CN102097401A - 用于半导体元件的冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于半导体元件的冷却装置，包括：第一部件(21)，在其第一表面(2A)上安装半导体元件，且其第二表面(20B)具有限定冷却剂流路(20)、并沿第一方向(DR1)延伸、且从第二表面(20B)伸出到预定的高度、并以预定的间隔彼此隔开的翅片(4)；和第二部件(22)，其限定沿第一方向延伸的所述冷却剂流路。翅片(4)具有沟槽(4h)，所述沟槽沿与第一方向交叉的第二方向(DR2)延伸，并具有从翅片的顶端侧朝第二表面(20B)延伸的深度。沟槽(4h)的深度(d)小于翅片(4)的高度(H)。在沟槽(4h)中配置有突出部形成部件(32)，所述突出部形成部件横跨相邻翅片(4)延伸，且在由所述相邻翅片限定的冷却剂流路中形成突出部。

Description

用于半导体元件的冷却装置
技术领域
本发明涉及一种用于半导体的冷却装置。
背景技术
设计成冷却发热元件如半导体元件等的冷却装置是已知的。日本专利申请2006-100293号公报(JP-A-2006-100293)记载了一种冷却翅片结构，其中面向热源的表面或传热表面设置有突出部，所述突出部促进冷却剂的紊流以提高传热率。这样，传热表面的散热特性得以改善。
日本专利申请2008-172014号公报(JP-A-2008-172014)记载了一种在冷却剂流路的底面上包括突出部的冷却结构，所述突出部伸出到冷却剂流路的内部，并且在冷却剂流路内引起冷却剂的紊流。
对于在JP-A-2006-100293中记载的结构，由于突出部的构型复杂，所以用于形成突出部的加工过程需要高水平的技术，这增加了制造成本。对于在JP-A-2008-172014中记载的结构，必须预先形成从限定冷却剂流路的内壁表面伸出到冷却剂流路中的突出部区域，这也会增加制造成本。
发明内容
本发明提供了一种用于半导体元件的冷却装置，该冷却装置具有能尽量减小其制造成本增加的结构。
本发明的一个方面涉及一种半导体元件冷却装置。所述冷却装置包括：第一部件，所述第一部件具有第一表面和第二表面，所述第一表面上安装半导体元件，所述第二表面上有多个翅片，所述多个翅片限定多个冷却剂流路；和第二部件，所述第二部件通过从所述翅片的在所述翅片的高度方向上的顶端侧封闭所述翅片之间的间隙来限定沿第一方向延伸的所述多个冷却剂流路。形成在所述第二表面上的所述多个翅片以预定的高度沿所述第一方向延伸并且以预定的间隔设置。
在所述翅片中形成有沟槽，并且所述沟槽沿与所述第一方向交叉的第二方向延伸。所述沟槽具有从所述翅片的在所述高度方向上的所述顶端朝所述第二表面侧延伸的深度。所述沟槽的所述深度小于所述翅片的所述高度。在所述沟槽中配置有突出部形成部件，并且所述突出部形成部件横跨相邻翅片延伸，且在由所述相邻翅片限定的所述冷却剂流路中形成突出部。
附图说明
下面将参照附图对本发明的特征、优点和技术及工业意义进行描述，在附图中相似的附图标记表示相似的元件，并且其中：
图1是示出根据本发明实施例的用于半导体元件的冷却装置所应用的PCU(动力控制单元)的一部分的结构的电路图；
图2是用于半导体元件的冷却结构的分解透视图；
图3是示出用于半导体元件的冷却装置的剖视图；
图4是按图3中的箭头线IV-IV所示地截取的剖视图；以及
图5是按图3中的箭头线V-V所示地截取的剖视图。
具体实施方式
在下面的描述中，相同或相当的部分等用相同的附图标记表示，并且有时免除其重复说明。此外，尽管结合下述实施例提到了个数、量等等，但应当理解，除非另外声明，这些个数、量等等并非必要地限制本发明的范围。此外，下面可描述多个实施例或示例。在这样的情况下，除非另外声明，实施例或示例的构型可视情况而定加以组合。
图1是示出根据本发明实施例的用于半导体元件的冷却装置所应用的PCU(动力控制单元)的一部分的结构的电路图。顺便提及，图1所示的PCU 100是用于驱动车辆的旋转电机的控制器。
参照图1，PCU 100包括变换器110、逆变器120和130、控制装置140、以及电容器C1和C2。变换器110连接在电池B与逆变器120和130之间。逆变器120和130分别连接到电动发电机MG1和MG2。
变换器110包括功率晶体管Q1和Q2、二极管D1和D2、以及电抗器L。功率晶体管Q1和Q2串联连接。晶体管Q1和Q2的每一个都在其基极接收来自控制装置140的控制信号。二极管D1和D2分别连接在功率晶体管Q1和Q2的集电极侧和发射极侧之间以允许电流从功率晶体管Q1和Q2的发射极侧流到集电极侧。电抗器L的一端连接到第一电源线PL1，第一电源线PL1连接到电池B的正极端子，电抗器L的另一端连接到功率晶体管Q1和Q2之间的连接点。
变换器110利用电抗器L升高从电池B送到变换器110的直流电压，并以升高的电压向第二电源线PL2供给电流。变换器110也降低从逆变器120和130接收到的直流电压，并以降低的电压给电池B充电。
逆变器120和130包括U相臂121U和131U、V相臂121V和131V、以及W相臂121W和131W。逆变器120的U相臂121U、V相臂121V和W相臂121W并行连接在节点N1和节点N2之间。同样，逆变器130的U相臂131U、V相臂131V和W相臂131W并行连接在节点N1和节点N2之间。
U相臂121U包括串联连接的两个功率晶体管Q3和Q4。同样，U相臂131U、V相臂121V和131V以及W相臂121W和131W各自都分别包括两个功率晶体管Q5至Q14。二极管D3至D14分别连接在功率晶体管Q3至Q14的集电极侧和发射极侧之间，以由此允许电流从发射极侧流到集电极侧。
逆变器120和130的各个三相臂的中间点连接到电动发电机MG1和MG2的三相线圈的相应相端。在每个电动发电机MG1和MG2中，三个线圈、即U、V和W相线圈的一个侧端在中点处相互连接。
电容器C1连接在第一电源线PL1和第三电源线PL3之间，并且使第一电源线PL1的电压水平平滑化。电容器C2连接在第二电源线PL2和第三电源线PL3之间，并且使第二电源线PL2的电压水平平滑化。
逆变器120和130将来自电容器C2的直流电压转变成交流电压，并由此基于来自控制装置140的驱动信号来驱动电动发电机MG1和MG2。
控制装置140基于马达转矩指令值和电动发电机MG1和MG2的三相电流值以及逆变器120和130的输入电压来计算电动发电机MG1和MG2的三相线圈各自的电压。然后，基于计算的结果，控制装置140产生接通和关断功率晶体管Q3至Q14的PWM(脉冲宽度调制)信号，然后向逆变器120和130输出PWM信号。
此外，控制装置140基于马达转矩指令值和马达转速计算功率晶体管Q1和Q2占空比以优化逆变器120和130的输入电压。然后，基于计算的结果，控制装置140产生接通和关断功率晶体管Q1和Q2的PWM信号，然后向变换器110输出所述信号。
控制装置140还控制变换器110以及逆变器120和130中的功率晶体管Q1至Q14的开关动作，以将由电动发电机MG1和MG2产生的交流电力转变成直流电力，并用该直流电力给电池B充电。
在PCU 100工作期间，构成变换器110以及逆变器120和130的功率晶体管Q1至Q14和二极管D1至D14发热。因此，必须提供用于冷却半导体元件的冷却装置。
参照图2至5描述根据本实施例的冷却装置的结构。半导体元件1可例如为图1所示的功率晶体管Q1至Q14和二极管D1至D14。在图2至5所示的示例中，多个半导体元件11和12被示出为半导体元件1。
半导体元件1(11和12)经安装结构1A安装在冷却装置2上。冷却装置2由传热率较高的金属如铜、铝等构成。冷却装置2包括第一部件21和第二部件22。在第一部件21和第二部件22之间形成有冷却剂流路20。冷却剂在冷却剂流路20中流动，由此冷却半导体元件1。
冷却装置2具有第一部件21，第一部件21具有在其第一表面上形成的、安装半导体元件的安装表面(正面)2A。在第一部件21的第二表面(背面)20B上形成有多个翅片4，所述多个翅片4形成多个冷却剂流路20。翅片4沿第一方向(DR1)延伸，并且从第二表面20B伸出到预定的高度，且以预定的距离彼此分开。第一部件21包括多个矩形翅片4，并且可通过挤出加工以较低的成本制造。
冷却装置2具有扁平的第二部件22，第二部件22通过从翅片4的在其高度方向(由箭头标记β表示的方向)上的顶端侧封闭翅片4之间的间隙来限定沿第一方向(DR1)延伸的所述多个冷却剂流路20。第二部件22用粘接剂等固定在第一部件21上。
在翅片4中形成有沿与第一方向DR交叉的第二方向DR2延伸的多个沟槽4h。沟槽4h的深度从翅片4的在其高度方向上的顶端侧向第二表面20B侧延伸。尽管在该实施例中，第一方向DR与第二方向DR2彼此垂直，但它们不必非要垂直，只要第一方向DR与第二方向DR2交叉即可。
沟槽4h的深度(d)小于翅片4的高度(H)。在沟槽4h中配置有突出部形成部件32。突出部形成部件32横跨相邻翅片4延伸，并且在由所述相邻翅片4限定的冷却剂流路20中形成突出部32a。
该实施例中的突出部形成部件32是通过使一扁平部件绕其纵向轴线作为回转中心弯曲而形成的。通过使所述扁平部件弯曲，在该扁平部件中产生弹性回复力。利用该弹性力，突出部形成部件32配合在沟槽4h的内表面上。此外，还能利用粘接剂等将突出部形成部件32固定在沟槽4h上。
可将诸如弹簧板、树脂板等的材料用于突出部形成部件32，只要以上述方式使所述材料弯曲而形成的部件具有弹性回复力即可。此外，优选地，突出部形成部件32在弯曲时的高度(h)等于沟槽4h的深度(d)，以便防止冷却剂在其流过冷却剂流路20时流入弯曲的突出部形成部件32的内部空间中。
为了维持提高的冷却效率，优选地，冷却剂流路20中的突出部32a的高度(h)为翅片4的高度(H)的约1/3到1/4。此外，突出部32a之间的距离优选地为突出部32a的高度(h)的约5到10倍。
接下来将参照图5描述用于半导体元件的冷却装置中的冷却剂流动。当冷却剂流过冷却剂流路20以冷却半导体元件1时，由于边界层的生成，冷却剂流路20的壁面附近的冷却剂的流速趋于较低。如果冷却剂要沸腾，则在安装了半导体元件1的区域下方在冷却剂流路20的第二表面(背面)20B上会形成气泡。由于在冷却剂流路20的第二表面(背面)20B处冷却剂的流速降低及气泡的形成，冷却半导体元件1的效率降低。
本发明的实施例通过形成沿与冷却剂的流动方向(箭头DR1的方向)交叉的方向延伸并从冷却剂流路20的底面20A突出到冷却剂流路20内的突出部32a来提高冷却半导体元件1的效率。突出部32a在由箭头DR1表示的方向上排布。优选地，突出部32a形成在冷却剂流路20的位于半导体元件11和12附近的部分内。
突出部32a形成为间隔地设置并且沿与冷却剂的流动方向交叉的方向(箭头DR2的方向)延伸(即，由翅片4分断)。在图5所示的示例中，突出部32a形成在各个半导体元件11和12的上游。图5中的箭头α示出冷却剂的局部流动。
通过如上所述地设置突出部32a，能使冷却剂的流动在半导体元件1的安装位置处偏向，以产生紊流并增大在半导体元件1的安装表面上的冷却剂流速及由此抑制边界层的生成。结果，冷却半导体元件1的效率提高。
突出部32a的位置可视情况而改变，并且通常被设定成使得突出部32a位于各个半导体元件1的上游。例如，在图5所示的示例中，设置在半导体元件12上游的突出部32a被设置在半导体元件11和12之间(即，半导体元件11的下游及半导体元件12的上游)。
突出部32a也可与半导体元件1重叠。例如，图5所示的突出部32a也可设置在半导体元件11和12的正下方。在这种情况下，只要突出部32a设置在各个半导体元件11和12的(在由箭头DR1表示的方向上的)中心的上游，则同样可预期获得与如上所述的基本相同的效果。
由于突出部32a设置在上述位置，冷却剂经冷却剂流路20的流动朝半导体元件1被引导。被导向半导体元件1的冷却剂流与位于半导体元件1正下方的冷却剂流路20的第二表面(上表面)20B冲撞，使得气泡层被破坏。结果，冷却半导体元件1的效率进一步提高。
这样，根据上述实施例和示例中的冷却装置，能仅仅通过在形成于翅片4中的沟槽4h内配置突出部形成部件32便在冷却剂流路20中形成突出部32a。因此，尽量减小了制造成本的增加，同时维持了半导体元件1的高冷却效率。
在利用通过使突出部形成部件32弯曲而产生的弹性力时，能使用该弹性力将突出部形成部件32固定在形成于翅片4中的沟槽4h内。因此，免除了使用粘接剂等的必要，并且可进一步抑制制造成本的增加。
尽管上面已描述了本发明的实施例和示例，但应当理解，本文所公开的实施例和示例仅仅是例示性的而在任何方面都不是限制性的。

Claims (5)

1.一种半导体元件冷却装置，所述半导体元件冷却装置包括：第一部件(21)，所述第一部件的第一表面具有安装半导体元件的安装表面，并且所述第一部件的第二表面具有多个翅片(4)，所述多个翅片具有预定的高度、从所述第二表面伸出、限定多个冷却剂流路，并沿第一方向延伸，且以预定的间隔彼此隔开；和第二部件(22)，所述第二部件通过从所述翅片的在所述翅片的高度方向上的顶端侧封闭所述翅片之间的间隙来限定沿所述第一方向延伸的所述多个冷却剂流路，所述半导体元件冷却装置的特征在于：
所述翅片(4)具有沟槽(4h)，所述沟槽沿与所述第一方向交叉的第二方向延伸，并且具有从所述翅片的在所述高度方向上的所述顶端侧朝所述第二表面侧延伸的深度；
所述沟槽(4h)的所述深度小于所述翅片(4)的所述高度；并且
在所述沟槽(4h)中配置有突出部形成部件(32)，并且所述突出部形成部件横跨所述翅片(4)中的相邻翅片延伸，且在由所述翅片(4)中的所述相邻翅片限定的所述冷却剂流路中形成突出部(32a)。
2.根据权利要求1所述的半导体元件冷却装置，其中，所述突出部形成部件(32)是弹性部件，并且通过所述突出部形成部件所具有的弹性力配合在所述沟槽的内表面上。
3.根据权利要求2所述的半导体元件冷却装置，其中，通过使所述突出部形成部件(32)弯曲而使得所述突出部形成部件(32)具有所述弹性力。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体元件冷却装置，其中，所述突出部(32a)的高度为所述翅片(4)的所述高度的1/3到1/4。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体元件冷却装置，其中，所述突出部(32a)之间的间隔的尺寸为所述突出部的高度的5到10倍。
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