特許 6341285 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】6341285

(24)【登録日】2018年5月25日

(45)【発行日】2018年6月13日

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20180604BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/46 Z

【請求項の数】14

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2016-540229(P2016-540229)

(86)(22)【出願日】2015年8月3日

(86)【国際出願番号】JP2015072005

(87)【国際公開番号】WO2016021565

(87)【国際公開日】20160211

【審査請求日】2016年8月1日

(31)【優先権主張番号】特願2014-160520(P2014-160520)

(32)【優先日】2014年8月6日

(33)【優先権主張国】JP

(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

(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】 多賀 和宏

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１４／０６９１７４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−３２４６４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０１９９３７２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０１２８７０５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−１０３３０３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／２９

Ｈ０１Ｌ ２３／３４−２３／３６

Ｈ０１Ｌ ２３／３７３−２３／４２７

Ｈ０１Ｌ ２３／４４

Ｈ０１Ｌ ２３／４６７−２３／４７３

Ｈ０２Ｍ ７／４２−７／９８

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１回路基板及び第２回路基板と、前記第１回路基板上に搭載された第１半導体素子及び前記第２回路基板上に搭載された第２半導体素子と、前記第１回路基板及び第２回路基板が搭載され、前記第１半導体素子及び第２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、
前記冷却器が、
第１面及び該第１面に対向する第２面を備え、前記第１面に該第１回路基板及び第２回路基板が接合された放熱部と、
前記第２面に設けられたフィンと、
第１の側壁及び前記第１の側壁に対向する第２の側壁を備え、前記フィンを収容するとともに前記該放熱部に接続されたケースと、
前記第１の側壁に設けられた、冷却液の導入部及び該第２の側壁に設けられた排出部と、
前記導入部に接続し、前記第１の側壁の内面に沿って形成された導入路と、
前記排出部に接続し、前記第２の側壁の内面に沿って形成された排出路と、
前記導入路と該排出路との間の、前記フィンが収容される位置に形成された冷却用流路と、を備え、
前記導入部が前記ケースの側壁に取り付けられ、前記導入部の開口の高さが前記導入路の高さよりも高く、前記導入路と前記導入部との接続部に、前記冷却用流路に向かって傾斜する傾斜面を有し、
前記導入路及び前記排出路は互いに非対称な平面形状を有し、かつ、前記導入路と前記導入部との接続部が、前記冷却器上に配置された前記第２回路基板直下の前記冷却用流路に対向するとともに、前記排出路と前記排出部との接続部が、前記冷却器上に配置された前記第１回路基板直下の前記冷却用流路に対向することを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

前記導入部と前記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更に有する請求項１記載の半導体装置。

【請求項3】

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１記載の半導体装置。

【請求項4】

前記排出部が前記ケースの側壁に取り付けられ、前記排出部の開口の高さが前記排出路の高さよりも高く、前記排出路と前記排出部との接続部に、前記冷却用流路に向かって傾斜する傾斜面を有する請求項１記載の半導体装置。

【請求項5】

前記排出部と前記排出路との接続部に、接続部の底面から排出路の長手方向に傾斜した傾斜面を更に有する請求項４記載の半導体装置。

【請求項6】

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記載の半導体装置。

【請求項7】

前記導入部が前記ケースの底壁に取り付けられた請求項１記載の半導体装置。

【請求項8】

前記導入路が、前記排出路よりも大きい請求項７記載の半導体装置。

【請求項9】

前記導入部と前記導入路との接続部に、前記導入部と略同心の円弧状側壁を有する請求項７記載の半導体装置。

【請求項10】

前記排出部と前記排出路との接続部に、前記排出部から偏心した円弧状側壁を有する請求項７記載の半導体装置。

【請求項11】

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７記載の半導体装置。

【請求項12】

前記放熱部が放熱基板であり、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又は７記載の半導体装置。

【請求項13】

前記放熱部と前記フィンとが、一体的に成形されてなる請求項１又は７記載の半導体装置。

【請求項14】

前記放熱部が放熱基板であり、前記放熱基板と前記フィンと前記ケースとが、ろう付けにより一体的に成形されてなる請求項１又は７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、冷却液の導入部・排出部の形状、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、主に導入部・排出部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、冷却液の導入部・排出部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。
第１回路基板及び第２回路基板と、前記第１回路基板上に搭載された第１半導体素子及び前記第２回路基板上に搭載された第２半導体素子と、前記第１回路基板及び第２回路基板が搭載され、前記第１半導体素子及び第２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、第１面及び該第１面に対向する第２面を備え、前記第１面に該第１回路基板及び第２回路基板が接合された放熱部と、前記第２面に設けられたフィンと、第１の側壁及び前記第１の側壁に対向する第２の側壁を備え、前記フィンを収容するとともに前記該放熱部に接続されたケースと、前記第１の側壁に設けられた、冷却液の導入部及び該第２の側壁に設けられた排出部と、前記導入部に接続し、前記第１の側壁の内面に沿って形成された導入路と、前記排出部に接続し、前記第２の側壁の内面に沿って形成された排出路と、前記導入路と該排出路との間の、前記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。前記導入部が前記ケースの側壁に取り付けられ、前記導入部の開口の高さが前記導入路の高さよりも高く、前記導入路と前記導入部との接続部に、前記冷却用流路に向かって傾斜する傾斜面を有している。また、前記導入路及び前記排出路は互いに非対称な平面形状を有している。また、前記導入路と前記導入部との接続部が、前記冷却器上に配置された前記第２回路基板直下の前記冷却用流路に対向する。また、前記排出路と前記排出部との接続部が、前記冷却器上に配置された前記第１回路基板直下の前記冷却用流路に対向している。

【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、冷却液の流れの乱れを極力低減して圧力損失を低下させ、かつ、導入部・排出部の配管を接続する接続部を、半導体素子の発熱に対して適切な位置に設けることから、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】図１は、本発明の実施形態１の半導体モジュールの外観を示す斜視図である。

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

【図3】図３は、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】図４は、半導体モジュールの冷却器のケースの要部構成を示す斜視図である。

【図5】図５は、図４のケースの内部構造を示す平面図である。

【図6】図６は、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】図７は、実施形態２の半導体モジュールの接続部近傍の拡大図である。

【図8】図８は、ケースの冷却用流路と回路基板との位置関係を示す平面図である。

【図9】図９は、実施形態２の半導体モジュールの接続部近傍の拡大図である。

【図10】図１０は、実施形態３の半導体モジュールのケースの内部構造を示す平面図である。

【図11】図１１は、実施形態４の半導体モジュールのケースの内部構造を示す平面図である。

【図12】図１２は、実施例１の半導体モジュールのケースの内部構造を示す平面図である。

【図13】図１３は、比較例１の半導体モジュールのケースの内部構造を示す平面図である。

【図14】図１４は、比較例１及び実施例１、２の圧力差を示すグラフである。

【図15】図１５は、実施例４の半導体モジュールの接続部近傍の拡大図である。

【図16】図１６は、実施例３〜５の圧力差を示すグラフである。

【図17】図１７は、実施例２と実施例３における各々の半導体素子１５のジャンクション温度を示すグラフである。

【図18】図１８は、実施例３〜５における各々の半導体素子１５のジャンクション温度を示すグラフである。

【図19】図１９は、実施形態５の半導体モジュールの斜視図である。

【図20】図２０は、図１９の半導体モジュールのＸＸａ−ＸＸａ線矢視断面で示す模式図である。

【図21】図２１は、実施形態５の半導体モジュールの冷却器の内部構造を示す説明図である。

【図22】図２２は、図２１の冷却器の導入路及び排出路における冷却液の流れを示す説明図である。

【図23】図２３は、実施形態６の半導体モジュールの分解斜視図である。

【図24】図２４は、実施形態７の半導体モジュールの分解斜視図である。

【図25】図２５は、実施形態８の半導体モジュールの分解斜視図である。

【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。

【0015】

（実施形態１）
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ＩＩａ−ＩＩａ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。

【0016】

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、例えば、いずれも回路基板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。回路基板１３は、図２（ｂ）で分かるように、絶縁板１３ａの両面に導体層１３ｂ、１３ｃが形成された構成である。

【0017】

回路基板１３の絶縁板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。

【0018】

半導体素子１４、１５は、はんだ等の接合層１６を用いて回路基板１３における回路パターンが形成された導体層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やバスバー等（図示せず）を介して、その導体層１３ｂに電気的に接続されている。半導体素子１４、１５を搭載した回路基板１３は、もう一方の導体層１３ｃ側で、接合層１７を介して冷却器２０の放熱基板２１上に接合されている。

【0019】

こうして、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と導体層１３ｂとを電気的に接続するボンディングワイヤ等（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。

【0020】

このような回路基板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、パワー半導体素子のチップを用いている。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（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ 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（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）としている。

【0021】

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７１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７２を構成することが可能である。

【0022】

図３のインバータ回路７１、７２は、直流電流を交流電流に変換して三相交流モータ７３、７４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７１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７２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７１、７２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７３、７４を駆動することができるようになっている。

【0023】

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７１又は７２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つの三相交流モータ７３及び７４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７１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７２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。

【0024】

冷却器２０は、図１に示した例では、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（放熱部）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（第１面）とは反対側の面（第２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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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を通った冷却液を排出するための排出路２５及びフィン２３が配置される冷却用流路２６が形成されている。更に、ケース２２の側壁２２ｂのうちの第１の側壁、すなわちケース２２の短辺側の一つの側壁２２ｂ１には、ケース２２の内部に冷却液を導入するための導入口を備える導入部２７が設けられている。更にまた、ケース２２の側壁２２ｂのうちの第２の側壁、すなわちケース２２の短辺側の他の側壁２２ｂ２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を備える排出部２８が設けられている。導入部２７及び排出部２８は例えば円筒形状である。導入部２７と排出部２８とは、ケース２２の対角の位置からやや内寄りに設けられている。導入部２７および排出部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。また、図示するように、上アームの回路素子部１１Ａ〜１１Ｃ、１２Ａ〜１２Ｃ及び下アームの回路素子部１１Ｄ〜１１Ｆ、１２Ｄ〜１２Ｆは、それぞれ冷却液の流れる方向に沿って、並列するように２列に配置されている。複数の上アーム用回路基板１３（第１回路基板）及び複数の下アーム用回路基板１３（第２回路基板）がそれぞれ整列し、並列に配置されている。

【0028】

導入路２４は、導入部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と導入部２７との間に接続部２７１が設けられ、導入路２４は、接続部２７１から導入された冷却液を分散させて冷却用流路２６に流れるように形成されている。接続部２７１は、冷却用流路における、回路基板１３の直下に位置する部分に対向して設けられている。図示した例では、下アームの回路素子部１１Ｄに搭載された半導体素子１５（第２半導体素子）側の冷却用流路２６に対向する部分に接続部２７１が設けられている。

【0029】

排出路２５は、排出部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と排出部２８との間に接続部２８１が設けられ、排出路２５は、冷却用流路２６を経た冷却液を排出部２８へ排出するように形成されている。接続部２８１は、冷却用流路における、回路基板１３の直下に位置する部分に対向して設けられている。図示した例では、上アームの回路素子部１２Ｃに搭載された半導体素子１５（第１半導体素子）側の冷却用流路２６に対向する部分に接続部２８１が設けられている。

【0030】

冷却用流路２６は、導入路２４と排出路２５との間、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。

【0031】

また、冷却用流路２６は、回路素子部１１Ａ〜１１Ｆ、１２〜１２Ｆの位置に合わせて、複数の流路に分割することが可能である。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。もっとも、後で図１０を用いて説明する実施形態３のように、仕切り２２ｃを有しない構成とすることもでき、圧力損失低減の観点から好ましい。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。

【0032】

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を長手方向に二分割して、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。

【0033】

冷却用流路２６には、複数のフィン２３が設けられている。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。

【0034】

図６は、フィンの形状の説明図である。冷却器２０のフィン２３は、例えば図６（ａ）に示すように、板状のフィン要素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２０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。また、後述するように、押し出し成形により、放熱基板２１とフィン２３とケース２２の底壁２２ａとが一体的に形成されてなる多穴板の構成とすることもできる。

【0035】

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、ろう付けによりケース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。

【0036】

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。

【0037】

冷却器２０の使用時には、例えば導入部２７に、導入部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（図示せず）が接続され、排出部２８に、排出部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（図示せず）が接続される。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。冷却液は、水やロングライフクーラント（ＬＬＣ）等、公知の冷却媒体を用いることができる。

【0038】

ケース２２の側壁２２ｂ１、２２ｂ２に設けられた導入部２７、排出部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及び冷却用流路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。例えば、冷却用流路２６の全幅、すなわち、ケース２２の２つの長手方向の側壁２２ｂ３間の内法の長さに対する冷却用流路２６の厚さの比は、１：８〜１：１２程度であるように薄肉化されている。このため、図１、２に示すように冷却器２０は、導入部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。同様に、排出部２８の開口の高さが、排出路２５の高さよりも高くなっている。

【0039】

導入部２７と導入路２４との間の接続部２７１は、図７に接続部２７１近傍の拡大図を示すように、導入部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。導入部２７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と導入路２４の底面との間は、曲面２７１ｃにより接続されている。第１の傾斜面２７１ａは、冷却器２０の上方、フィン２３へ向かって傾斜している。
接続部２７１が、第１の傾斜面２７１ａを有することにより、導入部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及び冷却用流路２６に導かれる。

【0040】

導入部２７側と同様に、排出部２８側においては、排出部２８と排出路２５との間の接続部２８１は、排出部２８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排出路２５の底面に接続する第１の傾斜面２８１ａを有している。排出部２８の底面が、排出路２５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２８１ａと排出路２５の底面との間は、曲面２８１ｃにより接続されている。第１の傾斜面２８１ａは、冷却器２０の上方、フィン２３へ向かって傾斜している。
接続部２８１が、第１の傾斜面２８１ａを有することにより、冷却用流路２６から排出路２５を通した冷却液は、第１の傾斜面２８１ａに沿って流れ、排出部２８に向かう。

【0041】

図８に示すように、導入部２７側の接続部２７１は、冷却用流路２６における、下アームの回路基板１３の直下の部分に対向する位置に設けられている。このことにより、冷却用流路２６内において、最も高温になり易い回路基板１３の直下の部分のフィンに対して、導入部２７からの冷却液をストレートに導くことができ、よって、回路基板１３の直下の部分のフィンに向けた冷却液の流速を他の部分よりも高めることができ、ひいては回路基板上の半導体素子１４、１５を効果的に冷却することができる。半導体素子１４、１５のうち、ＩＧＢＴチップである半導体素子１５がＦＷＤチップである半導体素子１４よりも発熱するから、導入部２７側の接続部２７１は、冷却用流路２６における、半導体素子１５（第２半導体素子）の直下の部分に対向する位置に設けられることが、より好ましい。導入部２７側の接続部２７１は、冷却用流路２６の全幅の１／１０〜１／３に相当する長さで導入路の端部から中央寄りに位置している。

【0042】

また、排出部２８の側の接続部２８１も同様に、冷却用流路２６における、回路基板１３の直下の部分に対向する位置に設けられている。このことにより、冷却用流路２６内において、最も高温になり易い回路基板１３の直下の部分のフィン２３を通した冷却液を、排出部２８へストレートに導くことができ、よって、回路基板１３の直下の部分のフィン２３を通した冷却液の流速を他の部分よりも高めることができ、ひいては回路基板上の半導体素子１４、１５を効果的に冷却することができる。半導体素子１４、１５のうち、ＩＧＢＴチップである半導体素子１５がＦＷＤチップである半導体素子１４よりも発熱するから、排出部２８側の接続部２８１は、冷却用流路２６における、半導体素子１５（第１半導体素子）の直下の部分に対向する位置に設けられることが、より好ましい。排出部２８側の接続部２８１は、冷却用流路２６の全幅の１／１０〜１／３に相当する長さで導入路の端部から中央寄りに位置している。

【0043】

導入路２４と排出路２５は、互いに非対称な平面形状を有している。具体的には導入路２４は、冷却用流路２６の幅方向の一端から他端までにわたり、なるべく均等に冷却液が流れるようにするために、排出路２５に比べて狭幅の流路としている。これに対して、排出路２５は、冷却用流路２６から排出部まで冷却液を抵抗少なく流れるようにするために、ある程度広幅の流路としている。図示した例では、排出路２５の容積は導入路２４に比べて大きい。

【0044】

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流路２６と、導入路２４の上流側と接続する冷却用流路２６とで、冷却液の流速分布を均一化することができる。これに対して、排出路２５は、導入路２４のように下流側に行くに従って流路幅が漸減する形状ではない。
導入路２４と排出路２５とが互いに異なる、換言すれば非対称な平面形状を有していることから、圧力損失に有効に寄与している。

【0045】

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をダイキャストで製造し、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キャ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、導入部２７及び接続部２７１、排出部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。

【0046】

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、ダイキャストやろう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。更に、金属材料の押し出し成形によって多穴板を成形することにより、放熱基板２１とフィン２３とケース２２とが一体的に形成されている形状とすることもできる。

【0047】

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キャ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。

【0048】

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。

【0049】

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、導入部２７の上面が放熱基板２１の底面より下側になるよう導入部２７を配置することにより、導入部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、接続部２７１の軸線が、回路基板１３直下の部分の冷却用流路２６に対向するとともに、接続部２８１の軸線が、回路基板１３直下の部分の冷却用流路２６に対向する冷却器２０により、冷却効率を向上できる。

【0050】

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２の半導体装置について説明する。本実施形態の半導体装置は、実施形態１の半導体装置における接続部２７１及び接続部２８１の形状を除いて、実施形態１の半導体装置と同様の構成を有している。したがって、以下では接続部２７１及び接続部２８１の形状について説明する。また、実施形態１の半導体装置を説明した図５及び図７に記載された部材及びその部分と同一の機能を有する部材、部分については同一の符号を付しており、以下では重複する説明を省略する。

【0051】

図９に、実施形態２の半導体装置の接続部２７１の拡大図を示す。図９の接続部２７１の第１の傾斜面２７１ａは、図７に示した実施形態１の第１の傾斜面２７１ａと比べて、導入路２４の底面側に延びた形状を有している。また、曲面２７１ｃと導入路２４の底面との間に、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。

【0052】

実施形態２の半導体装置は、接続部２７１が、第２の傾斜面２７１ｂを有することにより、導入部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を有する実施形態２の半導体装置は、実施形態１の半導体装置に比べて接続部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、より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。

【0053】

図９の拡大図では、導入部２７の接続部２７１について図示しているが、排出部２８の接続部２８１においても同様に、第１の傾斜面２８１ａが、図７に示した実施形態１の第１の傾斜面２８１ａと比べて、排出路２５の底面側に延びた形状を有し、かつ、曲面２８１ｃと排出路２５の底面との間に、排出路２５の長手方向に底面から傾斜して排出路２５の底面に接続する第２の傾斜面２８１ｂを有している構成とすることができる（図１１参照）。排出部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、より効果的に低減させることができる。

【0054】

（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３の半導体装置について説明する。本実施形態の半導体装置は、実施形態１の半導体装置における冷却用流路２６の構成を除いて、実施形態１の半導体装置と同様の構成を有している。したがって、以下では本実施形態の冷却用流路２６の構成を説明する。

【0055】

図１０に、本実施形態の半導体装置における冷却器２０の内部構造を示す平面図を示す。図１０は、実施形態１の冷却器を示した図５に対応する図面であり、図５に示した部材と同一部材には同一符号を付しているので、各部材について重複する説明は省略する。

【0056】

図１０に示したケース２２は、図５に示した実施形態１の半導体装置のケース２２とは、導入路２４と排出路２５とに接続する仕切り２２ｃの有無により相違する。本実施形態のケース２２が図５に示した仕切り２２ｃを有しないことにより、図１０の冷却用流路２６は、図５に示した実施形態１の冷却用流路２６に比べて、冷却用流路２６全体としての圧力損失を、より低減することができる。

【0057】

（実施形態４）
次に、本発明の実施形態４の半導体装置について図１１を用いて説明する。本実施形態の半導体装置は、実施形態３の半導体装置における導入部２７側の接続部２７１の第１の傾斜面２７１ａが、図９に示したように導入路２４の底面側に延びた形状を有し、かつ、第２の傾斜面２７１ｂを有している。排出部２８側についても同様である。それ以外の構成は、実施形態３の半導体装置と同様の構成を有している。

【0058】

実施形態４の半導体装置は、接続部２７１が、第２の傾斜面２７１ｂを有することにより、実施形態３の半導体装置に比べて接続部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、より効果的に低減させることができる。また、接続部２８１が、第２の傾斜面２８１ｂを有することにより、実施形態３の半導体装置に比べて接続部２８１の流路を部分的に広げることができ、よって接続部２８１における圧力損失を、より効果的に低減させることができる。

【0059】

本発明の半導体装置の効果を確認するために、ケース２２に設けられた導入路２４と導入部２７との接続部２７１の位置を、ケース２２の短手方向で異ならせた複数の冷却器２０を用意して圧力損失を調べた。

【0060】

実施例１の冷却器２０は、図１２に示す冷却器２０のケース２２を備えている。具体的には、ケース２２に設けられた導入路２４と導入部２７との接続部２７１が、ケース２２の長手方向の側壁２２ｂ３の内側に接するような位置に設けられた例である。
比較例１の冷却器は、図１３に示すケース１２２を備えている。具体的には、ケース１２２に設けられた導入路２４と導入部２７との接続部２７１が、ケース２２の長手方向の側壁２２ｂ３よりもケース２２の短手方向外側の位置に設けられた例である。
実施例２の冷却器は、図５に示したケース２２を備えている。

【0061】

上記の実施例１、２及び比較例１の冷却器について冷却液の導入部と排出部との間での圧力差を調べた結果を図１４にグラフで示す。図１４から、比較例１の冷却器に比べて、実施例１、２の冷却器は圧力損失が低く、特に実施例２の冷却器は、実施例１よりも圧力損失が低かった。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９ｋＰａ、実施例１が６．７ｋＰａ、実施例２が６．０ｋｐａであった。

【0062】

冷却用流路２６を流れる冷却液の圧力には、配置されたフィン２３に対し冷媒が衝突する圧力、フィン２３間を流れる際に発生する圧力、排出路を流れ出る際に発生する圧力がある。導入部２７側の接続部２７１、排出部側の接続部２８１において、比較例１ではケース２２の側壁２２ｂ３を用いて導入路２４に流れを強制することにより圧力が生じる。これに対して、実施例１、実施例２では冷却流れを大きく変えることなく、冷却用流路２６内に冷却液を運ぶことができ、よって冷却液を循環させ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。

【0063】

次に、図１０に示した半導体モジュールにおけるケース２２が図５に示した仕切り２２ｃを有しないこと、すなわち、冷却用流路２６を分岐させないことの効果、及び図１１に示した本発明の半導体モジュールにおける接続部２７１の第２の傾斜面２７１ｂ、及び接続部２８１の第２の傾斜面２８１ｂを有することの効果を確認するために、仕切り２２ｃを有しない冷却器であって、第２の傾斜面２７１ｂ、２８１ｂを有し又は有しないことによって異なる複数の冷却器２０を用意して圧力損失を調べた。また、冷却器２０上の回路素子部１１Ａ〜１１Ｆの半導体素子１５の発熱状況を調べた。

【0064】

実施例３の冷却器２０は、図１０に示す冷却器２０のケース２２を備えている。具体的には、第２の傾斜面２７１ｂ、２８１ｂを有しない例である。
実施例４の冷却器２０は、図１５に接続部２７１近傍の拡大図を示すように、第２の傾斜面２７１ｂ、２８１ｂを有し、かつ、第２の傾斜面２７１ｂ、２８１ｂを形成するための面取り長さが５ｍｍである例である。面取り長さの相違の他は、次に説明する実施例５と同様のケース２２を備えている。
実施例５の冷却器２０は、図１１に示す冷却器２０のケース２２を備えている。具体的には、図９に接続部２７１近傍の拡大図を示すように、当該第２の傾斜面２７１ｂ、２８１ｂを有し、かつ、第２の傾斜面２７１ｂ、２８１ｂを形成するための面取り長さが１０ｍｍである例である。

【0065】

上記の実施例３〜５の冷却器について冷却液の導入部と排出部との間での圧力差を調べた結果を図１６にグラフで示す。図１６から、実施例３の冷却器は、図１４の実施例２よりも圧力損失が低かった。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、実施例２は６．０ｋｐａであったのに対して、実施例３は４．６ｋｐａであった。このことから、冷却用流路２６に仕切り２２ｃを有さず、すべてフィン２３を配置することで、仕切り２２ｃを有する実施例２に比べて圧力損失を１ｋｐａ程度以上は低減可能であった。

【0066】

図１７に、実施例２の冷却器を備える半導体モジュールと、実施例３の冷却器を備える半導体モジュールとについて回路素子部１１Ａ〜１１Ｆの各々の半導体素子１５のジャンクション温度を測定した結果を示す。図１７から、実施例２の冷却器を備える半導体モジュールに比べて実施例３の冷却器を備える半導体モジュールは、半導体素子１５の温度が低く、かつ温度ばらつきが小さかった。

【0067】

また、面取りの有無及び面取り程度の相違による実施例３〜５の冷却器の圧力損失を図１８に示すグラフで対比すると、１０ｍｍの面取りをした実施例５は、５ｍｍの面取りをした実施例４に比べて、圧力損失が小さかった。実施例３と実施例５とでは、圧力損失については同等であった。図１８に示す回路素子部１１Ａ〜１１Ｆの各々の半導体素子１５のジャンクション温度を測定結果のグラフで対比すると、実施例３に比べて実施例５は、回路素子部１１Ａ〜１１Ｆの各々の半導体素子１５の温度ばらつきが、より小さかった。

【0068】

（実施形態５）
本発明の実施形態５の半導体装置である半導体モジュール３の斜視図を図１９に示す。図１９に示した半導体モジュールは、冷却液の導入部３７及び排出部３８が、冷却器３０の底壁に設けられた例である。図の矢印は冷却液の流れる方向を示す。
また、図２０（ａ）は、図１９の半導体モジュールをＸＸａ−ＸＸａ線矢視断面で示す模式図であり、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）の拡大部分模式図である。

【0069】

半導体モジュール３は、図１９及び図２０（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３０とを備えている。各回路素子部１１Ａ〜１１Ｆ、１２Ａ〜１２Ｆは、図１に示した半導体モジュール３の回路素子部１１Ａ〜１１Ｆ、１２Ａ〜１２Ｆと同じであるため、以下では重複する説明を省略する。

【0070】

冷却器３０は、本実施形態では、上方に開口が設けられた、箱形状を有するケース３２と、このケース３２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３１（放熱部）と、この放熱基板３１における各回路素子部１１Ａ〜１１Ｆ、１２Ａ〜１２Ｆが接合された面（第１面）とは反対側の面（第２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３３と、を有する。図２０に示した本実施形態の冷却器３０は、フィン３３が設けられた領域において、フィン３３の根本と放熱基板３１とが一体的に形成されていて、かつ、フィン３３の先端とケース３２の底壁とが一体的に形成されている形状を有している。このような形状は、金属材料の押し出し成形によって、複数の孔を有する、多穴板（多穴管）を作製することによって得ることができる。押し出し成形により多穴板を作製することは、放熱基板３１と、ケース３２と、フィン３３とを別個に用意し、これらの部材を接合することにより冷却器３０を製造する方法に比べて、簡便でしかも低コストに製造することが可能である。また、図示するように、上アームの回路素子部１１Ａ〜１１Ｃ、１２Ａ〜１２Ｃ及び下アームの回路素子部１１Ｄ〜１１Ｆ、１２Ｄ〜１２Ｆは、それぞれ冷却液の流れる方向に沿って、並列するように２列に配置されている。複数の上アーム用回路基板１３（第２回路基板）及び複数の下アーム用回路基板１３（第１回路基板）がそれぞれ整列し、並列に配置されている。

【0071】

多穴板を含む冷却器３０において、各回路素子部１１Ａ〜１１Ｆ、１２Ａ〜１２Ｆで発生した熱は、回路基板１３から多穴板の上面を含む、放熱基板３１に相当する部分に伝わり、更に多穴板の互いに取り合う穴の隔壁へと伝わる。多穴板の互いに取り合う穴の隔壁は冷却器３０内のフィン３３に相当し、多穴板の穴は、後述する冷却用流路に相当するから、多穴板の穴、すなわち冷却用流路に冷却液が流通されることで、フィン３３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３０により冷却される。

【0072】

図２１は、冷却器３０の内部構造を示す平面図（同図（ａ））及びＸＸＩｂ−ＸＸＩｂ線矢視断面図（同図（ｂ））である。図２１に示すように、冷却器３０の外形は、略直方体形状である。冷却器３０は、冷却液の導入ヘッダ部３０ａと、多穴板から構成された冷却用流路部３０ｃと、冷却液の排出ヘッダ部３０ｂとを含む。導入ヘッダ部３０ａは冷却器３０の第１の側壁側に、排出ヘッダ部３０ｂは第１の側壁に対向する第２の側壁側にそれぞれ配置されている。

【0073】

導入ヘッダ部３０ａの底壁には、冷却器３０の内部に冷却液を導入するための導入部３７が設けられている。導入ヘッダ部３０ａの内部には、冷却液を冷却用流路部３０ｃのフィン３３に向けて導入するための導入路３４と、該導入路３４と導入部３７との間に設けられた接続部３７１とを有している。

【0074】

排出ヘッダ部３０ｂの底壁には、冷却器３０の内部から外部に冷却液を排出するための排出部３８が設けられている。排出ヘッダ部３０ｂの内部には、冷却用流路部３０ｃからの冷却液を排出部３８に排出するための排出路３５と、該排出路３５と排出部３８との間に設けられた接続部３８１とを有している。

【0075】

導入部３７と排出部３８とは、冷却器３０の対角の位置からやや内寄りに設けられている。導入部３７および排出部３８の軸線は、冷却用流路３６の長手方向、すなわち、冷却用流路３６において冷却液が流通する方向と略直交する。

【0076】

導入路３４は、導入部３７が設けられた導入ヘッダ部３０ａの側壁３２１の内面に沿って、接続部３７１から導入された冷却液を分散させて冷却用流路３６に流れるように形成されている。また、導入路３４と導入部３７との間に接続部３７１が設けられている。この接続部３７１は、冷却用流路における、回路基板１３（第２回路基板）の直下に位置する部分に対向して設けられている。

【0077】

排出路３５は、排出部３８が設けられた排出ヘッダ部３０ｂの側壁３２２の内面に沿って、冷却用流路３６を経た冷却液を排出部３８へ排出するように形成されている。また、排出路３５と排出部３８との間に接続部３８１が設けられている。この接続部３８１は、冷却用流路における、回路基板１３（第１回路基板）の直下に位置する部分に対向して設けられている。

【0078】

冷却用流路３６は、導入路３４と排出路３５との間の、長手方向の２つの側壁３２３の間でフィン３３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３３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３４及び排出路３５が、冷却器３０の短辺側の側壁３２１、３２２に沿って形成されていることから、冷却用流路３６は、冷却液の流通方向の長さが、導入路３４及び排出路３５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３０の小型化に有利である。

【0079】

また、冷却用流路３６は、先に説明した実施形態１の半導体装置のように、仕切りにより二分割されてはいない。これにより、圧力損失の低減が有利に図られる。もっとも、本実施形態の半導体装置は、冷却用流路３６に仕切りを設けて、回路素子部１１Ａ〜１１Ｆ、１２Ａ〜１２Ｆの位置に合わせて、複数の流路に分割することを排除するものではない。
導入路３４および排出路３５の長手方向は、冷却用流路３６の長手方向とほぼ直交している。

【0080】

冷却用流路３６には、複数のフィン３３が設けられている。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３６内を冷却液が流れる方向に平行に配設されている。ヒートシンクのフィンは、本実施形態では押し出し成形に形成された多穴板の隔壁がフィンに相当する。先に実施形態１において説明したように冷却器３０が、別個に用意した放熱基板とケースとフィンとを接合してなる場合には、図６に示したブレードフィン２３ａやコルゲートフィン２３ｂを用いることもできる。

【0081】

冷却器３０の使用時には、例えば導入部３７に、導入部３７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（図示せず）が接続され、排出部３８に、排出部３８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（図示せず）が接続される。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３０、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。冷却液は、水やロングライフクーラント（ＬＬＣ）等を用いることができる。

【0082】

導入部３７及び導入路３４が設けられた導入ヘッダ部３０ａ、排出部３８及び排出路３５が設けられた排出ヘッダ部３０ｂ及び冷却用流路３６が形成された冷却用流路部３０ｃ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。例えば、冷却用流路３６の全幅、すなわち、ケース３２の長手方向の内壁間の長さに対する冷却用流路３６の厚さの比は、１：８〜１：１４程度であるように薄肉化されている。

【0083】

導入部３７と導入路３４との間の接続部３７１は、導入ヘッダ部３０ａ内に形成された内壁によって形成されている。この内壁は、導入部３７からみて冷却用流路３６とは反対側に位置し、導入部３７の開口（導入口）と略同心になる円弧状側壁３７１ａと、この円弧状側壁３７１ａの一端と接続し、冷却用流路３６の幅方向端部に向けて延びる直線状側壁３７１ｂと、この円弧状側壁３７１ａの一端と接続し、冷却用流路３６の長手方向とほぼ平行に延びる直線状側壁３７１ｃとを含む。

【0084】

接続部３７１が、上記構成の内壁により形成されていることにより、導入部３７から接続部３７１に導入された冷却液は、冷却用流路３６の幅方向端部に冷却液の一部が向かいつつ導入路３４及び冷却用流路３６に導かれる。

【0085】

排出部３８と排出路３５との間の接続部３８１は、排出ヘッダ部３０ｂ内に形成された内壁によって形成されている。この内壁は、排出部３８からみて冷却用流路３６とは反対側に位置し、排出部３８の開口（排出口）とは中心が異なる円弧状側壁３８１ａと、この円弧状側壁３８１ａの一端と接続し、冷却用流路３６の長手方向とほぼ平行に延びる直線状側壁３８１ｂと、この円弧状側壁３８１ａの他端と接続し、冷却用流路３６の長手方向とほぼ平行に延びる直線状側壁３８１ｃとを含む。排出口は直線状側壁３８１ｂと直線状側壁３８１ｃの間を二分した領域の直線状側壁３８１ｃ側、すなわち導入部３７の導入口寄りに形成されている。

【0086】

接続部３８１が、上記構成の内壁により形成されていることにより、冷却用流路３６から排出路３５を通した冷却液は、接続部３８１で収束されつつ、排出部３８に向かう。排出口を接続部３８１の長手方向中心線より導入口寄りに配置したので、接続部３８１を流れる冷却液の流量が接続部３８１の断面に対して非対称になり、図２２に示すように冷却液は渦を巻きながら排出口から排出部３８へ流れ出る。図示した例では、冷却液は反時計まわりに渦を巻く。このような構造により、並列に配置された上アーム用回路基板１３と下アーム用回路基板１３のそれぞれの直下を流れた冷却液は、あまり衝突することなく、排出路３５及び接続部３８１をスムーズに流れ排出部３８から流れ出る。冷却器３０での圧力損失は低減される。

【0087】

図１９と図２１との位置関係の対比から理解できるように、導入部３７側の接続部３７１は、冷却用流路３６における、回路基板１３の直下の部分に対向する位置に設けられている。このことにより、冷却用流路３６内において、最も高温になり易い回路基板１３の直下の部分のフィン３３に対して、導入部３７からの冷却液をストレートに導くことができ、よって、回路基板１３の直下の部分のフィンに向けた冷却液の流速を他の部分よりも高めることができ、ひいては回路基板上の半導体素子１４、１５を効果的に冷却することができる。半導体素子１４、１５のうち、ＩＧＢＴチップである半導体素子１５がＦＷＤチップである半導体素子１４よりも発熱するから、導入部３７側の接続部３７１は、冷却用流路３６における、半導体素子１５（第２半導体素子）の直下の部分に対向する位置に設けられることが、より好ましい。導入部３７側の接続部３７１は、冷却用流路２６の全幅の１／１０〜１／３に相当する長さで導入路の端部から中央寄りに位置している。

【0088】

また、排出部３８の側の接続部３８１も同様に、冷却用流路３６における、回路基板１３の直下の部分に対向する位置に設けられている。このことにより、冷却用流路３６内において、最も高温になり易い回路基板１３の直下の部分のフィン３３を通した冷却液を、排出部３８へストレートに導くことができ、よって、回路基板１３の直下の部分のフィン３３を通した冷却液の流速を他の部分よりも高めることができ、ひいては回路基板上の半導体素子１４、１５を効果的に冷却することができる。半導体素子１４、１５のうち、ＩＧＢＴチップである半導体素子１５がＦＷＤチップである半導体素子１４よりも発熱するから、排出部３８側の接続部３８１は、冷却用流路３６における、半導体素子１５（第１半導体素子）の直下の部分に対向する位置に設けられることが、より好ましい。排出部３８側の接続部３８１は、冷却用流路２６の全幅の１／１０〜１／３に相当する長さで導入路の端部から中央寄りに位置している。

【0089】

導入路３４と排出路３５とは、互いに非対称な平面形状を有している。具体的には導入路３４は、冷却用流路３６の幅方向の一端から他端までにわたり、なるべく均等に冷却液が流れるようにするために、狭幅の流路としている。これに対して、排出路３５は、冷却用流路３６から排出部まで冷却液を抵抗少なく流れるようにするために、ある程度広幅の流路としている。

【0090】

また、導入路３４と接続する接続部３７１の内壁のうち、円弧状側壁３７１ａが、導入部３７と略同心の円弧状の曲面であるのに対して、排出路３５と接続する接続部３８１の内壁のうち、円弧状側壁３８１ａは、排出部３８とは異なる中心の円弧状の曲面である。また、円弧状側壁３７１ａの曲率半径よりも円弧状側壁３８１ａの曲率半径が大きい。更に、接続部３７１の直線状側壁３７１ｂが冷却用流路３６の幅方向端部に向けて延びるのに対して、接続部３８１の直線状側壁３８１ｂは、冷却用流路３６の長手方向とほぼ平行に延びている。これらのことにより、導入路３４と排出路３５は、互いに非対称な平面形状を有している。

【0091】

導入路３４と排出路３５とが互いに異なる、換言すれば非対称な平面形状を有する理由は、接続部３７１、３８１において乱流の発生をできる限り抑制しつ圧力損失を低減するために最適な形状としたためである。仮に、接続部３８１の内壁の円弧状側壁３８１ａが排出部３８と同心に位置した場合には、冷却液の乱流の発生が大きくなった。このため、乱流の発生を抑制するためには、円弧状側壁３８１ａは、排出部３８とは偏心させた位置に形成することが最適である。

【0092】

本実施形態の冷却器３０は、実施形態１の冷却器２０と同様の金属材料を用いて形成することができる。冷却器３０が、導入ヘッダ部３０ａと、多穴板から構成された冷却用流路部３０ｃと、排出ヘッダ部３０ｂとを含む場合には、これらの部材を接合して冷却器３０を作製することができる。これらの部材の金属的な接合は、確実に接合するために摩擦攪拌接合法（Friction Stir Welding）によることが、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。
本実施形態の半導体モジュール３は、導入部３７や排出部３８が冷却器３０の底壁に設けられた、薄型の冷却器における圧力損失を低減することができる。

【0093】

（実施形態６）
本発明の実施形態６の半導体装置である半導体モジュール４の分解斜視図を図２３に示す。本実施形態の半導体モジュール４は、放熱基板４１と、仕切り４２ｃを有するケース４２と、ブレードフィン４３とをそれぞれ別個に用意し、それらを接合してなる。好適な接合には、前述した摩擦攪拌接合法がある。

【0094】

（実施形態７）
本発明の実施形態７の半導体装置である半導体モジュール５の分解斜視図を図２４に示す。本実施形態の半導体モジュール５は、放熱基板とフィンとを兼ねる２枚の多穴板５３と、ケース５２と、仕切り部材５２ｃとをそれぞれ別個に用意し、それらを接合してなる。多穴板５３は、押し出し成形により成形することができる。また、多穴板５３とケース５２との好適な接合には、前述した摩擦攪拌接合法がある。

【0095】

（実施形態８）
本発明の実施形態８の半導体装置である半導体モジュール６の分解斜視図を図２５に示す。本実施形態の半導体モジュール６は、薄い放熱基板６１と、コルゲートフィン６３と、ケース６２と、仕切り部材６２ｃとをそれぞれ別個に用意し、それらをろう付けにより接合してなる。本実施形態の半導体モジュール６は、薄い放熱基板６１が用いられ、ろう付けにより冷却器が作製されるから、冷却器の厚さを薄くすることができ、また作製が簡便で低コストという利点がある。
実施形態６〜８の半導体モジュール４〜６は、これらの半導体モジュールの冷却器を作製する際の部材が相違するが、組み立てられた冷却器は実施形態５の構成を具備し、実施形態５の構成により得られる効果を有している。

【0096】

以上、本発明の半導体装置の実施形態を、図面を用いて説明したが、本発明の半導体装置は、各実施形態及び図面の記載に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で幾多の変形が可能であることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0097】

１、３、４、５、６ 半導体モジュール
１１Ａ〜１１Ｆ、１２Ａ〜１２Ｆ 回路素子部
１３ 回路基板
１３ａ 絶縁板
１３ｂ、１３ｃ 導体層
１４、１５ 半導体素子
１６、１７ 接合層
２０、３０ 冷却器
２１、３１、４１、６１ 放熱基板（放熱部）
２２、３２ ケース
２３、３３ フィン
２４、３４ 導入路
２５、３５ 排出路
２６、３６ 冷却用流路
２７、３７ 導入部
２７１、３７１ 接続部
２８、３８ 排出部
２８１、３８１ 接続部
７１、７２ インバータ回路
７３、７４ 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】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】