JP2022187107A - 冷却器、半導体装置及び電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体パッケージが動作している状態で、半導体パッケージを効率よく冷却する技術を提供する。
【解決手段】半導体パッケージを冷却する冷却器であって、前記半導体パッケージを間に保持するように第１方向に並んで離隔して設けられ、それぞれ前記第１方向に垂直な第２方向に延びる複数の多穴管を備え、前記複数の多穴管のそれぞれは、前記第１方向の第１向きの端に設けられる第１壁部と、前記第１方向の前記第１向きの反対側の端に設けられる第２壁部と、前記第１壁部と前記第２壁部との間に設けられ、熱媒体を流す流路と、を備え、前記複数の多穴管の少なくともいずれか一つの第１多穴管の前記第１壁部の厚さは、前記第１多穴管の前記第２壁部の厚さと異なる冷却管。
【選択図】図１

Description

本開示は、冷却器、半導体装置及び電力変換装置に関する。

発熱によるパワー半導体パッケージの温度上昇を抑えるために、冷媒を内部に流す多穴管が用いられる。

特許文献１には、複数の冷却器が一列に配置されており、隣り合う冷却器の間に複数の半導体素子を収容した半導体モジュールが挟まれており、冷却器と半導体モジュールがそれらの積層方向に加圧されている電力変換装置が開示されている。特許文献１には、冷却器の内部に複数の補強部材が配置されており、前記複数の補強部材は、積層方向からみたときに、半導体素子と重ならないように配置されていることが開示されている。

特許文献２には、複数の半導体素子と、冷媒が流れる冷媒流路を有するとともに、複数の半導体素子を冷却する冷却器を有する電力変換装置が開示されている。特許文献２には、複数の前記半導体素子は、冷媒流路に流れる冷媒の流通方向の複数の配置領域に配されており、冷媒流路は、上流側から下流側に向かって流路断面積が小さくなるよう形成された特定流路部を有することが開示されている。

特許文献３には、絶縁部材と、絶縁部材の表面に配置された第１の金属部材と、第１の金属部材の表面に配置された半導体素子と、絶縁部材の裏面に配置された第２の金属部材と、第２の金属部材の裏面に配置され、流体の流路を有する冷却器が開示されている。特許文献３には、流路の流通方向に直交する方向において、冷却器の幅が絶縁部材よりも内側に位置することが開示されている。

特開２０２０－１８４８２６号公報 特開２０１８－１２１４９４号公報 特開２０１６－０１８９０４号公報

両面に発熱面を有し、両面を冷却するパワー半導体パッケージにおいて、パワー半導体パッケージの両面を効率よく冷却することが求められる。

本開示は、複数の半導体パッケージのそれぞれについて、半導体パッケージの両面を効率的に冷却する半導体装置を提供する。

本開示の一の態様によれば、半導体パッケージを冷却する冷却器であって、前記半導体パッケージを間に保持するように第１方向に並んで離隔して設けられ、それぞれ前記第１方向に垂直な第２方向に延びる複数の多穴管を備え、前記複数の多穴管のそれぞれは、前記第１方向の第１向きの端に設けられる第１壁部と、前記第１方向の前記第１向きの反対側の端に設けられる第２壁部と、前記第１壁部と前記第２壁部との間に設けられ、熱媒体を流す流路と、を備え、前記複数の多穴管の少なくともいずれか一つの第１多穴管の前記第１壁部の厚さは、前記第１多穴管の前記第２壁部の厚さと異なる冷却管を提供する。

本発明の各実施形態の半導体装置によれば、複数の半導体パッケージのそれぞれについて、半導体パッケージの両面を効率的に冷却できる。

図１は、本実施形態に係る半導体装置の斜視図である。 図２は、本実施形態に係る半導体装置の分解斜視図である。 図３は、本実施形態に係る半導体装置の半導体パッケージの上面図である。 図４は、本実施形態に係る半導体装置の半導体パッケージの下面図である。 図５は、本実施形態に係る半導体装置の冷却器の斜視図である。 図６は、本実施形態に係る半導体装置の冷却器の分解斜視図である。 図７は、本実施形態に係る半導体装置の冷却器のヘッダの斜視図である。 図８は、本実施形態に係る半導体装置の冷却器の多穴管の側面図である。 図９は、本実施形態に係る半導体装置の断面図である。 図１０は、本実施形態に係る半導体装置の断面図である。 図１１は、本実施形態に係る半導体装置の冷却器の評価結果を説明する図である。 図１２は、参考例の冷却器の評価結果を説明する図である。 図１３は、本実施形態に係る半導体装置の冷却器の評価結果を説明する図である。 図１４は、本実施形態に係る半導体装置の冷却器の評価結果を説明する図である。 図１５は、本実施形態に係る半導体装置を用いる電力変換装置の斜視図である。 図１６は、本実施形態に係る半導体装置を用いる電力変換装置の斜視図である。

以下、本発明の各実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態に係る明細書及び図面の記載に関して、実質的に同一の又は対応する機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省略する場合がある。また、理解を容易にするために、図面における各部の縮尺は、実際とは異なる場合がある。

平行、直角、直交、水平、垂直、上下、左右などの方向には、実施形態の効果を損なわない程度のずれが許容される。角部の形状は、直角に限られず、弓状に丸みを帯びてもよい。平行、直角、直交、水平、垂直には、略平行、略直角、略直交、略水平、略垂直が含まれてもよい。

≪半導体装置１≫
図１は、本実施形態に係る半導体装置１の斜視図である。図２は、本実施形態に係る半導体装置１の分解斜視図である。半導体装置１は、例えば、３相モータの各相のそれぞれに２つの半導体パッケージ２０によって直流を交流に変換して電力を供給する電力変換器である。半導体装置１は、例えば、モータを駆動する電力変換装置に用いられる。

なお、図には、説明の便宜のためＸＹＺ直交座標系が設定される場合がある。図面の紙面に対して垂直な座標軸については、座標軸の丸の中にバツ印は紙面に対して奥の方向が正、丸の中に黒丸印は紙面に対して手前側が正であることを表している。ただし、当該座標系は、説明のために定めるものであって、半導体装置１等の姿勢について限定するものではない。

なお、本開示では、特に説明しない限り、Ｘ軸は冷却器３０の下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３のそれぞれの延在方向とする。また、Ｙ軸は冷却器３０の下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３が隣接する方向とする。なお、Ｙ軸方向を、上下方向と呼ぶ場合がある。Ｚ軸は、当該Ｘ軸、Ｙ軸に垂直な方向とする。

半導体装置１は、複数の半導体パッケージ２０と、冷却器３０と、を備える。

本実施形態に係る半導体装置１は、６個の半導体パッケージ２０を備える。具体的には、半導体装置１は、半導体パッケージ２１、半導体パッケージ２２、半導体パッケージ２３、半導体パッケージ２４、半導体パッケージ２５及び半導体パッケージ２６を備える。なお、以下の説明では、半導体パッケージ２１、半導体パッケージ２２、半導体パッケージ２３、半導体パッケージ２４、半導体パッケージ２５及び半導体パッケージ２６のそれぞれを区別して説明する必要がない場合は、それぞれを総称して半導体パッケージ２０と呼ぶ場合がある。

半導体パッケージ２０は、冷却器３０の後述する下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３の間に、横３列、縦２段に配置され、保持される。冷却器３０には、冷媒導入口３０ａｐ１から冷媒（熱媒体）、例えば、冷却水、が導入される。また、冷却器３０に導入された冷媒は、冷媒導出口３０ａｐ２から導出される。半導体パッケージ２０は、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３内を通流する冷却水と熱交換することにより冷却される。

下側多穴管３０ｂ１と中間多穴管３０ｂ２との間に、第１ヘッダ３０ａの側から順に並んで、半導体パッケージ２１、半導体パッケージ２２及び半導体パッケージ２３が設けられる。隣接する二つの多穴管である下側多穴管３０ｂ１と中間多穴管３０ｂ２は、それぞれの間に半導体パッケージ２１、半導体パッケージ２２及び半導体パッケージ２３を挟み込む。

また、中間多穴管３０ｂ２と上側多穴管３０ｂ３との間に、第１ヘッダ３０ａの側から順に並んで、半導体パッケージ２４、半導体パッケージ２５及び半導体パッケージ２６が設けられる。隣接する二つの多穴管である中間多穴管３０ｂ２と上側多穴管３０ｂ３は、それぞれの間に半導体パッケージ２４、半導体パッケージ２５及び半導体パッケージ２６を挟み込む。

半導体装置１の半導体パッケージ２０と冷却器３０のそれぞれの詳細について説明する。

＜半導体パッケージ２０＞
図３は、本実施形態に係る半導体装置１の半導体パッケージ２０の上面図である。図４は、本実施形態に係る半導体装置１の半導体パッケージ２０の下面図である。

半導体パッケージ２０は、例えば、１相分の上下アームを構成する２つの半導体素子がパッケージされたいわゆる２ｉｎ１の半導体パッケージである。また、半導体パッケージ２０は、いわゆる両面冷却型の半導体パッケージである。半導体パッケージ２０の内部には、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワートランジスタ等の半導体素子が内蔵される。

なお、内蔵する半導体素子としては、パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等でもよい。また、載置される半導体素子は、前述のＩＧＢＴやＦＷＤをワンチップ化したＲＢ－ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｂｌｏｃｋｉｎｇ－Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）でもよい。更に、載置される半導体素子は、前述のＩＧＢＴやＦＷＤをワンチップ化したＲＣ－ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ－Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）でもよい。

半導体パッケージ２０は、略直方体状の形状の樹脂、例えば、エポキシ樹脂等、のケース２０ｄを備える。ケース２０ｄは、上面２０ｄＡと、上面２０ｄＡの反対側に下面２０ｄＢと、を有する。

半導体パッケージ２０は、ケース２０ｄの側面に、電流端子２０ａ１、電流端子２０ａ２及び電流端子２０ａ３と、制御端子２０ｂ１、制御端子２０ｂ２、制御端子２０ｂ３及び制御端子２０ｂ４と、を有する。電流端子２０ａ１、電流端子２０ａ２及び電流端子２０ａ３と、制御端子２０ｂ１、制御端子２０ｂ２、制御端子２０ｂ３及び制御端子２０ｂ４とは、半導体パッケージ２０のケース２０ｄの側面から突出して設けられる。

電流端子２０ａ１、電流端子２０ａ２及び電流端子２０ａ３は、例えば、負荷に電流を流すための端子である。電流端子２０ａ１、電流端子２０ａ２及び電流端子２０ａ３は、導電材料で形成される。制御端子２０ｂ１、制御端子２０ｂ２、制御端子２０ｂ３及び制御端子２０ｂ４は、負荷に流す電流を制御するための端子である。制御端子２０ｂ１、制御端子２０ｂ２、制御端子２０ｂ３及び制御端子２０ｂ４は、導電材料で形成される。

また、半導体パッケージ２０は、放熱板２０ｃ１及び放熱板２０ｃ２を有する。半導体パッケージ２０に内蔵される例えばパワートランジスタは、発熱素子であることから、冷却する必要がある。放熱板２０ｃ１及び放熱板２０ｃ２は、当該発熱素子を放熱するために設けられる。放熱板２０ｃ１及び放熱板２０ｃ２は、熱伝導性の高い材料、例えば、銅などの金属で形成される。放熱板２０ｃ１及び放熱板２０ｃ２は、当該発熱素子に熱的に接続される。放熱板２０ｃ１は、ケース２０ｄの上面２０ｄＡに設けられる。放熱板２０ｃ２は、ケース２０ｄの下面２０ｄＢに設けられる。

＜冷却器３０＞
図５は、本実施形態に係る半導体装置１の冷却器３０の斜視図である。図６は、本実施形態に係る半導体装置１の冷却器３０の分解斜視図である。

冷却器３０は、半導体パッケージ２０を冷却する。冷却器３０の内部には、冷媒が通流する。冷却器３０は、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３内を通流する冷媒（例えば冷却水）と半導体パッケージ２０との間で熱交換することにより、半導体パッケージ２０を冷却する。なお、冷媒は水に限らず、不凍液を含む液体でもよい。

冷却器３０は、第１ヘッダ３０ａと、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３と、第２ヘッダ３０ｃと、を備える。第２ヘッダ３０ｃは、第１ヘッダ３０ａからＸ軸方向に離隔して設けられる。下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３は、Ｙ軸方向、すなわち、Ｘ軸方向と交差する方向、に所定の間隔、具体的には、半導体パッケージ２０を保持できる間隔、を隔てて設けられる。

なお、Ｘ軸方向は、第２方向の一例である。

第１ヘッダ３０ａは、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３のそれぞれの一端に連結される。具体的には、第１ヘッダ３０ａは、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３のそれぞれの－Ｘ側の端部に連結される。第２ヘッダ３０ｃは、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３のそれぞれの他端に連結される。具体的には、第２ヘッダ３０ｃは、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３のそれぞれの＋Ｘ側の端部に連結される。

［第１ヘッダ３０ａ］
最初に、第１ヘッダ３０ａについて説明する。図７は、本実施形態に係る半導体装置１の冷却器３０の第１ヘッダ３０ａの斜視図である。第１ヘッダ３０ａは、冷媒を冷却器３０の内部に導入するとともに、冷却器３０の外部に導出する。第１ヘッダ３０ａは、壁部３０ａＡ、壁部３０ａＢ、壁部３０ａＣ、壁部３０ａＤ、壁部３０ａＥ及び壁部３０ａＦにより構成される内部が空洞の直方体状である。

第１ヘッダ３０ａの＋Ｘ側の壁部である壁部３０ａＥの一部が解放される。具体的には、第１ヘッダ３０ａは、壁部３０ａＥに開口部３０ａｈ１、開口部３０ａｈ２及び開口部３０ａｈ３を有する。第１ヘッダ３０ａの開口部３０ａｈ１、開口部３０ａｈ２及び開口部３０ａｈ３には、それぞれ下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３の一端が挿入され、固定される。第１ヘッダ３０ａと、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３とは例えばロウ付けにて固定され、水密を確保する。

第１ヘッダ３０ａは、壁部３０ａＦに冷媒導入口３０ａｐ１及び冷媒導出口３０ａｐ２を有する。冷媒導入口３０ａｐ１は、外部の冷却装置から冷媒が導入される。冷媒導出口３０ａｐ２は、外部の冷却装置に冷媒を導出する。第１ヘッダ３０ａは、内部に後述する隔壁を有する。隔壁は、第１ヘッダ３０ａに導入される冷媒と、第１ヘッダ３０ａから導出される冷媒とを分ける壁である。隔壁については、後で詳細を述べる。

［下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２、上側多穴管３０ｂ３］
次に、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３について説明する。図８は、本実施形態に係る半導体装置１の冷却器３０の下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３の側面図である。下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３のそれぞれは、長手方向の端部が解放され内部に冷媒が通流する管である。また、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３のそれぞれは、多穴管の内部を通流する冷媒と熱交換することで半導体パッケージ２０を冷却する。

下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３のそれぞれの短手方向の断面は外形が略長方形状になっている。下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３のそれぞれは、内部に分割された流路を有するいわゆるマイクロチャネルである。

（下側多穴管３０ｂ１）
下側多穴管３０ｂ１は、Ｙ軸方向、すなわち、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３が並んで離隔して設けられる方向の＋Ｙ向きの端に、第１壁部３０ｂ１Ａを備える。また、下側多穴管３０ｂ１は、Ｙ軸方向、すなわち、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３が並んで離隔して設けられる方向の－Ｙ向きの端に、第２壁部３０ｂ１Ｂを備える。

下側多穴管３０ｂ１の第１壁部３０ｂ１Ａ及び第２壁部３０ｂ１Ｂは、Ｘ軸方向が長手方向及びＹ軸方向が短手方向となる板状の部材である。下側多穴管３０ｂ１の第１壁部３０ｂ１Ａは、＋Ｙ側に冷却面３０ｂ１Ｓを有する。下側多穴管３０ｂ１の第１壁部３０ｂ１Ａの冷却面３０ｂ１Ｓには、半導体パッケージ２１、半導体パッケージ２２及び半導体パッケージ２３のそれぞれの放熱板２０ｃ２がハンダ付けや熱伝導グリス等の接合部材で熱的に接合される。また、下側多穴管３０ｂ１の第２壁部３０ｂ１Ｂは、－Ｙ側に冷却面３０ｂ１Ｔを有する。

下側多穴管３０ｂ１の第１壁部３０ｂ１Ａと第２壁部３０ｂ１Ｂとの間には、複数の流路３０ｂ１ｃが設けられる。下側多穴管３０ｂ１の流路３０ｂ１ｃは、Ｙ軸方向（上下方向）に長い矩形状のマイクロチャネルになっている。なお、流路３０ｂ１ｃは、Ｙ軸方向に２段以上分けてもよい。

下側多穴管３０ｂ１の第１壁部３０ｂ１Ａに、半導体パッケージ２１、半導体パッケージ２２及び半導体パッケージ２３が接合される。一方、下側多穴管３０ｂ１の第２壁部３０ｂ１Ｂには、半導体パッケージは接合されない。したがって、半導体装置１を動作させると、第１壁部３０ｂ１Ａの温度は、第２壁部３０ｂ１Ｂの温度より高くなる。本実施形態に係る半導体装置１においては、下側多穴管３０ｂ１の流路３０ｂ１ｃを、高温側、すなわち、第１壁部３０ｂ１Ａ側に配置する。

下側多穴管３０ｂ１の流路３０ｂ１ｃを、高温側、すなわち、第１壁部３０ｂ１Ａ側に配置することにより、下側多穴管３０ｂ１の第１壁部３０ｂ１Ａの厚さｔ１Ａは、下側多穴管３０ｂ１の第２壁部３０ｂ１Ｂの厚さｔ１Ｂと異なる。具体的には、下側多穴管３０ｂ１の第１壁部３０ｂ１Ａの厚さｔ１Ａは、下側多穴管３０ｂ１の第２壁部３０ｂ１Ｂの厚さｔ１Ｂより薄い。例えば、下側多穴管３０ｂ１の全体の厚さを６ｍｍとし、厚さｔ１Ａは１ｍｍ、厚さｔ１Ｂは２ｍｍである。なお、流路３０ｂ１ｃのＹ方向の厚さは３ｍｍである。

（中間多穴管３０ｂ２）
中間多穴管３０ｂ２は、Ｙ軸方向、すなわち、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３が並んで離隔して設けられる方向の＋Ｙ向きの端に、第１壁部３０ｂ２Ａを備える。また、中間多穴管３０ｂ２は、Ｙ軸方向、すなわち、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３が並んで離隔して設けられる方向の－Ｙ向きの端に、第２壁部３０ｂ２Ｂを備える。

中間多穴管３０ｂ２の第１壁部３０ｂ２Ａ及び第２壁部３０ｂ２Ｂは、Ｘ軸方向が長手方向及びＹ軸方向が短手方向となる板状の部材である。中間多穴管３０ｂ２の第１壁部３０ｂ２Ａは、＋Ｙ側に冷却面３０ｂ２Ｓを有する。中間多穴管３０ｂ２の第１壁部３０ｂ２Ａの冷却面３０ｂ２Ｓには、半導体パッケージ２４、半導体パッケージ２５及び半導体パッケージ２６のそれぞれの放熱板２０ｃ２がハンダ付けや熱伝導グリス等の接合部材で熱的に接合される。また、中間多穴管３０ｂ２の第２壁部３０ｂ２Ｂは、－Ｙ側に冷却面３０ｂ２Ｔを有する。中間多穴管３０ｂ２の第２壁部３０ｂ２Ｂの冷却面３０ｂ２Ｔには、半導体パッケージ２１、半導体パッケージ２２及び半導体パッケージ２３のそれぞれの放熱板２０ｃ１がハンダ付けや熱伝導グリス等の接合部材で熱的に接合される。

中間多穴管３０ｂ２の第１壁部３０ｂ２Ａと第２壁部３０ｂ２Ｂとの間には、複数の流路３０ｂ２ｃが設けられる。中間多穴管３０ｂ２の流路３０ｂ２ｃは、Ｙ軸方向（上下方向）に長い矩形状のマイクロチャネルになっている。なお、流路３０ｂ２ｃは、Ｙ軸方向に２段以上分けてもよい。

中間多穴管３０ｂ２は、第１壁部３０ｂ２Ａに、半導体パッケージ２４、半導体パッケージ２５及び半導体パッケージ２６が接合される。また、中間多穴管３０ｂ２は、第２壁部３０ｂ２Ｂに、半導体パッケージ２１、半導体パッケージ２２及び半導体パッケージ２３が接合される。したがって、半導体装置１を動作させると、第１壁部３０ｂ２Ａの温度は、第２壁部３０ｂ２Ｂの温度と略等しくなる。本実施形態に係る半導体装置１においては、中間多穴管３０ｂ２の流路３０ｂ２ｃを、第１壁部３０ｂ２Ａ及び第２壁部３０ｂ２Ｂの中間に配置する。

中間多穴管３０ｂ２の流路３０ｂ２ｃを、第１壁部３０ｂ２Ａ及び第２壁部３０ｂ２Ｂの中間に配置することにより、中間多穴管３０ｂ２の第１壁部３０ｂ２Ａの厚さｔ２Ａは、中間多穴管３０ｂ２の第２壁部３０ｂ２Ｂの厚さｔ２Ｂと等しい。すなわち、厚さｔ２Ａと厚さｔ２Ｂは互いに等しい。例えば、中間多穴管３０ｂ２の全体の厚さを６ｍｍとし、厚さｔ２Ａは１．５ｍｍ、厚さｔ２Ｂは１．５ｍｍである。なお、流路３０ｂ２ｃのＹ方向の厚さは３ｍｍである。

（上側多穴管３０ｂ３）
上側多穴管３０ｂ３は、Ｙ軸方向、すなわち、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３が並んで離隔して設けられる方向の＋Ｙ向きの端に、第１壁部３０ｂ３Ａを備える。また、上側多穴管３０ｂ３は、Ｙ軸方向、すなわち、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３が並んで離隔して設けられる方向の－Ｙ向きの端に、第２壁部３０ｂ３Ｂを備える。

上側多穴管３０ｂ３の第１壁部３０ｂ３Ａ及び第２壁部３０ｂ３Ｂは、Ｘ軸方向が長手方向及びＹ軸方向が短手方向となる板状の部材である。上側多穴管３０ｂ３の第１壁部３０ｂ３Ａは、＋Ｙ側に冷却面３０ｂ３Ｓを有する。また、上側多穴管３０ｂ３の第２壁部３０ｂ３Ｂは、－Ｙ側に冷却面３０ｂ３Ｔを有する。上側多穴管３０ｂ３の第２壁部３０ｂ３Ｂの冷却面３０ｂ３Ｔには、半導体パッケージ２４、半導体パッケージ２５及び半導体パッケージ２６のそれぞれの放熱板２０ｃ１がハンダ付けや熱伝導グリス等の接合部材で熱的に接合される。

上側多穴管３０ｂ３の第１壁部３０ｂ３Ａと第２壁部３０ｂ３Ｂとの間には、複数の流路３０ｂ３ｃが設けられる。上側多穴管３０ｂ３の流路３０ｂ３ｃは、Ｙ軸方向（上下方向）に長い矩形状のマイクロチャネルになっている。なお、流路３０ｂ３ｃは、Ｙ軸方向に２段以上分けてもよい。

上側多穴管３０ｂ３の第２壁部３０ｂ３Ｂに、半導体パッケージ２４、半導体パッケージ２５及び半導体パッケージ２６が接合される。一方、上側多穴管３０ｂ３の第１壁部３０ｂ３Ａには、半導体パッケージは接合されない。したがって、半導体装置１を動作させると、第２壁部３０ｂ３Ｂの温度は、第１壁部３０ｂ３Ａの温度より高くなる。本実施形態に係る半導体装置１においては、上側多穴管３０ｂ３の流路３０ｂ３ｃを、高温側、すなわち、第２壁部３０ｂ３Ｂ側に配置する。

上側多穴管３０ｂ３の流路３０ｂ３ｃを、高温側、すなわち、第２壁部３０ｂ３Ｂ側に配置することにより、上側多穴管３０ｂ３の第１壁部３０ｂ３Ａの厚さｔ３Ａは、上側多穴管３０ｂ３の第２壁部３０ｂ３Ｂの厚さｔ３Ｂと異なる。具体的には、上側多穴管３０ｂ３の第１壁部３０ｂ３Ａの厚さｔ３Ａは、上側多穴管３０ｂ３の第２壁部３０ｂ３Ｂの厚さｔ３Ｂより厚い。例えば、上側多穴管３０ｂ３の全体の厚さを６ｍｍとし、厚さｔ３Ａは２ｍｍ、厚さｔ３Ｂは１ｍｍである。なお、流路３０ｂ３ｃのＹ方向の厚さは３ｍｍである。

下側多穴管３０ｂ１の第１壁部３０ｂ１Ａの厚さｔ１Ａと第２壁部３０ｂ１Ｂの厚さｔ１Ｂの和は、中間多穴管３０ｂ２の第１壁部３０ｂ２Ａの厚さｔ２Ａと第２壁部３０ｂ２Ｂの厚さｔ２Ｂの和と、等しい。また、上側多穴管３０ｂ３の第１壁部３０ｂ３Ａの厚さｔ３Ａと第２壁部３０ｂ３Ｂの厚さｔ３Ｂの和は、中間多穴管３０ｂ２の第１壁部３０ｂ２Ａの厚さｔ２Ａと第２壁部３０ｂ２Ｂの厚さｔ２Ｂの和と、等しい。すなわち、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３のそれぞれの第１壁部の厚さと第２壁部の厚さの和は、互いに等しい。

なお、Ｙ軸方向（上下方向）は、第１方向の一例である。＋Ｙ向きは、第１向きの一例である。上側多穴管３０ｂ３は、第１多穴管の一例である。下側多穴管３０ｂ１は、第２多穴管の一例である。

下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３のそれぞれの流路３０ｂ１ｃ、流路３０ｂ２ｃ及び流路３０ｂ３ｃは、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３のそれぞれの延在方向に対して一様な断面積を有する。下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３のそれぞれの流路３０ｂ１ｃ、流路３０ｂ２ｃ及び流路３０ｂ３ｃの延在方向と冷媒の流れ方向は、Ｘ軸方向で一致する。なお、流路３０ｂ１ｃ、流路３０ｂ２ｃ及び流路３０ｂ３ｃのそれぞれにおける断面積とは、本開示においては、流路３０ｂ１ｃ、流路３０ｂ２ｃ及び流路３０ｂ３ｃのそれぞれの延在方向、すなわち、冷媒の流れ方向に垂直な面の断面積とする。

下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３の少なくとも１本の多穴管は、第１ヘッダ３０ａから第２ヘッダ３０ｃの方向に冷媒が流れ、残りの多穴管は、第２ヘッダ３０ｃから第１ヘッダ３０ａの方向に冷媒が流れる。なお、以下の説明において、第１ヘッダ３０ａから第２ヘッダ３０ｃの方向に冷媒が流れる多穴管を上流側多穴管、第２ヘッダ３０ｃから第１ヘッダ３０ａの方向に冷媒が流れる多穴管を下流側多穴管、という場合がある。

なお、多穴管の数は、３本に限らず、例えば、２本又は４本以上備えるようにしてもよい。半導体パッケージ２０を挟み込むために、冷却器は多穴管を少なくとも２本以上備える。また、多穴管を４本以上備える場合は、例えば、上側多穴管と下側多穴管との間に、中間多穴管を複数備えてもよい。更に、複数の中間多穴管のそれぞれの第１壁部の厚さと第２壁部の厚さは等しくしてもよい。

［第２ヘッダ３０ｃ］
第２ヘッダ３０ｃは、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３の少なくとも一本の多穴管から導入された冷媒を、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３の残りの多穴管に導入する。いいかえると、第２ヘッダ３０ｃは、上流側多穴管から導入された冷媒を、下流側多穴管に導入する。

第２ヘッダ３０ｃは、片側が解放された空洞となっている。具体的には、第２ヘッダ３０ｃは、－Ｘ側の面に開口部３０ｃｈ１、開口部３０ｃｈ２及び開口部３０ｃｈ３を有する。第２ヘッダ３０ｃの解放側には、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３の他端が挿入され、固定される。具体的には、開口部３０ｃｈ１には、下側多穴管３０ｂ１の他端が挿入され、固定される。開口部３０ｃｈ２には、中間多穴管３０ｂ２の他端が挿入され、固定される。開口部３０ｃｈ３には、上側多穴管３０ｂ３の他端が挿入され、固定される。第２ヘッダ３０ｃと、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３とは例えばロウ付けにて固定され、水密を確保する。

＜第１ヘッダ３０ａの隔壁＞
ここで、第１ヘッダ３０ａに設けられる隔壁について説明する。

外部の冷却装置から冷却器３０に導入される冷媒は、半導体パッケージ２０から熱を吸収して冷却器３０から導出される。よって、冷却器３０を通流する冷媒は、導入された直後において一番温度が低く、徐々に熱を吸収して温度が高くなる。すなわち、上流側多穴管を流れる冷媒の温度より、下流側多穴管の冷媒の温度は高くなる。

次に、第１ヘッダ３０ａに設けられる隔壁の位置について説明する。本実施形態に係る半導体装置１では、下側多穴管３０ｂ１及び中間多穴管３０ｂ２の２本の多穴管を上流側多穴管とする。また、上側多穴管３０ｂ３の１本の多穴管を下流側多穴管とする。

図９、図１０は、本実施形態に係る半導体装置１の断面図である。具体的には、図９は、半導体装置１を第１ヘッダ３０ａ部分で、Ｘ軸方向に垂直な面で切断した断面図である。具体的には、図１０は、半導体装置１をＺ方向の中心部分で、Ｚ軸方向に垂直な面で切断した断面図である。なお、半導体パッケージ２０については、内部の詳細は省略して、一様な断面として示している。

本実施形態に係る半導体装置１では、下側多穴管３０ｂ１及び中間多穴管３０ｂ２が上流側多穴管、上側多穴管３０ｂ３が下流側多穴管となるように、隔壁３０ａｗを設ける。隔壁３０ａｗは、Ｘ軸方向において、第１ヘッダ３０ａの壁部３０ａＦから壁部３０ａＥまで延在する。

下側多穴管３０ｂ１及び中間多穴管３０ｂ２は、壁部３０ａＡの一部、壁部３０ａＢ、壁部３０ａＣの一部及び隔壁３０ａｗと、壁部３０ａＥ及び壁部３０ａＦと、に囲まれる空間ＳＰｉｎに連通する。空間ＳＰｉｎには、冷媒導入口３０ａｐ１からの冷媒が導入される。空間ＳＰｉｎに導入された冷媒は、空間ＳＰｉｎに連通する下側多穴管３０ｂ１及び中間多穴管３０ｂ２から導出される。

一方、上側多穴管３０ｂ３は、壁部３０ａＡの一部、隔壁３０ａｗ、壁部３０ａＣの一部及び壁部３０ａＤと、壁部３０ａＥ及び壁部３０ａＦと、に囲まれる空間ＳＰｏｕｔに連通する。空間ＳＰｏｕｔに連通する上側多穴管３０ｂ３から冷媒が導入される。空間ＳＰｏｕｔに導入された冷媒は、冷媒導出口３０ａｐ２から導出される。

＜冷却管の半導体パッケージの発熱による変形について＞
半導体装置１を動作させると、半導体パッケージ２０の半導体素子が発熱する。半導体装置１は、例えば、常温（例えば、２５℃）で、冷却器３０の第１ヘッダ３０ａ及び第２ヘッダ３０ｃが筐体等に固定される。

常温（例えば、２５℃）で冷却器３０の第１ヘッダ３０ａ及び第２ヘッダ３０ｃが筐体等に固定された状態から、半導体装置１を動作させると、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３が半導体パッケージ２０により温められる。下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３が半導体パッケージ２０により温められると、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３のそれぞれに熱膨張が発生する。

例えば、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３は、両端固定されていない場合には、冷却管の長さをＬ、冷却管材料の線膨張係数をα、常温からの温度上昇をΔＴとするとき、熱膨張により熱変形量（長さ方向）δ＝Ｌ×α×ΔＴの伸びが発生する。例えば、多穴管がアルミニウム材（α＝２３．６×１０^－６［１／Ｋ］）でＬ＝０．１５［ｍ］、ΔＴ＝１１５［Ｋ］の場合、０．４［ｍｍ］熱膨張が起こる。

下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３が第１ヘッダ３０ａ及び第２ヘッダ３０ｃにより固定されている場合には、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３は長手方向（Ｘ軸方向）には伸びにくくなる。

したがって、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３のそれぞれは、第１ヘッダ３０ａ及び第２ヘッダ３０ｃを押し広げる。また、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３のそれぞれは、弓なりに反る。更に、下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３のそれぞれに発生する熱応力が大きくなる。

本実施形態に係る半導体装置１は、冷却器３０の多穴管の流路の位置を、複数の多穴管が並ぶ方向にずらすことにより、多穴管の変形を抑えて、熱応力の発生を低減する。

本実施形態に係る半導体装置１についてシミュレーション（熱応力解析）により評価を行った。実施例の冷却器Ｓの寸法は、冷却器３０に準拠した。また、参考例の冷却器Ｓｚは、上下の壁部で同じ厚さの多穴管、すなわち、中間多穴管３０ｂ２とおなじ多穴管を３本用いた。

シミュレーションは、多穴管の半導体パッケージ２０が接合している壁部（冷却面）の温度を１４０℃、多穴管の半導体パッケージ２０が接合していない壁部（冷却面）の温度を７０℃として評価を行った。

半導体パッケージ２０により冷却器Ｓ及び冷却器Ｓｚが加熱されたときの熱変形を図１１及び図１２に示す。図１１及び図１２に示すように、半導体パッケージ２０により冷却器Ｓ及び冷却器Ｓｚのそれぞれが加熱されると、多穴管が冷却器の内側に反るように変形する。

具体的に、多穴管の反り変形量及び多穴管に発生する発生応力について評価を行った結果をそれぞれ図１３及び図１４に示す。なお、実施例は、本実施形態に係る冷却器Ｓの結果、参考例１は参考例の冷却器Ｓｚの結果である。また、参考例２は、厚い壁部を高温側にした冷却器、すなわち、冷却器Ｓとは反対側に流路を移動した冷却器の結果である。

反り変形量は、下側多穴管３０ｂ１に相当する一番下段の多穴管における反り変形量の最大値で評価を行った。また、発生応力は、下側多穴管３０ｂ１に相当する一番下段の多穴管における発生応力の最大値で評価を行った。

実施例は、参考例１及び参考例２に対して、反り変形量及び発生応力とも低減させることができた。例えば、実施例の反り変形量は、参考例１に対して２％程度低減できた。また、実施例の発生応力は、３％程度低減できた。

＜作用・効果＞
本実施形態に係る半導体装置１は、冷却器の変形を抑えることにより、複数の半導体パッケージのそれぞれについて、半導体パッケージの両面を効率的に冷却できる。

本実施形態に係る半導体装置１は、下側多穴管３０ｂ１の第１壁部３０ｂ１Ａの肉厚を薄くする。また、本実施携帯に係る半導体装置１は、上側多穴管３０ｂ３の第２壁部３０ｂ３Ｂの肉厚を薄くする。

下側多穴管３０ｂ１、中間多穴管３０ｂ２及び上側多穴管３０ｂ３のそれぞれが両端固定されている場合は、半導体パッケージ２０により熱膨張と同時に温度分布に対し同じ長さになるように内力が働く。熱膨張と力のつり合いにより、多穴管に発生する熱応力（平均値）は近似的にσ＝Ｅ×α×ΔＴａで表される。ここで、多穴管材料のヤング率をＥ、線膨張係数をα、多穴管の平均温度上昇（体積平均）をΔＴａとする。

例えば、下側多穴管３０ｂ１では、第１壁部３０ｂ１Ａから第２壁部３０ｂ１Ｂまで、温度勾配を有する。下側多穴管３０ｂ１の全体の厚さを変えずに、高温側の第１壁部３０ｂ１Ａの肉厚を薄くし、高温側の第１壁部３０ｂ１Ａの肉厚を薄くした分低温側の第２壁部３０ｂ１Ｂの肉厚を厚くする。高温側の第１壁部３０ｂ１Ａの肉厚を薄くすることにより、高温となる第１壁部３０ｂ１Ａの体積が減少する。第１壁部３０ｂ１Ａの体積が減少するので、下側多穴管３０ｂ１全体としての温度が下がる。すなわち、平均温度上昇ΔＴａが小さくなる。したがって、下側多穴管３０ｂ１に発生する熱応力（発生応力）が減少する。なお、上側多穴管３０ｂ３でも同様である。

したがって、本実施形態に係る半導体装置１において、多穴管の反り変形量及び発生応力を低減することができる。多穴管の反り変形量及び発生応力を低減することにより、複数の半導体パッケージのそれぞれについて、半導体パッケージの両面を効率的に冷却できる。

＜＜電力変換装置＞＞
次に、本実施形態に係る半導体装置１を用いる電力変換装置５について説明する。

図１５及び図１６は、本実施形態に係る半導体装置１を用いる電力変換装置５の斜視図である。図１６は、図１５の電力変換装置５のカバー５１を外した図である。

電力変換装置５は、例えば、直流電力を所定の周波数の３相の交流電力に変換する。電力変換装置５は、例えば、自動車等に搭載される。

電力変換装置５は、カバー５１と、ケース５２と、を備える。ケース５２は、外部の電源や負荷を接続するためのコネクタ５３及びコネクタ５４を備える。なお、カバー５１及びケース５２の組み合わせを筐体５０という場合がある。

電力変換装置５は、カバー５１及びケース５２の内部に、制御基板５５と、半導体装置１と、コンデンサ５６と、を備える。パイプ１１２及びパイプ１１３を介して冷媒が導入導出される。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

１ 半導体装置
５ 電力変換装置
２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６ 半導体パッケージ
３０ 冷却器
３０ａ 第１ヘッダ
３０ｂ１ 下側多穴管
３０ｂ１Ａ 第１壁部
３０ｂ１Ｂ 第２壁部
３０ｂ１ｃ 流路
３０ｂ２ 中間多穴管
３０ｂ２Ａ 第１壁部
３０ｂ２Ｂ 第２壁部
３０ｂ２ｃ 流路
３０ｂ３ 上側多穴管
３０ｂ３Ａ 第１壁部
３０ｂ３Ｂ 第２壁部
３０ｂ３ｃ 流路
３０ｃ 第２ヘッダ

Claims (7)

1. 半導体パッケージを冷却する冷却器であって、
   前記半導体パッケージを間に保持するように第１方向に並んで離隔して設けられ、それぞれ前記第１方向に垂直な第２方向に延びる複数の多穴管を備え、
   前記複数の多穴管のそれぞれは、前記第１方向の第１向きの端に設けられる第１壁部と、前記第１方向の前記第１向きの反対側の端に設けられる第２壁部と、前記第１壁部と前記第２壁部との間に設けられ、熱媒体を流す流路と、を備え、
   前記複数の多穴管の少なくともいずれか一つの第１多穴管の前記第１壁部の厚さは、前記第１多穴管の前記第２壁部の厚さと異なる、
   冷却器。
2. 前記第１多穴管は、前記第１方向の前記第１向きの端に設けられ、
   前記第１多穴管の前記第２壁部の厚さは、前記第１多穴管の前記第１壁部の厚さより薄い、
   請求項１に記載の冷却器。
3. 前記複数の多穴管において前記第１方向の前記第１向きの反対側の端に設けられた第２多穴管の前記第１壁部の厚さは、前記第２多穴管の前記第２壁部の厚さより薄い、
   請求項２に記載の冷却器。
4. 前記第１多穴管と前記第２多穴管との間に設けられる中間多穴管の前記第１壁部の厚さは、前記中間多穴管の前記第２壁部の厚さと等しい、
   請求項３に記載の冷却器。
5. 前記複数の多穴管のそれぞれの前記第１壁部の厚さと前記第２壁部の厚さの和は、互いに等しい、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の冷却器。
6. 複数の半導体パッケージと、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の冷却器と、を備え、
   前記複数の半導体パッケージのそれぞれは、隣接する二つの前記多穴管の間に設けられる、
   半導体装置。
7. 請求項６に記載の半導体装置を備える、
   電力変換装置。

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