JP2001352023A - 冷媒冷却型両面冷却半導体装置 - Google Patents
冷媒冷却型両面冷却半導体装置Info
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Abstract
でき、液漏れの心配も低減可能な冷媒冷却型両面冷却半
導体装置を提供すること。 【解決手段】 厚さ方向に所定間隔を隔てて主面方向が
互いに平行となるように配置される複数の半導体モジュ
ール1を、扁平でつづら折り形状の冷媒チュ−ブ2で挟
み、挟圧部材6、7、10で挟圧して構成することによ
り、単一の冷媒チュ−ブで一個又は必要個数の両面放熱
型半導体モジュ−ルの両面を均等かつ良好に冷却するこ
とができる。
Description
却半導体装置に関する。
体モジュ−ルの冷却性を向上するために、半導体モジュ
−ルに水冷式の冷却部材を接触させてそれを冷却するこ
とが提案されている。
体モジュ−ルが特開平6ー291223号公報に提案さ
れている。
従来の水冷式半導体モジュ−ルでは、内部を水(又は冷
媒)が貫流する冷媒内部貫流冷却部材と半導体モジュ−
ルとの熱伝導性に優れた接合を図る必要があり、これに
は、半導体モジュ−ルの主面に露出する電極(兼伝熱)
部材と冷媒内部貫流冷却部材とをはんだなどで接合する
ことが最善であるが、冷媒内部貫流冷却部材は、冷凍サ
イクル装置や冷却水循環装置に接続する必要があり、こ
のためこれら冷凍サイクル装置や冷却水循環装置と同電
位(通常、接地電位)となる冷媒内部貫流冷却部材と半
導体モジュ−ルの上記電極部材との間に電気絶縁性でな
るべく熱伝導性に優れた絶縁スペ−サを介設する必要が
ある。
ると半導体モジュ−ルの電極部材と冷媒内部貫流冷却部
材とを接合することができないので、半導体モジュ−ル
の電極部材と冷媒内部貫流冷却部材との間の熱抵抗の低
減のために、これら半導体モジュ−ルの電極部材や冷媒
内部貫流冷却部材を絶縁スペ−サに強く、かつ、押し付
け面各部で均一な圧力で押し付ける必要がある。
媒内部貫流冷却部材を絶縁スペ−サに強くかつ均一な圧
力で押し付ける構造は全体構造の複雑化を招き、また押
し付け力の適切な設定が容易ではなかった。すなわち、
押し付け力が弱いと半導体モジュ−ルと冷却部材との間
の熱抵抗が増大して冷却能力が低下し、押し付け力が強
過ぎると半導体モジュ−ル内の半導体チップが割れてし
まう。
半導体カ−ドモジュ−ルをそれぞれ両面冷却するために
は、上記冷媒内部貫流冷却部材を多数分岐するなどの構
造の複雑化を招き、製造費用の増大を招き、また、冷媒
配管の接合箇所の増大から液漏れが生じる可能性も増大
した。
あり、簡素な構造で優れた放熱能力を実現することがで
き、液漏れの心配も低減可能な冷媒冷却型両面冷却半導
体装置を提供することをその目的としている。
項1記載の冷媒冷却型両面冷却半導体装置は、半導体チ
ップ又は両面冷却型半導体モジュールと、扁平な接触受
熱面を有して冷却流体が内部を流れる冷媒チュ−ブとを
備え、前記冷媒チュ−ブは、つづら折り形状を有して前
記半導体チップ又は両面放熱型半導体モジュ−ルの両側
の前記主面に絶縁スペ−サを介して密接することを特徴
としている。すなわち、本構成は、両面放熱型半導体モ
ジュ−ル(又は半導体チップ)の両面を絶縁スペ−サを
介してつづら折り状の冷媒チュ−ブに当接させて冷却す
る構成を採用している。
一個又は必要個数の両面放熱型半導体モジュ−ルの両面
を一挙に冷却することができ、その上、冷媒チュ−ブの
接合が不要となるので、冷媒チュ−ブ構造の構造の簡素
化、組み立て作業の簡素化、液漏れの心配の解消を実現
することができる。また、冷媒チュ−ブが扁平断面を有
するので、半導体チップ又は両面冷却型半導体カ−ドモ
ジュ−ルの主面との接触面積を増大することができると
ともに、冷媒チュ−ブの厚さ方向への曲率半径の調節の
自由度が高く、半導体チップ又は両面冷却型半導体カ−
ドモジュ−ルの厚さの変化に対して容易に適応すること
ができる。
両面冷却半導体装置において更に、前記半導体チップ又
は両面冷却型半導体モジュールと前記冷媒チュ−ブとを
前記半導体チップ又は両面冷却型半導体モジュールの厚
さ方向に挟圧する挟圧部材を備えることを特徴としてい
る。
は複数の半導体モジュ−ル(半導体チップ)両側の冷媒
チュ−ブの接触受熱面を同一圧力(半導体モジュ−ル
(半導体チップ)両側の電極部材の面積を等しいとした
場合)で半導体モジュ−ル(半導体チップ)に押し付け
ることができ、簡素な構造で押し付け圧力のばらつきが
小さい挟圧構造を実現することができるとともに、更に
この押し付け力の均一化により半導体モジュ−ル(半導
体チップ)の熱を均等に両側の冷媒チュ−ブに放散する
ことができるので優れた冷却性能を実現することができ
る。
の冷媒冷却型両面冷却半導体装置において更に、前記冷
媒チュ−ブは良熱伝導性の軟質材を介して前記絶縁スペ
−サに接することを特徴としている。
面は、軟質材を介して絶縁スペ−サに密着するので、も
し冷媒チュ−ブに反りや表面凹凸などがあったとして
も、冷媒チュ−ブは上記挟圧力によりその各部において
局所的に容易に変形して絶縁スペ−サの表面になじむこ
とができ、これら両者間の熱抵抗を低減することができ
る。
の電極部材表面とそれと軟質の絶縁スペ−サを介して対
面する冷媒チュ−ブの平坦な接触受熱面との間の距離が
面方向各部において変動しても、同様に軟質材の局所的
変形によりこれらの距離差を低減して両者間の熱抵抗を
低減することができ、優れた冷却性能をもつ半導体装置
を実現することができる。なお、この軟質材は、冷媒チ
ュ−ブと別々に作製されてもよく、一体に作製されても
よい。
の冷媒冷却型両面冷却半導体装置において更に、前記冷
媒チュ−ブは、互いに所定間隔を隔てて流路方向へ延設
される内部隔壁に区画される複数の冷却流体流路を有す
ることを特徴としている。
面各部の押圧を一定化することができる。
の冷媒冷却型両面冷却半導体装置において更に、前記挟
圧部材は、前記冷媒チュ−ブの厚さ方向における最も外
側の外面に個別に接する一対の押さえ板と、前記両押さ
え板を貫通するスル−ボルトと、前記スル−ボルトに螺
着されるナットとを有することを特徴としている。
材)で厚さ方向に多段に重なった冷媒チュ−ブ、半導体
モジュ−ル(半導体チップ)にそれぞれ等しい挟圧力を
付与することができるので、コンパクトで簡素な挟圧構
造で全体として優れた大電流制御半導体装置を実現する
ことができる。
5のいずれか記載の冷媒冷却型両面冷却半導体装置にお
いて更に、前記挟圧部材は、板ばね部材を含むことを特
徴としている。
ることができるとともに、半導体チップ又は両面放熱型
半導体モジュ−ルの脱着が極めて簡単となり、交換など
の作業性が格段に向上する。
部が前記両押さえ板を弾性付勢するコ字状金属板からな
る。このようにすれば、たとえばばね板などを折り曲げ
るなどして簡素に作製できる上、板ばね部材それ自体で
挟圧力を発生できるため、全体構造が簡素となる。
の冷媒冷却型両面冷却半導体装置において、前記半導体
チップ又は両面放熱型半導体モジュ−ルは、三相インバ
ータ回路を構成し、前記冷媒チュ−ブの反半導体チップ
側の平坦面に他の発熱部品の平坦面を密接させ、前記挟
圧部材で、前記半導体チップ又は両面冷却型半導体モジ
ュールと前記冷媒チュ−ブと前記発熱部品とを挟圧する
構造を有することを特徴としている。
となく、更に他の発熱部品も良好に冷却することができ
る。また、半導体モジュ−ル(半導体チップ)の一時的
な大発熱に対してこの発熱部品は冷媒チュ−ブを通じて
ヒ−トシンクとしての機能を果たすことができ、更に好
都合である。
の冷媒冷却型両面冷却半導体装置において更に、前記半
導体チップ又は両面冷却型半導体モジュールは三相イン
バ−タ回路の一部又は全部をなし、前記発熱部品は、前
記三相インバ−タ回路の正負直流電源端間に接続される
平滑コンデンサからなることを特徴としている。
ンサ及び半導体モジュ−ル(半導体チップ)の冷却性に
優れた三相インバータ回路装置を実現することができ
る。
装置によれば、半導体チップ又は両面冷却型半導体モジ
ュールと、各前記半導体チップ又は両面放熱型半導体モ
ジュ−ルに絶縁スペ−サを介して密接するとともに冷却
流体が内部を流れる冷媒配管と、前記半導体チップ又は
絶縁スペ−サ両面放熱型半導体モジュ−ルと前記冷媒配
管とを密閉収容するケ−スとを備え、前記冷媒配管は、
前記ケ−スにそれぞれ固定されて前記ケ−スの外部に突
出するとともに外部冷却機構の配管が着脱自在に連結さ
れる両端部を有することを特徴としている。
機構(放熱装置)とは、ケ−スの外で脱着可能に連結さ
れるので、この連結部からの液漏れが生じた場合でも回
路に短絡などの悪影響を与えるのを防止することがで
き、また、装置の部分的交換が可能となる。
体装置の好適な実施態様を図面を参照して以下説明す
る。
の要部分解厚さ方向断面図を示す。 (半導体モジュ−ルの構成)1は、両面冷却型半導体モ
ジュール、2は冷媒チュ−ブ、3は金属製又は良熱伝導
性のスペ−サである。
101aはIGBT素子が形成された半導体チップ、1
01bはフライホイルダイオ−ドが形成された半導体チ
ップ、102はヒ−トシンク及び電極(この実施例では
エミッタ側)を兼ねる金属伝熱板、103はヒ−トシン
ク及び電極(この実施例ではコレクタ側)を兼ねる金属
伝熱板、104ははんだ層、102aは金属伝熱板10
2の半導体チップ側へ突出する突出部、102bは金属
伝熱板102の突出端子部、103bは金属伝熱板10
3の突出端子部、105は制御電極端子、108はボン
ディングワイヤ、8は絶縁板(本発明で言う絶縁スペ−
サ)、9は封止樹脂部である。
伝熱板103の内側の主面上にはんだ層104で接合さ
れ、半導体チップ101a、101bの残余の主面に
は、金属伝熱板102の突出部102aがはんだ層10
4で接合され、これによりIGBTのコレクタ電極面及
びエミッタ電極面にフライホイルダイオ−ドのアノ−ド
電極面及びカソ−ド電極面がいわゆる逆並列に接続され
ている。金属伝熱板102、103にはたとえばMoや
Wが用いられている。はんだ層104を他の接合機能材
料に置換してもよい。
01a、101bの厚さの差を吸収する厚さの差をも
ち、これにより金属伝熱板102の外主面は平面となっ
ている。
なり、これら金属伝熱板102、103の側面を覆って
モ−ルドされており、これにより半導体チップ101
a、101bは封止樹脂部9でモ−ルドされている。た
だし、金属伝熱板102、103の外主面すなわち接触
受熱面は完全に露出している。
部9から図1中、右方に突出し、いわゆるリ−ドフレ−
ム端子である複数の制御電極端子105は、IGBTが
形成された半導体チップ101aのゲ−ト(制御)電極
面と制御電極端子105とを接続している。
例では窒化アルミニウムフィルムで構成されているが、
他の絶縁フィルムでもよい。絶縁板8は金属伝熱板10
2、103を完全に覆って密着しているが、絶縁板8と
金属伝熱板102、103とは、単に接触するだけでも
よいし、シリコングリスなどの良熱伝導材を塗布しても
よいし、それらを種々の方法で接合させてもよい。更
に、絶縁スペ板8を冷媒チュ−ブ側に密接させてもよ
い。
き抜き成形法あるいは押し出し成形法で成形された板材
を必要な長さに切断して作製されている。冷媒チュ−ブ
2の厚さ方向断面は、図1に示すように、互いに所定間
隔を隔てて流路方向に延在する多数の隔壁21で区画さ
れた流路22を多数有している。
の実施例では、はんだ合金などの軟質の金属板とされて
いるが、冷媒チュ−ブ2の接触面に塗布などにより形成
したフィルム(膜)としてもよい。この軟質のスペ−サ
3の表面は、後述する挟圧により容易に変形して、絶縁
材8の微小凹凸や反り、冷媒チュ−ブ2の微小凹凸や反
りになじんで熱抵抗を低減する。なお、スペ−サ3の表
面などに公知の良熱伝導性グリスなどを塗布してもよ
く、スペ−サ3を省略してもよい。 (冷媒冷却型両面冷却半導体装置の構成)上述した両面
放熱型半導体モジュ−ルを用いた冷媒冷却型両面冷却半
導体装置の例を図2、図3を参照して以下に説明する。
図2は、この半導体装置の蓋を外した平面図を示し、図
3はその縦断面図を示す。
ブ、4は一端開口のケ−ス、5は平滑コンデンサ、6は
押さえ板、7はスル−ボルト、10はナット、11は
蓋、23は入り口側の冷媒配管、24は出口側の冷媒配
管、27は冷媒配管固定用のナット、23aは冷媒配管
23の先端部である。
湾曲してケ−ス4内に配置され、冷媒チュ−ブ2の平坦
で互いに平行で互いに対向する接触受熱面20、20の
ペアが左右方向に3対形成されている。2a、2b、2
cはこの冷媒チュ−ブ2の湾曲部である。
ち、最も右側に位置する接触受熱面20、20のペア、
すなわち、冷媒チュ−ブ2の湾曲部2aの両側の平坦部
分は、図2、図3では図示しないスペ−サ3を介して3
つの両面放熱型半導体モジュ−ル1の両面に密着してい
る。これら3つの両面放熱型半導体モジュ−ル1は、三
相インバ−タ回路の上ア−ムを構成する。
ち、最も左側に位置する接触受熱面20、20のペア、
すなわち、冷媒チュ−ブ2の湾曲部2cの両側の平坦部
分は、図2、図3では図示しないスペ−サ3を介して3
つの両面放熱型半導体モジュ−ル1の両面に密着してい
る。これら3つの両面放熱型半導体モジュ−ル1は、三
相インバ−タ回路の下ア−ムを構成する。
ち、中央に位置する接触受熱面20、20のペア、すな
わち、冷媒チュ−ブ2の湾曲部2bの両側の平坦部分
は、2個の扁平な平滑コンデンサ5の外表面に密着して
いる。
1個のIGBT素子に1個のフライホイルダイオ−ドを
逆並列接続して構成されている。
回路の正負直流電源端間に接続される平滑コンデンサで
あり、電源ラインを通じて直流電源側にスイッチングノ
イズが入力されるのを抑止するためのものである。
ュ−ル1はその両面を冷媒チュ−ブ2の接触受熱面20
に密着しており、更に冷媒チュ−ブ2の左右最外側の平
坦面には押さえ板6が当接され、両押さえ板6、6の上
端部及び下端部にはそれぞれスル−ボルト7が積層方向
に挿通され、ナット10により締結されている。
る半導体モジュ−ル1の挟圧力が所定値となるように調
節されている。すなわち、本実施例によれば、押さえ板
6、スル−ボルト7及びナット10からなる挟圧部材
は、冷媒チュ−ブ2による半導体モジュ−ル1の挟圧力
を設定する機能と、三相インバータ回路装置を支持する
構造部材としての機能とを有している。
は入り口側の冷媒配管23、出口側の冷媒配管25に接
合されており、冷媒配管23の先端部23aと冷媒配管
25の図示しない先端部はケ−ス4の底部から下方に突
出している。これら先端部23aには図3に示すように
螺子面が形成されて図示しない外部の冷凍サイクル装置
の冷媒配管が連結可能となっている。なお、この冷媒チ
ュ−ブ2はこの冷凍サイクル装置のエバポレ−タの一部
又は全部を構成している。27は冷媒配管23、25を
ケ−ス4の底部に締結、固定するナットである。
両ア−ムが等しい流量の冷媒で冷却されるので両ア−ム
間の放熱能力のばらつきを低減することができる。
ジュ−ル1間の冷却能力の差を低減することができる。
共通の挟圧部材で挟圧されるため、各半導体モジュ−ル
1と冷媒チュ−ブ2との間の単位面積当たりの挟圧力は
略等しく、挟圧面積も等しいので、半導体モジュ−ル1
に対する冷媒チュ−ブ2の挟圧力の差を低減することが
できる。
冷却能力の差が小さく、コンパクトで優れた冷却性を有
する半導体装置を実現することができる。
る他、平滑コンデンサ5は、両面放熱型半導体モジュ−
ル1が過渡的に大発熱する場合に冷媒チュ−ブ2を通じ
て熱吸収することができ、いわゆるヒ−トシンクとして
機能することもできる。
ル1は半導体チップに置換しても同様の作用効果を奏す
ることができる。
説明する。図4は、この半導体装置の蓋を外した平面図
を示し、図5はその縦断面図を示す。 (装置構成)図4は、この半導体装置の蓋を外した平面
図を示し、図5はその縦断面図を示す。
チュ−ブ2、平滑コンデンサ5、押さえ板6のセットを
実施例1と同一配列とし、このセットを3つの板ばね部
材9で一挙に挟持させたものである。板ばね部材9は、
ケ−ス4の底部に平行な姿勢で配置される一個の中央板
部90bと、この中央板部90bの両端部からそれぞれ
それと直角に延設されて互いに対面する一対の平板状の
両端部90a、90aとからなる。91は、大型板ばね
部材90の中央板部90bに凹設された条溝部である。
み立てることができるとともに、各部材にばらつきが小
さい挟圧力を与えることができる。
チュ−ブの組み立て厚さ方向断面図である。
冷却型半導体装置の平面図である。
図である。
冷却型半導体装置の他の実施例を示す平面図である。
図である。
Claims (9)
- 【請求項1】半導体チップ又は両面冷却型半導体モジュ
ールと、 扁平な接触受熱面を有して冷却流体が内部を流れる冷媒
チュ−ブと、 を備え、 前記冷媒チュ−ブは、つづら折り形状を有して前記半導
体チップ又は両面放熱型半導体モジュ−ルの両側の前記
主面に絶縁スペ−サを介して密接することを特徴とする
冷媒冷却型両面冷却半導体装置。 - 【請求項2】請求項1記載の冷媒冷却型両面冷却半導体
装置において、 前記半導体チップ又は両面冷却型半導体モジュールと前
記冷媒チュ−ブとを前記半導体チップ又は両面冷却型半
導体モジュールの厚さ方向に挟圧する挟圧部材を備える
ことを特徴とする冷媒冷却型両面冷却半導体装置。 - 【請求項3】請求項2記載の冷媒冷却型両面冷却半導体
装置において、前記冷媒チュ−ブは良熱伝導性の軟質材
を介して前記絶縁スペ−サに接することを特徴とする冷
媒冷却型両面冷却半導体装置。 - 【請求項4】請求項2記載の冷媒冷却型両面冷却半導体
装置において、 前記冷媒チュ−ブは、互いに所定間隔を隔てて流路方向
へ延設される内部隔壁に区画される複数の冷却流体流路
を有することを特徴とする冷媒冷却型両面冷却半導体装
置。 - 【請求項5】請求項2記載の冷媒冷却型両面冷却半導体
装置において、 前記挟圧部材は、前記冷媒チュ−ブの厚さ方向における
最も外側の外面に個別に接する一対の押さえ板と、前記
両押さえ板を貫通するスル−ボルトと、前記スル−ボル
トに螺着されるナットとを有することを特徴とする冷媒
冷却型両面冷却半導体装置。 - 【請求項6】請求項2記載の冷媒冷却型両面冷却半導体
装置において、 複数の前記半導体チップ又は両面放熱型半導体モジュ−
ルは、三相インバータ回路を構成し、 前記冷媒チュ−ブの反半導体チップ側の平坦面に他の発
熱部品の平坦面を密接させ、前記挟圧部材で、前記半導
体チップ又は両面冷却型半導体モジュールと前記冷媒チ
ュ−ブと前記発熱部品とを挟圧する構造を有することを
特徴とする冷媒冷却型両面冷却半導体装置。 - 【請求項7】請求項2乃至5のいずれか記載の冷媒冷却
型両面冷却半導体装置において、 前記挟圧部材は、板ばね部材を含むことを特徴とする冷
媒冷却型両面冷却半導体装置。 - 【請求項8】請求項6記載の冷媒冷却型両面冷却半導体
装置において、 前記半導体チップ又は両面冷却型半導体モジュールは三
相インバ−タ回路の一部又は全部をなし、 前記発熱部品は、前記三相インバ−タ回路の正負直流電
源端間に接続される平滑コンデンサからなることを特徴
とする冷媒冷却型両面冷却半導体装置。 - 【請求項9】半導体チップ又は両面冷却型半導体モジュ
ールと、 前記半導体チップ又は両面放熱型半導体モジュ−ルに絶
縁スペ−サを介して密接するとともに冷却流体が内部を
流れる冷媒配管と、 前記半導体チップ又は両面放熱型半導体モジュ−ルと前
記冷媒配管とを密閉収容するケ−スと、 を備え、 前記冷媒配管は、前記ケ−スにそれぞれ固定されて前記
ケ−スの外部に突出するとともに外部冷却機構の配管が
着脱自在に連結される両端部を有することを特徴とする
冷媒冷却型両面冷却半導体装置。
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