JP3507834B2 - パワー半導体デバイスの冷却装置 - Google Patents
パワー半導体デバイスの冷却装置Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、電鉄車両分野な
どの電力変換装置に適用する加圧接触式の平形ＩＧＢＴ
などのスイッチング素子を実施対象としたパワー半導体
デバイスの冷却装置に関する。
どの電力変換装置に適用する加圧接触式の平形ＩＧＢＴ
などのスイッチング素子を実施対象としたパワー半導体
デバイスの冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】頭記した電力用半導体装置に用いるパワ
ー半導体デバイスとして、従来では一般にＧＴＯサイリ
スタ（Gate Turn-Off Thyristor)が使用されている。こ
のＧＴＯサイリスタはチップ素子を２枚の電極板で挟持
した加圧接触式の平形パッケージ構造になり、電力変換
装置を構成する場合にはＧＴＯサイリスタと冷却体とを
交互に重ね合わせたたスタックに対し、冷却体に冷媒を
流して通電に伴う発生熱を除去するようにしており、こ
の冷却方式には冷却効率のよい沸騰式冷却方式が多用さ
れている。
ー半導体デバイスとして、従来では一般にＧＴＯサイリ
スタ（Gate Turn-Off Thyristor)が使用されている。こ
のＧＴＯサイリスタはチップ素子を２枚の電極板で挟持
した加圧接触式の平形パッケージ構造になり、電力変換
装置を構成する場合にはＧＴＯサイリスタと冷却体とを
交互に重ね合わせたたスタックに対し、冷却体に冷媒を
流して通電に伴う発生熱を除去するようにしており、こ
の冷却方式には冷却効率のよい沸騰式冷却方式が多用さ
れている。
【０００３】この沸騰式冷却方式には浸漬式，個別冷却
式が知られており、個別冷却式では内部に低沸点の冷媒
を封入した冷却体と放熱凝縮器との間を個別に連通接続
した構成になる。なお、沸騰冷却方式の原理は周知であ
り、通電によって半導体デバイスに発生した熱は冷却体
に満たした冷媒に熱伝達される。一方、冷媒は熱流束の
増加に伴い核沸騰して蒸気となり、冷却体から放熱凝縮
器に移動した上で蒸発時に得た潜熱を放出して凝縮，液
化した後に、冷却体に還流するように蒸発／凝縮サイク
ルを繰り返して半導体デバイスを冷却する。
式が知られており、個別冷却式では内部に低沸点の冷媒
を封入した冷却体と放熱凝縮器との間を個別に連通接続
した構成になる。なお、沸騰冷却方式の原理は周知であ
り、通電によって半導体デバイスに発生した熱は冷却体
に満たした冷媒に熱伝達される。一方、冷媒は熱流束の
増加に伴い核沸騰して蒸気となり、冷却体から放熱凝縮
器に移動した上で蒸発時に得た潜熱を放出して凝縮，液
化した後に、冷却体に還流するように蒸発／凝縮サイク
ルを繰り返して半導体デバイスを冷却する。
【０００４】一方、最近になり大電力用変換装置に適用
するパワー半導体デバイスがＧＴＯサイリスタから低損
失のＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transister) に
移行しつつあり、これに適用する高電圧，大電流のＩＧ
ＢＴとして、単一の平形パッケージに複数のチップを組
み込んだ両面冷却が可能な加圧接触構造の平形ＩＧＢＴ
が既に製品化されている。
するパワー半導体デバイスがＧＴＯサイリスタから低損
失のＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transister) に
移行しつつあり、これに適用する高電圧，大電流のＩＧ
ＢＴとして、単一の平形パッケージに複数のチップを組
み込んだ両面冷却が可能な加圧接触構造の平形ＩＧＢＴ
が既に製品化されている。
【０００５】また、従来のＧＴＯサイリスタスタックの
冷却装置と同様に、平形ＩＧＢＴに冷却体を交互に重ね
合わせたスタックに放熱凝縮器を組合せた個別沸騰冷却
方式の装置も既に製品化されて一部で実用運転に入って
いる。次に、平形ＩＧＢＴのスタック組立体に対する個
別沸騰冷却方式の冷却装置を図４に示す。図において、
１は平形ＩＧＢＴのスタック組立体であり、スタック組
立体１は平形ＩＧＢＴ（パワー半導体デバイス）２と冷
却体（ヒートシンク）３を交互に重ね合わせ、これに皿
ばね４，左右の加圧端板５，鋼球６，スタッド７を組合
せた構成になり、皿ばね４のばね力で平形ＩＧＢＴ２に
加圧力を加えるようにしている。また、冷却体３は中空
構造の箱体でその内部に低沸点の絶縁性冷媒８が封入さ
れており、スタック組立体１の上方に配した放熱凝縮器
９と各冷却体３との間が個別に冷媒管１０を介して連結
されている。なお、９ａは冷媒液溜である。
冷却装置と同様に、平形ＩＧＢＴに冷却体を交互に重ね
合わせたスタックに放熱凝縮器を組合せた個別沸騰冷却
方式の装置も既に製品化されて一部で実用運転に入って
いる。次に、平形ＩＧＢＴのスタック組立体に対する個
別沸騰冷却方式の冷却装置を図４に示す。図において、
１は平形ＩＧＢＴのスタック組立体であり、スタック組
立体１は平形ＩＧＢＴ（パワー半導体デバイス）２と冷
却体（ヒートシンク）３を交互に重ね合わせ、これに皿
ばね４，左右の加圧端板５，鋼球６，スタッド７を組合
せた構成になり、皿ばね４のばね力で平形ＩＧＢＴ２に
加圧力を加えるようにしている。また、冷却体３は中空
構造の箱体でその内部に低沸点の絶縁性冷媒８が封入さ
れており、スタック組立体１の上方に配した放熱凝縮器
９と各冷却体３との間が個別に冷媒管１０を介して連結
されている。なお、９ａは冷媒液溜である。
【０００６】ここで、図５により前記した平形ＩＧＢＴ
２の構造、および冷却体３の従来構造を説明する。な
お、図５は前記したスタック組立体１の一部を拡大した
図で、平形ＩＧＢＴ２の構造は略示的に、また平形ＩＧ
ＢＴ２と冷却体３との積層方向を縦向きにして描かれて
いる。すなわち、平形ＩＧＢＴ２は二枚の電極板（エミ
ッタ電極板とコレクタ電極板）２ａの間に複数個のチッ
プ（ＩＧＢＴ，およびダイオード）２ｂを縦，横に配列
して挟み、さらに電極板２ａに被せたキャップ２ｃ，セ
ラミックケース２ｄを介して封止した平形パッケージ構
造になる。また、電極板２ａの内面にはチップ２ｂの配
列パターンに合わせて各チップとの接触面域に凸状のポ
スト２ｅを形成し、チップ２ｂの表面に形成した集電電
極と電極板２ａとの間で良好な加圧接触性を得るように
している。なお、詳細構造は示してないが、チップ２ｂ
の集電電極は周縁から一回り内側の活性領域の上に形成
してこの部分を加圧面域となし、ゲート電極などはチッ
プの周縁部（非加圧面域）に形成して電極板２ａで加圧
しないようにしている。
２の構造、および冷却体３の従来構造を説明する。な
お、図５は前記したスタック組立体１の一部を拡大した
図で、平形ＩＧＢＴ２の構造は略示的に、また平形ＩＧ
ＢＴ２と冷却体３との積層方向を縦向きにして描かれて
いる。すなわち、平形ＩＧＢＴ２は二枚の電極板（エミ
ッタ電極板とコレクタ電極板）２ａの間に複数個のチッ
プ（ＩＧＢＴ，およびダイオード）２ｂを縦，横に配列
して挟み、さらに電極板２ａに被せたキャップ２ｃ，セ
ラミックケース２ｄを介して封止した平形パッケージ構
造になる。また、電極板２ａの内面にはチップ２ｂの配
列パターンに合わせて各チップとの接触面域に凸状のポ
スト２ｅを形成し、チップ２ｂの表面に形成した集電電
極と電極板２ａとの間で良好な加圧接触性を得るように
している。なお、詳細構造は示してないが、チップ２ｂ
の集電電極は周縁から一回り内側の活性領域の上に形成
してこの部分を加圧面域となし、ゲート電極などはチッ
プの周縁部（非加圧面域）に形成して電極板２ａで加圧
しないようにしている。
【０００７】なお、平形ＩＧＢＴ２は電流容量に応じて
図６(a),(b) で示すようにパッケージに組み込むチップ
２ｂ（チップ１枚当たりの通電容量は決まっている）の
個数を変えるようにしており、(a) 図ではチップ２ｂが
縦，横３列に、また(b) 図ではチップ２ｂが縦，横４列
に配列されている。一方、冷却体３は、ＧＴＯサイリス
タのスタックに採用していた冷却体をＩＧＢＴ２の外
形，発熱量に合わせて設計し直したもので、平形ＩＧＢ
Ｔ２の電極２ａと接触し合う左右側壁を伝熱主面とした
中空構造の平角状の箱体からなり、その箱体内部には心
材として上下方向に延在して平行に並ぶ複数条の伝熱フ
ィン兼用の補強リブ３ａを設け、この補強リブ３ａの相
互間に冷媒を流すようにした構造になる。また、箱体の
中央部には補強リブ３ａ間の間隔を広げて空きスペース
を確保し、ここに冷媒管１０を接続して放熱凝縮器９
（図４参照）との間で冷媒を通流するようにしている。
ここで、冷却体３は銅などを材料に、切削加工で補強リ
ブを削りだして作られたもので、箱体の肉厚は高い伝熱
性と軽量化を図るために５mm程度としている。また、平
形ＩＧＢＴ２と冷却体３とでスタック１を組み立てる際
の位置決め手段として、ＩＧＢＴのパッケージと冷却体
の間に位置決めピン１１が嵌合されている。
図６(a),(b) で示すようにパッケージに組み込むチップ
２ｂ（チップ１枚当たりの通電容量は決まっている）の
個数を変えるようにしており、(a) 図ではチップ２ｂが
縦，横３列に、また(b) 図ではチップ２ｂが縦，横４列
に配列されている。一方、冷却体３は、ＧＴＯサイリス
タのスタックに採用していた冷却体をＩＧＢＴ２の外
形，発熱量に合わせて設計し直したもので、平形ＩＧＢ
Ｔ２の電極２ａと接触し合う左右側壁を伝熱主面とした
中空構造の平角状の箱体からなり、その箱体内部には心
材として上下方向に延在して平行に並ぶ複数条の伝熱フ
ィン兼用の補強リブ３ａを設け、この補強リブ３ａの相
互間に冷媒を流すようにした構造になる。また、箱体の
中央部には補強リブ３ａ間の間隔を広げて空きスペース
を確保し、ここに冷媒管１０を接続して放熱凝縮器９
（図４参照）との間で冷媒を通流するようにしている。
ここで、冷却体３は銅などを材料に、切削加工で補強リ
ブを削りだして作られたもので、箱体の肉厚は高い伝熱
性と軽量化を図るために５mm程度としている。また、平
形ＩＧＢＴ２と冷却体３とでスタック１を組み立てる際
の位置決め手段として、ＩＧＢＴのパッケージと冷却体
の間に位置決めピン１１が嵌合されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、図４，図５
に示した平形ＩＧＢＴ２と冷却体３とで組立てたスタッ
クに放熱凝縮器９を組合せて運転テストを行ったとこ
ろ、平形ＩＧＢＴ２のチップ２ａが破損するトラブルが
あり、そのトラブル発生の原因を究明した結果から次の
点が明らかになった。
に示した平形ＩＧＢＴ２と冷却体３とで組立てたスタッ
クに放熱凝縮器９を組合せて運転テストを行ったとこ
ろ、平形ＩＧＢＴ２のチップ２ａが破損するトラブルが
あり、そのトラブル発生の原因を究明した結果から次の
点が明らかになった。
【０００９】すなわち、図５に示した従来構造の冷却体
を３列組の平形ＩＧＢＴ２と組合せて構成したスタック
組立体について、平形ＩＧＢＴ２に組み込んだ各チップ
２ｂに加わる面圧分布をシミュレーションしたところ、
図７に表すような結果を得た。この面圧分布から判るよ
うに、３列組のうちパッケージの中央に配置したチップ
はその周縁部にピーク状の面圧が加わるものの、その中
央部分の面圧は殆ど０に近い値であった。一方、左右列
に並ぶチップについては、その中央面域に所要の面圧が
加圧されるものの、チップの周縁部にはピーク状の面圧
が加わり、特に電極板２ａの最外周側のポストで挟まれ
たチップの端縁部に最も高いピーク値（σmax ）が加圧
されている。
を３列組の平形ＩＧＢＴ２と組合せて構成したスタック
組立体について、平形ＩＧＢＴ２に組み込んだ各チップ
２ｂに加わる面圧分布をシミュレーションしたところ、
図７に表すような結果を得た。この面圧分布から判るよ
うに、３列組のうちパッケージの中央に配置したチップ
はその周縁部にピーク状の面圧が加わるものの、その中
央部分の面圧は殆ど０に近い値であった。一方、左右列
に並ぶチップについては、その中央面域に所要の面圧が
加圧されるものの、チップの周縁部にはピーク状の面圧
が加わり、特に電極板２ａの最外周側のポストで挟まれ
たチップの端縁部に最も高いピーク値（σmax ）が加圧
されている。
【００１０】このような面圧分布の発生は次のようなこ
とによるものと推察される。すなわち、平形ＩＧＢＴ２
に重ね合わせた冷却体３の中央部には、図５で述べたよ
ううに冷媒導管１０を接続するための広いスペースが空
いており、かつ箱体自身の壁の撓み性も加わってこの部
分に圧力抜けが生じ、このために平形ＩＧＢＴ２のパッ
ケージ中央面域にはスタックの締め付け力が殆ど作用し
ない。これに対して、その両側領域では冷却体３の箱体
内部に設けた補強リブ３ａを介してスタック締め付け力
が平形ＩＧＢＴ２に加わるとともに、チップ２ｂの周縁
部には電極板２ａに形成したポスト２ｅの周縁のエッジ
部分が当接していることから、この部分に荷重が集中し
て面圧に大きなピーク値が現れる。特に、平形ＩＧＢＴ
２のパッケージの最外周側に並ぶチップに対しては、図
５で示すようにチップ２ｂの最外周端縁部を通る仮想線
Ｘ−Ｘの線上に冷却体３の補強リブ３ａが外側にはみ出
すようにして重なり合い、さらに前記したポスト２ｄの
エッジ効果も加わる。このために、仮想線Ｘ−Ｘの線上
に対向するチップ２ｂの端縁部には加圧力がオーバーハ
ング状に加わってその面圧が最も高いピーク値
（σmax ）となる。
とによるものと推察される。すなわち、平形ＩＧＢＴ２
に重ね合わせた冷却体３の中央部には、図５で述べたよ
ううに冷媒導管１０を接続するための広いスペースが空
いており、かつ箱体自身の壁の撓み性も加わってこの部
分に圧力抜けが生じ、このために平形ＩＧＢＴ２のパッ
ケージ中央面域にはスタックの締め付け力が殆ど作用し
ない。これに対して、その両側領域では冷却体３の箱体
内部に設けた補強リブ３ａを介してスタック締め付け力
が平形ＩＧＢＴ２に加わるとともに、チップ２ｂの周縁
部には電極板２ａに形成したポスト２ｅの周縁のエッジ
部分が当接していることから、この部分に荷重が集中し
て面圧に大きなピーク値が現れる。特に、平形ＩＧＢＴ
２のパッケージの最外周側に並ぶチップに対しては、図
５で示すようにチップ２ｂの最外周端縁部を通る仮想線
Ｘ−Ｘの線上に冷却体３の補強リブ３ａが外側にはみ出
すようにして重なり合い、さらに前記したポスト２ｄの
エッジ効果も加わる。このために、仮想線Ｘ−Ｘの線上
に対向するチップ２ｂの端縁部には加圧力がオーバーハ
ング状に加わってその面圧が最も高いピーク値
（σmax ）となる。
【００１１】この結果、上記のような面圧分布の状況で
は、平形ＩＧＢＴ２のパッケージ中央に並ぶチップに対
しては加圧力が不足して熱抵抗が大きくなり、このため
に通電時にはチップの接合（ジャンクション）温度が許
容値を超えて熱破壊を引き起こすおそれがある。また、
加圧力が不足するとチップ／電極板間のオーミック接触
抵抗が増大してＩＧＢＴの電気的特性も低下する。一
方、パッケージの外周側に配列したチップには、その端
縁部分にピーク状の過大な面圧（σmax ）が集中して加
わり、このためにクラック，割れなどが生じてチップが
破壊するおそれがある。
は、平形ＩＧＢＴ２のパッケージ中央に並ぶチップに対
しては加圧力が不足して熱抵抗が大きくなり、このため
に通電時にはチップの接合（ジャンクション）温度が許
容値を超えて熱破壊を引き起こすおそれがある。また、
加圧力が不足するとチップ／電極板間のオーミック接触
抵抗が増大してＩＧＢＴの電気的特性も低下する。一
方、パッケージの外周側に配列したチップには、その端
縁部分にピーク状の過大な面圧（σmax ）が集中して加
わり、このためにクラック，割れなどが生じてチップが
破壊するおそれがある。
【００１２】この発明は上記の点に鑑みなされたもので
あり、その目的は前記課題を解決し、加圧接触型の平形
パワー半導体デバイスと内部に冷媒を通流する冷却体を
交互に重ね合わせて加圧締結したスタック組立体に対し
て、半導体デバイスのパッケージ内に配列した各チップ
に加わる面圧が略均衡するように冷却体の構造，特にそ
の内部に設けた補強リブの配列を適正化し、チップの熱
的，機械的な破壊が回避できるように改良した沸騰冷却
方式の冷却装置を提供することにある。
あり、その目的は前記課題を解決し、加圧接触型の平形
パワー半導体デバイスと内部に冷媒を通流する冷却体を
交互に重ね合わせて加圧締結したスタック組立体に対し
て、半導体デバイスのパッケージ内に配列した各チップ
に加わる面圧が略均衡するように冷却体の構造，特にそ
の内部に設けた補強リブの配列を適正化し、チップの熱
的，機械的な破壊が回避できるように改良した沸騰冷却
方式の冷却装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明によれば、複数の半導体チップを縦，横列
に配列して二枚の電極板で挟んだ加圧接触式の平形パッ
ケージ構造になるパワー半導体デバイスと、内部に冷媒
を満たした中空構造の冷却体とを交互に重ね合わせ、か
つ外部から加圧力を加えて組立てた半導体デバイスのス
タックに対し、その上方に配した凝縮放熱器と前記冷却
体との間を連通接続した沸騰冷却方式の冷却装置であ
り、前記冷却体はその内部に心材として上下方向に延在
する伝熱フィン兼用の補強リブを設けた箱体としてな
り、前記補強リブの間の通路に冷媒を流するようにした
ものにおいて、前記補強リブを、パワー半導体デバイス
のチップ配列パターンに合わせて、そのチップ加圧面と
の対向面域に分散して設ける（請求項１）ものとし、具
体的には次のようにな態様で構成する。
に、この発明によれば、複数の半導体チップを縦，横列
に配列して二枚の電極板で挟んだ加圧接触式の平形パッ
ケージ構造になるパワー半導体デバイスと、内部に冷媒
を満たした中空構造の冷却体とを交互に重ね合わせ、か
つ外部から加圧力を加えて組立てた半導体デバイスのス
タックに対し、その上方に配した凝縮放熱器と前記冷却
体との間を連通接続した沸騰冷却方式の冷却装置であ
り、前記冷却体はその内部に心材として上下方向に延在
する伝熱フィン兼用の補強リブを設けた箱体としてな
り、前記補強リブの間の通路に冷媒を流するようにした
ものにおいて、前記補強リブを、パワー半導体デバイス
のチップ配列パターンに合わせて、そのチップ加圧面と
の対向面域に分散して設ける（請求項１）ものとし、具
体的には次のようにな態様で構成する。
【００１４】(1) 補強リブを、パワー半導体デバイスの
各チップと個別に相対して設ける（請求項２）。 (2) 補強リブを、パワー半導体デバイスの縦に並ぶ各チ
ップ列と個々に相対して設ける（請求項３）。 (3) 冷却体と放熱凝縮器との間を連通する冷媒液流入管
を、チップとの対向面域外で補強リブ間の残余間隙を通
して箱体内の底部側に開口するように配管し、冷媒蒸気
流出管を冷却体の箱体上面に接続する（請求項４）。
各チップと個別に相対して設ける（請求項２）。 (2) 補強リブを、パワー半導体デバイスの縦に並ぶ各チ
ップ列と個々に相対して設ける（請求項３）。 (3) 冷却体と放熱凝縮器との間を連通する冷媒液流入管
を、チップとの対向面域外で補強リブ間の残余間隙を通
して箱体内の底部側に開口するように配管し、冷媒蒸気
流出管を冷却体の箱体上面に接続する（請求項４）。
【００１５】(4) 前項(3) において、冷媒液流入管と冷
媒蒸気流出管を内外二重管で構成して冷却体と放熱凝縮
器との間に配管する（請求項５）。 (5) 前項(3) において、冷媒液流入管と冷媒蒸気流出管
を分離して冷却体と放熱凝縮器との間に別々に配管する
（請求項６）。上記のように、冷却体の内部に設けた補
強リブの配置を、パワー半導体デバイスに組み込んだチ
ップの配列パターンに合わせてそのチップ加圧面との対
向面域に設けたことにより、平形半導体デバイスに組み
込んだ複数のチップに対して、従来の冷却体構造で問題
となっていた圧力抜け，オーバーハング状の過大な加圧
を回避して各半導体チップに加わる面圧を略均衡化させ
ることができる。
媒蒸気流出管を内外二重管で構成して冷却体と放熱凝縮
器との間に配管する（請求項５）。 (5) 前項(3) において、冷媒液流入管と冷媒蒸気流出管
を分離して冷却体と放熱凝縮器との間に別々に配管する
（請求項６）。上記のように、冷却体の内部に設けた補
強リブの配置を、パワー半導体デバイスに組み込んだチ
ップの配列パターンに合わせてそのチップ加圧面との対
向面域に設けたことにより、平形半導体デバイスに組み
込んだ複数のチップに対して、従来の冷却体構造で問題
となっていた圧力抜け，オーバーハング状の過大な加圧
を回避して各半導体チップに加わる面圧を略均衡化させ
ることができる。
【００１６】また、凝縮放熱器と冷却体との間を連通す
る冷媒導管について、その冷媒液流入管は半導体チップ
との対向面域から外れた位置で補強リブ間の縦方向の間
隙を通して箱体内部の底部側に開口し、冷媒蒸気流出管
が箱体の上面に開口するよう配管することで、補強リブ
の配列を制約することなしに、冷媒の蒸発／凝縮サイク
ルに伴って冷却体と放熱凝縮器との間を移動する冷媒
液，冷媒蒸気がスムーズに通流するようになり、特に冷
媒液流入管，流出管を内外二重管で構成することで配管
がコンパクトに構成できる。
る冷媒導管について、その冷媒液流入管は半導体チップ
との対向面域から外れた位置で補強リブ間の縦方向の間
隙を通して箱体内部の底部側に開口し、冷媒蒸気流出管
が箱体の上面に開口するよう配管することで、補強リブ
の配列を制約することなしに、冷媒の蒸発／凝縮サイク
ルに伴って冷却体と放熱凝縮器との間を移動する冷媒
液，冷媒蒸気がスムーズに通流するようになり、特に冷
媒液流入管，流出管を内外二重管で構成することで配管
がコンパクトに構成できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
１ないし図３に示す実施例で説明する。なお、実施例の
図中で図５，図６に対応する同一部材には同じ符号が付
してある。 〔実施例１〕図１(a),(b) はこの発明の請求項２，４に
対応する実施例を示すものであり、図５と同様にパワー
半導体デバイスである平形ＩＧＢＴのスタック組立体の
一部を示している。なお、平形ＩＧＢＴ２は、上下電極
板２ａの間にＩＧＢＴ，およびダイオードの半導体チッ
プ２ｂが縦，横４列（４×４）ずつ並べて組み込まれて
いる。
１ないし図３に示す実施例で説明する。なお、実施例の
図中で図５，図６に対応する同一部材には同じ符号が付
してある。 〔実施例１〕図１(a),(b) はこの発明の請求項２，４に
対応する実施例を示すものであり、図５と同様にパワー
半導体デバイスである平形ＩＧＢＴのスタック組立体の
一部を示している。なお、平形ＩＧＢＴ２は、上下電極
板２ａの間にＩＧＢＴ，およびダイオードの半導体チッ
プ２ｂが縦，横４列（４×４）ずつ並べて組み込まれて
いる。
【００１８】一方、冷却体３は基本な構造は図５と同様
であるが、冷却体３の内部に設けた補強リブ３ａが次の
ように配列パターンに形成されている。すなわち、補強
リブ３ａは、平形ＩＧＢＴ２に組み込まれた半導体チッ
プ２ａの配列パターンに合わせて形成されており、平形
ＩＧＢＴ２と冷却体３を重ね合わせてスタックを組立て
た状態で、補強リブ３ａがチップ２ｂと１個づつ個別に
対向してそのチップ加圧面から外周側へはみ出さないよ
うな範囲に規制し、チップ１個当たり補強リブ３ａが３
列ずつ設けてある。この場合に、補強リブ３ａの長さ，
幅はチップ２ｂの加圧面域をできるだけ広くカバーでき
るように設定するのがよく、具体的には補強リブ３ａの
長さをＡ，３列分の横幅をＢ，チップ２ｂの加圧面域の
一辺長をＣとして、Ａ，Ｂが少なくともＣの８０％以上
をカバーするように設定するものとする。
であるが、冷却体３の内部に設けた補強リブ３ａが次の
ように配列パターンに形成されている。すなわち、補強
リブ３ａは、平形ＩＧＢＴ２に組み込まれた半導体チッ
プ２ａの配列パターンに合わせて形成されており、平形
ＩＧＢＴ２と冷却体３を重ね合わせてスタックを組立て
た状態で、補強リブ３ａがチップ２ｂと１個づつ個別に
対向してそのチップ加圧面から外周側へはみ出さないよ
うな範囲に規制し、チップ１個当たり補強リブ３ａが３
列ずつ設けてある。この場合に、補強リブ３ａの長さ，
幅はチップ２ｂの加圧面域をできるだけ広くカバーでき
るように設定するのがよく、具体的には補強リブ３ａの
長さをＡ，３列分の横幅をＢ，チップ２ｂの加圧面域の
一辺長をＣとして、Ａ，Ｂが少なくともＣの８０％以上
をカバーするように設定するものとする。
【００１９】また、冷却体３の頂部中央には放熱凝縮器
（図４参照）との間を連通する冷媒管１０として、冷媒
液流入管１０ａと冷媒蒸気流出管１０ｂとが内外二重管
で構成されており、かつ冷媒流入管１０ａはＩＧＢＴ２
のチップとの対向面域から外れた補強リブ３ａの間の間
隙を通してその先端が箱体の底部側に開口するように配
管されている。
（図４参照）との間を連通する冷媒管１０として、冷媒
液流入管１０ａと冷媒蒸気流出管１０ｂとが内外二重管
で構成されており、かつ冷媒流入管１０ａはＩＧＢＴ２
のチップとの対向面域から外れた補強リブ３ａの間の間
隙を通してその先端が箱体の底部側に開口するように配
管されている。
【００２０】次に、平形ＩＧＢＴのチップ２ｂを４×４
に配置した平形ＩＧＢＴ２と前記構成になる冷却体３と
を組合せて組立てたスタックについて、図７と同様にシ
ミュレーションして得たチップの面圧分布図を図２に示
す。この面圧分布図から判るように、左右に配置したチ
ップ２ｂに加わる面圧はその加圧面域の周縁部分でピー
ク状の面圧が生じるものの全体としては略均衡し、パッ
ケージの中央列に並ぶチップ２ｂについてもその中央面
域には圧力抜けなしに所要の面圧が加わっている。ま
た、左右の外側列に並ぶチップ２ｂ対しても、その周縁
部分に加わるピーク状の面圧は、図７の従来構造におけ
る最大ピーク値σmax と較べて１／３程度に低減してい
る。
に配置した平形ＩＧＢＴ２と前記構成になる冷却体３と
を組合せて組立てたスタックについて、図７と同様にシ
ミュレーションして得たチップの面圧分布図を図２に示
す。この面圧分布図から判るように、左右に配置したチ
ップ２ｂに加わる面圧はその加圧面域の周縁部分でピー
ク状の面圧が生じるものの全体としては略均衡し、パッ
ケージの中央列に並ぶチップ２ｂについてもその中央面
域には圧力抜けなしに所要の面圧が加わっている。ま
た、左右の外側列に並ぶチップ２ｂ対しても、その周縁
部分に加わるピーク状の面圧は、図７の従来構造におけ
る最大ピーク値σmax と較べて１／３程度に低減してい
る。
【００２１】したがって、平形ＩＧＢＴ２のパッケージ
に組み込んだ各チップについて、従来問題となっていた
圧力抜けに起因する面圧不足，およびオーバーハング状
の過大なピーク面圧が解消され、長時間の通電テストを
行った結果でもチップが破壊するトラブルのないことが
検証されている。なお、補強リブ３ａの断面形状，およ
びチップ１個当たりに対向するリブの数は図示例に限定
されるものでなく、例えばリブを断面波形に形成するな
どして実施することも可能である。また、チップ配列が
３×３の平形ＩＧＢＴ２と組合せる冷却体３では、その
補強リブの配列パターンを３×３のチップ配列に合わせ
て形成するものとする。
に組み込んだ各チップについて、従来問題となっていた
圧力抜けに起因する面圧不足，およびオーバーハング状
の過大なピーク面圧が解消され、長時間の通電テストを
行った結果でもチップが破壊するトラブルのないことが
検証されている。なお、補強リブ３ａの断面形状，およ
びチップ１個当たりに対向するリブの数は図示例に限定
されるものでなく、例えばリブを断面波形に形成するな
どして実施することも可能である。また、チップ配列が
３×３の平形ＩＧＢＴ２と組合せる冷却体３では、その
補強リブの配列パターンを３×３のチップ配列に合わせ
て形成するものとする。
【００２２】〔実施例２〕図３はこの発明の請求項３，
５に対応する応用実施例を示すものである。この実施例
においては、平形ＩＧＢＴ２のパッケージ内で縦，横４
列に並べて配列したチップ２ｂに対し、縦一列に並ぶチ
ップ列を単位として冷却体３の補強リブ３ａがそのチッ
プ列に属する各チップ２ｂとの対向面域をまたがるよう
に延在し、１列当たり３枚に分けて縦方向に設けてあ
る。ここで、補強リブ３ａの上下端は同列の上下端に配
置したチップ２ｂの加圧面域から外側にはみ出さないよ
うに規制し、また幅方向では実施例１と同様に補強リブ
３ａがチップ２ｂの加圧面域から左右外側にはみ出さな
いように規制する。
５に対応する応用実施例を示すものである。この実施例
においては、平形ＩＧＢＴ２のパッケージ内で縦，横４
列に並べて配列したチップ２ｂに対し、縦一列に並ぶチ
ップ列を単位として冷却体３の補強リブ３ａがそのチッ
プ列に属する各チップ２ｂとの対向面域をまたがるよう
に延在し、１列当たり３枚に分けて縦方向に設けてあ
る。ここで、補強リブ３ａの上下端は同列の上下端に配
置したチップ２ｂの加圧面域から外側にはみ出さないよ
うに規制し、また幅方向では実施例１と同様に補強リブ
３ａがチップ２ｂの加圧面域から左右外側にはみ出さな
いように規制する。
【００２３】また、この実施例では、冷媒管の冷媒液流
入管１０ａと冷媒蒸気流出管１０ｂが互いに分離して冷
却体３の左右端部に接続されており、冷媒液流入管１０
ａは図１と同様にＩＧＢＴ２のチップとの対向面域から
外れた補強リブ３ａの間の間隙を通して先端が箱体の底
部側に開口するように配管されている。この実施例にお
いても、平形ＩＧＢＴ２の各チップに加圧される面圧分
布をシュミレーションしたところ、図５と略同等な面圧
分布の得られることが確認されている。
入管１０ａと冷媒蒸気流出管１０ｂが互いに分離して冷
却体３の左右端部に接続されており、冷媒液流入管１０
ａは図１と同様にＩＧＢＴ２のチップとの対向面域から
外れた補強リブ３ａの間の間隙を通して先端が箱体の底
部側に開口するように配管されている。この実施例にお
いても、平形ＩＧＢＴ２の各チップに加圧される面圧分
布をシュミレーションしたところ、図５と略同等な面圧
分布の得られることが確認されている。
【００２４】なお、この実施例による冷却体の補強リブ
の配列は、先記実施例１のように細分化されてないの
で、リブの切削加工が容易で冷却体３が安価に製作でき
る。
の配列は、先記実施例１のように細分化されてないの
で、リブの切削加工が容易で冷却体３が安価に製作でき
る。
【００２５】
【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
平形ＩＧＢＴなどを対象とするパワー半導体デバイスの
平形パッケージに重ね合わせた冷却体について、その内
部に設けた伝熱フィン兼用の補強リブを、パワー半導体
デバイスのチップ配列パターンに合わせてそのチップ加
圧面との対向面域に分散して設けたことにより、平形半
導体デバイスに組み込んだ複数のチップに対して、従来
の冷却体構造で問題となっていた圧力抜け，オーバーハ
ング状の過大な加圧を回避して各半導体チップに加わる
面圧を略均衡化させることができ、これにより、半導体
チップの機械的，熱的破壊を回避して信頼性の向上化が
図れる。
平形ＩＧＢＴなどを対象とするパワー半導体デバイスの
平形パッケージに重ね合わせた冷却体について、その内
部に設けた伝熱フィン兼用の補強リブを、パワー半導体
デバイスのチップ配列パターンに合わせてそのチップ加
圧面との対向面域に分散して設けたことにより、平形半
導体デバイスに組み込んだ複数のチップに対して、従来
の冷却体構造で問題となっていた圧力抜け，オーバーハ
ング状の過大な加圧を回避して各半導体チップに加わる
面圧を略均衡化させることができ、これにより、半導体
チップの機械的，熱的破壊を回避して信頼性の向上化が
図れる。
【００２６】また、凝縮放熱器と冷却体との間を連通す
る冷媒管について、その冷媒液流入管を半導体チップと
の対向面域から外れた補強リブ間の残余間隙を通して箱
体内部の底部側に開口し、冷媒蒸気流出管は箱体の上面
に開口するよう配管することにより、補強リブの配列を
妨げることなく、冷却体と放熱凝縮器との間を移動する
冷媒液，冷媒蒸気がスムーズに通流するようになり、特
に冷媒液流入管，流出管を内外二重管で構成することで
配管がコンパクトに構成できる。
る冷媒管について、その冷媒液流入管を半導体チップと
の対向面域から外れた補強リブ間の残余間隙を通して箱
体内部の底部側に開口し、冷媒蒸気流出管は箱体の上面
に開口するよう配管することにより、補強リブの配列を
妨げることなく、冷却体と放熱凝縮器との間を移動する
冷媒液，冷媒蒸気がスムーズに通流するようになり、特
に冷媒液流入管，流出管を内外二重管で構成することで
配管がコンパクトに構成できる。
【図１】この発明の実施例１に対応する平形ＩＧＢＴス
タックの部分構成図であり、(a) は平形ＩＧＢＴ，およ
び冷却体の横断平面図、(b) は冷却体の縦断正面図
タックの部分構成図であり、(a) は平形ＩＧＢＴ，およ
び冷却体の横断平面図、(b) は冷却体の縦断正面図
【図２】図１の構成による平形ＩＧＢＴのチップ面圧分
布図
布図
【図３】この発明の実施例２に対応する冷却体の縦断正
面図
面図
【図４】パワー半導体デバイスのスタックに放熱凝縮器
を組合せた沸騰冷却方式の冷却系の構成図
を組合せた沸騰冷却方式の冷却系の構成図
【図５】図４における平形ＩＧＢＴスタックの一部を拡
大した平形ＩＧＢＴ，および冷却体の横断平面図
大した平形ＩＧＢＴ，および冷却体の横断平面図
【図６】平形ＩＧＢＴのパッケージに組み込んだチップ
の配列を模式的に表した図であり、(a),(b) はそれぞれ
チップ配列が３×３，４×４の場合の例示図
の配列を模式的に表した図であり、(a),(b) はそれぞれ
チップ配列が３×３，４×４の場合の例示図
【図７】図５の構成による平形ＩＧＢＴのチップ面圧分
布図
布図
１ 平形ＩＧＢＴスタック
２ 平形ＩＧＢＴ（パワー半導体デバイス）
２ａ 電極板
２ｂ 半導体チップ
３ 冷却体
３ａ 補強リブ
９ 放熱凝縮器
１０ 冷媒管
１０ａ 冷媒液流入管
１０ｂ 冷媒蒸気流出管
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 廣津 和則
神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号
富士電機株式会社内
(56)参考文献 特開 平７−193172（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−67996（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 23/40
H01L 23/427
Claims (6)
- 【請求項１】複数の半導体チップを縦，横列に配列して
二枚の電極板で挟んだ加圧接触式の平形パッケージ構造
になるパワー半導体デバイスと、内部に冷媒を通流する
中空構造の冷却体とを交互に重ね合わせ、かつ外部から
加圧力を加えて組立てた半導体デバイスのスタックに対
し、その上方に配した凝縮放熱器と前記冷却体との間を
連通接続した沸騰冷却方式の冷却装置であり、前記冷却
体はその内部に心材として上下方向に延在する伝熱フィ
ン兼用の補強リブを設けた箱体としてなり、前記補強リ
ブの間の通路に冷媒を流するようにしたものにおいて、
前記補強リブを、パワー半導体デバイスのチップ配列パ
ターンに合わせて、そのチップ加圧面との対向面域に分
散して設けたことを特徴とするパワー半導体デバイスの
冷却装置。 - 【請求項２】請求項１記載の冷却装置において、補強リ
ブを、パワー半導体デバイスの各チップと個別と相対し
て設けたことを特徴とするパワー半導体デバイスの冷却
装置。 - 【請求項３】請求項１記載の冷却装置において、補強リ
ブを、パワー半導体デバイスの縦に並ぶ各チップ列と個
々に相対して設けたことを特徴とするパワー半導体デバ
イスの冷却装置。 - 【請求項４】請求項１記載の冷却装置において、冷却体
と放熱凝縮器との間を連通する冷媒液流入管を、チップ
との対向面域外で補強リブ間の残余間隙を通して箱体内
の底部側に開口するように配管し、冷媒蒸気流出管を冷
却体の箱体上面に接続したことを特徴とするパワー半導
体デバイスの冷却装置。 - 【請求項５】請求項４記載の冷却装置において、冷媒液
流入管と冷媒蒸気流出管を内外二重管で構成したことを
特徴とするパワー半導体デバイスの冷却装置。 - 【請求項６】請求項４記載の冷却装置において、冷媒液
流入管と冷媒蒸気流出管を分離して別々に配管したこと
を特徴とするパワー半導体デバイスの冷却装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1673198A JP3507834B2 (ja) | 1998-01-29 | 1998-01-29 | パワー半導体デバイスの冷却装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1673198A JP3507834B2 (ja) | 1998-01-29 | 1998-01-29 | パワー半導体デバイスの冷却装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11214599A JPH11214599A (ja) | 1999-08-06 |
| JP3507834B2 true JP3507834B2 (ja) | 2004-03-15 |
Family
ID=11924419
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1673198A Expired - Fee Related JP3507834B2 (ja) | 1998-01-29 | 1998-01-29 | パワー半導体デバイスの冷却装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3507834B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005332863A (ja) | 2004-05-18 | 2005-12-02 | Denso Corp | パワースタック |
| JP5203896B2 (ja) * | 2008-11-13 | 2013-06-05 | 株式会社東芝 | 半導体装置およびその製造方法 |
| FR2994333B1 (fr) * | 2012-08-03 | 2014-08-01 | Ge Energy Power Conversion Technology Ltd | Dispositif electronique semi-conducteur destine a etre monte dans un ensemble a empilement presse et ensemble a empilement presse comportant un tel dispositif |
| DE102014102493A1 (de) * | 2014-02-26 | 2015-08-27 | Infineon Technologies Bipolar Gmbh & Co. Kg | Verbesserte Scheibenzelle für mehrere druckkontaktierte Halbleiterbauelemente |
| CN108075672B (zh) * | 2016-11-18 | 2019-11-22 | 比亚迪股份有限公司 | 负载控制器及具有该负载控制器的电动汽车 |
| CN113421864B (zh) * | 2021-06-11 | 2023-11-10 | 西安电子科技大学 | 三维封装相变散热装置 |
-
1998
- 1998-01-29 JP JP1673198A patent/JP3507834B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH11214599A (ja) | 1999-08-06 |
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