JP5900610B2 - 半導体装置および半導体装置用冷却器 - Google Patents

半導体装置および半導体装置用冷却器 Download PDF

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Description

本発明は、少なくとも半導体モジュールと冷却器を備える半導体装置、および、この半導体装置に用いる冷却器に関する。
パワー半導体チップが搭載された半導体モジュールが電気自動車のモータ可変速駆動装置のインバータ（電力変換装置）等に用いられている。パワー半導体チップとして、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor、以下「ＩＧＢＴ」と称する。）等の素子が用いられる。パワー半導体チップは、大電流が流れることによって発熱するので、半導体モジュールは冷却器と組み合わせて用いられる。電気自動車のように、重量、取り付けスペースなどに制約のある製品では、放熱性能を向上させるために循環冷却媒体を使用した液冷式の冷却器が使用されている。
半導体モジュールは基板を介してパワー半導体チップに熱的に結合された放熱ベースを備え、放熱ベースには冷却フィンが設けられている。放熱ベースと冷却器の間に形成される流路に冷却フィンが収容され、冷却フィン内に圧力をかけた冷却媒体（以下「冷媒」とも称する。）を流すことにより、半導体チップで発生した熱を冷却媒体に効率よく放熱している。半導体チップからの放熱により昇温された冷却媒体は、外部の熱交換器にて冷却され、冷却された冷却媒体は、ポンプにより加圧されて冷却フィンが配置された流路に戻される。
このような従来技術は例えば特許文献１〜５に開示されている。
特許文献１には、フィンを収容する冷却部と、冷却部の短辺方向に徐々に縮小し、長辺方向に徐々に拡大する断面流路形状を有する部分構造部と、冷却部の短辺から徐々に拡大し、長辺から徐々に縮小する断面流路形状を有する部分構造部とからなる流路を備える冷却システムが開示されている。また、特許文献２には、多数の微細な流路からなる並列流路と、この並列流路における各流路へ冷媒を分配する第１のヘッダーと、並列流路から流出した冷媒が合流する第２のヘッダーとを有する冷却器が開示されている。また、特許文献３には、冷却液路の底面を形成する底部品の上面に上流部上り傾斜面および下流部下り傾斜面からなる隆起部を有する冷却装置が開示されている。また、特許文献４には、ヒートシンクの開口部の底面に流路断面積を滑らかに縮小させるスペーサを設けたパワーモジュール冷却部が開示されている。また、特許文献５には、ピン状フィンの先端とのクリアランスが流入口の側で大きく、流出口の側で小さくなるように流路カバーが構成された半導体冷却装置が開示されている。さらに、特許文献６には、冷媒の流入口側の高さが冷媒の流出口側の高さよりも低くなるように伝熱フィンが形成されている冷却装置が開示されている。
特開２００４−６８１１号公報（図１、７および段落００２３〜００３１、００５６〜００６１） 特開２００１−３５９８１号公報（図１、２および段落００２０〜２８） 特開２００８−２６３１３７号公報（図１１および段落００３５〜００３８） 特開２００１−３０８２４６号公報（図９および段落００３４） 特開２０１０−１５３７８５号公報（図７、８および段落００３５〜００３７） 特開２００７−８１３７５号公報（図２、３、６、７および段落００３８−００５０）
ところで、上記のような半導体装置では、パワー半導体チップで発生した熱を効率よく放熱するために冷却フィンの形状が微細かつ複雑になる傾向がある。このような形状の冷却フィンを用いると、冷却器での圧力損失が上昇しやすく、冷媒を循環させるため高出力のポンプが必要となる。さらに、半導体装置を小型化および高出力化すると、単位面積あたりの発熱量が大きくなり、さらに微細かつ密度の高い冷却フィンが必要となり、圧力損失が上昇して出力の大きなポンプが必要になるという問題があった。
また、冷媒の流れる方向に沿って複数のパワー半導体チップを配置すると、それぞれのチップを均等に冷却することが困難であった。
そこで、本発明の目的は、前記の課題を解決して、半導体装置が小型・高出力であっても、圧力損失が小さく、大きなポンプを使わなくても冷却性能を維持できるとともに、複数のパワー半導体チップを均等に冷却することができる半導体装置、およびこの半導体装置に用いる冷却器を提供することにある。
本発明の第１の態様の半導体装置は、上記問題を解決するために、半導体モジュールと、該半導体モジュール内の基板に搭載されたパワー半導体素子を冷却するための冷却器とを備える半導体装置であって、放熱ベースと、複数のピン部材または複数のブレード部材からなり、外形が略直方体形状の集合体である、前記放熱ベースの第１の主面に設けられた冷却フィンと、前記冷却フィンを収容している冷却部と、該冷却部の長手方向の相対する両端にそれぞれ形成された冷媒導入部および冷媒排出部とを備えている、前記放熱ベースに固定された冷却器と、前記冷却フィンの位置に対応するように前記放熱ベースの第２の主面の前記冷媒導入部側に接合された第１基板と、前記第１基板の隣であって、前記放熱ベースの第２の主面の前記冷媒排出部側に接合された第２基板とを少なくとも備える。
さらに、前記冷却部が、前記冷媒導入部から供給される冷媒が前記冷却フィンの冷媒導入部側の側面および底面から冷却フィン内に供給されるとともに、冷媒排出部に向かって流れるように、前記冷却フィンの底面に向かって傾斜している第１底面を少なくとも備える第１ヘッダー部と、前記冷却フィンから排出される前記冷媒を前記冷媒排出部へ排出するように、前記冷却フィンの底面の端部の位置から傾斜している第２底面を少なくとも備える第２ヘッダー部とを備え、さらに、前記第１底面と前記第２底面の間に連なっている、前記冷却フィンの底面に平行な第３底面を備え、前記冷却フィンの底面に対する前記第１底面の傾斜角が、前記第２底面の傾斜角より小さく、前記第１底面と前記第３底面の交わる頂部が、前記第１基板の中央部下から前記冷媒排出部側端部下の間に位置していることを特徴とする。
このような第１ヘッダー部および第２ヘッダー部を備えることにより、本発明の半導体装置では、冷却部の長手方向に配置された第１基板および第２基板のそれぞれに搭載されたパワー半導体素子をほぼ均等に冷却することが可能となり、かつ、冷却器の圧力損失を低減することができる。
また、本発明の第２の態様の半導体装置は、上記問題を解決するために、半導体モジュールと、該半導体モジュール内の基板に搭載されたパワー半導体素子を冷却するための冷却器とを備える半導体装置であって、放熱ベースと、複数のピン部材または複数のブレード部材からなり、外形が略直方体形状の集合体である、前記放熱ベースの第１の主面に設けられた冷却フィンと、前記冷却フィンを収容している冷却部と、該冷却部の長手方向の相対する両端にそれぞれ形成された冷媒導入部および冷媒排出部とを備えている、前記放熱ベースに固定された冷却器と、前記冷却フィンの位置に対応するように前記放熱ベースの第２の主面の前記冷媒導入部側に接合された第１基板と、前記第１基板の隣であって、前記放熱ベースの第２の主面の前記冷媒排出部側に接合された第２基板とを少なくとも備える。
さらに、前記冷却部が、前記冷媒導入部から前記第１基板の冷媒排出部側の端部の間に、前記冷却フィンの底面に向かって傾斜した第１底面を備えている、前記冷媒導入部から供給される冷媒を前記冷却フィン側へ供給するための第１ヘッダー部と、前記冷却フィンの底面の前記冷媒排出部側の端部の位置から傾斜した第２底面を備えている、前記冷却フィン側から排出される前記冷媒を前記冷媒排出部へ排出するための第２ヘッダー部とを備え、さらに、前記第１底面と前記第２底面の間に連なっている、前記冷却フィンの底面に平行な第３底面を備え、前記冷却フィンの底面に対する前記第１底面の傾斜角が、前記第２底面の傾斜角より小さく、前記第１底面と前記第３底面の交わる頂部が、前記第１基板の中央部下から前記冷媒排出部側端部下の間に位置していることを特徴とする。
このような第１ヘッダー部および第２ヘッダー部を備えることにより、本発明の半導体装置では、冷媒導入部から第１基板の冷媒排出部側の端部の間での圧力損失が小さくなるとともに、冷媒が冷媒排出部に向かって滑らかに流れるので、第１基板および第２基板のそれぞれに搭載されたパワー半導体素子をほぼ均等に冷却することが可能となり、かつ、冷却器の圧力損失を低減することができる。
また、本発明の第３の態様の半導体装置は、上記問題を解決するために、半導体モジュールと、該半導体モジュール内の基板に搭載されたパワー半導体素子を冷却するための冷却器とを備える半導体装置であって、放熱ベースと、複数のピン部材または複数のブレード部材からなり、外形が略直方体形状の集合体である、前記放熱ベースの第１の主面に設けられた冷却フィンと、前記冷却フィンを収容している冷却部と、該冷却部の長手方向の相対する両端にそれぞれ形成された冷媒導入部および冷媒排出部とを備えている、前記放熱ベースに固定された冷却器と、前記冷却フィンの位置に対応するように前記放熱ベースの第２の主面の前記冷媒導入部側に接合された第１基板と、前記第１基板の隣であって、前記放熱ベースの第２の主面の前記冷媒排出部側に接合された第２基板とを少なくとも備える。
さらに、前記冷却部は、前記冷媒導入部から供給される冷媒を前記冷却フィン側へ供給する第１ヘッダー部と、前記冷却フィン側から排出される前記冷媒を前記冷媒排出部へ排出する第２ヘッダー部とを備え、前記第１ヘッダー部内に露出している前記冷却フィンの側面および底面の面積が前記第２ヘッダー部に露出している前記冷却フィンの側面の面積より大きく、前記第１ヘッダー部内に露出している前記冷却フィンの底面の面積が、第１ヘッダー部内に露出している前記冷却フィンの側面の面積より大きく、前記第１ヘッダー部の第１底面が前記冷却フィンの底面に向かって傾斜しており、前記第２ヘッダー部の第２底面が前記冷却フィンの底面の前記冷媒排出部側の端部の位置から傾斜しており、前記第１底面と前記第２底面の間に連なっている、前記冷却フィンの底面に平行な第３底面を備え、前記第１底面と前記第３底面とが交わる頂部が、前記第１基板の中央部下から前記冷媒排出部側端部下の間に位置していることを特徴とする。
このように、第１ヘッダー部内に露出している冷却フィンの側面および底面の面積が第２ヘッダー部に露出している冷却フィンの側面の面積より大きいことにより、本発明の半導体装置では、第１ヘッダー部と第２ヘッダー部の間の冷却器に搭載されたパワー半導体チップをほぼ均等に冷却できるので、冷却器の圧力損失を低減することができるとともに、加えて、第１ヘッダー部側の第１基板に搭載されたパワー半導体チップと第２ヘッダー部側の第２基板に搭載されたパワー半導体チップとをほぼ均等に冷却することができる。
また、本発明の第４の態様の冷却器は、上記問題を解決するために、放熱ベースと、放熱ベース上に並列して接合された少なくとも２つの基板と、それぞれの前記基板に搭載されたパワー半導体素子と、複数のピン部材または複数のブレード部材からなり、外形が略直方体形状の集合体である、前記放熱ベースに設けられた冷却フィンと、を少なくとも備える、半導体モジュールを冷却するための冷却器であって、前記冷却フィンを収容する冷却部と、該冷却部の長手方向の相対する両端にそれぞれ形成された冷媒導入部および冷媒排出部とを備える。
さらに、前記冷却部が、前記冷媒導入部から供給される冷媒が前記冷却フィンの冷媒導入部側の側面および底面から冷却フィン内に供給されるとともに、冷媒排出部に向かって流れるように、前記冷却フィンの底面に向かって傾斜している第１底面を少なくとも備える第１ヘッダー部と、前記冷却フィンから排出される前記冷媒を前記冷媒排出部へ排出するように、前記冷却フィンの底面の端部の位置から傾斜している第２底面を少なくとも備える第２ヘッダー部とを備え、前記基板は前記冷媒導入部側に配置される第１基板と、該第１基板に並列して前記冷媒排出部側に配置される第２基板とを含み、前記第１底面は前記第１基板の中央部から前記冷媒排出部側端部の間の領域に対応する前記冷却フィンの底面に向かって傾斜するように形成され、前記第１底面と前記第２底面との間に連なっている、前記冷却フィンの底面に平行な第３底面を備え、前記第１底面と前記第３底面とが交わる頂部が、前記第１基板の中央部下から前記冷媒排出部側端部下の間に位置するように構成されることを特徴とする。冷却器は、前記放熱ベースに固定されて使用される。
このような第１ヘッダー部および第２ヘッダー部を備えることにより、本発明の冷却器は、冷却部の長手方向に配置される第１基板および第２基板のそれぞれに搭載されたパワー半導体素子をほぼ均等に冷却することが可能となり、かつ、冷却器本体の圧力損失を低減することができる。
本発明の第１〜３の態様によれば、少なくとも２枚の基板に搭載されたそれぞれのパワー半導体素子をほぼ均等に冷却でき、かつ、冷却器の圧力損失を低減できる半導体装置を提供することができる。
さらに、本発明の第４の態様によれば、少なくとも２枚の基板に搭載されるそれぞれのパワー半導体素子をほぼ均等に冷却でき、かつ、冷却器本体の圧力損失を低減することができる冷却器を提供することができる。
本発明の実施の形態に係る半導体装置の斜視図である。 （ａ）は本発明の実施の形態に係る半導体装置の図１のＡ側から見たIIＡ−IIＡ矢視断面側面図である。（ｂ）はその変形例である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の要部を模式的に示す斜視図であり、（ａ）は基板、放熱ベースおよび冷却器を示す図、（ｂ）は冷却フィンおよび冷却器を示す図である。 本発明の実施の形態に係る放熱ベースを示す斜視図であって、（ａ）は冷却フィンの第１の変形例を示す図、（ｂ）は冷却フィンの第２の変形例を示す図、（ｃ）は冷却フィンの第３の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の図３の５Ａ−５Ａ矢視断面図であって、（ａ）は冷却器の第１の変形例を示す図、（ｂ）は冷却器の第２の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る冷却器を示す平面図であって、（ａ）は第１の変形例を示す図、（ｂ）は第２の変形例を示す図、（ｃ）は第３の変形例を示す図、（ｄ）は第４の変形例を示す図である。 従来の半導体装置の要部断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置における冷媒の流速分布を示すコンター図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 従来の半導体装置における冷媒の流速分布を示すコンター図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
以下に添付図面を参照して、本発明に係る半導体装置およびこの半導体装置に用いる冷却器の好適な実施の形態を説明する。添付図面は、本発明の具体的な実施の形態を例示するために示されている。以下の説明に表れる「上」、「下」、「底」、「前」、「後」等の方向を示す用語は、添付図面の方向を参照して用いられている。
図１は本発明の実施の形態に係る半導体装置の斜視図である。図２（ａ）は、半導体装置の図１のＡ側から見たIIＡ−IIＡ矢視断面側面図である。
図１、図２（ａ）に示すように、半導体装置１は、パワー半導体チップ３１が搭載された半導体モジュール３０と、パワー半導体チップ３１を冷却するための冷却器５０とを備えている。
半導体モジュール３０は、外囲ケース３２と、パワー半導体チップ３１が接合された絶縁基板３３とを少なくとも備えている。
外囲ケース３２は、Ｏ字形状または額縁形状で、かつ外形が略直方体形状の樹脂製のケースである。外囲ケース３２は３枚の絶縁基板３３を内装している。樹脂は例えばポリフェニレンサルファイドである。外囲ケース３２の額縁部分の一辺には、主端子（Ｕ）３４−１、主端子（Ｖ）３４−２および主端子（Ｗ）３４−３が設けられ、額縁部分の他の一辺には、電源端子（Ｐ）３５−１および電源端子（Ｎ）３５−２が設けられている。主端子（Ｕ）３４−１、主端子（Ｖ）３４−２および主端子（Ｗ）３４−３は、パワー半導体チップ３１のスイッチング制御により、例えば外部のモータを駆動させるための端子である。電源端子（Ｐ）３５−１および電源端子（Ｎ）３５−２は、外部から電源の供給を受ける端子である。
図２（ａ）に示すように、電源端子３５には、開口穴３５ａが設けられている。開口穴３５ａには図示しないねじが挿入され、外囲ケース３２に配置されているナット３２ｎに締結される。電源端子３５は、屈曲した状態で外囲ケース３２の表面上に設置されている。これらの端子は外囲ケース３２に、例えばインサート成形により設けられている。
制御端子３６−１〜３６−８は、外囲ケース３２に内装されているパワー半導体チップ３１のゲート電極と、図示しない回路基板上の制御回路とを接続し、制御回路から送信される制御信号により、パワー半導体チップ３１のスイッチング制御を行うための中継端子である。また、外囲ケース３２の額縁四隅には、開口部３７−１〜３７−４が設けられている。これらの開口部３７−１〜３７−４にそれぞれ挿入されるねじｂにより、半導体モジュール３０および冷却器５０が密着するように固定される。また、外囲ケース３２には、回路基板（図示せず）を上面に取り付けるためのねじ座３８が設けられている。
絶縁基板３３は、セラミックや樹脂等により形成された絶縁板の両面に、板状の銅や銅合金等からなる回路パターンが接合されたものである。各絶縁基板３３には、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体チップ３１や、負荷電流を転流させるためのダイオードであるＦＷＤ３９（Free Wheeling Diode）等のチップが実装されている。複数のパワー半導体素子３１およびＦＷＤ３９はそれぞれ、ボンディングワイヤｗ１で互いに接続されている。パワー半導体チップ３１とＦＷＤ３９は、絶縁基板３３において、ボンディングワイヤｗ１のほか図示しないボンディングワイヤにより、例えば逆並列接続され、上下アームを構成するように電気的に接続される。
さらに、外囲ケース３２の額縁部分には、リード端子ｒ１、ｒ２がインサート成形で埋め込まれ、パワー半導体チップ３１等とボンディングワイヤｗ２、ｗ３で接続されている。パワー半導体チップ３１は、図示しないボンディングワイヤ、リード端子等を介して、モータ駆動用の主端子３４と電気的に接続している。また、パワー半導体チップ３１のゲートは、ボンディングワイヤｗ３を介して、リード端子ｒ２と接続し、リード端子ｒ２は、制御端子３６と接続している。
図２（ａ）に示すように、外囲ケース３２の底面側の開口部には、開口段差面３２ａに接着剤で固着され、開口部を閉蓋した放熱ベースが設けられている。放熱ベースは放熱ベース板４０と冷却フィン４１を備えている。放熱ベース板４０は銅、銅合金、アルミニウム、もしくはアルミニウム合金からなる板状部材またはこれらにメッキしたものである。冷却フィン４１は放熱ベース板４０の下面側に、放熱ベース板４０およびパワー半導体チップ３１を冷却する目的で、公知の方法で形成されたものである。放熱ベースの上面側には絶縁基板３３およびパワー半導体チップ３１がこの順に接合されている。このような放熱ベースに絶縁基板３３が接合された半導体モジュールは、直接水冷タイプの半導体モジュールと称され、冷媒が水やロングライフクーラント（ＬＬＣ）等の液体である水冷式の半導体装置に主に用いられる。直接水冷タイプの半導体モジュールでは、パワー半導体チップ３１、冷却フィン４１および冷却部５１の形状および配置を工夫することにより冷却効率を向上させ、冷媒循環に用いるポンプの負荷を低減することができる。さらに流量を従来に比べ増やすことができるので、半導体装置の特性および信頼性を改善できる。
図２（ｂ）は放熱ベースの変形例およびこれを用いた半導体装置１を示している。この変形例では、放熱ベースは少なくとも放熱ベース板４０、ベース板４０−１および冷却フィン４１−１を備えている。放熱ベース板４０は外囲ケース３２の底面側に固着されている。放熱ベース板４０に冷却フィンは形成されておらず、冷却フィン４１−１が植設されたベース板４０−１が、サーマルコンパウンド等を介して、放熱ベース板４０に密着するように固定されている。このような放熱ベースを備える半導体モジュールは、冷媒が空気等の気体である空冷式の半導体装置に主に用いられる。
放熱ベース板４０の上面には、絶縁基板３３が半田や焼結金属等により接合されている。
また、外囲ケース３２の内部空間には、例えばシリコーンゲル、シリコーン樹脂またはエポキシ樹脂の封止材３２ｅが充填されている。また、外囲ケース３２の開口段差面３２ｂは、樹脂製の蓋板３２ｃが図示しない接着剤で固着され、閉蓋されている。また、開口部３７は、外囲ケース３２を後述する冷却器等にボルトで固定するために設けられている。
半導体装置１は、外囲ケース３２のねじ座３８に図示しない回路基板が取り付けられ、使用される。回路基板の表面には、ＩＣ（Integrated Circuit）、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、トランジスタ、抵抗およびコンデンサなどの各回路素子から構成される制御回路が実装されている。なお、半導体装置１は、必ずしも回路基板を内部に備える必要はなく、外部の同様の機能を有する機器に接続して制御される構成としてもよい。
図３は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の要部を模式的に示す斜視図であり、（ａ）は絶縁基板３３、放熱ベースおよび冷却器５０の配置を示す図、（ｂ）は放熱ベースの冷却フィン４１と冷却器５０の配置を示す図である。
冷却器５０は、シール部材を介して、例えば上に説明したように、ねじやボルトにより半導体モジュール３０に密着するように、固定される。冷却器５０は、アルミニウムやアルミニウム合金等、公知の材料を成形したものである。
図３に示すように、冷却器５０は、冷却フィン４１を収容する冷却部５１と、冷却部５１に連通するように形成された冷媒導入部５２および冷媒排出部５３とを備えている。冷却部５１は、箱状の冷却器５０に設けられた略直方体形状の凹部であり、平面視すると略長方形をなしている。冷媒導入部５２および冷媒排出部５３は、それぞれの開口の中心が冷却部５１の短辺側の側面、すなわち冷却部５１の長手方向の相対する２つの側面のほぼ中央部に位置するように、形成されている。開口の形状は例えば円形や楕円形である。冷媒導入部５２から供給される冷媒の方向および冷媒排出部５３から排出される冷媒の方向は、冷却部５１の長手方向と略平行である。
冷却器５０に接続される図示しないポンプにより、冷媒が上流の冷媒導入部５２から冷却部５１に供給され、下流の冷媒排出部５３から排出され、冷却システムを循環する。
少なくとも２枚の絶縁基板３３が、冷却部５１の長手方向に沿って、冷媒導入部５２側から順に並列するように、放熱ベース上に接合している。図３（ａ）では、同じ外形、大きさを有する、３枚の絶縁基板３３−１、３３−２、３３−３が、冷媒導入部５２側から冷媒排出部５３へ向かう方向に沿って、隣り合って並列するように配置されている。
放熱ベース板４０の、絶縁基板３３−１、３３−２、３３−３が接合されている面に対向する面には、冷却フィン４１が形成されている。冷却フィン４１は、パワー半導体チップ３１で発生した熱が効率的に放熱されるよう、距離および熱抵抗が小さくなるように、絶縁基板３３−１、３３−２、３３−３の直下の面に配置されるとよい。さらに、パワー半導体チップ３１から発生した熱は面内方向に広がるので、冷却フィン４１が放熱ベース板４０に固着した面の面積が、絶縁基板３３−１、３３−２、３３−３の面積の合計より大きくなるよう放熱ベースを構成するとよい。また、この冷却フィン４１と冷却部５１が一定のすき間を形成するよう冷却器５０を構成するとよい。絶縁基板３３−１、３３−２、３３−３は、冷却部５１の側壁の上にならないよう配置される、言い換えると、冷却部５１により構成される冷媒流路に面するように配置されるとよい。
冷却フィン４１は、複数のピン部材もしくは複数のブレード部材からなり、外形が略直方体形状の集合体である。銅、銅合金、アルミニウムやアルミニウム合金等の公知の材料からなり、放熱ベース板４０上に、一体成型、削りだしや植設等の公知の方法により形成される。放熱ベース板４０の主面からのピンやブレードの先端の高さは好ましくは６ｍｍ〜１０ｍｍの範囲である。冷却フィン４１の形状として、公知のものを含め、様々な形状を用いることができる。ピン等の高さを揃え、先端を結んで仮想的に形成される面が放熱ベース板４０の面と略平行となるように、冷却フィン４１の外形を略長方体形状とすることが、冷却性能の均一化の面から望ましい。
また、冷媒導入部５２および冷媒排出部５３のそれぞれの開口部の内径を冷却フィン４１の高さ以上とすると、冷却性能を維持し、冷却システム全体の圧力損失を低減することができるので好ましい。例えば、ピンの高さが１０ｍｍのときは、内径を１０ｍｍ以上とすることにより圧力損失を低減できる。さらに、開口部の形状を楕円形とし、その短径を冷却フィン４１の高さ以上、長径をパワー半導体チップ３１が配置された領域の幅程度とすると、冷媒が発熱部に広がって流れるので、冷却性能の点から好ましい。
図４は、本発明の実施の形態に係る放熱ベースを例示する斜視図であって、（ａ）は冷却フィンの第１の変形例、（ｂ）は冷却フィンの第２の変形例、（ｃ）は冷却フィンの第３の変形例をそれぞれ示している。図４（ａ）の冷却フィン４１−１は丸ピンを用いた例、図４（ｂ）の冷却フィン４１−２は角ピンを用いた例、図４（ｃ）の冷却フィン４１−３はブレードを用いた例である。ピンを用いる場合は、冷媒の異常な流れを抑制し、冷却効率の向上できるよう、ピンを千鳥状に、かつ長手方向に対し４５°方向に整列するよう配置するとよい。
図５は、本発明の実施の形態に係る半導体装置１の要部を示す、図３の５Ａ−５Ａ矢視断面図であって、図５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ冷却器５０の第１の変形例および第２の変形例を示している。各図の白抜きの矢印は冷媒の流れる方向を示している。図６は、本発明の実施の形態に係る冷却器の冷媒流路を放熱ベース側から見た平面図であって、図６（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ冷却部５１の第１の変形例、第２の変形例、第３の変形例、および第４の変形例を示している。２点鎖線は絶縁基板３３−１、３３−２、３３−３の位置を示している。
冷却器５０において、冷却フィン４１を収容する冷却部５１は、冷媒導入部５２側に第１ヘッダー部５４を、冷媒排出部５３側に第２ヘッダー部５５をそれぞれ備えている。
第１ヘッダー部５４は、冷媒導入部５２から冷却器５０に導入される冷媒が冷却フィン４１の側面に向かって均等に広がるよう傾斜した側壁を備え、断面積が徐々に大きくなる拡大部と、冷却フィン４１の一端部を収容し、冷却フィン４１内に冷媒を送り込むための傾斜面を備え、断面積が徐々に小さくなる縮小部とを有する。
第１ヘッダー部５４の縮小部の底面は、冷却フィン４１の底面、言い換えるとピンまたはブレードの先端を仮想的に結んで形成される面に向かって傾斜している。傾斜は第１ヘッダー部５４の冷媒導入部５２側から、絶縁基板３３−１の冷媒排出部５３側の端部（図５（ａ）、図６（ａ）に示す位置Ｅ）の間のいずれかの位置までの間に付されている。冷却性能を均一にするため、絶縁基板３３−１の中央部と冷媒排出部５３側の端部の間のいずれかの位置まで付されていることが好ましい。
このような第１ヘッダー部５４により、冷媒が冷却フィン４１の側面に加えて、冷却フィン４１を構成するピンの先端側から斜めに、すなわち図５の破線矢印の向きに、冷媒排出部５３に向かって冷却フィン４１に流入する。冷媒導入部５２から供給される冷媒からみた、第１ヘッダー部５４内に露出している冷却フィン４１の面積を大きくすることにより、圧力損失を低減できる。そして、底面の傾斜の終点を上記の範囲に設けることにより、第１ヘッダー部５４内の圧力損失を必要な程度に止めることができる。
第２ヘッダー部５５は、冷却フィン４１から流れ出る冷媒を冷媒排出部５３側へ排出するための傾斜面を備え、断面積が徐々に大きくなる拡大部と、冷媒が冷却フィン４１の側面から冷媒排出部５３に向かって集まるよう傾斜した側壁を備え、断面積が徐々に小さくなる縮小部と、を有する。
第２ヘッダー部５５の拡大部の底面は、冷却フィン４１の底面の冷媒排出部５３側端部の位置から傾斜している。第２ヘッダー部５５の底面と冷却フィン４１の底面がなす角度（鋭角）は、第１ヘッダー部５４の底面と冷却フィン４１の底面がなす角度に比べて大きい。
第１ヘッダー部５４と第２ヘッダー部５５の間の冷却部５１の底面は、第１ヘッダー部５４の底面と第２ヘッダー部５５の底面の間に連なり、冷却フィン４１の底面に略平行である。この略平行となっている領域の冷却部５１と冷却フィン４１の底面のすき間が小さいほど冷却性能を向上できる。すき間の大きさは、放熱ベースの熱変形等を考慮して、例えば０．２ｍｍ〜０．８ｍｍが好ましい。
このように冷却部５１と冷却フィン４１の隙間を一定とすることにより、絶縁基板３３−１の下流側に配置された絶縁基板３３−２、３３−３の直下においては、冷媒が冷却フィン４１の内部を流れ、十分な冷却効率を達成することができる。
第１ヘッダー部５４と第２ヘッダー部５５の形状は冷却部５１を挟んで非対称となっており、第１ヘッダー部５４の容積は第２ヘッダー部５５に比べて大きく、第１ヘッダー部５４内に露出している冷却フィン４１の冷媒導入部５２側側面および底面の面積は第２ヘッダー部５５内に露出している冷却フィン４１の冷媒排出部５３側側面の面積より大きい。
このような第１ヘッダー部５４、冷却部５１および第２ヘッダー部５５を備えるので、半導体装置１では、絶縁基板３３−２、３３−３直下の冷却フィン４１に対しても十分に温度の低い冷媒が供給され、第１ヘッダー部５４と第２ヘッダー部５５の間の冷却器５０に搭載されたパワー半導体チップ３１をよく冷却できるので、３枚の絶縁基板に搭載されたパワー半導体チップ３１が均等に冷却される。さらに、同じ能力のポンプを用いる場合でも、従来のものに比べパワー半導体チップ３１の最高温度を低減できるので、全体として冷却性能のよい半導体装置１を提供できる。第１ヘッダー部５４内に露出している冷却フィン４１の底面の面積を、第１ヘッダー部５４内に露出している冷却フィン４１の側面の面積より大きくすることで、上記効果を良好に得ることができる。
第１ヘッダー部５４の底面の形状は、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように種々の変形が可能である。
図６（ａ）は、第１ヘッダー部５４の底面と、冷却フィン４１の底面に略平行な面５６との境界５７に現れる頂部（交線）が真っ直ぐ（Ｉ字状）である例を示している。冷却フィン４１の底面に略平行な面５６は、第１ヘッダー部５４の底面と第２ヘッダー部５５の底面の間に挟まれ、それぞれに連なっている。図６（ｂ）〜（ｄ）は、図６（ａ）の境界５７の中央部を冷媒排出部５３側に向かって、Ｃ字状に曲げた例である。いずれの例でも境界５７の位置は、冷媒導入部５２側の２点鎖線で示した絶縁基板３３−１の中央部から冷媒排出部５３側端部までの間の領域に対向する部分、すなわち領域の直下に位置している。図６（ｂ）〜（ｄ）のように第１ヘッダー部５４の下流側端部の形状を、下流側に凸となるＣ字状とすることにより、冷却部５１の幅方向の冷却効率をさらに均等にすることができる。
以上に説明した半導体装置１および冷却器５０は、従来公知の方法により製造することができる。
図７は、従来の半導体装置の要部断面図である。なお、図７において、図１ないし図６に示した構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付してその説明を省略する。
図５を用いて説明した本発明の実施の形態に係る半導体装置１と比べると、図７に示す従来の半導体装置は次の点で異なっている。
例えば、図７（ａ）に示す半導体装置では、冷却器５００の冷却部５１０に、本発明の実施の形態の第１ヘッダー部５４に相当する空間がない。また、図７（ｂ）に示す半導体装置では、冷却部５１０に、本発明の実施の形態の第１ヘッダー部５４と第２ヘッダー部５５の間の、冷却フィン４１の底面に平行な面５６がない。また、図７（ｃ）に示す半導体装置は、冷却部５１０に、本発明の実施の形態の第１ヘッダー部５４と第２ヘッダー部５５に相当する空間を有しておらず、かつ、冷媒導入部５２０および冷媒排出部５３０が冷却部５１０の底部に取り付けられており、本発明の実施の形態の構成と異なる。また、図７（ｄ）に示す半導体装置では、冷却器５００の冷却部５１０の冷媒導入部５２０側に第１ヘッダー部５４０を、さらに、冷媒排出部５３０側に第１ヘッダー部５４０と対称の、ほぼ同じ形状、寸法の第２ヘッダー部５５０を備えている。第１ヘッダー部５４０の底面の傾斜が付されている領域の長さＩｗと第２ヘッダー部５５０の底面の傾斜が付されている領域の長さＯｗがほぼ等しい。
図８は、本発明の実施の形態に係る半導体装置１における冷媒の流速分布を数値計算により求めたコンター図を示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。この計算例は、図８（ａ），（ｂ）のＢ−Ｂの位置に第１ヘッダー部５４のＩ字状の端部が存する冷却器５０を対象としている。
図９は、従来の半導体装置における冷媒の流速分布を数値計算により求めたコンター図を示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。この計算例は、図７（ａ）の冷却器５００を対象としている。
図８，図９は、冷媒の流量を１０Ｌ／ｍｉｎとした流速分布を示しており、両図に示す数値（０．０００〜１．０００）はそれぞれ冷媒の流速（単位ｍ／ｓ）を示している。比較のため最大流速を１．０００ｍ／ｓに揃えている。
図８の本発明の実施の形態に係る流速分布を図９の従来のものと対比すると、本発明の実施の形態の半導体装置１では、第１ヘッダー部５４の冷却フィン４１内の流速が小さく、また、流速の変化が緩やかになっている。さらに、第１ヘッダー部５４の下流側端部（図８のＢ−Ｂで示す位置）から冷却フィン４１の下流側端部（図８のＣ−Ｃで示す位置）の間では分布がほぼ一様となっている。この結果、冷却器５０は、その冷却性能が冷媒導入部５２と冷媒排出部５３の間でほぼ一様になり、加えてその圧力損失を低減できる。
例えば、図５（ａ）におけるＩｗを１５ｍｍ、Ｏｗを１ｍｍとし、さらに冷却フィン４１の高さを１０ｍｍとして、絶縁基板３３−１、３３−２、３３−３に実装されたパワー半導体チップ３１のジャンクション温度を数値計算により求めたところ、冷媒導入部５２側の絶縁基板３３−１に搭載されたチップの温度は約１３４．７℃、冷媒排出部５３側の絶縁基板３３−３に搭載されたチップの温度は約１３６．０℃で、その差は約１．３℃であった。また、圧力損失は９．３ｋＰａであった。一方、図７（ｄ）におけるＩｗを１ｍｍ、Ｏｗを１ｍｍとして同様の計算を行ったところ、温度差は約２．７℃、圧力損失は１１．１ｋＰａであった。
冷却フィン４１の高さを低くすると長手方向に配置された複数のパワー半導体チップ３１を均一に冷却することが従来困難であったが、本発明の実施の形態の半導体装置１によれば、冷却フィン４１の高さをさらに低く、例えば６ｍｍ程度にしても小さな温度差を保つことができる、という優れた効果が得られる。
また、図７（ｄ）に示す従来の半導体装置について、Ｉｗ、Ｏｗを等しく１，５，１０，１５ｍｍと変えて、別の数値計算を行ったところ、Ｉｗ（Ｏｗ）が１ｍｍから１５ｍｍへ大きくなると、絶縁基板３３−１、３３−２、３３−３に実装されたパワー半導体チップすべての温度が上昇し、均等に冷却できないことが分かった。
このように、本発明の実施の形態に係る半導体装置１および冷却器５０では、冷却器５０の冷却部５１が、冷却フィン４１の底面に向かって傾斜している底面を少なくとも備える第１ヘッダー部５４と、冷却フィン４１の底面の端部の位置から傾斜している底面を少なくとも備える第２ヘッダー部５５とを備えるので、冷媒導入部５２から供給される冷媒が、冷却フィン４１の冷媒導入部５２側の側面および底面から冷媒排出部５３に向かって冷却フィン４１内に供給され、冷却フィン４１の側面から冷媒排出部５３へ排出される。この結果、第１ヘッダー部５４での圧力損失および冷却効率が小さくなり、冷却部５１の長手方向に配置された３枚の絶縁基板３３それぞれに搭載されたパワー半導体チップ３１をほぼ均等に冷却することができ、かつ、冷却器５０の圧力損失を低減することができる。
なお、上述した実施の形態は、本発明を具体化した例を示すものであり、したがって本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を外れることなく種々の変形が可能であることはいうまでもない。
１ 半導体装置
３０ 半導体モジュール
３１ パワー半導体チップ
３２ 外囲ケース
３２ａ、３２ｂ 開口段差面
３２ｃ 蓋板
３２ｅ 封止材
３２ｎ ナット
３３、３３−１、３３−２、３３−３ 絶縁基板
３４、３４−１、３４−２、３４−３ 主端子
３５、３５−１、３５−２ 電源端子
３５ａ 開口穴
３６、３６−１〜３６−８ 制御端子
３７、３７−１〜３７−４ 開口部
３８ ねじ座
３９ ＦＷＤ
ｗ１、ｗ２、ｗ３ ボンディングワイヤ
ｒ１、ｒ２ リード端子
４０、４０−１ 放熱ベース板
４１、４１−１、４１−２、４１−３ 冷却フィン
５０ 冷却器
５１ 冷却部
５２ 冷媒導入部
５３ 冷媒排出部
５４ 第１ヘッダー部
５５ 第２ヘッダー部

Claims (9)

  1. 半導体モジュールと、該半導体モジュール内の基板に搭載されたパワー半導体素子を冷却するための冷却器とを備える半導体装置であって、
    放熱ベースと、
    複数のピン部材または複数のブレード部材からなり、外形が略直方体形状の集合体である、前記放熱ベースの第１の主面に設けられた冷却フィンと、
    前記冷却フィンを収容している冷却部と、該冷却部の長手方向の相対する両端にそれぞれ形成された冷媒導入部および冷媒排出部とを備えている、前記放熱ベースに固定された冷却器と、
    前記冷却フィンの位置に対応するように前記放熱ベースの第２の主面の前記冷媒導入部側に接合された第１基板と、
    前記第１基板の隣であって、前記放熱ベースの第２の主面の前記冷媒排出部側に接合された第２基板と、
    を少なくとも備え、
    さらに、前記冷却部が、
    前記冷媒導入部から供給される冷媒が前記冷却フィンの冷媒導入部側の側面および底面から冷却フィン内に供給されるとともに、冷媒排出部に向かって流れるように、前記冷却フィンの底面に向かって傾斜している第１底面を少なくとも備える第１ヘッダー部と、
    前記冷却フィンから排出される前記冷媒を前記冷媒排出部へ排出するように、前記冷却フィンの底面の端部の位置から傾斜している第２底面を少なくとも備える第２ヘッダー部と、
    を備え、さらに
    前記第１底面と前記第２底面の間に連なっている、前記冷却フィンの底面に平行な第３底面を備え、
    前記冷却フィンの底面に対する前記第１底面の傾斜角が、前記第２底面の傾斜角より小さく、
    前記第１底面と前記第３底面の交わる頂部が、前記第１基板の中央部下から前記冷媒排出部側端部下の間に位置している半導体装置。
  2. 半導体モジュールと、該半導体モジュール内の基板に搭載されたパワー半導体素子を冷却するための冷却器とを備える半導体装置であって、
    放熱ベースと、
    複数のピン部材または複数のブレード部材からなり、外形が略直方体形状の集合体である、前記放熱ベースの第１の主面に設けられた冷却フィンと、
    前記冷却フィンを収容している冷却部と、該冷却部の長手方向の相対する両端にそれぞれ形成された冷媒導入部および冷媒排出部とを備えている、前記放熱ベースに固定された冷却器と、
    前記冷却フィンの位置に対応するように前記放熱ベースの第２の主面の前記冷媒導入部側に接合された第１基板と、
    前記第１基板の隣であって、前記放熱ベースの第２の主面の前記冷媒排出部側に接合された第２基板と、
    を少なくとも備え、
    さらに、前記冷却部が、
    前記冷媒導入部から前記第１基板の冷媒排出部側の端部の間に、前記冷却フィンの底面に向かって傾斜した第１底面を備えている、前記冷媒導入部から供給される冷媒を前記冷却フィン側へ供給するための第１ヘッダー部と、
    前記冷却フィンの底面の前記冷媒排出部側の端部の位置から傾斜した第２底面を備えている、前記冷却フィン側から排出される前記冷媒を前記冷媒排出部へ排出するための第２ヘッダー部と、
    を備え、さらに
    前記第１底面と前記第２底面の間に連なっている、前記冷却フィンの底面に平行な第３底面を備え、
    前記冷却フィンの底面に対する前記第１底面の傾斜角が、前記第２底面の傾斜角より小さく、
    前記第１底面と前記第３底面の交わる頂部が、前記第１基板の中央部下から前記冷媒排出部側端部下の間に位置している半導体装置。
  3. 前記第１ヘッダー部の体積が前記第２ヘッダー部の体積より大きい請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記冷媒導入部および冷媒排出部に接続される配管の内径が、前記ピン部材もしくはブレード部材の高さより大きい請求項１または２に記載の半導体装置。
  5. 前記冷却フィンの幅が、前記第１基板および第２基板の幅より大きく、前記冷却部の側壁が前記第１基板および第２基板の直下に位置しない請求項１または２に記載の半導体装置。
  6. 前記ピン部材の断面が円形、楕円形もしくは多角形であり、該ピン部材は千鳥状に前記放熱ベースに配列されている請求項１または２に記載の半導体装置。
  7. 半導体モジュールと、該半導体モジュール内の基板に搭載されたパワー半導体素子を冷却するための冷却器とを備える半導体装置であって、
    放熱ベースと、
    複数のピン部材または複数のブレード部材からなり、外形が略直方体形状の集合体である、前記放熱ベースの第１の主面に設けられた冷却フィンと、
    前記冷却フィンを収容している冷却部と、該冷却部の長手方向の相対する両端にそれぞれ形成された冷媒導入部および冷媒排出部とを備えている、前記放熱ベースに固定された冷却器と、
    前記冷却フィンの位置に対応するように前記放熱ベースの第２の主面の前記冷媒導入部側に接合された第１基板と、
    前記第１基板の隣であって、前記放熱ベースの第２の主面の前記冷媒排出部側に接合された第２基板と、
    を少なくとも備え、
    前記冷却部は、前記冷媒導入部から供給される冷媒を前記冷却フィン側へ供給する第１ヘッダー部と、前記冷却フィン側から排出される前記冷媒を前記冷媒排出部へ排出する第２ヘッダー部とを備え、前記第１ヘッダー部内に露出している前記冷却フィンの側面および底面の面積が前記第２ヘッダー部に露出している前記冷却フィンの側面の面積より大きく、
    前記第１ヘッダー部内に露出している前記冷却フィンの底面の面積が、第１ヘッダー部内に露出している前記冷却フィンの側面の面積より大きく、
    前記第１ヘッダー部の第１底面が前記冷却フィンの底面に向かって傾斜しており、前記第２ヘッダー部の第２底面が前記冷却フィンの底面の前記冷媒排出部側の端部の位置から傾斜しており、
    前記第１底面と前記第２底面の間に連なっている、前記冷却フィンの底面に平行な第３底面を備え、前記第１底面と前記第３底面とが交わる頂部が、前記第１基板の中央部下から前記冷媒排出部側端部下の間に位置している半導体装置。
  8. 放熱ベースと、放熱ベース上に並列して接合された少なくとも２つの基板と、それぞれの前記基板に搭載されたパワー半導体素子と、複数のピン部材または複数のブレード部材からなり、外形が略直方体形状の集合体である、前記放熱ベースに設けられた冷却フィンと、を少なくとも備える半導体モジュール、を冷却するための冷却器であって、
    前記冷却フィンを収容する冷却部と、該冷却部の長手方向の相対する両端にそれぞれ形成された冷媒導入部および冷媒排出部とを備え、
    前記冷却部が、
    前記冷媒導入部から供給される冷媒が前記冷却フィンの冷媒導入部側の側面および底面から冷却フィン内に供給されるとともに、冷媒排出部に向かって流れるように、前記冷却フィンの底面に向かって傾斜している第１底面を少なくとも備える第１ヘッダー部と、
    前記冷却フィンから排出される前記冷媒を前記冷媒排出部へ排出するように、前記冷却フィンの底面の端部の位置から傾斜している第２底面を少なくとも備える第２ヘッダー部と、を備え、
    前記基板は前記冷媒導入部側に配置される第１基板と、該第１基板に並列して前記冷媒排出部側に配置される第２基板とを含み、前記第１底面は前記第１基板の中央部から前記冷媒排出部側端部の間の領域に対応する前記冷却フィンの底面に向かって傾斜するように形成され、
    前記第１底面と前記第２底面との間に連なっている、前記冷却フィンの底面に平行な第３底面を備え、前記第１底面と前記第３底面とが交わる頂部が、前記第１基板の中央部下から前記冷媒排出部側端部下の間に位置するように構成され、
    さらに前記放熱ベースに固定されて使用される冷却器。
  9. 前記冷却フィンの底面に対する前記第１底面の傾斜角が、前記第２底面の傾斜角より小さいように前記第１ヘッダー部および第２ヘッダー部が形成されている請求項８に記載の冷却器。
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