JP6651828B2 - 冷却器及びパワー半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を冷却するために冷媒を循環流通させる冷却器、及びこの冷却器を備えるパワー半導体モジュールに関する。

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、広くパワー半導体モジュールが利用されている。このパワー半導体モジュールは、大電流を制御するためにパワー半導体素子を備えている。

パワー半導体素子は、大電流を制御する際の発熱量が大きい。また、パワー半導体モジュールの小型化や軽量化が要請され、出力密度は上昇する傾向にあるため、パワー半導体素子を複数備えたパワー半導体モジュールでは、その冷却方法が電力変換効率を左右する。

パワー半導体モジュールの冷却効率を向上させるために、液冷式の冷却器を備え、この冷却器によりパワー半導体素子の発熱を冷却するパワー半導体モジュールがある。このパワー半導体モジュールの冷却器は、金属ベース板と、ヒートシンクと、ヒートシンクを収容する冷却ケースとを備え、冷却ケースに形成された導入口及び排出口を通して冷却ケース内の空間に冷媒を流通できるような構造を有している（特許文献１）。また、半導体素子の冷却器に関して、ヒートシンクにより形成された冷媒流路に、上記冷媒流路の壁面から当該冷媒流路の内方に向かって突出する突出部を備えた、冷却効率の高い冷却構造がある（特許文献２）。

特開２０１４−１７９５６３号公報 特開２００８−１７２０１４号公報

特許文献１に記載された従来の冷却器は、複数のフィンが平行して配置されたヒートシンクに対し、冷媒を導入するヘッダ部及び排出するヘッダ部がそれぞれ配置され、当該ヘッダ部に、外部から冷媒を導入する導入口及び外部に冷媒を排出する排出口を備えている。冷媒はヒートシンクのフィン間に形成された流路を流れ、半導体素子からヒートシンクに伝えられた熱と熱交換して温度上昇する。半導体素子が、当該流路の流れ方向に沿って複数個が配置されている場合、下流側に配置された半導体素子は、上流側に配置された半導体素子による冷媒の温度上昇の影響を受ける。そのため、冷媒は、下流側に配置された半導体素子の冷却能力が低下し、半導体素子の最高温度が上昇するおそれがあった。特許文献１に記載の冷却器は、ヒートシンクのフィン間に形成された流路が、冷却器の長手方向に沿った方向であるため、冷媒が当該流路を流れる時間が長く、冷媒は温度上昇し易かった。

特許文献２に記載された冷却器は、突出部が設けられることにより、半導体素子の近傍において、冷媒の流れを変更させ、乱れを発生させるとともに、冷媒の流速を増大させて境界層の発達を抑制することにより、冷却効率が向上するとされている。しかしながら、近年は、パワー半導体モジュールの小型化、軽量化に伴い、高発熱密度化を可能にしたパワー半導体モジュールの実現が求められている。パワー半導体モジュールの発熱密度の向上には、より高い放熱性能を有する冷却器が必要である。

本発明は上記の問題を有利に解決するものであり、より高い放熱性能を有する冷却器を、その冷却器を用いたパワー半導体モジュールと共に提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、以下の冷却器が提供される。
本発明の第１の態様の冷却器は、金属ベース板と、冷却ケースと、フィンと、第１の整流部材と、第２の整流部材と、を備えている。上記金属ベース板は、第１面及び第２面を備え、冷却ケースは、底壁及び前記底壁の周りに形成された側壁を有し、上記側壁の一端が上記金属ベース板の第２面側に接合され、上記金属ベース板、上記底壁及び上記側壁により囲まれた空間内に冷媒を流通可能になっている。上記冷却ケースの上記底壁及び上記側壁のいずれかに、入口部及び出口部が接続するとともに上記金属ベース板の第２面の長手側の周縁に沿って配置されている。上記フィンは、板状であり、上記冷却ケース内に収容されて上記冷却ケースの短手方向に延在し、冷媒の流路を形成する。上記第１の整流部材は、上記フィンと上記入口部との間で、上記冷媒の流路に交差する方向に延在し、上記金属ベース板の第２面と、上記冷却ケースの底壁とにそれぞれ接して配置された一対で構成されている。上記第２の整流部材は、上記フィンにより形成された冷媒の流路内で、上記冷媒の流路に交差する方向に延在し、上記冷却ケースの底壁に接して配置されている。上記フィンにより形成された冷媒の流路の上流側に、上記フィンの上記底壁に対向する先端と上記冷却ケースの底壁との間に隙間を備え、上記フィンにより形成された冷媒の流路の下流側で、上記フィンの上記底壁に対向する先端が、上記冷却ケースの底壁と固定されている。

上記目的を達成するため、以下のパワー半導体モジュールが提供される。
本発明の第２の態様のパワー半導体モジュールは、上記の冷却器を備え、おもて面及び裏面を備え、上記金属ベース板の第１面に上記裏面が接合された積層基板と、上記積層基板のおもて面に接合された半導体素子と、を備えている。

本発明の第１の態様の冷却器によれば、より高い放熱性能を有し、冷媒の流路に沿って複数の半導体素子が配置されていても、各半導体素子を均等に冷却することができ、ひいては冷却器の総合的な冷却効率を高めることができる。

本発明のパワー半導体モジュールの一実施形態の外観を示す斜視図である。 図１のパワー半導体モジュールの内部構造を示す斜視図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図である。 図１のパワー半導体モジュールの回路図である。 冷却器の分解斜視図を示すである。 図２に示した冷却器２０のＶＩ−ＶＩ線で切断した断面図である。 比較例の冷却器の断面図である。

本発明の冷却器及びパワー半導体モジュールの実施形態を、図面を用いて具体的に説明する。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、本発明のパワー半導体モジュールの一実施形態の外観を示す斜視図である。パワー半導体モジュール１は、金属ベース板１２と、枠形状を有し、積層基板１５及び半導体チップ１６（図２参照）を囲み、底面が金属ベース板１２の第１面、すなわちおもて面に接着された樹脂ケース１１と、金属ベース板１２の第２面、すなわち裏面に接合された冷却ケース１３とを備えている。

樹脂ケース１１は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂やウレタン樹脂、シリコン樹脂等の絶縁性樹脂よりなり、上面から底面にかけて貫通する開口を中央に有する枠形状を有している。樹脂ケース１１の底面は、金属ベース板１２の第１面に、接着剤で接合されている。樹脂ケース１１には、その厚さ方向に貫通する貫通孔１１ａが形成されている。貫通孔１１ａは、一方の長手方向縁部において、樹脂ケース１１の上面の長手方向縁部の両端近傍と、その両端の間で間隔を空けた二か所の合計４個が形成されていて、他方の長手方向縁部において、樹脂ケース１１の上面の長手方向縁部の両端の間で間隔を空けた二か所の合計２個が形成されている。

樹脂ケース１１の上面の周縁に沿って外部端子１４Ａ〜１４Ｅの一端が突出している。このうち樹脂ケース１１の長手方向縁部の一方に配置された外部端子１４ＡはＵ端子、外部端子１４ＢはＶ端子、外部端子１４ＣはＷ端子である。また、樹脂ケース１１の長手方向縁部の他方に配置された外部端子１４ＤはＰ端子、外部端子１４ＥはＮ端子である。外部端子１４Ｄと外部端子１４Ｅとの組み合わせが合計３組で配置されている。これらの外部端子１４Ａ〜１４Ｅは、６ｉｎ１のパワー半導体モジュールの外部端子の配置の一例である。外部端子１４Ａ〜１４Ｅはインサート成形等により樹脂ケース１１に一体的に取り付けられている。外部端子１４Ａ〜１４Ｅの他端は、樹脂ケース１１の枠内に露出し、半導体チップ１６のおもて面に形成されている電極等とボンディングワイヤやリードフレーム（図示せず）等の導電部材により電気的に接続されている。

図２に、図１のパワー半導体モジュール１から樹脂ケース１１を取り外した形状、換言すればパワー半導体モジュール１の内部構造を斜視図で示す。なお、この斜視図では理解を容易にするために、樹脂ケース１１の上面で枠内を覆う蓋、枠内に注入される封止材及びボンディングワイヤの図示を省略して樹脂ケース１１内の積層基板１５及び半導体チップ１６が見えている状態を示している。

金属ベース板１２の第１面に、積層基板１５が配置されている。図示した本実施形態では、３個の積層基板１５が、金属ベース板１２の短手方向の中央で、長手方向に沿って一列に配置されている。各積層基板１５は、半導体チップ１６を搭載している。図示した本実施形態の半導体チップ１６は、いずれもＩＧＢＴとＦＷＤとを１チップ化した逆導通ＩＧＢＴ（ＲＣ−ＩＧＢＴ）の例であり、一個の積層基板１５上に図示した例では４個が配置されている。半導体チップ１６は、逆導通ＩＧＢＴに限られず、一個の積層基板１５上にＩＧＢＴとＦＷＤとをそれぞれ搭載することもできる。また、スイッチング素子は、ＩＧＢＴに限られず、ＭＯＳＦＥＴ等であってもよい。半導体チップ１６の基板にはシリコンの他、炭化けい素、窒化ガリウムやダイヤモンド等のワイドバンドギャップ材料も用いられる。

図３に図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図を示す。図３（ａ）に示された断面図中のｂで示す領域近傍の拡大断面図を図３（ｂ）に示す。積層基板１５は、セラミック等よりなる絶縁板１５ａと、この絶縁板１５ａのおもて面に選択的に形成された銅箔等よりなる回路板１５ｂと、この絶縁板１５ａの裏面に形成された銅箔等よりなる金属板１５ｃとを貼り合わせてなる。回路板１５ｂと半導体チップ１６の裏面とは、例えば接合材としてのはんだ１７により接合される。金属板１５ｃと金属ベース板１２の第１面とは、例えば接合材としてのはんだ１７により接合される。接合材にはろう材や焼結材を用いてもよい。接合材の代わりに、熱伝導性のグリースを金属ベース板１２と積層基板１５との間に介在させることもできる。樹脂ケース１１内における積層基板１５及び半導体チップ１６は、絶縁性を高めるため、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂又はシリコーン等の絶縁性ゲルよりなる封止材によって封止されている。なお、図３では、封止材や、半導体チップ１６の表面に形成されている電極と電気的に接続しているボンディングワイヤ等については図示を省略している。また、図３では、樹脂ケース１１の上面に取り付けられている蓋についても図示を省略している。

図４に、図１のパワー半導体モジュールの回路図を示す。パワー半導体モジュール１は、インバータ回路を構成する６ｉｎ１タイプのパワー半導体モジュールの例である。金属ベース板１２上の３個の積層基板１５は、インバータ回路のＵ相、Ｖ相及びＷ相を構成している。また、１つの積層基板１５上で４個の半導体チップ１６は、電気的に並列に接続された２個１組の合計２組が、インバータ回路を構成する一相における上アーム及び下アームを構成している。

図２において、１個の積層基板１５に接合された４個の半導体チップ１６のうち、金属ベース板１２の短手方向に沿って並列に配置された２個の半導体チップ１６Ａが電気的に並列に接続されて上アームを構成し、金属ベース板１２の短手方向に沿って並列に配置された２個の半導体チップ１６Ｂが電気的に並列に接続されて下アームを構成している。後で説明するように金属ベース板１２の直下で冷媒は、金属ベース板１２の短手方向と平行な方向に流れる。本実施形態で冷媒は冷却液である。この冷媒の移動方向に沿って上アームを構成する２個の半導体チップ１６Ａが配置されている。また、この冷媒の移動方向に沿って、下アームを構成する２個の半導体チップ１６Ｂが配置されている。

金属ベース板１２は、樹脂ケース１１と実質的に同じ又はそれ以上の大きさになる略長方形の板形状であり、第１面及び第２面を有している。金属ベース板１２は、熱伝導性の良好な金属、例えば銅、アルミニウム若しくはアルミニウム合金、又はこれらの金属と、ろう材との複合材料（クラッド材）よりなる。ろう材は、金属ベース板１２と冷却ケース１３又は金属ベース板１２とフィン１８とをろう付けするのに用いられる。
金属ベース板１２には、その厚さ方向に貫通するボルト孔１２ａが形成されている。このボルト孔１２ａは、樹脂ケース１１に形成された貫通孔１１ａと同じ間隔で形成され、貫通孔１１ａと同じ位置に配置されている。

金属ベース板１２の第２面に冷却ケース１３が接合されている。冷却ケース１３は、冷却ジャケットとも呼称される。図５に、冷却器２０の分解斜視図を示す。冷却ケース１３は、底壁１３ａ及び当該底壁１３ａの周りに形成された側壁１３ｂを有し、上端が開口となっている。この上端を金属ベース板１２に例えばろう付けにより接合することにより、金属ベース板１２と冷却ケース１３とで冷媒が漏れないように囲まれた略直方体の内部空間が形成されている。この内部空間に、複数のフィン１８が間隔を空けて配置されて一体化したフィンユニットからなるヒートシンク１９を構成している。半導体チップ１６を冷却する冷却器２０は、金属ベース板１２と冷却ケース１３とフィン１８を含む。冷却ケース１３の内部空間は外部から供給される冷媒を流通できる。

図示した本実施形態において、フィン１８は冷却ケース１３の短手方向に延びるように複数個がそれぞれ間隔を空けて並列に配置された複数の薄板を含む。図示したフィン１８は、上方から見て金属ベース板１２及び冷却ケース１３の短手方向に波形を有している。フィン１８の形状は、図示した波形の例に限られず、直線形でもよい。フィン１８は、金属ベース板１２と同様に熱伝導性の良好な金属からなる。各フィン１８の上端は金属ベース板１２の裏面に、ろう付けにより接合されている。これにより、半導体チップ１６から生じた熱は、積層基板１５及び金属ベース板１２を経てフィン１８に伝導される。

冷却ケース１３は、長手方向縁部の中央に、冷媒の入口部１３ｃ及び出口部１３ｄを有する。入口部１３ｃ及び出口部１３ｄは冷却ケース１３の側壁１３ｂに接続するとともに金属ベース板１２の裏面の周縁に沿って配置されている。入口部１３ｃはその底面に導入口１３ｅを有し、出口部１３ｄはその底面に排出口１３ｆを有している。これらの底面は金属ベース板１２に対し反対側に配置されている。導入口１３ｅを入口部１３ｃの底面に、また、排出口１３ｆを出口部１３ｄの底面にそれぞれ形成することにより、側面に形成する場合に比べて冷却器２０を構成する冷却ケース１３の高さを抑制できるので、小型化、薄型化、軽量化が求められている車載用のパワー半導体モジュールに好ましい。入口部１３ｃ及び出口部１３ｄは冷却ケース１３の底壁に接続するよう配置されてもよい。

冷却ケース１３は、金属ベース板１２及びフィン１８と同様に熱伝導性の良好な金属からなる。冷却ケース１３が、金属ベース板１２及びフィン１８と同種の材料からなることにより、熱膨張係数差による応力や歪みを抑制することができるので好ましい。冷却ケース１３は、例えば絞り加工により成形されている。

冷却ケース１３は、入口部１３ｃの導入口１３ｅ側に、第１フランジとしてのフランジ１３ｇ１を備えている。また、出口部１３ｄの排出口１３ｆ側に、第２フランジとしてのフランジ１３ｇ２（図２参照）を備えている。フランジ１３ｇ１、１３ｇ２は、概略ひし形の板であり、その長径方向が金属ベース板の長手方向に沿って延びるように配置されている。フランジ１３ｇ１、１３ｇ２は、概略楕円形の板であってもよい。フランジ１３ｇ１、１３ｇ２は、例えば導入口１３ｅ及び排出口１３ｆの周囲に、ろう材とアルミ材とのクラッド材からなるワッシャを介在させて、ろう付けすることより接合することができる。ワッシャのほか、接着によってフランジ１３ｇ１、１３ｇ２を固定してもよい。フランジ１３ｇ１、１３ｇ２は、ボルト締結に対して十分な強度を持つ材料、構造とする。フランジ１３ｇ１、１３ｇ２は、パワー半導体モジュール１を自動車のエンジン等に固定するのを容易にする部材である。

冷却ケース１３内の空間において、入口部１３ｃとフィンとの間には、外部から導入口１３ｅを通して導入された冷媒の流路１３ｉが形成されている（図６参照）。冷媒の流路１３ｉは入口側のヘッダ部に相当する。また、出口部１３ｄとフィン１８との間には、フィン１８間を流れた冷媒を、排出口１３ｆに向けて排出させるための流路１３ｊが形成されている（図６参照）。流路１３ｊは、出口側のヘッダ部に相当する。

薄板形状のフィン１８が冷却ケース１３の短手方向に沿って配置されることにより、入口部１３ｃから供給される冷媒は、冷媒の流路１３ｉを通ってフィン１８の間の冷媒流路を流れ、流路１３ｊを通って出口部１３ｄの排出口１３ｆから排出される。

先に述べたように、図２に示された６ｉｎ１タイプのパワー半導体モジュールにおいて、金属ベース板１２の短手方向に沿って配置された２個の半導体チップ１６Ａが上アームを、半導体チップ１６Ｂが下アームをそれぞれ構成している。上アームに対応する２個の半導体チップ１６Ａが、金属ベース板１２の直下でフィン１８間を流れる冷媒の移動方向に沿って配置されている。下アームに対応する２個の半導体チップ１６Ｂも同様に冷媒の移動方向に沿って配置されている。
ここで、第１半導体素子としての上アームを構成する２個の半導体チップ１６Ａを均等に冷却すると共に、第２半導体素子としての下アームを構成する２個の半導体チップ１６Ｂを均等に冷却して、ひいてはパワー半導体モジュール１全体の冷却効率を向上させるために、本実施形態の冷却器２０は、以下の構造を有している。

本実施形態の冷却器２０は、図５に示すように、冷却ケース１３の入口部１３ｃとフィン１８との間に第１の整流部材としての整流バー２１を備え、冷却ケースの底壁１３ａに、第２の整流部材として整流バー２２を備え、フィン１８は、冷媒の移動方向の上流側が底壁１３ａとの間に隙間を備えている。

第１の整流部材としての整流バー２１は、図５に示したように上下一対の棒材２１ａ及び棒材２１ｂからなる。棒材２１ａは、ヒートシンク１９の側面の上端にろう付けで固定されるか、又は金属ベース板１２の第２面にろう付けで固定される。棒材２１ｂは、ヒートシンク１９の側面の下端にろう付けで固定されるか、又は冷却ケース１３の底壁１３ａにろう付けで固定される。ヒートシンク１９は、フィン１８が一体化され、概略直方体形状を有する。棒材２１ａ及び棒材２１ｂは、フィン１８に固定されてヒートシンクの一部として一体化されていることが、冷却器２０の組み立て時にヒートシンク１９の取り付け作業性が向上するので好ましい。棒材２１ａ及び棒材２１ｂの高さは、例えばフィン１８の下流側の高さ、換言すれば冷媒流路の高さが８ｍｍである場合に、それぞれ２．５ｍｍ程度であり、棒材２１ａと棒材２１ｂとの間の隙間は３ｍｍ程度である。棒材２１ａ及び棒材２１ｂは、棒材２１ａ及び棒材２１ｂの長さは、ヒートシンク１９の長手方向の長さとほぼ同じにしている。棒材２１ａ及び棒材２１ｂは、フィン１８と同様の材料からなることが好ましい。

ヒートシンク１９は、図５に示すように冷媒の移動方向の上流側のフィンの高さｈ１が、下流側のフィンの高さｈ２よりも小さい。したがって、上流側のフィン１８の底壁１３ａに対向する先端は、冷却ケース１３の底壁１３ａとは非接触であり、換言すればフィン１８の底壁１３ａに対向する先端と、冷却ケース１３の底壁１３ａとの間に隙間が形成されている。隙間ｃの高さは、例えばフィンの高さ、換言すれば冷媒流路の高さが８ｍｍである場合に、１〜２ｍｍ程度である。

一方、ヒートシンク１９は、冷媒の移動方向の下流側は、フィン１８の底壁１３ａに対向する先端は、冷却ケース１３の底壁１３ａとは接触していて、より具体的には、ろう付けにより固定されている。ここに、ヒートシンク１９の上流側は、図２に示した半導体チップ１６の上アームを構成する２個の半導体チップ１６Ａのうちの一方と、下アームを構成する２個の半導体チップ１６Ｂのうちの一方が配置される領域である。また、ヒートシンク１９の下流側は、上アームを構成する２個の半導体チップ１６Ａのうちの残りの一つと、下アームを構成する２個の半導体チップ１６Ｂのうちの残りの一つが配置される領域である。また、ヒートシンク１９の上流側と下流側とは、通常は、当該ヒートシンク１９を短手方向で二等分する位置で区分される。

第２の整流部材としての整流バー２２は、図５に示すように、冷却ケース１３の底壁１３ａから突出して、フィン１８の延伸方向に交差する方向に延在している。整流バー２２は、底壁１３ａと同様の材料等からなる棒材が、底壁１３ａにろう付け等により固定されている。整流バー２２は、上記ヒートシンク１９の上流側と下流側とを区分する境界の位置に配置されることが好ましい。整流バー２２の高さは、例えば、フィン１８の下流側の高さ、換言すれば冷媒流路の高さが８ｍｍである場合に、４ｍｍ程度である。また、整流バー２２の高さを１とするとき、上述した上流側のフィン１８と底壁１３ａとの隙間ｃの
高さは０．２５〜０．５倍程度である。

整流バー２２の断面形状は四角形に限られない。底辺が底壁１３ａに接する三角形でもよいし、楕円系、半円形でもよい。

図５に示すヒートシンク１９は、冷却ケース１３の出口部１３ｄとフィン１８との間に第３の整流部材としての整流バー２３を備えている。整流バーは、上下一対の棒材２３ａ及び棒材２３ｂからなる。棒材２３ａは、フィン１８が一体化されて概略直方体形状を有するヒートシンク１９の側面の上端にろう付けで固定されるか、又は金属ベース板１２の第２面にろう付けで固定される。棒材２３ｂは、フィン１８が一体化されて概略直方体形状を有するヒートシンク１９の側面の下端にろう付けで固定されるか、又は金属ベース板１２の第２面にろう付けで固定される。棒材２３ａ及び棒材２３ｂは、フィン１８に固定されてヒートシンク１９の一部として一体化されていることが、冷却器２０の組み立て時のヒートシンク１９の取り付け作業性が向上するので好ましい。棒材２３ａ及び棒材２３ａの高さは、例えばフィン１８の下流側の高さ、換言すれば冷媒流路の高さが８ｍｍである場合に、それぞれ２．５ｍｍ程度であり、棒材２３ａと棒材２３ｂとの間の隙間は３ｍｍ程度である。棒材２３ａ及び棒材２３ｂの長さは、ヒートシンク１９の長手方向の長さとほぼ同じにしている。棒材２３ａ及び棒材２３ｂは、フィン１８と同様の材料からなることが好ましい。

図６を用いて本実施形態の冷却器２０の効果を説明する。図６は、図２に示した冷却器２０のＶＩ−ＶＩ線で切断した断面図である。なお、図６において、理解を容易にするために積層基板１５及び半導体チップ１６の図示を省略している。本実施形態の冷却器２０は、第１の整流部材としての上下一対の整流バー２１を備えることにより、入口部１３ｃから冷媒の流路１３ｉに導かれた冷媒は、棒材２１ａ、２１ｂの間のスリットを通ってフィン１８の間の流路１３ｋを流れる。整流バー２１は、上記流路１３ｋに向かう冷媒の圧力がヒートシンク１９の長手方向にわたって均一になるように調整するとともに、フィン１８の間の流路１３ｋを流れる冷媒の流れを整える。整流バー２１によって、ヒートシンク１９に流入する冷媒の圧力を、当該ヒートシンク１９の長手方向にわたって均一にできることは、入口側のヘッダ部に相当する冷媒の流路１３ｉが、冷却器２０の長手方向に沿って配置されている本実施形態の冷却器２０の場合に特に効果があり、また、導入口１３ｅが冷却器２０の長手方向の周縁に沿って設けられている本実施形態の冷却器２０の場合に特に効果がある。

また、フィン１８の上流側は、底壁１３ａに対向する先端と、冷却ケース１３の底壁１３ａとの間に隙間ｃが形成されていることにより、フィン１８の上流側における冷媒の流速を、下流側に比べて高めることができる。したがって、フィン１８の上流側では、フィン１８の直上に配置された半導体チップ１６の発熱による冷媒の温度上昇を抑制することができ、下流側のフィン１８に、温度上昇が抑制された冷媒を供給することができる。したがって、下流側のフィン１８直上に配置された半導体チップの温度上昇を抑制することができ、ひいては、フィン１８の上流側に配置された半導体チップ１６Ａと下流側に配置された半導体チップ１６Ｂとを均等に冷却することができる。

更に、第２の整流部材としての整流バー２２を備えることにより、ヒートシンク１９内でフィン１８の間の冷媒流路を流れる冷媒の圧力を調製することができ、上述した隙間ｃとの関係で、フィン１８の下流側における冷媒の流速を調整することができる。ひいてはフィン１８の上流側に配置された半導体チップ１６Ａと下流側に配置された半導体チップ１６Ｂとを均等に冷却することができる。
これらの効果の相乗により高い放熱性能を有し、冷却効率の高い冷却器が得られる。本発明により、１相当たり５００Ｗ以上の出力を有する半導体モジュール用の冷却器が得られる。

本発明のパワー半導体モジュールは、図２に示した６ｉｎ１のパワー半導体モジュールに限られない。４ｉｎ１のパワー半導体モジュールにおいて、半導体チップがフィン１８の上流側及び下流側に配置されるものについても本発明の冷却器を用いることができ、高い放熱性能が得られる。

図１〜６に示した本実施形態の冷却器２０を用いたパワー半導体モジュール１の冷却性能について、シミュレーション実験を行い、比較例の冷却器を用いたパワー半導体モジュールと比較した。冷却条件は、冷媒がエチレングリコール系の希釈ロングライフクーラントを用い、流量は６Ｌ／ｍｉｎ、半導体チップ１６の最高温度は６０℃とした。

フィン１８の下流側の高さを８ｍｍとし、整流バー２１の棒材２１ａ、２２ａの高さをそれぞれ２．５ｍｍとした。フィン１８の上流側と底壁１３ａとの間の隙間ｃは１ｍｍと２ｍｍの２種類とした。整流バー２２の高さは４ｍｍとした。

比較例は、図７に断面図で示す冷却器を用いた例である。図７は、図６と同様の断面図であり、図７に示した冷却器は、隙間ｃがなく、整流バー２２がない例であった。
上記冷却条件で冷却性能を調べた結果を表１に示す。

隙間ｃが１ｍｍだった実施例１は熱抵抗最大値が０．１４７Ｋ／Ｗであり、隙間ｃが２ｍｍだった実施例２は、熱抵抗最大値が０．１４９Ｋ／Ｗであった。また、熱抵抗ばらつきは、実施例１は７％、実施例２は６．５％であった。
これに対して、隙間ｃがなく、整流バー２１がなく、整流バー２２がなかった比較例は、熱抵抗最大値が０．１５１Ｋ／Ｗであった。また、熱抵抗ばらつきは、１０％であった。

以上、本発明の冷却器及びパワー半導体モジュール等の実施形態を、図面を用いて説明したが、本発明の冷却器及びパワー半導体モジュール等は、各実施形態及び図面の記載に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で幾多の変形が可能であることはいうまでもない。

１ パワー半導体モジュール
１１ 樹脂ケース
１１ａ 貫通孔
１２ 金属ベース板
１３ 冷却ケース
１３ａ 底壁
１３ｂ 側壁
１３ｃ 入口部
１３ｄ 出口部
１３ｅ 導入口
１３ｆ 排出口
１３ｇ１、１３ｇ２ フランジ
１５ 積層基板
１６ 半導体チップ（半導体素子）
１８ フィン
１９ ヒートシンク
２０ 冷却器
２１ 整流バー（第１の整流部材）
２１ａ、２１ｂ 棒材
２２ 整流バー（第２の整流部材）

Claims (11)

1. 第１面及び第２面を備える金属ベース板と、
   底壁及び前記底壁の周りに形成された側壁を有し、前記側壁の一端が前記金属ベース板の第２面側に接合され、前記金属ベース板、前記底壁及び前記側壁により囲まれた空間内に冷媒を流通可能な冷却ケースと、
   前記冷却ケースの前記底壁及び前記側壁のいずれかに接続するとともに前記金属ベース板の第２面の長手側の周縁に沿って配置された冷媒の入口部及び出口部と、
   前記冷却ケース内に収容されて前記冷却ケースの短手方向に延在し、冷媒の流路を形成する板状のフィンと、
   前記フィンと前記入口部との間で、前記冷媒の流路に交差する方向に延在し、前記金属ベース板の第２面と、前記冷却ケースの底壁とにそれぞれ接して配置された一対の第１の
   整流部材と、
   前記フィンにより形成された冷媒の流路内で、前記冷媒の流路に交差する方向に延在し、前記冷却ケースの底壁に接して配置された第２の整流部材と、
   を備え、
   前記フィンにより形成された冷媒の流路の上流側に、前記フィンの前記底壁に対向する先端と前記冷却ケースの底壁との間に隙間を備え、
   前記フィンにより形成された冷媒の流路の下流側で、前記フィンの前記底壁に対向する先端が、前記冷却ケースの底壁と固定されている冷却器。
2. 前記冷媒の入口部と出口部が、前記金属ベース板の第２面の長手方向中央部に配置された請求項１記載の冷却器。
3. 前記フィンが、波形を有する請求項１記載の冷却器。
4. 前記第１の整流部材が、前記フィンと固定されている請求項１記載の冷却器。
5. 前記第２の整流部材が、前記冷却ケースの底壁に固定されている請求項１記載の冷却器。
6. 前記第２の整流部材が、前記フィンの上流側と下流側との境界に配置されている請求項１記載の冷却器。
7. 前記第２の整流部材の高さを１とするとき、前記隙間の高さが０．２５〜０．５倍である請求項１記載の冷却器。
8. 前記入口部の導入口側に配置された第１フランジ及び前記出口部の排出口側に配置された第２フランジを備える請求項１記載の冷却器。
9. 請求項１記載の冷却器を備え、
   おもて面及び裏面を備え、前記金属ベース板の第１面に前記裏面が接合された積層基板と、
   前記積層基板のおもて面に接合された半導体素子と、
   を備えたパワー半導体モジュール。
10. 前記半導体素子の複数個が、前記冷却ケースを流通し得る冷媒の移動方向に沿って配置されている請求項９記載のパワー半導体モジュール。
11. 前記半導体素子が、インバータ回路の上アームを構成する複数の第１半導体素子及び前記インバータ回路の下アームを構成する複数の第２半導体素子を含み、かつ、前記第１半導体素子及び第２半導体素子がそれぞれ、前記冷却ケースを流通し得る冷媒の移動方向に沿って配置されている請求項９記載のパワー半導体モジュール。

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