特許 7580233 半導体装置およびホイール内蔵システム

(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】

(24)【登録日】2024-10-31

(45)【発行日】2024-11-11

(54)【発明の名称】半導体装置およびホイール内蔵システム

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20241101BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20241101BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20241101BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20241101BHJP

   H02K 11/33 20160101ALI20241101BHJP

【ＦＩ】

H01L23/46 Z

H01L25/04 C

H02M7/48 Z

H02K11/33

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020167169

(22)【出願日】2020-10-01

(65)【公開番号】P2022059427

(43)【公開日】2022-04-13

【審査請求日】2023-08-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110002365

【氏名又は名称】弁理士法人サンネクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】妹尾 政宏

(72)【発明者】

【氏名】徳山 健

【審査官】庄司 一隆

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０７３９４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－３１５７５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３１４０３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２１２３０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０１６５１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２８１１６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１４０１４７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／０３３２９５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／４７３

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０２Ｋ １１／３３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体素子と、
前記半導体素子と電気的に接続される導体部と、
貫通孔が形成された絶縁性の基板と、
前記半導体素子と前記導体部とを封止するモールド材と、を有する回路体と、
前記基板の第１の面に設けられ、かつ前記導体部および前記基板に対して断面上それぞれ独立して冷媒を接触させる流路部と、を備え、
前記導体部は、前記基板の第１の面とは反対側の第２の面で前記基板に接続され、
前記回路体は、前記基板の前記第２の面で前記基板に接続して設置され、かつ、前記回路体の一部は前記貫通孔内を通って前記基板の第１の面側に出ており、
前記モールド材は、前記基板の前記第１の面側よりも前記第２の面側の方が前記モールド材の量が多く形成されている
半導体装置。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体装置であって、
前記基板は、前記第２の面に配置され直流電力を平滑化するコンデンサを有し、
前記流路部は、前記基板に対して垂直方向に前記回路体と対向する位置に設けられる第１流路部と、前記第１流路部とは第１流路壁によって隔てられ、かつ前記コンデンサとは前記基板を間に挟んで対向する位置に設けられる第２流路部と、を含む
半導体装置。

【請求項3】

請求項２に記載の半導体装置であって、
前記基板は、前記第２の面であって前記回路体を間に挟んで前記コンデンサとは反対側に配置される交流電力配線を有し、
前記流路部は、前記第１流路部とは第２流路壁により隔てられ、かつ前記交流電力配線と前記基板を間に挟んで対向する位置に設けられる第３流路部と、を含む
半導体装置。

【請求項4】

請求項３に記載の半導体装置であって、
前記第２流路部は、前記第３流路部よりも内部を流れる冷媒の流路面積が大きくなるように形成される
半導体装置。

【請求項5】

請求項１に記載の半導体装置であって、
前記回路体は、前記基板の前記第２の面側に設けられ、かつ前記モールド材から露出する放熱面を有し、
前記流路部は、前記基板の前記第１の面側において、前記回路体の放熱面を冷却するように冷媒の流路を形成する第１流路部と、前記第１流路部とは前記回路体を間に挟んで対向する位置に設けられ、かつ前記放熱面を冷却する冷媒が流れる第４流路部と、を含む
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ホイール内蔵電動システムであって、
ホイールを回転させるロータと、
ベアリングを介して前記ホイールと接続されるシャフトと、
前記シャフトの径方向において前記ロータの内側に配置されるステータと、
を備え、
前記半導体装置は、前記シャフトの径方向に対して前記ステータの内側に配置され、
前記第１流路部は、前記ステータの内壁面と接続され、
前記第４流路部は、前記シャフトと接続される
ホイール内蔵電動システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置およびホイール内蔵システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、産業機械や車両（例えば、自動車、鉄道車両）において、省エネルギーや精密な運転制御の観点から、動力源の電動化および電子制御化が急速に進展している。また、それに伴って、該動力源の電力制御を行うためのパワーモジュールや該パワーモジュールを用いた電力を変換する電子回路装置について、重要性が高まっている。

【0003】

車両の駆動装置は、半導体装置により変換された電力がモータを駆動させ機能しているが、とりわけ自動車においては、車内にバッテリと半導体装置とモータを搭載した電動車両が存在している。そのため、車内のスペース拡大のため、半導体装置は薄型にすることが望まれており、これに伴い、薄型高密度である半導体装置の冷却性の向上も望まれている。

【0004】

本願発明の背景技術として、下記の特許文献１が知られている。特許文献１では、半導体装置の発熱体を効率よく冷却しようとする試みとして、流路をケースとバスバーで構成し、さらにバスバーとケースを一体で成形したうえで流路に絶縁冷媒を流し込む構成にすることで、効率的に冷却できる半導体装置の冷却構造が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０００－３１５７５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載された従来の構造では、大電力を扱うために、銅の電極を用いたパワーモジュールの両面を冷却する構造とし、半導体からの放熱の向上を試みている。しかし、回路基板にパワーモジュールを取り付けた場合、パワーモジュール内の半導体からの発熱により銅の電極が加熱し、銅の電極と回路基板との接続部やその接続部周辺まで高温となり、さらなる冷却性の向上が求められる課題がある。

【0007】

したがって、本発明の課題は、実装密度の向上と冷却性の向上とを両立した半導体装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子と電気的に接続される導体部と、貫通孔が形成された絶縁性の基板と、前記半導体素子と前記導体部とを封止するモールド材と、を有する回路体と、前記基板の第１の面に設けられかつ前記基板に冷媒を接触させる流路部と、を備え、前記導体部は、前記基板の第１の面とは反対側の第２の面で前記基板に接続され、前記回路体は、前記基板の前記第２の面で前記基板に接続して設置され、かつ、前記回路体の一部は前記貫通孔内を通って前記基板の第１の面側に出ており、前記モールド材は、前記基板の前記第１の面側よりも前記第２の面側の方が前記モールド材の量が多く形成されている。

【発明の効果】

【0009】

実装密度の向上と冷却性の向上とを両立した半導体装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の半導体装置の電気回路図である。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る、半導体装置を示す斜視図である。

【図3】図２の半導体装置の上面および側面に、流路形成体を取り付けた図である。

【図4】図３のＡ－Ａ’断面図である。

【図5】図３に示した流路形成体の上面の内部を示した図である。

【図6】図３に示した流路形成体の下面の内部を示した図である。

【図7】第２実施形態に係る、ホイールの分解図である。

【図8】第２実施形態に係る、ホイール内部の斜視図である。

【図9】第２実施形態に係る、モータの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

（第１の実施形態とその構成）
図１は、本発明の半導体装置の電気回路図である。

【0014】

車両に搭載されたバッテリ１００は半導体装置１０１に対して直流電力を供給しており、並列につながれた平滑コンデンサ１０２によって直流電力が平滑化される。平滑化された直流電力は、半導体装置１０１によって交流電力に変換され、モータ２００へ出力される。

【0015】

半導体装置１０１は、半導体素子を２つ直列接続した１レグパワーモジュール１０４を三相分備えている。なお、図１では１相分のみを示し、他の２相分については図示を省略する。１レグパワーモジュール１０４の上下アームの半導体素子２３に流れる電流は、制御回路１０３から出力される制御信号によって、スイッチングのＯＮ・ＯＦＦが切り替えられている。制御回路１０３から出力される制御信号は、信号配線を通じゲート抵抗１０５を介して上下アームの半導体素子２３にそれぞれ入力されている。

【0016】

三相の１レグパワーモジュール１０４は、それぞれ高圧側入力配線１０６と低圧側入力配線１０７とに並列に接続されている。また、三相の１レグパワーモジュール１０４は、それぞれ上下アームで直列接続した半導体素子２３の中間点で、モータ２００のステータ巻線と接続されている。また、１レグパワーモジュール１０４と制御回路１０３とを纏めた三相の１レグインバータ１０８は、それぞれスイッチングのＯＮ・ＯＦＦの切り替えをすることで、モータ２００へ三相交流を出力している。

【0017】

半導体素子２３は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）とダイオードを組み合わせたものや、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）により構成される。

【0018】

図２は、本発明の第１の実施形態に係る、半導体装置を示す斜視図である。なお、以降の説明ではこの斜視図下方向の面を半導体装置１０１の下面（第１の面）、上方向の面を半導体装置１０１の上面（第２の面）とする。

【0019】

半導体装置１０１は、基板２の両面及び図示されていない内層に存在し互いに平行に配置された低圧側配線と高圧側配線を合わせたＤＣ配線２０に、図１のバッテリ１００からＤＣ入力端子１ａ，１ｂを経由して入力されている電力を、供給している。なお、図２ではＤＣ配線２０の一部分のみが図示されており、他の詳細な配線状況については図示を省略している。

【0020】

半導体装置１０１において、基板２に設けられている貫通孔に配置される３相の１レグパワーモジュール１０４は、ＤＣ配線２０を介して入力された直流電力を交流電力に変換し、ＡＣ配線１２へ三相交流を出力している。変換された三相交流は、ＡＣ出力端子１３から半導体装置１０１の外部のモータ２００（図１参照）へと出力される。

【0021】

パワーモジュール１０４での電力変換の際、パワーモジュール１０４の内部にある半導体素子２３が、自身の損失によりリードフレーム（導体部）を加熱する。リードフレームは、ＤＣ配線２０やＡＣ配線１２を初めとした基板２上にあるパワーモジュール１０４の接続端子と接続しているため、リードフレームが加熱されることで基板２も接続端子を介して加熱され、高温になる課題がある。

【0022】

また、パワーモジュール１０４において、電力を直流から交流に変換する際に電力変化を吸収する平滑コンデンサ１０２が吸収した電力によって、平滑コンデンサ１０２も発熱する。また、パワーモジュール１０４内の半導体素子２３を駆動するための電源である絶縁電源５や、半導体の信号入力を制御するＩＣ（集積回路）６や、制御信号をＯＮ・ＯＦＦする終端素子７も、モータ駆動時に起こる損失により加熱する。このように、基板２上の配線や部品全般は発熱する課題を持つ。

【0023】

この発熱を抑えるために、基板２の下面（第１の面）には、基板２とパワーモジュール１０４の底面とで冷媒を流す第１流路部２６、第２流路部２７、第３流路部２８、の３つの流路部（油路）が形成されている。第１流路部２６、第２流路部２７、第３流路部２８は、第１流路形成体８、第２流路形成体９、第３流路形成体１０、によって形成され、それぞれ内部に流れる冷媒によって、基板２全体とそこに接続されている電子部品を冷却している。詳細は後述する。

【0024】

図３は、図２に示した半導体装置１０１の上面および側面に、流路形成体を取り付けた図である。

【0025】

まず、半導体装置１０１の中央に配置されている前述した３相のパワーモジュール１０４を覆うように、第４流路形成体１４が形成されている。紙面の左側の基板２の側面には、第５流路形成体１５が形成されている。第５流路形成体１５は、内部に設けられている流路部によって、前述した第２流路形成体９によって形成される第２流路部２７と、第４流路形成体１４および３つのパワーモジュール１０４で形成される第４流路部２９（後述）と、を接続している。具体的な冷媒の流れ方については後述する。

【0026】

紙面右側の基板２の側面に形成されている第６流路形成体１６は、内部に設けられている流路部によって、パワーモジュール上面の第４流路部２９（後述）とパワーモジュール下面の第１流路部２６とを接続している。具体的な冷媒の流れ方については後述する。

【0027】

第７流路形成体１７と第８流路形成体１８は、第５流路形成体１５と第６流路形成体１６の側面をそれぞれ覆っており、第１流路部２６、第２流路部２７、第３流路部２８、第４流路部２９を密閉している。また、流路入口３および流路出口４が、第８流路形成体１８に設けられている。これにより、流路入口３から流入した冷媒は、第１流路部２６、第２流路部２７、第３流路部２８、第４流路部２９すべてに導通し、流路出口４から外部に排出される。

【0028】

図４は、図３のＡ’－Ａ断面図である。

【0029】

ＤＣ配線２０ａ，２０ｂとＡＣ配線１２は、ビア１９により基板２の上下面の内層や外層に接続されている。基板２は絶縁性の基板であり、基板２の面の中心部分には貫通孔３３が設けられている。

【0030】

基板２に設置されるパワーモジュール１０４について説明する。回路体であるパワーモジュール１０４は、基板２の貫通孔３３を跨ぐように設置されている。パワーモジュール１０４は、リードフレーム２１ａ，２１ｂ，はんだ２２，半導体素子２３，フィン２４，封止樹脂２５，で構成されている。

【0031】

パワーモジュール１０４のリードフレーム２１ａ，２１ｂは、半導体素子２３とはんだ２２を介して電気的に接続される導体部である。リードフレーム２１ａ，２１ｂからは、端子部が基板２に向かって延びて、はんだ２２を介して基板２と接続されている。これにより、リードフレーム２１ａ，２１ｂは、基板２の一方の面（第２の面）で基板２に接続されている。また、リードフレーム２１ａ，２１ｂは第１流路部２６および第４流路部２９に対してそれぞれ放熱面を持ち、放熱面上には、フィン２４が設けられている。フィン２４は、リードフレーム２１ａ，２１ｂから出る熱を第１流路部２６および第４流路部２９内に流れる冷媒にそれぞれ放熱する役割を持つ。封止樹脂２５は、半導体素子２３とリードフレーム２１ａ，２１ｂと端子部とを封止するモールド材である。

【0032】

第１流路形成体８、第２流路形成体９、第３流路形成体１０は、基板２の紙面下方向の面である第１の面に設けられ、それぞれ基板２の面とともに第１流路部２６、第２流路部２７、第３流路部２８を形成している。第１流路部２６は、前述したようにリードフレーム２１ｂに設けられたフィン２４を通して、内部を流れる冷媒によりパワーモジュール１０４の放熱をする役割がある。また、第１流路部２６は、基板２に対して垂直方向にパワーモジュール１０４と対向する位置に設けられている。

【0033】

第２流路部２７、第３流路部２８は、内部に流通する冷媒が基板２に直接接触されるように形成されている。また、第２流路部２７は、第１流路部２６とは第１流路形成体８の側壁である第１流路壁８１によって隔てられている。同様に、第３流路部２８は、第１流路部２６とは第１流路形成体８の側壁である第２流路壁８２によって隔てられている。

【0034】

なお、基板２の下面（第１の面）の第１流路形成体８、第２流路形成体９、第３流路形成体１０を３つに分けている構成として本発明を説明しているが、一体で形成されていてもよい。

【0035】

交流電力配線であるＡＣ配線１２は、基板２の設置面において、パワーモジュール１０４を間に挟んで平滑コンデンサ１０２と対向する位置に配置されている。

【0036】

パワーモジュール１０４は、基板２の第１の面とは反対側の第２の面に設置されているが、パワーモジュール１０４の一部（リードフレーム２１ｂ、封止樹脂２５の一部）は、貫通孔３３内を通って基板２の第１の面に出ている。

【0037】

ここで封止樹脂２５は、基板２を境界にして、基板２の第２の面側に形成されている樹脂量が、第１の面側に形成されている樹脂量よりも多く形成されている。これにより、基板２の第１の面側に形成されている第２流路形成体９、第３流路形成体１０および第２流路部２７、第３流路部２８を、封止樹脂２５が少なく設けられている分だけ、基板２に対しての設置面を大きく設けることができる。これにより、冷媒の流量を増大させることが可能になり、さらに冷媒の基板２に対する接触面積、つまり放熱面積を大きくすることができるため冷却性能が向上する。

【0038】

なお、材質上の問題で封止樹脂２５を冷却することに問題があるようであれば、第２流路形成体９、第３流路形成体１０および第２流路部２７，第３流路部２８の大きさを、第２流路部２７、第３流路部２８と封止樹脂２５が紙面垂直方向で重ならないように小さくして、調整してもよい。

【0039】

直流電力を平滑化する平滑コンデンサ１０２は、基板２において、パワーモジュール１０４と同じ面（第１の面）に設けられる。また、平滑コンデンサ１０２は、基板２を間に挟んで、第２流路部２７と対向する位置に設置される。

【0040】

これにより、平滑コンデンサ１０２は基板２に接触する面積部分全体を冷却することができる。また、平滑コンデンサ１０２は、第２流路部２７の基板２に対する放熱面積が大きく設けられることで、パワーモジュール１０４に隣接して設置することも可能になる。これにより半導体装置１０１の小型化にも貢献できる。

【0041】

パワーモジュール１０４の上下面のフィン２４を覆うように第１流路形成体８、第４流路形成体１４が設けられている。また、基板２の下面（第１の面）を覆うように第２流路形成体９、第３流路形成体１０が設けられている。これにより、第１流路部２６、第２流路部２７、第３流路部２８、第４流路部２９が形成されている。

【0042】

パワーモジュール１０４のリードフレーム２１ａ，２１ｂと基板２上の配線の接続面、平滑コンデンサ１０２やパワーモジュール１０４の制御用の絶縁電源５や前述したＩＣ６は、すべて基板２の上面（第２の面）に設置される。

【0043】

このように、リードフレーム２１ａ，２１ｂの接続面が基板２の上面（第２の面）に集中することで、リードフレーム２１ｂの直下にあたる部分、つまり基板２の下面側（第１の面側）全体に広い流路部を設けることができる。また部品がすべて上面にあることで基板２上の電子部品の実装密度を向上させることができる。

【0044】

第１流路部２６、第４流路部２９は内部を流れる冷媒によって、フィン２４を介してリードフレーム２１ａ，２１ｂと、リードフレーム２１ａ，２１ｂとはんだ２２を介して接続されている半導体素子２３と、を冷却する。第２流路部２７および第３流路部２８の内部を導通する冷媒は、基板２やＤＣ配線２０ａ，２０ｂ、ＡＣ配線１２、基板２上の平滑コンデンサ１０２を冷却する。

【0045】

第４流路部２９は、パワーモジュール１０４のリードフレーム２１ａ，２１ｂが有する放熱面上に設けられる。この放熱面は、封止樹脂２５に覆われずに露出しており、放熱面上にフィン２４が設けられ、第４流路部２９内を流れる冷媒が接触する。

【0046】

第１流路部２６と第４流路部２９は、パワーモジュール１０４を間に挟んで対向する位置に設けられている。これにより、パワーモジュール１０４のリードフレーム２１ａ，２１ｂは両面から冷却される。こうすることで、半導体装置１０１の冷却効率の向上を図ることができる。

【0047】

リードフレーム２１ａ，２１ｂの下部に基板２の上下の配線を接続するためのビア１９が紙面手前及び奥方向に並んで設置されている。ビア１９が第２流路部２７、第３流路部２８の上部にあることで、ビア１９を介してリードフレーム２１ａ，２１ｂからの煽り熱を効率よく第２流路部２７および第３流路部２８を流れる油に移動させることができる。こうすることで、半導体装置１０１の冷却性能を高めることができる。

【0048】

半導体装置１０１の冷却性能を高めることで、基板２やＤＣ配線２０ａ，２０ｂから平滑コンデンサ１０２への煽り熱を低減できる。またそれに伴い、平滑コンデンサ１０２下部の基板２に流路部２７を作ることで、平滑コンデンサ１０２の熱を冷媒（油）へ移動することができる。そのため、リードフレーム２１ａ，２１ｂ下部や基板２の下部に流路部がない構成と比較して、平滑コンデンサ１０２の温度をより下げることができる。また、平滑コンデンサ１０２とリードフレーム２１ａ，２１ｂをより近くに配置することができるために、基板２の面積を小さくすることができる。

【0049】

さらに、ＡＣ配線１２側にゲート信号用の絶縁電源５やゲート制御用ＩＣ６がある場合にも同様に、リードフレーム２１ａ，２１ｂ下部や基板２下部から冷却をすることで、絶縁電源５やＩＣ６側に伝わる煽り熱を低減できる。それに伴い、絶縁電源５やＩＣ６の下部も冷却し温度を低減できる。また、各部品を近くに配置できるため基板２の面積を低減することができる。

【0050】

冷媒が流路内を流れる速度は、流路部ごとに高さを変更することで、流路部の断面積を調節することができ、それに伴い流速も調整できる。これを用いて、第２流路部２７について、第３流路部２８よりも流速を大きくさせる構成を採用してもよい。このようにすることで、第３流路部２８では流速による圧損を低減しつつ、第２流路部２７では流速を大きくすることで、基板２の表面での熱の移動を大きくし、熱伝達率を向上させることができる。また、このような構成にすることで、損失により加熱され、温度が上昇しやすい平滑コンデンサ１０２の温度を優先的に下げることが可能になり、圧損を調節しつつ高密度な実装にすることができる。

【0051】

図５は、図３に示した流路形成体の上面の内部を示した図である。

【0052】

第４流路部２９は、第４流路形成体１４と３つのパワーモジュール１０４に囲われて第４流路部２９を形成している。より具体的には、３つのパワーモジュール１０４は、放熱面のフィン２４が直列に並ぶように設けられ、そのフィン２４を覆うように第４流路部２９が形成されて内部を冷媒が通過する流路を、直線に形成している。これにより、３つのパワーモジュールを順に冷却することができる。冷媒の流れ１１については図６の説明で後述する。

【0053】

図６は、図３に示した流路形成体の下面の内部を示した図である。

【0054】

冷媒の流れ１１について図６および前述した図５を用いて説明する。第２流路部２７において、内部を流れる冷媒は、図３で前述した流路入口３から第２流路部２７の内部に流入する。つづいて冷媒は、冷媒の流れ１１に示す矢印のように進み、図４に示したＤＣ配線２０ａの下面を通って、第７流路形成体１７の側面に当たる。第７流路形成体１７の側面にたどり着いた冷媒は、第７流路形成体１７の側面を通って、第２流路部２７から第４流路部２９への流路口１５１から、図５に示した第４流路部２９へ流れていく。

【0055】

つづいて冷媒は、図５に示した半導体装置１０１の上面にある第４流路部２９に移動する。さらに、図５の第４流路部２９では、前述したように３つのパワーモジュール１０４の上面を冷媒が通る。これによりパワーモジュール１０４が直接冷却される。つづいて冷媒は、図５の第８流路形成体１８の側面に当たり、その側面に沿って第４流路部２９から第１流路部２６への流路口１４１から、図６に示した第１流路部２６に流れていく。

【0056】

図６では、第４流路部２９から第１流路部２６への流路口１４１から流入した冷媒は、第１流路部２６ではパワーモジュール１０４下面を通って流れ進む。そのあと冷媒は第７流路形成体１７の側面に当たり、その側面に沿って第３流路部２８に移動する。第３流路部２８では図４に示したＡＣ配線１２の下を通り、第３流路部２８の流路出口４から半導体装置１０１の外部へと冷媒が排出される。これにより、冷媒を一通させて実装密度を向上させた半導体装置１０１全体を冷却させることができる。

【0057】

以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

【0058】

（１）半導体装置１０１は、半導体素子２３と、半導体素子２３と電気的に接続される導体部２１ａ，２１ｂと、導体部２１ａ，２１ｂから貫通孔３３を形成する絶縁性の基板２に延びる端子部と、半導体素子２３と導体部２１ａ，２１ｂと端子部を封止するモールド材２５と、を有する回路体１０４と、基板２の第１の面に設けられかつ基板２に冷媒を直接接触させる流路部と、を備え、端子部は、基板２の第１の面とは反対側の第２の面で基板２に接続され、回路体１０４は、基板２の第２の面で基板２に接続して設置され、かつ、回路体１０４の一部は貫通孔３３内を通って基板２の第１の面側に出ており、モールド材２５は、基板２の第１の面側よりも第２の面側の方が前記モールド材の量が多く形成されている。このようにしたので、実装密度の向上と冷却性の向上とを両立した半導体装置を提供できる。

【0059】

（２）基板２は、第２の面に配置され直流電力を平滑化するコンデンサ１０２を有し、流路部は、基板２に対して垂直方向に回路体１０４と対向する位置に設けられる第１流路部２６と、第１流路部２６とは第１流路壁８１によって隔てられ、かつコンデンサ１０２とは基板２を間に挟んで対向する位置に設けられる第２流路部２７と、を含む。このようにしたので、基板を間に挟んで熱を帯びやすいコンデンサを集中的に冷却させることができる。

【0060】

（３）基板２は、第２の面であって回路体１０４を間に挟んでコンデンサ１０２とは反対側に配置される交流電力配線１２を有し、流路部は、第１流路部２６とは第２流路壁８２により隔てられ、かつ交流電力配線１２と基板２を間に挟んで対向する位置に設けられる第３流路部２８と、を含む。このようにしたので、基板の一方の面において一面に流路を形成し、基板全体を冷却させることができる。

【0061】

（４）半導体装置１０１の第２流路部２７は、第３流路部２８よりも内部を流れる冷媒の流路面積が大きくなるように形成される。このようにしたので、冷媒の流量が多い流路側に、発熱の影響が大きい電子部品を設置することで、冷却効率を向上させることができる。

【0062】

（５）回路体１０４は、基板２の第２の面側に設けられ、かつモールド材２５から露出する放熱面を有し、流路部は、基板２の第１の面側において、回路体１０４の放熱面を冷却するように冷媒の流路を形成する第１流路部２６と、第１流路部２６とは回路体１０４を間に挟んで対向する位置に設けられ、かつ放熱面を冷却する冷媒が流れる第４流路部２９と、を含む。このようにしたので、回路体１０４の両方向から冷却できるため、冷却効率を向上させることができる。

【0063】

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係る、ホイールの分解図である。

【0064】

モータ２００は、車両のホイールを回転させるロータ３１と、ベアリングを介してホイールと接続されるシャフト３２と、シャフト３２の径方向においてロータ３１の内側に配置されるステータ３０と、が備えられている。

【0065】

半導体装置１０１は、ホイール内蔵電動システムとして、モータ２００において、シャフト３２の径方向に対してステータ３０の内側に差し込まれるように配置され、電力変換装置として機能する。

【0066】

半導体装置１０１は、シャフト３２に対して上面を向け、半導体装置１０１の下面はステータ３０と接するように配置する。これにより、半導体装置１０１の下面の流路部（第１流路部２６、第２流路部２７、第３流路部２８）が半導体装置１０１の基板２の全体を冷却して、ステータ３０と半導体装置１０１とを熱絶縁をさせることができる。

【0067】

図８は第２の実施形態に係る、ホイール内部の斜視図である。

【0068】

前述したように、半導体装置１０１は、ステータ３０と下面が接するように設置されている。そのため、半導体装置１０１の三相のＡＣ配線とステータ３０の三相巻き線とを接続して、モータ２００に三相交流電流を流している。これにより、ステータ３０の外側にあるロータ３１を回転させている。

【0069】

ステータ３０に備えられている三相巻き線は通電により加熱している。この過熱状態からステータ３０を強制冷却するため、ステータ３０の内壁面に備えた流路部の入り口と前述した図３および図６に示した半導体装置１０１の第３流路部の流路出口４とを接続する。このようにすることで、半導体装置１０１とステータ３０との間で冷媒を導通させて、半導体装置１０１とステータ３０を同時に冷却することができる。

【0070】

図９は、第２の実施形態に係る、モータの断面図である。

【0071】

モータ２００のロータ３１は、シャフト３２との間に図示していないベアリングを設けている。ベアリングでの摩擦熱による煽り熱により、シャフト３２の温度が上昇するが、半導体装置１０１の対向流路部の１つにあたる第４流路形成体１４とシャフト３２とを接触させている。このようにすることで、第４流路部２９の冷媒に熱を吸収させてシャフト３２を冷却することができる。なおこの時、冷却性能向上のため、シャフト３２の形状に合わせて第４流路形成体１４を変形し、接触面を増やして冷却効果をさらに向上させるようにしてもよい。

【0072】

以上説明した本発明の第２の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

【0073】

（６）半導体装置１０１を備えるホイール内蔵電動システムは、ホイールを回転させるロータ３１と、ベアリングを介してホイールと接続されるシャフト３２と、シャフト３２の径方向においてロータ３１の内側に配置されるステータ３０と、を備え、半導体装置１０１は、シャフト３２の径方向に対してステータ３０の内側に配置され、第１流路部２６は、ステータ３０の内壁面と接続され、第４流路部２９は、シャフト３２と接続される。このようにしたので、冷媒を一通でホイールと半導体装置１０１に流すことが可能になり、実装密度の向上と冷却性の向上とを両立させることができる。

【0074】

上述した実施形態は、本発明の理解を助けるために説明したものであり、本発明は、記載した具体的な構成のみに限定されるものではない。例えば、実施形態の構成の一部を当業者の技術常識の構成に置き換えることが可能であり、また、実施形態の構成に当業者の技術常識の構成を加えることも可能である。すなわち、本発明は、本明細書の実施形態の構成の一部について、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。

【符号の説明】

【0075】

１ａ，１ｂ・・・ ＤＣ入力端子
２・・・ 基板
３・・・ 流路入口
４・・・ 流路出口
５・・・ 絶縁電源
６・・・ ＩＣ（集積回路）
７・・・ 終端素子
８・・・ 第１流路形成体
８１・・・第１流路壁
８２・・・第２流路壁
９・・・ 第２流路形成体
１０・・・ 第３流路形成体
１１・・・ 冷媒（油）の流れ
１２・・・ ＡＣ配線
１３・・・ ＡＣ出力端子
１４・・・ 第４流路形成体
１４１・・・ 第４流路部から第１流路部への流路口
１５・・・ 第５流路形成体
１５１・・・ 第２流路部から第４流路部への流路口
１６・・・ 第６流路形成体
１７・・・ 第７流路形成体
１８・・・ 第８流路形成体
１９・・・ ビア
２０，２０ａ，２０ｂ・・・ ＤＣ配線
２１ａ，２１ｂ・・・ リードフレーム
２２・・・ はんだ
２３・・・ 半導体素子
２４・・・ フィン
２５・・・ 封止樹脂
２６・・・ 第１流路部
２７・・・ 第２流路部
２８・・・ 第３流路部
２９・・・ 第４流路部
３０・・・ ステータ
３１・・・ ロータ
３２・・・ シャフト
３３・・・ 貫通孔
１００・・・ バッテリ
１０１・・・ 半導体装置
１０２・・・ 平滑コンデンサ
１０３・・・ 制御回路
１０４・・・ パワーモジュール
１０５・・・ ゲート抵抗
１０６・・・ 高圧側入力配線
１０７・・・ 低圧側入力配線
１０８・・・ １レグインバータ
２００・・・ モータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】