WO2018116653A1 - 半導体モジュール - Google Patents

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WO2018116653A1
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protrusions
refrigerant passage
semiconductor chip
wiring layer
metal wiring
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明夫 北村
新一郎 安達
新井　伸英
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富士電機株式会社
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    • H01L27/0711—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration the components having an active region in common comprising components of the field effect type in combination with bipolar transistors and diodes, or capacitors, or resistors

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor module.
  • the semiconductor chip is efficiently cooled after electrically insulating the semiconductor chip and the cooling unit for cooling the heat generated from the semiconductor chip.
  • a semiconductor module may include a semiconductor chip, a cooling unit, and a laminated substrate.
  • the cooling part may have a refrigerant passage part inside.
  • the refrigerant may pass through the refrigerant passage part.
  • the multilayer substrate may include a first metal wiring layer, a second metal wiring layer, and an insulator.
  • the first metal wiring layer may be closer to the semiconductor chip than the cooling unit.
  • the second metal wiring layer may be closer to the cooling unit than the semiconductor chip.
  • the insulator may be provided between the first metal wiring layer and the second metal wiring layer.
  • the cooling unit may include a top plate, a bottom plate, and a plurality of protrusions. The top plate may be provided close to the laminated substrate.
  • the bottom plate may be provided to face the top plate.
  • the plurality of protrusions may be provided on a surface of the bottom plate that is in contact with the coolant passage portion.
  • the plurality of protrusions may be separated from each other in the flow direction from upstream to downstream of the refrigerant.
  • the plurality of protrusions may be provided continuously in the width direction of the refrigerant passage portion orthogonal to the flow direction.
  • the plurality of protrusions may be provided at least at a position overlapping one end of the second metal wiring layer in the flow direction and a position overlapping the semiconductor chip.
  • the height of the protrusion provided near the downstream may be higher than the height of the protrusion provided near the upstream.
  • the interval between two protrusions provided at positions close to the downstream among the plurality of protrusions may be narrower than the interval between two protrusions provided near the upstream among the plurality of protrusions.
  • the plurality of protrusions may each have a front surface.
  • the front surface may face the flow of refrigerant from the upstream.
  • the inclination angle of the protrusion provided near the downstream may be larger than the inclination angle of the protrusion provided close to the upstream.
  • the inclination angle may be an angle with respect to the bottom plate of the front surface.
  • the cooling part may have an upper refrigerant passage part and a lower refrigerant passage part.
  • Each of the upper refrigerant passage portion and the lower refrigerant passage portion may have a plurality of protrusions.
  • the upper refrigerant passage portion may be provided at a position relatively close to the second metal wiring layer in the height direction from the bottom plate to the top plate.
  • the lower refrigerant passage part may be provided so as to overlap below the upper refrigerant passage part in the height direction.
  • the plurality of protrusions in the upper refrigerant passage part and the plurality of protrusions in the lower refrigerant passage part do not have to overlap in the height direction.
  • Each of the plurality of protrusions in the upper refrigerant passage part and each of the plurality of protrusions in the lower refrigerant passage part may overlap in the height direction.
  • any one or more of the following (a), (b), and (c) may be satisfied in the plurality of protrusions of the upper refrigerant passage portion.
  • B) The interval between the two protrusions provided at positions close to the downstream of the plurality of protrusions in the upper refrigerant passage part is 2 between the plurality of protrusions at the upper refrigerant passage part provided at a position close to the upstream. It is narrower than the interval between the two protrusions.
  • Each of the plurality of protrusions has a front surface facing the flow of the refrigerant from the upstream, and two protrusions of the plurality of protrusions in the upper refrigerant passage portion are provided at positions close to the downstream.
  • the inclination angle of the front surface with respect to the bottom plate is larger than the inclination angle with respect to the front surface bottom plate of the protrusion provided at a position close to the upstream.
  • the semiconductor chip may be an RC-IGBT semiconductor chip.
  • the RC-IGBT semiconductor chip may have an IGBT region and an FWD region.
  • the IGBT region and the FWD region may be provided in a stripe shape.
  • the extending direction of the plurality of protrusions in the width direction may be parallel to the longitudinal direction of the IGBT region and the FWD region.
  • the semiconductor module may further include an additional semiconductor chip at a position different from the semiconductor chip in the flow direction. At least one of the plurality of protrusions may be provided between the semiconductor chip and the additional semiconductor chip.
  • the top plate and the bottom plate may be integrated via a side plate provided between the top plate and the bottom plate in the height direction from the bottom plate to the top plate.
  • the thickness of the first metal wiring layer and the second metal wiring layer may be 0.6 mm or more.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an outline of a semiconductor module 100 according to an embodiment of the present invention.
  • A It is AA 'sectional drawing in 1st Embodiment.
  • FIG. 4B is a top view of the refrigerant passage portion 20.
  • FIG. 4C is a top view of the semiconductor chip 50.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of an inverter circuit having a plurality of semiconductor modules 100.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example in which the inclination angle ⁇ of the front surface 25 of the protrusion 22 changes in the flow direction 27.
  • A is sectional drawing of the fin structure of the cooling unit 10 in a comparative example.
  • B is a top view of the fin structure of the cooling unit 10 in the comparative example. It is the experimental result which compared the thermal resistance value of this example and the comparative example. It is AA 'sectional drawing in 2nd Embodiment. It is AA 'sectional drawing in the modification of 2nd Embodiment. It is a top view of the refrigerant passage part 20 in 3rd Embodiment. It is a top view of the refrigerant passage part 20 in 4th Embodiment. It is AA 'sectional drawing in 5th Embodiment. It is AA 'sectional drawing in the 1st modification of 5th Embodiment. It is AA 'sectional drawing in the 2nd modification of 5th Embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an outline of a semiconductor module 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the semiconductor module 100 of this example includes a cooling unit 10, a laminated substrate 30, a plurality of semiconductor chips 50-1, 50-2, and 50-3, and a plurality of semiconductor chips 50-4, 50-5, and 50-6. With. Although omitted in FIG. 1, the semiconductor module 100 may include other members such as wires, terminals, cases, and fixtures as necessary.
  • the cooling unit 10 has a function of cooling the heat from the semiconductor chip 50.
  • a part of the cooling unit 10 of this example has a rectangular parallelepiped shape.
  • the rectangular parallelepiped shape of the cooling unit 10 is formed by integrating the top plate 12 and the bottom plate 14 facing each other and the two side plates 16 provided between the top plate 12 and the bottom plate 14. .
  • the cooling unit 10 of the comparative example in which the top plate 12 and the bottom plate 14 are not integrated is considered.
  • the fin structure is located in the refrigerant passage part 20.
  • the top plate 12 in order to ensure the rigidity of the cooling unit 10, the top plate 12 needs to have a thickness of 4 mm or more.
  • the thickness of the bottom plate 14 also needs to be 5 mm or more and 10 mm or less.
  • the cooling unit 10 of this example can ensure the mechanical strength of the cooling unit 10 by integrating the top plate 12, the bottom plate 14, and the side plate 16. Therefore, the cooling unit 10 of the present example can make the top plate 12 thinner than the cooling unit 10 of the comparative example.
  • the thickness of the top plate 12 (that is, the length in the Z direction) may be 2 mm or less, or 1 mm.
  • the semiconductor module 100 can be reduced in size.
  • the top plate 12, the bottom plate 14, and the side plate 16 of the cooling unit 10 may be formed of a metal having a relatively high thermal conductivity.
  • the top plate 12, the bottom plate 14, and the side plate 16 of this example are formed of copper (Cu) or aluminum (Al).
  • Cu copper
  • Al aluminum
  • the cooling unit 10 of this example has a refrigerant passage 20 inside.
  • the refrigerant passage part 20 of this example is a cavity part through which the refrigerant 18 passes.
  • the refrigerant 18 flows through the refrigerant passage portion 20 from the upstream toward the downstream.
  • the negative direction of the X axis is upstream of the refrigerant 18, and the positive direction of the X axis is downstream of the refrigerant 18.
  • the flow direction 27 in which the refrigerant 18 flows is parallel to the X-axis direction.
  • the flow direction 27 is a global flow direction of the refrigerant 18 in the refrigerant passage portion 20, and is not a local flow direction.
  • the width direction 28 of the refrigerant passage portion 20 in this example is a direction parallel to the Y-axis direction.
  • the width direction 28 is orthogonal to the flow direction 27.
  • the width direction 28 is also a direction from the side plate 16-2 located in the negative direction of the Y axis toward the side plate 16-1 located in the Y axis positive direction.
  • the height direction 29 from the bottom plate 14 toward the top plate 12 is a direction parallel to the Z-axis direction.
  • the Z axis in this example is an axis orthogonal to the X axis and the Y axis.
  • the X, Y, and Z axes in this example constitute a right-handed system.
  • the X, Y, and Z axes are used to indicate the relative direction of the semiconductor module 100.
  • the Z-axis direction is not necessarily parallel to the gravity direction.
  • the terms “upper”, “lower”, “upper” and “lower” in this specification are also not limited to the vertical direction in the direction of gravity. These terms only refer to the direction relative to the Z axis.
  • the laminated substrate 30 of this example is provided on the top plate 12 in the vicinity of the top plate 12 of the cooling unit 10.
  • the multilayer substrate 30 of this example includes a first metal wiring layer 32, an insulator 34, and a second metal wiring layer.
  • the first metal wiring layer 32 and the second metal wiring layer of this example have a smaller length in the X-axis and Y-axis directions than the insulator 34. Therefore, in FIG. 1, the second metal wiring layer is hidden by the insulator 34 and is not shown.
  • the second metal wiring layer is provided between the insulator 34 and the top plate 12 of the cooling unit 10.
  • a plurality of semiconductor chips 50 may be provided on the first metal wiring layer 32.
  • the first metal wiring layer 32 may include a wiring that electrically connects the plurality of semiconductor chips 50.
  • the first metal wiring layer 32 may include a plurality of electrically insulated wires or regions.
  • the first metal wiring layer 32 may be a wiring layer formed of copper (Cu) or aluminum (Al).
  • the thickness of the first metal wiring layer 32 may be 0.6 mm or more. By setting the thickness to 0.6 mm or more, the heat dissipation characteristics from the semiconductor chip 50 can be improved.
  • the first metal wiring layer 32 of this example is a copper wiring layer having a thickness of 0.8 mm.
  • the insulator 34 may be an insulating substrate provided between the first metal wiring layer 32 and the second metal wiring layer.
  • the insulator 34 may be a sintered body of silicon nitride (SiN x ), aluminum nitride (AlN x ), or aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
  • the insulator 34 may have a function of ensuring electrical insulation between the semiconductor chip 50 through which a large current flows and the metal cooling unit 10. Thereby, even if the whole cooling unit 10 is made of metal, electrical insulation between the semiconductor chip 50 and the cooling unit 10 is ensured. Compared to the case where a part or the whole of the cooling unit 10 is formed of an insulator, if the entire cooling unit 10 is formed of metal, heat exchange between the top plate 12 and the refrigerant 18 and the manufacturing process and manufacturing cost of the cooling unit 10 are performed. The advantage can be obtained in terms of the above.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in the first embodiment.
  • FIG. 2B is a top view of the refrigerant passage portion 20.
  • FIG. 2C is a top view of the semiconductor chip 50.
  • the second metal wiring layer 36 of the multilayer substrate 30 may be fixed on the top plate 12 via a solder portion.
  • the second metal wiring layer 36 may also be a wiring layer formed of copper (Cu) or aluminum (Al).
  • the second metal wiring layer 36 and the first metal wiring layer 32 may have the same volume.
  • the second metal wiring layer 36 may be provided with denser wiring in the layer than the first metal wiring layer 32. Therefore, the thickness of the second metal wiring layer 36 may be thinner than that of the first metal wiring layer 32.
  • the thickness of the second metal wiring layer 36 may also be 0.6 mm or more. By setting the thickness to 0.6 mm or more, the heat dissipation from the semiconductor chip 50 can be improved.
  • the second metal wiring layer 36 of this example is a copper wiring layer having a thickness of 0.75 mm.
  • the semiconductor chip 50 of this example may be formed of silicon carbide (SiC) or may be formed of silicon (Si).
  • the semiconductor chip 50 generates heat during operation (for example, when it is in an on state).
  • the heat of the semiconductor chip 50 is transferred from the first metal wiring layer 32 closer to the semiconductor chip than the cooling unit 10 to the second metal wiring layer 36 closer to the cooling unit 10 than the semiconductor chip 50 through the insulator 34.
  • the spread of heat transferred from the semiconductor chip 50 to the laminated substrate 30 is indicated by broken lines.
  • the cooling unit 10 of this example has a plurality of protrusions 22.
  • the plurality of protrusions 22 may be provided on the surface of the bottom plate 14 that contacts the refrigerant passage portion 20.
  • the plurality of protrusions 22 may be separated from each other in the flow direction 27.
  • the plurality of protrusions 22 are provided at intervals of 2.4 mm in the flow direction 27.
  • the plurality of protrusions 22 may be provided apart from the top plate 12.
  • the plurality of protrusions 22 in this example have a height of 1 mm in the height direction 29 from the bottom plate 14.
  • interval of the upper part of the some projection part 22 and the top plate 12 is 1 mm.
  • the refrigerant 18 When a part of the refrigerant 18 passing through the refrigerant passage 20 collides with the front surface 25 of the protrusion 22, a part of the refrigerant 18 flows toward the top plate 12 on the protrusion 22.
  • the flow of the refrigerant 18 on the protrusion 22 may have a vector component directed in the height direction 29 by a predetermined angle with respect to the flow direction 27.
  • the upward vector component is indicated by an arrow.
  • the flow of the refrigerant 18 having an upward vector component contacts the top plate 12 and exchanges heat with the top plate 12. Thereby, the refrigerant 18 can cool the laminated substrate 30 and the semiconductor chip 50.
  • the refrigerant 18 of this example can cool the laminated substrate 30 and the semiconductor chip 50 more efficiently than the case where the entire refrigerant flows in parallel with the flow direction 27.
  • One of the protrusions 22 may be provided at a position overlapping with one end of the second metal wiring layer 36 in the flow direction 27 when viewed from above in the Z-axis direction. By further cooling the portion immediately below the end portion of the second metal wiring layer 36, it is possible to suppress deterioration of the solder layer in the heat cycle. Thereby, the lifetime of the semiconductor module 100 can be extended compared with the case where the protrusion 22 is not provided directly under the end of the second metal wiring layer 36.
  • One end of the second metal wiring layer 36 may be parallel to the Y axis (width direction 28).
  • the protrusion 22 may be provided at least at a position overlapping the semiconductor chip 50.
  • two or more protrusions 22 are provided under the semiconductor chip 50. Thereby, the semiconductor chip 50 can be efficiently cooled according to the heat spread distribution of the multilayer substrate 30.
  • the plurality of semiconductor chips 50 may be provided at different positions in the flow direction 27.
  • the semiconductor chip 50-4 and the semiconductor chip 50-5 are provided at different positions in the flow direction 27.
  • the heat generated from the semiconductor chip 50 diffuses in the X-axis and Y-axis directions as it goes below the laminated substrate 30.
  • a heat interference region 38 in which heat from two adjacent semiconductor chips 50 interferes is formed.
  • a thermal interference region 38 is formed between the semiconductor chips 50-4 and 50-5.
  • the thermal interference region 38 has a higher temperature than the other regions of the multilayer substrate 30.
  • At least one protrusion 22 may be provided between two semiconductor chips 50 adjacent in the flow direction 27.
  • one or more protrusions 22 are provided immediately below between the semiconductor chips 50-4 and 50-5.
  • the plurality of protrusions 22 in this example are a part of the plate 120 with openings.
  • the plate with openings 120 may have a plurality of protrusions 22 and a plurality of side portions 21.
  • the plate 120 with an opening of this example has a pair of side portions 21 and a plurality of protrusions 22 at both ends in the Y-axis direction.
  • the protrusion 22 in this example extends in the width direction 28.
  • the side part 21 of this example extends parallel to the flow direction 27.
  • the plurality of protrusions 22 are each continuous in the width direction 28.
  • the protrusions 22 are provided continuously rather than discretely between the side portions 21 adjacent to each other in the width direction 28.
  • the pressure loss in the cooling unit 10 can be reduced as compared with the case where the refrigerant passage unit 20 is divided into a plurality of independent regions in the width direction 28. it can.
  • the two protrusions 22 adjacent to the flow direction 27 and the two side portions 21 adjacent to the width direction 28 form one opening 26.
  • the opening 26 exposes the bottom plate 14 to the refrigerant passage 20.
  • the side portion 21 may have the same height as the protruding portion 22 and may be provided from the bottom plate 14 to the top plate 12.
  • the semiconductor chip 50 of this example is an RC-IGBT (Reverse Conducting IGBT) semiconductor chip.
  • the RC-IGBT semiconductor chip of this example has an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) region 52 and an FWD (Free Wheeling Diode) region 54 provided in a stripe shape. Note that the stripe in this example extends parallel to the width direction 28. In order to facilitate understanding, dots are added to the FWD area 54.
  • the IGBT regions 52 and the FWD regions 54 are alternately provided in the flow direction 27.
  • the RC-IGBT of this example has an edge termination region 56 so as to surround the IGBT region 52 and the FWD region 54 in the XY plane.
  • the edge termination region 56 may have a function of relaxing electric field concentration in the IGBT region 52 and the FWD region 54.
  • the gate of the IGBT region 52 may be controlled to be turned on / off by a control signal input from the outside via the control electrode pad 58.
  • a control signal input from the outside via the control electrode pad 58.
  • a current flows through the IGBT region 52, so that the IGBT region 52 generates heat.
  • the IGBT region 52 is in the OFF state by the control signal, a current flows through the FWD region 54, so that the FWD region 54 generates heat.
  • the IGBT region 52 and the FWD region 54 generate heat alternately according to the on / off state of the IGBT region 52. That is, during use of the semiconductor module 100, the RC-IGBT semiconductor chip of this example generates heat regardless of whether the IGBT region 52 is in an on state or an off state.
  • the semiconductor chip 50 is an RC-IGBT semiconductor chip
  • the loss per semiconductor chip 50 is, for example, 300 W or more. Note that when the IGBT region 52 generates heat, the FWD region 54 and the edge termination region 56 may have a function of diffusing heat. Similarly, when the FWD region 54 generates heat, the IGBT region 52 and the edge termination region 56 may have a function of diffusing heat.
  • the semiconductor chip 50 of this example has a long side parallel to the flow direction 27 and a short side parallel to the width direction 28.
  • the length of the long side of the semiconductor chip 50 of this example is 14 mm.
  • the interval between the adjacent protrusions 22 in the flow direction 27 is 2.4 mm, five or six protrusions 22 may be located immediately below the semiconductor chip 50.
  • the plurality of protrusions 22 extend parallel to the longitudinal direction of the IGBT region 52 and the FWD region 54. Thereby, the protrusion 22 can cool the semiconductor chip 50 over the entire width direction 28.
  • the two semiconductor chips 50 are RC-IGBT semiconductor chips
  • the above-described thermal interference region 38 is formed.
  • the protrusion 22 is also provided immediately below the thermal interference region 38 between the semiconductor chips 50-4 and 50-5.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of an inverter circuit having a plurality of semiconductor modules 100.
  • the plurality of semiconductor chips 50-1, 50-2 and 50-3 and the plurality of semiconductor chips 50-4, 50-5 and 50-6 are RC-IGBT semiconductor chips, respectively.
  • the collector electrodes and emitter electrodes of the semiconductor chips 50-1, 50-2 and 50-3 may be electrically connected in parallel to the input terminal P1 and the output terminal U, respectively.
  • the collector electrodes and emitter electrodes of 4, 50-5 and 50-6 may be electrically connected in parallel to the output terminal U and the other input terminal N1, respectively.
  • control electrode pads 58 of the semiconductor chips 50-1, 50-2 and 50-3 and the control electrode pads 58 of the semiconductor chips 50-4, 50-5 and 50-6 are separated from each other in the Y-axis direction. These may be arranged in a direction aligned with the flow direction 27 (X-axis direction) (see (A) and (C) of FIG. 2 for the control electrode pad 58).
  • the semiconductor chips 50-1, 50-2, and 50-3 and the semiconductor chips 50-4, 50-5, and 50-6 may be alternately switched by a signal input to the control electrode pad 58 and may generate heat.
  • the input terminal P1 may be connected to the positive electrode of the external power supply, the other input terminal N1 may be connected to the negative electrode, and the output terminal U may be connected to the load.
  • a plurality of semiconductor chips 50-1, 50-2 and 50-3 may constitute an upper arm in the inverter circuit, and a plurality of semiconductor chips 50-4, 50-5 and 50-6 may constitute a lower arm in the inverter circuit. .
  • the plurality of semiconductor chips 50 included in each arm may be three as in this example, or may be one, two, or four or more.
  • the first metal wiring layer 32 may include a first region and a second region that is different from the first region and is electrically insulated from the first region.
  • a plurality of semiconductor chips 50 constituting the upper arm may be provided in the first region, and a plurality of semiconductor chips 50 constituting the lower arm may be provided in the second region.
  • the semiconductor modules 100-2 and 100-3 also have the same configuration as the semiconductor module 100-1.
  • the collector electrodes and emitter electrodes of the semiconductor chips 50-1, 50-2, and 50-3 may be electrically connected to the input terminal P2 and the output terminal V, respectively.
  • the collector electrodes and emitter electrodes of 50-4, 50-5 and 50-6 may be electrically connected to the output terminal V and the other input terminal N2, respectively.
  • the collector and emitter electrodes of the semiconductor chips 50-1, 50-2, and 50-3 may be electrically connected to the input terminal P3 and the output terminal W, respectively.
  • the collector electrodes and emitter electrodes of 50-4, 50-5, and 50-6 may be electrically connected to the output terminal W and another input terminal N3.
  • Input terminals P1, P2 and P3 may be electrically connected, and other input terminals N1, N2 and N3 may also be electrically connected.
  • the inverter circuit of this example may function as a three-phase AC inverter circuit having output terminals U, V, and W.
  • the semiconductor module 100-1 and the semiconductor modules 100-2 and 100-3 may be integrated with each other or mounted on a case.
  • FIG. 4A is a diagram showing an example in which the height H23 of the protrusion 22 changes in the flow direction 27.
  • the height H23 of the protrusion 22 provided at a position close to the downstream may be higher than the height H23 of the protrusion 22 provided at a position close to the upstream.
  • the height H23-2 of the midstream protrusion 22 is higher than the height H23-1 of the upstream protrusion 22.
  • the height H23-3 of the downstream projection 22 is higher than the height H23-2 of the midstream projection 22.
  • the height H23-3 of the downstream protrusion 22 is higher than the height H23-1 of the upstream protrusion 22.
  • the height H23 of the protrusion 22 may gradually increase from upstream to downstream. Further, the height may be constant in each of the upstream, midstream, and downstream regions, and the height H23 of the protrusion 22 may be increased stepwise as it proceeds to the downstream region. Further, the height H23 of the protrusion 22 may have two stages of height changes of upstream and middle flow (low) and downstream (high), and two height variations of upstream (low), middle flow and downstream (high). It may have a step height change.
  • the cooling unit 10 can improve the cooling function as the flow velocity increases. In addition, pressure loss may become large, so that the space where the refrigerant
  • the refrigerant passage is greater than when the heights H23 of all the protrusions 22 are the same as the height H23-3 of the downstream protrusions 22. It is possible to reduce the pressure loss in the section 20 and to prevent the cooling efficiency from being lowered downstream.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating an example in which the interval L24 between the protrusions 22 changes in the flow direction 27.
  • An interval L24 between two adjacent protrusions 22 provided at a position close to the downstream may be narrower than an interval L24 between two adjacent protrusions 22 provided at a position close to the upstream.
  • the distance L24-2 between the protrusions 22 in the midstream is narrower than the distance L24-1 between the protrusions 22 in the upstream.
  • the interval L24-3 between the protrusions 22 on the downstream side is narrower than the interval L24-2 between the protrusions 22 in the midstream.
  • the distance L24-3 between the protrusions 22 on the downstream side is narrower than the distance L24-1 between the protrusions 22 on the upstream side.
  • the interval L24 between the protrusions 22 may be gradually reduced from the upstream toward the downstream. Further, the distance L24 is constant in each of the upstream, middle stream, and downstream areas, and the distance L24 between the protrusions 22 may be gradually reduced as the process proceeds to the downstream area. Further, the interval L24 between the protrusions 22 may have a two-stage interval L24 change between upstream and middle flow (wide) and downstream (narrow), and two steps of upstream (wide), middle flow and downstream (narrow). The interval L24 may be changed.
  • the distance L24 between the protrusions 22 is narrowed toward the downstream, the distance L24 between all the protrusions 22 is the same as the distance L24-3 between the downstream protrusions 22, compared to the inside of the refrigerant passage part 20. Can be reduced, and the downstream cooling efficiency can be prevented from decreasing.
  • FIG. 4C is a diagram illustrating an example in which the inclination angle ⁇ of the front surface 25 of the protrusion 22 changes in the flow direction 27.
  • the inclination angle defined by the front surface 25 and the bottom plate 14 facing the flow of the refrigerant 18 from the upstream differs in the flow direction 27.
  • the inclination angle ⁇ of the protrusion 22 provided at a position close to the downstream may be larger than the inclination angle ⁇ of the protrusion 22 provided at a position close to the upstream.
  • the inclination angle ⁇ 2 of the protrusion 22 in the middle stream is larger than the inclination angle ⁇ 1 of the protrusion 22 in the upstream.
  • the inclination angle ⁇ 3 of the protrusion 22 on the downstream side is larger than the inclination angle ⁇ 2 of the protrusion 22 on the midstream.
  • the inclination angle ⁇ 3 of the protrusion 22 on the downstream side is larger than the inclination angle ⁇ 1 of the protrusion 22 on the upstream side.
  • ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 satisfy 20 degrees ⁇ ⁇ 1 ⁇ 2 ⁇ 3 ⁇ 90 degrees.
  • the inclination angle ⁇ of the protrusion 22 may gradually increase from upstream to downstream. Further, the inclination angle ⁇ is constant in each of the upstream, middle stream, and downstream areas, and the inclination angle ⁇ of the protrusion 22 may gradually increase as the process proceeds to the downstream area. Further, the inclination angle ⁇ of the protrusion 22 may have two stages of changes in the inclination angle ⁇ , upstream and middle (inclination angle ⁇ small) and downstream (inclination angle ⁇ large), and upstream (inclination angle ⁇ small). And the middle stream and the downstream (large tilt angle ⁇ ) may have two-step tilt angle ⁇ changes.
  • the vector component toward the top plate 12 can be increased as it goes downstream. Thereby, it is thought that there exists a merit which suppresses the fall of the cooling function downstream. Note that two of the three examples of FIGS. 4A, 4B, and 4C may be combined, or all three examples may be combined. Thereby, the advantageous effect of each example can be enjoyed synergistically.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view of the fin structure of the cooling unit 10 in the comparative example.
  • FIG. 5B is a top view of the fin structure of the cooling unit 10 in the comparative example.
  • FIG. 5B is also a BB ′ cross-sectional view of FIG.
  • the top plate 12 and the fin structure are integrated, but the top plate 12 and the bottom plate 14 are configured as separate bodies and are not integrated.
  • the fins provided linearly in the width direction 28 are provided with a half-pitch deviation in the flow direction 27.
  • the refrigerant 18 may mainly exchange heat with metal fins. Thereby, the cooling unit 10 may cool the semiconductor chip 50.
  • FIG. 6 shows experimental results comparing the thermal resistance values of the present example and the comparative example.
  • the vertical axis represents the normalized thermal resistance value [%].
  • the vertical axis is shown as a percentage [%].
  • the cooling function of the cooling part 10 is low, so that the numerical value of a vertical axis
  • the horizontal axis represents the pressure loss [kPa] generated in the refrigerant passage part 20.
  • coolant 18 is so large that pressure loss [kPa] is large.
  • the thermal resistivity could be reduced by 10% or more compared to the comparative example in the range of pressure loss of 1 kPa to 20 kPa, particularly 4 kPa to 12 kPa.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view along the line AA ′ in the second embodiment.
  • the refrigerant passage portion 20 of this example includes an upper refrigerant passage portion 42 and a lower refrigerant passage portion 44.
  • the upper refrigerant passage portion 42 is provided on the lower refrigerant passage portion 44 in the height direction 29.
  • the first embodiment or its modification may be applied in combination.
  • One or more of (a) the height H23 of the protrusion 22 in the modified example of the first embodiment, (b) the interval L24 of the protrusion 22 and (c) the inclination angle ⁇ of the front surface 25 of the protrusion 22 are recorded. It may be applied to examples.
  • the upper refrigerant passage portion 42 is provided at a position relatively close to the second metal wiring layer 36 in the height direction 29.
  • the upper refrigerant passage part 42 may exchange heat with the laminated substrate 30 and may also exchange heat with the lower refrigerant passage part 44.
  • the lower refrigerant passage portion 44 is provided so as to overlap below the upper refrigerant passage portion 42.
  • the lower refrigerant passage portion 44 may exchange heat with the upper refrigerant passage portion 42.
  • the cooling efficiency of the cooling unit 10 can be improved compared to the first embodiment.
  • the upper refrigerant passage portion 42 and the lower refrigerant passage portion 44 in this example each have a plurality of protrusions 22.
  • the plurality of protrusions 22 in the upper refrigerant passage portion 42 and the plurality of protrusions 22 in the lower refrigerant passage portion 44 do not overlap in the height direction 29.
  • the protrusion 22 of the lower refrigerant passage 44 can be disposed immediately below the opening 26 in the upper refrigerant passage 42. Accordingly, the refrigerant 18 that is heated in the upper refrigerant passage portion 42 and then travels from the top plate 12 to the bottom plate 14 can be cooled on the upper portion of each protrusion 22 of the lower refrigerant passage portion 44. Thus, efficient cooling can be realized between the upper refrigerant passage portion 42 and the lower refrigerant passage portion 44.
  • the bottom plate 14-1 of the upper refrigerant passage portion 42 also serves as the top plate 12-2 of the lower refrigerant passage portion 44, but the ceiling of the bottom plate 14-1 of the upper refrigerant passage portion 42 and the lower refrigerant passage portion 44 is used.
  • the plate 12-2 may be provided separately.
  • the upper refrigerant passage portion 42 and the lower refrigerant passage portion 44 constitute two independent flow paths. However, by providing a through hole in the bottom plate 14-1, the refrigerant 18 itself is transferred to the upper refrigerant passage portion 42.
  • the lower refrigerant passage 44 may be exchanged.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in the modification of the second embodiment.
  • Each of the plurality of protrusions 22 in the upper refrigerant passage portion 42 and each of the plurality of protrusions 22 in the lower refrigerant passage portion 44 may overlap in the height direction 29.
  • the protrusion 22 of the upper refrigerant passage portion 42 and the protrusion 22 of the lower refrigerant passage portion 44 completely overlap in the height direction 29. That is, the positions of the protrusions 22 in the flow direction 27 and the width direction 28 coincide in the upper refrigerant passage portion 42 and the lower refrigerant passage portion 44.
  • the protrusion 22 of the upper refrigerant passage 42 and the protrusion 22 of the lower refrigerant passage 44 may not completely overlap due to an error due to at least one of the manufacture and arrangement of the plate 120 with the opening. . That is, a slight shift may occur in the overlap.
  • this example is different from the second embodiment in this respect, the other points may be the same as those in the second embodiment.
  • the cooling part 10 can be manufactured using the same plate 120 with an opening in the upper refrigerant passage part 42 and the lower refrigerant passage part 44. Therefore, it is advantageous in terms of component cost and assembly cost of the cooling unit 10. Also in this example, the refrigerant 18 itself may be exchanged between the upper refrigerant passage portion 42 and the lower refrigerant passage portion 44 by providing a through hole in the bottom plate 14-1.
  • FIG. 8 is a top view of the refrigerant passage portion 20 in the third embodiment.
  • FIG. 8 corresponds to FIG.
  • the side portion 21 that is not located at the end portion in the width direction 28 (that is, the side portion 21 located near the center of the width direction 28) extends from the bottom plate 14 to the top plate 12 in the height direction 29.
  • the side part 21 located near the center of the width direction 28 may divide the refrigerant passage part 20 into a plurality of independent regions in the width direction 28.
  • the side portion 21 located near the center of the width direction 28 divides the refrigerant passage portion 20 into three regions of the refrigerant passage portions 20-1, 20-2, and 20-3 in the width direction 28.
  • the refrigerant 18 in this example does not need to be exchanged with each other in the width direction 28 in the refrigerant passage portion 20.
  • the protrusions 22 in this example are also continuous in the width direction 28 in each independent region.
  • the protrusions 22 are continuous in the width direction 28. Means continuous in direction 28.
  • FIG. 9 is a top view of the refrigerant passage 20 in the fourth embodiment.
  • FIG. 9 corresponds to FIG.
  • the arrangement of the openings 26 provided in the refrigerant passage 20 is different from the example of FIG.
  • the opening portion 26 of the refrigerant passage portion 20-2 is provided so as to be shifted in the flow direction 27 as compared with the opening portions 26 of the refrigerant passage portions 20-1 and 20-3.
  • the amount of deviation may be half the length of the opening 26 in the flow direction 27.
  • the plurality of protrusions 22 are provided continuously in the width direction 28.
  • each refrigerant passage portion 20 is divided into a plurality of independent regions (refrigerant passage portions 20-1, 20-2, and 20-3) in the width direction 28 by the side portion 21 located near the center of the width direction 28. It is divided into
  • the protrusions 22 in this example are also continuous in the width direction 28 in each independent region. Also in this example, the same advantageous effect as the first embodiment can be obtained. Further, in the modification of the first embodiment, any one or more of (a) the height H23 of the protrusion 22, (b) the interval L24 of the protrusion 22, and (c) the inclination angle ⁇ of the front surface 25 of the protrusion 22 is used. May be applied to this example. Furthermore, in addition to or separately from the modification of the first embodiment, this example and the second embodiment may be combined.
  • FIG. 10A is a cross-sectional view along the line AA ′ in the fifth embodiment.
  • the plurality of protrusions 22 in this example are also provided on the surface of the top plate 12 that contacts the refrigerant passage portion 20.
  • the plurality of protrusions 22 provided on the top plate 12 may also be continuous in the width direction 28.
  • the plurality of protrusions 22 provided on the top plate 12 may also be separated from each other in the flow direction 27 and may be provided at 2.4 mm intervals in the flow direction 27.
  • the plurality of protrusions 22 provided on the top plate 12 may be a part of the plate 120 with an opening provided on the top plate 12. Moreover, the plate 120 with an opening provided on the top plate 12 may be configured integrally with the plate 120 with an opening provided on the bottom plate 14. When both are comprised integrally, it may be advantageous in the surface of the assembly cost of the cooling unit 10 compared with the case where it comprises separately.
  • the plurality of protrusions 22 provided on the top plate 12 and the plurality of protrusions 22 provided on the bottom plate 14 may not overlap each other in the height direction 29.
  • each of the plurality of protrusions 22 provided on the top plate 12 is provided between two protrusions 22 adjacent in the flow direction 27 among the plurality of protrusions 22 provided on the bottom plate 14.
  • the plurality of protrusions 22 provided on the top plate 12 may be provided with a half pitch shift in the flow direction 27 with respect to the plurality of protrusions 22 provided on the bottom plate 14.
  • the half pitch may mean half of the distance between two protrusions 22 adjacent in the flow direction 27 among the plurality of protrusions 22 provided on the bottom plate 14.
  • the refrigerant passage 20 may have a region where the plurality of protrusions 22 provided on the top plate 12 and the plurality of protrusions 22 provided on the bottom plate 14 do not overlap in the flow direction 27.
  • the plurality of protrusions 22 provided on the top plate 12 and the plurality of protrusions 22 provided on the bottom plate 14 may overlap in the flow direction 27.
  • a part of the refrigerant 18 collides alternately with the front surface 25 of the projection 22 of the bottom plate 14 and the front surface 25 of the projection 22 of the top plate 12, so that the coolant 18 is directed toward the top plate 12 and to the bottom plate 14. It may flow alternately toward.
  • the flow of the refrigerant 18 has a vector component directed in the height direction 29 by a predetermined angle with respect to the flow direction 27, and is opposite to the height direction 29 by a predetermined angle with respect to the flow direction 27.
  • the laminated substrate 30 and the semiconductor chip 50 can be cooled more efficiently than in the case where the entire refrigerant 18 flows in parallel with the flow direction 27.
  • the pressure loss may increase as compared with the first embodiment, but the flow rate of the refrigerant 18 can be increased as compared with the first embodiment.
  • the same advantageous effect can be obtained for the same configuration as that of the first embodiment.
  • any one or more of (a) the height H23 of the protrusion 22, (b) the interval L24 of the protrusion 22, and (c) the inclination angle ⁇ of the front surface 25 of the protrusion 22 is used. May be applied to this example. Furthermore, in addition to or separately from the modification of the first embodiment, this example and the second embodiment may be combined, or this example and the third or fourth embodiment may be combined. .
  • FIG. 10B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in the first modification of the fifth embodiment.
  • the lower end of the protrusion 22 provided on the top plate 12 and the upper end of the protrusion 22 provided on the bottom plate 14 coincide with each other in the height direction 29.
  • the lower end of the protrusion 22 of the top plate 12 and the upper end of the protrusion 22 of the bottom plate 14 coincide with each other at the midpoint of the height direction 29 of the coolant passage 20.
  • a midpoint of the height direction 29 of the refrigerant passage portion 20 is indicated by a dotted line.
  • the refrigerant 18 cannot go straight in the flow direction 27.
  • the position where the lower end of the protrusion 22 of the top plate 12 and the upper end of the protrusion 22 of the bottom plate 14 coincide with each other in the height direction 29 is closer to the top 12 than the above-described midpoint. It may be closer to the bottom plate 14 than the midpoint described above.
  • FIG. 10C is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in the second modification of the fifth embodiment.
  • the dotted line is the same as the example of FIG.
  • the refrigerant 18 cannot go straight in the flow direction 27 inside the refrigerant passage portion 20. Although this point is different from the example of FIG. 10A, the same advantageous effect as that of the example of FIG. 10A can be obtained in this example.

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Abstract

半導体チップと当該半導体チップから出る熱を冷却する冷却部とを電気的に絶縁したうえで、半導体チップを効率よく冷却する。半導体チップと、冷媒が通過する冷媒通過部を内部に有する冷却部と、冷却部よりも半導体チップに近い第１金属配線層と、半導体チップよりも冷却部に近い第２金属配線層と、第１金属配線層と第２金属配線層との間に設けられた絶縁物とを有する、積層基板とを備え、冷却部は、積層基板に近接して設けられる天板と、天板に対向して設けられる底板と、底板の冷媒通過部に接する面上に設けられ、冷媒の上流から下流に向かう流れ方向において互いに離間し、流れ方向に直交する冷媒通過部の幅方向に各々連続して設けられる、複数の突起部とを有し、複数の突起部は、流れ方向における第２金属配線層の一端と重なる位置と、半導体チップと重なる位置とに少なくとも設けられる半導体モジュールを提供する。

Description

半導体モジュール
　本発明は、半導体モジュールに関する。
　従来、突出部を有する冷却構造が知られている（例えば、特許文献１および２参照）。また、従来、複数のスリットを有するプレートを複数積層して構成されたヒートシンクが知られている（例えば、特許文献３参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
　［特許文献１］　特開２００８－１７２０１４号公報
　［特許文献２］　特開２００２－１４１１６４号公報
　［特許文献３］　特開２０１４－３３０６３号公報
解決しようとする課題
　半導体チップと当該半導体チップから出る熱を冷却する冷却部とを電気的に絶縁したうえで、半導体チップを効率よく冷却する。
一般的開示
　本発明の第１の態様においては、半導体モジュールを提供する。半導体モジュールは、半導体チップと、冷却部と、積層基板とを備えてよい。冷却部は、冷媒通過部を内部に有してよい。冷媒は冷媒通過部を通過してよい。積層基板は、第１金属配線層と、第２金属配線層と、絶縁物とを有してよい。第１金属配線層は、冷却部よりも半導体チップに近くてよい。第２金属配線層は、半導体チップよりも冷却部に近くてよい。絶縁物は、第１金属配線層と第２金属配線層との間に設けられてよい。冷却部は、天板と、底板と、複数の突起部とを有してよい。天板は、積層基板に近接して設けられてよい。底板は、天板に対向して設けられてよい。複数の突起部は、底板の冷媒通過部に接する面上に設けられてよい。複数の突起部は、冷媒の上流から下流に向かう流れ方向において互いに離間してよい。複数の突起部は、流れ方向に直交する冷媒通過部の幅方向に各々連続して設けられてよい。複数の突起部は、流れ方向における第２金属配線層の一端と重なる位置と、半導体チップと重なる位置とに少なくとも設けられてよい。
　複数の突起部のうち２つの突起部において、下流に近い位置に設けられた突起部の高さは、上流に近い位置に設けられた突起部の高さよりも高くてよい。
　複数の突起部のうち下流に近い位置に設けられた２つの突起部の間隔は、複数の突起部のうち上流に近い位置に設けられた２つの突起部の間隔よりも狭くてよい。
　複数の突起部は、各々前面を有してよい。前面は、上流からの冷媒の流れに面してよい。複数の突起部のうち２つの突起部において、下流に近い位置に設けられた突起部における傾斜角度は、上流に近い位置に設けられた突起部における傾斜角度よりも大きくてよい。傾斜角度は、前面の底板に対する角度であってよい。
　冷却部は、上方冷媒通過部と、下方冷媒通過部とを有してよい。上方冷媒通過部および下方冷媒通過部は、それぞれ複数の突起部を有してよい。上方冷媒通過部は、底板から天板に向かう高さ方向において相対的に第２金属配線層に近い位置に設けられてよい。下方冷媒通過部は、高さ方向において上方冷媒通過部の下に重ねて設けられてよい。
　上方冷媒通過部における複数の突起部と、下方冷媒通過部における複数の突起部とは、高さ方向において重ならなくてよい。
　上方冷媒通過部における複数の突起部の各々と、下方冷媒通過部における複数の突起部の各々とが、高さ方向において重なってよい。
　上方冷媒通過部の複数の突起部においては、次の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）のいずれか１つ以上が満たされてよい。（ａ）上方冷媒通過部における複数の突起部のうち２つの突起部において、下流に近い位置に設けられた突起部の高さは、上流に近い位置に設けられた突起部の高さよりも高い。（ｂ）上方冷媒通過部における複数の突起部のうち下流に近い位置に設けられた２つの突起部の間隔は、上方冷媒通過部における複数の突起部のうち上流に近い位置に設けられた２つの突起部の間隔よりも狭い。（ｃ）複数の突起部は上流からの冷媒の流れに面する前面を各々有し、上方冷媒通過部における複数の突起部のうち２つの突起部において、下流に近い位置に設けられた突起部における前面の底板に対する傾斜角度は、上流に近い位置に設けられた突起部における前面の底板に対する傾斜角度よりも大きい。
　半導体チップは、ＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップであってよい。ＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップは、ＩＧＢＴ領域およびＦＷＤ領域を有してよい。ＩＧＢＴ領域およびＦＷＤ領域は、ストライプ状に設けられてよい。幅方向における複数の突起部の延伸方向は、ＩＧＢＴ領域およびＦＷＤ領域の長手方向に平行であってよい。
　半導体モジュールは、流れ方向において半導体チップとは異なる位置に、追加の半導体チップをさらに有してよい。複数の突起部の少なくとも１つは、半導体チップと追加の半導体チップとの間にも設けられてよい。
　冷却部において、天板および底板は、底板から天板に向かう高さ方向において天板と底板との間に設けられた側板を介して一体化されていてよい。
　第１金属配線層および第２金属配線層の厚みは、０．６ｍｍ以上であってよい。
　なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本発明の実施形態に係る半導体モジュール１００の概要を示す斜視図である。 （Ａ）第１実施形態におけるＡ‐Ａ'断面図である。（Ｂ）冷媒通過部２０の上面図である。（Ｃ）半導体チップ５０の上面図である。 複数の半導体モジュール１００を有するインバータ回路の回路図である。 突起部２２の高さＨ２３が流れ方向２７において変化する例を示す図である。 突起部２２の間隔Ｌ２４が流れ方向２７において変化する例を示す図である。 突起部２２の前面２５の傾斜角度θが流れ方向２７において変化する例を示す図である。 （Ａ）は、比較例における冷却部１０のフィン構造の断面図である。（Ｂ）は、比較例における冷却部１０のフィン構造の上面図である。 本例および比較例の熱抵抗値を比較した実験結果である。 第２実施形態におけるＡ‐Ａ'断面図である。 第２実施形態の変形例におけるＡ‐Ａ'断面図である。 第３実施形態における冷媒通過部２０の上面図である。 第４実施形態における冷媒通過部２０の上面図である。 第５実施形態におけるＡ‐Ａ'断面図である。 第５実施形態の第１変形例におけるＡ‐Ａ'断面図である。 第５実施形態の第２変形例におけるＡ‐Ａ'断面図である。
　以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
　図１は、本発明の実施形態に係る半導体モジュール１００の概要を示す斜視図である。本例の半導体モジュール１００は、冷却部１０と、積層基板３０と、複数の半導体チップ５０‐１、５０‐２、５０‐３と、複数の半導体チップ５０‐４、５０‐５、５０‐６とを備える。なお、図１においては省略するが、半導体モジュール１００は、必要に応じて、ワイヤ、端子、ケースおよび固定具等の他の部材を含んでもよい。
　冷却部１０は、半導体チップ５０からの熱を冷却する機能を有する。本例の冷却部１０の一部は、直方体形状を有する。本例においては、互いに対向する天板１２および底板１４と、天板１２および底板１４との間に設けられた２つの側板１６とを一体化することにより、冷却部１０の直方体形状を構成する。
　これに対して、天板１２とフィン構造とは一体化されているが、天板１２および底板１４が一体化されていない比較例の冷却部１０を考える。この比較例の冷却部１０においては、フィン構造が冷媒通過部２０に位置する。この比較例の場合、冷却部１０の剛性を確保するべく、天板１２の厚みを４ｍｍ以上とする必要がある。さらには、底板１４の厚みも５ｍｍ以上１０ｍｍ以下とする必要がある。比較例の冷却部１０については、後述の図５も参照されたい。
　これに対して、本例の冷却部１０は、天板１２、底板１４および側板１６を一体化することにより冷却部１０の機械的強度を担保することができる。それゆえ、本例の冷却部１０は、上記比較例の冷却部１０に比べて、天板１２を薄くすることができる。本例においては、天板１２の厚み（即ち、Ｚ方向の長さ）を２ｍｍ以下としてよく、１ｍｍとしてもよい。このように、本例は、比較例に比べて冷却部１０を小型化できるので、半導体モジュール１００を小型化できる。
　冷却部１０の天板１２、底板１４および側板１６は、熱伝導率が比較的高い金属により形成されてよい。本例の天板１２、底板１４および側板１６は、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）で形成される。冷却部１０を熱伝導率が比較的高い金属で形成することにより、熱伝導率が比較的低い絶縁物等で形成する場合と比べて、冷媒１８と冷却部１０との熱交換を促進させることができる。
　本例の冷却部１０は、内部に冷媒通過部２０を有する。本例の冷媒通過部２０は、冷媒１８が通過する空洞部である。冷媒１８は、冷媒通過部２０を上流から下流に向かって流れる。本例においては、Ｘ軸の負方向が冷媒１８の上流であり、Ｘ軸の正方向が冷媒１８の下流である。図１において、冷媒１８が流れる流れ方向２７は、Ｘ軸方向と平行である。なお、流れ方向２７は、冷媒通過部２０における冷媒１８の大局的な流れの方向であり、局所的な流れの方向ではない。
　また、本例における冷媒通過部２０の幅方向２８は、Ｙ軸方向に平行な方向である。当該幅方向２８は、流れ方向２７に直交する。幅方向２８は、Ｙ軸の負方向に位置する側板１６‐２からＹ軸正方向に位置する側板１６‐１へ向かう方向でもある。さらに、本例において、底板１４から天板１２に向かう高さ方向２９は、Ｚ軸方向に平行な方向である。
　本例のＺ軸は、Ｘ軸およびＹ軸に直交する軸である。本例のＸ、ＹおよびＺ軸は、右手系を構成する。Ｘ、ＹおよびＺ軸は、半導体モジュール１００の相対的な方向を示すために用いられる。Ｚ軸方向は、必ずしも重力方向と平行でなくてよい。本明細書における「上」、「下」、「上方」および「下方」の用語もまた、重力方向における上下方向に限定されない。これらの用語は、Ｚ軸に対する相対的な方向を指すに過ぎない。
　本例の積層基板３０は、冷却部１０の天板１２に近接して天板１２上に設けられる。本例の積層基板３０は、第１金属配線層３２と、絶縁物３４と、第２金属配線層とを有する。本例の第１金属配線層３２および第２金属配線層は、絶縁物３４に比べて、Ｘ軸およびＹ軸方向の長さが小さい。それゆえ、図１において、第２金属配線層は絶縁物３４に隠れており、図示されていない。第２金属配線層は絶縁物３４と冷却部１０の天板１２との間に設けられる。
　第１金属配線層３２上には、複数の半導体チップ５０が設けられてよい。第１金属配線層３２は、複数の半導体チップ５０間を電気的に接続する配線を含んでよい。第１金属配線層３２は、電気的に絶縁された複数の配線あるいは領域を含んでよい。第１金属配線層３２は、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）で形成された配線層であってよい。第１金属配線層３２の厚みは０．６ｍｍ以上であってよい。０．６ｍｍ以上の厚みとすることにより、半導体チップ５０からの放熱特性を向上させることができる。本例の第１金属配線層３２は、０．８ｍｍの厚みを有する銅配線層である。
　絶縁物３４は、第１金属配線層３２と第２金属配線層との間に設けられた絶縁基板であってよい。絶縁物３４は、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮｘ）または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の焼結体であってよい。
　絶縁物３４は、大電流が流れる半導体チップ５０と金属製の冷却部１０との電気的絶縁を確保する機能を有してよい。これにより、冷却部１０全体を金属で形成しても、半導体チップ５０と冷却部１０との電気的絶縁は担保される。冷却部１０の一部または全体を絶縁物で形成する場合に比べて、冷却部１０全体を金属で形成すれば、天板１２と冷媒１８との熱交換ならびに冷却部１０の製造工程および製造費用等の面で優位性を得ることができる。
　図２の（Ａ）は、第１実施形態におけるＡ‐Ａ'断面図である。図２の（Ｂ）は、冷媒通過部２０の上面図である。図２の（Ｃ）は、半導体チップ５０の上面図である。
　積層基板３０の第２金属配線層３６は、はんだ部を介して天板１２上に固定されてよい。第２金属配線層３６も、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）で形成された配線層であってよい。第２金属配線層３６および第１金属配線層３２は、同じ体積を有してよい。これにより、第１金属配線層３２および第２金属配線層３６の熱変形による反り量の違いに起因して絶縁物３４に応力がかかり、絶縁物３４にクラックが発生することを抑制することができる。これにより、絶縁物３４の絶縁信頼性を担保することができる。
　第２金属配線層３６は、第１金属配線層３２に比べて層内の配線が密に設けられてよい。それゆえ、第２金属配線層３６の厚みは、第１金属配線層３２に比べて薄くてよい。第２金属配線層３６の厚みも０．６ｍｍ以上であってよい。０．６ｍｍ以上の厚みとすることにより、半導体チップ５０からの放熱性を向上させることができる。本例の第２金属配線層３６は、０．７５ｍｍの厚みを有する銅配線層である。
　本例の半導体チップ５０は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）で形成されてよく、シリコン（Ｓｉ）で形成されてもよい。半導体チップ５０は動作時（例えば、オン状態であるとき）に熱を発する。半導体チップ５０の熱は、冷却部１０よりも半導体チップに近い第１金属配線層３２から、絶縁物３４を経て、半導体チップ５０よりも冷却部１０に近い第２金属配線層３６へ伝達する。半導体チップ５０から積層基板３０へ伝達される熱の広がりを破線により示す。
　本例の冷却部１０は、複数の突起部２２を有する。複数の突起部２２は、底板１４の冷媒通過部２０に接する面上に設けられてよい。複数の突起部２２は、流れ方向２７において互いに離間してよい。本例において、複数の突起部２２は、流れ方向２７において２．４ｍｍ間隔で設けられる。
　複数の突起部２２は、天板１２から離間して設けられてよい。本例の複数の突起部２２は、底板１４から高さ方向２９において１ｍｍの高さを有する。また、本例において、複数の突起部２２の上部と天板１２との間隔は１ｍｍである。
　冷媒通過部２０を通過する冷媒１８の一部が突起部２２の前面２５に衝突することにより、冷媒１８の一部は突起部２２上においては天板１２に向かって流れる。突起部２２上における冷媒１８の流れは、流れ方向２７に対して所定角度だけ高さ方向２９を向いたベクトル成分を有してよい。図２の（Ａ）において、当該上向きのベクトル成分を矢印により示す。上向きのベクトル成分を有する冷媒１８の流れは、天板１２に当たることにより天板１２と熱交換する。これにより、冷媒１８は、積層基板３０および半導体チップ５０を冷却することができる。本例の冷媒１８は、全体が流れ方向２７と平行に流れる場合に比べて、より効率的に積層基板３０および半導体チップ５０を冷却することができる。
　突起部２２の１つは、Ｚ軸方向の上方から見たとき、流れ方向２７における第２金属配線層３６の一端と重なる位置に設けられてよい。第２金属配線層３６の端部の直下をより冷却することにより、ヒートサイクルにおいてはんだ層が劣化することを抑制することができる。これにより、第２金属配線層３６の端部の直下に突起部２２を設けない場合に比べて、半導体モジュール１００の寿命を長くすることができる。なお、第２金属配線層３６の一端はＹ軸（幅方向２８）と平行であってよい。
　また、突起部２２は、半導体チップ５０と重なる位置に少なくとも設けられてよい。本例において、２以上の突起部２２が半導体チップ５０の下に設けられる。これにより、積層基板３０の熱広がり分布に応じて、効率的に半導体チップ５０を冷却することができる。
　複数の半導体チップ５０は、流れ方向２７において異なる位置に設けられてよい。図２の（Ａ）において、半導体チップ５０‐４および半導体チップ５０‐５は、流れ方向２７において異なる位置に設けられる。半導体チップ５０から発せられる熱は、積層基板３０の下方に行くに従いＸ軸およびＹ軸方向に拡散する。これにより、隣接する２つの半導体チップ５０からの熱が干渉する熱干渉領域３８が形成される。図２の（Ａ）においては、半導体チップ５０‐４および５０‐５の間に熱干渉領域３８が形成される。熱干渉領域３８は、積層基板３０の他の領域に比べて温度が高くなる。
　熱干渉領域３８を冷却するべく、流れ方向２７において隣接する２つの半導体チップ５０の間に、少なくとも１つの突起部２２を設けてよい。本例においては、半導体チップ５０‐４および５０‐５間の直下に１以上の突起部２２を設ける。これにより、半導体チップ５０‐４および５０‐５間に突起部２２を設けない場合と比べて、より効率的に熱干渉領域３８を冷却することができる。
　図２の（Ｂ）に示す様に、本例の複数の突起部２２は、開口付プレート１２０の一部である。開口付プレート１２０は、複数の突起部２２と複数の側部２１とを有してよい。本例の開口付プレート１２０は、Ｙ軸方向両端部における一組の側部２１と複数の突起部２２を有する。本例の突起部２２は、幅方向２８に延伸する。これに対して、本例の側部２１は、流れ方向２７と平行に延伸する。
　図２の（Ｂ）に示す様に、複数の突起部２２は、幅方向２８において各々連続する。つまり、突起部２２は、幅方向２８に隣接する側部２１間において離散的ではなく連続的に設けられる。本例においては、所定の排水量を有するポンプを使用する場合に、幅方向２８において冷媒通過部２０を複数の独立した領域に分割する場合に比べて、冷却部１０での圧力損失を下げることができる。
　なお、本例の開口付プレート１２０においては、流れ方向２７に隣接する２つの突起部２２と、幅方向２８に隣接する２つの側部２１とが１つの開口部２６を形成する。開口部２６は底板１４を冷媒通過部２０に露出させる。側部２１は、突起部２２と同じ高さを有してよく、底板１４から天板１２に渡って設けられてもよい。
　図２の（Ｃ）に示す様に、本例の半導体チップ５０は、ＲＣ‐ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　ＩＧＢＴ）半導体チップである。本例のＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップは、ストライプ状に設けられたＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）領域５２およびＦＷＤ（Ｆｒｅｅ　Ｗｈｅｅｌｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）領域５４を有する。なお、本例のストライプは、幅方向２８と平行に延伸する。理解を容易にするために、ＦＷＤ領域５４にドットを付す。
　本例のＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップにおいて、ＩＧＢＴ領域５２およびＦＷＤ領域５４は、流れ方向２７において交互に設けられる。また、本例のＲＣ‐ＩＧＢＴは、ＩＧＢＴ領域５２およびＦＷＤ領域５４をＸＹ平面において囲むように、エッジ終端領域５６を有する。エッジ終端領域５６は、ＩＧＢＴ領域５２およびＦＷＤ領域５４における電界集中を緩和する機能を有してよい。
　ＩＧＢＴ領域５２のゲートは、制御電極パッド５８を介して外部から入力される制御信号により、オン／オフが制御されてよい。制御信号によりＩＧＢＴ領域５２がオン状態である場合には、ＩＧＢＴ領域５２に電流が流れるので、ＩＧＢＴ領域５２が発熱する。これに対して、制御信号によりＩＧＢＴ領域５２がオフ状態である場合には、ＦＷＤ領域５４に電流が流れるので、ＦＷＤ領域５４が発熱する。
　このように、本例のＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップは、ＩＧＢＴ領域５２のオン／オフに応じて、ＩＧＢＴ領域５２およびＦＷＤ領域５４が交互に発熱する。つまり、半導体モジュール１００の使用中において、本例のＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップは、ＩＧＢＴ領域５２がオン状態でもオフ状態でも発熱する。半導体チップ５０がＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップである場合に、１つの半導体チップ５０当たりの損失は、例えば３００Ｗ以上である。なお、ＩＧＢＴ領域５２が発熱する場合に、ＦＷＤ領域５４およびエッジ終端領域５６は、熱を拡散させる機能を有してよい。同様に、ＦＷＤ領域５４が発熱する場合に、ＩＧＢＴ領域５２およびエッジ終端領域５６は、熱を拡散させる機能を有してよい。
　本例の半導体チップ５０は、流れ方向２７に平行な長辺と幅方向２８に平行な短辺とを有する。本例の半導体チップ５０の長辺の長さは、１４ｍｍである。これに対して、本例において、流れ方向２７における隣接する突起部２２間の間隔は２．４ｍｍであるので、半導体チップ５０の直下には５つまたは６つの突起部２２が位置してよい。
　本例において、複数の突起部２２は、ＩＧＢＴ領域５２およびＦＷＤ領域５４の長手方向に平行に延伸する。これにより、突起部２２は、幅方向２８の全体に渡って半導体チップ５０を冷却することができる。
　ＩＧＢＴ領域５２のみを有する半導体チップ５０とＦＷＤ領域５４のみを有する半導体チップ５０とを積層基板３０上に設ける場合に比べて、本例の半導体チップ５０‐４および５０‐５から積層基板３０へ熱が拡散する範囲は、流れ方向２７において広くなる。本例においては、上流側における第２金属配線層３６の端部の直下から下流側における第２金属配線層３６の端部の直下まで、複数の突起部２２が予め定められた間隔で設けられる。これにより、積層基板３０上に位置する全てのＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップを効率的に冷却することができる。
　また、２つの半導体チップ５０がＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップである場合に、上述した熱干渉領域３８が形成される。本例においては、半導体チップ５０‐４および５０‐５の間の熱干渉領域３８の直下にも、突起部２２を設ける。これにより、熱干渉領域３８を冷却することができるので、熱干渉領域３８の直下に突起部２２を設けない場合と比較して、複数の半導体チップ５０をより効率的に冷却することができる。これにより、熱干渉領域３８の直下においても、第２金属配線層３６と天板１２との間のはんだ層への熱的負荷を低減することができる。
　図３は、複数の半導体モジュール１００を有するインバータ回路の回路図である。半導体モジュール１００‐１において、複数の半導体チップ５０‐１、５０‐２および５０‐３と、複数の半導体チップ５０‐４、５０‐５および５０‐６とは、それぞれＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップである。この場合に、半導体チップ５０‐１、５０‐２および５０‐３のコレクタ電極およびエミッタ電極は入力端子Ｐ１と出力端子Ｕとに、並列に、それぞれ電気的に接続されてよく、半導体チップ５０‐４、５０‐５および５０‐６のコレクタ電極およびエミッタ電極は出力端子Ｕと他の入力端子Ｎ１とに、並列に、それぞれ電気的に接続されてよい。なお、半導体チップ５０‐１、５０‐２および５０‐３の制御電極パッド５８と、半導体チップ５０‐４、５０‐５および５０‐６の制御電極パッド５８とは、Ｙ軸方向に離れる方向で、流れ方向２７（Ｘ軸方向）に整列する方向にそれぞれ配置されてよい（制御電極パッド５８については、図２の（Ａ）および（Ｃ）を参照）。
　半導体チップ５０‐１、５０‐２および５０‐３と半導体チップ５０‐４、５０‐５および５０‐６は、制御電極パッド５８に入力される信号により交互にスイッチングされ、また発熱してよい。入力端子Ｐ１は外部電源の正極に、他の入力端子Ｎ１は負極に、出力端子Ｕは負荷に接続されてよい。複数の半導体チップ５０‐１、５０‐２および５０‐３がインバータ回路における上アームを、複数の半導体チップ５０‐４、５０‐５および５０‐６が同インバータ回路における下アームを構成してよい。各アームに含まれる複数の半導体チップ５０は、本例のように３つであってもよいし、１つ、２つあるいは４つ以上であってもよい。例えば、炭化ケイ素で形成された半導体チップ５０を２０個程度含んでもよい。第１金属配線層３２は、第１の領域と、第１の領域とは異なる領域であって第１の領域から電気的に絶縁された第２の領域とを含んでよい。また、上アームを構成する複数の半導体チップ５０が第１の領域に設けられ、下アームを構成する複数の半導体チップ５０が第２の領域に設けられてよい。
　半導体モジュール１００‐２および１００‐３も、半導体モジュール１００‐１と同様の構成を有する。ただし、半導体モジュール１００‐２においては、半導体チップ５０‐１、５０‐２および５０‐３のコレクタ電極およびエミッタ電極は入力端子Ｐ２と出力端子Ｖとにそれぞれ電気的に接続されてよく、半導体チップ５０‐４、５０‐５および５０‐６のコレクタ電極およびエミッタ電極は出力端子Ｖと他の入力端子Ｎ２とにそれぞれ電気的に接続されてよい。また、半導体モジュール１００‐３においては、半導体チップ５０‐１、５０‐２および５０‐３のコレクタ電極およびエミッタ電極は入力端子Ｐ３と出力端子Ｗとにそれぞれ電気的に接続されてよく、半導体チップ５０‐４、５０‐５および５０‐６のコレクタ電極およびエミッタ電極は出力端子Ｗと他の入力端子Ｎ３とに電気的に接続されてよい。入力端子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３は電気的に接続されてよく、また、他の入力端子Ｎ１、Ｎ２およびＮ３も電気的に接続されてよい。本例のインバータ回路は、出力端子Ｕ、ＶおよびＷを有する三相交流インバータ回路として機能してよい。半導体モジュール１００‐１、半導体モジュール１００‐２および１００‐３は、互いに連結して、あるいは、ケースに搭載されて一体化されてよい。
　図４Ａは、突起部２２の高さＨ２３が流れ方向２７において変化する例を示す図である。下流に近い位置に設けられた突起部２２の高さＨ２３は、上流に近い位置に設けられた突起部２２の高さＨ２３よりも高くてよい。なお、本例では、半導体チップ５０‐４の直下を上流、半導体チップ５０‐５の直下を中流、半導体チップ５０‐６の直下を下流とする。本例では、中流の突起部２２の高さＨ２３‐２は、上流の突起部２２の高さＨ２３‐１よりも高い。また、下流の突起部２２の高さＨ２３‐３は、中流の突起部２２の高さＨ２３‐２よりも高い。さらに、下流の突起部２２の高さＨ２３‐３は、上流の突起部２２の高さＨ２３‐１よりも高い。
　突起部２２の高さＨ２３は、上流から下流に向かって徐々に高くなってよい。また、上流、中流および下流の各領域内では一定の高さであり、下流の領域に進むにつれて段階的に突起部２２の高さＨ２３が高くなってもよい。また、突起部２２の高さＨ２３は、上流および中流（低）と下流（高）との二段階の高さ変化を有してよく、上流（低）と中流および下流（高）との二段階の高さ変化を有してもよい。
　冷媒１８は、下流に近いほど上流で蓄積した熱が増加していく。それゆえ、下流に進むほど、冷却部１０の冷却機能が低下する可能性がある。冷却部１０は、流速が大きいほど冷却機能を向上させることができる。なお、冷媒１８が流れる空間が狭くなるほど圧力損失は大きくなり得る。
　本例では、下流ほど突起部２２の高さＨ２３を高くするので、全ての突起部２２の高さＨ２３を下流の突起部２２の高さＨ２３‐３と同じにする場合に比べて、冷媒通過部２０内での圧力損失を低減し、かつ、下流での冷却効率の低下を防ぐことができる。
　図４Ｂは、突起部２２の間隔Ｌ２４が流れ方向２７において変化する例を示す図である。下流に近い位置に設けられた隣接する２つの突起部２２の間隔Ｌ２４は、上流に近い位置に設けられた隣接する２つの突起部２２の間隔Ｌ２４よりも狭くてよい。本例では、中流における突起部２２の間隔Ｌ２４‐２は、上流における突起部２２の間隔Ｌ２４‐１よりも狭い。また、下流における突起部２２の間隔Ｌ２４‐３は、中流における突起部２２の間隔Ｌ２４‐２よりも狭い。さらに、下流における突起部２２の間隔Ｌ２４‐３は、上流における突起部２２の間隔Ｌ２４‐１よりも狭い。
　突起部２２の間隔Ｌ２４は、上流から下流に向かって徐々に狭くなってよい。また、上流、中流および下流の各領域内では一定の間隔Ｌ２４であり、下流の領域に進むにつれて段階的に突起部２２の間隔Ｌ２４が狭くなってもよい。また、突起部２２の間隔Ｌ２４は、上流および中流（広）と下流（狭）との二段階の間隔Ｌ２４変化を有してよく、上流（広）と中流および下流（狭）との二段階の間隔Ｌ２４変化を有してもよい。
　突起部２２の間隔Ｌ２４が狭いほど、流れ方向２７における単位長さ当たりの突起部２２と天板１２との平均流路高さが狭くなる。それゆえ、突起部２２の間隔Ｌ２４が狭いほど、流速を大きくすることができる。本例では、下流ほど突起部２２の間隔Ｌ２４を狭くするので、全ての突起部２２の間隔Ｌ２４を下流の突起部２２の間隔Ｌ２４‐３と同じにする場合に比べて、冷媒通過部２０内での圧力損失を低減し、かつ、下流での冷却効率の低下を防ぐことができる。
　図４Ｃは、突起部２２の前面２５の傾斜角度θが流れ方向２７において変化する例を示す図である。本例においては、上流からの冷媒１８の流れに面する前面２５と底板１４とより規定される傾斜角度が、流れ方向２７において異なる。下流に近い位置に設けられた突起部２２の傾斜角度θは、上流に近い位置に設けられた突起部２２の傾斜角度θよりも大きくてよい。
　本例では、中流における突起部２２の傾斜角度θ２は、上流における突起部２２の傾斜角度θ１よりも大きい。また、下流における突起部２２の傾斜角度θ３は、中流における突起部２２の傾斜角度θ２よりも大きい。さらに、下流における突起部２２の傾斜角度θ３は、上流における突起部２２の傾斜角度θ１よりも大きい。例えば、θ１、θ２およびθ３は、２０度≦θ１＜θ２＜θ３≦９０度を満たす。
　突起部２２の傾斜角度θは、上流から下流に向かって徐々に大きくなってよい。また、上流、中流および下流の各領域内では一定の傾斜角度θであり、下流の領域に進むにつれて段階的に突起部２２の傾斜角度θが大きくなってもよい。また、突起部２２の傾斜角度θは、上流および中流（傾斜角度θ小）と下流（傾斜角度θ大）との二段階の傾斜角度θ変化を有してよく、上流（傾斜角度θ小）と中流および下流（傾斜角度θ大）との二段階の傾斜角度θ変化を有してもよい。
　下流に行くほど天板１２に向かうベクトル成分を大きくすることができる。これにより、下流における冷却機能の低下を抑制するメリットがあると考えられる。なお、図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃの３つの例うち２つの例を組み合わせてよく、３つの例全てを組み合わせてもよい。これにより、各例の有利な効果を相乗的に享受することができる。
　図５の（Ａ）は、比較例における冷却部１０のフィン構造の断面図である。図５の（Ｂ）は、比較例における冷却部１０のフィン構造の上面図である。図５の（Ｂ）は、図５の（Ａ）のＢ‐Ｂ'断面図でもある。上述のように、比較例において、天板１２とフィン構造とは一体化されているが、天板１２と底板１４とは別体として構成されており、一体化されていない。比較例において、幅方向２８において直線状に設けられたフィンは、流れ方向２７において半ピッチずれて設けられる。冷媒１８は、金属製のフィンと主として熱交換してよい。これにより、冷却部１０は半導体チップ５０を冷却してよい。
　図６は、本例および比較例の熱抵抗値を比較した実験結果である。縦軸は、規格化された熱抵抗値［％］である。図６においては、上述した比較例において、圧力損失が８［ｋＰａ］である場合の半導体チップ５０の熱抵抗値で規格化した。それゆえ、縦軸は、割合［％］として示されている。図６においては、縦軸の数値が大きいほど、冷却部１０の冷却機能が低いことを意味する。横軸は、冷媒通過部２０において発生する圧力損失［ｋＰａ］である。同一の冷却部１０の構造においては、圧力損失［ｋＰａ］が大きいほど、冷媒１８の流速が大きいことを意味する。図６から明らかな様に、本例においては、圧力損失が１ｋＰａ以上２０ｋＰａ以下、特には４ｋＰａ以上１２ｋＰａ以下の範囲で、比較例に比べて熱抵抗率を１０％以上低減することができた。
　図７Ａは、第２実施形態におけるＡ‐Ａ'断面図である。本例の冷媒通過部２０は、上方冷媒通過部４２と下方冷媒通過部４４とを有する。上方冷媒通過部４２は、高さ方向２９において下方冷媒通過部４４上に設けられる。かかる点が、第１実施形態との主要な相違点であるが、その他の点においては第１実施形態またはその変形例を組み合わせて適用してもよい。第１実施形態の変形例における（ａ）突起部２２の高さＨ２３、（ｂ）突起部２２の間隔Ｌ２４および（ｃ）突起部２２における前面２５の傾斜角度θのいずれか１つ以上を本例に適用してもよい。
　上方冷媒通過部４２は、高さ方向２９において相対的に第２金属配線層３６に近い位置に設けられる。上方冷媒通過部４２は、積層基板３０と熱交換してよく、下方冷媒通過部４４とも熱交換してよい。下方冷媒通過部４４は、上方冷媒通過部４２の下に重ねて設けられる。下方冷媒通過部４４は、上方冷媒通過部４２と熱交換してよい。本例においては、第１実施形態に比べて冷却部１０の冷却効率を向上させることができる。
　本例の上方冷媒通過部４２および下方冷媒通過部４４は、各々複数の突起部２２を有する。本例において、上方冷媒通過部４２における複数の突起部２２と、下方冷媒通過部４４における複数の突起部２２とは、高さ方向２９において重ならない。本例では、上方冷媒通過部４２における開口部２６の直下に、下方冷媒通過部４４の突起部２２を配置することができる。これにより、上方冷媒通過部４２において温められた後に天板１２から底板１４に向かう冷媒１８を、下方冷媒通過部４４の各突起部２２の上部において冷却することができる。このように、上方冷媒通過部４２および下方冷媒通過部４４間で効率的な冷却を実現することができる。
　なお、本例において、上方冷媒通過部４２の底板１４‐１は下方冷媒通過部４４の天板１２‐２を兼ねるが、上方冷媒通過部４２の底板１４‐１と下方冷媒通過部４４の天板１２‐２とを個別に設けてもよい。また、本例において、上方冷媒通過部４２および下方冷媒通過部４４は独立した２つの流路を構成するが、底板１４‐１に貫通孔を設けることにより、冷媒１８自体を上方冷媒通過部４２および下方冷媒通過部４４間において交換してもよい。
　図７Ｂは、第２実施形態の変形例におけるＡ‐Ａ'断面図である。上方冷媒通過部４２における複数の突起部２２の各々と、下方冷媒通過部４４における複数の突起部２２の各々とは、高さ方向２９において重なってよい。本例において、上方冷媒通過部４２の突起部２２と下方冷媒通過部４４の突起部２２とは、高さ方向２９において完全に重なる。つまり、流れ方向２７および幅方向２８における突起部２２の位置は、上方冷媒通過部４２および下方冷媒通過部４４において一致する。ただし、開口付プレート１２０の製造および配置の少なくとも一つに起因する誤差によって、上方冷媒通過部４２の突起部２２と下方冷媒通過部４４の突起部２２とは完全には重ならなくてもよい。つまり、重なりに多少のずれが生じてもよい。本例は、係る点において第２実施形態と異なるが、他の点は第２実施形態と同じであってよい。
　本例においては、上方冷媒通過部４２および下方冷媒通過部４４において、同一の開口付プレート１２０を用いて冷却部１０を製造することができる。それゆえ、冷却部１０の部品コストおよび組立コストの面で有利である。なお、本例においても、底板１４‐１に貫通孔を設けることにより、冷媒１８自体を上方冷媒通過部４２および下方冷媒通過部４４間において交換してもよい。
　図８は、第３実施形態における冷媒通過部２０の上面図である。図８は、図２の（Ｂ）に対応する。本例において、幅方向２８の端部に位置していない側部２１（つまり、幅方向２８の中央付近に位置する側部２１）は、高さ方向２９において底板１４から天板１２まで延伸して設けられる。これにより、幅方向２８の中央付近に位置する側部２１は、幅方向２８において冷媒通過部２０を複数の独立した領域に分割してよい。本例において、幅方向２８の中央付近に位置する側部２１は、幅方向２８において冷媒通過部２０を冷媒通過部２０‐１、２０‐２および２０‐３の三つの領域に分割する。当該構成により、本例の冷媒１８自体は、冷媒通過部２０内の幅方向２８においてはお互いに交換されなくてよい。
　本例の突起部２２も各独立した領域内で幅方向２８において連続である。冷媒通過部２０が側部２１によって幅方向２８において複数の独立した領域に分割されている本例において、突起部２２が幅方向２８において連続するとは、各独立した領域内における突起部２２が幅方向２８において連続であることを意味する。本例においては、第１実施形態と同じ冷媒１８の排水量を有するポンプを使用する場合に、冷却部１０での圧力損失は増えるが、第１実施形態に比べて冷媒通過部２０内における冷媒１８の流速を上げることができる。なお、第１実施形態の変形例における（ａ）突起部２２の高さＨ２３、（ｂ）突起部２２の間隔Ｌ２４および（ｃ）突起部２２における前面２５の傾斜角度θのいずれか１つ以上を本例に適用してもよい。さらに、第１実施形態の変形例に加えてまたはこれとは別に、本例と第２実施形態とを組み合わせてもよい。
　図９は、第４実施形態における冷媒通過部２０の上面図である。図９は、図２の（Ｂ）に対応する。本例においては、冷媒通過部２０に設けられる開口部２６の配置が図８の例とは異なる。本例では、冷媒通過部２０‐２の開口部２６が、冷媒通過部２０‐１および２０‐３の開口部２６と比較して、流れ方向２７にずれて設けられる。ずれ量は、開口部２６の流れ方向２７における長さの半分であってよい。本例においても、複数の突起部２２が、幅方向２８において各々連続して設けられる。本例においても、各冷媒通過部２０は、幅方向２８の中央付近に位置する側部２１によって幅方向２８において複数の独立した領域（冷媒通過部２０‐１、２０‐２および２０‐３）に分割されている。
　本例の突起部２２も各独立した領域内で幅方向２８において連続である。本例においても、第１実施形態と同じ有利な効果を得ることができる。また、第１実施形態の変形例における（ａ）突起部２２の高さＨ２３、（ｂ）突起部２２の間隔Ｌ２４および（ｃ）突起部２２における前面２５の傾斜角度θのいずれか１つ以上を本例に適用してもよい。さらに、第１実施形態の変形例に加えてまたはこれとは別に、本例と第２実施形態とを組み合わせてもよい。
　図１０Ａは、第５実施形態におけるＡ‐Ａ'断面図である。本例における複数の突起部２２は、天板１２の冷媒通過部２０に接する面にも設けられる。天板１２に設けられた複数の突起部２２も幅方向２８において連続であってよい。天板１２に設けられた複数の突起部２２もまた、流れ方向２７において互いに離間してよく、流れ方向２７において２．４ｍｍ間隔で設けられてよい。
　天板１２に設けられた複数の突起部２２は、天板１２に設けられた開口付プレート１２０の一部であってよい。また、天板１２に設けられた開口付プレート１２０は、底板１４に設けられた開口付プレート１２０と一体的に構成されてもよい。両者が一体的に構成される場合、個別に構成される場合に比べて、冷却部１０の組立コストの面で有利であってよい。
　天板１２に設けられた複数の突起部２２と底板１４に設けられた複数の突起部２２とは、高さ方向２９において互いに重ならなくてよい。本例において、天板１２に設けられた複数の突起部２２の各々は、底板１４に設けられた複数の突起部２２のうち流れ方向２７において隣接する２つの突起部２２の間に設けられる。一例において、天板１２に設けられた複数の突起部２２は、底板１４に設けられた複数の突起部２２に対して流れ方向２７において半ピッチずれて設けられてよい。半ピッチとは、底板１４に設けられた複数の突起部２２のうち流れ方向２７において隣接する２つの突起部２２の距離の半分を意味してよい。
　冷媒通過部２０は、天板１２に設けられた複数の突起部２２と底板１４に設けられた複数の突起部２２とが流れ方向２７において重ならない領域を有してよい。ただし、他の例においては、天板１２に設けられた複数の突起部２２と底板１４に設けられた複数の突起部２２とが、流れ方向２７において重なってもよい。いずれにしても、冷媒１８の一部は、底板１４の突起部２２の前面２５および天板１２の突起部２２の前面２５に交互に衝突することにより、天板１２に向かっておよび底板１４に向かって交互に流れてよい。これにより、冷媒１８の流れは、流れ方向２７に対して所定角度だけ高さ方向２９を向いたベクトル成分を有し、かつ、流れ方向２７に対して所定角度だけ高さ方向２９とは逆方向を向いたベクトル成分を有する。
　本例においても、冷媒１８全体が流れ方向２７と平行に流れる場合に比べて、より効率的に積層基板３０および半導体チップ５０を冷却することができる。本例においては、第１実施形態に比べて圧力損失が上昇する可能性があるが、第１実施形態に比べて冷媒１８の流速を上げることができる。また、本例においても第１実施形態と同様の構成については、同様の有利な効果を享受することができる。
　また、第１実施形態の変形例における（ａ）突起部２２の高さＨ２３、（ｂ）突起部２２の間隔Ｌ２４および（ｃ）突起部２２における前面２５の傾斜角度θのいずれか１つ以上を本例に適用してもよい。さらに、第１実施形態の変形例に加えてまたはこれとは別に、本例と第２実施形態とを組み合わせてもよく、本例と第３実施形態または第４実施形態とを組み合わせてもよい。
　図１０Ｂは、第５実施形態の第１変形例におけるＡ‐Ａ'断面図である。本例においては、天板１２に設けられた突起部２２の下端と、底板１４に設けられた突起部２２の上端とが、高さ方向２９において一致する。なお、本例において、天板１２の突起部２２の下端と底板１４の突起部２２の上端とは、冷媒通過部２０の高さ方向２９の中点において一致する。冷媒通過部２０の高さ方向２９の中点を点線により示す。本例の冷媒通過部２０において、冷媒１８は流れ方向２７に直進することができない。係る点が、図１０Ａの例と異なるが、本例においても図１０Ａの例と同じ有利な効果を得ることができる。なお、他の例においては、天板１２の突起部２２の下端と底板１４の突起部２２の上端とが高さ方向２９において一致する位置は、上述の中点よりも天板１２に近くてよく、上述の中点よりも底板１４に近くてもよい。
　図１０Ｃは、第５実施形態の第２変形例におけるＡ‐Ａ'断面図である。本例においては、天板１２に設けられた突起部２２と底板１４に設けられた突起部２２とが噛み合うように配置される。つまり、本例においては、天板１２に設けられた突起部２２の下端が、底板１４に設けられた突起部２２の上端よりも下に位置する。言い換えると、底板１４に設けられた突起部２２の上端が、天板１２に設けられた突起部２２の下端よりも上に位置する。なお、点線は図１０Ｂの例と同じ、冷媒通過部２０の高さ方向２９の中点である。本例においても、冷媒１８は冷媒通過部２０内部において、流れ方向２７に直進することができない。係る点が、図１０Ａの例と異なるが、本例においても図１０Ａの例と同じ有利な効果を得ることができる。
　以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
　１０・・冷却部、１２・・天板、１４・・底板、１６・・側板、１８・・冷媒、２０・・冷媒通過部、２１・・側部、２２・・突起部、２３・・高さＨ、２４・・間隔Ｌ、２５・・前面、２６・・開口部、２７・・流れ方向、２８・・幅方向、２９・・高さ方向、３０・・積層基板、３２・・第１金属配線層、３４・・絶縁物、３６・・第２金属配線層、３８・・熱干渉領域、４２・・上方冷媒通過部、４４・・下方冷媒通過部、５０・・半導体チップ、５２・・ＩＧＢＴ領域、５４・・ＦＷＤ領域、５６・・エッジ終端領域、５８・・制御電極パッド、１００・・半導体モジュール、１２０・・開口付プレート

Claims (12)

  1. 　半導体チップと、
    　冷媒が通過する冷媒通過部を内部に有する冷却部と、
    　前記冷却部よりも前記半導体チップに近い第１金属配線層と、前記半導体チップよりも前記冷却部に近い第２金属配線層と、前記第１金属配線層と前記第２金属配線層との間に設けられた絶縁物とを有する、積層基板と
    　を備え、
    　前記冷却部は、
    　前記積層基板に近接して設けられる天板と、
    　前記天板に対向して設けられる底板と、
    　前記底板の前記冷媒通過部に接する面上に設けられ、前記冷媒の上流から下流に向かう流れ方向において互いに離間し、前記流れ方向に直交する前記冷媒通過部の幅方向に各々連続して設けられる、複数の突起部と
    を有し、
    　前記複数の突起部は、前記流れ方向における前記第２金属配線層の一端と重なる位置と、前記半導体チップと重なる位置とに少なくとも設けられる
    半導体モジュール。
  2. 　前記複数の突起部のうち２つの突起部において、前記下流に近い位置に設けられた突起部の高さは、前記上流に近い位置に設けられた突起部の高さよりも高い
    請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 　前記複数の突起部のうち前記下流に近い位置に設けられた２つの突起部の間隔は、前記複数の突起部のうち前記上流に近い位置に設けられた２つの突起部の間隔よりも狭い
    請求項１または２に記載の半導体モジュール。
  4. 　前記複数の突起部は、前記上流からの前記冷媒の流れに面する前面を各々有し、
    　前記複数の突起部のうち２つの突起部において、前記下流に近い位置に設けられた突起部における前記前面の前記底板に対する傾斜角度は、前記上流に近い位置に設けられた突起部における前記前面の前記底板に対する傾斜角度よりも大きい
    請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  5. 　前記冷却部は、
    　前記底板から前記天板に向かう高さ方向において相対的に前記第２金属配線層に近い位置に設けられ、前記複数の突起部を有する上方冷媒通過部と、
    　前記高さ方向において前記上方冷媒通過部の下に重ねて設けられ、前記複数の突起部を有する下方冷媒通過部と
    を有する
    請求項１に記載の半導体モジュール。
  6. 　前記上方冷媒通過部における前記複数の突起部と、前記下方冷媒通過部における前記複数の突起部とは、前記高さ方向において重ならない
    請求項５に記載の半導体モジュール。
  7. 　前記上方冷媒通過部における前記複数の突起部の各々と、前記下方冷媒通過部における前記複数の突起部の各々とが、前記高さ方向において重なる
    請求項５に記載の半導体モジュール。
  8. 　（ａ）前記上方冷媒通過部における前記複数の突起部のうち２つの突起部において、前記下流に近い位置に設けられた突起部の高さは、前記上流に近い位置に設けられた突起部の高さよりも高い、
    　（ｂ）前記上方冷媒通過部における前記複数の突起部のうち前記下流に近い位置に設けられた２つの突起部の間隔は、前記上方冷媒通過部における前記複数の突起部のうち前記上流に近い位置に設けられた２つの突起部の間隔よりも狭い、および
    　（ｃ）前記複数の突起部は前記上流からの前記冷媒の流れに面する前面を各々有し、前記上方冷媒通過部における前記複数の突起部のうち２つの突起部において、前記下流に近い位置に設けられた突起部における前記前面の前記底板に対する傾斜角度は、前記上流に近い位置に設けられた突起部における前記前面の前記底板に対する傾斜角度よりも大きい、
    　のいずれか１つ以上を満たす
    請求項５から７のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  9. 　前記半導体チップは、ストライプ状に設けられたＩＧＢＴ領域およびＦＷＤ領域を有するＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップであり、
    　前記幅方向における前記複数の突起部の延伸方向は、前記ＩＧＢＴ領域および前記ＦＷＤ領域の長手方向に平行である
    　請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  10. 　前記流れ方向において前記半導体チップとは異なる位置に、追加の半導体チップをさらに有し、
    　前記複数の突起部の少なくとも１つは、前記半導体チップと前記追加の半導体チップとの間にも設けられる
    請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  11. 　前記冷却部において、前記天板および前記底板は、前記底板から前記天板に向かう高さ方向において前記天板と前記底板との間に設けられた側板を介して一体化されている
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  12. 　前記第１金属配線層および前記第２金属配線層の厚みは０．６ｍｍ以上である
    請求項１から１１のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
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