JP2015159149A - 冷却装置及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒流路形成部材同士の位置決め機能を実現しつつ、フィン間を通る冷媒の流量を増加すること。
【解決手段】冷却装置は、凹部を備える第１冷媒流路形成部材と、千鳥配置された複数のピンフィンを備え、前記複数のピンフィンが前記凹部内に配置されるように前記第１冷媒流路形成部材に対向して設けられ、前記第１冷媒流路形成部材と協動して冷媒流路部を形成する第２冷媒流路形成部材と、前記第１冷媒流路形成部材における第１方向の一端側に設けられる冷媒入口と、前記第１冷媒流路形成部材における前記第１方向の他端側に設けられる冷媒出口と、前記第１冷媒流路形成部材の凹部の側壁であって、前記第１方向に延在する側壁に形成され、前記第１方向に交差する第２方向に突出して前記所定のピンフィンの外周面に当接する突出部とを含む。
【選択図】図４

Description

本開示は、冷却装置及び半導体装置に関する。

従来から、ヒートシンクのフィン間を通るように冷媒を流す冷却構造が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開2012‐222327号公報 特開2013‐99214号公報

ところで、この種の冷却構造では、最も外側のフィンとケースとの間には隙間があり、この隙間は、抵抗が少ない。従って、この隙間を通る冷媒は、各フィンの間を通る冷媒よりも、流量が大きくなる傾向がある。

また、上記の特許文献１や特許文献２においては、ヒートシンク（ベースプレート）とケース（冷却路構成部材）との間の位置決め機能については考慮されていない。

そこで、本開示は、冷媒流路形成部材同士の位置決め機能を実現しつつ、フィン間を通る冷媒の流量を増加することができる冷却装置及び半導体装置の提供を目的とする。

本開示の一局面によれば、凹部を備える第１冷媒流路形成部材と、
千鳥配置された複数のピンフィンを備え、前記複数のピンフィンが前記凹部内に配置されるように前記第１冷媒流路形成部材に対向して設けられ、前記第１冷媒流路形成部材と協動して冷媒流路部を形成する第２冷媒流路形成部材と、
前記第１冷媒流路形成部材における第１方向の一端側に設けられる冷媒入口と、
前記第１冷媒流路形成部材における前記第１方向の他端側に設けられる冷媒出口と、
前記第１冷媒流路形成部材の凹部の側壁であって、前記第１方向に延在する側壁に形成され、前記第１方向に交差する第２方向に突出して前記所定のピンフィンの外周面に当接する突出部とを含む、冷却装置が提供される。

本開示によれば、冷媒流路形成部材同士の位置決め機能を実現しつつ、フィン間を通る冷媒の流量を増加することができる冷却装置等が得られる。

一実施例による半導体装置１を概略的に示す斜視図である。 ケースのない状態である半導体装置１を概略的に示す斜視図である。 ケース７０を上側から視た斜視図である。 半導体装置１を上面視で概略的に示す平面図である。 突出部７４０による冷媒の流れ規制機能の説明図である。 各変形例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。

図１は、一実施例による半導体装置１を概略的に示す斜視図である。図２は、ケースのない状態である半導体装置１を概略的に示す斜視図であり、（Ａ）は、上側を示し、（Ｂ）は、下側を示す。

尚、半導体装置１の上下方向は、半導体装置１の搭載状態に応じて上下方向が異なるが、以下では、便宜上、図１のＺ方向における半導体チップ１０Ａ，１０Ｂが存在する側を“上側”とする。

半導体装置１は、例えば、ハイブリッド車又は電気自動車で使用されるモータ駆動用のインバータを構成するものであってよい。以下では、半導体装置１は、モータ駆動用のインバータであるとして説明する。

半導体装置１は、図１に示すように、半導体チップ１０Ａ，１０Ｂと、ヒートスプレッダ２０と、絶縁層３０と、ヒートシンク４０と、ケース７０とを含む。

半導体チップ１０Ａ，１０Ｂは、例えば、インバータの各アームを形成し、図１に示すように、３相に対応して、６組設けられる。半導体チップ１０Ａは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）からなる半導体チップであり、半導体チップ１０Ｂは、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）からなる半導体チップである。半導体チップ１０Ａは、ＩＧＢＴに代えて、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field‐Effect Transistor)のような他のスイッチング素子を含んでもよい。半導体チップ１０Ａ，１０Ｂは、それぞれヒートスプレッダ２０上に半田（図示せず）により接合される。

ヒートスプレッダ２０は、半導体チップ１０Ａ，１０Ｂのそれぞれの組に対応して設けられる。ヒートスプレッダ２０は、それぞれ半導体チップ１０Ａ，１０Ｂで発生する熱を吸収し拡散する部材である。ヒートスプレッダ２０は、例えば銅、アルミなどの熱拡散性の優れた金属から形成される。

絶縁層３０は、樹脂接着剤や樹脂シートから構成されてよい。絶縁層３０は、例えばアルミナをフィラーとした樹脂で形成されてもよい。絶縁層３０は、図１に示すように、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０の間に設けられ、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０に接合する。絶縁層３０は、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０との間の電気的な絶縁性を確保しつつ、ヒートスプレッダ２０からヒートシンク４０への高い熱伝導性を確保する。

ヒートシンク４０は、熱伝導性の良い材料から形成され、例えば、アルミなどの金属により形成される。ヒートシンク４０は、上述の如く、上面がヒートスプレッダ２０に接合される。ヒートシンク４０は、図２に示すように、下面側にフィン４２を備える。フィン４２は、図２（Ｂ）に示すように、ピンフィンである。フィン４２は、千鳥配置される。即ち、各フィン４２は、３つの隣接するフィン４２の中心を結ぶと正三角形（又は二等辺三角形）になるように配置される。尚、ヒートシンク４０は、２つ以上の部材で構成されてもよい。例えば、ヒートシンク４０は、第１の金属板と、フィン４２を備えた第２の金属板とを結合して構成されてもよい。

ケース７０は、ヒートシンク４０と協動して冷媒流路を形成する。尚、ケース７０及びヒートシンク４０は、半導体チップ１０Ａ，１０Ｂを冷却するための冷却装置の一例である。冷却装置の構成の詳細は後述する。

図３は、ケース７０を上側から視た斜視図である。

ケース７０は、インバータ専用のケースであってもよいし、駆動ユニット（例えば遊星歯車機構やモータ等）のケースであってもよい。ケース７０は、例えばアルミの鋳造により形成される。

ケース７０は、図３に示すように、上側が開口する凹部７２を含む。凹部７２は、図３に示すように、略矩形断面の空間を形成する。凹部７２は、図３に示すように、略平らな底面を有する。但し、凹部７２は、底面に段差等を有してもよい。

ケース７０は、ヒートシンク４０と協動して、冷媒流路部７２０を形成する。即ち、ヒートシンク４０が図１に示すようにケース７０に取り付けられた状態では、ケース７０の凹部７２とヒートシンク４０の下面との間に冷媒流路部７２０が形成される。冷媒流路部７２０には、フィン４２が配置されることになる。即ち、ヒートシンク４０が図１に示すようにケース７０に取り付けられた状態では、凹部７２内にはフィン４２が配置されることになる。フィン４２の先端は、凹部７２の底面から離間される。尚、ヒートシンク４０の下面とケース７０の外周部７４の上面との間には、シール部材（図示せず）が設けられてよい。尚、以下では、“内側”及び“外側”は、冷媒流路部７２０の中心Ｃ（図１参照）を基準として、中心Ｃに近い側を“内側”とし、遠い側を“外側”とする。

ケース７０には、冷媒流路部７２０におけるフィン４２が存在する範囲において冷媒が実質的にＸ方向に流れるように冷媒入口７３０及び冷媒出口７３２が形成される。尚、実際には、冷媒流路部７２０における冷媒の流れは、全体の概略的流れとしてＸ方向となる。しかしながら、冷媒流路部７２０における冷媒は、ヒートシンク４０のフィン４２の間や、ヒートシンク４０のフィン４２とケース７０の側壁７２６，７２８との隙間を通りながら、多様な方向で流れる。また、冷媒流路部７２０における冷媒の流れは、全体として斜め方向（例えば、対角位置に設けられる冷媒入口から冷媒出口に向かう斜め方向）となる場合もある。

具体的には、ケース７０におけるＸ方向の一端側には、冷媒入口７３０が形成される。冷媒入口７３０は、冷媒流路部７２０に通じる開口であり、ケース７０におけるＸ方向の一端側における任意の個所に設けられてもよい。例えば、図３に示す例では、冷媒入口７３０は、凹部７２におけるＸ方向の一端側の側壁７２４に形成される横長の開口であるが、凹部７２におけるＸ方向の一端側の底面に形成される開口であってもよいし、凹部７２におけるＸ方向の一端側の、Ｙ方向の側壁７２６又は７２８に形成される開口であってもよい。また、冷媒入口７３０の開口の形状等についても任意である。

ケース７０におけるＸ方向の他端側には、冷媒出口７３２が形成される。冷媒出口７３２は、冷媒流路部７２０に通じる開口であり、ケース７０におけるＸ方向の他端側における任意の個所に設けられてもよい。例えば、図３に示す例では、冷媒出口７３２は、凹部７２におけるＸ方向の他端側の側壁７２３に形成される横長の開口であるが、凹部７２におけるＸ方向の他端側の底面に形成される開口であってもよいし、凹部７２におけるＸ方向の他端側の、Ｙ方向の側壁７２６又は７２８に形成される開口であってもよい。また、冷媒出口７３２の開口の形状等についても任意である。

ケース７０における凹部のＹ方向の側壁７２６及び７２８には、突出部７４０が形成される。突出部７４０は、Ｘ方向に交差する方向、即ちＹ方向内側に向かって突出する。尚、凹部のＹ方向の側壁７２６及び７２８は、図３に示すように、突出部７４０以外の部位は平面状に形成されてよい。突出部７４０は、好ましくは、冷媒流路部７２０の高さ方向（Ｚ方向）の全体にわたって延在する。即ち、突出部７４０は、好ましくは、凹部の底面から、ケース７０の外周部７４の上面まで延在する。突出部７４０は、典型的には、等断面であるが、Ｚ方向の異なる位置で異なる断面を有してもよい。突出部７４０は、図３に示すように、中心ＣよりもＸ方向で冷媒出口７３２に近い側（即ち中心Ｃよりも下流側）に設けられてよい。尚、側壁７２６及び７２８のそれぞれの突出部７４０は、中心Ｃを通るＸ方向に平行な線を含む面に関して対称な構成であってよい。

図４は、半導体装置１を上面視で概略的に示す平面図であり、（Ａ）は、全体図であり、（Ｂ）は、Ｐ部の拡大図である。図４においては、フィン４２と突出部７４０との関係を示す目的のため、内部が透視で示されている。また、図４（Ｂ）における点線は、説明用の点線であり、構成を表す点線ではない。また、図４（Ｂ）においては、見易さのための都合上、突出部７４０の領域が斜線にてハッチングされている。また、図４においては、半導体チップ１０Ａ、１０Ｂは、これらの設置領域をわかり易く示す目的のため、なし地にてハッチングされている。

突出部７４０は、図４（Ｂ）に示すように、複数のフィン４２のうちの特定のフィンの外周面に当接する。図４（Ｂ）に示す例では、突出部７４０は、フィン４２Ａ及び４２Ｂの各外周面に当接する。この際、突出部７４０は、フィン４２Ａ及び４２Ｂを介してヒートシンク４０のＸ方向及びＹ方向の変位を規制する態様でフィン４２Ａ及び４２Ｂの各外周面に当接する。即ち、突出部７４０は、フィン４２Ａ及び４２Ｂと協動して、ヒートシンク４０とケース７０との間の位置決め機能を果たす。

図４に示す例では、突出部７４０におけるフィン４２Ａ及び４２Ｂとの当接面は、フィン４２Ａ及び４２Ｂの各外周面に対応した湾曲形状を有する。図４に示す例では、突出部７４０におけるフィン４２Ａとの当接面は、フィン４２Ａの外周面のＹ方向外側全体（１８０度以上）に当接し、突出部７４０におけるフィン４２Ｂとの当接面は、フィン４２Ｂの外周面のＹ方向外側一部に当接する。図４に示す例では、突出部７４０は、フィン４２Ａ及び４２Ｂ以外の近傍のフィン４２Ｃ，４２Ｄ及び４２Ｅに対しては、フィン４２Ｃ，４２Ｄ及び４２Ｅの各径方向で距離Ｌ１だけ離間するように形成される。尚、図４（Ｂ）には、フィン４２Ｃ，４２Ｄ及び４２Ｅの各径方向で距離Ｌ１だけ離れた位置が、点線にて示されている。

突出部７４０は、図４（Ｂ）に示すように、上面視で半導体チップ１０Ａの設置領域と重ならない範囲に延在する。即ち、突出部７４０は、図４（Ｂ）に示すように、上面視で半導体チップ１０Ａの下方の範囲までは突出しない。尚、図４に示す例では、突出部７４０は、上面視で半導体チップ１０Ａの設置領域の縁部まで延在するが、半導体チップ１０Ａの設置領域の縁部の手前で終端してもよい。

尚、図４に示すように、凹部のＹ方向の側壁７２６及び７２８は、突出部７４０以外の部位においては、フィン４２から離間される。即ち、凹部のＹ方向の側壁７２６及び７２８は、突出部７４０以外の部位においては、フィン４２の外周面と接触しない。凹部のＹ方向の側壁７２６及び７２８は、突出部７４０以外の部位においては、最も近いフィン４２に対してＹ方向で所定距離Ｌ以上離される。所定距離Ｌは、製造公差や組み付け公差等を考慮して決定されてよい。尚、図４に示す例では、所定距離Ｌは、フィン４２間の距離Ｌ１に一致するが、典型的には、フィン４２間の距離Ｌ１よりも長く設定される。

図５は、突出部７４０による冷媒の流れ規制機能の説明図であり、（Ａ）は、突出部７４０の無い比較構成を示し、（Ｂ）は、図４（Ｂ）に示した構成（本実施例）を示す。

突出部７４０の無い比較構成では、図５（Ａ）にて矢印Ｑ１で模式的に示すように、ケース７０’の側壁とＹ方向で最も外側のフィン４２との間の隙間を冷媒が流れてしまい、半導体チップ１０Ａ、１０Ｂの下方のフィン４２間を通る冷媒の流量が低下するという問題がある。

これに対して、本実施例によれば、図５（Ｂ）にて矢印Ｑ１及びＱ２で模式的に示すように、ケース７０の側壁７２６とＹ方向で最も外側のフィン４２との間の隙間を流れる冷媒は、突出部７４０により流れが規制され、Ｙ方向内側へと向かう。これにより、図５（Ｂ）にて矢印Ｑ２で模式的に示すように、冷媒は、フィン４２間を流れることになり、半導体チップ１０Ａ、１０Ｂの下方のフィン４２間を通る冷媒の流量が比較例に比べて増加する。これにより、半導体チップ１０Ａ、１０Ｂの冷却を効率を高めることができる。

以上説明した本実施例の半導体装置１の冷却装置によれば、とりわけ、以下のような効果が奏される。

本実施例によれば、ケース７０の側壁７２６に突出部７４０を形成することで、ケース７０の側壁７２６とＹ方向で最も外側のフィン４２との間の隙間を流れる冷媒の流量を低減し、フィン４２間を通る冷媒の流量を増加することができる。これにより、半導体チップ１０Ａ、１０Ｂの冷却を効率を高めることができる。

また、本実施例によれば、上述の如く、突出部７４０は、フィン４２Ａ及び４２Ｂと協動して、ヒートシンク４０とケース７０との間の位置決め機能を果たすことができる。このように、本実施例によれば、突出部７４０に、冷媒の流れを規制する機能と共に位置決め機能を持たせることができる。これにより、別途、位置決め用の構成を設ける必要性を低減することができる。

また、本実施例によれば、突出部７４０は、フィン４２Ａ及び４２Ｂ以外の近傍のフィン４２Ｃ，４２Ｄ及び４２Ｅに対しては、フィン４２Ｃ，４２Ｄ及び４２Ｅの各径方向で距離Ｌ１だけ離間するように形成される。これにより、これらのフィン４２Ｃ，４２Ｄ及び４２Ｅを介した放熱能力を低減することなく、位置決め機能及び冷媒流れを規制する機能を実現することができる。但し、後述の如く、突出部７４０の構成は多種多様に変更可能である。

また、本実施例によれば、突出部７４０は、フィン４２Ａ及び４２Ｂの外周面の全周には当接せず、フィン４２Ａ及び４２Ｂの外周面の一部のみに当接するので、フィン４２Ａ及び４２Ｂを介した放熱機能を部分的に確保することができる。但し、変形例では、突出部７４０は、フィン４２Ａ及び／又はフィン４２Ｂの外周面の全周に亘って当接してもよい（即ち、円筒状の穴を突出部７４０に形成してもよい）。

また、本実施例によれば、突出部７４０は、上面視で半導体チップ１０Ａの設置領域まで突出するので、半導体チップ１０Ａの下方のフィン４２間を通る冷媒の流量を効率的に増加することができる。また、突出部７４０は、上面視で半導体チップ１０Ａの設置領域と重ならない範囲に延在するので、半導体チップ１０Ａの直下のフィン４２を介した放熱機能を阻害してしまうことを低減することができる。但し、変形例では、突出部７４０は、上面視で半導体チップ１０Ａの設置領域と重なる範囲に延在してもよい。

尚、本実施例において、突出部７４０は、図４に示した構成に限られず、上述したように位置決め機能と共に冷媒流れを規制する機能を備える限り、他の構成であってもよい。例えば、図４に示す例において、突出部７４０は、フィン４２Ｂの中心よりもフィン４２Ｅ側の部位は省略されてもよい。また、図６（Ａ）に示すケース７０Ａのように、突出部７４２は、フィン４２Ａ，４２Ｃ及び４２Ｄに当接する円筒状（側壁７２６側が切除）の形態であってもよい。この場合も、突出部７４２は、フィン４２Ａ，４２Ｃ及び４２Ｄと協動して、ヒートシンク４０のＸ方向及びＹ方向の変位を規制することができる。また、突出部７４２は、ケース７０の側壁７２６とＹ方向で最も外側のフィン４２との間の隙間を流れる冷媒の流量を低減し、フィン４２間を通る冷媒の流量を増加することができる。また、図６（Ｂ）に示すケース７０Ｂのように、突出部７４４は、フィン４２Ａ，４２Ｃ及び４２Ｄに当接する円筒状（側壁７２６側が切除）と、フィン４２Ａ，４２Ｂ及び４２Ｅに当接する円筒状（側壁７２６側が切除）との組合せの形態であってもよい。このとき、突出部７４４は、フィン４２Ａの外周面に対しては比較的大きい周範囲で当接する。この場合も、突出部７４４は、フィン４２Ａ乃至４２Ｅと協動して、ヒートシンク４０のＸ方向及びＹ方向の変位を規制することができる。また、突出部７４４は、ケース７０の側壁７２６とＹ方向で最も外側のフィン４２との間の隙間を流れる冷媒の流量を低減し、フィン４２間を通る冷媒の流量を増加することができる。

以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。

例えば、上述した実施例では、突出部７４０（突出部７４２，７４４についても同様）は、図４に示すように、Ｘ方向で半導体チップ１０Ａが配置される領域に形成されているが、Ｘ方向で半導体チップ１０Ｂが配置される領域に形成されてもよいし、Ｘ方向で半導体チップ１０Ａ及び半導体チップ１０Ｂが配置される領域に形成されてもよいし、Ｘ方向で半導体チップ１０Ａ及び半導体チップ１０Ｂ間の領域に形成されてもよい。

また、上述した実施例では、突出部７４０（突出部７４２，７４４についても同様）は、Ｙ方向の側壁７２６及び７２８のそれぞれに１か所ずつ形成されているが、側壁７２６及び７２８のそれぞれに２か所以上ずつ形成されてもよい。

また、上述した実施例では、冷媒流路部７２０を形成するケース７０は、ケースとしての機能を有さない部材により置換されてもよい。

また、上述の実施例では、半導体装置１は、車両用のインバータに適用されるものであったが、半導体装置１は、他の用途（鉄道、エアコン、エレベータ、冷蔵庫等）で使用されるインバータに使用されてもよい。更に、半導体装置１は、インバータ以外の装置、例えば、コンバータや、無線通信機の送信部の電力増幅回路に使用される高周波パワーモジュールに使用されてもよい。

１ 半導体装置
１０Ａ，１０Ｂ 半導体チップ
２０ ヒートスプレッダ
３０ 絶縁層
４０ ヒートシンク
４２ フィン
７０，７０Ａ，７０Ｂ ケース
７２ 凹部
７２０ 冷媒流路部
７２６，７２８ 側壁
７３０ 冷媒入口
７３２ 冷媒出口
７４０，７４２，７４４ 突出部

Claims (4)

1. 凹部を備える第１冷媒流路形成部材と、
   千鳥配置された複数のピンフィンを備え、前記複数のピンフィンが前記凹部内に配置されるように前記第１冷媒流路形成部材に対向して設けられ、前記第１冷媒流路形成部材と協動して冷媒流路部を形成する第２冷媒流路形成部材と、
   前記第１冷媒流路形成部材における第１方向の一端側に設けられる冷媒入口と、
   前記第１冷媒流路形成部材における前記第１方向の他端側に設けられる冷媒出口と、
   前記第１冷媒流路形成部材の凹部の側壁であって、前記第１方向に延在する側壁に形成され、前記第１方向に交差する第２方向に突出して前記所定のピンフィンの外周面に当接する突出部とを含む、冷却装置。
2. 前記突出部は、前記所定のピンフィンと協動して、前記第１冷媒流路形成部材に対する前記第２冷媒流路形成部材の前記第１方向及び前記第２方向における相対移動を規制する、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記凹部の前記第１方向に延在する側壁は、前記突出部を除いて、平面状であり、該平面状の部分は、面直方向で、前記複数のピンフィンに対して所定距離以上離れている、請求項１又は２に記載の冷却装置。
4. 請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の冷却装置と、
   前記第２冷媒流路形成部材における前記複数のピンフィンが形成される側とは逆側に設けられる半導体素子とを備え、
   前記突出部は、前記凹部の底面に対する面直視で前記半導体素子の設置領域と重ならない範囲に延在する、半導体装置。

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