(57)【要約】【課題】本明細書は、内部に流路が形成されている複数の冷却器が平行に配置されているとともに、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールが挟まれている積層ユニットを備えている半導体装置において、積層方向の端の冷却器の変形を抑制する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置は、積層ユニット１０とケース３とバネ５を備えている。積層ユニット１０は、ケース３の突出部４と第１側壁３ａの間にバネ５とともに挟まれている。それぞれの冷却器６は、内部の流路を積層方向に二分する中板１４を備えている。突出部４に隣り合う冷却器６ａの二分された流路Ｐａ、Ｐｂのうち、突出部４に近い側の流路Ｐａには、冷却器６ａの外板１２と中板１４に接するブロック１９が配置されている。半導体モジュール７の冷却に影響を与えない流路Ｐａにブロック１９を配置したことで、冷却器６ａの変形が抑制される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に流路が形成されている複数の冷却器が平行に配置されているとともに、隣り合う前記冷却器の間に半導体モジュールが挟まれている積層ユニットと、
前記積層ユニットを収容しているケースであって、前記冷却器と前記半導体モジュールの積層方向において前記積層ユニットを挟み込むように支持する第１支持部及び第２支持部を有しているケースと、
前記第１支持部と前記積層ユニットの間に挿入されており、前記積層ユニットを前記積層方向に加圧するバネと、
を備えており、
前記積層ユニットは、隣り合う前記冷却器を連通する一対の連結管を備えているとともに、前記一対の連結管は、前記半導体モジュールの両側に位置しており、
前記積層ユニットの前記第２支持部に隣り合う前記冷却器には、前記積層方向からみて前記一対の連結管のそれぞれと重なる位置にて一対の冷媒給排管が連結されており、
前記第２支持部は、前記一対の冷媒給排管の間に位置しており、
それぞれの前記冷却器は、内部の流路を積層方向に二分する中板を備えており、
前記第２支持部に隣り合う前記冷却器の二分された前記流路のうち、前記第２支持部に近い側の前記流路には、前記冷却器の外板と前記中板に接するブロックが配置されている、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、半導体装置に関する。特に、複数の冷却器が平行に配置されているとともに、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールが挟まれている積層ユニットを備えている半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の冷却器が平行に配置されているとともに隣り合う冷却器の間に半導体モジュールが挟まれている積層ユニットを備えている半導体装置が特許文献１に開示されている。半導体モジュールは、電力変換用のパワートランジスタを収容している。例えば電気自動車の走行用モータを駆動するインバータなどで、上記した積層ユニットが用いられている。インバータのパワートランジスタは、数十アンペアの電流が流れ得るため、発熱量が大きい。積層ユニットは、複数のパワートランジスタ（半導体モジュール）を効果的に冷却できる。
【０００３】
それぞれの冷却器は内部が流路になっており、積層ユニットは、隣り合う冷却器を連通する一対の連結管を備えている。一対の連結管は、半導体モジュールの両側に位置している。積層ユニットの積層方向の一方の端の冷却器には、積層方向からみて一対の連結管のそれぞれと重なる位置に、一対の冷媒給排管が連結されている。一対の冷媒給排管は外部の冷媒循環装置に接続される。冷媒循環装置から供給される冷媒は連結管を通じて全ての冷却器に分配される。冷却器の内部の流路を流れる間に冷媒は隣接する半導体モジュールの熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、他方の連結管を通じて冷媒循環装置に戻る。
【０００４】
積層ユニットはケースに収容されている。ケースは、積層ユニットを積層方向で挟み込むように支持する一対の支持部を有している。説明の都合上、冷媒給排管が接続されている側の端を支持する支持部を第２支持部と称し、反対側の端を支持する支持部を第１支持部と称する。第１支持部と積層ユニットの間にはバネが挿入されている。バネは、積層ユニットを積層方向に加圧する。加圧によって半導体モジュールと冷却器が密着し、半導体モジュールに対する冷却効果が高まる。特許文献１の半導体装置では、冷媒給排管が連結される積層ユニットの端を支持する第２支持部は、一対の冷媒給排管の間に位置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１８−１０１６９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
冷却器は金属の薄板で作られており、内部が空洞であるため、剛性が高くない。第２支持部は一対の冷媒給排管の間に位置している。積層ユニットは、積層方向からみて中央部分はケースによってしっかりと支持されているが、積層方向からみた両端部分（冷媒給排管が配置されている部分）は第２支持部に当接しておらず、しっかりと支持されていない。しかも、隣り合う冷却器は、両端部分が連結管で連結されている。そのような状態で積層ユニットの中央部分を加圧すると、各冷却器は、両端部分に比べて中央部分が強く圧縮される。両端部分は中央部分ほどには圧縮されず、そのため、冷媒給排管が接続されている端部冷却器（積層ユニットの端の冷却器）が「く」の字状に変形する。そうすると、全ての冷却器において半導体モジュールと接している範囲の面圧の均一性が下がってしまう。冷却器の半導体モジュールに接している範囲の面圧不均一化は冷却効率を下げてしまう。本明細書は、積層ユニットの端の冷却器（冷媒給排管が接続されている冷却器）の変形を抑える技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示する半導体装置は、積層ユニットと、積層ユニットを収容しているケースと、積層ユニットを加圧しているバネを備えている。先に述べたように、積層ユニットは、内部に流路が形成されている複数の冷却器が平行に配置されているとともに、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールが挟まれているデバイスである。ケースは、積層方向（冷却器と半導体モジュールの積層方向）において積層ユニットを挟むように支持する第１支持部及び第２支持部を有している。バネは、第１支持部と積層ユニットの間に挿入されており、積層ユニットを積層方向に加圧する。積層ユニットは、隣り合う冷却器を連通する一対の連結管を備えているとともに、一対の連結管は、半導体モジュールの両側に位置している。積層ユニットの第２支持部に隣り合う冷却器（積層方向の一端の冷却器）には、積層方向からみて一対の連結管のそれぞれと重なる位置に、一対の冷媒給排管が連結されている。第２支持部は、一対の冷媒給排管の間に位置している。それぞれの冷却器は、内部の流路を積層方向に二分する中板を備えている。第２支持部に隣り合う冷却器の二分された流路のうち、第２支持部に近い側の流路には、冷却器の外板と中板に接するブロックが配置されている。
【０００８】
両面のそれぞれに半導体モジュールが接している冷却器では、二分された流路のそれぞれを通る冷媒がそれぞれの半導体モジュールを冷却する。積層方向の端の冷却器では、一方の面には半導体モジュールが接していないため、流路を塞いでも半導体モジュールに対する冷却性能に悪影響はない。そこで、本明細書が開示する半導体装置では、第２支持部に隣り合う冷却器の二分された流路のうち、第２支持部に近い側の流路にはブロックを配置する。ブロックを挿入することにより冷却器全体の剛性が高まるので、バネの加圧による変形を抑えることができる。第２支持部から遠い側の流路にはフィンが配置されているとよい。第２支持部に隣り合う冷却器以外の冷却器の流路にもフィンが設けられているとよい。
【０００９】
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】
【００１０】
【図１】実施例の半導体装置の斜視図である。
【図２】冷却器の分解図である。
【図３】端部冷却器の分解図である。
【図４】図１の半導体装置をＸＹ平面でカットした断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。実施例の半導体装置は、電気自動車に搭載される電力変換器２である。電力変換器２は、バッテリの電力を走行用モータの駆動電力に変換するデバイスである。図１に、電力変換器２の斜視図を示す。電力変換器２は、複数の冷却器６ａ−６ｇと複数の半導体モジュール７が積層されている積層ユニット１０と、積層ユニット１０を収容するケース３を備えている。ケース３には積層ユニット１０以外の部品も収容されているが、それらの図示は省略する。本実施例では、積層ユニット１０とその支持構造に着目するため、ケース３は積層ユニット１０を収容する部位のみを模式的に描いてある。積層ユニット１０の構造を理解し易くするため、図１ではケース３を仮想線で描いてある。図１では、ひとつの半導体モジュールのみに符号７を付し、残りの半導体モジュールには符号７を省略してある。
【００１２】
積層ユニット１０では、扁平な複数の冷却器６ａ−６ｇが平行に配置されているとともに、隣り合う冷却器の間に半導体モジュール７が挟まれている。別言すると、積層ユニット１０は、複数の冷却器６ａ−６ｇと複数の半導体モジュール７が１個ずつ交互に積層されているデバイスである。以下では、複数の冷却器６ａ−６ｇのいずれか１個を区別なく表すときには冷却器６と表記する。
【００１３】
それぞれの冷却器６の内部は空洞であり、その空洞が冷媒の流路になっている。図中の座標系におけるＸ方向が、複数の冷却器６と複数の半導体モジュール７の積層方向に相当する。
【００１４】
半導体モジュール７の本体は、電力変換用のパワートランジスタを内部に封止している樹脂パッケージである。樹脂パッケージからは複数のパワー端子と制御端子が延びているが、図１ではそれらの端子の図示を省略している。パワートランジスタは電力変換器の主要部品であり、数十アンペアの電流が流れるために発熱量が大きい。発熱量の大きいパワートランジスタを扁平なパッケージ（半導体モジュール７）に封止し、積層ユニット１０では扁平な半導体モジュール７を両方の幅広面から冷却する。それゆえ、積層ユニット１０は半導体モジュール７に対する冷却性能が高い。なお、隣り合う半導体モジュール７と冷却器６の対向面にはグリスが塗布されている。グリスは半導体モジュール７から冷却器６への伝熱効率を高める。
【００１５】
積層ユニット１０において隣り合う冷却器６は、一対の連結管８ａ、８ｂで連結されている。先に述べたように、冷却器６の内部は流路になっており、連結管８ａ、８ｂは、隣り合う冷却器６の流路を連通する。一対の連結管８ａ、８ｂは、積層方向からみて半導体モジュール７の両側に位置している。
【００１６】
図２を参照して冷却器６の構造を説明する。図２は、冷却器６の分解図である。冷却器６は、一対の外板１２、１３、中板１４、フィン１５を備えている。先に述べた連結管８ａ、８ｂは、外板１２、１３に連結されている。
【００１７】
外板１２、１３は、その縁に、外板の面外方向に延びるリブを有している。リブは外板１２（１３）の縁を一巡している。一対の外板１２、１３は、間に中板１４を挟んでリブの先端面を合わせるように接合されている。すなわち、冷却器６の内部の流路は、中板１４によって積層方向（図中のＸ方向）に沿って二分される。中板１４は、Ｘ方向で連結管８ａ、８ｂと対向する位置に貫通孔１４ａ、１４ｂを備えている。連結管８ａを通じて冷却器６に流入した冷媒の一部は貫通孔１４ａの手前で中板１４に沿って流れる。冷媒の残部は貫通孔１４ａを通り、さらにその一部が中板１４に沿って流れる。すなわち、中板１４の表裏それぞれの面に沿って冷媒が流れる。冷媒の残部は次の連結管８ａを通過して隣の冷却器６へと流れる。冷却器６の流路を通過した冷媒は、中板１４の他方の貫通孔１４ｂと連結管８ｂを通り、積層ユニット１０の外部へと排出される。
【００１８】
外板１２の内側と中板１４との間にフィン１５が配置されており、外板１３と中板１４の間にもフィン１５が配置されている。フィン１５は波板である。外板１２、１３、中板１４、フィン１５は、熱伝導率の高い金属（例えばアルミニウム）の薄板で作られている。連結管８ａ、８ｂもアルミニウムで作られている。なお、後述するように、積層ユニット１０の両端の冷却器６ａ、６ｇの二分された流路の一方には、フィン１５の代わりにブロックが配置されている。この点については後述する。
【００１９】
図１に戻って電力変換器２の説明を続ける。積層方向（Ｘ方向）の一方の端の冷却器６ａには、一対の冷媒給排管９ａ、９ｂが連結されている。なお、連結管８ａ、８ｂは、冷却器６ａの積層方向の外側にも設けられており、その連結管８ａ、８ｂに、冷媒給排管９ａ、９ｂが嵌合している。冷媒給排管９ａは、積層方向からみて、一方の連結管８ａと重なるように位置している。冷媒給排管９ｂは、積層方向からみて、他方の連結管８ｂと重なるように位置している。
【００２０】
冷媒給排管９ａ、９ｂは、ケース３の第２側壁３ｂを貫通し、ケース３の外部へと延びている。冷媒給排管９ａ、９ｂには、不図示の冷媒循環装置が連結される。冷媒循環装置から供給される冷媒は、冷媒給排管９ａと一方の連結管８ａを通じて全ての冷却器６に分配される。冷媒は、各冷却器６の内部の流路を通過する間に冷却器６に接している半導体モジュール７から熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、他方の連結管８ｂと冷媒給排管９ｂを通じて冷媒循環装置に戻される。冷媒は水、あるいはＬＬＣ（Long Life Coolant）などの液体である。
【００２１】
積層ユニット１０は、ケース３に収容されている。積層ユニット１０は、ケース３の平行な第１側壁３ａと第２側壁３ｂの間に収容されている。第２側壁３ｂには、その内側の面から突出する突出部４が形成されている。積層ユニット１０は、積層方向（図中のＸ方向）が、第１側壁３ａと突出部４を結ぶ方向を向く姿勢で配置される。別言すれば、ケース３は、積層ユニット１０を積層方向に沿って挟み込むように支持する第１側壁３ａと突出部４を有している。積層ユニット１０の端部と第１側壁３ａの間にはバネ５が挿入されている。バネ５は、積層ユニット１０を積層方向に加圧する。ケース３の第１側壁３ａがバネ５を挟んで積層ユニット１０の一端を支持しており、突出部４が積層ユニット１０の他端を支持している。従って別言すれば、第１側壁３ａと突出部４は、バネ５と積層ユニット１０を挟み込むように支持する。
【００２２】
突出部４は、一対の冷媒給排管９ａ、９ｂの間に位置しているとともに、積層方向の端の冷却器６ａに接している。バネ５は、積層ユニット１０の他端の冷却器６ｇに接しており、冷却器６ｇを介して積層ユニット１０の全体を積層方向に加圧する。バネ５の加圧力によって、隣接する冷却器６と半導体モジュール７の密着性が高まり、半導体モジュール７から冷却器６への伝熱効率が高められる。
【００２３】
図１に示されているように、ケース３の突出部４は、一対の冷媒給排管９ａ、９ｂの間で冷却器６ａに接している。冷却器６ａの冷媒給排管９ａ、９ｂの周辺には、バネ５からの圧力を受け止める支持部が無い。一方、複数の冷却器６は、両端部分（図中の座標系におけるＹ方向の両端部分）が連結管８ａ、８ｂによって連結されているため、バネ５の圧力は、両端部分においても全ての冷却器６に伝わる。
【００２４】
先に述べたように、冷却器６は金属（例えばアルミニウム）の薄板で作られているため、剛性が高くはない。上記した構造において、積層ユニット１０の中央部分（図中の座標系のＹ方向の中央部分）を加圧すると、各冷却器６は、両端部分に比べて中央部分が強く圧迫される。両端部分は中央部分ほどには圧迫されず、そのため、冷媒給排管９ａ、９ｂが接続されている端部冷却器（積層ユニットの端の冷却器６ａ）が「く」の字状に変形する。別言すると、冷却器６ａの中央部分が積層方向に湾曲する。そうすると、全ての冷却器６において半導体モジュール７と接している範囲の面圧の均一性が下がってしまう。冷却器６の半導体モジュール７に接している範囲の面圧不均一化は冷却効率を下げてしまう。
【００２５】
特に、実施例の電力変換器２の積層ユニット１０では、隣り合う冷却器６と半導体モジュール７の対向面にグリスが塗布されている。半導体モジュール７の内部のパワートランジスタが発熱／冷却の熱サイクルを繰り返すのに伴って半導体モジュール７が膨張／収縮する。半導体モジュール７が膨張／収縮を長期間にわたって繰り返すうち、グリスが半導体モジュール７と冷却器６の間から僅かながら抜ける。冷却器６の半導体モジュール７に接している範囲の面圧不均一化は、グリスが抜けることを促進するおそれがある。グリスが抜けることでも、半導体モジュール７に対する冷却効率が低下する。
【００２６】
そこで、突出部４に隣り合う冷却器６ａの内部の二分された流路のうち、突出部４に近い側の流路にはブロックを配置する。突出部４から遠い側の流路にはフィン１５が配置されている。図３に、冷却器６ａ（端部冷却器）の分解図を示す。図中の座標系のＸ方向が積層方向であり、外板１２の外側面が突出部４に当接する。突出部４に近い側の外板１２と中板１４の間にブロック１９が配置される。突出部４から遠い側の外板１３と中板１４の間の流路には、他の冷却器６と同様にフィン１５が配置される。突出部４に隣り合う冷却器６ａとは、別言すれば、突出部４に最も近い冷却器６ａである。
【００２７】
図４に、図１の電力変換器２を図中の座標系のＸＹ平面でカットした断面図を示す。半導体モジュール７の内部構造の図示は省略した。突出部４に接している冷却器６ａ（端部冷却器）の二分された流路Ｐａ、Ｐｂのうち、突出部４に近い側の流路Ｐａにはブロック１９が配置されている。ブロック１９は、突出部４に近い側の外板１２と中板１４に接している。ブロック１９を配置することによって、冷却器６ａの中央部分の剛性が高くなり、その変形が抑制される。その結果、積層ユニット１０の全体で、冷却器６の変形が抑制される。すなわち、冷却器６の半導体モジュール７に接している範囲の面圧不均一化が抑制される。なお、ブロック１９も、熱伝導率の高いアルミニウムで作られている。
【００２８】
図４に示されているように、積層ユニット１０の他方の支持部である第１側壁３ａに近い冷却器６ｇの流路Ｐｅにも、ブロック１９が配置されている。具体的には、第１側壁３ａに近い冷却器６ｇの二分された流路Ｐｄ、Ｐｅのうち、第１側壁３ａに近い側の流路Ｐｅにブロック２０が配置されている。図示は省略しているが、反対側の流路Ｐｄにはフィン１５が配置されている。ブロック２０は、第１側壁３ａに近い側の外板１３と中板１４に接している。ブロック２０も、冷却器６ｇ（端部冷却器）の中央部分の変形を抑制する。
【００２９】
冷却器６ａ、６ｇ（端部冷却器）は、積層方向を向いている一方の面には半導体モジュール７が接しているが、他方の面には半導体モジュール７が接していない。冷却器６ａ、６ｇの二分された流路のうち、半導体モジュール７が接していない側の流路を塞いでも、半導体モジュール７に対する冷却性能に悪影響を与えない。
【００３０】
逆に、半導体モジュール７の冷却に寄与しない流路Ｐａ、Ｐｅを塞ぐことによって、半導体モジュール７に接している流路に冷媒を集中することができ、冷却効率が高まることが期待される。図４では図示を省略しているが、先に述べたように、端部冷却器（冷却器６ａ、６ｇ）以外の冷却器６ｂ−６ｆの流路Ｐｃには、フィン１５が配置されている。フィン１５は、半導体モジュール７から冷却器６への伝熱効率を高める。
【００３１】
実施例の電力変換器２（半導体装置）は、積層ユニット１０の端に位置する冷却器（特に、冷媒給排管９ａ、９ｂが連結されている冷却器６ａ）の中央部分の変形を抑制することができる。
【００３２】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。本明細書が開示する技術は、電力変換器以外の半導体装置であっても、積層ユニットを有する半導体装置であれば適用することができる。
【００３３】
半導体モジュール７に接していない側の流路Ｐａ、Ｐｅ以外の流路Ｐｂ−Ｐｄには、フィンが設けられていることが望ましいが、端部冷却器の変形を抑制するという効果は、フィンを有していなくとも得ることができる。
【００３４】
バネ５と積層ユニット１０を挟むように支持している第１側壁３ａと突出部４が、それぞれ、第１支持部と第２支持部の一例である。
【００３５】
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】
【００３６】
２：電力変換器（半導体装置）
３：ケース
３ａ：第１側壁
３ｂ：第２側壁
４：突出部
５：バネ
６、６ａ−６ｇ：冷却器
７：半導体モジュール
８ａ、８ｂ：連結管
９ａ、９ｂ：冷媒給排管
１０：積層ユニット
１２、１３：外板
１４：中板
１４ａ、１４ｂ：貫通孔
１５：フィン
１９、２０：ブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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