JP5975110B2

JP5975110B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP5975110B2
Application number: JP2014544397A
Authority: JP
Inventors: 新一郎安達
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2016-08-23
Anticipated expiration: 2033-10-07
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Description

本発明は、半導体素子を冷却するための冷却器を備える半導体装置に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等に代表される、モータを使用する機器には、省エネルギーのために電力変換装置が利用されている。この電力変換装置には、広く半導体モジュールが用いられている。こうした省エネルギーのための制御装置を構成する半導体モジュールは、大電流を制御するパワー半導体素子を備えている。通常のパワー半導体素子は、大電流を制御する際に発熱し、電力変換装置の小型化や高出力化が進むにつれてその発熱量が増大している。そのため、パワー半導体素子を複数備えた半導体モジュールでは、その冷却方法が大きな問題となる。

半導体モジュールを冷却するために半導体モジュールに取り付けられる冷却器として、従来から液冷式の冷却器が用いられている。この液冷式の冷却器は、パワー半導体素子が搭載される絶縁基板における当該半導体モジュールとは反対側の面に接合される金属製の放熱基板と、この放熱基板に一体的に形成される放熱用のフィンと、このフィンを収容し、上記放熱基板に液密に取り付けられる箱型形状の冷却ケースとを備える。この冷却ケースに冷却媒体（冷却液）の導入口及び排出口が接続される。冷却ケース内には、導入口から冷却ケース内に導入された冷却媒体がフィンを通過して排出口から排出される、流路が形成される。外部のポンプにより加圧された冷却媒体（例えば水やロングライフクーラント等）が導入口から導入され、冷却ケース内の流路を流れることにより、パワー半導体素子の発熱エネルギーは、フィンを介して冷却媒体に放熱される。冷却媒体は排出口から排出され、外部の熱交換器にて冷却された後、ポンプにより加圧されて冷却ケース内の流路に戻される。

このような冷却器に関し、冷却器の長手方向端部に冷却媒体の入口と出口とが設けられ、この入口と出口との間の冷却器内の流路に、複数の半導体モジュールのそれぞれに対応して設けられたフィンを、冷却器の長手方向に沿って配列し、該フィンに冷却媒体が直接接触するようにしたものがある（特許文献１）。特許文献１に図示された冷却器は、冷却媒体の入口と出口が、それぞれヒートシンクの背面、換言すれば冷却器の底面に設けられている。

液冷式の冷却器は、冷却効率を向上させるために、冷却媒体の流量を増加させたり、冷却器が備える放熱用のフィン（冷却体）を熱伝達率のよい形状としたり、またはフィンを構成する材料に、熱伝導率の高いものを使用したりするなど、様々な工夫がなされている。
例えば、冷却器の入口部と冷却媒体通路との間に、冷却媒体の分散を促進するための壁が設けられたものがある（特許文献２）。また、冷却器の入口と出口との間に、冷媒を拡散させるための溝又は突起が設けられたものがある（特許文献３）。また、冷却剤の導入管及び排出管が、放熱器の長手方向端側の周縁の角部近傍に設けられ、導入管及び排出管との間に柱状部材が設けられたものがある（特許文献４）。また、周壁部と一体化した長方形のベース部に、その角部を除いて放熱突起が設けられ、この放熱突起の先端に対向して設けられた下蓋に、冷却媒体の流入口、流出口が設けられ、ベース部の角部で冷却媒体の乱流を促進させて冷却効率を向上させたものがある（特許文献５）

特開２００１−３０８２４６号公報（段落［００１８］及び図１参照）特開２００７−１２３６０７号公報（特許請求の範囲及び段落［００４１］参照）特開２００５−１９９０５号公報（特許請求の範囲及び図１参照）特開２００７−２９４８９１号公報（段落［００１７］参照）特開２０１１−１０３３６９号公報（段落［００３１］及び図１参照）

特許文献１に記載の冷却器では、冷却器内を流れる冷却媒体の流量がその流路の幅方向中央部で多く、周辺部で少ないことから、冷却器内を流れる冷却媒体の流路の幅方向中央付近に配置された半導体素子と、周辺部に配置された半導体素子とでは、冷却される程度に相違が生じる。この点、特許文献２〜５に記載のように冷却媒体の分散を促進するための壁や溝や突起等を設けると、通路の幅方向で流量のばらつきを抑制することができ、各半導体素子の、冷却される程度の差を抑制することができる。

しかしながら、冷却器の放熱性能に対する要求は止むことがなく、電力変換装置の小型化や高出力化に伴って、放熱性能を高めることが求められている。
また、特許文献１や特許文献５に図示された冷却器は、冷却媒体の入口と出口が、冷却器の底面に設けられていることから、この冷却器の底面より下方に、冷却器に重ねて電子部品、例えばフィルムコンデンサを設けることができなかった。

本発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、放熱性能を高めることができ、また、冷却器の底面より下方の空間スペースを有効利用できるようにして、電子部品を冷却器の下方に重ねて配置することができる冷却器を備える半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために以下のような半導体装置が提供される。
この半導体装置は、絶縁基板と、該絶縁基板上に搭載された半導体素子と、該半導体素子を冷却する冷却器とを備える。前記冷却器は、該絶縁基板に接合される放熱基板と、該放熱基板における該絶縁基板との接合面とは反対側の面における略長方形の領域に設けられた複数のフィンと、該フィンを収容し底壁及び側壁を有する箱型形状になる冷却ケースとを備える。該冷却ケースの側壁のうち、フィンの集合体の長手方向に沿って設けられた一対の第１側壁及び第２側壁に、冷却媒体の導入口と排出口とが、フィンの集合体の短手方向の中心線から互いに逆方向にずれた位置に設けられる。前記導入口が設けられた前記第１側壁と前記底壁との間に、前記導入口から導入された前記冷却媒体を前記第１側壁に沿って拡散させる拡散壁が設けられた。該拡散壁が前記第１側壁の底辺から前記底壁に向かって形成された上り傾斜面である。

本発明によれば、冷却ケースの側壁のうち、フィンの集合体の長手方向に沿って設けられた第１側壁に冷却媒体の導入口が、第２側壁に冷却媒体の排出口が設けられることから、冷却媒体がフィンの集合体の短手方向に流れる流路を形成することができ、よって放熱性能を向上させることができる。また、冷却ケースの第１側壁と底壁との間に拡散壁が設けられることから、フィンの集合体の短手方向に流路に流れる冷却媒体の圧力損失を低下させ、また流量を均一にすることができる。更に、導入口及び排出口がフィンの集合体の短手方向の中心線から互いに逆方向にずれた位置に設けられることから、冷却ケースの底壁よりも下方に、フィルムコンデンサ等の電子部品を重ねて設けることができる。

図１は、本発明の半導体装置の一実施形態の斜視図である。図２は、３種のフィンの形状を説明する斜視図である。図３は、三相インバータ装置として構成される半導体モジュールの回路図である。図４は、冷却器の冷却ケースの平面図である。図５は、放熱基板を取り付けた冷却ケースの平面図である。図６は、放熱基板を取り付けた冷却ケースの一側面図である。図７は、放熱基板を取り付けた冷却ケースの一側面図である。図８は、図５のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図９は、冷却ケースの他の例を示す図５のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図１０は、樹脂ケースが取り付けられた実施形態の半導体装置の斜視図である。図１１は、フィルムコンデンサを設けた本発明の他の実施形態の斜視図である。図１２は、実施例及び比較例についてＩＧＢＴ素子の温度を示すグラフである。図１３は、拡散壁の高さと圧力損失との関係を示すグラフである。図１４は、角ピンのピッチとＩＧＢＴ素子の温度との関係を示すグラフである。

本発明の半導体装置の実施形態を、図面を用いて具体的に説明する。
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に斜視図で示す本発明の一実施形態の半導体装置１は、半導体モジュール１０と、この半導体モジュールを冷却する冷却器２０とを備えている。半導体モジュール１０は、図示した本実施形態では、冷却器２０の放熱基板２１の上に配置された複数の回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを有している。これらの回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃにより、半導体モジュール１０は、三相インバータ回路が構成されている。具体的には、回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、それぞれ図３に回路図を示す三相インバータ回路４０を形成するＷ相用回路、Ｖ相用回路及びＵ相用回路として構成されている。なお図３では三相インバータ回路４０に三相交流モータ４１が接続されている。
Ｗ相用回路となる回路素子部１１Ａは、図１（ａ）に示すように、上側アームを構成する半導体素子としてのＩＧＢＴ素子１２及びこのＩＧＢＴ素子１２に逆並列に接続されるフリーホイールダイオード１３と、下側アームを形成するＩＧＢＴ素子１２及びこのＩＧＢＴ素子１２に逆並列に接続されるフリーホイールダイオード１３とが、放熱基板２１に取付けられた絶縁基板１４上に実装されている。また、Ｖ相用回路となる回路素子部１１Ｂ及びＵ相用回路となる回路素子部１１Ｃも上記回路素子部１１Ａと同様の構成を有する。各絶縁基板１４には、上記回路を構成するための回路パターンが形成されている。なお、半導体モジュール１０は、図示した例では三相インバータ回路を構成するものであるが、本発明における半導体モジュール１０は、三相インバータ回路を構成するものに限られない。

冷却器２０は、図１（ａ）に示される放熱基板２１と、図２に示されるフィン２２と、図１（ｂ）に示される冷却ケース２３とを備えている。図１（ｃ）は、図１（ｂ）の冷却ケース２３を回転させた図である。フィン２２は、放熱基板２１における回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃが取り付けられた面とは反対側の面で、当該放熱基板２１と一体的に形成されている。冷却ケース２３は、内部にフィン２２を収容する。冷却ケース２３は、冷媒ジャケット又はウォータージャケットと呼称されることがある。

図１（ａ）において、各回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの絶縁基板１４が、放熱基板２１に接合されることにより、絶縁基板１４並びに当該絶縁基板１４上に搭載されたＩＧＢＴ素子１２及びフリーホイールダイオード１３は、冷却器２０と熱伝導可能に接続される。各絶縁基板１４には放熱基板２１との接合に用いる金属層が形成されていてもよい。なお、図１（ａ）における線分ｃｌは、放熱基板２１に一体的に取り付けられた、図２に示されるフィン２２の集合体の短手方向の中心線である。

放熱基板２１に一体的に取り付けられたフィン２２は、放熱板、換言すればヒートシンク（heat sink）として用いられる。フィン２２は、例えば図２（ａ）に示す角柱形状のピン（角ピン）を複数個、間隔を空けて所定ピッチで配列させたピンフィンを用いることができる。また、同図（ｂ）に示す円柱形状のピン（丸ピン）を複数個、間隔を空けて所定ピッチで配列させたピンフィン２２Ａを用いることもできる。更に、同図（ｃ）に示すブレード（blade）形状の複数のフィンが互いに平行に設けられたブレードフィン２２Ｂを用いることもできる。図２（ａ）〜（ｃ）に示したフィンのうち、放熱性能を高める観点からは、図２（ａ）や図２（ｂ）に示したピンフィン２２、２２Ａが、図２（ｃ）に示したブレードフィン２２Ｂよりもフィンの密度を高めることができることから好ましい。更に、図２（ａ）に示す角ピンのフィン２２は、図２（ｂ）に示す丸ピンのフィン２２Ａに比べ、ピン周辺の流速を速くできるだけでなく、１ピン当たりの表面積を大きくできることから、熱交換を効率よく行うことができる。以下ではフィンに関し図２（ａ）に示す角ピンのフィン２２に代表させて説明する。

フィン２２の形状及び寸法は、冷却媒体の冷却器２０への導入条件（すなわち、ポンプ性能等）、冷却媒体の種類と性質（特に粘性等）、目的とする除熱量等を考慮して、適宜設定することが好ましい。また、フィン２２は、冷却ケース２３に収容されたときにフィン２２の先端と冷却ケース２３の底壁との間に一定のクリアランスが存在するような高さに形成される。

放熱基板２１において、フィン２２が放熱基板２１に一体的に取り付けられる領域は、好ましくは、放熱基板２１が絶縁基板１４に接合された状態で、この絶縁基板１４上の半導体素子としてのＩＧＢＴ素子１２及びフリーホイールダイオード１３が搭載された領域を、放熱基板２１の厚み方向に投影させた領域を含む領域である。換言すれば、ＩＧＢＴ素子１２及びフリーホイールダイオード１３の直下の領域を含む領域であることが好ましい。

フィン２２の集合体の外形は略直方体であり、好ましくは直方体であり、本発明の効果を損ねない範囲で面取りや変形された形状であってもよい。図２（ａ）に、直方体の外形を有するフィン２２の集合体の短手方向の中心線ｃｌを示した。

フィン２２を収容する冷却ケース２３は、図１（ｂ）に示す斜視図、及び図４に示す平面図から分かるように底壁２３ａと、この底壁２３ａの周縁に設けられた側壁２３ｂとを有し、上部が開口となっている箱型形状である。冷却ケース２３の開口は、フィン２２の集合体の外形に合わせて、長方形を有している。冷却ケース２３の外形は、略直方体形状を有していて、その長手方向は、フィン２２の集合体の長手方向と合致している。

冷却ケース２３は、冷却ケース２３内に冷却媒体を導入するための導入口２３ｃが、長手側の側壁２３ｂのうちの第１側壁２３ｂ１の角部近傍に設けられ、また冷却ケース２３内から外部に冷却媒体を排出するための排出口２３ｄが、長手側の側壁２３ｂのうちの第２側壁２３ｂ２の角部近傍に設けられている。換言すれば、第１側壁２３ｂ１及び第２側壁２３ｂ２に、冷却媒体の導入口２３ｃと排出口２３ｄとが、フィン２２の集合体の短手方向の中心線ｃｌから互いに逆方向にずれた位置に設けられている。側壁２３ｂの上面には、冷却ケース２３に放熱基板２１が取り付けられ、冷却ケース２３内に冷却媒体が流されたときに冷却ケース２３内から液漏れするのを防止するためのＯリング２３ｅが取り付けられるとともに、四隅には、放熱基板２１をネジ止めするためのネジ孔２３ｆが形成されている。液漏れ防止の方法はメタルガスケットや液体パッキンであってもよい。
冷却ケース２３内において、第１側壁２３ｂ１と底壁２３ａとの間に、導入口２３ｃから導入された冷却媒体を第１側壁２３ｂ１に沿って拡散させる拡散壁２３ｇが、冷却ケース２３の長手方向に沿って設けられている。また、冷却ケース２３内において第２側壁２３ｂ２と底壁２３ａとの間に、冷却媒体を第２側壁２３ｂ２に沿って排出口２３ｄへ収束させる収束壁２３ｈが冷却ケース２３の長手方向に沿って設けられている。

図１（ａ）に示す放熱基板２１を、同図（ｂ）に示す冷却ケース２３に取り付けたときの平面図を図５に示し、導入口２３ｃ側から見た側面図を図６に、排出口２３ｄ側から見た側面図を図７に、図５のＡ−Ａ線で切断した断面図を図８にそれぞれ示す。なお、図５〜８においては、本発明の理解を容易にするために、放熱基板２１上の各回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは図示を省略している。

図８に示すように、拡散壁２３ｇは、一例では第１側壁２３ｂ１の底辺から底壁２３ａに向かって形成された上り傾斜面である。また収束壁２３ｈは、一例では底壁２３ａから第２側壁２３ｂ２の底辺に向かって形成された下り傾斜面である。
拡散壁２３ｇ、収束壁２３ｈが傾斜面であることにより、拡散壁２３ｇ、収束壁２３ｈが導入口２３ｃや排出口２３ｄに対して垂直に設けられている場合に生じるおそれがある渦流を抑制することができる。また、拡散壁２３ｇ、収束壁２３ｈが単純な傾斜面であることにより、冷却ケース２３をダイカスト等により製造するときに、容易に拡散壁２３ｇ、収束壁２３ｈを形成することができる。拡散壁２３ｇ、収束壁２３ｈの導入口２３ｃや排出口２３ｄに対する傾斜角度は、拡散壁２３ｇ、収束壁２３ｈが、冷却ケースの上方から見てフィン２２と対向する領域の底壁内面と、側壁２３ｂとの間の領域に設けられることから、この領域の距離によって設定可能な角度とすることができる。この領域の距離Ｌ（図４参照）は、およそ２〜１２ｍｍである。

この拡散壁２３ｇが冷却ケース２３内に設けられていることにより、図５に矢印で示す冷却媒体の流れは、まず導入口２３ｃより冷却ケース２３内に導入されて拡散壁２３ｇに衝突し、拡散壁２３ｇに沿って冷却ケース２３内の長手方向に拡散する。次いで、フィン２２が設けられているフィン領域２２ｅを、冷却ケース２３の短手方向、言い換えればフィン２２の集合体の短手方向に流れてヒートシンクと熱交換を行った後、収束壁２３ｈに沿って流れて収束され、排出口２３ｄより冷却ケース２３外に排出される。

本実施形態の半導体装置１は、冷却ケース２３の導入口２３ｃと排出口２３ｄとが、冷却ケース２３の長手方向に沿った側壁２３ｂに設けられ、かつ、拡散壁２３ｇが冷却ケース２３内に設けられていることにより、冷却媒体を、フィン２２の集合体（直方体形状）の短手方向に流す。このことにより、冷却媒体を、フィン２２の集合体の長手方向に流す場合に比べて、放熱性能を向上させることができる。その理由は、次のとおりと考えられる。一般に、フィン２２の密度が高ければ、高い放熱性能を得ることができる一方で、圧力損失は増加する。また、冷却媒体をフィン２２の集合体の長手方向に流す場合は、短手方向に流す場合に比べて圧力損失が大きくなる。そこで、密度が高いフィン２２に対して冷却媒体をフィン２２の集合体の短手方向に流すことで、高い放熱性能と低い圧力損失の両立が可能となる。

また、図１に示すように複数の半導体素子を回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃとして放熱基板２１の長手方向に沿って並列に配列させた場合は、フィン２２の集合体の長手方向が、これらの半導体素子の配列方向と同じになるのが通常である。このとき、フィン２２の集合体の長手方向に冷却媒体を流すと、冷却媒体の流れ方向下流側の半導体素子は、上流側の半導体素子との熱交換により温められた冷却媒体によって冷却されることになり、冷却効果が上流側よりも低くなる。これに対して、本実施形態の半導体装置１のように冷却媒体を、フィン２２の集合体の短手方向に流すことにより、複数の半導体素子（回路素子部）の配列方向と直交する方向に冷却媒体を流すことから、冷却効果の不均一を小さくして、半導体素子の配列の位置にかかわらず、放熱性能を向上させることができる。

更に、冷却ケース２３内に拡散壁２３ｇが設けられていることにより、フィン２２の集合体の短手方向に流れる冷却媒体の流れが均一化される。このことによっても放熱性能を向上させることができる。この冷却媒体の流れが均一化される効果は、フィンの形状が、角ピンのフィン２２又は丸ピンのフィン２２Ａであって、放熱性能を高めるために高密度でピンを配列したものである場合に特に大きく、この場合はピンの高密度化と冷却媒体の流れの均一化とが相俟って、放熱性能を更に向上させることができる。フィンの形状が、角ピンのフィン２２又は丸ピンのフィン２２Ａである場合に、ピンフィンの径が２ｍｍであるとき、ピンのピッチ、すなわちピンの配列間隔（隣り合うピンの中心間距離）が、４ｍｍ以下である程にピンが高密度化されていることが好ましい。以下の実施例で説明する熱解析の結果、ピンのピッチが３ｍｍ〜６ｍｍの範囲では、ピッチが大きくなると放熱性能が低下する結果となったが、ピッチが４ｍｍ以下であれば半導体素子の温度上昇は５％程度であり、冷媒の流量を上げて放熱性能を向上することにより、十分に冷却できるからである。また、ピンフィンを構成する複数の隣り合うピンのピッチ（間隔）は、ピン径の１．２５倍〜２倍であることが好ましい。ピン径は角ピンでは一辺の長さ、丸ピンでは直径であり、約１〜２ｍｍである。２ｍｍ角の角ピンの場合、ピッチは２．５〜４ｍｍの範囲が好ましい。ピッチが２．５ｍｍより小さいと冷媒中のゴミを取り除いたり、精度の高い加工が必要となってコストが上昇するからである。

導入口２３ｃの内径ｄ（図８参照）は、拡散壁２３ｇの高さｈより大きいことが好ましい。具体的には、導入口２３ｃの内径ｄが１０〜１５ｍｍφの場合に、拡散壁２３ｇの高さｈは、０．１〜１３ｍｍの範囲が好ましい。図８に示した例では、導入口２３ｃの内径ｄは、導入口２３ｃに接続される導入管２３ｉの内径（管径）に等しい。導入口２３ｃの内径ｄ、すなわち導入管２３ｉの管径は、大きいほど圧力損失は低減できる。導入管２３ｉの管径ｄが一般的な１０〜１５ｍｍφの場合に、導入口２３ｃでの圧力損失を下げるためには、拡散壁２３ｇを設けることが好ましく、拡散壁２３ｇの高さｈが０．１ｍｍに満たないと拡散壁２３ｇを設けた効果に乏しく、１３ｍｍを超えると却って圧力損失が大きくなる。

収束壁２３ｈの高さは、拡散壁２３ｇの高さｈと同じとすることができる。すなわち、排出口２３ｄに接続される排出管２３ｊの一般的な管径１０〜１５ｍｍφの場合に０．１〜１３ｍｍの範囲が好ましい。

本実施形態の半導体装置１は、冷却ケース２３の導入口２３ｃと排出口２３ｄとが、冷却ケース２３の長手方向に沿った側壁２３ｂ（２３ｂ１，２３ｂ２）に設けられている。そのため、導入管２３ｉ及び排出管２３ｊにホースを取り付けるのが容易である。また、冷却ケース２３の底壁２３ａには、冷却ケース２３内に冷却媒体を導入するための導入口又は排出するための排出口を設ける必要がないので、冷却ケース２３の底壁２３ａよりも下方に、他の電子部品を設けることができる。冷却ケース２３の底壁２３ａの形状は、他の電子部品を設けることができれば特に限定されず、図８と同様の断面図を図９に示すように、底壁２３ａの外面が平面であってもよい。もっとも、図８に示した断面図のように、底壁２３ａ、拡散壁２３ｇ及び収束壁２３ｈにより、冷却ケース２３の底壁２３ａの裏面側に窪みが形成された形状とすることは、原材料費を低減することができるので好ましい。

図６に示した冷却ケース２３の導入口２３ｃ側から見た側面図と、図７に示した冷却ケース２３の排出口２３ｄ側から見た側面図とで、冷却ケース２３は同じ外形を有している。つまり、冷却ケース２３の導入口２３ｃと排出口２３ｄとの位置が、冷却ケース２３に対して回転対称である。回転対称であることにより、冷却ケース２３の作製が容易になり、また、導入管２３ｉ及び排出管２３ｊを冷却ケース２３に取り付ける際は、側壁２３ｂに形成された開口のうちの一方を導入口２３ｃとし、他方を排出口２３ｄと任意に決定すればよいので、取り扱いが容易である。

図１０に、半導体モジュール１０を収容する樹脂ケース１５が、冷却器２０上の放熱基板２１（図に表れない）の周縁部に取り付けられた実施形態の半導体装置１を斜視図で示す。図示した樹脂ケース１５は、略直方体の外形を有していて、上から見たときの長手方向、短手方向のサイズは、冷却器２０と略同じである。樹脂ケース１５の上面に、半導体モジュール１０の回路と接続されたＰ端子及びＮ端子１６、Ｕ端子、Ｖ端子及びＷ端子１７が突出している。Ｐ端子及びＮ端子１６、Ｕ端子、Ｖ端子及びＷ端子１７は、それぞれ冷却ケース２３の長手方向に沿って設けられている。これらの端子１６、１７の少なくとも一つを、冷却ケース２３の短手方向に沿って設けることも可能であるが、図１に示すように複数のＩＧＢＴ素子１２、フリーホイールダイオード１３を回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃとして放熱基板２１の長手方向に沿って並列に配列させた場合は、端子１６、１７を冷却ケース２３の長手方向に沿って設けることにより、短手方向に沿って設けた場合に比べて、これらの端子１６、１７とＩＧＢＴ素子１２、フリーホイールダイオード１３との間のインダクタンスを小さくすることができる。また、端子１６、１７を冷却ケース２３の長手方向に沿って設けることにより、これらの端子と接続する複数のＩＧＢＴ素子１２を備える複数の回路素子部１１Ａ、１１Ｂ及び１１Ｃを、互いに近接させて配置することができ、これにより、回路素子部１１Ａ、１１Ｂ及び１１Ｃを放熱させるフィン２２を、一つの集合体として形成することができるので、フィン２２の製造が容易になり、またフィン２２の製造コストを低くすることができる。

本実施形態の半導体装置１は、冷却ケース２３の導入口２３ｃ及び排出口２３ｄが、冷却ケース２３の第１側壁２３ｂ１及び第２側壁２３ｂ２に、フィン２２の集合体の短手方向の中心線ｃｌから互いに逆方向にずれた位置に設けられている。冷却ケース２３の導入口２３ｃ及び排出口２３ｄは、それらの間に前記Ｐ端子１６及びＮ端子１６を設けることが好ましい。したがって、他の電子部品、例えばフィルムコンデンサを冷却ケース２３の底壁２３ａよりも下方に設け、当該フィルムコンデンサと半導体モジュール１０のＰ端子１６およびＮ端子１６との間のインダクタンスを小さくするためにバスバーでフィルムコンデンサと半導体モジュール１０とを最短距離で電気的に接続したときに、バスバーに、導入口２３ｃや排出口２３ｄが干渉することがない。

図１１は、冷却器２０の下方に、フィルムコンデンサ３０を設けた本発明の実施形態である。図示した本実施形態は、冷却器２０の上方に、半導体モジュール１０を内部に収容した樹脂ケース１５が設けられている。この樹脂ケース１５の上面に、半導体モジュール１０の回路と接続された端子１６が突出している。この端子１６と、冷却器２０の下方に設けられたフィルムコンデンサ３０の端子３１とがバスバー３２により接続されている。冷却器２０の冷却ケース２３の側壁２３ｂの導入口２３ｃに接続された導入管２３ｉは、半導体モジュール１０の樹脂ケース１５から突出する端子１６やフィルムコンデンサ３０の端子３１の長手方向の位置よりも端側に設けられているから、バスバー３２が導入管２３ｉに干渉することがなく、最短距離で半導体モジュール１０の端子１６とフィルムコンデンサ３０の端子３１とを接続する。なお、図１１の導入管２３ｉを、排出管２３ｊとしてもよい。

冷却ケース２３は、フィン２２及び放熱基板２１と同様に、熱伝導率の高い材料よりなる材料や、ユニット形成時の周辺部品を取りこんだ場合での材料など、構造によって材料を選定する必要がある。熱伝導性を考慮した場合、A1050やA6063等の材料が好ましく、周辺部材、特に固定部やパワーモジュールを収めるインバータケースとのシールが必要な場合はADC12やA6061等の材料が好ましい。また冷却ケース２３をダイカストで製造し、かつ、熱伝導性が求められる場合は、三菱樹脂株式会社のダイカスト用高熱伝導アルミニウム合金であるDMSシリーズの材料を適用することも可能である。このような金属材料を用いて冷却ケース２３を形成する場合、例えばダイカストによって、上記のような導入口２３ｃ、排出口２３ｄや、冷却ケース２３内の流路を形成することができる。冷却ケース２３は、金属材料にカーボンフィラーを含有する材料を用いることもできる。また、冷却媒体の種類や冷却ケース２３内に流れる冷却媒体の温度等によっては、セラミック材料や樹脂材料等を用いることも可能である。

実施例として図１に示した三相インバータ回路を構成する本実施形態の半導体装置について、各ＩＧＢＴ素子の温度の熱解析を行った。また比較例として、冷却ケースの短手方向に沿った側壁に導入口及び排出口を設けて、フィン２２の集合体の長手方向に冷却媒体を流す以外は、実施例と同様の構成とした半導体装置について、各ＩＧＢＴ素子の温度の熱解析を行った。実施例及び比較例の解析条件は、次のとおりである。冷却媒体はロングライフクーラント（ＬＬＣ）を５０ｖｏｌ％含む、液温６５℃の水である。冷却媒体の流量を１０Ｌ／ｍｉｎとした。各ＩＧＢＴの発生損失を１チップ当たり３６０Ｗ、各ＦＷＤの損失を４５Ｗとし、インバータ動作をするものと仮定した。フィン２２は２ｍｍ角の角ピンであり、フィンのピッチを３ｍｍとした。実施例の圧力損失は５．８ｋＰａであり、比較例の圧力損失は３０ｋＰａであった。

図１２に、実施例及び比較例の各ＩＧＢＴ素子の温度をグラフで示す。横軸のＷＰ〜ＵＮは６個のＩＧＢＴ素子の位置をそれぞれ示している。ＷＰとＷＮはＷ相用の回路素子部１１Ａにおける上アームと下アームのＩＧＢＴ素子をそれぞれ示し、同様に、ＶＰとＶＮはＶ相用の回路素子部１１Ｂにおける上下アームのＩＧＢＴ素子、ＵＰとＵＮはＵ相用の回路素子部１１Ｃにおける上下アームのＩＧＢＴ素子を、それぞれ示している。図１２から分かるように比較例は、冷却媒体の流れ方向の下流側に位置するＩＧＢＴ素子の温度が高くなっているのに対して、実施例は、各ＩＧＢＴ素子の温度がほぼ同じであり、優れた放熱性能を有していた。

次に図１に示す本実施形態の半導体装置について、導入口２３ｃに接続する導入管２３ｉ及び排出口２３ｄに接続する排出管２３ｊの径を６ｍｍφ、９ｍｍφ及び１２ｍｍφとした場合について、拡散壁２３ｇの高さを種々に変えたときの圧力損失について調べた。その結果を図１３にグラフで示す。

前述したように導入管２３ｉ及び排出管２３ｊの一般的な管径は１０〜１５ｍｍφであり、図１３に示した管径が６ｍｍφ及び９ｍｍφの場合は、一般的な管径よりも小さいものであり、管径が１２ｍｍφの場合に比べて圧力損失が大きく、また、拡散壁の高さが高くなるほどに圧力損失が大きくなった。この理由は、導入口径が小さい場合は、冷却媒体が冷却ケース内に導入される領域が小さいため、フィン部分を含めた全領域で圧力が高くなり、また、拡散壁を設けることで冷媒の導入が更に妨げられるためと考えられる。

これに対して、一般的な管径の範囲に含まれる管径１２ｍｍφの場合は、拡散壁を設けることにより、拡散壁を設けない場合（拡散壁の高さが０）に比べて圧力損失が低下した。この理由は、拡散壁を設けることにより、導入口付近での圧力損失を下げることができるためと考えられる。図１３より、拡散壁を設けたことによる圧力損失を低下させる効果は、拡散壁を設けさえすれば生じ、かつ、拡散壁の高さが１３ｍｍ以内の範囲で生じていた。

次に、図１に示した三相インバータ回路を構成する本実施形態の半導体装置について、フィン２２として２ｍｍ角の角ピンを用いた場合について、フィンのピッチを３ｍｍ、６ｍｍ、１２ｍｍとした例についてＩＧＢＴ温度の熱解析を行った。その結果を図１４にグラフで示す。なお、図１４において、横軸のＷＰ〜ＵＮは、図１２と同じく６個のＩＧＢＴ素子の位置をそれぞれ示している。

図１４からフィンピッチが大きい、換言すればフィン密度が低いほど、導入管に近いフィン部分に冷却媒体が流れ、フィンの集合体の中央部の流速は低下する。その結果、ＶＮ、ＶＰの位置のＩＧＢＴ素子は、他のＩＧＢＴ素子の温度よりも高くなった。フィン密度が低いと冷却媒体の流速の不均一性が顕著になった。
なお、上記の実施形態では、熱的あるいは電気的に等価であり、発生損失の等しい複数の半導体素子（回路素子部）を冷却器の長手方向に並列配置する場合について説明した。しかしながら、本発明は、上記構成に限定されるものではなく、発生損失の異なる半導体素子（回路素子部）を一部に含む半導体モジュールにも適用できる。また、複数の回路素子部を１枚の絶縁基板に形成してもよい。

１半導体装置
１０半導体モジュール
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ回路素子部
１２ＩＧＢＴ素子
１３フリーホイールダイオード
１４絶縁基板
１５樹脂ケース
１６、１７端子
２０冷却器
２１放熱基板
２２、２２Ａ、２２Ｂフィン
２２ｅフィン領域
２３冷却ケース
２３ａ底壁
２３ｂ側壁
２３ｃ導入口
２３ｄ排出口
２３ｅＯリング
２３ｆネジ孔
２３ｇ拡散壁
２３ｈ収束壁
２３ｉ導入管
２３ｊ排出管
３０フィルムコンデンサ
３１端子
３２バスバー
４０インバータ回路
４１三相交流モータ

Claims

絶縁基板と、
該絶縁基板上に搭載された半導体素子と、
該半導体素子を冷却する冷却器と
を備える半導体装置であって、
前記冷却器が、該絶縁基板に接合される放熱基板と、
該放熱基板における該絶縁基板との接合面とは反対側の面における略長方形の領域に設けられた複数のフィンと、
該フィンを収容し底壁及び側壁を有する箱型形状になる冷却ケースと
を備え、
該冷却ケースの側壁のうち、フィンの集合体の長手方向に沿って設けられた一対の第１側壁及び第２側壁に、冷却媒体の導入口と排出口とが、フィンの集合体の短手方向の中心線から互いに逆方向にずれた位置に設けられるとともに、
前記導入口が設けられた前記第１側壁と前記底壁との間に、前記導入口から導入された前記冷却媒体を前記第１側壁に沿って拡散させる拡散壁が設けられ、かつ、
該拡散壁が前記第１側壁の底辺から前記底壁に向かって形成された上り傾斜面である
ことを特徴とする半導体装置。
前記排出口が設けられた前記第２側壁と前記底壁との間に、前記冷却媒体を前記第２側壁に沿って前記排出口へ収束させる収束壁が設けられた請求項１に記載の半導体装置。
前記収束壁が前記底壁から前記第２側壁の底辺に向かって形成された下り傾斜面である請求項２に記載の半導体装置。
前記導入口の内径は、前記拡散壁の高さより大きい請求項１に記載の半導体装置。
前記導入口の内径が１０〜１５ｍｍであり、前記拡散壁の高さが、０．１〜１３ｍｍである請求項４に記載の半導体装置。
前記導入口と前記排出口の位置が、前記冷却ケースに対して回転対称である請求項１又は２に記載の半導体装置。
前記底壁、前記拡散壁及び前記収束壁により、前記冷却ケースの前記底壁裏面側に窪みを形成した請求項２又は３に記載の半導体装置。
前記半導体装置の端子が前記冷却ケースの長手方向に沿って設けられた請求項１又は２に記載の半導体装置。
前記フィンが、ピンフィンである請求項１又は２に記載の半導体装置。
前記ピンフィンが複数のピンから構成され、ピンのピッチがピン径の１．２５倍〜２倍である請求項９に記載の半導体装置。
前記冷却器の前記底壁より下方に、フィルムコンデンサを重ねて設けてなる請求項１又は２に記載の半導体装置。