JP5397340B2 - Semiconductor cooling device - Google Patents
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Description
本発明は、電極部に半導体素子と蓄熱材とが実装された半導体冷却装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor cooling device in which a semiconductor element and a heat storage material are mounted on an electrode portion.
従来より、冷却器の上に金属基板および絶縁基板が順に積層され、絶縁基板の上に電極を介して半導体素子が設けられた電力変換装置が、例えば特許文献1で提案されている。 Conventionally, for example, Patent Document 1 proposes a power conversion device in which a metal substrate and an insulating substrate are sequentially stacked on a cooler, and a semiconductor element is provided on the insulating substrate via an electrode.
この電力変換装置では、蓄熱器が半導体素子の上や半導体素子の周囲の絶縁基板上に設けられている。蓄熱器は、内部に収納された素材が半導体素子の使用可能上限温度よりわずかに低い温度で固体から液体に相変化することで半導体素子の熱を一時的に吸収し、吸収した熱をその後に放出するものである。 In this power converter, the heat accumulator is provided on the semiconductor element or on the insulating substrate around the semiconductor element. The heat accumulator temporarily absorbs the heat of the semiconductor element by the phase change from solid to liquid at a temperature slightly lower than the usable upper limit temperature of the semiconductor element, and the absorbed heat is thereafter To be released.
このように、電力変換装置に蓄熱器が設けられていることで、半導体素子が発熱して急激に温度上昇した場合に半導体素子の熱が半導体素子上の蓄熱器や半導体素子周辺の蓄熱器に一時的に吸収されるので、半導体素子の急激な温度上昇が抑制されるようになっている。 As described above, since the heat storage device is provided in the power conversion device, when the semiconductor element generates heat and the temperature rapidly increases, the heat of the semiconductor element is transferred to the heat storage device on the semiconductor element or the heat storage device around the semiconductor element. Since it is temporarily absorbed, a rapid temperature rise of the semiconductor element is suppressed.
しかしながら、上記従来の技術では、半導体素子の周囲に設けられた蓄熱器は金属よりも熱伝導率が低い絶縁基板の上に配置されているため、半導体素子の熱が半導体素子周辺の蓄熱器に伝導されにくいという問題があった。また、短時間で急激に高温となる過渡的な温度上昇が半導体素子に起こった場合、半導体素子の上の蓄熱器だけでは熱を吸収しきれず、さらに半導体素子周辺の蓄熱器にも熱が伝導しにくいため、容易に半導体素子の動作限界温度に達してしまう。 However, in the above conventional technique, the heat accumulator provided around the semiconductor element is disposed on the insulating substrate having a lower thermal conductivity than the metal, so that the heat of the semiconductor element is transferred to the heat accumulator around the semiconductor element. There was a problem that it was difficult to conduct. In addition, when a transient temperature rise that suddenly becomes high in a short time occurs in a semiconductor element, heat cannot be absorbed by only the regenerator above the semiconductor element, and heat is also conducted to the regenerator around the semiconductor element. Therefore, the operation limit temperature of the semiconductor element is easily reached.
また、半導体素子を小型化した場合や半導体素子に流す電流を大きくした場合には半導体素子の発熱密度が増加する。このため、上記のように半導体素子に過渡的な温度上昇が発生した場合、半導体素子の熱を蓄熱器に伝導させる前に半導体素子が容易に動作限界温度に達してしまう。 Further, when the semiconductor element is downsized or when the current flowing through the semiconductor element is increased, the heat generation density of the semiconductor element increases. For this reason, when a transient temperature rise occurs in the semiconductor element as described above, the semiconductor element easily reaches the operating limit temperature before the heat of the semiconductor element is conducted to the regenerator.
なお、特開2008−227342号公報では、金属製の電極の上に半導体素子および蓄熱器を設け、さらに蓄熱器と電極とを同じ材料で構成したものが提案されている。これにより、電極と蓄熱器との接合界面の熱抵抗は低減するが、金属の熱伝導率には限界があるため、上述のように半導体素子の発熱密度が増加した場合では半導体素子の過渡的な熱を円滑に蓄熱器に伝導できず、半導体素子が当該過渡的な温度上昇で故障してしまうという問題がある。 In JP 2008-227342 A, a semiconductor element and a heat accumulator are provided on a metal electrode, and the heat accumulator and the electrode are made of the same material is proposed. This reduces the thermal resistance of the bonding interface between the electrode and the heat accumulator, but there is a limit to the thermal conductivity of the metal, so when the heat generation density of the semiconductor element increases as described above, the transient of the semiconductor element There is a problem that the heat cannot be smoothly conducted to the regenerator and the semiconductor element fails due to the transient temperature rise.
本発明は上記点に鑑み、半導体素子に発生する過渡的な熱を効率良く蓄熱材に伝導させることができる半導体冷却装置を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the semiconductor cooling device which can conduct the transient heat which generate | occur | produces in a semiconductor element to a thermal storage material efficiently in view of the said point.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、半導体素子(51)と一面(55a)で当接すると共に半導体素子(51)と電気的に接続された電極部(55)と、一面(55a)とは別の電極部(55)の他面(55b)側に設けられ、電極部(55)を介して半導体素子(51)を冷却する冷却器(10)と、を備えた半導体冷却装置において、以下のことを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, an electrode portion (55) that abuts the semiconductor element (51) on one surface (55a) and is electrically connected to the semiconductor element (51), and one surface A cooler (10) provided on the other surface (55b) side of the electrode part (55) different from (55a) and cooling the semiconductor element (51) via the electrode part (55). The cooling device is characterized by the following.
すなわち、電極部(55)は、熱伝導により半導体素子(51)からの熱を拡散させる熱拡散板であり、熱伝導のうち、一面(55a)の面方向と平行な第1方向の熱伝導、および一面(55a)から他面(55b)へ向かう第2方向の熱伝導をそれぞれ規定する第1熱伝導率、および第2熱伝導率を備えている。そして、熱拡散板は、第1および第2熱伝導率が、第1および第2方向以外の方向の熱伝導をそれぞれ規定するいずれの熱伝導率よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする。 That is, the electrode part (55) is a heat diffusion plate that diffuses heat from the semiconductor element (51) by heat conduction, and among heat conduction, heat conduction in a first direction parallel to the surface direction of one surface (55a). , And a first thermal conductivity and a second thermal conductivity respectively defining heat conduction in the second direction from one surface (55a) to the other surface (55b). The heat diffusion plate is configured such that the first and second thermal conductivities are larger than any thermal conductivities that respectively define the heat conductance in directions other than the first and second directions. Features.
これによると、半導体素子(51)で過渡的な発熱が起こった場合、熱は半導体素子(51)から熱拡散板に伝導すると共に高熱伝導方向である第1および第2方向に沿って熱拡散板を介して伝導するので、半導体素子(51)の過渡的な熱を半導体素子(51)から熱拡散板に効率良く放出することができる。このため、半導体素子(51)が過渡的な熱で容易に動作限界温度に達することを防止できる。 According to this, when a transient heat generation occurs in the semiconductor element (51), the heat is transferred from the semiconductor element (51) to the heat diffusion plate and is also thermally diffused along the first and second directions which are high heat conduction directions. Since the heat is conducted through the plate, the transient heat of the semiconductor element (51) can be efficiently released from the semiconductor element (51) to the heat diffusion plate. For this reason, it is possible to prevent the semiconductor element (51) from easily reaching the operation limit temperature due to transient heat.
そして、請求項2に記載の発明のように、熱拡散板は、第1方向が、半導体素子(51)との当接面の最大幅に沿った方向と交差するように構成することができる。
And like invention of
この場合、請求項3に記載の発明のように、熱拡散板は、前記交差する互いの方向の成す角度が直角となるように構成することができる。これによると、電極部(55)の一面(55a)において、第1方向に熱が伝導する熱拡散板の幅が最大になるので、半導体素子(51)の熱を効率良く熱拡散板に伝導することができる。 In this case, as in the third aspect of the invention, the thermal diffusion plate can be configured such that the angle formed by the intersecting directions is a right angle. According to this, since the width of the heat diffusion plate that conducts heat in the first direction is maximized on one surface (55a) of the electrode portion (55), the heat of the semiconductor element (51) is efficiently conducted to the heat diffusion plate. can do.
また、請求項1に記載の発明では、電極部(55)としての熱拡散板における一面に、1つの半導体素子(51)に対して1つまたは2つ以上の蓄熱材で構成されており、熱拡散板を介して半導体素子(51)からの熱を吸収する吸熱部(56)が配設されていることを特徴とする。 Moreover, in invention of Claim 1 , it is comprised with the 1 or 2 or more heat storage material with respect to one semiconductor element (51) in the one surface in the thermal-diffusion plate as an electrode part ( 55 ), The heat absorption part (56) which absorbs the heat | fever from a semiconductor element (51) through a thermal diffusion board is arrange | positioned, It is characterized by the above-mentioned.
これによると、熱は半導体素子(51)から熱拡散板を介して吸熱部(56)に伝導するので、半導体素子(51)の過渡的な熱を効率良く吸熱部(56)に放出することができる。このため、半導体素子(51)が過渡的な熱で容易に動作限界温度に達することを防止できる。 According to this, since heat is conducted from the semiconductor element (51) to the heat absorption part (56) through the heat diffusion plate, the transient heat of the semiconductor element (51) is efficiently released to the heat absorption part (56). Can do. For this reason, it is possible to prevent the semiconductor element (51) from easily reaching the operation limit temperature due to transient heat.
また、請求項1に記載の発明では、吸熱部(56)は、熱拡散板の一面における半導体素子(51)の当接位置から第1方向に沿う延長線上に配設されていることを特徴とする。これにより、熱拡散板に伝導した熱が第1方向に沿って伝導することで、熱を効率良く吸熱部(56)で吸収することができる。 Further, characterized in that in the invention according to claim 1, the heat absorbing section (56), which from the contact position of the semiconductor element (51) in one surface of the heat diffusion plate disposed on an extension line along the first direction And Thereby, the heat conducted to the heat diffusion plate is conducted along the first direction, so that the heat can be efficiently absorbed by the heat absorbing portion (56).
さらに、請求項1に記載の発明では、吸熱部(56)は、熱拡散板の一面に対して吸熱部(56)が占める面における、第1方向と直交する方向の最大幅が、前記一面と前記半導体素子(51)との当接面における、前記第1方向と直交する方向の最大幅よりも大きくなるように構成されたことを特徴とする。 Furthermore, in the invention according to claim 1 , the heat absorption part (56) has a maximum width in a direction perpendicular to the first direction in the surface occupied by the heat absorption part (56) with respect to one surface of the heat diffusion plate. And the semiconductor element (51) are configured to be larger than the maximum width in the direction orthogonal to the first direction.
これによると、半導体素子(51)から第1方向に熱が伝導する幅全体に少なくとも吸熱部(56)が位置するので、半導体素子(51)から放出された熱を効率良く吸熱部(56)に吸収させることができる。 According to this, since at least the heat absorption part (56) is located over the entire width in which heat is conducted from the semiconductor element (51) in the first direction, the heat released from the semiconductor element (51) is efficiently absorbed. Can be absorbed.
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図を参照して説明する。以下で示される半導体冷却装置は、例えばインバータ装置などの電力変換装置に適用されるものである。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor cooling device shown below is applied to a power conversion device such as an inverter device, for example.
図1は、本実施形態に係る半導体冷却装置の断面図である。また、図2は図1のA−A矢視図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor cooling device according to the present embodiment. Moreover, FIG. 2 is an AA arrow view of FIG.
図1に示されるように、半導体冷却装置は、第1冷却器10と、第2冷却器20と、第1絶縁部30と、第2絶縁部40と、半導体モジュール50と、を備えている。
As shown in FIG. 1, the semiconductor cooling device includes a
第1冷却器10および第2冷却器20は、各半導体素子51を冷却するものである。このような第1冷却器10および第2冷却器20は、内部に通路が設けられており、この通路に冷媒として例えば水が流れる構造になっている。第1冷却器10と第2冷却器20とは所定の間隔を空けて配置され、第1冷却器10と第2冷却器20との間に半導体モジュール50が配置されている。
The
第1絶縁部30および第2絶縁部40は各冷却器10、20と半導体モジュール50との絶縁を図るための絶縁シートである。第1絶縁部30は第1冷却器10の上に配置され、第1冷却器10と半導体モジュール50とを絶縁する役割を果たす。一方、第2絶縁部40は第2冷却器20の上に配置され、第2冷却器20と半導体モジュール50とを絶縁する役割を果たす。
The
このような第1絶縁部30および第2絶縁部40として、セラミック基板やエポキシ樹脂にセラミックフィラーを混ぜたシート、アルミナ溶射膜等の高熱伝導と絶縁とを両立するものが用いられる。
As such a first insulating
半導体モジュール50は、複数の半導体素子51が封止材52で封止された半導体実装体である。半導体モジュール50は、半導体素子51や封止材52の他、金属基板53とグラファイト熱拡散板54とで構成された電極部55、複数の吸熱部56、複数のスペーサ57、58、上記電極部55以外の金属基板59a、59bおよび複数のグラファイト熱拡散板60、61を備えている。
The
電極部55は一面55aおよび一面55aとは別の他面55bを有し、電気伝導と熱伝導との両方の役割を兼ね備えた板状の電極部材である。本実施形態では、電極部55は金属基板53の上にグラファイト熱拡散板54が積層されて構成されている。したがって、グラファイト熱拡散板54のうち金属基板53とは反対側の面が電極部55の一面55aに対応し、金属基板53のうちグラファイト熱拡散板54とは反対側の面が電極部55の他面55bに対応している。電極部55は、半導体素子51と一面55aで当接すると共に半導体素子51と電気的に接続されている。電極部55の他面55b側には第1冷却器10が設けられている。
The
金属基板53は封止材52から露出しており、第1絶縁部30の上に配置されている。このような金属基板53は配線として機能できると共にヒートスプレッダとしても機能できるように、銅(Cu)やアルミニウム(Al)などにより形成されている。
The
グラファイト熱拡散板54は、半導体素子51で発生した熱を吸熱部56や第1冷却器10に伝導する(拡散させる)ための熱伝導と、半導体素子51と金属基板53とを電気的に接続する電気伝導との両方の役割を持った部材である。1700〜2000W/mKの熱伝導率を持つグラファイト材を用いることで、金属を用いた場合よりも吸熱部56への熱伝導が速くなる。
The graphite
そして、本実施形態では、グラファイト熱拡散板54は、電極部55の一面55aの面方向に平行な一方向と半導体素子51から第1冷却器10への厚み方向とが一方向および厚み方向とは異なる方向よりも熱伝導率が高い高熱伝導方向とされている。言い換えると、グラファイト熱拡散板54は、電極部55の一面55aの面方向と平行な一方向の熱伝導、および電極部55の一面55aから他面55bへ向かう厚み方向の熱伝導をそれぞれ規定する第1熱伝導率、および第2熱伝導率を備えている。つまり、グラファイト熱拡散板54は2方向に高熱伝導し、第1および第2熱伝導率が一方向および厚み方向以外の方向の熱伝導をそれぞれ規定するいずれの熱伝導率よりも大きくなるように構成されている。なお、厚み方向は半導体素子51から第1冷却器10に向かう方向であれば良く、本実施形態では電極部55の一面55aに垂直な方向である。
In the present embodiment, the graphite
本来、グラファイト材は、結晶構造に基づき、例えばx方向とこのx方向に直角のy方向に高熱伝導の特性をもっているが、z方向には熱が伝導しにくいという特性がある。したがって、単にグラファイトで形成されたグラファイトシートは、当該シートの面に平行な2方向に熱伝導が良くてもシートの厚み方向には熱伝導しにくい。本実施形態に係るグラファイト熱拡散板54は、このようなグラファイト材そのものではなく、グラファイト材を用いて製造された新たな熱拡散板である。グラファイト熱拡散板54の製造方法については後で詳しく説明する。
Originally, the graphite material has a characteristic of high thermal conductivity in the x direction and the y direction perpendicular to the x direction, for example, based on the crystal structure, but has a characteristic that heat is hardly conducted in the z direction. Therefore, a graphite sheet simply formed of graphite is less likely to conduct heat in the thickness direction of the sheet even if it has good heat conduction in two directions parallel to the surface of the sheet. The graphite
なお、電極部55の構成に金属基板53は必須ではなく、電極部55がグラファイト熱拡散板54のみで構成されていても良い。
Note that the
半導体素子51は、IGBTやパワーMOSトランジスタ、ダイオード素子等の素子が形成された半導体チップである。この半導体素子51にはゲート等のパッドや電極が形成されており、図示しないボンディングワイヤを介して外部と電気的に接続されている。また、半導体素子51は、電極部55の一面55aにはんだ付けされ、電極部55に電気的に接続されている。なお、半導体素子51には、図示しないリードが電気的に接続されている。
The
吸熱部56は、グラファイト熱拡散板54を介して半導体素子51からの熱を一時的に吸収する役割を果たすものであり、グラファイト熱拡散板54における一面55aに、1つの半導体素子51に対して1つまたは2つ以上の蓄熱材で構成されている。吸熱部56は、電極部55の一面55aすなわちグラファイト熱拡散板54の上に配設されている。本実施形態では、図2に示されるように、吸熱部56は半導体素子51の隣に配置されている。
The
上述のように、グラファイト熱拡散板54は電極部55の一面55aの面方向においては一方向が高熱伝導方向とされているので、吸熱部56は、少なくとも、電極部55の一面55aのうち半導体素子51の配置場所(当接位置)から一方向の延長線上に配置されている。これにより、半導体素子51で発生した熱がグラファイト熱拡散板54に伝導すると共に、高熱伝導方向である一方向に沿って吸熱部56に伝導する。
As described above, the graphite
吸熱部56としては、固体から液体もしくは液体から気体に相変化させる潜熱を利用した潜熱蓄熱材が用いられる。さらに、吸熱部56は、半導体素子51の動作限界温度より低い融点を持つ潜熱蓄熱材であることが好ましい。
As the
潜熱蓄熱材には多くの種類がある。図3は、潜熱蓄熱材料の融点−潜熱マップを示した図である。横軸は融点(Melting point)を示し、縦軸は潜熱(Melting latent heat)を示している。半導体素子51の動作限界温度は例えば150℃であるので、融点が150℃以下の潜熱蓄熱材料のうち融点が150℃に最も近く、潜熱が最も高いエリスリトールを潜熱蓄熱材として用いることができる。したがって、吸熱部56は例えば金属容器にエリスリトールが収納されたものとして構成される。
There are many types of latent heat storage materials. FIG. 3 is a diagram showing a melting point-latent heat map of the latent heat storage material. The horizontal axis shows the melting point (Melting point), and the vertical axis shows the latent heat. Since the operation limit temperature of the
エリスリトールは、図4に示されるように、融解熱が502.904J/ccと大きいため、固体から液体に相変化するために多くの熱が必要となるので、1つの吸熱部56で多くの熱を吸収することができる。もちろん、半導体モジュール50の設計において、図3に示される潜熱蓄熱材を適宜利用できる。また、吸熱部56としてCu等の金属板を採用しても良い。
As shown in FIG. 4, since erythritol has a large heat of fusion of 502.904 J / cc, a large amount of heat is required to change the phase from a solid to a liquid. Can be absorbed. Of course, in the design of the
スペーサ57、58は、半導体素子51の上に設けられた部材である。具体的に、スペーサ57、58は半導体素子51の熱を受け取ってスペーサ57、58の上のグラファイト熱拡散板60、61に放出するヒートシンクとしての役割と、半導体素子51と金属基板59a、59bとを電気的に接続するための配線としての役割とを果たすものである。
The
スペーサ57の上にはグラファイト熱拡散板60が接合され、スペーサ58の上にはグラファイト熱拡散板61が接合されている。これらグラファイト熱拡散板60、61についても上記と同様に、一方向および厚み方向に高熱伝導方向を持つ。また、各グラファイト熱拡散板60、61のうち電極部55側の面には吸熱部56が設けられている。本実施形態では、一方向は四角形状の半導体素子51の一辺に平行である。
A graphite heat diffusion plate 60 is joined on the
各グラファイト熱拡散板60、61にはスペーサ57、58が接合されているので、各グラファイト熱拡散板60、61に設けられた各吸熱部56は、少なくとも、スペーサ57、58の配置場所から一方向の延長線上にそれぞれ配置されている。
Since the
金属基板59a、59bは金属基板53と同様のものである。そして、本実施形態では、金属基板59aはグラファイト熱拡散板60と一体化されて電極部が構成され、金属基板59bはグラファイト熱拡散板60と一体化されて電極部が構成されている。
The
封止材52は、半導体モジュール50の外観をなすものである。この封止材52は、金属基板53、59のうちグラファイト熱拡散板54、60、61が接合された面とは反対側の面が露出するように、各金属基板53、59、半導体素子51、グラファイト熱拡散板54、60、61、吸熱部56、およびスペーサ57、58を封止している。このような封止材52として、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。
The sealing
このような構成の半導体モジュール50を各冷却器10、20で挟んだものが半導体冷却装置である。すなわち、第1絶縁部30が第1冷却器10と第1金属基板53とで挟まれると共に、第2絶縁部40が第2冷却器20と金属基板59とで挟まれるようにそれぞれが積層されている。以上が、本実施形態に係る半導体冷却装置の全体構成である。
A semiconductor cooling device is obtained by sandwiching the
次に、電極部55の一面55aの面方向に平行な一方向および電極部55の一面55aに垂直な厚み方向に高熱伝導方向を持つグラファイト熱拡散板54、60、61の製造方法について、図5を参照して説明する。
Next, a manufacturing method of the graphite
高温加熱炉内で炭化水素を熱的に分解し、図5に示されるように、原子レベルで高温基板上に気相成長させた高純度の黒鉛結晶を積層していく。1層だけを見てみると、x方向とy方向とに高熱伝導方向を持ったグラファイトシートになっている。このグラファイトシートをz方向に高く積層させて積層体70を形成する。
Hydrocarbon is thermally decomposed in a high-temperature heating furnace, and high-purity graphite crystals grown in a vapor phase on a high-temperature substrate at the atomic level are stacked as shown in FIG. Looking at only one layer, it is a graphite sheet having high heat conduction directions in the x and y directions. This graphite sheet is laminated high in the z direction to form a
この積層体70はx−y面においてx方向とy方向とに高熱伝導方向を持っているが、z方向は結晶構造上、高熱伝導方向ではない。そして、積層体70をy−z面に平行に切断すると、切断面がy−z面の板が得られる。すなわち、y方向とz方向とに高熱伝導方向を持った板である。この板がグラファイト熱拡散板54、60、61である。したがって、積層体70のy方向がグラファイト熱拡散板54、60、61の一方向となり、x方向が厚み方向となる。
The
なお、上記では積層体70をy−z面に平行に切断したが、積層体70をx−z面に平行に切断しても良い。この場合、積層体70のx方向がグラファイト熱拡散板54、60、61の一方向となり、y方向が厚み方向となる。
In the above description, the
以上のようにして得られたグラファイト熱拡散板54ははんだ付けや導電性接着剤により金属基板53に接合され、電極部55が形成される。同様に、グラファイト熱拡散板60、61は金属基板53、59に接合される。
The graphite
続いて、半導体冷却装置において、半導体素子51に発生した熱の伝導経路について、図6を参照して説明する。図6(a)は図1のA−A矢視図に相当し、図6(b)はA−A矢視側の半導体冷却装置の断面図である。なお、図6では封止材52を省略している。
Next, a conduction path of heat generated in the
上述のように、電極部55を構成するグラファイト熱拡散板54の高熱伝導方向は図6(a)および図6(b)に示されるように、電極部55の一面55aの面方向における一方向と電極部55の厚み方向である。
As described above, the high heat conduction direction of the graphite
そして、半導体素子51に熱が発生すると、当該熱はグラファイト熱拡散板54に伝導し、図6(a)に示されるようにグラファイト熱拡散板60内を一方向に広がりながら図6(b)に示されるように厚み方向に伝導して第1冷却器10に放出される。この場合、グラファイト熱拡散板54を伝導する熱は、吸熱部56に一時的にも吸収される。吸熱部56に一時的に吸収された熱は、再びグラファイト熱拡散板54に伝導すると共にグラファイト熱拡散板54の厚み方向に伝導し、第1冷却器10に放出される。このように、グラファイト熱拡散板54に熱が伝導するようになっている。
Then, when heat is generated in the
また、半導体素子51にはスペーサ57、58が接合されているので、半導体素子51で発生した熱はスペーサ57、58を介してグラファイト熱拡散板60、61に伝導し、一方向に広がりながら厚み方向に伝導することで第2冷却器20にも放出される。
In addition, since the
そして、半導体素子51の過負荷時等で半導体素子51の温度が瞬間的に上昇する。このような過渡的な熱が半導体素子51に発生した場合、グラファイト熱拡散板54では電極部55の一面55aの面方向においては一方向のみに熱が伝導するので、半導体素子51の熱は半導体素子51の延長線上に位置する吸熱部56まで一方向に沿って効率良く伝導する。
Then, when the
もちろん、半導体素子51に接合されたスペーサ57、58を介してグラファイト熱拡散板60、61に伝導した熱はグラファイト熱拡散板60、61の一方向に沿ってグラファイト熱拡散板60、61に接合された吸熱部56にも効率良く放出される。
Of course, the heat conducted to the graphite heat diffusion plates 60 and 61 through the
このように、半導体素子51に発生した過渡的な熱はグラファイト熱拡散板54、60、61に接合された吸熱部56に一時的に吸収されるので、半導体素子51が動作限界温度を超えて動作不能になることはない。吸熱部56に吸収された熱は上述のように時間を掛けて第1冷却器10や第2冷却器20に放出される。
As described above, the transient heat generated in the
以上説明したように、本実施形態では、電極部55の一面55aの面方向に平行な一方向と電極部55の一面55aに垂直な厚み方向とに、他の方向よりも熱伝導が良い高熱伝導方向を持ったグラファイト熱拡散板54を電極部55として用いていることが特徴となっている。
As described above, in the present embodiment, high heat is better in heat conduction than the other directions in one direction parallel to the surface direction of the one
これにより、半導体素子51で過渡的な発熱が起こったとしても、熱を半導体素子51からグラファイト熱拡散板54、60、61に伝導すると共に高熱伝導方向である一方向に沿って吸熱部56に伝導することができるので、半導体素子51の過渡的な熱を効率良く吸熱部56に放出することができる。このため、半導体素子51が過渡的な熱で容易に動作限界温度に達することを防止できる。
Thereby, even if transient heat generation occurs in the
特に、半導体素子51を小型化した場合や半導体素子51に流す電流を大きくした場合には半導体素子51の発熱密度が増加するが、上記のように半導体素子51からグラファイト熱拡散板54を介して吸熱部56に効率良く熱を伝導することができるので、半導体素子51の熱を吸熱部56に伝導させる前に半導体素子51が容易に動作限界温度に達してしまうことはない。
In particular, when the
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、電極部55のグラファイト熱拡散板54が特許請求の範囲の「熱拡散板」に対応する。また、第1冷却器10が特許請求の範囲の「冷却器」に対応する。さらに、一方向が特許請求の範囲の「第1方向」に対応し、厚み方向が特許請求の範囲の「第2方向」に対応する。
Regarding the correspondence between the description of the present embodiment and the description of the scope of claims, the graphite
(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分について説明する。図7は、本実施形態に係る電極部55の平面図である。本実施形態では、グラファイト熱拡散板54は、一方向が、半導体素子51との当接面の最大幅に沿った方向と交差するように構成されている。特に、図7(a)および図7(b)に示されるように、本実施形態に係るグラファイト熱拡散板54の熱伝導方向である一方向は半導体素子51の最大幅に沿った方向に対して垂直になっている。言い換えると、グラファイト熱拡散板54は、グラファイト熱拡散板54に対する半導体素子51の当接面の最大幅に沿った方向と一方向とが交差する互いの方向の成す角度が直角となるように構成されている。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, parts different from the first embodiment will be described. FIG. 7 is a plan view of the
このような具体例として、図7(a)に示されるように、グラファイト熱拡散板54の長辺と半導体素子51の一辺とが平行または直角に配置されている場合に高熱伝導方向である一方向がグラファイト熱拡散板54の長辺に対して傾けられているものがある。また、図7(b)に示されるように、グラファイト熱拡散板54の長辺と高熱伝導方向である一方向とが平行である場合、半導体素子51の一辺がグラファイト熱拡散板54の長辺に対して傾けられているものもある。
As a specific example of this, as shown in FIG. 7A, when the long side of the graphite
そして、吸熱部56の幅は半導体素子51の最大幅と同じになっており、半導体素子51の配置場所から一方向の延長線上に吸熱部56が配置されている。すなわち、グラファイト熱拡散板54において半導体素子51から吸熱部56への伝熱面積を大きくとれる方向に高熱伝導方向である一方向を配向させて吸熱部56を配置している。
The width of the
図7の斜線部(2本の線が交わる領域)で示されるように、吸熱部56の平面形状は、半導体素子51の外形に沿っていると共に、電極部55の外形に沿っている。また、吸熱部56は高熱伝導方向である一方向に延びた形状になっている。このため、高熱伝導方向である一方向に伝導する熱を一方向に延びた吸熱部56で吸収できるようになっている。
As indicated by the hatched portion (region where two lines intersect) in FIG. 7, the planar shape of the
次に、図7(a)に示されるグラファイト熱拡散板54の製造方法について図8を参照して説明する。第1実施形態で示されたように、グラファイトの積層体70を形成し、この積層体70をy−z面に平行に切断する。このようにして得られた板は、高熱伝導方向である一方向はy方向である。したがって、この一方向をy方向に対して所定の角度に傾けて新たな板を切り出すことで、所定の方向に一方向が向いたグラファイト熱拡散板54が得られる。
Next, a method for manufacturing the graphite
なお、図7(b)に示されるグラファイト熱拡散板54は、第1実施形態で示された図5に示される方法により製造することができる。
Note that the graphite
以上のように、半導体素子51の最大幅に沿った任意の方向に対して垂直に高熱伝導方向である一方向を配置することで、半導体素子51の熱が一方向に伝導する幅が最大になる。したがって、半導体素子51の熱を効率良く吸熱部56に伝導することができる。
As described above, by arranging one direction which is a high heat conduction direction perpendicular to an arbitrary direction along the maximum width of the
(第3実施形態)
本実施形態では、第1、第2実施形態と異なる部分について説明する。上記各実施形態では、グラファイト熱拡散板54に係る高熱伝導方向である一方向は、電極部55の一面55aのどの場所でも同じ方向を向いていたが、本実施形態では半導体素子51を中心に放射状に高熱伝導方向が配向していることが特徴となっている。
(Third embodiment)
In the present embodiment, parts different from the first and second embodiments will be described. In each of the above embodiments, the one direction that is the high heat conduction direction of the graphite
図9は、本実施形態に係る電極部55の平面図である。この図に示されるように、本実施形態に係る半導体冷却装置は、電極部55として、電極部55の一面55aの面方向において半導体素子51を中心とした放射方向と半導体素子51から第1冷却器10への厚み方向とが放射方向および厚み方向とは異なる方向よりも熱伝導率が高い高熱伝導方向とされたグラファイト熱拡散板54が用いられている。
FIG. 9 is a plan view of the
また、吸熱部56は、半導体素子51の周囲に半導体素子51を囲むように配置されている。つまり、吸熱部56はドーナツ状の平面形状をなしており、ドーナツ形状の窓部に半導体素子51が配置された状態になっている。
Further, the
なお、本実施形態においても、半導体素子51にスペーサ57、58が接合され、このスペーサ57、58が上層のグラファイト熱拡散板60、61に接合された構造になっている。
In this embodiment,
次に、本実施形態に係るグラファイト熱拡散板54の製造方法について図10を参照して説明する。図5に示されるように、グラファイトの積層体70を形成し、この積層体70をy−z面(もしくはx−z面)に平行に切断する。
Next, a method for manufacturing the graphite
そして、図10(a)に示されるように、積層体70から切断した板を三角柱状に切り出す。これにより、図10(b)に示されるように、三角柱のパーツが複数得られる。1つの三角柱のパーツは、一方向と厚み方向とに高熱伝導方向を持つものである。
And the board cut | disconnected from the
続いて、図10(c)に示されるように、複数の三角柱のパーツを組み合わせて接着する。この後、三角柱のパーツを組み合わせた中心を中心として任意の四角形状を切り出すことにより、図10(d)に示されるように板の中心から放射状に一方向が配向した放射方向と厚み方向に高熱伝導方向が配向したグラファイト熱拡散板54が得られる。
Subsequently, as shown in FIG. 10C, a plurality of triangular prism parts are combined and bonded. After that, by cutting out an arbitrary quadrangular shape centering on the center where the triangular prism parts are combined, as shown in FIG. As a result, a graphite
以上のように、電極部55の一面55aの面方向におけるグラファイト熱拡散板54の熱伝導方向を放射状にし、吸熱部56への伝熱面積を広くすることで吸熱部56の熱容量を増やすことができる。また、半導体素子51の熱が放射状に熱拡散するので、グラファイト熱拡散板54に温度分布がつきにくいという利点もある。
As described above, the heat conduction direction of the graphite
なお、本実施形態では、吸熱部56は半導体素子51を一周囲んでいるが、ブロック状の吸熱部56が少なくとも半導体素子51の配置場所から放射方向の延長線上に配置されていれば良い。また、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、放射方向が特許請求の範囲の「第1方向」に対応し、厚み方向が特許請求の範囲の「第2方向」に対応する。
In the present embodiment, the
(他の実施形態)
上記各実施形態で示された半導体冷却装置の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明の特徴を含んだ他の構造とすることもできる。例えば、高熱伝導方向である一方向に垂直な半導体素子51および吸熱部56の幅を適宜設定することができる。また、電極部55の構成は、上述のようにグラファイト熱拡散板54のみで構成されていても良い。一方、グラファイト熱拡散板54の上にCu等の薄い金属基板が積層されていても良い。この場合、半導体素子51や吸熱部56はこの薄い金属基板の上に実装される。
(Other embodiments)
The configuration of the semiconductor cooling device described in each of the above embodiments is merely an example, and the present invention is not limited to the configuration described above, and other structures including the characteristics of the present invention may be employed. For example, the widths of the
図11は、半導体素子51と吸熱部56との配置のバリエーションを示した図である。なお、図11では吸熱部56の部分を斜線部で示してある。
図11(a)に示されるように、一方向が半導体素子51の最大幅に垂直な方向に配向しているグラファイト熱拡散板54において、半導体素子51を囲むように半導体素子51の周囲に吸熱部56を配置することができる。半導体素子51から吸熱部56への伝熱面積を大きく取ることができると共に、吸熱部56が吸収できる熱量を確保できる。
FIG. 11 is a diagram showing a variation of the arrangement of the
As shown in FIG. 11A, in the graphite
また、図11(b)に示されるように、半導体素子51は縦横比が高い長方形をなしている場合、一方向を半導体素子51の長辺に垂直な方向に配向させることができる。また、吸熱部56は、高熱伝導方向である一方向から見た半導体素子51の幅以上の幅を有している。そして、高熱伝導方向である一方向から半導体素子51および吸熱部56を見たとき、半導体素子51が吸熱部56の幅に含まれるように、吸熱部56は半導体素子51の配置場所から一方向の延長線上に配置されている。これにより、半導体素子51から吸熱部56への熱が通る道幅が狭くならないので、半導体素子51から放出された熱を効率良く吸熱部56に吸収させることができる。
Further, as shown in FIG. 11B, when the
このように、グラファイト熱拡散板54の一面(つまり電極部55の一面55a)に対して吸熱部56が占める面における、一方向と直交する方向の最大幅が、一面55aと半導体素子51との当接面における、一方向と直交する方向の最大幅よりも大きくなるように吸熱部56を構成することができる。
Thus, the maximum width in the direction orthogonal to one direction on the surface occupied by the
なお、吸熱部56の幅が半導体素子51の幅以上となっている関係は、図11(b)に限らず、図2、図7、そして図11(a)、図11(c)、図11(d)に示されるものについても同様である。図2や図7では、半導体素子51の幅と吸熱部56の幅とが同じになっている。
The relationship in which the width of the
また、図11(c)に示されるように、半導体素子51が電極部55の長手方向の中央に位置しており、吸熱部56が半導体素子51を挟むように配置されていても良い。これにより、吸熱部56が一方向に沿った部分が増えるので、熱の伝導方向に対する熱の吸収の効率が良くなる。
In addition, as shown in FIG. 11C, the
そして、図11(d)に示されるように、半導体素子51を電極部55の長手方向の端に位置させても良い。これにより、グラファイト熱拡散板54に接合される吸熱部56において一方向における吸熱部56の幅を長くすることができる。このため、一方向に伝導する熱を効率良く吸熱部56に吸収させることができる。
Then, as shown in FIG. 11D, the
なお、図11で示されたグラファイト熱拡散板54はスペーサ57、58が接合されたグラファイト熱拡散板60、61にも適用できる。
The graphite
さらに、上記各実施形態では、半導体冷却装置は半導体モジュール50を各冷却器10、20で挟み込んだ構造となっていたが、図12に示されるように、半導体モジュール50を第1冷却器10のみで冷却する構造とすることもできる。この場合、半導体素子51や吸熱部56を封止材62で封止した構造となる。このように、いわゆる片面冷却構造とすることもできる。
Further, in each of the above embodiments, the semiconductor cooling device has a structure in which the
10 第1冷却器
51 半導体素子
54 グラファイト熱拡散板(熱拡散板)
55 電極部
55a 電極部の一面
55b 電極部の他面
56 吸熱部
10 1st cooler 51
55
Claims (3)
前記一面(55a)とは別の前記電極部(55)の他面(55b)側に設けられ、前記電極部(55)を介して前記半導体素子(51)を冷却する冷却器(10)と、を備えた半導体冷却装置であって、
前記電極部(55)は、熱伝導により前記半導体素子(51)からの熱を拡散させる熱拡散板であり、前記熱伝導のうち、前記一面(55a)の面方向と平行な第1方向の熱伝導、および前記一面(55a)から前記他面(55b)へ向かう第2方向の熱伝導をそれぞれ規定する第1熱伝導率、および第2熱伝導率を備え、
前記熱拡散板は、前記第1および第2熱伝導率が、前記第1および第2方向以外の方向の熱伝導をそれぞれ規定するいずれの熱伝導率よりも大きくなるように構成されており、
前記電極部(55)としての前記熱拡散板における一面に、1つの前記半導体素子(51)に対して1つまたは2つ以上の蓄熱材で構成されており、前記熱拡散板を介して前記半導体素子(51)からの熱を吸収する吸熱部(56)が配設されており、
前記吸熱部(56)は、前記熱拡散板の一面における前記半導体素子(51)の当接位置から前記第1方向に沿う延長線上に配設されており、
前記吸熱部(56)は、前記熱拡散板の一面に対して前記吸熱部(56)が占める面における、前記第1方向と直交する方向の最大幅が、前記一面と前記半導体素子(51)との当接面における、前記第1方向と直交する方向の最大幅よりも大きくなるように構成されたことを特徴とする半導体冷却装置。 An electrode portion (55) that is in contact with the semiconductor element (51) at one surface (55a) and electrically connected to the semiconductor element (51);
A cooler (10) which is provided on the other surface (55b) side of the electrode portion (55) different from the one surface (55a) and cools the semiconductor element (51) via the electrode portion (55); A semiconductor cooling device comprising:
The electrode part (55) is a heat diffusing plate that diffuses heat from the semiconductor element (51) by heat conduction. Of the heat conduction, the electrode part (55) has a first direction parallel to the surface direction of the one surface (55a). A first thermal conductivity and a second thermal conductivity respectively defining heat conduction and heat conduction in the second direction from the one surface (55a) to the other surface (55b);
The thermal diffusion plate is configured such that the first and second thermal conductivities are greater than any thermal conductivities that define thermal conductance in directions other than the first and second directions, respectively .
One surface of the heat diffusion plate as the electrode portion (55) is composed of one or two or more heat storage materials for one semiconductor element (51), and the heat diffusion plate is interposed through the heat diffusion plate. An endothermic part (56) that absorbs heat from the semiconductor element (51) is provided,
The heat absorption part (56) is disposed on an extension line along the first direction from the contact position of the semiconductor element (51) on one surface of the heat diffusion plate,
The heat absorption part (56) has a maximum width in a direction perpendicular to the first direction in the surface occupied by the heat absorption part (56) with respect to one surface of the thermal diffusion plate, and the one surface and the semiconductor element (51). The semiconductor cooling device is configured to be larger than a maximum width in a direction orthogonal to the first direction on the contact surface .
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