JP4015634B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁ゲートパイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor（ＩＧＢＴ））等のパワー半導体素子を有する半導体装置に関する。

従来、ハイブリット自動車（ＨＥＶ）用モータ等の大出力モータを制御するインバータ（電力変換装置）には、ＩＧＢＴモジュール等のパワー半導体モジュールが使用される。ＨＥＶ用インバータ中のＩＧＢＴモジュールの冷却は、水冷が一般的である。高発熱であるため大きな冷却能力が必要であるにもかかわらず、車載のため、インバータ体積の小さいことが要求されるためである。さらには、冷却性能を向上させるため、パワー半導体モジュールの金属ベースにフィンを設け、フィン付金属ベースに直接冷却水を当てる構造（直接水冷）も提案されている。

また、ＨＥＶ用インバータは、発電機及び駆動モータを制御する２つのインバータから構成されるのが一般的である。この場合、２インバータを構成する２セットの３相ＩＧＢＴモジュールは、同一平面状に配置され、このモジュール裏面にシリーズに冷却水を通流して冷却する。従って、冷却水路はＩＧＢＴモジュール裏面部のみでなく、２セットのＩＧＢＴモジュールを繋ぐ部分の水路が必要となる。このような構成では、冷却流路全体の圧力損失は、給排水領域、ＩＧＢＴモジュール２台の冷却部、及び２セットのＩＧＢＴモジュールのつなぎ部分の合計の圧力損失となる。一方、冷却水を通流させる電動ポンプは小型で、かつ、燃費向上のため、ポンプの動作電流は小さくすることが要求されるため、ＨＥＶ用インバータを冷却するための冷却水流量、及び冷却流路の圧力損失の制限は極めて厳しいものである。従って、２セットのＩＧＢＴモジュールにシリーズに冷却水を通流すると、ＩＧＢＴモジュール１台の場合と比べて、つなぎ部の損失も含め、圧力損失は２倍以上になってしまうため、冷却水流量を半減するか、モジュール冷却部のフィンピッチを大きくして、圧力損失を減らす必要が生じ、結果として、ＩＧＢＴモジュールの冷却性能を低下させることとなる。

一方、パワー半導体モジュールのパワー密度を向上させるために、例えば、特開平１１−１２１６９１号公報に記載されているように、冷却水路の両面にパワー半導体素子を配置する構造が知られている。この構造では、水路の片面のみにパワー半導体モジュールを配置した場合と比べて冷却水の利用効率を高くできるため、パワー密度を向上、即ち、小型化できる。

特開平１１−１２１６９１号公報

しかしながら、特開平１１−１２１６９１号公報に記載のように、２セットの３相モジュールを上下に鏡映配置して間に冷却水を通流して冷却した場合、次の問題が生じる。すなわち、ＨＥＶにおいて、インバータを冷却するための冷却水流量は極めて小流量（例えば、１０Ｌ／ｍｉｎ）としなければならないため、２つのモジュールを鏡映配置すると、流路の高さは１台の場合と比べて２倍となり、流速は１／２となり、熱伝達率が低下するため、熱抵抗が増大することとなり、ＨＥＶ用インバータとして不適である。

本発明の目的は、少なくとも２セットのパワー半導体モジュールを実装する場合において、制限された冷却水流量，圧力損失の元で効率よく冷却できる冷却構造を有し、しかも、小型な半導体装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、冷却媒体が通流される冷却媒体流路と、パワー半導体素子が搭載され、底面に第１金属ベースを有する第１のパワー半導体モジュール及び底面に前記第１金属ベースと別体の第２金属ベースを有する第２のパワー半導体モジュールとを有し、前記第１及び第２のパワー半導体モジュールが、前記冷却媒体流路の両面に搭載され、前記冷却媒体が、前記第１及び第２金属ベースに直接当てられる構造である半導体装置であって、前記第１のパワー半導体モジュールに通電される電流は、前記第２のパワー半導体モジュールに通電される電流よりも大きく、前記第１のパワー半導体モジュールの底面の第１金属ベースの放熱能力は、前記第２のパワー半導体モジュールの底面の第２金属ベースの放熱能力よりも大きくしたものである。
かかる構成により、制限された冷却水流量，圧力損失の元で効率よく冷却できる冷却構造を有し、しかも、小型化し得るものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記第２金属ベースの冷却媒体流れ方向の長さは、前記第１金属ベースの冷却媒体流れ方向の長さよりも短く、かつ、前記第２金属ベースの一方と他方がそれぞれ、冷却媒体流れ方向において、前記第１金属ベースの内側に配置され、前記半導体装置は、第１Ｏリングを介して前記第１金属ベースに取り付けられた水冷ジャケットと、第２Ｏリングを介して前記第１金属ベースに取り付けられた水冷ジャケットとを備え、前記第１Ｏリングは、冷却媒体流れ方向において、前記第２金属ベース及び前記第２Ｏリングの外側に配置されているものである。

（３）上記（２）において、好ましくは、前記第１金属ベースは、冷却媒体が接触する面にフィンを有するフィン付金属ベースであり、前記第２金属ベースは、平板である場合において、前記第１のフィン付き金属ベースのフィン形状は、冷却媒体流れ方向の両端において切り欠き部が設けられ、前記切り欠き部に前記第２Ｏリングが配置され、前記第２Ｏリングを介して、前記第２金属ベースに前記水冷ジャケットを取り付けたものである。
（４）上記（２）において、好ましくは、前記第１及び第２金属ベースは、冷却媒体が接触する面にフィンを有するフィン付き金属ベースであり、前記第１及び第２のフィン付き金属ベースのフィン高さは同じで、かつ、前記第１のフィン付き金属ベースのフィンピッチは、前記第２のフィン付き金属ベースのフィンピッチよりも小さい場合において、前記第１のフィン付き金属ベースのフィン形状は、冷却媒体流れ方向の両端において切り欠き部が設けられ、前記切り欠き部に前記第２Ｏリングが配置され、前記第２Ｏリングを介して、前記第２金属ベースに前記水冷ジャケットを取り付けたものである。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記第１及び第２金属ベースは、冷却媒体が接触する面にフィンを有するフィン付金属ベースであり、前記第１のフィン付き金属ベースのフィン高さは、前記第２のフィン付き金属ベースのフィン高さよりも高いものである。

（６）上記（１）において、好ましくは、前記第１金属ベースは、冷却媒体が接触する面にフィンを有するフィン付金属ベースであり、第２金属ベースは、平板である。

（７）上記（１）において、好ましくは、前記第１金属ベースの前記フィンによって形成される冷却媒体流路群に対して冷却媒体流れ方向の両側に位置している金属ベース部分と前記第２金属ベースが互いに接触し、この接触部を接着又は溶接することで冷却媒体を封止する構造である。

（８）上記（１）において、好ましくは、前記第１及び第２金属ベースは、冷却媒体が接触する面にフィンを有するフィン付金属ベースであり、前記第１及び第２のフィン付き金属ベースのフィン高さは同じで、かつ、前記第１のフィン付き金属ベースのフィンピッチは、前記第２のフィン付き金属ベースのフィンピッチよりも小さいものである。

（８）上記（１）において、好ましくは、前記第１及び第２金属ベースの材質は、銅又は銅合金，若しくはアルミニウムとシリコンカーバイドからなる合金である。

（９）上記（１）において、好ましくは、前記第１のパワー半導体モジュールは、ハイブリッド自動車に搭載されるインバータであり、駆動モータを駆動するためのモジュールであり、前記第２のパワー半導体モジュールは、ハイブリッド自動車に搭載されるインバータであり、発電機を制御するためのモジュールである。

（１０）上記（６）において、好ましくは、前記第１金属ベースの材質は銅であり、前記第２金属ベースは、銅よりも線膨張係数が小さい金属である。

（１１）上記（１０）において、好ましくは、前記第２のパワー半導体モジュールの第２金属ベースの材質は、アルミとシリコンカーバイドの合金、又は銅と酸化銅の合金である。

（１２）上記（１）において、好ましくは、前記冷却媒体流路は、境界壁により左右に流路が分割され、前記境界壁の両側では前記冷却媒体が流れる方向が異なるものである。

（１３）上記（１）において、好ましくは、前記冷却媒体流路の高さは、１ｃｍ以下である。

本発明によれば、少なくとも２セットのパワー半導体モジュールを実装する場合において、制限された冷却水流量，圧力損失の元で効率よく冷却できる冷却構造を有し、しかも、小型化することができる。

以下、図１〜図６を用いて、本発明の第１の実施形態による半導体装置の構成について説明する。
以下に説明する例では、半導体装置として、ハイブリット自動車（ＨＥＶ）用のモータを駆動するインバータ（電力変換装置）と発電機を駆動するインバータ（電力変換装置）を例にして説明する。

冷却装置を備えた半導体装置の小型化を図るためには、冷却水路の両面に半導体モジュールを実装することは極めて有効である。そこで、本発明も両面実装構造としている。ただし、両面実装構造とすると、前述したように、冷却水流速を確保する必要があるという問題が生じる。ここで、ＨＥＶに搭載される駆動モータ定格（ｋＷ）は、一般に、発電機の定格（ｋＷ）よりも大きい。従って、駆動モータ用インバータのＩＧＢＴモジュール定格は、発電機用インバータのＩＧＢＴモジュール定格よりも、一般に、大きいものである。つまり、ＩＧＢＴモジュールの損失は、駆動モータ用モジュールの方が発電機用モジュールよりも大きいため、必要な冷却能力は、駆動モータ用モジュールの方が大きいものである。すなわち、水路を共通化して両面に配置されるモジュールの冷却能力は、モジュール毎に違えることができる。この点に着目して、本発明は構成されている。

最初に、図１を用いて、本実施形態による半導体装置の断面構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による半導体装置の断面構成を示す断面図である。図１には、冷却水の流れに直交する方向の断面形状を示している。

図１に示すように、ＩＧＢＴモジュール１０１の銅ベース１０７には、フィン１０７Ａが一体的に形成されている。一方、ＩＧＢＴモジュール１０２の銅ベース１０９は、平板である。即ち、フィン付銅ベース１０７の冷却能力は、平板銅ベース１０９の冷却能力よりも大きいものである。また、モジュール１０１のＩＧＢＴ１０３，ＦＷＤ１０４のサイズは、モジュール１０２のＩＧＢＴ１０５，ＦＷＤ１０６よりも大きいが、実装面積は同等である。即ち、パワーチップ単位面積当たりの実装面積は、モジュール１０２の方が大きいものである。ＩＧＢＴモジュール１０１は、駆動モータ用インバータであり、ＩＧＢＴモジュール１０２は、発電機用インバータである。具体的に例示すると、ＩＧＢＴモジュール１０１は、定格電圧／電流＝６００Ｖ／４００Ａクラスの駆動モータ用の直接水冷型３相ＩＧＢＴモジュールであり、ＩＧＢＴモジュール１０２は、定格電圧／電流＝６００Ｖ／２００Ａクラスの発電機用の直接水冷型３相ＩＧＢＴモジュールである。

この構造とすることにより、両面冷却としても、フィン１０７Ａの高さ１１０、即ち、冷却水流速を決定する高さは、ＩＧＢＴモジュール１０１一台を独立で冷却した場合と変わらず、高流速を確保できる。従って、ＩＧＢＴモジュール１０１の冷却能力は、両面配置としても損なわれることはないものである。ＩＧＢＴモジュール１０２の冷却能力は、モジュール１０１よりも小さいが、損失がモジュール１０１よりも小さいこと、及び、単位チップ面積当たりの実装面積が大きいため熱拡がりを大きく確保できる、即ち、低熱抵抗化できることと併せ、チップ温度は、モジュール１０１よりも高くなることはないものである。

ここで、図２〜図４を用いて、本実施形態による半導体装置に用いるＩＧＢＴモジュール１０１の平面構造について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による半導体装置に用いるＩＧＢＴモジュール１０１の平面構造を示す平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。図４は、図２のＢ−Ｂ断面図である。なお、図１は、Ｂ−Ｂ断面位置における半導体装置全体の断面構成を示している。また、図２〜図４において、図１と同一符号は、同一部分を示している。

図２において、６個の窒化アルミ基板１１４（１１４Ａ，１１４Ｂ，１１４Ｃ，１１４Ｄ，１１４Ｅ，１１４Ｆ）が配置されている。各窒化アルミ基板１１４Ａ，…，１１４Ｆの構成は同じである。ＩＧＢＴモジュール１０１は、駆動モータ用インバータであり、窒化アルミ基板１１４Ａは、例えば、Ｕ相のスイッチング素子モジュール用の上アームを構成し、窒化アルミ基板１１４Ｂは、Ｕ相のスイッチング素子モジュール用の下アームを構成する。窒化アルミ基板１１４Ｃ，１１４Ｄは、例えば、Ｖ相のスイッチング素子モジュール用上下アームを構成し、窒化アルミ基板１１４Ｅ，１１４Ｆは、例えば、Ｗ相のスイッチング素子モジュール用上下アームを構成する。

ここで、窒化アルミ基板１１４Ａ上の配置を例にして説明する。窒化アルミ基板１１４の大きさは２．６ｃｍ×５ｃｍで、チップサイズ１１ｍｍ□のＩＧＢＴペレット１０３Ａ，１０３Ｂと、チップサイズ６ｍｍ×９ｍｍのＦＷＤペレット１０４Ａ，１０４Ｂとが、それぞれ各２チップづつ、融点３００℃以上の高温はんだで接着されている。はんだの膜厚は、０．１ｍｍ程度である。各ペレット１０３Ａ，１０３Ｂ，１０４Ａ，１０４Ｂの電圧／電流定格は６００Ｖ／２００Ａであり、２並列接続されることにより、定格６００Ｖ／４００Ａのモジュールとなっている。

さらに、窒化アルミ基板１１４には、ＩＧＢＴを並列駆動する場合の共振防止用ゲート抵抗ペレット８０３Ａ，８０３Ｂと、温度検出用サーミスタ８０４とが、はんだ接着されている。ＩＧＢＴペレット１０３Ａ，１０３Ｂ及び、ＦＷＤペレット１０４Ａ，１０４Ｂと、窒化アルミ基板１１４の上の銅パタン８１２，８０２は、アルミワイヤ８０８，８１０，８１１により接続されている。アルミワイヤ８０８，８１０，８１１の線経は、３００μｍφである。アルミワイヤ８０８，８１１は、全本数でなく、代表的なワイヤのみを図示している。

パワー半導体搭載窒化アルミ基板１１４とフィン付銅ベース１０７は、融点１８３℃程度の共晶はんだで接着されている。はんだ膜厚は約０．１５ｍｍである。

窒化アルミ基板１１４と主端子用電極パッド１１９及び制御端子用電極パッド８０５とも、同じくアルミワイヤ１１７，８０６で接続される。アルミワイヤ１１７，８０６の線経は５００μｍφである。

アルミワイヤ８０８，８１０，８１１は、半導体ペレット表面にボンディングされるため、低ダメージに配慮する必要ある。従って、３００μｍφと比較的細いワイヤを使用している。しかし、アルミワイヤ１１７，８０６はダメージに配慮する必要ないため、ボンディング本数の低減、かつ、電気抵抗低減に配慮して、太いワイヤを使用している。アルミワイヤ１１７は、各接続において２０本としている。

３相モジュールの各アームは、一枚の窒化アルミ基板１１４から構成され、合計６枚の基板１１４が、銅ベース１０７に、はんだ接着されている。銅ベース１０７の大きさは、例えば、１０ｃｍ×２３ｃｍである。また、図３に示す銅ベース１０７の厚さＨ１は３ｍｍである。銅ベース１０７の材質はタフピッチ銅であり、表面はＮｉメッキ処理されている。メッキの厚さは、概略６μｍである。図４に示すように、フィン１０７Ａの幅Ｗ１は１ｍｍであり、間隔（ピッチ）Ｗ２は２ｍｍであり、フィン本数は１６本であり、全体のフィン幅Ｗ３は４９ｍｍである。図３に示すフィン１０７Ａの長さＬ１は１８ｃｍ、フィン高さＨ２は８ｍｍである。

再び、図１に示すように、窒化アルミ基板１１４の上には、ＩＧＢＴペレット１０３と、ＦＷＤペレット１０４が、それぞれ高温はんだ１１３で接着されている。パワー半導体搭載窒化アルミ基板１１４とフィン銅ベース１０７は、共晶はんだ１１５で接着されている。

モジュールケース１２２には、主端子１１９及び制御端子（図示せず）がインサート成型されている。成型樹脂の材質は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を用いている。モジュールケース１２４も、同様の構成である。定格４００Ａ若しくは２００Ａという大電流を通電するモジュールであるため、モジュールケース１２２，１２４には、主端子１１９への主配線取り付けをボルト締めとするため、Ｍ６ナット１２０及びボルト逃げ用空隙１２１が設けられている。

モジュールケース１２２の内部には、モジュール１０１が配置されている。モジュール１０１は、図２で説明したように、ＩＧＢＴ１０３，ＦＷＤペレット１０４を備えている。モジュールケース１２２の内部には、モジュール内部を封止するため、モジュール１０１を覆うようにして、ゲル１１６が塗布されている。さらに、モジュールケース１２２の上部開口部には、モジュール蓋１１８が固定されている。モジュール蓋の材質は、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）である。

モジュールケース１２４の内部には、モジュール１０２が配置されている。モジュール１０２は、図２で説明したモジュール１０１の構成と同様にして、ＩＧＢＴ１０５，ＦＷＤペレット１０６を備えている。窒化アルミ基板１２５の上には、ＩＧＢＴペレット１０５と、ＦＷＤペレット１０６が、それぞれ高温はんだ１２６で接着されている。パワー半導体搭載窒化アルミ基板１２５と平板状の銅ベース１０９は、共晶はんだ１２８で接着されている。

定格２００Ａであるモジュール１０２中のＩＧＢＴ１０５，ＦＷＤ１０６のペレットサイズは、各々、８ｍｍ□，６ｍｍ□であり、チップ定格は各々１００Ａであり、モジュール１０１と同様に、２並列接続でモジュール定格は２００Ａとなっている。また、銅ベース１０９の厚さは３ｍｍである。

次に、図５を用いて、アルミダイカスト製水冷ジャケット１３０へのモジュール１０１，１０２の取り付け部の構成について説明する。

図５は、本発明の第１の実施形態による半導体装置の水冷ジャケット取り付け部の断面図である。図５は、図２のＣ−Ｃの位置における半導体装置の断面構成を示している。なお、図１〜図４と同一符号は、同一部分を示している。

水冷ジャケット１３０と、銅ベース１０７，１０９とは、２本のＯリング１２９とともに、銅ベース１０７，１０９に設けた取り付け穴３０１を介して、ボルト３００及びナットを使用して伴締めしている。使用されたボルト３００は、Ｍ６ボルトであり、締付けトルクは２．４５Ｎ・ｍとしている。このトルクは、通常のモジュール取り付けトルクと同程度である。すなわち、締め付けトルクにより、機械的な応力が問題になるようなトルクではない。Ｏリング１２９の線径は１．９ｍｍφである。水冷ジャケット１３０中の溝１２３は幅２．５ｍｍ、深さ１．４ｍｍであり、Ｏリング１２９に対して最適設計されている。尚、モジュール１０１は図２に示しているように、８箇所で取付けられている。一方、モジュール１０２も８箇所で取付けられており、モジュール中心領域の４本はモジュール１０１と共通とし、両端の４本は各々別の箇所で取付けている。

次に、図６を用いて、ＩＧＢＴモジュール１０１，１０２の冷却部に冷却媒体を供給するための給排水領域構造について説明する。

図６は、本発明の第１の実施形態による半導体装置の冷却媒体の流れに平行な方向の断面図である。なお、図１〜図５と同一符号は、同一部分を示している。

両面実装された２つのＩＧＢＴモジュールの間に冷却媒体を流す場合、２つのＩＧＢＴモジュールの間の流路に対して、入口側に給水流路構造体を、そして、出口側に排水流路構造体を別体として取り付ける必要がある。これは、給水流路構造体や排水流路構造体が、ＩＧＢＴモジュールの基板と一体的には構成できないためである。

ここで、ＨＥＶ用水冷インバータの場合、冷却水流量を考慮すると、冷却能力を最大にできるフィン高さＨ２は最大で１ｃｍ以下、例えば、８ｍｍ程度である。一方、モジュール１０１，１０２が搭載される銅ベース１０７，１０９に対して、別体として取り付けられる給水流路構造体及び排水流路構造体となる水冷ジャケット９０２，９０３の厚さＨ３，Ｈ４は、強度確保から３ｍｍ程度は必要である。モジュール１０１，１０２を完全に対称に搭載すると、フィン領域への冷却水導入部９０６のフィン高さ方向の間隔は、８ｍｍ−（３ｍｍ×２）＝２ｍｍとなり、極めて狭い間隔になる。このことは、冷却水の排水領域９０７についても同様である。このような狭い間隔では、流路断面積の縮小、及び拡大による圧力損失が大幅に増大するため、実用に耐えない圧力損失となる。水冷ジャケットの外側からモジュール１０１，１０２を実装する場合、仮にモジュール１０１，１０２の長さが等しく、鏡映配置されると、フィン１０７Ａの高さは８ｍｍのため、冷却水給排水領域のフィン高さ方向の間隔は２ｍｍとなり、前述の課題で述べた通り、実装することはできないものである。冷却水を実用的な圧力損失で給排水するためには、フィン１０７Ａへの冷却水導入部９０６、排水部９０７のフィン高さ方向の幅は最小でも５ｍｍ程度必要であり、水冷ジャケットの肉厚６ｍｍとで、フィン高さは最小でも１１ｍｍとする必要がある。このような高いフィンでは、冷却水流速を高くすることはできず、高熱伝達とすることはでくなる。

そこで、本実施形態では、モジュール１０２の長手方向長さをモジュール１０１よりも小さくし、モジュール１０２を対向面に配置したモジュール１０１よりも内側に配置することにより、２段階で冷却水を導入している。この構造で広い冷却水導入部９０６，排出部９０７を確保している。

以下、図６を用いて、給排水構造について、具体的に説明する。本実施形態は、モジュール１０２の銅ベース１０９の長さを１７ｃｍとし、銅ベース１０７の長さ（２３ｃｍ）よりも短くしている。即ち、冷却水流れ方向において、モジュール１０２をモジュール１０１の内側に配置している。この構造で、まず、モジュール１０１のみに冷却水を導入し、しかるのちにモジュール１０２へ冷却水は導入されるため、フィン高さ１１０は８ｍｍと小さくても冷却水導入領域９０６、排水領域９０７の幅は５ｍｍ以上と十分確保できるため、圧力損失を大幅に増大させることはないものである。このような構造を実現するため、冷却水給排水領域のフィン１０７Ａには、切り欠き部１０７Ｂを設け、水冷ジャケット９０３の肉厚分だけ高さを低くしている。即ち、５ｍｍとしている。フィン高さが低い分、モジュール両端部の冷却能力は小さくなるが、モジュール両端は、熱の干渉が片側のみとなるため、温度上昇は小さくなるため、問題となることはないものである。

以上の構成のモジュール及び水路に、主成分がエチレングリコールのロングライフクーラント（ＬＬＣ）５０ｖｏｌ．％の冷却水を、流量１０Ｌ／ｍｉｎで通流し、冷却性能及び圧力損失を測定した。冷却水温度は６０℃である。上述の冷却流路構造より、冷却水の平均流速は、０．６ｍ／ｓである。まず、冷却性能の指標である、冷却水からＩＧＢＴチップジャンクションまでの熱抵抗Ｒth(j-w)を、モジュール１０１，１０２の各々について測定した。測定は１アームのＩＧＢＴチップのみに通電して行った。つまり、６アーム分の伝熱面積に対し、１アームのみを発熱させているわけであり、ＦＷＤも含め、各モジュール６アーム、計１２アームが発熱するインバータ動作時の熱抵抗とは異なる。結果、冷却水温度６０℃の場合、１アーム当たりＲth(j-w)＝０．１２Ｋ／Ｗ（モジュール１０１）、０．２２Ｋ／Ｗ（モジュール１０２）となった。前述のように、モジュール１０１，１０２の定格は、各々、４００Ａ，２００Ａであり、インバータ動作時の電流は、モジュール１０１はモジュール１０２の概略倍に設定される。つまり、モジュール１０１の損失はモジュールの倍である。従って、熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ-ｗ）の測定結果から、モジュール１０２の熱抵抗Ｒth(j-w)はモジュール１０１の１．８倍であるため、モジュール１０２のＩＧＢＴジャンクション温度は、モジュール１０１よりも高くならないことが明らかになった。ＦＷＤチップについても、ＩＧＢＴの場合と同様の結果になる。

圧力損失の測定結果は、以下の通りである。冷却水条件は、熱抵抗測定の場合と同じ、６０℃、１０Ｌ／ｍｉｎである。内径１７ｍｍφ、長さ５ｃｍの給排水管を含み、圧力損失は１．５ｋＰａであった。従来のように、モジュール２台にシリーズに冷却水を通流した場合、２台のモジュールのＵ字型つなぎ配管を含め、全圧力損失は３ｋＰａ程度となるため、本実施形態の構造では、圧力損失も、従来よりも半減できることが確認できた。このことは、仮に圧力損失が従来システム通りで良い場合、冷却水流量を増大できることを意味し、低熱抵抗化に寄与する。例えば、圧力損失を２倍まで許せる場合、流量は約１．４倍にできる。この場合、熱伝達率は約１．３倍にでき、本実施形態の場合、全熱抵抗Ｒth(j-w)は約１割低減できる。

以上の構造では、ＩＧＢＴモジュール１０１，１０２の銅ベース材質は、いずれもタフピッチ銅であった。しかしながら、セラミックス基板接着はんだ層の熱歪を低減し、寿命を向上するため、例えば、ＩＧＢＴモジュール１０２の平板ベース材質を線膨張係数が銅と比べて半分以下のＡｌＳｉＣ、又は、銅／酸化銅複合材とすることもできる。

以上説明したように、本実施形態によれば、一方の面に搭載されるＩＧＢＴモジュール１０１に通電される電流は、他方の面に搭載されるＩＧＢＴモジュール１０２に通電される電流よりも大きい場合に、ＩＧＢＴ１０１側の銅ベース１０７はフィン１０７Ａが付いた構造とし、他方の銅ベース１０９はフィンなしとして、モジュール１０１の底面の金属ベース１０７の放熱能力を、モジュール１０２の放熱能力よりも大きくすることにより、制限された冷却水流量，圧力損失の元で効率よく冷却できる冷却構造とし、しかも、小型にすることができる。

また、冷却水路両面に対向して搭載されるＩＧＢＴモジュール１０１，１０２の冷却水流れ方向の形状は、モジュール１０２はモジュール１０１よりも長さが短く、かつ、モジュール１０２はモジュール１０１の内側に配置される構成とすることで、広い冷却水導入部９０６，排出部９０７を確保し、圧力損失を低減し、必要な冷却水流速を確保することができる。

次に、図７及び図８を用いて、本発明の第２の実施形態による半導体装置の構成について説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態による半導体装置の断面構成を示す断面図である。図７は、図１と同様に、冷却水の流れに直交する方向の断面形状を示している。図８は、本発明の第２の実施形態による半導体装置の冷却媒体の流れに平行な方向の断面図である。なお、図１〜図６と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、図１に示した実施形態とは異なり、対向して両面に実装されるＩＧＢＴモジュール１０１Ａ，１０２の定格の差が小さいものである。具体的には、モジュール１０１Ａ，１０２の定格電流は、各々、３００Ａ，２００Ａである。モジュール１０２中のＩＧＢＴチップ１０５、ＦＷＤチップ１０６のサイズは、図１に示したモジュール１０２と同じである。一方、モジュール１０１Ａ中のＩＧＢＴチップ１０３Ｃは１０ｍｍ□、ＦＷＤチップ１０４Ｃは６．５ｍｍ□であり、定格電流は１５０Ａである。２つが並列接続で３００Ａとなる。モジュール定格の差が小さいため、損失の差も小さいものである。従って、必要な放熱能力の差も小さいものである。

そこで、図７に示すように、本実施形態では、銅ベース１０７Ｂは、フィン１０７ＢＡが一体的に成形された銅ベースとし、また、銅ベース１０９Ｂも、フィン１０９ＢＡが一体的に成形された銅ベースとしている。そして、モジュール１０１Ａのフィン付き銅ベース１０７Ｂのフィン１０７ＢＡの高さは５ｍｍとし、モジュール１０２のフィン付き銅ベース１０９Ｂのフィン１０９ＢＡの高さは３ｍｍとしている。フィン幅，間隔は、図４に示したものと同様であり、各々、１，２ｍｍである。２台のモジュールのフィン高さの合計は８ｍｍであり、図１に示したフィン１０７Ａの高さ８ｍｍと等しいものである。従って、流路断面積は、図１に示したものと同様である。

さらに、図８に示すように、フィン付銅ベース１０９Ｂのフィン１０９ＢＡの高さは、水冷ジャケット９０３の肉厚３ｍｍと等しいなっている。従って、水冷ジャケットへの取り付けを考慮すると、フィン形状は単純な矩形にできる。フィン付銅ベース１０９Ｂのフィン高さが３ｍｍと異なると、図６に示したように、対向面のモジュールのフィン形状は、矩形ではなく、水冷ジャケット及び対向面のモジュール形状を考慮した切り欠き部を有する形状にする必要がある。フィン高さは、熱設計から決定されるが、水冷ジャケットへの実装時の構造をも考慮して決定されるのが好ましいものである。

この構造に、実施例１と同条件、即ち、６０℃、１０Ｌ／ｍｉｎのＬＬＣ５０％の冷却水を通流して、熱抵抗Ｒth(j-w)を測定した。冷却水の流速は、０．６ｍ／ｓである。以下の測定結果は、第１の実施形態と同様、１アームのＩＧＢＴのみに通電した場合の値である。モジュール１０２の熱抵抗Ｒth(j-w)は、モジュール１０２の平板銅ベースと異なり、高さ３ｍｍのフィンが形成されたため低減し、０．１９Ｋ／Ｗとなった。一方、モジュール１０１Ａの熱抵抗Ｒth(j-w)は、チップサイズが小さくなったこと、フィン高さが低くなったことの両者の影響で、０．１６Ｋ／Ｗになった。モジュール１０２の熱抵抗は、モジュール１０１Ａの１．２倍である。しかしながら、モジュール１０２の損失は、モジュール１０１Ａの概略２／３倍のため、ジャンクション温度はモジュール１０２の方が低くなり、モジュール１０１Ａの概略０．８倍になる。従って、フィン１０７ＢＡを高く、フィン１０９ＢＡを低くすれば、モジュールの寿命を決定する最大のジャンクション温度は低くすることができる。圧力損失は、流速，流路断面積とも、第１の実施形態と同じため、１．５ｋＰａと同じであった。

以上説明したように、本実施形態によっても、２つのＩＧＢＴモジュール１０１Ａ，１０２に通電される電流に応じて、銅ベース１０９Ｂと銅ベース１０７Ｂとの放熱能力を異ならせることにより、制限された冷却水流量，圧力損失の元で効率よく冷却できる冷却構造とし、しかも、小型にすることができる。

また、冷却水路両面に対向して搭載されるＩＧＢＴモジュール１０１，１０２の冷却水流れ方向の形状は、モジュール１０２はモジュール１０１よりも長さが短く、かつ、モジュール１０２はモジュール１０１の内側に配置される構成とすることで、広い冷却水導入部９０６，排出部９０７を確保し、圧力損失を低減し、必要な冷却水流速を確保することができる。

次に、図９を用いて、本発明の第３の実施形態による半導体装置の構成について説明する。
図９は、本発明の第３の実施形態による半導体装置の断面構成を示す断面図である。図９は、図１と同様に、冷却水の流れに直交する方向の断面形状を示している。なお、図１〜図８と同一符号は、同一部分を示している。

図１若しくは図７に示した実施形態では、フィン高さによって冷却能力（フィン表面積）を調整している。それに対して、本実施形態では、フィンピッチを変えて冷却能力を調整している。

モジュール１０１Ａ，１０２は、図７にて説明したものと同様であり、定格電流３００Ａのモジュールであるモジュール１０１Ａ中のＩＧＢＴチップ１０３Ｃ，ＦＷＤチップ１０４Ｃの定格電流は実施例２のモジュール１０１Ａの場合と同じで１５０Ａである。一方、定格電流２００Ａのモジュールであるモジュール１０２中のＩＧＢＴチップ１０５，ＦＷＤチップ１０６の定格電流は１００Ａであり、同じく２パラ構成である。各ＩＧＢＴ，ＦＷＤのチップサイズは、上述の通りである。

銅ベース１０７Ｃ，１０９Ｃは、ともに、冷却フィン１０７ＣＡ，１０９ＣＡが一体的に形成されている。モジュール１０１Ａのフィン付銅ベース１０７Ｃには高さ８ｍｍ、幅１ｍｍのフィン１０７ＣＡが１２本形成されている。間隔は２ｍｍで、２本毎に１本間引いて形成されている。つまり、フィン１本が間引かれている箇所では、フィン間隔は５ｍｍである。

一方、モジュール１０２のフィン付銅ベース１０９Ｃには高さ８ｍｍ、幅１ｍｍのフィン１０９ＣＡが６本形成されている。間隔は８ｍｍである。この間隔は、図より明らかなように、フィン付銅ベース１０７Ｃと重ね合わせた時に、流路間隔が２ｍｍ一定になるようにしている。つまり、流路断面積は、第１，第２の実施形態と同様、１６ｍｍ^２である。但し、第１，第２の実施形態よりも全体流路幅を大きくしており５６ｍｍとしている。

以上より、モジュール１０１Ａの放熱能力は、モジュール１０２の概略１．５倍である。冷却水給排水領域であるモジュール両端部では、モジュール１０１Ａのフィン１０７ＣＡは、水冷ジャケット領域が削り取られた切り欠き部を備えた形状になっているのは、図６に示した実施形態と同じである。即ち、高さは５ｍｍとなっている。

第１，第２の実施形態と同じ冷却水条件、及び測定方法でＩＧＢＴの熱抵抗を測定した結果は、以下の通りである。熱抵抗Ｒth(j-w)＝０．１５Ｋ／Ｗ（モジュール１０１Ａ），０．２０Ｋ／Ｗ（モジュール１０２）であった。モジュール１０２の熱抵抗はモジュール１０１Ａの１．３倍であった。従って、第２の実施形態よりも差は小さくなるが、定格が小さいモジュール１０２の方がジャンクション温度は小さいのは、第２の実施形態と同様である。

圧力損失は、全体流路が若干広がったため、縮小・拡大損失がわずかに増大したため、１．７ｋＰａであった。

以上説明したように、本実施形態によっても、２つのＩＧＢＴモジュール１０１Ａ，１０２に通電される電流に応じて、銅ベース１０９Ｃと銅ベース１０７Ｃとの放熱能力を異ならせることにより、制限された冷却水流量，圧力損失の元で効率よく冷却できる冷却構造とし、しかも、小型にすることができる。

また、冷却水路両面に対向して搭載されるＩＧＢＴモジュール１０１，１０２の冷却水流れ方向の形状は、モジュール１０２はモジュール１０１よりも長さが短く、かつ、モジュール１０２はモジュール１０１の内側に配置される構成とすることで、広い冷却水導入部，排出部を確保し、圧力損失を低減し、必要な冷却水流速を確保することができる。

次に、図１０を用いて、本発明の第４の実施形態による半導体装置の構成について説明する。
図１０は、本発明の第４の実施形態による半導体装置の断面構成を示す断面図である。図１０は、図１と同様に、冷却水の流れに直交する方向の断面形状を示している。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

第１〜第３の実施形態では、ＩＧＢＴモジュールの水冷ジャケットへの取り付けにＯリングを使用していたが、本実施形態では、接着により実装するようにしている。

モジュール１０１の定格電圧／電流は、図１に示したモジュール１０１と同じであり、ＩＧＢＴチップ１０３，ＦＷＤチップ１０４の損失、モジュールの冷却能力は、図１のモジュール１０１と同じである。なお、図１に示したモジュール１０１では、フィン付き銅ベース１０７と水冷ジャケット１３０を別体としたが、本実施形態では、フィン付き銅ベース１０７Ｄとして一体化している。モジュール１０２も、図１に示したモジュール１０２と同じ性能である。第１の実施形態と異なるのは、その実装方法である。

本実施形態では、フィン付銅ベース１０７Ｄと銅ベース１０９をはんだ接着している。界面４０５がはんだ 接着領域である。即ち、モジュール１０１，１０２を組み立てた後、低温はんだで接着している。はんだ接着領域４０５には、はんだ厚さ確保用の溝を銅ベース１０７Ｄ，１０９中に設けて、はんだ接着信頼性を確保している。

ＩＧＢＴモジュールの水冷ジャケットへの取り付けにＯリングを使用した場合、Ｏリングはゴム製であるため、劣化は必ず発生し、漏水の懸念を完全に払拭することはできないものである。それに対して、本実施形態では、Ｏリングを削除することができ、漏水に対する信頼性を増大させることができる。

なお、本実施形態では、接着にはんだを使用したが、信頼性さえ確保できれば、樹脂製の接着材での接着も用いることができる。さらには、比較的低温で溶接できる攪拌摩擦接合（Friction stir welding）等による溶接でもよいものである。

以上説明したように、本実施形態によっても、２つのＩＧＢＴモジュール１０１，１０２に通電される電流に応じて、銅ベース１０９Ｃと銅ベース１０７Ｃとの放熱能力を異ならせることにより、制限された冷却水流量，圧力損失の元で効率よく冷却できる冷却構造とし、しかも、小型にすることができる。

次に、図１１を用いて、本発明の第５の実施形態による半導体装置の構成について説明する。
図１１は、本発明の第５の実施形態による半導体装置の断面構成を示す断面図である。図１１は、図１と同様に、冷却水の流れに直交する方向の断面形状を示している。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

これまでの実施形態は、全て、両面実装するＩＧＢＴモジュールを個別に製造し、完成したモジュールを両面実装するものであった。それに対して、本実施形態では、ヒートシンクである銅ベース１０８は、モジュール１０１，１０２共通であり、一体で形成されている。すなわち、銅ブロックに複数の冷却流路１０８Ｂが穿かれた形状になっており、冷却通路１０８Ｂの中は、フィン１０８Ａで仕切られて形状となっている。すなわち、図１に示したフィン１０１Ａの付いた銅ベース１０１と、銅ベース１０２を一体化した形状としている。このように、表裏面にモジュール１０１，１０２が接着される一体のヒートシンク１０８とすることにより、給排水管の接着部以外では漏水の可能性はなくなる。

本実施形態の構成の半導体装置は、銅製ヒートシンク１０８の両面にパワーチップが搭載されたＡｌＮ基板１１４，１２５をはんだ接着し、さらには、ＰＰＳ製ケース１２２，１２４を熱硬化性接着材で接着するというように、ヒートシンク１０８両面にモジュール部品を組み上げる形で製造される。

フィン１０８Ａの幅，高さ，間隔，本数は、図１に示した実施形態と同じである。モジュール１０１，１０２の定格は各々６００Ａ，２００Ａであり、第１の実施形態と同じである。すなわち、冷却能力（熱抵抗），発生損失とも、第１の実施形態と同じである。従って、パワーチップの最高温度は、第１の実施形態の場合とほぼ同等である。さらには、圧力損失も第１の実施形態と同等である。

ただし、第１の実施形態と熱的な挙動が異なり、第１の実施形態よりも優れているのは以下の点である。本実施形態では、モジュール２台に対して一体のヒートシンクであるため、モジュール１０１，１０２間で熱のやりとりが可能なことが特徴である。損失によって、モジュール１０１の熱は、モジュール１０２でも放熱される。例えば、極端な場合、モジュール１０２が通電されておらず損失がない場合には、モジュール１０１の熱は、下側（モジュール１０２に接する側）の銅ベースでも放熱されるのである。即ち、第１の実施形態よりも低温化できる。もちろん逆の場合も考えられる。このように、本実施形態は、動作条件によって、自動的にモジュール１０１，１０２間で熱のやりとりが行われ、低温化できる。

以上説明したように、本実施形態によっても、２つのＩＧＢＴモジュール１０１，１０２に通電される電流に応じて、銅ベース１０８の放熱能力を異ならせることにより、制限された冷却水流量，圧力損失の元で効率よく冷却できる冷却構造とし、しかも、小型にすることができ、また、さらに、低温化できる。

次に、図１２を用いて、本発明の第６の実施形態による半導体装置の構成について説明する。
図１２は、本発明の第６の実施形態による半導体装置の断面構成を示す断面図である。図１２は、図１と同様に、冷却水の流れに直交する方向の断面形状を示している。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

前述した第１〜第５の実施形態では、ＨＥＶ用インバータ中の駆動モータ用、発電機用モジュールを水路に両面実装している。ここで、ＨＥＶ用インバータは、例えば３００Ｖから６００Ｖというように、バッテリ電圧、即ち、電源電圧を昇圧して駆動するタイプも存在する。つまり、電圧を増大することにより電流を減少し、ハーネスを小型、軽量化するのことを目的として、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを用いるタイプである。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成するＩＧＢＴモジュールも発熱するため、冷却が必要となる。

本実施形態では、図示の左半分は、図１と同様の構成であり、駆動モータ用モジュール１０１と発電機用モジュール１０２を両面実装している。一方、図示の右半分には、ＤＣ−ＤＣコンバータ用モジュール２０１を片面実装している。

ＤＣ−ＤＣコンバータ用モジュール２０１の定格電圧／電流は、１．２ｋＶ／２００Ａである。一般的に、耐圧が倍になると、ＩＧＢＴチップの電流密度は半減する。オン電圧の増大を抑制し、損失の大幅な増大を抑制するためである。ＩＧＢＴチップ１０３Ｅのサイズは１１ｍｍ□、ＦＷＤチップ１０４Ｅのサイズは６ｍｍ×９ｍｍである。つまり、モジュール１０１のチップサイズと同じである。チップの電流定格は、ＩＧＢＴ１０３Ｅ，ＦＷＤ１０４Ｅとも１００Ａである。これらのチップが２並列で１アームが構成される。一方、モジュール１０１，１０２の定格電圧／電流は、図１に示した第１の実施形態１と同じであり、ＩＧＢＴ１０３，１０５，ＦＷＤ１０４，１０６のチップ定格、サイズも同じである。

次に冷却構造について説明する。モジュール１０１は、フィン付き銅ベース１０７を備え、モジュール１０２は、平板状銅ベース１０９を備えている。また、モジュール２０１は、フィン１０７ＥＡが一体成形された銅ベース１０７Ｅを備えている。アルミダイカスト製水冷ジャケット１３０Ａは、モジュール１０１，１０２，２１０に対して共通のものである。モジュール２０１に対しては、水冷ジャケット１３０Ａがカバーとなり、冷却水路を形成している。モジュール１０１，１０２用水路と、モジュール２０１用水路とは、Ｕ字型に接続されており、最初に、モジュール２０１用水路に対して紙面の手前側から奥方向に冷却媒体が流れると、その冷却媒体はＵ字型に折り返して、モジュール１０１，１０２用水路に対して紙面の奥側から手前側に流れる構成となっている。

本実施形態の構成において、前述の各実施形態と同じ条件の冷却水を通流し、熱抵抗Ｒth(j-w)，圧力損失を測定した。モジュール１０１，１０２に対しては、第１の実施形態と同様に、熱抵抗Ｒth(j-w)＝０．１２Ｋ／Ｗ（モジュール１０１），０．２２Ｋ／Ｗ（モジュール１０２）であった。一方、モジュール２０１の熱抵抗Ｒth(j-w)は、０．１２Ｋ／Ｗと、モジュール１０１と同じであった。定格は異なるものの、チップサイズ，放熱構造はモジュール１０１と全く同じためである。圧力損失は３．５ｋＰａであった。これまでの実施例と比べ、モジュール冷却部の損失が２倍になったためと、モジュールのつなぎ部であるＵ字管部の損失が加えられたためである。

以上説明したように、本実施形態によれば、制限された冷却水流量，圧力損失の元で効率よく冷却できる冷却構造とし、しかも、小型にすることができる。さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータ用モジュール２０１も同様にして冷却することができる。

次に、図１３及び図１４を用いて、本発明の第７の実施形態による半導体装置の構成について説明する。
図１３は、本発明の第７の実施形態による半導体装置の断面構成を示す断面図である。図１３は、図１と同様に、冷却水の流れに直交する方向の断面形状を示している。図１４は、本発明の第７の実施形態による半導体装置の平面図である。

図１３に示すように、本実施形態は、１相モジュール２０２，２０３，２０４と、ＤＣ−ＤＣコンバータ用モジュール２０１とを同一筐体内に配置したものである。本実施形態では、パワーモジュール２０２は、上下アームが搭載された１相モジュールであり、例えばインバータのＵ相である。パワーモジュール２０３は、Ｖ相、パワーモジュール２０４はＷ相になっている。パワーモジュール２０３とパワーモジュール２０４は、水路を挟んで積層された構造となっている。パワーモジュール２０３を冷却するための銅ベース２０７は、冷却フィン付きであり、また、パワーモジュール２０４を冷却するための銅ベース２０９も、冷却フィン付きである。但し、パワーモジュール２０３とパワーモジュール２０４の発熱量は同じであるので、フィンの長さは、それぞれ等しいものとしてる。

また、パワーモジュール２０２の水路を挟んだ対向面には、ＤＣ−ＤＣコンバータ用モジュール２０１が配置されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ用モジュール２０１の発熱量は、パワーモジュール２０２の発熱量よりも大きいため、パワーモジュール２０２を冷却するための銅ベース２０７Ａは、平板状の銅ベースであり、また、モジュール２０１を冷却するための銅ベース２０９Ａは、冷却フィン付きである。

このような構造とすることにより、インバータ・コンバータ体積を大幅に低減できる。

図１４に示すように、冷却水路は、冷却水路入口２１０inからパワーモジュール２０２と２０１の間の冷却フィン２１１Ａの間を通り、Ｕ字型の曲がり部２１２を通って、パワーモジュール２０３と２０４の間の冷却フィン２１１間を通り、冷却水路出口２１１outに至る。このように、水路を挟んで積層された構造とすることにより、冷却水路入口２１０inと出口２１１outを同一側面にすることができるため、車両への搭載が容易となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、制限された冷却水流量，圧力損失の元で効率よく冷却できる冷却構造とし、しかも、小型にすることができる。さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータ用モジュール２０１も同様にして冷却することができる。

次に、図１５を用いて、本発明の第８の実施形態による半導体装置の構成について説明する。
図１５は、本発明の第８の実施形態による半導体装置の断面構成を示す断面図である。図１５は、図１と同様に、冷却水の流れに直交する方向の断面形状を示している。なお、図１３と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態は、１相モジュール２０２，２０３，２０４と、コンデンサ２０５とを同一筐体内に配置したものである。本実施形態では、パワーモジュール２０２は、上下アームが搭載された１相モジュールであり、例えばインバータのＵ相である。パワーモジュール２０３は、Ｖ相、パワーモジュール２０４はＷ相になっている。パワーモジュール２０３とパワーモジュール２０４は、水路を挟んで積層された構造となっている。パワーモジュール２０３を冷却するための銅ベース２０７は、冷却フィン付きであり、また、パワーモジュール２０４を冷却するための銅ベース２０９も、冷却フィン付きである。但し、パワーモジュール２０３とパワーモジュール２０４の発熱量は同じであるので、フィンの長さは、それぞれ等しいものとしてる。

また、パワーモジュール２０２の水路を挟んだ対向面には、コンデンサ２０５が配置されている。コンデンサ２０５の発熱量は、パワーモジュール２０２の発熱量よりも大きいため、パワーモジュール２０２を冷却するための銅ベース２０７Ａは、平板状の銅ベースであり、また、モジュール２０１を冷却するための銅ベース２０９Ａは、冷却フィン付きである。

このような構造とすることにより、インバータ・コンデンサ体積を大幅に低減できる。

また、図１４に示したような冷却水路の構成とすることにより、冷却水路入口と出口を同一側面にすることができるため、車両への搭載が容易となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、制限された冷却水流量，圧力損失の元で効率よく冷却できる冷却構造とし、しかも、小型にすることができる。さらに、コンデンサ２０５も同様にして冷却することができる。

次に、図１６を用いて、本発明の第９の実施形態による半導体装置の構成について説明する。
図１６は、本発明の第９の実施形態による半導体装置の断面構成を示す断面図である。図１６は、図１と同様に、冷却水の流れに直交する方向の断面形状を示している。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

発熱体であるモジュール１０１と、モジュール１０２は、水路２１１Ｃ，２１１Ｄを挟んで積層された構造となっている。モジュール１０１は、銅ベース１０７’にフィン１０７Ａが形成され、冷却水で直接冷却する構造となっている。モジュール１０２は、平板状の銅ベース１０９によって冷却される。

流路の略中央部には、シール部を介さずに形成された境界壁１３０Ｆにより、右側の流路２１１Ｃと左側の流路２１１Ｄに分けられ、境界壁の両側の流路２１１Ｃと２１１Ｄでは流路方向が異なっている。例えば、流路２１１Ｃには、紙面の手前側から奥側に向かって冷却水が流れ、流路２１１Ｄには、紙面の奥側から手前側に向かって冷却水が流れる。このため、冷却流速を増加することができ、冷却能力が向上する。

以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、冷却水路の両面にモジュールを実装して冷却する際、モジュールの定格電流が大きい（損失が大きい）モジュールと、小さいモジュールとをペアで実装する。この場合、必要な冷却能力が異なるため、モジュールのヒートシンク能力が大小のペア、例えば、フィン高さが高いものと低いもののペアで実装できる。この結果、モジュールを冷却水路の片面のみに実装した場合と比べて、フィン高さの増大を最小限に抑制することができるので、冷却水流量を増大させることなく、かつ、冷却水流速を減少させることを防ぐことができ、モジュールの温度を低温化できる。さらに、フィン方向、即ち、冷却水流れ方向の構造は、定格電流が大きい（損失が大きい）モジュールを、定格電流が小さい（損失が小さい）モジュールよりも長くし、定格電流が小さいモジュールを内側に配置しているので、２段階で冷却水を導入することにより、より広い冷却水導入部、排出部を確保できるため、冷却水路の圧力損失を大幅に低減できる。

次に、図１７を用いて、本発明の各実施形態による電力変換装置を用いた自動車の一つであるハイブリッド電気自動車のパワートレインの構成について説明する。
図１７は、本発明の各実施形態による電力変換装置を搭載したハイブリット自動車のパワートレインの構成を示すシステム構成図である。

図１７に示すハイブリッド電気自動車は、内燃機関であるエンジンＥＮＧを動力源とするエンジンパワートレインと、モータジェネレータＭＧ１を動力源とするエレクトリックパワートレインの両方を備えたものである。ハイブリッド白動車の代表的なタイプとしては、エンジンパワートレインを主に自動車の駆動源とし、エレクトリックパワートレインを主にエンジンＥＮＧの始動源，エンジンＥＮＧのアシスト源及び自動車の電力源とするマイルドハイブリッドと、エンジンパワートレインとエレクトリックパワートレインの両方を主に自動車の駆動源とするストロングハイブリッドがある。本実施例では、後者のタイプを採用した場合を例にとり説明する。また、ハイブリッド自動車の代表的な駆動方式としては、シリーズ方式、パラレル方式及びシリーズ・パラレル方式がある。本実施例では、シリーズ・パラレル駆動方式を採用した場合を例にとり説明する。

図において、車体のフロント部には、前輪用の駆動車軸ＤＳ−Ｆが回転可能に軸支されている。駆動車軸ＤＳ−Ｆの両端には、前輸ＷＦ−Ｒ，ＷＦ−Ｌが設けられている。車体のリア部には、図示省略した後輸用の駆動車軸が回転可能に軸支されている、後輸用の駆動車軸の両端には後輪ＷＲ−Ｒ−ＷＲ−Ｌが設けられている。図１７に示すように、本実施例のハイブリット電気自動車においては、前輪駆動方式を採用している。なお、駆動方式として、後輪駆動方式を採用してもよいものである。駆動車軸ＤＳ−Ｆの中央部には、デファレンシャルギアＤＥＦが設けられている。デファレンシャルギアＤＥＦは動力分配機構であり、エンジンＥＮＧとモータジェネレータＭＧ１から減速機ＲＧを介して伝達された回転駆動力を左右の駆動車軸ＤＳ−Ｆに分配するようになっている。減速機ＲＧは、エンジンＥＮＧとモータジェネレータＭＧ１から伝達された回転駆動力の回転速度を減速してデファレンシャルギアＤＥＦに伝達する。

エンジンＥＮＧ，モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、動力分配機構ＰＤＭに機械的に接続されている。このように、エンジンＥＮＧ，モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を動力分配機構ＰＤＭに接続することによって、エンジンＥＮＧの回転駆動力をモータジェネレータＭＧ２に伝達して、モータジェネレータＭＧ２を発電機として動作させることができると共に、エンジンＥＮＧの回転駆動力及びモータジェネレータＭＧ１の回転駆動力を、減速機ＲＧ及びテファレンシャルギアＤＥＦを介して駆動車軸ＤＳ−Ｆに伝達することができる。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、それぞれインバータ装置ＩＮＶに電気的に接続されている。インバータ装置ＩＮＶは、前述した実施形態のいッれかのものであり、直流電力を三相交流電力に変換すると共に、三相交流電力を直流電力に変換（整流）することができるＩＧＢＴモジュール変換回路ＩＧＢＴＭ１，ＩＧＢＴＭ２を備えている。ＩＧＢＴモジュール変換回路ＩＧＢＴＭ１の交流端子はモータジェネレータＭＧ１の固定子巻線とに電気的に接続されている。ＩＧＢＴモジュール変換回路ＩＧＢＴ２の交流端子はモータジェネレーターの固定子巻線に電気的に接続されている。ＩＧＢＴモジュール変換回路ＩＧＢＴＭ１，ＩＧＢＴＭ２の直流端子は、お互い同じ極もの同士が電気的に接続され、バッテリＢＡＴの対応する極の端子に電気的に接続されている。ＩＧＢＴモジュール変換回路のＩＧＢＴＭ１，ＩＧＢＴＭ２の直流側正極端子と直流側負極端子との間には平滑用の電解コンデンサＣが電気的に接続されている。バッテリＢＡＴには、例えば端子電圧が２００ｖ〜４００ｖのリチウムイオンバッテリ，鉛バッテリ，ニッケル水素バッテリのいッれかを用いている。

なお、インバータ装置ＩＮＶにはモータ制御装置や駆動回路が傭えられているが、ここでは図示省略している。モータ制御装置はマイクロコンピュータなどから構成されたものであり、上位制御装置から出力されたトルク指令値や、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に供給される電流値などの信号を入力とし、この入力信号に基ッいてＩＧＢＴモジュール変換回路ＩＧ−ＢＴＭ１，ＩＧＢＴＭ２の複数のパワー半導体スイッチング素子をそれぞれ駆動するための電圧指令値を演算し、それを駆動回路に出力するものである。駆動回路は複数の電子部晶から構成されたものであり、モータ制御装置から出力された電圧指令値に基ッいてＩＧｌＢＴモジュール変換回路ＩＧＢＴＭ１，ＩＧＢＴＭ２の複数のパワー半導体スイッチング素子をそれぞれ駆動するための駆動信号を生成し、それを対応するパワー半導体スイッチング素子に出力するものである。パワー半導体スイッチング素子は、対応する駆動信号を受けてオン・オフする。

モータジェネレータＭＧ１は、専ら、モータジェネレータＭＧ２の発電電力或いはバッテルＢＡＴの出力電力をインバータ装置ＩＮＶを介して受けて電動機として動作し、車両を駆動するための回転駆動力を発生すると共に、駆動車軸ＤＳ−Ｆからの回転力を受けて発電機として動作し、発電した電力をインバータ装置ＩＮＶを介してバッテリＢＡＴに供給する。モータジェネレータＭＧ２は、専ら、エンジンＥＮＧの回転駆動力を受けて発電機として動作し、発電した電力をインバータ装置ＩＮＶを介してバッテリＢＡＴ或いはモータジェネレータＭＧ１に供給する。本実施例のモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は三相交流同期式のもの、すなわち回転子の鉄心の内部に複数の永久磁石を埋め込んだ或いは回転子の鉄心の外周表面に複数の永久磁石を配置した永久磁石回転電機である。尚、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２としては、三相交流誘導式回転電機やリラクタンス式回転電機などのものを用いてもよいものである。

エンジンパワートレインを構成するエンジンＥＮＧ、エレクトリックパワートレインを構成するモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２及びインバータ装置ＩＮＶは、冷却媒体である冷却水（不凍液）によって冷却されている。このため、車両には冷却システムが搭載されている。冷却システムは、冷却水を冷却するラジエータＲと、ラジエータＲによって冷却された冷却水を循環する循環ポンプＣＰと、冷却回路を構成する冷却水配管ＷＰによって構成されている。本実施例では、エンジンパワートレインの冷却回路とエレクトリックパワートレインの冷却回路が共用化されており、ラジェータＲによって冷却されかつ循環ポンプＣＰによって送水された冷却水が、インバータ装置ＩＮＶを冷却し、次にモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を冷却し、次にエンジンＥＮＧを冷却し、再びラジェータＲに戻るように、冷却回路が構成されている。ここで、図中に示した矢印は、冷却水の流れ方向を示す。

尚、本実施例では、エンジンパワートレインの冷却回路とエレクトリックパワートレインの冷却回路を共用化した場合について説明したが、それぞれの冷却回路を独立させてもよい。また、本実施例では、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を並列に冷却する場合について説明したが、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を直列に冷却してもよい。この場合、冷却順番は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２のそれぞれの発熱量に応じて適宜設定すればよいものである。また、モータジェネレータＭＧ２は専ら、発電機として動作し、発熱量がモータジェネレータＭＧ１よりも小さいので、モータジェネレータＭＧ２のみを空気によって冷却して１もよいものである。

図１７に示すハイブリソド自動車では複数の運転モードを有し、各運転モードに応じてエレクトリッークパワートレインの駆動を制御している。まず、車両の発進時や低速走行時においては、主にモータジェネレータＭＧ１を電動機として動作させ、モータジェネレータＭＧ１で発生した回転駆動力を、減速機ＲＧ及びデファレンシャルギアＤＥＦを介して駆動車軸ＤＳ−Ｆに伝達する。これにより、駆動車軸ＤＳ−ＦがモータジェネレータＭＧ１の回転駆動力によって回転駆動されて前輸ＷＦ−Ｒ，ＷＦ−Ｌが回転駆動し、車両が走行する、この時、モータジェネレータＭＧ１には、バッテリＢＡＴからの出力電力（直流電力）がインバータ装置ＩＮＶ（ＩＧＢＴモージュール変換回路ＩＧＢＴＭ１）によって三相交流電力に変換されて供給される。

次に、車両の通常走行時（中速，高速走行時）においては、エンジンＥＮＧとモータジェネレータＭＧ１を併用し、エンジンＥＮＧで発生した回転駆動力と、モータジェネレータＭＧ１で発生した回転駆動力とを、減速機ＲＧ及びデファレンシャルギアＤＦＦを介して駆動車軸Ｄ−Ｓ−Ｆに伝達する。これにより、駆動車軸ＤＳ−ＦがエンジンＥＮＧとモータジェネレータＭＧ１の回転駆動力によって回転駆動されて前輪ＷＦ−Ｒ，ＷＦ−Ｌが回転駆動し、車両が走行する。また、エンジンＥＮＧで発生した回転駆動力の一部は動力分配機構ＰＤＭによって分配され、モータジェネレータＭＧ２に供給される。この動力の分配により、モータジェネレータＭＧ２は、エンジンＥＮＧで発生した回転駆動力の一部によって回転駆動され、発電機として動作し、発電する。モータジェネレータＭＧ２によって発電された三相交流電力はインバータ装置ＩＮＶに供給され、ＩＧＢＴモジュール変換回路ＩＧＢＴＭ２によって直流電力に整流されてＩＧＢＴモジュール変換回路ＩＧＢＴＭ１に供給される。ＩＧＢＴモジュール変換回路ＩＧＢＴＭ１は、供給された直流電力を再び三相交流電力に変換し、モータジェネレータＭＧ１に供給する。これにより、モータジェネレータＭＧ１１は回転駆動力を発生する、
次に、車両の加速時、特にエンジンＥＮＧに供給される空気量を制御するスロットル弁の開度が全開になる急加速時（例えば急勾配坂の登坂時で、アクセルの踏み込み量が大きい時）においては、前述した通常走行時の動作に加え、バッテリＢＡＴからの出力電力をインバータ装置ＩＮＶ（ＩＧＢＴモージュール変換回路ＩＧＢＴＭ１）によって三相交流電力に変換してモータジェネレータＭＧ１に供給し、モータジェネレータＭＧ１によって発生する回転駆動力を増加させる。

次に、車両の減速・制動時においては、前輪ＷＦ−Ｒ，ＷＦ−Ｌの回動による駆動車軸ＤＳ−Ｆの回絵駆動力をデファレンシャルギアＤＦＦ、減速機ＲＧを介してモータジェネレータＭＧ１に供給して、モータジェネレータＭＧ１を発電機として動作させ、発電させる、発電によって得られた三相交流電力（回生エネルギー）は、インバータ装置ＩＮＶのＩＧＢＴモジュール変換回路ＩＧＢＴＭ１によって直流電力に整流され、バッテリＢＡＴに供給される。これにより、バッテリＢＡＴは充電される。車両の停止時は、基本的にはエンジンＥＮＧ及びモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の駆動は停止されるが、バッテリＢＡＴの残量が少ない場合には、エンジンＥＮＧを駆動してモータジェネレータＭＧ２を発電機として動作させ、得られた発電電力をインバータ装置ＩＮＶを介してバッテリＢＡＴに供給する。

本実施形態のハイブリット自動車によれば、前述したいずれかの実施形態に記載の半導体装置を備えているので、車両への搭載省スペース化を図ることができ、車両の小型化，軽量化及び低コスト化に寄与することができる。

本発明の第１の実施形態による半導体装置の断面構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態による半導体装置に用いるＩＧＢＴモジュール１０１の平面構造を示す平面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第１の実施形態による半導体装置の水冷ジャケット取り付け部の断面図である。 本発明の第１の実施形態による半導体装置の冷却媒体の流れに平行な方向の断面図である。 本発明の第２の実施形態による半導体装置の断面構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態による半導体装置の冷却媒体の流れに平行な方向の断面図である。 本発明の第３の実施形態による半導体装置の断面構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態による半導体装置の断面構成を示す断面図である。 本発明の第５の実施形態による半導体装置の断面構成を示す断面図である。 本発明の第６の実施形態による半導体装置の断面構成を示す断面図である。 本発明の第７の実施形態による半導体装置の断面構成を示す断面図である。 本発明の第７の実施形態による半導体装置の平面図である。 本発明の第８の実施形態による半導体装置の断面構成を示す断面図である。 本発明の第９の実施形態による半導体装置の断面構成を示す断面図である。 本発明の各実施形態による半導体装置を搭載したハイブリット自動車の構成を示すシステム構成図である。

符号の説明

１０１，１０１Ａ，１０２，２０２，２０３，２０４…ＩＧＢＴモジュール
１０３，１０３Ｃ，１０３Ｅ，１０５…ＩＧＢＴチップ
１０４，１０４Ｃ，１０４Ｅ，１０６…ＦＷＤチップ
１０７，１０７Ｂ，１０７Ｃ，１０７Ｄ，１０９Ｂ，１０９Ｃ…フィン付銅ベース
１０７Ａ，１０７ＢＡ，１０９ＢＡ，１０７ＣＡ，１０８Ａ…フィン
１０８，１０９，１０９…銅ベース
１１３，１１５，１２６，１２８…接着はんだ、
１１４，１２５…窒化アルミ基板
１１６…シリコーンゲル
１１７…アルミワイヤ
１１８，２０６…モジュールカバー
１１９…主端子
１２０…主配線取り付け用ナット
１２２，１２４…ＩＧＢＴモジュールケース
１２９…Ｏリング、
１３０…水冷ジャケット
２０１…ＤＣＤＣコンバータ
２０５…コンデンサ

Claims (13)

1. 冷却媒体が通流される冷却媒体流路と、
   パワー半導体素子が搭載され、底面に第１金属ベースを有する第１のパワー半導体モジュール及び底面に前記第１金属ベースと別体の第２金属ベースを有する第２のパワー半導体モジュールとを有し、
   前記第１及び第２のパワー半導体モジュールが、前記冷却媒体流路の両面に搭載され、
   前記冷却媒体が、前記第１及び第２金属ベースに直接当てられる構造である半導体装置であって、
   前記第１のパワー半導体モジュールに通電される電流は、前記第２のパワー半導体モジュールに通電される電流よりも大きく、前記第１のパワー半導体モジュールの底面の第１金属ベースの放熱能力は、前記第２のパワー半導体モジュールの底面の第２金属ベースの放熱能力よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記第２金属ベースの冷却媒体流れ方向の長さは、前記第１金属ベースの冷却媒体流れ方向の長さよりも短く、かつ、前記第２金属ベースの一方と他方がそれぞれ、冷却媒体流れ方向において、前記第１金属ベースの内側に配置され、
   前記半導体装置は、
   第１Ｏリングを介して前記第１金属ベースに取り付けられた水冷ジャケットと、
   第２Ｏリングを介して前記第１金属ベースに取り付けられた水冷ジャケットとを備え、
   前記第１Ｏリングは、冷却媒体流れ方向において、前記第２金属ベース及び前記第２Ｏリングの外側に配置されていることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項２記載の半導体装置において、
   前記第１金属ベースは、冷却媒体が接触する面にフィンを有するフィン付金属ベースであり、
   前記第２金属ベースは、平板である場合において、
   前記第１のフィン付き金属ベースのフィン形状は、冷却媒体流れ方向の両端において切り欠き部が設けられ、
   前記切り欠き部に前記第２Ｏリングが配置され、
   前記第２Ｏリングを介して、前記第２金属ベースに前記水冷ジャケットを取り付けたことを特徴とする半導体装置。
4. 請求項２記載の半導体装置において、
   前記第１及び第２金属ベースは、冷却媒体が接触する面にフィンを有するフィン付き金属ベースであり、
   前記第１及び第２のフィン付き金属ベースのフィン高さは同じで、かつ、前記第１のフィン付き金属ベースのフィンピッチは、前記第２のフィン付き金属ベースのフィンピッチよりも小さい場合において、
   前記第１のフィン付き金属ベースのフィン形状は、冷却媒体流れ方向の両端において切り欠き部が設けられ、
   前記切り欠き部に前記第２Ｏリングが配置され、
   前記第２Ｏリングを介して、前記第２金属ベースに前記水冷ジャケットを取り付けたことを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記第１及び第２金属ベースは、冷却媒体が接触する面にフィンを有するフィン付金属ベースであり、
   前記第１のフィン付き金属ベースのフィン高さは、前記第２のフィン付き金属ベースのフィン高さよりも高いことを特徴とする半導体装置。
6. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記第１金属ベースは、冷却媒体が接触する面にフィンを有するフィン付金属ベースであり、
   第２金属ベースは、平板であることを特徴とする半導体装置。
7. 請求項６記載の半導体装置において、
   前記第１金属ベースの前記フィンによって形成される冷却媒体流路群に対して冷却媒体流れ方向の両側に位置している金属ベース部分と前記第２金属ベースが互いに接触し、この接触部を接着又は溶接することで冷却媒体を封止する構造であることを特徴とする半導体装置。
8. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記第１及び第２金属ベースは、冷却媒体が接触する面にフィンを有するフィン付金属ベースであり、
   前記第１及び第２のフィン付き金属ベースのフィン高さは同じで、かつ、前記第１のフィン付き金属ベースのフィンピッチは、前記第２のフィン付き金属ベースのフィンピッチよりも小さいことを特徴とする半導体装置。
9. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記第１のパワー半導体モジュールは、ハイブリッド自動車に搭載されるインバータであり、駆動モータを駆動するためのモジュールであり、前記第２のパワー半導体モジュールは、ハイブリッド自動車に搭載されるインバータであり、発電機を制御するためのモジュールであることを特徴とする半導体装置。
10. 請求項６記載の半導体装置において、
    前記第１金属ベースの材質は銅であり、
    前記第２金属ベースは、銅よりも線膨張係数が小さい金属であることを特徴とする半導体装置。
11. 請求項１０記載の半導体装置において、
    前記第２のパワー半導体モジュールの第２金属ベースの材質は、アルミとシリコンカーバイドの合金、又は銅と酸化銅の合金であることを特徴とする半導体装置。
12. 請求項１記載の半導体装置において、
    前記冷却媒体流路は、境界壁により左右に流路が分割され、前記境界壁の両側では前記冷却媒体が流れる方向が異なることを特徴とする半導体装置。
13. 請求項１記載の半導体装置において、
    前記冷却媒体流路の高さは、１ｃｍ以下であることを特徴とする半導体装置。

Images