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(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】2025-04-14
(45)【発行日】2025-04-22
(54)【発明の名称】半導体モジュールおよび車両
(51)【国際特許分類】
H01L 23/473 20060101AFI20250415BHJP
H01L 25/07 20060101ALI20250415BHJP
H01L 25/18 20230101ALI20250415BHJP
【ＦＩ】
H01L23/46 Z
H01L25/04 C
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2024076093
(22)【出願日】2024-05-08
(62)【分割の表示】P 2020067089の分割
【原出願日】2020-04-02
(65)【公開番号】P2024100804
(43)【公開日】2024-07-26
【審査請求日】2024-05-08
(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】110000877
【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】松澤 憲亮
(72)【発明者】
【氏名】小山 貴裕
(72)【発明者】
【氏名】郷原 広道
【審査官】栗栖 正和
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－０４９８６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０７３９８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１７１２７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３６３０３６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１５／１７８０６４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１６－１１５８３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１８－５１８０６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１８９７９１（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２３／４７３
Ｈ０１Ｌ ２５／０７
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体装置および冷却装置を備える半導体モジュールであって、前記冷却装置は、
前記半導体装置が主面に配置される天板と、
前記天板に接続している側壁と、
前記側壁に接続しており、前記天板に対面する底板と、
前記天板、前記側壁および前記底板によって画定され、冷媒を流通させるための冷媒流通部と、
前記底板に形成され、前記冷媒流通部に冷媒を導入するための入口と、
前記底板に形成され、前記冷媒流通部から冷媒を導出するための出口と
を有し、
前記天板および前記底板は、前記半導体モジュールを外部の装置に締結する締結部材を挿入するための複数の貫通孔を有し、該貫通孔のそれぞれが、前記天板および前記底板を一方向に貫通し、
前記冷媒流通部の一部が、平面視において、隣接する前記貫通孔の中心を結ぶ線分よりも外側に張り出し、
前記側壁は、前記貫通孔を有する複数の肉厚部と、前記肉厚部の間に配置された肉薄部とを含み、
前記入口または前記出口の前記肉薄部側の縁は、前記入口または前記出口を挟んで隣接する２つの前記肉厚部の前記冷媒流通部側を結ぶ線分と、前記２つの肉厚部の前記貫通孔の中心を結ぶ線分との間に配置されている、半導体モジュール。
【請求項2】
前記肉薄部の厚みは、１ｍｍ以上３ｍｍ以下である、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項3】
前記入口および前記出口のそれぞれの開口は、平面視において、丸長方形、長方形または長円である、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項4】
前記開口の長手方向は、平面視において、前記肉薄部の延伸方向と平行である、請求項３に記載の半導体モジュール。
【請求項5】
前記底板の下面において、前記入口および前記出口の周囲にシーリング材を支持するためのシール面が設けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体モジュールおよび車両に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、冷却フィンを含む冷却器を実装した、パワー半導体チップ等の複数の半導体素子を含む半導体モジュールが知られている（例えば、特許文献１－１１参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２０１９－１２９２０８号公報
［特許文献２］ＷＯ２０１６／１２１１５９
［特許文献３］特開２０２０－０２７８９１号公報
［特許文献４］特開２０１９－２０４９２２号公報
［特許文献５］特許第６４８６５７９号
［特許文献６］特開２０２０－０２７８９１号公報
［特許文献７］ＷＯ２０１６／２０４２５７
［特許文献８］特開２０１７－１８３４２１号公報
［特許文献９］特開２０１７－０９８４３９号公報
［特許文献１０］特開２０１６－１００４５６号公報
［特許文献１１］ＷＯ２０１６／０４２９０３
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２０１９－１２９２０８号公報
［特許文献２］ＷＯ２０１６／１２１１５９
［特許文献３］特開２０２０－０２７８９１号公報
［特許文献４］特開２０１９－２０４９２２号公報
［特許文献５］特許第６４８６５７９号
［特許文献６］特開２０２０－０２７８９１号公報
［特許文献７］ＷＯ２０１６／２０４２５７
［特許文献８］特開２０１７－１８３４２１号公報
［特許文献９］特開２０１７－０９８４３９号公報
［特許文献１０］特開２０１６－１００４５６号公報
［特許文献１１］ＷＯ２０１６／０４２９０３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
上記の半導体モジュールは、外部の冷媒供給装置に実装する場合に、ネジなどの締結部材を用いて冷却器を冷媒供給装置に固定するが、締結部材の締結力により冷却器が座屈して、冷却器と冷媒供給装置との間に形成される冷媒流路のシール性に影響を与える場合があった。
【課題を解決するための手段】
【0004】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、半導体装置および冷却装置を備える半導体モジュールを提供する。半導体装置は、半導体チップと、半導体チップが実装された回路基板とを有してもよい。冷却装置は、半導体装置の回路基板が主面に固定される天板を有してもよい。冷却装置は、天板に接続される側壁を有してもよい。冷却装置は、側壁に接続され、天板に対面する底板を有してもよい。冷却装置は、天板、側壁および底板によって画定され、冷媒を流通させるための冷媒流通部を有してもよい。冷却装置は、底板に形成され、冷媒流通部に冷媒を導入するための入口を有してもよい。冷却装置は、底板に形成され、冷媒流通部から冷媒を導出するための出口を有してもよい。冷却装置は、冷媒流通部に配置され、天板と底板との間を接続するように延在する複数のフィンを有してもよい。天板および底板は、半導体モジュールを外部の装置に締結する締結部材を挿入するための貫通孔であって、天板および底板をそれぞれが一方向に貫通する３つの貫通孔を含んでもよい。平面視において、入口および出口の少なくとも一方の開口の幾何学的な重心が、３つの貫通孔を頂点とする仮想的な三角形の内側に位置してもよい。
【0005】
３つの貫通孔のうちの２つの貫通孔は、開口の両側に位置してもよい。平面視において、２つの貫通孔のそれぞれの内部に位置する点を結ぶ線分の垂直二等分線は、開口を通ってもよい。
【0006】
平面視において、２つの貫通孔のそれぞれの幾何学的な重心を結ぶ線分の垂直二等分線は、開口の幾何学的な重心を通ってもよい。
【0007】
開口の外縁が３つの貫通孔を頂点とする仮想的な三角形の内側に位置してもよい。
【0008】
貫通孔は、第１貫通孔、第２貫通孔、第３貫通孔および第４貫通孔を含んでもよい。平面視において、第１貫通孔および第４貫通孔は入口の両側に位置してもよい。第２貫通孔および第３貫通孔は出口の両側に位置してもよい。平面視において、第１貫通孔および第４貫通孔を結ぶ線に直交する方向から見た場合に、第２貫通孔は第１貫通孔および第４貫通孔の間に位置してもよい。平面視において、入口の幾何学的な重心が、第１貫通孔、第４貫通孔および第２貫通孔を頂点とする仮想的な三角形の内側に位置してもよい。平面視において、出口の幾何学的な重心が、第２貫通孔、第３貫通孔および第４貫通孔を頂点とする仮想的な三角形の内側に位置してもよい。
【0009】
第１貫通孔および第４貫通孔を結ぶ直線に直交する方向から見た場合に、第２貫通孔の少なくとも一部は入口と重なってもよい。
【0010】
第１貫通孔および第４貫通孔を結ぶ直線に直交する方向から見た場合に、第２貫通孔の幾何学的な重心と入口の幾何学的な重心とが一致してもよい。
【0011】
第２貫通孔および第３貫通孔を結ぶ直線に直交する方向から見た場合に、第４貫通孔の少なくとも一部は出口と重なってもよい。
【0012】
第２貫通孔および第３貫通孔を結ぶ直線に直交する方向から見た場合に、第４貫通孔の幾何学的な重心と出口の幾何学的な重心とが一致してもよい。
【0013】
第１貫通孔および第４貫通孔を結ぶ線と、第３貫通孔および第２貫通孔を結ぶ線と、が平行であってもよい。第１貫通孔および第４貫通孔を結ぶ線と、第２貫通孔および第４貫通孔を結ぶ線と、が鋭角をなしてもよい。
【0014】
天板および底板は、平面視において矩形であってもよい。貫通孔は、第５貫通孔を更に含んでもよい。第１貫通孔および第４貫通孔を結ぶ直線に直交する方向から見た場合に、第２貫通孔の少なくとも一部は第４貫通孔と重なり、第５貫通孔の少なくとも一部は第３貫通孔と重なってもよい。
【0015】
貫通孔は、第６貫通孔を更に含んでもよい。第１貫通孔および第４貫通孔を結ぶ直線に直交する方向から見た場合に、第６貫通孔の少なくとも一部は第１貫通孔と重なってもよい。
【0016】
平面視において、第１貫通孔、第３貫通孔、第５貫通孔および第６貫通孔は、矩形の四隅に位置してもよい。
【0017】
底板の厚みは、天板における冷媒流通部に対面する部分の厚みよりも厚くてもよい。
【0018】
３つの貫通孔のうちの少なくとも１つの貫通孔は、天板、側壁および底板を一方向に貫通してもよい。
【0019】
側壁は、肉薄部と肉厚部とを含んでもよい。少なくとも１つの貫通孔は肉厚部に形成されていてもよい。
【0020】
冷却装置は、冷媒流通部の外側に位置し、天板および底板に接続される補強部を更に有してもよい。３つの貫通孔のうちの少なくとも１つの貫通孔は、天板、補強部および底板を一方向に貫通してもよい。
【0021】
半導体装置は、半導体チップを封止する樹脂構造体を更に有してもよい。樹脂構造体は、天板の主面に固定されてもよい。貫通孔は、少なくとも樹脂構造体、天板および底板を一方向に貫通してもよい。
【0022】
樹脂構造体は、締結部材がネジである場合にネジの頭が樹脂構造体の外方に突出しないよう頭を収容するための陥凹部を含んでもよい。
【0023】
本発明の第２の態様においては、第１の態様に係る半導体モジュールを備える車両を提供する。
【0024】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の一例を示す模式的な斜視図である。
【図2】本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の一例を示す模式的な斜視図である。
【図3】本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の冷却装置１０の一例を示す模式的な斜視図である。
【図6】本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００における、側壁３６および補強部２５の配置および形状、冷却装置１０の冷却領域９５の配置、半導体装置７０の金属層８５の配置、フィン９４の配置および形状、ならびに冷媒の流れ方向の一例を示す図である。
【図7】本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の底板６４の一例を示す模式的な底面図である。
【図8】本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００を冷媒供給ユニット１３０に実装する状態の一例を示す模式的な斜視図である。
【図9】本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００を冷媒供給ユニット１３０に実装した状態の一例を示す模式的な斜視図である。
【図10】本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の底板６４の変形例である底板６７の一例を示す模式的な底面図である。
【図11】本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の底板６４の変形例である底板６８の一例を示す模式的な底面図である。
【図12】本発明の一つの実施形態に係る車両２００の概要を示す図である。
【図13】本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の主回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【0027】
図１および図２は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の一例を示す模式的な斜視図であり、図３は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の冷却装置１０の一例を示す模式的な斜視図である。また、図４は、図１に示すＩ－Ｉ線で半導体モジュール１００を仮想的に切断した模式的な断面図であり、図５は、図４に破線で示す領域［Ａ］の部分拡大図である。また、図６は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００における、側壁３６および補強部２５の配置および形状、冷却装置１０の冷却領域９５の配置、半導体装置７０の金属層８５の配置、フィン９４の配置および形状、ならびに冷媒の流れ方向の一例を示す図である。
【0028】
図１、図４および図５では、単に説明を明確にするため、図２に示す樹脂構造体７１の図示を省略している。また、図５では、天板２０における冷媒流通部９２に対面する部分のｚ軸方向の厚みをＴ１で示し、側壁３６の肉厚部３６－２のｘ軸方向の厚みをＴ２で示し、底板６４のｚ軸方向の厚みをＴ３で示している。また、図６では、図１に示すＵ相ユニット７０Ｕ、Ｖ相ユニット７０ＶおよびＷ相ユニット７０Ｗのそれぞれの金属層８５を破線で示している。
【0029】
半導体モジュール１００は、半導体装置７０および冷却装置１０を備える。本実施形態による半導体装置７０は、冷却装置１０に載置されている。本実施形態の説明では、半導体装置７０が載置されている冷却装置１０の面をｘｙ面とし、ｘｙ面と垂直な軸をｚ軸とする。ｘｙｚ軸は右手系をなす。本実施形態の説明では、ｚ軸方向において冷却装置１０から半導体装置７０に向かう方向を上、逆の方向を下と称するが、上および下の方向は、重力方向に限定されない。また本実施形態の説明では、各部材の面のうち、上側の面を上面、下側の面を下面、上面および下面の間の面を側面と称する。本実施形態の説明において、平面視は、ｚ軸正方向またはｚ軸負方向から半導体モジュール１００を見た場合を意味する。
【0030】
半導体装置７０は、半導体チップ７８と、半導体チップ７８が実装された回路基板７６とを有する。本実施形態による半導体装置７０は、３枚の回路基板７６を含み、３枚の回路基板７６は冷却装置１０上でｙ軸方向に並べられている。各回路基板７６には１つ又は複数の半導体チップ７８が搭載されていてもよい。本実施形態では、各回路基板７６には２つの半導体チップ７８が搭載され、２つの半導体チップ７８は回路基板７６上でｙ軸方向に並べられている。また、本実施形態による半導体装置７０は、半導体チップ７８を封止する樹脂構造体７１を更に有する。
【0031】
本実施形態の半導体モジュール１００は、三相交流インバータを構成する装置として機能する。図１に示す通り、本実施形態の半導体装置７０は、パワー半導体装置として、回路基板７６および半導体チップ７８―１および半導体チップ７８－４を含むＵ相ユニット７０Ｕと、回路基板７６および半導体チップ７８―２および半導体チップ７８－５を含むＶ相ユニット７０Ｖと、回路基板７６および半導体チップ７８―３および半導体チップ７８－６を含むＷ相ユニット７０Ｗとを有する。なお、Ｕ相ユニット７０Ｕ、Ｖ相ユニット７０ＶおよびＷ相ユニット７０Ｗの各半導体チップ７８は、半導体モジュール１００が動作した場合に熱を生じる発熱源となる。
【0032】
半導体チップ７８は縦型の半導体素子であり、上面電極および下面電極を有する。半導体チップ７８は、一例として、シリコン等の半導体基板に形成された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）および還流ダイオード（ＦＷＤ）等の素子を含む。半導体チップ７８は、ＩＧＢＴおよびＦＷＤが一枚の半導体基板に形成された逆導通ＩＧＢＴ（ＲＣ－ＩＧＢＴ）であってもよい。ＲＣ－ＩＧＢＴにおいてＩＧＢＴとＦＷＤは逆並列に接続されてよい。
【0033】
半導体チップ７８の下面電極は、回路基板７６の上面に接続されている。本実施形態の半導体チップ７８は、はんだ７９によって回路基板７６の上面に固定されている。半導体チップ７８の上面電極はエミッタ、ソースあるいはアノード電極であってよく、下面電極はコレクタ、ドレインあるいはカソード電極であってよい。半導体チップ７８における半導体基板は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）であってもよい。
【0034】
ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を含む半導体チップ７８は制御電極を有する。半導体モジュール１００は、半導体チップ７８の制御電極に接続される制御端子を有してもよい。スイッチング素子は、制御端子を介し、外部の制御回路により制御され得る。
【0035】
図５に示す通り、回路基板７６は、上面と下面を有する絶縁板８１と、絶縁板８１の上面に設けられた回路層８３と、絶縁板８１の下面に設けられた金属層８５とを順に含む積層基板である。
【0036】
回路基板７６は、上面および下面を有し、下面が冷却装置１０の上面に配置される。本実施形態の回路基板７６は、金属層８５を介してはんだ７９によって冷却装置１０の上面に固定されている。また、本実施形態の回路基板７６の上面には、一例として、２つの半導体チップ７８が固定されている。
【0037】
回路基板７６は、例えば、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板やＡＭＢ（Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｂｒａｚｉｎｇ）基板であってよい。本実施形態の絶縁板８１は、セラミックを含む。絶縁板８１は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等のセラミックス材料を用いて形成されてよい。本実施形態の絶縁板８１は、平面視において矩形である。
【0038】
本願明細書において、矩形とは、四角形または長方形を意味してもよく、また、少なくとも１つの角部が、面取りされた形状や滑らかな形状であってもよい。例えば、矩形は、４つの角部のそれぞれが面取りされた、８角形、１２角形、１６角形などを含んでもよい。
【0039】
回路層８３および金属層８５は、銅あるいは銅合金などの導電材料を含む板材であってよい。本実施形態における回路層８３および金属層８５は、絶縁板８１と同様に、平面視において矩形である。
【0040】
回路層８３は、はんだやロウ等によって絶縁板８１の上面側に固定されている。回路層８３の上面には、半導体チップ７８がはんだ等によって電気的、機械的に接続され、すなわち電気回路的に直接接続されている。なお、回路層８３は、ワイヤー等により、他の導電部材と電気的に接続されてもよい。また、回路層８３は、絶縁板８１の上面に直接接合（ＤＣＢ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）されてもよい。
【0041】
樹脂構造体７１は、平面視において矩形であり、より具体的には、長辺および短辺を有する長方形である。図２に示す通り、本実施形態の樹脂構造体７１は、半導体チップ７８を封止する封止部７４と、封止部７４を囲う収容部７２とを含む。封止部７４は、例えばシリコーンゲルまたはエポキシ樹脂等の樹脂を含む絶縁部材である。本実施形態の封止部７４は、半導体チップ７８以外に、回路基板７６およびその他の回路要素も封止する。
【0042】
収容部７２は、例えば熱硬化型樹脂、紫外線硬化型樹脂等の絶縁材料で形成された枠体である。本実施形態の収容部７２は、天板２０の上面２２において、回路基板７６等が配置された領域を囲んで設けられる。換言すると、本実施形態の収容部７２は、半導体チップ７８、回路基板７６およびその他の回路要素を収容し得る内部空間を有する。収容部７２は、天板２０の上面２２に接着されてもよい。上述した封止部７４は、一例として、収容部７２の内部空間に上記の樹脂が充填され、硬化することによって形成される。なお、樹脂構造体７１は、収容部７２を含まずに、封止部７４のみを含んでもよい。
【0043】
収容部７２は、複数の導電性接続部７３がインサート成形されている。複数の導電性接続部７３はそれぞれ、一端を半導体装置７０に電気的に接続され、他端を外部の装置に電気的に接続される。複数の導電性接続部７３はそれぞれ、半導体装置７０の入力端子および出力端子（Ｎ端子、Ｐ端子）のいずれかを構成する。
【0044】
また、本実施形態の樹脂構造体７１は、冷却装置１０における締結部材を挿入するための孔に対応する貫通孔７７を少なくとも３つ含む。貫通孔７７は、樹脂構造体７１をｚ軸方向に貫通する。本実施形態の樹脂構造体７１は、第１貫通孔７７－１、第２貫通孔７７－２、第３貫通孔７７－３、第４貫通孔７７－４、第５貫通孔７７－５および第６貫通孔７７－６を含む。平面視において、第１貫通孔７７－１、第３貫通孔７７－３、第５貫通孔７７－５および第６貫通孔７７－６は、樹脂構造体７１の矩形の四隅に位置する。
【0045】
冷却装置１０は、天板２０と、側壁３６と、底板６４と、冷媒流通部９２と、入口４１と、出口４２と、複数のフィン９４とを有する。本実施形態では、天板２０、側壁３６および複数のフィン９４をまとめて、ベースプレート４０と称する場合がある。本実施形態の冷却装置１０は、補強部２５を更に有する。
【0046】
天板２０は、ｘｙ平面に広がる主面を有する、板状の部材である。天板２０は、主面に、半導体装置７０の回路基板７６が固定される。本実施形態の天板２０は、主面に樹脂構造体７１も固定される。本実施形態の天板２０は、平面視において矩形であり、より具体的には、長辺および短辺を有する長方形である。本実施形態の天板２０は、短辺がｘ軸に平行であり、長辺がｙ軸に平行である。なお、本願明細書において、長方形、正方形、四角形、菱形、多角形などと称する場合、これらの図形は、少なくとも１つの角部が、面取りされた形状や滑らかな形状であってもよい。
【0047】
天板２０は、半導体モジュール１００を外部の装置に締結する締結部材、例えばボルト、ボス、ネジなどを挿入するための貫通孔８０を少なくとも３つ含む。貫通孔８０は、天板２０をｚ軸方向に貫通する。本実施形態の天板２０は、第１貫通孔８０－１、第２貫通孔８０－２、第３貫通孔８０－３、第４貫通孔８０－４、第５貫通孔８０－５および第６貫通孔８０－６を含む。平面視において、第１貫通孔８０－１、第３貫通孔８０－３、第５貫通孔８０－５および第６貫通孔８０－６は、天板２０の矩形の四隅に位置する。
【0048】
図３に示す通り、天板２０は、ｘｙ面と平行な上面（おもて面）２２および下面（裏面）２４を有する。天板２０は、一例として金属で形成され、より具体的な一例としてアルミニウムを含む金属で形成されている。天板２０は、表面にニッケルなどのめっき層が形成されてもよい。
【0049】
本実施形態において、天板２０の上面２２には、半導体装置７０の回路基板７６がはんだ７９によって直接固定される。より具体的には、天板２０の主面には、回路基板７６の金属層８５がはんだ７９で固着されている。天板２０には、各半導体チップ７８において発生した熱が伝達される。天板２０、回路基板７６および半導体チップ７８は、ｚ軸正方向に向かってこの順に配置される。天板２０および回路基板７６の間、ならびに、回路基板７６および半導体チップ７８の間は、熱的に接続されてよい。本実施形態では、それぞれの部材間がはんだ７９で固定されており、各部材は当該はんだ７９を介して熱的に接続される。また、本実施形態の天板２０は、主面に、上記の収容部７２が固着剤で固着されている。
【0050】
側壁３６は、天板２０に接続される。本実施形態の側壁３６は、天板２０と一体的に構成され、天板２０からｚ軸負方向に延在する。側壁３６は、冷却装置１０の側面を構成する。側壁３６は、一例として金属で形成され、より具体的な一例として、天板２０と同様にアルミニウムを含む金属で形成されている。
【0051】
図６に示す通り、本実施形態の側壁３６は、肉薄部３６－１と肉厚部３６－２とを含む。肉薄部３６－１および肉厚部３６－２は、天板２０の主面に平行な断面における厚みが互いに異なる。肉薄部３６－１は、略一定の厚みを有し、例えば１ｍｍ以上３ｍｍ以下であってもよい。肉厚部３６－２は、肉薄部３６－１よりも厚く、側壁３６が連続する方向に沿って厚みが連続的に変化する。肉薄部３６－１および肉厚部３６－２は、側壁３６が連続する方向に沿って連続的に交互に形成される。
【0052】
本実施形態の側壁３６は、ｘｙ平面において、概して矩形の輪郭を有し、より具体的には、長辺および短辺を有する長方形の輪郭を有する。ｘｙ平面において、本実施形態の側壁３６の輪郭は、天板２０の輪郭よりも内側に位置する。なお、輪郭とは、物の外形を形作っている線を指してもよい。
【0053】
底板６４は、側壁３６に接続され、天板２０に対面する。本実施形態の底板６４は、板状の部材である。本実施形態の底板６４は、平面視において矩形であり、より具体的には、長辺および短辺を有する長方形である。また、本実施形態の底板６４は、短辺がｘ軸に平行であり、長辺がｙ軸方向に平行である。
【0054】
底板６４は、天板２０と同様に、半導体モジュール１００を外部の装置に締結する締結部材、例えばボスを挿入するための貫通孔６５を少なくとも３つ含む。貫通孔６５は、底板６４をｚ軸方向に貫通する。本実施形態の底板６４は、第１貫通孔６５－１、第２貫通孔６５－２、第３貫通孔６５－３、第４貫通孔６５－４、第５貫通孔６５－５および第６貫通孔６５－６を含む。平面視において、第１貫通孔６５－１、第３貫通孔６５－３、第５貫通孔６５－５および第６貫通孔６５－６は、底板６４の矩形の四隅に位置する。
【0055】
本実施形態では、図１から図６に示す通り、樹脂構造体７１の第１貫通孔７７－１と天板２０の第１貫通孔８０－１と底板６４の第１貫通孔６５－１とが同軸になるよう配置される。また、樹脂構造体７１の第２貫通孔７７－３と天板２０の第２貫通孔８０－２と底板６４の第２貫通孔６５－２とが同軸になるよう配置される。また、樹脂構造体７１の第３貫通孔７７－３と天板２０の第３貫通孔８０－３と底板６４の第３貫通孔６５－３とが同軸になるよう配置される。
【0056】
また、樹脂構造体７１の第４貫通孔７７－４と天板２０の第４貫通孔８０－４と底板６４の第４貫通孔６５－４とが同軸になるよう配置される。また、樹脂構造体７１の第５貫通孔７７－５と天板２０の第５貫通孔８０－５と底板６４の第５貫通孔６５－５とが同軸になるよう配置される。また、樹脂構造体７１の第６貫通孔７７－６と天板２０の第６貫通孔８０－６と底板６４の第６貫通孔６５－６とが同軸になるよう配置される。
【0057】
このように、樹脂構造体７１の貫通孔７７、天板２０の貫通孔８０および底板６４の貫通孔６５は、少なくとも樹脂構造体７１、天板２０および底板６４を一方向に貫通する。また更に、互いに同軸に配置される天板２０の貫通孔８０および底板６４の貫通孔６５は、天板２０、側壁３６および底板６４を一方向に貫通してもよい。本実施形態では、図３から図６に示す通り、天板２０の第１貫通孔８０－１から第５貫通孔８０－５のそれぞれと、底板６４の第１貫通孔６５－１から第５貫通孔６５－５のそれぞれとの組は、天板２０、側壁３６および底板６４をｚ軸方向に貫通する。
【0058】
これら第１貫通孔８０－１等および第１貫通孔６５－１等の組は、側壁３６の肉厚部３６－２に形成されている。これにより、半導体モジュール１００を大型化することなく冷媒流通部９２を拡大して冷却効率を高めることができ、その一方で、半導体モジュール１００を外部の装置とボルトなどで強固に締結する場合に印加され得る強い締結力に対する剛性を高めることができる。
【0059】
なお、天板２０、側壁３６および底板６４を一方向に貫通する貫通孔８０および貫通孔６５の内面には、例えばここに螺合するネジのネジ山と相補的な形状を有するネジ溝が形成されていてもよく、全体的に滑らかな曲面であってもよく、滑らかな曲面のうち部分的にネジ溝が形成されていてもよい。
【0060】
図５に示した通り、天板２０における冷媒流通部９２に対面する部分のｚ軸方向の厚みＴ１は、ｘｙ平面における側壁３６の肉厚部３６－２の代表的な厚みＴ２、および、底板６４のｚ軸方向の厚みＴ３に比べて薄い。天板２０の厚みを薄くすることによって、天板２０の上面２２に配置される半導体装置７０からの熱を、冷媒流通部９２内を流れる冷媒へと効率的に移動させることができる。
【0061】
その一方で、天板２０において貫通孔８０が形成されている部分は、側壁３６の肉厚部３６－２がｚ軸負方向に延出しており、冷媒流通部９２に対面する部分に比べて強度が高い。これにより、上述した締結力によって天板２０が破損してしまうことを抑止できる。
【0062】
また、側壁３６が連続する方向に沿って複数の肉厚部３６－２を配置することにより、側壁３６の強度を高めることができ、これによって、天板２０が機械的または熱的な影響によって捩じれなどの変形を起こすことを抑止できる。これにより、半導体モジュール１００は、半導体装置７０を天板２０に固定するはんだ７９に大きな応力および塑性ひずみが発生することを抑止できる。
【0063】
また、底板６４のｚ軸方向の厚みＴ３は、天板２０における冷媒流通部９２に対面する部分の厚みＴ１よりも厚い。これにより、冷却装置１０の全体的な剛性を高めることができる。
【0064】
底板６４は、側壁３６のｚ軸負方向の下端に直接または間接に密着して配置されてもよい。間接に密着とは、側壁３６の下端と底板６４との間に設けられた、シール材、接着剤、ロウ材などの固着剤９８を介して、側壁３６の下端と底板６４とが密着している状態を指す。本実施形態において、底板６４は、固着剤９８を介して側壁３６の下端に密着して配置されている。底板６４は、一例として金属で形成され、より具体的な一例として、ベースプレート４０と同様にアルミニウムを含む金属で形成されている。
【0065】
なお、側壁３６の下端と底板６４とは、互いにロウ付けされることが好ましい。この場合、ロウ材は、ベースプレート４０および底板６４よりも融点の低い金属であることが好ましい。
【0066】
冷媒流通部９２は、例えばＬＬＣや水等の冷媒を流通させるための空間であって、天板２０、側壁３６および底板６４によって画定される。換言すると、側壁３６は、ｘｙ面において、冷媒流通部９２を囲んで配置され、天板２０および底板６４は、ｚ軸方向において、冷媒流通部９２を挟んで互いに対面して配置される。よって、ｘｙ平面における冷媒流通部９２の輪郭は、側壁３６の内周によって画定される。そのため、冷媒流通部９２は、平面視において概して矩形である。より具体的には、図６に示す通り、冷媒流通部９２は概して、天板２０の主面に平行な断面が長辺９６および短辺９３を有する矩形である。なお、本実施形態において、長辺９６の方向はｙ軸方向であり、短辺９３の方向はｘ軸方向である。
【0067】
冷媒流通部９２は、天板２０、側壁３６および底板６４によって密閉されていてもよく、この場合、側壁３６の下端と底板６４とが密着していてもよい。なお、密着は、冷媒流通部９２の内部の冷媒が、当該密着部分から漏れ出ない状態を指す。
【0068】
入口４１は、冷媒流通部９２に冷媒を導入するための孔であり、底板６４に形成されている。出口４２は、冷媒流通部９２から冷媒を導出するための孔であり、入口４１と同様に、底板６４に形成されている。入口４１および出口４２を、冷媒流通部９２を画定する構成内で最も厚い底板６４に形成することで、冷却装置１０の強度を向上でき、且つ、冷却装置１０の加工を容易化することができる。
【0069】
入口４１および出口４２は、ｘ軸方向において、冷却装置１０の一側と、一側の反対の他側にそれぞれ位置し、且つ、ｙ軸方向において、冷却装置１０の一側と、一側の反対の他側にそれぞれ位置する。すなわち、入口４１および出口４２は、ｘｙ平面において矩形を有する冷媒流通部９２の対角線方向で、冷媒流通部９２の対向する両端に位置する。
【0070】
複数のフィン９４は、冷媒流通部９２に配置され、天板２０と底板６４との間を接続するように延在する。上述した冷媒流通部９２は、複数のフィン９４が配置される冷却領域９５を含む。なお、図３では、フィン９４を図示する代わりに、冷却領域９５をドットで示している。なお、以降の説明において、１または複数のフィン９４を、単にフィン９４と称する場合がある。
【0071】
冷却領域９５は、平面視において矩形であってもよい。図６に示す通り、本実施形態の冷却領域９５は、平面視において長方形であり、短辺がｘ軸に平行であり、長辺がｙ軸に平行である。
【0072】
本実施形態の冷却領域９５において、冷媒流通部９２の長辺９６の方向に並ぶフィン９４の数は、冷媒流通部９２の短辺９３の方向に並ぶフィン９４の数よりも多い。冷却領域９５には、フィン９４が設けられた領域と、フィン９４間の流路とが含まれる。なお、隣接するフィン９４同士の間隔は、フィン９４自体の幅よりも狭くてもよい。
【0073】
冷媒流通部９２は更に、当該冷却領域９５の一方側に隣接する第１のヘッダ３０－１と、冷却領域９５の当該一方側の反対側である他方側に隣接する第２のヘッダ３０－２とを含む。換言すると、冷媒流通部９２は、平面視において、冷却領域９５を挟んで配置された第１のヘッダ３０－１および第２のヘッダ３０－２を含む。本実施形態において、第１のヘッダ３０－１は冷却領域９５のｘ軸方向の負側に隣接し、第２のヘッダ３０－２は冷却領域９５のｘ軸方向の正側に隣接する。これらのヘッダ３０は、冷媒流通部９２において、所定の高さ（ｚ軸方向の長さ）以上の高さを有する空間を指す。所定の高さ以上の高さとは、天板２０および底板６４の間の距離であってよい。
【0074】
本実施形態の第１のヘッダ３０－１は、上記の入口４１に連通し、複数のフィン９４が配置されない。同様に、本実施形態の第２のヘッダ３０－２は、上記の出口４２に連通し、複数のフィン９４が配置されない。なお、第１のヘッダ３０－１および第２のヘッダ３０－２には、例えば冷媒の流れをガイドするためのブレードフィンや天板２０を補強するためのピンフィンなどが配置されていてもよい。
【0075】
また、本実施形態において、第１のヘッダ３０－１および第２のヘッダ３０－２はそれぞれ、平面視において、ｘ軸方向の長さよりもｙ軸方向の長さの方が長く、ｙ軸方向に延在する。
【0076】
フィン９４は、一例として金属で形成され、より具体的な一例として、天板２０と同様にアルミニウムを含む金属で形成されている。
【0077】
フィン９４は、ｚ軸方向において対向する上端と下端とを有する。本実施形態のフィン９４の上端は、天板２０の下面２４に熱的および機械的に接続される。本実施形態において、フィン９４は、天板２０と一体的に構成されており、換言すると、フィン９４が天板２０の下面２４から一体的に突出している。本実施形態のフィン９４は、天板２０の下面２４から冷媒流通部９２に向かってｚ軸負方向に延伸している。
【0078】
本実施形態のフィン９４の下端は、固着剤９８によって底板６４に固着されている。また、本実施形態のフィン９４の延伸方向は、天板２０および底板６４のそれぞれの主面と略直交する。
【0079】
本実施形態において、複数のフィン９４は、それぞれピンフィンである。また、本実施形態における複数のフィン９４は、それぞれ、天板２０の主面に平行な断面の形状が矩形である。これにより、フィンの当該断面形状が円形の場合に比べて、冷媒に接触するフィン９４の表面積を大きくすることができ、放熱効率を高めることができる。
【0080】
また、複数のフィン９４は、冷媒流通部９２に冷媒が流れた場合に、冷却領域９５における冷媒の主たる流れ方向に対して当該矩形の何れの辺も直交しないように、冷媒流通部９２に配置されてもよい。本実施形態の例では、冷却領域９５における冷媒の主たる流れ方向は、ｘ軸方向である。本実施形態において、複数のフィン９４は、当該矩形の何れの辺もｘ軸方向に直交しないように、冷媒流通部９２に配置されている。より具体的には、本実施形態の複数のフィン９４は、当該矩形の何れの辺もｘ軸方向に直交せず、且つ、１つの対角線がｙ軸方向に平行になり、他の１つの対角線がｘ軸方向に平行になるように、冷媒流通部９２に配置されている。これに代えて、複数のフィン９４は、当該矩形の何れの辺もｘ軸方向に直交せず、且つ、１つの対角線がｙ軸方向に対して傾斜して、他の１つの対角線がｘ軸方向に対して傾斜するように、冷媒流通部９２に配置されてもよい。複数のフィンが、上記の主たる流れ方向に対して上記の矩形の何れかの辺が直交するように冷媒流通部９２に配置されている場合に比べて、上述した何れの構成によっても、冷媒流通部９２内を流れる冷媒の流速損失を小さくすることができ、放熱効率を高めることができる。
【0081】
また、本実施形態のフィン９４は、ｘｙ平面の断面において、冷媒流通部９２の長辺９６の方向よりも短辺９３の方向に長い菱形を有する。また、菱形の一対の対角線のうち、長辺９６に平行な対角線の方が短辺９３に平行な対角線よりも短い。フィン９４は、菱形の断面のそれぞれの辺の長さが１．９ｍｍから２．２ｍｍであってもよい。菱形の断面のそれぞれの角部において、曲率半径が０．１ｍｍから０．２ｍｍの丸みを有してもよい。
【0082】
なお、複数のフィン９４は、それぞれ、当該断面形状が多角形であってもよく、例えば正方形であってもよい。この場合、当該正方形の１つの対角線が、第１のヘッダ３０－１から第２のヘッダ３０－２に向かう方向に沿うように、冷媒流通部９２に配置されてもよい。
【0083】
また、複数のフィン９４は、冷媒流通部９２のｘｙ平面内において、所定のパターンを形成するように配列されていてもよい。本実施形態において、複数のフィン９４は、図５に示すように千鳥配列されている。複数のフィン９４は、冷媒流通部９２のｘｙ平面内において、正方配列されていてもよい。
【0084】
図６に示す通り、本実施形態のＵ相ユニット７０Ｕ、Ｖ相ユニット７０ＶおよびＷ相ユニット７０Ｗの金属層８５は何れも、平面視において、一部が冷却領域９５と重なり、当該一部を除く他の部分が第１のヘッダ３０－１および第２のヘッダ３０－２と重なる。Ｕ相ユニット７０Ｕ等の金属層８５は、平面視において、一部が冷却領域９５と重なり、当該一部を除く他の部分が第１のヘッダ３０－１および第２のヘッダ３０－２の一方と重なってもよく、全体的に冷却領域９５と重なってもよい。
【0085】
図３および図６に示す通り、補強部２５は、冷媒流通部９２の外側に位置し、天板２０および底板６４に接続される。上述した第５貫通孔８０－５および第５貫通孔６５－５は、天板２０、補強部２５および底板６４をｚ軸方向に貫通する。なお、補強部２５は、側壁３６と繋がっていてもよく、換言すると、側壁３６の一部であってもよい。この場合、補強部２５は、側壁３６の一つの肉厚部３６－２を構成する。
【0086】
図７は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の底板６４の一例を示す模式的な底面図である。図７では、平面視における貫通孔６５、入口４１および出口４２の幾何学的な重心を黒塗りの丸で示す。また、それぞれの幾何学的な重心の位置を説明するための線を破線で示す。また、特定の２つの破線がなす角をθで示す。なお、以降の説明において、半導体モジュール１００の貫通孔のうち、底板６４の貫通孔６５のみを説明する場合があるが、底板６４の貫通孔６５と同軸に位置する天板２０の貫通孔８０および樹脂構造体７１の貫通孔７７についても同様として、重複する説明を省略する。
【0087】
平面視において、入口４１および出口４２の少なくとも一方の開口の幾何学的な重心は、３つの貫通孔６５を頂点とする仮想的な三角形の内側に位置する。当該３つの貫通孔６５のうちの２つの貫通孔６５は、当該開口の両側に位置してもよい。また、平面視において、当該２つの貫通孔６５のそれぞれの内部に位置する点を結ぶ線分の垂直二等分線は、当該開口を通ってもよい。より好ましくは、平面視において、当該２つの貫通孔６５のそれぞれの幾何学的な重心を結ぶ線分の垂直二等分線は、当該開口の幾何学的な重心を通ってもよい。また、好ましくは、当該開口の外縁が当該３つの貫通孔６５を頂点とする仮想的な三角形の内側に位置してもよい。
【0088】
本実施形態では、平面視において、第１貫通孔６５－１および第４貫通孔６５－４は入口４１の両側に位置し、第２貫通孔６５－２および第３貫通孔６５－３は出口４２の両側に位置する。また、平面視において、第１貫通孔６５－１および第４貫通孔６５－４を結ぶ線に直交する方向から見た場合に、第２貫通孔６５－２は第１貫通孔６５－１および第４貫通孔６５－４の間に位置する。
【0089】
図７に示す通り、本実施形態では更に、平面視において、入口４１の幾何学的な重心が、第１貫通孔６５－１、第４貫通孔６５－４および第２貫通孔６５－２を頂点とする仮想的な三角形Ａの内側に位置する。同様に、平面視において、出口４２の幾何学的な重心が、第２貫通孔６５－２、第３貫通孔６５－３および第４貫通孔６５－４を頂点とする仮想的な三角形Ｂの内側に位置する。
【0090】
本実施形態では更に、第１貫通孔６５－１および第４貫通孔６５－４を結ぶ直線に直交する方向から見た場合に、第２貫通孔６５－２の少なくとも一部は入口４１と重なっている。第１貫通孔６５－１および第４貫通孔６５－４を結ぶ直線に直交する方向から見た場合に、第２貫通孔６５－２の幾何学的な重心と入口４１の幾何学的な重心とが一致してもよい。また同様に、本実施形態では、第２貫通孔６５－２および第３貫通孔６５－３を結ぶ直線に直交する方向から見た場合に、第４貫通孔６５－４の少なくとも一部は出口４２と重なっている。第２貫通孔６５－２および第３貫通孔６５－３を結ぶ直線に直交する方向から見た場合に、第４貫通孔６５－４の幾何学的な重心と出口４２の幾何学的な重心とが一致してもよい。
【0091】
また、本実施形態において、入口４１の外縁は、平面視において、第１貫通孔６５－１、第４貫通孔６５－４および第２貫通孔６５－２を頂点とする仮想的な三角形の内側に位置する。また同様に、出口４２の外縁は、平面視において、第３貫通孔６５－３、第２貫通孔６５－２および第４貫通孔６５－４を頂点とする仮想的な三角形の内側に位置してよい。このような配置により、入口４１および出口４２を介する冷媒流路のシール性が向上され得る。
【0092】
また、図７に示すように、本実施形態において、第１貫通孔６５－１および第４貫通孔６５－４を結ぶ線と、第３貫通孔６５－３および第２貫通孔６５－２を結ぶ線と、が平行であることが好ましい。本実施形態においては更に、第１貫通孔６５－１および第４貫通孔６５－４を結ぶ線と、第２貫通孔６５－２および第４貫通孔６５－４を結ぶ線と、がなす角θが鋭角である、ことが好ましい。
【0093】
図８は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００を冷媒供給ユニット１３０に実装する状態の一例を示す模式的な斜視図である。また、図９は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００を冷媒供給ユニット１３０に実装した状態の一例を示す模式的な斜視図である。
【0094】
本実施形態において、底板６４に形成されている入口４１および出口４２はそれぞれ、外部の冷媒供給ユニット１３０の導入口１４１および導出口１４２と連通し、冷却装置１０と冷媒供給ユニット１３０との間に冷媒流路が形成される。導入口１４１および導出口１４２はそれぞれ、冷媒供給ユニット１３０内部に形成された導入管１４３および導出管１４４に連通する。導入口１４１および導出口１４２はそれぞれ冷媒供給ユニット１３０のフランジに形成されている。
【0095】
冷媒供給ユニット１３０は、導入管１４３および導入口１４１から入口４１を通じて冷媒流通部９２に冷媒を流入させ、冷媒流通部９２内を流れた冷媒を出口４２から導出口１４２および導出管１４４を通じて流出させる。従って、冷却装置１０は、入口４１を介して外部の冷媒供給ユニット１３０から冷媒を搬入され、冷媒は冷媒流通部９２内部を循環した後に出口４２を介して当該冷媒供給ユニット１３０へと搬出される。
【0096】
ここで、図９は、締結部材１２０によって半導体モジュール１００が冷媒供給ユニット１３０に締結された状態を示す。締結部材１２０によって半導体モジュール１００を冷媒供給ユニット１３０に締結する場合、上記の冷媒流路のシール性を高めるべく、締結部材１２０による強い締結力が樹脂構造体７１の貫通孔７７、天板２０の貫通孔８０および底板６４の貫通孔６５を通じて半導体モジュール１００の冷却装置１０に印加される。冷却装置１０の入口４１および出口４２の周囲は、シーリング材、例えばゴム製のＯリングを介して、冷媒供給ユニット１３０の導入口１４１および導出口１４２の周囲に押圧される。入口４１および出口４２のそれぞれの開口は、平面視において、丸長方形、長方形、円形または長円であってよい。底板６４の下面において、入口４１および出口４２のそれぞれの開口の周囲にシーリング材を支持するためのシール面が設けられてよい。
【0097】
上記で説明した本実施形態の半導体モジュール１００によれば、冷却装置１０の天板２０および底板６４は、締結部材１２０を挿入するための貫通孔８０および貫通孔６５の組を少なくとも３つ含む。更に、半導体モジュール１００によれば、平面視において、入口４１および出口４２の少なくとも一方の開口の幾何学的な重心が、当該３つの組の貫通孔８０および貫通孔６５を頂点とする仮想的な三角形の内側に位置する。当該構成を備える半導体モジュール１００によれば、冷媒供給ユニット１３０のような外部の装置に実装した場合に、当該開口の周囲に配されるシーリング材を異なる３方向から均等に圧縮し、外部の装置との間に形成される冷媒流路で液漏れが生じることを効果的に防止することができる。
【0098】
なお、図２および図９に示すように、樹脂構造体７１は、締結部材１２０がネジである場合にネジの頭を収容するための陥凹部７５を含む。陥凹部７５は、ネジが貫通孔７７等に挿入されて半導体モジュール１００が外部の装置に締結された状態で、当該ネジの頭が樹脂構造体７１の外方に突出しないようにすることができる。
【0099】
また、本実施形態の半導体モジュール１００では、冷却装置１０に流す冷媒の主たる流れ方向（ｘ軸正方向）を、複数の熱源の配列方向（ｙ軸方向）に直交させる配置構成を備える。例えば、冷却装置１０の天板２０上で複数の半導体チップ７８などの熱源がｙ軸方向に存在する場合、冷却装置１０に流す冷媒の主たる流れ方向を熱源の配列方向（ｙ軸方向）に平行にすると、各熱源を一様に冷却することができない。
【0100】
これに対して、本実施形態の半導体モジュール１００によれば、冷媒流通部９２は、天板２０の主面に平行な（ｘｙ平面における）断面が長辺９６および短辺９３を有する矩形であり、冷媒が短辺９３の方向（ｘ軸方向）の一の側に連通する入口４１から冷媒流通部９２内に導入され、冷媒流通部９２内を全体に亘って拡散し、短辺９３の方向（ｘ軸方向）の他の側に連通する出口４２から導出される。冷媒は、回路基板７６が載置される天板２０の下面２４およびフィン９４に接触し、半導体装置７０の各半導体チップ７８を冷却する。換言すると、各半導体チップ７８が発した熱は、天板２０およびフィン９４の近傍を通過する冷媒に移動する。
【0101】
よって、本実施形態の半導体モジュール１００によれば、冷却装置１０は、冷却装置１０の上面でｙ軸方向に並べられた各半導体チップ７８から生じる熱を、冷媒によって効率的に冷却できる。
【0102】
以上の実施形態において、ベースプレート４０を成す天板２０、側壁３６およびフィン９４は、一体的に構成されていてもよい。本実施形態においては、天板２０、側壁３６およびフィン９４は一体的に形成されていてもよい。例えば、天板２０、側壁３６およびフィン９４は、連続した一枚の板部材から一体的に形成してもよい。
【0103】
例えば、連続した一枚の板部材に対して、天板２０、側壁３６およびフィン９４の形状に対応する金型を用いた打ち抜き加工を行うことによって、天板２０、側壁３６およびフィン９４を一体的に形成してもよい。他の例として、インパクトプレスなどを用いる常温環境下での冷間鍛造や、高温環境下での温間鍛造、熱間鍛造、溶湯鍛造などの任意の鍛造法を用いた成型を行うことによって、あるいは鋳造による成型を行うことによって、天板２０、側壁３６およびフィン９４を一体的に形成してもよい。本実施形態の半導体モジュール１００は、天板２０、側壁３６およびフィン９４を一体的に形成することにより、別個に形成されたものを互いに固着する形態に比べて部品点数を削減することができる。
【0104】
図１０は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の底板６４の変形例である底板６７の一例を示す模式的な底面図である。また、図１１は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の底板６４の変形例である底板６８の一例を示す模式的な底面図である。
【0105】
図１０および図１１では、それぞれ半導体モジュール１００における底板６７および底板６８のみを図示し、半導体モジュール１００における他の構成の図示を省略する。また、図１０および図１１では、図７と同様に、平面視における貫通孔６５、入口４１および出口４２の幾何学的な重心を黒塗りの丸で示す。また、それぞれの幾何学的な重心の位置を説明するための線を破線で示す。
【0106】
また、図１０および図１１に示す変形例では、図１～９を用いて説明した実施形態における半導体モジュール１００の構成と比較して、特定の構成の配置、数およびまたは寸法が異なるだけであり、機能および用途は同一である。よって、図１０および図１１に示す変形例の各構成は、図１～９を用いて説明した実施形態における各構成と同じ参照番号を用い、重複する説明を省略する。
【0107】
図１０に示す変形例の底板６７では、平面視において、第１貫通孔６５－１および第４貫通孔６５－４のそれぞれの幾何学的な重心を結ぶ線分の垂直二等分線は、入口４１の幾何学的な重心を通る。また、本実施形態では、平面視において、第１貫通孔６５－１および第４貫通孔６５－４は入口４１の両側に位置し、第２貫通孔６５－２および第３貫通孔６５－３は出口４２の両側に位置する。また、平面視において、第１貫通孔６５－１および第４貫通孔６５－４を結ぶ線に直交する方向から見た場合に、第２貫通孔６５－２は第１貫通孔６５－１および第４貫通孔６５－４の間に位置する。
【0108】
また、図１０に示す通り、本実施形態では更に、平面視において、入口４１の幾何学的な重心が、第１貫通孔６５－１、第４貫通孔６５－４および第２貫通孔６５－２を頂点とする仮想的な三角形Ａの内側に位置する。同様に、平面視において、出口４２の幾何学的な重心が、第２貫通孔６５－２、第３貫通孔６５－３および第４貫通孔６５－４を頂点とする仮想的な三角形Ｂの内側に位置する。
【0109】
本実施形態では更に、第１貫通孔６５－１および第４貫通孔６５－４を結ぶ直線に直交する方向から見た場合に、第２貫通孔６５－２の少なくとも一部は第４貫通孔６５－４と重なり、第５貫通孔６５－５の少なくとも一部は第３貫通孔６５－３と重なる。また、第１貫通孔６５－１および第４貫通孔６５－４を結ぶ直線に直交する方向から見た場合に、第６貫通孔６５－６の少なくとも一部は第１貫通孔６５－１と重なる。
【0110】
また、本実施形態において、入口４１の外縁は、平面視において、第１貫通孔６５－１、第４貫通孔６５－４および第２貫通孔６５－２を頂点とする仮想的な三角形の内側に位置する。また同様に、出口４２の外縁は、平面視において、第３貫通孔６５－３、第２貫通孔６５－２および第４貫通孔６５－４を頂点とする仮想的な三角形の内側に位置してよい。本変形例による半導体モジュール１００によっても、上記と同様の効果を奏する。
【0111】
図１１に示す変形例の底板６８では、第５貫通孔６５－５および第６貫通孔６５－６を含まない点を除いては、図１～図９を用いて説明した底板６４の構成と同様である。本変形例による半導体モジュール１００によっても、上記と同様の効果を奏する。
【0112】
図１２は、本発明の一つの実施形態に係る車両２００の概要を示す図である。車両２００は、少なくとも一部の推進力を、電力を用いて発生する車両である。一例として車両２００は、全ての推進力をモーター等の電力駆動機器で発生させる電気自動車、または、モーター等の電力駆動機器と、ガソリン等の燃料で駆動する内燃機関とを併用するハイブリッド車である。
【0113】
車両２００は、モーター等の電力駆動機器を制御する制御装置２１０（外部装置）を備える。制御装置２１０には、半導体モジュール１００が設けられている。半導体モジュール１００は、電力駆動機器に供給する電力を制御してよい。
【0114】
図１３は、本発明の複数の実施形態に係る半導体モジュール１００の主回路図である。半導体モジュール１００は、出力端子Ｕ、ＶおよびＷを有する三相交流インバータ回路として機能し、車両のモーターを駆動する車載用ユニットの一部であってよい。
【0115】
半導体モジュール１００において、半導体チップ７８－１、７８－２および７８－３は上アームを、半導体チップ７８－４、７８－５および７８－６は下アームを構成してよい。一組の半導体チップ７８－１、７８－４はレグ（Ｕ相）を構成してよい。一組の半導体チップ７８－２、７８－５、一組の半導体チップ７８－３、７８－６も同様にレグ（Ｖ相、Ｗ相）を構成してよい。半導体チップ７８－４において、エミッタ電極が入力端子Ｎ１に、コレクタ電極が出力端子Ｕに、それぞれ電気的に接続してよい。半導体チップ７８－１において、エミッタ電極が出力端子Ｕに、コレクタ電極が入力端子Ｐ１に、それぞれ電気的に接続してよい。同様に、半導体チップ７８－５、７８－６において、エミッタ電極がそれぞれ入力端子Ｎ２、Ｎ３に、コレクタ電極がそれぞれ出力端子Ｖ、Ｗに、電気的に接続してよい。さらに、半導体チップ７８－２、７８－３において、エミッタ電極がそれぞれ出力端子Ｖ、Ｗに、コレクタ電極がそれぞれ入力端子Ｐ２、Ｐ３に、電気的に接続してよい。
【0116】
各半導体チップ７８－１から７８－６は、対応する制御端子に入力される信号により交互にスイッチングされてよい。本実施形態において、各半導体チップ７８はスイッチング時に発熱してよい。入力端子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は外部電源の正極に、入力端子Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３は外部電源の負極に、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗは負荷にそれぞれ接続してよい。入力端子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は互いに電気的に接続されてよく、また、他の入力端子Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３も互いに電気的に接続されてよい。
【0117】
半導体モジュール１００において、複数の半導体チップ７８－１から７８－６は、それぞれＲＣ‐ＩＧＢＴ（逆導通ＩＧＢＴ）半導体チップであってよい。また、半導体チップ７８－１から７８－６は、それぞれＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのトランジスタとダイオードとの組み合わせを含んでよい。
【0118】
以上の複数の実施形態の説明において、例えば「略直交」、「略同じ」、「略一致」、「略一定」、「略対称」、「略菱形」、「略矩形」などのように、「略」との言葉を一緒に用いて特定の状態を表現している場合があるが、これらは何れも、厳密に当該特定の状態であるものだけでなく、概ね当該特定の状態であるものを含む意図である。
【0119】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【0120】
例えば、上記の実施形態においては、半導体モジュール１００が３つの半導体装置７０を備える構成として説明したが、これに代えて、１つ、２つ、又は、４つ以上の半導体装置７０を備えてもよい。
【0121】
例えば、フィン９４は、格子状に、好ましくは斜格子状あるいは菱形格子状に配置されてもよい。また例えば、入口４１および出口４２は、冷媒流通部９２において、冷却領域９５と隣接し、対角線上に設けられてもよい。また例えば、入口４１および出口４２の開口は、平面視において、長辺９６の方向の長さが短辺９３の方向の長さより大きくてもよい。
【0122】
例えば、上記の実施形態においては、ベースプレート４０において、天板２０、側壁３６およびフィン９４は一体的に形成されている構成として説明したが、これに代えて、天板２０、側壁３６およびフィン９４は、それぞれ個別に形成された後に固着剤９８などで互いに固着されてもよい。また、天板２０および側壁３６が一体的に形成されて、別個に形成されたフィン９４が天板２０に固着されてもよい。また、天板２０およびフィン９４が一体的に形成されて、別個に形成された側壁３６が天板２０に固着剤９８などで固着されてもよい。また、側壁３６および底板６４が、例えば絞り加工によって一体的に形成されて、別個に形成された天板２０が側壁３６に固着剤９８などで、例えばロウ付けによって固着されてもよい。この場合、側壁３６は、ｘｙ平面を外方に向かって延在し、側壁３６の当該延在面と天板２０の下面２４とが接続されてもよい。
【0123】
また、例えば、上記の実施形態においては、フィン９４は、天板２０と一体的に形成され、底板６４に向かって延在する構成として説明したが、これに代えて、フィン９４は、底板６４と一体的に形成され、底板６４から天板２０に向かって延在してもよい。なお、この場合において、フィン９４の先端と天板２０との間が固着剤９８などで固着されてもよい。
【0124】
また、例えば、上記の実施形態においては、フィン９４は、天板２０と底板６４との間を、天板２０の主面の法線方向に延在する、すなわち天板２０および底板６４に対して垂直に延在する構成として説明したが、これに代えて、フィン９４は、天板２０と底板６４との間を、天板２０の主面の法線方向に対して角度を有するように斜めに延在してもよい。また、フィン９４のｘｙ平面における断面の寸法は、ｚ軸方向において一定であってもよく、変化してもよく、より具体的な一例として、先端に向かって先細りになるように、天板２０および底板６４の何れか一方から他方へと延在してもよい。
【0125】
また、例えば、上記の実施形態においては、複数のフィン９４は、それぞれピンフィンとして説明したが、これに代えて、板状のブレードフィンであってもよく、例えば天板２０の主面に平行な断面の形状が細長い長方形であってもよい。
【0126】
また、例えば、上記の実施形態の図面においては、平面視において、側壁３６の内方側を折れ線として説明したが、折れ線に限られず、直線や曲線であってもよい。例えば、平面視において、側壁３６等の内方側は、冷媒流通部９２の側に弓状に膨らんだ曲線であってもよく、これと反対側に弓状に凹んだ曲線であってもよい。
【0127】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【0128】
１０ 冷却装置、２０ 天板、２２ 上面、２４ 下面、２５ 補強部、３０ ヘッダ、３０－１ 第１のヘッダ、３０－２ 第２のヘッダ、３６ 側壁、３６－１ 肉薄部、３６－２ 肉厚部、４０ ベースプレート、４１ 入口、４２ 出口、６４、６７、６８ 底板、６５ 貫通孔、６５－１ 第１貫通孔、６５－２ 第２貫通孔、６５－３ 第３貫通孔、６５－４ 第４貫通孔、６５－５ 第５貫通孔、６５－６ 第６貫通孔、７０ 半導体装置、７０Ｕ Ｕ相ユニット、７０Ｖ Ｖ相ユニット、７０Ｗ Ｗ相ユニット、７１ 樹脂構造体、７３ 導電性接続部、７５ 陥凹部、７７ 貫通孔、７７－１ 第１貫通孔、７７－２ 第２貫通孔、７７－３ 第３貫通孔、７７－４ 第４貫通孔、７７－５ 第５貫通孔、７７－６ 第６貫通孔、７２ 収容部、７４ 封止部、７６ 回路基板、７８ 半導体チップ、７９ はんだ、８０ 貫通孔、８０－１ 第１貫通孔、８０－２ 第２貫通孔、８０－３ 第３貫通孔、８０－４ 第４貫通孔、８０－５ 第５貫通孔、８０－６ 第６貫通孔、８１ 絶縁板、８３ 回路層、８５ 金属層、９２ 冷媒流通部、９３ 短辺、９６ 長辺、９４ フィン、９５ 冷却領域、９８ 固着剤、１００ 半導体モジュール、１２０ 締結部材、１３０ 冷媒供給ユニット、１３１ 貫通孔、１３１－１ 第１貫通孔、１３１－２ 第２貫通孔、１３１－３ 第３貫通孔、１３１－４ 第４貫通孔、１３１－５ 第５貫通孔、１３１－６ 第６貫通孔、１４１ 導入口、１４２ 導出口、１４３ 導入管、１４４ 導出管、２００ 車両、２１０ 制御装置
【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】
