(57)【要約】  半導体装置（１０）の冷却構造は、出力電極（５０）と、出力電極（５０）を挟んで互いに対向して配置される半導体素子（３１）および半導体素子（３６）と、半導体素子（３１）に対して出力電極（５０）の反対側に配置される放熱器（４１）と、半導体素子（３６）に対して出力電極（５０）の反対側に配置される放熱器（４２）とを備える。出力電極（５０）は、素子実装部（５１）と熱輸送部（５６）とを含む。素子実装部（５１）は、半導体素子（３１）および半導体素子（３６）に電気的に接続され、導電性材料から形成される。熱輸送部（５６）は、素子実装部（５１）から放熱器（４１）および放熱器（４２）に向けて延設される。このような構成によれば、優れた冷却効率が実現される半導体装置の冷却構造を提供することができる。
2011064841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極（５０）と、
前記電極（５０）を挟んで互いに対向して配置される第１半導体素子（３１）および第２半導体素子（３６）と、
前記第１半導体素子（３１）に対して前記電極（５０）の反対側に配置される第１放熱器（４１）と、
前記第２半導体素子（３６）に対して前記電極（５０）の反対側に配置される第２放熱器（４２）とを備え、
前記電極（５０）は、前記第１半導体素子（３１）および前記第２半導体素子（３６）に電気的に接続され、導電性材料から形成される素子実装部（５１，７１）と、前記素子実装部（５１，７１）から前記第１放熱器（４１）および前記第２放熱器（４２）に向けて延設される熱輸送部（５６，６６，７６）とを含む、半導体装置の冷却構造。
【請求項２】
前記熱輸送部（５６，６６）は、前記素子実装部（５１）から、前記第１半導体素子（３１）および前記第２半導体素子（３６）の対向方向に直交する方向に延在し、
前記熱輸送部（５６，６６）は、前記第１半導体素子（３１）および前記第２半導体素子（３６）の対向方向における熱伝達率よりも前記熱輸送部（５６，６６）の延在方向における熱伝達率の方が大きくなる熱伝導率異方性部材から形成される、請求の範囲１に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項３】
前記熱伝導率異方性部材は、ヒートパイプまたは配向性グラファイトからなる、請求の範囲２に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項４】
前記熱輸送部（７６）は、高熱伝導性の絶縁材料から形成され、前記第１放熱器（４１）および前記第２放熱器（４２）と前記素子実装部（７１）との間に介在するように設けられる、請求の範囲１に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項５】
前記素子実装部（７１）は、銅またはアルミニウムから形成されるバスバーであり、
前記熱輸送部（７６）は、前記バスバーを覆うように設けられる、窒化アルミニウムまたは高熱伝導性の樹脂から形成される、請求の範囲４に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項６】
前記電極（５０）は、高熱伝導性の導電材料によって、前記素子実装部（５１）と前記熱輸送部（５６）とが一体となった形態により形成される、請求の範囲１に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項７】
前記熱輸送部（５６，６６，７６）は、前記第１半導体素子（３１）および前記第２半導体素子（３６）が対向する位置に配置され、前記第１半導体素子（３１）および前記第２半導体素子（３６）で発生した熱を受ける受熱部（６０，６７，７７）と、前記第１放熱器（４１）と前記第２放熱器（４２）との間の空間に配置され、前記受熱部（６０，６７，７７）より伝達された熱を放出する放熱部（５９，６８，７８）とを有し、前記受熱部（６０，６７，７７）から前記放熱部（５９，６８，７８）に向けて延在する、請求の範囲１に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項８】
前記素子実装部（５１）は、前記第１放熱器（４１）と前記第２放熱器（４２）との間の空間において前記放熱部（５９，６８）を覆うように設けられ、
前記第１半導体素子（３１）および前記素子実装部（５１）と前記第１放熱器（４１）との間、ならびに前記第２半導体素子（３６）および前記素子実装部（５１）と前記第２放熱器（４２）との間に介在して設けられる絶縁基板（４６，４７）をさらに備える、請求の範囲１に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項９】
前記絶縁基板（４６，４７）は、前記第１半導体素子（３１）と前記第１放熱器（４１）との間に介在する部分と、前記素子実装部（５１）と前記第１放熱器（４１）との間に介在する部分とが、互いに分断するように設けられ、前記第２半導体素子（３６）と前記第２放熱器（４２）との間に介在する部分と、前記素子実装部（５１）と前記第２放熱器（４２）との間に介在する部分とが、互いに分断するように設けられる、請求の範囲８に記載の半導体装置の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的には、半導体装置の冷却構造に関し、より特定的には、車両に搭載されたインバータに適用される半導体装置の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置の冷却構造に関して、たとえば、特開２００８−４２０７４号公報には、装置が大型化することを防止するための半導体装置が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された半導体装置は、第１半導体素子および第２半導体素子と、第１電力基板を介して第１半導体素子に対して積層された第１放熱器と、第２電力基板を介して第２半導体素子に対して積層された第２放熱器とを有する。【０００３】
また、特開平４−７８６０号公報には、部品点数を少なくして組み立てることが可能であり、小型軽量化も可能な半導体スタックが開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された半導体スタックは、ヒートパイプの一端部に受熱部ブロックが埋め込まれ、ヒートパイプの他端部に放熱フィンが取り付けられたヒートパイプ式放熱器を備える。このような構成を備える複数個のヒートパイプ式放熱器と、複数個の半導体素子とが、サンドイッチ構造となるように積層される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−４２０７４号公報
【特許文献２】特開平４−７８６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
インバータ回路などに使用される半導体素子の作動には、非常に大きい発熱を伴うため、各種の冷却構造が採用されている。しかしながら、特許文献１に開示された半導体装置においては、第１半導体素子と第２半導体素子との間に、各半導体素子で発生した熱を遮断もしくは放熱する部材が配置されていない。このため、第１半導体素子および第２半導体素子で発生した熱同士が干渉するため、十分な冷却効率が得られないおそれが生じる。【０００６】
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、優れた冷却効率が実現される半導体装置の冷却構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に従った半導体装置の冷却構造は、電極と、電極を挟んで互いに対向して配置される第１半導体素子および第２半導体素子と、第１半導体素子に対して電極の反対側に配置される第１放熱器と、第２半導体素子に対して電極の反対側に配置される第２放熱器とを備える。電極は、素子実装部と熱輸送部とを含む。素子実装部は、第１半導体素子および第２半導体素子に電気的に接続され、導電性材料から形成される。熱輸送部は、素子実装部から第１放熱器および第２放熱器に向けて延設される。【０００８】
このように構成された半導体装置の冷却構造によれば、第１半導体素子および第２半導体素子で発生した熱を、輸送部を通じて第１放熱器および第２放熱器へと伝えることができる。これにより、第１半導体素子および第２半導体素子の冷却効率を向上させることができる。【０００９】
また好ましくは、熱輸送部は、素子実装部から、第１半導体素子および第２半導体素子の対向方向に直交する方向に延在する。熱輸送部は、第１半導体素子および第２半導体素子の対向方向における熱伝達率よりも熱輸送部の延在方向における熱伝達率の方が大きくなる熱伝導率異方性部材から形成される。【００１０】
このように構成された半導体装置の冷却構造によれば、第１半導体素子および第２半導体素子の対向方向における熱輸送部の熱伝達率が小さいため、第１半導体素子および第２半導体素子で発生した熱同士が干渉することを効果的に抑制できる。また、熱輸送部のその延在方向における熱伝達率が大きいため、第１半導体素子および第２半導体素子で発生した熱を、熱輸送部を通じて効率よく第１放熱器および第２放熱器に伝えることができる。【００１１】
また好ましくは、熱伝導率異方性部材は、ヒートパイプまたは配向性グラファイトからなる。このように構成された半導体装置の冷却構造によれば、半導体素子の対向方向における熱伝達率よりも熱輸送部の延在方向における熱伝達率の方が大きくなる熱伝導率異方性部材を、ヒートパイプまたは配向性グラファイトを用いて構成する。【００１２】
また好ましくは、熱輸送部は、高熱伝導性の絶縁材料から形成される。熱輸送部は、第１放熱器および第２放熱器と素子実装部との間に介在するように設けられる。このように構成された半導体装置の冷却構造によれば、熱輸送部によって、第１放熱器および第２放熱器と導電部との間を電気的に絶縁することができる。【００１３】
また好ましくは、素子実装部は、銅またはアルミニウムから形成されるバスバーである。熱輸送部は、バスバーを覆うように設けられる、窒化アルミニウムまたは高熱伝導性の樹脂から形成される。このように構成された半導体装置の冷却構造によれば、窒化アルミニウムまたは高熱伝導性の樹脂によって、第１放熱器および第２放熱器と、銅またはアルミニウムから形成されるバスバーとの間を電気的に絶縁することができる。【００１４】
また好ましくは、電極は、高熱伝導性の導電材料によって、素子実装部と熱輸送部とが一体となった形態により形成される。このように構成された半導体装置の冷却構造によれば、半導体素子に対する通電と、高効率の熱伝達との両方の機能を兼ね備えた電極を、簡易な構成によって実現することができる。【００１５】
また好ましくは、熱輸送部は、第１半導体素子および第２半導体素子が対向する位置に配置され、第１半導体素子および第２半導体素子で発生した熱を受ける受熱部と、第１放熱器と第２放熱器との間の空間に配置され、受熱部より伝達された熱を放出する放熱部とを有する。熱輸送部は、受熱部から放熱部に向けて延在する。このように構成された半導体装置の冷却構造によれば、第１半導体素子および第２半導体素子で発生した熱を、受熱部から放熱部へと伝達させることで、第１半導体素子および第２半導体素子の冷却効率を向上させることができる。【００１６】
また好ましくは、素子実装部は、第１放熱器と第２放熱器との間の空間において放熱部を覆うように設けられる。半導体装置の冷却構造は、第１半導体素子および素子実装部と第１放熱器との間、ならびに第２半導体素子および素子実装部と第２放熱器との間に介在して設けられる絶縁基板をさらに備える。このように構成された半導体装置の冷却構造によれば、絶縁基板によって、第１半導体素子および素子実装部と第１放熱器との間、ならびに第２半導体素子および素子実装部と第２放熱器との間を電気的に絶縁することができる。【００１７】
また好ましくは、絶縁基板は、第１半導体素子と第１放熱器との間に介在する部分と、素子実装部と第１放熱器との間に介在する部分とが、互いに分断するように設けられ、第２半導体素子と第２放熱器との間に介在する部分と、素子実装部と第２放熱器との間に介在する部分とが、互いに分断するように設けられる。このように構成された半導体装置の冷却構造によれば、温度変化に伴う熱ひずみにより絶縁基板が破損することを抑制できる。
【発明の効果】
【００１８】
以上に説明したように、この発明に従えば、優れた冷却効率が実現される半導体装置の冷却構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ハイブリッド自動車の駆動ユニットを模式的に表わす図である。
【図２】図１中のＰＣＵの構成を示す電気回路図である。
【図３】図２中のインバータに適用される半導体装置の冷却構造を示す断面図である。
【図４】図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿った半導体装置の冷却構造を示す断面図である。
【図５】図３中の半導体装置の冷却構造の第１変形例を示す断面図である。
【図６】図３中の半導体装置の冷却構造の第２変形例を示す断面図である。
【図７】図３中の半導体装置の冷却構造の第３変形例を示す断面図である。
【図８】この発明の実施の形態２における半導体装置の冷却構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、ハイブリッド自動車の駆動ユニットを模式的に表わす図である。本実施の形態では、本発明が、車両としてのハイブリッド自動車に搭載されるインバータに適用されている。まず、ハイブリッド自動車を駆動させるためのＨＶシステムについて説明する。
【００２２】
図１を参照して、駆動ユニット１は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能なバッテリ８００とを動力源とするハイブリッド自動車に設けられている。駆動ユニット１は、モータジェネレータ１００と、ハウジング２００と、減速機構３００と、ディファレンシャル機構４００と、ドライブシャフト受け部９００と、端子台６００とを含んで構成される。
【００２３】
モータジェネレータ１００は、電動機または発電機としての機能を有する回転電機である。モータジェネレータ１００は、回転シャフト１１０と、ロータ１３０と、ステータ１４０とを含む。回転シャフト１１０は、軸受１２０を介してハウジング２００に回転可能に取り付けられている。ロータ１３０は、回転シャフト１１０と一体となって回転する。
【００２４】
モータジェネレータ１００から出力された動力は、減速機構３００からディファレンシャル機構４００を介してドライブシャフト受け部９００に伝達される。ドライブシャフト受け部９００に伝達された駆動力は、ドライブシャフトを介して車輪に回転力として伝達されて、車両を走行させる。
【００２５】
一方、ハイブリッド自動車の回生制動時には、車輪は車体の慣性力により回転させられる。車輪からの回転力によりドライブシャフト受け部９００、ディファレンシャル機構４００および減速機構３００を介してモータジェネレータ１００が駆動される。このとき、モータジェネレータ１００が発電機として作動する。モータジェネレータ１００により発電された電力は、ＰＣＵ（Power  Control  Unit）７００を介してバッテリ８００に供給される。
【００２６】
図２は、図１中のＰＣＵの構成を示す電気回路図である。図２を参照して、ＰＣＵ７００は、コンバータ７１０と、インバータ７２０と、制御装置７３０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電源ラインＰＬ１〜ＰＬ３と、出力ライン７４０Ｕ，７４０Ｖ，７４０Ｗとを含む。
【００２７】
コンバータ７１０は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３を介してバッテリ８００と接続されている。インバータ７２０は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３を介してコンバータ７１０と接続されている。インバータ７２０は、出力ライン７４０Ｕ，７４０Ｖ，７４０Ｗを介してモータジェネレータ１００と接続されている。バッテリ８００は、直流電源であって、たとえばニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の２次電池から形成されている。バッテリ８００は、蓄えた直流電力をコンバータ７１０に供給したり、コンバータ７１０から受け取る直流電力によって充電される。
【００２８】
コンバータ７１０は、半導体モジュールから構成された上アームおよび下アームと、リアクトルＬとを含む。上アームおよび下アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に直列に接続されている。電源ラインＰＬ２に接続される上アームは、パワートランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）Ｑ１と、パワートランジスタＱ１に逆並列に接続されるダイオードＤ１とからなる。電源ラインＰＬ３に接続される下アームは、パワートランジスタＱ２と、パワートランジスタＱ２に逆並列に接続されるダイオードＤ２とからなる。リアクトルＬは、電源ラインＰＬ１と、上アームおよび下アームの接続点との間に接続されている。
【００２９】
コンバータ７１０は、バッテリ８００から受け取る直流電圧をリアクトルＬを用いて昇圧し、その昇圧した電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。コンバータ７１０は、インバータ７２０から受け取る直流電圧を降圧し、バッテリ８００を充電する。
【００３０】
インバータ７２０は、Ｕ相アーム７５０Ｕと、Ｖ相アーム７５０Ｖと、Ｗ相アーム７５０Ｗとを含む。Ｕ相アーム７５０Ｕ、Ｖ相アーム７５０ＶおよびＷ相アーム７５０Ｗは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に並列に接続されている。Ｕ相アーム７５０Ｕ、Ｖ相アーム７５０ＶおよびＷ相アーム７５０Ｗの各々は、半導体モジュールから構成された上アームおよび下アームからなる。各相アームの上アームおよび下アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に直列に接続されている。
【００３１】
Ｕ相アーム７５０Ｕの上アームは、パワートランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑ３と、パワートランジスタＱ３に逆並列に接続されるダイオードＤ３とからなる。Ｕ相アーム７５０Ｕの下アームは、パワートランジスタＱ４と、パワートランジスタＱ４に逆並列に接続されるダイオードＤ４とからなる。Ｖ相アーム７５０Ｖの上アームは、パワートランジスタＱ５と、パワートランジスタＱ５に逆並列に接続されるダイオードＤ５とからなる。Ｖ相アーム７５０Ｖの下アームは、パワートランジスタＱ６と、パワートランジスタＱ６に逆並列に接続されるダイオードＤ６とからなる。Ｗ相アーム７５０Ｗの上アームは、パワートランジスタＱ７と、パワートランジスタＱ７に逆並列に接続されるダイオードＤ７とからなる。Ｗ相アーム７５０Ｗの下アームは、パワートランジスタＱ８と、パワートランジスタＱ８に逆並列に接続されるダイオードＤ８とからなる。各相アームのパワートランジスタの接続点は、対応する出力ライン７４０Ｕ，７４０Ｖ，７４０Ｗを介してモータジェネレータ１００の対応する相のコイルの反中性点側に接続されている。
【００３２】
なお、図中では、Ｕ相アーム７５０ＵからＷ相アーム７５０Ｗの上アームおよび下アームが、それぞれ、パワートランジスタとダイオードとからなる１つの半導体モジュールから構成されている場合が示されているが、複数の半導体モジュールにより構成されてもよい。
【００３３】
インバータ７２０は、制御装置７３０からの制御信号に基づいて、電源ラインＰＬ２から受け取る直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１００へ出力する。インバータ７２０は、モータジェネレータ１００によって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ラインＰＬ２に供給する。
【００３４】
コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１の電圧レベルを平滑化する。コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ２の電圧レベルを平滑化する。
【００３５】
制御装置７３０は、モータジェネレータ１００のトルク指令値、各相電流値、およびインバータ７２０の入力電圧に基づいて、モータジェネレータ１００の各相コイル電圧を演算する。制御装置７３０は、その演算結果に基づいて、パワートランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフするＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）信号を生成してインバータ７２０へ出力する。モータジェネレータ１００の各相電流値は、インバータ７２０の各アームを構成する半導体モジュールに組込まれた電流センサによって検出される。この電流センサは、Ｓ／Ｎ比が向上するように半導体モジュール内に配設されている。制御装置７３０は、上述したトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ７２０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算する。制御装置７３０は、その結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ７１０へ出力する。
【００３６】
制御装置７３０は、モータジェネレータ１００によって発電された交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ８００に充電するため、コンバータ７１０およびインバータ７２０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ８のスイッチング動作を制御する。
【００３７】
続いて、本実施の形態における半導体装置の冷却構造について詳細に説明する。図３は、図２中のインバータに適用される半導体装置の冷却構造を示す断面図である。
【００３８】
図３を参照して、図中には、Ｕ相アーム７５０Ｕ、Ｖ相アーム７５０ＶおよびＷ相アーム７５０Ｗが一方向に積層されて構成された半導体装置１０が示されている。各相アームは、同一構造を有するため、以下、代表的に、Ｕ相アーム７５０Ｕに注目して本実施の形態における半導体装置１０の冷却構造について説明する。
【００３９】
本実施の形態における半導体装置１０の冷却構造は、その主要な構成として、図２中のパワートランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑ３およびパワートランジスタＱ４をそれぞれ含んで構成される半導体素子３１および半導体素子３６と、入力電極２６および入力電極２７と、出力電極５０と、放熱器４１および放熱器４２とを有する。
【００４０】
半導体素子３１および半導体素子３６は、矢印１０１に示す方向において、互いに距離を隔てて対向して配置されている（以下、矢印１０１に示す方向を、半導体素子３１および半導体素子３６の対向方向ともいう）。
【００４１】
出力電極５０は、図示しないコネクタや配線などを用いて、図２中の出力ライン７４０Ｕに接続される。出力電極５０は、半導体素子３１と半導体素子３６との間に配置されている。言い換えれば、半導体素子３１および半導体素子３６は、出力電極５０を両側から挟み込むように配置されている。出力電極５０は、はんだ３３を介して半導体素子３１に接続され、はんだ３８を介して半導体素子３６に接続されている。
【００４２】
出力電極５０は、半導体素子３１および半導体素子３６の対向方向に直交する、矢印１０２に示す方向に延在して形成されている。半導体素子３１および半導体素子３６の対向方向から半導体装置１０を見た場合に、出力電極５０は、矢印１０２に示す方向に帯状に延在して形成されている。出力電極５０は、半導体素子３１および半導体素子３６が対向する位置から、半導体素子３１および半導体素子３６の対向方向に直交する一方向と、その反対方向とに延在して形成されている。
【００４３】
入力電極２６は、入力電極２６と出力電極５０との間に半導体素子３１が位置決めされるように配置されている。入力電極２６は、はんだ３２を介して半導体素子３１に接続されている。入力電極２６は、図示しないコネクタや配線などを用いて、図２中の電源ラインＰＬ２に接続されている。入力電極２７は、入力電極２７と出力電極５０との間に半導体素子３６が位置決めされるように配置されている。入力電極２７は、はんだ３７を介して半導体素子３６に接続されている。入力電極２７は、図示しないコネクタや配線などを用いて、図２中の電源ラインＰＬ３に接続されている。
【００４４】
入力電極２６と入力電極２７とは、平行に配置されている。これにより、入力電極２６および入力電極２７間で寄生インダクタンスが打ち消され、スイッチング損失を低減することができる。
【００４５】
放熱器４１は、半導体素子３１に対して出力電極５０の反対側に配置されている。放熱器４１は、放熱器４１と半導体素子３１との間に入力電極２６が位置決めされるように配置されている。放熱器４１は、絶縁基板４６を介して入力電極２６に接続されている。放熱器４６は、半導体素子３６に対して出力電極５０の反対側に配置されている。放熱器４６は、放熱器４６と半導体素子３６との間に入力電極２７が位置決めされるように配置されている。放熱器４６は、絶縁基板４７を介して入力電極２７に接続されている。
【００４６】
放熱器４１，４２は、半導体素子３１および半導体素子３６が対向する位置から、半導体素子３１および半導体素子３６の対向方向に直交する一方向に延在して形成されている。放熱器４１，４２は、冷媒としての冷却油が流通する冷却油通路と、その冷却油通路上に配置され、高熱伝導性を有する金属、たとえばアルミニウムにより形成されて放熱フィンとから構成されている。
【００４７】
なお、放熱器４１，４２の構成は、特に限定されず、たとえば、空冷方式の構造を有してもよい。
【００４８】
絶縁基板４６は、絶縁性材料からなる平板状の部材から形成されている。絶縁基板４６は、たとえば、絶縁性セラミックスから形成されている。絶縁基板４６は、たとえば、ロウ付けにより入力電極２６および放熱器４１に接続されている。絶縁基板４７は、たとえば、ロウ付けにより入力電極２７および放熱器４２に接続されている。
【００４９】
本実施の形態における半導体装置１０の冷却構造においては、放熱器４１と出力電極５０との間に１つの半導体素子３１が配置され、放熱器４２と出力電極５０との間に１つの半導体素子３６が配置されている。Ｕ相アーム７５０ＵとＶ相アーム７５０Ｖとは、両者の境界において１つの放熱器を共有するように設けられ、Ｖ相アーム７５０ＶとＷ相アーム７５０Ｗとは、両者の境界において１つの放熱器を共有するように設けられている。
【００５０】
出力電極５０は、素子実装部５１および熱輸送部５６を有して構成されている。
素子実装部５１は、銅などの導電性材料から形成されている。素子実装部５１は、半導体素子３１，３６に対して電気的に接続して設けられている。すなわち、半導体素子３１，３６は、はんだ３３，３８を介して素子実装部５１に実装されている。素子実装部５１は、半導体素子３１，３６を外部配線である出力ライン７４０Ｕに電気的に接続する通電機能を有する。
【００５１】
熱輸送部５６は、半導体素子３１，３６を実装した素子実装部５１から放熱器４１，４２に向けて延びて設けられている。熱輸送部５６は、半導体素子３１，３６を実装した素子実装部５１から、半導体素子３１および半導体素子３６の対向方向に直交する矢印１０２に示す方向に延在している（以下、矢印１０２に示す方向を、熱輸送部５６の延在方向ともいう）。熱輸送部５６は、半導体素子３１，３６を実装した素子実装部５１から、半導体素子３１および半導体素子３６が対向する位置より遠ざかる方向に延在している。熱輸送部５６は、放熱器４１，４２と平行に延在している。熱輸送部５６は、半導体素子３１，３６で発生した熱を放熱器４１，４２に向けて伝達する熱伝達機能を有する。
【００５２】
熱輸送部５６は、半導体素子３１および半導体素子３６が対向する位置に配置される受熱部６０と、放熱器４１と放熱器４２との間の空間に配置される放熱部５９とを有する。熱輸送部５６は、受熱部６０から放熱部５９に向けて延在している。受熱部６０は、半導体素子３１，３６で発生した熱を受け、放熱部５９は、受熱部６０から伝達された熱を放熱部４１，４２に向けて放出する。
【００５３】
熱輸送部５６の延在方向において、熱輸送部５６の熱伝達率は、素子実装部５１の熱伝達率以上である。図３中に示す本実施の形態における半導体装置１０の冷却構造においては、熱輸送部５６の延在方向において、熱輸送部５６の熱伝達率は、素子実装部５１の熱伝達率よりも大きい。
【００５４】
図４は、図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿った熱輸送部を示す断面図である。図３および図４を参照して、熱輸送部５６は、半導体素子３１および半導体素子３６の対向方向における熱伝達率よりも熱輸送部５６の延在方向における熱伝達率の方が大きくなる熱伝導率異方性部材から形成されている。本実施の形態では、その熱伝導率異方性部材として、自励式ヒートパイプが用いられている。
【００５５】
自励式ヒートパイプの構造について説明すると、熱輸送部５６は、熱媒体路５８が形成された金属板５７を有する。金属板５７は、アルミニウムや銅、ステンレス等の金属から形成されている。熱媒体路５８は、金属板５７の内部に真空で封止された状態に形成されている。熱媒体路５８は、受熱部６０と放熱部５９との間で延びている。熱媒体路５８は、金属板５７が延在する平面内で蛇行しながら延び、閉じた経路（ループ孔）を形成している。
【００５６】
熱媒体路５８の内部には、水やフレオン、エタノール、アンモニアなどの熱媒体が封入されている。熱媒体は、たとえば、熱媒体路５８に対して体積比５０％の割合で封入されている。
【００５７】
このような構成を備える自励式ヒートパイプでは、受熱部６０での冷媒蒸発による圧力上昇と、放熱部５９での蒸気凝縮による圧力降下とに起因したポンプ効果により、冷媒が受熱部６０と放熱部５９との間で振動しながら熱輸送を行なう。このため、ウィック構造を用いたヒートパイプと比較して、輸送される熱において、受熱部６０での冷媒蒸発による潜熱に、液冷媒移動の顕熱分が加わり、大きな輸送力を発揮することができる。また、ウィック構造を用いたヒートパイプと比較して、設置姿勢の影響が小さいというメリットもある。
【００５８】
自励式ヒートパイプから構成される熱媒体路５８は、金属板５７の面方向に対して厚み方向の熱伝達率が小さくなる特性を有し、たとえば、面方向の熱伝達率が、約８００〜数１０００Ｗ／ｍＫであるのに対して、厚み方向の熱伝達率は、その１／１０以下（アルミニウム：２００Ｗ／ｍＫ、銅：４００Ｗ／ｍＫ）となる。
【００５９】
なお、本実施の形態では、熱輸送部５６に自励式ヒートパイプを用いたが、ウィック構造を有するヒートパイプを用いてもよい。
【００６０】
図３を参照して、素子実装部５１は、接合部５１ｐと、外部接続部５１ｑと、熱伝達部５１ｒとを有する。接合部５１ｐは、半導体素子３１および半導体素子３６が対向する位置に配置されている。接合部５１ｐには、はんだ３３およびはんだ３８をそれぞれ介して、半導体素子３１および半導体素子３６が接合されている。接合部５１ｐは、受熱部６０を覆うように設けられている。
【００６１】
外部接続部５１ｑおよび熱伝達部５１ｒは、熱輸送部５６の延在方向において両者の間に接合部５１ｐが位置決めされるように配置されている。外部接続部５１ｑには、図示しないコネクタや配線が接続され、素子実装部５１と図２中の出力ライン７４０Ｕとが電気的に接続される。熱伝達部５１ｒは、放熱部５９を覆い、かつ放熱器４１と放熱器４６との間の空間を埋めるように設けられている。熱伝達部５１ｒは、絶縁基板４６を介して放熱器４１に接続され、絶縁基板４７を介して放熱器４２に接続されている。これにより、放熱器４１，４２および熱伝達部５１ｒ間が電気的に絶縁されている。
【００６２】
熱伝達部５１ｒは、その厚みが接合部５１ｐおよび外部接続部５１ｑにおける厚みよりも大きくなる肉厚構造を有する。
【００６３】
続いて、本実施の形態における半導体装置１０の冷却構造によって奏される作用、効果について説明する。
【００６４】
図３中には、半導体素子３１，３６で発生した熱の経路が矢印で示されている。図３を参照して、図２中のインバータ７２０の作動に伴っては、半導体素子３１，３６で大きな発熱が生じる。本実施の形態における半導体装置１０の冷却構造においては、半導体素子３１，３６で発生した熱が、はんだ３３，３８および素子実装部５１の接合部５１ｐを通じて、熱輸送部５６の受熱部６０に伝わる。また、熱輸送部５６を形成する熱伝導率異方性部材は、熱輸送部５６の延在方向に対して厚み方向の熱伝達率が小さくなる特性を有する。このため、半導体素子３１で発生した熱と半導体素子３６で発生した熱とが干渉する現象を効果的に抑制することができる。
【００６５】
受熱部６０に伝わった熱は、熱輸送部５６が備える熱伝導率異方性により、効率よく受熱部６０から放熱部５９へと伝わる。放熱部５９に伝わった熱は、さらに、素子実装部５１の熱伝達部５１ｒを通じて放熱器４１，４２に伝わり、放熱器４１，４２内部における冷却油との熱交換により放熱される。
【００６６】
また、上記とは別の熱経路として、半導体素子３１で発生した熱は、入力電極２６を通じて放熱器４１に伝わり、半導体素子３６で発生した熱は、入力電極２７を通じて放熱器４２に伝わる。結果、半導体素子３１，３６をそれぞれ両面側から冷却する両面冷却の効果が得られる。
【００６７】
また、本実施の形態における半導体装置１０の冷却構造は、素子実装部５１による通電機能と、熱輸送部５６による熱伝達機能とを具備した一体部品である出力電極５０により実現されるため、半導体装置１０の部品点数を減らし、その製造コストを削減することができる。
【００６８】
以上に説明した、この発明の実施の形態１における半導体装置１０の冷却構造の基本的な構成についてまとめて説明すると、本実施の形態における半導体装置１０の冷却構造は、電極としての出力電極５０と、出力電極５０を挟んで互いに対向して配置される第１半導体素子としての半導体素子３１および第２半導体素子としての半導体素子３６と、半導体素子３１に対して出力電極５０の反対側に配置される第１放熱器としての放熱器４１と、半導体素子３６に対して出力電極５０の反対側に配置される第２放熱器としての放熱器４２とを備える。出力電極５０は、素子実装部５１と熱輸送部５６とを含む。素子実装部５１は、半導体素子３１および半導体素子３６に電気的に接続され、導電性材料から形成される。熱輸送部５６は、素子実装部５１から放熱器４１および放熱器４２に向けて延設される。
【００６９】
このように構成された、この発明の実施の形態１における半導体装置１０の冷却構造によれば、半導体素子３１および半導体素子３６を出力電極５０を挟んでその両側に配置し、さらに、出力電極５０に熱輸送部５６を設ける構成により、半導体素子３１，３６の冷却効率を向上させることができる。
【００７０】
なお、図３中に示したＵ相アーム７５０Ｕ、Ｖ相アーム７５０ＶおよびＷ相アーム７５０Ｗの積層構造は、一例に過ぎず、たとえば、半導体装置をさらに多段に積層する構造としてもよいし、複数のアームを半導体素子３１および半導体素子３６の対向方向に直交する平面内に並べる構造としてもよい。
【００７１】
続いて、図３中に示す半導体装置１０の冷却構造の各種変形例について説明する。図５は、図３中の半導体装置の冷却構造の第１変形例を示す断面図である。
【００７２】
図５を参照して、本変形例では、出力電極５０が、図３中の熱輸送部５６に替えて、熱輸送部６６を有して構成されている。
【００７３】
熱輸送部６６は、半導体素子３１および半導体素子３６が対向する位置に配置される受熱部６７と、放熱器４１と放熱器４２との間の空間に配置される放熱部６８とを有し、受熱部６７から放熱部６８に向けて延在している。熱輸送部６６は、半導体素子３１および半導体素子３６の対向方向における熱伝達率よりも熱輸送部６６の延在方向における熱伝達率の方が大きくなる熱伝導率異方性部材から形成されている。本実施の形態では、その熱伝導率異方性部材として高熱伝導性グラファイトが用いられている。高熱伝導性グラファイトは、密集した２次元結晶構造を有し、面方向に対してフォノンによる熱伝導が飛躍的に向上した材料として使用される。
【００７４】
なお、図５中では、放熱部６８において厚みが大きくなるように形成された熱輸送部６６が示されているが、素子実装部５１の熱伝達部５１ｒの熱伝達率が高熱伝導性グラファイトの厚み方向における熱伝達率よりも小さくなる場合には、放熱部６８の肉厚部分を素子実装部５１を形成する金属に置き換えてもよい。
【００７５】
図６は、図３中の半導体装置の冷却構造の第２変形例を示す断面図である。図６を参照して、本変形例では、出力電極５０が、高熱伝導性の導電材料によって、素子実装部５１と熱輸送部５６とが一体となった形態により形成されている。そのような高熱伝導性の導電材料として、たとえば、銅が挙げられる。
【００７６】
より具体的な構造について説明すると、出力電極５０は、半導体素子３１および半導体素子３６が対向する位置に配置される受熱側の接合部５０ｐと、放熱器４１と放熱器４６との間の空間を埋めるように設けられる放熱側の熱伝達部５０ｒと、接合部５０ｐに対して熱伝達部５０ｒの反対側に配置され、図示しないコネクタや配線などが接続される外部接続部５０ｑとを有する。
【００７７】
半導体素子３１，３６で発生した熱は、はんだ３３，３８を通じて接合部５０ｐに伝わる。接合部５０ｐに伝わった熱は、熱伝達部５０ｒへと伝わり、放熱器４１，４２により放熱される。一方、出力電極５０は、導電材料から形成されるため、接合部５０ｐおよび外部接続部５０ｑを通じた、半導体素子３１および半導体素子３６と外部との間の通電が確保される。
【００７８】
図７は、図３中の半導体装置の冷却構造の第３変形例を示す断面図である。図７を参照して、本変形例では、絶縁基板４６が、第１部分４６ａと、第１部分４６ａと分断された第２部分４６ｂとから構成され、絶縁基板４７が、第１部分４７ａと、第１部分４７ａと分断された第２部分４７ｂとから構成されている。第１部分４６ａは、入力電極２６と放熱器４１との間に介在し、第２部分４６ｂは、素子実装部５１と放熱器４１との間に介在する。第１部分４７ａは、入力電極２７と放熱器４２との間に介在し、第２部分４７ｂは、素子実装部５１と放熱器４２との間に介在する。
【００７９】
放熱器４１，４２や入力電極２６，２７に接続される絶縁基板４６，４７には、これら接続部品の熱変形に伴って歪が生じるため、絶縁基板４６，４７が破損するおそれがある。特に絶縁基板４６，４７の固定にロウ付けが用いられている場合には、絶縁基板４６，４７が強固に固定されるため、このような問題が顕著となる。これに対して、本変形例では、絶縁基板４６，４７を分断構造とし、各基板のサイズを小さく抑えることにより、絶縁基板４６，４７の破損をより確実に防ぐことができる。
【００８０】
（実施の形態２）
図８は、この発明の実施の形態２における半導体装置の冷却構造を示す断面図である。本実施の形態における半導体装置の冷却構造は、実施の形態１における半導体装置１０の冷却構造と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造についてはその説明を繰り返さない。
【００８１】
図８を参照して、本実施の形態では、出力電極５０が、素子実装部７１および熱輸送部７６を有して構成されている。
【００８２】
素子実装部７１は、銅またはアルミニウムから形成されるバスバーとして設けられている。素子実装部７１は、半導体素子３１および半導体素子３６が対向する位置に配置され、半導体素子３１，３６がはんだ３３，３８を介して接合される接合部７１ｐと、接合部７１から一方向に延在する先に設けられ、図示しないコネクタや配線などが接続される外部接続部７１ｑとを有する。
【００８３】
熱輸送部７６は、高熱伝導性の絶縁材料から形成されている。このような材料の一例としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が挙げられる。また別の例として、高熱伝導性の樹脂、たとえば、熱伝導性の無機フィラーとして、アルミナ、シリカ、酸化亜鉛、マグネシア等の酸化物や、窒化珪素、窒化硼素、窒化アルミニウム等の窒化物の微粒子を含有する樹脂が挙げられる。
【００８４】
熱輸送部７６は、接合部７１ｐに連設され、半導体素子３１，３６で発生した熱を受ける受熱部７７と、放熱器４１と放熱器４２との間の空間に配置され、受熱部７７から伝達された熱を放出する放熱部７８とを有する。熱輸送部７６は、受熱部７７から放熱部７８に向けて延在している。半導体素子３１，３６で発生した熱は、はんだ３３，３８を通じて受熱部７７に伝わる。受熱部７７に伝わった熱は、熱輸送部７６を通じて放熱部７８に伝わり、放熱器４１，４２により放熱される。
【００８５】
熱輸送部７６の放熱部７８は、その厚みが受熱部７７よりも大きいブロック形状を有する。本実施の形態では、熱輸送部７６が絶縁材料から形成されているため、放熱部７８は、絶縁基板４６，４７を介することなく放熱器４１，４２に直接、接触して設けられている。
【００８６】
このような構成によれば、絶縁基板４６，４７を入力電極２６，２７と放熱器４１，４２との間に介在させるだけでよくなり、絶縁基板４６，４７のサイズを小さく抑えることができる。これにより、熱ひずみに起因する絶縁基板４６，４７の破損を抑制することができる。また、放熱器４１と放熱器４２との間で放熱部７８の厚みが大きくなるため、熱輸送部７６の絶縁耐圧を低く設定することができる。
【００８７】
このように構成された、この発明の実施の形態２における半導体装置の冷却構造によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に得ることができる。
【００８８】
なお、以上に説明した実施の形態、変形例における半導体装置の冷却構造の構成を適宜、組み合わせて、新たな半導体装置の冷却構造を構成してもよい。
【００８９】
また、本発明を、燃料電池と２次電池とを動力源とする燃料電池ハイブリッド車（ＦＣＨＶ：Fuel  Cell  Hybrid  Vehicle）または電気自動車（ＥＶ：Electric  Vehicle）に搭載されるリアクトルに適用することもできる。本実施の形態におけるハイブリッド自動車では、燃費最適動作点で内燃機関を駆動するのに対して、燃料電池ハイブリッド車では、発電効率最適動作点で燃料電池を駆動する。また、２次電池の使用に関しては、両方のハイブリッド自動車で基本的に変わらない。
【００９０】
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説明ではなくて請求の範囲によって示され、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。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
この発明は、車両に搭載される電力変換装置のほか、各種パワーモジュールに適用される。
【符号の説明】
【００９２】
１０  半導体装置、２６，２７  入力電極、３１，３６  半導体素子、４１，４２  放熱器、４６，４７  絶縁基板、４６ａ，４７ａ  第１部分、４６ｂ，４７ｂ  第２部分、５０  出力電極、５０ｐ，５１ｐ，７１ｐ  接合部、５０ｑ，５１ｑ，７１ｑ  外部接続部、５０ｒ，５１ｒ  熱伝達部、５１，７１  素子実装部、５６，６６，７６  熱輸送部、５７  金属板、５８  熱媒体路、５９，６８，７８  放熱部、６０，６７，７７  受熱部、１００  モータジェネレータ、１１０  回転シャフト、１２０  軸受、１３０  ロータ、１４０  ステータ、２００  ハウジング、３００  減速機構、４００  ディファレンシャル機構、６００  端子台、７１０  コンバータ、７２０  インバータ、７３０  制御装置、７４０Ｕ，７４０Ｖ，７４０Ｗ  出力ライン、７５０Ｕ  Ｕ相アーム、７５０Ｖ  Ｖ相アーム、７５０Ｗ  Ｗ相アーム。
【図１】
2011064841.tif 000003
【図２】
2011064841.tif 000004
【図３】
2011064841.tif 000005
【図４】
2011064841.tif 000006
【図５】
2011064841.tif 000007
【図６】
2011064841.tif 000008
【図７】
2011064841.tif 000009
【図８】
2011064841.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成24年4月3日(2012.4.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極（５０）と、
前記電極（５０）を挟んで互いに対向して配置される第１半導体素子（３１）および第２半導体素子（３６）と、
前記第１半導体素子（３１）に対して前記電極（５０）の反対側に配置される第１放熱器（４１）と、
前記第２半導体素子（３６）に対して前記電極（５０）の反対側に配置される第２放熱器（４２）とを備え、
前記電極（５０）は、前記第１半導体素子（３１）および前記第２半導体素子（３６）に電気的に接続され、導電性材料から形成される素子実装部（５１，７１）と、前記素子実装部（５１，７１）から前記第１放熱器（４１）および前記第２放熱器（４２）に向けて延設される熱輸送部（５６，６６，７６）とを含む、半導体装置の冷却構造。
【請求項２】
前記熱輸送部（５６，６６）は、前記素子実装部（５１）から、前記第１半導体素子（３１）および前記第２半導体素子（３６）の対向方向に直交する方向に延在し、
前記熱輸送部（５６，６６）は、前記第１半導体素子（３１）および前記第２半導体素子（３６）の対向方向における熱伝達率よりも前記熱輸送部（５６，６６）の延在方向における熱伝達率の方が大きくなる熱伝導率異方性部材から形成される、請求項１に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項３】
前記熱伝導率異方性部材は、ヒートパイプまたは配向性グラファイトからなる、請求項２に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項４】
前記熱輸送部（７６）は、高熱伝導性の絶縁材料から形成され、前記第１放熱器（４１）および前記第２放熱器（４２）と前記素子実装部（７１）との間に介在するように設けられる、請求項１に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項５】
前記素子実装部（７１）は、銅またはアルミニウムから形成されるバスバーであり、
前記熱輸送部（７６）は、前記バスバーを覆うように設けられる、窒化アルミニウムまたは高熱伝導性の樹脂から形成される、請求項４に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項６】
前記電極（５０）は、高熱伝導性の導電材料によって、前記素子実装部（５１）と前記熱輸送部（５６）とが一体となった形態により形成される、請求項１に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項７】
前記熱輸送部（５６，６６，７６）は、前記第１半導体素子（３１）および前記第２半導体素子（３６）が対向する位置に配置され、前記第１半導体素子（３１）および前記第２半導体素子（３６）で発生した熱を受ける受熱部（６０，６７，７７）と、前記第１放熱器（４１）と前記第２放熱器（４２）との間の空間に配置され、前記受熱部（６０，６７，７７）より伝達された熱を放出する放熱部（５９，６８，７８）とを有し、前記受熱部（６０，６７，７７）から前記放熱部（５９，６８，７８）に向けて延在する、請求項１に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項８】
前記素子実装部（５１）は、前記第１放熱器（４１）と前記第２放熱器（４２）との間の空間において前記放熱部（５９，６８）を覆うように設けられ、
前記第１半導体素子（３１）および前記素子実装部（５１）と前記第１放熱器（４１）との間、ならびに前記第２半導体素子（３６）および前記素子実装部（５１）と前記第２放熱器（４２）との間に介在して設けられる絶縁基板（４６，４７）をさらに備える、請求項７に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項９】
前記絶縁基板（４６，４７）は、前記第１半導体素子（３１）と前記第１放熱器（４１）との間に介在する部分と、前記素子実装部（５１）と前記第１放熱器（４１）との間に介在する部分とが、互いに分断するように設けられ、前記第２半導体素子（３６）と前記第２放熱器（４２）との間に介在する部分と、前記素子実装部（５１）と前記第２放熱器（４２）との間に介在する部分とが、互いに分断するように設けられる、請求項８に記載の半導体装置の冷却構造。
【国際調査報告】
2011064841.tif 000011
2011064841.tif 000012