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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung sowie eine Invertervorrichtung und ein Fahrzeug, welche die Halbleitervorrichtung aufweisen.
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Stand der Technik
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Eine Halbleitervorrichtung erfordert ständig, dass sie in Größe und Gewicht reduziert wird. Um die Größenreduzierung zu verwirklichen, ist ein Aufbau eines effizienten Kühlens eines Halbleiterelements unumgänglich. Insbesondere ist eine Entwicklung eines direkten Kühlungsaufbaus vorangebracht worden, in welchem ein Halbleiterelement direkt auf eine Kühllamelle verbunden wird, um das Halbleiterelement direkt zu kühlen. Besonders eine Entwicklung einer Halbleitervorrichtung mit integrierter Lamelle (z.B. Patentdokument 1) und eine Halbleitervorrichtung mit integrierter Lamelle und integriertem Kühler (z.B. Patentdokument 2 bis 5) ist aktiv durchgeführt worden.
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Dokumente des Stands der Technik
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Patentdokumente
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- Patentdokument 1: offengelegte, japanische Patentanmeldung Nr. 11-204700 (1999)
- Patentdokument 2: japanisches Patent Nr. 4600199
- Patentdokument 3: offengelegte, japanische Patentanmeldung Nr. 2014-082311
- Patentdokument 4: offengelegte, japanische Patentanmeldung Nr. 11-297906 (1999)
- Patentdokument 5: offengelegte, japanische Patentanmeldung Nr. 2007-141872
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Zusammenfassung
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Durch die Erfindung zu lösendes Problem
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Als die Halbleitervorrichtung mit integrierter Lamelle und integriertem Kühler des Stands der Technik sind viele Vorschläge für einen Aufbau gemacht worden, bei denen ein Kühlwasser direkt mit einer Lamelle zusammentrifft. In einem solchen Aufbau trifft das Kühlwasser jedoch auf die Lamelle und läuft ungleichmäßig durch sie hindurch, was ein Problem aufwirft, dass das Halbleiterelement nicht gleichmäßig gekühlt werden kann.
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Entsprechend ist die vorliegende Erfindung angesichts solcher Probleme, wie vorstehend beschrieben, gemacht worden, und hat eine Aufgabe, eine Technologie zur Verfügung zu stellen, die geeignet ist, ein Kühlvermögen einer Halbleitervorrichtung zu verbessern.
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Mittel zum Lösen des Problems
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Eine Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Halbleiterelement, eine unter dem Halbleiterelement vorgesehene Wärmeübertragungsgrundplatte, ein Lamellenteil, das eine Mehrzahl von vorstehenden Teilen aufweist, welche mit einer unteren Oberfläche der Wärmeübertragungsgrundplatte verbunden sind, ein Kühlbauteil, das das Lamellenteil bedeckt und mit einem Einlass, durch welchen ein zu dem Lamellenteil fließendes Kühlmittel einfließt, und einem Auslass, durch welchen das von dem Lamellenteil fließende Kühlmittel ausfließt, verbunden ist, und einen Verteiler, der eine Wasserspeicherkammer ist, welche zwischen dem Einlass und dem Lamellenteil vorgesehen und von dem Lamellenteil getrennt ist, sodass sie geeignet ist, einem Kühlmittel zu ermöglichen, von dem Einlass zu dem Lamellenteil durchzufließen, auf.
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Wirkungen der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Verteiler zur Verfügung gestellt, der eine Wasserspeicherkammer ist, welche zwischen dem Einlass und dem Lamellenteil vorgesehen ist und von dem Lamellenteil getrennt ist, sodass sie geeignet ist, dem Kühlmittel zu ermöglichen, von dem Einlass zu dem Lamellenteil durchzufließen. Damit trifft ein Kühlmittel, das von dem Verteiler zu dem Lamellenteil ausfließt, mit dem Lamellenteil in einem gleichmäßigen Flusszustand zusammen, und daher kann ein Kühlvermögen verbessert werden.
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Die Aufgabe, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den angehängten Zeichnungen ersichtlicher.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt.
- 2 ist eine Draufsicht, die eine Teilanordnung der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
- 3 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung der Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt.
- 4 ist eine Draufsicht, die eine Teilanordnung der Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt.
- 5 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung der Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform darstellt.
- 6 ist eine Draufsicht, die eine Teilanordnung der Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform darstellt.
- 7 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung der Halbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform darstellt.
- 8 ist eine Draufsicht, die eine Teilanordnung der Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform darstellt.
- 9 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung der Halbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform darstellt.
- 10 ist eine Unteransicht, die eine Teilanordnung der Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform darstellt.
- 11 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung der Halbleitervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform darstellt.
- 12 ist eine Draufsicht, die eine Teilanordnung der Halbleitervorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform darstellt.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Nun wird eine Beschreibung zu Ausführungsformen mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen gegeben. Es ist zu beachten, dass die Zeichnungen schematisch dargestellt sind, und die gegenseitige Beziehung einer Größe und einer Position von Komponenten, die in jeder der unterschiedlichen Zeichnungen dargestellt sind, nicht notwendigerweise akkurat dargestellt ist und geeignet verändert sein kann.
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<Erste Ausführungsform>
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1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung einer Halbleitervorrichtung (Modul mit integriertem Kühler) gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Halbleitervorrichtung von 1 weist eine Wärmeübertragungsgrundplatte 11, leitfähige Muster 12a und 12b, ein isolierendes Substrat 13, das ein isolierendes Bauteil ist, ein Halbleiterelement 14, Verbindungsbauteile 15, ein Lamellenteil 16, ein Kühlbauteil 17, einen Verteiler 18, der eine Wasserspeicherkammer ist, und eine Wasserflusssteuerungsplatte 19, die ein Wasserflusssteuerungsbauteil ist, auf. Unter den Vorstehenden bilden das Lamellenteil 16, das Kühlbauteil 17, der Verteiler 18 und die Wasserflusssteuerungsplatte 19 einen Kühler, welcher das Halbleiterelement 14 unter Verwendung von Kühlwasser (Kühlmittel) kühlt. Es ist zu beachten, dass in 1 eine Richtung, in welcher das Kühlwasser innerhalb des Kühlers fließt, durch Pfeile gezeigt wird.
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Als Nächstes wird eine detaillierte Beschreibung zu jeder Komponente der Halbleitervorrichtung von 1 gegeben.
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Die Wärmeübertragungsgrundplatte 11 ist aus einer Metallplatte (leitfähige Platte) zum Beispiel aus Al (Aluminium), Cu (Kupfer) oder dergleichen ausgebildet. Die Größe der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 ist zum Beispiel ungefähr 80 mm × 80 mm, und die Dicke derselben ist zum Beispiel ungefähr von 2 mm bis 4 mm. Eine obere Oberfläche der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 wird als eine Befestigungsoberfläche verwendet, an welche das Halbleiterelement 14 und dergleichen anzubringen sind, und eine untere Oberfläche der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 wird als eine Wärmeableitungsoberfläche verwendet, die durch einen Kühler zu kühlen ist.
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Die leitfähigen Muster 12a und 12b sind jeweils an einer unteren Oberfläche und einer oberen Oberfläche des isolierenden Substrats 13 befestigt, und eine untere Oberfläche des leitfähigen Musters 12a und die obere Oberfläche der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 sind durch ein Verbindungsbauteil (nicht gezeigt) verbunden. Die leitfähigen Muster 12a und 12b bestehen zum Beispiel aus AI, Cu oder dergleichen, das isolierende Substrat 13 besteht zum Beispiel aus AIN (Aluminiumnitrid), Si3N4 (wobei Si Silizium ist und N Stickstoff ist) oder dergleichen, und das Verbindungsbauteil besteht zum Beispiel aus Ag (Silber) oder dergleichen. Es ist zu beachten, dass die Dicke des isolierenden Substrats 13 gemäß dieser ersten Ausführungsform so festgelegt ist, dass sie ungefähr von 0,32 mm bis 1 mm beträgt. Es ist jedoch erwünscht, dass die Dicke unter Berücksichtigung einer Reduzierung eines thermischen Widerstands des isolierenden Substrats 13 so dünn wie möglich ist.
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Das Halbleiterelement 14 ist durch die Verbindungsbauteile 15 zum Beispiel aus Ag oder dergleichen mit einer oberen Oberfläche des leitfähigen Musters 12b verbunden. Damit ist die vorstehend aufgeführte Wärmeübertragungsgrundplatte 11 unter dem Halbleiterelement 14 vorgesehen.
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Es ist zu beachten, dass in dieser ersten Ausführungsform eine Beschreibung unter der Annahme gegeben ist, dass das Halbleiterelement 14 aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke ausgebildet ist, der eine hohe Wärmewiderstandseigenschaft aufweist, welcher zum Beispiel aus SiC (Siliziumkarbid), GaN (Galliumnitrid) oder dergleichen besteht, aber nicht darauf beschränkt ist, und aus Si (Silizium) bestehen kann. Es ist zu beachten, dass in einem Fall, in welchem ein Halbleiter mit breiter Bandlücke als das Halbleiterelement 14 verwendet wird, die Halbleitervorrichtung in einer Größe reduziert werden kann.
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Weiter weist in dieser ersten Ausführungsform das Halbleiterelement 14 ein erstes Halbleiterelement 14a und ein zweites Halbleiterelement 14b auf, aber die Anzahl von Halbleiterelementen 14 ist nicht darauf beschränkt. Zusätzlich kann, um das Halbleiterelement 14 zu schützen, ein Gehäuse oder ein Gießharz zum Bedecken von Komponenten, die über der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 vorgesehen sind (z.B. Halbleiterelement 14), in der Halbleitervorrichtung vorgesehen sein.
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Das Lamellenteil 16 ist mit einer unteren Oberfläche der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 verbunden. Das Lamellenteil 16 weist eine Mehrzahl von vorstehenden Teilen für ein Verbessern eines Kühlvermögens auf, und mindestens eine von einer Stiftlamelle, einer Plattenlamelle (z.B. eine gerade Lamelle und eine wellige Lamelle) und einer konischen Lamelle ist als die vorstehenden Teile eingesetzt. Es ist zu beachten, dass in einer Anordnung, die eine Stiftlamelle als die vorstehenden Teile verwendet, ein Wärmeableitungsvermögen des Lamellenteils 16 verbessert werden kann. Weiter kann in einer Anordnung, die eine Plattenlamelle als die vorstehenden Teile verwendet, ein Wärmeableitungsvermögen verbessert werden kann und ein Druckverlust weiter reduziert werden kann als bei einer Stiftlamelle.
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Das Kühlbauteil 17 bedeckt das Lamellenteil 16, und ein oberes Teil des Kühlbauteils 17 ist an die untere Oberfläche der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 angeschlossen (verbunden). Gemäß dem Kühlbauteil 17, wie vorstehend beschrieben, kann Kühlwasser in der Peripherie des Lamellenteils 16 eingeschlossen sein.
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Das Kühlbauteil 17 ist mit einem Einlass 17a, durch welchen zu dem Lamellenteil 16 fließendes Kühlwasser einfließt, und einem Auslass 17b, durch welchen von dem Lamellenteil 16 fließendes Kühlwasser ausfließt, verbunden. In dieser ersten Ausführungsform sind sowohl der Einlass 17a als auch der Auslass 17b unter dem Lamellenteil 16 vorgesehen.
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Der Verteiler 18 ist eine Wasserspeicherkammer, welche zwischen dem Einlass 17a und dem Lamellenteil 16 vorgesehen ist und von dem Lamellenteil 16 getrennt ist, sodass sie geeignet ist, dem Kühlwasser zu ermöglichen, von dem Einlass 17a zu dem Lamellenteil 16 durchzufließen. In dieser ersten Ausführungsform ist eine Wasserspeicherkammer 20 ähnlich dem Verteiler 18 zwischen dem Lamellenteil 16 und dem Auslass 17b vorgesehen. Die Wasserspeicherkammer 20 ist von dem Lamellenteil 16 getrennt, sodass sie geeignet ist, dem Kühlwasser zu ermöglichen, von dem Lamellenteil 16 zu dem Auslass 17b durchzufließen. Es ist zu beachten, dass die Wasserspeicherkammer 20 nicht notwendigerweise vorgesehen sein muss und zum Beispiel in der nachfolgend zu beschreibenden fünften und sechsten Ausführungsform weggelassen ist.
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Eine obere Oberfläche der Wasserflusssteuerungsplatte 19 ist an ein unteres Teil des Lamellenteils 16 angeschlossen (verbunden). Die Wasserflusssteuerungsplatte 19 trennt den Verteiler 18 und das Lamellenteil 16, sodass sie geeignet ist, dem Kühlwasser zu ermöglichen, von dem Verteiler 18 zu dem Lamellenteil 16 durchzufließen. Ähnlich trennt die Wasserflusssteuerungsplatte 19 das Lamellenteil 16 und die Wasserspeicherkammer 20, sodass sie geeignet ist, dem Kühlwasser zu ermöglichen, von dem Lamellenteil 16 zu der Wasserspeicherkammer 20 durchzufließen.
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Hierbei ist eine Fläche der Wasserflusssteuerungsplatte 19 kleiner als eine Grundfläche des Kühlbauteils 17, und das vorstehend aufgeführte Kühlbauteil 17 bedeckt auch die Wasserflusssteuerungsplatte 19 zusätzlich zu dem Lamellenteil 16. Damit werden der Verteiler 18 und die Wasserspeicherkammer 20 durch die Wasserflusssteuerungsplatte 19 und das Kühlbauteil 17 gebildet.
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2 ist eine Draufsicht, die eine Teilanordnung der Halbleitervorrichtung (hauptsächlich das Kühlbauteil 17 und die Wasserflusssteuerungsplatte 19) gemäß dieser ersten Ausführungsform darstellt. Es ist zu beachten, dass in 2 der Einlass 17a, der Auslass 17b und ein Teil des Kühlbauteils 17 durch gestrichelte Linien gezeigt sind (das Gleiche gilt in 4, 6, 8, 10 und 12). Weiter sind in 2 eine x-Achse und eine Y-Achse gezeigt.
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Wie in 2 dargestellt, ist eine Lücke 21a, die geeignet ist, dem Kühlwasser zu ermöglichen, von dem Verteiler 18 zu dem Lamellenteil 16 durchzufließen, zwischen einem -x-Seitenendteil der Wasserflusssteuerungsplatte 19 und einer inneren Oberfläche des Kühlbauteils 17 ausgebildet. Gemäß einer solchen Anordnung sind der Verteiler 18 und das Lamellenteil 16 ausschließlich der Lück 21a getrennt. Das heißt, der Verteiler 18 und das Lamellenteil 16 sind im Wesentlichen getrennt, und daher wird im Wesentlichen verhindert, dass von dem Einlass 17a einfließendes Kühlwasser direkt gegen das Lamellenteil 16 trifft.
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Weiter ist, wie in 2 dargestellt, die Breite des Verteilers 18 in der y-Richtung größer als die Breite des Einlasses 17a in der y-Richtung, und daher ist Querschnittsflächen mit Bezug auf eine Flussrichtung des Kühlwassers betreffend eine Querschnittsfläche des Verteilers 18 größer als eine Querschnittsfläche des Einlasses 17a. Damit kann ein Fluss des Kühlwassers, das von dem Einlass 17a einfließt, in dem Verteiler 18 abgebremst werden. Das heißt, das Kühlwasser, das von dem Einlass 17a einfließt, kann im Wesentlichen in dem Verteiler 18 gespeichert werden.
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Es ist zu beachten, dass in dieser ersten Ausführungsform auch eine Lücke 21b, die geeignet ist, dem Kühlwasser zu ermöglichen, von dem Lamellenteil 16 zu der Wasserspeicherkammer 20 durchzufließen, zwischen einem +x-Seitenendteil der Wasserflusssteuerungsplatte 19 und einer inneren Oberfläche des Kühlbauteils 17 ausgebildet ist.
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<Kernaussage der ersten Ausführungsform>
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Gemäß der Anordnung dieser ersten Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, ist der Verteiler 18 zwischen dem Einlass 17a und dem Lamellenteil 16 vorgesehen. Gemäß einer solchen Anordnung kann von dem Einlass 17a einfließendes Kühlwasser im Wesentlichen daran gehindert werden, direkt gegen das Lamellenteil 16 zu treffen und kann im Wesentlichen temporär in dem Verteiler 18 gespeichert werden. Damit trifft Kühlwasser, das von dem Verteiler 18 zu dem Lamellenteil 16 ausfließt, in einem gleichmäßigen Flusszustand auf das Lamellenteil 16, und daher kann ein Kühlvermögen (z.B. eine Gleichmäßigkeit und Stabilität der Kühlung) verbessert werden.
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Es ist zu beachten, dass in einer Draufsicht von 2, wenn die Lücke 21a und der Einlass 17a so angeordnet sind, dass sie nicht miteinander überlappen, Kühlwasser von dem Einlass 17a daran gehindert werden kann, direkt gegen das Lamellenteil 16 zu treffen. Selbst wenn die Lücke 21a und der Einlass 17a so angeordnet sind, dass sie teilweise miteinander überlappen, kann Kühlwasser von dem Einlass 17a jedoch in einem bestimmten Umfang daran gehindert werden, direkt gegen das Lamellenteil zu treffen.
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Weiter kann wie in 2, wenn die Lücke 21a und die Lücke 21b jeweils so angeordnet sind, dass sie nah bei einem Endteil und einem anderen Endteil des Lamellenteils 16 sind, Kühlwasser durch das Lamellenteil 16 zirkuliert werden, und daher kann ein Kühlvermögen weiter verbessert werden.
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Weiter sind in dieser ersten Ausführungsform sowohl der Einlass 17a als auch der Auslass 17b unter dem Lamellenteil 16 vorgesehen. Damit kann die kreuzweise Größe der gesamten Halbleitervorrichtung (Modul), das heißt, eine Grundfläche der gesamten Halbleitervorrichtung (Modul) reduziert werden, und daher kann erwartet werden, dass die Halbleitervorrichtung (Modul) in einer Größe reduziert wird. Es ist zu beachten, dass selbst in einer Anordnung, in welcher sowohl der Einlass 17a als auch der Auslass 17b unter dem Lamellenteil 16 vorgesehen ist, die Grundfläche der gesamten Halbleitervorrichtung (Modul) in einem bestimmten Ausmaß reduziert werden kann.
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Weiter ist in dieser ersten Ausführungsform die Wasserflusssteuerungsplatte 19 vorgesehen, welche den Verteiler 18 und das Lamellenteil 16 trennt, sodass sie geeignet ist, dem Kühlwasser zu ermöglichen, von dem Verteiler 18 zu dem Lamellenteil 16 durchzufließen. Damit kann der Verteiler 18 einfach ausgebildet werden.
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<Zweite Ausführungsform>
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3 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung der Halbleitervorrichtung (Modul mit integriertem Kühler) gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, und 4 ist eine Draufsicht, die eine Teilanordnung der Halbleitervorrichtung darstellt. In der nachfolgenden Beschreibung werden Komponenten der Halbleitervorrichtung gemäß dieser zweiten Ausführungsform, welche die gleichen wie oder ähnlich zu denjenigen der ersten Ausführungsform sind, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und unterschiedliche Komponenten werden hauptsächlich beschrieben.
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Die Halbleitervorrichtung gemäß dieser zweiten Ausführungsform weist zusätzlich zu den Komponenten der ersten Ausführungsform einen äußeren Lamellenumfangsrahmen 22 auf, der ein äußerer Umfangsrahmen ist.
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Der äußere Lamellenumfangsrahmen 22 ist mit der unteren Oberfläche der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 verbunden und umgibt eine Peripherie des Lamellenteils 16. Die Höhe des äußeren Lamellenumfangsrahmens 22 ist gleich der Höhe des Lamellenteils 16, und ein unterer Teil des äußeren Lamellenumfangsrahmens 22 und ein unteres Teil des Lamellenteils 16 sind an die Wasserflusssteuerungsplatte 19 angeschlossen (verbunden). Gemäß dem äußeren Lamellenumfangsrahmen 22, wie vorstehend beschrieben, kann Kühlwasser in der Peripherie des Lamellenteils 16 eingeschlossen sein. Es ist zu beachten, dass eine Materialqualität des äußeren Lamellenumfangsrahmens 22 die gleiche sein kann wie eine Materialqualität des Lamellenteils 16.
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Die obere Oberfläche der Wasserflusssteuerungsplatte 19 ist an den äußeren Lamellenumfangsrahmen 22 und das Lamellenteil 16 angeschlossen (verbunden), und eine untere Oberfläche der Wasserflusssteuerungsplatte 19 ist an ein oberes Teil des Kühlbauteils 17 angeschlossen (verbunden). Damit werden der Verteiler 18 und die Wasserspeicherkammer 20 durch die Wasserflusssteuerungsplatte 19 und das Kühlbauteil 17 gebildet.
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In der Wasserflusssteuerungsplatte 19 sind ein Schlitz 23a, der geeignet ist, dem Kühlwasser zu ermöglichen, von dem Verteiler 18 zu dem Lamellenteil 16 durchzufließen, und ein Schlitz 23b, der geeignet ist, dem Kühlwasser zu ermöglichen, von dem Lamellenteil 16 zu der Wasserspeicherkammer 20 durchzufließen, ausgebildet. Es ist zu beachten, dass die Schlitze 23a und 23b jeweils so angeordnet sind, dass sie nah bei einem Enteil und einem anderen Endteil des Lamellenteils 16 sind.
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Weiter ist die Fläche der Wasserflusssteuerungsplatte 19 größer als jede einer Fläche eines Teils, das in einer Draufsicht durch den äußeren Lamellenumfangsrahmen 22 umgeben ist, und einer Fläche eines Teils, das in einer Draufsicht durch ein äußeres Umfangsteil (oberes Teil) des Kühlbauteils 17 umgeben ist.
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<Kernaussage der zweiten Ausführungsform>
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Gemäß dieser zweiten Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, ist der Verteiler 18 ähnlich zu der ersten Ausführungsform vorgesehen. Aus diesem Grund trifft gemäß dieser zweiten Ausführungsform ähnlich zu der ersten Ausführungsform Kühlwasser, das von dem Verteiler 18 zu dem Lamellenteil 16 ausfließt, in einem gleichmäßigen Flusszustand auf das Lamellenteil 16, und daher kann ein Kühlvermögen (z.B. eine Gleichmäßigkeit und Stabilität der Kühlung) verbessert werden.
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Weiter ist in dieser zweiten Ausführungsform die Fläche der Wasserflusssteuerungsplatte 19 größer als jede der Fläche des Teils, das in einer Draufsicht durch den äußeren Lamellenumfangsrahmen 22 umgeben ist, und der Fläche des Teils, das in einer Draufsicht durch das äußere Umfangsteil des Kühlbauteils 17 umgeben ist. Damit kann ein Freiraum zwischen der Wasserflusssteuerungsplatte 19 und dem Kühlbauteil 17 in einer Oberflächenrichtung beseitigt werden. Als eine Folge kann das Lamellenteil 16, und weiter das Halbleiterelement 14 effizienter gekühlt werden, und daher kann ein Kühlvermögen weiter verbessert werden.
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<Dritte Ausführungsform>
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5 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung der Halbleitervorrichtung (Modul mit integriertem Kühler) gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, und 6 ist eine Draufsicht, die eine Teilanordnung der Halbleitervorrichtung darstellt. In der nachfolgenden Beschreibung werden Komponenten der Halbleitervorrichtung gemäß dieser dritten Ausführungsform, welche die gleichen wie oder ähnlich zu denjenigen der ersten Ausführungsform sind, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und unterschiedliche Komponenten werden hauptsächlich beschrieben.
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In der zweiten Ausführungsform ist der äußere Lamellenumfangsrahmen 22 vorgesehen. In dieser dritten Ausführungsform wird jedoch ein Endteil 19a der Wasserflusssteuerungsplatte 19 anstelle des äußeren Lamellenumfangsrahmens 22 verwendet.
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Insbesondere ist in dieser dritten Ausführungsform die obere Oberfläche der Wasserflusssteuerungsplatte 19 an das Lamellenteil 16 angeschlossen (verbunden), und die untere Oberfläche der Wasserflusssteuerungsplatte 19 ist an ein oberes Teil des Kühlbauteils 17 angeschlossen (verbunden). Damit werden der Verteiler 18 und die Wasserspeicherkammer 20 durch die Wasserflusssteuerungsplatte 19 und das Kühlbauteil 17 gebildet.
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In der Wasserflusssteuerungsplatte 19 sind der Schlitz 23a, der geeignet ist, dem Kühlwasser zu ermöglichen, von dem Verteiler 18 zu dem Lamellenteil 16 durchzufließen, und der Schlitz 23b, der geeignet ist, dem Kühlwasser zu ermöglichen, von dem Lamellenteil 16 zu der Wasserspeicherkammer 20 durchzufließen, ausgebildet. Es ist zu beachten, dass die Schlitze 23a und 23b jeweils so angeordnet sind, dass sie nah bei einem Endteil und einem anderen Endteil des Lamellenteils 16 sind.
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Die Fläche der Wasserflusssteuerungsplatte 19 ist größer als die Fläche des Teils, das in einer Draufsicht durch das äußere Umfangsteil (oberes Teil) des Kühlbauteils 17 umgeben ist. Weiter ist das Endteil 19a der Wasserflusssteuerungsplatte 19 in Richtung der Seite der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 gebogen, sodass es mit der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 verbunden ist, und umgibt die Peripherie des Lamellenteils 16.
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<Kernaussage der dritten Ausführungsform>
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Gemäß dieser dritten Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, ist der Verteiler 18 ähnlich zu der ersten Ausführungsform vorgesehen, und daher kann ein Kühlvermögen (z.B. eine Gleichmäßigkeit und eines Stabilität der Kühlung) ähnlich zu der ersten Ausführungsform verbessert werden. Weiter kann ähnlich zu der zweiten Ausführungsform ein Freiraum zwischen der Wasserflusssteuerungsplatte 19 und dem Kühlbauteil 17 in einer Oberflächenrichtung beseitigt werden.
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Zusätzlich ist in dieser dritten Ausführungsform das Endteil 19a der Wasserflusssteuerungsplatte 19 in Richtung der Seite der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 gebogen, sodass sie mit der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 verbunden ist, und umgibt die Peripherie des Lamellenteils 16. Damit braucht der äußere Lamellenumfangsrahmen 22, der in der zweiten Ausführungsform beschrieben ist, nicht vorgesehen zu sein, und daher können die Anzahl von Komponenten und ein Verbindungsprozess reduziert werden.
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<Vierte Ausführungsform>
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7 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung der Halbleitervorrichtung (Modul mit integriertem Kühler) gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, und 8 ist eine Draufsicht, die eine Teilanordnung der Halbleitervorrichtung darstellt. In der nachfolgenden Beschreibung werden Komponenten der Halbleitervorrichtung gemäß dieser vierten Ausführungsform, welche die gleichen wie oder ähnlich zu denjenigen der ersten Ausführungsform sind, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und unterschiedliche Komponenten werden hauptsächlich beschrieben.
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In der dritten Ausführungsform wird das Endteil 19a (5) der Wasserflusssteuerungsplatte 19 anstelle des äußeren Lamellenumfangsrahmens 22 verwendet. In dieser vierten Ausführungsform wird jedoch ein Endteil 11a (8) der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 anstelle des äußeren Lamellenumfangsrahmens 22 verwendet.
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Insbesondere ist in dieser vierten Ausführungsform die obere Oberfläche der Wasserflusssteuerungsplatte 19 an das Lamellenteil 16 angeschlossen (verbunden), und die untere Oberfläche der Wasserflusssteuerungsplatte 19 ist an ein oberes Teil des Kühlbauteils 17 angeschlossen (verbunden). Damit werden der Verteiler 18 und die Wasserspeicherkammer 20 durch die Wasserflusssteuerungsplatte 19 und das Kühlbauteil 17 gebildet.
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In der Wasserflusssteuerungsplatte 19 sind der Schlitz 23a, der geeignet ist, dem Kühlwasser zu ermöglichen, von dem Verteiler 18 zu dem Lamellenteil 16 durchzufließen, und der Schlitz 23b, der geeignet ist, dem Kühlwasser zu ermöglichen, von dem Lamellenteil 16 zu der Wasserspeicherkammer 20 durchzufließen, ausgebildet. Es ist zu beachten, dass die Schlitze 23a und 23b jeweils so angeordnet sind, dass sie nah bei einem Endteil und einem anderen Endteil des Lamellenteils 16 sind.
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Die Fläche der Wasserflusssteuerungsplatte 19 ist größer als die Fläche des Teils, das in einer Draufsicht durch das äußere Umfangsteil (oberes Teil) des Kühlbauteils 17 umgeben ist. Weiter ist das Endteil 11a der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 in Richtung der Seite der Wasserflusssteuerungsplatte 19 gebogen, sodass es mit der Wasserflusssteuerungsplatte 19 verbunden ist, und umgibt die Peripherie des Lamellenteils 16.
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<Kernaussage der vierten Ausführungsform>
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Gemäß dieser vierten Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, ist der Verteiler 18 ähnlich zu der ersten Ausführungsform vorgesehen, und daher kann ein Kühlvermögen (z.B. eine Gleichmäßigkeit und Stabilität der Kühlung) ähnlich zu der ersten Ausführungsform verbessert werden. Weiter kann ähnlich zu der zweiten Ausführungsform ein Freiraum zwischen der Wasserflusssteuerungsplatte 19 und dem Kühlbauteil 17 in einer Oberflächenrichtung beseitigt werden.
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Außerdem ist in dieser vierten Ausführungsform das Endteil 11a der Wärmübertragungsgrundplatte 11 in Richtung der Seite der Wasserflusssteuerungsplatte 19 gebogen, sodass es mit der Wasserflusssteuerungsplatte 19 verbunden ist, und umgibt die Peripherie des Lamellenteils 16. Damit braucht der äußere Lamellenumfangsrahmen 22, der in der zweiten Ausführungsform beschrieben ist, nicht vorgesehen zu sein, und daher kann die Anzahl von Komponenten und ein Verbindungsprozess reduziert werden.
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<Fünfte Ausführungsform>
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9 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung der Halbleitervorrichtung (Modul mit integriertem Kühler) gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, und 10 ist eine Unteransicht, die eine Teilanordnung der Halbleitervorrichtung darstellt. In der nachfolgenden Beschreibung werden Komponenten der Halbleitervorrichtung gemäß dieser fünften Ausführungsform, welche die gleichen wie oder ähnlich zu denjenigen der ersten Ausführungsform sind, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und unterschiedliche Komponenten werden hauptsächlich beschrieben.
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In dieser fünften Ausführungsform ist der Einlass 17a unter der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 vorgesehen. Wasserflusssteuerungsbauteile 24 sind orthogonal an die untere Oberfläche der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 angeschlossen (verbunden), sodass sie ein oberes Teil 11b umgeben, das ein Teil der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 ist, die über dem Einlass 17a positioniert ist. Weiter ist ein unteres Teil des Wasserflusssteuerungsbauteils 24 an eine untere Oberfläche des Kühlbauteils 17 angeschlossen (verbunden). Damit wird der Verteiler 18 durch das obere Teil 11b, die Wasserflusssteuerungsbauteile 24 und das Kühlbauteil 17 gebildet.
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Es ist zu beachten, dass die Wasserflusssteuerungsbauteile 24 aus vier sich erstreckenden Teilen ausgebildet sind, die sich im Wesentlichen in einer Y-artigen Form in einer Oberflächenrichtung der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 erstrecken. Weiter weisen die vier sich erstreckenden Teile nicht nur ein Teil zum Umgeben des Verteilers 18 (Teil, das korrespondierend zu vier Seiten einer im Wesentlichen viereckigen Form in 10 ausgebildet ist) sondern auch ein Teil zum Zirkulieren von Kühlwasser von dem Verteiler 18 durch das Lamellenteil 16 (Teil, das im Wesentlichen korrespondierend zu Diagonallinien der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 in 10 ausgebildet ist) auf.
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Auf einem anderen Teil der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 als dem oberen Teil 11b ist das Lamellenteil 16 vorgesehen. Andererseits ist auf dem oberen Teil 11b der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 (der Verteiler 18) das Lamellenteil 16 weggelassen, oder ein Lamellenteil, das eine Höhe aufweist, die niedriger ist als das Lamellenteil 16 (nicht gezeigt) ist vorgesehen.
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Hierbei ist in dieser fünften Ausführungsform in einem Fall, in welchem die Halbleitervorrichtung verwendet wird, eine Wärmeerzeugung des zweiten Halbleiterelements 14b größer als eine Wärmeerzeugung des ersten Halbleiterelements 14a. Weiter weisen die Wasserflusssteuerungsbauteile 24 einen ersten Schlitz 25a auf, der geeignet ist, dem Kühlwasser zu ermöglichen, von dem Verteiler 18 zu dem Lamellenteil 16 durchzufließen, welches unter dem ersten Halbleiterelement 14a vorgesehen ist. Weiter weisen die Wasserflusssteuerungsbauteile 24 einen zweiten Schlitz 25b auf, der geeignet ist, dem Kühlwasser zu ermöglichen, von dem Verteiler 18 zu dem Lamellenteil 16 durchzufließen, welches unter dem zweiten Halbleiterelement 14b vorgesehen ist. Hierbei ist die Breite des zweiten Schlitzes 25b größer als die Breite des ersten Schlitzes 25a.
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<Kernaussage der fünften Ausführungsform>
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Gemäß dieser fünften Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, ist der Verteiler 18 ähnlich zu der ersten Ausführungsform vorgesehen, und daher kann ein Kühlvermögen (z.B. eine Gleichmäßigkeit und Stabilität der Kühlung) ähnlich zu der ersten Ausführungsform verbessert werden.
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Weiter ist in der ersten bis vierten Ausführungsform der Verteiler 18 auf einer unteren Seite mit Bezug auf das Lamellenteil 16 vorgesehen. Im Gegensatz dazu ist in dieser fünften Ausführungsform der Verteiler 18 auf einer seitlichen Seite des Lamellenteils 16 vorgesehen. Damit kann die Größe der gesamten Halbleitervorrichtung (Modul) in der Dickenrichtung reduziert werden, und daher kann erwartet werden, dass die Halbleitervorrichtung (Modul) in einer Größe reduziert wird.
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Weiter ist gemäß dieser fünften Ausführungsform die Breite des zweiten Schlitzes 25b, der zu dem zweiten Halbleiterelement 14b korrespondiert, das eine vergleichsweise hohe Wärmeerzeugung aufweist, größer als die Breite des ersten Schlitzes 25a, der zu dem ersten Halbleiterelement 14a korrespondiert, das eine vergleichsweise kleine Wärmeerzeugung aufweist. Gemäß einer solchen Anordnung kann ein Kühlvermögen auf der Seite des zweiten Halbleiterelements 14b durch eine Justierung der Breite des ersten und zweiten Schlitzes 25a und 25b weiter verbessert werden als ein Kühlvermögen auf der Seite des ersten Halbleiterelements 14a, und daher kann ein Kühlvermögen mit Bezug auf das erste und zweite Halbleiterelement 14a und 14b angemessen ausgelegt werden.
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Zum Beispiel wird in einem Fall, in welchem die Halbleitervorrichtung gemäß dieser fünften Ausführungsform ein Hybrid-Modul ist, das aus einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (Si-IGBT) und einer Schottky-Sperrdiode (SiC-SBD) ausgebildet ist, die SiC-SBD, die eine vergleichsweise kleine Wärmeerzeugungsmenge aufweist, als das erste Halbleiterelement 14a verwendet, und der Si-IGBT, der eine vergleichsweise große Wärmeerzeugungsmenge aufweist, wird als das zweite Halbleiterelement 14b verwendet. In diesem Fall ist die Breite des zweiten Schlitzes 25b des Si-IGBTs größer als die Breite des ersten Schlitzes 25a der SiC-SBD, und daher kann die Kühlung des gesamten Moduls angemessen ausgelegt werden.
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<Sechste Ausführungsform>
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11 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung der Halbleitervorrichtung (Modul mit integriertem Kühler) gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, und 12 ist eine Draufsicht, die eine Teilanordnung der Halbleitervorrichtung darstellt. In der nachfolgenden Beschreibung werden Komponenten der Halbleitervorrichtung gemäß dieser sechsten Ausführungsform, welche die gleichen wie oder ähnlich zu denjenigen der ersten Ausführungsform sind, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und unterschiedliche Komponenten werden hauptsächlich beschrieben.
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Die Halbleitervorrichtung gemäß dieser sechsten Ausführungsform enthält keine der Wasserflusssteuerungsplatte 19 oder der Wasserflusssteuerungsbauteile 24. Weiter ist der Verteiler 18 außerhalb des Kühlbauteils 17 vorgesehen. Insbesondere ist der Verteiler 18 zwischen dem Einlass 17a und einer unteren Oberfläche des Kühlbauteils 17 vorgesehen, welches mit dem Einlass 17a verbunden ist. Weiter ist eine Mehrzahl von Wasserdurchlasslöchern 17c, die geeignet sind, dem Kühlwasser zu ermöglichen, von dem Verteiler 18 zu dem Lamellenteil 16 durchzufließen, in der unteren Oberfläche des Kühlbauteils 17 ausgebildet.
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<Kernaussage der sechsten Ausführungsform>
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Gemäß dieser fünften Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, ist der Verteiler 18 ähnlich zu der ersten Ausführungsform vorgesehen, und daher kann ein Kühlvermögen (z.B. eine Gleichmäßigkeit und Stabilität einer Kühlung) ähnlich zu der ersten Ausführungsform verbessert werden.
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Weiter ist in dieser sechsten Ausführungsform die Mehrzahl von Wasserdurchlasslöchern 17c, die geeignet sind, dem Kühlwasser zu ermöglichen, von dem Verteiler 18 zu dem Lamellenteil 16 durchzufließen, in der unteren Oberfläche des Kühlbauteils 17 ausgebildet, welches den Verteiler 18 definiert. Gemäß einer solchen Anordnung kann eine gewünschte Fläche vorzugsweise durch Vorsehen des Verteilers 18 und der Wasserdurchlasslöcher 17c in der gewünschten Fläche gekühlt werden. Zum Beispiel kann die gesamte Halbleitervorrichtung (Modul) durch Vorsehen des Verteilers 18 und der Wasserdurchlasslöcher 17c unter einer Fläche, wo das Halbleiterelement 14 eine hohe Wärmeerzeugung aufweist, wirksam gekühlt werden.
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<Modifizierte Beispiele>
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In dem Vorstehenden kann ein Material, das eine hohe Festigkeit aufweist (Cu oder eine Al-Legierung) für mindestens eins der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 (erste bis sechste Ausführungsform), die Wasserflusssteuerungsplatte 19 (erste bis vierte Ausführungsform), den äußeren Lamellenumfangsrahmen 22 (zweite Ausführungsform) und die Wasserflusssteuerungsbauteile 24 (sechste Ausführungsform) verwendet werden. Gemäß einer solchen Anordnung kann eine Komponente, die aus einem Material besteht, das eine hohe Festigkeit aufweist, eine Funktion als eine Stütze aufweisen, und daher kann eine Festigkeit der gesamten Halbleitervorrichtung (Modul) verbessert werden. Aus diesem Grund kann ein harzbasiertes Material, das eine vergleichsweise geringe Festigkeit aufweist aber geeignet ist, in einem Gewicht reduziert zu werden, als ein Material für das Kühlbauteil 17 verwendet werden. Als eine Folge kann die Halbleitervorrichtung (Modul) einfach in Kosten, Gewicht und Größe reduziert werden. Insbesondere kann in einem Fall, in welchem ein Harz, das eine hohe Isolationseigenschaft aufweist, als ein Material für das Kühlbauteil 17 verwendet wird, ein Abstand für eine Isolierung so ausgelegt werden, dass er verglichen mit einer metallischen Gegenbeispielkomponente des Stands der Technik kurz ist, und daher kann die Halbleitervorrichtung weiter in einer Größe reduziert werden.
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Weiter können das Lamellenteil 16 und die Wärmeübertragungsgrundplatte 11 durch ein Verbindungsteil (nicht gezeigt) zum Beispiel aus Ag oder dergleichen verbunden sein. Gemäß einer solchen Anordnung können andere Komponenten als das Lamellenteil 16 verallgemeinert werden, und eine optimale Lamelle kann für jede Gelegenheit in dem Lamellenteil 16 eingesetzt werden. Entsprechend kann eine Halbleitervorrichtung verwirklicht werden, die geeignet ist, eine angemessene Kühlung gemäß einer Situation einer Wärmeerzeugung des Halbleiterelements 14 auszuführen. Es ist zu beachten, dass in einem Fall, in welchem solch eine Wirkung unnötig ist, zum Beispiel ein Teil der Wärmeübertragungsgrundplatte 11 so bearbeitet werden kann, dass es das Lamellenteil 16 bildet.
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Weiter kann die vorstehend beschriebene Halbleitervorrichtung in einer Invertervorrichtung vorgesehen sein, oder kann in einem Fahrzeug (z.B. einer Motorsteuerschaltung in einem Fahrzeug, das geeignet ist, durch einen Motor angetrieben zu werden) vorgesehen sein. Damit kann eine Halbleitervorrichtung, die in einem Kühlvermögen verbessert ist, als eine Halbleitervorrichtung einer Invertervorrichtung und eines Fahrzeugs verwendet werden.
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Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden Erfindung jede der Ausführungsformen und jedes der modifizierten Beispiele frei kombiniert werden können, und jede der Ausführungsformen und jedes der modifizierten Beispiele kann innerhalb des Gültigkeitsumfangs der Erfindung geeignet modifiziert oder weggelassen werden.
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Die vorliegende Erfindung ist detailliert beschrieben worden, aber die vorstehende Beschreibung ist in allen Aspekten nur ein Beispiel, und die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Es wird verstanden, dass zahlreiche modifizierte Beispiele, die hier nicht dargestellt sind, angenommen werden können, ohne den Gültigkeitsumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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11 Wärmeübertragungsgrundplatte, 11b oberes Teil, 14 Halbleiterelement, 14a erstes Halbleiterelement, 14b zweites Halbleiterelement, 16 Lamellenteil, 17 Kühlbauteil, 17a Einlass, 17b Auslass, 17c Wasserdurchlassloch, 18 Verteiler, 19 Wasserflusssteuerungsplatte, 22 äußerer Lamellenumfangsrahmen, 23a Schlitz, 24 Wasserflusssteuerungsbauteil, 25a erster Schlitz, 25b zweiter Schlitz.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 11204700 [0002]
- JP 4600199 [0002]
- JP 2014082311 [0002]
- JP 11297906 [0002]
- JP 2007141872 [0002]