JP7200549B2 - 冷却装置、半導体モジュールおよび車両 - Google Patents

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。

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１－５参照）。
特許文献１ 特開２０１０－１１４１７４号公報
特許文献２ 特開２００６－３１３０５４号公報
特許文献３ 特開２０１２－１３２４９号公報
特許文献４ 特開２００７－３２７７３２号公報
特許文献５ 特開２０１４－３３０６３号公報

冷却装置においては、冷却性能が高いことが好ましい。

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、冷媒が導入される冷媒流通部が設けら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部を備えてよい。ケース部は、上面側に半導体チップが配置され、下面に冷却フィン部が設けられている天板を有してよい。冷却フィン部は、天板の上面と垂直な方向から見た上面視において、第１の方向に沿って離散的に配置されており、且つ、それぞれが第２の方向に向かって延伸して設けられた複数の折れ線部を有してよい。冷却フィン部は、第１の方向において隣り合う２つの折れ線部の間に配置された第１の梁部および第２の梁部を有してよい。折れ線部は、上面視において、第２の方向に対して傾きを有する第１の直線部と、第２の方向に対して第１の直線部とは逆の傾きを有する第２の直線部とが、第２の方向に沿って交互に配置されていてよい。第１の梁部は、第１の直線部と同一の幅を有し、且つ、第１の直線部と同一の方向に延長して設けられていてよい。第２の梁部は、第２の直線部と同一の幅を有し、且つ、第２の直線部と同一の方向に延長して設けられていてよい。第１の梁部および第２の梁部は、天板の上面と垂直な高さ方向において、異なる高さ位置に配置されていてよい。

第１の梁部および第２の梁部のそれぞれは、いずれかの折れ線部から、当該折れ線部と隣り合う他の折れ線部まで設けられていてよい。

折れ線部は、高さ方向において、予め定められた上端位置から下端位置まで連続して設けられていてよい。第１の梁部および第２の梁部は、上端位置から下端位置までの範囲内において、第１の梁部および第２の梁部の高さ方向における位置が交互になるように配置されていてよい。

冷却フィン部は、折れ線部の高さ方向における一部となる折れ線部分と、第１の梁部とが設けられた第１のプレートを有してよい。冷却フィン部は、折れ線部の高さ方向における一部となる折れ線部分と、第２の梁部とが設けられた第２のプレートを有してよい。第１のプレートと、第２のプレートとが、折れ線部分が重なるように高さ方向において交互に積層されていてよい。

第１のプレートは、上面視において折れ線部分と第１の梁部とで囲まれた第１の開口が設けられていてよい。第２のプレートは、上面視において折れ線部分と第２の梁部とで囲まれた第２の開口が設けられていてよい。第１の開口および第２の開口は、上面視において互いに鏡像の形状を有してよい。

第１の開口および第２の開口の上面視における形状は平行四辺形であってよい。

第１のプレートおよび第２のプレートが積層された状態で、第１の開口および第２の開口は部分的に重なって配置されていてよい。第１の開口および第２の開口が重なる部分の上面視における形状は菱形であってよい。

第１の方向における折れ線部の間隔が、第１のプレートおよび第２のプレートの各プレートの厚み以上であってよい。

第１の方向において隣り合う二つの折れ線部の間には、第２方向から見ていずれの折れ線部とも重ならない貫通空間が配置されていてよい。第１の梁部および第２の梁部は、貫通空間を横切って配置されていてよい。

第１の直線部の第２の方向に対する傾きの絶対値と、第２の直線部の第２の方向に対する傾きの絶対値とは、いずれも３５度以下であってよい。

本発明の第２の態様においては、第１の態様に係る冷却装置と、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を提供する。

本発明の第３の態様においては、第２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。 上面視における冷却フィン部１０２の構造の一例を示す図である。 上面視における折れ線部１１０の一例を示す図である。 上面視における第１の梁部１２１および第２の梁部１２２を説明する図である。 上面視において、２つの折れ線部１１０の間を通過する冷媒を説明する図である。 図６におけるＡ－Ａ断面およびＢ－Ｂ断面の一例を示す図である。 冷却フィン部１０２の一例を示す斜視図である。 冷却フィン部１０２に含まれる第１のプレート１３１の、上面視における形状の一例を示す図である。 冷却フィン部１０２に含まれる第２のプレート１３２の、上面視における形状の一例を示す図である。 第１のプレート１３１と、第２のプレート１３２とを積層した冷却フィン部１０２の上面図である。 図７に示した断面の他の例を示す図である。 冷却フィン部１０２の他の例を示す部分的な上面図である。 冷却装置１０の放熱性能を示すグラフである。 冷却装置１０の圧力損失を示すグラフである。 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の上に配置されている。本明細書では、半導体装置７０が配置されている冷却装置１０の面をｘｙ面とし、ｘｙ面と垂直な軸を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（または側壁）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、半導体チップ７８、回路基板７６および収容部７２を有する。回路基板７６は、一例として絶縁基板の上面に回路パターンが、下面に金属層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およびケース部４０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側には、半導体装置７０が配置される。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、冷媒流通部９２を囲む外縁部４１、天板２０と対向して配置された底板６４、および、天板２０と底板６４とを接続する側壁６３を含む。底板６４は天板２０と対向する上面６５と、上面６５とは逆側の下面６６とを有する。冷媒流通部９２は、天板２０の下面２４と底板６４の上面６５との間に配置されている。ケース部４０は、天板２０と一体に形成されていてよく、別部材として形成されていてもよい。

外縁部４１は、ｘｙ面において冷媒流通部９２を囲んで配置されている。外縁部４１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、外縁部４１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。外縁部４１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。天板２０およびケース部４０は、外縁部４１において、同軸となる貫通孔を有してもよい。

底板６４は、天板２０とｚ軸方向において対向して、且つ、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。底板６４は、ケース部４０において天板２０と離れて配置された部分のうち、天板２０と平行な部分を指してよい。側壁６３は、外縁部４１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、底板６４から天板２０に向かって延伸している。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。他の例では、側壁６３に開口部４２が設けられていてもよい。

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が、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、ロウ材、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部１０２が配置されている。冷却フィン部１０２は、アルミニウム等の金属で形成されてよい。冷却フィン部１０２は、アルミニウム等の金属で形成されたフィンと、フィンに挟まれた空間とを含んでよい。図１においては、冷却フィン部１０２が設けられる領域を斜線のハッチングで示している。冷却フィン部１０２は、天板２０の下面２４に設けられていてよい。冷却フィン部１０２は、天板２０と一体に形成されていてよく、天板２０の下面２４に固定されていてもよい。冷却フィン部１０２のフィンに挟まれた空間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。

本例の冷却フィン部９４は、ｘｙ面において２つの開口部４２の間に設けられている。冷却フィン部９４を挟んで設けられた一方の開口部４２は、冷媒を冷媒流通部９２に導入する導入口として機能して、他方の開口部４２は、冷媒を冷媒流通部９２から導出する導出口として機能する。いずれの開口部４２を、導入口および導出口のいずれとして機能させるかは、ユーザーが適宜選択できる。

図２は、上面視におけるケース部４０の形状の一例を示す図である。本明細書において上面視の図とは、天板２０の上面２２と垂直な方向（ｚ軸方向）から観察した図を指す。上面視の図においては、ｚ軸方向における位置が異なる複数の部材をｘｙ面上に示す場合がある。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。外縁部４１の外形も、ケース部４０の外形と同一であってよい。なお図１に示した冷却装置１０の断面は、図２におけるＣ－Ｃ断面に対応する。

ｘｙ面において外縁部４１の内側には、底板６４が設けられている。本例の底板６４には、２つの開口部４２が設けられている。本例の開口部４２は、底板６４の２つの対角に配置されているが、開口部４２の位置はこれに限定されない。開口部４２の形状は、上面視において、円形であってもよいし長円や矩形であってもよい。

上述したように、冷却フィン部１０２は、ｘｙ面において２つの開口部４２に挟まれて配置されている。ケース部４０は、対向して配置された２組の側壁６３を有する。図２の例では、ケース部４０は、対向する２つの側壁６３－１と、対向する２つの側壁６３－２とを有する。冷却フィン部１０２は、側壁６３－１および側壁６３－２のうちの一方との距離が、他方との距離よりも大きくなるように配置されてよい。図２の例では、冷却フィン部１０２と側壁６３－１との距離が、冷却フィン部１０２と側壁６３－２との距離よりも大きい。半導体チップ７８は、ｘｙ面において冷却フィン部１０２と重なる位置に配置されることが好ましい。

図３は、上面視における冷却フィン部１０２の構造の一例を示す図である。冷却フィン部１０２は、第１の方向（本例ではｙ軸方向）に沿って離散的に配置された複数の折れ線部１１０を有する。それぞれの折れ線部１１０は、第２の方向（本例ではｘ軸方向）に向かって延伸して設けられている。折れ線部１１０が延伸する方向は、上面視における折れ線部１１０の形状を最小二乗法等により直線で近似した場合の、当該直線の方向であってよい。第２の方向は、第１の方向とは異なる方向である。第２の方向は一例として、第１の方向と直交する方向であるが、これに限定されない。

ｙ軸方向において隣り合う２つの折れ線部１１０の間には、第１の梁部１２１および第２の梁部１２２が設けられている。一組の折れ線部１１０の間に、複数の第１の梁部１２１および複数の第２の梁部１２２が設けられていてよい。

それぞれの折れ線部１１０の上端は、天板２０の下面２４に接続されている。折れ線部１１０は、底板６４の上面６５の近傍まで、ｚ軸方向において連続して設けられている。折れ線部１１０の下端は、底板６４の上面６５と接していてよく、底板６４の上面６５とは離れていてもよい。このような構造により、２つの折れ線部１１０の間を冷媒が通過する。

第１の梁部１２１および第２の梁部１２２は、それぞれｚ軸方向において離散的に配置されている。第１の梁部１２１がｚ軸方向において連続して設けられる長さは、折れ線部１１０がｚ軸方向において連続して設けられる長さよりも小さい。同様に、第２の梁部１２２がｚ軸方向において連続して設けられる長さは、折れ線部１１０がｚ軸方向において連続して設けられる長さよりも小さい。

第１の梁部１２１および第２の梁部１２２は、ｚ軸方向において異なる高さに配置されている。また、第１の梁部１２１および第２の梁部１２２は、上面視において、ｘ軸方向に沿って交互に配置されてよい。

このように、２つの折れ線部１１０の間に第１の梁部１２１および第２の梁部１２２を設けることで、２つの折れ線部１１０の間を通過する冷媒を、上下方向に攪拌できる。これにより、直線部における冷媒の速度を向上させて、冷却装置１０の冷却能力を向上できる。なお、２つの折れ線部１１０に挟まれた領域は、上面視において角部と直線部とが交互に配置されている。角部においては冷媒の速度が速くなりやすいが、直線部においては冷媒の速度が遅くなりやすい。本例では、２つの折れ線部１１０に挟まれた領域におけるそれぞれの直線部に、第１の梁部１２１および第２の梁部１２２のいずれかを配置している。これにより、直線部における冷媒の速度を向上させて、冷却装置１０の冷却能力を更に向上できる。また、第１の梁部１２１および第２の梁部１２２を、ｚ軸方向において離散的に配置することで、圧力損失が高くなりすぎるのを防ぐことができる。

図４は、上面視における折れ線部１１０の一例を示す図である。折れ線部１１０は、上面視において、ｘ軸方向に対して傾きθを有する第１の直線部１１１と、ｘ軸方向に対して第１の直線部１１１とは逆の傾き－θを有する第２の直線部１１２とが、ｘ軸方向に沿って交互に配置されている。本例において第１の直線部１１１の傾きθの絶対値と、第２の直線部１１２の傾き－θの絶対値とは同一であるが、当該傾きの絶対値は異なっていてもよい。また、本例における第１の直線部１１１のｘ軸方向における長さと、第２の直線部１１２のｘ軸方向における長さは同一であるが、当該長さは異なっていてもよい。

第１の直線部１１１の傾きθの絶対値と、第２の直線部１１２の傾き－θの絶対値は、いずれも３５度以下であることが好ましい。傾きの絶対値が大きくなると、冷媒の通過時における圧力損失が増大してしまう。当該傾きの絶対値は、２５度以下であってよい。また、傾きの絶対値が小さすぎると、折れ線部１１０の側面の総面積が小さくなり、冷却性能が低くなってしまう。また、冷媒の流速が遅くなることも考えられる。当該傾きの絶対値は、２度以上であってよく１０度以上であってもよい。

第１の直線部１１１および第２の直線部１１２は、上面視における外形が直線だけで構成されていてよい。このような構造により、冷却フィン部１０２の製造が容易になる。図４に示すように、上面視において第１の直線部１１１および第２の直線部１１２の外形を規定する直線を用いて、第１の直線部１１１および第２の直線部１１２と、ｘ軸方向との傾きを定めてよい。なお、それぞれの折れ線部１１０の第１の直線部１１１は、他の折れ線部１１０の第１の直線部１１１に対して、ｘ軸方向の位置が同一となるように配置されている。また、それぞれの折れ線部１１０の第２の直線部１１２は、他の折れ線部１１０の第２の直線部１１２に対して、ｘ軸方向の位置が同一となるように配置されている。

図５は、上面視における第１の梁部１２１および第２の梁部１２２を説明する図である。図５においては、ｙ軸方向において隣り合って配置された折れ線部１１０－１および折れ線部１１０－２を示している。図５においては、第１の直線部１１１の方向を直線１１３で示しており、第２の直線部１１２の方向を直線１１４で示している。

第１の梁部１２１は、第１の直線部１１１と同一の幅Ｗ１を有する。第１の梁部１２１および第１の直線部１１１のそれぞれの幅は、第１の直線部１１１と直交する方向（すなわち、直線１１３と直交する方向）における幅であってよい。他の例においては、第１の梁部１２１および第１の直線部１１１のそれぞれの幅は、第２の直線部１１２の方向（すなわち、直線１１４の方向）における幅であってもよい。また、第１の梁部１２１および第１の直線部１１１のそれぞれの幅は、それぞれの部材について、直線１１３の方向における中央の位置で測定した幅であってよい。なお本明細書において「同一」または「等しい」と称した場合、１０％以下の誤差が含まれていてよく、５％以下の誤差が含まれていてよく、１％以下の誤差が含まれていてもよい。

また、第１の梁部１２１は、第１の直線部１１１と同一の方向（すなわち直線１１３の方向）に、第１の直線部１１１から延伸して設けられている。第１の梁部１２１は、上面視における外形が直線だけで構成されていてよい。第１の梁部１２１が延伸する方向とは、第１の梁部１２１の外形を規定する直線の方向であってよい。

第２の梁部１２２は、第２の直線部１１２と同一の幅Ｗ２を有する。第２の梁部１２２および第２の直線部１１２のそれぞれの幅は、第２の直線部１１２と直交する方向（すなわち、直線１１４と直交する方向）における幅であってよい。他の例においては、第２の梁部１２２および第２の直線部１１２のそれぞれの幅は、第１の直線部１１１の方向（すなわち、直線１１３の方向）における幅であってもよい。また、第２の梁部１２２および第２の直線部１１２のそれぞれの幅は、それぞれの部材について、直線１１４の方向における中央の位置で測定した幅であってよい。また、幅Ｗ２は、幅Ｗ１と同一であってよい。

また、第２の梁部１２２は、第２の直線部１１２と同一の方向（すなわち直線１１４の方向）に、第２の直線部１１２から延伸して設けられている。第２の梁部１２２は、上面視における外形が直線だけで構成されていてよい。第２の梁部１２２が延伸する方向とは、第２の梁部１２２の外形を規定する直線の方向であってよい。

第１の梁部１２１および第２の梁部１２２は、いずれかの折れ線部１１０から、当該折れ線部と隣り合う他の折れ線部１１０まで設けられていてよい。本例の第１の梁部１２１は、折れ線部１１０－２の第１の直線部１１１の端部から、折れ線部１１０－１の第１の直線部１１１の端部まで設けられている。つまり、第１の梁部１２１は、隣り合う２つの折れ線部１１０における２つの第１の直線部１１１を接続するように設けられている。本例の第２の梁部１２２は、折れ線部１１０－１の第２の直線部１１２の端部から、折れ線部１１０－２の第２の直線部１１２の端部まで設けられている。つまり、第２の梁部１２２は、隣り合う２つの折れ線部１１０における２つの第２の直線部１１２を接続するように設けられている。

本例において折れ線部１１０－１の第１の直線部１１１と、折れ線部１１０－２の第１の直線部１１１と、第１の梁部１２１とは同一の直線１１３に沿って配置されている。また、折れ線部１１０－１の第２の直線部１１２と、折れ線部１１０－２の第２の直線部１１２と、第２の梁部１２２とは同一の直線１１４に沿って配置されている。

図６は、上面視において、２つの折れ線部１１０の間を通過する冷媒を説明する図である。冷媒は、２つの折れ線部１１０の間を、折れ線部１１０に沿ってｘ軸方向に向かって流れる。冷媒が通過する流路には、第１の梁部１２１および第２の梁部１２２が、ｘ軸方向に沿って交互に配置されている。第１の梁部１２１および第２の梁部１２２は、ｚ軸方向における位置が異なるように配置されているので、冷媒はｚ軸方向に攪拌されやすくなる。例えば、冷媒の流路が、第１の梁部１２１の下側を通過する流路と、第２の梁部１２２の上側を通過する流路とを有することで、冷媒がｚ軸方向に攪拌される。図６においては、冷媒が通過する流路の代表例を太線で模式的に示している。

図７は、図６におけるＡ－Ａ断面およびＢ－Ｂ断面の一例を示す図である。Ａ－Ａ断面は、第２の梁部１２２を通過するｙｚ面であり、Ｂ－Ｂ断面は、第１の梁部１２１を通過するｙｚ面である。

第１の梁部１２１および第２の梁部１２２は、天板２０の上面２２と垂直な高さ方向（ｚ軸方向）において、異なる高さ位置に配置されている。本例においては、ｚ軸方向における、第１の梁部１２１が設けられた範囲と、第２の梁部１２２が設けられた範囲とが重複しないように、第１の梁部１２１と第２の梁部１２２とが設けられている。ただし、第１の梁部１２１と第２の梁部１２２のｚ軸方向における端部の位置は同一であってもよい。第１の梁部１２１と第２の梁部１２２とを、ｚ軸方向において重ならないように配置することで、冷媒が通過するときの圧力損失を低減できる。

折れ線部１１０は、ｚ軸方向において、予め定められた上端位置１１５から下端位置１１６まで連続して設けられている。本例において折れ線部１１０の上端は、天板２０に接続されている。上述したように、折れ線部１１０の下端は、底板６４と接していてよく、離れていてもよい。

第１の梁部１２１および第２の梁部１２２は、上端位置１１５から下端位置１１６までの範囲内において、第１の梁部１２１および第２の梁部１２２のｚ軸方向における位置が交互になるように配置されていてよい。本例においては、冷却フィン部１０２の全体において、第１の梁部１２１が設けられている高さ位置には、第２の梁部１２２が設けられておらず、第２の梁部１２２が設けられている高さ位置には、第１の梁部１２１が設けられていない。第１の梁部１２１および第２の梁部１２２のそれぞれは、ｚ軸方向において離散的に配置されていてよい。離散的に配置された第１の梁部１２１の間の空間１２３を冷媒が通過する。また、離散的に配置された第２の梁部１２２の間の空間１２３を冷媒が通過する。第１の梁部１２１の間の空間１２３のｚ軸方向における厚みは、第２の梁部１２２のｚ軸方向における厚みと同一であってよい。また、第２の梁部１２２の間の空間１２３のｚ軸方向における厚みは、第１の梁部１２１のｚ軸方向における厚みと同一であってよい。第１の梁部１２１のｚ軸方向における厚みは、第２の梁部１２２のｚ軸方向における厚みと同一であってよい。

図８は、冷却フィン部１０２の一例を示す斜視図である。図８においては、第１の梁部１２１および第２の梁部１２２を通過する断面を含む斜視図を示している。なお、第１の梁部１２１および第２の梁部１２２の上面にハッチングを付しており、上面以外の面ではハッチングを省略している。図８に示すように、冷却フィン部１０２を通過する冷媒を、ｚ軸方向に攪拌することできる。

図１から図８に示したような構造により、冷媒が通過するときの圧力損失の上昇を抑制しつつ、冷媒をｚ軸方向に攪拌することが容易になる。また、冷媒の流速を向上させて、冷却装置１０の冷却能力を向上させることができる。

なお、冷却フィン部１０２は、ｘｙ面に平行な複数のプレートを積層することで形成してよい。複数のプレートを用いることで、冷却フィン部１０２の製造が容易になる。

図９は、冷却フィン部１０２に含まれる第１のプレート１３１の、上面視における形状の一例を示す図である。第１のプレート１３１は、折れ線部分１３３と、第１の梁部１２１とを有する。折れ線部分１３３は、折れ線部１１０のｚ軸方向における一部に相当する。上面視において、折れ線部分１３３は、折れ線部１１０と同一の形状を有する。図９においては、ｙ軸方向において離散的に配置された３つの折れ線部分１３３を示しているが、第１のプレート１３１は、より多数の折れ線部分１３３を有してよい。ｚ軸方向において、折れ線部分１３３は、第１の梁部１２１と同一の厚みを有してよい。

第１のプレート１３１は、上面視において、折れ線部分１３３と第１の梁部１２１とで囲まれた第１の開口１３４を有する。図９においては、第１の開口１３４の外形を太線で示している。本例の第１の開口１３４の上面視における形状は平行四辺形である。第１のプレート１３１には、平行四辺形の第１の開口１３４が、離散的に複数設けられている。

第１の開口１３４の短辺の長さをＬ１、長辺の長さをＬ２とすると、長さＬ２は、長さＬ１の２倍より大きい。長さＬ２は、長さＬ１の３倍であってよく、３倍より大きくてもよい。

図１０は、冷却フィン部１０２に含まれる第２のプレート１３２の、上面視における形状の一例を示す図である。第２のプレート１３２は、折れ線部分１３５と、第２の梁部１２２とを有する。折れ線部分１３５は、折れ線部１１０のｚ軸方向における一部に相当する。上面視において、折れ線部分１３５は、折れ線部１１０と同一の形状を有する。また、上面視において折れ線部分１３５は、第１のプレート１３１の折れ線部分１３３と同一の形状を有する。図１０においては、ｙ軸方向において離散的に配置された３つの折れ線部分１３５を示しているが、第２のプレート１３２は、より多数の折れ線部分１３５を有してよい。ｚ軸方向において、折れ線部分１３５は、第２の梁部１２２と同一の厚みを有してよい。

第２のプレート１３２は、上面視において、折れ線部分１３５と第２の梁部１２２とで囲まれた第２の開口１３６を有する。図１０においては、第２の開口１３６の外形を太線で示している。本例の第２の開口１３６の上面視における形状は平行四辺形である。第２のプレート１３２には、平行四辺形の第２の開口１３６が、離散的に複数設けられている。

第２の開口１３６の短辺の長さは、第１の開口１３４の短辺の長さＬ１と同一であってよい。第２の開口１３６の長辺の長さは、第１の開口１３４の長辺の長さＬ２と同一であってよい。第１の開口１３４および第２の開口１３６は、上面視において互いに鏡像の形状を有している。つまり第１の開口１３４を天板２０側から見た形状と、第２の開口１３６を底板６４側から見た形状とは同一である。

第１のプレート１３１と、第２のプレート１３２とは、折れ線部分１３３と折れ線部分１３５とが重なるように、ｚ軸方向において交互に積層されている。折れ線部分１３３と折れ線部分１３５とが重なるとは、折れ線部分１３３の全体と、折れ線部分１３５の全体とが重なることを指す。

図１１は、第１のプレート１３１と、第２のプレート１３２とを積層した冷却フィン部１０２の上面図である。折れ線部分１３３および折れ線部分１３５が重なって配置されることで、ｚ軸方向に連続して設けられた折れ線部１１０が形成される。第１のプレート１３１および第２のプレート１３２が積層された状態で、第１の開口１３４および第２の開口１３６は部分的に重なって配置されている。

図１１においては、第１の開口１３４および第２の開口１３６が重なった部分を、空間１４０としている。図１１においては、空間１４０の外形を太線で示している。空間１４０は、折れ線部１１０の上端から下端まで、ｚ軸方向に連続して設けられている。つまり、空間１４０は、冷却フィン部１０２をｚ軸方向に貫通している。

図９および図１０に示したように、第１のプレート１３１と第２のプレート１３２とを積層した場合、第１の開口１３４の端部と、第２の開口１３６の端部とが重なり合う。このため、空間１４０の上面視における形状は、菱形になる。上面視において、空間１４０、第１の梁部１２１および第２の梁部１２２の形状は同一であってよい。

図１２は、図７に示した断面の他の例を示す図である。図１２の例では、冷却フィン部１０２は、第１のプレート１３１と、第２のプレート１３２とがｚ軸方向に交互に積層されている。他の構造は、図７に示した例と同様である。第１のプレート１３１と、第２のプレート１３２とは、ｚ軸方向において同一の厚みＴ１を有してよい。冷却フィン部１０２は、複数の第１のプレート１３１と、複数の第２のプレート１３２とがｚ軸方向に交互に積層されてもよい。

ｙ軸方向における折れ線部１１０の間隔Ｐ１は、第１のプレート１３１および第２のプレート１３２の各プレートの厚みＴ１以上であってよい。これにより、冷媒の通過時における圧力損失を低減できる。間隔Ｐ１は、厚みＴ１より大きくてよく、１．２倍以上であってよく、１．５倍以上であってもよい。

図１３は、冷却フィン部１０２の他の例を示す部分的な上面図である。図１３では、第１の梁部１２１および第２の梁部１２２のハッチングを省略している。本例の冷却フィン部１０２においては、ｙ軸方向において隣り合う二つの折れ線部１１０の間には、ｘ軸方向から見ていずれの折れ線部１１０とも重ならない貫通空間１５０が配置されている。なお、第１の梁部１２１および第２の梁部１２２は、上面視において貫通空間１５０を横切って配置されている。ｘ軸方向から見た場合に、貫通空間１５０は、第１の梁部１２１および第２の梁部１２２により全体が覆われていてよい。

貫通空間１５０を設けることで、冷媒の通過時における圧力損失を低減できる。貫通空間１５０のｙ軸方向における幅は、折れ線部１１０のｙ軸方向における幅より小さくてよい。なお、図３等に示した例では、貫通空間１５０が設けられていない。この場合であっても、ｘ軸方向からみた場合に、隣り合う折れ線部１１０は重ならないように配置されていることが好ましい。図３等の例では、ｘ軸方向からみた場合に、隣り合う折れ線部１１０の端部の位置が重なっている。これにより、冷媒の通過時における圧力損失を低減できる。

図１４は、冷却装置１０の放熱性能を示すグラフである。図１４における縦軸は、所定の条件で動作させた半導体チップ７８の温度を示し、横軸は冷却装置１０に流す冷媒の流量を示している。図１４では、比較例として、第１の梁部１２１および第２の梁部１２２を設けていない冷却装置の放熱性能を示している。図１４に示すように、第１の梁部１２１および第２の梁部１２２を設けることで、放熱性能が１０％程度改善している。ただし、第１の梁部１２１および第２の梁部１２２を設けることで、冷媒の流量が同一の場合、圧力損失は増加する。

図１５は、冷却装置１０の圧力損失を示すグラフである。図１５における縦軸は、所定の条件で動作させた半導体チップ７８の温度を示し、横軸は冷却装置１０に流す冷媒の圧力損失を示している。同一の圧力損失で比較した場合に、第１の梁部１２１および第２の梁部１２２を設けることで、放熱性能が６％程度改善している。つまり、第１の梁部１２１および第２の梁部１２２を設けることで、圧力損失の上昇を抑制しつつ、放熱性能を向上させることができた。

図１６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１７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、炭化ケイ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、２０・・・天板、２２・・・上面、２４・・・下面、４０・・・ケース部、４１・・・外縁部、４２・・・開口部、６３・・・側壁、６４・・・底板、６５・・・上面、６６・・・下面、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、９２・・・冷媒流通部、９４・・・冷却フィン部、１００・・・半導体モジュール、１０２・・・冷却フィン部、１１０・・・折れ線部、１１１・・・第１の直線部、１１２・・・第２の直線部、１１３・・・直線、１１４・・・直線、１１５・・・上端位置、１１６・・・下端位置、１２１・・・第１の梁部、１２２・・・第２の梁部、１２３・・・空間、１３１・・・第１のプレート、１３２・・・第２のプレート、１３３・・・折れ線部分、１３４・・・第１の開口、１３５・・・折れ線部分、１３６・・・第２の開口、１４０・・・空間、１５０・・・貫通空間、２００・・・車両、２１０・・・制御装置

Claims (13)

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、
   冷媒が導入される冷媒流通部が設けられたケース部と、
   前記冷媒流通部に配置された冷却フィン部と
   を備え、
   前記ケース部は、上面側に前記半導体チップが配置され、下面に前記冷却フィン部が設けられている天板を有し、
   前記冷却フィン部は、前記天板の上面と垂直な方向から見た上面視において、
   第１の方向に沿って離散的に配置されており、且つ、それぞれが第２の方向に向かって延伸して設けられた複数の折れ線部と、
   前記第１の方向において隣り合う２つの前記折れ線部の間に配置された第１の梁部および第２の梁部と
   を有し、
   前記折れ線部は、前記上面視において、前記第２の方向に対して傾きを有する第１の直線部と、前記第２の方向に対して前記第１の直線部とは逆の傾きを有する第２の直線部とが、前記第２の方向に沿って交互に配置されており、
   前記第１の梁部は、前記第１の直線部と同一の幅を有し、前記第１の直線部と同一の方向に延長して設けられ、且つ、前記隣り合う２つの前記折れ線部の２つの前記第１の直線部と同一の直線に沿って配置され、
   前記第２の梁部は、前記第２の直線部と同一の幅を有し、前記第２の直線部と同一の方向に延長して設けられ、且つ、前記隣り合う２つの前記折れ線部の２つの前記第２の直線部と同一の直線に沿って配置され、
   前記第１の梁部および前記第２の梁部は、前記天板の上面と垂直な高さ方向において、異なる高さ位置に配置されている冷却装置。
2. 前記第１の梁部および前記第２の梁部のそれぞれは、いずれかの前記折れ線部から、当該折れ線部と隣り合う他の前記折れ線部まで設けられている
   請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記折れ線部は、前記高さ方向において、予め定められた上端位置から下端位置まで連続して設けられており、
   前記第１の梁部および前記第２の梁部は、前記上端位置から前記下端位置までの範囲内において、前記第１の梁部および前記第２の梁部の前記高さ方向における位置が交互になるように配置されている
   請求項１または２に記載の冷却装置。
4. 前記冷却フィン部は、
   前記折れ線部の前記高さ方向における一部となる折れ線部分と、前記第１の梁部とが設けられた第１のプレートと、
   前記折れ線部の前記高さ方向における一部となる折れ線部分と、前記第２の梁部とが設けられた第２のプレートと
   を有し、
   前記第１のプレートと、前記第２のプレートとが、前記折れ線部分が重なるように前記高さ方向において交互に積層されている
   請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却装置。
5. 前記第１のプレートは、前記上面視において前記折れ線部分と前記第１の梁部とで囲まれた第１の開口が設けられており、
   前記第２のプレートは、前記上面視において前記折れ線部分と前記第２の梁部とで囲まれた第２の開口が設けられており、
   前記第１の開口および前記第２の開口は、前記上面視において互いに鏡像の形状を有する
   請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記第１の開口および前記第２の開口の前記上面視における形状は平行四辺形である
   請求項５に記載の冷却装置。
7. 前記第１のプレートおよび前記第２のプレートが積層された状態で、前記第１の開口および前記第２の開口は部分的に重なって配置されており、
   前記第１の開口および前記第２の開口が重なる部分の前記上面視における形状は菱形である
   請求項６に記載の冷却装置。
8. 前記第１の方向における前記折れ線部の間隔が、前記第１のプレートおよび前記第２のプレートの各プレートの厚み以上である
   請求項４から７のいずれか一項に記載の冷却装置。
9. 前記第１の方向において隣り合う二つの前記折れ線部の間には、前記第２の方向から見ていずれの前記折れ線部とも重ならない貫通空間が配置されており、
   前記第１の梁部および前記第２の梁部は、前記貫通空間を横切って配置されている
   請求項１から８のいずれか一項に記載の冷却装置。
10. 前記第１の直線部の前記第２の方向に対する傾きの絶対値と、前記第２の直線部の前記第２の方向に対する傾きの絶対値とは、いずれも３５度以下である
    請求項１から９のいずれか一項に記載の冷却装置。
11. 前記平行四辺形の長辺の長さは、前記平行四辺形の短辺の長さの３倍より大きい
    請求項６に記載の冷却装置。
12. 請求項１から１１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。
13. 請求項１２に記載の半導体モジュールを備える車両。

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