JP7067129B2 - 冷却装置、半導体モジュールおよび車両 - Google Patents

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Description

本発明は、冷却装置、半導体モジュールおよび車両に関する。
従来、パワー半導体チップ等の半導体素子を含む半導体モジュールにおいて、冷却装置を設けた構成が知られている（例えば、特許文献１－４参照）。
特許文献１ 特開２０１５－２２０３８２号公報
特許文献２ 特開２００６－３２４６４７号公報
特許文献３ ＷＯ２０１６／２０４２５７
特許文献４ 特開２０１４－１７９５６３号公報
環境温度変化または半導体装置の発熱等により冷却装置の温度が変化すると、冷却装置を外部装置等に締結する締結部分に応力がかかってしまう。
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、半導体チップを含む半導体モジュール用の冷却装置を提供する。冷却装置は、下面を有する天板を備えてよい。冷却装置は、冷媒流通部および冷媒流通部を囲む外縁部を含み、冷媒流通部が天板の下面側に配置され、且つ、外縁部において天板の下面に直接または間接に密着して配置されたケース部を備えてよい。冷却装置は、冷媒流通部に配置された冷却フィンを備えてよい。天板およびケース部は、天板および外縁部が重なって配置され、且つ、天板およびケース部を外部装置に締結するための締結部を有してよい。冷却装置は、締結部において、天板および外縁部の間に設けられた補強材を備えてよい。
締結部は、天板の外周において、外周の外側に突出していてよい。
天板は、上面視において２組の対向する辺と、４つの角部とを有していてよい。締結部は、少なくとも一つの角部において天板の外周よりも外側に突出して設けられていてよい。ケース部は、４つの角部を有する底板を含み、底板と天板の下面との間に冷媒流通部が配置され、且つ、底板の少なくとも一つの角部には、冷媒流通部と外部とを接続する開口部が設けられていてよい。締結部が設けられた天板の角部と、開口部が設けられた底板の角部が対向する位置に配置されていてよい。
天板は、上面視において、１組の対向する長辺と、１組の対向する短辺とを有してよい。締結部は、開口部が設けられた第１の角部と、開口部が設けられていない第２の角部の両方に設けられていてよい。第１の角部における第１の締結部は、長辺と平行な方向に突出して設けられていてよい。第２の角部における第２の締結部は、第１の締結部とは異なる方向に突出して設けられていてよい。
締結部において補強材が複数枚積層して設けられていてよい。
天板は、外周に沿った側面を有してよい。補強材は、冷媒流通部に対向する内側面と、内側面とは逆側の外側面とを有してよい。補強材の外側面と、天板の側面とが面一に配置されていてよい。
補強材は、天板およびケース部より耐力が高い材料で形成されていてよい。
ケース部は、天板の下面の中心と対向する位置における厚みと、締結部における厚みとが同一であってよい。
締結部において、補強材、天板およびケース部は同一の厚みであってよい。
第１の態様の他の例における冷却装置は、上面および上面の逆側の下面を有し、上面に半導体チップを搭載し得る天板を備えてよい。冷却装置は、天板の下面の外周に沿って配置された補強材を備えてよい。冷却装置は、冷媒流通部を含み、冷媒流通部が天板の下面側に配置されたケース部を備えてよい。冷却装置は、冷媒流通部に配置された冷却フィンを備えてよい。冷却装置は、締結部を備えてよい。ケース部は、枠部、底板および側壁を有してよい。枠部は、上面および上面の逆側の下面を有し、上面が、天板の下面に直接または間接に密着して配置されてよい。底板は、角部および角部において設けられた開口部を有し、且つ、底板と天板の下面との間に冷媒流通部が配置されてよい。側壁は、枠部の内側面と底板の周縁を接続し、天板と底板の間に冷媒流通部を画定してよい。締結部は、天板の外周において開口部および底板の角部とは逆側の外側へ突出して設けられた枠部、補強材および天板が順に積み重ねられており、且つ、枠部、補強材および天板を貫通する貫通孔を有していてよい。
ケース部の底板において開口部にパイプが接続されており、パイプは冷却フィンと逆側に突出していてよい。
補強材が、天板の下面において冷媒流通部を囲んで、天板とケース部との間に設けられてよい。
補強材は、冷媒流通部の内部まで設けられていてよい。
上面視において、開口部と対向する領域において補強材が冷媒流通部の内部に突出する長さは、冷却フィンと対向する領域において補強材が冷媒流通部の内部に突出する長さよりも大きくてよい。
本発明の第２の態様においては、半導体チップを含む半導体モジュール用の冷却装置を提供する。冷却装置は、上面および上面の逆側の下面を有し、上面に半導体チップを搭載し得る天板を備えてよい。冷却装置は、天板の下面の外周に沿って配置された補強材を備えてよい。冷却装置は、天板との間に冷媒流通部を有して配置されたケース部を備えてよい。冷却装置は、冷媒流通部に配置された冷却フィンを備えてよい。冷却装置は、締結部を備えてよい。ケース部は、上面および上面の逆側の下面を有し、上面が、天板の下面に直接または間接に密着して配置された枠部を有してよい。ケース部は、天板の下面との間に冷媒流通部を有して配置され、且つ、角部を有し、角部において開口部が設けられた底板を有してよい。ケース部は、枠部の内側面と底板の周縁を接続し、天板と底板の間に冷媒流通部を画定する側壁を有してよい。締結部は、天板の外周において開口部および底板の角部とは逆側の外側へ突出して設けられた枠部、補強材および天板が順に積み重ねられており、且つ、枠部、補強材および天板を貫通する貫通孔を有していてよい。
ケース部の底板において開口部にパイプが接続されており、パイプは冷却フィンと逆側に突出していてよい。
本発明の第３の態様においては、第１または第２の態様に係る冷却装置と、天板の上方に載置された半導体装置とを備える半導体モジュールを提供する。
本発明の第４の態様においては、第３の態様に係る半導体モジュールを備える車両を提供する。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の一例を示す模式的な断面図である。 上面視（ｘｙ面）における天板２０の形状の一例を示す図である。 締結部８１の突出方向を説明する図である。 上面視（ｘｙ面）におけるケース部４０の形状の一例を示す図である。 上面視（ｘｙ面）における補強材３０の形状の一例を示す図である。 天板２０、補強材３０およびケース部４０を分離して示した斜視図である。 他の例に係る冷却装置１０の断面を示す図である。 他の例に係る冷却装置１０の断面を示す図である。 補強材３０の内側面３４の配置例を示す上面視図である。 ケース部４０および補強材３０の形状の他の例を示す図である。 本発明の一つの実施形態に係る車両２００の概要を示す図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の主回路図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の一例を示す模式的な断面図である。半導体モジュール１００は、半導体装置７０および冷却装置１０を備える。本例の半導体装置７０は、冷却装置１０に載置されている。本明細書では、半導体装置７０が載置されている冷却装置１０の面をｘｙ面とし、ｘｙ面と垂直な面をｚ軸とする。本明細書では、ｚ軸方向において冷却装置１０から半導体装置７０に向かう方向を上、逆の方向を下と称するが、上および下の方向は、重力方向に限定されない。また本明細書では、各部材の面のうち、上側の面を上面、下側の面を下面、上面および下面の間の面を側面と称する。
半導体装置７０は、パワー半導体チップ等の半導体チップ７８を１つ以上含む。一例として半導体チップ７８には、シリコン等の半導体基板に形成された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が設けられている。
半導体装置７０は、回路基板７６と、収容部７２とを有する。回路基板７６は、一例として絶縁基板に回路パターンが設けられた基板である。回路基板７６には、はんだ等を介して半導体チップ７８が固定されている。収容部７２は、樹脂等の絶縁材料で形成されている。収容部７２は、半導体チップ７８、回路基板７６および配線等を収容する内部空間を有する。収容部７２の内部空間には、半導体チップ７８、回路基板７６および配線等を封止する封止部７４が充填されていてよい。封止部７４は、例えばシリコーンゲルまたはエポキシ樹脂等の絶縁部材である。
冷却装置１０は、天板２０、ケース部４０および補強材３０を有する。天板２０は、ｘｙ面と平行な上面２２および下面２４を有する板状の金属板であってよい。一例として天板２０は、アルミニウムを含む金属で形成されている。天板２０の上面２２には、半導体装置７０が載置される。天板２０には、半導体チップ７８が発生した熱が伝達される。例えば天板２０および半導体チップ７８の間は、回路基板７６、金属板およびはんだ等の熱伝導性の部材が配置されている。回路基板７６は、はんだ等により天板２０の上面２２に直接的に固定されていてよい。この場合、収容部７２は、天板２０の上面２２において回路基板７６等が配置された領域を囲んで設けられる。他の例では、半導体装置７０は収容部７２の下面に露出する金属板を有しており、当該金属板の上面に回路基板７６が固定され、当該金属板が天板２０の上面２２に固定されていてもよい。
ケース部４０は、冷媒流通部９２と、ｘｙ面において冷媒流通部９２を囲む外縁部４１とを含む。冷媒流通部９２は、天板２０の下面２４側に配置されている。冷媒流通部９２は、水等の冷媒が流通する領域である。冷媒流通部９２は、天板２０の下面２４に接する密閉空間であってよい。また、ケース部４０は、ｘｙ面において冷媒流通部９２を囲む外縁部４１において、天板２０の下面２４に直接または間接に密着して配置されている。これにより、冷媒流通部９２を密閉している。なお、間接に密着とは、天板２０の下面２４とケース部４０との間に設けられた、シール材、接着剤、または、その他の部材を介して、天板２０の下面２４とケース部４０とが密着している状態を指す。密着は、冷媒流通部９２の内部の冷媒が、当該密着部分から漏れ出ない状態を指す。冷媒流通部９２の内部には冷却フィン９４が配置されている。冷却フィン９４は、天板２０の下面２４と接続されていてよい。冷却フィン９４の近傍に冷媒を通過させることで、半導体チップ７８が発生した熱を冷媒に受け渡す。これにより、半導体装置７０を冷却できる。本例のケース部４０は、枠部６２、底板６４および側壁６３を有する。外縁部４１は少なくとも枠部６２を含んでよい。
枠部６２は、ｘｙ面において冷媒流通部９２を囲んで配置されている。枠部６２の上面１６は、天板２０の下面２４に直接または間接に密着して配置されている。つまり、枠部６２の上面１６と、天板２０の下面２４とは、冷媒流通部９２を密閉するように設けられている。枠部６２の上面１６と、天板２０の下面２４との間には、シール材または他の部材が設けられていてよい。図１に示す断面においては、枠部６２の上面１６と、天板２０の下面２４との間には、補強材３０が設けられている。
本例では、天板２０、ケース部４０および補強材３０の各部材の間はロウ付けされている。一例として、天板２０、ケース部４０および補強材３０は、同一組成の金属で形成されており、ロウ材は、天板２０等よりも融点の低い金属で形成されている。金属としてアルミニウムを含む金属が用いられてよい。アルミニウムを含む金属として、Ａｌ－Ｍｎ系合金（３０００系アルミニウム合金）、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金（６０００系アルミニウム合金）などのアルミニウム合金が用いられてよい。ロウ材としてＡｌ－Ｓｉ系合金（４０００系アルミニウム合金）などのアルミニウム合金が用いられてよい。本例で用いられるアルミニウム合金は、室温時の耐力が３５～６５ＭＰａの範囲にあるものが好ましい。耐力は、除荷したとき０．２％の永久ひずみを生じさせる応力である。
底板６４は、天板２０の下面２４との間に冷媒流通部９２を有して配置されている。本例の底板６４には、冷媒流通部９２に冷媒を導入し、または、導出する２つ以上の開口部４２が設けられている。開口部４２には、冷媒を搬送するパイプ９０が接続される。パイプ９０は、底板６４を基準として、冷却フィン９４とは逆側（本例ではｚ軸負側）に突出している。
側壁６３は、枠部６２と、底板６４とを接続することで、冷媒流通部９２を画定する。本例の側壁６３は、枠部６２の内側面１３と、底板６４の周縁を接続する。枠部６２の内側面１３は、冷媒流通部９２に面する側面である。底板６４の周縁は、ｘｙ面における底板６４の外周部分である。
天板２０とケース部４０は、互いを締結する締結部８０を有する。締結部８０は、半導体モジュール１００を外部の装置に固定するのに用いられてもよい。一例として締結部８０は、天板２０およびケース部４０が、直接または間接に密着してｚ軸方向において重なって配置された領域であって、天板２０およびケース部４０を貫通する貫通孔７９が形成された領域である。図１では、貫通孔７９が形成された天板２０およびケース部４０の領域を破線で示している。本例の締結部８０は、枠部６２に設けられている。
締結部８０においては、天板２０およびケース部４０の間に、補強材３０が設けられている。天板２０および補強材３０、ならびに、補強材３０およびケース部４０は互いに密着して配置されている。本例では、これらの部材間は、上述したようにロウ付けされている。なお、貫通孔７９は、補強材３０も貫通して設けられる。
締結部８０に補強材３０を設けることで、応力が集中しやすい締結部８０の強度を向上させることができる。また、補強材３０を設けることで、側壁６３および底板６４の厚みを増大させずに、締結部８０における金属板のｚ軸方向の総厚みを増大させて締結部８０の強度を向上させることができる。側壁６３および底板６４の厚みを増大させないことで、側壁６３および底板６４は、応力に対して比較的に容易に変形できる。このため、例えば冷媒流通部９２の内部の冷媒、冷却フィン等が温度変化に応じて膨張または収縮しても、側壁６３および底板６４が変形することで体積変化を吸収しやすくなる。また、開口部４２にパイプ９０を接続する場合にケース部４０に力が加わっても、側壁６３および底板６４で力を吸収しやすくなる。このため、締結部８０を保護することができる。
補強材３０は、ｘｙ面において、貫通孔７９が設けられた領域から、ケース部４０の側壁６３と対向する位置まで設けられてよい。これにより、側壁６３と対向する位置において枠部６２が変形することを防ぎ、側壁６３と枠部６２との接続部分に応力が集中することを防ぐことができる。これにより、側壁６３を保護できる。側壁６３と、補強材３０の内側面１３とは面一に配置されてよい。
締結部８０は、側壁６３よりも外側に突出して設けられている。なお外側とは、ＸＹ面において、冷媒流通部９２の中心から離れる方向を指す。また、締結部８０は、収容部７２よりも外側に突出して設けられている。つまり、締結部８０は、ＸＹ面における先端が、半導体モジュール１００の他の部材に支持されていない片持ち梁の構造である。このため、締結部８０は比較的に変形しやすいが、補強材３０を設けることで、締結部８０の強度を向上できる。
補強材３０は、天板２０およびケース部４０より耐力が高い材料で形成されていてもよい。このような材料の一例として、５０ＭＰａ以上の耐力を有するアルミニウム合金、望ましくは５０～６５ＭＰａの耐力を有するアルミニウム合金が挙げられる。これにより、締結部８０の強度をより向上できる。
図２Ａは、上面視（ｘｙ面）における天板２０の形状の一例を示す図である。天板２０は、上面視において２組の対向する辺２６、２８を有する。本例の天板２０は、短辺２６と、長辺２８とを有する略矩形形状である。天板２０は、４つの角部２９を有する。本明細書では、短辺２６が伸びる方向をｙ軸とし、長辺２８が伸びる方向をｘ軸とする。
また、長辺２８および短辺２６で規定される矩形の外周８８を、天板２０の外周とする。つまり外周８８の形状は、天板２０の長辺２８および短辺２６に対する凹凸を、長辺２８および短辺２６の延長線で置き換えた形状である。図２Ａにおいては、外周８８を破線で示している。
角部２９は、天板２０の外周８８における各頂点近傍の領域を指す。一例として、図２Ａにおいて一点鎖線で示すように、天板２０の外周８８をｘ軸およびｙ軸のそれぞれにおいて４等分してできる１６の領域のうち、外周８８の角に配置されている４つの領域を角部２９とする。本例では、ケース部４０の開口部４２と対向して配置された角部２９を第１の角部２９－１とし、他の角部２９を第２の角部２９－２とする。第１の角部２９－１には、開口部４２と対向する領域の全体が含まれてよく、一部だけが含まれていてもよい。図２Ａにおいては、開口部４２と対向する領域を破線で示している。
天板２０には、図１に示した締結部８０の一部である１つ以上の締結部８１が設けられている。少なくとも一つの締結部８１は、角部２９に設けられてよい。本例では、全ての角部２９に締結部８１が設けられている。また、それぞれの長辺２８にも締結部８１が設けられてよく、設けられていなくともよい。それぞれの短辺２６にも締結部８１が設けられてよく、設けられていなくともよい。
それぞれの締結部８１は、天板２０の外周８８において、外周８８の外側に突出して設けられている。本例の外側とは、ｘｙ面における天板２０の中心から離れる方向を指す。それぞれの締結部８１は、図１に示した貫通孔７９の一部である貫通孔８２を有する。貫通孔８２は、外周８８の外側に配置されていてよく、外周８８の内側に配置されていてよく、外周８８と重なって配置されていてもよい。
本例では、第１の角部２９－１の第１の締結部８１－１において、貫通孔８２の全体が外周８８よりも外側に配置されている。第２の角部２９－２の第２の締結部８１－２と、各辺の第３の締結部８１－３においては、貫通孔７９は、外周８８の内側に配置され、または、外周８８と重なって配置されてよい。開口部４２にはパイプ９０が接続される。第１の締結部８１－１の貫通孔８２を、外周８８の外側に配置することで、パイプ９０を接続する作業と、第１の締結部８１－１の貫通孔８２にネジ等を締結する作業等を容易にできる。
また、第１の締結部８１－１が外周８８の外側に突出する長さは、他の締結部８１が外周８８の外側に突出する長さよりも大きいことが好ましい。これにより、第１の締結部８１－１の貫通孔８２を、開口部４２から離して配置できる。また、図１において説明したように、締結部８１と重ねて補強材３０を設けるので、第１の締結部８１－１の突出長さを大きくしても、強度を維持できる。
第１の締結部８１－１は、ｘｙ面において、長辺２８と平行な方向（すなわちｘ軸方向）に、外周８８から突出して設けられていてよい。ここで平行な方向とは、所定の誤差を含んでよい。例えば長辺２８と第１の締結部８１－１の突出方向とは、２０度以内の傾きを有してもよい。締結部８１が突出する方向とは、締結部８１の頂点（外周８８から最も離れた点）と、外周８８とを最短距離で結ぶ方向であってよい。図２Ａにおいては、一部の締結部８１が突出する方向を矢印で示している。これにより、第１の締結部８１－１の突出長さを大きくしても、天板２０がｙ軸方向に大きくなることを抑制できる。
なお、第２の締結部８１－２は、第１の締結部８１－１とは異なる方向に突出して設けられてよい。図２Ａの例では、第２の締結部８１－２は、ｙ軸に対して４５度を成す方向に突出している。第２の締結部８１－２は、突出長さが比較的に小さいので、当該方向に突出させても、天板２０はそれほど大きくならない。また、第３の締結部８１－３は、外周８８からｙ軸方向に突出している。第２の締結部８１－２が外周８８からｙ軸方向に突出する長さは、第３の締結部８１－３が外周８８からｙ軸方向に突出する長さと同一であってよい。図２Ａにおいて、２つの第１の締結部８１－１は、ｘｙ面における天板２０の中心に対し、対称に配置されてよい。同様に、２つの第２の締結部８１－２は、ｘｙ面における天板２０の中心に対し、対称に配置されてよい。
図２Ｂは、締結部８１の突出方向を説明する図である。図２Ｂにおいては、締結部８１－１および締結部８１－２の近傍を拡大して示している。図２Ｂでは、それぞれの締結部８１における貫通孔８２を省略している。本例では、それぞれの突出部８１において、ｘｙ面で外周８８から最も離れる点を頂点９５とする。上述したように、締結部８１の突出方向は、頂点９５と、外周８８とを最短距離で結ぶ方向である。ただし、締結部８１－２のように、頂点９５が複数存在する場合、ｘｙ座標空間における複数の頂点９５の平均の位置９６と、外周８８とを最短距離で結ぶ方向を、締結部８１の突出方向としてよい。複数の頂点９５の平均の位置９６とは、ｘ座標およびｙ座標のそれぞれにおいて、複数の頂点９５の座標値の平均を示す位置である。
図３は、上面視（ｘｙ面）におけるケース部４０の形状の一例を示す図である。本例のケース部４０のｘｙ面における外形は、天板２０の外形と同一である。本例では、枠部６２の外形が、ケース部４０の外形に相当する。枠部６２は、冷媒流通部９２側の内側面１３と、内側面１３とは逆側の外側面１１とを有する。本例における各側面は、ｘｙ面とは略垂直な面である。図３においては、天板２０の外周８８を、ケース部４０の形状に重ねて示している。また、ケース部４０も天板２０と同様に、ｘｙ面における角部２９を有する。
ケース部４０のそれぞれの角部２９にも、天板２０と同様に締結部８５が設けられている。また、ケース部４０のいずれかの辺にも、締結部８５が設けられてよい。締結部８５は、枠部６２から、外周８８よりも外側に突出して設けられている。本例では、それぞれの締結部８５のｘｙ面における形状は、対向する締結部８１の形状と同一である。それぞれの締結部８５には、貫通孔８６が設けられている。貫通孔８６は、図２Ａに示した貫通孔８２と重なる位置に設けられる。
ｘｙ面において枠部６２の内側には、底板６４が設けられている。底板６４は、４つの角部１９を有している。角部１９は、角部２９と同様に、底板６４の外周をｘ軸およびｙ軸のそれぞれにおいて４等分してできる１６の領域のうち、角に配置されている４つの領域であってよい。締結部８５は、天板２０の外周８８において、開口部４２および底板６４の角部１９とは逆側の外側へ突出して設けられている。
底板６４のいずれかの角部１９には、冷媒流通部９２と外部とを接続する開口部４２が設けられてよい。本例の底板６４には、ｘｙ面における底板６４の中心に対して点対称に配置された２つの角部１９に、それぞれ開口部４２が設けられている。図２Ａおよび図３に示すように、締結部８１－１が設けられた天板２０の角部２９－１と、開口部４２が設けられた底板６４の角部１９－１が対向する位置に配置されている。
本例では、それぞれの角部１９を、ｘ軸およびｙ軸における相対的な位置を用いて、ｘ軸正側且つｙ軸正側の角部１９（図３の例では角部１９－１）、ｘ軸正側且つｙ軸負側の角部（図３の例では角部１９－２）、ｘ軸負側且つｙ軸正側の角部（図３の例では角部１９－２）、ｘ軸負側且つｙ軸負側の角部１９（図３の例では角部１９－１）とする。同様に、それぞれの角部２９を、ｘ軸およびｙ軸における相対的な位置を用いて、ｘ軸正側且つｙ軸正側の角部２９（図２Ａの例では角部２９－１）、ｘ軸正側且つｙ軸負側の角部（図２Ａの例では角部２９－２）、ｘ軸負側且つｙ軸正側の角部（図２Ａの例では角部２９－２）、ｘ軸負側且つｙ軸負側の角部２９（図３の例では角部２９－１）とする。底板６４および天板２０において対向する２つの角部とは、ｘ軸およびｙ軸の相対位置が対応している角部１９および角部２９を指す。より具体的には、ｘ軸正側且つｙ軸正側の角部１９と、ｘ軸正側且つｙ軸正側の角部２９が対向しており、ｘ軸正側且つｙ軸負側の角部１９と、ｘ軸正側且つｙ軸負側の角部２９が対向しており、ｘ軸負側且つｙ軸正側の角部１９と、ｘ軸負側且つｙ軸正側の角部２９が対向しており、ｘ軸負側且つｙ軸負側の角部１９と、ｘ軸負側且つｙ軸負側の角部２９が対向している。
図４は、上面視（ｘｙ面）における補強材３０の形状の一例を示す図である。本例の補強材３０は、図１に示した冷媒流通部９２を囲むように設けられている。本例の補強材３０のｘｙ面における外形は、天板２０の外形と同一である。図４においては、天板２０の外周８８を、補強材３０の形状に重ねて示している。
補強材３０は、ｘｙ面において、ケース部４０の枠部６２と同一の形状を有してよい。補強材３０は、枠部６２の上面１６と、天板２０の下面２４との間に配置される。補強材３０は、冷媒流通部９２側の内側面３４と、内側面３４とは逆側の外側面３６とを有する。補強材３０の内側面３４は、ケース部４０の枠部６２の内側面１３と面一に配置されてよい。補強材３０の外側面３６は、ケース部４０の枠部６２の外側面１１と面一に配置されてよい。
また、補強材３０も天板２０と同様に、ｘｙ面における角部２９を有する。補強材３０のそれぞれの角部２９にも、天板２０と同様に締結部８３が設けられている。また、補強材３０のいずれかの辺にも、締結部８３が設けられてよい。本例では、それぞれの締結部８３のｘｙ面における形状は、対向する締結部８１の形状と同一である。それぞれの締結部８３には、貫通孔８４が設けられている。貫通孔８４は、図２Ａに示した貫通孔８２と重なる位置に設けられる。
図５は、天板２０、補強材３０およびケース部４０を分離して示した斜視図である。上述したように、天板２０、補強材３０およびケース部４０は、ｘｙ面においてほぼ同一の外形を有してよい。天板２０、補強材３０およびケース部４０の各締結部は、ｘｙ面において同一の形状を有し、ｚ軸方向において重なって配置されてよい。図５においては、天板２０、補強材３０およびケース部４０をロウ付け等で固定した場合に重なる位置を、破線で示している。なお図５においては、冷媒流通部９２に配置される冷却フィン９４は省略している。また、各部材間のロウ材も省略している。
図５に示すように、補強材３０は、天板２０とケース部４０との間において、冷媒流通部９２を囲んで配置されており、冷媒流通部９２を密閉している。ケース部４０の枠部６２は、補強材３０を介して天板２０に固定される。ケース部４０は、天板２０から離れて配置された底板６４と、底板６４および枠部６２を接続する側壁６３を有する。天板２０の下面２４、補強材３０の内側面３４およびケース部４０により、冷媒流通部９２が画定されている。
締結部８０は、天板２０の外周８８において、開口部４２および底板６４の角部１９（図３参照）とは逆側の外側へ突出して設けられている。また、締結部８０においては、枠部６２、補強材３０および天板２０が順に積み重ねられており、且つ、枠部６２、補強材３０および天板２０を貫通する貫通孔７９（図１参照）を有している。貫通孔８２，８４，８６は互いに同軸に設けられてよい。
なお、締結部８０において、天板２０、補強材３０およびケース部４０は、同一の厚みを有してよい。天板２０、補強材３０およびケース部４０は、締結部８０以外の領域においても同一の厚みを有してよい。
また、ケース部４０は、枠部６２および側壁６３が一体に設けられていてよい。枠部６２および側壁６３は、一枚の板状の金属を鍛造加工することで形成してよい。また、底板６４は、側壁６３と一体に設けられてよく、側壁６３にロウ付けされていてもよい。底板６４、枠部６２および側壁６３は、同一の厚みを有してよい。一例として、天板２０の下面２４の中心と対向する位置における底板６４の厚みと、締結部８０における枠部６２の厚みとが同一であってよい。それぞれの部材が同一の厚みを有することで、共通の金属ロール材を用いて冷却装置１０を製造できる。
図６は、他の例に係る冷却装置１０の断面を示す図である。本例の冷却装置１０は、補強材３０が複数枚積層して設けられている。それぞれの補強材３０の厚みは、天板２０の厚みと同一であってよい。複数枚積層される補強材３０の厚みは同じであってよい。補強材３０の枚数を調整することで、締結部８０の厚みを任意に変更して、締結部８０の強度を調整できる。他の例では、天板２０とケース部４０との間に一枚の補強材３０を設け、補強材３０の厚みを調整して、締結部８０の厚みを調整してもよい。
図７は、他の例に係る冷却装置１０の断面を示す図である。図７においては、締結部８０の近傍を拡大して示している。本例では、天板２０は、外周に沿った側面２７を有する。上述したように補強材３０は、冷媒流通部９２に対向する内側面３４と、内側面３４とは逆側の外側面３６とを有する。本例では、補強材３０の外側面３６と、天板２０の側面２７とが面一に配置されている。本例の冷却装置１０は、補強材３０が冷媒流通部９２の内部まで延伸して設けられている点で、図１から図６において説明したそれぞれの態様の冷却装置１０と相違する。補強材３０以外の構造は、図１から図６において説明したいずれかの態様の冷却装置１０と同一であってよい。
本例においては、補強材３０の内側面３４が、側壁６３よりも内側（冷媒流通部９２のｘｙ面における中心に近づく方向）に配置されている。つまり、補強材３０は、上面視において、側壁６３から開口部４２の方向へ庇のように突出していてもよい。このような構造により、補強材３０により側壁６３をより確実に支持できる。例えば、補強材３０の寸法または位置にバラツキが生じても、側壁６３を支持できる。このため、側壁６３がｚ軸方向に歪むことを防ぎ、側壁６３を保護できる。図７においては、補強材３０が、側壁６３よりも突出するｘｙ面における長さをＬとする。
図８は、補強材３０の内側面３４の配置例を示す上面視図である。図８においては、締結部８５の近傍におけるケース部４０を拡大して示している。開口部４２と対向する領域において補強材３０が冷媒流通部９２の内部に突出する長さＬ１は、冷却フィン９４と対向する領域において補強材３０が冷媒流通部９２の内部に突出する長さＬ２よりも大きくてよい。
開口部４２と対向する領域とは、ｘ軸またはｙ軸のいずれかと平行な方向において、開口部４２と対向する領域を指してよい。冷却フィン９４と対向する領域とは、ｘ軸またはｙ軸のいずれかと平行な方向において、冷却フィン９４と対向する領域であって、開口部４２とは対向しない領域を指してよい。
長さＬ１は、ｘｙ面における開口部４２の中心と、ｘ軸またはｙ軸のいずれかと平行な方向において対向する補強材３０の突出長さを用いてよい。長さＬ２は、冷却フィン９４のｘｙ面における中心と、ｘ軸またはｙ軸のいずれかと平行な方向において対向する補強材３０の突出長さを用いてよい。
開口部４２に対向する補強材３０の突出長さＬ１を大きくすることで、パイプ９０の接続時等において応力が発生しやすい領域を、より強固にできる。また、冷却フィン９４に対向する補強材３０の突出長さＬ２を小さくすることで、冷却フィン９４と補強材３０とが干渉することを防げる。長さＬ２はゼロであってもよい。
図９は、ケース部４０および補強材３０の形状の他の例を示す図である。本例のケース部４０は、開口部４２が配置されている底板６４の角部１９－１において、側壁６３が、上面視において冷媒流通部９２の中央から離れる方向（図９では－ｘおよび－ｙ成分を有する方向）に延出して設けられている。延出した側壁６３－１は、上面視において、他の側壁６３を延長した延長線６５よりも外側に配置されている。開口部４２の少なくとも一部は、側壁６３－１に囲まれるように配置されてよい。開口部４２の少なくとも一部の領域は、延長線６５よりも外側に配置されてよい。側壁６３－１の上面視における形状は、円弧を有してよい。つまり側壁６３－１は、曲面部分を有してよい。
上面視において、側壁６３－１の円弧の中心位置と、開口部４２の中心位置とは一致してよい。側壁６３－１を設けることで、開口部４２から導入される冷媒を、冷却フィン９４に向かわせることができる。
枠部６２は、側壁６３－１に沿って、冷媒流通部９２の外側へ湾曲してよい。側壁６３－１が設けられた部分における枠部６２の幅Ｗ２は、側壁６３－１以外の側壁６３が設けられた部分における枠部６２の幅Ｗ１よりも小さくてよい。
補強材３０は、上面視において、ケース部４０の枠部６２と同一の形状を有してよい。補強材３０の内側面３４と枠部６２の内側面１３は上面視において一致してよい。上面視において、開口部４２の中心から補強材３０の内側面３４までの距離ｒ２が、開口部４２の中心から側壁６３－１までの距離ｒ１と同一であってよい。また、距離ｒ２は、距離ｒ１よりも小さくてもよい。つまり、補強材３０は、図中に破線で示すように、側壁６３－１から開口部４２の方向へ庇のように突出していてもよい。距離ｒ２を距離ｒ１よりも小さくすることで、パイプ９０の接続時等において応力が発生しやすい領域の強度を向上できる。
図９に示した構造は、図１から図８において説明した各形態に適用してよい。また、図９においては、一つの角部１９－１の近傍を示しているが、他の角部１９－１の近傍においても同様の構造を有してよい。また、天板２０も、上面視において図９に示したケース部４０と同様の形状を有してよい。
図１０は、本発明の一つの実施形態に係る車両２００の概要を示す図である。車両２００は、少なくとも一部の推進力を、電力を用いて発生する車両である。一例として車両２００は、全ての推進力をモーター等の電力駆動機器で発生させる電気自動車、または、モーター等の電力駆動機器と、ガソリン等の燃料で駆動する内燃機関とを併用するハイブリッド車である。
車両２００は、モーター等の電力駆動機器を制御する制御装置２１０（外部装置）を備える。制御装置２１０には、半導体モジュール１００が設けられている。半導体モジュール１００は、電力駆動機器に供給する電力を制御してよい。
図１１は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の主回路図である。半導体モジュール１００は、車両のモーターを駆動する車載用ユニットの一部であってよい。半導体モジュール１００は、出力端子Ｕ、ＶおよびＷを有する三相交流インバータ回路として機能してよい。
半導体チップ７８‐１、７８‐２および７８‐３は半導体モジュール１００における下アームを、複数の半導体チップ７８‐４、７８‐５および７８‐６は半導体モジュール１００における上アームを構成してよい。一組の半導体チップ７８‐１、７８－４はレグを構成してよい。一組の半導体チップ７８‐２、７８－５、一組の半導体チップ７８‐３、７８－６も同様にレグを構成してよい。半導体チップ７８‐１においては、エミッタ電極が入力端子Ｎ１に、コレクタ電極が出力端子Ｕに、それぞれ電気的に接続してよい。半導体チップ７８‐４においては、エミッタ電極が出力端子Ｕに、コレクタ電極が入力端子Ｐ１に、それぞれ電気的に接続してよい。同様に、半導体チップ７８‐２、７８－３においては、エミッタ電極がそれぞれ入力端子Ｎ２、Ｎ３に、コレクタ電極がそれぞれ出力端子Ｖ、Ｗに、電気的に接続してよい。さらに、半導体チップ７８‐５、７８‐６においては、エミッタ電極がそれぞれ出力端子Ｖ、Ｗに、コレクタ電極がそれぞれ入力端子Ｐ２、Ｐ３に、電気的に接続してよい。
各半導体チップ７８‐１から７８‐６は、半導体チップ７８の制御電極パッドに入力される信号により交互にスイッチングされてよい。本例において、各半導体チップ７８はスイッチング時に発熱してよい。入力端子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３は外部電源の正極に、入力端子Ｎ１、Ｎ２およびＮ３は負極に、出力端子Ｕ、Ｖ，およびＷは負荷にそれぞれ接続してよい。入力端子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３は互いに電気的に接続されてよく、また、他の入力端子Ｎ１、Ｎ２およびＮ３も互いに電気的に接続されてよい。
半導体モジュール１００において、複数の半導体チップ７８‐１から７８‐６は、それぞれＲＣ‐ＩＧＢＴ（逆導通ＩＧＢＴ）半導体チップであってよい。ＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップにおいて、ＩＧＢＴおよび還流ダイオード（ＦＷＤ）は一体形成され、且つ、ＩＧＢＴおよびＦＷＤは逆並列に接続されてよい。複数の半導体チップ７８‐１から７８‐６は、それぞれＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのトランジスタとダイオードとの組み合わせを含んでよい。トランジスタおよびダイオードのチップ基板は、シリコン基板、炭化けい素基板や窒化ガリウム基板であってよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
１０・・・冷却装置、１１・・・外側面、１２・・・上面、１３・・・内側面、１６・・・上面、１９・・・角部、２０・・・天板、２２・・・上面、２４・・・下面、２６・・・短辺、２７・・・側面、２８・・・長辺、２９・・・角部、３０・・・補強材、３４・・・内側面、３６・・・外側面、４０・・・ケース部、４１・・・外縁部、４２・・・開口部、６２・・・枠部、６３・・・側壁、６４・・・底板、６５・・・延長線、７０・・・半導体装置、７２・・・収容部、７４・・・封止部、７６・・・回路基板、７８・・・半導体チップ、７９・・・貫通孔、８０・・・締結部、８１・・・締結部、８２・・・貫通孔、８３・・・締結部、８４・・・貫通孔、８５・・・締結部、８６・・・貫通孔、８８・・・外周、９０・・・パイプ、９２・・・冷媒流通部、９４・・・冷却フィン、９５・・・頂点、９６・・・位置、１００・・・半導体モジュール、２００・・・車両、２１０・・・制御装置

Claims (11)

  1. 半導体チップを含む半導体モジュール用の冷却装置であって、
    下面を有する天板と、
    冷媒流通部および前記冷媒流通部を囲む外縁部を含み、前記冷媒流通部が前記天板の下面側に配置され、且つ、前記外縁部において前記天板の下面に直接または間接に密着して配置されたケース部と、
    前記冷媒流通部に配置された冷却フィンと、
    前記天板および前記外縁部の間に設けられ、且つ、前記冷媒流通部を囲む枠状に設けられた補強材と
    を備え、
    前記天板および前記ケース部は、前記天板および前記外縁部が重なって配置され、且つ、前記天板および前記ケース部を外部装置に締結するための締結部を有し、
    前記補強材は、前記締結部において、前記天板および前記外縁部の間に設けられた冷却装置。
  2. 前記締結部は、前記天板の外周において、前記外周の外側に突出している
    請求項１に記載の冷却装置。
  3. 前記天板は、上面視において２組の対向する辺と、４つの角部とを有しており、
    前記締結部は、少なくとも一つの前記角部において前記天板の外周よりも外側に突出して設けられており、
    前記ケース部は、４つの角部を有する底板を含み、前記底板と前記天板の下面との間に前記冷媒流通部が配置され、且つ、前記底板の少なくとも一つの前記角部には、前記冷媒流通部と外部とを接続する開口部が設けられており、
    前記締結部が設けられた前記天板の前記角部と、前記開口部が設けられた前記底板の前記角部が対向する位置に配置されている
    請求項２に記載の冷却装置。
  4. 前記天板は、上面視において、１組の対向する長辺と、１組の対向する短辺とを有し、
    前記締結部は、前記開口部が設けられた第１の角部と、前記開口部が設けられていない第２の角部の両方に設けられており、
    前記第１の角部における第１の締結部は、前記長辺と平行な方向に突出して設けられており、前記第２の角部における第２の締結部は、前記第１の締結部とは異なる方向に突出して設けられている
    請求項３に記載の冷却装置。
  5. 半導体チップを含む半導体モジュール用の冷却装置であって、
    下面を有する天板と、
    冷媒流通部および前記冷媒流通部を囲む外縁部を含み、前記冷媒流通部が前記天板の下面側に配置され、且つ、前記外縁部において前記天板の下面に直接または間接に密着して配置されたケース部と、
    前記冷媒流通部に配置された冷却フィンと
    を備え、
    前記天板および前記ケース部は、前記天板および前記外縁部が重なって配置され、且つ、前記天板および前記ケース部を外部装置に締結するための締結部を有し、
    前記締結部において、前記天板および前記外縁部の間に設けられた補強材を更に備え、
    前記締結部において前記補強材が複数枚積層して設けられている
    冷却装置。
  6. 半導体チップを含む半導体モジュール用の冷却装置であって、
    下面を有する天板と、
    冷媒流通部および前記冷媒流通部を囲む外縁部を含み、前記冷媒流通部が前記天板の下面側に配置され、且つ、前記外縁部において前記天板の下面に直接または間接に密着して配置されたケース部と、
    前記冷媒流通部に配置された冷却フィンと
    を備え、
    前記天板および前記ケース部は、前記天板および前記外縁部が重なって配置され、且つ、前記天板および前記ケース部を外部装置に締結するための締結部を有し、
    前記締結部において、前記天板および前記外縁部の間に設けられた補強材を更に備え、
    前記天板は、外周に沿った側面を有し、
    前記補強材は、前記冷媒流通部に対向する内側面と、前記内側面とは逆側の外側面とを有し、
    前記補強材の前記外側面と、前記天板の前記側面とが面一に配置されている
    冷却装置。
  7. 前記補強材は、前記天板および前記ケース部より耐力が高い材料で形成されている
    請求項１から６のいずれか一項に記載の冷却装置。
  8. 前記ケース部は、前記天板の下面の中心と対向する位置における厚みと、前記締結部における厚みとが同一である
    請求項１から７のいずれか一項に記載の冷却装置。
  9. 半導体チップを含む半導体モジュール用の冷却装置であって、
    下面を有する天板と、
    冷媒流通部および前記冷媒流通部を囲む外縁部を含み、前記冷媒流通部が前記天板の下面側に配置され、且つ、前記外縁部において前記天板の下面に直接または間接に密着して配置されたケース部と、
    前記冷媒流通部に配置された冷却フィンと
    を備え、
    前記天板および前記ケース部は、前記天板および前記外縁部が重なって配置され、且つ、前記天板および前記ケース部を外部装置に締結するための締結部を有し、
    前記締結部において、前記天板および前記外縁部の間に設けられた補強材を更に備え、
    前記締結部において、前記補強材、前記天板および前記ケース部は同一の厚みである
    冷却装置。
  10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の冷却装置と、
    前記天板の上方に配置された半導体装置と
    を備える半導体モジュール。
  11. 請求項１０に記載の半導体モジュールを備える車両。
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