特開 2022-146511 半導体装置

(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】P2022146511

(43)【公開日】2022-10-05

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20220928BHJP

   H01L 23/473 20060101ALI20220928BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20220928BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 D

H01L23/46 Z

H05K7/20 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021047508

(22)【出願日】2021-03-22

(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

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA03

5E322AA07

5E322AA11

5E322AB02

5E322AB08

5E322FA04

5F136BC01

5F136BC02

5F136CB06

5F136CB07

5F136CB08

5F136CB27

5F136DA07

5F136DA27

5F136FA82

(57)【要約】

【課題】 複数の半導体パッケージのそれぞれを効率的に冷却する冷却器及び半導体装置を提供する。
【解決手段】 第１放熱板と、前記第１放熱板と反対側の第２放熱板を有する複数の半導体パッケージと、熱冷媒を流す第１方向の延在する流路を有する複数の多穴管と、前記複数の半導体パッケージのいずれかと前記複数の多穴管のいずれかとの間に設けられる複数の接合部材と、を備え、前記複数の多穴管において前記第２方向の一方の端に設けられた第１多穴管は、前記複数の接合部材の内の第１外側接合部材を介して、前記複数の半導体パッケージの内の第１半導体パッケージの前記第１放熱板に接合され、前記第１半導体パッケージの前記第２放熱板には、第１内側接合部材が設けられ、前記第１外側接合部材は、前記第１内側接合部材より熱抵抗が低い半導体装置。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１放熱板と、前記第１放熱板と反対側の第２放熱板を有する複数の半導体パッケージと、
熱冷媒を流す第１方向の延在する流路を有する複数の多穴管と、
前記複数の半導体パッケージのいずれかと前記複数の多穴管のいずれかとの間に設けられる複数の接合部材と、
を備え、
前記複数の多穴管のそれぞれは、前記第１方向に垂直な第２方向に並んで離隔して設けられ、
前記複数の半導体パッケージのそれぞれは、隣接する前記多穴管の間に設けられ、
前記複数の多穴管において前記第２方向の一方の端に設けられた第１多穴管は、前記複数の接合部材の内の第１外側接合部材を介して、前記複数の半導体パッケージの内の第１半導体パッケージの前記第１放熱板に接合され、前記第１半導体パッケージの前記第２放熱板には、第１内側接合部材が設けられ、
前記複数の多穴管において前記第２方向の他方の端に設けられた第２多穴管は、前記複数の接合部材の内の第２外側接合部材を介して、前記複数の半導体パッケージの内の第２半導体パッケージの前記第２放熱板に接合され、前記第２半導体パッケージの前記第１放熱板には、第２内側接合部材が設けられ、
前記第１外側接合部材は、前記第１内側接合部材より熱抵抗が低く、
前記第２外側接合部材は、前記第２内側接合部材より熱抵抗が低い、
半導体装置。

【請求項2】

第１放熱板と、前記第１放熱板と反対側の第２放熱板を有する半導体パッケージと、
前記半導体パッケージを挟み込む２以上の多穴管と、
を備え、
前記２以上の多穴管のうち、１の多穴管は前記第１放熱板が実装される第１の実装面を有し、他の多穴管は前記第２放熱板が実装される第２の実装面を有し、
前記半導体パッケージは、
前記半導体パッケージ内部の前記第１放熱板側の第１の熱抵抗及び前記第２放熱板側の第２の熱抵抗に応じた熱抵抗並びに前記第１の実装面側の管内熱伝達抵抗及び前記第２の実装面側の管内熱伝達抵抗に応じた熱抵抗を有する接合部材を用いて前記多穴管に接合される、
半導体装置。

【請求項3】

前記第１外側接合部材の熱伝導率は、前記第１内側接合部材の熱伝導率と等しく、
前記第１外側接合部材は、前記第１内側接合部材より薄く、
前記第２外側接合部材の熱伝導率は、前記第２内側接合部材の熱伝導率と等しく、
前記第２外側接合部材は、前記第２内側接合部材より薄い、
請求項１に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記第１外側接合部材の厚さは、前記第１内側接合部材の厚さと等しく、
前記第１外側接合部材の熱伝導率は、前記第１内側接合部材の熱伝導率より高く、
前記第２外側接合部材の厚さは、前記第２内側接合部材の厚さと等しく、
前記第２外側接合部材の熱伝導率は、前記第２内側接合部材の熱伝導率より高い、
請求項１に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

発熱によるパワー半導体パッケージの温度上昇を抑えるために、冷媒を内部に流す多穴管が用いられる。

【0003】

特許文献１には、熱抵抗の小さい下アーム側を冷媒流れの下流に位置させることで、下流側において上流側よりも半導体チップ温度が上昇することを緩和して冷却する半導体装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１－２２８６３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

両面に発熱面を有し、両面を冷却するパワー半導体パッケージにおいて、パワー半導体パッケージの両面を効率よく冷却することが求められる。

【0006】

本開示は、複数の半導体パッケージのそれぞれについて、半導体パッケージの両面を効率的に冷却する半導体装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一の態様によれば、第１放熱板と、前記第１放熱板と反対側の第２放熱板を有する複数の半導体パッケージと、熱冷媒を流す第１方向の延在する流路を有する複数の多穴管と、前記複数の半導体パッケージのいずれかと前記複数の多穴管のいずれかとの間に設けられる複数の接合部材と、を備え、前記複数の多穴管のそれぞれは、前記第１方向に垂直な第２方向に並んで離隔して設けられ、前記複数の半導体パッケージのそれぞれは、隣接する前記多穴管の間に設けられ、前記複数の多穴管において前記第２方向の一方の端に設けられた第１多穴管は、前記複数の接合部材の内の第１外側接合部材を介して、前記複数の半導体パッケージの内の第１半導体パッケージの前記第１放熱板に接合され、前記第１半導体パッケージの前記第２放熱板には、第１内側接合部材が設けられ、前記複数の多穴管において前記第２方向の他方の端に設けられた第２多穴管は、前記複数の接合部材の内の第２外側接合部材を介して、前記複数の半導体パッケージの内の第２半導体パッケージの前記第２放熱板に接合され、前記第２半導体パッケージの前記第１放熱板には、第２内側接合部材が設けられ、前記第１外側接合部材は、前記第１内側接合部材より熱抵抗が低く、前記第２外側接合部材は、前記第２内側接合部材より熱抵抗が低い半導体装置を提供する。

【発明の効果】

【0008】

本発明の各実施形態の半導体装置によれば、複数の半導体パッケージのそれぞれについて、半導体パッケージの両面を効率的に冷却できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本実施形態の半導体装置の斜視図である。

【図2】図２は、本実施形態の半導体装置の分解斜視図である。

【図3】図３は、本実施形態の半導体装置の半導体パッケージの上面図である。

【図4】図４は、本実施形態の半導体装置の半導体パッケージの下面図である。

【図5】図５は、本実施形態の半導体装置の冷却器の斜視図である。

【図6】図６は、本実施形態の半導体装置の冷却器の分解斜視図である。

【図7】図７は、本実施形態の半導体装置の冷却器のヘッダの斜視図である。

【図8】図８は、本実施形態の半導体装置の冷却器の多穴管の側面図である。

【図9】図９は、本実施形態の半導体装置の断面図である。

【図10】図１０は、本実施形態の半導体装置の断面図である。

【図11】図１１は、本実施形態の半導体装置の半導体パッケージ内部の側面図である。

【図12】図１２は、本実施形態の半導体装置の一部を拡大した断面図である。

【図13】図１３は、本実施形態の半導体装置の評価結果を説明する図である。

【図14】図１４は、比較例の半導体装置の評価結果を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

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、理解を容易にするため、図面における各部の縮尺は、実際とは異なる場合がある。

【0011】

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。

【0012】

≪半導体装置１≫
図１は、本実施形態の半導体装置１の斜視図である。図２は、本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。

【0013】

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。

【0014】

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の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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。第１多穴管３０ｂ１と第２多穴管３０ｂ２は、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を挟み込む。

【0019】

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。第２多穴管３０ｂ２と第３多穴管３０ｂ３は、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を挟み込む。

【0020】

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。

【0021】

＜半導体パッケージ２０＞
図３は、本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４は、本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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

＜冷却器３０＞
図５は、本実施形態の半導体装置１の冷却器３０の斜視図である。図６は、本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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

なお、Ｘ軸方向は、第２方向の一例である。

【0032】

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。

【0033】

［第１ヘッダ３０ａ］
最初に、第１ヘッダ３０ａについて説明する。図７は、本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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

［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８は、本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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

なお、Ｙ軸方向（上下方向）は、第１方向の一例である。

【0040】

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又は冷却面３０ｂＢと、半導体パッケージ２０の放熱板２０ｃ１又は放熱板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。なお、冷却面３０ｂＡ及び冷却面３０ｂＢは、半導体パッケージ２０の放熱板２０ｃ１又は放熱板２０ｃ２が実装される実装面である。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

なお、多穴管の数は、３本に限らず、例えば、２本又は４本以上備えるようにしてもよい。半導体パッケージ２０を挟み込むために、冷却器は多穴管を少なくとも２以上備える。

【0044】

［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。

【0045】

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。

【0046】

＜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

【0047】

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。

【0048】

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。本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の２本の多穴管を上流側多穴管とする。また、第３多穴管３０ｂ３の１本の多穴管を下流側多穴管とする。

【0049】

図９、図１０は、本実施形態の半導体装置１の断面図である。具体的には、図９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１０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。

【0050】

本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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

＜熱の伝達について＞
図１１は、半導体パッケージ２０の内部を示す側面図である。具体的には、図１１は、半導体パッケージ２０のケース２０ｄを取り外した図である。さらに、図１１は、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、を取り外した図である。

【0054】

半導体パッケージ２０は、内部に、１つ又は複数の半導体素子２０ｅと、絶縁基板２０ｆ及び絶縁基板２０ｇと、１つ又は複数の半導体素子２０ｅのそれぞれと絶縁基板２０ｆとの間を接続する１つ又は複数の接続部材２０ｈを備える。

【0055】

半導体素子２０ｅは、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ等のパワートランジスタ等の半導体素子である。半導体素子２０ｅは、動作時に発熱する。

【0056】

絶縁基板２０ｆは、放熱層２０ｆａ及び導電層２０ｆｂと、絶縁層２０ｆｃと、を備える。放熱層２０ｆａは、絶縁層２０ｆｃに対して半導体パッケージ２０の外側に配置される。放熱層２０ｆａには、放熱板２０ｃ１が設けられる。導電層２０ｆｂは、絶縁層２０ｆｃに対して半導体パッケージ２０の内側に配置される。放熱層２０ｆａには、接続部材２０ｈが接続される。

【0057】

絶縁基板２０ｇは、放熱層２０ｇａ及び導電層２０ｇｂと、絶縁層２０ｇｃと、を備える。放熱層２０ｇａは、絶縁層２０ｇｃに対して半導体パッケージ２０の外側に配置される。放熱層２０ｇａには、放熱板２０ｃ２が設けられる。導電層２０ｇｂは、絶縁層２０ｇｃに対して半導体パッケージ２０の内側に配置される。放熱層２０ｇａには、半導体素子２０ｅが載置される。また、半導体素子２０ｅには、接続部材２０ｈが接続される。接続部材２０ｈにより、半導体素子２０ｅと絶縁基板２０ｆとが接続される。

【0058】

半導体素子２０ｅで発熱した熱は、放熱板２０ｃ１及び放熱板２０ｃ２から放熱される。半導体素子２０ｅから熱の一部は、導電層２０ｇｂ、絶縁層２０ｇｃ及び放熱層２０ｇａを順に伝搬して、放熱板２０ｃ２から放熱される。導電層２０ｇｂ、絶縁層２０ｇｃ及び放熱層２０ｇａを順に伝搬する経路を放熱経路ＨＰ１という。

【0059】

また、半導体素子２０ｅから熱の一部は、接続部材２０ｈ、導電層２０ｆｂ、絶縁層２０ｆｃ及び放熱層２０ｆａを順に伝搬して、放熱板２０ｃ１から放熱される。接続部材２０ｈ、導電層２０ｆｂ、絶縁層２０ｆｃ及び放熱層２０ｆａを順に伝搬する経路を放熱経路ＨＰ２という。

【0060】

放熱経路ＨＰ１と放熱経路ＨＰ２とを比較すると、放熱経路ＨＰ２の方が熱が伝搬する経路が長く、かつ、接続部材２０ｈを経由することから伝熱しにくい。すなわち、放熱経路ＨＰ２の熱抵抗は、放熱経路ＨＰ１の熱抵抗より高い。

【0061】

次に、接合部材について説明する。図１２は、本実施形態の半導体装置１の一部を拡大した断面図である。

【0062】

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及び半導体パッケージ２３のそれぞれと、第１多穴管３０ｂ１との間に、それぞれ接合部材４１ａ、接合部材４２ａ及び接合部材４３ａを備える。また、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及び半導体パッケージ２３のそれぞれと、第２多穴管３０ｂ２との間に、それぞれ接合部材４１ｂ、接合部材４２ｂ及び接合部材４３ｂを備える。

【0063】

更に、半導体装置１は、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のそれぞれと、第２多穴管３０ｂ２との間に、それぞれ接合部材４４ａ、接合部材４５ａ及び接合部材４６ａを備える。また、半導体装置１は、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のそれぞれと、第３多穴管３０ｂ３との間に、それぞれ接合部材４４ｂ、接合部材４５ｂ及び接合部材４６ｂを備える。

【0064】

なお、接合部材４１ａ等について、それぞれ区別する必要がない場合は、総称して接合部材４０という。

【0065】

接合部材４０は、例えば、ハンダ付けや熱伝導グリスである。接合部材４０は、半導体パッケージと多穴管との間を熱的に接合する。すなわち、多穴管は接合部材４０を介して半導体パッケージの放熱板に接合される。また、接合部材４０は、半導体パッケージと多穴管との間を機構的に接合してもよい。半導体パッケージと多穴管との間に隙間があると、半導体パッケージから多穴管への熱の伝達が妨げられる。そこで、半導体装置１では、半導体パッケージと多穴管との間に、接合部材４０を備える。

【0066】

接合部材４０は、種類によって半導体パッケージから多穴管に熱が伝達する際の熱抵抗が異なる。また、接合部材４０は、厚さによっても熱抵抗が半導体パッケージから多穴管に熱が伝達する際の熱抵抗が異なる。本開示の半導体装置１では、接合部材４０の熱伝導率と厚さを調整することによって、各接合部材４０での熱抵抗を調整して、冷却したときの冷却効率を半導体パッケージの間で均等になるように調整する。

【0067】

本開示では、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のそれぞれと、第３多穴管３０ｂ３との間に備える接合部材４４ｂ、接合部材４５ｂ及び接合部材４６ｂのそれぞれは、互いに同じ厚さであるとする。また、接合部材４４ｂ、接合部材４５ｂ及び接合部材４６ｂのそれぞれの厚さをｔ１とする。

【0068】

また、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のそれぞれと、第２多穴管３０ｂ２との間に備える接合部材４４ａ、接合部材４５ａ及び接合部材４６ａのそれぞれは、互いに同じ厚さであるとする。また、接合部材４４ａ、接合部材４５ａ及び接合部材４６ａのそれぞれの厚さをｔ２とする。

【0069】

本開示では、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のそれぞれと、第２多穴管３０ｂ２との間に備える接合部材４１ｂ、接合部材４２ｂ及び接合部材４３ｂのそれぞれは、互いに同じ厚さであるとする。また、接合部材４１ｂ、接合部材４２ｂ及び接合部材４３ｂのそれぞれの厚さをｔ３とする。

【0070】

また、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のそれぞれと、第１多穴管３０ｂ１との間に備える接合部材４１ａ、接合部材４２ａ及び接合部材４３ａのそれぞれは、互いに同じ厚さであるとする。また、接合部材４１ａ、接合部材４２ａ及び接合部材４１ａのそれぞれの厚さをｔ４とする。

【0071】

第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３とを比較すると、第２多穴管３０ｂ２に接続される半導体パッケージ２０の数は、第１多穴管３０ｂ１又は第３多穴管３０ｂ３より多い。したがって、均一に冷却することを考えると、第２多穴管３０ｂ２に接続される半導体パッケージ２０から第２多穴管３０ｂ２に伝熱する熱量を減らして、減らした熱量を第１多穴管３０ｂ１又は第３多穴管３０ｂ３に伝熱することが望ましい。

【0072】

本開示の半導体装置１では、第２多穴管３０ｂ２に接続する半導体パッケージ２０と第２多穴管３０ｂ２との間の接合部材４０の熱抵抗を大きくする。

【0073】

具体的には、第２多穴管３０ｂ２に接続する半導体パッケージ２０である半導体パッケージ２１、半導体パッケージ２２及び半導体パッケージ２３と、第２多穴管３０ｂ２と、の間の接合部材４１ｂ、接合部材４２ｂ及び接合部材４３ｂの熱抵抗を大きくする。

【0074】

また、具体的には、第２多穴管３０ｂ２に接続する半導体パッケージ２０である半導体パッケージ２４、半導体パッケージ２５及び半導体パッケージ２６と、第２多穴管３０ｂ２と、の間の接合部材４４ａ、接合部材４５ａ及び接合部材４６ａの熱抵抗を大きくする。

【0075】

接合部材４０の熱抵抗を大きくする場合は、例えば、接合部材４０として熱伝導率の低い部材を用いる。また、接合部材４０の熱抵抗を大きくする場合は、例えば、接合部材４０の厚さを厚くする。

【0076】

更には、第１多穴管３０ｂ１に接続する半導体パッケージ２０である半導体パッケージ２１、半導体パッケージ２２及び半導体パッケージ２３と、第１多穴管３０ｂ１と、の間の接合部材４１ａ、接合部材４２ａ及び接合部材４３ａの熱抵抗を小さくする。

【0077】

また、具体的には、第３多穴管３０ｂ３に接続する半導体パッケージ２０である半導体パッケージ２４、半導体パッケージ２５及び半導体パッケージ２６と、第３多穴管３０ｂ３と、の間の接合部材４４ｂ、接合部材４５ｂ及び接合部材４６ｂの熱抵抗を小さくする。

【0078】

接合部材４０の熱抵抗を小さくする場合は、例えば、接合部材４０として熱伝導率の高い部材を用いる。また、接合部材４０の熱抵抗を小さくする場合は、例えば、接合部材４０の厚さを薄くする。

【0079】

更には、上述のように、半導体パッケージ２０の内部で、発熱素子から放熱板２０ｃ１又は放熱板２０ｃ２までの熱抵抗が異なる場合は、放熱板２０ｃ１又は放熱板２０ｃ２に接続する接合部材４０の熱抵抗を異ならせる。例えば、発熱素子から放熱板２０ｃ２までの熱抵抗が、発熱素子から放熱板２０ｃ１までの熱抵抗が小さい場合は、放熱板２０ｃ２に接続する接合部材４０の熱抵抗を放熱板２０ｃ１に接続する接合部材４０の熱抵抗より大きくする。

【0080】

具体的に、接合部材の熱抵抗を調整した場合の効果について説明する。

【0081】

図１３は、本実施形態の半導体装置１の評価結果を説明する図である。具体的には、熱伝導率が１．５Ｗ／ｍ・Ｋ程度で一定のもとで、厚さｔ１を０．１ｍｍ、厚さｔ２を１．６ｍｍ、厚さｔ３を１．０ｍｍ、厚さｔ４を０．７ｍｍとした結果である。なお、図１４は、比較例の半導体装置の評価結果を説明する図である。具体的には、厚さｔ１、厚さｔ２、厚さｔ３及び厚さｔ４のそれぞれの厚さを０．８５ｍｍにした場合の結果である。

【0082】

図１３、図１４において、発熱体１は、第１多穴管３０ｂ１と第２多穴管３０ｂ２との間に設けられる半導体パッケージ２０である。発熱体２は、第２多穴管３０ｂ２と第３多穴管３０ｂ３との間に設けられる半導体パッケージ２０である。下側は、第１多穴管３０ｂ１側、上側は第３多穴管３０ｂ３側を表す。

【0083】

発熱体から多穴管までの熱抵抗は、発熱体自身が内部にもつ熱抵抗と、接合部材（接合材）の熱抵抗と、多穴管の熱伝導抵抗（多穴管熱伝導抵抗）と、多穴管の管内における熱伝達抵抗（管内平均熱伝達抵抗）の和となる。

【0084】

発熱体１及び発熱体２のそれぞれが内部に有する熱抵抗は、上側の放熱板から放熱する場合と、下側の放熱板から放熱する場合とで異なる場合がある。発熱体１及び発熱体２のそれぞれは、上側の放熱板から放熱する場合の方が大きな熱抵抗を有する。

【0085】

多穴管熱伝導抵抗は、多穴管、具体的には、多穴管を構成する壁を熱が伝導するときの熱抵抗である。管内平均熱伝達抵抗は、多穴管の壁から冷媒に熱が伝達する際の抵抗である。

【0086】

多穴管を流れる冷媒の流速により、管内平均熱伝達抵抗は多穴管によって異なる。例えば、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３を比較すると、第３多穴管３０ｂ３の管内平均熱伝達抵抗は、第１多穴管３０ｂ１及び第２多穴管３０ｂ２の管内平均熱伝達抵抗より低くなる。

【0087】

本実施形態の半導体装置１では、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれに発熱体１及び発熱体２から入熱する伝熱量が等しくなるように接合部材の熱抵抗を定める。具体的には、発熱体１及び発熱体２に相当する半導体パッケージ２０の放熱板２０ｃ１側の熱抵抗と、放熱板２０ｃ２側の熱抵抗に応じて接合部材の熱抵抗を定める。また、発熱体１及び発熱体２に相当する半導体パッケージ２０が実装される多穴管の管内熱伝達抵抗に応じて接合部材の熱抵抗を定める。

【0088】

すなわち、半導体パッケージ２０は、半導体パッケージ２０の内部の放熱板２０ｃ１側の第１の熱抵抗及び放熱板２０ｃ２側の第２の熱抵抗に応じた熱抵抗を有する接合部材を用いて多穴管に接合される。また、半導体パッケージ２０は、半導体パッケージ２０の放熱板２０ｃ１が実装される多穴管の実装面側の管内熱伝達抵抗及び放熱板２０ｃ２が実装される多穴管の管内熱伝達抵抗に応じた熱抵抗を有する接合部材を用いて多穴管に接合される。更に、半導体パッケージ２０は、上述の半導体パッケージ２０の内部の熱抵抗及び実装される多穴管の管内熱伝達抵抗の両方に応じた熱抵抗を有する接合部材を用いて接合される。

【0089】

本実施形態の半導体装置１において、発熱体１の下側の熱抵抗Ｒ１ａを１とすると、発熱体１の上側の熱抵抗Ｒ１ｂは２、発熱体２の下側の熱抵抗Ｒ２ａは１．７、発熱体２の上側の熱抵抗Ｒ２ｂは１．１となる。

【0090】

上記熱抵抗を考慮して、本実施形態の半導体装置１における第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれに、発熱体１及び発熱体２から入熱する伝熱量を求める。第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれに、発熱体１及び発熱体２から入熱する伝熱量は、第１多穴管３０ｂ１に入熱する伝熱量を１とすると、第２多穴管３０ｂ２に入熱する伝熱量は１．１、第３多穴管３０ｂ３に入熱する伝熱量は０．９となる。

【0091】

一方、比較例の半導体装置において、発熱体１の下側の熱抵抗Ｒ１ａを１とすると、発熱体１の上側の熱抵抗Ｒ１ｂは１．７、発熱体２の下側の熱抵抗Ｒ２ａは１、発熱体２の上側の熱抵抗Ｒ２ｂは１．６となる。

【0092】

上記熱抵抗を考慮して、比較例の半導体装置における第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれに、発熱体１及び発熱体２から入熱する伝熱量を求める。第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれに、発熱体１及び発熱体２から入熱する伝熱量は、第１多穴管３０ｂ１に入熱する伝熱量を１とすると、第２多穴管３０ｂ２に入熱する伝熱量は１．５、第３多穴管３０ｂ３に入熱する伝熱量は０．７となる。

【0093】

上述のように、半導体装置１においては、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれに伝熱する伝熱量を均一にすることができた。一方、比較例の半導体装置においては、第２多穴管３０ｂ２への伝熱量が多くなった。

【0094】

なお、第１多穴管３０ｂ１は第２方向の一方の端に設けられた第１多穴管の一例、第３多穴管３０ｂ３は第２方向の他方の端に設けられた第２多穴管の一例とすると、例えば、半導体パッケージ２２が第１半導体パッケージの一例、半導体パッケージ２５が第２半導体パッケージの一例である。また、接合部材４２ａが第１外側接合部材の一例、接合部材４２ｂが第１内側接合部材の一例、接合部材４５ａが第２内側接合部材の一例、接合部材４５ｂが第２外側接合部材の一例である。また、半導体パッケージ２０の放熱板２０ｃ１及び放熱板２０ｃ２は、第１放熱板及び第２放熱板の一例である。

【0095】

＜作用・効果＞
本実施形態の半導体装置１は、複数の半導体パッケージ２０を均等に冷却できる。

【0096】

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】

【0097】

１ 半導体装置
２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６ 半導体パッケージ
２０ｃ１、２０ｃ２ 放熱板
３０ 冷却器
３０ｂ１ 第１多穴管
３０ｂ２ 第２多穴管
３０ｂ３ 第３多穴管
４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂ、４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂ、４６ａ、４６ｂ 接合部材
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】