JP2011159663A - Semiconductor device - Google Patents

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正則 臼井
Yuji Osada
裕司 長田
Yasushi Yamada
靖 山田
Tomokiyo Suzuki
智清 鈴木
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    • H01L2924/13091Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device uniforming temperatures at respective regions of a semiconductor element. <P>SOLUTION: The semiconductor device 10 includes a semiconductor element 11 and a cooler 20. A thickness d1 of an upper sidewall member 21 positioned between the semiconductor element 11 and a cooling water channel 30 is thin in a range corresponding to a center region of the semiconductor element 11 and thick in a range corresponding to a peripheral region. The center region easy to rise in temperature is efficiently cooled, so that the temperatures in the respective regions of the semiconductor element 11 get uniform. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体素子と、半導体素子を冷却する冷却器を備えている半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device including a semiconductor element and a cooler that cools the semiconductor element.

特許文献1に開示されている半導体装置は、半導体素子と、半導体素子を冷却する冷却器を備えている。冷却器は、冷却水流路を画定する壁部材を備えており、その壁部材から冷却水流路に向けてフィンが伸びている。半導体素子の中央領域に対応する範囲ではフィンが長く形成されており、半導体素子の周辺領域に対応する範囲ではフィンが短く形成されている。
半導体素子が作動すると半導体素子は発熱する。半導体素子の中央領域は周辺領域よりも放熱しにくいために、半導体素子の中央領域が局所的に高温になりやすい。特許文献1の半導体装置では、高温になりやすい中央領域に対応する範囲に形成されているフィンの長さが長く形成されているために、半導体素子の中央領域に対応する範囲では冷却効率が高い。特許文献1の技術は、半導体素子の各部位の温度を均一化することを意図している。
The semiconductor device disclosed in Patent Document 1 includes a semiconductor element and a cooler that cools the semiconductor element. The cooler includes a wall member that defines a cooling water flow path, and fins extend from the wall member toward the cooling water flow path. The fin is formed long in the range corresponding to the central region of the semiconductor element, and the fin is formed short in the range corresponding to the peripheral region of the semiconductor element.
When the semiconductor element operates, the semiconductor element generates heat. Since the central region of the semiconductor element is less likely to dissipate heat than the peripheral region, the central region of the semiconductor element tends to be locally hot. In the semiconductor device of Patent Document 1, since the fins formed in the range corresponding to the central region that is likely to be high in temperature are formed long, the cooling efficiency is high in the range corresponding to the central region of the semiconductor element. . The technique of Patent Document 1 intends to equalize the temperature of each part of the semiconductor element.

特開2003−008264号公報JP 2003-008264 A

しかしながら実際には、フィンが長い部位よりもフィンが短い部位のほうが、冷却水が流れやすい。そのため、特許文献1の半導体装置では、半導体素子の中央領域に対応する範囲を流れる冷却水量が、周辺領域に対応する範囲を流れる冷却水量よりも減少してしまう。特許文献1の半導体装置では、半導体素子の中央領域における放熱性が周辺領域における放熱性よりも高いという関係が実現されているとは言い難い。特許文献1に開示されている半導体装置は、半導体素子の各部位の温度を均一化させるという点において未だ問題の余地を残すものとなっている。半導体素子の各部位の温度が均一化されていないと、例えばはんだ等のように、半導体素子を基板に固定している接合部に熱応力が作用し、接合部の寿命が低下してしまう。
本明細書に開示する技術は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体素子の各部位の温度をより均一化させることのできる半導体装置を提供することにある。
However, in reality, the cooling water flows more easily in the portion where the fin is short than in the portion where the fin is long. For this reason, in the semiconductor device of Patent Document 1, the amount of cooling water flowing in the range corresponding to the central region of the semiconductor element is smaller than the amount of cooling water flowing in the range corresponding to the peripheral region. In the semiconductor device of Patent Document 1, it is difficult to say that the relationship that the heat dissipation in the central region of the semiconductor element is higher than the heat dissipation in the peripheral region is realized. The semiconductor device disclosed in Patent Document 1 still leaves room for problems in that the temperature of each part of the semiconductor element is made uniform. If the temperature of each part of the semiconductor element is not uniform, thermal stress acts on a joint part that fixes the semiconductor element to the substrate, such as solder, and the life of the joint part is reduced.
The technology disclosed in the present specification has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a semiconductor device capable of making the temperature of each part of a semiconductor element more uniform.

本明細書に開示する半導体装置は、半導体素子と冷却器とを備えている。その冷却器は、冷媒流路を画定する壁部材を備えている。冷媒流路に直交する断面で観察すると、半導体素子と冷媒流路の間に位置している壁部材の厚みが、半導体素子の中央領域に対応する範囲では薄く、半導体素子の周辺領域に対応する範囲で厚くなっている。
上記でいう「薄い厚い」の関係は、薄いか厚いかの2者択一の関係であることもあれば、最も薄い部位から最も厚い部位までの間で厚みが多段階に変化している関係であることもある。
A semiconductor device disclosed in this specification includes a semiconductor element and a cooler. The cooler includes a wall member that defines a refrigerant flow path. When observed in a cross section orthogonal to the refrigerant flow path, the thickness of the wall member located between the semiconductor element and the refrigerant flow path is thin in the range corresponding to the central region of the semiconductor element, and corresponds to the peripheral region of the semiconductor element. Thick in the range.
The “thin and thick” relationship mentioned above may be either a thin or thick relationship, or a relationship in which the thickness changes in multiple stages from the thinnest part to the thickest part. Sometimes.

上記構成によると、半導体素子の周辺領域よりも中央領域において、半導体素子と冷媒流路の距離が近いために、半導体素子の中央領域での放熱性を周辺領域での放熱性よりも向上させることができる。その結果、半導体素子の中央領域と周辺領域との温度差を低減することができ、半導体素子の各部位の温度をより均一化させることができる。   According to the above configuration, since the distance between the semiconductor element and the coolant channel is closer in the central region than in the peripheral region of the semiconductor element, the heat dissipation in the central region of the semiconductor element is improved more than the heat dissipation in the peripheral region. Can do. As a result, the temperature difference between the central region and the peripheral region of the semiconductor element can be reduced, and the temperature of each part of the semiconductor element can be made more uniform.

冷媒流路に直交する断面で観察したときに、半導体素子の一方側の周辺領域から他方側の周辺領域に至る方向に沿って、冷媒流路を複数本の流路に区画する仕切壁が形成されていることが好ましい。
仕切壁によって壁部材と冷媒との接触面積を確保することができ、冷却効率を向上させることができる。また、前記方向における冷媒流量の分布を一様化することできる。
A partition wall that divides the coolant channel into a plurality of channels is formed along the direction from the peripheral region on one side of the semiconductor element to the peripheral region on the other side when observed in a cross section orthogonal to the coolant channel. It is preferable that
The partition wall can secure a contact area between the wall member and the refrigerant, and can improve the cooling efficiency. Further, the distribution of the refrigerant flow rate in the direction can be made uniform.

冷媒流路に沿った断面で観察したときにも、半導体素子と冷媒流路の間に位置する壁部材の厚みが、半導体素子の中央領域に対応する範囲で薄く、半導体素子の周辺領域に対応する範囲で厚いことが好ましい。
上記構成によると、冷媒が流れる方向に沿って観察したときに、半導体素子の中央領域では半導体素子と冷媒流路の距離が近いため、半導体素子の中央領域での放熱性を周辺領域での放熱性よりも向上させることができる。その結果、冷媒が流れる方向に沿って観察したときの半導体素子の温度分布を均一化させることができる。
The thickness of the wall member located between the semiconductor element and the refrigerant flow path is thin in the range corresponding to the central area of the semiconductor element, and corresponds to the peripheral area of the semiconductor element when observed in a cross section along the refrigerant flow path. It is preferable that the thickness is as large as possible.
According to the above configuration, since the distance between the semiconductor element and the refrigerant flow path is close in the central region of the semiconductor element when observed along the direction in which the refrigerant flows, heat dissipation in the central region of the semiconductor element is reduced in the peripheral region. It is possible to improve the performance. As a result, the temperature distribution of the semiconductor element when observed along the direction in which the refrigerant flows can be made uniform.

冷媒流路に沿った断面で観察したときに、半導体素子と冷媒流路の間に位置する壁部材の厚みが、冷媒流路の上流側に対応する範囲で厚く、冷媒流路の下流側に対応する範囲で薄いことも好ましい。
冷媒は、上流側から下流側に向かって流れるにつれて、半導体素子で発生する熱の影響を受けて加熱される。冷媒温度は、冷媒流路の上流側よりも下流側で上昇するため、上流側よりも下流側において半導体素子の冷却能力が低下する可能性がある。
上記構成では、半導体素子と冷媒流路の距離を上流側よりも下流側で近くすることができるため、半導体素子の冷却能力が、流路の下流側において低下することを抑制することができる。その結果、冷媒が流れる方向に沿って観察したときの半導体素子の温度分布を均一化させることができる。
When observed in a cross-section along the refrigerant flow path, the thickness of the wall member located between the semiconductor element and the refrigerant flow path is thick in a range corresponding to the upstream side of the refrigerant flow path, and on the downstream side of the refrigerant flow path. It is also preferable that it is thin in the corresponding range.
As the refrigerant flows from the upstream side toward the downstream side, the refrigerant is heated under the influence of heat generated in the semiconductor element. Since the refrigerant temperature rises more downstream than the upstream side of the refrigerant flow path, there is a possibility that the cooling capacity of the semiconductor element may be reduced more downstream than the upstream side.
In the above configuration, since the distance between the semiconductor element and the coolant channel can be made closer to the downstream side than the upstream side, the cooling capacity of the semiconductor element can be prevented from decreasing on the downstream side of the channel. As a result, the temperature distribution of the semiconductor element when observed along the direction in which the refrigerant flows can be made uniform.

冷媒流路に沿った断面で観察したときに、半導体素子の中央領域に対応する範囲で壁部材を薄くすることと、上流側では壁部材を厚くして下流側では壁部材を薄くすることとを組み合わせることもできる。組み合わせて用いることによって、冷媒が流れる方向に沿って観察したときの半導体素子の温度分布をより均一化させることができる。   When observed in a cross section along the refrigerant flow path, the wall member is thinned in a range corresponding to the central region of the semiconductor element, the wall member is thickened on the upstream side, and the wall member is thinned on the downstream side. Can also be combined. By using in combination, the temperature distribution of the semiconductor element when observed along the direction in which the refrigerant flows can be made more uniform.

半導体素子と冷媒流路の間に位置する壁部材に、半導体素子の中央領域から周辺領域に至る方向での熱伝導率が、壁部材を構成する母材の熱伝導率よりも高い高熱伝導部を形成することができる。   A high thermal conductivity portion having a thermal conductivity in the direction from the central region to the peripheral region of the semiconductor element that is higher than the thermal conductivity of the base material constituting the wall member in the wall member located between the semiconductor element and the refrigerant flow path Can be formed.

上記構成によると、冷媒流路と直交する断面を観察したときに、加熱されやすい中央領域で発生した熱が、まず壁部材の中央範囲に伝熱し、ついで高熱伝導部を通じて壁部材の周辺範囲へ伝熱する。半導体素子が冷却器を形成している壁部材の中央領域のみに積層されている場合であっても、半導体素子で発生する熱を壁部材の全体に伝熱することができる。したがって、半導体素子の中央領域が局所的に高温となることを抑制することができる。冷媒流路と直交する断面で観察したときの温度分布を均質化することができる。また半導体素子から壁部材の全体に伝導した熱を、広い範囲で冷媒に放熱することができ、半導体素子をより適切に冷却することができる。これにより、半導体素子の各部位の温度をさらに適切に均一化させることができる。   According to the above configuration, when the cross section perpendicular to the refrigerant flow path is observed, the heat generated in the central region that is easily heated is first transferred to the central region of the wall member, and then to the peripheral region of the wall member through the high heat conducting portion. Heat transfer. Even when the semiconductor element is stacked only in the central region of the wall member forming the cooler, the heat generated in the semiconductor element can be transferred to the entire wall member. Therefore, it can suppress that the center area | region of a semiconductor element becomes high temperature locally. The temperature distribution when observed in a cross section orthogonal to the refrigerant flow path can be homogenized. Moreover, the heat conducted from the semiconductor element to the entire wall member can be dissipated to the refrigerant in a wide range, and the semiconductor element can be cooled more appropriately. Thereby, the temperature of each part of a semiconductor element can be equalized more appropriately.

半導体素子と冷媒流路の間に位置する壁部材に、冷媒流路に沿った方向での熱伝導率が、壁部材を構成する母材の熱伝導率よりも高い高熱伝導部を形成することもできる。   Forming a high thermal conductivity portion in the wall member located between the semiconductor element and the refrigerant flow path, the heat conductivity in the direction along the refrigerant flow path being higher than the thermal conductivity of the base material constituting the wall member; You can also.

上記構成によると、冷媒流路に沿った断面を観察したときに、加熱されやすい中央領域で発生した熱が、まず壁部材の中央範囲に伝熱し、ついで高熱伝導部を通じて壁部材の周辺範囲へと伝熱する。半導体素子が冷却器を形成している壁部材の中央領域のみに積層されている場合であっても、半導体素子で発生する熱が壁部材の全体に伝熱することができる。したがって、半導体素子の中央領域が局所的に高温となることを抑制することができる。冷媒流路に沿った断面で観察したとき温度分布を均質化することができる。また、半導体素子から壁部材の全体に伝導した熱を、広い範囲で冷媒に放熱することができ、半導体素子をより適切に冷却することができる。これにより、半導体素子の各部位の温度をさらに適切に均一化させることができる。   According to the above configuration, when the cross section along the refrigerant flow path is observed, the heat generated in the central region that is easily heated is first transferred to the central region of the wall member, and then to the peripheral region of the wall member through the high heat conduction portion. Heat transfer. Even when the semiconductor element is stacked only in the central region of the wall member forming the cooler, the heat generated in the semiconductor element can be transferred to the entire wall member. Therefore, it can suppress that the center area | region of a semiconductor element becomes high temperature locally. The temperature distribution can be homogenized when observed in a cross section along the refrigerant flow path. Moreover, the heat conducted from the semiconductor element to the entire wall member can be radiated to the refrigerant in a wide range, and the semiconductor element can be cooled more appropriately. Thereby, the temperature of each part of a semiconductor element can be equalized more appropriately.

冷媒流路を横断する方向、あるいは冷媒流路に沿った方向の熱伝導率が高い高熱伝導部を用いる場合、半導体素子と冷媒流路を結ぶ方向での熱伝導率まで高い高熱伝導部を用いることが好ましい。その場合、半導体素子と冷媒流路を結ぶ方向での熱伝導率が、壁部材を構成する母材の熱伝導率よりも高いことが好ましい。
この場合、壁部材の広い範囲に伝熱する現象と、冷媒に対する伝熱現象の双方が活発化され、半導体素子の各部位の温度をさらに適切に均一化させることができる。
When using a high thermal conductivity part that has a high thermal conductivity in the direction crossing the refrigerant channel or in the direction along the refrigerant channel, use the high thermal conductivity part that has a high thermal conductivity in the direction connecting the semiconductor element and the refrigerant channel. It is preferable. In that case, it is preferable that the thermal conductivity in the direction connecting the semiconductor element and the refrigerant flow path is higher than the thermal conductivity of the base material constituting the wall member.
In this case, both the phenomenon of heat transfer to a wide range of the wall member and the heat transfer phenomenon with respect to the refrigerant are activated, and the temperature of each part of the semiconductor element can be more appropriately uniformized.

本明細書に開示する半導体装置によれば、半導体素子の中央領域と周辺領域との温度差を低減し、半導体素子の各部位の温度を均一化させることができる。   According to the semiconductor device disclosed in this specification, the temperature difference between the central region and the peripheral region of the semiconductor element can be reduced, and the temperature of each part of the semiconductor element can be made uniform.

実施例1の半導体装置を示す平面図。1 is a plan view showing a semiconductor device of Example 1. FIG. 図1のII−II線における断面図。Sectional drawing in the II-II line of FIG. 図1のIII−III線における断面図。Sectional drawing in the III-III line of FIG. 実施例1の変形例の半導体装置の図3に対応する断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 3 of a semiconductor device according to a modification of Example 1; 実施例2の半導体装置を示す平面図。FIG. 6 is a plan view showing a semiconductor device of Example 2. 図5のVI−VI線における断面構造を示す斜視図。The perspective view which shows the cross-section in the VI-VI line of FIG. 実施例3の半導体装置を示す平面図。FIG. 6 is a plan view showing a semiconductor device of Example 3. 図7のVIII−VIII線における断面構造を示す斜視図。The perspective view which shows the cross-section in the VIII-VIII line of FIG. 実施例4の半導体装置を示す平面図。FIG. 6 is a plan view showing a semiconductor device of Example 4; 図9のX−X線における断面構造を示す斜視図。The perspective view which shows the cross-section in the XX line of FIG. 実施例5の半導体装置を示す平面図。FIG. 10 is a plan view showing a semiconductor device according to Example 5; 図10のXII−XII線における断面図。Sectional drawing in the XII-XII line | wire of FIG. 図10のXIII−XIII線における断面図。Sectional drawing in the XIII-XIII line | wire of FIG. 実施例5の変形例1の半導体装置の図13に対応する断面図。FIG. 14 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to Modification 1 of Embodiment 5 corresponding to FIG. 13. 実施例5の変形例2の半導体装置の図12に対応する断面図。FIG. 13 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a second modification of the fifth embodiment corresponding to FIG. 12.

以下に、本明細書に開示する技術の実施例の特徴を説明する。
(特徴1)冷却器の上側壁部材と下側壁部材との間に流路が形成されており、上側壁部材から下側壁部材に向かって仕切壁が伸びている。これにより、半導体素子から壁部材へと伝導した熱が、仕切壁をも通じて流路を流れる冷却水に放熱する。
(特徴2)冷却器の流路は、上側壁部材と下側壁部材と隣り合う仕切壁とによって区画される複数の分流路を備えており、各分流路の横断面積は同じ大きさである。これにより、冷媒が各分流路を均等に流れる。
The features of the embodiments of the technology disclosed in this specification will be described below.
(Feature 1) A flow path is formed between the upper wall member and the lower wall member of the cooler, and the partition wall extends from the upper wall member toward the lower wall member. Thereby, the heat conducted from the semiconductor element to the wall member is radiated to the cooling water flowing through the flow path through the partition wall.
(Characteristic 2) The flow path of the cooler includes a plurality of branch channels divided by an upper wall member and a partition wall adjacent to the lower wall member, and the cross-sectional area of each branch channel is the same. Thereby, a refrigerant | coolant flows equally through each flow path.

(実施例1)
本明細書に開示する技術を具体化した半導体装置の実施例1を、図1〜図3を参照して説明する。図1は、実施例1の半導体装置10の平面図である。図1に示すように、半導体装置10では、半導体素子11と冷却器20とが積層されている。半導体素子11と冷却器20との間には、後記するように実際には複数の層が介在しているが、図1では、これらの層の図示を省略している。なお、他の実施例の半導体装置の平面図においても、半導体素子と冷却器との間の層は、図示を省略する。図1に示すように、半導体装置10の平面視では、冷却器20は略正方形状である。また、半導体素子11は、冷却器20よりも小さい略正方形状であるが、冷却器20の大部分を覆う大きさである。平面視において半導体素子11の中心と冷却器20の中心は一致している。
Example 1
A semiconductor device according to a first embodiment of the technology disclosed in this specification will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view of the semiconductor device 10 according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, in the semiconductor device 10, the semiconductor element 11 and the cooler 20 are stacked. As will be described later, a plurality of layers are actually interposed between the semiconductor element 11 and the cooler 20, but these layers are not shown in FIG. In the plan view of the semiconductor device according to another embodiment, the layer between the semiconductor element and the cooler is not shown. As shown in FIG. 1, the cooler 20 has a substantially square shape in a plan view of the semiconductor device 10. The semiconductor element 11 has a substantially square shape smaller than the cooler 20, but is large enough to cover most of the cooler 20. In plan view, the center of the semiconductor element 11 and the center of the cooler 20 coincide.

図2は、図1のII−II線における断面図であり、図3は、III−III線における断面図である。半導体装置10では、実際には、図2及び図3に示すように、半導体素子11と冷却器20との間に、複数の層が介在している。すなわち、図2及び図3に示すように、半導体装置10は、半導体素子11と実装基板13とベースプレート18と冷却器20とが順に積層されている。半導体素子11と実装基板13の間には、これらを接合する第1接合部12が介在しており、実装基板13とベースプレート18との間には、これらを接合する第2接合部17が介在している。また、ベースプレート18と冷却器20との間には、これらを接合する第3接合部19が介在している。各図では、これらが積層されている方向をz軸方向とし、z軸に直交する方向をx軸及びy軸とする。   2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III. In the semiconductor device 10, actually, as shown in FIGS. 2 and 3, a plurality of layers are interposed between the semiconductor element 11 and the cooler 20. That is, as shown in FIGS. 2 and 3, the semiconductor device 10 includes a semiconductor element 11, a mounting substrate 13, a base plate 18, and a cooler 20 that are stacked in order. Between the semiconductor element 11 and the mounting substrate 13, a first bonding portion 12 for bonding them is interposed, and between the mounting substrate 13 and the base plate 18, a second bonding portion 17 for bonding them is interposed. is doing. Further, a third joint portion 19 that joins the base plate 18 and the cooler 20 is interposed. In each figure, the direction in which these layers are stacked is the z-axis direction, and the directions orthogonal to the z-axis are the x-axis and the y-axis.

本実施例では、半導体素子11はシリコン半導体からなり、複数のIGBTで構成されている。なお、半導体素子11は、IGBTに限定されず、サイリスタ、MOSFET、及びダイオードなどであってもよい。また、半導体素子11は、窒化シリコン、ガリウム砒素、及び窒化ガリウムなどの半導体からなるものであってもよい。実装基板13は、第1層14と第2層15と第3層16との3層構造となっている。第1層14及び第3層16は、アルミニウムや銅などの金属で構成され、第2層15は、窒化アルミニウムや酸化アルミニウムの絶縁体で構成されている。本実施例では、ベースプレート18は、銅からなる。なお、ベースプレート18を、アルミニウムや、アルミニウム又は銅とモリブテンとの合金で構成してもよい。第1接合部12と第2接合部17とは、はんだで構成されている。また、ベースプレート18と冷却器20との間の第3接合部19は、ろう付け又はグリス接合で構成されている。   In this embodiment, the semiconductor element 11 is made of a silicon semiconductor and is composed of a plurality of IGBTs. The semiconductor element 11 is not limited to the IGBT, and may be a thyristor, a MOSFET, a diode, or the like. The semiconductor element 11 may be made of a semiconductor such as silicon nitride, gallium arsenide, or gallium nitride. The mounting substrate 13 has a three-layer structure including a first layer 14, a second layer 15, and a third layer 16. The first layer 14 and the third layer 16 are made of a metal such as aluminum or copper, and the second layer 15 is made of an insulator of aluminum nitride or aluminum oxide. In this embodiment, the base plate 18 is made of copper. The base plate 18 may be made of aluminum or an alloy of aluminum or copper and molybdenum. The 1st junction part 12 and the 2nd junction part 17 are comprised with the solder. Moreover, the 3rd junction part 19 between the baseplate 18 and the cooler 20 is comprised by brazing or grease joining.

図2及び図3に示すように、冷却器20は、半導体素子11等が積層されている上側壁部材21と、上側壁部材21に対向する下側壁部材22と、4枚の側板23とを備えている。冷却器20には、上側壁部材21と下側壁部材22と側板23とによって冷却水流路30が画定されている。図2に示すように、冷却器20は、上側壁部材21から下側壁部材22にまで伸びている複数の仕切壁24を備えている。図3に示すように、冷却水流路30は、上流端に位置する入口部31と下流端に位置する出口部32とを備えている。図2に示すように、冷却水流路30は、上側壁部材21と下側壁部材22と隣り合う仕切壁24とに囲まれる複数の分流路33を備えており、各分流路33は、図3に示すように、入口部31から出口部32にかけてy軸方向に伸びている。冷却器20の入口部31には、冷媒としての冷却水が流入する流入管35が接続されており、冷却器20の出口部32には、冷却水が流出する流出管36が接続されている。なお、冷媒として水以外の物質を用いるようにしてもよい。冷却器20の冷却水流路30では、冷却水がy軸方向に流れる。詳細には、図3の矢印に示すように、冷却水は流入管35を通じて入口部31へ流入し、その後、分流路33に分岐して流れる。分流路33を流れた冷却水は、出口部32で合流し、流出管36を通じて流出する。半導体素子11が作動して発熱すると、この熱が、各層12,13,17,18,19を通じて冷却器20に伝熱する。冷却器20に伝熱した熱は、冷却水流路30を流れる冷却水に放熱する。このようにして、半導体素子11で発生する熱が冷却水へ放熱され、半導体素子11が冷却される。   As shown in FIGS. 2 and 3, the cooler 20 includes an upper wall member 21 on which the semiconductor elements 11 and the like are stacked, a lower wall member 22 that faces the upper wall member 21, and four side plates 23. I have. In the cooler 20, a cooling water flow path 30 is defined by an upper wall member 21, a lower wall member 22, and a side plate 23. As shown in FIG. 2, the cooler 20 includes a plurality of partition walls 24 extending from the upper wall member 21 to the lower wall member 22. As shown in FIG. 3, the cooling water passage 30 includes an inlet portion 31 located at the upstream end and an outlet portion 32 located at the downstream end. As shown in FIG. 2, the cooling water flow path 30 includes a plurality of branch flow paths 33 surrounded by an upper wall member 21, a lower wall member 22 and a partition wall 24 adjacent to each other. As shown in FIG. 3, the y-axis direction extends from the inlet portion 31 to the outlet portion 32. An inflow pipe 35 into which cooling water as a refrigerant flows is connected to the inlet 31 of the cooler 20, and an outflow pipe 36 from which the cooling water flows out is connected to the outlet 32 of the cooler 20. . In addition, you may make it use substances other than water as a refrigerant | coolant. In the cooling water flow path 30 of the cooler 20, the cooling water flows in the y-axis direction. Specifically, as shown by the arrows in FIG. 3, the cooling water flows into the inlet portion 31 through the inflow pipe 35 and then branches to the branch channel 33 and flows. The cooling water that has flowed through the branch channel 33 joins at the outlet 32 and flows out through the outflow pipe 36. When the semiconductor element 11 operates and generates heat, this heat is transferred to the cooler 20 through the layers 12, 13, 17, 18, and 19. The heat transferred to the cooler 20 is radiated to the cooling water flowing through the cooling water flow path 30. In this way, the heat generated in the semiconductor element 11 is radiated to the cooling water, and the semiconductor element 11 is cooled.

図2に示すように、冷却水流路30に直交する断面で観察すると、上側壁部材21の厚みd1は、半導体素子11の中央領域に対応する範囲で薄く、半導体素子11の周辺領域に対応する範囲で厚くなってなっている。より正確に説明すると、上側壁部材21の厚みd1は、中央位置における最も薄い厚みから、最周辺位置おける最も厚い厚みまでの間で、多段階に変化している。また、下側壁部材22の厚みd2は、半導体素子11の中央領域に対応する範囲では半導体素子11の周辺領域に対応する範囲よりも厚くなっている。上側壁部材21と下側壁部材22との間隔は、x軸方向の全体に亘って同じ間隔であり、各仕切壁24は同じ長さである。また、仕切壁24は、x軸方向に等間隔で配置されている。したがって、上側壁部材21と下側壁部材22と仕切壁24とによって区画される各分流路33の断面積は同じ大きさである。これにより、分流路33には冷却水が均等に流れる。また、上側壁部材21の厚みd1を上記のように構成したため、半導体素子11の中央領域ほど冷却水流路30(分流路33)までの距離が近い。半導体素子11の中央領域での放熱性を周辺領域での放熱性よりも向上させることができ、高温となりやすい中央領域での放熱性を高めることができる。その結果、冷却水流路30に直交する方向において、半導体素子11の中央領域と周辺領域の温度差を低減することができ、半導体素子11の各部位の温度を均一化することができる。   As shown in FIG. 2, when observed in a cross section orthogonal to the cooling water flow path 30, the thickness d <b> 1 of the upper wall member 21 is thin in a range corresponding to the central region of the semiconductor element 11, and corresponds to the peripheral region of the semiconductor element 11. Thick in the range. More precisely, the thickness d1 of the upper side wall member 21 changes in multiple steps from the thinnest thickness at the central position to the thickest thickness at the outermost peripheral position. In addition, the thickness d2 of the lower wall member 22 is thicker in the range corresponding to the central region of the semiconductor element 11 than in the range corresponding to the peripheral region of the semiconductor element 11. The space | interval of the upper wall member 21 and the lower wall member 22 is the same space | interval over the whole x-axis direction, and each partition wall 24 is the same length. Moreover, the partition walls 24 are arranged at equal intervals in the x-axis direction. Therefore, the cross-sectional areas of the respective diversion channels 33 defined by the upper wall member 21, the lower wall member 22, and the partition wall 24 are the same size. As a result, the cooling water flows through the branch flow path 33 evenly. In addition, since the thickness d1 of the upper side wall member 21 is configured as described above, the distance to the cooling water channel 30 (the branch channel 33) is closer to the central region of the semiconductor element 11. The heat dissipation in the central region of the semiconductor element 11 can be improved more than the heat dissipation in the peripheral region, and the heat dissipation in the central region that tends to become high temperature can be enhanced. As a result, the temperature difference between the central region and the peripheral region of the semiconductor element 11 can be reduced in the direction orthogonal to the cooling water flow path 30, and the temperature of each part of the semiconductor element 11 can be made uniform.

また、図3に示すように、冷却水流路30に沿った断面で観察すると、冷却水流路30(分流路33)が円弧状に形成されており、上側壁部材21の厚みd1は、半導体素子11の周辺領域に対応する範囲よりも、半導体素子11の中央領域に対応する範囲で薄くなっている。また、下側壁部材22の厚みd2は、半導体素子11の周辺領域に対応する範囲よりも、半導体素子11の中央領域に対応する範囲で厚くなっている。また、入口部31での上側壁部材21の厚みd1と、出口部32での上側壁部材21の厚みd1は同じ厚みであり、入口部31と出口部32とは、同じ高さ(z軸方向で同じ位置)に形成されている。したがって、冷却水が流れる方向に沿った断面視では、半導体素子11の中央領域ほど冷却水流路30(分流路33)までの距離が近くなる。これにより、半導体素子11の中央領域での放熱性を周辺領域での放熱性よりも向上させることができ、高温となりやすい中央領域での放熱性を高めることができる。その結果、冷却水流路30に沿った方向において、半導体素子11の中央領域と周辺領域の温度差を低減することができ、半導体素子11の各部位の温度を均一化することができる。   Further, as shown in FIG. 3, when observed in a cross section along the cooling water flow path 30, the cooling water flow path 30 (dividing flow path 33) is formed in an arc shape, and the thickness d1 of the upper side wall member 21 is determined by the semiconductor element. It is thinner in the range corresponding to the central region of the semiconductor element 11 than in the range corresponding to the peripheral region 11. Further, the thickness d <b> 2 of the lower wall member 22 is thicker in the range corresponding to the central region of the semiconductor element 11 than in the range corresponding to the peripheral region of the semiconductor element 11. Further, the thickness d1 of the upper wall member 21 at the entrance 31 and the thickness d1 of the upper wall 21 at the exit 32 are the same, and the entrance 31 and the exit 32 have the same height (z-axis). The same position in the direction). Therefore, in a cross-sectional view along the direction in which the cooling water flows, the distance to the cooling water flow path 30 (the branch flow path 33) is closer to the central region of the semiconductor element 11. Thereby, the heat dissipation in the center area | region of the semiconductor element 11 can be improved rather than the heat dissipation in a peripheral area | region, and the heat dissipation in the center area | region which tends to become high temperature can be improved. As a result, the temperature difference between the central region and the peripheral region of the semiconductor element 11 in the direction along the cooling water flow path 30 can be reduced, and the temperature of each part of the semiconductor element 11 can be made uniform.

本実施例では、半導体素子11の各部位の温度を均一化させることができるため、第1接合部12の中央領域に亀裂等が生じて劣化することを抑制することができる。その結果、半導体素子11から冷却器20への熱抵抗が大きくなることを抑制することができ、半導体素子11の中央領域での放熱性を周辺領域よりも向上させるといった作用を長期間に亘って得ることができる。   In the present embodiment, the temperature of each part of the semiconductor element 11 can be made uniform, so that it is possible to suppress degradation caused by a crack or the like in the central region of the first joint portion 12. As a result, an increase in the thermal resistance from the semiconductor element 11 to the cooler 20 can be suppressed, and the heat radiation performance in the central region of the semiconductor element 11 can be improved over the long term. Obtainable.

第1接合部12の中央領域の劣化を抑制するといった効果は、本願発明者らによって行われた冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験からも説明することができる。この実験では、本実施例の半導体装置に代わり、冷却器の上側壁部材の厚みが全体に亘って同じ厚みである半導体装置を用いた。すなわち、半導体素子から冷却器の冷却水流路までの距離が、半導体素子の各部位において均一である半導体装置を用いた。なお、試験で用いた半導体装置では冷却以外の構成は本実施例と同じである。   The effect of suppressing the deterioration of the central region of the first joint portion 12 can also be explained from a cooling cycle test and a power cycle test conducted by the inventors of the present application. In this experiment, a semiconductor device in which the thickness of the upper wall member of the cooler was the same throughout was used instead of the semiconductor device of the present example. That is, a semiconductor device in which the distance from the semiconductor element to the cooling water flow path of the cooler is uniform in each part of the semiconductor element was used. The semiconductor device used in the test is the same as the present embodiment except for cooling.

冷熱サイクル試験とは、半導体装置を高温槽と低温槽との2つの恒温槽に交互に放置する操作を繰り返す試験であり、半導体装置の温度が長時間(数時間、または1日単位)毎に変化し、半導体素子の各部位の温度が均一に変化する状態を想定した試験である。この試験を行った結果、第1接合部の端部には、クラックが発生したものの、このクラックは第1接合部の中央領域にまでは伝播しなかった。
一方、パワーサイクル試験とは、半導体素子の断続通電により温度サイクルストレスを生じさせるものであり、半導体装置の温度が短時間(1秒以下、または数秒単位)で変化する状態を想定した試験である。この試験を行った結果、第1接合部には、半導体素子の中央領域に対応する部位で亀裂等の劣化が生じ、半導体素子から冷却器への熱伝導における熱抵抗が高くなった。
The thermal cycle test is a test in which a semiconductor device is repeatedly left in two constant temperature baths, a high-temperature bath and a low-temperature bath, and repeated every time the temperature of the semiconductor device is long (several hours or every day). This test assumes a state in which the temperature of each part of the semiconductor element changes and changes uniformly. As a result of this test, although a crack occurred at the end of the first joint, this crack did not propagate to the central region of the first joint.
On the other hand, the power cycle test is a test in which a temperature cycle stress is generated by intermittent energization of a semiconductor element and assumes a state in which the temperature of the semiconductor device changes in a short time (less than 1 second or in units of several seconds). . As a result of this test, the first joint portion was deteriorated such as a crack at a portion corresponding to the central region of the semiconductor element, and the thermal resistance in heat conduction from the semiconductor element to the cooler was increased.

パワーサイクル試験で、第1接合部における半導体素子の中央領域に対応する部位に劣化が生じたのは、上側壁部材の各部位の厚みが均一である半導体装置では、半導体素子の断続通電によって半導体素子(ひいては第1接合部)の部位毎の温度が不均一となるためであると考えられる。すなわち、第1接合部では、半導体素子の中央領域に対応する部位が局所的に高温となって熱膨張が大きくなる一方、半導体素子の周辺領域に対応する部位では熱膨張がさほど大きくないため、この熱膨張の差異に起因した歪みが中央領域に発生したものと考えられる。半導体素子の断続通電によって、第1接合部の中央領域における歪みが繰り返し生じると、第1接合部の中央領域に亀裂が生じる。これにより、半導体素子の中央領域での放熱性が低下し、半導体素子の中央領域の温度がさらに上昇するため、第1接合部の中央領域での劣化がさらに進行する。
この点、本実施例では、冷却器20の上側壁部材21の厚みd1を上記のように設定しているため、半導体素子11の各部位の温度を均一化させることができる。その結果、第1接合部12の中央領域の劣化が進行して、半導体素子11から冷却器20への熱抵抗が大きくなることを抑制することができる。
In the power cycle test, the part corresponding to the central region of the semiconductor element in the first joint portion deteriorated because the semiconductor device in which the thickness of each part of the upper side wall member is uniform causes the semiconductor element to be intermittently energized. This is presumably because the temperature of each part of the element (and hence the first joint) becomes non-uniform. That is, in the first joint portion, the portion corresponding to the central region of the semiconductor element is locally high in temperature and the thermal expansion is large, whereas the portion corresponding to the peripheral region of the semiconductor element is not so large in thermal expansion. It is considered that distortion caused by the difference in thermal expansion occurred in the central region. If the semiconductor element is intermittently energized and a strain in the central region of the first joint is repeatedly generated, a crack occurs in the central region of the first joint. Thereby, the heat dissipation in the central region of the semiconductor element is lowered, and the temperature of the central region of the semiconductor element is further increased, so that the deterioration in the central region of the first junction further proceeds.
In this regard, in the present embodiment, the thickness d1 of the upper wall member 21 of the cooler 20 is set as described above, so that the temperature of each part of the semiconductor element 11 can be made uniform. As a result, it is possible to prevent the thermal resistance from the semiconductor element 11 to the cooler 20 from increasing due to the deterioration of the central region of the first joint 12.

(実施例1の変形例)
実施例1の変形例を図4を参照して説明する。図4に示すように、本変形例の半導体装置40では、冷却器41の構成が上記実施例1と異なっている。なお、その他の構成は、実施例1と同じであるため、同じ構成の部材については実施例1と同じ符号で示し、その説明を省略する。
図4に示すように、冷却器41では、冷却水の流れる方向に沿った断面視で、冷却水流路45(分流路48)が円弧状に形成されており、半導体素子11の中央領域ほど冷却水流路45に近くなっている。また、本変形例では、冷却水流路45の入口部46側よりも出口部47側が高い位置に形成されており、冷却水流路45が描く円弧が、破線で示すように、入口部46側から出口部47側にかけて上方に傾斜している。したがって、冷却水が流れる方向に沿った断面視では、上側壁部材42の厚みd1が、冷却水流路45の上流側に対応する部位よりも冷却水流路45の下流側に対応する部位で薄くなっており、下側壁部材43の厚みd2が、冷却水流路45の上流側に対応する部位よりも冷却水流路45の下流側に対応する部位で厚くなっている。
(Modification of Example 1)
A modification of the first embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, in the semiconductor device 40 of this modification, the configuration of the cooler 41 is different from that of the first embodiment. In addition, since the other structure is the same as Example 1, the member of the same structure is shown with the same code | symbol as Example 1, and the description is abbreviate | omitted.
As shown in FIG. 4, in the cooler 41, the cooling water flow path 45 (dividing flow path 48) is formed in an arc shape in a cross-sectional view along the direction in which the cooling water flows. It is close to the water channel 45. In this modification, the outlet 47 side of the cooling water channel 45 is formed at a higher position than the inlet 46 side, and the arc drawn by the cooling water channel 45 extends from the inlet 46 side as indicated by the broken line. It inclines upwards toward the exit 47 side. Therefore, in a cross-sectional view along the direction in which the cooling water flows, the thickness d1 of the upper side wall member 42 is thinner at a portion corresponding to the downstream side of the cooling water flow channel 45 than at a portion corresponding to the upstream side of the cooling water flow channel 45. The thickness d2 of the lower wall member 43 is thicker at the portion corresponding to the downstream side of the cooling water flow path 45 than at the portion corresponding to the upstream side of the cooling water flow path 45.

冷却水は、冷却水流路45の上流側から下流側に向かって流れるにつれて、半導体素子11からの熱によって加熱される。冷却水の温度は冷却水流路45の上流側よりも下流側で高くなるため、半導体素子11では、冷却水流路45の上流側に対応する部位よりも冷却水流路45の下流側に対応する部位のほうが放熱性が低くなる可能性がある。本変形例では、半導体素子11と冷却水流路45との距離を上流側よりも下流側で近くすることができるため、半導体素子11の放熱性が冷却水流路45の下流側において低くなることを抑制することができる。その結果、半導体素子11において、冷却器41の冷却水流路45の上流側に対応する部位と下流側に対応する部位との温度差を低減し、半導体素子11の各部位の温度をさらに適切に均一化させることができる。なお、その他の作用効果は実施例1と同じである。   The cooling water is heated by the heat from the semiconductor element 11 as it flows from the upstream side to the downstream side of the cooling water channel 45. Since the temperature of the cooling water is higher on the downstream side than the upstream side of the cooling water flow path 45, in the semiconductor element 11, the part corresponding to the downstream side of the cooling water flow path 45 rather than the part corresponding to the upstream side of the cooling water flow path 45. There is a possibility that the heat dissipation is lower. In the present modification, the distance between the semiconductor element 11 and the cooling water channel 45 can be made closer to the downstream side than the upstream side, so that the heat dissipation of the semiconductor element 11 is lowered on the downstream side of the cooling water channel 45. Can be suppressed. As a result, in the semiconductor element 11, the temperature difference between the portion corresponding to the upstream side of the cooling water passage 45 of the cooler 41 and the portion corresponding to the downstream side is reduced, and the temperature of each portion of the semiconductor element 11 is further appropriately set. It can be made uniform. Other functions and effects are the same as those of the first embodiment.

(実施例2)
次に、図5及び図6を参照して、実施例2の半導体装置50を説明する。図5は、本実施例の半導体装置50の平面図である。本実施例の半導体装置50は、半導体素子51の平面視が上記実施例1と異なる。半導体素子51は、複数のIGBTで構成されており、平面視では、図5のy軸方向に長い略矩形状に形成されている。半導体装置50の平面視では、半導体素子51の中心と冷却器60の中心とは一致しており、冷却器60には、x軸方向の中央領域にのみ半導体素子51が積層されている。
(Example 2)
Next, a semiconductor device 50 according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a plan view of the semiconductor device 50 of this embodiment. The semiconductor device 50 of the present embodiment is different from the first embodiment in the plan view of the semiconductor element 51. The semiconductor element 51 is composed of a plurality of IGBTs, and is formed in a substantially rectangular shape that is long in the y-axis direction of FIG. 5 in a plan view. In plan view of the semiconductor device 50, the center of the semiconductor element 51 and the center of the cooler 60 coincide with each other, and the semiconductor element 51 is stacked on the cooler 60 only in the central region in the x-axis direction.

図6に、図5のVI−VI線における断面構造を示す。半導体装置50では、半導体素子51と第1接合部52と実装基板53と第2接合部54とベースプレート55と第3接合部56と冷却器60とがこの順に積層されている。
冷却器60に形成される冷却水流路63は、断面積が同じ大きさの複数の分流路64を備えており、実施例1の冷却水流路30と同じ構成である。上記したように、半導体素子51は、冷却器60のx軸方向の中央領域(図6においては右側の端部)にのみ積層されている。換言すれば、冷却水流路63に直交する断面(x−z平面)で観察すると、半導体素子51が上側壁部材61の中央領域にのみ積層されている。逆に言うと、上側壁部材61は半導体素子51の左側の周辺部よりも左側に伸びており、半導体素子51の右側の周辺部よりも右側に伸びている。
FIG. 6 shows a cross-sectional structure taken along line VI-VI in FIG. In the semiconductor device 50, the semiconductor element 51, the first bonding portion 52, the mounting substrate 53, the second bonding portion 54, the base plate 55, the third bonding portion 56, and the cooler 60 are stacked in this order.
The cooling water flow path 63 formed in the cooler 60 includes a plurality of branch flow paths 64 having the same cross-sectional area, and has the same configuration as the cooling water flow path 30 of the first embodiment. As described above, the semiconductor element 51 is stacked only in the central region of the cooler 60 in the x-axis direction (the right end in FIG. 6). In other words, when observed in a cross section (xz plane) orthogonal to the cooling water flow path 63, the semiconductor element 51 is stacked only in the central region of the upper side wall member 61. In other words, the upper wall member 61 extends to the left side from the left peripheral portion of the semiconductor element 51 and extends to the right side from the right peripheral portion of the semiconductor element 51.

冷却器60の母材は銅である。本実施例では、冷却器60の上側壁部材61に第1高熱伝導部62が形成されている。第1高熱伝導部62は、上側壁部材61の略全体に形成されており、上側壁部材61の厚みが厚い部位ほど厚く形成されている。第1高熱伝導部62の全表面は、冷却器60の母材である銅で覆われている。第1高熱伝導部62は、六方晶系のグラファイトで構成されている。六方晶系のグラファイトでは、炭素原子がa軸及びb軸方向に亀甲状に共有結合した層が伸びており、複数の層がc軸方向に重なっている。c軸方向にはファンデルワールス力で結合している。なお、以下では、亀甲状に共有結合した炭素原子の層をab平面という。このグラファイトでは、ab平面に沿った方向の熱伝導率が1000[W/mK]であり、冷却器60の母材である銅の熱伝導率394[W/mK]よりも高い。一方、このグラファイトでは、c軸方向の熱伝導率が10[W/mK]であり、冷却器60の母材である銅の熱伝導率よりも低い。   The base material of the cooler 60 is copper. In the present embodiment, a first high heat conduction portion 62 is formed on the upper wall member 61 of the cooler 60. The first high heat conducting portion 62 is formed on substantially the entire upper wall member 61, and the portion where the upper wall member 61 is thicker is formed thicker. The entire surface of the first high heat conduction unit 62 is covered with copper which is a base material of the cooler 60. The first high thermal conductivity portion 62 is made of hexagonal graphite. In hexagonal graphite, a layer in which carbon atoms are covalently bonded in the shape of a turtle shell in the a-axis and b-axis directions extends, and a plurality of layers overlap in the c-axis direction. In the c-axis direction, they are connected by van der Waals force. Hereinafter, a layer of carbon atoms covalently bonded in a turtle shell shape is referred to as an ab plane. In this graphite, the thermal conductivity in the direction along the ab plane is 1000 [W / mK], which is higher than the thermal conductivity 394 [W / mK] of copper which is the base material of the cooler 60. On the other hand, in this graphite, the thermal conductivity in the c-axis direction is 10 [W / mK], which is lower than the thermal conductivity of copper which is the base material of the cooler 60.

図6において、第1高熱伝導部62の内部の破線及び実線は、グラファイトのab平面を模式的に示している。本実施例では、第1高熱伝導部62のグラファイトのab平面が、xz平面と平行に配列されており、グラファイトのc軸がy軸方向に揃っている。したがって、第1高熱伝導部62は、半導体素子51と上側壁部材61との積層方向(z軸方向)と、半導体素子51の中央領域から左右の周辺領域に向かう方向(x軸方向)の熱伝導率が、上側壁部材61の母材の熱伝導率よりも高くなっている。そのため、冷却水流路と直交する断面で観察すると、半導体素子51で発生する熱が、まず上側壁部材61のx軸方向の中央範囲に伝導した後に、図6の破線矢印に示すように、第1高熱伝導部62を通じて上側壁部材61のx軸方向の中央範囲から左右の周辺領域(x軸方向の周辺領域)へと伝導する。半導体素子51が上側壁部材61の左右方向の中央範囲にのみ積層されている場合であっても、半導体素子51で発生する熱が上側壁部材61の全体に伝導する。したがって、上側壁部材61の中央範囲が局所的に高温となることを抑制することができる。また、半導体素子51から上側壁部材61へ伝導した熱は、上側壁部材61の全体を通じて流路63を流れる冷却水に放熱されるため、半導体素子51をより適切に冷却することができる。以上のようにして、半導体素子51の各部位の温度をさらに適切に均一化させることができる。   In FIG. 6, a broken line and a solid line inside the first high heat conducting portion 62 schematically show the ab plane of graphite. In the present embodiment, the ab planes of graphite of the first high heat conducting section 62 are arranged in parallel with the xz plane, and the c-axis of graphite is aligned in the y-axis direction. Therefore, the first high heat conduction unit 62 is configured to perform heat in the stacking direction (z-axis direction) of the semiconductor element 51 and the upper side wall member 61 and in the direction from the central region of the semiconductor element 51 to the left and right peripheral regions (x-axis direction). The conductivity is higher than the thermal conductivity of the base material of the upper side wall member 61. Therefore, when observed in a cross section orthogonal to the cooling water flow path, the heat generated in the semiconductor element 51 is first conducted to the central range of the upper side wall member 61 in the x-axis direction, and then, as shown by the broken line arrow in FIG. 1 Conducted from the central range of the upper side wall member 61 in the x-axis direction to the left and right peripheral regions (peripheral regions in the x-axis direction) through the high heat conduction part 62 Even when the semiconductor element 51 is stacked only in the central range in the left-right direction of the upper wall member 61, the heat generated in the semiconductor element 51 is conducted to the entire upper wall member 61. Therefore, it can suppress that the center range of the upper side wall member 61 becomes high temperature locally. Further, since the heat conducted from the semiconductor element 51 to the upper wall member 61 is radiated to the cooling water flowing through the flow path 63 through the entire upper wall member 61, the semiconductor element 51 can be cooled more appropriately. As described above, the temperature of each part of the semiconductor element 51 can be made more appropriate and uniform.

また本実施例では、冷却器60上において、半導体素子51がy軸方向に伸びている。上側壁部材61の全体を使用して冷却する目的に照らすと、x軸方向に伝熱する必要性に比して、y軸方向に伝導する必要性は低い。第1高熱伝導部62では、x軸方向の熱伝導率がy軸方向の熱伝導率よりも高い。そのため、半導体素子51から伝導した熱がx軸方向に高い熱伝導率で伝導し、より適切に上側壁部材61の全体に熱を拡散させることができる。
さらに本実施例では、半導体素子51と上側壁部材61との積層方向(z軸方向)の熱伝導率が、上側壁部材61の母材の熱伝導率よりも高い。そのため、冷却器60の上側壁部材61に伝導した熱は、図6の実線矢印に示すように、第1高熱伝導部62を通じて流路側(z軸方向)にも効率よく伝導する。したがって、半導体素子51で発生する熱を上側壁部材61の第1高熱伝導部62を通じて、効率よく冷却水に放熱することができる。その他の構成及び作用効果は実施例1と同じである。
In the present embodiment, the semiconductor element 51 extends in the y-axis direction on the cooler 60. In light of the purpose of cooling using the entire upper side wall member 61, it is less necessary to conduct in the y-axis direction than the need to transfer heat in the x-axis direction. In the first high thermal conductivity portion 62, the thermal conductivity in the x-axis direction is higher than the thermal conductivity in the y-axis direction. Therefore, the heat conducted from the semiconductor element 51 is conducted with high thermal conductivity in the x-axis direction, and the heat can be more appropriately diffused throughout the upper side wall member 61.
Furthermore, in this embodiment, the thermal conductivity in the stacking direction (z-axis direction) of the semiconductor element 51 and the upper side wall member 61 is higher than the thermal conductivity of the base material of the upper side wall member 61. Therefore, the heat conducted to the upper wall member 61 of the cooler 60 is efficiently conducted also to the flow path side (z-axis direction) through the first high heat conduction portion 62 as shown by the solid line arrow in FIG. Therefore, the heat generated in the semiconductor element 51 can be efficiently radiated to the cooling water through the first high heat conduction portion 62 of the upper side wall member 61. Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment.

なお、冷却器60の母材をアルミニウムで構成した場合も、グラファイトのab平面に沿った方向の熱伝導率がアルミニウムの熱伝導率237[W/mK]よりも高く、c軸方向の熱伝導率がアルミニウムの熱伝導率よりも低いため、同様の効果を奏することができる。   Even when the base material of the cooler 60 is made of aluminum, the thermal conductivity in the direction along the ab plane of graphite is higher than the thermal conductivity 237 [W / mK] of aluminum, and the thermal conductivity in the c-axis direction. Since the rate is lower than the thermal conductivity of aluminum, the same effect can be achieved.

(実施例2の変形例)
上記実施例2では、第1高熱伝導部62を六方晶系のグラファイトで構成している。しかしながら、第1高熱伝導部をカーボンナノチューブに金属を含浸させた材料で構成するようにしてもよい。この場合、カーボンナノチューブがx軸方向に伸びるように第1高熱伝導部を配置する。たとえば、カーボンナノチューブにアルミニウムを含浸させた材料は、熱伝導率が約700[W/mK]であり、アルミニウムの熱伝導率の3〜4倍まで向上させることができる。そのため、上側壁部材の母材をアルミニウムで構成した場合には、第1高熱伝導部のx軸方向の熱伝導率を、母材の熱伝導率よりも3〜4倍高くすることができる。半導体素子で発生する熱が上側壁部材のx軸方向における中央範囲のみに伝わり易い場合であっても、カーボンナノチューブを含む第1高熱伝導部によって、上側壁部材の中央範囲が局所的に高温になることを抑制することができる。また、半導体素子で発生する熱を上側壁部材の全体を通じて冷却水に放熱することができる。
(Modification of Example 2)
In Example 2 described above, the first high thermal conductivity portion 62 is made of hexagonal graphite. However, you may make it comprise a 1st high heat conductive part with the material which impregnated the metal to the carbon nanotube. In this case, the first high thermal conductivity portion is arranged so that the carbon nanotubes extend in the x-axis direction. For example, a material obtained by impregnating carbon nanotubes with aluminum has a thermal conductivity of about 700 [W / mK], and can be improved to 3 to 4 times the thermal conductivity of aluminum. Therefore, when the base material of the upper wall member is made of aluminum, the thermal conductivity in the x-axis direction of the first high thermal conductivity portion can be made 3 to 4 times higher than the thermal conductivity of the base material. Even when the heat generated in the semiconductor element is likely to be transmitted only to the central range in the x-axis direction of the upper wall member, the central range of the upper wall member is locally raised to a high temperature by the first high thermal conductivity portion including carbon nanotubes. It can be suppressed. Further, heat generated in the semiconductor element can be radiated to the cooling water through the entire upper wall member.

(実施例3)
次に、図7及び図8を参照して、実施例3の半導体装置70を説明する。図7は、本実施例の半導体装置70の平面図である。本実施例の半導体装置70は、半導体素子71の平面視が上記各実施例と異なる。半導体素子71は、複数のIGBTで構成されており、平面視では、図7のx軸方向に長い略矩形状に形成されている。半導体装置70の平面視では、半導体素子71の中心と冷却器80の中心とは一致しており、冷却器80には、y軸方向の中央領域にのみ半導体素子71が積層されている。
(Example 3)
Next, a semiconductor device 70 of Example 3 will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a plan view of the semiconductor device 70 of this embodiment. The semiconductor device 70 of this embodiment is different from the above embodiments in the plan view of the semiconductor element 71. The semiconductor element 71 is composed of a plurality of IGBTs, and is formed in a substantially rectangular shape that is long in the x-axis direction of FIG. 7 in plan view. In the plan view of the semiconductor device 70, the center of the semiconductor element 71 and the center of the cooler 80 coincide with each other, and the semiconductor element 71 is stacked on the cooler 80 only in the central region in the y-axis direction.

図8に、図1のVIII−VIII線における断面構造を示す。半導体装置70では、半導体素子71と第1接合部72と実装基板73と第2接合部74とベースプレート75と第3接合部76と冷却器80とがこの順に積層されている。
冷却器80に形成される冷却水流路83は、断面積が同じ大きさの複数の分流路84を備えており、実施例1の冷却水流路30と同じ構成である。上記したように、半導体素子71は、冷却器80のy軸方向の中央領域(図8においては手前側の端部)にのみ積層されている。換言すれば、冷却水流路83に沿った断面(y−z面)で観察すると、半導体素子71が上側壁部材81の中央領域にのみ積層されている。逆にいうと、冷却器80は、半導体素子71の上流側の端部よりも上流側に伸びており、下流側の端部よりも下流側に伸びている。
FIG. 8 shows a cross-sectional structure taken along line VIII-VIII in FIG. In the semiconductor device 70, the semiconductor element 71, the first bonding portion 72, the mounting substrate 73, the second bonding portion 74, the base plate 75, the third bonding portion 76, and the cooler 80 are stacked in this order.
The cooling water channel 83 formed in the cooler 80 includes a plurality of branch channels 84 having the same cross-sectional area, and has the same configuration as the cooling water channel 30 of the first embodiment. As described above, the semiconductor element 71 is stacked only in the central region of the cooler 80 in the y-axis direction (the end on the near side in FIG. 8). In other words, when observed in a cross section (yz plane) along the cooling water flow path 83, the semiconductor element 71 is stacked only in the central region of the upper side wall member 81. In other words, the cooler 80 extends upstream from the upstream end of the semiconductor element 71 and extends downstream from the downstream end.

冷却器80の母材は銅である。本実施例では、冷却器80の上側壁部材81に第2高熱伝導部82が形成されている。第2高熱伝導部82は、上側壁部材81の略全体に形成されており、上側壁部材81の厚みが厚い部位ほど厚く形成されている。第2高熱伝導部82の全表面は、冷却器80の母材である銅で覆われている。第2高熱伝導部82は、六方晶系のグラファイトで構成されている。
図8において、第2高熱伝導部82の内部の破線及び実線は、グラファイトのab平面を模式的に示している。本実施例では、第2高熱伝導部82のグラファイトのab平面が、yz平面と平行に配列されており、グラファイトのc軸がx軸方向に揃っている。したがって、冷却水が流れる方向(y軸方向)の熱伝導率が上側壁部材81の母材の熱伝導率よりも高くなっている。そのため、冷却水が流れる方向に沿った断面視では、半導体素子71で発生する熱が、まず上側壁部材81の中央領域に伝導し、その熱は、図8の破線矢印に示すように、第2高熱伝導部82を通じて上側壁部材81の中央領域から周辺領域(y軸方向の周辺領域であり、上流側周辺領域と下流側周辺領域)へと伝導する。半導体素子71が上側壁部材81の中央領域にのみ積層されている場合であっても、半導体素子71で発生する熱が上側壁部材81の全体に伝導する。これにより、上側壁部材81の中央領域が局所的に高温になることを抑制することができる。また、半導体素子71から上側壁部材81へ伝導した熱は、上側壁部材81全体を通じて冷却水流路83を流れる冷却水に放熱されるため、半導体素子71をより適切に冷却することができる。以上のようにして、半導体素子71の各部位の温度をさらに適切に均一化させることができる。
The base material of the cooler 80 is copper. In the present embodiment, the second high heat conducting portion 82 is formed on the upper wall member 81 of the cooler 80. The second high heat conduction portion 82 is formed on substantially the entire upper wall member 81, and the portion where the upper wall member 81 is thicker is formed thicker. The entire surface of the second high heat conduction portion 82 is covered with copper which is a base material of the cooler 80. The second high heat conducting portion 82 is made of hexagonal graphite.
In FIG. 8, a broken line and a solid line inside the second high heat conducting portion 82 schematically show the ab plane of graphite. In the present embodiment, the ab plane of graphite of the second high thermal conductivity portion 82 is arranged in parallel with the yz plane, and the c-axis of graphite is aligned in the x-axis direction. Accordingly, the thermal conductivity in the direction in which the cooling water flows (y-axis direction) is higher than the thermal conductivity of the base material of the upper wall member 81. Therefore, in a cross-sectional view along the direction in which the cooling water flows, the heat generated in the semiconductor element 71 is first conducted to the central region of the upper side wall member 81, and the heat is shown in the broken line arrow in FIG. 2 Conducted from the central region of the upper side wall member 81 to the peripheral region (peripheral region in the y-axis direction, upstream peripheral region and downstream peripheral region) through the high thermal conductivity portion 82. Even when the semiconductor element 71 is stacked only in the central region of the upper wall member 81, heat generated in the semiconductor element 71 is conducted to the entire upper wall member 81. Thereby, it can suppress that the center area | region of the upper side wall member 81 becomes high temperature locally. Moreover, since the heat conducted from the semiconductor element 71 to the upper wall member 81 is dissipated to the cooling water flowing through the cooling water channel 83 through the entire upper wall member 81, the semiconductor element 71 can be cooled more appropriately. As described above, the temperature of each part of the semiconductor element 71 can be made more uniform.

また、本実施例では、冷却器80上において、半導体素子71がx軸方向に伸びている。そのため、上側壁部材81の全範囲に伝熱する目的に照らすと、熱をy軸方向に伝導させる必要はあるものの、x軸方向には伝導させる必要はない。第2高熱伝導部82では、y軸方向の熱伝導率がx軸方向の熱伝導率よりも高いため、半導体素子71の熱が図8の破線矢印に示すように伝導して、より適切に上側壁部材81の全体に拡散させることができる。
さらに、本実施例では、半導体素子71と上側壁部材81との積層方向(z軸方向)の熱伝導率が、上側壁部材81の母材の熱伝導率よりも高い。そのため、冷却器80の上側壁部材81に伝導した熱は、図8の実線矢印に示すように、第2高熱伝導部82を通じて冷却水路側(z軸方向)へと効率よく伝導する。したがって、半導体素子71で発生する熱を上側壁部材81の第2高熱伝導部82を通じて、効率よく冷却水に放熱することができる。その他の構成及び作用効果は実施例1と同じである。
In the present embodiment, the semiconductor element 71 extends in the x-axis direction on the cooler 80. Therefore, in light of the purpose of transferring heat to the entire range of the upper side wall member 81, it is necessary to conduct heat in the y-axis direction, but it is not necessary to conduct heat in the x-axis direction. In the second high thermal conductivity portion 82, the thermal conductivity in the y-axis direction is higher than the thermal conductivity in the x-axis direction. Therefore, the heat of the semiconductor element 71 is conducted as shown by the broken line arrows in FIG. The entire upper wall member 81 can be diffused.
Furthermore, in this embodiment, the thermal conductivity in the stacking direction (z-axis direction) of the semiconductor element 71 and the upper side wall member 81 is higher than the thermal conductivity of the base material of the upper side wall member 81. Therefore, the heat conducted to the upper wall member 81 of the cooler 80 is efficiently conducted to the cooling water channel side (z-axis direction) through the second high heat conduction portion 82 as shown by the solid line arrow in FIG. Therefore, the heat generated in the semiconductor element 71 can be efficiently radiated to the cooling water through the second high heat conduction portion 82 of the upper side wall member 81. Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment.

(実施例4)
次に、図9及び図10を参照して、実施例4の半導体装置90を説明する。図9は、本実施例の半導体装置90の平面図である。本実施例の半導体装置90は、半導体素子91の平面視が上記各実施例と異なる。半導体素子91は、複数のIGBTで構成されており、平面視では略正方形状に形成されている。平面視では、半導体素子91の中心と冷却器100の中心とは一致しており、冷却器100には、x軸方向及びy軸方向の中央領域にのみ半導体素子91が積層されている。
Example 4
Next, a semiconductor device 90 of Example 4 will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a plan view of the semiconductor device 90 of this embodiment. The semiconductor device 90 of this embodiment is different from the above embodiments in the plan view of the semiconductor element 91. The semiconductor element 91 is composed of a plurality of IGBTs, and is formed in a substantially square shape in plan view. In plan view, the center of the semiconductor element 91 and the center of the cooler 100 coincide with each other, and the semiconductor element 91 is stacked on the cooler 100 only in the central regions in the x-axis direction and the y-axis direction.

図10は、図1のX−X線における断面構造を示す。半導体装置90では、半導体素子91と第1接合部92と実装基板93と第2接合部94とベースプレート95と第3接合部96と冷却器100とがこの順に積層されている。
冷却器100に形成される冷却水流路103は、断面積が同じ大きさの複数の分流路104を備えており、実施例1の冷却水流路30と同じである。上記したように、半導体素子91は、冷却器100のx軸方向の中央領域(図10においては右側の端部)であり、y軸方向でも中央領域(図10においては手前側の端部)にのみ積層されている。換言すれば、冷却水流路103に沿った断面視でも、冷却水流路103に直交する断面視でも、半導体素子91は上側壁部材101の中央領域にのみ積層されている。
FIG. 10 shows a cross-sectional structure taken along line XX of FIG. In the semiconductor device 90, the semiconductor element 91, the first bonding portion 92, the mounting substrate 93, the second bonding portion 94, the base plate 95, the third bonding portion 96, and the cooler 100 are stacked in this order.
The cooling water flow path 103 formed in the cooler 100 includes a plurality of branch flow paths 104 having the same cross-sectional area, and is the same as the cooling water flow path 30 of the first embodiment. As described above, the semiconductor element 91 is the central region (right end portion in FIG. 10) of the cooler 100, and the central region (end portion on the near side in FIG. 10) also in the y axis direction. It is laminated only on. In other words, the semiconductor element 91 is stacked only in the central region of the upper side wall member 101 in both a cross-sectional view along the cooling water flow path 103 and a cross-sectional view orthogonal to the cooling water flow path 103.

冷却器100の母材は銅である。本実施例では、冷却器100の上側壁部材101に第3高熱伝導部102が形成されている。第3高熱伝導部102は、上側壁部材101の略全体に形成されており、上側壁部材101の厚みが厚い部位ほど厚く形成されている。第3高熱伝導部102の全表面は、冷却器100の母材である銅で覆われている。第3高熱伝導部102は、六方晶系のグラファイトで構成されている。
図10において、第3高熱伝導部102の内部の実線は、グラファイトのab平面を模式的に示している。本実施例では、第3高熱伝導部102のグラファイトのab平面が、xy平面と平行に配列されており、グラファイトのc軸がz軸方向に揃っている。したがって、第3高熱伝導部102は、x軸方向の熱伝導率が母材の熱伝導率よりも高く、y軸方向の熱伝導率が母材の熱伝導率よりも高くなっている。そのため、半導体素子91で発生する熱が、まず上側壁部材101の中央範囲に伝導し、その熱は、図10の実線矢印に示すように、第3高熱伝導部102を通じて上側壁部材101の中央領域から周辺領域(x軸方向とy軸方向)へと伝導する。半導体素子91が上側壁部材101の中央領域にのみ積層されている場合であっても、半導体素子91で発生する熱が上側壁部材101の全体に伝導する。そのため、上側壁部材101の中央領域が局所的に高温になることを抑制することができる。半導体素子91から上側壁部材101へ伝導した熱は、上側壁部材101の全体を通じて冷却水流路103を流れる冷却水に放熱される。したがって、半導体素子91をより適切に冷却することができる。以上のようにして、半導体素子91の各部位の温度をより適切に均一化させることができる。その他の構成及び作用効果は実施例1と同じである。
The base material of the cooler 100 is copper. In the present embodiment, the third high thermal conductivity portion 102 is formed on the upper wall member 101 of the cooler 100. The third high thermal conductive portion 102 is formed on substantially the entire upper wall member 101, and the portion where the thickness of the upper wall member 101 is thicker is formed thicker. The entire surface of the third high heat conduction unit 102 is covered with copper which is the base material of the cooler 100. The third high thermal conductivity portion 102 is made of hexagonal graphite.
In FIG. 10, the solid line inside the third high thermal conductivity portion 102 schematically shows the ab plane of graphite. In the present embodiment, the ab plane of graphite of the third high heat conducting section 102 is arranged in parallel with the xy plane, and the c axis of graphite is aligned in the z axis direction. Therefore, in the third high thermal conductivity portion 102, the thermal conductivity in the x-axis direction is higher than the thermal conductivity of the base material, and the thermal conductivity in the y-axis direction is higher than the thermal conductivity of the base material. Therefore, the heat generated in the semiconductor element 91 is first conducted to the central range of the upper wall member 101, and the heat is transmitted to the center of the upper wall member 101 through the third high heat conducting portion 102 as shown by the solid line arrow in FIG. Conduction from the region to the peripheral region (x-axis direction and y-axis direction). Even when the semiconductor element 91 is stacked only in the central region of the upper wall member 101, heat generated in the semiconductor element 91 is conducted to the entire upper wall member 101. Therefore, it can suppress that the center area | region of the upper side wall member 101 becomes high temperature locally. The heat conducted from the semiconductor element 91 to the upper wall member 101 is radiated to the cooling water flowing through the cooling water channel 103 through the entire upper wall member 101. Therefore, the semiconductor element 91 can be cooled more appropriately. As described above, the temperature of each part of the semiconductor element 91 can be more appropriately uniformized. Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment.

(実施例5)
次に、図11〜図13を参照して、実施例5の半導体装置110を説明する。図11は、本実施例の半導体装置110の平面図である。本実施例の半導体装置110は、半導体素子111の平面視が上記各実施例と異なる。本実施例では、1つの冷却器120に、複数個(本実施例では4個)の半導体素子111が積層されている。各半導体素子111は、複数のIGBTで構成されている。半導体装置110の平面視では、半導体素子111の一辺の長さは、冷却器120の一辺の長さの1/2よりも短く、冷却器120上において、x軸方向に2列で配置されるとともに、y軸方向に2列に配置されている。
(Example 5)
Next, a semiconductor device 110 according to the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 11 is a plan view of the semiconductor device 110 of this embodiment. The semiconductor device 110 of this embodiment is different from the above embodiments in the plan view of the semiconductor element 111. In the present embodiment, a plurality of (four in this embodiment) semiconductor elements 111 are stacked on one cooler 120. Each semiconductor element 111 is composed of a plurality of IGBTs. In plan view of the semiconductor device 110, the length of one side of the semiconductor element 111 is shorter than ½ of the length of one side of the cooler 120 and is arranged in two rows on the cooler 120 in the x-axis direction. In addition, they are arranged in two rows in the y-axis direction.

図12は、図11のXII−XII線における断面図であり、図13は、図11のXIII−XIII線における断面図である。半導体装置110では、半導体素子111と第1接合部112と実装基板113と第2接合部114とベースプレート115と第3接合部116と冷却器120とがこの順に積層されている。
冷却器120は、図12及び図13に示すように、半導体素子111等が積層されている上側壁部材121と、上側壁部材121に対向する下側壁部材122との間に冷却水流路130が形成されている。図12に示すように、冷却水流路130では、上側壁部材121から下側壁部材122にかけて伸びる複数の仕切壁124が伸びている。図13に示すように、冷却水流路130は、上流側の入口部131と下流側の出口部132とを備えている。入口部131と出口部132とは同じ高さである。図12に示すように、冷却水流路130は、上側壁部材121から下側壁部材122へと伸びる複数の仕切壁124とに囲まれる複数の分流路133を備えており、この分流路133は、入口部131から出口部132にかけてy軸方向に伸びている。冷却器120の入口部131には、冷却水が流入する流入管135が接続されており、冷却器120の出口部132には、冷却水が流出する流出管136が接続されている。本実施例においても、図13の矢印に示すように、冷却水は冷却水流路130をy軸方向に流れる。
12 is a cross-sectional view taken along line XII-XII in FIG. 11, and FIG. 13 is a cross-sectional view taken along line XIII-XIII in FIG. In the semiconductor device 110, the semiconductor element 111, the first joint 112, the mounting substrate 113, the second joint 114, the base plate 115, the third joint 116, and the cooler 120 are stacked in this order.
As shown in FIGS. 12 and 13, the cooler 120 includes a cooling water flow path 130 between an upper wall member 121 in which the semiconductor elements 111 and the like are stacked and a lower wall member 122 that faces the upper wall member 121. Is formed. As shown in FIG. 12, in the cooling water channel 130, a plurality of partition walls 124 extending from the upper wall member 121 to the lower wall member 122 extend. As shown in FIG. 13, the cooling water channel 130 includes an upstream inlet portion 131 and a downstream outlet portion 132. The inlet portion 131 and the outlet portion 132 have the same height. As shown in FIG. 12, the cooling water channel 130 includes a plurality of branch channels 133 surrounded by a plurality of partition walls 124 extending from the upper wall member 121 to the lower wall member 122. It extends in the y-axis direction from the inlet portion 131 to the outlet portion 132. An inflow pipe 135 into which cooling water flows is connected to the inlet part 131 of the cooler 120, and an outflow pipe 136 from which cooling water flows out is connected to the outlet part 132 of the cooler 120. Also in the present embodiment, the cooling water flows in the y-axis direction through the cooling water channel 130 as shown by the arrows in FIG.

図12に示すように、冷却水の流れる方向に直交する断面視では、冷却器120上に半導体素子111が2列で配置されている。この断面視では、上側壁部材121の厚みd1が、2つの半導体素子111のそれぞれの中央領域に対応する部位において、その周辺領域に対応する部位よりも薄くなっている。また、下側壁部材122の厚みd2が、2つの半導体素子111のそれぞれの中央領域に対応する部位において、その周辺領域に対応する部位よりも厚くなっている。そのため、各半導体素子111では、中央領域ほど冷却水流路130(分流路133)までの距離が近い。半導体素子111の中央領域の放熱性を周辺領域の放熱性よりも向上させることができ、高温となりやすい中央領域でより放熱性を高めることができる。その結果、冷却水流路130に直交する方向において、半導体素子111の中央領域と周辺領域との温度差を低減して、半導体素子111の各部位の温度を均一化させることができる。また、本実施例においても、各分流路133の断面積は同じ大きさであり、各分流路133には冷却水が均等に流れる。   As shown in FIG. 12, the semiconductor elements 111 are arranged in two rows on the cooler 120 in a cross-sectional view orthogonal to the flowing direction of the cooling water. In this cross-sectional view, the thickness d1 of the upper wall member 121 is thinner at the part corresponding to the central region of each of the two semiconductor elements 111 than at the part corresponding to the peripheral region. Further, the thickness d2 of the lower side wall member 122 is thicker at the part corresponding to the central region of each of the two semiconductor elements 111 than at the part corresponding to the peripheral region. Therefore, in each semiconductor element 111, the distance to the cooling water flow path 130 (dividing flow path 133) is closer to the center area. The heat dissipation of the central region of the semiconductor element 111 can be improved more than the heat dissipation of the peripheral region, and the heat dissipation can be further increased in the central region that tends to be high temperature. As a result, the temperature difference between the central region and the peripheral region of the semiconductor element 111 can be reduced in the direction orthogonal to the cooling water flow path 130, and the temperature of each part of the semiconductor element 111 can be made uniform. Also in this embodiment, the cross-sectional areas of the respective diversion channels 133 are the same size, and the cooling water flows through the diversion channels 133 evenly.

また、図13に示すように、冷却水の流れる方向に沿った断面視では、冷却器120上に半導体素子111が2列で配置されている。この断面視では、冷却水流路130(分流路133)は、2つの半導体素子111のそれぞれの中央領域に対応して突出する2つの円弧が連続している形状に形成されている。すなわち、上側壁部材121の厚みd1が、2つの半導体素子111のそれぞれの中央領域に対応する部位において、その周辺領域に対応する部位よりも薄くなっている。また、下側壁部材122の厚みd2は、2つの半導体素子111のそれぞれの中央領域に対応する部位において、その周辺領域に対応する部位よりも厚くなっている。なお、本実施例では、入口部131と出口部132とでは、上側壁部材121の厚みd1が同じであり、下側壁部材22の厚みd2が同じである。したがって、入口部131と出口部132とは同じ高さ(z軸方向で同じ位置)に形成されている。   Further, as shown in FIG. 13, the semiconductor elements 111 are arranged in two rows on the cooler 120 in a cross-sectional view along the direction in which the cooling water flows. In this cross-sectional view, the cooling water channel 130 (dividing channel 133) is formed in a shape in which two arcs protruding corresponding to the central regions of the two semiconductor elements 111 are continuous. That is, the thickness d1 of the upper side wall member 121 is thinner at the part corresponding to the central region of each of the two semiconductor elements 111 than at the part corresponding to the peripheral region. Further, the thickness d2 of the lower side wall member 122 is thicker at the part corresponding to the central region of each of the two semiconductor elements 111 than at the part corresponding to the peripheral region. In the present embodiment, the inlet 131 and the outlet 132 have the same thickness d1 of the upper wall member 121 and the same thickness d2 of the lower wall member 22. Therefore, the inlet 131 and the outlet 132 are formed at the same height (the same position in the z-axis direction).

本実施例では、冷却水の流れる方向に沿った断面視では、各半導体素子111の中央領域ほど冷却水流路130(分流路133)までの距離が近い。半導体素子111の中央領域の放熱性を周辺領域の放熱性よりも向上させることができ、高温となりやすい中央領域でより放熱性を高めることができる。その結果、冷却水の流れる方向において、半導体素子111の中央領域と周辺領域との温度差を低減して、半導体素子111の各部位の温度を均一化させることができる。また、半導体素子111の各部位の温度を均一化させることができるため、第1接合部112の中央領域に亀裂が生じることに起因して、半導体素子111から冷却器120への熱伝導における熱抵抗が低下することも抑制することができる。その他の構成及び作用効果は実施例1と同じである。   In the present embodiment, in a cross-sectional view along the direction in which the cooling water flows, the distance to the cooling water flow path 130 (dividing flow path 133) is closer to the central region of each semiconductor element 111. The heat dissipation of the central region of the semiconductor element 111 can be improved more than the heat dissipation of the peripheral region, and the heat dissipation can be further increased in the central region that tends to be high temperature. As a result, the temperature difference between the central region and the peripheral region of the semiconductor element 111 in the flowing direction of the cooling water can be reduced, and the temperature of each part of the semiconductor element 111 can be made uniform. Moreover, since the temperature of each part of the semiconductor element 111 can be made uniform, the heat in the heat conduction from the semiconductor element 111 to the cooler 120 due to the occurrence of a crack in the central region of the first joint 112. It can also suppress that resistance falls. Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment.

(実施例5の変形例1)
実施例5の変形例1を図14を参照して説明する。図14に示すように、本変形例の半導体装置140では、冷却器141の構成が上記実施例5と異なっている。
図14に示す冷却水の流れる方向(y軸方向)に沿った断面視では、冷却器141の冷却水流路150(分流路153)が、2つの半導体素子111のそれぞれの中央領域に対応して突出する2つの円弧が連続している形状に形成されている。本実施例では、出口部152が、入口部151よりも高い位置に形成されている。すなわち、図14に示す断面視では、上側壁部材142の厚みd1が冷却水流路150の上流側に対応する部位よりも冷却水流路150の下流側に対応する部位で薄くなっている。
これにより、本変形例においても、実施例1の変形例と同様に、冷却水の温度が高くなる冷却水流路150の下流側において、半導体素子111の放熱性が低くなることを抑制することができるため、半導体素子111において、冷却器141の冷却水流路145の上流側に対応する部位と下流側に対応する部位との温度差をさらに低減して、半導体素子111の各部位の温度をさらに適切に均一化させることができる。なお、その他の構成及び作用効果は実施例5と同じである。
(Modification 1 of Example 5)
A first modification of the fifth embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 14, in the semiconductor device 140 of this modification, the configuration of the cooler 141 is different from that of the fifth embodiment.
In a cross-sectional view along the flow direction of the cooling water (y-axis direction) shown in FIG. 14, the cooling water flow path 150 (dividing flow path 153) of the cooler 141 corresponds to each central region of the two semiconductor elements 111. Two protruding arcs are formed in a continuous shape. In the present embodiment, the outlet portion 152 is formed at a position higher than the inlet portion 151. That is, in the cross-sectional view shown in FIG. 14, the thickness d1 of the upper wall member 142 is thinner at the part corresponding to the downstream side of the cooling water flow path 150 than the part corresponding to the upstream side of the cooling water flow path 150.
Thereby, also in this modification, it can suppress that the heat dissipation of the semiconductor element 111 becomes low in the downstream of the cooling water flow path 150 where the temperature of cooling water becomes high similarly to the modification of Example 1. Therefore, in the semiconductor element 111, the temperature difference between the part corresponding to the upstream side and the part corresponding to the downstream side of the cooling water channel 145 of the cooler 141 is further reduced, and the temperature of each part of the semiconductor element 111 is further increased. It can be made uniform properly. Other configurations and operational effects are the same as those of the fifth embodiment.

(実施例5の変形例2)
実施例5の変形例2を図15を参照して説明する。図15に示すように、本変形例の半導体装置160では、冷却器161の構成が上記実施例5及びその変形例1と異なっている。
図15に示す冷却水の流れる方向(y軸方向)に直交する断面視では、冷却器161の流路163は、2つの円弧が連続している形状の1つの流路である。すなわち、冷却器161が仕切壁を備えておらず、冷却水流路163が分流路に分岐されていない。上側壁部材162の厚みd1は、2つの半導体素子111のそれぞれの中央領域に対応する部位で、その周辺領域に対応する部位よりも薄くなっている。このような構成においても、冷却水が流れる方向と直交する断面視において、半導体素子111の中央領域ほど冷却水流路163までの距離が近いため、半導体素子111の中央領域の放熱性を周辺領域の放熱性よりも高くすることができる。その結果、半導体素子111の中央領域と周辺領域との温度差を低減して、半導体素子111の各部位の温度をより適切に均一化とすることができる。
なお、実施例1〜4においても、冷却器に仕切壁を設けず、流路が分岐されていない構成としてもよい。
(Modification 2 of Example 5)
A second modification of the fifth embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 15, in the semiconductor device 160 of this modification, the configuration of the cooler 161 is different from that of the fifth embodiment and the modification 1.
In a cross-sectional view orthogonal to the flowing direction of the cooling water (y-axis direction) shown in FIG. 15, the flow path 163 of the cooler 161 is a single flow path having a shape in which two arcs are continuous. That is, the cooler 161 does not include a partition wall, and the cooling water channel 163 is not branched into the branch channel. The thickness d1 of the upper wall member 162 is a portion corresponding to the central region of each of the two semiconductor elements 111 and is thinner than a portion corresponding to the peripheral region. Even in such a configuration, since the distance to the cooling water flow path 163 is closer to the central region of the semiconductor element 111 in a cross-sectional view orthogonal to the direction in which the cooling water flows, the heat dissipation of the central region of the semiconductor element 111 It can be higher than heat dissipation. As a result, the temperature difference between the central region and the peripheral region of the semiconductor element 111 can be reduced, and the temperature of each part of the semiconductor element 111 can be more appropriately uniformized.
In Examples 1 to 4, the cooler may not be provided with a partition wall, and the flow path may not be branched.

(その他の実施例)
上記各実施例で、冷却器が仕切壁を備える場合には、壁部材と下側壁部材と隣り合う仕切壁とによって分流路を形成するようにしている。しかしながら、仕切壁は、壁部材から下側壁部材に向かって伸びているとともに、下側壁部材に達しない長さであってもよい。また、隣り合う仕切壁の間隔は等間隔でなくてもよい。
上記実施例1の変形例と、実施例5の変形例1とでは、流路における冷却水が流れる方向に沿った断面視で、壁部材の厚みが、流路の上流側に対応する部位よりも流路の下流側に対応する部位で薄く、且つ半導体素子の周辺領域に対応する部位よりも半導体素子の中央領域に対応する部位で薄い構成であり、壁部材の厚みが流路の中流に対応する部位で最も薄くなっている。しかしながら、流路における冷却水が流れる方向に沿った断面視では、壁部材の厚みが、単に流路の上流側に対応する部位よりも流路の下流側に対応する部位で薄い構成であってもよく、壁部材の厚みが、流路の下流側に対応する部位ほど(流路の中流に対応する部位よりも下流側に対応する部位で)薄くなる構成であってもよい。
また、冷却器は、流路における冷却水が流れる方向に直交する断面視では、壁部材の厚みが、半導体素子の周辺領域に対応する部位の厚みよりも半導体素子の中央領域に対応する部位で薄く、流路における冷却水が流れる方向に沿った断面視では、壁部材の厚みが各部位で一定であってもよい。
(Other examples)
In each of the embodiments described above, when the cooler includes a partition wall, a branch channel is formed by the wall member and the partition wall adjacent to the lower wall member. However, the partition wall may extend from the wall member toward the lower wall member and may have a length that does not reach the lower wall member. Further, the interval between adjacent partition walls may not be equal.
In the modified example of the first embodiment and the modified example 1 of the fifth embodiment, the thickness of the wall member is larger than the portion corresponding to the upstream side of the flow channel in a cross-sectional view along the direction in which the cooling water flows in the flow channel. Is thinner at the part corresponding to the downstream side of the flow path and thinner at the part corresponding to the central area of the semiconductor element than the part corresponding to the peripheral area of the semiconductor element, and the wall member has a thickness in the middle of the flow path. It is the thinnest at the corresponding site. However, in a cross-sectional view along the direction in which the cooling water flows in the flow path, the thickness of the wall member is simply thinner at the site corresponding to the downstream side of the flow channel than the site corresponding to the upstream side of the flow channel. Alternatively, the wall member may be configured such that the thickness corresponding to the downstream side of the flow path becomes thinner (the part corresponding to the downstream side than the position corresponding to the midstream of the flow path).
Further, the cooler is a section corresponding to the central region of the semiconductor element rather than the thickness of the portion corresponding to the peripheral region of the semiconductor element in a cross-sectional view orthogonal to the direction in which the cooling water flows in the flow path. It is thin, and the thickness of the wall member may be constant at each part in a cross-sectional view along the direction in which the cooling water flows in the flow path.

以上、本明細書に開示される技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
As mentioned above, although the specific example of the technique disclosed by this specification was demonstrated in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
In addition, the technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.

10,40,50,70,90,110,140,160:半導体装置
11,51,71,91,111:半導体素子
12,52,72,92,112:第1接合部
13,53,73,93,113:実装基板
14:第1層
15:第2層
16:第3層
17,54,74,94,114:第2接合部
18,55,75,95,115:ベースプレート
19,56,76,96,116:第3接合部
20,41,60,80,100,120,141,161:冷却器
21,42,61,81,101,121,142,162:上側壁部材
22,43,122:下側壁部材
23:側板
24,124:仕切壁
30,45,63,83,103,130,145,150,163:冷却水流路
31,46,131,151:入口部
32,47,132,152:出口部
33,48,64,84,104,133,153:分流路
35,135:流入管
36,136:流出管
62:第1高熱伝導部
82:第2高熱伝導部
102:第3高熱伝導部
10, 40, 50, 70, 90, 110, 140, 160: Semiconductor devices 11, 51, 71, 91, 111: Semiconductor elements 12, 52, 72, 92, 112: First junctions 13, 53, 73, 93, 113: mounting substrate 14: first layer 15: second layer 16: third layer 17, 54, 74, 94, 114: second joint portions 18, 55, 75, 95, 115: base plates 19, 56, 76, 96, 116: third joint portions 20, 41, 60, 80, 100, 120, 141, 161: coolers 21, 42, 61, 81, 101, 121, 142, 162: upper side wall members 22, 43 122: Lower side wall member 23: Side plate 24, 124: Partition walls 30, 45, 63, 83, 103, 130, 145, 150, 163: Cooling water flow paths 31, 46, 131, 151 1: Inlet portions 32, 47, 13 , 152: outlet portions 33, 48, 64, 84, 104, 133, 153: branch passages 35, 135: inflow pipe 36, 136: outflow pipe 62: first high heat conduction section 82: second high heat conduction section 102: first 3 High heat conduction part

Claims (7)

半導体素子と冷却器を備えており、
その冷却器は、冷媒流路を画定する壁部材を備えており、
その冷媒流路に直交する断面において、前記半導体素子と前記冷媒流路の間に位置する前記壁部材の厚みが、前記半導体素子の中央領域に対応する範囲で薄く、前記半導体素子の周辺領域に対応する範囲で厚いことを特徴とする半導体装置。
It has a semiconductor element and a cooler,
The cooler includes a wall member that defines a refrigerant flow path,
In the cross section orthogonal to the coolant channel, the thickness of the wall member located between the semiconductor element and the coolant channel is thin in a range corresponding to the central region of the semiconductor element, and in the peripheral region of the semiconductor element. A semiconductor device characterized by being thick in a corresponding range.
前記冷媒流路に直交する断面において、前記半導体素子の一方側の周辺領域から他方側の周辺領域に至る方向に沿って、前記冷媒流路を複数本の流路に区画する仕切壁が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   A partition wall that divides the coolant channel into a plurality of channels is formed along a direction from the peripheral region on one side of the semiconductor element to the peripheral region on the other side in a cross section orthogonal to the coolant channel. The semiconductor device according to claim 1, wherein: 前記冷媒流路に沿った断面において、前記半導体素子と前記冷媒流路の間に位置する前記壁部材の厚みが、前記半導体素子の中央領域に対応する範囲で薄く、前記半導体素子の周辺領域に対応する範囲で厚いことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。   In the cross section along the refrigerant flow path, the thickness of the wall member located between the semiconductor element and the refrigerant flow path is thin in a range corresponding to the central area of the semiconductor element, and in the peripheral area of the semiconductor element. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is thick in a corresponding range. 前記冷媒流路に沿った断面において、前記半導体素子と前記冷媒流路の間に位置する前記壁部材の厚みが、前記冷媒流路の上流側に対応する範囲で厚く、前記冷媒流路の下流側に対応する範囲で薄いことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の半導体装置。   In the cross section along the refrigerant flow path, the wall member positioned between the semiconductor element and the refrigerant flow path is thick in a range corresponding to the upstream side of the refrigerant flow path, and is downstream of the refrigerant flow path. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is thin in a range corresponding to the side. 前記半導体素子と前記冷媒流路の間に位置する前記壁部材に、前記半導体素子の中央領域から周辺領域に至る方向での熱伝導率が、前記壁部材を構成する母材の熱伝導率よりも高い高熱伝導部が形成されていることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の半導体装置。   The wall member located between the semiconductor element and the refrigerant flow path has a thermal conductivity in a direction from a central region to a peripheral region of the semiconductor element from a thermal conductivity of a base material constituting the wall member. The semiconductor device according to claim 1, wherein a high heat conduction portion is formed. 前記半導体素子と前記冷媒流路の間に位置する前記壁部材に、前記冷媒流路に沿った方向での熱伝導率が、前記壁部材を構成する母材の熱伝導率よりも高い高熱伝導部が形成されていることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の半導体装置。   The wall member located between the semiconductor element and the coolant channel has a high thermal conductivity in which the thermal conductivity in the direction along the coolant channel is higher than the thermal conductivity of the base material constituting the wall member. The semiconductor device according to claim 1, wherein a portion is formed. 前記半導体素子と前記冷媒流路を結ぶ方向での前記高熱伝導部の熱伝導率が、前記壁部材を構成する母材の熱伝導率よりも高いことを特徴とする請求項5または6に記載の半導体装置。   The thermal conductivity of the high thermal conductivity portion in a direction connecting the semiconductor element and the refrigerant flow path is higher than the thermal conductivity of a base material constituting the wall member. Semiconductor device.
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