(57)【要約】【課題】本明細書は、半導体素子を収容した半導体モジュールに冷却器が接している半導体装置に関し、冷媒下流側に位置する半導体素子に対する冷却効果を高める。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置は、複数の半導体素子を収容している半導体モジュールと、複数の半導体素子と対向するように半導体モジュールに接している冷却器を備えている。冷却器は、複数の半導体素子の並び方向に沿って冷媒を通す流路を有している。冷却器の流路は、冷却器と前記半導体モジュールの積層方向からみたときに、複数の半導体素子の夫々に対応する複数の個別流路に仕切られている。夫々の個別流路は、対応する半導体素子に面する領域における流路幅が、その領域よりも上流側の流路幅よりも大きい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体素子を収容している半導体モジュールと、
前記複数の半導体素子の夫々と対向するように前記半導体モジュールに接しているとともに、前記複数の半導体素子の並び方向に沿って冷媒を通す流路を有している冷却器と、
を備えており、
前記流路は、前記冷却器と前記半導体モジュールの積層方向からみたときに、前記複数の半導体素子の夫々に対応する複数の個別流路に仕切られており、
夫々の前記個別流路は、対応する前記半導体素子に面する領域における流路幅が、前記領域よりも上流側の流路幅よりも大きい、半導体装置。
【請求項２】
前記個別流路は、前記積層方向からみたときに、対応する前記半導体素子よりも上流側の前記半導体素子と重ならないように配置されている、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
複数の前記個別流路の圧力損失が等しい、請求項１または２に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、半導体モジュールに冷却器が接している半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子を収容した半導体モジュールに冷却器が接している半導体装置が知られている（例えば特許文献１−３）。特許文献１−３に記載された半導体装置では、冷却器は、扁平な半導体モジュールの幅広面に接している。冷却器は、内部に冷媒の流路を有しており、冷媒は、半導体モジュールの幅広面に沿って流れる。特許文献１、２の半導体装置では、冷媒は、半導体モジュールの長手方向に沿って流れる。特許文献３の半導体装置では、２個の半導体モジュールに対向するように冷却器が密着しており、２個の半導体モジュールの並び方向に沿って冷媒が流れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−０５０２３２号公報
【特許文献２】特開２０１６−１３１２０９号公報
【特許文献３】特開２００９−１９４０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体モジュールの内部で半導体素子が冷媒の流れ方向に並んでいる場合、下流側の半導体素子に対する冷却効果が上流側に比べて下がってしまう。冷媒が下流側の半導体素子に到達する前に、上流側の半導体素子の熱で冷媒の温度が上昇してしまうためである。本明細書は、半導体モジュールに冷却器が接している半導体装置において、冷媒流の下流側の半導体素子に到達するまでの冷媒の温度上昇を抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体装置は、複数の半導体素子を収容している半導体モジュールと、複数の半導体素子と対向するように半導体モジュールに接している冷却器を備えている。複数の半導体素子は、一つの半導体モジュールに収容されていてもよいし、複数の半導体モジュールに分散していてもよい。冷却器は、熱的に半導体モジュールに接していればよく、半導体モジュールと接する面にグリスや絶縁シートを備えていてもよい。冷却器は、複数の半導体素子の並び方向に沿って冷媒を通す流路を有している。冷却器の流路は、冷却器と半導体モジュールの積層方向からみたときに、複数の半導体素子の夫々に対応する複数の個別流路に仕切られている。夫々の個別流路は、対応する半導体素子に面する領域における流路幅が、その領域よりも上流側の流路幅よりも大きい。なお、最上流側の半導体素子に対応する個別流路は、この限りではない。すなわち、下流側の半導体素子に対応する個別流路は、対応する半導体素子に面する領域における流路幅が、その領域よりも上流側の流路幅よりも大きい。
【０００６】
上記した個別流路を流れる冷媒は、流路幅の狭い上流側では流速が速くなり、あまり熱を吸収しないうちに対応する半導体素子の領域に達する。すなわち、対応する半導体素子に到達する前の冷媒の温度上昇が抑制される。それゆえ、冷媒の下流側に位置する半導体素子に対する冷却効果が向上する。
【０００７】
個別流路は、半導体モジュールと冷却器の積層方向からみたときに対応する半導体素子よりも上流側の半導体素子と重ならないように配置されているとよい。冷媒が上流側の半導体素子から熱を受け難くなり、冷媒の温度上昇が一層抑制される。
【０００８】
本明細書が開示する半導体装置では、複数の個別流路の圧力損失が等しくなるように個別流路が形成されているとよい。圧力損失が等しいと、個別流路に流れる冷媒の流量が概ね等しくなり、複数の半導体素子を均等に冷却することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施例の半導体装置の斜視図である。
【図２】積層ユニットの正面図である。
【図３】図２のIII−III線に沿った断面図である。
【図４】図２のIV−IV線に沿った断面図である。
【図５】図５（Ａ）は、変形例の半導体装置（積層ユニット）の正面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図６】第２実施例の半導体装置（積層ユニット）の正面図である。
【図７】第３実施例の半導体装置の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１実施例）図１−図４を参照して第１実施例の半導体装置２を説明する。図１は、半導体装置２の斜視図である。半導体装置２は、複数の冷却器１０と複数の半導体モジュール２０が１個ずつ交互に積層された積層ユニット５を備えている。積層ユニット５は、ケース６に収容されている。図１では、理解を助けるため、ケース６は仮想線で描いてある。ケース６は、簡略化して描いてあり、積層ユニット５以外の部品については図示を省略した。また、図１では、理解を助けるために、１個の半導体モジュール２０を積層ユニット５から抜き出して描いてある。
【００１１】
積層ユニット５は、半導体モジュール２０と冷却器１０の積層方向の一端がケース６の内壁に押し当てられている。積層ユニット５の積層方向の他端とケース６の内壁の間にはバネ７が挿入されている。バネ７により、積層ユニット５は、積層方向に加圧された状態でケース６に収容されている。バネ７の荷重により、半導体モジュール２０と冷却器１０が密着し、半導体モジュール２０から冷却器１０への伝熱効率が高められている。なお、図中の座標系のＸ方向が半導体モジュール２０と冷却器１０の積層方向に相当する。以降の図でも同様である。
【００１２】
半導体モジュール２０は、樹脂製のパッケージ２１の内部に２個の半導体素子２２ａ、２２ｂが封止されたデバイスである。半導体素子２２ａ、２２ｂは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のチップである。２個の半導体素子２２ａ、２２ｂは、パッケージ２１の内部で直列に接続されている。２個の半導体素子２２ａ、２２ｂの直列接続の正極、負極、及び、中点が、それぞれパワー端子２３ａ、２３ｂ、２３ｃとしてパッケージ２１の外部へ延びている。パッケージ２１の下面からは、複数の制御端子が延びている。複数の制御端子は、半導体素子２２ａ、２２ｂのゲートと導通している端子や、センスエミッタに導通している端子などである。
【００１３】
積層ユニット５において、隣り合う冷却器１０が２個の連結管４ａ、４ｂで接続されている。冷却器１０の内部は冷媒が通る空間（後述する流路１３）になっている。連結管４ａ、４ｂは、隣り合う冷却器１０の流路１３を連通する。連結管４ａ、４ｂは、積層方向と直交する方向（図中の座標系のＹ方向）で半導体モジュール２０を挟み込むように配置されている。
【００１４】
積層方向の一端の冷却器１０には、冷媒供給口３ａと冷媒排出口３ｂが設けられている。冷媒供給口３ａは、積層方向からみたときに一方の連結管４ａと重なるように設けられており、冷媒排出口３ｂは他方の連結管４ｂと重なるように設けられている。冷媒供給口３ａと冷媒排出口３ｂは不図示の冷媒循環装置に接続されている。冷媒供給口３ａから供給された冷媒は、連結管４ａを通じて複数の冷却器１０に分配される。冷媒は夫々の冷却器１０を通過する間に隣接する半導体モジュール２０の半導体素子２２ａ、２２ｂから熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、連結管４ｂと冷媒排出口３ｂを通じて積層ユニット５から排出され、不図示の冷媒循環装置に戻る。冷媒は、各冷却器１０を図中の座標系のＹ方向に流れる。冷媒は液体であり、典型的には、水、あるいは、不凍液である。
【００１５】
冷却器１０は、隣接する半導体モジュール２０を冷却する。より具体的には、冷却器１０は、隣接する半導体モジュール２０に埋設されている複数の半導体素子２２ａ、２２ｂを冷却する。半導体モジュール２０のパッケージ２１の内部で２個の半導体素子２２ａ、２２ｂは、図中の座標系のＹ方向に並んでいる。先に述べたように、Ｙ方向は冷媒の流れる方向であるから、各冷却器１０は、複数の半導体素子２２ａ、２２ｂに対向するように半導体モジュール２０に接しているとともに、複数の半導体素子２２ａ、２２ｂの並び方向に沿って冷媒を通す。それゆえ、２個の半導体素子２２ａ、２２ｂのうち、＋Ｙ側に位置する半導体素子２２ｂは、冷媒流の下流側に位置する。冷却器１０の内部が単純な空洞であると、冷媒流の上流側に位置する半導体素子２２ａはよく冷却されるが、下流側に位置する半導体素子２２ｂに到達するまでに冷媒の温度が上昇し、下流側の半導体素子に対する冷却効果が下がってしまう。半導体装置２では、下流側に位置する半導体素子２２ｂに到達するまでの冷媒の温度上昇を抑制する構造が採用されている。その構造について次に説明する。
【００１６】
図２に、積層ユニット５（半導体装置２）の正面図を示す。図３に図２のIII−III線に沿った断面図を示し、図４に図２のIV−IV線に沿った断面図を示す。図２は、冷却器１０と半導体モジュール２０の積層方向（Ｘ方向）から見た図に相当する。図３は、冷媒流の上流側に位置する半導体素子２２ａを横断する断面を示しており、図４は、冷媒流の下流側に位置する半導体素子２２ｂを横断する断面を示している。なお、図３、図４では、一対の冷却器１０とそれらの間に挟まれている半導体モジュール２０のみを示してあり、他の半導体モジュールと冷却器は図示を省略した。また、図３、図４では、パワー端子２３や連結管４ａや冷媒供給口３ａの図示も省略した。また、図３、図４では、半導体モジュール２０の内部の部品のうち、半導体素子２２ａ、２２ｂ以外の部品（例えば、半導体素子２２ａ、２２ｂとパワー端子を接続する導電部材など）は図示を省略した。
【００１７】
冷却器１０の内部には流路１３が形成されている。流路１３には、仕切壁１２が設けられている。流路１３は、仕切壁１２によって、冷媒流れ方向（Ｙ方向）と交差する方向（Ｚ方向）で２個の個別流路１３ａ、１３ｂに仕切られている。個別流路の数は、冷却器１０に接している半導体モジュール２０が有する半導体素子の数に一致する。個別流路１３ａは上流側の半導体素子２２ａに対応し、個別流路１３ｂは下流側の半導体素子２２ｂに対応する。個別流路１３ａ、１３ｂは、流路幅が冷媒流れ方向で変化する。個別流路１３ａは、積層方向（Ｘ方向）において対応する半導体素子２２ａと重なっており、半導体素子２２ａと重なる領域での流路幅Ｗａ１が、下流側での流路幅Ｗａ２よりも広くなっている。個別流路１３ｂは、積層方向（Ｘ方向）において対応する半導体素子２２ｂと重なっており、半導体素子２２ｂと重なる領域での流路幅Ｗｂ２が、それよりも上流側での流路幅Ｗｂ１よりも広くなっている。また、下流側の半導体素子２２ｂに対応する個別流路１３ｂは、積層方向（Ｘ方向）からみて上流側の半導体素子２２ａと重ならないように配置されている。
【００１８】
下流側の半導体素子２２ｂに対応する個別流路１３ｂの効果を説明する。個別流路１３ｂは、対応する半導体素子２２ｂと重なる領域での流路幅Ｗｂ２が、それよりも上流側における流路幅Ｗｂ１よりも大きい。個別流路１３ｂの上流側と下流側で冷媒流量が同じであるから、流路幅の狭い範囲での流速が流路幅の広い範囲での流速よりも速くなる。冷媒は、上流側の半導体素子２２ａの横を高速に流れるから、熱をあまり吸収しないうちに下流へ移動する。熱を吸収していない冷媒が、積層方向からみて半導体素子２２ｂと重なる領域で流路幅Ｗｂ２へ広がり、半導体素子２２ｂの熱を吸収する。個別流路１３ｂを通る冷媒は、対応する半導体素子２２ｂに到達するまでに温度があまり上昇しないので、下流側の半導体素子２２ｂに対する冷却効果が向上する。
【００１９】
上流側の半導体素子２２ａと重なる領域には幅が広い個別流路１３ａを通じて新しい冷媒が流れ込むのでもともと冷却効率は良い。個別流路１３ａに隣接する個別流路１３ｂは上流側の流路幅Ｗｂ１が狭く、下流側の流路幅Ｗｂ２が広い。それゆえ、個別流路１３ａは、必然的に、上流側の流路幅Ｗａ１が広く、下流側の流路幅Ｗａ２が狭くなる。
【００２０】
（変形例）図５を参照して第１実施例の半導体装置２の変形例を説明する。半導体装置２の変形例は、第１実施例の半導体装置２の流路１３に整流板１８が付加されている。図５（Ａ）は、図２の正面図に整流板１８を加えた図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。整流板１８は、個別流路１３ａに設けられているが、図５（Ａ）では理解を助けるために、整流板１８をグレーで示した。図５（Ｂ）は、図３の断面図に整流板１８を加えた図でもある。
【００２１】
複数の個別流路１３ａ、１３ｂの圧力損失は等しいことが望ましい。圧力損失が等しければ、個別流路１３ａ、１３ｂを流れる冷媒の流量が概ね等しくなり、夫々の半導体素子２２ａ、２２ｂに対する冷却効果が均一化される。図１−図４の半導体装置２において、例えば個別流路１３ａの圧力損失が個別流路１３ｂの圧力損失よりも小さい場合、個別流路１３ａに整流板１８を加える。整流板１８は、個別流路１３ａの上流側の流路幅Ｗａ１（図５（Ｂ）参照）を狭めるので個別流路１３ａの圧力損失が高まる。これによって、個別流路１３ａ、１３ｂの圧力損失の差が縮まり、個別流路１３ａ、１３ｂを流れる冷媒の流量差が小さくなる。その結果、半導体素子２２ａ、２２ｂに対する冷却効果が同じ程度になる。整流板１８の位置と形状は、望ましい圧力損失の大きさに応じて定めればよい。
【００２２】
（第２実施例）図６に、第２実施例の半導体装置１０２における積層ユニット１０５の正面図を示す。第２実施例の半導体装置１０２は、第１実施例の半導体装置２の積層ユニット５と同型の積層ユニット１０５を備えている。積層ユニット１０５は、複数の冷却器１１０と複数の半導体モジュール１２０を１個ずつ交互に積層したデバイスである。半導体モジュール１２０には、３個の半導体素子２２ａ−２２ｃが収容されている。３個の半導体素子２２ａ−２２ｃは、樹脂製のパッケージ１２１の内部で並列に接続されている。パッケージ１２１から延びているパワー端子１２３ａは、パッケージ１２１の内部で並列接続の正極と接続されている。パワー端子１２３ｂは、パッケージ１２１の内部で並列接続の負極と接続されている。
【００２３】
半導体モジュール１２０に接している冷却器１１０は、３個の半導体素子２２ａ−２２ｃの全てに対向しているとともに、３個の半導体素子２２ａ−２２ｃの並び方向に沿って冷媒を通す流路１３を有している。
【００２４】
冷媒は、第１実施例の半導体装置２と同様に、冷媒供給口３ａから供給され、流路１３を通り、冷媒排出口３ｂから排出される。流路１３は、２個の仕切壁１１２、１１３によって、冷媒の流れる方向（図中のＹ方向）と交差する方向（Ｚ方向）で３個の個別流路１３ａ−１３ｃに仕切られている。
【００２５】
個別流路１３ａは、最上流側の半導体素子２２ａに対応しており、積層方向（Ｘ方向）からみて半導体素子２２ａと重なる領域の流路幅Ｗａが、下流の流路幅よりも広くなっている。
【００２６】
個別流路１３ｂは、上流と下流の間に位置する半導体素子２２ｂに対応している。個別流路１３ｂは、積層方向からみて半導体素子２２ｂと重なる領域の流路幅Ｗｂが、半導体素子２２ｂよりも上流側の流路幅よりも大きい。また、流路幅Ｗｂは、半導体素子２２ｂよりも下流側の流路幅よりも大きい。
【００２７】
個別流路１３ｃは、最下流側の半導体素子２２ｃに対応しており、積層方向からみて半導体素子２２ｃと重なる領域の流路幅Ｗｃが、それよも上流の流路幅よりも広くなっている。
【００２８】
個別流路１３ｂは対応する半導体素子２２ｂよりも上流側で流路幅が狭い。上流と下流で流量は同じであるから、流路幅の狭い箇所では流速が速い。それゆえ、個別流路１３ｂでは、冷媒は、対応する半導体素子２２ｂに到達するまでにあまり温度が上がらない。温度上昇が抑制された冷媒は、流路幅が広がったところで流速が下がるとともに対応する半導体素子２２ｂに到達する。個別流路１３ｂの流路幅Ｗｂは、積層方向からみて半導体素子２２ｂを覆う大きさを有しており、冷媒は半導体素子２２ｂの熱を良く吸収する。個別流路１３ｂは、半導体素子２２ａよりも下流側に位置する半導体素子２２ｂに対する冷却効果を高める。また、個別流路１３ｂは、積層方向からみて、半導体素子２２ｂよりも上流側の半導体素子２２ａとは重ならない。この点も、個別流路１３ｂを流れる冷媒が対応する半導体素子２２ｂに到達する前に温度が上昇することを抑える。個別流路１３ｃについても同様である。
【００２９】
また、個別流路１３ａには整流板１８ａが設けられており、個別流路１３ｃには整流板１８ｂが設けられている。整流板１８ａ（１８ｂ）は、個別流路１３ａ（１３ｃ）の中に設けられているが、図６では理解を助けるために、整流板１８ａ（１８ｂ）をグレーで塗りつぶしてある。
【００３０】
整流板１８ａは、個別流路１３ａの圧力損失を高め、個別流路１３ｂの圧力損失に近づける。整流板１８ｂは、個別流路１３ｃの圧力損失を高め、個別流路１３ｂの圧力損失に近づける。即ち、整流板１８ａ、１８ｂは、３個の個別流路１３ａ−１３ｃの圧力損失を同じ値に近づけるために設けられている。３個の個別流路１３ａ−１３ｃの圧力損失が同じになれば、３個の半導体素子２２ａ−２２ｃが均一に冷却される。
【００３１】
（第３実施例）図７に、第３実施例の半導体装置２０２の平面図を示す。第３実施例の半導体装置２０２は、複数の半導体素子２２ａ−２２ｆを収容している半導体モジュール２２０と、半導体モジュール２２０に接している冷却器２１０を備えている。冷却器２１０は、図中の座標系のＸ方向で半導体モジュール２２０に接している。冷却器２１０は、６個の半導体素子２２ａ−２２ｆの全てと対向している。冷却器２１０は、内部が流路１３になっているとともに、冷媒を取り入れる冷媒供給口３ａと、冷媒を排出する冷媒排出口３ｂを有している。冷媒は流路１３の中を、半導体素子２２ａ−２２ｆの並び方向（図中の座標系のＹ方向）に沿って流れる。
【００３２】
流路１３は、複数の仕切壁２１２−２１６によって個別流路１３ａ−１３ｆに仕切られている。個別流路１３ａ−１３ｆは、それぞれ、半導体素子２２ａ−２２ｆの夫々に対応している。個別流路１３ａ（１３ｄ）は、最上流側の半導体素子２２ａ（２２ｄ）に対応しており、積層方向（Ｘ方向）からみて半導体素子２２ａ（２２ｄ）と重なる領域の流路幅Ｗａ（Ｗｄ）が、下流の流路幅よりも広くなっている。
【００３３】
個別流路１３ｂ（１３ｅ）は、上流と下流の間に位置する半導体素子２２ｂ（２２ｅ）に対応している。個別流路１３ｂ（１３ｅ）は、積層方向からみて半導体素子２２ｂ（２２ｅ）と重なる領域の流路幅Ｗｂ（Ｗｅ）が、半導体素子２２ｂ（２２ｅ）よりも上流側の流路幅よりも大きい。また、流路幅Ｗｂ（Ｗｅ）は、半導体素子２２ｂ（２２ｅ）よりも下流側の流路幅よりも大きい。
【００３４】
個別流路１３ｃ（１３ｆ）は、最下流側の半導体素子２２ｃ（２２ｆ）に対応しており、積層方向からみて半導体素子２２ｃ（２２ｆ）と重なる領域の流路幅Ｗｃ（Ｗｆ）が、それよも上流の流路幅よりも広くなっている。
【００３５】
第３実施例の半導体装置２０２も、半導体装置２、１０２と同様に、冷媒下流側の半導体素子に対する冷却効果を高めることができる。また、個別流路１３ａ−１３ｆは、半導体モジュール２２０と冷却器２１０の積層方向において、対応する半導体素子よりも上流側の半導体素子とは重ならないように配置されている。この点も、対応する半導体素子に到達するまでの冷媒の温度上昇を抑える。
【００３６】
また、個別流路１３ａ、１３ｄには、圧力損失を高めるための整流板１９ａが設けられている。個別流路１３ｃ、１３ｆには、圧力損失を高めるための整流板１９ｂが設けられている。整流板１９ａ、１９ｂによって、６個の個別流路１３ａ−１３ｆの圧力損失が均一化する。その結果、半導体素子２２ａ−２２ｆに対する冷却効果が均一化する。
【００３７】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。個別流路には、冷媒への伝熱効率を高めるフィンが設けられていても良い。第３実施例のように半導体モジュール内で半導体素子が二次元的に配置されている場合、冷却器は、二次元的に拡がっている半導体素子群と平行に冷媒を通す流路を有していればよい。
【００３８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３９】
２、１０２、２０２：半導体装置
５、１０５：積層ユニット
１０、１１０、２１０：冷却器
１２、１１２、１１３、２１２−２１６：仕切壁
１３：流路
１３ａ−１３ｆ：個別流路
１８、１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ：整流板
２０、１２０、２２０：半導体モジュール
２１、１２１：パッケージ
２２ａ−２２ｆ：半導体素子
【図１】
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【図２】
2020031079.tif 000004
【図３】
2020031079.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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