(57)【要約】【課題】半導体モジュールの入力端子にコンデンサが接続される場合、コンデンサが熱を発するため、全体の冷却効率が低かった。【解決手段】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、半導体装置は、入力端子と、第１端部および第２端部を有し、一の方向に延伸し、第１端部が入力端子に接続される配線部と、上面および下面を有し、上面側に一の方向に沿って第１回路板および第２回路板が設けられ、下面が冷却装置の上面に配置される回路基板と、配線部と第１回路板の上面との間に接続される金属体と、上面電極および下面電極を有し、上面電極が第２端部に接続され、下面電極が第２回路板の上面に接続される半導体チップと、を含む。【選択図】図１
2020077679.tif 000002
【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、
前記半導体装置は、
入力端子と、
第１端部および第２端部を有し、一の方向に延伸し、前記第１端部が前記入力端子に接続される配線部と、
上面および下面を有し、前記上面側に前記一の方向に沿って第１回路板および第２回路板が設けられ、前記下面が前記冷却装置の上面に配置される回路基板と、
前記配線部と前記第１回路板の上面との間に接続される金属体と、
上面電極および下面電極を有し、前記上面電極が前記第２端部に接続され、前記下面電極が前記第２回路板の上面に接続される半導体チップと、
を含む、
半導体モジュール。
【請求項２】
前記金属体は、前記配線部において、前記半導体チップよりも前記入力端子の側に接続される、
請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記第１回路板は、平面視において、前記金属体との接触面積よりも大きな面積を有する、
請求項１または２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記入力端子はＮ端子であり、
前記回路基板はさらに第３回路板が設けられ、
前記半導体装置は、
Ｐ端子と、
第３端部および第４端部を有し、前記一の方向に延伸し、前記第３端部が前記Ｐ端子に接続される第２配線部と、
前記第２配線部と前記第３回路板の上面との間に接続される第２金属体と、
上面電極および下面電極を有し、前記下面電極が前記第３回路板の上面に接続される第２半導体チップと、
を更に有する、
請求項１から３の何れか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記第２回路板および前記第３回路板はそれぞれ、平面視において、長手部および短手部を含むＬ字形状のパターンを有し、
前記長手部はそれぞれ前記一の方向に延伸し、
前記第２回路板の長手部と前記第３回路板の短手部が、互いに向かい合い、前記一の方向に延伸する隙間を空けて配置され、且つ、前記第２回路板の短手部と前記第３回路板の長手部が、互いに向かい合い、前記一の方向に延伸する隙間を空けて配置され、
前記半導体チップおよび前記第２半導体チップは、それぞれ前記第２回路板の短手部および前記第３回路板の短手部に接続され、前記一の方向から見た場合に、互いに一部のみが重なっている、
請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記第２金属体は、前記第３回路板の前記長手部上に位置し、前記第２半導体チップよりも前記Ｐ端子の側に位置する、
請求項５に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
平面視において、
前記第２回路板は、前記半導体チップとの接触面積よりも大きな面積を有し、
前記第３回路板は、前記第２半導体チップおよび前記第２金属体との接触面積よりも大きな面積を有する、
請求項６に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
前記金属体および前記第２金属体はそれぞれ、実質的に直方体であり、
前記金属体の底面積が前記第２金属体の底面積より小さい、
請求項７に記載の半導体モジュール。
【請求項９】
前記金属体の底面の長辺が前記第２金属体の底面の長辺より短く、
前記金属体の底面の長辺が前記一の方向と直交し、前記第２金属体の底面の長辺が前記一の方向と平行である、
請求項８に記載の半導体モジュール。
【請求項１０】
前記冷却装置は、
おもて面および裏面を有する天板と、
前記天板の裏面側に配置された冷媒流通部と、
前記裏面から前記冷媒流通部に向かって設けられた冷却フィンと、
冷媒を導入するための、前記冷媒流通部と連通する導入口と、
冷媒を導出するための、前記冷媒流通部と連通する導出口と、
を有し、
前記金属体は、平面視において、前記冷却フィンが設けられたフィン領域に対応する位置に配置される、
請求項１から３の何れか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項１１】
前記冷却装置は、
おもて面および裏面を有する天板と、
前記天板の裏面側に配置された冷媒流通部と、
前記裏面から前記冷媒流通部に向かって設けられた冷却フィンと、
冷媒を導入するための、前記冷媒流通部と連通する導入口と、
冷媒を導出するための、前記冷媒流通部と連通する導出口と、
を有し、
前記金属体および前記第２金属体は、平面視において、前記冷却フィンが設けられたフィン領域に対応する位置に配置される、
請求項４から９の何れか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項１２】
平面視において、
前記回路基板は前記入力端子側の第１端および前記第１端の反対側の第２端を有し、
前記フィン領域は前記入力端子側の第１境界および前記第１境界の反対側の第２境界を有し、
前記第１端と前記第１境界との間の距離が前記第２端と前記第２境界との間の距離より大きい、
請求項１０または１１に記載の半導体モジュール。
【請求項１３】
請求項１から１２の何れか一項に記載の半導体モジュールを備える車両。
【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、パワー半導体チップ等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１−５参照）。
特許文献１  特開２０１４−６７９０２号公報
特許文献２  特開２０１０−１０３２２２号公報
特許文献３  特開２０１７−１７１９５号公報
特許文献４  特開２０１１−１６０５１９号公報
特許文献５  ＷＯ２０１６／２０４２５７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
半導体モジュールの入力端子にコンデンサが接続される場合、コンデンサが熱を発するため、全体の冷却効率が低かった。
【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、入力端子を含んでもよい。半導体装置は、第１端部および第２端部を有し、一の方向に延伸し、第１端部が入力端子に接続される配線部を含んでもよい。半導体装置は、上面および下面を有し、上面側に一の方向に沿って第１回路板および第２回路板が設けられ、下面が冷却装置の上面に配置される回路基板を含んでもよい。半導体装置は、配線部と第１回路板の上面との間に接続される金属体を含んでもよい。半導体装置は、上面電極および下面電極を有し、上面電極が第２端部に接続され、下面電極が第２回路板の上面に接続される半導体チップを含んでもよい。
【０００５】
金属体は、配線部において、半導体チップよりも入力端子の側に接続されてもよい。
【０００６】
第１回路板は、平面視において、金属体との接触面積よりも大きな面積を有してもよい。
【０００７】
入力端子はＮ端子であってもよい。回路基板はさらに第３回路板が設けられてもよい。半導体装置は、Ｐ端子を有してもよい。半導体装置は、第３端部および第４端部を有し、一の方向に延伸し、第３端部がＰ端子に接続される第２配線部を有してもよい。半導体装置は、第２配線部と第３回路板の上面との間に接続される第２金属体を有してもよい。半導体装置は、上面電極および下面電極を有し、下面電極が第３回路板の上面に接続される第２半導体チップを有してもよい。
【０００８】
第２回路板および第３回路板はそれぞれ、平面視において、長手部および短手部を含むＬ字形状のパターンを有してもよい。長手部はそれぞれ一の方向に延伸してもよい。第２回路板の長手部と第３回路板の短手部が、互いに向かい合い、一の方向に延伸する隙間を空けて配置され、且つ、第２回路板の短手部と第３回路板の長手部が、互いに向かい合い、一の方向に延伸する隙間を空けて配置されてもよい。半導体チップおよび第２半導体チップは、それぞれ第２回路板の短手部および第３回路板の短手部に接続され、一の方向から見た場合に、互いに重なっていてもよい。
【０００９】
第２金属体は、第３回路板の長手部上に位置し、第２半導体チップよりもＰ端子の側に位置してもよい。
【００１０】
平面視において、第２回路板は、半導体チップとの接触面積よりも大きな面積を有してもよい。第３回路板は、第２半導体チップおよび第２金属体との接触面積よりも大きな面積を有してもよい。
【００１１】
金属体および第２金属体はそれぞれ、実質的に直方体であってもよい。金属体の底面積が第２金属体の底面積より小さくてもよい。
【００１２】
金属体の底面の長辺が第２金属体の底面の長辺より短くてもよい。金属体の底面の長辺が一の方向と直交し、第２金属体の底面の長辺が一の方向と平行であってもよい。
【００１３】
冷却装置は、おもて面および裏面を有する天板を有してもよい。冷却装置は、天板の裏面側に配置された冷媒流通部を有してもよい。冷却装置は、裏面から冷媒流通部に向かって設けられた冷却フィンを有してもよい。冷却装置は、冷媒を導入するための、冷媒流通部と連通する導入口を有してもよい。冷却装置は、冷媒を導出するための、冷媒流通部と連通する導出口を有してもよい。金属体は、平面視において、冷却フィンが設けられたフィン領域に対応する位置に配置されてもよい。
【００１４】
冷却装置は、おもて面および裏面を有する天板を有してもよい。冷却装置は、天板の裏面側に配置された冷媒流通部を有してもよい。冷却装置は、裏面から冷媒流通部に向かって設けられた冷却フィンを有してもよい。冷却装置は、冷媒を導入するための、冷媒流通部と連通する導入口を有してもよい。冷却装置は、冷媒を導出するための、冷媒流通部と連通する導出口を有してもよい。金属体および第２金属体は、平面視において、冷却フィンが設けられたフィン領域に対応する位置に配置されてもよい。
【００１５】
平面視において、回路基板は入力端子側の第１端および第１端の反対側の第２端を有してもよい。平面視において、フィン領域は入力端子側の第１境界および第１境界の反対側の第２境界を有してもよい。平面視において、第１端と第１境界との間の距離が第２端と第２境界との間の距離より大きくてもよい。
【００１６】
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。
【００１７】
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】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るインバータ１の一例を示す模式的な斜視図である。
【図２】本発明の第１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】本発明の第１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断面図である。
【図４】半導体装置７０の回路基板７６に設けられた回路要素等の配置例と冷媒の流れ方向とを示す図である。
【図５】フィン領域９５と半導体装置７０との配置例を示す図である。
【図６】冷却装置１０におけるフィン領域９５の配置例、冷却フィン９４の形状および冷媒の流れ方向を示す図である。
【図７】冷却装置１０におけるフィン領域９５および半導体装置７０の配置例ならびに冷媒の流れ方向を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係るインバータ２の一例を示す模式的な斜視図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る半導体モジュール１０１の一例を示す模式的な断面図である。
【図１０】冷却フィン９４、第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２のｘｙ面における配置例を示す図である。
【図１１】冷媒流通部９２の概要を示す斜視図である。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る車両２００の概要を示す図である。
【図１３】本発明の第４実施形態に係るインバータ１（２）の主回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
図１は、本発明の第１実施形態に係るインバータ１の一例を示す模式的な斜視図である。インバータ１は、半導体モジュール１００およびコンデンサ装置１５０を含んでよい。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。本例の半導体モジュール１００は、３組の入力端子（Ｐ端子８２、Ｎ端子８１）と、出力端子８３Ｕ、８３Ｖ、８３Ｗとを有する半導体装置７０を備え、三相交流インバータを構成する装置として機能する。本例の半導体装置７０は、冷却装置１０に載置されている。本明細書では、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面と垂直な面をｚ軸とする。ｘｙｚ軸は右手系をなす。本明細書では、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。また本明細書では、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。本明細書において、平面視は、ｚ軸正方向から半導体モジュール１００を見た場合を意味する。
【００２１】
半導体モジュール１００は、外部のコンデンサ装置１５０に接続されてよい。コンデンサ装置１５０は３組の端子（１５３−１、１５３−２）、内部コンデンサおよび電源端子１５５を備える。半導体モジュール１００のＮ端子８１およびＰ端子８２は、端子１５３を介してコンデンサ装置１５０の内部コンデンサに電気的に並列に接続される。なお、半導体装置７０における出力端子８３Ｕ、８３Ｖ、８３Ｗは、負荷、例えば、車両などのモーターに電気的に接続されてもよい。
【００２２】
半導体モジュール１００の冷却装置１０は、２本のパイプ９０により外部の冷媒供給源に接続され得る。冷却装置１０は一方のパイプ９０から冷媒を搬入され、冷媒は、冷却装置１０の内部を循環した後に、冷却装置１０から他方のパイプ９０へと搬出される。
【００２３】
コンデンサ装置１５０は、内部コンデンサなどの回路要素を収容する筐体１５１と、それぞれが筐体１５１から外に突出する、３組の端子１５３−１、１５３−２と、外部電源の負極に電気的に接続される負の電源端子１５５―１と、外部電源の正極に電気的に接続される正の電源端子１５５―２とを有する。端子１５３−１、１５３−２と電源端子１５５―１、１５５―２とはそれぞれ、コンデンサ装置１５０において互いに電気的に接続される。負の電源端子１５５―１と正の電源端子１５５―２とは、外部電源、例えばバッテリなどの電極に接続されてよい。
【００２４】
３つの端子１５３−１はそれぞれ半導体モジュール１００の３つのＮ端子８１に電気的に接続されてよい。また、３つの端子１５３−２はそれぞれ半導体モジュール１００のＰ端子８２に電気的に接続されてよい。
【００２５】
インバータ１において、コンデンサ装置１５０の内部コンデンサはインバータ１の動作により発熱し、コンデンサが発した熱は半導体モジュール１００へと伝導する。本実施形態のインバータ１の半導体モジュール１００は、コンデンサの熱を、半導体装置７０を経由して冷却装置１０に放熱することにより、インバータ１全体を冷却できる。
【００２６】
図２および図３は、本発明の第１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および断面図である。図１を用いて説明したインバータ１は、図２および図３で示す半導体モジュール１００の１つの用途例であってもよい。
【００２７】
図示されるように、半導体モジュール１００は、半導体装置７０（７０−１、７０−２、７０−３）と冷却装置１０とを備える。半導体装置７０は、冷却装置１０の上面に載置されている。半導体装置７０は、入力端子（Ｎ端子８１、Ｐ端子８２）と、出力端子（８３Ｕ、８３Ｖ、８３Ｗ）と、リードフレーム（配線部）７３（７３−１、７３−２、７３−３、７３−４）と、回路基板７６と、金属体７７と、半導体チップ７８と、を有する。
【００２８】
半導体装置７０は、３枚の回路基板７６を含んでもよい。回路基板７６には回路板７５が設けられてもよい。回路板７５には２つの半導体チップ７８が搭載されてもよい。回路基板７６、半導体チップ７８、リードフレーム７３および金属体７７は収容部７２に収容されてもよい。入力端子（Ｎ端子８１、Ｐ端子８２）および出力端子（８３Ｕ、８３Ｖ、８３Ｗ）は収容部７２に一体的に設けられてもよい。
【００２９】
入力端子（Ｎ端子８１、Ｐ端子８２）はそれぞれ、コンデンサ装置１５０の端子１５３−１および端子１５３−２に電気的に接続され、これにより、コンデンサ装置１５０の内部コンデンサ、および、外部電源の負極および正極に電気的に接続されてよい。出力端子８３Ｕ、８３Ｖ、８３Ｗはそれぞれ、例えば外部のモーターに電気的に接続されてよい。
【００３０】
リードフレーム７３は、銅、銅合金またはアルミニウム等の導電材料で形成された板状の配線である。リードフレーム７３は表面にメッキ膜が形成されてもよい。リードフレーム７３−１およびリードフレーム７３−２は、一方の端部（第１端部、第３端部）および他方の端部（第２端部、第４端部）を有し、一の方向に延伸し、一方の端部が入力端子（Ｎ端子８１、Ｐ端子８２）に接続される。リードフレーム７３は、はんだ等の接合材あるいはレーザ溶接、ティグ溶接や抵抗溶接などの溶接により、半導体チップ７８の上面、金属体７７、回路板７５、Ｎ端子８１、Ｐ端子８２および出力端子８３Ｕ、８３Ｖ、８３Ｗのそれぞれに接合されてよい。これにより、リードフレーム７３は、回路基板７６上の各回路要素間を接続し、また、回路基板７６上の各回路要素とＮ端子８１、Ｐ端子８２および出力端子８３Ｕ、８３Ｖ、８３Ｗのそれぞれとを接続する。
【００３１】
回路基板７６は、一例として、上面と下面を有する絶縁板と、絶縁板の上面に設けられた回路層と、下面に設けられた金属層とを順に含む積層基板である。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。図３に示すように、回路基板７６は、コンデンサ装置１５０から離れる方向に寄って、冷却装置１０の上面に配置されてもよい。回路基板７６は、一例として、金属層を介してはんだ等によって冷却装置１０の上面に固定されている。また、回路基板７６の上面側には、リードフレーム７３−１およびリードフレーム７３−２が延伸する一の方向に沿って、回路層の一例である回路板７５（第１回路板、第２回路板、第３回路板）が設けられ、回路板７５を介して２つの半導体チップ７８が固定されている。回路層は複数の回路板７５を含んでよい。
【００３２】
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。絶縁板は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等のセラミックス材料を用いて形成されてよい。回路層および金属層は、銅あるいは銅合金などの金属を含む板材であってよい。
【００３３】
回路板７５は、銅等の導電材料で形成されている。回路板７５は、はんだやロウ等によって回路基板７６の上面側に固定されている。回路板７５の上面には、各半導体チップ７８および金属体７７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、回路板７５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。
【００３４】
金属体７７は、熱伝導率が樹脂よりも高い金属、例えば銅、銀、金、および、アルミニウムなどの少なくとも何れかの金属、好ましくは銅または銅合金で形成された、ブロック状の部材である。金属体７７は、実質的に直方体であってよい。金属体７７は、一端をリードフレーム７３に接続され、他端を、回路板７５を介して回路基板７６の上面に接続される。換言すると、金属体７７は、リードフレーム７３−１およびリードフレーム７３−２と回路板７５の上面との間に接続される。金属体７７は、一例として、はんだ等によって回路板７５の上面に固定されている。コンデンサ装置１５０で発生する熱は、端子１５３−１、Ｎ端子８１、リードフレーム７３−１、金属体７７−１および回路基板７６を介して、冷却装置１０へ移動できる。また、コンデンサ装置１５０で発生する熱は、端子１５３−２、Ｐ端子８２、リードフレーム７３−２、金属体７７−３および回路基板７６を介して、冷却装置１０へ移動することもできる。また半導体チップ７８で発生する熱は、リードフレーム７３、金属体７７および回路基板７６を含む経路を介して冷却装置１０へ移動することもできる。
【００３５】
２つの半導体チップ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はそれぞれ、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。各半導体チップ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。
【００３６】
各半導体チップ７８（半導体チップ、第２半導体チップ）は、上面電極および下面電極を有し、下面電極が回路板７５（第２回路板、第３回路板）の上面に接続されている。一方の半導体チップ７８（半導体チップ）の上面電極は、リードフレーム７３−１の他方の端部（第２端部）に接続される。他方の半導体チップ７８（第２半導体チップ）の上面電極は、リードフレーム７３−３およびリードフレーム７３−４を介して出力端子に接続される。各半導体チップ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あるいはカソード電極であってよい。各半導体チップ７８における半導体基板は、炭化ケイ素や窒化ガリウムであってもよい。
【００３７】
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。
【００３８】
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り、半導体装置７０の各構成要素を収容する。収容部７２は、半導体チップ７８、回路基板７６、回路板７５、リードフレーム７３、金属体７７およびその他の回路要素を収容する内部空間を有する。収容部７２の内部空間には、半導体チップ７８、回路基板７６、回路板７５、リードフレーム７３、金属体７７およびその他の回路要素を封止する封止部７４が充填されてよい。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。なお、図１においては、説明の簡略化を目的として、収容部７２および封止部７４の図示を省略してある。
【００３９】
冷却装置１０は、天板２０およびジャケット４０を有する。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を有する板状の金属板であってよい。天板２０は、対向する２つの短辺２６および対向する２つの長辺２８を有してよい。短辺２６はｘ軸方向に平行であり、長辺はｙ軸方向に平行であってよい。一例として天板２０は、アルミニウムを含む金属で形成されている。天板２０の上面２２には、半導体装置７０が載置される。天板２０には、各半導体チップ７８およびコンデンサ装置１５０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の間ははんだ等の部材により熱的に接続されてよい。天板２０および内部コンデンサの間は、端子１５３、Ｎ端子８１、Ｐ端子８２、リードフレーム７３および金属体７７などの部材により熱的に接続されてもよい。回路基板７６は、はんだ等により天板２０の上面２２に直接固定されてよい。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てよい。収容部７２は天板２０の上面２２に接着されてよい。他の例では、半導体装置７０は収容部７２の下面に露出するベース板を有しており、当該ベース板の上面に回路基板７６が固定され、当該ベース板が天板２０の上面２２に固定されていてもよい。
【００４０】
ジャケット４０は枠部６２および本体部６４を有する。枠部６２は、ｘｙ面において、本体部６４および冷媒流通部９２を囲んで配置されている。冷媒流通部９２は本体部６４の内面および天板２０の下面により画定される。冷媒流通部９２は、天板２０の下面２４側に配置されている。冷媒流通部９２は、冷却装置１０に導入されたＬＬＣや水等の冷媒が流通する領域である。冷媒は、回路基板７６が配置される天板２０の下面２４に接触し、半導体装置７０を冷却できる。冷媒流通部９２は、天板２０の下面２４に接する密閉空間であってよい。ジャケット４０は、枠部６２において、天板２０の下面２４に直接または間接に密着して配置されている。これにより、冷媒流通部９２を密閉している。なお、間接に密着とは、天板２０の下面２４とジャケット４０との間に設けられた、シール材、接着剤、ロウ材、または、その他の部材を介して、天板２０の下面２４とジャケット４０とが密着している状態を指す。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。天板２０およびジャケット４０は、好ましくはロウ付けされる。天板２０およびジャケット４０は同一組成の金属で形成され、ロウ材は天板２０等よりも融点の低い金属で形成されてよい。金属としてアルミニウムを含む金属が用いられてよい。
【００４１】
冷媒流通部９２の内部に冷却フィン９４が配置されている。冷却フィン９４はｚ軸方向に延在し、２つの端部を有する。冷却フィン９４は、上端が天板２０の下面２４に熱的および機械的に接続され、下面２４から冷媒流通部９２に向かって延在する。冷却フィン９４の下端９８は、本体部６４と接していてよく、離れていてもよい。両者間に隙間があれば、本体部６４に反り等が生じても、冷却フィン９４と本体部６４との間で応力が生じ難い。各半導体チップ７８が発した熱、および、コンデンサ装置１５０の内部コンデンサが発した熱は、冷却フィン９４の近傍を通過する冷媒に移動できる。これにより、各半導体チップ７８およびコンデンサ装置１５０の内部コンデンサを冷却できる。
【００４２】
冷却フィン９４は、ｘｙ面に対してほぼ垂直に設けられた柱状または板状の複数の要素を含んでよい。複数の要素は、ｘｙ面において、所定のパターンで配置されてよい。柱状の要素はｘｙ断面が円、長円あるいは多角形のピンであってよい。板状の要素はストレート板あるいは波形（ジグザグ）板であってよい。冷却フィン９４の要素の別の例は、冷媒の流路となる複数の孔を有する板をｚ軸方向に積層したものであってもよい。図３に示すように、冷却フィン９４は、コンデンサ装置１５０から離れる方向に寄って、ジャケット４０内に配置されてもよい。なお、冷却フィン９４の構造は、上記の例に限定されない。
【００４３】
本明細書では、冷却フィン９４が設けられた領域をフィン領域９５と称する。平面視（本例ではｘｙ面と垂直なｚ軸方向から見た図）において、フィン領域９５は矩形であってよく、ｘ軸方向に平行な対向する２つの短辺およびｙ軸方向に平行な対向する２つの長辺（第１境界および第２境界）を有してよい。フィン領域９５は、冷却フィン９４の要素が設けられた領域と、冷却フィン９４の要素間の流路とが含まれる。
【００４４】
冷媒流通部９２には、平面視において、冷却フィン９４を挟んで配置された第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２が設けられている。本例の第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２は、ｘ軸方向において冷却フィン９４を挟んでいる。また、それぞれの冷媒流路３０は、冷却フィン９４に沿ってｙ軸方向（長手方向）に延伸して設けられている。入力端子（Ｎ端子８１、Ｐ端子８２）側から第１の冷媒流路３０−１、冷却フィン９４および第２の冷媒流路３０−２が順に配置されている。
【００４５】
本体部６４には、第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２のそれぞれに対応する位置に開口部４２が設けられている。第１の冷媒流路３０−１へ連通する開口部４２−１は冷媒を導入するための導入口として、第２の冷媒流路３０−２へ連通する開口部４２−２は冷媒を導出するための導出口として機能し得る。開口部４２−１を導出口とし、開口部４２−２を導入口として、冷却装置１０を外部の冷却システムに接続してもよい。それぞれの開口部４２には、冷媒を搬送するパイプ９０が任意に接続されてよい。
【００４６】
冷媒流路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。所定の高さとは、天板２０および本体部６４の間の距離であってよい。
【００４７】
天板２０の下面２４と平行で、且つ、長手方向（ｙ軸方向）とは垂直な方向（ｘ軸方向）を冷媒流路３０の幅方向とする。
【００４８】
図４は、半導体装置７０の回路基板７６に設けられた回路要素等の配置例と冷媒の流れ方向とを示す平面図であり、図５は、フィン領域９５と半導体装置７０との配置例を示す平面図である。図４は、半導体装置７０に含まれるＵ相ユニット７０−１のみを図示し、図５は、Ｕ相ユニット７０−１、Ｖ相ユニット７０−２、Ｗ相ユニット７０−３を図示している。Ｕ相ユニット７０−１、Ｖ相ユニット７０−２、Ｗ相ユニット７０−３は互いに同じ構成を備えてよい。以下ではＵ相ユニット７０−１について説明する。
【００４９】
Ｕ相ユニット７０−１は、略長方形の回路基板７６および金属体７７を含む。回路基板７６は、上面側に、互いに所定間隔で離間する３つの回路板７５−１、７５−２、７５−３が設けられている。回路板７５−１、７５−２、７５−３は、上面に、金属体７７−１、７７−２、７７−３がそれぞれ設けられている。Ｕ相ユニット７０−１は更に、回路板７５−２に配置された半導体チップ７８−４、回路板７５−３に配置された半導体チップ７８−１を含む。
【００５０】
回路板７５−１は、金属体７７−１に物理的に接続され、すなわち直接的に又ははんだ等を介して間接的に金属体７７−１に接触しており、これにより、熱的にも金属体７７−１に接続されている。回路板７５−１は、平面視において、金属体７７−１との接触面積よりも大きな面積を有する。換言すると、回路板７５−１は、回路基板７６の上面の側から見た場合に、金属体７７−１よりも大きな面積を有する。また、回路板７５−１は、一例として略長方形を有する。
【００５１】
回路板７５−２は、金属体７７−２および半導体チップ７８−４のそれぞれに物理的、電気的且つ熱的に接続され、平面視において、金属体７７−２および半導体チップ７８−４との接触面積よりも大きな面積を有する。換言すると、回路板７５−２は、回路基板７６の上面の側から見た場合に、金属体７７−２および半導体チップ７８−４の合計面積よりも大きな面積を有する。回路板７５−２は、長手部（Ｌ２）および短手部（Ｓ２）を含んでよい。回路板７５−２は、長手部および短手部が合体したもので、その外縁が平面視において略Ｌ字形状のパターンを有してよい。長手部は略長方形を有し、短手部は略正方形を有してよい。回路板７５−２の長手部は、リードフレーム７３−１およびリードフレーム７３−２が延伸する一の方向（ｘ軸方向）に延伸してよい。
【００５２】
回路板７５−３は、金属体７７−３および半導体チップ７８−１のそれぞれに物理的、電気的且つ熱的に接続され、平面視において、金属体７７−３および半導体チップ７８−１との接触面積よりも大きな面積を有する。換言すると、回路板７５−３は、回路基板７６の上面の側から見た場合に、金属体７７−３および半導体チップ７８−１の合計面積よりも大きな面積を有する。回路板７５−３も、長手部（Ｌ３）および短手部（Ｓ３）を含んでよい。回路板７５−３も、長手部および短手部が合体したもので、その外縁が平面視において略Ｌ字形状のパターンを有してよい。長手部は略長方形を有し、短手部は略正方形を有してよい。回路板７５−３の長手部も、リードフレーム７３−１およびリードフレーム７３−２が延伸する一の方向（ｘ軸方向）に延伸してよい。
【００５３】
回路板７５−２は、その長手部が回路板７５−３の短手部と向かい合うように、回路基板７６の上面に配置されてよい。回路板７５−２の長手部と回路板７５−３の短手部は、ｘ軸方向に延伸する所定幅の隙間（ｇ）を空けて、配置されてよい。回路板７５−３は、その長手部が回路板７５−２の短手部と向かい合うように、回路基板７６の上面に配置されてよい。回路板７５−３の長手部と回路板７５−３の短手部は、ｘ軸方向に延伸する所定幅の隙間を空けて、配置されてよい。回路板７５−２および回路板７５−３は、任意の点に関して時計回りに移動したときに、それらのパターンが実質的に重なってよい。回路板７５−１の短手方向の長さ、回路板７５−２の長手部の短手方向の長さ、および、回路板７５−３の長手部の短手方向の長さは、一例として、互いに略等しい。また、一例として、当該長さの略６分の１の一定幅で、回路板７５−１、回路板７５−２および回路板７５−３は互いに離間してよい。
【００５４】
金属体７７（金属体、第２金属体）は直方体形状の金属ブロックでもよい。金属体７７は、少なくともｘｙ面に平行な底面と、ｚ軸方向の高さ（厚み）を有してよい。所定の体積を有する金属体７７をリードフレーム７３および回路板７５の間に設けることにより、リードフレーム７３および回路板７５が電気的、機械的、さらに熱的に結合され得る。金属体７７が所定の高さを有することにより、封止部７４がリードフレーム７３および回路板７５の間に隙間なく、充填され得る。
【００５５】
金属体７７−１は、平面視において略長方形を有し、回路板７５−１の上面の略中央に位置し、長手方向が回路板７５−１の長手方向（ｙ軸方向）と略一致する。回路基板７６の上面の側から見た場合に、金属体７７−１の縦横の寸法は、回路板７５−１の縦横の寸法の何れよりも小さく、一例として、金属体７７−１の周囲には、回路板７５−１における金属体７７−１と接触していない領域が存在する。
【００５６】
金属体７７−２は、平面視において略長方形を有し、回路板７５−２の長手部における上面の略中央に位置し、長手方向が回路板７５−２の長手部の長手方向（ｘ軸方向）と略一致する。回路基板７６の上面の側から見た場合に、金属体７７−２の縦横の寸法は、回路板７５−２の長手部の縦横の寸法の何れよりも小さく、一例として、金属体７７−２の周囲には、回路板７５−２における金属体７７−２と接触していない領域が存在する。
【００５７】
金属体７７−３は、平面視において略長方形を有し、回路板７５−３の長手部における上面の略中央に位置し、長手方向が回路板７５−３の長手部の長手方向（ｘ軸方向）と略一致する。回路基板７６の上面の側から見た場合に、金属体７７−３の縦横の寸法は、回路板７５−３の長手部の縦横の寸法の何れよりも小さく、一例として、金属体７７−３の周囲には、回路板７５−３における金属体７７−３と接触していない領域が存在する。
【００５８】
半導体チップ７８−１および半導体チップ７８−４はそれぞれ、回路板７５−３および回路板７５−２の短手部に接続される。半導体チップ７８−１および半導体チップ７８−４は何れも、その外形が例えば略矩形や略正方形であり、回路基板７６の上面の側から見た場合に、半導体チップ７８−１および半導体チップ７８−４のそれぞれの縦横の寸法は、回路板７５−３および回路板７５−２のそれぞれの短手部の縦横の寸法の何れよりも小さい。一例として、半導体チップ７８−１および半導体チップ７８−４のそれぞれの周囲には、回路板７５−３および回路板７５−２のそれぞれにおける半導体チップ７８−１および半導体チップ７８−４のそれぞれと接触していない領域が存在する。
【００５９】
また、半導体チップ７８−１および半導体チップ７８−４は、回路板７５−２および回路板７５−３のそれぞれの長手部の延在方向（ｘ軸方向）から見た場合に、互いに一部のみが重なっている。換言すると、半導体チップ７８−１および半導体チップ７８−４は、図４に示す回路基板７６の長手方向に延びる回路基板７６の中心線に対して、反対方向（ｙ軸方向）にシフトするように千鳥配置されている。なお、半導体チップ７８−１および半導体チップ７８−４は、ｘ軸方向から見た場合に、互いに完全に重なっている、すなわち一致していてもよい。
【００６０】
半導体モジュール１００の小型化を図ろうとすると、回路基板７６も必然的に小さくなり、回路基板７６上の各半導体チップも互いに密に配置され、その結果、半導体チップ間の熱干渉が発生してしまう。これに対し、本実施形態による半導体モジュール１００において、上記の通り、半導体チップ７８−１、７８−４が配置される回路板７５−３、７５−２は共に、略Ｌ字形状のパターンを有し、それぞれの長手部がｙ軸方向において互いに向かい合い、且つ、それぞれの短手部がｘ軸方向において互いに向かい合うように、互いに離間した状態で回路基板７６の上面に配置されている。この配置によって小さな回路基板７６上の面積を無駄なく使用している。更に、図４に示すように、半導体チップ７８−１、７８−４は、回路基板７６の長手方向に延びる回路基板７６の中心線に対して千鳥配置され、また、半導体装置７０の下部の冷却装置１０内において回路基板７６の長手方向と同方向に冷媒が流れるので、一方の半導体チップ等において発生した熱の影響を比較的受けていない冷媒が他方の半導体チップの下部に到達し易い。
【００６１】
金属体７７−３は、図４に示すようにコンデンサ装置１５０側に配置され、且つ、半導体チップ７８−１と同じ金属パッド７５−２上に配置されている。この配置により金属体７７−３はコンデンサ装置１５０および半導体チップ７８−１の両方の発熱の影響を受ける。一方で、金属体７７−１は、図４に示すようにコンデンサ装置１５０側に配置されているが、半導体チップ７８−４が配置されている金属パッド７５−２とは分離された金属パッド７５−１上に配置されている。この配置により金属体７７−１はコンデンサ装置１５０の発熱の影響は受けるものの、半導体チップ７８−４の発熱の影響は受け難い。後述する図５に示すように、金属体７７−３は導電性部材を介してＰ端子８２に接続され、金属体７７−１は他の導電性部材を介してＮ端子８１に接続されるが、上述の通り、金属体７７−３および金属体７７−１は外部から受ける熱量に差がある。
【００６２】
そこで、金属体７７−３および金属体７７−１において、金属体７７−３の底面の面積は、金属体７７−１の底面の面積よりも大きくてよく、換言すると、金属体７７−１の底面積は、金属体７７−３の底面積より小さくてよい。好ましくは、金属体７７−１に比べて、金属体７７−３の底面の短辺は相対的に短く、かつ長辺は相対的に長くてよい。このような形状の採用により金属体７７−３の放熱効率を相対的に高めることができる。
【００６３】
半導体装置７０において、金属体７７−１の底面の長辺は金属体７７−３の底面の長辺より短く、金属体７７−１の底面の長辺はｘ軸方向と直交し、金属体７７−３の底面の長辺はｘ軸方向と平行であるとよい。このように金属体７７−１，７７−３を設けることにより、装置を小型にできる。
【００６４】
金属体７７−３および金属体７７−１は同じ高さを有してもよく、上記の場合には、金属体７７−３の体積も相対的に大きくなり、よって金属体７７−３の熱容量も相対的に大きくなる。このように、本実施形態により半導体モジュール１００は、Ｐ端子８２およびＮ端子８１のそれぞれに接続される金属体７７−３と金属体７７−１とが外部から受ける熱量の差に応じて、金属体７７−３および金属体７７−１の構成を異ならせることにより、Ｐ端子８２およびＮ端子８１を略同等に冷却することができる。
【００６５】
図５では、Ｕ相ユニット７０−１、Ｖ相ユニット７０−２、Ｗ相ユニット７０−３のそれぞれにおいて、４つのリードフレーム７３−１、７３−２、７３−３、７３−４を図示している。また、上述した、冷却装置１０の天板２０の下面２４における冷却フィン９４が設けられたフィン領域９５を破線で示し、Ｕ相ユニット７０−１、Ｖ相ユニット７０−２、Ｗ相ユニット７０−３の何れもがフィン領域９５の内側に配されている。フィン領域９５は、入力端子（Ｎ端子８１、Ｐ端子８２）側（ｘ軸正側）に第１境界９５ａを、第１境界９５ａの反対側である出力端子８３側（ｘ軸負側）に第２境界９５ｂをそれぞれ有する。回路基板７６は、入力端子（Ｎ端子８１、Ｐ端子８２）側に第１端７６ａを、第１端の反対側である出力端子８３側に第２端７６ｂをそれぞれ有する。
【００６６】
Ｕ相ユニット７０−１、Ｖ相ユニット７０−２、Ｗ相ユニット７０−３は、同一の構成を有してよい。以下では主にＵ相ユニット７０−１の構成を説明し、Ｖ相ユニット７０−２、Ｗ相ユニット７０−３の重複する説明を省略する。
【００６７】
リードフレーム７３−１は、例えば略一定幅の帯形状を有し、略長方形を有するＵ相ユニット７０−１の長手方向（ｘ軸方向）に延在する。リードフレーム７３−１は、配線部の一例であって、一端７３−１ａおよび他端７３−１ｂを有し、一端７３−１ａがＮ端子８１に、他端７３−１ｂが半導体チップ７８−４の上面に、それぞれ物理的、電気的且つ熱的に接続される。一端７３−１ａおよび他端７３−１ｂのｙ軸方向の幅は同じでも異なってもよい。リードフレーム７３−１は、一端７３−１ａおよび他端７３−１ｂの間、延在方向の略中央において、金属体７７−１に物理的且つ熱的に接続される。換言すると、金属体７７−１は、リードフレーム７３−１において、半導体チップ７８−４よりもＮ端子８１の側に接続される。金属体７７−１は、リードフレーム７３−１と回路基板７６の上面とに接続される。また、金属体７７−１は、平面視において、回路基板７６の上面における、フィン領域９５に対応する位置に配される。このような構成によって、半導体チップ７８−４およびコンデンサ装置１５０の内部コンデンサのそれぞれが発した熱は、少なくともリードフレーム７３−１および金属体７７−１を介して効率的に冷却装置１０の冷却フィン９４へ移動する。半導体チップ７８−４およびコンデンサ装置１５０の内部コンデンサは効率的に冷却され得る。なお、半導体チップ７８−４が発した熱は、回路板７５−２および回路基板７６を介する経路においても冷却装置１０へ放出される。
【００６８】
リードフレーム７３−２は、略一定幅の帯形状を有し、略長方形を有するＵ相ユニット７０−１の長手方向（ｘ軸方向）に延在する。リードフレーム７３−２は、第２配線部の一例であって、一端７３−２ａおよび他端７３−２ｂを有し、一端７３−２ａがＰ端子８２に、他端７３−２ｂが金属体７７−３に、それぞれ物理的、電気的且つ熱的に接続される。一端７３−２ａおよび他端７３−２ｂのｙ軸方向の幅は同じでも異なってもよい。金属体７７−３は、金属回路板７５−３の長手部上に位置し、半導体チップ７８−１よりもＰ端子８２の側に位置する。金属体７７−３は、リードフレーム７３−２と回路基板７６の上面とに接続される。また、金属体７７−３は、平面視において、回路基板７６の上面における、フィン領域９５に対応する位置に配される。このような配置は、コンデンサ装置１５０の内部コンデンサが発した熱の、リードフレーム７３−２および金属体７７−３を介する冷却装置１０への移動を可能にする。リードフレーム７３−１、７３−２および金属体７７−１、７７−３の配置は、コンデンサ装置１５０の内部コンデンサを効率的に冷却できる。
【００６９】
リードフレーム７３−３は、略一定幅の帯形状を有し、略長方形を有するＵ相ユニット７０−１の短手方向（ｙ軸方向）に延在する。リードフレーム７３−３は、一端７３−３ａを半導体チップ７８−１の上面に、他端７３−３ｂを金属体７７−２に、それぞれ物理的、電気的且つ熱的に接続される。このような構成は、半導体チップ７８−１が発した熱の、リードフレーム７３−３および金属体７７−２を介する冷却装置１０への移動を可能にし、半導体チップ７８−１を効率的に冷却できる。なお、半導体チップ７８−１が発した熱は、回路板７５−３および回路基板７６を介する経路においても冷却装置１０へ放出される。
【００７０】
リードフレーム７３−４は、略一定幅の帯形状を有し、略長方形を有するＵ相ユニット７０−１の長手方向（ｘ軸方向）に延在する。リードフレーム７３−４は、一端をリードフレーム７３−３の上面に、他端を出力端子８３（８３Ｕ、８３Ｖ、８３Ｗ）に、それぞれ物理的、電気的且つ熱的に接続される。
【００７１】
図５に示すように、本実施形態における半導体モジュール１００において、金属体７７−３は金属体７７−１よりも回路基板７６の第１端７６ａから離れて配置される。金属体７７−３はその長辺がリードフレーム７３−２の延伸方向と平行になるよう配置される。リードフレーム７３−２の幅は平面視においてリードフレーム７３−１より小さくてよい。このような構成は、リードフレーム７３−２を比較的撓み易くし、結果としてリードフレーム７３−２、金属体７７−３およびＰ端子８２の接続を容易にする。リードフレーム７３−２、金属体７７−３およびＰ端子８２は、はんだ付けや、レーザ溶接、ティグ溶接や抵抗溶接などの溶接により接合されてよい。
【００７２】
なお、図１に示した通り、リードフレーム７３−１、リードフレーム７３−２、リードフレーム７３−３およびリードフレーム７３−４はそれぞれ、ｚ軸方向において多段的に屈曲した形状を有してもよい。なお、リードフレーム７３−３およびリードフレーム７３−４は、互いに別体であって、一部が重なり、物理的、電気的且つ熱的に接続されるが、一体であってもよい。
【００７３】
図６は、冷却装置１０におけるフィン領域９５の配置例、冷却フィン９４の形状および冷媒の流れ方向を示す図であり、図７は、冷却装置１０におけるフィン領域９５および半導体装置７０の配置例ならびに冷媒の流れ方向を示す図である。各図において、図面に向かって左側に示すパイプ９０を冷媒の導入口とし、右側に示すパイプ９０を冷媒の導出口とする。また、導入口から流入した冷媒が、第１の冷媒流路３０−１を通過し、冷却フィン９４内を通過し、第２の冷媒流路３０―２を通過して導出口から流出する様子を、模式的に白抜きの矢印で示している。
【００７４】
図６に示すように、本実施形態における冷却装置１０の冷却フィン９４は、ｘｙ面に対してほぼ垂直に設けられた板状の複数の構造物が、波形パターンでｘｙ面に配置されている。図６において、図面に向かって左側に位置する第１の冷媒流路３０−１の側壁からフィン領域９５の第１境界９５ａまでのｘ方向距離をＷｉｎで示し、図面に向かって右側に位置する第２の冷媒流路３０−２の側壁からフィン領域９５の第２境界９５ｂまでのｘ方向距離をＷｏｕｔで示す。また同様に、図７において、図面に向かって左側に位置するフィン領域９５の長辺（第１境界９５ａ）からＵ相ユニット７０−１、Ｖ相ユニット７０−２、Ｗ相ユニット７０−３の第１端７６ａまでのｘ方向距離をＤｉｎで示し、図面に向かって右側に位置するフィン領域９５の長辺（第２境界９５ｂ）からＵ相ユニット７０−１、Ｖ相ユニット７０−２、Ｗ相ユニット７０−３の第２端７６ｂまでのｘ方向距離をＤｏｕｔで示す。
【００７５】
半導体モジュール１００は、（１）第１の関係「Ｄｏｕｔ＞Ｄｉｎ」を満たすこと、すなわち、回路基板７６に対して、冷却フィン９４がコンデンサ装置１５０（半導体モジュール１００のＰ端子８２、Ｎ端子８１）寄りに配置されていることが好ましい。換言すると、図７に示すように、回路基板７６が、図面に向かってフィン領域９５上のｘ方向の左側、すなわち、コンデンサ装置１５０から離れる方向に配置されていることが好ましい。半導体モジュール１００は、第１の関係を満たすことによって、金属体７７−１、７７−３の全体が冷却フィン９４の上に配置され、両者の熱的な接続面積が大きくなるので、コンデンサ装置１５０から冷却装置１０への経路が十分に確保され、コンデンサ装置１５０の端子１５３の温度を下げることができる。
【００７６】
また半導体モジュール１００は、（２）冷媒入口と冷媒出口との中心線に対して、回路基板７６がコンデンサ装置１５０（半導体モジュール１００のＰ端子８２、Ｎ端子８１）から遠くに配置されることが好ましい。半導体モジュール１００は、当該配置によって、上記の同一な効果を得ることができる。
【００７７】
また半導体モジュール１００は、（３）第２の関係「Ｗｏｕｔ＞Ｗｉｎ」を満たすこと、すなわち、冷媒入口側の第１の冷媒流路３０−１の断面積を相対的に小さくすることで、複数の回路基板７６の下部における冷媒の流れを均一化できる。
【００７８】
半導体モジュール１００は、上記（１）、（２）、（３）の順に各条件を満たすことが好ましく、本実施形態における半導体モジュール１００は、一例として、上記（１）、（２）および（３）の何れも満たす。
【００７９】
以上の第１実施形態によるインバータ１によれば、インバータ１の動作にともなう半導体装置７０およびコンデンサ装置１５０の熱は、冷却装置１０へと効率的に移動できるので、コンデンサを含むインバータ１全体の冷却効率が向上し得る。
【００８０】
以上の第１実施形態のインバータ１において、半導体装置７０はＮ端子８１と半導体チップ７８−４、７８−５、７８−６との間にそれぞれ金属体７７−１を備える。このインバータ１に対して、半導体装置が当該金属体７７−１を備えない、比較例のインバータを用意し、内部コンデンサでの温度上昇をシミュレーションした。その結果、比較例のインバータでは内部コンデンサの温度上昇が１３．６℃であり、一方で、第１実施形態によるインバータ１では内部コンデンサの温度上昇が１．９℃低い１１．７℃であり、内部コンデンサの発熱を１５％低減できたことが確認された。
【００８１】
このように、インバータ１は、内部コンデンサの冷却効率を高めることができるので、内部コンデンサの静電容量を小さく設計することができ、これにより、内部コンデンサのスケールを小さくすることができ、内部コンデンサを低コスト化することができる。
【００８２】
図８は、本発明の第２実施形態に係るインバータ２の一例を示す模式的な斜視図である。第２実施形態に係るインバータ２では、第１実施形態に係るインバータ１との主な異なる点として、図９にも示すように、半導体モジュール１０１の冷却装置１１がｘ軸方向の両端でｚ軸負方向に延在する傾斜部３２を有し、冷却装置１１に冷媒を導出入する２本のパイプ９１が、傾斜部３２の下方に接続されている。第２実施形態のインバータ２では、第１実施形態に係るインバータ１と同様の構成に対して同様の参照番号を用い、以降では第１実施形態と重複する説明を省略する。
【００８３】
図９は、本発明の第２実施形態に係る半導体モジュール１０１の一例を示す模式的な断面図である。半導体モジュール１０１における冷却装置１１における第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２のそれぞれは、流路底面を有する。流路底面とは、冷媒と接する面であって、上方を向いている面である。本例の流路底面は、傾斜部３２（３２−１、３２−２）と、底部３４（３４−１、３４−２）とを有する。傾斜部３２は、ｘ軸方向において、フィン領域９５の中央位置９６との距離が近づくほど、ｚ軸方向における冷却フィン９４の下端９８との距離Ｄ１が小さくなっている。例えば、冷却フィン９４に対してｘ軸負側且つｚ軸負側に配置された傾斜部３２−１は、ｘ軸における位置が正方向に大きくなるほど、ｚ軸における位置が正方向に大きくなっている。また、冷却フィン９４に対してｘ軸正側且つｚ軸負側に配置された傾斜部３２−２は、ｘ軸における位置が負方向に大きくなるほど、ｚ軸における位置が正方向に大きくなっている。
【００８４】
また、第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２のそれぞれにおいて、傾斜部３２の少なくとも一部が冷却フィン９４の下方に設けられている。第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２の少なくとも一方では、傾斜部３２の全体が冷却フィン９４の下方に設けられていてもよい。また、それぞれの開口部４２は、傾斜部３２のｚ軸方向の下端の近傍に配置されている。
【００８５】
このような傾斜部３２を設けることで、いずれかの開口部４２から導入された冷媒を、冷却フィン９４の下端９８に向けて流すことができる。このため、冷却フィン９４において天板２０に近い領域まで冷媒を効率よく流通させることができ、各半導体チップ７８およびコンデンサ装置１５０の内部コンデンサを効率よく冷却できる。
【００８６】
特に、図９に示したように、冷却フィン９４の下端９８と、本体部６４との間に空間が設けられていると、当該空間に冷媒が流れて、半導体装置７０およびコンデンサ装置１５０の内部コンデンサの冷却効率が低下してしまうが、本例によれば、天板２０に近い領域まで冷媒を流通させて、各半導体チップ７８およびコンデンサ装置１５０の内部コンデンサを効率よく冷却できる。
【００８７】
なおｘｚ断面において、各傾斜部３２を延長した直線７１のそれぞれが、半導体チップ７８および金属体７７のそれぞれと交差してよい。これにより、各半導体チップ７８および金属体７７に向けて冷媒を流しやすくなり、各半導体チップ７８およびコンデンサ装置１５０の内部コンデンサを効率よく冷却できる。
【００８８】
底部３４は、傾斜部３２と接続された面である。底部３４は、ｘ軸に対して、傾斜部３２とは逆向きに傾斜していてよく、ｘ軸と平行であってもよい。また、本体部６４は、側壁３６（３６−１、３６−２）を有してよい。側壁３６は、底部３４と枠部６２とを接続する。側壁３６は、ｘｚ面において、傾斜部３２と平行に設けられてよい。これにより、開口部４２から導入された冷媒を、冷却フィン９４の下端９８に向けて更に流しやすくなる。ただし側壁３６は、ｘｚ面において、傾斜部３２と非平行に設けられてもよい。
【００８９】
図１０は、冷却フィン９４、第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２のｘｙ面における配置例を示す図である。図１０においては、冷却フィン９４の下端９８と平行な面（図９におけるＡ−Ａ面）に、第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２を投影した図を示している。図１０においては、当該面における傾斜部３２および底部３４の位置を破線で示している。また、当該面における側壁３６の位置を実線で示している。図１０に示す冷却フィン９４は、ｘｙ面において離散的に配置された棒状の構造物を有するが、冷却フィン９４の構造はこれに限定されない。
【００９０】
それぞれの冷媒流路３０は、ｙ軸方向に２つの端部４４を有する。図１０においては、第１の冷媒流路３０−１は第１の端部４４−１および第３の端部４４−３を有し、第２の冷媒流路３０−２は第２の端部４４−２および第４の端部４４−４を有する。第１の端部４４−１および第２の端部４４−２は同じ側の端部であり、第３の端部４４−３および第４の端部４４−４は同じ側の端部である。同じ側とは、同一の冷媒流路における２つの端部４４のｙ軸における相対的な位置を指す。例えば第１の端部４４−１は、第３の端部４４−３に対してｙ軸正方向側に配置されており、第２の端部４４−２は、第４の端部４４−４に対してｙ軸正方向側に配置されている。つまり、第１の端部４４−１および第２の端部４４−２は、ともにｙ軸正方向側に配置されている。平面視において、第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２の長手方向は、互いにｙ軸方向に平行であってよく、さらにフィン領域９５の長辺および天板２０の長辺と平行であってよい。
【００９１】
第１の開口部４２−１は、第１の冷媒流路３０−１の第１の端部４４−１側に設けられる。また、第２の開口部４２−２は、第２の冷媒流路３０−２の第２の端部４４−２側に設けられる。つまり、２つの開口部４２は、ジャケット４０において、冷媒流路３０の同じ側に設けられている。それぞれの開口部４２には、冷媒を搬送するパイプ９１が接続されている。
【００９２】
図９において説明したように、それぞれの冷媒流路３０は冷却フィン９４と重なって配置されている。より具体的には、それぞれの冷媒流路３０は、図１０において破線で示すフィン領域９５のｙ軸方向の全長にわたって、フィン領域９５とｘ軸方向において所定の重なり幅Ｗを有して配置されている。重なり幅Ｗは、ｙ軸における位置によらず一定であってよく、異なっていてもよい。また、重なり幅Ｗは、第１の冷媒流路３０−１および第２の冷媒流路３０−２で同一であってよく、異なっていてもよい。
【００９３】
図１１は、冷媒流通部９２の概要を示す斜視図である。図９および図１０において説明したように、冷媒流通部９２は、ｘ軸方向における両端に、ｙ軸方向に伸びる冷媒流路３０を有する。それぞれの冷媒流路３０は、ｘ軸方向における外側から内側に向かって、ｚ軸方向における位置が徐々に大きくなるような傾斜部３２を有している。ｘ軸方向における外側とは、ｘ軸方向における冷媒流通部９２の中央からより遠い側を指し、内側とは、冷媒流通部９２の中央により近い側を指す。図１１の例では、それぞれの傾斜部３２は、冷媒流通部９２のｙ軸方向の全長にわたって設けられている。
【００９４】
以上の第２実施形態におけるインバータ２によっても、第１実施形態におけるインバータ１と同様の効果を奏する。
【００９５】
図１２は、本発明の第３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。
【００９６】
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（１０１）が設けられている。半導体モジュール１００（１０１）は、電力駆動機器に供給する電力を制御してよい。
【００９７】
図１３は、本発明の第４実施形態に係るインバータ１（２）の主回路図である。上述の通り、インバータ１（２）の半導体モジュール１００（１０１）は、出力端子８３Ｕ、８３Ｖおよび８３Ｗ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。
【００９８】
半導体モジュール１００（１０１）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（Ｎ端子８１）に、コレクタ電極が出力端子８３Ｕ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８３Ｕに、コレクタ電極が入力端子Ｐ１（Ｐ端子８２）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（Ｎ端子８１）、Ｎ３（Ｎ端子８１）に、コレクタ電極がそれぞれ出力端子８３Ｖ、８３Ｗ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８３Ｖ、８３Ｗに、コレクタ電極がそれぞれ入力端子Ｐ２（Ｐ端子８２）、Ｐ３（Ｐ端子８２）に、電気的に接続してよい。
【００９９】
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。本例において、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８３Ｕ、８３Ｖ、８３Ｗは負荷にそれぞれ接続してよい。また、各半導体チップ７８−１から７８−６は、コンデンサ装置１５０の内部コンデンサ１５６に並列に接続されてもよい。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。
【０１００】
半導体モジュール１００（１０１）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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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】
【０１０３】
１、２  インバータ、１０、１１  冷却装置、２０  天板、２２  上面、２４  下面、２６  短辺、２８  長辺、３０  冷媒流路、３２  傾斜部、３４  底部、３６  側壁、４０  ジャケット、４２  開口部、４４  端部、６２  枠部、６４  本体部、７０  半導体装置、７０−１  Ｕ相ユニット、７０−２  Ｖ相ユニット、７０−３  Ｗ相ユニット、７１  直線、７２  収容部、７３  リードフレーム、７４  封止部、７５  回路板、７６  回路基板、７６ａ  第１端、７６ｂ  第２端、７７  金属体、７８  半導体チップ、７９  貫通孔、８１  Ｎ端子、８２  Ｐ端子、８３、８３Ｕ、８３Ｖ、８３Ｗ  出力端子、９０、９１  パイプ、９２  冷媒流通部、９４  冷却フィン、９５  フィン領域、９５ａ  第１境界、９５ｂ  第２境界、９６  中央位置、９８  下端、１００、１０１  半導体モジュール、１５０  コンデンサ装置、１５１  筐体、１５３  端子、１５５  電源端子、１５６  内部コンデンサ、２００  車両、２１０  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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