JP2017005171A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】掘り起こしによって構成されるフィン部とすることで、掘り起こし前に表面を平坦面とすることが可能で、かつ、より高い冷却効率で半導体モジュールを冷却できるようにする。【解決手段】掘り起こしによってフィン部１１ｃ、１２ｃを形成しつつ、フィン部１１ｃ、１２ｃに対して凹部１１ｄ、１２ｄを冷媒流れの下流側に配置する。また、フィン部１１ｃ、１２ｃを楕円弧状とし、凸面側が凹面側よりも冷媒流れの上流側に配置されるようにする。そして、フィン部１１ｃ、１２ｃの掘り起こし方向と冷媒流れの方向とが鋭角をなすようにする。これらの構成により、フィン部１１ｃ、１２ｃを掘り起こす前には表面を平坦面にできるし、より高い冷却効率で半導体モジュール６を冷却することが可能な半導体装置にできる。【選択図】図２

Description

本発明は、発熱素子が備えられた半導体モジュールを冷却器にて冷却する構造の半導体装置に関するものである。

電動システムの高出力化に伴って、半導体モジュールに備えられるパワー素子の発熱量が増加している。熱抵抗Ｒｔｈは、発熱素子となるパワー素子の発熱温度をΔＴｊ、発熱量をＰとすると、次式で表される。

（数１） Ｒｔｈ（℃／Ｗ）＝ΔＴｊ÷Ｐ
これは、熱抵抗の低い半導体モジュールでは、同じ発熱量であってもΔＴｊが高くなることを示している。しかしながら、熱抵抗が高いと、温度上限から高電流を流せない。このため、所望の出力（例えば１００Ａｒｍｓ）を流すためには素子を並列接続したり、素子サイズを増加させることが必要となる。これにより、パワー素子を構成するチップ面積の増大ひいてはコスト増大を招く。すなわち、熱抵抗が高いほどコストが増大するという関係を有していることから、放熱効率を高めることで素子発熱温度を低下させ、素子サイズの縮小を図ることが重要となる。

このため、半導体モジュールを有する半導体装置では、半導体モジュールの放熱効率を高めるために、半導体モジュールにフィン部が形成された放熱板を備えると共に、フィン部を覆うように冷却器を配置している。冷却器の内部空間に冷媒を流動させることで半導体モジュールの放熱を促進させ、半導体モジュールに放熱板を備えることでさらに放熱効率が高められる。

例えば、放熱板として、特許文献１に示すような金属板を堀り起こしてフィン部を構成するものがある。フィン部は、直線状もしくは破線状の刃部を有する掘り起こし工具によって掘り起こされることで構成され、直線状もしくは複数が等間隔に破線状に配置された構成とされている。

また、冷媒通路を構成した冷却ベースの開口部から円柱形状のストレートフィンが複数形成された放熱板を有する筒部を挿入し、筒部の挿入方向後端に備えられたフランジ部にて冷却ベースに筒部を固定する構造のものもある。フランジ部と冷却ベースとの間にはシール部材が設けられ、冷却ベースの開口部はフランジ部およびシール部材によって密閉される。そして、冷却ベース内に形成された冷媒通路に冷媒を流すと、ストレートフィンに衝突するようにして冷媒が流れる。これにより、高い放熱効率が得られるようにしている。

特開２００５−２１６９７５号公報

しかしながら、特許文献１のように直線状もしくは破線状の刃部を有する掘り起こし工具によってフィン部を掘り起こす形態では、表面積を大きく取って伝熱面を拡げていることから、フィン部を掘り起こす方向に対する垂直方向が冷媒流れ方向となる。すなわち、直線状もしくは破線状に形成されたフィン部が複数列並列的に配置され、複数列のフィン部の間を通過するように冷媒が流れることとなる。このように冷媒流れが一様になることから、冷却効率を高めることが難しい。これは、空冷方式のように冷媒として空気などの気相冷媒が用いられる場合であっても、水冷方式のように冷媒として水などの液相冷媒が用いられる場合であっても同様のことが言える。

また、ストレートフィンが複数形成された放熱板を有する筒部を冷却ベースに挿入する形態では、筒部を冷却ベースの冷媒通路内に挿入できるように、ストレートフィンの先端と冷媒通路の内壁面との間に隙間を設ける必要がある。この隙間をバイパス通路として冷媒がフィン部を通じることなく抜けてしまうため、熱伝達率が下がり、放熱効率を低下させてしまう。また、ストレートフィンを成形などによって形成していて、初めから放熱板の表面が平坦面ではないことから、素子部の接合状態を超音波映像装置（ＳＡＴ）などによって検査することが難しい。

本発明は上記点に鑑みて、掘り起こしによって構成されるフィン部とすることで、掘り起こし前に表面を平坦面とすることが可能で、かつ、より高い冷却効率で半導体モジュールを冷却することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、発熱素子となる半導体素子（５１ａ〜５６ａ）と、半導体素子を覆う板状の樹脂モールド部（１８）と、樹脂モールド部に封止されると共に、該樹脂モールド部一面から露出させられ、半導体素子と絶縁されつつ、半導体素子の発した熱の放熱を行う放熱板（１１、１２）と、を有する半導体モジュール（６）と、半導体モジュールにおける放熱板が露出させられている一面に配置され、冷媒通路（１９ｂ）を構成し、該冷媒通路内に冷媒が流されることで放熱板からの放熱を促進させる冷却器（１９）と、を備え、放熱板には、該放熱板の表面を掘り起こして形成されたフィン部（１１ｃ、１２ｃ）が備えられ、該フィン部は先細り形状とされると共に根元部から先端部に至るまで湾曲した楕円弧状とされていることを特徴としている。

このように、掘り起こしによってフィン部を形成すると共に、フィン部を楕円弧状としている。そして、フィン部が楕円弧状とされていることから、フィン部の高さ方向への冷媒の流れを発生させることができる。これらの構成により、フィン部を掘り起こす前には表面を平坦面にできるし、より高い冷却効率で半導体モジュールを冷却することが可能な半導体装置にできる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかる半導体装置に備えられる半導体モジュールが構成する三相インバータ回路１の回路図である。 半導体モジュール６の斜視図である。 半導体モジュール６の両面を冷却機器１９によって挟む様子を示した斜視図である。 半導体モジュール６の構成部品の分解斜視図である。 半導体モジュール６の上面レイアウト図である。 多層配線バスバー１３の斜視図である。 半導体装置の断面図である。 半導体装置の分解図である。 半導体モジュール６の上面図である。 フィン部１１ｃ、１２ｃ近傍の断面図である。 フィン部１１ｃ、１２ｃの上面図である。 フィン部の上部の隙間とバイパス流量割合の関係をシミュレーションした結果を示す図である。 図１２のシミュレーションに用いたモデルの上面レイアウト図である。 図１２のシミュレーションに用いたモデルの断面図である。 印加荷重に対する変形量の関係を示した図である。 図１４のシミュレーションに用いたモデルの断面図である。 図１４のシミュレーションに用いたモデルの断面図である。 楕円弧状のフィンのモデルの断面図である。 係数ｋと熱伝達率／圧損比率との関係を示した図である。 流体ベクトルと熱伝達率／圧損比率との関係を示した図である。 規格化圧力損失と規格化熱伝達率との関係を示した図である。 冷却性能の比較に用いたモデルの断面図である。 凹部１１ｄ、１２ｄ内における流速コンター図である。 ストレートフィンを基準とした場合における各種構造ごとの冷却効率を調べた結果を示す図である。 冷媒流れの方向とフィン部１１ｃ、１２ｃの掘り起こし方向との関係を示した図である。 本発明の第２実施形態にかかるフィン部１１ｃ、１２ｃの断面図である。 掘り起こし工具１００の側面図である。 掘り起こし工具１００の正面図である。 掘り起こし工具１００によって掘り起こしたフィン部１１ｃ、１２ｃの断面図である。 本発明の第３実施形態にかかるフィン部１１ｃ、１２ｃの上面図である。 図２６に示すフィン部１１ｃ、１２ｃの形成に用いる掘り起こし工具１００の正面図である。 第３実施形態の変形例にかかるフィン部１１ｃ、１２ｃの上面図である。 図２８に示すフィン部１１ｃ、１２ｃの形成に用いる掘り起こし工具１００の正面図である。 本発明の第４実施形態にかかる半導体装置の斜視図である。 図３０に示す半導体装置の分解図である。 ２枚の半導体モジュール６それぞれのフィン部１１ｃ、１２ｃの配置を示した断面図である。 複数枚の半導体モジュール６を積層した半導体装置が適用されるインバータユニットの斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態では、本発明の一実施形態にかかる半導体モジュールを有する半導体装置の適用例として、例えば三相交流モータなどの駆動を行う三相インバータ回路が備えられた半導体モジュールを有する半導体装置を例に挙げて説明する。

まず、図１を参照して、半導体モジュールに備えられる三相インバータ回路１の構成について説明する。図１に示すように、三相インバータ回路１は、直流電源（外部電源）２に基づいて三相交流モータなどの負荷３を駆動するためのものである。三相インバータ回路１には平滑コンデンサ４が並列接続されており、スイッチング時のリプルの低減やノイズの影響を抑制して一定な電源電圧が形成できるようにしてある。

三相インバータ回路１は、直列接続した上下アーム５１〜５６が三相分並列接続された構成とされ、上アーム５１、５３、５５と下アーム５２、５４、５６との各中間電位を負荷３となる三相交流モータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に順番に入れ替えながら印加する。具体的には、上下アーム５１〜５６は、それぞれ、発熱素子となるＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチング素子５１ａ〜５６ａおよびＦＷＤなどの還流を目的とした整流素子（片側導通素子）５１ｂ〜５６ｂを備えた構成とされる。そして、各相の上下アーム５１〜５６の半導体スイッチング素子５１ａ〜５６ａがオンオフ制御されることで、三相交流モータに対して周期の異なる三相の交流電流を供給する。これにより、三相交流モータの駆動を可能としている。

本実施形態では、三相インバータ回路１に備えられる６つの上下アーム５１〜５６それぞれを構成する半導体スイッチング素子５１ａ〜５１ｆおよび整流素子５１ｂ〜５６ｂが形成された半導体チップをモジュール化して一体化している。つまり、６つのアームを一体化した６ｉｎ１構造の半導体モジュールとして三相インバータ回路１を構成している。

続いて、上記のような回路構成の三相インバータ回路１が備えられた半導体モジュールを有する半導体装置の詳細構造について、図２〜図８を参照して説明する。

図２に示す半導体モジュール６は、図４に示すように、半導体チップ１０、上側および下側放熱板１１、１２、各種端子や配線を一体化した多層配線バスバー１３、制御端子１４、素子中継電極１５およびプレート１６、１７などを備えた構成とされている。これらのうちの半導体チップ１０、制御端子１４、素子中継電極１５およびプレート１６、１７などを１アーム分の構成部品ブロックとして、６組の構成部品ブロックが備えられている。そして、６組の構成部品ブロックを多層配線バスバー１３と共に上側および下側放熱板１１、１２で挟み込み、図２に示すように樹脂モールド部１８で覆っている。このようにして、半導体モジュール６は、図２に示すように所定の厚みを有する板状部材として構成されている。このような半導体モジュール６は、図３に示すように厚み方向の両側を冷却器１９によって挟み込まれることで、放熱を行いながら負荷３の駆動を行うものとして使用される。なお、各冷却器１９の相対する二角には貫通孔１９ａが設けられていると共に、各貫通孔１０ａそれぞれを繋いで冷媒通路を構成する通路構成部１９ｄが備えられる。これにより、冷却器１９の冷却が行われることで、効率的な冷却を可能にしながら半導体モジュール６が使用される。

以下、半導体モジュール６を有する半導体装置の詳細構造について説明するが、樹脂モールド部１８にて覆った６アーム分の構成部品ブロックそれぞれの詳細構造は、若干異なっているものの基本構造が同様である。まずは、この樹脂モールド部１８にて覆っている構成部品ブロックの基本構造を構成している各部品について説明する。

図４に示す半導体チップ１０は、６個のチップ１０ａ〜１０ｆによって構成されている。各チップ１０ａ〜１０ｆは、表面および裏面を有し、それぞれに上アーム５１、５３、５５もしくは下アーム５２、５４、５６を構成する半導体スイッチング素子５１ａ〜５６ａや整流素子５１ｂ〜５６ｂなどが形成されている。例えば、半導体チップ１０は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの半導体基板を母材基板として用いて形成されている。本実施形態では、半導体チップ１０に形成される半導体スイッチング素子５１ａ〜５６ａや整流素子５１ｂ〜５６ｂを基板垂直方向に電流を流す縦型素子としており、半導体チップ１０の表面側と裏面側に各種電極（パッド）が形成され、この電極を介して電気的接続が行われている。本実施形態の場合、各半導体チップ１０の裏面側は、はんだやＡｇ焼結材のような高熱伝導材で構成された接合材２０を介して下側プレート１７の表面側に電気的および物理的に接続されている。そして、下側プレート１７の裏面側がはんだやＡｇ焼結材のような高熱伝導材で構成された接合材２１を介して下側放熱板１２に接合されている。

また、半導体チップ１０の表面側は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ等を母材として構成された素子中継電極１５に対して、はんだやＡｇ焼結材のような高熱伝導材で構成された接合材２２を介して接続されている。さらに、素子中継電極１５がはんだやＡｇ焼結材のような高熱伝導材で構成された接合材２３を介して上側プレート１６の裏面側に電気的および物理的に接続されている。そして、上側プレート１６の表面側がはんだやＡｇ焼結材のような高熱伝導材で構成された接合材２４を介して上側放熱板１１に接合されている。

このような構造により、各半導体チップ１０が上側および下側放熱板１１、１２に対して挟み込まれた構造とされている。

なお、本実施形態では、半導体チップ１０は、各アーム５１〜５６を構成する半導体スイッチング素子５１ａ〜５６ａや整流素子５１ｂ〜５６ｂなどの素子が１チップ内に共に形成されたものとされている。しかしながら、これは単なる一例を示したものであり、各アーム５１〜５６を構成する半導体スイッチング素子５１ａ〜５６ａや整流素子５１ｂ〜５６ｂなどの素子が別々のチップに形成されていても良い。

上側および下側放熱板１１、１２は、ヒートシンクに相当するもので、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｆｅ等を主成分とした高熱伝導部材で構成され、一面側が半導体チップ１０に向けられ、他面側が図２に示されるように樹脂モールド部１８から露出させられている。上側および下側放熱板１１、１２は、段付形状とされており、外縁部１１ａ、１２ａ（図７参照）に対してそれよりも内側となる内側部１１ｂ、１２ｂ（図７参照）の方が所定量突出させられている。具体的には、外縁部１１ａ、１２ａは、その周囲における樹脂モールド部１８の一面と同一平面とされており、内側部１１ｂ、１２ｂが樹脂モールド部１８から所定距離突き出した構成とされている。そして、内側部１１ｂ、１２ｂに、内側部１１ｂ、１２ｂの表層部を掘り起こし工具によって掘り起こした複数のフィン部１１ｃ、１２ｃが形成されている。この複数のフィン部１１ｃ、１２ｃの詳細構造については後述する。なお、図７では、樹脂モールド部１８内に備えられる各部品については図示しないを省略してある。

また、上側および下側放熱板１１、１２は、上側および下側プレート１６、１７が部分的に絶縁材料で構成されることで、半導体チップ１０とは絶縁された状態となっている。ただし、上側および下側プレート１６、１７や素子中継電極１５等が高熱伝導材料で構成されていることから、上側および下側放熱板１１、１２には、半導体チップ１０からの熱が高い熱伝導で伝えられる。そして、上側放熱板１１のうちの表面側および下側放熱板１２のうちの裏面側、つまりフィン部１１ｃ、１２ｃが形成された面から放熱が行えるようになっている。

多層配線バスバー１３は、本実施形態の半導体モジュール６のうちの各種配線や各種端子を構成する部分である。本実施形態では、多層配線バスバー１３は、板状棒状部材で構成され、各相の上アーム５１、５３、５５を構成する半導体チップ１０と下アーム５２、５４、５６を構成する半導体チップ１０の間を通過するように配置されている。例えば、多層配線バスバー１３には、上アーム５１、５３、５５と直流電源２の＋端子とを接続する正極側配線、下アーム５２、５４、５６と直流電源２の−端子とを接続する負極側配線、各アーム５１〜５６と負荷３とを接続する出力配線が備えられている。また、多層配線バスバー１３には、各配線と直流電源２や負荷３との接続を行うための各種接続端子１３ａ〜１３ｅが備えられている。

具体的には、図６に示すように、多層配線バスバー１３は、一方向を長手方向とした板状棒状部材によって構成されており、図２に示すように一端側と他端側がそれぞれ略四角形状とされた樹脂モールド部１８の相対する二辺それぞれから露出させられている。

図６に示すように、多層配線バスバー１３の一端側には、上アーム５１、５３、５５と直流電源２の＋端子とを接続する正極端子１３ａおよび下アーム５２、５４、５６と直流電源２の−端子とを接続する負極端子１３ｂが形成されている。また、多層配線バスバー１３の他端側には、各Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相における上下アーム５１〜５６の中間電位点と負荷３とを接続する出力端子に相当するＵ端子１３ｃ、Ｖ端子１３ｄ、Ｗ端子１３ｅが備えられている。これら正極端子１３ａ、負極端子１３ｂ、Ｕ端子１３ｃ、Ｖ端子１３ｄ、Ｗ端子１３ｅは、図２に示すように樹脂モールド部１８から露出させられている。このような構成により、正極端子１３ａおよび負極端子１３ｂを介して半導体モジュール６と直流電源２や平滑コンデンサ４との電気的接続が行われている。また、Ｕ端子１３ｃやＶ端子１３ｄおよびＷ端子１３ｅを介して負荷３となる三相交流モータのＵ相やＶ相およびＷ相との電気的接続が行われている。

このような多層配線バスバー１３は、パターニングされた導体層と絶縁層とを積層した多層配線構造によって構成されており、図１に示した三相インバータ回路１の各部を電気的に接続する回路配線を構成している。なお、多層配線バスバー１３に備えられた各パッド１３６ａ〜１３６ｃ、１３９ａ〜１３９ｃは、半導体チップ１０ａ〜１０ｆの所定部位に電気的に接続される。図示しないが、多層配線バスバー１３のうち各パッド１３６ａ〜１３６ｃ、１３９ａ〜１３９ｃが配置された面と反対側の面にも、半導体チップ１０ａ〜１０ｆの所定部位に電気的に接続される複数のパッドが備えられている。そして、多層配線バスバー１３に備えられる内部配線と各パッド１３６ａ〜１３６ｃ、１３９ａ〜１３９ｃが電気的に接続され、内部配線と各端子１３ａ〜１３ｅとが電気的に接続されることで、三相インバータ回路１の配線構造が構成されている。内部配線は、絶縁膜１３０によって被覆されており、絶縁膜１３０から露出するようにして各パッド１３６ａ〜１３６ｃ、１３９ａ〜１３９ｃや各端子１３ａ〜１３ｅが設けられている。

制御端子１４は、半導体スイッチング素子５１ａ〜５６ａのゲート配線などの各種信号線を構成する信号線端子となるものある。例えば、制御端子１４は、半導体チップ１０の表面側に形成された半導体スイッチング素子５１ａ〜５６ａのゲートに接続される電極にＡｕ等で構成されるボンディングワイヤ２５（図４参照）を介して電気的に接続されている。制御端子１４における半導体チップ１０とは反対側の端部は、図２に示すように樹脂モールド部１８から露出させられており、この露出部分を通じて外部との接続が行えるように構成されている。なお、図４中では、制御端子１４がリードフレーム状態で一体化されたものとして記載してあり、下側放熱板１２とも一体化された状態とされているが、最終製品とされる際に分断され、各信号線が独立した状態となる。

素子中継電極１５は、半導体チップ１０側の一面において半導体チップ１０の表面の電極との電気的な接続を図りつつ、上側プレート１６と電気的に接続される部材である。素子中継電極１５は、半導体チップ１０と上側プレート１６との間をボンディングワイヤ２５が配置される分の間隔空けるために備えられている。素子中継電極１５は、例えばＣｕ等を主成分とした高熱伝導部材で構成されている。

上側プレート１６は、半導体チップ１０側の一面において素子中継電極１５を介して半導体チップ１０の表面の電極との電気的な接続を図りつつ、半導体チップ１０と上側放熱板１１とを絶縁する役割を果たす。同様に、下側プレート１７は、半導体チップ１０側の一面において半導体チップ１０の裏面の電極との電気的な接続を図りつつ、半導体チップ１０と下側放熱板１２とを絶縁する役割を果たす。

上側および下側プレート１６、１７のうちの半導体チップ１０側の一面は電気的な接続に加えて熱伝導性が高められるように、Ｃｕ、Ａｌ等を母材とする高熱伝導部材によって構成されている。また、上側および下側プレート１６、１７のうち、半導体チップ１０側の一面よりも半導体チップ１０と反対側に位置する層は、絶縁を図りつつ熱伝導性が高められるように、例えば無機もしくは有機系絶縁材料で構成されている。例えば、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃等のセラミックス絶縁体の両面にＣｕを母材とする導体板を貼り合せたものによって上側および下側プレート１６、１７を構成できる。また、絶縁シートを貼り付けたＣｕプレートと絶縁接着機能を有する接着剤シートをＣｕ等の導体部材で構成されるダイボンドプレートと貼り合せたものによって上側および下側プレート１６、１７を構成することもできる。

このような構成とされることで、上側プレート１６は、半導体スイッチング素子５１ａ〜５６ａの表面電極（例えばＭＯＳＦＥＴのソースやＩＧＢＴのエミッタ）および整流素子５１ｂ〜５６ｂの第１電極（例えばＦＷＤなどのアノード）と接続される。また、上側プレート１６は多層配線バスバー１３に備えられる各パッド１３６ａ〜１３６ｃ、１３９ａ〜１３９ｃとも電気的に接続されている。同様に、下側プレート１７については、半導体スイッチング素子５１ａ〜５６ａの裏面電極（例えばＭＯＳＦＥＴのドレインやＩＧＢＴのコレクタ）および整流素子５１ｂ〜５６ｂの第２電極（例えばＦＷＤなどのカソード）と接続される。また、下側プレート１７も多層配線バスバー１３の裏面側に備えられる各パッド（図示せず）とも電気的に接続されている。このため、上側および下側プレート１６、１７は、各アーム５１〜５６に対しての正極側配線や負極側配線および出力配線の一部を構成している。

また、上記したように、上側放熱板１１のうちの表面側および下側放熱板１２のうちの裏面側、つまり半導体チップ１０が配置される面と反対側の面は共に、樹脂モールド部１８から露出させられており、この露出部分において、放熱が行えるようになっている。この放熱面側には、図３に示すように冷却器１９が配置される。冷却器１９は、図７に示すように内部に形成される空洞部によって流動通路１９ｂが構成されており、この流動通路１９ｂ内を冷媒が流動させられるようになっている。このため、上側および下側放熱板１１、１２の放熱面が冷媒に接することになるが。しかしながら、上側および下側プレート１６、１７によって半導体チップ１０と上側および下側放熱板１１、１２との間の絶縁が図られていることから、上側および下側放熱板１１、１２を通じて外部に電流リークが生じることを防止できる。

樹脂モールド部１８は、上記した各構成部品を成形型内に配置したのち、成形型内に樹脂を封入することで構成された封止樹脂であり、例えば四角形板状で構成されている。樹脂モールド部１８は、絶縁性で、かつ、上側および下側放熱板１１、１２などの導体部より低い線膨張係数およびヤング率の樹脂で構成される。例えば、主にエポキシ、シリコーン等の有機樹脂によって樹脂モールド部１８を構成することができる。樹脂モールド部１８からは、四角形板状を構成する各辺から制御端子１４の先端および多層配線バスバー１３の両端が露出させられており、外部との電気的接続が行えるようになっている。具体的には、四角形板状とされる樹脂モールド部１８の相対する２辺より、つまり樹脂モールド部１８を挟んだ反対方向に、上アーム５１、５３、５５の制御端子１４と下アーム５２、５４、５６の制御端子１４が露出させられている。また、四角形板状とされる樹脂モールド部１８の異なる相対する２辺より、つまり樹脂モールド部１８を挟んだ反対方向に、多層配線バスバー１３の両端がそれぞれ露出させられている。また、四角形板状の表裏面それぞれから上側放熱板１１と下側放熱板１２が露出させられ、良好に放熱が行える構造とされている。

具体的には、制御端子１４が一体化されたリードフレーム状態の下側放熱板１２の表面側に、上述した各部を搭載する。そして、ボンディングワイヤ２５にて半導体チップ１０と制御端子１４との電気的な接続を終えたのち、その上に上側放熱板１１などを搭載する。この状態でこれらを成形型に設置し、成形型内に樹脂を注入してモールド化することで樹脂モールド部１８が構成される。この樹脂モールド部１８により、上側および下側放熱板１１、１２の表面に加えて、制御端子１４および多層配線バスバー１３の露出箇所以外が覆われることで、半導体チップ１０などが保護される。

冷却器１９は、内部に冷媒通路１９ｂを構成し、冷媒が流動させられることで半導体モジュール６の放熱を促進させるものである。冷却器１９は、半導体モジュール６における上側および下側放熱板１１、１２が配置された両放熱面に配置され、冷却器１９によって半導体モジュール６を挟み込むように冷却器１９および半導体モジュール６が積層されている。そして、図８に示すように、２つの冷却器１９によって半導体モジュール６を挟みつつ、冷却器１９および半導体モジュール６をボルト２８で締結することで、これらが一体化されている。

具体的には、冷却器１９は、図３に示すように、半導体モジュール６と反対側から見た形状が略長方形状とされた中空板状部１９ｃと貫通孔１９ａが形成された通路構成部１９ｄとを有した構成とされる。中空板状部１９ｃ内に構成される中空部を冷媒通路１０ｂとして、一方の貫通孔１９ａより導入される冷媒が冷媒通路１９ｂを通過したのち、他方の貫通孔１９ａより排出される。

図７に示すように、中空板状部１９ｃのうち半導体モジュール６側の一面には、冷媒通路１９ｂに繋がる開口部１９ｅが形成されている。この開口部１９ｅ内に内側部１１ｂ、１２ｂおよびフィン部１１ｃ、１２ｃが配置される。内側部１１ｂ、１２ｂの外縁形状と開口部１９ｅの形状は一致させられており、内側部１１ｂ、１２ｂが開口部１９ｅに嵌め込まれるようにして、冷却器１９が半導体モジュール６に組み付けられる。

中空板状部１９ｃのうち半導体モジュール６側の一面は所定の厚みを有した構造とされるが、その厚みが内側部１１ｂ、１２ｂの外縁部１１ａ、１２ａからの突き出し量と一致させられている。

また、図８に示すように、冷却器１９と半導体モジュール６との間に、開口部１９ｅを囲むシール部材２６が配置されている。このため、冷却器１９と半導体モジュール６との間がシール部材２６によってシールされ、冷媒漏れが防止されている。

なお、後述するように、半導体モジュール６と冷却器１９の積層方向において、冷却器１９に形成された冷媒通路１９ｂの寸法がフィン部１１ｃ、１２ｃの高さより小さくされている。また、フィン部１１ｃ、１２ｃの先端が先細りとされていて変形し易くなっている。このため、フィン部１１ｃ、１２ｃは、半導体モジュール６と冷却器１９とを組み付けたときに、冷媒通路１９ｂを構成する冷却器１９の内壁面にフィン部１１ｃ、１２ｃの先端が当接すると共に、当接したときにフィン部１１ｃ、１２ｃの先端が変形する。これにより、冷却器１９と半導体モジュール６との間において、シール部２６が隙間無く配置され、的確にシール機能を発揮できるようになっている。

通路構成部１９ｄは、図３に示すように長方体形状とされていて、その中心位置に貫通孔１９ａが形成されている。隣り合う冷却器１９の通路構成部１９ｄは、貫通孔１９ａを囲むシール部材２７を介して互いに密着させられており、互いの貫通孔１９ａが繋げられている。貫通孔１９ａは、冷媒通路１９ｂと連通させられている。このため、互いに密着させられた一方の通路構成部１９ｄの貫通孔１９ａより導入される冷媒は、冷媒通路１０ｂを通過して、互いに密着させられた他方の通路構成部１９ｄの貫通孔１９ａより排出される。

なお、上記したように、半導体モジュール６と冷却器１９の積層方向において、冷却器１９に形成された冷媒通路１９ｂの寸法がフィン部１１ｃ、１２ｃの高さより小さくされているが、フィン部１１ｃ、１２ｃの先端位置が変形し易くなっている。このため、隣り合う通路構成部１９ｄ同士の間において、シール部２６が隙間無く配置され、的確にシール機能を発揮できるようになっている。

また、貫通孔１９ａおよび通路構成部１９ｄは、冷却器１９を半導体モジュール６と反対側から見たときの略長方形状における対角の関係に位置する２つの角部に配置されている。具体的には、多層配線バスバー１３における正極および負極端子１３ａ、１３ｂが配置された側の端部と、Ｕ〜Ｗ端子１３ｃ〜１３ｅが配置された側の端部が略長方形状とされる冷却器１９のもう一方の対角の関係に位置する２つの角部より突き出すように配置されている。これら各端子１３ａ〜１３ｅとずらされた位置に貫通孔１９ａが配置されている。このため、冷却器１９のうち貫通孔１９ａおよび通路構成部１９ｄによって隠れることなく、各端子１３ａ〜１３ｅと外部配線との電気的接続が行えるようになっている。

以上のような構造により、本実施形態にかかる半導体モジュール６を有する半導体装置が構成されている。続いて、放熱板１１、１２に形成された複数のフィン部１１ｃ、１２ｃの詳細構造について、図２、図７および図９〜図１１を参照して説明する。なお、ここでは複数のフィン部１１ｃについて主に説明するが、複数のフィン部１２ｃも複数のフィン部１１ｃと同様の構成とされている。

図２および図９に示すように、内側部１１ｂは、多層配線バスバー１３の長手方向と同方向を長辺、それに対する垂直方向を短辺とする長方形状とされている。図２に示すように、この内側部１１ｂの長辺方向をｘ方向、短辺方向をｙ方向、内側部１１ｂの法線方向をｚ方向として、複数のフィン部１１ｃは、ｘ方向およびｙ方向において所定のレイアウトで配列されている。そして、内側部１１ｂの表面を掘り起こし工具でｚ軸方向に掘り起こすことで、複数のフィン部１１ｃの１つ１つが構成されている。

本実施形態の場合、複数のフィン部１１ｃは、ｙ方向において等間隔に複数本が並べられた列がｘ方向において等間隔に複数列並べられている。そして、隣り合う列のフィン部１１ｃのｙ方向の形成位置がずらされており、ｙ方向において、各列の各フィン部１１ｃが隣の列の隣り合うフィン部１１ｃの中間位置に配置されたレイアウト、つまり千鳥配列のレイアウトで複数のフィン部１１ｃが配列されている。

一方、図９に示すように、冷却器１９における冷媒流れ方向は、冷媒が導入される側の貫通孔１９ａから冷媒が排出される側の貫通孔１９ａに向かう方向となり、図中矢印Ａ１で示した方向となる。したがって、千鳥配列とされた複数のフィン部１１ｃは、冷媒流れ方向に沿った配列となる。なお、ここでいう複数のフィン部１１ｃが冷媒流れ方向に沿って配列されているとは、複数のフィン部１１ｃが冷媒流れ方向と平行になっていなくても良く、その配列方向と冷媒流れ方向とに角度が付いていても良い。ただし、両貫通孔１９ａの中心位置を通る直線（図中矢印Ａ１）に対して、複数のフィン部１１ｃが平行に配列されるようにしてあると、冷媒流れを阻害せず、圧力損失を少なくできることから好ましい。

また、複数のフィン部１１ｃは、それぞれｙ方向に沿って内側部１１ｂの表面を掘り起こすことによって形成されている。このため、複数のフィン部１１ｃの掘り起こし方向（図中矢印Ｂ１）に対して冷媒流れ方向（図中矢印Ａ１）とが０°より大きく４５°以下の範囲の鋭角をなしている。

複数のフィン部１１ｃの１つ１つは、根元部から先端部に掛けて湾曲した楕円弧状とされている。より詳しくは、図１０に示すように、各フィン部１１ｃは、掘り起こし方向に対して平行かつ内側部１１ｂの表面に対する法線方向に平行な平面に切断した断面形状が楕円弧状とされている。そして、各フィン部１１ｃは、先端部が先細り形状とされることで根元部よりも変形し易い構造とされている。図１１に示すように、本実施形態では、内側部１１ｂを掘り起こす幅を一定幅としており、図１０に示すように、掘り起こし深さを徐々に深くしつつ、掘り起こしの中間位置より深さを一定としている。したがって、各フィン部１１ｃは、根元から掘り起こしの中間位置までは掘り起こし方向と同方向の厚みが一定とされ、中間位置から先端部に掛けて厚みが徐々に薄くなっている。

また、本実施形態では、楕円弧で構成された各フィン部１１ｃのうち内側部１１ｂの表面によって構成される一面を凸面としており、掘り起こした側の一面を凹面としている。このため、各フィン部１１ｃは、冷媒の流速を凸面側で受ける構造となっている。そして、フィン部１１ｃを掘り起こしてできる凹部１１ｄがフィン部１１ｃに対して冷媒流れの下流側に位置するように掘り起こしが行われている。

各フィン部１１ｃの寸法については任意であるが、後述するように掘り起こし後に形成される凹部１１ｄによる冷媒流れの悪化や複雑な乱流の誘発を抑制するために、ｘ方向寸法となる厚みおよびｙ方向寸法となる幅を１ｍｍ以下、ｚ方向寸法となる高さを１０ｍｍ未満としている。このフィン部１１ｃの高さは、半導体モジュール６と冷却器１９の積層方向において、冷却器１９に形成された冷媒通路１９ｂの寸法よりも大きい。また、好ましくはフィン部１１ｃの高さと冷媒通路１９ｂの寸法との差がフィン部１１ｃの最大変形量よりも小さくなるように、フィン部１１ｃの高さが設定されている。

次に、このように構成された複数のフィン部１１ｃを有する半導体装置により得られる効果について、図１２〜図２３を参照して説明する。

（１）本実施形態にかかる半導体装置では、上側および下側放熱板１１、１２に形成した複数のフィン部１１ｃ、１２ｃを上側および下側放熱板１１、１２の表面を掘り起こすことによって形成している。このため、複数のフィン部１１ｃ、１２ｃを掘り起こす前のときには、上側および下側放熱板１１、１２の表面は平坦面となっており、超音波映像装置などによって内部の素子部の接合状態を検査することが可能となる。

（２）本実施形態にかかる半導体装置では、冷却器１９における中空板状部１９ｃのうち半導体モジュール６側の一面の厚みと内側部１１ｂ、１２ｂの突き出し量とを一致させている。

このため、フィン部１１ｃ、１２ｃは、高さ全域において、冷媒の流動通路１９ｂにおける冷媒の流れ易い場所に曝される。例えば、内側部１１ｂ、１２ｂを外縁部１１ａ、１２ａや樹脂モールド部１８と同一平面としても良いが、その場合、冷却器１９の厚みによってできる凹部内にフィン部１１ｃ、１２ｃの根元部分が隠れ、当該根元部分が冷媒通路１９ｂのうち冷媒の流れ難い場所に位置することになる。しかしながら、本実施形態では、内側部１１ｂ、１２ｂを外縁部１１ａ、１２ａや樹脂モールド部１８から突き出させているため、冷却器１９の厚みによってフィン部１１ｃ、１２ｃの根元部分が隠れず、根元部分まで冷媒の流れ易い場所に位置させることができる。したがって、放熱効率を高めることが可能となり、結果的にフィン部１１ｃ、１２ｃの高さを低下させることができ、半導体装置の小型化を図ることもできる。

（３）本実施形態にかかる半導体装置では、半導体モジュール６と冷却器１９の積層方向において、冷却器１９に形成された冷媒通路１９ｂの寸法がフィン部１１ｃ、１２ｃの高さより小さくされている。このため、フィン部１１ｃ、１２ｃの先端が冷却器１９における中空板状部１９ｃの内壁面に当接し、これらの間に隙間が空かない。したがって、フィン部１１ｃ、１２ｃの先端と中空板状部１９ｃとの間の隙間によるバイパス通路が形成されることを防止でき、冷媒がフィン部１１ｃ、１２ｃを通じることなく抜ける現象が発生しないようにできる。

例えば、フィン部の上部の幅、つまりバイパス通路の幅とバイパス通路に流れる流量（以下、バイパス流量という）の関係をシミュレーションにより調べた。図１２は、その結果を示している。具体的には、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、複数のストレートフィンＪ１を千鳥配列としたシミュレーションモデルを用い、ストレートフィンＪ１と冷却器Ｊ２との間の隙間Ｊ３を変化させ、バイパス流量を調べた。シミュレーション条件としては、ストレートフィンＪ１の径をＤ、高さｈｃを２×Ｄとし、ストレートフィンＪ１の隣り合う列同士でのｘ方向のピッチを２×Ｄ、同じ列同士でのｙ方向のピッチも２×Ｄとした。また、冷媒としては６０℃の純水を用いた場合を想定した。

図１２に示すように、隙間Ｊ３が０．１ｍｍ以下の際にはバイパス流量の割合が０〜２％程度と低くなっているが、それを超えるとバイパス流量の割合が大きくなり、０．２５ｍｍのときには１５％となった。そして、隙間Ｊ３が大きくなる程バイパス流量の割合が多くなった。

このように、隙間Ｊ３が０．１ｍｍを超えると、バイパス流量の割合が大幅に多くなる。背景技術の欄において説明したような、ストレートフィンが複数形成された筒部を冷却ベースに挿入する形態では、ストレートフィンが複数形成された筒部を冷却ベース内に的確に挿入できるように、製造公差やフィンの反りなどを見込んでストレートフィンの高さを設定する必要がある。このため、ストレートフィンの先端と冷却ベースとの間の隙間が大きくなり、バイパス流量が多くなって放熱効率を悪化させることになる。

一方、本実施形態では、フィン部１１ｃ、１２ｃの先端が冷却器１９における中空板状部１９ｃの内壁面に当接し、これらの間に隙間が空かないようにしている。したがって、フィン部１１ｃ、１２ｃの先端と中空板状部１９ｃとの間にバイパス通路が形成されないようにでき、放熱効率の低下を抑制することが可能となる。

（３）本実施形態にかかる半導体装置では、フィン部１１ｃ、１２ｃの先端を先細り形状としている。このため、フィン部１１ｃ、１２ｃを高さ方向において容易に変形させることができる。したがって、半導体モジュール６と冷却器１９の積層方向において、冷却器１９に形成された冷媒通路１９ｂの寸法がフィン部１１ｃ、１２ｃの高さより小さくされていても、フィン部１１ｃ、１２ｃの変形により、その寸法差を吸収できる。

フィン部１１ｃ、１２ｃと中空板状部１９ｃとの間の隙間を少なくするには、半導体モジュール６と冷却器１９の積層方向において、冷却器１９に形成された冷媒通路１９ｂの寸法にフィン部１１ｃ、１２ｃの高さを近づければ良い。このときの隙間を０．１ｍｍ以下にすれば、バイパス流量の割合を減らせることから、冷却効率の低下を抑制できる。

さらに、その隙間を無くすためには、製造交差や変形などを加味すると、半導体モジュール６と冷却器１９の積層方向において、冷却器１９に形成された冷媒通路１９ｂの寸法がフィン部１１ｃ、１２ｃの高さより小さくされているのが好ましい。しかし、このような寸法関係とした場合、フィン部１１ｃ、１２ｃが小さい荷重で容易に変形し、両者の寸法差を吸収できるようにするのが望ましい。

そこで、フィン部１１ｃ、１２ｃの形状と荷重印加時の変形量との関係について評価した。図１４は、その評価結果を示した図である。図１４中のＳＨ−Ｌは、図１５（ａ）中に示したように、本実施形態と同様、フィン部１１ｃ、１２ｃを先細り形状としたものを評価モデルとしている。図１４中のＦＨ−Ｌは、図１５（ｂ）中に示したように、ストレートフィンと同様、フィン部１１ｃ、１２ｃを根元から先端まで一定径としたものを評価モデルとしている。そして、図１５（ａ）の評価モデルについては、楕円弧のうち根元部から最も突出している先端までの突出量ＬをＬ＝０．１、０．２、０．４ｍｍで変化させて変形量を調べた。同様に、図１５（ｂ）の評価モデルについては、一定径としつつ中腹部を突出させてＲ形状とし、根元部から最も突出している先端までの突出量ＬをＬ＝０．１、０．２、０．４ｍｍで変化させて変形量を調べた。

図１５（ｂ）に示す形状の場合、根元から先端まで一定径であるため、Ｒ形状とされていても荷重に対する変形量は小さい。Ｌ＝０．１のように、ストレートフィンに近い水準の場合には、荷重を加えても殆どｚ方向への変形が生じていなかった。Ｒ形状の曲率を大きくしすれば、荷重に対する変形量が大きくなるものの、それでも荷重に対する変形量はあまり大きくない。これは、Ｒ形状の変曲点となる中腹部にて歪が集中し、荷重に対して持ち応えてしまうためであり、低荷重では変形量が小さくなる。

したがって、フィン部１１ｃ、１２ｃをすべて一定径とした場合には、目標値の変形量を得るためには大きな荷重が必要となり、結果的に半導体装置の破壊を招く可能性がある。このことから、このような構成とするのであれば、フィン部１１ｃ、１２ｃの先端と中空板状部１９ｂの内壁面との間に隙間を設ける必要があり、バイパス経路が形成されて、放熱効率が低下するという問題を発生させることになる。

一方、本実施形態のように、フィン部１１ｃ、１２ｃの先端を先細り形状とした場合、低荷重であっても変形量が大きい。例えば、製造公差や変形などを加味して、フィン部１１ｃ、１２ｃの変形量が０．１ｍｍとなることを目標値に設定すると、Ｌ＝０．２であれば２［Ｎ］、Ｌ＝０．４であれば１［Ｎ］の荷重で良い。このように、フィン部１１ｃ、１２ｃを先端が先細りとなる楕円弧状とすることで、低荷重で所望の変形量を得ることが可能となる。これは、フィン部１１ｃ、１２ｃを先細りの楕円弧状としているためである。すなわち、断面積が小さな先細り形状とすることで変形し易くなっているのに加えて、楕円弧状とすることでよりｚ方向への変形量が大きくなる。そして、突出量Ｌが大きくなるほど、変形領域が先端部に移行するため、より低荷重でもｚ方向への変形を生み出すことが可能になる。

なお、突出量Ｌが０．２ｍｍで有る場合において、変形量の目標値である０．１ｍｍ変形させたときのフィン部１１ｃ、１２ｃの歪みを算出すると、０．２％よりも十分に小さいことを確認した。この程度の歪みの場合、フィン部１１ｃ、１２ｃの変形は弾性変形領域での変形となる。したがって、フィン部１１ｃ、１２ｃの損傷も抑制することが可能となる。

（４）本実施形態にかかる半導体装置では、複数のフィン部１１ｃ、１２ｃを楕円弧状としつつ、掘り起こし方向と冷媒流れ方向とが鋭角をなすようにしている。このような構成としているため、複数のフィン部１１ｃ、１２ｃによる冷却性能を向上させることが可能となって、放熱効率を向上させることが可能となる。

冷媒通路が決まった流路であっても、フィン部の形状やフィン部に対してどのように冷媒が当たるかによって、冷却性能を表す指標である“熱伝達率”や“圧力損失”の結果は異なる。一般的に、熱伝達率／圧損比率が高いものが冷却性能の高い冷却器と言える。

そこで、楕円弧状のフィンを千鳥配列としたモデルに対し、熱流体解析を実施した。具体的には、図１６に示すように、掘り起こし深さに相当する掘り起こし幅Ｗ（フィン部の幅に相当）を基準とし、フィン部Ｊ１の高さｈをｈ＝７×Ｗ、突出量ＬをＬ＝０、０．５×Ｗ、１．０×Ｗと変化させた。そして、掘り起こし方向と冷媒流れの方向（換言すれば流速の方向）とのベクトルを流体ベクトルθ＝１８０°、つまり楕円弧状とされるフィン部Ｊ１の凸面側が冷媒流れの上流側に位置すると共に凹面側が下流側に位置するようにしてシミュレーションを行った。そして、楕円弧状が冷却性能にどのように影響するかについて調べたところ、図１７に示す結果が得られた。具体的には、突出量Ｌをフィン部Ｊ１の根元部の幅Ｗで割った値をｋ（ｋ＝Ｌ／Ｗ）と定義して、Ｌを変化させて熱伝達率／圧損比率を調べた。なお、ｋが大きいほど楕円弧の曲率が大きいことを意味しており、ｋ＝０、つまりＬ＝０はフィン部Ｊ１をストレートピンとした場合に相当している。

この図に示されるように、ｋが大きいほど、つまり楕円弧の曲率が大きいほど圧損比率が下がった結果、熱伝達率／圧損比率が大きくなって冷却性能が高くなる。流路中腹部の流速コンターを確認したところ、Ｌ＝０ではピンの流速背面側において低流速領域が広くなっていたが、Ｌの値を高めるとこの領域が狭くなっていた。ストレートピンの場合、ｘ方向に流れる流体がフィン部に当たった際、流体はｘｙ面方向に避けて下流側に移動する必要がある。ｚ方向については、流体が回り込もうとしても運動量的に等価であるため、回り込みが起こり難い。一方、Ｌ＞０の場合、つまりフィン部Ｊ１を楕円弧とした場合には、フィン部Ｊ１が中腹部から反った形状になっており、上部空間に空きが存在することから、ｚ方向についても流体の回り込みが発生する。結果として、フィン部Ｊ１の背面の流速も高くなり、圧損比率を小さくできる。

また、図１６で示したモデルのうちＬ＝０．５×Ｗとしたものを用いて、流体ベクトルθを変化させて、楕円弧状が冷却性能にどのように影響するかについて調べたところ、図１８に示す結果が得られた。なお、流体ベクトルθが例えばθ＝１５０°、θ＝２１０°の場合のように、ｘ方向（つまりθ＝０°または１８０°）を中心とした反転方向において同じ角度となる場合、楕円弧状が冷却性能に与える影響は同じとなる。このため、図１８において、θ＝２１０°はθ＝１５０の結果を参照すれば良い。

図１８に示すように、流体ベクトルθが１８０°の場合、つまり掘り起こし方向がｘ方向に一致する場合に熱伝達率／圧損比率が高く、掘り起こし方向をｘ方向に対して一定の角度を与えて設定した場合、さらに熱伝達率／圧損比率が高くなっている。具体的には、流体ベクトルθが１３５〜２２５°の場合において、熱伝達率／圧損比率が高くなっていることが判る。ここでいう流体ベクトルθが１３５〜２２５°になる場合とは、掘り起こし方向に対して冷媒流れ方向が０〜４５°の範囲になる場合であることを意味している。このように、掘り起こし方向に対して冷媒流れ方向を０°より大きく４５°以下の範囲の鋭角とする場合、冷媒がまずフィン部の中腹部に当たった後、中腹部より上方に加えて斜め上方へも回り込み易くなると考えられる。特に、掘り起こし方向に対して冷媒流れ方向が０°より大きく３０°以下の範囲（流体ベクトルθで言えば１５０°以上１８０°未満の範囲）の鋭角になると熱伝達率／圧損比率が高くなっており、これらの範囲が最も冷却効率の高い範囲になると言える。

したがって、複数のフィン部１１ｃ、１２ｃを楕円弧状としつつ、掘り起こし方向と冷媒流れ方向とが鋭角をなすようにすることで、複数のフィン部１１ｃ、１２ｃによる冷却性能を向上させられ、より放熱効率を向上させることが可能となる。

（５）本実施形態にかかる半導体装置では、凹部１１ｄ、１２ｄがフィン部１１ｃ、１２ｃに対して冷媒流れの下流側に配置されるようにしている。このため、凹部１１ｄ、１２ｄが冷媒流れに与える影響を抑制でき、より冷却性能の向上を図ることができる。

具体的には、凹部１１ｄ、１２ｄが冷媒流れに与える影響について、凹部１１ｄ、１２ｄが無い場合と凹部１１ｄ、１２ｄが有る場合とで流速を変えて調べた。ここでは、最も小さくした流速を１として規格化し、その流速を基準として流速の倍率を変えて、圧力損失と熱伝達率との関係について調べた。そして、図１９に示す結果が得られた。なお、流速を規格化したときの圧力損失と熱伝達率であることから、図中では、それぞれ規格化圧力損失と熱伝達率と記載してある。また、他の影響を取り除くため、図２０に示すように、フィン部１１ｃ、１２ｃを単純なストレートピンとして、実線のように凹部１１ｄ、１２ｄが有る場合と破線のように凹部１１ｄ、１２ｄが無い場合の冷却性能（熱伝達率・圧力損失）を比較した。

図１９に示すように、同一流速で比較すると、凹部１１ｄ、１２ｄの有無による圧力損失の差は小さいが熱伝達率に大きな差があり、流速が高まるほどその差が大きくなっていることが分かる。これは、図２１に示す流速コンター図を見れば明らかで、フィン部１１ｃ、１２ｃの根本部に当たる凹部１１ｄ、１２ｄの位置で冷媒流れの“剥離”が発生している。このため、この領域は発生した熱が排出されず、熱伝達面として寄与しなくなる。その結果、熱伝達率が悪化したと推定される。

掘り起こしによってフィン部１１ｃ、１２ｃを形成すれば、必然的に凹部１１ｄ、１２ｄが形成されるが、この影響を小さくするには、凹部１１ｄ、１２ｄがフィン部１１ｃ、１２ｃに対して冷媒流れの下流側、つまり流速の背面側に配置されるようにすることである。流速から見てフィン部１１ｃ、１２ｃの背面近傍では、必然的に流速が小さくなるため、凹部１１ｄ、１２ｄをこの流速が小さくなる背面側にもっていくことでその影響を軽減できる。

加えて、上記したように、図２０に示したフィン部１１ｃ、１２ｃのモデルを一点鎖線で示したような楕円弧状にすると、ｚ方向の冷媒流れも誘発するため、凹部１１ｄ、１２ｄ内にも冷媒が流れ込み、凹部内の領域も熱伝達面として使われる。このため、凹部１１ｄ、１２ｄが形成されることによる影響を抑制するのに有効である。特に、本実施形態のように、楕円弧状とされるフィン部１１ｃ、１２ｃの凸面側を冷媒流れの上流側に位置させると、冷媒がフィン部１１ｃ、１２ｃの中腹部に対して当たってｚ方向への流れを誘発し易い。このため、より上記効果を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態にかかる半導体装置では、掘り起こしによってフィン部１１ｃ、１２ｃを形成しつつ、フィン部１１ｃ、１２ｃを楕円弧状としている。このため、フィン部１１ｃ、１２ｃの高さ方向への冷媒の流れを発生させることができる。これらの構成により、フィン部１１ｃ、１２ｃを掘り起こす前には表面を平坦面にできるし、より高い冷却効率で半導体モジュール６を冷却することが可能な半導体装置にできる。

また、フィン部１１ｃ、１２ｃに対して凹部１１ｄ、１２ｄを冷媒流れの下流側に配置している。また、フィン部１１ｃ、１２ｃを楕円弧状とし、凸面側が凹面側よりも冷媒流れの上流側に配置されるようにしている。そして、フィン部１１ｃ、１２ｃの掘り起こし方向と冷媒流れの方向とが鋭角をなすようにしている。これらの構成により、さらに高い冷却効率で半導体モジュール６を冷却することが可能な半導体装置にできる。

参考として、図１９の評価中の流速×２の際におけるストレートフィンを備えた場合の冷却効率を１とし、それを基準として、各構成の有無に応じた半導体装置の冷却効率について調べたところ、図２２に示す結果が得られた。

この図に示すように、凹部１１ｄ、１２ｄについては、位置関係による影響度が最も高いことが確認され、フィン部１１ｃ、１２ｃに対して流速背面側に凹部１１ｄ、１２ｄを形成することが好ましいという結果となった。また、フィン部１１ｃ、１２ｃを楕円弧状とする場合おいて、冷媒流れの上流側に凸面側を向ける場合と凹面側を向ける場合とを比較すると、凸面側を向けた方がｚ方向への２次流れを誘発し易く、放熱性能が高くなって好ましいという結果となった。

さらに、フィン部１１ｃ、１２ｃの掘り起こし方向については、流速ベクトルθを所定の角度範囲に設定し、掘り起こし方向と冷媒流れ方向とが鋭角（例えば３０°）をなすようにすると、掘り起こし方向と冷媒流れ方向とを一致させる場合より放熱性能が高まった。掘り起こし方向と冷媒流れ方向とが鋭角をなすようにする場合については、フィン部１１ｃ、１２ｃを楕円弧状とする場合おいて、冷媒流れの上流側に凸面側を向ける場合と凹面側を向ける場合いずれについても、放熱性能が高くなった。

フィン部１１ｃ、１２ｃの掘り起こし方向（図中ｘ方向）を冷媒流れ方向に向けつつ、フィン部１１ｃ、１２ｃの凸面の向けられる方向が冷媒流れ方向に対して鋭角をなすように、掘り起こし後にフィン部１１ｃ、１２ｃを加工することもできるが、加工が難しい。これに対して、図２３に示すように、本実施形態では、冷媒の導入される側と排出される側それぞれの貫通孔１９ａが複数のフィン部１１ｃ、１２ｃの備えられた略長方形状の表面および裏面放熱板１１、１２の対角に位置するようにしている。つまり、フィン部１１ｃ、１２ｃの掘り起こし方向と凸面の向けられる方向とを一致させつつ、各貫通孔１９ａの中心を結ぶ直線とｘ方向とが０°より大きく４５°以下の鋭角の角度αをなすようにしている。これにより、フィン部１１ｃ、１２ｃの掘り起こし方向、つまり凸面の向けられる方向と冷媒流れの方向とが角度αをなすようにできる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してフィン部１１ｃ、１２ｃの形状を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図２４に示すように、本実施形態でも、内側部１１ｂ、１２ｂの表面の掘り起こしによってフィン部１１ｃ、１２ｃを楕円弧状としているが、フィン部１１ｃ、１２ｃの凸面側を冷媒流れの下流側、凹面側を冷媒流れの上流側に向けている。

このように、凹面側を冷媒流れの上流側に向けるようにした場合、上記した図２３に示したように、凸面側を冷媒流れの上流側に向ける場合と比較して、冷却効率が多少低下するものの、基本的には第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、掘り起こしによってフィン部１１ｃ、１２ｃを形成する場合、掘り起こし後の形状は本実施形態のような形状になり易い。このため、本実施形態の構造のフィン部１１ｃ、１２ｃの加工を容易に行える。これに対して、第１実施形態の構造の場合、掘り起こした後にフィン部１１ｃ、１２ｃの形状加工を行うなど、本実施形態の構造と比較すると加工が難しい。したがって、本実施形態の構造の半導体装置を製造する際の製造工程の簡略化を図ることが可能となる。

例えば、図２５（ａ）および図２５（ｂ）に示すように、刃先１００ａを有する掘り起こし工具１００を用いてフィン部１１ｃ、１２ｃの掘り起こしを行う。刃先１００ａは、基部１００ｂより垂直方向に折り曲げられたＬ字形状とされ、先端部が直線状とされている。このような刃先１００ａを有する掘り起こし工具１００を用いて、掘り起こし深さを徐々に深くしつつ、掘り起こしの中間位置より深さが一定となるように内側部１１ｂ、１２ｂの表面を掘り起こす。これにより、図２５（ｃ）に示すように、凹部１１ｄ、１２ｄが形成されると共に凸面側が凹部１１ｄ、１２ｄと反対側を向き、凹面側が凹部１１ｄ、１２ｄ側に向けられたフィン部１１ｃ、１２ｃを形成することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第２実施形態に対してフィン部１１ｃ、１２ｃの形状およびそれを形成するための掘り起こし工具１００の刃先１００ａの形状を変更したものである。その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図２６に示すように、本実施形態では、フィン部１１ｃ、１２ｃのうち掘り起こした面側を平坦面にせず、凹部１１ｄ、１２ｄ側に突き出す曲面としている。

上記したように、凹部１１ｄ、１２ｄは冷媒流れに影響を与える要因となるが、凹部１１ｄ、１２ｄ内の容積が少ないほど冷媒流れに与える影響は少なくなる。また、フィン部１１ｃ、１２ｃの形状としては圧損を考慮すると断面円形状が有利である。

上記した第１、第２実施形態では、フィン部１１ｃ、１２ｃの断面形状は矩形状であり、凹部の断面形状も矩形状となる。これに対して、本実施形態のように、フィン部１１ｃ、１２ｃのうちの掘り起こした面側を曲面、具体的には楕円弧状の面としている。このため、本実施形態の構造によれば、フィン部１１ｃ、１２ｃのうち冷媒流れの下流側に位置している面側での冷媒の流速低下を抑制することが可能となる。また、本実施形態の構造によれば、凹部１１ｄ、１２ｄについても断面矩形状ではなく角部を無くした構造となることから、凹部１１ｄ、１２ｄ内の容積についても第１、第２実施形態の構造と比較して少なくできる。したがって、凹部１１ｄ、１２ｄの冷媒流れに与える影響を抑制することが可能となり、ひいては冷却性能の更なる向上を図ることが可能となる。

このような構造については、図２７に示すように、掘り起こし工具１００の刃先１００ａの先端形状を変更することで加工可能である。すなわち、刃先１００ａを半楕円弧状とすれば、掘り起こしによって形成したフィン部１１ｃ、１２ｃの掘り起こし面の断面形状を楕円弧状の曲面とすることができる。

（第３実施形態の変形例）
第３実施形態では、フィン部１１ｃ、１２ｃのうちの掘り起こした面側を先細り形状とした一例として、フィン部１１ｃ、１２ｃの断面形状を楕円弧状の曲面とした。この他の先細り形状、例えば図２８に示すように、フィン部１１ｃ、１２ｃのうちの掘り起こした面側をＶ字形状の面としても良い。このようにしても、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。このような構造については、図２９に示すように、掘り起こし工具１００の刃先１００ａの先端形状をＶ字形状とすることで加工可能である。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して半導体モジュール６を複数枚積層するものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図３０および図３１に示すように、半導体モジュール６を２枚備えるようにし、３つの冷却器１９の間に２枚の半導体モジュール６が配置された構造としている。具体的には、１つの冷却器１９を挟んだ両側に１枚ずつ半導体モジュール６を配置し、更に２枚の半導体モジュール６および１つの冷却器１９を挟むように両側に１つずつ冷却器１９を配置した構造としている。

図示していないが、２枚の半導体モジュール６に挟まれた冷却器１９には、表裏面の両側に開口部１９ｅが形成されている。そして、一方の開口部１９ｅには一方の半導体モジュール６の上側放熱板１１の内側部１１ｂおよびフィン部１１ｃが挿入され、他方の開口部１９ｅには他方の半導体モジュール６の下側放熱板１２の内側部１２ｂおよびフィン部１２ｃが挿入されている。

また、２枚の半導体モジュール６に挟まれた冷却器１９については、フィン部１１ｃ、１２ｃの両方が挿入されることになることから、図３２に示すようにフィン部１１ｃ、１２ｃとが重ならないように、互いの先端部がずれて配置されるようにしている。そして、フィン部１１ｃ、１２ｃの高さ方向における冷却器１９に形成される流動通路１９ｂの寸法ｈｃがフィン部１１ｃ、１２ｃの両方の高さ２×ｄｃを足した合計よりも小さくなるようにしている。このようにすることで、フィン部１１ｃ、１２ｃの両先端の間に隙間が形成されないようにすることができ、隙間を通じての冷媒抜けが生じないようにできて、冷却効率を向上させることが可能となる。

このように複数枚の半導体モジュール６を積層した半導体装置は、例えば図３３に示すようなインバータユニットに適用される。図３３に示したインバータユニットは、略長方体形状とされ、一面側には、半導体モジュール６や冷却器１９の積層方向において通路構成部１９ｂに繋げられたパイプ部材２００が備えられている。パイプ部材２００の先端にはナット部２０１が備えられ、このナット部２０１において図示しない他のパイプ部材などと連結されることで、冷媒の導入および排出が行われるようになっている。

また、半導体モジュール６や冷却器１９の積層方向と直交する一方向を法線方向とする一面から多層配線バスバー１３の一端側が突き出し、当該一面と反対側の面から多層配線バスバー１３の他端側が突き出している。多層配線バスバー１３の一端側に配置された正極および負極端子１３ａ、１３ｂには正極ターミナル２０２ａおよび負極ターミナル２０２ｂが接続され、これら各ターミナル２０２ａ、２０２ｂに図示しない電源の正極および負極が接続されて電力供給がなされる。多層配線バスバー１３の他端側に配置されたＵ〜Ｗ端子１３ｃ〜１３ｅにはＵ、Ｖ、Ｗターミナル２０２ｃ〜２０２ｅが接続されている。これら各ターミナル２０２ｃ〜２０２ｅに対してインバータユニットによって駆動される図示しないモータのＵ〜Ｗ端子が接続されて、各相に対応した電流供給がなされる。

ここでは半導体モジュール６を２枚備える例を示しているが、積層数を増やすほど、例えば昇圧機能を向上させることが可能となる。このため、昇圧機能が求められる電動システムに対しても対応可能となる。

また、２枚の半導体モジュール６の各Ｕ〜Ｗ端子１３ｃ〜１３ｅを同じモータのＵ〜Ｗ端子に接続することで、２枚の半導体モジュール６による並列駆動を行うこともできるし、異なるモータのＵ〜Ｗ端子に接続することで２つのモータの駆動を行うこともできる。その場合、２枚の半導体モジュール６の正極および負極端子１３ａ、１３ｂを異なる電源に接続すれば、異なる電圧によって２つのモータの駆動を行うこともできる。

なお、その場合には、隣り合う半導体モジュール６の正極および負極端子１３ａ、１３ｂの間やＵ〜Ｗ端子１３ｃ〜１３ｅの間を絶縁することが必要になる。したがって、図３２に示したように隣り合う正極および負極端子１３ａ、１３ｂの間やＵ〜Ｗ端子１３ｃ〜１３ｅの間などに絶縁材料にて構成されるスペーサ２０３を備えるようにすると好ましい。

また、インバータユニットは、四隅に配置された柱状のステー２０４と、半導体モジュール６の積層方向に延設されて２本のステー２０４を連結している支持部材２０５とによって構成される外枠部にて囲まれている。外枠部における各ステー２０４の両端には、制御回路が備えられたプリント基板２０６がネジ止めなどによって固定されている。このプリント基板２０６に形成されたスルーホール内に制御端子１４が挿通され、はんだ付けされることで制御端子１４と制御回路とが電気的に接続されている。そして、パイプ部材２００が設けられた一面側において、冷却器１９の表面に平滑コンデンサ４を構成するコンデンサモジュール２０７が固定されている。コンデンサモジュール２０７は、例えば誘電率が高いチタン酸バリウムで構成されるセラミックコンデンサとされ、板状部材とされている。勿論、ＰＰ材などのフィルムコンデンサによってコンデンサモジュール２０７を構成しても良いが、小型大容量のセラミックコンデンサを用いることで、冷却器１９が配置される程度の僅かな空間を有効に利用して、コンデンサモジュール２０７を搭載することが可能となる。これにより、インバータユニットの小型化が図れるようにしている。

このように、半導体モジュール６を複数枚備えた構造とすることができる。そして、このような半導体モジュール６を複数枚備えた構成によってインバータユニットを構成することもできる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

具体的には、掘り起こしによって形成されるフィン部１１ｃ、１２ｃの形状が楕円弧状であって、先端が先細りとなっていて、加えて掘り起こし方向と冷媒流れの方向とが鋭角をなす構造であれば良い。例えば、フィン部１１ｃ、１２ｃが形成される長方形状の上側および下側放熱板１１、１２の対角の位置に冷媒の導入および排出が行われる貫通孔１９ａが配置されている必要は無い。すなわち、掘り起こし方向と冷媒流れの方向とが鋭角をなすようにフィン部１１ｃ、１２ｃや冷媒導入および排出が行われる貫通孔１９ａが配置されていれば、上記各実施形態で示した配置でなくても良い。

また、発熱素子として半導体スイッチング素子５１ａ〜５６ａを例に上げて説明したが、発熱素子となる半導体素子が形成されていて、冷却器１９によって半導体素子の冷却を行う半導体装置であれば、他の構成に対しても本発明を適用できる。

また、フィン部１１ｃ、１２ｃを楕円弧状としたが、楕円弧状とは円弧状も含む概念である。また、フィン部１１ｃ、１２ｃの根元部から中腹部にかけては同じ厚みとし、中腹部から先端部に掛けて徐々に厚みが薄くなる先細りとなるようにしたが、根元部から先端部に掛けて全域にわたって徐々に厚みが薄くなる先細り形状であっても良い。

なお、上記実施形態では、外部電源となる直流電源２の正極側と正極端子１３ａ、負極側と負極端子１３ｂとを直接接続する形態について説明したが、正極端子１３ａは外部電源からの電圧印加が行われる端子で、負極端子１３ｂは低電位点に接続される端子である。このため、正極端子１３ａと外部電源との間や負極端子１３ｂと接地電位点との間に抵抗などの要素が備えられていても良い。

１ 三相インバータ回路
６ 半導体モジュール
１０ 半導体チップ
１１、１２ 上側および下側放熱板
１１ｂ、１２ｂ 内側部
１１ｃ、１２ｃ フィン部
１１ｄ、１２ｄ 凹部
１３ 多層配線バスバー
１８ 樹脂モールド部
１９ 冷却器

Claims (10)

1. 発熱素子となる半導体素子（５１ａ〜５６ａ）と、前記半導体素子を覆う板状の樹脂モールド部（１８）と、前記樹脂モールド部に封止されると共に、該樹脂モールド部の一面から露出させられ、前記半導体素子と絶縁されつつ、前記半導体素子の発した熱の放熱を行う放熱板（１１、１２）と、を有する半導体モジュール（６）と、
   前記半導体モジュールにおける前記放熱板が露出させられている一面に配置され、冷媒通路（１９ｂ）を構成し、該冷媒通路内に冷媒が流されることで前記放熱板からの放熱を促進させる冷却器（１９）と、を備え、
   前記放熱板には、該放熱板の表面を掘り起こして形成されたフィン部（１１ｃ、１２ｃ）が備えられ、該フィン部は先細り形状とされると共に根元部から先端部に至るまで湾曲した楕円弧状とされていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記フィン部の掘り起こし方向と前記冷媒が流れる方向である冷媒流れ方向とが鋭角をなしていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 楕円弧状とされた前記フィン部の凸面側が前記冷媒流れの上流側に向けられ、凹面側が前記冷媒流れの下流側に向けられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 楕円弧状とされた前記フィン部の凹面側が前記冷媒流れの上流側に向けられ、凸面側が前記冷媒流れの下流側に向けられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
5. 前記フィン部よりも下流に、該フィン部を掘り起こして形成された凹部（１１ｄ、１２ｄ）が位置していることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の半導体装置。
6. 前記フィン部の掘り起こし方向と前記冷媒流れ方向とのなす角度が０°より大きく４５°以下の鋭角であることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１つに記載の半導体装置。
7. 前記放熱板は、該放熱板における外縁部（１１ａ、１２ａ）と、該外縁部よりも内側となる内側部（１１ｂ、１２ｂ）とを有して構成され、前記内側部が前記外縁部から突き出していると共に該内側部の表面を掘り起こすことで前記フィン部が形成されており、
   前記冷却器は、前記冷媒通路を構成する中空板状部（１９ｃ）を有し、該中空板状部に、前記冷媒通路に繋がると共に前記内側部および前記フィン部が挿入される開口部（１９ｅ）が形成され、該中空板状部における前記開口部が形成された一面の厚みが前記内側部の前記外縁部からの突き出し量とされていることを特徴とする請求項２ないし６のいずれか１つに記載の半導体装置。
8. 前記フィン部の高さよりも、前記冷媒通路における前記フィン部の高さ方向の寸法の方が小さくされていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記冷却部を挟んで２つの前記半導体モジュールが配置され、
   前記冷却部における前記中空板状部のうち２つの前記半導体モジュールが配置される面それぞれに、２つの前記半導体モジュールに備えられた前記放熱板の前記フィン部および前記内側部が挿入される前記開口部が備えられており、
   ２つの前記半導体モジュールそれぞれの前記フィン部の高さの合計よりも、該フィン部の高さ方向における前記冷媒通路の寸法が小さくされ、
   ２つの前記半導体モジュールそれぞれの前記内側部の表面方向において、２つの前記半導体モジュールそれぞれの前記フィン部の形成位置がずらされていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
10. 前記フィン部における前記掘り起こし側の面の断面形状が先細り形状とされていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の半導体装置。

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