WO2024157464A1 - 半導体装置、電力変換装置 - Google Patents

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WO2024157464A1
WO2024157464A1 PCT/JP2023/002673 JP2023002673W WO2024157464A1 WO 2024157464 A1 WO2024157464 A1 WO 2024157464A1 JP 2023002673 W JP2023002673 W JP 2023002673W WO 2024157464 A1 WO2024157464 A1 WO 2024157464A1
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WO
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cooling member
cooling
fin
opening
semiconductor device
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PCT/JP2023/002673
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English (en)
French (fr)
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佑輔 高木
裕二朗 金子
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Astemo Ltd
Original Assignee
Hitachi Astemo Ltd
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/01—Manufacture or treatment
    • H10W40/03—Manufacture or treatment of arrangements for cooling
    • H10W40/037—Assembling together parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/40—Arrangements for thermal protection or thermal control involving heat exchange by flowing fluids
    • H10W40/47—Arrangements for thermal protection or thermal control involving heat exchange by flowing fluids by flowing liquids, e.g. forced water cooling

Definitions

  • the present invention relates to semiconductor devices and power conversion devices.
  • Patent Document 1 discloses the configuration of a cooling device that can be manufactured inexpensively by forming a flow channel by stacking parts on which fins are formed.
  • the watertightness between the water and sewerage channels is achieved by using an O-ring to seal, which requires bolts to be fastened in order to hold the O-ring in place.
  • the present invention aims to provide a semiconductor device and power conversion device that further reduces the number of parts and improves productivity while maintaining cooling performance.
  • a semiconductor device and power conversion device having at least one semiconductor module that mounts a semiconductor element, comprising: a first cooling member and a second cooling member that are respectively arranged on both sides of the semiconductor module and through which a refrigerant flows; a first opening between the first cooling member and the second cooling member for allowing the refrigerant to flow in and out of the first cooling member; and a connecting member that connects the first opening between the first cooling member and the second cooling member for allowing the refrigerant to flow in and out of the second cooling member; and a sealing member that is arranged on the outer periphery of the connecting member at a position between the first cooling member and the second cooling member, the connecting member having a connecting member end that extends into the second cooling member, and the connecting member end including a fixing portion that is formed by bending along the inner wall surface of the second cooling member.
  • FIG. 1 is an overall perspective view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is an exploded view of the semiconductor device of FIG. 1 is a cross-sectional view of a connection portion between cooling members of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention (cross-sectional view taken along line AA in FIG. 3 ).
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of a method for forming a first fixing portion according to a first embodiment of the present invention
  • 10 is a cross-sectional view of a connection between cooling members of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention
  • 11 is a cross-sectional view of a connection between cooling members of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention
  • 13 is a cross-sectional view of a connection between cooling members of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 13 is an overall perspective view of a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention
  • 11 is a cross-sectional view of a connection between cooling members of the semiconductor device of FIG. 10;
  • the power conversion device 1 is a device for converting DC power input from a DC power source 2, which is a battery, into AC power and outputting it to a motor 6.
  • the power conversion device 1 has a capacitor 3, a control device 4, an upper arm 300U, and a lower arm 300L.
  • the capacitor 3 smoothes the DC power output from the DC power source 2 to the switching elements of the power conversion device 1.
  • the control device 4 controls the switching operation related to power conversion of the upper arm 300U and lower arm 300L, which are switching elements.
  • the semiconductor module 300 having the function of a power module includes power semiconductor elements 321U, 321L, 322U, and 322L.
  • the power semiconductor elements 321U and 321L are IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors).
  • the power semiconductor elements 322U and 322L are diodes.
  • the power semiconductor elements 321U, 321L, 322U, and 322L can be replaced with FETs (Field Effect Transistors) or the like.
  • the semiconductor module 300 is composed of the upper arm 300U and lower arm 300L described above.
  • the upper arm 300U is composed of a power semiconductor element 321U and a diode 322U.
  • the lower arm 300L is composed of a power semiconductor element 321L and a diode 322L.
  • the upper arm 300U has a DC positive terminal 311 and a signal terminal 314.
  • the lower arm 300L has a DC negative terminal 312 and a signal terminal 315.
  • the DC positive terminal 311 and the DC negative terminal 312 are connected to the capacitor 3 and the like, and supply power to the power semiconductor elements 321U, 321L, 322U, and 322L from outside the semiconductor module 300.
  • the signal terminals 314 and 315 are connected to a control board equipped with the control device 4, and the switching operation of the power semiconductor elements 321U and 321L is thereby controlled by the control device 4.
  • the semiconductor module 300 includes an AC terminal 313.
  • the AC terminal 313 electrically connects the upper arm 300U and the lower arm 300L, and outputs AC power converted from DC power by the power semiconductor elements 321U and 321L, which are switching elements, to the outside of the semiconductor module 300.
  • the semiconductor device 100 constituting the power conversion device 1 described above has a configuration of a semiconductor unit with a cooler, and has at least one semiconductor module 300 mounting a semiconductor element, a first cooling member 101, and a second cooling member 201.
  • the semiconductor device 100 is equipped with three phases of semiconductor modules 300 as shown in Fig. 3, thereby constituting a three-phase power conversion circuit.
  • the three-phase semiconductor modules 300 are molded and sealed with sealing resin 330.
  • the positive electrode terminal 311 of each semiconductor module 300 is exposed from the sealing resin 330.
  • the negative electrode terminal 312 of each semiconductor module 300 is exposed from the sealing resin 330.
  • the AC terminal 313 of each semiconductor module 300 is exposed from the sealing resin 330.
  • the signal terminals 314, 315 of each semiconductor module 300 are exposed from the sealing resin 330.
  • the semiconductor module 300 has the first cooling member 101 and the second cooling member 201 arranged on both sides thereof and in contact with each other. In this way, the semiconductor module 300 is sandwiched between the first cooling member 101 and the second cooling member 201, and is cooled by the refrigerant circulating inside the first cooling member 101 and the second cooling member 201.
  • the second cooling member 201 has at least four flange portions 202. Each flange portion 202 has a through hole 203. Fastening members such as screws and bolts are inserted into the through holes 203, thereby fixing the semiconductor device 100 to a housing (not shown) of the power conversion device 1.
  • the semiconductor module 300 has a plurality of heat dissipation surfaces 340 for dissipating heat inside the semiconductor module 300.
  • the heat dissipation surfaces 340 are provided on both sides of the semiconductor module 300, and are exposed surfaces that are not mold-sealed by the above-mentioned sealing resin 330. By having such heat dissipation surfaces 340, the semiconductor module 300 dissipates heat generated by the semiconductor module 300 to the outside of the semiconductor module 300.
  • Adhesive members 500 are disposed between the semiconductor module 300 and the first cooling member 101, and between the semiconductor module 300 and the second cooling member 201.
  • the adhesive members 500 are thermally conductive and insulating, and are disposed so that the semiconductor module 300 is sandwiched between them.
  • the adhesive members 500 are thermally connected to the heat dissipation surface 340. This improves the connection reliability between the semiconductor module 300 and the cooling members 101, 201.
  • the adhesive members 500 do not necessarily have to be insulating if an insulating layer is provided inside the semiconductor module 300.
  • the first cooling member 101 has a cover 110, a first fin 130, and a first fin base 140.
  • the first cooling member 101 is also connected to a connecting member 150.
  • These members are made of an aluminum-based alloy or a copper-based alloy, and are joined together by a joining method such as brazing.
  • the first fin base 140 has two first fin base openings 141.
  • the first fin base openings 141 are openings for allowing the coolant to flow into and out of the first cooling member 101 between the second cooling member 201.
  • the first fin base openings 141 are formed on both ends of the first fin base 140 so as to sandwich the first fin 130 therebetween.
  • the first cooling member 101 has a first fin housing portion 111 (described below) that houses a first fin 130, which is a heat dissipation fin that dissipates heat from the semiconductor module 300.
  • the first fin housing portion 111 is housed in a first fin housing portion 111 formed by the cover 110 and the first fin base 140, and is joined to both the cover 110 and the first fin base 140.
  • the connecting member 150 has a connecting flow passage 151.
  • the connecting member 150 is joined to the first fin base 140.
  • the connecting member 150 is positioned so that the connecting flow passage 151 and the first fin base opening 141 communicate with each other to form a flow passage.
  • the second cooling member 201 has a water channel base 210, a frame 220, a second fin 230, and a second fin base 240. These members are made of an aluminum-based alloy or a copper-based alloy, and are joined together by a joining method such as brazing.
  • the channel base 210 has two channel base openings 211.
  • the channel base openings 211 allow the refrigerant to flow in and out of the second cooling member 201.
  • the channel base openings 211 are formed on both ends of the channel base 210 with the second fin 230 in between.
  • One of the two channel base openings 211 serves as an inlet hole for introducing the refrigerant from the outside into the second cooling member 201, and the other serves as a discharge hole for discharging the refrigerant from the second cooling member 201 to the outside.
  • the channel base openings 211 are openings formed in the second cooling member 201 at a position opposite the fixing portion 154 described below.
  • the frame 220 has a second fin accommodating section 221 that accommodates the second fins 230, which are heat dissipation fins that dissipate heat from the semiconductor module 300.
  • the second fin base 240 has two second fin base openings 241.
  • the second fin base openings 241 are formed on both ends of the second fin base so as to sandwich the second fin 230 therebetween.
  • the two second fin base openings 241 are openings through which the refrigerant flows in and out between the first cooling member 101 and the second cooling member 201.
  • the refrigerant introduced from the water channel base opening 211 is supplied from the second cooling member 201 to the first cooling member 101 through one of the two second fin base openings 241, and is returned from the first cooling member 101 to the second cooling member 201 through the other of the two second fin base openings 241.
  • the second fin 230 is housed in the second fin housing 221, sandwiched on both sides by the water channel base 210 and the second fin base 240, and joined to the respective members.
  • the frame 220 is sandwiched on both sides by the water channel base 210 and the second fin base 240, and joined to the respective members, forming the second fin housing 221.
  • the first cooling member 101 and the second cooling member 201 are arranged so that a single flow path is formed by connecting the connecting flow path 151 of the connecting member 150, the first fin base opening 141, and the second fin base opening 241.
  • the connecting member 150 connects the first fin base opening 141 and the second fin base opening 241.
  • the sealing member 400 is disposed on the outer periphery of the connecting member 150 at a position between the first cooling member 101 and the second cooling member 201, and is disposed so as to be in contact with the connecting member 150 and the second fin base 240. In this manner, it is possible to ensure that the connection between the connecting member 150 and the second cooling member 201 is watertight.
  • the path through which the refrigerant flows is divided into a path through which the refrigerant flows to the second fin 230 of the second fin accommodating section 221 in the second cooling member 201 and a path through which the refrigerant flows from the second fin base opening 241 to the first fin accommodating section 111 via the connecting flow path 151.
  • the refrigerant that passes through the first fin 130 of the first fin accommodating section 111 flows back to the second cooling member 201 via the other connecting flow path 151, merges with the refrigerant that passed through the second fin 230, and is discharged from the other water channel base opening 211 to the outside of the second cooling member 201.
  • First cooling member 101 defines a first fin housing portion 111 by cover 110 and first fin base 140.
  • First fin 130 is disposed within first fin housing portion 111.
  • the connecting member 150 connects the first cooling member 101 and the second cooling member 201. Between the first cooling member 101 and the second cooling member 201, a seal member accommodating portion 152 is provided on the outer periphery of the connecting member 150.
  • the seal member accommodating portion 152 accommodates a seal member 400, and the seal member 400 adheres closely to the outer wall surface of the second fin base 240, thereby ensuring watertightness of the water channel between the first cooling member 101 and the second cooling member 201.
  • the second fin base 240 has a seal member mounting portion 243.
  • the seal member mounting portion 243 is the portion surrounding the second fin base opening 241, and is also part of the outer wall surface of the second fin base 240 to which the seal member 400 adheres.
  • the seal member 400 comes into contact with and adheres to the seal member mounting portion 243, thereby ensuring watertightness of the water channel between the first cooling member 101 and the second cooling member 201.
  • the second fin base 240 has an inclined portion 245 that inclines toward the first cooling member 101, and a flat portion 244 that extends from the inclined portion 245 to and contacts the outer peripheral surface of the connecting member 150.
  • the sealing member installation portion 243 is formed on the flat portion 244.
  • the connecting member 150 has a connecting member end 155 that extends into the interior of the second cooling member 201.
  • the connecting member end 155 includes a fixing portion 154 that is formed by bending the connecting member end 155 onto the interior wall surface of the second cooling member 201.
  • the connecting member 150 has a connecting flow path wall 153 with which the refrigerant flowing through the connecting flow path 151 and the second cooling member 201 comes into contact.
  • the connecting flow path wall 153 is inserted into the second cooling member 201 through the second fin base opening 241.
  • the connecting flow path wall 153 is bent toward the flow path inner wall surface of the second fin base 240 so that the seal member installation portion 243 accommodates the seal member 400 in the seal member accommodating portion 152. In this manner, the seal member 400 comes into contact with the seal member installation portion 243, and a fixing portion 154 that holds the seal member 400 in the seal member accommodating portion 152 is formed inside the second cooling member 201.
  • the second fin base 240 has a flat portion 244 and an inclined portion 245, thereby forming a connecting flow path accommodating portion 242.
  • the connecting flow path accommodating portion 242 has a space capable of accommodating the fixing portion 154 formed in the second cooling member 201. Since the connecting member end portion 155 is bent to form the fixing portion 154, it is preferable that the height of the connecting flow path accommodating portion 242 is greater than the thickness of the fixing portion 154. In this way, the flow of the refrigerant flowing toward the second fin 230 in the second cooling member 201 is not impeded by the thickness of the fixing portion 154, and therefore it is possible to prevent a decrease in the cooling performance of the second cooling member 201 due to the refrigerant becoming less likely to flow.
  • the diameter W2 of the water channel base opening 211 is larger than the inner diameter W1 of the tip of the fixing portion 154. This makes it easier to insert a tool (described below) for forming the fixing portion 154 through the water channel base opening 211 into the second cooling member 201, and the fixing portion 154 can be formed after assembling the first cooling member 101 and the second cooling member 201, improving productivity.
  • the cover 110 has a cover brazing portion 112.
  • the cover brazing portion 112 is formed at a position where the seal member 400 and the fixing portion 154 overlap in the thickness direction of the semiconductor device 100 (the vertical direction in FIG. 5) on the cross section of FIG. 5.
  • the cover brazing portion 112 receives the force generated by pressing the fixing portion 154 from the first fin base 140 against the first cover 110. This makes it possible to suppress deformation of the first cooling member 101 that is likely to occur when the fixing portion 154 is formed.
  • the first fin 130 is larger in the longitudinal direction (left-right direction in FIG. 5) than the second fin 230 on the cross section of FIG. 5. A part of the first fin 130 is arranged in the first cooling member 101 at a position overlapping the sealing member 400 and the fixing portion 154 in the stacking direction of the semiconductor device 100 on the cross section of FIG. 5 (top-bottom direction in FIG. 5).
  • the first fin 130 receives a force from the first fin base 140 pressing against the inside of the first cooling member 101, which is one of the forces generated by pressing the fixing portion 154. This makes it possible to suppress deformation of the first cooling member 101 that is likely to occur when the fixing portion 154 is formed.
  • FIG. 6(a) is a cross-sectional view of the connection portion between the cooling members of the semiconductor device before the fixing portion 154 is formed
  • FIG. 6(b) is an oblique view from viewpoint B of FIG. 6(a) excluding the second cooling member 201 and the sealing member 400
  • FIG. 6(c) is a cross-sectional view of the connection portion between the cooling members of the semiconductor device after the fixing portion 154 is formed
  • FIG. 6(d) is an oblique view from viewpoint C of FIG. 6(c) excluding the second cooling member 201, the sealing member 400 and the fixing portion forming tool 171.
  • the sealing member 400 is accommodated in the sealing member accommodating portion 152 of the first cooling member 101.
  • a portion of the connecting member 150 is inserted into the second fin base opening 241.
  • the connecting member 150 is bent in the opening direction by pressing the connecting flow channel wall 153 with the fixing portion forming tool 171 inserted from the water channel base opening 211 in the insertion direction 170.
  • the connecting flow channel wall 153 and the second fin base 240 are joined by pressing, and the fixing portion 154 is formed, as shown in FIG. 6(c).
  • the fixing portion 154 is formed in close contact with the inner wall surface of the second fin base 240 from the second fin base opening 241, which increases the force that holds the seal member 400, and makes it possible to obtain high watertightness of the flow path. Note that, as long as the force that holds the seal member 400 can be maintained, it is not necessary for the fixing portion 154 to be formed along the entire portion of the second fin base opening 241, and the fixing portion 154 may be formed only on a portion of the second fin base opening 241.
  • the connecting member 150 provided to connect the first cooling member 101 and the second cooling member 201 in the first embodiment is not disposed, and instead, a part of the first fin base 140 of the first cooling member 101 extends to the second cooling member 201 through the second fin base opening 241. This forms a connecting flow path 151 in which the first fin base 140 and the connecting member 150 are integrally formed.
  • the first fin base 140 has the same shape as the second fin base 240, ensuring a space equal to the height of the aforementioned semiconductor module 300 to be placed between the first cooling member 101 and the second cooling member 201.
  • the fixing portion forming tool 171 described above presses the connecting flow path wall 153 of the second fin base 240 from the second cooling member 201 side, forming the fixing portion 154.
  • the sealing member 400 has an angular cross-sectional shape, and is in contact with the outer walls of the first fin base 140 and the second fin base 240, and is pressed and fixed as the fixing portion 154 is formed. This reduces the number of parts and improves productivity.
  • the first cooling member 101 has a cover 110, a first frame 120, and a first fin base 140.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in that the shape of the cover 110 is different, and that a first frame 120 is additionally provided to the first cooling member 101.
  • the first frame 120 has a first fin housing 111.
  • a first fin 130 is arranged in the first fin housing 111.
  • the first frame 120 is part of the flow path wall of the first cooling member 101, and has a cover joint 122 and a first fin base joint 123 on both sides.
  • the second cooling member 201 has the same structure as the embodiment described above.
  • the second frame 220 forms part of the flow path wall of the flow path formed inside the second cooling member 201.
  • the cover joint 122 joins the cover 110 to the first frame 120.
  • the first fin base joint 123 joins the first frame 120 to the first fin base 140.
  • the cover 110 is a flat plate-shaped member.
  • the first cooling member 101 therefore has a first fin base 140 which is a base member that is joined to the heat dissipation fins 130, a first frame 120 which is a frame member that forms a space for accommodating the heat dissipation fins 130, and a first cover 110 which is a flat plate member that is arranged opposite the first fin base 140 with the first frame 120 in between and is joined to the first frame 120 to form a flow path inside the first cooling member 101.
  • the second cooling member 201 also has a second fin base 240, which is a base member to which the heat dissipation fins 230 are joined, a second frame 220, which is a frame member that forms a space for accommodating the heat dissipation fins 230, and a water channel base 210, which is a flat plate member that is arranged opposite the second fin base 240 with the second frame 220 in between and is joined to the second frame 220 to form a flow path inside the second cooling member 201.
  • a second fin base 240 which is a base member to which the heat dissipation fins 230 are joined
  • a second frame 220 which is a frame member that forms a space for accommodating the heat dissipation fins 230
  • a water channel base 210 which is a flat plate member that is arranged opposite the second fin base 240 with the second frame 220 in between and is joined to the second frame 220 to form a flow path inside the second cooling member 201.
  • a load-receiving jig (not shown) that receives the pressure of the fixing portion forming tool 171 described above can be placed on the outer surface of the cover 110, simplifying the shape of the jig to be placed.
  • the ease of bending when forming the fixing portions 154, 164 is improved, improving productivity.
  • the cover seal member (described in detail below) that is brought into close contact when the opening is not used, which contributes to miniaturization.
  • a first cover opening 110a is formed in the cover 110 of the third embodiment.
  • the cooling member 101 is a flat plate member and has, at a position facing the connecting member 150, the cover opening 110a through which the refrigerant flows in and out, and a cover seal member 410 that seals the cover opening 110a.
  • the cover opening 110a is formed at a position overlapping the fixing portion 154 and the sealing member 400 in the stacking direction on the cross section shown in FIG. 9.
  • the cover sealing member 410 closes the cover opening 110a, thereby ensuring watertightness against the refrigerant flowing inside the cover 110. Furthermore, by removing the cover sealing member 410 from the first cooling member 101, it is possible to accommodate a structure in which the hierarchical structure of the water channels is further increased.
  • the cover sealing member 410 is adhesively fixed to the first cooling member 101 by using a fixing member (not shown) that is fixed to the first cooling member 101 from the outside, or by applying an adhesive to the surface of the cooling member 101 and bonding it thereto.
  • the diameter W3 of the cover opening 110a is larger than the inner diameter W1 of the tip of the fixing portion 154. This makes it easier to insert a load-receiving jig (not shown) of a size corresponding to the fixing portion forming tool 171 into the first cooling member 101 from the cover opening 110a when forming the fixing portion 154 with the fixing portion forming tool 171 described above. In this way, deformation of the first cooling member 101 due to the load can be suppressed, improving productivity.
  • the semiconductor device 100 may have a two-story structure in which the three-phase semiconductor modules 300 are arranged in two layers.
  • the two-story semiconductor device 100 has a first cooling member 101, a second cooling member 201, and a third cooling member 601.
  • the third cooling member 601 has two cover seal members 410 for sealing the internal coolant. By having the two cover seal members 410 in the third cooling member 601, it is possible to further increase the hierarchical structure of the water channels by providing new openings except for the cover seal members 410.
  • the first cooling member 101 and the second cooling member 201 are arranged with the three-phase semiconductor module 300 sandwiched between them.
  • the first cooling member 101 and the third cooling member 601 are arranged with the three-phase semiconductor module 300 sandwiched between them.
  • semiconductor modules 300 can be incorporated into the semiconductor device 100 than in the above-described embodiment, and a high-power semiconductor device 100 can be realized that has two three-phase output systems and in which the semiconductor modules 300 are connected in parallel.
  • the number of semiconductor modules 300 is not limited to six as shown in the figure, and more than one may be arranged.
  • the first cooling member 101 has a first cover 110, a first frame 120, a first fin 130, and a second cover 140.
  • the first cooling member 101 is connected to a first connecting member 150 and a second connecting member 160, respectively.
  • the first cover 110 has a first cover opening 110a.
  • the second cover 140 has a second cover opening 141.
  • the first cooling member 101 has a first fin housing portion 111.
  • the first fin 130 is housed in the first fin housing portion 111.
  • the first cooling member 101 forms a flow path through which the refrigerant flows from the second cooling member 201 to the third cooling member 601 via the first cooling member 101 by connecting the first cover opening 110a, the second cover opening 141, and the first fin housing portion 111.
  • the first cover 110 and the second cover 140 may have the same shape as shown in the figure. If the first cover 110 and the second cover 140 have the same shape, they can be produced using the same mold by press molding, improving productivity.
  • the second connecting member 160 has a similar configuration to the first connecting member 150, and connects the first cooling member 101 and the third cooling member 601 via a water channel.
  • the third fin base 640 has a similar configuration to the second fin base 240.
  • the fixing portion 164 formed in the third cooling member 601 has a similar shape to the fixing portion 154 formed in the second cooling member 201, and is also formed in the same manner.
  • the third fin 630 which is a heat dissipation fin that dissipates heat from the semiconductor module 300, is accommodated in a third fin accommodation section 621 formed by a third frame 620 of the third cooling member 601.
  • the cover seal member 410 adheres closely to a third cover opening 611 formed in a third cover 610 of the third cooling member 601, thereby ensuring watertightness of the third cooling member 601.
  • the same mold can be used, improving productivity.
  • the first connecting member 150 and the second connecting member 160 have the same shape, the same mold can be used, improving productivity.
  • the first connecting member 150 and the second connecting member 160 in a position where they overlap in the stacking direction on the cross section as shown in FIG. 11, it is possible to simultaneously form the first fixing portion 154 formed in the second cooling member 201 and the second fixing portion 164 formed in the third cooling member 601, improving productivity.
  • a semiconductor device having at least one semiconductor module 300 that mounts a semiconductor element the semiconductor module 300 includes a first cooling member 101 and a second cooling member 201 that are disposed on both sides of the semiconductor module 300 and through which a refrigerant flows, a first opening 141 that allows the refrigerant to flow into and out of the first cooling member 101 between the first cooling member 101 and the second cooling member 201, and a second opening 241 that allows the refrigerant to flow into and out of the second cooling member 201 between the first cooling member 101 and the second cooling member 201.
  • a sealing member 400 is disposed on the outer periphery of the connecting member 150 at a position between the first cooling member 101 and the second cooling member 201.
  • the connecting member 150 has a connecting member end 155 that extends into the second cooling member 201.
  • the connecting member end 155 includes a fixing portion 154 that is formed by bending the connecting member end 155 along the inner wall surface of the second cooling member 201. In this way, it is possible to provide a semiconductor device 100 that maintains cooling performance while further reducing the number of parts and improving productivity.
  • the diameter W2 of the third opening 211 formed at a position opposite the fixing portion 154 is larger than the inner diameter W1 of the tip of the fixing portion 154.
  • the second cooling member 201 has an inclined portion 245 that inclines toward the first cooling member 101, and a flat portion 244 that extends from the inclined portion 145 to and contacts the outer peripheral surface of the connecting member 150. This ensures that a space capable of accommodating the fixed portion 154 is secured within the flow path, and the flow of the refrigerant flowing to the fin arrangement side is not impeded by the thickness of the fixed portion 154, preventing a decrease in cooling performance.
  • the first cooling member 101 and the second cooling member 201 have base members 140, 240 that are joined to the heat dissipation fins 130, 230, frame members 120, 220 that form a space for accommodating the heat dissipation fins 130, 230, and flat plate members 110, 210 that are arranged facing the base members 140, 240 with the frame members 120, 220 in between and that are joined to the frame members 120, 220 to form a flow path inside the first cooling member 101 and the second cooling member 201.
  • This increases the design freedom for the area arrangement of the cover seal member in the flat plate members 110, 210, which contributes to miniaturization.
  • the ease of bending when forming the fixing parts 154, 164 is improved, improving productivity.
  • the flat plate member 110 has a fourth opening 110a at a position opposite the connecting member 150, through which the refrigerant flows in and out. This allows a load-receiving jig corresponding to the fixing portion forming tool 171 to be inserted into the cooling member 101, improving productivity. In addition, the design freedom of the first cover opening 110a is increased.
  • the diameter W3 of the cover opening 110a is greater than the inner diameter W1 of the tip of the fixing portion 154. This makes it easier to insert a load-receiving jig of a size corresponding to the fixing portion forming tool 171 into the cooling member 101 from the opening 110a when forming the fixing portion 154, improving productivity.
  • An adhesive member 500 is disposed between the semiconductor module 300 and the first cooling member 101, and between the semiconductor module 300 and the second cooling member 201. This improves the connection reliability between the semiconductor module 300 and the cooling members 101 and 201.
  • a power conversion device 1 including a semiconductor device 100 having the above-described configuration is adopted. In this way, it is possible to provide a power conversion device 1 that achieves further reduction in the number of parts and improvement in productivity while maintaining cooling performance.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and other configurations can be combined without departing from the spirit of the invention. Furthermore, the present invention is not limited to those having all of the configurations described in the above-described embodiment, and also includes those in which some of the configurations have been omitted.

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

半導体モジュールを有する半導体装置および電力変換装置は、前記半導体モジュールの両面にそれぞれ配置され、かつ内部に冷媒を流通させている第１冷却部材および第２冷却部材と、前記第２冷却部材との間で前記第１冷却部材に前記冷媒を流入および排出する第１開口部と、前記第１冷却部材との間で前記第２冷却部材に前記冷媒を流入および排出する第２開口部と、を連結する連結部材と、前記第１冷却部材と前記第２冷却部材との間の位置で、前記連結部材の外周に配置されるシール部材と、を備え、前記連結部材は、前記第２冷却部材の内部に延伸する連結部材端部を有し、前記連結部材端部は、前記第２冷却部材の内壁面に沿って折り曲げられることで形成される固定部を含む。

Description

半導体装置、電力変換装置
　本発明は、半導体装置、電力変換装置に関する。
　パワーモジュールの上下を挟み込むように水路を設けることで、パワーモジュールの冷却を図る電力変換装置の構造では、パワーモジュールと上下水路の接続部に設けられるシール部について、水路の内部を通る冷媒の水圧でパワーモジュールと水路が引きはがされる方向に力がかかる。そのため、板バネと板バネ保持部材および締結部材等で水路を固定することで、そのシール部の信頼性を確保する構造が一般的となっている。例えば、下記の特許文献１では、フィンが形成される部品を重ねて流路を形成することで、低廉に製造することができる冷却装置の構成について開示されている。
特開２０２２－０２９９７７号公報
　特許文献１に記載の技術では、上下水路の流路間の水密はＯリングを用いてシールする構造となっており、これに伴いＯリングを保持するために、ボルト締結が必要になる。このようなボルト部品を削減して同様の構造の装置を実現するため、本発明は、冷却性能を維持しつつさらなる部品点数の削減、生産性の向上を実現する半導体装置および電力変換装置を提供することが目的である。
　半導体素子を実装する少なくとも１つの半導体モジュールを有する半導体装置および電力変換装置であって、前記半導体モジュールの両面にそれぞれ配置され、かつ内部に冷媒を流通させている第１冷却部材および第２冷却部材と、前記第２冷却部材との間で前記第１冷却部材に前記冷媒を流入および排出する第１開口部と、前記第１冷却部材との間で前記第２冷却部材に前記冷媒を流入および排出する第２開口部と、を連結する連結部材と、前記第１冷却部材と前記第２冷却部材との間の位置で、前記連結部材の外周に配置されるシール部材と、を備え、前記連結部材は、前記第２冷却部材の内部に延伸する連結部材端部を有し、前記連結部材端部は、前記第２冷却部材の内壁面に沿って折り曲げられることで形成される固定部を含む。
　冷却性能を維持しつつさらなる部品点数の削減、生産性の向上を実現する半導体装置および電力変換装置を提供できる。
回転電機と接続する電力変換装置の電気回路図 １相分の半導体モジュールの電気回路図 本発明の第１実施形態に係る、半導体装置の全体斜視図 図３の半導体装置の全体分解図 本発明の第１実施形態に係る、半導体装置の冷却部材同士の接続部の断面図（図３のＡ－Ａ断面図） 本発明の第１実施形態に係る、第１固定部の形成方法の説明図 本発明の第２実施形態に係る、半導体装置の冷却部材同士の接続部の断面図 本発明の第３実施形態に係る、半導体装置の冷却部材同士の接続部の断面図 本発明の第４実施形態に係る、半導体装置の冷却部材同士の接続部の断面図 本発明の第５実施形態に係る、半導体装置の全体斜視図 図１０の半導体装置の冷却部材同士の接続部の断面図
　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
　図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
（本発明の第１の実施形態と全体構成）
（図１）
　電力変換装置１は、バッテリである直流電源２から入力される直流電力を交流電力に変換し、モータ６に出力するための装置である。電力変換装置１は、コンデンサ３、制御装置４、上アーム３００Ｕ、下アーム３００Ｌを有している。コンデンサ３は、直流電源２から電力変換装置１のスイッチング素子に出力される直流電力を平滑化させている。制御装置４は、スイッチング素子である上アーム３００Ｕ、下アーム３００Ｌの電力変換に係るスイッチング動作を制御している。
（図２）
　パワーモジュールの機能を有する半導体モジュール３００は、パワー半導体素子３２１Ｕ、３２１Ｌ、３２２Ｕ、３２２Ｌを備えている。パワー半導体素子３２１Ｕ、３２１ＬはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。パワー半導体素子３２２Ｕ、３２２Ｌはダイオードである。なお、パワー半導体素子３２１Ｕ、３２１Ｌ、３２２Ｕ、３２２ＬはＦＥＴ（Field Effect Transistor）などで代替して適用可能である。
　半導体モジュール３００は、前述した上アーム３００Ｕと下アーム３００Ｌで構成される。上アーム３００Ｕは、パワー半導体素子３２１Ｕとダイオード３２２Ｕで構成される。下アーム３００Ｌは、パワー半導体素子３２１Ｌとダイオード３２２Ｌで構成される。上アーム３００Ｕは、直流正極端子３１１と信号端子３１４を有する。下アーム３００Ｌは、直流負極端子３１２と信号端子３１５を有する。
　直流正極端子３１１および直流負極端子３１２は、前述したコンデンサ３などと接続され、かつ半導体モジュール３００の外部からパワー半導体素子３２１Ｕ、３２１Ｌ、３２２Ｕ、３２２Ｌに電力を供給している。信号端子３１４、３１５は、前述した制御装置４を備える制御基板に接続されており、これによりパワー半導体素子３２１Ｕ、３２１Ｌは制御装置４によってスイッチング動作が制御されている。
　半導体モジュール３００は、交流端子３１３を備える。交流端子３１３は、上アーム３００Ｕと下アーム３００Ｌを電気的に接続し、スイッチング素子であるパワー半導体素子３２１Ｕ、３２１Ｌで直流電力から変換された交流電力を、半導体モジュール３００の外部に出力している。
（図３）
　前述の電力変換装置１を構成する半導体装置１００は、冷却器付き半導体ユニットの構成を有しており、半導体素子を実装する少なくとも１つの半導体モジュール３００と、第１冷却部材１０１と、第２冷却部材２０１とを有する。半導体装置１００は、図３に図示するように半導体モジュール３００を３相分搭載しており、これにより３相の電力変換回路を構成している。三相の半導体モジュール３００は、封止樹脂３３０でモールド封止されている。
　各半導体モジュール３００の正極端子３１１は、封止樹脂３３０からそれぞれ露出している。各半導体モジュール３００の負極端子３１２は、封止樹脂３３０から露出している。各半導体モジュール３００の交流端子３１３は、封止樹脂３３０から露出している。各半導体モジュール３００の信号端子３１４、３１５は、それぞれ封止樹脂３３０から露出している。
　半導体モジュール３００は、その両面に第１冷却部材１０１と第２冷却部材２０１が配置され、それぞれと接触している。このように、半導体モジュール３００は、第１冷却部材１０１と第２冷却部材２０１の間に挟まれて配置されることで、第１冷却部材１０１と第２冷却部材２０１の内部に流通する冷媒によって冷却される。
　第２冷却部材２０１は、少なくとも４つのフランジ部２０２を有する。フランジ部２０２は、それぞれ貫通穴２０３を有する。貫通穴２０３は、ねじやボルトのなどの締結部材が挿入され、これにより、半導体装置１００は電力変換装置１の図示しない筐体に固定される。
（図４）
　半導体モジュール３００は、半導体モジュール３００の内部の熱を放熱するための複数の放熱面３４０を有する。放熱面３４０は、裏面が図示されていないが半導体モジュール３００の両面に設けられており、かつ前述した封止樹脂３３０によってモールド封止されていない露出面である。半導体モジュール３００はこのような放熱面３４０を有していることにより、半導体モジュール３００の発熱を半導体モジュール３００の外部に放熱している。
　半導体モジュール３００と第１冷却部材１０１との間、かつ半導体モジュール３００と第２冷却部材２０１との間には、それぞれ接着部材５００が配置される。接着部材５００は熱伝導性かつ絶縁性であり、半導体モジュール３００が間に挟まれるように設けられている。接着部材５００は、放熱面３４０と熱的に接続される。このようにすることで、半導体モジュール３００と冷却部材１０１、２０１の接続信頼性が向上する。なお、接着部材５００は半導体モジュール３００の内部に絶縁層を設けている場合は、必ずしも絶縁性でなくてもよい。
　第１冷却部材１０１は、カバー１１０、第１フィン１３０、第１フィンベース１４０を有している。また第１冷却部材１０１は、連結部材１５０と接続している。これらの部材は、アルミ系の合金または、銅系の合金であり、ろう付け等の接合方法で一体に接合される。
　第１フィンベース１４０は、２つの第１フィンベース開口部１４１を有する。第１フィンベース開口部１４１は、第２冷却部材２０１との間で第１冷却部材１０１に冷媒を流入および排出するための開口部である。第１フィンベース開口部１４１は、第１フィンベース１４０上で第１フィン１３０を間に挟むように両端に形成されている。
　第１冷却部材１０１は、半導体モジュール３００を放熱する放熱フィンである第１フィン１３０を収容する後述の第１フィン収容部１１１を有する。第１フィン収容部１１１は、カバー１１０と第１フィンベース１４０によって形成される第１フィン収容部１１１に収容され、カバー１１０と第１フィンベース１４０それぞれに接合される。
　連結部材１５０は、連結流路１５１を有する。連結部材１５０は、第１フィンベース１４０と接合される。連結部材１５０は、連結流路１５１と第１フィンベース開口部１４１が連通することで流路を形成できる位置に配置される。
　第２冷却部材２０１は、水路ベース２１０、フレーム２２０、第２フィン２３０、第２フィンベース２４０を有する。これらの部材は、アルミ系の合金または、銅系の合金であり、ろう付け等の接合方法で一体に接合される。
　水路ベース２１０は、２つの水路ベース開口部２１１を有する。水路ベース開口部２１１は、第２冷却部材２０１に冷媒を流入および排出する。水路ベース開口部２１１は、水路ベース２１０上で、第２フィン２３０を間に挟むように両端に形成されている。２つの水路ベース開口部２１１のうち、一方は第２冷却部材２０１に外部から冷媒を導入する導入孔となり、もう一方は、第２冷却部材２０１から外部に冷媒を排出する排出孔となる。水路ベース開口部２１１は、第２冷却部材２０１において、後述する固定部１５４と対向する位置に形成される開口部である。
　フレーム２２０は、半導体モジュール３００を放熱する放熱フィンである第２フィン２３０を収容する第２フィン収容部２２１を有する。第２フィンベース２４０は、２つの第２フィンベース開口部２４１を有する。第２フィンベース開口部２４１は、第２フィンベース上で第２フィン２３０を間に挟むように両端に形成されている。
　２つの第２フィンベース開口部２４１は、第１冷却部材１０１と第２冷却部材２０１との間で冷媒を流入および排出する開口部である。水路ベース開口部２１１から導入した冷媒は、２つの第２フィンベース開口部２４１のうち一方を介して第２冷却部材２０１から第１冷却部材１０１へ供給され、かつ、２つの第２フィンベース開口部２４１のうちもう一方を介して、第１冷却部材１０１から第２冷却部材２０１に還流される。
　第２フィン２３０は、第２フィン収容部２２１に収容され、水路ベース２１０と第２フィンベース２４０によってその両面を挟まれ、それぞれの部材に接合される。フレーム２２０は、水路ベース２１０と第２フィンベース２４０にその両面を挟まれ、それぞれの部材に接合されることで、第２フィン収容部２２１を形成している。
　第１冷却部材１０１と第２冷却部材２０１は、連結部材１５０の連結流路１５１と、第１フィンベース開口部１４１と、第２フィンベース開口部２４１と、が連なることで、一通の流路が形成されるように配置される。よって、連結部材１５０は、第１フィンベース開口部１４１と第２フィンベース開口部２４１とを連結している。
　シール部材４００は、第１冷却部材１０１と第２冷却部材２０１との間の位置で、連結部材１５０の外周に配置され、連結部材１５０と第２フィンベース２４０に接するように配置される。このようにすることで、連結部材１５０と第２冷却部材２０１との接続部分の水密を確保できる。
　冷媒の流れについて説明する。２つの水路ベース開口部２１１のうち一方から第２冷却部材２０１に冷媒が供給されることで、冷媒が流れる経路は、第２冷却部材２０１において、第２フィン収容部２２１の第２フィン２３０に流れる経路と、第２フィンベース開口部２４１から連結流路１５１を介して第１フィン収容部１１１に流れる経路と、に分かれる。第１フィン収容部１１１の第１フィン１３０を通過した冷媒は、もう一方の連結流路１５１を介して第２冷却部材２０１に還流し、第２フィン２３０を通過した冷媒と合流して、もう一方の水路ベース開口部２１１から第２冷却部材２０１の外部に排出される。
（図５）
　図５は図３のＡ－Ａ断面図である。第１冷却部材１０１は、カバー１１０および第１フィンベース１４０によって、第１フィン収容部１１１を形成している。第１フィン１３０は、第１フィン収容部１１１内に配置されている。
　連結部材１５０は、第１冷却部材１０１と第２冷却部材２０１とを連結している。第１冷却部材１０１と第２冷却部材２０１の間であって、連結部材１５０の外周にはシール部材収容部１５２を有している。シール部材収容部１５２は、シール部材４００を収容し、シール部材４００が第２フィンベース２４０の外壁面に密着することで、第１冷却部材１０１と第２冷却部材２０１間の水路の水密を確保できる。
　第２フィンベース２４０は、シール部材設置部２４３を有する。シール部材設置部２４３は、第２フィンベース開口部２４１の周囲の部分であり、かつシール部材４００が密着する第２フィンベース２４０の外壁面の一部である。シール部材設置部２４３にシール部材４００が接触して密着することで、第１冷却部材１０１と第２冷却部材２０１間の水路の水密を確保できる。
　第２冷却部材２０１において、第２フィンベース２４０は、第１冷却部材１０１に向かって傾斜する傾斜部２４５と、傾斜部２４５から連結部材１５０の外周面まで延伸して接触する平面部２４４とを備える。シール部材設置部２４３は、平面部２４４上に形成される。
　連結部材１５０は、第２冷却部材２０１の内部に延伸する連結部材端部１５５を有する。連結部材端部１５５は、連結部材端部１５５が第２冷却部材２０１の内部の壁面に折り曲げられることで形成される固定部１５４を含む。
　連結部材１５０は、連結流路１５１内および第２冷却部材２０１内を流通する冷媒が接触する連結流路壁１５３を有する。連結流路壁１５３は、第２フィンベース開口部２４１を介して第２冷却部材２０１に挿入されている。連結流路壁１５３は、シール部材設置部２４３をシール部材収容部１５２にシール部材４００が収容されるように、第２フィンベース２４０の流路内壁面に向かって折り曲げられる。このようにすることで、シール部材４００とシール部材設置部２４３が接触し、シール部材収容部１５２にシール部材４００を保持する固定部１５４が、第２冷却部材２０１内部に形成される。
　第２フィンベース２４０は、平面部２４４と傾斜部２４５を有していることにより、連結流路収容部２４２を形成している。連結流路収容部２４２は、第２冷却部材２０１内に形成される固定部１５４が収容できるスペースを有する。連結部材端部１５５が折り曲げられて固定部１５４を形成するため、連結流路収容部２４２の高さは固定部１５４の厚さよりも大きいほうが好ましい。このようにすることで、第２冷却部材２０１において、第２フィン２３０側に流れる冷媒の流れが、固定部１５４の厚さによって阻害されるようなことがないため、冷媒が流れにくくなることによる第２冷却部材２０１の冷却性能の低下を防止できる。
　図示するように、水路ベース開口部２１１の径Ｗ２は、固定部１５４の先端部の内径Ｗ１よりも大きい。これにより、水路ベース開口部２１１を通して固定部１５４を形成するための後述のツールを第２冷却部材２０１に挿入しやすくなり、第１冷却部材１０１と第２冷却部材２０１を組立後に、固定部１５４を形成できるため、生産性が向上する。
　第１冷却部材１０１において、カバー１１０は、カバーろう付け部１１２を有する。カバーろう付け部１１２は、図５の断面上で半導体装置１００の厚さ方向（図５の上下方向）にシール部材４００と固定部１５４が重なる位置に形成されている。
　カバーろう付け部１１２は、後述する固定部１５４を形成する固定部形成ツールなどで固定部１５４を形成するときに、固定部１５４が押圧されることで発生する力のうち、第１フィンベース１４０から第１カバー１１０に対して押圧する力を受ける。これにより、固定部１５４の形成時に発生しやすい第１冷却部材１０１の変形を抑制できる。
　第１フィン１３０は、図５の断面上、第２フィン２３０に比べて長手方向（図５の左右方向）に大きい。第１フィン１３０の一部は、第１冷却部材１０１において、図５の断面上で半導体装置１００の積層方向（図５の上下方向）に、シール部材４００と固定部１５４と重なる位置に配置される。
　第１フィン１３０は、後述する固定部１５４を形成するツールなどで固定部１５４を形成するときに、固定部１５４が押圧されることで発生する力のうち、第１フィンベース１４０から第１冷却部材１０１内部に対して押圧する力を受ける。これにより、固定部１５４の形成時に発生しやすい第１冷却部材１０１の変形を抑制できる。
（図６）
　図６（ａ）は固定部１５４を形成する前の半導体装置の冷却部材同士の接続部の断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ視点の斜視図であり第２冷却部材２０１およびシール部材４００を除いた斜視図、図６（ｃ）は固定部１５４を形成した後の半導体装置の冷却部材同士の接続部の断面図、図６（ｄ）は図６（ｃ）のＣ視点の斜視図であり、第２冷却部材２０１およびシール部材４００および固定部形成ツール１７１を除いた斜視図である。
　図６（ａ）に図示するように、シール部材４００は、第１冷却部材１０１のシール部材収容部１５２に収容される。連結部材１５０は、その一部が第２フィンベース開口部２４１に挿入されている。連結部材１５０は、水路ベース開口部２１１から挿入方向１７０にしたがって挿入される固定部形成ツール１７１によって連結流路壁１５３が押圧され、開く方向に折り曲げられる。これにより、図６（ｃ）に図示するように、連結流路壁１５３と第２フィンベース２４０が押圧により接合されて、固定部１５４が形成される。
　固定部１５４は、第２フィンベース開口部２４１から第２フィンベース２４０の内壁面に沿って密着して形成されていることにより、シール部材４００を保持する力が大きくなり、流路の高い水密性を得ることができる。なお、シール部材４００を保持する力が維持できるのであれば、第２フィンベース開口部２４１のすべての部分に沿って固定部１５４が形成される必要はなく、第２フィンベース開口部２４１の一部のみに固定部１５４が形成されていてもよい。
　このようにすることで、従来構造では、第１冷却部材１０１と連結する連結部材１５０を第２冷却部材２０１に固定する際に必要だった板バネや補強板が不要になり、部品点数が削減できるため生産性が向上する。
（第２実施形態）
（図７）
　第２実施形態では、第１実施形態において、第１冷却部材１０１と第２冷却部材２０１を接続するために設けられていた連結部材１５０が配置されず、代わりに第１冷却部材１０１の第１フィンベース１４０の一部が第２フィンベース開口部２４１を介して第２冷却部材２０１まで延伸している。これにより、第１フィンベース１４０と連結部材１５０が一体で形成された連結流路１５１が形成されている。
　第１フィンベース１４０は、第２フィンベース２４０と同様の形状をしていることで、第１冷却部材１０１と第２冷却部材２０１との間に配置する前述の半導体モジュール３００の高さ分のスペースを確保している。
　前述した固定部形成ツール１７１が、第２冷却部材２０１側から第２フィンベース２４０の連結流路壁１５３を押圧することにより、固定部１５４が形成されている。また、シール部材４００は、断面形状が角形状となっており、第１フィンベース１４０と第２フィンベース２４０の外部壁同士と接触して、固定部１５４の形成に伴い押圧固定されている。このようにすることで、部品点数を削減でき、生産性が向上する。
（第３実施形態）
（図８）
　第１冷却部材１０１は、カバー１１０、第１フレーム１２０、第１フィンベース１４０、を有する。前述した第１実施形態と異なる点は、カバー１１０の形状が異なり、かつ第１冷却部材１０１に第１フレーム１２０が加えて設けられている点である。
　第１フレーム１２０は、第１フィン収容部１１１を有する。第１フィン収容部１１１には、第１フィン１３０が配置される。第１フレーム１２０は、第１冷却部材１０１の流路壁の一部であり、その両面にはカバー接合部１２２と第１フィンベース接合部１２３を有している。第２冷却部材２０１は、前述の実施形態と同様の構造である。第２フレーム２２０は、第２冷却部材２０１の内部に形成される流路の流路壁の一部を形成している。
　カバー接合部１２２は、カバー１１０と第１フレーム１２０とを接合する。第１フィンベース接合部１２３は、第１フレーム１２０と第１フィンベース１４０とを接合する。カバー１１０は、平板形状の部材である。
　よって、第１冷却部材１０１は、放熱フィン１３０と接合するベース部材である第１フィンベース１４０と、放熱フィン１３０を収容するための空間を形成するフレーム部材である第１フレーム１２０と、第１フレーム１２０を間に挟んで第１フィンベース１４０と対向して配置され、かつ第１フレーム１２０と接合されることで、第１冷却部材１０１の内部に流路を形成する平板部材である第１カバー１１０と、を有する。
　また、第２冷却部材２０１は、放熱フィン２３０接合するベース部材である第２フィンベース２４０と、放熱フィン２３０を収容するための空間を形成するフレーム部材である第２フレーム２２０と、第２フレーム２２０を間に挟んで第２フィンベース２４０と対向して配置され、かつ第２フレーム２２０と接合されることで、第２冷却部材２０１の内部に流路を形成する平板部材である水路ベース２１０と、を有する。
　このような構造により、固定部１５４を形成する際に、カバー１１０の外部側の面において、前述の固定部形成ツール１７１の押圧を受ける荷重受け治具（図示なし）を配置することができ、配置する治具の形状を簡素化できる。また、固定部１５４，１６４を形成する際の折り曲げの容易性が向上するため、生産性が向上する。また、平板部材１１０，２１０において、開口部を使用しない場合に密着させるカバーシール部材（詳細は後述）の領域配置の設計自由度が上がるため、小型化に貢献できる。
（第４実施形態）
（図９）
　第４実施形態は、第３実施形態のカバー１１０に第１カバー開口部１１０ａを形成したものである。冷却部材１０１は、平板部材であってかつ連結部材１５０に対向する位置に、冷媒を流入および排出するカバー開口部１１０ａと、カバー開口部１１０ａを密封するカバーシール部材４１０とを有している。
　カバー開口部１１０ａは、図９に図示する断面上で、固定部１５４、シール部材４００と積層方向に重なる位置に形成されている。カバーシール部材４１０は、カバー開口部１１０ａを塞ぐことで、カバー１１０の内側に流れる冷媒に対する水密を確保している。また、第１冷却部材１０１からカバーシール部材４１０を除くことで、さらに水路の階層構造を増やす構造に対応できる。なお、カバーシール部材４１０は、外部から第１冷却部材１０１に固定する図示しない固定部材を用いるか、冷却部材１０１の表面に接着剤を塗布して接着されることで、第１冷却部材１０１に接着固定されている。
　カバー開口部１１０ａの径Ｗ３は、固定部１５４の先端部の内径Ｗ１よりも大きい。これにより、前述した固定部形成ツール１７１によって固定部１５４を形成する際に、カバー開口部１１０ａから、固定部形成ツール１７１に対応するサイズの荷重受け治具（図示せず）を第１冷却部材１０１に挿入しやすくなる。このようにすることで、荷重による第１冷却部材１０１の変形を抑制することができ、生産性が向上する。
（第５実施形態）
（図１０）
　半導体装置１００は、３相の半導体モジュール３００を２段重ねるように配置して２階建ての構造にしてもよい。２階建ての構造の半導体装置１００は、第１冷却部材１０１、第２冷却部材２０１、第３冷却部材６０１を有する。第３冷却部材６０１は、内部の冷媒を密封するための２つのカバーシール部材４１０を有する。第３冷却部材６０１は、２つのカバーシール部材４１０を第３冷却部材６０１に有することで、カバーシール部材４１０を除いて新たに開口部を設けることで、さらに水路の階層構造を増やしたい場合に対応できる。
　第１冷却部材１０１と第２冷却部材２０１は、３相の半導体モジュール３００を間に挟んで配置されている。また、第１冷却部材１０１と第３冷却部材６０１も同様に、３相の半導体モジュール３００を間に挟んで配置されている。
　このような構成にすることで、上述した実施形態に比べて、より多くの半導体モジュール３００を半導体装置１００に組み込むことができ、３相出力を２系統有し、かつ半導体モジュール３００同士を並列接続した大電力の半導体装置１００を実現できる。なお、半導体モジュール３００は、図示するような６個の配置に限らず、さらに複数配置されていてもよい。
（図１１）
　第１冷却部材１０１は、第１カバー１１０、第１フレーム１２０、第１フィン１３０、第２カバー１４０を有する。また、第１冷却部材１０１は、第１連結部材１５０および第２連結部材１６０とそれぞれ接続されている。
　第１カバー１１０は、第１カバー開口部１１０ａを有する。第２カバー１４０は、第２カバー開口部１４１を有する。第１冷却部材１０１は、第１フィン収容部１１１を有する。第１フィン１３０は、第１フィン収容部１１１に収容されている。
　第１冷却部材１０１は、第１カバー開口部１１０ａと第２カバー開口部１４１と第１フィン収容部１１１とが連通することによって、第１冷却部材１０１を介して、第２冷却部材２０１から第３冷却部材６０１まで冷媒が流通する流路を形成している。
　第１カバー１１０と第２カバー１４０は、図示するように同じ形状でもよい。第１カバー１１０と第２カバー１４０が同じ形状の場合、プレス成型で同じ金型で製作することができるため、生産性が向上する。
　第２連結部材１６０は、第１連結部材１５０と同様の構成であり、第１冷却部材１０１と第３冷却部材６０１とを水路接続している。第３フィンベース６４０は、第２フィンベース２４０と同様の構成である。第３冷却部材６０１内に形成される固定部１６４は、第２冷却部材２０１に形成される固定部１５４と同様の形状であり、その形成方法も同様である。
　半導体モジュール３００を放熱する放熱フィンである第３フィン６３０は、第３冷却部材６０１が有する第３フレーム６２０によって形成されている、第３フィン収容部６２１に収容されている。カバーシール部材４１０は、第３冷却部材６０１の第３カバー６１０に形成されている第３カバー開口部６１１に密着することで、第３冷却部材６０１の水密を確保できる。
　第１連結部材１５０と第２連結部材１６０が同一形状の場合、同じ金型を使用することができるため、生産性が向上する。第１連結部材１５０と第２連結部材１６０は、図１１に示すように断面上で積層方向に重なる位置に配置されることによって、第２冷却部材２０１に形成される第１固定部１５４と、第３冷却部材６０１に形成される第２固定部１６４を、同時に形成することが可能であり、生産性が向上する。
　以上説明した本発明の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）半導体素子を実装する少なくとも１つの半導体モジュール３００を有する半導体装置であって、半導体モジュール３００の両面にそれぞれ配置され、かつ内部に冷媒を流通させている第１冷却部材１０１および第２冷却部材２０１と、第２冷却部材２０１との間で第１冷却部材１０１に冷媒を流入および排出する第１開口部１４１と、第１冷却部材１０１との間で第２冷却部材２０１に冷媒を流入および排出する第２開口部２４１と、を連結する連結部材１５０と、第１冷却部材１０１と第２冷却部材２０１との間の位置で、連結部材１５０の外周に配置されるシール部材４００と、を備える。連結部材１５０は、第２冷却部材２０１の内部に延伸する連結部材端部１５５を有する。連結部材端部１５５は、連結部材端部１５５が、第２冷却部材２０１の内壁面に沿って折り曲げられることで形成される固定部１５４を含む。このようにしたことで、冷却性能を維持しつつさらなる部品点数の削減、生産性の向上を実現する半導体装置１００を提供できる。
（２）第２冷却部材２０１において、固定部１５４と対向する位置に形成されている第３開口部２１１の径Ｗ２は、固定部１５４の先端部の内径Ｗ１より大きい。このようにしたことで、第３開口部２１１から固定部１５４を形成する固定部形成ツール１７１を、第２冷却部材２０１に容易に挿入することができる。
（３）第２冷却部材２０１は、第１冷却部材１０１に向かって傾斜する傾斜部２４５と、傾斜部１４５から連結部材１５０の外周面まで延伸して接触する平面部２４４とを備える。このようにしたことで、固定部１５４が収容できるスペースを流路内に確保し、かつフィン配置側に流れる冷媒の流れが、固定部１５４の厚さによって阻害されるようなことがないため、冷却性能の低下を防止できる。
（４）第１冷却部材１０１および第２冷却部材２０１は、放熱フィン１３０，２３０と接合するベース部材１４０，２４０と、放熱フィン１３０，２３０を収容するための空間を形成するフレーム部材１２０，２２０と、フレーム部材１２０，２２０を間に挟んでベース部材１４０，２４０と対向して配置され、かつフレーム部材１２０，２２０と接合されることで、第１冷却部材１０１および第２冷却部材２０１の内部に流路を形成する平板部材１１０，２１０と、を有する。このようにしたことで、平板部材１１０，２１０におけるカバーシール部材の領域配置の設計自由度が上がるため、小型化に貢献できる。また、固定部１５４，１６４を形成する際の折り曲げの容易性が向上するため、生産性が向上する。
（５）平板部材１１０は、連結部材１５０に対向する位置に、冷媒を流入および排出する第４開口部１１０ａを有する。このようにしたことで、固定部形成ツール１７１に対応する荷重受け治具を冷却部材１０１に挿入でき、生産性が向上する。また、第１カバー開口部１１０ａの設計自由度が上がる。
（６）カバー開口部１１０ａの径Ｗ３は、固定部１５４の先端部の内径Ｗ１より大きくなる。このようにしたことで、固定部１５４形成時に開口部１１０ａから固定部形成ツール１７１に対応するサイズの荷重受け治具を冷却部材１０１に挿入しやすくなり、生産性が向上する。
（７）半導体モジュール３００と第１冷却部材１０１との間、かつ半導体モジュール３００と第２冷却部材２０１との間には、それぞれ接着部材５００が配置される。このようにしたことで、半導体モジュール３００と冷却部材１０１、２０１の接続信頼性が向上する。
（８）上記の構成の半導体装置１００を備える電力変換装置１を採用する。このようにしたことで、冷却性能を維持しつつさらなる部品点数の削減、生産性の向上を実現する電力変換装置１を提供できる。
　なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や他の構成を組み合わせることができる。また本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。
１　電力変換装置
２　直流電源
３　コンデンサ
４　制御装置
６　モータ
１００　半導体装置
１０１　第１冷却部材
１１０　カバー
　１１０ａ　第１カバー開口部
１１１　第１フィン収容部
１１２　カバーろう付け部
１２０　第１フレーム（フレーム部材）
１２２　カバー接合部
１２３　第１フィンベース接合部
１３０　第１フィン
１４０　第１フィンベース（第２カバー）
１４１　第１フィンべース開口部（第２カバー開口部）
１５０　連結部材（第１連結部材）
１５１　連結流路
１５２　シール部材収容部
１５３　連結流路壁
１５４　固定部（第１固定部）
１５５　連結部材端部
１６０　第２連結部材
１６４　第２固定部
１７０　挿入方向
１７１　固定部形成ツール
２０１　第２冷却部材
２０２　フランジ部
２０３　貫通穴
２１０　水路ベース
２１１　水路ベース開口部
２２０　フレーム（第２フレーム）
２２１　第２フィン収容部
２３０　第２フィン
２４０　第２フィンベース
２４１　第２フィンベース開口部
２４２　連結流路収容部
２４３　シール材設置部
２４４　平面部
２４５　傾斜部
３００　半導体モジュール
３１１　正極端子
３１２　負極端子
３１３　交流端子
３１４、３１５　信号端子
３３０　封止樹脂
４００　シール部材
４１０　カバーシール部材
５００　接着部材
６０１　第３冷却部材
６１０　第３カバー
６１１　第３カバー開口部
６２０　第３フレーム
６２１　第３フィン収容部
６３０　第３フィン
６４０　第３フィンベース

Claims (8)

  1. 　半導体素子を実装する少なくとも１つの半導体モジュールを有する半導体装置であって、
    　前記半導体モジュールの両面にそれぞれ配置され、かつ内部に冷媒を流通させている第１冷却部材および第２冷却部材と、
    　前記第２冷却部材との間で前記第１冷却部材に前記冷媒を流入および排出する第１開口部と、前記第１冷却部材との間で前記第２冷却部材に前記冷媒を流入および排出する第２開口部と、を連結する連結部材と、
    　前記第１冷却部材と前記第２冷却部材との間の位置で、前記連結部材の外周に配置されるシール部材と、を備え、
    　前記連結部材は、前記第２冷却部材の内部に延伸する連結部材端部を有し、
    　前記連結部材端部は、前記連結部材端部が前記第２冷却部材の内壁面に沿って折り曲げられることで形成される固定部を含む
    　半導体装置。
  2. 　前記第２冷却部材において、前記固定部と対向する位置に形成され、前記冷媒を流入および排出する第３開口部の径は、前記固定部の先端部の内径よりも大きい
    　請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記第２冷却部材は、前記第１冷却部材に向かって傾斜する傾斜部と、前記傾斜部から前記連結部材の外周面まで延伸して接触する平面部と、を備える
    　請求項１に記載の半導体装置。
  4. 　前記第１冷却部材および前記第２冷却部材は、放熱フィンと接合するベース部材と、前記放熱フィンを収容するための空間を形成するフレーム部材と、前記フレーム部材を間に挟んで前記ベース部材と対向して配置され、かつ前記フレーム部材と接合されることで、前記第１冷却部材および前記第２冷却部材の内部に流路を形成する平板部材と、を有する
    　請求項１に記載の半導体装置。
  5. 　前記平板部材は、前記連結部材に対向する位置に、前記冷媒を流入および排出する第４開口部を有する
    　請求項４に記載の半導体装置。
  6. 　前記第４開口部の径は、前記固定部の先端部の内径より大きい
    　請求項５に記載の半導体装置。
  7. 　前記半導体モジュールと前記第１冷却部材との間、かつ前記半導体モジュールと前記第２冷却部材との間には、それぞれ接着部材が配置される
    　請求項１に記載の半導体装置。
  8. 　請求項１～６のいずれか一項に記載の半導体装置を備える
    　電力変換装置。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2026062906A1 (ja) * 2024-09-20 2026-03-26 Ａｓｔｅｍｏ株式会社 半導体モジュール、半導体モジュールの製造方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020105075A1 (ja) * 2018-11-19 2020-05-28 三菱電機株式会社 半導体装置
WO2022014598A1 (ja) * 2020-07-14 2022-01-20 三井化学株式会社 熱交換装置及び熱交換装置の製造方法
JP2022029977A (ja) * 2020-08-06 2022-02-18 昭和電工株式会社 冷却器、冷却装置、冷却装置の製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020105075A1 (ja) * 2018-11-19 2020-05-28 三菱電機株式会社 半導体装置
WO2022014598A1 (ja) * 2020-07-14 2022-01-20 三井化学株式会社 熱交換装置及び熱交換装置の製造方法
JP2022029977A (ja) * 2020-08-06 2022-02-18 昭和電工株式会社 冷却器、冷却装置、冷却装置の製造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2026062906A1 (ja) * 2024-09-20 2026-03-26 Ａｓｔｅｍｏ株式会社 半導体モジュール、半導体モジュールの製造方法

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