JP2018207017A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールが搭載されるベースの限られた面内において、冷却ケース内の冷媒の流れ方向によらず、高い冷却性能を確保できる半導体装置を提供する。
【解決手段】ベース３ａは、ピンフィン領域４ａを取り囲んで配置された複数の渦発生体６を更に有し、前記複数の渦発生体は、それぞれ、前記ベースの板面に接する第１〜第３頂点６ａ，６ｂ，６ｃと前記ベースの板面から離間した第４頂点６ｄとを有する三角錐形状に形成されており、前記第１〜第３頂点を頂点とする三角形の３つの角は鋭角であり、前記第１頂点は、前記第２頂点と第３頂点とを結ぶ線分６ｆを挟んで、最も近傍に位置するピンフィン５の反対側に位置し、前記第４頂点は、前記第１〜第３頂点からなる三角形の重心よりも前記第１頂点側に位置する。
【選択図】 図４

Description

本発明は半導体装置に関する。

電気自動車や鉄道、発電システム等の電力制御を担う装置として、パワー半導体チップを搭載した半導体装置が使用されている。半導体装置の動作時には、パワー半導体チップが自己発熱によって高温になるため、ピンフィン等を介してパワー半導体チップの熱を放熱することにより、パワー半導体チップを冷却している。近年、半導体装置の小型軽量化や高出力化による発熱密度の増大に伴い、ピンフィンによる冷却性能の向上が求められている。ピンフィンによる冷却性能を向上させる従来技術として、例えば特許文献１〜３に記載の技術が知られている。

特許文献１には、天板と冷却ケースとの間に配置されているフィン部材（ピンフィン）に対して冷媒が流れる冷却器が開示されている。

特許文献２には、金属板の一方面に、切削工具によって前記金属板を堀り起こして起立形成された板状フィンを、切削工具によって切削することにより、多数の細線状ピンフィンが縦横に整列して一体に起立形成され、各々の前記ピンフィンの間隔が毛細管力を有するウイック構造の間隔に形成されていることを特徴とするピンフィン型ウイック構造体が開示されている。

特許文献３には、背側及び腹側の対向する２つの被冷却面によって構成される冷却通路を内部に有するガスタービン翼において、前記２つの被冷却面間に渡したピンフィンと、少なくとも腹側の前記被冷却面に突設した三角錐状の渦発生体とを備え、前記渦発生体は、前記被冷却面に接する底面の１つの角を冷却媒体の流れ方向の上流側に向けて配置され、前記被冷却面から離間した頂点が冷却媒体の流れ方向の上流側に偏った形状をしており、前記ピンフィンに対して冷却媒体の流れ方向の上流側に配置されていることを特徴とするガスタービン翼が開示されている。

再公表ＷＯ２０１２／１１４４７５号公報 特開２０１５−４５４９１号公報 特開２００９−４１４３３号公報

特許文献１に記載の冷却器によれば、天板（ベース）と冷却ケースとの間に配置されているピンフィンに対して冷媒を流すことにより、ピンフィンの冷却性能を向上させることができる。しかし、上流から１〜４列目のピンフィンが設置された領域では、冷媒が十分に乱流化せず、熱伝達率が低い。そのため、ベースの限られた面内で、必要な冷却性能を確保できないおそれがある。

そこで、特許文献１に記載の冷却器において、特許文献２に記載のピンフィン型ウイック構造体のように、ピンフィンを細線状に形成してピンフィンの数を増やし、ベースと冷媒との接触面積を拡大することにより、熱伝達率を向上させることが考えられる。しかし、ピンフィンの密度が高くなることでピンフィンの間隔が狭くなり、冷媒がピンフィン間を通過する際の圧力損失が増大するため、通常のポンプで冷媒を循環供給することが難しくなる。

一方、特許文献１に記載の冷却器において、特許文献３に記載のピンフィン冷却構造のように、ピンフィンの直上流に渦発生体を配置することにより、ピンフィン冷却構造の圧力損失を抑えつつ冷却性能を向上させることが考えられる。しかし、汎用の半導体装置では冷媒の流れ方向が適用製品によって異なるため、適用製品に応じてベースのピンフィンと渦発生体の配置を変更する必要が生じ、半導体装置の汎用性が損なわれる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体モジュールが搭載されるベースの限られた面内において、冷却ケース内の冷媒の流れ方向によらず、高い冷却性能を確保できる半導体装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、基板とこの基板の一方の面に実装されたパワー半導体チップとを有する半導体モジュールと、前記基板の他方の面に取り付けられ、前記パワー半導体チップを冷却する冷却器とを備え、前記冷却器は、前記基板の他方の面に一方の面が接合されたベースと、前記ベースの他方の面に取り付けられ、前記ベースとの間に冷媒流路を形成する冷却ケースとを有し、前記ベースは、前記ベースの他方の面の一定範囲を占めるピンフィン領域に配置された複数のピンフィンを有し、前記ピンフィン領域は、前記ベースの他方の面に投影した前記パワー半導体チップの実装範囲を覆うように設定されている半導体装置であって、前記ベースは、前記ピンフィン領域を取り囲んで配置された複数の渦発生体を更に有し、前記複数の渦発生体は、それぞれ、前記ベースの板面に接する第１〜第３頂点と前記ベースの板面から離間した第４頂点とを有する三角錐形状に形成されており、前記第１〜第３頂点を頂点とする三角形の３つの角は鋭角であり、前記第１頂点は、前記第２頂点と第３頂点とを結ぶ線分を挟んで、前記複数のピンフィンのうち最も近傍に位置するピンフィンの反対側に位置し、前記第４頂点は、前記第１〜第３頂点からなる三角形の重心よりも前記第１頂点側に位置するものとする。

以上のように構成した本発明によれば、ベースの板面に接する第１〜第３頂点とベースの板面から離間した第４頂点とを有し、かつ第４頂点が第１〜第３頂点からなる三角形の重心よりも前記第１頂点側に位置する三角錐形状の複数の渦発生体を、ピンフィン領域を囲むように、かつ、最も近傍に位置するピンフィンと第１頂点とが第２頂点と第３頂点とを結ぶ線分を挟んで互いに反対側に位置するように設置したことにより、冷却ケース内の冷媒の流れ方向がいずれの方向であっても、最上流に配置されたピンフィンの直上流に必ず渦発生体が配置され、この渦発生体によってピンフィン領域における冷媒の熱輸送と乱流化が促進される。これにより、半導体モジュールが搭載されるベースの限られた面内において、冷却ケース内の冷媒の流れ方向によらず、高い冷却性能を確保することができる。

本発明によれば、半導体モジュールと冷却器とを備えた半導体装置において、半導体モジュールが搭載されるベースの限られた面内で、冷却ケース内の冷媒の流れ方向によらず、高い冷却性能を確保できる。

本発明の第１の実施例に係る半導体装置の斜視図である。 本発明の第１の実施例に係る半導体装置をベースの板面と直交しかつパワー半導体チップを横切る平面で切断した断面斜視図である。 本発明の第１の実施例の変形例に係る半導体装置の斜視図である。 本発明の第１の実施例に係るベースをピンフィン側から見た斜視図である。 本発明の第１の実施例に係るベースをピンフィン側から見た平面図である。 本発明の第１の実施例に係る最上流に配置されたピンフィンの１つとその直上流に配置された渦発生体とを拡大して示す斜視図である。 本発明の第２の実施例に係るベースをピンフィン側から見た斜視図である。 本発明の第２の実施例に係るベースをピンフィン側から見た平面図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。なお、各図中、同等の部材には同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る半導体装置の斜視図である。

図１において、半導体装置１は、複数の半導体モジュール２と、これら複数の半導体モジュール２を搭載した冷却器３とを備えている。なお、図１に示す例では、冷却器３に４つの半導体モジュール２が搭載されているが、冷却器３に搭載される半導体モジュール２の数はこれに限定されない。

半導体モジュール２は、基板２ａと、この基板２ａに実装された複数のパワー半導体チップ２ｂとを備えている。なお、図１に示す例では、基板２ａに２つのパワー半導体チップ２ｂが実装されているが、基板２ａに実装されるパワー半導体チップ２ｂの数はこれに限定されない。

パワー半導体チップ２ｂは、電力制御用のスイッチングや整流を担う電子部品（例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ダイオード等）であり、スイッチングにより発熱する発熱体である。パワー半導体チップ２ｂは、基板２ａの一方の面（図１中、表側の面）に半田付けによって接続されている。

基板２ａは、パワー半導体チップ２ｂと共に電気回路を構成し、かつパワー半導体チップ２ｂと冷却器３とを電気的に絶縁するものであり、例えば、窒化ケイ素や窒化アルミニウム、アルミナ等のセラミックス層の上下両面に銅やアルミニウム等の配線層を接続したセラミックス配線基板で構成されている。基板２ａの他方の面（図１中、裏側の面）は、冷却器３（後述するベース３ａ）に半田付け等によって接合されている。

冷却器３は、スイッチングにより発熱したパワー半導体チップ２ｂを冷却するものであり、ベース３ａと、冷却ケース３ｂとを備えている。

図２は、に半導体装置１をベース３ａの板面と直交しかつパワー半導体チップ２ｂを横切る平面で切断した断面斜視図である。

図２において、ベース３ａは、平板部４と、複数のピンフィン５と、複数の渦発生体６とを有し、銅やアルミニウム、又はそれらを含む合金で一体成型されている。ベース３ａの一方の面（図２中、表側の面）には、基板２ａが搭載されている。ベース３ａの他方の面（図２中、裏側の面）側には、ボルト等（図示せず）を介して又は溶接によって冷却ケース３ｂに組み付けられている。ベース３ａは、パワー半導体チップ２ｂで生じた熱を放熱する放熱板としての機能と、冷却ケース３ｂの蓋部材としての機能とを有する。

ピンフィン５は、冷却ケース３ｂ内を流れる冷媒とベース３ａとの接触面積を拡大するためのものである。ピンフィン５は、円柱形状に形成されており、ベース３ａの他方の面に対向する冷却ケース３ｂの底壁部３ｂ１に向かって延びている。ピンフィン５は、鍛造や鋳造、粉体成形等によって平板部４と一体成形されている。

冷却ケース３ｂは、例えば熱伝導率の良いアルミニウムで構成されており、底壁部３ｂ１と４つの側壁部３ｂ２とを有する箱型形状に形成されている。４つの側壁部３ｂ２のうちの１つには、冷媒（例えば不凍液等）が流入する流入孔７ａが設けられており、流入孔７ａが設けられた側壁部３ｂ２に対向する他の側壁部３ｂ２には、冷媒が流出する流出孔７ｂが設けられている。これにより、冷却ケース３ｂの内部に冷媒流路３ｃが形成される。流入孔７ａから流入した冷媒は、ベース３ａ及びピンフィン５と熱交換した後、流出孔７ｂから流出する。冷却ケース３ｂには、循環ポンプ（図示せず）を介して冷媒が循環供給される。なお、流入孔７ａ及び流出孔７ｂの位置は、本発明が適用される製品によって異なり、例えば図３に示すように、図１に示す例とは異なる位置に設けても良い。また、流入孔７ａ及び流出孔７ｂは、必ずしも側壁部３ｂ２に設ける必要は無く、底壁部３ｂ１に設けても良い。また、図１に示す例では、冷却ケース３ｂに流入孔７ａ及び流出孔７ｂがそれぞれ１つずつ設けられているが、冷却ケース３ｂに設けられる流入孔７ａ及び流出孔７ｂの数はこれらに限定されない。

図４は、ベース３ａをピンフィン５側の面（他方の面）から見た斜視図であり、図５は、同じく平面図である。図５中、ピンフィン５と反対側の面（一方の面）に配置されたパワー半導体チップ２ｂを破線で示している。

図４又は図５において、複数のピンフィン５は、ベース３ａの他方の面の一定範囲を占めるピンフィン領域４ａ内に、例えば千鳥配置等で間隔を空けて配列されている。

なお、ピンフィン５は鍛造や鋳造、粉体成形等によってベース３ａの平板部４と一体成形されるため、製造誤差、あるいは意図的な面取等により曲面や角部のアール等が生じることも考えられるが、そのような形状のバラツキは許容される。また、本実施例では、ピンフィン５の形状を鍛造や鋳造等での成形に適した円柱形状としているが、鍛造等の成形時に金型からの離型を容易にするため、ピンフィン５の側面に抜き勾配をつけても良い。

ピンフィン領域４ａは、ベース３ａのピンフィン５側の面（他方の面）に投影したパワー半導体チップ２ｂの実装範囲を覆うように設定されている。これにより、パワー半導体チップ２ｂから基板２ａを介してベース３ａに伝達された熱を効率的に放熱することが可能となる。なお、ピンフィン領域４ａは、ベース３ａの板面に投影したパワー半導体チップ２ｂの実装範囲だけでなく、ベース３ａの板面に投影した基板２ａの搭載範囲を覆うように設定することが望ましい。それにより、パワー半導体チップ２ｂの配置が異なる基板２ａをベース３ａに搭載した場合でも、パワー半導体チップ２ｂの熱を効率的に放熱することが可能となる。また、本実施例では、ベース３ａ上に矩形状のピンフィン領域４ａを２つ設けているが、ピンフィン領域４ａの形状及び数はこれらに限定されない。

複数の渦発生体６は、ピンフィン領域４ａの外周を囲むように配置されている。具体的には、渦発生体６は、ピンフィン領域４ａの外側において、ピンフィン領域４ａの最外周に配置されたピンフィン５の位置から、ピンフィン領域４ａの各辺と直交する方向に離間して配置されている。これにより、冷却ケース３ｂ内の冷媒の流れ方向がいずれの方向であっても、最上流に配置されたピンフィン５の直上流に必ず渦発生体６が配置されることとなる。

図６は、最上流に配置されたピンフィン５の１つとその直上流に配置された渦発生体６とを拡大して示す斜視図である。

図６において、渦発生体６は、ベース３ａの板面に接する第１〜第３頂点６ａ，６ｂ，６ｃとベース３ａの板面から離間した第４頂点６ｄとを有する略三角錐形状に形成されている。また、第１〜第３頂点を頂点とする三角形の３つの角は鋭角となっている。なお、本実施例では、渦発生体６の平板部４と接する底面６ｅは、頂点６ｂ，６ｃを結ぶ線分を底辺６ｆとする略二等辺三角形としている。底面６ｅの底辺６ｆは、最上流に配置されたピンフィン５の直上流に位置しており、頂点６ａは底辺６ｆよりも上流側に位置している。すなわち、頂点６ａは、底辺６ｆを挟んで、最も近傍に位置するピンフィン５の反対側に位置している。

また、底面６ｅから離間した頂点６ｄは、底面６ｅの三角形の重心よりも頂点６ａ側に配置されている。なお、図６に示す例では、頂点６ｄは頂点６ｃの略鉛直上方に位置しており、頂点６ａ，６ｂ，６ｄを含む側面６ｇ及び頂点６ａ，６ｃ，６ｄを含む側面６ｈはそれぞれ略直角三角形になっている。すわなち、側面６ｇ，６ｈの３つの角のうち頂点６ａに接する角の角度は、それぞれ略直角になっている。

また、頂点６ｂ，６ｃ，６ｄを含む面は、頂点６ｄからピンフィン５に向かって直線的に下る斜面６ｋになっており、この斜面６ｋも底面６ｅと同じく略二等辺三角形になっている。図６中、斜面６ｋが底面６ｅとなす角（迎角）の角度をθ１とし、斜面６ｋの頂点６ｄに接する角（頂角）の角度をθ２とし、渦発生体６の高さ寸法（ベース３ａの板面から頂点６ｄまでの距離）をｈとおいている。

なお、渦発生体６は鍛造や鋳造、粉体成形等によってベース３ａの平板部４と一体成形されるため、製造誤差、あるいは意図的な面取等により曲面や角部のアール等が生じることも考えられるが、そのような形状のバラツキは許容される。

本実施例では、ピンフィン領域４ａの最上流に配置されたピンフィン５の直上流に渦発生体６を設置したことにより、冷媒流路３ｃにピンフィン５のみを設置した場合と比較して、冷媒流路３ｃの圧力損失の増加を抑えつつ、ピンフィン領域４ａの冷却性能を向上させることができる。次にその原理について説明する。

冷却性能の向上には、ピンフィン領域４ａから冷媒への熱伝達率を上げることが有効である。熱伝達率の向上には、冷媒の流れにベース３ａの板面に垂直な速度成分を与えて熱の輸送を活発にすることが効果的である。渦発生体６は、側面６ｈ，６ｂに沿って左右に偏向する流れと、斜面６ｋに沿ってベース３ａの板面に向かう下向きの速度成分を持つ流れとを作り出す。これら２つの流れの境界面にて剪断作用によって縦渦８が作り出される。これにより、冷媒の流れにベース３ａの板面に垂直な速度成分が与えられ、熱輸送が活発化する。さらに、ピンフィン５は単独でも冷媒に縦渦を発生させることができるが、渦発生体６をピンフィン５の直上流に設置することにより、渦発生体６の作り出す縦渦８とピンフィン５の近傍の流れとが干渉して縦渦８の作用が強められ、熱輸送がさらに活発化する。

また、ピンフィン領域４ａ内の上流部分には助走区間（一般にピンフィン領域４ａの上流から１〜４列目のピンフィン５が設置された領域を言う）と呼ばれる低熱伝達率の領域がある。この助走領域は、冷媒の流れがピンフィン領域４ａに流入して十分に乱れるのに要する区間であり、冷媒が乱流化しつつある領域である。渦発生体６は乱流促進の効果があるため、渦発生体６の設置により助走区間が短縮され、ピンフィン領域４ａ内において十分に乱流化された領域を広く確保することができ、熱伝達率をさらに向上させることができる。

なお、渦発生体６の迎角θ２を大きくすると縦渦８の作用は強くなり、頂角θ１を大きく、底辺６ｆを長くすると２つの縦渦８の間隔が広がる。頂角θ１、迎角θ２のいずれも大きい方が冷却性能の向上が期待されるが、これらの値の組み合わせによっては渦発生体６の近傍で流れが剥離し、縦渦８の発生が妨げられるとともに圧力損失の増大が懸念される。渦発生体６による伝熱促進効果をモデル試験で確認した結果、渦発生体６の形状を、頂角θ１が４０°以上、迎角θ２が１５°以上、冷媒の流れ方向の投影面積が３．２ｈ^２以下になる形状にすることで、圧力損失係数の急増による冷却性能の低下を防止できることが分かっている。

以上のように構成した本実施例に係る半導体装置１によれば、ベース３ａの板面に接する第１〜第３頂点６ａ，６ｂ，６ｃとベース３ｂの板面から離間した第４頂点６ｄとを有し、かつ第４頂点６ｄが第１〜第３頂点６ａ，６ｂ，６ｃからなる三角形の重心よりも第１頂点６ａ側に位置する三角錐形状の複数の渦発生体６を、ピンフィン領域４ａを囲むように、かつ、最も近傍に位置するピンフィン５と第１頂点６ａとが第２頂点６ｂと第３頂点６ｃとを結ぶ線分６ｆを挟んで互いに反対側に位置するように設置したことにより、冷却ケース３ｂ内の冷媒の流れ方向がベース３ａの板面の各辺に直交する４方向のいずれの方向であっても、最上流に位置するピンフィン５の直上流に必ず渦発生体６が配置され、この渦発生体６によってピンフィン領域４ａにおける冷媒の熱輸送と乱流化が促進される。これにより、半導体モジュール２が搭載されるベース３ａの限られた面内において、冷却ケース３ｂ内の冷媒の流れ方向によらず、高い冷却性能を確保することができる。

本発明の第２の実施例に係る半導体装置ついて、第１の実施例との相違点を中心に説明する。

図７は、本実施例に係るベースをピンフィン側から見た斜視図であり、図８は同じく平面図である。

第１の実施例では、図４及び図５に示すように、ピンフィン５の形状を円柱形状としたが、本実施例では、図７及び図８に示すように、ピンフィン５の形状を四角柱形状としている。本実施例に係る半導体装置のその他の構成は、第１の実施例に係るものと同様である。

以上のように構成した本実施例においても、第１の実施例と同様の効果が得られる。また、ピンフィン５の形状を四角柱形状としたことにより、ピンフィン５を掘削加工等で形成することが可能になる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成の一部を加えることも可能であり、ある実施例の構成の一部を削除し、あるいは、他の実施例の一部と置き換えることも可能である。

１…半導体装置、２…半導体モジュール、２ａ…基板、２ｂ…パワー半導体チップ、３…冷却器、３ａ…ベース、３ｂ…冷却ケース、３ｂ１…底壁部、３ｂ２…側壁部、３ｃ…冷媒流路、４…平板部、４ａ…ピンフィン領域、５…ピンフィン、６…渦発生体、６ａ…第１頂点、６ｂ…第２頂点、６ｃ…第３頂点、６ｄ…第４頂点、６ｅ…底面、６ｆ…底辺、６ｇ，６ｈ…側面、６ｋ…斜面、７ａ…流入孔、７ｂ…流出孔、８…縦渦、θ１…迎角、θ２…頂角。

Claims (4)

1. 基板とこの基板の一方の面に実装されたパワー半導体チップとを有する半導体モジュールと、
   前記基板の他方の面に取り付けられ、前記パワー半導体チップを冷却する冷却器とを備え、
   前記冷却器は、前記基板の他方の面に一方の面が接合されたベースと、前記ベースの他方の面に取り付けられ、前記ベースとの間に冷媒流路を形成する冷却ケースとを有し、
   前記ベースは、前記ベースの他方の面の一定範囲を占めるピンフィン領域に配置された複数のピンフィンを有し、
   前記ピンフィン領域は、前記ベースの他方の面に投影した前記パワー半導体チップの実装範囲を覆うように設定されている半導体装置であって、
   前記ベースは、前記ピンフィン領域を取り囲んで配置された複数の渦発生体を更に有し、
   前記複数の渦発生体は、それぞれ、前記ベースの板面に接する第１〜第３頂点と前記ベースの板面から離間した第４頂点とを有する三角錐形状に形成されており、
   前記第１〜第３頂点を頂点とする三角形の３つの角は鋭角であり、
   前記第１頂点は、前記第２頂点と第３頂点とを結ぶ線分を挟んで、前記複数のピンフィンのうち最も近傍に位置するピンフィンの反対側に位置し、
   前記第４頂点は、前記第１〜第３頂点からなる三角形の重心よりも前記第１頂点側に位置することを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記第１〜第３頂点を含む底面は、前記第２頂点と前記第３頂点とを結ぶ線分を底辺とする二等辺三角形であり、
   前記第２〜第４頂点を含む斜面は、前記第２頂点と前記第３頂点とを結ぶ線分を底辺とする二等辺三角形であり、
   前記斜面が前記底面となす角度が１５°以上であり、
   前記斜面の頂角が４０°以上であり、
   前記ベースから前記第４頂点までの距離をｈとおいたとき、前記第２及び第３頂点を含みかつ前記ベースの板面と直交する面への前記渦発生体の投影面積が３．２ｈ^２以上であることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記ピンフィン領域は、前記ベースの他方の面に投影した前記基板の搭載範囲を覆うように設定されていることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記複数のピンフィンは、それぞれ、四角柱形状に形成されていることを特徴とする半導体装置。

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