JP2014120720A

JP2014120720A - 半導体積層冷却ユニット

Info

Publication number: JP2014120720A
Application number: JP2012276972A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Miura; 進一三浦; Masahiro Hirano; 雅弘平野
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2014-06-30

Abstract

【課題】絶縁板の破損を防止することができるとともに、従来と比較して半導体素子を十分に冷却することができる半導体積層冷却ユニットを提供する。
【解決手段】半導体素子２と、内部に流路を有する冷却板３と、が冷却板３の厚さ方向に交互にそれぞれ複数段で積層配置された積層体１０と、積層体１０の積層方向の両端側から積層体１０に圧縮力を付与する圧縮力付与手段１１と、を備え、積層体１０は、半導体素子２と、冷却板３と、の間に絶縁板４を有し、冷却板３は、半導体素子２と対向する面部から前記流路側に窪む窪み部３０を有し、窪み部３０は、半導体素子２および絶縁板４の外側に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子と、内部に流路を有する冷却板と、が交互にそれぞれ複数段で積層配置された半導体積層冷却ユニットに関する。

半導体素子として、例えばパワー半導体素子と呼称されるものがある。このパワー半導体素子は、扱う電力が大きいため発熱量も大きい。そこで、パワー半導体素子を冷却するための様々な冷却ユニットが構築されている。この冷却ユニットとして、冷媒通路を有する扁平形状の複数の冷却管と、複数の冷却管を連通する連通部材と、を備え、複数の冷却管がパワー半導体素子を両面から挟持できるように複数個積層配置された積層型冷却器が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に開示された積層型冷却器では、パワー半導体素子を両面から冷却することで、コンパクトで十分な冷却能力を確保している。この特許文献１に開示された積層型冷却器は、冷却媒体の流路を狭めるよう流路側に窪んだ窪み部が冷却管に設けられている。

特開２００９−１４１１８３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された積層型冷却器は、プレスで成形された窪み部の縁において冷却管の剛性が高くなる。このため、半導体素子と、冷却管と、の間に絶縁板を積層すると、絶縁板に生じる圧縮応力は、窪み部の縁と重なる部位に集中する。この結果、積層方向の両端側から圧縮力を付与すると絶縁板が破損するおそれがある。特に、絶縁性が高いセラミクスを絶縁板として用いた場合、絶縁板の端部が窪み部の縁に位置すると破損するおそれがある。これは、絶縁板を薄く形成して、その熱伝導性を確保して半導体素子の冷却性能を向上させようとすると特に問題となる。

また、特許文献１に開示された積層型冷却器は、窪み部のある位置において冷却媒体の流路が狭められていると、窪み部のある部分では、その他の部分と比較して冷却性能が低下するため、当該部分に半導体素子が重なると十分に冷却することができないという問題があった。

本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、絶縁板の破損を防止することができるとともに、従来と比較して半導体素子を十分に冷却することができる半導体積層冷却ユニットを提供することを目的とする。

本発明に係る半導体積層冷却ユニットは、上記目的達成のため、（１）半導体素子と、内部に流路を有する冷却板と、が前記冷却板の厚さ方向に交互にそれぞれ複数段で積層配置された積層体と、前記積層体の積層方向の両端側から前記積層体に圧縮力を付与する圧縮力付与手段と、を備え、前記積層体は、前記半導体素子と、前記冷却板と、の間に絶縁板を有し、前記冷却板は、前記半導体素子と対向する面部から前記流路側に窪む窪み部を有し、前記窪み部は、前記半導体素子および前記絶縁板の外側に配置されている。

この構成により、本発明に係る半導体積層冷却ユニットは、窪み部が絶縁板の端部と重ならない位置にあるので、積層体にその積層方向の両端側から圧縮力を付与しても、圧縮応力が絶縁板の端部に集中することを回避できる。この結果、絶縁板の端部に働く曲げ応力を低減することができ、絶縁板の破損を防止することができる。

また、本発明に係る半導体積層冷却ユニットは、窪み部が半導体素子にかからない位置にあるので、従来と比較して半導体素子を十分に冷却することができる。

上記（１）に記載の半導体積層冷却ユニットにおいては、（２）前記窪み部は、前記冷却板の縁から前記流路側に延びる形状になっている。

この構成により、本発明に係る半導体積層冷却ユニットは、窪み部が冷却板の縁にあるので、冷却板の縁から離間して窪み部を設けた場合と比較して流路を流れる冷却媒体の流動抵抗を低くすることができる。

上記（１）または（２）に記載の半導体積層冷却ユニットにおいては、（３）前記冷却板は、長手方向に延伸し、前記長手方向と直交する短手方向に互いに離間する２つの辺の間の前記流路に前記半導体素子を冷却するためのフィンが配置された中央部と、前記２つの辺に接続する端辺を有する端部と、を備え、前記端辺と、前記２つの辺と、の接続部分は角部を形成し、前記窪み部は、前記角部近傍の前記端部に設けられている。

この構成により、本発明に係る半導体積層冷却ユニットは、窪み部が冷却板の端部にあるので、冷却性能に寄与する中央部の面積を狭めることがなく、また、流路におけるフィンの設置領域を広げることができる。その結果、従来と比較して半導体素子を十分に冷却することができる。

本発明によれば、絶縁板の破損を防止することができるとともに、従来と比較して半導体素子を十分に冷却することができる半導体積層冷却ユニットを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る半導体積層冷却ユニットの概略構成を示す斜視図である。図１の半導体積層冷却ユニットにおいて、半導体素子、冷却板および絶縁板の位置関係を示す斜視図である。図１の半導体積層冷却ユニットにおいて、半導体素子、冷却板および絶縁板の位置関係を示す図（（ａ）は平面図，（ｂ）は側面図）である。図１の冷却板の分解斜視図である。図１の半導体積層冷却ユニットにおいて、冷却板の平面図である。図５のａ−ａ線に沿う断面構造を示す断面図である。図１の半導体積層冷却ユニットにおいて、互いに隣接する２つの冷却板の積層状態を示す断面図である。図１の半導体積層冷却ユニットにおいて、半導体素子の概略構成を示す図（（ａ）は平面図，（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面構造を示す断面図）である。

以下、本発明の実施の形態に係る半導体積層冷却ユニットについて、図面を参照して説明する。なお、図６および図７では、図面を見易くするため、後述するフィンの図示を省略している。

まず、構成について説明する。

本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１は、図１に示すように、積層体１０と、圧縮力付与手段１１と、を備えている。圧縮力付与手段１１は、積層体１０にその積層方向（図中、Ｙ方向）の両端側から圧縮力を付与するものである。このような半導体積層冷却ユニット１は、ハイブリット車や電気自動車のパワーコントロールユニットに用いられている。

積層体１０は、図１および図２に示すように、半導体素子２と、内部に流路を有する冷却板３と、が冷却板３の厚さ方向（図中、Ｙ方向）に交互に複数段で積層配置されている。また、積層体１０は、半導体素子２をその厚さ方向（図中、Ｙ方向）の両端側から冷却するように、互いに隣接する冷却板３の間に半導体素子２を挟むようになっている。また、積層体１０は、半導体素子２と、冷却板３と、の間の絶縁を確保するため、半導体素子２と、冷却板３と、の間に絶縁板４を挟むようになっている。また、積層体１０は、互いに隣接する冷却板３の各々の長手方向（図中、Ｘ方向）の両端側が互いに固定されている。このように、積層体１０は、半導体素子２、冷却板３および絶縁板４が積層された状態で一体化されている。なお、本実施の形態では、互いに隣接する冷却板３の間に１つの半導体素子２を配置しているが、複数の半導体素子２を配置してもよい。

絶縁板４は、絶縁性の他に熱伝導性にも優れた例えばセラミックス製のものが用いられている。また、絶縁板４は、熱伝導性の観点から薄い方が望ましい。

圧縮力付与手段１１は、図１に示すように、ブラケット１２と、このブラケット１２に装着された板バネ１３と、を備えている。ブラケット１２は、互いに離間して向かい合う第１の部材１２ａおよび第２の部材１２ｂと、第１の部材１２ａおよび第２の部材１２ｂが両端に一体に形成された第３の部材１２ｃと、を有している。板バネ１３は、例えば第１の部材１２ａの内側に配置されている。積層体１０は、ブラケット１２の第１の部材１２ａと、第２の部材１２ｂと、の間に配置され、その積層方向（図中、Ｙ方向）の両端側から板バネ１３のバネ力により圧縮力が付与される。この圧縮力により、半導体素子２、冷却板３および絶縁板４は、互いに密着し、高い熱伝達効率が確保される。

半導体素子２は、ハイブリット車や電気自動車のモータに交流電力を供給するインバータや電圧コンバータのスイッチング素子として用いられる。半導体素子２は、図８に示すように、第１の半導体チップ２０および第２の半導体チップ２１と、第１のスペーサ２２および第２のスペーサ２３と、第１の放熱板２４ａおよび第２の放熱板２５ａと、第１のリード２４ｂおよび第２のリード２５ｂと、複数本の第３のリード２６と、これらを絶縁性樹脂で封止した樹脂封止体２７と、を有している。すなわち、半導体素子２は、第１の半導体チップ２０および第２の半導体チップ２１をパッケージングした構成になっている。第１のスペーサ２２および第２のスペーサ２３、第１の放熱板２４ａおよび第２の放熱板２５ａ、第１のリード２４ｂおよび第２のリード２５ｂ、複数の第３のリード２６は、導電性および熱伝導性に優れた材料、例えば銅もしくは鉄−ニッケル合金等からなる金属材で形成されている。第１の半導体チップ２０、第２の半導体チップ２１、第１のスペーサ２２および第２のスペーサ２３は、第１の放熱板２４ａと、第２の放熱板２５ａと、の間に配置されている。

第１の半導体チップ２０および第２の半導体チップ２１は、例えば単結晶シリコンからなる半導体基板を主体に構成されている。第１の半導体チップ２０には、パワートランジスタとして例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と呼称される絶縁ゲート型バイポーラトランジスタが形成されている。このＩＧＢＴは、大電力を得るため、微細な複数のトランジスタセルを並列に接続した構成になっている。第２の半導体チップ２１には、ダイオードが形成されている。このダイオードも微細な複数のダイオードセルを並列に接続した構成になっている。

第１の半導体チップ２０は、その厚さ方向に互いに反対側に位置する主面および裏面を有している。第１の半導体チップ２０の主面には、ＩＧＢＴのエミッタ領域と電気的に接続された電極２０ａが配置されている。また、第１の半導体チップ２０の主面には、図示していないがＩＧＢＴのベース領域と電気的に接続された複数の電極も配置されている。第１の半導体チップ２０の裏面には、ＩＧＢＴのコレクタ領域と電気的に接続された電極２０ｂが配置されている。

第２の半導体チップ２１は、その厚さ方向に互いに反対側に位置する主面および裏面を有している。第２の半導体チップ２１の主面には、ダイオードのカソード領域と電気的に接続された電極２１ａが配置されている。第２の半導体チップ２１の裏面には、ダイオードのアノード領域と電気的に接続された電極２１ｂが配置されている。

樹脂封止体２７は、平面が矩形状で形成され、その厚さ方向に互いに反対側に位置する主面および裏面を有している。

第１の放熱板２４ａは、樹脂封止体２７の主面から露出している。第１の放熱板２４ａは、第１のスペーサ２２を介して第１の半導体チップ２０の主面の電極２０ａと電気的に接続されるとともに、第２のスペーサ２３を介して第２の半導体チップ２１の主面の電極２１ａと電気的に接続されている。

第２の放熱板２５ａは、樹脂封止体２７の裏面から露出している。第２の放熱板２５ａは、第１の半導体チップ２０の裏面の電極２０ｂと電気的に接続されるとともに、第２の半導体チップ２１の裏面の電極２１ｂと電気的に接続されている。すなわち、半導体素子２は、ＩＧＢＴのエミッタ領域と、ダイオードのアノード領域と、が電気的に接続され、ＩＧＢＴのコレクタ領域と、ダイオードのカソード領域と、が電気的に接続されている。

第１のリード２４ｂおよび第２のリード２５ｂは、樹脂封止体２７の内外に亘って延在している。第１のリード２４ｂは、その一端が樹脂封止体２７の内部において第１の放熱板２４ａと一体的に連なっている。第２のリード２５ｂは、その一端が樹脂封止体２７の内部において第２の放熱板２５ａと一体的に連なっている。すなわち、第１の放熱板２４ａは、第１のリード２４ｂと、電極２０ａと、を電気的に接続する導電路として用いられている。また、第１の放熱板２４ａは、第１のリード２４ｂと、電極２１ａと、を電気的に接続する導電路として用いられている。また、第２の放熱板２５ａは、第２のリード２５ｂと、電極２０ｂと、を電気的に接続する導電路として用いられている。また、第２の放熱板２５ａは、第２のリード２５ｂと、電極２１ｂと、を電気的に接続する導電路として用いられている。

複数本の第３のリード２６は、樹脂封止体２７の内外に亘って延在している。複数本の第３のリード２６は、図示していないが、第１の半導体チップ２０の主面に配置され、ＩＧＢＴのベース領域に電気的に接続された複数の電極と、ボンディングワイヤを介して電気的に接続されている。

このように構成された半導体素子２は、パワー半導体素子または単にパワー素子と呼称され、扱う電力が高いため発熱量も大きい。そこで、半導体素子２は、放熱性を高めるため、樹脂封止体２７から第１の放熱板２４ａおよび第２の放熱板２５ａを露出するパッケージ構造になっている。

冷却板３は、図４および図６に示すように、第１の外壁板３４ａおよび第２の外壁板３４ｂと、この第１の外壁板３４ａおよび第２の外壁板３４ｂの間に挟まれるようにして配置された仕切り板３５と、を有している。第１の外壁板３４ａおよび第２の外壁板３４ｂは、半導体素子２と対向する面部とは反対側の面部に凹部が形成された容器状になっており、各々の凹部側が互いに向かい合う状態で仕切り板３５に固定されている。

冷却板３は、第１の外壁板３４ａの凹部および仕切り板３５によって形成された第１の流路３６ａと、第２の外壁板３４ｂの凹部および仕切り板３５によって形成された第２の流路３６ｂと、を有している。この第１の流路３６ａおよび第２の流路３６ｂは、仕切り板３５の長手方向（図中、Ｘ方向）の両端部にそれぞれ形成された第１の貫通孔３５ａおよび第２の貫通孔３５ｂを介して互いに連通されている。すなわち、冷却板３は、その内部に、仕切り板３５によって区画され、かつ仕切り板３５の第１の貫通孔３５ａおよび第２の貫通孔３５ｂによって互いに連通した第１の流路３６ａおよび第２の流路３６ｂを有している。仕切り板３５は、冷却板３の内部の流路を積層体１０の積層方向（図中、Ｙ方向）に第１の流路３６ａおよび第２の流路３６ｂに区画するものである。

冷却板３は、その内部の第１の流路３６ａおよび第２の流路３６ｂにそれぞれ配置された第１のフィン３７ａおよび第２のフィン３７ｂを有している。第１のフィン３７ａおよび第２のフィン３７ｂの各々は、半導体素子２を冷却するためのものであり、波板で構成されている。第１のフィン３７ａおよび第２のフィン３７ｂの各々は、第１の外壁板３４ａおよび第２の外壁板３４ｂの各々の凹部の中に仕切り板３５で抑えられるようにして配置されている。第１のフィン３７ａは、第１の外壁板３４ａおよび仕切り板３５の双方に接触し、第２のフィン３７ｂは、第２の外壁板３４ｂおよび仕切り板３５の双方に接触して、半導体素子２から伝達される熱を冷却板３の全体に拡散し易くしている。また、第１のフィン３７ａおよび第２のフィン３７ｂは、冷却板３の内部の第１の流路３６ａおよび第２の流路３６ｂを流れる冷却媒体との接触面積を増加させ、半導体素子２の熱を冷却媒体に伝達する熱伝達効率を向上している。

第１の外壁板３４ａは、図４乃至図６に示すように、その長手方向（図中、Ｘ方向）において、半導体素子２と対向する中央部３１と、中央部３１の両側にそれぞれ位置する第１の端部３２および第２の端部３３と、を有している。

中央部３１は、外壁板３４ａの長手方向（図中、Ｘ方向）に延伸し、かつ外壁板３４ａの長手方向と直交する短手方向（図中、Ｚ方向）に互いに離間する第１の辺３１ａおよび第２の辺３１ｂを有している。また、中央部３１は、第１の辺３１ａと、第２の辺３１ｂと、の間の第１の流路３６ａおよび第２の流路３６ｂに配置された第１のフィン３７ａおよび第２のフィン３７ｂを有している。

第１の端部３２は、冷却媒体が流れる流路として外壁板３４ａの外側に設けられた第１の導管５ａと、この第１の導管５ａの管内と冷却板３の内部の第１の流路３６ａとを連通する第１の連通孔３２ａと、第１の辺３１ａおよび第２の辺３１ｂに接続された第１の端辺３２ｂとを有している。

第２の端部３３は、冷却媒体が流れる流路として外壁板３４ａの外側に設けられた第２の導管５ｂと、この第２の導管５ｂの管内と冷却板３の内部の第１の流路３６ａとを連通する連通孔３３ａと、第１の辺３１ａおよび第２の辺３１ｂに接続された第２の端辺３３ｂとを有している。

第１の辺３１ａおよび第２の辺３１ｂと、第１の端辺３２ｂおよび第２の端辺３３ｂと、の接続部分には、角部３８が形成されている。この角部３８は、第１の外壁板３４ａにおいて、４箇所設けられている。本実施の形態において、第１の端辺３２ｂおよび第２の端辺３３ｂは、曲線と、この曲線の両端にそれぞれ接続された２つの直線とで形成されている。

第１の導管５ａ、第１の連通孔３２ａおよび第１の貫通孔３５ａの組と、第２の導管５ｂ、第２の連通孔３３ａおよび第２の貫通孔３５ｂの組とは、冷却板３の厚さ方向（図中、Ｙ方向）において、各々が対向する位置、すなわち各々が同軸線上に配置されている。

第２の外壁板３４ｂは、外壁板３４ａと同様の構成になっている。第１の外壁板３４ａは冷却板３の一面側を構成し、第２の外壁板３４ｂは冷却板３の一面側と反対側の他面側を構成する。

第１の外壁板３４ａおよび第２の外壁板３４ｂは、各々の外側から内側に窪む窪み部３０を有している。この窪み部３０は、第１の外壁板３４ａにおいては、冷却板３の半導体素子２と対向する面部から冷却板３の内部の第１の流路３６ａ側に窪み、第２の外壁板３４ｂにおいては第２の流路３６ｂ側に窪む構成となっている。ここで、窪み部３０が冷却板３の半導体素子２と対向する面部から冷却板３の内部の第１の流路３６ａ側、第２の外壁板３４ｂにおいては第２の流路３６ｂ側に窪むとは、冷却板３の厚さ方向（図中、Ｙ方向）に窪んだ状態を意味する。

窪み部３０は、図３乃至図５に示すように、冷却板３の一面につき４箇所、両面で８箇所設けられている。窪み部３０は、冷却板３をその厚さ方向（図中、Ｙ方向）から平面視したとき、半導体素子２および絶縁板４の外側に配置されている。この窪み部３０は、冷却板３の縁から冷却板３の内部の流路側に延びる形状になっている。また、窪み部３０は、角部３８の近傍の第１の端部３２および第２の端部３３に設けられている。

ここで、本発明における「半導体素子および絶縁板の外側」とは、冷却板３をその厚さ方向（図中、Ｙ方向）から平面視したとき、半導体素子２および絶縁板４と重ならない領域に配置されていることを意味する。また、本発明における「冷却板の縁から冷却板の内部の流路側に延びる形状」とは、冷却板３をその厚さ方向から平面視したとき、平面方向に冷却板３の外周縁側から冷却板３の内部側に延びる形状のことである。

窪み部３０は、冷却板３の一面において、４つの角部３８にそれぞれ対応して設けられている。この窪み部３０は、冷却板３の長手方向（図中、Ｘ方向）の第１の端部３２および第２の端部３３への冷却媒体の流れ込み抑制や冷却板３の第１の流路３６ａおよび第２の流路３６ｂに第１のフィン３７ａおよび第２のフィン３７ｂを組み込むときの位置決めとして機能するようになっている。

第１の外壁板３４ａ、第２の外壁板３４ｂおよび仕切り板３５は、加工性、コスト、熱伝導性の観点からアルミや銅からなる金属板にプレス加工を施すことによって形成される。したがって、窪み部３０もプレス加工によって形成されるため、窪み部３０は冷却板３の内部から観るとリブに相当し、冷却板３の内部の第１の流路３６ａおよび第２の流路３６ｂ側に突出する。

積層体１０において、図７に示すように、互いに隣接する冷却板３は、各々の第１の端部３２および第２の端部３３において互いに向かい合う第１の導管５ａ同士、第２の導管５ｂ同士が連結するよう固定されている。半導体素子２および絶縁板４は、互いに隣接する冷却板３の間において、各々の冷却板３の中央部３１と対向する位置に配置されている。すなわち、中央部３１は、少なくとも半導体素子２および絶縁板４と重複する領域を含んでいる。また、中央部３１は、図５に示すように、第１のフィン３７ａおよび第２のフィン３７ｂと重複する領域を含んでいる。

積層体１０において、図１に示すように、最上流に位置する冷却板３の外側（半導体素子２とは反対側）の第１の導管５ａおよび第２の導管５ｂのうち、第１の導管５ａには冷却媒体を供給する供給管６が接続され、第２の導管５ｂには冷却媒体を排出する排出管７が接続される。供給管６から供給される冷却媒体は、上流に位置する冷却板３と、下流に位置する冷却板３と、に分流し、次々に下流の冷却板３へと流れる。冷却媒体は、冷却板３の内部の第１の流路３６ａおよび第２の流路３６ｂを第１の端部３２側から第２の端部３３側に向かって通過する間に半導体素子２の熱を吸収し、半導体素子２を冷却する。冷却板３の内部の第１の流路３６ａおよび第２の流路３６ｂを通過した冷却媒体は、排出管７と連通する側の第２の導管５ｂを通して最終的に排出管７から排出される。冷却媒体としては液体が好ましく、例えばＬＬＣ（Long Life Coolant）が用いられる。

なお、冷却媒体は、積層体１０の最下流に位置する冷却板３まで供給すればよいので、最下流の冷却板３においては、それよりも上流の冷却板３とは異なり、半導体素子２とは反対側の外壁板に連通孔が設けられていない冷却板が用いられている。

次に、作用について説明する。

本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１は、金属板にプレス加工を施して窪み部３０を有する第１の外壁板３４ａおよび第２の外壁板３４ｂを成形しても、冷却板３をその厚さ方向から平面視したとき、窪み部３０が絶縁板４の外側に配置されているので、積層体１０にその積層方向の両端側から圧縮力を付与した場合であっても、圧縮応力が絶縁板４の端部に集中することを回避できる。この結果、絶縁板４の端部に働く曲げ応力を低減でき、絶縁板４の破損を防止することができる。このように、剛性が高い窪み部３０が絶縁板４の端部にかからない位置にあるので、圧縮力付与手段１１の圧縮力によって冷却板３が撓むことがあっても、絶縁板４の破損を防止することができる。

また、本実施の形態の半導体積層冷却ユニット１は、冷却板３をその厚さ方向から平面視したとき、冷却性能が低下する窪み部３０が半導体素子２にかからない位置にあるので、窪み部３０によって冷却性能が低下することがなく、従来と比較して半導体素子２を十分に冷却することができる。

本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１において、窪み部３０は、冷却板３の縁から、第１の外壁板３４ａでは第１の流路３６ａ側、第２の外壁板３４ｂでは第２の流路３６ｂ側に延びる形状になっている。このため、本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１は、窪み部３０が冷却板３の縁にあるので、冷却板３の縁から離間して窪み部３０を設けた場合と比較して第１の流路３６ａおよび第２の流路３６ｂを流れる冷却媒体の流動抵抗を低くすることができるとともに、端部３２および端部３３への冷却媒体の流れ込みを抑制できる。

本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１において、窪み部３０は、角部３８近傍の第１の端部３２および第２の端部３３に設けられている。この結果、本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１は、窪み部３０が冷却板３の第１の端部３２および第２の端部３３にあるので、冷却性能に寄与する中央部３１の面積を狭めることがなく、また、第１の流路３６ａおよび第２の流路３６ｂにおける第１のフィン３７ａおよび第２のフィン３７ｂの設置領域を広げることができる。その結果、従来と比較して半導体素子２を十分に冷却することができる。また、本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１は、第１の流路３６ａおよび第２の流路３６ｂに第１のフィン３７ａおよび第２のフィン３７ｂを組み込むとき、その位置決めとして機能させても、半導体素子２の冷却に悪影響を与えることはない。

本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１において、第１の端部３２は、冷却媒体が流れる第１の導管５ａと、第１の導管５ａの管内と第１の流路３６ａおよび第２の流路３６ｂとを連通する第１の連通孔３２ａと、を有している。第２の端部３３は、冷却媒体が流れる第２の導管５ｂと、第２の導管５ｂの管内と第１の流路３６ａおよび第２の流路３６ｂとを連通する第２の連通孔３３ａと、を有している。そして、互いに隣接する冷却板３は、各々の第１の端部３２および第２の端部３３において、互いに向かい合う第１の導管５ａ同士、第２の導管５ｂ同士が連結するよう固定されている。このため、本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１は、互いに隣接する冷却板３において、冷却媒体が上流側に位置する冷却板３と、下流側に位置する冷却板３と、に分流するので、半導体素子２をその厚さ方向の両側から冷却することができる。

本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１において、冷却板３は、その内部の第１の流路３６ａに第１のフィン３７ａ、第２の流路３６ｂに第２のフィン３７ｂをそれぞれ配置している。このため、冷却板３の内部の第１の流路３６ａおよび第２の流路３６ｂを流れる冷却媒体との接触面積が増加し、半導体素子２の熱を冷却媒体に伝達する熱伝達効率を向上させることができる。

本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１は、ハイブリット車や電気自動車等の車両に搭載される。この場合、半導体積層冷却ユニット１の冷却板３は、車両の基準電位、例えば０Ｖに電位固定される。一方、半導体素子２の樹脂封止体２７から露出する第１の放熱板２４ａおよび第２の放熱板２５ａにはＩＧＢＴの動作電位が供給される。このとき、絶縁板４が破損していると、半導体素子２の高電位と冷却板３の基準電位とが導通し漏電するおそれがある。したがって、本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１のように、パワートランジスタの動作電位に電位固定される第１の放熱板２４ａおよび第２の放熱板２５ａが樹脂封止体２７から露出するパッケージ構造の半導体素子２と、冷却板３と、の間に絶縁板４を挟んで半導体素子２と、冷却板３と、の間の絶縁を確保する場合においては、絶縁板４が破損するおそれを抑制することは重要である。また、絶縁板４に生じた亀裂が微小でも時間の経過とともに大きな割れに進展するおそれがあるので、特に重要である。

本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１は、積層体１０において、互いに隣接する冷却板３の各々の長手方向の両端側が互いに固定されている。このような構造の積層体１０にその積層方向の両端側から圧縮力を付与すると、冷却板３が撓み易く、窪み部３０の縁近傍に曲げ応力が生じ易い。したがって、互いに隣接する冷却板３の各々の長手方向の両端側が互いに固定された積層体１０の場合においては、半導体素子２および絶縁板４の外側に窪み部３０を配置することによって絶縁板４の破損を抑制することは重要である。

上述した本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１においては、ＩＧＢＴが搭載された第１の半導体チップ２０と、ダイオードが搭載された第２の半導体チップ２１と、をパッケージングした半導体素子２を用いた場合について説明している。しかしながら、本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１においては、これに限定されず、ＩＧＢＴが搭載された第１の半導体チップ２０のみ、もしくは他のトランジスタが搭載された半導体チップのみをパッケージングした半導体素子を用いてもよい。また、ロジック回路やメモリ回路などの集積回路と、パワートランジスタと、が混載された半導体チップをパッケージングした半導体素子を用いてもよい。

上述した本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１においては、積層体１０にその積層方向の両端側から板バネ１３のバネ力により圧縮力を付与する圧縮力付与手段１１について説明している。しかしながら、本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１においては、これに限定されず、圧縮力付与手段１１としてコイルバネのバネ力により圧縮力を付与するものを用いてもよい。また、圧縮力付与手段１１としては、積層体１０に圧縮力を付与できるものであれば、特に限定されるものではない。

上述した本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１においては、冷却板３が仕切り板３５によって区画された第１の流路３６ａおよび第２の流路３６ｂを有する場合について説明している。しかしながら、本実施の形態に係る半導体積層冷却ユニット１においては、これに限定されず、１つの流路を有する冷却板を用いてもよい。

以上説明したように、本発明に係る半導体積層冷却ユニットは、絶縁板の破損を防止することができるとともに、従来と比較して半導体素子を十分に冷却することができるという効果を奏するものであり、ハイブリッド車や電気自動車のパワーコントロールユニットに用いられる半導体積層冷却ユニットに有用である。

１…半導体積層冷却ユニット、２…半導体素子、３…冷却板、４…絶縁板、５ａ…第１の導管、５ｂ…第２の導管、１０…積層体、１１…圧縮力付与手段、３０…窪み部、３１…中央部、３１ａ…第１の辺、３１ｂ…第２の辺、３２…第１の端部、３３…第２の端部、３２ａ…第１の連通孔、３３ａ…第２の連通孔、３２ｂ…第１の端辺、３３ｂ…第２の端辺、３４ａ…第１の外壁板、３４ｂ…第２の外壁板、３５…仕切り板、３５ａ…第１の貫通孔、３５ｂ…第２の貫通孔、３６ａ…第１の流路、３６ｂ…第２の流路、３７ａ…第１のフィン、３７ｂ…第２のフィン、３８…角部

Claims

半導体素子と、内部に流路を有する冷却板と、が前記冷却板の厚さ方向に交互にそれぞれ複数段で積層配置された積層体と、
前記積層体の積層方向の両端側から前記積層体に圧縮力を付与する圧縮力付与手段と、
を備え、
前記積層体は、前記半導体素子と、前記冷却板と、の間に絶縁板を有し、
前記冷却板は、前記半導体素子と対向する面部から前記流路側に窪む窪み部を有し、
前記窪み部は、前記半導体素子および前記絶縁板の外側に配置されていることを特徴とする半導体積層冷却ユニット。
前記窪み部は、前記冷却板の縁から前記流路側に延びる形状になっていることを特徴とする請求項１に記載の半導体積層冷却ユニット。
前記冷却板は、長手方向に延伸し、前記長手方向と直交する短手方向に互いに離間する２つの辺の間の前記流路に前記半導体素子を冷却するためのフィンが配置された中央部と、前記２つの辺に接続する端辺を有する端部と、を有し、
前記端辺と、前記２つの辺と、の接続部分は角部を形成し、
前記窪み部は、前記角部近傍の前記端部に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体積層冷却ユニット。