(57)【要約】【課題】冷却器における半導体チップの冷却効率を高めるため、冷却への寄与が小さい領域の冷媒流量を減らし、冷却への寄与が大きい領域の冷媒流量を増加させることが望ましい。【解決手段】半導体チップを冷却するための冷却器であって、半導体チップを上部に配置するための上板と、上板の下部に配置され、各々の間に冷却水の流路を形成する複数の板状フィンと、複数の板状フィンに連結された連結バーとを備え、連結バーは、連結バーの本体部から流路へ各々突出する複数の櫛歯部を有し、冷却器は、冷却器を上面視した場合に複数の板状フィンが延伸する延伸方向と直交する平面において、少なくとも複数の櫛歯部と複数の板状フィンとにより規定される複数の開口を有し、複数の開口は、半導体チップの下部を通過しない第１流路に設けられる第１開口と、半導体チップの下部を通過する第２流路に設けられ、第１開口よりも大きい第２開口とを有する冷却器を提供する。【選択図】図１
2019071330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを冷却するための冷却器であって、
半導体チップを上部に配置するための上板と、
前記上板の下部に配置され、各々の間に冷却水の流路を形成する複数の板状フィンと、
前記複数の板状フィンに連結された連結バーと
を備え、
前記連結バーは、前記連結バーの本体部から前記流路へ各々突出する複数の櫛歯部を有し、
前記冷却器は、前記冷却器を上面視した場合に前記複数の板状フィンが延伸する延伸方向と直交する平面において、少なくとも前記複数の櫛歯部と前記複数の板状フィンとにより規定される複数の開口を有し、
前記複数の開口は、
前記半導体チップの下部を通過しない第１流路に設けられる第１開口と、
前記半導体チップの下部を通過する第２流路に設けられ、前記第１開口よりも大きい第２開口と
を有する、冷却器。
【請求項２】
前記連結バーは、前方上部連結バーおよび前方下部連結バーを含み、
前記前方上部連結バーおよび前記前方下部連結バーは、前記延伸方向において前記冷却水の入口と前記半導体チップの下部との間の異なる位置に設けられ、
前記複数の板状フィンの上部に連結された前記前方上部連結バーは、前記半導体チップの下部よりも前記冷却水の入口に近接して設けられ、
前記複数の板状フィンの下部に連結された前記前方下部連結バーは、前記冷却水の入口よりも前記半導体チップの下部に近接して設けられる
請求項１に記載の冷却器。
【請求項３】
前記半導体チップの下部を通過する前記第２流路において、前記前方下部連結バーの櫛歯部と前記前方上部連結バーの櫛歯部とが、前記延伸方向において重らない
請求項２に記載の冷却器。
【請求項４】
前記半導体チップの下部を通過しない前記第１流路において、前記前方下部連結バーの櫛歯部と前記前方上部連結バーの櫛歯部との少なくとも一部が、前記延伸方向において重なる
請求項２または３に記載の冷却器。
【請求項５】
前記半導体チップの下部を通過しない前記第１流路において、
前記前方下部連結バーの櫛歯部の上端は、前記前方上部連結バーにおける本体部の下端よりも上方に位置する、または、
前記前方上部連結バーの櫛歯部の下端は、前記前方下部連結バーにおける本体部の上端よりも下方に位置する
請求項４に記載の冷却器。
【請求項６】
前記冷却器は、複数の前記第２流路を有し、
前記前方上部連結バーと前記入口との間に位置し前記延伸方向に直交する平面において、複数の前記第２流路の各々は、
前記前方上部連結バーの櫛歯部により上端が規定される前記第２開口と、前記前方下部連結バーの櫛歯部により下端が規定される第４開口であって、相対的に開口面積が大きい前記第４開口との、前記延伸方向における重なりを含む、大貫通孔と、
前記第２開口と、前記第４開口であって、相対的に開口面積が小さい前記第４開口との、前記延伸方向における重なりを含む、小貫通孔と
のいずれかを含む
請求項２から５のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項７】
前記冷却水の入口および出口は、前記延伸方向において前記複数の板状フィンを間に挟んで異なる位置に設けられ、
前記冷却器は、複数の前記第２流路を有し、
前記前方上部連結バーと前記入口との間に位置し前記延伸方向に直交する平面において、複数の前記第２流路の各々は、
前記前方上部連結バーの櫛歯部により上端が規定される前記第２開口と、前記前方下部連結バーの櫛歯部により下端が規定される第４開口であって、相対的に開口面積が大きい前記第４開口との、前記延伸方向における重なりを含む、大貫通孔と、
前記第２開口と、前記第４開口であって、相対的に開口面積が小さい前記第４開口との、前記延伸方向における重なりを含む、小貫通孔と
のいずれかを含み、
前記小貫通孔は、前記大貫通孔に比べて前記入口または前記出口に近い位置に設けられる
請求項２から６のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項８】
前記冷却水の入口および出口は、前記延伸方向における前記複数の板状フィンの一の端部側に共に設けられ、
前記冷却器は、複数の前記第２流路を有し、
前記前方上部連結バーと前記入口との間に位置し前記延伸方向に直交する平面において、複数の前記第２流路の各々は、
前記前方上部連結バーの櫛歯部により上端が規定される前記第２開口と、前記前方下部連結バーの櫛歯部により下端が規定される第４開口であって、相対的に開口面積が大きい前記第４開口との、前記延伸方向における重なりを含む、大貫通孔と、
前記第２開口と、前記第４開口であって、相対的に開口面積が小さい前記第４開口との、前記延伸方向における重なりを含む、小貫通孔と
のいずれかを含み、
前記大貫通孔は、前記小貫通孔に比べて前記入口および前記出口に近い位置に設けられる
請求項２から６のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項９】
前記冷却器は、前記延伸方向において、前記半導体チップの下部と前記冷却水の出口との間の位置に少なくとも一つの前記連結バーをさらに備える
請求項２から７のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項１０】
前記冷却器は、前記延伸方向において前記半導体チップの下部と前記冷却水の出口との間の異なる位置に、各々前記連結バーに対応する後方上部連結バーと後方下部連結バーとを備え、
前記複数の板状フィンの上部に連結された前記後方上部連結バーは、前記半導体チップの下部よりも前記冷却水の出口に近接して設けられ、
前記複数の板状フィンの下部に連結された前記後方下部連結バーは、前記冷却水の出口よりも前記半導体チップの下部に近接して設けられる
請求項９に記載の冷却器。
【請求項１１】
前記前方上部連結バーおよび前記前方下部連結バーの間隔は、前記後方上部連結バーおよび前記後方下部連結バーの間隔よりも狭い
請求項１０に記載の冷却器。
【請求項１２】
前記半導体チップの下部を通過しない前記第１流路において、前記前方上部連結バーの櫛歯部と前記前方下部連結バーの櫛歯部との前記延伸方向における重なり長さは、前記後方上部連結バーの櫛歯部と前記後方下部連結バーの櫛歯部との前記延伸方向における重なり長さよりも長い
請求項１０または１１に記載の冷却器。
【請求項１３】
前記半導体チップの下部を通過する前記第２流路において、前記後方下部連結バーの櫛歯部の突出長さは、前記前方下部連結バーの櫛歯部の突出長さよりも長い
請求項１０から１２のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項１４】
前記複数の板状フィンの各々は、前記連結バーが配置される凹部を有し、
前記凹部は、前記延伸方向と平行な方向において前記連結バーと接触する突起部を含む
請求項１から１３のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項１５】
前記冷却器は、前記冷却水の入口と前記半導体チップの下部との間、または、前記半導体チップの下部と前記冷却水の出口との間において、前記延伸方向において離間された、少なくとも２つの前記連結バーを備え、
前記延伸方向における２つの前記連結バーの間隔は、２つの前記連結バーの本体部における各々の前記延伸方向における厚み以上である
請求項１から１４のいずれか一項に記載の冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却器に関する。
【０００２】
従来、冷却器に複数の板状フィンを設けていた（例えば、特許文献１参照）。また、冷媒流路に突起部を設けること（例えば、特許文献２参照）、および、複数のフィンプレートを連結部材により連結すること（例えば、特許文献３参照）が知られている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］  特表２０１２−５３３８６８号公報
［特許文献２］  特開２００８−１７２０１４号公報
［特許文献３］  特開２０１５−２２５９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
冷却器における半導体チップの冷却効率を高めるためには、冷却への寄与が小さい領域の冷媒流量を減らし、冷却への寄与が大きい領域の冷媒流量を増加させることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、半導体チップを冷却するための冷却器を提供する。冷却器は、半導体チップを上部に配置するための上板と、複数の板状フィンと、連結バーとを備えてよい。複数の板状フィンは、上板の下部に配置されてよい。複数の板状フィンは、各々の間に冷却水の流路を形成してよい。連結バーは、複数の板状フィンに連結されてよい。連結バーは、連結バーの本体部から流路へ各々突出する複数の櫛歯部を有してよい。冷却器は、延伸方向と直交する平面において、少なくとも複数の櫛歯部と複数の板状フィンとにより規定される複数の開口を有してよい。延伸方向は、冷却器を上面視した場合に複数の板状フィンが延伸する方向であってよい。複数の開口は、半導体チップの下部を通過しない第１流路に設けられる第１開口と、半導体チップの下部を通過する第２流路に設けられる第２開口とを有してよい。第２開口は、第１開口よりも大きくてよい。
【０００５】
連結バーは、前方上部連結バーおよび前方下部連結バーを含んでよい。前方上部連結バーおよび前方下部連結バーは、延伸方向において冷却水の入口と半導体チップの下部との間の異なる位置に設けられてよい。前方上部連結バーは、半導体チップの下部よりも冷却水の入口に近接して設けられてよい。前方上部連結バーは、複数の板状フィンの上部に連結されてよい。前方下部連結バーは、冷却水の入口よりも半導体チップの下部に近接して設けられてよい。前方下部連結バーは、複数の板状フィンの下部に連結されてよい。
【０００６】
半導体チップの下部を通過する第２流路において、前方下部連結バーの櫛歯部と前方上部連結バーの櫛歯部とが、延伸方向において重らなくてよい。
【０００７】
半導体チップの下部を通過しない第１流路において、前方下部連結バーの櫛歯部と前方上部連結バーの櫛歯部との少なくとも一部が、延伸方向において重なってよい。
【０００８】
半導体チップの下部を通過しない第１流路において、前方下部連結バーの櫛歯部の上端は、前方上部連結バーにおける本体部の下端よりも上方に位置してよい。これに代えて、第１流路において、前方上部連結バーの櫛歯部の下端は、前方下部連結バーにおける本体部の上端よりも下方に位置してもよい。
【０００９】
冷却器は、複数の第２流路を有してよい。前方上部連結バーと入口との間に位置し延伸方向に直交する平面において、複数の第２流路の各々は、大貫通孔と、小貫通孔とのいずれかを含んでよい。大貫通孔は、第２開口と第４開口との延伸方向における重なりを含んでよい。第２開口は、前方上部連結バーの櫛歯部により上端が規定されてよい。第４開口は、前方下部連結バーの櫛歯部により下端が規定されてよい。大貫通孔における第４開口は、相対的に開口面積が大きい第４開口であってよい。小貫通孔は、第２開口と第４開口との延伸方向における重なりを含んでよい。小貫通孔における第４開口は、相対的に開口面積が小さい第４開口であってよい。
【００１０】
冷却水の入口および出口は、延伸方向において複数の板状フィンを間に挟んで異なる位置に設けられてよい。冷却器は、複数の第２流路を有してよい。前方上部連結バーと入口との間に位置し延伸方向に直交する平面において、複数の第２流路の各々は、大貫通孔と、小貫通孔とのいずれかを含んでよい。小貫通孔は、大貫通孔に比べて入口または出口に近い位置に設けられてよい。
【００１１】
冷却水の入口および出口は、延伸方向における複数の板状フィンの一の端部側に共に設けられてもよい。冷却器は、複数の第２流路を有してよい。前方上部連結バーと入口との間に位置し延伸方向に直交する平面において、複数の第２流路の各々は、相対的に開口面積が大きい大貫通孔と、相対的に開口面積が小さい小貫通孔とのいずれかを含んでよい。大貫通孔は、小貫通孔に比べて入口および出口に近い位置に設けられてよい。
【００１２】
冷却器は、延伸方向において、半導体チップの下部と冷却水の出口との間の位置に少なくとも一つの連結バーをさらに備えてよい。
【００１３】
冷却器は、延伸方向において半導体チップの下部と冷却水の出口との間の異なる位置に、各々連結バーに対応する後方上部連結バーと後方下部連結バーとを備えてよい。後方上部連結バーは、半導体チップの下部よりも冷却水の出口に近接して設けられてよい。後方上部連結バーは、複数の板状フィンの上部に連結されてよい。後方下部連結バーは、冷却水の出口よりも半導体チップの下部に近接して設けられてよい。後方下部連結バーは、複数の板状フィンの下部に連結されてよい。
【００１４】
前方上部連結バーおよび前方下部連結バーの間隔は、後方上部連結バーおよび後方下部連結バーの間隔よりも狭くてよい。
【００１５】
半導体チップの下部を通過しない第１流路において、前方上部連結バーの櫛歯部と前方下部連結バーの櫛歯部との延伸方向における重なり長さは、後方上部連結バーの櫛歯部と後方下部連結バーの櫛歯部との延伸方向における重なり長さよりも長くてよい。
【００１６】
半導体チップの下部を通過する第２流路において、後方下部連結バーの櫛歯部の突出長さは、前方下部連結バーの櫛歯部の突出長さよりも長くてよい。
【００１７】
複数の板状フィンの各々は、凹部を有してよい。凹部には、連結バーが配置されてよい。凹部は、突起部を含んでよい。突起部は、延伸方向と平行な方向において連結バーと接触してよい。
【００１８】
冷却器は、少なくとも２つの連結バーを備えてよい。少なくとも２つの連結バーは、冷却水の入口と半導体チップの下部との間、または、半導体チップの下部と冷却水の出口との間において、延伸方向において離間されてよい。延伸方向における２つの連結バーの間隔は、２つの連結バーの本体部における各々の延伸方向における厚み以上であってよい。
【００１９】
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】
【００２０】
【図１】第１実施形態における冷却器１００の斜視図を示す図である。
【図２】冷却器１００を有する半導体モジュール２００の上面図を示す図である。
【図３Ａ】連結バー３０を示す図である。
【図３Ｂ】連結バー４０を示す図である。
【図４】１つの板状フィン２０と、連結バー３０および連結バー４０との関係を示す斜視図である。
【図５】図４のＡ‐Ａ断面を示す図である。
【図６】（Ａ）は、図２のＢ‐Ｂ断面を示す図である。（Ｂ）は、Ｂ‐Ｂ断面における第１流路７０および第２流路７２を示す図である。
【図７】（Ａ）は、図２のＣ‐Ｃ断面を示す図である。（Ｂ）は、Ｃ‐Ｃ断面における第１流路７０および第２流路７２を示す図である。
【図８】入口１６および出口１８と、貫通孔との位置関係を示す図である。
【図９Ａ】図２のＤ‐Ｄ断面を示す図である。
【図９Ｂ】図２のＥ‐Ｅ断面を示す図である。
【図９Ｃ】図２のＦ‐Ｆ断面を示す図である。
【図１０】半導体モジュール２００の回路図である。
【図１１】比較例における半導体モジュール４００の断面を示す図である。
【図１２Ａ】熱抵抗シミュレーションを行った、冷却器１００を有する半導体モジュール３００の上面図を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａに対応する回路図を示す。
【図１２Ｃ】図１２Ａおよび図１２Ｂに示す例と図１２Ａに示す冷却器に替えて図１１に示す冷却器３１０を用いる比較例とにおける熱抵抗シミュレーション結果を示す図である。
【図１３Ａ】第１変形例における図２のＥ‐Ｅ断面を示す図である。
【図１３Ｂ】第２変形例における図２のＥ‐Ｅ断面を示す図である。
【図１４】第３変形例における図２のＥ‐Ｅ断面を示す図である。
【図１５】第４変形例における図２のＤ‐Ｄ断面を示す図である。
【図１６】第５変形例における図２のＤ‐Ｄ断面を示す図である。
【図１７】第６変形例における図２のＤ‐Ｄ断面を示す図である。
【図１８】第２実施形態の半導体モジュール２１０において、入口１６および出口１８と、貫通孔との位置関係を示す図である。
【図１９】第３実施形態の半導体モジュール２２０において、入口１６および出口１８と、貫通孔との位置関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
図１は、第１実施形態における冷却器１００の斜視図を示す図である。図１においては、理解を容易にすることを目的として、冷却器１００における、上板１０と、冷却水の入口１６および出口１８と、複数の板状フィン２０と、連結バー３０、４０、５０および６０とを示す。なお、図１においては、後述する下板１２および側板１４を省略する。また、図１においては、入口１６および出口１８における冷却水Ｗの主な流れ方向を矢印にて示す。
【００２３】
本例のＺ軸は、Ｘ軸およびＹ軸に直交する軸である。本例のＸ、ＹおよびＺ軸は、右手系を構成する。Ｘ、ＹおよびＺ軸は、冷却器１００および後述する半導体モジュール２００等における相対的な方向を示すために用いられる。Ｚ軸方向は、必ずしも重力方向と平行でなくてよい。本明細書において、Ｚ軸方向と平行な方向を指す表現として「上」および「下」等を用いるが、これらの用語もまた重力方向における上下方向に限定されない。なお、相対的に入口１６に近い位置を「上流」および「前方」と称し、相対的に出口１８に近い位置を「下流」および「後方」と称する場合がある。
【００２４】
冷却器１００は、上板１０の上部に配置された半導体チップを冷却する機能を有してよい。冷却器１００は、ヒートシンクとも呼ばれる。上板１０は、入口１６から出口１８へ冷却水が流れるケースの一部であってよい。冷却器１００は、当該ケースの内部に複数の板状フィン２０を有する。つまり、複数の板状フィン２０は、上板１０の下部に配置される。半導体チップからの熱は、少なくとも上板１０および板状フィン２０を介して冷却水に伝達されてよい。冷却水と上板１０および板状フィン２０との熱交換により、冷却器１００は半導体チップを冷却してよい。
【００２５】
複数の板状フィン２０の各々の間には、冷却水の流路が形成されてよい。冷却器１００の外部にはポンプが設けられてよい。当該ポンプは、板状フィン２０間の流路に冷却水を流す動力源であってよい。各流路において、冷却水は板状フィン２０の前方の端部（−Ｙ方向の端部）の位置から後方の端部（＋Ｙ方向の端部）の位置へ流れてよい。なお、冷却水は、水およびエチレングリコールの混合物であってよく、純水であってもよい。冷却水は、水と他のＬＬＣ（ロング・ライフ・クーラント）との混合物であってもよい。冷却水は、他の冷却液であってもよい。
【００２６】
冷却器１００を上面視した場合に、複数の板状フィン２０は特定の方向に延伸してよい。本例において、板状フィン２０の延伸方向２５は、Ｙ軸方向である。本例の板状フィン２０は、Ｙ軸方向においてジグザクに延伸する部分を有する。ただし、他の例において板状フィン２０は、ジグザクに延伸する部分に代えて、Ｙ軸方向において直線上に延伸する部分を有してもよい。
【００２７】
連結バー３０、４０、５０および６０の各々は、隣り合う複数の板状フィン２０同士がＸ軸方向において所定の間隔だけ離間するように、複数の板状フィン２０に連結されてよい。例えば、連結バーにおける本体部と２つの櫛歯部とにより形成される凹部が、板状フィン２０の凹部と噛み合うことにより、連結バーと板状フィン２０とは連結される。これにより、連結バーと板状フィン２０との相対的位置が固定されてよい。板状フィン２０は、各板状フィン２０の延伸方向が平行で、隣り合う板状フィン２０が所定の間隔で離間するよう、並列に配置されてよい。
【００２８】
本例において、連結バー３０は前方上部連結バーに対応し、連結バー４０は前方下部連結バーに対応し、連結バー５０は後方上部連結バーに対応し、連結バー６０は後方下部連結バーに対応する。本例の連結バー３０および５０は、複数の板状フィン２０の上部に連結される。これに対して、本例の連結バー４０よび６０は、複数の板状フィン２０の下部に連結される。本例において、連結バー３０および４０は、連結バー５０および６０よりも上流に配置される。また、本例において、連結バー３０は連結バー４０よりも上流に配置され、連結バー５０は連結バー６０よりも下流に配置される。
【００２９】
図２は、冷却器１００を有する半導体モジュール２００の上面図を示す図である。図２に示す様に、冷却器１００は、＋Ｘ方向端部の側板１４‐１と、−Ｘ方向端部の側板１４‐２と、前方（−Ｙ方向端部）の側板１４‐３と、後方（＋Ｙ方向端部）の側板１４‐４とを有する。なお、本例においては、Ｘ軸方向に３個、Ｙ軸方向に２個、合計６個（＝３×２）の半導体チップ９０が上板１０上に配置される。なお、図２においては、上板１０から上部の構成を省略しているので、半導体チップ９０の下部を破線にて示す。
【００３０】
本例において、冷却水の入口１６は前方の側板１４‐３に連結され、冷却水の出口１８は後方の側板１４‐４に連結される。入口１６および出口１８は、延伸方向２５において複数の板状フィン２０を間に挟んで異なる位置に設けられてよい。本例において、入口１６および出口１８は、冷却器１００を上面視した場合の矩形における中心に対して点対称な位置に設けられる。入口１６および出口１８は、当該矩形の対角線上に設けられてよい。
【００３１】
本例の板状フィン２０は、Ｙ軸方向に平行な直線部２６とＹ軸方向においてジグザクに延伸する波状部２８とを有する。本例において、板状フィン２０の直線部２６は入口１６近傍と出口１８近傍とに設けられ、板状フィン２０の波状部２８は２つの直線部２６の間に連続的に設けられる。
【００３２】
冷却器１００において、少なくとも２つの連結バーは、延伸方向２５において離間されてよい。入口１６近傍の直線部２６‐１には、複数の連結バーが位置してよい。本例においては、入口１６近傍の直線部２６‐１に、一対の連結バー３０および４０が設けられる。一対の連結バー３０および４０が板状フィン２０の直線部２６‐１に連結することで、板状フィン２０の波状部２８に連結する場合に比べて、連結バー３０および４０および板状フィン２０の連結構造をより簡易にし、さらに、連結バー３０および４０と板状フィン２０とをより強固に連結することができる。
【００３３】
連結バー３０および４０は、延伸方向２５において冷却水の入口１６と、半導体チップ９０の下部との間の異なる位置に設けられてよい。本例の連結バー３０および４０は、半導体チップ９０の下部よりも上流に位置する入口１６近傍の直線部２６‐１に設けられる。本例の連結バー３０は、半導体チップ９０の下部よりも冷却水の入口１６に近接して設けられ、本例の連結バー４０は、冷却水の入口１６よりも半導体チップ９０の下部に近接して設けられる。
【００３４】
入口１６近傍においては、冷却水が勢いよく流入するので、冷却水の運動エネルギーが出口１８近傍に比べて大きい。そこで、本例においては、１つの連結バーではなく、上下一対の連結バー３０および４０により冷却水の流れを部分的に妨げる。これにより、１つの連結バーの櫛歯部により貫通孔を設ける場合に比べて、櫛歯部の長さを短くしても後述の貫通孔を形成することができるので、連結バーが冷却水から受ける物理的な負荷を軽減することができる。また、冷却水の流速を適切に調整することもできる。さらに、上部の連結バー３０を下部の連結バー４０よりも上流に配置することにより、Ｚ軸方向の流れを調節することができる。例えば、冷却水の流路における半導体チップ９０の下部において、上側（チップ側）の冷却水の流速を下側の流速よりも高くすることができる。それゆえ、より効率的に冷却水が上板１０からの熱を除去することができる。
【００３５】
また、延伸方向２５において、半導体チップ９０の下部と冷却水の出口１８との間の位置に少なくとも一つの連結バーが設けられてよい。これにより、Ｘ軸方向において板状フィン２０をさらに安定的に固定することができる。本例の冷却器１００は、出口１８近傍の直線部２６‐２に一対の連結バー５０および６０を有する。なお、他の例においては、出口１８近傍の直線部２６‐２に連結バーを設けなくてもよく、１つの連結バーだけを設けてもよい。出口１８近傍に１つの連結バーだけを設ける他の例においては、冷却器１００の部品点数を少なくし、冷却器１００の製造コストおよび製造時間等を低減することができる。
【００３６】
連結バー５０および６０は、延伸方向２５において半導体チップ９０の下部と冷却水の出口１８との間の異なる位置に設けられてよい。本例の連結バー５０および６０は、半導体チップ９０の下部よりも下流に位置する出口１８近傍の直線部２６‐２に設けられる。本例の連結バー５０は、半導体チップ９０の下部よりも冷却水の出口１８に近接して設けられ、本例の連結バー６０は、冷却水の出口１８よりも半導体チップ９０の下部に近接して設けられる。
【００３７】
なお、本例の冷却器１００は上流から下流にかけて対称的な構造を有しているので、冷却水が流れる方向を本例とは反対にしてもよい。つまり、本例の出口１８を冷却水の入口とし、且つ、本例の入口１６を冷却水の出口としてもよい。本例においては、冷却器１００が上流から下流にかけて対称的な構造を有さない場合と比較して、半導体モジュール２００の組み立てが容易になる点が有利である。
【００３８】
図３Ａは、連結バー３０を示す図である。なお、図３Ａにおいては、連結バー３０を実線で示す。これに対して、上板１０の上部に配置される半導体チップ９０と、第１流路７０に設けられる第１開口７１と、第２流路７２に設けられる第２開口７３とを破線にて示す。本例において、第１流路７０は半導体チップ９０の下部を通過しない流路であり、第２流路７２は半導体チップ９０の下部を通過する流路である。なお、第２流路７２‐１と第２流路７２‐２との差異については後述する。
【００３９】
本例の連結バー３０は、本体部３２と複数の櫛歯部３４とを含む。複数の櫛歯部３４は、本体部３２から冷却水の流路へ各々突出してよい。本例の櫛歯部３４は、本体部３２から−Ｚ方向に延伸する。本体部３２のＺ軸方向長さは、Ｘ軸方向における任意の位置において同じであってよい。これに対して、櫛歯部３４のＺ軸方向長さはＸ軸方向の位置に応じて異なってよい。
【００４０】
櫛歯部３４のＺ軸方向長さは、第１流路７０と第２流路７２とで異なってよい。本例の連結バー３０において、第１流路７０における櫛歯部３４‐１のＺ軸方向長さは、第２流路７２における櫛歯部３４‐２のＺ軸方向よりも長い。本例の連結バー３０において、第１流路７０における櫛歯部３４‐１のＺ軸方向長さはＬ１であり、第２流路７２における櫛歯部３４‐２のＺ軸方向長さはＬ２である（Ｌ２＜Ｌ１）。なお、本例において、櫛歯部３４のＺ軸方向長さは、本体部３２の下端から櫛歯部３４の下端までの長さである。複数の櫛歯部３４のＸ方向の各幅は同じであってよい。
【００４１】
第１開口７１および第２開口７３の上端は、櫛歯部３４により規定されてよい。第１開口７１および第２開口７３の下端は、後述する下板１２の上端により規定されてよい。また、第１開口７１および第２開口７３のＸ軸方向における両端は、Ｘ軸方向に隣接する２つの板状フィン２０により規定されてよい。ただし、＋Ｘ方向の端部に位置する第１開口７１の＋Ｘ方向の端面は、側板１４‐１により規定されてよい。同様に、−Ｘ方向の端部に位置する第１開口７１の−Ｘ方向の端面は、側板１４‐２により規定されてよい。
【００４２】
連結バー３０において、１つの第１開口７１の開口面積は１つの第２開口７３の開口面積よりも小さい。開口面積は、図３Ａに示す様に、Ｙ軸方向から見た各開口の面積であってよい。また、本例において、第１流路７０における第１開口７１の開口面積の総和もまた、第２流路７２における第２開口７３の開口面積の総和よりも小さい。なお、本例においては、第１開口７１の数は、第２開口７３の数よりも小さい。第１開口７１を第２開口７３よりも小さくすることにより、半導体チップ９０に対する冷却の寄与が小さい第１流路７０における冷却水の流量を減らし、半導体チップ９０に対する冷却の寄与が大きい第２流路７２における冷却水の流量を増加させることができる。これにより、第１開口７１の面積と第２開口７３の面積とが同じである場合に比べて、半導体チップ９０の冷却効率を高めることができる。
【００４３】
図３Ｂは、連結バー４０を示す図である。図３Ａと同様に、連結バー４０を実線で示す。これに対して、半導体チップ９０と、第３開口７６と、第４開口７８とを破線にて示す。本例において、第３開口７６の開口面積は、第１開口７１の開口面積と同じである。また、本例において、第４開口７８の開口面積は、第３開口７６の開口面積よりも大きい。
【００４４】
連結バー４０は、本体部４２と複数の櫛歯部４４とを含んでよい。複数の櫛歯部４４は、本体部４２から冷却水の流路へ各々突出してよい。本例において、櫛歯部４４は本体部４２から＋Ｚ方向に延伸する。本体部４２のＺ軸方向長さは、Ｘ軸方向における任意の位置において同じであってよい。これに対して、櫛歯部４４のＺ軸方向長さはＸ軸方向の位置に応じて異なってよい。
【００４５】
連結バー４０における櫛歯部４４のＺ軸方向長さもまた、第１流路７０と第２流路７２とで異なってよい。本例の連結バー４０において、第１流路７０における櫛歯部４４‐１のＺ軸方向長さは、第２流路７２における櫛歯部４４‐２および４４‐３のＺ軸方向よりも長い。本例の連結バー４０において、第１流路７０における櫛歯部４４‐１のＺ軸方向長さはＬ３であり、第２流路７２における櫛歯部４４‐２および４４‐３のＺ軸方向長さは各々Ｌ４およびＬ５である（Ｌ４、Ｌ５＜Ｌ３）。なお、Ｌ３は、連結バー３０の第１流路７０における櫛歯部３４‐１のＺ軸方向長さＬ１と等しくてよい（Ｌ３＝Ｌ１）。本例において、櫛歯部４４のＺ軸方向長さは、本体部４２の上端から櫛歯部４４の上端までの長さである。複数の櫛歯部４４のＸ方向の各幅は同じであってよい。
【００４６】
本例では、Ｘ軸方向において冷却水の入口１６および出口１８の間に半導体チップ９０‐２が位置する。また、半導体チップ９０‐２が配置された領域をＸ軸方向において挟む２つの領域に、半導体チップ９０‐１および９０‐３がそれぞれ配置されている。半導体チップ９０‐２の下部に位置する第２流路７２‐２における櫛歯部４４‐３のＺ軸方向長さはＬ５である。これに対して、Ｘ軸方向において半導体チップ９０‐２を挟む半導体チップ９０‐１および９０‐３の下部に各々位置する第２流路７２‐１における櫛歯部４４‐２のＺ軸方向長さはＬ４である。本例において、Ｌ４はＬ５よりも大きい（Ｌ５＜Ｌ４）。Ｌ５は、連結バー３０の第２流路７２における櫛歯部３４‐２のＺ軸方向長さＬ２と等しくてよい（Ｌ５＝Ｌ２）。第２流路７２‐１および第２流路７２‐２は、第１流路７０を間に挟んでＹ軸方向に平行に配置されてよい。さらに、第２流路７２‐２は、Ｘ軸方向において、２つの第２流路７２‐１の間に配置されてよい。
【００４７】
本例の第４開口７８は、相対的に開口面積が小さい第４開口７８‐１と、相対的に開口面積が大きい第４開口７８‐２とを含む。第４開口７８‐１は、長さＬ５の櫛歯部４４‐３により下端が規定される開口であり、第４開口７８‐２は、長さＬ４の櫛歯部４４‐２により下端が規定される開口である。なお、本例において、第４開口７８‐２と第２開口７３との開口面積は、同じである。
【００４８】
第３開口７６および第４開口７８の上端は、上板１０の下端により規定されてよい。また、第３開口７６および第４開口７８のＸ軸方向における両端は、２つの板状フィン２０により規定されてよい。ただし、＋Ｘ方向の端部に位置する第３開口７６の＋Ｘ方向の端面は、側板１４‐１により規定されてよい。同様に、−Ｘ方向の端部に位置する第３開口７６の−Ｘ方向の端面は、側板１４‐２により規定されてよい。
【００４９】
連結バー４０においても、１つの第３開口７６の開口面積は１つの第４開口７８の開口面積よりも小さい。また、本例において、第１流路７０における第３開口７６の開口面積の総和もまた、第２流路７２における第４開口７８の開口面積の総和よりも小さい。なお、本例においては、第３開口７６の数も、第４開口７８の数よりも小さい。
【００５０】
連結バー４０においても、第３開口７６を第４開口７８よりも小さくすることにより、半導体チップ９０に対する冷却の寄与が小さい第１流路７０における冷却水の流量を減らし、半導体チップ９０に対する冷却の寄与が大きい第２流路７２における冷却水の流量を増加させることができる。また、連結バー４０においては、Ｘ軸方向において入口１６および出口１８から最も遠い第２流路７２‐２における第４開口７８‐２を、Ｘ軸方向において入口１６または出口１８に最も近い第２流路７２‐１における第４開口７８‐１よりも大きくする。これにより、第２流路７２‐２における第２開口７３と第４開口７８‐２との延伸方向２５における重なり面積は、第２流路７２‐１における第２開口７３と第４開口７８‐１との延伸方向２５における重なり面積よりも大きくなる。Ｙ軸方向から第２流路７２を見たとき、櫛歯部３４の先端と櫛歯部４４の先端とのギャップとして規定される開口のＺ軸方向の長さを比較すると、第２流路７２‐２の開口の方が第２流路７２‐１の開口より大きくなる。それゆえ、第２流路７２間における冷却水の流量アンバランスを低減することができる。
【００５１】
図４は、１つの板状フィン２０と、連結バー３０および連結バー４０との関係を示す斜視図である。本例において、連結バー４０は、連結バー３０よりも下流側（＋Ｙ方向側）に位置する。上板１０および半導体チップ９０側の連結バー３０が、連結バー４０よりも上流側に位置する。また、本例において、櫛歯部３４と櫛歯部４４とはＺ軸方向において向き合うが、Ｚ軸方向において重ならない。本例において、板状フィン２０の直線部２６は、Ｚ軸方向において連結バー３０の凹部３６と連結バー４０の凹部４６とに噛み合うように配置される。
【００５２】
図５は、図４のＡ‐Ａ断面を示す図である。図５は、板状フィン２０を通るＹ‐Ｚ平面に平行な断面図である。なお、図５においては、上流の直線部２６に加えて、下流の直線部２６を合わせて示す。板状フィン２０は凹部２１を有してよい。凹部２１はさらに突起部２４を含んでよい。本例の凹部２１は、＋Ｚ方向または−Ｚ方向にへこんだ板状フィン２０の切り欠き部分である。板状フィン２０は、１つの連結バーと連結する位置に１つの凹部２１を有してよい。本例の板状フィン２０は、連結バー３０および５０に対応して上流および下流の各上部に配置される凹部２１‐１および２１‐３と、連結バー４０および６０に対応して上流および下流の各下部に配置される凹部２１‐２および２１‐４とを有する。
【００５３】
上部の凹部２１‐１は、本体部３２の下部が接触する底部２２を有してよい。凹部２１‐３も同様に、本体部５２の下部が接触する底部２２を有してよい。凹部２１の底部２２と本体部３２および５２の底部とはそれぞれ、ロウ材により接着されてよい。連結バーが凹部２１に連結された後において、本体部３２および５２の上部と板状フィン２０の上部とは、突起の無い略平坦な面を形成してよい。
【００５４】
また、下部の凹部２１‐２は、本体部４２の上部が接触する頂部２３を有してよい。凹部２１‐４も同様に、本体部６２の上部が接触する頂部２３を有してよい。凹部２１の頂部２３と本体部４２および６２の頂部とはそれぞれ、ロウ材により接着されてよい。連結バーが凹部２１に連結された後において、本体部４２および６２の下部部と板状フィン２０の下部とは、突起の無い略平坦な面を形成してよい。
【００５５】
突起部２４は、板状フィン２０の上部に設けられた凹部２１‐１および２１‐３の上部と、板状フィン２０の下部に設けられた凹部２１‐２および２１‐４の下部とにそれぞれ設けられてよい。突起部２４は、延伸方向２５に突出してよい。突起部２４は、延伸方向２５と平行な方向において、凹部２１に配置される連結バーと接触してよい。これにより、板状フィン２０と連結バーとを強固に固定することができる。本例の板状フィン２０は、１つの凹部２１につき２つの突起部２４を有する。ただし、他の例においては、１つの凹部２１につき１つの突起部２４が設けられてもよい。
【００５６】
本例においては、凹部２１‐１においてＹ軸方向に向かい合う２つの突起部２４間の離間長さが、連結バー３０の本体部３２におけるＹ軸方向の長さよりも小さい。凹部２１‐２、凹部２１‐３および凹部２１‐４においても、同様に、Ｙ軸方向における２つの突起部２４間の離間長さは、本体部４２、５２または６２におけるＹ軸方向の長さよりも小さい。連結バー３０の本体部３２と一対の突起部２４とが噛み合う場合に、突起部２４は本体部３２から押されて変形してよい。変形された突起部２４の復元力により、連結バー３０の本体部３２と板状フィン２０とが固定されてよい。他の本体部４２、５２および６２も、同様に突起部２４を変形させてよい。なお、突起部２４は、連結バーの本体部にめり込んでもよい。また、他の例においては、＋Ｚ方向および−Ｚ方向へ板状フィン２０の突起部２４を押圧することにより、板状フィン２０の突起部２４と、連結バー３０、４０、５０または６０の本体部３２、４２、５２または６２とを接触させてもよい。
【００５７】
図６の（Ａ）は、図２のＢ‐Ｂ断面を示す図である。Ｂ‐Ｂ断面は、連結バー３０と入口１６との間に位置し、Ｙ軸方向に直交するＸ‐Ｚ平面に平行な、半導体モジュール２００の断面である。本例の半導体モジュール２００は、冷却器１００と、積層基板８０と、複数の半導体チップ９０とを備える。図６の（Ａ）に示す様に、冷却器１００は下板１２を有する。上板１０、下板１２および前後左右４つの側板１４は、板状フィン２０を収容するケースを構成してよい。なお、図６の（Ａ）において、連結バー３０は連結バー４０よりも手前に位置する。
【００５８】
Ｂ‐Ｂ断面においては板状フィン２０を省略するが、連結バー３０の凹部３６には、１つの板状フィン２０の上部が嵌ってよい。また、連結バー４０の凹部４６には、１つの板状フィン２０の下部が嵌ってよい。さらに、板状フィン２０は、凹部３６および凹部４６に嵌っていないＹ軸方向の位置においては、上板１０から下板１２までＺ軸方向に延伸してよい。
【００５９】
上板１０、下板１２および側板１４、連結バー３０、４０、５０および６０、ならびに、板状フィン２０は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）またはマグネシウム（Ｍｇ）で形成されてよく、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）またはマグネシウム（Ｍｇ）上にさらにニッケル（Ｎｉ）のめっきが施されてもよい。冷却器１００を熱伝導率が比較的高い銅またはアルミニウム等の金属で形成することにより、熱伝導率が比較的低い絶縁物等で形成する場合と比べて、上板１０および板状フィン２０と冷却水との熱交換を促進することができる。上記の銅は銅を主成分とする合金を、アルミニウムはアルミニウムを主成分とする合金を、また、ニッケルはニッケルを主成分とする合金を、それぞれ含んでよい。
【００６０】
積層基板８０の下部は上板１０に接し、積層基板８０の上部は半導体チップ９０に接してよい。積層基板８０は、第１金属配線層８２と、絶縁物層８４と、第２金属配線層８６とを有してよい。絶縁物層８４はＺ軸方向において第１金属配線層８２と第２金属配線層８６とに挟まれてよい。第１金属配線層８２および第２金属配線層８６は、絶縁物層８４に比べて、Ｘ軸およびＹ軸方向の長さが小さくてよい。
【００６１】
第１金属配線層８２上には、半導体チップ９０が設けられてよい。第１金属配線層８２は、複数の半導体チップ９０間を電気的に接続する配線を含んでよい。第１金属配線層８２は、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）で形成された配線層であってよい。
【００６２】
絶縁物層８４は、第１金属配線層８２と第２金属配線層８６との間に設けられた絶縁基板であってよい。絶縁物層８４は、窒化ケイ素（ＳｉＮＸ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮＸ）または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックの焼結体であってよい。
【００６３】
絶縁物層８４は、大電流が流れる半導体チップ９０と金属製の冷却器１００との電気的絶縁を確保する機能を有してよい。絶縁物層８４により、冷却器１００全体を金属で形成しても、半導体チップ９０と冷却器１００との電気的絶縁を担保することができる。冷却器１００の一部または全体を絶縁物で形成する場合に比べて、冷却器１００全体を金属で形成すれば、冷却効率の面で優位である。積層基板８０は、少なくとも１つの半導体チップ９０を含む群ごとに分割され設けられてもよい。
【００６４】
図６の（Ｂ）は、Ｂ‐Ｂ断面における第１流路７０および第２流路７２を示す図である。図６の（Ｂ）に示す様に、本例の冷却器１００は、複数の第１流路７０と複数の第２流路７２とを有する。第２流路７２の各々は、大貫通孔７７と小貫通孔７５とのいずれかを含んでよい。本例においては、第２流路７２‐１は、小貫通孔７５を有する。小貫通孔７５は、第２開口７３と第４開口７８‐１とのＹ軸方向における重なりを含んでよい。これに対して、第２流路７２‐２は、大貫通孔７７を有する。大貫通孔７７は、第２開口７３と第４開口７８‐１よりも開口面積が大きい第４開口７８‐２とのＹ軸方向における重なりを含んでよい。
【００６５】
大貫通孔７７は、半導体チップ９０‐２の下部における第２流路７２‐２において、Ｘ軸方向に隣接する一対の板状フィン２０間の間隙と、櫛歯部３４‐２と櫛歯部４４‐３とのＺ軸方向の隙間とにより形成（定義）されてよい。これに対して、小貫通孔７５は、第２流路７２‐１において、Ｘ軸方向に隣接する一対の板状フィン２０間の間隙と、櫛歯部３４‐２と櫛歯部４４‐２とのＺ軸方向の隙間とにより形成（定義）されてよい。
【００６６】
既に図３Ｂの説明において述べたように、小貫通孔７５が設けられる第２流路７２‐１における櫛歯部４４‐２の突出長さは、大貫通孔７７が設けられる第２流路７２‐２における櫛歯部４４‐３の突出長さよりも長い。これに対して、櫛歯部３４‐２の突出長さは、第２流路７２‐１および７２‐２において同じである。それゆえ、延伸方向２５（Ｙ軸方向）から見たとき、大貫通孔７７の開口面積は、小貫通孔７５の開口面積に比べて大きい。また、小貫通孔７５は、大貫通孔７７に比べて入口１６または出口１８に近い第２流路７２‐１に設けられる。これにより、第２流路７２‐１および７２‐２間における冷却水の流量アンバランスを低減することができる。第２流路７２−２における大貫通孔７７の開口面積の総和は、いずれかの第２流路７２−１における小貫通孔７５の開口面積の総和よりも大きい。第２流路７２‐１、７２‐２のそれぞれに含まれる櫛歯部３４と櫛歯部４４の対の数は同じであってもよいし、異なってもよい。
【００６７】
本例の貫通孔は、第１の連結バー（例えば、連結バー３０）からこれに近接する第２の連結バー（例えば、連結バー４０）までにおけるＹ軸方向の任意の位置において開口が連続的に形成されていることを意味する。貫通孔は、近接する２つの連結バーから更に延伸してよい。貫通孔は、連結バー３０から連結バー５０まで連続的に形成された開口を有してもよい。
【００６８】
図７の（Ａ）は、図２のＣ‐Ｃ断面を示す図である。Ｃ‐Ｃ断面は、延伸方向２５において連結バー３０と連結バー４０との間に位置しＹ軸方向に直交するＸ‐Ｚ平面に平行な半導体モジュール２００の断面である。Ｃ‐Ｃ断面における上板１０、下板１２および側板１４で囲まれる内部空間では、連結バー４０および複数の板状フィン２０のみが示されている。
【００６９】
図７の（Ｂ）は、Ｃ‐Ｃ断面における第１流路７０および第２流路７２を示す図である。Ｂ‐Ｂ断面と同様に、冷却器１００は、Ｘ‐Ｚ平面において、第１流路７０に設けられる第１開口７１と、第２流路７２に設けられ第１開口７１よりも大きい第２開口７３とを有する。また、第２流路７２‐２は大貫通孔７７を有し、第２流路７２‐１は小貫通孔７５を有する。
【００７０】
図８は、入口１６および出口１８と、貫通孔との位置関係を示す図である。図８は、図２に対応する冷却器１００の上面図である。ただし、図８においては、第２流路７２における貫通孔の位置関係を理解が容易になることを目的として、小貫通孔７５および大貫通孔７７を実線にて示し、第１流路７０、第２流路７２および半導体チップ９０の範囲を破線にて示す。図８においては、板状フィン２０を省略している点にも注意されたい。
【００７１】
本例において、連結バー５０は連結バー３０と同じ構造を有し、連結バー６０は連結バー４０と同じ構造を有する。それゆえ、第２流路７２‐１は上流および下流に小貫通孔７５を有し、第２流路７２‐２は上流および下流に大貫通孔７７を有する。上述のように、入口１６に最も近い位置に第２流路７２‐１を配置し、出口１８に最も近い位置に第２流路７２‐１を配置し、Ｘ軸方向において２つの第２流路７２‐１の間に第２流路７２‐２を配置することにより、冷却水の流量アンバランスを低減することができる。なお、入口１６から出口１８に至る流路において、冷却水はＸ軸方向にも流れてよい。例えば、側板１４‐３および１４‐４近傍において、冷却水Ｗの一部はＸ軸方向に流れる。
【００７２】
図９Ａは、図２のＤ‐Ｄ断面を示す図である。Ｄ‐Ｄ断面は、延伸方向２５と平行なＹ‐Ｚ平面における半導体モジュール２００の断面である。Ｄ‐Ｄ断面は、第２流路７２‐１の断面でもある。ただし、理解を容易にするために、側板１４は省略する。第２流路７２‐１において、櫛歯部４４‐２と櫛歯部３４‐２とは、延伸方向２５において重らないので、連結バー３０および４０は小貫通孔７５を形成する。同様に、連結バー５０および６０も、小貫通孔７５を形成する。これにより、第１流路７０に比べて第２流路７２の流量を増加させることができるので、半導体チップ９０をより効率的に冷却することができる。なお、櫛歯部５４‐１および５４‐２は、櫛歯部３４‐１および３４‐２に各々対応する。また、櫛歯部６４‐１、６４‐２および６４‐３は、櫛歯部４４‐１、４４‐２および４４‐３に各々対応する。
【００７３】
本例の冷却器１００は、上流に連結バー３０および４０を有し、下流に連結バー５０および６０を有する。連結バー３０、４０、５０および６０のＹ軸方向における厚みは、それぞれＴＦＵ、ＴＦＤ、ＴＢＵ、ＴＢＤである。連結バー５０は本体部５２と櫛歯部５４‐２とを有し、連結バー６０は本体部６２と櫛歯部６４‐２とを有する。なお、Ｄ‐Ｄ断面の延伸方向２５において、各連結バーと各連結バーにおける櫛歯部とは同じ厚みを有する。また、延伸方向２５における連結バー３０および４０の間隔はｄＦであり、延伸方向２５における連結バー５０および６０の間隔はｄＢである。
【００７４】
延伸方向２５における２つの連結バーの間隔ｄは、２つの連結バーの本体部における各々の延伸方向２５における厚みＴ以上であってよい。本例においては、ＴＦＵおよびＴＦＤ≦ｄＦであり、ＴＢＵおよびＴＢＤ≦ｄＢである。これにより、本体部３２からロウ材が垂れ落ちて、櫛歯部３４‐２と櫛歯部４４‐２とが連結されて、第２流路７２‐１が狭くなることを防ぐことができる。
【００７５】
図９Ｂは、図２のＥ‐Ｅ断面を示す図である。Ｅ‐Ｅ断面は、延伸方向２５と平行なＹ‐Ｚ平面における半導体モジュール２００の断面である。Ｅ‐Ｅ断面は、第１流路７０の断面でもある。ただし、理解を容易にするために、側板１４は省略する。第１流路７０において、櫛歯部４４‐１と櫛歯部３４‐１との少なくとも一部が、延伸方向２５において重なる。これにより、半導体チップ９０の下部を通過しない第１流路７０においては、第２流路７２に比べて冷却水の流量を制限することができる。
【００７６】
図９Ｃは、図２のＦ‐Ｆ断面を示す図である。Ｆ‐Ｆ断面は、延伸方向２５と平行なＹ‐Ｚ平面における半導体モジュール２００の断面である。Ｆ‐Ｆ断面は、第２流路７２‐２の断面でもある。ただし、理解を容易にするために、側板１４は省略する。第２流路７２‐２において、櫛歯部４４‐３と櫛歯部３４‐２とは、延伸方向２５において重らないので、連結バー３０および４０は大貫通孔７７を形成する。同様に、連結バー５０および６０も、大貫通孔７７を形成する。これにより、第１流路７０に比べて第２流路７２の流量を増加させることができ、さらに、第２流路７２間の流量アンバランスを低減することができる。
【００７７】
図１０は、半導体モジュール２００の回路図である。半導体モジュール２００は、車のモーターを駆動する車載用パワーモジュールの一部であってよい。半導体モジュール２００において、複数の半導体チップ９０‐１から９０‐６の各々は、ＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップであってよい。ＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップにおいて、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）および還流ダイオード（ＦＷＤ）は一体形成され、且つ、ＩＧＢＴおよびＦＷＤは逆並列に接続されてよい。なお、図１０においては、ＦＷＤの記号を省略しているが、各半導体チップ９０はＦＷＤを有してよい点に注意されたい。
【００７８】
半導体チップ９０‐１においては、エミッタ電極が入力端子Ｎ１に、コレクタ電極が出力端子Ｕに、それぞれ電気的に接続してよい。半導体チップ９０‐２においては、エミッタ電極が入力端子Ｎ２に、コレクタ電極が出力端子Ｖに、それぞれ電気的に接続してよい。半導体チップ９０‐３においては、エミッタ電極が入力端子Ｎ３に、コレクタ電極が出力端子Ｗに、それぞれ電気的に接続してよい。さらに、半導体チップ９０‐４においては、エミッタ電極が出力端子Ｕに、コレクタ電極が入力端子Ｐ１に、それぞれ電気的に接続してよい。半導体チップ９０‐５においては、エミッタ電極が出力端子Ｖに、コレクタ電極が入力端子Ｐ２に、それぞれ電気的に接続してよい。半導体チップ９０‐６においては、エミッタ電極が出力端子Ｗに、コレクタ電極が入力端子Ｐ３に、それぞれ電気的に接続してよい。
【００７９】
各半導体チップ９０‐１から９０‐６は、半導体チップ９０の制御電極パッド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９０はＲＣ‐ＩＧＢＴであるので、スイッチ・オン時にＩＧＢＴ領域が発熱し、スイッチ・オフ時にＦＷＤ領域が発熱してよい。入力端子Ｐ１は外部電源の正極に、入力端子Ｎ１は負極に、出力端子Ｕは負荷にそれぞれ接続してよい。複数の半導体チップ９０‐１、９０‐２および９０‐３は半導体モジュール２００における下アームを、複数の半導体チップ９０‐４、９０‐５および９０‐６は半導体モジュール２００における上アームを構成してよい。
【００８０】
入力端子Ｐ１、Ｐ２および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およびＮ３も互いに電気的に接続されてよい。本例の半導体モジュール２００は、出力端子Ｕ、ＶおよびＷを有する三相交流インバータ回路として機能してよい。
【００８１】
図１１は、比較例における半導体モジュール４００の断面を示す図である。半導体モジュール４００は、冷却器３１０と、積層基板８０と、複数の半導体チップ９０とを有する。積層基板８０および半導体チップ９０は、第１実施形態と同じであってよい。比較例における冷却器３１０は、連結バー３０、４０、５０および６０を有しない点で、第１実施形態の冷却器１００と異なる。また、半導体モジュール４００では、後述する半導体モジュール３００と同様に入口１１６、出口１１８、側板１１４および半導体チップ９０‐１ａから９０‐６ｂが配置され、主回路が構成されている。
【００８２】
図１２Ａは、熱抵抗シミュレーションを行った、冷却器１００を有する半導体モジュール３００の上面図を示す図である。半導体チップ９０、入口１１６、出口１１８、小貫通孔７５および大貫通孔７７の位置関係を示す。半導体モジュール３００では、側板１１４‐２に入口１１６が、側板１１４‐１に出口１１８がそれぞれ設けられている。入口１１６および出口１１８は、連結バー３０、４０、５０および６０の延伸方向（Ｘ軸方向）に平行に配置されている。なお、入口１１６および出口１１８は、図１２Ａのように板状フィン２０の延伸方向２５に直交する方向（Ｘ軸方向）に配置されてもよいし、他の例として、図８の入口１６および出口１８のように延伸方向２５に平行な方向（Ｙ軸方向）に配置されてもよい。図１２Ａの例の様に、入口１１６を板状フィン２０の延伸方向２５に直交する方向（Ｘ軸方向）に平行に配置すると各第２流路７２に供給される冷却水量のばらつきが小さくなり好ましい。入口１１６から供給される冷却水Ｗの少なくとも一部は、側板１１４‐３および１１４‐４近傍において、連結バー３０および５０に沿ってＸ軸方向に流れてよい。
【００８３】
図１２Ｂは、図１２Ａに対応する回路図を示す。なお、本熱抵抗シミュレーションにおいては、各アームにおいて半導体チップ９０を２つ並列に設けた。各アームの２つのチップを延伸方向２５に沿って設けた。本例において、半導体チップ９０‐４ａおよび９０‐１ａは、出力端子Ｕの下アームを構成し、半導体チップ９０‐４ｂおよび９０‐１ｂは、出力端子Ｕの上アームを構成する。同様に、本例において、半導体チップ９０‐５ａおよび９０‐２ａは、出力端子Ｖの下アームを構成し、半導体チップ９０‐５ｂおよび９０‐２ｂは、出力端子Ｖの上アームを構成する。また、本例において、半導体チップ９０‐６ａおよび９０‐３ａは、出力端子Ｗの下アームを構成し、半導体チップ９０‐６ｂおよび９０‐３ｂは、出力端子Ｖの上アームを構成する。
【００８４】
図１２Ｃは、図１２Ａおよび図１２Ｂに示す例と図１２Ａに示す冷却器に替えて図１１に示す冷却器３１０を用いる比較例とにおける熱抵抗シミュレーション結果を示す図である。横軸はシミュレーションで熱抵抗を評価した位置を示す。本シミュレーションにおいては、図１２Ｂに示した各端子Ｎ１、Ｐ１、Ｎ２、Ｐ２、Ｎ３およびＰ３に接続された半導体チップ９０‐４ａ、９０‐４ｂ、９０‐５ａ、９０‐５ｂ、９０‐６ａおよび９０‐６ｂにおけるＸ‐Ｙ平面の中央部の熱抵抗を評価した。縦軸は、熱抵抗Ｒｔｈ［℃／Ｗ］である。なお、熱抵抗Ｒｔｈは、ΔＴ［℃］＝Ｒｔｈ［℃／Ｗ］×ＰＬＯＳＳ［Ｗ］により定義されてよい。ここで、ΔＴ［℃］は、半導体チップ９０と上板１０との温度差であり、ＰＬＯＳＳ［Ｗ］は、各半導体チップ９０におけるエネルギー損失である。
【００８５】
図１２Ｃの結果から明らかなように、第１実施形態の各半導体チップにおける熱抵抗Ｒｔｈの大きさは、比較例に比べて低減された。加えて、第１実施形態における熱抵抗Ｒｔｈの大きさのばらつきも、比較例に比べて低減された。第１実施形態においては、連結バー３０、４０、５０および６０を設け、第１流路７０における冷却水の流量を下げ、第２流路７２における冷却水の流量を上げることにより、効率的に半導体チップ９０を冷却することができたと言える。
【００８６】
図１３Ａは、第１変形例における図２のＥ‐Ｅ断面を示す図である。Ｅ‐Ｅ断面は第１流路の断面である。図１３Ａにおいて、櫛歯部４４‐１の上端は連結バー３０の本体部３２の下端よりも上方に位置する。例えば、櫛歯部４４‐１の上端と上板１０との距離は０ｍｍより大きく１ｍｍ以下である。なお、櫛歯部３４‐１の下端は、連結バー４０の本体部４２の上端に一致する。櫛歯部４４‐１の上端と上板１０との距離は、第１流路７０における冷却水の流量に応じて調節してよい。これにより、第１流路７０における冷却水の流量を第２流路に比べて低減することができ、その低減の程度を調節することもできる。
【００８７】
また、本例においては、櫛歯部６４‐１の上端もまた、連結バー５０の本体部５２の下端よりも上方に位置する。例えば、櫛歯部６４‐１の上端と上板１０との距離も０ｍｍより大きく１ｍｍ以下である。なお、櫛歯部５４‐１の下端もまた、連結バー６０の本体部６２の上端に一致する。このように、第１流路７０における冷却水の流量は、上流および下流において調節してよい。
【００８８】
図１３Ｂは、第２変形例における図２のＥ‐Ｅ断面を示す図である。図１３Ｂにおいて、櫛歯部３４‐１の下端は、連結バー４０の本体部４２の上端よりも下方に位置する。例えば、櫛歯部３４‐１の下端と下板１２との距離は０ｍｍより大きく１ｍｍ以下である。なお、櫛歯部４４‐１の上端は、連結バー３０の本体部３２の上端に一致する。櫛歯部３４‐１の下端と下板１２との距離は、第１流路７０における冷却水の流量に応じて調節してよい。これにより、第１流路７０における冷却水の流量を第２流路に比べて低減することができ、その低減の程度を調節することもできる。
【００８９】
また、本例においては、櫛歯部５４‐１の下端もまた、連結バー６０の本体部６２の上端よりも下方に位置する。例えば、櫛歯部５４‐１の下端と下板１２との距離も０ｍｍより大きく１ｍｍ以下である。なお、櫛歯部６４‐１の上端もまた、連結バー５０の本体部５２の上端に一致する。このように、第１流路７０における冷却水の流量は、上流および下流において調節してよい。また、上流においては図１３Ａの構成を採用し、下流においては図１３Ｂの構成を採用してよい。これに代えて、下流においては図１３Ａの構成を採用し、上流においては図１３Ｂの構成を採用してもよい。
【００９０】
図１４は、第３変形例における図２のＥ‐Ｅ断面を示す図である。本例において、櫛歯部３４‐１のＺ軸方向の長さＬ１Ｆは、櫛歯部５４‐１のＺ軸方向の長さＬ１Ｂよりも長い。また、櫛歯部４４‐１のＺ軸方向の長さＬ３Ｆは、櫛歯部６４‐１のＺ軸方向の長さＬ３Ｂよりも長い。そして、本例の第１流路７０において、櫛歯部３４‐１と櫛歯部４４‐１との延伸方向２５における重なり長さＬＦは、櫛歯部５４‐１と櫛歯部６４‐１との延伸方向２５における重なり長さＬＢよりも長い。これにより、下流に比べて運動エネルギーが大きい上流の連結バーにおいては、適切に冷却水の流れを抑制することができ、下流の連結バーにおいては、冷却水の流れに対する抵抗を上流に比べて低減することができる。
【００９１】
図１５は、第４変形例における図２のＤ‐Ｄ断面を示す図である。なお、図１５から図１７においては、図面の見易さを考慮して、貫通孔の表記を省略する。本例において、連結バー３０および４０の間隔ｄＦは、連結バー５０および６０の間隔ｄＢよりも狭い。これにより、下流に比べて運動エネルギーが大きい上流の連結バーにおいては、適切に冷却水の流れを抑制することができ、下流の連結バーにおいては、冷却水の流れに対する抵抗を上流に比べて低減することができる。さらに、下流の連結バー間の間隔ｄＢが上流の連結バー間の間隔ｄＦより広いので、下流の連結バー５０および６０の組み立てが容易になる点も有利である。
【００９２】
図１６は、第５変形例における図２のＤ‐Ｄ断面を示す図である。本例の第２流路７２において、櫛歯部６４‐２の突出長さＬ４Ｂは、櫛歯部４４‐２の突出長さＬ４Ｆよりも長い。一例において、櫛歯部６４の突出長さＬ４Ｂは、櫛歯部４４の突出長さＬ４Ｆの１．５倍以上５倍以下であってよく、２倍以上４倍以下であってよく、２．５倍以上３倍以下であってもよい。これにより、下流において冷却水の流れを上板１０に向けることができる。なお、本例において、櫛歯部３４‐２の突出長さＬ２Ｆと櫛歯部５４‐２の突出長さＬ２Ｂとは、同じである。本例においては、Ｌ４ＢとＬ４Ｆとが同じである場合に比べて、圧力損失を低減しつつ、かつ、上流に比べて冷却されにくい下流における冷却効率を向上させることができる。
【００９３】
図１７は、第６変形例における図２のＤ‐Ｄ断面を示す図である。本例の冷却器１００は、下流の連結バーとして、１つの連結バーを有する。これにより、下流において上下一対の連結バーを設ける例に比べて、圧力損失を低減することができる。なお、本例の冷却器１００は、連結バー５０を有せず、連結バー６０を有する。これにより、半導体チップ９０‐４、９０‐５および９０‐６の直下において、冷却水の流れを上板１０に向けることができるので、上流に比べて冷却されにくい下流における冷却効率を向上させることができる。
【００９４】
図１８は、第２実施形態の半導体モジュール２１０において、入口１６および出口１８と、貫通孔との位置関係を示す図である。本例においては、冷却水の入口１６および出口１８が延伸方向２５において重なる位置に設けられる。この場合、入口１６または出口１８に近い流路ほど冷却水が流れやすく、入口１６または出口１８から遠い流路ほど冷却水が流れにくい。
【００９５】
そこで、本例においては、Ｘ軸方向において入口１６または出口１８に最も近い流路であって、半導体チップ９０の下部を通過する流路を、小貫通孔７５を有する第２流路７２‐１とする。これに対して、Ｘ軸方向において入口１６または出口１８から最も遠い流路であって、半導体チップ９０の下部を通過する流路を、大貫通孔７７を有する第２流路７２‐２とする。これにより、第２流路７２間の流量アンバランスを低減することができる。また、本例においても、第１実施形態と共通する構成においては、同じ有利な効果を得ることができる。なお、入口１６から出口１８に至る流路において、冷却水はＸ軸方向にも流れてよい。例えば、側板１４‐３近傍において、冷却水Ｗの流れは入口１６から±Ｘ方向にも分岐する。また、例えば、側板１４‐４近傍において、±Ｘ方向における冷却水Ｗの流れは出口１８に向かう。
【００９６】
図１９は、第３実施形態の半導体モジュール２２０において、入口１６および出口１８と、貫通孔との位置関係を示す図である。本例においては、複数の半導体チップ９０の配置が上述の例と異なり、Ｘ軸方向に２個、Ｙ軸方向に３個、合計６個（＝２×３）の半導体チップ９０が上板１０上に配置される。なお、冷却水Ｗの主な流れ方向を矢印にて示す。
【００９７】
また、冷却水の入口１６および出口１８は、延伸方向２５における複数の板状フィン２０の一の端部側に共に設けられる。本例の入口１６および出口１８は、Ｘ軸方向に離間するように共に側板１４‐３に連結される。また、本例の半導体モジュール２２０は、入口１６および出口１８の間には、側板１４‐３から延伸方向２５に延伸し、側板１４‐４には達しない仕切用板状フィン２９を有する。仕切用板状フィン２９は、入口１６から側板１４‐３に沿って出口１８へ経路を遮断する機能を有してよい。本例の冷却水は、略Ｕ字状に流れることができる。より具体的には、本例の冷却水は、側板１４‐３における入口１６から、延伸方向２５において側板１４‐３に対向する側板１４‐４に進み、その後、側板１４‐４近傍においてＸ軸方向に進み、さらにその後、側板１４‐４から側板１４‐３における出口１８へ流れることができる。
【００９８】
大貫通孔７７は、小貫通孔７５に比べて入口１６および出口１８に近い位置に設けられてよい。本例において、入口１６に最も近い第２流路７２は、上流から下流の順に、大貫通孔７７および小貫通孔７５を有する。これに対して、出口１８に最も近い第２流路７２は、上流から下流の順に、小貫通孔７５および大貫通孔７７を有する。入口１６から流入する冷却水の勢いに起因して、側板１４‐４近傍においても冷却水は勢いよく流れ得る。それゆえ、本例においては、側板１４‐４近傍を大貫通孔７７とはせずに、小貫通孔７５とする。本例においても、第１実施形態と共通する構成においては、同じ有利な効果を得ることができる。
【００９９】
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、多様な変更又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。その様な変更又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。
【０１００】
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、この順序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】
【０１０１】
１０・・上板、１２・・下板、１４・・側板、１６・・入口、１８・・出口、２０・・板状フィン、２１・・凹部、２２・・底部、２３・・頂部、２４・・突起部、２５・・延伸方向、２６・・直線部、２８・・波状部、２９・・仕切用板状フィン、３０・・連結バー、３２・・本体部、３４・・櫛歯部、３６・・凹部、４０・・連結バー、４２・・本体部、４４・・櫛歯部、４６・・凹部、５０・・連結バー、５２・・本体部、５４・・櫛歯部、６０・・連結バー、６２・・本体部、６４・・櫛歯部、７０・・第１流路、７１・・第１開口、７２・・第２流路、７３・・第２開口、７５・・小貫通孔、７６・・第３開口、７７・・大貫通孔、７８・・第４開口、８０・・積層基板、８２・・第１金属配線層、８４・・絶縁物層、８６・・第２金属配線層、９０・・半導体チップ、１００・・冷却器、１１４・・側板、１１６・・入口、１１８・・出口、２００・・半導体モジュール、２１０・・半導体モジュール、２２０・・半導体モジュール、３００・・半導体モジュール、３１０・・冷却器、４００・・半導体モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
2019071330.tif 000018
【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2019071330.tif 000024
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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