JPWO2015137009A1 - 冷却器および該冷却器を有する半導体装置 - Google Patents

冷却器および該冷却器を有する半導体装置 Download PDF

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Abstract

本発明の目的は、部品点数が少なく、構造が単純で、高温になると自動的に冷却能力を高めることが可能な冷却器および組み立てが容易な半導体装置を提供することにある。半導体モジュールを冷却する冷却器において、天板２０と、側板２１ａと底板２１ｂを有し側板２１ａが天板２０に固着されたジャケット２１と、天板２０とジャケット２１で囲まれる空間へ冷媒を流入させる冷媒流入口２３と、前記空間から冷媒を流出させる冷媒流出口２４と、天板２０に固着され、ジャケット２１内の主冷媒路の左右にそれぞれ複数離間して配置され、かつ主冷媒路の流入側へ傾斜して配置された複数のフィン２２と、フィン２２の冷媒流入側の天板２０に配置された伝熱ピン２５と、一端が伝熱ピン２５に接続され、他端が自由端である湾曲した板状のバイメタルバルブ２６とを備える。

Description

本発明は、半導体モジュールを冷却する冷却器および該冷却器を有する半導体装置に関する。
従来、半導体モジュールとその冷却器は、下記のように構成されている。
図５は、従来の半導体モジュール５００ａを冷却器５００ｂに取り付けた構成図であり、図５（ａ）には裏面から冷却器の底板を透視した要部平面図、図５（ｂ）にはＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、図５（ｃ）にはＹ−Ｙ線で切断した要部断面図が示されている。
半導体モジュール５００ａは、金属ベース５１と、絶縁基板５４ａ、絶縁基板５４ａのおもて面の回路部５４ｂ、絶縁基板５４ａの裏面の金属部５４ｃを備えた６つの回路基板５４と、各回路部５４ｂにそれぞれ固着された複数の半導体チップ５８を備える。半導体チップ５８に接続された第１外部端子５９ａと、回路部５４ｂに接続された第２外部端子５９ｂと、金属ベース５１の裏面と第１外部端子５９ａの先端部と第２外部端子５９ｂの先端部とを露出して全体を封止する樹脂部６０を備える。半導体チップ５８が固着した回路基板５４と第１外部端子５９ａと第２外部端子５９ｂとをはんだ等の接合部材で組み立てられたものを中間組立体５２と称する。ここでは６つの中間組立体５２が搭載された場合を示す。通常、この中間組立体５２は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）チップとこれに逆並列されるＦＷＤ（フリーホイールダイオード）チップを備えている。
冷却器５００ｂは、天板７０と、天板７０に固定するジャケット７１と、ジャケット７１内に配置され冷却水の水流に平行に配置され天板７０に固着するフィン７２を備える。ジャケット７１は側板７１ａと底板７１ｂを有する凹状の箱であり、側板７１ａには冷媒流入口７３と冷媒流出口７４が設けられている。フィン７２はジャケット７１内で一様に平行に配置され、フィン７２の形状は平板である。隣接するフィン７２間に冷媒を流すことで、各中間組立体５２は冷却される。
半導体装置５００は、半導体モジュール５００ａと、冷却器５００ｂからなり、半導体モジュール５００ａの金属ベース５１には例えばサーマルコンパウンド７８が塗布され、ボルト締めやバンドなどにより、半導体モジュール５００ａを冷却器５００ｂに固定されている。
ここで、複数の半導体チップ５８を搭載した半導体モジュール５００ａの冷却は、一つの冷却器５００ｂで行われ、その冷却能力の制御は、冷媒の流量を調節することで行われている。
例えば、特許文献１には、バイメタル構造を備える冷却フィンが、温度によって互いに背反する向きに反ることで、表面積が大きくなり、冷却能力が向上するヒートシンクについて記載されている。
また、特許文献２には、非冷却体よりヒートパイプでバイメタルに熱を伝達し、バイメタルの変形によってフラップを構成し、冷却風の風量を変化させる冷却装置が記載されている。
また、特許文献３には、基板に複数の半導体チップを固着したマルチチップモジュールの各半導体チップから発生する熱を、対向して設けた冷却ジャケットに伝達してモジュールごとに一括冷却する半導体装置の冷却装置において、前記基板上の半導体チップの温度を各々個別に検知し、前記検知温度を基に前記半導体チップの冷却を個別に制御する冷却装置が記載されている。
特開平４−３０３９５４号公報 特開２０１１−１４４９００号公報 特開平４−１５２６５９号公報
図５に示された半導体装置５００では、搭載されている複数の半導体チップ５８の個々の特性や動作状態の違いによって主面内に温度分布ができることがある。例えば、図６には、半導体チップ５８が動作して高温になる個所８１が示されている。高温になった半導体チップ５８の直下の絶縁基板５４も個所８１で高温になる。水流８０はフィン７２間を一様に流れていて、その冷却能力に差がないとすれば、水流８０の温度は個所８１において他所よりも２０℃〜３０℃程上昇することがある。
また、半導体チップ５８間に温度差があると、半導体装置５００の性能は、最も高温になる半導体チップ５８の最高動作温度によって決定付けられる。
また、半導体装置５００に温度分布があると、中間組立体５２の各部材の熱膨張量に差が生じて、各部材が変形し、信頼性を損ねる恐れがある。
前記の特許文献は、様々な対策を提案しているものの、十分ではない。例えば、特許文献１には、冷却器にバイメタルバルブを取り付けることについては記載されていない。特許文献２には、冷却器内で高温になった個所の冷却媒体の量を増やして冷却能力を上げることについては記載されていない。特許文献３には、冷媒を半導体チップの裏面側に向かって垂直に当てており、水平方向に冷却媒体（水）を通流させることについては記載されていない。
本発明の目的は、前記の課題を解決して、部品点数が少なく、構造が単純で、高温になると自動的に冷却能力を高めることが可能な冷却器、および組み立てが容易な半導体装置を提供することにある。
前記の目的を達成するために、本発明の冷却器は、半導体モジュールを冷却する冷却器において、天板と、側板と底板を有し前記側板が前記天板に固着されたジャケットと、前記天板と前記ジャケットで囲まれる空間へ冷媒を流入させる冷媒流入口と、前記空間から冷媒を流出させる冷媒流出口と、前記天板に固着され、前記ジャケット内の主冷媒路の左右にそれぞれ複数離間して配置され、かつ前記主冷媒路の流入側へ傾斜して配置された複数のフィンと、前記フィンの冷媒流入側の前記天板に配置された伝熱ピンと、一端が前記伝熱ピンに接続され、他端が自由端である湾曲した板状のバイメタルバルブと、を備えることを特徴とする。
本発明の冷却器によれば、半導体チップが高温になると、バイメタルバルブによって自動的に冷媒流量を増加させ、半導体チップの温度上昇を抑えることができる。また、部品点数が少なく、構造が単純であるため、組み立てが容易である。
また、本発明の冷却器において、前記フィンの傾斜角度が、主冷媒路を基準にして３０度以上６０度以下の範囲であることが望ましい。
このような構成によれば、フィン間に流れる冷媒流を主冷媒路から効果的に取り入れることができる。
また、本発明の冷却器において、前記冷媒が液体であることが望ましい。
このような構成によれば、気体に比べて冷媒の比熱が大きいので、冷却能力を向上できる。
また、本発明の冷却器において、前記主冷媒路の下流側であって、前記冷媒流出口の前に阻止板を備えることがより望ましい。
このような構成によれば、主冷媒路から冷媒流出口に直接冷媒が流れる場合に比べて、圧力損失が増加するため、阻止板より上流側のフィン間へ流れる冷媒流量を増加させることができる。そうすると、冷却器の冷却能力を向上できる。
また、本発明の冷却器において、隣接する前記伝熱ピンの設置間隔は、隣接するフィン同士の間隔の２倍以上離れていることが望ましい。
このような構成によれば、バイメタルバルブ間の相互干渉を防止できる。
また、本発明の冷却器において、前記バイメタルバルブは、冷媒流入方向へ湾曲した第１形状と、前記第１形状時よりも高温になるにつれて直線状に近づく第２形状と、に変形可能であり、前記第１形状時に、前記バイメタルバルブの前記自由端と、隣接する前記フィンとの距離が、隣接する前記フィン同士の間隔に等しくなることが望ましい。
このような構成によれば、バイメタルバルブは、第１形状の時よりも、第２形状の時に冷媒を多く取り込むことができる。そうすると、高温にさらされた部位のバイメタルバルブは、第２形状に変形し、冷媒の取り込み量を増やすことができる。
また、本発明の冷却器において、前記バイメタルバルブは、第１金属片と、前記第１金属片より膨張率の高い第２金属片とを接合したものであり、前記第1金属片が、鉄とニッケルの合金板であり、前記第２金属片が、鉄とニッケルの合金板に、マンガン、クロム、銅からなる群から１つまたは複数選択された金属を添加されていることが望ましい。
このような構成によれば、第１形状と第２形状を備えるバイメタルバルブを得ることができる。
本発明の冷却器において、前記バイメタルバルブの厚さは、０．５ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることが望ましい。
このような構成によれば、所望の変形量を備えるバイメタルバルブを得ることができる。
また、本発明の半導体装置は、上記の冷却器のいずれかを有する半導体装置において、絶縁基板、前記絶縁基板の上面の回路部、および前記絶縁基板の下面の金属部を有する回路基板と、前記回路部に電気的に接続され、前記冷却器で冷却される半導体チップと、前記半導体チップに接続された第１外部端子と、前記回路部に接続された第２外部端子と、前記金属部の前記絶縁基板とは反対側の面、前記第１外部端子の一端、及び前記第２外部端子の一端を除いて、前記回路基板、前記半導体チップ、前記第１外部端子、前記第２外部端子を収容した樹脂部と、を備え、複数の前記フィンは、前記金属部に熱的に接続され、前記伝熱ピンが、前記絶縁基板の下方に配置されていることを特徴とする。
このような構成によれば、高温にさらされた半導体チップの下方のバイメタルバルブが熱によって変形し冷媒の取り込み量が増加する。そうすると、その上方の半導体チップが効果的に冷却される。
また、本発明の半導体装置の一形態は、上記の半導体装置において、前記回路基板、前記半導体チップ、前記第１外部端子、および前記第２外部端子を有する中間組立体を複数備え、複数の前記金属部と前記天板との間に配置された金属ベースと、複数の前記金属部と前記金属ベースとの間を熱的に接続する第１接続部材と、前記金属ベースと前記天板との間を熱的に接続する第２接続部材と、を備える。
このような構成によれば、金属ベースが、各金属部と天板との間に配置されるので、半導体装置の作動や停止に伴って生じる冷熱サイクルに対して、各部材の熱膨張率の違いにより生じる変形を抑制でき、冷却器の剛性を強化できる。
また、本発明の半導体装置の他の形態は、上記の半導体装置において、前記天板は、前記金属部である。
このような構成によれば、半導体チップからフィンまでの熱伝達経路が短いので、伝熱速度を高めることができる。そして、冷却器の冷却能力を向上できる。
本発明の冷却器によれば、半導体チップが高温になると、バイメタルバルブによって自動的に冷媒流量を増加させ、半導体チップの温度上昇を抑えることができる。また、部品点数が少なく、構造が単純であるため、組み立てが容易である。
本発明に係る第１実施例の冷却器１００ｂの構成図である。 第１形状と第２形状のバイメタルバルブ２６の湾曲の状態を説明する説明図である。 本発明に係る第２実施例の半導体装置２００の構成図である。 本発明に係る第３実施例の半導体装置３００の要部断面図である。 従来の半導体モジュール５００を冷却器５０に取り付けた構成図である。 冷却器５０内で高温になった個所を示す図である。
本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、下記の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。
［実施例１］
図１には、本発明の冷却器に係る実施形態の一つが示されている。図１（ａ）は裏面からジャケット２１の底板２１ｂを透視した要部平面図、図１（ｂ）はＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、図１（ｃ）はＹ−Ｙ線で切断した要部断面図である。この冷却器１００ｂは半導体モジュール１００ａなどの冷却に用いられる。半導体モジュール１００ａは、サーマルコンパウンド２８を介して冷却器１００ｂに固定されている。
半導体モジュール１００ａは、絶縁基板４ａ、絶縁基板の上面の回路部４ｂ、および絶縁基板４ａの下面の金属部４ｃを有する回路基板４と、回路部４ｂに電気的に接続され、冷却器１００ｂで冷却される半導体チップ８と、半導体チップ８に接続された第１外部端子９ａと、回路部に接続された第２外部端子９ｂと、金属部４ｃの絶縁基板４ａとは反対側の面、第１外部端子９ａの一端、及び第２外部端子９ｂの一端を除いて、回路基板４、半導体チップ８、第１外部端子９ａ、第２外部端子９ｂを収容した樹脂部１０と、を備える。冷却器１００ｂの複数のフィン２２は、天板２０の裏面に固定されており、天板２０、サーマルコンパウンド２８、金属ベース１、金属部４ｃ、絶縁基板４ａ、回路部４ｂを経由して半導体チップ８へ熱的に接続されている。伝熱ピン２５は、絶縁基板４ａの下方にあたる天板２０の裏面に配置されている。さらに、本発明の半導体装置１００は、回路基板４、半導体チップ８、第１外部端子９ａ、および第２外部端子９ｂを有する中間組立体２を複数備え、複数の金属部４ｂと天板２０との間に配置された金属ベース１と、複数の金属部４ｃと金属ベース１との間を熱的に接続する第１接続部材（図示しない）と、金属ベース１と天板２０との間を熱的に接続する第２接続部材（図示しない）と、を備える。
前記の複数（図１では６個）の中間組立体２は、冷却器１００ｂにサーマルコンパウンド２８などを介して取り付けられる。
本発明の冷却器１００ｂは、半導体モジュール１００ａを冷却する液冷式の冷却器であって、冷媒は、特に限定されず、水、エチレングリコール水溶液などの液体を用いることができる。より具体的には、冷却器１００ｂは、天板２０と、側板２１ａと底板２１ｂを有し側板２１ａが天板２０に固着されたジャケット２１と、天板２０とジャケット２１で囲まれる空間へ冷媒を流入させる冷媒流入口２３と、前記空間から冷媒を流出させる冷媒流出口２４と、天板２０に固着され、冷媒流入口２３に延在するジャケット２１内の中央の主冷媒路３０の左右にそれぞれ複数離間して配置され、かつ主冷媒路３０の流入側へ傾斜して配置された複数のフィン２２と、フィン２２の冷媒流入側の天板２０の裏面に配置された伝熱ピン２５と、一端が伝熱ピン２５に接続され、他端が自由端である湾曲した板状のバイメタルバルブ２６と、を備える。
ジャケット２１は、例えば、厚い平板を切削加工もしくはプレス加工により凹部を形成して作られるため、側板２１ａと底板２１ｂは一体化していてもよい。
冷媒流入口２３と冷媒流出口２４の設置場所は、側板２１ａに限定されない。例えば、冷媒流入口２３と冷媒流出口２４を底板２１ｂに設けてもよい。
また、冷却器１００ｂは、冷媒流入口２３から延在するジャケット２１の中央の主冷媒路の下流側であって、冷媒流出口２０の前には、阻止板３４を備える。阻止板３４を設けない場合、主冷媒路３０を流れる冷媒が直接冷媒流出口２４に流れるため、フィン２２間に流れる冷媒流量が減少しやすいので好ましくない。
伝熱ピン２５の設置間隔は、隣接するフィン２２同士の間隔の２倍以上離れていることが好ましく、図１では伝熱ピン２５とバイメタルバルブ２６はフィン２２を１個づつスキップして配置されている。バイメタルバルブが連続してフィンに配置されると、下流側のバイメタルバルブによる冷媒の取り込み量が減少するため、効果的でない。このような構成によれば、バイメタルバルブ間の相互干渉を防止できる。
バイメタルバルブ２６は、冷媒流入方向へ湾曲した第１形状と、第１形状時よりも高温になるにつれて直線状に近づく第２形状と、に変形可能であり、第１形状時に、バイメタルバルブ２６の自由端と、隣接するフィン２２との距離が、隣接するフィン２２同士の間隔に等しくなるように形成され、ジャケット２１の底板２１ｂや天板２０に接触しないように配置される。室温で湾曲したバイメタルバルブ２６が昇温すると共に直線状に近づく動きをする。バイメタルバルブ２６は、直線状に近づくことで主冷媒路３０の一部を塞ぎ、主冷媒路３０の水流をフィン２２側へ流れるように水流の方向を変える働きをする。
バイメタルバルブ２６は、第１金属片と、前記第１金属片より膨張率の高い第２金属片とを接合したものである。低膨張率側の第1金属片には、鉄とニッケルの合金板（Ｉｎｖａｒ（商標）など）を用い、高膨張率側の第２金属片には、鉄とニッケルの合金板に、マンガン、クロム、銅からなる群から１つまたは複数選択された金属を添加されたものが用いられている。バイメタルバルブ２６は第１金属片と第２金属片を冷間圧延で張り合わせて形成される。バイメタルバルブ２６の厚さ（第１、第２金属片を合わせた厚さ）は、冷却器１００の内部を流れる水流に耐え得る強度の板厚を選定し、その厚さは０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲が好適である。０．５ｍｍ未満では機械的強度が小さく、水流で変形する恐れがある。５ｍｍ超になると、熱容量が大きくなりバイメタルバルブ２６の温度上昇が遅くなり、温度に対する追随性が低くなるので好ましくない。
図２は、第１形状と第２形状のバイメタルバルブ２６の湾曲の状態を説明する説明図である。図２（ａ）は第１形状の図、図２（ｂ）は第２形状の図である。
伝熱ピン２５は、一つ置きにフィン２２の上流側に配置されている。こうすることで、バイメタルバルブ２６の取り付け密度を高め、半導体チップ８下に確実にバイメタルバルブ２６を配置することができる。また、フィン２２の間隔が狭い場合は、２つ置き以上離したフィンに設置しても構わない。つまり、中間組立体２の大きさに係らず中間組立体２の直下に一つ以上のバイメタルバルブ２６が配置されるようにすることが重要である。
また、フィン２２の傾斜角度θは、主冷媒路３０の中心軸３０ａを基準にして３０度以上６０度以下の範囲にする。これによって、後述の図３に示すように、主冷媒路３０を流れる冷媒３１から分岐してフィン２２間に流れる冷媒３２が各フィン２２間で一定量が安定して均一に流れるようになる。
バイメタルバルブ２６は、その一端が伝熱ピン２５に固定され、低温である第１形状の時は、冷媒流入口２３側に向かって凹状に湾曲している。図２（ｂ）に示すように、高温になると凹状に湾曲していたバイメタルバルブ２６は直線状に近づくように変形し第２形状となる。よって、先端部２６ａは主冷媒路３０を流れる冷媒３１の一部を遮って、フィン２２側に流れるように方向を変える作用をする。そのため、高温になると、フィン２２側に流れる冷媒３２の流量が多くなり、直上の回路基板４を効果的に冷却する。冷却された回路基板４を介して半導体チップ８が冷却される。
また、天板２０およびフィン２２の材質は、特に限定されず、例えばアルミニウムなどの熱伝導のよい材料が好ましい。天板の厚さを薄くすると、半導体装置の起動時における冷却器の伝熱速度を向上できるので、より高出力の半導体チップを搭載できる。そして、冷却器の重量を軽量化でき、製造コストを低減できる。しかし、天板２０の厚さが１ｍｍ未満では機械的強度が弱くなるので、天板２０の厚さは１ｍｍ以上にすることが好ましい。
一方、天板２０の厚さを厚くすると、半導体チップ８で発生した熱は、冷却器１００ｂのより広い範囲のフィン２２に伝わり、冷媒との接触面積が広がるため、半導体装置を定常運転する際の冷却能力を高めることができる。ただし、天板２０の厚さが厚すぎると、冷却器１００ｂの過度応答性能が低下するため、高出力の半導体チップは搭載困難であるというデメリットがある。そのため、天板２０の厚さは３ｍｍ以下であることが好ましい。
上記を鑑み、天板２０の厚さは、１ｍｍ以上３ｍｍ以下にされることが好ましく、１ｍｍ以上２ｍｍ以下にされることがより好ましい。
上記態様によれば、発熱している半導体チップ８の熱は、伝熱ピン２５を介して冷却器１００ｂ内に配置されたフィン２２に伝達される。その熱はバイメタルバルブ２６に伝わり、湾曲していたバイメタルバルブ２６が直線状に近づき、バイメタルバルブ２６の自由端側が、主冷媒路３０内へ移動する。そうすると、主冷媒路３０を流れている冷媒流の一部をフィン２２間に導くことができる。その結果、主冷媒路３０からフィン２２側に流れる冷媒流量が増加し、中間組立体２の冷却が促進され、半導体チップ８が冷却される。
前記したように、フィン２２にバイメタルバルブ２６を設置して冷却能力を調整することにより、半導体チップ８の温度上昇を防止し、各中間組立体２の温度分布を一様にすることができる。各中間組立体２の各部位が均一に冷却されることにより、半導体モジュール１００ａの出力（電流容量）を向上させることができる。
また、半導体モジュール１００ａを構成する６つの中間組立体２の各部位が均一な温度になるため、熱膨張による各部材の変形を少なくでき、半導体モジュール１００ａの信頼性を向上できる。
ここで、バイメタルバルブ２６について更に詳細に説明する。バイメタルバルブ２６が低温の状態（図２（ａ））の時、バイメタルバルブ２６の自由端２６ａと主冷媒路３０入口側に隣接するフィン２２との最小間隔Ｐ１（フィン２２面に対して直角方向での距離）は、隣接するフィン２２同士の最小間隔Ｔを基準にして約1倍であることが好ましい。また、前記バイメタルバルブ２６の自由端２６ａと前記主冷媒路３０の中心軸３０ａとの最小間隔Ｑ２（中心軸に直角方向の距離）と、前記冷媒の入口側に隣接する前記フィン２２の先端部２２ａと前記主冷媒路３０の中心軸３０ａとの最小間隔Ｑ１（中心軸に直角方向の距離）とが、ぼぼ等しいことが望ましい。つまり、フィン２２の先端部２２ａとバイメタルバルブ２６の自由端２６ａを結ぶ直線が中心軸３０ａにほぼ平行になっていることが好ましい。
バイメタルバルブ２６が高温の状態（図２（ｂ））のとき、バイメタルバルブ２６が直線状に近づいて、バイメタルバルブ２６の自由端２６ａは、はみ出し量ΔＬだけ主冷媒路３０へはみ出す。そうすると、主冷媒路３０の冷媒流の一部はフィン２２側に取り込まれ、バイメタルバルブ２６が上流側に設けられたフィン２２側の冷媒流量が増加される。その結果、中間組立体２に対する冷却能力が向上し、半導体チップ８が冷却される。
上記の実施例１によれば、冷却器１００ｂにバイメタルバルブ２６を設けることで、特許文献２および特許文献３に比べて、部品点数を減らせ、単純な構造にできる。
［実施例２］
図３は、この発明に係る第２実施例の半導体装置２００の構成図である。図３（ａ）は冷却器３の底板２１ｂを透視した要部平面図、図３（ｂ）はＸ−Ｘ線で切断した要部側断面図、図３（ｃ）はＹ−Ｙ線で切断した要部側断面図である。
この冷却器３を有する半導体装置２００は、複数の中間組立体２と、冷却器３と、これら中間組立体２と冷却器３の天板２０の上面を封止した樹脂部１０とを備える。
中間組立体２は、絶縁基板４ａ、前記絶縁基板の上面の回路部４ｂ、および前記絶縁基板４ａの下面の金属部４ｃを有する回路基板４と、前記回路部４ｂに電気的に接続され、前記冷却器３で冷却される半導体チップ８と、前記半導体チップ８に接続された第１外部端子９ａと、前記回路部４ｂに接続された第２外部端子９ｂとを備えている。
冷却器３は、天板２０と、側板２１ａと底板２１ｂを有し前記側板２１ａが前記天板２０に固着されたジャケット２１と、前記天板２０と前記ジャケット２１で囲まれる空間へ冷媒を流入させる冷媒流入口２３と、前記空間から冷媒を流出させる冷媒流出口２４と、前記天板２０に固着され、前記ジャケット２１内の主冷媒路の左右にそれぞれ複数離間して配置され、かつ前記主冷媒路の流入側へ傾斜して配置された複数のフィン２２と、前記フィンの冷媒流入側の前記天板２０に配置された伝熱ピン２５と、一端が前記伝熱ピン２５に接続され、他端が自由端である湾曲した板状のバイメタルバルブ２６と、を備えている。冷却器３の複数の前記フィン２２は、天板２０の裏面に固定されており、天板２０、前記金属部４ｃ、絶縁基板４ａ、回路部４ｂを経由して半導体チップ８へ熱的に接続されている。前記伝熱ピン２５は、前記絶縁基板４ａの下方にあたる天板２０の裏面に配置されている。フィン２２の傾斜角度は、主冷媒路を基準にして３０度以上６０度以下の範囲である。
樹脂部１０は、前記金属部４ｃの前記絶縁基板４ａとは反対側の面、前記第１外部端子９ａの一端、及び前記第２外部端子９ｂの一端を除いて、前記回路基板４ａ、前記半導体チップ８、前記第１外部端子９ａ、前記第２外部端子９ｂを収容している。
図３の冷却器の天板２０は、はんだのような接合部材で絶縁基板４の裏面の金属部４ｃを固着され、且つ、金属ベース１を兼ねた中間部材である。例えば、中間組立体２は、回路基板４に例えばＩＧＢＴチップとＦＷＤチップを逆並列接続し、第１外部端子９ａ、第２外部端子９ｂを配置した構成をしており、中間組立体２を天板２０（金属ベース１）に固着させ、その後、樹脂部１０で被覆して半導体モジュール２００ａが出来上がる。この中間組立体２が一つでインバータ回路の１アーム分を形成できる。そのため、６つの中間組立体２を用いると三相インバータ回路を構成できる。
なお、前記の半導体装置２００は、モールド樹脂型で示したが、これに限るものではない。例えば、外部導出端子がインサート成形された端子ケースに前記中間組立体２が収納された端子ケース型の場合もある。
図３に番号３で示した冷却器部分と、図１に示す冷却器１００ｂとの違いは、中間組立体２を固着する金属ベース１が冷却器３の天板２０を兼ねている点である。図１で説明したように、フィン２２にバイメタルバルブ２６を設置して冷却能力を調整することにより、半導体チップ８の温度上昇を防止し、半導体装置２００全体の温度分布を一様にすることができる。
また、バイメタルバルブ２６は絶縁基板４の中央付近に少なくとも一つ配置するようにする。勿論、複数配置すれば冷却効率がより向上するので好ましい。
このように、半導体モジュール２００ａと冷却器３を一体化させ、金属ベース１に天板２０の働きをさせることで、天板２０が除去されたので、伝熱速度が向上され、冷却効率を向上できる。そのため、より発熱量が多い条件で半導体モジュール２００を動作させることができ、高性能化（例えば、電流容量の増大など）することができる。
また、半導体装置２００が均一な温度になるため、熱膨張により各部材の変形が少なくなり、半導体装置２００の信頼性を向上させることができる。
尚、図１〜図３で説明した冷却器１００ｂの伝熱ピン２５とバイメタルバルブ２６についての各事項は図３の冷却器３に対しても当てはまる。
［実施例３］
図４は、この発明に係る第３実施例の半導体装置３００の要部断面図である。図３の半導体装置２００との違いは、金属ベース１を除いて、絶縁基板４の裏面の金属部４ｃを冷却器３ａの天板２０として直接利用した点である。金属ベース１と金属部４ｃがないため、伝熱速度を向上でき、半導体チップ８に対する冷却効果を大きくできる。また、半導体装置３００を小型化できる。尚、この半導体装置３００では、中間組立体２は絶縁基板４の裏面の金属部４ｃに相当する天板２０が共通になっている。
上記の実施例２および実施例３によれば、冷却器３に伝熱ピン２５とバイメタルバルブ２６を設け、冷却器６と中間組立体２を一体化することで、組み立てが容易にでき、冷却性能を向上された半導体装置２００、３００にすることができる。
１，５１ 金属ベース
２，５２ 中間組立体
３，３ａ，１００ｂ，５００ｂ 冷却器
４，５４ 回路基板
４ａ，５４ａ 絶縁基板
４ｂ，５４ｂ 回路部
４ｃ，５４ｃ 金属部
８，５８ 半導体チップ
９ａ，５９ａ 第１外部端子
９ｂ，５９ｂ 第２外部端子
２２ａ 先端部
１０，６０ 樹脂部
２０，７０ 天板
２１，７１ ジャケット
２１ａ，７１ａ 側板
２１ｂ，７１ｂ 底板
２２，７２ フィン
２３，７３ 冷媒流入口
２４，７４ 冷媒流出口
２５ 伝熱ピン
２６ バイメタルバルブ
２６ａ 自由端
２８，７８ サーマルコンパウンド
３０ 主冷媒路
３０ａ 中心軸
３４ 阻止板
８０ 水流
８１ 個所
１００ａ，２００ａ，５００ａ 半導体モジュール
１００，２００，３００，５００ 半導体装置
Ｐ１，Ｑ１，Ｑ２、Ｔ 最小間隔
θ 傾斜角度
Ｌ バイメタルバルブの長さ
半導体モジュール１００ａは、絶縁基板４ａ、絶縁基板の上面の回路部４ｂ、および絶縁基板４ａの下面の金属部４ｃを有する回路基板４と、回路部４ｂに電気的に接続され、冷却器１００ｂで冷却される半導体チップ８と、半導体チップ８に接続された第１外部端子９ａと、回路部に接続された第２外部端子９ｂと、金属部４ｃの絶縁基板４ａとは反対側の面、第１外部端子９ａの一端、及び第２外部端子９ｂの一端を除いて、回路基板４、半導体チップ８、第１外部端子９ａ、第２外部端子９ｂを収容した樹脂部１０と、を備える。冷却器１００ｂの複数のフィン２２は、天板２０の裏面に固定されており、天板２０、サーマルコンパウンド２８、金属ベース１、金属部４ｃ、絶縁基板４ａ、回路部４ｂを経由して半導体チップ８へ熱的に接続されている。伝熱ピン２５は、絶縁基板４ａの下方にあたる天板２０の裏面に配置されている。さらに、本発明の半導体装置１００は、回路基板４、半導体チップ８、第１外部端子９ａ、および第２外部端子９ｂを有する中間組立体２を複数備え、複数の金属部４ｃと天板２０との間に配置された金属ベース１と、複数の金属部４ｃと金属ベース１との間を熱的に接続する第１接続部材（図示しない）と、金属ベース１と天板２０との間を熱的に接続する第２接続部材（図示しない）と、を備える。
バイメタルバルブ２６は、第１金属片と、前記第１金属片より膨張率の高い第２金属片とを接合したものである。低膨張率側の第1金属片には、鉄とニッケルの合金板（Ｉｎｖａｒ（商標）など）を用い、高膨張率側の第２金属片には、鉄とニッケルの合金板に、マンガン、クロム、銅からなる群から１つまたは複数選択された金属を添加されたものが用いられている。バイメタルバルブ２６は第１金属片と第２金属片を冷間圧延で張り合わせて形成される。バイメタルバルブ２６の厚さ（第１、第２金属片を合わせた厚さ）は、冷却器１００ｂの内部を流れる水流に耐え得る強度の板厚を選定し、その厚さは０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲が好適である。０．５ｍｍ未満では機械的強度が小さく、水流で変形する恐れがある。５ｍｍ超になると、熱容量が大きくなりバイメタルバルブ２６の温度上昇が遅くなり、温度に対する追随性が低くなるので好ましくない。
また、フィン２２の傾斜角度θは、主冷媒路３０の中心軸３０ａを基準にして３０度以上６０度以下の範囲にする。これによって、後述の図２に示すように、主冷媒路３０を流れる冷媒３１から分岐してフィン２２間に流れる冷媒３２が各フィン２２間で一定量が安定して均一に流れるようになる。
一方、天板２０の厚さを厚くすると、半導体チップ８で発生した熱は、冷却器１００ｂのより広い範囲のフィン２２に伝わり、冷媒との接触面積が広がるため、半導体装置を定常運転する際の冷却能力を高めることができる。ただし、天板２０の厚さが厚すぎると、冷却器１００ｂの過渡応答性能が低下するため、高出力の半導体チップは搭載困難であるというデメリットがある。そのため、天板２０の厚さは３ｍｍ以下であることが好ましい。
図３の冷却器の天板２０は、はんだのような接合部材で絶縁基板４ａの裏面の金属部４ｃを固着され、且つ、金属ベース１を兼ねた中間部材である。例えば、中間組立体２は、回路基板４に例えばＩＧＢＴチップとＦＷＤチップを逆並列接続し、第１外部端子９ａ、第２外部端子９ｂを配置した構成をしており、中間組立体２を天板２０（金属ベース１）に固着させ、その後、樹脂部１０で被覆して半導体モジュール２００ａが出来上がる。この中間組立体２が一つでインバータ回路の１アーム分を形成できる。そのため、６つの中間組立体２を用いると三相インバータ回路を構成できる。
また、バイメタルバルブ２６は絶縁基板４ａの中央付近に少なくとも一つ配置するようにする。勿論、複数配置すれば冷却効率がより向上するので好ましい。
上記の実施例２および実施例３によれば、冷却器３に伝熱ピン２５とバイメタルバルブ２６を設け、冷却器３と中間組立体２を一体化することで、組み立てが容易にでき、冷却性能を向上された半導体装置２００、３００にすることができる。

Claims (11)

  1. 半導体モジュールを冷却する冷却器において、
    天板と、
    側板と底板を有し前記側板が前記天板に固着されたジャケットと、
    前記天板と前記ジャケットで囲まれる空間へ冷媒を流入させる冷媒流入口と、
    前記空間から冷媒を流出させる冷媒流出口と、
    前記天板に固着され、前記ジャケット内の主冷媒路の左右にそれぞれ複数離間して配置され、かつ前記主冷媒路の流入側へ傾斜して配置された複数のフィンと、
    前記フィンの冷媒流入側の前記天板に配置された伝熱ピンと、
    一端が前記伝熱ピンに接続され、他端が自由端である湾曲した板状のバイメタルバルブと、
    を備えることを特徴とする冷却器。
  2. 前記フィンの傾斜角度が、主冷媒路を基準にして３０度以上６０度以下の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
  3. 前記冷媒が液体であることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却器。
  4. 前記主冷媒路の下流側であって、前記冷媒流出口の前に阻止板を備えたことを特徴とする請求項３に記載の冷却器。
  5. 隣接する前記伝熱ピンの設置間隔は、隣接するフィン同士の間隔の２倍以上離れていることを特徴とする請求項３に記載の冷却器。
  6. 前記バイメタルバルブは、冷媒流入方向へ湾曲した第１形状と、前記第１形状時よりも高温になるにつれて直線状に近づく第２形状と、に変形可能であり、
    前記第１形状時に、前記バイメタルバルブの前記自由端と、隣接する前記フィンとの距離が、隣接する前記フィン同士の間隔に等しくなることを特徴とする請求項３に記載の冷却器。
  7. 前記バイメタルバルブは、第１金属片と、前記第１金属片より膨張率の高い第２金属片とを接合したものであり、
    前記第1金属片が、鉄とニッケルの合金板であり、
    前記第２金属片が、鉄とニッケルの合金板に、マンガン、クロム、銅からなる群から１つまたは複数選択された金属を添加されていることを特徴とする請求項６に記載した冷却器。
  8. 前記バイメタルバルブの厚さが、０．５ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の冷却器。
  9. 請求項３に記載の冷却器を有する半導体装置において、
    絶縁基板、前記絶縁基板の上面の回路部、および前記絶縁基板の下面の金属部を有する回路基板と、
    前記回路部に電気的に接続され、前記冷却器で冷却される半導体チップと、
    前記半導体チップに接続された第１外部端子と、
    前記回路部に接続された第２外部端子と、
    前記金属部の前記絶縁基板とは反対側の面、前記第１外部端子の一端、及び前記第２外部端子の一端を除いて、前記回路基板、前記半導体チップ、前記第１外部端子、前記第２外部端子を収容した樹脂部と、を備え、
    複数の前記フィンは、前記金属部に熱的に接続され、
    前記伝熱ピンが、前記絶縁基板の下方に配置されていることを特徴とする半導体装置。
  10. 請求項９に記載の半導体装置において、
    前記回路基板、前記半導体チップ、前記第１外部端子、および前記第２外部端子を有する中間組立体を複数備え、
    複数の前記金属部と前記天板との間に配置された金属ベースと、
    複数の前記金属部と前記金属ベースとの間を熱的に接続する第１接続部材と、
    前記金属ベースと前記天板との間を熱的に接続する第２接続部材と、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  11. 請求項９に記載の半導体装置において、
    前記天板は、前記金属部であることを特徴とする半導体装置。
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