JP4051328B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は半導体装置に関する。

従来の半導体装置は、半導体素子の他に例えばヒートパイプ式冷却装置を備え、ヒートパイプ式冷却装置上に半導体素子を設けていた。すなわち半導体装置の動作時において半導体素子から発生する熱がヒートパイプへ伝導され、半導体素子が冷却させる。そしてヒートパイプへ伝導された熱はヒートパイプ中を移動して、ヒートパイプ式冷却装置が有する放熱部、例えば冷却板から放出される。

なお冷却の効率を向上させるために、ヒートパイプ式冷却装置を複数に積み重ねた半導体装置が、例えば特許文献１に開示されている。その他、ヒートパイプ式冷却装置に関する技術が特許文献２に、またヒートパイプ式冷却装置を用いて半導体素子を冷却する技術が特許文献３にそれぞれ開示されている。

特開平０８−３０３９６９号公報 特開平０７−１９０６５５号公報 特開２０００−２００８６６号公報

ヒートパイプ式冷却装置上に例えば二つの半導体素子が設けられ、放熱部との間の距離が異なって配置されている場合、半導体装置の動作時においてそれぞれの半導体素子の冷却温度に差が生じ、その差は例えば１０℃程度に達することもある。すなわち放熱部から遠い方の半導体素子が放熱部側の半導体素子に比べて高温になる。また、半導体素子への通電電流が大きくなるほど、すなわち半導体素子からの発熱量が多くなるほど、半導体素子間に生じる温度差は大きくなる。

このように半導体素子間に温度差が生じると、半導体素子の機能・効率・信頼性にも差が生じて半導体装置としての性能が低下する可能性、さらには半導体素子が誤作動して半導体素子の破壊につながる可能性があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、半導体装置の性能の低下および半導体素子の破壊を防止することが目的とされる。

この発明にかかる半導体装置は、第一の半導体素子と、第二の半導体素子と、第一の冷却装置と、第二の冷却装置とを備え、前記第一の冷却装置は、互いに接続される吸熱部と放熱部を有し、前記吸熱部の第一面には前記第一の半導体素子と前記第二の半導体素子が載置されて、前記第一の半導体素子は前記放熱部との接続側に、前記第二の半導体素子は前記第一の半導体素子に対して前記放熱部とは反対側に配置され、前記第二の冷却装置は、前記第一面とは反対側の前記吸熱部の第二面上に設けられ、前記第二の半導体素子を前記第一の半導体素子よりも冷却する。前記第二の冷却装置は、前記第二の半導体素子を前記第二面に射影したときの射影部を覆う吸熱部と、放熱部とを有し、前記第二の冷却装置の前記吸熱部と前記放熱部との境界が、前記第一の冷却装置の前記吸熱部と前記放熱部との境界よりも、前記第二の半導体素子に近い。

この発明にかかる半導体装置によれば、第二の半導体素子の冷却の程度を高めて、第一の半導体素子と第二の半導体素子の温度差を小さくできる。よって、半導体装置の性能の低下および半導体素子の破壊を防止することができる。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態にかかる半導体装置を概念的に示す上面図（ａ）と側面図（ｂ）であり、半導体装置Ａがヒートパイプ式冷却装置１，２と半導体素子１１，１２とを備える場合が示されている。

ヒートパイプ式冷却装置１は、吸熱部２１と放熱部４１を接続して有し、熱を伝導させるためのヒートパイプ３１がそれぞれを貫通する。よって吸熱部２１と放熱部４１とはヒートパイプ３１を介して接続されているとも把握される。ヒートパイプ式冷却装置２についても同様に、吸熱部２２と放熱部４２を接続して有し、熱を伝導させるためのヒートパイプ３２がそれぞれを貫通する。よって吸熱部２２と放熱部４２とはヒートパイプ３２を介して接続されているとも把握される。吸熱部２１，２２は、熱伝導率の高い材料、例えばアルミニウム等を用いて作製される。放熱部４１，４２は、例えば複数の冷却板４１１が積層される。放熱部４１は、接続された吸熱部２１の一端からその他端とは反対の方向へと伸びている。放熱装置４２も同様である。

吸熱部２１の面２１ａ上には半導体素子１１，１２が載置され、半導体素子１１は放熱部４１の接続側に、半導体素子１２は半導体素子１１に対して放熱部４１とは反対側にそれぞれ配置される。半導体素子１１，１２は隣接している。

半導体素子１１，１２は、例えばフリーホイールダイオード付のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であって、インバータを構成する。図２は当該インバータの構成を示す回路図である。使用に際して高い電圧側に接続されるＰ端、低い電圧側に接続されるＮ端、半導体素子１１，１２のそれぞれのゲートＧ２，Ｇ１、及び半導体素子１１，１２の接続点から取り出される出力端Ｊが示されている。

図２に示されたＮ端、Ｐ端、出力端Ｊは、それぞれ図１の電極５１，５２，５３として現れている。半導体素子１１のコレクタＣは電極５３を介して半導体素子１２のエミッタＥと接続される。電極５１，５２は絶縁板５により電気的に絶縁されている。

ヒートパイプ式冷却装置２の吸熱部２２は、面２１ａと反対側の吸熱部２１の面２１ｂ上に接触して設けられ、半導体素子１２を面２１ｂに射影したときの射影部Ｒを覆う。吸熱部２２と放熱部４２の境界は、吸熱部２１と放熱部４１の境界よりも半導体素子１２に近い。これにより、ヒートパイプ式冷却装置２は半導体素子１１よりも半導体素子１２を冷却しやすい。このとき吸熱部２１，２２の接触面で生じる熱抵抗を小さくするために、例えばシリコングリスを吸熱部２１，２２の接触面同士の間に塗布してもよい。

ヒートパイプ３１，３２は両端が閉じた円筒である。ヒートパイプ３１，３２には冷媒が封入されている。吸熱部２１，２２を介してヒートパイプ３１，３２に伝達された熱は冷媒によって吸収され、そして冷媒は気化する。気化した冷媒は、上部に接続された放熱部４１，４２側へ上昇する。そして、冷媒がもつ熱は冷却板４１１を介して放出され、冷媒は液化して再び吸熱部２１，２２へと戻る。このため、ヒートパイプ式冷却装置１，２は、放熱部４１，４２が上部に、吸熱部２１，２２が下部に位置するように設置される。

ヒートパイプ式冷却装置１では、半導体素子１１，１２から発生した熱が吸熱部２１から放熱部４１へと直接に、または／及びヒートパイプ３１を介して伝達される。半導体素子１２は半導体素子１１に比べて放熱部４１から遠いので、半導体素子１１に比べて冷却されにくくなる。

これは、冷却装置として特にヒートパイプ式冷却装置を採用した場合に顕著な問題となる。

そこで、ヒートパイプ式冷却装置２を上述のように設けることによって、半導体素子１２から吸熱部２１に伝導された熱が、更にヒートパイプ式冷却装置２の吸熱部２２によって吸熱されて、半導体素子１２が冷却しやすくなる。特に冷却装置としてヒートパイプ式冷却装置を採用することにより、吸熱部２２からヒートパイプ３２に伝達された熱が、ヒートパイプ３２内の冷媒を半導体素子１２の近傍で気化させる。よって、ヒートパイプ式冷却装置を採用することは半導体素子１２の冷却において望ましい。

吸熱部２２を吸熱部２１に接触して設ける際に、例えば図３で示されるような接続用の金具１０１，１０２を用いる。金具１０１は吸熱部２１の面２１ａ上に、金具１０２は吸熱部２１とは反対側の吸熱部２２の面２２ｂ上に設けて、ボルト１１１とナット１１２で留めて固定する。

このように本実施の形態によれば、半導体素子１１を半導体素子１２よりも冷却するヒートパイプ式冷却装置１に加えて、半導体素子１２を半導体素子１１よりも冷却するヒートパイプ式冷却装置２が設けられることで、半導体素子１２の冷却の程度を高めることができる。すなわち、半導体装置Ａの動作時において半導体素子１１，１２の温度差を小さくすることができる。よって、半導体装置の性能の低下および半導体素子の破壊を防止することができる。加えて、ヒートパイプ式冷却装置を積み重ねる従来の技術、すなわち例えばヒートパイプ式冷却装置２の吸熱部２２がヒートパイプ式冷却装置１の吸熱部２１と同じ寸法である場合に比べて、本実施の形態では吸熱部２２の寸法が吸熱部２１よりも小さいため、ヒートパイプ式冷却装置２を作製するためのコストが低下する。

実施の形態２．
実施の形態１で説明した半導体装置Ａにおいて、吸熱部２２を吸熱部２１に設ける際にボルト１１１を強くねじ込むと、金具１０２が変形、例えば湾曲する可能性がある。この場合には、吸熱部２１，２２の接触面で発生する接触強度が面内で一定に保てなくなる。このため接触抵抗が面内で一定でなくなり、半導体素子１２を吸熱部２２で十分に冷却できなくなる可能性がある。また、ボルト１１１を強くねじ込まないでいるとボルト１１１が緩んで、吸熱部２１，２２の接触面で発生する接触抵抗が面内で一定でなくなり、半導体素子１２を冷却部２２で十分に冷却できなくなる可能性がある。

図４は、上記の事情に鑑みてなされた半導体装置Ｂを概念的に示す上面図（ａ）と側面図（ｂ）である。吸熱部２１，２２はそれぞれが固定用アーム１０３，１０４を更に有し、吸熱部２１と吸熱部２２は固定用アーム１０３，１０４を介して固定される。例えば、吸熱部２１，２２の接触面と交わる面で、放熱部４１，４２が接続される面とその反対の面以外の吸熱部２１，２２の面に、固定用アーム１０３，１０４がそれぞれ設けられ、吸熱部２１と吸熱部２２が固定用アーム１０３，１０４を介してボルト１１３とナット１１４で留めて固定される場合が図４に示されている。

固定用アーム１０３，１０４は、吸熱部２１，２２に一体成形するとコストがかかるため、固定アーム１０３，１０４を吸熱部２１，２２に取り付け可能な状態にすることも採用できる。例えば図５に示されるように、固定アーム１０３（１０４）と吸熱部２１（２２）の接続部において、吸熱部に成形される凸部２０１と固定アームに成形される凹部２０２とを設け、両者の噛み合う部分をテーパー状に加工してもよい。

上述の内容は、固定アーム１０３（１０４）が凹部を有し、吸熱部２１（２２）が凸部を有し、固定アーム１０３（１０４）は凹部２０２と凸部２０１が噛み合うことで吸熱部２１（２２）に設けられると把握できる。よって、固定アーム１０３，１０４は取り付け可能な状態になり、コストを抑えることができる。

このように本実施の形態によれば、ボルトを強くねじ込んだ際にも吸熱部２１，２２の接触面で発生する接触抵抗を面内で一定にすることができる。よってボルトが緩むことなく半導体素子１２の冷却の程度を吸熱部２２によって高めることができる。また金具１０１，１０２を用いるよりも材料のコストが低減する。

実施の形態３．
実施の形態２で説明した半導体装置Ｂの固定アーム１０３，１０４が設けられる側に、例えば半導体装置Ｂと並列に半導体装置をさらに設けると、それらの間に固定アーム１０３，１０４の突出している分だけスペースが必要となる。このため固定アームが成形された複数の半導体装置Ｂを有する装置は、寸法が大きくなる可能性がある。

図６は、上記の事情に鑑みてなされた半導体装置Ｃを概念的に示す上面図（ａ）と側面図（ｂ）である。吸熱部２１，２２は、それぞれが貫通する穴１０５を更に有し、吸熱部２１と吸熱部２２は穴１０５を用いて固定される。例えば、穴１０５にボルト１１５を通してナット１１６で留めて吸熱部２１と吸熱部２２が固定される場合が図６に示されている。

このように本実施の形態によれば、穴１０５を設けることで、ボルトを強くねじ込んだ際にも吸熱部２１，２２の接触面で発生する接触抵抗を面内で一定にして、半導体素子１２の冷却の程度を吸熱部２２で高める。また半導体装置間のスペースを必要とせずに複数の半導体装置を並列に設けることができる。

実施の形態４．
実施の形態１〜３で説明した半導体装置Ａ〜Ｃのいずれにおいても、冷却板４１１を有する放熱部４１，４２に替えて水冷装置を採用することもできる。図７は、水冷装置を採用した場合の半導体装置Ｄを概念的に示す上面図（ａ）と側面図（ｂ）であり、例えば半導体装置Ｃについて水冷装置を採用した場合が示されている。

水冷装置４３は、例えばヒートパイプ式冷却装置１，２において共有される。水冷装置４３は水冷用パイプ４４を有し、例えば形状４４ａを呈する。入水口４５から出水口４６へ向かって水冷用パイプ４４中を水が流れる。このときヒートパイプ３１，３２から水冷用パイプ４４に熱が放出され、ヒートパイプ３１，３２は冷却される。

水冷パイプ４４中を流れる水の温度が外気の温度よりも低いと水冷パイプ４４の表面上に水滴が結露する。上述のようにヒートパイプ式冷却装置１，２において吸熱部２１，２２は下方に配置されるので、この水滴はヒートパイプ３１，３２をつたって、半導体素子１１，１２に到達する可能性がある。水滴が半導体素子１１，１２に浸透すると半導体素子１１，１２の特性が劣化することが考えられる。

これを防止するために吸熱部２１，２２と水冷装置４３との間に水滴の進入を防ぐ防止部６１を採用することができる。放熱部２１，２２側の防止部６１の面６１ａは、例えば水滴が半導体素子１１，１２とは反対側に滴下するように傾けて設けられる。例えば防止部６１が鍔状を呈する場合が採用できる。

このように水冷装置４３を用いた場合には、冷却板４１１を用いる場合よりも効率よくヒートパイプ３１，３２を冷却することができる。また、例えば水冷装置４３に流れる水の流量・温度もしくは水冷用パイプの形状を変えること、さらには水以外の冷媒を用いることができ、これによってさらに効率良くヒートパイプ３１，３２を冷却できることが期待できる。この場合、水冷装置４３に覆われているヒートパイプ３１，３２の部分を短くすることもできて、コストを低減することができる。

半導体装置Ｄにおいて、例えば水滴の結露する量が多い場合にあっては、水滴が防止部６１を越えて半導体素子１１，１２に浸透する可能性がある。図８は、上記の事情に鑑みてなされた半導体装置Ｅを概念的に示す上面図（ａ）と側面図（ｂ）である。

ヒートパイプ３１，３２は、防止部６１の近傍で水冷装置４３側に位置する部分７１が折り曲げて設けられる。水冷装置４３は、例えば吸熱部２１，２２に対して垂直もしくは鋭角に設けられる。

このように水冷装置を配置することによって、結露した水滴は、半導体素子１１，１２とは反対側の水冷装置４３から滴下する。すなわちヒートパイプ３１，３２をつたって防止部６１に到達する水滴量が少なくなる。よって、水滴が防止部６１を越えて半導体素子１１，１２に浸透することを防止できる。

上述したいずれの半導体装置Ａ〜Ｅにおいても、ヒートパイプ式冷却装置１，２に替えて他の冷却装置を採用することができる。例えばこの冷却装置は、熱伝導率の高い材料、例えばアルミニウム等で作製された吸熱部と、冷却フィンによって作製された放熱部のみを有する。このとき放熱部と吸熱部の位置関係は、放熱部が下部で吸熱部が上部であってもよい。

実施の形態１にかかる半導体装置を示す上面図（ａ）と側面図（ｂ）である。 半導体素子１１，１２が構成するインバータを示す回路図である。 吸熱部２１，２２を接続して固定するための金具を示す図である。 実施の形態２にかかる半導体装置を示す上面図（ａ）と側面図（ｂ）である。 取り付け可能な状態にある固定アームの接続部を示す断面図である。 実施の形態３にかかる半導体装置を示す上面図（ａ）と側面図（ｂ）である。 実施の形態４にかかる半導体装置を示す上面図（ａ）と側面図（ｂ）である。 実施の形態４にかかる半導体装置を示す上面図（ａ）と側面図（ｂ）である。

符号の説明

１，２ ヒートパイプ式冷却装置、１１，１２ 半導体素子、２１，２２ 吸熱部、３１，３２ ヒートパイプ、４１，４２ 放熱部、４３ 水冷装置、２１ａ，２１ｂ 面、１０３，１０４ 固定アーム、１０５ 穴、Ａ〜Ｅ 半導体装置、Ｒ 射影部。

Claims (7)

1. 第一の半導体素子と、
   第二の半導体素子と、
   第一の冷却装置と、
   第二の冷却装置と
   を備え、
   前記第一の冷却装置は、
   互いに接続される吸熱部と放熱部を有し、
   前記吸熱部の第一面には前記第一の半導体素子と前記第二の半導体素子が載置されて、前記第一の半導体素子は前記放熱部との接続側に、前記第二の半導体素子は前記第一の半導体素子に対して前記放熱部とは反対側に配置され、
   前記第二の冷却装置は、前記第一面とは反対側の前記吸熱部の第二面上に設けられ、前記第二の半導体素子を前記第一の半導体素子よりも冷却し、
   前記第二の冷却装置は、
   前記第二の半導体素子を前記第二面に射影したときの射影部を覆う吸熱部と、
   放熱部と
   を有し、
   前記第二の冷却装置の前記吸熱部と前記放熱部との境界が、前記第一の冷却装置の前記吸熱部と前記放熱部との境界よりも、前記第二の半導体素子に近い、半導体装置。
2. 前記第一の冷却装置及び前記第二の冷却装置は、各々の前記吸熱部に固定アームを更に有し、
   前記第一の冷却装置の前記吸熱部と前記第二の冷却装置の前記吸熱部とは、前記固定アームによって固定される、請求項１記載の半導体装置。
3. 前記固定アームは、凹部を有し、
   前記吸熱部は、凸部を有し、
   前記固定アームは、前記凹部と前記凸部が噛み合うことで前記吸熱部に設けられる、請求項２記載の半導体装置。
4. 前記第一の冷却装置及び前記第二の冷却装置は、各々の前記吸熱部を貫通する穴を更に有し、
   前記第一の冷却装置の前記吸熱部と前記第二の冷却装置の前記吸熱部とは、前記穴を用いて固定される、請求項１記載の半導体装置。
5. 前記第一の冷却装置の前記放熱部または／及び前記第二の冷却装置の前記放熱部は水冷装置である、請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の半導体装置。
6. 前記水冷装置は、前記第一の冷却装置の前記吸熱部または／及び前記第二の冷却装置の前記吸熱部に対して垂直もしくは鋭角に設けられる、請求項５記載の半導体装置。
7. 前記第一の冷却装置または／及び前記第二の冷却装置は、水滴の進入を防ぐ防止部を更に有し、
   前記防止部は、前記水冷装置と、前記第一の冷却装置の前記吸熱部または／及び前記第二の冷却装置の前記吸熱部との間に設けられる、請求項５及び請求項６のいずれか一つに記載の半導体装置。

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