JP4207672B2 - 半導体装置の冷却構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の冷却構造に関し、特に半導体装置を冷却媒体に浸漬させることにより半導体装置の冷却を行う構造に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来の半導体装置の冷却構造の一例が特許文献１に開示されている。この従来の冷却構造においては、半導体素子を冷却液内に直接浸漬させることにより、半導体素子の両面から冷却を行っている。これによって、冷却効率の向上を図っている。しかしながら、この特許文献１に示す冷却構造においては、半導体素子、及び該素子と外部端子との間の導電部が冷却液内に直接浸漬されていることになる。したがって、冷却液として非絶縁性のものを使用することができず、使用可能な冷却液がコスト高となる絶縁性のものに限定されてしまうという問題点がある。そこで、本発明は、冷却媒体の絶縁性／非絶縁性に関係なく、確実に絶縁性を確保することができる半導体装置の冷却構造を提供することを目的とする。なお、その他にも特許文献２，３に示す半導体装置の冷却構造が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５６−１３０９５５号公報
【特許文献２】
特開平９−２６０５８５号公報
【特許文献３】
特開２００１−３０８２３７号公報
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、第１の本発明に係る半導体装置の冷却構造は、半導体装置と、該半導体装置を両側から挟み込み該半導体装置からの熱が伝わる放熱板と、を有する半導体パッケージが冷却器内の冷却媒体に浸漬されている半導体装置の冷却構造であって、前記半導体パッケージは、冷却媒体と接触し、放熱板の冷却媒体に浸漬されている部分及び半導体装置を覆う絶縁部を有し、放熱板は、導電性部材によって構成されており、半導体装置と外部との間の電気的接続を行うための電極を兼ね、冷却器には開口部が設けられ、半導体パッケージは、当該開口部を通されてから冷却器内の冷却媒体に浸漬された状態で冷却器に固定され、放熱板は、前記開口部を通って冷却器の外部に部分的に露出しており、当該外部に露出している部分が前記電気的接続を行うための外部接続端子として用いられることを特徴とする。
【０００５】
第２の本発明に係る半導体装置の冷却構造は、半導体装置と、該半導体装置を両側から挟み込み該半導体装置からの熱が伝わる放熱板と、を有する半導体パッケージが冷却器内の冷却媒体に浸漬されている半導体装置の冷却構造であって、前記半導体パッケージは、冷却媒体と接触し、放熱板の冷却媒体に浸漬されている部分及び半導体装置を覆う絶縁部を有し、放熱板は、導電性部材によって構成されており、半導体装置と外部との間の電気的接続を行うための電極を兼ね、前記絶縁部の冷却媒体に浸漬されている部分の表面形状は、フィン形状を含むことを特徴とする。
【０００６】
本発明の参考例に係る半導体装置の冷却構造は、車両に搭載されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明の参考例に係る半導体装置の冷却構造は、前記半導体パッケージは、冷却媒体に浸漬されている部分の表面に冷却フィンを有することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置の冷却構造の構成の概略を示す断面図である。本実施形態の冷却構造においては、半導体装置１０を含む半導体パッケージ１２が冷却器１４内の冷却液１６に浸漬されていることにより、半導体装置１０の両側から放熱が行われる。そして、半導体パッケージ１２は、放熱板１８，２０及び絶縁部材２２をさらに含んでいる。なお、本実施形態に係る半導体装置の冷却構造の適用例としては、ハイブリッド車両や電気自動車に搭載されている例が挙げられる。
【００１１】
半導体装置１０には、半導体素子（図示せず）が形成されている。放熱板１８，２０は、半導体装置１０をはんだ２４，２６をそれぞれ介して両側から挟み込んでいる。ここでの放熱板１８，２０は、導電性部材によって構成されており、半導体装置１０からの熱が伝導されるだけでなく、半導体装置１０と外部との間の電気的接続を行うための電極の役割も兼ねている。
【００１２】
冷却液１６は冷却器１４内を循環している。ここでの冷却液１６の具体例としては、非絶縁性のＬＬＣが挙げられる。そして、冷却器１４の上面１４−１には開口部が設けられている。半導体パッケージ１２は、この開口部を通されてから冷却器１４内に配設されることにより、冷却液１６に浸漬されることになる。
【００１３】
本実施形態においては、半導体装置１０が固体の絶縁部材２２によって覆われている。絶縁部材２２は冷却液１６と接触しており、この絶縁部材２２によって、半導体装置１０と冷却液１６との間の絶縁性が確保される。さらに、放熱板１８，２０における冷却液１６に浸漬されている部分１８−１，２０−１及び冷却器１４の開口部に位置する部分１８−２，２０−２も絶縁部材２２によって覆われている。これによって、放熱板１８，２０と冷却液１６との間の絶縁性、及び放熱板１８，２０と冷却器１４との間の絶縁性もそれぞれ確保される。ただし、放熱板１８，２０における外部接続端子として用いられる部分１８−３，２０−３のみは、絶縁部材２２によって覆われておらず、電気的接続を行うために外部に露出している。また、絶縁部材２２は、その上部に他の部分より全周囲に張り出したふた部２２−１を含む。絶縁部材２２のふた部２２−１と冷却器１４の開口部の縁部１４−２とが全周に渡って当接している状態で、絶縁部材２２が冷却器１４の上面１４−１にて固定されている。これによって、半導体パッケージ１２が冷却器１４に固定されるとともに、冷却器１４内の密閉性が保たれる。なお、絶縁部材２０の具体例としては、セラミック、樹脂等が挙げられる。
【００１４】
このような構成によって、半導体装置１０内の発熱源１０−１にて発生した熱が半導体装置１０の両面に設けられた放熱板１８，２０に伝導される。そして、半導体装置１０の両面と略平行な表面である絶縁部材２２の放熱面２２−２，２２−３から冷却液１６へ放熱が行われる。これによって、半導体装置１０の両面側から放熱が行われる。
【００１５】
以上説明したように、本実施形態によれば、放熱板１８，２０における冷却液１６に浸漬されている部分１８−１，２０−１及び半導体装置１０が絶縁部材２０によって覆われている。これによって、冷却液１６の絶縁性／非絶縁性に関係なく、半導体装置１０及び放熱板１８，２０の絶縁性を確実に確保することができる。そして、冷却液１６として非絶縁性のものを用いることができ、コスト低減を実現することができるとともに、半導体装置１０と冷却液１６との間の絶縁性及び放熱板１８，２０と冷却液１６との間の絶縁性を確実に確保することができる。なお、本実施形態の冷却構造をハイブリッド車両や電気自動車に搭載する場合は、非絶縁性の冷却液１６を用いることにより、コストの低減と絶縁性の確保を両立させることは特に有効である。
【００１６】
また、本実施形態においては、図２の断面図に示すように、半導体パッケージ１２は、冷却液１６に浸漬されている部分における絶縁部材２２の放熱面２２−２，２２−３に冷却フィン２８をさらに備えていてもよい。冷却フィン２８は、その放熱面が冷却液１６が流れる方向と略平行になるように配設されている。なお、ここでの冷却フィン２８の一例としては、熱伝導性の優れたアルミニウム等の金属製のフィンが用いられる。
【００１７】
図２に示す構成によれば、絶縁部材２２の放熱面２２−２，２２−３に冷却フィン２８が設けられていることにより、半導体パッケージ１２における冷却液１６と接触している放熱面の表面積を増大させることができる。したがって、半導体装置１０の冷却性能を向上させることができる。
【００１８】
さらに、冷却フィン２８において、半導体装置１０内の発熱源１０−１に近い位置に配設されているフィンについては、フィン間ピッチが他のフィンより短く設定されていることが好ましい。例えば、図３の断面図に示すように、半導体装置１０内の発熱源１０−１から所定値以下の距離に配設されているフィン２８−１については、他のフィンよりフィン間ピッチが短く設定されている。これによって、フィン２８−１間を通過する冷却液１６の流路が他のフィン間における流路より狭くなるため、フィン２８−１間を通過する冷却液１６の流速が他のフィン間における流速より増大する。したがって、高い放熱性が必要とされる部分については冷却液１６の流速を増大させることができるとともに、冷却器１４全体では低い圧力損失を実現することができる。したがって、半導体装置１０の冷却性能をさらに向上させることができる。
【００１９】
なお、冷却フィン２８については、金属製のフィンを用いる代わりに、図４の断面図に示すように、絶縁部材２２と一体成形することにより、絶縁部材２２の冷却液１６に浸漬されている部分における放熱面２２−２，２２−３の形状がフィン形状を含むようにしてもよい。これによって、冷却フィン２８を有する半導体パッケージ１２の成型が容易となる。
【００２０】
以上の説明においては、冷却液１６が非絶縁性である場合について説明した。ただし、本発明における冷却液としては、絶縁性のものも使用することができる。ただし、非絶縁性の冷却液を使用したほうがコストを低減することができる。
【００２１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体パッケージは、冷却媒体と接触し、放熱板の冷却媒体に浸漬されている部分及び半導体装置を覆う絶縁部を有することにより、確実に絶縁性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る半導体装置の冷却構造の構成の概略を示す断面図である。
【図２】 本発明の実施形態に係る半導体装置の冷却構造の変形例の概略を示す断面図である。
【図３】 本発明の実施形態に係る半導体装置の冷却構造の変形例の概略を示す断面図である。
【図４】 本発明の実施形態に係る半導体装置の冷却構造の変形例の概略を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 半導体装置、１２ 半導体パッケージ、１４ 冷却器、１６ 冷却液、１８，２０ 放熱板、２２ 絶縁部材、２４，２６ はんだ、２８ 冷却フィン。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の冷却構造に関し、特に半導体装置を冷却媒体に浸漬させることにより半導体装置の冷却を行う構造に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来の半導体装置の冷却構造の一例が特許文献１に開示されている。この従来の冷却構造においては、半導体素子を冷却液内に直接浸漬させることにより、半導体素子の両面から冷却を行っている。これによって、冷却効率の向上を図っている。しかしながら、この特許文献１に示す冷却構造においては、半導体素子、及び該素子と外部端子との間の導電部が冷却液内に直接浸漬されていることになる。したがって、冷却液として非絶縁性のものを使用することができず、使用可能な冷却液がコスト高となる絶縁性のものに限定されてしまうという問題点がある。そこで、本発明は、冷却媒体の絶縁性／非絶縁性に関係なく、確実に絶縁性を確保することができる半導体装置の冷却構造を提供することを目的とする。なお、その他にも特許文献２，３に示す半導体装置の冷却構造が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５６−１３０９５５号公報
【特許文献２】
特開平９−２６０５８５号公報
【特許文献３】
特開２００１−３０８２３７号公報
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、第１の本発明に係る半導体装置の冷却構造は、半導体装置と、該半導体装置を両側から挟み込み該半導体装置からの熱が伝わる放熱板と、を有する半導体パッケージが冷却器内の冷却媒体に浸漬されている半導体装置の冷却構造であって、前記半導体パッケージは、冷却媒体と接触し、放熱板の冷却媒体に浸漬されている部分及び半導体装置を覆う絶縁部を有し、放熱板は、導電性部材によって構成されており、半導体装置と外部との間の電気的接続を行うための電極を兼ね、冷却器には開口部が設けられ、半導体パッケージは、当該開口部を通されてから冷却器内の冷却媒体に浸漬された状態で冷却器に固定され、放熱板は、前記開口部を通って冷却器の外部に部分的に露出しており、当該外部に露出している部分が前記電気的接続を行うための外部接続端子として用いられることを特徴とする。
【０００５】
第２の本発明に係る半導体装置の冷却構造は、半導体装置と、該半導体装置を両側から挟み込み該半導体装置からの熱が伝わる放熱板と、を有する半導体パッケージが冷却器内の冷却媒体に浸漬されている半導体装置の冷却構造であって、前記半導体パッケージは、冷却媒体と接触し、放熱板の冷却媒体に浸漬されている部分及び半導体装置を覆う絶縁部を有し、放熱板は、導電性部材によって構成されており、半導体装置と外部との間の電気的接続を行うための電極を兼ね、前記絶縁部の冷却媒体に浸漬されている部分の表面形状は、フィン形状を含むことを特徴とする。
【０００６】
本発明の参考例に係る半導体装置の冷却構造は、車両に搭載されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明の参考例に係る半導体装置の冷却構造は、前記半導体パッケージは、冷却媒体に浸漬されている部分の表面に冷却フィンを有することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置の冷却構造の構成の概略を示す断面図である。本実施形態の冷却構造においては、半導体装置１０を含む半導体パッケージ１２が冷却器１４内の冷却液１６に浸漬されていることにより、半導体装置１０の両側から放熱が行われる。そして、半導体パッケージ１２は、放熱板１８，２０及び絶縁部材２２をさらに含んでいる。なお、本実施形態に係る半導体装置の冷却構造の適用例としては、ハイブリッド車両や電気自動車に搭載されている例が挙げられる。
【００１１】
半導体装置１０には、半導体素子（図示せず）が形成されている。放熱板１８，２０は、半導体装置１０をはんだ２４，２６をそれぞれ介して両側から挟み込んでいる。ここでの放熱板１８，２０は、導電性部材によって構成されており、半導体装置１０からの熱が伝導されるだけでなく、半導体装置１０と外部との間の電気的接続を行うための電極の役割も兼ねている。
【００１２】
冷却液１６は冷却器１４内を循環している。ここでの冷却液１６の具体例としては、非絶縁性のＬＬＣが挙げられる。そして、冷却器１４の上面１４−１には開口部が設けられている。半導体パッケージ１２は、この開口部を通されてから冷却器１４内に配設されることにより、冷却液１６に浸漬されることになる。
【００１３】
本実施形態においては、半導体装置１０が固体の絶縁部材２２によって覆われている。絶縁部材２２は冷却液１６と接触しており、この絶縁部材２２によって、半導体装置１０と冷却液１６との間の絶縁性が確保される。さらに、放熱板１８，２０における冷却液１６に浸漬されている部分１８−１，２０−１及び冷却器１４の開口部に位置する部分１８−２，２０−２も絶縁部材２２によって覆われている。これによって、放熱板１８，２０と冷却液１６との間の絶縁性、及び放熱板１８，２０と冷却器１４との間の絶縁性もそれぞれ確保される。ただし、放熱板１８，２０における外部接続端子として用いられる部分１８−３，２０−３のみは、絶縁部材２２によって覆われておらず、電気的接続を行うために外部に露出している。また、絶縁部材２２は、その上部に他の部分より全周囲に張り出したふた部２２−１を含む。絶縁部材２２のふた部２２−１と冷却器１４の開口部の縁部１４−２とが全周に渡って当接している状態で、絶縁部材２２が冷却器１４の上面１４−１にて固定されている。これによって、半導体パッケージ１２が冷却器１４に固定されるとともに、冷却器１４内の密閉性が保たれる。なお、絶縁部材２０の具体例としては、セラミック、樹脂等が挙げられる。
【００１４】
このような構成によって、半導体装置１０内の発熱源１０−１にて発生した熱が半導体装置１０の両面に設けられた放熱板１８，２０に伝導される。そして、半導体装置１０の両面と略平行な表面である絶縁部材２２の放熱面２２−２，２２−３から冷却液１６へ放熱が行われる。これによって、半導体装置１０の両面側から放熱が行われる。
【００１５】
以上説明したように、本実施形態によれば、放熱板１８，２０における冷却液１６に浸漬されている部分１８−１，２０−１及び半導体装置１０が絶縁部材２０によって覆われている。これによって、冷却液１６の絶縁性／非絶縁性に関係なく、半導体装置１０及び放熱板１８，２０の絶縁性を確実に確保することができる。そして、冷却液１６として非絶縁性のものを用いることができ、コスト低減を実現することができるとともに、半導体装置１０と冷却液１６との間の絶縁性及び放熱板１８，２０と冷却液１６との間の絶縁性を確実に確保することができる。なお、本実施形態の冷却構造をハイブリッド車両や電気自動車に搭載する場合は、非絶縁性の冷却液１６を用いることにより、コストの低減と絶縁性の確保を両立させることは特に有効である。
【００１６】
また、本実施形態においては、図２の断面図に示すように、半導体パッケージ１２は、冷却液１６に浸漬されている部分における絶縁部材２２の放熱面２２−２，２２−３に冷却フィン２８をさらに備えていてもよい。冷却フィン２８は、その放熱面が冷却液１６が流れる方向と略平行になるように配設されている。なお、ここでの冷却フィン２８の一例としては、熱伝導性の優れたアルミニウム等の金属製のフィンが用いられる。
【００１７】
図２に示す構成によれば、絶縁部材２２の放熱面２２−２，２２−３に冷却フィン２８が設けられていることにより、半導体パッケージ１２における冷却液１６と接触している放熱面の表面積を増大させることができる。したがって、半導体装置１０の冷却性能を向上させることができる。
【００１８】
さらに、冷却フィン２８において、半導体装置１０内の発熱源１０−１に近い位置に配設されているフィンについては、フィン間ピッチが他のフィンより短く設定されていることが好ましい。例えば、図３の断面図に示すように、半導体装置１０内の発熱源１０−１から所定値以下の距離に配設されているフィン２８−１については、他のフィンよりフィン間ピッチが短く設定されている。これによって、フィン２８−１間を通過する冷却液１６の流路が他のフィン間における流路より狭くなるため、フィン２８−１間を通過する冷却液１６の流速が他のフィン間における流速より増大する。したがって、高い放熱性が必要とされる部分については冷却液１６の流速を増大させることができるとともに、冷却器１４全体では低い圧力損失を実現することができる。したがって、半導体装置１０の冷却性能をさらに向上させることができる。
【００１９】
なお、冷却フィン２８については、金属製のフィンを用いる代わりに、図４の断面図に示すように、絶縁部材２２と一体成形することにより、絶縁部材２２の冷却液１６に浸漬されている部分における放熱面２２−２，２２−３の形状がフィン形状を含むようにしてもよい。これによって、冷却フィン２８を有する半導体パッケージ１２の成型が容易となる。
【００２０】
以上の説明においては、冷却液１６が非絶縁性である場合について説明した。ただし、本発明における冷却液としては、絶縁性のものも使用することができる。ただし、非絶縁性の冷却液を使用したほうがコストを低減することができる。
【００２１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体パッケージは、冷却媒体と接触し、放熱板の冷却媒体に浸漬されている部分及び半導体装置を覆う絶縁部を有することにより、確実に絶縁性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る半導体装置の冷却構造の構成の概略を示す断面図である。
【図２】 本発明の実施形態に係る半導体装置の冷却構造の変形例の概略を示す断面図である。
【図３】 本発明の実施形態に係る半導体装置の冷却構造の変形例の概略を示す断面図である。
【図４】 本発明の実施形態に係る半導体装置の冷却構造の変形例の概略を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 半導体装置、１２ 半導体パッケージ、１４ 冷却器、１６ 冷却液、１８，２０ 放熱板、２２ 絶縁部材、２４，２６ はんだ、２８ 冷却フィン。
Claims (2)
- 半導体装置と、該半導体装置を両側から挟み込み該半導体装置からの熱が伝わる放熱板と、を有する半導体パッケージが冷却器内の冷却媒体に浸漬されている半導体装置の冷却構造であって、
前記半導体パッケージは、冷却媒体と接触し、放熱板の冷却媒体に浸漬されている部分及び半導体装置を覆う絶縁部を有し、
放熱板は、導電性部材によって構成されており、半導体装置と外部との間の電気的接続を行うための電極を兼ね、
冷却器には開口部が設けられ、半導体パッケージは、当該開口部を通されてから冷却器内の冷却媒体に浸漬された状態で冷却器に固定され、
放熱板は、前記開口部を通って冷却器の外部に部分的に露出しており、当該外部に露出している部分が前記電気的接続を行うための外部接続端子として用いられることを特徴とする半導体装置の冷却構造。 - 半導体装置と、該半導体装置を両側から挟み込み該半導体装置からの熱が伝わる放熱板と、を有する半導体パッケージが冷却器内の冷却媒体に浸漬されている半導体装置の冷却構造であって、
前記半導体パッケージは、冷却媒体と接触し、放熱板の冷却媒体に浸漬されている部分及び半導体装置を覆う絶縁部を有し、
放熱板は、導電性部材によって構成されており、半導体装置と外部との間の電気的接続を行うための電極を兼ね、
前記絶縁部の冷却媒体に浸漬されている部分の表面形状は、フィン形状を含むことを特徴とする半導体装置の冷却構造。
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Cited By (1)
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