conversion device can be improved.
  • the power semiconductor device according to at least one of Embodiments 1 to 3 is applied to a two-level three-phase inverter.
  • Application of the semiconductor device is not limited to this, but can be applied to various power conversion devices.
  • a two-level power converter is used, but a three-level or multi-level power converter may also be used, and in the case of supplying power to a single-phase load, a single-phase inverter is used.
  • the power semiconductor device according to at least one of 1 to 3 may be applied.
  • the power semiconductor device according to at least one of Embodiments 1 to 3 can be applied to a DC/DC converter or an AC/DC converter.
  • the power conversion device to which the power semiconductor device according to at least one of Embodiments 1 to 3 is applied is not limited to the case where the above-mentioned load is an electric motor, but is, for example, an electrical discharge machine, a laser processing machine, Alternatively, it can be used as a power supply device for an induction heating cooker or a non-contact power supply system, and furthermore, it can be used as a power conditioner for a solar power generation system, a power storage system, or the like.
  • PF mounting surface
  • PR heat radiation surface
  • the first convex portion (51) has a tip that contacts the first concave portion (61), and the second convex portion (52) has a tip that contacts the first concave portion (61). having a tip (TE) remote from Power semiconductor device (101 to 103, 101V).
  • TE tip
  • the height (H52) of the second convex portion is 0.5 mm or more, and the width (W52) of the second convex portion is the same as that of the second concave portion.
  • the power semiconductor device (101 to 103, 101V) according to appendix 1 which has a width (W62) of 65% or more and less than 100%.
  • W62 width
  • no gap is formed between the first convex portion (51) and the first concave portion (61), or the second convex portion
  • the heat sink base (14S) has an outer surface (PP) opposite to the heat dissipation surface (PR), which is disposed outside the mounting surface (PF) in an in-plane direction perpendicular to the thickness direction.
  • the outer surface (PP) is arranged to be shifted toward the heat radiation surface (PR) from the mounting surface (PF) in the thickness direction,
  • the power semiconductor device (102) according to any one of Supplementary Notes 1 to 7.
  • the power semiconductor device (101 to 103, 101V) according to any one of Supplementary Notes 1 to 8, including a plurality of patterns arranged at intervals in a second direction perpendicular to the first direction.
  • Appendix 10 A planar layout perpendicular to the thickness direction of the recess group (60) including the first recess (61) and the second recess (62) extends along the first direction, and the recess group (62) extends along the first direction.
  • a plurality of patterns (P1) arranged at intervals in a second direction perpendicular to the first direction; and at least one pattern (P2) extending along a third direction different from the first direction.
  • the module base or the heat sink base is a member having a third recess (64), an insertion portion inserted into the third recess (64), and a protrusion portion protruding from the third recess (64).
  • a main conversion circuit (201) that has a power semiconductor device (101 to 103, 101V) according to any one of Supplementary Notes 1 to 11 and converts and outputs input power; a control circuit (203) that outputs a control signal for controlling the main conversion circuit (201) to the main conversion circuit (201);
  • a power conversion device (200) comprising:

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Abstract

モジュールベース（１０）が有する第１の表面形状と、ヒートシンクベース（１４）が有する第２の表面形状と、が互いに嵌合することによって、モジュールベース（１０）とヒートシンクベース（１４）とが互いに固定されている。第１の表面形状および第２の表面形状のうち、一方は、第１の凸部（５１）と第２の凸部（５２）とを含み、他方は、第１の凸部（５１）と嵌合する第１の凹部（６１）と、第２の凸部（５２）に嵌合する第２の凹部（６２）とを含む。第１の凸部（５１）は、第１の凹部（６１）に接触する先端を有しており、かつ、第２の凸部（５２）は、第２の凹部（６２）から離れた先端（ＴＥ）を有している。

Description

パワー半導体装置および電力変換装置
　本開示は、パワー半導体装置および電力変換装置に関し、特に、ヒートシンクベースを有するパワー半導体装置と、当該パワー半導体装置を有する電力変換装置と、に関するものである。
　国際公開第２０１８／０７９３９６号（特許文献１）は、半導体装置を開示している。半導体装置は、パワーモジュールと、放熱部材とを備えている。パワーモジュールは、半導体素子と、半導体素子が搭載された金属部品と、半導体素子を封止し金属部品の少なくとも一部を露出する封止材とを含む。金属部品には複数の凹部または凸部のいずれか一方が、放熱部材には複数の凹部または凸部のいずれか他方が形成されている。金属部品と放熱部材とは、複数の凹部と複数の凸部とが接触する複数の凹凸部において一体となっている。複数の凹凸部の一部である第１の凹凸部は、複数の凹凸部のうち第１の凹凸部以外の第２の凹凸部よりも、高さ方向の寸法が大きい。
　上記半導体装置の製造方法において、金属部品と放熱部材との一体化のために、凹部と凸部とのかしめ加工が行われる。その際、第２の凹凸部よりも高さ方向の寸法が大きい第１の凹凸部を構成することになる第１の凹部および第１の凸部は、パワーモジュールがヒートシンクに対して本来の接合態様に対して傾いたようにずれて一体化されないようにする役割、言い換えればガイド機構の役割、を有する。
国際公開第２０１８／０７９３９６号
　かしめ加工によって一体化されることになる部材間の相対的な位置が、部材間の傾きおよび部材間の重ね合わせずれの少なくともいずれかに起因して設計上の理想的な位置からずれていると、かしめ加工を完了するのに必要な荷重、すなわち必要荷重、が大きくなることがある。上記半導体装置によれば、位置ずれをガイド機構によって抑制することができるが、必ずしも十分に抑制することができるとは限らない。よって、ガイド機構が設けられたとしても、位置ずれに起因しての必要荷重の増大が懸念されることがある。また、半導体装置の設計によっては、ガイド機構を設けることが許されないこともある。ガイド機構は、かしめ加工前に精密な位置合わせ工程が行われれば不要であるが、そのような工程を導入することは製造上の負担が大きい。また、位置ずれだけでなく、部材の寸法誤差も、必要荷重の増大につながる。
　以上のように、位置ずれおよび寸法誤差の少なくともいずれかを生じる製造ばらつきに起因して、かしめ加工の必要荷重が増大してしまうことがある。一方で、必要荷重が小さくなるように凹凸部の設計を単純に調整することは、かしめ接合の強度の減少と、かしめ接合における熱接触抵抗の増大とにつながりやすい。
　本開示は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その一の目的は、製造ばらつきに起因してのかしめ加工の必要荷重の増大を抑制しつつ、かしめ接合の強度の減少と、かしめ接合における熱接触抵抗の増大と、をも抑制することができるパワー半導体装置を提供することである。
　本開示に係るパワー半導体装置は、モジュールベースと、半導体素子と、樹脂封止部と、ヒートシンクベースとを含む。前記モジュールベースは、実装面と、厚み方向において前記実装面と反対の裏面と、を有している。前記半導体素子は、前記モジュールベースの前記実装面上に実装されている。前記樹脂封止部は、前記モジュールベースの前記実装面上において前記半導体素子を封止している。前記ヒートシンクベースは、前記モジュールベースの前記裏面に取り付けられた取付面と、前記厚み方向において前記取付面と反対の放熱面と、を有している。前記モジュールベースの前記裏面が有する第１の表面形状と、前記ヒートシンクベースの前記取付面が有する第２の表面形状と、が互いに嵌合することによって、前記モジュールベースの前記裏面と前記ヒートシンクベースの前記取付面とが互いに固定されている。前記第１の表面形状および前記第２の表面形状のうち、一方は、第１の凸部と第２の凸部とを含み、他方は、前記第１の凸部と嵌合する第１の凹部と、前記第２の凸部に嵌合する第２の凹部とを含む。前記第１の凸部は、前記第１の凹部に接触する先端を有しており、かつ、前記第２の凸部は、前記第２の凹部から離れた先端を有している。
　本開示によれば、製造ばらつきに起因してのかしめ加工の必要荷重の増大を抑制しつつ、かしめ接合の強度の減少と、かしめ接合における熱接触抵抗の増大と、をも抑制することができる。
実施の形態１におけるパワー半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。 図１に示されたパワー半導体装置の、モジュールベースとヒートシンクベースとのかしめ接合前の状態を概略的に示す断面図である。 図２に示されたモジュールベースの裏面の構成を概略的に示す部分平面図である。 図３に示されたモジュールベースの裏面の変形例を示す部分平面図である。 図３に示されたモジュールベースの裏面の変形例を示す部分平面図である。 図１に示された第２の凸部および第２の凹部の構成を概略的に示す部分断面図である。 比較例のパワー半導体装置の製造方法におけるかしめ工程の直前の状態を概略的に示す部分断面図である。 比較例のパワー半導体装置の製造方法におけるかしめ工程の直後の状態を概略的に示す部分断面図である。 本実施の形態１におけるパワー半導体装置の製造方法におけるかしめ工程の直前の状態を概略的に示す部分断面図である。 比較例のパワー半導体装置の製造方法におけるかしめ工程の直後の状態を概略的に示す部分断面図である。 図２に示されたヒートシンクの変形例を示す断面図である。 図２に示されたヒートシンクの変形例を示す断面図である。 図２に示されたパワー半導体装置の変形例の、モジュールベースとヒートシンクベースとのかしめ接合前の状態を概略的に示す断面図である。 図１３に示されたモジュールベースおよびヒートシンクベースが有する寸法を例示する部分断面図である。 図２に示されたパワー半導体装置の変形例の、モジュールベースとヒートシンクベースとのかしめ接合前の状態を概略的に示す断面図である。 図２に示されたパワー半導体装置の変形例の、モジュールベースとヒートシンクベースとのかしめ接合前の状態を概略的に示す断面図である。 図２に示されたパワー半導体装置の変形例の、モジュールベースとヒートシンクベースとのかしめ接合前の状態を概略的に示す断面図である。 実施の形態１におけるパワー半導体装置の製造方法におけるかしめ工程の直前の状態を概略的に示す断面図である。 実施の形態１におけるパワー半導体装置の製造方法におけるかしめ工程中の状態を概略的に示す断面図である。 実施の形態１におけるパワー半導体装置の製造方法におけるかしめ工程の直後の状態を概略的に示す断面図である。 実施の形態１におけるパワー半導体装置の製造方法におけるかしめ工程の変形例を説明するための平面図である。 実施の形態１におけるパワー半導体装置の製造方法におけるかしめ工程の変形例を概略的に示す断面図である。 実施の形態２におけるパワー半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。 図２３に示されたパワー半導体装置の、モジュールベースとヒートシンクベースとのかしめ接合前の状態を概略的に示す断面図である。 実施の形態３におけるパワー半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態３におけるパワー半導体装置の製造方法における一工程を概略的に示す断面図である。 実施の形態３におけるパワー半導体装置の製造方法における一工程を概略的に示す断面図である。 実施の形態４における電力変換装置の構成を概略的に示すブロック図である。
　以下、図面に基づいて実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。また本明細書において、「金属」の文言は、特段の記載がない限り、純金属だけでなく合金も意味し得る。
　＜実施の形態１＞
　図１は、本実施の形態１におけるパワー半導体装置１０１の構成を概略的に示す断面図である。パワー半導体装置１０１は、パワーモジュール部１と、ヒートシンク部２とを含む。パワー半導体装置１０１は、パワーモジュール部１とヒートシンク部２とが一体化された装置、言い換えれば、ヒートシンク一体型パワーモジュールである。図２は、パワーモジュール部１のモジュールベース１０と、ヒートシンク部２のヒートシンクベース１４と、をかしめ加工によって接合する前の状態を概略的に示す断面図である。なお、モジュールベースとヒートシンクベースとのかしめのことを、以下において、「ヒートシンクかしめ」と称することがある。なお、パワー半導体装置１０１の製造におけるヒートシンクかしめのタイミングは１つに限定されるものではなく、このことは他の実施の形態においても同様である。上記の図２は、ヒートシンクかしめが、製造における最後の工程において単独で行われる場合に対応している。
　パワーモジュール部１は、モジュールベース１０と、少なくとも１つの半導体素子５（半導体チップ）と、樹脂封止部４（モールド）とを含む。また、パワーモジュール部１はリードフレーム３を含んでよい。
　モジュールベース１０は、実装面ＰＭと、厚み方向（図１および図２における縦方向）において実装面ＰＭと反対の裏面ＰＯとを有している。半導体素子５は、モジュールベース１０の実装面ＰＭ上に実装されている。この実装には、例えば、はんだからなる接合材６が用いられてよい。半導体素子５はパワー半導体素子を含む。パワー半導体素子は、例えば、スイッチング素子または還流ダイオードである。半導体素子５は、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子、すなわちワイドバンドギャップ半導体素子であってよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えばＳｉＣ（炭化珪素）である。樹脂封止部４は、モジュールベース１０の実装面ＰＭ上において半導体素子５を封止している。リードフレーム３（金属電極）は、モジュールベース１０の実装面ＰＭ上に取り付けられていてよく、リードフレーム３と実装面ＰＭとの間には絶縁シート９が設けられていてよい。リードフレーム３は半導体素子５に電気的に接続されている。なおこの電気的接続のために、図示されていない配線部材（典型的にはボンディングワイヤ）が用いられてよい。リードフレーム３は、樹脂封止部４に覆われた部分と、樹脂封止部４から外へ突出した部分とを有している。
　ヒートシンク部２はヒートシンクベース１４を含む。ヒートシンクベース１４は、モジュールベース１０の裏面ＰＯに取り付けられた取付面ＰＦと、厚み方向において取付面ＰＦと反対の放熱面ＰＲとを有している。また本実施の形態においては、ヒートシンク部２は、モジュールベース１０の放熱面ＰＲに取り付けられた放熱フィン１５を含む。放熱フィン１５は、モジュールベース１０のかしめ部１１へ、かしめ接合によって取り付けられている。このかしめのことを、以下において、「フィンかしめ」と称することがある。
　パワーモジュール部１のモジュールベース１０と、ヒートシンク部２のヒートシンクベース１４とは、別個に準備された後に、ヒートシンクかしめによって互いに接合される。よって、モジュールベース１０の設計を変えることなくヒートシンク部２の設計を変更することができ、当該変更によって、半導体素子５からの熱を除去するための放熱能力を調整することができる。放熱能力を調整するためのヒートシンク部２の設計要素としては、例えば、厚み方向に垂直な面内方向におけるヒートシンクベース１４の寸法、放熱フィン１５の数、放熱フィン１５の各々のサイズなどがある。求められる放熱能力に応じてヒートシンク部２の設計を変更することによって、共通のモジュールベース１０の設計を適用することができるので、パワーモジュール部１の生産性を高めることができる。また、モジュールベース１０を作製するための金型の設計を変える必要がないので、金型コストの増大を避けることができる。
　モジュールベース１０は金属からなる。例えば、モジュールベース１０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、切削加工、ダイキャスト加工、鍛造加工または押出加工によって作製される。ヒートシンクベース１４は金属からなる。例えば、ヒートシンクベース１４は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、切削加工、ダイキャスト加工、鍛造加工または押出加工によって作製される。放熱フィン１５は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属板（圧延材）から作製される。
　モジュールベース１０の裏面ＰＯが有する表面形状（以下、「第１の表面形状」とも称する）と、ヒートシンクベース１４の取付面ＰＦが有する表面形状（以下、「第２の表面形状」とも称する）とが、図１に示されているように互いに嵌合することによって、モジュールベース１０の裏面ＰＯとヒートシンクベース１４の取付面ＰＦとが互いに固定されている。第１の表面形状および第２の表面形状のうち、一方は、第１の凸部５１と第２の凸部５２とを含み、他方は、第１の凸部５１と嵌合する第１の凹部６１と、第２の凸部５２に嵌合する第２の凹部６２とを含む。図１および図２に示された例においては、第２の表面形状が第１の凸部５１と第２の凸部５２とを含み、第１の表面形状が第１の凹部６１と第２の凹部６２とを含む。
　図３は、モジュールベース１０の裏面ＰＯ（図２）の構成を概略的に示す部分平面図である。第１の凹部６１と第２の凹部６２とを含む凹部群６０の、厚み方向に垂直な平面レイアウトは、第１の方向（図３における縦方向）に沿って各々延在し第１の方向に垂直な第２の方向（図３における横方向）において間隔を空けて配置された複数のパターンを含む。なお、第１の凸部５１と第２の凸部５２とを含む凸部群も、上記平面レイアウトに対応した平面レイアウトを有していてよい。図４および図５の各々は、図３の変形例を示す部分平面図である。これら変形例においては、凹部群６０の、厚み方向に垂直な平面レイアウトは、第１の方向（図中、縦方向）に沿って各々延在し第１の方向に垂直な第２の方向（図中、横方向）において間隔を空けて配置された複数のパターンＰ１と、第１の方向とは異なる第３の方向（図中、横方向）に沿って延在する少なくとも１つのパターンＰ２と、を含む。特に図５の変形例においては、図中、二点鎖線で示されているように、第１の方向に沿って不連続に延在するパターンが含まれている。
　図６は、第２の凸部５２および第２の凹部６２の構成を、厚み方向に平行な断面視において概略的に示す部分断面図である。第２の凸部５２は、第２の凹部６２から離れた先端ＴＥを有している。よって第２の凸部５２と第２の凹部６２との間には隙間ＧＰが形成されている。図６の例においては、第２の凸部５２の先端ＴＥは、取付面ＰＦの実質的に平坦な面（図６における下方の面）から、実質的に均一な高さＨ５２で突出した面である。第２の凸部５２の先端ＴＥが第２の凹部６２から離れている一方で、第２の凸部５２の側面が第２の凹部６２の側壁に接触している。高さＨ５２は、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。第２の凸部５２の先端ＴＥは、第２の凸部５２の幅Ｗ５２を有している。第２の凹部６２は、厚み方向における第２の凸部５２の先端ＴＥの位置において、幅Ｗ６２を有している。幅Ｗ５２は、幅Ｗ６２の６５％以上１００％未満であることが好ましい。ここで、幅の寸法は、延在方向に垂直な方向における寸法であり、例えば、図３～図５のいずれかにおける横方向における寸法である。第２の凸部５２の先端ＴＥと第２の凹部６２の底面との間の距離ＨＧは、ゼロよりも大きく、０．１ｍｍ以上であってよく、０．２ｍｍ以上であってもよい。
　第１の凸部５１（図１）は、第１の凹部６１に接触する先端を有している。厚み方向に平行な断面視（図１）において、第１の凸部５１と第１の凹部６１との間には隙間が形成されている必要はないが、第１の凸部５１と第１の凹部６１との間に隙間が形成されていてもよい。当該隙間は、第２の凸部５２と第２の凹部６２との間の隙間ＧＰ（図６）よりも小さいことが好ましく、第１の凹部６１の面積の５０％以下の面積を有することが好ましい。第１の凸部５１の高さに比して、第２の凸部５２の高さＨ５２（図６）は小さいことが好ましい。
　第１の凸部５１と第１の凹部６１との間には、かしめ接合の目的で、少なくとも局所的に面圧がかかっている。第２の凸部５２と第２の凹部６２との間には、必ずしも面圧がかかっている必要はないが、少なくとも局所的に面圧がかかっていてよい。面圧がかかっている場合、第２の凸部５２と第２の凹部６２との間の最大面圧は、第１の凸部５１と第１の凹部６１との間の最大面圧よりも低いことが好ましい。図６に例示された断面図においては、第１の凸部５１の右側面および左側面のそれぞれに面圧ＳＰ１および面圧ＳＰ２がかかっている。変形例として、面圧ＳＰ１または面圧ＳＰ２がゼロであってよく、また他の変形例として、面圧ＳＰ１および面圧ＳＰ２がゼロであってよい。
　なお隙間ＧＰ（図６）には、パワー半導体装置１０１の動作中に流体（典型的には空気体）が流れてよい。これによりヒートシンク部２からの放熱が促進される。この効果は、ファンなどを用いた強制空冷が適用される場合に、特に顕著となる。
　また、ヒートシンクかしめ加工中またはヒートシンクかしめ加工後に隙間ＧＰが観察されることによって、加工状態が検査されてよい。例えば、第２の凹部６２の延在方向に垂直な面内方向における隙間ＧＰの面積が観察されてよい。このような観察は、例えば、隙間ＧＰを通過する光の投影面積を測定することによって行われてよい。このような測定を行う機構を有する自動検査装置によって、ヒートシンクかしめ加工の状態を自動的に検査することができる。
　図７および図８のそれぞれは、比較例のパワー半導体装置の製造方法における、かしめ工程の直前および直後の状態を概略的に示す部分断面図である。図９および図１０のそれぞれは、本実施の形態１におけるパワー半導体装置１０１の製造方法における、かしめ工程の直前および直後の状態を概略的に示す部分断面図である。なお、かしめ加工のためのプレス荷重は、比較例（図７および図８）の場合と、本実施の形態１の場合とで、同程度とされている。本実施の形態のヒートシンクベース１４（図９および図１０）と異なり、比較例（図７および図８）のヒートシンクベース１４Ｚは、第２の凹部６２を有しているものの、第２の凸部５２（図９および図１０：本実施の形態）を有していない。
　比較例（図７および図８）のかしめ工程において、ヒートシンクベース１４Ｚとモジュールベース１０との間の位置ずれが無視できない程度に大きい状態でかしめ加工が開始されたとすると、実質的に位置ずれがない場合に比して、第１の凹部６１が、より拡がるように、モジュールベース１０が塑性変形する必要がある。その際に、第２の凹部６２の内部が完全に空洞であることから、第１の凹部６１の拡大を吸収するように第２の凹部６２が比較的自由に縮小することができる。よって、ある程度の位置ずれがあっても、かしめ加工における必要荷重の増大はほとんどない。一方で、第２の凹部６２が縮小したことに起因して、第１の凸部５１と第１の凹部６１との間の面圧が低くなる。その結果、かしめ接合の強度の減少と、かしめ接合における熱接触抵抗の増大とが発生することが懸念される。
　一方、本実施の形態１（図９および図１０）のかしめ加工においては、ヒートシンクベース１４に第２の凸部５２が設けられる。かしめ加工の直前（図９）において、以下の第１条件および第２条件の少なくとのいずれかが満たされる。第１条件として、第２の凸部５２の高さＨ５２Ｂは、第２の凹部６２の深さＨ６２Ｂよりも小さい。第２の条件として、第２の凸部５２の先端の幅Ｗ５２Ｂは、第２の凹部６２の底の幅Ｗ６２Ｂよりも小さい。
　本実施の形態１（図９および図１０）のかしめ工程において、ヒートシンクベース１４とモジュールベース１０との間の位置ずれが無視できない程度に大きい状態でかしめ加工が開始されたとすると、実質的に位置ずれがない場合に比して、第１の凹部６１が、より拡がるように、モジュールベース１０が塑性変形する必要がある。その際に、第２の凹部６２の内部へ第２の凹部６２よりも小さい第２の凸部５２が挿入されているので、第１の凹部６１の拡大を吸収するように第２の凹部６２が縮小するにつれて、第２の凹部６２と第２の凸部５２との間の接触が進み、さらにこれらの間の面圧が増大していく。第２の凹部６２が縮小したことに起因して、第１の凸部５１と第１の凹部６１との間の面圧が低くなる。このことは、かしめ接合の強度の減少と、かしめ接合における熱接触抵抗の増大とにつながる。一方で、上記のように、第２の凹部６２と第２の凸部５２との間の接触が進み、さらにこれらの間の面圧が増大していくことは、かしめ接合の強度の増大と、かしめ接合における熱接触抵抗の減少とにつながる。よって、比較例において懸念される、かしめ接合の強度の減少と、かしめ接合における熱接触抵抗の増大と、を抑制することができる。
　本実施の形態１によれば、第１の凸部５１は、第１の凹部６１に接触する先端（図１）を有しており、かつ、第２の凸部５２は、第２の凹部６２から離れた先端ＴＥ（図６）を有している。これにより、パワー半導体装置１０１の製造におけるかしめ加工において、第１の凸部５１および第１の凹部６１のかしめ加工を、第２の凸部５２および第２の凹部６２のかしめ加工に先立って進行し始めるようにすることができる。その際に、位置ずれおよび寸法誤差の少なくともいずれかを生じる製造ばらつきに起因して、第１の凸部５１および第１の凹部６１のかしめ加工が進行しにくいことがある。その場合にかしめ加工を進行させ続けると、第１の凸部５１と第１の凹部６１との間での面圧が高まり、それに起因して、第２の凹部６２が縮小するような塑性変形が生じる。この塑性変形によって、第１の凸部５１と第１の凹部６１との間での面圧の上昇が抑制される。よって、かしめ加工の必要荷重の過度な増大を避けることができる。一方で、第２の凹部６２の過度な縮小は、第２の凸部５２に妨げられることによって防止される。よって、第１の凸部５１と第１の凹部６１との間での面圧が過小となることは避けられる。よって、第１の凸部５１と第１の凹部６１との間での面圧が過小であることに起因しての、かしめ接合の強度の減少と、かしめ接合における熱接触抵抗の増大と、を抑制することができる。以上から、製造ばらつきに起因してのかしめ加工の必要荷重の増大を抑制しつつ、かしめ接合の強度の減少と、かしめ接合における熱接触抵抗の増大と、をも抑制することができる。
　上記効果によって、ヒートシンクかしめ加工時において許容される位置ずれが、より大きくなる。これにより、パワー半導体装置の生産性を高めることができる。また、ヒートシンクかしめ加工のための治具として、より簡素なものを用いることができる。
　また、かしめ加工の必要荷重が大きいことは、パワー半導体装置の生産性を低下させたり、あるいは、パワー半導体装置の部材へダメージを与えることによって信頼性を低下させたりすることがある。信頼性の低下につながる現象として、半導体素子５（半導体チップ）へのダメージ、半導体素子５の割れ、半導体素子５の特性変化、樹脂封止部４の割れ、パワー半導体装置１０１の絶縁耐圧の低下、またはパワー半導体装置１０１の部材間の剥離などが挙げられる。上述したように必要荷重を抑制することによって、生産性を高めたり、あるいは、信頼性を高めたりすることができる。別の観点では、上述したように必要荷重が抑制されるので、かしめ加工されることになる部材の位置ずれが、より許容される。よって、パワー半導体装置の生産性を高めることができる。
　第２の凹部６２の塑性変形の結果、第２の凸部５２と第２の凹部６２とが互いに接触すると、そのことも熱接触抵抗の増大の抑制に寄与する。また、第２の凸部５２と第２の凹部６２との間に面圧がかかると、そのことも接合強度の減少の抑制に寄与する。
　なお、放熱フィン１５の表面には、微小な凹みを付与するためのエンボス加工が施されてよい。放熱フィン１５は金型を用いたプレス加工によって作製されてよく、このプレス加工時にエンボス加工が施されれば、エンボス加工のためのコストの増大はほぼ避けることができる。エンボス加工によって放熱面積が増加することにより、放熱性能が向上する。またパワー半導体装置１０１の製造に用いられる部材としての放熱フィン１５が積層された場合に、放熱フィン１５にエンボス加工が施されていれば、放熱フィン１５間の接触面積が減少するので放熱フィン１５間の表面摩擦が低減する。表面摩擦が低減することで、フィンかしめ加工の生産設備の簡略化、および生産タクトの短縮が可能であり、よって生産性が向上する。また放熱フィン１５にエンボス加工が施されていれば、フィンかしめ加工時に、放熱フィン１５の表面のエンボス加工が施された部分へは、エンボス加工が施されていない部分と比べて、ヒートシンクベース１４のかしめ部１１が、より深く侵入する、これによりアンカー効果が発揮され、よって、放熱フィン１５とヒートシンクベース１４のかしめ部１１との間での、厚み方向（図１および図２における縦方向）の摩擦が大きくなる。これにより、フィンかしめ加工後の放熱フィン１５の垂直引張強度が向上する。
　特に、ヒートシンクベース１４よりも放熱フィン１５の方が硬い場合、フィンかしめ加工において、ヒートシンクベース１４のかしめ部１１は、放熱フィン１５の表面に沿って塑性変形するに留まり、当該表面の内部へは食い込みにくい。よって、予めエンボス加工が施されていることによって、フィンかしめ加工後の放熱フィンの垂直引張強度が特に向上する。一方、ヒートシンクベース１４が放熱フィン１５よりも硬い場合には、フィンかしめ加工においてヒートシンクベース１４のかしめ部１１が放熱フィン１５の表面の内部へ食い込みやすく、それによりアンカー効果が発揮される。よって、ヒートシンクベース１４が放熱フィン１５よりも硬い場合には、放熱フィン１５へのエンボス加工の効果は小さい。よって、フィンかしめ加工後の放熱フィン１５の垂直引張強度の観点では、放熱フィン１５の表面にエンボス加工を施すこと、および、ヒートシンクベース１４の材料として放熱フィン１５の材料よりも硬い材料を選択すること、の少なくともいずれかが行われることが好ましい。例えば、ヒートシンクベース１４の材料がアルミニウム６０００系の材料とされ、放熱フィン１５の材料がアルミニウム１０００系の材料とされた場合は、ヒートシンクベース１４の材料および放熱フィン１５の材料がともにアルミニウム１０００系の材料とされた場合と比較して、放熱フィン１５の垂直引張強度が約２．５～３．６倍となった。
　ただし、ヒートシンクベース１４の材料と放熱フィン１５の材料とは、アルミニウム系材料に限定されるものではなく、互いに異なる材料であってもよい、例えば、放熱能力の観点では、放熱フィン１５を、アルミニウム系材料よりも熱伝導率が大きい銅系の板材から作製することによって、放熱能力が向上する。またヒートシンク部２は、別個に準備されたヒートシンクベース１４と放熱フィン１５とをかしめ接合することによって作製されるものであり、ヒートシンクベース１４および放熱フィン１５の各々が作成される際における、ダイキャスト加工または押出加工の加工制約（アスペクト比）は問題とならないので、ヒートシンク部２の放熱能力が向上するように放熱フィンを比較的自由に設計することができる。
　図１１は、ヒートシンク部２（図２）の変形例のヒートシンク部２Ｍを示す断面図である。ヒートシンク部２Ｍの作成においては、ヒートシンクベース１４Ｍおよび放熱フィン１５Ｍが最初から一体に形成され、よってフィンかしめ加工は不要である。ヒートシンク部２Ｍは、例えば、押出加工、切削加工または鍛造によって作製される。図１２は、ヒートシンク部２（図２）の変形例のヒートシンク部２Ｎを示す断面図である。ヒートシンク部２Ｎの作成においては、ヒートシンクベース１４Ｎおよび放熱フィン１５Ｎが最初から一体に形成され、よってフィンかしめ加工は不要である。ヒートシンク部２Ｎは、例えば、ダイキャスト加工によって作製される。
　図１３は、パワー半導体装置１０１（図２）の変形例の、モジュールベース１０Ａとヒートシンクベース１４Ａとのかしめ接合前の状態を概略的に示す断面図である。モジュールベース１０Ａの裏面ＰＯが有する表面形状（第１の表面形状）には、ガイド凹部６３が設けられている。ガイド凹部６３の深さは、第１の凹部６１の深さおよび第２の凹部６２の深さよりも大きい。またヒートシンクベース１４Ａの取付面ＰＦが有する表面形状（第２の表面形状）には、ガイド凸部５３が設けられている。ガイド凸部５３の深さは、第１の凸部５１の深さおよび第２の凸部５２の深さよりも大きい。図１３に示された例においては、モジュールベース１０Ａの裏面ＰＯの２箇所（図中、左側および右側）にガイド凹部６３が設けられており、かつ、ヒートシンクベース１４Ａの取付面ＰＦの２箇所（図中、左側および右側）にガイド凸部５３が設けられている。図１４は、図１３に示されたモジュールベース１０Ａおよびヒートシンクベース１４Ａが有する寸法を例示する部分断面図である。
　ヒートシンクかしめ加工を開始する際に、モジュールベース１０Ａとヒートシンクベース１４Ａとの位置決めを、ガイド凸部５３およびガイド凹部６３を用いて、まずおおまかに行うことができる。また、かしめ加工が進行するにつれて、ガイド凸部５３がガイド凹部６３内でスライドすることによって、位置ずれが、ある程度修正され得る。この効果によって、ヒートシンクかしめ加工時において許容される位置ずれが、より大きくなる。これにより、パワー半導体装置の生産性を高めることができる。また、ヒートシンクかしめ加工のための治具として、より簡素なものを用いることができる。
　ヒートシンクかしめ加工において、前述したように第２の凹部６２が縮小するにつれて第２の凹部６２と第２の凸部５２との間の面圧が増大すると、かしめ加工の必要荷重が、ある程度増大する。この増大の程度は、第２の凸部５２および第２の凹部６２の数および寸法などを調整することによって適宜制御可能である。図１５および図１６の各々は、この観点での変形例を示している。図１５においては、モジュールベース１０Ｂがただ１つの第２の凹部６２を有しており、かつヒートシンクベース１４Ｂがただ１つの第２の凸部５２を有している。図１６においては、モジュールベース１０Ｃが、第１の凹部６１間の複数箇所に１つおきに第２の凹部６２を有しており、かつヒートシンクベース１４Ｂが、第１の凸部５１間の複数箇所に１つおきに第２の凸部５２を有している。
　図１７は、パワー半導体装置１０１（図２）の変形例の、モジュールベース１０とヒートシンクベース１４とのかしめ接合前の状態を概略的に示す断面図である。パワー半導体装置１０１（図２）とは逆に、本変形例においては、モジュールベース１０Ｄの裏面ＰＯが有する表面形状（第１の表面形状）が第１の凸部５１と第２の凸部５２とを含み、ヒートシンクベース１４Ｄの取付面ＰＦが有する表面形状（第２の表面形状）が第１の凹部６１と第２の凹部６２とを含む。なお本変形例の特徴は、本実施の形態１の前述した変形例、および、後述する他の実施の形態に対しても適用されてよい。
　前述したヒートシンクかしめ加工およびフィンかしめ加工は、同時に行われてよい。図１８～図２０のそれぞれは、パワー半導体装置１０１（図１）の製造方法における、かしめ工程直前、かしめ工程中、およびかしめ工程直後の状態を概略的に示す断面図である。図１８および図１９を参照して、ヒートシンクベース１４が有するフィン挿入溝２０へ放熱フィン１５が挿入される。そして、ヒートシンクベース１４のかしめ部１１に治具２１が挿入される。そして、パワーモジュール部１がヒートシンクベース１４の取付面ＰＦ上に接触させられた状態で、厚み方向においてパワーモジュール部１と治具２１との間に荷重が印加される。これにより、ヒートシンクかしめ加工およびフィンかしめ加工が同時に行われる。この工法は、図３に示された平面レイアウトが用いられる場合に適している。
　なお治具２３に類した治具によって支持されたヒートシンク部２Ｍ（図１１）またはヒートシンク部２Ｎ（図１２）の取付面ＰＦへパワーモジュール部１の裏面ＰＯが押し付けられるように荷重がかけられることによって、ヒートシンクかしめ加工が行われてもよい。その場合の治具は、治具２３とは異なり、その先端部が、テーパ形状を有することなしに広い平坦面を有している方が好ましい。
　あるいは、ヒートシンクかしめ加工は、フィンかしめ加工の後に行われてよい。図２１は当該工法を説明するための平面図であり、図２２は当該工法を説明するための断面図である。この工法の場合、フィンかしめ加工によって形成されたヒートシンク部２の放熱面ＰＲのうち、放熱フィン１５が取り付けられている内側領域ＰＲ１の周りの外側領域ＰＲ２を支持する治具２３が用いられる。治具２３によって支持されたヒートシンク部２の取付面ＰＦへパワーモジュール部１の裏面ＰＯが押し付けられるように荷重がかけられることによって、ヒートシンクかしめ加工が行われる。この工法は、図３に示された平面レイアウトが用いられない場合（例えば、図４または図５に示された平面レイアウトが用いられる場合）に適している。
　＜実施の形態２＞
　図２３は、本実施の形態２におけるパワー半導体装置１０２の構成を概略的に示す断面図である。パワー半導体装置１０２は、パワー半導体装置１０１（図１）のヒートシンクベース１４に代わってヒートシンクベース１４Ｓを有している。これ以外の構成については、上述した実施の形態１（図１および図２）の構成とほぼ同じである。図２４は、図２３に示されたパワー半導体装置１０２の、モジュールベース１０とヒートシンクベース１４Ｓとのかしめ接合前の状態を概略的に示す断面図である。
　ヒートシンクベース１４Ｓは、厚み方向に垂直な面内方向（図２３および図２４における横方向）において取付面ＰＦの外側に配置された、放熱面ＰＲ（図２３および図２４におけるヒートシンクベース１４Ｓの下面）と反対の外側面ＰＰを有している。外側面ＰＰは、厚み方向において、取付面ＰＦよりも放熱面ＰＲの方へずらして（言い換えれば、図２３および図２４における下方向へずらして）配置されている。上記のように本実施の形態２においては、放熱面ＰＲと反対の面として、取付面ＰＦに加えて外側面ＰＰが設けられている。よって本実施の形態２においては、放熱面ＰＲの外形面積は、取付面ＰＦの外形面積よりも大きい。
　ヒートシンクベース１４Ｓは、取付面ＰＦをなすモジュール取付部１４ａと、外側面ＰＰおよび放熱面ＰＲをなす熱拡散部１４ｄと、を有しているとみなすことができる。熱拡散部１４ｄとモジュールベース１０との間は、モジュール取付部１４ａによって隔てられている。面内方向において熱拡散部１４ｄはモジュール取付部１４ａの外側まで延びている。なおモジュール取付部１４ａと熱拡散部１４ｄとの境界（図２３および図２４における破線）は仮想的なものであってよい。
　リードフレーム３の、樹脂封止部４から突出した部分は、厚み方向において、取付面ＰＦには対向しておらず、外側面ＰＰに距離Ｄ２で対向している。距離Ｄ２は、リードフレーム３とヒートシンクベース１４Ｓとの間の絶縁距離（典型的には、空気によって隔てられている距離）に相当する。一方で、リードフレーム３とヒートシンクベース１４（図１：実施の形態１）との絶縁距離は、距離Ｄ１（図１）に相当し、これはモジュールベース１０の厚みとほぼ同じである。よって、前述した実施の形態１において絶縁距離を大きくするためには、モジュールベース１０の厚みを大きくする必要がある。モジュールベース１０の厚みが過大となると、パワー半導体装置の生産性の低下につながる。具体的には、第１に、モジュールベース１０の熱容量が大きくなるので、パワー半導体装置１０１の製造における樹脂封止部４の形成工程、すなわちモールド工程、においてプロセス温度まで温度を上昇させるために要する時間が長くなるので、生産性が低下する。第２に、モールド工程用の金型が大きくなるので、モールド処理を行う装置も大きくなり、これにより生産性が低下する。第３に、モールド工程用の金型が大きくなることによってその熱容量も大きくなるので、金型をプロセス温度まで上昇させるために要する時間が長くなり、これにより生産性が低下する。
　本実施の形態２によれば、外側面ＰＰは、厚み方向において、取付面ＰＦよりも放熱面ＰＲの方へずらして配置されている。これにより、樹脂封止部４から突出したリードフレーム３と、厚み方向においてこれに対向するヒートシンクベース１４Ｓの外側面ＰＰとの間の距離、すなわち絶縁距離を、モジュールベース１０の厚みのみに依存することなく、大きくすることができる。
　＜実施の形態３＞
　図２５は、実施の形態３におけるパワー半導体装置１０３の構成を概略的に示す断面図である。図２６および図２７は、パワー半導体装置１０３の製造方法における工程を概略的に示す断面図である。
　ヒートシンクベース１４Ｐは、第３の凹部６４と、第３の凹部６４に挿入された挿入部分と第３の凹部６４から突出した突出部分とを有するピン部材２９と、を含む。この突出部分によって第２の凸部５２が構成されている。なお第３の凹部６４とピン部材２９との間の境界は実際に観察可能なものである。ヒートシンクベース１４Ｐの第３の凹部６４は第１の金属材料からなり、ヒートシンクベース１４Ｐのピン部材２９は第２の金属材料からなる。ヒートシンクベース１４Ｐの、ピン部材２９以外の部分は、第１の金属材料からなっていてよい。第２の金属材料は、第１の金属材料と同じであっても、異なってもよい。後者の場合、第２の金属材料は第１の金属材料よりも硬い材料であることが好ましく、これにより、ヒートシンクかしめ加工における第２の凸部５２の塑性変形が抑制される。よって、第２の凹部６２の縮小に起因しての、第２の凹部６２と第２の凸部５２との間の面圧の増加を、より急激なものとすることができる。よって、実施の形態１において説明した効果を、より高めることができる。なお、上記以外の構成については、前述した実施の形態１（図１）の構成とほぼ同じである。
　本実施の形態によれば、第１の凸部５１を有する取付面ＰＦを形成した後に（図２６参照）、ピン部材２９の挿入によって取付面ＰＦに第２の凸部５２が設けられる（図２７参照）。これにより、第１の凸部５１を形成する際に、第２の凸部５２を同時に形成する必要がない。よって、取付面ＰＦのアスペクト比などに鑑みてのヒートシンクベース１４Ｐの製造の難易度を下げることができる。
　なお変形例として、図１７を参照して前述したように、第２の凸部５２およびそれが挿入される第３の凹部６４は、ヒートシンクベースの取付面ＰＦが有する表面形状（第２の表面形状）に代わって、モジュールベースの裏面ＰＯが有する表面形状（第１の表面形状）に含まれてよい。その場合、モジュールベースの第３の凹部６４は第１の金属材料からなり、モジュールベースのピン部材２９は第２の金属材料からなる。モジュールベースの、ピン部材２９以外の部分は、第１の金属材料からなっていてよい。第２の金属材料は、第１の金属材料と同じであっても、異なってもよい。後者の場合、第２の金属材料は第１の金属材料よりも硬い材料であることが好ましい。
　＜実施の形態４＞
　本実施の形態は、上述した実施の形態１～３の少なくともいずれかに係るパワー半導体装置を電力変換装置に適用したものである。実施の形態１～３に係るパワー半導体装置の適用は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態１～３として、三相のインバータに実施の形態１～３の少なくともいずれかに係るパワー半導体装置を適用した場合について説明する。
　図２８は、本実施の形態に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
　図２８に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
　電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図２８に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
　負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
　以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子や各還流ダイオードは、上述した実施の形態１～３の少なくともいずれかに係るパワー半導体装置に相当する半導体モジュール２０２によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
　また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体モジュール２０２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
　制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
　本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子および還流ダイオードの少なくともいずれかを含むものとして、実施の形態１～３の少なくともいずれかに係るパワー半導体装置が適用される。これにより、電力変換装置の生産性または信頼性を向上させることができる。
　本実施の形態では、２レベルの三相インバータに実施の形態１～３の少なくともいずれかに係るパワー半導体装置を適用する例を説明したが、実施の形態１～３の少なくともいずれかに係るパワー半導体装置の適用は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに実施の形態１～３の少なくともいずれかに係るパワー半導体装置を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに実施の形態１～３の少なくともいずれかに係るパワー半導体装置を適用することも可能である。
　また、実施の形態１～３の少なくともいずれかに係るパワー半導体装置を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
　なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
　＜付記＞
　以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。
  （付記１）
　実装面（ＰＭ）と、厚み方向において前記実装面（ＰＭ）と反対の裏面（ＰＯ）と、を有するモジュールベース（１０，１０Ａ～１０Ｄ）と、
　前記モジュールベース（１０，１０Ａ～１０Ｄ）の前記実装面（ＰＭ）上に実装された半導体素子（５）と、
　前記モジュールベース（１０，１０Ａ～１０Ｄ）の前記実装面（ＰＭ）上において前記半導体素子（５）を封止する樹脂封止部（４）と、
　前記モジュールベース（１０，１０Ａ～１０Ｄ）の前記裏面（ＰＯ）に取り付けられた取付面（ＰＦ）と、前記厚み方向において前記取付面（ＰＦ）と反対の放熱面（ＰＲ）と、を有するヒートシンクベース（１４，１４Ａ～１４Ｄ，１４Ｍ，１４Ｎ，１４Ｐ，１４Ｓ）と、
を備え、
　前記モジュールベース（１０，１０Ａ～１０Ｄ）の前記裏面（ＰＯ）に設けられた第１の表面形状と、前記ヒートシンクベース（１４，１４Ａ～１４Ｄ，１４Ｍ，１４Ｎ，１４Ｐ，１４Ｓ）の前記取付面（ＰＦ）が有する第２の表面形状と、が互いに嵌合することによって、前記モジュールベース（１０，１０Ａ～１０Ｄ）の前記裏面（ＰＯ）と前記ヒートシンクベース（１４，１４Ａ～１４Ｄ，１４Ｍ，１４Ｎ，１４Ｐ，１４Ｓ）の前記取付面（ＰＦ）とが互いに固定されており、
　前記第１の表面形状および前記第２の表面形状のうち、一方は、第１の凸部（５１）と第２の凸部（５２）とを含み、他方は、前記第１の凸部（５１）と嵌合する第１の凹部（６１）と、前記第２の凸部（５２）に嵌合する第２の凹部（６２）とを含み、
　前記第１の凸部（５１）は、前記第１の凹部（６１）に接触する先端を有しており、かつ、前記第２の凸部（５２）は、前記第２の凹部（６２）から離れた先端（ＴＥ）を有している、
パワー半導体装置（１０１～１０３，１０１Ｖ）。
  （付記２）
　前記厚み方向に平行な断面視において、前記第２の凸部の高さ（Ｈ５２）は０．５ｍｍ以上であり、かつ、前記第２の凸部の幅（Ｗ５２）は前記第２の凹部の幅（Ｗ６２）の６５％以上１００％未満である、付記１に記載のパワー半導体装置（１０１～１０３，１０１Ｖ）。
  （付記３）
　前記厚み方向に平行な断面視において、前記第１の凸部（５１）と前記第１の凹部（６１）との間には、隙間が形成されていないか、または、前記第２の凸部（５２）と前記第２の凹部（６２）との間の隙間（ＧＰ）よりも小さい隙間が形成されている、付記１または２に記載のパワー半導体装置（１０１～１０３，１０１Ｖ）。
  （付記４）
　前記厚み方向に平行な断面視において、前記第１の凸部（５１）と前記第１の凹部（６１）との間には、隙間が形成されていないか、または、前記第１の凹部（６１）の面積の５０％以下の面積の隙間が形成されている、付記１から３のいずれか１項に記載のパワー半導体装置（１０１～１０３，１０１Ｖ）。
  （付記５）
　前記第１の凸部（５１）と前記第１の凹部（６１）との間には少なくとも局所的に面圧がかかっている、付記１から４のいずれか１項に記載のパワー半導体装置（１０１～１０３，１０１Ｖ）。
  （付記６）
　前記第２の凸部（５２）と前記第２の凹部（６２）との間には、面圧がかかっていないか、または、前記第１の凸部（５１）と前記第１の凹部（６１）との間の最大面圧より低い最大面圧がかかっている、付記１から５のいずれか１項に記載のパワー半導体装置（１０１～１０３，１０１Ｖ）。
  （付記７）
　前記第２の凸部（５２）と前記第２の凹部（６２）との間には少なくとも局所的に面圧がかかっている、付記１から６のいずれか１項に記載のパワー半導体装置（１０１～１０３，１０１Ｖ）。
  （付記８）
　前記ヒートシンクベース（１４Ｓ）は、前記厚み方向に垂直な面内方向において前記取付面（ＰＦ）の外側に配置された、前記放熱面（ＰＲ）と反対の外側面（ＰＰ）を有しており、
　前記外側面（ＰＰ）は、前記厚み方向において、前記取付面（ＰＦ）よりも前記放熱面（ＰＲ）の方へずらして配置されている、
付記１から７のいずれか１項に記載のパワー半導体装置（１０２）。
  （付記９）
　前記第１の凹部（６１）と前記第２の凹部（６２）とを含む凹部群（６０）の、前記厚み方向に垂直な平面レイアウトは、第１の方向に沿って各々延在し前記第１の方向に垂直な第２の方向において間隔を空けて配置された複数のパターンを含む、付記１から８のいずれか１項に記載のパワー半導体装置（１０１～１０３，１０１Ｖ）。
  （付記１０）
　前記第１の凹部（６１）と前記第２の凹部（６２）とを含む凹部群（６０）の、前記厚み方向に垂直な平面レイアウトは、第１の方向に沿って各々延在し前記第１の方向に垂直な第２の方向において間隔を空けて配置された複数のパターン（Ｐ１）と、前記第１の方向とは異なる第３の方向に沿って延在する少なくとも１つのパターン（Ｐ２）と、を含む、付記１から８のいずれか１項に記載のパワー半導体装置（１０１～１０３，１０１Ｖ）。
  （付記１１）
　前記モジュールベースまたは前記ヒートシンクベースは、第３の凹部（６４）と、前記第３の凹部（６４）に挿入された挿入部分と前記第３の凹部（６４）から突出した突出部分とを有する部材（２９）と、を含み、前記突出部分によって前記第２の凸部（５２）が構成されている、付記１から１０のいずれか１項に記載のパワー半導体装置（１０３）。
  （付記１２）
　付記１から１１のいずれか１項に記載のパワー半導体装置（１０１～１０３，１０１Ｖ）を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路（２０１）と、
　前記主変換回路（２０１）を制御する制御信号を前記主変換回路（２０１）に出力する制御回路（２０３）と、
を備えた電力変換装置（２００）。
　１　パワーモジュール部、２，２Ｍ，２Ｎ　ヒートシンク部、３　リードフレーム、４　樹脂封止部、５　半導体素子、１０，１０Ａ～１０Ｄ　モジュールベース、１４，１４Ａ～１４Ｄ，１４Ｍ，１４Ｎ，１４Ｐ，１４Ｓ　ヒートシンクベース、１５，１５Ｍ，１５Ｎ　放熱フィン、２９　ピン部材、５１　第１の凸部、５２　第２の凸部、６０　凹部群、６１　第１の凹部、６２　第２の凹部、６４　第３の凹部、１０１～１０３　パワー半導体装置、２００　電力変換装置、２０１　主変換回路、２０３　制御回路、ＰＦ　取付面、ＰＭ　実装面、ＰＯ　裏面、ＰＰ　外側面、ＰＲ　放熱面。

Claims (12)

  1. 　実装面と、厚み方向において前記実装面と反対の裏面と、を有するモジュールベースと、
    　前記モジュールベースの前記実装面上に実装された半導体素子と、
    　前記モジュールベースの前記実装面上において前記半導体素子を封止する樹脂封止部と、
    　前記モジュールベースの前記裏面に取り付けられた取付面と、前記厚み方向において前記取付面と反対の放熱面と、を有するヒートシンクベースと、
    を備え、
    　前記モジュールベースの前記裏面が有する第１の表面形状と、前記ヒートシンクベースの前記取付面が有する第２の表面形状と、が互いに嵌合することによって、前記モジュールベースの前記裏面と前記ヒートシンクベースの前記取付面とが互いに固定されており、
    　前記第１の表面形状および前記第２の表面形状のうち、一方は、第１の凸部と第２の凸部とを含み、他方は、前記第１の凸部と嵌合する第１の凹部と、前記第２の凸部に嵌合する第２の凹部とを含み、
    　前記第１の凸部は、前記第１の凹部に接触する先端を有しており、かつ、前記第２の凸部は、前記第２の凹部から離れた先端を有している、
    パワー半導体装置。
  2. 　前記厚み方向に平行な断面視において、前記第２の凸部の高さは０．５ｍｍ以上であり、かつ、前記第２の凸部の幅は前記第２の凹部の幅の６５％以上１００％未満である、請求項１に記載のパワー半導体装置。
  3. 　前記厚み方向に平行な断面視において、前記第１の凸部と前記第１の凹部との間には、隙間が形成されていないか、または、前記第２の凸部と前記第２の凹部との間の隙間よりも小さい隙間が形成されている、請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
  4. 　前記厚み方向に平行な断面視において、前記第１の凸部と前記第１の凹部との間には、隙間が形成されていないか、または、前記第１の凹部の面積の５０％以下の面積の隙間が形成されている、請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
  5. 　前記第１の凸部と前記第１の凹部との間には少なくとも局所的に面圧がかかっている、請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
  6. 　前記第２の凸部と前記第２の凹部との間には、面圧がかかっていないか、または、前記第１の凸部と前記第１の凹部との間の最大面圧より低い最大面圧がかかっている、請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
  7. 　前記第２の凸部と前記第２の凹部との間には少なくとも局所的に面圧がかかっている、請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
  8. 　前記ヒートシンクベースは、前記厚み方向に垂直な面内方向において前記取付面の外側に配置された、前記放熱面と反対の外側面を有しており、
    　前記外側面は、前記厚み方向において、前記取付面よりも前記放熱面の方へずらして配置されている、
    請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
  9. 　前記第１の凹部と前記第２の凹部とを含む凹部群の、前記厚み方向に垂直な平面レイアウトは、第１の方向に沿って各々延在し前記第１の方向に垂直な第２の方向において間隔を空けて配置された複数のパターンを含む、請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
  10. 　前記第１の凹部と前記第２の凹部とを含む凹部群の、前記厚み方向に垂直な平面レイアウトは、第１の方向に沿って各々延在し前記第１の方向に垂直な第２の方向において間隔を空けて配置された複数のパターンと、前記第１の方向とは異なる第３の方向に沿って延在する少なくとも１つのパターンと、を含む、請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
  11. 　前記モジュールベースまたは前記ヒートシンクベースは、第３の凹部と、前記第３の凹部に挿入された挿入部分と前記第３の凹部から突出した突出部分とを有する部材と、を含み、前記突出部分によって前記第２の凸部が構成されている、請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
  12. 　請求項１または２に記載のパワー半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
    　前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
    を備えた電力変換装置。
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