(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷媒が流れる流路を有する冷媒ジャケットと、
前記冷媒ジャケットの第１面部材に搭載される第１パワーモジュールと、
前記冷媒ジャケットの前記第１面部材と対向する第２面部材に搭載される第２パワーモジュールと、を備え、
前記冷媒ジャケットは、
前記流路において、前記第１面部材に接する第１フィンと、
前記流路において、前記第２面部材に接する第２フィンと、
外部から冷媒が導入される流入口と、
前記流入口から流入する冷媒を前記第１フィン及び前記第２フィンに送る流入側ヘッダと、
前記外部へ冷媒を排出する排出口と、
前記第１フィン及び前記第２フィンを通過した前記冷媒を前記排出口へ送る排出側ヘッダと、
を備え、
前記第１パワーモジュール及び前記第２パワーモジュールは、前記第１面部材及び前記第２面部材並びに前記第１フィン及び前記第２フィンを介して対面し、
前記冷媒ジャケットの前記第１面部材の端部と前記第２面部材の端部とを接続する第３面部材に搭載される第３パワーモジュールをさらに備え、
前記冷媒ジャケットは、前記流路において、前記第３面部材に接する第３フィンを備え、
前記排出側ヘッダは、前記第１フィン及び前記第２フィンを通過した後、前記第３フィンを通過した前記冷媒を前記排出口へ送る、
半導体装置。
【請求項２】
前記第１パワーモジュール及び前記第２パワーモジュールの半導体素子は、ワイドバンドギャップパワー半導体素子である、
請求項１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、複数のパワーモジュールとその冷却機構を備える半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールの冷却構造として、パワーモジュールを搭載したベース板の下面にフィンを備える直冷式冷却構造がある。直冷式冷却構造では、ベース板を冷媒ジャケットの側面部材に対してシール構造を介して接合してジャケットの上面部材とし、冷媒ジャケットの内部にフィンを密閉させている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−５３３１８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の半導体装置では、パワーモジュールの片側のみに冷却構造が設けられている。そのため、自動車用途等、複数のパワーモジュールを必要とする半導体装置においては、パワーモジュールごとに半導体装置を配置するか、パワーモジュールを平面に並べて搭載するため、フットプリントを小さくすることが出来ないという問題があった。
【０００５】
本発明は上述の問題点に鑑み、複数のパワーモジュールとその冷却構造を有する半導体装置のフットプリントを小さくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の半導体装置は、内部に冷媒が流れる流路を有する冷媒ジャケットと、冷媒ジャケットの第１面部材に搭載される第１パワーモジュールと、冷媒ジャケットの第１面部材と対向する第２面部材に搭載される第２パワーモジュールと、を備え、冷媒ジャケットは、流路において、第１面部材に接する第１フィンと、流路において、第２面部材に接する第２フィンと、外部から冷媒が導入される流入口と、流入口から流入する冷媒を第１フィン及び第２フィンに送る流入側ヘッダと、外部へ冷媒を排出する排出口と、第１フィン及び第２フィンを通過した冷媒を排出口へ送る排出側ヘッダと、を備え、第１パワーモジュール及び第２パワーモジュールは、第１面部材及び第２面部材並びに第１フィン及び第２フィンを介して対面し、冷媒ジャケットの第１面部材の端部と第２面部材の端部とを接続する第３面部材に搭載される第３パワーモジュールをさらに備え、冷媒ジャケットは、流路において、第３面部材に接する第３フィンを備え、排出側ヘッダは、第１フィン及び第２フィンを通過した後、第３フィンを通過した冷媒を排出口へ送る。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の半導体装置は、内部に冷媒が流れる流路を有する冷媒ジャケットと、冷媒ジャケットの第１面部材に搭載される第１パワーモジュールと、冷媒ジャケットの第１面部材と対向する第２面部材に搭載される第２パワーモジュールと、を備え、冷媒ジャケットは、流路において、第１面部材に接する第１フィンと、流路において、第２面部材に接する第２フィンと、外部から冷媒が導入される流入口と、流入口から流入する冷媒を第１フィン及び第２フィンに送る流入側ヘッダと、外部へ冷媒を排出する排出口と、第１フィン及び第２フィンを通過した冷媒を排出口へ送る排出側ヘッダと、を備え、第１パワーモジュール及び第２パワーモジュールは、第１面部材及び第２面部材並びに第１フィン及び第２フィンを介して対面し、冷媒ジャケットの第１面部材の端部と第２面部材の端部とを接続する第３面部材に搭載される第３パワーモジュールをさらに備え、冷媒ジャケットは、流路において、第３面部材に接する第３フィンを備え、排出側ヘッダは、第１フィン及び第２フィンを通過した後、第３フィンを通過した冷媒を排出口へ送る。このように、冷媒ジャケット４の３つの面にそれぞれパワーモジュールを搭載することによって、３つのパワーモジュールを搭載する冷却構造を備えた半導体装置のフットプリントを小さくすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の平面図である。
【図３】本発明の比較例に係る半導体装置の平面図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る半導体装置の平面図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態４に係る半導体装置の構成図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係る半導体装置の平面図である。
【図９】本発明の実施の形態４の変形例に係る半導体装置の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜Ａ．実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１の構成を示す断面図であり、図２は半導体装置１０１の平面図である。図１は図２のＡ−Ａ断面図である。
【００１０】
半導体装置１０１は、直冷式の冷却構造を有しており、２つのパワーモジュール３１，３２と、パワーモジュール３１，３２の熱を放熱するためのフィン２１，２２と、フィン２１，２２を冷却する冷媒ジャケット４とを備えている。
【００１１】
パワーモジュール３１は、ベース板に搭載され、当該ベース板の裏面にパワーモジュール３１を放熱するためのフィン２１が接合される。そして、パワーモジュール３１を搭載するベース板は、シール５１を介して冷媒ジャケット４の側面部材（第３面部材）４０と密着し、冷媒ジャケット４の上面部材（第１面部材）である天板４１となる。天板４１と側面部材４０とは締結ボルト６１により４隅で締結される。
【００１２】
また、パワーモジュール３２は、ベース板に搭載され、当該ベース板の裏面にパワーモジュール３２を放熱するためのフィン２２が接合される。そして、パワーモジュール３２を搭載するベース板は、シール５２を介して冷媒ジャケット４の側面部材４０と密着し、冷媒ジャケット４の底面部材（第２面部材）である天板４２となる。天板４１と天板４２とは対向しているため、パワーモジュール３１，３２は、天板４１，４２及びフィン２１，２２を介して対面して配置される。天板４２と側面部材４０とは締結ボルト６２により４隅で締結される。
【００１３】
シール５１，５２には、例えばＯリング、液状ガスケット、ＵＶ硬化性ゴム等を使用する。こうして、側面部材４０と天板４１，４２とを密着することにより、冷媒ジャケット４の内部にフィン２１，２２が密閉される。なお、フィン２１，２２と冷媒ジャケット４の側面部材４０とを直接ロウ付け又は溶接しても良い。
【００１４】
また、図２に示すように冷媒ジャケット４は冷媒の流入口１Ａ及び排出口１Ｂを備えている。冷媒ジャケット４の内部には、流入口１Ａから流入した冷媒をフィン２１，２２に送るための空間である流入側ヘッダ７Ａと、フィン２１，２２を通過した冷媒が排出口１Ｂに送るための空間である排出側ヘッダ７Ｂとが形成される。また、フィン２１，２２の間には前面に亘って仕切板８１が設けられており、流入側ヘッダ７Ａを流れる低温の冷媒は、仕切板８１によってフィン２１を通過する冷媒とフィン２２を通過する冷媒とに分かれ、それぞれフィン２１，２２を通過して熱交換を行う。フィン２１，２２を通過し高温となった冷媒は、排出側ヘッダ７Ｂを経由して排出口１Ｂから排出される。
【００１５】
ここで、比較例として従来の半導体装置１００の平面図を図３に示す。従来の半導体装置１００では、冷媒ジャケット４の天板４１（上面部材）に２つのパワーモジュール３１，３２を搭載するため、パワーモジュール２台分のフットプリント（底面積）を必要としていた。
【００１６】
しかし、本発明の実施の形態１の半導体装置１０１によれば、冷媒ジャケット４の上面部材である天板４１にパワーモジュール３１を、底面部材である天板４２にパワーモジュール３２を搭載し、パワーモジュール３１，３２が対面するように配置している。すなわち、半導体装置１０１は、内部に冷媒が流れる流路を有する冷媒ジャケット４と、冷媒ジャケット４の天板４１（第１面部材）に搭載されるパワーモジュール３１（第１パワーモジュール）と、冷媒ジャケット４の第１面部材と対向する第２面部材に搭載されるパワーモジュール３２（第２パワーモジュール）と、を備え、冷媒ジャケット４は、流路において、天板４１に接するフィン２１（第１フィン）と、流路において、天板４２に接するフィン２２（第２フィン）と、外部から冷媒が導入される流入口１Ａと、流入口１Ａから流入する冷媒をフィン２１，２２に送る流入側ヘッダ７Ａと、外部へ冷媒を排出する排出口１Ｂと、フィン２１，２２を通過した冷媒を排出口１Ｂへ送る排出側ヘッダ７Ｂと、を備え、パワーモジュール３１，３２は、天板４１，４２並びにフィン２１，２２を介して対面する。従って、半導体装置１００に比べてフットプリントを大きく削減することが出来る。
【００１７】
また、冷媒ジャケット４は、その流路において、フィン２１，２２を仕切る仕切板８１を備えるので、フィン２１，２２の双方に冷媒を流すことが出来る。
【００１８】
図１では、２つのパワーモジュールを搭載する半導体装置について説明したが、本発明はそれ以上の数のパワーモジュールを搭載する場合にも適用できる。例えば、４つのパワーモジュールを搭載する半導体装置の場合には、天板４１に２つのパワーモジュールを搭載し、これらパワーモジュールと対面するように天板４２に２つのパワーモジュールを搭載することで、フットプリントの削減が可能である。
【００１９】
＜Ｂ．実施の形態２＞
図４は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置１０２の構成を示す断面図であり、図５は半導体装置１０２の平面図である。図４は図５のＡ−Ａ断面図である。実施の形態１では、仕切板８１をフィン２１，２２の全面に亘って設けているので、流入側ヘッダ７Ａ及び排出側ヘッダ７Ｂがフィン２１，２２の外側に設けられる。そのため、天板４１，４２のサイズは、フィン２１，２２のサイズと流入側ヘッダ７Ａ及び排出側ヘッダ７Ｂのサイズで規定される。
【００２０】
これに対して、半導体装置１０２の仕切板８２は、フィン２１，２２の中央部にのみ設けられ、端部（図４における左端と右端）には設けられない。これにより、フィン２１，２２の間の領域のうち仕切板８２が設けられない端部領域を流入側ヘッダ７Ａ及び排出側ヘッダ７Ｂとすることが出来る。
【００２１】
また、図４に示すように、仕切板８２のうちフィン２１，２２側の端部の幅をそれ以外の部分の幅に比べて大きくする、言いかえれば仕切板８２に窪みを設け、当該窪みが流入側ヘッダ７Ａ及び排出側ヘッダ７Ｂとして機能するようにしても良い。
【００２２】
実施の形態２に係る半導体装置１０２では、流入側ヘッダ７Ａ及び排出側ヘッダ７Ｂがフィン２１，２２の間に設けられるので、流入側ヘッダ７Ａ及び排出側ヘッダ７Ｂをフィン２１，２２の外側に設ける半導体装置１０１に比べて、天板４１，４２の寸法を流入側ヘッダ７Ａ及び排出側ヘッダ７Ｂのフットプリント分小さくすることができる。従って、半導体装置１０２のフットプリントが小さくなる。
【００２３】
＜Ｃ．実施の形態３＞
図６は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置１０３の構成を示す断面図である。半導体装置１０３は、冷媒ジャケット４の側面方向にパワーモジュール３３を搭載している。
【００２４】
具体的には、パワーモジュール３３が搭載される冷媒ジャケット４の側面部材４００は、天板４１，４２とシール５１，５２で密着される側面部材４０１と、側面部材４０１とシール５３で密着される側面部材４０２（ベース板）とで構成される。すなわち、側面部材４０１及び側面部材４０２により、対面する天板４１，４２の端部を接続している。
【００２５】
側面部材４０２の一方の面にパワーモジュール３３が搭載され、他方の面にフィン２３が接合される。側面部材４０２のフィン２３を接合した面が側面部材４０１とシール５３で密着されるため、フィン２３は冷媒ジャケット４の内部に密閉される。また、側面部材４０２と側面部材４０１とは締結ボルト６３で締結される。
【００２６】
すなわち、実施の形態３に係る半導体装置１０３は、冷媒ジャケット４の天板４１（第１面部材）の端部と天板４２（第２面部材）の端部とを接続する側面部材４００（第３面部材）に搭載されるパワーモジュール３３（第３パワーモジュール）を備え、冷媒ジャケット４は、流路において側面部材４００に接するフィン２３（第３フィン）を備える。このように、冷媒ジャケット４の３つの面にそれぞれパワーモジュールを搭載することによって、３つのパワーモジュールを搭載する冷却構造を備えた半導体装置のフットプリントを小さくすることが出来る。
【００２７】
また、図６に示すように、仕切板８３の一部がフィン２１，２２からフィン２３に向けて張りだしている。これにより、フィン２１，２２を通過した冷媒がフィン２３を通過し、その後排出側ヘッダ７Ｂに流れるようになっている。すなわち、排出側ヘッダ７Ｂは、フィン２１，２２を通過した後、フィン２３を通過した冷媒を排出口１Ｂへ送る。これにより、フィン２１，２２，２３の全てを冷却することが出来る。
【００２８】
半導体装置１０３において、以上に説明した以外の構成は、実施の形態２の半導体装置１０２と同様である。パワーモジュール３３を搭載しない冷媒ジャケット４の側面部材４０の構成も、半導体装置１０２と同様である。
【００２９】
なお、冷媒の流れを上記の説明とは逆にすることによって、フィン２３を通過した冷媒がフィン２１，２２を通過する構成にしても良い。
【００３０】
＜Ｄ．実施の形態４＞
図７は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置１０４の構成を示す断面図であり、図８は半導体装置１０４の平面図である。図７（ａ）は冷媒ジャケット４の側面部材４０と天板４１，４２とを密着する前の状態を示しており、図７（ｂ）は両者を密着して半導体装置１０４が完成した状態を示している。また、図７（ａ）は図８のＡ−Ａ断面図である。
【００３１】
半導体装置１０４は、実施の形態１の半導体装置１０１において、仕切板８１を排し、冷媒ジャケット４の流路に沿ってフィン２１，２２を交互に配置したものである。フィン２１，２２を交互に配置することによって、仕切板８１を設けなくても冷媒はフィン２１，２２の双方を通過する。また、フィン２１，２２が干渉しないため、半導体装置１０４の厚みを小さくすることができる。
【００３２】
また、半導体装置１０４では、天板４１に設けられた穴９１にフィン２１を嵌合し、天板４２に設けられた穴９２にフィン２２を嵌合している。これにより、フィン２１，２２をパワーモジュール３１，３２で共有することが出来る。また、穴９１内部でフィン２２をカシメ又はロウ付けし、穴９２内部でフィン２１をカシメ又はロウ付けしても良い。これにより、さらに放熱性を向上させることが出来る。
【００３３】
但し、図９に示す半導体装置１０４Ｂのように、フィン２１を天板４２に接さない長さに、フィン２２を天板４１に接さない長さにしても良い。
【００３４】
また、実施の形態１−４の構造において、パワーモジュール３１，３２，３３の半導体素子はワイドバンドギャップパワー半導体素子であっても良い。シリコンカーバイド等のワイドバンドギャップパワー半導体を搭載したパワーモジュールは、高温での作動が可能であることを特徴とするため、本発明を適用することによって、放熱性が高く小型の半導体装置が得られる。
【００３５】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
４  ジャケット、２１，２２，２３  フィン、３１，３２，３３  パワーモジュール、４１，４２  天板、４０，４００，４０１，４０２  側面部材、５１，５２，５３  シール、６１，６２，６３  締結ボルト、７Ａ  流入側ヘッダ、７Ｂ  流出側ヘッダ、８１，８２，８３  仕切板、９１，９２  穴、１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０４Ｂ  半導体装置。
【図１】
0006635805.tif 000002
【図２】
0006635805.tif 000003
【図３】
0006635805.tif 000004
【図４】
0006635805.tif 000005
【図５】
0006635805.tif 000006
【図６】
0006635805.tif 000007
【図７】
0006635805.tif 000008
【図８】
0006635805.tif 000009
【図９】
0006635805.tif 000010