JP5232133B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
この発明は、半導体装置に関し、より特定的には、半導体素子を冷却可能な半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device capable of cooling a semiconductor element.
従来、半導体装置は、たとえば特開2006−5014号公報(特許文献1)、特開2008−16872号公報(特許文献2)および特開平10−22428号公報(特許文献3)に開示されている。 Conventionally, semiconductor devices are disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-5014 (Patent Document 1), Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-16872 (Patent Document 2), and Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-22428 (Patent Document 3). .
従来の技術では、半導体モジュールと冷却管を積層構造にして半導体モジュールの両面を冷却している。しかしながら、冷却性能の向上、ばらつきの改善および熱による半導体モジュールの反りや変形等を改善することが困難であるという問題があった。 In the conventional technique, the semiconductor module and the cooling pipe are laminated to cool both sides of the semiconductor module. However, there is a problem that it is difficult to improve the cooling performance, improve the variation, and improve the warp or deformation of the semiconductor module due to heat.
そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、半導体素子の冷却性能を向上させ、かつ熱による半導体モジュールの反りまたは変形等を抑制することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and is a semiconductor device capable of improving the cooling performance of a semiconductor element and suppressing warpage or deformation of the semiconductor module due to heat. The purpose is to provide.
この発明に従った半導体装置は、半導体素子を含む半導体モジュールと、半導体モジュールに嵌合する、ノズルを有する冷却器とを備え、半導体モジュールは、半導体素子が接合される、ノズルの先端部を挿入可能な開口部を有する筒状の熱拡散部と、開口部の内側面に設けられたフィンと、半導体素子と熱拡散部とを一体化するモールド部とを含み、冷却器は、ノズルを介して熱拡散部に冷媒を衝突させて熱拡散部に接合された半導体素子を冷却する。 A semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor module including a semiconductor element, and a cooler having a nozzle that fits into the semiconductor module, and the semiconductor module inserts the tip of the nozzle to which the semiconductor element is bonded. A cylindrical heat diffusing portion having a possible opening, a fin provided on an inner surface of the opening, and a mold unit that integrates the semiconductor element and the heat diffusing unit. Then, the semiconductor element joined to the heat diffusion part is cooled by colliding the refrigerant with the heat diffusion part.
このように構成された半導体装置では、噴出衝突した冷媒が熱拡散部の内側面に行き渡って熱拡散部が万遍なく冷却されるので、熱拡散部に接合された半導体素子を冷却する能力が向上する。また、熱拡散部と半導体素子とがモールド部で一体化されているため、熱による半導体素子の反りおよび変形を低減することができる。 In the semiconductor device configured as described above, since the jetted and collided refrigerant reaches the inner surface of the thermal diffusion unit and the thermal diffusion unit is uniformly cooled, the ability to cool the semiconductor element joined to the thermal diffusion unit is provided. improves. Moreover, since the thermal diffusion part and the semiconductor element are integrated in the mold part, warpage and deformation of the semiconductor element due to heat can be reduced.
好ましくは、複数の半導体モジュールは冷却器に並列に配置されている。この場合、冷媒供給部により各半導体素子を冷却することができるため、従来のように一箇所の噴流による上流および下流管での冷却能力の差が少なくなる。その結果、複数の半導体素子を有する半導体装置に最適な冷却構造を提供することができる。 Preferably, the plurality of semiconductor modules are arranged in parallel with the cooler. In this case, since each semiconductor element can be cooled by the refrigerant supply unit, the difference in cooling capacity between the upstream and downstream pipes due to a single jet is reduced as in the prior art. As a result, a cooling structure optimal for a semiconductor device having a plurality of semiconductor elements can be provided.
好ましくは、冷却器は半導体モジュールに着脱自在に嵌合する。
好ましくは、冷却器は、冷却器内に配置された冷媒供給部を含み、冷媒供給部からノズルを経由して熱拡散部に冷媒が送られ、熱拡散部と接触した冷媒は冷却器に集められる。
Preferably, the cooler is detachably fitted to the semiconductor module.
Preferably, the cooler includes a coolant supply unit disposed in the cooler, and the coolant is sent from the coolant supply unit to the heat diffusion unit via the nozzle, and the refrigerant in contact with the heat diffusion unit is collected in the cooler. It is done.
好ましくは、熱拡散部には、熱拡散部を構成する材料よりも熱伝導性の高い熱伝導材が埋め込まれている。 Preferably, a thermal conductive material having higher thermal conductivity than the material constituting the thermal diffusion unit is embedded in the thermal diffusion unit.
好ましくは、熱拡散部には複数の半導体素子が接合されている。 Preferably, a plurality of semiconductor elements are joined to the thermal diffusion part.
この発明に従えば、半導体素子の冷却性能が向上し、かつ熱による半導体モジュールの反りまたは変形も低減することが可能となった半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device in which the cooling performance of the semiconductor element is improved and the warpage or deformation of the semiconductor module due to heat can be reduced.
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。また、各実施の形態を組合せることも可能である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated. In addition, the embodiments can be combined.
(実施の形態1)
図1は、この発明の実施の形態1に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。図2は、図1中のII−II線に沿った、フィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。図1および図2を参照して、半導体装置1は、半導体モジュール7と冷却器8とから構成されている。半導体冷却モジュールとしての半導体モジュール7は、半導体素子2、入力電極3A、出力電極3B、絶縁材4、熱拡散部5を有し、これらが互いに接合され、これら全体が樹脂モールド6により一体固定されている。熱拡散部5は円筒または角筒の高熱伝導性材料(銅またはアルミニウム等)により構成される。半導体素子2との接合部の反対側に開口部5aを有し、内部に放熱フィン9が放射状に形成されている。また、外周部には、着脱機能を有した接続部10が形成されている。接続部10は、ねじ、クイックカップリングまたはOリング溝等により構成される。半導体素子2の種類は特に限定されないが、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)のような発熱量の大きな半導体素子2に本発明を適用すれば、効果が高い。
(Embodiment 1)
1 is a cross-sectional view of a semiconductor device having a semiconductor module according to
半導体モジュール7は、接続部10にて冷却器8と接続される。冷却器8に形成されたノズル部11より、熱拡散部の開口部5a内へ冷媒12が矢印12aで示す方向に噴出し、熱拡散部5の放熱フィン9において熱交換(冷却)が行なわれる。冷却器8の形状は、この例では角筒形状であるが、この例に限られず、円筒形状であってもよい。冷却器8の中に冷媒供給部111が設けられる。冷媒供給部111は、この例では角筒形状であるが、この例に限られず、円筒形状であってもよい。
The
噴出された冷媒は矢印12bで示す方向に折り返して流れ、そして矢印12cで示す方向に排出される。
The jetted refrigerant flows back in the direction indicated by the
半導体装置1は、半導体素子2を含む半導体モジュール7と、半導体モジュール7に嵌合する、ノズル部11を有する冷却器8とを備え、半導体モジュール7は、半導体素子2が接合される、ノズル部11の先端部を挿入可能な開口部5aを有する筒状の熱拡散部5と、開口部5aの内側面に設けられたフィン9と、半導体素子2と熱拡散部5とを一体化するモールド部としての樹脂モールド6とを含み、冷却器8は、ノズル部11を介して熱拡散部5に冷媒12を衝突させて熱拡散部5に接合された半導体素子2を冷却する。冷却器8は半導体モジュール7に着脱自在に嵌合する。冷却器8は、冷却器8内に配置された冷媒供給部111を含み、冷媒供給部111からノズル部11を経由して熱拡散部5に冷媒12が送られ、熱拡散部5と熱交換した冷媒12は冷却器8に集められる。
The
(実施の形態2)
図3は、この発明の実施の形態2に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。図4は、図3中のIV−IV線に沿った、フィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。図5は、図3中の矢印Vで示す方向から見た半導体モジュールを有する半導体装置の図である。図6は、図5中のVI−VI線に沿った、フィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a cross-sectional view of a semiconductor device having a semiconductor module according to the second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view of the fins and the refrigerant supply nozzle along the line IV-IV in FIG. FIG. 5 is a diagram of a semiconductor device having a semiconductor module viewed from the direction indicated by the arrow V in FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of the fins and the refrigerant supply nozzle along the line VI-VI in FIG.
実施の形態2では、半導体素子2が2個設置される半導体装置の例を示している。この場合、熱拡散部5内には、板状の放熱フィン9が平行に配置されて長手方向がフィン列に対して直角に設定された矩形のノズル部11から冷媒12が噴出される。なお、これらの構成において、放熱フィン9の形状は、板状のほか、ピン形状や微細溝形状で構成されていてもよい。
In the second embodiment, an example of a semiconductor device in which two
また、ノズル部11の開口は、単一の孔である必要はなく、多孔性であってもよく、端部に切欠が形成されていてもよい。
Moreover, the opening of the
さらに、ノズル部11の先端が、熱拡散部5の開口部内底面までの距離(衝突距離)は、ノズル開口部相当直径の10倍以下に設定されることが好ましい。噴流の衝突および撹乱効果が得られ、高い熱伝導率が維持される。一般に、この距離は6から8倍で最大となる。
Further, the distance (collision distance) from the tip of the
上述のような実施例1および2の構成を採用することで、モジュール部品の故障および不具合が発生しても、個別に着脱および交換が可能なため、半導体装置1の全損を回避できる。
By adopting the configurations of the first and second embodiments as described above, even if a module component fails or malfunctions, it can be individually attached and detached and replaced, so that the entire loss of the
また、液体による冷却の性能低下の要因となる、放熱フィン9への汚れおよび析出物の定期的な除去が可能となる。汚れおよび析出物として、ごみの付着、沸騰時のスケール付着等があり、これらは熱抵抗として作用する。
In addition, it is possible to periodically remove dirt and deposits on the
さらに、素子を実装する半導体モジュール7と冷却器8をロウ付けおよびはんだ付け等で接合する大掛かりな熱および圧力製造工程が不要であり、コストを削減することができる。
Furthermore, a large-scale heat and pressure manufacturing process for joining the
また、熱拡散部5の高い剛性による反りの抑制、および樹脂モールド6による接合部材の拘束(部材間の線膨張差に起因する歪を抑制)により、熱応力を低減することができる。
Further, thermal stress can be reduced by suppressing warpage due to the high rigidity of the
また、半導体モジュール7と冷却器8はねじ等の接続部10を介しての接合であり、完全密着(接合)ではないため、装置動作時の熱膨張による応力および歪の影響が少ない構造となる。すなわち、応力を緩和する作用がある。
Further, since the
また、上記熱および圧力を用いた製造工程が不要なため、組付け工程に起因した熱変形等の諸問題を回避することができる。 Moreover, since the manufacturing process using the heat and pressure is not necessary, problems such as thermal deformation caused by the assembly process can be avoided.
さらに、半導体素子2の直下への衝突噴流と熱拡散部5の伝熱面積の増大および高熱容量化により、高熱伝達率が得られる。
Furthermore, a high heat transfer coefficient can be obtained by an impinging jet directly below the
(実施の形態3)
図7は、この発明の実施の形態3に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。図8は、図7中のVIII−VIII線に沿った、フィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。図9は、図7および図8で示す半導体装置において半導体モジュールと一方の冷却器とが離された状態を示す斜視図である。
(Embodiment 3)
FIG. 7 is a sectional view of a semiconductor device having a semiconductor module according to the third embodiment of the present invention. FIG. 8 is a cross-sectional view of the fins and the refrigerant supply nozzle along the line VIII-VIII in FIG. FIG. 9 is a perspective view showing a state where the semiconductor module and one cooler are separated from each other in the semiconductor device shown in FIGS. 7 and 8.
図7から図9を参照して、この発明の実施の形態3に従った半導体装置1では、出力電極3Bを中心として、その両側に半導体素子2、入力電極3A、絶縁材4、熱拡散部5が順に左右対称に配置され、全体を樹脂モールド6により一体固定化された半導体モジュール7と、冷却器とから半導体装置1が構成されている。
7 to 9, in
半導体モジュール7の両端は、熱拡散部5の開口部5aとなっており、内部には、放熱フィン9、外周部には着脱機能を有した接続部10が形成されている。半導体モジュール7は、接続部10を介して冷却器8と結合し、冷却器8のノズル部11より噴出した冷媒12と放熱フィン9間で熱交換(冷却)が行なわれる。
Both ends of the
入力電極3Aおよび出力電極3Bは、互いに平行に配置され、電気系コネクタ13と接合する。半導体装置1は、冷却器8に複数の半導体モジュール7を装着し、電気系コネクタ13を半導体モジュール7の入力電極3Aおよび出力電極3Bに接続して組付けられる。
The input electrode 3 </ b> A and the output electrode 3 </ b> B are arranged in parallel to each other and are joined to the
すなわち、2つの冷却器8,108によって半導体モジュール7が冷却される。複数の半導体モジュール7は冷却器8,108に並列に配置されている。
That is, the
このように構成された半導体装置1では、半導体モジュール7は、出力電極3Bを中心として対称形状を有するため、線膨張係数差などに起因した反りおよび変形を低減することができる。
In the
また、正負の入力電極3Aが近接平行配置となるため、寄生インダクタンス(L)が打消され(相互インダクタンス効果)また、スイッチング損失が低減される。スイッチング損失は寄生インダクタンスに比例する。
Further, since the positive and
(実施の形態4)
図10は、比較例に従った、熱拡散部が平坦形状であり端部での冷却性能が低い冷却構造を示す図である。比較例に従った半導体装置1では、絶縁材4の両側に接合材4a,4bが設けられている。噴流衝突部の中心付近は高い熱伝導率(冷却性能)が得られるが、半径方向に沿って冷却性能が低下していく。すなわち、矢印12aで示す方向に噴出した冷媒12が衝突する部分では最も冷却性能が高く、この部分から矢印12bで示す方向に拡散するに従って冷却性能が低下する。衝突面(底面)にフィンを配置する場合、拡大伝熱面積の確保をするためフィンの微細化や規定面積の拡張を行なうと、圧損増加やモジュールの大型化を招く。
(Embodiment 4)
FIG. 10 is a diagram illustrating a cooling structure according to a comparative example in which the heat diffusion portion has a flat shape and the cooling performance at the end portion is low. In the
図11は、この発明の実施の形態4に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。図12は、図11中のXII−XII線に沿った、フィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。図13は、図11で示す半導体装置における、半導体素子から発生した熱の流れを示す図である。 FIG. 11 is a sectional view of a semiconductor device having a semiconductor module according to the fourth embodiment of the present invention. 12 is a cross-sectional view of the fins and the refrigerant supply nozzle along the line XII-XII in FIG. FIG. 13 is a diagram showing a flow of heat generated from the semiconductor element in the semiconductor device shown in FIG.
図11から図13を参照して、半導体素子2、絶縁材4、および熱拡散部5の順で積層され、ノズル部11を介して熱拡散部5に向けて冷媒12を噴出し、この冷媒により冷却するヒートシンク構造において、熱拡散部5は円筒もしくは角柱形状であり、素子接合面と対向する側に開口部5aを有し、中空形状であり、内部側面および底面に放熱フィン9が形成されている。半導体素子2から発生した熱は、矢印2a,2b,2cで示す方向に流れて熱拡散部5へ伝わり、さらに熱拡散部5内において矢印2d,2eで示す方向に流れることで冷媒12に熱が伝達される。なお、この実施の形態を含む以降の実施の形態では、樹脂モールドおよび冷却器の記載を省略している。
Referring to FIG. 11 to FIG. 13, the
このように構成された半導体装置1では、熱拡散部5内部側面に放熱フィン9を配置することで、半導体素子2周りの冷却能力(等価熱伝達率)が大幅に向上する。その結果、素子周囲部温度低下に伴う温度差を駆動力として素子発熱量の多くが熱拡散部5の側面を介して冷却されるため、半導体素子2の冷却が均一化される。また、半導体素子2からの熱流れを均一化することで、半導体素子2直下の噴流衝突部の熱負荷が軽減され、素子温度の低下が図れる。
In the
さらに、熱拡散部5の厚さTと高さH(放熱フィン長さ)を適正に設定することにより、同一フィン仕様および基底面積で周囲部の冷却性能を増加させることができるため、性能向上のためのフィンの微細化や基底面積の拡大等することがなく、これらによって生じる問題を回避できる。たとえば、フィンの微細化をすれば製造コストが上昇し、基底面積を拡大すれば、モジュール投影面積が増加し、大型化に繋がるという問題がある。
Furthermore, by properly setting the thickness T and height H (radiation fin length) of the
(実施の形態5)
図14は、この発明の実施の形態5に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。図15は、図14中のXV−XV線に沿った、フィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。図16は、図14で示す半導体装置における、半導体素子から発生した熱の流れを示す図である。
(Embodiment 5)
FIG. 14 is a sectional view of a semiconductor device having a semiconductor module according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 15 is a cross-sectional view of the fins and the refrigerant supply nozzle along the line XV-XV in FIG. FIG. 16 is a diagram showing a flow of heat generated from the semiconductor element in the semiconductor device shown in FIG.
図14から図16を参照して、この発明の実施の形態5に従った半導体装置1では、フィンの形状が、放射状となっている。放熱フィン9は、中心から外周に向けて延びており、矢印12bで示す冷媒の流れもこの方向に沿って流れる。
Referring to FIGS. 14 to 16, in
このように構成された実施の形態5に従った半導体装置1では、実施の形態1に従った半導体装置1と同様の効果がある。
The
(実施の形態6)
図17は、この発明の実施の形態6に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。図18は、図17中のXVIII−XVIII線に沿ったフィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。図19は、図17で示す半導体装置における、半導体素子から発生した熱の流れを示す図である。
(Embodiment 6)
FIG. 17 is a cross sectional view of a semiconductor device having a semiconductor module according to the sixth embodiment of the present invention. 18 is a cross-sectional view of the fins and the refrigerant supply nozzle along the line XVIII-XVIII in FIG. FIG. 19 is a diagram showing a flow of heat generated from the semiconductor element in the semiconductor device shown in FIG.
図17から図19を参照して、この発明の実施の形態6に従った半導体装置では、熱拡散部5の一部分に熱伝導材51が充填されている。熱伝導材51は、熱拡散部5の外周部内に設けられ異方性の高熱伝導材料である。この材料として配向性グラファイト(熱伝導率1kW/mK)または自励式ヒートパイプ(熱伝導率>1kW/mK)などがある。このような構成を採用することで、外周部の熱伝導率が大幅に向上し、均一冷却をより確実に図ることができる。熱拡散部5には、熱拡散部5を構成する材料よりも熱伝導性の高い熱伝導材51が埋め込まれている。
Referring to FIGS. 17 to 19, in the semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention, a part of
(実施の形態7)
図20は、この発明の実施の形態7に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。図21は、図20中の矢印XXI−XXI線に沿ったフィンと冷媒供給用のノズルの断面図である。図22は、図20で示す半導体装置における、半導体素子から発生した熱の流れを示す図である。
(Embodiment 7)
FIG. 20 is a sectional view of a semiconductor device having a semiconductor module according to the seventh embodiment of the present invention. FIG. 21 is a cross-sectional view of the fin and the refrigerant supply nozzle along the arrow XXI-XXI line in FIG. FIG. 22 is a diagram showing a flow of heat generated from the semiconductor element in the semiconductor device shown in FIG.
実施の形態7に従った半導体装置1では、複数の半導体素子2,21,31が熱拡散部5に搭載されている。熱拡散部5の側面に半導体素子2よりも低熱負荷の半導体素子21,31を配置する。熱拡散部5には複数の半導体素子2,21,31が接合されている。これにより、ヒートシンク構造を三次元的に活用することで、モジュールの体格の低減を図ることができる。
In
今回開示された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と考えられるべきである。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が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
この発明は、たとえば車両に搭載される半導体装置の分野において用いることができる。 The present invention can be used, for example, in the field of semiconductor devices mounted on vehicles.
1 半導体装置、2,21,31 半導体素子、3A 入力電極、3B 出力電極、4a,4b 接合材、4 絶縁材、5 熱拡散部、5a 開口部、6 樹脂モールド、7 半導体モジュール、8,108 冷却器、9 放熱フィン、10 接続部、11 ノズル部、12 冷媒、13 電気系コネクタ、51 熱伝導材、111 冷媒供給部。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記半導体モジュールに嵌合する、ノズルを有する冷却器とを備え、
前記半導体モジュールは、
前記半導体素子が接合される、ノズルの先端部を挿入可能な開口部を有する筒状の熱拡散部と、
前記開口部の内側面に設けられたフィンと、
前記半導体素子と前記熱拡散部とを一体化するモールド部とを含み、
前記冷却器は、ノズルを介して前記熱拡散部に冷媒を衝突させて前記熱拡散部に接合された前記半導体素子を冷却する、半導体装置。 A semiconductor module including a semiconductor element;
A cooler having a nozzle that fits into the semiconductor module;
The semiconductor module is
A cylindrical heat diffusion part having an opening into which the tip part of the nozzle can be inserted, to which the semiconductor element is joined,
A fin provided on an inner surface of the opening;
Including a mold part for integrating the semiconductor element and the thermal diffusion part,
The said cooler is a semiconductor device which cools the said semiconductor element joined to the said thermal diffusion part by making a refrigerant collide with the said thermal diffusion part through a nozzle.
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