CN104145333A - 半导体装置以及半导体装置用冷却器 - Google Patents

半导体装置以及半导体装置用冷却器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种半导体装置，其压力损耗较小，能均匀地对多个功率半导体芯片进行冷却。半导体装置(1)包括半导体模块(30)、以及用于对搭载在半导体模块内的功率半导体元件进行冷却的冷却器(50)。冷却器(50)的冷却部(51)包括第一头部(54)以及第二头部(55)，该第一头部(54)在从制冷剂导入部(52)到第一基板(33-1)的制冷剂排出部(53)一侧的端部之间具备向冷却翅片(41)的底面倾斜的第一底面，且用于将由制冷剂导入部(52)提供的制冷剂提供给冷却翅片(41)一侧，该第二头部(55)具备从冷却翅片(41)底面的制冷剂排出部(53)一侧的端部的位置开始倾斜的第二底面，且用于将从冷却翅片(41)一侧排出的制冷剂排出到制冷剂排出部(53)。

Description

半导体装置以及半导体装置用冷却器
技术领域
本发明涉及至少具备半导体模块和冷却器的半导体装置、以及用于该半导体装置的冷却器。
背景技术
在电动车的电动机可变速驱动装置的逆变器(功率转换装置)等中使用搭载有功率半导体芯片的半导体模块。作为功率半导体芯片，例如使用绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，以下称为“IGBT”)等元件。由于功率半导体芯片会因流过大电流而发热，因此将半导体模块与冷却器组合起来使用。在像电动车那样对重量、安装空间等存在限制的产品中，为了提高散热性，使用液冷式冷却器，该液冷式冷却器中使用了循环冷却介质。
半导体模块包括经由基板与功率半导体芯片进行热耦合的散热基底，散热基底上设有冷却翅片。散热基底与冷却器之间形成的流路中收纳有冷却翅片，通过在冷却翅片内流过施加了压力的冷却介质(下文也称为“制冷剂”)，从而高效地将半导体芯片中产生的热量释放给冷却介质。因来自半导体芯片的放热而升温的冷却介质由外部的热交换器进行冷却，冷却后的冷却介质由泵进行加压，并送回到设置有冷却翅片的流路中。
例如，在专利文献1～5中揭示了这样的现有技术。
专利文献1公开了具备如下流路的冷却系统，该流路包括：收纳翅片的冷却部；具有在冷却部的短边方向上逐渐缩小、在长边方向上逐渐扩大的截面流路形状的部分结构部；以及具有从冷却部的短边开始逐渐扩大、从长边开始逐渐缩小的截面流路形状的部分结构部。专利文献2公开了一种冷却器，包括：由多个精细的流路构成的并列流路；将制冷剂分配给该并列流路中的各流路的第一头部；以及使从并列流路流出的制冷剂汇流的第二头部。专利文献3公开了一种在形成冷却液路的底面的底部元器件的上表面具有隆起部的冷却装置，该隆起部由上游部向上倾斜面以及下游部向下倾斜面构成。专利文献4公开了一种在散热器的开口部的底面设有使流路截面积平滑地缩小的空间的功率模块冷却部。专利文献5公开了一种构成有流路盖板的半导体冷却装置，以使得与销状翅片的前端的间隙在流入口一侧较大，在流出口一侧较小。专利文献6公开了以制冷剂的流入口侧的高度低于流出口侧高度的方式形成有导热翅片的冷却装置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2004-6811号公报(图1、7以及第0023～0031、0056～0061段)
专利文献2：日本专利特开2001-35981号公报(图1、2以及第0020～28段)
专利文献3：日本专利特开2008-263137号公报(图11以及第0035～0038段)
专利文献4：日本专利特开2001-308246号公报(图9以及第0034段)
专利文献5：日本专利特开2010-153785号公报(图7、8以及第0035～0037段)
专利文献6：日本专利特开2007-81375号公报(图2、3、6、7以及第0038～0050段)
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在上述那样的半导体装置中，为了高效地对功率半导体芯片所产生的热量进行散热，冷却翅片的形状具有精细且复杂的趋势。若使用这种形状的冷却翅片，则冷却器中的压力损耗容易上升，为了使制冷剂循环需要高输出的泵。并且，若使半导体装置小型化且高输出化，则存在如下问题：单位面积的发热量会变大，且需要更精细且更高密度的冷却翅片，压力损耗上升，导致需要输出较大的泵。
此外，若沿着制冷剂的流动方向设置多个功率半导体芯片，则难以均匀地对各个芯片进行冷却。
因此，本发明的目的在于解决上述问题，提供一种半导体装置以及用于该半导体装置的冷却器，即使半导体装置小型且高输出，压力损耗也较小，不使用较大的泵也能维持冷却性能，并且能均匀地对多个功率半导体芯片进行冷却。
解决技术问题的技术方案
为解决上述问题，本发明的第一方式的半导体装置包括：半导体模块、以及用于对该半导体模块内的基板上搭载的功率半导体元件进行冷却的冷却器，其特征在于，至少包括：散热基底；冷却翅片，该冷却翅片由多个引脚构件或多个叶片构件构成，是外形大致呈长方体形状的集合体，且设置于所述散热基底的第一主面；冷却器，该冷却器包括：收纳有所述冷却翅片的冷却部、分别形成于该冷却部的长边方向上相对的两端的制冷剂导入部和制冷剂排出部，该冷却器固定在所述散热基底上；第一基板，该第一基板以与所述冷却翅片的位置相对应的方式与所述散热基底的第二主面的所述制冷剂导入部一侧相结合；以及第二基板，该第二基板与所述第一基板相邻，与所述散热基底的第二主面的所述制冷剂排出部一侧相结合。
所述冷却部还包括：第一头部，该第一头部至少包括第一底面，该第一底面向所述冷却翅片的底面倾斜，从而将从所述制冷剂导入部提供的制冷剂从所述冷却翅片的制冷剂导入部一侧的侧面以及底面提供至冷却翅片内，并使其流向制冷剂排出部；以及第二头部，该第二头部至少包括第二底面，该第二底面从所述冷却翅片的底面的端部位置开始倾斜，从而将从所述冷却翅片排出的所述制冷剂排出至所述制冷剂排出部。
由于具备这种第一头部以及第二头部，因此在本发明的半导体装置中，能大致均匀地对设置在冷却部的长边方向上的第一基板以及第二基板上分别搭载的功率半导体元件进行冷却，并能降低冷却器的压力损耗。
为解决上述问题，本发明的第二方式的半导体装置包括：散热基底；却翅片，该冷却翅片由多个引脚构件或多个叶片构件构成，是外形大致呈长方体形状的集合体，且设置于所述散热基底的第一主面；冷却器，该冷却器包括：收纳有所述冷却翅片的冷却部、分别形成于该冷却部的长边方向上相对的两端的制冷剂导入部和制冷剂排出部，该冷却器固定在所述散热基底上；第一基板，该第一基板以与所述冷却翅片的位置相对应的方式与所述散热基底的第二主面的所述制冷剂导入部一侧相结合；以及第二基板，该第二基板与所述第一基板相邻，与所述散热基底的第二主面的所述制冷剂排出部一侧相结合。
所述冷却部还包括：第一头部，该第一头部包括设置在所述制冷剂导入部与所述第一基板的制冷剂排出部一侧的端部之间、并向所述冷却翅片的底面倾斜的第一底面，该第一底面用于将从所述制冷剂导入部提供的制冷剂提供到所述冷却翅片一侧；以及第二头部，该第二头部包括从所述冷却翅片的底面的所述制冷剂排出部一侧的端部位置开始倾斜的第二底面，该第二底面用于将从所述冷却翅片一侧排出的所述制冷剂排出到所述制冷剂排出部。
由于具备这种第一头部以及第二头部，因此在本发明的半导体装置中，制冷剂导入部与第一基板的制冷剂排出部侧的端部之间的压力损耗变小，且制冷剂向着制冷剂排出部顺畅地流动，因此，能大致均匀地对第一基板以及第二基板上分别搭载的功率半导体元件进行冷却，并能降低冷却器的压力损耗。
为解决上述问题，本发明的第三方式的半导体装置包括：散热基底；冷却翅片，该冷却翅片由多个引脚构件或多个叶片构件构成，是外形大致呈长方体形状的集合体，且设置于所述散热基底的第一主面；冷却器，该冷却器包括：收纳有所述冷却翅片的冷却部、分别形成于该冷却部的长边方向上相对的两端的制冷剂导入部和制冷剂排出部，该冷却器固定在所述散热基底上；第一基板，该第一基板以与所述冷却翅片的位置相对应的方式与所述散热基底的第二主面的所述制冷剂导入部一侧相结合；以及第二基板，该第二基板与所述第一基板相邻，与所述散热基底的第二主面的所述制冷剂排出部一侧相结合。
所述冷却部包括将从所述制冷剂导入部提供的制冷剂提供到所述冷却翅片一侧的第一头部、以及将从所述冷却翅片一侧排出的所述制冷剂排出到所述制冷剂排出部的第二头部，在所述第一头部内露出的所述冷却翅片的侧面以及底面的面积大于在所述第二头部内露出的所述冷却翅片的侧面的面积。
通过如上述那样使在第一头部内露出的冷却翅片的侧面和底面的面积大于在第二头部内露出的冷却翅片的侧面的面积，在本发明的半导体装置中，能大致均匀地对第一头部和第二头部之间的冷却器上搭载的功率半导体芯片进行冷却，因此能降低冷却器的压力损耗，而且能大致均匀地对搭载在第一头部一侧的第一基板上的功率半导体芯片以及搭载在第二头部一侧的第二基板上的功率半导体芯片进行冷却。
此外，为了解决上述问题，本发明的第四方式的冷却器用于对半导体模块进行冷却，该半导体模块至少包括：散热基底；并排接合在散热基底上的至少两个基板；搭载在各个所述基板上的功率半导体元件；以及冷却翅片，该冷却翅片由多个引脚构件或多个叶片构件构成，是外形大致呈长方体的集合体，且设置于所述散热基底上，该冷却器的特征在于，包括收纳有所述冷却翅片的冷却部、以及分别形成于该冷却部的长边方向上相对的两端的制冷剂导入部和制冷剂排出部。
所述冷却部还包括：第一头部，该第一头部至少包括第一底面，该第一底面向所述冷却翅片的底面倾斜，从而将从所述制冷剂导入部提供的制冷剂从所述冷却翅片的制冷剂导入部一侧的侧面以及底面提供到冷却翅片内，并流向制冷剂排出部；以及第二头部，该第二头部至少包括第二底面，该第二底面从所述冷却翅片的底面的端部位置开始倾斜，从而将从所述冷却翅片排出的所述制冷剂排出到所述制冷剂排出部。。
由于具备这种第一头部以及第二头部，因此在本发明的冷却器中，能大致均匀地对设置在冷却部的长边方向上的第一基板以及第二基板上分别搭载的功率半导体元件进行冷却，并能降低冷却器主体的压力损耗。
发明效果
根据本发明的第一～第三方式，能提供一种能大致均匀地对至少两枚基板上搭载的各个功率半导体元件进行冷却、且能降低冷却器的压力损耗的半导体装置。
根据本发明的第四方式，能提供一种能大致均匀地对至少两枚基板上搭载的各个功率半导体元件进行冷却、且能降低冷却器主体的压力损耗的冷却器。
附图说明
图1是本发明的实施方式的半导体装置的立体图。
图2(a)是从图1的A侧观察本发明实施方式的半导体装置得到的IIA-IIA箭头剖面侧视图。图8(b)是其变形例。
图3是示意性表示本发明实施方式的半导体装置的主要部分的立体图，图3(a)是表示基板、散热基底以及冷却器的图，图8(b)是表示冷却翅片以及冷却器的图。
图4是表示本发明实施方式的散热基底的立体图，图4(a)是表示冷却翅片的第一变形例的图，图4(b)是表示冷却翅片的第二变形例的图，图4(c)是表示冷却翅片的第三变形例的图。
图5是本发明实施方式的半导体装置的图3的5A-5A箭头剖视图，图5(a)是表示冷却器的第一变形例的图，图5(b)是表示冷却器的第二变形例的图。
图6是表示本发明实施方式的冷却器的俯视图，图6(a)是表示第一变形例的图，图6(b)是表示第二变形例的图，图6(c)是表示第三变形例的图，图6(d)是表示第四变形例的图。
图7是现有的半导体装置的主要部分剖视图。
图8是表示本发明实施方式的半导体装置的制冷剂流速分布的轮廓图，图8(a)为俯视图，图8(b)为侧视图。
图9是表示现有的半导体装置的制冷剂流速分布的轮廓图，图8(a)为俯视图，图8(b)为侧视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的半导体装置以及用于该半导体装置的冷却器的优选实施方式进行说明。附图用于举例表示本发明的具体实施方式。下面的说明中出现的表示“上”、“下”、“底”、“前”、“后”等方向的用语应参照附图的方向来使用。
图1是本发明的实施方式的半导体装置的立体图。图2(a)是从图1的A侧观察半导体装置得到的IIA-IIA箭头剖面侧视图。
如图1、图2(a)所示，半导体装置1包括：搭载有功率半导体芯片31的半导体模块30；以及用于对功率半导体芯片31进行冷却的冷却器50。
半导体模块30至少包括：外围壳体32、以及与功率半导体芯片31接合的绝缘基板33。
外围壳体32呈O字形或框形，且是外形大致呈长方体形状的树脂制壳体。外围壳体32内置有三枚绝缘基板33。树脂例如是聚苯硫醚。外围壳体32的框部分的一条边上设有主端子(U)34-1、主端子(V)34-2、以及主端子(W)34-3，框部分的另一条边上设有电源端子(P)35-1、以及电源端子(N)35-2。主端子(U)34-1、主端子(V)34-2、以及主端子(W)34-3是用于通过功率半导体芯片31的开关控制来驱动例如外部的电动机的端子。电源端子(P)35-1以及电源端子(N)35-2是从外部接受供电的端子。
如图2(a)所示，电源端子35上设有开口孔35a。开口孔35a供未图示的螺钉插入，与配置于外围壳体32的螺母32n拧合。电源端子35以弯曲的状态设置在外围壳体32的表面上。这些端子例如通过嵌入成形设置于外围壳体32。
控制端子36-1～36-8是用于将内置于外围壳体32的功率半导体芯片31的栅极电极和未图示的电路基板上的控制电路相连接、并利用从控制电路发送的控制信号来进行功率半导体芯片31的开关控制的中继端子。此外，在外围壳体32的框部的四个角部设有开口部37-1～37-4。通过分别向这些开口部37-1～37-4中插入螺钉b，从而使半导体模块30与冷却器50以固接的方式来固定。外围壳体32上设有用于将电路基板(未图示)安装于上表面的螺钉座38。
绝缘基板33通过在由陶瓷、树脂等形成的绝缘板的两面上接合由板状的铜、铜合金等构成的电路图案而成。各绝缘基板33上安装有IGBT、MOSFET等功率半导体芯片31、用于使负载电流续流的二极管、即FWD39(Free Wheeling Diode)等芯片。多个功率半导体元件31以及FWD39分别通过接合线w1相互连接。在绝缘基板33上，功率半导体芯片31和FWD39例如通过接合线w1以外的未图示的接合线进行反向并联连接，且进行电连接以构成上下桥臂。
并且，引线端子r1、r2通过嵌入成形埋入外围壳体32的框部分，并通过接合线w2、w3与功率半导体芯片31相连。功率半导体芯片31经由未图示的接合线、引线端子等与电动机驱动用的主端子34电连接。功率半导体芯片31的栅极经由接合线w3与引线端子r2相连接，引线端子r2与控制端子36相连接。
如图2(a)所示，在外围壳体32的底面侧的开口部设有散热基底，该散热基底通过粘接剂固接于开口阶差面32a，且将开口部封闭。散热基底包括散热底板40以及冷却翅片41。散热底板40是由铜、铜合金、铝、或铝合金构成的板状构件、或者对这些材料进行镀敷后得到的构件。冷却翅片41出于对散热底板40以及功率半导体芯片31进行冷却的目的，利用公知的方法形成在散热底板40的下表面侧。散热基底的上表面侧依次接合有绝缘基板33以及功率半导体芯片31。这种在散热基底上接合有绝缘基板33的半导体模块被称为直接水冷型半导体模块，主要用于制冷剂为水或长寿命冷却液(LLC)等液体的水冷式半导体装置。在直接水冷型的半导体模块中，通过对功率半导体芯片31、冷却翅片41、以及冷却部51的形状以及配置进行研究，能提高冷却效率，降低用于制冷剂循环的泵的负载。而且与现有相比能增加流量，因此能改善半导体装置的特性以及可靠性。
图2(b)示出散热基底的变形例以及使用该散热基底的半导体装置1。该变形例中，散热基底至少包括散热底板40、底板40-1、以及冷却翅片41-1。散热底板40固接于外围壳体32的底面侧。散热底板40上未形成冷却翅片，植入有冷却翅片41-1的底板40-1经由导热膏等与散热底板40密接从而进行固定。具备这种散热基底的半导体模块主要用于制冷剂为空气等气体的空冷式半导体装置。
在散热底板40的上表面通过焊料、烧结金属等接合有绝缘基板33。
外围壳体32的内部空间中填充有例如硅凝胶、环氧树脂或有机硅树脂的密封材料32e。外围壳体32的开口阶差面32b通过未图示的粘接剂固接有树脂制的盖板32c，并被封闭。设置开口部37是为了通过螺栓将外围壳体32固定于后述的冷却器等。
半导体装置1通过在外围壳体32的螺钉座38上安装未图示的电路基板来使用。电路基板的表面安装有由IC(Integrated Circuit：集成电路)、LSI(Large Scale Integration：大规模集成电路)、晶体管、电阻、以及电容器等各种电路元件构成的控制电路。另外，半导体装置1并不一定要在内部具备电路基板，也可以采用与外部的具有相同功能的设备相连接从而被控制的结构。
图3是示意性表示本发明实施方式的半导体装置的主要部分的立体图，图3(a)是表示绝缘基板33、散热基底、以及冷却器50的配置的图，图3(b)是表示散热基底的冷却翅片41与冷却器50的配置的图。
冷却器50经由密封构件例如如以上说明的那样通过螺钉、螺栓与半导体模块30密接从而固定。冷却器50通过对铝、铝合金等公知的材料成形而成。
如图3所示，冷却器50包括：收纳冷却翅片41的冷却部51、以和冷却部51连通的方式形成的制冷剂导入部52以及制冷剂排出部53。冷却部51是设置于箱状的冷却器50的大致长方体形状的凹部，俯视时大致呈长方形。制冷剂导入部52以及制冷剂排出部53形成为各自的开口的中心位于冷却部51的短边侧的侧面、即冷却部51的长边方向上相对的两个侧面的大致中央部分。开口的形状例如是圆形、椭圆形。从制冷剂导入部52提供的制冷剂的方向以及从制冷剂排出部53排出的制冷剂的方向与冷却部51的长边方向大致平行。
通过与冷却器50相连接的未图示的泵，将制冷剂从上游的制冷剂导入部52提供给冷却部51，并从下游的制冷剂排出部53排出，从而进行冷却系统的循环。
至少两枚绝缘基板33以沿着冷却部51的长边方向从制冷剂导入部52一侧开始依次排列的方式接合在散热基底上。图3(a)中，具有相同外形和尺寸的三枚绝缘基板33-1、33-2、33-3以沿着从制冷剂导入部52一侧向制冷剂排出部53的方向相邻排列的方式来设置。
在散热底板40的与接合有绝缘基板33-1、33-2、33-3的面相对的面上，形成有冷却翅片41。优选冷却翅片41以距离和热阻较小的方式设置于绝缘基板33-1、33-2、33-3的正下方表面，从而高效地对功率半导体芯片31中产生的热进行散热。而且，由于从功率半导体芯片31产生的热量会在面内方向扩散，因此，优选以冷却翅片41与散热底板40固接的面的面积大于绝缘基板33-1、33-2、33-3的总面积的方式构成散热基底。此外，以该冷却翅片41与冷却部51构成一定间隙的方式构成冷却器50较佳。绝缘基板33-1、33-2、33-3设置成不超出冷却部51的侧壁，换言之，设置成朝向由冷却部51构成的制冷剂流路。
冷却翅片41由多个引脚构件或多个叶片构件构成，且是外形大致呈长方体形状的集合体。由铜、铜合金、铝、铝合金等公知的材料来构成，通过一体成型、切削加工(carving)、植入等公知的方法来形成。从散热底板40的主面到引脚、叶片前端的高度优选为6mm～10mm的范围。作为冷却翅片41的形状，包含公知的形状在内，能使用各种形状。从冷却性能均一化的方面考虑，优选使冷却翅片41的外形为大致长方体形状，以使得使引脚等的高度彼此相同、将前端连结而假想地形成的面与散热底板40的面大致平行。
此外，若使制冷剂导入部52以及制冷剂排出部53各自的开口部的内径在冷却翅片41的高度以上，则能维持冷却性能并降低整个冷却系统的压力损耗，因此较为优选。例如当引脚的高度为10mm，通过使内径为10mm以上，由此能降低压力损耗。并且，若使开口部的形状为椭圆形，使其短径在冷却翅片41的高度以上，使其长径达到设置有功率半导体芯片31的区域的宽度左右，则制冷剂会在发热部扩散并流动，因此从冷却性能方面考虑较为优选。
图4是举例示出本发明实施方式的散热基底的立体图，图4(a)示出冷却翅片的第一变形例，图4(b)示出冷却翅片的第二变形例，图4(c)示出冷却翅片的第三变形例。图4(a)的冷却翅片41-1是使用圆形引脚的示例，图4(b)的冷却翅片41-2是使用棱柱引脚的示例，图4(c)的冷却翅片41-3是使用叶片的示例。在使用引脚的情况下，为了抑制制冷剂的异常流动，并能提高冷却效率，优选将引脚设置成交错状且在与长边方向呈45°的方向上排列。
图5表示本发明实施方式的半导体装置1的主要部分，并且是图3的5A-5A箭头剖视图，图5(a)、(b)分别示出冷却器50的第一变形例和第二变形例。各图中空心箭头表示制冷剂的流动方向。图6是从散热基底一侧观察本发明实施方式的冷却器的制冷剂流路的俯视图，图6(a)～(d)分别示出冷却部51的第一变形例、第二变形例、第三变形例、以及第四变形例。双点划线示出绝缘基板33-1、33-2、33-3的位置。
冷却器50中，对冷却翅片41进行收纳的冷却部51在制冷剂导入部52一侧具备第一头部54，在制冷剂排出部53一侧具备第二头部55。
第一头部54具有放大部以及缩小部，该放大部包括以从制冷剂导入部52导入冷却器50的冷却剂向着冷却翅片41的侧面均匀扩散的方式倾斜的侧壁，且截面积逐渐变大，该缩小部收纳冷却翅片41的一端部，包括用于将制冷剂送入冷却翅片41内的倾斜面，且截面积逐渐变小。
第一头部54的缩小部的底面向冷却翅片41的底面倾斜，换言之，向将引脚或叶片的前端假想地连结而形成的面倾斜。倾斜部分形成在从第一头部54的制冷剂导入部52一侧到绝缘基板33-1的制冷剂排出部53一侧的端部(图5(a)、图6(a)所示的位置E)之间的任意位置之间。为了使冷却性能均匀，优选形成在绝缘基板33-1的中央部与制冷剂排出部53一侧的端部之间的任意位置。
利用这种第一头部54，制冷剂不仅从冷却翅片41的侧面，也从构成冷却翅片41的引脚的前端侧倾斜地、即沿着图5的虚线箭头方向，向着制冷剂排出部53流入冷却翅片41。通过增大从由制冷剂导入部52提供的制冷剂的角度进行观察时、在第一头部54内露出的冷却翅片41的面积，从而能降低压力损耗。并且，通过将底面的倾斜终点设置在上述范围内，从而能将第一头部54内的压力损耗抑制在所需的程度。
第二头部55具有扩大部以及缩小部，该扩大部包括用于将从冷却翅片41流出的制冷剂排出到制冷剂排出部53一侧的倾斜面，且截面积逐渐变大，该缩小部包括以制冷剂从冷却翅片41的侧面向制冷剂排出部53集中的方式倾斜的侧壁，且截面积逐渐变小。
第二头部55的扩大部的底面从冷却翅片41底面的制冷剂排出部53一侧的端部位置开始倾斜。第二头部55的底面于冷却翅片41的底面所成的角度(锐角)比第一头部54的底面于冷却翅片41的底面所成的角度大。
第一头部54与第二头部55之间的冷却部51的底面、与第一头部54的底面与第二头部55的底面之间相连，且与冷却翅片41的底面大致平行。该大致平行的区域中的冷却部51与冷却翅片41的底面的间隙越小，越能提高冷却性能。考虑到散热基底的热变形等，间隙的大小优选为例如0.2mm～0.8mm。
通过如上述那样使冷却部51与冷却翅片41的间隙固定，由此在设置于绝缘基板33-1下游侧的绝缘基板33-2、33-3的正下方，制冷剂在冷却翅片41的内部流动，能实现足够的冷却效率。
第一头部54与第二头部55的形状为夹着冷却部51而非对称，第一头部54的容积大于第二头部55，在第一头部54内露出的冷却翅片41的制冷剂导入部52一侧的侧面和底面的面积大于在第二头部55内露出的冷却翅片41的制冷剂排出部53一侧的侧面的面积。
由于具备这种第一头部54、冷却部51以及第二头部55，因此在半导体装置1中，对于绝缘基板33-2、33-3正下方的冷却翅片41也能提供足够的低温制冷剂，能更好地对第一头部54与第二头部55之间的冷却器50上所搭载的功率半导体芯片31进行冷却，因此能均匀地对搭载在三枚绝缘基板上的功率半导体芯片31进行冷却。而且，即使在使用相同能力的泵的情况下，与现有相比，能降低功率半导体芯片31的最高温度，因此能提供整体冷却性能较佳的半导体装置1。通过使在第一头部54内露出的冷却翅片41的底面面积大于在第一头部54内露出的冷却翅片41的侧面面积，能良好地获得上述效果。
第一头部54的底面形状可以如图6(a)～(d)所示那样进行各种变形。
图6(a)示出第一头部54的底面与和冷却翅片41的底面大致平行的面56之间的边界57上出现的顶部(交线)呈笔直(I字形)状的示例。与冷却翅片41的底面大致平行的面56夹在第一头部54的底面与第二头部55的底面之间，且与它们相连。图6(b)～(d)是图6(a)的边界57的中央部向制冷剂排出部53一侧呈C字形地弯曲的示例。无论在哪个示例中，边界57都位于与从制冷剂导入部52一侧的双点划线所示的绝缘基板33-1的中央部到制冷剂排出部53一侧端部之间的区域相对的部分、即该区域的正下方。通过如图6(b)～(d)那样使第一头部54的下游侧端部的形状为向下游侧凸出的C字形，从而能使冷却部51在宽度方向上的冷却效率更均匀。
以上说明的半导体装置1和冷却器50能通过现有公知的方法来制造。
图7是现有的半导体装置的主要部分剖视图。另外，图7中，对与图1至图6所示的结构要素相同的结构要素标注相同的标号并省略说明。
图7所示的现有的半导体装置与使用图5说明的本发明实施方式的半导体装置1相比在以下方面不同。
例如在图7(a)所示的半导体装置中，冷却器500的冷却部510中没有相当于本发明实施方式的第一头部54的空间。此外，在图7(b)所示的半导体装置中，冷却部510中不存在本发明实施方式的第一头部54与第二头部55之间的、与冷却翅片41的底面平行的面56。图7(C)所示的半导体装置的冷却部510具有相当于本发明实施方式的第一头部54和第二头部55的空间，且制冷剂导入部520以及制冷剂排出部530安装在冷却部510的底部，与本发明实施方式的结构不同。此外，在图7(d)所示的半导体装置中，在冷却器500的冷却部510的制冷剂导入部520一侧具备第一头部540，并且在制冷剂排出部530一侧具备与第一头部540对称且形状和尺寸大致相同的第二头部550。第一头部540底面的形成为倾斜的区域的长度Iw与第二头部550底面的形成为倾斜的区域的长度Ow大致相等。
图8示出通过数值计算求得的本发明实施方式的半导体装置1的制冷剂流速分布的轮廓图，图8(a)为俯视图，图8(b)为侧视图。该计算例以在图8(a)、(b)的B-B位置存在第一头部54的I字形端部的冷却器50为对象。
图9示出通过数值计算求得的现有的半导体装置的制冷剂流速分布的轮廓图，图9(a)为俯视图，图9(b)为侧视图。该计算例以图7(a)的冷却器500为对象。
图8、图9示出制冷剂流量为10L/min时的流速分布，两图所示的数值(0.000～1.000)分别表示制冷剂的流速(单位m/s)。为了进行比较，将最大流速统一为1.000m/s。
若将图8的本发明实施方式的流速分布与图9的现有技术进行比较，则本发明实施方式的半导体装置1中，第一头部54的冷却翅片41内的流速较小，且流速的变化较缓。并且在从第一头部54的下游侧端部(图8的B-B所示位置)到冷却翅片41的下游侧端部(图8的C-C所示位置)之间的分布大致相同。其结果是，冷却器50的冷却性能在制冷剂导入部52与制冷剂排出部53之间大致相同，进而能降低其压力损耗。
例如，将图5(a)中的Iw设为15mm，将Ow设为1mm，并将冷却翅片41的高度设为10mm，通过数值计算求得绝缘基板33-1、33-2、33-3上所安装的功率半导体芯片31的结温，其结果是，制冷剂导入部52一侧的绝缘基板33-1上所搭载的芯片的温度越约134.7℃，制冷剂排出部53一侧的绝缘基板33-3上所搭载的芯片的温度约为136.0℃，它们的差约为1.3℃。压力损耗为9.3kPa。另一方面，将图7(d)中的Iw设为1mm，将Ow设为1mm并进行同样的计算，其结果是，温度差约为2.7℃，压力损耗为11.1kPa。
若降低冷却翅片41的高度，则对设置在长边方向上的多个功率半导体芯片31进行均匀冷却在现有技术下较为困难，然而，若采用本发明实施方式的半导体装置1，则能获得如下优异效果：即，能进一步降低冷却翅片41的高度，即使是6mm左右，也能保持较小的温度差。
此外，关于图7(d)所示的现有的半导体装置，使Iw、Ow相等地改变为1、5、10、15mm来进行其它数值计算，其结果可知，若Iw(Ow)从1mm增大到15mm，则安装在绝缘基板33-1、33-2、33-3上的所有功率半导体模块的温度上升，无法均匀地冷却。
由此，在本发明实施方式的半导体装置1以及冷却器50中，冷却器50的冷却部51包括：至少具备向冷却翅片41的底面倾斜的底面的第一头部54；以及至少具备从冷却翅片41底面的端部位置开始倾斜的底面的第二头部55，因此，由制冷剂导入部52提供的制冷剂从冷却翅片41的制冷剂导入部52一侧的侧面以及底面向着制冷剂排出部53被提供到冷却翅片41内，并从冷却翅片41的侧面排出到制冷剂排出部53。其结果是，第一头部54的压力损耗以及冷却效率变小，能大致均匀地对设置在冷却部51的长边方向上的三枚绝缘基板33上分别搭载的功率半导体芯片31进行冷却，且能降低冷却器50的压力损耗。
上述实施方式是将本发明具体化后的示例，本发明并不限于这些实施方式，在不脱离本发明宗旨的情况下可以进行各种变更。
标号说明
1  半导体装置
30  半导体模块
31  功率半导体芯片
32  外围壳体
32a、32b  开口阶差面
32c  盖板
32e  密封材料
32n  螺母
33、33-1、33-2、33-3  绝缘基板
34、34-1、34-2、34-3  主端子
35、35-1、35-2  电源端子
35a  开口孔
36、36-1～36-8  控制端子
37、37-1～37-4  开口部
38  螺钉座
39  FWD
w1、w2、w3  接合线
r1、r2  引线端子
40、40-  1散热底板
41、41-1、41-2、41-3  冷却翅片
50  冷却器
51  冷却部
52  制冷剂导入部
53  制冷剂排出部
54  第一头部
55  第二头部
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种半导体装置，包括：半导体模块、以及用于对该半导体模块内的基板上搭载的功率半导体元件进行冷却的冷却器，其特征在于，至少包括：
散热基底；
冷却翅片，该冷却翅片由多个引脚构件或多个叶片构件构成，是外形大致呈长方体形状的集合体，且设置于所述散热基底的第一主面；
冷却器，该冷却器包括：收纳有所述冷却翅片的冷却部、分别形成于该冷却部的长边方向上相对的两端的制冷剂导入部和制冷剂排出部，该冷却器固定在所述散热基底上；
第一基板，该第一基板以与所述冷却翅片的位置相对应的方式与所述散热基底的第二主面的所述制冷剂导入部一侧相结合；以及
第二基板，该第二基板与所述第一基板相邻，与所述散热基底的第二主面的所述制冷剂排出部一侧相结合，
所述冷却部还包括：
第一头部，该第一头部至少包括第一底面，该第一底面向所述冷却翅片的底面倾斜，从而将从所述制冷剂导入部提供的制冷剂从所述冷却翅片的制冷剂导入部一侧的侧面以及底面提供至冷却翅片内，并使其流向制冷剂排出部；以及
第二头部，该第二头部至少包括第二底面，该第二底面从所述冷却翅片的底面的端部位置开始倾斜，从而将从所述冷却翅片排出的所述制冷剂排出至所述制冷剂排出部。
2.一种半导体装置，包括：半导体模块、以及用于对该半导体模块内的基板上搭载的功率半导体元件进行冷却的冷却器，其特征在于，至少包括：
散热基底；
冷却翅片，该冷却翅片由多个引脚构件或多个叶片构件构成，是外形大致呈长方体形状的集合体，且设置于所述散热基底的第一主面；
冷却器，该冷却器包括：收纳有所述冷却翅片的冷却部、分别形成于该冷却部的长边方向上相对的两端的制冷剂导入部和制冷剂排出部，该冷却器固定在所述散热基底上；
第一基板，该第一基板以与所述冷却翅片的位置相对应的方式与所述散热基底的第二主面的所述制冷剂导入部一侧相结合；以及
第二基板，该第二基板与所述第一基板相邻，与所述散热基底的第二主面的所述制冷剂排出部一侧相结合，
所述冷却部还包括：
第一头部，该第一头部包括设置在所述制冷剂导入部与所述第一基板的制冷剂排出部一侧的端部之间、并向所述冷却翅片的底面倾斜的第一底面，该第一底面用于将从所述制冷剂导入部提供的制冷剂提供到所述冷却翅片一侧；以及
第二头部，该第二头部包括从所述冷却翅片的底面的所述制冷剂排出部一侧的端部位置开始倾斜的第二底面，该第二底面用于将从所述冷却翅片一侧排出的所述制冷剂排出到所述制冷剂排出部。
3.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
包括与所述冷却翅片的底面平行的第三底面，该第三底面连接在所述第一底面与所述第二底面之间。
4.如权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，
所述第一底面相对于所述冷却翅片的底面的倾斜角小于所述第二底面的倾斜角。
5.如权利要求4所述的半导体装置，其特征在于，
所述第一底面与第三底面相交的顶部位于所述第一基板的中央部下方与所述制冷剂排出部侧端部下方之间。
6.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
所述第一头部的体积大于所述第二头部的体积。
7.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
与所述制冷剂导入部以及制冷剂排出部相连接的配管的内径大于所述引脚构件或叶片构件的高度。
8.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
所述冷却翅片的宽度大于所述第一基板以及第二基板的宽度，所述冷却部的侧壁不位于所述第一基板以及第二基板的正下方。
9.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
所述引脚构件的截面为圆形、椭圆形或多边形，该引脚构件交错地排列在所述散热基底上。
10.一种半导体装置，包括：半导体模块、以及用于对该半导体模块内的基板上搭载的功率半导体元件进行冷却的冷却器，其特征在于，至少包括：
散热基底；
冷却翅片，该冷却翅片由多个引脚构件或多个叶片构件构成，是外形大致呈长方体形状的集合体，且设置于所述散热基底的第一主面；
冷却器，该冷却器包括：收纳有所述冷却翅片的冷却部、分别形成于该冷却部的长边方向上相对的两端的制冷剂导入部和制冷剂排出部，该冷却器固定在所述散热基底上；
第一基板，该第一基板以与所述冷却翅片的位置相对应的方式与所述散热基底的第二主面的所述制冷剂导入部一侧相结合；以及
第二基板，该第二基板与所述第一基板相邻，与所述散热基底的第二主面的所述制冷剂排出部一侧相结合，
所述冷却部包括将从所述制冷剂导入部提供的制冷剂提供到所述冷却翅片一侧的第一头部、以及将从所述冷却翅片一侧排出的所述制冷剂排出到所述制冷剂排出部的第二头部，在所述第一头部内露出的所述冷却翅片的侧面以及底面的面积大于在所述第二头部内露出的所述冷却翅片的侧面的面积。
11.如权利要求10所述的半导体装置，其特征在于，
在所述第一头部内露出的所述冷却翅片的底面的面积大于在所述第一头部内露出的所述冷却翅片的侧面的面积。
12.如权利要求11所述的半导体装置，其特征在于，
所述第一头部的第一底面向所述冷却翅片的底面倾斜，所述第二头部的第二底面从所述冷却翅片的底面的所述制冷剂排出部一侧的端部位置开始倾斜。
13.(追加)如权利要求12所述的半导体装置，其特征在于，
包括与所述冷却翅片的底面平行的第三底面，该第三底面连接在所述第一底面与所述第二底面之间，且所述第一底面与所述第三底面相交的顶部位于所述第一基板的中央部下方与所述制冷剂排出部一侧端部下方之间。
14.(修正后)一种冷却器，用于对半导体模块进行冷却，该半导体模块至少包括：散热基底；并排接合在散热基底上的至少两个基板；搭载在各个所述基板上的功率半导体元件；以及冷却翅片，该冷却翅片由多个引脚构件或多个叶片构件构成，是外形大致呈长方体的集合体，且设置于所述散热基底上，该冷却器的特征在于，
包括收纳有所述冷却翅片的冷却部、以及分别形成于该冷却部的长边方向上相对的两端的制冷剂导入部和制冷剂排出部，
所述冷却部包括：
第一头部，该第一头部至少包括第一底面，该第一底面向所述冷却翅片的底面倾斜，从而将从所述制冷剂导入部提供的制冷剂从所述冷却翅片的制冷剂导入部一侧的侧面以及底面提供到冷却翅片内，并流向制冷剂排出部；以及
第二头部，该第二头部至少包括第二底面，该第二底面从所述冷却翅片的底面的端部位置开始倾斜，从而将从所述冷却翅片排出的所述制冷剂排出到所述制冷剂排出部，
该冷却器固定在所述散热基底上来进行使用。
15.(修正后)如权利要求14所述的冷却器，其特征在于，
所述基板包括设置在所述制冷剂导入部一侧的第一基板、以及与该第一基板并排地设置在所述制冷剂排出部一侧的第二基板，所述第一底面向与从所述第一基板的中央部与所述制冷剂排出部一侧端部之间的区域相对应的所述冷却翅片的底面倾斜。
16.(修正后)如权利要求14所述的冷却器，其特征在于，
以所述第一底面相对于所述冷却翅片的底面的倾斜角小于所述第二底面的倾斜角的方式，形成有所述第一头部以及第二头部。
17.(追加)如权利要求15所述的冷却器，其特征在于，
包括与所述冷却翅片的底面平行的第三底面，该第三底面连接在所述第一底面与所述第二底面之间，且所述第一底面与所述第三底面相交的顶部位于所述第一基板的中央部下方与所述制冷剂排出部一侧端部下方之间。
说明或声明(按照条约第19条的修改)
权利要求13和权利要求17是以本申请说明书第0044段落为基础追加的。

Claims (15)

1.一种半导体装置，包括：半导体模块、以及用于对该半导体模块内的基板上搭载的功率半导体元件进行冷却的冷却器，其特征在于，至少包括：
散热基底；
冷却翅片，该冷却翅片由多个引脚构件或多个叶片构件构成，是外形大致呈长方体形状的集合体，且设置于所述散热基底的第一主面；
冷却器，该冷却器包括：收纳有所述冷却翅片的冷却部、分别形成于该冷却部的长边方向上相对的两端的制冷剂导入部和制冷剂排出部，该冷却器固定在所述散热基底上；
第一基板，该第一基板以与所述冷却翅片的位置相对应的方式与所述散热基底的第二主面的所述制冷剂导入部一侧相结合；以及
第二基板，该第二基板与所述第一基板相邻，与所述散热基底的第二主面的所述制冷剂排出部一侧相结合，
所述冷却部还包括：
第一头部，该第一头部至少包括第一底面，该第一底面向所述冷却翅片的底面倾斜，从而将从所述制冷剂导入部提供的制冷剂从所述冷却翅片的制冷剂导入部一侧的侧面以及底面提供至冷却翅片内，并使其流向制冷剂排出部；以及
第二头部，该第二头部至少包括第二底面，该第二底面从所述冷却翅片的底面的端部位置开始倾斜，从而将从所述冷却翅片排出的所述制冷剂排出至所述制冷剂排出部。
2.一种半导体装置，包括：半导体模块、以及用于对该半导体模块内的基板上搭载的功率半导体元件进行冷却的冷却器，其特征在于，至少包括：
散热基底；
冷却翅片，该冷却翅片由多个引脚构件或多个叶片构件构成，是外形大致呈长方体形状的集合体，且设置于所述散热基底的第一主面；
冷却器，该冷却器包括：收纳有所述冷却翅片的冷却部、分别形成于该冷却部的长边方向上相对的两端的制冷剂导入部和制冷剂排出部，该冷却器固定在所述散热基底上；
第一基板，该第一基板以与所述冷却翅片的位置相对应的方式与所述散热基底的第二主面的所述制冷剂导入部一侧相结合；以及
第二基板，该第二基板与所述第一基板相邻，与所述散热基底的第二主面的所述制冷剂排出部一侧相结合，
所述冷却部还包括：
第一头部，该第一头部包括设置在所述制冷剂导入部与所述第一基板的制冷剂排出部一侧的端部之间、并向所述冷却翅片的底面倾斜的第一底面，该第一底面用于将从所述制冷剂导入部提供的制冷剂提供到所述冷却翅片一侧；以及
第二头部，该第二头部包括从所述冷却翅片的底面的所述制冷剂排出部一侧的端部位置开始倾斜的第二底面，该第二底面用于将从所述冷却翅片一侧排出的所述制冷剂排出到所述制冷剂排出部。
3.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
包括与所述冷却翅片的底面平行的第三底面，该第三底面连接在所述第一底面与所述第二底面之间。
4.如权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，
所述第一底面相对于所述冷却翅片的底面的倾斜角小于所述第二底面的倾斜角。
5.如权利要求4所述的半导体装置，其特征在于，
所述第一底面与第三底面相交的顶部位于所述第一基板的中央部下方与所述制冷剂排出部侧端部下方之间。
6.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
所述第一头部的体积大于所述第二头部的体积。
7.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
与所述制冷剂导入部以及制冷剂排出部相连接的配管的内径大于所述引脚构件或叶片构件的高度。
8.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
所述冷却翅片的宽度大于所述第一基板以及第二基板的宽度，所述冷却部的侧壁不位于所述第一基板以及第二基板的正下方。
9.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
所述引脚构件的截面为圆形、椭圆形或多边形，该引脚构件交错地排列在所述散热基底上。
10.一种半导体装置，包括：半导体模块、以及用于对该半导体模块内的基板上搭载的功率半导体元件进行冷却的冷却器，其特征在于，至少包括：
散热基底；
冷却翅片，该冷却翅片由多个引脚构件或多个叶片构件构成，是外形大致呈长方体形状的集合体，且设置于所述散热基底的第一主面；
冷却器，该冷却器包括：收纳有所述冷却翅片的冷却部、分别形成于该冷却部的长边方向上相对的两端的制冷剂导入部和制冷剂排出部，该冷却器固定在所述散热基底上；
第一基板，该第一基板以与所述冷却翅片的位置相对应的方式与所述散热基底的第二主面的所述制冷剂导入部一侧相结合；以及
第二基板，该第二基板与所述第一基板相邻，与所述散热基底的第二主面的所述制冷剂排出部一侧相结合，
所述冷却部包括将从所述制冷剂导入部提供的制冷剂提供到所述冷却翅片一侧的第一头部、以及将从所述冷却翅片一侧排出的所述制冷剂排出到所述制冷剂排出部的第二头部，在所述第一头部内露出的所述冷却翅片的侧面以及底面的面积大于在所述第二头部内露出的所述冷却翅片的侧面的面积。
11.如权利要求10所述的半导体装置，其特征在于，
在所述第一头部内露出的所述冷却翅片的底面的面积大于在所述第一头部内露出的所述冷却翅片的侧面的面积。
12.如权利要求11所述的半导体装置，其特征在于，
所述第一头部的第一底面向所述冷却翅片的底面倾斜，所述第二头部的第二底面从所述冷却翅片的底面的所述制冷剂排出部一侧的端部位置开始倾斜。
13.一种冷却器，用于对半导体模块进行冷却，该半导体模块至少包括：散热基底；并排接合在散热基底上的至少两个基板；搭载在各个所述基板上的功率半导体元件；以及冷却翅片，该冷却翅片由多个引脚构件或多个叶片构件构成，是外形大致呈长方体的集合体，且设置于所述散热基底上，该冷却器的特征在于，
包括收纳有所述冷却翅片的冷却部、以及分别形成于该冷却部的长边方向上相对的两端的制冷剂导入部和制冷剂排出部，
所述冷却部包括：
第一头部，该第一头部至少包括第一底面，该第一底面向所述冷却翅片的底面倾斜，从而将从所述制冷剂导入部提供的制冷剂从所述冷却翅片的制冷剂导入部一侧的侧面以及底面提供到冷却翅片内，并流向制冷剂排出部；以及
第二头部，该第二头部至少包括第二底面，该第二底面从所述冷却翅片的底面的端部位置开始倾斜，从而将从所述冷却翅片排出的所述制冷剂排出到所述制冷剂排出部，
该冷却器固定在所述散热基底上来进行使用。
14.如权利要求13所述的冷却器，其特征在于，
所述基板包括设置在所述制冷剂导入部一侧的第一基板、以及与该第一基板并排地设置在所述制冷剂排出部一侧的第二基板，所述第一底面向与从所述第一基板的中央部与所述制冷剂排出部一侧端部之间的区域相对应的所述冷却翅片的底面倾斜。
15.如权利要求13所述的冷却器，其特征在于，
以所述第一底面相对于所述冷却翅片的底面的倾斜角小于所述第二底面的倾斜角的方式，形成有所述第一头部以及第二头部。
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