JP2005019849A

JP2005019849A - 半導体冷却装置

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Publication number: JP2005019849A
Application number: JP2003185149A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Hayashi; 林　　哲也
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】半導体チップを効率的に冷却できる半導体冷却装置を提供する。
【解決手段】互いに絶縁された下側電極板２および上側電極板３と、該下側電極板２および上側電極板３に接して実装された半導体チップ１とを備える構造体と、構造体を取り囲む外壁５と、を有して構成され、構造体の一主面が絶縁基板４を介して外壁５に接し、該外壁５に囲まれた空間には絶縁性を有する流体６が満たされる構造を備えることを特徴とする。これにより、電極板と一体構造化した半導体チップの周辺を、絶縁性を有する流体が流れるため、冷却効率が向上する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップを効率的に冷却可能な半導体冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明の背景となる従来技術として、例えば特開平５−１２１６０４号公開特許公報で開示された冷却装置がある。図９に従来技術の概略的な断面構造を示す。
【０００３】
図９に示すように、基板１５１上に半導体チップ１５２が実装されており、その半導体チップ１５２は基板１５１上の周面に配置されたシール部材１５３と、その上部に配置されたコールドプレート１５４とで構成されるキャップで封止されている。なお、半導体チップが封止されているキャップ内には、絶縁性を有する液体１５５が満たされるように封止されている。また、コールドプレート１５４内には、冷却媒体が流れる流路１５６が形成されている。
【０００４】
このような従来技術の冷却装置においては、半導体チップ１５２が発熱すると、この熱はキャップ内に封入されている液体１５５を介してコールドプレート１５４に伝えられる。コールドプレートに伝熱された熱は、流路１５６内を流れる液体によって熱交換されることにより、半導体チップ１５２の冷却を良好に行なうことができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１２１６０４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された冷却構造においては、比較的熱抵抗の高い液体と熱伝導体との熱交換のやり取りが、キャップ内に封入されている液体１５５とコールドプレート１５４との間、並びにコールドプレート１５４と流路１５６内を流れる液体との間の２回について行われる。つまり、それぞれの間の熱抵抗分が必ず発生するため、半導体チップ１５２の冷却に限界があった。
【０００７】
この発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、半導体チップを効率的に冷却できる半導体冷却装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するため、本発明は、互いに絶縁された複数の電極板と、前記複数の電極板に接して実装された１つもしくは複数の半導体チップとを備える構造体と、前記構造体の一部もしくは全体を取り囲む外壁と、を有し、前記外壁に囲まれた空間に絶縁性を有する流体が満たされていることを特徴とする。
【０００９】
【発明の効果】
本発明に係る半導体冷却装置では、電極板と一体構造化した半導体チップの周辺を、絶縁性を有する流体が流れるため、従来に比べて冷却効率が向上する。その結果、半導体チップの使用範囲が広がるため、半導体チップの小型化が可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体冷却装置の実施の形態について、〔第１の実施形態〕、〔第１の実施形態の変形例〕、〔第２の実施形態〕、〔第３の実施形態〕、〔第４の実施形態〕、〔第５の実施形態〕を、順に図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
〔第１の実施形態〕
図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体冷却装置の断面図である。
【００１２】
同図において、本実施形態の半導体冷却装置は、互いに絶縁された下側電極板２および上側電極板３と、該下側電極板２および上側電極板３に接して実装された半導体チップ１とを備える構造体と、構造体を取り囲む外壁５と、を有して構成され、構造体の一主面が絶縁基板４を介して外壁５に接し、該外壁５に囲まれた空間には絶縁性を有する流体６が満たされる構造となっている。
【００１３】
本実施形態の半導体冷却装置では、半導体チップ１は、対向する下側電極板２と上側電極板３で挟みこむように配置されている。ここで、半導体チップ１と下側電極板２との接合面Ａ並びに半導体チップ１と上側電極板３との接合面Ｂは、それぞれ、例えば半田やろう材を使用したろう付け接続や、圧接接続などによる面実装構造となっている。また、下側電極板２および上側電極板３は、比較的電気伝導度並びに熱伝導度の高い、例えばＡｌやＣｕやＳｉＣ等の合金材料で構成されている。
【００１４】
半導体チップ１を挟み込んだ下側電極板２および上側電極板３、即ち構造体は、例えばセラミクス基板などの絶縁基板４を介して外壁５に接している。また、外壁５は、半導体チップ１を挟み込んだ下側電極板２および上側電極板３（構造体）の周囲を囲むように形成されており、外壁５と半導体チップ１を挟み込んだ下側電極板２及び上側電極板３（構造体）との間にできる空間には、例えば油のような絶縁性を有する流体６で満たされている。そして、図１においては図示していないが、紙面に垂直な方向に流体６は所定の流速で流れている。
【００１５】
次に本実施形態の半導体冷却装置の動作について説明する。例えば、下側電極板２と上側電極板３との間に所定の電圧を印加して、半導体チップ１を介して通電させた場合に、所定の抵抗を有する半導体チップ１は発熱することになる。この半導体チップ１で発生した熱は、該半導体チップ１と所定の面実装接合がなされている下側電極板２および上側電極板３に低い熱抵抗で伝熱する。そして、本実施形態の半導体冷却装置においては、半導体チップ１を挟み込んだ下側電極板２および上側電極板３の周囲を所定の流速で流体６が流れているため、半導体チップ１で発生した熱を流体６が熱交換し放熱する。
【００１６】
つまり、従来の半導体冷却装置（図９参照）においては、半導体チップ１５２で発生した熱を放熱するために、比較的熱抵抗の高い液体と熱伝導体との熱交換のやり取りが、液体１５５とコールドプレート１５４との間、並びに、コールドプレート１５４と流路１５６内を流れる液体との間の２回について行われていたのに対し、本実施形態の半導体冷却装置においては、下側電極板２および上側電極板３と一体構造化した半導体チップ１の周辺を、絶縁性を有する流体６が流れて、比較的熱抵抗の高い液体と熱伝導体との熱交換のやり取りが１回で済むため、従来構造に比べて冷却効率を向上することができる。その結果、半導体チップの使用範囲が広がるため、半導体チップの小型化が可能となる。
【００１７】
なお、本実施形態の半導体冷却装置においては、半導体チップ１を挟み込んだ下側電極板２および上側電極板３を直接流体６の中に配置しているが、絶縁性を有する流体６を用いているので、下側電極板２及び上側電極３が短絡するのを防止することができる。
【００１８】
また、耐湿性に関してもレイアウトの工夫で容易に解決できる。つまり、流体６として使用する液体の比重が１より大きい場合は、混入した水分は流体６より軽く浮きやすいため、図１に示すように上側電極板３と外壁５の間隔を広くすることで対応できる。反対に、流体６として使用する液体の比重が１より小さい場合は、混入した水分は流体６より重く沈みやすいため、下側電極板２と外壁５の間隔を広くすることで対応できる。
【００１９】
また、流体６に気泡（空気）が混入した場合についても問題はない。すなわち、半導体チップ１を所定の接合で下側電極板２および上側電極板３で固定した後に空気にさられたとしても、それら一体となった構造体の外周部に自然酸化による絶縁皮膜が形成されることになるため、かえって短絡の防止が促進されるためである。しかしながら、優れた冷却効率を得るためにはなるべく気泡は混入しない方がよい。
【００２０】
〔第１の実施形態の変形例〕
図１に示した本実施形態の半導体冷却装置においては、一例として、半導体チップ１を挟み込んだ下側電極板２および上側電極板３（構造体）が絶縁基板４を介して外壁５に接する構造を示したが、接していなくてもかまわない。ただし、図１に示した本実施形態の半導体冷却装置のように、半導体チップ１を挟み込んだ下側電極板２および上側電極板３（構造体）のどちらかの主面を、絶縁基板４を介して外壁５に接するように配置することで、例えば、１度の製造プロセスでそれぞれの接触部を半田などで固定することが可能となる。つまり、半導体チップ１と下側電極板２および上側電極板３を備えた構造体を形成する工程と、外壁５内部に固定する工程とを同時に行なうことができ、製造工程を簡略化することができる。
【００２１】
また、図２は、第１の実施形態の変形例の半導体冷却装置の断面図である。図１に示した本実施形態の半導体冷却装置においては、下側電極板２および上側電極板３は単一材料で平板形状をした概略的な構造で示しているが、図２に示すように、下側電極板２と半導体チップ１の間に第二の下側電極板７を、上側電極板３と半導体チップ１の間に第二の上側電極板８を、それぞれ配置するような構造としても良い。
【００２２】
さらに、第二の下側電極板７と半導体チップ１の接合部Ｃや第二の上側電極板８と半導体チップ１の接合部Ｄのように、半導体チップ１の外周部において部分的に接合を形成していない構造をしていても良い。
【００２３】
〔第２の実施形態〕
次に、図３は本発明の第２の実施形態に係る半導体冷却装置の断面図である。本実施形態の半導体冷却装置は、図１に示した第１の実施形態と同様の構造を備えており、第１の実施形態と同等の部材、即ち半導体チップ１、下側電極板２、絶縁基板４、外壁５および絶縁性を有する流体６については、同じ参照符号で示して詳細な説明を省略する。
【００２４】
本実施形態（図３）において、第１の実施形態（図１）と異なる点は、上側電極板３の半導体チップ１と接する面に、突起状或いは流体６の流れる方向と平行な櫛歯状の凹凸が形成されている点である。
【００２５】
本実施形態の半導体冷却装置では、上側電極板３をこのような表面形状にすることにより、半導体チップ１を挟み込んだ下側電極板および上側電極板３の周囲だけでなく、半導体チップ１上の上側電極板３と挟まれた空間も流体６の流路となる。
【００２６】
ここで、半導体チップ１が例えば一般的な電力用途の半導体装置として形成されている場合、半導体チップ１は、その厚みの大部分を占める低抵抗基板上に、厚みが小さく比較的高抵抗なドリフト領域が形成されているのであるが、半導体チップ１の発熱は、主としてその厚みが小さく比較的高抵抗なドリフト領域で発生する。つまり、本実施形態の半導体冷却装置においては、半導体チップ１の主に発熱する面に接するように流体６の流路が確保されているため、第１の実施形態で得られる効果に加えて、さらに半導体チップ１の冷却効率が向上する。
【００２７】
なお、第２の実施形態の変形例として、図３では、上側電極板３の半導体チップ１と接する面に、突起状或いは流体６の流れる方向と平行な櫛歯状の凹凸を形成したが、下側電極板２の半導体チップ１と接する面に、あるいは、下側電極板２の半導体チップ１と接する面および上側電極板３の半導体チップ１と接する面の両方に、それぞれ突起状或いは流体６の流れる方向と平行な櫛歯状の凹凸を形成した構造としても良い。
【００２８】
〔第３の実施形態〕
次に、図４は本発明の第３の実施形態に係る半導体冷却装置の断面図である。本実施形態の半導体冷却装置は、図１に示した第１の実施形態と同様の構造を備えており、第１の実施形態と同等の部材、即ち半導体チップ１、下側電極板２、上側電極板３、絶縁基板４、外壁５および絶縁性を有する流体６については、同じ参照符号で示して詳細な説明を省略する。
【００２９】
本実施形態（図４）において、第１の実施形態（図１）と異なる点は、下側電極板２および上側電極板３で半導体チップ１を挟み込んで構造体を形成した後に、該構造体の周囲全体に絶縁材料３９をコーティングしている点である。ここで、絶縁材料３９には、例えば、初期状態は液体であって塗布後に熱硬化するような材料を用いると製造が容易である。
【００３０】
本実施形態の半導体冷却装置では、このように構造体の周囲を絶縁材料３９でコーティングした構造にすることによって、絶縁性を有する流体６中に、偶発的に導電性があり比較的サイズの大きい部質が混入したとしても、絶縁材料３９によって短絡を防止することができるので、下側電極板２と上側電極板３との間の電極間の絶縁性を容易に保持でき、絶縁信頼性を向上させることができる。
【００３１】
〔第４の実施形態〕
次に、図５は本発明の第４の実施形態に係る半導体冷却装置の断面図である。本実施形態の半導体冷却装置は、図１に示した第１の実施形態と同様の構造を備えており、第１の実施形態と同等の部材、即ち半導体チップ１、下側電極板２、上側電極板３、および絶縁性を有する流体６については、同じ参照符号で示して詳細な説明を省略する。
【００３２】
本実施形態（図５）において、第１の実施形態（図１）と異なる点は、外壁４５を絶縁材料で構成し、該外壁４５と構造体の下側電極板２とが直接接している点である。
【００３３】
本実施形態の半導体冷却装置では、このように外壁４５を絶縁材料で構成し、半導体チップ１、下側電極板２および上側電極板３を備えた構造体を外壁４５に固定する構造とすることで、半導体チップ１、下側電極板２および上側電極板３を備えた構造体を形成する工程と、外壁４５内部に固定する工程とを同時に行なうことができるため、第１の実施形態の半導体冷却装置の効果に加え、製造工程を簡易化することができる。さらに、外壁４５が絶縁性を有しているため、構造体と外壁４５との間に絶縁基板を挟む必要がなくなり、部品点数を削減することができる。
【００３４】
なお、本実施形態の構造は、第１の実施形態だけでなく、第２および第３の実施形態に対しても適用可能である。
【００３５】
〔第５の実施形態〕
次に、図６は本発明の第５の実施形態に係る半導体冷却装置の断面図である。
【００３６】
上述した第１、第２、第３および第４の実施形態では、単体の半導体チップ１を備えた構造を例示して説明を行ったが、本実施形態では、２個の半導体チップを供えた構造について説明する。なお、半導体チップとしては、例えばＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦＥＴ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−ＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、バイポーラトランジスタなどのスイッチ半導体が該当するが、本実施形態においては、スイッチ半導体としてＭＯＳＦＥＴの場合を例示する。
【００３７】
図６において、本実施形態の半導体冷却装置は、互いに絶縁された下側電極板５３、中側電極板５４および上側電極板５５と、下側電極板５３および中側電極板５４に接して実装された第一の半導体チップ５１と、中側電極板５３および上側電極板５５に接して実装された第二の半導体チップ５２とを備える構造体と、構造体を取り囲む外壁６１と、を有して構成され、構造体の一主面が絶縁基板６０を介して外壁６１に接し、該外壁６１に囲まれた空間には絶縁性を有する流体６２が満たされる構造となっている。本実施形態の半導体冷却装置では、第一の半導体チップ５１および第二の半導体チップ５２の上面には共にゲート電極端子とソース電極端子が形成され、下面にはドレイン電極端子が形成されている。第一の半導体チップ５１は、ドレイン電極端子が下側電極板５３とソース電極端子が中側電極板５４と接続するように挟まれている。また、第二の半導体チップ５２は、ドレイン電極端子が中側電極板５４とソース電極端子が上側電極板５５と接続するように挟まれている。
【００３８】
また、中側電極板５４と上側電極板５５には、中側電極板絶縁膜５６と上側電極板絶縁膜５７によってそれぞれ絶縁された中側電極板駆動端子５８と上側電極板駆動端子５９がそれぞれ形成されている。そして、第一の半導体チップ５１のゲート電極端子は中側電極板駆動端子５８と、第二の半導体チップ５２のゲート電極端子は中側電極板駆動端子５９と接続している。
【００３９】
つまり、図６で示した断面構造は、図７に示した回路図に対応する接続をしており、中側電極板５４が上下アームスイッチの出力端子として機能する。
【００４０】
また、図６において、下側電極板５３、中側電極板５４、上側電極板５５、第一の半導体チップ５１および第二の半導体チップ５２を備えた構造体の外周を囲むように、絶縁基板６０を介して外壁６１が形成されており、外壁６１に囲まれた空間には絶縁性を有する流体６２が満たされている。
【００４１】
次に、図８は、本実施形態の半導体冷却装置の斜視図を示す。同図は、図６において左上側から眺めたものである。図８では、外壁６１を破線表示して、各電極板５３，５４，５５および各半導体チップ５１，５２の配置をわかりやすく表示している。
【００４２】
図８において、中側電極板５４の左端部は、外壁６１の内側において、例えば電動機や発電機などの負荷装置の外部接続端子６３と接続している。なお、図８では、外部接続端子６３の形状として差し込み式の場合を示しているが、中側電極板５４と外部接続端子６３との接続方法については特に問わない。また、本実施の形態においては負荷側につながる中側電極板５４が外部接続端子６３と接続する場合を一例として挙げているが、電源側につながる下側電極板５３や上側電極板５５が蓄電池やキャパシタ等の外部接続端子と接続されていても良い。
【００４３】
本実施形態の半導体冷却装置では、このように、電極板が流体に満たされた外壁６１の内側で電動機、発電機、蓄電池、キャパシタもしくは負荷装置の何れかの外部接続端子６３とつながっているため、半導体チップ５１，５２を冷却する装置を他の構造体の冷却装置と共用することが可能となり、さらに、システム全体の冷却装置を小型化することができる。また、外壁６１の外側で接続端子と接続する点数が減るため、流体６２の液漏れ対策を簡易化することができる。
【００４４】
なお、本実施形態においては、一例として上下アームスイッチが１アームの場合について説明しているが、２アームもしくはそれ以上が並列に実装されていても同様の効果を得ることが可能である。
【００４５】
以上、第１の実施形態から第５の実施形態を用いて、本発明の特徴を述べてきたが、本発明の主旨を逸脱しない範囲での変形を含むことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体冷却装置の断面図である。
【図２】第１の実施形態の変形例の半導体冷却装置の断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る半導体冷却装置の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る半導体冷却装置の断面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る半導体冷却装置の断面図である。
【図６】本発明の第５の実施形態に係る半導体冷却装置の断面図である。
【図７】第５の実施形態の半導体冷却装置に対応した回路図である。
【図８】第５の実施形態の半導体冷却装置の斜視図である。
【図９】従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
１半導体チップ
２，５３下側電極板
３，２３，５５上側電極板
４，６０絶縁基板
５，４５，６１外壁
６，６２流体
７第二の下側電極板
８第二の上側電極板
３９絶縁材料
５１第一の半導体チップ
５２第二の半導体チップ
５４中側電極板
５６中側電極板絶縁膜
５７上側電極板絶縁膜
５８中側電極板駆動電極
５９上側電極板駆動電極
６３外部接続端子
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ接合面

Claims

互いに絶縁された複数の電極板と、前記複数の電極板に接して実装された１つもしくは複数の半導体チップとを備える構造体と、
前記構造体の一部もしくは全体を取り囲む外壁と、を有し、
前記外壁に囲まれた空間に絶縁性を有する流体が満たされていることを特徴とする半導体冷却装置。
前記半導体チップと接する前記電極板の表面形状は、突起構造、或いは、前記流体の流れに平行な櫛歯構造をしていることを特徴とする請求項１に記載の半導体冷却装置。
前記構造体の表面は、絶縁材料でコーティングされていることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の半導体冷却装置。
前記構造体の一主面は、絶縁基板を介して前記外壁に接していることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の半導体冷却装置。
前記外壁は絶縁性を有しており、前記構造体の一主面は前記外壁に接していることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の半導体冷却装置。
前記電極板は、前記流体で満たされている外壁の内側で、電動機、発電機、蓄電池、キャパシタもしくは負荷装置の何れかの接続端子と接続されていることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１つに記載の半導体冷却装置。