JP6662242B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本明細書が開示する技術は、半導体チップを封止した半導体モジュールと、その半導体モジュールに隣接している冷却器を備えている半導体装置に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor device including a semiconductor module in which a semiconductor chip is sealed and a cooler adjacent to the semiconductor module.
半導体チップを封止した半導体モジュールに冷却器が接している半導体装置が知られている。冷却器の半導体モジュールに接している側板の裏面の側に液体冷媒が流れる冷媒流路が設けられている（例えば特許文献１−３）。特許文献１、２に開示された半導体装置は、複数の冷却器が並列に配置されており、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールが挟まれている。半導体モジュールはその両面から冷却される。また、特許文献１、３の半導体装置では、冷却器の半導体モジュールと接している側板の裏面（冷媒流路に暴露している面）に、複数のピンフィンが設けられている。特に、特許文献１の半導体装置では、冷却器の両側の側板の裏面からピンフィンが延びており、ピンフィンの先端面同士が対向している。一方、特許文献３の半導体装置では、冷媒の流れ方向の最上流側のピンフィンのうち、流れ方向からみて両側のピンフィンが他のピンフィンよりも断面積が大きい。また、特許文献２の半導体装置では、冷却器の冷媒流路の側面（冷媒の流れ方向と、半導体モジュールと冷却器の積層方向の双方に交差する方向における側面）が、冷媒の流れ方向に沿って波状に湾曲している。冷却器は薄い金属板で作られており、側面を波状にすることで強度が向上する。 2. Description of the Related Art A semiconductor device in which a cooler is in contact with a semiconductor module in which a semiconductor chip is sealed is known. A coolant flow path through which a liquid coolant flows is provided on the back surface side of the side plate in contact with the semiconductor module of the cooler (for example, Patent Documents 1-3). In the semiconductor devices disclosed in Patent Literatures 1 and 2, a plurality of coolers are arranged in parallel, and a semiconductor module is sandwiched between adjacent coolers. The semiconductor module is cooled from both sides. Further, in the semiconductor devices of Patent Documents 1 and 3, a plurality of pin fins are provided on the back surface (the surface exposed to the coolant flow path) of the side plate in contact with the semiconductor module of the cooler. In particular, in the semiconductor device of Patent Document 1, pin fins extend from the back surfaces of the side plates on both sides of the cooler, and the tip surfaces of the pin fins face each other. On the other hand, in the semiconductor device of Patent Document 3, of the pin fins on the most upstream side in the flow direction of the refrigerant, the pin fins on both sides have a larger cross-sectional area than the other pin fins when viewed from the flow direction. Further, in the semiconductor device of Patent Document 2, the side surface of the refrigerant flow path of the cooler (the side surface in the direction intersecting both the flow direction of the refrigerant and the lamination direction of the semiconductor module and the cooler) extends along the flow direction of the refrigerant. It is wavy. The cooler is made of a thin metal plate, and the strength is improved by waving the sides.
冷却器は、半導体モジュールの中の半導体チップを冷却する。従って、冷媒流路において半導体チップと対向する範囲に冷媒を集中させたい。一方、冷媒流路に均一にピンフィンが分布していると、冷媒流路の両側（半導体モジュールと接している側板の法線方向と冷媒の流れ方向の両方に交差する方向における両側）に無駄に冷媒が流れる。複数のピンフィンを備える冷却器が半導体チップを封止した半導体モジュールに接している半導体装置において、半導体チップと対向する範囲に冷媒を集中させる技術が望まれている。 The cooler cools a semiconductor chip in the semiconductor module. Therefore, it is desired to concentrate the refrigerant in a region facing the semiconductor chip in the refrigerant channel. On the other hand, if the pin fins are evenly distributed in the refrigerant flow path, both sides of the refrigerant flow path (both sides in the direction intersecting both the normal direction of the side plate in contact with the semiconductor module and the flow direction of the refrigerant) are wasted. Coolant flows. In a semiconductor device in which a cooler having a plurality of pin fins is in contact with a semiconductor module in which a semiconductor chip is sealed, a technique for concentrating a coolant in a region facing the semiconductor chip is desired.
本明細書が開示する半導体装置は、半導体チップを封止した半導体モジュールと、半導体モジュールと隣接している冷却器を備えている。冷却器は、以下の特徴を備える。冷却器は、半導体モジュールに接している側板の裏面側に、側板に平行に液体冷媒が流れる冷媒流路が設けられている。また、側板の裏面（冷媒流路に暴露している面）に複数のピンフィンが設けられている。また、冷媒の流れ方向におけるピンフィン群の先頭部分において、冷却器の側板の法線方向と冷媒の流れ方向の双方に直交する方向（以下、「横手方向」と称する）の両端部分における複数のピンフィンの冷媒流路に占める割合が、中央部分における複数のピンフィンの冷媒流路に占める割合よりも大きくなっている。さらに、流れ方向における半導体チップと対向する範囲では、複数のピンフィンが千鳥配置されているとともに、横手方向の夫々の側面（流路の側面）が、横手方向で側面に最も近いピンフィンと側面との距離が一定となるように、冷媒の流れ方向に沿って波打つように湾曲している。なお、半導体チップは冷媒流路の横手方向における中央部分と対向するように半導体モジュールに封止されている。 The semiconductor device disclosed in this specification includes a semiconductor module in which a semiconductor chip is sealed, and a cooler adjacent to the semiconductor module. The cooler has the following features. The cooler is provided with a refrigerant flow path through which a liquid refrigerant flows in parallel with the side plate on the back surface side of the side plate in contact with the semiconductor module. Further, a plurality of pin fins are provided on the back surface of the side plate (the surface exposed to the coolant flow path). Further, at the leading end of the pin fin group in the flow direction of the refrigerant, a plurality of pin fins at both end portions in a direction perpendicular to both the normal direction of the side plate of the cooler and the flow direction of the refrigerant (hereinafter referred to as “lateral direction”). Of the plurality of pin fins in the central portion of the refrigerant flow path. Further, in a range facing the semiconductor chip in the flow direction, the plurality of pin fins are arranged in a staggered manner, and each side surface (side surface of the flow path) in the lateral direction is formed between the pin fin and the side surface closest to the side surface in the lateral direction. It is curved so as to undulate along the flow direction of the refrigerant so that the distance is constant. Note that the semiconductor chip is sealed in the semiconductor module so as to face a central portion in the lateral direction of the coolant channel.
以下、説明の便宜上、複数のピンフィンの冷媒流路に占める割合をピンフィンの空間占有率と表記する。上記の冷却器では、ピンフィン群の先頭部分において、冷媒流路の両端部分のピンフィンの空間占有率が中央部分のピンフィンの空間占有率よりも大きい。そのようなピンフィンの配置により、半導体チップと対向する範囲より上流側では、冷媒流路の両端部分の流路抵抗が中央部分の流路抵抗よりも大きくなる。その結果、冷媒流路の中央部分（即ち、半導体チップと対向する部分）に冷媒が集中する。さらに、半導体チップと対向する部分では複数のピンフィンを千鳥配置することで冷媒の乱流化を促進し、ピンフィンによる冷却効率を高める。一方、ピンフィンを千鳥配置すると、冷媒流路の横手方向の側面とピンフィンとの間に隙間の大きい箇所が生じ、側面に近い側の冷媒流量が多くなり、中央部分の冷媒流量が減少してしまう。そこで、上記の冷却器では、冷媒流路の横手方向の夫々の側面を、横手方向でその側面に最も近いピンフィンとその側面との距離が一定となるように冷媒流れ方向に沿って波打つように湾曲させる。側面の湾曲により、中央部分と側面に近い部分で冷媒の流れが一様になり、中央部分における冷媒流の減少が抑えられる。上流側でのピンフィンの空間占有率の分布と半導体チップと対向する部分での側面の波打ち湾曲が、半導体チップと対向する範囲へ冷媒を集中させる。その結果、半導体チップの冷却効率が向上する。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。 Hereinafter, for convenience of description, the ratio of the plurality of pin fins to the refrigerant flow path is referred to as the space occupancy of the pin fins. In the above-described cooler, at the head of the pin fin group, the space occupancy of the pin fins at both ends of the refrigerant flow path is larger than the space occupancy of the pin fin at the center. Due to such an arrangement of the pin fins, the flow path resistance at both ends of the refrigerant flow path becomes larger than the flow path resistance at the center part on the upstream side of the range facing the semiconductor chip. As a result, the refrigerant concentrates on the central portion of the refrigerant channel (that is, the portion facing the semiconductor chip). Further, by arranging a plurality of pin fins in a staggered manner in a portion facing the semiconductor chip, turbulence of the coolant is promoted, and cooling efficiency by the pin fins is increased. On the other hand, when the pin fins are arranged in a staggered manner, a portion having a large gap is formed between the side surface in the lateral direction of the refrigerant flow path and the pin fin, the refrigerant flow rate near the side surface increases, and the refrigerant flow rate in the central portion decreases. . Therefore, in the above-described cooler, each side surface in the lateral direction of the refrigerant flow path is wavy along the refrigerant flow direction such that the distance between the pin fin closest to the side surface in the lateral direction and the side surface is constant. Curve. Due to the curvature of the side surface, the flow of the refrigerant is uniform in the central portion and the portion close to the side surface, and a decrease in the refrigerant flow in the central portion is suppressed. The distribution of the space occupancy of the pin fins on the upstream side and the wavy curvature of the side surface at the portion facing the semiconductor chip concentrates the refrigerant in the area facing the semiconductor chip. As a result, the cooling efficiency of the semiconductor chip is improved. The details and further improvements of the technology disclosed in this specification will be described in the following “Detailed description of the invention”.
図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。図１に、半導体装置２の斜視図を示す。半導体装置２は、複数のトランジスタチップを内蔵しており、例えば直流電力を３相交流電力に変換するインバータの主要部として用いられる。 A semiconductor device according to an embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a perspective view of the semiconductor device 2. The semiconductor device 2 has a plurality of built-in transistor chips and is used, for example, as a main part of an inverter that converts DC power into three-phase AC power.
半導体装置２は、複数の樹脂筐体１０が積層された構造を有している。樹脂筐体１０の内部構造の詳しい説明は後述する。ここでは樹脂筐体１０の概要を説明する。各樹脂筐体１０は、内部に２個のトランジスタチップを備えているとともに、図のＸ方向に延びる２個の貫通孔を備えている。複数の樹脂筐体１０の積層体の端は、前端カバー３１と後端カバー３２で塞がれている。前端カバー３１には冷媒供給口３３と冷媒排出口３４が設けられている。冷媒供給口３３は、半導体装置２の内部でＸ方向からみて一方の貫通孔と重なっており、冷媒排出口３４は、半導体装置２の内部でＸ方向からみて他方の貫通孔と重なっている。冷媒供給口３３から供給される冷媒は一方の貫通孔を通じて各樹脂筐体１０に分配される。冷媒は樹脂筐体１０の内部を通過している間にトランジスタチップの熱を奪い、他方の貫通孔を通じ、冷媒排出口３４から排出される。冷媒は液体であり、典型的には、水、あるいは、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。 The semiconductor device 2 has a structure in which a plurality of resin housings 10 are stacked. A detailed description of the internal structure of the resin housing 10 will be described later. Here, an outline of the resin housing 10 will be described. Each resin housing 10 has two transistor chips inside and two through holes extending in the X direction in the drawing. The ends of the laminated body of the plurality of resin housings 10 are closed by a front end cover 31 and a rear end cover 32. The front end cover 31 is provided with a refrigerant supply port 33 and a refrigerant discharge port 34. The coolant supply port 33 overlaps with one through hole when viewed from the X direction inside the semiconductor device 2, and the coolant discharge port 34 overlaps with the other through hole when viewed from the X direction inside the semiconductor device 2. The coolant supplied from the coolant supply port 33 is distributed to each resin housing 10 through one of the through holes. The refrigerant takes heat of the transistor chip while passing through the inside of the resin housing 10 and is discharged from the refrigerant discharge port 34 through the other through hole. The refrigerant is a liquid, and is typically water or LLC (Long Life Coolant).
各樹脂筐体１０の外側面から３個のパワー端子３ａ、３ｂ、３ｃと、複数の制御端子４が延びている。２個のトランジスタチップは、樹脂筐体１０の内部で直列に接続されており、パワー端子３ａは、直列接続の高電位側と導通している。パワー端子３ｂは直列接続の低電位側と導通している。パワー端子３ｃは、直列接続の中点と導通している。複数の制御端子４は、トランジスタチップのゲートと接続しているゲート端子、トランジスタチップの内部温度を計測するセンスエミッタと接続しているセンサ端子などである。 Three power terminals 3a, 3b, 3c and a plurality of control terminals 4 extend from the outer surface of each resin housing 10. The two transistor chips are connected in series inside the resin housing 10, and the power terminal 3a is electrically connected to the high potential side of the series connection. The power terminal 3b is electrically connected to the low potential side of the series connection. The power terminal 3c is electrically connected to the midpoint of the series connection. The plurality of control terminals 4 are a gate terminal connected to the gate of the transistor chip, a sensor terminal connected to a sense emitter for measuring the internal temperature of the transistor chip, and the like.
なお、複数の樹脂筐体１０の積層体は、不図示のバネで積層方向に加圧され、隣接する樹脂筐体１０同士が密着する。図中の座標系のＸ方向が複数の樹脂筐体１０の積層方向に相当する。以降の図でも同様である。 Note that the stacked body of the plurality of resin housings 10 is pressed in the stacking direction by a spring (not shown), and the adjacent resin housings 10 come into close contact with each other. The X direction of the coordinate system in the figure corresponds to the direction in which the plurality of resin housings 10 are stacked. The same applies to the following figures.
図２に、一つの樹脂筐体１０の斜視図を示す。樹脂筐体１０は、外枠１２とパッケージ１３で構成されている。パッケージ１３は、外枠１２の対向する内面に掛け渡されている。なお、外枠１２とパッケージ１３は一続きの樹脂ブロックであり、樹脂の射出成形で同時に形成される。パッケージ１３の内部に２個のトランジスタチップが封止されている。２個のトランジスタチップはパッケージ１３の内部で直列に接続されている。パッケージ１３の積層方向を向く面には、後述する放熱板が露出しており、その放熱板に複数のピンフィン１４が設けられている。外枠１２の積層方向（Ｘ方向）の幅はピンフィン１４を含むパッケージ１３の積層方向の幅よりも大きく、外枠１２の積層方向の両端の部分は、複数のピンフィン１４を囲んでいる。外枠１２において、ピンフィン１４を囲んでいる部分を周壁１２ａと称する。 FIG. 2 shows a perspective view of one resin housing 10. The resin housing 10 includes an outer frame 12 and a package 13. The package 13 is stretched over the opposing inner surfaces of the outer frame 12. The outer frame 12 and the package 13 are a continuous resin block, and are formed simultaneously by resin injection molding. Two transistor chips are sealed inside the package 13. The two transistor chips are connected in series inside the package 13. A radiator plate, which will be described later, is exposed on the surface of the package 13 facing the stacking direction, and a plurality of pin fins 14 are provided on the radiator plate. The width of the outer frame 12 in the stacking direction (X direction) is larger than the width of the package 13 including the pin fins 14 in the stacking direction, and both ends of the outer frame 12 in the stacking direction surround the plurality of pin fins 14. In the outer frame 12, a portion surrounding the pin fin 14 is referred to as a peripheral wall 12a.
周壁１２ａの上面１２ｂには、二重のガスケット１８が備えられており、２個の樹脂筐体１０が隣接するとき、二重のガスケット１８が２個の外枠１２の上面１２ｂ同士を密着させ、外枠１２同士が繋がる。２個の樹脂筐体１０が密着すると、周壁１２ａで囲まれた部分が冷媒流路となる。 A double gasket 18 is provided on the upper surface 12b of the peripheral wall 12a. When two resin casings 10 are adjacent to each other, the double gasket 18 brings the upper surfaces 12b of the two outer frames 12 into close contact with each other. , The outer frames 12 are connected to each other. When the two resin housings 10 come into close contact with each other, a portion surrounded by the peripheral wall 12a becomes a coolant flow path.
周壁１２ａの内側で、パッケージ１３のＹ方向の両横に、樹脂筐体１０を貫通する貫通孔１２ｃ、１２ｄが設けられている。貫通孔１２ｃは、半導体装置２を積層方向（Ｘ方向）からみたときに冷媒供給口３３（図１参照）と重なり、貫通孔１２ｄは、半導体装置２を積層方向（Ｘ方向）からみたときに冷媒排出口３４と重なる。冷媒供給口３３から供給された冷媒は、複数の樹脂筐体１０の貫通孔１２ｃを通じて各樹脂筐体１０の冷媒流路に導かれる。冷媒は、図中のＹ方向に沿って、複数のピンフィン１４の間を流れる。冷媒は冷媒流路を流れる間に放熱板（後述）と複数のピンフィン１４を介してトランジスタチップから熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、他方の貫通孔１２ｄと冷媒排出口３４を通じて半導体装置２の外部へと排出される。 Inside the peripheral wall 12a, on both sides in the Y direction of the package 13, through holes 12c and 12d penetrating the resin housing 10 are provided. The through hole 12c overlaps with the coolant supply port 33 (see FIG. 1) when the semiconductor device 2 is viewed from the stacking direction (X direction), and the through hole 12d is when the semiconductor device 2 is viewed from the stacking direction (X direction). It overlaps with the refrigerant outlet 34. The coolant supplied from the coolant supply port 33 is guided to the coolant flow path of each resin housing 10 through the through holes 12c of the plurality of resin housings 10. The refrigerant flows between the plurality of pin fins 14 along the Y direction in the drawing. The refrigerant absorbs heat from the transistor chip via the heat radiating plate (described later) and the plurality of pin fins 14 while flowing through the refrigerant flow path. The refrigerant that has absorbed the heat is discharged to the outside of the semiconductor device 2 through the other through-hole 12d and the refrigerant outlet 34.
なお、複数のピンフィン１４には２種類の太さがあるが、図２では、作図の都合上、全てのピンフィン１４を同じ太さで描いてある。ピンフィン１４の太さの違いについては後述する。また、周壁１２ａの冷媒流路に面する側面１１２は、複数のピンフィン１４の列に沿って、図中のＹ方向に向かって波打つように湾曲している。側面１１２の湾曲についても後述する。 The pin fins 14 have two thicknesses, but in FIG. 2, all the pin fins 14 are drawn with the same thickness for the sake of drawing. The difference in the thickness of the pin fins 14 will be described later. Further, the side surface 112 of the peripheral wall 12a facing the refrigerant flow path is curved so as to undulate in the Y direction in the drawing along the rows of the plurality of pin fins 14. The curvature of the side surface 112 will also be described later.
図３に、２個の樹脂筐体１０の積層体の断面図を示す。図３は、図中の座標系のＸＹ平面で樹脂筐体１０をカットした断面図である。説明の便宜上、図中上側の樹脂筐体を符号１０ａで表し、下側の樹脂筐体を符号１０ｂで表して区別する。いずれかの樹脂筐体を区別なく示すときには樹脂筐体１０と表記する。樹脂筐体１０ｂでは、その内部の一部の部品への符号は省略した。 FIG. 3 shows a cross-sectional view of a laminate of two resin housings 10. FIG. 3 is a cross-sectional view of the resin housing 10 cut along the XY plane of the coordinate system shown in FIG. For convenience of description, the upper resin casing in the figure is denoted by reference numeral 10a, and the lower resin casing is denoted by reference numeral 10b. When any of the resin housings is shown without distinction, it is described as a resin housing 10. In the resin housing 10b, reference numerals for some parts inside the resin housing 10b are omitted.
先に述べたように、パッケージ１３の内部に２個のトランジスタチップ２５ａ、２５ｂが封止されている。トランジスタチップ２５ａ、２５ｂは、カードタイプのチップであり、その幅広面を図中のＸ方向に向けて封止されている。夫々のトランジスタチップ２５ａ、２５ｂの下面にヒートシンク２３が接合されており、２個のヒートシンク２３の下面に放熱板２１が接合されている。夫々のトランジスタチップ２５ａ、２５ｂの上面に、スペーサ２４が接合されており、夫々のスペーサ２４の上面にヒートシンク２３が接合されている。２個のヒートシンク２３の上面に放熱板２１が接合されている。トランジスタチップ２５ａ、２５ｂの熱は、ヒートシンク２３（及びスペーサ２４）を介して上下の放熱板２１に伝わる。 As described above, two transistor chips 25a and 25b are sealed inside the package 13. The transistor chips 25a and 25b are card type chips, and are sealed with their wide surfaces facing in the X direction in the figure. A heat sink 23 is joined to the lower surfaces of the respective transistor chips 25a and 25b, and a heat sink 21 is joined to the lower surfaces of the two heat sinks 23. A spacer 24 is joined to the upper surface of each transistor chip 25a, 25b, and a heat sink 23 is joined to the upper surface of each spacer 24. The heat sink 21 is joined to the upper surfaces of the two heat sinks 23. The heat of the transistor chips 25a and 25b is transmitted to the upper and lower heat sinks 21 via the heat sink 23 (and the spacer 24).
説明の便宜上、樹脂筐体１０ａのパッケージ１３の下側の放熱板２１を符号２１ａで表して他の放熱板２１と区別する。樹脂筐体１０ｂ（及び、その他の樹脂筐体１０）の内部構造も、樹脂筐体１０ａと同じである。樹脂筐体１０ｂのパッケージ１３の上側の放熱板２１を符号２１ｂで表し、他の放熱板２１と区別する。 For convenience of explanation, the heat radiating plate 21 on the lower side of the package 13 of the resin housing 10a is denoted by reference numeral 21a to distinguish it from other heat radiating plates 21. The internal structure of the resin housing 10b (and the other resin housings 10) is the same as that of the resin housing 10a. The heat sink 21 on the upper side of the package 13 of the resin housing 10b is denoted by reference numeral 21b, and is distinguished from other heat sinks 21.
図中上側のパッケージ１３の放熱板２１ａと下側のパッケージ１３の放熱板２１ｂの間に冷媒流路２９が形成される。放熱板２１ａ、２１ｂの一方の面はパッケージ１３に接しており、他方の面は冷媒流路２９に暴露している。放熱板２１ａ、２１ｂの冷媒流路２９に暴露した面に複数のピンフィン１４が設けられている。先に述べたように、冷媒は、樹脂筐体１０の一方の貫通孔１２ｃから流入し、冷媒流路２９を流れる間に放熱板２１ａ、２１ｂとピンフィン１４から熱を吸収し、他方の貫通孔１２ｄを介して排出される。図３の太い矢印線が冷媒の流れを示している。図３の上側の樹脂筐体１０ａのさらに上側にも別の樹脂筐体１０が接続される。樹脂筐体１０ａとその上の別の樹脂筐体１０の間も、放熱板２１ａ、２１ｂと同じ構造をなしている。図３の下側の樹脂筐体１０ｂのさらに下側にも別の樹脂筐体１０が接続される。樹脂筐体１０ｂとその下の別の樹脂筐体１０の間も、放熱板２１ａ、２１ｂと同じ構造をなしている。 A coolant flow path 29 is formed between the heat radiating plate 21a of the upper package 13 and the heat radiating plate 21b of the lower package 13 in the drawing. One surface of the heat radiating plates 21 a and 21 b is in contact with the package 13, and the other surface is exposed to the coolant channel 29. A plurality of pin fins 14 are provided on the surfaces of the radiator plates 21a and 21b exposed to the coolant flow path 29. As described above, the refrigerant flows in from one through-hole 12c of the resin housing 10 and absorbs heat from the radiator plates 21a and 21b and the pin fins 14 while flowing through the refrigerant flow path 29, and the other through-hole Discharged via 12d. The thick arrow line in FIG. 3 indicates the flow of the refrigerant. Another resin housing 10 is connected further above the resin housing 10a on the upper side in FIG. The space between the resin housing 10a and another resin housing 10 thereon has the same structure as that of the heat radiating plates 21a and 21b. Another resin housing 10 is also connected to the lower side of the lower resin housing 10b in FIG. The space between the resin housing 10b and another resin housing 10 thereunder also has the same structure as the heat radiating plates 21a and 21b.
放熱板２１は、トランジスタチップ２５ａ、２５ｂを封止するパッケージ１３に固定されているが、放熱板２１の一方の面は冷媒流路２９に暴露しており、放熱板２１は、冷媒流路２９を構成する冷却器の側板にも相当する。冷却器の側板として着目すると、放熱板２１の冷媒流路２９に面している側が「裏面」であり、トランジスタチップ２５ａ、２５ｂに面している側が「おもて面」となる。 The radiator plate 21 is fixed to the package 13 that seals the transistor chips 25a and 25b, but one surface of the radiator plate 21 is exposed to the refrigerant flow path 29, and the radiator plate 21 Also corresponds to the side plate of the cooler. Focusing on the side plate of the cooler, the side of the radiator plate 21 facing the coolant channel 29 is the “back surface”, and the side of the heat sink 21 facing the transistor chips 25a and 25b is the “front surface”.
なお、図１の半導体装置２は、複数の樹脂筐体１０が積層されており、図１の半導体装置２において、いずれの隣接する一対の樹脂筐体１０も、図３で示した構造をなしている。別言すれば、複数の樹脂筐体１０の積層体の半導体装置２において、ピンフィン１４を挟んで対向する全ての一対の放熱板２１（冷却器の側板）の間の空間が図３の冷媒流路２９を構成する。 Note that the semiconductor device 2 of FIG. 1 has a plurality of resin housings 10 laminated, and in the semiconductor device 2 of FIG. 1, any adjacent pair of resin housings 10 has the structure shown in FIG. ing. In other words, in the semiconductor device 2 of the stacked body of the plurality of resin housings 10, the space between all the pair of radiating plates 21 (side plates of the cooler) opposed to each other with the pin fins 14 therebetween is the refrigerant flow shown in FIG. The road 29 is configured.
図４に、樹脂筐体１０の正面図（図中のＸ方向からみた図）を示す。図４において、グレーで塗りつぶした範囲は、パッケージ１３に埋設されているトランジスタチップ２５ａ、２５ｂを示している。図４において、図中の左側が冷媒の流れの上流側に相当する。先に述べたように、複数のピンフィン１４には、太さの異なる２種類が存在する。大径のピンフィン１４を、大径ピンフィン１４ａと称し、小径のピンフィンを小径ピンフィン１４ｂと称する。大径ピンフィン１４ａと小径ピンフィン１４ｂを区別しない場合には、ピンフィン１４と称することにする。図４において、ピンフィン１４群が分布している範囲は、図３の冷媒流路２９に対応する。 FIG. 4 shows a front view of the resin housing 10 (a view as seen from the X direction in the figure). In FIG. 4, the range shaded in gray indicates the transistor chips 25 a and 25 b embedded in the package 13. In FIG. 4, the left side in the figure corresponds to the upstream side of the flow of the refrigerant. As described above, there are two types of pin fins 14 having different thicknesses. The large diameter pin fin 14 is called a large diameter pin fin 14a, and the small diameter pin fin is called a small diameter pin fin 14b. When the large diameter pin fins 14a and the small diameter pin fins 14b are not distinguished, they will be referred to as pin fins 14. In FIG. 4, the range where the pin fins 14 are distributed corresponds to the refrigerant flow path 29 in FIG.
複数の小径ピンフィン１４ｂは、図中の符号Ａ１、Ａ３、Ａ４が示す範囲に配置されている。範囲Ａ１、Ａ３、Ａ４以外は、大径ピンフィン１４ａが配置されている。範囲Ａ１、Ａ３、Ａ４では、複数の小径ピンフィン１４ｂ群が密集している。別言すれば、範囲Ａ１、Ａ３、Ａ４では、小径ピンフィン１４ｂ群が、大径ピンフィン１４ａ群のピッチ（ピン間隔）よりも狭いピッチで配置されている。範囲Ａ１、Ａ３、Ａ４における冷媒流路２９の空間に対する小径ピンフィン１４ｂ群の空間占有率は、範囲Ａ１、Ａ３、Ａ４以外における冷媒流路２９の空間に対する大径ピンフィン１４ａ群の空間占有率よりも高い。別言すれば、範囲Ａ１、Ａ３、Ａ４におけるピンフィン１４ｂの冷媒流路２９に占める割合は、その他の範囲における複数のピンフィン１４ａの冷媒流路２９に占める割合よりも大きい。従って、範囲Ａ１、Ａ３、Ａ４における流路抵抗がそれ以外の範囲の流路抵抗よりも大きい。別言すれば、範囲Ａ１、Ａ３、Ａ４では、それ以外の範囲と比較して冷媒が流れ難い。 The plurality of small-diameter pin fins 14b are arranged in ranges indicated by reference numerals A1, A3, and A4 in the figure. Except for the ranges A1, A3, and A4, the large-diameter pin fins 14a are arranged. In the ranges A1, A3, and A4, a plurality of small-diameter pin fins 14b are densely arranged. In other words, in the ranges A1, A3, and A4, the small-diameter pin fins 14b are arranged at a smaller pitch than the pitch (pin interval) of the large-diameter pin fins 14a. The space occupancy of the group of small-diameter pin fins 14b with respect to the space of the refrigerant flow path 29 in the ranges A1, A3, and A4 is larger than the space occupancy of the group of large-diameter pin fins 14a with respect to the space of the refrigerant flow path 29 outside the ranges A1, A3, and A4. high. In other words, the proportion of the pin fins 14b occupying the coolant passage 29 in the ranges A1, A3, A4 is greater than the proportion of the pin fins 14a occupying the coolant passage 29 in the other ranges. Therefore, the flow path resistance in the ranges A1, A3, and A4 is larger than the flow path resistance in the other ranges. In other words, the refrigerant is less likely to flow in the ranges A1, A3, and A4 than in the other ranges.
範囲Ａ１は、冷媒の流れ方向におけるピンフィン１４群の先頭部分（別言すれば、トランジスタチップ２５ａに対向する範囲よりも冷媒の流れの上流側）で、図中のＺ方向の両側に位置している。Ｚ方向とは、冷媒の流れ方向（Ｙ方向）と、放熱板２１の法線方向（Ｘ方向）の双方に直交する方向である。さらに別言すれば、Ｚ方向とは、冷媒の流れの方向からみて、ピンフィン群１４の並び方向である。その方向を、横手方向と表記することにする。範囲Ａ１は、横手方向で冷媒流路２９の両端部分に位置する。両端の小径ピンフィン１４ｂ群の間（図中のＡ２が示す範囲）には、大径ピンフィン１４ａ群が配置されている。別言すれば、冷媒の流れ方向で複数のピンフィン１４の先頭部分において、横手方向（図中のＺ方向）の両端部分（範囲Ａ１）における小径ピンフィン１４ｂ群の冷媒流路２９に占める割合（空間占有率）が、中央部分（範囲Ａ２）における大径ピンフィン１４ａ群の空間占有率よりも大きくなっている。それゆえ、樹脂筐体１０の貫通孔１２ｃから冷媒流路２９に流入した冷媒は、中央の範囲Ａ２に集まる。図５は、図４と同じ図に、冷媒の流れを太矢印線で表した図である。図５によく示されているように、トランジスタチップ２５ａは、横手方向で冷媒流路２９の中央部分に対向しており、冷媒はその中央部分に集中する。冷媒がトランジスタチップ２５ａの対向領域に集中するので冷却効率が高まる。 The range A1 is a leading portion of the group of pin fins 14 in the flow direction of the refrigerant (in other words, an upstream side of the flow of the refrigerant from the range facing the transistor chip 25a), and is located on both sides in the Z direction in the drawing. I have. The Z direction is a direction orthogonal to both the flow direction of the refrigerant (Y direction) and the normal direction of the heat sink 21 (X direction). In other words, the Z direction is the direction in which the pin fin groups 14 are arranged when viewed from the direction of the flow of the refrigerant. The direction is referred to as a lateral direction. The range A1 is located at both ends of the refrigerant flow path 29 in the lateral direction. The large-diameter pin fins 14a are arranged between the small-diameter pin fins 14b at both ends (the range indicated by A2 in the drawing). In other words, at the leading end of the plurality of pin fins 14 in the flow direction of the refrigerant, the ratio (space) of the group of small-diameter pin fins 14b occupying the refrigerant flow passage 29 at both end portions (range A1) in the lateral direction (Z direction in the drawing). Occupancy) is larger than the space occupancy of the group of large-diameter pin fins 14a in the central portion (range A2). Therefore, the refrigerant flowing into the refrigerant flow passage 29 from the through hole 12c of the resin housing 10 is collected in the central range A2. FIG. 5 is a diagram in which the flow of the refrigerant is represented by a thick arrow line in the same diagram as FIG. 4. As is well shown in FIG. 5, the transistor chip 25a faces the central portion of the refrigerant flow passage 29 in the lateral direction, and the refrigerant concentrates at the central portion. Since the refrigerant is concentrated in the region facing the transistor chip 25a, the cooling efficiency is increased.
パッケージ１３は２個のトランジスタチップ２５ａ、２５ｂを封止している。トランジスタチップ２５ｂは、トランジスタチップ２５ａよりも冷媒流の下流側に位置する。図４、図５の範囲Ａ３は、トランジスタチップ２５ａよりも下流側であるが、トランジスタチップ２５ｂよりも上流側である。トランジスタチップ２５ｂも横手方向で冷媒流路の中央部分に対向しており、一方、小径ピンフィン１４ｂの空間占有率が高い範囲Ａ３は、横手方向で冷媒流路２９の両端に位置している。従って、トランジスタチップ２５ｂと対向する中央部分にも冷媒が集中する。トランジスタチップ２５ｂに対する冷却効率も高くなる。 The package 13 seals the two transistor chips 25a and 25b. The transistor chip 25b is located on the downstream side of the refrigerant flow from the transistor chip 25a. The range A3 in FIGS. 4 and 5 is downstream of the transistor chip 25a, but upstream of the transistor chip 25b. The transistor chip 25b also faces the center portion of the refrigerant flow path in the lateral direction, while the range A3 where the small diameter pin fins 14b have a high space occupancy is located at both ends of the refrigerant flow path 29 in the lateral direction. Therefore, the refrigerant also concentrates on the central portion facing the transistor chip 25b. The cooling efficiency for the transistor chip 25b also increases.
冷媒流路２９のトランジスタチップ２５ｂよりも最下流にも、ピンフィン１４の空間占有率の高い範囲Ａ４が設けられている。範囲Ａ４は、ピンフィン１４を含む樹脂筐体１０の製造のし易さから、小径ピンフィン１４ｂ群と大径ピンフィン１４ａ群を対象に分布させるために設けられている。 A range A4 where the space occupancy of the pin fins 14 is high is also provided at the most downstream side of the coolant flow path 29 from the transistor chip 25b. The range A4 is provided for distributing the small-diameter pin fins 14b and the large-diameter pin fins 14a as targets for ease of manufacturing the resin housing 10 including the pin fins 14.
また、流れ方向におけるトランジスタチップ２５ａ、２５ｂと対向する範囲では、複数の大径ピンフィン１４ａが千鳥配置されている。複数の大径ピンフィン１４ａを千鳥配置にすることで、冷媒を乱流化させることができる。冷媒が乱流化すると、冷媒とピンフィン１４との熱交換が促進され、トランジスタチップ２５ａ、２５ｂの冷却効率が高まる。 Also, a plurality of large-diameter pin fins 14a are arranged in a staggered manner in a range facing the transistor chips 25a and 25b in the flow direction. By arranging the plurality of large-diameter pin fins 14a in a staggered arrangement, the refrigerant can be made turbulent. When the refrigerant becomes turbulent, heat exchange between the refrigerant and the pin fins 14 is promoted, and the cooling efficiency of the transistor chips 25a and 25b is increased.
図４の符号VIが示す範囲について説明する。符号VIが示す範囲は、横手方向の冷媒流路２９の側面１１２の一部を含む範囲である。図４の符号VIが示す範囲の拡大図を図６に示す。横手方向の夫々の側面１１２は、横手方向で側面１１２に最も近いピンフィン１４ａと側面１１２との距離Ｗ１、Ｗ２が一定となるように冷媒流れ方向に沿って波打つように湾曲している。仮に冷媒流路の側面が冷媒の流れ方向に平坦に延びていると、側面とピンフィンの間の間隔が大きくなる箇所が存在することになる。間隔の大きい箇所は、流路抵抗が下がり、冷媒が流れ易くなる。冷媒流路の側面が平坦に延びていると、冷媒が側面の側に分散し、中央部分（即ち、トランジスタチップ２５ａ、２５ｂと対向する部分）の冷媒の流量が減少する。その結果、トランジスタチップ２５ａ、２５ｂに対する冷却効率が低下する。実施例の半導体装置では、冷媒の流れ方向でトランジスタチップ２５ａ、２５ｂの範囲において、冷媒流路２９の横手方向の側面１１２とピンフィン１４ａとの距離Ｗ１、Ｗ２がほぼ一定に保たれる。これにより、側面１１２の付近でも中央部分でも流路抵抗が同等になり、中央部分での冷媒の分散が防止される。 The range indicated by reference numeral VI in FIG. 4 will be described. The range indicated by reference numeral VI is a range including a part of the side surface 112 of the refrigerant flow path 29 in the lateral direction. FIG. 6 shows an enlarged view of the range indicated by reference numeral VI in FIG. Each side surface 112 in the lateral direction is curved so as to undulate along the coolant flow direction such that the distances W1 and W2 between the pin fin 14a closest to the side surface 112 and the side surface 112 in the lateral direction are constant. If the side surface of the refrigerant flow path extends flat in the flow direction of the refrigerant, there will be places where the distance between the side surface and the pin fin becomes large. At locations where the intervals are large, the flow path resistance decreases, and the refrigerant easily flows. When the side surface of the coolant channel extends flat, the coolant is dispersed on the side surface side, and the flow rate of the coolant in the central portion (that is, the portion facing the transistor chips 25a and 25b) decreases. As a result, the cooling efficiency for the transistor chips 25a and 25b decreases. In the semiconductor device of the embodiment, the distances W1 and W2 between the lateral side surface 112 of the coolant channel 29 and the pin fins 14a are kept substantially constant in the range of the transistor chips 25a and 25b in the coolant flow direction. Thereby, the flow path resistance becomes equal both in the vicinity of the side surface 112 and in the central portion, and the dispersion of the refrigerant in the central portion is prevented.
実施例の半導体装置２では、トランジスタチップ２５ａ、２５ｂよりも上流側でのピンフィン１４ａ、１４ｂの空間占有率の分布と、流れ方向におけるトランジスタチップ２５ａ、２５ｂと対向する部分での冷媒流路２９の側面１１２の波打ち湾曲が、半導体チップと対向する範囲へ冷媒を集中させる。その結果、半導体チップの冷却効率が向上する。 In the semiconductor device 2 of the embodiment, the distribution of the space occupancy of the pin fins 14a, 14b on the upstream side of the transistor chips 25a, 25b, and the distribution of the refrigerant flow path 29 in the portion facing the transistor chips 25a, 25b in the flow direction. The wavy curvature of the side surface 112 concentrates the coolant in a region facing the semiconductor chip. As a result, the cooling efficiency of the semiconductor chip is improved.
図７、図８を用いてピンフィン配置の第１の変形例を説明する。変形例の樹脂筐体１１０は、先の小径ピンフィン１４ｂの代わりに、図４で示した大径ピンフィン１４ａよりもさらに大径の大型ピンフィン１４ｃを備えている。図７の範囲Ａ１、Ａ３、Ａ４には、複数の大型ピンフィン１４ｃが狭いピッチで配置されている。範囲Ａ１、Ａ３、Ａ４におけるピンフィンの空間占有率は、それ以外の範囲（大径ピンフィン１４ａが分布する範囲）のピンフィンの空間占有率よりも高い。それゆえ、図４、図５で示した実施例の場合と同様に、範囲Ａ１、Ａ３、Ａ４における流路抵抗がそれ以外の範囲における流路抵抗よりも大きくなる。範囲Ａ１、Ａ３、Ａ４ではそれ以外の範囲よりも冷媒が流れ難くなり、その結果、トランジスタチップ２５ａ、２５ｂに対向する範囲に冷媒が集中する。図７の変形例の樹脂筐体１１０でも、横手方向（図中のＺ方向）の流路の側面１１２は、大径ピンフィン１４ａとの距離が一定となるように、冷媒の流れ方向に沿って波状に湾曲している。 A first modification of the pin fin arrangement will be described with reference to FIGS. The resin housing 110 of the modified example includes a large pin fin 14c having a larger diameter than the large diameter pin fin 14a shown in FIG. 4 instead of the small diameter pin fin 14b. In a range A1, A3, A4 of FIG. 7, a plurality of large pin fins 14c are arranged at a narrow pitch. The space occupancy of the pin fins in the ranges A1, A3, A4 is higher than the space occupancy of the pin fins in the other range (the range in which the large-diameter pin fins 14a are distributed). Therefore, similarly to the embodiment shown in FIGS. 4 and 5, the flow path resistance in the ranges A1, A3, and A4 is larger than the flow path resistance in the other ranges. In the ranges A1, A3, and A4, the flow of the refrigerant is more difficult than in the other ranges, and as a result, the refrigerant is concentrated in the region facing the transistor chips 25a and 25b. Also in the resin housing 110 of the modified example of FIG. 7, the side surface 112 of the flow path in the lateral direction (the Z direction in the figure) extends along the flow direction of the refrigerant so that the distance from the large-diameter pin fin 14 a is constant. It is wavy.
図８は、樹脂筐体１１０の積層体の一部拡大断面図であり、冷媒の流れ方向で上流側の大型ピンフィン１４ｃと下流側の大型ピンフィン１４ｃを通るＸＹ平面でカットした断面図である。先に述べたように、対向する一対の放熱板２１は、別言すれば、冷却器の対向する一対の側板である。一対の放熱板２１の夫々から相手の放熱板２１に向かって複数のピンフィン１４が延びている。対向する大型ピンフィン１４ｃは、その先端面同士が接している。対向する大径ピンフィン１４ａは、先端面同士の間に隙間ｄ１が形成されている。大径ピンフィン１４ａの先端面同士の間にも冷媒が流れることで、先端面からも放熱が促進される。 FIG. 8 is a partially enlarged cross-sectional view of the laminated body of the resin housing 110, and is a cross-sectional view cut along an XY plane passing through the large pin fins 14c on the upstream side and the large pin fins 14c on the downstream side in the flow direction of the refrigerant. As described above, the pair of opposed heat sinks 21 is, in other words, a pair of opposed side plates of the cooler. A plurality of pin fins 14 extend from each of the pair of heat radiating plates 21 toward the corresponding heat radiating plate 21. The opposing large pin fins 14c are in contact with each other at the tip surfaces. The opposing large-diameter pin fins 14a have a gap d1 formed between their end surfaces. Since the refrigerant flows between the end surfaces of the large diameter pin fins 14a, heat radiation is promoted also from the end surfaces.
また、対向する大型ピンフィン１４ｃの先端面同士が接しており、対向する大径ピンフィン１４ａの先端面の間に隙間ｄ１を設けることには、次の利点がある。放熱板２１の複数のピンフィン１４は、平坦な金属板（例えばアルミニウム板）を、ピンフィン群に相当する複数の孔を有する金型に押し当てて製造する。そのような製造方法では、複数のピンフィンの高さにばらつきが生じる。樹脂筐体１１０の場合、数の少ない大型ピンフィン１４ｃの先端面が当接し、対向する一対の放熱板２１の間隔を定める。多数の大径ピンフィン１４ａは、高さがばらつくものの、高さのばらつきは、先端面同士の間の隙間ｄ１で吸収され、一対の放熱板２１の間隔に影響を与えない。樹脂筐体１１０を備える半導体装置は、対向する一対の放熱板（冷却器の対向する一対の側板）の間に、夫々の放熱板から立設する多数のピンフィンを備えるものの、一対の放熱板の間隔を正確に保持することができる。 In addition, providing the gap d1 between the distal end surfaces of the opposed large-diameter pin fins 14a where the distal end surfaces of the opposed large-sized pin fins 14c are in contact with each other has the following advantages. The plurality of pin fins 14 of the heat radiating plate 21 are manufactured by pressing a flat metal plate (for example, an aluminum plate) against a mold having a plurality of holes corresponding to a group of pin fins. In such a manufacturing method, the height of the plurality of pin fins varies. In the case of the resin housing 110, the distal end surfaces of the large number of large pin fins 14c are in contact with each other, and the distance between the pair of opposed heat sinks 21 is determined. Although many large-diameter pin fins 14a vary in height, variations in height are absorbed by the gap d1 between the tip surfaces, and do not affect the distance between the pair of heat radiating plates 21. The semiconductor device provided with the resin housing 110 has a large number of pin fins standing from the respective heat sinks between a pair of opposed heat sinks (a pair of opposed side plates of the cooler). The intervals can be accurately maintained.
図９を用いて、ピンフィン配置の第２の変形例を説明する。変形例の樹脂筐体２１０は、範囲Ａ１において、先の小径ピンフィン１４ｂの代わりに、断面が流線型である大型のピンフィン（流線型ピンフィン１４ｄ）を備えている。なお、範囲Ａ３、Ａ４には、図４で示した小径ピンフィン１４ｂが配置されている。流線型ピンフィン１４ｄは、大型であり、範囲Ａ１におけるピンフィンの空間占有率は、大径ピンフィン１４ａが分布する範囲のピンフィンの空間占有率よりも高い。それゆえ、図４、図５で示した実施例の場合と同様に、範囲Ａ１における流路抵抗がそれ以外の範囲における流路抵抗よりも大きくなる。流れ方向でピンフィン群の先頭部分において、横手方向の両端部分（範囲Ａ１）の流路抵抗が中央部分の流路抵抗よりも大きくなり、冷媒は中央部分に集中する。さらに、流線型ピンフィン１４ｄは、流線型の先端を冷媒の流れ方向の上流側に向け、後端を下流側に向けるとともに、先端から後端の間の距離の短い側（正圧側）を流路側面１１２に向けている。正圧側を流路側面１１２に向けることで、流線型ピンフィン１４ｄと流路側面１１２の間で流れが乱れ易くなり、冷媒の圧力が上昇する。この点も、範囲Ａ１の流路抵抗を増すことに貢献する。断面が流線型の大型のピンフィン１４ｄを範囲Ａ１に配置することで、横手方向の両端部分の流路抵抗がより一層高くなり、中央部分に冷媒がより集中する。なお、図９の樹脂筐体２１０では、範囲Ａ３、Ａ４には、先の実施例の場合と同様に複数の小径ピンフィン１４ｂが配置されている。範囲Ａ３、Ａ４に流線型ピンフィン１４ｄを配置してもよい。 A second modification of the pin fin arrangement will be described with reference to FIG. In the range A1, the resin housing 210 of the modified example includes large pin fins having a streamlined cross section (streamline pin fins 14d) instead of the small diameter pin fins 14b. The small diameter pin fins 14b shown in FIG. 4 are arranged in the ranges A3 and A4. The streamlined pin fins 14d are large, and the space occupancy of the pin fins in the range A1 is higher than the space occupancy of the pin fins in the range where the large diameter pin fins 14a are distributed. Therefore, as in the case of the embodiment shown in FIGS. 4 and 5, the flow path resistance in the range A1 is larger than the flow path resistance in the other ranges. At the leading end of the pin fin group in the flow direction, the flow path resistance at both ends (range A1) in the lateral direction becomes larger than the flow path resistance at the center, and the refrigerant is concentrated at the center. Further, the streamlined pin fins 14d have the streamlined tip directed upstream in the flow direction of the refrigerant, the rear end directed downstream, and the short side (positive pressure side) between the front end and the rear end facing the flow path side surface 112. Towards By directing the positive pressure side to the flow path side surface 112, the flow is easily disturbed between the streamlined pin fin 14d and the flow path side surface 112, and the pressure of the refrigerant increases. This point also contributes to increasing the flow path resistance in the range A1. By arranging the large pin fins 14d having a streamlined cross section in the range A1, the flow path resistance at both ends in the lateral direction is further increased, and the refrigerant is more concentrated at the center. Note that, in the resin housing 210 of FIG. 9, a plurality of small-diameter pin fins 14b are arranged in the ranges A3 and A4 as in the case of the previous embodiment. The streamlined pin fins 14d may be arranged in the ranges A3 and A4.
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の半導体装置２は、複数の冷却器（複数の冷媒流路２９）が並列に配置されており、隣り合う冷却器（冷媒流路２９）の間にトランジスタチップを収容した半導体モジュールが挟まれている構造を有している。本明細書が開示する技術は、一つの半導体モジュールに一つの冷却器が接している半導体装置に適用することも好適である。 Points to keep in mind regarding the technology described in the embodiment will be described. In the semiconductor device 2 of the embodiment, a plurality of coolers (a plurality of coolant channels 29) are arranged in parallel, and a semiconductor module containing a transistor chip is sandwiched between adjacent coolers (the coolant channels 29). It has a structure that is The technology disclosed in this specification is also suitably applied to a semiconductor device in which one cooler is in contact with one semiconductor module.
本明細書が開示する技術の一つの特徴は、トランジスタチップに対向する位置よりも冷媒流の上流側で、横手方向の両端部分のピンフィンの空間占有率が、中央部分のピンフィンの空間占有率よりも高いことである。ピンフィンの空間占有率は、ピンフィンの断面積の大きさと、ピンフィン同士の間隔の大きさに依存する。断面積の小さいピンフィンが狭い間隔で並んでいれば、空間占有率は高くなる。また、断面積の非常に大きな一つのピンフィンであっても、空間占有率は高くなる。横手方向の両端部分に配置するピンフィン群は、空間占有率に関する上記条件を満足すれば、どのような断面積／断面形状であってもよい。 One feature of the technology disclosed in this specification is that the space occupancy of the pin fins at both end portions in the lateral direction is higher than the space occupancy of the pin fins at the center portion on the upstream side of the refrigerant flow from the position facing the transistor chip. Is also expensive. The space occupancy of the pin fins depends on the size of the cross-sectional area of the pin fins and the size of the interval between the pin fins. If the pin fins having a small cross-sectional area are arranged at a narrow interval, the space occupation ratio increases. Further, even if one pin fin has a very large cross-sectional area, the space occupation ratio is high. The pin fin groups arranged at both ends in the lateral direction may have any cross-sectional area / cross-sectional shape as long as the above-mentioned conditions regarding the space occupancy are satisfied.
実施例のトランジスタチップ２５ａ、２５ｂが、請求項の「半導体チップ」の一例に相当する。実施例の樹脂筐体１０のパッケージ１３が、請求項の「半導体モジュール」の一例に相当する。本明細書が開示する技術は、トランジスタチップに限られず、他の半導体チップを封止した半導体モジュールと冷却器の積層体に適用することも好適である。 The transistor chips 25a and 25b of the embodiment correspond to an example of a “semiconductor chip” in the claims. The package 13 of the resin housing 10 of the embodiment corresponds to an example of a “semiconductor module” in the claims. The technology disclosed in this specification is not limited to a transistor chip, and is also suitably applied to a stacked body of a semiconductor module and a cooler in which another semiconductor chip is sealed.
実施例の樹脂筐体１０の周壁１２ａと、冷媒流路２９を挟んで対向する一対の放熱板２１で構成される冷媒流路２９が、請求項の「冷却器」の一例に相当する。放熱板２１は、冷却器の側板に相当することに留意されたい。また、放熱板２１の冷媒流路２９に暴露している面は、冷却器の側板の裏面に相当することに留意されたい。 The refrigerant flow path 29 constituted by the pair of heat radiating plates 21 opposed to the peripheral wall 12a of the resin housing 10 of the embodiment with the refrigerant flow path 29 interposed therebetween corresponds to an example of a “cooler” in the claims. Note that the heat sink 21 corresponds to a side plate of the cooler. It should be noted that the surface of the radiator plate 21 exposed to the coolant flow path 29 corresponds to the back surface of the side plate of the cooler.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 As described above, specific examples of the present invention have been described in detail, but these are merely examples, and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and alterations of the specific examples illustrated above. The technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings can simultaneously achieve a plurality of objects, and has technical utility by achieving one of the objects.
２：半導体装置
１０、１０ａ、１０ｂ、１１０、２１０：樹脂筐体
１２：外枠
１２ａ：周壁
１２ｂ：上面
１２ｃ、１２ｄ：貫通孔
１３：パッケージ
１４：ピンフィン
１４ａ：大径ピンフィン
１４ｂ：小径ピンフィン
１４ｃ：大型ピンフィン
１４ｄ：流線型ピンフィン
２１、２１ａ、２１ｂ：放熱板
２５ａ、２５ｂ：トランジスタチップ
２９：冷媒流路
３３：冷媒供給口
３４：冷媒排出口
１１０：樹脂筐体
１１２：側面（流路側面）
2: semiconductor device 10, 10a, 10b, 110, 210: resin housing 12: outer frame 12a: peripheral wall 12b: upper surface 12c, 12d: through hole 13: package 14: pin fin 14a: large diameter pin fin 14b: small diameter pin fin 14c: Large pin fins 14d: streamlined pin fins 21, 21a, 21b: radiator plates 25a, 25b: transistor chip 29: refrigerant flow path 33: refrigerant supply port 34: refrigerant discharge port 110: resin housing 112: side surface (flow path side surface)
Claims (1)
前記半導体モジュールと隣接している冷却器と、
を備えており、
前記冷却器は、
前記半導体モジュールに接している側板の裏面側に、前記側板と平行に液体の冷媒が流れる冷媒流路が設けられており、
前記側板の裏面に複数のピンフィンが設けられており、
前記冷媒の流れ方向における前記複数のピンフィンの先頭部分において、前記側板の法線方向と前記流れ方向の双方に直交する方向（横手方向）の両端部分における複数の前記ピンフィンの冷媒流路に占める割合が、中央部分における複数の前記ピンフィンの冷媒流路に占める割合よりも大きく、
前記流れ方向における前記半導体チップと対向する範囲では、前記複数のピンフィンが千鳥配置されているとともに、前記横手方向の夫々の側面が、前記横手方向で当該側面に最も近いピンフィンと当該側面との距離が一定となるように冷媒流れ方向に沿って波打つように湾曲している、半導体装置。 A semiconductor module encapsulating a semiconductor chip;
A cooler adjacent to the semiconductor module;
With
The cooler is
On the back side of the side plate in contact with the semiconductor module, a refrigerant flow path in which a liquid refrigerant flows in parallel with the side plate is provided,
A plurality of pin fins are provided on the back surface of the side plate,
The ratio of the plurality of pin fins to the refrigerant flow path at both ends in a direction (lateral direction) orthogonal to both the normal direction of the side plate and the flow direction at a leading portion of the plurality of pin fins in the flow direction of the refrigerant. Is larger than the ratio of the plurality of pin fins in the refrigerant flow path in the central portion,
In a range facing the semiconductor chip in the flow direction, the plurality of pin fins are arranged in a staggered manner, and each side surface in the lateral direction is a distance between the pin fin closest to the side surface in the lateral direction and the side surface. The semiconductor device is curved so as to undulate along the flow direction of the refrigerant so that is constant.
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