JP7047929B2 - 半導体装置 - Google Patents

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においては、モータを可変駆動する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、複数のパワー半導体素子を備えた半導体モジュール（パワー半導体モジュール）が用いられている。一般に、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連れてその発熱量が増大している。

従来、パワー半導体モジュールを冷却するために、冷媒式の冷却器を備えた半導体装置が提案されている。例えば、このような冷媒式冷却器では、パワー半導体素子が搭載される絶縁基板における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、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。外部ポンプにより加圧された冷却媒体を冷却ケース内の流路に流すことにより、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。

このような冷却器を備える半導体装置では、冷却ケースに対する適切な位置に放熱基板を取り付けることが要求される。従来、冷媒流路が形成された冷却ケースの一部に凹部を設ける一方、放熱基板を構成する冷却フィンベースの一部に当該凹部に嵌る凸部を設け、冷却ケースに対する適切な位置に冷却フィンベースを取り付ける半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６－９２２０９号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の半導体装置においては、冷却ケース及び冷却フィンベースの双方に位置決めのための構成を設ける必要がある。このため、半導体装置を構成する部品が複雑になるという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、複雑な構成を必要とすることなく、冷却ケースに対して精度良く放熱基板を位置決めすることができる半導体装置を提供することを目的の１つとする。

本実施形態の半導体装置は、第１面と前記第１面と反対側の第２面を有する絶縁基板と、前記絶縁基板の前記第１面上に搭載された半導体素子と、前記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、前記冷却器は、接合面と前記接合面の反対側の放熱面を有し、前記絶縁基板の前記第２面に前記接合面が接合される放熱基板と、前記放熱基板における前記放熱面に設けられた複数のフィンと、前記複数のフィンを収容する凹部を有する冷却ケースと、前記凹部に沿って前記凹部よりも外周側に配置されたＯリングと、を備え、前記放熱面には、前記冷却ケースにおける前記凹部の内壁面の一部と係合する位置決め用の複数の係合片が設けられ、前記複数のフィン及び前記複数の係合片は、前記放熱基板に一体的に設けられていることを特徴としている。

本発明によれば、複雑な構成を必要とすることなく、冷却ケースに対して精度良く放熱基板を位置決めすることができる。

本実施の形態に係る半導体装置の斜視図である。 本実施の形態に係る半導体装置が有する冷却ケースの斜視図及び平面図である。 本実施の形態に係る半導体装置の放熱基板に設けられるフィンの説明図である。 本実施の形態に係る半導体装置の冷却媒体の流れの説明図である。 図４に示すＡ－Ａ線で切断した断面図である。 本実施の形態に係る半導体装置に樹脂ケースを取り付けた状態の斜視図である。

以下、本実施の形態に係る半導体装置の構成について、図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体装置の斜視図である。図２は、本実施の形態に係る半導体装置が有する冷却ケースの斜視図及び平面図である。図１Ａにおいては、本実施の形態に係る半導体装置１が有する放熱基板２１を示し、図１Ｂにおいては、この放熱基板２１が取り付けられる冷却ケース２３を示している。図２Ａにおいては、図１Ｂに示す冷却ケース２３を回転させて示し、図２Ｂにおいては、冷却ケース２３を上方から示している。以下においては、説明の便宜上、図１に示す上下方向、左右方向及び前後方向を半導体装置の上下方向、左右方向及び前後方向として説明するものとする。また、本明細書において、平面視は、半導体装置の上面を上方向から視た場合を意味する。

図１に示すように、本実施の形態に係る半導体装置１は、半導体モジュール１０と、この半導体モジュール１０を冷却する冷却器２０とを含んで構成される。半導体モジュール１０は、後述する冷却器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、例えば、半導体モジュール１０は、三相インバータ回路を構成する。例えば、回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、それぞれ三相インバータ回路を形成するＷ相用回路、Ｖ相用回路及びＵ相用回路を構成する。

図１Ａに示すように、Ｗ相用回路を構成する回路素子部１１Ａは、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、下側アームを構成する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とを有している。これらのＩＧＢＴ素子１２及びフリーホイールダイオード１３が、放熱基板２１に接合された絶縁基板１４上に実装されている。

Ｖ相用回路を構成する回路素子部１１Ｂ及びＵ相用回路を構成する回路素子部１１Ｃについても、回路素子部１１Ａと同様の構成を有している。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、ここでは、半導体モジュール１０が三相インバータ回路を構成する場合について説明している。しかしながら、本発明に係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場合に限定されず、適宜変更が可能である。

冷却器２０は、図１Ａに示す放熱基板２１と、放熱基板２１に設けられる複数のフィン２２（図３参照）と、図１Ｂに示す冷却ケース２３とを含んで構成される。詳細について後述するように、フィン２２は、放熱基板２１における絶縁基板１４が接合される面（接合面）とは反対側の面（放熱面）に設けられている。放熱基板２１は、冷却ケース２３の上部に取り付けられる。放熱基板２１の下面（放熱面）に設けられた複数のフィン２２は、冷却ケース２３に形成された凹部２４に収容される。なお、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称呼されることがある。

図１Ａに示すように、放熱基板２１は、概して長方形状を有する金属板材で構成される。例えば、放熱基板２１は、アルミニウム、銅、鉄などの金属材料で構成される。放熱基板２１は、その長手方向が半導体装置１の左右方向に延び、その短手方向が半導体装置１の前後方向に延びている。半導体モジュール１０は、放熱基板２１の上面の中央領域に配置されている。本実施の形態では、半導体モジュール１０を構成する回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃが、放熱基板２１の中央領域において、左右方向に並べて配置されている。また、放熱基板２１の四隅部近傍には、ねじ孔２１１が貫通して形成されている。ねじ孔２１１には、放熱基板２１を冷却ケース２３に固定するためのねじ（締結部材）が挿通される。

冷却ケース２３は、図１Ｂ及び図２に示すように、略直方体形状の外形を有し、平面視にて、長方形状を有している。平面視した場合の冷却ケース２３の外形は、実質的に放熱基板２１の外形と同一の形状を有している。冷却ケース２３は、底壁２３１と、この底壁２３１の周縁に設けられた側壁２３２とを有し、上部が開口した箱型形状を有している。言い換えると、冷却ケース２３の上面には、凹部２４が形成されている。凹部２４は、底壁２３１の上面と、側壁２３２の内壁面と、後述する拡散壁２３７及び収束壁２３８の上面（傾斜面）とで規定される。凹部２４は、平面視にて、長手方向を半導体装置１の左右方向に配置した長方形状を有している（図２Ｂ参照）。

冷却ケース２３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２３３と、冷却ケース２３内から冷却媒体を排出するための排出口２３４とが設けられている。導入口２３３及び排出口２３４は、それぞれ長手方向に沿って延在する第１側壁２３２ａ、第２側壁２３２ｂの一部に設けられている。導入口２３３は、第１側壁２３２ａの一端部（図１に示す右方側端部）の近傍であって、凹部２４に連通する位置に配置されている。排出口２３４は、第２側壁２３２ｂの他端部（図１に示す左方側端部）の近傍であって、凹部２４に連通する位置に配置されている。導入口２３３及び排出口２３４は、凹部２４における長手方向の中心線ＣＬ１から互いに逆方向にずれた位置に配置されている。導入口２３３及び排出口２３４には、それぞれ導入管２３３ａ及び排出管２３４ａが接続されている。

側壁２３２の上面には、Ｏリング２３５が取り付けられている。Ｏリング２３５は、側壁２３２における凹部２４寄りの位置であって、凹部２４を囲むように配置されている。Ｏリング２３５は、冷却ケース２３に対して放熱基板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場合に、冷却ケース２３内から液漏れするのを防止する役割を果たす。なお、液漏れ防止の構成については、Ｏリング２３５に限定されず、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（側壁２３２）の四隅部の近傍には、ねじ孔２３６が形成されている。ねじ孔２３６は、放熱基板２１を冷却ケース２３に重ねた場合に、放熱基板２１のねじ孔２１１と対応する位置に配置されている。冷却ケース２３に放熱基板２１を重ねた状態で、ねじ孔２１１を介してねじ孔２３６にねじ（締結部材）を挿入して締結することにより、冷却ケース２３に対して放熱基板２１が取り付けられる。

冷却ケース２３の凹部２４内において、底壁２３１と第１側壁２３２ａとの間には、拡散壁２３７が設けられている。また、凹部２４内において、底壁２３１と第２側壁２３２ｂとの間には、収束壁２３８が設けられている。拡散壁２３７は、底壁２３１の前方側に配置され、底壁２３１の前縁に接続されている。収束壁２３８は、底壁２３１の後方側に配置され、底壁２３１の後縁に接続されている。これらの拡散壁２３７及び収束壁２３８は、半導体装置１の長手方向に沿って延びている。拡散壁２３７は、傾斜面で構成され、導入口２３３から導入された冷却媒体を第１側壁２３２ａに沿って拡散させる役割を果たす。収束壁２３８は、傾斜面で構成され、冷却ケース２３内の冷却媒体を第２側壁２３２ｂに沿って排出口２３４へ収束させる役割を果たす。

ここで、放熱基板２１の下面に設けられるフィン２２の構成について、図３を参照して説明する。図３は、本実施の形態に係る半導体装置１の放熱基板２１に設けられるフィン２２の説明図である。図３Ａにおいては、放熱基板２１の下面を上方側に向けた状態の斜視図を示し、図３Ｂにおいては、放熱基板２１を下方側から見た平面図を示している。また、図３Ｂにおいては、説明の便宜上、冷却ケース２３に取り付けられた場合における凹部２４の外形部分を破線２４１で示している。

フィン２２は、放熱基板２１の下面に一体的に設けられている。フィン２２は、放熱基板２１と同一の金属材料で構成されてよい。フィン２２は、放熱板、言い換えると、ヒートシンク（heat sink）として用いられる。例えば、フィン２２には、図３に示すように、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れたピンフィンを用いることができる。放熱基板２１に設けられるフィン２２の構成については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、図３に示す角柱形状の代わりに円柱形状のピンを設けることや、前後方向に延在するブレード形状の複数のフィンを互いに平行に配列する構成としてもよい。

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（より具体的には、冷却ケース２３の凹部２４）に収容された場合に、フィン２２の先端と冷却ケース２３の底壁２３１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（図５参照）。

放熱基板２１において、フィン２２が設けられる領域は、絶縁基板１４が放熱基板２１に接合された状態において、絶縁基板１４上の半導体素子（ＩＧＢＴ素子１２、フリーホイールダイオード１３）の実装領域の反対側（裏面側）の領域を含むことが好ましい。言い換えると、フィン２２が放熱基板２１に一体的に設けられる領域は、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。

本実施の形態において、放熱基板２１の下面（放熱面）には、角柱形状を有するフィン２２を複数配列したフィン２２の集合体２２ａが設けられている。このフィン２２の集合体２２ａの外形は、略直方体形状を有している。より好ましくは、フィン２２の集合体２２ａの外形は、直方体形状であるが、これらに限定されるものではなく、面取りや変形された形状であってもよい。フィン２２の集合体２２ａの長手方向は、冷却ケース２３（凹部２４）の長手方向と合致している。図３においては、略直方体形状を有するフィン２２の集合体２２ａの長手方向における中心線ＣＬ２を示している。放熱基板２１が冷却ケース２３に取り付けられた状態において、この中心線ＣＬ２は、凹部２４の長手方向の中心線ＣＬ１（図２Ｂ参照）と一致する。

また、放熱基板２１の下面（放熱面）には、フィン２２の集合体２２ａの近傍に位置決め用の係合片２２１、２２２が設けられている。これらの係合片２２１、２２２は、放熱基板２１の下面に一体的に設けられている。係合片２２１、２２２は、放熱基板２１と同一の金属材料で構成されてよい。係合片２２１は、フィン２２の集合体２２ａの左前方側の角部に対応する位置に配置され、係合片２２２は、フィン２２の集合体２２ａの右後方側の角部に対応する位置に配置されている。これらの係合片２２１、２２２は、それぞれ角柱形状のピン（角ピン）を複数個（本実施の形態では３個）配列して構成されている。

図３Ｂに示すように、係合片２２１は、放熱基板２１の左前方側の角部に対応して配置された基準係合片２２１ａと、この基準係合片２２１ａの右方側及び後方側に配置された一対の補助係合片２２１ｂ、２２１ｃとを有している。基準係合片２２１ａと、補助係合片２２１ｂ、２２１ｃとは、同一の形状を有してよい。係合片２２１は、平面視にて、隣り合う角柱形状のピンの２辺を半導体装置１の前方側及び左方側に向けた構成を有している。

また、係合片２２２は、係合片２２１と同様に、放熱基板２１の右後方側の角部に対応して配置された基準係合片２２２ａと、この基準係合片２２２ａの前方側及び左方側に一対の補助係合片２２２ｂ、２２２ｃとを有している。基準係合片２２２ａと、補助係合片２２２ｂ、２２２ｃとは、同一の形状を有してよい。係合片２２２は、平面視にて、隣り合う角柱形状のピンの２辺を半導体装置１の右方側及び後方側に向けた構成を有している。また、基準係合片２２２ａ及び補助係合片２２２ｂ、２２２ｃと、基準係合片２２１ａ及び補助係合片２２１ｂ、２２１ｃとは、同一の形状を有してよい。

これらの係合片２２１、２２２は、冷却ケース２３に対して放熱基板２１を取り付ける際の位置決めに利用される。これらの係合片２２１、２２２は、冷却ケース２３に対して放熱基板２１を取り付ける際、冷却ケース２３の凹部２４の内壁面の一部に係合し、冷却ケース２３に対する放熱基板２１の位置を決める役割を果たす。係合片２２１、２２２は、それぞれ凹部２４における対角に配置される角部２４２、２４３の内壁面に係合する。より具体的には、係合片２２１が凹部２４の左前方側の角部２４２の内壁面に係合し、係合片２２２が凹部２４の右後方側の角部２４３の内壁面に係合する。

基準係合片２２１ａ、２２２ａは、一対の係合片を構成するものであり、それぞれ凹部２４の角部２４２、２４３の形状に対応する外形形状を有している。基準係合片２２１ａ、２２２ａは、正方形の断面形状を有し、その直角形状部でそれぞれ凹部２４の角部２４２、２４３に係合する。補助係合片２２１ｂ、２２１ｃ及び補助係合片２２２ｂ、２２２ｃは、それぞれ基準係合片２２１ａ及び基準係合片２２２ａの周辺に配置される補助係合片を構成するものであり、凹部２４の内壁面の一部と係合する。

放熱基板２１の下面（放熱面）において、基準係合片２２１ａと補助係合片２２１ｂ、２２１ｃとの間隔は、フィン２２の集合体２２ａを構成するフィン２２同士の間隔よりも狭く設定されている。詳細について後述するように、冷却ケース２３内に導入された冷却媒体が、基準係合片２２１ａと補助係合片２２１ｂ、２２１ｃとの隙間に入り難くするためである。基準係合片２２２ａと補助係合片２２２ｂ、２２２ｃとの間隔についても同様である。なお、基準係合片２２１ａ（２２２ａ）と補助係合片２２１ｂ、２２１ｃ（２２２ｂ、２２２ｃ）との隙間を排除することは、熱抵抗及び圧力損失の劣化を抑制する観点から好ましい。

また、係合片２２１、２２２の寸法は、冷却媒体の冷却ケース２３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）等を考慮して、適宜設定することが好ましい。例えば、係合片２２１、２２２を構成する各係合片の寸法は、一辺の長さが５ｍｍ、高さが３～５ｍｍに設定される。一辺の長さを５ｍｍに設定することにより凹部２４の内壁面の一部に適切に接触させることができる。また、高さを３～５ｍｍに設定することにより凹部２４の下面との間にクリアランスを形成でき、冷却媒体を流れ易くすることができる。

図１Ａに示す放熱基板２１を、図１Ｂに示す冷却ケース２３に取り付けた場合の平面図を図４に示し、図４におけるＡ－Ａ線で切断した断面図を図５に示す。なお、図４及び図５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上の構成要素を省略している。また、図４においては、説明の便宜上、放熱基板２１の下面に設けられたフィン２２及び係合片２２１、２２２を示すと共に、凹部２４内の冷却媒体の流れを矢印にて示している。

冷却ケース２３に放熱基板２１を取り付ける際には、図４に示すように、凹部２４の内壁面に係合片２２１、２２２を係合させる。より具体的には、凹部２４の角部２４２の内壁面に係合片２２１を係合させる一方、凹部２４の角部２４３の内壁面に係合片２２２を係合させる。これにより、冷却ケース２３に対する放熱基板２１の位置決めが行われる。この状態で放熱基板２１のねじ孔２１１を介して、冷却ケース２３のねじ孔２３６に不図示のねじを挿通することで、放熱基板２１が冷却ケース２３の上面に締結される。このように冷却ケース２３に放熱基板２１に取り付けられた状態において、冷却ケース２３内に冷却媒体が導入される。

図５に示すように、拡散壁２３７は、第１側壁２３２ａの底辺から底壁２３１に向かって形成される上り傾斜面で構成される。一方、収束壁２３８は、底壁２３１から第２側壁２３２ｂの底辺に向かって形成される下り傾斜面で構成される。拡散壁２３７及び収束壁２３８が傾斜面で構成されることにより、これらが導入口２３３や排出口２３４に対して垂直に設けられる場合に発生し得る渦流が抑制される。

冷却ケース２３内に拡散壁２３７が設けられることにより、導入口２３３から導入された冷却媒体は、拡散壁２３７に衝突し、拡散壁２３７に沿って冷却ケース２３の長手方向（より具体的には、図４に示す左方側方向）に拡散する。そして、冷却媒体は、底壁２３１に対向して配置されたフィン２２間の隙間を通過して冷却ケース２３の短手方向（より具体的には、図４に示す後方側）に流れてヒートシンクと熱交換を行う。その後、冷却媒体は、収束壁２３８に沿って流れて収束され、排出口２３４から冷却ケース２３外に排出される。

このように半導体装置１において、放熱基板２１の下面（放熱面）には、冷却ケース２３の凹部２４の内壁面の一部と係合する位置決め用の複数の係合片２２１、２２２が設けられている。このため、フィン２２を収容する凹部２４の一部を活用して冷却ケース２３に対する放熱基板２１の位置決めを行うことができる。これにより、複雑な構成を必要とすることなく、冷却ケース２３に対して精度良く放熱基板２１を位置決めすることができる。

特に、係合片２２１、２２２には、凹部２４の対角に配置される角部２４２、２４３に係合する一対の基準係合片２２１ａ、２２２ａが含まれている。これにより、凹部２４の対角に配置される角部２４２、２４３で放熱基板２１を冷却ケース２３に位置決めできるので、冷却ケース２３に対する位置ずれを効果的に防止することができる。

また、基準係合片２２１ａ、２２２ａは、第１側壁２３２ａ又は第２側壁２３２ｂに連続する角部のうち、導入口２３３又は排出口２３４から離間した位置に配置される角部２４２、２４３にそれぞれ係合するように構成されている（図４参照）。これにより、導入口２３３から導入され、或いは、排出口２３４から排出される冷却媒体の流速を低下させることなく、冷却ケース２３に対する放熱基板２１の位置決めを行うことができる。

さらに、基準係合片２２１ａ、２２２ａは、第１側壁２３２ａ又は第２側壁２３２ｂに連続する角部２４２、２４３の形状に対応する外形形状を有している。これにより、凹部２４の角部２４２、２４３の形状を利用して効率的に冷却ケース２３に対する放熱基板２１の位置決めを行うことができる。より具体的には、基準係合片２２１ａ、２２２ａは、正方形状の断面形状を有し、直角形状部で角部２４２、２４３に係合するように構成されている。基準係合片２２１ａ、２２２ａが有する直角形状部によって角部２４２、２４３に係合することから、確実に冷却ケース２３に対する放熱基板２１の位置決めを行うことができる。

基準係合片２２１ａ及び基準係合片２２２ａの周辺には、それぞれ凹部２４の内壁面の一部と係合する補助係合片２２１ｂ、２２１ｃ及び補助係合片２２２ｂ、２２２ｃが設けられている。これにより、基準係合片２２１ａ、２２２ａだけでなく、複数の係合片で凹部２４の内壁面に係合させることができるので、強度を確保しながら冷却ケース２３に対して放熱基板２１を位置決めすることができる。

なお、基準係合片２２１ａ（２２２ａ）と、補助係合片２２１ｂ、２２１ｃ（２２２ｂ、２２２ｃ）との間隔は、フィン２２の集合体２２ａを構成するフィン２２同士の間隔よりも狭く設定されている。これにより、冷却ケース２３内に導入された冷却媒体が、基準係合片２２１ａ（２２２ａ）と、補助係合片２２１ｂ、２２１ｃ（２２２ｂ、２２２ｃ）との隙間に入り難くすることができる。これにより、係合片２２１（２２２）を設ける場合であっても、係合片２２１（２２２）が冷却ケース２３内に導入された冷却媒体の流速に与える影響を低減することができる。

また、係合片２２１、２２２は、放熱基板２１と同一の金属材料で構成されてよい。これにより、放熱基板２１の製造工程で係合片２２１、２２２を製造することができるので、係合片２２１、２２２を形成するために特別な工程を追加する必要がない。したがって、特別な製造工程を追加することなく、既存の製造工程で放熱基板２１に係合片２２１、２２２を形成することができる。

さらに、半導体装置１において、放熱基板２１は、これらの係合片２２１、２２２を凹部２４の内壁面の一部に係合させた状態で冷却ケース２３に対してねじ（締結部材）により締結される。これにより、冷却ケース２３に位置決めした状態で放熱基板２１を固定することができ、放熱基板２１の位置ズレに起因する冷却器２０における冷却性能の劣化や締結不具合を防止することができる。

ここで、図６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を構成する放熱基板２１の周縁部に取り付けられた形態の半導体装置１を斜視図で示す。図６に示すように、樹脂ケース１５は、略直方体形状の外形を有している。放熱基板２１に取り付けられた状態において、樹脂ケース１５は、上方から見たときの長手方向、短手方向の寸法が、冷却器２０（冷却ケース２３）と略同一の寸法を有している。

樹脂ケース１５の上面には、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。しかしながら、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る。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。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、上記実施の形態においては、冷却ケース２３に設けられた凹部２４が略長方形状を有する場合について説明している。しかしながら、凹部２４の形状については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、凹部２４は、正方形などの矩形状に変更してもよい。

また、上記実施の形態においては、放熱基板２１に設けられた係合片２２１、２２２が、それぞれ凹部２４の対角に配置される角部２４２、２４３に係合する場合について説明している。しかしながら、凹部２４の内壁面に係合する係合片の構成は、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、角部２４２、２４３以外の角部に係合する係合片を更に備えるようにしてもよい。但し、この場合には、導入口２３３又は排出口２３４の位置を適宜変更する必要がある。また、係合片２２１、２２２は、凹部２４の内壁面の一部に係合することを前提として、角部２４２、２４３以外の部分に係合する構成としてもよい。

さらに、上記実施の形態においては、放熱基板２１の下面（放熱面）に設けられる係合片２２１、２２２が複数の係合片で構成される場合について示している。しかしながら、係合片２２１、２２２の構成については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、係合片２２１、２２２は、それぞれ正方形や直角三角形の断面形状を有する単一の係合片で構成されてもよい。

直角三角形の断面形状を有する単一の係合片を適用する場合においては、直角形状部でそれぞれ凹部２４の角部２４２、２４３に係合することが好ましい。この場合には、冷却ケース２３内に導入された冷却媒体に対する係合片の接触面積を小さくすることができる。これにより、冷却ケース２３内に導入された冷却媒体の流速への係合片の影響を更に低減できる。

下記に、上記の実施の形態における特徴点を整理する。
上記実施の形態に係る半導体装置は、第１面と前記第１面と反対側の第２面を有する絶縁基板と、前記絶縁基板の前記第１面上に搭載された半導体素子と、前記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、前記冷却器は、接合面と前記接合面の反対側の放熱面を有し、前記絶縁基板の前記第２面に前記接合面が接合される放熱基板と、前記放熱基板における前記放熱面に設けられた複数のフィンと、前記複数のフィンを収容する凹部を有する冷却ケースと、を備え、前記放熱面には、前記冷却ケースにおける前記凹部の内壁面の一部と係合する位置決め用の複数の係合片が設けられることを特徴とする。この構成によれば、放熱基板における放熱面には、冷却ケースの凹部の内壁面の一部と係合する位置決め用の係合片が設けられることから、フィンを収容する凹部の一部を活用して冷却ケースに対する放熱基板の位置決めを行うことができる。これにより、複雑な構成を必要とすることなく、冷却ケースに対して精度良く放熱基板を位置決めすることができる。

上記実施の形態に係る半導体装置において、平面視において、前記複数のフィンは、前記放熱面における略長方形状の領域に設けられ、前記冷却ケースの前記凹部は、略長方形状を有し、前記複数の係合片は、前記凹部の対角に配置される角部に係合する一対の係合片を有する。この構成によれば、複数の係合片には、凹部の対角に配置される角部に係合する一対の係合片が含まれることから、凹部の対角に配置される角部で放熱基板を冷却ケースに位置決めできるので、冷却ケースに対する位置ずれを効果的に防止することができる。

上記実施の形態に係る半導体装置において、前記冷却ケースは、前記凹部を規定する複数の側壁を含み、前記複数の側壁のうち、前記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側壁には、冷却媒体の導入口と排出口とが、前記凹部における長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、前記一対の係合片は、前記第１側壁又は第２側壁に連続する角部のうち、前記導入口又は排出口から離間した位置に配置される前記凹部の角部にそれぞれ係合する。この構成によれば、第１側壁又は第２側壁に連続する角部のうち、導入口又は排出口から離間した位置に配置される角部に一対の係合片がそれぞれ係合することから、導入口から導入され、或いは、排出口から排出される冷却媒体の流速を低下させることなく、冷却ケースに対する放熱基板の位置決めを行うことができる。

上記実施の形態に係る半導体装置において、前記一対の係合片は、前記凹部の対角に配置される角部の形状に対応する外形形状を有する。この構成によれば、凹部の対角に配置される角部の形状に応じた断面形状を有する一対の係合片により位置決めが行われることから、凹部の角部の形状を利用して確実に冷却ケースに対する放熱基板の位置決めを行うことができる。

上記実施の形態に係る半導体装置において、前記一対の係合片は、正方形又は直角三角形の断面形状を有し、直角形状部で前記第１側壁及び第２側壁に連続する角部に係合する。この構成によれば、一対の係合片が有する直角形状部によって第１側壁及び第２側壁に連続する角部に係合することから、確実に冷却ケースに対する放熱基板の位置決めを行うことができる。

上記実施の形態に係る半導体装置において、前記一対の係合片の周辺には、前記凹部の内壁面の一部と係合する補助係合片が設けられる。この構成によれば、一対の係合片の周辺に、凹部の内壁面の一部と係合する補助係合片が設けられることから、一対の係合片だけでなく複数の係合片で凹部の内壁面に係合させることができるので、強度を確保しながら冷却ケースに対して放熱基板を位置決めすることができる。

上記実施の形態に係る半導体装置において、前記一対の係合片と前記補助係合片との間隔は、前記フィンの集合体を構成する前記フィン同士の間隔よりも狭く設定されている。この構成によれば、フィンの集合体を構成するフィン同士の間隔よりも、一対の係合片と補助係合片との間隔が狭く設定されることから、一対の係合片と補助係合片との間の隙間に冷却媒体が入り込み難くすることができるので、一対の係合片等が冷却媒体の流速に与える影響を低減することができる。

上記実施の形態に係る半導体装置において、前記複数の係合片は、前記放熱基板と同一の金属材料で構成される。この構成によれば、放熱基板と同一の金属材料で複数の係合片が構成されることから、放熱基板の製造工程で係合片を製造することができるので、係合片を形成するために特別な工程を追加する必要がない。したがって、特別な製造工程を追加することなく、既存の製造工程で放熱基板に複数の係合片を形成することができる。

上記実施の形態に係る半導体装置において、前記放熱基板は、前記複数の係合片を前記凹部の内壁面の一部に係合させた状態で前記冷却ケースに対して締結部材により締結される。この構成によれば、複数の係合片を凹部の内壁面の一部に係合させた状態で冷却ケースに対して放熱基板が締結されることから、冷却ケースに位置決めした状態で放熱基板を固定することができ、放熱基板の位置ズレに起因する冷却器における冷却性能の劣化や締結不具合を防止することができる。

本発明の半導体装置は、複雑な構成を必要とすることなく、冷却ケースに対して精度良く放熱基板を位置決めすることができるという効果を有し、車載用モータ駆動制御インバータなどの小型化や高出力化が要求される半導体装置に好適である。

本出願は、２０１８年１０月３日出願の特願２０１８－１８８５３２に基づく。この内容は、すべてここに含めておく。

Claims (9)

1. 第１面と前記第１面と反対側の第２面を有する絶縁基板と、
   前記絶縁基板の前記第１面上に搭載された半導体素子と、
   前記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、
   前記冷却器は、
   接合面と前記接合面の反対側の放熱面を有し、前記絶縁基板の前記第２面に前記接合面が接合される放熱基板と、
   前記放熱基板における前記放熱面に設けられた複数のフィンと、
   前記複数のフィンを収容する凹部を有する冷却ケースと、
   前記凹部に沿って前記凹部よりも外周側に配置されたＯリングと、を備え、
   前記放熱面には、前記冷却ケースにおける前記凹部の内壁面の一部と係合する位置決め用の複数の係合片が設けられ、
   前記複数のフィン及び前記複数の係合片は、前記放熱基板に一体的に設けられていることを特徴とする半導体装置。
2. 平面視において、
   前記複数のフィンは、前記放熱面における略長方形状の領域に設けられ、
   前記冷却ケースの前記凹部は、略長方形状を有し、
   前記複数の係合片は、前記凹部の対角に配置される角部に係合する一対の係合片を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記冷却ケースは、前記凹部を規定する複数の側壁を含み、前記複数の側壁のうち、前記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側壁には、冷却媒体の導入口と排出口とが、前記凹部における長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、
   前記一対の係合片は、前記第１側壁又は第２側壁に連続する角部のうち、前記導入口又は排出口から離間した位置に配置される前記凹部の角部にそれぞれ係合することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記一対の係合片は、前記凹部の対角に配置される角部の形状に対応する外形形状を有することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記一対の係合片は、正方形又は直角三角形の断面形状を有し、直角形状部で前記第１側壁及び第２側壁に連続する角部に係合することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記一対の係合片の周辺には、前記凹部の内壁面の一部と係合する補助係合片が設けられることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれかに記載の半導体装置。
7. 前記一対の係合片と前記補助係合片との間隔は、前記フィンの集合体を構成する前記フィン同士の間隔よりも狭いことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記複数の係合片は、前記放熱基板と同一の金属材料で構成されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の半導体装置。
9. 前記放熱基板は、前記複数の係合片を前記凹部の内壁面の一部に係合させた状態で前記冷却ケースに対して締結部材により締結されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の半導体装置。

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