CN102187456A - 半导体装置的冷却结构及具备该冷却结构的电力变换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种冷却结构,能够降低冷却体和半导体间的热阻,并实现小型化。具体为,本发明的电力变换装置具有多个半导体装置,其具备:产生热量的半导体装置;及冷却单元,由通过接合材料直接搭载所述半导体装置的第1冷却体和具有比所述第1冷却体大的热容量的第2冷却体构成,通过将所述多个半导体装置容纳在绝缘性壳体中,使各半导体装置间电绝缘。
Description
技术领域
本发明涉及一种有效地冷却半导体装置的冷却结构及具备这种冷却结构的电力变换装置。
背景技术
逆变器装置、伺服放大器装置、开关电源装置等的输入输出电路由多个功率半导体(在本说明书中将用于电力用途的半导体装置称为功率半导体)、驱动该功率半导体的驱动电路及驱动电路用控制电源电路等构成。由于该功率半导体及电源电路所使用的半导体元件产生热量,因此通过散热器等冷却体进行散热。
散热器的一个例子刊登在日本国特开2003-259658号公报中。该公报中示出了将逆变器装置的半导体模块24A、24B、24C、24D、24E、24F安装在散热器上的例子。该散热器被分割为对半导体模块24A、24B、24C进行冷却的冷却风上游侧的分割散热器23U和对半导体模块24D、24E、24F进行冷却的冷却风下游侧的分割散热器23D。
专利文献1:日本国特开2003-259658号公报
在上述专利文献1的发明中,只不过是通过分割散热器来减轻下游的半导体模块所产生的热量传导给上游的半导体模块,很难实现散热器的小型化。而且,因分割散热器而导致散热器的热容量及散热片的面积减半,因此,半导体模块和冷却风之间的热阻增加,半导体模块所产生的热量还有可能无法充分散热。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冷却结构,与如上所述的现有例相比,能够降低冷却体和半导体之间的热阻,并实现小型化。
为了达成上述目的,本发明具备以下构成。
方案1所述的半导体装置的冷却结构具备:产生热量的半导体装置;及冷却单元,由具有第1热容量并通过接合材料直接搭载所述半导体装置的第1冷却体和具有比所述第1热容量大的第2热容量的第2冷却体构成。
方案2所述的半导体装置的冷却结构为,在方案1所述的结构的基础上,与形成在所述半导体装置内部的内部电路电连接的电极露出在该半导体装置的主面上,所述电极通过所述接合材料与所述第1冷却体直接接合。
方案3所述的半导体装置的冷却结构为,在方案1或2所述的结构的基础上,所述接合材料不包含绝缘材料。
方案4所述的半导体装置的冷却结构为,在方案1至3中任意一项所述的结构的基础上,所述第1冷却体和所述第2冷却体通过形成在所述第1冷却体上的第1嵌合部和形成在所述第2冷却体上的第2嵌合部而组合成一体。
方案5所述的半导体装置的冷却结构为,在方案4所述的结构的基础上,所述第2嵌合部是比周围突出的突出部,所述第1嵌合部是收容所述突出部的凹部。
方案6所述的半导体装置的冷却结构为,在方案5所述的结构的基础上,在所述第1冷却体和所述第2冷却体之间配置有导热材料。
方案7所述的半导体装置的冷却结构为,在方案1至6中任意一项所述的结构的基础上,在组合成一体的所述第1冷却体和所述第2冷却体的外表面上设有电绝缘膜。
方案8所述的电力变换装置具有多个半导体装置,其具备:产生热量的半导体装置;及冷却单元,由通过接合材料直接搭载所述半导体装置的第1冷却体和具有比所述第1冷却体大的热容量的第2冷却体构成,通过将所述多个半导体装置容纳在绝缘性壳体中,使各半导体装置间电绝缘。
方案9所述的电力变换装置为,在方案8所述的结构的基础上,具备收容所述绝缘性壳体的框体。
方案10所述的电力变换装置为,是具备通过接合材料分别搭载在多个冷却体上的多个半导体装置的电力变换装置,在所述多个冷却体之间分别形成有绝缘层。
方案11所述的电力变换装置为,在方案10所述的结构的基础上,在冷却体上设有供给制冷剂的液冷孔。
方案12所述的电力变换装置为,在方案10或11所述的结构的基础上,具备多个金属层,分别配置在所述多个冷却体和所述多个半导体装置之间。
根据方案1及2所述的发明,由于能够将功率半导体直接搭载在冷却体上,因此能够实现功率半导体至冷却体的散热路径的低热阻化,同时作为冷却单元整体,与以往相比可实现小型化。
根据方案3所述的发明,由于在根据方案1或2所述的发明得到的效果的基础上,在接合材料中不包含绝缘材料,因此可降低功率半导体和冷却单元之间的热阻。
根据方案4所述的发明,在根据方案1至3中任意一项的发明得到的效果的基础上,能够牢固地固定第1冷却体和第2冷却体。
根据方案5及6所述的发明,由于在根据方案4所述的发明得到的效果的基础上,能够抑制第1冷却体和第2冷却体的接触面的位置偏移,消除接触面之间的间隙,因此能够减小接触面的热阻。
根据方案7所述的发明,由于半导体装置的周围设有电绝缘膜,因此在具备多个半导体装置时,可不施加空间绝缘距离而使半导体装置彼此接近地配置,因此,可实现小型的电力变换装置。
根据方案8及9所述的发明,可实现具备多个半导体装置的电力变换装置,该半导体装置具有实现了功率半导体至冷却体的散热路径的低热阻化及小型化的冷却单元。而且,可通过简易的手段确保各半导体装置间的绝缘以及机械强度。
根据方案10所述的发明,由于在冷却体彼此之间形成绝缘膜并进行一体化,因此在具备多个半导体装置时,可使半导体装置彼此接近地配置,因此,可实现小型的电力变换装置。
根据方案11的发明,由于是简单的结构体,因此可实现较薄的冷却结构。
根据方案12的发明,由于不需要在热容量大的冷却结构体上直接接合半导体装置,而是通过与金属板的简单接合而间接地与冷却结构体接合,因此可期待制造方面的效果。
附图说明
图1是本发明实施例所涉及的电力变换装置。
图2是本发明实施例所涉及的电力变换装置。
图3是本发明实施例所涉及的具有冷却结构的半导体装置(嵌合前)。
图4是本发明实施例所涉及的具有冷却结构的半导体装置(嵌合后)。
图5是本发明实施例所涉及的具有冷却结构的半导体装置。
图6是本发明实施例所涉及的具有实施了绝缘的冷却结构的半导体装置。
图7是本发明实施例所涉及的由具有实施了绝缘的冷却结构的半导体装置构成的电力变换装置。
图8是本发明实施例所涉及的由具有实施了绝缘的冷却结构的半导体装置构成的电力变换装置。
图9是本发明实施例所涉及的由具有实施了绝缘的冷却结构的半导体装置构成的电力变换装置。
图10是本发明实施例所涉及的由具有实施了绝缘的冷却结构的半导体装置构成的电力变换装置。
图11是本发明实施例所涉及的由具有实施了绝缘的冷却结构的半导体装置构成的电力变换装置。
图12是本发明实施例所涉及的由具有实施了绝缘的冷却结构的半导体装置构成的电力变换装置。
图13是本发明实施例所涉及的由具有实施了绝缘的冷却结构的半导体装置构成的电力变换装置。
图14是本发明实施例所涉及的由具有实施了绝缘的冷却结构的半导体装置构成的电力变换装置。
符号说明
1~6-具有本发明的冷却结构的半导体装置;7-绝缘性壳体;8-框体;9-半导体装置;10-接合材料;11-第1冷却体;12-第2冷却体;13-功率半导体;14-连接于栅电极的金属端子;15-连接于源电极的金属端子;16-连接于漏电极的金属端子;17-绝缘膜;18-设有绝缘膜的冷却结构体;19-绝缘层;20-使绝缘层和冷却体一体化后的冷却结构体;21-使绝缘层和冷却体一体化后的冷却结构体;22-密封材料;23-凹状液冷结构体;24-使在散热片部分上设有绝缘膜的冷却体和绝缘层一体化后的冷却结构体;25-绝缘膜;26-密封材料;27-内置有液冷孔的冷却结构体;28-绝缘性液冷孔;29-接合有半导体装置的金属板。
具体实施方式
下面,参照附图对本发明的实施方式进行说明。在本实施方式中所参考的附图中,为了便于理解发明,模式化表示各要素。在本栏中,有时通过对与前述要素相同的要素标注相同符号来省略其说明。
实施例
在本实施例中,示出在电力变换装置所使用的半导体装置的散热结构中应用本发明的例子。由于该半导体装置是产生热量的功率半导体,因此设有用于向外部释放该热量的冷却单元。该冷却单元有时也称为散热器。由于该半导体装置是通过公知的半导体工艺形成的,因此省略详细的说明。虽然在本实施例及附图中,半导体装置使用由树脂密封的树脂密封封装型装置,但是通过参考本申请说明书的说明及附图,也可在未由树脂密封的功率半导体(所谓的裸芯片)中应用本发明。
在图1中示出如下电力变换装置,搭载有多个作为通过树脂密封封装包覆功率半导体的半导体装置,与冷却体直接接合且具有如上所述的冷却结构的半导体装置。该电力变换装置具备上述的半导体装置1~6。通过在绝缘性壳体7内容纳这些半导体装置1~6,而使各半导体装置间电绝缘。而且,绝缘性壳体7收容在框体8内,是提高了机械强度的构成。
图2是表示将图1的半导体装置收纳于壳体7及框体8之前的图。
由于半导体装置1~6的各电极通过不包含绝缘材料的接合材料而与冷却体接合,因此各冷却体与半导体装置的电极为相同电位。因此,在各冷却体的电位各自不同的情况下,绝缘性壳体7是很有用的。通过使用该壳体7,还能够确保与外框的框体8绝缘。该壳体7可由使用了树脂材料的模制品构成。如果将壳体7收容在框体8内,则能够提高电力变换装置自身的机械强度。该框体8可由金属构成。
半导体装置9通过接合材料10直接接合在第1冷却体11上。在半导体装置9的背面露出与形成在其内部的内部电路电连接的电极,通过构成接合材料10的软钎料10直接接合在第1冷却体11上。该第1冷却体11具备较小的热容量,以便能够直接与软钎料10接合。由此,第1冷却体11和软钎料10的接合变得容易。由于在半导体装置9的电极和第1冷却体11之间没有绝缘材料,因此可降低热阻。
第2冷却体12具有比第1冷却体11大的热容量,具备散热片。第1冷却体11和第2冷却体12组合成一体,构成如图4所示的冷却结构体。第1冷却体11和第2冷却体12的组合面双方都形成有嵌合部,如图3所示,第1冷却体11具有凹状嵌合部,第2冷却体12具有凸状嵌合部,构成可进行第1及第2冷却体对位的功率半导体的冷却结构体。
当第1冷却体11及第2冷却体12的接触面的表面粗糙度较粗糙时,只要在第1冷却体11和第2冷却体12之间配置导热材料即可。由此,能够进一步降低接触面的热阻。
图5中示出将功率半导体13直接接合在所述冷却体11上时的方式。如果通过接合材料10将功率半导体13接合在冷却体11上,在功率半导体13的栅电极上接合金属板端子14,在源电极上接合金属端子15,在漏电极上接合金属端子16,成为能够连接于电力变换装置的上位电路网络的构成,则即使不是半导体装置也能够应用图4的冷却结构体。
图6中示出图4的冷却结构体的外表面被具有电绝缘性的绝缘膜17包覆的方式。如果将该方式应用于如图7的具备多个半导体装置18的电力变换装置,则由于能够不施加空间绝缘距离而是使半导体装置彼此接近地配置,因此可实现小型的电力变换装置。
图8中示出在冷却体彼此之间形成绝缘层19并一体化后的冷却结构体20。如果在冷却结构体20的上面接合半导体装置,则由于能够使半导体装置彼此接近地配置,因此可实现小型的电力变换装置。而且,对于与冷却结构体20接合的半导体装置的电极,电极电位相同的半导体装置彼此也可以像图9所示的冷却结构体21那样,不介由绝缘层而接合在同一冷却体上。此时,可通过绝缘层所能减少的部分实现小型的冷却结构体。
图10中示出图8的冷却结构体20及图9的冷却结构体21与凹型液冷结构体23介由密封材料22而组合的方式。该液冷结构体23内可流过液体制冷剂。根据该方式,可实现冷却效果高的液冷结构体。
由于在图10的冷却结构体20中液冷制冷剂与冷却结构体直接接触,因此本制冷剂需要使用具有电绝缘性质的材料。如图11所示,如果介由密封材料26对在散热片部分上设有绝缘膜25的冷却结构体24和凹型液冷结构体23进行组合,则也可以应用没有绝缘性性质的制冷剂。
而且,也可以代替图11的冷却结构体24的散热片,设置如图12所示的冷却结构体27,在其内部内置有使制冷剂通过的液冷孔28。液冷孔28贯穿冷却结构体27内。在绝缘层19的中央部设置有使液冷孔28通过的贯穿部。根据该方式,由于是比图11的构成更简单的构成,因此可实现较薄形状的冷却构成。如果在液冷孔的外径上设有绝缘膜,则也可以应用没有绝缘性性质的制冷剂。
而且,如图13及图14所示,如果在半导体装置和冷却结构体之间分别配置金属板29,则不需要在冷却热容量大的冷却结构体上直接接合半导体装置,由于是通过与金属板的简单接合而间接地与冷却结构体接合,因此可容易地进行制作。
虽然在本实施例中使用硅类半导体装置,但是如果在产生400℃以上高温的SiC类或GaN类半导体装置中应用本发明,则可实现合适的作用效果。
本发明能够应用于机床、机器人、一般工业用机械等所使用的伺服驱动装置、逆变器装置或一般的开关电源。
Claims (12)
1.一种半导体装置的冷却结构,其特征在于,具备:
产生热量的半导体装置;及冷却单元,由具有第1热容量并通过接合材料直接搭载所述半导体装置的第1冷却体和具有比所述第1热容量大的第2热容量的第2冷却体构成。
2.根据权利要求1所述的半导体装置的冷却结构,其特征在于,与形成在所述半导体装置内部的内部电路电连接的电极露出在该半导体装置的主面上,所述电极通过所述接合材料与所述第1冷却体直接接合。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置的冷却结构,其特征在于,所述接合材料不包含绝缘材料。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的半导体装置的冷却结构,其特征在于,所述第1冷却体和所述第2冷却体通过形成在所述第1冷却体上的第1嵌合部和形成在所述第2冷却体上的第2嵌合部而组合成一体。
5.根据权利要求4所述的半导体装置的冷却结构,其特征在于,所述第2嵌合部是比周围突出的突出部,所述第1嵌合部是收容所述突出部的凹部。
6.根据权利要求4所述的半导体装置的冷却结构,其特征在于,在所述第1冷却体和所述第2冷却体之间配置有导热材料。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的半导体装置的冷却结构,其特征在于,在组合成一体的所述第1冷却体和所述第2冷却体的外表面上设有电绝缘膜。
8.一种电力变换装置,其特征在于,
具有多个半导体装置,其具备:产生热量的半导体装置;及冷却单元,由通过接合材料直接搭载所述半导体装置的第1冷却体和具有比所述第1冷却体大的热容量的第2冷却体构成,通过将所述多个半导体装置容纳在绝缘性壳体中,使各半导体装置间电绝缘。
9.根据权利要求8所述的电力变换装置,其特征在于,具备收容所述绝缘性壳体的框体。
10.一种电力变换装置,是具备通过接合材料分别搭载在多个冷却体上的多个半导体装置的电力变换装置,其特征在于,在所述多个冷却体之间分别形成有绝缘层。
11.根据权利要求10所述的电力变换装置,其特征在于,所述冷却体上设有供给制冷剂的液冷孔。
12.根据权利要求10或11所述的电力变换装置,其特征在于,具备多个金属层,分别配置在所述多个冷却体和所述多个半导体装置之间。
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