JP2006303262A - 半導体モジュールの冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体より下方の位置に漏れ液の排出路を設けるために、発熱体の周囲に経路形成のための空間が必要であり、その分装置が大型化する。
【解決手段】半導体モジュール１０の放熱面１４ａに対向する部分に設けられ該半導体モジュールの放熱面の外周部に略対応する形状の縁部２１を有する冷却液の収容部２２と、上記半導体モジュールの放熱面の外周部及び上記縁部の間に該縁部に沿って介装された第１のシール部材２３と、上記縁部から一体的に外側上方に伸びて上記半導体モジュールの外周部を隙間部４０を介して包囲するように形成され、上記第１のシール部材から漏れた冷却液を該隙間部で受容する外周包囲部２４と、上記隙間部及び外部を連通する排出路２５とを備えるようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体チップの高集積化、高密度化、大電力化に伴う発熱密度の増加に対応可能な液体冷却方式による放熱構造を有する半導体モジュールの冷却装置に関するものである。

従来の半導体モジュール、特にパワー半導体モジュールを基板側から冷却液で直接的に冷却するものとして、冷却液空間をシール材を介して半導体基板により封止し、冷却液の漏れが生じた場合には、漏出冷却液排出機構を上記半導体モジュール基板より低い位置に設けた半導体素子用冷却構造体がある（例えば特許文献１参照。）。

特開２００３−３１７４５号公報（第１頁、図１）

上記のように構成された従来の半導体モジュールの冷却装置においては、発熱体より下方の位置に漏れた冷却液の排出のために、半導体モジュールの周囲に排出路を形成するための空間が必要であり、その分装置が大型化するという課題があった。また、半導体モジュールの下部外周側に排出路を形成した場合には、投影面積は減少するものの、半導体モジュールの放熱面積の縮小化を招き、放熱が不十分になるという課題があった。

この発明は、上記のような従来技術の課題を解消するためになされたもので、装置の大型化を招くことなく放熱面積を広く確保でき、しかも冷却液の漏れが生じた場合でも、装置の内部への浸水を防止できる小型で簡素な半導体モジュールの冷却装置を提供することを目的としている。

この発明に係る半導体モジュールの冷却装置は、半導体モジュールの放熱面に対向する部分に配設され該半導体モジュールの放熱面の外周部に沿うように形成された縁部を有する冷却液の収容部と、上記半導体モジュールの放熱面の外周部及び上記縁部の上端部の間に介装された第１のシール部材と、上記縁部から一体的に外側上方に伸びて上記半導体モジュールの外周部を隙間部を介して包囲するように形成され、上記第１のシール部材から漏れた冷却液を該隙間部で受容する外周包囲部と、上記隙間部及び外部を連通する漏れた冷却液の排出路とを備えるように構成したものである。

この発明においては、冷却液の収容部を構成する縁部から一体的に外側上方に伸びて形成された外周包囲部と半導体モジュールの外周部との隙間部で漏れた冷却液を受容するようにしたことにより、簡素な構成で放熱面積を広く取れる一方、冷却装置の投影面積を小さくでき、装置の小型化が可能となり、しかも、隙間部に受入れた冷却液は排出路から外部へ容易に排出できるので、半導体モジュールの上面部を冷却液から保護できる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの冷却装置の要部を概念的に示す断面図である。図において、発熱源となるパワー半導体素子１１はヒートスプレッダ１２に図示しない半田により固着され、さらに絶縁層１３と一体化されている。同時に絶縁層１３は金属板１４にも固着され、これらは一体化されてトランスファーモールドによりモールド材１５を用いて一体成型されて半導体モジュール１０を形成し、金属板１４の図の下面部が放熱面１４ａを形成している。

半導体モジュールの冷却装置２０は、上記半導体モジュール１０の放熱面１４ａに対向する部分に形成され、該放熱面１４ａの外周部に略対応する形状の縁部２１を有する冷却液３０の収容部２２と、上記放熱面１４ａの外周部及び上記縁部２１の上端部２１ａの間に、縁部２１に沿って介装された第１のシール部材２３と、上記縁部２１から一体的に外側上方に伸びて上記半導体モジュール１０の外周部１５ａを隙間部４０を介して包囲するように形成された外周包囲部２４と、この外周包囲部２４の上端部内側に形成された段部２４ａと半導体モジュール１０の外周部１５ａとの間に設けられた隙間部４０の上部を塞ぐ第２のシール部材２６と、上記隙間部４０及び外部を連通する排出路２５によって構成されている。

なお、縁部２１の上端部の一部である突起部２１ｂは、この実施の形態１では、上記半導体モジュール１０の下面部と当接しており、排出路２５はその当接面位置Ａ、即ち、半導体モジュール１０の底面位置よりも上方に設けられている。また、半導体モジュールの冷却装置２０としては、上記のほか、上記収容部２２内に外部から冷却液３０を循環させるための手段、冷却液の熱を外部に放出する放熱手段などを備えているが、これらについては図示を省略している。

また、第１、第２のシール部材２３、２６としては、すでに多くの分野で実用化されている例えばシリコン、アクリル、フッ素樹脂などを主成分とするゴム系材料を用いることができる。特に耐熱性、耐薬品性などの耐久性に優れた材料を選ぶことは望ましい。具体的にはオー（Ｏ）リングあるいはパッキンとして一般に呼称されている既製のシール部材を用いることもできる。また、冷却液３０としては、例えば水、アルコール類など公知の各種氷点降下成分や防錆材などを加えた水溶液などは何れも特別な制限なく用いることができる。また、冷却液３０は、ヒートパイプのように沸騰潜熱を利用するものであってもよい。

次に、上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。半導体モジュール１０は冷却装置２０に対して図示しない締結手段により所定の締付力で締結され、その締付力で第１のシール部材２３が圧縮され、縁部２１の上端部である突起部２１ｂが上記半導体モジュール１０の下面部と当接して気密が確保され、冷却装置２０と一体化される。半導体モジュール１０の金属板１４と、冷却装置２０の縁部２１及び第１のシール部材２３とで密閉容器状の収容部２２が形成され、該収容部２２を含む循環路内に冷却液３０が充填される。半導体モジュール１０の内部のパワー半導体素子１１から発せられる熱は、金属板１４の放熱面１４ａから冷却液３０へ伝達され、冷却液は外部の図示しない放熱器で冷却され、再び収容部２２に循環され、パワー半導体素子１１が冷却される。

長期間の使用で、経年的あるいは機械的な特性変化により第１のシール部材２３のシール機能が低下すると、冷却液３０が該第１のシール部材２３のシール部を通過して外部に漏れ出す可能性がある。この実施の形態１では、万一漏れ出した冷却液３０は、半導体モジュール１０の側面部に形成された隙間部４０に受容され、半導体モジュール１０の底面位置である当接面位置Ａよりも高い位置に設けられた排出路２５から外部に排出される。また隙間部４０の上部に設けられた第２のシール部材２６は、漏れた冷却液が半導体モジュール１０の上面部に達するのを防止し、半導体モジュール１０の上面側に漏れた冷却液が浸水するのを防止する２重の安全対応で設けられたもので、運転中に装置が大きく傾くなどの虞がない場合には省略してもよい。

なお、従来装置では漏れた冷却液の排出路が半導体モジュールの底面位置とほぼ平行な面内に形成されるのに対し、本発明においては、冷却液が漏れ出した場合に、外部へ排出する排出路２５が、半導体モジュールの底面位置より上部側に形成されることにより、装置の床面積を抑制することが可能となる。このことは、装置の床面積を同じとする制約下においては、図に示す熱伝達範囲Ｌをより広げることが可能となるので、発熱源のパワー半導体素子１１の温度をより低く抑制できる。このことは半導体の寿命をより延伸させることにつながり、従って耐久性、信頼性が高められる。

またこの実施の形態１では、二重の封止部材としての第２のシール部材２６を、半導体モジュール１０の外周部１５ａの上端部と外周包囲部２４の上部内周面の間に設けたことにより、この２重シールのために必要な空間を特別に用意する必要がない。これらの構造とすることで、より小型、高耐久性を有し、かつ浸水防止機能を有す半導体モジュールの冷却装置を得ることができる。

上記のように、この実施の形態１によれば、冷却液３０の収容部２２を構成する縁部２１から一体的に外側上方に伸びて形成された外周包囲部２４と半導体モジュールの外周部１５ａとの間の隙間部４０で、漏れた冷却液を受容するようにしたことにより、半導体モジュール１０の放熱面１４ａの放熱面積を広く取れる一方、漏れた冷却液を受容する隙間部４０の面積が小さくできることにより装置を小型化することが可能となり、しかも、隙間部４０に受入れた冷却液は排出路２５から外部へ容易に排出できるので、半導体モジュールの上面部を漏れた冷却液から保護できる。

この発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの冷却装置の要部を概念的に示す断面図である。

符号の説明

１０ 半導体モジュール、 １１ パワー半導体素子、 １２ ヒートスプレッダ、 １３ 絶縁層、 １４ 金属板、 １４ａ 放熱面、 １５ モールド材、 １５ａ 外周部、 ２０ 冷却装置、 ２１ 縁部、 ２１ａ 上端部、 ２１ｂ 突起部、 ２２ 収容部、 ２３ 第１のシール部材、 ２４ 外周包囲部、 ２４ａ 段部、 ２５ 排出路、 ２６ 第２のシール部材、 ３０ 冷却液、 ４０ 隙間部。

Claims (2)

1. 半導体モジュールの放熱面に冷却液を接触させて該半導体モジュールから発生する熱を奪熱するものにおいて、上記半導体モジュールの放熱面に対向する部分に配設され該半導体モジュールの放熱面の外周部に沿うように形成された縁部を有する冷却液の収容部と、上記半導体モジュールの放熱面の外周部及び上記縁部の上端部の間に介装された第１のシール部材と、上記縁部から一体的に外側上方に伸びて上記半導体モジュールの外周部を隙間部を介して包囲するように形成され、上記第１のシール部材から漏れた冷却液を該隙間部で受容する外周包囲部と、上記隙間部で受容した冷却液を上記外周包囲部の外に排出する排出路とを備えたことを特徴とする半導体モジュールの冷却装置。
2. 上記半導体モジュールの外周部の上端部と上記外周包囲部の上部内周面との間に上記半導体モジュールの外周部に沿って介装された第２のシール部材を備えてなることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュールの冷却装置。
   

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