本發(fā)明涉及具備用于對半導體元件進行冷卻的冷卻器的功率半導體模塊和該冷卻器。

背景技術(shù)：

為了節(jié)能，在以混合動力汽車、電動汽車等為代表的使用馬達的機器中采用了電力轉(zhuǎn)換裝置。在該電力轉(zhuǎn)換裝置中廣泛采用了功率半導體模塊。為了控制大電流，功率半導體模塊具備功率半導體元件。

功率半導體元件在控制大電流時的發(fā)熱量大。另外，功率半導體模塊要求小型化和/或輕量化，存在輸出密度上升的趨勢。因此，對具備多個功率半導體元件的功率半導體模塊而言，功率半導體元件的冷卻方法影響電力轉(zhuǎn)換效率。

為了提高功率半導體模塊的冷卻效率，存在具備液冷式的冷卻器并通過該冷卻器對功率半導體元件進行冷卻的功率半導體模塊。該功率半導體模塊的冷卻器具備：使功率半導體元件產(chǎn)生的熱傳導的金屬基板、與金屬基板的背面接合的散熱器、以及與金屬基板接合且容納散熱器的冷卻殼體，該功率半導體模塊的冷卻器具有能夠通過形成在冷卻殼體的引入口和排出口，使冷卻液在冷卻殼體內(nèi)的空間流通的結(jié)構(gòu)(專利文獻1)。金屬基板、散熱器和冷卻殼體釬焊接合(專利文獻2)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻

專利文獻

專利文獻1:日本特開2006-100293號公報

專利文獻2:日本特開2014-179563號公報。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題

通過將冷卻殼體內(nèi)的冷卻液的壓力分布調(diào)整為適當?shù)臓顟B(tài)，能夠提高冷卻器的冷卻效率。但是，對以往的功率半導體模塊而言，在引入口與散熱器之間以及散熱器與排出口之間，有時冷卻液的壓力分布混亂，冷卻性能降低。例如在箱形的冷卻殼體的一邊具備引入口和排出口的冷卻器的情況下，冷卻液的一部分不在散熱器之間的流路流動，而是通過散熱器與冷卻殼體的側(cè)壁之間的間隙直接從引入口流向排出口，結(jié)果冷卻殼體內(nèi)的冷卻液的壓力分布混亂。

由于冷卻殼體通過拉深加工而成形，因此如果進行拉深加工為使散熱器與冷卻殼體的側(cè)壁之間的間隙變小的側(cè)壁的形狀，則因加工上的制約使得冷卻殼體大型化，另外，由于加工工時增加，因此制造成本增大。

特別是搭載于汽車的功率半導體模塊對小型化、薄型化、輕量化的要求強烈，因此冷卻殼體大型化并不優(yōu)選。

本發(fā)明是鑒于這樣的問題而完成的，其目的在于提供一種能夠使功率半導體模塊的冷卻器的引入口與散熱器之間以及散熱器與排出口之間的冷卻液的壓力分布均勻，并提高冷卻效率的功率半導體模塊和冷卻器。

技術(shù)方案

為了達成上述目的，本發(fā)明的一個方式為如下的功率半導體模塊。

功率半導體模塊具備層疊基板、與層疊基板的正面接合的半導體元件、與層疊基板的背面接合的基板、冷卻殼體、以及被容納在冷卻殼體內(nèi)的散熱器。冷卻殼體成為具有底壁和形成于該底壁的周圍的側(cè)壁，并且，具有與底壁和側(cè)壁的任一個連接的冷卻液的入口部和出口部，側(cè)壁的一端與基板的背面接合，使得冷卻液能夠在由基板、底壁和側(cè)壁包圍成的空間內(nèi)流通。功率半導體模塊在冷卻殼體的入口部和出口部中的至少一個的附近還具備墊片。

本發(fā)明的另一方式為如下的冷卻器。

冷卻器具備基板、冷卻殼體、以及被容納在冷卻殼體內(nèi)的散熱器。冷卻器成為具有底壁和形成于該底壁的周圍的側(cè)壁，并且，具有與底壁和側(cè)壁的任一個連接的冷卻液的入口部和出口部，側(cè)壁的一端與基板的背面接合，使得冷卻液能夠在由基板、底壁和側(cè)壁包圍成的空間內(nèi)流通。冷卻器在冷卻殼體的入口部和出口部中的至少一個的附近還具備墊片。

技術(shù)效果

根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊，能夠使功率半導體模塊的冷卻器的引入口與散熱器之間以及散熱器與排出口之間的冷卻液的壓力分布最優(yōu)化，提高冷卻效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的功率半導體模塊的一個實施方式的分解立體圖。

圖2是圖1的功率半導體模塊的電路圖。

圖3是圖1的功率半導體模塊1的俯視圖。

圖4是圖3的iv-iv線的剖面圖。

圖5是冷卻器的分解立體圖。

圖6是冷卻器的入口部和出口部附近的俯視圖。

圖7是墊片的形狀的變形例的說明圖。

圖8是本發(fā)明的另一實施方式的冷卻器的說明圖。

圖9是以往的冷卻器的分解立體圖。

圖10是圖9的冷卻器的俯視圖。

圖11是圖9的冷卻器的入口部和出口部附近的部分俯視圖。

圖12是以往的冷卻器的入口部和出口部附近的部分俯視圖。

符號說明

1功率半導體模塊

10、21冷卻器

11絕緣基板

12半導體芯片(半導體元件)

13樹脂殼體

14金屬基板

15、25冷卻殼體

15a、25a底壁

15b、25b側(cè)壁

15c、25c入口部

15d、25d出口部

15e、25e引入口

15f、25f排出口

17散熱片(散熱器)

20、22墊片

具體實施方式

使用附圖對本發(fā)明的功率半導體模塊的實施方式進行詳細說明。參照附圖的方向而使用在以下的說明中所表述的“上”、“下”、“底”、“前”、“后”等表示方向的用語。

(實施方式1)

圖1是本發(fā)明的功率半導體模塊的一個實施方式的分解立體圖。在圖1中示出的功率半導體模塊1具備：作為層疊基板的具體例的絕緣基板11、與絕緣基板11的正面接合的半導體芯片12、具有框形且包圍絕緣基板11和半導體芯片12的樹脂殼體13、與絕緣基板11的背面接合且作為基板的具體例的金屬基板14、以及與金屬基板14的背面接合的冷卻殼體15。

在圖示的本實施方式中，三個絕緣基板11在金屬基板14的短邊方向的中央沿著金屬基板14的長邊方向配置為一列。對各個絕緣基板11而言，在一個絕緣基板11上搭載有半導體芯片12。圖示的本實施方式的半導體芯片12都是將igbt和fwd1芯片化而成的逆導通型igbt(rc-igbt)的示例，在圖示的示例中，一個絕緣基板11上配置有四個半導體芯片12。半導體芯片12不限于逆導通型igbt，也可以將igbt和fwd分別搭載在一個絕緣基板11上。另外，開關(guān)元件不限于igbt，也可以是mosfet等。在半導體芯片12的基板中除使用硅以外，還可使用碳化硅、氮化鎵和/或金剛石等寬帶隙材料。

在圖2示出圖1的功率半導體模塊的電路圖。功率半導體模塊1為構(gòu)成逆變電路的6in1型功率半導體模塊的示例。金屬基板14上的三個絕緣基板11構(gòu)成了逆變電路的u相、v相和w相。另外，在一個絕緣基板11上，四個半導體芯片12并聯(lián)電連接成的以兩個為一組的共計兩組，構(gòu)成了形成逆變電路的一相中的上臂和下臂。

樹脂殼體13由pps(聚苯硫醚)樹脂和/或聚氨酯樹脂等絕緣性樹脂構(gòu)成并具有框形，該框形在中央具有從上表面一直貫穿底面的開口。樹脂殼體13的底面通過粘合劑與金屬基板14的正面接合。外部端子16a～16e的一端沿著樹脂殼體13的上表面的周邊突出。其中，在樹脂殼體13的長邊方向邊緣部的一側(cè)配置的外部端子16a為u端子，外部端子16b為v端子，外部端子16c為w端子。另外，在樹脂殼體13的長邊方向邊緣部的另一側(cè)配置的外部端子16d為p端子，外部端子16e為n端子。外部端子16a～16e通過嵌件成形等一體地安裝在樹脂殼體13。外部端子16a～16e的另一端露出到樹脂殼體13的框內(nèi)，通過鍵合線和/或引線框架(未圖示)等導電部件與半導體芯片12的電極等電連接。

在圖3中示出圖1的功率半導體模塊1的俯視圖。應予說明，為了易于理解，在該俯視圖中，省略對在樹脂殼體13的上表面覆蓋框內(nèi)的蓋、注入到框內(nèi)的封裝材料和鍵合線的圖示，示出了可觀察到樹脂殼體13內(nèi)的絕緣基板11和半導體芯片12的狀態(tài)。與一個絕緣基板11接合的四個半導體芯片12之中，沿著金屬基板14的短邊方向并列配置的兩個半導體芯片12a構(gòu)成上臂，兩個半導體芯片12b構(gòu)成下臂。如在后面所說明的那樣，在金屬基板14的正下方，冷卻液沿與金屬基板14的短邊方向平行的方向流動。通過以與該冷卻液的流動方向相符的方式并列配置半導體芯片12a和半導體芯片12b，能夠使半導體芯片12a與半導體芯片12b的冷卻效率相等。

金屬基板14具有長方形的正面和背面，該長方形的正面和背面成為與樹脂殼體13大致相同或比樹脂殼體13大的尺寸。金屬基板14由導熱性良好的金屬，例如銅、鋁或鋁合金構(gòu)成，或者由這些金屬與釬料的復合材料(包層材料)構(gòu)成。作為層疊基板的具體例的絕緣基板11通過接合材料，例如焊錫而與金屬基板14的正面接合?；蛘?，也可以利用釬料作為接合材料來進行接合。另外，也可以使導熱性油脂存在于金屬基板14與絕緣基板11之間來取代接合材料。

冷卻殼體15也稱為冷卻套。冷卻殼體15具有底壁15a和形成于該底壁15a周圍的側(cè)壁15b，冷卻殼體15的上端開口。通過例如釬焊將該上端與金屬基板14接合，由此以冷卻液不泄露的方式形成了被金屬基板14和冷卻殼體15包圍成的內(nèi)部空間。在該內(nèi)部空間配置有作為散熱器的散熱片17。冷卻半導體芯片12的冷卻器10包括金屬基板14、冷卻殼體15和散熱片17。

在圖4示出圖3的iv-iv線的剖面圖。絕緣基板11由陶瓷絕緣板11a、電路板11b和金屬板11c貼合而成，其中，電路板11b由選擇性地形成在該陶瓷絕緣板11a的正面的銅箔等構(gòu)成，金屬板11c由形成在該陶瓷絕緣板11a的背面的銅箔等構(gòu)成。電路板11b與半導體芯片12的接合通過例如作為接合材料的焊錫18進行。金屬板11c與金屬基板14的接合通過例如作為接合材料的焊錫18進行。也可以使用燒結(jié)材料來取代焊錫。在樹脂殼體13的框內(nèi)，絕緣基板11和半導體芯片12被由環(huán)氧樹脂等絕緣性樹脂或硅膠等絕緣性凝膠構(gòu)成的封裝材料19封裝，提高了絕緣性。應予說明，在圖4中，對外部端子省略了圖示，另外，對將形成于半導體芯片12的表面的電極與外部端子等進行電連接的鍵合線等布線部件省略了圖示。另外，在圖4中，對安裝在樹脂殼體13的上表面的蓋也省略了圖示。

在圖5中示出冷卻器10的分解立體圖。在由冷卻殼體15的底壁15a和側(cè)壁15b包圍成的大致長方體的空間，容納有作為散熱器的散熱片17。在圖示的本實施方式中，散熱片17包括多個薄板，上述多個薄板以沿冷卻殼體15的短邊方向延伸的方式分別隔開間隔而并列配置。從上方觀察，圖示的散熱片17在金屬基板14和冷卻殼體15的短邊方向上具有波形。散熱片17的形狀不限于圖示的示例，也可以是直線形。散熱片17也可以是銷狀，但優(yōu)選為上述的波形或直線形的板狀散熱片17。散熱片17與金屬基板14同樣地包括導熱性良好的金屬。各個散熱片17的上端通過釬焊而與金屬基板14的背面接合。由此，從半導體芯片12產(chǎn)生的熱經(jīng)由絕緣基板11和金屬基板14傳遞到散熱片17。散熱器是作為整體能夠容納在冷卻殼體15中的大致長方體形狀。

圖示的冷卻殼體15在短邊方向的一邊(側(cè)壁)的兩端具有冷卻液的入口部15c和出口部15d。入口部15c和出口部15d為從冷卻殼體15的側(cè)壁沿長邊方向突出的凸形。在該入口部15c的底面具有引入口15e，在該出口部15d的底面具有排出口15f。在入口部15c的底面具有引入口15e并且在出口部15d的底面具有排出口15f這一情況，換言之，引入口15e形成在底壁15a并且排出口15f形成在底壁15a這一情況，與在側(cè)壁具有引入口及排出口的情況相比，能夠抑制構(gòu)成冷卻器10的冷卻殼體15的高度，因此對追求小型化、薄型化、輕量化的用于車載的功率半導體模塊來說是優(yōu)選的。

冷卻殼體15與金屬基板14和散熱片17同樣地包括導熱性良好的金屬。冷卻殼體15包括與金屬基板14和散熱片17同種的材料，由此能夠抑制因熱膨脹系數(shù)之差引起的應力和/或翹曲，所以是優(yōu)選的。冷卻殼體15通過拉深加工而成形。

在冷卻殼體15的內(nèi)側(cè)的入口部15c和出口部15d的附近，更具體地說，在入口部15c和出口部15d附近的側(cè)壁15b與散熱片17之間配置有墊片20。

在圖6示出冷卻器10的入口部15c和出口部15d附近的俯視圖。冷卻器10中，入口部15c的引入口15e和出口部15d的排出口15f位于比散熱片17的短邊方向上的端部更靠向短邊方向上的中央(內(nèi)側(cè))的位置。在俯視時，引入口15e和排出口15f各自的開口與散熱器的長邊的延長線交差。冷卻器10中，沿著冷卻殼體15的長邊方向的側(cè)壁15b具有將冷卻液從入口部15c的引入口15e引向散熱片17的第一流路15g，在與第一流路15g相反的一側(cè)且沿著冷卻殼體15的長邊方向的側(cè)壁15b具有將冷卻液引導至出口部15d的排出口15f的第二流路15h，在第一流路15g與第二流路15h之間且在相鄰的散熱片17之間具有冷卻散熱片17的第三流路15i。

薄板形狀的散熱片17以沿冷卻殼體15的短邊方向延伸的方式配置，因此從入口部15c引入的冷卻液通過第一流路15g而在散熱片17之間的第三流路15i沿冷卻殼體15的短邊方向流動，通過第二流路15h從出口部15d的排出口15f排出。

墊片20以從冷卻器10的入口部15c直到散熱片17的角部為止的方式與散熱片17鄰接配置，將冷卻液引導至第一流路15g。另外，墊片20以從出口部15d直到散熱片17的角部的方式配置，將冷卻液從第二流路15h引導至出口部15d。墊片20與金屬基板14、冷卻殼體15和散熱片17同樣地包括導熱性良好的金屬。墊片20包括與金屬基板14、冷卻殼體15和散熱片17同種的材料，由此能夠抑制因熱膨脹系數(shù)之差引起的應力和/或翹曲，因此是優(yōu)選的。墊片20被釬焊到金屬基板14和冷卻殼體15。

冷卻器10在凸狀的入口部15c與出口部15d之間具備墊片20，由此在引入口15e與排出口15f之間堵塞間隙，能夠防止冷卻液直接流動穿過側(cè)壁15b與散熱片17的間隙，另外，通過使墊片20的形狀最優(yōu)化，能夠使引入口15e與散熱片17之間的冷卻液的流動以及散熱片17與排出口15f之間的冷卻液的流動順暢。因此，通過墊片20，能夠容易地適當調(diào)整冷卻器10內(nèi)的冷卻液的流速分布，提高冷卻性能。另外，由于墊片20成為與冷卻殼體15的形狀對應的形狀的設(shè)計上的自由度大，因此對冷卻殼體15而言，在制作時，無需通過高加工度的拉深加工使冷卻殼體15的引入口15e和出口部15d附近的側(cè)壁15b位于散熱片17的角部附近。因此，能夠使冷卻殼體15小型化。另外，拉深加工以低加工度完成，因此能夠以拉深加工的金屬模具數(shù)量少的方式完成，降低制造成本。應予說明，在圖示的示例中，入口部15c和出口部15d分別在內(nèi)側(cè)具備大致半圓筒的側(cè)面，墊片20具備從這些側(cè)面連續(xù)到散熱器的角部的弧狀側(cè)面。墊片20的高度可以設(shè)置為散熱片17的高度以下。

在圖7示出墊片20的變形例。墊片不限于圖6和圖7的(a)中示出的一體形狀的墊片20，也可以是如圖7的(b)所示那樣的與入口部15c和出口部15d分別對應的、分割的形狀的墊片20a。另外，如圖7的(c)所示，也可以是從上觀察，面對入口部15c和出口部15d的部分為直線形平面的墊片20b。

(實施方式2)

使用圖8對本發(fā)明的實施方式2的冷卻器進行說明。應予說明，對于絕緣基板、半導體芯片、樹脂殼體等方面，使用了圖8的冷卻器的功率半導體模塊可以與實施方式1的功率半導體模塊相同。

圖8的(a)的立體圖中示出的冷卻器21的冷卻殼體25的外形與實施方式1示出的冷卻器10的冷卻殼體的外形不同。具體來說，冷卻殼體25具有底壁25a和形成于該底壁25a周圍的側(cè)壁25b，冷卻殼體25的上端開口。在被底壁25a和側(cè)壁25b包圍成的空間容納有散熱片17。入口部25c和出口部25d形成在冷卻殼體25的大致對角線上的角部。在入口部25c的底面具有引入口25e，在出口部25d的底面具有排出口25f。冷卻殼體25通過拉深加工而成形。

冷卻器21在入口部25c附近的側(cè)壁25b與散熱片17之間具備墊片22。另外，在出口部25d附近的側(cè)壁25b與散熱片17之間具備墊片22。墊片22與冷卻殼體25和散熱片17同樣地包括導熱性良好的金屬。墊片22包括與冷卻殼體25和散熱片17同種的材料，由此能夠抑制由熱膨脹系數(shù)之差引起的應力和/或翹曲，所以是優(yōu)選的。

在圖8的(b)中示出出口部25d附近的俯視圖。墊片22具有大致三角形的平面(剖面)形狀，并具有與散熱片17相同的高度。在入口部25c附近所具備的墊片22也是同樣。墊片22以從冷卻器21的入口部25c直到散熱片17的角部為止的方式與散熱片17鄰接而配置，將冷卻液引導至第一流路25g。另外，墊片22以從出口部25d直到散熱片17的角部為止的方式配置，將冷卻液從第二流路25h引導至出口部25d。

由于冷卻器21具備墊片22，因此在引入口25e與排出口25f之間，利用墊片22來防止冷卻液穿過側(cè)壁25b與散熱片17的間隙而流動，所以能夠防止金屬基板14面內(nèi)的冷卻性能顯著下降。另外，利用墊片22能夠使引入口25e與散熱片17之間的冷卻液的流動以及散熱片17與排出口25f之間的冷卻液的流動順暢地進行。因此利用墊片22能夠容易地適當調(diào)整冷卻器21內(nèi)的冷卻液的流速分布，提高冷卻性能。另外，由于具備墊片22，因此在制作冷卻殼體25時，無需通過拉深加工的高加工使冷卻殼體25的引入口25e和出口部25d附近的側(cè)壁25b位于散熱片17的角部附近。因此，能夠使冷卻殼體25小型化，另外，由于拉深加工以低加工度完成，因此能夠以拉深加工的金屬模具數(shù)少的方式完成，降低制造成本。

如從實施方式1～實施方式2所理解的那樣，可以不考慮冷卻器的入口部和出口部的位置而具備墊片。應予說明，雖然對于實施方式1～實施方式2中示出的冷卻器中的任一個而言，引入口和排出口形成在冷卻器的底面，但引入口和排出口的位置不限于冷卻器的底面，也可以形成在冷卻器的側(cè)面。

另外，冷卻器的入口部和出口部的位置不限于實施方式1～實施方式2中示出的情形，例如可以將冷卻器設(shè)為在冷卻殼體的相對置的長邊方向上的一邊的中央部具有該入口部和該出口部。

(比較例)

作為比較例，使用圖9～圖12對以往的冷卻器進行說明。在圖9中以分解立體圖所示出的冷卻器100具備金屬基板14、與金屬基板14的背面接合的冷卻殼體115、以及作為散熱器的散熱片17，但不具備墊片。金屬基板14和散熱片17與之前在實施方式1中所說明的金屬基板和散熱片一樣，因此省略詳細的說明。冷卻殼體115具備底壁115a和側(cè)壁115b，并具有與實施方式1的冷卻殼體15大致相同的形狀和結(jié)構(gòu)。

如在圖10中以俯視圖所示出的那樣，冷卻殼體115具有入口部115c和出口部115d。在入口部115c具有引入口115e，在出口部115d具有排出口115f。在冷卻殼體115，入口部115c與出口部115d之間的側(cè)壁115b成為接近散熱片17那樣的曲面。如在圖11中示出入口部115c和出口部115d附近的部分俯視圖那樣，入口部115c與出口部115d之間的側(cè)壁115b通過拉深加工而制作，因此為了成為接近散熱片17那樣的曲面，在制作時需要高加工度的拉深加工。因此，需要拉深加工的金屬模具數(shù)多，導致了制造成本的增加。

在圖12中，示出利用低加工度的拉深加工制作入口部115c與出口部115d之間的側(cè)壁115b而成的冷卻器的入口部115c和出口部115d附近的部分俯視圖。對圖12中示出的冷卻器而言，為了通過低加工度的拉深加工制作出入口部115c與出口部115d之間的側(cè)壁115b，散熱片17與側(cè)壁115b之間的間隙g大，冷卻液穿過該間隙g直接從入口部115c流向出口部115d，冷卻器100內(nèi)的冷卻液的壓力分布混亂，結(jié)果冷卻性能降低。

通過圖5～圖6中示出的實施方式1的冷卻器10與圖9～圖12中示出的以往的冷卻器100之間的對比，實施方式1的冷卻器10的效果明顯。具體來說，由于通過墊片20填埋了散熱片17與側(cè)壁15b之間的間隙，因此即使通過低加工度的拉深加工來制作入口部15c與出口部15d之間的側(cè)壁15b，也能夠?qū)⒗鋮s液的壓力分布維持在良好的狀態(tài)。另外，由于能夠通過低加工度的拉深加工制作，因此能夠降低制造成本。

以上，使用附圖對本發(fā)明的功率半導體模塊等的實施方式進行了說明，但本發(fā)明的功率半導體模塊等不限于各實施方式和附圖中的記載，當然可以在不脫離本發(fā)明的宗旨的范圍內(nèi)進行多種變形。