CN113892172A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

对半导体装置所具有的多个有源元件均匀地进行冷却。第1多个有源元件、第2多个有源元件以及无源元件分别配置于第1方向的第1范围、第2范围以及第3范围。第3范围位于第1范围与第2范围之间。在冷却套的开口部收容针式鳍片。开口部在第2方向的下游侧端部具有第1出口以及第2出口。第1出口以及第2出口分别配置于第1范围以及第2范围。冷却套在第2方向的下游侧端部具有分流壁。分流壁配置于第3范围。冷却套在底面具有冷媒导入槽。冷媒导入槽配置于第3范围，从第2方向的上游侧端部延伸至第1多个有源元件以及第2多个有源元件的在第2方向上的配置范围的中途。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体装置。
背景技术
水冷型功率模块具有冷却器以及多个半导体元件。在冷却器处流动冷媒。多个半导体元件通过在冷却器处流动的冷媒而得到冷却。
就水冷型功率模块而言，为了有效地对多个半导体元件进行冷却，提出了各种冷却器的构造。
例如，在专利文献1所记载的技术中，设置阻止冷媒绕过散热鳍片组而流动的障碍板(第0070段)。由此，能够提高功率模块的冷却性能(第0070段)。
另外，在专利文献2所记载的技术中，通过电路基板的中央部的凸的部分而使水冷套变形(第0039段)。由此，位于电路基板的中央部处的部分的水冷套的流路变窄，因此该部分的流速变快(第0039段)。由此，能够提高功率模块的散热性(第0039段)。
专利文献1：日本特开2013-13255号公报
专利文献2：日本特开2007-266224号公报
发明内容
但是，就以往的水冷型功率模块而言，用于对在冷媒流的上游侧配置的半导体元件进行冷却而成为了高温的冷媒被用于对在冷媒流的下游侧配置的半导体元件进行冷却。因此，后者的半导体元件的温度比前者的半导体元件的温度高。由此，多个半导体元件的寿命产生波动。该问题在进行高负载通电的情况下变得特别显著。
本发明就是鉴于这些问题而提出的。本发明要解决的课题是对半导体装置所具有的多个有源元件均匀地进行冷却。
半导体装置具有带针式鳍片基座板、第1多个有源元件、第2多个有源元件、无源元件以及冷却套。
带针式鳍片基座板具有基座板以及针式鳍片。基座板具有第1主面以及第2主面。第2主面位于与第1主面所在侧相反侧。
在第1主面之上配置第1多个有源元件、第2多个有源元件以及无源元件。针式鳍片与第2主面结合。
第1方向以及第2方向与第1主面平行。第2方向与第1方向垂直。
第1多个有源元件、第2多个有源元件以及无源元件分别配置于第1方向的第1范围、第2范围以及第3范围。第3范围位于第1范围与第2范围之间。第1多个有源元件沿第2方向排列。第2多个有源元件沿第2方向排列。
冷却套具有开口部。在开口部收容针式鳍片。
在本发明的第1方式中，开口部在第2方向的下游侧端部具有第1出口以及第2出口。第1出口以及第2出口分别配置于第1范围以及第2范围。另外，冷却套在第2方向的下游侧端部具有分流壁。分流壁配置于第3范围，配置于第1出口与第2出口之间。
在本发明的第2方式中，开口部在第2方向的上游侧端部具有入口。另外，冷却套具有底面。底面隔着开口部而与第2主面相对。另外，冷却套在底面具有冷媒导入槽。冷媒导入槽配置于第3范围，从第2方向的上游侧端部延伸至第1多个有源元件以及第2多个有源元件的在第2方向上的配置范围的中途。
发明的效果
根据本发明的第1方式，在第1方向的第1范围以及第2范围形成沿第2方向流过开口部的下游部而从开口部流出的冷媒流，在第1方向的第3范围没有形成这样的冷媒流。因此，沿第2方向在开口部的下游部流过的冷媒流的流速变快。由此，能够对在第2方向的下游侧配置的有源元件有效地进行冷却。因此，能够对半导体装置所具有的多个有源元件均匀地进行冷却。
根据本发明的第2方式，在形成流过开口部的下游部而从开口部流出的冷媒流时，使由流过冷媒导入槽的冷媒流形成并保持低温的冷媒流合流。由此，能够对在第2方向的下游侧配置的有源元件有效地进行冷却。因此，能够对半导体装置所具有的多个有源元件均匀地进行冷却。
本发明的目的、特征、方案以及优点通过以下的详细说明和附图变得更清楚。
附图说明
图1是示意性地图示实施方式1的半导体装置的分解斜视图。
图2是示意性地图示实施方式1的半导体装置所具有的半导体模块的俯视图。
图3是示意性地图示实施方式1的半导体装置所具有的冷却套以及O型环的斜视图。
图4是示意性地图示实施方式1的半导体装置所具有的冷却套以及O型环的一部分的斜视图。
图5是示意性地图示实施方式1的半导体装置所具有的冷却套以及O型环的一部分，以及在实施方式1的半导体装置的内部形成的冷媒流的俯视图。
具体实施方式
1实施方式1
1.1半导体装置
图1是示意性地图示实施方式1的半导体装置的分解斜视图。
图1所图示的实施方式1的半导体装置1是带冷却套的半导体模块。
半导体装置1具有半导体模块11、冷却套12、O型环13以及螺钉14。
半导体模块11具有带针式鳍片基座板101、第1多个有源元件102、第2多个有源元件103以及多个无源元件104。另外，半导体模块11具有安装螺孔111。带针式鳍片基座板101具有基座板121以及针式鳍片122。第1多个有源元件102、第2多个有源元件103以及多个无源元件104配置于基座板121的第1主面121a之上。针式鳍片122与基座板121的第2主面121b结合。第2主面121b位于与第1主面121a所在侧相反侧。
冷却套12具有安装螺孔131、开口部132以及O型环槽133。安装螺孔131、开口部132以及O型环槽133配置于冷却套12的安装面12a。在安装螺孔131的内表面形成有螺钉槽。O型环槽133沿开口部132的外周而配置。在开口部132中流动冷媒。
O型环13被收容于O型环槽133。螺钉14将安装螺孔111贯通，与安装螺孔131螺合。由此，半导体模块11隔着O型环13而安装于冷却套12的安装面12a。O型环13将从开口部132经由半导体模块11与冷却套12之间的间隙而到达至半导体装置1外部的路径堵塞。由此，流过开口部132的冷媒被封住。
在半导体模块11被安装于冷却套12的安装面12a的状态下，针式鳍片122被收容于开口部132。由此，针式鳍片122被浸入至流过开口部132的冷媒。由此，由第1多个有源元件102、第2多个有源元件103以及多个无源元件104产生的热依次经由基座板121以及针式鳍片122而传导至流过开口部132的冷媒。传导来的热通过从开口部132流出的冷媒流而被传递至半导体装置1的外部。由此，第1多个有源元件102、第2多个有源元件103以及多个无源元件104通过冷媒而得到冷却。
1.2半导体模块
图2是示意性地图示实施方式1的半导体装置所具有的半导体模块的俯视图。
图2所图示的半导体模块11是6合1的半导体模块。因此，由第1多个有源元件102以及第2多个有源元件103构成的有源元件组包含6个通断用的半导体元件。半导体模块11也可以是6合1的半导体模块以外的半导体模块。半导体模块11被安装于电力转换装置。电力转换装置是逆变器等。半导体模块11也可以安装于电力转换装置以外的装置。
第1多个有源元件102、第2多个有源元件103以及多个无源元件104与基座板121的第1主面121a接合。用于将第1多个有源元件102、第2多个有源元件103以及多个无源元件104接合于基座板121的第1主面121a的接合纵向构造不受限制。
第1多个有源元件102具有有源元件102U、102V以及102W。第2多个有源元件103具有有源元件103U、103V以及103W。多个无源元件104具有无源元件104PU、104PV、104PW、104NU、104NV以及104NW。
有源元件102U、102V以及102W分别是U相、V相以及W相的上桥臂侧的开关元件。有源元件103U、103V以及103W分别是U相、V相以及W相的下桥臂侧的开关元件。开关元件是绝缘栅型双极晶体管(IGBT)。开关元件也可以是IGBT以外的开关元件。例如，开关元件可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。无源元件104PU、104PV以及104PW分别是U相、V相以及W相的上桥臂侧的续流二极管。无源元件104NU、104NV以及104NW分别是U相、V相以及W相的下桥臂侧的续流二极管。
多个无源元件104配置于第1主面121a的中央部。第1多个有源元件102以及第2多个有源元件103配置于第1主面121a的周边部。因此，第1多个有源元件102配置于与基座板121的第1主面121a平行的第1方向X的第1范围R1。另外，第2多个有源元件103配置于第1方向X的第2范围R2。多个无源元件104配置于位于第1范围R1与第2范围R2之间的第1方向X的第3范围R3。
构成第1多个有源元件102的有源元件102U、102V以及102W沿与基座板121的第1主面121a平行且与第1方向X垂直的第2方向Y直线状地排列。构成第2多个有源元件103的有源元件103U、103V以及103W沿第2方向Y直线状地排列。构成多个无源元件104的无源元件104PU、104PV以及104PW沿第2方向Y直线状地排列。构成多个无源元件104的无源元件104NU、104NV以及104NW沿第2方向Y直线状地排列。
U相的有源元件102U、有源元件103U、无源元件104PU以及无源元件104NU沿第1方向X直线状地排列。V相的有源元件102V、有源元件103V、无源元件104PV以及无源元件104NV沿第1方向X直线状地排列。W相的有源元件102W、有源元件103W、无源元件104PW以及无源元件104NW沿第1方向X直线状地排列。
对第1多个有源元件102、第2多个有源元件103以及多个无源元件104进行冷却的冷媒沿从配置U相的有源元件102U、有源元件103U、无源元件104PU以及有源元件103U的位置起，经由配置V相的有源元件102V、有源元件103V、无源元件104PV以及有源元件103V的位置而朝向配置W相的有源元件102W、有源元件103W、无源元件104PW以及有源元件103W的位置的冷媒流方向D流动。
1.3冷却套
图3是示意性地图示实施方式1的半导体装置所具有的冷却套以及O型环的斜视图。图4是示意性地图示实施方式1的半导体装置所具有的冷却套以及O型环的一部分的斜视图。图4所图示的冷却套以及O型环的一部分相当于从图3所图示的冷却套以及O型环将图3中描绘的虚线部分去除后的部分。
冷却套12如图3及图4所图示的那样，具有流入路径141以及流出路径142。开口部132具有入口150、第1出口151以及第2出口152。流入路径141具有流入口153。流出路径142具有流出口154。流入口153以及流出口154配置于冷却套12的表面。
流入路径141以及流出路径142沿第2方向Y延伸。开口部132在第2方向Y的上游侧端部具有入口150。开口部132在第2方向Y的下游侧端部具有第1出口151以及第2出口152。
流入路径141从流入口153到达入口150。流出路径142从第1出口151以及第2出口152到达流出口154。由此，通过流入口153而流入至流入路径141的冷媒流过流入路径141而到达入口150，通过入口150而流入开口部132。流入开口部132的冷媒流过开口部132而到达第1出口151以及第2出口152，通过第1出口151以及第2出口152而从开口部132流出。从开口部132流出的冷媒流过流出路径142而到达流出口154，通过流出口154而从流出路径142流出。
冷却套12的底面12b隔着开口部132而与基座板121的第2主面121b相对。冷却套12的底面12b在基座板121的厚度方向上与基座板121的第2主面121b分离。冷却套12具有底面凸起161。底面凸起161具有底面12b，将底面12b抬高至针式鳍片122的前端的配置位置。
冷却套12在底面12b具有冷媒导入槽171。冷媒导入槽171配置于第1方向X的第3范围R3。冷媒导入槽171从开口部132的第2方向Y的上游侧端部延伸至第1多个有源元件102以及第2多个有源元件103的在第2方向Y上的配置范围R(参照图2)的中途。
第1出口151配置于第1方向X的第1范围R1。第2出口152配置于第1方向X的第2范围R2。冷却套12在开口部132的第2方向Y的下游侧端部具有分流壁12c。分流壁12c配置于第1方向X的第3范围R3。分流壁12c将从冷却套12的底面12b至基座板121的第2主面121b为止堵塞。分流壁12c配置于第1出口151与第2出口152之间，将第1出口151以及第2出口152彼此隔开。
1.4冷媒流
图5是示意性地图示实施方式1的半导体装置所具有的冷却套以及O型环的一部分，以及在实施方式1的半导体装置的内部形成的冷媒流的俯视图。
图5所图示的流过流入路径141的低温的冷媒流A形成流过开口部132的上游部181以及中游部182的冷媒流B1以及B2，形成流过冷媒导入槽171的冷媒流C1。冷媒流B1形成于第1方向X的第1范围R1。冷媒流B2形成于第1方向X的第2范围R2。冷媒流B1、B2以及C1从第2方向Y的上游侧向第2方向Y的下游侧行进。
冷媒流C1在开口部132的中游部182处从冷媒导入槽171流出，形成流过开口部132的中游部182的冷媒流C2、C3以及C4。冷媒流C2、C3以及C4形成于第1方向X的第3范围R3。冷媒流C2一边从第2方向Y的上游侧向第2方向Y的下游侧行进一边从第1方向X的第3范围R3流向第1方向X的第1范围R1。冷媒流C3一边从第2方向Y的上游侧向第2方向Y的下游侧行进一边从第1方向X的第3范围R3流向第1方向X的第2范围R2。冷媒流C4从第2方向Y的上游侧向第2方向Y的下游侧行进。
冷媒流C4碰触分流壁12c而形成流过开口部132的下游部183的冷媒流C5以及C6。冷媒流C5以及C6形成于第1方向X的第3范围R3。冷媒流C5从第1方向X的第3范围R3向第1方向X的第1范围R1行进。冷媒流C5从第1方向X的第3范围R3向第1方向X的第2范围R2行进。
冷媒流B1、C2以及C5合流，形成流过开口部132的下游部183，通过第1出口151而从开口部132流出的冷媒流D1。冷媒流B2、C3以及C6合流，形成流过开口部132的下游部183，通过第1出口152而从开口部132流出的冷媒流D2。冷媒流D1形成于第1方向X的第1范围R1。冷媒流D2形成于第1方向X的第2范围R2。冷媒流D1以及D2从第2方向Y的上游侧向第2方向Y的下游侧行进。
冷媒流B1在有源元件102U以及102V之下流过。冷媒流B1吸收由有源元件102U以及102V产生的热，成为高温。冷媒流B2在有源元件103U以及103V之下流过。冷媒流B2吸收由有源元件103U以及103V产生的热，成为高温。
冷媒流C1没有在有源元件102U、102V、103U以及103V之下流过而是在多个无源元件104之下流过，保持低温。因此，由冷媒流C1形成的冷媒流C2、C3、C4、C5以及C6保持低温。
冷媒流D1在有源元件102W之下流过。冷媒流D1吸收由有源元件102W产生的热。冷媒流D2在有源元件103W之下流过。冷媒流D2吸收由有源元件103W产生的热。
根据实施方式1的发明，在第1方向X的第1范围R1以及第2范围R2形成沿第2方向Y流过开口部132的下游部183而从开口部132流出的冷媒流D1以及D2，在第1方向X的第3范围R3没有形成这样的冷媒流。因此，对在第2方向Y的下游侧配置的有源元件102W以及103W进行冷却的冷媒流D1以及D2的流速变快。由此，能够降低在第2方向Y的下游侧配置的有源元件102W以及103W的热阻Rth(j_w)，能够对有源元件102W以及103W有效地进行冷却。即，能够缓和有源元件102W以及103W的温度的上升。因此，能够对半导体装置1所具有的多个有源元件102U、102V、102W、103U、103V以及103W均匀地进行冷却。
另外，根据实施方式1的发明，在形成流过开口部132的下游部183，对有源元件102W以及103W进行冷却而从开口部132流出的冷媒流D1以及D2时，使由流过冷媒导入槽171的冷媒流C1形成且保持低温的冷媒流C2、C3、C5以及C6合流。因此，对在第2方向Y的下游侧配置的有源元件102W以及103W进行冷却的冷媒流D1以及D2的温度变低。由此，能够对在第2方向Y的下游侧配置的有源元件102W以及有源元件103W有效地进行冷却。因此，能够对半导体装置1所具有的多个有源元件102U、102V、102W、103U、103V以及103W均匀地进行冷却。
因此，就实施方式1的半导体装置1而言，通过分流壁12c以及冷媒导入槽171的相辅相成效应，从而能够对半导体装置1所具有的多个有源元件102U、102V、102W、103U、103V以及103W均匀地进行冷却。由此，能够抑制多个有源元件102U、102V、102W、103U、103V以及103W的温度的波动，能够提高半导体装置1的可靠性。
冷媒导入槽171使在冷媒导入槽171之上流过的冷媒流的流速变慢。但是，从冷媒导入槽171之上流过的冷媒流在不产生大量的热的多个无源元件104之下流过，因而，在冷媒导入槽171之上流过的冷媒流的流速变慢这一点不会给多个有源元件102U、102V、102W、103U、103V以及103W的冷却带来大的影响。
此外，可以根据有源元件以及无源元件的数量、位置、形状等而变更冷媒导入槽171的数量、位置、形状等，也可以变更出口151以及152的数量、位置、形状等。
此外，本发明能够在本发明的范围内对实施方式适当地进行变形、省略。
对本发明详细进行了说明，但上述说明在所有方面均为例示，本发明不限定于此。可以理解为在不脱离该发明的范围的情况下能够想到未例示出的无数的变形例。
标号的说明
1半导体装置，11半导体模块，12冷却套，12b底面，12c分流壁，101带针式鳍片基座板，102第1多个有源元件，103第2多个有源元件，104多个无源元件，121基座板，122针式鳍片，121a第1主面，121b第2主面，X第1方向，Y第2方向，R1第1范围，R2第2范围，R3第3范围，R配置范围，150入口，151第1出口，152第2出口，171冷媒导入槽。

Claims (3)

1.一种半导体装置(1)，其具有：
带针式鳍片基座板(101)，其具有基座板(121)和针式鳍片(122)，该基座板(121)具有第1主面(121a)、位于与所述第1主面(121a)所在侧相反侧的第2主面(121b)，该针式鳍片(122)与所述第2主面(121b)结合；
第1多个有源元件(102)，其配置于所述第1主面(121a)之上，配置于与所述第1主面(121a)平行的第1方向(X)的第1范围(R1)，沿与所述第1主面(121a)平行且与所述第1方向(X)垂直的第2方向(Y)排列；
第2多个有源元件(103)，其配置于所述第1主面(121a)之上，配置于所述第1方向(X)的第2范围(R2)，沿所述第2方向(Y)排列；
无源元件(104)，其配置于所述第1主面(121a)之上，配置于位于所述第1范围(R1)与所述第2范围(R2)之间的所述第1方向(X)的第3范围(R3)；以及
冷却套(12)，其具有开口部(132)，该开口部(132)***述针式鳍片(122)，该开口部在所述第2方向(Y)的下游侧端部具有配置于所述第1范围(R1)的第1出口(151)、以及配置于所述第2范围(R2)的第2出口(152)，该冷却套(12)在所述开口部(132)的所述第2方向(Y)的下游侧端部具有分流壁(12c)，该分流壁(12c)配置于所述第3范围(R3)且配置于所述第1出口(151)与所述第2出口(152)之间。
2.一种半导体装置(1)，其具有：
带针式鳍片基座板(101)，其具有基座板(121)和针式鳍片(122)，该基座板(121)具有第1主面(121a)、位于与所述第1主面(121a)所在侧相反侧的第2主面(121b)，该针式鳍片(122)与所述第2主面(121b)结合；
第1多个有源元件(102)，其配置于所述第1主面(121a)之上，配置于与所述第1主面(121a)平行的第1方向(X)的第1范围(R1)，沿与所述第1主面(121a)平行且与所述第1方向(X)垂直的第2方向(Y)排列；
第2多个有源元件(103)，其配置于所述第1主面(121a)之上，配置于所述第1方向(X)的第2范围(R2)，沿所述第2方向(Y)排列；
无源元件(104)，其配置于所述第1主面(121a)之上，配置于位于所述第1范围(R1)与所述第2范围(R2)之间的所述第1方向(X)的第3范围(R3)；以及
冷却套(12)，其具有开口部(132)，该开口部(132)***述针式鳍片(122)，该开口部在所述第2方向(Y)的上游侧端部具有入口(150)，该冷却套(12)具有隔着所述开口部(132)而与所述第2主面(121b)相对的底面(12b)，该冷却套(12)在所述底面(12b)具有冷媒导入槽(171)，该冷媒导入槽(171)配置于所述第3范围(R3)，从所述开口部(132)的所述第2方向(Y)的上游侧端部延伸至所述第1多个有源元件(102)以及所述第2多个有源元件(103)的在所述第2方向上的配置范围(R)的中途。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置(1)，其中，
所述第1多个有源元件(102)是U相、V相以及W相的上桥臂侧的开关元件，
所述第2多个有源元件(103)是U相、V相以及W相的下桥臂侧的开关元件，
所述无源元件(104)是U相、V相以及W相的上桥臂侧以及下桥臂侧的续流二极管。
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