特開 2022-144957 冷却器、半導体装置及び電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022144957

(43)【公開日】2022-10-03

(54)【発明の名称】冷却器、半導体装置及び電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20220926BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20220926BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20220926BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20220926BHJP

【ＦＩ】

H01L23/46 Z

H01L25/04 C

H02M7/48 Z

H05K7/20 N

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021046172

(22)【出願日】2021-03-19

(71)【出願人】

【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】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】讃岐 育孝

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 祐司

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

5H770

【Ｆターム（参考）】

5E322AA07

5E322AB01

5E322AB02

5E322DA00

5E322EA10

5E322FA01

5E322FA04

5F136CB06

5F136CB07

5F136CB08

5F136DA07

5F136DA27

5F136FA02

5F136FA03

5H770BA02

5H770DA03

5H770PA12

5H770PA14

5H770PA15

5H770PA16

5H770PA17

5H770PA42

5H770QA06

5H770QA21

5H770QA27

(57)【要約】

【課題】 半導体モジュールが動作している状態で、半導体モジュールを効率よく冷却できる。
【解決手段】 第１方向に離隔して並んで設けられ、前記第１方向に交差する第２方向に延びて設けられる流路を有する複数の多穴管と、前記複数の多穴管のそれぞれの一方が接続される第１ヘッダと、前記複数の多穴管のそれぞれの他方が接続される第２ヘッダと、を備え、前記第１ヘッダ及び前記第２ヘッダのそれぞれは、前記第１方向及び前記第２方向に延在する壁部に、被設置対象に固定される固定部を有する冷却器。
【選択図】 図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１方向に離隔して並んで設けられ、前記第１方向に交差する第２方向に延びて設けられる流路を有する複数の多穴管と、
前記複数の多穴管のそれぞれの一方が接続される第１ヘッダと、
前記複数の多穴管のそれぞれの他方が接続される第２ヘッダと、
を備え、
前記第１ヘッダ及び前記第２ヘッダのそれぞれは、前記第１方向及び前記第２方向に延在する壁部に、被設置対象に固定される固定部を有する、
冷却器。

【請求項2】

前記固定部は、前記壁部に固定される第１板部と、前記第１板部と接続し前記被設置対象に固定される第２板部と、を備える、
請求項１に記載の冷却器。

【請求項3】

前記第２板部は、前記被設置対象に対して前記第１方向に固定される、
請求項２に記載の冷却器。

【請求項4】

前記第２板部は、前記被設置対象に対して前記第２方向に固定される、
請求項２に記載の冷却器。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の冷却器と、
隣接する前記多穴管の間に半導体パッケージと、を備える、
半導体装置。

【請求項6】

請求項５に記載の半導体装置を備える、
電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、冷却器、半導体装置及び電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

パワー半導体等を含む半導体モジュールは、動作させると発熱を伴うため、半導体モジュールを用いる電子機器において、半導体モジュールの温度上昇を抑えるために半導体モジュールの冷却が行われる。

【0003】

特許文献１には、半導体モジュールを含む電子機器と、冷媒が流通する冷媒流通路と、半導体モジュールと交互に積層され冷媒が流通するとともに半導体モジュールの主面に接触して熱交換可能な接触面部を有する冷媒管部を備える電力変換装置が開示されている。

【0004】

特許文献２には、電力変換装置のケースにフィン部を収納可能な冷却水路を有し、冷却水路の側面には前述のパワーモジュールが挿入できる挿入口が設けられる電力変換装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１８－０３８１１７号公報

【特許文献2】特開２０１９－０１３１４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

半導体モジュールを用いる電子機器において、半導体モジュールが動作している状態で、効率よく冷却することが求められる。

【0007】

本開示は、半導体モジュールが動作している状態で、半導体モジュールを効率よく冷却する技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一の態様によれば、第１方向に離隔して並んで設けられ、前記第１方向に交差する第２方向に延びて設けられる流路を有する複数の多穴管と、前記複数の多穴管のそれぞれの一方が接続される第１ヘッダと、前記複数の多穴管のそれぞれの他方が接続される第２ヘッダと、を備え、前記第１ヘッダ及び前記第２ヘッダのそれぞれは、前記第１方向及び前記第２方向に延在する壁部に、被設置対象に固定される固定部を有する冷却器を提供する。

【発明の効果】

【0009】

本開示の技術によれば、半導体モジュールが動作している状態で、半導体モジュールを効率よく冷却できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本実施形態に係る電力変換装置の斜視図である。

【図2】図２は、本実施形態に係る電力変換装置の斜視図である。

【図3】図３は、第１実施形態に係る半導体装置の斜視図である。

【図4】図４は、第１実施形態に係る半導体装置の分解斜視図である。

【図5】図５は、第１実施形態に係る半導体装置の半導体パッケージの上面図である。

【図6】図６は、第１実施形態に係る半導体装置の半導体パッケージの下面図である。

【図7】図７は、第１実施形態に係る半導体装置の冷却器の斜視図である。

【図8】図８は、第１実施形態に係る半導体装置の冷却器の分解斜視図である。

【図9】図９は、第１実施形態に係る半導体装置の冷却器のヘッダの斜視図である。

【図10】図１０は、第１実施形態に係る半導体装置の冷却器の多穴管の側面図である。

【図11】図１１は、第１実施形態に係る半導体装置の断面図である。

【図12】図１２は、第１実施形態に係る半導体装置の断面図である。

【図13】図１３は、第１実施形態に係る半導体装置の半導体パッケージが発熱した際の影響について説明する図である。

【図14】図１４は、第１実施形態に係る半導体装置において半導体パッケージが発熱した際の影響について説明する図である。

【図15】図１５は、第１実施形態に係る半導体装置において半導体パッケージが発熱した際の冷却器の変形をシミュレーションした結果を示す図である。

【図16】図１６は、第２実施形態に係る半導体装置の斜視図である。

【図17】図１７は、比較例の半導体装置において半導体パッケージが発熱した際の影響について説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の各実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態に係る明細書及び図面の記載に関して、実質的に同一の又は対応する機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省略する場合がある。また、理解の容易のため、図面における各部の縮尺は、実際とは異なる場合がある。

【0012】

平行、直角、直交、水平、垂直、上下、左右などの方向には、実施形態の効果を損なわない程度のずれが許容される。角部の形状は、直角に限られず、弓状に丸みを帯びてもよい。平行、直角、直交、水平、垂直には、略平行、略直角、略直交、略水平、略垂直が含まれてもよい。

【0013】

＜＜電力変換装置＞＞
本実施形態に係る電力変換装置について説明する。図１及び図２は、本実施形態に係る電力変換装置の斜視図である。図２は、図１の電力変換装置５のカバー５１を外した図である。

【0014】

電力変換装置５は、例えば、直流電力を所定の周波数の３相の交流電力に変換する。電力変換装置５は、例えば、自動車等に搭載される。

【0015】

電力変換装置５は、カバー５１と、ケース５２と、を備える。ケース５２は、外部の電源や負荷を接続するためのコネクタ５３及びコネクタ５４を備える。なお、カバー５１及びケース５２の組み合わせを筐体５０という場合がある。

【0016】

電力変換装置５は、カバー５１及びケース５２の内部に、制御基板５５と、半導体装置１と、コンデンサ５６と、を備える。

【0017】

制御基板５５は、所望の出力が得られるように、半導体装置１を制御する。半導体装置１は、制御基板５５からの制御信号に基づいて、直流電力を３相の交流電力に変換する。コンデンサ５６は、コンバータ及びインバータとの間に接続されるコンデンサである。

【0018】

半導体装置１の冷却器３０の管１１２及び管１１３が、カバー５１及びケース５２から外部に出されている。管１１２及び管１１３の一方から冷媒が流入して、他方から冷媒が流出することにより、冷却器３０の中を冷媒が流れる。冷却器３０の中に冷媒が流れることにより、半導体パッケージ２０が冷却される。

【0019】

＜＜第１実施形態＞＞
≪半導体装置１≫
図３は、第１実施形態の半導体装置１の斜視図である。図４は、第１実施形態の半導体装置１の分解斜視図である。半導体装置１は、例えば、３相モータの各相のそれぞれに２つの半導体パッケージ２０によって直流を交流に変換して電力を供給する電力変換器である。半導体装置１は、例えば、モータを駆動する電力変換装置に用いられる。

【0020】

なお、図には、説明の便宜のためＸＹＺ直交座標系が設定される場合がある。図面の紙面に対して垂直な座標軸については、座標軸の丸の中にバツ印は紙面に対して奥の方向が正、丸の中に黒丸印は紙面に対して手前側が正であることを表している。ただし、当該座標系は、説明のために定めるものであって、半導体装置１等の姿勢について限定するものではない。

【0021】

なお、本開示では、特に説明しない限り、Ｘ軸は冷却器３０の第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３それぞれの延在方向とする。また、Ｙ軸は冷却器３０の第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３が隣接する方向とする。なお、Ｙ軸方向を、上下方向と呼ぶ場合がある。Ｚ軸は、当該Ｘ軸、Ｙ軸に垂直な方向とする。

【0022】

半導体装置１は、複数の半導体パッケージ２０と、冷却器３０と、を備える。

【0023】

本実施形態の半導体装置１は、６個の半導体パッケージ２０を備える。具体的には、半導体装置１は、半導体パッケージ２１、半導体パッケージ２２、半導体パッケージ２３、半導体パッケージ２４、半導体パッケージ２５及び半導体パッケージ２６を備える。なお、以下の説明では、半導体パッケージ２１、半導体パッケージ２２、半導体パッケージ２３、半導体パッケージ２４、半導体パッケージ２５及び半導体パッケージ２６のそれぞれを区別して説明する必要がない場合は、それぞれを総称して半導体パッケージ２０と呼ぶ場合がある。

【0024】

半導体パッケージ２０は、冷却器３０の後述する第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の間に、横３列、縦２段に配置され、保持される。冷却器３０には、冷媒導入口３０ａｐ１から冷媒（熱冷媒）、例えば、冷却水、が導入される。また、冷却器３０に導入された冷媒は、冷媒導出口３０ａｐ２から導出される。半導体パッケージ２０は、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３内を通流する冷却水と熱交換することにより冷却される。

【0025】

第１多穴管３０ｂ１と第２多穴管３０ｂ２との間に、第１ヘッダ３０ａの側から順に並んで、半導体パッケージ２１、半導体パッケージ２２及び半導体パッケージ２３を備える。また、第２多穴管３０ｂ２と第３多穴管３０ｂ３との間に、第１ヘッダ３０ａの側から順に並んで、半導体パッケージ２４、半導体パッケージ２５及び半導体パッケージ２６を備える。

【0026】

半導体装置１の半導体パッケージ２０と冷却器３０のそれぞれの詳細について説明する。

【0027】

＜半導体パッケージ２０＞
図５は、第１実施形態の半導体装置１の半導体パッケージ２０の上面図である。図６は、第１実施形態の半導体装置１の半導体パッケージ２０の下面図である。

【0028】

半導体パッケージ２０は、例えば、１相分の上下アームを構成する２つの半導体素子がパッケージされたいわゆる２ｉｎ１の半導体パッケージである。また、半導体パッケージ２０は、いわゆる両面冷却型の半導体パッケージである。半導体パッケージ２０の内部には、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワートランジスタ等の半導体素子が内蔵される。

【0029】

なお、内蔵する半導体素子としては、パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等でもよい。また、載置される半導体素子は、前述のＩＧＢＴやＦＷＤをワンチップ化したＲＢ－ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｂｌｏｃｋｉｎｇ－Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）でもよい。更に、載置される半導体素子は、前述のＩＧＢＴやＦＷＤをワンチップ化したＲＣ－ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ－Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）でもよい。

【0030】

半導体パッケージ２０は、略直方体状の形状の樹脂、例えば、エポキシ樹脂等、のケース２０ｄを備える。ケース２０ｄは、上面２０ｄＡと、上面２０ｄＡの反対側に下面２０ｄＢと、を有する。

【0031】

半導体パッケージ２０は、ケース２０ｄの側面に、電流端子２０ａ１、電流端子２０ａ２及び電流端子２０ａ３と、制御端子２０ｂ１、制御端子２０ｂ２、制御端子２０ｂ３及び制御端子２０ｂ４と、を有する。電流端子２０ａ１、電流端子２０ａ２及び電流端子２０ａ３と、制御端子２０ｂ１、制御端子２０ｂ２、制御端子２０ｂ３及び制御端子２０ｂ４とは、半導体パッケージ２０のケース２０ｄの側面から突出して設けられる。

【0032】

電流端子２０ａ１、電流端子２０ａ２及び電流端子２０ａ３は、例えば、負荷に電流を流すための端子である。電流端子２０ａ１、電流端子２０ａ２及び電流端子２０ａ３は、導電材料で形成される。制御端子２０ｂ１、制御端子２０ｂ２、制御端子２０ｂ３及び制御端子２０ｂ４は、負荷に流す電流を制御するための端子である。制御端子２０ｂ１、制御端子２０ｂ２、制御端子２０ｂ３及び制御端子２０ｂ４は、導電材料で形成される。

【0033】

また、半導体パッケージ２０は、放熱板２０ｃ１及び放熱板２０ｃ２を有する。半導体パッケージ２０に内蔵される例えばパワートランジスタは、発熱素子であることから、冷却する必要がある。放熱板２０ｃ１及び放熱板２０ｃ２は、当該発熱素子を放熱するために設けられる。放熱板２０ｃ１及び放熱板２０ｃ２は、熱伝導性の高い材料、例えば、銅などの金属で形成される。放熱板２０ｃ１及び放熱板２０ｃ２は、当該発熱素子に熱的に接続される。放熱板２０ｃ１は、ケース２０ｄの上面２０ｄＡに設けられる。放熱板２０ｃ２は、ケース２０ｄの下面２０ｄＢに設けられる。

【0034】

＜冷却器３０＞
図７は、第１実施形態の半導体装置１の冷却器３０の斜視図である。図８は、第１実施形態の半導体装置１の冷却器３０の分解斜視図である。

【0035】

冷却器３０は、半導体パッケージ２０を冷却する。冷却器３０の内部には、冷媒が通流する。冷却器３０は、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３内を通流する冷媒（例えば冷却水）と半導体パッケージ２０との間で熱交換することにより、半導体パッケージ２０を冷却する。なお、冷媒は水に限らず、不凍液を含む液体でもよい。

【0036】

冷却器３０は、第１ヘッダ３０ａと、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３と、第２ヘッダ３０ｃと、を備える。第２ヘッダ３０ｃは、第１ヘッダ３０ａからＸ軸方向に離隔して設けられる。第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３は、Ｙ軸方向、すなわち、Ｘ軸方向と交差する方向、に所定の間隔、具体的には、半導体パッケージ２０を保持できる間隔、を隔てて設けられる。

【0037】

なお、Ｘ軸方向は、第２方向の一例である。

【0038】

第１ヘッダ３０ａは、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれの一端に連結される。具体的には、第１ヘッダ３０ａは、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれの－Ｘ側の端部に連結される。第２ヘッダ３０ｃは、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれの他端に連結される。具体的には、第２ヘッダ３０ｃは、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれの＋Ｘ側の端部に連結される。

【0039】

［第１ヘッダ３０ａ］
最初に、第１ヘッダ３０ａについて説明する。図９は、第１実施形態の半導体装置１の冷却器３０の第１ヘッダ３０ａの斜視図である。第１ヘッダ３０ａは、冷媒を冷却器３０の内部に導入するとともに、冷却器３０の外部に導出する。第１ヘッダ３０ａは、壁部３０ａＡ、壁部３０ａＢ、壁部３０ａＣ、壁部３０ａＤ、壁部３０ａＥ及び壁部３０ａＦにより構成される内部が空洞の直方体状である。

【0040】

第１ヘッダ３０ａの＋Ｘ側の壁部である壁部３０ａＥの一部が解放される。具体的には、第１ヘッダ３０ａは、壁部３０ａＥに開口部３０ａｈ１、開口部３０ａｈ２及び開口部３０ａｈ３を有する。第１ヘッダ３０ａの開口部３０ａｈ１、開口部３０ａｈ２及び開口部３０ａｈ３には、それぞれ第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の一端が挿入され、固定される。第１ヘッダ３０ａと、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３とは例えばロウ付けにて固定され、水密を確保する。

【0041】

第１ヘッダ３０ａは、壁部３０ａＦに冷媒導入口３０ａｐ１及び冷媒導出口３０ａｐ２を有する。冷媒導入口３０ａｐ１は、外部の冷却装置から冷媒が導入される。冷媒導出口３０ａｐ２は、外部の冷却装置に冷媒を導出する。第１ヘッダ３０ａは、内部に後述する隔壁を有する。隔壁は、第１ヘッダ３０ａに導入される冷媒と、第１ヘッダ３０ａから導出される冷媒とを分ける壁である。隔壁については、後で詳細を述べる。

【0042】

第１ヘッダ３０ａは、壁部３０ａＤに、被設置対象、具体的には、電力変換装置５のケース５２に固定される固定部３０ａｆを備える。また、第１ヘッダ３０ａは、壁部３０ａＢに、被設置対象、具体的には、電力変換装置５のケース５２に固定される固定部３０ａｇを備える。

【0043】

固定部３０ａｆ及び固定部３０ａｇについて説明する。なお、固定部３０ａｇは、固定部３０ａｆと同じ形状を有していることから、固定部３０ａｆについて説明する。

【0044】

固定部３０ａｆは、壁部３０ａＤの側面に平行であって、壁部３０ａＤに固定される第１板部３０ａｆ１と、第１板部３０ａｆ１と接続し、被設置対象に固定される第２板部３０ａｆ２と、を有する。第２板部３０ａｆ２は、固定部３０ａｆをねじにより被設置対象に取り付ける際に、ねじが貫通する貫通穴３０ａｆｈを有する。

【0045】

［第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２、第３多穴管３０ｂ３］
次に、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３について説明する。図１０は、第１実施形態の半導体装置１の冷却器３０の第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の側面図である。第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３は、長手方向の端部が解放され内部に冷媒が通流する管である。また、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３は、多穴管の内部を通流する冷媒と熱交換することで半導体パッケージ２０を冷却する。

【0046】

第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の短手方向の断面は外形が略長方形状になっている。第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３は、内部に分割された流路３０ｂｃを有するいわゆるマイクロチャネルである。

【0047】

第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の各流路３０ｂｃは、Ｙ軸方向（上下方向）に長い矩形状のマイクロチャネルになっている。なお、流路３０ｂｃは、Ｙ軸方向に２段以上分けてもよい。

【0048】

なお、Ｙ軸方向（上下方向）は、第１方向の一例である。

【0049】

第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３は、冷却面３０ｂＡ、冷却面３０ｂＢを有する。半導体パッケージ２０を冷却器３０で冷却する場合には、冷却面３０ｂＡ又は冷却面３０ｂＢに冷却する半導体パッケージ２０が接触して設けられる。具体的には、冷却面３０ｂＡまたは冷却面３０ｂＢと、半導体パッケージ２０の放熱板２０ｃ１または放熱板２０ｃ２とがハンダ付けや熱伝導グリス等の後述する接合部材で熱的に接合される。

【0050】

第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれの流路３０ｂｃは、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれの延在方向に対して一様な断面積を有する。第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれの流路３０ｂｃの延在方向と冷媒の流れ方向は、Ｘ軸方向で一致する。なお、流路３０ｂｃの断面積とは、本開示においては、それぞれの流路３０ｂｃの延在方向、すなわち、冷媒の流れ方向に垂直な面の断面積とする。

【0051】

第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の少なくとも１本の多穴管は、第１ヘッダ３０ａから第２ヘッダ３０ｃの方向に冷媒が流れ、残りの多穴管は、第２ヘッダ３０ｃから第１ヘッダ３０ａの方向に冷媒が流れる。なお、以下の説明において、第１ヘッダ３０ａから第２ヘッダ３０ｃの方向に冷媒が流れる多穴管を上流側多穴管、第２ヘッダ３０ｃから第１ヘッダ３０ａの方向に冷媒が流れる多穴管を下流側多穴管、という場合がある。

【0052】

［第２ヘッダ３０ｃ］
第２ヘッダ３０ｃは、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の少なくとも一本の多穴管から導入された冷媒を、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の残りの多穴管に導入する。いいかえると、第２ヘッダ３０ｃは、上流側多穴管から導入された冷媒を、下流側多穴管に導入する。

【0053】

第２ヘッダ３０ｃは、片側が解放された空洞となっている。具体的には、第２ヘッダ３０ｃは、－Ｘ側の面に開口部３０ｃｈ１、開口部３０ｃｈ２及び開口部３０ｃｈ３を有する。第２ヘッダ３０ｃの解放側には、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の他端が挿入され、固定される。具体的には、開口部３０ｃｈ１には、第１多穴管３０ｂ１の他端が挿入され、固定される。開口部３０ｃｈ２には、第２多穴管３０ｂ２の他端が挿入され、固定される。開口部３０ｃｈ３には、第３多穴管３０ｂ３の他端が挿入され、固定される。第２ヘッダ３０ｃと、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３とは例えばロウ付けにて固定され、水密を確保する。

【0054】

第２ヘッダ３０ｃは、壁部３０ｃＤに、被設置対象、具体的には、電力変換装置５のケース５２に固定される固定部３０ｃｆを備える。また、第２ヘッダ３０ｃは、壁部３０ｃＢに、被設置対象、具体的には、電力変換装置５のケース５２に固定される固定部３０ｃｇを備える。

【0055】

固定部３０ａｆ及び固定部３０ｃｇは、固定部３０ａｆと同様の形状を有する。

【0056】

＜第１ヘッダ３０ａの隔壁＞
ここで、第１ヘッダ３０ａに設けられる隔壁について説明する。最初に、第１ヘッダ３０ａに設けられる隔壁の位置を決めるための条件について説明する。

【0057】

外部の冷却装置から冷却器３０に導入される冷媒は、半導体パッケージ２０から熱を吸収して冷却器３０から導出される。よって、冷却器３０を通流する冷媒は、導入された直後において一番温度が低く、徐々に熱を吸収して温度が高くなる。すなわち、上流側多穴管を流れる冷媒の温度より、下流側多穴管の冷媒の温度は高くなる。

【0058】

次に、第１ヘッダ３０ａに設けられる隔壁の位置をについて説明する。第１実施形態の半導体装置１では、第１多穴管３０ｂ１及び第２多穴管３０ｂ２が上流側多穴管、第３多穴管３０ｂ３が下流側多穴管となるように、第１ヘッダ３０ａの隔壁３０ａｗを形成する。

【0059】

図１１、図１２は、第１実施形態の半導体装置１の断面図である。具体的には、図１１は、半導体装置１を第１ヘッダ３０ａ部分で、Ｘ軸方向に垂直な面で切断した断面図である。具体的には、図１２は、半導体装置１をＺ方向の中心部分で、Ｚ軸方向に垂直な面で切断した断面図である。なお、半導体パッケージ２０については、内部の詳細は省略して、一様な断面として示している。

【0060】

第１実施形態の半導体装置１では、第１多穴管３０ｂ１及び第２多穴管３０ｂ２が上流側多穴管、第３多穴管３０ｂ３が下流側多穴管となるように、隔壁３０ａｗを設ける。隔壁３０ａｗは、Ｘ軸方向において、第１ヘッダ３０ａの壁部３０ａＦから壁部３０ａＥまで延在する。

【0061】

第１多穴管３０ｂ１及び第２多穴管３０ｂ２は、壁部３０ａＡの一部、壁部３０ａＢ、壁部３０ａＣの一部及び隔壁３０ａｗと、壁部３０ａＥ及び壁部３０ａＦと、に囲まれる空間ＳＰｉｎに連通する。空間ＳＰｉｎには、冷媒導入口３０ａｐ１からの冷媒が導入される。空間ＳＰｉｎに導入された冷媒は、空間ＳＰｉｎに連通する第１多穴管３０ｂ１及び第２多穴管３０ｂ２から導出される。

【0062】

一方、第３多穴管３０ｂ３は、壁部３０ａＡの一部、隔壁３０ａｗ、壁部３０ａＣの一部及び壁部３０ａＤと、壁部３０ａＥ及び壁部３０ａＦと、に囲まれる空間ＳＰｏｕｔに連通する。空間ＳＰｏｕｔに連通する第３多穴管３０ｂ３から冷媒が導入される。空間ＳＰｏｕｔに導入された冷媒は、冷媒導出口３０ａｐ２から導出される。

【0063】

＜熱による変形について＞
第１実施形態に係る半導体装置１の半導体パッケージ２０が発熱した際の影響について説明する。図１３及び図１４は、第１実施形態に係る半導体装置１の半導体パッケージ２０が発熱した際の影響について説明する図である。

【0064】

図１３は、半導体装置１を組み立てるときの半導体装置１を側面から見た図である。半導体装置１を組み立てる際には、半導体装置１の温度は常温、例えば２５℃、である。半導体装置１を組み立てる際には、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３は、略平行になっている。

【0065】

第１ヘッダ３０ａは、前述のように、壁部３０ａＤに設けられた固定部３０ａｆと、壁部３０ａＢに設けられた固定部３０ａｇにより固定される。なお、壁部３０ａＤ及び壁部３０ａＢは、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３が並んで設けられる第１方向であるＹ方向に延在する。また、壁部３０ａＤ及び壁部３０ａＢは、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の流路が延びる第２方向であるＸ方向に延在する。すなわち、壁部３０ａＤ及び壁部３０ａＢは、第１方向及び第２方向に延在する。

【0066】

半導体装置１が動作すると、半導体パッケージ２０は発熱する。半導体パッケージ２０が発熱すると、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３が半導体パッケージ２０によって加熱される。常温で第１ヘッダ３０ａ及び第２ヘッダ３０ｃが固定された状態から、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３が加熱されると、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３はそれぞれ熱膨張する。

【0067】

例えば、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれは、両端固定されていない場合には、多穴管の長さＬ［ｍ］と冷却管材料の線膨張係数α［１／Ｋ］と温度差ΔＴ［Ｋ］に比例して熱膨張する。すなわち、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の熱変形量（長さ方向）δは、α×L×ΔTとなる。例えば、多穴管がアルミニウム材により構成される場合は、アルミニウム材の線膨張係数２３．８×１０^－６［１／Ｋ］であることから、多穴管の長さ０．１５［ｍ］の場合、０．２［ｍｍ］の熱膨張が発生する。

【0068】

半導体装置１において、熱膨張により多穴管が伸びると半導体パッケージ２０に負荷がかかるため、伸びを吸収したり、伸びないように両端で固定したりする。伸びの吸収は熱冷媒が水などの液体の場合漏れを防ぐ必要があるため、密閉と伸びの両立できる機構を設ける必要がある。一方、両端を固定されると、多穴管は長手方向には伸びにくくなるが、第１ヘッダ３０ａ及び第２ヘッダ３０ｃに力がかかる。

【0069】

本実施形態に係る半導体装置１の冷却器３０は、第１ヘッダ３０ａ及び第２ヘッダ３０ｃの側面で被設置対象に固定される。第１ヘッダ３０ａ及び第２ヘッダ３０ｃがそれぞれの側面で固定されると、図１４のように、第１ヘッダ３０ａ及び第２ヘッダ３０ｃのそれぞれのＹ軸方向の中央部が広がるようになり、第１多穴管３０ｂ１及び第３多穴管３０ｂ３は、矢印Ａの向きに湾曲する。

【0070】

図１５は、第１実施形態に係る半導体装置１において半導体パッケージ２０が発熱した際の冷却器３０の変形をシミュレーションした結果を示す図である。

【0071】

第１多穴管３０ｂ１及び第３多穴管３０ｂ３が矢印Ａの方向に変形すると、多穴管同士の間隔が小さくなる方に変形する。したがって、多穴管と半導体パッケージ２０とのギャップを小さくすることができる。

【0072】

ここで比較のために、第１ヘッダ３０ａ及び第２ヘッダ３０ｃを底面、例えば、壁部３０ａＣで固定した場合について、半導体パッケージ２０が発熱した際の影響を説明する。

【0073】

図１７は、比較例の半導体装置において半導体パッケージが発熱した際の影響について説明する図である。比較例の半導体装置では、多穴管が熱膨張することによって、第１ヘッダ及び第２ヘッダが矢印Ｂの向きに押し広げられる。したがって、多穴管は矢印Ｃの向きに弓なりに反る。したがって、多穴管と半導体パッケージが離れる。多穴管と半導体パッケージが離れるため、多穴管と半導体パッケージとの間の熱抵抗を増大し、半導体パッケージを冷却する効率が低下する。

【0074】

第１実施形態に係る半導体装置１は、図１４のように、第１ヘッダ３０ａ及び第２ヘッダ３０ｃのそれぞれのＹ軸方向の中央部が広がるようになり、第１多穴管３０ｂ１及び第３多穴管３０ｂ３は、矢印Ａの向きに湾曲する。したがって、多穴管と半導体パッケージ２０とのギャップを小さくして、多穴管と半導体パッケージ２０との間の熱抵抗が増加することを防止できる。多穴管と半導体パッケージ２０との間の熱抵抗が増加することを防止することにより、半導体パッケージ２０を動作させた状態でも半導体パッケージ２０を冷却する効率を維持できる。

【0075】

＜＜第２実施形態＞＞
≪半導体装置１０１≫
図１６は、第２実施形態に係る半導体装置の一例である半導体装置１０１の斜視図である。

【0076】

半導体装置１０１は、複数の半導体パッケージ２０と、冷却器１３０と、を備える。冷却器１３０は、第１ヘッダ１３０ａと、複数の多穴管１３０ｂと、第２ヘッダ１３０ｃと、を備える。

【0077】

第１ヘッダ１３０ａは、固定部１３０ａｆ及び固定部１３０ａｇを備える。第２ヘッダ１３０ｃは、固定部１３０ｃｆ及び固定部１３０ｃｆを備える。固定部１３０ａｆ及び固定部１３０ａｇは、Ｘ軸方向の－Ｘ向きに被設置対象に取り付ける。また、固定部１３０ｃｆ及び固定部１３０ｃｇは、Ｘ軸方向の＋Ｘ向きに被設置対象に取り付ける。

【0078】

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

【符号の説明】

【0079】

１、１０１ 半導体装置
５ 電力変換装置
２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６ 半導体パッケージ
３０、１３０ 冷却器
３０ａ、１３０ａ 第１ヘッダ
３０ａＢ 壁部
３０ａＤ 壁部
３０ａｆ、１３０ａｆ 固定部
３０ａｆ１ 第１板部
３０ａｆ２ 第２板部
３０ａｇ、１３０ａｇ 固定部
３０ｂ１ 第１多穴管
３０ｂ２ 第２多穴管
３０ｂ３ 第３多穴管
３０ｂｃ 流路
３０ｃ、１３０ｃ 第２ヘッダ
３０ｃｆ、３０ｃｇ、１３０ｃｆ、１３０ｃｇ 固定部
５０ 筐体
５１ カバー
５２ ケース
ＳＰｉｎ 空間
ＳＰｏｕｔ 空間

【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】