JP4367331B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、電流の通電により発熱する半導体モジュールが冷却器（ヒートシンク）で冷却される半導体装置に関するものである。

従来のインバータに用いられた半導体装置において、電流の通電により半導体素子が過度に高温となって破壊することを防ぐために、半導体素子を内蔵した半導体モジュールにヒートシンクが装着され、ヒートシンク内に形成された冷却水通路に冷却水を流し、冷却水が半導体モジュール（パワーモジュール）の放熱面を直接接触して冷却するものが知られている（例えば、特開平９−２０７５８３号公報参照）。

特開平９−２０７５８３

このような半導体装置にあっては、ヒートシンクによる冷却能力を向上させるために、パワーモジュールの放熱面領域の部分について流路の高さ方向を小さくして冷却水の流速を高めている。ところが、半導体素子の発熱によるパワーモジュールの温度変化によって、パワーモジュールが熱変形したり、ヒートシンクとの固定時に発生する荷重（例えば、ねじの締め付け力など）によって変形したりする結果、放熱面とこれに対向するヒートシンクの流路の内壁面との距離が変動して、熱伝達率が変動し、結果として冷却能力が変動する問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、安定した冷却性能を有する半導体装置を得ることを目的としている。

この発明に係る半導体装置は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールの熱拡散板をヒートシンクの冷媒の流路を構成する面とした半導体装置であって、前記流路の中にその一部が支持部を介して前記熱拡散板に固着され、該熱拡散板から所定の距離を離して対向する流路板を設けたことを特徴とするものである。

この発明に係る半導体装置は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールの熱拡散板をヒートシンクの冷媒の流路を構成する面とした半導体装置であって、流路の中に熱拡散板から所定の距離を離して対向する流路板を設けたので、半導体モジュールの変形によって熱伝達面と流路の内壁面との距離が変動することがなくなり、安定した熱伝達率が得られて冷却性能を安定させることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による半導体装置を示す側断面図である。半導体モジュールの熱拡散板１０１に素子１０２が固着され、電極端子１０３と配線１０４とによって電気的に結合されている。これらの構成部材が樹脂の筐体１５０で囲まれており、パワーモジュール（半導体モジュール）１０５を形成する。なお、熱拡散板１０１は基板、ベース板等と称されるもので、半導体である素子１０２を支持し、熱がよく伝わってくる板状のものである。半導体モジュールの中でも、発熱量の大きいパワーモジュールが特に本発明には適している。

また、ヒートシンク２１１には、例えば冷却水などの冷媒を流すための流路２０２が形成されており、ヒートシンク２１１に冷媒を供給し、排出させるための導管２１０が取り付けられている。ヒートシンク２１１にはパワーモジュール１０５の熱拡散板１０１に冷媒を接触させるための開口部が設けられている。この開口部の流路２０２には熱拡散板１０１からの熱伝達を大きくするために、流路２０２側に微細な凹凸を加工した流路板２０１が、熱拡散板１０１の面に接着層２１６により固定（固着）されている。

熱拡散板２０１は、冷媒の流れ２２０を妨げることがないように、図２に示すように、パワーモジュール１０５の熱拡散板１０１が表面に表れている一面にその一部分のみが接着されている。また、図３に示すように、パワーモジュール１０５はヒートシンク２１１に熱拡散板１０１をヒートシンク２１１の開口部に向くように固着されている。

このような構成によれば、流路板２０１は流路２０２の中に設置され、流路板２０１と熱拡散板１０１との間を冷媒が冷媒の流れ２２０に示すように流れる。図４に示すように、熱拡散板１０１が位置する部分の流路２０２の間隙量を流路高さ（Ｄ）２０３とするとき、流路高さ２０３と熱拡散板１０１からの熱伝達率（Ｈ）の関係は、図５に実線で示す関係になる。一方、流路高さ２０３と流路２０２の圧力損失（Ｐ）との関係は、同じく図５に点線で示す関係になる。熱伝達率（Ｈ）、圧力損失（Ｐ）は冷媒の流速に依存することが知られているが、熱拡散板１０１と対向するヒートシンク２１１の一面、すなわち対向面２３０に微小な凹凸を加工することによっても変動する。このように熱伝達率（Ｈ）は流路高さ２０３により変化するため、パワーモジュール１０５に内蔵された素子１０２の発熱による温度上昇を抑えるためには、熱伝達率（H）を低下させないようにする必要がある。このためには、流路高さ２０３を一定に保つ必要がある。

パワーモジュール１０５は内蔵された素子１０２の発熱よって温度が上昇し、その結果、パワーモジュール１０５に反りが発生する。これは、パワーモジュール１０５を構成する熱拡散板１０１、素子１０２および筐体１５０の材質の熱膨張係数がそれぞれ、約１７×１０Ｅ−６（銅系材の場合）、３×１０Ｅ−６および３０×１０Ｅ−６（プラスチック系材の場合）であり、温度分布が生じたことによるものである。この場合、従来のヒートシンクのように流路２０２が構成されていると、流路高さ２０３はモジュールの変形にともなって変化することになる。

図１に示す本発明の実施例１のように、流路板２０１をパワーモジュール１０５に接着することにより、パワーモジュール１０５が変形しても流路高さ２０３は一定にできる。これによって、熱伝達率（Ｈ）が低減することを防止することができる。なお、流路板２０１をパワーモジュール１０５に固定するための支持部２４０は、図６に示すように一箇所でなく、複数箇所あっても良い。

半導体素子を内蔵した半導体モジュールの熱拡散板をヒートシンクの冷媒の流路を構成する面とした半導体装置であって、流路の中に前記熱拡散板から所定の距離を離して対向する流路板を設けたので、半導体モジュール（パワーモジュール）の主熱伝達面とヒートシンクの流路壁面との距離を半導体モジュール（パワーモジュール）の変形に連動して一定に保つことができ、安定した冷却性能を得ることができる。

また、半導体モジュールの使用時に熱変形した場合であっても、熱拡散板と流路板とは所定の距離で一定に保たれているので、安定した冷却性能を得ることができる。

また、熱拡散板に対向する流路板の面は、微少な凹凸を備えた面としたので、熱伝達が促進される。

実施の形態２．
また、流路板２０１をパワーモジュール１０５に固定する場合、図７に示すように、固定ねじ２０４を用いて取り付けても良い。この場合、固定ねじ２０４は図６に示す流路板２０１の通し穴２４１を通して固定する。

この構成によれば、図１に示した接着層２１６による接着工程を削減できるとともに、冷媒の温度変化に対しても固着力の変化が小さく、強度的な信頼性の高い固定ができる。

実施の形態３．
また、流路板２０１の一面とヒートシンク２１１の流路２０２の内壁面との間に、図８に示すよう弾性材２０５を挟み込んで、その反発力を利用して流路板２０１を熱拡散板１０１に押し当ててもよい。

この構成によれば、図１に示す接着層２１６が不要になり、接着工程をなくすことができるし、弾性材２０５が図１の流れ止め２１５の役割も果たすことで、流れ止め２１５が不要になる。

実施の形態４．
また、弾性材２０５の代わりに図９に示す板ばね２０８を用いてもよい。この構成によれば、パワーモジュール１０５の変形量が大きい場合にも、ばねのストロークの大きいものを挟み込むことで変形に追従できる。

熱拡散板に対向する側の流路壁面と流路板との間に反発部材を備えたので、常時、流路板をパワーモジュールに押し付けることができ、安定した冷却性能を得ることができる。

実施の形態５．
また、流路板２０１の下面とそれに対向するヒートシンク２１１の内壁面に図１０に示すように磁性体２０７ａおよび２０７ｂを埋め込んだ。図１０では、例えば、対向する位置に固着された磁性体２０７ａ、２０７ｂを３組示しているが、３組とも互いに反発するように埋め込むことができる。

このような構成によれば、磁性体２０７ａ、２０７ｂの磁力の反発力により、流路板２０１をパワーモジュール１０５の一面に押し当てることができ、流路高さ２０３を一体に保つことができる。また、磁性体の組３つのうち１組を、互いに引き合うように埋め込めば、磁力を利用して流路板２０１の位置を固定できる。

熱拡散板に対向する側の流路壁面と流路板とで磁力を用いて反発させたので、常時、流路板をパワーモジュールに押し付けることができ、安定した冷却性能を得ることができる。

実施の形態６．
また、流路板２０１に遮蔽体２０８が取り付けられ、図１１に示すように、ヒートシンク２１１の流路２０２の内壁面に設けられた溝にはめられている。この遮蔽体２０８は流路板２０１と一体部品であっても良い。また、流路板２０１の方に溝をヒートシンク２１１の方に突起を設けても良い。

このような構成によれば、流路板２０１の遮蔽体２０８の側の冷媒は流速が小さく、反対に、流路板２０１のパワーモジュール１０５側の流速は大きくなる。流路板２０１の両面側で流速の差が生じるため、動圧と静圧の差が生じて、流路板２０１にはパワーモジュール１０５の方向への揚力が生じる。この揚力により、流路板２０１はパワーモジュール１０５に押し付けられるので、接着層２１６や固定ねじ２０４が不要になる。

熱拡散板に対向する側の流路壁面と流路板とで互いに嵌りあう凹凸形状を設けたので、流路板を冷媒の流れによる揚力により、パワーモジュールに押し当てることができ、安定した冷却性能を得ることができる。

本発明の実施の形態１による半導体装置を示す側断面図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置を示すもう一方の側断面図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置を示す上平面図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置の流路高さを説明する側断面図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置の流路高さと熱拡散板からの熱伝達率、圧力損失との関係を説明する図である。 本発明の流路板の形状を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２による半導体装置を示す側断面図である。 本発明の実施の形態３による半導体装置を示す側断面図である。 本発明の実施の形態４による半導体装置を示す側断面図である。 本発明の実施の形態５による半導体装置を示す側断面図である。 本発明の実施の形態６による半導体装置を示す側断面図である。

符号の説明

１０１ 熱拡散板、１０２ 素子、１０３ 電極端子、１０４ 配線、１０５ パワーモジュール、１５０ 筐体、２０１ 流路板、２０２ 流路、２０３ 流路高さ、２０４ 固定ねじ、２０５ 弾性材、２０６ 板ばね、２０７ａ 磁性体１、２０７ｂ 磁性体２、２０８ 遮蔽体、２１０ 導管、２１１ ヒートシンク、２１５ 流れ止め、２１６ 接着層、２２０ 冷媒の流れ、２３０ 対向面、２４０ 支持部、２４１ 通し穴。

Claims (6)

1. 半導体素子を内蔵した半導体モジュールの熱拡散板をヒートシンクの冷媒の流路を構成する面とした半導体装置であって、前記流路の中にその一部が支持部を介して前記熱拡散板に固着され、該熱拡散板から所定の距離を離して対向する流路板を設けたことを特徴とする半導体装置。
2. 流路板は流路中の冷媒の流れに沿って熱拡散板に対向するように設けられたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 熱拡散板に対向する流路板の面は、微少な凹凸を備えた面としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 熱拡散板に対向する側の流路壁面と流路板との間に反発部材を備えたことを特徴する請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 熱拡散板に対向する側の流路壁面と流路板とで磁力を用いて反発させたことを特徴する請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 熱拡散板に対向する側の流路壁面と流路板とで互いに嵌りあう凹凸形状を設けたことを特徴する請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。

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