半導(dǎo)體裝置的制造方法
【專利摘要】半導(dǎo)體裝置的冷卻器(20)具有冷卻液的導(dǎo)入部(27)和排出部(28)、導(dǎo)入路徑(24)、排出路徑(25)以及冷卻用流路(26)。導(dǎo)入路徑(24)和排出路徑(25)具有非對稱的俯視形狀。導(dǎo)入路徑(24)與導(dǎo)入部(27)之間的連接部(271)與冷卻用流路(26)的位于在冷卻器(20)上排列的多個電路基板(13)正下方的部分相對。排出路徑(25)與排出部(28)之間的連接部(281)與冷卻用流路(26)的位于在冷卻器(20)上排列的多個電路基板(13)正下方的部分相對。
【專利說明】
半導(dǎo)體裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種具備供用于冷卻半導(dǎo)體元件的冷卻液循環(huán)流通的冷卻器的半導(dǎo)體裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在以混合動力汽車、電動汽車等為代表的使用電動機(jī)的設(shè)備中，為了節(jié)能而利用電力轉(zhuǎn)換裝置。在該電力轉(zhuǎn)換裝置中廣泛使用著半導(dǎo)體模塊。該半導(dǎo)體模塊為了控制大電流而具備功率半導(dǎo)體元件。
[0003]功率半導(dǎo)體元件在控制大電流時的發(fā)熱量大。另外，由于要求半導(dǎo)體模塊的小型化、輕量化而功率密度存在上升的趨勢，因此，在具備多個功率半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體模塊中，其冷卻方法影響電力轉(zhuǎn)換效率。
[0004]為了提高半導(dǎo)體模塊的冷卻效率，以往以來使用液冷式冷卻器。該液冷式的冷卻器內(nèi)置有作為散熱裝置的散熱片，通過使冷卻液在該冷卻器內(nèi)循環(huán)地流動來進(jìn)行冷卻。關(guān)于液冷式冷卻器，為了提高冷卻效率，想到了以下各種辦法等:增加冷卻液的流量、通過散熱片的精細(xì)化、復(fù)雜化來提高導(dǎo)熱率、或者提高構(gòu)成散熱片的材料的導(dǎo)熱率。
[0005]不過，在增加流向冷卻器的冷卻液流量或設(shè)成導(dǎo)熱率良好的散熱片形狀的情況下，容易產(chǎn)生使冷卻液在冷卻器內(nèi)部的壓力損失增加等不良狀況。尤其是，如下結(jié)構(gòu)的冷卻器的壓力損失的增加顯著:該冷卻器為了冷卻多個功率半導(dǎo)體元件而使用多個散熱片，在該冷卻器中，將這些散熱片串聯(lián)地設(shè)置在流路內(nèi)(專利文獻(xiàn)I)。為了降低這樣的壓力損失，需要設(shè)成以少的冷卻液流量來提高冷卻效率的結(jié)構(gòu)，期望將散熱片并排地配置在流路內(nèi)。
[0006]作為通過將散熱片并排地配置在流路內(nèi)來維持冷卻性能且謀求冷卻液的低壓力損失的冷卻器，存在如下一種冷卻器:在殼體內(nèi)將用于導(dǎo)入冷卻液的導(dǎo)入路徑和用于排出冷卻液的排出路徑相互平行地排列，在該導(dǎo)入路徑與排出路徑之間的冷卻流路中并排地配置多個散熱片(專利文獻(xiàn)2、3、4)。
[0007]專利文獻(xiàn)I:日本特開2012-64609號公報
[0008]專利文獻(xiàn)2:日本特開2004-103936號公報
[0009]專利文獻(xiàn)3:日本特開2001-35981號公報
[0010]專利文獻(xiàn)4:日本特開2011-155179號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]發(fā)明要解決的問題
[0012]但是，在專利文獻(xiàn)2?專利文獻(xiàn)4所記載的冷卻器中，雖然通過改進(jìn)散熱片、殼體內(nèi)的流路來謀求提高冷卻性能，但產(chǎn)生了由冷卻液的導(dǎo)入部、排出部的形狀及其連接部等所決定的壓力損失。因而，這些冷卻器雖然具有考慮到渦流的產(chǎn)生等而設(shè)計的流路，但在該流路中，主要在導(dǎo)入部、排出部的連接部等處產(chǎn)生的壓力上升大，從而施加在栗上的負(fù)荷大。因此，在考慮冷卻器的整個系統(tǒng)時，用于獲得高效且穩(wěn)定的冷卻性能的負(fù)荷大。另外，在相對于栗性能而言負(fù)荷較大的情況下，需要設(shè)計成栗的大容量化、使冷卻液流量降低的狀態(tài)，從而產(chǎn)生半導(dǎo)體元件的發(fā)熱溫度上升等不良狀況而使元件壽命降低或者容易產(chǎn)生故障等。
[0013]另外，在汽車等用途中要求冷卻器在具有充分的冷卻性能的同時實現(xiàn)小型化、薄壁化。因而，要求在謀求了小型化、薄壁化的冷卻器中使冷卻液的壓力損失降低。
[0014]本發(fā)明是鑒于所述問題而做出的，其目的在于提供一種具備冷卻器的半導(dǎo)體裝置，在該冷卻器中，對冷卻液的導(dǎo)入部、排出部的連接部等的形狀加以改進(jìn)來降低了該連接部等處的壓力損失。
[0015]用于解決問題的方案
[0016]為了實現(xiàn)上述目的，提供如以下那樣的半導(dǎo)體裝置。
[0017]—種半導(dǎo)體裝置，其包括:第I電路基板和第2電路基板;第I半導(dǎo)體元件和第2半導(dǎo)體元件，該第I半導(dǎo)體元件搭載在所述第I電路基板上，該第2半導(dǎo)體元件搭載在所述第2電路基板上；以及冷卻器，其搭載有所述第I電路基板和第2電路基板，該冷卻器用于冷卻所述第I半導(dǎo)體元件和第2半導(dǎo)體元件。冷卻器包括:散熱部，其具有第I面以及與該第I面相對的第2面，在所述第I面上接合有該第I電路基板和第2電路基板;散熱片，其設(shè)于所述第2面;殼體，其具有第I側(cè)壁以及與所述第I側(cè)壁相對的第2側(cè)壁，該殼體容納所述散熱片且連接于所述散熱部;冷卻液的導(dǎo)入部和排出部，該導(dǎo)入部設(shè)于所述第I側(cè)壁，該排出部設(shè)于該第2側(cè)壁;導(dǎo)入路徑，其連接于所述導(dǎo)入部且沿著所述第I側(cè)壁的內(nèi)表面形成;排出路徑，其連接于所述排出部且沿著所述第2側(cè)壁的內(nèi)表面形成；以及冷卻用流路，其形成于所述導(dǎo)入路徑與該排出路徑之間的、容納有所述散熱片的位置。另外，所述導(dǎo)入路徑和所述排出路徑具有相互非對稱的俯視形狀。另外，所述導(dǎo)入路徑與所述導(dǎo)入部之間的連接部與配置在所述冷卻器上的所述第2電路基板正下方的所述冷卻用流路相對。另外，所述排出路徑與所述排出部之間的連接部與配置在所述冷卻器上的所述第I電路基板正下方的所述冷卻用流路相對。
[0018]發(fā)明的效果
[0019]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置，針對冷卻器的小型化、薄壁化在壓力損失方面不利這一點，盡量減少冷卻液的流動的紊亂來使壓力損失降低，且將用于將導(dǎo)入部、排出部的配管連接起來的連接部設(shè)置在對于半導(dǎo)體元件的發(fā)熱而言適當(dāng)?shù)奈恢茫虼四軌蛴行У乩鋮s在冷卻器的外表面配置的半導(dǎo)體元件，能夠降低施加在用于使冷卻液循環(huán)的栗上的負(fù)荷，能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體元件的穩(wěn)定的工作。
【附圖說明】
[0020]圖1是表示本發(fā)明的實施方式I的半導(dǎo)體模塊的外觀的立體圖。
[0021]圖2是利用IIa-1Ia線向視截面來表示圖1的半導(dǎo)體模塊的一個例子的示意圖。
[0022]圖3是表示作為半導(dǎo)體模塊而構(gòu)成的電力轉(zhuǎn)換電路的一個例子的圖。
[0023]圖4是表示半導(dǎo)體模塊的冷卻器的殼體的主要部分的結(jié)構(gòu)的立體圖。
[0024]圖5是表示圖4的殼體的內(nèi)部構(gòu)造的俯視圖。
[0025]圖6是說明兩種散熱片的形狀的圖，圖6的(a)是表示翅片式散熱片的立體圖，圖6的(b)是表示波紋式散熱片的立體圖。
[0026]圖7是實施方式2的半導(dǎo)體模塊的連接部附近的放大圖。
[0027]圖8是表示殼體的冷卻用流路與電路基板之間的位置關(guān)系的俯視圖。
[0028]圖9是實施方式2的半導(dǎo)體模塊的連接部附近的放大圖。
[0029]圖10是表示實施方式3的半導(dǎo)體模塊的殼體的內(nèi)部構(gòu)造的俯視圖。
[0030]圖11是表示實施方式4的半導(dǎo)體模塊的殼體的內(nèi)部構(gòu)造的俯視圖。
[0031]圖12是表示實施例1的半導(dǎo)體模塊的殼體的內(nèi)部構(gòu)造的俯視圖。
[0032]圖13是表示比較例I的半導(dǎo)體模塊的殼體的內(nèi)部構(gòu)造的俯視圖。
[0033]圖14是表示比較例I和實施例1、2的壓力差的圖表。
[0034]圖15是實施例4的半導(dǎo)體模塊的連接部附近的放大圖。
[0035]圖16是表示實施例3?實施例5的壓力差的圖表。
[0036]圖17是表示實施例2和實施例3各自的半導(dǎo)體元件15的結(jié)溫的圖表。
[0037]圖18是表示實施例3?實施例5各自的半導(dǎo)體元件15的結(jié)溫的圖表。
[0038]圖19是實施方式5的半導(dǎo)體模塊的立體圖。
[0039 ]圖20是圖19的半導(dǎo)體模塊的XXa-XXa線向視截面所示的示意圖。
[0040]圖21是表示實施方式5的半導(dǎo)體模塊的冷卻器的內(nèi)部構(gòu)造的說明圖。
[0041]圖22是表示圖21的冷卻器的導(dǎo)入路徑和排出路徑中的冷卻液的流動的說明圖。
[0042]圖23是實施方式6的半導(dǎo)體模塊的分解立體圖。
[0043]圖24是實施方式7的半導(dǎo)體模塊的分解立體圖。
[0044]圖25是實施方式8的半導(dǎo)體模塊的分解立體圖。
【具體實施方式】
[0045]使用附圖對本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實施方式具體地進(jìn)行說明。在以下的說明中出現(xiàn)的“上”、“下”、“底”、“前”、“后”等表示方向的用語是參照附圖的方向來使用的。
[0046](實施方式I)
[0047]圖1是表示作為本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的一實施方式的、半導(dǎo)體模塊的一個例子的外觀的立體圖。圖2的(a)是利用IIa-1Ia線向視截面來表示圖1的半導(dǎo)體模塊的示意圖，圖2的(b)是圖2的(a)的放大局部示意圖。
[0048]如圖1和圖2的(a)、(b)所示，半導(dǎo)體模塊I包括多個電路元件部IlA?11F、12A?12F以及與這些電路元件部IlA?11F、12A?12F相連接的冷卻器20。
[0049]各電路元件部IlA?11F、12A?12F均具有例如在電路基板13上將兩種半導(dǎo)體元件
14、15各搭載兩個、即搭載合計4個半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)。由圖2的(b)可知，電路基板13是在絕緣板13a的兩個面形成有導(dǎo)體層13b、13c的結(jié)構(gòu)。
[0050]作為電路基板13的絕緣板13a，能夠使用例如氮化鋁、氧化鋁等絕緣性陶瓷基板。能夠使用銅、鋁等金屬(例如，銅箔)來形成導(dǎo)體層13b、13c。
[0051]使用焊料等的接合層16將半導(dǎo)體元件14、15接合于電路基板13中的形成有電路圖案的導(dǎo)體層13b側(cè)，從而半導(dǎo)體元件14、15經(jīng)由該接合層16或經(jīng)由鍵合線、母線等(未圖示)電連接于該導(dǎo)體層13b。搭載有半導(dǎo)體元件14、15的電路基板13在另一個導(dǎo)體層13c側(cè)經(jīng)由接合層17接合在冷卻器20的散熱基板21上。
[0052]通過這樣，電路基板13和半導(dǎo)體元件14、15成為能夠?qū)岬剡B接于冷卻器20的狀態(tài)。此外，也可以在導(dǎo)體層13b、13c的暴露的表面、將半導(dǎo)體元件14、15與導(dǎo)體層13b電連接起來的鍵合線等(未圖示)的表面上形成鍍鎳等保護(hù)層，以保護(hù)這些表面不受污染、腐蝕、夕卜力等影響。
[0053]作為搭載在這樣的電路基板13上的半導(dǎo)體元件14、15，在圖示的例子中，使用了功率半導(dǎo)體元件的芯片。在這些功率半導(dǎo)體元件之中，將一個半導(dǎo)體元件14作為續(xù)流二極管(Free Wheeling Di ode: FWD)，將另一個半導(dǎo)體元件15作為絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor:1GBT)。
[0054]半導(dǎo)體模塊I能夠利用如圖3所示那樣的6個電路元件部IlA?IlF來構(gòu)成逆變器電路71，另外，能夠利用6個電路元件部12A?12F來構(gòu)成逆變器電路72。
[0055]作為圖3的逆變器電路71、72，例示了將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流并將該交流電流提供給三相交流電動機(jī)73、74的逆變器電路。逆變器電路71是以下結(jié)構(gòu):將電路元件部IIA?電路元件部IlC作為上臂，將電路元件部IlD?電路元件部IlF作為下臂，連接利用鍵合線、母線等的配線(未圖示)，從而進(jìn)行輸入輸出、控制。另外，逆變器電路72是以下結(jié)構(gòu):將電路元件部12A?電路元件部12C作為上臂，將電路元件部12D?電路元件部12F作為下臂，連接利用鍵合線、母線等的配線(未圖示)，從而進(jìn)行輸入輸出、控制。這些逆變器電路71、72對于U相、V相、W相這三相分別具備由作為IGBT的半導(dǎo)體元件15和作為FWD的半導(dǎo)體元件14形成的橋式電路。通過對半導(dǎo)體元件15進(jìn)行開關(guān)控制，能夠?qū)⒅绷麟娏鬓D(zhuǎn)換為交流電流來驅(qū)動三相交流電動機(jī)73、74。
[0056]圖3所示的電力轉(zhuǎn)換電路利用6個電路元件部IlA?IlF或6個電路元件部12A?12F構(gòu)成了逆變器電路71或逆變器電路72。但是，如圖1中示出的12個電路元件部IlA?11F、12A?12F那樣，搭載在冷卻器20上的電路元件部的個數(shù)并不限定于6個。在圖1中，作為用于控制兩個三相交流電動機(jī)73、74的逆變器電路，逆變器電路71的結(jié)構(gòu)為以將電路元件部IlA?電路元件部IlC作為上臂且將電路元件部IlD?電路元件部IlF作為下臂的方式將電路元件部IIA?電路元件部IIF和電路元件部IID?電路元件部IIF搭載在冷卻器20上，逆變器電路72的結(jié)構(gòu)為以將電路元件部12A?電路元件部12C作為上臂且將電路元件部12D?電路元件部12F作為下臂的方式將電路元件部12A?電路元件部12C和電路元件部12D?電路元件部12F分別搭載在冷卻器20上，從而具有合計12個電路元件部。作為其它結(jié)構(gòu)，存在將使用用于進(jìn)行升降壓控制的規(guī)定數(shù)量的IGBT和FWD的電路元件部搭載在冷卻器上而成的結(jié)構(gòu)等。不管在哪種結(jié)構(gòu)中，均使用大小與電路元件部的配置區(qū)域相匹配的冷卻器20。
[0057]在圖1所示的例子中，冷卻器20具有:殼體22，其具有箱形形狀且在上方設(shè)有開口；散熱基板(散熱部)21，其具有平板形狀且以不產(chǎn)生液體泄漏的方式與該殼體22的側(cè)壁的上端相連接；以及散熱片23，其作為散熱裝置而具有換熱性能，該散熱片23安裝于該散熱基板21的與接合有各電路元件部IlA?11F、12A?12F的面(第I面)相反的一側(cè)的面(第2面)。多個散熱片23容納在殼體22的內(nèi)部，殼體22和散熱基板21通過彼此金屬性地接合或使密封構(gòu)件介于殼體22與散熱基板21之間而實現(xiàn)密閉。為了使殼體22與散熱基板21之間的金屬性的接合作業(yè)容易，期望殼體22和散熱基板21各自的接合部平坦。
[0058]在進(jìn)行以上使用圖3敘述的電力轉(zhuǎn)換電路的工作時，在各電路元件部IlA?11F、12A?12F處產(chǎn)生的熱經(jīng)由接合層17傳遞至散熱基板21，并進(jìn)一步傳遞至散熱片23。由于冷卻器20內(nèi)的散熱片23配置于后述的冷卻用流路內(nèi)，因此，通過使冷卻液在該冷卻用流路中流通，散熱片23被冷卻。發(fā)熱的電路元件部IlA?11F、12A?12F如此被冷卻器20冷卻。
[0059]圖4是表示冷卻器20的殼體22的主要部分的結(jié)構(gòu)的立體圖，箭頭表示冷卻液的流動方向。此外，在該圖中，為了方便說明，描繪了安裝于散熱基板21的散熱片23。圖5是表示圖4所示的冷卻器20的內(nèi)部構(gòu)造的俯視圖。
[0060]如圖4、圖5所示，冷卻器20的殼體22的外形是大致長方體形狀，其具有底壁22a和側(cè)壁22b。在殼體22的內(nèi)部形成有用于將冷卻液朝向散熱片23導(dǎo)入的導(dǎo)入路徑24、用于將通過散熱片23后的冷卻液排出的排出路徑25以及配置有散熱片23的冷卻用流路26。并且，在殼體22的側(cè)壁22b中的第I側(cè)壁、即殼體22的靠短邊側(cè)的一個側(cè)壁22bl上設(shè)有具有用于向殼體22的內(nèi)部導(dǎo)入冷卻液的導(dǎo)入口的導(dǎo)入部27。另外，在殼體22的側(cè)壁22b中的第2側(cè)壁、即殼體22的靠短邊側(cè)的另一個側(cè)壁22b2上設(shè)有具有用于自殼體22的內(nèi)部向外部排出冷卻液的排出口的排出部28。導(dǎo)入部27和排出部28為例如圓筒形狀。導(dǎo)入部27和排出部28設(shè)置在自殼體22的對角位置稍微偏向內(nèi)側(cè)的部位。導(dǎo)入部27和排出部28的軸線與冷卻用流路26的長邊方向、即冷卻液在冷卻用流路26中流通的方向(圖4的箭頭所示的方向)大致平行。另外，如圖示那樣，上臂的電路元件部IIA?11C、12A?12C和下臂的電路元件部IID?11F、12D?12F分別沿著冷卻液的流動方向以并排的方式配置為兩列。多個上臂用電路基板13(第I電路基板)和多個下臂用電路基板13(第2電路基板)分別整齊排列并并排地配置。
[0061]導(dǎo)入路徑24沿著設(shè)有導(dǎo)入部27的、殼體22的靠短邊側(cè)的一個側(cè)壁22bl的內(nèi)表面形成。另外，在導(dǎo)入路徑24與導(dǎo)入部27之間設(shè)有連接部271，導(dǎo)入路徑24以使自連接部271導(dǎo)入的冷卻液分散地流向冷卻用流路26的方式形成。連接部271以與冷卻用流路的位于電路基板13的正下方的部分相對的方式設(shè)置。在圖示的例子中，在與靠搭載于下臂的電路元件部IlD的半導(dǎo)體元件15(第2半導(dǎo)體元件)側(cè)的冷卻用流路26相對的部分設(shè)有連接部271。
[0062]排出路徑25沿著設(shè)有排出部28的、殼體22的靠短邊側(cè)的側(cè)壁22b2的內(nèi)表面形成。另外，在排出路徑25與排出部28之間設(shè)有連接部281，排出路徑25以將經(jīng)過冷卻用流路26后的冷卻液向排出部28排出的方式形成。連接部281以與冷卻用流路的位于電路基板13的正下方的部分相對的方式設(shè)置。在圖示的例子中，在與靠搭載于上臂的電路元件部12C的半導(dǎo)體元件15(第I半導(dǎo)體元件)側(cè)的冷卻用流路26相對的部分設(shè)有連接部281。
[0063]冷卻用流路26形成于導(dǎo)入路徑24與排出路徑25之間的、容納有散熱片23的位置，由此，構(gòu)成為使冷卻液流過作為散熱裝置的散熱片23的冷卻所需的部分。由于導(dǎo)入路徑24和排出路徑25沿著殼體22的短邊側(cè)的側(cè)壁22bl、22b2形成，因此，冷卻用流路26的在冷卻液的流通方向上的長度大于導(dǎo)入路徑24和排出路徑25的在冷卻液的流通方向上的長度。由此，有利于冷卻器20的小型化。
[0064]另外，冷卻用流路26能夠與電路元件部IlA?11F、12?12F的位置相配合地分割成多個流路。例如，在圖4所示的本實施方式中，冷卻用流路26被與導(dǎo)入路徑24及排出路徑25相連接的分隔部22c分割成兩部分。不過，如在后面使用圖10進(jìn)行說明的實施方式3那樣，也能夠設(shè)為不具有分隔部22c的結(jié)構(gòu)，這從降低壓力損失的觀點考慮是優(yōu)選的。導(dǎo)入路徑24和排出路徑25的長邊方向與冷卻用流路26的長邊方向大致正交。
[0065]在散熱基板21上，與搭載有半導(dǎo)體元件14、15的電路元件部IlA?11F、12A?12F相接合的位置會發(fā)熱。因此，將冷卻用流路26沿長邊方向分割成兩部分，使該分割后的流路分別與逆變器電路的上臂的電路元件部IIA?11C、12A?12C和下臂的電路元件部IID?11F、12D?12F相對應(yīng)。換言之，在這些電路元件部的正下方分別形成有供冷卻液平行地流動的兩個冷卻用流路。
[0066]在冷卻用流路26上設(shè)有多個散熱片23。由多個散熱片構(gòu)成的散熱裝置的外形為大致長方體，該散熱裝置以與冷卻液在冷卻用流路26內(nèi)流動的流動方向平行的方式配置。
[0067]圖6是散熱片的形狀的說明圖。例如，如圖6的(a)所示，冷卻器20的散熱片23能夠形成為并排地設(shè)置有板狀的散熱片要素的多個翅片式散熱片23a。翅片式散熱片23a配置在冷卻用流路26上，冷卻液沿圖6的(a)的箭頭所示的方向流通。翅片式散熱片23a固定于散熱基板21而與散熱基板21—體化。冷卻器20的散熱片23并不限定于圖6的(a)的翅片式散熱片23a，也能夠使用圖6的(b)所示的波紋式散熱片23b。另外，也能夠如后述那樣，設(shè)成通過擠出成形而由散熱基板21、散熱片23以及殼體22的底壁22a—體地形成的多孔板的結(jié)構(gòu)。
[0068]翅片式散熱片23a形成為如下尺寸(高度):在翅片式散熱片23a以與散熱基板21—體化的方式設(shè)置在殼體22內(nèi)時，在翅片式散熱片23a的頂端與殼體22的底壁22a之間存在固定的間隙C。另外，在波紋式散熱片23b的情況下，波紋式散熱片23b因通過釬焊與殼體22—體化而形成為不存在間隙C的形狀。
[0069]對于散熱片23的散熱片形狀，能夠使用以往公知的各種形狀。不過，由于散熱片23成為在冷卻用流路26內(nèi)流動的冷卻液的阻礙，因此期望使用對冷卻液造成的壓力損失小的形狀，因此，優(yōu)選為所述翅片式散熱片23a、波紋式散熱片23b。另外，優(yōu)選的是考慮向冷卻器20導(dǎo)入冷卻液的導(dǎo)入條件(S卩，栗性能等)、冷卻液的種類(粘性等)、作為目標(biāo)的排熱量等來對散熱片23的形狀和尺寸進(jìn)行適當(dāng)設(shè)定。另外，由散熱片23構(gòu)成的散熱裝置的外形為大致長方體，優(yōu)選為長方體，也可以為在不損害發(fā)明效果的范圍內(nèi)進(jìn)行倒角、變形后的形狀。
[0070]在使用冷卻器20時，例如，將與設(shè)于導(dǎo)入部27的上游側(cè)的栗(未圖示)相連接的配管(未圖示)連接于導(dǎo)入部27，將與設(shè)于排出部28的下游側(cè)的換熱器(未圖示)相連接的配管(未圖示)連接于排出部28。通過將經(jīng)換熱器換熱后的冷卻液引導(dǎo)至栗，從而構(gòu)成包括這些冷卻器20、栗以及換熱器在內(nèi)的閉環(huán)的冷卻液流路。利用栗強(qiáng)制地使冷卻液在這樣的閉環(huán)內(nèi)循環(huán)。作為冷卻液，能夠使用水、長效冷卻液(Long Life Coolant，LLC)等公知的冷卻介質(zhì)。
[0071]設(shè)于殼體22的側(cè)壁22bl的導(dǎo)入部27和設(shè)于殼體22的側(cè)壁22b2的排出部28的開口的高度(直徑)具有規(guī)定大小，使得能夠?qū)⒁?guī)定流量的冷卻液以低負(fù)荷導(dǎo)入到殼體22內(nèi)并將其自殼體22內(nèi)排出。另外，在具有規(guī)定的冷卻性能的范圍內(nèi)，盡可能使殼體22內(nèi)的導(dǎo)入路徑24、排出路徑25以及冷卻用流路26小型化、薄壁化。例如，對冷卻用流路26進(jìn)行薄壁化，使得冷卻用流路26的厚度與冷卻用流路26的整個寬度、即殼體22的長邊方向上的兩個側(cè)壁22b3之間的內(nèi)側(cè)尺寸的長度之比為1:8?1:12左右。因此，如圖1、圖2所示，在冷卻器20中，導(dǎo)入部27的開口的高度高于導(dǎo)入路徑24的高度。同樣地，排出部28的開口的高度高于排出路徑25的高度。
[0072]如圖7中連接部271附近的放大圖所示，導(dǎo)入部27與導(dǎo)入路徑24之間的連接部271具有自底面在從導(dǎo)入部27看時的進(jìn)深方向(冷卻用流路26的長邊方向)上傾斜地與導(dǎo)入路徑24的底面相連接的第I傾斜面271a。導(dǎo)入部27的底面以在冷卻器20的厚度方向上比導(dǎo)入路徑24和冷卻用流路26的底面遠(yuǎn)離散熱片23的頂端的方式形成。第I傾斜面271a與導(dǎo)入路徑24的底面之間通過曲面271c連接起來。第I傾斜面271a朝向冷卻器20的上方、散熱片23傾斜。
[0073]連接部271具有第I傾斜面271a，由此，自導(dǎo)入部27導(dǎo)入后的冷卻液沿著第I傾斜面271a流動，并以該流動方向上的流路截面積逐漸變小的方式被引導(dǎo)至導(dǎo)入路徑24和冷卻用流路26。
[0074]在排出部28側(cè)，與導(dǎo)入部27側(cè)同樣地，排出部28與排出路徑25之間的連接部281具有自底面在從排出部28看時的進(jìn)深方向(冷卻用流路26的長邊方向)上傾斜地與排出路徑25的底面相連接的第I傾斜面281a。排出部28的底面以在冷卻器20的厚度方向上比排出路徑25和冷卻用流路26的底面遠(yuǎn)離散熱片23的頂端的方式形成。第I傾斜面281a與排出路徑25的底面之間通過曲面281c連接起來。第I傾斜面281a朝向冷卻器20的上方、散熱片23傾斜。
[0075]連接部281具有第I傾斜面281a，由此，自冷卻用流路26通過排出路徑25后的冷卻液沿著第I傾斜面281a流動而去往排出部28。
[0076]如圖8所示，導(dǎo)入部27側(cè)的連接部271設(shè)置在與冷卻用流路26中的位于下臂的電路基板13的正下方的部分相對的位置。由此，能夠?qū)碜詫?dǎo)入部27的冷卻液直接引導(dǎo)至冷卻用流路26內(nèi)的最容易成為高溫的電路基板13的正下方的部分的散熱片，因此能夠使去往位于電路基板13的正下方的部分的散熱片的冷卻液的流速快于去往位于其它部分的散熱片的冷卻液的流速，進(jìn)而能夠有效地冷卻電路基板上的半導(dǎo)體元件14、15。在半導(dǎo)體元件14、15中，作為IGBT芯片的半導(dǎo)體元件15的發(fā)熱大于作為FWD芯片的半導(dǎo)體元件14的發(fā)熱，因此，更優(yōu)選的是，將導(dǎo)入部27側(cè)的連接部271設(shè)置在與冷卻用流路26中的位于半導(dǎo)體元件15(第2半導(dǎo)體元件)的正下方的部分相對的位置。導(dǎo)入部27側(cè)的連接部271位于自導(dǎo)入路徑的端部向中央偏離了相當(dāng)于冷卻用流路26的整個寬度的1/10?1/3的長度的位置。
[0077]另外，排出部28側(cè)的連接部281也同樣地設(shè)置在與冷卻用流路26中的位于電路基板13的正下方的部分相對的位置。由此，能夠?qū)⑼ㄟ^冷卻用流路26內(nèi)的最容易成為高溫的電路基板13的正下方的部分的散熱片23后的冷卻液直接引導(dǎo)至排出部28，因此能夠使通過位于電路基板13的正下方的部分的散熱片23后的冷卻液的流速快于通過位于其它部分的散熱片23后的冷卻液的流速，進(jìn)而能夠有效地冷卻電路基板上的半導(dǎo)體元件14、15。在半導(dǎo)體元件14、15中，作為IGBT芯片的半導(dǎo)體元件15的發(fā)熱大于作為FWD芯片的半導(dǎo)體元件14的發(fā)熱，因此，更優(yōu)選的是，將排出部28側(cè)的連接部281設(shè)置在與冷卻用流路26中的位于半導(dǎo)體元件15(第I半導(dǎo)體元件)的正下方的部分相對的位置。排出部28側(cè)的連接部281位于自導(dǎo)入路徑的端部向中央偏離了相當(dāng)于冷卻用流路26的整個寬度的1/10?1/3的長度的位置。
[0078]導(dǎo)入路徑24和排出路徑25具有相互非對稱的俯視形狀。具體而言，為了使冷卻液在自冷卻用流路26的寬度方向上的一端到另一端的范圍內(nèi)盡量均等地流動，使導(dǎo)入路徑24為寬度窄于排出路徑25的寬度的流路。與此相對，為了使冷卻液在自冷卻用流路26到排出部的范圍內(nèi)阻礙較小地流動，使排出路徑25為在一定程度上寬度較寬的流路。在圖示的例子中，排出路徑25的容積大于導(dǎo)入路徑24的容積。
[0079]另外，導(dǎo)入路徑24以使導(dǎo)入路徑24的截面積在導(dǎo)入路徑24的下游側(cè)減小的方式形成為隨著朝向?qū)肼窂?4的下游側(cè)去而流路寬度逐漸變小的形狀。由此，能夠在冷卻用流路26的與導(dǎo)入路徑24的下游側(cè)相連接的部分和冷卻用流路26的與導(dǎo)入路徑24的上游側(cè)相連接的部分處使冷卻液的流速分布均勻化。與此相對，排出路徑25并不是如導(dǎo)入路徑24那樣隨著朝向下游側(cè)去而流路寬度逐漸變小的形狀。
[0080]導(dǎo)入路徑24和排出路徑25具有互不相同、換言之非對稱的俯視形狀，因此，有助于有效地減少壓力損失。
[0081]具有這樣的結(jié)構(gòu)的殼體22能夠使用例如鋁、鋁合金、銅、銅合金等金屬材料來形成。例如，優(yōu)選使用A1050、A6063等材料，在需要與周邊構(gòu)件、特別是固定部、收納功率模塊的逆變器殼體之間進(jìn)行密封的情況下，優(yōu)選使用ADC12、A6061等材料。另外，在通過壓鑄來制造殼體22且要求導(dǎo)熱性的情況下，還能夠應(yīng)用三菱樹脂株式會社的作為壓鑄用高導(dǎo)熱鋁合金的DMS系列材料。在使用這樣的金屬材料來形成殼體22的情況下，能夠通過例如壓鑄來形成如上述那樣的導(dǎo)入路徑24、排出路徑25、冷卻用流路26、導(dǎo)入部27、連接部271、排出部28以及連接部281。雖然連接部271和連接部281為復(fù)雜形狀，但采用壓鑄，能夠易于制作這樣的復(fù)雜形狀的殼體22。除此以外，殼體22還能夠使用含有碳填料的金屬材料。另外，還能夠根據(jù)冷卻液的種類、在殼體22內(nèi)流動的冷卻液的溫度等而使用陶瓷材料、樹脂材料等。
[0082]與殼體22同樣地，能夠使用例如鋁、鋁合金、銅、銅合金等金屬材料來形成散熱片23和散熱基板21。例如，優(yōu)選使用A1050、A6063等。更優(yōu)選的是，能夠使用導(dǎo)熱率為200W/mK以上的鋁。散熱片23和散熱基板21既可以為同種金屬材料，也可以為不同種類的金屬材料。除使用所述翅片式散熱片23a、波紋式散熱片23b等來形成散熱片23以外，例如，還能夠通過將使用金屬材料形成的規(guī)定的銷、板體接合于金屬制的基材來形成散熱片23。另外，散熱片23能夠通過壓鑄、釬焊等而與散熱基板21本身一體地形成。并且，還能夠是，在通過壓鑄使散熱基板21的要形成散熱片23的部分形成為凸形狀之后，通過線切割法將該部分切削成散熱片形狀，從而形成散熱片23。而且，還能夠是，通過金屬材料的擠出成形來成形多孔板，從而設(shè)成散熱基板21、散熱片23以及殼體22—體地形成的形狀。
[0083]還能夠通過使O型密封圈等介于殼體22的側(cè)壁22b的上端與散熱基板21的端部之間來進(jìn)行密封，但從能夠可靠地防止液體泄漏的觀點考慮，優(yōu)選殼體22的側(cè)壁22b的上端和散熱基板21的端部沿著側(cè)壁22b被金屬性地接合。該金屬性的接合更優(yōu)選為攪拌摩擦焊(Frict1n Stir Welding)。利用攪拌摩擦焊接合的接合部具有攪拌摩擦焊所特有的金屬組織。通過設(shè)為攪拌摩擦焊，能夠使殼體22的側(cè)壁22b的上端與散熱基板21的端部之間的接合可靠。另外，在攪拌摩擦焊中，能夠一邊支承殼體22的底面一邊使攪拌摩擦焊的工具自上方緊貼殼體22與散熱基板21之間的接合界面并進(jìn)行接合，因此能夠進(jìn)行更可靠的接合。并且，通過利用攪拌摩擦焊進(jìn)行接合，作為散熱基板21的材料，能夠使用例如A6063和DMS系列的合金、大紀(jì)招工業(yè)所(Daiki Aluminium Industry C0.,Ltd)的作為壓鑄用高導(dǎo)熱招合金的HT-1等導(dǎo)熱率高的材料，從而能夠提高散熱性。也就是說，通過使散熱基板21的材料為與殼體22的材料不同的組成且導(dǎo)熱率比殼體22的導(dǎo)熱率高的材料，能夠提高散熱性。
[0084]在殼體22具有分隔部22c的情況下，從能夠防止因散熱基板21的熱變形所導(dǎo)致的散熱片23與殼體22的底壁22a之間的間隙C的擴(kuò)大的觀點考慮，優(yōu)選該分隔部22c也通過攪拌摩擦焊與散熱基板21相接合。
[0085]在要通過攪拌摩擦焊使殼體22與散熱基板21相接合的情況下，至少殼體22的側(cè)壁22b的上端和散熱基板21的端部為平坦，從使接合作業(yè)容易的觀點考慮，優(yōu)選的是散熱基板21為平板形狀。另外，通過使散熱基板21具有規(guī)定的厚度，能夠具有針對熱變形的可靠性和良好的散熱性。關(guān)于散熱基板21的厚度而言，例如，散熱基板21的與散熱片相接合的區(qū)域中的厚度期望為Imm?3mm。并且，通過以使導(dǎo)入部27的上表面位于比散熱基板21的底面靠下側(cè)的位置的方式配置導(dǎo)入部27，能夠減小在導(dǎo)入部27和連接部271處產(chǎn)生的紊流，因此能夠使接合作業(yè)容易且提高冷卻效率。
[0086]這樣，通過使用連接部271的軸線與冷卻用流路26的位于電路基板13正下方的部分相對、且連接部281的軸線與冷卻用流路26的位于電路基板13正下方的部分相對的冷卻器20，能夠提高冷卻效率。
[0087](實施方式2)
[0088]接下來，說明本發(fā)明的實施方式2的半導(dǎo)體裝置。本實施方式的半導(dǎo)體裝置除了實施方式I的半導(dǎo)體裝置中的連接部271和連接部281的形狀以外具有與實施方式I的半導(dǎo)體裝置同樣的結(jié)構(gòu)。因而，下面說明連接部271和連接部281的形狀。另外，對于具有與在對實施方式I的半導(dǎo)體裝置進(jìn)行說明的圖5和圖7中記載的構(gòu)件及其部分相同的功能的構(gòu)件、部分標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記，以下省略重復(fù)說明。
[0089]圖9示出實施方式2的半導(dǎo)體裝置的連接部271的放大圖。與圖7所示的實施方式I的第I傾斜面271a相比，圖9的連接部271的第I傾斜面271a具有延伸到導(dǎo)入路徑24的底面?zhèn)鹊男螤睢Ａ硗?，在曲?71c與導(dǎo)入路徑24的底面之間具有第2傾斜面271b，該第2傾斜面271b在導(dǎo)入路徑24的長邊方向上自底面傾斜地連接于導(dǎo)入路徑24的底面。第2傾斜面271b也朝向冷卻器20的上側(cè)傾斜。冷卻器20的上表面與第2傾斜面271b所成的角小于90度。
[0090]在實施方式2的半導(dǎo)體裝置中，連接部271具有第2傾斜面271b，由此，自導(dǎo)入部27導(dǎo)入后的冷卻液在導(dǎo)入路徑24的長邊方向上沿著第2傾斜面271b流動，并以該流動方向上的流路截面積逐漸擴(kuò)大的方式被引導(dǎo)至導(dǎo)入路徑24。因而，與實施方式I的半導(dǎo)體裝置相比，在連接部271不僅具有第I傾斜面271a、而且具有第2傾斜面271b的實施方式2的半導(dǎo)體裝置中，能夠局部地擴(kuò)大連接部271的流路，因此能夠更有效地降低連接部271處的壓力損失。由此，能夠有效地冷卻與冷卻器20的散熱基板21相接合的電路元件部IlA?11F、12A?12F的半導(dǎo)體元件14、15并降低施加在用于使冷卻液循環(huán)的栗上的負(fù)荷，還能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體元件的穩(wěn)定的工作。
[0091]在圖9的放大圖中，圖示了導(dǎo)入部27的連接部271，但排出部28的連接部281也能夠同樣地設(shè)為如下結(jié)構(gòu):與圖7所示的實施方式I的第I傾斜面281a相比，第I傾斜面281a具有延伸到排出路徑25的底面?zhèn)鹊男螤睿以谇?81c與排出路徑25的底面之間具有第2傾斜面281b，該第2傾斜面281b在排出路徑25的長邊方向上自底面傾斜地連接于排出路徑25的底面(參照圖11)。通過使排出部28的連接部281具有第I傾斜面281a和第2傾斜面281b，能夠更有效地降低連接部281處的壓力損失。
[0092](實施方式3)
[0093]接下來，說明本發(fā)明的實施方式3的半導(dǎo)體裝置。本實施方式的半導(dǎo)體裝置除了實施方式I的半導(dǎo)體裝置中的冷卻用流路26的結(jié)構(gòu)以外具有與實施方式I的半導(dǎo)體裝置同樣的結(jié)構(gòu)。因而，下面說明本實施方式的冷卻用流路26的結(jié)構(gòu)。
[0094]圖10中示出表示本實施方式的半導(dǎo)體裝置中的冷卻器20的內(nèi)部構(gòu)造的俯視圖。圖10是與示出實施方式I的冷卻器的圖5對應(yīng)的附圖，對于與圖5所示的構(gòu)件相同的構(gòu)件標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記，因此對各構(gòu)件省略重復(fù)說明。
[0095]圖10所示的殼體22在有無與導(dǎo)入路徑24及排出路徑25相連接的分隔部22c這一方面不同于圖5所示的實施方式I的半導(dǎo)體裝置的殼體22。本實施方式的殼體22不具有圖5所示的分隔部22c，由此，與圖5所示的實施方式I的冷卻用流路26相比，圖10的冷卻用流路26能夠進(jìn)一步降低整個冷卻用流路26的壓力損失。
[0096](實施方式4)
[0097]接下來，使用圖11來說明本發(fā)明的實施方式4的半導(dǎo)體裝置。在本實施方式的半導(dǎo)體裝置中，實施方式3的半導(dǎo)體裝置中的導(dǎo)入部27側(cè)的連接部271的第I傾斜面271a如圖9所示那樣具有延伸到導(dǎo)入路徑24的底面?zhèn)鹊男螤钋揖哂械?傾斜面271b。排出部28側(cè)也是同樣的。除此以外的結(jié)構(gòu)具有與實施方式3的半導(dǎo)體裝置同樣的結(jié)構(gòu)。
[0098]在實施方式4的半導(dǎo)體裝置中，連接部271具有第2傾斜面271b，由此，與實施方式3的半導(dǎo)體裝置相比，能夠局部地擴(kuò)大連接部271的流路，因此能夠更有效地降低連接部271處的壓力損失。另外，連接部281具有第2傾斜面281b，由此，與實施方式3的半導(dǎo)體裝置相比，能夠局部地擴(kuò)大連接部281的流路，因此能夠更有效地降低連接部281處的壓力損失。
[0099]為了確認(rèn)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的效果，準(zhǔn)備了設(shè)于殼體22的導(dǎo)入路徑24與導(dǎo)入部27之間的連接部271的位置在殼體22的短邊方向上不同的多個冷卻器20并調(diào)查了壓力損失。
[0100]實施例1的冷卻器20包括圖12所示的冷卻器20的殼體22。具體而言，實施例1是設(shè)于殼體22的導(dǎo)入路徑24與導(dǎo)入部27之間的連接部271被設(shè)于與殼體22的長邊方向上的側(cè)壁22b3的內(nèi)側(cè)相接觸那樣的位置的例子。
[0101]比較例I的冷卻器具有圖13所示的殼體122。具體而言，比較例I是設(shè)于殼體122的導(dǎo)入路徑24與導(dǎo)入部27之間的連接部271被設(shè)于比殼體22的長邊方向上的側(cè)壁22b3靠殼體2 2的短邊方向外側(cè)的位置的例子。
[0102]實施例2的冷卻器包括圖5所示的殼體22。
[0103]將針對所述實施例1、2和比較例I的冷卻器對冷卻液的導(dǎo)入部與排出部之間的壓力差進(jìn)行調(diào)查所得到的結(jié)果表示在圖14的圖表中。由圖14可知，與比較例I的冷卻器相比，實施例1、2的冷卻器的壓力損失較低，尤其是實施例2的冷卻器的壓力損失低于實施例1的壓力損失。根據(jù)熱流體模擬的比較結(jié)果，在流過10L/min的冷卻液的情況下，在比較例I中的壓力差為9kPa，在實施例1中的壓力差為6.7kPa，在實施例2中的壓力差為6.0kpa0
[0104]在冷卻用流路26中流動的冷卻液的壓力中存在冷卻介質(zhì)與所配置的散熱片23相碰撞的壓力、冷卻液在散熱片23之間流動時產(chǎn)生的壓力、冷卻液流出排出路徑時產(chǎn)生的壓力。在比較例I中，使用殼體22的側(cè)壁22b3來強(qiáng)制地使冷卻液在導(dǎo)入路徑24中流動，由此在導(dǎo)入部27側(cè)的連接部271、排出部側(cè)的連接部281處產(chǎn)生壓力。與此相對，在實施例1、實施例2中，能夠在不較大地改變冷卻液流動的情況下將冷卻液輸送到冷卻用流路26內(nèi)，因此能夠減小施加在用于使冷卻液循環(huán)的栗上的負(fù)荷。
[0105]接下來，為了對圖10所示的半導(dǎo)體模塊中的殼體22不具有圖5所示的分隔部22c、即不使冷卻用流路26分支的情況下的效果以及具有圖11所示的本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊中的連接部271的第2傾斜面271b和連接部281的第2傾斜面281b的情況下的效果進(jìn)行確認(rèn)，準(zhǔn)備了不具有分隔部22c的多個冷卻器20并調(diào)查了壓力損失，該多個冷卻器20因有無第2傾斜面271b、281b而不同。另外，對冷卻器20上的電路元件部IlA?IlF的半導(dǎo)體元件15的發(fā)熱狀況進(jìn)行了調(diào)查。
[0106]實施例3的冷卻器20包括圖10所示的冷卻器20的殼體22。具體而言，實施例3是不具有第2傾斜面271b、281b的例子。
[0107]如圖15中連接部271附近的放大圖所示，實施例4的冷卻器20是具有第2傾斜面271b、281b且用于形成第2傾斜面271b、281b的倒角的長度為5mm的例子。除了倒角長度不同之外，實施例4的冷卻器20包括與接下來說明的實施例5同樣的殼體22。
[0108]實施例5的冷卻器20包括圖11所示的冷卻器20的殼體22。具體而言，如圖9中連接部271附近的放大圖所示，實施例5是具有該第2傾斜面271b、281b且用于形成第2傾斜面271b、281b的倒角的長度為1mm的例子。
[0109]將針對所述實施例3?實施例5的冷卻器對冷卻液的導(dǎo)入部與排出部之間的壓力差進(jìn)行調(diào)查所得到的結(jié)果表示在圖16的圖表中。由圖16可知，實施例3的冷卻器的壓力損失低于圖14的實施例2的壓力損失。根據(jù)熱流體模擬的比較結(jié)果，在流過10L/min的冷卻液的情況下，實施例2的壓力差為6.0kpa，而實施例3的壓力差為4.6kpa。由此可知，通過不在冷卻用流路26上設(shè)置分隔部22c、而在冷卻用流路26上全部配置散熱片23，與具有分隔部22c的實施例2相比，能夠降低Ikpa左右以上的壓力損失。
[0110]圖17中示出針對具有實施例2的冷卻器的半導(dǎo)體模塊和具有實施例3的冷卻器的半導(dǎo)體模塊對電路元件部IlA?IlF各自的半導(dǎo)體元件15的結(jié)溫進(jìn)行測量得到的結(jié)果。由圖17可知，與具有實施例2的冷卻器的半導(dǎo)體模塊相比，具有實施例3的冷卻器的半導(dǎo)體模塊中的半導(dǎo)體元件15的溫度較低且溫度偏差較小。
[0111 ]另外，利用圖18所示的圖表對因有無倒角和倒角程度的差異而不同的實施例3?實施例5的冷卻器的壓力損失進(jìn)行對比可知，與進(jìn)行了5mm的倒角的實施例4相比，進(jìn)行了1mm的倒角的實施例5的壓力損失較小。在實施例3和實施例5中，壓力損失相同。利用測量結(jié)果的圖表對圖18所示的電路元件部IlA?IlF各自的半導(dǎo)體元件15的結(jié)溫進(jìn)行對比可知，與實施例3相比，實施例5中的電路元件部IlA?IlF各自的半導(dǎo)體元件15的溫度偏差更小。
[0112](實施方式5)
[0113]將作為本發(fā)明的實施方式5的半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體模塊3的立體圖表示在圖19中。圖19所示的半導(dǎo)體模塊是冷卻液的導(dǎo)入部37和排出部38設(shè)于冷卻器30的底壁的例子。圖中的箭頭表示冷卻液的流動方向。
[0114]另外，圖20的(a)是利用XXa-XXa線向視截面表示圖19的半導(dǎo)體模塊的示意圖，圖20的(b)是圖20的(a)的放大局部示意圖。
[0115]如圖19和圖20的(a)、(b)所示，半導(dǎo)體模塊3包括多個電路元件部IlA?11F、12A?12F以及與這些電路元件部IIA?11F、12A?12F相連接的冷卻器30。各電路元件部IIA?11F、12A?12F與圖1所示的半導(dǎo)體模塊3的電路元件部IlA?11F、12A?12F相同，因此，以下省略重復(fù)說明。
[0116]在本實施方式中，冷卻器30具有:殼體32，其具有箱形形狀且在上方設(shè)有開口；散熱基板(散熱部)31，其具有平板形狀且以不產(chǎn)生液體泄漏的方式與該殼體32的側(cè)壁的上端相連接；以及散熱片33，其作為散熱裝置而具有換熱性能，該散熱片33安裝于該散熱基板31的與接合有各電路元件部IlA?11F、12A?12F的面(第I面)相反的一側(cè)的面(第2面)。圖20所示的本實施方式的冷卻器30具有如下形狀:在設(shè)有散熱片33的區(qū)域中，散熱片33的根部和散熱基板31—體地形成，且散熱片33的頂端和殼體32的底壁一體地形成。這樣的形狀是能夠通過利用金屬材料的擠出成形來制作具有多個孔的多孔板(多孔管)而獲得的。與通過將散熱基板31、殼體32以及散熱片33各自單獨地準(zhǔn)備并將這些構(gòu)件接合來制造冷卻器30的方法相比，利用擠出成形來制作多孔板的方法簡單且能夠低成本地制造。另外，如圖示那樣，上臂的電路元件部IlA?11C、12A?12C和下臂的電路元件部IlD?11F、12D?12F分別沿著冷卻液的流動方向以并排的方式配置為兩列。多個上臂用電路基板13(第2電路基板)和多個下臂用電路基板13(第I電路基板)分別整齊排列并并排地配置。
[0117]在包括多孔板的冷卻器30中，在各電路元件部IIA?11F、12A?12F處產(chǎn)生的熱自電路基板13傳遞至包括多孔板的上表面的、相當(dāng)于散熱基板31的部分，并進(jìn)一步傳遞至多孔板的相互配合的孔的隔壁。多孔板的相互配合的孔的隔壁相當(dāng)于冷卻器30內(nèi)的散熱片33，多孔板的孔相當(dāng)于后述的冷卻用流路，因此，通過使冷卻液在多孔板的孔、即冷卻用流路中流通，散熱片33被冷卻。發(fā)熱的電路元件部IIA?11F、12A?12F如此被冷卻器30冷卻。
[0118]圖21是表示冷卻器30的內(nèi)部構(gòu)造的俯視圖(該圖的(a))和XXIb-XXIb線向視截面圖(該圖的(b))。如圖21所示，冷卻器30的外形為大致長方體形狀。冷卻器30包括冷卻液的導(dǎo)入頭部30a、由多孔板構(gòu)成的冷卻用流路部30c以及冷卻液的排出頭部30b。導(dǎo)入頭部30a配置于冷卻器30的第I側(cè)壁側(cè)，排出頭部30b配置于與第I側(cè)壁相對的第2側(cè)壁側(cè)。
[0119]在導(dǎo)入頭部30a的底壁設(shè)有用于向冷卻器30的內(nèi)部導(dǎo)入冷卻液的導(dǎo)入部37。在導(dǎo)入頭部30a的內(nèi)部具有用于將冷卻液朝向冷卻用流路部30c的散熱片33導(dǎo)入的導(dǎo)入路徑34以及設(shè)于該導(dǎo)入路徑34與導(dǎo)入部37之間的連接部371。
[0120]在排出頭部30b的底壁設(shè)有用于將冷卻液自冷卻器30的內(nèi)部向外部排出的排出部38。在排出頭部30b的內(nèi)部具有用于將來自冷卻用流路部30c的冷卻液向排出部38排出的排出路徑35以及設(shè)于該排出路徑35與排出部38之間的連接部381。
[0121]導(dǎo)入部37和排出部38設(shè)置在自冷卻器30的對角位置稍微偏向內(nèi)側(cè)的位置。導(dǎo)入部37和排出部38的軸線與冷卻用流路36的長邊方向、即冷卻液在冷卻用流路36中流通的方向大致正交。
[0122]導(dǎo)入路徑34沿著設(shè)有導(dǎo)入部37的導(dǎo)入頭部30a的側(cè)壁321的內(nèi)表面以使自連接部371導(dǎo)入的冷卻液分散地流向冷卻用流路36的方式形成。另外，在導(dǎo)入路徑34與導(dǎo)入部37之間設(shè)有連接部371。該連接部371以與冷卻用流路的位于電路基板13(第2電路基板)的正下方的部分相對的方式設(shè)置。
[0123]排出路徑35沿著設(shè)有排出部38的排出頭部30b的側(cè)壁322的內(nèi)表面以將經(jīng)過冷卻用流路36后的冷卻液向排出部38排出的方式形成。另外，在排出路徑35與排出部38之間設(shè)有連接部381。該連接部381以與冷卻用流路的位于電路基板13(第I電路基板)的正下方的部分相對的方式設(shè)置。
[0124]冷卻用流路36形成于導(dǎo)入路徑34與排出路徑35之間的、在長邊方向的兩個側(cè)壁323之間容納有散熱片33的位置，由此，構(gòu)成為使冷卻液流過作為散熱裝置的散熱片33的冷卻所需的部分。由于導(dǎo)入路徑34和排出路徑35沿著冷卻器30的短邊側(cè)的側(cè)壁321、322形成，因此，冷卻用流路36的在冷卻液的流通方向上的長度大于導(dǎo)入路徑34和排出路徑35的在冷卻液的流通方向上的長度。由此，有利于冷卻器30的小型化。
[0125]另外，冷卻用流路36沒有如以上說明的實施方式I的半導(dǎo)體裝置那樣被分隔部分割成兩部分。由此，有利于謀求降低壓力損失。不過，本實施方式的半導(dǎo)體裝置并不排除在冷卻用流路36上設(shè)置分隔部來與電路元件部IlA?11F、12A?12F的位置相配合地將冷卻用流路36分割成多個流路的做法。
[0126]導(dǎo)入路徑34和排出路徑35的長邊方向與冷卻用流路36的長邊方向大致正交。
[0127]在冷卻用流路36上設(shè)有多個散熱片33。由多個散熱片構(gòu)成的散熱裝置的外形為大致長方體，該散熱裝置以與冷卻液在冷卻用流路36內(nèi)流動的流動方向平行的方式配置。在本實施方式中通過擠出成形來形成的多孔板的隔壁相當(dāng)于散熱裝置的散熱片。在如在以上的實施方式I中說明的那樣冷卻器30是將各自單獨地準(zhǔn)備的散熱基板、殼體以及散熱片接合起來而成的情況下，還能夠使用圖6所示的翅片式散熱片23a、波紋式散熱片23b。
[0128]在使用冷卻器30時，例如，將與設(shè)于導(dǎo)入部37的上游側(cè)的栗(未圖示)相連接的配管(未圖示)連接于導(dǎo)入部37，將與設(shè)于排出部38的下游側(cè)的換熱器(未圖示)相連接的配管(未圖示)連接于排出部38。通過將經(jīng)換熱器換熱后的冷卻液引導(dǎo)至栗，從而構(gòu)成包括這些冷卻器30、栗以及換熱器在內(nèi)的閉環(huán)的冷卻液流路。利用栗強(qiáng)制地使冷卻液在這樣的閉環(huán)內(nèi)循環(huán)。作為冷卻液，能夠使用水、長效冷卻液(LLC)等。
[0129]在具有規(guī)定的冷卻性能的范圍內(nèi)，盡可能使設(shè)有導(dǎo)入部37和導(dǎo)入路徑34的導(dǎo)入頭部30a、設(shè)有排出部38和排出路徑35的排出頭部30b以及形成有冷卻用流路36的冷卻用流路部30c小型化、薄壁化。例如，對冷卻用流路部30c進(jìn)行薄壁化，使得冷卻用流路36的厚度與冷卻用流路36的整個寬度、即殼體32的長邊方向上的內(nèi)壁之間的長度之比為1:8?1:14左右。
[0130]導(dǎo)入部37與導(dǎo)入路徑34之間的連接部371由形成于導(dǎo)入頭部30a內(nèi)的內(nèi)壁形成。該內(nèi)壁包括:圓弧狀側(cè)壁371a，基于導(dǎo)入部37觀察，該圓弧狀側(cè)壁371a位于與冷卻用流路36相反的一側(cè)，該圓弧狀側(cè)壁371a與導(dǎo)入部37的開口(導(dǎo)入口)大致同心;直線狀側(cè)壁371b，其與該圓弧狀側(cè)壁371a的一端相連接，并朝向冷卻用流路36的寬度方向端部延伸；以及直線狀側(cè)壁371c，其與該圓弧狀側(cè)壁371a的一端相連接，并與冷卻用流路36的長邊方向大致平行地延伸。
[0131]連接部371由所述結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁形成，由此，自導(dǎo)入部37導(dǎo)入到連接部371后的冷卻液在一部分冷卻液去往冷卻用流路36的寬度方向端部的同時被引導(dǎo)至導(dǎo)入路徑34和冷卻用流路36。
[0132]排出部38與排出路徑35之間的連接部381由形成于排出頭部30b內(nèi)的內(nèi)壁形成。該內(nèi)壁包括:圓弧狀側(cè)壁381a，基于排出部38觀察，該圓弧狀側(cè)壁381a位于與冷卻用流路36相反的一側(cè)，該圓弧狀側(cè)壁381a的中心與排出部38的開口(排出口)的中心不同；直線狀側(cè)壁381b，其與該圓弧狀側(cè)壁381a的一端相連接，并與冷卻用流路36的長邊方向大致平行地延伸；以及直線狀側(cè)壁381c，其與該圓弧狀側(cè)壁381a的另一端相連接，并與冷卻用流路36的長邊方向大致平行地延伸。排出口形成于將直線狀側(cè)壁381b與直線狀側(cè)壁381c之間一分為二而得到的區(qū)域中的靠直線狀側(cè)壁381c側(cè)、即偏向?qū)氩?7的導(dǎo)入口的位置。
[0133]連接部381由所述結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁形成，由此，自冷卻用流路36通過排出路徑35后的冷卻液在連接部381處會聚并流向排出部38。由于將排出口配置于比連接部381的長邊方向中心線偏向?qū)肟诘奈恢?，因此，在連接部381中流動的冷卻液的流量相對于連接部381的截面成為非對稱，如圖22所示，冷卻液一邊卷起漩渦一邊自排出口向排出部38流出。在圖示的例子中，冷卻液沿逆時針方向卷起漩渦。通過采用這樣的構(gòu)造，在并排地配置的上臂用電路基板13和下臂用電路基板13各自的正下方流動的冷卻液在不怎么碰撞的情況下在排出路徑35和連接部381中順暢地流動而自排出部38流出。能夠降低在冷卻器30中的壓力損失。
[0134]根據(jù)圖19與圖21之間的位置關(guān)系的對比可知，導(dǎo)入部37側(cè)的連接部371設(shè)置在與冷卻用流路36中的位于電路基板13的正下方的部分相對的位置。由此，能夠?qū)碜詫?dǎo)入部37的冷卻液直接引導(dǎo)至冷卻用流路36內(nèi)的最容易成為高溫的電路基板13的正下方的部分的散熱片33，因此，能夠使去往位于電路基板13的正下方的部分的散熱片的冷卻液的流速快于去往位于其它部分的散熱片的冷卻液的流速，進(jìn)而能夠有效地冷卻電路基板上的半導(dǎo)體元件14、15。在半導(dǎo)體元件14、15中，作為IGBT芯片的半導(dǎo)體元件15的發(fā)熱大于作為FWD芯片的半導(dǎo)體元件14的發(fā)熱，因此，更優(yōu)選的是，將導(dǎo)入部37側(cè)的連接部371設(shè)置在與冷卻用流路36中的位于半導(dǎo)體元件15(第2半導(dǎo)體元件)的正下方的部分相對的位置。導(dǎo)入部37側(cè)的連接部371位于自導(dǎo)入路徑的端部向中央偏離了相當(dāng)于冷卻用流路26的整個寬度的1/10?1/3的長度的位置。
[0135]另外，排出部38側(cè)的連接部381也同樣地設(shè)置在與冷卻用流路36中的位于電路基板13的正下方的部分相對的位置。由此，能夠?qū)⑼ㄟ^冷卻用流路36內(nèi)的最容易成為高溫的電路基板13的正下方的部分的散熱片33后的冷卻液直接引導(dǎo)至排出部38，因此能夠使通過位于電路基板13的正下方的部分的散熱片33后的冷卻液的流速快于通過位于其它部分的散熱片33后的冷卻液的流速，進(jìn)而能夠有效地冷卻電路基板上的半導(dǎo)體元件14、15。在半導(dǎo)體元件14、15中，作為IGBT芯片的半導(dǎo)體元件15的發(fā)熱大于作為FWD芯片的半導(dǎo)體元件14的發(fā)熱，因此，更優(yōu)選的是，將排出部38側(cè)的連接部381設(shè)置在與冷卻用流路36中的位于半導(dǎo)體元件15(第I半導(dǎo)體元件)的正下方的部分相對的位置。排出部38側(cè)的連接部381位于自導(dǎo)入路徑的端部向中央偏離了相當(dāng)于冷卻用流路26的整個寬度的1/10?1/3的長度的位置。
[0136]導(dǎo)入路徑34和排出路徑35具有相互非對稱的俯視形狀。具體而言，為了使冷卻液在自冷卻用流路36的寬度方向上的一端到另一端的范圍內(nèi)盡量均等地流動，使導(dǎo)入路徑34為寬度較窄的流路。與此相對，為了使冷卻液在自冷卻用流路36到排出部的范圍內(nèi)阻礙較小地流動，使排出路徑35為在一定程度上寬度較寬的流路。
[0137]另外，與導(dǎo)入路徑34相連接的連接部371的內(nèi)壁中的圓弧狀側(cè)壁371a是與導(dǎo)入部37大致同心的圓弧狀的曲面，而與排出路徑35相連接的連接部381的內(nèi)壁中的圓弧狀側(cè)壁381a是中心與排出部38的中心不同的圓弧狀的曲面。另外，圓弧狀側(cè)壁381a的曲率半徑大于圓弧狀側(cè)壁371a的曲率半徑。并且，連接部371的直線狀側(cè)壁371b朝向冷卻用流路36的寬度方向端部延伸，而連接部381的直線狀側(cè)壁381b與冷卻用流路36的長邊方向大致平行地延伸。由此，導(dǎo)入路徑34和排出路徑35具有相互非對稱的俯視形狀。
[0138]導(dǎo)入路徑34和排出路徑35具有互不相同、換言之非對稱的俯視形狀的理由在于，為了盡可能地抑制在連接部371、381處產(chǎn)生紊流且降低壓力損失而設(shè)成了最適合的形狀。假設(shè)在連接部381的內(nèi)壁的圓弧狀側(cè)壁381a位于與排出部38同心的位置的情況下，所產(chǎn)生的冷卻液的紊流會變大。因此，為了抑制產(chǎn)生紊流，最適合的做法是，圓弧狀側(cè)壁381a形成于相對于排出部38偏心的位置。
[0139]能夠使用與實施方式I的冷卻器20相同的金屬材料來形成本實施方式的冷卻器30。在冷卻器30包括導(dǎo)入頭部30a、由多孔板構(gòu)成的冷卻用流路部30c以及排出頭部30b的情況下，能夠?qū)⑦@些構(gòu)件接合來制作冷卻器30。為了使這些構(gòu)件的金屬性的接合可靠，更優(yōu)選利用攪拌摩擦焊(Frict1n Stir Welding)進(jìn)行金屬性的接合。利用攪拌摩擦焊接合的接合部具有攪拌摩擦焊所特有的金屬組織。
[0140]本實施方式的半導(dǎo)體模塊3能夠降低導(dǎo)入部37、排出部38設(shè)于冷卻器30的底壁的、薄型的冷卻器中的壓力損失。
[0141](實施方式6)
[0142]將作為本發(fā)明的實施方式6的半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體模塊4的分解立體圖表示在圖23中。本實施方式的半導(dǎo)體模塊4是通過將散熱基板41、具有分隔部42c的殼體42以及翅片式散熱片43分別單獨地準(zhǔn)備并將它們接合起來而構(gòu)成的。作為適當(dāng)?shù)慕雍?，存在上述的攪拌摩擦焊?br>[0143](實施方式7)
[0144]將作為本發(fā)明的實施方式7的半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體模塊5的分解立體圖表示在圖24中。本實施方式的半導(dǎo)體模塊5是通過將兼用作散熱基板和散熱片的兩張多孔板53、殼體52以及分隔構(gòu)件52c分別單獨地準(zhǔn)備并將它們接合起來而構(gòu)成的。多孔板53能夠通過擠出成形來成形。另外，作為多孔板53與殼體52之間的適當(dāng)?shù)慕雍希嬖谏鲜龅臄嚢枘Σ梁浮?br>[0145](實施方式8)
[0146]將作為本發(fā)明的實施方式8的半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體模塊6的分解立體圖表示在圖25中。本實施方式的半導(dǎo)體模塊6是通過將薄的散熱基板61、波紋式散熱片63、殼體62以及分隔構(gòu)件62c分別單獨地準(zhǔn)備并利用釬焊將它們接合起來而構(gòu)成的。在本實施方式的半導(dǎo)體模塊6中，使用薄的散熱基板61并利用釬焊來制作冷卻器，因此能夠使冷卻器的厚度較薄，另外，具有制作簡單且低成本這樣的優(yōu)點。
[0147]對于實施方式6?實施方式8的半導(dǎo)體模塊4?半導(dǎo)體模塊6而言，雖然在制作這些半導(dǎo)體模塊的冷卻器時的構(gòu)件不同，但組裝起來的冷卻器均具備實施方式5的結(jié)構(gòu)并具有通過實施方式5的結(jié)構(gòu)而獲得的效果。
[0148]以上，使用【附圖說明】了本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實施方式，但本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置并不限定于各實施方式和附圖的記載，當(dāng)然能夠在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)進(jìn)行多種變形。
[0149]附圖標(biāo)記說明
[0150]1、3、4、5、6:半導(dǎo)體模塊；1^?11?、12厶?12?:電路元件部；13:電路基板；13&:絕緣板；1313、13(::導(dǎo)體層；14、15:半導(dǎo)體元件；16、17:接合層;20、30:冷卻器;21、31、41、61:散熱基板(散熱部);22、32:殼體;23、33:散熱片;24、34:導(dǎo)入路徑;25、35:排出路徑;26、36:7令卻用流路;27、37:導(dǎo)入部;271、371:連接部;28、38:排出部;281、381:連接部;71、72:逆變器電路;73、74:三相交流電動機(jī);C:間隙。
【主權(quán)項】
1.一種半導(dǎo)體裝置，其包括:第I電路基板和第2電路基板;第I半導(dǎo)體元件和第2半導(dǎo)體元件，該第I半導(dǎo)體元件搭載在所述第I電路基板上，該第2半導(dǎo)體元件搭載在所述第2電路基板上；以及冷卻器，其搭載有所述第I電路基板和第2電路基板，該冷卻器用于冷卻所述第I半導(dǎo)體元件和第2半導(dǎo)體元件，該半導(dǎo)體裝置的特征在于， 所述冷卻器包括: 散熱部，其具有第I面以及與該第I面相對的第2面，在所述第I面上接合有該第I電路基板和第2電路基板； 散熱片，其設(shè)于所述第2面； 殼體，其具有第I側(cè)壁以及與所述第I側(cè)壁相對的第2側(cè)壁，該殼體容納所述散熱片且連接于所述散熱部； 冷卻液的導(dǎo)入部和排出部，該導(dǎo)入部設(shè)于所述第I側(cè)壁，該排出部設(shè)于該第2側(cè)壁； 導(dǎo)入路徑，其連接于所述導(dǎo)入部且沿著所述第I側(cè)壁的內(nèi)表面形成；排出路徑，其連接于所述排出部且沿著所述第2側(cè)壁的內(nèi)表面形成；以及冷卻用流路，其形成于所述導(dǎo)入路徑與該排出路徑之間的、容納有所述散熱片的位置，其中，所述導(dǎo)入路徑和所述排出路徑具有相互非對稱的俯視形狀，且所述導(dǎo)入路徑與所述導(dǎo)入部之間的連接部與配置在所述冷卻器上的所述第2電路基板正下方的所述冷卻用流路相對，并且所述排出路徑與所述排出部之間的連接部與配置在所述冷卻器上的所述第I電路基板正下方的所述冷卻用流路相對。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述導(dǎo)入部安裝于所述殼體的側(cè)壁，所述導(dǎo)入部的開口的高度高于所述導(dǎo)入路徑的高度，在所述導(dǎo)入路徑與所述導(dǎo)入部之間的連接部具有朝向所述冷卻用流路傾斜的傾斜面。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 在所述導(dǎo)入部與所述導(dǎo)入路徑之間的連接部還具有在導(dǎo)入路徑的長邊方向上自連接部的底面傾斜的傾斜面。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述導(dǎo)入路徑形成為隨著朝向?qū)肼窂降南掠蝹?cè)去而流路寬度逐漸變小的形狀。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述排出部安裝于所述殼體的側(cè)壁，所述排出部的開口的高度高于所述排出路徑的高度，在所述排出路徑與所述排出部之間的連接部具有朝向所述冷卻用流路傾斜的傾斜面。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 在所述排出部與所述排出路徑之間的連接部還具有在排出路徑的長邊方向上自連接部的底面傾斜的傾斜面。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述冷卻用流路的長度大于所述導(dǎo)入路徑和所述排出路徑的長度。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述導(dǎo)入部安裝于所述殼體的底壁。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述導(dǎo)入路徑大于所述排出路徑。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 在所述導(dǎo)入部與所述導(dǎo)入路徑之間的連接部具有與所述導(dǎo)入部大致同心的圓弧狀側(cè)壁。11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 在所述排出部與所述排出路徑之間的連接部具有相對于所述排出部偏心的圓弧狀側(cè)壁。12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述冷卻用流路的長度大于所述導(dǎo)入路徑和所述排出路徑的長度。13.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述散熱部是散熱基板，所述散熱基板與所述殼體被金屬性地接合起來。14.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述散熱部、所述散熱片以及所述殼體這三者的組裝體中的至少一部分是通過擠出成形而一體地成形的。15.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述散熱部是散熱基板，所述散熱基板、所述散熱片以及所述殼體是通過釬焊而一體地成形的。
【文檔編號】H05K7/20GK105940491SQ201580006839
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2015年8月3日
【發(fā)明人】鄉(xiāng)原廣道, 兩角朗, 市村武
【申請人】富士電機(jī)株式會社