(57)【要約】【課題】フィンの数を少なくしながら、十分な冷却性能を有する冷却器を提供する。【解決手段】冷却器は、それぞれが、フィン（12）を有し、複数の半導体デバイス（42A,42D）のうちの互いに異なるものに対応し、伝熱板（32）の、パワーモジュール（40A）が取り付けられる面の裏面に取り付けられる複数のフィンブロック（10A,10D）と、フィンブロック（10A,10D）間を接続する配管（26）とを有する。フィンブロック（10A,10D）はそれぞれ、伝熱板（32）の裏面において、フィン（12）を有する領域（11）が、対応する半導体デバイス（42A,42D）の直下の領域を含むように取り付けられる。フィンブロック（10A,10D）のフィン（12）を有する領域（11）の面積の合計は、絶縁基板（46A）の面積より小さい。【選択図】図１
2015207670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板（46A）及びこれに接合された複数の半導体デバイス（42A,42D）を有するパワーモジュール（40A）を冷却する冷却器であって、
前記パワーモジュール（40A）が取り付けられる伝熱板（32）と、
それぞれが、フィン（12）を有し、前記複数の半導体デバイス（42A,42D）のうちの互いに異なるものに対応し、前記伝熱板（32）の、前記パワーモジュール（40A）が取り付けられる面の裏面に取り付けられる複数のフィンブロック（10A,10D）と、
前記複数のフィンブロック（10A,10D）間を接続する配管（26）とを備え、
前記複数のフィンブロック（10A,10D）はそれぞれ、前記伝熱板（32）の前記裏面において、前記フィン（12）を有する領域（11）が前記対応する半導体デバイス（42A,42D）の直下の領域を含むように取り付けられ、
前記複数のフィンブロック（10A,10D）の前記フィン（12）を有する領域（11）の面積の合計は、前記絶縁基板（46A）の面積より小さい
冷却器。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却器において、
前記フィンブロック（10A,10D）及び前記配管（26）には冷媒が充填されている
冷却器。
【請求項３】
請求項２に記載の冷却器において、
前記冷媒は、水である
冷却器。
【請求項４】
請求項２に記載の冷却器において、
前記冷媒は、蒸発によって冷却を行う冷媒である
冷却器。
【請求項５】
請求項２に記載の冷却器において、
前記配管（26）の断面積は、前記フィンブロック（10A,10D）における冷媒が流れる空間の断面積より小さい
冷却器。
【請求項６】
絶縁基板（46A,46B,46C）及びこれに接合された半導体デバイス（42A,42B,42C）をそれぞれが有する複数のパワーモジュール（40A,40B,40C）を冷却する冷却器であって、
前記複数のパワーモジュール（40A,40B,40C）が取り付けられる伝熱板（32）と、
それぞれが、フィン（12）を有し、前記複数のパワーモジュール（40A,40B,40C）のうちの互いに異なるものに対応し、前記伝熱板（32）の、前記複数のパワーモジュール（40A,40B,40C）が取り付けられる面の裏面に取り付けられる複数のフィンブロック（10A,10B,10C）と、
前記複数のフィンブロック（10A,10B,10C）間を接続する配管（26）とを備え、
前記複数のフィンブロック（10A,10B,10C）はそれぞれ、前記伝熱板（32）の前記裏面において、前記フィン（12）を有する領域（11）が前記対応するパワーモジュール（40A,40B,40C）の前記半導体デバイス（42A,42B,42C）の直下の領域を含むように取り付けられ、
前記複数のフィンブロック（10A,10B,10C）のそれぞれの前記フィン（12）を有する領域（11）の面積は、前記対応するパワーモジュール（40A,40B,40C）の前記絶縁基板（46A,46B,46C）の面積より小さい
冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスを有するパワーモジュールを冷却する冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ等を駆動するために、スイッチングを行う半導体デバイスを有するパワーモジュールが広く使われている。半導体デバイスは発熱して温度が上昇するので、半導体デバイスの温度が上昇し過ぎないように、パワーモジュールを冷却する必要がある。複数の半導体デバイスを有するパワーモジュールを冷却する冷却器の例が、特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−０３６０９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の冷却器は、２つの半導体デバイスに対して、多くのフィンを有する１つの冷却器を有している。多くのフィンを用いると、冷却性能は高くなるが、フィンの加工コストは高いので、冷却器のコストが高くなってしまう。
【０００５】
本発明は、フィンの数を少なくしながら、十分な冷却性能を有する冷却器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、絶縁基板（46A）及びこれに接合された複数の半導体デバイス（42A,42D）を有するパワーモジュール（40A）を冷却する冷却器であって、前記パワーモジュール（40A）が取り付けられる伝熱板（32）と、それぞれが、フィン（12）を有し、前記複数の半導体デバイス（42A,42D）のうちの互いに異なるものに対応し、前記伝熱板（32）の、前記パワーモジュール（40A）が取り付けられる面の裏面に取り付けられる複数のフィンブロック（10A,10D）と、前記複数のフィンブロック（10A,10D）間を接続する配管（26）とを有する。前記複数のフィンブロック（10A,10D）はそれぞれ、前記伝熱板（32）の前記裏面において、前記フィン（12）を有する領域（11）が前記対応する半導体デバイス（42A,42D）の直下の領域を含むように取り付けられる。前記複数のフィンブロック（10A,10D）の前記フィン（12）を有する領域（11）の面積の合計は、前記絶縁基板（46A）の面積より小さい。
【０００７】
これによると、フィンブロック（10A,10D）のフィン（12）を有する領域（11）の面積は比較的小さいので、フィン（12）の数を少なくすることができる。フィンブロック（10A,10D）は、フィン（12）を有する領域（11）が、半導体デバイス（42A,42D）の直下の領域を含むように取り付けられるので、半導体デバイス（42A,42D）を効率よく冷却することができる。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記フィンブロック（10A,10D）及び前記配管（26）には冷媒が充填されている冷却器である。
【０００９】
これによると、冷媒によって冷却が行われるので、半導体デバイス（42A,42D）を効率よく冷却することができる。
【００１０】
第３の発明では、第２の発明において、前記冷媒は、水である。
【００１１】
これによると、冷媒として水を用いるので、コストを低くすることができる。
【００１２】
第４の発明では、第２の発明において、前記冷媒は、蒸発によって冷却を行う冷媒である。
【００１３】
これによると、冷媒の蒸発時の潜熱を利用するので、半導体デバイス（42A,42D）を効率よく冷却することができる。
【００１４】
第５の発明では、第２の発明において、前記配管（26）の断面積は、前記フィンブロック（10A,10D）における冷媒が流れる空間の断面積より小さい。
【００１５】
これによると、配管（26）における冷媒の流速が速くなり、フィンブロック（10A,10D）において乱流が生じやすくなる。このため、半導体デバイス（42A,42D）を効率よく冷却することができる。
【００１６】
第６の発明は、絶縁基板（46A,46B,46C）及びこれに接合された半導体デバイス（42A,42B,42C）をそれぞれが有する複数のパワーモジュール（40A,40B,40C）を冷却する冷却器であって、前記複数のパワーモジュール（40A,40B,40C）が取り付けられる伝熱板（32）と、それぞれが、フィン（12）を有し、前記複数のパワーモジュール（40A,40B,40C）のうちの互いに異なるものに対応し、前記伝熱板（32）の、前記複数のパワーモジュール（40A,40B,40C）が取り付けられる面の裏面に取り付けられる複数のフィンブロック（10A,10B,10C）と、前記複数のフィンブロック（10A,10B,10C）間を接続する配管（26）とを有する。前記複数のフィンブロック（10A,10B,10C）はそれぞれ、前記伝熱板（32）の前記裏面において、前記フィン（12）を有する領域（11）が前記対応するパワーモジュール（40A,40B,40C）の前記半導体デバイス（42A,42B,42C）の直下の領域を含むように取り付けられる。前記複数のフィンブロック（10A,10B,10C）のそれぞれの前記フィン（12）を有する領域（11）の面積は、前記対応するパワーモジュール（40A,40B,40C）の前記絶縁基板（46A,46B,46C）の面積より小さい。
【００１７】
これによると、フィンブロック（10A,10B,10C）のフィン（12）を有する領域（11）の面積が比較的小さいので、フィン（12）の数を少なくすることができる。フィンブロック（10A,10B,10C）は、フィン（12）を有する領域（11）が、半導体デバイス（42A,42B,42C）の直下の領域を含むように取り付けられるので、半導体デバイス（42A,42B,42C）を効率よく冷却することができる。
【発明の効果】
【００１８】
第１〜第６の発明によれば、フィン（12）の数を少なくしながら、十分な冷却性能を有する冷却器を提供することができる。したがって、冷却器の製造コストを低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る冷却器の構成例を示す斜視図である。
【図２】図１のフィンブロックの長手方向に直交する断面の例を示す断面図である。
【図３】図１の冷却器と、これによって冷却されるパワーモジュールとを示す平面図である。
【図４】図３のパワーモジュールと冷却器との、Ｂ−Ｂ’における断面図である。
【図５】図３及び４のパワーモジュールが用いられる電力供給装置の例を示す回路図である。
【図６】図３のパワーモジュールの１つの電流が流れる部分の構成を具体的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図面において同じ参照番号で示された構成要素は、同一の又は類似の構成要素である。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態に係る冷却器（30）の構成例を示す斜視図である。図１の冷却器（30）は、フィンブロック（10A,10B,10C,10D,10E,10F）と、配管（22,24,26）と、伝熱板（32）とを有する。フィンブロック（10A〜10F）は、例えばろう材によって伝熱板（32）に接合されている。フィンブロック（10A）には配管（22）が接続され、フィンブロック（10D）には配管（24）が接続されている。フィンブロック（10A）とフィンブロック（10B）との間、フィンブロック（10B）とフィンブロック（10C）との間、フィンブロック（10C）とフィンブロック（10F）との間、フィンブロック（10F）とフィンブロック（10E）との間、フィンブロック（10E）とフィンブロック（10D）との間は、配管（26）によって接続されている。フィンブロック（10A〜10F）及び配管（22,24,26）には冷媒が充填されている。例えば配管（22）から流入した冷媒が、フィンブロック（10A〜10F）及び配管（26）を通って配管（24）から流出する。
【００２２】
図２は、図１のフィンブロック（10A）の長手方向に直交する断面の例を示す断面図である。フィンブロック（10A）は、ケース（14）と、複数のフィン（12）とを有する。ケース（14）とフィン（12）との間、及びフィン（12）同士の間には、空間があり、そこを冷媒が流れるようになっている。フィンブロック（10B〜10F）も、それぞれ、フィンブロック（10A）と同様に構成されている。フィン（12）、ケース（14）、配管（22,24,26）は、例えば伝熱性材料（銅、銅合金、アルミニウム、又はアルミニウム合金等）によって構成されている。冷媒は、例えば、水であってもよいし、蒸発によって冷却を行う冷媒であってもよい。配管（26）の断面積は、フィンブロック（10A〜10F）における冷媒が流れる空間の断面積より小さくてもよい。
【００２３】
図３は、図１の冷却器（30）と、これによって冷却されるパワーモジュール（40A,40B,40C）とを示す平面図である。図４は、図３のパワーモジュール（40A〜40C）と冷却器（30）との、Ｂ−Ｂ’における断面図である。パワーモジュール（40A〜40C）は、伝熱板（32）の１つの面に取り付けられる。
【００２４】
パワーモジュール（40A）は、半導体デバイス（42A,42D）と、絶縁基板（46A）と、金属ベース（48A）と、ケース（52A）とを有している。半導体デバイス（42A,42D）は、それぞれ、半導体基板上に素子が形成された半導体チップである。絶縁基板（46A）は、セラミック等の絶縁体によって構成されている。ケース（52A）は、例えば樹脂によって構成されている。半導体デバイス（42A,42D）は、絶縁基板（46A）に接合されている。絶縁基板（46A）は、金属ベース（48A）に接合されている。
【００２５】
パワーモジュール（40B,40C）も、それぞれ、パワーモジュール（40A）と同様に構成されている。半導体デバイス（42A,42D）に代えて、パワーモジュール（40B）は半導体デバイス（42B,42E）を有し、パワーモジュール（40C）は、半導体デバイス（42C,42F）を有している。絶縁基板（46A）に代えて、パワーモジュール（40B）は絶縁基板（46B）を有し、パワーモジュール（40C）は、絶縁基板（46C）を有している。各半導体デバイス（42A〜42F）は、例えばスイッチング素子を有している。
【００２６】
フィンブロック（10A〜10F）は、これらの半導体デバイス（42A〜42F）のうちの互いに異なるものに対応し、伝熱板（32）の、パワーモジュール（40A〜40C）が取り付けられる面の裏面に取り付けられる。具体的には、フィンブロック（10A,10B,10C,10D,10E,10F）は、半導体デバイス（42A,42B,42C,42D,42E,42F）にそれぞれ対応している。
【００２７】
複数のフィンブロック（10A〜10F）はそれぞれ、図３のように、平面視において、一部の領域（11）のみにフィン（12）を有している。複数のフィンブロック（10A〜10F）はそれぞれ、伝熱板（32）の、パワーモジュール（40A〜40C）が取り付けられる面の裏面において、フィン（12）を有する領域（11）が、対応する半導体デバイス（42A〜42F）の直下の領域を含むように取り付けられている。ここで、平面視において、フィンブロック（10A,10D）のフィン（12）を有する領域（11）の面積の合計は、絶縁基板（46A）の面積より小さい。同様に、平面視において、フィンブロック（10B,10E）のフィン（12）を有する領域（11）の面積の合計は、絶縁基板（46B）の面積より小さい。平面視において、フィンブロック（10C,10F）のフィン（12）を有する領域（11）の面積の合計は、絶縁基板（46C）の面積より小さい。
【００２８】
図５は、図３及び４のパワーモジュール（40A〜40C）が用いられる電力供給装置の例を示す回路図である。図５の電力供給装置は、コンバータ（62）と、平滑コンデンサ（64）と、コントローラ（66）と、インバータ（70）とを有する。コンバータ（62）は、ブリッジ状に結線された６個のダイオード（Dr）によって構成され、三相交流電源（61）の三相交流を直流に変換する。平滑コンデンサ（64）は、コンバータ（62）にから出力された直流を平滑する。
【００２９】
インバータ（70）は、平滑コンデンサ（64）によって平滑された直流を、三相交流に変換する。この例では、インバータ（70）は、６個のアーム（72A,72B,72C,74A,74B,74C）を有する。各アーム（72A〜72C）は、スイッチング素子（81）と、還流ダイオード（82）とを有している。各アーム（74A〜74C）は、スイッチング素子（83）と、還流ダイオード（84）とを有している。
【００３０】
スイッチング素子（81,83）は、例えばＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）である。アーム（72A,72B,72C,74A,74B,74C）は、図３の半導体デバイス（42A,42B,42C,42D,42E,42F）にそれぞれ対応している。インバータ（70）で生成された三相交流は、三相モータ（68）に供給される。コントローラ（66）は、三相モータ（68）の各相電流の検出値（iu,iv,iw）が所望の値になるように制御信号（CNT）を生成し、インバータ（70）の６個のスイッチング素子（81,83）を制御する。
【００３１】
図６は、図３のパワーモジュール（40A）の１つの電流が流れる部分の構成を具体的に示す平面図である。パワーモジュール（40A）は、半導体デバイス（42A,42D）と、金属層（87,88,89）と、Ｐ端子（91）と、出力端子（92）と、Ｎ端子（93）とを有する。金属層（87〜89）は、絶縁基板（46A）の上に形成されている。Ｐ端子（91）は、図５のノード（P）に対応し、金属層（87）に接続されている。出力端子（92）は、図５の三相モータ（68）に接続されるノードに対応し、金属層（88）に接続されている。Ｎ端子（93）は、図５のノード（N）に対応し、金属層（89）に接続されている。
【００３２】
半導体デバイス（42A,42D）は、金属層（87,88）の上にそれぞれ接合されている。半導体デバイス（42A）は、スイッチング素子（81A,81B,81C）と、還流ダイオード（82A,82B,82C）とを有している。半導体デバイス（42D）は、スイッチング素子（83A,83B,83C）と、還流ダイオード（84A,84B,84C）とを有している。動作時には、主にスイッチング素子（81A〜81C,83A〜83C）が発熱する。
【００３３】
スイッチング素子（81A〜81C）と還流ダイオード（82A〜82C）とは、ワイヤボンディング（86）によって金属層（88）に接続されている。つまり、スイッチング素子（81A〜81C）は電気的に並列に接続されており、スイッチング素子（81A〜81C）の全体がアーム（72A）のスイッチング素子（81）に対応する。還流ダイオード（82A〜82C）は電気的に並列に接続されており、還流ダイオード（82A〜82C）の全体がアーム（72A）の還流ダイオード（82）に対応する。
【００３４】
同様に、スイッチング素子（83A〜83C）は電気的に並列に接続されており、スイッチング素子（83A〜83C）の全体がアーム（74A）のスイッチング素子（83）に対応する。還流ダイオード（84A〜84C）は電気的に並列に接続されており、還流ダイオード（84A〜84C）の全体がアーム（74A）の還流ダイオード（84）に対応する。このように、図５の各スイッチング素子（81,83）は、並列に接続された複数のスイッチング素子で構成されていてもよい。パワーモジュール（40B,40C）も、パワーモジュール（40A）と同様に構成されている。
【００３５】
このように、本実施形態の冷却器（30）は、複数の半導体デバイス（42A〜42F）を１つのフィンブロックで冷却するのではなく、半導体デバイス（42A〜42F）のそれぞれに対応する複数のフィンブロック（10A〜10F）を有している。複数のフィンブロック（10A〜10F）を用いるので、必要な部分にのみフィンを設けることが容易になる。そこで、伝熱板（32）の面において、フィンブロック（10A〜10F）はそれぞれ、フィン（12）を有する領域（11）が、対応する半導体デバイス（42A〜42F）の直下の領域を含むように取り付けられる。このため、半導体デバイス（42A〜42F）を効率よく冷却することができる。ここで、例えば、フィンブロック（10A,10D）のフィン（12）を有する領域（11）の面積の合計は、絶縁基板（46A）の面積より小さい。したがって、フィン（12）の数を少なくしながら、十分な冷却性能を有する冷却器（30）を提供することができ、冷却器（30）を低コスト化することができる。
【００３６】
フィンブロック（10D）はフィンブロック（10A）に一体化されていてもよい。同様に、フィンブロック（10E）がフィンブロック（10B）に一体化されていてもよく、フィンブロック（10F）がフィンブロック（10C）に一体化されていてもよい。この場合、伝熱板（32）の面において、フィンブロック（10A）のフィン（12）を有する領域（11）の面積は、絶縁基板（46A）の面積より小さい。同様に、伝熱板（32）の面において、フィンブロック（10B）のフィン（12）を有する領域（11）の面積は、絶縁基板（46B）の面積より小さい。伝熱板（32）の面において、フィンブロック（10C）のフィン（12）を有する領域（11）の面積は、絶縁基板（46C）の面積より小さい。このような場合においても、フィンブロック（10A,10B,10C）のフィン（12）を有する領域の面積が比較的小さいので、フィン（12）の数を少なくしながら、十分な冷却性能を有する冷却器（30）を提供することができる。このため、冷却器（30）を低コスト化することができる。
【００３７】
本発明の多くの特徴及び優位性は、記載された説明から明らかであり、よって添付の特許請求の範囲によって、本発明のそのような特徴及び優位性の全てをカバーすることが意図される。更に、多くの変更及び改変が当業者には容易に可能であるので、本発明は、図示され記載されたものと全く同じ構成及び動作に限定されるべきではない。したがって、全ての適切な改変物及び等価物は本発明の範囲に入るものとされる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上説明したように、本発明は、半導体デバイスを有するパワーモジュールを冷却する冷却器等について有用である。
【符号の説明】
【００３９】
１０Ａ〜１０Ｆ  フィンブロック
１１  フィンを有する領域
１２  フィン
２６  配管
３２  伝熱板
４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ  パワーモジュール
４２Ａ〜４２Ｆ  半導体デバイス
４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃ  絶縁基板
【図１】
2015207670.tif 000003
【図２】
2015207670.tif 000004
【図３】
2015207670.tif 000005
【図４】
2015207670.tif 000006
【図５】
2015207670.tif 000007
【図６】
2015207670.tif 000008