JP2022164355A - 冷却器、半導体装置及び電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体パッケージが動作している状態で、半導体パッケージを効率よく冷却する技術を提供する。【解決手段】 第１方向に離隔して並んで設けられる複数の多穴管と、前記複数の多穴管のそれぞれの一端が接合される第１ヘッダと、前記第１方向に交差する第２方向に前記第１ヘッダから離隔して設けられ、前記複数の多穴管のそれぞれの他端が接合される第２ヘッダと、を備え、前記複数の多穴管のいずれか一つの第１多穴管は、前記第１多穴管の前記一端に、前記第２方向に対して前記第１方向に傾斜する第１傾斜部を有し、前記第１多穴管の前記他端に、前記第２方向に対して前記第１方向に傾斜する第２傾斜部を有する冷却器。【選択図】 図１

Description

本開示は、冷却器、半導体装置及び電力変換装置に関する。

発熱によるパワー半導体パッケージの温度上昇を抑えるために、冷媒を内部に流す冷却管が用いられる。

特許文献１には、電子部品を両面から挟持できるように積層配置してなる複数の冷却管と、供給ヘッダ部と、排出ヘッダ部とを有する積層型冷却器が開示されている。当該冷却管は、供給ヘッダ部に接続される第１接合部と、排出ヘッダ部に接続される第２接合部と、第１接合部と第２接合部との間に形成された拡管部と、を有する。

特許文献２には、複数の扁平冷媒管部と、入口側のヘッダ部と、出口側のヘッダ部と、半導体モジュール（半導体パッケージ）と扁平冷媒管部とを積層方向に挟圧する挟圧部とを備える冷媒冷却型両面冷却半導体装置が開示されている。

特開２００８－０１６７１８号公報 特開２００４－２１４６２３号公報

半導体パッケージを用いる電子機器において、半導体パッケージが動作している状態で、効率よく冷却することが求められる。

本開示は、半導体パッケージが動作している状態で、半導体パッケージを効率よく冷却する技術を提供する。

本開示の一の態様によれば、第１方向に離隔して並んで設けられる複数の多穴管と、前記複数の多穴管のそれぞれの一端が接合される第１ヘッダと、前記第１方向に交差する第２方向に前記第１ヘッダから離隔して設けられ、前記複数の多穴管のそれぞれの他端が接合される第２ヘッダと、を備え、前記複数の多穴管のいずれか一つの第１多穴管は、前記第１多穴管の前記一端に、前記第２方向に対して前記第１方向に傾斜する第１傾斜部を有し、前記第１多穴管の前記他端に、前記第２方向に対して前記第１方向に傾斜する第２傾斜部を有する冷却器を提供する。

本開示によれば、半導体パッケージが動作している状態で、半導体パッケージを効率よく冷却できる。

図１は、本実施形態の半導体装置の斜視図である。 図２は、本実施形態の半導体装置の分解斜視図である。 図３は、本実施形態の半導体装置の半導体パッケージの上面図である。 図４は、本実施形態の半導体装置の半導体パッケージの下面図である。 図５は、本実施形態の半導体装置の冷却器の斜視図である。 図６は、本実施形態の半導体装置の冷却器の分解斜視図である。 図７は、本実施形態の半導体装置の冷却器のヘッダの斜視図である。 図８は、本実施形態の半導体装置の冷却器の多穴管の断面図である。 図９は、本実施形態の半導体装置の断面図である。 図１０は、本実施形態の半導体装置の断面図である。 図１１は、本実施形態の半導体装置の冷却器の概略を示す側面図である。 図１２は、本実施形態の半導体装置の冷却器の変形例の概略を示す側面図である。 図１３は、本実施形態の半導体装置の冷却器の多穴管とヘッダとの接続を示す図である。 図１４は、本実施形態の半導体装置の冷却器の多穴管とヘッダとの接続を示す図である。 図１５は、本実施形態の半導体装置の冷却器の多穴管とヘッダとの接続を示す図である。 図１６は、本実施形態の半導体装置を用いる電力変換装置の斜視図である。 図１７は、本実施形態の半導体装置を用いる電力変換装置の斜視図である。

以下、本発明の各実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態に係る明細書及び図面の記載に関して、実質的に同一の又は対応する機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省略する場合がある。また、理解を容易にするため、図面における各部の縮尺は、実際とは異なる場合がある。

平行、直角、直交、水平、垂直、上下、左右などの方向には、実施形態の効果を損なわない程度のずれが許容される。角部の形状は、直角に限られず、弓状に丸みを帯びてもよい。平行、直角、直交、水平、垂直には、略平行、略直角、略直交、略水平、略垂直が含まれてもよい。

＜＜半導体装置１＞＞
図１は、本実施形態の半導体装置１の斜視図である。図２は、本実施形態の半導体装置１の分解斜視図である。半導体装置１は、例えば、３相モータの各相のそれぞれに２つの半導体パッケージ２０によって直流を交流に変換して電力を供給する電力変換器である。半導体装置１は、例えば、モータを駆動する電力変換装置に用いられる。

なお、図には、説明の便宜のためＸＹＺ直交座標系が設定される場合がある。図面の紙面に対して垂直な座標軸については、座標軸の丸の中にバツ印は紙面に対して奥の方向が正、丸の中に黒丸印は紙面に対して手前側が正であることを表している。ただし、当該座標系は、説明のために定めるものであって、半導体装置１等の姿勢について限定するものではない。

なお、本開示では、特に説明しない限り、Ｘ軸は冷却器３０の第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれの延在方向とする。また、Ｙ軸は冷却器３０の第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３が隣接する方向とする。なお、Ｙ軸方向を、上下方向と呼ぶ場合がある。Ｚ軸は、当該Ｘ軸、Ｙ軸に垂直な方向とする。

半導体装置１は、複数の半導体パッケージ２０と、冷却器３０と、を備える。

本実施形態の半導体装置１は、６個の半導体パッケージ２０を備える。具体的には、半導体装置１は、半導体パッケージ２１、半導体パッケージ２２、半導体パッケージ２３、半導体パッケージ２４、半導体パッケージ２５及び半導体パッケージ２６を備える。なお、以下の説明では、半導体パッケージ２１、半導体パッケージ２２、半導体パッケージ２３、半導体パッケージ２４、半導体パッケージ２５及び半導体パッケージ２６のそれぞれを区別して説明する必要がない場合は、それぞれを総称して半導体パッケージ２０と呼ぶ場合がある。

半導体パッケージ２０は、冷却器３０の後述する第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の間に、横３列、縦２段に配置され、保持される。半導体パッケージ２０は、隣接する二つ多穴管の間に設けられる。冷却器３０には、冷媒導入口３０ａｐ１から冷媒（熱冷媒）、例えば、冷却水、が導入される。また、冷却器３０に導入された冷媒は、冷媒導出口３０ａｐ２から導出される。半導体パッケージ２０は、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３内を通流する冷却水と熱交換することにより冷却される。

第１多穴管３０ｂ１と第２多穴管３０ｂ２との間に、第１ヘッダ３０ａの側から順に並んで、半導体パッケージ２１、半導体パッケージ２２及び半導体パッケージ２３を備える。また、第２多穴管３０ｂ２と第３多穴管３０ｂ３との間に、第１ヘッダ３０ａの側から順に並んで、半導体パッケージ２４、半導体パッケージ２５及び半導体パッケージ２６を備える。

半導体装置１の半導体パッケージ２０と冷却器３０のそれぞれの詳細について説明する。

＜半導体パッケージ２０＞
図３は、本実施形態の半導体装置１の半導体パッケージ２０の上面図である。図４は、本実施形態の半導体装置１の半導体パッケージ２０の下面図である。

半導体パッケージ２０は、例えば、１相分の上下アームを構成する２つの半導体素子がパッケージされたいわゆる２ｉｎ１の半導体パッケージである。また、半導体パッケージ２０は、いわゆる両面冷却型の半導体パッケージである。半導体パッケージ２０の内部には、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワートランジスタ等の半導体素子が内蔵される。

なお、内蔵する半導体素子としては、パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等でもよい。また、載置される半導体素子は、前述のＩＧＢＴやＦＷＤをワンチップ化したＲＢ－ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｂｌｏｃｋｉｎｇ－Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）でもよい。更に、載置される半導体素子は、前述のＩＧＢＴやＦＷＤをワンチップ化したＲＣ－ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ－Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）でもよい。

半導体パッケージ２０は、略直方体状の形状の樹脂、例えば、エポキシ樹脂等、のケース２０ｄを備える。ケース２０ｄは、上面２０ｄＡと、上面２０ｄＡの反対側に下面２０ｄＢと、を有する。

半導体パッケージ２０は、ケース２０ｄの側面に、電流端子２０ａ１、電流端子２０ａ２及び電流端子２０ａ３と、制御端子２０ｂ１、制御端子２０ｂ２、制御端子２０ｂ３及び制御端子２０ｂ４と、を有する。電流端子２０ａ１、電流端子２０ａ２及び電流端子２０ａ３と、制御端子２０ｂ１、制御端子２０ｂ２、制御端子２０ｂ３及び制御端子２０ｂ４とは、半導体パッケージ２０のケース２０ｄの側面から突出して設けられる。

電流端子２０ａ１、電流端子２０ａ２及び電流端子２０ａ３は、例えば、負荷に電流を流すための端子である。電流端子２０ａ１、電流端子２０ａ２及び電流端子２０ａ３は、導電材料で形成される。制御端子２０ｂ１、制御端子２０ｂ２、制御端子２０ｂ３及び制御端子２０ｂ４は、負荷に流す電流を制御するための端子である。制御端子２０ｂ１、制御端子２０ｂ２、制御端子２０ｂ３及び制御端子２０ｂ４は、導電材料で形成される。

また、半導体パッケージ２０は、放熱板２０ｃ１及び放熱板２０ｃ２を有する。半導体パッケージ２０に内蔵される例えばパワートランジスタは、発熱素子であることから、冷却する必要がある。放熱板２０ｃ１及び放熱板２０ｃ２のそれぞれは、当該発熱素子を放熱するために設けられる。放熱板２０ｃ１及び放熱板２０ｃ２のそれぞれは、熱伝導性の高い材料、例えば、銅などの金属で形成される。放熱板２０ｃ１及び放熱板２０ｃ２のそれぞれは、当該発熱素子に熱的に接続される。放熱板２０ｃ１は、ケース２０ｄの上面２０ｄＡに設けられる。放熱板２０ｃ２は、ケース２０ｄの下面２０ｄＢに設けられる。

＜冷却器３０＞
図５は、本実施形態の半導体装置１の冷却器３０の斜視図である。図６は、本実施形態の半導体装置１の冷却器３０の分解斜視図である。

冷却器３０は、半導体パッケージ２０を冷却する。冷却器３０の内部には、冷媒が通流する。冷却器３０は、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３内を通流する冷媒（例えば冷却水）と半導体パッケージ２０との間で熱交換することにより、半導体パッケージ２０を冷却する。なお、冷媒は水に限らず、不凍液を含む液体でもよい。

冷却器３０は、第１ヘッダ３０ａと、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３と、第２ヘッダ３０ｃと、を備える。第２ヘッダ３０ｃは、第１ヘッダ３０ａからＸ軸方向に離隔して設けられる。第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３は、Ｙ軸方向、すなわち、Ｘ軸方向と交差する方向、に所定の間隔、具体的には、半導体パッケージ２０を保持できる間隔、を隔てて設けられる。

なお、Ｘ軸方向は、第２方向の一例である。

第１ヘッダ３０ａは、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれの一端に連結される。具体的には、第１ヘッダ３０ａは、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれの－Ｘ側の端部に連結される。第２ヘッダ３０ｃは、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれの他端に連結される。具体的には、第２ヘッダ３０ｃは、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれの＋Ｘ側の端部に連結される。

［第１ヘッダ３０ａ］
最初に、第１ヘッダ３０ａについて説明する。図７は、本実施形態の半導体装置１の冷却器３０の第１ヘッダ３０ａの斜視図である。第１ヘッダ３０ａは、冷媒を冷却器３０の内部に導入するとともに、冷却器３０の外部に導出する。第１ヘッダ３０ａは、壁部３０ａＡ、壁部３０ａＢ、壁部３０ａＣ、壁部３０ａＤ、壁部３０ａＥ及び壁部３０ａＦにより構成される内部が空洞の直方体状である。

第１ヘッダ３０ａの＋Ｘ側の壁部である壁部３０ａＥの一部が解放される。具体的には、第１ヘッダ３０ａは、壁部３０ａＥに開口部３０ａｈ１、開口部３０ａｈ２及び開口部３０ａｈ３を有する。第１ヘッダ３０ａの開口部３０ａｈ１、開口部３０ａｈ２及び開口部３０ａｈ３には、それぞれ第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の一端が挿入され、固定される。第１ヘッダ３０ａと、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３とは例えばロウ付けにて固定され、水密を確保する。

第１ヘッダ３０ａは、壁部３０ａＦに冷媒導入口３０ａｐ１及び冷媒導出口３０ａｐ２を有する。冷媒導入口３０ａｐ１は、外部の冷却装置から冷媒が導入される。冷媒導出口３０ａｐ２は、外部の冷却装置に冷媒を導出する。第１ヘッダ３０ａは、内部に後述する隔壁を有する。隔壁は、第１ヘッダ３０ａに導入される冷媒と、第１ヘッダ３０ａから導出される冷媒とを分ける壁である。隔壁については、後で詳細を述べる。

［第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２、第３多穴管３０ｂ３］
次に、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３について説明する。図８は、本実施形態の半導体装置１の冷却器３０の第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の断面図である。なお、図８では、第２多穴管３０ｂ２の中央で切断した断面図を代表的に示している。第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３は、長手方向の端部が解放され内部に冷媒が通流する管である。また、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３は、多穴管の内部を通流する冷媒と熱交換することで半導体パッケージ２０を冷却する。

第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の短手方向の断面は外形が略長方形状になっている。第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３は、内部に分割された流路３０ｂｃを有するいわゆるマイクロチャネルである。なお、本実施例の流路３０ｂｃは、ミリ単位のオーダーの寸法で作成されても良い。

第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の各流路３０ｂｃは、Ｙ軸方向（上下方向）に長い矩形状のマイクロチャネルになっている。なお、流路３０ｂｃは、Ｙ軸方向に２段以上分けてもよい。

なお、Ｙ軸方向（上下方向）は、第１方向の一例である。

第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３は、冷却面３０ｂＡ、冷却面３０ｂＢを有する。半導体パッケージ２０を冷却器３０で冷却する場合には、冷却面３０ｂＡ又は冷却面３０ｂＢに冷却する半導体パッケージ２０が接触して設けられる。具体的には、冷却面３０ｂＡまたは冷却面３０ｂＢと、半導体パッケージ２０の放熱板２０ｃ１または放熱板２０ｃ２とがハンダ付けや熱伝導グリス等の後述する接合部材で熱的に接合される。

第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれの流路３０ｂｃは、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれの延在方向に対して一様な断面積を有する。第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれの流路３０ｂｃの延在方向と冷媒の流れ方向は、Ｘ軸方向で一致する。なお、流路３０ｂｃの断面積とは、本開示においては、それぞれの流路３０ｂｃの延在方向、すなわち、冷媒の流れ方向に垂直な面の断面積とする。

第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の少なくとも１本の多穴管は、第１ヘッダ３０ａから第２ヘッダ３０ｃの方向に冷媒が流れ、残りの多穴管は、第２ヘッダ３０ｃから第１ヘッダ３０ａの方向に冷媒が流れる。なお、以下の説明において、第１ヘッダ３０ａから第２ヘッダ３０ｃの方向に冷媒が流れる多穴管を上流側多穴管、第２ヘッダ３０ｃから第１ヘッダ３０ａの方向に冷媒が流れる多穴管を下流側多穴管、という場合がある。

また、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のうち、Ｙ軸方向の端に設けられる第１多穴管３０ｂ１及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれは、Ｘ軸方向に対してＹ軸方向の外側に傾斜した傾斜部を備える。傾斜部の詳細については後述する。

［第２ヘッダ３０ｃ］
第２ヘッダ３０ｃは、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の少なくとも一本の多穴管から導入された冷媒を、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の残りの多穴管に導入する。いいかえると、第２ヘッダ３０ｃは、上流側多穴管から導入された冷媒を、下流側多穴管に導入する。

第２ヘッダ３０ｃは、片側が解放された空洞となっている。具体的には、第２ヘッダ３０ｃは、－Ｘ側の面に開口部３０ｃｈ１、開口部３０ｃｈ２及び開口部３０ｃｈ３を有する。第２ヘッダ３０ｃの解放側には、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の他端が挿入され、固定される。具体的には、開口部３０ｃｈ１には、第１多穴管３０ｂ１の他端が挿入され、固定される。開口部３０ｃｈ２には、第２多穴管３０ｂ２の他端が挿入され、固定される。開口部３０ｃｈ３には、第３多穴管３０ｂ３の他端が挿入され、固定される。第２ヘッダ３０ｃと、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３とは例えばロウ付けにて固定され、水密を確保する。

＜第１ヘッダ３０ａの隔壁＞
ここで、第１ヘッダ３０ａに設けられる隔壁について説明する。

外部の冷却装置から冷却器３０に導入される冷媒は、半導体パッケージ２０から熱を吸収して冷却器３０から導出される。よって、冷却器３０を通流する冷媒は、導入された直後において一番温度が低く、徐々に熱を吸収して温度が高くなる。すなわち、上流側多穴管を流れる冷媒の温度より、下流側多穴管の冷媒の温度は高くなる。

次に、第１ヘッダ３０ａに設けられる隔壁の位置について説明する。本実施形態の半導体装置１では、第１多穴管３０ｂ１及び第２多穴管３０ｂ２の２本の多穴管を上流側多穴管とする。また、第３多穴管３０ｂ３の１本の多穴管を下流側多穴管とする。

図９、図１０は、本実施形態の半導体装置１の断面図である。具体的には、図９は、半導体装置１を第１ヘッダ３０ａ部分で、Ｘ軸方向に垂直な面で切断した断面図である。具体的には、図１０は、半導体装置１をＺ方向の中心部分で、Ｚ軸方向に垂直な面で切断した断面図である。なお、半導体パッケージ２０については、内部の詳細は省略して、一様な断面として示している。また、図１０では、多穴管の傾斜部は省略している。

本実施形態の半導体装置１では、第１多穴管３０ｂ１及び第２多穴管３０ｂ２が上流側多穴管、第３多穴管３０ｂ３が下流側多穴管となるように、隔壁３０ａｗを設ける。隔壁３０ａｗは、Ｘ軸方向において、第１ヘッダ３０ａの壁部３０ａＦから壁部３０ａＥまで延在する。

第１多穴管３０ｂ１及び第２多穴管３０ｂ２は、壁部３０ａＡの一部、壁部３０ａＢ、壁部３０ａＣの一部及び隔壁３０ａｗと、壁部３０ａＥ及び壁部３０ａＦと、に囲まれる空間ＳＰｉｎに連通する。空間ＳＰｉｎには、冷媒導入口３０ａｐ１からの冷媒が導入される。空間ＳＰｉｎに導入された冷媒は、空間ＳＰｉｎに連通する第１多穴管３０ｂ１及び第２多穴管３０ｂ２から導出される。

一方、第３多穴管３０ｂ３は、壁部３０ａＡの一部、隔壁３０ａｗ、壁部３０ａＣの一部及び壁部３０ａＤと、壁部３０ａＥ及び壁部３０ａＦと、に囲まれる空間ＳＰｏｕｔに連通する。空間ＳＰｏｕｔに連通する第３多穴管３０ｂ３から冷媒が導入される。空間ＳＰｏｕｔに導入された冷媒は、冷媒導出口３０ａｐ２から導出される。

＜多穴管の傾斜部＞
冷却器３０が有する第１多穴管３０ｂ１及び第３多穴管３０ｂ３に設けられる傾斜部について説明する。図１１は、本実施形態の半導体装置１の冷却器３０の概略を示す側面図である。

第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のうち、Ｙ軸方向の最も外側に設けられる第１多穴管３０ｂ１及び第３多穴管３０ｂ３は、それぞれＸ軸方向の両側に、Ｘ軸方向に対してＹ軸方向の外側に傾斜する傾斜部を有する。

具体的には、第１多穴管３０ｂ１は、－Ｘ側にＹ軸方向の外側、すなわち、－Ｙ側に傾斜する傾斜部３０ｂ１ａを有する。また、第１多穴管３０ｂ１は、＋Ｘ側にＹ軸方向の外側、すなわち、－Ｙ側に傾斜する傾斜部３０ｂ１ｂを有する。なお、第１多穴管３０ｂ１の両端は、傾斜部３０ｂ１ａ及び傾斜部３０ｂ１ｂに対して、傾斜してＸ軸方向を向く。

第３多穴管３０ｂ３は、－Ｘ側にＹ軸方向の外側、すなわち、＋Ｙ側に傾斜する傾斜部３０ｂ３ａを有する。また、第３多穴管３０ｂ３は、＋Ｘ側の端にＹ軸方向の外側、すなわち、＋Ｙ側に傾斜する傾斜部３０ｂ３ｂを有する。なお、第１多穴管３０ｂ１の両端は、傾斜部３０ｂ１ａ及び傾斜部３０ｂ１ｂに対して、傾斜してＸ軸方向を向く。

第１多穴管３０ｂ１及び第３多穴管３０ｂ３は、それぞれ傾斜部を有することによって、幅Ｈの段差が設けられる。

第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれの一端は、第１ヘッダ３０ａに接合される。また、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれの他端は、第２ヘッダ３０ｃに接合される。

半導体装置１が動作すると、半導体パッケージ２０は発熱する。半導体パッケージ２０が発熱すると、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３が半導体パッケージ２０によって加熱される。常温で第１ヘッダ３０ａ及び第２ヘッダ３０ｃが固定された状態から、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３が加熱されると、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３はそれぞれ熱膨張する。

例えば、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれは、両端固定されていない場合には、多穴管の長さＬ［ｍ］と冷却管材料の線膨張係数α［１／Ｋ］と温度差ΔＴ［Ｋ］に比例して熱膨張する。すなわち、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３の熱変形量（長さ方向）δは、α×L×ΔTとなる。例えば、多穴管がアルミニウム材により構成される場合は、アルミニウム材の線膨張係数２３．８×１０^－６［１／Ｋ］であることから、多穴管の長さ０．１５［ｍ］の場合、０．２［ｍｍ］の熱膨張が発生する。

第１ヘッダ３０ａ及び第２ヘッダ３０ｃは、半導体装置１が取り付けられる筐体に固定される。したがって、半導体装置１が動作しても、第１ヘッダ３０ａと第２ヘッダ３０ｃとの間隔は変化しない。一方、半導体装置１が動作すると、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３が熱膨張する。

したがって、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれが接合する第１ヘッダ３０ａの壁部３０ａＥが変形する。また、第１多穴管３０ｂ１、第２多穴管３０ｂ２及び第３多穴管３０ｂ３のそれぞれが接合する第２ヘッダ３０ｃの壁部３０ｃＥが変形する。

第１多穴管３０ｂ１は、傾斜部３０ｂ１ａ及び傾斜部３０ｂ１ｂを有する。また、第３多穴管３０ｂ３は、傾斜部３０ｂ３ａ及び傾斜部３０ｂ３ｂを有する。傾斜部３０ｂ１ａ及び傾斜部３０ｂ３ａのそれぞれは、矢印Ａの向きに壁部３０ａＥを押す。また、傾斜部３０ｂ１ｂ及び傾斜部３０ｂ３ｂのそれぞれは、それぞれ矢印Ａの向きに壁部３０ｃＥを押す。したがって、第１多穴管３０ｂ１及び第３多穴管３０ｂ３は、Ｙ軸方向において内側の第２多穴管３０ｂ２の向きに変形する。

第１多穴管３０ｂ１が、Ｙ軸方向において内側の第２多穴管３０ｂ２の向きに変形することによって、第１多穴管３０ｂ１と第２多穴管３０ｂ２との間に配置される半導体パッケージ２０は、より第１多穴管３０ｂ１及び第２多穴管３０ｂ２によって挟み込まれる。また、第３多穴管３０ｂ３が、内側の第２多穴管３０ｂ２の向きに変形することによって、第３多穴管３０ｂ３と第２多穴管３０ｂ２との間に配置される半導体パッケージ２０は、より第３多穴管３０ｂ３及び第２多穴管３０ｂ２によって挟み込まれる。

したがって、半導体装置１が動作して、半導体パッケージ２０は発熱した場合に、冷却器３０によって、安定して半導体パッケージ２０を冷却できる。

なお、例えば、第１多穴管３０ｂ１は第１外側多穴管の一例、傾斜部３０ｂ１ａは第１傾斜部の一例、傾斜部３０ｂ１ｂは第２傾斜部の一例である。また、第３多穴管３０ｂ３は第２外側多穴管の一例、傾斜部３０ｂ３ａは第３傾斜部の一例、傾斜部３０ｂ３ｂは第４傾斜部の一例である。また、第３多穴管３０ｂ３を第１多穴管を一例としてもよいし、第２ヘッダ３０ｃを第１ヘッダの一例としてもよい。

なお、第１多穴管３０ｂ１及び第３多穴管３０ｂ３の端は、Ｘ軸方向に平行になっていが、第１多穴管及び第３多穴管の端の形状は、第１多穴管３０ｂ１及び第３多穴管３０ｂ３の形状に限らない。図１２は、本実施形態の半導体装置の冷却器３０の変形例である冷却器１３０の概略を示す側面図である。

冷却器１３０の第１多穴管１３０ｂ１は、両端にそれぞれ傾斜部１３０ｂ１ａ及び傾斜部１３０ｂ１ｂを備える。また、冷却器１３０の第３多穴管１３０ｂ３は、両端にそれぞれ傾斜部１３０ｂ３ａ及び傾斜部１３０ｂ３ｂを備える。

冷却器１３０においては、第１多穴管１３０ｂ１の両端は、傾斜部１３０ｂ１ａ及び傾斜部１３０ｂ１ｂとなっており、Ｘ軸方向に対して斜めに冷媒がそれぞれ第１ヘッダ１３０ａ及び第２ヘッダ１３０ｃに流れる。また、冷却器１３０においては、第３多穴管１３０ｂ３の両端は、傾斜部１３０ｂ３ａ及び傾斜部１３０ｂ３ｂとなっており、Ｘ軸方向に対して斜めに冷媒がそれぞれ第１ヘッダ１３０ａ及び第２ヘッダ１３０ｃに流れる。

＜多穴管とヘッダの接続について＞
図１３は、本実施形態の半導体装置の冷却器の多穴管とヘッダとの接続を示す図である。

第１ヘッダ２３０ａは、多穴管を接合する壁部２３０ａＥを備える。第１多穴管２３０ｂ１及び第３多穴管２３０ｂ３は、傾斜部を有する。当該傾斜部を接続するために、第１ヘッダ２３０ａの壁部２３０ａＥは、傾斜部に適合するように傾斜した壁部２３０ａＥ１及び壁部２３０ａＥ３を備える。また、第１ヘッダ２３０ａの壁部２３０ａＥは、壁部２３０ａＥ１及び壁部２３０ａＥ３を連結し、第２多穴管２３０ｂ２に適合して垂直に設けられる壁部２３０ａＥ２を有する。

壁部２３０ａＥ１は、第１多穴管２３０ｂ１が挿入される開口部２３０ａｈ１を備える。壁部２３０ａＥ２は、第２多穴管２３０ｂ２が挿入される開口部２３０ａｈ２を備える。壁部２３０ａＥ３は、第３多穴管２３０ｂ３が挿入される開口部２３０ａｈ３を備える。

なお、第１ヘッダ２３０ａについて説明したが、第２ヘッダについても同様である。例えば、壁部２３０ａＥ１は第１傾斜壁部の一例である。第２ヘッダに設けられる傾斜壁部が第２傾斜壁部の一例である。

また、多穴管とヘッダを接続するために、開口部が傾斜を備えてもよい。図１４は、本実施形態の半導体装置の冷却器の多穴管とヘッダとの接続を示す図である。

第１ヘッダ３３０ａは、壁部３３０ａＥに開口部３３０ａｈ１、開口部３３０ａｈ２及び開口部３３０ａｈ３を備える。

開口部３３０ａｈ１は、第１多穴管３３０ｂ１が挿入される。開口部３３０ａｈ１は、第１多穴管３３０ｂ１の傾斜部に適合するように、傾斜部が延びる方向に傾斜して貫通する。開口部３３０ａｈ２は、第２多穴管３３０ｂ２が挿入される。開口部３３０ａｈ２は、第２多穴管３３０ｂ２に適合するように水平に形成される。開口部３３０ａｈ３は、第３多穴管３３０ｂ３が挿入される。開口部３３０ａｈ３は、第３多穴管３３０ｂ３の傾斜部に適合するように、傾斜部が延びる方向に傾斜して貫通する。

なお、第１ヘッダ３３０ａについて説明したが、第２ヘッダについても同様である。なお、例えば、開口部３３０ａｈ１が第１傾斜開口部の一例である。また、第２ヘッダに設けられる傾斜開口部が第２傾斜開口部の一例である。

更に、位置が固定されたヘッダに対して、多穴管の熱膨張による寸法の変化を吸収するために、多穴管が接合される壁部を変形しやすくしてもよい。すなわち、多穴管が接合される壁部の剛性を低くしてもよい。

図１５は、本実施形態の半導体装置の冷却器の多穴管とヘッダとの接続を示す図である。第１ヘッダ４３０ａの多穴管と接合する壁部４３０ａＥは、他の壁部と比較して厚さ（壁厚）が薄くなっている。すなわち、壁部４３０ａＥは薄板により形成される。壁部４３０ａＥは、多穴管を取り付けるための開口部４３０ａｈ１、開口部４３０ａｈ２及び開口部４３０ａｈ３を有する。

壁部４３０ａＥは、薄く形成されることにより、他の壁部と比較すると剛性が低くなっている。すなわち、壁部４３０ａＥは、第１ヘッダ４３０ａを構成する壁部で最も剛性が低くなっている。なお、本実施例では、壁部４３０ａＥを他の壁部よりも薄く形成することで剛性を低くしているが、薄く形成することに限らない。例えば、局所的に薄く形成又は蛇腹状に形成しても良く、その他剛性を低くするためにとり得る他手段が含まれる。

したがって、第１多穴管４３０ｂ１、第２多穴管４３０ｂ２及び第３多穴管４３０ｂ３のそれぞれが熱膨張しても、熱膨張して変形した量を吸収することができる。

なお、第１ヘッダ４３０ａについて説明したが、第２ヘッダについても同様である。例えば、壁部４３０ａＥは接合壁部の一例である。

＜＜電力変換装置＞＞
次に、本実施形態に係る半導体装置を用いる電力変換装置について説明する。

図１６及び図１７は、本実施形態に係る半導体装置１を用いる電力変換装置５の斜視図である。図１７は、図１６の電力変換装置５のカバー５１を外した図である。

電力変換装置５は、例えば、直流電力を所定の周波数の３相の交流電力に変換する。電力変換装置５は、例えば、自動車等に搭載される。

電力変換装置５は、カバー５１と、ケース５２と、を備える。ケース５２は、外部の電源や負荷を接続するためのコネクタ５３及びコネクタ５４を備える。なお、カバー５１及びケース５２の組み合わせを筐体５０という場合がある。

電力変換装置５は、カバー５１及びケース５２の内部に、制御基板５５と、半導体装置１と、コンデンサ５６と、を備える。パイプ１１２及びパイプ１１３を介して冷媒が導入導出される。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

例えば、多穴管の本数は、３本に限らず、２本以上設けてもよい。また、傾斜部を有する多穴管は、第１多穴管及び第２多穴管に限らず、冷却器が備える多穴管のいずれかが傾斜部を有するようにしてもよい。

１ 半導体装置
５ 電力変換装置
２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６ 半導体パッケージ
３０、１３０ 冷却器
３０ａ、１３０ａ、２３０ａ、３３０ａ、４３０ａ 第１ヘッダ
２３０ａＥ１、２３０ａＥ３ 壁部
３３０ａｈ１、３３０ａｈ３ 開口部
３０ｂ１、１３０ｂ１、２３０ｂ１、３３０ｂ１、４３０ｂ１ 第１多穴管
３０ｂ１ａ、３０ｂ１ｂ、１３０ｂ１ａ、１３０ｂ１ｂ、２３０ｂ１ａ、３３０ｂ１ａ 傾斜部
３０ｂ２、１３０ｂ２、２３０ｂ２、３３０ｂ２、４３０ｂ２ 第２多穴管
３０ｂ３、１３０ｂ３、２３０ｂ３、３３０ｂ３、４３０ｂ３ 第３多穴管
３０ｂ３ａ、３０ｂ３ｂ、１３０ｂ３ａ、１３０ｂ３ｂ、２３０ｂ３ａ、３３０ｂ３ａ 傾斜部
３０ｃ、１３０ｃ 第２ヘッダ
ＳＰｉｎ 空間
ＳＰｏｕｔ 空間

Claims (10)

1. 第１方向に離隔して並んで設けられる複数の多穴管と、
   前記複数の多穴管のそれぞれの一端が接合される第１ヘッダと、
   前記第１方向に交差する第２方向に前記第１ヘッダから離隔して設けられ、前記複数の多穴管のそれぞれの他端が接合される第２ヘッダと、
   を備え、
   前記複数の多穴管のいずれか一つの第１多穴管は、
   前記第１多穴管の前記一端に、前記第２方向に対して前記第１方向に傾斜する第１傾斜部を有し、
   前記第１多穴管の前記他端に、前記第２方向に対して前記第１方向に傾斜する第２傾斜部を有する、
   冷却器。
2. 前記第１多穴管は、前記複数の多穴管において前記第１方向の最も外側に設けられる第１外側多穴管である、
   請求項１に記載の冷却器。
3. 前記第１傾斜部及び前記第２傾斜部は、それぞれ前記外側に傾斜する、
   請求項２に記載の冷却器。
4. 前記複数の多穴管は、前記第１方向の前記第１多穴管の反対側の最も外側に設けられる第２外側多穴管を含み、
   前記第２外側多穴管は、
   前記一端に、前記第２方向に対して前記第１方向に傾斜する第３傾斜部を有し、
   前記他端に、前記第２方向に対して前記第１方向に傾斜する第４傾斜部を有する、
   請求項２又は請求項３のいずれかに記載の冷却器。
5. 前記第３傾斜部及び前記第４傾斜部は、それぞれ前記第１外側多穴管の反対側に傾斜する、
   請求項４に記載の冷却器。
6. 前記第１ヘッダは、前記第１多穴管の前記一端が接合する、前記第２方向に対して前記第１方向に傾斜する第１傾斜壁部を有し、
   前記第２ヘッダは、前記第１多穴管の前記他端が接合する、前記第２方向に対して前記第１方向に傾斜する第２傾斜壁部を有する、
   請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷却器。
7. 前記第１ヘッダは、前記第１多穴管の前記一端が接合する、前記第１傾斜部が延びる方向に傾斜して貫通する第１傾斜開口部を有し、
   前記第２ヘッダは、前記第１多穴管の前記他端が接合する、前記第２傾斜部が延びる方向に傾斜して貫通する第２傾斜開口部を有する、
   請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷却器。
8. 第１方向に離隔して並んで設けられる複数の多穴管と、
   前記複数の多穴管のそれぞれの一端が接合される第１ヘッダと、
   前記第１方向に交差する第２方向に前記第１ヘッダから離隔して設けられ、前記複数の多穴管のそれぞれの他端が接合される第２ヘッダと、
   を備え、
   前記第１ヘッダ及び前記第２ヘッダのそれぞれは、前記複数の多穴管が接合される接合壁部を含む複数の壁部を備え、
   前記接合壁部は、前記複数の壁部のなかで最も剛性が低い、
   冷却器。
9. 複数の半導体パッケージと、
   請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の冷却器と、を備え、
   前記複数の半導体パッケージのそれぞれは、隣接する二つの前記多穴管の間に設けられる、
   半導体装置。
10. 請求項９に記載の半導体装置を備える、
    電力変換装置。

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