JP7160216B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を冷却するための冷却器を備える半導体装置に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車においては、モータを可変駆動するために電力変換装置が利用されている。この電力変換装置には、複数のパワー半導体素子を備えた半導体モジュール（パワー半導体モジュール）が用いられている。一般に、パワー半導体素子は、大電流を制御する際に発熱し、電力変換装置の小型化や高出力化が進むに連れてその発熱量が増大している。

従来、パワー半導体モジュールを冷却するために、冷媒式の冷却器を備えた半導体装置が提案されている。例えば、このような冷媒式冷却器では、パワー半導体素子が搭載される絶縁基板における半導体モジュールとは反対側の面に接合される金属製の放熱基板と、この放熱基板に一体的に形成される放熱用のフィンと、このフィンを収容し、放熱基板に液密に取り付けられる箱型形状の冷却ケースとを備える。外部ポンプにより加圧された冷却媒体を冷却ケース内の流路に流すことにより、パワー半導体素子の発熱エネルギーは、フィンを介して冷却媒体に放熱される。

具体的にこの種の半導体装置として、例えば特許文献１では、冷却フィンベースの片面に電力用半導体素子が固着され、冷却フィンベースの他面に複数のフィンが形成されたものが開示されている。特許文献１では、冷却フィンベースの他面側に、複数のフィンを覆うように箱型の冷却容器が配置されている。冷却容器の内面側、冷却フィンベースの他面側、及び複数のフィン間の隙間により、冷媒流路となる空間が形成される。

特開２０１６－９２２０９号公報

ところで、上記のような冷媒流路においては、熱交換の関係から冷媒が複数のフィン間の隙間を流れることが好ましい。しかしながら、フィン間の隙間は圧力損失が高い傾向にある。このため、冷媒は、フィン間の隙間よりも圧力損失の低いフィンの先端と冷却容器の底面との間のクリアランスを優先的に流れる傾向がある。この結果、複数のフィンの奥まで冷媒の流速を十分に確保することができず、モジュールの冷却効果に偏り（ムラ）が生じるおそれがある。

また、複数のフィンが形成された冷却フィンベースは、製造工程上、熱変形が生じ得る。この熱変形を考慮して、フィンの先端と冷却容器の底面との間には上記のようなクリアランスが設けられている。熱変形を抑制すべく、剛性を確保するために冷却フィンベースの厚みを大きくすることが考えられる。しかしながら、厚みの増加は熱抵抗の増加となるため、冷却器本来の熱伝導性に影響を与える結果となり得る。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、剛性を確保しつつも、冷却性能を確保することが可能な半導体装置を提供することを目的の１つとする。

本実施形態の半導体装置は、第１面と前記第１面と反対側の第２面を有する絶縁基板と、前記絶縁基板の前記第１面上に搭載された半導体素子と、前記半導体素子を冷却するための冷却器と、を備える半導体装置であって、前記冷却器は、接合面と前記接合面の反対側の放熱面を有し、前記絶縁基板の前記第２面に前記接合面が接合される放熱基板と、前記放熱基板における前記放熱面に設けられた複数のフィンと、前記複数のフィンを覆うように配置され、前記複数のフィンの先端に接合される補強プレートと、前記複数のフィン及び前記補強プレートを収容する凹部を有する冷却ケースと、を備え、前記複数のフィン間の隙間は、前記補強プレートと前記凹部の底面との隙間よりも大きい。
半導体装置の一態様では、前記半導体素子が搭載された前記絶縁基板は、所定方向に並んで複数設けられ、前記複数のフィンは、複数の前記絶縁基板が設けられた前記放熱基板の前記放熱面に対応した放熱領域に設けられ、前記冷却ケースは、前記複数のフィンを囲う側壁を有し、前記側壁は、複数の前記絶縁基板が並ぶ前記所定方向に交差する方向で対向する第１側壁及び第２側壁を有し、前記第１側壁には、冷媒の導入口が設けられ、前記第２側壁には、前記冷媒の排出口が設けられ、前記冷媒は、前記導入口から前記排出口に向かって前記複数のフィン間を前記所定方向に交差する方向に流れ、前記補強プレートは、冷媒の流れ方向上流側及び／又は下流側の縁部に、前記第１凹部の底面に向かって屈曲する第１屈曲部を有する。
半導体装置の別の態様では、前記補強プレートは、冷媒の流れ方向上流側及び／又は下流側の縁部に、前記第１凹部の底面とは反対側に向かって屈曲する第２屈曲部を有する。
半導体装置の別の態様では、前記補強プレートは、前記複数のフィンが接合される面とは反対側の面に形成されたビーム部を有する。
半導体装置の別の態様では、前記補強プレートは、前記複数のフィンが接合される面に前記複数のフィンのうち少なくとも一部が係合可能な位置決め部を有する。
半導体装置の別の態様では、前記補強プレートは、前記複数のフィンが接合される面に複数の突起部を有し、前記複数の突起部は、平面視で前記複数のフィンに重ならない位置に設けられる。

本発明によれば、剛性を確保しつつも、冷却性能を確保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分解斜視図である。 本実施の形態に係る半導体装置、及び半導体装置が有する冷却ケースの平面図である。 本実施の形態に係る半導体装置の放熱基板に設けられるフィン及び補強プレートの説明図である。 本実施の形態に係る冷却ベースの斜視図及び冷却媒体の流れを示す断面図である。 第１変形例に係る冷却ベースの斜視図及び冷却媒体の流れを示す断面図である。 第２変形例に係る補強プレートの斜視図及び冷却媒体の流れを示す断面図である。 第３変形例に係る補強プレートの斜視図及び断面図である。 第４変形例に係る補強プレートの平面図である。 第５変形例に係る補強プレートの平面図及び冷却媒体の流れを示す断面図である。 第６変形例に係る補強プレートの斜視図である。

以下、本実施の形態に係る半導体装置の構成について、図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体装置の分解斜視図である。図２は、本実施の形態に係る半導体装置、及び半導体装置が有する冷却ケースの平面図である。以下においては、説明の便宜上、図１に示す上下方向、左右方向及び前後方向を半導体装置の上下方向、左右方向及び前後方向として説明するものとする。また、本実施の形態において、半導体装置の長手方向（後述する積層基板が並ぶ方向）を左右方向、半導体装置の短手方向を前後方向、半導体装置の厚み方向を上下方向とする。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、各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、半導体モジュールの上面を上側から視た場合を意味する。

図１に示すように、本実施の形態に係る半導体装置１は、半導体モジュール１０と、この半導体モジュール１０を冷却する冷却器２０とを含んで構成される。半導体モジュール１０は、後述する冷却器２０の放熱基板２１の上に配置された複数の回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを有している。これらの回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃにより、例えば、半導体モジュール１０は、三相インバータ回路を構成する。例えば、回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、それぞれ三相インバータ回路を形成するＷ相用回路、Ｖ相用回路及びＵ相用回路を構成する。

Ｗ相用回路を構成する回路素子部１１Ａは、上側アームを構成する半導体素子としてのＩＧＢＴ素子１２及びこのＩＧＢＴ素子１２に逆並列に接続されるフリーホイールダイオード１３と、下側アームを構成するＩＧＢＴ素子１２及びこのＩＧＢＴ素子１２に逆並列に接続されるフリーホイールダイオード１３とを有している。これらのＩＧＢＴ素子１２及びフリーホイールダイオード１３が、放熱基板２１に接合された絶縁基板１４上に実装されている。半導体素子は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のほか、縦型のスイッチング素子、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＲＣ（Reverse-Conducting）－ＩＧＢＴなどの素子であってもよい。半導体素子は、シリコン基板、炭化ケイ素基板や窒化ガリウム基板を用い形成されてよい。

Ｖ相用回路を構成する回路素子部１１Ｂ及びＵ相用回路を構成する回路素子部１１Ｃについても、回路素子部１１Ａと同様の構成を有している。絶縁基板１４は、第１面と、当該第１面と反対側の第２面と、を有している。上記した半導体素子は、絶縁基板の第１面上に搭載される。絶縁基板１４の第２面は、放熱基板２１の上面（接合面）に接合される。絶縁基板１４には、上記回路を構成するための回路パターンが形成されている。絶縁基板１４は例えばＤＣＢ基板やＡＭＢ基板である。絶縁基板１４はセラミクス板を有し、回路パターンはセラミクス板に設けられてよい。セラミクス板は酸化アルミニウム、窒化ケイ素または窒化アルミニウムを含んでよい。絶縁基板１４はさらに、第２面側に金属板を有してもよい。回路パターンおよび金属板はアルミニウムや銅の金属材料により形成される。金属材料はアルミニウムや銅の合金を含む。なお、ここでは、半導体モジュール１０が三相インバータ回路を構成する場合について説明している。しかしながら、本発明に係る半導体モジュール１０は、三相インバータ回路を構成する場合に限定されず、適宜変更が可能である。

冷却器２０は、放熱基板２１と、放熱基板２１に設けられる複数のフィン２２（図３参照）と、冷却ケース２３とを含んで構成される。詳細について後述するように、フィン２２は、放熱基板２１における絶縁基板１４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、複数のフィン２２の先端には、後述する補強プレート３０が接合される。放熱基板２１は、冷却ケース２３の上部に取り付けられる。放熱基板２１の下面（放熱面）に設けられた複数のフィン２２及び補強プレート３０は、冷却ケース２３に形成された凹部２４（第１凹部）に収容される。なお、冷却ケース２３は、冷媒ジャケット又はウォータージャケットと称呼されることがある。

放熱基板２１は、概して長方形状を有する金属板材で構成される。例えば、放熱基板２１は、アルミニウム、銅、鉄などの金属材料で構成される。放熱基板２１は、その長手方向が半導体装置１の左右方向に延び、その短手方向が半導体装置１の前後方向に延びている。半導体モジュール１０は、放熱基板２１の上面の中央領域に配置されている。本実施の形態では、半導体モジュール１０を構成する回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃが、放熱基板２１の中央領域において、左右方向に並べて配置されている。なお、本実施の形態において、上記した回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃが配置される放熱基板２１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、放熱基板２１の四隅部近傍には、ねじ孔２１１が貫通して形成されている。ねじ孔２１１には、放熱基板２１を冷却ケース２３に固定するための締結部材としてねじ（不図示）が挿通される。

冷却ケース２３は、略直方体形状の外形を有し、平面視にて、長方形状を有している。平面視した場合の冷却ケース２３の外形は、実質的に放熱基板２１の外形と同一の形状を有している。冷却ケース２３は、底壁２３１と、この底壁２３１の周縁に設けられた側壁２３２とを有し、上部が開口した箱型形状を有している。言い換えると、冷却ケース２３の上面には、凹部２４が形成されている。凹部２４は、底壁２３１の上面（底面）と、側壁２３２の内壁面とで規定される。詳細は後述するが、凹部２４は、複数のフィン２２及び補強プレート３０を収容可能な大きさに形成されている。

冷却ケース２３には、冷却ケース２３内に冷却媒体を導入するための導入口２３３と、冷却ケース２３内から冷却媒体を排出するための排出口２３４と、が設けられている。導入口２３３は、側壁２３２のうち、長手方向に沿って延在する第１側壁２３２ａに設けられている。導入口２３３は、第１側壁２３２ａの左右方向中央において、側壁２３２の外部と凹部２４とを前後方向で連通するように形成されている。排出口２３４は、側壁２３２のうち、第１側壁２３２ａに対向して長手方向に沿って延在する第２側壁２３２ｂに設けられている。排出口２３４は、第２側壁２３２ｂの左右方向中央において、側壁２３２の外部と凹部２４とを前後方向で連通するように形成されている。導入口２３３及び排出口２３４は、例えば円形穴によって形成される。導入口２３３及び排出口２３４には、それぞれ円筒状の導入管２３３ａ及び排出管２３４ａが接続されている。半導体装置１は、図２Ｂに示すように、冷却ケース２３の凹部２４において、複数のフィン２２の前方側に設けられる第１ヘッダ２３３ｂと、複数のフィン２２の後方側に設けられる第２ヘッダ２３４ｂと、を構成してよい。

側壁２３２の上面には、Ｏリング２３５が取り付けられている。Ｏリング２３５は、側壁２３２における凹部２４寄りの位置であって、凹部２４を囲むように配置されている。言い換えると、Ｏリング２３５は、側壁２３２の上面に形成された四角環状の溝（不図示）に沿って配置されている。Ｏリング２３５は、冷却ケース２３に対して放熱基板２１が取り付けられ、冷却ケース２３内に冷却媒体が流された場合に、冷却ケース２３内から液漏れするのを防止する役割を果たす。なお、液漏れ防止の構成については、Ｏリング２３５に限定されず、メタルガスケットや液体パッキン等のシーリング部材であってもよい。

冷却ケース２３（側壁２３２）の四隅部の近傍には、ねじ孔２３６が形成されている。ねじ孔２３６は、放熱基板２１を冷却ケース２３に重ねた場合に、放熱基板２１のねじ孔２１１と対応する位置に配置されている。冷却ケース２３に放熱基板２１を重ねた状態で、ねじ孔２１１を介してねじ孔２３６に締結部材としてのねじ（不図示）を挿入して締結することにより、冷却ケース２３に対して放熱基板２１が取り付けられる。

ここで、本実施の形態に係る放熱基板２１、及び放熱基板２１の下面に設けられるフィン２２の構成について、図３を参照して説明する。図３は、本実施の形態に係る半導体装置の放熱基板に設けられるフィンの説明図である。

フィン２２は、放熱基板２１の下面に一体的に設けられている。フィン２２は、放熱基板２１と同一の金属材料で構成されてよい。フィン２２は、放熱板、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２２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２２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、放熱基板２１の短手方向（後述する冷媒の流れ方向）と一致している。なお、放熱基板２１に設けられるフィン２２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を互いに平行に配列する構成としてもよい。フィン２２は、放熱基板２１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。

また、フィン２２の形状及び寸法は、冷却媒体の冷却器２０への導入条件（すなわち、ポンプ性能等）、冷却媒体の種類と性質（特に粘性等）、目的とする除熱量等を考慮して、適宜設定することが好ましい。また、フィン２２は、冷却ケース２３（より具体的には、冷却ケース２３の凹部２４）に収容された場合に、フィン２２の先端と冷却ケース２３の底壁２３１との間に一定のクリアランスが存在するような高さに形成される（図４参照）。

放熱基板２１において、フィン２２が設けられる領域は、絶縁基板１４が放熱基板２１に接合された状態において、絶縁基板１４上の半導体素子（ＩＧＢＴ素子１２、フリーホイールダイオード１３）の実装領域の反対側（裏面側）の領域を含むことが好ましい。言い換えると、フィン２２が放熱基板２１に一体的に設けられる領域は、ＩＧＢＴ素子１２及びフリーホイールダイオード１３の直下の領域（上記した放熱領域）を含む領域であることが好ましい。

本実施の形態において、放熱基板２１の下面（放熱面）には、角柱形状を有するフィン２２を複数配列したフィン２２の集合体２２ａが設けられている。このフィン２２の集合体２２ａ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２２の集合体２２ａ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。フィン２２の集合体２２ａの長手方向は、冷却ケース２３（凹部２４）の長手方向と合致している。

ところで、上記のような、いわゆるオープンタイプのフィンを備えた半導体装置にあっては、熱変形を抑制するために、ある程度の剛性が必要である。上記したフィンの剛性は、フィンが設けられた放熱基板によって確保されており、より強度を持たせるためには、放熱基板自体の厚みを大きくすることが考えられる。しかしながら、放熱基板自体の厚みを大きくしてしまうと、熱抵抗が増加する結果、本来の冷却性能に影響を与えることになってしまう。すなわち、放熱基板の剛性確保と冷却性能の確保は、トレードオフの関係にあるといえる。

そこで、本件発明者等は、放熱基板の剛性確保と冷却性能確保の両立を図るべく、本発明に想到した。具体的に本実施の形態では、放熱基板２１の放熱面側において、複数のフィン２２を覆うように補強プレート３０を配置し、補強プレート３０を複数のフィン２２の先端に接合する構成とした。

ここで、図３及び図４を参照して、本実施の形態に係る冷却器を備えた半導体装置の詳細構造について説明する。図４は、本実施の形態に係る冷却ベースの斜視図（図４Ａ）及び冷却媒体の流れを示す断面図（図４Ｂ）である。

図３及び図４に示すように、補強プレート３０は、概して長方形状を有する金属板材で構成される。例えば、補強プレート３０は、アルミニウム、銅、鉄などの金属材料で構成される。金属材料は、アルミニウム、銅、鉄を主成分とする合金であってもよい。なお、補強プレート３０は、放熱基板２１（フィン２２）と同一の金属材料で構成されてよい。

補強プレート３０は、複数のフィン２２全体（フィン２２の集合体２２ａの下面）を覆うように、放熱基板２１の放熱領域に対応した矩形状を有している。また、補強プレート３０の厚みは、放熱基板２１の厚みよりも小さく設定されている。更に補強プレート３０の一方の面には、複数のフィン２２の先端が接合される。複数のフィン２２と補強プレート３０とは、例えばロウ付けによって接合される。これにより、複数のフィン２２と補強プレート３０とが一体となった放熱基板２１が得られる。補強プレート３０は、平面視において長辺および短辺を有する長方形であり、複数のフィン２２の先端と向き合うように配置され、複数のフィン２２の先端に接合されてよい。

複数のフィン２２と補強プレート３０とが一体となった放熱基板２１には、冷却ケース２３が取り付けられる。冷却ケース２３は、放熱領域に対応した凹部２４を有しており、複数のフィン２２及び補強プレート３０が凹部２４内に収まるように取り付けられる。具体的にフィン２２の集合体２２ａの側面は、四角環状の側壁２３２に囲われ、補強プレート３０の下面が凹部２４の底面（底壁２３１）と対向して所定の隙間Ｄ１が形成される（図４Ｂ参照）。

本実施の形態に係る半導体装置１では、３つの回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃが放熱基板２１の長手方向（左右方向）に並んで配置されている。また、複数のフィン２２は、これらの回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃが設けられた放熱基板２１の放熱面に対応した放熱領域に設けられている。また、冷却ケース２３は、複数のフィン２２を囲う側壁２３２を有している。側壁２３２は、３つの回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃが並ぶ所定方向（長手方向）に交差する前後方向（短手方向）で対向する第１側壁２３２ａ及び第２側壁２３２ｂを有している。第１側壁２３２ａ及び第２側壁２３２ｂは、フィン２２の集合体２２ａを前後方向で挟んで対向している。上記したように、第１側壁２３２ａには、冷媒の導入口２３３が設けられ、第２側壁２３２ｂには、冷媒の排出口２３４が設けられている。冷媒は、導入口２３３から排出口２３４に向かって複数のフィン２２間を短手方向に流れる（図２Ｂ及び図４Ｂ参照）。

より具体的には、導入口２３３から凹部２４内に冷媒が導入されると、冷媒は、フィン２２の集合体２２ａの上流側の側面に衝突して左右方向（集合体２２ａの長手方向）に拡散しながら、複数のフィン２２間の隙間を通じて集合体２２ａの内部を短手方向に流れる（図２Ｂ参照）。冷媒は、集合体２２ａの下流側の側面から排出口２３４を通じて冷却ケース２３の外部に排出される。

本実施の形態では、複数のフィン２２の先端に補強プレート３０が接合されていることで、複数のフィン２２及び補強プレート３０を含んだ放熱基板２１全体の剛性が高められる。これにより、半導体モジュール１０を放熱基板２１に実装して加熱する際の放熱基板２１の厚み方向（上下方向）の反りを抑制することが可能である。このため、凹部２４の深さを小さくし、補強プレート３０の下面を凹部２４の底面に近づけて、補強プレート３０と凹部２４の底面との隙間Ｄ１をより小さくすることが可能である。

また、フィン２２の先端側における開放空間が補強プレート３０によって閉じられることで、複数のフィン２２間に閉じられた冷媒流路が形成される。この場合、複数のフィン２２間の隙間Ｄ２は、補強プレート３０と凹部２４の底面との隙間Ｄ１よりも大きいことが好ましい。

これらの構成によれば、補強プレート３０により、冷媒が補強プレート３０と凹部２４の底面との隙間Ｄ１に流れ難くなり、より多くの冷媒を複数のフィン２２間に誘導することが可能である。これにより、冷媒とフィン２２間の熱交換が促進され、冷却器２０の冷却効率が高められる。すなわち、冷却器２０の剛性を確保しつつも、冷却性能を確保することが可能になっている。また、補強プレート３０で剛性を高めたことにより、放熱基板２１自体の厚みを小さくし、放熱基板２１の熱伝導性を高めることも可能である。補強プレート３０の厚さｔは、放熱基板２１の厚さＴと同じか、厚さＴより小さくてよい（図４Ｂ参照）。フィン２２の高さｈは適宜選択されてよい。

次に、図５から図１０を参照して、変形例について説明する。図５は、第１変形例に係る冷却ベースの斜視図（図５Ａ）及び冷却媒体の流れを示す断面図（図５Ｂ）である。図６は、第２変形例に係る補強プレートの斜視図（図６Ａ）及び冷却媒体の流れを示す断面図（図６Ｂ）である。図７は、第３変形例に係る補強プレートの斜視図（図７Ａ）及び断面図（図７Ｂ）である。図８は、第４変形例に係る補強プレートの平面図である。図９は、第５変形例に係る補強プレートの平面図（図９Ａ）及び冷却媒体の流れを示す断面図（図９Ｂ）である。図１０は、第６変形例に係る補強プレートの斜視図である。なお、以下に示す変形例では、本実施の形態と共通する構成は可能な限り同一の符号で示し、適宜説明を省略する。

図５に示すように、第１変形例に係る放熱基板２１は、放熱面に複数のフィン２２が設けられた領域に対応して厚み方向に凹む凹部２１ａ（第２凹部）を有している。より具体的に凹部２１ａは、回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃが配置された放熱基板２１の裏面側の放熱領域において、表面側に向かって凹んでいる。凹部２１ａにより、放熱基板２１の放熱領域では、板厚が薄くなっている。複数のフィン２２は、凹部２１ａの底面から下方に突出している。複数のフィン２２の先端には、集合体２２ａの下面全体を覆うように補強プレート３０が接合されている。

第１変形例によれば、補強プレート３０をフィン２２に接合したことでフィン２２及び補強プレート３０を含む放熱基板２１全体の剛性が高められている。このため、放熱基板２１の一部に凹部２１ａを形成したとしても、全体の剛性が確保されている。放熱領域に凹部２１ａが形成されたことで、回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの直下の放熱基板２１の板厚が薄くなり、熱抵抗を小さくすることが可能である。この結果、回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃで発生した熱の伝導性を高めることができ、放熱効果が向上される。

また、図５Ｂに示すように、複数のフィン２２が設けられる領域に対応して凹部２１ａが形成されているため、冷媒が複数のフィン２２間に流れ込む際に、凹部２１ａの表面に沿う流れが生じる。これにより、フィン２２内において冷媒の流れがフィン２２の高さ方向（上下方向）にかき乱される。このような冷媒の乱流が発生することで、冷媒とフィン２２の表面との衝突回数が増え、冷媒とフィン２２間の熱交換が促進される。したがって、冷却効率を更に高めることが可能である。

また、図５では、放熱領域全体に一様な深さで平面視矩形状の凹部２１ａが形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。凹部２１ａは、冷却効率を高めたい箇所に応じて部分的に分割して形成されてよく、凹部２１ａの深さも段階的に変化するように形成されてよい。

図６に示すように、第２変形例に係る補強プレート４０は、短手方向で対向する一対の縁部に、冷媒の流れをガイドするための屈曲部（第１屈曲部４１及び第２屈曲部４２）が形成されている。具体的に補強プレート４０の短手方向の縁部には、フィン２２の先端から離れる方向（下方）に向かって屈曲する第１屈曲部４１と、フィン２２の基端側（上方）に向かって屈曲する第２屈曲部４２と、が設けられている。

図６Ａ及び図６Ｂに示すように、補強プレート４０の短手方向の一方側（冷媒の流れ方向上流側）の縁部には、第１屈曲部４１と第２屈曲部４２とが、長手方向に並んで交互に形成されている。図６Ａでは、左右両端側に一対の第１屈曲部４１が配置され、一対の第１屈曲部４１の間に第２屈曲部４２が配置されている。これに対し、補強プレート４０の短手方向の他方側（冷媒の流れ方向下流側）の縁部には、全長にわたって第１屈曲部４１が形成されている。これらの第１屈曲部４１及び第２屈曲部４２は、放熱基板２１上に配置された回路素子部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ（図６では不図示）に対応して分割して設けられてよい。

下向きに（凹部２４の底面に向かって）屈曲する第１屈曲部４１によれば、補強プレート４０と凹部２４の底面との隙間Ｄ１が塞がれる。これにより、冷媒は、隙間Ｄ１に流れ難くなる一方、複数のフィン２２間の隙間Ｄ２に流れ易くなる。また、上向きに（凹部２４の底面とは反対側に向かって）屈曲する第２屈曲部４２によれば、凹部２４の上方から冷媒を複数のフィン２２間の隙間Ｄ２に誘導することが可能である。このように、屈曲部で冷媒流路を調整して冷却効率を向上することが可能である。また、発熱部品である各回路素子部の配置箇所に応じて屈曲部の形状を上向きか下向きで調整することにより、回路素子部毎に冷媒の流速分布を制御して均一な温度管理が可能となる。また、屈曲部の曲げ角度は、直角に限らず、例えば外側に傾斜する角度であってよい。

図７に示すように、第３変形例に係る補強プレート５０は、複数のフィン２２が接合される面とは反対側の面に形成された複数のビーム部５１を有している。具体的にビーム部５１は、凹部２４の底面に対向する補強プレート５０の表面に設けられている。ビーム部５１は、補強プレート５０の表面から下方（凹部２４の底面）に向かって突出し、補強プレート５０の長手方向（左右方向）に延びている。また、ビーム部５１は、補強プレート５０の短手方向で複数（図７では４つ）設けられている。ビーム部５１は、例えば、補強プレート５０の上面側（フィン２２に対する接合面側）から下面側に向かって凸部をプレス成型することで形成される。なお、ビーム部５１の形状や個数、長さ等は適宜変更が可能である。ビーム部５１によれば、補強プレート５０の剛性が高められ、補強プレート５０の反りを抑制することが可能である。

図８に示すように、第４変形例に係る補強プレート６０は、複数のフィン２２が接合される面（接合面）に複数のフィン２２のうち少なくとも一部が係合可能な位置決め部６１を有している。具体的に位置決め部６１は、矩形状の補強プレート６０の四隅にそれぞれ設けられている。位置決め部６１は、例えば、ドーム状の凸部で形成され、隣接するフィン２２間の隙間に対応した大きさに形成されることが好ましい。この構成によれば、複数のフィン２２に対する補強プレート６０の位置決めが容易となり、組付工数を削減することが可能である。

図９に示すように、第５変形例に係る補強プレート７０は、複数のフィン２２が接合される面（接合面）に複数の突起部７１を有している。複数の突起部７１は、平面視で複数のフィン２２に重ならない位置に設けられている。例えば、複数の突起部７１は、複数のフィン２２と同じピッチで配置されている。突起部７１は、例えば、ドーム状の凸部で形成され、隣接するフィン２２間の隙間よりも僅かに小さく形成されることが好ましい。この構成によれば、複数のフィン２２間に形成される冷媒流路に無数の突起部７１が設けられることで、フィン２２内において冷媒が突起部７１の近傍を流れる際に、冷媒の流れがフィン２２の高さ方向（上下方向）にかき乱される。このような冷媒の乱流が発生することで、冷媒とフィン２２の表面との衝突回数が増え、冷媒とフィン２２間の熱交換が促進される。したがって、冷却効率を更に高めることが可能である。

上記の各実施形態では、補強プレートが平面視矩形状に形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。例えば、図１０に示す構成も可能である。図１０に示すように、第６変形例に係る補強プレート８０は、長手方向の中央部分の前後幅が両端部に比べて幅狭となるように、台形の切欠き部８１が形成されている。すなわち、切欠き部８１の部分だけ、フィン２２の先端が露出した状態となっている。また、補強プレート８０の下面（接合面とは反対側の面）には、長手方向に延びる複数のビーム部８２が形成されている。ビーム部８２は、フィン２２とは反対側に突出している。このように、切欠き部８１で補強プレート８０自体の剛性が低下した分、ビーム部８２で補強プレート８０全体の剛性を確保している。また、切欠き部８１により、長手方向中央側に位置する一部のフィン２２の先端が開放されるため、補強プレート８０の長手方向両端側と中央側とで冷媒の流速分布を調整することが可能である。このように、フィン２２の集合体２２ａに対する補強プレート８０の形状を変更することで、冷却性能を適宜コントロールすることが可能になっている。補強プレート８０は、幅が広く面積が大きい部分（部分Ａ）と、幅が狭く面積の小さい部分（部分Ｂ）を有している。補強プレート８０を、放熱基板２１が比較的大きく変形し得る部分に部分Ａが面するよう、比較的小さく変形し得る部分に部分Ｂが面するよう、配置することにより、放熱基板２１全体における変形のバランスをとることができる。

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。例えば、図５から図１０の各変形例の特徴を組み合わせてもよい。具体的には、図５の凹部２１ａと図６の屈曲部とを組み合わせたり、図８の位置決め部６１と図９の突起部７１とを組み合わせてもよい。
組合せの例として、放熱基板２１、複数の絶縁基板１４、複数の半導体素子１２、複数のフィン２２および補強プレート３０が、アセンブリとして提供されてもよい。
アセンブリにおいて、放熱基板２１は、接合面と接合面の反対側の放熱面を有し、平面視において長方形であってよい。複数の絶縁基板１４はそれぞれ、第１面と第１面と反対側の第２面を有し、放熱基板２１の長手方向に配置されてよい。複数の絶縁基板１４はそれぞれ、第２面が放熱基板２１の接合面に接合され得る。半導体素子１２はそれぞれ、複数の絶縁基板１４の第１面上に搭載されてよい。複数のフィン２２は、複数の絶縁基板１４の下方に配置され、放熱基板２１の放熱面に設けられる。補強プレート３０は、複数のフィン２２の少なくとも一部の先端と向き合うように配置され、複数のフィン２２の先端に接合されてよい。ここで補強プレート３０の厚さは、放熱基板２１の厚さと同じか、大きくても小さくてもよい。
さらに、補強プレート３０は、平面視において長方形であり、複数のフィン２２すべての先端と向き合うように配置され、複数のフィン２２の先端に接合されてもよい。放熱基板２１および補強プレート３０はそれぞれ、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含むプレートであってよい。絶縁基板１４はそれぞれ、酸化アルミニウム、窒化ケイ素または窒化アルミニウムを含むセラミクス板を有してよい。
上記のアセンブリにおいて、放熱基板２１は、補強プレート３０から絶縁基板１４に向かって凸形状もしくは平坦であってよい。
アセンブリは、複数のフィン２２及び補強プレート３０を収容できる凹部２４を有する冷却ケース２３に適合される（図２参照）。アセンブリは、シーリング部材を介し、冷却ケース２３の側壁２３２に固定され用いられてよい。ここで、複数のフィン２２の長さおよび補強プレート３０の厚さは、複数のフィン２２間の隙間が補強プレート３０と凹部２４の底面との隙間よりも大きくなるよう選択されてよい。さらに、アセンブリおよび冷却ケース２３は、凹部２４において、複数のフィン２２の一の側方（図２Ｂにおける前方）に設けられる第１ヘッダ２３３ｂと、複数のフィン２２の一の側方の反対側の他の側方（同じく後方）に設けられる第２ヘッダ２３４ｂと、有するよう構成されてよい。導入口２３３から導入された冷媒は、第１ヘッダ２３３ｂにおいて長手方向へ広がり、複数のフィン２２の前方へ流入し、後方から排出され、第２ヘッダ２３４ｂにおいて収れんした後、排出口２３４から排出されてよい。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

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半導体装置は、第１面と前記第１面と反対側の第２面を有する絶縁基板と、前記絶縁基板の前記第１面上に搭載された半導体素子と、前記半導体素子を冷却するための冷却器と、を備える半導体装置であって、前記冷却器は、接合面と前記接合面の反対側の放熱面を有し、前記絶縁基板の前記第２面に前記接合面が接合される放熱基板と、前記放熱基板における前記放熱面に設けられた複数のフィンと、前記複数のフィンを覆うように配置され、前記複数のフィンの先端に接合される補強プレートと、前記複数のフィン及び前記補強プレートを収容する凹部を有する冷却ケースと、を備え、前記複数のフィン間の隙間は、前記補強プレートと前記凹部の底面との隙間よりも大きい。

上記実施の形態に係る半導体装置において、前記半導体素子が搭載された前記絶縁基板は、所定方向に並んで複数設けられ、前記複数のフィンは、複数の前記絶縁基板が設けられた前記放熱基板の前記放熱面に対応した放熱領域に設けられ、前記冷却ケースは、前記複数のフィンを囲う側壁を有し、前記側壁は、複数の前記絶縁基板が並ぶ前記所定方向に交差する方向で対向する第１側壁及び第２側壁を有し、前記第１側壁には、冷媒の導入口が設けられ、前記第２側壁には、前記冷媒の排出口が設けられ、前記冷媒は、前記導入口から前記排出口に向かって前記複数のフィン間を前記所定方向に交差する方向に流れる。

上記実施の形態に係る半導体装置において、前記補強プレートは、前記放熱面に前記複数のフィンが設けられた領域に対応して厚み方向に凹む第２凹部を有する。

上記実施の形態に係る半導体装置において、前記補強プレートは、冷媒の流れ方向上流側及び／又は下流側の縁部に、前記第１凹部の底面に向かって屈曲する第１屈曲部を有する。

上記実施の形態に係る半導体装置において、前記放熱基板は、冷媒の流れ方向上流側及び／又は下流側の縁部に、前記第１凹部の底面とは反対側に向かって屈曲する第２屈曲部を有する。

上記実施の形態に係る半導体装置において、前記補強プレートは、前記複数のフィンが接合される面とは反対側の面に形成されたビーム部を有する。

上記実施の形態に係る半導体装置において、前記補強プレートは、前記複数のフィンが接合される面に前記複数のフィンのうち少なくとも一部が係合可能な位置決め部を有する。

上記実施の形態に係る半導体装置において、前記補強プレートは、前記複数のフィンが接合される面に複数の突起部を有し、前記複数の突起部は、平面視で前記複数のフィンに重ならない位置に設けられる。

本発明の半導体装置は、剛性を確保しつつも、冷却性能を確保することができるという効果を有し、車載用モータ駆動制御インバータなどの小型化や高出力化が要求される半導体装置に好適である。

本出願は、２０１９年１２月１９日出願の特願２０１９－２２９２１５に基づく。この内容は、すべてここに含めておく。

Claims (6)

1. 第１面と前記第１面と反対側の第２面を有する絶縁基板と、
   前記絶縁基板の前記第１面上に搭載された半導体素子と、
   前記半導体素子を冷却するための冷却器と、を備え、
   前記冷却器は、
   接合面と前記接合面の反対側の放熱面を有し、前記絶縁基板の前記第２面に前記接合面が接合される放熱基板と、
   前記放熱基板における前記放熱面に設けられた複数のフィンと、
   前記複数のフィンを覆うように配置され、前記複数のフィンの先端に接合される補強プレートと、
   前記複数のフィン及び前記補強プレートを収容する第１凹部を有する冷却ケースと、を備え、
   前記複数のフィン間の隙間は、前記補強プレートと前記第１凹部の底面との隙間よりも大きい半導体装置であって、
   前記半導体素子が搭載された前記絶縁基板は、所定方向に並んで複数設けられ、
   前記複数のフィンは、複数の前記絶縁基板が設けられた前記放熱基板の前記放熱面に対応した放熱領域に設けられ、
   前記冷却ケースは、前記複数のフィンを囲う側壁を有し、
   前記側壁は、複数の前記絶縁基板が並ぶ前記所定方向に交差する方向で対向する第１側壁及び第２側壁を有し、
   前記第１側壁には、冷媒の導入口が設けられ、前記第２側壁には、前記冷媒の排出口が設けられ、
   前記冷媒は、前記導入口から前記排出口に向かって前記複数のフィン間を前記所定方向に交差する方向に流れ、
   前記補強プレートは、冷媒の流れ方向上流側及び／又は下流側の縁部に、前記第１凹部の底面に向かって屈曲する第１屈曲部を有する半導体装置。
2. 第１面と前記第１面と反対側の第２面を有する絶縁基板と、
   前記絶縁基板の前記第１面上に搭載された半導体素子と、
   前記半導体素子を冷却するための冷却器と、を備え、
   前記冷却器は、
   接合面と前記接合面の反対側の放熱面を有し、前記絶縁基板の前記第２面に前記接合面が接合される放熱基板と、
   前記放熱基板における前記放熱面に設けられた複数のフィンと、
   前記複数のフィンを覆うように配置され、前記複数のフィンの先端に接合される補強プレートと、
   前記複数のフィン及び前記補強プレートを収容する第１凹部を有する冷却ケースと、を備え、
   前記複数のフィン間の隙間は、前記補強プレートと前記第１凹部の底面との隙間よりも大きい半導体装置であって、
   前記半導体素子が搭載された前記絶縁基板は、所定方向に並んで複数設けられ、
   前記複数のフィンは、複数の前記絶縁基板が設けられた前記放熱基板の前記放熱面に対応した放熱領域に設けられ、
   前記冷却ケースは、前記複数のフィンを囲う側壁を有し、
   前記側壁は、複数の前記絶縁基板が並ぶ前記所定方向に交差する方向で対向する第１側壁及び第２側壁を有し、
   前記第１側壁には、冷媒の導入口が設けられ、前記第２側壁には、前記冷媒の排出口が設けられ、
   前記冷媒は、前記導入口から前記排出口に向かって前記複数のフィン間を前記所定方向に交差する方向に流れ、
   前記補強プレートは、冷媒の流れ方向上流側及び／又は下流側の縁部に、前記第１凹部の底面とは反対側に向かって屈曲する第２屈曲部を有する半導体装置。
3. 第１面と前記第１面と反対側の第２面を有する絶縁基板と、
   前記絶縁基板の前記第１面上に搭載された半導体素子と、
   前記半導体素子を冷却するための冷却器と、を備え、
   前記冷却器は、
   接合面と前記接合面の反対側の放熱面を有し、前記絶縁基板の前記第２面に前記接合面が接合される放熱基板と、
   前記放熱基板における前記放熱面に設けられた複数のフィンと、
   前記複数のフィンを覆うように配置され、前記複数のフィンの先端に接合される補強プレートと、
   前記複数のフィン及び前記補強プレートを収容する第１凹部を有する冷却ケースと、を備え、
   前記複数のフィン間の隙間は、前記補強プレートと前記第１凹部の底面との隙間よりも大きい半導体装置であって、
   前記補強プレートは、前記複数のフィンが接合される面とは反対側の面に形成されたビーム部を有する半導体装置。
4. 第１面と前記第１面と反対側の第２面を有する絶縁基板と、
   前記絶縁基板の前記第１面上に搭載された半導体素子と、
   前記半導体素子を冷却するための冷却器と、を備え、
   前記冷却器は、
   接合面と前記接合面の反対側の放熱面を有し、前記絶縁基板の前記第２面に前記接合面が接合される放熱基板と、
   前記放熱基板における前記放熱面に設けられた複数のフィンと、
   前記複数のフィンを覆うように配置され、前記複数のフィンの先端に接合される補強プレートと、
   前記複数のフィン及び前記補強プレートを収容する第１凹部を有する冷却ケースと、を備え、
   前記複数のフィン間の隙間は、前記補強プレートと前記第１凹部の底面との隙間よりも大きい半導体装置であって、
   前記補強プレートは、前記複数のフィンが接合される面に前記複数のフィンのうち少なくとも一部が係合可能な位置決め部を有する半導体装置。
5. 第１面と前記第１面と反対側の第２面を有する絶縁基板と、
   前記絶縁基板の前記第１面上に搭載された半導体素子と、
   前記半導体素子を冷却するための冷却器と、を備え、
   前記冷却器は、
   接合面と前記接合面の反対側の放熱面を有し、前記絶縁基板の前記第２面に前記接合面が接合される放熱基板と、
   前記放熱基板における前記放熱面に設けられた複数のフィンと、
   前記複数のフィンを覆うように配置され、前記複数のフィンの先端に接合される補強プレートと、
   前記複数のフィン及び前記補強プレートを収容する第１凹部を有する冷却ケースと、を備え、
   前記複数のフィン間の隙間は、前記補強プレートと前記第１凹部の底面との隙間よりも大きい半導体装置であって、
   前記補強プレートは、前記複数のフィンが接合される面に複数の突起部を有し、
   前記複数の突起部は、平面視で前記複数のフィンに重ならない位置に設けられる半導体装置。
6. 前記放熱基板は、前記放熱面に前記複数のフィンが設けられた領域に対応して厚み方向に凹む第２凹部を有する請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体装置。

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