JP5129942B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置に係り、特に冷却装置を用いて半導体素子を冷却する半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device that cools a semiconductor element using a cooling device.

例えばハイブリッド車や電気自動車等では、バッテリの直流電力とモータ／発電機における交流電力との間の変換のためにインバータとして機能する半導体装置が搭載されている。この半導体装置を構成する半導体素子は稼動する際に高熱を発生するため、冷却装置を用いて冷却することが行われている。また、冷却装置としては空冷タイプのものと水冷のものがあるが、上記のような発熱量が大きい半導体素子では冷却効率の高い冷却水タイプの冷却装置が用いられる。   For example, in a hybrid vehicle, an electric vehicle, or the like, a semiconductor device that functions as an inverter is mounted for conversion between DC power of a battery and AC power of a motor / generator. Since the semiconductor element constituting the semiconductor device generates high heat when operating, it is cooled using a cooling device. In addition, there are an air-cooled type and a water-cooled type as a cooling device, and a cooling device of a cooling water type with high cooling efficiency is used for the semiconductor element having a large calorific value as described above.

この種の冷却装置を有した従来の半導体装置としては、例えば特許文献１に開示されたものがある。この半導体装置は、半導体素子の下に冷却装置を構成する冷却水路が設けられており、またこの冷却水路の半導体素子の搭載位置下方には複数の突起が形成されている。このように、冷却水が流れる冷却水路内に多数の突起を形成することにより、冷却水に渦流が発生し、半導体素子の冷却効率を高めることができる。 As a conventional semiconductor device having this kind of cooling device, there is disclosed, for example, in Patent Document 1. In this semiconductor device, a cooling water channel constituting a cooling device is provided under the semiconductor element, and a plurality of protrusions are formed below the mounting position of the semiconductor element in the cooling water channel. Thus, by forming a large number of protrusions in the cooling water passage through which the cooling water flows, vortex flow is generated in the cooling water, and the cooling efficiency of the semiconductor element can be increased.

しかしながら、従来の半導体装置は、半導体素子に対する冷却効率を高めるため、半導体素子の搭載位置の略全体にわたり冷却水路内に突出する多数の突起を形成した構成としていたため、冷却装置のコストが高くなってしまうという問題点があった。   However, since the conventional semiconductor device has a structure in which a large number of protrusions projecting into the cooling water channel are formed over almost the entire mounting position of the semiconductor element in order to increase the cooling efficiency of the semiconductor element, the cost of the cooling device increases. There was a problem that it was.

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、低コストを図りつつ半導体素子を高い効率で冷却することを可能とした半導体装置を提供することを目的とする。  The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of cooling a semiconductor element with high efficiency while achieving low cost.

上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。   In order to solve the above-described problems, the present invention is characterized by the following measures.

請求項１記載の発明に係る半導体装置は、
半導体素子と、
該半導体素子を冷却する冷却装置とを有する半導体装置であって、
前記冷却装置は、
該半導体素子が搭載されると共に、内部に流入口から流出口に向けて冷却水が流れる冷却水路と、
該冷却水路の前記半導体素子の搭載位置の上流側のみに配設され、前記冷却水に渦を発生させる渦発生体とを有し、
かつ、前記渦発生体の前記冷却水路内への突出量をＨとし、前記冷却水路の高さをＤとしたとき、該突出量（Ｈ）と該高さ（Ｄ）の比（Ｈ／Ｄ）を０．２５以上、０．５以下に設定したことを特徴とするものである。 A semiconductor device according to claim 1 is provided.
A semiconductor element;
A semiconductor device having a cooling device for cooling the semiconductor element,
The cooling device is
The semiconductor element is mounted, and a cooling water channel through which cooling water flows from the inlet to the outlet,
A vortex generator that is disposed only upstream of the mounting position of the semiconductor element in the cooling water channel, and generates a vortex in the cooling water ;
Further, when the protrusion amount of the vortex generator into the cooling water channel is H and the height of the cooling water channel is D, the ratio of the protrusion amount (H) to the height (D) (H / D ) Is set to 0.25 or more and 0.5 or less .

また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載の半導体装置において、
前記冷却装置は、
前記半導体素子が搭載される上部冷却ケースと、
該上部冷却ケースの下部に配設されて前記冷却水路を形成する下部冷却ケースとを有し、
かつ、前記渦発生体を前記上部冷却ケースに設けた構成であること特徴とするものである。 The invention according to claim 2
The semiconductor device according to claim 1,
The cooling device is
An upper cooling casing before Symbol semiconductor element is mounted,
And a lower cooling casing to form said cooling water passage is disposed in the lower portion of the upper cooling casing,
And and is characterized in that the is configured to the vortex generator provided on the upper cooling casing.

また、請求項３記載の発明は、
請求項１記載の半導体装置において、
前記冷却装置は、
前記半導体素子が搭載される上部冷却ケースと、
該上部冷却ケースの下部に配設されて前記冷却水路を形成する下部冷却ケースと、
前記冷却水路内に立設された冷却フィンとを有し、
かつ、前記渦発生体を前記冷却フィンに前記冷却水の流れ方向に対して直交する方向に突出するよう設けたことを特徴とするものである。 The invention according to claim 3
The semiconductor device according to claim 1,
The cooling device is
An upper cooling case on which the semiconductor element is mounted;
A lower cooling case disposed at a lower portion of the upper cooling case to form the cooling water channel;
Cooling fins standing in the cooling water channel,
In addition, the vortex generator is provided on the cooling fin so as to protrude in a direction orthogonal to the flow direction of the cooling water.

本発明によれば、半導体素子の上流側のみに突起を設けるだけで渦流が発生し、半導体素子の冷却能力が向上する。従って、渦流を発生させるための構成が単純になり、半導体装置のコスト低減及び小型化を図ることが可能となる。   According to the present invention, the vortex is generated only by providing the protrusion only on the upstream side of the semiconductor element, and the cooling capacity of the semiconductor element is improved. Therefore, the configuration for generating the eddy current is simplified, and the cost and size of the semiconductor device can be reduced.

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。   Next, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

図１乃至図３は、本発明の第１実施例である半導体装置１０Ａを示している。図１は半導体装置１０Ａの平面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図であり、また図３は図１におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図である。   1 to 3 show a semiconductor device 10A according to a first embodiment of the present invention. 1 is a plan view of the semiconductor device 10A, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.

本実施例に係る半導体装置１０Ａは、冷却装置３０Ａに複数の半導体素子２０が実装された構成とされている。半導体素子２０は、例えばハイブリッド車や電気自動車等においてバッテリの直流電力とモータ／発電機における交流電力とを変換するインバータとして機能する絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（ＩＧＢＴ）等のパワー素子である。このＩＧＢＴ等のパワー素子は、稼働時に高温を発生する。このため、本実施例では、半導体素子２０を冷却装置３０Ａに搭載（実装）して冷却する構成としている。 The semiconductor device 10A according to the present embodiment has a configuration in which a plurality of semiconductor elements 20 are mounted on a cooling device 30A. The semiconductor element 20 is a power element such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) that functions as an inverter that converts DC power of a battery and AC power of a motor / generator in a hybrid vehicle, an electric vehicle, or the like. This power element such as IGBT generates a high temperature during operation. For this reason, in this embodiment, the semiconductor element 20 is mounted (mounted) on the cooling device 30A to be cooled.

半導体素子２０は、絶縁基板２１を介して冷却装置３０Ａ上に搭載されている。絶縁基板２１は、例えば、セラミック（例えば窒化アルミニウムや窒化珪素）等の絶縁材料で形成された絶縁層の両面に、銅やアルミニウムなどの金属層を設けて構成されており、上面側の金属層には電極が形成されている。   The semiconductor element 20 is mounted on the cooling device 30 </ b> A via the insulating substrate 21. The insulating substrate 21 is configured by providing a metal layer such as copper or aluminum on both surfaces of an insulating layer formed of an insulating material such as ceramic (for example, aluminum nitride or silicon nitride). An electrode is formed on the.

この絶縁基板２１は、後述する上部冷却ケース３１の上面に対してはんだ付けで接合されている。この際、絶縁基板２１上に搭載された半導体素子２０は２個を一組として、図１に矢印Ｌで示す所定の間隔（後述する冷却水路３３が曲がっている部分を除く）で配設されている。   The insulating substrate 21 is joined to the upper surface of an upper cooling case 31 described later by soldering. At this time, two semiconductor elements 20 mounted on the insulating substrate 21 are arranged as a set at a predetermined interval indicated by an arrow L in FIG. 1 (except for a portion where a cooling water channel 33 described later is bent). ing.

冷却装置３０Ａは、高熱を発生する半導体素子２０を冷却する機能を奏するものである。この冷却装置３０Ａは、大略すると上部冷却ケース３１、下部冷却ケース３２、冷却水路３３、及び渦発生体４０Ａ等により構成されている。   The cooling device 30A has a function of cooling the semiconductor element 20 that generates high heat. This cooling device 30A is generally composed of an upper cooling case 31, a lower cooling case 32, a cooling water channel 33, a vortex generator 40A, and the like.

上部冷却ケース３１及び下部冷却ケース３２は、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属により形成されている。この上部冷却ケース３１と下部冷却ケース３２は、溶接又ははんだ付けにより接合されて一体化し、上部冷却ケース３１を構成する。   The upper cooling case 31 and the lower cooling case 32 are formed of a metal having high thermal conductivity such as copper or aluminum. The upper cooling case 31 and the lower cooling case 32 are joined and integrated by welding or soldering to constitute the upper cooling case 31.

この上部冷却ケース３１及び下部冷却ケース３２の双方、又はいずれか一方の内側には凹部が形成されており、よって上部冷却ケース３１と下部冷却ケース３２とを接合することにより、冷却装置３０Ａの内部には冷却水路３３が形成される。この冷却水路３３は、本実施例では略Ｕ字形状を有しており、冷却水５０が流入口３４から流入し、流出口３５から排出される構成とされている。この冷却水路３３は、Ｕ字状に折り曲がった部分を除いて、その断面積は略均一となるよう構成されている。   The upper cooling case 31 and the lower cooling case 32, or a recess is formed inside one of them, so that the upper cooling case 31 and the lower cooling case 32 are joined to each other, thereby the inside of the cooling device 30A. Is formed with a cooling water channel 33. In this embodiment, the cooling water channel 33 has a substantially U shape, and the cooling water 50 flows in from the inlet 34 and is discharged from the outlet 35. The cooling water channel 33 is configured to have a substantially uniform cross-sectional area except for a portion bent in a U-shape.

また、冷却水路３３には渦発生体４０Ａとなる突起が形成されている。この渦発生体４０Ａは、上部冷却ケース３１の冷却水路３３を構成する凹部内に突出形成されている。また、渦発生体４０Ａの形状は、本実施例では図４、図５、及び図９（Ａ）に示すように、断面が二等辺三角形とされた三角柱形状とされている。   Further, the cooling water channel 33 is formed with a projection that becomes the vortex generator 40A. The vortex generator 40 </ b> A is formed so as to protrude into a recess that forms the cooling water channel 33 of the upper cooling case 31. Further, in the present embodiment, the shape of the vortex generator 40A is a triangular prism having a cross section of an isosceles triangle as shown in FIGS. 4, 5, and 9A.

この渦発生体４０Ａは、冷却水路３３の半導体素子２０の搭載位置の上流側にのみに配設された構成とされている。この渦発生体４０Ａの配設位置について、更に詳述する。本実施例では、２個の半導体素子２０が１対（以下、半導体素子対という）となり、合計で８対（合計１６個）が冷却装置３０Ａ上に搭載されている。この各半導体素子対は、冷却装置３０Ａの冷却水路３３の形成位置の上部に搭載位置が設定されている。   The vortex generator 40 </ b> A is configured to be disposed only on the upstream side of the mounting position of the semiconductor element 20 in the cooling water channel 33. The arrangement position of the vortex generator 40A will be further described in detail. In the present embodiment, two semiconductor elements 20 form a pair (hereinafter referred to as a semiconductor element pair), and a total of eight pairs (16 pieces in total) are mounted on the cooling device 30A. The mounting position of each semiconductor element pair is set above the formation position of the cooling water channel 33 of the cooling device 30A.

渦発生体４０Ａは、各半導体素子対に対し１個のみ設けられた構成とされている。よって、本実施例においては、渦発生体４０Ａは半導体素子対の数と等しい８個形成されている。また、渦発生体４０Ａの幅寸法（冷却水５０の流れ方向に対して直交する方向）は、半導体素子対の幅寸法と略同じ長さとされている。この幅寸法は、図３に示すように、冷却水路３３の幅寸法と略等しい長さとなる。更に、各渦発生体４０Ａの配設位置は、各半導体素子対の搭載領域で、冷却水５０の流れ方向に対して上流側にのみ配設された構成とされている。   Only one vortex generator 40A is provided for each semiconductor element pair. Therefore, in this embodiment, eight vortex generators 40A are formed which are equal to the number of semiconductor element pairs. The width dimension of the vortex generator 40A (the direction orthogonal to the flow direction of the cooling water 50) is substantially the same as the width dimension of the semiconductor element pair. As shown in FIG. 3, the width dimension is substantially equal to the width dimension of the cooling water channel 33. Furthermore, the arrangement position of each vortex generator 40 </ b> A is configured to be arranged only on the upstream side with respect to the flow direction of the cooling water 50 in the mounting region of each semiconductor element pair.

続いて、上記構成とされた半導体装置１０Ａにおいて、渦発生体４０Ａの作用効果について、図４乃至図６を主に用いて説明する。   Next, the function and effect of the vortex generator 40A in the semiconductor device 10A configured as described above will be described mainly with reference to FIGS.

ここでは、説明の便宜上、流入口３４から流入した冷却水５０が最初に渦発生体４０Ａを通過する場合について説明する。冷却水５０は、流入口３４から冷却水路３３内に流入する。この時、冷却水５０の流れは層流であり、熱伝達率は高くない。   Here, for convenience of explanation, a case will be described in which the cooling water 50 flowing in from the inlet 34 first passes through the vortex generator 40A. The cooling water 50 flows into the cooling water channel 33 from the inflow port 34. At this time, the flow of the cooling water 50 is a laminar flow, and the heat transfer coefficient is not high.

いま仮に、冷却水路３３内に渦発生体４０Ａが存在しない構成を想定すると、断面積が略一定である冷却水路３３では、冷却水５０が冷却水路３３内をその内壁に対して平行に流れる平行流冷却では、上流側から冷却水路３３の内壁との境界面に沿って冷却水５０の流れが低下し、熱伝達が低下する層（温度境界層）が形成され、冷却効率が悪化してしまう。   Assuming a configuration in which the vortex generator 40A does not exist in the cooling water channel 33, in the cooling water channel 33 having a substantially constant cross-sectional area, the cooling water 50 flows parallel to the inner wall of the cooling water channel 33 in parallel. In the flow cooling, the flow of the cooling water 50 decreases from the upstream side along the boundary surface with the inner wall of the cooling water channel 33, and a layer (temperature boundary layer) in which the heat transfer is reduced is formed, and the cooling efficiency is deteriorated. .

しかしながら、本実施例に係る半導体装置１０Ａは、冷却水路３３内に渦発生体４０Ａが設けられているため、冷却水５０が渦発生体４０Ａを通過すると、渦発生体４０Ａのすぐ下流部分に図４に示すような周期的な渦５１が発生する。このように渦５１が発生することにより温度境界層は破壊され、これにより渦５１の発生領域（図４に矢印Ｘで示す領域）における冷却効率を高めることができる。   However, since the vortex generator 40A is provided in the cooling water channel 33 in the semiconductor device 10A according to the present embodiment, when the cooling water 50 passes through the vortex generator 40A, the vortex generator 40A is illustrated in a portion immediately downstream of the vortex generator 40A. A periodic vortex 51 as shown in FIG. The generation of the vortex 51 destroys the temperature boundary layer, thereby improving the cooling efficiency in the region where the vortex 51 is generated (the region indicated by the arrow X in FIG. 4).

本実施例では、渦発生体４０Ａの配設数は各半導体素子対に対して１本であるが、この渦発生体４０Ａにより発生する渦５１の発生領域、即ち冷却効率が高まる領域は半導体素子２０の搭載位置の直下位置となる。このため、１本の渦発生体４０Ａであっても高い効率を持って半導体素子２０を冷却することが可能となる。   In this embodiment, the number of vortex generators 40A is one for each pair of semiconductor elements, but the generation region of vortices 51 generated by this vortex generator 40A, that is, the region where the cooling efficiency is increased is a semiconductor element. The position is directly below the 20 mounting position. For this reason, even if it is one vortex generator 40A, it becomes possible to cool the semiconductor element 20 with high efficiency.

図６は、渦発生体４０Ａを設けた際、冷却水路３３内における熱伝達率（W/m2K）の変化を示している。同図において横軸は冷却水路３３内の位置を示しており、渦発生体４０Ａは基準位置（０ｍｍ）から１５ｍｍ離間した位置に設けられている。また、同図において縦軸は熱伝達率を示している。尚、同図では、渦発生体４０Ａを設けない従来の熱伝達率についても合わせて示している。また、冷却水５０としてはLLC（エンジン冷却水）５０％水を用い、その温度は室温とした。 FIG. 6 shows a change in the heat transfer coefficient (W / m 2 K) in the cooling water channel 33 when the vortex generator 40A is provided. Oite horizontal axis in the figure indicates a position in the cooling water passage 33, the vortex generation body 40A is provided in the reference position (0 mm) from 15mm spaced locations. Moreover, in the same figure, the vertical axis | shaft has shown the heat transfer rate. In the figure, the conventional heat transfer coefficient without the vortex generator 40A is also shown. Further, as the cooling water 50, LLC (engine cooling water) 50% water was used, and its temperature was set to room temperature.

同図に示すように、渦発生体４０Ａを設けない従来の構成では、冷却水路の全域において熱伝達率は4000W/m2K程度である。半導体素子２０に対して有効な冷却を行うためには、熱伝達率は8000W/m2K以上であることが望ましい。よって、渦発生体４０Ａを設けない従来の構成では、半導体素子２０を有効に冷却することができない。 As shown in the figure, in the conventional configuration in which the vortex generator 40A is not provided, the heat transfer coefficient is about 4000 W / m 2 K throughout the cooling water channel. In order to effectively cool the semiconductor element 20, it is desirable that the heat transfer coefficient is 8000 W / m 2 K or more. Therefore, the conventional configuration in which the vortex generator 40A is not provided cannot effectively cool the semiconductor element 20.

これに対して本実施例のように冷却水路３３に渦発生体４０Ａを設けた構成では、渦発生体４０Ａが形成された１５ｍｍの位置から約３５ｍｍの位置の範囲（約２０ｍｍの範囲）において、熱伝達率が冷却の目標値となる8000W/m2Kを越すか、或いは略同じ値となっている。即ち、渦発生体４０Ａを設けることにより、約２０ｍｍの範囲の熱伝達率を8000W/m2Kとすることができる。また、本発明者は、図６に示す条件と同一の条件で、渦５１を可視する実験を行ったところ、この熱伝達率が上昇する範囲と、渦５１が発生する領域は略一致していることが分かった。 On the other hand, in the configuration in which the vortex generator 40A is provided in the cooling water passage 33 as in the present embodiment, in the range from the position of 15 mm where the vortex generator 40A is formed to the position of about 35 mm (range of about 20 mm), The heat transfer rate exceeds 8000 W / m 2 K, which is the target value for cooling, or approximately the same value. That is, by providing the vortex generator 40A, the heat transfer coefficient in the range of about 20 mm can be set to 8000 W / m 2 K. In addition, when the present inventor conducted an experiment for visualizing the vortex 51 under the same conditions as shown in FIG. 6, the range in which the heat transfer coefficient increases and the region where the vortex 51 is generated substantially coincide. I found out.

このように本実施例に係る半導体装置１０Ａによれば、半導体素子２０の上流側のみに１本の渦発生体４０Ａ（突起）を設けるだけで渦流が発生し、半導体素子２０の搭載領域における温度境界層が破壊され、半導体素子２０の冷却能力が向上する。従って、渦流を発生させるための構成が単純になり、半導体装置１０Ａのコスト低減及び小型化を図ることが可能となる。   As described above, according to the semiconductor device 10A according to the present embodiment, a vortex is generated only by providing one vortex generator 40A (protrusion) only on the upstream side of the semiconductor element 20, and the temperature in the mounting region of the semiconductor element 20 is increased. The boundary layer is destroyed, and the cooling capacity of the semiconductor element 20 is improved. Therefore, the configuration for generating the eddy current is simplified, and the cost and size of the semiconductor device 10A can be reduced.

また、上記のように渦発生体４０Ａを設けることにより熱伝達率は向上して放熱特性は向上するものの、渦発生体４０Ａは冷却水路３３の内部に突出するよう設けられるため、渦発生体４０Ａを設けることにより冷却水５０の圧力損失も大きくなる。冷却水５０の圧力損失が大きくなると冷却水５０の流速が遅くなり、また流速を維持するためには冷却水５０を流すポンプの出力を高める必要が生じる。よって、冷却効率を得ながら、かつ圧力損失の増加を抑える必要がある。   In addition, although the heat transfer coefficient is improved and the heat dissipation characteristics are improved by providing the vortex generator 40A as described above, the vortex generator 40A is provided so as to protrude into the cooling water channel 33. By providing this, the pressure loss of the cooling water 50 also increases. When the pressure loss of the cooling water 50 increases, the flow rate of the cooling water 50 decreases, and in order to maintain the flow rate, it is necessary to increase the output of the pump through which the cooling water 50 flows. Therefore, it is necessary to suppress an increase in pressure loss while obtaining cooling efficiency.

このためには、図４に示すように渦発生体４０Ａの冷却水路３３内への突出量をＨとし、冷却水路３３の高さをＤとした場合、その比（Ｈ／Ｄ）が0.25〜0.5となるよう設定することが望ましい。本発明者の実験では、この比（Ｈ／Ｄ）を0.25〜0.5とすることにより、熱伝達率及び圧力損失の大きな損失を抑制することができ、半導体素子２０の冷却を良好に行うことができた。   For this purpose, as shown in FIG. 4, when the amount of protrusion of the vortex generator 40A into the cooling water channel 33 is H and the height of the cooling water channel 33 is D, the ratio (H / D) is 0.25 to It is desirable to set it to 0.5. In the experiments of the present inventors, by setting the ratio (H / D) to 0.25 to 0.5, it is possible to suppress a large loss of heat transfer coefficient and pressure loss, and to cool the semiconductor element 20 satisfactorily. did it.

尚、上記した実施例では、渦発生体４０Ａの形状を断面が二等辺三角形の三角柱形状とした例を示した。しかしながら、渦発生体の形状はこれに限定されるものではない。図９（Ｂ）〜（Ｅ）に示すような各種形状の渦発生体４０Ｂ〜４０Ｆとすることが可能である。また、このように渦発生体４０Ｂ〜４０Ｆの形状を変化することにより、渦発生体４０Ｂ〜４０Ｆの下流側に発生する渦５１の発生状態を可変することができる。   In the above-described embodiment, an example in which the shape of the vortex generator 40A is a triangular prism shape with a cross section of an isosceles triangle is shown. However, the shape of the vortex generator is not limited to this. The vortex generators 40B to 40F having various shapes as shown in FIGS. In addition, by changing the shapes of the vortex generators 40B to 40F in this way, the generation state of the vortex 51 generated on the downstream side of the vortex generators 40B to 40F can be varied.

次に、本発明の第２実施例について説明する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described.

図７及び図８は、第２実施例である半導体装置１０Ｂを示している。尚、図７及び図８において、第１実施例に係る半導体装置１０Ａの説明に用いた図１乃至図６に示した構成と対応する構成については、同一符号を付してその説明を省略するものとする。 7 and 8 show a semiconductor device 10B according to the second embodiment. 7 and 8 , the same reference numerals are given to the components corresponding to those shown in FIGS. 1 to 6 used for the description of the semiconductor device 10A according to the first embodiment, and the description thereof is omitted. Shall.

前記した第１実施例に係る半導体装置１０Ａは、冷却装置３０Ａを構成する上部冷却ケース３１に形成された冷却水路３３に渦発生体４０Ａを突出するよう形成し、これにより渦５１を発生する構成とした。   In the semiconductor device 10A according to the first embodiment described above, the vortex generator 40A is formed so as to protrude in the cooling water passage 33 formed in the upper cooling case 31 constituting the cooling device 30A, thereby generating the vortex 51. It was.

これに対して本実施例に係る半導体装置１０Ｂは、冷却水路３３に複数の冷却フィン６０を形成し、この冷却フィン６０に渦発生体４０Ｂを突出するよう形成したことを特徴とするものである。図８は、１つの渦発生体４０Ｂを拡大して示す図である。同図に示すように、渦発生体４０Ｂは平板状の冷却フィン６０に渦発生体４０Ｂを突出するよう形成した構成を有している。 On the other hand, the semiconductor device 10B according to the present embodiment is characterized in that a plurality of cooling fins 60 are formed in the cooling water channel 33, and the vortex generator 40B is formed to protrude from the cooling fins 60. is there. FIG. 8 is an enlarged view showing one vortex generator 40B. As shown in the figure, the vortex generator 40B has a configuration in which the vortex generator 40B is formed on the flat cooling fin 60 so as to protrude.

この冷却フィン６０は、図７に示すように、冷却水路３３内に立てた状態で複数枚が平行に立設された構成とされている。よって冷却水５０は、この立設された複数の冷却フィン６０の間を流れる構成とされている。また、渦発生体４０Ｂは、冷却水５０の流れ方向に対して直交する方向に形成されている。   As shown in FIG. 7, the cooling fins 60 are configured such that a plurality of the cooling fins 60 are erected in parallel while standing in the cooling water channel 33. Therefore, the cooling water 50 is configured to flow between the plurality of standing cooling fins 60. The vortex generator 40B is formed in a direction orthogonal to the flow direction of the cooling water 50.

また、第１実施例に係る半導体装置１０Ａと同様に、渦発生体４０Ｂは冷却水路３３の半導体素子２０の搭載位置の上流側にのみに配設された構成とされている（図７（Ｂ）参照）。具体的には、冷却水路３３内に配設された複数の冷却フィン６０の各々において、渦発生体４０Ｂは各半導体素子対に対し１個のみ設けられた構成とされている。また、渦発生体４０Ｂの幅寸法（冷却水５０の流れ方向に対して直交する方向）は、冷却フィン６０の幅寸法（冷却水路３３の高さＤと等価）と略同じ長さとされている。   Similarly to the semiconductor device 10A according to the first embodiment, the vortex generator 40B is disposed only on the upstream side of the mounting position of the semiconductor element 20 in the cooling water channel 33 (FIG. 7B). )reference). Specifically, in each of the plurality of cooling fins 60 disposed in the cooling water channel 33, only one vortex generator 40B is provided for each semiconductor element pair. The width dimension of the vortex generator 40B (direction perpendicular to the flow direction of the cooling water 50) is substantially the same as the width dimension of the cooling fin 60 (equivalent to the height D of the cooling water channel 33). .

上記構成とされた渦発生体４０Ｂを冷却水路３３内に配設することにより、冷却水５０が渦発生体４０Ｂを通過すると、渦発生体４０Ｂのすぐ下流部分に第１実施例と同様に周期的な渦５１が発生する。そして、渦５１が発生することにより、冷却水路３３内に形成されている温度境界層は破壊され、これにより渦５１の発生領域（図４に矢印Ｘで示す領域）における冷却効率が上昇する。   By disposing the vortex generator 40B having the above-described configuration in the cooling water passage 33, when the cooling water 50 passes through the vortex generator 40B, a cycle is provided in the portion immediately downstream of the vortex generator 40B in the same manner as in the first embodiment. Vortex 51 is generated. When the vortex 51 is generated, the temperature boundary layer formed in the cooling water channel 33 is destroyed, and the cooling efficiency in the region where the vortex 51 is generated (the region indicated by the arrow X in FIG. 4) increases.

本実施例においても渦発生体４０Ｂの配設数は各半導体素子対に対して１本であるが、この渦発生体４０Ｂにより発生する渦５１の発生領域（冷却効率が高まる領域）は半導体素子２０の搭載位置の直下位置となる。このため、本実施例に係る半導体装置１０Ｂにおいても、１本の渦発生体４０Ａで半導体素子２０を確実に冷却することが可能となる。よって、本実施例に係る半導体装置１０Ｂでも、半導体素子２０の上流側のみに１本の渦発生体４０Ａ（突起）を設けるだけで半導体素子２０の冷却能力を向上させることができ、渦流を発生させるための構成が単純になり、半導体装置１０Ｂのコスト低減及び小型化を図ることが可能となる。   Also in the present embodiment, the number of vortex generators 40B is one for each semiconductor element pair, but the generation area (area where the cooling efficiency is increased) of the vortex 51 generated by this vortex generator 40B is a semiconductor element. The position is directly below the 20 mounting position. For this reason, also in the semiconductor device 10B according to the present embodiment, the semiconductor element 20 can be reliably cooled by the single vortex generator 40A. Therefore, also in the semiconductor device 10B according to the present embodiment, the cooling capability of the semiconductor element 20 can be improved by providing only one vortex generator 40A (protrusion) only on the upstream side of the semiconductor element 20, and eddy current is generated. Therefore, the configuration for making the semiconductor device 10B simpler and the semiconductor device 10B can be reduced in cost and size.

尚、上記した各実施例では、半導体装置１０Ａ，１０Ｂをハイブリッド車等の電力変換のために使用した例を示したが、本願発明の適用はこれに限定されるものではなく、各種の発熱素子の冷却に広く利用可能なものである。   In each of the above-described embodiments, the semiconductor devices 10A and 10B are used for power conversion of a hybrid vehicle or the like. However, the application of the present invention is not limited to this, and various heating elements are used. It can be widely used for cooling.

図１は、本発明の第１実施例である半導体装置の平面図である。FIG. 1 is a plan view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 図２は、図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 図３は、図２におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図である。3 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 図４は、渦発生体による渦の発生状態を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a vortex generation state by the vortex generator. 図５は、渦発生体の斜視図である。FIG. 5 is a perspective view of the vortex generator. 図６は、渦発生体を設けた場合の冷却水路内の熱伝達率分布を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a heat transfer coefficient distribution in the cooling water channel when a vortex generator is provided. 図７は、本発明の第２実施例である半導体装置を説明するための図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は図７（Ａ）におけるＡ−Ａ線に沿う断面図、（Ｃ）は図７（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図である。7A and 7B are diagrams for explaining a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, in which FIG. 7A is a plan view, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. (C) is sectional drawing which follows the BB line in FIG. 7 (A). 図８は、第２実施例である半導体装置の冷却ファンを拡大して示す斜視図である。FIG. 8 is an enlarged perspective view showing a cooling fan of the semiconductor device according to the second embodiment. 図９は、渦発生体の各種変形例を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing various modifications of the vortex generator.

符号の説明Explanation of symbols

１０Ａ，１０Ｂ 半導体装置
２０ 半導体素子
２１ 絶縁基板
３０Ａ，３０Ｂ 冷却装置
３１ 上部冷却ケース
３２ 下部冷却ケース
３３ 冷却水路
４０Ａ〜４０Ｆ 渦発生体
５０ 冷却水
５１ 渦
６０ 冷却フィン
10A, 10B Semiconductor device 20 Semiconductor element 21 Insulating substrate 30A, 30B Cooling device 31 Upper cooling case 32 Lower cooling case 33 Cooling water channels 40A-40F Vortex generator 50 Cooling water 51 Vortex 60 Cooling fin

Claims (3)

半導体素子と、
該半導体素子を冷却する冷却装置とを有する半導体装置であって、
前記冷却装置は、
該半導体素子が搭載されると共に、内部に流入口から流出口に向けて冷却水が流れる冷却水路と、
該冷却水路の前記半導体素子の搭載位置の上流側のみに配設され、前記冷却水に渦を発生させる渦発生体とを有し、
かつ、前記渦発生体の前記冷却水路内への突出量をＨとし、前記冷却水路の高さをＤとしたとき、該突出量（Ｈ）と該高さ（Ｄ）の比（Ｈ／Ｄ）を０．２５以上、０．５以下に設定したことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor element;
A semiconductor device having a cooling device for cooling the semiconductor element,
The cooling device is
The semiconductor element is mounted, and a cooling water channel through which cooling water flows from the inlet to the outlet,
A vortex generator that is disposed only upstream of the mounting position of the semiconductor element in the cooling water channel, and generates a vortex in the cooling water ;
Further, when the protrusion amount of the vortex generator into the cooling water channel is H and the height of the cooling water channel is D, the ratio of the protrusion amount (H) to the height (D) (H / D ) Is set to 0.25 or more and 0.5 or less . 前記冷却装置は、
前記半導体素子が搭載される上部冷却ケースと、
該上部冷却ケースの下部に配設されて前記冷却水路を形成する下部冷却ケースとを有し、
かつ、前記渦発生体を前記上部冷却ケースに設けた構成であること特徴とする請求項１記載の半導体装置。 The cooling device is
An upper cooling case on which the semiconductor element is mounted;
A lower cooling case disposed at a lower portion of the upper cooling case to form the cooling water channel,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the vortex generator is provided in the upper cooling case. 前記冷却装置は、
前記半導体素子が搭載される上部冷却ケースと、
該上部冷却ケースの下部に配設されて前記冷却水路を形成する下部冷却ケースと、
前記冷却水路内に立設された冷却フィンとを有し、
かつ、前記渦発生体を前記冷却フィンに前記冷却水の流れ方向に対して直交する方向に突出するよう設けたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。 The cooling device is
An upper cooling case on which the semiconductor element is mounted;
A lower cooling case disposed at a lower portion of the upper cooling case to form the cooling water channel;
Cooling fins standing in the cooling water channel,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the vortex generator is provided on the cooling fin so as to protrude in a direction perpendicular to the flow direction of the cooling water.
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