JP4668103B2 - Cooler - Google Patents

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Description

本発明は、冷却器に関する。特に、電力変換器を冷却するための冷却器に関する。   The present invention relates to a cooler. In particular, it relates to a cooler for cooling a power converter.

近年においては、ハイブリッド自動車（Hybrid Vehicle）、電気自動車（Electric Vehicle）および燃料電池（Fuel Cell）を搭載した燃料電池車などの電力を動力源とする車が注目されている。ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、モータを動力とする自動車である。ハイブリッド自動車は、エンジンを駆動して動力を得るとともに、直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換し、変換された交流電圧によりモータを駆動することによって動力を得る自動車である。また、電気自動車は、直流電源からの直流電圧を変換した交流電圧によりモータを駆動して動力を得る自動車である。   In recent years, vehicles using electric power as a power source, such as a fuel cell vehicle equipped with a hybrid vehicle, an electric vehicle, and a fuel cell, have attracted attention. A hybrid vehicle is a vehicle powered by a motor in addition to a conventional engine. A hybrid vehicle is a vehicle that obtains power by driving an engine, obtaining power by converting a DC voltage from a DC power source into AC voltage, and driving a motor by the converted AC voltage. An electric vehicle is a vehicle that obtains power by driving a motor with an AC voltage obtained by converting a DC voltage from a DC power source.

このような自動車においては、電力変換器が搭載される。電力変換器には、たとえば、インバータやコンバータなどのパワー半導体素子が含まれる。パワー半導体素子には、たとえば、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等が含まれる。   In such an automobile, a power converter is mounted. The power converter includes, for example, a power semiconductor element such as an inverter or a converter. Examples of the power semiconductor element include a power MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) and an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

自動車に搭載される電力変換器においては、高い動力性能を得るために大電力を必要とする場合がある。大電力の電力変換器等は、発熱量が大きく、電力変換器を冷却するための冷却器が搭載される。   In a power converter mounted on an automobile, a large amount of power may be required to obtain high power performance. High power power converters and the like generate a large amount of heat and are equipped with a cooler for cooling the power converter.

特開２００１−２４４３９１号公報においては、発熱量の大きな電子素子チップと発熱量の小さな電気素子チップと電極とを熱伝導性が高い導電性材料により形成された均熱板で接続するとともに、電子素子チップを実装した絶縁基板の下部に冷却媒体を用いて冷却する放熱板を設けたマルチチップモジュールの冷却構造が開示されている。このマルチチップモジュールの冷却構造によれば、電子素子チップの冷却効果を高めることができると開示されている。   In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-244391, an electronic element chip having a large calorific value, an electric element chip having a small calorific value, and an electrode are connected by a soaking plate formed of a conductive material having a high thermal conductivity, A cooling structure for a multi-chip module is disclosed in which a heat radiating plate for cooling using a cooling medium is provided below an insulating substrate on which an element chip is mounted. According to the cooling structure of the multichip module, it is disclosed that the cooling effect of the electronic element chip can be enhanced.

特開２００５−６４３８２号公報においては、複数の電子部品を両面から冷却するための冷却器が開示されている。この冷却器は、電子部品を複数個並列させた状態で挟持するように配置されるとともに、内部に冷却媒体を流通させる一対の扁平状の冷却チューブからなる両面冷却ユニットを有する。両面冷却ユニットは、冷却チューブの厚み方向に複数個配列している。隣り合う両面冷却ユニットの間には隙間が形成されている。この冷却器によれば、小型で優れた冷却能力を有する冷却器を提供することできると開示されている。
特開２００１−２４４３９１号公報 特開２００５−６４３８２号公報 Japanese Patent Laying-Open No. 2005-64382 discloses a cooler for cooling a plurality of electronic components from both sides. This cooler is disposed so as to sandwich a plurality of electronic components in a parallel state, and has a double-sided cooling unit including a pair of flat cooling tubes for circulating a cooling medium therein. A plurality of double-sided cooling units are arranged in the thickness direction of the cooling tube. A gap is formed between adjacent double-sided cooling units. According to this cooler, it is disclosed that a cooler having a small size and excellent cooling ability can be provided.
JP 2001-244391 A JP 2005-64382 A

電力変換器の温度が上昇すると、効率の低下や電力変換器に含まれる半導体素子が破損する場合がある。このため、前述のように、電力変換器を冷却するための冷却器が搭載される場合があり、特に大電力に対応した電力変換器の冷却は重要な課題である。   When the temperature of the power converter rises, the efficiency may decrease and the semiconductor element included in the power converter may be damaged. For this reason, as described above, a cooler for cooling the power converter may be mounted, and in particular, cooling of the power converter corresponding to high power is an important issue.

上記の特開２００１−２４４３９１号公報に開示されたマルチチップモジュールの冷却構造においては、平板形状の金属部材が電子素子チップの上面にはんだ接合によって接合されている。はんだ層は、剛性の高い平板形状の部材の表面に設けられている。このため、はんだ層に大きな応力が発生し、かつ、はんだ層を十分に厚くすることは困難となる。この結果、接合部分の信頼性が十分でないという問題が発生する。   In the cooling structure of the multichip module disclosed in the above Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-244391, a flat metal member is joined to the upper surface of the electronic element chip by soldering. The solder layer is provided on the surface of a plate member having high rigidity. For this reason, a large stress is generated in the solder layer, and it is difficult to make the solder layer sufficiently thick. As a result, there arises a problem that the reliability of the joint portion is not sufficient.

さらには、電子素子チップの冷却は、上面における金属部材の熱伝達と、電子素子チップの下面に配置された冷却器による冷却により行なわれている。電子素子チップの放熱は、主に冷却器が配置されている側から行なわれ、均熱板が配置されている側は、主に熱伝導が行なわれるのみである。このように、放熱は電子素子チップの片面から行なわれているため、電子素子チップの冷却が不十分であるという問題がある。   Further, the cooling of the electronic element chip is performed by heat transfer of the metal member on the upper surface and cooling by a cooler disposed on the lower surface of the electronic element chip. The heat dissipation of the electronic element chip is mainly performed from the side where the cooler is arranged, and the side where the soaking plate is arranged is only mainly subjected to heat conduction. Thus, since heat dissipation is performed from one side of the electronic element chip, there is a problem that cooling of the electronic element chip is insufficient.

また、特開２００５−６４３８２号公報においても、平板状の冷却チューブに電子部品が接合され、冷却チューブと電子部品との接合の信頼性が十分でないという問題がある。また、この冷却器においては、それぞれの両面冷却ユニットの間に隙間が形成されているため、装置が大型化するとともに構成が複雑であるという問題がある。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-64382 also has a problem that an electronic component is bonded to a flat cooling tube, and the reliability of bonding between the cooling tube and the electronic component is not sufficient. Moreover, in this cooler, since the clearance gap is formed between each double-sided cooling unit, there exists a problem that an apparatus becomes large and a structure is complicated.

本発明は、冷却性能の優れた電力変換器の冷却器を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the cooler of the power converter excellent in cooling performance.

本発明に基づく冷却器は、電力変換器の冷却器であって、上記電力変換器の一の表面に接合され、内部に冷媒が流れるように形成された冷媒流通手段を備える。上記電力変換器の上記一の表面と反対側の表面に接合された冷却板を備える。上記冷却板に向かって冷媒を噴出するための冷媒噴出手段を備える。上記冷媒流通手段の表面に配置された導電層を備える。上記冷却板は、凹部を含む。上記冷却板において、上記凹部が電力変換器に接合される。上記冷媒噴出手段は、上記凹部に向かって冷媒を噴出するように形成される。上記導電層を介して上記電力変換器が上記冷媒流通手段に固定される。上記冷却板は、上記電力変換器に電気的に接続される第１電極の機能を有する。上記導電層は、上記電力変換器に電気的に接続される第２電極の機能を有する。上記凹部は、はんだによって上記電力変換器に接合される。上記凹部は、はんだの外周部を厚くできるように、断面形状が円弧状に形成される。 The cooler based on this invention is a cooler of a power converter, Comprising: It is joined to one surface of the said power converter, and is provided with the refrigerant | coolant distribution | circulation means formed so that a refrigerant | coolant may flow inside. A cooling plate joined to a surface opposite to the one surface of the power converter; Refrigerant ejection means for ejecting the refrigerant toward the cooling plate is provided. A conductive layer is provided on the surface of the refrigerant circulation means. The cooling plate includes a recess. In the cooling plate, the recess is joined to a power converter. The refrigerant jetting means is formed to jet the refrigerant toward the concave portion. The power converter is fixed to the refrigerant circulation means via the conductive layer. The cooling plate has a function of a first electrode electrically connected to the power converter. The conductive layer has a function of a second electrode that is electrically connected to the power converter. The recess is joined to the power converter by solder. The recess has an arc shape in cross section so that the outer periphery of the solder can be thickened.

上記発明において好ましくは、上記冷媒流通手段は、表裏の表面を有し、上記電力変換器は、上記冷媒流通手段の表裏の表面のそれぞれに配置されている。   In the above invention, preferably, the refrigerant circulation means has front and back surfaces, and the power converter is disposed on each of the front and back surfaces of the refrigerant circulation means.

上記発明において好ましくは、上記冷媒は、液体を含む。 In the above invention, preferably, the refrigerant includes a liquid .

上記発明において好ましくは、一枚の上記冷却板に複数の上記電力変換器が接合されている。   In the above invention, preferably, the plurality of power converters are joined to one cooling plate.

本発明によれば、冷却性能の優れた電力変換器の冷却器を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the cooler of the power converter excellent in cooling performance can be provided.

（実施の形態１）
図１から図３を参照して、本発明に基づく実施の形態における冷却器について説明する。本実施の形態においては、半導体装置に含まれる電力変換器および冷却器について説明する。 (Embodiment 1)
With reference to FIGS. 1-3, the cooler in embodiment based on this invention is demonstrated. In the present embodiment, a power converter and a cooler included in a semiconductor device will be described.

図１は、本実施の形態における半導体装置の概略断面図である。本実施の形態における半導体装置は、電力変換器としての半導体素子１を備える。電力変換器は、電力を変換する機能を有する。電力変換器は、直流を交流にしたり、電圧の大きさを変換したりする機能を有する。半導体素子１は、たとえば、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどである。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment. The semiconductor device in the present embodiment includes a semiconductor element 1 as a power converter. The power converter has a function of converting power. The power converter has a function of converting direct current to alternating current or converting the magnitude of voltage. The semiconductor element 1 is, for example, a power MOSFET or IGBT.

本実施の形態における半導体装置は、冷媒流通手段としての冷媒流通管９を備える。冷媒流通管９は、内部に冷媒が流れるように形成されている。本実施の形態においては、液体の冷媒が用いられている。冷媒流通管９は、板状に形成されている。冷媒流通管９は、表裏の主表面を有する。   The semiconductor device in the present embodiment includes a refrigerant circulation pipe 9 as refrigerant circulation means. The refrigerant flow pipe 9 is formed so that the refrigerant flows inside. In the present embodiment, a liquid refrigerant is used. The refrigerant flow pipe 9 is formed in a plate shape. The refrigerant flow pipe 9 has main surfaces on the front and back sides.

冷媒流通管９は、冷媒管２を含む。冷媒管２は、板状に形成されている。冷媒管２は、内部に冷媒が流れるように形成されている。冷媒管２は、表裏の主表面を有する。本実施の形態における冷媒管２は、Ｃｕで形成されている。冷媒管２としては、この形態に限られず、Ａｌなどの他の金属で形成されていても構わない。冷媒管２としては、熱伝導性の優れた材料で形成されていることが好ましい。   The refrigerant flow pipe 9 includes the refrigerant pipe 2. The refrigerant pipe 2 is formed in a plate shape. The refrigerant pipe 2 is formed so that the refrigerant flows inside. The refrigerant pipe 2 has main surfaces on the front and back sides. The refrigerant pipe 2 in the present embodiment is made of Cu. The refrigerant pipe 2 is not limited to this form, and may be formed of other metals such as Al. The refrigerant pipe 2 is preferably formed of a material having excellent thermal conductivity.

冷媒流通管９は、絶縁板としてのセラミック基板３を含む。セラミック基板３は、冷媒管２の表裏の主表面に、それぞれ配置されている。本実施の形態におけるセラミック基板３は、ＡｌＮで形成されている。絶縁板としては、この形態に限られず、Ａｌ2Ｏ3などの絶縁性を有する基板であれば構わない。絶縁板としては、熱伝導性の優れた材料で形成されていることが好ましい。 The refrigerant flow pipe 9 includes a ceramic substrate 3 as an insulating plate. The ceramic substrates 3 are respectively disposed on the main surfaces on the front and back sides of the refrigerant tube 2. The ceramic substrate 3 in the present embodiment is made of AlN. The insulating plate is not limited to this form, and any substrate having an insulating property such as Al 2 O 3 may be used. The insulating plate is preferably formed of a material having excellent thermal conductivity.

本実施の形態においては、セラミック基板３の表面に、導電層としての配線層４が形成されている。言い換えると、配線層４は、冷媒流通管９の表面に配置されている。配線層４は、冷媒流通管９の表裏の主面に配置されている。本実施の形態における配線層４は、Ｃｕで形成されている。導電層としては、配線層に限られず、導電性を有する部材が形成されていればよい。   In the present embodiment, a wiring layer 4 as a conductive layer is formed on the surface of the ceramic substrate 3. In other words, the wiring layer 4 is disposed on the surface of the refrigerant flow pipe 9. The wiring layer 4 is disposed on the front and back main surfaces of the refrigerant flow pipe 9. The wiring layer 4 in the present embodiment is made of Cu. The conductive layer is not limited to the wiring layer, and a conductive member may be formed.

半導体素子１は、配線層４の表面にはんだ１１を介して接合されている。半導体素子１は、互いに間隔をあけて配置されている。半導体素子１は、冷媒流通管９の表裏の主面に配置されている。配線層４は、半導体素子１同士を接続したり、半導体素子１と外部の電気回路とを接続したりするように形成されている。   The semiconductor element 1 is bonded to the surface of the wiring layer 4 via solder 11. The semiconductor elements 1 are arranged at intervals. The semiconductor element 1 is disposed on the front and back main surfaces of the refrigerant flow pipe 9. The wiring layer 4 is formed so as to connect the semiconductor elements 1 or connect the semiconductor elements 1 and an external electric circuit.

本実施の形態における冷却器は、板状に形成された冷却板５を備える。本実施の形態における冷却板５は、金属で形成されている。冷却板５は、熱伝導性の優れた材料で形成されることが好ましい。冷却板５は、凹部５ａを有する。凹部５ａは、それぞれの半導体素子１が配置されている領域に対応するように形成されている。凹部５ａは、冷却板５の表面から凹むように形成されている。本実施の形態における凹部５ａは、断面形状がほぼコの字型になるように形成されている。   The cooler in the present embodiment includes a cooling plate 5 formed in a plate shape. The cooling plate 5 in the present embodiment is made of metal. The cooling plate 5 is preferably formed of a material having excellent thermal conductivity. The cooling plate 5 has a recess 5a. The recess 5a is formed so as to correspond to a region where each semiconductor element 1 is disposed. The recess 5 a is formed so as to be recessed from the surface of the cooling plate 5. The recess 5a in the present embodiment is formed so as to have a substantially U-shaped cross section.

冷却板５は、半導体素子１に接続されている。本実施の形態における冷却板５は、凹部５ａがはんだ１１を介して半導体素子１に接合されている。   The cooling plate 5 is connected to the semiconductor element 1. In cooling plate 5 in the present embodiment, recess 5 a is joined to semiconductor element 1 via solder 11.

本実施の形態においては、冷媒管２の内部に冷媒を流すための冷媒供給装置を備える（図示せず）。冷媒供給装置は、矢印４１に示すように、冷媒管２の内部に冷媒を流すことができるように形成されている。   In this Embodiment, the refrigerant | coolant supply apparatus for flowing a refrigerant | coolant inside the refrigerant pipe 2 is provided (not shown). The refrigerant supply device is formed so that the refrigerant can flow inside the refrigerant pipe 2 as indicated by an arrow 41.

本実施の形態においては、冷却板５の凹部５ａに向かって冷媒を噴出するように形成された冷媒噴出手段として冷媒噴出装置を備える。冷媒噴出装置は、矢印４２に示すように、凹部５ａに向かって冷媒を噴出することができるように形成されている。本実施の形態においては、冷却板５の主表面に垂直な方向からそれぞれの凹部５ａに向かって、個別に冷媒を噴出することができるように形成されている。   In the present embodiment, a refrigerant ejection device is provided as the refrigerant ejection means formed so as to eject the refrigerant toward the recess 5 a of the cooling plate 5. As shown by the arrow 42, the refrigerant ejection device is formed so that the refrigerant can be ejected toward the recess 5a. In the present embodiment, the coolant is individually ejected from the direction perpendicular to the main surface of cooling plate 5 toward each recess 5a.

図２は、本実施の形態における半導体装置の概略斜視図である。冷却板５は、表面に、複数の凹部５ａを有する。本実施の形態においては、１枚の冷却板５に、複数の半導体素子が接合されている。本実施の形態においては、１枚の冷却板５に、６個の半導体素子が接合されている。   FIG. 2 is a schematic perspective view of the semiconductor device according to the present embodiment. The cooling plate 5 has a plurality of recesses 5a on the surface. In the present embodiment, a plurality of semiconductor elements are bonded to one cooling plate 5. In the present embodiment, six semiconductor elements are bonded to one cooling plate 5.

半導体装置は、側方に配置され、外部の電気回路とを接合するための端子２１，２２を有する。端子２１，２２は、それぞれが平板状に形成されている。端子２１，２２は、主表面が冷却板５の主表面とほぼ平行になるように配置されている。冷却板５は、主表面が平面状に延びるように形成されている。   The semiconductor device has terminals 21 and 22 that are arranged on the sides and for joining an external electric circuit. Each of the terminals 21 and 22 is formed in a flat plate shape. Terminals 21 and 22 are arranged such that the main surface is substantially parallel to the main surface of cooling plate 5. The cooling plate 5 is formed so that the main surface extends in a planar shape.

図１および図２を参照して、本実施の形態における半導体装置は、半導体素子１に接続される第１電極および第２電極を備える。第１電極は、冷却板５を含む。第２電極は、配線層４を含む。すなわち、冷却板５は、半導体素子１を冷却する機能の他に、半導体素子１の電極としての機能を有する。また、配線層４は、配線としての機能の他に、半導体素子１の電極としての機能を有する。この構成により、装置の小型化を図るとともに、装置の構成を簡略化することができる。本実施の形態における端子２１は、表裏のうち一方の冷却板５に接続されている。端子２２は、表裏のうち他方の冷却板５に接続されている。   Referring to FIGS. 1 and 2, the semiconductor device in the present embodiment includes a first electrode and a second electrode connected to semiconductor element 1. The first electrode includes a cooling plate 5. The second electrode includes the wiring layer 4. That is, the cooling plate 5 has a function as an electrode of the semiconductor element 1 in addition to the function of cooling the semiconductor element 1. The wiring layer 4 has a function as an electrode of the semiconductor element 1 in addition to a function as a wiring. With this configuration, the device can be reduced in size and the configuration of the device can be simplified. The terminal 21 in the present embodiment is connected to one cooling plate 5 of the front and back sides. The terminal 22 is connected to the other cooling plate 5 of the front and back sides.

図１を参照して、本実施の形態における半導体装置は、冷媒管２の内部を矢印４１に示すように冷媒が流れる。冷媒流通管９が、冷媒によって冷却される。半導体素子１は、配線層４を介して、冷媒流通管９に接合されている。このため、半導体素子１の一方の表面を冷却することができる。   Referring to FIG. 1, in the semiconductor device according to the present embodiment, the refrigerant flows inside refrigerant pipe 2 as indicated by arrow 41. The refrigerant flow pipe 9 is cooled by the refrigerant. The semiconductor element 1 is joined to the refrigerant flow pipe 9 via the wiring layer 4. For this reason, one surface of the semiconductor element 1 can be cooled.

さらに、冷却板５の凹部５ａには、矢印４２に示すように、冷媒が噴射される。半導体素子１の他方の表面は、冷却板５の凹部５ａにはんだ１１を介して接合されているため、半導体素子１の他方の表面を、いわゆる衝突噴流で冷却することができる。   Further, as indicated by an arrow 42, the coolant is injected into the recess 5 a of the cooling plate 5. Since the other surface of the semiconductor element 1 is joined to the recess 5a of the cooling plate 5 via the solder 11, the other surface of the semiconductor element 1 can be cooled by a so-called collision jet.

本実施の形態においては、半導体素子１の一の表面に冷媒流通管９が接合され、一の表面と反対側の表面に、冷却板５が接合されている。このため、半導体素子１を表裏の両側から冷却を行なうことができる。また、半導体素子１の表面のうち、冷媒流通管９と反対側の表面においては、衝突噴流により冷却が行なわれる。このため、本発明における冷却器は、優れた冷却能力を有する。   In the present embodiment, the refrigerant flow pipe 9 is joined to one surface of the semiconductor element 1, and the cooling plate 5 is joined to the surface opposite to the one surface. For this reason, the semiconductor element 1 can be cooled from both the front and back sides. In addition, on the surface of the semiconductor element 1 on the side opposite to the refrigerant flow pipe 9, cooling is performed by a collision jet. For this reason, the cooler in this invention has the outstanding cooling capacity.

また、本実施の形態においては、冷却板５に凹部５ａが形成され、凹部５ａに、半導体素子１がはんだ１１によって接合されている。凹部５ａは、半導体素子１の接合面とほぼ同じ大きさを有する。本実施の形態においては、半導体素子１の接合面よりも凹部５ａの接触面が小さくなるように凹部５ａが形成されている。   Moreover, in this Embodiment, the recessed part 5a is formed in the cooling plate 5, and the semiconductor element 1 is joined by the solder 11 to the recessed part 5a. The recess 5 a has substantially the same size as the bonding surface of the semiconductor element 1. In the present embodiment, the recess 5 a is formed so that the contact surface of the recess 5 a is smaller than the bonding surface of the semiconductor element 1.

本実施の形態においては、冷却板に凹部が形成されているがこの形態に限られず、冷却板は、凹部を有さない平板であっても構わない。すなわち、冷却板は、表面に凹凸を有さない板であっても構わない。または、本実施の形態においては、凹部に向かって冷却水を噴出するように形成されているが、この形態に限られず、冷却板の凹部を避けた位置に半導体素子が接合されている場合には、半導体素子が接合されている平板状の領域に向かって冷却水を噴出するように形成されていても構わない。または、冷却器は、衝突噴流が半導体素子の接合されている領域を避けた領域に向かって噴出されるように形成されていても構わない。   In the present embodiment, the recess is formed in the cooling plate, but the present invention is not limited to this, and the cooling plate may be a flat plate having no recess. That is, the cooling plate may be a plate having no irregularities on the surface. Alternatively, in the present embodiment, the cooling water is ejected toward the recess, but the present invention is not limited to this configuration, and the semiconductor element is joined at a position avoiding the recess of the cooling plate. May be formed such that the cooling water is ejected toward a flat region to which the semiconductor element is bonded. Alternatively, the cooler may be formed such that the impinging jet is ejected toward a region avoiding the region where the semiconductor elements are joined.

冷却板が凹部を有さない平板である場合、または、凹部を避けた領域に半導体素子が接合されている場合には、半導体素子に冷却板をはんだによって接合するときに、はんだが冷却板の主表面に沿って広がって薄くなってしまう場合がある。はんだ層は外力を吸収する作用を有するが、はんだ層が薄くなることにより、後に外部から加わる応力に対してはんだ層が脆弱になってしまう場合がある。すなわち、はんだ層が薄くなることにより、接合強度が小さくなる場合がある。   When the cooling plate is a flat plate that does not have a recess, or when the semiconductor element is bonded to a region that avoids the recess, when the cooling plate is bonded to the semiconductor element with solder, the solder It may spread along the main surface and become thin. The solder layer has an action of absorbing external force. However, when the solder layer becomes thin, the solder layer may become vulnerable to a stress applied from the outside later. In other words, the bonding strength may be reduced due to the thinner solder layer.

本実施の形態における冷却器は、冷却板５の凹部５ａが半導体素子１に接合されているため、はんだ接合を行なうときに、はんだ１１が冷却板５に沿って流れることを抑制できる。このため、十分な厚さではんだ接合を行なうことができる。この結果、冷却板５と半導体素子１との接合強度を強くすることができる。また、はんだの剥離などを抑制することができ、確実に半導体素子から放熱板としての冷却板に熱伝達を行なうことができる。また、はんだ層を厚くすることができるため、外力の吸収機能を高めることができる。このように、冷却板に凹部が形成され、この凹部に半導体素子が接合されていることが好ましい。   In the cooler in the present embodiment, since the recess 5a of the cooling plate 5 is bonded to the semiconductor element 1, the solder 11 can be prevented from flowing along the cooling plate 5 when performing solder bonding. For this reason, solder joining can be performed with sufficient thickness. As a result, the bonding strength between the cooling plate 5 and the semiconductor element 1 can be increased. Further, it is possible to suppress the peeling of the solder and the like, and it is possible to reliably transfer heat from the semiconductor element to the cooling plate as the heat sink. In addition, since the solder layer can be thickened, an external force absorbing function can be enhanced. Thus, it is preferable that a recess is formed in the cooling plate, and a semiconductor element is bonded to the recess.

本実施の形態における半導体装置は、冷媒流通管９の表裏の表面に半導体素子１が配置されている。それぞれの表裏の表面に配置された半導体素子１は、外側に冷却板５が接合されている。一の冷媒管２に対して、表裏に半導体素子１を配置することにより、半導体装置の小型化を図ることができる。半導体素子の配置においては、この形態に限られず、冷媒流通管の表裏のうちいずれかの表面に半導体素子が配置されていても構わない。   In the semiconductor device in the present embodiment, the semiconductor element 1 is disposed on the front and back surfaces of the refrigerant flow tube 9. The semiconductor elements 1 arranged on the front and back surfaces of each have a cooling plate 5 bonded to the outside. By disposing the semiconductor element 1 on the front and back with respect to one refrigerant pipe 2, the semiconductor device can be reduced in size. The arrangement of the semiconductor elements is not limited to this form, and the semiconductor elements may be arranged on either surface of the refrigerant circulation pipe.

本実施の形態における半導体装置は、１枚の冷却板５に複数の半導体素子１が接合されている。この構成により、冷却板をそれぞれの半導体素子同士を接続する配線として用いることができる。また、冷却板５が半導体素子を跨ぐように配置されため、冷却板５の放熱面積が大きくなって、半導体素子の冷却効率が向上する。   In the semiconductor device according to the present embodiment, a plurality of semiconductor elements 1 are joined to one cooling plate 5. With this configuration, the cooling plate can be used as wiring for connecting the respective semiconductor elements. Further, since the cooling plate 5 is disposed so as to straddle the semiconductor element, the heat radiation area of the cooling plate 5 is increased, and the cooling efficiency of the semiconductor element is improved.

また、半導体素子１に電気的に接続される冷却板が長手方向を有し、この長手方向に沿った向きに電流が流れる場合には、冷却板において所定のインダクタンスが生じる。すなわち、寄生インダクタンスが生じる。しかしながら、本実施の形態においては、冷却板を幅の広い形状にすることができ、寄生インダクタンスを小さくすることができる。さらに、図２を参照して、本実施の形態における端子２１，２２は、平板状に形成され、それぞれの端子の主表面が互いにほぼ平行になるように配置されている。端子２１，２２において、単独では自己寄生インダクタンスを生じるが、本実施の形態における端子２１，２２は互いに平行に配置され、流れる電流の向きが互いに逆向きになるために、寄生インダクタンスを抑制することができる。   In addition, when the cooling plate electrically connected to the semiconductor element 1 has a longitudinal direction and a current flows in a direction along the longitudinal direction, a predetermined inductance is generated in the cooling plate. That is, parasitic inductance is generated. However, in this embodiment, the cooling plate can have a wide shape, and the parasitic inductance can be reduced. Further, referring to FIG. 2, terminals 21 and 22 in the present embodiment are formed in a flat plate shape and are arranged so that the main surfaces of the terminals are substantially parallel to each other. The terminals 21 and 22 alone generate self-parasitic inductance, but the terminals 21 and 22 in the present embodiment are arranged in parallel to each other, and the directions of flowing currents are opposite to each other, so that parasitic inductance is suppressed. Can do.

また、本実施の形態における冷却板の凹部は、断面形状がほぼ四角形になるように形成されている。すなわち、凹部は断面形状がほぼコの字型になるように形成されている。凹部の形状としてはこの形態に限られず、任意の形態を採用することができる。   In addition, the recess of the cooling plate in the present embodiment is formed so that the cross-sectional shape is substantially square. That is, the recess is formed so that the cross-sectional shape is substantially U-shaped. The shape of the recess is not limited to this form, and any form can be adopted.

図３に、本実施の形態における他の凹部の拡大概略断面図を示す。冷却板１５は、平板状に形成されている。冷却板１５は、凹部１５ａを有する。凹部１５ａは、断面形状が円弧状になるように形成されている。凹部１５ａは、平面形状がほぼ円形になるように形成されている。すなわち、凹部１５ａは、球面の一部の形状を有する。凹部１５ａは、はんだ１２によって半導体素子１に接合されている。   In FIG. 3, the expanded schematic sectional drawing of the other recessed part in this Embodiment is shown. The cooling plate 15 is formed in a flat plate shape. The cooling plate 15 has a recess 15a. The recess 15a is formed so that the cross-sectional shape is an arc. The recess 15a is formed so that the planar shape is substantially circular. That is, the concave portion 15a has a partial spherical shape. The recess 15 a is joined to the semiconductor element 1 by the solder 12.

このように、凹部の断面形状が円弧状に形成されていることによって、はんだ１２の外周部を厚くすることができる。冷却板１５に外力が加わったとき、はんだ１２に加わる応力は、はんだ１２の周辺部が最も大きくなる。しかし、はんだ１２の外周部が厚くなるこによって、外力をはんだ１２で効率よく吸収することができる。すなわち、はんだ１２の接合強度が向上して、接合の信頼性が向上する。   Thus, the outer peripheral part of the solder 12 can be thickened because the cross-sectional shape of the recess is formed in an arc shape. When an external force is applied to the cooling plate 15, the stress applied to the solder 12 is greatest at the periphery of the solder 12. However, since the outer peripheral portion of the solder 12 becomes thick, the external force can be efficiently absorbed by the solder 12. That is, the bonding strength of the solder 12 is improved and the bonding reliability is improved.

本実施の形態における冷媒流通手段としての冷媒流通管は、板状に形成されているが、この形態に限られず、任意の形状を採用することができる。また、本実施の形態においては、電力変換器として半導体素子が配置されているが、この形態に限られず、電力を変換する任意の機器を配置することができる。   Although the refrigerant | coolant distribution pipe | tube as a refrigerant | coolant distribution means in this Embodiment is formed in plate shape, it is not restricted to this form, Arbitrary shapes can be employ | adopted. Moreover, in this Embodiment, although the semiconductor element is arrange | positioned as a power converter, it is not restricted to this form, Arbitrary apparatuses which convert electric power can be arrange | positioned.

また、本実施の形態においては、冷媒として液体が用いられているが、この形態に限られず、冷媒は気体であっても液体および気体の２相流であってもよい。   In this embodiment, liquid is used as the refrigerant. However, the present invention is not limited to this, and the refrigerant may be a gas or a two-phase flow of liquid and gas.

本実施の形態においては、冷却器の被冷却物として、大きな電力用の電力変換器を例に採り上げて説明したがこの形態に限られず、任意の被冷却物に本発明を適用することができる。たとえば、電力の小さな電力変換器の冷却器に本発明を適用することができる。   In the present embodiment, the power converter for large power has been described as an example of the object to be cooled by the cooler. However, the present invention is not limited to this form, and the present invention can be applied to any object to be cooled. . For example, the present invention can be applied to a cooler of a power converter with low power.

（実施の形態２）
図４および図５を参照して、本発明に基づく実施の形態２における電力変換器の冷却器について説明する。図４は、本実施の形態における半導体装置の上部の概略断面図である。本実施の形態においては、冷却板に向かって冷媒を噴出するための冷媒噴出手段について説明する。 (Embodiment 2)
With reference to FIG. 4 and FIG. 5, the cooler of the power converter in Embodiment 2 based on this invention is demonstrated. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the upper portion of the semiconductor device in the present embodiment. In the present embodiment, a refrigerant jetting unit for jetting the refrigerant toward the cooling plate will be described.

本実施の形態における冷却器は冷媒噴出手段としての冷媒噴出装置を含む。本実施の形態における冷媒噴出装置は、中間部材７および蓋部材８を含む。中間部材７および蓋部材８は、冷却板６の上側に配置されている。   The cooler in the present embodiment includes a refrigerant ejection device as refrigerant ejection means. The refrigerant ejection device in the present embodiment includes an intermediate member 7 and a lid member 8. The intermediate member 7 and the lid member 8 are disposed on the upper side of the cooling plate 6.

本実施の形態における冷却器は、冷却板６を備える。冷却板６は、凹部６ａを有する。凹部６ａは半導体素子１にはんだ１１によって接合されている。冷却板６は、周辺部に、壁部６ｂを有する。   The cooler in the present embodiment includes a cooling plate 6. The cooling plate 6 has a recess 6a. The recess 6 a is joined to the semiconductor element 1 with solder 11. The cooling plate 6 has a wall 6b at the periphery.

図５に、本実施の形態における半導体装置の上部の概略分解斜視図を示す。図４および図５を参照して、壁部６ｂは、冷却板６の周縁に沿って枠型に形成されている。壁部６ｂは、冷却板６の主表面から立設するように形成されている。壁部６ｂの上面には、中間部材７が配置されている。   FIG. 5 is a schematic exploded perspective view of the upper part of the semiconductor device in the present embodiment. Referring to FIGS. 4 and 5, wall 6 b is formed in a frame shape along the periphery of cooling plate 6. Wall portion 6 b is formed so as to stand from the main surface of cooling plate 6. An intermediate member 7 is disposed on the upper surface of the wall 6b.

中間部材７は、板状に形成されている。中間部材７は、冷却板６を覆うように形成されている。中間部材７は、冷媒を凹部６ａに向かって噴出するための噴出穴７ａを有する。噴出穴７ａは、凹部６ａの真上に形成されている。中間部材７は、上側に向かって突出するように形成された排出管部７ｃを有する。排出管部７ｃは、管状に形成されている。排出管部７ｃは、中間部材７の板状の部分を貫通するように形成されている。   The intermediate member 7 is formed in a plate shape. The intermediate member 7 is formed so as to cover the cooling plate 6. The intermediate member 7 has an ejection hole 7a for ejecting the refrigerant toward the recess 6a. The ejection hole 7a is formed immediately above the recess 6a. The intermediate member 7 has a discharge pipe portion 7c formed so as to protrude upward. The discharge pipe portion 7c is formed in a tubular shape. The discharge pipe portion 7 c is formed so as to penetrate the plate-like portion of the intermediate member 7.

中間部材７は、外周の縁に沿って形成された壁部７ｂを有する。壁部７ｂは、中間部材７の板状部分の表面から立設するように形成されている。壁部７ｂは、中間部材７の板状部分の周縁に沿うように枠形に形成されている。壁部７ｂは冷却板６の壁部６ｂのほぼ上側に配置されている。中間部材７は、中間部材７と蓋部材８との間に冷媒を流入させるための入口部７ｄを有する。入口部７ｄは壁部７ｂの一部が切欠かれている。   The intermediate member 7 has a wall portion 7b formed along the outer peripheral edge. The wall 7b is formed so as to stand from the surface of the plate-like portion of the intermediate member 7. The wall 7b is formed in a frame shape so as to follow the periphery of the plate-like portion of the intermediate member 7. The wall portion 7 b is disposed substantially above the wall portion 6 b of the cooling plate 6. The intermediate member 7 has an inlet portion 7 d for allowing a refrigerant to flow between the intermediate member 7 and the lid member 8. A part of the wall 7b is cut out from the inlet 7d.

中間部材７の上面には、蓋部材８が配置されている。蓋部材８は、中間部材７を覆うように形成されている。蓋部材８は、貫通穴８ａを有する。貫通穴８ａは、中間部材７の排出管部７ｃの位置に対応するように形成されている。貫通穴８ａは、排出管部７ｃと連通している。貫通穴８ａは、排出管部７ｃを通る冷媒が外側に排出されるように形成されている。   A lid member 8 is disposed on the upper surface of the intermediate member 7. The lid member 8 is formed so as to cover the intermediate member 7. The lid member 8 has a through hole 8a. The through hole 8 a is formed so as to correspond to the position of the discharge pipe portion 7 c of the intermediate member 7. The through hole 8a communicates with the discharge pipe portion 7c. The through hole 8a is formed so that the refrigerant passing through the discharge pipe portion 7c is discharged to the outside.

図４および図５を参照して、冷媒は、矢印４３に示すように、入口部７ｄから供給される。冷媒は、中間部材７と蓋部材８との間の空間に供給される。冷媒は、矢印４２に示すように、中間部材７の噴出穴７ａから凹部６ａに向かって噴出される。このように、凹部６ａは、衝突噴流により冷却される。凹部６ａを冷却した冷媒は、矢印４４，４５に示すように、排出管部７ｃおよび貫通穴８ａを通って、蓋部材８の外部に排出される。   Referring to FIGS. 4 and 5, the refrigerant is supplied from inlet portion 7 d as indicated by arrow 43. The refrigerant is supplied to the space between the intermediate member 7 and the lid member 8. As indicated by an arrow 42, the refrigerant is ejected from the ejection hole 7a of the intermediate member 7 toward the recess 6a. Thus, the recessed part 6a is cooled by the collision jet. The refrigerant having cooled the recess 6a is discharged to the outside of the lid member 8 through the discharge pipe portion 7c and the through hole 8a, as indicated by arrows 44 and 45.

このように、本実施の形態においては、簡易な構成で冷媒噴出手段を提供することができる。また、本実施の形態においては、薄型の冷媒噴出手段を提供することができる。   Thus, in this Embodiment, a refrigerant | coolant ejection means can be provided with a simple structure. Moreover, in this Embodiment, a thin refrigerant | coolant ejection means can be provided.

その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるのでここでは説明を繰返さない。   Since other configurations, operations, and effects are the same as those in the first embodiment, description thereof will not be repeated here.

上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には、同一の符号を付している。また、上述の説明において、上または下などの記載は、鉛直方向の絶対的な上下方向を示すものではなく、それぞれの部位の位置関係を相対的に示すものである。   In the respective drawings described above, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals. In the above description, descriptions such as “up” and “down” do not indicate absolute vertical directions in the vertical direction, but indicate relative positions of the respective parts.

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。   In addition, the said embodiment disclosed this time is an illustration in all the points, Comprising: It is not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and includes all modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

実施の形態１における半導体装置の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device in a first embodiment. 実施の形態１における半導体装置の概略斜視図である。1 is a schematic perspective view of a semiconductor device in a first embodiment. 実施の形態１における他の凹部の拡大概略断面図である。FIG. 5 is an enlarged schematic cross-sectional view of another concave portion in the first embodiment. 実施の形態２における半導体装置の概略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device in a second embodiment. 実施の形態２における半導体装置の概略斜視図である。FIG. 6 is a schematic perspective view of a semiconductor device in a second embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１ 半導体素子、２ 冷媒管、３ セラミック基板、４ 配線層、５，６，１５ 冷却板、５ａ，６ａ，１５ａ 凹部、６ｂ，７ｂ 壁部、７ 中間部材、７ａ 噴出穴、７ｃ 排出管部、７ｄ 入口部、８ 蓋部材、８ａ 貫通穴、９ 冷媒流通管、１１，１２ はんだ、２１，２２ 端子、４１〜４５ 矢印。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor element, 2 refrigerant | coolant pipe | tube, 3 ceramic board | substrate, 4 wiring layer, 5, 6, 15 cooling plate, 5a, 6a, 15a recessed part, 6b, 7b wall part, 7 intermediate member, 7a ejection hole, 7c discharge pipe part, 7d Inlet part, 8 Lid member, 8a Through hole, 9 Refrigerant flow pipe, 11, 12 Solder, 21, 22 terminal, 41-45 arrow.

Claims (4)

電力変換器の冷却器であって、
前記電力変換器の一の表面に接合され、内部に冷媒が流れるように形成された冷媒流通手段と、
前記電力変換器の前記一の表面と反対側の表面に接合された冷却板と、
前記冷却板に向かって冷媒を噴出するための冷媒噴出手段と、
前記冷媒流通手段の表面に配置された導電層とを備え、
前記冷却板は、凹部を含み、
前記冷却板において、前記凹部が前記電力変換器に接合され、
前記冷媒噴出手段は、前記凹部に向かって冷媒を噴出するように形成され、
前記導電層を介して前記電力変換器が前記冷媒流通手段に固定され、
前記冷却板は、前記電力変換器に電気的に接続される第１電極の機能を有し、
前記導電層は、前記電力変換器に電気的に接続される第２電極の機能を有し、
前記凹部は、はんだによって前記電力変換器に接合され、
前記凹部は、はんだの外周部を厚くできるように、断面形状が円弧状に形成された、冷却器。 A power converter cooler,
Refrigerant circulation means joined to one surface of the power converter and formed so that the refrigerant flows inside,
A cooling plate joined to a surface opposite to the one surface of the power converter;
Refrigerant jetting means for jetting refrigerant toward the cooling plate ;
A conductive layer disposed on the surface of the refrigerant flow means,
The cooling plate includes a recess,
In the cooling plate, the recess is joined to the power converter,
The refrigerant jetting means is formed to jet the refrigerant toward the concave portion,
The power converter is fixed to the refrigerant circulation means via the conductive layer,
The cooling plate has a function of a first electrode electrically connected to the power converter;
The conductive layer has a function of a second electrode electrically connected to the power converter,
The recess is joined to the power converter by solder,
The said recessed part is a cooler by which cross-sectional shape was formed in circular arc shape so that the outer peripheral part of solder could be thickened . 前記冷媒流通手段は、表裏の表面を有し、
前記電力変換器は、前記冷媒流通手段の表裏の表面のそれぞれに配置された、請求項１に記載の冷却器。 The refrigerant circulation means has front and back surfaces,
The cooler according to claim 1, wherein the power converter is disposed on each of front and back surfaces of the refrigerant circulation means. 前記冷媒は、液体を含む、請求項１または２に記載の冷却器。 The cooler according to claim 1 or 2 , wherein the refrigerant includes a liquid. 一枚の前記冷却板に複数の前記電力変換器が接合された、請求項１から３のいずれかに記載の冷却器。 The cooler according to any one of claims 1 to 3 , wherein a plurality of the power converters are joined to one cooling plate.
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