JP4985382B2

JP4985382B2 - 半導体冷却構造

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Publication number: JP4985382B2
Application number: JP2007330283A
Authority: JP
Inventors: 光徳木村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: JP2009152455A

Description

本発明は、半導体素子と該半導体素子に直接的又は間接的に密着配置された冷却管とを有する半導体冷却構造に関する。

例えば、インバータ等の電力変換装置には、複数の半導体素子が配設され、該半導体素子に大きな電力が流れるよう構成されている。そのため、半導体素子の温度上昇を防ぐべく、半導体素子を冷却するための冷却媒体を流通させる冷却管を、半導体素子に密着配置した構造がある。

かかる半導体冷却構造において、特に半導体素子を配置した部分における冷却効率を高めるべく、以下に示すごとく種々の構成が提案されている。
例えば、特許文献１には、半導体素子を接触配置した部分における冷却管の冷媒流路を絞って、当該部分における冷却媒体の流速を上げることにより、半導体素子の冷却効率を上げる旨が開示されている。

また、特許文献２には、半導体素子を接触配置した部分における冷却管の冷媒流路にフィンを設け、半導体素子の中心部に近づくほどフィンの長さを長くする構成が開示されている。
また、特許文献３には、半導体素子を接触配置した部分における冷却管の冷媒流路に波型のウェーブフィンを設けて、当該部分の冷却効率を上げる旨が開示されている。

これらの従来技術は何れも、半導体素子を接触配置した部分における冷却管の冷媒流路に、冷却効率を上げる構造を設けたものである。

特開２００５−４５０２７号公報特開２００３−８２６４号公報特開２００７−２０１１８１号公報

しかしながら、上記のごとく半導体素子の配設位置における冷媒流路の部分にフィン等を配置した場合、半導体素子の冷却効率の観点では、必ずしも効果的であるとはいえない。すなわち、上記のような構成の場合、実際には、冷却媒体は、フィンに衝突した後、乱れを生じて下流側へ移動することにより、フィンから下流側にずれた位置において、冷却媒体と冷却管との熱交換効率が高くなる。
また、冷却媒体がフィンに衝突した後、冷却媒体は、フィンから剥離した状態で流れ、その下流位置において初めてフィンの表面に沿って流れることとなる。
それ故、フィンの形成位置を半導体素子の配設位置と一致させるよりは、半導体素子よりも上流側に配置した方が、半導体素子の冷却効率を向上させることができる。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、半導体素子の冷却効率に優れた半導体冷却構造を提供しようとするものである。

第１の発明は、半導体素子と該半導体素子に直接的又は間接的に密着配置された冷却管とを有する半導体冷却構造において、
上記冷却管は、内部の上流から下流に冷却媒体を流通させる冷媒流路を有し、
該冷媒流路には、上流から下流に向かって流れる上記冷却媒体の流れに対して乱流を形成することにより、上記冷却管のうちの上記半導体素子が密着する部分の冷却効率を向上させるための複数の対応フィンからなる対応フィン群を、上記半導体素子に対応して設けてなり、
上記対応フィン群の中心は、該対応フィン群に対応する上記半導体素子の中心よりも、上記冷媒流路の上流側に配されており、
上記対応フィン群は、上記冷媒流路の上流側に位置する端部である上流端を、対応する上記半導体素子における上記冷媒流路の上流側に位置する端部である上流端よりも上流側に配置し、上記冷媒流路の下流側に位置する端部である下流端を、対応する上記半導体素子における上記冷媒流路の下流側に位置する端部である下流端よりも上流側に配置していることを特徴とする半導体冷却構造にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上述のごとく、冷却媒体を流通させる冷却管において、フィンの存在する位置そのものよりも、フィンの下流側の位置の方が冷却効率が高くなる。そこで、上記半導体冷却構造においては、上記対応フィン群の中心が、該対応フィン群に対応する上記半導体素子の中心よりも、上記冷媒流路の上流側に配されている。これにより、対応フィン群から下流側にずれた位置における冷却効率の高くなる部分に半導体素子を配置することとなり、半導体素子の冷却効率を向上させることができる。

また、対応フィン群の中心が半導体素子の中心よりも上流側に配されるということは、両者の中心を揃える場合に比べて、対応フィン群の下流端を上流側へ移動させることができる。また、半導体素子の下流端付近に対応フィンを設けても、半導体素子の冷却効率の向上には、大きく寄与しない。そのため、対応フィン群の下流端を上流側へ移動させることができることにより、半導体素子の冷却効率を低下させることなく、冷却媒体の圧力損失を低減することができる。その結果、全体として、半導体素子の冷却効率を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、半導体素子の冷却効率に優れた半導体冷却構造を提供することができる。

参考発明は、半導体素子と該半導体素子に直接的又は間接的に密着配置された冷却管とを有する半導体冷却構造において、
上記冷却管は、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路を有し、
該冷媒流路には、上記冷却管のうちの上記半導体素子が密着する部分の冷却効率を向上させるための複数の対応フィンからなる対応フィン群を、上記半導体素子に対応して設けてなり、
上記対応フィン群の上流端及び下流端は、それぞれ、該対応フィン群に対応する上記半導体素子の上流端及び下流端よりも、上記冷媒流路の上流側に配されていることを特徴とする半導体冷却構造にある。

次に、参考発明の作用効果につき説明する。
上述のごとく、冷却媒体を流通させる冷却管において、フィンの存在する位置そのものよりも、フィンの下流側の位置の方が冷却効率が高くなる。そこで、上記半導体冷却構造においては、上記対応フィン群の上流端及び下流端が、それぞれ該対応フィン群に対応する上記半導体素子の上流端及び下流端よりも、上記冷媒流路の上流側に配されている。これにより、対応フィン群から下流側にずれた位置における冷却効率の高くなる部分に半導体素子を配置することとなり、半導体素子の冷却効率を向上させることができる。

また、対応フィン群の下流端が半導体素子の下流端よりも上流側に配置することにより、半導体素子の冷却効率を低下させることなく、冷却媒体の圧力損失を低減することができる。

以上のごとく、参考発明によれば、半導体素子の冷却効率に優れた半導体冷却構造を提供することができる。

本発明（請求項１）において、上記半導体素子は、一本の冷却管に対して一個接触配置されていてもよいし、複数個接触配置されていてもよい。一本の冷却管に対して複数個の半導体素子が接触配置されている場合には、それぞれの半導体素子に対応して、上記対応フィン群が形成される。
また、上記半導体素子は、上記冷却管に直接接触配置されていてもよいし、ヒートシンク等の熱伝導性に優れた部材を介して間接的に冷却管に密着配置されていてもよい。

本発明（請求項１）において、上記対応フィン群の上流端及び下流端は、それぞれ、該対応フィン群に対応する上記半導体素子の上流端及び下流端よりも、上記冷媒流路の上流側に配されている。
これにより、より確実に、半導体素子の冷却効率に優れた半導体冷却構造を得ることができる。

本発明（請求項１）において、上記冷媒流路は、上記対応フィン以外に、上記冷却媒体の流通方向に沿ったストレートフィンを有することが好ましい（請求項２）。
この場合には、伝熱面積を大きくすることで、半導体素子の冷却効率を向上させることができる。

また、上記対応フィンは、上記冷却媒体の流通方向に沿った直線形状を有し、上記ストレートフィンよりも短いフィンとすることができる（請求項３）。
この場合にも、半導体素子の冷却効率を向上させることができる。

また、上記対応フィンは、上記ストレートフィンに対してオフセット配置されていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記対応フィンにおいて、冷却媒体の乱流を形成しやすく、半導体素子の冷却効率をより向上させることができる。

また、上記ストレートフィンは、複数本並列に形成されており、上記対応フィンは、隣り合う上記ストレートフィンの間に配設されていてもよい（請求項５）。
この場合にも、半導体素子の冷却効率を向上させることができる。

また、上記対応フィンは、ピン形状を有するものであってもよい（請求項６）。
この場合にも、半導体素子の冷却効率を向上させることができる。
上記ピン形状としては、例えば、円柱形状、角柱形状等がある。

また、上記対応フィン群は、その中心から遠い位置に配された上記対応フィンよりも、中心に近い位置に配された上記対応フィンの方が細かいことが好ましい（請求項７）。
この場合には、半導体素子において発熱量が大きくなりやすい中心部分の冷却効率をより向上させることができる。

また、上記対応フィン群は、その中心から遠い位置よりも中心に近い位置における上記対応フィンの配設ピッチを小さくしてなることが好ましい（請求項８）。
この場合にも、半導体素子において発熱量が大きくなりやすい中心部分の冷却効率をより向上させることができる。

（実施例１）
本発明の実施例に係る半導体冷却構造につき、図１、図２を用いて説明する。
本例の半導体冷却構造１は、図１、図２に示すごとく、半導体素子２と該半導体素子２に直接的又は間接的に密着配置された冷却管３とを有する。冷却管３は、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路３１を有する。

冷媒流路３１には、冷却管３のうちの半導体素子２が密着する部分の冷却効率を向上させるための複数の対応フィン４からなる対応フィン群４０を、半導体素子２に対応して設けてなる。
対応フィン群４０の中心は、該対応フィン群４０に対応する半導体素子２の中心よりも、冷媒流路３１の上流側に配されている。
なお、図１、図２において、矢印Ｆは、冷却媒体の流通方向を示す。他図における矢印Ｆも同様である。

また、対応フィン群４０の上流端４１及び下流端４２は、それぞれ、該対応フィン群４０に対応する半導体素子２の上流端２１及び下流端２２よりも冷媒流路３１の上流側に配されている。
一つの冷却管３には、２個の半導体モジュール２が、図２に示すごとくヒートシンク１１を介して密着している。これら２個の半導体モジュール２は、冷媒流路３１に沿って配置されており、一方の半導体モジュール２が他方の半導体モジュール２の下流側に配置されている。そして、これら２個の半導体モジュール２のそれぞれに対応して、上記対応フィン群４０が、冷媒流路４０に形成されている。

また、図１に示すごとく、冷媒流路３１は、対応フィン４０以外に、冷却媒体の流通方向Ｆに沿ったストレートフィン３２を有する。すなわち、冷却管３の冷媒流路３１には、上述のごとく２箇所に対応フィン群４０が形成されており、この２箇所の対応フィン群４０の間、上流側の対応フィン４０の上流側、及び下流側の対応フィン４０の下流側に、それぞれ、複数のストレートフィン３２が並列配置されている。
なお、本例においては、下流側のストレートフィン３２はヒートシンク１１の下流端よりも下流側まで延設されているが、ストレートフィン３２の下流端をヒートシンク１１の下流端に合わせて、流路抵抗を極力小さくすることも考えられる。

対応フィン４も、冷却媒体の流通方向Ｆに沿った直線形状を有する。そして、対応フィン４は、ストレートフィン３１よりも短いフィンである。
また、対応フィン４は、ストレートフィン３１に対してオフセット配置されている。
また、各対応フィン群４０において、冷媒流路の幅方向に並列された複数の対応フィン４の列が、複数列形成されている。本例においては、この対応フィン４の列は３列形成されている。そして、上下流に隣り合う列の対応フィン４同士は、互いにオフセット配置されている。

上記半導体素子２としては、たとえば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ダイオード等がある。
また、冷却管３は、たとえば、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属又は合金からなる。また、対応フィン４、ストレートフィン３２、ヒートシンク１１も、たとえば、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属又は合金からなる。

また、冷却媒体としては、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等の冷媒等を用いることができる。
また、本例の半導体冷却構造１は、たとえば、インバータ等の電力変換装置の一部に用いることができる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
本例の半導体冷却構造１においては、対応フィン群４０の中心が、該対応フィン群４０に対応する半導体素子２の中心よりも、冷媒流路３１の上流側に配されている。また、対応フィン群４０の上流端４１及び下流端４２は、それぞれ、該対応フィン群４０に対応する半導体素子２の上流端２１及び下流端２２よりも、冷媒流路３１の上流側に配されている。これにより、対応フィン群４０から下流側にずれた位置における冷却効率の高くなる部分に半導体素子２を配置することとなり、半導体素子２の冷却効率を向上させることができる。

また、対応フィン群４０の下流端４２が半導体素子２の下流端２２よりも上流側に配置することにより、半導体素子２の冷却効率を低下させることなく、冷却媒体の圧力損失を低減することができる。
すなわち、仮に半導体素子２の下流端２１付近に対応フィン４を設けても、半導体素子２の冷却効率の向上には、大きく寄与しない。そのため、対応フィン群４０の下流端４１を上流側へ移動させることができることにより、半導体素子２の冷却効率を低下させることなく、冷却媒体の圧力損失を低減することができる。その結果、全体として、半導体素子２の冷却効率を向上させることができる。

また、冷媒流路３１は、上記ストレートフィン３２を有するため、冷却媒体を整流して、半導体素子２の冷却効率を向上させることができる。
また、対応フィン４は、ストレートフィン３２に対してオフセット配置されているため、対応フィン４において、冷却媒体の乱流を形成しやすく、半導体素子２の冷却効率をより向上させることができる。

以上のごとく、本例によれば、半導体素子の冷却効率に優れた半導体冷却構造を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図３に示すごとく、ピン形状を有する対応フィン４を用いた半導体冷却構造１の例である。
本例においては、円柱状のピンを対応フィン４として多数形成することにより、対応フィン群４０を構成してある。また、これらの対応フィン４は、冷却媒体の流通方向Ｆに対して千鳥配置されている。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合にも、半導体素子２の冷却効率を向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図４に示すごとく、ストレートフィン３２を複数本並列に形成し、対応フィン４を隣り合うストレートフィン３の間に配設した、半導体冷却構造１の例である。

ストレートフィン３２は、冷却管３の冷媒流路３１における上流側から下流側まで連続して形成されており、対応フィン群４０の２箇所の形成箇所において、隣り合うストレートフィン３２の間に、それぞれ対応フィン４を一本ずつ形成してある。各対応フィン群４０における隣り合うストレートフィン３２の間に配される対応フィン４は、必ずしも一本ずつではなく、二本以上に分割して冷却媒体の流通方向Ｆに並べてもよいし、冷媒流路３１の幅方向に並列配置してもよい。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合にも、半導体素子２の冷却効率を向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、図５に示すごとく、対応フィン群４０の中心から遠い位置に配された対応フィン４よりも、中心に近い位置に配された対応フィン４を細かくした例である。

本例においては、対応フィン群４０における、冷却媒体の流通方向Ｆの中心となる部分に、３列、細かい対応フィン４ａを配置し、その上流側と下流側とに、それぞれ１列の粗い対応フィン４ｂを配置してある。これらの対応フィン４は、いずれも実施例１と同様に、直線状のフィンであって、ストレートフィン３２よりも短いが、ストレートフィン３２とは略同等の幅を有する。したがって、細かい対応フィン４ａは、その長さが短く、粗い対応フィン４ｂは、細かい対応フィン４ｂに比べて長く形成されている。
また、隣り合う列の対応フィン４同士は、互いにオフセット配置されている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、半導体素子２において発熱量が大きくなりやすい中心部分の冷却効率をより向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例５）
本例は、図６に示すごとく、対応フィン群４０の中心から遠い位置よりも中心に近い位置における対応フィン４の配設ピッチを小さくした例である。

本例においては、対応フィン群４０における、冷却媒体の流通方向Ｆの中心となる部分に、その幅方向に１列、円柱形状の対応フィン４ｃを形成し、その上流側と下流側とに、それぞれ１列ずつ対応フィン４ｄ、４ｅを、中央の一列との間のピッチを狭くした状態で形成してある。また、上記対応フィン４ｄの更に上流側に、対応フィン４ｄとの間のピッチを大きくして一列の対応フィン４ｆが形成されている。また、上記対応フィン４ｅの下流側に、対応フィン４ｅとの間のピッチを大きくして、一列の対応フィン４ｇを配置してある。
対応フィン４ｃ〜４ｇは、すべて同形状であって同じ大きさを有する。
その他は、実施例２と同様である。

本例の場合にも、半導体素子２において発熱量が大きくなりやすい中心部分の冷却効率をより向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例６）
本例は、図７に示すごとく、実施例３と同様にストレートフィン３２を複数本冷却媒体の流通方向Ｆに沿って形成してなると共に、隣り合うストレートフィン３２の間に、ストレートフィン３２に平行な中間フィン３３を設け、更に、中間フィン３３とストレートフィン３２との間に、これらに平行な対応フィン４を設けた例である。

中間フィン３３は、その中心を、２個の半導体素子２の中間点よりも上流側に配置してなると共に、２個の半導体素子２の上流側から下流側に至る位置まで形成されている。
また、対応フィン４は、上流側の半導体素子２と下流側の半導体素子２とのそれぞれに対応するように、複数本ずつ配設されている。すなわち、上流側の半導体素子２に対応する対応フィン群４０が、並列する複数の上流側の対応フィン４によって構成され、下流側の半導体素子２に対応する対応フィン群４０も、並列する複数の下流側の対応フィン４によって形成されている。
その他は、実施例１と同様である。

なお、上記実施例１〜６においては、ヒートシンク１１を半導体素子２と冷却管３との間に介在させた例を示したが、半導体素子２を冷却管３に直接接触配置することもできる。
また、上記実施例１〜６においては、半導体素子２の一方の主面に冷却管３を密着配置した例を示したが、半導体素子２の一対の主面に冷却管３を密着配置し、半導体素子２を両面から冷却する構造とすることもできる。

実施例１における、半導体冷却構造の説明図であって、図２のＡ−Ａ線矢視断面相当の冷却管と半導体素子との位置関係を示す説明図。実施例１における、冷却管の主面に垂直でかつ冷媒流路に平行な断面による断面説明図。実施例２における、半導体冷却構造の説明図。実施例３における、半導体冷却構造の説明図。実施例４における、半導体冷却構造の説明図。実施例５における、半導体冷却構造の説明図。実施例６における、半導体冷却構造の説明図。

符号の説明

１半導体冷却構造
２半導体素子
２１上流端
２２下流端
３冷却管
３１冷媒流路
４対応フィン
４０対応フィン群
４１上流端
４２下流端

Claims

半導体素子と該半導体素子に直接的又は間接的に密着配置された冷却管とを有する半導体冷却構造において、
上記冷却管は、内部の上流から下流に冷却媒体を流通させる冷媒流路を有し、
該冷媒流路には、上流から下流に向かって流れる上記冷却媒体の流れに対して乱流を形成することにより、上記冷却管のうちの上記半導体素子が密着する部分の冷却効率を向上させるための複数の対応フィンからなる対応フィン群を、上記半導体素子に対応して設けてなり、
上記対応フィン群の中心は、該対応フィン群に対応する上記半導体素子の中心よりも、上記冷媒流路の上流側に配されており、
上記対応フィン群は、上記冷媒流路の上流側に位置する端部である上流端を、対応する上記半導体素子における上記冷媒流路の上流側に位置する端部である上流端よりも上流側に配置し、上記冷媒流路の下流側に位置する端部である下流端を、対応する上記半導体素子における上記冷媒流路の下流側に位置する端部である下流端よりも上流側に配置していることを特徴とする半導体冷却構造。
請求項１において、上記冷媒流路は、上記対応フィン以外に、上記冷却媒体の流通方向に沿ったストレートフィンを有することを特徴とする半導体冷却構造。
請求項２において、上記対応フィンは、上記冷却媒体の流通方向に沿った直線形状を有し、上記ストレートフィンよりも短いフィンであることを特徴とする半導体冷却構造。
請求項３において、上記対応フィンは、上記ストレートフィンに対してオフセット配置されていることを特徴とする半導体冷却構造。
請求項３において、上記ストレートフィンは、複数本並列に形成されており、上記対応フィンは、隣り合う上記ストレートフィンの間に配設されていることを特徴とする半導体冷却構造。
請求項２において、上記対応フィンは、ピン形状を有することを特徴とする半導体冷却構造。
請求項１〜６のいずれか一項において、上記対応フィン群は、その中心から遠い位置よりも中心に近い位置における上記対応フィンを細かくしてなることを特徴とする半導体冷却構造。
請求項１〜７のいずれか一項において、上記対応フィン群は、その中心から遠い位置よりも中心に近い位置における上記対応フィンの配設ピッチを小さくしてなることを特徴とする半導体冷却構造。