(57)【要約】【課題】  パワー素子が均一的に冷却される半導体モジュールおよび半導体装置を提供する。【解決手段】  ヒートシンクとして機能する電極板５２，５４は、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１を両側から挟み込むように配設される。電極板５２（５４）の冷却体６２（６４）との対向面は、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１に対向する部分において、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１の略中央部に対向する部分の厚みがその周辺部に対向する部分の厚みよりも薄くなるように形成される。そして、冷却体６２，６４は、それぞれ電極板５２，５４の形状に沿って電極板５２，５４を両側から挟み込むように配設される。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子と前記半導体素子を冷却する冷却体との間に配設され、前記半導体素子の略中央部に対向する部分の厚みが前記半導体素子の周辺部に対向する部分の厚みよりも薄いヒートシンクとを備える半導体モジュール。
【請求項２】
前記ヒートシンクは、導体から成り、かつ、前記半導体素子の電極と接続される、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
半導体素子と、
前記半導体素子の中央部近傍に対向する部分の放熱面積が前記半導体素子の周辺部に対向する部分の放熱面積よりも大きくなるように構成された複数の放熱フィンを含む冷却体とを備える半導体装置。
【請求項４】
前記複数の放熱フィンは、前記半導体素子の中央部近傍に対向する部分の配置密度が前記半導体素子の周辺部に対向する部分の配置密度よりも高くなるように配設される、請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記複数の放熱フィンの各々は、板状フィンから成り、
前記複数の板状フィンは、前記半導体素子の中央部近傍に対向する部分の配置間隔が前記半導体素子の周辺部に対向する部分の配置間隔よりも狭くなるように配設される、請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体素子の周辺部に対向する部分の放熱フィンは、複数の板状フィンから成り、
前記半導体素子の中央部近傍に対向する部分の放熱フィンは、複数のピンフィンから成る、請求項３に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記複数の放熱フィンの各々は、板状フィンから成り、
前記半導体素子の中央部近傍に対向する部分の板状フィンは、表面に凹凸形状を有する、請求項３に記載の半導体装置。
【請求項８】
半導体素子と、
前記半導体素子を冷却する冷却体と、
前記半導体素子と前記冷却体との間に配設され、前記半導体素子の略中央部に対向する部分の厚みが前記半導体素子の周辺部に対向する部分の厚みよりも薄いヒートシンクとを備え、
前記ヒートシンクの前記半導体素子に対向する面は、平面から成り、
前記ヒートシンクの前記冷却体に対向する面は、前記半導体素子の略中央部に対向する部分の前記ヒートシンクの厚みが最も薄くなるように、前記半導体素子に対向する部分において凹形状に形成され、
前記冷却体の前記ヒートシンクに対向する面は、前記ヒートシンクの面形状に沿って形成される、半導体装置。
【請求項９】
前記冷却体は、冷媒が流される冷媒路を含み、
前記冷媒路は、前記ヒートシンクの面形状に沿って形成される、請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記ヒートシンクの凹形状は、前記冷媒が流される方向に沿って流線形である、請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記冷却体は、前記半導体素子の中央部近傍に対向する部分の放熱面積が前記半導体素子の周辺部に対向する部分の放熱面積よりも大きくなるように構成された複数の放熱フィンを含む、請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体モジュールおよび半導体装置に関し、特に、半導体モジュールにおけるパワー素子の冷却技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体モジュールにおける半導体素子を効率的に冷却するための冷却構造が多数提案されている。たとえば、発明協会公開技報番号２００３−５０４４９０号（非特許文献１）は、ヒートシンクが冷却水などの冷却流体に浸漬している浸漬冷却型パワー素子の冷却構造を開示する。この浸漬冷却型パワー素子は、パワー素子と、パワー素子の両面に設けられ、かつ、冷却流体に浸漬されるヒートシンクとを備える。
【０００３】
この浸漬冷却型パワー素子においては、ヒートシンクは、凹状の曲面に形成され、その曲面上には、複数の突起が設けられる。これにより、ヒートシンクにおける冷却表面積を増大させ、かつ、流水に乱流を発生させることによって、パワー素子の冷却効率を向上させる（非特許文献１参照）。
【０００４】
また、特開平７−１８９６８４号公報（特許文献６）は、放熱フィンの配設密度をファンによる冷却風の流速分布に応じて変化させた熱交換装置を開示する。この熱交換装置は、冷却器における高速風領域においては放熱フィンのピッチ間隔が狭くなるように構成され、低速風領域においては放熱フィンのピッチ間隔が広くなるように構成される。これにより、冷却器全体の通過風量がほぼ均一化され、熱交換率を向上させることができる（特許文献６参照）。
【特許文献１】特開２０００−３０７０４２号公報
【特許文献２】特開２００３−２０４０１９号公報
【特許文献３】特開２００１−１９６７７５号公報
【特許文献４】特開平４−３７２１５９号公報
【特許文献５】特開平７−３１８２９６号公報
【特許文献６】特開平７−１８９６８４号公報
【特許文献７】特開２００３−４６０４６号公報
【非特許文献１】発明協会公開技報番号２００３−５０４４９０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の発明協会公開技報番号２００３−５０４４９０号に開示されたパワー素子の冷却構造は、パワー素子全体の冷却効率の向上を図るものであるが、パワー素子における温度分布の均一化を図るものではない。
【０００６】
一般的に、パワー素子においては、素子の中央部がその周辺部に比べて高温となり、この素子中央部の温度上昇を考慮してパワー素子に流される電流量が制限される。このため、素子の中央部がその周辺部に比べて高温となっているパワー素子においては、パワー素子の能力を十分に発揮させることができない。
【０００７】
すなわち、パワー素子の能力を十分に発揮させるためには、パワー素子の冷却効率を向上させるとともに、パワー素子をできるだけ均一に冷却することが重要である。
【０００８】
また、パワー素子における温度分布が不均一であると、パワー素子内や、パワー素子を電極と接合する接合材などに応力が発生し、パワー素子や接合材などの劣化が促進される。しかしながら、上記の特開平７−１８９６８４号公報や発明協会公開技報番号２００３−５０４４９０号においては、このような問題については検討されていない。
【０００９】
そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、パワー素子が均一的に冷却される半導体モジュールおよび半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明によれば、半導体モジュールは、半導体素子と、半導体素子と半導体素子を冷却する冷却体との間に配設され、かつ、半導体素子の略中央部に対向する部分の厚みが半導体素子の周辺部に対向する部分の厚みよりも薄いヒートシンクとを備える。
【００１１】
この発明による半導体モジュールにおいては、ヒートシンクの形状は、半導体素子の略中央部に対向する部分の厚みが半導体素子の周辺部に対向する部分の厚みよりも薄いので、ヒートシンクにおいて、半導体素子の略中央部に対向する部分の熱抵抗が半導体素子の周辺部に対向する部分の熱抵抗よりも低い。
【００１２】
したがって、この発明によれば、半導体素子の略中央部がその周辺部よりも冷却体によって効率的に冷却され、半導体素子の温度分布が均一化される。その結果、半導体素子の能力を十分に発揮させることができる。また、半導体素子の温度分布が均一化されることによって半導体素子内や半導体素子を電極と接合する接合材などに応力が発生するのを抑制し、半導体素子や接合材の劣化を抑制することができる。
【００１３】
好ましくは、ヒートシンクは、導体から成り、かつ、半導体素子の電極と接続される。
この半導体モジュールにおいては、ヒートシンクは、半導体モジュールの電極としても機能する。したがって、この半導体モジュールによれば、半導体モジュールを小型化することができる。
【００１４】
また、この発明によれば、半導体装置は、半導体素子と、半導体素子の中央部近傍に対向する部分の放熱面積が半導体素子の周辺部に対向する部分の放熱面積よりも大きくなるように構成された複数の放熱フィンを含む冷却体とを備える。
【００１５】
この発明による半導体装置においては、冷却体に設けられる複数の放熱フィンは、半導体素子の中央部近傍に対向する部分の放熱面積が半導体素子の周辺部に対向する部分の放熱面積よりも大きくなるように構成されているので、半導体素子の中央部近傍の方がその周辺部よりも放熱性に優れる。
【００１６】
したがって、この発明によれば、半導体素子の中央部近傍がその周辺部よりも効果的に冷却され、半導体素子の温度分布を均一化することができる。その結果、半導体素子内における電流密度を均一化することができ、半導体素子の能力を十分に発揮させることができる。また、半導体素子の温度分布が均一化されることによって半導体素子内や半導体素子を電極と接合する接合材などに応力が発生するのを抑制し、半導体素子や接合材の劣化を抑制することができる。
【００１７】
好ましくは、複数の放熱フィンは、半導体素子の中央部近傍に対向する部分の配置密度が半導体素子の周辺部に対向する部分の配置密度よりも高くなるように配設される。
【００１８】
この半導体装置においては、半導体素子の周辺部に対向する部分に比べて半導体素子の中央部近傍に対向する部分の放熱フィンの配置密度を高くしたので、半導体素子の中央部近傍の方がその周辺部よりも放熱性に優れる。したがって、この半導体装置によれば、簡易な構成で半導体素子の温度分布を均一化することができる。
【００１９】
さらに好ましくは、複数の放熱フィンの各々は、板状フィンから成る。複数の板状フィンは、半導体素子の中央部近傍に対向する部分の配置間隔が半導体素子の周辺部に対向する部分の配置間隔よりも狭くなるように配設される。
【００２０】
したがって、この半導体装置によれば、非常に簡易な構成で半導体素子の温度分布を均一化することができる。
【００２１】
また、好ましくは、半導体素子の周辺部に対向する部分の放熱フィンは、複数の板状フィンから成る。半導体素子の中央部近傍に対向する部分の放熱フィンは、複数のピンフィンから成る。
【００２２】
この半導体装置においては、複数のピンフィンは、複数の板状フィンよりも冷媒との接触面積を大きくとることができるので、半導体素子の中央部近傍の方がその周辺部よりも放熱性に優れる。したがって、この半導体装置によっても、簡易な構成で半導体素子の温度分布を均一化することができる。
【００２３】
また、好ましくは、複数の放熱フィンの各々は、板状フィンから成る。半導体素子の中央部近傍に対向する部分の板状フィンは、表面に凹凸形状を有する。
【００２４】
この半導体装置においては、表面に凹凸形状を有する板状フィンは、そのような形状を有しない板状フィンよりも冷媒との接触面積を大きくとることができるので、半導体素子の中央部近傍の方がその周辺部よりも放熱性に優れる。したがって、この半導体装置によっても、簡易な構成で半導体素子の温度分布を均一化することができる。
【００２５】
また、この発明によれば、半導体装置は、半導体素子と、半導体素子を冷却する冷却体と、半導体素子と冷却体との間に配設され、半導体素子の略中央部に対向する部分の厚みが半導体素子の周辺部に対向する部分の厚みよりも薄いヒートシンクとを備える。ヒートシンクの半導体素子に対向する面は、平面から成る。ヒートシンクの冷却体に対向する面は、半導体素子の略中央部に対向する部分のヒートシンクの厚みが最も薄くなるように、半導体素子に対向する部分において凹形状に形成される。冷却体のヒートシンクに対向する面は、ヒートシンクの面形状に沿って形成される。
【００２６】
この発明による半導体装置においては、冷却体のヒートシンクに対向する面は、ヒートシンクの面形状に沿って形成されるので、冷却器とヒートシンクとの位置決めが容易になる。したがって、この発明によれば、半導体装置の組付性が向上する。
【００２７】
好ましくは、冷却体は、冷媒が流される冷媒路を含む。冷媒路は、ヒートシンクの面形状に沿って形成される。
【００２８】
この半導体装置においては、冷却体の冷媒路は、凹形状を有するヒートシンクの面形状に沿って形成されるので、冷媒の流れが一様でなくなり、冷媒に乱流が発生する。したがって、この半導体装置によれば、冷媒路表面における冷媒の表面効果が向上し、冷却効率が向上する。
【００２９】
好ましくは、ヒートシンクの凹形状は、冷媒が流される方向に沿って流線形である。
この半導体装置においては、ヒートシンクの面形状に沿って配設される冷媒路は、ヒートシンクの面形状に沿った流線形であるので、冷媒が冷媒路を流れる際の圧力損失が抑えられる。また、ヒートシンクの凹形状に対応する部分において冷媒の流速が速くなる。したがって、この半導体装置によれば、半導体素子の冷却効率がさらに向上する。
【００３０】
好ましくは、冷却体は、半導体素子の中央部近傍に対向する部分の放熱面積が半導体素子の周辺部に対向する部分の放熱面積よりも大きくなるように構成された複数の放熱フィンを含む。
【００３１】
この半導体装置においては、ヒートシンクにおいて、半導体素子の中央部近傍に対向する部分の厚みを半導体素子の周辺部に対向する部分の厚みよりも薄くしたことと、冷却体に設けられる複数の放熱フィンにおいて、半導体素子の中央部近傍に対向する部分の放熱面積を半導体素子の周辺部に対向する部分の放熱面積よりも大きくしたこととの相乗効果によって、半導体素子の中央部近傍がその周辺部に比べてより効果的に冷却される。
【００３２】
したがって、この半導体装置によれば、中央部近傍と周辺部との温度差が特に大きい半導体素子であっても半導体素子の温度分布を均一化することができる。
【発明の効果】
【００３３】
以上のように、この発明によれば、半導体素子の略中央部がその周辺部よりも効率的に冷却されるので、半導体素子の温度分布が均一化される。その結果、半導体素子に局所的な高温部が発生することによる電流制限を受けることなく、半導体素子の能力を十分に発揮させることができる。
【００３４】
また、この発明によれば、半導体素子の温度分布が均一化されることによって、半導体素子内や半導体素子を電極と接合する接合材などに応力が発生するのを抑制し、半導体素子や接合材の劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００３６】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による半導体モジュールが用いられるインバータを含む負荷駆動装置の概略ブロック図である。図１を参照して、この負荷駆動装置１００は、バッテリＢと、コンデンサＣと、インバータ１０と、制御装置２０と、電源ラインＰＬと、接地ラインＳＬと、Ｕ相ラインＵＬと、Ｖ相ラインＶＬと、Ｗ相ラインＷＬとを含む。インバータ１０は、電源ラインＰＬおよび接地ラインＳＬを介してバッテリＢと接続される。また、インバータ１０は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬを介してモータジェネレータＭＧと接続される。
【００３７】
この負荷駆動装置１００によって駆動されるモータジェネレータＭＧは、たとえば、３相交流同期電動機からなる。そして、モータジェネレータＭＧは、力行動作時、インバータ１０からＵ，Ｖ，Ｗ各相ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬを介して受ける３相交流電圧によって駆動トルクを発生する。また、モータジェネレータＭＧは、回生動作時、３相交流電圧を発生し、その発生した３相交流電圧をＵ，Ｖ，Ｗ各相ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬを介してインバータ１０へ出力する。
【００３８】
バッテリＢは、直流電源であって、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池からなる。バッテリＢは、発生した直流電圧を電源ラインＰＬを介してインバータ１０へ出力する。また、バッテリＢは、モータジェネレータＭＧによって発生され、かつ、インバータ１０によって整流された直流電圧を電源ラインＰＬを介してインバータ１０から受け、その受けた直流電圧によって充電される。
【００３９】
インバータ１０は、Ｕ相アーム１２、Ｖ相アーム１４およびＷ相アーム１６を含む。Ｕ相アーム１２、Ｖ相アーム１４およびＷ相アーム１６は、電源ラインＰＬと接地ラインＳＬとの間に並列に接続される。Ｕ相アーム１２は、直列に接続されたパワートランジスタＱ１，Ｑ２からなり、Ｖ相アーム１４は、直列に接続されたパワートランジスタＱ３，Ｑ４からなり、Ｗ相アーム１６は、直列に接続されたパワートランジスタＱ５，Ｑ６からなる。各パワートランジスタＱ１〜Ｑ６は、たとえばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）からなる。各パワートランジスタＱ１〜Ｑ６のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ接続される。そして、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相アーム１２，１４，１６における各パワートランジスタの接続点は、モータジェネレータＭＧのＵ，Ｖ，Ｗ各相コイルの中性点と反対側のコイル端にそれぞれ接続される。
【００４０】
このインバータ１０は、制御装置２０からの信号ＰＷＭに基づいて、電源ラインＰＬから供給される直流電圧を３相交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧを駆動する。これにより、モータジェネレータＭＧは、トルク指令値によって指定されたトルクを発生するように駆動される。また、インバータ１０は、モータジェネレータＭＧの回生動作時にモータジェネレータＭＧが発電した３相交流電圧を制御装置２０からの信号ＰＷＭに基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧を電源ラインＰＬへ出力する。
【００４１】
コンデンサＣは、電源ラインＰＬと接地ラインＳＬとの間に接続され、電源ラインＰＬと接地ラインＳＬとの間の電圧変動を平滑化する。制御装置２０は、電源ラインＰＬと接地ラインＳＬとの間の電圧、ならびにモータジェネレータＭＧのモータ電流およびトルク指令値に基づいて、モータジェネレータＭＧを駆動するための信号ＰＷＭを生成し、その生成した信号ＰＷＭをインバータ１０へ出力する。
【００４２】
図２，図３は、図１に示したインバータ１０のＵ，Ｖ，Ｗ各相アームにおける上下各アームを構成する半導体モジュールの構造を示す。図２は、図１に示したインバータ１０のＵ相上アームを構成する半導体モジュールの構造を示す断面図であり、図３は、図２に示した半導体モジュールの断面ＩＩＩ−ＩＩＩの断面図である。なお、インバータ１０のＵ，Ｖ，Ｗ各相アームにおける上下各アームの構造は、全て同じであり、この図２，図３では、インバータ１０のＵ相上アームの構造が代表的に示される。
【００４３】
図２，図３を参照して、この半導体モジュール５０は、パワートランジスタＱ１と、ダイオードＤ１と、電極５２，５４と、絶縁板５６，５８と、モールド樹脂６０とを含む。そして、半導体モジュール５０を両側から挟み込むように冷却体６２，６４が配設される。
【００４４】
パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１は、平型のパワー素子であり、通電時、素子周辺部よりも素子中央部から多く発熱する。
【００４５】
電極板５２，５４は、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１を両側から挟み込むようにして設けられる。そして、電極板５２は、端子５３を介して図１に示した電源ラインＰＬに接続され、電極板５４は、端子５５を介して図１に示したＵ相ラインＵＬに接続される。この電極板５２，５４は、たとえば、導電率および熱伝導率の高い銅などからなり、電極として機能するとともに、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１からの熱を冷却体６２，６４へそれぞれ伝熱するヒートシンクとして機能する。
【００４６】
ここで、電極板５２においては、パワートランジスタＱ１に対向する部分において、パワートランジスタＱ１の略中央部に対向する部分の厚みがパワートランジスタＱ１の周辺部に対向する部分の厚みよりも薄くなるように、冷却体６２に対向する面が略球面状に形成されている。また、ダイオードＤ１に対向する部分においても、ダイオードＤ１の略中央部に対向する部分の厚みがダイオードＤ１の周辺部に対向する部分の厚みよりも薄くなるように、冷却体６２に対向する面が略球面状に形成されている。すなわち、この電極板５２においては、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１の略中央部に対向する部分の熱抵抗が素子周辺部に対向する部分の熱抵抗よりも低くなるように形成されている。
【００４７】
さらに、電極板５４においても、パワートランジスタＱ１に対向する部分において、パワートランジスタＱ１の略中央部に対向する部分の厚みがパワートランジスタＱ１の周辺部に対向する部分の厚みよりも薄くなるように、冷却体６４に対向する面が略球面状に形成され、ダイオードＤ１に対向する部分において、ダイオードＤ１の略中央部に対向する部分の厚みがダイオードＤ１の周辺部に対向する部分の厚みよりも薄くなるように、冷却体６４に対向する面が略球面状に形成されている。すなわち、この電極板５４においても、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１の略中央部に対向する部分の熱抵抗が素子周辺部に対向する部分の熱抵抗よりも低くなるように形成されている。
【００４８】
絶縁板５６は、電極板５２と冷却体６２との間に設けられ、電極板５２を冷却体６２と絶縁する。絶縁板５８は、電極板５４と冷却体６４との間に設けられ、電極板５４を冷却体６４と絶縁する。この絶縁板５６，５８は、たとえば、アルミナなどの高熱伝導率を有するフィラーを含有しており、それぞれ電極板５２，５４からの熱を低熱抵抗で冷却体６２，６４へ伝熱する。
【００４９】
モールド樹脂６０は、たとえば、エポキシ樹脂であって、パワートランジスタＱ１、ダイオードＤ１、電極板５２，５４、および絶縁板５６，５８を一体的に固定封止する。
【００５０】
冷却体６２，６４は、たとえば、熱伝導率の高いアルミなどからなり、パワートランジスタＱ１、ダイオードＤ１、電極板５２，５４、絶縁板５６，５８、およびモールド樹脂６０からなる半導体モジュール５０を両側から冷却する。冷却体６２は、電極板５２の形状に沿って絶縁板５６に密接して設けられ、内部に冷却水路６６を有する。冷却体６４は、電極板５４の形状に沿って絶縁板５８に密接して設けられ、内部に冷却水路６８を有する。そして、冷却体６２における冷却水路６６および冷却体６４における冷却水路６８も、それぞれ電極板５２，５４の形状に沿うように形成される。
【００５１】
図４は、図２に示した電極板５４のパワートランジスタＱ１との接合部近傍の拡大図である。なお、電極板５４のダイオードＤ１との接合部、ならびに電極板５２のパワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１との接合部の構造も、この図４に示される電極板５４のパワートランジスタＱ１との接合部の構造と同じであり、この図４では、電極板５４のパワートランジスタＱ１との接合部が代表的に示されている。
【００５２】
図４を参照して、ヒートシンクとして機能する電極板５４において、パワートランジスタＱ１の周辺部に対向する部分の厚みは、ａ１からなる。一方、パワートランジスタＱ１の略中央部に対向する部分の厚みは、素子周辺部に対向する部分の厚みａ１よりも薄いａ２からなる。
【００５３】
ここで、パワートランジスタＱ１の略中央部に対向する部分の厚みをその周辺部よりも薄くしたのは、パワートランジスタＱ１の温度分布を略中央部と周辺部とで均一化するためである。すなわち、パワートランジスタＱ１の略中央部においては、その周辺部によりも発熱量が多いところ、パワートランジスタＱ１の略中央部に対向する部分の厚みをその周辺部に対向する部分よりも薄くすることによってパワートランジスタＱ１の略中央部から冷却体までの距離を短くし、それによって、パワートランジスタＱ１の略中央部に対向する部分の熱抵抗を周辺部に対向する部分の熱抵抗よりも低く抑えて、パワートランジスタＱ１の略中央部に対向する部分の冷却効果を高めたものである。これにより、パワートランジスタＱ１の略中央部の温度と周辺部の温度との均一化が図られる。
【００５４】
なお、パワートランジスタＱ１の略中央部の冷却効果を高めるために、電極板５４を一律に薄くすることも考えられる。しかしながら、パワートランジスタＱ１からの熱は、図４に示すように電極板５４へ放射状に拡散するため、仮にパワートランジスタＱ１の周辺部においても電極板５４の厚みを薄くすると、電極板５４における熱の拡がり幅が小さくなり、かえって電極板５４の熱抵抗の増大を招く。そこで、パワートランジスタＱ１の周辺部においては、電極板５４の厚みを確保するようにしたものである。
【００５５】
また、電極板５４を一律に薄くすることなく、パワートランジスタＱ１の略中央部に対向する部分の厚みをその周辺部に対向する部分に対して薄くすることは、以下の理由により、冷却体６４によるパワートランジスタＱ１の冷却効果をさらに高める。すなわち、図３に示すように、冷却体６４において、パワートランジスタＱ１に対向する部分が電極板５４の形状に沿って略球面状に形成され、その形状に沿って冷却水が流されることにより、パワートランジスタＱ１に対向する部分における冷却水の流速が速くなる。さらに、冷却水の流れが一様でなくなることにより冷却水に乱流が発生し、冷却水路と冷却水との表面効果が向上する。これにより、冷却体６４によるパワートランジスタＱ１の冷却効果が向上する。
【００５６】
なお、上記においては、電極板５２，５４におけるパワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１に対向する部分の形状は、略球面状としたが、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１の略中央部において電極板５２，５４の厚みが最も薄くなるような略双曲面状や略放物面状などであってもよい。そして、このような略球面状や、略双曲面状、略放物面状などのように面形状を流線形にすることは、冷却水の圧力損失を抑えて冷却効率の低下を抑制する。
【００５７】
以上のように、この実施の形態１によれば、ヒートシンクとして機能する電極板５２，５４において、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１の略中央部に対向する部分の厚みをその周辺部に対向する部分の厚みよりも薄くし、略中央部に対向する部分の熱抵抗を周辺部に対向する部分の熱抵抗よりも低くなるようにしたので、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１の略中央部がその周辺部に比べて効果的に冷却され、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１の温度分布を均一ができる。したがって、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１の有する能力を有効に利用することができる。
【００５８】
また、電極板５２の面形状に合わせて冷却体６２，６４を形成したので、半導体モジュール５０への冷却体６２，６４の位置決めが容易となる。したがって、半導体モジュール５０および冷却体６２，６４からなる半導体装置の組付性が向上する。
【００５９】
さらに、冷却体６２，６４内の冷却水路６６，６８も電極板５２の面形状に合わせて形成したので、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１の略中央部に対向する部分における冷却水の流速が向上し、さらに、冷却水と冷却水路との間の表面効果も向上する。したがって、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１の冷却効率が向上する。
【００６０】
また、さらに、電極板５２，５４のパワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１に対向する部分の形状を、冷却体６２，６４において冷却水が流される方向に沿って流線形になるようにしたので、冷却体６２，６４における冷却水の圧力損失が抑制される。したがって、冷却効率の低下が抑制される。
【００６１】
［実施の形態２］
図５は、この発明の実施の形態２による半導体モジュールの構造を示す断面図である。なお、実施の形態２による半導体モジュールが用いられるインバータを含む負荷駆動装置の回路構成は、図１に示した負荷駆動装置１００の回路構成と同じである。また、この実施の形態２においても、インバータのＵ，Ｖ，Ｗ各相アームにおける上下各アームの構造は、全て同じであり、この図５では、インバータのＵ相上アームの構造が代表的に示される。また、この図５は、実施の形態１で説明した図２に対応するものである。
【００６２】
図５を参照して、この半導体モジュール５０Ａは、図２に示した実施の形態１における半導体モジュール５０の構成において、電極板５２，５４および絶縁板５６，５８に代えて、電極板５２Ａ，５４Ａおよび絶縁板５６Ａ，５８Ａを含む。
【００６３】
電極板５２Ａは、冷却体６２Ａに対向する面の形状が図２に示した実施の形態１における電極板５２の形状と異なり、冷却体６２Ａに対向する面において、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１に対向する部分が略円柱曲面状に形成されている。すなわち、この半導体モジュール５０Ａの断面Ａ−Ａの断面図は、図３に示される断面形状を有しており、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１に対向する部分において、冷却体６２Ａ内で冷却水が流される方向に略円柱曲面が形成される。
【００６４】
また、電極板５４Ａも、電極板５２Ａと同様の形状を有し、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１に対向する部分において、冷却体６４Ａ内で冷却水が流される方向に略円柱曲面が形成される。
【００６５】
絶縁板５６Ａは、電極板５２Ａの冷却体６２Ａとの対向面に沿って電極板５２Ａと冷却体６２Ａとの間に設けられる。絶縁板５８Ａは、電極板５４Ａの冷却体６４Ａとの対向面に沿って電極板５４Ａと冷却体６４Ａとの間に設けられる。
【００６６】
なお、図５に示されるように、電極板５２Ａ，５４Ａにおける凹部の幅は、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１の素子幅内に収まることが好ましい。これは、上述したように、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１の略中央部の冷却効果を高めつつ、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１からの熱を電極板５２Ａ，５４Ａにおいてより広い領域に拡散させ、電極板５２Ａ，５４Ａの熱抵抗を低減させるためである。
【００６７】
そして、冷却体６２Ａは、電極板５２Ａの形状に沿って絶縁板５６Ａに密接して設けられ、冷却体６４Ａは、電極板５４Ａの形状に沿って絶縁板５８Ａに密接して設けられる。
【００６８】
この半導体モジュール５０Ａにおいても、ヒートシンクとして機能する電極板５２Ａ，５４Ａにおいて、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１の略中央部に対向する部分の厚みが、その周辺部に対向する部分の厚みよりも薄い。したがって、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１の各々において、素子周辺部に比べて略中央部が効果的に冷却され、素子の略中央部と周辺部との温度分布の均一化が図られる。
【００６９】
また、冷却体６２Ａ，６４Ａにおいて、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１に対向する部分が電極板５２Ａ，５４Ａの形状に沿って略円柱曲面状に形成され、その形状に沿って冷却水が流されることにより、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１に対向する部分における冷却水の流速が速くなる。さらに、冷却水の乱流効果により、冷却水路と冷却水との表面効果も向上する。これにより、冷却体６２Ａ，６４ＡによるパワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１の冷却効果が向上する。
【００７０】
以上のように、この実施の形態２によっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００７１】
なお、この発明による半導体モジュールにおける電極板（ヒートシンク）の形状は、上記の各実施の形態１，２の形状に限られるものではない。たとえば、図６に示すように、電極板（ヒートシンク）の冷却体との対向面において、パワートランジスタ（ダイオード）に対向する部分が略円錐形状に形成されてもよいし、図７に示すように、電極板（ヒートシンク）の冷却体との対向面において、パワートランジスタ（ダイオード）と対向する部分が略矩形に形成されてもよい。
【００７２】
［実施の形態３］
図８は、この発明の実施の形態３による半導体装置の構造を示す断面図である。図８を参照して、この半導体装置５１は、パワートランジスタＱ１と、ダイオードＤ１と、電極板５２Ｄ，５４Ｄと、絶縁板５６Ｄ，５８Ｄと、モールド樹脂６０と、冷却体６２Ｄ，６４Ｄとを含む。
【００７３】
電極板５２Ｄ，５４Ｄは、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１を両側から挟み込むようにして設けられる。この実施の形態３における電極板５２Ｄ，５４Ｄは、図２に示した実施の形態１における電極板５２，５４のような形状は有しておらず、一般的な平板形状から成る。この電極板５２Ｄ，５４Ｄも、電極板５２，５４と同様に、導電率および熱伝導率の高い部材からなり、たとえば銅から成る。そして、電極板５２Ｄ，５４Ｄは、電極として機能するとともに、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１からの熱を冷却体６２Ｄ，６４Ｄへそれぞれ伝熱するヒートシンクとして機能する。
【００７４】
絶縁板５６Ｄは、電極板５２Ｄと冷却体６２Ｄとの間に設けられ、電極板５２Ｄを冷却体６２Ｄと絶縁する。絶縁板５８Ｄは、電極板５４Ｄと冷却体６４Ｄとの間に設けられ、電極板５４Ｄを冷却体６４Ｄと絶縁する。
【００７５】
冷却体６２Ｄは、複数の冷却水路６６Ｄおよび各々が板状の複数の放熱フィン６７を有するマイクロチャネル冷却器から成る。冷却体６２Ｄは、絶縁板５６Ｄに密接して設けられる。すなわち、冷却体６２Ｄの絶縁板５６Ｄとの接触面は、電極板５２Ｄの形状に沿った平面形状である。冷却体６４Ｄは、複数の冷却水路６８Ｄおよび複数の放熱フィン６９を有するマイクロチャネル冷却器から成る。冷却体６４Ｄは、絶縁板５８Ｄに密接して設けられる。すなわち、冷却体６４Ｄの絶縁板５８Ｄとの接触面は、電極板５４Ｄの形状に沿った平面形状である。
【００７６】
ここで、この冷却体６２Ｄ（または６４Ｄ）においては、複数の放熱フィン６７（または６９）は、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１の各々（以下、単に「パワー素子」とも称する。）の中央部近傍に対向する部分の配置間隔がパワー素子の周辺部に対向する部分の配置間隔よりも狭くなるように配設される。すなわち、パワー素子の中央部近傍に対向する部分の配置密度がパワー素子の周辺部に対向する部分の配置密度よりも高くなるように配設される。
【００７７】
したがって、この冷却体６２Ｄ，６４Ｄにおいては、パワー素子の中央部近傍に対向する部分の放熱フィンによる放熱面積がパワー素子の周辺部に対向する部分の放熱フィンによる放熱面積よりも大きいので、パワー素子の中央部近傍の方がその周辺部よりも放熱性に優れる。つまり、パワー素子の中央部近傍の方がその周辺部よりも冷却効果が高い。これにより、パワー素子の中央部近傍の温度とその周辺部の温度との均一化を図ることができる。
【００７８】
以上のように、この実施の形態３によれば、パワー素子の中央部近傍がその周辺部よりも効果的に冷却される。したがって、パワー素子の温度分布を均一化することができる。その結果、パワー素子内における電流密度を均一化することができ、パワー素子の能力を十分に発揮させることができる。
【００７９】
また、パワー素子の温度分布が均一化されることによって、パワー素子内やパワー素子を電極と接合する半田などの接合材（図示せず）などに応力が発生するのを抑制し、パワー素子や接合材の劣化を抑制することができる。
【００８０】
さらに、冷却体６２Ｄ，６４Ｄにおいて、パワー素子の周辺部に対向する部分およびパワー素子の非対向部分における放熱フィンを減らすことができるので、部品コストを低減できる。また、さらに、放熱フィンを減らすことにより、冷却水路６６Ｄ，６８Ｄを流れる冷却水の圧力損失を低減でき、パワー素子の冷却効率も向上する。
【００８１】
［実施の形態４］
図９は、この発明の実施の形態４による半導体装置における冷却体の構造を示す断面図である。この図９では、この実施の形態４による半導体装置の特徴を示す関係上、冷却体のパワー素子と対向する面に平行な冷却体の断面構造が示される。なお、図９では、パワートランジスタＱ１と対向する部分近傍の構造が代表的に示されるが、ダイオードＤ１と対向する部分の構造も同じである。
【００８２】
図９を参照して、この実施の形態４による半導体装置５１Ａにおける冷却体６２Ｅは、複数の冷却水路６６Ｅ、各々が板状の複数の放熱フィン６７Ａおよび複数のピンフィン７０を有するマイクロチャネル冷却器から成る。
【００８３】
複数のピンフィン７０は、パワートランジスタＱ１の中央部近傍に対向する部分に配設される。各ピンフィン７０は、ピン状（棒状）の放熱体であり、冷却体のパワー素子と対向する面に略垂直な方向（図９では紙面法線方向）に延びるように配設される。そして、パワートランジスタＱ１の周辺部に対向する部分には、板状の放熱フィン６７Ａが配設される。
【００８４】
複数のピンフィン７０は、板状の放熱フィン６７Ａが同面積に配設される場合よりも冷却水との接触面積を大きくとることができる。したがって、この冷却体６２Ｅにおいては、複数のピンフィン７０に対向するパワートランジスタＱ１の中央部近傍の方がその周辺部よりも放熱性に優れる。つまり、パワートランジスタＱ１の中央部近傍の方がその周辺部よりも冷却効果が高い。これにより、パワートランジスタＱ１の中央部近傍の温度とその周辺部の温度との均一化を図ることができる。
【００８５】
なお、パワートランジスタＱ１と同様に、ダイオードＤ１の中央部近傍の温度とその周辺部の温度との均一化も図られる。
【００８６】
以上のように、この実施の形態４によっても、パワー素子の温度分布を均一化することができる。その結果、パワー素子内における電流密度を均一化することができ、パワー素子の能力を十分に発揮させることができる。
【００８７】
［実施の形態５］
図１０は、この発明の実施の形態５による半導体装置の構造を示す断面図である。図１０を参照して、この半導体モジュール５１Ｂは、図８に示した実施の形態３における半導体装置５１の構成において、冷却体６２Ｄ，６４Ｄに代えてそれぞれ冷却体６２Ｆ，６４Ｆを含む。
【００８８】
冷却体６２Ｆは、複数の冷却水路６６Ｆおよび各々が板状の複数の放熱フィン６７Ｂ，６７Ｃを有するマイクロチャネル冷却器から成る。冷却体６２Ｆは、絶縁板５６Ｄに密接して設けられる。すなわち、冷却体６２Ｆの絶縁板５６Ｄとの接触面は、電極板５２Ｄの形状に沿った平面形状である。
【００８９】
放熱フィン６７Ｂは、パワー素子の中央部近傍に対向する部分に配設される。放熱フィン６７Ｃは、パワー素子の周辺部に対向する部分を含むその他の部分に配設される。放熱フィン６７Ｂは、表面に凹凸形状を有しており、たとえば、表面にさらに細かなフィンが設けられる。これにより、放熱フィン６７Ｂは、放熱フィン６７Ｃよりも高い放熱性を有する。
【００９０】
冷却体６４Ｆは、複数の冷却水路６８Ｆおよび各々が板状の複数の放熱フィン６９Ｂ，６９Ｃを有するマイクロチャネル冷却器である。冷却体６４Ｆの構成は、冷却体６２Ｆと同様である。すなわち、パワー素子の中央部近傍に対向する部分に配設される放熱フィン６９Ｂは、パワー素子の周辺部に対向する部分を含むその他の部分に配設される放熱フィン６９Ｃよりも高い放熱性を有する。
【００９１】
したがって、この冷却体６２Ｆ，６４Ｆにおいても、パワー素子の中央部近傍の方がその周辺部よりも冷却効果が高い。これにより、パワー素子の中央部近傍の温度とその周辺部の温度との均一化を図ることができる。
【００９２】
以上のように、この実施の形態５によっても、パワー素子の温度分布を均一化することができる。その結果、パワー素子内における電流密度を均一化することができ、パワー素子の能力を十分に発揮させることができる。
【００９３】
［実施の形態６］
図１１は、この発明の実施の形態６による半導体装置の構造を示す断面図である。図１１を参照して、この半導体装置５１Ｃは、図２に示した実施の形態１による半導体モジュール５０と、冷却体６２Ｇ，６４Ｇとを含む。
【００９４】
冷却体６２Ｇは、複数の冷却水路６６Ｇおよび各々が板状の複数の放熱フィン６７Ｄを有するマイクロチャネル冷却器から成る。冷却体６２Ｇは、電極板５２の形状に沿って絶縁板５６に密接して設けられる。冷却体６４Ｇは、複数の冷却水路６８Ｇおよび各々が板状の複数の放熱フィン６９Ｄを有するマイクロチャネル冷却器から成る。冷却体６４Ｇは、電極板５４の形状に沿って絶縁板５８に密接して設けられる。
【００９５】
ここで、複数の放熱フィン６７Ｄ（または６９Ｄ）は、パワー素子の中央部近傍に対向する部分の配置間隔がパワー素子の周辺部に対向する部分の配置間隔よりも狭くなるように配設される。すなわち、パワー素子の中央部近傍に対向する部分の配置密度がパワー素子の周辺部に対向する部分の配置密度よりも高くなるように配設される。
【００９６】
したがって、この半導体装置５１Ｃにおいては、パワー素子の中央部近傍に対向する部分において、電極板５２，５４の厚みをパワー素子の周辺部に対向する部分の厚みよりも薄くしたことによる効果と、冷却体６２Ｇ，６４Ｇの放熱面積をパワー素子の周辺部に対向する部分よりも大きくしたことによる効果との相乗効果によって、パワー素子の中央部近傍をその周辺部に比べてより効果的に冷却することができる。
【００９７】
以上のように、この実施の形態６によれば、電極板５２，５４の形状および冷却体６２Ｄ，６４Ｄにおける放熱フィンの構成を上記のようにすることによって、パワー素子の中央部近傍の冷却効果をさらに高めることができる。したがって、中央部近傍と周辺部との温度差が特に大きいパワー素子においても、パワー素子の温度分布を均一化することができる。
【００９８】
［実施の形態７］
図１２は、この発明の実施の形態７による半導体装置の構造を示す断面図である。図１２を参照して、この半導体装置５１Ｄは、図２に示した実施の形態１による半導体モジュール５０と、冷却体６２Ｈ，６４Ｈとを含む。
【００９９】
冷却体６２Ｈは、複数の冷却水路６６Ｈおよび各々が板状の複数の放熱フィン６７Ｅ，６７Ｆを有するマイクロチャネル冷却器から成る。冷却体６２Ｈは、電極板５２の形状に沿って絶縁板５６に密接して設けられる。放熱フィン６７Ｅは、パワー素子の中央部近傍に対向する部分に配設される。放熱フィン６７Ｆは、パワー素子の周辺部に対向する部分を含むその他の部分に配設される。放熱フィン６７Ｅは、表面に凹凸形状を有しており、たとえば、表面にさらに細かなフィンが設けられる。これにより、放熱フィン６７Ｅは、放熱フィン６７Ｆよりも高い放熱性を有する。
【０１００】
冷却体６４Ｈは、複数の冷却水路６８Ｈおよび各々が板状の複数の放熱フィン６９Ｅ，６９Ｆを有するマイクロチャネル冷却器から成る。冷却体６４Ｈは、電極板５４の形状に沿って絶縁板５８に密接して設けられる。冷却体６４Ｈの構成は、冷却体６２Ｈと同様である。すなわち、パワー素子の中央部近傍に対向する部分に配設される放熱フィン６９Ｅは、表面に凹凸形状を有しており、パワー素子の周辺部に対向する部分を含むその他の部分に配設される放熱フィン６９Ｆよりも高い放熱性を有する。
【０１０１】
したがって、この半導体装置５１Ｄにおいても、実施の形態６による半導体装置５１Ｃと同様に、電極板５２，５４の各々の厚み差による効果と冷却体６２Ｈ，６４Ｈの各々における放熱フィンの放熱面積差による効果とによって、パワー素子の中央部近傍をその周辺部に比べてより効果的に冷却することができる。
【０１０２】
以上のように、この実施の形態７によっても、パワー素子の中央部近傍の冷却効果がその周辺部の冷却効果に比べてさらに高められる。したがって、中央部近傍と周辺部との温度差が特に大きいパワー素子においても、パワー素子の温度分布を均一化することができる。
【０１０３】
なお、上記においては、半導体モジュールは、両面冷却型であり、パワー素子（パワートランジスタおよびダイオード）が電極板によって両側から挟み込まれるものとしたが、この発明の適用範囲は、両面冷却型の半導体モジュールに限定されるものではなく、片面冷却の半導体モジュールにも適用可能である。
【０１０４】
また、両面冷却型の半導体モジュールにおいて、パワー素子の略中央部において厚みを薄くした電極板を片面の電極板のみに適用したものであってもよい。
【０１０５】
さらに、上記においては、半導体モジュールは、液冷型の冷却体によって冷却されるものとしたが、この発明の適用範囲は、冷却体が液冷型のものに限定されるものではなく、冷却体が空冷型のものであってもよい。
【０１０６】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】この発明の実施の形態１による半導体モジュールが用いられるインバータを含む負荷駆動装置の概略ブロック図である。
【図２】図１に示すインバータのＵ相上アームを構成する半導体モジュールの構造を示す断面図である。
【図３】図２に示す半導体モジュールの断面ＩＩＩ−ＩＩＩの断面図である。
【図４】図２に示す電極板のパワートランジスタとの接合部近傍の拡大図である。
【図５】この発明の実施の形態２による半導体モジュールの構造を示す断面図である。
【図６】この発明による半導体モジュールの他の構造を示す断面図である。
【図７】この発明による半導体モジュールのさらに他の構造を示す断面図である。
【図８】この発明の実施の形態３による半導体装置の構造を示す断面図である。
【図９】この発明の実施の形態４による半導体装置における冷却体の構造を示す断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態５による半導体装置の構造を示す断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態６による半導体装置の構造を示す断面図である。
【図１２】この発明の実施の形態７による半導体装置の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０  インバータ、１２  Ｕ相アーム、１４  Ｖ相アーム、１６  Ｗ相アーム、２０  制御装置、５０，５０Ａ  半導体モジュール、５１，５１Ａ〜５１Ｄ  半導体装置、５２，５２Ａ，５２Ｄ，５４，５４Ａ〜５４Ｄ  電極板、５３，５５  端子、５６，５６Ａ，５６Ｄ，５８，５８Ａ〜５８Ｄ  絶縁板、６０  モールド樹脂、６２，６２Ａ，６２Ｄ〜６２Ｈ，６４，６４Ａ〜６４Ｈ  冷却体、６６，６６Ａ，６６Ｄ〜６６Ｈ，６８，６８Ａ，６８Ｄ〜６８Ｈ  冷却水路、６７，６７Ａ〜６７Ｆ，６９，６９Ａ〜６９Ｆ  放熱フィン、７０  ピンフィン、Ｂ  バッテリ、Ｃ  コンデンサ、ＭＧ  モータジェネレータ、Ｑ１〜Ｑ６  パワートランジスタ、Ｄ１〜Ｄ６  ダイオード、ＰＬ  電源ライン、ＳＬ  接地ライン、ＵＬ  Ｕ相ライン、ＶＬ  Ｖ相ライン、ＷＬ  Ｗ相ライン。
【図１】
2006229180.tif 000003
【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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