CN107210278B - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

具备：冷却套，其形成有冷媒的流入口和该冷媒的流出口；基座板；第1半导体元件，其设置于该基座板之上；第2半导体元件，其设置于该基座板之上；第1鳍片，其是在该第1半导体元件的正下方的该基座板的背面设置的，位于该冷却套之中；第2鳍片，其是在该第2半导体元件的正下方的该基座板的背面设置的，位于该冷却套之中；以及分离器，其设置于该冷却套之中，对从该流入口流入至该冷却套之中的冷媒进行分割，将该第1鳍片、该第2鳍片通过各自分割开的该冷媒进行冷却。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及例如用于大功率的通断的半导体装置。
背景技术
在专利文献1中，公开了通过冷却水对LSI等发热体进行冷却的导热型冷却装置。在专利文献2中，公开了具有对冷却流体进行搅拌的凸起的散热器。
专利文献1：日本特开平02-271560号公报
专利文献2：日本特开2005-302898号公报
发明内容
在通过冷媒对发热的多个半导体元件进行冷却的情况下，优选避免特定的半导体元件成为高温，将多个半导体元件的温度波动减小。然而，例如，如果将在某个半导体元件的冷却中所使用的冷媒用于其他半导体元件的冷却，则先进行冷却的半导体元件被充分冷却，但后进行冷却的半导体元件并未被充分冷却。因此，存在多个半导体元件的温度波动变大的问题。
本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够将多个半导体元件的温度波动降低的半导体装置。
本发明涉及的半导体装置的特征在于，具备：冷却套，其形成有冷媒的流入口和该冷媒的流出口；基座板；第1半导体元件，其设置于该基座板之上；第2半导体元件，其设置于该基座板之上；第1鳍片，其是在该第1半导体元件的正下方的该基座板的背面设置的，位于该冷却套之中；第2鳍片，其是在该第2半导体元件的正下方的该基座板的背面设置的，位于该冷却套之中；以及分离器，其设置于该冷却套之中，对从该流入口流入至该冷却套之中的冷媒进行分割，将该第1鳍片和该第2鳍片通过各自分割开的该冷媒进行冷却。
本发明的其他特征在下面加以明确。
发明的效果
根据本发明，向多个半导体元件各自供给未使用的冷媒，因此能够将多个半导体元件的温度波动降低。
附图说明
图1是实施方式1涉及的半导体装置的分解图。
图2是冷却套和分离器的俯视图。
图3是沿图2的III-III线的剖视图。
图4是对比例涉及的半导体装置的剖视图。
图5是变形例涉及的分离器等的剖视图。
图6是图5的分离器的俯视图。
图7是实施方式2涉及的半导体装置的冷却套和分离器的俯视图。
图8是图7的VIII-VIII线处的剖视图。
图9是实施方式3涉及的半导体装置的斜视图。
图10是实施方式4涉及的半导体装置的斜视图。
图11是控制部的硬件结构图。
具体实施方式
参照附图，对本发明的实施方式涉及的半导体装置进行说明。对相同或对应的结构要素标注相同的标号，有时省略重复的说明。
实施方式1.
图1是本发明的实施方式1涉及的半导体装置的分解图。该半导体装置具备由金属形成的基座板10。在基座板10之上设置有绝缘基板12、16。绝缘基板12在y方向上排列有3片，绝缘基板16也在y方向上排列有3片。绝缘基板12、16在上下表面具有金属图案。绝缘基板12、16的下表面的金属图案通过焊料固定于基座板10。在绝缘基板12的上表面的金属图案通过焊料固定有半导体元件14a、14b。半导体元件14a例如是IGBT，半导体元件14b例如是二极管。将3个半导体元件14a和3个半导体元件14b统称为第1半导体元件14。
在绝缘基板16的上表面的金属图案通过焊料固定有半导体元件18a、18b。半导体元件18a例如是IGBT，半导体元件18b例如是二极管。将3个半导体元件18a和3个半导体元件18b统称为第2半导体元件18。这样，在基座板10之上设置有第1半导体元件14和第2半导体元件18。半导体装置作为整体构成3相交流逆变器。第1半导体元件14构成上桥臂元件，第2半导体元件18构成下桥臂元件。
在基座板10的四角开设有贯通孔19。螺钉20穿过贯通孔19。在基座板10的背面形成有鳍片22。鳍片22例如是与基座板10一体形成的销状鳍片。鳍片22也可以是沿x方向延伸的平行鳍片。除了基座板10的端部以外，鳍片22设置于基座板10的背面整体。
在鳍片22的下方有分离器30。分离器30是为了对冷媒进行引导而设置的。分离器30具备第1引导部30a和第2引导部30b、30c。第1引导部30a是沿y方向延伸的U字管。由第1引导部30a提供沿y方向延伸的流路30d。第2引导部30b、30c是与第1引导部30a的上端连接的板状部件。在第2引导部30b和第2引导部30c之间有一定宽度的间隙30e。
第1引导部30a和第2引导部30b、30c的y负方向端部构成一个表面。将该表面称为第1接触面30A。第1引导部30a和第2引导部30b、30c的y正方向端部构成一个表面。将该表面称为第2接触面30B。
在分离器30的下方有冷却套50。在冷却套50的上表面形成有对O形环40的一部分进行收容的槽50a。在冷却套50形成有冷媒的流入口50b和冷媒的流出口50c、50d。将形成有流入口50b的面称为第1面50A，将形成有流出口50c、50d的面称为第2面50B。第1面50A与第2面50B相对。第1面50A和第2面50B通过第3面50C和第4面50D而相连。
在冷却套50的四角设置有螺钉孔50g。将穿过基座板10的贯通孔19的螺钉20紧固于该螺钉孔50g，从而使夹在基座板10的下表面和冷却套50的上表面之间的O形环40弹性变形。通过O形环40弹性变形，从而能够防止冷媒从基座板10和冷却套50之间流出。
图2是冷却套50和装入至冷却套50之中的分离器30的俯视图。分离器30通过螺钉32固定于冷却套50。分离器30的第1接触面30A与冷却套50的第1面50A接触。分离器30的第2接触面30B与冷却套50的第2面50B接触。换言之，第1引导部30a和第2引导部30b、30c与第1面50A和第2面50B相接。
在分离器30(第2引导部30b)和冷却套50的第3面50C之间设置有间隙60。在分离器30(第2引导部30c)和冷却套50的第4面50D之间设置有间隙62。
图3是沿图2的III-III线的剖视图。图3示出基座板10及固定于此的半导体元件等，并且还示出流入口50b及流出口50c、50d。将在第1半导体元件14的正下方的基座板10的背面设置的鳍片22称为第1鳍片22a。将在第2半导体元件18的正下方的基座板10的背面设置的鳍片22称为第2鳍片22b。包含第1鳍片22a和第2鳍片22b的所有的鳍片22位于冷却套50之中。第1鳍片22a的前端与第2引导部30b接触，第2鳍片22b的前端与第2引导部30c接触。
对冷媒的流动进行说明。从流入口50b流入的冷媒被导入至由第1引导部30a形成的流路30d之中。流路30d的冷媒经由间隙30e，被引导向第1鳍片22a和第2鳍片22b之间。然后，冷媒向x正方向和x负方向分开。向x负方向前进的冷媒穿过第2引导部30b和基座板10的背面之间的空间，对第1鳍片22a进行冷却。向x正方向前进的冷媒穿过第2引导部30c和基座板10的背面之间的空间，对第2鳍片22b进行冷却。这样，通过第2引导部30b、30c，将第1鳍片22a和第2鳍片22b之间的冷媒向第1鳍片22a的方向及第2鳍片22b的方向引导。
对第1鳍片22a进行了冷却的冷媒经由间隙60从第1流出口50c排出。对第2鳍片22b进行了冷却的冷媒经由间隙62从第2流出口50d排出。由于使分离器30的第1接触面30A和第2接触面30B分别与冷却套50的第1面50A和第2面50B接触，因此没有上述两条流路以外的流路。
在这里，为了使本发明的实施方式1涉及的半导体装置的特征的理解变得容易，对对比例进行说明。图4是对比例涉及的半导体装置的剖视图。该半导体装置是通过对第1鳍片22a进行了冷却的冷媒而对第2鳍片22b进行冷却，因此第2半导体元件18的冷却不充分。因此，与第1半导体元件14相比第2半导体元件18的温度变高。
然而，根据本发明的实施方式1涉及的半导体装置，如图3所示，将从一个流入口50b流入至冷却套50之中的冷媒通过分离器30分割成2个部分而对第1鳍片22a和第2鳍片22b分别进行冷却。由此，始终对第1半导体元件14和第2半导体元件18供给相同温度的冷媒，因而能够将它们的温度的波动降低。特别是，就通过上下桥臂进行逆变器驱动的半导体装置而言，上下桥臂的发热量大致相等。因此，通过对第1鳍片22a和第2鳍片22b供给大约相同量的冷媒，从而能够将半导体元件的温度波动降低。
此外，例如混合动力车辆用的半导体装置具备保护系统，该保护系统对多个半导体元件的温度分别进行监视，如果某个半导体元件的温度超过预先设定的温度，则对模块(半导体装置)的负载率进行限制。在半导体元件的温度测定中，大多使用片上温度传感器，该片上温度传感器使用了二极管。如果像对比例那样，特定的半导体元件的温度变高，则保护系统频繁工作，模块的通电能力不能得到充分发挥。在该情况下，从电动机驱动向发动机驱动的负载切换提前，对汽车的燃料经济性的改善造成阻碍。
本发明的实施方式1涉及的半导体装置，特别适合应用于上述的混合动力车辆。通过如实施方式1的半导体装置所示降低多个半导体元件的温度波动，从而能够使保护系统的工作频率下降。由此，能够降低模块的通电能力，将模块小型化，或使燃料经济性得到改善。
另外，所有的冷媒都被用于第1鳍片22a或第2鳍片22b的任意者的冷却，因此能够消除冷媒流量的损失。分离器30被通过螺钉而紧固于冷却套50，因此能够避免分离器30在冷却套50内发生位置错动。
分离器30只要设置于冷却套50之中，对从流入口50b流入至冷却套50之中的冷媒进行分割，对第1鳍片22a和第2鳍片22b通过不同的冷媒进行冷却即可，并不特别限定。分离器可以形成为各种形状。图5是变形例涉及的分离器等的剖视图。在该分离器形成有向第1鳍片22a的方向对冷媒进行引导的第1间隙30f、和向第2鳍片22b的方向对冷媒进行引导的第2间隙30g。图6是图5的分离器的俯视图。此外，分离器也可以由多个部件构成。
在冷却套50形成的流出口并不限定于2个。例如，也可以使穿过图3的间隙60后的冷媒从2个流出口排出，使穿过间隙62后的冷媒从2个流出口排出。另外，使第1鳍片22a的前端、第2鳍片22b的前端与第2引导部30b、30c接触，但也可以在两者之间设置一些间隙。第1半导体元件14和第2半导体元件18只要是由于电流流动而发热的元件即可，因此不限定于IGBT或二极管。另外，构成第1半导体元件14的元件的数量和构成第2半导体元件18的元件的数量也并不特别限定。
这些变形也能够应用于下面的实施方式涉及的半导体装置。此外，下面的实施方式涉及的半导体装置与实施方式1的共通点多，因此以与实施方式1的不同点为中心进行说明。
实施方式2.
图7是实施方式2涉及的半导体装置的冷却套和分离器的俯视图。间隙62的宽度比间隙60的宽度大。图8是图7的VIII-VIII线处的剖视图。在图8中示出了基座板及固定于此的半导体元件等。与间隙60的宽度相比间隙62的宽度更大，因此与对第1鳍片22a供给的冷媒的量相比对第2鳍片22b供给的冷媒的量更多。在本发明的实施方式2中，设想的是与第1半导体元件14相比第2半导体元件18的发热量更大的情况。将对第2鳍片22b供给的冷媒的量增加而对发热量大的第2半导体元件18进行冷却，从而将第1半导体元件14和第2半导体元件18的温度波动降低。
例如，在DC-DC转换器的升压通电动作时，下桥臂的IGBT的元件温度由于通断损耗而比上桥臂二极管的元件温度高。在如上所示地预先判明了上下桥臂的元件发热的不平衡的情况下，通过对间隙60、62的宽度进行调整，从而能够将多个半导体元件的温度波动降低。此外，根据半导体元件的驱动条件而对间隙的大小适当地优化。
为了使对第2鳍片22b进行冷却的冷媒的流量比对第1鳍片22a进行冷却的冷媒的流量更大，将间隙62的宽度设为比间隙60的宽度大是重要的。只要将间隙62的宽度设为比间隙60的宽度大，分离器的形状能够进行各种变形。例如，也可以将图5的分离器的第2引导部30c与冷却套50的侧面之间的间隙的宽度设为比第2引导部30b与冷却套50的侧面之间的间隙的宽度大。在该情况下，并非必须使第2间隙30g的宽度与第1间隙30f的宽度一致，可以自由地设定。
实施方式3.
图9是实施方式3涉及的半导体装置的斜视图。第1半导体元件14具备内置有片上温度传感器的半导体元件14c。将对第1半导体元件14的温度进行测定的部分(片上传感器)称为第1温度测定部。第2半导体元件18具备内置有片上温度传感器的半导体元件18c。将对第2半导体元件18的温度进行测定的部分(片上传感器)称为第2温度测定部。第1温度测定部和第2温度测定部也可以是片上温度传感器以外的结构。
在将从第1流出口50c排出的冷媒向外部引导的配管50e安装有第1调节器150。第1调节器150对从第1流出口50c排出的冷媒的量进行调整。在将从第2流出口50d排出的冷媒向外部引导的配管50f安装有第2调节器152。第2调节器152对从第2流出口50d排出的冷媒的量进行调整。向第1调节器150和第2调节器152连接有对它们进行控制的控制部154。
控制部154在通过第1温度测定部测定出的温度比通过第2温度测定部测定出的温度高的情况下，对第1调节器150进行控制，使从第1流出口50c排出的冷媒的量增加。另一方面，在通过第2温度测定部测定出的温度比通过第1温度测定部测定出的温度高的情况下，对第2调节器152进行控制，使从第2流出口50d排出的冷媒的量增加。这样，防止一方的半导体元件的温度比另一方的半导体元件高，将多个半导体元件的温度波动降低。
控制部154优选以使从第1流出口50c排出的冷媒的量和从第2流出口50d排出的冷媒的量之和恒定的方式，对第1调节器150和第2调节器152进行控制。在该情况下，将第1调节器150和第2调节器152的开度设为在通常时(起初)双方都是小于或等于100％的相同开度。通过控制部154将2个调节器的开度之和保持恒定，从而能够将冷媒的压力损失保持恒定。由此，能够避免由压力损失的变动引起的冷媒的泵的负载变动，因此能够抑制该泵的故障。
实施方式4.
图10是实施方式4涉及的半导体装置的斜视图。将第2流出口50d的开口面积设为比第1流出口50c的开口面积大。与此对应，配管50f设为内径比配管50e大。从第2流出口50d排出的冷媒的量通过调节器160进行调整。控制部154对调节器160进行控制。
控制部154在通过第1温度测定部测定出的温度比通过第2温度测定部测定出的温度高的情况下，对调节器160进行控制，使从第2流出口50d排出的冷媒的量减少。由此，能够使从第1流出口50c排出的冷媒的量增加，对第1半导体元件14的冷却进行促进。另一方面，控制部154在通过第2温度测定部测定出的温度比通过第1温度测定部测定出的温度高的情况下，对调节器160进行控制，使从第2流出口50d排出的冷媒的量增加。由此，能够对第2半导体元件18的冷却进行促进。这样，通过对温度高的半导体元件的冷却进行促进，从而能够将多个半导体元件的温度波动降低。
第2流出口50d的开口面积比第1流出口50c的开口面积大。与此对应，如图10所示，使配管50f的内径比配管50e的内径大。通过对安装于较粗的配管50f的调节器160进行调整，从而能够使流量大幅地变化，因此能够迅速地消除温度波动。
在实施方式3、4中说明的控制部的动作是通过控制部之中的处理器执行的。图11是控制部的硬件结构图。控制部154具备接收装置154a，该接收装置154a接收通过第1温度测定部和第2温度测定部测定出的温度的信息。并且，通过由处理器154b执行在存储器154c存储的程序，由此决定调节器160(在实施方式3中是第1调节器150和第2调节器152)的控制内容。将决定出的控制内容通过输出装置154d向调节器发送。此外，处理器154b是CPU或者是系统LSI等处理电路。也可以通过多个处理电路执行上述功能。
第2流出口50d的开口面积和第1流出口50c的开口面积也可以相等。此外，也可以将上述的各实施方式涉及的半导体装置的特征适宜地组合而提高本发明的效果。
标号的说明
10基座板、14第1半导体元件、18第2半导体元件、22鳍片、22a第1鳍片、22b第2鳍片、30分离器、50冷却套、150第1调节器、152第2调节器、154控制部、160调节器。

Claims (10)

1.一种半导体装置，其特征在于，具备：
冷却套，其形成有冷媒的流入口和所述冷媒的流出口；
基座板；
第1半导体元件，其设置于所述基座板之上；
第2半导体元件，其设置于所述基座板之上；
第1鳍片，其是在所述第1半导体元件的正下方的所述基座板的背面设置的，位于所述冷却套之中；
第2鳍片，其是在所述第2半导体元件的正下方的所述基座板的背面设置的，位于所述冷却套之中；以及
分离器，其设置于所述冷却套之中，对从所述流入口流入至所述冷却套之中的冷媒进行分割，将所述第1鳍片和所述第2鳍片通过各自分割开的所述冷媒进行冷却，然后在不将所述冷媒用于冷却的状态下将所述冷媒引导至所述流出口，
所述分离器与所述冷却套是分体构造。
2.一种半导体装置，其特征在于，具备：
冷却套，其形成有冷媒的流入口和所述冷媒的流出口；
基座板；
第1半导体元件，其设置于所述基座板之上；
第2半导体元件，其设置于所述基座板之上；
第1鳍片，其是在所述第1半导体元件的正下方的所述基座板的背面设置的，位于所述冷却套之中；
第2鳍片，其是在所述第2半导体元件的正下方的所述基座板的背面设置的，位于所述冷却套之中；以及
分离器，其设置于所述冷却套之中，对从所述流入口流入至所述冷却套之中的冷媒进行分割，将所述第1鳍片和所述第2鳍片通过各自分割开的所述冷媒进行冷却，
所述分离器与所述冷却套是分体构造，
所述分离器具备：
第1引导部，其将从所述流入口流入的所述冷媒向所述第1鳍片和所述第2鳍片之间进行引导；以及
第2引导部，其将所述第1鳍片和所述第2鳍片之间的所述冷媒向所述第1鳍片的方向以及所述第2鳍片的方向进行引导，
所述第1引导部、所述第2引导部与所述基座板分离。
3.一种半导体装置，其特征在于，具备：
冷却套，其形成有冷媒的流入口和所述冷媒的流出口；
基座板；
第1半导体元件，其设置于所述基座板之上；
第2半导体元件，其设置于所述基座板之上；
第1鳍片，其是在所述第1半导体元件的正下方的所述基座板的背面设置的，位于所述冷却套之中；
第2鳍片，其是在所述第2半导体元件的正下方的所述基座板的背面设置的，位于所述冷却套之中；以及
分离器，其设置于所述冷却套之中，对从所述流入口流入至所述冷却套之中的冷媒进行分割，将所述第1鳍片和所述第2鳍片通过各自分割开的所述冷媒进行冷却，
所述分离器与所述冷却套是分体构造，
所述分离器具备：
第1引导部，其将从所述流入口流入的所述冷媒向所述第1鳍片和所述第2鳍片之间进行引导；以及
第2引导部，其将所述第1鳍片和所述第2鳍片之间的所述冷媒向所述第1鳍片的方向以及所述第2鳍片的方向进行引导，
所述流出口具有第1流出口和第2流出口，
对所述第1鳍片进行了冷却的所述冷媒从所述第1流出口排出，
对所述第2鳍片进行了冷却的所述冷媒从所述第2流出口排出。
4.根据权利要求2或3所述的半导体装置，其特征在于，
所述第1鳍片的前端、所述第2鳍片的前端与所述第2引导部接触。
5.根据权利要求2或3所述的半导体装置，其特征在于，
所述冷却套具备：第1面，其形成有所述流入口；以及第2面，其形成有所述流出口，与所述第1面相对，
所述第1引导部与所述第1面及所述第2面相接，
所述第2引导部与所述第1面及所述第2面相接。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述分离器对从所述流入口流入至所述冷却套之中的冷媒进行分割，以使得对所述第2鳍片进行冷却的所述冷媒的流量比对所述第1鳍片进行冷却的所述冷媒的流量大。
7.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，具备：
第1温度测定部，其对所述第1半导体元件的温度进行测定；
第2温度测定部，其对所述第2半导体元件的温度进行测定；
第1调节器，其对从所述第1流出口排出的所述冷媒的量进行调整；
第2调节器，其对从所述第2流出口排出的所述冷媒的量进行调整；以及
控制部，其对所述第1调节器和所述第2调节器进行控制，
所述控制部，
在通过所述第1温度测定部测定出的温度比通过所述第2温度测定部测定出的温度高的情况下，对所述第1调节器进行控制，使从所述第1流出口排出的所述冷媒的量增加，
在通过所述第2温度测定部测定出的温度比通过所述第1温度测定部测定出的温度高的情况下，对所述第2调节器进行控制，使从所述第2流出口排出的所述冷媒的量增加。
8.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于，
所述控制部以使从所述第1流出口排出的所述冷媒的量与从所述第2流出口排出的所述冷媒的量之和恒定的方式，对所述第1调节器和所述第2调节器进行控制。
9.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，具备：
第1温度测定部，其对所述第1半导体元件的温度进行测定；
第2温度测定部，其对所述第2半导体元件的温度进行测定；
调节器，其对从所述第2流出口排出的所述冷媒的量进行调整；以及
控制部，其对所述调节器进行控制，
所述控制部，
在通过所述第1温度测定部测定出的温度比通过所述第2温度测定部测定出的温度高的情况下，对所述调节器进行控制，使从所述第2流出口排出的所述冷媒的量减少，
在通过所述第2温度测定部测定出的温度比通过所述第1温度测定部测定出的温度高的情况下，对所述调节器进行控制，使从所述第2流出口排出的所述冷媒的量增加。
10.根据权利要求9所述的半导体装置，其特征在于，
所述第2流出口的开口面积比所述第1流出口的开口面积大。
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