特許 6227970 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6227970

(24)【登録日】2017年10月20日

(45)【発行日】2017年11月8日

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20171030BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20171030BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20171030BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20171030BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/46 Z

   H01L23/36 C

   H05K7/20 N

   H02M7/48 Z

【請求項の数】11

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-215207(P2013-215207)

(22)【出願日】2013年10月16日

(65)【公開番号】特開2015-79819(P2015-79819A)

(43)【公開日】2015年4月23日

【審査請求日】2016年7月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100096714

【弁理士】

【氏名又は名称】本多 一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100124121

【弁理士】

【氏名又は名称】杉本 由美子

(74)【代理人】

【識別番号】100161458

【弁理士】

【氏名又は名称】篠田 淳郎

(74)【代理人】

【識別番号】100176566

【弁理士】

【氏名又は名称】渡耒 巧

(74)【代理人】

【識別番号】100180253

【弁理士】

【氏名又は名称】大田黒 隆

(72)【発明者】

【氏名】中川 貴紀

(72)【発明者】

【氏名】竹内 大裕

(72)【発明者】

【氏名】前田 康宏

(72)【発明者】

【氏名】郷原 広道

(72)【発明者】

【氏名】両角 朗

(72)【発明者】

【氏名】市村 武

【審査官】 豊島 洋介

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−１０３９３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０９８４５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−００６８１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１２１６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１５６３０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ２３／２９

２３／３４ −２３／３６

２３／３７３−２３／４２７

２３／４４

２３／４６７−２３／４７３

Ｈ０２Ｍ ７／４２ − ７／９８

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁回路基板と、該絶縁回路基板上に搭載された半導体素子と、該絶縁回路基板に接続され該半導体素子を冷却する冷却器と、を備える半導体装置であって、
該冷却器が、該絶縁回路基板に接合された放熱基板と、該放熱基板における該絶縁回路基板との接合面とは反対側の面に設けられたフィンと、該フィンを収容するとともに該放熱基板に接続されたケースと、該ケースの互いに対向する側壁でかつ該ケースの対角の位置に設けられた、冷却液の導入口及び排出口と、該導入口に接続し、該ケースの導入口が設けられた第１の側壁の内面に沿って形成された導入路と、該排出口に接続し、該ケースの排出口が設けられた第２の側壁の内面に沿って形成された排出路と、該導入路と該排出路との間で、該フィンが収容される位置に形成された冷却用流路と、を有し、かつ、
該導入口の開口の高さが、該導入路の高さよりも高く、該導入口と該導入路との接続部に、接続部の底面から導入路の長手方向に傾斜した傾斜面を有することを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

前記接続部が、前記ケースの第１の側壁と第２の側壁とを接続する第３の側壁の外側から前記フィンに向かって傾斜した傾斜面を、さらに有する請求項１記載の半導体装置。

【請求項3】

前記接続部が、前記ケースの底壁の外側から前記フィンに向かって傾斜した傾斜面を、さらに有する請求項２記載の半導体装置。

【請求項4】

前記導入路が、導入路の下流側に行くに従って流路幅が漸減する形状に形成された請求項３記載の半導体装置。

【請求項5】

前記冷却用流路の長さが、前記導入路及び前記排出路の長さよりも長い請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記排出口の開口の高さが、前記排出路の高さよりも高く、該排出口と該排出路との接続部に、排出路の長手方向に底面から傾斜した傾斜面を有する請求項１記載の半導体装置。

【請求項7】

前記冷却用流路が、前記導入路と前記排出路とに接続する仕切りによって分割されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項8】

前記放熱基板と前記ケースとが、金属的に接合されてなる請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項9】

前記放熱基板と前記ケースとが、摩擦攪拌接合法によって金属的に接合されてなる請求項８記載の半導体装置。

【請求項10】

前記放熱基板と前記ケースとが、異なる組成の金属材料からなる請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項11】

前記ケースが、ダイキャストにより製造されてなる請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体素子を冷却するための冷却液を循環流通させる冷却器を備える半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ハイブリッド自動車や電気自動車等に代表される、モータを使用する機器には、省エネルギーのために電力変換装置が利用されている。この電力変換装置には、広く半導体モジュールが利用されている。この半導体モジュールは、大電流を制御するためにパワー半導体素子を備えている。

【0003】

パワー半導体素子は、大電流を制御する際の発熱量が大きい。また、半導体モジュールの小型化や軽量化が要請され、出力密度は上昇する傾向にあるため、パワー半導体素子を複数備えた半導体モジュールでは、その冷却方法が電力変換効率を左右する。

【0004】

半導体モジュールの冷却効率を向上させるために、従来から液冷式の冷却器が用いられている。この液冷式の冷却器は、ヒートシンクとしてのフィンが内蔵されていて、該冷却器内に冷却液を循環的に流すことによって冷却する。液冷式の冷却器は、冷却効率を向上させるために、冷却液の流量の増加、フィンの微細化・複雑化による熱伝達率の向上、又はフィンを構成する材料の熱伝導率を高めるなど、様々な工夫がなされてきた。

【0005】

ところが、冷却器への冷却液流量を増加し、又は熱伝達率のよいフィン形状にした場合は、冷却器内部での冷却液の圧力損失が増加する等の不都合が生じ易い。特に、多数のパワー半導体素子を冷却するために、複数のフィンを用いた冷却器であって、これらのフィンを流路内に直列に設けた冷却器があるが（特許文献１）、このような構成の冷却器は、圧力損失の増加が顕著となる。こうした圧力損失を低減するには、少ない冷却液流量で冷却効率を高める構成にする必要があり、流路内でフィンを並列に配置することが望ましい。

【0006】

流路内でフィンを並列に配置することにより、冷却性能を維持し、かつ冷却液の低圧力損失を図った冷却器として、冷却液を導入するための導入路と、冷却液を排出するための排出路とをケース内に互いに平行に並べ、それらの間の冷却流路に複数のフィンを並列に配置するものがある（特許文献２、３、４）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１２−６４６０９号公報

【特許文献2】特開２００４−１０３９３６号公報

【特許文献3】特開２００１−３５９８１号公報

【特許文献4】特開２０１１−１５５１７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかし、特許文献２〜４に記載された冷却器では、フィンやケース内の流路の改良による冷却性能向上は図られてきたが、冷却液の導入口・排出口の形状、及びその接続部等に依存した圧力損失が生じていた。したがって、これらの冷却器は、渦流の発生などに考慮された流路であるものの、主に導入口・排出口との接続部等で発生する圧力上昇が大きく、ポンプへの負荷が大きい流路を有していた。そのため、冷却器のシステム全体を考慮したとき、効率よく安定した冷却性能を得るための負荷が大きかった。また、ポンプ性能に対する負荷が大きい場合、ポンプの大容量化や冷却液流量を低下させた状態での設計が必要になり、半導体素子の発熱温度が上昇する等の不都合が生じ、素子寿命が低下し、あるいは故障などが発生し易かった。

【0009】

また、冷却器は、十分な冷却能を有しながら、小型化、薄肉化することが、自動車等の用途において求められている。したがって、小型化、薄肉化を図った冷却器において、冷却液の圧力損失を低下させることが求められていた。

【0010】

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、冷却液の導入口・排出口の接続部等の形状に改良を加えて、その接続部等における圧力損失を低減させることができた冷却器を備える半導体装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記目的を達成するために以下のような半導体装置が提供される。
絶縁回路基板と、該絶縁回路基板上に搭載された半導体素子と、該絶縁回路基板に接続され該半導体素子を冷却する冷却器と、を備える半導体装置である。冷却器は、該絶縁回路基板に接合された放熱基板と、該放熱基板における該絶縁回路基板との接合面とは反対側の面に設けられたフィンと、該フィンを収容するとともに該放熱基板に接続されたケースと、該ケースの互いに対向する側壁でかつ該ケースの対角の位置に設けられた、冷却液の導入口及び排出口と、該導入口に接続し、該ケースの導入口が設けられた第１の側壁の内面に沿って形成された導入路と、該排出口に接続し、該ケースの排出口が設けられた第２の側壁の内面に沿って形成された排出路と、該導入路と該排出路との間で、該フィンが収容される位置に形成された冷却用流路と、を有している。また、該導入口の開口の高さが、該導入路の高さよりも高く、該導入口と該導入路との接続部に、接続部の底面から導入路の長手方向に傾斜した傾斜面を有している。

【発明の効果】

【0012】

本発明の半導体装置によれば、冷却器の小型化、薄肉化が圧力損失の点で不利であるのに対して、導入口・排出口の配管を接続する接続部の流路を部分的に広げることで圧力上昇を低減することができる。したがって、冷却器の外面に配置された半導体素子を効果的に冷却でき、冷却液を循環するポンプへの負荷を低減し、半導体素子の安定した動作が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の半導体モジュールの外観を示す斜視図である。

【図2】図１の半導体モジュールの一例をＩＩ−ＩＩ矢視断面で示す模式図である。

【図3】半導体モジュールとして構成される電力変換回路の一例を示す図である。

【図4】冷却器のケースの要部構成を示す斜視図である。

【図5】図４のケースの内部構造を示す平面図である。

【図6】２通りのフィンの形状を説明する図であって、（ａ）はブレードフィンを示す斜視図、（ｂ）はコルゲートフィンを示す斜視図である。

【図7】実施例の接続部の模式的な断面図である。

【図8】図５のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢視断面図である。

【図9】比較例１の冷却器の要部構成を示す平面図である。

【図10】比較例１及び実施例における冷却液の導入口と排出口での圧力差を示すグラフである。

【図11】比較例２の接続部の模式的な断面図である。

【図12】比較例２及び実施例における冷却液の導入口と排出口での圧力差を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明の半導体装置の実施形態を、図面を用いて具体的に説明する。以下の説明に表れる「上」、「下」、「底」、「前」、「後」等の方向を示す用語は、添付図面の方向を参照して用いられている。
図１は本発明の半導体装置の一実施形態である、半導体モジュールの一例の外観を示す斜視図である。図２（ａ）は、図１の半導体モジュールをＩＩ−ＩＩ線矢視断面で示す模式図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の拡大部分模式図である。

【0015】

半導体モジュール１は、図１及び図２（ａ）、（ｂ）に示すように複数の回路素子部１１Ａ〜１１Ｆ、１２Ａ〜１２Ｆと、これらの回路素子部１１Ａ〜１１Ｆ、１２Ａ〜１２Ｆが接続された冷却器２０とを備えている。
各回路素子部１１Ａ〜１１Ｆ、１２Ａ〜１２Ｆは、いずれも絶縁回路基板１３上に２種類の半導体素子１４、１５を２個ずつ、計４個搭載した構成を有する。絶縁回路基板１３は、図２（ｂ）で分かるように、絶縁基板１３ａの両面に導体パターン層１３ｂ、１３ｃが形成された構成である。

【0016】

絶縁回路基板１３の絶縁基板１３ａは、例えば窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等の絶縁性のセラミック基板を用いることができる。導体パターン層１３ｂ、１３ｃは、銅やアルミニウム等の金属（例えば、銅箔）を用いて形成することができる。

【0017】

半導体素子１４、１５は、はんだ等の接合層１６を用いて絶縁回路基板１３の導体パターン層１３ｂ側に接合され、この接合層１６を通して、又はボンディングワイヤ（図示せず）を介して、その導体パターン層１３ｂに電気的に接続される。半導体素子１４、１５を搭載した絶縁回路基板１３は、もう一方の導体パターン層１３ｃ側で、接合層１７を介して冷却器２０の放熱基板２１上に接合される。

【0018】

こうして、絶縁回路基板１３及び半導体素子１４、１５は、冷却器２０に対し熱伝導可能に接続された状態になる。なお、導体パターン層１３ｂ、１３ｃにおける露出された表面や、半導体素子１４、１５と導体パターン層１３ｂとを電気的に接続するボンディングワイヤ（図示せず）の表面には、それらの表面を汚れ、腐食、外力等から保護するためにニッケルめっき等の保護層を形成するようにしてもよい。

【0019】

このような絶縁回路基板１３上に搭載される半導体素子１４、１５として、図示した例では、パワー半導体素子を用いている。これらのパワー半導体素子のうち、一方の半導体素子１４をフリーホイールダイオード（ＦｒｅｅＷｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ；ＦＷＤ）とし、他方の半導体素子１５を絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）としている。

【0020】

半導体モジュール１は、図３に示すような、６個の回路素子部１１Ａ〜１１Ｆによってインバータ回路３１を構成することが可能であり、また、６個の回路素子部１２Ａ〜１２Ｆによってインバータ回路３２を構成することが可能である。

【0021】

図３のインバータ回路３１、３２は、直流電流を交流電流に変換して三相交流モータ３３、３４に供給するインバータ回路を例示している。インバータ回路３１は、回路素子部１１Ａ〜１１Ｃを上アーム、１１Ｄ〜１１Ｆを下アームとし、ワイヤーボンディングやバスバー等による配線（図示せず）を接続することで入出力や制御を行う構成である。また、インバータ回路３２は、１２Ａ〜１２Ｃを上アーム、１２Ｄ〜１２Ｆを下アームとし、ワイヤーボンディングやバスバー等による配線（図示せず）を接続することで入出力や制御を行う構成である。これらのインバータ回路３１、３２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相についてそれぞれ、ＩＧＢＴである半導体素子１５と、ＦＷＤである半導体素子１４とのブリッジ回路を備える。半導体素子１５のスイッチング制御を行うことで、直流電流を交流電流に変換し、三相交流モータ３３、３４を駆動することができるようになっている。

【0022】

図３に示した電力変換回路は、６個の回路素子部１１Ａ〜１１Ｆ又は６個の回路素子部１２Ａ〜１２Ｆにより、インバータ回路３１又は３２を構成している。しかし、図１に１２個の回路素子部１１Ａ〜１１Ｆ及び１２Ａ〜１２Ｆを示すように、冷却器２０に搭載される回路素子部の個数は６個に限定されない。図１では、２つのモータ３３及び３４を制御するためのインバータ回路であって、インバータ回路３１は、１１Ａ〜１１Ｃを上アームとして、１１Ｄ〜１１Ｆを下アームとして冷却器２０上に搭載し、インバータ回路３２は、１２Ａ〜１２Ｃを上アーム、１２Ｄ〜１２Ｆを下アームとして、それぞれ冷却器２０上に搭載し計１２個の回路素子部を有する構成としている。別の構成として、昇降圧制御を行う所定数のＩＧＢＴとＦＷＤを用いた回路素子部を冷却器上に搭載した構成などがある。いずれの構成においても、回路素子部の配置エリアに適合する大きさになる冷却器２０を用いる。

【0023】

冷却器２０は、上方に開口が設けられた、箱形状を有するケース２２と、このケース２２の側壁の上端と液漏れなく接続する平板形状を有する放熱基板２１と、この放熱基板２１における各回路素子部１１Ａ〜１１Ｆ、１２Ａ〜１２Ｆが接合された面とは反対側の面に取り付けられ、ヒートシンクとしての熱交換性能を持つフィン２３と、を有する。複数のフィン２３はケース２２の内部に収容され、ケース２２と放熱基板２１とは、互いに金属的に接合されることにより、又は、それらの間にシール部材を介在させることにより密閉される。ケース２２と放熱基板２１との金属的な接合作業を容易にするため、ケース２２および放熱基板２１のそれぞれの接合部は平坦であることが望ましい。

【0024】

図３を用いて先に述べた電力変換回路の動作時に、各回路素子部１１Ａ〜１１Ｆ、１２Ａ〜１２Ｆで発生した熱は、接合層１７を通じて放熱基板２１へと伝わり、更にフィン２３へと伝わる。冷却器２０内のフィン２３は、後述する冷却用流路内に配置されるから、この冷却用流路に冷却液が流通されることで、フィン２３が冷却される。発熱する回路素子部１１Ａ〜１１Ｆ、１２Ａ〜１２Ｆは、このようにして冷却器２０により冷却される。
図４は、冷却器２０のケース２２の要部構成を示す斜視図であって、矢印は冷却液の流れる方向を示す。なお、同図には説明の便宜上、放熱基板２１に取り付けられているフィン２３が描かれている。図５は、図４に示した冷却器２０の内部構造を示す平面図である。

【0025】

図４、図５に示すように、冷却器２０のケース２２の外形は、底壁２２ａ及び側壁２２ｂを有する略直方体形状である。ケース２２の内部には、冷却液をフィン２３に向けて導入するための導入路２４、フィン２３を通した冷却液を排出するための排出路２５及びフィン２３を配置する冷却用流路２６が形成されている。更に、ケース２２の側壁２２ｂのうちの短辺側の一つの側壁２２ｂ１（第１の側壁）には、ケース２２の内部に冷却液を導入するための導入口２７が設けられ、ケース２２の短辺側の他の側壁２２ｂ２（第２の側壁）には、ケース２２の内部から外部に冷却液を排出するための排出口２８がそれぞれ設けられている。導入口２７と排出口２８とは、ケース２２の対角の位置に設けられている。導入口２７および排出口２８の軸線は、冷却用流路２６の長手方向、すなわち、冷却用流路２６において冷却液が流通する方向（図４の矢印で示す方向）と略平行である。

【0026】

導入路２４は、導入口２７が設けられたケース２２の短辺側の一つの側壁２２ｂ１の内面に沿って形成される。また、導入路２４は、導入口２７とは、冷却液を導入するための配管が接続される接続部２７１を介して接続され、冷却用流路２６に冷却液を分散し流れるように形成されている。接続部２７１は、導入路２４の長手方向と導入口２７の軸線が交差する角に位置している。

【0027】

排出路２５は、排出口２８が設けられたケース２２の短辺側の側壁２２ｂ２の内面に沿って形成される。また、排出路２５は、排出口２８とは、冷却液を排出するための配管が接続される接続部２８１を介して接続され、冷却用流路２６を経た冷却液を排出口２８から排出するように形成されている。

【0028】

冷却用流路２６は、導入路２４と排出路２５との間で、フィン２３が収容される位置に形成され、これにより、ヒートシンクとしてのフィン２３の冷却に必要な部分に冷却液を流すよう構成される。導入路２４及び排出路２５が、ケース２２の短辺側の側壁２２ｂ１、２２ｂ２に沿って形成されていることから、冷却用流路２６は、冷却液の流通方向の長さが、導入路２４及び排出路２５における冷却液の流通方向の長さよりも長い。このことにより、冷却器２０の小型化に有利である。

【0029】

また、冷却用流路２６は、回路素子部の位置に合わせて、複数の流路に分割することも可能である。例えば、図４に示した本実施形態では、導入路２４と排出路２５とに接続する仕切り２２ｃによって、冷却用流路２６が二分割されている。導入路２４および排出路２５の長手方向は冷却用流路２６の長手方向とほぼ直交している。

【0030】

放熱基板２１において、半導体素子１４、１５が搭載された回路素子部１１Ａ〜１１Ｆ、１２Ａ〜１２Ｆが接合されている位置が発熱する。そこで、冷却用流路２６を二分割して、その分割した流路を、インバータ回路の上アームの回路素子部１１Ａ〜１１Ｃ、１２Ａ〜１２Ｃと、下アームの回路素子部１１Ｄ〜１１Ｆ、１２Ｄ〜１２Ｆとのそれぞれに対応させている。換言すれば、それらの回路素子部の直下に各々平行して流れる２つの冷却用流路を形成している。このことにより冷却効率を向上することが可能である。

【0031】

冷却用流路２６には、複数のフィン２３が設けられる。複数のフィンからなるヒートシンクは、その外形が略直方体であり、冷却用流路２６内を冷却液が流れる方向に平行に配設されている。

【0032】

図６は、フィンの形状の説明図である。冷却器２のフィン２３は、例えば図６（ａ）に示すように、板状のフィンが並設された複数のブレードフィン２３ａとして形成することができる。ブレードフィン２３ａは、冷却用流路２６に配置され、冷却液が図６（ａ）に矢印で示す方向に流通する。ブレードフィン２３ａは、放熱基板２１に固定されて一体化している。冷却器２のフィン２３は、図６（ａ）のブレードフィン２３ａに限定されず、図６（ｂ）に示すコルゲートフィン２３ｂを用いることもできる。

【0033】

ブレードフィン２３ａは、放熱基板２１と一体化してケース２２内に設けられたときに、その先端とケース２２の底壁２２ａとの間に一定のクリアランスＣが存在するような寸法（高さ）に形成される。またコルゲートフィン２３ｂの場合は、ロウ付けによりケース２２と一体化することでクリアランスＣが存在しない形状に形成される。

【0034】

フィン２３のフィン形状については、従来公知の様々な形状のものを用いることが可能である。もっとも、フィン２３は、冷却用流路２６内を流れる冷却液の抵抗となるので、冷却液に対する圧力損失が小さいものが望ましく、よって上述したブレードフィン２３ａやコルゲートフィン２３ｂが好ましい。また、フィン２３の形状及び寸法は、冷却液の冷却器２０への導入条件（すなわち、ポンプ性能等）、冷却液の種類（粘性等）、目的とする除熱量等を考慮して、適宜設定することが好ましい。また、フィン２３からなるヒートシンクの外形は略直方体であり、好ましくは直方体であり、発明の効果を損ねない範囲で面取りや変形された形状であってもよい。

【0035】

冷却器２０の使用時には、例えば導入口２７に、導入口２７の上流側に設けられるポンプ（図示せず）と接続される配管が接続され、排出口２８に、排出口２８の下流側に設けられる熱交換器（図示せず）に接続される配管が接続され、熱交換器で熱交換された後の冷却液がポンプに導かれることで、これら冷却器２０、ポンプ及び熱交換器を含む閉ループの冷却液流路が構成される。冷却液は、このような閉ループ内をポンプによって強制循環される。

【0036】

ケース２２の側壁２２ｂ１、２２ｂ２に設けられた導入口２７、排出口２８の開口の高さ（直径）は、所定の流量の冷却液を低負荷でケース２２内に導入し、またケース２２内から排出できるように、所定の大きさを有している。また、ケース２２内の導入路２４、排出路２５及び冷却用通路２６は、所定の冷却能を有する範囲内で、できるだけ小型化、薄肉化される。このため、図１に示すように冷却器２０は、導入口２７の開口の高さが、導入路２４の高さよりも高くなっている。

【0037】

図７に、図５におけるポンプ側の図示しない配管とケース２２本体とを接続する導入口２７の接続部２７１の模式的なＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視断面図を示す。図８は、図５のケースの内部構造をＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢視断面で示す模式図である。図７、８では、フィン２３とともに放熱基板２１も示している。導入口２の開口の高さがｈ１であり、導入路２４の高さがｈ２である。接続部２７１は、導入口２７から見て奥行き方向（冷却用流路２６の長手方向）に底面から傾斜して導入路２４の底面に接続する第１の傾斜面２７１ａを有している。図７の例では、ｈ１＞ｈ２であり、導入口２の底面が、導入路２４および冷却用流路２６の底面よりフィン２３の先端から冷却器２０の厚み方向に離れて形成されている。第１の傾斜面２７１ａは、ケース２２の底壁２２ａの外側から、冷却器２０の上方、フィン２３へ向かって傾斜している。また、接続部２７１は、導入路２４の長手方向に底面から傾斜して導入路２４の底面に接続する第２の傾斜面２７１ｂを有している。第２の傾斜面２７１ｂも冷却器２０の上側へ向かって傾斜している。冷却器２０の上面と第２の傾斜面２７１ｂのなす角は９０度より小さい。
接続部２７１が、第１の傾斜面２７１ａを有することにより、導入口２７から導入された冷却液は、第１の傾斜面２７１ａに沿って流れ、この流動方向の流路断面積が次第に減少されつつ導入路２４及び冷却用通路２６に導かれる。したがって、接続部２７１が、第１の傾斜面２７１ａのみを有する場合には、この接続部２７１における圧力損失が大きくなるおそれがある。

【0038】

そこで、接続部２７１は、第２の傾斜面２７１ｂを有している。この第２の傾斜面２７１ｂを有することにより、導入口２７から導入された冷却液は、導入路２４の長手方向には、第２の傾斜面２７１ｂに沿って流れ、この流動方向の流路断面積が次第に拡大されつつ導入路２４に導かれる。したがって、接続部２７１が、第１の傾斜面２７１ａのみならず第２の傾斜面２７１ｂを有していることにより、第１の傾斜面２７１ａのみを有する場合に比べて接続部２７１の流路を部分的に広げることができ、よって接続部２７１における圧力損失を効果的に低減させることができる。これにより、冷却器２０の放熱基板２１に接合された回路素子部１１Ａ〜１１Ｆ、１２Ａ〜１２Ｆの半導体素子１４、１５を効果的に冷却でき、冷却液を循環するポンプへの負荷を低減し、また半導体素子の安定した動作が可能になる。

【0039】

さらに、接続部２７１は、第３の傾斜面２７１ｃを有している。導入路２４の長手方向において、導入口２７の２つの側面のうち一方の側面は、ケース２２の側壁２２ｂのうちの長辺側の一つの側壁２２ｂ３（すなわち、第１の側壁２２ｂ１と第２の側壁２２ｂ２とを接続する第３の側壁）の内面よりフィン２３から離れて形成されている。第３の傾斜面２７１ｃは、ケース２２の長辺側の側壁２２ｂ３の外側からフィン２３に向かって傾斜している。第３の傾斜面２７１ｃは、第２の傾斜面２７１ｂに対向する位置に形成されている。第２の傾斜面２７１ｂに加え、第３の傾斜面２７１ｃを備えることにより、導入口２７から導入された冷却液は、導入路２４の長手方向に誘導され、第２の傾斜面２７１ｂに沿って流れる。したがって、多数のパワー半導体素子をほぼ等しく冷却できる。

【0040】

また、接続部２７１は、第３の傾斜面２７１ｃに接続して当該第３の傾斜面２７１ｃの下方に、ケース２２の底壁２２ａの外側からフィン２３に向かって傾斜した傾斜面を有している。この傾斜面を第３の傾斜面２７１ｃに加えて備えることにより、導入口２７から導入された冷却液は、導入路２４の長手方向に誘導され、第２の傾斜面２７１ｂに沿って流れる。したがって、多数のパワー半導体素子をほぼ等しく冷却できる。

【0041】

図７では、導入口２７の接続部２７１について図示しているが、排出口２８の接続部２８１においても同様に、第１の傾斜面２８１ａ及び２８１ｂを有する構成とすることができる（図５参照）。排出口２８の接続部２８１が第１の傾斜面２８１ａ及び第２の傾斜面２８１ｂを有することにより、接続部２８１における圧力損失を効果的に低減させることができる。

【0042】

導入口２７及び排出口２８は、ケース２２の対角の位置に設けられ、これにより、導入口２７に接続された配管から導入される冷却液が、直線的にフィン２３に当たることを防止して、冷却用流路２６における流量を均一化することができる。図４、図５に示したケースは、平面図で見て導入口２７に接続された配管の軸線方向がケース２２の長辺側の側壁２２ｂ３に向かうように、導入口２７がケース２２の短辺側の側壁２２ｂ１において、より幅端側に延びた位置に設けられている。このような位置に導入口２７が設けられた場合は、導入口２７の接続部２７１において、圧力損失の増大の懸念が大きい。この点、本実施形態では、接続部２７１が、上述したように第２の傾斜面２７１ｂを有することから、効果的に圧力損失を低減することができる。

【0043】

また、導入路２４は、導入路２４の下流側で導入路２４の断面積が低減するように、導入路２４の下流側に行くに従って流路幅が漸減する形状に形成されている。これにより、導入路２４の下流側と接続する冷却用通路２６と、導入路２４の上流側と接続する冷却用通路２６とで、冷却液の流速分布を均一化することができる。

【0044】

このような構成を有するケース２２は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等の金属材料を用いて形成することができる。例えば、Ａ１０５０やＡ６０６３等の材料が好ましく、周辺部材、特に固定部やパワーモジュールを収めるインバータケースとのシールが必要な場合はＡＤＣ１２やＡ６０６１等の材料が好ましい。またケース２２をダイカストで製造し、かつ、熱伝導性が求められる場合は、三菱樹脂株式会社のダイカスト用高熱伝導アルミニウム合金であるＤＭＳシリーズの材料を適用することも可能である。このような金属材料を用いてケース２２を形成する場合、例えばダイキャストによって、上記のような導入路２４、排出路２５、冷却用流路２６、導入口２７及び接続部２７１、排出口２８及び接続部２８１を形成することができる。接続部２７１及び接続部２８１は複雑形状になるが、ダイキャストによれば、このような複雑形状のケース２２を容易に作製することができる。ケース２２は、この他、カーボンフィラーを含有する金属材料を用いることもできる。また、冷却液の種類やケース２２内に流れる冷却液の温度等によっては、セラミック材料や樹脂材料等を用いることも可能である。

【0045】

フィン２３及び放熱基板２１は、ケース２２と同様に、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等の金属材料を用いて形成することができる。例えばＡ１０５０、Ａ６０６３等が望ましい。より好ましくは、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上のアルミニウムを用いることができる。フィン２３と放熱基板２１とは、同種の金属材料であってもよいし、異種の金属材料であってもよい。フィン２３は、上述したブレードフィン２３ａやコルゲートフィン２３ｂ等以外にも例えば金属材料を用いて形成された所定のピンや板体を金属製の基材２６に接合することによって形成することができる。また、フィン２３は、ダイキャストやロウ付けするなどにより、放熱基板２１自体と一体的に形成することができる。更に、フィン２３は、ダイキャストによって放熱基板２１からフィン２３が形成される部分を凸形状に形成した後、その部分をワイヤーカット法によりフィン形状に切削することにより形成することも可能である。

【0046】

ケース２２の側壁２２ｂの上端と放熱基板２１の端部とは、Ｏリング等を介在させて封止することも可能であるが、側壁２２ｂに沿って金属的に接合されていることが、液漏れを確実に防止できることから好ましい。この金属的な接合は、摩擦攪拌接合法（Friction Stir Welding）であることが、より好ましい。摩擦攪拌接合法による接合部は、摩擦攪拌接合法に特有の金属組織を有している。摩擦攪拌接合法であることにより、ケース２２の側壁２２ｂの上端と放熱基板２１の端部との接合を、確実にすることができる。また摩擦攪拌接合法は、ケース２２の底面を支持しながら、ケース２２と放熱基板２１との接合界面に向けて摩擦攪拌接合法のツールを上方から当てて接合できるので、より確実な接合が可能となる。更に、摩擦攪拌接合法により接合することにより、放熱基板２１の材料として、例えばＡ６０６３およびＤＭＳシリーズの合金、大紀アルミニウム工業所のダイカスト用高熱伝導アルミニウム合金であるＨＴ−１等の熱伝導率の高い材料を用い、放熱性を向上することができる。つまり、放熱基板２１の材料を、ケース２２の材料とは異なる組成の材料として、ケース２２よりも熱伝導率の高い材料とすることにより、放熱性を向上させることができる。

【0047】

ケース２２が、仕切り２２ｃを有する場合には、この仕切り２２ｃについても放熱基板２１と摩擦攪拌接合法により接合することが、放熱基板２１の熱変形によるフィン２３とケース２２の底壁２２ａとのクリアランスＣの拡大を防止できるので好ましい。

【0048】

ケース２２と放熱基板２１とを摩擦攪拌接合法により接合する場合には、ケース２２の側壁２２ｂの上端および放熱基板２１の端部が少なくとも平坦であり、好ましくは放熱基板２１が平板形状であることが、接合作業を容易にすることから好ましい。また、放熱基板２１は、所定の厚さを有することにより、熱変形に対する信頼性と、良好な放熱性を具備することができる。放熱基板２１の厚さは、例えばフィンが接合される領域において、１〜３ｍｍが望ましい。さらに、導入口２７の上面が放熱基板２１の底面より下側になるよう導入口２７を配置することにより、導入口２７と接続部２７１で生じる乱流を小さくできるので、接合作業を容易にし、かつ冷却効率を向上できる。
このように、導入口２７の軸線が、フィン２３の頂部から見てケースの外側へ偏しており、少なくとも第２の傾斜面２７１ｂを有する接続部２７１を有する冷却器２０により、冷却効率を向上できる。

【0049】

（実施例及び比較例１）
図９は、比較例１の半導体モジュールとして、冷却器の要部構成を示した平面図である。図９の冷却器１２０は、２つの冷却用流路１２６を直列に繋いだ構成であり、図５に示した、実施例の冷却器２０と対比される。実施例及び比較例１は、いずれも半導体モジュールの回路素子部が、各回路を構成する上アーム側と下アーム側との２つの列に分け、それぞれの列の回路素子部直下に冷却用流路が設けられている点で共通している。

【0050】

図１０に、比較例１と実施例とについて、冷却液の導入口と排出口との間での圧力差を調べた結果をグラフで示す。図１０から分かるように、複数の冷却用流路を直列で繋いだ比較例と、二分割された冷却用流路２６を並列に繋いだ実施例とでは、流路内で発生する圧力差が大きく異なり、熱流体シミュレーションによる比較結果によれば、１０Ｌ／ｍｉｎの冷却液を流した場合、比較例１では２３．５ｋＰａ、実施例は９ｋＰａである。図１０の結果は、冷却液が２つの冷却用流路を同時に流れるときの流路断面積の差が表れており、圧力差の小さい実施例は、冷却液を循環するためのポンプへの負荷を小さくすることが可能となる。また、複数の回路素子部が冷却器に設けられ、これらの回路素子部の配列方向に沿って冷却液を流し冷却する場合、半導体素子からの熱を冷却液が受けるため、冷却液自体の温度が上昇する。よって、半導体素子の数に依存した冷却液の温度上昇が起こる。そのときの冷却性能は、冷却液の温度と流路構成とに依存する。冷却性能のなかで、半導体素子の最大温度は、冷却用流路を流れる冷却液の流速と、冷却液自体の温度によって決定される。比較例１と実施例とは、半導体素子の発熱量を鑑みたとき、最大温度が同等であり、ポンプ負荷を低減できる実施例が、冷却特性として良好であることがわかる。

【0051】

冷却液の導入口２７と排出口２８との間での圧力差は、冷却用流路２６内に配置されるフィン２３の形状だけでなく、導入路２４、排出路２５、冷却用流路２６の断面積にも依存する。例えば導入路２４の流路断面積（流路幅）を、小型化や冷却用流路２６を流れる冷却液の流速分布の調整を目的として、冷却液が流れる方向に沿って下流側で減少させた場合、冷却液の導入口２７と排出口２８との間での圧力差は大きくなり、ポンプへの負荷は増大してしまう。この点、実施例は、上述したように導入口２７の接続部２７１が第２の傾斜面２７１ｂを有していることから、接続部２７１での圧力損失を低減させ、よってポンプへの負荷を減少させることができる。

【0052】

また、図１、図２に示した半導体モジュール１の構成は、放熱基板２１とケース２２とが摩擦攪拌接合法により接合されて一体化された構造を示しているが、ケース２２とフィン２３を有する放熱基板２１とが別体から構成され、両者を、Ｏリングを介して封止したモジュール構造の場合であっても、実施例の流路のように冷却用流路２６を２つ平行に並べる構成にすることで、ポンプ負荷を低減することが可能である。
これらは、いずれも冷却液自体の性質（冷却液特性）と冷却性能をシミュレーションすることによって検証された結果に基づいている。

【0053】

（実施例及び比較例２）
上述した実施例は、冷却器の小型化の両立を目的として、冷却器２０の導入口２７と排出口２８の冷却液が流れるときの圧力差を低減するため、導入口２７の接続部２７１及び排出口２８の接続部２８１について、傾斜面２７１ｂ、２８１ｂを有している。この傾斜面２７１ｂ、２８１ｂの有無による形状比較について説明する。

【0054】

図１１は比較例２の半導体モジュールとして、冷却器２２０の導入口５７の接続部の断面図を示している。図１１の接続部５７１は、当該接続部５７１に傾斜面５７１ａが導入路２２４とは重ならない位置に設けられた構成であり、図７に示した、実施例の接続部２７１と対比される。

【0055】

図７の実施例の接続部２７１及び図１１の比較例２の接続部５７１は、共に導入口２７、５７の高さと冷却用流路２６、２２６の高さとが異なり、形状の制約から繋ぎ部には第１の傾斜面２７１ａ、傾斜面５７１ａが設けられている。実施例は、第１の傾斜面２７１ａのみならず第２の傾斜面２７１ｂが設けられている。これに対し、比較例２は、傾斜面５７１ａが導入路２２４とは重ならない位置に設けられ、かつ、導入路２２４の長手方向に底面から傾斜した傾斜面を有しない。

【0056】

実施例及び比較例２では、導入口２７、５７の接続部流路高さを２０ｍｍ、フィン２３高さを８ｍｍとし、接続部２７１、５７１の底から冷却用流路２６までの差１２ｍｍは、ケースの形状に１５°〜７５°の範囲の所定の傾斜を設けて繋がれる。導入路２４、２２４の接続部幅により傾斜は決められるが、実施例では４０°、比較例２では４５°の構造を例にあげ、流路で発生する圧力損失を導入口２７、５７と排出口２８、５８間の圧力差で比較した。

【0057】

図１２に、実施例と比較例２とについて、冷却液の導入口と排出口との間での圧力差をシミュレーションで調べた結果をグラフで示す。
図１２から分かるように、各々冷却液を１０Ｌ／ｍｉｎの流量で導入した場合、実施例で導入口２７と排出口２８間の圧力差はおおよそ９ｋＰａ、比較例２で導入口５７と排出口５８間の圧力差は１４ｋＰａであり、約３５％の低減が見込める。なお、図１に示す回路素子部を冷却器上に配置し、発熱の状況をシミュレーションにて確認したが、冷却性能は同等であった。
以上の結果から、実施例によれば、小型化を図り、かつポンプ負荷の低い低圧力損失の両立が可能である。

【符号の説明】

【0058】

１ 半導体モジュール
１１Ａ〜１１Ｆ、１２Ａ〜１２Ｆ 回路素子部
１３ 絶縁回路基板
１３ａ 絶縁基板
１３ｂ、１３ｃ 導体パターン層
１４、１５ 半導体素子
１６、１７ 接合層
２０ 冷却器
２１ 放熱基板
２２ ケース
２３ フィン
２４ 導入路
２５ 排出路
２６ 冷却用流路
２７ 導入口
２７１ 接続部
２８ 排出口
２８１ 接続部
３１、３２ インバータ回路
３３、３４ 三相交流モータ
Ｃ クリアランス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】