JP2021044527A - 半導体モジュールおよび車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】外部環境及び自己発熱による温度が繰り返し変化する状況下で、半導体素子を冷却器に固定する固着剤に大きな応力および塑性ひずみが発生していた。【解決手段】半導体装置および冷却装置を備える半導体モジュールであって、半導体装置は、半導体チップおよび半導体チップを実装する回路基板を有し、冷却装置は、半導体装置が実装される天板と、天板に接続される側壁と、側壁に接続され、天板に対面する底板と、天板、側壁および底板によって画定され、天板の主面に平行な断面が長辺および短辺を有する略矩形である、冷媒を流通させるための冷媒流通部と、を含み、回路基板は、上面と下面を有する絶縁板と、上面に設けられた回路層と、下面に設けられた金属層とを順に含む、略矩形の積層基板であり、平面視において、金属層の少なくとも１つの角部は、側壁の傾斜部と少なくとも部分的に重なる。【選択図】図５

Description

本発明は、半導体モジュールおよび車両に関する。
従来、冷却フィンを含む冷却装置を実装した、パワー半導体チップ等の複数の半導体素子を含む半導体モジュールが知られている（例えば、特許文献１−４参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２０１６−０１８９０４号公報
［特許文献２］特開２０１２−０６４６０９号公報
［特許文献３］特開２０１９−０８００１６号公報
［特許文献４］ＷＯ２０１５／０７９６４３
上記の半導体モジュールでは、半導体素子を実装する回路基板の線膨張係数と冷却器の線膨張係数との差異が大きいために、外部環境及び自己発熱による温度が繰り返し変化する状況下で、回路基板を冷却器に固定する固着剤に大きな応力および塑性ひずみが発生していた。
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、半導体装置および冷却装置を備える半導体モジュールを提供する。半導体装置は、半導体チップおよび半導体チップを実装する回路基板を有してもよい。冷却装置は、半導体装置が実装される天板を含んでもよい。冷却装置は、天板に接続される側壁を含んでもよい。冷却装置は、側壁に接続され、天板に対面する底板を含んでもよい。冷却装置は、天板、側壁および底板によって画定され、天板の主面に平行な断面が長辺および短辺を有する略矩形である、冷媒を流通させるための冷媒流通部を含んでもよい。回路基板は、上面と下面を有する絶縁板と、上面に設けられた回路層と、下面に設けられた金属層とを順に含む、略矩形の積層基板であってもよい。平面視において、側壁は、少なくとも１つの角部に、長辺の方向および短辺の方向のそれぞれに対して角度を有するように内方に向かって傾斜する傾斜部を含んでもよい。平面視において、金属層の少なくとも１つの角部は、傾斜部と少なくとも部分的に重なってもよい。
平面視において、金属層の少なくとも１つの角部の輪郭は、傾斜部の内側と外側との間に位置してもよい。
平面視において、金属層の角部以外の部分は、側壁と重ならなくてもよい。
側壁は、少なくとも２つの角部において、２つの傾斜部を含んでもよい。平面視において、金属層の２つの角部は、２つの傾斜部と少なくとも部分的に重なってもよい。
短辺の方向において、側壁の内方側の一辺の長さは、回路基板の金属層の一辺の長さよりも短くてもよい。
絶縁板はセラミックを含んでもよい。金属層は、天板に半田で固着されていてもよい。
天板および側壁は、一体的に構成されていてもよい。
天板および側壁は、一体的に形成されていてもよい。
天板と側壁とは、固着剤で固着されていてもよい。
平面視の方向に直交する平面内における、天板の断面の厚みは、側壁の内方側よりも外方側において厚くてもよい。
本発明の第２の態様においては、半導体装置および冷却装置を備える半導体モジュールを提供する。半導体装置は、半導体チップを有してもよい。半導体装置は、回路基板を有してもよい。回路基板は、上面と下面を有する絶縁板と、上面に設けられた回路層と、下面に設けられた金属層とを含み、回路層に半導体チップを実装されてもよい。冷却装置は、半導体装置が実装される天板を含んでもよい。冷却装置は、天板に接続される側壁を含んでもよい。冷却装置は、側壁に接続され、天板に対面する底板を含んでもよい。冷却装置は、天板、側壁および底板によって画定される、冷媒を流通させるための冷媒流通部を含んでもよい。側壁は、一の方向に延伸し対向する一組の第１側壁要素を含んでもよい。側壁は、他の方向に延伸し対向する一組の第２側壁要素を含んでもよい。側壁は、第１側壁要素の端部及び第２側壁要素の端部の間を接続する傾斜部を含んでもよい。平面視において、金属層は略矩形であって、金属層の角部が傾斜部と部分的に重なってもよい。
平面視において、一の方向と他の方向は略直交し、傾斜部の延伸方向と一の方向は３０度以上６０度以下の角度で交差してもよい。
側壁は、４つの傾斜部を含んでもよい。平面視において、第２側壁要素の長さは第１側壁要素の長さより短く、かつ、第２側壁要素の長さは金属層の一辺の長さより短くてもよい。
側壁は、２つの傾斜部を含んでもよい。
本発明の第３の態様においては、第１の態様に係る半導体モジュールおよび第２の態様に係る半導体モジュールの何れかを備える車両を提供する。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の一例を示す模式的な斜視図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の冷却装置１０の一例を示す模式的な斜視図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の一例を示す模式的な断面図である。 図３に破線で示す領域［Ａ］の部分拡大図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００における、冷却装置１０のフィン領域９５の配置、半導体装置７０の金属層８５の配置、冷却ピンフィン９４の形状、ならびに冷媒の流れ方向の一例を示す図である。 本発明の一つの実施例に係る半導体モジュール１００における、半導体装置７０の金属層８５の寸法と、冷却装置１０の側壁３６の寸法と、側壁３６に対する金属層８５の配置関係とを説明する図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００における、金属層８５の変形例である金属層８６を説明する図である。 第１比較例を説明する図である。 第２比較例を説明する図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００における、側壁３６の変形例である側壁３８を説明する図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００における、側壁３６の変形例である側壁３９と、金属層８５の変形例である金属層８６とを説明する図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００における、半導体装置７０の金属層８５の変形例である金属層８７を示す図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００における、半導体装置７０の金属層８５の変形例である金属層８８を示す図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００における、半導体装置７０の金属層８５の変形例である金属層８９を示す図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００における、半導体装置７０の金属層８５の変形例である金属層９０を示す図である。 本発明の一つの実施形態に係る車両２００の概要を示す図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の主回路図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の一例を示す模式的な斜視図であり、図２は、半導体モジュール１００の冷却装置１０の一例を示す模式的な斜視図である。また、図３は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の一例を示す模式的な断面図であり、図４は、図３における領域Ａの部分拡大図である。また、図５は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００における、冷却装置１０のフィン領域９５の配置、半導体装置７０の金属層８５の配置、冷却ピンフィン９４の形状、ならびに冷媒の流れ方向の一例を示す図である。
図３では、図１に示す半導体モジュール１００におけるＵ相ユニット７０Ｕの半導体チップ７８と、図２に示す冷却装置１０の出口４２との両方をｘｚ平面で仮想的に切断した状態を示している。また、図４では、天板２０の締結部２１のｚ軸方向の厚みをＴ１で示し、天板２０のフィン領域９５におけるｚ軸方向の厚みをＴ２で示し、側壁３６のｘ軸方向の厚みをＴ３で示し、底板６４のｚ軸方向の厚みをＴ４で示してある。また、図５では、図１に示すＵ相ユニット７０Ｕ、Ｖ相ユニット７０ＶおよびＷ相ユニット７０Ｗのそれぞれの金属層８５を破線で示している。
半導体モジュール１００は、半導体装置７０および冷却装置１０を備える。本例の半導体装置７０は、冷却装置１０に載置されている。本実施形態の説明では、半導体装置７０が載置されている冷却装置１０の面をｘｙ面とし、ｘｙ面と垂直な軸をｚ軸とする。ｘｙｚ軸は右手系をなす。本実施形態の説明では、ｚ軸方向において冷却装置１０から半導体装置７０に向かう方向を上、逆の方向を下と称するが、上および下の方向は、重力方向に限定されない。また本実施形態の説明では、各部材の面のうち、上側の面を上面、下側の面を下面、上面および下面の間の面を側面と称する。本実施形態の説明において、平面視は、ｚ軸正方向から半導体モジュール１００を見た場合を意味する。
半導体装置７０は、半導体チップ７８と、半導体チップ７８を実装する回路基板７６とを有する。本例の半導体装置７０は、３枚の回路基板７６を含んでもよく、各回路基板７６には２つの半導体チップ７８が搭載されてもよい。図１に示す通り、本例の半導体装置７０は、パワー半導体装置であって、回路基板７６および半導体チップ７８―１および半導体チップ７８−４を含むＵ相ユニット７０Ｕと、回路基板７６および半導体チップ７８―２および半導体チップ７８−５を含むＶ相ユニット７０Ｖと、回路基板７６および半導体チップ７８―３および半導体チップ７８−６を含むＷ相ユニット７０Ｗを有してもよい。本例の半導体モジュール１００は、三相交流インバータを構成する装置として機能してもよい。なお、Ｕ相ユニット７０Ｕ、Ｖ相ユニット７０ＶおよびＷ相ユニット７０Ｗの各半導体チップ７８は、半導体モジュール１００が動作した場合に熱を生じる発熱源となる。
半導体チップ７８は縦型の半導体素子であり、上面電極および下面電極を有する。半導体チップ７８は、一例として、シリコン等の半導体基板に形成された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）および還流ダイオード（ＦＷＤ）等の素子を含む。半導体チップ７８は、ＩＧＢＴおよびＦＷＤが一枚の半導体基板に形成された逆導通ＩＧＢＴ（ＲＣ−ＩＧＢＴ）であってもよい。ＲＣ−ＩＧＢＴにおいてＩＧＢＴとＦＷＤは逆並列に接続されてよい。
半導体チップ７８の下面電極は、回路基板７６の上面に接続されている。本例の半導体チップ７８は、半田７９によって回路基板７６の上面に固定されてもよい。半導体チップ７８の上面電極はエミッタ、ソースあるいはアノード電極であってよく、下面電極はコレクタ、ドレインあるいはカソード電極であってよい。半導体チップ７８における半導体基板は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）であってもよい。
ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を含む半導体チップ７８は制御電極を有する。半導体モジュール１００は半導体チップ７８の制御電極に接続される制御端子を有してもよい。スイッチング素子は、制御端子を介し、外部の制御回路により制御され得る。
図３および図４に示す通り、回路基板７６は、上面と下面を有する絶縁板８１と、絶縁板８１の上面に設けられた回路層８３と、絶縁板８１の下面に設けられた金属層８５とを順に含む、略矩形の積層基板である。回路基板７６は、上面および下面を有し、下面が冷却装置１０の上面に配置される。回路基板７６は、金属層８５を介して半田７９によって冷却装置１０の上面に固定されている。また、回路基板７６の上面側には、一例として、回路層８３を介して２つの半導体チップ７８が固定されている。なお、本願明細書において、略矩形とは、略四角形または略長方形を意味してもよく、また、少なくとも１つの角部が、面取りされた形状や滑らかな形状であってもよい。例えば、略矩形は、４つの角部のそれぞれが面取りされた、８角形、１２角形、１６角形などを含んでもよい。
回路基板７６は、例えば、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板やＡＭＢ（Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｂｒａｚｉｎｇ）基板であってよい。絶縁板８１は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等のセラミックス材料を用いて形成されてよい。回路層８３および金属層８５は、銅あるいは銅合金などの導電材料を含む板材であってよい。回路層８３は、半田やロウ等によって絶縁板８１の上面側に固定されている。回路層８３の上面には、半導体チップ７８が半田等によって電気的、機械的に接続され、すなわち電気回路的に直接接続されている。なお、回路層８３は、ワイヤー等により、他の導電部材と電気的に接続されてもよい。
冷却装置１０は、ベースプレート４０と、底板６４とを有する。ベースプレート４０は、半導体装置７０が実装される天板２０と、天板２０に接続される側壁３６と、天板２０に接続される複数の冷却ピンフィン９４とを含む。
天板２０は、ｘｙ平面に広がる主面を有する、板状の部材である。本例の天板２０は、平面視において、長辺および短辺を有する略長方形である。また、本例の天板２０は、短辺がｘ軸に平行であり、長辺がｙ軸に平行である。天板２０は、半導体モジュール１００が実装される外部の装置と締結するための締結部２１を含む。締結部２１は、平面視において、天板２０に接続される側壁３６よりも外側に位置し、外部の装置のボスなどが挿入される貫通孔８０を有する。本例の締結部２１は、略長方形の天板２０の四隅のそれぞれに１つずつ、計４つの貫通孔８０を有する。
図３に示す通り、天板２０は、ｘｙ面と平行な上面（おもて面）２２および下面（裏面）２４を有する。天板２０は、一例として金属で形成され、より具体的な一例としてアルミニウムを含む金属で形成されている。天板２０は、表面にニッケルなどのめっき層が形成されてもよい。天板２０の上面２２には、半導体装置７０が載置される。この場合、天板２０の上面２２には、半導体装置７０の回路基板７６が半田７９によって直接固定されてもよい。天板２０には、各半導体チップ７８において発生した熱が伝達される。天板２０、回路基板７６および半導体チップ７８は、ｚ軸正方向に向かってこの順に配置される。天板２０および回路基板７６の間、ならびに、回路基板７６および半導体チップ７８の間は、熱的に接続されてよい。本例では、それぞれの部材間が半田７９で固定されており、各部材は当該半田７９を介して熱的に接続される。
ここで、図３に示すように、上述した半導体装置７０は追加的に、収容部７２を有してもよい。収容部７２は、例えば熱硬化型樹脂、紫外線硬化型樹脂等の絶縁材料で形成された枠体であり、天板２０の上面２２において回路基板７６等が配置された領域を囲んで設けられてよい。収容部７２は、天板２０の上面２２に接着されてもよい。収容部７２は、半導体チップ７８、回路基板７６およびその他の回路要素を収容し得る内部空間を有する。収容部７２は、内部空間において、半導体装置７０の回路基板７６および半導体チップ７８を含む各構成要素を収容してもよい。収容部７２の内部空間には、半導体チップ７８、回路基板７６およびその他の回路要素を封止する封止部７４が充填されてよい。封止部７４は、例えばシリコーンゲルまたはエポキシ樹脂等の樹脂を含む絶縁部材である。なお、図１においては、説明の簡略化を目的として、収容部７２および封止部７４の図示を省略してある。
側壁３６は、略一定の厚みを有し、冷却装置１０の側面を構成する。本例の側壁３６は、ｘｙ平面において、長辺および短辺を有する略矩形の輪郭を有する。側壁３６が冷却装置１０の側面を構成することから、平面視において、側壁３６の輪郭の短辺がｘ軸に平行であり、長辺がｙ軸に平行である。また、本例の側壁３６は、平面視において、天板２０の締結部２１よりも内側に位置し、天板２０からｚ軸負方向に延在する。なお、輪郭とは、物の外形を形作っている線を指してもよい。
側壁３６は、それぞれがｙ軸方向に延伸して互いに対向する一組の側壁要素３６Ｌと、それぞれがｘ軸方向に延伸して互いに対向する一組の側壁要素３６Ｓと、を含んでもよい。側壁３６の厚さは、例えば１ｍｍ以上３ｍｍ以下であってもよい。側壁要素３６Ｌの延伸方向と側壁要素３６Ｓの延伸方向とは、平面視において、８５〜９５度の範囲で互いに略直交し、好ましくは９０度で互いに交差する。側壁要素３６Ｓの長さは、側壁要素３６Ｌの長さより短くてもよい。側壁要素３６Ｌは、平面視において、ストレートであってもよく、また曲線を含んでもよい。
平面視において、側壁３６は、少なくとも１つの角部に、ｙ軸方向およびｘ軸方向のそれぞれに対して角度を有するように内方に向かって傾斜する傾斜部３７を含む。例えば、側壁３６は、側壁要素３６Ｓの端部および側壁要素３６Ｌの端部の間を接続する傾斜部３７を含んでもよい。図５において、傾斜部３７は網目状の領域として図示している。以降の図においても、同様とする。
傾斜部３７は、側壁要素３６Ｌの端部と側壁要素３６Ｓの端部の間を接続するよう設けられてもよい。平面視において、傾斜部３７の延伸方向とｙ軸方向は、後述する図６において角度θで示すように、例えば３０度以上６０度以下の角度（挟角）で交差してよい。図６に示す角度θは、好ましくは４０度以上５０度以下であってもよい。側壁３６の形状は、平面視において、多角形、例えばｎ角形（ｎは５以上の整数）、好ましくは６角形や８角形であってもよい。
平面視において、側壁３６は、少なくとも２つの角部において、２つの傾斜部３７を含んでもよい。図５に示す通り、本例の側壁３６は、４つの角部のそれぞれに傾斜部３７を含む。なお、平面視において、側壁３６の角部とは、側壁３６のｘ軸方向に延在する短辺とｙ軸方向に延在する長辺とが交わる領域を指してもよい。また、平面視において、側壁３６の内方とは、略矩形の輪郭を有する側壁３６によって囲われる領域の側を指してもよい。
図５では、側壁３６のｘ軸方向の中心をｙ軸方向に延伸する中心線ＣＬを示す。図５に示す通り、平面視において、各回路基板７６の金属層８５は、すなわち各回路基板７６は、中心線ＣＬに対してｘ軸方向にシフトして配置されていてもよい。この場合、ｘ軸方向において、側壁３６の内方側の一辺の長さは、回路基板７６の金属層８５の一辺の長さと同程度であってもよく、金属層８５の一辺の長さより長くてもよい。図５に示す通り、本例の側壁３６は、ｘ軸方向に延在する二辺の内方側の長さが、各回路基板７６の金属層８５のｘ軸方向に延在する二辺の長さと同じであってもよい。例えば、側壁要素３６Ｓの長さが、金属層８５のｘ軸方向の一辺の長さと同じであってもよい。
これに代えて、例えば各回路基板７６のｘ軸方向の中心が中心線ＣＬ上に位置するように配置されている場合に、ｘ軸方向において、側壁３６の内方側の一辺の長さは、回路基板７６の金属層８５の一辺の長さよりも短くてもよい。例えば、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００における、金属層８５の変形例である金属層８６を説明する図７に示すように、側壁要素３６Ｓの長さが、金属層８６のｘ軸方向の一辺の長さより短くてもよい。図７に示す金属層８６のアスペクト比は金属層８５のアスペクト比と異なり、ｘ軸方向の辺の長さが相対的に長い。なお、図７では、半導体モジュール１００における側壁３６と、Ｕ相ユニット７０Ｕ、Ｖ相ユニット７０ＶおよびＷ相ユニット７０Ｗのそれぞれの金属層８５のみを図示している。以降で説明する図６、図８〜図１１においても同様である。
平面視において、回路基板７６の金属層８５の少なくとも１つの角部は、側壁３６の傾斜部３７と少なくとも部分的に重なる。例えば、平面視において、金属層８５は略矩形であって、金属層８５の角部が傾斜部３７と部分的に重なってもよい。図５に示す通り、本例においては、Ｕ相ユニット７０Ｕ、Ｖ相ユニット７０ＶおよびＷ相ユニット７０Ｗのうち、ｙ軸方向の両端に位置するＵ相ユニット７０ＵおよびＷ相ユニット７０Ｗのそれぞれの回路基板７６の金属層８５のみが、側壁３６の傾斜部３７と部分的に重なってもよい。
本例においては、Ｕ相ユニット７０ＵおよびＷ相ユニット７０Ｗのそれぞれの回路基板７６の金属層８５の、４つの角部のうちの１つの角部のみが、側壁３６の傾斜部３７と部分的に重なってもよい。より具体的には、３つのユニットの中で最もｙ軸負方向側に位置するＵ相ユニット７０Ｕの金属層８５の、ｙ軸負方向側且つｘ軸正方向側に位置する１つの角部が、側壁３６のｙ軸負方向側且つｘ軸正方向側に位置する１つの傾斜部３７と部分的に重なってもよい。また同様に、３つのユニットの中で最もｙ軸正方向側に位置するＷ相ユニット７０Ｗの金属層８５の、ｙ軸正方向側且つｘ軸正方向側に位置する１つの角部が、側壁３６のｙ軸正方向側且つｘ軸正方向側に位置する１つの傾斜部３７と部分的に重なってもよい。
これに代えて、好適には、平面視において、回路基板７６の金属層８５の２つの角部が、側壁３６の２つの傾斜部３７と少なくとも部分的に重なってもよい。より具体的には、３つのユニットの中で最もｙ軸負方向側に位置するＵ相ユニット７０Ｕの金属層８５の、ｙ軸負方向側に位置する２つの角部のそれぞれが、側壁３６のｙ軸負方向側に位置する２つの傾斜部３７のそれぞれと部分的に重なってもよい。また同様に、３つのユニットの中で最もｙ軸正方向側に位置するＷ相ユニット７０Ｗの金属層８５の、ｙ軸正方向側に位置する２つの角部のそれぞれが、側壁３６のｙ軸正方向側に位置する２つの傾斜部３７のそれぞれと部分的に重なってもよい。
金属層８５は、平面視において、上述の通り略矩形であり、ｘ軸方向に延在する１組の辺及びｙ軸方向に延在する１組の辺を有してもよい。金属層８５は、角部において、面取りにより設けられた複数の角を含んでもよい。
平面視において、回路基板７６の金属層８５の少なくとも１つの角部の輪郭は、側壁３６の傾斜部３７の内側と外側との間に位置してもよい。図５に示す通り、本例においては、平面視において、Ｕ相ユニット７０Ｕの金属層８５の、ｙ軸負方向側に位置する２つの角部のそれぞれが、側壁３６のｙ軸負方向側に位置する２つの傾斜部３７のそれぞれの内側と外側との間に位置してもよい。また同様に、Ｗ相ユニット７０Ｗの金属層８５の、ｙ軸正方向側に位置する２つの角部のそれぞれが、側壁３６のｙ軸正方向側に位置する２つの傾斜部３７のそれぞれの内側と外側との間に位置してもよい。
また、平面視において、回路基板７６の金属層８５の角部以外の部分は、側壁３６と重ならなくてもよい。図５に示す通り、本例においては、平面視において、Ｕ相ユニット７０Ｕの金属層８５の、ｙ軸負方向側に位置する２つの角部以外の部分は、側壁３６と重ならなくてもよい。また同様に、Ｗ相ユニット７０Ｗの金属層８５の、ｙ軸正方向側に位置する２つの角部以外の部分は、側壁３６と重ならなくてもよい。
複数の冷却ピンフィン９４のうちの少なくとも１つは、ｘｙ平面における断面形状が略菱形である。以降の説明において、１または複数の冷却ピンフィン９４を、単に冷却ピンフィン９４と称する場合がある。冷却ピンフィン９４は、天板２０からｚ軸負方向に延伸している。冷却ピンフィン９４は、平面視において、側壁３６よりも内側に位置し、側壁３６によって囲われている。
図２の冷却装置１０では、簡略化のため、冷却ピンフィン９４を図示する代わりに、冷却ピンフィン９４が設けられた領域であるフィン領域９５をドットで示している。フィン領域９５は、平面視において矩形であってよく、短辺がｘ軸に平行であり、長辺がｙ軸に平行であってもよい。
ベースプレート４０において、天板２０、側壁３６および冷却ピンフィン９４は一体的に構成されていてもよい。本例においては、天板２０、側壁３６および冷却ピンフィン９４は一体的に形成されていてもよい。例えば、天板２０、側壁３６および冷却ピンフィン９４は、連続した一枚の板部材から一体的に形成してもよい。例えば、連続した一枚の板部材に対して、天板２０、側壁３６および冷却ピンフィン９４の形状に対応する金型を用いた打ち抜き加工を行うことによって、天板２０、側壁３６および冷却ピンフィン９４を一体的に形成してもよい。他の例として、インパクトプレスなどを用いる常温環境下での冷間鍛造や、高温環境下での温間鍛造、熱間鍛造、溶湯鍛造などの任意の鍛造法を用いた成型を行うことによって、あるいは鋳造による成型を行うことによって、天板２０、側壁３６および冷却ピンフィン９４を一体的に形成してもよい。本実施形態の半導体モジュール１００は、天板２０、側壁３６および冷却ピンフィン９４を一体的に形成することにより、別個に形成されたものを互いに固着する形態に比べて部品点数を削減することができる。
底板６４は、板状の部材である。本例の底板６４は、平面視において、長辺および短辺を有する略長方形である。また、本例の底板６４は、短辺がｘ軸に平行であり、長辺がｙ軸方向に平行である。底板６４は、冷媒流通部９２の底面を構成する。底板６４は、側壁３６に接続され、天板２０に対面する。
天板２０、側壁３６および底板６４によって、冷媒を流通させるための冷媒流通部９２が画定される。換言すると、側壁３６は、ｘｙ面において、冷媒流通部９２を囲んで配置され、天板２０および底板６４は、ｚ軸方向において、冷媒流通部９２を挟んで互いに対面して配置される。よって、ｘｙ平面における冷媒流通部９２の輪郭は、側壁３６の内周によって画定される。そのため、図５に示す通り、冷媒流通部９２は、天板２０の主面に平行な断面が長辺９６および短辺９３を有する略矩形である。なお、本例において、長辺９６の方向はｙ軸方向であり、短辺９３の方向はｘ軸方向である。
また、本例の底板６４には、冷媒流通部９２に冷媒を導入するための貫通孔である入口４１と、冷媒流通部９２から冷媒を導出するための貫通孔である出口４２とが形成されている。
入口４１および出口４２は、それぞれ外部の冷媒供給源に連通するパイプが接続され得、換言すると、冷却装置１０は、２本のパイプによって外部の冷媒供給源に接続され得る。従って、冷却装置１０は、入口４１を介して一方のパイプから冷媒を搬入され得、冷媒は冷媒流通部９２内部を循環した後に出口４２を介して他方のパイプへと搬出され得る。
入口４１および出口４２は、ｘ軸方向において、冷却装置１０の一側と、一側の反対の他側にそれぞれ位置し、且つ、ｙ軸方向において、冷却装置１０の一側と、一側の反対の他側にそれぞれ位置する。すなわち、入口４１および出口４２は、ｘｙ平面において略矩形を有する冷媒流通部９２の対角線方向で、冷媒流通部９２の対向する両端に位置する。
本実施形態の半導体モジュール１００は、冷却装置１０の上面でｚ軸方向に並べられた各半導体チップ７８から生じた熱を、冷却装置１０の入口４１を介して冷媒流通部９２に流入し、冷媒流通部９２内を全体に亘って拡散し、出口４２を介して流出する冷媒によって効率的に冷却する。
上述した冷媒流通部９２には、ＬＬＣや水等の冷媒が流通する。冷媒流通部９２において、冷媒は、短辺９３の方向の一の側に連通する入口４１から導入されて短辺９３の方向の他の側に連通する出口４２から導出される。冷媒は、回路基板７６が配置される天板２０の下面２４および冷却ピンフィン９４に接触し、半導体装置７０を冷却する。
冷媒流通部９２は、天板２０、側壁３６および底板６４のそれぞれに接する密閉空間であってよい。底板６４は、側壁３６のｚ軸負方向の下端に直接または間接に密着して配置され、天板２０、側壁３６および底板６４によって冷媒流通部９２を密閉している。なお、間接に密着とは、側壁３６の下端と底板６４との間に設けられた、シール材、接着剤、ロウ材、または、その他の部材である固着剤９８を介して、側壁３６の下端と底板６４とが密着している状態を指す。密着は、冷媒流通部９２の内部の冷媒が、当該密着部分から漏れ出ない状態を指す。側壁３６の下端と底板６４とは、好ましくはロウ付けされる。なお、ベースプレート４０および底板６４は同一組成の金属で形成され、ロウ材はベースプレート４０等よりも融点の低い金属、例えばアルミニウムを含む金属で形成されてよい。
冷却ピンフィン９４は、冷媒流通部９２に配置され、天板２０と底板６４との間に延在する。本例の冷却ピンフィン９４は、天板２０および底板６４のそれぞれの主面と略直交するようにｚ軸方向に延在する。本例の冷却ピンフィン９４は、図４に示す通り、ｘｙ面において所定のパターンで配置され、天板２０および底板６４のそれぞれの主面と略直交するようにｚ軸方向に延在する。また、本例の冷却ピンフィン９４は、ｘｙ平面の断面において、冷媒流通部９２の長辺９６の方向よりも短辺９３の方向に長い略菱形を有する。略菱形の一対の対角線のうち、長辺９６に平行な対角線の方が短辺９３に平行な対角線よりも短い。
冷却ピンフィン９４は、ｚ軸方向において対向する上端と下端とを有し、上端が天板２０の下面２４に熱的および機械的に接続され、天板２０の下面２４から冷媒流通部９２に向かって延在する。冷却ピンフィン９４が天板２０と一体的に形成されている場合は、冷却ピンフィン９４の上端が天板２０の下面２４から一体的に突出し、天板２０の下面２４から冷媒流通部９２に向かって延在する。本例の冷却ピンフィン９４の下端は、固着剤９８によって底板６４に固着されている。冷却ピンフィン９４の下端は、底板６４から離れていてもよい。冷却ピンフィン９４と底板６４との間に隙間があれば、底板６４に反り等が生じても、冷却ピンフィン９４と底板６４との間で応力が生じ難い。各半導体チップ７８が発した熱は、冷却ピンフィン９４の近傍を通過する冷媒に移動する。これにより、各半導体チップ７８を冷却する。
図５において破線で示す通り、冷媒流通部９２のフィン領域９５は、冷却ピンフィン９４が、冷媒流通部９２の長辺９６の方向に短辺９３の方向よりも数多く配され、短辺９３の方向よりも長辺９６の方向に長い略長方形を有する。冷却ピンフィン９４は、単位長さにおいて、冷媒流通部９２の長辺９６の方向に短辺９３の方向よりも数多く配されてもよい。一例として、フィン領域９５において、冷媒流通部９２の長辺９６の方向に配された冷却ピンフィン９４の本数と、冷媒流通部９２の短辺９３の方向に配された冷却ピンフィン９４の本数との比は所定の範囲であってもよい。フィン領域９５には、冷却ピンフィン９４が設けられた領域と、冷却ピンフィン９４間の流路とが含まれる。また、図示の通り、本例のフィン領域９５においては、冷却ピンフィン９４は千鳥配列されているが、これに代えて、正方配列されていてもよい。なお、隣接する冷却ピンフィン９４同士の間隔は、冷却ピンフィン９４自体の幅よりも狭くてもよい。なお、図５に示す通り、本例のＵ相ユニット７０Ｕ、Ｖ相ユニット７０ＶおよびＷ相ユニット７０Ｗの金属層８５は何れも、平面視において、一部がフィン領域９５の外側に配されている。
また、冷媒流通部９２は、平面視において、フィン領域９５を挟んで配置された第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２を含む。冷媒流路３０は、冷媒流通部９２において、所定の高さ（ｚ軸方向の長さ）以上の高さを有する空間を指す。所定の高さ以上の高さとは、天板２０および底板６４の間の距離であってよい。
第１の冷媒流路３０−１は、フィン領域９５よりも短辺９３の方向の一の側に位置して入口４１に連通し、長辺９６の方向に延在する。第２の冷媒流路３０−２は、フィン領域９５よりも短辺９３の方向の他の側に位置して出口４２に連通し、長辺９６の方向に延在する。第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２が延在する方向は、フィン領域９５の長辺９６の方向であるとも言える。なお、第１の冷媒流路３０−１は一の連通領域の一例であり、第２の冷媒流路３０−２は他の連通領域の一例である。
上述した通り、半導体モジュール１００の半導体装置７０には、複数の半導体チップ７８などの熱源がｙ軸方向に存在する場合、冷却装置１０に流す冷媒の主たる流れ方向を熱源の配列方向（ｙ軸方向）に平行にすると、各熱源を一様に冷却することができない。そこで、本実施形態の半導体モジュール１００のように、冷却装置１０に流す冷媒の主たる流れ方向（ｘ軸正方向）を、複数の熱源の配列方向（ｙ軸方向）に直交させる配置構成とすることが考えられる。より具体的には、本実施形態の半導体モジュール１００によれば、冷媒流通部９２は、天板２０の主面に平行な（ｘｙ平面における）断面が長辺９６および短辺９３を有する略矩形であり、冷媒が短辺９３の方向（ｘ軸方向）の一の側に連通する入口４１から導入されて短辺９３の方向（ｘ軸方向）の他の側に連通する出口４２から導出される。
冷却装置１０内には、複数の熱源から伝達される熱を、冷媒流通部９２内を流れる冷媒に効率よく放熱すべく、冷却ピンフィン９４が配置される。冷却装置１０において、天板２０の主面に平行な（ｘｙ平面における）断面における形状が円形のピンフィンを用いる場合、冷媒に接触するピンフィンの表面積が小さいため、天板２０の主面に平行な（ｘｙ平面における）断面における形状が多角形のピンフィンを用いた場合に比べて放熱効率が低くなる。更に、天板２０の主面に平行な（ｘｙ平面における）断面における形状が多角形のピンフィンを用いた場合であっても、正方形や正六角形などの、ｘｙ平面における冷媒の主たる流れ方向の幅と当該流れ方向に直交する方向の幅とが等しい断面形状や、当該流れ方向の幅よりも当該直交する方向の幅の方が長い長方形などの断面形状を有する場合、当該流れ方向に直交する面内の面積が大きく、冷媒の流速損失が大きくなり、放熱効率が低くなる。これに対し、本実施形態による半導体モジュール１００によれば、冷媒流通部９２に配置される冷却ピンフィン９４は、ｘｙ平面の断面において、冷媒流通部９２の長辺９６の方向よりも短辺９３の方向に長い略菱形を有するので、上記の多角形のピンフィンを用いた場合に比べて、冷媒の主たる流れ方向に直交する面内の面積が小さく、冷媒の流速損失が小さい。なお、冷却ピンフィン９４は、上述した、天板２０の主面に平行な断面における形状が円形や多角形のピンフィンであってもよい。
ここで、図４に示す通り、平面視の方向に直交する平面（ｘｚ平面およびｙｚ平面）内における、天板２０の断面の厚みは、側壁３６の内方側よりも外方側において厚くてもよい。本例の冷却装置１０において、締結部２１の厚みＴ１は、天板２０におけるフィン領域９５の厚みＴ２よりも厚くてもよい。天板２０におけるフィン領域９５の厚みを薄くすることによって、天板２０の上面２２に配置される半導体装置７０からの熱を、冷媒流通部９２内を流れる冷媒へと効率的に移動させることができる一方で、締結部２１の強度を高めることによって、半導体モジュール１００を外部の装置とボルトなどで強固に締結する場合に印加され得る強い締結力によって締結部２１が破損してしまうことを抑止できる。
また、側壁３６の厚みＴ３は、天板２０におけるフィン領域９５の厚みＴ２よりも厚くてもよい。天板２０におけるフィン領域９５の厚みを薄くすることによって、上記と同様に冷却効率を高めることができる一方で、天板２０と接続されている側壁３６の強度を高めることによって、天板２０におけるフィン領域９５が機械的または熱的な影響によって捩じれなどの変形を起こすことを抑止できる。これにより、半導体モジュール１００は、半導体装置７０を天板２０に固定する半田７９に大きな応力および塑性ひずみが発生することを抑止できる。
また、底板６４の厚みＴ４は、天板２０の少なくともフィン領域９５における厚みＴ２および側壁３６の厚みＴ３の何れの厚みよりも厚くてもよく、更に、天板２０の締結部２１の厚みＴ１よりも厚くてもよい。上述した通り、入口４１および出口４２はそれぞれ、底板６４に形成されている。貫通孔である入口４１および出口４２を、厚みが最も大きい底板６４に形成することで、冷却装置１０の強度を向上でき、且つ、冷却装置１０の加工を容易化することができる。締結部２１は、鍛造加工により天板２０及び側壁３６と一体成形されてもよく、プレス加工により成型された側壁３６のフランジ部と天板２０との固着により形成されてもよい。
半導体モジュールの外部環境及び自己発熱による温度を繰り返し変化させる実験を行ったところ、絶縁板の下面に設けられた金属層と冷却装置の天板との間に介在する半田には、平面視において側壁の角部の内側に近い箇所に最も大きな応力および塑性ひずみが発生することが判明した。冷却装置の天板が変形し易いことが影響していると考えられる。一方で、冷却装置の天板の変形は、下面に側壁が接続されて剛性が相対的に高い箇所において、局所的に抑止される。
本実施形態の半導体モジュール１００によれば、冷却装置１０と、冷却装置１０の天板２０に実装される回路基板７６を有する半導体装置７０とを備え、回路基板７６は、上面と下面を有する絶縁板８１と、絶縁板８１の上面に設けられた回路層８３と、絶縁板８１の下面に設けられた金属層８５とを順に含む、略矩形の積層基板である。当該金属層８５は、例えば半田７９によって天板２０の上面２２に固定される。また、本実施形態の半導体モジュール１００の冷却装置１０によれば、平面視において、側壁３６が、少なくとも１つの角部に傾斜部３７を含み、回路基板７６の金属層８５の少なくとも１つの角部は、側壁３６の傾斜部３７と少なくとも部分的に重なる。
半導体モジュール１００において、半導体装置７０は、使用中に、最大で１７０℃程度まで発熱し、その一方で、冷却装置１０の冷媒流通部９２を流れる冷媒は室温〜７０℃程度を保ち、これにより、半導体装置７０と冷却装置１０との間で１００℃以上の温度差が生じている場合がある。また、当該温度差は、半導体モジュール１００が置かれる環境温度に応じて大きく変化する場合がある。上記の構成を備える本実施形態の半導体モジュール１００によれば、例えばセラミックを含む絶縁板８１の線膨張係数と、例えばアルミニウムを含む冷却装置１０の線膨張係数との差異が大きい場合であっても、外部環境及び自己発熱による温度が繰り返し変化する状況下で、絶縁板８１の下面に設けられた金属層８５と冷却装置１０の天板２０との間に介在する半田７９に大きな応力および塑性ひずみが発生することを抑止することができ、ヒートサイクル信頼性を向上することができる。また、本実施形態の半導体モジュール１００によれば、平面視において、本実施形態と同じ寸法の半導体装置を有するが回路基板の金属層が側壁と重ならない形態の半導体モジュールに比べて、冷却装置１０の側壁３６が内方側にシフトされて冷却装置１０が小型化できる場合もある。
図６は、本発明の一つの実施例に係る半導体モジュール１００における、半導体装置７０の金属層８５の寸法と、冷却装置１０の側壁３６の寸法と、側壁３６に対する金属層８５の配置関係とを説明する図である。
図６に示す通り、当該実施例による金属層８５は、平面視において、ｘ軸方向の長さが３０ｍｍ、ｙ軸方向の長さが３５ｍｍ、角部の内角が１３５°である８角形を有する。一方で、当該実施例による側壁３６は、平面視において、ｘ軸方向における側壁３６の内方側の一辺の長さが３０ｍｍ、側壁３６のｘ軸方向の長さが６０ｍｍ、ｙ軸方向の長さが１１４ｍｍ、傾斜部３７の外角がｘ軸に対して４９°でありｙ軸に対して４１°である８角形を有する。
図８は、第１比較例を説明する図であり、図９は、第２比較例を説明する図である。図８に示す通り、当該実施例による半導体モジュール１００に対する第１比較例として、当該実施例による半導体モジュール１００の側壁３６および金属層８５のそれぞれと同じ寸法形状を有するが、平面視において互いに重なっていない側壁および金属層を有する半導体モジュールを用意した。また、図９に示す通り、当該実施例による半導体モジュール１００に対する第２比較例として、当該実施例による半導体モジュール１００の側壁３６および金属層８５のそれぞれと同じ寸法形状を有するが、平面視において、互いの角部は重ならず、互いの一辺のみが重なっている側壁および金属層を有する半導体モジュールを用意した。
実施例、第１比較例および第２比較例のそれぞれの半導体モジュールを、環境温度を−４０℃〜１２５℃の間で繰り返し変化させる温度サイクル下に置くシミュレーションを行ったところ、それぞれの塑性ひずみ振幅は、第１比較例が０．２１％、第２比較例が０．２２％であったのに対して、実施例によれば０．１４％にまで抑止できていることが確認された。
当該実施例による半導体モジュール１００のように、平面視において、金属層８５の少なくとも１つの角部の輪郭が側壁３６の傾斜部３７の内側と外側との間に位置し、且つ、金属層８５の角部以外の部分が側壁３６と重ならないことが好ましい。しかしながら、当該半導体モジュール１００の変形例として、平面視において、金属層８５の少なくとも１つの角部の輪郭が側壁３６の傾斜部３７の外側に位置し、且つ、金属層８５の角部以外の部分が側壁３６と重ならない構成によっても、上記のシミュレーションで塑性ひずみ振幅が０．１６％にまで抑止できていることが確認された。
図１０は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００における、側壁３６の変形例である側壁３８を説明する図である。図１から９を用いて説明した実施形態による半導体モジュール１００と異なる点として、側壁３８は、図１０に示す通り、一対の傾斜部３７Ｌ、３７Ｌと、一対の傾斜部３７Ｓ、３７Ｓとを有し、Ｕ相ユニット７０Ｕ、Ｖ相ユニット７０ＶおよびＷ相ユニット７０Ｗのうち、最もｙ軸正方向側に位置するＷ相ユニット７０Ｗの回路基板７６の金属層８５のみが、側壁３８の最もｘ軸正方向側且つｙ軸正方向側に位置する傾斜部３７Ｌと部分的に重なる。
図１０に示す通り、本例では、傾斜部３７Ｌ，３７Ｌおよび傾斜部３７Ｓ、３７Ｓはそれぞれ、平面視において、冷媒流通部９２の対角線方向に位置する２組の角部に設けられる。傾斜部３７Ｌと傾斜部３７Ｓの長さは同じであっても異なっていてもよい。また、傾斜部３７Ｌの延伸方向とｙ軸方向は角度θＬで交差する。また、傾斜部３７ｓの延伸方向とｙ軸方向は角度θＳで交差する。θＬとθＳは同じであっても異なっていてもよい。なお、本例においても、側壁要素３８Ｓの長さは、金属層８５のｘ方向の一辺の長さより長くてもよい。当該変形例による半導体モジュール１００によっても、上記と同様の効果を奏する。
図１１は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００における、側壁３６の変形例である側壁３９と、金属層８５の変形例である金属層８６とを説明する図である。図１から９を用いて説明した実施形態による半導体モジュール１００と異なる点として、平面視において、側壁３９は冷媒流通部９２の対角線方向に位置する２つの角部においてのみ傾斜部３７を有し、上述した通り、金属層８６のアスペクト比は金属層８５のアスペクト比と異なり、ｘ軸方向の辺の長さが相対的に長く、更に、各回路基板７６のｘ軸方向の中心が中心線ＣＬ上に位置するように配置されている。当該変形例による半導体モジュール１００によっても、上記と同様の効果を奏する。
図１２〜１５に示す側壁３６、３８、３９はそれぞれ、ｙ軸方向に延伸し対向する一組の側壁要素３６Ｌ、３８Ｌ、３９Ｌと、ｘ軸方向に延伸し対向する一組の側壁要素３６Ｓ、３８Ｓ、３９Ｓと、側壁要素３６Ｌ、３８Ｌ、３９Ｌの端部及び側壁要素３６Ｓ、３８Ｓ、３９Ｓの端部の間を接続する傾斜部３７、３７Ｓ、３７Ｌとを含む点で共通する。傾斜部３７、３７Ｓ、３７Ｌは、側壁３６、３８、３９の内方に向かって傾斜し、ｙ軸方向に対し例えば３０度以上６０度以下の角度で交差するよう延伸してよい。
図１２、図１３、図１４、図１５はそれぞれ、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００における、半導体装置７０の金属層８５の変形例である金属層８７、８８、８９、９０を示す図である。金属層８７、８８、８９、９０は、平面視において、略矩形であり、ｘ軸方向に延在する１組の辺及びｙ軸方向に延在する１組の辺を有し、角部において、面取りにより設けられた複数の角または円弧を含む。
図１から１１を用いて説明した実施形態による半導体モジュール１００と異なる点として、図１２に示す金属層８７は、平面視において、角部の内角が１５０°である１２角形を有し、図１３に示す金属層８８は、平面視において、角部の内角が１５７．５°である１６角形を有する。また、図１４に示す金属層８９は、平面視において、角部に１２０°及び１５０°の異なる２角を含む８角形を有し、図１５に示す金属層９０は、平面視において、角部に隣り合う２辺を接続する円弧を含む、角が無い形状を有する。これらの変形例による半導体モジュール１００によっても、上記と同様の効果を奏する。
図１６は、本発明の一つの実施形態に係る車両２００の概要を示す図である。車両２００は、少なくとも一部の推進力を、電力を用いて発生する車両である。一例として車両２００は、全ての推進力をモーター等の電力駆動機器で発生させる電気自動車、または、モーター等の電力駆動機器と、ガソリン等の燃料で駆動する内燃機関とを併用するハイブリッド車である。
車両２００は、モーター等の電力駆動機器を制御する制御装置２１０（外部装置）を備える。制御装置２１０には、半導体モジュール１００が設けられている。半導体モジュール１００は、電力駆動機器に供給する電力を制御してよい。
図１７は、本発明の複数の実施形態に係る半導体モジュール１００の主回路図である。半導体モジュール１００は、出力端子Ｕ、ＶおよびＷを有する三相交流インバータ回路として機能し、車両のモーターを駆動する車載用ユニットの一部であってよい。
半導体モジュール１００において、半導体チップ７８−１、７８−２および７８−３は上アームを、半導体チップ７８−４、７８−５および７８−６は下アームを構成してよい。一組の半導体チップ７８−１、７８−４はレグ（Ｕ相）を構成してよい。一組の半導体チップ７８−２、７８−５、一組の半導体チップ７８−３、７８−６も同様にレグ（Ｖ相、Ｗ相）を構成してよい。半導体チップ７８−４において、エミッタ電極が入力端子Ｎ１に、コレクタ電極が出力端子Ｕに、それぞれ電気的に接続してよい。半導体チップ７８−１において、エミッタ電極が出力端子Ｕに、コレクタ電極が入力端子Ｐ１に、それぞれ電気的に接続してよい。同様に、半導体チップ７８−５、７８−６において、エミッタ電極がそれぞれ入力端子Ｎ２、Ｎ３に、コレクタ電極がそれぞれ出力端子Ｖ、Ｗに、電気的に接続してよい。さらに、半導体チップ７８−２、７８−３において、エミッタ電極がそれぞれ出力端子Ｖ、Ｗに、コレクタ電極がそれぞれ入力端子Ｐ２、Ｐ３に、電気的に接続してよい。
各半導体チップ７８−１から７８−６は、対応する制御端子に入力される信号により交互にスイッチングされてよい。本例において、各半導体チップ７８はスイッチング時に発熱してよい。入力端子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は外部電源の正極に、入力端子Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３は外部電源の負極に、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗは負荷にそれぞれ接続してよい。入力端子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は互いに電気的に接続されてよく、また、他の入力端子Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３も互いに電気的に接続されてよい。
半導体モジュール１００において、複数の半導体チップ７８−１から７８−６は、それぞれＲＣ‐ＩＧＢＴ（逆導通ＩＧＢＴ）半導体チップであってよい。また、半導体チップ７８−１から７８−６は、それぞれＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのトランジスタとダイオードとの組み合わせを含んでよい。
以上の複数の実施形態の説明において、例えば「略同じ」、「略一致」、「略一定」、「略対称」、「略菱形」、「略矩形」などのように、「略」との言葉を一緒に用いて特定の状態を表現している場合があるが、これらは何れも、厳密に当該特定の状態であるものだけでなく、概ね当該特定の状態であるものを含む意図である。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
例えば、上記の実施形態においては、半導体モジュール１００が３つの半導体装置７０を備える構成として説明したが、これに代えて、１つ、２つ、又は、４つ以上の半導体装置７０を備えてもよい。
例えば、側壁３６、３８、３９により画定される冷媒流通部９２において、フィン領域９５の短辺方向の一の側に第１の冷媒流路３０−１を、他の側に第２の冷媒流路３０−２を並置し、第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２の間に冷却ピンフィン９４を配置してもよい。また例えば、冷却ピンフィン９４は、格子状に、好ましくは斜格子状あるいは菱形格子状に配置されてもよい。また例えば、入口４１および出口４２は、冷媒流通部９２において、フィン領域９５と隣接し、対角線上に設けられてもよい。また例えば、入口４１および出口４２の開口は、平面視において、長辺９６の方向の長さが短辺９３の方向の長さより大きくてもよい。
例えば、上記の実施形態においては、ベースプレート４０において、天板２０、側壁３６、３８、３９および冷却ピンフィン９４は一体的に形成されている構成として説明したが、これに代えて、天板２０、側壁３６等および冷却ピンフィン９４は、それぞれ個別に形成された後に固着剤９８などで互いに固着されてもよい。また、天板２０および側壁３６等が一体的に形成されて、別個に形成された冷却ピンフィン９４が天板２０に固着されてもよい。また、天板２０および冷却ピンフィン９４が一体的に形成されて、別個に形成された側壁３６等が天板２０に固着剤９８などで固着されてもよい。また、側壁３６等および底板６４が、例えば絞り加工によって一体的に形成されて、別個に形成された天板２０が側壁３６等に固着剤９８などで、例えばロウ付けによって固着されてもよい。この場合、側壁３６等は、天板２０の締結部２１が位置する領域までｘｙ平面に延在し、側壁３６等の当該延在面と天板２０の下面２４とが接続されてもよい。
また、例えば、上記の実施形態においては、冷却ピンフィン９４は、天板２０と一体的に形成され、底板６４に向かって延在する構成として説明したが、これに代えて、冷却ピンフィン９４は、底板６４と一体的に形成され、底板６４から天板２０に向かって延在してもよい。なお、この場合において、冷却ピンフィン９４の先端と天板２０との間が固着剤９８などで固着されてもよい。
また、例えば、上記の実施形態においては、冷却ピンフィン９４は、天板２０と底板６４との間を、天板２０の主面の法線方向に延在する、すなわち天板２０および底板６４に対して垂直に延在する構成として説明したが、これに代えて、冷却ピンフィン９４は、天板２０と底板６４との間を、天板２０の主面の法線方向に対して角度を有するように斜めに延在してもよい。また、冷却ピンフィン９４のｘｙ平面における断面の寸法は、ｚ軸方向において一定であってもよく、変化してもよく、より具体的な一例として、先端に向かって先細りになるように、天板２０および底板６４の何れか一方から他方へと延在してもよい。
また、例えば、上記の実施形態においては、冷媒流通部９２に冷媒を導入するための入口４１と、冷媒流通部９２から冷媒を導出するための出口４２とは、底板６４に形成されている構成として説明したが、これに代えて、入口４１および出口４２は、側壁３６、３８、３９に形成されてもよい。この場合、入口４１および出口４２は、側壁３６等のｘ軸方向に対向する２つの側面に形成されてもよい。
また、例えば、上記の実施形態においては、平面視において、側壁３６、３８、３９の内方側を直線として説明したが、直線に限られず、折れ線や曲線であってもよい。例えば、平面視において、側壁３６等の内方側は、冷媒流通部９２の側に弓状に膨らんだ曲線であってもよく、これと反対側に弓状に凹んだ曲線であってもよい。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
１０ 冷却装置、２０ 天板、２１ 締結部、２２ 上面、２４ 下面、３０ 冷媒流路、３０−１ 第１の冷媒流路、３０−２ 第２の冷媒流路、３６、３８、３９ 側壁、３６Ｓ、３６Ｌ、３８Ｓ、３８Ｌ、３９Ｓ、３９Ｌ 側壁要素、３７、３７Ｓ、３７Ｌ 傾斜部、４０ ベースプレート、４１ 入口、４２ 出口、６４ 底板、７０ 半導体装置、７０Ｕ Ｕ相ユニット、７０Ｖ Ｖ相ユニット、７０Ｗ Ｗ相ユニット、７２ 収容部、７４ 封止部、７６ 回路基板、７８ 半導体チップ、７９ 半田、８０ 貫通孔、８１ 絶縁板、８３ 回路層、８５、８６、８７、８８、８９、９０ 金属層、９２ 冷媒流通部、９３ 短辺、９６ 長辺、９４ 冷却ピンフィン、９５ フィン領域、９８ 固着剤、１００ 半導体モジュール、２００ 車両、２１０ 制御装置

Claims (15)

  1. 半導体装置および冷却装置を備える半導体モジュールであって、
    前記半導体装置は、半導体チップおよび前記半導体チップを実装する回路基板を有し、
    前記冷却装置は、
    前記半導体装置が実装される天板と、
    前記天板に接続される側壁と、
    前記側壁に接続され、前記天板に対面する底板と、
    前記天板、前記側壁および前記底板によって画定され、前記天板の主面に平行な断面が長辺および短辺を有する略矩形である、冷媒を流通させるための冷媒流通部と
    を含み、
    前記回路基板は、上面と下面を有する絶縁板と、前記上面に設けられた回路層と、前記下面に設けられた金属層とを順に含む、略矩形の積層基板であり、
    平面視において、前記側壁は、少なくとも１つの角部に、前記長辺の方向および前記短辺の方向のそれぞれに対して角度を有するように内方に向かって傾斜する傾斜部を含み、
    平面視において、前記金属層の少なくとも１つの角部は、前記傾斜部と少なくとも部分的に重なる、
    半導体モジュール。
  2. 平面視において、前記金属層の前記少なくとも１つの角部の輪郭は、前記傾斜部の内側と外側との間に位置する、
    請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 平面視において、前記金属層の前記角部以外の部分は、前記側壁と重ならない、
    請求項１または２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記側壁は、少なくとも２つの角部において、２つの前記傾斜部を含み、
    平面視において、前記金属層の２つの角部は、前記２つの傾斜部と少なくとも部分的に重なる、
    請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  5. 前記短辺の方向において、前記側壁の内方側の一辺の長さは、前記回路基板の前記金属層の一辺の長さよりも短い、
    請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  6. 前記絶縁板はセラミックを含み、
    前記金属層は、前記天板に半田で固着されている、
    請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  7. 前記天板および前記側壁は、一体的に構成されている、
    請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  8. 前記天板および前記側壁は、一体的に形成されている、
    請求項７に記載の半導体モジュール。
  9. 前記天板と前記側壁とは、固着剤で固着されている、
    請求項７に記載の半導体モジュール。
  10. 前記平面視の方向に直交する平面内における、前記天板の断面の厚みは、前記側壁の内方側よりも外方側において厚い、
    請求項７から９のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  11. 半導体装置および冷却装置を備える半導体モジュールであって、
    前記半導体装置は、
    半導体チップと、
    上面と下面を有する絶縁板と、前記上面に設けられた回路層と、前記下面に設けられた金属層とを含み、前記回路層に前記半導体チップを実装される回路基板と
    を有し、
    前記冷却装置は、
    前記半導体装置が実装される天板と、
    前記天板に接続される側壁と、
    前記側壁に接続され、前記天板に対面する底板と、
    前記天板、前記側壁および前記底板によって画定される、冷媒を流通させるための冷媒流通部と
    を含み、
    前記側壁は、一の方向に延伸し対向する一組の第１側壁要素と、他の方向に延伸し対向する一組の第２側壁要素と、前記第１側壁要素の端部及び前記第２側壁要素の端部の間を接続する傾斜部とを含み、
    平面視において、前記金属層は略矩形であって、前記金属層の角部が前記傾斜部と部分的に重なる、
    半導体モジュール。
  12. 平面視において、前記一の方向と前記他の方向は略直交し、前記傾斜部の延伸方向と前記一の方向は３０度以上６０度以下の角度で交差する、
    請求項１１に記載の半導体モジュール。
  13. 前記側壁は、４つの前記傾斜部を含み、
    平面視において、前記第２側壁要素の長さは前記第１側壁要素の長さより短く、かつ、前記第２側壁要素の長さは前記金属層の一辺の長さより短い、
    請求項１１または１２に記載の半導体モジュール。
  14. 前記側壁は、２つの前記傾斜部を含む、
    請求項１１または１２に記載の半導体モジュール。
  15. 請求項１から１４の何れか一項に記載の半導体モジュールを備える車両。
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