JPWO2013094028A1 - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

改良された冷却器一体型の半導体モジュールを提供する。半導体モジュール１００は、複数の平板型の冷却プレート１２と、複数の平板型の半導体パッケージ５と平板型デバイスパッケージ２を備える。半導体パッケージ５は、その内部に半導体素子を収めている。デバイスパッケージ２は、その内部に、半導体パッケージに収められた半導体素子とは異なる種類の電子部品を収めている。冷却プレート１２と、半導体パッケージ５またはデバイスパッケージ２は、交互に積層されている。隣接する冷却プレート１２の間には、内部を冷媒が通る接続管１３ａ、１３ｂが設けられている。

Description

本発明は、半導体素子を収めた複数の平板型の半導体パッケージと冷却器が一体となった半導体モジュールに関する。

インバータや電圧コンバータで用いられるＩＧＢＴや還流ダイオードなどの半導体素子は、発熱量が大きい。それらの素子は、パワー半導体素子、あるいは単にパワー素子などと呼ばれることがある。発熱量は、流れる電流の大きさに依存する。従って、大きな出力が要求される車輪駆動用のモータ（ハイブリッド車を含む電気自動車用の走行用モータ）に電力を供給するインバータや電圧コンバータは、発熱量の大きいパワー素子を多数用いる。インバータや電圧コンバータには、パワー素子以外にも発熱量の大きい電子部品が使われている。そのような電子部品の典型には、パワー素子のソース／ドレイン間（エミッタ／コレクタ間）に流れる電流を平滑化するためのコンデンサ（平滑化コンデンサ）がある。パワー素子のソース／ドレイン間に流れる電流が大きいため、平滑化コンデンサの容量も大きくなり、発熱量も大きくなる。そこで、電気自動車用に、多数のパワー素子と他の回路素子と冷却器を一体化した半導体モジュールが提案されている。

例えば、特許文献１には、平板型の冷却チューブ（冷却プレート）と平板型半導体パッケージと扁平な平滑化コンデンサを積層した半導体モジュールが開示されている。その半導体モジュールは、隣接する冷却プレートで挟まれた一つの層に半導体パッケージを挟み、他の層に扁平な平滑化コンデンサを挟んでいる。平滑化コンデンサの扁平率は大きくはなく、平滑化コンデンサの厚みは半導体パッケージよりも厚い。そのため、積層された冷却プレートの間隔は等間隔ではない。

また、特許文献２には、コンデンサと半導体素子をモールドにて一つのパッケージに収め、複数のパッケージと複数の冷却プレートを交互に積層した半導体モジュールが開示されている。また、特許文献３には、板状に成形された複数の電子部品と複数の冷却プレートを交互に積層した半導体モジュールが開示されている。

半導体素子を収めたパッケージあるいは板状に成形された電子部品と冷却プレートを積層したデバイスは、パッケージあるいは電子部品をその両側から冷やすことができるため、コンパクト性にも優れている。

特開２００１−３２０００５号公報 特開２０１０−１５３５２７号公報 特開２００７−０５３３０７号公報

本明細書は、複数の半導体パッケージ及び他の電子部品と冷却プレートを交互に積層した半導体モジュールに関する。本明細書は、そのような冷却器一体型の半導体モジュールを改善する技術を提供する。

本明細書が開示する技術の一態様の半導体モジュールは、複数の平板型の冷却プレートと、半導体素子を収めた複数の平板型の半導体パッケージと、平板型のデバイスパッケージと、冷却管を備えている。デバイスパッケージは、半導体パッケージに収められた半導体素子とは異なる種類の電子部品を収めている。デバイスパッケージは、樹脂でモールド成形されていてもよい。冷却プレートと、半導体パッケージまたはデバイスパッケージは交互に積層している。別言すれば、隣接する冷却プレートの間に半導体パッケージとデバイスパッケージが挟持されている。この半導体モジュールでは、半導体パッケージとデバイスパッケージの幅が略等しく、それゆえ複数の冷却プレートが略等間隔に配置されている。冷却管は、隣接する２つの冷却プレートを接続する。冷却管の内部を一方の冷却から他方の冷却プレートへと冷媒が流れる。

デバイスパッケージは、電子部品を樹脂でモールドしたものであり、その厚み方向の寸法を高い精度で成形することができる。そのため、半導体パッケージと一緒に冷却プレートで積層するのに好都合である。また、樹脂モールドは耐湿性、耐電圧性に優れている。特に耐電圧性に優れているため、半導体パッケージの近くに配置するのに好都合である。大電流が流れる半導体素子や電子部品はバスバと呼ばれる導電部材で接続される。バスバとは、高耐電圧の金属長板部材である。耐電圧性に優れたデバイスパッケージは、そのようなバスバと近接配置するのにも好都合である。

冷却プレートと半導体パッケージとデバイスパッケージの積層体は、その積層方向に両側から荷重が加えられ、冷却プレートと半導体パッケージ（あるいはデバイスパッケージ）との密着性が高められる。密着性を高めることによって、半導体パッケージ（あるいはデバイスパッケージ）と冷却プレートの間の熱伝導性が向上する。半導体パッケージの厚みとデバイスパッケージの厚みが略等しく、冷却プレートは、積層方向の荷重に対して厚みが変化する構造を備えているとよい。ここで、「厚みが変化する構造」の一例は、冷却プレートの側壁あるいは冷却管の一部がアコーディオン構造、あるいは、ベローズ構造で構成されており、荷重に応じてアコーディオン構造又はベローズ構造の厚みが縮むものである。前述したように、半導体モジュールはその積層方向に両側から荷重される。ここで、半導体パッケージとデバイスパッケージの厚みが等しいため、荷重に応じて冷却プレートの厚みが均等に狭まり、冷却プレートの破損を防ぐことができる。

デバイスパッケージに収められている電子部品は、典型的には、コンデンサである。そのコンデンサは、扁平な捲回式コンデンサであってもよいし、積層式のコンデンサであってもよい。扁平な捲回式コンデンサは、積層式コンデンサに比べて安価である。積層式のコンデンサは、捲回式コンデンサに比べて容易に薄く作ることができる。

デバイスパッケージの樹脂モールドは、ポッティング又は吹き付けにより成形されるのがよい。ポッティング又は吹き付けは、半導体素子に関してよく用いられるトランスファーモールディングと異なり、電子部品を高温高圧にする必要がなく、耐熱性の高くない電子部品のモールディングに適している。

半導体パッケージとデバイスパッケージは、２枚の冷却プレート間の一つの層に隣接して配置されていてもよいし、異なる層に配置されていてもよい。前者の場合は、半導体モジュールの積層方向の長さを短くすることができる。後者の場合は、半導体モジュールの幅を小さくすることができる。また、後者の場合の一例では、少なくとも一つの半導体パッケージと少なくとも一つのデバイスパッケージは、積層方向から見て重なるように配置されていてよい。あるいは、少なくとも一つの半導体パッケージと少なくとも一つのデバイスパッケージが、隣接する２個の冷却プレートの間で横方向に並んで配置されていてよい。別言すれば、少なくとも一つの半導体パッケージと少なくとも一つのデバイスパッケージが、積層方向と交差する方向で並んで配置されていてよい。

半導体パッケージ内の半導体素子とデバイスパッケージ内の電子部品は、直線のバスバによって電気的に接続されているのが好適である。別言すれば、半導体パッケージ内の半導体素子とデバイスパッケージ内の電子部品がバスバによって最短距離で接続されているのがよい。最も短いバスバで半導体素子と電子部品を接続することによって、バスバのインダクタンスを低減することができる。それゆえ、半導体素子のスイッチングにおけるサージ電流を低減することができる。このことは、半導体素子のスイッチングロスの低減につながる。

本明細書が開示する半導体モジュールの詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

一実施形態の半導体モジュールの斜視図である。 半導体モジュールの部分断面図である。 半導体モジュールが使われるモータコントローラユニットのブロック図である。 一実施形態の半導体モジュールの平面図である。 別の実施形態の半導体モジュールの平面図である。 半導体パッケージとデバイスパッケージの接続の一例を示す図である。 半導体パッケージとデバイスパッケージの接続の別の例を示す図である。 扁平な捲回式コンデンサの製造工程の一例を説明する図である（１）。 扁平な捲回式コンデンサの製造工程の一例を説明する図である（２）。 扁平な捲回式コンデンサを収めたデバイスパッケージの製造工程の一例を説明する図である（１）。 扁平な捲回式コンデンサを収めたデバイスパッケージの製造工程の一例を説明する図である（２）。 扁平な捲回式コンデンサを収めたデバイスパッケージの製造工程の一例を説明する図である（３）。 積層式コンデンサの製造工程の一例を説明する図である（１）。 積層式コンデンサの製造工程の一例を説明する図である（２）。 積層式コンデンサの別の製造工程の一例を説明する図である。 さらに別の実施形態の半導体モジュールの断面図である。 冷却プレートの分解図を示す。 一実施形態の冷却プレートの断面図を示す。

図面を参照して実施例の半導体モジュールを説明する。図１は、半導体モジュール１００の斜視図である。なお、図１は、一部の部品については本体から分離して示してある。半導体モジュール１００は、電気自動車のモータコントローラユニットに組み込まれるモジュールであり、インバータのスイッチング素子を構成するトランジスタとダイオード、及び、平滑化コンデンサをまとめたものである。半導体モジュール１００は、主として、複数の平板型の冷却プレート１２と、複数の平板型の半導体パッケージ５と、コンデンサ３を内蔵した複数のデバイスパッケージ２で構成される。冷却プレート１２の内部には冷媒が流れており、冷媒が半導体パッケージ５とデバイスパッケージ２の熱を奪い、それらのパッケージが冷却される。

複数の冷却プレート１２は平行に配置されており、隣接する２個の冷却プレート１２の間に、半導体パッケージ５又はデバイスパッケージ２が挟まれる。別言すれば、半導体モジュール１００は、平行に配置された冷却プレート１２と、半導体パッケージ５又はデバイスパッケージ２が交互に積層された積層体を構成している。積層体の全体はブラケット１６でクランプされる。積層体の端部とブラケット１６のリブ１６ａの間にスプリング１７が組み込まれ、そのスプリング１７が積層体に積層方向の圧力を加えている。スプリング１７の圧力によって、冷却プレート１２と半導体パッケージ５又はデバイスパッケージ２が強く密着する。強く密着することにより、冷却プレート１２と半導体パッケージ５又はデバイスパッケージ２との間の熱伝達効率が向上する。

隣接する冷却プレート１２は、２個の接続管１３ａ、１３ｂで互いに接続されている。また、積層体の端部に位置する冷却プレート１２には、冷媒を供給する供給管１５と冷媒を排出する排出管１４が接続している。供給管１５から供給される冷媒は、接続管１３ａを通じて下流の冷却プレート１２へと流れる。また、冷却プレート１２の内部を通過した冷媒は接続管１３ｂを通じて排出管１４へと流れる。接続管１３ａ、１３ｂは、冷却管の一例に相当する。

半導体モジュール１００は、半導体素子を収めた半導体パッケージ５とコンデンサ３を収めたデバイスパッケージ２を交互に挟んでいる。半導体パッケージ５とデバイスパッケージ２は略同じ厚みｄ１である。従って、複数の冷却プレート１２は、幅ｄ２の略等間隔で配置されている。隣接する冷却プレート１２の間の幅ｄ２は、パッケージの厚みｄ１よりも僅かに広い。なお、冷却プレート１２の間に挿入される際、半導体パッケージ５の両側にはセラミック製の絶縁板８が取り付けられる。隣接する冷却プレート１２の間の幅ｄ２とパッケージの厚みｄ１の間の僅かな隙間には、絶縁板８が挿入され、グリスが充填される。

半導体パッケージ５について説明する。半導体パッケージ５は、内部に２個のトランジスタ６ａ、６ｂと、２個のダイオード７ａ、７ｂを樹脂でモールドしたものである。図示は省略しているが、トランジスタ６ａとダイオード７ａは、樹脂モールドの内部で逆並列に接続しており、トランジスタ６ｂとダイオード７ｂも逆並列に接続している。トランジスタ６ａとダイオード７ａの組と、トランジスタ６ｂとダイオード７ｂの組は直列に接続している。よく知られているように、トランジスタとダイオードの逆並列回路は、インバータや電圧コンバータのスイッチング回路として用いられる。一つの半導体パッケージ５は、２個のスイッチング回路の直列接続に相当する。

図１に示すように、半導体パッケージ５の一側面（図１における底面）からは、３本の電極５ａ、５ｂ、及び、５ｃが伸びており、他の一側面（図１における上面）からは、複数の制御端子５ｄが伸びている。電極５ａは、２個のスイッチング回路の直列接続の正極に繋がっており、電極５ｂは、２個のスイッチング回路の直列接続の負極（接地）に繋がっている。電極５ｃは、２個のスイッチング回路の直列接続の中点に繋がっている。制御端子５ｄは、トランジスタのゲート電極に繋がっている。

デバイスパッケージ２は、コンデンサ３を樹脂モールドで固めたものである。デバイスパッケージ２の一側面（図１における底面）からは、コンデンサ３の両電極２ａ、２ｂが伸びている。

図２に、半導体モジュール１００の部分断面を示す。図２には、３枚の冷却プレート１２と、それらに挟まれた半導体パッケージ５及びデバイスパッケージ２の断面が示されている。なお、図２の下側には、冷却プレートの側端の拡大図が示されている。冷却プレート１２は、筐体を構成する２枚の枠板２７と、内部の空間を２分する仕切りプレート２６、及び、冷却フィンに相当する波板２５で構成されている。

半導体パッケージ５は、トランジスタ２２（半導体素子）とダイオード（不図示）を樹脂でモールドしたものである。半導体パッケージ５の両面には放熱板２１が備えられている。放熱板２１は、トランジスタ２２とダイオードの熱を効率よくパッケージの表面へ拡散させる。半導体パッケージ５と冷却プレート１２との間には、絶縁板２４が挿入されており、絶縁板２４の両側にはグリス２３が充填されている。放熱板２１の熱は、グリス２３と絶縁板２４を通じて冷却プレート１２に移動する。

デバイスパッケージ２は、コンデンサ３を樹脂でモールドしたものである。デバイスパッケージ２と冷却プレート１２の間にはグリス２３が充填されている。コンデンサ３の熱は、樹脂のモールドとグリス２３を通じて冷却プレート１２に移動する。

デバイスパッケージ２から伸びているコンデンサ３の一方の電極２ａと半導体パッケージ５から伸びている電極５ａは、直線的なバスバ２９ａで接続されている。デバイスパッケージ２から伸びているコンデンサ３の他方の電極２ｂと半導体パッケージ５から伸びている電極５ｂは、直線的なバスバ２９ｂで接続されている。

図３は、半導体モジュール１００が適用されるデバイスの回路ブロック図である。図３は、エンジン８７と２個のモータ８５、８６を備えたハイブリッド車８０のモータコントロールユニットの回路図である。半導体モジュール１００は、第１モータ８５に交流電力を供給する第１インバータ８３のスイッチング回路と、第２モータ８６に交流電力を供給する第２インバータ８４のスイッチング回路、及び、それらのスイッチング回路に付随するコンデンサを集積したものである。半導体モジュール１００には、また、バッテリ８１の出力電圧をモータ駆動に適した高電圧に変換する昇圧コンバータ８２のスイッチング回路も含まれる。以下では、２個のスイッチング回路の組を「パワーモジュール」と称する。

モータコントロールユニットの回路を説明する。バッテリ８１は、昇圧コンバータ８２に接続している。昇圧コンバータ８２は、２個のスイッチング回路の直列接続とリアクトルＬで構成される。２個のスイッチング回路の直列接続がパワーモジュールＰＭ７に相当する。昇圧コンバータ８２の出力端は、第１インバータ８３と第２インバータ８４に接続している。よく知られているように、３相出力のインバータは、２個のスイッチング回路の直列接続（即ちパワーモジュール）を３組備えている。第１インバータ８３は、パワーモジュールＰＭ１、ＰＭ２、ＰＭ３を備えている。それぞれのパワーモジュールに対してコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）が並列に接続している。第２インバータ８４は、パワーモジュールＰＭ４、ＰＭ５、ＰＭ６を備えている。それぞれのパワーモジュールに対してコンデンサ（Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６）が並列に接続している。コンデンサＣは、パワーモジュールＰＭを流れる電流を平滑化する。

ハイブリッド車８０の駆動メカニズムを説明する。エンジン８７の出力軸と、第１モータ８５の出力軸と、第２モータ８６の出力軸は、動力分配機構８８で相互に係合する。動力分配機構８８は、プラネタリギアである。エンジン８７の出力軸はプラネタリキャリアに連結しており、第１モータ８５の出力軸はサンギアに連結しており、第２モータ８６の出力軸はリングギアに連結している。リングギアはまた、車軸８９に連結している。車軸８９はディファレンシャル９０を介して車輪に繋がっている。ハイブリッド車８０は、エンジン８７と２個のモータ８５、８６の出力を適宜に調整することによって、車輪駆動力を得る。また、第１モータ８５はエンジン８７を始動するスタータとしても機能する。さらに、動力分配機構８８がエンジン８７の駆動トルクの一部を第１モータ８５に振り分けることによって、第１モータ８５で発電し、バッテリ８１を充電することができる。また、ハイブリッド車８０は、車両の運動エネルギを利用して第１及び第２モータ８５、８６で発電することもできる。

半導体モジュール１００は、７個のパワーモジュールＰＭ１−ＰＭ７と、６個のコンデンサＣ１−Ｃ６を集積したものである。一つのパワーモジュールＰＭが一つの半導体パッケージ５に相当する。また、一つのコンデンサＣが一つのデバイスパッケージ２に相当する。半導体パッケージ５とデバイスパッケージ２のレイアウトのバリエーションを図４と図５に示す。図４は、コンデンサを埋め込んだデバイスパッケージ２と、半導体パッケージ５を交互に積層した半導体モジュール１００ａを示している。半導体モジュール１００ａは、隣接する冷却プレート１２の間の一つの層に一つの半導体パッケージ５あるいはデバイスパッケージ２を収容している。従って、半導体モジュール１００ａは、積層方向の長さは長くなるが、横方向の幅は小さくできる。積層方向で隣接する半導体パッケージ５とデバイスパッケージ２は、バスバ２９ａ、２９ｂで電気的に結合される。図５は、隣接する冷却プレート１２の間の一つの層に一つの半導体パッケージ５と一つのデバイスパッケージ２を収容した半導体モジュール１００ｂを示している。一つの半導体パッケージ５と一つのデバイスパッケージ２は、横方向に並んで配置される。半導体モジュール１００ｂは、横方向の幅は大きくなるが、積層方向の長さは短くなる。横方向で隣接する半導体パッケージ５とデバイスパッケージ２は、バスバ２９ａ、２９ｂで電気的に結合される。

図６と図７は、一つの層に並ぶ半導体パッケージ５とデバイスパッケージ２の配線のバリエーションを示している。図６と図７は、モールドを開いた状態を示している。図６の半導体モジュール１００ｃでは、デバイスパッケージ２の電極２ａ、２ｂと、半導体パッケージ５の電極５ａ、５ｂ、及び５ｃが、冷却プレート１２の側方に平行に伸びている。そして、電極２ａと電極５ａが直線状のバスバ２９ａで接続されており、電極２ｂと電極５ｂが直線状のバスバ２９ｂで接続されている。

図７の半導体モジュール１００ｄでは、コンデンサ３とトランジスタ６ａ、６ｂは、直線状のバスバ３０２ａ、３０２ｂにより接続されている。バスバ３０２ａ、３０２ｂは、図６のバスバ２９ａ、２９ｂのように電極２、５を介することなくコンデンサとトランジスタを接続しており、バスバ２９ａ、２９ｂと比較して短い。

次に、コンデンサを内包するデバイスパッケージの製造方法の一例を紹介する。まず、扁平な捲回型コンデンサを内包するデバイスパッケージを紹介する。図８に示すように、平坦な板の芯５２にフィルム５１を捲回し、それを一対のプレス板５３を使って両側から圧力を加え、扁平化する。そうすると、図９に示すように、扁平な捲回コンデンサ５５が得られる。次に、扁平な捲回コンデンサ５５に電極２ａ、２ｂを取り付け、それを金型５６に入れる（図１０）。次に、金型５６に樹脂５７を流し込む（図１１）。この方法は、ポッティングと呼ばれる製法の一例である。樹脂が固化した後に金型５６を外し、扁平な捲回コンデンサ５５をモールドしたデバイスパッケージ２が得られる（図１２）。

上述したように、デバイスパッケージ２は、樹脂のポッティングにより作られる。ポッティングは樹脂を高温高圧にしなくてよいので、耐熱性が高くないコンデンサのモールディングに適している。ポッティングに代えて樹脂吹き付けによって、デバイスパッケージ２を製造することも好適である。

次に、積層型コンデンサの製造方法の例を紹介する。一つの方法は、フィルム１５１を積層する方法である（図１３）。多数のフィルム１５１を積層することで、積層型コンデンサ１５５が得られる（図１４）。別の一つの方法は、大型の多角形のボビン２５２を用意し、そのボビン２５２にフィルム２５１を巻き付ける。平坦な部分を切り出すと、積層型コンデンサ２５５が得られる。なお、コンデンサのアスペクト比は、１０以上であることが好ましい。ここで、アスペクト比は、長辺と短辺の比である。図１４に示す符号を用いると、アスペクト比は、幅Ｗ／厚みＴ、あるいは、奥行Ｌ／厚みＴに相当する。

さらに別の態様の半導体モジュール１００ｅを説明する。図１６に半導体モジュール１００ｅの断面図を示す。なお、図１６では、半導体モジュール１００ｅの冷却器の部分だけを示しており、隣接する冷却プレートに挟まれる半導体パッケージとデバイスパッケージの図示は省略している。隣接する冷却プレートに挟まれる半導体パッケージとデバイスパッケージは、第１実施例の半導体モジュール１００の場合と同じでよい。半導体モジュール１００ｅの冷却器は、冷却プレート１２ａ〜１２ｇで構成される。以下、冷却プレート１２ａ〜１２ｇを総称する場合には、「冷却プレート１２」と称する。なお、図１６では、上側の２枚の冷却プレート１２ａ、１２ｂだけには、個々の部品に符号を付しているが、他の冷却プレートでは個々の部品についての符号は図示を省略した。

図１７に、冷却プレート単体の分解斜視図を示す。図１７は、供給管１５と排出管１４７が接続される最外側の冷却プレート１２ａの分解斜視図である。ただし、いずれの冷却プレートも、フィルタ１２９の有無を除いて同じ構造である。最外側の冷却プレート１２ａの筐体は、２枚の対向する外板１２１、１２５で構成される。外板１２１、１２５は、フランジ付の浅い容器状の形状を有しており、中板１２３を挟んでフランジを向かい合わせて接合することにより、内部に冷媒流路１３１、１３２（図１６も参照）を有する冷却プレート１２ａが形成される。なお、外板のフランジ同士は、ロウ付けにより接合される。

一方の外板１２１には、２個の開口部１２１ａ、１２１ｂが形成されている。開口部は、外板の表面から突出している。以下、そのような開口部を突出開口部と称する場合がある。他方の外板１２５にもその長手方向（図のＸ方向）の両側に突出開口部１２５ａと１２５ｂが形成されている。中板１２３にも、外板の開口部と対向する位置に開口部１２３ａ、１２３ｂが形成されている。開口部１２１ａ、１２３ａ、及び１２５ａは、冷却プレートの積層方向（図中のＹ方向）からみて重なるように設けられており、それらの開口部は冷却プレート１２ａを貫通する貫通孔を構成する。同様に、開口部１２１ｂ、１２３ｂ、及び、１２５ｂも貫通孔を構成する。最外側の冷却プレート１２ａの２個の貫通孔は、半導体パッケージが当接する領域１１８の両側に設けられている。

中板１２３は、冷却プレート１２ａ内部空間を２つに隔てる。図１７において、下側の外板１２５の開口部１２５ａに冷媒の供給管１５が接続するから、図１７において下側が、冷媒上流に相当する。中板１２３は、冷却プレート１２ａの内部の流路を、上流側流路１３１と下流側流路１３２に区分する。

中板１２３の上流側の開口部１２３ａには、異物を除去するフィルタ１２９が取り付けられている。冷媒の供給管１５から流入する冷媒に含まれる異物は、フィルタ１２９によって最外側の冷却プレート１２ａよりも下流側の冷却プレートには流れず、最外側の冷却プレート１２ａの上流側流路１３１を通り、排出管１４へと排出される。

上流側の流路１３１には、流路の流れ方向に沿って伸びる放熱フィン１２４（粗ピッチ放熱フィン１２４）が配置され、下流側の流路１３２には、流路の流れ方向に沿って伸びる放熱フィン１２２（細ピッチ放熱フィン１２２）が配置される。放熱フィン１２４、１２２は、外板１２１、１２５の熱を冷媒に伝え易くするために備えられており、冷却プレート１２ａの冷却能力を高める。上流側の粗ピッチ放熱フィン１２４のピッチは、下流側の細ピッチ放熱フィン１２２よりも粗い。放熱フィン１２２、１２４は、波板であり、波の一つひとつが「フィン」に相当する。また、「フィンのピッチ」とは、波板のピッチを意味する。上流側の流路１３１には、異物が流れ易いように、ピッチの粗い粗ピッチ放熱フィン１２４を配置し、下流側の流路１３２には、フィルタ１２９により異物が流れないので、冷却効率を高める細ピッチ放熱フィン１２２を配置している。

図１６に戻って説明を続ける。隣接する２枚の冷却プレートにおいて、一方の冷却プレートの突出開口部１２１ａ（１２１ｂ）と、これに対向する他方の冷却プレートの突出開口部１２５ａ（１２５ｂ）が嵌合し、接続管１１３を形成する。突出開口部１２１ａ（１２１ｂ）と突出開口部１２５ａ（１２５ｂ）も、ロウ付けなどで接合される。

図１６によく示されているように、冷却プレートの構造は全て同じである。ただし、上流側の冷却プレート１２ａの中板１２３の供給管１５に近い貫通孔にだけ、フィルタ１２９が備えられている。また、図１６では図示を省略しているが、最外側の冷却プレート１２ａの上流側流路１３１には、粗ピッチ放熱フィン１２４（図１７参照）が配置されており、それ以外の流路には、細ピッチ放熱フィン１２２が配置されている。

図１６に示した流路内の矢印は、冷媒の流れを示している。矢印が示すように、供給管１５から冷却器に供給される冷媒は、各冷却プレートを平行に流れ、排出管１４から出ていく。冷媒に混入した異物は、フィルタ１２９によって下流側流路１３２及び他の冷却プレートには流れ込まず、最外側の冷却プレート１２ａの上流側流路１３１を通り、排出管１４へと流れて行く。このとき、上流側流路１３１には細ピッチ放熱フィン１２２ではなく、粗ピッチ放熱フィン１２４が配置されているので、フィン間の広い間隙を通り異物はスムーズに流れていく。

半導体パッケージとデバイスパッケージ（不図示）は、最外側の冷却プレート１２ａとこれに隣接する冷却プレート１２ｂとの間の空間１３４ａに配置される。同様に、隣接する冷却プレート間の空間１３４ｂ〜１３４ｆに、半導体パッケージまたはデバイスパッケージが配置される。前述したように、複数の冷却プレート１２と複数の半導体パッケージ（又はデバイスパッケージ）の積層体は、その積層方向に圧縮荷重を受け、互いに密着する。半導体パッケージの熱は、冷却プレート１２の外板１２１、１２５、及び、細ピッチ放熱フィン１２２を介して冷媒に吸収され、半導体パッケージが冷却される。

図１６に良く示されているように、最外側の冷却プレート２ａの上流側には半導体パッケージが配置されない。そのため、最外冷却プレート１２ａの上流側流路１３１に粗ピッチ放熱フィン１２４（図１７参照）を配し、他の冷却プレートよりも冷却性能を下げても半導体モジュール１００ｅの全体としては冷却能力に影響はない。

図１８を参照して、図１６、図１７で示した冷却プレート１２の変形例を説明する。図１８は、相互に接続された２つの冷却プレート２１２の断面図である。冷却プレート２１２は、相互に接続され、接続管２１３を構成する開口部２２１ａ（２２１ｂ）と、２２５ａ（２２５ｂ）を有する。開口部２２１ａ（２２１ｂ）の付け根がベローズ２３０を構成している。同様に、開口部２２５ａ（２２５ｂ）の付け根もベローズ２３０を構成している。即ち、接続管２１３の付け根にベローズ２３０が設けられる。積層された冷却プレート群が積層方向に荷重を受けるとベローズ２３０が縮小し、隣接するプレート間の距離ｄ２が縮む。即ち冷却プレート２１２は、積層方向の荷重に対してプレート間距離ｄ２が変化する構造を備えている。なお、図１８では、図１６、図１７で示した中板１２３の図示は省略した。

実施例の技術に関する留意点を述べる。実施例の半導体モジュール１００では、半導体パッケージとデバイスパッケージの幅が略等しく、それゆえ複数の冷却プレートが略等間隔に配置されている。冷却管は、隣接する２個の冷却プレートを接続する。実施例の構成によると、冷却プレート間の距離が等しい半導体モジュールに、半導体と他の電子部品を挟むことができる。冷却プレート間の距離が等しいため、隣接する冷却プレートの間に設けられる冷却管の部品を統一することができ、製造コストを削減することができる。

実施例の半導体パッケージは、半導体素子と冷却プレートの間に設けられる絶縁板を含んでもよい。また、デバイスパッケージは、電子部品と冷却プレートの間に設けられる絶縁板を含んでもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (10)

1. 複数の平板型の冷却プレートと、
   半導体素子を収めた複数の平板型の半導体パッケージと、
   前記半導体パッケージに収められた半導体素子とは異なる種類の電子部品を収めている平板型のデバイスパッケージと、
   隣接する冷却プレートの間にわたって設けられ、内部を冷媒が通る冷却管と、
   を備えており、
   複数の冷却プレートは略等間隔に配置されており、隣接する冷却プレートの間に半導体パッケージとデバイスパッケージが挟持されており、
   平板型の冷却プレートと、半導体パッケージまたはデバイスパッケージが交互に積層されている、
   ことを特徴とする半導体モジュール。
2. 半導体パッケージの厚みとデバイスパッケージの厚みが略等しいことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. デバイスパッケージは樹脂でモールドされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
4. デバイスパッケージに収められている電子部品はコンデンサであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
5. 前記コンデンサは、扁平な捲回式コンデンサであることを特徴とする請求項４に記載の半導体モジュール。
6. 前記コンデンサは、積層式のコンデンサであることを特徴とする請求項４に記載の半導体モジュール。
7. デバイスパッケージの樹脂モールドは、ポッティング又は吹き付けにより成形されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
8. 少なくとも一つの半導体パッケージと少なくとも一つのデバイスパッケージは、積層方向から見て重なるように配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
9. 少なくとも一つの半導体パッケージと少なくとも一つのデバイスパッケージが、隣接する２個の冷却プレートの間で横方向に並んで配置されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
10. 半導体パッケージ内の半導体素子とデバイスパッケージ内の電子部品が、直線状のバスバによって電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体モジュール。

Images