JP2016006826A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒流路での冷媒の圧力損失を低く抑えつつ、半導体素子の冷却の均等化を図った半導体モジュールを提供する。
【解決手段】金属板２２と、金属板２２の一方の面上に互いに隙間３０を空けて配置される第１の半導体チップ及び第２の半導体チップと、金属板２２の他方の面に接するように設けられた、冷媒が流れる冷媒流路と、を備える半導体モジュール２０において、冷媒流路は、第１の半導体チップ側から上記隙間３０側へ向けて冷媒が流れる第１の流路と、第２の半導体チップ側から隙間３０側へ向けて冷媒が流れる第２の流路と、金属板２２を介して隙間３０に対向する位置に設けられた、流出口４４に連通する出口側チャンバ５２と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールに係り、特に、金属板と、金属板の一方の面上に互いに隙間を空けて配置される第１の半導体チップ及び第２の半導体チップと、金属板の他方の面に接するように設けられた、冷媒が流れる冷媒流路と、を備える半導体モジュールに関する。

従来、半導体素子を搭載する半導体モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。この半導体モジュールは、ベースプレートと、ベースプレートの一方の面上に載置される複数（具体的には６つ）の基板と、を備えている。各基板上には、スイッチング素子及びダイオード素子などの半導体素子が配置されている。ベースプレートの一方の面上に載置される基板の配置は、２つの基板が所定方向に隙間を空けて並びつつ、複数（具体的には３つ）の基板がその所定方向に直交する直交方向に隙間を空けて並ぶようになされている。

また、上記の半導体モジュールは、ベースプレートの他方の面に接するように設けられた冷媒流路を備えている。冷媒流路は、上記所定方向に並んだ２つの基板のうち一方の基板側に設けられた流入口と、他方の基板側に設けられた流出口と、を有している。この冷媒流路では、冷媒は、上記所定方向に並んだ２つの基板のうち一方の基板側から他方の基板側へ向けて一方的に流れる。

特開２００８−２９４０６７号公報

しかしながら、上記の如く、冷媒流路が、所定方向に並んだ２つの基板のうち一方の基板側から他方の基板側へ向けて一方的に冷媒が流れるように形成された構造では、流入口から流入した冷媒が一方の基板上の半導体素子を冷やした後に他方の基板上の半導体素子を冷やすため、他方の基板上の半導体素子が冷却され難くなる。また、上記の構造では、流入口から流出口までの距離が比較的長いので、他方の基板上の半導体素子を適切に冷却するのに流入口での冷媒圧力を高くすることが有効となるが、しかし、流入口での冷媒圧力を高くすると、冷媒流路内の圧力損失が大きくなってしまう。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、冷媒流路での冷媒の圧力損失を低く抑えつつ、半導体素子の冷却の均等化を図ることが可能な半導体モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、金属板と、前記金属板の一方の面上に互いに隙間を空けて配置される第１の半導体チップ及び第２の半導体チップと、前記金属板の他方の面に接するように設けられた、冷媒が流れる冷媒流路と、を備え、前記冷媒流路は、前記第１の半導体チップ側から前記隙間側へ向けて冷媒が流れる第１の流路と、前記第２の半導体チップ側から前記隙間側へ向けて冷媒が流れる第２の流路と、前記金属板を介して前記隙間に対向する位置に設けられた、流出口に連通する出口側チャンバと、を有する半導体モジュールである。

本発明によれば、冷媒流路での冷媒の圧力損失を低く抑えつつ、半導体素子の冷却の均等化を図ることができる。

本発明の第１実施例である半導体モジュールの構成図である。 本発明の第１実施例である半導体モジュールの平面図及び断面図である。 本発明の変形例である半導体モジュールの構成図である。 図３に示す変形例である半導体モジュールの平面図及び断面図である。 本発明の第２実施例である半導体モジュールの構成図である。 本発明の第２実施例である半導体モジュールの平面図及び断面図である。 本発明の変形例である半導体モジュールの構成図である。 図７に示す変形例である半導体モジュールの平面図及び断面図である。 本発明の変形例である半導体モジュールの平面図である。 本発明の変形例である半導体モジュールの平面図である。 本発明の変形例である半導体モジュールの構成図である。

以下、図面を用いて、本発明に係る半導体モジュールの具体的な実施の形態について説明する。

図１は、本発明の第１実施例である半導体モジュール２０の構成図を示す。尚、図１には、金属板がケースから分離されている場合の斜視図を示す。また、図２は、本実施例の半導体モジュール２０の平面図及び断面図を示す。尚、図２（Ａ）には半導体モジュール２０を上方から見た際の平面図（透視図）を、図２（Ｂ）には半導体モジュール２０を図２（Ａ）に示すＡ−Ａで切断した際の断面図を、また、図２（Ｃ）には半導体モジュール２０を図２（Ａ）に示すＢ−Ｂで切断した際の断面図を、それぞれ示す。

本実施例の半導体モジュール２０は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載されており、直流バッテリとモータとの間で電力変換を行うインバータ装置や昇圧又は降圧コンバータ装置などの電力変換装置に適用される。

半導体モジュール２０は、平板状に形成されたベースプレートである金属板２２を備えている。金属板２２は、熱伝導性の比較的良い材料により構成されている。金属板２２上には、モータの各相に対応して複数の基板２４が載置されている。基板２４は、モータが三相交流モータである場合は、上アーム及び下アームそれぞれに３つずつ（合計６個）設けられる。以下、基板２４は６個設けられているものとする。また適宜、上アームの基板２４を基板２４Ｕと、下アームの基板２４を基板２４Ｄと、それぞれ称す。

半導体モジュール２０は、また、共に半導体素子であるスイッチング素子２６及びダイオード素子２８を備えている。スイッチング素子２６及びダイオード素子２８は共に、半導体チップにより構成されている。各基板２４にはそれぞれ、スイッチング素子２６及びダイオード素子２８が一つずつ配置されている。スイッチング素子２６とダイオード素子２８とは、回路構成上、互いに並列接続されている。スイッチング素子２６は、ＩＧＢＴなどのパワー素子であって、制御装置から指令に従って、当該相に流れる電流を生成すべくスイッチング駆動される。

上アームの３つの基板２４Ｕは、金属板２２の一方の面（表面）上に第１方向Ｘに並んで載置されている。また、下アームの３つの基板２４Ｄは、金属板２２の表面上に上記第１方向Ｘに並んで載置されている。上アームの基板２４Ｕと下アームの基板２４Ｄとは、金属板２２の表面上に上記第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに隙間３０を空けて配置されている。

上アームの各基板２４Ｕには、スイッチング素子２６とダイオード素子２８とが上記第２方向Ｙに並んで配置されている。また、下アームの各基板２４Ｄには、スイッチング素子２６とダイオード素子２８とが上記第２方向Ｙに並んで配置されている。各基板２４において、スイッチング素子２６は第２方向Ｙの隙間３０から遠い側に配置されると共に、ダイオード素子２８は第２方向Ｙの隙間３０から近い側に配置される。隙間３０は、上アームの基板２４Ｕ上の半導体素子と下アームの基板２４Ｄ上の半導体素子との絶縁距離を確保するために必要な距離に設定されている。

金属板２２の、基板２４が載置される表面とは反対側の他方の面（裏面）には、冷却フィン３２が一体に設けられている。冷却フィン３２は、金属板２２の裏面から突起する部位を有し、後述の冷媒との間で熱交換を促進させる形状及び機能を有している。冷却フィン３２は、その金属板２２の裏面に、金属板２２の表面に載置される基板２４（特に、半導体素子２６，２８（更に、特に、発熱し易いスイッチング素子２６））が占める領域に対応して設けられており、具体的には、その金属板２２の裏面の略全域に亘って設けられている。

半導体モジュール２０は、また、水などの冷媒が流れる冷媒流路３４を備えている。冷媒流路３４は、金属板２２の裏面に接するように設けられている。半導体モジュール２０は、スイッチング素子２６及びダイオード素子２８がそれぞれ配置された６つの基板２４を載置した金属板２２が方形枡形のケース３６に取り付けられることにより構成される。冷媒流路３４は、金属板２２の裏面とケース３６との間に形成される。金属板２２の裏面に設けられる冷却フィン３２は、その突起先端が、金属板２２がケース３６に取り付けられた状態でケース３６の底面に接するように形成されている。冷媒流路３４を流れる冷媒は、冷却フィン３２との間で熱交換を行うことにより、金属板２２の表面側にあるスイッチング素子２６及びダイオード素子２８を冷却する。

ケース３６には、冷媒が流入する２つの流入口４０，４２と、冷媒が流出する一つの流出口４４と、が設けられている。流入口４０，４２及び流出口４４はそれぞれ、略円形状の穴である。流入口４０，４２には、流入配管４６，４８が連通しており、流入配管４６，４８内を流れた冷媒が流入する。流入配管４６，４８は、同じ冷媒溜りに連通する配管であって、分岐点で分岐されたものである。流出口４４には、流出配管５０が連通している。流出口４４から流出した冷媒は、流出配管５０内を流れて排出される。

流入口４０は、ケース３６の底面の、金属板２２の表面に載置される上アームの基板２４Ｕが占める領域に対応したその基板２４Ｕに対向する対向位置に設けられている。流入口４０が設けられるその対向位置は、ケース３６の底面の、第２方向Ｙにおける上アームの基板２４Ｕのスイッチング素子２６側すなわちケース３６の方形枡形の側壁に近い側であって、かつ、第１方向Ｘにおける略中央である。

流入口４２は、ケース３６の底面の、金属板２２の表面に載置される下アームの基板２４Ｄが占める領域に対応したその基板２４Ｄに対向する対向位置に設けられている。流入口４２が設けられるその対向位置は、ケース３６の底面の、第２方向Ｙにおける下アームの基板２４Ｄのスイッチング素子２６側すなわちケース３６の方形枡形の側壁に近い側であって、かつ、第１方向Ｘにおける略中央である。

また、流出口４４は、ケース３６の底面の、金属板２２の表面に載置される上アームの基板２４Ｕと下アームの基板２４Ｄとの間の隙間３０が占める領域に対応したその隙間３０に対向する対向位置に設けられている。流出口４４が設けられるその対向位置は、ケース３６の底面の、第２方向Ｙにおける略中央であって、かつ、第１方向Ｘにおける略中央である。

上記構造において、流入配管４６から流入口４０に流入した冷媒は、ケース３６と金属板２２の裏面との間を、上アームの基板２４Ｕのスイッチング素子２６側から隙間３０側へ向けて流れた後、流出口４４から流出配管５０へ排出される。金属板２２の表面上の基板２４Ｕの半導体素子２６，２８は、流入配管４６から流入口４０に流入した冷媒が金属板２２の裏面の冷却フィン３２との間で熱交換を行うことにより冷却される。

また、流入配管４８から流入口４２に流入した冷媒は、ケース３６と金属板２２の裏面との間を、下アームの基板２４Ｄのスイッチング素子２６側から隙間３０側へ向けて流れた後、流出口４４から流出配管５０へ排出される。金属板２２の表面上の基板２４Ｄの半導体素子２６，２８は、流入配管４８から流入口４２に流入した冷媒が金属板２２の裏面の冷却フィン３２との間で熱交換を行うことにより冷却される。

すなわち、金属板２２の裏面とケース３６との間の冷媒流路３４は、流入配管４６に連通する、上アームの基板２４Ｕのスイッチング素子２６側から隙間３０側へ向けて冷媒が流れる第１の流路３４ａと、流入配管４８に連通する、下アームの基板２４Ｄのスイッチング素子２６側から隙間３０側へ向けて冷媒が流れる第２の流路３４ｂと、を有している。

冷媒流路３４は、また、流出口４４に連通する出口側チャンバ５２を有している。出口側チャンバ５２は、流出口４４を介して流出配管５０へ排出する冷媒を溜める部位であって、流路断面積の比較的大きい部位である。ケース３６の底面には、溝５４が設けられている。溝５４は、金属板２２の表面に載置される上アームの基板２４Ｕと下アームの基板２４Ｄとの間の隙間３０が占める領域に対応して、その隙間３０に沿って第１方向Ｘに延びるように形成されている。上記の出口側チャンバ５２は、溝５４により形成されており、隙間３０に沿って第１方向Ｘに延びている。

このように、本実施例の半導体モジュール２０においては、金属板２２の裏面とケース３６との間の冷媒流路３４が、流入配管４６に連通する第１の流路３４ａと、流入配管４８に連通する第２の流路３４ｂと、を有する。第１の流路３４ａでは、冷媒は、上アームの基板２４Ｕのスイッチング素子２６側から隙間３０側へ向けて流れる。また、第２の流路３４ｂでは、冷媒は下アームの基板２４Ｄのスイッチング素子２６側から隙間３０側へ向けて流れる。

かかる構造によれば、第２方向Ｙに並んだ２つの基板２４Ｕ，２４Ｄの半導体素子２６，２８（特に、スイッチング素子２６）へそれぞれ独立して流入配管４６，４８から冷媒が供給されるので、金属板２２の表面上の基板２４Ｕ，２４Ｄの双方それぞれに向けて冷たい冷媒を供給することができ、それらの基板２４Ｕ，２４Ｄの半導体素子２６，２８を効率的にかつ確実に冷却することができる。このため、本実施例の構成によれば、第２方向Ｙに並んだ２つの基板２４Ｕ，２４Ｄの半導体素子２６，２８へ一つの流入配管から冷媒が供給される構成とは異なり、金属板２２の表面上の第２方向Ｙに並ぶ基板２４Ｕ側と基板２４Ｄ側とで半導体素子２６，２８の冷却の均等化を図ることができる。

また、上記の構造によれば、冷媒流路３４に連通する流入配管４６，４８が二つ設けられるので、冷媒流路に連通する流入配管が一つしか設けられていない構造と比べて、流入口４０，４２から流出口４４までの距離を短く（具体的には、半分に）することができる。このため、本実施例の構成によれば、冷媒流路に連通する流入配管が一つしか設けられていない構造と異なり、金属板２２の表面上のすべての半導体素子２６，２８を適切に冷却するのに流入口４０，４２での冷媒圧力を高くすることは不要であるので、冷媒流路３４での冷媒の圧力損失を低く抑えることができる。

また、本実施例の半導体モジュール２０においては、冷媒流路３４が、流出口４４に連通する、隙間３０に沿って第１方向Ｘに延びる出口側チャンバ５２を有する。かかる構造によれば、出口側チャンバ５２で冷却フィン３２を通過した冷媒を所定量まで溜めることができ、半導体素子２６，２８との熱交換により温められた冷媒が冷却フィン３２に接した状態で滞留するのを抑制することができる。このため、本実施例の構成によれば、かかる出口側チャンバ５２が設けられていない構造に比べて、冷媒流路３４での冷媒の圧力損失を低く抑えることができると共に、基板２４Ｕ，２４Ｄの半導体素子２６，２８の冷却を効率的にかつ確実に行うことができる。

また、上記の出口側チャンバ５２は、金属板２２の表面上で上アームの３つの基板２４Ｕが並びかつ下アームの３つの基板２４Ｄが並ぶ第１方向Ｘに延びているので、第１の流路３４ａで冷媒が流入口４０から流出口４４へ向けて流れかつ第２の流路３４ｂで冷媒が流入口４２から流出口４４へ向けて流れる第２方向Ｙに直交する方向に延びている。このため、本実施例の構成によれば、流入口４０から第１の流路３４ａに流入した冷媒及び流入口４２から第２の流路３４ｂに流入した冷媒を共に、冷媒流路３４内で第１方向Ｘ全域に亘って延ばした状態で流通させて出口側チャンバ５２に回収することができるので、金属板２２の表面上で第１方向Ｘに延びる上アームの３つの基板２４Ｕの半導体素子２６，２８を均等に冷却することができると共に、金属板２２の表面上で第１方向Ｘに延びる下アームの３つの基板２４Ｄの半導体素子２６，２８を均等に冷却することができる。

また、上記の出口側チャンバ５２は、金属板２２の表面上で、上アームの基板２４Ｕや下アームの基板２４Ｄが設けられていない隙間３０に沿って第１方向Ｘに延びている。かかる構造においては、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙそれぞれに直交する方向から半導体モジュール２０を見た場合に、平面上で基板２４と出口側チャンバ５２とが互いに重ならないので、基板２４の半導体素子２６，２８の直下で冷媒と冷却フィン３２とが熱交換し難くなるのを回避することができる。このため、本実施例によれば、平面上で基板２４と出口側チャンバ５２とが互いに重なる構造と比べて、基板２４の半導体素子２６，２８が温度上昇し易くなるのを抑制することができる。

更に、本実施例においては、冷媒との間で熱交換を行う冷却フィン３２は、金属板２２の裏面の略全域に亘って設けられている。このため、本実施例によれば、冷却フィン３２と冷媒との間の熱交換を行う性能を最大なものとすることができるので、金属板２２の表面上の基板２４Ｕ，２４Ｄの半導体素子の冷却を効率的に行うことができる。

尚、上記の第１実施例においては、スイッチング素子２６及びダイオード素子２８が特許請求の範囲に記載した「第１の半導体チップ」及び「第２の半導体チップ」に、ケース３６が特許請求の範囲に記載した「流路形成体」に、それぞれ相当している。

ところで、上記の第１実施例においては、ケース３６の底面に、隙間３０に沿って第１方向Ｘに延びる溝５４を設け、この溝５４により冷媒流路３４に流出口４４に連通する出口側チャンバ５２を形成することとしている。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、ケース３６の底面に、略円形状の流出口４４を複数（例えば、図３及び図４に示す例では、７個）設けつつ、それら複数の流出口４４を隙間３０に沿って第１方向Ｘに並べ、それら複数の流出口４４により冷媒流路３４に出口側チャンバ５２を形成することとしてもよい。尚、図３には、金属板がケースから分離されている場合の半導体モジュール２００の斜視図を示す。また、図４（Ａ）には本変形例の半導体モジュール２００を上方から見た際の平面図（透視図）を、また、図４（Ｂ）には半導体モジュール２００を図４（Ａ）に示すＡ−Ａで切断した際の断面図を、それぞれ示す。

かかる変形例においても、上記した第１実施例と同様の効果を得ることが可能である。例えば、出口側チャンバ５２で冷却フィン３２を通過した冷媒を所定量まで溜めることができ、半導体素子２６，２８との熱交換により温められた冷媒が冷却フィン３２に接した状態に滞留するのを抑制することができる。このため、本変形例の構成によれば、かかる出口側チャンバ５２が設けられていない構造に比べて、冷媒流路３４での冷媒の圧力損失を低く抑えることができると共に、基板２４Ｕ，２４Ｄの半導体素子２６，２８の冷却を効率的にかつ確実に行うことができる。

また、上記の変形例においては、出口側チャンバ５２を構成する複数の流出口４４が、金属板２２の表面上で上アームの３つの基板２４Ｕが並びかつ下アームの３つの基板２４Ｄが並ぶ第１方向Ｘに並んでおり、第１の流路３４ａで冷媒が流入口４０から流出口４４へ向けて流れかつ第２の流路３４ｂで冷媒が流入口４２から流出口４４へ向けて流れる第２方向Ｙに直交する方向に並んでいる。このため、本変形例の構成によれば、流入口４０から第１の流路３４ａに流入した冷媒や流入口４２から第２の流路３４ｂに流入した冷媒を、冷媒流路３４内で第１方向Ｘに延びた状態で流通させることができるので、金属板２２の表面上で第１方向Ｘに延びる上アームの３つの基板２４Ｕの半導体素子２６，２８を均等に冷却することができると共に、金属板２２の表面上で第１方向Ｘに延びる下アームの３つの基板２４Ｄの半導体素子２６，２８を均等に冷却することができる。

更に、上記の変形例においては、出口側チャンバ５２を構成する複数の流出口４４が、金属板２２の表面上で、上アームの基板２４Ｕや下アームの基板２４Ｄが設けられていない隙間３０に沿って第１方向Ｘに並んでいる。かかる構造においては、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙそれぞれに直交する方向から半導体モジュール２００を見た場合に、平面上で基板２４と出口側チャンバ５２とが互いに重ならないので、基板２４の半導体素子２６，２８の直下で冷媒と冷却フィン３２とが熱交換し難くなるのを回避することができる。このため、本変形例によれば、平面上で基板２４と出口側チャンバ５２とが互いに重なる構造と比べて、基板２４の半導体素子２６，２８が温度上昇し易くなるのを抑制することができる。

図５は、本発明の第２実施例である半導体モジュール１００の構成図を示す。尚、図５には、金属板がケースから分離された斜視図を示す。また、図６は、本実施例の半導体モジュール１００の平面図及び断面図を示す。尚、図６（Ａ）には半導体モジュール１００を上方から見た際の平面図（透視図）を、図６（Ｂ）には半導体モジュール１００を図６（Ａ）に示すＡ−Ａで切断した際の断面図を、また、図６（Ｃ）には半導体モジュール１００を図６（Ａ）に示すＢ−Ｂで切断した際の断面図を、それぞれ示す。

本実施例の半導体モジュール１００は、上記第１実施例の半導体モジュール２０において、出口側チャンバ５２に代えて出口側チャンバ１０８を用いることとしている。尚、図５及び図６において、上記図１及び図２に示す構成と同一の構成部分については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。

半導体モジュール１００は、金属板２２を備えている。金属板２２の裏面には、冷却フィン１０２が一体に設けられている。冷却フィン１０２は、金属板２２の裏面から突起する部位を有し、冷媒との間で熱交換を促進させる形状及び機能を有している。冷却フィン１０２は、その金属板２２の裏面に、金属板２２の表面に載置される基板２４（特に、半導体素子２６，２８（更に、特に、発熱し易いスイッチング素子２６））が占める領域に対応して設けられており、具体的には、隙間３０に対向する部位を除いて設けられている。すなわち、冷却フィン１０２は、上アームの基板２４Ｕに対応する冷却フィン１０２ａと、下アームの基板２４Ｄに対応する冷却フィン１０２ｂと、を有する。

半導体モジュール１００は、水などの冷媒が流れる冷媒流路１０４を備えている。冷媒流路１０４は、金属板２２の裏面に接するように設けられている。半導体モジュール１００は、スイッチング素子２６及びダイオード素子２８がそれぞれ配置された６つの基板２４を載置した金属板２２が方形枡形のケース１０６に取り付けられることにより構成される。冷媒流路１０４は、金属板２２の裏面とケース１０６との間に形成される。金属板２２の裏面に設けられる冷却フィン１０２は、その突起先端が、金属板２２がケース１０６に取り付けられた状態でケース１０６の底面に接するように形成されている。冷媒流路１０４を流れる冷媒は、冷却フィン１０２との間で熱交換を行うことにより、金属板２２の表面側にあるスイッチング素子２６及びダイオード素子２８を冷却する。

ケース１０６には、２つの流入口４０，４２と、一つの流出口４４と、が設けられている。流入配管４６から流入口４０に流入した冷媒は、ケース１０６と金属板２２の裏面との間を、上アームの基板２４Ｕのスイッチング素子２６側から隙間３０側へ向けて流れた後、流出口４４から流出配管５０へ排出される。金属板２２の表面上の基板２４Ｕの半導体素子２６，２８は、流入配管４６から流入口４０に流入した冷媒が金属板２２の裏面の冷却フィン１０２ａとの間で熱交換を行うことにより冷却される。また、流入配管４８から流入口４２に流入した冷媒は、ケース１０６と金属板２２の裏面との間を、下アームの基板２４Ｄのスイッチング素子２６側から隙間３０側へ向けて流れた後、流出口４４から流出配管５０へ排出される。金属板２２の表面上の基板２４Ｄの半導体素子２６，２８は、流入配管４８から流入口４２に流入した冷媒が金属板２２の裏面の冷却フィン１０２ｂとの間で熱交換を行うことにより冷却される。

すなわち、金属板２２の裏面とケース１０６との間の冷媒流路１０４は、流入配管４６に連通する、上アームの基板２４Ｕのスイッチング素子２６側から隙間３０側へ向けて冷媒が流れる第１の流路１０４ａと、流入配管４８に連通する、下アームの基板２４Ｄのスイッチング素子２６側から隙間３０側へ向けて冷媒が流れる第２の流路１０４ｂと、を有している。

冷媒流路１０４は、また、流出口４４に連通する出口側チャンバ１０８を有している。出口側チャンバ１０８は、流出口４４を介して流出配管５０へ排出する冷媒を溜める部位であって、流路断面積の比較的大きい部位である。上記の如く、冷却フィン１０２は、金属板２２の裏面に、隙間３０に対向する部位を除いて設けられている。出口側チャンバ１０８は、金属板２２の裏面の隙間３０に対向する部位に冷却フィン１０２が設けられていないことにより形成される空間部であって、隙間３０に沿って第１方向Ｘに延びている。

このように、本実施例の半導体モジュール１００においては、金属板２２の裏面とケース１０６との間の冷媒流路１０４が、流入配管４６に連通する第１の流路１０４ａと、流入配管４８に連通する第２の流路１０４ｂと、を有する。第１の流路１０４ａでは、冷媒は、上アームの基板２４Ｕのスイッチング素子２６側から隙間３０側へ向けて流れる。また、第２の流路１０４ｂでは、冷媒は下アームの基板２４Ｄのスイッチング素子２６側から隙間３０側へ向けて流れる。

かかる構造においても、金属板２２の表面上の基板２４Ｕ，２４Ｄの双方それぞれに向けて冷たい冷媒を供給することができ、それらの基板２４Ｕ，２４Ｄの半導体素子２６，２８を効率的にかつ確実に冷却することができる。このため、本実施例の構成によれば、上記した第１実施例と同様に、金属板２２の表面上の第２方向Ｙに並ぶ基板２４Ｕ側と基板２４Ｄ側とで半導体素子２６，２８の冷却の均等化を図ることができる。また、冷媒流路３４に連通する流入配管４６，４８が二つ設けられるので、流入口４０，４２から流出口４４までの距離を短く（具体的には、半分に）することができる。このため、本実施例の構成によれば、上記した第１実施例と同様に、金属板２２の表面上のすべての半導体素子２６，２８を適切に冷却するのに流入口４０，４２での冷媒圧力を高くすることは不要であるので、冷媒流路１０４での冷媒の圧力損失を低く抑えることができる。

また、本実施例の半導体モジュール１００においては、冷媒流路１０４が、流出口４４に連通する、隙間３０に沿って第１方向Ｘに延びる出口側チャンバ１０８を有する。かかる構造によれば、冷却フィン１０２を通過した冷媒を所定量まで溜めることができ、半導体素子２６，２８との熱交換により温められた冷媒が冷却フィン１０２に接しながら滞留するのを抑制することができる。このため、本実施例の構成によれば、かかる出口側チャンバ１０８が設けられていない構造に比べて、冷媒流路１０４での冷媒の圧力損失を低く抑えることができると共に、基板２４Ｕ，２４Ｄの半導体素子２６，２８の冷却を効率的にかつ確実に行うことができる。

また、上記の出口側チャンバ１０８は、金属板２２の表面上で上アームの３つの基板２４Ｕが並びかつ下アームの３つの基板２４Ｄが並ぶ第１方向Ｘに延びているので、第１の流路１０４ａで冷媒が流入口４０から流出口４４へ向けて流れかつ第２の流路１０４ｂで冷媒が流入口４２から流出口４４へ向けて流れる第２方向Ｙに直交する方向に延びている。このため、本実施例の構成によれば、流入口４０から第１の流路１０４ａに流入した冷媒や流入口４２から第２の流路１０４ｂに流入した冷媒を、冷媒流路１０４内で第１方向Ｘに延びた状態で流通させることができるので、金属板２２の表面上で第１方向Ｘに延びる上アームの３つの基板２４Ｕの半導体素子２６，２８を均等に冷却することができると共に、金属板２２の表面上で第１方向Ｘに延びる下アームの３つの基板２４Ｄの半導体素子２６，２８を均等に冷却することができる。

また、上記の出口側チャンバ１０８は、金属板２２の表面上で、上アームの基板２４Ｕや下アームの基板２４Ｄが設けられていない隙間３０に沿って第１方向Ｘに延びている。かかる構造においては、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙそれぞれに直交する方向から半導体モジュール１００を見た場合に、平面上で基板２４と出口側チャンバ１０８とが互いに重ならないので、基板２４の半導体素子２６，２８の直下で冷媒と冷却フィン１０２とが、平面上で基板２４と出口側チャンバ１０８とが互いに重なる場合のように熱交換し難くなるのを回避することができる。このため、本実施例によれば、平面上で基板２４と出口側チャンバ５２とが互いに重なる構造と比べて、基板２４の半導体素子２６，２８が温度上昇し易くなるのを抑制することができる。

尚、上記の第２実施例においては、ケース１０６が特許請求の範囲に記載した「流路形成体」に相当している。

ところで、上記の第１及び第２実施例においては、ケース３６，１０６に、金属板２２の上アームの基板２４Ｕに対応して略円形状の流入口４０が一つ設けられ、かつ、下アームの基板２４Ｄに対応して略円形状の流入口４２が一つ設けられる。すなわち、金属板２２の上アームの基板２４Ｕ及び下アームの基板２４Ｄに対応して略円形状の流入口４０，４２が一つずつ設けられる。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、ケース３６，１０６に、金属板２２の上アームの基板２４Ｕに対応して略円形状の流入口４０が複数設けられ、かつ、下アームの基板２４Ｄに対応して略円形状の流入口４２が複数設けられることとしてもよい。

例えば、図７及び図８に示す如く、ケース３６，１０６に、金属板２２の上アームの基板２４Ｕに対応して略円形状の流入口４０が３つ設けられ、かつ、下アームの基板２４Ｄに対応して略円形状の流入口４２が３つ設けられること、すなわち、金属板２２の上アームの基板２４Ｕ及び下アームの基板２４Ｄに対応して略円形状の流入口４０，４２が３つずつ設けられることとしてもよい。この場合、各流入口４０，４２は、基板２４ごとに設けられ、各基板２４に対向した位置に配置されることが、半導体素子２６，２８の冷却性を高めるうえで好適である。尚、図７には、金属板がケースから分離されている場合の半導体モジュール３００の斜視図を示す。また、図８（Ａ）には本変形例の半導体モジュール３００を上方から見た際の平面図（透視図）を、また、図８（Ｂ）には半導体モジュール３００を図８（Ａ）に示すＣ−Ｃで切断した際の断面図を、それぞれ示す。また、図７及び図８には、第１実施例の場合を示す。

上記の変形例においても、上記の第１及び第２実施例と同様の効果を得ることが可能となる。

また、上記の第１及び第２実施例においては、ケース３６，１０６に金属板２２の上アームの基板２４Ｕ及び下アームの基板２４Ｄに対応して設けられる流入口４０，４２に、冷媒を溜めることが可能なチャンバ（入口側チャンバ）が連通されておらず、冷媒流路３４，１０４が、流入口４０，４２に連通する入口側チャンバを有していない。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、図９に示す如く、冷媒流路３４，１０４が、流入口４０に連通する入口側チャンバ４００を有すると共に、流入口４２に連通する入口側チャンバ４０２を有することとしてもよい。尚、図９には、第１実施例の場合を示す。

この変形例において、入口側チャンバ４００は、流入口４０に連通しつつ第１方向Ｘに延びていると共に、入口側チャンバ４０２は、流入口４２に連通しつつ第１方向Ｘに延びている。尚、かかる変形例において、入口側チャンバ４００は、金属板２２の表面に載置される上アームの基板２４Ｕ（特に、その基板２４Ｕ上のスイッチング素子２６）に平面視上で重なる位置に設けられることとしてもよく、また、入口側チャンバ４０２は、金属板２２の表面に載置される下アームの基板２４Ｄ（特に、その基板２４Ｄ上のスイッチング素子２６）に平面視上で重なる位置に設けられることとしてもよい。

かかる変形例によれば、上記した第１及び第２実施例と同様の効果を得ることができる。また、流入口４０，４２に連通する入口側チャンバ４００，４０２がそれぞれ第１方向Ｘに延びているので、流入口４０から第１の流路３４ａに流入する冷媒及び流入口４２から第２の流路３４ｂに流入する冷媒を共に、第１方向Ｘ全域に亘って延ばした状態で流通させ易くすることができるので、金属板２２の表面上で第１方向Ｘに延びる上アームの３つの基板２４Ｕの半導体素子２６，２８を均等に冷却することができると共に、金属板２２の表面上で第１方向Ｘに延びる下アームの３つの基板２４Ｄの半導体素子２６，２８を均等に冷却することができる。また、入口側チャンバ４００，４０２での冷媒圧力を低く抑えられるので、冷媒流路３４での冷媒の圧力損失を低く抑えることができる。

また、上記の第１及び第２実施例においては、ケース３６，１０６に設けられる流入口４０，４２及び流出口４４の位置がそれぞれ、第１方向Ｘにおける略中央である。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、ケース３６，１０６に設けられる流入口４０，４２及び流出口４４の位置が、第１方向Ｘにおける端を含むものであってもよい。例えば、図１０に示す如く、流入口４０，４２が共に第１方向における一方側の端（すなわち、左端）に設けられ、かつ、流出口４４が第１方向における他方側の端（すなわち、右端）に設けられていてもよい。尚、図１０には、第１実施例の場合を示す。また、流入口４０，４２の位置と流出口４４の位置とが第１方向Ｘにおいてオフセットされていることが、ケース３６，１０６と金属板２２との間に形成される冷媒流路３４，１０４内に冷媒を行き渡らせるうえで望ましい。

また、上記の第１及び第２実施例においては、流入口４０に流入配管４６を連通し、かつ、流入口４２に流入配管４８を連通することとしている。これらの流入配管４６，４８は、互いに同じ冷媒溜りに連通する配管であって、互いに分岐点Ｄで分岐されたものであるが、流入配管４６の分岐点Ｄから流入口４０までの全長と、流入配管４８の分岐点Ｄから流入口４２までの全長と、は互いに異なるものであってもよい。

一般的に、流入配管の全長が長いほど、冷媒の配管抵抗が大きくなるので、全長が比較的長い流入配管に対応する基板２４の半導体素子２６，２８が、全長が比較的短い流入配管に対応する基板２４の半導体素子２６，２８に比べて温度上昇し易い。そこで、例えば、図１１に示す如く、流入配管４８の分岐点Ｄから流入口４２までの全長が、流入配管４６の分岐点Ｄから流入口４０までの全長に比べて長い場合は、半導体モジュール２０，１００の温度を検出するために用いられる温度センサを、全長の比較的長い流入配管４８に対応する下アームの基板２４Ｄの半導体素子２６，２８側にのみ配設することとすればよい。尚、図１１には、第１実施例の場合を示す。

かかる変形例においては、半導体モジュール２０，１００の温度を検出して所定温度に達するか否かを判定するのに、基板２４や半導体素子２６，２８ごとに温度センサを配設することは不要であり、温度センサを、温度上昇し易い半導体素子２６，２８側にのみ配設することとすれば十分である。かかる変形例によれば、簡素な構成で半導体モジュール２０，１００を構成することができ、基板面積の低減や製造コストの削減を図ることができる。

更に、上記の第１及び第２実施例においては、半導体モジュール２０，１００として、三相交流モータに適用した６個の基板２４を有するものとした。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、半導体モジュール２０，１００として、少なくとも第２方向Ｙに並んだ２個以上の基板２４を有するものであればよい。

尚、以上の実施例に関し、更に以下を開示する。

（１）金属板［２２］と、前記金属板［２２］の一方の面上に互いに隙間［３０］を空けて配置される第１の半導体チップ［２６，２８］及び第２の半導体チップ［２６，２８］と、前記金属板［２２］の他方の面に接するように設けられた、冷媒が流れる冷媒流路［３４，１０４］と、を備え、前記冷媒流路［３４，１０４］は、前記第１の半導体チップ［２４］側から前記隙間［３０］側へ向けて冷媒が流れる第１の流路［３４ａ，１０４ａ］と、前記第２の半導体チップ［２４］側から前記隙間［３０］側へ向けて冷媒が流れる第２の流路［３４ｂ，１０４ｂ］と、前記金属板［２２］を介して前記隙間［３０］に対向する位置に設けられた、流出口［４４］に連通する出口側チャンバ［５２，１０８］と、を有する半導体モジュール［２０，１００］。

上記（１）記載の構成によれば、第１の流路から第１の半導体チップ側へ向けて冷媒を供給し、かつ、第２の流路から第２の半導体チップ側へ向けて冷媒を供給することができるので、金属板の表面上の第１の半導体チップの冷却と第２の半導体チップの冷却との均等化を図ることができると共に、冷媒流路での冷媒の圧力損失を低く抑えることができる。また、流出口に連通する出口側チャンバを設けたことにより、冷媒流路での冷媒の圧力損失を低く抑えることができる。

（２）上記（１）記載の半導体モジュール［２０］において、前記冷媒流路［３４］は、前記金属板［２２］と流入口［４０，４２］及び流出口［４４］が設けられた流路形成体［３６］との間に形成される流路であると共に、前記出口側チャンバ［５２］は、前記流路形成体［３６］に設けられた溝［５４］により形成される半導体モジュール［２０］。

（３）上記（１）記載の半導体モジュール［１００］において、前記金属板［２２］の他方の面に前記隙間［３０］に対向する部位を除いて設けられた冷却フィン［１０２］を備え、前記冷媒流路［１０４］は、前記金属板［２２］と流入口［４０，４２］及び流出口［４４］が設けられた流路形成体［１０６］との間に形成される流路であると共に、前記出口側チャンバ［１０８］は、前記金属板［２２］の他方の面の前記部位に前記冷却フィン［１０２］が設けられていないことにより形成される空間部である半導体モジュール［１００］。

（４）上記（１）乃至（３）の何れか一項記載の半導体モジュール［２０，１００］において、前記第１の半導体チップ［２６，２８］は、前記金属板［２２］の一方の面上において所定方向［Ｘ］に複数並んで配置されており、かつ、前記第２の半導体チップ［２６，２８］は、前記金属板［２２］の一方の面上において前記所定方向［Ｘ］に複数並んで配置されていると共に、前記出口側チャンバ［５２，１０８］は、前記所定方向［Ｘ］に沿って延びた形状を有する半導体モジュール［２０，１００］。

上記（４）記載の構成によれば、出口側チャンバが、第１の半導体チップや第２の半導体チップが複数並ぶ所定方向と同じ方向に沿って延びるので、流入口から冷媒流路に流入した冷媒を所定方向全域に亘って延ばした状態で流通させて出口側チャンバに回収することができる。このため、所定方向に並ぶ複数の第１の半導体チップや第２の半導体チップを均等に冷却することができる。

（５）上記（１）乃至（４）の何れか一項記載の半導体モジュール［２０，１００］において、前記冷媒流路［３４，１０４］の流入口［４０，４２］は、前記第１の半導体チップ［２６，２８］側及び前記第２の半導体チップ［２６，２８］側それぞれに設けられる半導体モジュール［２０，１００］。

（６）上記（５）記載の半導体モジュール［２０，１００］において、前記冷媒流路［３４，１０４］の流入口［４０，４２］に連通する流入配管［４６，４８］は、互いに分岐点で分岐された、前記第１の流路［３４ａ，１０４ａ］に連通する長さが比較的短い第１の流入配管と、前記第２の流路に連通する長さが比較的長い第２の流入配管と、を有し、前記第２の半導体チップに生じている温度を検出する温度センサを備える半導体モジュール［２０，１００］。

上記（６）記載の構成によれば、温度センサを用いて、温度上昇し易い第２の半導体チップに生じている温度を検出することができるので、半導体チップごとに温度センサを配設することは不要であり、簡素な構成で半導体モジュールを構成することができる。

２０ 半導体モジュール
２２ 金属板
２４，２４Ｕ，２４Ｄ 基板
２６ スイッチング素子
２８ ダイオード素子
３０ 隙間
３２ 冷却フィン
３４ 冷媒流路
３４ａ 第１の流路
３４ｂ 第２の流路
３６ ケース
４０，４２ 流入口
４４ 流出口
４６，４８ 流入配管
５０ 流出配管
５２ 出口側チャンバ
５４ 溝

Claims (6)

1. 金属板と、
   前記金属板の一方の面上に互いに隙間を空けて配置される第１の半導体チップ及び第２の半導体チップと、
   前記金属板の他方の面に接するように設けられた、冷媒が流れる冷媒流路と、
   を備え、
   前記冷媒流路は、前記第１の半導体チップ側から前記隙間側へ向けて冷媒が流れる第１の流路と、前記第２の半導体チップ側から前記隙間側へ向けて冷媒が流れる第２の流路と、前記金属板を介して前記隙間に対向する位置に設けられた、流出口に連通する出口側チャンバと、を有することを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記冷媒流路は、前記金属板と流入口及び流出口が設けられた流路形成体との間に形成される流路であると共に、
   前記出口側チャンバは、前記流路形成体に設けられた溝により形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
3. 前記金属板の他方の面に前記隙間に対向する部位を除いて設けられた冷却フィンを備え、
   前記冷媒流路は、前記金属板と流入口及び流出口が設けられた流路形成体との間に形成される流路であると共に、
   前記出口側チャンバは、前記金属板の他方の面の前記部位に前記冷却フィンが設けられていないことにより形成される空間部であることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
4. 前記第１の半導体チップは、前記金属板の一方の面上において所定方向に複数並んで配置されており、かつ、
   前記第２の半導体チップは、前記金属板の一方の面上において前記所定方向に複数並んで配置されていると共に、
   前記出口側チャンバは、前記所定方向に沿って延びた形状を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の半導体モジュール。
5. 前記冷媒流路の流入口は、前記第１の半導体チップ側及び前記第２の半導体チップ側それぞれに設けられることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項記載の半導体モジュール。
6. 前記冷媒流路の流入口に連通する流入配管は、互いに分岐点で分岐された、前記第１の流路に連通する長さが比較的短い第１の流入配管と、前記第２の流路に連通する長さが比較的長い第２の流入配管と、を有し、
   前記第２の半導体チップに生じている温度を検出する温度センサを備えることを特徴とする請求項５記載の半導体モジュール。

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