JP6365691B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

この発明は、例えば大電力のスイッチングに用いられる半導体装置に関する。
特許文献1には、冷却水によってLSI等の発熱体を冷却する熱伝導型冷却装置が開示されている。特許文献2には、冷却流体を攪拌する突起を有するヒートシンクが開示されている。
日本特開平02−271560号公報 日本特開2005−302898号公報
発熱する複数の半導体素子を冷媒で冷却する場合、特定の半導体素子が高温になることを回避し、複数の半導体素子の温度ばらつきを小さくすることが好ましい。しかし、例えば、ある半導体素子の冷却に用いた冷媒を別の半導体素子の冷却に用いると、先に冷却された半導体素子は十分冷却されるが後に冷却された半導体素子は十分冷却されない。そのため、複数の半導体素子の温度ばらつきが大きくなる問題があった。
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、複数の半導体素子の温度のばらつきを低減できる半導体装置を提供することを目的とする。
本願の発明にかかる半導体装置は、冷媒の流入口と、該冷媒の流出口が形成された冷却ジャケットと、ベース板と、該ベース板の上に設けられた第1半導体素子と、該ベース板の上に設けられた第2半導体素子と、該第1半導体素子の直下における該ベース板の裏面に設けられ、該冷却ジャケットの中にある第1フィンと、該第2半導体素子の直下における該ベース板の裏面に設けられ、該冷却ジャケットの中にある第2フィンと、該冷却ジャケットの中に設けられ、該流入口から該冷却ジャケットの中に流入した冷媒を分割して、該第1フィンと、該第2フィンを別々の該冷媒で冷却した後に、該冷媒を冷却に使用することなく該流出口に導くセパレータと、を備え、該セパレータは該冷却ジャケットとは別体構造であることを特徴とする。
本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
この発明によれば、複数の半導体素子のそれぞれに未使用の冷媒を供給するので、複数の半導体素子の温度のばらつきを低減できる。
実施の形態1に係る半導体装置の分解図である。 冷却ジャケットとセパレータの平面図である。 図2のIII−III線に沿った断面図である。 比較例に係る半導体装置の断面図である。 変形例に係るセパレータ等の断面図である。 図5のセパレータの平面図である。 実施の形態2に係る半導体装置の冷却ジャケットとセパレータの平面図である。 図7のVIII−VIII線における断面図である。 実施の形態3に係る半導体装置の斜視図である。 実施の形態4に係る半導体装置の斜視図である。 制御部のハードウェア構成図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の分解図である。この半導体装置は金属で形成されたベース板10を備えている。ベース板10の上に絶縁基板12、16が設けられている。絶縁基板12はy方向に3枚並べられ、絶縁基板16もy方向に3枚並べられている。絶縁基板12、16は上下面に金属パターンを有している。絶縁基板12、16の下面の金属パターンがはんだによってベース板10に固定されている。絶縁基板12の上面の金属パターンにははんだで半導体素子14a、14bが固定されている。半導体素子14aは例えばIGBTであり、半導体素子14bは例えばダイオードである。3つの半導体素子14aと3つの半導体素子14bをまとめて第1半導体素子14と称する。
絶縁基板16の上面の金属パターンにははんだで半導体素子18a、18bが固定されている。半導体素子18aは例えばIGBTであり、半導体素子18bは例えばダイオードである。3つの半導体素子18aと3つの半導体素子18bをまとめて第2半導体素子18と称する。このように、ベース板10の上には第1半導体素子14と第2半導体素子18が設けられている。半導体装置は全体として3相交流インバータを構成している。第1半導体素子14が上アーム素子を構成し、第2半導体素子18が下アーム素子を構成する。
ベース板10の四隅には貫通穴19が開けられている。貫通穴19にはねじ20を通す。ベース板10の裏面にはフィン22が形成されている。フィン22は、例えばベース板10と一体形成されたピンフィンである。フィン22はx方向に伸びる平行フィンでもよい。フィン22は、ベース板10の端部を除き、ベース板10の裏面全体に設けられている。
フィン22の下方にはセパレータ30がある。セパレータ30は冷媒を誘導するために設けられている。セパレータ30は、第1ガイド部30aと第2ガイド部30b、30cを備えている。第1ガイド部30aはy方向に伸びるU字管である。第1ガイド部30aによりy方向に伸びる流路30dが提供されている。第2ガイド部30b、30cは第1ガイド部30aの上端に接続された板状部材である。第2ガイド部30bと第2ガイド部30cの間には一定幅の間隙30eがある。
第1ガイド部30aと第2ガイド部30b、30cのy負方向端部は1つの表面を構成している。この表面を第1接触面30Aという。第1ガイド部30aと第2ガイド部30b、30cのy正方向端部は1つの表面を構成している。この表面を第2接触面30Bという。
セパレータ30の下方には冷却ジャケット50がある。冷却ジャケット50の上面にはOリング40の一部を収容する溝50aが形成されている。冷却ジャケット50には、冷媒の流入口50bと、冷媒の流出口50c、50dが形成されている。流入口50bが形成された面を第1面50Aと称し、流出口50c、50dが形成された面を第2面50Bという。第1面50Aと第2面50Bは対向している。第1面50Aと第2面50Bは、第3面50Cと第4面50Dでつながれている。
冷却ジャケット50の四隅にはねじ穴50gが設けられている。ベース板10の貫通穴19を通したねじ20をこのねじ穴50gに締めることで、ベース板10の下面と冷却ジャケット50の上面に挟まれたOリング40を弾性変形させる。Oリング40が弾性変形することで、ベース板10と冷却ジャケット50の間から冷媒が流出することを防止できる。
図2は、冷却ジャケット50と冷却ジャケット50の中に入れられたセパレータ30の平面図である。セパレータ30はねじ32によって冷却ジャケット50に固定されている。セパレータ30の第1接触面30Aは冷却ジャケット50の第1面50Aに接触している。セパレータ30の第2接触面30Bは冷却ジャケット50の第2面50Bに接触している。言い換えれば、第1ガイド部30aと第2ガイド部30b、30cは第1面50A及び第2面50Bに接する。
セパレータ30(第2ガイド部30b)と冷却ジャケット50の第3面50Cと間には間隙60が設けられている。セパレータ30(第2ガイド部30c)と冷却ジャケット50の第4面50Dとの間には間隙62が設けられている。
図3は、図2のIII−III線に沿った断面図である。図3にはベース板10及びそれに固定された半導体素子等、並びに流入口50b、及び流出口50c、50dも示す。第1半導体素子14の直下におけるベース板10の裏面に設けられたフィン22を第1フィン22aという。第2半導体素子18の直下におけるベース板10の裏面に設けられたフィン22を第2フィン22bという。第1フィン22aと第2フィン22bを含むすべてのフィン22が冷却ジャケット50の中にある。第1フィン22aの先端は第2ガイド部30bに接触し、第2フィン22bの先端は第2ガイド部30cに接触している。
冷媒の流れについて説明する。流入口50bから流入した冷媒は、第1ガイド部30aによって形成された流路30dの中に導入される。流路30dの冷媒は、間隙30eを経由して、第1フィン22aと第2フィン22bの間へ導かれる。そして、冷媒はx正方向とx負方向に分かれる。x負方向に進む冷媒は第2ガイド部30bとベース板10の裏面の間の空間を通り、第1フィン22aを冷却する。x正方向に進む冷媒は第2ガイド部30cとベース板10の裏面の間の空間を通り、第2フィン22bを冷却する。このように、第2ガイド部30b、30cによって、第1フィン22aと第2フィン22bの間の冷媒を、第1フィン22aの方向及び第2フィン22bの方向へ誘導する。
第1フィン22aを冷却した冷媒は、間隙60を経由して第1流出口50cから排出される。第2フィン22bを冷却した冷媒は、間隙62を経由して第2流出口50dから排出される。セパレータ30の第1接触面30Aと第2接触面30Bをそれぞれ冷却ジャケット50の第1面50Aと第2面50Bに接触させたので、上記の2つの流路以外の流路はない。
ここで、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の特徴の理解を容易にするために比較例について説明する。図4は、比較例に係る半導体装置の断面図である。この半導体装置は、第1フィン22aを冷却した冷媒によって第2フィン22bを冷却するので、第2半導体素子18の冷却が不十分となる。そのため、第1半導体素子14より第2半導体素子18の温度が高くなってしまう。
ところが、本発明の実施の形態1に係る半導体装置によれば、図3に示すように、1つの流入口50bから冷却ジャケット50の中に流入した冷媒をセパレータ30で2つに分割して第1フィン22aと第2フィン22bを個別に冷却する。よって、第1半導体素子14と第2半導体素子18には常に同じ温度の冷媒が供給されるので、これらの温度のばらつきを低減できる。特に、上下アームでインバータ駆動する半導体装置においては上下アームの発熱量は概ね等しい。そのため、第1フィン22aと第2フィン22bに略同一量の冷媒を供給することで、半導体素子の温度ばらつきを低減できる。
ところで、例えばハイブリット自動車用の半導体装置は、複数の半導体素子の温度を個別に監視し、ある半導体素子の温度が予め定められた温度を超えるとモジュール(半導体装置)の負荷率に制限をかける保護システムを備える。半導体素子の温度測定には、ダイオードを用いたオンチップ温度センサを用いることが多い。比較例のように特定の半導体素子の温度が高くなると、保護システムが頻繁に稼動し、モジュールの通電能力が十分に発揮できなくなる。この場合、モータ駆動からエンジン駆動への負荷の切り替えが早まり、自動車の燃費向上を阻害してしまう。
本発明の実施の形態1に係る半導体装置は、このようなハイブリット自動車への応用に特に適している。実施の形態1の半導体装置のように複数の半導体素子の温度ばらつきを低減することで、保護システムの稼動頻度を低下させることができる。よって、モジュールの通電能力を低減し、モジュールを小型化したり、燃費を向上させたりできる。
また、すべての冷媒は第1フィン22a又は第2フィン22bのいずれかの冷却に用いられるので、冷媒流量の損失をなくすことができる。セパレータ30は冷却ジャケット50にねじ止めしたので、セパレータ30が冷却ジャケット50内で位置ずれすることを回避できる。
セパレータ30は、冷却ジャケット50の中に設けられ、流入口50bから冷却ジャケット50の中に流入した冷媒を分割して、第1フィン22aと、第2フィン22bを別々の冷媒で冷却するものであれば特に限定されない。セパレータは様々な形状を取り得る。図5は、変形例に係るセパレータ等の断面図である。このセパレータには、第1フィン22aの方向へ冷媒を誘導する第1間隙30fと、第2フィン22bの方向へ冷媒を誘導する第2間隙30gが形成されている。図6は、図5のセパレータの平面図である。なお、セパレータを複数部品で構成してもよい。
冷却ジャケット50に形成する流出口は2つに限定されない。例えば、図3の間隙60を通った冷媒を2つの流出口から排出し、間隙62を通った冷媒を2つの流出口から排出しても良い。また、第1フィン22aの先端と第2フィン22bの先端は第2ガイド部30b、30cに接触させたが、両者の間に若干の間隙を設けてもよい。第1半導体素子14と第2半導体素子18は電流が流れることで発熱するものであればよいので、IGBT又はダイオードに限定されない。また、第1半導体素子14を構成する素子の数と第2半導体素子18を構成する素子の数も特に限定されない。
これらの変形は以下の実施の形態に係る半導体装置にも応用できる。なお、以下の実施の形態に係る半導体装置は、実施の形態1との共通点が多いので実施の形態1との相違点を中心に説明する。
実施の形態2.
図7は、実施の形態2に係る半導体装置の冷却ジャケットとセパレータの平面図である。間隙62の幅は間隙60の幅より大きい。図8は、図7のVIII−VIII線における断面図である。図8にはベース板及びそれに固定された半導体素子等が示されている。間隙60の幅より間隙62の幅が大きいので、第1フィン22aに供給される冷媒の量よりも第2フィン22bに供給される冷媒の量の方が多くなる。本発明の実施の形態2では、第1半導体素子14よりも第2半導体素子18の発熱量が多い場合を想定している。第2フィン22bに供給する冷媒の量を増やして発熱量の多い第2半導体素子18を冷却することで、第1半導体素子14と第2半導体素子18の温度ばらつきを低減する。
例えば、DC−DCコンバータの昇圧通電動作時には、下アームのIGBTの素子温度はスイッチングロスにより上アームダイオードの素子温度より高くなる。このようにあらかじめ、上下アームの素子発熱のアンバランスが判明している場合、間隙60、62の幅を調整することで、複数の半導体素子の温度ばらつきを低減できる。なお、間隙の大きさは、半導体素子の駆動条件によって適宜に最適化する。
第1フィン22aを冷却する冷媒の流量よりも、第2フィン22bを冷却する冷媒の流量を多くするためには、間隙62の幅を間隙60の幅より大きくすることが重要である。セパレータの形状は、間隙62の幅を間隙60の幅より大きくする限り、様々な変形が可能である。例えば、図5のセパレータの第2ガイド部30cと冷却ジャケット50の側面との間隙の幅を、第2ガイド部30bと冷却ジャケット50の側面との間隙の幅より大きくしても良い。この場合、第2間隙30gの幅と第1間隙30fの幅は必ずしも一致させる必要はなく、自由に設定してよい。
実施の形態3.
図9は、実施の形態3に係る半導体装置の斜視図である。第1半導体素子14はオンチップ温度センサが作りこまれた半導体素子14cを備えている。第1半導体素子14の温度を測定する部分(オンチップセンサ)を第1温度測定部という。第2半導体素子18はオンチップ温度センサが作りこまれた半導体素子18cを備えている。第2半導体素子18の温度を測定する部分(オンチップセンサ)を第2温度測定部という。第1温度測定部と第2温度測定部はオンチップ温度センサ以外の構成でもよい。
第1流出口50cから排出された冷媒を外部へ導く配管50eには第1レギュレータ150が取り付けられている。第1レギュレータ150は第1流出口50cから排出する冷媒の量を調整する。第2流出口50dから排出された冷媒を外部へ導く配管50fには第2レギュレータ152が取り付けられている。第2レギュレータ152は第2流出口50dから排出する冷媒の量を調整する。第1レギュレータ150と第2レギュレータ152には、これらを制御する制御部154が接続されている。
制御部154は、第1温度測定部で測定された温度が第2温度測定部で測定された温度より高い場合に第1レギュレータ150を制御し第1流出口50cから排出する冷媒の量を増加させる。他方、第2温度測定部で測定された温度が第1温度測定部で測定された温度より高い場合に第2レギュレータ152を制御し第2流出口50dから排出する冷媒の量を増加させる。こうして、一方の半導体素子が他方の半導体素子より高温になることを防止し複数の半導体素子の温度ばらつきを低減する。
制御部154は、第1流出口50cから排出する冷媒の量と、第2流出口50dから排出する冷媒の量との和が一定となるように、第1レギュレータ150と第2レギュレータ152を制御することが好ましい。この場合、第1レギュレータ150と第2レギュレータ152の開度を通常時(当所)は両方とも100%以下の同じ開度とする。制御部154によって2つのレギュレータの開度の和を一定に保つことで、冷媒の圧力損失を一定に保つことができる。これにより、圧力損失の変動による冷媒のポンプの負荷変動を回避できるので、当該ポンプの故障を抑制できる。
実施の形態4.
図10は、実施の形態4に係る半導体装置の斜視図である。第2流出口50dの開口面積は第1流出口50cの開口面積より大きくした。これに応じて、配管50fは配管50eよりも内径が大きくなっている。第2流出口50dから排出する冷媒の量はレギュレータ160で調整する。制御部154はレギュレータ160を制御する。
制御部154は、第1温度測定部で測定された温度が第2温度測定部で測定された温度より高い場合にレギュレータ160を制御し第2流出口50dから排出する冷媒の量を減少させる。これにより、第1流出口50cから排出される冷媒の量を増やし、第1半導体素子14の冷却を促進できる。他方、制御部154は、第2温度測定部で測定された温度が第1温度測定部で測定された温度より高い場合にレギュレータ160を制御し第2流出口50dから排出する冷媒の量を増加させる。これにより第2半導体素子18の冷却を促進できる。このように、温度の高い半導体素子の冷却を促進することで、複数の半導体素子の温度ばらつきを低減できる。
第2流出口50dの開口面積は第1流出口50cの開口面積より大きい。これに応じ、図10に示されるとおり、配管50eの内径より配管50fの内径を大きくした。太い配管50fに取り付けられたレギュレータ160を調整することで、流量を大きく変化させることができるので、迅速に温度ばらつきを解消できる。
実施の形態3、4で説明した制御部の動作は、制御部の中のプロセッサによって実行される。図11は、制御部のハードウェア構成図である。制御部154は、第1温度測定部と第2温度測定部で測定された温度の情報を受信する受信装置154aを備えている。そして、メモリ154cに記憶されたプログラムをプロセッサ154bで実行することで、レギュレータ160(実施の形態3では第1レギュレータ150と第2レギュレータ152)の制御内容を決める。決定された制御内容を出力装置154dによってレギュレータに伝送する。なお、プロセッサ154bはCPU又はシステムLSI等の処理回路である。複数の処理回路により上記機能を実行してもよい。
第2流出口50dの開口面積と第1流出口50cの開口面積は等しくしてもよい。なお、上記の各実施の形態に係る半導体装置の特徴を適宜に組み合わせて、本発明の効果を高めても良い。
10 ベース板、 14 第1半導体素子、 18 第2半導体素子、 22 フィン、 22a 第1フィン、 22b 第2フィン、 30 セパレータ、 50 冷却ジャケット、 150 第1レギュレータ、 152 第2レギュレータ、 154 制御部、 160 レギュレータ

Claims (10)

  1. 冷媒の流入口と、前記冷媒の流出口が形成された冷却ジャケットと、
    ベース板と、
    前記ベース板の上に設けられた第1半導体素子と、
    前記ベース板の上に設けられた第2半導体素子と、
    前記第1半導体素子の直下における前記ベース板の裏面に設けられ、前記冷却ジャケットの中にある第1フィンと、
    前記第2半導体素子の直下における前記ベース板の裏面に設けられ、前記冷却ジャケットの中にある第2フィンと、
    前記冷却ジャケットの中に設けられ、前記流入口から前記冷却ジャケットの中に流入した冷媒を分割して、前記第1フィンと、前記第2フィンを別々の前記冷媒で冷却した後に、前記冷媒を冷却に使用することなく前記流出口に導くセパレータと、を備え、前記セパレータは前記冷却ジャケットとは別体構造であることを特徴とする半導体装置。
  2. 冷媒の流入口と、前記冷媒の流出口が形成された冷却ジャケットと、
    ベース板と、
    前記ベース板の上に設けられた第1半導体素子と、
    前記ベース板の上に設けられた第2半導体素子と、
    前記第1半導体素子の直下における前記ベース板の裏面に設けられ、前記冷却ジャケットの中にある第1フィンと、
    前記第2半導体素子の直下における前記ベース板の裏面に設けられ、前記冷却ジャケットの中にある第2フィンと、
    前記冷却ジャケットの中に設けられ、前記流入口から前記冷却ジャケットの中に流入した冷媒を分割して、前記第1フィンと、前記第2フィンを別々の前記冷媒で冷却するセパレータと、を備え、
    前記セパレータは前記冷却ジャケットとは別体構造であり、
    前記セパレータは、
    前記流入口から流入した前記冷媒を、前記第1フィンと前記第2フィンの間へ導く第1ガイド部と、
    前記第1フィンと前記第2フィンの間の前記冷媒を、前記第1フィンの方向及び前記第2フィンの方向へ誘導する第2ガイド部と、備え
    前記第1ガイド部と前記第2ガイド部は前記ベース板から離れたことを特徴とする半導体装置。
  3. 冷媒の流入口と、前記冷媒の流出口が形成された冷却ジャケットと、
    ベース板と、
    前記ベース板の上に設けられた第1半導体素子と、
    前記ベース板の上に設けられた第2半導体素子と、
    前記第1半導体素子の直下における前記ベース板の裏面に設けられ、前記冷却ジャケットの中にある第1フィンと、
    前記第2半導体素子の直下における前記ベース板の裏面に設けられ、前記冷却ジャケットの中にある第2フィンと、
    前記冷却ジャケットの中に設けられ、前記流入口から前記冷却ジャケットの中に流入した冷媒を分割して、前記第1フィンと、前記第2フィンを別々の前記冷媒で冷却するセパレータと、を備え、
    前記セパレータは前記冷却ジャケットとは別体構造であり、
    前記セパレータは、
    前記流入口から流入した前記冷媒を、前記第1フィンと前記第2フィンの間へ導く第1ガイド部と、
    前記第1フィンと前記第2フィンの間の前記冷媒を、前記第1フィンの方向及び前記第2フィンの方向へ誘導する第2ガイド部と、を備え、
    前記流出口は第1流出口と第2流出口を有し、
    前記第1フィンを冷却した前記冷媒は前記第1流出口から排出され、
    前記第2フィンを冷却した前記冷媒は前記第2流出口から排出されることを特徴とする半導体装置。
  4. 前記第1フィンの先端と、前記第2フィンの先端は、前記第2ガイド部に接触することを特徴とする請求項2又は3に記載の半導体装置。
  5. 前記冷却ジャケットは、前記流入口が形成された第1面と、前記流出口が形成され前記第1面と対向する第2面とを備え、
    前記第1ガイド部は前記第1面及び前記第2面に接し、
    前記第2ガイド部は前記第1面及び前記第2面に接することを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
  6. 前記セパレータは、前記第1フィンを冷却する前記冷媒の流量よりも、前記第2フィンを冷却する前記冷媒の流量が多くなるように、前記流入口から前記冷却ジャケットの中に流入した冷媒を分割することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。
  7. 前記第1半導体素子の温度を測定する第1温度測定部と、
    前記第2半導体素子の温度を測定する第2温度測定部と、
    前記第1流出口から排出する前記冷媒の量を調整する第1レギュレータと、
    前記第2流出口から排出する前記冷媒の量を調整する第2レギュレータと、
    前記第1レギュレータと前記第2レギュレータを制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記第1温度測定部で測定された温度が前記第2温度測定部で測定された温度より高い場合に前記第1レギュレータを制御し前記第1流出口から排出する前記冷媒の量を増加させ、
    前記第2温度測定部で測定された温度が前記第1温度測定部で測定された温度より高い場合に前記第2レギュレータを制御し前記第2流出口から排出する前記冷媒の量を増加させることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  8. 前記制御部は、前記第1流出口から排出する前記冷媒の量と、前記第2流出口から排出する前記冷媒の量との和が一定となるように、前記第1レギュレータと前記第2レギュレータを制御することを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
  9. 前記第1半導体素子の温度を測定する第1温度測定部と、
    前記第2半導体素子の温度を測定する第2温度測定部と、
    前記第2流出口から排出する前記冷媒の量を調整するレギュレータと、
    前記レギュレータとを制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記第1温度測定部で測定された温度が前記第2温度測定部で測定された温度より高い場合に前記レギュレータを制御し前記第2流出口から排出する前記冷媒の量を減少させ、
    前記第2温度測定部で測定された温度が前記第1温度測定部で測定された温度より高い場合に前記レギュレータを制御し前記第2流出口から排出する前記冷媒の量を増加させることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  10. 前記第2流出口の開口面積は前記第1流出口の開口面積より大きいことを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
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