CN104425409A - 半导体装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种技术，该技术能够将半导体装置小型化，并且提高封套的加工性。该半导体装置具有：半导体元件(1)；基板(2)，其上表面搭载有半导体元件(1)；冷却片(3)，其配置在基板(2)的下表面；封套(4)，其将在基板(2)的下表面的冷却片(3)围绕而进行密闭配置；以及封头分隔壁(7)，其独立于封套(4)形成，固定在封套(4)内的冷却片(3)的下侧的封套(4)上，形成用于向冷却片(3)流动冷媒的封头(5)以及流路(6)。

Description

半导体装置

技术领域

本发明涉及一种半导体装置的冷却构造，其在例如对电动汽车以及电车等的电动机进行控制的逆变器以及再生用转换器中使用。

背景技术

在半导体装置中，存在下述直冷式冷却构造，即，在搭载有半导体元件的基板的下表面具有冷却片，在这种直冷式冷却构造中，经由密封构造而对封套进行密闭的构造。为了使流经冷却片的冷媒的流速均匀化，通常形成下述构造，即，将向冷却片流动冷媒的封头设置在冷却片冷媒的流入侧以及流出侧，即相对于冷却片沿水平方向设置。

将半导体元件经由基板而搭载在封套上时，不仅需要对基板上形成有冷却片的区域进行密封，还需要对配置有封头的区域进行密封。因此，作为基板，使用比形成有冷却片的区域的尺寸大的部件。

现有的半导体装置以上述方式构成，因此，存在即使将半导体元件小型化，也难于将基板的尺寸变小的问题。因此，难于实现半导体装置的小型化。

另外，将半导体装置搭载在车辆上等的情况下的冷却系统，对各装置的压力损失存在制约，例如，作为半导体装置的冷却构造，要求当冷媒的流量是10L/min时，将压力损失控制为小于或等于10kPa。为了在满足该制约的同时将半导体装置小型化，需要将封头变小、甚至取消。由此，压力损失变大，因此，无法使冷媒的流量增加。

并且，也由于封头容积不足，可能使流经冷却片的冷媒的流速的均匀化变得不充足，使冷却性能恶化。根据上述的理由，难于将半导体装置小型化。

因此，例如在专利文献1中，公开有将封头设置在冷却片的下侧的构造。在这种构造中，通过将封头设置在冷却片的下侧，能够将基板的尺寸变小，所以能够实现半导体装置的小型化。

专利文献1：日本特开2008－172024号公报

在专利文献1所记载的构造中，在封套内，设置有用于形成封头以及流路的隔壁，但是，在封套的加工时，在隔壁的周边部产生欠切部，因此，存在封套的加工性降低的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种技术，其能够将半导体装置小型化，并且提高封套的加工性。

本发明所涉及的半导体装置具有：半导体元件；基板，其上表面搭载有所述半导体元件；冷却片，其配置在所述基板的下表面；封套，其围绕所述冷却片而对所述基板的下表面进行密闭配置；封头分隔壁，其独立于所述封套形成，在所述封套内的所述冷却片的下侧固定在所述封套上，形成用于向所述冷却片流动冷媒的封头以及流路。

发明的效果

根据本发明，半导体装置具有：半导体元件；基板，其上表面搭载有所述半导体元件；冷却片，其配置在所述基板的下表面；封套，其围绕所述冷却片而对所述基板的下表面进行密闭配置；封头分隔壁，其在所述封套内的所述冷却片的下侧固定在所述封套上，形成用于向所述冷却片流动冷媒的封头以及流路。

因此，通过将冷却片和封头配置在垂直方向上，可以仅对基板上形成有冷却片的区域进行密封，因此，能够将基板的尺寸变小，进而能够将半导体装置小型化。另外，封头分隔壁独立于所述封套形成，因此，能够防止封套加工时欠切部的产生，能够提高封套的加工性。

附图说明

图1是实施方式1所涉及的半导体装置的概略剖面图。

图2是表示在实施方式1所涉及的半导体装置中正在更换其他的封头分隔壁的状态的概略剖面图。

图3是表示在实施方式1所涉及的半导体装置中更换为其他的封头分隔壁之后的状态的概略剖面图。

图4是表示在实施方式2所涉及的半导体装置中正在进行组装的状态的概略剖面图。

图5是实施方式2的变形例1所涉及的半导体装置的概略剖面图。

图6是实施方式2的变形例2所涉及的半导体装置的概略剖面图。

图7是实施方式2的变形例3所涉及的半导体装置的概略剖面图。

图8是实施方式3所涉及的半导体装置的概略剖面图。

图9是实施方式4所涉及的半导体装置的封套的概略俯视图。

图10是实施方式4所涉及的半导体装置的基板的概略底面图。

图11(a)是实施方式5所涉及的半导体装置的封套的概略俯视图。图11(b)是实施方式5所涉及的半导体装置的基板的概略底面图。

图12(a)是表示在实施方式5所涉及的半导体装置的封套中，变更了分断部的位置的状态的概略俯视图。图12(b)是表示在实施方式5所涉及的半导体装置的基板上，变更了分断部的位置的状态的概略底面图。

图13(a)是实施方式5的变形例所涉及的半导体装置的封套的概略俯视图。图13(b)是实施方式5的变形例所涉及的半导体装置的基板的概略底面图。图13(c)是沿图13(a)的A-A线的剖面图。

图14是前提技术所涉及的半导体装置的概略剖面图。

标号的说明

1半导体元件，2基板，3冷却片，4封套，5封头，6流路，6a流入侧开口，6b流出侧开口，7封头分隔壁，11闭塞部，16封头间壁，17分断部

具体实施方式

<实施方式1>

下面，参照附图，对本发明的实施方式1进行说明。图1是实施方式1所涉及的半导体装置的概略剖面图。半导体装置具有半导体元件1、基板2、冷却片3、封套4、封头分隔壁7。半导体元件1例如是宽带隙半导体元件，搭载在基板2的上表面。

多个冷却片3配置在基板2的下表面。更具体地说，多个冷却片3在基板2的下表面，配置在与搭载在基板2的上表面的半导体元件1的配置区域对应的区域。各冷却片3以从基板2的下表面向下方突出的方式，隔开事先确定的间隔而进行配置。冷却片3例如由高热传导率的金属形成，因此能够提高散热效果。

封套4是用于向冷却片3流动冷媒的部件，形成为凹状。封套4围绕冷却片3而对基板2的下表面进行密闭配置。更具体地说，封套4在经由O型密封环8而与在基板2的下表面上形成有冷却片3的区域的外周部密接的状态下，使用螺栓9而被固定。

封头分隔壁7独立于封套4形成，并且由垂直隔壁7a和水平隔壁7b形成为T字形状。通过使用螺栓等将垂直隔壁7a的下端部固定在封套4的底壁上，封头分隔壁7被固定在封套4内。封头分隔壁7通过封套4的内侧壁以及底壁，形成用于向冷却片3流动冷媒的封头5以及流路6。

封头5在封套4内的下部形成，使冷媒暂时地滞留。流路6在封套4内的上部形成，包含使冷媒向冷却片3流入的流入侧开口6a，和使冷媒从冷却片3流出的流出侧开口6b。

对流入侧开口6a以及流出侧开口6b进行说明，冷却片3的下端与水平壁7b的上表面抵接，在封头5的内壁侧(图1中的左侧的内侧壁)和水平壁7b的一个侧面(图1中的左侧面)之间形成有流入侧开口6a。另外，在封头5的内壁侧(图1中的右侧的内侧壁)和水平壁7b的另一个侧面(图1中的右侧面)之间形成有流出侧开口6b。

下面，说明封套4内的冷媒的流动。低温的冷媒从封头5经由流入侧开口6a而向冷却片3流入。随后，当低温的冷媒通过冷却片3时，进行热交换。进行热交换而变为高温的冷媒从流出侧开口6b向封头5流出之后，向外部排出。在这里，相对于封头5的冷媒的流入以及流出是经由设置在封套4的外周部的流入部14(参照图9)以及流出部15(参照图9)而进行的，在实施方式4中进行说明。

如上面所述，封头分隔壁7独立于封套4而形成，因此能够更换。即，封头分隔壁7，例如能够根据冷却片3的形状变更(规格变更)而进行更换。图2是表示在实施方式1所涉及的半导体装置中正在更换其他的封头分隔壁7的状态的概略剖面图，图3是表示更换为其他的封头分隔壁7之后的状态的概略剖面图。如图2和图3所示，封头分隔壁7形成为将垂直隔壁7a的位置向流出侧开口6b侧偏移的形状。

封头分隔壁7通过封套4的内侧壁以及底壁形成封头5以及流路6，因此，通过更换封头分隔壁7，能够变更封头5的容积、或者流入侧开口6a和流出侧开口6b的开口面积。

下面，说明实施方式1所涉及的半导体装置的效果，同时对比说明前提技术所涉及的半导体装置。图14是前提技术所涉及的半导体装置的概略剖面图。如图14所示，在前提技术所涉及的半导体装置中形成下述构造，即，一对封头25分别配置在冷却片3的冷媒的流入侧(图14中的左侧)和流出侧(图14中的右侧)，即在水平方向上分别与冷却片3邻接地配置，冷媒在水平方向上直线状地流动。

前提技术所涉及的半导体装置的构造是简单的形状，但是，为了将基板2和封套4密闭，需要通过O型密封环包围至封头25的外侧，因此使基板2的尺寸变大。即，需要将基板2的尺寸设置为大于或等于散热面积，因此，难于将半导体装置的尺寸变小。

在此，实施方式1所涉及的半导体装置具有：半导体元件1；基板2，其上表面搭载有半导体元件1；冷却片3，其配置在基板的下表面；封套4，其围绕冷却片3而对基板2的下表面进行密闭配置；封头分隔壁7，其在封套4内的冷却片3的下侧，固定在封套4上，形成用于向冷却片3流动冷媒的封头5以及流路6。

因此，如图1所示，通过将冷却片3和封头5的流路6沿垂直方向而非水平方向配置，相比于基板2上形成有冷却片3的区域，不需要对过大区域进行密封。即，可以仅密封基板2上形成有冷却片3的区域，因此，能够将基板2的尺寸变小，进而能够将半导体装置小型化。因此，对于制品包装也能够小型化。

另外，封头分隔壁7形成为T字形状，因此，能够确保封头分隔壁7的预定强度，同时将封头5的容积变大。

另外，封头分隔壁7独立于封套4形成，因此，能够防止封套4的加工时欠切部的产生，能够提高封套4的加工性。因此，能够实现半导体装置的成品率的提高。

另外，封头分隔壁7以能够更换的方式形成，因此，不需要根据冷却片3的规格变更而更换封套4的整体，能够通过仅更换封头分隔壁7而进行对应。并且，在需要变更封头5的容积、或者流入侧开口6a和流出侧开口6b的开口面积的情况下，也能够通过仅更换封头分隔壁7而进行对应。

另外，半导体元件1是宽带隙半导体元件，因此，能够在本实施方式所涉及的半导体装置中进行最适合的冷却，即使对于高温动作也能够实现高散热，从而提高制品动作的可靠性。

此外，封头分隔壁7形成为T字形状，但是，即使构成封头分隔壁7的垂直隔壁7a和水平隔壁7b不是完全的垂直形状以及水平形状，也可以得到与上述情况相同的效果。另外，作为半导体元件1和封套4的密封构造而使用O型密封环8，但是，即使使用液态密封垫或者UV固化性橡胶等，也可以得到相同的密闭效果。

<实施方式2>

下面，说明实施方式2所涉及的半导体装置。图4是表示实施方式2所涉及的半导体装置正在进行组装的状态的概略剖面图。此外，在实施方式2中，将与实施方式1中说明的相同的结构要素标注相同标号而省略说明。

在实施方式2中，封头分隔壁7以能够分割为多个部分的方式形成。例如，如图4所示，封头分隔壁7形成分割为上下2部分的构造。更具体地说，对于封头分隔壁7，垂直隔壁7a和水平隔壁7b以可分割的方式形成。垂直隔壁7a和水平隔壁7b例如使用螺栓等进行组装。

下面，说明实施方式2的变形例。图5是实施方式2的变形例1所涉及的半导体装置的概略剖面图，即在变更冷却片3的向下方突出量的情况下(更具体地说，在将冷却片3的向下方的突出量变小的情况下)的半导体装置的概略剖面图。在这种情况下，仅更换垂直隔壁7a，而将冷却片3的宽度方向的中央部分的下端与水平隔壁7b的上表面抵接。能够不更换水平隔壁7b，而仅将垂直隔壁7a更换，因此能够相对于冷却片3的形状变更(规格变更)而进行更灵活地对应。在这里，冷却片3的宽度方向是在图5中所示的冷却片3的左右方向。

另外，也能够将仅更换垂直隔壁7a取代为仅更换水平隔壁7b。图6是实施方式2的变形例2所涉及的半导体装置的概略剖面图，即在将冷却片3的宽度方向中央部分的向下方的突出量变小的情况下的半导体装置的概略剖面图。在这种情况下，仅将水平隔壁7b更换，而将冷却片3的宽度方向中央部分的下端与水平隔壁7b的上表面抵接。

图7是实施方式2的变形例3所涉及的半导体装置的概略剖面图，即在将冷却片3的宽度方向中央部分的向下方的突出量变大的情况下的半导体装置的概略剖面图。在这种情况下，仅将水平隔壁7b更换，而将冷却片3的宽度方向中央部分的下端与水平隔壁7b的上表面抵接。

如上面所述，在实施方式2所涉及的半导体装置中，封头分隔壁7以可分割为多个部分的方式形成，因此，能够相对于冷却片3的形状变更(规格变更)进行更精细的对应。例如，在封头分隔壁7可分割为垂直隔壁7a和水平隔壁7b的情况下，能够共用垂直隔壁7a，而仅将水平隔壁7b更换。另外，也能够将水平隔壁7b公用，而仅将垂直隔壁7a更换。

此外，封头分隔壁7形成分割为2部分的构造，但是，也可以是分割为大于或等于3部分的构造。在封头分隔壁7是可分割为大于或等于3部分的构造的情况下，与分割为2部分的情况相比，能够进行封头分隔壁7的更细微的调整。

<实施方式3>

下面，说明实施方式3所涉及的半导体装置。图8是实施方式3所涉及的半导体装置的概略剖面图。此外，在实施方式3中，将与实施方式1、2中说明的相同的结构要素标注相同标号而省略说明。

在实施方式3中，如图8所示，流出侧开口6b以比流入侧开口6a小的方式形成。如果更具体地说，则如上面所述，流入侧开口6a和流出侧开口6b由封套4的内侧壁和封头分隔壁7形成。封头5的内侧壁(图8中左侧的内侧壁)与水平隔壁7b的一个侧面(图8中左侧面)之间的距离、比封头5的内侧壁(图8中右侧的内侧壁)与水平隔壁7b的另一个侧面(图8中右侧面)之间的距离大。

如上面所述，在实施方式3中，流路6包含流入侧开口6a以及流出侧开口6b，流出侧开口6b以比流入侧开口6a小的方式形成，因此，能够使从冷却片3流出的冷媒的量比向冷却片3流入的冷媒的量少，因此，能够将冷媒暂时地滞留在多个冷却片3之间。因此，能够使通过冷却片3的冷媒的流速均匀化。

此外，流入侧开口6a以及流出侧开口6b的形状不限定于水平隔壁7b的侧面与封套4的内侧壁平行的情况。例如，可以是水平隔壁7b的侧面随着向下方移动而向内侧方向倾斜的形状，即流入侧开口6a以及流出侧开口6b是随着向下方移动而开口的面积逐渐变大的形状。或者，可以是水平隔壁7b的侧面随着向下方移动而向外侧方向倾斜的形状，即流入侧开口6a以及流出侧开口6b是随着向下方移动而开口面积逐渐变小的形状。即使在这些情况下，也可以得到与上述情况相同的效果。

<实施方式4>

下面，说明实施方式4所涉及的半导体装置。图9是实施方式4所涉及的半导体装置的封套4的概略俯视图。图10是实施方式4所涉及的半导体装置的基板2的概略底面图。此外，在实施方式4中，将与实施方式1～3中说明的相同的结构要素标注相同标号而省略说明。

在实施方式4中，封头分隔壁7的形状与实施方式1～3的情况不同。如图9所示，封头分隔壁7具有将流入侧开口6a以及流出侧开口6b的一部分进行闭塞的闭塞部11。闭塞部11是水平隔壁7b的宽度方向上的端部的一部分沿宽度方向进行延伸的形状。使用闭塞部11，流入侧开口6a以及流出侧开口6b的一部分被闭塞，因此，通过变更闭塞部11的尺寸以及位置，能够变更流入侧开口6a以及流出侧开口6b的尺寸以及位置。在这里，水平隔壁7b的宽度方向是图9中所示的水平隔壁7b的左右方向。

流入侧开口6a以及流出侧开口6b在俯视方向上形成为矩形形状。在封套4的外周部上，配置有使冷媒向流路6流入的流入部14、和使冷媒从流路6流出的流出部15。

图9的箭头线表示冷媒流动的方向，从流入部14经由流入侧开口6a而流入的冷媒通过冷却片3，经由流出侧开口6b而从流出部15流出。因此，通过变更流入侧开口6a和流出侧开口6b的位置，能够变更冷媒的流动方向。此外，图10中的冷却片3表示配置为多个的状态。下面的图中也相同。

如图10所示，在基板2上，存在搭载在基板2上的半导体元件1等的发热区域13，在发热区域13中存在高温部13a和低温部13b。为了使冷媒积极地流向高温部13a，考虑高温部13a的位置和冷媒流动的方向，确定流入侧开口6a以及流出侧开口6b的位置，即闭塞部11的位置。

如上面所述，在实施方式4所涉及的半导体装置中，流路6包含流入侧开口6a以及流出侧开口6b，封头分隔壁7具有将流入侧开口6a以及流出侧开口6b的一部分进行闭塞的闭塞部11，使用闭塞部11，通过将流入侧开口6a以及流出侧开口6b的一部分进行闭塞，变更冷媒的流动方向。由此，能够使冷媒易于向冷却片3的特定位置流动，特别是能够将冷媒向需要冷却的发热区域13的高温部13a流动。由此，能够将高温部13a有效地进行冷却。

此外，流入侧开口6a以及流出侧开口6b表示出在俯视方向上为矩形形状的例子，但是，不限定于这种情况，即使在俯视方向上为圆形形状或者多边形形状也可以得到相同的效果。

<实施方式5>

下面，说明实施方式5所涉及的半导体装置。图11(a)是实施方式5所涉及的半导体装置的封套4的概略俯视图，图11(b)是实施方式5所涉及的半导体装置的基板2的概略底面图。此外，在实施方式5中，将与实施方式1～4中说明的相同的结构要素标注相同标号而省略说明。

在实施方式5中，如图11(a)所示，还具有封头间壁16，该封头间壁16独立于封套4形成，在封套4内设置在与分断部17对应的位置处。封头间壁16形成为长度与封套4内的宽度方向长度相同的杆状，并且形成与分断部17相同的尺寸。在这里，封套4的宽度方向是图11(a)中所示的封套4的左右方向。

如图11(b)所示，基板2上的冷却片3的配置区域隔着分断部17而被分为2部分。如图11(a)所示，封头间壁16在封套4内，配置在与分断部17对应的位置处，被组装在封套4上。在这里，分断部17是基板2上未配置冷却片3的区域，可以说是将冷却片3的配置区域分断为多个的区域。

在封头间壁16组装在封套4内的状态下，封头间壁16的上表面紧贴基板2的分断部17，因此，利用分断部17，冷媒无法从一侧的冷却片3流向另一侧的冷却片3。

如上面所述，在实施方式5所涉及的半导体装置中，还具有封头间壁16，该封头间壁16独立于封套4形成，在封套4内配置在与分断部17对应的位置处，该分断部17将基板2上的冷却片3的配置区域分断为多个区域，因此，冷媒流至分断部17处，能够防止绕过一侧的冷却片3的配置区域而向另一侧的冷却片3的配置区域流入。由此，冷媒正常地通过冷却片3，所以，能够有效地散热。

另外，封头间壁16以能够变更在封套4内的位置的方式形成。图12(a)是表示在实施方式5所涉及的半导体装置的封套4中，变更了分断部17的位置的状态的概略俯视图，图12(b)是表示在实施方式5所涉及的半导体装置的基板2上，变更了分断部17的位置的状态的概略底面图。如，图12(a)、(b)所示，即使在由于基板2上的冷却片3的配置区域变更等导致半导体元件1的规格发生变更的情况下，也能够通过下述方法进行对应，即，不需要将封套4全部更换，而将封头分隔壁7更换、将封头间壁16的位置变更，因此，功能的附加价值较高。

如上面所述，封头间壁16以能够变更在封套4内的位置的方式形成，因此，即使在半导体元件1发生规格变更、分断部17的位置变更的情况下，也能够通过将封头间壁16的位置变更而防止上述冷媒旁通的情况。

下面，说明实施方式5的变形例。图13(a)是实施方式5的变形例所涉及的半导体装置的封套4的概略俯视图，图13(b)是实施方式5的变形例所涉及的半导体装置的基板2的概略底面图，图13(c)是图13(a)的A-A剖面图。

实施方式5的变形例表示半导体元件1是多个(例如2个)的情况。如图13(a)、(b)所示，在实施方式5的变形例所涉及的半导体装置中，在2块基板2的上表面分别搭载有半导体元件1，2块基板2组装在一个封套4上。分断部17以在2块基板2的彼此邻接端部处的方式形成。

如图13(c)所示，封头间壁16具有杆状的主体部16a、和在主体部16a长度方向的两端部的内侧下方突出的突出部16b。在封头间壁16的上表面，形成有沿其长度方向延伸、能够组装O型密封环8的沟槽(省略图示)。通过将该沟槽设置在封头间壁16上，能够针对每个半导体元件1(每个基板2)分隔封套4。

如图13(c)所示，封头间壁16使用液态密封垫18而固定在封套4上，该液态密封垫18配置在主体部16a的长度方向的两端部，因此，能够防止冷媒的泄漏。此外，为了确保封头间壁16的隔水性而使用液态了密封垫18，但是，也可以使用O型密封环等橡胶类密封垫、环氧树脂粘接剂或者金属油灰等。

如上面所述，在实施方式5的变形例中，也能够利用分断部17，防止冷媒绕过封套4中被分隔为2部分中的一侧冷却片3的配置区域而向另一侧的冷却片3的配置区域流入。

在实施方式5及其变形例中，说明了分断部17以及封头间壁16分别是1个的情况，但是，不限定于这种情况，也能够在分断部17大于或等于2个的情况下，使用与其相同数量的封头间壁16。

此外，能够在该发明的范围内，将各实施方式自由组合，或将各实施方式进行适当地变形、省略。

Claims (9)

1.一种半导体装置，其具有：

半导体元件；

基板，其上表面搭载有所述半导体元件；

冷却片，其配置在所述基板的下表面；

封套，其围绕所述冷却片而对所述基板的下表面进行密闭配置；以及

封头分隔壁，其独立于所述封套形成，在所述封套内的所述冷却片的下侧固定在所述封套上，形成用于向所述冷却片流动冷媒的封头以及流路。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述封头分隔壁形成为T字形状。

3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其中，所述封头分隔壁以能够更换的方式形成。

4.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述封头分隔壁以可分割为多个的方式形成。

5.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述流路包含流入侧开口以及流出侧开口，

所述流出侧开口以比所述流入侧开口小的方式形成。

6.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述流路包含流入侧开口以及流出侧开口，

所述封头分隔壁具有将所述流入侧开口以及所述流出侧开口的一部分进行闭塞的闭塞部，

使用所述闭塞部，将所述流入侧开口以及所述流出侧开口的一部分进行闭塞，由此变更冷媒流动的方向。

7.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，还具有封头间壁，其独立于所述封套形成，在所述封套内配置在与分断部对应的位置处，该分断部将所述基板上的所述冷却片的配置区域分断为多个。

8.根据权利要求7所述的半导体装置，其中，所述封头间壁以能够变更在所述封套内的位置的方式形成。

9.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述半导体元件是宽带隙半导体元件。