JP2010267812A

JP2010267812A - 半導体装置の冷却装置

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Publication number: JP2010267812A
Application number: JP2009117944A
Authority: JP
Inventors: Hideki Toshima; 秀樹戸嶋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-05-14
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2010-11-25

Abstract

【課題】ミスト状の冷媒を利用して半導体装置を冷却するにあたり、冷媒を効率よく半導体装置に付着せしめて冷却能力の向上を図ることのできる半導体装置の冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却槽１０の一縦面をなす冷却板４１に半導体素子４３が搭載されてなる半導体装置４０を冷却板４１の裏面である冷却槽１０側から冷却する。この冷却槽１０には、多数の微細孔を有する細孔板２０が冷却板４１と平行に設けられているとともに、この細孔板２０の上方には、同細孔板２０の微細孔に冷媒液が浸透する態様にて冷媒液を供給する冷媒液供給機構３０が設けられている。そして、この細孔板２０の微細孔に浸透した冷媒液を、同細孔板２０を挟んで冷却板４１と対向する位置に設けたラジエータファン５０からの送風により離脱せしめてミスト化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱体となる主にパワー半導体素子等を含む半導体装置を冷却対象としてその冷却に使用される半導体装置の冷却装置に関する。

従来、この種の冷却装置としては、例えば特許文献１に記載の冷却装置がある。図４に、この特許文献１に記載の冷却装置についてその概要を示す。
すなわちこの装置では、図４に示すように、基板２に半導体素子（ＬＳＩ）３が搭載された半導体装置を密閉型の冷却槽１内に設置した状態で、この半導体装置に対し、冷却槽１の外部からシャワーノズル４を介してシャワー状の冷媒を噴射するようにしている。これにより、このシャワー状の冷媒がその噴射先に設けられたファン５の翼部に衝突してミスト状の冷媒に変化し、このミスト状の冷媒がファン５の回転に伴い発生した気流によって冷却槽１内を循環するようになる。そして、この循環するミスト状の冷媒が発熱体である上記半導体素子（ＬＳＩ）３に次第に付着することで、この半導体素子（ＬＳＩ）３からの熱が潜熱として奪われるようになる。

特開平３−２２９４４６号公報

このような冷却装置によれば、ミスト状の冷媒が半導体素子に付着することにより、確かにその冷却が図られるようにはなる。しかし、このミスト状の冷媒は、ファン５の回転に伴って生じた冷却槽１内を循環する気流とともに冷却槽１の全体を循環するようになることから、半導体素子への冷媒の誘導はこの気流に依存することとなる。このため、冷却槽１内にミスト状の冷媒が生成されたとしても、半導体素子に付着されない大量のミスト状の冷媒が冷却槽１内を浮遊する状態ともなる。換言すれば、半導体素子に付着する冷媒、すなわち半導体素子の冷却に用いられる冷媒はその一部でしかなく、冷却対象である半導体装置、ひいては半導体素子にミスト状の冷媒を効率よく誘導することは困難となっている。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、ミスト状の冷媒を利用して半導体装置を冷却するにあたり、冷媒を効率よく半導体装置に付着せしめて冷却能力の向上を図ることのできる半導体装置の冷却装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、冷却槽の一縦面をなす冷却板に半導体素子が搭載されてなる半導体装置を前記冷却板の裏面である冷却槽側から冷却する装置であって、前記冷却槽には、多数の微細孔を有する細孔板が前記冷却板と平行に設けられてなるとともに、該細孔板の上方には、同細孔板の微細孔に冷媒液が浸透する態様にて冷媒液を供給する冷媒液供給機構が設けられてなり、この細孔板の微細孔に浸透した冷媒液を、同細孔板を挟んで前記冷却板と対向する位置に設けた送風機からの送風により離脱せしめるようにしたことを要旨とする。

上記構成によるように、半導体素子が搭載されている冷却板と平行に設けられた多数の
微細孔を有する細孔板に対し、冷媒液供給機構によって冷媒液を浸透させる態様で供給するとともに細孔板を挟んで冷却板と対向して配置された送風機から送風することとすれば、この細孔板に浸透された冷媒液が離脱する際、液状の冷媒液がミスト状に変化するようになる。そしてこのミスト状の冷媒液は、送風機からの送風によって冷却対象である半導体装置の裏面に誘導される態様で同裏面に付着するようになり、半導体装置に搭載された半導体素子からの熱が潜熱として奪われるようになる。これにより、ミスト状の冷媒を利用して半導体装置を冷却するにあたり、冷媒を効率よく半導体装置に付着せしめて冷却能力の向上を図ることができるようになる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置の冷却装置において、前記冷却槽の底部は前記冷媒液供給機構から前記細孔板に供給された冷媒液を回収する冷媒液回収部を形成し、この回収された冷媒液が前記冷媒液供給機構に循環供給されることを要旨とする。

上記構成によれば、細孔板に供給された冷媒液のうち、送風機からの送風によって細孔板から離脱されなかった冷媒液が冷媒液回収部に一旦回収されるとともに、この回収された冷媒液、換言すれば半導体装置の冷却に用いられていない冷媒液が冷媒液供給機構に循環供給されることとなる。これにより、冷媒液が上記冷却装置内を循環するため無駄になる冷媒液が無いため必要最小限の冷媒液によって半導体装置を冷却することができるようになるとともに、冷媒液による半導体装置の冷却を効率よく行うことができるようになる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の半導体装置の冷却装置において、前記送風機が送風ファンからなることを要旨とする。
上記構成によるように、送風機として送風ファンを用いることとすれば、細孔板に浸透された冷媒液をミスト状の冷媒として細孔板から離脱させるにあたり、より簡易な構造で上記半導体装置の冷却装置を構成することができるようになる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の半導体装置の冷却装置において、前記半導体装置が車両に搭載されて電力変換を行う装置であり、前記送風ファンが当該車両のラジエータを空冷するラジエータファンであることを要旨とする。

例えば、車両の原動機としてモータ及び内燃機関が搭載されるハイブリッド車両にあっては、上記半導体装置がモータを駆動するために電力変換を行うインバータ装置等に用いられるとともに、内燃機関の冷却水を冷却する冷却システムの一部として上記ラジエータが用いられる。このようなハイブリッド車両にあっては、同構成によるように、上記送風ファンとしてラジエータファンを流用することが特に有効である。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の半導体装置の冷却装置において、前記冷媒液が前記ラジエータ内を流れる冷却水であることを要旨とする。
上記構成によるように、冷媒液として上記ラジエータ内を流れる冷却水を採用することとすれば、当該半導体装置の冷却装置を構成する上で別途に冷媒液を用意する必要もなくなり、より簡易な構成で車両に搭載されている半導体装置の冷却を行うことができるようになる。

本発明にかかる半導体装置の冷却装置について、その一実施の形態の概略構成を示す側面断面図。同実施の形態の冷却装置に用いられる細孔板の構造例を示す部分斜視図。同実施の形態の冷却装置に用いられる細孔板の他の構造例を示す部分斜視図。従来の半導体装置の冷却装置について、その構成例を模式的に示す図。

以下、本発明にかかる半導体装置の冷却装置の一実施の形態について図１及び図２を参照して説明する。なお、本実施の形態では、冷却対象とする半導体装置として、例えばモータ及び内燃機関の２の原動機を持つハイブリッド車両にあって車載バッテリから供給される直流電力を三相交流に変換してモータを駆動するインバータ装置を想定している。

まずは、図１に示すように、この冷却装置は、冷却槽１０を備えており、この冷却槽１０の一縦面に、例えば上記インバータ装置からなる半導体装置４０の底部をなす冷却板４１がその裏面を冷却槽１０の内壁面とするように取付けられている。この冷却板４１には、それぞれ絶縁基板４２を介して、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）等からなる半導体素子４３が複数個設けられており、それら半導体素子４３から発せられる熱が絶縁基板４２を介して冷却板４１に伝達される。すなわち、半導体素子４３と冷却板４１との間での熱交換が行われる。

一方、上記冷却槽１０の内部には、半導体装置４０の上記冷却板４１と平行に、網目状をなす細孔板２０が設けられている。この細孔板２０は、図２にその部分斜視構造を示すように、多数の微細孔２１を有して、その全体が網目状に形成されている。そしてこの細孔板２０の上方には、同細孔板２０に冷媒液を供給する冷媒液供給機構３０が設けられている。この冷媒液供給機構３０は、上記細孔板２０の幅方向（図２に示す矢印Ｗの方向）に沿って設けられており、循環流路３１、３２を循環する冷媒液を細孔板２０に供給、すなわち垂れ流すことによって、同細孔板２０に形成されている上記微細孔２１に冷媒液を浸透せしめる機構である。ちなみに、細孔板２０が収容されている冷却槽１０は、その底部が細孔板２０に供給されて垂れ落ちた冷媒液を回収する冷媒液回収部１１となっており、この冷媒液回収部１１に回収された冷媒液がポンプＰの駆動に基づいて上記循環流路３１、３２中を循環する。

一方、上記冷却槽１０は、その一縦面として上記半導体装置４０の冷却板４１が設けられた面と対向する面が例えばパンチングメタル、あるいは枠部分のみからなる通風面１２となっている。そして本実施の形態においては、ハイブリッド車両に搭載されている内燃機関の冷却系を構成するラジエータのラジエータファンを利用して、この通風面１２から冷却槽１０の内部の風を取り込む。しかも本実施の形態においては、上記冷媒液としても、このラジエータ内を流れる冷却水を利用することとしている。

このように構成される冷却装置では、内燃機関、並びにポンプＰの稼働に伴って上記循環流路３１、３２を冷媒液が循環するとともに、ラジエータファン５０が作動すると、以下のような手順、並びに態様をもって半導体装置４０に対する冷却が行われるようになる。
（イ）ラジエータ内で冷却された冷媒液（冷却液）が上記冷媒液供給機構３０を介して細孔板２０に供給される。
（ロ）こうして細孔板２０に供給された冷媒液は、上記微細孔２１（図２）に吸着保持されつつ、次第に浸透するとともに、その余剰分が冷却槽１０の冷媒液回収部１１に回収される。
（ハ）細孔板２０に浸透、保持された冷媒液は、同細孔板２０を挟んで上記冷却板４１と対向する方向から取り込まれるラジエータファン５０からの送風により離脱されてミスト状となり、このミスト状となった冷媒液が同じくラジエータファン５０からの送風によって冷却板４１に誘導され、付着する。
（ニ）このようにして冷却板４１にミスト状の冷媒液が付着すると、半導体素子４３との
間で熱交換が行われている冷却板４１の熱が潜熱として奪われ、結果として冷却板４１、ひいては半導体素子４３が冷却される。
（ホ）一方、細孔板２０に供給された冷媒液のうち、細孔板２０に浸透されずに冷媒液回収部１１に回収された冷媒液は、循環流路３１、３２を介して冷却系内を再循環される。

以上説明したように、本実施の形態にかかる半導体装置の冷却装置によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）半導体素子４３が搭載されている冷却板４１と平行に設けられた網目状をなす細孔板２０に対し、冷媒液供給機構３０から冷媒液を供給してこの冷媒液を細孔板２０に浸透させるとともに、細孔板２０を挟んで冷却板４１と対向して配置されたラジエータファン５０から細孔板２０に向けて送風することとした。これにより、細孔板２０に浸透していた冷媒液がミスト状になるとともに、このミスト状となった冷媒液が高い効率で冷却板４１に付着するようになる。すなわち、半導体素子４３の熱が冷却板４１を介して潜熱として奪われる効率も高められ、半導体装置４０を冷却する装置として、その冷却能力の大幅な向上が図られるようになる。

（２）細孔板２０に供給された冷媒液のうち細孔板２０に浸透されなかった余剰の冷媒液は、冷却槽１０の底部に設けられた冷媒液回収部１１に回収されるようにした。また、この冷媒液回収部１１に回収された冷媒液は循環流路３１、３２を介して循環利用されるようにした。これにより、必要最小限の冷媒液によって、例えばインバータ装置を構成する半導体装置４０を効率よく冷却することができるようになる。

（３）細孔板２０に浸透された冷媒液を離脱させる送風ファンとして、例えばハイブリッド車両のラジエータを空冷するラジエータファン５０を利用することとした。これにより、別途に送風ファンを設けることなく、より簡易な構成によって例えば同車両のインバータ装置を構成する半導体装置の冷却を行うことができるようになる。

（４）しかもここでは、上記冷媒液としても、ラジエータ内を流れる機関冷却水を利用することとした。これにより、特にハイブリッド車両にあっては、内燃機関の冷却系とインバータ装置等の半導体装置の冷却系とを共有することが可能となり、その構成の簡略化を図ることも可能となる。

なお、上記実施の形態は、以下のような形態をもって実施することもできる。
・上記細孔板２０としては、図２に例示した態様で網目状をなすものを用いることとしたが、これに限らず、例えば図３に示す態様で多数の微細孔２１が形成された細孔板２０を用いるようにしてもよい。

・細孔板２０に対する冷媒液の浸透能率が高い場合には、冷却槽１０に対する冷媒液回収部１１の形成、並びに循環流路を省略するようにしてもよい。
・細孔板２０に送風する送風ファンとして、例えばハイブリッド車両のラジエータを空冷するラジエータファン５０を利用することとした。これに限らず、当該冷却装置に専用の送風ファンを設けるようにしてもよい。また、冷媒液にしても、ラジエータ内を流れる冷却水に限らず、当該冷却装置に専用の冷媒液を用いるようにしてもよい。そして、これら専用の送風ファンや冷媒液を用いる場合には、ハイブリッド車両等に限らない、より広範な環境で当該冷却装置を用いることが可能ともなる。

・加えて、上記送風ファンに代えて、例えばエアコンプレッサー等による送風を行うようにしてもよい。要は、上述したミスト化の可能な何らかの送風機であればよい。

１０…冷却槽、１１…冷媒液回収部、１２…通風面、２０…細孔板、２１…微細孔、３０…冷媒液供給機構、３１、３２…循環流路、４０…半導体装置、４１…冷却板、４２…絶縁基板、４３…半導体素子、５０…ラジエータファン、Ｍ…ミスト状となった冷媒液、Ｐ…ポンプ。

Claims

冷却槽の一縦面をなす冷却板に半導体素子が搭載されてなる半導体装置を前記冷却板の裏面である冷却槽側から冷却する装置であって、
前記冷却槽には、多数の微細孔を有する細孔板が前記冷却板と平行に設けられてなるとともに、該細孔板の上方には、同細孔板の微細孔に冷媒液が浸透する態様にて冷媒液を供給する冷媒液供給機構が設けられてなり、この細孔板の微細孔に浸透した冷媒液を、同細孔板を挟んで前記冷却板と対向する位置に設けた送風機からの送風により離脱せしめるようにした
ことを特徴とする半導体装置の冷却装置。
前記冷却槽の底部は前記冷媒液供給機構から前記細孔板に供給された冷媒液を回収する冷媒液回収部を形成し、この回収された冷媒液が前記冷媒液供給機構に循環供給される
請求項１に記載の半導体装置の冷却装置。
前記送風機が送風ファンからなる
請求項１または２に記載の半導体装置の冷却装置。
前記半導体装置が車両に搭載されて電力変換を行う装置であり、前記送風ファンが当該車両のラジエータを空冷するラジエータファンである
請求項３に記載の半導体装置の冷却装置。
前記冷媒液が前記ラジエータ内を流れる冷却水である
請求項４に記載の半導体装置の冷却装置。