JPH1022428A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH1022428A
JPH1022428A JP16892396A JP16892396A JPH1022428A JP H1022428 A JPH1022428 A JP H1022428A JP 16892396 A JP16892396 A JP 16892396A JP 16892396 A JP16892396 A JP 16892396A JP H1022428 A JPH1022428 A JP H1022428A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 絶縁層、モジュール基板の線膨張係数を半導
体チップを構成するシリコンに近い値とした半導体装置
において、半導体チップの温度を低く保つ。 【解決手段】モジュール基板６の半導体チップ（ＩＧＢ
Ｔ素子２）が配置されている側の面の反対側の面に直接
接する冷媒室１１を設け、この冷媒室１１に冷媒を導入
するノズル１８を設け、ノズル１８から噴出する冷媒流
が、モジュール基板６の半導体チップ（ＩＧＢＴ素子
２）が配置されている部分の裏側になる部分に当たる位
置にノズル１８を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に係
り、特に大電力用の半導体チップを用いた半導体装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の装置は、例えば特願平４−１７６
４９７号に記載のような構造を有していた。モジュール
基板に絶縁層を形成し、その上に大電力半導体素子であ
るＩＧＢＴ素子を複数個配置して、ＩＧＢＴモジュール
を形成する。このＩＧＢＴ素子は、大電力半導体が運転
されると発熱するので、冷却しなければならない。一般
にＩＧＢＴ素子の許容温度は１００〜１５０℃と言われ
ている。冷却装置は効率良く冷却するためにヒートシン
クとモジュール基板の間に熱伝導グリースを介在させ
る。ヒートシンクは例えばアルミブロックの中に水を冷
媒とするパイプが挿入されておりＩＧＢＴ素子で発生し
た熱はモジュール基板、熱伝導グリース、そしてアルミ
ブロックに伝えられ、冷媒である水に伝熱される。水は
ポンプで循環され、ラジエータを介して空気側へ熱が運
ばれる場合、あるいはアルミブロックへ挿入されたパイ
プがヒートパイプを形成しており水の蒸発、凝縮を用い
て空気へ伝熱される場合などがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前記従来技術は、ＩＧ
ＢＴ素子などの半導体チップから、例えば冷媒である水
や不凍液に熱が伝えられる場合の熱の輸送に対する考慮
が不十分であり、半導体チップの温度が許容値を越えて
高くなり、半導体チップの寿命が短くなりやすいという
問題があった。半導体チップ、絶縁層、モジュール基板
は一般に半田あるいはロー付により接合されている。半
導体チップが発熱すると、それぞれ温度が上昇し、熱膨
張するわけであるが、熱膨張によるそれぞれの伸びが大
きく異なると破損を招く恐れがあるため、線膨張係数を
できるだけあわせるようにしている。例えば半導体チッ
プの材質が、一般にＳi（シリコン）である場合が多
く、その時、絶縁層にはＡｌＮ（チッ化アルミ）などが
用いられる。そして、モジュール基板の材質は熱を伝え
やすくしたい場合は銅が用いられるが、線膨張係数を合
わせようとするとＭｏ（モリブデン）などが用いられ
る。しかも熱膨張差に基づいて生じる応力である熱応力
をできるだけ小さくするために、モリブデンなども薄く
する必要がある。
【０００４】一般にＡｌＮ、ＭｏなどのようにＳiに近
い線膨張係数をもつ材質は、熱の伝わりやすさを表す熱
伝導率が銅などの良熱伝導体に比べると非常に小さい。
従ってＩＧＢＴ素子で熱が発生した場合、絶縁層及びモ
ジュール基板では熱があまり拡がらない。つまりＩＧＢ
Ｔ素子の占有面積で発熱した熱は、モジュール基板を通
過する時もＩＧＢＴ素子の占有面積とほぼ同じ面積のモ
ジュール基板を通過する。しかも従来技術の場合、この
熱は熱伝導グリースを通過し、次いでアルミブロックへ
伝えられ、最後に冷媒である水へと伝熱される。熱伝導
グリースもグリースの中では良熱伝導体に属するがその
熱伝導率は銅などに比べると非常に小さい。また、アル
ミ材も銅よりも熱伝導率が小さい。つまりＩＧＢＴ素子
で発生した熱はあまり拡大されることなく冷媒である水
に伝えられるわけである。伝熱面積が拡大されないた
め、伝熱性能が悪く冷媒の温度がある一定値に定められ
ると、ＩＧＢＴ素子の温度が高くなってしまい、ＩＧＢ
Ｔ素子の許容値を越えてしまい破損を招く恐れがある。
逆に熱の伝わりを良くするために、モジュール基板を銅
などにすると線膨張係数がＩＧＢＴ素子を形成する材質
であるＳiと違いすぎ、熱応力が大きくなってモジュー
ルの破損を招く恐れが生じる。
【０００５】また、特開平７−１７６６６２号公報に
は、半導体素子を冷媒に浸して冷却する例が開示されて
いる。しかしこの方法では、冷媒と半導体素子の間には
自然対流による流れしかなく、熱除去の効率が十分では
なかった。
【０００６】本発明の目的は、絶縁層、モジュール基板
の線膨張係数をＳiとできるだけ近い値の材質に保ちつ
つ、しかも半導体チップ温度を低くおさえて、半導体装
置の信頼性を高め、寿命を長くするにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の課題を達成するた
めに、本発明は、伝熱性能の向上を図るために熱伝導グ
リース、及びアルミブロックを設けず、モジュール基板
の絶縁層が設けられた面ではない他方の面へ直接接する
ように、ポンプで加圧された冷媒を強制的な流れとして
流す構造とする。モジュール基板に沿って冷媒を強制的
に流すことにより、モジュール基板から冷媒への熱伝達
率が向上する。さらに半導体チップの配列に対応した位
置のモジュール基板の面積部の伝熱性能が向上するよう
に冷媒を流す構造とする。
【０００８】半導体チップの配列に対応した位置のモジ
ュール基板の面積部の伝熱性能を向上させる手段とし
て、半導体チップ（例えばＩＧＢＴ素子）が設置されて
いない領域のモジュール基板部には、冷媒を流す量を少
なくする構造とし、冷却を必要とする面積部（半導体チ
ップが設置されている領域のモジュール基板部）に多量
の冷媒を流す。
【０００９】上記の課題は、モジュール基板の冷媒流れ
に接する面に、冷媒流れに沿う方向に並ぶ冷却フィンを
設けて伝熱促進を図ることによっても達成される。
【００１０】上記の課題はまた、噴流機構を用いて半導
体チップの設置領域に対応したモジュール基板領域に冷
媒の噴流を衝突させて伝熱促進を図ることによっても達
成される。この場合、一つの半導体チップの設置領域に
対応するモジュール基板領域に衝突させる冷媒流は、複
数の噴流孔から噴出されるものとしてもよい。また、モ
ジュール基板に当たった冷媒流の流れに沿う方向、例え
ば放射状に、モジュール基板に冷却フィンを設けてもよ
い。
【００１１】上記の課題はまた、冷媒流れのなかに冷媒
流れに交差する突起を配置し、この突起に起因する流れ
の乱れが半導体チップの設置領域に対応したモジュール
基板領域で生ずるように前記突起の位置を設定すること
によっても達成される。この場合、突起の形状は、その
後流の前記基板領域に接する部分に渦や流れの乱れを生
じさせるものであればよい。
【００１２】モジュール基板の半導体チップの設置領域
に対応した領域とヒートシンクの間の伝熱促進を図るこ
とによって、冷媒の温度が一定の値に設定されても半導
体チップ温度を低く抑え、半導体モジュール（例えばＩ
ＧＢＴモジュール）を構成する絶縁層及びモジュール基
板の材質を、半導体チップのシリコンの熱伝導率にでき
るだけ近い熱伝導率を持つものに選択できるようにして
半導体チップ及びモジュールの信頼性を高める。
【００１３】半導体チップで発生した熱は絶縁層、モジ
ュール基板を通過して、次に直接冷媒に伝達されるか
ら、モジュール基板と冷媒が流れるヒートシンクとの間
に熱伝導グリースなどが介在する場合に比べると冷却性
能が向上する。従って、冷却性能が向上した分だけ、例
えば絶縁層やモジュール基板を構成する材料の熱伝導率
を小さくすることができる。半導体チップは一般にＳi
で作られ、Ｓiの線膨張係数は良熱伝導体である銅など
に比べて小さい。従って、絶縁層やモジュール基板の材
質をＳiと同程度の線膨張係数を有するＡｌＮ、Ｍｏに
したいわけであるが、ＡｌＮ、Ｍｏの熱伝導率は良熱伝
導体である銅に比べて小さく、上述のような伝熱促進が
あってはじめてＡｌＮ、Ｍｏを絶縁層やモジュール基板
に用いることが可能となる。このように冷却効率のよい
ヒートシンクを用いることで熱応力を小さくでき、上記
課題を解決することができる。
【００１４】ＩＧＢＴ素子の配列に対応するＩＧＢＴ基
板面以外の伝熱面には、冷媒を流さないようにすると、
その分、ＩＧＢＴ素子の配列に対応するＩＧＢＴ基板面
上に多量の冷媒を流すことが可能となり、熱伝達が促進
される。モジュール基板にフィンを備えると伝熱面積が
増加するため熱伝達が促進される。
【００１５】モジュール基板面に突起を近づける構造に
すると冷媒の流れがこの突起に衝突して、突起後流側の
流れが乱れ、モジュール基板面と冷媒との間の熱伝達が
促進される。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図により
説明する。図１３に本発明の第１の実施例である半導体
装置の全体構成を示す。図示の装置は、ＩＧＢＴモジュ
ール９と、前記モジュール９に結合されたヒートシンク
１０と、ヒートシンク１０の冷媒流出口２０に冷媒循環
配管３４Ａで接続され冷媒の熱を放出する放熱器４０
と、放熱器４０の冷媒出口に冷媒循環配管３４Ｂで接続
され冷媒を一時貯溜する冷媒容器５０と、冷媒容器５０
の冷媒出口に冷媒循環配管３４Ｃで接続され冷媒を加圧
して吐出するポンプ６０と、ポンプ６０の吐出口とヒー
トシンク１０の冷媒流入口１９を接続する冷媒循環配管
３４Ｄと、を含んで構成されている。
【００１７】図１は本発明の第１の実施例の部分の断面
図である。図示の装置は、モジュール基板６の一方の面
に絶縁層１を介して配置された複数個（図１では４個）
のＩＧＢＴ素子２と複数個のダイオートチップ３（図１
ではダイオードチップ３はＩＧＢＴチップ２の向う側に
あるため見えていない）を有してなるＩＧＢＴモジュー
ル９と、前記モジュール基板６の他方の面に接して配置
されたヒートシンク１０と、ＩＧＢＴモジュール９とヒ
ートシンク１０とを締結するボルト１５及びナット１７
と、で構成されている。
【００１８】ＩＧＢＴモジュール９は、モジュール基板
６と、このモジュール基板６の一方の面に形成された絶
縁層１と、この絶縁層１の表面の複数個所に部分的に形
成された金属膜４ａ、４ｂと、金属膜４ａ上に半田５で
接合されたＩＧＢＴ素子２とダイオードチップ３と、モ
ジュール基板６の絶縁層１が形成されている側の面の周
囲を囲んで配置され、前記ＩＧＢＴ素子２とダイオード
チップ３よりも高い金属性の枠８と、この枠８内にＩＧ
ＢＴ素子２の周りをモールドする形で封入された樹脂７
と、を含んで構成されている。
【００１９】これらの半導体チップ（ＩＧＢＴ素子２と
ダイオードチップ３）を電気的に接続して、大電流のイ
ンバータ装置のＵ相の出力のための回路部分を構成して
いる。同様な構成によりＶ相、Ｗ相のための回路部分が
構成され、これらを並置することにより、３相インバー
タ装置の主要部分を構成している。絶縁層１のＩＧＢＴ
素子２と反対側の面は、モジュール基板６と接合されて
いる。ＩＧＢＴ素子２の周りは湿気を防ぐために樹脂７
でモールドされている。樹脂７は剛性を保つように金属
性のワク８内にモールドされる形で封入されている。
【００２０】一方、モジュール基板６のＩＧＢＴ素子２
が配置されていない反対の面側にはヒートシンク１０が
配置される。ヒートシンク１０は、モジュール基板６の
ＩＧＢＴ素子２が配置されていない反対側の面の周縁に
その周壁を接しモジュール基板６との間に冷媒室１１を
形成する第１ケーシング２２Ａと、第１ケーシング２２
Ａの冷媒室１１と反対側の面の周縁にその周壁を接し第
１ケーシング２２Ａとの間に冷媒流路１２を形成する第
２ケーシング２２Ｂと、前記第１ケーシング２２Ａに取
り付けられて冷媒室１１と冷媒流路１２を連通するノズ
ル１８と、前記第２ケーシング２２Ｂの周壁に取り付け
られた冷媒流入口１９と、前記第１ケーシング２２Ａの
周壁に取り付けられた冷媒流出口２０と、を含んで構成
されている。第１ケーシング２２Ａ、第２ケーシング２
２Ｂはいずれも金属製であるが、耐腐食性の優れたプラ
スチックで構成してもよい。
【００２１】第１ケーシング２２Ａの周壁のモジュール
基板６に接する面、第２ケーシング２２Ｂの周壁の第１
ケーシング２２Ａに接する面には、それぞれループ状に
連続した溝１３ａ，１３ｂが形成されており、溝内には
Ｏリング１４ａ，１４ｂが装着されて第１ケーシング２
２Ａの周壁とモジュール基板６の間、第２ケーシング２
２Ｂの周壁と第１ケーシング２２Ａの間を、それぞれ水
密にシールしている。また、第１ケーシング２２Ａに取
り付けられて冷媒室１１と冷媒流路１２を連通するノズ
ル１８は、モジュール基板６のＩＧＢＴ素子２とダイオ
ードチップ３が設置されている位置の裏側に対向する位
置に配置され、ノズル１８の噴流孔２４から噴出する冷
媒がモジュール基板６の面に当たるようになっている。
【００２２】ＩＧＢＴモジュール９の枠８とヒートシン
ク１０の４隅には、ボルト１５を挿入する孔１６が設け
られ、ボルト１５、ナット１７でＩＧＢＴモジュール９
と第２ケーシング２２Ｂの間に第１ケーシング２２Ａを
挟んでそれらの４隅を締めつけることによりＯリング１
４ａ、１４ｂがつぶされて、冷媒室１１、冷媒流路１２
から冷媒が外部に漏れない構造としてある。
【００２３】ポンプ６０で加圧された冷媒は冷媒循環配
管３４Ｄを経て冷媒流入口１９から冷媒流路１２に流入
（矢印２１ａ）する。冷媒流路１２に入って冷媒は、各
ノズル１８を通過して冷媒室１１に噴出され、ＩＧＢＴ
素子２及びダイオードチップ３の配列に対応した位置の
モジュール基板６の面に衝突し、モジュール基板６の面
から熱を奪ったのち冷媒流出口２０から冷媒循環配管３
４Ａを経てヒートシンク１０外へ流出する（矢印２１
ｂ）。ヒートシンク１０外へ流出した冷媒は放熱器４０
に導かれ、モジュール基板６から奪った熱を放出する。
熱を放出した冷媒は冷媒循環配管３４Ｂを経て冷媒容器
５０に導かれて一時貯溜される。冷媒容器５０内の冷媒
は冷媒循環配管３４Ｃを経てポンプ６０に吸引され、加
圧されたのち冷媒循環配管３４Ｄ，冷媒流入口１９を経
て冷媒流路１２に送りこまれ、上記サイクルを繰り返
す。
【００２４】ＩＧＢＴ素子２の材質は一般にＳi、絶縁
層１の材質はＡｌＮ、モジュール基板６の材質はＭｏあ
るいは銅、冷媒は水に代表される一般の液体である。冷
媒は例えば不凍液でもよい。図１の実施例では、絶縁層
１とモジュール基板６が設置されているが、絶縁層１を
兼ねたモジュール基板６としてもよい。ノズル１８はひ
とつの噴流孔２４を有したパイプ状になっており、冷媒
室１１と冷媒流路１２を隔てる第１ケーシング２２Ａに
ネジ構造などで挿入され固定されている。
【００２５】上述の構造にすることにより、冷媒流入口
１９から冷媒流路１２に流入した冷媒がノズル１８を経
て冷媒室１１に噴出し、この噴流が、ＩＧＢＴ素子２の
配列に対応した位置のモジュール基板６の面に衝突す
る。衝突噴流による冷却効果は非常に高い。従って絶縁
層１、モジュール基板６が、ＡｌＮ、Ｍｏなどのように
熱伝導率が小さくて熱の拡がりがない材質の場合でも、
モジュール基板６から冷媒への熱の伝わり方が非常に良
好なため、ＩＧＢＴ素子２が発熱した場合でも素子温度
を許容値以下に押さえることが可能となる。また絶縁層
１、モジュール基板６にＩＧＢＴ素子２の材質Ｓiと同
じ程度の線膨張係数であるＡｌＮ、Ｍｏの使用が可能と
なり、熱応力を小さくできてＩＧＢＴ素子２及びＩＧＢ
Ｔモジュール９の信頼性を高めることができる。図２に
冷媒室１１の冷媒の流れを模式的に示す。図２では、冷
媒流入口１９と冷媒流出口２０は、ヒートシンク１０の
互いに対向した面に設けられているが、冷媒流入方向と
冷媒流出方向は同方向である必要はなく、一方が他方に
対して例えば９０度や１８０度の方向であってもかまわ
ない。
【００２６】なお、図１に示す実施例では、ノズル１８
は、噴出する冷媒流がほぼ垂直にモジュール基板６の面
に当たるように、噴流孔２４の軸線をモジュール基板６
の面にほぼ垂直にして配置されているが、かならずしも
垂直である必要はなく、ある程度傾けてもよい。要は冷
媒が早い速度で、かつ乱流状態でモジュール基板６の面
に沿って流れるようにすればよい。但し、ノズル１８を
傾ける場合は、冷媒流出口２０に向かって傾け、ノズル
１８の軸線とモジュール基板６の面の交点を、ＩＧＢＴ
素子２の配置位置の中心から冷媒流出口２０から離れる
方向にずらしておくのが望ましい。また、ノズル１８を
傾けた場合は、冷媒流路１２への冷媒流入方向は、冷媒
室１１からの冷媒流出方向と同方向としておくのが好ま
しい。
【００２７】さらに、図１の実施例では、モジュール基
板６の冷媒流が当たる面は平らであるが、この面に放射
状のフィンや溝を付けたり、凹凸を付けて伝熱面積の増
加を図るようにしてもよい。
【００２８】図３は本発明の第２の実施例の部分を示す
断面図である。本実施例と前記第１の実施例の相違点
は、本実施例においては、絶縁層１及びモジュール基板
６の中央部を押さえるように、枠８上端に押さえ板２３
が設置されていることである。他の構成は第１の実施例
と同じなので説明を省略する。押さえ板２３は、前記ボ
ルト１５及びナット１７で前記枠８の上端に樹脂７を覆
うように固定される横板２３Ａと、この横板２３Ａのほ
ぼ中央部に絶縁層１に対してほぼ垂直になるように固着
された縦板２３Ｂとからなり、縦板２３Ｂの下端（絶縁
層１側の端部、以下同じ）は絶縁層１に当接している。
横板２３Ａは樹脂７側が凹になるような変形に対する抵
抗が大きくなる材質形状、板厚としてある。
【００２９】冷媒室１１、冷媒流路１２内には冷媒が満
たされており、これらの冷媒は、循環させるために、ポ
ンプなどで加圧されている。一方、絶縁層１、モジュー
ル基板６は、熱応力を小さくするためにできるだけ薄く
したい。従って絶縁層１、モジュール基板６は、ＩＧＢ
Ｔ素子２側に凸になるように変形しやすくなる。前述の
ような構成の押さえ板２３を設置することで、この変形
が抑制され、ＩＧＢＴモジュール９の信頼性が高まる。
【００３０】図４は本発明の第３の実施例の部分を示す
断面図である。本実施例が前記第２の実施例と異なるの
は、第１ケーシング２２Ａと第２ケーシング２２Ｂが一
体で構成されたケーシング２２となり、Ｏリング挿入用
の溝及びＯリングは第１ケーシング２２Ａに形成された
溝１３ａとこの溝１３ａに装着されるＯリング１４ａの
みとなっている点である。従ってノズル１８は冷媒室１
１側から第１ケーシング２２Ａに挿入する構造となって
いる。他の構成は第２の実施例と同じなので説明を省略
する。
【００３１】このような構造にすることによりＯリング
によるシール個所を減らすことが可能となり、水、すな
わち冷媒が漏れる要因を減らすことができ、冷却装置の
信頼性が高まる。
【００３２】図５は本発明の第４の実施例の部分を示す
断面図である。本実施例が前記第１〜３の実施例と異な
るのは、前記第１〜３の実施例で各ノズル１８に形成さ
れた噴流孔２４が１個だったのに対し、本実施例では各
ノズル１８にそれぞれ９個の噴流孔２４が形成されてい
る点である。他の構成要素は前記第１〜３の実施例と同
じであり、説明は省略する。
【００３３】図５は、ＩＧＢＴ素子２と、ＩＧＢＴ素子
２が設置されている位置のモジュール基板６に相対する
ノズル１８を拡大して示している。ノズル１８には複数
個（図５では正方形に３×３＝９個）の噴流孔２４が設
けられている。噴流孔２４で形成される噴流が当たるモ
ジュール基板６の領域が、ＩＧＢＴ素子２が設置されて
いる位置の金属膜の領域よりも大きくなるように、噴流
孔２４を正方形に配置された複数の噴流孔２４で構成し
てある。今までの説明では絶縁層１及びモジュール基板
６では熱の拡大（面内での拡大）はないと述べたが、厳
密には矢印２５、２６で示すようにわずかながらの拡大
はある。そこでノズル１８の噴流２７が当たるモジュー
ル基板６の範囲を、ＩＧＢＴ素子２の面積よりも少し大
きめにした方が、冷却効率が高められる。我々の実験で
は約１.５倍大きめにすると効果的であった。
【００３４】図６は、噴流孔２４が１個の場合と、９個
の場合について、ＩＧＢＴ素子の各位置に対応するモジ
ュール基板６の各位置での冷却性能分布を模式的に示し
たものである。図６（ａ）が噴流孔が１個の場合で、Ｉ
ＧＢＴ素子の中央に相当する部分の冷却性能は良いがＩ
ＧＢＴ素子の端部になると冷却性能が劣化する。図６
（ｂ）は噴流孔が複数個（図６では９個の場合で、３個
づつ３列に正方形をなして配列）の場合で、ＩＧＢＴ素
子の幅全体にわたって冷却性能が均一化されている。こ
のようにして冷却効率を高められるばかりでなく、ＩＧ
ＢＴ素子２内の温度分布を均一にでき、部分的に高温に
なるのを防いでＩＧＢＴ素子２の破損原因を減ずること
ができる。
【００３５】図７、図８は本発明の第５の実施例の部分
を示す断面図である。本実施例と前記図４に示した第３
の実施例との相違点は、モジュール基板６の冷媒室１１
に接する側の面に複数列のフィン２８が形成され、ケー
シング２２に代えて冷媒流路１２もノズル１８も共に有
しない流路ケーシング３３が装着されている点である。
また、本実施例においては、冷媒流入口１９と冷媒流出
口２０は流路ケーシング３３の互いに対向する周壁に形
成され、フィン２８の列は、冷媒流入口１９から冷媒流
出口２０に向かう方向を長手方向として並ぶ。フィン２
８は、モジュール基板６のＩＧＢＴ素子２が設置されて
いる領域に対応する部分よりもやや広い範囲に形成さ
れ、冷媒流れ方向には連続したフィンとして形成されて
いる。フィン２８の存在によりモジュール基板６の伝熱
面積を拡大でき、モジュール基板６から冷媒への熱伝達
効率を高めることができる。また、冷媒が流れるスペー
スが冷媒室１１のみになり、冷媒流路１２を設ける必要
がないので、冷却装置（ヒートシンク１０）を薄くでき
る。さらにフィン２８によりモジュール基板６の剛性が
強化され、変形が少なくなる。
【００３６】図９、図１０は本発明の第６の実施例の部
分を示す断面図である。本実施例が前記第５の実施例と
異なるのは、モジュール基板６にはフィン２８が設けら
れておらず平らであり、流路ケーシング３３に代わる流
路ケーシング２９の冷媒室１１に突起３０が形成されて
いる点である。他の構成は前記第５の実施例と同じであ
り、説明を省略する。流路ケーシング２９の、ＩＧＢＴ
素子２の位置に対応しない部分には、肉厚部３２ａ，３
２ｂが形成され、その部分には冷媒室１１は形成されな
いようになっている。このため冷媒室１１は、冷媒流入
口１９に接する部分と冷媒流出口２０に接する部分の間
では、ＩＧＢＴ素子２に対応する流路ケーシング２９の
部分の間に形成された肉厚部３２ａによって分断され、
冷媒は複数の異なる流路を流れる。この流路はいずれ
も、冷媒流入口１９と冷媒流出口２０を結ぶ線にほぼ平
行となっている。さらに、これらの流路ごとに、各ＩＧ
ＢＴ素子２に対応する部分の上流側に円柱状の突起３０
が冷媒室１１に突出するようにモジュール基板６の下面
（冷媒室１１に接する面）に垂直をなして流路ケーシン
グ２９に植立されている。
【００３７】流路ケーシング２９のモジュール基板６と
接する面には、Ｏリング１４ａを挿入する溝１３ａが備
えられる。前記円柱状の突起３０は、流路ケーシング２
９にネジ止めで固定する構造でよい。突起３０の長さ
は、ＩＧＢＴモジュール９とヒートシンク１０をボルト
ナット１５、１７で締めつけたとき、突起３０がモジュ
ール基板６に当たらない程度内で十分に長くするのが望
ましい。突起３０を設置する位置は、冷媒の流れ方向に
ほぼ平行する面での断面図である図１０に示されるよう
に、ＩＧＢＴ素子２に相対する位置よりも冷媒流入口１
９側とし、冷媒の流れ方向に９０°直交する方向から見
た断面図である図９では、ＩＧＢＴ素子２に対応するモ
ジュール基板６に相対する位置とする。このようにする
ことにより図１１に示すように突起３０の後流に流れの
乱れ３１が生じ、モジュール基板６と冷媒との間の熱交
換が促進される。乱れの生じる位置とＩＧＢＴ素子の位
置が同じになるように、突起３０の設置位置をＩＧＢＴ
素子よりも流れの前方側にくるようにする。
【００３８】また、図９，図１０においては、円柱状の
突起３０はその軸線がモジュール基板６の面に対して垂
直になるように配置されているが、上流側、あるいは下
流側に傾斜させて配置してもよい。また、突起３０の形
状は、モジュール基板６の面に平行な面での断面形状
が、流線形でない他の断面形状のものであれば、円柱状
でなく、例えば角柱状のものでもよい。
【００３９】さらに冷媒がモジュール基板６に接する部
分はＩＧＢＴ素子２に相対する部分のみとするように、
流路ケーシング２９には肉厚部３２ａ、３２ｂが設けら
れている。このように構成することにより、同じ冷媒流
量を流す場合でもＩＧＢＴ素子２に相対するモジュール
基板６部分の冷媒流速を速くでき、その分冷却効率が高
められる。図１２に冷媒の流れを模式的に示す。
【００４０】ヒートシンク１０を構成する材質は、前述
のごとく一般に銅、アルミニウムなどであるがプラスチ
ックなどで構成して冷却装置の軽量化を図ることも重要
である。
【００４１】
【発明の効果】本発明によれば、ＩＧＢＴモジュールを
ヒートシンクで冷却する場合において、ヒートシンク内
を流れる冷媒が、直接、モジュール基板に噴出されて衝
突して冷却する。そのため、冷却性能が向上する。さら
に、モジュール基板に冷却用フィンを設けたり、ヒート
シンクを２重室構造にして、ＩＧＢＴ素子に相対するモ
ジュール基板面に冷媒の噴流を衝突させたりあるいはヒ
ートシンクの流路ケーシングに突起を設けて、突起後流
に冷媒流の乱れ（乱流）を発生させるので、ＩＧＢＴ素
子に相対するモジュール基板面から冷媒への熱伝導が促
進されて冷却効率が高められる。これで半導体チップ
（ＩＧＢＴ素子やダイオートチップ）を良好に冷却でき
るため、半導体チップの高寿命化を図ることが可能とな
る。さらに、半導体チップが配設される絶縁層及びモジ
ュール基板を、Ｓi（シリコン）で構成される半導体チ
ップと同程度の線膨張係数を有するＡｌＮ、Ｍｏなどで
構成することにより、熱応力を小さくして高寿命化を図
ることができるが、この場合も、ＡｌＮ、Ｍｏなどは熱
伝導率が小さく、熱の拡がり方が悪いため、モジュール
基板のＩＧＢＴ素子に相対する面を効率良く冷却する必
要があり、上述の冷媒を直接モジュール基板に噴出、衝
突させて効率良く冷却する構造であってこそ実現できる
ものである。
【００４２】さらに、ヒートシンクを耐腐食性の優れた
プラスチックで構成することも可能であり、これにより
冷却装置の軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の断面図である。
【図２】図１に示す実施例における冷媒の流れを模式的
に示す平面図である。
【図３】本発明の第２の実施例の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例の断面図である。
【図５】本発明の第４の実施例の部分を拡大して示す断
面図である。
【図６】図１，図５に示す実施例の冷却特性を示す概念
図である。
【図７】本発明の第５の実施例の断面図である。
【図８】図７のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図９】本発明の第６の実施例の断面図である。
【図１０】図９のＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【図１１】本発明の第６の実施例の作用を説明する概念
図である。
【図１２】図９に示す実施例における冷媒の流れを模式
的に示す平面図である。
【図１３】本発明の実施例の全体構成を示す系統図であ
る。
【符号の説明】
１ 絶縁層 ２ ＩＧＢＴ素子 ３ ダイオードチップ ４ａ、４ｂ 金属膜 ５ 半田 ６ モジュール基板 ７ 樹脂 ８ 枠 ９ ＩＧＢＴモジュール １０ ヒートシンク １１ 冷媒室 １２ 冷媒流路 １３ａ、１３ｂ 溝 １４ａ、１４ｂ Ｏ
リング １５ ボルト １６ 孔 １７ ナット １８ ノズル １９ 冷媒流入口 ２０ 冷媒流出口 ２１ａ、２１ｂ 矢印 ２２ ケーシング ２２Ａ 第１ケーシング ２２Ｂ 第２ケーシ
ング ２３ 押さえ板 ２３Ａ 横板 ２３Ｂ 縦板 ２４ 噴流孔 ２５ 矢印 ２６ 矢印 ２７ 噴流 ２８ フィン ２９ 流路ケーシング ３０ 突起 ３１ 乱れ ３２ａ、３２ｂ 肉
厚部 ３３ 流路ケーシング ３４Ａ〜３４Ｄ 冷
媒循環配管 ４０ 放熱器 ５０ 冷媒容器 ６０ ポンプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 八幡 光一 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 藤枝 信男 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の半導体チップがモジュール基板の
    一方の面に接合された絶縁層に半田付けされてなるモジ
    ュールと、前記モジュール基板の他方の面に結合され該
    他方の面に直接、冷媒を接触させる冷媒室を備えたヒー
    トシンクとを含んで形成され、前記冷媒で前記モジュー
    ルを冷却するように構成された半導体装置において、前
    記ヒートシンクの冷媒室に冷媒を循環させるポンプが設
    けられ、前記冷媒はこのポンプに加圧されて前記モジュ
    ール基板の他方の面に沿って流れつつモジュールを冷却
    することを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の半導体装置において、
    前記モジュール基板の他方の面に、冷媒が流れる方向に
    沿うように冷却フィンの列を設けたことを特徴とする半
    導体装置。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の半導体装置に
    おいて、前記ヒートシンクは冷媒の噴流を半導体チップ
    の接合位置に対応する位置のモジュール基板の他方の面
    に衝突させるものであることを特徴とする半導体装置。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の半導体装置において、
    ヒートシンクが、冷媒室と、この冷媒室に冷媒室壁面を
    隔てて隣接する冷媒流路と、該冷媒流路に冷媒を流入さ
    せる冷媒流入口と、前記冷媒室壁面に前記冷媒室と冷媒
    流路とを連通して配置され噴流孔からの冷媒の噴流を半
    導体チップの接合位置に対応する位置のモジュール基板
    の他方の面に衝突させるノズルと、を設けたことを特徴
    とする半導体装置。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載の半導体装置において、
    ノズルに複数の噴流孔が形成されていることを特徴とす
    る半導体装置。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載の半導体装置において、
    冷媒室の中に冷媒の流れに交差するように突起を配置
    し、該突起の位置は、突起後流側に生じる流れの乱れの
    位置が半導体チップの接合位置に対応する位置のモジュ
    ール基板の他方の面となる位置であることを特徴とする
    半導体装置。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載の半導体装置において、
    突起をヒートシンクを構成するケーシングに取り付け
    て、突起を冷媒の流れの中に突き出るように形成したこ
    とを特徴とする半導体装置。
  8. 【請求項８】 請求項１に記載の半導体装置において、
    ヒートシンクを構成する材質をプラスチックとしたこと
    を特徴とする半導体装置。
  9. 【請求項９】 請求項１に記載の半導体装置において、
    モジュール基板とヒートシンクの結合部のシール構成を
    Ｏリングで行い、モジュール基板とヒートシンクの４す
    みに設置したボルト、ナットで両者が締結されているこ
    とを特徴とする半導体装置。
  10. 【請求項１０】 請求項１に記載の半導体装置におい
    て、絶縁層の材質をＡｌＮ、モジュール基板の材質をＭ
    ｏとしたことを特徴とする半導体装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１乃至１０のいずれかに記載の
    半導体装置において、モジュール基板が絶縁層を兼ねて
    いることを特徴とする半導体装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１乃至１１のいずれかに記載の
    半導体装置において、前記ヒートシンク冷媒流出口に接
    続され冷媒の熱を放出する熱交換器と、この熱交換器出
    口側に接続された冷媒容器と、この冷媒容器に接続され
    冷媒を加圧するポンプとを含んで構成され、前記ポンプ
    の吐出口が前記ヒートシンク冷媒流入口に接続されてい
    ることを特徴とする半導体装置。
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