JP2001203309A - 半導体モジュールの冷却構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体の許容電流が大きくなる半導体モジュー
ルの冷却構造の提供。 【解決手段】ベース部13に取り付けられた図示しない半
導体を冷却するにあたり、冷却されるべきベース部13に
冷却器21を取り付ける。この冷却器21は、ベース部13に
向かって開口された凹部を備えているので、内部を流れ
る冷却水には、半導体から発生する熱が直接伝達され
る。このため、ヒートシンクの内部に冷却水を流すのと
異なり、ヒートシンクの熱抵抗に相当する温度差が不要
となり、冷却水で取り除かれる熱量が、ヒートシンクの
熱抵抗分だけ増大し、その分多くの熱を発生しても、半
導体が熱破壊されることがなく、発熱量の増大分に応じ
て半導体の許容電流が増大される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電流の導通により
発熱する電力用半導体等の半導体素子モジュールを冷却
する半導体モジュールの冷却構造に関する。

【０００２】

【背景技術】電力制御用の半導体素子は、電流の導通に
より発熱し、過度に高温になると破壊する。このため、
半導体素子の温度上昇を抑制するために、半導体を備え
た回路をパッケージ化した半導体モジュールを、水や空
気等の冷却媒体で冷却する冷却構造が提案されている
（実用新案登録第２５９７３１１号公報および実公平６
−８２７号公報）。図４には、上述のような冷却構造で
冷却される半導体モジュールの一例が示されている。

【０００３】同図において、半導体モジュール10は、合
成樹脂等からなるケース11の内部12に、図示しない半導
体チップを内蔵したものである。ケース11の底面は、開
口されている。この開口は、平板状に形成された銅製の
ベース部13で塞がれている。

【０００４】ベース部13の裏面には、中空に形成された
銅製のヒートシンク50が設けられている。このヒートシ
ンク50の内部には、図５にも示されるように、冷却媒体
としての冷却水を流通させる通路16が形成されている。
この通路16に冷却水を流すことにより、大電流を流して
も、半導体の過熱が防止されるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような半導体モジ
ュール10では、半導体が発生する熱は、ヒートシンク50
を介して冷却水に伝達されるので、冷却水で半導体を冷
却するにあたり、半導体と冷却水との間に充分な温度差
があっても、ヒートシンク50の熱抵抗に相当する温度差
が必要となり、冷却水によって半導体から取り除くこと
ができる熱量が少なくなってしまう。このため、半導体
が熱で破壊される温度まで上昇するのを防ぐために、ヒ
ートシンク50の熱抵抗の分だけ、半導体の発熱量を抑え
る必要が生じ、半導体に流す電流が抑制されるので、半
導体の許容電流が小さくなるという問題が生じる。

【０００６】本発明の目的は、半導体の許容電流が大き
くなる半導体モジュールの冷却構造を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、電流の導通に
より発熱する半導体素子を備えた半導体モジュールに取
り付けられた冷却器で当該半導体モジュールを冷却する
半導体モジュールの冷却構造であって、前記半導体モジ
ュールは、冷却されるべき被冷却面に前記冷却器が取り
付けられ、前記冷却器は、内部に冷却用の冷媒が流通さ
れるとともに前記被冷却面に向かって開口された凹部を
備えていることを特徴とする。このような本発明では、
半導体が発生する熱は、冷却水に直接伝達されるので、
ヒートシンクの熱抵抗に相当する温度差が不要となり、
冷却水で半導体を冷却するにあたり、半導体と冷却水と
の間の温度差がそのまま利用でき、冷却水によって半導
体から取り除くことができる熱量が、ヒートシンクの熱
抵抗に相当する分だけ増大する。このため、熱で破壊さ
れない限界の温度で半導体を駆動させる際に、ヒートシ
ンクの熱抵抗に相当する分だけ多くの熱量を発熱して
も、半導体が破壊されることがなくなり、発熱量の増大
分に応じて半導体の許容電流が増大される。

【０００８】以上において、前記被冷却面および前記冷
却器の間には、環状のシール部材が介装され、前記冷却
器の前記凹部の周囲には、前記シール部材を固定するた
めの溝が設けられていることが望ましい。このようにす
れば、冷却効率を向上させるために、凹部を大きくして
も、環状のシール部材で水密構造を容易に形成でき、冷
却構造が複雑にならず、半導体モジュール全体の構造を
何ら複雑にすることがない。

【０００９】さらに、前記冷却器には、前記凹部の互い
に対向する端縁の一方から他方へ向かって延びる堰部が
互い違いに設けられていることが好ましい。このように
すれば、冷却器の内部に大きな冷媒の流通空間を設けて
も、細長く蛇行した冷媒の流路が形成されるので、当該
冷媒の部分的な滞留が防止されるようになり、冷却むら
の発生が防止されるようになる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の一形態を図
面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説
明した部材と同じ部材には同一符号を付し、その説明を
省略の若しくは簡略にする。図１には、本実施形態に係
る冷却構造20を備えた半導体モジュール10が示されてい
る。半導体モジュール10のベース部13には、前述のヒー
トシンク50に代えて、冷却構造20の構成部品である冷却
器21が取り付けられている。ここにおいて、ベース部13
の図中下面が被冷却面となっている。

【００１１】冷却構造20は、電流の導通により発熱する
半導体素子を備えた半導体モジュール10を冷却器21で冷
却するものである。冷却器21は、合成樹脂製等の絶縁体
から形成された直方体状の容器となっている。冷却器21
には、内部に冷却用の冷媒である冷却水が流通されると
ともに、ベース部13に向かって開口された凹部22が形成
されている。冷却器21とベース部13との間には、図２に
も示されるように、環状に形成された合成ゴム等からな
るシール部材23が介装され、これにより、冷却器21とベ
ース部13との間から冷却水が漏れないようになってい
る。シール部材23は、凹部22の周囲に形成された溝24に
嵌め込まれている。これにより、冷却器21とベース部13
との間に挟まれたシール部材23が移動しないように固定
されている。

【００１２】凹部22は、図３にも示されるように、直方
体状に形成された凹みであり、略長方形の平面形状を有
している。凹部22の互いに対向する端縁22A, 22Bには、
一方から他方へ向かって延びる複数の堰部25が互い違い
に設けられている。これらの堰部25により、凹部22の内
部には、蛇行した冷却水路26が形成されている。冷却水
路26の上流側および下流側の端部26A, 26Bは、冷却器21
の側面から凹部22まで延びる水路27A, 27Bを介して冷却
水入口26A および冷却水出口26B に連通している。冷却
水入口26A および冷却水出口26B の各々には、口金29が
取り付けられている。これらの口金29には、冷却水を冷
却器21にまで搬送させるためのホース等が接続可能とな
っている。

【００１３】前述のような本実施形態によれば、次のよ
うな効果が得られる。すなわち、ベース部13に向かって
開口された凹部22を冷却器21に設け、凹部22の内部に流
れる冷却水が、直接ベース部13にに接触してその熱を奪
うようにしたので、ヒートシンクの熱抵抗に相当する温
度差が発生せず、冷却水で半導体を冷却するにあたり、
半導体と冷却水との間の温度差がそのまま利用でき、冷
却水によって半導体から取り除くことができる熱量を、
ヒートシンクの熱抵抗に相当する分だけ増大することが
できる。このため、熱で破壊されない限界の温度で半導
体を駆動させる際に、ヒートシンクの熱抵抗に相当する
分だけ多くの熱が発生しても、破壊温度に達して半導体
が破壊されることがなくなり、発熱量の増大分に応じて
半導体の許容電流を増大できる。

【００１４】また、冷却器21とベース部13との間にシー
ル部材23を介装するとともに、シール部材23が移動しな
いように、溝24を冷却器21に設けたので、冷却効率を向
上させるために、凹部22を大きくしても、環状のシール
部材23で水密構造を容易に形成でき、冷却構造20が複雑
にならず、半導体モジュール10全体の構造を何ら複雑に
することがなく、しかも、半導体モジュール10に冷却構
造20を設けても、半導体モジュール10を容易に組み立て
ることができる。

【００１５】さらに、凹部22の互いに対向する端縁22A,
22Bに、一方から他方へ向かって延びる複数の堰部25を
互い違いに設け、凹部22の内部に、細長く蛇行した冷却
水路26を形成したので、冷却器21に容積の大きな凹部22
を設けても、冷却水の部分的な滞留が防止されるように
なり、冷却むらの発生を未然に防止できる。

【００１６】また、半導体モジュール10のベース部13の
ほぼ全体に広がる大きさの凹部22を設けたので、冷却器
21を合成樹脂製としても、冷却器21が冷却水で冷やさ
れ、半導体の熱で変形することがないうえ、合成樹脂製
を加工することにより、冷却器21を容易に製作できる。
しかも、冷却器21を合成樹脂製等の絶縁体から形成され
た直方体状の容器としたので、腐食のおそれがなく、冷
却構造20の耐久性を向上できる。

【００１７】本発明は、前述の一実施形態に限定される
ものではなく、次に示すような変形などをも含むもので
ある。すなわち、冷却方式としては、冷却媒体として水
を用いる水冷式に限らず、冷却媒体として空気を用いる
強制空冷式、あるいは、冷却媒体として油を用いる油冷
式でもよい。

【００１８】また、半導体モジュールの半導体として
は、パッケージ化された半導体チップに限らず、半導体
ダイオード、トランジスタ、サイリスタ、ＦＥＴおよび
ＩＧＢＴ等の半導体素子単体でもよい。

【００１９】さらに、冷却器としては、合成樹脂製等の
絶縁体から形成されたものに限らず、ステンレススチー
ル等の耐腐食性金属や、アルミニウム等の金属、あるい
は、アルミニウム合金等の合金でもよい。アルミニウム
等の金属を採用する場合には、アルマイト処理等の耐腐
食処理を表面に行うことが好ましい。また、冷却器の形
状は、直方体状に限らず、円筒状等の他の形状でもよ
く、その具体的な形状は、半導体モジュールに応じて設
定すればよい。

【００２０】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、ヒートシ
ンクによる熱抵抗分がなくなり、半導体の許容電流を大
きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態に係る半導体モジュール
の全体を示す側面図である。

【図２】前記実施形態の半導体モジュールを示す分解斜
視図である。

【図３】前記実施形態の冷却器を示す平面図である。

【図４】本発明の背景技術となる半導体モジュールを示
す側面図である。

【図５】図４の半導体モジュールに設けられたヒートシ
ンクを示す斜視図である。

【符号の説明】

10 半導体モジュール 13 被冷却面としてのベース部 20 冷却構造 21 冷却器 22 凹部 23 シール部材 24 溝 25 堰部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電流の導通により発熱する半導体素子を備
   えた半導体モジュールに取り付けられた冷却器で当該半
   導体モジュールを冷却する半導体モジュールの冷却構造
   において、 前記半導体モジュールは、冷却されるべき被冷却面に前
   記冷却器が取り付けられ、前記冷却器は、内部に冷却用
   の冷媒が流通されるとともに前記被冷却面に向かって開
   口された凹部を備えていることを特徴とする半導体モジ
   ュールの冷却構造。
2. 【請求項２】請求項１に記載の半導体モジュールの冷却
   構造において、前記被冷却面および前記冷却器の間に
   は、環状のシール部材が介装され、前記冷却器の前記凹
   部の周囲には、前記シール部材を固定するための溝が設
   けられていることを特徴とする半導体モジュールの冷却
   構造。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２記載の半導体モジ
   ュールの冷却構造において、前記冷却器には、前記凹部
   の互いに対向する端縁の一方から他方へ向かって延びる
   堰部が互い違いに設けられていることを特徴とする半導
   体モジュールの冷却構造。