JP2005045027A - 半導体素子の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子を効率よく冷却する冷却装置を提供する。
【解決手段】複数の噴出管２５が、半導体素子１２の直下に立設されている。また、各噴出管２５を管路方向に囲う筒状の放熱フィン２６が、ケース４１上板下面から下方に設けられている。各噴出管２５から噴出された冷却液は、半導体素子１２直下の上板下面に勢いよく噴き付けられ、その後、噴出管２５と放熱フィン２６の隙間に回り込み、放熱フィン２６を伝って下方向へ流れおちる。上板下面及び放熱フィン２６において、冷却水の流れは速く、高い熱伝達率で半導体素子からの熱を吸収することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱する半導体素子を冷却液を循環させて冷却する半導体素子の冷却装置に関する。

近年、半導体素子のチップサイズが小型化されており、発熱密度が増大している。これに伴い、半導体素子の冷却技術において冷却性能の向上が必要となっている。発熱する半導体素子を冷却する技術として、特開平２−１００３４８号公報、特開平４−２０６５５６号公報、特開平２−７３６５７号公報、特開平９−２１３８４９号公報、特開平９−５５４５７号公報に示されるものがある。

特開平２−１００３４８号公報 特開平４−２０６５５６号公報 特開平２−７３６５７号公報 特開平９−２１３８４９号公報 特開平９−５５４５７号公報

以上に挙げた文献では、冷却液を用いて半導体素子を冷却する技術が示されているが、いずれも課題を有している。例えば、特開平２−１００３４８号公報に記載される技術では、ノズルから冷却板のざぐり穴に冷却液を噴き付けて冷却するものの、冷却液を下方向に噴出する構成であり、噴き付け面に突起を有する構成であるため、冷却液の流れが遅く、熱伝達の向上効果が少ない。また、多数のノズルを密集して設けるには、ざぐり穴は適していない。

本発明は、半導体素子を効率よく冷却する、新たな構造の半導体素子の冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体素子の冷却装置は、水平配置された板状部材の上面に配置された半導体素子と、前記板状部材を挟んで前記半導体素子の直下に立設された柱状の噴出管であって、前記板状部材の下面に対向した噴出口を上端に有し、前記噴出口から前記板状部材の下面に向けて冷却液を噴出する噴出管と、前記半導体素子に近接した前記板状部材の下面から下方に突出した放熱フィンであって、前記噴出管を管路方向に沿って囲う筒状の放熱フィンと、を備えるものである。冷媒は板状部材下面まで充満していても、板状部材下面直下に気体層（一般に空気層）がある構成としてもよい。この構成によれば、噴出管から噴出された冷却液は、半導体素子直下の板状部材の下面に勢いよく噴き付けられ、冷媒が充満している場合は噴流が板状部材下面で反転した後、放熱フィン表面を勢いよく流れ下る。空気層がある場合は、その後、噴出管と放熱フィンの隙間に回り込み、放熱フィンを伝って流れ落ちる。板状部材の下面及び放熱フィンにおいて、冷却水の流れは速く、高い熱伝達率で半導体素子からの熱を吸収することができる。

ここで、前記板状部材の上面に複数の前記半導体素子が配置される場合には、前記噴出管及び前記放熱フィンは、各半導体素子ごとに設けられていることが好ましい。さらに、半導体素子を密集して配置する場合には、前記放熱フィンを、密集した多数の六角柱状の領域を形成するハニカム形状の放熱フィンとして、前記六角柱状の各領域内に、前記複数の噴出管を一つずつ配置することが好ましい。

また、前記放熱フィンは、前記噴出管の周囲に互いに間隙をもって積層配置され、前記噴出管を階層的に囲う筒状の複数のフィンであり、前記各フィンの側面には、前記フィン間の間隙を連通する冷却液の通路が、隣接するフィンの通路と位置をずらして形成されることが好ましい。この構成によれば、冷却液が積層された放熱フィンの間隙を通過することで、積層された放熱フィンを介して効率よく冷却を行うことができる。なお、前記複数の隔壁間の間隙は、前記半導体素子からの熱流束に応じた距離の間隙とすることが好ましい。

また、本発明に係る半導体素子の冷却装置は、水平配置された板状部材の上面に配置された半導体素子と、前記板状部材を挟んで前記半導体素子の直下に立設された柱状の噴出管と、前記半導体素子に近接した前記板状部材の下面から下方に突出した放熱フィンであって、前記噴出管の側方に延設された放熱フィンと、を備えた半導体素子の冷却装置であって、前記各噴出管は、前記半導体素子直下の板状部材の下面に対向して設けられた噴出口と、前記放熱フィンに対向して設けられた噴出口と、を有するものである。この構成によれば、冷却液が半導体素子直下の板状部材の下面及び放熱フィンに噴き付けられることで、効率よく冷却が行われる。

また、本発明に係る半導体素子の冷却装置は、板状部材の一方面に配置された半導体素子と、前記板状部材の他方面に形成され、板面に沿って冷却液を通過させる冷却液の流路と、を備えた半導体素子の冷却装置であって、前記半導体素子に近接した前記板状部材の流路側には、前記冷却液の流路に突出する凸部が形成され、流路断面積が絞られたものである。この構成では、板状部材の流路側は冷却液で充満されている。この構成によれば、流路の絞られた位置において冷却水の流速が速くなり、また凸部により伝熱面積が大きくなる。よって、効率よく冷却が行われる。なお、前記凸部の突出面は、前記通路の幅と同程度又はそれ以上の半径の円弧形状であることが好ましい。

なお、冷却液は一般的には水であるが、冷却に適した液体であればこれに限らず用いることができる。

以下に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

第一の実施形態．
図１は、第一の実施形態に係る半導体モジュール１０の冷却装置２０を示す断面図である。図１（ａ）は、半導体モジュール１０及び冷却装置２０の縦断面図であり、図１（ｂ）は、冷却装置２０を図１（ａ）のＡ−Ａ面において切断した水平断面図である。また、図１（ａ）は、図１（ｂ）のＢ−Ｂ面において切断した断面図となっている。

半導体モジュール１０は、水平に配置された基板１４上に、複数の半導体素子１２を所定間隔ごとに設置して構成されている。この半導体素子１２としては様々なものがあるが、本実施形態では電気自動車又はハイブリッド自動車のインバータに用いられる電力変換用の半導体素子（ＩＧＢＴ）である。

半導体モジュール１０の下には、冷却装置２０が密接して設けられている。この冷却装置２０では、冷却装置２０の外郭を形成するケース２１の側面に、冷却液の取込口２２が固定されており、冷却水が流れる外部の管路に接続される。半導体モジュール１０を冷却するための冷却水が、外部の管路から取込口２２を介して冷却装置２０内の取込側流路２３に取り込まれる。このとき、外部に配置されたポンプにより、取込側流路２３には強制的に冷却水が取り込まれる。ケース２１の内部は、仕切り板２４により、下側の取込側流路２３と上側の排出側流路２７の二つの領域に分けられる。

仕切り板２４には、各半導体素子１２の直下の位置に、複数の柱状の噴出管２５が立設されている。この噴出管２５の下端は仕切り板２４に固定され、上端はケース２１上板に近接した位置に達している。取込側流路２３の冷却水は、各噴出管２５の下端にある開口から管路に入り、ケース２１上板下面に対向した位置にある噴出口から噴出され、各半導体素子１２直下のケース２１上板下面に噴き付けられる。各半導体素子１２に近接した位置にあるケース２１上板下面からは、アルミなど熱伝導率のよい素材で形成された薄板状の放熱フィン２６が、排出側流路２７に突出している。放熱フィン２６は各噴出管２５ごとに設けられ、各噴出管２５を管路方向に沿って各噴出管２５の中央付近まで囲う筒状の隔壁として形成されている。

本実施形態の特徴事項は、上記の噴出管２５及び放熱フィン２６である。すなわち、噴出管２５及び放熱フィン２６が上記のように構成されたことにより、噴出管２５から噴出された冷却液は、半導体素子１２直下のケース２１上板下面に勢いよく噴き付けられ、その後、噴出管２５と放熱フィン２６の隙間に回り込み、放熱フィン２６を伝って流れ落ちる。ケース２１上板下面及び放熱フィン２６において、冷却水の流れは速く、高い熱伝達率で半導体素子からの熱を吸収することができる。また、本実施形態では、基板１４の上面に複数の半導体素子１２が配置されており、これに対応して、噴出管２５及び放熱フィン２６が各半導体素子１２ごとに設けられている。これにより、各噴出管２５から噴出した冷却水は各噴出管２５ごとに隔離され、互いに干渉することなくスムーズに下方向へ流れおちる。

また、本実施形態では、放熱フィン２６は、図２の斜視図に示されるような、密接した多数の六角柱状の領域を形成するハニカム形状の放熱フィン２６であり、六角柱状の各領域内に噴出管２５が一つずつ配置されている。ハニカム形状の放熱フィン２６とすることにより、多数の噴出管２５を密集して配置することができる。また、放熱フィン２６の熱伝達に有効な面積を広くすることができる。

第二の実施形態．
次に、図３及び図４を参照して、本発明の第二の実施形態に係る半導体モジュール１０の冷却装置３０について説明する。図３は、第二の実施形態に係る半導体モジュール１０の冷却装置３０を示す断面図である。第一の実施形態と同じく、図３（ａ）が縦断面図であり、図３（ｂ）が水平断面図である。

第二の実施形態において、半導体モジュール１０、ケース３１、取込口３２、仕切り板３４、噴出管３５及び排出口３８は第一の実施形態と同じであり、放熱フィン３６が第一の実施形態と異なる。放熱フィン３６は、噴出管３５を中心として径方向に積層配置された円筒形状の複数のフィンであり、仕切り板３４からケース３１上板まで立設され、噴出管３５周囲の領域を覆っている。

図４は、放熱フィン３６の水平断面を拡大して示す断面図である。噴出管３５の周囲には、複数の円筒形状のフィン３６Ａ〜Ｃが間隙をもって積層配置されている。各フィン３６Ａ〜Ｃの壁面には、仕切り板３４からケース３１上面に渡って所定角度ごとに複数のスリットが形成されている。これらのスリットは、フィン３６Ａ〜Ｃごとに、互いに周方向の位置をずらして形成されている。これらのスリットにより、フィン３６Ａ〜Ｃ間の間隙が連通される。

図４において冷却水の流れを矢印で示す。噴出管３５から噴出された冷却水が内側のフィン３６Ａを伝って流れ落ちるとき、その一部がスリットを通過してフィン３６Ａ，３６Ｂ間の間隙に流出し、その間隙をフィン３６Ａ，３６Ｂを伝って流れ落ちる。さらに、冷却水は間隙を流れ落ちつつ、その一部が外側のフィン３６Ｂ，３６Ｃ間の間隙に流出し、フィン３６Ｂ，３６Ｃを伝って流れ落ち、最終的には外側のフィン３６Ｃのスリットから排出側流路３７に流出する。

本実施形態の特徴事項は、上記のように階層的に噴出管３５を囲う放熱フィン３６Ａ〜Ｃである。半導体モジュール１０からの熱は各フィン３６Ａ〜３６Ｃに伝わり、フィン３６Ａ〜３６Ｃ間を流れる冷却水により効率よく冷却が行われる。なお、本実施形態では、積層されたフィン３６Ａ〜３６Ｃは円筒形状の部材としたが、中空の断面を有する管状の部材を積層したものであれば同様に効率のよい冷却を行うことができる。また、フィン３６Ａ〜３６Ｃのスリットは、徐々に冷却水を外側に流出させるものであれば、他の形状の通路としてもよい。

また、上記の積層配置された放熱フィン３６Ａ〜３６Ｃは、半導体素子１２からの熱流束の密度に応じてその間隙を決定してもよい。例えば、半導体素子１２の直下は熱流束が大きいため、フィン３６Ａ〜３６Ｃの間隙を小さくし、半導体素子１２から離れた熱流束の小さい位置ではフィン３６Ａ〜３６Ｃの間隙を大きくすればよい。このように熱流束の密度に応じてフィン３６Ａ〜３６Ｃの間隙を決定することにより、各フィン３６Ａ〜Ｃに対して必要なだけ冷却を行うことができる。

第三の実施形態．
次に、図５及び図６を参照して、本発明の第三の実施形態に係る半導体モジュール１０の冷却装置４０について説明する。図５は、第三の実施形態に係る半導体モジュール１０の冷却装置４０を示す断面図である。第一の実施形態と同じく、図５（ａ）が縦断面図であり、図５（ｂ）が水平断面図である。

第三の実施形態において、半導体モジュール１０、ケース４１、取込口４２、仕切り板４４及び排出口４８は第一の実施形態と同じであり、噴出管４５及び放熱フィン４６が第一の実施形態と異なる。第三の実施形態では、噴出管４５は、中空板状の複数の突出部材であり、半導体素子の直下に、互いに平行に積層配置されている。また、放熱フィン４６は板状の部材であり、隣接した２つの噴出管４５の間にそれぞれ一つずつ配置されている。

図６は、噴出管４５の上端を拡大した断面図である。噴出管４５の上端はケース４１上板下面及び放熱フィン４６に近接して配置されており、噴出管４５の上端上部にはケース４１上板下面に対向した噴出口４９Ａが一つ設けられ、噴出管４５の上端側部には両側面方向の放熱フィン４６に対向した二つの噴出口４９Ｂ，Ｃが設けられている。これらの噴出口４９Ａ〜Ｃは円形状の穴であり、その直径は噴出管４５の流路幅より細く絞られている。よって、各噴出口４９Ａ〜４９Ｃからは冷却水が勢いよくケース４１上面及び放熱フィン４６に噴き付けられ、その後放熱フィン４６を伝って下方向へ流れおちる。

本実施形態の特徴事項は、上記のように構成された噴出管４５及び放熱フィン４６である。すなわち、噴出口４９Ａ〜Ｃがケース４１上板下面及び放熱フィン４６に対向し、冷却液がケース４１上板下面及び放熱フィン４６に噴き付けられることで、噴流による高い熱伝達率を得ることができる。なお、上記の特徴を有するものであれば、本実施形態に限らず他の構成としてもよい。例えば、噴出管４５及び放熱フィン４６を第一、第二の実施形態と同じ構成としてもよい。

第四の実施形態．
次に、図７を参照して、本発明の第四の実施形態に係る半導体モジュール１０の冷却装置５０について説明する。図７は、第四の実施形態に係る半導体モジュール１０の冷却装置５０を示す断面図である。第一の実施形態と同じく、図７（ａ）が縦断面図であり、図７（ｂ）が水平断面図である。

第四の実施形態では、ケース５１内部には複数の仕切り板５４がその板面を垂直にして配置されており、これらの仕切り板５４によりケース５１内に蛇行した流路が形成されている。流路の途中には、複数の薄板状の放熱フィン５６が冷却水の流れ方向に沿って配置されている。特に、半導体素子１２の直下付近では、放熱フィン５６が多く設けられている。

半導体素子１２直下の位置で、ケース５１上板下面には冷却液流路に突出した凸部５３が設けられている。この凸部５３により流路断面積が小さくなり、流路に絞り５５が形成され、絞り５５における冷却液の流速が大きくなる。これにより半導体素子１２の直下においてケース５１上板から冷却液への熱伝達率が大きくなり、良好に冷却が行われる。また、凸部５３により、半導体素子１２からの熱は大きな表面積で冷却液に伝達されるため効率がよい。また、凸部５３は半導体素子１２の直下にのみ配置されているため、冷却液の流れの圧損は低く抑えられている。

また、この凸部５３は表面が略円弧形状であり、その略円弧形状の曲率半径は流路高さと同程度又はそれ以上の大きさである。このような形状であることにより、冷却液はスムーズに絞り５５を通過することができる。なお、凸部５３はケース５１下板に設けることもできるが、ケース５１上板に設けたほうが凸部５３による熱の広がりの効果による性能向上効果が大きくなる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、等価な範囲で様々な変形が可能である。

第一の実施形態に係る半導体モジュールの冷却装置を示す断面図である。 冷却装置に配置されるハニカム形状のフィンを示す斜視図である。 第二の実施形態に係る半導体モジュールの冷却装置を示す断面図である。 複数の層からなるフィンの周囲における冷却媒体の流れを説明するための説明図である。 第三の実施形態に係る半導体モジュールの冷却装置を示す断面図である。 第三の実施形態に係る半導体モジュールの冷却装置を示す断面図である。 第四の実施形態に係る半導体モジュールの冷却装置を示す断面図である。

符号の説明

１０ 半導体モジュール、１２ 半導体素子、１４ 基板、２０ 冷却装置、２１ ケース、２２ 取込口、２３ 流入側通路、２４ 仕切り板、２５ 噴出管、２６ 放熱フィン、２７ 流出側通路、２８ 排出口。

Claims (8)

1. 水平配置された板状部材の上面に配置された半導体素子と、
   前記板状部材を挟んで前記半導体素子の直下に立設された柱状の噴出管であって、前記板状部材の下面に対向した噴出口を上端に有し、前記噴出口から前記板状部材の下面に向けて冷却液を噴出する噴出管と、
   前記半導体素子に近接した前記板状部材の下面から下方に突出した放熱フィンであって、前記噴出管を管路方向に沿って囲う筒状の放熱フィンと、
   を備えることを特徴とする半導体素子の冷却装置。
2. 請求項１に記載の半導体素子の冷却装置であって、
   前記板状部材の上面に複数の前記半導体素子が配置されており、
   前記噴出管及び前記放熱フィンは、各半導体素子ごとに設けられていることを特徴とする半導体素子の冷却装置。
3. 請求項２に記載の半導体素子の冷却装置であって、
   前記放熱フィンは、密集した多数の六角柱状の領域を形成するハニカム形状の放熱フィンであり、
   前記六角柱状の各領域内に、前記複数の噴出管が一つずつ配置されたことを特徴とする半導体素子の冷却装置。
4. 請求項１に記載の半導体素子の冷却装置であって、
   前記放熱フィンは、前記噴出管の周囲に互いに間隙をもって積層配置され、前記噴出管を階層的に囲う筒状の複数のフィンであり、
   前記各フィンの側面には、前記フィン間の間隙を連通する冷却液の通路が、隣接するフィンの通路と位置をずらして形成されたことを特徴とする半導体素子の冷却装置。
5. 請求項４に記載の半導体素子の冷却装置であって、
   前記フィン間の間隙は、前記半導体素子からの熱流束に応じた距離の間隙であることを特徴とする半導体素子の冷却装置。
6. 水平配置された板状部材の上面に配置された半導体素子と、
   前記板状部材を挟んで前記半導体素子の直下に立設された柱状の噴出管と、
   前記半導体素子に近接した前記板状部材の下面から下方に突出した放熱フィンであって、前記噴出管の側方に延設された放熱フィンと、
   を備えた半導体素子の冷却装置であって、
   前記各噴出管は、前記半導体素子直下の板状部材の下面に対向して設けられた噴出口と、前記放熱フィンに対向して設けられた噴出口と、を有することを特徴とする半導体素子の冷却装置。
7. 板状部材の一方面に配置された半導体素子と、
   前記板状部材の他方面に形成され、板面に沿って冷却液を通過させる冷却液の通路と、
   を備えた半導体素子の冷却装置であって、
   前記半導体素子に近接した前記板状部材の通路側には、前記冷却液の通路に突出する凸部が形成され、通路断面積が絞られたことを特徴とする半導体素子の冷却装置。
8. 請求項７に記載の半導体素子の冷却装置であって、
   前記凸部の突出面は、前記通路の幅と同程度又はそれ以上の半径の円弧形状であることを特徴とする半導体素子の冷却装置。
   

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