(57)【要約】【課題】  半導体素子の各部位の温度を均一化させることのできる半導体装置を提供する。【解決手段】  半導体装置１０は、半導体素子１１と冷却器２０とを備えている。半導体素子１１と冷却水流路３０の間に位置している上側壁部材２１の厚みｄ１は、半導体素子１１中央領域に対応する範囲で薄く、周辺領域に対応する範囲で厚い。昇温しやすい中央領域では効率的に冷却され、半導体素子１１の各部位の温度が均一化される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と冷却器を備えており、
その冷却器は、冷媒流路を画定する壁部材を備えており、
その冷媒流路に直交する断面において、前記半導体素子と前記冷媒流路の間に位置する前記壁部材の厚みが、前記半導体素子の中央領域に対応する範囲で薄く、前記半導体素子の周辺領域に対応する範囲で厚いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記冷媒流路に直交する断面において、前記半導体素子の一方側の周辺領域から他方側の周辺領域に至る方向に沿って、前記冷媒流路を複数本の流路に区画する仕切壁が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記冷媒流路に沿った断面において、前記半導体素子と前記冷媒流路の間に位置する前記壁部材の厚みが、前記半導体素子の中央領域に対応する範囲で薄く、前記半導体素子の周辺領域に対応する範囲で厚いことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記冷媒流路に沿った断面において、前記半導体素子と前記冷媒流路の間に位置する前記壁部材の厚みが、前記冷媒流路の上流側に対応する範囲で厚く、前記冷媒流路の下流側に対応する範囲で薄いことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体素子と前記冷媒流路の間に位置する前記壁部材に、前記半導体素子の中央領域から周辺領域に至る方向での熱伝導率が、前記壁部材を構成する母材の熱伝導率よりも高い高熱伝導部が形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体素子と前記冷媒流路の間に位置する前記壁部材に、前記冷媒流路に沿った方向での熱伝導率が、前記壁部材を構成する母材の熱伝導率よりも高い高熱伝導部が形成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体素子と前記冷媒流路を結ぶ方向での前記高熱伝導部の熱伝導率が、前記壁部材を構成する母材の熱伝導率よりも高いことを特徴とする請求項５または６に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子と、半導体素子を冷却する冷却器を備えている半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示されている半導体装置は、半導体素子と、半導体素子を冷却する冷却器を備えている。冷却器は、冷却水流路を画定する壁部材を備えており、その壁部材から冷却水流路に向けてフィンが伸びている。半導体素子の中央領域に対応する範囲ではフィンが長く形成されており、半導体素子の周辺領域に対応する範囲ではフィンが短く形成されている。
半導体素子が作動すると半導体素子は発熱する。半導体素子の中央領域は周辺領域よりも放熱しにくいために、半導体素子の中央領域が局所的に高温になりやすい。特許文献１の半導体装置では、高温になりやすい中央領域に対応する範囲に形成されているフィンの長さが長く形成されているために、半導体素子の中央領域に対応する範囲では冷却効率が高い。特許文献１の技術は、半導体素子の各部位の温度を均一化することを意図している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−００８２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら実際には、フィンが長い部位よりもフィンが短い部位のほうが、冷却水が流れやすい。そのため、特許文献１の半導体装置では、半導体素子の中央領域に対応する範囲を流れる冷却水量が、周辺領域に対応する範囲を流れる冷却水量よりも減少してしまう。特許文献１の半導体装置では、半導体素子の中央領域における放熱性が周辺領域における放熱性よりも高いという関係が実現されているとは言い難い。特許文献１に開示されている半導体装置は、半導体素子の各部位の温度を均一化させるという点において未だ問題の余地を残すものとなっている。半導体素子の各部位の温度が均一化されていないと、例えばはんだ等のように、半導体素子を基板に固定している接合部に熱応力が作用し、接合部の寿命が低下してしまう。
本明細書に開示する技術は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体素子の各部位の温度をより均一化させることのできる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に開示する半導体装置は、半導体素子と冷却器とを備えている。その冷却器は、冷媒流路を画定する壁部材を備えている。冷媒流路に直交する断面で観察すると、半導体素子と冷媒流路の間に位置している壁部材の厚みが、半導体素子の中央領域に対応する範囲では薄く、半導体素子の周辺領域に対応する範囲で厚くなっている。
上記でいう「薄い厚い」の関係は、薄いか厚いかの２者択一の関係であることもあれば、最も薄い部位から最も厚い部位までの間で厚みが多段階に変化している関係であることもある。
【０００６】
上記構成によると、半導体素子の周辺領域よりも中央領域において、半導体素子と冷媒流路の距離が近いために、半導体素子の中央領域での放熱性を周辺領域での放熱性よりも向上させることができる。その結果、半導体素子の中央領域と周辺領域との温度差を低減することができ、半導体素子の各部位の温度をより均一化させることができる。
【０００７】
冷媒流路に直交する断面で観察したときに、半導体素子の一方側の周辺領域から他方側の周辺領域に至る方向に沿って、冷媒流路を複数本の流路に区画する仕切壁が形成されていることが好ましい。
仕切壁によって壁部材と冷媒との接触面積を確保することができ、冷却効率を向上させることができる。また、前記方向における冷媒流量の分布を一様化することできる。
【０００８】
冷媒流路に沿った断面で観察したときにも、半導体素子と冷媒流路の間に位置する壁部材の厚みが、半導体素子の中央領域に対応する範囲で薄く、半導体素子の周辺領域に対応する範囲で厚いことが好ましい。
上記構成によると、冷媒が流れる方向に沿って観察したときに、半導体素子の中央領域では半導体素子と冷媒流路の距離が近いため、半導体素子の中央領域での放熱性を周辺領域での放熱性よりも向上させることができる。その結果、冷媒が流れる方向に沿って観察したときの半導体素子の温度分布を均一化させることができる。
【０００９】
冷媒流路に沿った断面で観察したときに、半導体素子と冷媒流路の間に位置する壁部材の厚みが、冷媒流路の上流側に対応する範囲で厚く、冷媒流路の下流側に対応する範囲で薄いことも好ましい。
冷媒は、上流側から下流側に向かって流れるにつれて、半導体素子で発生する熱の影響を受けて加熱される。冷媒温度は、冷媒流路の上流側よりも下流側で上昇するため、上流側よりも下流側において半導体素子の冷却能力が低下する可能性がある。
上記構成では、半導体素子と冷媒流路の距離を上流側よりも下流側で近くすることができるため、半導体素子の冷却能力が、流路の下流側において低下することを抑制することができる。その結果、冷媒が流れる方向に沿って観察したときの半導体素子の温度分布を均一化させることができる。
【００１０】
冷媒流路に沿った断面で観察したときに、半導体素子の中央領域に対応する範囲で壁部材を薄くすることと、上流側では壁部材を厚くして下流側では壁部材を薄くすることとを組み合わせることもできる。組み合わせて用いることによって、冷媒が流れる方向に沿って観察したときの半導体素子の温度分布をより均一化させることができる。
【００１１】
半導体素子と冷媒流路の間に位置する壁部材に、半導体素子の中央領域から周辺領域に至る方向での熱伝導率が、壁部材を構成する母材の熱伝導率よりも高い高熱伝導部を形成することができる。
【００１２】
上記構成によると、冷媒流路と直交する断面を観察したときに、加熱されやすい中央領域で発生した熱が、まず壁部材の中央範囲に伝熱し、ついで高熱伝導部を通じて壁部材の周辺範囲へ伝熱する。半導体素子が冷却器を形成している壁部材の中央領域のみに積層されている場合であっても、半導体素子で発生する熱を壁部材の全体に伝熱することができる。したがって、半導体素子の中央領域が局所的に高温となることを抑制することができる。冷媒流路と直交する断面で観察したときの温度分布を均質化することができる。また半導体素子から壁部材の全体に伝導した熱を、広い範囲で冷媒に放熱することができ、半導体素子をより適切に冷却することができる。これにより、半導体素子の各部位の温度をさらに適切に均一化させることができる。
【００１３】
半導体素子と冷媒流路の間に位置する壁部材に、冷媒流路に沿った方向での熱伝導率が、壁部材を構成する母材の熱伝導率よりも高い高熱伝導部を形成することもできる。
【００１４】
上記構成によると、冷媒流路に沿った断面を観察したときに、加熱されやすい中央領域で発生した熱が、まず壁部材の中央範囲に伝熱し、ついで高熱伝導部を通じて壁部材の周辺範囲へと伝熱する。半導体素子が冷却器を形成している壁部材の中央領域のみに積層されている場合であっても、半導体素子で発生する熱が壁部材の全体に伝熱することができる。したがって、半導体素子の中央領域が局所的に高温となることを抑制することができる。冷媒流路に沿った断面で観察したとき温度分布を均質化することができる。また、半導体素子から壁部材の全体に伝導した熱を、広い範囲で冷媒に放熱することができ、半導体素子をより適切に冷却することができる。これにより、半導体素子の各部位の温度をさらに適切に均一化させることができる。
【００１５】
冷媒流路を横断する方向、あるいは冷媒流路に沿った方向の熱伝導率が高い高熱伝導部を用いる場合、半導体素子と冷媒流路を結ぶ方向での熱伝導率まで高い高熱伝導部を用いることが好ましい。その場合、半導体素子と冷媒流路を結ぶ方向での熱伝導率が、壁部材を構成する母材の熱伝導率よりも高いことが好ましい。
この場合、壁部材の広い範囲に伝熱する現象と、冷媒に対する伝熱現象の双方が活発化され、半導体素子の各部位の温度をさらに適切に均一化させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本明細書に開示する半導体装置によれば、半導体素子の中央領域と周辺領域との温度差を低減し、半導体素子の各部位の温度を均一化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１の半導体装置を示す平面図。
【図２】図１のII−II線における断面図。
【図３】図１のIII−III線における断面図。
【図４】実施例１の変形例の半導体装置の図３に対応する断面図。
【図５】実施例２の半導体装置を示す平面図。
【図６】図５のVI−VI線における断面構造を示す斜視図。
【図７】実施例３の半導体装置を示す平面図。
【図８】図７のVIII−VIII線における断面構造を示す斜視図。
【図９】実施例４の半導体装置を示す平面図。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線における断面構造を示す斜視図。
【図１１】実施例５の半導体装置を示す平面図。
【図１２】図１０のＸII−ＸII線における断面図。
【図１３】図１０のＸIII−ＸIII線における断面図。
【図１４】実施例５の変形例１の半導体装置の図１３に対応する断面図。
【図１５】実施例５の変形例２の半導体装置の図１２に対応する断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本明細書に開示する技術の実施例の特徴を説明する。
（特徴１）冷却器の上側壁部材と下側壁部材との間に流路が形成されており、上側壁部材から下側壁部材に向かって仕切壁が伸びている。これにより、半導体素子から壁部材へと伝導した熱が、仕切壁をも通じて流路を流れる冷却水に放熱する。
（特徴２）冷却器の流路は、上側壁部材と下側壁部材と隣り合う仕切壁とによって区画される複数の分流路を備えており、各分流路の横断面積は同じ大きさである。これにより、冷媒が各分流路を均等に流れる。
【実施例１】
【００１９】
（実施例１）
本明細書に開示する技術を具体化した半導体装置の実施例１を、図１〜図３を参照して説明する。図１は、実施例１の半導体装置１０の平面図である。図１に示すように、半導体装置１０では、半導体素子１１と冷却器２０とが積層されている。半導体素子１１と冷却器２０との間には、後記するように実際には複数の層が介在しているが、図１では、これらの層の図示を省略している。なお、他の実施例の半導体装置の平面図においても、半導体素子と冷却器との間の層は、図示を省略する。図１に示すように、半導体装置１０の平面視では、冷却器２０は略正方形状である。また、半導体素子１１は、冷却器２０よりも小さい略正方形状であるが、冷却器２０の大部分を覆う大きさである。平面視において半導体素子１１の中心と冷却器２０の中心は一致している。
【００２０】
図２は、図１のII−II線における断面図であり、図３は、III−III線における断面図である。半導体装置１０では、実際には、図２及び図３に示すように、半導体素子１１と冷却器２０との間に、複数の層が介在している。すなわち、図２及び図３に示すように、半導体装置１０は、半導体素子１１と実装基板１３とベースプレート１８と冷却器２０とが順に積層されている。半導体素子１１と実装基板１３の間には、これらを接合する第１接合部１２が介在しており、実装基板１３とベースプレート１８との間には、これらを接合する第２接合部１７が介在している。また、ベースプレート１８と冷却器２０との間には、これらを接合する第３接合部１９が介在している。各図では、これらが積層されている方向をｚ軸方向とし、ｚ軸に直交する方向をｘ軸及びｙ軸とする。
【００２１】
本実施例では、半導体素子１１はシリコン半導体からなり、複数のＩＧＢＴで構成されている。なお、半導体素子１１は、ＩＧＢＴに限定されず、サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴ、及びダイオードなどであってもよい。また、半導体素子１１は、窒化シリコン、ガリウム砒素、及び窒化ガリウムなどの半導体からなるものであってもよい。実装基板１３は、第１層１４と第２層１５と第３層１６との３層構造となっている。第１層１４及び第３層１６は、アルミニウムや銅などの金属で構成され、第２層１５は、窒化アルミニウムや酸化アルミニウムの絶縁体で構成されている。本実施例では、ベースプレート１８は、銅からなる。なお、ベースプレート１８を、アルミニウムや、アルミニウム又は銅とモリブテンとの合金で構成してもよい。第１接合部１２と第２接合部１７とは、はんだで構成されている。また、ベースプレート１８と冷却器２０との間の第３接合部１９は、ろう付け又はグリス接合で構成されている。
【００２２】
図２及び図３に示すように、冷却器２０は、半導体素子１１等が積層されている上側壁部材２１と、上側壁部材２１に対向する下側壁部材２２と、４枚の側板２３とを備えている。冷却器２０には、上側壁部材２１と下側壁部材２２と側板２３とによって冷却水流路３０が画定されている。図２に示すように、冷却器２０は、上側壁部材２１から下側壁部材２２にまで伸びている複数の仕切壁２４を備えている。図３に示すように、冷却水流路３０は、上流端に位置する入口部３１と下流端に位置する出口部３２とを備えている。図２に示すように、冷却水流路３０は、上側壁部材２１と下側壁部材２２と隣り合う仕切壁２４とに囲まれる複数の分流路３３を備えており、各分流路３３は、図３に示すように、入口部３１から出口部３２にかけてｙ軸方向に伸びている。冷却器２０の入口部３１には、冷媒としての冷却水が流入する流入管３５が接続されており、冷却器２０の出口部３２には、冷却水が流出する流出管３６が接続されている。なお、冷媒として水以外の物質を用いるようにしてもよい。冷却器２０の冷却水流路３０では、冷却水がｙ軸方向に流れる。詳細には、図３の矢印に示すように、冷却水は流入管３５を通じて入口部３１へ流入し、その後、分流路３３に分岐して流れる。分流路３３を流れた冷却水は、出口部３２で合流し、流出管３６を通じて流出する。半導体素子１１が作動して発熱すると、この熱が、各層１２，１３，１７，１８，１９を通じて冷却器２０に伝熱する。冷却器２０に伝熱した熱は、冷却水流路３０を流れる冷却水に放熱する。このようにして、半導体素子１１で発生する熱が冷却水へ放熱され、半導体素子１１が冷却される。
【００２３】
図２に示すように、冷却水流路３０に直交する断面で観察すると、上側壁部材２１の厚みｄ１は、半導体素子１１の中央領域に対応する範囲で薄く、半導体素子１１の周辺領域に対応する範囲で厚くなってなっている。より正確に説明すると、上側壁部材２１の厚みｄ１は、中央位置における最も薄い厚みから、最周辺位置おける最も厚い厚みまでの間で、多段階に変化している。また、下側壁部材２２の厚みｄ２は、半導体素子１１の中央領域に対応する範囲では半導体素子１１の周辺領域に対応する範囲よりも厚くなっている。上側壁部材２１と下側壁部材２２との間隔は、ｘ軸方向の全体に亘って同じ間隔であり、各仕切壁２４は同じ長さである。また、仕切壁２４は、ｘ軸方向に等間隔で配置されている。したがって、上側壁部材２１と下側壁部材２２と仕切壁２４とによって区画される各分流路３３の断面積は同じ大きさである。これにより、分流路３３には冷却水が均等に流れる。また、上側壁部材２１の厚みｄ１を上記のように構成したため、半導体素子１１の中央領域ほど冷却水流路３０（分流路３３）までの距離が近い。半導体素子１１の中央領域での放熱性を周辺領域での放熱性よりも向上させることができ、高温となりやすい中央領域での放熱性を高めることができる。その結果、冷却水流路３０に直交する方向において、半導体素子１１の中央領域と周辺領域の温度差を低減することができ、半導体素子１１の各部位の温度を均一化することができる。
【００２４】
また、図３に示すように、冷却水流路３０に沿った断面で観察すると、冷却水流路３０（分流路３３）が円弧状に形成されており、上側壁部材２１の厚みｄ１は、半導体素子１１の周辺領域に対応する範囲よりも、半導体素子１１の中央領域に対応する範囲で薄くなっている。また、下側壁部材２２の厚みｄ２は、半導体素子１１の周辺領域に対応する範囲よりも、半導体素子１１の中央領域に対応する範囲で厚くなっている。また、入口部３１での上側壁部材２１の厚みｄ１と、出口部３２での上側壁部材２１の厚みｄ１は同じ厚みであり、入口部３１と出口部３２とは、同じ高さ（ｚ軸方向で同じ位置）に形成されている。したがって、冷却水が流れる方向に沿った断面視では、半導体素子１１の中央領域ほど冷却水流路３０（分流路３３）までの距離が近くなる。これにより、半導体素子１１の中央領域での放熱性を周辺領域での放熱性よりも向上させることができ、高温となりやすい中央領域での放熱性を高めることができる。その結果、冷却水流路３０に沿った方向において、半導体素子１１の中央領域と周辺領域の温度差を低減することができ、半導体素子１１の各部位の温度を均一化することができる。
【００２５】
本実施例では、半導体素子１１の各部位の温度を均一化させることができるため、第１接合部１２の中央領域に亀裂等が生じて劣化することを抑制することができる。その結果、半導体素子１１から冷却器２０への熱抵抗が大きくなることを抑制することができ、半導体素子１１の中央領域での放熱性を周辺領域よりも向上させるといった作用を長期間に亘って得ることができる。
【００２６】
第１接合部１２の中央領域の劣化を抑制するといった効果は、本願発明者らによって行われた冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験からも説明することができる。この実験では、本実施例の半導体装置に代わり、冷却器の上側壁部材の厚みが全体に亘って同じ厚みである半導体装置を用いた。すなわち、半導体素子から冷却器の冷却水流路までの距離が、半導体素子の各部位において均一である半導体装置を用いた。なお、試験で用いた半導体装置では冷却以外の構成は本実施例と同じである。
【００２７】
冷熱サイクル試験とは、半導体装置を高温槽と低温槽との２つの恒温槽に交互に放置する操作を繰り返す試験であり、半導体装置の温度が長時間（数時間、または１日単位）毎に変化し、半導体素子の各部位の温度が均一に変化する状態を想定した試験である。この試験を行った結果、第１接合部の端部には、クラックが発生したものの、このクラックは第１接合部の中央領域にまでは伝播しなかった。
一方、パワーサイクル試験とは、半導体素子の断続通電により温度サイクルストレスを生じさせるものであり、半導体装置の温度が短時間（１秒以下、または数秒単位）で変化する状態を想定した試験である。この試験を行った結果、第１接合部には、半導体素子の中央領域に対応する部位で亀裂等の劣化が生じ、半導体素子から冷却器への熱伝導における熱抵抗が高くなった。
【００２８】
パワーサイクル試験で、第１接合部における半導体素子の中央領域に対応する部位に劣化が生じたのは、上側壁部材の各部位の厚みが均一である半導体装置では、半導体素子の断続通電によって半導体素子（ひいては第１接合部）の部位毎の温度が不均一となるためであると考えられる。すなわち、第１接合部では、半導体素子の中央領域に対応する部位が局所的に高温となって熱膨張が大きくなる一方、半導体素子の周辺領域に対応する部位では熱膨張がさほど大きくないため、この熱膨張の差異に起因した歪みが中央領域に発生したものと考えられる。半導体素子の断続通電によって、第１接合部の中央領域における歪みが繰り返し生じると、第１接合部の中央領域に亀裂が生じる。これにより、半導体素子の中央領域での放熱性が低下し、半導体素子の中央領域の温度がさらに上昇するため、第１接合部の中央領域での劣化がさらに進行する。
この点、本実施例では、冷却器２０の上側壁部材２１の厚みｄ１を上記のように設定しているため、半導体素子１１の各部位の温度を均一化させることができる。その結果、第１接合部１２の中央領域の劣化が進行して、半導体素子１１から冷却器２０への熱抵抗が大きくなることを抑制することができる。
【００２９】
（実施例１の変形例）
実施例１の変形例を図４を参照して説明する。図４に示すように、本変形例の半導体装置４０では、冷却器４１の構成が上記実施例１と異なっている。なお、その他の構成は、実施例１と同じであるため、同じ構成の部材については実施例１と同じ符号で示し、その説明を省略する。
図４に示すように、冷却器４１では、冷却水の流れる方向に沿った断面視で、冷却水流路４５（分流路４８）が円弧状に形成されており、半導体素子１１の中央領域ほど冷却水流路４５に近くなっている。また、本変形例では、冷却水流路４５の入口部４６側よりも出口部４７側が高い位置に形成されており、冷却水流路４５が描く円弧が、破線で示すように、入口部４６側から出口部４７側にかけて上方に傾斜している。したがって、冷却水が流れる方向に沿った断面視では、上側壁部材４２の厚みｄ１が、冷却水流路４５の上流側に対応する部位よりも冷却水流路４５の下流側に対応する部位で薄くなっており、下側壁部材４３の厚みｄ２が、冷却水流路４５の上流側に対応する部位よりも冷却水流路４５の下流側に対応する部位で厚くなっている。
【００３０】
冷却水は、冷却水流路４５の上流側から下流側に向かって流れるにつれて、半導体素子１１からの熱によって加熱される。冷却水の温度は冷却水流路４５の上流側よりも下流側で高くなるため、半導体素子１１では、冷却水流路４５の上流側に対応する部位よりも冷却水流路４５の下流側に対応する部位のほうが放熱性が低くなる可能性がある。本変形例では、半導体素子１１と冷却水流路４５との距離を上流側よりも下流側で近くすることができるため、半導体素子１１の放熱性が冷却水流路４５の下流側において低くなることを抑制することができる。その結果、半導体素子１１において、冷却器４１の冷却水流路４５の上流側に対応する部位と下流側に対応する部位との温度差を低減し、半導体素子１１の各部位の温度をさらに適切に均一化させることができる。なお、その他の作用効果は実施例１と同じである。
【００３１】
（実施例２）
次に、図５及び図６を参照して、実施例２の半導体装置５０を説明する。図５は、本実施例の半導体装置５０の平面図である。本実施例の半導体装置５０は、半導体素子５１の平面視が上記実施例１と異なる。半導体素子５１は、複数のＩＧＢＴで構成されており、平面視では、図５のｙ軸方向に長い略矩形状に形成されている。半導体装置５０の平面視では、半導体素子５１の中心と冷却器６０の中心とは一致しており、冷却器６０には、ｘ軸方向の中央領域にのみ半導体素子５１が積層されている。
【００３２】
図６に、図５のVI−VI線における断面構造を示す。半導体装置５０では、半導体素子５１と第１接合部５２と実装基板５３と第２接合部５４とベースプレート５５と第３接合部５６と冷却器６０とがこの順に積層されている。
冷却器６０に形成される冷却水流路６３は、断面積が同じ大きさの複数の分流路６４を備えており、実施例１の冷却水流路３０と同じ構成である。上記したように、半導体素子５１は、冷却器６０のｘ軸方向の中央領域（図６においては右側の端部）にのみ積層されている。換言すれば、冷却水流路６３に直交する断面（ｘ−ｚ平面）で観察すると、半導体素子５１が上側壁部材６１の中央領域にのみ積層されている。逆に言うと、上側壁部材６１は半導体素子５１の左側の周辺部よりも左側に伸びており、半導体素子５１の右側の周辺部よりも右側に伸びている。
【００３３】
冷却器６０の母材は銅である。本実施例では、冷却器６０の上側壁部材６１に第１高熱伝導部６２が形成されている。第１高熱伝導部６２は、上側壁部材６１の略全体に形成されており、上側壁部材６１の厚みが厚い部位ほど厚く形成されている。第１高熱伝導部６２の全表面は、冷却器６０の母材である銅で覆われている。第１高熱伝導部６２は、六方晶系のグラファイトで構成されている。六方晶系のグラファイトでは、炭素原子がａ軸及びｂ軸方向に亀甲状に共有結合した層が伸びており、複数の層がｃ軸方向に重なっている。ｃ軸方向にはファンデルワールス力で結合している。なお、以下では、亀甲状に共有結合した炭素原子の層をａｂ平面という。このグラファイトでは、ａｂ平面に沿った方向の熱伝導率が１０００［Ｗ／ｍＫ］であり、冷却器６０の母材である銅の熱伝導率３９４［Ｗ／ｍＫ］よりも高い。一方、このグラファイトでは、ｃ軸方向の熱伝導率が１０［Ｗ／ｍＫ］であり、冷却器６０の母材である銅の熱伝導率よりも低い。
【００３４】
図６において、第１高熱伝導部６２の内部の破線及び実線は、グラファイトのａｂ平面を模式的に示している。本実施例では、第１高熱伝導部６２のグラファイトのａｂ平面が、ｘｚ平面と平行に配列されており、グラファイトのｃ軸がｙ軸方向に揃っている。したがって、第１高熱伝導部６２は、半導体素子５１と上側壁部材６１との積層方向（ｚ軸方向）と、半導体素子５１の中央領域から左右の周辺領域に向かう方向（ｘ軸方向）の熱伝導率が、上側壁部材６１の母材の熱伝導率よりも高くなっている。そのため、冷却水流路と直交する断面で観察すると、半導体素子５１で発生する熱が、まず上側壁部材６１のｘ軸方向の中央範囲に伝導した後に、図６の破線矢印に示すように、第１高熱伝導部６２を通じて上側壁部材６１のｘ軸方向の中央範囲から左右の周辺領域（ｘ軸方向の周辺領域）へと伝導する。半導体素子５１が上側壁部材６１の左右方向の中央範囲にのみ積層されている場合であっても、半導体素子５１で発生する熱が上側壁部材６１の全体に伝導する。したがって、上側壁部材６１の中央範囲が局所的に高温となることを抑制することができる。また、半導体素子５１から上側壁部材６１へ伝導した熱は、上側壁部材６１の全体を通じて流路６３を流れる冷却水に放熱されるため、半導体素子５１をより適切に冷却することができる。以上のようにして、半導体素子５１の各部位の温度をさらに適切に均一化させることができる。
【００３５】
また本実施例では、冷却器６０上において、半導体素子５１がｙ軸方向に伸びている。上側壁部材６１の全体を使用して冷却する目的に照らすと、ｘ軸方向に伝熱する必要性に比して、ｙ軸方向に伝導する必要性は低い。第１高熱伝導部６２では、ｘ軸方向の熱伝導率がｙ軸方向の熱伝導率よりも高い。そのため、半導体素子５１から伝導した熱がｘ軸方向に高い熱伝導率で伝導し、より適切に上側壁部材６１の全体に熱を拡散させることができる。
さらに本実施例では、半導体素子５１と上側壁部材６１との積層方向（ｚ軸方向）の熱伝導率が、上側壁部材６１の母材の熱伝導率よりも高い。そのため、冷却器６０の上側壁部材６１に伝導した熱は、図６の実線矢印に示すように、第１高熱伝導部６２を通じて流路側（ｚ軸方向）にも効率よく伝導する。したがって、半導体素子５１で発生する熱を上側壁部材６１の第１高熱伝導部６２を通じて、効率よく冷却水に放熱することができる。その他の構成及び作用効果は実施例１と同じである。
【００３６】
なお、冷却器６０の母材をアルミニウムで構成した場合も、グラファイトのａｂ平面に沿った方向の熱伝導率がアルミニウムの熱伝導率２３７［Ｗ／ｍＫ］よりも高く、ｃ軸方向の熱伝導率がアルミニウムの熱伝導率よりも低いため、同様の効果を奏することができる。
【００３７】
（実施例２の変形例）
上記実施例２では、第１高熱伝導部６２を六方晶系のグラファイトで構成している。しかしながら、第１高熱伝導部をカーボンナノチューブに金属を含浸させた材料で構成するようにしてもよい。この場合、カーボンナノチューブがｘ軸方向に伸びるように第１高熱伝導部を配置する。たとえば、カーボンナノチューブにアルミニウムを含浸させた材料は、熱伝導率が約７００［Ｗ／ｍＫ］であり、アルミニウムの熱伝導率の３〜４倍まで向上させることができる。そのため、上側壁部材の母材をアルミニウムで構成した場合には、第１高熱伝導部のｘ軸方向の熱伝導率を、母材の熱伝導率よりも３〜４倍高くすることができる。半導体素子で発生する熱が上側壁部材のｘ軸方向における中央範囲のみに伝わり易い場合であっても、カーボンナノチューブを含む第１高熱伝導部によって、上側壁部材の中央範囲が局所的に高温になることを抑制することができる。また、半導体素子で発生する熱を上側壁部材の全体を通じて冷却水に放熱することができる。
【００３８】
（実施例３）
次に、図７及び図８を参照して、実施例３の半導体装置７０を説明する。図７は、本実施例の半導体装置７０の平面図である。本実施例の半導体装置７０は、半導体素子７１の平面視が上記各実施例と異なる。半導体素子７１は、複数のＩＧＢＴで構成されており、平面視では、図７のｘ軸方向に長い略矩形状に形成されている。半導体装置７０の平面視では、半導体素子７１の中心と冷却器８０の中心とは一致しており、冷却器８０には、ｙ軸方向の中央領域にのみ半導体素子７１が積層されている。
【００３９】
図８に、図１のVIII−VIII線における断面構造を示す。半導体装置７０では、半導体素子７１と第１接合部７２と実装基板７３と第２接合部７４とベースプレート７５と第３接合部７６と冷却器８０とがこの順に積層されている。
冷却器８０に形成される冷却水流路８３は、断面積が同じ大きさの複数の分流路８４を備えており、実施例１の冷却水流路３０と同じ構成である。上記したように、半導体素子７１は、冷却器８０のｙ軸方向の中央領域（図８においては手前側の端部）にのみ積層されている。換言すれば、冷却水流路８３に沿った断面（ｙ−ｚ面）で観察すると、半導体素子７１が上側壁部材８１の中央領域にのみ積層されている。逆にいうと、冷却器８０は、半導体素子７１の上流側の端部よりも上流側に伸びており、下流側の端部よりも下流側に伸びている。
【００４０】
冷却器８０の母材は銅である。本実施例では、冷却器８０の上側壁部材８１に第２高熱伝導部８２が形成されている。第２高熱伝導部８２は、上側壁部材８１の略全体に形成されており、上側壁部材８１の厚みが厚い部位ほど厚く形成されている。第２高熱伝導部８２の全表面は、冷却器８０の母材である銅で覆われている。第２高熱伝導部８２は、六方晶系のグラファイトで構成されている。
図８において、第２高熱伝導部８２の内部の破線及び実線は、グラファイトのａｂ平面を模式的に示している。本実施例では、第２高熱伝導部８２のグラファイトのａｂ平面が、ｙｚ平面と平行に配列されており、グラファイトのｃ軸がｘ軸方向に揃っている。したがって、冷却水が流れる方向（ｙ軸方向）の熱伝導率が上側壁部材８１の母材の熱伝導率よりも高くなっている。そのため、冷却水が流れる方向に沿った断面視では、半導体素子７１で発生する熱が、まず上側壁部材８１の中央領域に伝導し、その熱は、図８の破線矢印に示すように、第２高熱伝導部８２を通じて上側壁部材８１の中央領域から周辺領域（ｙ軸方向の周辺領域であり、上流側周辺領域と下流側周辺領域）へと伝導する。半導体素子７１が上側壁部材８１の中央領域にのみ積層されている場合であっても、半導体素子７１で発生する熱が上側壁部材８１の全体に伝導する。これにより、上側壁部材８１の中央領域が局所的に高温になることを抑制することができる。また、半導体素子７１から上側壁部材８１へ伝導した熱は、上側壁部材８１全体を通じて冷却水流路８３を流れる冷却水に放熱されるため、半導体素子７１をより適切に冷却することができる。以上のようにして、半導体素子７１の各部位の温度をさらに適切に均一化させることができる。
【００４１】
また、本実施例では、冷却器８０上において、半導体素子７１がｘ軸方向に伸びている。そのため、上側壁部材８１の全範囲に伝熱する目的に照らすと、熱をｙ軸方向に伝導させる必要はあるものの、ｘ軸方向には伝導させる必要はない。第２高熱伝導部８２では、ｙ軸方向の熱伝導率がｘ軸方向の熱伝導率よりも高いため、半導体素子７１の熱が図８の破線矢印に示すように伝導して、より適切に上側壁部材８１の全体に拡散させることができる。
さらに、本実施例では、半導体素子７１と上側壁部材８１との積層方向（ｚ軸方向）の熱伝導率が、上側壁部材８１の母材の熱伝導率よりも高い。そのため、冷却器８０の上側壁部材８１に伝導した熱は、図８の実線矢印に示すように、第２高熱伝導部８２を通じて冷却水路側（ｚ軸方向）へと効率よく伝導する。したがって、半導体素子７１で発生する熱を上側壁部材８１の第２高熱伝導部８２を通じて、効率よく冷却水に放熱することができる。その他の構成及び作用効果は実施例１と同じである。
【００４２】
（実施例４）
次に、図９及び図１０を参照して、実施例４の半導体装置９０を説明する。図９は、本実施例の半導体装置９０の平面図である。本実施例の半導体装置９０は、半導体素子９１の平面視が上記各実施例と異なる。半導体素子９１は、複数のＩＧＢＴで構成されており、平面視では略正方形状に形成されている。平面視では、半導体素子９１の中心と冷却器１００の中心とは一致しており、冷却器１００には、ｘ軸方向及びｙ軸方向の中央領域にのみ半導体素子９１が積層されている。
【００４３】
図１０は、図１のＸ−Ｘ線における断面構造を示す。半導体装置９０では、半導体素子９１と第１接合部９２と実装基板９３と第２接合部９４とベースプレート９５と第３接合部９６と冷却器１００とがこの順に積層されている。
冷却器１００に形成される冷却水流路１０３は、断面積が同じ大きさの複数の分流路１０４を備えており、実施例１の冷却水流路３０と同じである。上記したように、半導体素子９１は、冷却器１００のｘ軸方向の中央領域（図１０においては右側の端部）であり、ｙ軸方向でも中央領域（図１０においては手前側の端部）にのみ積層されている。換言すれば、冷却水流路１０３に沿った断面視でも、冷却水流路１０３に直交する断面視でも、半導体素子９１は上側壁部材１０１の中央領域にのみ積層されている。
【００４４】
冷却器１００の母材は銅である。本実施例では、冷却器１００の上側壁部材１０１に第３高熱伝導部１０２が形成されている。第３高熱伝導部１０２は、上側壁部材１０１の略全体に形成されており、上側壁部材１０１の厚みが厚い部位ほど厚く形成されている。第３高熱伝導部１０２の全表面は、冷却器１００の母材である銅で覆われている。第３高熱伝導部１０２は、六方晶系のグラファイトで構成されている。
図１０において、第３高熱伝導部１０２の内部の実線は、グラファイトのａｂ平面を模式的に示している。本実施例では、第３高熱伝導部１０２のグラファイトのａｂ平面が、ｘｙ平面と平行に配列されており、グラファイトのｃ軸がｚ軸方向に揃っている。したがって、第３高熱伝導部１０２は、ｘ軸方向の熱伝導率が母材の熱伝導率よりも高く、ｙ軸方向の熱伝導率が母材の熱伝導率よりも高くなっている。そのため、半導体素子９１で発生する熱が、まず上側壁部材１０１の中央範囲に伝導し、その熱は、図１０の実線矢印に示すように、第３高熱伝導部１０２を通じて上側壁部材１０１の中央領域から周辺領域（ｘ軸方向とｙ軸方向）へと伝導する。半導体素子９１が上側壁部材１０１の中央領域にのみ積層されている場合であっても、半導体素子９１で発生する熱が上側壁部材１０１の全体に伝導する。そのため、上側壁部材１０１の中央領域が局所的に高温になることを抑制することができる。半導体素子９１から上側壁部材１０１へ伝導した熱は、上側壁部材１０１の全体を通じて冷却水流路１０３を流れる冷却水に放熱される。したがって、半導体素子９１をより適切に冷却することができる。以上のようにして、半導体素子９１の各部位の温度をより適切に均一化させることができる。その他の構成及び作用効果は実施例１と同じである。
【００４５】
（実施例５）
次に、図１１〜図１３を参照して、実施例５の半導体装置１１０を説明する。図１１は、本実施例の半導体装置１１０の平面図である。本実施例の半導体装置１１０は、半導体素子１１１の平面視が上記各実施例と異なる。本実施例では、１つの冷却器１２０に、複数個（本実施例では４個）の半導体素子１１１が積層されている。各半導体素子１１１は、複数のＩＧＢＴで構成されている。半導体装置１１０の平面視では、半導体素子１１１の一辺の長さは、冷却器１２０の一辺の長さの１／２よりも短く、冷却器１２０上において、ｘ軸方向に２列で配置されるとともに、ｙ軸方向に２列に配置されている。
【００４６】
図１２は、図１１のＸII−ＸII線における断面図であり、図１３は、図１１のＸIII−ＸIII線における断面図である。半導体装置１１０では、半導体素子１１１と第１接合部１１２と実装基板１１３と第２接合部１１４とベースプレート１１５と第３接合部１１６と冷却器１２０とがこの順に積層されている。
冷却器１２０は、図１２及び図１３に示すように、半導体素子１１１等が積層されている上側壁部材１２１と、上側壁部材１２１に対向する下側壁部材１２２との間に冷却水流路１３０が形成されている。図１２に示すように、冷却水流路１３０では、上側壁部材１２１から下側壁部材１２２にかけて伸びる複数の仕切壁１２４が伸びている。図１３に示すように、冷却水流路１３０は、上流側の入口部１３１と下流側の出口部１３２とを備えている。入口部１３１と出口部１３２とは同じ高さである。図１２に示すように、冷却水流路１３０は、上側壁部材１２１から下側壁部材１２２へと伸びる複数の仕切壁１２４とに囲まれる複数の分流路１３３を備えており、この分流路１３３は、入口部１３１から出口部１３２にかけてｙ軸方向に伸びている。冷却器１２０の入口部１３１には、冷却水が流入する流入管１３５が接続されており、冷却器１２０の出口部１３２には、冷却水が流出する流出管１３６が接続されている。本実施例においても、図１３の矢印に示すように、冷却水は冷却水流路１３０をｙ軸方向に流れる。
【００４７】
図１２に示すように、冷却水の流れる方向に直交する断面視では、冷却器１２０上に半導体素子１１１が２列で配置されている。この断面視では、上側壁部材１２１の厚みｄ１が、２つの半導体素子１１１のそれぞれの中央領域に対応する部位において、その周辺領域に対応する部位よりも薄くなっている。また、下側壁部材１２２の厚みｄ２が、２つの半導体素子１１１のそれぞれの中央領域に対応する部位において、その周辺領域に対応する部位よりも厚くなっている。そのため、各半導体素子１１１では、中央領域ほど冷却水流路１３０（分流路１３３）までの距離が近い。半導体素子１１１の中央領域の放熱性を周辺領域の放熱性よりも向上させることができ、高温となりやすい中央領域でより放熱性を高めることができる。その結果、冷却水流路１３０に直交する方向において、半導体素子１１１の中央領域と周辺領域との温度差を低減して、半導体素子１１１の各部位の温度を均一化させることができる。また、本実施例においても、各分流路１３３の断面積は同じ大きさであり、各分流路１３３には冷却水が均等に流れる。
【００４８】
また、図１３に示すように、冷却水の流れる方向に沿った断面視では、冷却器１２０上に半導体素子１１１が２列で配置されている。この断面視では、冷却水流路１３０（分流路１３３）は、２つの半導体素子１１１のそれぞれの中央領域に対応して突出する２つの円弧が連続している形状に形成されている。すなわち、上側壁部材１２１の厚みｄ１が、２つの半導体素子１１１のそれぞれの中央領域に対応する部位において、その周辺領域に対応する部位よりも薄くなっている。また、下側壁部材１２２の厚みｄ２は、２つの半導体素子１１１のそれぞれの中央領域に対応する部位において、その周辺領域に対応する部位よりも厚くなっている。なお、本実施例では、入口部１３１と出口部１３２とでは、上側壁部材１２１の厚みｄ１が同じであり、下側壁部材２２の厚みｄ２が同じである。したがって、入口部１３１と出口部１３２とは同じ高さ（ｚ軸方向で同じ位置）に形成されている。
【００４９】
本実施例では、冷却水の流れる方向に沿った断面視では、各半導体素子１１１の中央領域ほど冷却水流路１３０（分流路１３３）までの距離が近い。半導体素子１１１の中央領域の放熱性を周辺領域の放熱性よりも向上させることができ、高温となりやすい中央領域でより放熱性を高めることができる。その結果、冷却水の流れる方向において、半導体素子１１１の中央領域と周辺領域との温度差を低減して、半導体素子１１１の各部位の温度を均一化させることができる。また、半導体素子１１１の各部位の温度を均一化させることができるため、第１接合部１１２の中央領域に亀裂が生じることに起因して、半導体素子１１１から冷却器１２０への熱伝導における熱抵抗が低下することも抑制することができる。その他の構成及び作用効果は実施例１と同じである。
【００５０】
（実施例５の変形例１）
実施例５の変形例１を図１４を参照して説明する。図１４に示すように、本変形例の半導体装置１４０では、冷却器１４１の構成が上記実施例５と異なっている。
図１４に示す冷却水の流れる方向（ｙ軸方向）に沿った断面視では、冷却器１４１の冷却水流路１５０（分流路１５３）が、２つの半導体素子１１１のそれぞれの中央領域に対応して突出する２つの円弧が連続している形状に形成されている。本実施例では、出口部１５２が、入口部１５１よりも高い位置に形成されている。すなわち、図１４に示す断面視では、上側壁部材１４２の厚みｄ１が冷却水流路１５０の上流側に対応する部位よりも冷却水流路１５０の下流側に対応する部位で薄くなっている。
これにより、本変形例においても、実施例１の変形例と同様に、冷却水の温度が高くなる冷却水流路１５０の下流側において、半導体素子１１１の放熱性が低くなることを抑制することができるため、半導体素子１１１において、冷却器１４１の冷却水流路１４５の上流側に対応する部位と下流側に対応する部位との温度差をさらに低減して、半導体素子１１１の各部位の温度をさらに適切に均一化させることができる。なお、その他の構成及び作用効果は実施例５と同じである。
【００５１】
（実施例５の変形例２）
実施例５の変形例２を図１５を参照して説明する。図１５に示すように、本変形例の半導体装置１６０では、冷却器１６１の構成が上記実施例５及びその変形例１と異なっている。
図１５に示す冷却水の流れる方向（ｙ軸方向）に直交する断面視では、冷却器１６１の流路１６３は、２つの円弧が連続している形状の１つの流路である。すなわち、冷却器１６１が仕切壁を備えておらず、冷却水流路１６３が分流路に分岐されていない。上側壁部材１６２の厚みｄ１は、２つの半導体素子１１１のそれぞれの中央領域に対応する部位で、その周辺領域に対応する部位よりも薄くなっている。このような構成においても、冷却水が流れる方向と直交する断面視において、半導体素子１１１の中央領域ほど冷却水流路１６３までの距離が近いため、半導体素子１１１の中央領域の放熱性を周辺領域の放熱性よりも高くすることができる。その結果、半導体素子１１１の中央領域と周辺領域との温度差を低減して、半導体素子１１１の各部位の温度をより適切に均一化とすることができる。
なお、実施例１〜４においても、冷却器に仕切壁を設けず、流路が分岐されていない構成としてもよい。
【００５２】
（その他の実施例）
上記各実施例で、冷却器が仕切壁を備える場合には、壁部材と下側壁部材と隣り合う仕切壁とによって分流路を形成するようにしている。しかしながら、仕切壁は、壁部材から下側壁部材に向かって伸びているとともに、下側壁部材に達しない長さであってもよい。また、隣り合う仕切壁の間隔は等間隔でなくてもよい。
上記実施例１の変形例と、実施例５の変形例１とでは、流路における冷却水が流れる方向に沿った断面視で、壁部材の厚みが、流路の上流側に対応する部位よりも流路の下流側に対応する部位で薄く、且つ半導体素子の周辺領域に対応する部位よりも半導体素子の中央領域に対応する部位で薄い構成であり、壁部材の厚みが流路の中流に対応する部位で最も薄くなっている。しかしながら、流路における冷却水が流れる方向に沿った断面視では、壁部材の厚みが、単に流路の上流側に対応する部位よりも流路の下流側に対応する部位で薄い構成であってもよく、壁部材の厚みが、流路の下流側に対応する部位ほど（流路の中流に対応する部位よりも下流側に対応する部位で）薄くなる構成であってもよい。
また、冷却器は、流路における冷却水が流れる方向に直交する断面視では、壁部材の厚みが、半導体素子の周辺領域に対応する部位の厚みよりも半導体素子の中央領域に対応する部位で薄く、流路における冷却水が流れる方向に沿った断面視では、壁部材の厚みが各部位で一定であってもよい。
【００５３】
以上、本明細書に開示される技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。  
また、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、出願時の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するものであり、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】
【００５４】
１０，４０，５０，７０，９０，１１０，１４０，１６０：半導体装置
１１，５１，７１，９１，１１１：半導体素子
１２，５２，７２，９２，１１２：第１接合部
１３，５３，７３，９３，１１３：実装基板
１４：第１層
１５：第２層
１６：第３層
１７，５４，７４，９４，１１４：第２接合部
１８，５５，７５，９５，１１５：ベースプレート
１９，５６，７６，９６，１１６：第３接合部
２０，４１，６０，８０，１００，１２０，１４１，１６１：冷却器
２１，４２，６１，８１，１０１，１２１，１４２，１６２：上側壁部材
２２，４３，１２２：下側壁部材
２３：側板
２４，１２４：仕切壁
３０，４５，６３，８３，１０３，１３０，１４５，１５０，１６３：冷却水流路
３１，４６，１３１，１５１：入口部
３２，４７，１３２，１５２：出口部
３３，４８，６４，８４，１０４，１３３，１５３：分流路
３５，１３５：流入管
３６，１３６：流出管
６２：第１高熱伝導部
８２：第２高熱伝導部
１０２：第３高熱伝導部
【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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【図１４】
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【図１５】
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