JP2010278108A - 半導体素子の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた冷却効率が実現される半導体素子の冷却構造、を提供する。
【解決手段】半導体素子の冷却構造は、半導体素子２６と、複数の伝熱拡散部３１と、放熱用フィン４１と、冷却用ファン５１とを備える。複数の伝熱拡散部３１は、半導体素子２６を両側から挟持するように積層して配置される。伝熱拡散部３１は、その積層方向に直交する方向に延在し、その延在する先に接合部３２を有する。放熱用フィン４１は、接合部３２に接合される。放熱用フィン４１は、半導体素子２６で発生し、伝熱拡散部３１を通じて伝わった熱を放熱する。冷却用ファン５１は、放熱用フィン４１に向けて冷却風を供給する。伝熱拡散部３１は、積層方向における熱伝達率よりも延在方向における熱伝達率の方が大きくなる熱伝導率異方性部材から形成される。
【選択図】図３

Description

この発明は、一般的には、半導体素子の冷却構造に関し、より特定的には、車両に搭載されたインバータに適用される半導体素子の冷却構造に関する。

従来の半導体素子の冷却構造に関して、たとえば、特開２００８−４２０７４号公報には、装置が大型化することを防止するための半導体装置が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された半導体装置は、第１半導体素子および第２半導体素子と、第１電力基板を介して第１半導体素子に対して積層された第１放熱器と、第２電力基板を介して第２半導体素子に対して積層された第２放熱器とを有する。

また、特開平４−７８６０号公報には、部品点数を少なくして組み立てることが可能であり、小型軽量化も可能な半導体スタックが開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された半導体スタックは、ヒートパイプの一端部に受熱部ブロックが埋め込まれ、ヒートパイプの他端部に放熱フィンが取り付けられたヒートパイプ式放熱器を備える。このような構成を備える複数個のヒートパイプ式放熱器と、複数個の半導体素子とが、サンドイッチ構造となるように積層される。

また、特開平１１−９７５９５号公報には、小型化、冷却性能の向上を図ることを目的とした半導体冷却装置が開示されている（特許文献３）。特許文献３に開示された半導体冷却装置においては、半導体素子と、ヒートパイプ式冷却器の受熱ブロックとが、交互に配置され、板バネのバネ力によって互いに圧接して積層されている。

また、特開２００６−１４１０９６号公報には、電力回路とともに制御回路も十分に冷却し、かつ小型化することを目的とした半導体装置が開示されている（特許文献４）。特許文献４に開示された半導体装置においては、半導体素子部および冷却器からなる積層体の最上面に、熱伝導部材が接続されている。熱伝導部材は、熱伝導率の大きいグラファイトシートから構成されている。

また、特開２００８−１７７２７５号公報には、筐体強度の確保や筐体の薄型化を実現すると同時に、端末の薄型化、小型化、軽量化、低価格化への要求を満たしつつ、効率的な放熱および熱伝導を実現することを目的とした放熱構造体が開示されている（特許文献５）。特許文献５に開示された放熱構造体としての放熱シートは、グラファイト材シートと、銅材シートと、プラスチックシートとが、密着した層構造を有する。グラファイト材シートは、厚み方向に対して略直角となる方向への伝熱性（熱伝導性）が非常に高い特性を有する。

特開２００８−４２０７４号公報 特開平４−７８６０号公報 特開平１１−９７５９５号公報 特開２００６−１４１０９６号公報 特開２００８−１７７２７５号公報

上述の特許文献１に開示されるように、インバータ回路などに使用される半導体素子の作動には、非常に大きい発熱を伴うため、各種の冷却構造が採用されている。このような構成において、採用される冷却構造によっては、十分な冷却効率が得られなかったり、構造の複雑化や部品点数の増加などを招いたりするおそれがある。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、簡易な構成により、優れた冷却効率が実現される半導体素子の冷却構造を提供することである。

この発明に従った半導体素子の冷却構造は、半導体素子と、複数の伝熱拡散部と、フィンと、送風器とを備える。複数の伝熱拡散部は、半導体素子を両側から挟持するように積層して配置される。伝熱拡散部は、その積層方向に直交する方向に延在し、その延在する先に接合部を有する。フィンは、接合部に接合される。フィンは、半導体素子で発生し、伝熱拡散部を通じて伝わった熱を放熱する。送風器は、フィンに向けて冷却風を供給する。伝熱拡散部は、積層方向における熱伝達率よりも延在方向における熱伝達率の方が大きくなる熱伝導率異方性部材から形成される。

このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、半導体素子で発生した熱を、積層方向よりも延在方向においてより大きい熱伝導率を有する伝熱拡散部を通じて、フィンに効率よく伝える。さらに、フィンに伝わった熱は、送風器による冷却風の供給を受けて放熱される。このように、伝熱拡散部による伝熱構造と、フィンおよび送風器による放熱構造とを備える簡易な構成により、優れた冷却効率を実現することができる。

また好ましくは、熱伝導率異方性部材は、自励式ヒートパイプまたは配向性グラファイトからなる。

このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、積層方向よりも延在方向においてより大きい熱伝導率を有する伝熱拡散部を、自励式ヒートパイプまたは配向性グラファイトを用いて構成することができる。

また好ましくは、伝熱拡散部は、接合部に向けて、伝熱拡散部の積層方向に直交する平面内において２次元的に広がって形成されている。

このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、半導体素子で発生した熱が２次元的に広がって拡散するため、半導体素子から接合部に向けて熱を効率よく伝えることができる。また、接合部に接合されるフィンを接合部が広がる２次元方向に配置することが可能となるため、フィンと空気との接触面積を増大させることができる。このため、半導体素子の冷却効率をさらに向上させることができる。

また好ましくは、伝熱拡散部は、伝熱拡散部の積層方向から見て、矩形形状、扇形状または円形状を有する。このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、半導体素子の冷却効率をさらに向上させることができる。

また好ましくは、半導体モジュールと伝熱拡散部とが、伝熱拡散部の積層方向に沿って交互に配置される。

このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、隣り合って配置される半導体素子間に必ず伝熱拡散部が配置されるため、半導体素子から発生した熱同士が干渉することを防止できる。これにより、半導体素子の冷却効率をさらに向上させることができる。

また好ましくは、半導体素子の冷却構造は、個別に樹脂モールドされた複数の半導体素子を備える。伝熱拡散部は、隣り合って配置される半導体素子に対して圧接して設けられる。このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、樹脂モールドされた半導体素子を個々に分解可能となるため、装置のメンテナンス性を向上させることができる。

また好ましくは、送風器からの送風により、フィンに対して、伝熱拡散部の積層方向において均一な流量で冷却風が供給される。このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、半導体素子間で冷却効率にばらつきが生じることを抑制できる。

以上に説明したように、この発明に従えば、簡易な構成により、優れた冷却効率が実現される半導体素子の冷却構造を提供することができる。

ハイブリッド自動車の駆動ユニットを模式的に表わす図である。 図１中のＰＣＵの構成を示す電気回路図である。 図２中のインバータに適用される半導体素子の冷却構造を示す断面図である。 図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿った半導体素子の冷却構造を示す上面図である。 図３中の２点鎖線Ｖに囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。 図３中の伝熱拡散部およびフィンを示す断面図である。 図６中のＶＩＩ−ＶＩＩ線上に沿った伝熱拡散部を示す断面図である。 図６中の伝熱拡散部の変形例を示す断面図である。 この発明の実施の形態２における半導体素子の冷却構造を示す平面図である。 図９中のＸ−Ｘ線上に沿った半導体素子の冷却構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態３における半導体素子の冷却構造を示す平面図である。 図１１中のＸＩＩ−ＸＩＩ線上に沿った半導体素子の冷却構造を示す断面図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

（実施の形態１）
図１は、ハイブリッド自動車の駆動ユニットを模式的に表わす図である。本実施の形態では、本発明が、車両としてのハイブリッド自動車に搭載されるインバータに適用されている。まず、ハイブリッド自動車を駆動させるためのＨＶシステムについて説明する。

図１を参照して、駆動ユニット１は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能なバッテリ８００とを動力源とするハイブリッド自動車に設けられている。駆動ユニット１は、モータジェネレータ１００と、ハウジング２００と、減速機構３００と、ディファレンシャル機構４００と、ドライブシャフト受け部９００と、端子台６００とを含んで構成される。

モータジェネレータ１００は、電動機または発電機としての機能を有する回転電機である。モータジェネレータ１００は、回転シャフト１１０と、ロータ１３０と、ステータ１４０とを含む。回転シャフト１１０は、軸受１２０を介してハウジング２００に回転可能に取り付けられている。ロータ１３０は、回転シャフト１１０と一体となって回転する。

モータジェネレータ１００から出力された動力は、減速機構３００からディファレンシャル機構４００を介してドライブシャフト受け部９００に伝達される。ドライブシャフト
受け部９００に伝達された駆動力は、ドライブシャフトを介して車輪に回転力として伝達されて、車両を走行させる。

一方、ハイブリッド自動車の回生制動時には、車輪は車体の慣性力により回転させられる。車輪からの回転力によりドライブシャフト受け部９００、ディファレンシャル機構４００および減速機構３００を介してモータジェネレータ１００が駆動される。このとき、モータジェネレータ１００が発電機として作動する。モータジェネレータ１００により発電された電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）７００を介してバッテリ８００に供給される。

図２は、図１中のＰＣＵの構成を示す電気回路図である。図２を参照して、ＰＣＵ７００は、コンバータ７１０と、インバータ７２０と、制御装置７３０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電源ラインＰＬ１〜ＰＬ３と、出力ライン７４０Ｕ，７４０Ｖ，７４０Ｗとを含む。

コンバータ７１０は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３を介してバッテリ８００と接続されている。インバータ７２０は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３を介してコンバータ７１０と接続されている。インバータ７２０は、出力ライン７４０Ｕ，７４０Ｖ，７４０Ｗを介してモータジェネレータ１００と接続されている。バッテリ８００は、直流電源であって、たとえばニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の２次電池から形成されている。バッテリ８００は、蓄えた直流電力をコンバータ７１０に供給したり、コンバータ７１０から受け取る直流電力によって充電される。

コンバータ７１０は、半導体モジュールから構成された上アームおよび下アームと、リアクトルＬとを含む。上アームおよび下アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に直列に接続されている。電源ラインＰＬ２に接続される上アームは、パワートランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）Ｑ１と、パワートランジスタＱ１に逆並列に接続されるダイオードＤ１とからなる。電源ラインＰＬ３に接続される下アームは、パワートランジスタＱ２と、パワートランジスタＱ２に逆並列に接続されるダイオードＤ２とからなる。リアクトルＬは、電源ラインＰＬ１と、上アームおよび下アームの接続点との間に接続されている。

コンバータ７１０は、バッテリ８００から受け取る直流電圧をリアクトルＬを用いて昇圧し、その昇圧した電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。コンバータ７１０は、インバータ７２０から受け取る直流電圧を降圧し、バッテリ８００を充電する。

インバータ７２０は、Ｕ相アーム７５０Ｕと、Ｖ相アーム７５０Ｖと、Ｗ相アーム７５０Ｗとを含む。Ｕ相アーム７５０Ｕ、Ｖ相アーム７５０ＶおよびＷ相アーム７５０Ｗは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に並列に接続されている。Ｕ相アーム７５０Ｕ、Ｖ相アーム７５０ＶおよびＷ相アーム７５０Ｗの各々は、半導体モジュールから構成された上アームおよび下アームからなる。各相アームの上アームおよび下アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に直列に接続されている。

Ｕ相アーム７５０Ｕの上アームは、パワートランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑ３と、パワートランジスタＱ３に逆並列に接続されるダイオードＤ３とからなる。Ｕ相アーム７５０Ｕの下アームは、パワートランジスタＱ４と、パワートランジスタＱ４に逆並列に接続されるダイオードＤ４とからなる。Ｖ相アーム７５０Ｖの上アームは、パワートランジスタＱ５と、パワートランジスタＱ５に逆並列に接続されるダイオードＤ５とからなる。Ｖ相アーム７５０Ｖの下アームは、パワートランジスタＱ６と、パワートランジスタＱ６に逆並列に接続されるダイオードＤ６とからなる。Ｗ相アーム７５０Ｗの上アームは、パワートラ
ンジスタＱ７と、パワートランジスタＱ７に逆並列に接続されるダイオードＤ７とからなる。Ｗ相アーム７５０Ｗの下アームは、パワートランジスタＱ８と、パワートランジスタＱ８に逆並列に接続されるダイオードＤ８とからなる。各相アームのパワートランジスタの接続点は、対応する出力ライン７４０Ｕ，７４０Ｖ，７４０Ｗを介してモータジェネレータ１００の対応する相のコイルの反中性点側に接続されている。

なお、図中では、Ｕ相アーム７５０ＵからＷ相アーム７５０Ｗの上アームおよび下アームが、それぞれ、パワートランジスタとダイオードとからなる１つの半導体モジュールから構成されている場合が示されているが、複数の半導体モジュールにより構成されてもよい。

インバータ７２０は、制御装置７３０からの制御信号に基づいて、電源ラインＰＬ２から受け取る直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１００へ出力する。インバータ７２０は、モータジェネレータ１００によって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ラインＰＬ２に供給する。

コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１の電圧レベルを平滑化する。コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ２の電圧レベルを平滑化する。

制御装置７３０は、モータジェネレータ１００のトルク指令値、各相電流値、およびインバータ７２０の入力電圧に基づいて、モータジェネレータ１００の各相コイル電圧を演算する。制御装置７３０は、その演算結果に基づいて、パワートランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフするＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成してインバータ７２０へ出力する。モータジェネレータ１００の各相電流値は、インバータ７２０の各アームを構成する半導体モジュールに組込まれた電流センサによって検出される。この電流センサは、Ｓ／Ｎ比が向上するように半導体モジュール内に配設されている。制御装置７３０は、上述したトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ７２０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算する。制御装置７３０は、その結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ７１０へ出力する。

制御装置７３０は、モータジェネレータ１００によって発電された交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ８００に充電するため、コンバータ７１０およびインバータ７２０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ８のスイッチング動作を制御する。

続いて、本実施の形態における半導体素子の冷却構造について詳細に説明する。図３は、図２中のインバータに適用される半導体素子の冷却構造を示す断面図である。図４は、図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿った半導体素子の冷却構造を示す上面図である。

図３および図４を参照して、本実施の形態における半導体素子の冷却構造は、図２中のパワートランジスタ（ＩＧＢＴ）を含んで構成される複数の半導体素子２６と、複数の伝熱拡散部３１と、放熱用フィン４１と、冷却用ファン５１とを有する。

複数の伝熱拡散部３１は、半導体素子２６を両側から挟み込むように積層して配置されている。複数の伝熱拡散部３１は、図３中の矢印１０１Ａに示す一方向（以下、伝熱拡散部３１の積層方向ともいう）に積層されている。複数の伝熱拡散部３１は、その積層方向において互いに間隔を隔てて配置されている。半導体素子２６は、積層方向において隣り合う複数の伝熱拡散部３１の間に配置されている。このような構成により、複数の半導体素子２６が積層されて設けられており、積層型半導体装置を構成している。

本実施の形態では、伝熱拡散部３１の積層方向において、半導体素子２６と伝熱拡散部３１とが、交互に配置されている。すなわち、隣り合う伝熱拡散部３１間に、１つの半導体素子２６が配置されている。

なお、本発明における半導体素子の冷却構造は、図３中に示す形態に限られず、隣り合う伝熱拡散部３１間に、複数の半導体素子２６が配置されてもよい。

伝熱拡散部３１は、伝熱拡散部３１の積層方向に直交する、図３および図４中の矢印１０１Ｂに示す方向（以下、伝熱拡散部３１の延在方向ともいう）に延在して形成されている。本実施の形態では、伝熱拡散部３１が、その延在方向に沿って帯状に延びて形成されている。伝熱拡散部３１は、その延在方向における両端に位置して、接合部３２および積層部３３を有する。接合部３２には、放熱用フィン４１が接合されている。積層部３３は、半導体素子２６に対して積み重ねられている。接合部３２と積層部３３とは、伝熱拡散部３１の延在方向において距離を隔てて配置されている。

伝熱拡散部３１は、積層部３３から接合部３２に向けて、伝熱拡散部３１の積層方向に直交する平面内において２次元的に広がって形成されている。本実施の形態では、伝熱拡散部３１は、伝熱拡散部３１の積層方向から見た場合に矩形形状を有する。伝熱拡散部３１は、積層部３３と接合部３２との間で一定の幅を有して形成されている。

放熱用フィン４１は、高熱伝導性を有する金属、たとえばアルミニウムにより形成されている。放熱用フィン４１は、たとえば、コルゲート式のルーバフィンやオフセットフィンから形成されている。放熱用フィン４１は、ロウ付け等により、接合部３２に接合されている。複数の放熱用フィン４１が、複数の伝熱拡散部３１の各接合部３２にそれぞれ接合されている。複数の放熱用フィン４１は、それぞれ、隣り合う伝熱拡散部３１の間に位置決めされた状態で、伝熱拡散部３１の積層方向に沿って積層されている。

複数の放熱用フィン４１の周囲を取り囲むように、送風ケース５２が設けられている。送風ケース５２は、その内部に、冷却風の流路となる冷却風通路５３を形成している。

冷却用ファン５１は、冷却風通路５３に空気を供給可能なように、送風ケース５２に取り付けられている。冷却用ファン５１は、冷却風通路５３を流通する冷却風の流量が、伝熱拡散部３１の積層方向において均一となるように設けられている。より具体的には、冷却用ファン５１は、積み重なった複数の接合部３２に対して、伝熱拡散部３１の延在方向において対向する位置に設けられている。

図５は、図３中の２点鎖線Ｖに囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。図５を参照して、本実施の形態における半導体素子の冷却構造は、電極２７Ａおよび電極２７Ｂ（以下、特に区別しない場合は、電極２７という）と、絶縁板２２Ａおよび絶縁板２２Ｂ（以下、特に区別しない場合は、絶縁板２２という）と、樹脂モールド部２８とをさらに有する。

電極２７は、導電性の金属板から形成されている。電極２７Ａおよび電極２７Ｂは、半導体素子２６を両側から挟み込むように配置され、半導体素子２６に接続されている。絶縁板２２は、絶縁性の材料、たとえばセラミックから形成されている。絶縁板２２Ａは、絶縁板２２Ａと半導体素子２６との間に電極２７Ａを挟み込むように設けられ、絶縁板２２Ｂは、絶縁板２２Ｂと半導体素子２６との間に電極２７Ｂを挟み込むように設けられている。

上記構成により、絶縁板２２Ａ、電極２７Ａ、半導体素子２６、電極２７Ｂおよび絶縁板２２Ｂが、挙げた順に一方向に並んで積層されている。樹脂モールド部２８は、積層された絶縁板２２、電極２７および半導体素子２６を一体化するように設けられている。樹脂モールド部２８は、電極２７の一部分を露出させるように設けられている。樹脂モールド部２８から露出した電極２７の一部分には、図３中に示すように、電気系コネクタボックス５０が接続される。

樹脂モールド部２８によって一体化された絶縁板２２、電極２７および半導体素子２６によって、半導体モジュール２１が構成されている。本実施の形態では、複数の半導体素子２６が、それぞれ個別に樹脂モールドされている。

伝熱拡散部３１は、半導体モジュール２１を両側から挟み込むように配置され、半導体モジュール２１に対して圧接されている。図５中に示す断面を用いてより具体的に説明すると、伝熱拡散部３１Ａおよび伝熱拡散部３１Ｂが、半導体モジュール２１を両側から挟み込むように配置されている。半導体モジュール２１は、伝熱拡散部３１の積層方向において互いに反対側に面する表面２１ｍおよび表面２１ｎを有する。伝熱拡散部３１Ａは、表面２１ｍに圧接され、伝熱拡散部３１Ｂは、表面２１ｎに圧接されている。

このような構成によれば、積層型半導体装置が完成した後も、個々の半導体モジュール２１を分離して容易に取り外すことができる。このため、積層型半導体装置のメンテナンス性や、リマニュファクチュアリング性を向上させることができる。

なお、半導体モジュール２１と伝熱拡散部３１との接触面に、熱伝導性グリスや、高熱伝導性（フィラー入り）樹脂系の接着剤を介在させてもよい。これらの場合、熱伝達における接触抵抗を低減させ、半導体モジュール２１から伝熱拡散部３１に効率よく熱を伝えることができる。

図６は、図３中の伝熱拡散部およびフィンを示す断面図である。図７は、図６中のＶＩＩ−ＶＩＩ線上に沿った伝熱拡散部を示す断面図である。

図６および図７を参照して、伝熱拡散部３１は、その積層方向における熱伝達率よりも延在方向における熱伝達率の方が大きくなる熱伝導率異方性部材から形成されている。本実施の形態では、その熱伝導率異方性部材として、自励式ヒートパイプが用いられている。

自励式ヒートパイプの構造について説明すると、伝熱拡散部３１は、熱媒体路３６が形成された金属板３７を有する。金属板３７は、アルミニウムや銅、ステンレス等の金属から形成されている。熱媒体路３６は、金属板３７の内部に真空で封止された状態に形成されている。熱媒体路３６は、受熱側である積層部３３と、放熱側である接合部３２との間で延びている。熱媒体路３６は、金属板３７が延在する平面内で蛇行しながら延び、閉じた経路（ループ孔）を形成している。

熱媒体路３６の内部には、水やフレオン、エタノール、アンモニアなどの熱媒体が封入されている。熱媒体は、たとえば、熱媒体路３６に対して体積比５０％の割合で封入されている。

このような構成を備える自励式ヒートパイプでは、受熱部での冷媒蒸発による圧力上昇と、放熱部での蒸気凝縮による圧力降下とに起因したポンプ効果により、冷媒が受熱部と放熱部との間で振動しながら熱輸送を行なう。このため、ウィック構造を用いたヒートパイプと比較して、輸送される熱において、受熱部での冷媒蒸発による潜熱に、液冷媒移動の顕熱分が加わり、大きな輸送力を発揮することができる。また、ウィック構造を用いたヒートパイプと比較して、設置姿勢の影響が小さいというメリットもある。

自励式ヒートパイプから構成される伝熱拡散部３１は、金属板３７の面方向に対して厚み方向の熱伝達率が小さくなる特性を有し、たとえば、面方向の熱伝達率が、約８００〜数１０００Ｗ／ｍＫであるのに対して、厚み方向の熱伝達率は、その１／１０以下（アルミニウム：２００Ｗ／ｍＫ、銅：４００Ｗ／ｍＫ）となる。

なお、本実施の形態では、伝熱拡散部３１に自励式ヒートパイプを用いたが、ウィック構造を有するヒートパイプを用いてもよい。

続いて、本実施の形態における半導体素子の冷却構造によって奏される作用、効果について説明する。

図３中には、半導体素子２６で発生した熱の経路が矢印で示されている。図３を参照して、図２中のインバータ７２０の作動に伴っては、半導体素子２６で大きな発熱が生じる。本実施の形態における半導体素子の冷却構造においては、半導体素子２６で発生した熱が、電極２７および絶縁板２２を通じて伝熱拡散部３１の積層部３３に伝わる。この際、伝熱拡散部３１と半導体素子２６とが交互に配置される構成により、半導体素子２５で発生した熱は、その両側に配置された伝熱拡散部３１へと伝わる。また、伝熱拡散部３１は、金属板３７の面方向に対して厚み方向の熱伝達率が小さくなる特性を有する。このため、隣り合う半導体素子２６で発生した熱同士が干渉するという現象を効果的に抑制することができる。

積層部３３に伝わった熱は、伝熱拡散部３１が備える熱伝導率異方性により、効率よく積層部３３から接合部３２へと伝わる。接合部３２に伝わった熱は、さらに放熱用フィン４１に伝わり、放熱用フィン４１と冷却風通路５３を流通する冷却風との熱交換により放熱される。

また、本実施の形態における半導体素子の冷却構造は、伝熱拡散部３１による熱拡散機能と、放熱用フィン４１による冷却機構とを具備した一体部品により構成されるため、積層型半導体装置の部品点数を減らし、その製造コストを削減することができる。

また、冷却用ファン５１を用いた空冷構造のため、冷媒循環ポンプや放熱用ラジエータ等の冷媒配管部品を別途、設ける必要がない。これにより、冷却システムとして、小型化および低コスト化を図ることができる。加えて、液冷時のようなヘッダ構造や冷媒均等分配対策を講じることなく、複数の半導体素子２６の均等な冷却を容易に実現することができる。

続いて、図６中に示す伝熱拡散部の変形例について説明する。図８は、図６中の伝熱拡散部の変形例を示す断面図である。

図８を参照して、本変形例では、伝熱拡散部３１を形成する熱伝導率異方性部材として、配向性グラファイト３８が用いられている。配向性グラファイト３８は、接合部３２と積層部３３との間で板状に延在して形成されている。

配向性グラファイト３８は、密集した２次元結晶構造を有し、面方向に対してフォノンによる熱伝導が飛躍的に向上した材料として使用される。配向性グラファイト３８を用いた伝熱拡散部３１においても、自励式ヒートパイプを用いた伝熱拡散部３１と同様の熱伝導率異方性が得られる。

なお、図６中に示す自励式ヒートパイプを用いた構造と、図８中に示す配向性グラファイトを用いた構造とを組み合わせて、伝熱拡散部３１を構成してもよい。

以上に説明した、この発明の実施の形態１における半導体素子の冷却構造の構成についてまとめて説明すると、本実施の形態における半導体素子の冷却構造は、半導体素子２６と、複数の伝熱拡散部３１と、フィンとしての放熱用フィン４１と、送風器としての冷却用ファン５１とを備える。複数の伝熱拡散部３１は、半導体素子２６を両側から挟持するように積層して配置される。伝熱拡散部３１は、その積層方向に直交する方向に延在し、その延在する先に接合部３２を有する。放熱用フィン４１は、接合部３２に接合される。放熱用フィン４１は、半導体素子２６で発生し、伝熱拡散部３１を通じて伝わった熱を放熱する。冷却用ファン５１は、放熱用フィン４１に向けて冷却風を供給する。伝熱拡散部３１は、積層方向における熱伝達率よりも延在方向における熱伝達率の方が大きくなる熱伝導率異方性部材としての自励式ヒートパイプまたは配向性グラファイトから形成される。

このように構成された、この発明の実施の形態１における半導体素子の冷却構造によれば、簡易で低コストな構成で、安定かつ高冷却性能を発揮する積層型半導体装置を実現することができる。

（実施の形態２）
図９は、この発明の実施の形態２における半導体素子の冷却構造を示す平面図である。図１０は、図９中のＸ−Ｘ線上に沿った半導体素子の冷却構造を示す断面図である。本実施の形態における半導体素子の冷却構造は、実施の形態１における半導体素子の冷却構造と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造については、その説明を繰り返さない。

図９および図１０を参照して、本実施の形態では、伝熱拡散部３１が、その積層方向から見た場合に扇形状を有する。伝熱拡散部３１は、図９中の中心軸１０２に扇形に広がる形状を有する。伝熱拡散部３１は、中心軸１０２側に積層部３３を有し、その外周側に接合部３２を有する。伝熱拡散部３１は、中心軸１０２からその径方向に広がって形成され、その先に接合部３２を有する。すなわち、中心軸１０２を中心とする径方向が、伝熱拡散部３１の延在方向である。伝熱拡散部３１は、積層部３３から接合部３２に向かうに従って、その延在方向における単位長さ当たりの面積が増大するように形成されている。

熱媒体路３６は、中心軸１０２側に配置された積層部３３と、その外周側に配置された接合部３２との間で延びている。熱媒体路３６は、伝熱拡散部３１の積層方向から見た場合に、扇形状を有する伝熱拡散部３１に対して平面的に広がるように形成されている。

積層方向に隣り合う伝熱拡散部３１間には、隔壁５６および隔壁５７が設けられている。隔壁５６および隔壁５７は、径方向に距離を隔てて設けられており、両者の間には放熱用フィン４１が配置されている。このような構成により、積層方向に隣り合う伝熱拡散部３１間には、中心軸１０２を中心にその周方向に延在する冷却風通路５３が形成されている。冷却用ファン５１は、伝熱拡散部３１の積層方向に並ぶ冷却風通路５３に空気を均一に供給可能なように、積層された伝熱拡散部３１の側部（中心軸１０２を中心に径方向に延在する伝熱拡散部３１の端辺）に取り付けられている。

なお、図中には、中心角度が９０°の伝熱拡散部３１が示されているが、伝熱拡散部３１が有する扇形の中心角度は、９０°以外の角度であってもよい。

このように構成された、この発明の実施の形態２における半導体素子の冷却構造によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に得ることができる。さらに、伝熱拡散部３１は扇形状を有するため、積層部３３から接合部３２に向かう熱拡散経路に、２次元的な広がりを持たせることができる。また、放熱用フィン４１と接合部３２との接合面積を増大させることができる。これにより、放熱性能が大幅に向上し、半導体素子２６の冷却効率を高めることができる。

（実施の形態３）
図１１は、この発明の実施の形態３における半導体素子の冷却構造を示す平面図である。図１２は、図１１中のＸＩＩ−ＸＩＩ線上に沿った半導体素子の冷却構造を示す断面図である。本実施の形態における半導体素子の冷却構造は、実施の形態１および２における半導体素子の冷却構造と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造については、その説明を繰り返さない。

図１１および図１２を参照して、本実施の形態では、伝熱拡散部３１が、その積層方向から見た場合に円形状を有する。伝熱拡散部３１は、図１１中の中心軸１０２を中心に円形に広がる形状を有する。伝熱拡散部３１は、中心軸１０２側に積層部３３を有し、その外周側に接合部３２を有する。

熱媒体路３６は、中心軸１０２側に配置された積層部３３と、その外周側に配置された接合部３２との間で延びている。熱媒体路３６は、伝熱拡散部３１の積層方向から見た場合に、円形状を有する伝熱拡散部３１に対して平面的に広がるように形成されている。本実施の形態では、円形状を有する伝熱拡散部３１を４等分にした各領域に、互いに独立してループを描く熱媒体路３６が形成されている。

なお、図１１中に示す形態に限られず、円形状を有する伝熱拡散部３１の全体に、１つのループを描く熱媒体路３６が形成されてもよい。

積層方向に隣り合う伝熱拡散部３１間には、中心軸１０２を中心にその半径方向に延在する冷却風通路５３が形成されている。伝熱拡散部３１には、連通口６１が形成されている。連通口６１は、中心軸１０２を中心とする半径方向において、半導体モジュール２１と放熱用フィン４１との間に形成されている。連通口６１は、伝熱拡散部３１の積層方向に並ぶ冷却風通路５３間を連通させるように形成されている。伝熱拡散部３１の積層方向に並ぶ冷却風通路５３間は、連通口６１を通じて中心軸１０２の軸方向において連通している。

冷却用ファン５１は、中心軸１０２の軸方向に沿って空気を供給可能なように、積層された伝熱拡散部３１の頂面に取り付けられている。冷却用ファン５１が取り付けられる伝熱拡散部３１の頂面には、冷却風を冷却風通路５３に取り込むための中央送風孔６２が形成されている。

このように構成された、この発明の実施の形態３における半導体素子の冷却構造によれば、実施の形態２に記載の効果を同様に得ることができる。

なお、本発明を、燃料電池と２次電池とを動力源とする燃料電池ハイブリッド車（ＦＣＨＶ：Fuel Cell Hybrid Vehicle）または電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）に搭載されるリアクトルに適用することもできる。本実施の形態におけるハイブリッド自動車では、燃費最適動作点で内燃機関を駆動するのに対して、燃料電池ハイブリッド車では、発電効率最適動作点で燃料電池を駆動する。また、２次電池の使用に関しては、両方のハイブリッド自動車で基本的に変わらない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、車両に搭載される電力変換装置のほか、各種パワーモジュールに適用される。

１ 駆動ユニット、２１ 半導体モジュール、２１ｍ，２１ｎ 表面、２２，２２Ａ，２２Ｂ 絶縁板、２５，２６ 半導体素子、２７，２７Ａ，２７Ｂ 電極、２８ 樹脂モールド部、３１，３１Ａ，３１Ｂ 伝熱拡散部、３２ 接合部、３３ 積層部、３６ 熱媒体路、３７ 金属板、３８ 配向性グラファイト、４１ 放熱用フィン、５０ 電気系コネクタボックス、５１ 冷却用ファン、５２ 送風ケース、５３ 冷却風通路、５６，５７ 隔壁、６１ 連通口、６２ 中央送風孔。

Claims (7)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子を両側から挟持するように積層して配置され、その積層方向に直交する方向に延在し、その延在する先に接合部を有する複数の伝熱拡散部と、
   前記接合部に接合され、前記半導体素子で発生し、前記伝熱拡散部を通じて伝わった熱を放熱するフィンと、
   前記フィンに向けて冷却風を供給する送風器とを備え、
   前記伝熱拡散部は、積層方向における熱伝達率よりも延在方向における熱伝達率の方が大きくなる熱伝導率異方性部材から形成される、半導体素子の冷却構造。
2. 前記熱伝導率異方性部材は、自励式ヒートパイプまたは配向性グラファイトからなる、請求項１に記載の半導体素子の冷却構造。
3. 前記伝熱拡散部は、前記接合部に向けて、前記伝熱拡散部の積層方向に直交する平面内において２次元的に広がって形成されている、請求項１または２に記載の半導体素子の冷却構造。
4. 前記伝熱拡散部は、前記伝熱拡散部の積層方向から見て、矩形形状、扇形状または円形状を有する、請求項３に記載の半導体素子の冷却構造。
5. 前記半導体素子と前記伝熱拡散部とが、前記伝熱拡散部の積層方向に沿って交互に配置される、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体素子の冷却構造。
6. 個別に樹脂モールドされた複数の前記半導体素子を備え、
   前記伝熱拡散部は、隣り合って配置される前記半導体素子に対して圧接して設けられる、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体素子の冷却構造。
7. 前記送風器からの送風により、前記フィンに対して、前記伝熱拡散部の積層方向において均一な流量で冷却風が供給される、請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体素子の冷却構造。

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