JP2011198820A - 発熱素子の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱素子を適切に冷却できる発熱素子の冷却装置を提供する。
【解決手段】発熱素子が配置される主面と、複数の第１凸部４２ａ〜４２ｅを備える放熱部５２および該放熱部５２を周囲する第１接合部４３が形成された他の主面と、を有する第１放熱体４と、第１接合部４３の接合面４４に接合される接合面５３を有する第２接合部５２を有し、第１接合部４３に第２接合部５２を接合して第１放熱体４と組み合わせることで、放熱部５２を受容して冷媒流路を形成する第２放熱体５と、を備える発熱素子の冷却装置であって、第２放熱体５は、少なくとも互いに隣り合う第１凸部４２ａ〜４２ｅ間に挿入される第２凸部５１ａ〜５１ｆを有することを特徴とする発熱素子の冷却装置。
【選択図】 図４

Description

本発明は、発熱素子の冷却装置に関するものである。

従来より、発熱素子を冷却する冷却装置として、一対の放熱体を各放熱体に備えられた接合部で組み合わせてなるものが知られている。このような発熱素子の冷却装置として、一対の放熱体の接合部間から、冷媒が漏れ出すことを防止するために、一対の放熱体の接合部間にＯ−リングなどのシール部材を配置し、該シール部材を介して、一対の放熱体を接合した発熱素子の冷却装置が開示されている（特許文献１）。

特開２００８−１２４４３０号公報

しかしながら、従来技術では、シール部材を圧縮させた状態で、一対の放熱体を接合部で接合するものであるため、各放熱体の接合部は、圧縮による反力により変形しないように、一定の厚みで形成されている。そのため、一対の放熱体を組み合わせて形成された冷媒流路は、一対の放熱体の接合部分において、冷媒流路を形成する他の部分よりも狭くなり、冷媒流路内に段差部分が生じていた。特に、一対の放熱体の接合部分は、冷媒流路の発熱素子側に形成されるため、段差部分も発熱素子側となり、この段差部分の影響により、冷媒の流れが抑制され、発熱素子を適切に冷却できない場合があった。

本発明が解決しようとする課題は、発熱素子を適切に冷却できる発熱素子の冷却装置を提供することである。

本発明は、複数の第１凸部が形成された放熱部および該放熱部を周囲する第１接合部を有する第１放熱体と、第１接合部の接合面に接合される接合面を有する第２接合部を有する第２放熱体とを備える発熱素子の冷却装置において、少なくとも第１放熱体の放熱部の互いに隣り合う第１凸部間に挿入される第２凸部を、第２放熱体に設けることより、上記課題を解決する。

本発明によれば、冷媒流路内の冷媒の流れを発熱素子側に導くことができ、発熱素子を適切に冷却することができる。

本実施形態に係る半導体装置の正面図である。 図１に示す半導体装置の側面図である。 図２のIII-III線に沿う断面図である。 図１のIV-IV線に沿う断面図である。 半導体素子と放熱フィンとの位置関係を説明するための図である。 図４のV-V線に沿う部分断面図である。 図４のVI−VI線に沿う部分断面図である。 冷媒流路内を流れる冷媒の流れを説明するための図である。 冷媒流路内を流れる冷媒の流れのシミュレーション結果を示す図である。 冷媒流路内を流れる冷媒の流れのシミュレーション結果を示す図である。 第２実施形態に係る半導体装置の断面図である。 第３実施形態に係る半導体装置の断面図である。 第４実施形態に係る半導体装置の断面図である。 半導体モジュールの温度と半導体モジュール近傍の冷媒の温度との関係を示すグラフである。

以下、本発明の本実施形態を図面に基づいて説明する。

≪第１実施形態≫
本実施形態に係る半導体装置は、スイッチング素子やダイオードを含む半導体モジュールと、半導体モジュールを冷却するための冷却器とからなるものである。このような半導体装置は、例えば、ハイブリッド車や燃料電池車等の電動車両用駆動モーターへの電力供給を制御するインバータ装置に用いることができる。

図１は第１実施形態に係る半導体装置の正面図、図２は図１に示す半導体装置の側面図である。図１および図２に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、３つの半導体モジュール２ａ〜２ｃと、２つの冷却器３，７（第１冷却器３および第２冷却器７）とから構成されている。冷却器３，７は、半導体モジュール２ａ〜２ｃを、図示しない絶縁層を介して挟み込むことにより、半導体モジュール２ａ〜２ｃを冷却するようになっている。

冷却器３，７による冷却対象物である半導体モジュール２ａ〜２ｃは、三相インバータブリッジ回路を個別に構成するＩＧＢＴなどのトランジスタやダイオードからなる半導体素子２１，２２を有している。これら半導体素子２１，２２の両主面には、はんだ付けにより形成されたはんだ層２３，２４を介して、一対の電極２５，２６が接続されている。また、半導体装置１を構成する各半導体モジュール２ａ〜２ｃは、端子電極２７，２８に電気的に接続されており、端子電極２７，２８を介して、電力の入力／出力が可能となっている。なお、電極端子２７，２８は、電気伝導性および熱伝導性が良好な銅、アルミニウム、または、これらの合金を原材料として構成される。

第１冷却器３および第２冷却器７は、半導体モジュール２ａ〜２ｃを冷却するための冷却器であり、図１に示すように、第１冷却器３は、各半導体モジュール２ａ〜２ｃの下側に配置されており、第２冷却器７は、各半導体モジュール２ａ〜２ｃの上側に配置されている。ここで、図３は、図２のIII-III線に沿う断面図である。

第１冷却器３は、図３に示すように、各半導体モジュール２ａ〜２ｃに対応して設けられた３つの第１放熱体４ａ〜４ｃに、単一の第２放熱体５を組み合わせて構成されており、これら第１放熱体４ａ〜４ｃと第２放熱体５とが組み合わさることにより、内部に流路（以下、冷媒流路。）が形成されている。そして、導入パイプ３１から、第１冷却器３内に形成された冷媒流路内に冷媒が連続的に導入され、導入された冷媒が、Ｘ方向に沿って、この冷媒流路を流れることにより、各半導体モジュール２ａ〜２ｃにより発生した熱を放熱できるようになっている。なお、第１冷却器３内に導入された冷媒は、排出パイプ３２から連続的に排出されることとなる。また、第１冷却器３を構成する各第１放熱体４ａ〜４ｃおよび第２放熱体５は、例えば、熱伝導性の優れたアルミニウムやアルミニウム合金などを原材料として、ダイカスト法などにより、それぞれ個別に成型されてなるものである。

図４は、図１のIV-IV線に沿う断面図であり、図４中においては、第１冷却器３を構成する３つの第１放熱体４ａ〜４ｃのうち、第１放熱体４ａを通る断面を示している。以下、３つの第１放熱体４ａ〜４ｃのうち、第１放熱体４ａを例示して説明を行なうが、他の第１放熱体４ｂ，４ｃも、第１放熱体４ａと同様の構成を有するものである。第１放熱体４ａは、図４に示すように、一方の主面に、半導体モジュール２ａが配置され、半導体モジュール２ａから伝達された熱を受熱するような構成となっている。また、第１放熱体４ａは、他方の主面に、受熱した熱を放熱するための放熱部４１と、放熱部４１を周囲する接合部４３とを有している。なお、接合部４３は、後述する第２放熱体５の接合部５２に接合するための部分である。

図５は、半導体素子２１，２２と放熱部４１との位置関係を説明するための図であり、第１放熱体４ａをＺ軸方向に沿って半導体モジュール２ａ側から見た図である。なお、図５においては、半導体素子２１，２２を実線で、放熱フィン４２ａ〜４２ｅを点線で、放熱部４１を一点鎖線で、それぞれ示している。図４、図５に示すように、放熱部４１は、第２放熱体５側に向かって突出した複数の放熱フィン４２ａ〜４２ｅを有しており、これら複数の放熱フィン４２ａ〜４２ｅは、図４、図５に示すように、半導体素子２１，２２を中心として、Ｙ方向に所定の間隔で配列されている。また、これら複数の放熱フィン４２ａ〜４２ｅは、図５、図６に示すように、Ｘ方向（すなわち、冷媒の流れ方向）に沿って、連続的に延伸してなるものである。ここで、図６は、図４に示すVI- VI線に沿う断面図であり、図６は、複数の放熱フィン４２ａ〜４２ｅのうち、放熱フィン４２ｃを通る断面図である。そのため、図６中においては、複数の放熱フィン４２ａ〜４２ｅのうち、放熱フィン４２ｃのみの断面形状を示しているが、放熱フィン４２ｃ以外の他の放熱フィン４２ａ，４２ｂ，４２ｄ，４２ｅも同様の形状となっている。なお、複数の放熱フィン４２ａ〜４２ｅの突出高さは、特に限定されないが、例えば、半導体モジュール２ａの高さと同程度の高さに形成することができる。

接合部４３は、図４、図５に示すように、放熱部４１を周囲している。また、接合部４３は、接合面４４を有しており、この接合面４４において、シール部材６を介して、第２放熱体５の接合部５２に形成された接合面５３と、ろう接によって接合され、これにより、第１放熱体４ａと第２放熱体５とが組み合わされている。同様にして、第１放熱体４ａ以外の他の第１放熱体４ｂ，４ｃも、第２放熱体５と組み合わされている。そして、このように、第１放熱体４ａ〜４ｃと第２放熱体５とが、接合部４３および接合部５２において、互いに接合することにより、第１放熱体４ａ〜４ｃの放熱部４１が、第２放熱体５に受容されているとともに、第１冷却器３内に冷媒流路が形成されている。なお、接合部４３と接合部５２とは、冷媒の漏れを有効に防止するため、接合部４３の接合面４４と接合部５２の接合面５３とでシール部材６を両側から押圧した状態で接合されている。このようなシール部材６としては、ゴム材料からなるシールリングを用いてもよいし、または液状ガスケットを用いてもよい。

一方、第２放熱体５は、図４に示すように、接合部５２と、複数の凸部５１ａ〜５１ｆとを有する。上述したように、接合部５２には接合面５３が形成されており、接合部５２は、この接合面５３において、シール部材６を介して、接合部４２の接合面４３と接合されている。

複数の凸部５１ａ〜５１ｆは、図４に示すように、第１放熱体４ａ側に向かって突出しており、また、Ｙ方向に所定の間隔で配列されている。ここで、図４は、上述したように、第１放熱体４ａを通る断面図であるため、図４においては、第２放熱体５のうち第１放熱体４ａと組み合わされている部分を示しているが、第２放熱体５のうち他の第１放熱体４ｂ，４ｃと組み合わされている部分においても、同様の構成となっている。また、図７は、図４のVII-VII線に沿う断面図であり、図７は、複数の凸部５１ａ〜５１ｆのうち、凸部５１ｄを通る断面図である。図７に示すように、凸部５１ｄは、Ｘ方向（冷媒の流れ方向）に沿って、連続的に延伸してなるものであり、また、Ｘ方向（冷媒の流れ方向）に傾斜した傾斜面５１１，５１２を有している。なお、図７中においては、複数の凸部５１ａ〜５１ｆのうち、凸部５１ｄのみの断面形状を示しているが、凸部５１ｄ以外の他の凸部５１ａ〜５１ｃ，５１ｅ，５１ｆも同様の形状となっている。

また、複数の凸部５１ｂ〜５１ｅは、図４に示すように、互いに隣り合う放熱フィン４２ａ〜４２ｅ間に挿入されるように形成されている。具体的には、凸部５１ｂは、放熱フィン４２ａと放熱フィン４２ｂとの間に挿入されるように形成されており、凸部５１ｃは、放熱フィン４２ｂと放熱フィン４２ｃとの間に挿入されるように形成されている。同様に、凸部５１ｄおよび凸部５１ｅも、それぞれ、放熱フィン４２ｃと放熱フィン４２ｄの間および放熱フィン４２ｄと放熱フィン４２ｅとの間に挿入されるように形成されている。さらに、凸部５１ａは、放熱フィン４２ａと該放熱フィン４２ａに隣り合う第２接合部５２との間に挿入されるように形成されており、同様に、凸部５１ｆは、放熱フィン４２ｅと該放熱フィン４２ｅに隣り合う第２接合部５２との間に挿入されるように形成されている。

続いて、第１放熱体４ａ〜４ｃと第２放熱体５とを組み合わせてなる第１冷却器３内を流れる冷媒の流れを、図８に従って説明する。図８は、第１冷却器３内を流れる冷媒の流れを説明するための図である。なお、図８においては、図３と同じ断面における冷媒の流れを示しており、図８中においては、冷媒流路内を流れる冷媒の流れを破線の矢印で示している。また、図８中においては、複数の凸部５１ａ〜５１ｆのうち、凸部５１ｄを通る断面における冷媒の流れを説明するが、凸部５１ｄ以外の他の凸部５１ａ〜５１ｃ，５１ｅ，５１ｆを通る断面においても、同様に、冷媒が流れる。

第１冷却器３において、冷媒は、図８中の破線の矢印で示すように、連続的に、導入パイプ３１から第１冷却器３の冷媒流路内へと導入され、第１放熱体４ａ、第１放熱体４ｂ、第１放熱体４ｃに対応する流路部分を通過して、排出パイプ３２から第１冷却器３の外部へと排出される。ここで、図８は複数の凸部５１ａ〜５１ｆのうち、放熱フィン４２ｃと放熱フィン４２ｄとの間に挿入されている凸部５１ｄを通る断面図であるため、図８に示す冷媒の流れは、放熱フィン４２ｃと放熱フィン４２ｄとの間を流れる冷媒の流れを示していることになる（図４参照）。また、放熱フィン４２ａと放熱フィン４２ｂとの間、放熱フィン４２ｂと放熱フィン４２ｃとの間、放熱フィン４２ｄと放熱フィン４２ｅとの間、放熱フィン４２ａと該放熱フィン４２ａに隣り合う接合部５２との間、および放熱フィン４２ｅと該放熱フィン４２ｅに隣り合う接合部５２との間においても、同様にして冷媒が流れる。そして、第１放熱体４ａに対応する流路部分を流れた冷媒は、第１放熱体４ｂ、第１放熱体４ｃに対応する流路部分も、同様に流れ、排出パイプ３２から排出されることとなる。このように、冷媒が、冷媒流路を連続的に流れることで、第１放熱体４ａ〜４ｃが冷却され、その結果、各第１放熱体４ａ〜４ｃに配置される各半導体モジュール２ａ〜２ｃが冷却される。なお、導入パイプ３１と排出パイプ３２とは、図示しないポンプおよびラジエータを含む冷媒循環装置に接続され、排出パイプ３２から排出された冷媒は、冷媒循環装置にて冷却された後、再び導入パイプ３１に導入されることで、循環している。

また、本実施形態では、凸部５１ｄは、図４に示すように、放熱フィン４２ｃと放熱フィン４２ｄとの間に挿入されており、さらに、凸部５１ｄは、図８に示すように、冷媒の流れ方向に傾斜する傾斜面５１１，５１２を有している。そのため、冷媒流路のうち半導体モジュール２ａが配置されている部分では、冷媒は、図８に示すように、凸部５１ｄの傾斜面５１１に沿って流れることとなり、これにより、第１放熱体４ａの主面側に導かれることとなる。そのため、第１放熱体４ａの主面近傍に、良好に冷媒を流すことができる。

ここで、半導体モジュール２ａで発生した熱は、半導体モジュール２ａが配置されている第１放熱体４ａにより受熱され、第１放熱体４ａの放熱フィン４２ａ〜４２ｅに熱拡散する。そのため、第１放熱体４ａの主面側を流れる冷媒により、第１放熱体４ａの放熱フィン４２ａ〜４２ｅが冷却され、これにより、第１放熱体４ａに配置された半導体モジュール２ａが冷却されることとなる。

また、第１放熱体４ａに対応する流路部分と同様に、第１放熱体４ｂ，４ｃに対応する流路部分においても、凸部５１ｄに傾斜面５１１，５１２が形成されているため、冷媒は、凸部５１ｄの傾斜面５１１に沿って流れることとなり、第１放熱体４ｂ，４ｃの主面側に導かれることとなる。そして、同様に、各第１放熱体４ｂ，４ｃの主面近傍を、冷媒が連続的に流れることにより、第１放熱体４ｂ，４ｃの放熱フィン４２ａ〜４２ｅが冷却され、これにより、第１放熱体４ｂ，４ｃに配置されている半導体モジュール２ｂ，２ｃが冷却される。

また、半導体装置１は、上述した第１冷却器３以外に、第２冷却器７を備えており、第２冷却器７は、図３、図４に示すように、放熱フィン７１ａ〜７１ｅと、導入パイプ７２と、排出パイプ７３とを有している。上述した第１冷却器３と同様に、第２冷却器７において、冷媒は、連続的に、導入パイプ７２から第２冷却器７の冷媒流路内へと導入され、放熱フィン７１ａ〜７１ｅが形成された冷媒流路内を流れる。そして、同様に、第２冷却器７は、半導体モジュール２ａ〜２ｃから伝達された熱を、放熱フィン７１ａ〜７１ｅを介して、冷媒流路内を流れる冷媒に放熱することで、半導体モジュール２ａ〜２ｃを冷却する。なお、冷媒流路を通過した冷媒は、排出パイプ７３から排出される。

以上のように、本実施形態の半導体装置１では、第１冷却器３を構成する第２放熱体５において、互いに隣り合う放熱フィン４２ａ〜４２ｅ間、および放熱フィン４２ａ，４２ｅと該放熱フィン４２ａ，４２ｅに隣り合う第２接合部５２との間に挿入されるように、複数の凸部５１ａ〜５１ｆが形成されており、これにより、冷媒の流れを各第１放熱体４ａ〜４ｃの主面側に導くことができる。ここで、図９Ａ、図９Ｂは、冷媒流路内を流れる冷媒の流れのシミュレーション結果を示す図であり、図９Ａは、第１放熱体４ａに対向する領域に凸部５１ａ〜５１ｆが形成されている場合における冷媒流路内を流れる冷媒の流れのシミュレーション結果を示しており、図９Ｂは、第１放熱体４ａに対向する領域に凸部５１ａ〜５１ｆが形成されていない場合における冷媒流路内を流れる冷媒の流れのシミュレーション結果を示している。なお、図９Ａ、図９Ｂにおいては、シミュレーションの結果得られた冷媒の流れを矢印で表しており、冷媒の流れの速さを白黒の濃淡で表している。すなわち、冷媒の流れが速いほど、冷媒の流れは、濃い黒色の矢印で表される。また、図９Ａ、図９Ｂに示す断面部分は、図７に示す断面部分に相当する。

本実施形態のように、第１放熱体４ａに対向する領域に凸部５１ａ〜５１ｆが形成されている場合には、図９Ａに示すように、凸部５１ｄにより、冷媒の流れが第１放熱体４ａの主面側に導かれ、これにより、第１放熱体４ａの主面側における冷媒の流れが良好なものとなる。なお、図９Ａ中においては、複数の凸部５１ａ〜５１ｆのうち、凸部５１ｄを通る断面における冷媒の流れを示しているが、凸部５１ｄ以外の他の凸部５１ａ〜５１ｃ，５１ｅ，５１ｆを通る断面においても同様となる。

一方、図９Ｂに示すように、第１放熱体４ａに対向する領域に凸部５１ａ〜５１ｆが形成されていない場合には、第１放熱体４ａの主面側の冷媒の流れが、第１放熱体４ａに対向する第２放熱体５の主面側の冷媒の流れよりも遅くなる。これは、第１放熱体４ａの接合部４３と第２放熱体５の接合部５２との接合部分に段差が形成されており、この段差の影響により、第１放熱体４ａの主面側の冷媒の流れが抑制されるためである。

このように、第１放熱体４ａに対向する領域に凸部５１ａ〜５１ｆを形成することで、冷媒の流れを第１放熱体４ａの主面側に導くことができ、第１放熱体４ａの主面側の冷媒の流れを良好なものにすることができる。これにより、第１放熱体４ａを効率的に冷却することができ、その結果、半導体モジュール２ａを適切に冷却することができる。特に、本実施形態では、第２放熱体５の主面から突出した凸部５１ａ〜５１ｆを形成することで、第２放熱体５に凸部５１ａ〜５１ｆを形成していない場合と比べ、放熱フィン４２ａ〜４２ｅの高さを放熱するために十分な高さとしながら、冷媒の流れを第１放熱体４ａの主面側に良好に導くことができる。なお、冷媒流路のうち第１放熱体４ｂ，４ｃに対応する流路部分においても、第１放熱体４ｂ，４ｃに対向する領域に凸部５１ａ〜５１ｆをそれぞれ設けることで、同様に、半導体モジュール２ｂ，２ｃを適切に冷却することができる。

一方、本実施形態とは異なり、凸部５１ａ〜５１ｆを設けていない場合、互いに隣り合う放熱フィン４２ａ〜４２ｅ間、および放熱フィン４２ａ，４２ｅと該放熱フィン４２ａ，４２ｅに隣り合う第２接合部５２との間に形成される流路の広さは、放熱フィン４２ａ〜４２ｅの高さにより、決定されることとなる。そのため、凸部５１ａ〜５１ｆを設けていない場合、放熱フィン４２ａ〜４２ｅの高さを高くすると、流路の広さが広くなり、第１放熱体４ａ〜４ｃの主面側の冷媒の流れを良好なものにすることができない。また、凸部５１ａ〜５１ｆを設けていない場合に、流路の広さを狭くするため、放熱フィン４２ａ〜４２ｅの高さを低くすると、放熱フィン４２ａ〜４２ｅによる放熱が不十分なものとなってしまう。これに対して、本実施形態では、凸部５１ａ〜５１ｆを形成することで、放熱フィン４２ａ〜４２ｅの高さを放熱するために十分な高さとしながら、前記流路の広さを冷媒の流れが良好となる広さに制御することができる。これにより、第１放熱体４ａ〜４ｃの主面側の冷媒の流れを良好なものにすることができるため、第１放熱体４ａ〜４ｃを効率的に冷却することができ、その結果、半導体モジュール２ａ〜２ｃを適切に冷却することができる。

また、本実施形態では、半導体モジュール２ａ〜２ｃが配置される部分の流路の広さを冷媒の流れが良好となる広さとしながら、放熱フィン４２ａ〜４２ｅの高さを高くすることができる。これにより、放熱フィン４２ａ〜４２ｅの放熱面積を大きくすることができるため、放熱フィン４２ａ〜４２ｅをより効率的に冷却でき、その結果、各第１放熱体４ａ〜４ｃに配置される各半導体モジュール２ａ〜２ｃをより適切に冷却することができる。さらに、放熱フィン４２ａ〜４２ｅの高さを高くすることで、放熱フィン４２ａ〜４２ｅの熱容量を大きくすることもできるため、例えば、短時間（例えば、数秒から１０秒程度）に大きな電流を半導体モジュール２ａ〜２ｃに通電し、半導体モジュール２ａ〜２ｃの発熱量が一時的に急速に増大した場合においても、放熱フィン４２ａ〜４２ｅがより多くの熱を蓄えることができ、半導体モジュール２ａ〜２ｃの温度上昇を適切に抑制することができる。

さらに、本実施形態では、各凸部５１ａ〜５１ｆに、冷媒の流れ方向（Ｘ方向）に傾斜する傾斜面５１１，５１２が形成されている。この傾斜面５１１に沿って冷媒が流れることにより、各凸部５１ａ〜５１ｆに向かって流れる冷媒の流れを、第１放熱体４ａ〜４ｃの主面側まで、良好に導くことができる。

≪第２実施形態≫
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。図１０は、第２実施形態に係る半導体装置１ａの断面図であり、図１０中においては、第１冷却器３ａを構成する３つの第１放熱体４ａ〜４ｃのうち、第１放熱体４ａを通る断面を示している。第２実施形態に係る半導体装置１ａは、以下に説明する以外は第１実施形態の半導体装置１と同様の構成と作用を有し、その重複する説明は省略する。

第２実施形態に係る半導体装置１ａは、図１０に示すように、Ｙ方向に所定の間隔で配列された複数の凸部５４ａ〜５４ｆを有しており、これらの凸部５４ａ〜５４ｆは、第１実施形態と同様に、互いに隣り合う放熱フィン４２ａ〜４２ｅ間、および放熱フィン４２ａ，４２ｅと該放熱フィン４２ａ，４２ｅに隣り合う第２接合部５２との間に挿入されるように形成されている。

さらに、凸部５４ａ〜５４ｆは、図１０に示すように、半導体モジュール２ａからの距離が近いほど、高さが低く形成されており、この点において、第１実施形態と異なる。ここで、各凸部５４ａ〜５４ｆの高さは、第２放熱体５ａの基準面（第１放熱体４ａに対向する第２放熱体５ａの主面に平行な任意の面であり、図１０においてはその一例を示す。）から、各凸部５４ａ〜５４ｆの頂部までの突出高さをいう。すなわち、図１０に示すように、半導体モジュール２ａからの距離が複数の凸部５４ａ〜５４ｆのうち最も近い凸部５４ｃ，５４ｄの高さｈ１は、半導体モジュール２ａからの距離が凸部５４ｃ，５４ｄの次に近い凸部５４ｂ，５４ｅの高さｈ２より低くなっており、同様に、半導体モジュール２ａからの距離が凸部５４ｃ，５４ｄの次に近い凸部５４ｂ，５４ｅの高さｈ２は、半導体モジュール２ａからの距離が凸部５４ｂ，５４ｅの次に近い凸部５４ａ，５４ｆの高さｈ３より低くなっている。なお、図１０は、上述したように、第１放熱体４ａを通る断面図であるため、第２放熱体５ａのうち第１放熱体４ａと組み合わされている部分を示しているが、第２放熱体５ａのうち他の第１放熱体４ｂ，４ｃと組み合わされている部分においても、同様の構成となっている。

第２実施形態によれば、上述した第１実施形態の効果に加え、以下の効果を奏する。すなわち、半導体装置１ａの第１冷却器３ａにおいては、凸部５４ａ〜５４ｆは、各半導体モジュール２ａ〜２ｃからの距離が近いほど、高さが低く形成されているため、図１０に示すように、複数の放熱フィン４２ａ〜４２ｅのうち各半導体モジュール２ａ〜２ｃからの距離が近い放熱フィンほど、放熱面積が大きくなる。そのため、各半導体モジュール２ａ〜２ｃからの距離が近い放熱フィンほど効率よく冷却することができ、これにより、半導体モジュール２ａ〜２ｃをより適切に冷却することができる。

さらに、第２実施形態の半導体装置１ａでは、凸部５４ａ〜５４ｆは、半導体モジュール２ａ〜２ｃからの距離が近いほど、高さが低く形成されている一方、半導体モジュール２ａ〜２ｃからの距離が遠いほど、高さが高く形成されている。このように、半導体モジュール２ａ〜２ｃからの距離に応じて、凸部５４ａ〜５４ｆの高さを変えることで、冷媒流路の広さを適切に制御することができ、第１放熱体４ａ〜４ｃの主面側の冷媒の流れを良好なものにすることができる。

≪第３実施形態≫
続いて、本発明の第３実施形態について説明する。図１１は、第３実施形態に係る半導体装置１ｂを示す断面図であり、図１１中においては、第１冷却器３ｂを構成する３つの第１放熱体４ａ〜４ｃのうち、第１放熱体４ａを通る断面を示している。第３実施形態に係る半導体装置１ｂは、以下に説明する以外は第１実施形態の半導体装置１と同様の構成と作用を有し、その重複する説明は省略する。

第３実施形態の半導体装置１ｂは、図１１に示すように、Ｙ方向に所定の間隔で配列された複数の放熱フィン４５ａ〜４５ｅおよび複数の凸部５５ａ〜５５ｆを有しており、これらの凸部５５ａ〜５５ｆは、第１実施形態と同様に、互いに隣り合う放熱フィン４５ａ〜４５ｅ間、および放熱フィン４５ａ，４５ｅと該放熱フィン４５ａ，４５ｅに隣り合う第２接合部５２との間に挿入されるように形成されている。また、複数の凸部５５ａ〜５５ｆは、第２実施形態と同様に、半導体モジュール２ａからの距離が近いほど、高さが低く形成されている。

一方、第３実施形態では、複数の放熱フィン４５ａ〜４５ｅは、図１１に示すように、半導体モジュール２ａからの距離が近いほど、高さが高く形成されている。ここで、放熱フィン４５ａ〜４５ｅの高さとは、第１放熱体４ａ〜４ｃの基準面（第２放熱体５ｂに対向する第１放熱体４ａ〜４ｃの主面に平行な任意の面であり、図１１においてはその一例を示す。）から、放熱フィン４５ａ〜４５ｅの頂部までの突出高さをいう。すなわち、図１１に示すように、半導体モジュール２ａからの距離が複数の放熱フィン４５ａ〜４５ｅのうち最も近い放熱フィン４５ｃの高さｈ４は、半導体モジュール２ａからの距離が放熱フィン４５ｃの次に近い放熱フィン４５ｂ，４５ｄの高さｈ５より高くなっており、同様に、半導体モジュール２ａからの距離が放熱フィン４５ｃの次に近い放熱フィン４５ｂ，４５ｄの高さｈ５は、半導体モジュール２ａからの距離が放熱フィン４５ｂ，４５ｄの次に近い放熱フィン４５ａ，４５ｅの高さｈ６より高くなっている。なお、図１１は、上述したように、第１放熱体４ａを通る断面図であるため、第２放熱体５ｂのうち第１放熱体４ａと組み合わされている部分を示しているが、第２放熱体５ｂのうち他の第１放熱体４ｂ，４ｃと組み合わされている部分においても、同様の構成となっている。

第３実施形態によれば、上述した第１実施形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。すなわち、半導体装置１ｂの第１冷却器３ｂにおいては、凸部５５ａ〜５５ｆが、半導体モジュール２ａ〜２ｃからの距離が近いほど、高さが低く形成されていることに加えて、放熱フィン４５ａ〜４５ｅが、半導体モジュール２ａ〜２ｃからの距離が近いほど、高さが高く形成されている。これにより、半導体モジュール２ａ〜２ｃからの距離が近い放熱フィン４５ａ〜４５ｅほど、放熱面積をより大きくすることができるため、半導体モジュール２ａ〜２ｃからの距離が近い放熱フィンをより効率的に冷却することができ、これにより、半導体モジュール２ａ〜２ｃをより適切に冷却することができる。

さらに、第３実施形態では、第２実施形態と同様に、凸部５５ａ〜５５ｆが、各半導体モジュール２ａ〜２ｃからの距離が近いほど、高さが低く形成されている一方、半導体モジュール２ａ〜２ｃからの距離が遠いほど、高さが高く形成されているため、冷媒流路の広さを適切な広さに制御することができ、第１放熱体４ａ〜４ｃの主面側の冷媒の流れを良好なものにすることができる。

≪第４実施形態≫
続いて、本発明の第４実施形態について説明する。図１２は、第４実施形態に係る半導体装置１ｃを示す断面図である。第４実施形態に係る半導体装置１ｃは、以下に説明する以外は第１実施形態の半導体装置１と同様の構成と作用を有し、その重複する説明は省略する。

第４実施形態の半導体装置１ｃでは、第２放熱体５ｃが、図１２に示すように、３つの第１放熱体４ａ〜４ｃのうち第１放熱体４ｃに対向する領域のみに凸部５１ａ〜５１ｆを有する構成となっている。ここで、上述したように、冷媒は、導入パイプ３１から冷媒流路内に導入され、冷媒流路内を流れ、排出パイプ３２から排出される。そのため、第１放熱体４ｃは、３つの第１放熱体４ａ〜４ｃのうち、冷媒の流れ方向の最も下流側に配置されており、凸部５１ａ〜５１ｆは、冷媒の流れ方向の最も下流側に配置されている第１放熱体４ｃに対向する領域のみに形成されていることとなる。

ここで、図１３は、図１２に示す半導体装置１ｃにおいて、冷媒の流れ方向に沿って配置された半導体モジュール２ａ〜２ｃの温度と半導体モジュール２ａ〜２ｃ近傍の冷媒の温度との関係を説明するグラフである。図１３においては、横軸に冷媒流路の冷媒導入部分からの冷媒の流れ方向の距離をとっており、その距離が大きいほど冷媒の流れ方向の下流側となる。また、図１３においては、冷媒の流れ方向に沿って配置された半導体モジュール２ａ〜２ｃの温度をそれぞれＴ_２ａ，Ｔ_２ｂ，Ｔ_２ｃ（図１３の実線の黒丸）で表し、各半導体モジュール２ａ〜２ｃ近傍の冷媒の温度をそれぞれＴ_Ｗａ，Ｔ_Ｗｂ，Ｔ_Ｗｃ（図１３の実線の白丸）で表し、第１放熱体４ｃに対向する領域に凸部５１ａ〜５１ｆを設けていない場合の半導体モジュール２ｃの温度をＴ_２ｃ’（図１３の破線の白丸）で表している。

冷媒が冷媒流路を上流側から下流側へと流れる際に、冷媒が、第１放熱体４ａ、第１放熱体４ｂ、第１放熱体４ｃの順に、各第１放熱体４ａ〜４ｃの放熱フィン４２ａ〜４２ｅと熱交換を行うことで、冷媒の温度（Ｔ_Ｗａ，Ｔ_Ｗｂ，Ｔ_Ｗｃ）は、図１３に示すように、冷媒の流れ方向の下流側になるほど上昇することとなる。

本実施形態においては、冷媒の流れ方向の下流側に配置された第１放熱体４ｃに対向する領域に、凸部５１ａ〜５１ｆが形成されている。そのため、上述したように、冷媒の流れを第１放熱体４ｃの主面側に良好に導くことができ、第１放熱体４ｃの主面側の冷媒の流れを良好なものとすることができる。これにより、冷媒の温度が上昇してしまう下流側に配置された第１放熱体４ｃにおいても、冷媒により第１放熱体４ｃを効率良く冷却することができ、第１放熱体４ｃに配置された半導体モジュール２ｃを適切に冷却することができる。その結果、冷媒の温度が上昇してしまう下流側においても、図１３に示すように、半導体モジュール２ｃの温度Ｔ_２ｃの上昇を有効に抑制することができる。

一方、第１放熱体４ｃに対向する領域に凸部５１ａ〜５１ｆが形成されていない場合は、上述したように、第１放熱体４ｃの主面側の冷媒の流れが抑制されるため、冷媒により、第１放熱体４ｃを効率良く冷却することができず、図１３に示すように、半導体モジュール２ｃの温度Ｔ_２ｃ’は、冷媒の温度の上昇にともない高くなることとなる。

これに対して、本実施形態では、第１放熱体４ｃに対向する領域に凸部５１ａ〜５１ｆを形成することで、上述した第１実施形態の効果に加え、冷媒の温度が上昇してしまう下流側においても、図１３に示すように、半導体モジュール２ｃの温度Ｔ_２ｃの上昇を有効に抑制するという効果を奏することができる。

さらに、本実施形態では、図１２に示すように、第１冷却器３を構成する３つの第１放熱体４ａ〜４ｃのうち第１放熱体４ｃに対向する領域のみに凸部５１ａ〜５１ｆを形成するものであるため、冷媒流路のうち凸部５１ａ〜５１ｆを形成していない第１放熱体４ａ，４ｂに対応する流路部分を比較的広くすることができる。そして、その結果として、第１冷却器３全体としての圧力損失を抑えることができる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

例えば、上述した実施形態においては、３つの半導体モジュール２ａ〜２ｃを、２つの冷却器３，７で冷却する半導体装置１を例示したが、半導体装置１が備える半導体モジュールの数は特に限定されず、例えば、インバータ装置に用いられる半導体装置においては、６つの半導体モジュールを備える構成としてもよい。あるいは、単一の半導体モジュールを冷却器３，７で冷却する構成としてもよく、その場合には、第１冷却器３を、単一の第１放熱体と単一の第２放熱体とを組み合わせてなるものとすることができる。

また、上述した実施形態では、第１冷却器３と第２冷却器７とを半導体モジュール２ａ〜２ｃの両主面に配置し、半導体モジュール２ａ〜２ｃを両側から冷却する半導体装置１を例示したが、半導体装置１の構成はこれに限定されず、例えば、第２冷却器７を第１冷却器３と同様の構成としてもよいし、または、半導体モジュール２ａ〜２ｃの片面のみを１つの第１冷却器３で冷却する構成としてもよい。

さらに、上述した実施形態では、互いに隣り合う放熱フィン４２ａ〜４２ｅ間および放熱フィン４２ａ，４２ｅと該放熱フィン４２ａ，４２ｅに隣り合う第２接合部５２との間の全ての隙間に挿入されるように、複数の凸部５１ａ〜５１ｆを形成する構成を例示したが、この構成に限定されるものではなく、一部の隙間のみに挿入されるように、凸部を形成する構成としてもよい。例えば、互いに隣り合う放熱フィン４２ａ〜４２ｅ間のみに挿入されるように、凸部５１ｂ〜５１ｅのみを形成する構成としてもよいし、または、半導体モジュール２ａ〜２ｃの直下に位置する凸部５１ｃ，５１ｄのみを形成する構成としてもよい。

また、上述した第４実施形態では、第２放熱体５ｃにおいて、冷媒の流れ方向の最も下流側に配置される第１放熱体４ｃに対向する領域のみに凸部５１ａ〜５１ｆを形成する構成を例示したが、凸部５１ａ〜５１ｆが形成される領域はこれに限定されず、例えば、第１放熱体４ｃに対向する領域に加え、第１放熱体４ｂに対向する領域にも、凸部５１ａ〜５１ｆを形成する構成としてもよい。また、第１放熱体４ｂ、４ｃに対向する領域に凸部を形成する場合、第１放熱体４ｂおよび／または第１放熱体４ｃに対向する領域に形成した凸部を、第２実施形態に係る凸部５４ａ〜５４ｆとしてもよいし、第３実施形態に係る凸部５５ａ〜５５ｆとしてもよい。また、第１放熱体４ｂ、４ｃに対向する領域に凸部を形成する場合、例えば、第１放熱体４ｂに対向する領域に形成する凸部を、第１放熱体４ｃに対向する領域に形成する凸部よりも、高さが低くなるように形成してもよい。

なお、上述した実施形態の半導体素子２１，２２は本発明の発熱素子に、放熱フィン４２ａ〜４２ｅ，４５ａ〜４５ｅは本発明の第１凸部に、第１放熱体４ａ〜４ｃの接合部４３は本発明の第１接合部に、凸部５１ａ〜５１ｆ，５４ａ〜５４ｅ，５５ａ〜５５ｅは本発明の第２凸部に、第２放熱体５，５ａ，５ｂ，５ｃの接合部５２は本発明の第２接合部にそれぞれ相当する。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ…半導体装置
２ａ〜２ｃ…半導体モジュール
２１，２２…半導体素子
２３，２４…はんだ層
２５，２６…電極
２７，２８…電極端子
３，３ａ，３ｂ，３ｃ…第１冷却器
４ａ〜４ｃ…第１放熱体
４１…放熱部
４２ａ〜４２ｅ，４５ａ〜４５ｅ…放熱フィン
４３…接合部
４４…接合面
５，５ａ，５ｂ，５ｃ…第２放熱体
５１ａ〜５１ｆ，５４ａ〜５４ｅ，５５ａ〜５５ｅ…凸部
５１１，５１２…傾斜面
５２…接合部
５３…接合面
６…シール部材
７…第２冷却器

Claims (6)

1. 発熱素子が配置される主面と、複数の第１凸部を備える放熱部および該放熱部を周囲する第１接合部が形成された他の主面と、を有する第１放熱体と、
   前記第１接合部の接合面に接合される接合面を有する第２接合部を有し、前記第１接合部に前記第２接合部を接合して前記第１放熱体と組み合わせることで、前記放熱部を受容して冷媒流路を形成する第２放熱体と、を備える発熱素子の冷却装置であって、
   前記第２放熱体は、少なくとも互いに隣り合う前記第１凸部間に挿入される第２凸部を有することを特徴とする発熱素子の冷却装置。
2. 請求項１に記載の発熱素子の冷却装置であって、
   前記第２放熱体は、前記第２凸部を複数有し、
   前記複数の第２凸部のうち一部は、前記第１凸部と該第１凸部に隣り合う前記第２接合部との間に挿入されるように形成されていることを特徴とする発熱素子の冷却装置。
3. 請求項１または２に記載の発熱素子の冷却装置であって、
   前記第２凸部は、前記発熱素子からの距離が近いほど、高さが低く形成されていることを特徴とする発熱素子の冷却装置。
4. 請求項３に記載の発熱素子の冷却装置であって、
   前記第１凸部は、前記発熱素子からの距離が近いほど、高さが高く形成されていることを特徴とする発熱素子の冷却装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の発熱素子の冷却装置であって、
   冷媒の流れ方向に沿って配置された複数の前記第１放熱体と、前記第２放熱体とが組み合わせされてなり、
   前記第２凸部は、前記複数の第１放熱体のうち少なくとも前記冷媒の流れ方向の下流側に配置された前記第１放熱体に対向する領域に形成されていることを特徴とする発熱素子の冷却装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の発熱素子の冷却装置であって、
   前記第２凸部には、前記冷媒の流れ方向に傾斜する傾斜面が形成されていることを特徴とする発熱素子の冷却装置。

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