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JP7577948B2 - 冷却器及び半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、冷却器及び半導体装置に関する。
半導体装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等の半導体素子が設けられた基板を有し、インバータ装置等に利用されている。
この種の半導体モジュールにおいて、冷却器が一体となった装置が提案されている。半導体素子は、所定の回路基板（絶縁基板と呼ばれてもよい）上に配置され、半田等の接合材を介して冷却器上に搭載される。冷却器は、半導体素子等が搭載される天板、放熱フィン、底板、冷媒の流入口及び流出口等を備えている（例えば、特許文献１－２参照）。特許文献１－２では、冷却器全体が平面視矩形状を有し、冷媒の流入口及び流出口が、フィンを挟んで対角線上の側壁に形成されている。放熱フィンを半導体モジュールの動作に伴って発生した熱は、冷却器の内部で循環する冷媒を介して放熱され、半導体素子が冷却される。
特開２０１８－４１９７８号公報 国際公開第２０１３／１４０７０４号
ところで、冷却器内を流れる冷媒は、流出口から外に排出される。排出される冷媒の流量は、冷却器のサイズに対して大量となる傾向がある。半導体素子の発熱量の増加に伴って、冷却効果を高めるために冷媒の流量を増やさなくてはならない場合も想定される。しかしながら、冷媒の流量が大きくなると、冷媒の流路の途中で圧力損失が増大するおそれがある。特に、冷媒の流出口（排出口）の近傍では冷媒が集中するため、冷媒同士がぶつかり合うことによって圧力損失増大の影響が大きくなる傾向がある。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、冷媒の圧力損失を低減することが可能な冷却器及び半導体装置を提供することを目的の１つとする。
本発明の一態様の冷却器は、一方の面に放熱面が形成された天板と、前記放熱面に設けられた複数のフィンと、前記天板の外周縁に沿って前記複数のフィンの外周を囲うように形成された周壁部と、前記周壁部及び前記複数のフィンの先端に接合された底板と、を備え、前記天板、前記周壁部、及び前記底板によって囲まれた空間により冷媒の流路が形成され、前記底板は、前記冷媒の導入口及び排出口を有し、前記導入口及び前記排出口は、前記複数のフィンを挟んで斜めに対向するように配置され、前記天板は、平面視で矩形状を有し、前記周壁部の内側面には、前記天板の短手方向からみて少なくとも一部が前記排出口に重なるように配置され前記周壁部の内側面から前記排出口へ向けて傾斜する段部が形成されている。
また、本発明の一態様の半導体装置は、上記の冷却器と、前記天板の他方の面に絶縁基板を介して配置された複数の半導体素子と、を備え、前記複数の半導体素子は、前記冷却器の長手方向に沿って並んで配置されている。
本発明によれば、冷媒の圧力損失を低減することが可能である。
本実施の形態に係る半導体装置の平面図である。 本実施の形態に係る半導体装置の断面図である。 本実施の形態に係る半導体装置（冷却器）を下面側からみた平面図である。 図３に示す冷却器の底板を取り外した状態の平面図である。 比較例に係る半導体装置の図４に対応する平面図である。 図４に示す排出口周辺の部分拡大図である。 段差の幅と圧力損失との関係を示すグラフである。 図４に示す排出口周辺の部分拡大図である。 段差の角度と圧力損失との関係を示すグラフである。 図４に示す排出口周辺の部分拡大図である。 排出口に対する段差の位置と圧力損失との関係を示すグラフである。 図４に示す排出口周辺の部分拡大図である。 周壁部から排出口までの距離と圧力損失との関係を示すグラフである。
以下、本発明を適用可能な半導体装置について説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体装置の平面図である。図２は、本実施の形態に係る半導体装置の断面図である。図３は、本実施の形態に係る半導体装置（冷却器）を下面側からみた平面図である。図４は、図３に示す冷却器の底板を取り外した状態の平面図である。なお、以下に示す半導体装置はあくまで一例にすぎず、これに限定されることなく適宜変更が可能である。
また、以下の図において、半導体装置（冷却器）の長手方向（複数の半導体モジュールが並ぶ方向）をＸ方向、半導体装置（冷却器）の短手方向をＹ方向、高さ方向（基板の厚み方向）をＺ方向と定義することにする。図示されたＸ、Ｙ、Ｚの各軸は互いに直交し、右手系を成している。また、場合によっては、Ｘ方向を左右方向、Ｙ方向を前後方向、Ｚ方向を上下方向と呼ぶことがある。これらの方向（前後左右上下方向）は、説明の便宜上用いる文言であり、半導体装置の取付姿勢によっては、ＸＹＺ方向のそれぞれとの対応関係が変わることがある。例えば、半導体装置の放熱面側（冷却器側）を下面側とし、その反対側を上面側と呼ぶことにする。また、本明細書において、平面視は、半導体装置の上面又は下面をＺ方向からみた場合を意味する。
本実施の形態に係る半導体装置１は、例えばパワーモジュール等の電力変換装置に適用されるものであり、インバータ回路を構成するパワーモジュールである。図１から図４に示すように、半導体装置１は、複数（本実施の形態では３つ）の半導体モジュール２と、この半導体モジュール２を冷却する冷却器３と、複数の半導体モジュール２を収容するケース部材４と、ケース部材４内に注入される封止樹脂５と、を含んで構成される。
半導体モジュール２は、複数の絶縁基板６と、絶縁基板６上に配置される複数の半導体素子７と、半導体素子７上に配置される金属配線板８と、を含んで構成される。本実施の形態では、３つの半導体モジュール２がＸ方向に並んで配置されている。３つの半導体モジュール２は、例えばＸ方向正側からＵ相、Ｖ相、Ｗ相を構成し、全体として三相インバータ回路を形成する。なお、半導体モジュール２は、パワーセルと呼ばれてもよい。
冷却器３は、平面視矩形状に形成され、天板９と、天板９に設けられる複数のフィン１０と、底板１１とを含んで構成される。詳細については後述するが、フィン１０は、天板９における絶縁基板６が接合される面（接合面）とは反対側の面（放熱面）に設けられている。また、天板９には、複数のフィン１０の外周を囲う周壁部１２が設けられている。複数のフィン１０及び周壁部１２の先端には、後述する底板１１が接合される。
天板９の上面には、半田等の接合材Ｓを介して絶縁基板６が配置される。絶縁基板６は、例えば、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板やＡＭＢ（Active Metal Brazing）基板、あるいは金属ベース基板で構成される。具体的に絶縁基板６は、絶縁板１３と、絶縁板１３の下面に配置された放熱板１４と、絶縁板１３の上面に配置された回路板１５と、を有する。絶縁基板６は、例えば平面視矩形状に形成される。
絶縁板１３は、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等のセラミックス材料、エポキシ等の樹脂材料、又はセラミックス材料をフィラーとして用いたエポキシ樹脂材料等の絶縁材料によって形成される。なお、絶縁板１３は、絶縁層又は絶縁フィルムと呼ばれてもよい。
放熱板１４は、Ｚ方向に所定の厚みを有し、絶縁板１３の下面全体を覆うように形成される。放熱板１４は、例えば銅やアルミニウム等の熱伝導性の良好な金属板によって形成される。
絶縁板１３の上面には、回路板１５が形成される。図２では、便宜上、回路板１５を１つのみ示すが、絶縁板１３の上面には、より多くの回路板１５が形成されてもよい。これらの回路板１５は、銅箔等の金属層であり、絶縁板１３上に電気的に互いに絶縁された状態で島状に形成される。
回路板１５の上面には、半田等の接合材Ｓを介して半導体素子７が配置されている。半導体素子７は、例えば平面視方形状に形成される。詳細は後述するが、半導体素子７は、複数のフィン１０に対応する箇所に配置されている。
半導体素子７は、回路板１５の上面に接合材Ｓを介して配置され、電気的に接続される。図２では、便宜上、１つの回路板１５につき１つの半導体素子７を示すが、より多くの半導体素子７が回路板１５に配置されてもよい。半導体素子７は、例えば炭化けい素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、及びダイヤモンド等の半導体基板によって平面視方形状（矩形状）に形成される。
なお、半導体素子７としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のスイッチング素子、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等のダイオードが用いられる。また、半導体素子７として、ＩＧＢＴとＦＷＤを一体化したＲＣ（Reverse Conducting）－ＩＧＢＴ素子、又はパワーＭＯＳＦＥＴ素子、逆バイアスに対して十分な耐圧を有するＲＢ（Reverse Blocking）－ＩＧＢＴ等が用いられてもよい。
また、半導体素子７の形状、配置数、配置箇所等は適宜変更が可能である。なお、本実施の形態における半導体素子７は、半導体基板にトランジスタなどの機能素子を形成した、縦型のスイッチング素子であるが、これに限らず、横型のスイッチング素子であってもよい。
半導体素子７の上面電極には、半田等の接合材Ｓを介して金属配線板８が配置されている。金属配線板８は、主電流が流れる主配線を構成する。金属配線板８は、例えば、銅素材、銅合金系素材、アルミニウム合金系素材、鉄合金系素材等の金属素材を用いて、プレス加工等によって形成される。金属配線板８の一端は、半導体素子７の上面電極に接合される。特に図示はしないが、金属配線板８の他端は、後述するケース部材に設けられた外部端子に接合される。なお、図２に示す金属配線板８の形状はあくまで一例を示すものであり、適宜変更が可能である。また、金属配線板８は、例えばリードフレーム、クリップやリボンであってよい。
ケース部材４は、天板９の上面に例えば接着剤（不図示）を介して接合される。ケース部材４は、冷却器３の天板９の外形に沿った形状を有している。ケース部材４は、中央が開口された矩形枠状に形成される。中央開口には、上記した３つの半導体モジュール２が収容される。すなわち、３つの半導体モジュール２は、枠状のケース部材４によって囲われる。
また、詳細は後述するが、ケース部材４の内側空間には、封止樹脂５が充填される。すなわち、ケース部材４は、複数の半導体モジュール２（絶縁基板６、半導体素子７、及び金属配線板８）や封止樹脂５を収容する空間を画定する。このようなケース部材４は、熱可塑性樹脂により形成されている。ケース部材４は、例えば、ＰＰＳ樹脂（ポリフェニレンサルファイド樹脂）、ＰＢＴ樹脂（ポリブチレンテレフタレート樹脂）等により形成される。
また、ケース部材４には、外部接続用の主端子（Ｐ端子１６、Ｎ端子１７、Ｍ端子１８）と、制御用の制御端子１９が設けられている。具体的に、ケース部材４の短手方向（Ｙ方向）で対向する一対の壁部のうち、Ｙ方向負側の壁部には、Ｐ端子１６及びＮ端子１７が一体成型により埋め込まれている。Ｐ端子１６及びＮ端子１７は、１つの半導体モジュール２につき、１つずつ配置されている。
また、ケース部材４の短手方向（Ｙ方向）で対向する一対の壁部のうち、Ｙ方向正側の壁部には、Ｍ端子１８及び制御端子１９が一体成型により埋め込まれている。Ｍ端子１８は、１つの半導体モジュール２につき、１つずつ配置されている。制御端子１９は、１つの半導体モジュール２につき、例えば１０個ずつ配置されている。
これらの端子は、例えば銅素材、銅合金系素材、アルミニウム合金系素材、鉄合金系素材等の金属材料によって形成される。なお、これらの端子の形状、配置箇所、個数等は、上記に限らず適宜変更が可能である。
また、ケース部材４には、外周縁に沿って複数の貫通穴２０が形成されている。貫通穴２０は、半導体装置１の固定用のネジ（不図示）を挿通するための穴である。
上記したように、封止樹脂５は、枠状のケース部材４により規定される内部空間に充填される。これにより、絶縁基板６、及びこれに実装された半導体素子７、金属配線板８が上記の空間内に封止される。封止樹脂５は、熱硬化性の樹脂により構成される。封止樹脂５は、エポキシ、シリコーン、ウレタン、ポリイミド、ポリアミド、及びポリアミドイミドのいずれかを少なくとも含むことが好ましい。封止樹脂５には、例えば、フィラーを混入したエポキシ樹脂が、絶縁性、耐熱性及び放熱性の点から好適である。
次に冷却器３の詳細構成について説明する。図２から図４に示すように、冷却器３は、天板９に底板１１を接合して一体化された箱型に形成される。冷却器３は、放熱性のよい、例えばアルミニウム合金によって形成される。また、冷却器３の表面には、所定厚みのメッキ層が形成されている。メッキ層は、ニッケル等の金属メッキで形成されることが好ましい。
天板９は、平面視矩形状を有し、所定厚みの板状体で形成される。天板９の外形は、ケース部材４の外形に対応している。すなわち、天板９は、その長手方向が半導体装置１の左右方向（Ｘ方向）に延び、その短手方向が半導体装置１の前後方向（Ｙ方向）に延びている。天板９は、一方の面（下面）と他方の面（上面）とを有している。一方の面は、半導体モジュール２の放熱面を形成している。他方の面は、半導体モジュール２の接合面を形成している。
本実施の形態では、３つの半導体モジュール２が、天板９の上面の中央領域に配置されている。上記したように、３つの半導体モジュール２は、Ｘ方向に並んで配置されている。なお、本実施の形態において、上記した３つの半導体モジュール２が配置される天板９の下面側（放熱面側）の中央領域を放熱領域と呼ぶことがある。
また、天板９の下面の放熱領域には、複数のフィン１０が設けられている。複数のフィン１０は、天板の長手方向に沿って配置されている。複数のフィン１０は、天板９と同一の金属材料で構成され、天板９と一体的に設けられてよい。フィン１０は、言い換えると、ヒートシンク（heat sink）として用いられる。例えば、フィン１０には、図３に示すように、角柱形状のピン（角ピン）を複数個、間隔を空けて所定ピッチで配列されたピンフィンを用いることができる。
より具体的には、フィン１０は、平面視ひし形に形成され、対角線上で対向する一対の角部の対向方向が、天板９の短手方向と一致している。また、フィン１０は、Ｚ方向負側に向かって所定長さで突出している。なお、天板９に設けられるフィン１０の構成については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、図３に示す角柱形状の代わりに円柱形状のピンを設けることや、前後方向に延在するブレード形状の複数のフィン１０を互いに平行に配列する構成としてもよい。フィン１０は、天板９にロウ付け、植設、切削加工あるいは塑性加工により設けられてよい。
本実施の形態では、複数のフィン１０により、フィン１０の集合体２１が設けられている。このフィン１０の集合体２１の外形は、略直方体形状を有している。より好ましくは、フィン１０の集合体２１の外形は、直方体形状であるが、これらに限定されるものではなく、面取りや変形された形状であってもよい。また、フィン１０の集合体２１の長手方向は、天板９の長手方向と合致している。
また、天板９の下面には、複数のフィン１０（集合体２１）の外周を囲う周壁部１２が設けられている。周壁部１２は、天板９の下面からＺ方向負側に所定高さで突出している。また、周壁部１２は、天板９の外周縁に沿って矩形枠状に形成されている。なお、周壁部１２の突出高さは、フィン１０の突出高さと等しいことが好ましい。
天板９と周壁部１２は、一体的に形成されてもよい。すなわち、天板９と周壁部１２は、下方が開口された箱型の冷却ケース２２を構成する。そして、後述する底板１１は、冷却ケース２２の開口を塞ぐ蓋部を構成する。
底板１１は、上記した冷却ケース２２の下面に配置される。底板１１は、天板９と同じ平面視矩形状を有し、所定厚みの板状体で形成される。底板１１は、冷却ケース２２と同素材のアルミニウム合金で形成されることが好ましい。
底板１１は、上記した周壁部１２及び複数のフィン１０の先端にロウ付け等することで接合される。これにより、冷却ケース２２の下方開口が塞がれる。このように、天板９、複数のフィン１０、周壁部１２、及び底板１１によって囲まれた空間により、冷媒の流路が形成される。
なお、天板９、周壁部１２及び底板１１によって囲まれた空間は、３つの空間（第１ヘッダ部Ｓ１、フィン収容部Ｓ２、第２ヘッダ部Ｓ３）に分けられる。具体的に第１ヘッダ部Ｓ１は、後述する冷媒の導入口２３に連なる空間を形成する。フィン収容部Ｓ２は、上記した複数のフィン１０が収容される空間を形成する。第２ヘッダ部Ｓ３は、後述する冷媒の排出口２４に連なる空間を形成する。
第１ヘッダ部Ｓ１及び第２ヘッダ部Ｓ３は、フィン収容部Ｓ２をＹ方向（天板の短手方向）で挟んで対向するように配置されている。すなわち、第１ヘッダ部Ｓ１は、フィン収容部Ｓ２よりも上流側の冷媒流路を形成し、第２ヘッダ部Ｓ３は、フィン収容部Ｓ２よりも下流側の冷媒流路を形成する。冷媒には液体を用いた。なお、冷媒には種々の液体を用いることが可能である。
また、詳細は後述するが、第１ヘッダ部Ｓ１及び第２ヘッダ部Ｓ３には、それぞれ冷媒の流れを案内する複数のガイド壁Ｇ１、Ｇ２が設けられている。複数のガイド壁Ｇ１、Ｇ２は、空間内でＺ方向に延びており、平面視において所定方向に沿って延在するブレード形状を有している。複数のガイド壁Ｇ１、Ｇ２は、例えば天板９と同一の金属材料で構成され、天板９と一体的に設けられてよい。また、複数のガイド壁Ｇ１、Ｇ２は、天板９にロウ付け、植設、切削加工あるいは塑性加工により設けられてよい。上記した底板１１は、複数のガイド壁Ｇ１、Ｇ２の先端にもロウ付け等することで接合される。これらのガイド壁Ｇ１、Ｇ２により、冷媒の流れを制御することが可能である。
また、図４に示すように、底板１１の所定箇所には、冷却器３に対する冷媒の導入口２３及び排出口２４が形成されている。導入口２３及び排出口２４は、底板１１を厚み方向に貫通する貫通穴で形成される。具体的に導入口２３及び排出口２４は、複数のフィン１０をＹ方向で挟んで斜めに対向するように配置されている。また、導入口２３及び排出口２４は、平面視でＸ方向に長い長穴形状を有している。例えば、導入口２３及び排出口２４の形状は、冷却器３の短手方向側は短く、長手方向側が長い楕円形状となっている。なお、詳細は後述するが、導入口２３及び排出口２４の形状及び配置箇所は、これに限定することなく、適宜変更が可能である。
また、冷却器３には、外周縁に沿って複数の固定穴２５が形成されている。固定穴２５は、上記したケース部材４の貫通穴２０に対応して設けられている。
また、第１ヘッダ部Ｓ１において、導入口２３は、Ｘ方向負側に偏って配置されている。これに対し、第２ヘッダ部Ｓ３において、排出口２４は、Ｘ方向正側に偏って配置されている。第１ヘッダ部Ｓ１では、Ｘ方向の略中央部分に上記した固定穴２５が配置されている。このため、第１ヘッダ部Ｓ１を形成する周壁部１２の内側面は、上記した固定穴２５を避けるように湾曲した形状を有している。
図４に示すように、平面視において、第１ヘッダ部Ｓ１では、Ｘ方向略中央に位置する固定穴２５の近傍に位置する周壁部１２の内側面は、Ｙ方向負側に凹むように湾曲している。これに対し、第１ヘッダ部Ｓ１において、複数のフィン１０を挟んで排出口２４に対向する周壁部１２の内側面１２ａは、外側に向かってＹ方向正側に膨らむように湾曲している。より具体的には、第１ヘッダ部Ｓ１において、Ｘ方向略中央に位置する固定穴２５よりもＸ方向正側に位置する周壁部１２の内側面１２ａは、円弧状に湾曲している。湾曲した周壁部１２の周辺には、当該周壁部１２の内側面１２ａに沿うように複数のガイド壁Ｇ１が配置されている。
また、詳細は後述するが、第２ヘッダ部Ｓ３において、周壁部１２の内側面には、排出口２４に対応する箇所に段部１２ｂが形成されている。段部１２ｂは、天板９の短手方向（Ｙ方向）からみて排出口２４に重なるように配置されている。更に、段部１２ｂは、平面視で斜めに所定角度で傾斜しており、Ｙ方向における第２ヘッダ部Ｓ３の幅が、導入口２３から離れるにしたがって大きくなるように形成されている。
このように構成される半導体装置１は、ホースの接続口を有するフランジ２６の平坦な取付面２７に、Ｏリング２８等のパッキンを介して取り付けられる。このとき、底板１１の下面が取付面２７に接触される。図２では、例えば、フランジ２６側にＯリング用の溝２９が形成されている。Ｏリング２８によって取付面２７と底板１１の下面とのシール性が確保される。
ところで、冷却器が一体となった半導体装置においては、発熱源である半導体素子の下方に冷却器が設けられている。特に放熱のための放熱フィンは、半導体素子の直下に対応する箇所に設けられている。また、冷却器内で放熱フィンが収容される空間の上流側及び下流側には、冷媒の導入口と排出口が設けられる。
冷媒は、導入口から冷却器内に導入され、放熱フィンを通じて排出口から冷却器の外に排出される。排出される冷媒の流量は、冷却器のサイズに対して大量となる傾向がある。半導体素子の発熱量の増加に伴って、冷却効果を高めるために冷媒の流量を増やさなくてはならない場合も想定される。しかしながら、冷媒の流量が大きくなると、冷媒の流路の途中で圧力損失が増大するおそれがある。特に、冷媒の流出口（排出口）の近傍では冷媒が集中するため、冷媒同士がぶつかり合うことによって圧力損失増大の影響が大きくなる傾向がある。
一般に冷却の観点からいえば、冷媒の流れは層流よりも乱流であることが好ましい。乱流により冷媒がかき乱されることで冷媒が放熱面に接触する回数が増え、より放熱効果を高めることができるためである。一方で、冷媒の流れ易さの観点からいえば、乱流よりも層流であることが好ましい。乱流であると上記した圧力損失が増大する結果、冷媒がスムーズに流れ難くなってしまうためである。
一見すると、冷却器においては、冷却効果と冷媒の流れ易さがトレードオフの関係にあるようにみえる。しかしながら、そうではなく、半導体装置１に適用される冷却器３においては、冷却を促進すべき箇所と、冷媒の流れをスムーズにすべき箇所が別々に存在する。
より具体的には、熱源である半導体素子７が配置される放熱領域では、積極的に冷却を促進すべき箇所であるといえる。すなわち、フィン収容部Ｓ２が、冷却を促進すべき箇所であり、冷媒が乱流で流れることが望ましい空間である。一方で、熱源から外れた位置に設けられた導入口２３及び排出口２４は、冷却を促進するではなく、冷媒の流れをスムーズにすべき箇所であるといえる。すなわち、第１ヘッダ部Ｓ１及び第２ヘッダ部Ｓ３、冷媒の流れをスムーズにすべき箇所であり、冷媒が層流で流れることが望ましい空間である。
このように、本件発明者は、冷媒の出入口、特に冷媒の流量が大きくなるとされる排出口２４の近傍の冷媒の流れに着目し、本発明に想到した。以下のその具体的な構成について説明する。
ここで、図４及び５を参照して排出口周辺の冷媒の流れについて説明する。図５は、比較例に係る半導体装置の図４に対応する平面図である。後述する本願の特徴である段部１２ｂ（図４参照）が排出口２４の近傍に設けられていない点で、図４と相違する。このため、図４と共通する構成は同一の符号を付しており、適宜説明を省略する。また、図４及び図５では、冷媒の流れ方向を太さの異なる矢印で示している。矢印の太さは、冷媒の流速の大小を表している。すなわち、冷媒の流速は、矢印が太いほど速くなっている。
図４及び図５に示すように、導入口２３から第１ヘッダ部Ｓ１内に流れ込んだ冷媒は、長手方向であるＸ方向（左右方向）両側に向かって流れる。導入口２３の左側では、周壁部１２に沿って下流側に流れる冷媒と、複数のフィン１０の隙間を通じて下流側に流れる冷媒とが存在する。
同様に導入口２３の右側においても、周壁部１２に沿って下流側に流れる冷媒と、複数のフィン１０の隙間を通じて下流側に流れる冷媒とが存在する。特に導入口２３の右側では、途中に固定穴２５が配置されているため、第１ヘッダ部Ｓ１のＹ方向の幅が部分的に狭くなっている。このため、固定穴２５の近傍では流路抵抗が大きくなって冷媒が流れ難くなってしまうおそれがある。
しかしながら、本実施の形態では、上記したように、第１ヘッダ部Ｓ１の下流側において、周壁部１２の内側面１２ａが外側に膨らむように湾曲している。すなわち、湾曲した内側面１２ａが位置する第１ヘッダ部Ｓ１では、Ｙ方向の幅が部分的に大きくなっている。このため、固定穴２５の近傍で冷媒が滞留することなく、内側面１２ａに沿って、幅広の第１ヘッダ部Ｓ１内をスムーズに流れることが可能である。よって、冷媒は、導入口２３から比較的離れたＸ方向正側に位置する第１ヘッダ部Ｓ１にも流れることが可能である。したがって、フィン１０の集合体２１のＸ方向全領域に冷媒が流れ込むことになり、放熱領域全体の放熱効果を高めることが可能である。
また、フィン収容部Ｓ２を通過した冷媒は、特に第２ヘッダ部Ｓ３のＸ方向略中央部分で最も流速が速く、当該中央部分から右側の排出口２４に向かって流れ込む。同時に、フィン収容部Ｓ２の左右の周壁部１２に沿って流れた冷媒は、第２ヘッダ部Ｓ３においても、周壁部１２の内側面に沿い、排出口２４に向かって流れる。
ここで、図５に示すように、比較例では、排出口２４の近傍に段部１２ｂが存在しない。このため、第２ヘッダ部Ｓ３のＸ方向中央で比較的流速の速い冷媒は、左側の周壁部１２に沿って流れてきた冷媒が合流することにより排出口２４の近傍で巻き上げられる。この結果、図５に示す比較例では、排出口２４の近傍で渦流が発生してしまっている。よって、圧力損失が増大して排出口２４近傍では、冷媒が滞留してスムーズな排水ができない事態が生じてしまう。
これに対し、図４に示す本実施の形態では、第２ヘッダ部Ｓ３の周壁部１２の内側面に、排出口２４に対応する箇所に段部１２ｂが形成されている。段部１２ｂは、天板９の短手方向（Ｙ方向）からみて排出口２４に重なるように配置されている。更に、段部１２ｂは、平面視で斜めに所定角度で傾斜しており、Ｙ方向における第２ヘッダ部Ｓ３の幅が、導入口２３から離れるにしたがって大きくなるように形成されている。
この構成によれば、排出口２４の近傍に段部１２ｂが位置することで、左側の周壁部１２に沿って流れてきた冷媒は、段部１２ｂの傾斜面に沿ってＹ方向正側に誘導され、スムーズに流速の速い冷媒に合流する。すなわち、第２ヘッダ部Ｓ３のＸ方向中央で比較的流速の速い冷媒は、左側の周壁部１２に沿って流れてきた冷媒が合流する際に、周囲の冷媒を巻き込み難くなっている。
具体的には、図５の場合、冷媒同士が合流する箇所で開けた空間ができてしまうため、合流点近傍の冷媒が巻き込まれやすくなっている。一方で図４では、段部１２ｂが設けられる箇所が合流点となるため、図５に比べて周囲に開けた空間が存在しない。この結果、合流点近傍における冷媒の巻き込みが抑制されているといる。よって、図４では、渦流が図５に比べて小さくなっているため、冷媒の圧力損失を低減してスムーズな排水を実現することが可能である。
次に、図６から図１３を参照して、段部と圧力損失との関係について、複数のパラメータを用いて説明する。図６、８、１０、１２は、図４に示す排出口周辺の部分拡大図である。図７は、段差の幅と圧力損失との関係を示すグラフである。図９は、段差の角度と圧力損失との関係を示すグラフである。図１１は、排出口に対する段差の位置と圧力損失との関係を示すグラフである。図１３は、周壁部から排出口までの距離と圧力損失との関係を示すグラフである。図７、９、１１、１３の各グラフにおいて、横軸はそれぞれに対応したパラメータを表しており、縦軸は圧力損失を表している。
図６及び図７に示すように、所定のパラメータとして、天板９の短手方向（Ｙ方向）における段部１２ｂの幅をＤとすると、幅Ｄは、２ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。図７のグラフに示す通り、幅Ｄが例えば１ｍｍのときは、圧力損失が比較的に大きくなっているのに対し、幅Ｄが２ｍｍ～５ｍｍの範囲では、圧力損失が低減されていることが分かる。
また、図８及び図９に示すように、所定のパラメータとして、段部１２ｂの傾斜角をθとすると、傾斜角θは、２５°より大きく６０°より小さいことが好ましい。より好ましくは、傾斜角θは、４５°である。図９のグラフに示す通り、傾斜角θが２５°以下もしくは６０°以上である場合、圧力損失が比較的に大きくなっているのに対し、傾斜角θが２５°～６０°の範囲では、圧力損失が低減されていることが分かる。また、傾斜角θが４５°の場合が最も圧力損失が小さくなっている。
また、図１０及び図１１に示すように、所定のパラメータとして、排出口２４の左端部から段部１２ｂの開始位置までの距離をＸとし、排出口２４のＹ方向の長さ（幅）をＡとすると、排出口２４に対する段部１２ｂの位置と排出口２４の長手方向の幅との比率（Ｘ／Ａ）は、０以上１以下であることが好ましい。図１１のグラフに示す通り、Ｘ／Ａが０未満である場合、圧力損失が比較的に大きくなっているのに対し、Ｘ／Ａが０以上１以下の範囲では、圧力損失が低減されていることが分かる。
また、図１２及び図１３に示すように、所定のパラメータとして、排出口２４と段部１２ｂを形成する周壁部１２の内側面との最短距離をＹとすると、距離Ｙは、１ｍｍ以上であることが好ましい。図９のグラフに示す通り、排出口２４が周壁部１２の内側面に接触していると（Ｙ＝０）、圧力損失が比較的に大きくなっているのに対し、距離Ｙが１ｍｍ以上であると、圧力損失が低減されていることが分かる。より好ましくは、距離Ｙ＝１ｍｍである。
以上説明したように、本実施形態によれば、排出口２４の近傍に位置する周壁部１２の内側面に段部１２ｂを設けたことで、冷媒の圧力損失を低減することが可能となる。
なお、上記実施の形態では、導入口２３と排出口２４が斜めに対向するように配置される場合について説明したが、この構成に限定されない。例えば、導入口２３及び排出口２４は、冷却器３の長手方向に直交する方向（Ｙ方向）で対向してもよい。
また、上記実施の形態において、導入口２３及び排出口２４は、長手方向（Ｘ方向）に長い長穴形状を有する場合について説明したが、この構成に限定されない。導入口２３及び排出口２４の形状、配置箇所等は、適宜変更が可能である。
また、上記実施の形態において、半導体素子７の個数及び配置箇所は、上記構成に限定されず、適宜変更が可能である。
また、上記実施の形態において、回路板１５の個数及びレイアウトは、上記構成に限定されず、適宜変更が可能である。
また、上記実施の形態では、絶縁基板６、半導体素子７が平面視矩形状又は方形状に形成される構成としたが、この構成に限定されない。これらの構成は、上記以外の多角形状に形成されてもよい。
また、上記実施の形態では、半導体モジュール２が、単位モジュールをＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順にＸ方向に３つ並んで配置して構成される場合について説明したが、この構成に限定されない。単位モジュールの配列数、配列方向は適宜変更が可能である。また、ケース部材４がＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相分を一体化して形成されているが、これに限定されず、適宜変更が可能である。ケース部材４は、単位モジュール毎に分割して設けられてもよい。
また、本実施の形態及び変形例を説明したが、他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。
また、本実施の形態は上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらに、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。
下記に、上記の実施の形態における特徴点を整理する。
上記実施の形態に係る冷却器は、一方の面に放熱面が形成された天板と、前記放熱面に設けられた複数のフィンと、前記天板の外周縁に沿って前記複数のフィンの外周を囲うように形成された周壁部と、前記周壁部及び前記複数のフィンの先端に接合された底板と、を備え、前記天板、前記周壁部、及び前記底板によって囲まれた空間により冷媒の流路が形成され、前記底板は、前記冷媒の導入口及び排出口を有し、前記導入口及び前記排出口は、前記複数のフィンを挟んで斜めに対向するように配置され、前記周壁部の内側面には、前記排出口に隣接する箇所に前記周壁部の内側面から前記排出口へ向けて傾斜する段部が形成されている。
また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記空間は、前記導入口に連なる第１ヘッダ部と、前記複数のフィンが収容されるフィン収容部と、前記排出口に連なる第２ヘッダ部と、を有し、前記第１ヘッダ部及び前記第２ヘッダ部は、前記フィン収容部を挟んで対向するように配置されている。
また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記天板は、平面視で矩形状を有し、前記フィン収容部は、前記天板の長手方向に沿って配置されており、前記第１ヘッダ部及び前記第２ヘッダ部は、前記天板の短手方向で対向しており、前記排出口は、前記底板を厚み方向に貫通し、前記天板の長手方向に延びる長穴形状を有する。
また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記段部は、前記天板の短手方向からみて前記排出口に重なるように配置されている。
また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記段部は、前記天板の短手方向における第２ヘッダ部の幅が、前記導入口から離れるにしたがって大きくなるように形成されている。
また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記段部は、平面視で前記周壁部の内側面から前記排出口へ向けて２５度より大きく６０度より小さく傾斜している。
また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記天板の短手方向における前記段部の幅は、２ｍｍ以上５ｍｍ以下である。
また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記導入口側の前記排出口の端から前記段部の前記排出口に近い側の角の位置をＸとし、前記排出口の長手方向の幅をＡとした際の比率（Ｘ／Ａ）は、０以上１以下である。
また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記排出口と前記段部を形成する前記周壁部の内側面との最短距離は、１ｍｍ以上である。
また、上記実施の形態に係る冷却器では、前記第１ヘッダ部において、前記排出口に対向する前記周壁部の内側面は、外側に向かって膨らむように湾曲している。
また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記第１ヘッダ部及び前記第２ヘッダ部には、冷媒の流れを案内するガイド壁が設けられている。
また、上記実施の形態に係る半導体装置は、上記の冷却器と、前記天板の他方の面に絶縁基板を介して配置された複数の半導体素子と、を備え、前記複数の半導体素子は、前記冷却器の長手方向に沿って並んで配置されている。
以上説明したように、本発明は、冷媒の圧力損失を低減することができるという効果を有し、特に、水冷式半導体モジュールに適用可能な半導体装置に有用である。
１ 半導体装置
２ 半導体モジュール
３ 冷却器
４ ケース部材
５ 封止樹脂
６ 絶縁基板
７ 半導体素子
８ 金属配線板
９ 天板
１０ フィン
１１ 底板
１２ 周壁部
１２ａ 内側面
１２ｂ 段部
１３ 絶縁板
１４ 放熱板
１５ 回路板
１６ Ｐ端子
１７ Ｎ端子
１８ Ｍ端子
１９ 制御端子
２０ 貫通穴
２１ 集合体
２２ 冷却ケース
２３ 導入口
２４ 排出口
２５ 固定穴
２６ フランジ
２７ 取付面
２８ Ｏリング
２９ 溝
Ｇ１ ガイド壁
Ｇ２ ガイド壁
Ｓ 接合材
Ｓ１ 第１ヘッダ部
Ｓ２ フィン収容部
Ｓ３ 第２ヘッダ部
Ａ 排出口の幅
Ｘ 距離
Ｙ 距離
θ 傾斜角

Claims (12)

  1. 一方の面に放熱面が形成された天板と、
    前記放熱面に設けられた複数のフィンと、
    前記天板の外周縁に沿って前記複数のフィンの外周を囲うように形成された周壁部と、
    前記周壁部及び前記複数のフィンの先端に接合された底板と、を備え、
    前記天板、前記周壁部、及び前記底板によって囲まれた空間により冷媒の流路が形成され、
    前記底板は、前記冷媒の導入口及び排出口を有し、
    前記導入口及び前記排出口は、前記複数のフィンを挟んで斜めに対向するように配置され、
    前記天板は、平面視で矩形状を有し、
    前記周壁部の内側面には、前記天板の短手方向からみて少なくとも一部が前記排出口に重なるように配置され前記周壁部の内側面から前記排出口へ向けて傾斜する段部が形成されている、冷却器。
  2. 前記空間は、
    前記導入口に連なる第１ヘッダ部と、
    前記複数のフィンが収容されるフィン収容部と、
    前記排出口に連なる第２ヘッダ部と、を有し、
    前記第１ヘッダ部及び前記第２ヘッダ部は、前記フィン収容部を挟んで対向するように配置されている、請求項１に記載の冷却器。
  3. 前記フィン収容部は、前記天板の長手方向に沿って配置されており、
    前記第１ヘッダ部及び前記第２ヘッダ部は、前記天板の短手方向で対向しており、
    前記排出口は、前記底板を厚み方向に貫通し、前記天板の長手方向に延びる長穴形状を有する、請求項２に記載の冷却器。
  4. 前記段部は、前記天板の短手方向からみて全体が前記排出口に重なるように配置されている、請求項３に記載の冷却器。
  5. 前記段部は、前記天板の短手方向における第２ヘッダ部の幅が、前記導入口から離れるにしたがって大きくなるように形成されている、請求項３に記載の冷却器。
  6. 前記段部は、平面視で前記周壁部の内側面から前記排出口へ向けて２５度より大きく６０度より小さく傾斜している、請求項５に記載の冷却器。
  7. 前記天板の短手方向における前記段部の幅は、２ｍｍ以上５ｍｍ以下である、請求項５又は請求項６に記載の冷却器。
  8. 前記導入口側の前記排出口の端から前記段部の前記排出口に近い側の角の位置をＸとし、前記排出口の長手方向の幅をＡとした際の比率（Ｘ／Ａ）は、０以上１以下である、請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の冷却器。
  9. 前記排出口と前記段部を形成する前記周壁部の内側面との最短距離は、１ｍｍ以上である、請求項５から請求項８のいずれか１項に記載の冷却器。
  10. 前記第１ヘッダ部において、前記排出口に対向する前記周壁部の内側面は、外側に向かって膨らむように湾曲している、請求項２から請求項９のいずれか１項に記載の冷却器。
  11. 前記第１ヘッダ部及び前記第２ヘッダ部には、冷媒の流れを案内するガイド壁が設けられている、請求項２から請求項１０のいずれか１項に記載の冷却器。
  12. 請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の冷却器と、
    前記天板の他方の面に絶縁基板を介して配置された複数の半導体素子と、を備え、
    前記複数の半導体素子は、前記冷却器の長手方向に沿って並んで配置されている、半導体装置。
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