WO2011064841A1 - 半導体装置の冷却構造 - Google Patents

半導体装置の冷却構造 Download PDF

Info

Publication number
WO2011064841A1
WO2011064841A1 PCT/JP2009/069825 JP2009069825W WO2011064841A1 WO 2011064841 A1 WO2011064841 A1 WO 2011064841A1 JP 2009069825 W JP2009069825 W JP 2009069825W WO 2011064841 A1 WO2011064841 A1 WO 2011064841A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat
semiconductor element
radiator
semiconductor
semiconductor device
Prior art date
Application number
PCT/JP2009/069825
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
明朗 北見
孝史 上野
Original Assignee
トヨタ自動車株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by トヨタ自動車株式会社 filed Critical トヨタ自動車株式会社
Priority to DE112009005394T priority Critical patent/DE112009005394T8/de
Priority to PCT/JP2009/069825 priority patent/WO2011064841A1/ja
Priority to US13/511,305 priority patent/US20120228757A1/en
Priority to CN200980162611.3A priority patent/CN102648519A/zh
Priority to JP2011543007A priority patent/JPWO2011064841A1/ja
Publication of WO2011064841A1 publication Critical patent/WO2011064841A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0266—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with separate evaporating and condensing chambers connected by at least one conduit; Loop-type heat pipes; with multiple or common evaporating or condensing chambers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/074—Stacked arrangements of non-apertured devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32245—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/33—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of a plurality of layer connectors
    • H01L2224/331—Disposition
    • H01L2224/3318—Disposition being disposed on at least two different sides of the body, e.g. dual array
    • H01L2224/33181—On opposite sides of the body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]

Definitions

  • the present invention generally relates to a semiconductor device cooling structure, and more particularly to a semiconductor device cooling structure applied to an inverter mounted on a vehicle.
  • Patent Document 1 discloses a semiconductor device for preventing the device from becoming large (Patent Document 1).
  • the semiconductor device disclosed in Patent Document 1 includes a first semiconductor element and a second semiconductor element, a first radiator stacked on the first semiconductor element via the first power substrate, and a second power substrate. And a second heat radiator stacked on the second semiconductor element.
  • Patent Document 2 discloses a semiconductor stack that can be assembled with a reduced number of parts and can be reduced in size and weight.
  • the semiconductor stack disclosed in Patent Document 2 includes a heat pipe radiator in which a heat receiving block is embedded in one end of a heat pipe and a heat radiating fin is attached to the other end of the heat pipe.
  • a plurality of heat pipe radiators having such a configuration and a plurality of semiconductor elements are stacked so as to have a sandwich structure.
  • JP 2008-42074 A Japanese Patent Laid-Open No. 4-7860
  • an object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide a cooling structure for a semiconductor device that can realize excellent cooling efficiency.
  • a cooling structure for a semiconductor device includes an electrode, a first semiconductor element and a second semiconductor element that are arranged to face each other with the electrode interposed therebetween, and an opposite side of the electrode with respect to the first semiconductor element. And a second radiator disposed on the opposite side of the electrode with respect to the second semiconductor element.
  • the electrode includes an element mounting part and a heat transport part.
  • the element mounting portion is electrically connected to the first semiconductor element and the second semiconductor element and is formed from a conductive material.
  • the heat transport part is extended from the element mounting part toward the first radiator and the second radiator.
  • the heat generated in the first semiconductor element and the second semiconductor element can be transmitted to the first radiator and the second radiator through the transport portion. Thereby, the cooling efficiency of the first semiconductor element and the second semiconductor element can be improved.
  • the heat transport portion extends from the element mounting portion in a direction orthogonal to the facing direction of the first semiconductor element and the second semiconductor element.
  • the heat transport part is formed of a thermal conductivity anisotropic member in which the heat transfer coefficient in the extending direction of the heat transport part is larger than the heat transfer coefficient in the facing direction of the first semiconductor element and the second semiconductor element.
  • the heat transfer coefficient of the heat transport portion in the facing direction of the first semiconductor element and the second semiconductor element is small, the heat generation occurs in the first semiconductor element and the second semiconductor element. It is possible to effectively suppress interference between the heated heats. Moreover, since the heat transfer coefficient in the extending direction of the heat transport part is large, the heat generated in the first semiconductor element and the second semiconductor element is efficiently transmitted to the first radiator and the second radiator through the heat transport part. be able to.
  • the thermal conductivity anisotropic member is made of a heat pipe or oriented graphite.
  • the heat conductivity anisotropic member in which the heat transfer coefficient in the extending direction of the heat transport portion is larger than the heat transfer coefficient in the facing direction of the semiconductor element is made of a heat pipe or oriented graphite.
  • the heat transport portion is formed of an insulating material having high thermal conductivity.
  • the heat transport part is provided so as to be interposed between the first radiator and the second radiator and the element mounting part. According to the cooling structure of the semiconductor device configured as described above, the first heat radiator, the second heat radiator, and the conductive portion can be electrically insulated by the heat transport portion.
  • the element mounting portion is a bus bar formed of copper or aluminum.
  • the heat transport portion is formed from aluminum nitride or a highly thermally conductive resin provided so as to cover the bus bar. According to the cooling structure of the semiconductor device configured as described above, an electrical connection is made between the first radiator and the second radiator and the bus bar made of copper or aluminum by using aluminum nitride or a resin having high thermal conductivity. Can be insulated.
  • the electrode is formed of a highly heat conductive conductive material in a form in which the element mounting portion and the heat transport portion are integrated. According to the cooling structure of the semiconductor device configured as described above, an electrode having both functions of energizing the semiconductor element and high-efficiency heat transfer can be realized with a simple configuration.
  • the heat transport part is disposed at a position where the first semiconductor element and the second semiconductor element are opposed to each other, a heat receiving part that receives heat generated in the first semiconductor element and the second semiconductor element, a first radiator, A heat dissipating part that is disposed in a space between the second heat dissipator and emits heat transferred from the heat receiving part;
  • the heat transport portion extends from the heat receiving portion toward the heat radiating portion.
  • the element mounting portion is provided so as to cover the heat radiating portion in the space between the first heat radiator and the second heat radiator.
  • the semiconductor device cooling structure includes an insulating substrate provided between the first semiconductor element and element mounting portion and the first radiator, and between the second semiconductor element and element mounting portion and the second radiator. Further prepare. According to the cooling structure of the semiconductor device configured as described above, the insulating substrate causes the first semiconductor element and the element mounting portion to be between the first radiator and the second semiconductor element and the element mounting portion to be the second radiator. Can be electrically insulated from each other.
  • the insulating substrate is provided so that a portion interposed between the first semiconductor element and the first radiator and a portion interposed between the element mounting portion and the first radiator are separated from each other.
  • a portion interposed between the second semiconductor element and the second radiator and a portion interposed between the element mounting portion and the second radiator are provided so as to be separated from each other.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a cooling structure of the semiconductor device along the IV-IV line in FIG. 3.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a first modification of the cooling structure for the semiconductor device in FIG. 3.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a second modification of the cooling structure of the semiconductor device in FIG. 3.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a third modification of the cooling structure of the semiconductor device in FIG. 3. It is sectional drawing which shows the cooling structure of the semiconductor device in Embodiment 2 of this invention.
  • FIG. 1 schematically shows a drive unit of a hybrid vehicle.
  • the present invention is applied to an inverter mounted on a hybrid vehicle as a vehicle.
  • an HV system for driving a hybrid vehicle will be described.
  • drive unit 1 is provided in a hybrid vehicle that uses an internal combustion engine such as a gasoline engine or a diesel engine and a chargeable / dischargeable battery 800 as power sources.
  • the drive unit 1 includes a motor generator 100, a housing 200, a speed reduction mechanism 300, a differential mechanism 400, a drive shaft receiving portion 900, and a terminal block 600.
  • the motor generator 100 is a rotating electric machine having a function as an electric motor or a generator.
  • Motor generator 100 includes a rotating shaft 110, a rotor 130, and a stator 140.
  • the rotating shaft 110 is rotatably attached to the housing 200 via a bearing 120.
  • the rotor 130 rotates integrally with the rotating shaft 110.
  • the power output from the motor generator 100 is transmitted from the speed reduction mechanism 300 to the drive shaft receiving portion 900 via the differential mechanism 400.
  • the driving force transmitted to the drive shaft receiving portion 900 is transmitted as a rotational force to the wheels via the drive shaft, thereby causing the vehicle to travel.
  • Motor generator 100 is driven through drive shaft receiving portion 900, differential mechanism 400 and reduction mechanism 300 by the rotational force from the wheels. At this time, the motor generator 100 operates as a generator.
  • the electric power generated by the motor generator 100 is supplied to the battery 800 via a PCU (Power Control Unit) 700.
  • PCU Power Control Unit
  • FIG. 2 is an electric circuit diagram showing the configuration of the PCU in FIG.
  • PCU 700 includes a converter 710, an inverter 720, a control device 730, capacitors C1 and C2, power supply lines PL1 to PL3, and output lines 740U, 740V, and 740W.
  • Converter 710 is connected to battery 800 through power supply lines PL1 and PL3.
  • Inverter 720 is connected to converter 710 through power supply lines PL2 and PL3.
  • Inverter 720 is connected to motor generator 100 via output lines 740U, 740V, and 740W.
  • the battery 800 is a direct current power source, and is formed of a secondary battery such as a nickel metal hydride battery or a lithium ion battery. Battery 800 is charged with the DC power supplied to converter 710 or supplied from converter 710.
  • Converter 710 includes an upper arm and a lower arm made of semiconductor modules, and a reactor L.
  • the upper arm and the lower arm are connected in series between the power supply lines PL2 and PL3.
  • the upper arm connected to the power supply line PL2 includes a power transistor (IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor) Q1 and a diode D1 connected in antiparallel to the power transistor Q1.
  • the lower arm connected to the power supply line PL3 includes a power transistor Q2 and a diode D2 connected in antiparallel to the power transistor Q2.
  • Reactor L is connected between power supply line PL1 and a connection point between the upper arm and the lower arm.
  • Converter 710 boosts the DC voltage received from battery 800 using reactor L, and supplies the boosted voltage to power supply line PL2.
  • Converter 710 steps down the DC voltage received from inverter 720 and charges battery 800.
  • the inverter 720 includes a U-phase arm 750U, a V-phase arm 750V, and a W-phase arm 750W.
  • U-phase arm 750U, V-phase arm 750V, and W-phase arm 750W are connected in parallel between power supply lines PL2 and PL3.
  • Each of U-phase arm 750U, V-phase arm 750V, and W-phase arm 750W is composed of an upper arm and a lower arm made of semiconductor modules. The upper arm and lower arm of each phase arm are connected in series between power supply lines PL2 and PL3.
  • the upper arm of the U-phase arm 750U includes a power transistor (IGBT) Q3 and a diode D3 connected in antiparallel to the power transistor Q3.
  • the lower arm of U-phase arm 750U includes power transistor Q4 and diode D4 connected in antiparallel to power transistor Q4.
  • the upper arm of V-phase arm 750V includes power transistor Q5 and diode D5 connected in antiparallel to power transistor Q5.
  • the lower arm of V-phase arm 750V includes power transistor Q6 and diode D6 connected in antiparallel to power transistor Q6.
  • the upper arm of W-phase arm 750W includes power transistor Q7 and diode D7 connected in antiparallel to power transistor Q7.
  • the lower arm of W-phase arm 750W includes power transistor Q8 and diode D8 connected in antiparallel to power transistor Q8.
  • the connection point of the power transistor of each phase arm is connected to the anti-neutral point side of the coil of the corresponding phase of motor generator 100 via corresponding output lines 740U, 740V, and 740W.
  • the upper arm and the lower arm of the U-phase arm 750U to the W-phase arm 750W are each composed of one semiconductor module composed of a power transistor and a diode is shown.
  • the semiconductor module may be configured.
  • Inverter 720 converts a DC voltage received from power supply line PL ⁇ b> 2 into an AC voltage based on a control signal from control device 730, and outputs the AC voltage to motor generator 100. Inverter 720 rectifies the AC voltage generated by motor generator 100 into a DC voltage and supplies it to power supply line PL2.
  • the capacitor C1 is connected between the power supply lines PL1 and PL3, and smoothes the voltage level of the power supply line PL1.
  • Capacitor C2 is connected between power supply lines PL2 and PL3, and smoothes the voltage level of power supply line PL2.
  • Control device 730 calculates each phase coil voltage of motor generator 100 based on torque command value of motor generator 100, each phase current value, and input voltage of inverter 720. Based on the calculation result, control device 730 generates a PWM (Pulse Width Modulation) signal for turning on / off power transistors Q3-Q8 and outputs the generated signal to inverter 720.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • Each phase current value of motor generator 100 is detected by a current sensor incorporated in a semiconductor module constituting each arm of inverter 720. This current sensor is disposed in the semiconductor module so as to improve the S / N ratio.
  • Control device 730 calculates the duty ratio of power transistors Q1 and Q2 for optimizing the input voltage of inverter 720 based on the torque command value and the motor speed described above. Based on the result, control device 730 generates a PWM signal for turning on / off power transistors Q1, Q2 and outputs the PWM signal to converter 710.
  • Control device 730 controls the switching operation of power transistors Q1 to Q8 in converter 710 and inverter 720 to convert the AC voltage generated by motor generator 100 into a DC voltage and charge battery 800.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a cooling structure of a semiconductor device applied to the inverter in FIG.
  • semiconductor device 10 is shown in which a U-phase arm 750U, a V-phase arm 750V, and a W-phase arm 750W are stacked in one direction. Since each phase arm has the same structure, the cooling structure of semiconductor device 10 in the present embodiment will be described below with a focus on U-phase arm 750U.
  • the cooling structure of semiconductor device 10 in the present embodiment includes, as its main configuration, semiconductor element 31 and semiconductor element 36 each including power transistor (IGBT) Q3 and power transistor Q4 in FIG.
  • semiconductor element 31 and semiconductor element 36 each including power transistor (IGBT) Q3 and power transistor Q4 in FIG.
  • IGBT power transistor
  • the electrode 26 and the input electrode 27, the output electrode 50, the radiator 41 and the radiator 42 are provided.
  • the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36 are disposed to face each other with a distance in the direction indicated by the arrow 101 (hereinafter, the direction indicated by the arrow 101 is also referred to as a facing direction of the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36). ).
  • the output electrode 50 is connected to the output line 740U in FIG. 2 using a connector or wiring not shown.
  • the output electrode 50 is disposed between the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36.
  • the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36 are arranged so as to sandwich the output electrode 50 from both sides.
  • the output electrode 50 is connected to the semiconductor element 31 via the solder 33 and is connected to the semiconductor element 36 via the solder 38.
  • the output electrode 50 is formed to extend in a direction indicated by an arrow 102 orthogonal to the facing direction of the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36.
  • the output electrode 50 is formed to extend in a band shape in the direction indicated by the arrow 102.
  • the output electrode 50 is formed to extend from a position where the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36 face each other in one direction orthogonal to the facing direction of the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36 and in the opposite direction.
  • the input electrode 26 is disposed so that the semiconductor element 31 is positioned between the input electrode 26 and the output electrode 50.
  • the input electrode 26 is connected to the semiconductor element 31 via the solder 32.
  • the input electrode 26 is connected to the power supply line PL2 in FIG. 2 using a connector or wiring (not shown).
  • the input electrode 27 is disposed so that the semiconductor element 36 is positioned between the input electrode 27 and the output electrode 50.
  • the input electrode 27 is connected to the semiconductor element 36 via the solder 37.
  • the input electrode 27 is connected to the power supply line PL3 in FIG. 2 using a connector or wiring (not shown).
  • the input electrode 26 and the input electrode 27 are arranged in parallel. Thereby, the parasitic inductance is canceled between the input electrode 26 and the input electrode 27, and the switching loss can be reduced.
  • the heat radiator 41 is disposed on the opposite side of the output electrode 50 with respect to the semiconductor element 31.
  • the radiator 41 is disposed so that the input electrode 26 is positioned between the radiator 41 and the semiconductor element 31.
  • the radiator 41 is connected to the input electrode 26 through an insulating substrate 46.
  • the radiator 46 is disposed on the opposite side of the output electrode 50 with respect to the semiconductor element 36.
  • the radiator 46 is disposed so that the input electrode 27 is positioned between the radiator 46 and the semiconductor element 36.
  • the radiator 46 is connected to the input electrode 27 through an insulating substrate 47.
  • the heat radiators 41 and 42 are formed to extend from a position where the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36 face each other in a direction orthogonal to the facing direction of the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36.
  • the radiators 41 and 42 are composed of a cooling oil passage through which a cooling oil as a refrigerant flows, and a metal having a high thermal conductivity, for example, aluminum, and a heat radiating fin. .
  • the structure of the heat radiators 41 and 42 is not specifically limited, For example, you may have a structure of an air cooling system.
  • the insulating substrate 46 is formed of a flat member made of an insulating material.
  • the insulating substrate 46 is made of, for example, insulating ceramics.
  • the insulating substrate 46 is connected to the input electrode 26 and the radiator 41 by brazing, for example.
  • the insulating substrate 47 is connected to the input electrode 27 and the radiator 42 by brazing, for example.
  • one semiconductor element 31 is disposed between the radiator 41 and the output electrode 50, and one semiconductor element 36 is disposed between the radiator 42 and the output electrode 50.
  • U-phase arm 750U and V-phase arm 750V are provided so as to share one radiator at the boundary between them, and V-phase arm 750V and W-phase arm 750W share one radiator at the boundary between both. It is provided to do.
  • the output electrode 50 includes an element mounting part 51 and a heat transport part 56.
  • the element mounting part 51 is made of a conductive material such as copper.
  • the element mounting portion 51 is provided so as to be electrically connected to the semiconductor elements 31 and 36. That is, the semiconductor elements 31 and 36 are mounted on the element mounting portion 51 via the solders 33 and 38.
  • the element mounting part 51 has an energization function for electrically connecting the semiconductor elements 31 and 36 to an output line 740U that is an external wiring.
  • the heat transporting part 56 is provided extending from the element mounting part 51 on which the semiconductor elements 31 and 36 are mounted toward the radiators 41 and 42.
  • the heat transporting part 56 extends from the element mounting part 51 on which the semiconductor elements 31 and 36 are mounted in a direction indicated by an arrow 102 orthogonal to the facing direction of the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36 (hereinafter referred to as an arrow 102).
  • the direction shown is also referred to as the extending direction of the heat transport portion 56).
  • the heat transport part 56 extends from the element mounting part 51 on which the semiconductor elements 31 and 36 are mounted in a direction away from the position where the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36 face each other.
  • the heat transport part 56 extends in parallel with the radiators 41 and 42.
  • the heat transport unit 56 has a heat transfer function of transmitting heat generated in the semiconductor elements 31 and 36 toward the radiators 41 and 42.
  • the heat transporting part 56 has a heat receiving part 60 arranged at a position where the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36 face each other, and a heat radiating part 59 arranged in a space between the radiator 41 and the radiator 42.
  • the heat transporting part 56 extends from the heat receiving part 60 toward the heat radiating part 59.
  • the heat receiving unit 60 receives heat generated in the semiconductor elements 31 and 36, and the heat radiating unit 59 releases the heat transmitted from the heat receiving unit 60 toward the heat radiating units 41 and 42.
  • the heat transfer coefficient of the heat transport part 56 is equal to or higher than the heat transfer coefficient of the element mounting part 51.
  • the heat transfer coefficient of heat transfer portion 56 is larger than the heat transfer rate of element mounting portion 51 in the extending direction of heat transfer portion 56. .
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the heat transport portion along the line IV-IV in FIG.
  • heat transport portion 56 has a heat transfer coefficient in the direction of extension of heat transport portion 56 that is greater than the heat transfer rate in the facing direction of semiconductor element 31 and semiconductor element 36. It is formed from a conductivity anisotropic member. In the present embodiment, a self-excited heat pipe is used as the thermal conductivity anisotropic member.
  • the heat transport section 56 has a metal plate 57 in which a heat medium path 58 is formed.
  • the metal plate 57 is made of a metal such as aluminum, copper, or stainless steel.
  • the heat medium path 58 is formed in a state of being sealed inside the metal plate 57 by vacuum.
  • the heat medium path 58 extends between the heat receiving part 60 and the heat radiating part 59.
  • the heat medium path 58 extends while meandering in a plane in which the metal plate 57 extends, and forms a closed path (loop hole).
  • a heat medium such as water, freon, ethanol, and ammonia is sealed.
  • the heat medium is sealed, for example, in a volume ratio of 50% with respect to the heat medium path 58.
  • the refrigerant is received by the heat receiving portion 60 and the heat radiating portion due to the pump effect caused by the pressure increase due to the refrigerant evaporation at the heat receiving portion 60 and the pressure drop due to the vapor condensation at the heat radiating portion 59.
  • Heat transfer is performed while vibrating between 59 and 59.
  • the sensible heat of the liquid refrigerant movement is added to the latent heat due to the refrigerant evaporation in the heat receiving section 60, and a large transport capacity can be exhibited. it can.
  • there is a merit that the influence of the installation posture is small compared to a heat pipe using a wick structure.
  • the heat medium path 58 formed of a self-excited heat pipe has a characteristic that the heat transfer coefficient in the thickness direction is smaller than the surface direction of the metal plate 57. Whereas it is several thousand W / mK, the heat transfer coefficient in the thickness direction is 1/10 or less (aluminum: 200 W / mK, copper: 400 W / mK).
  • a self-excited heat pipe is used for the heat transport section 56, but a heat pipe having a wick structure may be used.
  • the element mounting part 51 includes a joint part 51p, an external connection part 51q, and a heat transfer part 51r.
  • the junction 51p is disposed at a position where the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36 face each other.
  • the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36 are bonded to the bonding portion 51p via the solder 33 and the solder 38, respectively.
  • the joint portion 51p is provided so as to cover the heat receiving portion 60.
  • the external connection part 51q and the heat transfer part 51r are arranged so that the joint part 51p is positioned between them in the extending direction of the heat transport part 56.
  • a connector or wiring (not shown) is connected to the external connection portion 51q, and the element mounting portion 51 and the output line 740U in FIG. 2 are electrically connected.
  • the heat transfer part 51r is provided so as to cover the heat radiating part 59 and fill the space between the heat radiator 41 and the heat radiator 46.
  • the heat transfer portion 51 r is connected to the heat radiator 41 via the insulating substrate 46 and is connected to the heat radiator 42 via the insulating substrate 47. Thereby, between the heat radiators 41 and 42 and the heat transfer part 51r is electrically insulated.
  • the heat transfer portion 51r has a thick structure in which the thickness is larger than the thickness at the joint portion 51p and the external connection portion 51q.
  • the path of heat generated in the semiconductor elements 31 and 36 is indicated by arrows.
  • large heat is generated in semiconductor elements 31 and 36 with the operation of inverter 720 in FIG. 2.
  • the heat generated in the semiconductor elements 31 and 36 is transmitted to the heat receiving part 60 of the heat transport part 56 through the solders 33 and 38 and the joint part 51p of the element mounting part 51.
  • the thermal conductivity anisotropic member forming the heat transport part 56 has a characteristic that the heat transfer coefficient in the thickness direction is smaller than the extending direction of the heat transport part 56. For this reason, the phenomenon in which the heat generated in the semiconductor element 31 and the heat generated in the semiconductor element 36 interfere can be effectively suppressed.
  • the heat transmitted to the heat receiving unit 60 is efficiently transferred from the heat receiving unit 60 to the heat radiating unit 59 due to the thermal conductivity anisotropy of the heat transport unit 56.
  • the heat transmitted to the heat radiating part 59 is further transmitted to the heat radiators 41 and 42 through the heat transfer part 51r of the element mounting part 51, and is radiated by heat exchange with the cooling oil inside the heat radiators 41 and 42.
  • the heat generated in the semiconductor element 31 is transmitted to the radiator 41 through the input electrode 26, and the heat generated in the semiconductor element 36 is transmitted to the radiator 42 through the input electrode 27.
  • the effect of both-side cooling that cools the semiconductor elements 31 and 36 from both sides is obtained.
  • the cooling structure of the semiconductor device 10 in the present embodiment is realized by the output electrode 50 that is an integrated part having the energization function by the element mounting portion 51 and the heat transfer function by the heat transport portion 56, The number of parts of the apparatus 10 can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the cooling structure of the semiconductor device 10 according to the present embodiment includes an output electrode 50 as an electrode and The semiconductor element 31 as the first semiconductor element and the semiconductor element 36 as the second semiconductor element, which are arranged to face each other with the output electrode 50 interposed therebetween, and the semiconductor element 31 on the opposite side of the output electrode 50 And a radiator 42 as a second radiator disposed on the opposite side of the output electrode 50 with respect to the semiconductor element 36.
  • the output electrode 50 includes an element mounting part 51 and a heat transport part 56.
  • the element mounting portion 51 is electrically connected to the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36 and is formed from a conductive material.
  • the heat transporting part 56 extends from the element mounting part 51 toward the radiator 41 and the radiator 42.
  • semiconductor element 31 and semiconductor element 36 are arranged on both sides of output electrode 50, and output electrode 50 is further arranged.
  • the cooling efficiency of the semiconductor elements 31 and 36 can be improved.
  • U-phase arm 750U, V-phase arm 750V, and W-phase arm 750W shown in FIG. 3 is merely an example.
  • a structure in which semiconductor devices are stacked in multiple stages may be used.
  • the arms may be arranged in a plane perpendicular to the facing direction of the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a first modification of the cooling structure of the semiconductor device in FIG.
  • the output electrode 50 is configured to have a heat transporting portion 66 instead of the heat transporting portion 56 in FIG.
  • the heat transporting part 66 has a heat receiving part 67 arranged at a position where the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36 face each other, and a heat radiating part 68 arranged in a space between the radiator 41 and the radiator 42.
  • the heat receiving portion 67 extends toward the heat radiating portion 68.
  • the heat transporting part 66 is formed of a thermal conductivity anisotropic member in which the heat transfer coefficient in the extending direction of the heat transporting part 66 is larger than the heat transfer coefficient in the facing direction of the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36. Yes.
  • high thermal conductivity graphite is used as the thermal conductivity anisotropic member.
  • High thermal conductivity graphite has a dense two-dimensional crystal structure, and is used as a material in which thermal conduction by phonons is dramatically improved in the plane direction.
  • the heat transport portion 66 formed to have a large thickness in the heat radiating portion 68 is shown, but the heat transfer coefficient of the heat transfer portion 51 r of the element mounting portion 51 is made of high heat conductive graphite.
  • the thick part of the heat radiating part 68 may be replaced with the metal forming the element mounting part 51.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a second modification of the cooling structure of the semiconductor device in FIG.
  • output electrode 50 is formed of a highly heat conductive conductive material in a form in which element mounting portion 51 and heat transport portion 56 are integrated.
  • An example of such a highly heat conductive conductive material is copper.
  • the output electrode 50 has a space between the heat receiving side joint portion 50p arranged at a position where the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36 face each other, and the radiator 41 and the radiator 46. It has a heat transfer portion 50r on the heat radiation side provided so as to be buried, and an external connection portion 50q that is arranged on the opposite side of the heat transfer portion 50r with respect to the joint portion 50p and to which a connector, wiring, or the like (not shown) is connected.
  • the heat generated in the semiconductor elements 31 and 36 is transferred to the joint 50p through the solders 33 and 38.
  • the heat transferred to the joint 50p is transferred to the heat transfer portion 50r and is radiated by the radiators 41 and 42.
  • the output electrode 50 is formed of a conductive material, energization is ensured between the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36 and the outside through the junction part 50p and the external connection part 50q.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a third modification of the cooling structure of the semiconductor device in FIG.
  • the insulating substrate 46 is composed of a first portion 46a and a second portion 46b separated from the first portion 46a, and the insulating substrate 47 is composed of the first portion 47a.
  • the first portion 46 a is interposed between the input electrode 26 and the radiator 41, and the second portion 46 b is interposed between the element mounting portion 51 and the radiator 41.
  • the first portion 47 a is interposed between the input electrode 27 and the radiator 42, and the second portion 47 b is interposed between the element mounting portion 51 and the radiator 42.
  • the insulating substrates 46 and 47 connected to the radiators 41 and 42 and the input electrodes 26 and 27 are distorted due to thermal deformation of these connecting parts, the insulating substrates 46 and 47 may be damaged.
  • the insulating substrates 46 and 47 are firmly fixed, and this problem becomes significant.
  • the insulating substrates 46 and 47 can be more reliably prevented from being damaged by making the insulating substrates 46 and 47 into a divided structure and keeping the size of each substrate small.
  • FIG. 8 is a sectional view showing a cooling structure for a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
  • the cooling structure of the semiconductor device in the present embodiment is basically the same as that of the semiconductor device 10 in the first embodiment.
  • the description of the overlapping structure will not be repeated.
  • output electrode 50 is configured to include element mounting portion 71 and heat transporting portion 76.
  • the element mounting part 71 is provided as a bus bar formed of copper or aluminum.
  • the element mounting part 71 is arranged at a position where the semiconductor element 31 and the semiconductor element 36 face each other, and a joint part 71p where the semiconductor elements 31 and 36 are joined via the solders 33 and 38, and the joint part 71 extend in one direction.
  • the heat transport section 76 is formed from a highly heat conductive insulating material.
  • a highly heat conductive insulating material is aluminum nitride (AlN).
  • AlN aluminum nitride
  • high thermal conductive resin for example, thermal conductive inorganic filler, oxides such as alumina, silica, zinc oxide, magnesia, and nitride fine particles such as silicon nitride, boron nitride, aluminum nitride, etc.
  • the heat transporting part 76 is connected to the joining part 71 p and is disposed in a space between the heat receiving part 77 that receives the heat generated in the semiconductor elements 31 and 36 and between the radiator 41 and the radiator 42. And a heat radiating portion 78 for releasing the transmitted heat.
  • the heat transporting part 76 extends from the heat receiving part 77 toward the heat radiating part 78. Heat generated in the semiconductor elements 31 and 36 is transmitted to the heat receiving portion 77 through the solders 33 and 38. The heat transmitted to the heat receiving unit 77 is transmitted to the heat radiating unit 78 through the heat transporting unit 76 and is radiated by the radiators 41 and 42.
  • the heat radiation part 78 of the heat transport part 76 has a block shape whose thickness is larger than that of the heat receiving part 77.
  • the heat radiating portion 78 is provided in direct contact with the radiators 41 and 42 without the insulating substrates 46 and 47 interposed therebetween.
  • the insulating substrates 46 and 47 it is only necessary to interpose the insulating substrates 46 and 47 between the input electrodes 26 and 27 and the radiators 41 and 42, and the size of the insulating substrates 46 and 47 can be kept small. Thereby, damage to the insulating substrates 46 and 47 due to thermal strain can be suppressed. Moreover, since the thickness of the heat radiation part 78 becomes large between the heat radiator 41 and the heat radiator 42, the withstand voltage of the heat transport part 76 can be set low.
  • a new semiconductor device cooling structure may be configured by appropriately combining the configurations of the semiconductor device cooling structures in the embodiments and modifications described above.
  • the present invention can also be applied to a reactor mounted on a fuel cell hybrid vehicle (FCHV: Fuel Cell Hybrid Vehicle) or an electric vehicle (EV: Electric Vehicle) using a fuel cell and a secondary battery as power sources.
  • FCHV Fuel Cell Hybrid Vehicle
  • EV Electric Vehicle
  • the internal combustion engine is driven at the fuel efficiency optimum operating point
  • the fuel cell is driven at the power generation efficiency optimum operating point.
  • the use of the secondary battery is basically the same for both hybrid vehicles.
  • This invention is applied to various power modules in addition to a power conversion device mounted on a vehicle.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

　半導体装置（１０）の冷却構造は、出力電極（５０）と、出力電極（５０）を挟んで互いに対向して配置される半導体素子（３１）および半導体素子（３６）と、半導体素子（３１）に対して出力電極（５０）の反対側に配置される放熱器（４１）と、半導体素子（３６）に対して出力電極（５０）の反対側に配置される放熱器（４２）とを備える。出力電極（５０）は、素子実装部（５１）と熱輸送部（５６）とを含む。素子実装部（５１）は、半導体素子（３１）および半導体素子（３６）に電気的に接続され、導電性材料から形成される。熱輸送部（５６）は、素子実装部（５１）から放熱器（４１）および放熱器（４２）に向けて延設される。このような構成によれば、優れた冷却効率が実現される半導体装置の冷却構造を提供することができる。

Description

半導体装置の冷却構造
　この発明は、一般的には、半導体装置の冷却構造に関し、より特定的には、車両に搭載されたインバータに適用される半導体装置の冷却構造に関する。
　従来の半導体装置の冷却構造に関して、たとえば、特開２００８－４２０７４号公報には、装置が大型化することを防止するための半導体装置が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された半導体装置は、第１半導体素子および第２半導体素子と、第１電力基板を介して第１半導体素子に対して積層された第１放熱器と、第２電力基板を介して第２半導体素子に対して積層された第２放熱器とを有する。
　また、特開平４－７８６０号公報には、部品点数を少なくして組み立てることが可能であり、小型軽量化も可能な半導体スタックが開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された半導体スタックは、ヒートパイプの一端部に受熱部ブロックが埋め込まれ、ヒートパイプの他端部に放熱フィンが取り付けられたヒートパイプ式放熱器を備える。このような構成を備える複数個のヒートパイプ式放熱器と、複数個の半導体素子とが、サンドイッチ構造となるように積層される。
特開２００８－４２０７４号公報 特開平４－７８６０号公報
　インバータ回路などに使用される半導体素子の作動には、非常に大きい発熱を伴うため、各種の冷却構造が採用されている。しかしながら、特許文献１に開示された半導体装置においては、第１半導体素子と第２半導体素子との間に、各半導体素子で発生した熱を遮断もしくは放熱する部材が配置されていない。このため、第１半導体素子および第２半導体素子で発生した熱同士が干渉するため、十分な冷却効率が得られないおそれが生じる。
　そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、優れた冷却効率が実現される半導体装置の冷却構造を提供することである。
　この発明に従った半導体装置の冷却構造は、電極と、電極を挟んで互いに対向して配置される第１半導体素子および第２半導体素子と、第１半導体素子に対して電極の反対側に配置される第１放熱器と、第２半導体素子に対して電極の反対側に配置される第２放熱器とを備える。電極は、素子実装部と熱輸送部とを含む。素子実装部は、第１半導体素子および第２半導体素子に電気的に接続され、導電性材料から形成される。熱輸送部は、素子実装部から第１放熱器および第２放熱器に向けて延設される。
　このように構成された半導体装置の冷却構造によれば、第１半導体素子および第２半導体素子で発生した熱を、輸送部を通じて第１放熱器および第２放熱器へと伝えることができる。これにより、第１半導体素子および第２半導体素子の冷却効率を向上させることができる。
　また好ましくは、熱輸送部は、素子実装部から、第１半導体素子および第２半導体素子の対向方向に直交する方向に延在する。熱輸送部は、第１半導体素子および第２半導体素子の対向方向における熱伝達率よりも熱輸送部の延在方向における熱伝達率の方が大きくなる熱伝導率異方性部材から形成される。
　このように構成された半導体装置の冷却構造によれば、第１半導体素子および第２半導体素子の対向方向における熱輸送部の熱伝達率が小さいため、第１半導体素子および第２半導体素子で発生した熱同士が干渉することを効果的に抑制できる。また、熱輸送部のその延在方向における熱伝達率が大きいため、第１半導体素子および第２半導体素子で発生した熱を、熱輸送部を通じて効率よく第１放熱器および第２放熱器に伝えることができる。
　また好ましくは、熱伝導率異方性部材は、ヒートパイプまたは配向性グラファイトからなる。このように構成された半導体装置の冷却構造によれば、半導体素子の対向方向における熱伝達率よりも熱輸送部の延在方向における熱伝達率の方が大きくなる熱伝導率異方性部材を、ヒートパイプまたは配向性グラファイトを用いて構成する。
　また好ましくは、熱輸送部は、高熱伝導性の絶縁材料から形成される。熱輸送部は、第１放熱器および第２放熱器と素子実装部との間に介在するように設けられる。このように構成された半導体装置の冷却構造によれば、熱輸送部によって、第１放熱器および第２放熱器と導電部との間を電気的に絶縁することができる。
　また好ましくは、素子実装部は、銅またはアルミニウムから形成されるバスバーである。熱輸送部は、バスバーを覆うように設けられる、窒化アルミニウムまたは高熱伝導性の樹脂から形成される。このように構成された半導体装置の冷却構造によれば、窒化アルミニウムまたは高熱伝導性の樹脂によって、第１放熱器および第２放熱器と、銅またはアルミニウムから形成されるバスバーとの間を電気的に絶縁することができる。
　また好ましくは、電極は、高熱伝導性の導電材料によって、素子実装部と熱輸送部とが一体となった形態により形成される。このように構成された半導体装置の冷却構造によれば、半導体素子に対する通電と、高効率の熱伝達との両方の機能を兼ね備えた電極を、簡易な構成によって実現することができる。
　また好ましくは、熱輸送部は、第１半導体素子および第２半導体素子が対向する位置に配置され、第１半導体素子および第２半導体素子で発生した熱を受ける受熱部と、第１放熱器と第２放熱器との間の空間に配置され、受熱部より伝達された熱を放出する放熱部とを有する。熱輸送部は、受熱部から放熱部に向けて延在する。このように構成された半導体装置の冷却構造によれば、第１半導体素子および第２半導体素子で発生した熱を、受熱部から放熱部へと伝達させることで、第１半導体素子および第２半導体素子の冷却効率を向上させることができる。
　また好ましくは、素子実装部は、第１放熱器と第２放熱器との間の空間において放熱部を覆うように設けられる。半導体装置の冷却構造は、第１半導体素子および素子実装部と第１放熱器との間、ならびに第２半導体素子および素子実装部と第２放熱器との間に介在して設けられる絶縁基板をさらに備える。このように構成された半導体装置の冷却構造によれば、絶縁基板によって、第１半導体素子および素子実装部と第１放熱器との間、ならびに第２半導体素子および素子実装部と第２放熱器との間を電気的に絶縁することができる。
　また好ましくは、絶縁基板は、第１半導体素子と第１放熱器との間に介在する部分と、素子実装部と第１放熱器との間に介在する部分とが、互いに分断するように設けられ、第２半導体素子と第２放熱器との間に介在する部分と、素子実装部と第２放熱器との間に介在する部分とが、互いに分断するように設けられる。このように構成された半導体装置の冷却構造によれば、温度変化に伴う熱ひずみにより絶縁基板が破損することを抑制できる。
　以上に説明したように、この発明に従えば、優れた冷却効率が実現される半導体装置の冷却構造を提供することができる。
ハイブリッド自動車の駆動ユニットを模式的に表わす図である。 図１中のＰＣＵの構成を示す電気回路図である。 図２中のインバータに適用される半導体装置の冷却構造を示す断面図である。 図３中のＩＶ－ＩＶ線上に沿った半導体装置の冷却構造を示す断面図である。 図３中の半導体装置の冷却構造の第１変形例を示す断面図である。 図３中の半導体装置の冷却構造の第２変形例を示す断面図である。 図３中の半導体装置の冷却構造の第３変形例を示す断面図である。 この発明の実施の形態２における半導体装置の冷却構造を示す断面図である。
　この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
　（実施の形態１）
　図１は、ハイブリッド自動車の駆動ユニットを模式的に表わす図である。本実施の形態では、本発明が、車両としてのハイブリッド自動車に搭載されるインバータに適用されている。まず、ハイブリッド自動車を駆動させるためのＨＶシステムについて説明する。
　図１を参照して、駆動ユニット１は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能なバッテリ８００とを動力源とするハイブリッド自動車に設けられている。駆動ユニット１は、モータジェネレータ１００と、ハウジング２００と、減速機構３００と、ディファレンシャル機構４００と、ドライブシャフト受け部９００と、端子台６００とを含んで構成される。
　モータジェネレータ１００は、電動機または発電機としての機能を有する回転電機である。モータジェネレータ１００は、回転シャフト１１０と、ロータ１３０と、ステータ１４０とを含む。回転シャフト１１０は、軸受１２０を介してハウジング２００に回転可能に取り付けられている。ロータ１３０は、回転シャフト１１０と一体となって回転する。
　モータジェネレータ１００から出力された動力は、減速機構３００からディファレンシャル機構４００を介してドライブシャフト受け部９００に伝達される。ドライブシャフト受け部９００に伝達された駆動力は、ドライブシャフトを介して車輪に回転力として伝達されて、車両を走行させる。
　一方、ハイブリッド自動車の回生制動時には、車輪は車体の慣性力により回転させられる。車輪からの回転力によりドライブシャフト受け部９００、ディファレンシャル機構４００および減速機構３００を介してモータジェネレータ１００が駆動される。このとき、モータジェネレータ１００が発電機として作動する。モータジェネレータ１００により発電された電力は、ＰＣＵ（Power　Control　Unit）７００を介してバッテリ８００に供給される。
　図２は、図１中のＰＣＵの構成を示す電気回路図である。図２を参照して、ＰＣＵ７００は、コンバータ７１０と、インバータ７２０と、制御装置７３０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電源ラインＰＬ１～ＰＬ３と、出力ライン７４０Ｕ，７４０Ｖ，７４０Ｗとを含む。
　コンバータ７１０は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３を介してバッテリ８００と接続されている。インバータ７２０は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３を介してコンバータ７１０と接続されている。インバータ７２０は、出力ライン７４０Ｕ，７４０Ｖ，７４０Ｗを介してモータジェネレータ１００と接続されている。バッテリ８００は、直流電源であって、たとえばニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の２次電池から形成されている。バッテリ８００は、蓄えた直流電力をコンバータ７１０に供給したり、コンバータ７１０から受け取る直流電力によって充電される。
　コンバータ７１０は、半導体モジュールから構成された上アームおよび下アームと、リアクトルＬとを含む。上アームおよび下アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に直列に接続されている。電源ラインＰＬ２に接続される上アームは、パワートランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）Ｑ１と、パワートランジスタＱ１に逆並列に接続されるダイオードＤ１とからなる。電源ラインＰＬ３に接続される下アームは、パワートランジスタＱ２と、パワートランジスタＱ２に逆並列に接続されるダイオードＤ２とからなる。リアクトルＬは、電源ラインＰＬ１と、上アームおよび下アームの接続点との間に接続されている。
　コンバータ７１０は、バッテリ８００から受け取る直流電圧をリアクトルＬを用いて昇圧し、その昇圧した電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。コンバータ７１０は、インバータ７２０から受け取る直流電圧を降圧し、バッテリ８００を充電する。
　インバータ７２０は、Ｕ相アーム７５０Ｕと、Ｖ相アーム７５０Ｖと、Ｗ相アーム７５０Ｗとを含む。Ｕ相アーム７５０Ｕ、Ｖ相アーム７５０ＶおよびＷ相アーム７５０Ｗは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に並列に接続されている。Ｕ相アーム７５０Ｕ、Ｖ相アーム７５０ＶおよびＷ相アーム７５０Ｗの各々は、半導体モジュールから構成された上アームおよび下アームからなる。各相アームの上アームおよび下アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に直列に接続されている。
　Ｕ相アーム７５０Ｕの上アームは、パワートランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑ３と、パワートランジスタＱ３に逆並列に接続されるダイオードＤ３とからなる。Ｕ相アーム７５０Ｕの下アームは、パワートランジスタＱ４と、パワートランジスタＱ４に逆並列に接続されるダイオードＤ４とからなる。Ｖ相アーム７５０Ｖの上アームは、パワートランジスタＱ５と、パワートランジスタＱ５に逆並列に接続されるダイオードＤ５とからなる。Ｖ相アーム７５０Ｖの下アームは、パワートランジスタＱ６と、パワートランジスタＱ６に逆並列に接続されるダイオードＤ６とからなる。Ｗ相アーム７５０Ｗの上アームは、パワートランジスタＱ７と、パワートランジスタＱ７に逆並列に接続されるダイオードＤ７とからなる。Ｗ相アーム７５０Ｗの下アームは、パワートランジスタＱ８と、パワートランジスタＱ８に逆並列に接続されるダイオードＤ８とからなる。各相アームのパワートランジスタの接続点は、対応する出力ライン７４０Ｕ，７４０Ｖ，７４０Ｗを介してモータジェネレータ１００の対応する相のコイルの反中性点側に接続されている。
　なお、図中では、Ｕ相アーム７５０ＵからＷ相アーム７５０Ｗの上アームおよび下アームが、それぞれ、パワートランジスタとダイオードとからなる１つの半導体モジュールから構成されている場合が示されているが、複数の半導体モジュールにより構成されてもよい。
　インバータ７２０は、制御装置７３０からの制御信号に基づいて、電源ラインＰＬ２から受け取る直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１００へ出力する。インバータ７２０は、モータジェネレータ１００によって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ラインＰＬ２に供給する。
　コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１の電圧レベルを平滑化する。コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ２の電圧レベルを平滑化する。
　制御装置７３０は、モータジェネレータ１００のトルク指令値、各相電流値、およびインバータ７２０の入力電圧に基づいて、モータジェネレータ１００の各相コイル電圧を演算する。制御装置７３０は、その演算結果に基づいて、パワートランジスタＱ３～Ｑ８をオン／オフするＰＷＭ（Pulse　Width　Modulation）信号を生成してインバータ７２０へ出力する。モータジェネレータ１００の各相電流値は、インバータ７２０の各アームを構成する半導体モジュールに組込まれた電流センサによって検出される。この電流センサは、Ｓ／Ｎ比が向上するように半導体モジュール内に配設されている。制御装置７３０は、上述したトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ７２０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算する。制御装置７３０は、その結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ７１０へ出力する。
　制御装置７３０は、モータジェネレータ１００によって発電された交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ８００に充電するため、コンバータ７１０およびインバータ７２０におけるパワートランジスタＱ１～Ｑ８のスイッチング動作を制御する。
　続いて、本実施の形態における半導体装置の冷却構造について詳細に説明する。図３は、図２中のインバータに適用される半導体装置の冷却構造を示す断面図である。
　図３を参照して、図中には、Ｕ相アーム７５０Ｕ、Ｖ相アーム７５０ＶおよびＷ相アーム７５０Ｗが一方向に積層されて構成された半導体装置１０が示されている。各相アームは、同一構造を有するため、以下、代表的に、Ｕ相アーム７５０Ｕに注目して本実施の形態における半導体装置１０の冷却構造について説明する。
　本実施の形態における半導体装置１０の冷却構造は、その主要な構成として、図２中のパワートランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑ３およびパワートランジスタＱ４をそれぞれ含んで構成される半導体素子３１および半導体素子３６と、入力電極２６および入力電極２７と、出力電極５０と、放熱器４１および放熱器４２とを有する。
　半導体素子３１および半導体素子３６は、矢印１０１に示す方向において、互いに距離を隔てて対向して配置されている（以下、矢印１０１に示す方向を、半導体素子３１および半導体素子３６の対向方向ともいう）。
　出力電極５０は、図示しないコネクタや配線などを用いて、図２中の出力ライン７４０Ｕに接続される。出力電極５０は、半導体素子３１と半導体素子３６との間に配置されている。言い換えれば、半導体素子３１および半導体素子３６は、出力電極５０を両側から挟み込むように配置されている。出力電極５０は、はんだ３３を介して半導体素子３１に接続され、はんだ３８を介して半導体素子３６に接続されている。
　出力電極５０は、半導体素子３１および半導体素子３６の対向方向に直交する、矢印１０２に示す方向に延在して形成されている。半導体素子３１および半導体素子３６の対向方向から半導体装置１０を見た場合に、出力電極５０は、矢印１０２に示す方向に帯状に延在して形成されている。出力電極５０は、半導体素子３１および半導体素子３６が対向する位置から、半導体素子３１および半導体素子３６の対向方向に直交する一方向と、その反対方向とに延在して形成されている。
　入力電極２６は、入力電極２６と出力電極５０との間に半導体素子３１が位置決めされるように配置されている。入力電極２６は、はんだ３２を介して半導体素子３１に接続されている。入力電極２６は、図示しないコネクタや配線などを用いて、図２中の電源ラインＰＬ２に接続されている。入力電極２７は、入力電極２７と出力電極５０との間に半導体素子３６が位置決めされるように配置されている。入力電極２７は、はんだ３７を介して半導体素子３６に接続されている。入力電極２７は、図示しないコネクタや配線などを用いて、図２中の電源ラインＰＬ３に接続されている。
　入力電極２６と入力電極２７とは、平行に配置されている。これにより、入力電極２６および入力電極２７間で寄生インダクタンスが打ち消され、スイッチング損失を低減することができる。
　放熱器４１は、半導体素子３１に対して出力電極５０の反対側に配置されている。放熱器４１は、放熱器４１と半導体素子３１との間に入力電極２６が位置決めされるように配置されている。放熱器４１は、絶縁基板４６を介して入力電極２６に接続されている。放熱器４６は、半導体素子３６に対して出力電極５０の反対側に配置されている。放熱器４６は、放熱器４６と半導体素子３６との間に入力電極２７が位置決めされるように配置されている。放熱器４６は、絶縁基板４７を介して入力電極２７に接続されている。
　放熱器４１，４２は、半導体素子３１および半導体素子３６が対向する位置から、半導体素子３１および半導体素子３６の対向方向に直交する一方向に延在して形成されている。放熱器４１，４２は、冷媒としての冷却油が流通する冷却油通路と、その冷却油通路上に配置され、高熱伝導性を有する金属、たとえばアルミニウムにより形成されて放熱フィンとから構成されている。
　なお、放熱器４１，４２の構成は、特に限定されず、たとえば、空冷方式の構造を有してもよい。
　絶縁基板４６は、絶縁性材料からなる平板状の部材から形成されている。絶縁基板４６は、たとえば、絶縁性セラミックスから形成されている。絶縁基板４６は、たとえば、ロウ付けにより入力電極２６および放熱器４１に接続されている。絶縁基板４７は、たとえば、ロウ付けにより入力電極２７および放熱器４２に接続されている。
　本実施の形態における半導体装置１０の冷却構造においては、放熱器４１と出力電極５０との間に１つの半導体素子３１が配置され、放熱器４２と出力電極５０との間に１つの半導体素子３６が配置されている。Ｕ相アーム７５０ＵとＶ相アーム７５０Ｖとは、両者の境界において１つの放熱器を共有するように設けられ、Ｖ相アーム７５０ＶとＷ相アーム７５０Ｗとは、両者の境界において１つの放熱器を共有するように設けられている。
　出力電極５０は、素子実装部５１および熱輸送部５６を有して構成されている。
　素子実装部５１は、銅などの導電性材料から形成されている。素子実装部５１は、半導体素子３１，３６に対して電気的に接続して設けられている。すなわち、半導体素子３１，３６は、はんだ３３，３８を介して素子実装部５１に実装されている。素子実装部５１は、半導体素子３１，３６を外部配線である出力ライン７４０Ｕに電気的に接続する通電機能を有する。
　熱輸送部５６は、半導体素子３１，３６を実装した素子実装部５１から放熱器４１，４２に向けて延びて設けられている。熱輸送部５６は、半導体素子３１，３６を実装した素子実装部５１から、半導体素子３１および半導体素子３６の対向方向に直交する矢印１０２に示す方向に延在している（以下、矢印１０２に示す方向を、熱輸送部５６の延在方向ともいう）。熱輸送部５６は、半導体素子３１，３６を実装した素子実装部５１から、半導体素子３１および半導体素子３６が対向する位置より遠ざかる方向に延在している。熱輸送部５６は、放熱器４１，４２と平行に延在している。熱輸送部５６は、半導体素子３１，３６で発生した熱を放熱器４１，４２に向けて伝達する熱伝達機能を有する。
　熱輸送部５６は、半導体素子３１および半導体素子３６が対向する位置に配置される受熱部６０と、放熱器４１と放熱器４２との間の空間に配置される放熱部５９とを有する。熱輸送部５６は、受熱部６０から放熱部５９に向けて延在している。受熱部６０は、半導体素子３１，３６で発生した熱を受け、放熱部５９は、受熱部６０から伝達された熱を放熱部４１，４２に向けて放出する。
　熱輸送部５６の延在方向において、熱輸送部５６の熱伝達率は、素子実装部５１の熱伝達率以上である。図３中に示す本実施の形態における半導体装置１０の冷却構造においては、熱輸送部５６の延在方向において、熱輸送部５６の熱伝達率は、素子実装部５１の熱伝達率よりも大きい。
　図４は、図３中のＩＶ－ＩＶ線上に沿った熱輸送部を示す断面図である。図３および図４を参照して、熱輸送部５６は、半導体素子３１および半導体素子３６の対向方向における熱伝達率よりも熱輸送部５６の延在方向における熱伝達率の方が大きくなる熱伝導率異方性部材から形成されている。本実施の形態では、その熱伝導率異方性部材として、自励式ヒートパイプが用いられている。
　自励式ヒートパイプの構造について説明すると、熱輸送部５６は、熱媒体路５８が形成された金属板５７を有する。金属板５７は、アルミニウムや銅、ステンレス等の金属から形成されている。熱媒体路５８は、金属板５７の内部に真空で封止された状態に形成されている。熱媒体路５８は、受熱部６０と放熱部５９との間で延びている。熱媒体路５８は、金属板５７が延在する平面内で蛇行しながら延び、閉じた経路（ループ孔）を形成している。
　熱媒体路５８の内部には、水やフレオン、エタノール、アンモニアなどの熱媒体が封入されている。熱媒体は、たとえば、熱媒体路５８に対して体積比５０％の割合で封入されている。
　このような構成を備える自励式ヒートパイプでは、受熱部６０での冷媒蒸発による圧力上昇と、放熱部５９での蒸気凝縮による圧力降下とに起因したポンプ効果により、冷媒が受熱部６０と放熱部５９との間で振動しながら熱輸送を行なう。このため、ウィック構造を用いたヒートパイプと比較して、輸送される熱において、受熱部６０での冷媒蒸発による潜熱に、液冷媒移動の顕熱分が加わり、大きな輸送力を発揮することができる。また、ウィック構造を用いたヒートパイプと比較して、設置姿勢の影響が小さいというメリットもある。
　自励式ヒートパイプから構成される熱媒体路５８は、金属板５７の面方向に対して厚み方向の熱伝達率が小さくなる特性を有し、たとえば、面方向の熱伝達率が、約８００～数１０００Ｗ／ｍＫであるのに対して、厚み方向の熱伝達率は、その１／１０以下（アルミニウム：２００Ｗ／ｍＫ、銅：４００Ｗ／ｍＫ）となる。
　なお、本実施の形態では、熱輸送部５６に自励式ヒートパイプを用いたが、ウィック構造を有するヒートパイプを用いてもよい。
　図３を参照して、素子実装部５１は、接合部５１ｐと、外部接続部５１ｑと、熱伝達部５１ｒとを有する。接合部５１ｐは、半導体素子３１および半導体素子３６が対向する位置に配置されている。接合部５１ｐには、はんだ３３およびはんだ３８をそれぞれ介して、半導体素子３１および半導体素子３６が接合されている。接合部５１ｐは、受熱部６０を覆うように設けられている。
　外部接続部５１ｑおよび熱伝達部５１ｒは、熱輸送部５６の延在方向において両者の間に接合部５１ｐが位置決めされるように配置されている。外部接続部５１ｑには、図示しないコネクタや配線が接続され、素子実装部５１と図２中の出力ライン７４０Ｕとが電気的に接続される。熱伝達部５１ｒは、放熱部５９を覆い、かつ放熱器４１と放熱器４６との間の空間を埋めるように設けられている。熱伝達部５１ｒは、絶縁基板４６を介して放熱器４１に接続され、絶縁基板４７を介して放熱器４２に接続されている。これにより、放熱器４１，４２および熱伝達部５１ｒ間が電気的に絶縁されている。
　熱伝達部５１ｒは、その厚みが接合部５１ｐおよび外部接続部５１ｑにおける厚みよりも大きくなる肉厚構造を有する。
　続いて、本実施の形態における半導体装置１０の冷却構造によって奏される作用、効果について説明する。
　図３中には、半導体素子３１，３６で発生した熱の経路が矢印で示されている。図３を参照して、図２中のインバータ７２０の作動に伴っては、半導体素子３１，３６で大きな発熱が生じる。本実施の形態における半導体装置１０の冷却構造においては、半導体素子３１，３６で発生した熱が、はんだ３３，３８および素子実装部５１の接合部５１ｐを通じて、熱輸送部５６の受熱部６０に伝わる。また、熱輸送部５６を形成する熱伝導率異方性部材は、熱輸送部５６の延在方向に対して厚み方向の熱伝達率が小さくなる特性を有する。このため、半導体素子３１で発生した熱と半導体素子３６で発生した熱とが干渉する現象を効果的に抑制することができる。
　受熱部６０に伝わった熱は、熱輸送部５６が備える熱伝導率異方性により、効率よく受熱部６０から放熱部５９へと伝わる。放熱部５９に伝わった熱は、さらに、素子実装部５１の熱伝達部５１ｒを通じて放熱器４１，４２に伝わり、放熱器４１，４２内部における冷却油との熱交換により放熱される。
　また、上記とは別の熱経路として、半導体素子３１で発生した熱は、入力電極２６を通じて放熱器４１に伝わり、半導体素子３６で発生した熱は、入力電極２７を通じて放熱器４２に伝わる。結果、半導体素子３１，３６をそれぞれ両面側から冷却する両面冷却の効果が得られる。
　また、本実施の形態における半導体装置１０の冷却構造は、素子実装部５１による通電機能と、熱輸送部５６による熱伝達機能とを具備した一体部品である出力電極５０により実現されるため、半導体装置１０の部品点数を減らし、その製造コストを削減することができる。
　以上に説明した、この発明の実施の形態１における半導体装置１０の冷却構造の基本的な構成についてまとめて説明すると、本実施の形態における半導体装置１０の冷却構造は、電極としての出力電極５０と、出力電極５０を挟んで互いに対向して配置される第１半導体素子としての半導体素子３１および第２半導体素子としての半導体素子３６と、半導体素子３１に対して出力電極５０の反対側に配置される第１放熱器としての放熱器４１と、半導体素子３６に対して出力電極５０の反対側に配置される第２放熱器としての放熱器４２とを備える。出力電極５０は、素子実装部５１と熱輸送部５６とを含む。素子実装部５１は、半導体素子３１および半導体素子３６に電気的に接続され、導電性材料から形成される。熱輸送部５６は、素子実装部５１から放熱器４１および放熱器４２に向けて延設される。
　このように構成された、この発明の実施の形態１における半導体装置１０の冷却構造によれば、半導体素子３１および半導体素子３６を出力電極５０を挟んでその両側に配置し、さらに、出力電極５０に熱輸送部５６を設ける構成により、半導体素子３１，３６の冷却効率を向上させることができる。
　なお、図３中に示したＵ相アーム７５０Ｕ、Ｖ相アーム７５０ＶおよびＷ相アーム７５０Ｗの積層構造は、一例に過ぎず、たとえば、半導体装置をさらに多段に積層する構造としてもよいし、複数のアームを半導体素子３１および半導体素子３６の対向方向に直交する平面内に並べる構造としてもよい。
　続いて、図３中に示す半導体装置１０の冷却構造の各種変形例について説明する。図５は、図３中の半導体装置の冷却構造の第１変形例を示す断面図である。
　図５を参照して、本変形例では、出力電極５０が、図３中の熱輸送部５６に替えて、熱輸送部６６を有して構成されている。
　熱輸送部６６は、半導体素子３１および半導体素子３６が対向する位置に配置される受熱部６７と、放熱器４１と放熱器４２との間の空間に配置される放熱部６８とを有し、受熱部６７から放熱部６８に向けて延在している。熱輸送部６６は、半導体素子３１および半導体素子３６の対向方向における熱伝達率よりも熱輸送部６６の延在方向における熱伝達率の方が大きくなる熱伝導率異方性部材から形成されている。本実施の形態では、その熱伝導率異方性部材として高熱伝導性グラファイトが用いられている。高熱伝導性グラファイトは、密集した２次元結晶構造を有し、面方向に対してフォノンによる熱伝導が飛躍的に向上した材料として使用される。
　なお、図５中では、放熱部６８において厚みが大きくなるように形成された熱輸送部６６が示されているが、素子実装部５１の熱伝達部５１ｒの熱伝達率が高熱伝導性グラファイトの厚み方向における熱伝達率よりも小さくなる場合には、放熱部６８の肉厚部分を素子実装部５１を形成する金属に置き換えてもよい。
　図６は、図３中の半導体装置の冷却構造の第２変形例を示す断面図である。図６を参照して、本変形例では、出力電極５０が、高熱伝導性の導電材料によって、素子実装部５１と熱輸送部５６とが一体となった形態により形成されている。そのような高熱伝導性の導電材料として、たとえば、銅が挙げられる。
　より具体的な構造について説明すると、出力電極５０は、半導体素子３１および半導体素子３６が対向する位置に配置される受熱側の接合部５０ｐと、放熱器４１と放熱器４６との間の空間を埋めるように設けられる放熱側の熱伝達部５０ｒと、接合部５０ｐに対して熱伝達部５０ｒの反対側に配置され、図示しないコネクタや配線などが接続される外部接続部５０ｑとを有する。
　半導体素子３１，３６で発生した熱は、はんだ３３，３８を通じて接合部５０ｐに伝わる。接合部５０ｐに伝わった熱は、熱伝達部５０ｒへと伝わり、放熱器４１，４２により放熱される。一方、出力電極５０は、導電材料から形成されるため、接合部５０ｐおよび外部接続部５０ｑを通じた、半導体素子３１および半導体素子３６と外部との間の通電が確保される。
　図７は、図３中の半導体装置の冷却構造の第３変形例を示す断面図である。図７を参照して、本変形例では、絶縁基板４６が、第１部分４６ａと、第１部分４６ａと分断された第２部分４６ｂとから構成され、絶縁基板４７が、第１部分４７ａと、第１部分４７ａと分断された第２部分４７ｂとから構成されている。第１部分４６ａは、入力電極２６と放熱器４１との間に介在し、第２部分４６ｂは、素子実装部５１と放熱器４１との間に介在する。第１部分４７ａは、入力電極２７と放熱器４２との間に介在し、第２部分４７ｂは、素子実装部５１と放熱器４２との間に介在する。
　放熱器４１，４２や入力電極２６，２７に接続される絶縁基板４６，４７には、これら接続部品の熱変形に伴って歪が生じるため、絶縁基板４６，４７が破損するおそれがある。特に絶縁基板４６，４７の固定にロウ付けが用いられている場合には、絶縁基板４６，４７が強固に固定されるため、このような問題が顕著となる。これに対して、本変形例では、絶縁基板４６，４７を分断構造とし、各基板のサイズを小さく抑えることにより、絶縁基板４６，４７の破損をより確実に防ぐことができる。
　（実施の形態２）
　図８は、この発明の実施の形態２における半導体装置の冷却構造を示す断面図である。本実施の形態における半導体装置の冷却構造は、実施の形態１における半導体装置１０の冷却構造と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造についてはその説明を繰り返さない。
　図８を参照して、本実施の形態では、出力電極５０が、素子実装部７１および熱輸送部７６を有して構成されている。
　素子実装部７１は、銅またはアルミニウムから形成されるバスバーとして設けられている。素子実装部７１は、半導体素子３１および半導体素子３６が対向する位置に配置され、半導体素子３１，３６がはんだ３３，３８を介して接合される接合部７１ｐと、接合部７１から一方向に延在する先に設けられ、図示しないコネクタや配線などが接続される外部接続部７１ｑとを有する。
　熱輸送部７６は、高熱伝導性の絶縁材料から形成されている。このような材料の一例としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が挙げられる。また別の例として、高熱伝導性の樹脂、たとえば、熱伝導性の無機フィラーとして、アルミナ、シリカ、酸化亜鉛、マグネシア等の酸化物や、窒化珪素、窒化硼素、窒化アルミニウム等の窒化物の微粒子を含有する樹脂が挙げられる。
　熱輸送部７６は、接合部７１ｐに連設され、半導体素子３１，３６で発生した熱を受ける受熱部７７と、放熱器４１と放熱器４２との間の空間に配置され、受熱部７７から伝達された熱を放出する放熱部７８とを有する。熱輸送部７６は、受熱部７７から放熱部７８に向けて延在している。半導体素子３１，３６で発生した熱は、はんだ３３，３８を通じて受熱部７７に伝わる。受熱部７７に伝わった熱は、熱輸送部７６を通じて放熱部７８に伝わり、放熱器４１，４２により放熱される。
　熱輸送部７６の放熱部７８は、その厚みが受熱部７７よりも大きいブロック形状を有する。本実施の形態では、熱輸送部７６が絶縁材料から形成されているため、放熱部７８は、絶縁基板４６，４７を介することなく放熱器４１，４２に直接、接触して設けられている。
　このような構成によれば、絶縁基板４６，４７を入力電極２６，２７と放熱器４１，４２との間に介在させるだけでよくなり、絶縁基板４６，４７のサイズを小さく抑えることができる。これにより、熱ひずみに起因する絶縁基板４６，４７の破損を抑制することができる。また、放熱器４１と放熱器４２との間で放熱部７８の厚みが大きくなるため、熱輸送部７６の絶縁耐圧を低く設定することができる。
　このように構成された、この発明の実施の形態２における半導体装置の冷却構造によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に得ることができる。
　なお、以上に説明した実施の形態、変形例における半導体装置の冷却構造の構成を適宜、組み合わせて、新たな半導体装置の冷却構造を構成してもよい。
　また、本発明を、燃料電池と２次電池とを動力源とする燃料電池ハイブリッド車（ＦＣＨＶ：Fuel　Cell　Hybrid　Vehicle）または電気自動車（ＥＶ：Electric　Vehicle）に搭載されるリアクトルに適用することもできる。本実施の形態におけるハイブリッド自動車では、燃費最適動作点で内燃機関を駆動するのに対して、燃料電池ハイブリッド車では、発電効率最適動作点で燃料電池を駆動する。また、２次電池の使用に関しては、両方のハイブリッド自動車で基本的に変わらない。
　今回開示された実施の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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　この発明は、車両に搭載される電力変換装置のほか、各種パワーモジュールに適用される。
　１０　半導体装置、２６，２７　入力電極、３１，３６　半導体素子、４１，４２　放熱器、４６，４７　絶縁基板、４６ａ，４７ａ　第１部分、４６ｂ，４７ｂ　第２部分、５０　出力電極、５０ｐ，５１ｐ，７１ｐ　接合部、５０ｑ，５１ｑ，７１ｑ　外部接続部、５０ｒ，５１ｒ　熱伝達部、５１，７１　素子実装部、５６，６６，７６　熱輸送部、５７　金属板、５８　熱媒体路、５９，６８，７８　放熱部、６０，６７，７７　受熱部、１００　モータジェネレータ、１１０　回転シャフト、１２０　軸受、１３０　ロータ、１４０　ステータ、２００　ハウジング、３００　減速機構、４００　ディファレンシャル機構、６００　端子台、７１０　コンバータ、７２０　インバータ、７３０　制御装置、７４０Ｕ，７４０Ｖ，７４０Ｗ　出力ライン、７５０Ｕ　Ｕ相アーム、７５０Ｖ　Ｖ相アーム、７５０Ｗ　Ｗ相アーム。

Claims (9)

  1. 　電極（５０）と、
    　前記電極（５０）を挟んで互いに対向して配置される第１半導体素子（３１）および第２半導体素子（３６）と、
    　前記第１半導体素子（３１）に対して前記電極（５０）の反対側に配置される第１放熱器（４１）と、
    　前記第２半導体素子（３６）に対して前記電極（５０）の反対側に配置される第２放熱器（４２）とを備え、
    　前記電極（５０）は、前記第１半導体素子（３１）および前記第２半導体素子（３６）に電気的に接続され、導電性材料から形成される素子実装部（５１，７１）と、前記素子実装部（５１，７１）から前記第１放熱器（４１）および前記第２放熱器（４２）に向けて延設される熱輸送部（５６，６６，７６）とを含む、半導体装置の冷却構造。
  2. 　前記熱輸送部（５６，６６）は、前記素子実装部（５１）から、前記第１半導体素子（３１）および前記第２半導体素子（３６）の対向方向に直交する方向に延在し、
    　前記熱輸送部（５６，６６）は、前記第１半導体素子（３１）および前記第２半導体素子（３６）の対向方向における熱伝達率よりも前記熱輸送部（５６，６６）の延在方向における熱伝達率の方が大きくなる熱伝導率異方性部材から形成される、請求の範囲１に記載の半導体装置の冷却構造。
  3. 　前記熱伝導率異方性部材は、ヒートパイプまたは配向性グラファイトからなる、請求の範囲２に記載の半導体装置の冷却構造。
  4. 　前記熱輸送部（７６）は、高熱伝導性の絶縁材料から形成され、前記第１放熱器（４１）および前記第２放熱器（４２）と前記素子実装部（７１）との間に介在するように設けられる、請求の範囲１に記載の半導体装置の冷却構造。
  5. 　前記素子実装部（７１）は、銅またはアルミニウムから形成されるバスバーであり、
    　前記熱輸送部（７６）は、前記バスバーを覆うように設けられる、窒化アルミニウムまたは高熱伝導性の樹脂から形成される、請求の範囲４に記載の半導体装置の冷却構造。
  6. 　前記電極（５０）は、高熱伝導性の導電材料によって、前記素子実装部（５１）と前記熱輸送部（５６）とが一体となった形態により形成される、請求の範囲１に記載の半導体装置の冷却構造。
  7. 　前記熱輸送部（５６，６６，７６）は、前記第１半導体素子（３１）および前記第２半導体素子（３６）が対向する位置に配置され、前記第１半導体素子（３１）および前記第２半導体素子（３６）で発生した熱を受ける受熱部（６０，６７，７７）と、前記第１放熱器（４１）と前記第２放熱器（４２）との間の空間に配置され、前記受熱部（６０，６７，７７）より伝達された熱を放出する放熱部（５９，６８，７８）とを有し、前記受熱部（６０，６７，７７）から前記放熱部（５９，６８，７８）に向けて延在する、請求の範囲１に記載の半導体装置の冷却構造。
  8. 　前記素子実装部（５１）は、前記第１放熱器（４１）と前記第２放熱器（４２）との間の空間において前記放熱部（５９，６８）を覆うように設けられ、
    　前記第１半導体素子（３１）および前記素子実装部（５１）と前記第１放熱器（４１）との間、ならびに前記第２半導体素子（３６）および前記素子実装部（５１）と前記第２放熱器（４２）との間に介在して設けられる絶縁基板（４６，４７）をさらに備える、請求の範囲１に記載の半導体装置の冷却構造。
  9. 　前記絶縁基板（４６，４７）は、前記第１半導体素子（３１）と前記第１放熱器（４１）との間に介在する部分と、前記素子実装部（５１）と前記第１放熱器（４１）との間に介在する部分とが、互いに分断するように設けられ、前記第２半導体素子（３６）と前記第２放熱器（４２）との間に介在する部分と、前記素子実装部（５１）と前記第２放熱器（４２）との間に介在する部分とが、互いに分断するように設けられる、請求の範囲８に記載の半導体装置の冷却構造。
PCT/JP2009/069825 2009-11-25 2009-11-25 半導体装置の冷却構造 WO2011064841A1 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112009005394T DE112009005394T8 (de) 2009-11-25 2009-11-25 Kühlstruktur einer Halbleitervorrichtung
PCT/JP2009/069825 WO2011064841A1 (ja) 2009-11-25 2009-11-25 半導体装置の冷却構造
US13/511,305 US20120228757A1 (en) 2009-11-25 2009-11-25 Cooling structure of semiconductor device
CN200980162611.3A CN102648519A (zh) 2009-11-25 2009-11-25 半导体装置的冷却构造
JP2011543007A JPWO2011064841A1 (ja) 2009-11-25 2009-11-25 半導体装置の冷却構造

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2009/069825 WO2011064841A1 (ja) 2009-11-25 2009-11-25 半導体装置の冷却構造

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011064841A1 true WO2011064841A1 (ja) 2011-06-03

Family

ID=44065964

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2009/069825 WO2011064841A1 (ja) 2009-11-25 2009-11-25 半導体装置の冷却構造

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20120228757A1 (ja)
JP (1) JPWO2011064841A1 (ja)
CN (1) CN102648519A (ja)
DE (1) DE112009005394T8 (ja)
WO (1) WO2011064841A1 (ja)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014053457A (ja) * 2012-09-07 2014-03-20 Toyota Industries Corp 半導体モジュール
JP2015198187A (ja) * 2014-04-02 2015-11-09 株式会社豊田中央研究所 重ね合わせブロックを利用するモジュール
WO2016059702A1 (ja) * 2014-10-16 2016-04-21 新電元工業株式会社 半導体モジュール
KR20170014635A (ko) * 2015-07-30 2017-02-08 현대자동차주식회사 반도체 패키지 및 그 제조 방법
JP2019033226A (ja) * 2017-08-09 2019-02-28 三菱電機株式会社 半導体装置
JP2020178076A (ja) * 2019-04-19 2020-10-29 三菱電機株式会社 半導体モジュール
US10978381B2 (en) 2018-02-16 2021-04-13 Denso Corporation Semiconductor device
US11276627B2 (en) 2019-05-15 2022-03-15 Denso Corporation Semiconductor device
WO2023249000A1 (ja) * 2022-06-23 2023-12-28 ニデック株式会社 半導体モジュール
WO2024070883A1 (ja) * 2022-09-30 2024-04-04 ニデック株式会社 半導体モジュールおよび半導体モジュールユニット

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9119327B2 (en) * 2010-10-26 2015-08-25 Tdk-Lambda Corporation Thermal management system and method
EP2857783A1 (en) * 2013-10-04 2015-04-08 ABB Technology AG Heat exchange device based on a pulsating heat pipe
JP6276424B2 (ja) * 2014-12-16 2018-02-07 京セラ株式会社 回路基板および電子装置
EP3163608A4 (en) * 2015-04-28 2017-11-01 Shindengen Electric Manufacturing Co., Ltd. Semiconductor module and production method for semiconductor module
DE112016006331B4 (de) 2016-01-29 2021-07-22 Mitsubishi Electric Corporation Halbleitervorrichtung
FR3073978B1 (fr) * 2017-11-17 2022-10-28 Inst Vedecom Module electronique de puissance et systeme electronique comprenant un tel module electronique
JP7025948B2 (ja) * 2018-02-13 2022-02-25 ローム株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
US20200203255A1 (en) * 2018-12-19 2020-06-25 Abb Schweiz Ag Cooling of power semiconductors
JP7095632B2 (ja) * 2019-03-11 2022-07-05 株式会社デンソー 半導体装置
JP7294403B2 (ja) * 2019-03-12 2023-06-20 住友電気工業株式会社 半導体装置
DE102021116262A1 (de) 2021-06-23 2022-12-29 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Beidseitige Kühlung von Leistungselektronikbaugruppen

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001326324A (ja) * 2000-05-18 2001-11-22 Fuji Electric Co Ltd スタック構造体の導体接続方法及びスタック構造体
JP2004040899A (ja) * 2002-07-03 2004-02-05 Hitachi Ltd 半導体モジュール及び電力変換装置
JP2007305700A (ja) * 2006-05-10 2007-11-22 Denki Kagaku Kogyo Kk 異方熱伝導積層型放熱部材
JP2009171732A (ja) * 2008-01-16 2009-07-30 Nissan Motor Co Ltd 電力変換装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH047860A (ja) 1990-04-26 1992-01-13 Toshiba Corp 半導体スタック
JP4973059B2 (ja) 2006-08-09 2012-07-11 日産自動車株式会社 半導体装置及び電力変換装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001326324A (ja) * 2000-05-18 2001-11-22 Fuji Electric Co Ltd スタック構造体の導体接続方法及びスタック構造体
JP2004040899A (ja) * 2002-07-03 2004-02-05 Hitachi Ltd 半導体モジュール及び電力変換装置
JP2007305700A (ja) * 2006-05-10 2007-11-22 Denki Kagaku Kogyo Kk 異方熱伝導積層型放熱部材
JP2009171732A (ja) * 2008-01-16 2009-07-30 Nissan Motor Co Ltd 電力変換装置

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014053457A (ja) * 2012-09-07 2014-03-20 Toyota Industries Corp 半導体モジュール
JP2015198187A (ja) * 2014-04-02 2015-11-09 株式会社豊田中央研究所 重ね合わせブロックを利用するモジュール
WO2016059702A1 (ja) * 2014-10-16 2016-04-21 新電元工業株式会社 半導体モジュール
JP5950488B1 (ja) * 2014-10-16 2016-07-13 新電元工業株式会社 半導体モジュール
US9704828B2 (en) 2014-10-16 2017-07-11 Shindengen Electric Manufacturing Co., Ltd. Semiconductor module
KR102394542B1 (ko) 2015-07-30 2022-05-04 현대자동차 주식회사 반도체 패키지 및 그 제조 방법
KR20170014635A (ko) * 2015-07-30 2017-02-08 현대자동차주식회사 반도체 패키지 및 그 제조 방법
JP2019033226A (ja) * 2017-08-09 2019-02-28 三菱電機株式会社 半導体装置
US10978381B2 (en) 2018-02-16 2021-04-13 Denso Corporation Semiconductor device
US11322452B2 (en) 2019-04-19 2022-05-03 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor module
JP2020178076A (ja) * 2019-04-19 2020-10-29 三菱電機株式会社 半導体モジュール
JP7156155B2 (ja) 2019-04-19 2022-10-19 三菱電機株式会社 半導体モジュール
US11276627B2 (en) 2019-05-15 2022-03-15 Denso Corporation Semiconductor device
WO2023249000A1 (ja) * 2022-06-23 2023-12-28 ニデック株式会社 半導体モジュール
WO2024070883A1 (ja) * 2022-09-30 2024-04-04 ニデック株式会社 半導体モジュールおよび半導体モジュールユニット

Also Published As

Publication number Publication date
DE112009005394T8 (de) 2012-12-20
JPWO2011064841A1 (ja) 2013-04-11
US20120228757A1 (en) 2012-09-13
CN102648519A (zh) 2012-08-22
DE112009005394T5 (de) 2012-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2011064841A1 (ja) 半導体装置の冷却構造
JP5488540B2 (ja) 半導体モジュール
JP5581131B2 (ja) パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置
JP5247745B2 (ja) 電力変換装置
JP5326334B2 (ja) パワーコントロールユニット
JP5486990B2 (ja) パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置
JP2017535912A (ja) グラファイト熱電および／または抵抗熱管理システムならびに方法
WO2008123083A1 (ja) 半導体装置および電動車両
JP2017085883A (ja) 半導体モジュール及びこれを備えた電力変換装置
EP3641121A1 (en) Cooling structure of power conversion device
JP2019036609A (ja) リアクトル冷却構造
JP5075163B2 (ja) 半導体素子の冷却構造
JP3669971B2 (ja) 半導体モジュール
JP6147893B2 (ja) 電力変換装置
JP5551808B2 (ja) 半導体モジュール及びこれを備えた電力変換装置
JP4729443B2 (ja) 半導体装置
JP4452605B2 (ja) 半導体装置
JP5573398B2 (ja) 電力変換装置
JP5724474B2 (ja) 冷却装置
JP5971051B2 (ja) 半導体ユニット
JP2012243808A (ja) 冷却装置
JP6047599B2 (ja) 半導体モジュール及びこれを備えた電力変換装置
JP2015053775A (ja) 半導体電力変換装置
JP2014147292A (ja) 半導体モジュール及びこれを備えた電力変換装置
JP5941944B2 (ja) 電力変換装置の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200980162611.3

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09851633

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2011543007

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13511305

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1120090053947

Country of ref document: DE

Ref document number: 112009005394

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09851633

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1