JP7205071B2 - 冷却装置、半導体モジュールおよび車両 - Google Patents

Description

本発明は、冷却装置、半導体モジュールおよび車両に関する。

従来、パワー半導体チップ等の半導体素子を含む半導体モジュールにおいて、冷却装置を設けた構成が知られている（例えば、特許文献１－８参照）。
特許文献１ ＷＯ２０１４／６９１７４
特許文献２ ＷＯ２０１３／１５７４６７
特許文献３ ＷＯ２０１５／１７８０６４
特許文献４ 特開２０１７－８４９７８号公報
特許文献５ ＷＯ２０１５／９３１６９
特許文献６ ＷＯ２０１３／５４８８７
特許文献７ ＷＯ２００６／１１８０３２
特許文献８ 特許５２０６１０２号

冷却装置は、冷却性能が高いことが好ましい。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、冷却装置および半導体装置を備える半導体モジュールを提供する。半導体装置は半導体チップを有してよい。冷却装置は、上面および下面を有し、上面側に半導体チップが配置された天板を備えてよい。冷却装置は、冷媒流通部および冷媒流通部を囲む外縁部を含み、冷媒流通部が天板の下面側に配置され、且つ、外縁部において天板の下面に直接または間接に密着して配置されたケース部を備えてよい。冷却装置は、冷媒流通部に配置された冷却フィンを備えてよい。冷媒流通部は、天板の下面と平行な上面視において冷却フィンが設けられたフィン領域を挟んで配置され、それぞれ長手方向に２つの端部を有する第１の冷媒流路および第２の冷媒流路を有してよい。ケース部は、第１の冷媒流路の第１の端部側に設けられ、第１の冷媒流路に冷媒を導入または導出するための第１の開口部を有してよい。ケース部は、第２の冷媒流路の第２の端部側に設けられ、第２の冷媒流路に冷媒を導入または導出するための第２の開口部を有してよい。第２の端部および第１の端部はケース部において同じ側に配置されてよい。第１の冷媒流路および第２の冷媒流路のそれぞれは、少なくとも一部分が冷却フィンの下方に設けられていてよい。第１の冷媒流路および第２の冷媒流路のそれぞれは、流路底面を有してよい。それぞれの流路底面は、天板の下面と平行で且つ長手方向とは垂直な幅方向において、フィン領域の中央との距離が近づくほど、天板の下面と垂直な深さ方向における冷却フィンとの距離が小さくなる傾斜部を有してよい。

上面視において少なくとも半導体チップと対向する範囲にわたって、第１の冷媒流路および第２の冷媒流路が冷却フィンの下方に設けられていてよい。傾斜部が、上面視において少なくとも半導体チップと対向する範囲にわたって設けられていてよい。

上面視において、幅方向における異なる位置に複数の半導体チップが設けられていてよい。半導体チップが設けられている領域の幅方向における中央が、フィン領域の幅方向における中央よりも、第１の冷媒流路側に配置されていてよい。

複数の半導体チップを含む第１のチップ群が、第１の冷媒流路に沿って長手方向に配置されていてよい。複数の半導体チップを含む第２のチップ群が、第２の冷媒流路に沿って長手方向に配置されていてよい。第２のチップ群において最も第２の端部に近く配置された半導体チップと、第２の端部との長手方向における距離が、第１のチップ群において最も第１の端部に近く配置された半導体チップと、第１の端部との長手方向における距離よりも小さくてよい。

半導体装置は、複数の半導体チップが固定される回路基板を有してよい。回路基板は、第２のチップ群の半導体チップと接続されたリードフレームを有してよい。回路基板は、リードフレームと接続されたパッド部を有してよい。上面視において、フィン領域は、パッド部の全体と重なって配置されていてよい。

第１の冷媒流路および第２の冷媒流路の少なくとも一方は、上面視において前記第１のチップ群または第２のチップ群と重なって配置されていてよい。

幅方向における第１の冷媒流路とフィン領域の中央との距離が、幅方向における第２の冷媒流路とフィン領域の中央との距離よりも小さくてよい。

冷却フィンは、天板から下方に延びる複数の突出部を有してよい。少なくとも一部の突出部は、天板から下方に離れるに従って、天板の下面と平行な断面における断面積が減少するテーパー部を有してよい。

冷却フィンの複数の突出部のうち、上面視において第１の冷媒流路および第２の冷媒流路と重なる突出部の少なくとも一部はテーパー部を有し、上面視において第１の冷媒流路および第２の冷媒流路と重ならない突出部は、テーパー部を有さなくてよい。

本発明の第２の態様においては、半導体チップを含む半導体モジュール用の冷却装置を提供する。冷却装置は、冷媒流通部および冷媒流通部を囲む外縁部を含み、冷媒流通部が天板の下面側に配置され、且つ、外縁部において天板の下面に直接または間接に密着して配置されたケース部を備えてよい。冷却装置は、冷媒流通部に配置された冷却フィンを備えてよい。冷媒流通部は、天板の下面と平行な上面視において冷却フィンが設けられたフィン領域を挟んで配置され、それぞれ長手方向に２つの端部を有する第１の冷媒流路および第２の冷媒流路を有してよい。ケース部は、第１の冷媒流路の第１の端部側に設けられ、第１の冷媒流路に冷媒を導入または導出するための第１の開口部を有してよい。ケース部は、第２の冷媒流路の第２の端部側に設けられ、第２の冷媒流路に冷媒を導入または導出するための第２の開口部を有してよい。第２の端部および第１の端部はケース部において同じ側に配置されてよい。第１の冷媒流路および第２の冷媒流路のそれぞれは、少なくとも一部分が冷却フィンの下方に設けられていてよい。第１の冷媒流路および第２の冷媒流路のそれぞれは、流路底面を有してよい。それぞれの流路底面は、天板の下面と平行で且つ長手方向とは垂直な幅方向において、フィン領域の中央との距離が近づくほど、天板の下面と垂直な深さ方向における冷却フィンとの距離が小さくなる傾斜部を有してよい。

本発明の第３の態様においては、第１の態様に係る半導体モジュールを備える車両を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の一例を示す模式的な断面図である。 冷却フィン９４、第１の冷媒流路３０－１および第２の冷媒流路３０－２のｘｙ面における配置例を示す図である。 冷媒流通部９２の概要を示す斜視図である。 端部側領域４６を説明する図である。 半導体チップ７８およびフィン領域９５の配置例を示す図である。 半導体チップ７８のｙ軸方向における配置例を説明する図である。 フィン領域９５と、回路基板７６に設けられた回路要素の配置例を示す図である。 回路基板７６に設けられた回路要素と、冷媒流路３０の配置例を示す図である。 冷却フィン９４が備える突出部９７の一例を示す断面図である。 それぞれの半導体チップ７８の下方を流れる冷媒の流速を比較した例を示す。 本発明の一つの実施形態に係る車両２００の概要を示す図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の主回路図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の一例を示す模式的な断面図である。半導体モジュール１００は、半導体装置７０および冷却装置１０を備える。本例の半導体装置７０は、冷却装置１０に載置されている。本明細書では、半導体装置７０が載置されている冷却装置１０の面をｘｙ面とし、ｘｙ面と垂直な面をｚ軸とする。本明細書では、ｚ軸方向において冷却装置１０から半導体装置７０に向かう方向を上、逆の方向を下と称するが、上および下の方向は、重力方向に限定されない。また本明細書では、各部材の面のうち、上側の面を上面、下側の面を下面、上面および下面の間の面を側面と称する。

半導体装置７０は、パワー半導体チップ等の半導体チップ７８を１つ以上含む。一例として半導体チップ７８には、シリコン等の半導体基板に形成された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が設けられている。半導体チップ７８は、同一の基板に絶縁ゲート型バイポーラトランジスタと、還流ダイオード（ＦＷＤ）とが設けられていてもよい。

半導体装置７０は、回路基板７６と、収容部７２とを有する。回路基板７６は、一例として絶縁基板に回路パターンが設けられた基板である。回路基板７６には、はんだ等を介して半導体チップ７８が固定されている。

回路基板７６には、銅等の導電材料で形成されたパッド部７５が設けられてよい。回路基板７６には、半導体チップ７８とパッド部７５とを接続するリードフレーム７３が設けられてよい。リードフレーム７３は、アルミニウム等の導電材料で形成された板状の配線である。リードフレーム７３は、はんだ等により半導体チップ７８およびパッド部７５と接続されてよい。パッド部７５は、ワイヤー等により、他の導電部材と接続されてよい。

収容部７２は、樹脂等の絶縁材料で形成されている。収容部７２は、半導体チップ７８、回路基板７６、リードフレーム７３およびその他の回路要素を収容する内部空間を有する。収容部７２の内部空間には、半導体チップ７８、回路基板７６およびリードフレーム７３を封止する封止部７４が充填されていてよい。封止部７４は、例えばシリコーンゲルまたはエポキシ樹脂等の絶縁部材である。

冷却装置１０は、天板２０およびケース部４０を有する。天板２０は、ｘｙ面と平行な上面２２および下面２４を有する板状の金属板であってよい。天板２０は、対向する２つの短辺２６および対向する２つの長辺２８を有してよい。短辺２６はｘ軸方向に平行であり、長辺はｙ軸方向に平行であってよい。一例として天板２０は、アルミニウムを含む金属で形成されている。天板２０の上面２２には、半導体装置７０が載置される。天板２０には、半導体チップ７８が発生した熱が伝達される。例えば天板２０および半導体チップ７８の間は、回路基板７６、金属板およびはんだ等の熱伝導性の部材が配置されている。回路基板７６は、はんだ等により天板２０の上面２２に直接的に固定されていてよい。この場合、収容部７２は、天板２０の上面２２において回路基板７６等が配置された領域を囲んで設けられる。他の例では、半導体装置７０は収容部７２の下面に露出する金属板を有しており、当該金属板の上面に回路基板７６が固定され、当該金属板が天板２０の上面２２に固定されていてもよい。

ケース部４０は、冷媒流通部９２と、ｘｙ面において冷媒流通部９２を囲む外縁部４１とを含む。冷媒流通部９２は、天板２０の下面２４側に配置されている。冷媒流通部９２は、水等の冷媒が流通する領域である。冷媒流通部９２は、天板２０の下面２４に接する密閉空間であってよい。また、ケース部４０は、ｘｙ面において冷媒流通部９２を囲む外縁部４１において、天板２０の下面２４に直接または間接に密着して配置されている。これにより、冷媒流通部９２を密閉している。なお、間接に密着とは、天板２０の下面２４とケース部４０との間に設けられた、シール材、接着剤、または、その他の部材を介して、天板２０の下面２４とケース部４０とが密着している状態を指す。密着は、冷媒流通部９２の内部の冷媒が、当該密着部分から漏れ出ない状態を指す。冷媒流通部９２の内部には冷却フィン９４が配置されている。冷却フィン９４は、天板２０の下面２４と接続されていてよい。冷却フィン９４の近傍に冷媒を通過させることで、半導体チップ７８が発生した熱を冷媒に受け渡す。これにより、半導体装置７０を冷却できる。

冷却フィン９４は、ｘｙ面に対してほぼ垂直に設けられた柱状または板状の構造物が、所定のパターンでｘｙ面に配置されていてよい。他の例では、冷却フィン９４は、ｘｙ面にほぼ平行に設けられた板状の構造物であって、冷媒の流路となる開口が設けられた構造物が、ｚ軸方向に積層されたものであってもよい。なお冷却フィン９４の構造はこれらに限定されない。

本明細書では、冷却フィン９４が設けられた領域をフィン領域９５と称する。上面視において、フィン領域９５は矩形であってよく、ｘ軸方向に平行な対向する２つの短辺およびｙ軸方向に平行な対向する２つの長辺を有してよい。フィン領域９５は、冷却フィン９４の構造物が設けられた領域と、冷却フィン９４の構造物に挟まれた冷媒の流路とが含まれる。

本例のケース部４０は、枠部６２および本体部６４を有する。外縁部４１は少なくとも枠部６２を含んでよい。枠部６２は、ｘｙ面において冷媒流通部９２を囲んで配置されている。枠部６２は、天板２０の下面２４に直接または間接に密着して配置されている。つまり、枠部６２と、天板２０の下面２４とは、冷媒流通部９２を密閉するように設けられている。枠部６２と、天板２０の下面２４との間には、シール材または他の部材が設けられていてよい。

本例では、天板２０およびケース部４０の間はロウ付けされている。一例として、天板２０およびケース部４０は、同一組成の金属で形成されており、ロウ材は、天板２０等よりも融点の低い金属で形成されている。金属としてアルミニウムを含む金属が用いられてよい。

本体部６４は、天板２０の下面２４との間に冷媒流通部９２を有して配置されている。本例において枠部６２は、ケース部４０のうち、天板２０の下面２４に密着して配置された部分であり、本体部６４は、ケース部４０のうち、天板２０の下面２４とは離れている部分である。本体部６４が天板２０の下面２４と離れて配置されることで、冷媒流通部９２が形成される。

天板２０とケース部４０は、互いを締結するためのネジ等が挿入される貫通孔７９が設けられている。貫通孔７９は、半導体モジュール１００を外部の装置に固定するのに用いられてもよい。貫通孔７９は、天板２０および枠部６２が、直接または間接に密着してｚ軸方向において重なって配置された領域に設けられている。

冷却フィン９４は、冷媒流通部９２の内部に配置されている。冷却フィン９４の上端は、天板２０の下面２４に接続されていてよい。冷却フィン９４の下端９８は、本体部６４と接していてよく、離れていてもよい。

冷媒流通部９２の内部には、上面視（本例ではｘｙ面と垂直なｚ軸方向から見た図）において、冷却フィン９４を挟んで配置された第１の冷媒流路３０－１および第２の冷媒流路３０－２が設けられている。本例の第１の冷媒流路３０－１および第２の冷媒流路３０－２は、ｘ軸方向において冷却フィン９４を挟んでいる。また、それぞれの冷媒流路３０は、冷却フィン９４に沿ってｙ軸方向（長手方向）に延伸して設けられている。

本体部６４には、それぞれの冷媒流路３０に対応する位置に開口部４２が設けられている。一方の開口部４２は、冷媒を冷媒流路３０に導入する導入口として機能して、他方の開口部４２は、冷媒を冷媒流路３０から導出する導出口として機能する。いずれの開口部４２を、導入口および導出口のいずれとして機能させるかは、ユーザーが適宜選択できる。本明細書では、第１の冷媒流路３０－１に対応する第１の開口部４２－１を導入口とし、第２の冷媒流路３０－２に対応する第２の開口部４２－２を導出口とするが、開口部４２の機能は逆であってもよい。

第１の冷媒流路３０－１および第２の冷媒流路３０－２のそれぞれは、少なくとも一部分が冷却フィン９４の下方に設けられる。冷媒流路３０とは、冷媒流通部９２の内部において、所定以上の高さ（ｚ軸方向の長さ）を有する空間を指す。所定の高さとは、ｘｙ面での冷却フィン９４の中央位置９６における、冷却フィン９４の下端９８と、本体部６４との距離であってよい。ただし、冷却フィン９４における構造物に挟まれた流路は、冷媒流路３０には含まれない。

冷却フィン９４の下端９８と、本体部６４との間には空間が設けられていてよい。これにより、本体部６４に反り等が生じても、冷却フィン９４と本体部６４との間で応力が生じることを防げる。他の例では、冷却フィン９４の下端９８と、本体部６４とは接していてもよい。

第１の冷媒流路３０－１および第２の冷媒流路３０－２のそれぞれは、流路底面を有する。流路底面とは、冷媒と接する面であって、上方を向いている面である。本例の流路底面は、傾斜部３２と、底部３４とを有する。傾斜部３２は、ｘ軸方向において、フィン領域９５の中央位置９６との距離が近づくほど、ｚ軸方向における冷却フィン９４の下端９８との距離Ｄ１が小さくなっている。例えば、冷却フィン９４に対してｘ軸負側且つｚ軸負側に配置された傾斜部３２－１は、ｘ軸における位置が正方向に大きくなるほど、ｚ軸における位置が正方向に大きくなっている。また、冷却フィン９４に対してｘ軸正側且つｚ軸負側に配置された傾斜部３２－２は、ｘ軸における位置が負方向に大きくなるほど、ｚ軸における位置が正方向に大きくなっている。

また、第１の冷媒流路３０－１および第２の冷媒流路３０－２のそれぞれにおいて、傾斜部３２の少なくとも一部が冷却フィン９４の下方に設けられている。第１の冷媒流路３０－１および第２の冷媒流路３０－２の少なくとも一方では、傾斜部３２の全体が冷却フィン９４の下方に設けられていてもよい。また、それぞれの開口部４２は、傾斜部３２のｚ軸方向の下端の近傍に配置されている。

このような傾斜部３２を設けることで、いずれかの開口部４２から導入された冷媒を、冷却フィン９４の下端９８に向けて流すことができる。このため、冷却フィン９４において天板２０に近い領域まで冷媒を効率よく流通させることができ、半導体装置７０を効率よく冷却できる。

特に、図１に示したように、冷却フィン９４の下端９８と、本体部６４との間に空間が設けられていると、当該空間に冷媒が流れて、半導体装置７０の冷却効率が低下してしまう。本例によれば、天板２０に近い領域まで冷媒を流通させて、半導体装置７０を冷却できる。

なおｘｚ断面において、傾斜部３２を延長した直線７１が、半導体チップ７８と交差してよい。また、直線７１が、半導体チップ７８とリードフレーム７３により接続されているパッド部７５と交差してもよい。これにより、熱源に向けて冷媒を流しやすくなり、半導体装置７０を効率よく冷却できる。

底部３４は、傾斜部３２と接続された面である。底部３４は、ｘ軸に対して、傾斜部３２とは逆向きに傾斜していてよく、ｘ軸と平行であってもよい。また、本体部６４は、側壁３６を有してよい。側壁３６は、底部３４と枠部６２とを接続する。側壁３６は、ｘｚ面において、傾斜部３２と平行に設けられてよい。これにより、開口部４２から導入された冷媒を、冷却フィン９４の下端９８に向けて更に流しやすくなる。ただし側壁３６は、ｘｚ面において、傾斜部３２と非平行に設けられてもよい。

図２は、冷却フィン９４、第１の冷媒流路３０－１および第２の冷媒流路３０－２のｘｙ面における配置例を示す図である。図２においては、冷却フィン９４の下端９８と平行な面（図１におけるＡ－Ａ面）に、第１の冷媒流路３０－１および第２の冷媒流路３０－２を投影した図を示している。図２においては、当該面における傾斜部３２および底部３４の位置を破線で示している。また、当該面における側壁３６の位置を実線で示している。図２に示す冷却フィン９４は、ｘｙ面において離散的に配置された棒状の構造物を有するが、冷却フィン９４の構造はこれに限定されない。

本明細書において、それぞれの冷媒流路３０は、冷却フィン９４に沿って長手方向（ｙ軸方向）に伸びて設けられる。また、天板２０の下面２４と平行で、且つ、長手方向（ｙ軸方向）とは垂直な方向（ｘ軸方向）を幅方向とする。冷却フィン９４は、フィン領域９５の長手方向がｙ軸方向と平行になるように配置されてよい。つまりフィン領域９５の長手方向と２つの長辺は平行であってよい。

それぞれの冷媒流路３０は、ｙ軸方向に２つの端部４４を有する。図２においては、第１の冷媒流路３０－１は第１の端部４４－１および第３の端部４４－３を有し、第２の冷媒流路３０－２は第２の端部４４－２および第４の端部４４－４を有する。第１の端部４４－１および第２の端部４４－２は同じ側の端部であり、第３の端部４４－３および第４の端部４４－４は同じ側の端部である。同じ側とは、同一の冷媒流路における２つの端部４４のｙ軸における相対的な位置を指す。例えば第１の端部４４－１は、第３の端部４４－３に対してｙ軸正方向側に配置されており、第２の端部４４－２は、第４の端部４４－４に対してｙ軸正方向側に配置されている。つまり、第１の端部４４－１および第２の端部４４－２は、ともにｙ軸正方向側に配置されている。上面視において、第１の冷媒流路３０－１および第２の冷媒流路３０－２の長手方向は、互いにｙ軸方向に平行であってよく、さらにフィン領域９５の長辺および天板２０の長辺と平行であってよい。

第１の開口部４２－１は、第１の冷媒流路３０－１の第１の端部４４－１側に設けられる。また、第２の開口部４２－２は、第２の冷媒流路３０－２の第２の端部４４－２側に設けられる。つまり、２つの開口部４２は、ケース部４０において、冷媒流路３０の同じ側に設けられている。それぞれの開口部４２には、冷媒を搬送するパイプ９０が接続されている。「端部側」がどの範囲を指すかは後述する。

図１において説明したように、それぞれの冷媒流路３０は冷却フィン９４と重なって配置されている。より具体的には、それぞれの冷媒流路３０は、図２において破線で示すフィン領域９５のｙ軸方向の全長にわたって、フィン領域９５とｘ軸方向において所定の重なり幅Ｗを有して配置されている。重なり幅Ｗは、ｙ軸における位置によらず一定であってよく、異なっていてもよい。また、重なり幅Ｗは、第１の冷媒流路３０－１および第２の冷媒流路３０－２で同一であってよく、異なっていてもよい。

図３は、冷媒流通部９２の概要を示す斜視図である。図１および図２において説明したように、冷媒流通部９２は、ｘ軸方向における両端に、ｙ軸方向に伸びる冷媒流路３０を有する。それぞれの冷媒流路３０は、ｘ軸方向における外側から内側に向かって、ｚ軸方向における位置が徐々に大きくなるような傾斜部３２を有している。ｘ軸方向における外側とは、ｘ軸方向における冷媒流通部９２の中央からより遠い側を指し、内側とは、冷媒流通部９２の中央により近い側を指す。図３の例では、それぞれの傾斜部３２は、冷媒流通部９２のｙ軸方向の全長にわたって設けられている。

図４は、端部側領域４６を説明する図である。上述したように、第１の開口部４２－１は、第１の冷媒流路３０－１における第１の端部４４－１側の領域である端部側領域４６－１に配置されている。第２の開口部４２－２は、第２の冷媒流路３０－２における第２の端部４４－２側の領域である端部側領域４６－２に配置されている。端部側領域４６－１とは、一例として第１の冷媒流路３０－１をｙ軸方向に４分割した領域のうち、第１の端部４４－１を含む領域である。端部側領域４６－２とは、一例として第２の冷媒流路３０－２をｙ軸方向に４分割した領域のうち、第２の端部４４－２を含む領域である。開口部４２は、端部側領域４６を囲む、本体部６４のいずれかの面に設けられている。開口部４２は、図４に示すようにｘｚ面とほぼ平行な面に設けられてよく、ｘｙ面とほぼ平行な面（すなわち底面）に設けられてよく、ｙｚ面とほぼ平行な面に設けられてもよい。

また、図４においては、ｘｙ面における半導体チップ７８の位置を実線で示している。本例においては、それぞれの冷媒流路３０に沿って、複数の半導体チップ７８がｙ軸方向に配列されている。端部側領域４６－１のｙ軸方向における範囲は、第１の端部４４－１の最も近くに配置された半導体チップ７８－１のｙ軸方向の位置から、第１の端部４４－１のｙ軸方向の位置までであってよい。端部側領域４６－２のｙ軸方向における範囲は、第２の端部４４－２の最も近くに配置された半導体チップ７８－４のｙ軸方向の位置から、第２の端部４４－２のｙ軸方向の位置までであってよい。開口部４２および半導体チップ７８は、ｙ軸方向における位置が重なるように配置されていてもよい。

なお、それぞれの冷媒流路３０は、ｘｙ面において少なくとも半導体チップ７８と対向する範囲にわたって設けられている。本例において半導体チップ７８と対向する範囲とは、ｙ軸方向において両端に配置された半導体チップ７８（例えば、第１の冷媒流路３０－１に対しては半導体チップ７８－１および７８－３）とｘ軸方向において対向する範囲と、これらの半導体チップ７８に挟まれた領域とｘ軸方向において対向する範囲とを含む。また、傾斜部３２も同様に、ｘｙ面において少なくとも半導体チップ７８と対向する範囲にわたって設けられている。これにより、熱源となる半導体チップ７８に対して冷媒を効率よく流すことができる。図４に示す例においては、それぞれの冷媒流路３０および傾斜部３２は、冷媒流通部９２のｙ軸方向の全長にわたって設けられている。

図５は、半導体チップ７８およびフィン領域９５の配置例を示す図である。半導体チップ７８およびフィン領域９５の配置以外の構造は、図１から図４において説明した例と同様である。

本例では、ｘ軸方向において異なる位置に複数の半導体チップ７８が設けられている。一例として、半導体チップ７８－１、７８－２、７８－３と、半導体チップ７８－４、７８－５、７８－６とが、ｘ軸方向において異なる位置に配置されている。複数の半導体チップ７８が設けられている領域をチップ領域８０とする。チップ領域８０は、複数の半導体チップ７８と外接する、ｘ軸に平行な辺と、ｙ軸に平行な辺とを有する矩形の領域である。チップ領域８０のｘ軸方向における中央の位置を中央位置８２とする。また、フィン領域９５のｘ軸方向における中央の位置を中央位置８４とする。

本例では、チップ領域８０の中央位置８２が、フィン領域９５の中央位置８４よりも、第１の冷媒流路３０－１側に配置されている。このような配置により、半導体チップ７８－４、７８－５、７８－６を、第１の冷媒流路３０－１に近づけて配置できる。第１の端部４４－１側から冷媒を導入し、第２の端部４４－２側から冷媒を導出すると、第２の端部４４－２に近い領域の冷媒の温度が比較的に高くなる。このため、第２の端部４４－２に近い半導体チップ７８－４または半導体チップ７８－５から放出される熱を、十分に放熱できない場合がある。本例の配置によれば、半導体チップ７８－４および半導体チップ７８－５を、冷媒の温度が比較的に低い領域に配置できるので、半導体チップ７８－４または半導体チップ７８－５から放出される熱を放熱しやすくなる。

なお、第２の端部４４－２に最も近い半導体チップ７８－４の一部の領域は、フィン領域９５の中央位置８４よりも、ｘ軸方向において第１の冷媒流路３０－１側に配置されてよい。また、フィン領域９５の中央位置８４と、第１の冷媒流路３０－１とのｘ軸方向における距離Ｄ２は、中央位置８４と第２の冷媒流路３０－２とのｘ軸方向における距離Ｄ３よりも小さくてよく、同一であってもよい。また、距離Ｄ２は、距離Ｄ３より大きくてもよい。なお、図５等の図において、冷媒流路３０として傾斜部３２を示す場合がある。

図６は、半導体チップ７８のｙ軸方向における配置例を説明する図である。本例で説明する半導体チップ７８のｙ軸方向における配置は、図１から図５において説明した各態様に適用してよい。

本例においては、第１の冷媒流路３０－１に沿ってｙ軸方向に配置された複数の半導体チップ７８－１、７８－２、７８－３を第１のチップ群８６－１とする。また、第２の冷媒流路３０－２に沿ってｙ軸方向に配置された複数の半導体チップ７８－４、７８－５、７８－６を第２のチップ群８６－２とする。

第２のチップ群８６－２において最も第２の端部４４－２に近く配置された半導体チップ７８－４と、第２の端部４４－２とのｙ軸方向における距離をＤ４とする。また、第１のチップ群８６－１において最も第１の端部４４－１に近く配置された半導体チップ７８－１と、第１の端部４４－１とのｙ軸方向における距離をＤ５とする。本例では、距離Ｄ４が距離Ｄ５より小さい。開口部４２が設けられた第１の端部４４－１および第２の端部４４－２の近傍では、冷媒の流速が比較的にはやくなる。本例のように、半導体チップ７８－４と、第２の端部４４－２とのｙ軸方向の距離Ｄ４を小さくすることで、半導体チップ７８－４の近傍における冷媒の流速を比較的にはやくできる。このため、半導体チップ７８－４からの熱を放熱しやすくなる。

図７は、フィン領域９５と、回路基板７６に設けられた回路要素の配置例を示す図である。本例では、図５に示したように、チップ領域８０の中央位置８２が、フィン領域９５の中央位置８４よりも、第１の冷媒流路３０－１側に配置されている。

本例の回路基板７６には、半導体チップ７８、リードフレーム７３およびパッド部７５が設けられている。パッド部７５は、リードフレーム７３を介して半導体チップ７８と接続されたパッドである。このため、パッド部７５には、半導体チップ７８からの熱が伝わりやすい。

本例では、上面視において、フィン領域９５が、パッド部７５の全体と重なって配置されている。これにより、パッド部７５からの熱を効率よく放熱できる。なお、チップ領域８０の中央位置８２が、フィン領域９５の中央位置８４よりも、第１の冷媒流路３０－１側に配置されていることで、回路基板７６において、半導体チップ７８－４、７８－５、７８－６よりも第２の冷媒流路３０－２側に、空き領域が生じる。当該空き領域にパッド部７５を配置することで、パッド部７５をフィン領域９５の上方に配置して、パッド部７５を冷却することが容易になる。空き領域に配置されたパッド部７５に、半導体チップ７８－４、７８－５、７８－６に接続された各リードフレーム７３の一端が接続されてよい。

図８は、回路基板７６に設けられた回路要素と、冷媒流路３０の配置例を示す図である。第１の冷媒流路３０－１および第２の冷媒流路３０－２の少なくとも一方は、第１のチップ群８６－１または第２のチップ群８６－２と上面視において重なって配置されてよい。図８の例では、第１の冷媒流路３０－１が、第１のチップ群８６－１と部分的に重なっている。これにより、第１のチップ群８６－１の半導体チップ７８を効率よく冷却できる。

第２の冷媒流路３０－２は、図７において説明した、パッド部７５と上面視において重なって配置されてよい。当該パッド部７５は、半導体チップ７８－４、７８－５、７８－６よりも第２の冷媒流路３０－２側に設けられたパッド部７５である。当該パッド部７５は、ｘｙ面における全体が第２の冷媒流路３０－２と重なっていてよい。また、第２の冷媒流路３０－２は、第２のチップ群８６－２とも上面視において重なっていてよい。

また、全体が冷媒流路３０と重なって配置されたパッド部７５は、他のパッド部７５と比べて、ｚ軸方向における厚みが大きくてよい。これにより、放熱効率を向上できる。

また、フィン領域９５は、ｙ軸方向において第１の端部４４－１および第２の端部４４－２から離れるに従って、ｘ軸方向における幅が減少するテーパー領域を有してよい。これにより、第１の端部４４－１および第２の端部４４－２から離れた領域において、冷却フィン９４が与える冷媒への抵抗を小さくでき、冷媒の流速をｘｙ面内において均一化できる。

図９は、冷却フィン９４が備える突出部９７の一例を示す断面図である。本例の冷却フィン９４は、天板２０から下方に延びる複数の突出部９７を有する。突出部９７は、棒形状であってよく、板形状であってもよい。少なくとも一部の突出部９７－２は、天板２０から下方に離れるに従って、天板２０の下面２４と平行な断面における断面積が減少するテーパー部９９を有する。テーパー部９９は、突出部９７の下端を含む領域に設けられている。本例のテーパー部９９は、天板２０から下方に離れるに従って、ｘ軸方向の幅が減少している。このような構造により、冷却フィン９４の下方から流れてくる冷媒を、天板２０の下面２４の近傍まで効率よく流すことができる。

上面視において第１の冷媒流路３０－１および第２の冷媒流路３０－２と重なる突出部９７の少なくとも一部は、テーパー部９９を有する突出部９７－２であってよい。第１の冷媒流路３０－１および第２の冷媒流路３０－２と重なる全ての突出部９７が、突出部９７－２であってもよい。

上面視において第１の冷媒流路３０－１および第２の冷媒流路３０－２と重ならない突出部９７は、テーパー部９９を有さない突出部９７－１であってよい。一例として突出部９７－１は、下端における断面積と、天板２０に接触する上端における断面積とが同一である。

これにより、冷媒流路３０と重なる領域においては、天板２０の近傍まで冷媒を流すことができる。また、冷媒流路３０と重ならない領域においては、天板２０の下面２４とほぼ平行な方向に冷媒を流しやすくなる。なお、テーパー部９９を有する突出部９７－２のｚ軸方向の長さＬ２は、突出部９７－１のｚ軸方向の長さＬ１と同一であってよく、長くてもよい。

図１０は、それぞれの半導体チップ７８の下方を流れる冷媒の流速を比較した例を示す。図１０において斜線でハッチングしたグラフは比較例における流速を示しており、ハッチングを付していないグラフは、図５に示した半導体チップ７８の配置における流速を示している。比較例においては、フィン領域９５の中央位置８４と、チップ領域８０の中央位置８２とを一致させている。

図１０に示すように、フィン領域９５の中央位置８４と、チップ領域８０の中央位置８２とをずらすことで、比較的に放熱しづらい半導体チップ７８－４に対する流速を向上できている。このため、半導体チップ７８－４を効率よく冷却でき、ｘｙ面における熱分布を均一化できる。

なお、図１から図９において説明した例において、第１の冷媒流路３０－１のｚ軸方向の深さと、第２の冷媒流路３０－２のｚ軸方向の深さは同一であってよく、異なっていてもよい。また、冷媒流路３０のｚ軸方向の深さは、ｙ軸方向における位置によって変化してもよい。

図１１は、本発明の一つの実施形態に係る車両２００の概要を示す図である。車両２００は、少なくとも一部の推進力を、電力を用いて発生する車両である。一例として車両２００は、全ての推進力をモーター等の電力駆動機器で発生させる電気自動車、または、モーター等の電力駆動機器と、ガソリン等の燃料で駆動する内燃機関とを併用するハイブリッド車である。

車両２００は、モーター等の電力駆動機器を制御する制御装置２１０（外部装置）を備える。制御装置２１０には、半導体モジュール１００が設けられている。半導体モジュール１００は、電力駆動機器に供給する電力を制御してよい。

図１２は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の主回路図である。半導体モジュール１００は、車両のモーターを駆動する車載用ユニットの一部であってよい。半導体モジュール１００は、出力端子Ｕ、ＶおよびＷを有する三相交流インバータ回路として機能してよい。

半導体チップ７８‐１、７８‐２および７８‐３は半導体モジュール１００における上アームを、複数の半導体チップ７８‐４、７８‐５および７８‐６は半導体モジュール１００における下アームを構成してよい。一組の半導体チップ７８‐１、７８－４はレグを構成してよい。一組の半導体チップ７８‐２、７８－５、一組の半導体チップ７８‐３、７８－６も同様にレグを構成してよい。半導体チップ７８‐６においては、エミッタ電極が入力端子Ｎ１に、コレクタ電極が出力端子Ｕに、それぞれ電気的に接続してよい。半導体チップ７８‐３においては、エミッタ電極が出力端子Ｕに、コレクタ電極が入力端子Ｐ１に、それぞれ電気的に接続してよい。同様に、半導体チップ７８‐５、７８－４においては、エミッタ電極がそれぞれ入力端子Ｎ２、Ｎ３に、コレクタ電極がそれぞれ出力端子Ｖ、Ｗに、電気的に接続してよい。さらに、半導体チップ７８‐２、７８‐１においては、エミッタ電極がそれぞれ出力端子Ｖ、Ｗに、コレクタ電極がそれぞれ入力端子Ｐ２、Ｐ３に、電気的に接続してよい。

各半導体チップ７８‐１から７８‐６は、半導体チップ７８の制御電極パッドに入力される信号により交互にスイッチングされてよい。本例において、各半導体チップ７８はスイッチング時に発熱してよい。入力端子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３は外部電源の正極に、入力端子Ｎ１、Ｎ２およびＮ３は負極に、出力端子Ｕ、Ｖ，およびＷは負荷にそれぞれ接続してよい。入力端子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３は互いに電気的に接続されてよく、また、他の入力端子Ｎ１、Ｎ２およびＮ３も互いに電気的に接続されてよい。

半導体モジュール１００において、複数の半導体チップ７８‐１から７８‐６は、それぞれＲＣ‐ＩＧＢＴ（逆導通ＩＧＢＴ）半導体チップであってよい。ＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップにおいて、ＩＧＢＴおよび還流ダイオード（ＦＷＤ）は一体形成され、且つ、ＩＧＢＴおよびＦＷＤは逆並列に接続されてよい。複数の半導体チップ７８‐１から７８‐６は、それぞれＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのトランジスタとダイオードとの組み合わせを含んでよい。トランジスタおよびダイオードのチップ基板は、シリコン基板、炭化けい素基板や窒化ガリウム基板であってよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０・・・冷却装置、２０・・・天板、２２・・・上面、２４・・・下面、２６・・・短辺、２８・・・長辺、３０・・・冷媒流路、３２・・・傾斜部、３４・・・底部、３６・・・側壁、４０・・・ケース部、４１・・・外縁部、４２・・・開口部、４４・・・端部、４６・・・端部側領域、６２・・・枠部、６４・・・本体部、７０・・・半導体装置、７１・・・直線、７２・・・収容部、７３・・・リードフレーム、７４・・・封止部、７５・・・パッド部、７６・・・回路基板、７８・・・半導体チップ、７９・・・貫通孔、８０・・・チップ領域、８２・・・中央位置、８４・・・中央位置、９０・・・パイプ、９２・・・冷媒流通部、９４・・・冷却フィン、９５・・・フィン領域、９６・・・中央位置、９７・・・突出部、９８・・・下端、９９・・・テーパー部、１００・・・半導体モジュール、２００・・・車両、２１０・・・制御装置

Claims (3)

1. 冷却装置および半導体装置を備える半導体モジュールであって、
   前記半導体装置は半導体チップを有し、
   前記冷却装置は、
   上面および下面を有し、前記上面側に前記半導体チップが配置された天板と、
   冷媒流通部および前記冷媒流通部を囲む外縁部を含み、前記冷媒流通部が前記天板の前記下面側に配置され、且つ、前記外縁部において前記天板の前記下面に直接または間接に密着して配置されたケース部と、
   前記冷媒流通部に配置された冷却フィンと
   を備え、
   前記冷媒流通部は、前記天板の前記下面と平行な上面視において前記冷却フィンが設けられたフィン領域を挟んで配置され、それぞれ長手方向に２つの端部を有する第１の冷媒流路および第２の冷媒流路を有し、
   前記ケース部は、
   前記第１の冷媒流路の第１の端部側に設けられ、前記第１の冷媒流路に冷媒を導入または導出するための第１の開口部と、
   前記第２の冷媒流路の第２の端部側に設けられ、前記第２の端部および前記第１の端部は前記ケース部において同じ側に配置され、前記第２の冷媒流路に冷媒を導入または導出するための第２の開口部と
   を含み、
   前記第１の冷媒流路および前記第２の冷媒流路のそれぞれは、少なくとも一部分が前記冷却フィンの下方に設けられており、
   前記第１の冷媒流路および前記第２の冷媒流路のそれぞれは、流路底面を有し、
   それぞれの前記流路底面は、前記天板の前記下面と平行で且つ前記長手方向とは垂直な幅方向において、前記フィン領域の中央との距離が近づくほど、前記天板の前記下面と垂直な深さ方向における前記冷却フィンとの距離が小さくなる傾斜部を有し、
   前記冷却フィンは、前記天板から下方に延びる複数の突出部を有し、
   少なくとも一部の突出部は、前記天板から下方に離れるに従って、前記天板の前記下面と平行な断面における断面積が減少するテーパー部を有し、
   前記冷却フィンの前記複数の突出部のうち、
   上面視において前記第１の冷媒流路および前記第２の冷媒流路と重なる突出部の少なくとも一部は前記テーパー部を有し、
   上面視において前記第１の冷媒流路および前記第２の冷媒流路と重ならない突出部は、前記テーパー部を有さない半導体モジュール。
2. 半導体チップを含む半導体モジュール用の冷却装置であって、
   下面を有する天板と、
   冷媒流通部および前記冷媒流通部を囲む外縁部を含み、前記冷媒流通部が前記天板の前記下面側に配置され、且つ、前記外縁部において前記天板の前記下面に直接または間接に密着して配置されたケース部と、
   前記冷媒流通部に配置された冷却フィンと
   を備え、
   前記冷媒流通部は、前記天板の前記下面と平行な上面視において前記冷却フィンが設けられたフィン領域を挟んで配置され、それぞれ長手方向に２つの端部を有する第１の冷媒流路および第２の冷媒流路を有し、
   前記ケース部は、
   前記第１の冷媒流路の第１の端部側に設けられ、前記第１の冷媒流路に冷媒を導入または導出するための第１の開口部と、
   前記第２の冷媒流路の第２の端部側に設けられ、前記第２の端部および前記第１の端部は前記ケース部において同じ側に配置され、前記第２の冷媒流路に冷媒を導入または導出するための第２の開口部と
   を含み、
   前記第１の冷媒流路および前記第２の冷媒流路のそれぞれは、少なくとも一部分が前記冷却フィンの下方に設けられており、
   前記第１の冷媒流路および前記第２の冷媒流路のそれぞれは、流路底面を有し、
   それぞれの前記流路底面は、前記天板の前記下面と平行で且つ前記長手方向とは垂直な幅方向において、前記フィン領域の中央との距離が近づくほど、前記天板の前記下面と垂直な深さ方向における前記冷却フィンとの距離が小さくなる傾斜部を有し、
   前記冷却フィンは、前記天板から下方に延びる複数の突出部を有し、
   少なくとも一部の突出部は、前記天板から下方に離れるに従って、前記天板の前記下面と平行な断面における断面積が減少するテーパー部を有し、
   前記冷却フィンの前記複数の突出部のうち、
   上面視において前記第１の冷媒流路および前記第２の冷媒流路と重なる突出部の少なくとも一部は前記テーパー部を有し、
   上面視において前記第１の冷媒流路および前記第２の冷媒流路と重ならない突出部は、前記テーパー部を有さない冷却装置。
3. 請求項１に記載の半導体モジュールを備える車両。

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