JP7424489B2 - 冷却装置および半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、冷却装置および半導体モジュールに関する。
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１参照）。
特許文献１ 特開２０１４－１７９５６３号公報
 解決しようとする課題
半導体モジュールにおいて、冷却装置の冷媒の漏れ出しを防ぐシール性能を向上させることが好ましい。
一般的開示
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、半導体モジュール用の冷却装置を提供する。半導体モジュールは、半導体チップを含んでよい。冷却装置は、天板を備えてよい。天板は、下面を有してよい。冷却装置は、底板を備えてよい。底板は、天板の下面との間に冷媒流通部として機能する空間を有して配置されてよい。冷却装置は、側壁を備えてよい。側壁は、天板および底板を接続してよい。側壁は、冷媒流通部を囲んでよい。側壁は、固定部を有してよい。固定部は、天板および底板の少なくとも一方に対して設けられてよい。固定部は、天板または底板に固定材料により固定されてよい。固定部は、先端部を有してよい。先端部は、天板または底板と対向して配置されてよい。固定部は、離間部を有してよい。離間部は、冷媒流通部と側壁が並ぶ第１方向において先端部に隣接してよい。離間部は、先端部よりも、先端部と対向して配置された天板または底板から離れて配置されてよい。
本発明の第２の態様においては、半導体モジュールを提供する。半導体モジュールは、本発明の第１の態様に係る冷却装置を備えてよい。半導体モジュールは、半導体装置を備えてよい。半導体装置は、天板の上方に配置されてよい。
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。 下面視（ｘｙ面）における天井部４１の形状の一例を示す図である。 冷却装置１０における固定部５２および固定部５２近傍の冷却フィン９４の一例を示す図である。 冷却装置１０における固定部５２および固定部５２近傍の冷却フィン９４の他の例を示す図である。 冷却装置１０における固定部５２および固定部５２近傍の冷却フィン９４の他の例を示す図である。 冷却装置１０における固定部５２および固定部５２近傍の冷却フィン９４の他の例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る半導体モジュール２００の一例を示す模式的な断面図である。 図７の冷却装置１０における固定部５２および固定部５２近傍の冷却フィン９４の一例を示す図である。 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の一方の面に回路パターンが設けられ、他方の面に放熱板が設けられたものである。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。本例の収容部７２は樹脂で形成された樹脂ケースである。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材７４が充填されていてよい。封止部材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、半導体モジュール１００用の冷却装置である。冷却装置１０は、半導体装置７０を冷却する。冷却装置１０は、天井部４１および底部４０を有する。図１の例において、天井部４１は、天板２０、側壁６３および冷却フィン９４を有する。天板２０および側壁６３は、１枚の金属板を塑性変形することで、一体の部材として構成されてよい。また、底部４０は、底板６４を有する。他の例において、天井部４１が天板２０を有し、底部４０が底板６４、側壁６３および冷却フィン９４を有してよい。この場合、底板６４および側壁６３が一体の部材として構成されてよい。冷却フィン９４は、底板６４および天板２０の少なくとも一方にロウ材料等で固定されてよい。冷却フィン９４は、鋳造等により、底板６４および天板２０と一体の部材として構成されてもよい。
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、回路基板７６が放熱板を有さず、回路基板７６の半導体チップ７８とは反対側の絶縁層が天板２０の上面２２に直接的に固定されてよい。
側壁６３は、天板２０および底板６４を接続する。つまり、本例の天井部４１は、側壁６３において底部４０と接続する。側壁６３は、天板２０および底板６４の少なくとも一方に対して、ロウ材料により密着して固定されてよい。図１の例において、天井部４１が側壁６３を有するため、側壁６３は、底板６４とロウ材料により固定されている。他の例において、例えば底部４０が側壁６３を有する場合、側壁６３は、天板２０とロウ材料により固定されてよい。更に他の例では、側壁６３は、底板６４および天板２０の両方に対してロウ材料等で固定されてよい。
側壁６３は、ｘｙ面において冷媒流通部９２を囲む。換言すれば、側壁６３は、ｘｙ面において冷媒流通部９２を画定する。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、底板６４は、ｘｙ面において冷媒流通部９２を囲む側壁６３に対して、ロウ材料により密着して固定されている。これにより、冷媒流通部９２を密閉している。また、側壁６３は、底板６４の上面２６にシール材、接着剤、または、その他の部材により密着して固定されてもよい。密着とは、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および底板６４の少なくとも一方に対して、ロウ材料により、固定されてよい。図１の例において、冷却フィン９４は、底板６４とロウ材料により固定されている。冷却フィン９４が天板２０および底板６４の一方にロウ材料で固定されている場合、冷却フィン９４は、ロウ付けされていない天板２０または底板６４から離れていてよく、接していてもよい。冷却フィン９４は、天板２０または底板６４の一方と一体に形成され、且つ、天板２０または底板６４の他方にロウ付けされてもよい。また、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。
底部４０は、底板６４を有する。底板６４は、天板２０の下面２４との間に冷媒流通部９２として機能する空間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の下面２８側（本例ではｚ軸負側）に突出している。
本例では、側壁６３および底板６４の間はロウ付けされている。一例として、天板２０、側壁６３および底板６４は、同一組成の金属で形成されており、ロウ材料は、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。ロウ材料として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。
側壁６３は、固定部５２を有する。側壁６３は、先端に固定部５２を有する。側壁６３の先端とは、側壁６３において底板６４または天板２０に最も近い部分である。図１の例では、側壁６３におけるｚ軸方向の端部を先端とする。側壁６３は、天板２０および底板６４の少なくとも一方に対して固定部５２を有する。固定部５２は、天板２０または底板６４に対して、ロウ材料により固定されてよい。図１の例において、固定部５２は、底板６４とロウ材料により密着されている。
２つの平坦な部材をロウ材料等の固定材料で固定した場合、固化する前の固定材料が、２つの部材間の領域から外部に流動してしまう。このため、２つの部材間に留まる固定材料が少なくなる。固定材料が少なくなると、空胞（ボイド）の原因となり、側壁６３と底板６４の間から冷媒流通部９２の内部の冷媒が漏れ出てしまう。したがって、冷却装置１０のシール性能が悪化してしまう。
本例において、固定部５２は、先端部と離間部を有している。本例における先端部は、側壁６３において底板６４に最も近い部分である。先端部は、底板６４と平行な平面であってよく、底板６４と対向して配置された頂点であってもよい。離間部は、先端部と隣接した部分であって、且つ、底板６４との距離が、先端部と底板６４との距離よりも大きい部分である。なお、離間部は、ｚ軸方向において底板６４と向かい合う位置に設けられる。つまり、離間部と底板６４との間には、比較的に大きい空間が設けられている。図１の例では、固定部５２は、テーパー形状を有している。固定部５２と底板６４をロウ付けした場合、先端部と底板６４の間におけるロウ材料は、離間部と底板６４の間の空間に流動する。これにより、先端部と底板６４の間から流れ出たロウ材料も、側壁６３と底板６４の密着固定に寄与できる。また、離間部と底板６４の間において、ｚ軸方向に厚いロウ材料の層を形成できる。したがって、冷却装置１０のシール性能を向上できる。
図２は、下面視（ｘｙ面）における天井部４１の形状の一例を示す図である。本明細書では、天板２０等の下面側から見ることを下面視、上面側から見ることを上面視と称する。下面視および上面視の図面は、ｘｙ面に各部材の位置を投影した図である。図１の天井部４１は、図２のＡ－Ａ断面に対応する。なお図１においては側壁６３を説明するために、側壁６３の幅を大きく記載している。図１および図２において各部材の大きさは必ずしも一致していない。本例の天井部４１は、下面視において、天板２０、固定部５２（側壁６３）、冷却フィン９４および外縁部６２を有する。天井部４１は、上面視において２組の対向する辺３６、３８を有する。本例の天井部４１は、短辺３６と、長辺３８とを有する略矩形形状である。天井部４１は、４つの角部２９を有する。本明細書では、短辺３６が伸びる方向をｙ軸とし、長辺３８が伸びる方向をｘ軸とする。本例における側壁６３は、ｘｙ面とは略垂直である。
外縁部６２は、天井部４１の外縁に設けられる。本例の外縁部６２は、天板２０のうち、側壁６３よりも外側の領域である。外縁部６２は、側壁６３で囲まれる冷媒流通部９２の外部に設けられている。外縁部６２は、側壁６３の周囲の少なくとも一部を囲むように設けられよい。図２の例において、外縁部６２は、ｙ軸方向において側壁６３を囲んでいる。また、外縁部６２は、側壁６３の周囲全体を囲むように設けられてもよい。
外縁部６２は、締結部８０を有する。締結部８０は、天井部４１と底部４０を締結する。底部４０も、締結部を有してよい。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および底板６４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および底部４０を貫通する貫通孔が形成された領域である。
天板２０には、複数の締結部８０が設けられている。少なくとも一つの締結部８０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８０が設けられている。また、それぞれの長辺３８にも締結部８０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３６にも締結部８０が設けられてよく、設けられていなくともよい。
冷却フィン９４は、側壁６３で囲まれる冷媒流通部９２の内部に配置されている。冷却フィン９４は、ｘ軸方向に均等に複数配列されてよい。冷却フィン９４は、ｙ軸方向に均等に複数配列されてよい。他の例では、冷却フィン９４は、各方向において不均等に配置されてもよい。
図３は、冷却装置１０における固定部５２および固定部５２近傍の冷却フィン９４の一例を示す図である。図３において、固定部５２と固定部５２と最も近い冷却フィン９４を示している。図３においては、天板２０および底板６４の一部も示している。
固定部５２は、先端部５４を有している。先端部５４は、天板２０または底板６４と対向して配置されてよい。図３の例において、先端部５４は、底板６４と対向して配置されている。先端部５４は、底板６４と直接接触して配置されてよい。
固定部５２は、離間部５６を有している。離間部５６は、冷媒流通部９２と側壁６３が並ぶ第１方向（図３ではｘ軸方向）において先端部５４に隣接している。なお、ｙｚ断面においては、ｙ軸方向に冷媒流通部９２と側壁６３が並んでいるので、ｙ軸方向が第１方向である。離間部５６は、先端部５４よりも、先端部５４と対向して配置された天板２０または底板６４から離れて配置されてよい。本例では、離間部５６と底板６４との距離は、先端部５４と底板６４との距離よりも大きい。また、離間部５６は、ｚ軸に対して傾斜を有する傾斜面を有してよい。つまり、離間部５６は、第１方向において先端部５４から離れるほど、底板６４との距離が増大してよい。離間部５６の傾斜の傾きは一定であってもよく、変化していてもよい。
ロウ材料５８は、固定部５２と底板６４の間に配置されている。ロウ材料５８は、離間部５６と底板６４の間に配置されてよい。ロウ材料５８は、先端部５４と底板６４の間にも配置されてよい。固定部５２は、底板６４にロウ材料５８によりロウ付けされている。固定部５２は先端部５４と離間部５６を有しているため、上述したように、冷却装置１０のシール性能を向上することができる。
なお、天井部４１や底部４０、とりわけ離間部５６は、鍛造品であってよい。これらを鍛造で形成することにより、容易にテーパー形状を形成することができる。例えば、金属板の角を工具で叩くことで塑性変形させて、固定部５２の離間部５６を形成できる。
固定部５２は、複数の離間部５６を有してよい。図３の例において、固定部５２は、２つの離間部５６を有している。先端部５４は、第１方向（図３ではｘ軸方向）において複数の離間部５６に挟まれていてよい。つまり、固定部５２は、底板６４と対向する面が凸形状を有してもよい。２つの離間部５６を有することで、先端部５４の両側に厚膜のロウ材料５８を形成できるので、シール性能を向上することができる。
なお、固定部５２は、複数の先端部５４を有し、離間部５６が複数の先端部５４に挟まれていてもよい。つまり、固定部５２は、底板６４と対向する面が凹形状を有してもよい。このような形状でも、冷却装置１０のシール性能を向上することができる。
冷却フィン９４の先端は、テーパー形状を有してよい。つまり、冷却フィン９４の先端は、先端部６６と離間部６８を有していてよい。先端部６６は、先端部５４と同様の構造を有してよく、離間部６８は、離間部５６と同様の構造を有してよい。ただし、冷却フィン９４においては、上面視において、離間部６８が先端部６６を囲んで配置されてよい。先端部６６は、底板６４と対向して配置されている。離間部６８は、先端部６６よりも底板６４から離れて配置されている。これにより、冷却フィン９４においても、離間部６８と底板６４の間にロウ材料が流動する空間を確保でき、接合性を確保することができる。冷却フィン９４は、側壁６３の幅Ｗ１が冷却フィン９４の幅Ｗ２より小さくてもよい。なお、冷却フィン９４の幅Ｗ２が測定する方向によって一様に決まらない場合には、最も小さい方向の測定値を幅Ｗ２としてよい。なお冷却フィン９４の先端は、テーパー形状を有さなくてもよい。
ロウ材料５８は、冷却フィン９４の先端と底板６４の間に配置されていてよい。つまり、ロウ材料５８は、先端部６６と底板６４の間または離間部６８と底板６４の間に配置されてよい。冷却フィン９４の先端は、ロウ材料５８により底板６４にロウ付けされている。
冷却フィン９４の先端と底板６４の上面２６との最大離間距離Ｃ２は、離間部５６と底板６４の上面２６との最大離間距離Ｃ１より小さくてよい。冷却フィン９４の先端と底板６４の上面２６との最大離間距離Ｃ２は、第１方向における冷却フィン９４の端部と、底板６４の上面２６との距離であってよい。離間部５６と底板６４の上面２６との最大離間距離Ｃ１は、第１方向における離間部５６の端部と、底板６４の上面２６との距離であってよい。冷却フィン９４の先端と底板６４の上面２６との最大離間距離Ｃ２を、離間部５６と底板６４の上面２６との最大離間距離Ｃ１より小さくすることにより、冷却装置１０のシール性能を向上しながら、冷却フィン９４においても接合性または耐荷重性の確保を図ることができる。
第１方向（図３ではｘ軸方向）における先端部５４の幅Ｂ１は、第１方向における複数の離間部５６のそれぞれの幅の和よりも小さくてよい。本例では、先端部５４の幅Ｂ１は、先端部５４を第１方向に挟む２つの離間部５６の、第１方向における幅Ａ１および幅Ａ２の和よりも小さくてよい。このような構成により、固定部５２中の先端部５４に対する離間部５６の割合を高めることができる。したがって、冷却装置１０のシール性能を向上することができる。
また、第１方向における先端部５４の幅Ｂ１は、第１方向における複数の離間部５６のそれぞれの幅よりも小さくてよい。つまり、先端部５４の幅Ｂ１は、先端部５４を第１方向に挟む２つの離間部５６の幅Ａ１および幅Ａ２のいずれよりも小さくてよい。このような構成により、固定部５２中の先端部５４に対する離間部５６の割合を更に高めることができる。なお、先端部５４の幅Ｂ１を設けることで、側壁６３の耐荷重性を確保することができる。
第１方向における離間部５６の幅Ａ１、Ａ２は、それぞれ０．５ｍｍ以上であってよく、好ましくは０．６５ｍｍ以上であってよい。第１方向における離間部５６の幅Ａ１、Ａ２は、それぞれ１．０ｍｍ以下であってよく、好ましくは０．８５ｍｍ以下であってよい。第１方向における先端部５４の幅Ｂ１は、１．０ｍｍ以下であってよく、好ましくは０．５ｍｍ以下であってよい。
第１方向における側壁６３の幅Ｗ１は、第１方向における離間部５６の幅Ａ１、Ａ２および第１方向（Ｘ軸方向）における先端部５４の幅Ｂ１の幅の和である。側壁６３の幅Ｗ１は、一例として、２．０ｍｍである。第１方向における先端部５４の幅Ｂ１は、第１方向における側壁の幅Ｗ１の１／４以下であってよい。第１方向における先端部５４の幅Ｂ１を、第１方向における側壁の幅Ｗ１の１／４以下とすることで、固定部５２中の先端部５４に対する離間部５６の割合を高めることができる。なお、固定部５２がテーパー形状を有している場合、先端部５４の幅Ｂ１は、側壁６３の幅Ｗ１の１／１０以上であってよい。
最大離間距離Ｃ１は、第１方向における複数の離間部５６のそれぞれの幅よりも小さくてよい。つまり、最大離間距離Ｃ１は、先端部５４を第１方向に挟む２つの離間部５６の幅Ａ１および幅Ａ２のいずれよりも小さくてよい。また、最大離間距離Ｃ１は、０．１ｍｍ以上であってよく、好ましくは０．２ｍｍ以上であってよい。また、最大離間距離Ｃ１は、１．０ｍｍ以下であってよく、好ましくは０．５ｍｍ以下であってよい。 このような構成により、離間部５６と底板６４の上面２６とが離れすぎて、接合性が悪化するのを防止できる。
最大離間距離Ｃ２は、０．０ｍｍ以上であってよい。最大離間距離Ｃ２が０．０ｍｍである場合とは、つまり、冷却フィン９４の先端がテーパー形状を有さない場合である。最大離間距離Ｃ２は、０．２ｍｍ以下であってよい。最大離間距離Ｃ２は、一例として、０．１ｍｍである。
図４は、冷却装置１０における固定部５２および固定部５２近傍の冷却フィン９４の他の例を示す図である。図４の冷却装置１０は、所定の断面において固定部５２が円弧形状を有する点で図３の冷却装置１０と異なる。本例の固定部５２は、ｘｚ断面において、底板６４側に凸の円弧形状を有している。固定部５２の形状以外の構成は、図３の冷却装置１０と同一であってよい。なお、第１方向（本例ではｘ軸方向）における先端部５４の幅Ｂ１は、０に限りなく近い値であってよい。幅Ｂ１は、幅Ａ１または幅Ａ２の１０％以下であってよく、５％以下であってもよい。
側壁６３の固定部５２は円弧形状を有するため、先端部５４近傍の離間部５６の傾斜は、テーパー形状に比べて、緩やかに変化する。したがって、テーパー形状に比べて、先端部５４近傍の離間部５６は、底板６４との距離が近くなり、側壁６３の離間部５６と底板６４の接着をより強固にすることができる。なお、上述の通り、冷却フィン９４においては、離間部６８と底板６４の間にロウ材料が流動する空間をより確保できる。
図５は、冷却装置１０における固定部５２および固定部５２近傍の冷却フィン９４の他の例を示す図である。図５の冷却装置１０は、所定の断面において冷却フィン９４の先端が円弧形状を有する点で図３の冷却装置１０と異なる。冷却フィン９４は、ｘｙ面と垂直な任意の断面において、底板６４側に凸の円弧形状を有してよい。冷却フィン９４以外の構成は、図３の冷却装置１０と同一であってよい。
冷却フィン９４の先端は円弧形状を有するため、先端部６６近傍の離間部６８の傾斜は、テーパー形状に比べて、緩やかに変化する。したがって、テーパー形状に比べて、先端部６６近傍の離間部６８は、底板６４と距離が近くなり、離間部６８と底板６４の接着をより強固にすることができる。なお、上述の通り、側壁６３の固定部５２においては、離間部５６と底板６４の間にロウ材料が流動する空間をより確保できる。
図６は、冷却装置１０における固定部５２および固定部５２近傍の冷却フィン９４の他の例を示す図である。図６の冷却装置１０は、冷却フィン９４の先端が円弧形状を有する点で図４の冷却装置１０と異なる。冷却フィン９４以外の構成は、図４の冷却装置１０と同一であってよい。
図７は、本発明の他の実施形態に係る半導体モジュール２００の一例を示す模式的な断面図である。図７の半導体モジュール２００は、天井部４１および底部４０の構成が図１の半導体モジュール１００と異なる。天井部４１および底部４０以外の構成は、半導体モジュール１００と同一であってよい。
図７の例において、天井部４１は、天板２０を有する。また、底部４０は、底板６４、側壁６３および冷却フィン９４を有する。天井部４１および底部４０の構成要素は、それぞれ一体に形成されてよい。つまり、底板６４、側壁６３および冷却フィン９４は、一体に形成されてよい。
側壁６３は、固定部５２を有する。側壁６３は、先端に固定部５２を有してよい。図７の例において、固定部５２は、天板２０とロウ材料により密着されている。
本例において、図１と同様に固定部５２は、先端部と離間部を有している。離間部と天板２０は、少なくとも一部が離れて配置されるため、離間部に流動したロウ材料は、空胞無く側壁６３と天板２０を接着する。したがって、天井部４１および底部４０の構成が異なる場合においても冷却装置１０のシール性能を向上させることができる。
図８は、図７の冷却装置１０における固定部５２および固定部５２近傍の冷却フィン９４の一例を示す図である。図８では、図３と共通の符号を示している。なお、図８において、離間部５６の幅Ａ１、Ａ２、先端部５４の幅Ｂ１、側壁６３の幅Ｗ１および冷却フィン９４の幅Ｗ２は、図３と同じであってよい。
ロウ材料５８は、固定部５２と天板２０の間に配置されている。つまり、ロウ材料５８は、先端部５４と天板２０の間または離間部５６と天板２０の間に配置されてよい。ロウ材料５８は、固定部５２と天板２０を接着する。換言すれば、固定部５２は、天板２０にロウ付けされている。固定部５２は先端部５４と離間部５６を有しているため、ロウ材料５８は、離間部５６と天板２０を空胞無く接着することができる。したがって、冷却装置１０のシール性能を向上することができる。
ロウ材料５８は、冷却フィン９４の先端と天板２０の間に配置されている。つまり、ロウ材料５８は、先端部６６と天板２０の間または離間部６８と天板２０の間に配置されてよい。ロウ材料５８は、冷却フィン９４の先端と天板２０を接着する。換言すれば、冷却フィン９４の先端は、天板２０にロウ付けされている。
冷却フィン９４の先端と天板２０の下面２４との最大離間距離Ｃ４は、離間部５６と天板２０の下面２４との最大離間距離Ｃ３より小さくてよい。冷却フィン９４の先端と天板２０の下面２４との最大離間距離Ｃ４は、先端部６６の高さであってよい。離間部５６と天板２０の下面２４との最大離間距離Ｃ３は、先端部５４の高さであってよい。冷却フィン９４の先端と天板２０の下面２４との最大離間距離Ｃ４を、離間部５６と天板２０の下面２４との最大離間距離Ｃ３より小さくすることにより、冷却装置１０のシール性能を向上しながら、冷却フィン９４においても接合性または耐荷重性の確保を図ることができる。
最大離間距離Ｃ３は、第１方向における複数の離間部５６のそれぞれの幅よりも小さくてよい。つまり、最大離間距離Ｃ３は、先端部５４を第１方向に挟む２つの離間部５６の幅Ａ１および幅Ａ２のいずれよりも小さくてよい。また、最大離間距離Ｃ３は、０．１ｍｍ以上であってよく、好ましくは０．２ｍｍ以上であってよい。また、最大離間距離Ｃ３は、１．０ｍｍ以下であってよく、好ましくは０．５ｍｍ以下であってよい。最大離間距離Ｃ３は、一例として、０．３ｍｍである。このような構成により、離間部５６と天板２０の下面２４とが離れすぎて、接合性が悪化するのを防止できる。
最大離間距離Ｃ４は、０．０ｍｍ以上であってよい。最大離間距離Ｃ４が０．０ｍｍである場合とは、つまり、冷却フィン９４の先端がテーパー形状を有さない場合である。最大離間距離Ｃ４は、０．２ｍｍ以下であってよい。最大離間距離Ｃ４は、一例として、０．１ｍｍである。
図９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、請求の範囲の記載から明らかである。
１０・・冷却装置、２０・・天板、２２・・上面、２４・・下面、２６・・上面、２８・・下面、２９・・角部、３６・・短辺、３８・・長辺、４０・・底部、４１・・天井部、４２・・開口部、５２・・固定部、５４・・先端部、５６・・離間部、５８・・ロウ材料、６２・・外縁部、６３・・側壁、６４・・底板、６６・・先端部、６８・・離間部、７０・・半導体装置、７２・・収容部、７４・・封止部材、７６・・回路基板、７８・・半導体チップ、８０・・締結部、９０・・パイプ、９２・・冷媒流通部、９４・・冷却フィン、１００・・半導体モジュール、２００・・半導体モジュール

Claims (27)

  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、
    前記天板の下面との間に冷媒流通部として機能する空間を有して配置された底板と、
    前記天板および前記底板を接続し、且つ、前記冷媒流通部を囲む側壁と
    を備え、
    前記側壁は、前記天板および前記底板の少なくとも一方に対して設けられ、前記天板または前記底板に固定材料により固定される固定部を有し、
    前記固定部は、
    前記天板または前記底板と対向して配置された先端部と、
    前記冷媒流通部と前記側壁が並ぶ第１方向において前記先端部に隣接し、前記先端部よりも、前記先端部と対向して配置された前記天板または前記底板から離れて配置された複数の離間部と
    を有し、
    前記先端部は、前記第１方向において複数の前記離間部に挟まれており、
    複数の前記離間部は、共にテーパー形状あるいは共に円弧形状であり、
    前記先端部の幅は、前記側壁の幅の１／１０以上である
    冷却装置。
  2. 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、
    前記天板の下面との間に冷媒流通部として機能する空間を有して配置された底板と、
    前記天板および前記底板を接続し、且つ、前記冷媒流通部を囲む側壁と
    を備え、
    前記側壁は、前記天板および前記底板の少なくとも一方に対して設けられ、前記天板または前記底板に固定材料により固定される固定部を有し、
    前記固定部は、
    前記天板または前記底板と対向して配置された先端部と、
    前記冷媒流通部と前記側壁が並ぶ第１方向において前記先端部に隣接し、前記先端部よりも、前記先端部と対向して配置された前記天板または前記底板から離れて配置された離間部と
    を有し、
    前記固定部は、前記側壁の最先端に設けられ、
    前記先端部の幅は、前記側壁の幅の１／１０以上である
    冷却装置。
  3. 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、
    前記天板の下面との間に冷媒流通部として機能する空間を有して配置された底板と、
    前記天板および前記底板を接続し、且つ、前記冷媒流通部を囲む側壁と
    を備え、
    前記側壁は、前記天板および前記底板の少なくとも一方に対して設けられ、前記天板または前記底板に固定材料により固定される固定部を有し、
    前記固定部は、
    前記天板または前記底板と対向して配置された先端部と、
    前記冷媒流通部と前記側壁が並ぶ第１方向において前記先端部に隣接し、前記先端部よりも、前記先端部と対向して配置された前記天板または前記底板から離れて配置された離間部と
    を有し、
    前記先端部と対向して配置された前記天板または前記底板の外縁は、前記側壁より外側に設けられ、
    前記先端部の幅は、前記側壁の幅の１／１０以上である
    冷却装置。
  4. 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、
    前記天板の下面との間に冷媒流通部として機能する空間を有して配置された底板と、
    前記天板および前記底板を接続し、且つ、前記冷媒流通部を囲む側壁と
    を備え、
    前記側壁は、前記天板および前記底板の少なくとも一方に対して設けられ、前記天板または前記底板に固定材料により固定される固定部を有し、
    前記固定部は、
    前記天板または前記底板と対向して配置された先端部と、
    前記冷媒流通部と前記側壁が並ぶ第１方向において前記先端部に隣接し、前記先端部よりも、前記先端部と対向して配置された前記天板または前記底板から離れて配置された離間部と
    を有し、
    前記先端部は、前記天板または前記底板と直接接触して配置されており、
    前記先端部の幅は、前記側壁の幅の１／１０以上である
    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、
    前記天板の下面との間に冷媒流通部として機能する空間を有して配置された底板と、
    前記天板および前記底板を接続し、且つ、前記冷媒流通部を囲む側壁と
    を備え、
    前記側壁は、前記天板および前記底板の少なくとも一方に対して設けられ、前記天板または前記底板に固定材料により固定される固定部を有し、
    前記固定部は、
    前記天板または前記底板と対向して配置された先端部と、
    前記冷媒流通部と前記側壁が並ぶ第１方向において前記先端部に隣接し、前記先端部よりも、前記先端部と対向して配置された前記天板または前記底板から離れて配置された複数の離間部と
    を有し、
    前記先端部は、前記第１方向において複数の前記離間部に挟まれており、
    複数の前記離間部は、共にテーパー形状あるいは共に円弧形状であり、
    前記固定部は前記冷媒流通部の周りを囲んでいる
    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、
    前記天板の下面との間に冷媒流通部として機能する空間を有して配置された底板と、
    前記天板および前記底板を接続し、且つ、前記冷媒流通部を囲む側壁と
    を備え、
    前記側壁は、前記天板および前記底板の少なくとも一方に対して設けられ、前記天板または前記底板に固定材料により固定される固定部を有し、
    前記固定部は、
    前記天板または前記底板と対向して配置された先端部と、
    前記冷媒流通部と前記側壁が並ぶ第１方向において前記先端部に隣接し、前記先端部よりも、前記先端部と対向して配置された前記天板または前記底板から離れて配置された離間部と
    を有し、
    前記固定部は、前記側壁の最先端に設けられ、
    前記固定部は前記冷媒流通部の周りを囲んでいる
    冷却装置。
  7. 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、
    前記天板の下面との間に冷媒流通部として機能する空間を有して配置された底板と、
    前記天板および前記底板を接続し、且つ、前記冷媒流通部を囲む側壁と
    を備え、
    前記側壁は、前記天板および前記底板の少なくとも一方に対して設けられ、前記天板または前記底板に固定材料により固定される固定部を有し、
    前記固定部は、
    前記天板または前記底板と対向して配置された先端部と、
    前記冷媒流通部と前記側壁が並ぶ第１方向において前記先端部に隣接し、前記先端部よりも、前記先端部と対向して配置された前記天板または前記底板から離れて配置された離間部と
    を有し、
    前記先端部と対向して配置された前記天板または前記底板の外縁は、前記側壁より外側に設けられ、
    前記固定部は前記冷媒流通部の周りを囲んでいる
    冷却装置。
  8. 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、
    前記天板の下面との間に冷媒流通部として機能する空間を有して配置された底板と、
    前記天板および前記底板を接続し、且つ、前記冷媒流通部を囲む側壁と
    を備え、
    前記側壁は、前記天板および前記底板の少なくとも一方に対して設けられ、前記天板または前記底板に固定材料により固定される固定部を有し、
    前記固定部は、
    前記天板または前記底板と対向して配置された先端部と、
    前記冷媒流通部と前記側壁が並ぶ第１方向において前記先端部に隣接し、前記先端部よりも、前記先端部と対向して配置された前記天板または前記底板から離れて配置された離間部と
    を有し、
    前記先端部は、前記天板または前記底板と直接接触して配置されており、
    前記固定部は前記冷媒流通部の周りを囲んでいる
    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、
    前記天板の下面との間に冷媒流通部として機能する空間を有して配置された底板と、
    前記天板および前記底板を接続し、且つ、前記冷媒流通部を囲む側壁と
    を備え、
    前記側壁は、前記天板および前記底板の少なくとも一方に対して設けられ、前記天板または前記底板に固定材料により固定される固定部を有し、
    前記固定部は、
    前記天板または前記底板と対向して配置された先端部と、
    前記冷媒流通部と前記側壁が並ぶ第１方向において前記先端部に隣接し、前記先端部よりも、前記先端部と対向して配置された前記天板または前記底板から離れて配置された複数の離間部と
    を有し、
    前記先端部は、前記第１方向において複数の前記離間部に挟まれており、
    複数の前記離間部は、共にテーパー形状あるいは共に円弧形状であり、
    前記先端部および前記離間部の全体が、前記天板または前記底板と垂直な方向において、前記側壁と重なっている
    冷却装置。
  10. 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、
    前記天板の下面との間に冷媒流通部として機能する空間を有して配置された底板と、
    前記天板および前記底板を接続し、且つ、前記冷媒流通部を囲む側壁と
    を備え、
    前記側壁は、前記天板および前記底板の少なくとも一方に対して設けられ、前記天板または前記底板に固定材料により固定される固定部を有し、
    前記固定部は、
    前記天板または前記底板と対向して配置された先端部と、
    前記冷媒流通部と前記側壁が並ぶ第１方向において前記先端部に隣接し、前記先端部よりも、前記先端部と対向して配置された前記天板または前記底板から離れて配置された離間部と
    を有し、
    前記固定部は、前記側壁の最先端に設けられ、
    前記先端部および前記離間部の全体が、前記天板または前記底板と垂直な方向において、前記側壁と重なっている
    冷却装置。
  11. 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、
    前記天板の下面との間に冷媒流通部として機能する空間を有して配置された底板と、
    前記天板および前記底板を接続し、且つ、前記冷媒流通部を囲む側壁と
    を備え、
    前記側壁は、前記天板および前記底板の少なくとも一方に対して設けられ、前記天板または前記底板に固定材料により固定される固定部を有し、
    前記固定部は、
    前記天板または前記底板と対向して配置された先端部と、
    前記冷媒流通部と前記側壁が並ぶ第１方向において前記先端部に隣接し、前記先端部よりも、前記先端部と対向して配置された前記天板または前記底板から離れて配置された離間部と
    を有し、
    前記先端部と対向して配置された前記天板または前記底板の外縁は、前記側壁より外側に設けられ、
    前記先端部および前記離間部の全体が、前記天板または前記底板と垂直な方向において、前記側壁と重なっている
    冷却装置。
  12. 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、
    前記天板の下面との間に冷媒流通部として機能する空間を有して配置された底板と、
    前記天板および前記底板を接続し、且つ、前記冷媒流通部を囲む側壁と
    を備え、
    前記側壁は、前記天板および前記底板の少なくとも一方に対して設けられ、前記天板または前記底板に固定材料により固定される固定部を有し、
    前記固定部は、
    前記天板または前記底板と対向して配置された先端部と、
    前記冷媒流通部と前記側壁が並ぶ第１方向において前記先端部に隣接し、前記先端部よりも、前記先端部と対向して配置された前記天板または前記底板から離れて配置された離間部と
    を有し、
    前記先端部は、前記天板または前記底板と直接接触して配置されており、
    前記先端部および前記離間部の全体が、前記天板または前記底板と垂直な方向において、前記側壁と重なっている
    冷却装置。
  13. 前記固定材料は、ロウ材料である
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の冷却装置。
  14. 前記冷媒流通部に配置され、且つ、前記ロウ材料によって、前記天板または前記底板に固定される冷却フィンを更に備える
    請求項１３に記載の冷却装置。
  15. 前記冷却フィンの先端は、テーパー形状または円弧形状を有する
    請求項１４に記載の冷却装置。
  16. 前記固定部および前記冷却フィンは、前記底板にロウ付けされており、
    前記冷却フィンの先端と前記底板の上面との最大離間距離は、前記離間部と前記底板の上面との最大離間距離より小さい
    請求項１４または１５に記載の冷却装置。
  17. 前記固定部および前記冷却フィンは、前記天板にロウ付けされており、
    前記冷却フィンの先端と前記天板の下面との最大離間距離は、前記離間部と前記天板の下面との最大離間距離より小さい
    請求項１４または１５に記載の冷却装置。
  18. 前記固定部は、テーパー形状を有する
    請求項１から１７のいずれか一項に記載の冷却装置。
  19. 前記固定部は、円弧形状を有する
    請求項１から１７のいずれか一項に記載の冷却装置。
  20. 前記固定部は、複数の前記離間部を有し、
    前記先端部は、前記第１方向において複数の前記離間部に挟まれている
    請求項２から４、６から８または１０から１２のいずれか一項に記載の冷却装置。
  21. 前記第１方向における前記先端部の幅は、前記第１方向における複数の前記離間部のそれぞれの幅の和よりも小さい
    請求項１、５、９または２０のいずれか一項に記載の冷却装置。
  22. 前記第１方向における前記先端部の幅は、前記第１方向における複数の前記離間部のそれぞれの幅よりも小さい
    請求項２１に記載の冷却装置。
  23. 前記離間部と前記底板の上面または前記天板の下面との最大離間距離は、前記第１方向における複数の前記離間部のそれぞれの幅より小さい
    請求項１、５、９または２０から２２のいずれか一項に記載の冷却装置。
  24. 前記離間部と前記底板の上面または前記天板の下面との最大離間距離は、０．１ｍｍ以上でかつ１．０ｍｍ以下である
    請求項１、５、９または２０から２３のいずれか一項に記載の冷却装置。
  25. 前記第１方向における前記先端部の幅は、前記第１方向における前記側壁の幅の１／４以下である
    請求項１、５、９または２０から２４のいずれか一項に記載の冷却装置。
  26. 前記離間部は、鍛造品である
    請求項１から２５のいずれか一項に記載の冷却装置。
  27. 請求項１から２６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。
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