JP2011108683A - 半導体素子の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の冷却装置の、製造コストの上昇を抑制することが可能な構造を備える半導体素子の冷却装置を提供する。
【解決手段】一方面側に半導体素子を搭載する搭載２Ａを有し、他方面２０Ｂ側に複数の冷媒流路２０を形成するため、第１方向ＤＲ１に沿って延びるとともに、他方面２０Ｂから所定高さを有するように起立し、相互に所定の間隔を隔て配置される複数のフィン４を有する第１部材２１と、複数のフィン４の相互の間隙をフィン４の高さ方向の先端部側から塞ぐことにより、第１方向ＤＲ１に沿って延びる複数の冷媒流路２０を規定する第２部材２２とを備え、フィン４には、第１方向ＤＲ１とは交差する第２方向ＤＲ２に沿って延び、フィン４の高さ方向の先端部側から他方面２０Ｂ側に向かう溝４ｈが設けられ、溝４ｈの深さｄは、フィン４の高さＨよりも小さく設けられ、溝４ｈには、隣接するフィン４に跨り、隣接するフィン４によって規定される冷媒流路２０において突出部となる突出部形成部材３２が載置される。
【選択図】図２

Description

この発明は、半導体素子の冷却装置に関する。

半導体素子などの発熱体を冷却するための冷却装置が従来から知られている。特開２００６−１００２９３号公報（特許文献１）には、熱源と対向する面または伝熱面に、熱伝達率向上手段となる冷媒の乱流を促進するための突起を設けることにより、伝熱面の放熱特性を向上させる冷却フィンの構造が開示されている。

特開２００８−１７２０１４号公報（特許文献２）には、冷媒流路の底面から冷媒流路の内方に向かって突出する突起部を備え、冷媒流路内において乱流を発生させる冷却構造が開示されている。

特開２００６−１００２９３号公報 特開２００８−１７２０１４号公報

上記特許文献１に開示される構造においては、突起形状が複雑であるため、その突起形状を加工するために高度な技術が必要となり、また、製造コストが上昇する課題がある。上記特許文献２に開示される構造においては、あらかじめ冷媒流路を構成する内壁面、冷媒流路側に突出する凸部領域を成形する必要があり、製造コストが上昇する課題がある。

この発明が解決とする課題は、半導体素子の冷却装置において、冷却効率を上昇させるための構造を採用した場合に、冷却装置の製造コストが上昇する点にある。したがって、この発明の目的は、半導体素子の冷却装置の、製造コストの上昇を抑制することが可能な構造を備える半導体素子の冷却装置を提供することにある。

この発明に基づいた半導体素子の冷却装置においては、一方面側に半導体素子を搭載する搭載面を有し、他方面側に複数の冷媒流路を形成するため、第１方向に沿って延びるとともに、上記他方面から所定高さを有するように起立し、相互に所定の間隔を隔て配置される複数のフィンを有する第１部材と、複数の上記フィンの相互の間隙を上記フィンの高さ方向の先端部側から塞ぐことにより、上記第１方向に沿って延びる複数の上記冷媒流路を規定する第２部材とを備えている。

上記フィンには、上記第１方向とは交差する第２方向に沿って延び、上記フィンの高さ方向の先端部側から上記他方面側に向かう溝が設けられ、上記溝の深さは、上記フィンの高さよりも小さく設けられ、上記溝には、隣接する上記フィンに跨り、隣接する上記フィンによって規定される上記冷媒流路において突出部となる突出部形成部材が配設される。

この発明に基づいた半導体素子の冷却装置によれば、製造コストの上昇を抑制することが可能な構造を備える半導体素子の冷却装置を提供することが可能となる。

本発明の１つの実施の形態に係る半導体素子の冷却装置が適用されるＰＣＵの主要部の構成を示す回路図である。 本発明の１つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造の分解斜視図である。 本発明の１つの実施の形態に係る半導体素子の冷却装置を示す断面図である。 図３におけるＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。 図３におけるＶ−Ｖ線矢視断面図である。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。また、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組み合わせることは、当初から予定されている。

図１は、本発明の１つの実施の形態に係る半導体素子の冷却装置が適用されるＰＣＵの主要部の構成を示す回路図である。なお、図１に示されるＰＣＵ１００は、「車両を駆動する回転電機の制御装置」である。

図１を参照して、ＰＣＵ１００は、コンバータ１１０と、インバータ１２０，１３０と、制御装置１４０と、コンデンサＣ１，Ｃ２とを含む。コンバータ１１０は、バッテリＢとインバータ１２０，１３０との間に接続され、インバータ１２０，１３０は、それぞれ、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と接続される。

コンバータ１１０は、パワートランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、リアクトルＬとを含む。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は直列に接続され、制御装置１４０からの制御信号をベースに受ける。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれパワートランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。リアクトルＬは、バッテリＢの正極と接続される電源ラインＰＬ１に一端が接続され、パワートランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に他端が接続される。

このコンバータ１１０は、リアクトルＬを用いてバッテリＢから受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。コンバータ１１０は、インバータ１２０，１３０から受ける直流電圧を降圧してバッテリＢを充電する。

インバータ１２０，１３０は、それぞれ、Ｕ相アーム１２１Ｕ，１３１Ｕ、Ｖ相アーム１２１Ｖ，１３１ＶおよびＷ相アーム１２１Ｗ，１３１Ｗを含む。Ｕ相アーム１２１Ｕ、Ｖ相アーム１２１ＶおよびＷ相アーム１２１Ｗは、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。同様に、Ｕ相アーム１３１Ｕ、Ｖ相アーム１３１ＶおよびＷ相アーム１３１Ｗは、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。

Ｕ相アーム１２１Ｕは、直列接続された２つのパワートランジスタＱ３，Ｑ４を含む。同様に、Ｕ相アーム１３１Ｕ、Ｖ相アーム１２１Ｖ，１３１ＶおよびＷ相アーム１２１Ｗ，１３１Ｗは、それぞれ、直列接続された２つのパワートランジスタＱ５〜Ｑ１４を含む。各パワートランジスタＱ３〜Ｑ１４のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ１４がそれぞれ接続されている。

インバータ１２０，１３０の各相アームの中間点は、それぞれ、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各相コイルの各相端に接続されている。モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２においては、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成される。

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。

インバータ１２０，１３０は、制御装置１４０からの駆動信号に基づいて、コンデンサＣ２からの直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を駆動する。

制御装置１４０は、モータトルク指令値、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各相電流値、およびインバータ１２０，１３０の入力電圧に基づいてモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ３〜Ｑ１４をオン／オフするＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成してインバータ１２０，１３０へ出力する。

また、制御装置１４０は、上述したモータ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１２０，１３０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し、その演算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１１０へ出力する。

さらに、制御装置１４０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリＢを充電するため、コンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ１４のスイッチング動作を制御する。

ＰＣＵ１００の動作時において、コンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０を構成するパワートランジスタＱ１〜Ｑ１４およびダイオードＤ１〜Ｄ１４は発熱する。したがって、これらの半導体素子の冷却を促進するための冷却装置を設ける必要がある。

（半導体素子の冷却装置）
図２から図５を参照して、本実施の形態に係る半導体素子の冷却装置の構造について説明する。なお、半導体素子１は、たとえば図１におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ１４およびダイオードＤ１〜Ｄ１４である。図２から図５に示す例では、半導体素子１として、複数の半導体素子１１，１２が示される。

半導体素子１（１１，１２）は、搭載構造１Ａを介して冷却装置２上に搭載される。冷却装置２は、たとえば銅やアルミニウムなどの熱伝達率の比較的高い金属により構成される。冷却装置２は、第１部材２１と第２部材２２とを含んで構成される。第１部材２１と第２部材２２との間には、冷媒流路２０が形成されている。冷媒流路２０内に冷媒が流されることにより、半導体素子１の冷却が行なわれる。

冷却装置２についてより具体的に説明する。この冷却装置２は、一方面側に半導体素子を搭載する搭載面（表面）２Ａを有し、他方面（裏面）２０Ｂ側に複数の冷媒流路２０を形成するため、第１方向（ＤＲ１）に沿って延びるとともに、他方面２０Ｂから所定高さを有するように起立し、相互に所定の間隔を隔て配置される複数のフィン４を有する第１部材２１を備える。このような、複数の矩形形状のフィン４を有する第１部材２１は、押し出し加工により比較的安価に製造することができる。

複数のフィン４の相互の間隙を、フィン４の高さ方向（矢印β方向）の先端部側から塞ぐことにより、第１方向（ＤＲ１）に沿って延びる複数の冷媒流路２０を規定する板状の第２部材２２を備える。第１部材２１に対して第２部材２２は、接着剤等を用いて固定される。

フィン４には、第１方向ＤＲとは交差する第２方向ＤＲ２に沿って延び、フィン４の高さ方向の先端部側から他方面２０Ｂ側に向かう溝４ｈが複数箇所設けられている。本実施の形態では、第１方向ＤＲと第２方向ＤＲ２とは直交する方向に設けているが、第１方向ＤＲと第２方向ＤＲ２とが交差すれば、必ずしも直交する必要ない。

溝４ｈの深さ（ｄ）は、フィン４の高さ（Ｈ）よりも小さく設けられ、溝４ｈには、隣接するフィン４に跨り、隣接するフィン４によって規定される冷媒流路２０において突出部３２ａとなる突出部形成部材３２が配設されている。

本実施の形態における突出部形成部材３２は、板状部材をその長手方向の軸を回転中心として湾曲させた形状を有している。板状部材を湾曲させることで、板状部材自身に拡径する方向への弾性力が生じることから、この弾性力を利用して、突出部形成部材３２を溝４ｈの内面に嵌合させている。なお、接着剤等を用いて、突出部形成部材３２を溝４ｈに固定することも可能である。

突出部形成部材３２に用いる材料としては、バネ板、樹脂板、その他の湾曲させることで、自身に拡径する方向への弾性力が生じる部材であればどのような材料を用いることも可能である。また、冷媒流路２０に冷媒を流した際に、湾曲状の突出部形成部材３２の内側への冷媒の侵入を防止するため、湾曲状態における突出部形成部材３２の高さ（ｈ）と、溝４ｈの深さ（ｄ）とは等しいことが好ましい。

また、冷媒流路２０内における突出部３２ａの高さ（ｈ）は、冷却効率の観点から、冷媒流路２０内の高さはフィン４の高さ（Ｈ）に対して、１／３〜１／４程度であることが好ましい。また、突出部３２ａを設ける間隔は、突出部３２ａの高さ（ｈ）に対して、５倍〜１０倍程度であることが好ましい。

（冷媒流れ）
次に、上記構成を備える半導体素子の冷却装置おける冷媒流れについて、図５を参照して説明する。冷媒流路２０に冷媒を流して半導体素子１の冷却を行なう際、冷媒流路２０の壁面近傍では、境界層が発達し、冷媒の流速が小さくなりやすい傾向にある。また、冷媒が沸騰する沸騰冷却時には、半導体素子１の搭載部の下部に位置する冷媒流路２０の他方面（上面）２０Ｂ上には、気泡膜が形成される。冷媒流路２０の他方面（上面）２０Ｂ側において冷媒の流速が低下し気泡膜が形成されることにより、半導体素子１の冷却効率が低下しやすくなる。

本実施の形態においては、冷媒の流れ方向（矢印ＤＲ１方向）と交差する方向に延在し、冷媒流路２０の底面２０Ａから冷媒流路２０の内方に向けて突出する突出部３２aを形成することで、半導体素子１の冷却効率を向上させることを可能としている。突出部３２aは、矢印ＤＲ１方向に並ぶように設けられている。突出部３２ａは、それぞれ、冷媒流路２０における半導体素子１１，１２の近傍に位置する部分に形成されていることが好ましい。

突出部３２ａは、冷媒の流れ方向と交差する方向（矢印ＤＲ２方向）に沿って断続的に延びる（フィン４により分断される）ように形成されている。図５の例では、半導体素子１１，１２の上流側に、それぞれ突出部３２ａが形成されている。なお、図５中の矢印αは、局所的な冷媒の流れを示す。

上記のような突出部３を設けることにより、半導体素子１の搭載位置において、冷媒の流れを偏向させ、乱れを発生させるとともに、半導体素子１の搭載面側の冷媒の流速を増大させて、境界層の発達を抑制することができる。以上の結果として、半導体素子１の冷却効率が向上する。

なお、突出部３２ａが設けられる位置は、適宜変更可能であるが、典型的には、各半導体素子１の上流側に位置するように設けられる。たとえば、図５の例では、半導体素子１２の上流側に設けられる突出部３２は、半導体素子１１，１２の間（換言すると、半導体素子１１の下流側であって半導体素子１２の上流側）に設けられている。

なお、突出部３２ａは、半導体素子１とオーバーラップするように設けられてもよい。たとえば、図５に示される突出部３２ａは、半導体素子１２の直下に設けられてもよい。このような場合であっても、突出部３２ａが半導体素子１２の（矢印ＤＲ１方向の）中心よりも上流側に設けられている場合には、上記と同様の効果が期待できる。

また、上記の位置に突出部３２ａが設けられることで、冷媒流路２０を流れる冷媒の流れは半導体素子１に向けられる。半導体素子１に向けられた冷媒の流れが半導体素子１の直下に位置する冷媒流路２０の他方面（上面）２０Ｂに衝突することにより、上述した気泡膜が破壊される。以上の結果として、半導体素子１の冷却効率がさらに向上する。

以上、本実施の形態における半導体素子の冷却装置によれば、フィン４に設けた溝４ｈに、突出部形成部材３２を配置させることのみで、冷媒流路２０内に突出部３２ａを形成することを可能としている。これにより、半導体素子１に対する高い冷却効率を維持させながら、製造コストの上昇を抑制することを可能としている。

また、突出部形成部材３２を湾曲させることにより生じる弾性力を利用した場合には、弾性力を用いて、フィン４に設けた溝４ｈに、突出部形成部材３２を固定させることが可能となるため、別途接着等の使用を不要とし、より製造コストの上昇を抑制することを可能としている。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、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。

１（１１，１２） 半導体素子、１Ａ 搭載構造、２ 冷却装置、２Ａ搭載面（表面）、４ フィン、４ｈ 溝、２０ 冷媒流路、２０Ｂ 他方面（裏面）、２１ 第１部材、２２ 第２部材、３２ 突出部形成部材、３２ａ 突出部、１００ ＰＣＵ、１１０ コンバータ、１２０，１３０ インバータ、１２１Ｕ，１３１Ｕ Ｕ相アーム、１２１Ｖ，１３１Ｖ Ｖ相アーム、１２１Ｗ，１３１Ｗ Ｗ相アーム、１４０ 制御装置、Ｂ バッテリ、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ１４ ダイオード、Ｌ リアクトル、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、Ｎ１，Ｎ２ ノード、ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３ 電源ライン、Ｑ１〜Ｑ１４ パワートランジスタ。

Claims (3)

1. 一方面側に半導体素子を搭載する搭載面を有し、他方面側に複数の冷媒流路を形成するため、第１方向に沿って延びるとともに、前記他方面から所定高さを有するように起立し、相互に所定の間隔を隔て配置される複数のフィンを有する第１部材と、
   複数の前記フィンの相互の間隙を前記フィンの高さ方向の先端部側から塞ぐことにより、前記第１方向に沿って延びる複数の前記冷媒流路を規定する第２部材と、を備え、
   前記フィンには、前記第１方向とは交差する第２方向に沿って延び、前記フィンの高さ方向の先端部側から前記他方面側に向かう溝が設けられ、
   前記溝の深さは、前記フィンの高さよりも小さく設けられ、
   前記溝には、隣接する前記フィンに跨り、隣接する前記フィンによって規定される前記冷媒流路において突出部となる突出部形成部材が配設される、半導体素子の冷却装置。
2. 前記突出部形成部材は、前記突出部形成部材の有する弾性力に基づき、前記溝の内面に嵌合する、請求項１に記載の半導体素子の冷却装置。
3. 前記突出部形成部材は、湾曲させることにより弾性力を生じさせている、請求項２に記載の半導体素子の冷却装置。

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