WO2016021565A1 - 半導体装置 - Google Patents
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- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
- H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
Definitions
- the present invention relates to a semiconductor device including a cooler that circulates and circulates a coolant for cooling a semiconductor element.
- Power conversion devices are used for energy saving in devices that use motors such as hybrid vehicles and electric vehicles.
- Semiconductor modules are widely used for this power conversion device.
- This semiconductor module includes a power semiconductor element to control a large current.
- the power semiconductor element generates a large amount of heat when controlling a large current.
- the semiconductor module is required to be smaller and lighter and the output density tends to increase, in a semiconductor module including a plurality of power semiconductor elements, the cooling method affects the power conversion efficiency.
- a liquid cooling type cooler in order to improve the cooling efficiency of the semiconductor module, a liquid cooling type cooler has been used.
- This liquid-cooled cooler incorporates fins as heat sinks, and cools by circulating a coolant in the cooler.
- the liquid cooling type cooler increases the flow rate of the cooling liquid, improves the heat transfer coefficient by miniaturizing and complicating the fin, or increases the thermal conductivity of the material constituting the fin.
- the cooler is required to be reduced in size and thickness while having sufficient cooling ability in applications such as automobiles. Therefore, it has been required to reduce the pressure loss of the coolant in a cooler that is reduced in size and thickness.
- An object of the present invention is to provide a semiconductor device provided with a cooler.
- a semiconductor device including a circuit board and a cooler that cools the first semiconductor element and the second semiconductor element.
- the cooler includes a first surface and a second surface opposite to the first surface, the heat dissipating part in which the first circuit board and the second circuit substrate are joined to the first surface, and the second surface.
- a coolant introduction part and a discharge part provided on the second side wall, and an introduction path connected to the introduction part and formed along the inner surface of the first side wall, and connected to the discharge part
- a discharge passage formed along the inner surface of the second side wall, and a cooling passage formed between the introduction passage and the discharge passage at a position where the fin is accommodated. is doing.
- the introduction path and the discharge path have an asymmetric planar shape.
- a connection portion between the introduction path and the introduction portion opposes the cooling flow path directly below the second circuit board disposed on the cooler.
- a connection part between the discharge path and the discharge part is opposed to the cooling flow path directly below the first circuit board disposed on the cooler.
- the downsizing and thinning of the cooler is disadvantageous in terms of pressure loss, whereas the disturbance of the coolant flow is reduced as much as possible to reduce the pressure loss, and Since the connection part that connects the piping of the introduction part and the discharge part is provided at an appropriate position for the heat generation of the semiconductor element, the semiconductor element arranged on the outer surface of the cooler can be effectively cooled, and the coolant is circulated. Therefore, the load on the pump to be reduced is reduced, and the semiconductor element can be stably operated.
- FIG. 1 is a perspective view showing an external appearance of a semiconductor module according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the semiconductor module of FIG. 1 in a section taken along line IIa-IIa.
- FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a power conversion circuit configured as a semiconductor module.
- FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the main part of the case of the cooler of the semiconductor module.
- FIG. 5 is a plan view showing the internal structure of the case of FIG. 6A and 6B are diagrams for explaining the shapes of two types of fins.
- FIG. 6A is a perspective view showing a blade fin
- FIG. 6B is a perspective view showing a corrugated fin.
- FIG. 7 is an enlarged view of the vicinity of the connection portion of the semiconductor module of the second embodiment.
- FIG. 8 is a plan view showing the positional relationship between the cooling channel of the case and the circuit board.
- FIG. 9 is an enlarged view of the vicinity of the connection portion of the semiconductor module of the second embodiment.
- FIG. 10 is a plan view showing the internal structure of the case of the semiconductor module of the third embodiment.
- FIG. 11 is a plan view showing the internal structure of the case of the semiconductor module of the fourth embodiment.
- FIG. 12 is a plan view showing the internal structure of the case of the semiconductor module of the first embodiment.
- 13 is a plan view showing the internal structure of the case of the semiconductor module of Comparative Example 1.
- FIG. FIG. 14 is a graph showing the pressure difference between Comparative Example 1 and Examples 1 and 2.
- FIG. 15 is an enlarged view of the vicinity of the connection portion of the semiconductor module of the fourth embodiment.
- FIG. 16 is a graph showing the pressure difference in Examples 3-5.
- FIG. 17 is a graph showing the junction temperature of each semiconductor element 15 in Example 2 and Example 3.
- FIG. 18 is a graph showing the junction temperature of each semiconductor element 15 in Examples 3-5.
- FIG. 19 is a perspective view of the semiconductor module of the fifth embodiment. 20 is a schematic view of the semiconductor module shown in FIG. 19 taken along the line XXa-XXa.
- FIG. 21 is an explanatory diagram showing the internal structure of the cooler of the semiconductor module of the fifth embodiment.
- FIG. 22 is an explanatory view showing the flow of the coolant in the introduction path and the discharge path of the cooler of FIG.
- FIG. 23 is an exploded perspective view of the semiconductor module of the sixth embodiment.
- FIG. 24 is an exploded perspective view of the semiconductor module of the seventh embodiment.
- FIG. 25 is an exploded perspective view of the semiconductor module of the eighth embodiment
- FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of an example of a semiconductor module as an embodiment of the semiconductor device of the present invention.
- 2A is a schematic diagram showing the semiconductor module of FIG. 1 in a section taken along the line IIa-IIa, and
- FIG. 2B is an enlarged partial schematic diagram of FIG. 2A.
- the semiconductor module 1 includes a plurality of circuit element units 11A to 11F and 12A to 12F, and these circuit element units 11A to 11F and 12A to 12F, as shown in FIGS.
- the cooler 20 is provided.
- Each of the circuit element units 11A to 11F and 12A to 12F has a configuration in which, for example, two of two types of semiconductor elements 14 and 15 are mounted on the circuit board 13, for a total of four.
- the circuit board 13 has a configuration in which conductor layers 13b and 13c are formed on both surfaces of the insulating plate 13a.
- an insulating ceramic substrate such as aluminum nitride or aluminum oxide can be used.
- the conductor layers 13b and 13c can be formed using a metal such as copper or aluminum (for example, copper foil).
- the semiconductor elements 14 and 15 are bonded to the conductor layer 13b side of the circuit board 13 on which the circuit pattern is formed using a bonding layer 16 such as solder, and through the bonding layer 16 or bonding wires or bus bars (not shown). ) To be electrically connected to the conductor layer 13b.
- the circuit board 13 on which the semiconductor elements 14 and 15 are mounted is bonded to the heat dissipation board 21 of the cooler 20 via the bonding layer 17 on the other conductor layer 13c side.
- the circuit board 13 and the semiconductor elements 14 and 15 are connected to the cooler 20 so as to be able to conduct heat.
- the exposed surfaces of the conductor layers 13b and 13c and the surfaces of bonding wires and the like (not shown) that electrically connect the semiconductor elements 14 and 15 and the conductor layer 13b are contaminated and corroded.
- a protective layer such as nickel plating may be formed to protect against external forces.
- a power semiconductor element chip is used in the illustrated example.
- one semiconductor element 14 is a free wheel diode (FWD)
- the other semiconductor element 15 is an insulated gate bipolar transistor (Insulated Gate Bipolar Transistor: IGBT).
- an inverter circuit 71 can be constituted by six circuit element portions 11A to 11F, and an inverter circuit 72 is constituted by six circuit element portions 12A to 12F. It is possible to configure.
- the inverter circuits 71 and 72 in FIG. 3 exemplify inverter circuits that convert a direct current into an alternating current and supply the alternating current to the three-phase alternating current motors 73 and 74.
- the inverter circuit 71 has a configuration in which the circuit element portions 11A to 11C are upper arms and 11D to 11F are lower arms, and input / output and control are performed by connecting wires (not shown) such as wire bonding and bus bars.
- the inverter circuit 72 has a configuration in which 12A to 12C are upper arms and 12D to 12F are lower arms, and input / output and control are performed by connecting wiring (not shown) such as wire bonding or bus bars.
- Each of the inverter circuits 71 and 72 includes a bridge circuit of the semiconductor element 15 that is an IGBT and the semiconductor element 14 that is an FWD for each of the three phases U phase, V phase, and W phase.
- a direct current is converted into an alternating current, and the three-phase alternating current motors 73 and 74 can be driven.
- the inverter circuit 71 or 72 is composed of six circuit element units 11A to 11F or six circuit element units 12A to 12F.
- the number of circuit element units mounted on the cooler 20 is not limited to six as shown in FIG. 1 with twelve circuit element units 11A to 11F and 12A to 12F.
- it is an inverter circuit for controlling two three-phase AC motors 73 and 74.
- the inverter circuit 71 is mounted on the cooler 20 with 11A to 11C as upper arms and 11D to 11F as lower arms.
- the inverter circuit 72 is mounted on the cooler 20 with 12A to 12C as the upper arm and 12D to 12F as the lower arm, and has a total of 12 circuit element portions.
- a circuit element unit using a predetermined number of IGBTs and FWDs for performing step-up / down control is mounted on a cooler.
- the cooler 20 having a size suitable for the arrangement area of the circuit element unit is used.
- the cooler 20 includes a box-shaped case 22 having an opening on the upper side, and a flat plate-shaped heat dissipation board (heat dissipation board) connected to the upper end of the side wall of the case 22 without leakage.
- fins 23 having exchange performance.
- the plurality of fins 23 are accommodated in the case 22, and the case 22 and the heat dissipation substrate 21 are sealed by being metallicly bonded to each other or by interposing a seal member therebetween.
- the heat generated in each of the circuit element portions 11A to 11F and 12A to 12F is transmitted to the heat dissipation substrate 21 through the bonding layer 17 and further to the fins 23. . Since the fins 23 in the cooler 20 are arranged in a cooling flow path to be described later, the fins 23 are cooled by flowing the cooling liquid through the cooling flow path. The circuit element portions 11A to 11F and 12A to 12F that generate heat are cooled by the cooler 20 in this way.
- FIG. 4 is a perspective view illustrating a configuration of a main part of the case 22 of the cooler 20, and an arrow indicates a direction in which the coolant flows.
- fins 23 attached to the heat dissipation substrate 21 are drawn.
- FIG. 5 is a plan view showing the internal structure of the cooler 20 shown in FIG.
- the outer shape of the case 22 of the cooler 20 is a substantially rectangular parallelepiped shape having a bottom wall 22a and a side wall 22b.
- the first side wall of the side walls 22b of the case 22, that is, one side wall 22b1 on the short side of the case 22, is provided with an introduction portion 27 having an inlet for introducing the coolant into the inside of the case 22. Is provided.
- the second side wall of the side walls 22b of the case 22, that is, the other side wall 22b2 on the short side of the case 22, is provided with a discharge port for discharging the coolant from the inside of the case 22 to the outside.
- a portion 28 is provided.
- the introduction part 27 and the discharge part 28 are, for example, cylindrical.
- the introduction part 27 and the discharge part 28 are provided slightly inward from the diagonal position of the case 22.
- the axes of the introduction part 27 and the discharge part 28 are substantially parallel to the longitudinal direction of the cooling flow path 26, that is, the direction in which the coolant flows in the cooling flow path 26 (the direction indicated by the arrow in FIG. 4).
- the upper arm circuit element portions 11A to 11C, 12A to 12C and the lower arm circuit element portions 11D to 11F, 12D to 12F are arranged in parallel along the direction in which the coolant flows. Arranged in two rows. A plurality of upper arm circuit boards 13 (first circuit boards) and a plurality of lower arm circuit boards 13 (second circuit boards) are aligned and arranged in parallel.
- the introduction path 24 is formed along the inner surface of one side wall 22b1 on the short side of the case 22 where the introduction portion 27 is provided. Further, a connection portion 271 is provided between the introduction path 24 and the introduction portion 27, and the introduction path 24 is formed so that the coolant introduced from the connection portion 271 is dispersed and flows into the cooling flow path 26. Yes.
- the connecting portion 271 is provided to face a portion of the cooling channel that is located directly below the circuit board 13. In the illustrated example, a connection portion 271 is provided at a portion facing the cooling flow path 26 on the semiconductor element 15 (second semiconductor element) side mounted on the circuit element portion 11D of the lower arm.
- the discharge path 25 is formed along the inner surface of the side wall 22b2 on the short side of the case 22 where the discharge portion 28 is provided. Further, a connecting portion 281 is provided between the discharge path 25 and the discharge section 28, and the discharge path 25 is formed so as to discharge the coolant that has passed through the cooling flow path 26 to the discharge section 28.
- the connecting portion 281 is provided so as to face a portion of the cooling channel that is located immediately below the circuit board 13. In the illustrated example, a connection portion 281 is provided at a portion facing the cooling flow path 26 on the semiconductor element 15 (first semiconductor element) side mounted on the circuit element portion 12C of the upper arm.
- the cooling flow path 26 is formed between the introduction path 24 and the discharge path 25 at a position where the fins 23 are accommodated, thereby allowing the coolant to flow through a portion necessary for cooling the fins 23 as a heat sink. Is done. Since the introduction path 24 and the discharge path 25 are formed along the side walls 22b1 and 22b2 on the short side of the case 22, the cooling flow path 26 has a length in the flow direction of the cooling liquid. And it is longer than the length of the coolant flow direction in the discharge passage 25. This is advantageous for reducing the size of the cooler 20.
- the cooling flow path 26 can be divided into a plurality of flow paths in accordance with the positions of the circuit element portions 11A to 11F and 12 to 12F.
- the cooling flow path 26 is divided into two by a partition 22 c connected to the introduction path 24 and the discharge path 25.
- a configuration without the partition 22c can be adopted, which is preferable from the viewpoint of reducing pressure loss.
- the longitudinal direction of the introduction path 24 and the discharge path 25 is substantially orthogonal to the longitudinal direction of the cooling flow path 26.
- the cooling flow path 26 is divided into two in the longitudinal direction, and the divided flow paths are divided into circuit element portions 11A to 11C and 12A to 12C of the upper arm of the inverter circuit and circuit element portions 11D to 11F of the lower arm. , 12D to 12F.
- two cooling flow paths that flow in parallel are directly formed directly below the circuit element portions.
- the cooling flow path 26 is provided with a plurality of fins 23.
- the heat sink composed of a plurality of fins has a substantially rectangular parallelepiped shape, and is arranged in parallel with the direction in which the coolant flows in the cooling flow path 26.
- FIG. 6 is an explanatory diagram of the shape of the fin.
- the fins 23 of the cooler 20 can be formed as a plurality of blade fins 23a in which plate-like fin elements are arranged in parallel.
- the blade fin 23a is disposed in the cooling channel 26, and the coolant flows in the direction indicated by the arrow in FIG.
- the blade fins 23a are fixed to and integrated with the heat dissipation substrate 21.
- the fins 23 of the cooler 20 are not limited to the blade fins 23a shown in FIG. 6A, and corrugated fins 23b shown in FIG. 6B can also be used.
- a multi-hole plate structure in which the heat dissipation substrate 21, the fins 23, and the bottom wall 22a of the case 22 are integrally formed by extrusion molding may be employed.
- the blade fin 23a is dimensioned (height) such that when the blade fin 23a is integrated with the heat dissipation substrate 21 and provided in the case 22, there is a certain clearance C between the tip and the bottom wall 22a of the case 22. It is formed. Further, in the case of the corrugated fin 23b, it is formed into a shape in which there is no clearance C by being integrated with the case 22 by brazing.
- the fin shape of the fin 23 it is possible to use a variety of conventionally known shapes. However, since the fin 23 becomes a resistance of the coolant flowing in the cooling flow path 26, it is desirable that the pressure loss with respect to the coolant is small. Therefore, the blade fin 23a and the corrugated fin 23b described above are preferable.
- the shape and dimensions of the fins 23 are appropriately set in consideration of the conditions for introducing the coolant into the cooler 20 (that is, pump performance, etc.), the type of coolant (viscosity, etc.), the target heat removal amount, and the like. It is preferable to do.
- the external shape of the heat sink composed of the fins 23 is a substantially rectangular parallelepiped, preferably a rectangular parallelepiped, and may be chamfered or deformed as long as the effects of the invention are not impaired.
- a pipe (not shown) connected to a pump (not shown) provided on the upstream side of the introduction unit 27 is connected to the introduction unit 27, and the discharge unit 28 is connected to the discharge unit 28.
- a pipe (not shown) connected to a heat exchanger (not shown) provided on the downstream side is connected.
- the coolant after heat exchange in the heat exchanger is guided to the pump, whereby a closed-loop coolant flow path including the cooler 20, the pump, and the heat exchanger is configured.
- the cooling liquid is forcedly circulated in such a closed loop by a pump.
- a known cooling medium such as water or long life coolant (LLC) can be used.
- the height (diameter) of the openings of the introduction part 27 and the discharge part 28 provided on the side walls 22b1 and 22b2 of the case 22 is such that a predetermined flow rate of coolant is introduced into the case 22 with a low load. It has a predetermined size so that it can be discharged. Further, the introduction path 24, the discharge path 25, and the cooling flow path 26 in the case 22 are made as small and thin as possible within a range having a predetermined cooling capacity. For example, the ratio of the thickness of the cooling flow path 26 to the entire width of the cooling flow path 26, that is, the length of the internal length between the two longitudinal side walls 22b3 of the case 22, is about 1: 8 to 1:12. It is thinned to be. For this reason, as shown in FIGS. 1 and 2, in the cooler 20, the height of the opening of the introduction portion 27 is higher than the height of the introduction path 24. Similarly, the height of the opening of the discharge part 28 is higher than the height of the discharge path 25.
- connection part 271 between the introduction part 27 and the introduction path 24 is in the depth direction (longitudinal direction of the cooling flow path 26) when viewed from the introduction part 27, as shown in the enlarged view of the vicinity of the connection part 271 in FIG.
- a first inclined surface 271 a that is inclined from the bottom surface and connected to the bottom surface of the introduction path 24 is provided.
- the bottom surface of the introduction portion 27 is formed away from the tips of the fins 23 in the thickness direction of the cooler 20 from the bottom surfaces of the introduction passage 24 and the cooling flow passage 26.
- the first inclined surface 271a and the bottom surface of the introduction path 24 are connected by a curved surface 271c.
- the first inclined surface 271 a is inclined above the cooler 20 toward the fins 23.
- the connecting portion 271 has the first inclined surface 271a, the coolant introduced from the introducing portion 27 flows along the first inclined surface 271a, and the flow path cross-sectional area in the flow direction is gradually reduced. While being guided to the introduction passage 24 and the cooling passage 26.
- connection part 281 between the discharge part 28 and the discharge path 25 is in the depth direction (longitudinal direction of the cooling flow path 26) when viewed from the discharge part 28.
- a first inclined surface 281 a that is inclined from the bottom surface and connected to the bottom surface of the discharge path 25 is provided.
- the bottom surface of the discharge part 28 is formed away from the tips of the fins 23 in the thickness direction of the cooler 20 from the bottom surfaces of the discharge path 25 and the cooling flow path 26.
- the first inclined surface 281a and the bottom surface of the discharge path 25 are connected by a curved surface 281c.
- the first inclined surface 281 a is inclined above the cooler 20 toward the fins 23. Since the connecting portion 281 has the first inclined surface 281 a, the coolant that has passed through the discharge passage 25 from the cooling flow channel 26 flows along the first inclined surface 281 a and travels toward the discharge portion 28.
- the connecting portion 271 on the introduction portion 27 side is provided at a position in the cooling channel 26 that faces a portion immediately below the circuit board 13 of the lower arm.
- the coolant from the introduction portion 27 can be guided straight to the fins immediately below the circuit board 13 that is likely to reach the highest temperature in the cooling flow path 26.
- the flow rate of the coolant directed toward the fins directly below the part can be increased as compared with other parts, and as a result, the semiconductor elements 14 and 15 on the circuit board can be effectively cooled.
- the semiconductor element 15 that is an IGBT chip generates more heat than the semiconductor element 14 that is an FWD chip, and therefore the connection part 271 on the introduction part 27 side is connected to the semiconductor element 15 ( More preferably, the second semiconductor element is provided at a position facing a portion immediately below the second semiconductor element.
- the connection portion 271 on the introduction portion 27 side has a length corresponding to 1/10 to 1/3 of the entire width of the cooling flow channel 26 and is located closer to the center from the end portion of the introduction passage.
- connection portion 281 on the discharge portion 28 side is also provided at a position facing the portion immediately below the circuit board 13 in the cooling flow path 26.
- the cooling liquid that has passed through the fins 23 in the portion immediately below the circuit board 13 that is likely to reach the highest temperature in the cooling flow path 26 can be guided straight to the discharge portion 28.
- the flow rate of the coolant through the fins 23 in the portion immediately below the second portion can be increased as compared with the other portions, and the semiconductor elements 14 and 15 on the circuit board can be effectively cooled.
- the semiconductor element 15 that is an IGBT chip generates more heat than the semiconductor element 14 that is an FWD chip.
- connection part 281 on the discharge part 28 side is connected to the semiconductor element 15 ( More preferably, the first semiconductor element is provided at a position facing the portion immediately below.
- the connection portion 281 on the discharge portion 28 side has a length corresponding to 1/10 to 1/3 of the entire width of the cooling flow channel 26 and is located closer to the center from the end of the introduction path.
- the introduction path 24 and the discharge path 25 have an asymmetric planar shape.
- the introduction path 24 is a narrower flow path than the discharge path 25 so that the coolant flows as evenly as possible from one end to the other end in the width direction of the cooling flow path 26.
- the discharge path 25 is a flow path that is wide to some extent so that the coolant flows from the cooling flow path 26 to the discharge portion with less resistance.
- the volume of the discharge path 25 is larger than that of the introduction path 24.
- the introduction path 24 is formed in a shape in which the flow path width gradually decreases toward the downstream side of the introduction path 24 so that the cross-sectional area of the introduction path 24 is reduced on the downstream side of the introduction path 24.
- the flow velocity distribution of the coolant can be made uniform between the cooling flow path 26 connected to the downstream side of the introduction path 24 and the cooling flow path 26 connected to the upstream side of the introduction path 24.
- the discharge path 25 does not have a shape in which the flow path width gradually decreases as it goes downstream as in the introduction path 24. Since the introduction path 24 and the discharge path 25 are different from each other, in other words, have an asymmetric planar shape, it contributes effectively to pressure loss.
- the case 22 having such a configuration can be formed using a metal material such as aluminum, aluminum alloy, copper, or copper alloy.
- a metal material such as aluminum, aluminum alloy, copper, or copper alloy.
- materials such as A1050 and A6063 are preferable, and materials such as ADC12 and A6061 are preferable when sealing with peripheral members, in particular, an inverter case that houses a fixed portion and a power module is necessary.
- a material of DMS series which is a high thermal conductive aluminum alloy for die casting manufactured by Mitsubishi Plastics Co., Ltd. can be applied.
- connection portion 281 can be formed.
- the case 22 can be made of a metal material containing a carbon filler.
- a ceramic material, a resin material, or the like can be used depending on the type of the coolant, the temperature of the coolant flowing in the case 22, and the like.
- the fins 23 and the heat dissipation substrate 21 can be formed using a metal material such as aluminum, an aluminum alloy, copper, or a copper alloy, as with the case 22.
- a metal material such as aluminum, an aluminum alloy, copper, or a copper alloy, as with the case 22.
- A1050 and A6063 are desirable. More preferably, aluminum having a thermal conductivity of 200 W / mK or more can be used.
- the fins 23 and the heat dissipation substrate 21 may be the same type of metal material or different types of metal materials.
- the fins 23 can be formed, for example, by bonding predetermined pins or plates formed using a metal material to a metal base material.
- the fins 23 can be formed integrally with the heat dissipation board 21 itself by die casting or brazing. Furthermore, the fin 23 can also be formed by forming a portion where the fin 23 is formed from the heat dissipation substrate 21 into a convex shape by die casting and then cutting the portion into a fin shape by a wire cutting method. Furthermore, by forming a multi-hole plate by extrusion molding of a metal material, the heat dissipation substrate 21, the fins 23, and the case 22 can be formed integrally.
- the upper end of the side wall 22b of the case 22 and the end of the heat dissipation substrate 21 can be sealed with an O-ring or the like interposed therebetween. It is preferable because leakage can be reliably prevented.
- This metallic joining is more preferably a friction stir welding method (Friction Stir Welding).
- the joint by the friction stir welding method has a metal structure unique to the friction stir welding method. By using the friction stir welding method, the joining of the upper end of the side wall 22b of the case 22 and the end of the heat dissipation substrate 21 can be ensured.
- the friction stir welding method can apply the friction stir welding tool from above toward the bonding interface between the case 22 and the heat radiating substrate 21 while supporting the bottom surface of the case 22, so that more reliable bonding is possible.
- the material of the heat radiating substrate 21 is, for example, A6063 and DMS series alloy, HT-1, which is a high heat conductive aluminum alloy for die casting at Daiki Aluminum Industry, etc.
- a high material can be used to improve heat dissipation. That is, by making the material of the heat dissipation substrate 21 a material having a composition different from that of the case 22 and having a higher thermal conductivity than that of the case 22, the heat dissipation can be improved.
- the clearance between the fin 23 and the bottom wall 22a of the case 22 due to thermal deformation of the heat dissipation substrate 21 can be joined to the heat dissipation substrate 21 by the friction stir welding method. This is preferable because C can be prevented from expanding.
- the upper end of the side wall 22b of the case 22 and the end of the heat radiating substrate 21 are at least flat, and preferably the heat radiating substrate 21 has a flat plate shape.
- the heat dissipation substrate 21 can have reliability against thermal deformation and good heat dissipation by having a predetermined thickness.
- the thickness of the heat dissipation substrate 21 is preferably 1 to 3 mm in a region where fins are joined, for example.
- the turbulent flow generated in the introduction part 27 and the connection part 271 can be reduced. And cooling efficiency can be improved.
- the axis of the connecting portion 271 faces the cooling flow path 26 in the portion immediately below the circuit board 13, and the axis of the connecting portion 281 faces the cooling flow path 26 in the portion immediately below the circuit board 13. Cooling efficiency can be improved by the cooler 20.
- the semiconductor device according to the present embodiment has the same configuration as that of the semiconductor device according to the first embodiment except for the shapes of the connection portion 271 and the connection portion 281 in the semiconductor device according to the first embodiment. Therefore, the shape of the connection part 271 and the connection part 281 is demonstrated below. 5 and FIG. 7 describing the semiconductor device of the first embodiment, and members and portions having the same functions as those portions are denoted by the same reference numerals. Omitted.
- FIG. 9 shows an enlarged view of the connection portion 271 of the semiconductor device of the second embodiment.
- the first inclined surface 271a of the connecting portion 271 in FIG. 9 has a shape extending to the bottom surface side of the introduction path 24 as compared with the first inclined surface 271a of the first embodiment shown in FIG.
- a second inclined surface 271 b is formed between the curved surface 271 c and the bottom surface of the introduction path 24 so as to be inclined from the bottom surface in the longitudinal direction of the introduction path 24 and connected to the bottom surface of the introduction path 24.
- the second inclined surface 271b is also inclined toward the upper side of the cooler 20. The angle formed by the upper surface of the cooler 20 and the second inclined surface 271b is smaller than 90 degrees.
- connection portion 271 has the second inclined surface 271 b, so that the coolant introduced from the introduction portion 27 is in the second inclined surface 271 b in the longitudinal direction of the introduction path 24. And the flow path cross-sectional area in the flow direction is gradually expanded and guided to the introduction path 24. Therefore, the semiconductor device according to the second embodiment in which the connecting portion 271 includes not only the first inclined surface 271a but also the second inclined surface 271b has a partial flow path of the connecting portion 271 compared to the semiconductor device of the first embodiment. Therefore, the pressure loss at the connection portion 271 can be more effectively reduced.
- the semiconductor elements 14 and 15 of the circuit element portions 11A to 11F and 12A to 12F joined to the heat dissipation board 21 of the cooler 20 can be effectively cooled, and the load on the pump for circulating the coolant is reduced. In addition, stable operation of the semiconductor element becomes possible.
- connection portion 271 of the introduction portion 27 is illustrated.
- the first inclined surface 281 a is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 7.
- the shape extends toward the bottom surface of the discharge passage 25, and is inclined from the bottom surface in the longitudinal direction of the discharge passage 25 between the curved surface 281c and the bottom surface of the discharge passage 25.
- the second inclined surface 281b connected to the bottom surface of the discharge path 25 can be provided (see FIG. 11). Since the connection part 281 of the discharge part 28 has the 1st inclined surface 281a and the 2nd inclined surface 281b, the pressure loss in the connection part 281 can be reduced more effectively.
- Embodiment 3 Next, a semiconductor device according to Embodiment 3 of the present invention will be described.
- the semiconductor device of this embodiment has the same configuration as that of the semiconductor device of Embodiment 1 except for the configuration of the cooling flow path 26 in the semiconductor device of Embodiment 1. Therefore, the configuration of the cooling flow path 26 of the present embodiment will be described below.
- FIG. 10 is a plan view showing the internal structure of the cooler 20 in the semiconductor device of this embodiment.
- FIG. 10 is a view corresponding to FIG. 5 showing the cooler of Embodiment 1, and the same members as those shown in FIG. To do.
- the case 22 shown in FIG. 10 differs from the case 22 of the semiconductor device of the first embodiment shown in FIG. 5 depending on the presence or absence of a partition 22c connected to the introduction path 24 and the discharge path 25. Since the case 22 of the present embodiment does not have the partition 22c shown in FIG. 5, the cooling flow path 26 of FIG. 10 is used for cooling compared to the cooling flow path 26 of the first embodiment shown in FIG. The pressure loss as the whole flow path 26 can be reduced more.
- the semiconductor device of the present embodiment has a shape in which the first inclined surface 271a of the connecting portion 271 on the introduction portion 27 side in the semiconductor device of Embodiment 3 extends to the bottom surface side of the introduction path 24 as shown in FIG. And has a second inclined surface 271b. The same applies to the discharge unit 28 side.
- Other configurations are the same as those of the semiconductor device of the third embodiment.
- connection portion 271 since the connection portion 271 has the second inclined surface 271b, the flow path of the connection portion 271 can be partially expanded as compared with the semiconductor device according to the third embodiment. The pressure loss in the part 271 can be reduced more effectively.
- the connecting portion 281 since the connecting portion 281 has the second inclined surface 281b, the flow path of the connecting portion 281 can be partially expanded as compared with the semiconductor device of Embodiment 3, so that the pressure loss in the connecting portion 281 is reduced. Can be reduced more effectively.
- a plurality of coolers 20 in which the positions of the connecting portions 271 between the introduction path 24 and the introduction portion 27 provided in the case 22 are different in the short direction of the case 22. was prepared and the pressure loss was examined.
- the cooler 20 according to the first embodiment includes a case 22 of the cooler 20 illustrated in FIG. Specifically, in this example, the connection portion 271 between the introduction path 24 and the introduction portion 27 provided in the case 22 is provided at a position in contact with the inside of the side wall 22b3 in the longitudinal direction of the case 22.
- the cooler of Comparative Example 1 includes a case 122 shown in FIG. Specifically, in the example, the connection portion 271 between the introduction path 24 and the introduction portion 27 provided in the case 122 is provided at a position on the outer side in the short direction of the case 22 with respect to the side wall 22b3 in the longitudinal direction of the case 22. is there.
- the cooler according to the second embodiment includes the case 22 illustrated in FIG.
- FIG. 14 is a graph showing the results of examining the pressure difference between the coolant introduction part and the discharge part for the coolers of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 described above. From FIG. 14, the pressure loss of the coolers of Examples 1 and 2 was lower than that of the cooler of Comparative Example 1, and in particular, the cooler of Example 2 had a lower pressure loss than that of Example 1. According to the comparison result by the thermal fluid simulation, when 10 L / min of cooling liquid was flowed, it was 9 kPa in Comparative Example 1, 6.7 kPa in Example 1, and 6.0 kpa in Example 2.
- the pressure of the coolant flowing through the cooling channel 26 includes a pressure at which the refrigerant collides with the fins 23 arranged, a pressure generated when flowing between the fins 23, and a pressure generated when flowing out of the discharge path.
- pressure is generated by forcing the flow into the introduction path 24 using the side wall 22b3 of the case 22.
- the cooling liquid can be carried into the cooling flow path 26 without greatly changing the cooling flow, thereby reducing the load on the pump for circulating the cooling liquid. It becomes possible to do.
- the case 22 in the semiconductor module shown in FIG. 10 does not have the partition 22c shown in FIG. 5, that is, the effect of not branching the cooling flow path 26, and the semiconductor of the present invention shown in FIG.
- the cooler does not have the partition 22c, and the second inclined surface A plurality of different coolers 20 with or without the surfaces 271b and 281b were prepared, and the pressure loss was examined. Further, the heat generation state of the semiconductor elements 15 of the circuit element portions 11A to 11F on the cooler 20 was examined.
- the cooler 20 according to the third embodiment includes a case 22 of the cooler 20 illustrated in FIG. Specifically, the second inclined surfaces 271b and 281b are not provided.
- the cooler 20 according to the fourth embodiment includes the second inclined surfaces 271b and 281b and forms the second inclined surfaces 271b and 281b as shown in the enlarged view of the vicinity of the connecting portion 271 in FIG. This is an example in which the chamfer length is 5 mm. Except for the difference in chamfer length, a case 22 similar to that of Example 5 described below is provided.
- the cooler 20 according to the fifth embodiment includes a case 22 of the cooler 20 illustrated in FIG. 11. Specifically, as shown in the enlarged view of the vicinity of the connection portion 271 in FIG. 9, the chamfer length for forming the second inclined surfaces 271b and 281b and having the second inclined surfaces 271b and 281b. This is an example of 10 mm.
- FIG. 16 is a graph showing the results of examining the pressure difference between the coolant introduction part and the discharge part for the coolers of Examples 3 to 5 described above. From FIG. 16, the cooler of Example 3 had a lower pressure loss than Example 2 of FIG. According to the comparison result by the thermofluid simulation, when 10 L / min of cooling liquid was flowed, Example 2 was 6.0 kpa, whereas Example 3 was 4.6 kpa. From this, it is possible to reduce the pressure loss by about 1 kpa or more as compared with Example 2 having the partition 22c by arranging the fins 23 in the cooling flow path 26 without the partition 22c.
- FIG. 17 shows the results of measuring the junction temperature of each of the semiconductor elements 15 of the circuit element portions 11A to 11F for the semiconductor module including the cooler of Example 2 and the semiconductor module including the cooler of Example 3. From FIG. 17, the semiconductor module provided with the cooler of Example 3 was lower in temperature of the semiconductor element 15 and the temperature variation was smaller than the semiconductor module provided with the cooler of Example 2.
- Example 5 with 10 mm chamfering is Example 4 with 5 mm chamfering.
- the pressure loss was small compared to In Example 3 and Example 5, the pressure loss was equivalent.
- the semiconductor element 15 in each of the circuit element portions 11A to 11F is compared with the embodiment 3 in the fifth embodiment. The temperature variation of 15 was smaller.
- FIG. 19 shows a perspective view of the semiconductor module 3 which is the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
- the semiconductor module shown in FIG. 19 is an example in which the introduction part 37 and the discharge part 38 for the coolant are provided on the bottom wall of the cooler 30.
- the arrows in the figure indicate the direction in which the coolant flows.
- 20A is a schematic diagram showing the semiconductor module of FIG. 19 in a cross-section taken along line XXa-XXa
- FIG. 20B is an enlarged partial schematic diagram of FIG.
- circuit element units 11A to 11F and 12A to 12F and these circuit element units 11A to 11F and 12A to 12F are connected as shown in FIGS.
- the cooler 30 is provided.
- the circuit element units 11A to 11F and 12A to 12F are the same as the circuit element units 11A to 11F and 12A to 12F of the semiconductor module 3 shown in FIG.
- the cooler 30 has a box-shaped case 32 provided with an opening on the upper side, and a heat-radiating substrate 31 (heat-dissipating part) having a flat plate shape connected to the upper end of the side wall of the case 32 without leakage.
- the heat dissipation board 31 is attached to a surface (second surface) opposite to the surface (first surface) where the circuit element portions 11A to 11F and 12A to 12F are joined, and has a heat exchange performance as a heat sink. And having fins 33.
- the root of the fin 33 and the heat dissipation substrate 31 are integrally formed in the region where the fin 33 is provided, and the tip of the fin 33 and the case 32 are formed.
- a bottom wall of the base plate are integrally formed.
- Such a shape can be obtained by producing a multi-hole plate (multi-hole tube) having a plurality of holes by extrusion molding of a metal material. Producing a multi-hole plate by extrusion is simpler than the method of manufacturing the cooler 30 by separately preparing the heat dissipation substrate 31, the case 32, and the fins 33 and joining these members. Moreover, it can be manufactured at low cost.
- the upper arm circuit element portions 11A to 11C, 12A to 12C and the lower arm circuit element portions 11D to 11F, 12D to 12F are arranged in parallel along the direction in which the coolant flows. Arranged in two rows. A plurality of upper arm circuit boards 13 (second circuit boards) and a plurality of lower arm circuit boards 13 (first circuit boards) are aligned and arranged in parallel.
- the heat generated in each of the circuit element portions 11A to 11F and 12A to 12F is transferred from the circuit board 13 to a portion corresponding to the heat dissipation board 31 including the upper surface of the multi-hole plate. It is transmitted to the bulkheads of the multi-hole plate.
- the partition walls of the holes of the multi-hole plate that correspond to the fins 33 in the cooler 30, and the holes of the multi-hole plate correspond to the cooling channel that will be described later.
- the fins 33 are cooled by circulating the coolant.
- the circuit element portions 11A to 11F and 12A to 12F that generate heat are cooled by the cooler 30 in this way.
- FIG. 21 is a plan view showing the internal structure of the cooler 30 (FIG. 21 (a)) and a cross-sectional view taken along the line XXIb-XXIb (FIG. 21 (b)).
- the external shape of the cooler 30 is a substantially rectangular parallelepiped shape.
- the cooler 30 includes a coolant introduction header portion 30a, a cooling flow path portion 30c formed of a multi-hole plate, and a coolant discharge header portion 30b.
- the introduction header part 30a is arranged on the first side wall side of the cooler 30, and the discharge header part 30b is arranged on the second side wall side facing the first side wall.
- An introduction portion 37 for introducing a coolant into the cooler 30 is provided on the bottom wall of the introduction header portion 30a. Inside the introduction header part 30a, an introduction path 34 for introducing the coolant toward the fins 33 of the cooling flow path part 30c, and a connection part provided between the introduction path 34 and the introduction part 37 371.
- a discharge portion 38 for discharging the coolant from the inside of the cooler 30 to the outside is provided on the bottom wall of the discharge header portion 30b. Inside the discharge header 30b, a discharge path 35 for discharging the cooling liquid from the cooling flow path section 30c to the discharge section 38, and a connecting section provided between the discharge path 35 and the discharge section 38 381.
- the introduction part 37 and the discharge part 38 are provided slightly inward from the diagonal position of the cooler 30.
- the axes of the introduction part 37 and the discharge part 38 are substantially orthogonal to the longitudinal direction of the cooling flow path 36, that is, the direction in which the coolant flows in the cooling flow path 36.
- the introduction path 34 is formed so as to disperse the coolant introduced from the connection part 371 and flow into the cooling flow path 36 along the inner surface of the side wall 321 of the introduction header part 30 a provided with the introduction part 37. Yes.
- a connection portion 371 is provided between the introduction path 34 and the introduction portion 37.
- the connection portion 371 is provided to face a portion of the cooling channel that is located immediately below the circuit board 13 (second circuit board).
- the discharge path 35 is formed so as to discharge the coolant that has passed through the cooling flow path 36 to the discharge section 38 along the inner surface of the side wall 322 of the discharge header section 30 b provided with the discharge section 38.
- a connection portion 381 is provided between the discharge path 35 and the discharge portion 38.
- the connecting portion 381 is provided so as to face a portion of the cooling channel that is located immediately below the circuit board 13 (first circuit board).
- the cooling flow path 36 is formed in a position between the introduction path 34 and the discharge path 35 between the two side walls 323 in the longitudinal direction so as to cool the fins 33 as a heat sink.
- the cooling liquid is configured to flow through a necessary part. Since the introduction path 34 and the discharge path 35 are formed along the side walls 321 and 322 on the short side of the cooler 30, the cooling flow path 36 has a length in the flow direction of the cooling liquid. 34 and the discharge path 35 are longer than the length of the coolant in the flow direction. This is advantageous for downsizing the cooler 30.
- the cooling flow path 36 is not divided into two parts by a partition unlike the semiconductor device of the first embodiment described above. Thereby, the pressure loss is advantageously reduced.
- the semiconductor device of the present embodiment does not exclude the provision of a partition in the cooling flow path 36 to divide the cooling flow path 36 into a plurality of flow paths in accordance with the positions of the circuit element portions 11A to 11F and 12A to 12F. Absent.
- the longitudinal direction of the introduction path 34 and the discharge path 35 is substantially orthogonal to the longitudinal direction of the cooling flow path 36.
- a plurality of fins 33 are provided in the cooling flow path 36.
- the heat sink composed of a plurality of fins has a substantially rectangular parallelepiped shape, and is arranged in parallel with the direction in which the coolant flows in the cooling flow path 36.
- the fin of the heat sink corresponds to the fin of the multi-hole plate formed by extrusion molding.
- a pipe (not shown) connected to a pump (not shown) provided on the upstream side of the introduction part 37 is connected to the introduction part 37, and the discharge part 38 is connected to the discharge part 38.
- a pipe (not shown) connected to a heat exchanger (not shown) provided on the downstream side is connected.
- the coolant after heat exchange in the heat exchanger is guided to the pump, whereby a closed-loop coolant flow path including the cooler 30, the pump, and the heat exchanger is configured.
- the cooling liquid is forcedly circulated in such a closed loop by a pump.
- the coolant water, long life coolant (LLC), or the like can be used.
- the introduction header portion 30a provided with the introduction portion 37 and the introduction passage 34, the discharge header portion 30b provided with the discharge portion 38 and the discharge passage 35, and the cooling flow passage portion 30c formed with the cooling flow passage 36 are predetermined. As long as the cooling capacity is as small as possible, the size and thickness of the device can be reduced. For example, the thickness of the cooling flow path 36 is reduced to be about 1: 8 to 1:14 with respect to the entire width of the cooling flow path 36, that is, the length between the longitudinal inner walls of the case 32. Has been.
- connection part 371 between the introduction part 37 and the introduction path 34 is formed by an inner wall formed in the introduction header part 30a.
- the inner wall is located on the side opposite to the cooling flow path 36 when viewed from the introduction portion 37, and has an arcuate side wall 371a that is substantially concentric with the opening (introduction port) of the introduction portion 37, and one end of the arcuate side wall 371a.
- a linear side wall 371b that is connected and extends toward the end in the width direction of the cooling flow path 36, and a linear side wall that is connected to one end of the arc-shaped side wall 371a and extends substantially parallel to the longitudinal direction of the cooling flow path 36 371c.
- connection portion 371 is formed by the inner wall having the above-described configuration, the coolant introduced from the introduction portion 37 to the connection portion 371 is partially directed toward the width direction end of the cooling flow path 36. While being guided to the introduction passage 34 and the cooling passage 36.
- the connection part 381 between the discharge part 38 and the discharge path 35 is formed by an inner wall formed in the discharge header part 30b.
- the inner wall is located on the side opposite to the cooling flow path 36 when viewed from the discharge portion 38, and has an arc-shaped side wall 381a having a center different from the opening (discharge port) of the discharge portion 38, and one end of the arc-shaped side wall 381a.
- a linear side wall 381b connected and extending substantially parallel to the longitudinal direction of the cooling flow path 36, and a linear side wall connected to the other end of the arc-shaped side wall 381a and extending substantially parallel to the longitudinal direction of the cooling flow path 36 381c.
- the discharge port is formed on the straight side wall 381c side of the region that bisects the space between the straight side wall 381b and the straight side wall 381c, that is, closer to the introduction port of the introduction portion 37.
- the connecting portion 381 is formed by the inner wall having the above-described configuration, the coolant passing through the discharge passage 35 from the cooling flow path 36 is directed to the discharge portion 38 while being converged by the connection portion 381. Since the discharge port is arranged closer to the introduction port than the center line in the longitudinal direction of the connection portion 381, the flow rate of the coolant flowing through the connection portion 381 is asymmetric with respect to the cross section of the connection portion 381, and as shown in FIG. Flows out from the outlet to the outlet 38 while swirling. In the example shown, the coolant swirls counterclockwise.
- the coolant that has flowed directly under the upper arm circuit board 13 and the lower arm circuit board 13 arranged in parallel does not collide so much and smoothly passes through the discharge path 35 and the connection portion 381. And flows out from the discharge part 38.
- the pressure loss at the cooler 30 is reduced.
- connection portion 371 on the introduction portion 37 side is provided at a position facing the portion immediately below the circuit board 13 in the cooling flow path 36. .
- the coolant from the introduction portion 37 can be guided straight to the fins 33 immediately below the circuit board 13 that is likely to reach the highest temperature in the cooling flow path 36.
- the flow rate of the cooling liquid directed to the fins directly below the portion 13 can be increased as compared with the other portions, and the semiconductor elements 14 and 15 on the circuit board can be effectively cooled.
- the semiconductor element 15 that is an IGBT chip generates more heat than the semiconductor element 14 that is an FWD chip.
- connection part 371 on the introduction part 37 side is connected to the semiconductor element 15 ( More preferably, the second semiconductor element is provided at a position facing a portion immediately below the second semiconductor element.
- the connecting portion 371 on the introduction portion 37 side is a length corresponding to 1/10 to 1/3 of the entire width of the cooling flow channel 26 and is located closer to the center from the end portion of the introduction passage.
- connection portion 381 on the discharge portion 38 side is also provided at a position facing the portion immediately below the circuit board 13 in the cooling flow path 36.
- the coolant that has passed through the fins 33 in the portion immediately below the circuit board 13 that is likely to reach the highest temperature in the cooling flow path 36 can be guided straight to the discharge portion 38.
- the flow rate of the coolant through the fins 33 in the portion directly below can be increased as compared with other portions, and the semiconductor elements 14 and 15 on the circuit board can be effectively cooled.
- the semiconductor element 15 that is an IGBT chip generates more heat than the semiconductor element 14 that is an FWD chip.
- connection part 381 on the discharge part 38 side is connected to the semiconductor element 15 ( More preferably, the first semiconductor element is provided at a position facing the portion immediately below.
- the connection part 381 on the discharge part 38 side has a length corresponding to 1/10 to 1/3 of the entire width of the cooling flow path 26 and is located closer to the center from the end of the introduction path.
- the introduction path 34 and the discharge path 35 have an asymmetric planar shape.
- the introduction path 34 is a narrow-width channel so that the coolant flows as evenly as possible from one end to the other end in the width direction of the cooling channel 36.
- the discharge path 35 is a flow path that is wide to some extent so that the coolant flows from the cooling flow path 36 to the discharge portion with less resistance.
- the arc-shaped side wall 371 a is an arcuate curved surface that is substantially concentric with the introduction portion 37, whereas the connection portion 381 connected to the discharge path 35.
- the arc-shaped side wall 381 a is a central arc-shaped curved surface different from the discharge portion 38.
- the radius of curvature of the arc-shaped side wall 381a is larger than the radius of curvature of the arc-shaped side wall 371a.
- connection portion 371 extends toward the end in the width direction of the cooling flow path 36, whereas the straight side wall 381 b of the connection portion 381 is substantially the same as the longitudinal direction of the cooling flow path 36. It extends in parallel. For these reasons, the introduction path 34 and the discharge path 35 have an asymmetric planar shape.
- the reason why the introduction path 34 and the discharge path 35 are different from each other, in other words, have an asymmetric planar shape, is that the optimal shape for reducing the pressure loss while suppressing the generation of turbulent flow as much as possible in the connecting portions 371 and 381. This is because of this. If the arc-shaped side wall 381a of the inner wall of the connection part 381 is located concentrically with the discharge part 38, the generation of the turbulent flow of the coolant is increased. For this reason, in order to suppress generation
- the cooler 30 of the present embodiment can be formed using the same metal material as the cooler 20 of the first embodiment.
- the cooler 30 includes the introduction header portion 30a, the cooling flow path portion 30c formed of a multi-hole plate, and the discharge header portion 30b, these members are joined to produce the cooler 30. be able to. It is more preferable that the metallic joining of these members is performed by a friction stir welding method (Friction Stir Welding) in order to reliably join the members.
- the joint by the friction stir welding method has a metal structure unique to the friction stir welding method.
- the semiconductor module 3 of this embodiment can reduce pressure loss in a thin cooler in which the introduction part 37 and the discharge part 38 are provided on the bottom wall of the cooler 30.
- FIG. 23 shows an exploded perspective view of the semiconductor module 4 that is the semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention.
- the semiconductor module 4 of this embodiment is prepared by separately preparing a heat dissipation substrate 41, a case 42 having a partition 42c, and a blade fin 43, and joining them.
- a suitable joining method is the friction stir welding method described above.
- FIG. 24 shows an exploded perspective view of the semiconductor module 5 which is the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention.
- the semiconductor module 5 of the present embodiment is prepared by separately preparing two multi-hole plates 53 serving as heat dissipation substrates and fins, a case 52, and a partition member 52c, and joining them.
- the multi-hole plate 53 can be formed by extrusion molding. Further, as a suitable joint between the multi-hole plate 53 and the case 52, there is the friction stir welding method described above.
- FIG. 25 shows an exploded perspective view of the semiconductor module 6 that is the semiconductor device according to the eighth embodiment of the present invention.
- the semiconductor module 6 of this embodiment is prepared by separately preparing a thin heat dissipation substrate 61, a corrugated fin 63, a case 62, and a partition member 62c, and joining them by brazing. Since the semiconductor module 6 of the present embodiment uses a thin heat dissipation substrate 61 and a cooler is manufactured by brazing, the thickness of the cooler can be reduced, and the manufacturing is simple and inexpensive. is there.
- the semiconductor modules 4 to 6 of the sixth to eighth embodiments are different in the members for producing the coolers of these semiconductor modules, but the assembled cooler has the configuration of the fifth embodiment, and It has the effect obtained by the configuration.
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Abstract
半導体装置の冷却器20は冷却液の導入部27及び排出部28と、導入路24と、排出路25と、冷却用流路26と、を有する。導入路24と排出路25とは、非対称な平面形状を有する。導入路24と導入部27との接続部271が、冷却器20上に複数個が配列された回路基板13直下の部分の冷却用流路26に対向する。排出路25と排出部28との接続部281が、冷却器20に複数個が配列された回路基板13直下の部分の冷却用流路26に対向する。
Description
本発明は、半導体素子を冷却するための冷却液を循環流通させる冷却器を備える半導体装置に関する。
ハイブリッド自動車や電気自動車等に代表される、モータを使用する機器には、省エネルギーのために電力変換装置が利用されている。この電力変換装置には、広く半導体モジュールが利用されている。この半導体モジュールは、大電流を制御するためにパワー半導体素子を備えている。
パワー半導体素子は、大電流を制御する際の発熱量が大きい。また、半導体モジュールの小型化や軽量化が要請され、出力密度は上昇する傾向にあるため、パワー半導体素子を複数備えた半導体モジュールでは、その冷却方法が電力変換効率を左右する。
半導体モジュールの冷却効率を向上させるために、従来から液冷式の冷却器が用いられている。この液冷式の冷却器は、ヒートシンクとしてのフィンが内蔵されていて、該冷却器内に冷却液を循環的に流すことによって冷却する。液冷式の冷却器は、冷却効率を向上させるために、冷却液の流量の増加、フィンの微細化・複雑化による熱伝達率の向上、又はフィンを構成する材料の熱伝導率を高めるなど、様々な工夫がなされてきた。
ところが、冷却器への冷却液流量を増加し、又は熱伝達率のよいフィン形状にした場合は、冷却器内部での冷却液の圧力損失が増加する等の不都合が生じ易い。特に、多数のパワー半導体素子を冷却するために、複数のフィンを用いた冷却器であって、これらのフィンを流路内に直列に設けた冷却器があるが(特許文献1)、このような構成の冷却器は、圧力損失の増加が顕著となる。こうした圧力損失を低減するには、少ない冷却液流量で冷却効率を高める構成にする必要があり、流路内でフィンを並列に配置することが望ましい。
流路内でフィンを並列に配置することにより、冷却性能を維持し、かつ冷却液の低圧力損失を図った冷却器として、冷却液を導入するための導入路と、冷却液を排出するための排出路とをケース内に互いに平行に並べ、それらの間の冷却流路に複数のフィンを並列に配置するものがある(特許文献2、3、4)。
しかし、特許文献2~4に記載された冷却器では、フィンやケース内の流路の改良による冷却性能向上は図られてきたが、冷却液の導入部・排出部の形状、及びその接続部等に依存した圧力損失が生じていた。したがって、これらの冷却器は、渦流の発生などに考慮された流路であるものの、主に導入部・排出部との接続部等で発生する圧力上昇が大きく、ポンプへの負荷が大きい流路を有していた。そのため、冷却器のシステム全体を考慮したとき、効率よく安定した冷却性能を得るための負荷が大きかった。また、ポンプ性能に対する負荷が大きい場合、ポンプの大容量化や冷却液流量を低下させた状態での設計が必要になり、半導体素子の発熱温度が上昇する等の不都合が生じ、素子寿命が低下し、あるいは故障などが発生し易かった。
また、冷却器は、十分な冷却能を有しながら、小型化、薄肉化することが、自動車等の用途において求められている。したがって、小型化、薄肉化を図った冷却器において、冷却液の圧力損失を低下させることが求められていた。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、冷却液の導入部・排出部の接続部等の形状に改良を加えて、その接続部等における圧力損失を低減させることができた冷却器を備える半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために以下のような半導体装置が提供される。
第1回路基板及び第2回路基板と、前記第1回路基板上に搭載された第1半導体素子及び前記第2回路基板上に搭載された第2半導体素子と、前記第1回路基板及び第2回路基板が搭載され、前記第1半導体素子及び第2半導体素子を冷却する冷却器と、を備える半導体装置である。冷却器は、第1面及び該第1面に対向する第2面を備え、前記第1面に該第1回路基板及び第2回路基板が接合された放熱部と、前記第2面に設けられたフィンと、第1の側壁及び前記第1の側壁に対向する第2の側壁を備え、前記フィンを収容するとともに前記該放熱部に接続されたケースと、前記第1の側壁に設けられた、冷却液の導入部及び該第2の側壁に設けられた排出部と、前記導入部に接続し、前記第1の側壁の内面に沿って形成された導入路と、前記排出部に接続し、前記第2の側壁の内面に沿って形成された排出路と、前記導入路と該排出路との間の、前記フィンが収容される位置に形成された冷却用流路と、を有している。また、前記導入路及び前記排出路は互いに非対称な平面形状を有している。また、前記導入路と前記導入部との接続部が、前記冷却器上に配置された前記第2回路基板直下の前記冷却用流路に対向する。また、前記排出路と前記排出部との接続部が、前記冷却器上に配置された前記第1回路基板直下の前記冷却用流路に対向している。
第1回路基板及び第2回路基板と、前記第1回路基板上に搭載された第1半導体素子及び前記第2回路基板上に搭載された第2半導体素子と、前記第1回路基板及び第2回路基板が搭載され、前記第1半導体素子及び第2半導体素子を冷却する冷却器と、を備える半導体装置である。冷却器は、第1面及び該第1面に対向する第2面を備え、前記第1面に該第1回路基板及び第2回路基板が接合された放熱部と、前記第2面に設けられたフィンと、第1の側壁及び前記第1の側壁に対向する第2の側壁を備え、前記フィンを収容するとともに前記該放熱部に接続されたケースと、前記第1の側壁に設けられた、冷却液の導入部及び該第2の側壁に設けられた排出部と、前記導入部に接続し、前記第1の側壁の内面に沿って形成された導入路と、前記排出部に接続し、前記第2の側壁の内面に沿って形成された排出路と、前記導入路と該排出路との間の、前記フィンが収容される位置に形成された冷却用流路と、を有している。また、前記導入路及び前記排出路は互いに非対称な平面形状を有している。また、前記導入路と前記導入部との接続部が、前記冷却器上に配置された前記第2回路基板直下の前記冷却用流路に対向する。また、前記排出路と前記排出部との接続部が、前記冷却器上に配置された前記第1回路基板直下の前記冷却用流路に対向している。
本発明の半導体装置によれば、冷却器の小型化、薄肉化が圧力損失の点で不利であるのに対して、冷却液の流れの乱れを極力低減して圧力損失を低下させ、かつ、導入部・排出部の配管を接続する接続部を、半導体素子の発熱に対して適切な位置に設けることから、冷却器の外面に配置された半導体素子を効果的に冷却でき、冷却液を循環するポンプへの負荷を低減し、半導体素子の安定した動作が可能になる。
本発明の半導体装置の実施形態を、図面を用いて具体的に説明する。以下の説明に表れる「上」、「下」、「底」、「前」、「後」等の方向を示す用語は、添付図面の方向を参照して用いられている。
(実施形態1)
図1は本発明の半導体装置の一実施形態である、半導体モジュールの一例の外観を示す斜視図である。図2(a)は、図1の半導体モジュールをIIa-IIa線矢視断面で示す模式図であり、図2(b)は、図2(a)の拡大部分模式図である。
図1は本発明の半導体装置の一実施形態である、半導体モジュールの一例の外観を示す斜視図である。図2(a)は、図1の半導体モジュールをIIa-IIa線矢視断面で示す模式図であり、図2(b)は、図2(a)の拡大部分模式図である。
半導体モジュール1は、図1及び図2(a)、(b)に示すように複数の回路素子部11A~11F、12A~12Fと、これらの回路素子部11A~11F、12A~12Fが接続された冷却器20とを備えている。
各回路素子部11A~11F、12A~12Fは、例えば、いずれも回路基板13上に2種類の半導体素子14、15を2個ずつ、計4個搭載した構成を有する。回路基板13は、図2(b)で分かるように、絶縁板13aの両面に導体層13b、13cが形成された構成である。
各回路素子部11A~11F、12A~12Fは、例えば、いずれも回路基板13上に2種類の半導体素子14、15を2個ずつ、計4個搭載した構成を有する。回路基板13は、図2(b)で分かるように、絶縁板13aの両面に導体層13b、13cが形成された構成である。
回路基板13の絶縁板13aは、例えば窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等の絶縁性のセラミック基板を用いることができる。導体層13b、13cは、銅やアルミニウム等の金属(例えば、銅箔)を用いて形成することができる。
半導体素子14、15は、はんだ等の接合層16を用いて回路基板13における回路パターンが形成された導体層13b側に接合され、この接合層16を通して、又はボンディングワイヤやバスバー等(図示せず)を介して、その導体層13bに電気的に接続されている。半導体素子14、15を搭載した回路基板13は、もう一方の導体層13c側で、接合層17を介して冷却器20の放熱基板21上に接合されている。
こうして、回路基板13及び半導体素子14、15は、冷却器20に対し熱伝導可能に接続された状態になる。なお、導体層13b、13cにおける露出された表面や、半導体素子14、15と導体層13bとを電気的に接続するボンディングワイヤ等(図示せず)の表面には、それらの表面を汚れ、腐食、外力等から保護するためにニッケルめっき等の保護層を形成するようにしてもよい。
このような回路基板13上に搭載される半導体素子14、15として、図示した例では、パワー半導体素子のチップを用いている。これらのパワー半導体素子のうち、一方の半導体素子14をフリーホイールダイオード(Free Wheeling Diode;FWD)とし、他方の半導体素子15を絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)としている。
半導体モジュール1は、図3に示すような、6個の回路素子部11A~11Fによってインバータ回路71を構成することが可能であり、また、6個の回路素子部12A~12Fによってインバータ回路72を構成することが可能である。
図3のインバータ回路71、72は、直流電流を交流電流に変換して三相交流モータ73、74に供給するインバータ回路を例示している。インバータ回路71は、回路素子部11A~11Cを上アーム、11D~11Fを下アームとし、ワイヤーボンディングやバスバー等による配線(図示せず)を接続することで入出力や制御を行う構成である。また、インバータ回路72は、12A~12Cを上アーム、12D~12Fを下アームとし、ワイヤーボンディングやバスバー等による配線(図示せず)を接続することで入出力や制御を行う構成である。これらのインバータ回路71、72は、U相、V相、W相の三相についてそれぞれ、IGBTである半導体素子15と、FWDである半導体素子14とのブリッジ回路を備える。半導体素子15のスイッチング制御を行うことで、直流電流を交流電流に変換し、三相交流モータ73、74を駆動することができるようになっている。
図3に示した電力変換回路は、6個の回路素子部11A~11F又は6個の回路素子部12A~12Fにより、インバータ回路71又は72を構成している。しかし、図1に12個の回路素子部11A~11F及び12A~12Fを示すように、冷却器20に搭載される回路素子部の個数は6個に限定されない。図1では、2つの三相交流モータ73及び74を制御するためのインバータ回路であって、インバータ回路71は、11A~11Cを上アームとして、11D~11Fを下アームとして冷却器20上に搭載し、インバータ回路72は、12A~12Cを上アーム、12D~12Fを下アームとして、それぞれ冷却器20上に搭載し計12個の回路素子部を有する構成としている。別の構成として、昇降圧制御を行う所定数のIGBTとFWDを用いた回路素子部を冷却器上に搭載した構成などがある。いずれの構成においても、回路素子部の配置エリアに適合する大きさになる冷却器20を用いる。
冷却器20は、図1に示した例では、上方に開口が設けられた、箱形状を有するケース22と、このケース22の側壁の上端と液漏れなく接続する平板形状を有する放熱基板(放熱部)21と、この放熱基板21における各回路素子部11A~11F、12A~12Fが接合された面(第1面)とは反対側の面(第2面)に取り付けられ、ヒートシンクとしての熱交換性能を持つフィン23と、を有する。複数のフィン23はケース22の内部に収容され、ケース22と放熱基板21とは、互いに金属的に接合されることにより、又は、それらの間にシール部材を介在させることにより密閉される。ケース22と放熱基板21との金属的な接合作業を容易にするため、ケース22および放熱基板21のそれぞれの接合部は平坦であることが望ましい。
図3を用いて先に述べた電力変換回路の動作時に、各回路素子部11A~11F、12A~12Fで発生した熱は、接合層17を通じて放熱基板21へと伝わり、更にフィン23へと伝わる。冷却器20内のフィン23は、後述する冷却用流路内に配置されるから、この冷却用流路に冷却液が流通されることで、フィン23が冷却される。発熱する回路素子部11A~11F、12A~12Fは、このようにして冷却器20により冷却される。
図4は、冷却器20のケース22の要部構成を示す斜視図であって、矢印は冷却液の流れる方向を示す。なお、同図には説明の便宜上、放熱基板21に取り付けられているフィン23が描かれている。図5は、図4に示した冷却器20の内部構造を示す平面図である。
図4、図5に示すように、冷却器20のケース22の外形は、底壁22a及び側壁22bを有する略直方体形状である。ケース22の内部には、冷却液をフィン23に向けて導入するための導入路24、フィン23を通った冷却液を排出するための排出路25及びフィン23が配置される冷却用流路26が形成されている。更に、ケース22の側壁22bのうちの第1の側壁、すなわちケース22の短辺側の一つの側壁22b1には、ケース22の内部に冷却液を導入するための導入口を備える導入部27が設けられている。更にまた、ケース22の側壁22bのうちの第2の側壁、すなわちケース22の短辺側の他の側壁22b2には、ケース22の内部から外部に冷却液を排出するための排出口を備える排出部28が設けられている。導入部27及び排出部28は例えば円筒形状である。導入部27と排出部28とは、ケース22の対角の位置からやや内寄りに設けられている。導入部27および排出部28の軸線は、冷却用流路26の長手方向、すなわち、冷却用流路26において冷却液が流通する方向(図4の矢印で示す方向)と略平行である。また、図示するように、上アームの回路素子部11A~11C、12A~12C及び下アームの回路素子部11D~11F、12D~12Fは、それぞれ冷却液の流れる方向に沿って、並列するように2列に配置されている。複数の上アーム用回路基板13(第1回路基板)及び複数の下アーム用回路基板13(第2回路基板)がそれぞれ整列し、並列に配置されている。
導入路24は、導入部27が設けられたケース22の短辺側の一つの側壁22b1の内面に沿って形成される。また、導入路24と導入部27との間に接続部271が設けられ、導入路24は、接続部271から導入された冷却液を分散させて冷却用流路26に流れるように形成されている。接続部271は、冷却用流路における、回路基板13の直下に位置する部分に対向して設けられている。図示した例では、下アームの回路素子部11Dに搭載された半導体素子15(第2半導体素子)側の冷却用流路26に対向する部分に接続部271が設けられている。
排出路25は、排出部28が設けられたケース22の短辺側の側壁22b2の内面に沿って形成される。また、排出路25と排出部28との間に接続部281が設けられ、排出路25は、冷却用流路26を経た冷却液を排出部28へ排出するように形成されている。接続部281は、冷却用流路における、回路基板13の直下に位置する部分に対向して設けられている。図示した例では、上アームの回路素子部12Cに搭載された半導体素子15(第1半導体素子)側の冷却用流路26に対向する部分に接続部281が設けられている。
冷却用流路26は、導入路24と排出路25との間、フィン23が収容される位置に形成され、これにより、ヒートシンクとしてのフィン23の冷却に必要な部分に冷却液を流すよう構成される。導入路24及び排出路25が、ケース22の短辺側の側壁22b1、22b2に沿って形成されていることから、冷却用流路26は、冷却液の流通方向の長さが、導入路24及び排出路25における冷却液の流通方向の長さよりも長い。このことにより、冷却器20の小型化に有利である。
また、冷却用流路26は、回路素子部11A~11F、12~12Fの位置に合わせて、複数の流路に分割することが可能である。例えば、図4に示した本実施形態では、導入路24と排出路25とに接続する仕切り22cによって、冷却用流路26が二分割されている。もっとも、後で図10を用いて説明する実施形態3のように、仕切り22cを有しない構成とすることもでき、圧力損失低減の観点から好ましい。導入路24および排出路25の長手方向は、冷却用流路26の長手方向とほぼ直交している。
放熱基板21において、半導体素子14、15が搭載された回路素子部11A~11F、12A~12Fが接合されている位置が発熱する。そこで、冷却用流路26を長手方向に二分割して、その分割した流路を、インバータ回路の上アームの回路素子部11A~11C、12A~12Cと、下アームの回路素子部11D~11F、12D~12Fとのそれぞれに対応させている。換言すれば、それらの回路素子部の直下に各々平行して流れる2つの冷却用流路を形成している。
冷却用流路26には、複数のフィン23が設けられている。複数のフィンからなるヒートシンクは、その外形が略直方体であり、冷却用流路26内を冷却液が流れる方向に平行に配設されている。
図6は、フィンの形状の説明図である。冷却器20のフィン23は、例えば図6(a)に示すように、板状のフィン要素が並設された複数のブレードフィン23aとして形成することができる。ブレードフィン23aは、冷却用流路26に配置され、冷却液が図6(a)に矢印で示す方向に流通する。ブレードフィン23aは、放熱基板21に固定されて一体化している。冷却器20のフィン23は、図6(a)のブレードフィン23aに限定されず、図6(b)に示すコルゲートフィン23bを用いることもできる。また、後述するように、押し出し成形により、放熱基板21とフィン23とケース22の底壁22aとが一体的に形成されてなる多穴板の構成とすることもできる。
ブレードフィン23aは、放熱基板21と一体化してケース22内に設けられたときに、その先端とケース22の底壁22aとの間に一定のクリアランスCが存在するような寸法(高さ)に形成される。またコルゲートフィン23bの場合は、ろう付けによりケース22と一体化することでクリアランスCが存在しない形状に形成される。
フィン23のフィン形状については、従来公知の様々な形状のものを用いることが可能である。もっとも、フィン23は、冷却用流路26内を流れる冷却液の抵抗となるので、冷却液に対する圧力損失が小さいものが望ましく、よって上述したブレードフィン23aやコルゲートフィン23bが好ましい。また、フィン23の形状及び寸法は、冷却液の冷却器20への導入条件(すなわち、ポンプ性能等)、冷却液の種類(粘性等)、目的とする除熱量等を考慮して、適宜設定することが好ましい。また、フィン23からなるヒートシンクの外形は略直方体であり、好ましくは直方体であり、発明の効果を損ねない範囲で面取りや変形された形状であってもよい。
冷却器20の使用時には、例えば導入部27に、導入部27の上流側に設けられるポンプ(図示せず)と接続される配管(図示せず)が接続され、排出部28に、排出部28の下流側に設けられる熱交換器(図示せず)に接続される配管(図示せず)が接続される。熱交換器で熱交換された後の冷却液がポンプに導かれることで、これら冷却器20、ポンプ及び熱交換器を含む閉ループの冷却液流路が構成される。冷却液は、このような閉ループ内をポンプによって強制循環される。冷却液は、水やロングライフクーラント(LLC)等、公知の冷却媒体を用いることができる。
ケース22の側壁22b1、22b2に設けられた導入部27、排出部28の開口の高さ(直径)は、所定の流量の冷却液を低負荷でケース22内に導入し、またケース22内から排出できるように、所定の大きさを有している。また、ケース22内の導入路24、排出路25及び冷却用流路26は、所定の冷却能を有する範囲内で、できるだけ小型化、薄肉化される。例えば、冷却用流路26の全幅、すなわち、ケース22の2つの長手方向の側壁22b3間の内法の長さに対する冷却用流路26の厚さの比は、1:8~1:12程度であるように薄肉化されている。このため、図1、2に示すように冷却器20は、導入部27の開口の高さが、導入路24の高さよりも高くなっている。同様に、排出部28の開口の高さが、排出路25の高さよりも高くなっている。
導入部27と導入路24との間の接続部271は、図7に接続部271近傍の拡大図を示すように、導入部27から見て奥行き方向(冷却用流路26の長手方向)に底面から傾斜して導入路24の底面に接続する第1の傾斜面271aを有している。導入部27の底面が、導入路24および冷却用流路26の底面よりフィン23の先端から冷却器20の厚み方向に離れて形成されている。第1の傾斜面271aと導入路24の底面との間は、曲面271cにより接続されている。第1の傾斜面271aは、冷却器20の上方、フィン23へ向かって傾斜している。
接続部271が、第1の傾斜面271aを有することにより、導入部27から導入された冷却液は、第1の傾斜面271aに沿って流れ、この流動方向の流路断面積が次第に減少されつつ導入路24及び冷却用流路26に導かれる。
接続部271が、第1の傾斜面271aを有することにより、導入部27から導入された冷却液は、第1の傾斜面271aに沿って流れ、この流動方向の流路断面積が次第に減少されつつ導入路24及び冷却用流路26に導かれる。
導入部27側と同様に、排出部28側においては、排出部28と排出路25との間の接続部281は、排出部28から見て奥行き方向(冷却用流路26の長手方向)に底面から傾斜して排出路25の底面に接続する第1の傾斜面281aを有している。排出部28の底面が、排出路25および冷却用流路26の底面よりフィン23の先端から冷却器20の厚み方向に離れて形成されている。第1の傾斜面281aと排出路25の底面との間は、曲面281cにより接続されている。第1の傾斜面281aは、冷却器20の上方、フィン23へ向かって傾斜している。
接続部281が、第1の傾斜面281aを有することにより、冷却用流路26から排出路25を通した冷却液は、第1の傾斜面281aに沿って流れ、排出部28に向かう。
接続部281が、第1の傾斜面281aを有することにより、冷却用流路26から排出路25を通した冷却液は、第1の傾斜面281aに沿って流れ、排出部28に向かう。
図8に示すように、導入部27側の接続部271は、冷却用流路26における、下アームの回路基板13の直下の部分に対向する位置に設けられている。このことにより、冷却用流路26内において、最も高温になり易い回路基板13の直下の部分のフィンに対して、導入部27からの冷却液をストレートに導くことができ、よって、回路基板13の直下の部分のフィンに向けた冷却液の流速を他の部分よりも高めることができ、ひいては回路基板上の半導体素子14、15を効果的に冷却することができる。半導体素子14、15のうち、IGBTチップである半導体素子15がFWDチップである半導体素子14よりも発熱するから、導入部27側の接続部271は、冷却用流路26における、半導体素子15(第2半導体素子)の直下の部分に対向する位置に設けられることが、より好ましい。導入部27側の接続部271は、冷却用流路26の全幅の1/10~1/3に相当する長さで導入路の端部から中央寄りに位置している。
また、排出部28の側の接続部281も同様に、冷却用流路26における、回路基板13の直下の部分に対向する位置に設けられている。このことにより、冷却用流路26内において、最も高温になり易い回路基板13の直下の部分のフィン23を通した冷却液を、排出部28へストレートに導くことができ、よって、回路基板13の直下の部分のフィン23を通した冷却液の流速を他の部分よりも高めることができ、ひいては回路基板上の半導体素子14、15を効果的に冷却することができる。半導体素子14、15のうち、IGBTチップである半導体素子15がFWDチップである半導体素子14よりも発熱するから、排出部28側の接続部281は、冷却用流路26における、半導体素子15(第1半導体素子)の直下の部分に対向する位置に設けられることが、より好ましい。排出部28側の接続部281は、冷却用流路26の全幅の1/10~1/3に相当する長さで導入路の端部から中央寄りに位置している。
導入路24と排出路25は、互いに非対称な平面形状を有している。具体的には導入路24は、冷却用流路26の幅方向の一端から他端までにわたり、なるべく均等に冷却液が流れるようにするために、排出路25に比べて狭幅の流路としている。これに対して、排出路25は、冷却用流路26から排出部まで冷却液を抵抗少なく流れるようにするために、ある程度広幅の流路としている。図示した例では、排出路25の容積は導入路24に比べて大きい。
また、導入路24は、導入路24の下流側で導入路24の断面積が低減するように、導入路24の下流側に行くに従って流路幅が漸減する形状に形成されている。これにより、導入路24の下流側と接続する冷却用流路26と、導入路24の上流側と接続する冷却用流路26とで、冷却液の流速分布を均一化することができる。これに対して、排出路25は、導入路24のように下流側に行くに従って流路幅が漸減する形状ではない。
導入路24と排出路25とが互いに異なる、換言すれば非対称な平面形状を有していることから、圧力損失に有効に寄与している。
導入路24と排出路25とが互いに異なる、換言すれば非対称な平面形状を有していることから、圧力損失に有効に寄与している。
このような構成を有するケース22は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等の金属材料を用いて形成することができる。例えば、A1050やA6063等の材料が好ましく、周辺部材、特に固定部やパワーモジュールを収めるインバータケースとのシールが必要な場合はADC12やA6061等の材料が好ましい。またケース22をダイキャストで製造し、かつ、熱伝導性が求められる場合は、三菱樹脂株式会社のダイキャスト用高熱伝導アルミニウム合金であるDMSシリーズの材料を適用することも可能である。このような金属材料を用いてケース22を形成する場合、例えばダイキャストによって、上記のような導入路24、排出路25、冷却用流路26、導入部27及び接続部271、排出部28及び接続部281を形成することができる。接続部271及び接続部281は複雑形状になるが、ダイキャストによれば、このような複雑形状のケース22を容易に作製することができる。ケース22は、この他、カーボンフィラーを含有する金属材料を用いることもできる。また、冷却液の種類やケース22内に流れる冷却液の温度等によっては、セラミック材料や樹脂材料等を用いることも可能である。
フィン23及び放熱基板21は、ケース22と同様に、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等の金属材料を用いて形成することができる。例えばA1050、A6063等が望ましい。より好ましくは、熱伝導率が200W/mK以上のアルミニウムを用いることができる。フィン23と放熱基板21とは、同種の金属材料であってもよいし、異種の金属材料であってもよい。フィン23は、上述したブレードフィン23aやコルゲートフィン23b等以外にも例えば金属材料を用いて形成された所定のピンや板体を金属製の基材に接合することによって形成することができる。また、フィン23は、ダイキャストやろう付けするなどにより、放熱基板21自体と一体的に形成することができる。更に、フィン23は、ダイキャストによって放熱基板21からフィン23が形成される部分を凸形状に形成した後、その部分をワイヤーカット法によりフィン形状に切削することにより形成することも可能である。更に、金属材料の押し出し成形によって多穴板を成形することにより、放熱基板21とフィン23とケース22とが一体的に形成されている形状とすることもできる。
ケース22の側壁22bの上端と放熱基板21の端部とは、Oリング等を介在させて封止することも可能であるが、側壁22bに沿って金属的に接合されていることが、液漏れを確実に防止できることから好ましい。この金属的な接合は、摩擦攪拌接合法(Friction Stir Welding)であることが、より好ましい。摩擦攪拌接合法による接合部は、摩擦攪拌接合法に特有の金属組織を有している。摩擦攪拌接合法であることにより、ケース22の側壁22bの上端と放熱基板21の端部との接合を、確実にすることができる。また摩擦攪拌接合法は、ケース22の底面を支持しながら、ケース22と放熱基板21との接合界面に向けて摩擦攪拌接合法のツールを上方から当てて接合できるので、より確実な接合が可能となる。更に、摩擦攪拌接合法により接合することにより、放熱基板21の材料として、例えばA6063およびDMSシリーズの合金、大紀アルミニウム工業所のダイキャスト用高熱伝導アルミニウム合金であるHT-1等の熱伝導率の高い材料を用い、放熱性を向上することができる。つまり、放熱基板21の材料を、ケース22の材料とは異なる組成の材料として、ケース22よりも熱伝導率の高い材料とすることにより、放熱性を向上させることができる。
ケース22が、仕切り22cを有する場合には、この仕切り22cについても放熱基板21と摩擦攪拌接合法により接合することが、放熱基板21の熱変形によるフィン23とケース22の底壁22aとのクリアランスCの拡大を防止できるので好ましい。
ケース22と放熱基板21とを摩擦攪拌接合法により接合する場合には、ケース22の側壁22bの上端および放熱基板21の端部が少なくとも平坦であり、好ましくは放熱基板21が平板形状であることが、接合作業を容易にすることから好ましい。また、放熱基板21は、所定の厚さを有することにより、熱変形に対する信頼性と、良好な放熱性を具備することができる。放熱基板21の厚さは、例えばフィンが接合される領域において、1~3mmが望ましい。さらに、導入部27の上面が放熱基板21の底面より下側になるよう導入部27を配置することにより、導入部27と接続部271で生じる乱流を小さくできるので、接合作業を容易にし、かつ冷却効率を向上できる。
このように、接続部271の軸線が、回路基板13直下の部分の冷却用流路26に対向するとともに、接続部281の軸線が、回路基板13直下の部分の冷却用流路26に対向する冷却器20により、冷却効率を向上できる。
このように、接続部271の軸線が、回路基板13直下の部分の冷却用流路26に対向するとともに、接続部281の軸線が、回路基板13直下の部分の冷却用流路26に対向する冷却器20により、冷却効率を向上できる。
(実施形態2)
次に、本発明の実施形態2の半導体装置について説明する。本実施形態の半導体装置は、実施形態1の半導体装置における接続部271及び接続部281の形状を除いて、実施形態1の半導体装置と同様の構成を有している。したがって、以下では接続部271及び接続部281の形状について説明する。また、実施形態1の半導体装置を説明した図5及び図7に記載された部材及びその部分と同一の機能を有する部材、部分については同一の符号を付しており、以下では重複する説明を省略する。
次に、本発明の実施形態2の半導体装置について説明する。本実施形態の半導体装置は、実施形態1の半導体装置における接続部271及び接続部281の形状を除いて、実施形態1の半導体装置と同様の構成を有している。したがって、以下では接続部271及び接続部281の形状について説明する。また、実施形態1の半導体装置を説明した図5及び図7に記載された部材及びその部分と同一の機能を有する部材、部分については同一の符号を付しており、以下では重複する説明を省略する。
図9に、実施形態2の半導体装置の接続部271の拡大図を示す。図9の接続部271の第1の傾斜面271aは、図7に示した実施形態1の第1の傾斜面271aと比べて、導入路24の底面側に延びた形状を有している。また、曲面271cと導入路24の底面との間に、導入路24の長手方向に底面から傾斜して導入路24の底面に接続する第2の傾斜面271bを有している。第2の傾斜面271bも冷却器20の上側へ向かって傾斜している。冷却器20の上面と第2の傾斜面271bのなす角は90度より小さい。
実施形態2の半導体装置は、接続部271が、第2の傾斜面271bを有することにより、導入部27から導入された冷却液は、導入路24の長手方向には、第2の傾斜面271bに沿って流れ、この流動方向の流路断面積が次第に拡大されつつ導入路24に導かれる。したがって、接続部271が、第1の傾斜面271aのみならず第2の傾斜面271bを有する実施形態2の半導体装置は、実施形態1の半導体装置に比べて接続部271の流路を部分的に広げることができ、よって接続部271における圧力損失を、より効果的に低減させることができる。これにより、冷却器20の放熱基板21に接合された回路素子部11A~11F、12A~12Fの半導体素子14、15を効果的に冷却でき、冷却液を循環するポンプへの負荷を低減し、また半導体素子の安定した動作が可能になる。
図9の拡大図では、導入部27の接続部271について図示しているが、排出部28の接続部281においても同様に、第1の傾斜面281aが、図7に示した実施形態1の第1の傾斜面281aと比べて、排出路25の底面側に延びた形状を有し、かつ、曲面281cと排出路25の底面との間に、排出路25の長手方向に底面から傾斜して排出路25の底面に接続する第2の傾斜面281bを有している構成とすることができる(図11参照)。排出部28の接続部281が第1の傾斜面281a及び第2の傾斜面281bを有することにより、接続部281における圧力損失を、より効果的に低減させることができる。
(実施形態3)
次に、本発明の実施形態3の半導体装置について説明する。本実施形態の半導体装置は、実施形態1の半導体装置における冷却用流路26の構成を除いて、実施形態1の半導体装置と同様の構成を有している。したがって、以下では本実施形態の冷却用流路26の構成を説明する。
次に、本発明の実施形態3の半導体装置について説明する。本実施形態の半導体装置は、実施形態1の半導体装置における冷却用流路26の構成を除いて、実施形態1の半導体装置と同様の構成を有している。したがって、以下では本実施形態の冷却用流路26の構成を説明する。
図10に、本実施形態の半導体装置における冷却器20の内部構造を示す平面図を示す。図10は、実施形態1の冷却器を示した図5に対応する図面であり、図5に示した部材と同一部材には同一符号を付しているので、各部材について重複する説明は省略する。
図10に示したケース22は、図5に示した実施形態1の半導体装置のケース22とは、導入路24と排出路25とに接続する仕切り22cの有無により相違する。本実施形態のケース22が図5に示した仕切り22cを有しないことにより、図10の冷却用流路26は、図5に示した実施形態1の冷却用流路26に比べて、冷却用流路26全体としての圧力損失を、より低減することができる。
(実施形態4)
次に、本発明の実施形態4の半導体装置について図11を用いて説明する。本実施形態の半導体装置は、実施形態3の半導体装置における導入部27側の接続部271の第1の傾斜面271aが、図9に示したように導入路24の底面側に延びた形状を有し、かつ、第2の傾斜面271bを有している。排出部28側についても同様である。それ以外の構成は、実施形態3の半導体装置と同様の構成を有している。
次に、本発明の実施形態4の半導体装置について図11を用いて説明する。本実施形態の半導体装置は、実施形態3の半導体装置における導入部27側の接続部271の第1の傾斜面271aが、図9に示したように導入路24の底面側に延びた形状を有し、かつ、第2の傾斜面271bを有している。排出部28側についても同様である。それ以外の構成は、実施形態3の半導体装置と同様の構成を有している。
実施形態4の半導体装置は、接続部271が、第2の傾斜面271bを有することにより、実施形態3の半導体装置に比べて接続部271の流路を部分的に広げることができ、よって接続部271における圧力損失を、より効果的に低減させることができる。また、接続部281が、第2の傾斜面281bを有することにより、実施形態3の半導体装置に比べて接続部281の流路を部分的に広げることができ、よって接続部281における圧力損失を、より効果的に低減させることができる。
本発明の半導体装置の効果を確認するために、ケース22に設けられた導入路24と導入部27との接続部271の位置を、ケース22の短手方向で異ならせた複数の冷却器20を用意して圧力損失を調べた。
実施例1の冷却器20は、図12に示す冷却器20のケース22を備えている。具体的には、ケース22に設けられた導入路24と導入部27との接続部271が、ケース22の長手方向の側壁22b3の内側に接するような位置に設けられた例である。
比較例1の冷却器は、図13に示すケース122を備えている。具体的には、ケース122に設けられた導入路24と導入部27との接続部271が、ケース22の長手方向の側壁22b3よりもケース22の短手方向外側の位置に設けられた例である。
実施例2の冷却器は、図5に示したケース22を備えている。
比較例1の冷却器は、図13に示すケース122を備えている。具体的には、ケース122に設けられた導入路24と導入部27との接続部271が、ケース22の長手方向の側壁22b3よりもケース22の短手方向外側の位置に設けられた例である。
実施例2の冷却器は、図5に示したケース22を備えている。
上記の実施例1、2及び比較例1の冷却器について冷却液の導入部と排出部との間での圧力差を調べた結果を図14にグラフで示す。図14から、比較例1の冷却器に比べて、実施例1、2の冷却器は圧力損失が低く、特に実施例2の冷却器は、実施例1よりも圧力損失が低かった。熱流体シミュレーションによる比較結果によれば、10L/minの冷却液を流した場合、比較例1では9kPa、実施例1が6.7kPa、実施例2が6.0kpaであった。
冷却用流路26を流れる冷却液の圧力には、配置されたフィン23に対し冷媒が衝突する圧力、フィン23間を流れる際に発生する圧力、排出路を流れ出る際に発生する圧力がある。導入部27側の接続部271、排出部側の接続部281において、比較例1ではケース22の側壁22b3を用いて導入路24に流れを強制することにより圧力が生じる。これに対して、実施例1、実施例2では冷却流れを大きく変えることなく、冷却用流路26内に冷却液を運ぶことができ、よって冷却液を循環させるためのポンプへの負荷を小さくすることが可能となる。
次に、図10に示した半導体モジュールにおけるケース22が図5に示した仕切り22cを有しないこと、すなわち、冷却用流路26を分岐させないことの効果、及び図11に示した本発明の半導体モジュールにおける接続部271の第2の傾斜面271b、及び接続部281の第2の傾斜面281bを有することの効果を確認するために、仕切り22cを有しない冷却器であって、第2の傾斜面271b、281bを有し又は有しないことによって異なる複数の冷却器20を用意して圧力損失を調べた。また、冷却器20上の回路素子部11A~11Fの半導体素子15の発熱状況を調べた。
実施例3の冷却器20は、図10に示す冷却器20のケース22を備えている。具体的には、第2の傾斜面271b、281bを有しない例である。
実施例4の冷却器20は、図15に接続部271近傍の拡大図を示すように、第2の傾斜面271b、281bを有し、かつ、第2の傾斜面271b、281bを形成するための面取り長さが5mmである例である。面取り長さの相違の他は、次に説明する実施例5と同様のケース22を備えている。
実施例5の冷却器20は、図11に示す冷却器20のケース22を備えている。具体的には、図9に接続部271近傍の拡大図を示すように、当該第2の傾斜面271b、281bを有し、かつ、第2の傾斜面271b、281bを形成するための面取り長さが10mmである例である。
実施例4の冷却器20は、図15に接続部271近傍の拡大図を示すように、第2の傾斜面271b、281bを有し、かつ、第2の傾斜面271b、281bを形成するための面取り長さが5mmである例である。面取り長さの相違の他は、次に説明する実施例5と同様のケース22を備えている。
実施例5の冷却器20は、図11に示す冷却器20のケース22を備えている。具体的には、図9に接続部271近傍の拡大図を示すように、当該第2の傾斜面271b、281bを有し、かつ、第2の傾斜面271b、281bを形成するための面取り長さが10mmである例である。
上記の実施例3~5の冷却器について冷却液の導入部と排出部との間での圧力差を調べた結果を図16にグラフで示す。図16から、実施例3の冷却器は、図14の実施例2よりも圧力損失が低かった。熱流体シミュレーションによる比較結果によれば、10L/minの冷却液を流した場合、実施例2は6.0kpaであったのに対して、実施例3は4.6kpaであった。このことから、冷却用流路26に仕切り22cを有さず、すべてフィン23を配置することで、仕切り22cを有する実施例2に比べて圧力損失を1kpa程度以上は低減可能であった。
図17に、実施例2の冷却器を備える半導体モジュールと、実施例3の冷却器を備える半導体モジュールとについて回路素子部11A~11Fの各々の半導体素子15のジャンクション温度を測定した結果を示す。図17から、実施例2の冷却器を備える半導体モジュールに比べて実施例3の冷却器を備える半導体モジュールは、半導体素子15の温度が低く、かつ温度ばらつきが小さかった。
また、面取りの有無及び面取り程度の相違による実施例3~5の冷却器の圧力損失を図18に示すグラフで対比すると、10mmの面取りをした実施例5は、5mmの面取りをした実施例4に比べて、圧力損失が小さかった。実施例3と実施例5とでは、圧力損失については同等であった。図18に示す回路素子部11A~11Fの各々の半導体素子15のジャンクション温度を測定結果のグラフで対比すると、実施例3に比べて実施例5は、回路素子部11A~11Fの各々の半導体素子15の温度ばらつきが、より小さかった。
(実施形態5)
本発明の実施形態5の半導体装置である半導体モジュール3の斜視図を図19に示す。図19に示した半導体モジュールは、冷却液の導入部37及び排出部38が、冷却器30の底壁に設けられた例である。図の矢印は冷却液の流れる方向を示す。
また、図20(a)は、図19の半導体モジュールをXXa-XXa線矢視断面で示す模式図であり、図20(b)は、図20(a)の拡大部分模式図である。
本発明の実施形態5の半導体装置である半導体モジュール3の斜視図を図19に示す。図19に示した半導体モジュールは、冷却液の導入部37及び排出部38が、冷却器30の底壁に設けられた例である。図の矢印は冷却液の流れる方向を示す。
また、図20(a)は、図19の半導体モジュールをXXa-XXa線矢視断面で示す模式図であり、図20(b)は、図20(a)の拡大部分模式図である。
半導体モジュール3は、図19及び図20(a)、(b)に示すように複数の回路素子部11A~11F、12A~12Fと、これらの回路素子部11A~11F、12A~12Fが接続された冷却器30とを備えている。各回路素子部11A~11F、12A~12Fは、図1に示した半導体モジュール3の回路素子部11A~11F、12A~12Fと同じであるため、以下では重複する説明を省略する。
冷却器30は、本実施形態では、上方に開口が設けられた、箱形状を有するケース32と、このケース32の側壁の上端と液漏れなく接続する平板形状を有する放熱基板31(放熱部)と、この放熱基板31における各回路素子部11A~11F、12A~12Fが接合された面(第1面)とは反対側の面(第2面)に取り付けられ、ヒートシンクとしての熱交換性能を持つフィン33と、を有する。図20に示した本実施形態の冷却器30は、フィン33が設けられた領域において、フィン33の根本と放熱基板31とが一体的に形成されていて、かつ、フィン33の先端とケース32の底壁とが一体的に形成されている形状を有している。このような形状は、金属材料の押し出し成形によって、複数の孔を有する、多穴板(多穴管)を作製することによって得ることができる。押し出し成形により多穴板を作製することは、放熱基板31と、ケース32と、フィン33とを別個に用意し、これらの部材を接合することにより冷却器30を製造する方法に比べて、簡便でしかも低コストに製造することが可能である。また、図示するように、上アームの回路素子部11A~11C、12A~12C及び下アームの回路素子部11D~11F、12D~12Fは、それぞれ冷却液の流れる方向に沿って、並列するように2列に配置されている。複数の上アーム用回路基板13(第2回路基板)及び複数の下アーム用回路基板13(第1回路基板)がそれぞれ整列し、並列に配置されている。
多穴板を含む冷却器30において、各回路素子部11A~11F、12A~12Fで発生した熱は、回路基板13から多穴板の上面を含む、放熱基板31に相当する部分に伝わり、更に多穴板の互いに取り合う穴の隔壁へと伝わる。多穴板の互いに取り合う穴の隔壁は冷却器30内のフィン33に相当し、多穴板の穴は、後述する冷却用流路に相当するから、多穴板の穴、すなわち冷却用流路に冷却液が流通されることで、フィン33が冷却される。発熱する回路素子部11A~11F、12A~12Fは、このようにして冷却器30により冷却される。
図21は、冷却器30の内部構造を示す平面図(同図(a))及びXXIb-XXIb線矢視断面図(同図(b))である。図21に示すように、冷却器30の外形は、略直方体形状である。冷却器30は、冷却液の導入ヘッダ部30aと、多穴板から構成された冷却用流路部30cと、冷却液の排出ヘッダ部30bとを含む。導入ヘッダ部30aは冷却器30の第1の側壁側に、排出ヘッダ部30bは第1の側壁に対向する第2の側壁側にそれぞれ配置されている。
導入ヘッダ部30aの底壁には、冷却器30の内部に冷却液を導入するための導入部37が設けられている。導入ヘッダ部30aの内部には、冷却液を冷却用流路部30cのフィン33に向けて導入するための導入路34と、該導入路34と導入部37との間に設けられた接続部371とを有している。
排出ヘッダ部30bの底壁には、冷却器30の内部から外部に冷却液を排出するための排出部38が設けられている。排出ヘッダ部30bの内部には、冷却用流路部30cからの冷却液を排出部38に排出するための排出路35と、該排出路35と排出部38との間に設けられた接続部381とを有している。
導入部37と排出部38とは、冷却器30の対角の位置からやや内寄りに設けられている。導入部37および排出部38の軸線は、冷却用流路36の長手方向、すなわち、冷却用流路36において冷却液が流通する方向と略直交する。
導入路34は、導入部37が設けられた導入ヘッダ部30aの側壁321の内面に沿って、接続部371から導入された冷却液を分散させて冷却用流路36に流れるように形成されている。また、導入路34と導入部37との間に接続部371が設けられている。この接続部371は、冷却用流路における、回路基板13(第2回路基板)の直下に位置する部分に対向して設けられている。
排出路35は、排出部38が設けられた排出ヘッダ部30bの側壁322の内面に沿って、冷却用流路36を経た冷却液を排出部38へ排出するように形成されている。また、排出路35と排出部38との間に接続部381が設けられている。この接続部381は、冷却用流路における、回路基板13(第1回路基板)の直下に位置する部分に対向して設けられている。
冷却用流路36は、導入路34と排出路35との間の、長手方向の2つの側壁323の間でフィン33が収容される位置に形成され、これにより、ヒートシンクとしてのフィン33の冷却に必要な部分に冷却液を流すよう構成される。導入路34及び排出路35が、冷却器30の短辺側の側壁321、322に沿って形成されていることから、冷却用流路36は、冷却液の流通方向の長さが、導入路34及び排出路35における冷却液の流通方向の長さよりも長い。このことにより、冷却器30の小型化に有利である。
また、冷却用流路36は、先に説明した実施形態1の半導体装置のように、仕切りにより二分割されてはいない。これにより、圧力損失の低減が有利に図られる。もっとも、本実施形態の半導体装置は、冷却用流路36に仕切りを設けて、回路素子部11A~11F、12A~12Fの位置に合わせて、複数の流路に分割することを排除するものではない。
導入路34および排出路35の長手方向は、冷却用流路36の長手方向とほぼ直交している。
導入路34および排出路35の長手方向は、冷却用流路36の長手方向とほぼ直交している。
冷却用流路36には、複数のフィン33が設けられている。複数のフィンからなるヒートシンクは、その外形が略直方体であり、冷却用流路36内を冷却液が流れる方向に平行に配設されている。ヒートシンクのフィンは、本実施形態では押し出し成形に形成された多穴板の隔壁がフィンに相当する。先に実施形態1において説明したように冷却器30が、別個に用意した放熱基板とケースとフィンとを接合してなる場合には、図6に示したブレードフィン23aやコルゲートフィン23bを用いることもできる。
冷却器30の使用時には、例えば導入部37に、導入部37の上流側に設けられるポンプ(図示せず)と接続される配管(図示せず)が接続され、排出部38に、排出部38の下流側に設けられる熱交換器(図示せず)に接続される配管(図示せず)が接続される。熱交換器で熱交換された後の冷却液がポンプに導かれることで、これら冷却器30、ポンプ及び熱交換器を含む閉ループの冷却液流路が構成される。冷却液は、このような閉ループ内をポンプによって強制循環される。冷却液は、水やロングライフクーラント(LLC)等を用いることができる。
導入部37及び導入路34が設けられた導入ヘッダ部30a、排出部38及び排出路35が設けられた排出ヘッダ部30b及び冷却用流路36が形成された冷却用流路部30cは、所定の冷却能を有する範囲内で、できるだけ小型化、薄肉化される。例えば、冷却用流路36の全幅、すなわち、ケース32の長手方向の内壁間の長さに対する冷却用流路36の厚さの比は、1:8~1:14程度であるように薄肉化されている。
導入部37と導入路34との間の接続部371は、導入ヘッダ部30a内に形成された内壁によって形成されている。この内壁は、導入部37からみて冷却用流路36とは反対側に位置し、導入部37の開口(導入口)と略同心になる円弧状側壁371aと、この円弧状側壁371aの一端と接続し、冷却用流路36の幅方向端部に向けて延びる直線状側壁371bと、この円弧状側壁371aの一端と接続し、冷却用流路36の長手方向とほぼ平行に延びる直線状側壁371cとを含む。
接続部371が、上記構成の内壁により形成されていることにより、導入部37から接続部371に導入された冷却液は、冷却用流路36の幅方向端部に冷却液の一部が向かいつつ導入路34及び冷却用流路36に導かれる。
排出部38と排出路35との間の接続部381は、排出ヘッダ部30b内に形成された内壁によって形成されている。この内壁は、排出部38からみて冷却用流路36とは反対側に位置し、排出部38の開口(排出口)とは中心が異なる円弧状側壁381aと、この円弧状側壁381aの一端と接続し、冷却用流路36の長手方向とほぼ平行に延びる直線状側壁381bと、この円弧状側壁381aの他端と接続し、冷却用流路36の長手方向とほぼ平行に延びる直線状側壁381cとを含む。排出口は直線状側壁381bと直線状側壁381cの間を二分した領域の直線状側壁381c側、すなわち導入部37の導入口寄りに形成されている。
接続部381が、上記構成の内壁により形成されていることにより、冷却用流路36から排出路35を通した冷却液は、接続部381で収束されつつ、排出部38に向かう。排出口を接続部381の長手方向中心線より導入口寄りに配置したので、接続部381を流れる冷却液の流量が接続部381の断面に対して非対称になり、図22に示すように冷却液は渦を巻きながら排出口から排出部38へ流れ出る。図示した例では、冷却液は反時計まわりに渦を巻く。このような構造により、並列に配置された上アーム用回路基板13と下アーム用回路基板13のそれぞれの直下を流れた冷却液は、あまり衝突することなく、排出路35及び接続部381をスムーズに流れ排出部38から流れ出る。冷却器30での圧力損失は低減される。
図19と図21との位置関係の対比から理解できるように、導入部37側の接続部371は、冷却用流路36における、回路基板13の直下の部分に対向する位置に設けられている。このことにより、冷却用流路36内において、最も高温になり易い回路基板13の直下の部分のフィン33に対して、導入部37からの冷却液をストレートに導くことができ、よって、回路基板13の直下の部分のフィンに向けた冷却液の流速を他の部分よりも高めることができ、ひいては回路基板上の半導体素子14、15を効果的に冷却することができる。半導体素子14、15のうち、IGBTチップである半導体素子15がFWDチップである半導体素子14よりも発熱するから、導入部37側の接続部371は、冷却用流路36における、半導体素子15(第2半導体素子)の直下の部分に対向する位置に設けられることが、より好ましい。導入部37側の接続部371は、冷却用流路26の全幅の1/10~1/3に相当する長さで導入路の端部から中央寄りに位置している。
また、排出部38の側の接続部381も同様に、冷却用流路36における、回路基板13の直下の部分に対向する位置に設けられている。このことにより、冷却用流路36内において、最も高温になり易い回路基板13の直下の部分のフィン33を通した冷却液を、排出部38へストレートに導くことができ、よって、回路基板13の直下の部分のフィン33を通した冷却液の流速を他の部分よりも高めることができ、ひいては回路基板上の半導体素子14、15を効果的に冷却することができる。半導体素子14、15のうち、IGBTチップである半導体素子15がFWDチップである半導体素子14よりも発熱するから、排出部38側の接続部381は、冷却用流路36における、半導体素子15(第1半導体素子)の直下の部分に対向する位置に設けられることが、より好ましい。排出部38側の接続部381は、冷却用流路26の全幅の1/10~1/3に相当する長さで導入路の端部から中央寄りに位置している。
導入路34と排出路35とは、互いに非対称な平面形状を有している。具体的には導入路34は、冷却用流路36の幅方向の一端から他端までにわたり、なるべく均等に冷却液が流れるようにするために、狭幅の流路としている。これに対して、排出路35は、冷却用流路36から排出部まで冷却液を抵抗少なく流れるようにするために、ある程度広幅の流路としている。
また、導入路34と接続する接続部371の内壁のうち、円弧状側壁371aが、導入部37と略同心の円弧状の曲面であるのに対して、排出路35と接続する接続部381の内壁のうち、円弧状側壁381aは、排出部38とは異なる中心の円弧状の曲面である。また、円弧状側壁371aの曲率半径よりも円弧状側壁381aの曲率半径が大きい。更に、接続部371の直線状側壁371bが冷却用流路36の幅方向端部に向けて延びるのに対して、接続部381の直線状側壁381bは、冷却用流路36の長手方向とほぼ平行に延びている。これらのことにより、導入路34と排出路35は、互いに非対称な平面形状を有している。
導入路34と排出路35とが互いに異なる、換言すれば非対称な平面形状を有する理由は、接続部371、381において乱流の発生をできる限り抑制しつ圧力損失を低減するために最適な形状としたためである。仮に、接続部381の内壁の円弧状側壁381aが排出部38と同心に位置した場合には、冷却液の乱流の発生が大きくなった。このため、乱流の発生を抑制するためには、円弧状側壁381aは、排出部38とは偏心させた位置に形成することが最適である。
本実施形態の冷却器30は、実施形態1の冷却器20と同様の金属材料を用いて形成することができる。冷却器30が、導入ヘッダ部30aと、多穴板から構成された冷却用流路部30cと、排出ヘッダ部30bとを含む場合には、これらの部材を接合して冷却器30を作製することができる。これらの部材の金属的な接合は、確実に接合するために摩擦攪拌接合法(Friction Stir Welding)によることが、より好ましい。摩擦攪拌接合法による接合部は、摩擦攪拌接合法に特有の金属組織を有している。
本実施形態の半導体モジュール3は、導入部37や排出部38が冷却器30の底壁に設けられた、薄型の冷却器における圧力損失を低減することができる。
本実施形態の半導体モジュール3は、導入部37や排出部38が冷却器30の底壁に設けられた、薄型の冷却器における圧力損失を低減することができる。
(実施形態6)
本発明の実施形態6の半導体装置である半導体モジュール4の分解斜視図を図23に示す。本実施形態の半導体モジュール4は、放熱基板41と、仕切り42cを有するケース42と、ブレードフィン43とをそれぞれ別個に用意し、それらを接合してなる。好適な接合には、前述した摩擦攪拌接合法がある。
本発明の実施形態6の半導体装置である半導体モジュール4の分解斜視図を図23に示す。本実施形態の半導体モジュール4は、放熱基板41と、仕切り42cを有するケース42と、ブレードフィン43とをそれぞれ別個に用意し、それらを接合してなる。好適な接合には、前述した摩擦攪拌接合法がある。
(実施形態7)
本発明の実施形態7の半導体装置である半導体モジュール5の分解斜視図を図24に示す。本実施形態の半導体モジュール5は、放熱基板とフィンとを兼ねる2枚の多穴板53と、ケース52と、仕切り部材52cとをそれぞれ別個に用意し、それらを接合してなる。多穴板53は、押し出し成形により成形することができる。また、多穴板53とケース52との好適な接合には、前述した摩擦攪拌接合法がある。
本発明の実施形態7の半導体装置である半導体モジュール5の分解斜視図を図24に示す。本実施形態の半導体モジュール5は、放熱基板とフィンとを兼ねる2枚の多穴板53と、ケース52と、仕切り部材52cとをそれぞれ別個に用意し、それらを接合してなる。多穴板53は、押し出し成形により成形することができる。また、多穴板53とケース52との好適な接合には、前述した摩擦攪拌接合法がある。
(実施形態8)
本発明の実施形態8の半導体装置である半導体モジュール6の分解斜視図を図25に示す。本実施形態の半導体モジュール6は、薄い放熱基板61と、コルゲートフィン63と、ケース62と、仕切り部材62cとをそれぞれ別個に用意し、それらをろう付けにより接合してなる。本実施形態の半導体モジュール6は、薄い放熱基板61が用いられ、ろう付けにより冷却器が作製されるから、冷却器の厚さを薄くすることができ、また作製が簡便で低コストという利点がある。
実施形態6~8の半導体モジュール4~6は、これらの半導体モジュールの冷却器を作製する際の部材が相違するが、組み立てられた冷却器は実施形態5の構成を具備し、実施形態5の構成により得られる効果を有している。
本発明の実施形態8の半導体装置である半導体モジュール6の分解斜視図を図25に示す。本実施形態の半導体モジュール6は、薄い放熱基板61と、コルゲートフィン63と、ケース62と、仕切り部材62cとをそれぞれ別個に用意し、それらをろう付けにより接合してなる。本実施形態の半導体モジュール6は、薄い放熱基板61が用いられ、ろう付けにより冷却器が作製されるから、冷却器の厚さを薄くすることができ、また作製が簡便で低コストという利点がある。
実施形態6~8の半導体モジュール4~6は、これらの半導体モジュールの冷却器を作製する際の部材が相違するが、組み立てられた冷却器は実施形態5の構成を具備し、実施形態5の構成により得られる効果を有している。
以上、本発明の半導体装置の実施形態を、図面を用いて説明したが、本発明の半導体装置は、各実施形態及び図面の記載に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で幾多の変形が可能であることはいうまでもない。
1、3、4、5、6 半導体モジュール
11A~11F、12A~12F 回路素子部
13 回路基板
13a 絶縁板
13b、13c 導体層
14、15 半導体素子
16、17 接合層
20、30 冷却器
21、31、41、61 放熱基板(放熱部)
22、32 ケース
23、33 フィン
24、34 導入路
25、35 排出路
26、36 冷却用流路
27、37 導入部
271、371 接続部
28、38 排出部
281、381 接続部
71、72 インバータ回路
73、74 三相交流モータ
C クリアランス
11A~11F、12A~12F 回路素子部
13 回路基板
13a 絶縁板
13b、13c 導体層
14、15 半導体素子
16、17 接合層
20、30 冷却器
21、31、41、61 放熱基板(放熱部)
22、32 ケース
23、33 フィン
24、34 導入路
25、35 排出路
26、36 冷却用流路
27、37 導入部
271、371 接続部
28、38 排出部
281、381 接続部
71、72 インバータ回路
73、74 三相交流モータ
C クリアランス
Claims (15)
- 第1回路基板及び第2回路基板と、前記第1回路基板上に搭載された第1半導体素子及び前記第2回路基板上に搭載された第2半導体素子と、前記第1回路基板及び第2回路基板が搭載され、前記第1半導体素子及び第2半導体素子を冷却する冷却器と、を備える半導体装置であって、
前記冷却器が、
第1面及び該第1面に対向する第2面を備え、前記第1面に該第1回路基板及び第2回路基板が接合された放熱部と、
前記第2面に設けられたフィンと、
第1の側壁及び前記第1の側壁に対向する第2の側壁を備え、前記フィンを収容するとともに前記該放熱部に接続されたケースと、
前記第1の側壁に設けられた、冷却液の導入部及び該第2の側壁に設けられた排出部と、
前記導入部に接続し、前記第1の側壁の内面に沿って形成された導入路と、
前記排出部に接続し、前記第2の側壁の内面に沿って形成された排出路と、
前記導入路と該排出路との間の、前記フィンが収容される位置に形成された冷却用流路と、を備え、
前記導入路及び前記排出路は互いに非対称な平面形状を有し、かつ、前記導入路と前記導入部との接続部が、前記冷却器上に配置された前記第2回路基板直下の前記冷却用流路に対向するとともに、前記排出路と前記排出部との接続部が、前記冷却器上に配置された前記第1回路基板直下の前記冷却用流路に対向することを特徴とする半導体装置。 - 前記導入部が前記ケースの側壁に取り付けられ、前記導入部の開口の高さが前記導入路の高さよりも高く、前記導入路と前記導入部との接続部に、前記冷却用流路に向かって傾斜する傾斜面を有する請求項1記載の半導体装置。
- 前記導入部と前記導入路との接続部に、接続部の底面から導入路の長手方向に傾斜した傾斜面を更に有する請求項2記載の半導体装置。
- 前記導入路が、導入路の下流側に行くに従って流路幅が漸減する形状に形成された請求項2記載の半導体装置。
- 前記排出部が前記ケースの側壁に取り付けられ、前記排出部の開口の高さが前記排出路の高さよりも高く、前記排出路と前記排出部との接続部に、前記冷却用流路に向かって傾斜する傾斜面を有する請求項2記載の半導体装置。
- 前記排出部と前記排出路との接続部に、接続部の底面から排出路の長手方向に傾斜した傾斜面を更に有する請求項5記載の半導体装置。
- 前記冷却用流路の長さが、前記導入路及び前記排出路の長さよりも長い請求項1記載の半導体装置。
- 前記導入部が前記ケースの底壁に取り付けられた請求項1記載の半導体装置。
- 前記導入路が、前記排出路よりも大きい請求項8記載の半導体装置。
- 前記導入部と前記導入路との接続部に、前記導入部と略同心の円弧状側壁を有する請求項8記載の半導体装置。
- 前記排出部と前記排出路との接続部に、前記排出部から偏心した円弧状側壁を有する請求項8記載の半導体装置。
- 前記冷却用流路の長さが、前記導入路及び前記排出路の長さよりも長い請求項8記載の半導体装置。
- 前記放熱部が放熱基板であり、前記放熱基板と前記ケースとが、金属的に接合されてなる請求項1又は8記載の半導体装置。
- 前記放熱部と前記フィンと前記ケースとの組み立て体の少なくとも一部が、押し出し成形により一体的に成形されてなる請求項1又は8記載の半導体装置。
- 前記放熱部が放熱基板であり、前記放熱基板と前記フィンと前記ケースとが、ろう付けにより一体的に成形されてなる請求項1又は8記載の半導体装置。
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