JP2021174909A - 半導体モジュールおよび車両 - Google Patents

半導体モジュールおよび車両 Download PDF

Info

Publication number
JP2021174909A
JP2021174909A JP2020078725A JP2020078725A JP2021174909A JP 2021174909 A JP2021174909 A JP 2021174909A JP 2020078725 A JP2020078725 A JP 2020078725A JP 2020078725 A JP2020078725 A JP 2020078725A JP 2021174909 A JP2021174909 A JP 2021174909A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
metal layer
top plate
plan
semiconductor module
view
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2020078725A
Other languages
English (en)
Other versions
JP7463825B2 (ja
Inventor
教文 山田
Norifumi Yamada
広道 郷原
Hiromichi Gohara
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Priority to JP2020078725A priority Critical patent/JP7463825B2/ja
Priority to CN202110208500.4A priority patent/CN113644038A/zh
Priority to US17/183,386 priority patent/US11908772B2/en
Publication of JP2021174909A publication Critical patent/JP2021174909A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7463825B2 publication Critical patent/JP7463825B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/28—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
    • H01L23/31—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape
    • H01L23/3107—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed
    • H01L23/3142—Sealing arrangements between parts, e.g. adhesion promotors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20218—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant without phase change in electronic enclosures
    • H05K7/20263—Heat dissipaters releasing heat from coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2039—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating characterised by the heat transfer by conduction from the heat generating element to a dissipating body
    • H05K7/205—Heat-dissipating body thermally connected to heat generating element via thermal paths through printed circuit board [PCB]
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20927—Liquid coolant without phase change
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/32227—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the layer connector connecting to a bond pad of the item
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3677—Wire-like or pin-like cooling fins or heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L24/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector

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、冷却器内の冷媒に流速損失が生じて冷却効率が低下するのを抑えつつ、冷却器の熱変形に起因して、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するのを抑えることができなかった。【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、半導体チップと、半導体チップが実装された回路基板と、半導体チップを封止する樹脂構造体とを有し、冷却装置は、天板と、側壁と、底板と、冷媒流通部と、複数のフィンおよび補強ピンとを有し、金属層は、平面視において、一部が冷却領域と重なり、一部を除く部分が第１連通領域および第２連通領域の一方の連通領域と重なり、補強ピンは、一方の連通領域に配置される。【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器を実装した、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２０１７−０９２４６８号公報
［特許文献２］特開２０１７−０５０３７５号公報
［特許文献３］ＷＯ２０１５／０３３７２４
［特許文献４］特開２０１６−２２５３３９号公報
［特許文献５］特開２０１０−１６１２０３号公報
上記の半導体モジュールは、固着剤によって回路基板を冷却器に固定しているが、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、冷却器内の冷媒に流速損失が生じて冷却効率が低下するのを抑えつつ、冷却器の熱変形に起因して上記固着剤に大きな応力および塑性ひずみが発生するのを抑えることができなかった。
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、半導体チップと、半導体チップが実装された回路基板と、半導体チップを封止する樹脂構造体とを有してもよい。冷却装置は、半導体装置の回路基板および樹脂構造体が主面に固定される天板を有してもよい。冷却装置は、天板に接続される側壁を有してもよい。冷却装置は、側壁に接続され、天板に対面する底板を有してもよい。冷却装置は、天板、側壁および底板によって画定され、冷媒を流通させるための冷媒流通部を有してもよい。冷却装置は、冷媒流通部に冷媒を導入するための入口を有してもよい。冷却装置は、冷媒流通部から冷媒を導出するための出口を有してもよい。冷却装置は、冷媒流通部に配置され、天板と底板との間を接続するように延在する複数のフィンおよび補強ピンを有してもよい。冷媒流通部は、複数のフィンが配置される冷却領域を含んでもよい。冷媒流通部は、冷却領域の一方側に隣接し、入口に連通し、複数のフィンが配置されない、第１連通領域を含んでもよい。冷媒流通部は、冷却領域の、一方側の反対側である他方側に隣接し、出口に連通し、複数のフィンが配置されない、第２連通領域を含んでもよい。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積層基板であってもよい。金属層は、平面視において、一部が冷却領域と重なり、当該一部を除く部分が第１連通領域および第２連通領域の一方の連通領域と重なってもよい。補強ピンは、一方の連通領域に配置されてもよい。天板の主面に平行な面内において、補強ピンの断面の面積は、複数のフィンのうちの少なくとも１つのフィンの断面の面積よりも小さくてもよい。
補強ピンは、平面視において、少なくとも一部が金属層と重なってもよい。
金属層は、平面視において矩形であってもよい。補強ピンは、平面視において、少なくとも一部が金属層の矩形の角部と重なってもよい。
補強ピンは、平面視において、一部が金属層の矩形の角部と重なり、当該一部を除く部分が金属層と重ならなくてもよい。
補強ピンは、平面視において、少なくとも一部が、金属層の矩形の角部における、冷却領域から最も離れている部分と重なってもよい。
金属層は、平面視において矩形であってもよい。補強ピンは、平面視において、金属層と重ならず、且つ、金属層の矩形の角部近傍に位置してもよい。
補強ピンは、平面視において、冷却領域から離れる方向に沿って、金属層の矩形の角部における冷却領域から最も離れている部分から０ｍｍよりも大きく２ｍｍ以下の距離だけ離れて位置してもよい。
半導体装置は、２枚以上の回路基板を含んでもよい。平面視において、互いに隣接する２つの金属層の矩形の角部間には、補強ピンが１つだけ配置されてもよい。
冷媒流通部は、平面視において矩形であってもよい。補強ピンは、平面視において、冷媒流通部の矩形の角部と、金属層との間に位置してもよい。
補強ピンは、天板の主面に平行な断面の形状が円形であってもよい。
複数のフィンは、それぞれ、天板の主面に平行な断面の形状が矩形であってもよい。複数のフィンは、冷媒流通部に冷媒が流れた場合に、冷却領域における冷媒の主たる流れ方向に対して矩形の何れの辺も直交しないように、冷媒流通部に配置されてもよい。
補強ピンは、天板の主面に平行な断面の形状が非多角形であってもよい。複数のフィンは、それぞれ、天板の主面に平行な断面の形状が多角形であってもよい。
少なくとも一方の連通領域に配置される複数の補強ピンの密度は、冷却領域に配置される複数のフィンの密度に比べて疎であってもよい。
絶縁板はセラミックを含んでもよい。金属層は、天板の主面にはんだで固着されていてもよい。
樹脂構造体は、半導体チップを封止する封止部と、封止部を囲う収容部とを含んでもよい。収容部は、天板の主面に固着剤で固着されていてもよい。
本発明の第２の態様においては、第１の態様に係る半導体モジュール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の冷却領域９５の配置、半導体装置７０の金属層８５の配置、フィン９４の配置および形状、補強ピン９７の配置および形状、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、冷却装置１０の冷却領域９５、および、補強ピン９７の配置関係の変形例を示す図である。 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、冷却装置１０の冷却領域９５、および、補強ピン９７の配置関係の変形例を示す図である。 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、冷却装置１０の冷却領域９５、および、補強ピン９７の配置関係の変形例を示す図である。 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、冷却装置１０の冷却領域９５、および、補強ピン９７の配置関係の変形例を示す図である。 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、冷却装置１０の冷却領域９５、および、補強ピン９７の配置関係の変形例を示す図である。 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の冷却領域９５の配置、半導体装置７０の金属層８５の配置、フィン９４の配置および形状、補強ピン９７の配置および配置、ならびに冷媒の流れ方向の一例を示す図である。
図１および図２では、単に説明を明確にするため、図３および図４に示す樹脂構造体７１の図示を省略している。図３では、図１に示す半導体モジュール１００におけるＷ相ユニット７０Ｗ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の冷却領域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で示している。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。本実施形態による半導体装置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が実装された回路基板７６と、半導体チップ７８を封止する樹脂構造体７１とを有する。半導体装置７０は、２枚以上の回路基板７６を含んでもよい。本実施形態による半導体装置７０は、３枚の回路基板７６を含み、３枚の回路基板７６は冷却装置１０上でｙ軸方向に並べられている。各回路基板７６には１つ又は複数の半導体チップ７８が搭載されていてもよい。本実施形態では、各回路基板７６には２つの半導体チップ７８が搭載され、２つの半導体チップ７８は回路基板７６上でｙ軸方向に並べられている。
本実施形態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する。図１に示す通り、本実施形態の半導体装置７０は、パワー半導体装置として、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とを有する。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。本実施形態の半導体チップ７８は、はんだ７９によって回路基板７６の上面に固定されている。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。本実施形態の回路基板７６は、金属層８５を介してはんだ７９によって冷却装置１０の上面に固定されている。また、本実施形態の回路基板７６の上面には、一例として、２つの半導体チップ７８が固定されている。
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。本実施形態の絶縁板８１は、セラミックを含む。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。本実施形態の絶縁板８１は、平面視において矩形である。
本願明細書において、矩形とは、四角形または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、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。また、本明細書において、角部とは、２つの辺が直交する点だけでなく、当該点を含む一定の領域であってもよく、角部がＣ面取りされている場合にはＣ面取り上の一の角から他の角までの辺上の任意の点または当該辺を含む一定の領域であってもよく、角部がＲ面取りされている場合にはＲ面取り上の任意の点または当該点を含む一定の領域であってもよい。
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。本実施形態における回路層８３および金属層８５は、絶縁板８１と同様に、平面視において矩形である。
回路層８３は、はんだ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がはんだ等によって電気的、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。また、回路層８３は、絶縁板８１の上面に直接接合（ＤＣＢ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）されてもよい。
図３および図４に示す通り、本実施形態の樹脂構造体７１は、半導体チップ７８を封止する封止部７４と、封止部７４を囲う収容部７２とを含む。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。本実施形態の封止部７４は、半導体チップ７８以外に、回路基板７６およびその他の回路要素も封止する。
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る。本実施形態の収容部７２は、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る。換言すると、本実施形態の収容部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、天板２０の上面２２に接着されてもよい。上述した封止部７４は、一例として、収容部７２の内部空間に上記の樹脂が充填され、硬化することによって形成される。なお、樹脂構造体７１は、収容部７２を含まずに、封止部７４のみを含んでもよい。
冷却装置１０は、天板２０と、側壁３６と、底板６４と、冷媒流通部９２と、入口４１と、出口４２と、複数のフィン９４と、補強ピン９７とを有する。本実施形態では、天板２０、側壁３６、複数のフィン９４および補強ピン９７をまとめて、ベースプレート４０と称する場合がある。
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。天板２０は、主面に、半導体装置７０の回路基板７６および樹脂構造体７１が固定される。本実施形態の天板２０は、平面視において、長辺および短辺を有する、実質的に長方形である。なお、本願明細書において、長方形、正方形、四角形、菱形、多角形などと称する場合、これらの図形は、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。
また、本実施形態の天板２０は、短辺がｘ軸に平行であり、長辺がｙ軸に平行である。本実施形態の天板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、長方形の天板２０の四隅に位置する。締結部２１は、外部の装置のボスなどが挿入される貫通孔８０を有する。本実施形態の締結部２１は、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。
本実施形態において、天板２０の上面２２には、半導体装置７０の回路基板７６がはんだ７９によって直接固定される。より具体的には、天板２０の主面には、回路基板７６の金属層８５がはんだ７９で固着されている。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。本実施形態では、それぞれの部材間がはんだ７９で固定されており、各部材は当該はんだ７９を介して熱的に接続される。また、本実施形態の天板２０は、主面に、上記の収容部７２が固着剤で固着されている。
側壁３６は、天板２０に接続される。本実施形態の側壁３６は、天板２０と一体的に構成されている。側壁３６は、一例として金属で形成され、より具体的な一例として、天板２０と同様にアルミニウムを含む金属で形成されている。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。側壁３６の厚さは、例えば１ｍｍ以上３ｍｍ以下であってもよい。
本実施形態の側壁３６は、ｘｙ平面において、長辺および短辺を有する実質的に矩形の輪郭を有する。より具体的には、本実施形態の側壁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、を含み、一組の側壁要素３６Ｌが矩形の長辺を成し、一組の側壁要素３６Ｓが矩形の短辺を成す。
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。
また、本実施形態の側壁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。
また、本実施形態の側壁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を含む。なお、図５は、傾斜部３７を網目状の領域として図示し、以降の図も同様である。側壁３６は、傾斜部３７を含まなくてもよい。
傾斜部３７は、平面視において、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、環状の側壁３６の内方に向かって傾斜する。環状の側壁３６の内方とは、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。傾斜部３７を含む側壁３６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角形の輪郭を有していてもよい。
底板６４は、側壁３６に接続され、天板２０に対面する。本実施形態の底板６４は、板状の部材である。本実施形態の底板６４は、平面視において、長辺および短辺を有する長方形である。また、本実施形態の底板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、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てもよい。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、ロウ材などの固着剤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。本実施形態において、底板６４は、固着剤９８を介して側壁３６の下端に密着して配置されている。底板６４は、一例として金属で形成され、より具体的な一例として、ベースプレート４０と同様にアルミニウムを含む金属で形成されている。
なお、側壁３６の下端と底板６４とは、互いにロウ付けされることが好ましい。この場合、ロウ材は、ベースプレート４０および底板６４よりも融点の低い金属であることが好ましい。
冷媒流通部９２は、例えばＬＬＣや水等の冷媒を流通させるための空間であって、天板２０、側壁３６および底板６４によって画定される。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、冷媒流通部９２は、平面視において矩形である。より具体的には、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を有する矩形である。なお、本実施形態において、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。
冷媒流通部９２は、天板２０、側壁３６および底板６４によって密閉されていてもよく、この場合、側壁３６の下端と底板６４とが密着していてもよい。なお、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。
入口４１は、冷媒流通部９２に冷媒を導入するための貫通孔であり、出口４２は、冷媒流通部９２から冷媒を導出するための貫通孔である。本実施形態において、入口４１および出口４２は、底板６４に形成されている。
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。
入口４１および出口４２は、外部の冷媒供給源と連通してもよい。当該冷媒供給源は、入口４１および出口４２を介して冷媒流通部９２に冷媒を流出入させてもよい。当該冷媒供給源は、一例として、冷媒を流出入させる開口が形成されたフランジを有し、例えばゴム製のＯリングを介して、冷却装置１０の入口４１および出口４２が当該開口に連通するように、当該フランジに冷却装置１０が固定されてもよい。従って、冷却装置１０は、入口４１を介して外部の冷媒供給源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を介して当該冷媒供給源へと搬出され得る。なお、これに代えて、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。
複数のフィン９４は、冷媒流通部９２に配置され、天板２０と底板６４との間を接続するように延在する。上述した冷媒流通部９２は、複数のフィン９４が配置される冷却領域９５を含む。図２は、フィン９４を図示する代わりに、冷却領域９５をドットで示している。なお、以降の説明において、１または複数のフィン９４を、単にフィン９４と称する場合がある。
冷却領域９５は、平面視において矩形であってもよい。図５に示す通り、本実施形態の冷却領域９５は、平面視において長方形であり、短辺がｘ軸に平行であり、長辺がｙ軸に平行である。
本実施形態の冷却領域９５において、冷媒流通部９２の長辺９６の方向に並ぶフィン９４の数は、冷媒流通部９２の短辺９３の方向に並ぶフィン９４の数よりも多い。冷却領域９５には、フィン９４が設けられた領域と、フィン９４間の流路とが含まれる。なお、隣接するフィン９４同士の間隔は、フィン９４自体の幅よりも狭くてもよい。
冷媒流通部９２は更に、当該冷却領域９５の一方側に隣接する第１の冷媒流路３０−１と、冷却領域９５の当該一方側の反対側である他方側に隣接する第２の冷媒流路３０−２とを含む。換言すると、冷媒流通部９２は、平面視において、冷却領域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。本実施形態において、第１の冷媒流路３０−１は冷却領域９５のｘ軸方向の負側に隣接し、第２の冷媒流路３０−２は冷却領域９５のｘ軸方向の正側に隣接する。これらの冷媒流路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、上記の入口４１に連通し、複数のフィン９４が配置されない。同様に、第２の冷媒流路３０−２は、上記の出口４２に連通し、複数のフィン９４が配置されない。また、本実施形態において、第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２はそれぞれ、平面視において、ｘ軸方向の長さよりもｙ軸方向の長さの方が長く、ｙ軸方向に延在する。なお、第１の冷媒流路３０−１は第１連通領域の一例であり、第２の冷媒流路３０−２は第２連通領域の一例である。
フィン９４は、一例として金属で形成され、より具体的な一例として、天板２０と同様にアルミニウムを含む金属で形成されている。
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する。本実施形態のフィン９４の上端は、天板２０の下面２４に熱的および機械的に接続される。本実施形態において、フィン９４は、天板２０と一体的に構成されており、換言すると、フィン９４が天板２０の下面２４から一体的に突出している。本実施形態のフィン９４は、天板２０の下面２４から冷媒流通部９２に向かってｚ軸負方向に延伸している。本実施形態のフィン９４の下端は、固着剤９８によって底板６４に固着されている。また、本実施形態のフィン９４の延伸方向は、天板２０および底板６４のそれぞれの主面と略直交する。
本実施形態において、複数のフィン９４は、それぞれピンフィンである。また、本実施形態における複数のフィン９４は、それぞれ、天板２０の主面に平行な断面の形状が矩形である。これにより、フィンの当該断面形状が円形の場合に比べて、冷媒に接触するフィン９４の表面積を大きくすることができ、放熱効率を高めることができる。
また、複数のフィン９４は、冷媒流通部９２に冷媒が流れた場合に、冷却領域９５における冷媒の主たる流れ方向に対して当該矩形の何れの辺も直交しないように、冷媒流通部９２に配置されてもよい。本実施形態の例では、冷却領域９５における冷媒の主たる流れ方向は、ｘ軸方向である。本実施形態において、複数のフィン９４は、当該矩形の何れの辺もｘ軸方向に直交しないように、冷媒流通部９２に配置されている。より具体的には、本実施形態の複数のフィン９４は、当該矩形の何れの辺もｘ軸方向に直交せず、且つ、１つの対角線がｙ軸方向に平行になり、他の１つの対角線がｘ軸方向に平行になるように、冷媒流通部９２に配置されている。これに代えて、複数のフィン９４は、当該矩形の何れの辺もｘ軸方向に直交せず、且つ、１つの対角線がｙ軸方向に対して傾斜して、他の１つの対角線がｘ軸方向に対して傾斜するように、冷媒流通部９２に配置されてもよい。複数のフィンが、上記の主たる流れ方向に対して上記の矩形の何れかの辺が直交するように冷媒流通部９２に配置されている場合に比べて、上述した何れの構成によっても、冷媒流通部９２内を流れる冷媒の流速損失を小さくすることができ、放熱効率を高めることができる。
また、本実施形態のフィン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の方向に長い菱形を有する。また、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。フィン９４は、菱形の断面のそれぞれの辺の長さが１．９ｍｍから２．２ｍｍであってもよい。菱形の断面のそれぞれの角部において、曲率半径が０．１ｍｍから０．２ｍｍの丸みを有してもよい。
なお、複数のフィン９４は、それぞれ、当該断面形状が多角形であってもよく、例えば正方形であってもよい。この場合、当該正方形の１つの対角線が、第１の冷媒流路３０−１から第２の冷媒流路３０−２に向かう方向に沿うように、冷媒流通部９２に配置されてもよい。
また、複数のフィン９４は、冷媒流通部９２のｘｙ平面内において、所定のパターンを形成するように配列されていてもよい。本実施形態において、複数のフィン９４は、図５に示すように千鳥配列されている。複数のフィン９４は、冷媒流通部９２のｘｙ平面内において、正方配列されていてもよい。
補強ピン９７は、冷媒流通部９２に配置され、天板２０と底板６４との間を接続するように延在する。補強ピン９７は、一例として金属で形成され、より具体的な一例として、天板２０と同様にアルミニウムを含む金属で形成されている。補強ピン９７は、天板２０やフィン９４を形成する金属よりも剛性が高い金属で形成されていてもよい。
補強ピン９７は、ｚ軸方向において対向する上端と下端とを有する。補強ピン９７の上端は、天板２０の下面２４に熱的および機械的に接続される。本実施形態において、補強ピン９７は、天板２０と一体的に構成されており、換言すると、補強ピン９７が天板２０の下面２４から一体的に突出している。本実施形態の補強ピン９７は、天板２０の下面２４から冷媒流通部９２に向かってｚ軸負方向に延伸している。本実施形態の補強ピン９７の下端は、例えば固着剤９８を介して、底板６４に固着される。また、本実施形態の補強ピン９７の延伸方向は、天板２０および底板６４のそれぞれの主面と略直交する。
冷媒流通部９２には、複数の補強ピン９７が配置されていてもよく、複数の補強ピン９７の密度は、冷却領域９５に配置される複数のフィン９４の密度に比べて疎である。図２および図５に示す通り、本実施形態の冷媒流通部９２には、６本の補強ピン９７が配置されている。
天板２０の主面に平行な面内において、補強ピン９７の断面の面積は、複数のフィン９４のうちの少なくとも１つのフィン９４の断面の面積よりも小さい。一例として、当該面内において、補強ピン９７の断面の面積は、複数のフィン９４のそれぞれの断面の面積の５０％以下であり、図５に示す通り、本実施形態の補強ピン９７は、天板２０の主面に平行な断面の形状が円形である。当該断面の円形は、例えば直径１〜１．５ｍｍが好ましい。
なお、補強ピン９７は、天板２０の主面に平行な断面の形状が非多角形であってもよく、例えば楕円や、多角形の角部をＲ面取りした形状であってもよい。当該断面が楕円の場合は、楕円の長軸がｙ軸方向に沿い、短軸がｘ軸方向に沿うことが好ましい。この場合、楕円の長軸の長さが１．１ｍｍであって、短軸の長さが０．９ｍｍであることが好ましい。
ここで、図５では、側壁３６のｘ軸方向の中心を通ってｙ軸方向に延伸する中心線ＣＬを示す。本実施形態において、ｙ軸方向に延在している冷却領域９５は、ｘ軸方向の中心が当該中心線ＣＬと一致している。
本実施形態において、各回路基板７６の金属層８５は、平面視において、一部が冷却領域９５と重なり、当該一部を除く部分が第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２の一方の連通領域と重なる。換言すると、各回路基板７６の金属層８５は、すなわち各回路基板７６は、平面視において、図５に示す中心線ＣＬに対してｘ軸方向にシフトして配置される。そして、補強ピン９７は、当該一方の連通領域に配置される。
図５に示す通り、本実施形態の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、一部が冷却領域９５と重なり、一部が第２の冷媒流路３０−２と重なる。そして、本実施形態の６本の補強ピン９７は何れも、第２の冷媒流路３０−２に配置される。
補強ピン９７は、平面視において、少なくとも一部が金属層８５と重なってもよい。平面視において金属層８５が矩形である場合、補強ピン９７は、平面視において、少なくとも一部が金属層８５の矩形の角部と重なってもよい。
本実施形態の補強ピン９７は、平面視において、一部が金属層８５の矩形の角部と重なり、一部が金属層８５と重ならない。より具体的には、補強ピン９７は、平面視において、一部が、金属層８５の矩形の角部における、冷却領域９５から最も離れている部分と重なる。
具体的な一例として、図５に示す通り、平面視では、各金属層８５の矩形における、ｘ軸方向正側に位置する２つの角部と、２つの補強ピン９７とが部分的に重なっている。より具体的には、本実施形態における金属層８５は、平面視において四角形の４つの角部がＣ面取りされた８角形であり、当該四角形の四辺のうち、対向する二辺がｙ軸に平行であり、他の対向する二辺がｘ軸に平行である。本実施形態では、平面視において、１つの金属層８５と部分的に重なる２つの補強ピン９７はそれぞれ、当該金属層８５のｙ軸に平行な二辺のうちの第２の冷媒流路３０−２の側に位置する一辺と、Ｃ面取りされた角部の辺との交点に重なっている。平面視において補強ピン９７が当該交点に重なる場合、補強ピン９７がＣ面取りされた角部の辺上における当該交点を除く部分に重なる場合に比べて、はんだ７９の寿命をより効果的に向上することができる。
また、当該２つの補強ピン９７のうち、平面視において矩形である冷媒流通部９２の角部に近い補強ピン９７は、平面視において、冷媒流通部９２の矩形の角部と、金属層８５との間に位置する。より具体的には、本実施形態において、冷媒流通部９２の第２の冷媒流路３０−２側に位置する２つの傾斜部３７のそれぞれに近い２つの補強ピン９７は、平面視において、傾斜部３７と金属層８５との間に位置する。なお、冷媒流通部９２の矩形の角部と金属層８５との間とは、冷媒流通部９２の矩形の角部と、当該角部に最も近い金属層８５とを結ぶ任意の直線上における、当該角部と当該金属層８５との間の任意の位置を含む意図である。冷媒流通部９２の矩形の角部と金属層８５との間、と定義する場合、当該範囲の一端である当該角部と、当該範囲の他端である当該金属層８５とを含んでもよい。
以上の通り、本実施形態の半導体モジュール１００によれば、半導体装置７０の回路基板７６が天板２０の主面に固定される冷却装置１０において、冷媒が流通する冷媒流通部９２は、複数のフィン９４が配置される冷却領域９５と、互いに当該冷却領域９５を挟むように位置する第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２とを含み、これらの冷媒流路には複数のフィン９４が配置されない。また、第１の冷媒流路３０−１は、冷媒流通部９２に冷媒を導入するための入口４１に連通し、第２の冷媒流路３０−２は、冷媒流通部９２から冷媒を導出するための出口４２に連通する。
冷却装置１０の天板２０上で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。本実施形態の半導体モジュール１００では、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を備える。
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から冷媒流通部９２内に導入され、冷媒流通部９２内を全体に亘って拡散し、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。冷媒は、回路基板７６が載置される天板２０の下面２４およびフィン９４に接触し、半導体装置７０の各半導体チップ７８を冷却する。換言すると、各半導体チップ７８が発した熱は、天板２０およびフィン９４の近傍を通過する冷媒に移動する。
よって、本実施形態の半導体モジュール１００によれば、冷却装置１０は、冷却装置１０の上面でｙ軸方向に並べられた各半導体チップ７８から生じる熱を、冷媒によって効率的に冷却できる。
本願の発明者等は、冷却フィンが配置されたフィンエリアと、フィンエリアを挟む２つのガイドエリアとを含む冷却器が半導体装置に実装された半導体モジュールに対して、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。ただし、２つのガイドエリアには、冷却フィンのような構造物は存在せず、当該半導体装置の回路基板は、平面視において、フィンエリアからガイドエリアに部分的にはみ出している。
実験の結果、回路基板において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はんだには、当該部分的にはみ出している箇所に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。当該はんだには特に、平面視において、冷却器の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、ガイドエリア、特に当該箇所において、変形し易いことが影響していると考えられる。なお、冷却装置の天板の変形は、冷却装置の側壁のような構造物が下面に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ことも判明した。
本実施形態の半導体モジュール１００は更に、平面視において、回路基板７６の金属層８５の一部が冷却領域９５と重なり、金属層８５の一部が第２の冷媒流路３０−２と重なる。上記の冷媒流通部９２は更に、当該第２の冷媒流路３０−２において、天板２０と底板６４との間を接続するように延在する補強ピン９７を有する。
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との間に介在するはんだ７９に大きな応力および塑性ひずみが発生することを、冷却装置１０の天板２０と底板６４との間を接続するように延在する補強ピン９７によって抑止することができる。これにより、半導体モジュール１００は、ヒートサイクル信頼性を向上することができ、はんだ７９の寿命を向上することができる。
本実施形態の半導体モジュール１００は更に、冷却装置１０の天板２０の主面に平行な面内において、上記の補強ピン９７の断面積は、複数のフィン９４のうちの少なくとも１つのフィン９４の断面積よりも小さい。補強ピン９７の当該断面積をフィン９４の当該断面積に比べて大きくした場合、冷却装置１０の冷媒流通部９２に入口４１から導入された冷媒が、フィン９４が配置されていない第１の冷媒流路３０−１内で拡散する際に流速損失を生じさせてしまうが、上記構成によれば、これを抑止することができる。その結果として、冷却装置１０による半導体装置７０の冷却効率が低下することを抑止することができる。
以上の実施形態において、ベースプレート４０を成す天板２０、側壁３６およびフィン９４は、一体的に構成されていてもよい。本実施形態においては、天板２０、側壁３６およびフィン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。
ここで、図４に示した通り、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。本実施形態の冷却装置１０において、締結部２１の厚みＴ１は、天板２０における冷却領域９５の厚みＴ２よりも厚くてもよい。
天板２０における冷却領域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。その一方で、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における冷却領域９５の厚みＴ２よりも厚くてもよい。天板２０における冷却領域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。その一方で、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における冷却領域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に固定するはんだ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の少なくとも冷却領域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。
図６〜図１０はそれぞれ、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、冷却装置１０の冷却領域９５、および、補強ピン９７の配置関係の変形例を示す図である。
図６〜図１０では、半導体モジュール１００における、冷却装置１０の側壁３６、底板６４、入口４１および出口４２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と、複数のフィン９４および冷却領域９５と、補強ピン９７とを図示し、単に説明を明確にするため、半導体モジュール１００における他の構成の図示を省略する。
また、図６〜図１０に示す変形例では、図１〜５を用いて説明した実施形態における半導体モジュール１００の構成と比較して、特定の構成の配置、数およびまたは寸法が異なるだけであり、機能および用途は同一である。よって、図６〜図１０に示す変形例の各構成は、図１〜１０を用いて説明した実施形態における各構成と同じ参照番号を用い、重複する説明を省略する。
図６、図８および図９に示す変形例では、図１〜５を用いて説明した実施形態とは異なり、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。また、各回路基板７６の金属層８５は、平面視において、一部が冷却領域９５と重なり、一部が第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２の両方と重なる。
図６に示す変形例では、冷媒流通部９２に１２本の補強ピン９７が配置されており、何れの補強ピン９７も、平面視において、一部が金属層８５の矩形の角部と重なり、一部が金属層８５と重ならない。換言すると、半導体モジュール１００の半導体装置７０が備える３つの金属層８５のそれぞれにおいて、平面視で、金属層８５の矩形の４つの角部のそれぞれに対し、１つの補強ピン９７が部分的に重なっている。より具体的には、本実施形態では、平面視において、１つの金属層８５と部分的に重なる４つの補強ピン９７はそれぞれ、当該金属層８５のｙ軸に平行な二辺と、Ｃ面取りされた角部の辺との交点に重なっている。また、本実施形態において、４つの傾斜部３７のそれぞれに近い４つの補強ピン９７は、平面視において、それぞれ傾斜部３７と金属層８５との間に位置する。本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７に示す変形例では、図１〜５に示した実施形態と同様に、冷媒流通部９２に６本の補強ピン９７が配置されている。また、本変形例では、図１〜５に示した実施形態と同様に、各回路基板７６の金属層８５は、平面視において、一部が冷却領域９５と重なり、当該一部を除く部分が第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２の一方の連通領域と重なる。換言すると、各回路基板７６の金属層８５は、すなわち各回路基板７６は、平面視において、図７に示す中心線ＣＬに対してｘ軸方向にシフトして配置される。そして、補強ピン９７は、当該一方の連通領域に配置される。
図１〜５に示した実施形態と異なる点として、本変形例では、何れの補強ピン９７も、平面視において、金属層８５と重ならず、且つ、金属層８５の矩形の角部近傍に位置する。換言すると、半導体モジュール１００の半導体装置７０が備える３つの金属層８５のそれぞれにおいて、平面視で、金属層８５の矩形の４つの角部のそれぞれの少し外側に、１つの補強ピン９７が位置している。なお、角部近傍とは、平面視において金属層８５とは重ならない領域内において、角部を中心とする円範囲の任意の位置を含んでもよい。また、角部近傍とは、平面視において金属層８５とは重ならない領域内において、角部からｘ軸方向に離れた位置、角部からｙ軸方向に離れた位置、または、角部からｘ軸方向およびｙ軸方向の両方に離れた位置を含んでもよい。
好ましくは、補強ピン９７は、平面視において、金属層８５の矩形の角部における、冷却領域９５から最も離れている部分から、特定の距離だけ離れて位置してもよい。当該距離の一例は、冷却領域９５から離れる方向に沿って０ｍｍよりも大きく２ｍｍ以下の距離であってもよい。ここで言う冷却領域９５から離れる方向は、一例として、平面視において矩形である冷却領域９５の四辺のうち、一の冷媒流路３０に隣接する一辺に直交する方向であって、冷却領域９５から離れる方向である。本実施形態においては、ｘ軸正方向である。なお、図８に示す変形例においても同様であり、重複する説明を省略する。
また、図７に示す通り、ｙ軸方向の両端に位置する２つの金属層８５のそれぞれについて、平面視では、金属層８５の矩形における、側壁３６の側壁要素３６Ｓに近い２つの角部の近傍に位置する２つの補強ピン９７は、平面視において、冷媒流通部９２の矩形の角部と、金属層８５との間に位置する。より具体的には、本実施形態において、４つの傾斜部３７のそれぞれに近い４つの補強ピン９７は、平面視において、それぞれ傾斜部３７と金属層８５との間に位置する。本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８に示す変形例では、図６に示す変形例と同様に、冷媒流通部９２に１２本の補強ピン９７が配置されている。図６に示した変形例と異なる点として、図７に示した変形例と同様に、何れの補強ピン９７も、平面視において、金属層８５と重ならず、且つ、金属層８５の矩形の角部近傍に位置する。また、図８に示す通り、ｙ軸方向の両端に位置する２つの金属層８５のそれぞれについて、平面視では、金属層８５の矩形における、側壁３６の側壁要素３６Ｓに近い２つの角部の近傍に位置する４つの補強ピン９７は、平面視において、冷媒流通部９２の矩形の角部と、金属層８５との間に位置する。本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９に示す変形例では、冷媒流通部９２に８本の補強ピン９７が配置されており、図８に示す変形例と同様に、何れの補強ピン９７も、平面視において、金属層８５と重ならず、且つ、金属層８５の矩形の角部近傍に位置する。また、図９に示す通り、ｙ軸方向の両端に位置する２つの金属層８５のそれぞれについて、平面視では、金属層８５の矩形における、側壁３６の側壁要素３６Ｓに近い２つの角部の近傍に位置する４つの補強ピン９７は、平面視において、冷媒流通部９２の矩形の角部と、金属層８５との間に位置する。
図８に示した変形例と異なる点として、本変形例では、平面視において、互いに隣接する２つの金属層８５の矩形の角部間には、補強ピン９７が１つだけ配置される。換言すると、本変形例では、各金属層８５の角部近傍に位置させるべき補強ピン９７を、互いに隣接する金属層８５の対向する２つの角部の間、例えば中間位置において、１本にまとめている。
また、本変形例では、図８に示した変形例と同様に、補強ピン９７は、平面視において、金属層８５の矩形の角部における、冷却領域９５から最も離れている部分から、特定の距離だけ離れて位置し、当該距離は、一例として、冷却領域９５から離れる方向に沿って０ｍｍよりも大きく２ｍｍ以下の距離である。図８に示した変形例と異なる点として、本変形例では、当該冷却領域９５から離れる方向が、ｘ軸方向およびｙ軸方向の両方に対して斜めの方向である。図１０に示す変形例においても同様であり、重複する説明を省略する。本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１０に示す変形例では、冷媒流通部９２に４本の補強ピン９７が配置されており、図９に示す変形例と同様に、何れの補強ピン９７も、平面視において、金属層８５と重ならず、且つ、金属層８５の矩形の角部近傍に位置する。また、図９に示す変形例と同様に、平面視において、互いに隣接する２つの金属層８５の矩形の角部間には、補強ピン９７が１つだけ配置される。すなわち、平面視において、２本の補強ピン９７は、最もｙ軸方向負側に位置する金属層８５の矩形の角部と、当該金属層８５に隣接する金属層８５の矩形の角部との間に１つずつ配置され、残りの２本の補強ピン９７は、最もｙ軸方向正側に位置する金属層８５の矩形の角部と、当該金属層８５に隣接する金属層８５の矩形の角部との間に１つずつ配置される。
図９に示した変形例と異なる点として、本変形例では、各回路基板７６の金属層８５は、すなわち各回路基板７６は、平面視において、図１０に示す中心線ＣＬに対してｘ軸方向にシフトして配置される。ただし、本変形例では、図９に示した変形例と同様に、各回路基板７６の金属層８５は、平面視において、一部が冷却領域９５と重なり、一部が第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２の両方と重なる。
また、図１０に示す変形例では、平面視において、ｙ軸方向の両端に位置する回路基板７６の金属層８５の１つの角部は、側壁３６の傾斜部３７と部分的に重なる。例えば、平面視において、金属層８５は矩形であって、金属層８５の角部が傾斜部３７と部分的に重なってもよい。
より具体的には、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、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１０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つの角部のうちのｘ軸正方向側に位置する角部が、側壁３６のｙ軸負方向側に位置する２つの傾斜部３７のうちのｘ軸正方向側に位置する傾斜部３７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つの角部のうちのｘ軸正方向側に位置する角部が、側壁３６のｙ軸正方向側に位置する２つの傾斜部３７のうちのｘ軸正方向側に位置する傾斜部３７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１０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つの角部のうちのｘ軸正方向側に位置する角部以外の部分は、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つの角部のうちのｘ軸正方向側に位置する角部以外の部分は、側壁３６と重ならなくてもよい。本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１２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。本実施形態において、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「略直交」、「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、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、冷却領域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およびフィン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およびフィン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が一体的に形成されて、別個に形成されたフィン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、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、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、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、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、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、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、複数のフィン９４は、それぞれピンフィンとして説明したが、これに代えて、板状のブレードフィンであってもよく、例えば天板２０の主面に平行な断面の形状が細長い長方形であってもよい。
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、７１ 樹脂構造体、７２ 収容部、７４ 封止部、７６ 回路基板、７８ 半導体チップ、７９ はんだ、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 フィン、９５ 冷却領域、９７ 補強ピン、９８ 固着剤、１００ 半導体モジュール、２００ 車両、２１０ 制御装置

Claims (16)

  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、半導体チップと、前記半導体チップが実装された回路基板と、前記半導体チップを封止する樹脂構造体とを有し、
    前記冷却装置は、
    前記半導体装置の前記回路基板および前記樹脂構造体が主面に固定される天板と、
    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、冷媒を流通させるための冷媒流通部と、
    前記冷媒流通部に冷媒を導入するための入口と、
    前記冷媒流通部から冷媒を導出するための出口と、
    前記冷媒流通部に配置され、前記天板と前記底板との間を接続するように延在する複数のフィンおよび補強ピンと
    を有し、
    前記冷媒流通部は、
    前記複数のフィンが配置される冷却領域と、
    前記冷却領域の一方側に隣接し、前記入口に連通し、前記複数のフィンが配置されない、第１連通領域と、
    前記冷却領域の、前記一方側の反対側である他方側に隣接し、前記出口に連通し、前記複数のフィンが配置されない、第２連通領域と
    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積層基板であり、
    前記金属層は、平面視において、一部が前記冷却領域と重なり、前記一部を除く部分が前記第１連通領域および前記第２連通領域の一方の連通領域と重なり、
    前記補強ピンは、前記一方の連通領域に配置され、
    前記天板の前記主面に平行な面内において、前記補強ピンの断面の面積は、前記複数のフィンのうちの少なくとも１つのフィンの断面の面積よりも小さい、
    半導体モジュール。
  2. 前記補強ピンは、平面視において、少なくとも一部が前記金属層と重なる、
    請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記金属層は、平面視において矩形であり、
    前記補強ピンは、平面視において、少なくとも一部が前記金属層の前記矩形の角部と重なる、
    請求項２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記補強ピンは、平面視において、一部が前記金属層の前記矩形の角部と重なり、前記一部を除く部分が前記金属層と重ならない、
    請求項３に記載の半導体モジュール。
  5. 前記補強ピンは、平面視において、前記少なくとも一部が、前記金属層の前記矩形の角部における、前記冷却領域から最も離れている部分と重なる、
    請求項３または４に記載の半導体モジュール。
  6. 前記金属層は、平面視において矩形であり、
    前記補強ピンは、平面視において、前記金属層と重ならず、且つ、前記金属層の前記矩形の角部近傍に位置する、
    請求項１に記載の半導体モジュール。
  7. 前記補強ピンは、平面視において、前記冷却領域から離れる方向に沿って、前記金属層の前記矩形の角部における前記冷却領域から最も離れている部分から０ｍｍよりも大きく２ｍｍ以下の距離だけ離れて位置する、
    請求項６に記載の半導体モジュール。
  8. 前記半導体装置は、２枚以上の前記回路基板を含み、
    平面視において、互いに隣接する２つの前記金属層の前記矩形の角部間には、前記補強ピンが１つだけ配置される、
    請求項６または７に記載の半導体モジュール。
  9. 前記冷媒流通部は、平面視において矩形であり、
    前記補強ピンは、平面視において、前記冷媒流通部の前記矩形の角部と、前記金属層との間に位置する、
    請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  10. 前記補強ピンは、前記天板の前記主面に平行な断面の形状が円形である、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  11. 前記複数のフィンは、それぞれ、前記天板の前記主面に平行な断面の形状が矩形であり、
    前記複数のフィンは、前記冷媒流通部に冷媒が流れた場合に、前記冷却領域における冷媒の主たる流れ方向に対して前記矩形の何れの辺も直交しないように、前記冷媒流通部に配置される、
    請求項１０に記載の半導体モジュール。
  12. 前記補強ピンは、前記天板の前記主面に平行な断面の形状が非多角形であり、
    前記複数のフィンは、それぞれ、前記天板の前記主面に平行な断面の形状が多角形である、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  13. 前記少なくとも一方の連通領域に配置される複数の前記補強ピンの密度は、前記冷却領域に配置される前記複数のフィンの密度に比べて疎である、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  14. 前記絶縁板はセラミックを含み、
    前記金属層は、前記天板の前記主面にはんだで固着されている、
    請求項１から１３のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  15. 前記樹脂構造体は、前記半導体チップを封止する封止部と、前記封止部を囲う収容部とを含み、
    前記収容部は、前記天板の前記主面に固着剤で固着されている、
    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。
  16. 請求項１から１５の何れか一項に記載の半導体モジュールを備える車両。
JP2020078725A 2020-04-27 2020-04-27 半導体モジュールおよび車両 Active JP7463825B2 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020078725A JP7463825B2 (ja) 2020-04-27 2020-04-27 半導体モジュールおよび車両
CN202110208500.4A CN113644038A (zh) 2020-04-27 2021-02-24 半导体模块和车辆
US17/183,386 US11908772B2 (en) 2020-04-27 2021-02-24 Semiconductor module and vehicle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020078725A JP7463825B2 (ja) 2020-04-27 2020-04-27 半導体モジュールおよび車両

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021174909A true JP2021174909A (ja) 2021-11-01
JP7463825B2 JP7463825B2 (ja) 2024-04-09

Family

ID=78222876

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020078725A Active JP7463825B2 (ja) 2020-04-27 2020-04-27 半導体モジュールおよび車両

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11908772B2 (ja)
JP (1) JP7463825B2 (ja)
CN (1) CN113644038A (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022048763A (ja) * 2020-09-15 2022-03-28 富士電機株式会社 冷却器及び半導体装置
CN116235300A (zh) * 2021-04-07 2023-06-06 富士电机株式会社 半导体装置以及车辆

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4403867B2 (ja) 2004-04-08 2010-01-27 三菱電機株式会社 電子機器用ヒートシンク
JP4737294B2 (ja) 2009-01-08 2011-07-27 トヨタ自動車株式会社 放熱装置、パワーモジュール、放熱装置の製造方法
JP4797077B2 (ja) * 2009-02-18 2011-10-19 株式会社日立製作所 半導体パワーモジュール、電力変換装置、および、半導体パワーモジュールの製造方法
US9299633B2 (en) 2010-10-26 2016-03-29 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device, heat radiation member, and manufacturing method for semiconductor device
JP2012256760A (ja) 2011-06-09 2012-12-27 Toshiba Corp 沸騰冷却器
JP6262422B2 (ja) 2012-10-02 2018-01-17 昭和電工株式会社 冷却装置および半導体装置
DE112014000898T5 (de) 2013-09-05 2015-11-26 Fuji Electric Co., Ltd. Leistungshalbleitermodul
DE112014007285B4 (de) * 2014-12-26 2024-01-18 Mitsubishi Electric Corporation Halbleitermodul
JP6391533B2 (ja) 2015-05-27 2018-09-19 三菱電機株式会社 半導体装置
WO2016203885A1 (ja) * 2015-06-17 2016-12-22 富士電機株式会社 パワー半導体モジュール及び冷却器
JP6109265B2 (ja) 2015-09-01 2017-04-05 三菱電機株式会社 冷媒流路付き電気機器
JP6775385B2 (ja) 2015-11-10 2020-10-28 昭和電工株式会社 パワーモジュール用ベース
JP7067129B2 (ja) * 2018-03-06 2022-05-16 富士電機株式会社 冷却装置、半導体モジュールおよび車両
JP7124425B2 (ja) * 2018-05-02 2022-08-24 富士電機株式会社 冷却装置、半導体モジュールおよび車両
JP7159617B2 (ja) * 2018-05-25 2022-10-25 富士電機株式会社 冷却装置、半導体モジュール、車両および製造方法
CN111406314B (zh) * 2018-06-27 2023-09-22 富士电机株式会社 冷却装置、半导体模块以及车辆
JP6493612B1 (ja) * 2018-08-13 2019-04-03 富士電機株式会社 パワー半導体モジュールおよび車両
JP7200549B2 (ja) * 2018-08-30 2023-01-10 富士電機株式会社 冷却装置、半導体モジュールおよび車両
US11129310B2 (en) * 2018-11-22 2021-09-21 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor module, vehicle and manufacturing method
JP7243262B2 (ja) * 2019-02-15 2023-03-22 富士電機株式会社 半導体モジュール、車両および製造方法
JP7334464B2 (ja) * 2019-05-15 2023-08-29 富士電機株式会社 半導体モジュール、半導体モジュールの製造方法および段差冶具

Also Published As

Publication number Publication date
CN113644038A (zh) 2021-11-12
US11908772B2 (en) 2024-02-20
US20210335693A1 (en) 2021-10-28
JP7463825B2 (ja) 2024-04-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11018076B2 (en) Cooling apparatus, semiconductor module, and vehicle
US11129310B2 (en) Semiconductor module, vehicle and manufacturing method
JP7243262B2 (ja) 半導体モジュール、車両および製造方法
JP7159617B2 (ja) 冷却装置、半導体モジュール、車両および製造方法
JP7187992B2 (ja) 半導体モジュールおよび車両
US20220183194A1 (en) Semiconductor module
JP2021174909A (ja) 半導体モジュールおよび車両
JP7147859B2 (ja) 半導体装置、半導体モジュールおよび車両
JP7367394B2 (ja) 半導体モジュール、車両および製造方法
WO2021256083A1 (ja) 冷却装置および半導体モジュール
JP7367418B2 (ja) 半導体モジュールおよび車両
US11664296B2 (en) Semiconductor module and vehicle
US20200286813A1 (en) Cooling apparatus, semiconductor module, and vehicle
JP2019186237A (ja) 冷却装置、半導体モジュールおよび車両
JP7120475B2 (ja) 半導体装置および車両
WO2022215401A1 (ja) 半導体装置及び車両

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230313

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20240122

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240227

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240311

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7463825

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150