CN104576569B

CN104576569B - 半导体装置

Info

Publication number: CN104576569B
Application number: CN201410550808.7A
Authority: CN
Inventors: 中川贵纪; 竹内大裕; 前田康宏; 乡原广道; 两角朗; 市村武
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2019-03-12
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: US20150102480A1; US9263367B2; JP2015079819A; JP6227970B2; CN104576569A

Abstract

提供了一种半导体装置，其包括冷却器，在该冷却器中通过改进冷却剂的导入口、排出口的连接部等的形状能够减小连接部等中的压力损失。半导体装置(1)的冷却器(20)包括：设置在壳体(22)的彼此相对的侧壁(22b1、22b2)上成对角的位置处的导入口(27)和排出口(28)；连接到导入口(27)且形成在壳体(22)中的导入路径(24)；连接到排出口(28)且形成在壳体(22)中的排出路径(25)；以及在导入路径(24)和排出路径(25)之间的冷却流路(26)。导入口(27)的开口的高度大于导入路径(24)的高度，在导入口(27)和导入路径(24)之间的连接部(271)包括从连接部(271)的底面朝向导入路径(24)的长度方向倾斜的倾斜面(271b)。

Description

半导体装置

技术领域

本发明涉及一种半导体装置，其包括循环且分配用于冷却半导体元件的冷却剂的冷却器。

背景技术

由混合动力汽车、电动汽车等所代表的使用马达的设备利用节省能源的电力转换装置。电力转换装置通常利用半导体模块。半导体模块包括用于控制大电流的电力半导体元件(power semiconductor element)。

当电力半导体元件控制大电流的情况下该元件的发热量大。由于要求半导体模块小型化或重量轻且输出密度趋于上升，因此电力转换效率取决于在包括多个电力半导体元件的半导体模块中的电力半导体元件的冷却方法。

为了改进半导体模块的冷却效率，传统上已经使用液冷式冷却器。这种液冷式冷却器包括作为散热器的翅片，并且通过使冷却剂流动以在冷却器中循环来执行冷却。为了改进冷却效率，已经对液冷式冷却器做出各种细化，诸如增大冷却剂的流量、通过翅片的微型化和复杂化来改进导热系数、以及改进构成翅片的材料的导热率。

然而，当增大了冷却器中冷却剂的流量或者翅片具有能得到优异的导热系数的形状的情况下，可能发生冷却器内部的冷却剂的压力损失增加等的问题。特别地，公开了使用多个翅片用来冷却多个电力半导体元件的冷却器，其中翅片串联地设置在流路中(专利文献1)，并且在具有这种构造的冷却器中压力损失的增加是显著的。为了减少这种压力损失，需要改进了冷却效率而冷却剂流量低的构造，并希望翅片并列配置在流路中。

通过在流路中并列配置翅片来维持冷却性能且减少冷却剂的压力损失的冷却器的示例包括如下的那些冷却器：在这些冷却器中，用于导入冷却剂的导入路径和用于排出冷却剂的排出路径彼此平行地配置并且在导入路径和排出路径之间的冷却流路中并列配置多个翅片(专利文献2、3、4)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-64609号公报

专利文献2：日本特开2004-103936号公报

专利文献3：日本特开2001-35981号公报

专利文献4：日本特开2011-155179号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，尽管在专利文献2至专利文献4中说明的冷却器中已经通过改进在壳体中的翅片或流路来改进冷却性能，但是仍发生基于冷却剂的导入口、排出口的形状、它们的连接部等的压力损失。因此，这种冷却器已经包括如下的流路：其中，尽管考虑到涡流的产生，但是主要在导入口、排出口之间的连接部等处产生的压力增加大并且泵上的负荷大。为此原因，当考虑冷却器的整个系统的情况下，为了有效地得到稳定的冷却性能而使负荷变大。当相对于泵性能的负荷大的情况下，需要具有大容量的泵或者冷却剂的流量减小的设计，并且产生了半导体元件的发热温度升高等的问题，元件寿命变短，或者容易发生故障等。

在将冷却器小型化且薄型化来用于汽车等用途的同时，需要冷却器具有足够的冷却性能。因此，对于小型化且薄型化的冷却器，需要使得冷却剂的压力损失降低。

有鉴于上述几点做出本发明，本发明的目的在于提供一种包括如下冷却器的半导体装置：其中，通过改进冷却剂的导入口、排出口的连接部等的形状，能够减小在连接部等处的压力损失。

用于解决问题的方案

为了实现上述目的，提供如下的半导体装置。

一种半导体装置，其包括：绝缘电路基板；半导体元件，半导体元件搭载于绝缘电路基板；以及冷却器，冷却器冷却连接到绝缘电路基板的半导体元件。冷却器包括：散热基板，散热基板接合到绝缘电路基板；翅片，翅片设置于散热基板的与绝缘电路基板接合的接合面相反的面；壳体，壳体容纳翅片，并且壳体连接到散热基板；冷却剂的导入口和排出口，导入口和排出口设置于壳体的彼此相对的侧壁，并且导入口和排出口设置于壳体的对角的位置；导入路径，导入路径连接到导入口且沿着壳体的设置有导入口的第一侧壁的内表面形成；排出路径，排出路径连接到排出口且沿着壳体的设置有排出口的第二侧壁的内表面形成；以及冷却流路，冷却流路形成于导入路径和排出路径之间的容纳翅片的位置处。导入口的开口的高度大于导入路径的高度，在导入口和导入路径之间的连接部处设置以从所述连接部的底面开始沿所述导入路径的长度方向越远离所述连接部的底面、高度越小的方式倾斜的倾斜面。

发明的效果

考虑到冷却器的小型化和薄型化对压力损失造成的不利影响，根据本发明的半导体装置，可以通过部分地扩大在导入口和排出口处连接配管的连接部的流路来减小压力上升。因而，能够有效地冷却配置在冷却器的外表面上的半导体元件，并且减小了循环冷却剂的泵上的负荷，由此能够实现半导体元件的稳定工作。

附图说明

图1是示出本发明的半导体模块的外观的立体图。

图2是示出图1的半导体模块的一示例的沿II-II线的箭头方向的截面图的示意图。

图3是示出构成为半导体模块的电力转换电路的一示例的图。

图4是示出冷却器的壳体的主要部分的构造的立体图。

图5是示出图4的壳体的内部结构的平面图。

图6是示出两种形状的翅片的图：(a)是示出叶片翅片(blade fin)的立体图；而(b)是示出波纹翅片(corrugated fin)的立体图。

图7是示出实施例的连接部的示意性截面图。

图8是图5的沿VIII-VIII线的箭头方向的截面图。

图9是示出比较例1的冷却器的主要部分的构造的平面图。

图10是示出在比较例1和实施例中的冷却剂的导入口和排出口之间的压力差的图表。

图11是示出比较例2的连接部的示意性截面图。

图12是示出在比较例2和实施例中的冷却剂的导入口和排出口之间的压力差的图表。

附图标记说明

1 半导体模块

11A至11F、12A至12F 电路元件单元

13 绝缘电路基板

13a 绝缘基板

13b、13c 导电层(conductive layer)

14、15 半导体元件

16、17 接合层

20 冷却器

21 散热基板

22 壳体

23 翅片

24 导入路径

25 排出路径

26 冷却流路

27 导入口

271 连接部

28 排出口

281 连接部

31、32 逆变器电路

33、34 三相交流马达

C 间隙

具体实施方式

将参照附图具体地说明本发明的半导体装置的实施方式。参照在附图中的方向使用诸如“上”、“下”、“底”、“前”和“后”等的表示方向的术语。

图1是示出作为本发明的半导体装置的一实施方式的半导体模块的一示例的外观的立体图。图2的(a)是示出图1的半导体模块的沿II-II线的箭头方向的截面图的示意图，图2的(b)是图2的(a)的局部放大示意图。

如图1、图2的(a)和图2的(b)所示，半导体模块1包括多个电路元件单元11A至11F、12A至12F和与电路元件单元11A至11F、12A至12F连接的冷却器20。

电路元件单元11A至11F、12A至12F中的每一个均具有如下的构造：在该构造中，两种半导体元件14、15中的每一种都有两个半导体元件，总共四个半导体元件被安装在绝缘电路基板13上。如图2的(b)所示，绝缘电路基板13具有如下的构造：导电层13b、13c形成在绝缘基板13a的两侧。

可以使用诸如氮化铝或氧化铝等的绝缘陶瓷基板作为绝缘电路基板13的绝缘基板13a。可以通过使用诸如铜或铝等的金属(例如，铜箔)来形成导电层13b、13c。

通过使用诸如焊料(solder)等的接合层16将半导体元件14、15接合到绝缘电路基板13的导电层13b侧，并且通过接合层16或经由结合线(未示出)将半导体元件14、15电连接到导电层13b。经由接合层17将安装有半导体元件14、15的绝缘电路基板13的另一导电层13c侧接合到的冷却器20的散热基板21。

因而，绝缘电路基板13和半导体元件14、15处于如下的状态：它们被可导热地连接到冷却器20。在导电层13b、13c上露出的表面上或者在电连接半导体元件14、15和导电层13b的结合线(未示出)的表面上，为了保护该表面不受污染、腐蚀、外力等，可以形成诸如镍镀层等的保护层。

在图示的示例中，使用电力半导体元件作为安装在绝缘电路基板13上的这种半导体元件14、15。在这些电力半导体元件之中，一方的半导体元件14是FWD(续流二极管)，而另一方的半导体元件15是IGBT(绝缘栅双极晶体管)。

如图3所示，在半导体模块1中，可以通过六个电路元件单元11A至11F构成逆变器电路31，可以通过六个电路元件单元12A至12F构成逆变器电路32。

在图3中的逆变器电路31、32例示了将直流电流转换成交流电流并且将交流电流供给到三相交流马达33、34的逆变器电路。逆变器电路31具有如下的构造：在该构造中，通过使用电路元件单元11A至11C作为上桥臂和使用电路元件单元11D至11F作为下桥臂并且通过配线结合、母线等连接配线(未示出)来执行输入和输出或控制。逆变器电路32具有如下的构造：在该构造中，通过使用电路元件单元12A至12C作为上桥臂和使用电路元件单元12D至12F作为下桥臂并且通过配线结合、母线等连接配线(未示出)、来执行输入和输出或控制。逆变器电路31、32中的每一个均包括位于为IGBT的半导体元件15和为FWD的半导体元件14之间的用于U相、V相和W相的三相中的每一个的桥电路。通过执行半导体元件15的开关控制，可以将直流电流转换成交流电流以驱动三相交流马达33、34。

在图3中示出的电力转换电路通过六个电路元件单元11A至11F构成了逆变器电路31或通过六个电路元件单元12A至12F构成了逆变器电路32。然而，虽然图1中示出12个电路元件单元11A至11F和12A至12F，但安装在冷却器20上的电路元件单元的数目不限于六个。图1示出了用于控制两个马达33和34的逆变器电路，该逆变器电路具有如下的构造：通过将作为上桥臂的11A至11C和作为下桥臂的11D至11F安装在冷却器20上用作逆变器电路31并且通过将作为上桥臂的12A至12C和作为下桥臂的12D至12F安装在冷却器20上用作逆变器电路32而使得该构造包括总共12个电路元件单元。存在另一构造：在该构造中，将用于执行升降电压控制的使用预定数目的IGBT和FWD的电路元件单元安装在冷却器上。在这些构造中的任意一种中，使用具有与配置电路元件单元的面积大小相适应的尺寸的冷却器20。

冷却器20包括：壳体22，其在上侧设置有开口并且具有箱形状；散热基板21，其具有连接到壳体22的侧壁的上端而不会使液体泄漏的平板形状；以及翅片23，其安装到散热基板21的与电路元件单元11A至11F、12A至12F的接合面相反的面并且具有作为散热器(heat sink)的热交换性能。在壳体22内部容纳多个翅片23，通过使壳体22和散热基板21彼此金属接合或者在壳体22和散热基板21之间插入密封构件而密封地封闭壳体22和散热基板21。为了方便壳体22和散热基板21之间的金属接合操作，希望壳体22和散热基板21中的每一个的接合部均是平坦的。

在以上参照图3说明的电力转换电路的工作期间，在电路元件单元11A至11F、12A至12F中的每一个中产生的热量通过接合层17被传递到散热基板21，并且被进一步传递到翅片23。由于在冷却器20内部的翅片23配置在以下说明的冷却流路中，因此冷却剂分布在冷却流路中以冷却翅片23。采用这种方式通过冷却器20冷却产生热的电路元件单元11A至11F、12A至12F。

图4是示出冷却器20的壳体22的主要部分的构造的立体图，并且箭头代表冷却剂流动的方向。为了便于说明，图4还示出了安装到散热基板21的翅片23。图5是示出在图4中示出的冷却器20的内部结构的平面图。

如图4和图5所示，冷却器20的壳体22的外部形状为大致的长方体，其具有底壁22a和侧壁22b。在壳体22内部，形成了用于朝向翅片23导入冷却剂的导入路径24、用于排出已经经过翅片23的冷却剂的排出路径25和冷却流路26，其中翅片23配置于该冷却流路26。冷却流路26被壳体22的中央壁22c划分成两部分。此外，用于将冷却剂导入壳体22的内部的导入口27设置在壳体22的侧壁22b的短边中的一个上、即设置在侧壁22b1(第一侧壁)上，并且用于将冷却剂从壳体22的内部排出到壳体22的外部的排出口28设置在壳体22的短边中的另一侧壁22b2(第二侧壁)上。导入口27和排出口28设置在壳体22的对角的位置处。导入口27和排出口28的轴线与冷却流路26的长度方向大致平行或者与冷却剂分布在冷却流路26中的方向(图4中箭头表示的方向)大致平行。

导入路径24沿着作为壳体22的短边中的设置有导入口27的一个短边的侧壁22b1的内表面形成。经由连接部271将导入路径24连接到导入口27，并且将导入路径24形成为使得冷却剂分散并在冷却流路26上流动，其中通过连接部271连接用于导入冷却剂的配管。将连接部271定位在导入路径24的长度方向与导入口27的轴线交叉的角部处。

排出路径25沿着作为壳体22的设置有排出口28的短边的侧壁22b2的内表面形成。经由连接部281将排出路径25连接到排出口28，并且将排出路径25形成为使得已经经过冷却流路26的冷却剂从排出口28被排出，其中通过连接部281连接用于排出冷却剂的配管。

冷却流路26形成在导入路径24和排出路径25之间的容纳翅片23的位置处，由此将冷却流路26构造成使得冷却剂在需要冷却作为散热器的翅片23的部分流动。由于将导入路径24和排出路径25形成为使得它们沿着壳体22的短边中的侧壁22b1、22b2，因此在冷却流路26中的冷却剂的流动方向的长度大于在导入路径24和排出路径25中的冷却剂的流动方向的长度。以上对冷却器20的小型化是有利的。

可以通过与电路元件单元的位置相匹配来将冷却流路26划分成多个流路。例如，在图4中示出的实施方式中，通过连接到导入路径24和排出路径25的分隔部22c将冷却流路26划分成两部分。导入路径24和排出路径25的长度方向与冷却流路26的长度方向大致正交。

在散热基板21上的与安装有半导体元件14、15的电路元件单元11A至11F、12A至12F接合的位置处产生热。因此，将冷却流路26划分成两部分，使得所划分的流路分别与作为逆变器电路的上桥臂的电路元件单元11A至11C、12A至12C和作为逆变器电路的下桥臂的电路元件单元11D至11F、12D至12F对应。换言之，所划分的流路形成了紧靠在电路元件单元下方的、彼此平行的两个冷却流路。这使得可以改进冷却效率。

冷却流路26设置有多个翅片23。由多个翅片组成的散热器具有大致的长方体外部形状并且该散热器被配置成与冷却剂在冷却流路26中流动的方向平行。

图6是翅片的形状的说明图。冷却器20的翅片23可以例如由多个叶片翅片23a构成，如图6的(a)所示通过彼此平行地配置板状翅片来形成多个叶片翅片23a。在冷却流路26中配置叶片翅片23a并且冷却剂沿图6的(a)中的箭头表示的方向流动。将叶片翅片23a固定在散热基板21上并且与散热基板21一体化。冷却器20的翅片23不限于图6的(a)的叶片翅片23a，也可以使用图6的(b)中示出的波纹翅片23b。

当通过使叶片翅片23a与散热基板21一体化而将叶片翅片23a设置在壳体22中的情况下，叶片翅片被形成为具有使得在叶片翅片的顶部和壳体22的底壁22a之间存在一定间隙C的尺寸(高度)。当使用波纹翅片23b的情况下，波纹翅片被形成为具有通过焊接使波纹翅片与壳体22一体化而不具有间隙C的形状。

关于翅片23的形状，可以采用各种传统上已知的形状。然而，由于翅片23是对在冷却流路26中流动的冷却剂的阻碍，因此期望使用冷却剂的压力损失小的那些翅片，因此优选的是上述叶片翅片23a或波纹翅片23b。优选地，考虑将冷却剂导入冷却器20的条件(即泵的性能等)、冷却剂的种类(粘性等)、移除的热的目标量等来适当地设定翅片23的形状和尺寸。由翅片23组成的散热器的外部形状是大致长方体并且优选地是长方体，在不损害本发明的效果的情况下可以采用倒角的或变形的形状。

当使用冷却器20的情况下，例如，待与设置在导入口27的上游侧的泵(未示出)连接的配管连接到导入口27，待与设置在排出口28的下游侧的热交换器(未示出)连接的配管连接到排出口28，由此将在热交换器中进行热交换之后的冷却剂导入泵以构成包括冷却器20、泵和热交换器的闭环冷却剂流路。通过泵使冷却剂在该闭环回路中强制地循环。

设置在壳体22的侧壁22b1、22b2上的导入口27和排出口28的开口的高度(直径)具有预定的尺寸，以便能够将预定的流量的冷却剂在低负荷条件下导入壳体22中且从壳体22的内部排出。尽可能地使壳体22中的导入路径24、排出路径25和冷却流路26小型化且变薄到具有预定冷却性能的程度。为此原因，如图1所示，在冷却器20中，导入口27的开口的高度大于导入路径24的高度。

图7示出了沿图5的VII-VII线的箭头方向观察的连接泵侧的未示出的配管和壳体22的主体的导入口27的连接部271的示意性截面图。图8是示出图5的壳体的内部结构的沿VIII-VIII线的箭头方向的截面图的示意图。图7和图8还示出了散热基板21以及翅片23。导入口27的开口的高度为h1，导入路径24的高度为h2。连接部271包括从底面朝向从导入口27观察时的深度方向(冷却流路26的长度方向)倾斜以与导入路径24的底面连接的第一倾斜面271a。在图7的示例中，h1>h2，并且导入口27的底面被形成为与导入路径24的底面和冷却流路26的底面从翅片23的顶端开始沿厚度方向分离。第一倾斜面271a从壳体22的底壁22a的外侧朝向冷却器20的上侧、翅片23倾斜。连接部271包括从底面朝向导入路径24的长度方向倾斜的、与导入路径24的底面连接的第二倾斜面271b，即第二倾斜面271b以从连接部271的底面开始、沿导入路径24的长度方向越远离连接部271的底面、高度越小的方式倾斜。第二倾斜面271b也朝向冷却器20的上侧倾斜。由冷却器20的上表面和第二倾斜面271b形成的角度小于90°。

由于连接部271包括第一倾斜面271a，因此已经从导入口27导入的冷却剂沿着第一倾斜面271a流动，并且在流路的截面沿流动方向逐渐减小的情况下冷却剂被导入导入路径24和冷却流路26。因此，当连接部271仅包括第一倾斜面271a的情况下，可能使在连接部271处的压力损失大。

为此原因，连接部271包括第二倾斜面271b。当连接部271包括第二倾斜面271b的情况下，已经从导入口27导入的冷却剂沿着第二倾斜面271b沿导入路径24的长度方向流动以在流路的截面沿流动方向逐渐扩大的情况下被导入导入路径24。因此，由于连接部271不仅包括第一倾斜面271a而且还包括第二倾斜面271b，与仅包含第一倾斜面271a的情况相比可以部分地扩大连接部271的流路，因而能够有效地减小在连接部271处的压力损失。由此，能够有效地冷却接合到冷却器20的散热基板21的电路元件单元11A至11F、12A至12F的半导体元件14、15，由此减小用于循环冷却剂的泵的负荷，这使得半导体元件能够稳定工作。

此外，连接部271包括第三倾斜面271c。在导入路径24的长度方向上，导入口27的两侧面中的一侧面被形成为从壳体22的侧壁22b中的长边侧的一侧壁22b3(即，连接第一侧壁22b1和第二侧壁22b2的第三侧壁)的内表面开始与翅片23分离。第三倾斜面271c从壳体22的长边侧的侧壁22b3的外侧朝向翅片23倾斜。第三倾斜面271c形成在与第二倾斜面271b相对的位置处。通过设置除了第二倾斜面271b之外的第三倾斜面271c，将从导入口27导入的冷却剂导向导入路径24的长度方向并且冷却剂沿着第二倾斜面271b流动。结果，能够几乎同样地冷却多个电力半导体元件。

连接部271在第三倾斜面271c的下侧处包括连接到第三倾斜面271c且从壳体22的底壁22a的外侧朝向翅片23倾斜的倾斜面。通过设置除了第三倾斜面271c之外的该倾斜面，将从导入口27导入的冷却剂导向导入路径24的长度方向并且冷却剂沿着第二倾斜面271b流动。结果，能够几乎同样地冷却多个电力半导体元件。

虽然图7示出了导入口27的连接部271，但排出口28的连接部281也可以以相同的方式具有包括第一倾斜面281a和第二倾斜面281b的构造(参见图5)。例如，第二倾斜面281b以从连接部281的底面开始、沿排出路径25的长度方向越远离连接部281的底面、高度越小的方式倾斜。当排出口28的连接部281包括第一倾斜面281a和第二倾斜面281b的情况下，能够有效地减小在连接部281处的压力损失。

导入口27和排出口28设置在壳体22的对角的位置，由此防止从连接到导入口27的配管导入的冷却剂直接撞到翅片23，由此使得在冷却流路26中的流量均匀。在图4和图5中示出的壳体中，导入口27设置在壳体22的短边侧的侧壁22b1的朝向宽度方向端侧进一步延伸的位置处，以便连接到导入口27的配管的轴线方向取向为朝向壳体22的长边侧的侧壁22b3。当导入口27设置在该位置的情况下，很担心在导入口27的连接部271处的压力损失会增大。在这方面，由于在本实施方式中连接部271包括如上所述的第二倾斜面271b，因此能够有效地减小压力损失。

导入路径24被形成为具有流路的宽度朝向导入路径24的下游侧逐渐减小的形状，以便导入路径24的截面在导入路径24的下游侧减小。由此，能够使得在连接到导入路径24的下游侧的冷却流路26和连接到导入路径24的上游侧的冷却流路26之间的冷却剂的流量分布均匀。

可以通过使用诸如铝、铝合金、铜、铜合金等的金属材料来形成具有这种构造的壳体22。例如，优选诸如A1050或A6063等的材料，而当与容纳周边构件、特别是固定构件或电力模块的逆变器壳体密封的情况下，优选诸如ADC12或A6061等的材料。当通过压模铸造制造壳体22且要求导热性的情况下，也可以采用由三菱树脂株式会社(MitsubishiPlastics,Inc.)制造的作为用于压模铸造的高导热性铝合金的DMS系列材料。当通过使用这种金属材料形成壳体22的情况下，可以如上所述地形成上述导入路径24、排出路径25、冷却流路26、导入口27和连接部271、排出口28和连接部281。尽管连接部271和连接部281的形状复杂，但是可以通过压模铸造容易地制造具有这种复杂的形状的壳体22。可以使用除了以上材料之外的包含碳填充料的金属材料用于壳体22。还可以根据冷却剂的种类、在壳体22中流动的冷却剂的温度等使用陶瓷材料、树脂材料等。

可以通过使用诸如铝、铝合金、铜或铜合金等的金属材料采用与壳体22相同的方式来形成翅片23和散热基板21。例如，期望使用A1050、A6063等。更优选地，可以使用具有200W/mK或更高的导热率的铝。翅片23和散热基板21可以由同样的金属材料或不同的金属材料形成。除了上述叶片翅片23a、波纹翅片23b等，可以例如通过将使用金属材料形成的预定的翅片或板体接合到金属基板来形成翅片23。可以通过压模铸造或焊接使翅片23与散热基板21本身形成为一体。此外，还可以通过形成如下部分来形成翅片23：使待由散热基板21形成翅片23的部分通过压模铸造形成为凸出形状，然后通过线切割方法将该部分切割成翅片形状。

尽管可以通过将O形圈等插入壳体22的侧壁22b的上端和散热基板21的端部之间来实现密封，但是从确实地防止液体泄漏的观点出发优选沿着侧壁22b使壳体22的侧壁22b和散热基板21彼此金属接合。更优选地，金属接合是搅拌摩擦焊接方法(搅拌摩擦焊)。通过搅拌摩擦焊接方法形成的接合部具有搅拌摩擦焊接方法的特有的金属结构。通过使用搅拌摩擦焊接方法，能够确实地使得壳体22的侧壁22b的上端和散热基板21的端部之间接合。由于采用搅拌摩擦焊接方法而可以在支撑壳体22的底面的同时从上侧朝向壳体22和散热基板21的接合界面施加搅拌摩擦焊接方法的工具来执行接合，因此能够更确实地执行接合。此外，通过利用搅拌摩擦焊接方法执行接合，通过使用诸如A6063和DMS系列的合金、由大纪铝工业所(Daiki Aluminium Industry Co.,Ltd)制造的用于压模铸造的高导热性铝合金的HT-1等的具有高导热性的材料作为散热基板21的材料来改进散热性。换句话说，通过使用导热性比壳体22的导热性高且与壳体22的材料具有不同成分的材料用于散热基板21的材料，可以改进散热性。

当壳体22包括分隔部22c的情况下，由于可以防止归因于散热基板21的热变形导致的在翅片23和壳体22的底壁22a之间的间隙C的扩大，因此优选地也可以通过搅拌摩擦焊接方法将分隔部22c接合到散热基板21。

当通过搅拌摩擦焊接方法接合壳体22和散热基板21的情况下，优选的是壳体22的侧壁22b的上端和散热基板21的端部至少为平坦的，并且由于使得易于接合而使散热基板21优选地具有平板形状。当散热基板21具有预定的厚度的情况下，能够得到对热变形的可靠性和有利的散热性。期望散热基板21的厚度在接合翅片的区域中例如为1mm至3mm。此外，通过将导入口27配置成使得导入口27的上表面比散热基板21的底面低，能够使得在导入口27和连接部271处产生的湍流最小化，由此易于接合且改进冷却效率。

如上所述，从翅片23的顶部观察时，导入口27的轴线朝向壳体的外侧偏移，并且可以通过具有至少包括第二倾斜面271b的连接部271的冷却器20改进冷却效率。

(实施例和比较例1)

图9是示出作为比较例1的半导体模块的冷却器的主要部分的构造的平面图。与图5中示出的实施例的冷却器20相比，在图9中的冷却器120具有两个冷却流路126彼此串联连接的构造。实施例和比较例1的共同点在于：半导体模块的电路元件单元被划分成构成各电路的上桥臂侧和下桥臂侧的两列，并且冷却流路紧靠该两列中每一列的电路元件单元的下方设置。

图10是示出通过检查比较例1和实施例的冷却剂的导入口和排出口之间的压力差所得到的结果的图表。如图10所示，多个冷却流路彼此串联连接的比较例和两个被划分的冷却流路26彼此并联的实施例在流路中产生的压力差方面彼此的差异大。根据热流体模拟的比较结果，当使冷却流体以10L/min流动的情况下，在比较例1中的压力差为23.5kPa，在实施例中的压力差为9kPa。图10的结果显示了当冷却流体在两个冷却流路中同时流动的情况下流路的截面的差。在压力差小的实施例中，可以减小用于循环冷却剂的泵的负荷。当多个电路元件单元设置在冷却器中且使冷却剂沿着电路元件单元的排列方向流动以执行冷却的情况下，由于来自半导体元件的热被冷却剂接收，因此冷却剂本身的温度升高。因此，冷却剂的温度根据半导体元件的数目而升高。这时的冷却性能基于冷却剂的温度和流路的构造。在冷却性能之中，半导体元件的最大温度由在冷却流路中流动的冷却剂的流量和冷却剂本身的温度确定。发现，考虑到比较例1和实施例之间的半导体元件的发热量，最大温度处于同等水平，可以减小泵负荷的实施例具有有利的冷却性能。

冷却剂在导入口27和排出口28之间的压力差不仅基于配置在冷却流路26中的翅片23的形状而且还基于导入路径24、排出路径25和冷却流路26的截面。例如，当为了小型化或调节在冷却流路26中流动的冷却剂的流量分布而在沿着冷却剂流动的方向的下游侧减小导入路径24的流路截面(流路宽度)的情况下，冷却剂的导入口27和排出口28之间的压力差变大，由此增大了泵上的负荷。在这方面，由于如上所述地在实施例中导入口27的连接部271包括第二倾斜面271b，因此能够减小在连接部271处的压力损失并且能够减小泵上的负荷。

尽管在图1、图2中示出的半导体模块1的构造显示了通过搅拌摩擦焊接方法将散热基板21和壳体22接合为一体的构造，但是即使当单独地构造壳体22和包括翅片23的散热基板21且经由O形圈密封壳体22和散热基板21两者以形成模块结构，也能够通过采用两个冷却流路26彼此平行地配置的结构作为实施例的冷却流路来减小泵上的负荷。

以上是基于通过执行对冷却剂本身的特性(冷却剂特性)和冷却性能的模拟所验证的结果。

(实施例和比较例2)

在上述实施例中，为了建立与冷却器的小型化的兼容性而使得在冷却剂在冷却器20的导入口27和排出口28之间流动的情况下压力差减小，导入口27的连接部271和排出口28的连接部281包括倾斜面271b和281b。对比较倾斜面271b、281b有无的情况下的形状做出说明。

图11示出了作为比较例2的半导体模块的冷却器220的导入口57的连接部的截面图。与图7中示出的实施例的连接部271的构造相比，图11的连接部571具有倾斜面571a设置在连接部571的倾斜面571a不与导入路径224重叠的位置处的构造。

图7的实施例的连接部271和图11的比较例2的连接部571两者在导入口27和57的高度以及冷却流路26、226的高度方面不同。由于形状的限制，连接部设置有第一倾斜面271a和倾斜面571a。在实施例中，不仅设置了第一倾斜面271a，而且还设置了第二倾斜面271b。另一方面，在比较例2中，倾斜面571a设置在不与导入路径224重叠的位置处，并且不存在从底面沿导入路径224的长度方向倾斜的倾斜面。

在实施例和比较例2中，将导入口27、57的连接部的流路高度设定为20mm并且将翅片23的高度设定为8mm，通过使壳体的形状设置有在15°至75°之间的范围的预定的斜面来连接从连接部271、571的底部到冷却流路26的12mm的差。通过导入路径24、224的连接部的宽度来确定斜面倾角，并且采用实施例中具有40°的斜面的结构和比较例2中具有45°的斜面的结构作为示例来比较由导入口27、57和排出口28、58之间的压力差导致的在流路中产生的压力损失。

借助于图表的形式在图12中示出了通过检查由模拟得到的实施例和比较例2的冷却剂的导入口和排出口之间的压力差而获得的结果。

如图12所示，当以10L/min的流量导入各冷却剂的情况下，在实施例中导入口27和排出口28之间的压力差为大约9kPa，而在比较例2中的导入口57和排出口之间的压力差为14kPa，由此预期有大约35％的减小。通过在冷却器上配置图1中示出的电路元件单元的模拟来确认发热状态，发现了冷却性能是相同的。

从以上结果来看，根据实施例，可以同时实现小型化和泵上的负荷低的低压力损失。

Claims

1.一种半导体装置，其包括：绝缘电路基板；半导体元件，所述半导体元件搭载于所述绝缘电路基板；以及冷却器，所述冷却器冷却连接到所述绝缘电路基板的所述半导体元件，其中

所述冷却器包括：散热基板，所述散热基板接合到所述绝缘电路基板；翅片，所述翅片设置于所述散热基板的与所述绝缘电路基板接合的接合面相反的面；壳体，所述壳体容纳所述翅片，并且所述壳体连接到所述散热基板；冷却剂的导入口和排出口，所述导入口和所述排出口设置于所述壳体的彼此相对的侧壁，并且所述导入口和所述排出口设置于所述壳体的对角的位置；导入路径，所述导入路径连接到所述导入口且沿着所述壳体的设置有所述导入口的第一侧壁的内表面形成；排出路径，所述排出路径连接到所述排出口且沿着所述壳体的设置有所述排出口的第二侧壁的内表面形成；以及冷却流路，所述冷却流路形成于所述导入路径和所述排出路径之间的容纳所述翅片的位置处，所述冷却流路的长度方向与所述导入路径的的长度方向正交，并且

所述导入口的开口的高度大于所述导入路径的高度，在所述导入口和所述导入路径之间的连接部处设置以从所述连接部的底面开始沿所述导入路径的长度方向越远离所述连接部的底面、高度越小的方式倾斜的倾斜面以及从所述壳体的连接所述第一侧壁和所述第二侧壁的第三侧壁的外侧朝向所述翅片倾斜的倾斜面。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述连接部还包括从所述壳体的底壁的外侧朝向所述翅片倾斜的倾斜面。

3.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述导入路径形成为流路的宽度朝向所述导入路径的下游侧逐渐减小的形状。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述冷却流路的长度大于所述导入路径的长度和所述排出路径的长度。

5.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述排出口的开口的高度大于所述排出路径的高度，并且在所述排出口和所述排出路径之间的连接部包括以从所述连接部的底面开始沿所述排出路径的长度方向越远离所述连接部的底面、高度越小的方式倾斜的倾斜面。

6.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述冷却流路被连接到所述导入路径和所述排出路径的分隔部划分开。

7.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述散热基板和所述壳体彼此金属接合。

8.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于，所述散热基板和所述壳体通过搅拌摩擦焊接方法彼此金属接合。

9.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述散热基板和所述壳体由具有不同成分的金属材料形成。

10.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，通过压模铸造来制造所述壳体。