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CN104247010B - 半导体装置 - Google Patents

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CN104247010B
CN104247010B CN201380019990.7A CN201380019990A CN104247010B CN 104247010 B CN104247010 B CN 104247010B CN 201380019990 A CN201380019990 A CN 201380019990A CN 104247010 B CN104247010 B CN 104247010B
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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

半导体装置(1)具备绝缘基板(14)、半导体元件(12、13)以及冷却器(20)。冷却器(20)具备散热基板(21)、散热片(22)以及冷却盒(23)，该冷却盒(23)收容散热片(22)，呈具有底壁(23a)和侧壁(23b)的箱型形状。在冷却盒(23)的侧壁(23b)中的、沿着散热片(22)的集合体的长边方向设置的一对侧壁上，对角线状地设有冷却液的导入口(23c)和排出口(23d)，并且在冷却盒(23)内部设有朝向导入口(23c)的扩散壁(23g)。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及一种具备用于冷却半导体元件的冷却器的半导体装置。
背景技术
在以混合动力汽车、电动汽车等为代表的使用电动机的设备中，为了节能而利用电力变换装置。在该电力变换装置中广泛使用着半导体模块。构成这种用于节能的控制装置的半导体模块具备控制大电流的功率半导体元件。通常的功率半导体元件在控制大电流时发热，随着电力变换装置不断小型化、高输出化，其发热量增加。因此，在具备多个功率半导体元件的半导体模块中，其冷却方法成为大问题。
作为为了冷却半导体模块而安装到半导体模块的冷却器，以往使用液冷式的冷却器。该液冷式的冷却器具备：金属制的散热基板，其与搭载功率半导体元件的绝缘基板的、该半导体模块的相反侧的面接合；散热用的散热片，其一体地形成于该散热基板；以及箱型形状的冷却盒，其收容该散热片，液密地安装到上述散热基板。该冷却盒上连接有冷却介质(冷却液)的导入口和排出口。在冷却盒内形成以下流路：从导入口导入到冷却盒内的冷却介质通过散热片后从排出口排出。由外部的泵进行加压的冷却介质(例如水、长效冷却液等)被从导入口导入，流过冷却盒内的流路，由此功率半导体元件的热能经由散热片散热到冷却介质。冷却介质被从排出口排出，在外部的换热器中冷却之后，通过泵进行加压而返回到冷却盒内的流路。
关于这种冷却器，存在以下冷却器：在冷却器的长边方向端部设有冷却介质的入口与出口，在该入口与出口之间的冷却器内的流路上，将与多个半导体模块分别对应地设置的散热片沿着冷却器的长边方向排列并使冷却介质与该散热片直接接触(专利文献1)。关于专利文献1所图示的冷却器，冷却介质的入口与出口分别被设于散热装置的背面，换言之被设于冷却器的底面。
关于液冷式的冷却器，为了提高冷却效率，想了以下各种办法：增加冷却介质的流量，或者将冷却器所具备的散热用的散热片(冷却体)设为导热率好的形状，或者使用导热率高的材料作为构成散热片的材料等。
例如存在一种在冷却器的入口部与冷却介质通路之间设有用于促进冷却介质分散的壁的冷却器(专利文献2)。另外，存在一种在冷却器的入口与出口之间设有用于使制冷剂扩散的槽或者突起的冷却器(专利文献3)。另外，存在一种冷却剂的导入管和排出管被设于散热器的长边方向端侧周缘的角部附近并在导入管与排出管之间设有柱状部件的冷却器(专利文献4)。另外，存在以下一种冷却器：在与周壁部一体化的长方形的底座部，除了其角部以外设有散热突起，在与该散热突起的前端相对置地设置的下盖设有冷却介质的流入口、流出口，在底座部的角部促进冷却介质的湍流而提高冷却效率(专利文献5)
专利文献1：日本特开2001-308246号公报(参照段落[0018]和图1)
专利文献2：日本特开2007-123607号公报(参照权利要求书和段落[0041])
专利文献3：日本特开2005-19905号公报(参照权利要求书和图1)
专利文献4：日本特开2007-294891号公报(参照段落[0017])
专利文献5：日本特开2011-103369号公报(参照段落[0031]和图1)
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1所记载的冷却器中，流过冷却器内的冷却介质的流量在其流路的宽度方向中央部多而在周围部少，因此配置在流过冷却器内的冷却介质的流路的宽度方向中央附近的半导体元件与配置在周围部的半导体元件在冷却程度上产生差异。关于这一点，当如专利文献2～5所记载那样设置用于促进冷却介质分散的壁、槽、突起等时，能够在通路的宽度方向上抑制流量的偏差，能够抑制各半导体元件的冷却程度的差。
然而，对冷却器的散热性能的要求不止，随着电力变换装置的小型化、高输出化，要求提高散热性能。
另外，关于专利文献1、专利文献5所图示的冷却器，将冷却介质的入口与出口设于冷却器底面，因此在该冷却器底面的下方无法与冷却器重叠地设置电子部件、例如薄膜电容器。
本发明是有利地解决上述问题的发明，目的在于提供一种具备如下冷却器的半导体装置，该冷却器能够提高散热性能，并且能够有效利用冷却器底面的下方的空间而能够在冷却器的下方重叠地配置电子部件。
用于解决问题的方案
为了达到上述目的，提供以下的半导体装置。
该半导体装置具备：绝缘基板；半导体元件，其搭载在该绝缘基板上；以及冷却器，其使该半导体元件冷却。上述冷却器具备：散热基板，其与该绝缘基板接合；多个散热片，其设置在该散热基板的、与该绝缘基板接合的接合面的相反侧的面上的大致长方形的区域；以及冷却盒，其收容该散热片，呈具有底壁和侧壁的箱型形状。在该冷却盒的侧壁中的、沿着散热片的集合体的长边方向设置的一对第一侧壁和第二侧壁上，在相对于散热片的集合体的短边方向的中心线向相互相反的方向错开的位置处设有冷却介质的导入口和排出口。在上述底壁与设有上述导入口的上述第一侧壁之间设有扩散壁，该扩散壁使从上述导入口导入的上述冷却介质沿着上述第一侧壁扩散。
发明的效果
根据本发明，在冷却盒的侧壁中的、沿着散热片的集合体的长边方向设置的第一侧壁上设有冷却介质的导入口，在第二侧壁上设有冷却介质的排出口，因此能够形成冷却介质沿散热片的集合体的短边方向流动的流路，因此能够提高散热性能。另外，在冷却盒的第一侧壁与底壁之间设有扩散壁，因此降低沿散热片的集合体的短边方向流过流路的冷却介质的压力损失，并且能够使流量均匀。进一步，将导入口和排出口设于相对于散热片的集合体的短边方向的中心线向相互相反的方向错开的位置处，因此在冷却盒底壁的下方能够重叠地设置薄膜电容器等电子部件。
附图说明
图1是本发明的半导体装置的一个实施方式的立体图。
图2是说明三种散热片的形状的立体图。
图3是构成为三相逆变装置的半导体模块的电路图。
图4是冷却器的冷却盒的俯视图。
图5是安装了散热基板的冷却盒的俯视图。
图6是安装了散热基板的冷却盒的一个侧视图。
图7是安装了散热基板的冷却盒的一个侧视图。
图8是用图5的A-A线来切断的截面图。
图9是表示冷却盒的其它例的用图5的A-A线来切断的截面图。
图10是安装了树脂盒的实施方式的半导体装置的立体图。
图11是设置了薄膜电容器的本发明的其它实施方式的立体图。
图12是表示实施例和比较例的IGBT元件的温度的图表。
图13是表示扩散壁的高度与压力损失的关系的图表。
图14是表示有角针的间距与IGBT元件的温度的关系的图表。
具体实施方式
使用附图来具体地说明本发明的半导体装置的实施方式。
在图1的(a)、(b)、(c)中用立体图示出的本发明的一个实施方式的半导体装置1具备半导体模块10以及使该半导体模块冷却的冷却器20。半导体模块10在图示的本实施方式中具有配置在冷却器20的散热基板21上的多个电路元件部11A、11B、11C。半导体模块10通过这些电路元件部11A、11B、11C构成三相逆变电路。具体地说，电路元件部11A、11B、11C分别构成为在图3中示出电路图的形成三相逆变电路40的W相用电路、V相用电路以及U相用电路。此外，在图3中，在三相逆变电路40上连接有三相交流电动机41。
关于成为W相用电路的电路元件部11A，如图1的(a)所示，在安装于散热基板21的绝缘基板14上安装作为构成上侧臂的半导体元件的IGBT元件12和与该IGBT元件12反并联连接的续流二极管(freewheel diode)13以及形成下侧臂的IGBT元件12和与该IGBT元件12反并联连接的续流二极管13。另外，成为V相用电路的电路元件部11B和成为U相用电路的电路元件部11C也具有与上述电路元件部11A相同的结构。在各绝缘基板14上形成有用于构成上述电路的电路图案。此外，半导体模块10在图示的例子中构成三相逆变电路，但是本发明中的半导体模块10并不限定于构成三相逆变电路的半导体模块。
冷却器20具备图1的(a)示出的散热基板21、图2示出的散热片22以及图1的(b)示出的冷却盒23。图1的(c)是使图1的(b)的冷却盒23旋转后的图。散热片22在散热基板21上的、安装了电路元件部11A、11B、11C的面的相反侧的面上与该散热基板21一体地形成。冷却盒23的内部收容散热片22。冷却盒23有时被称为冷却套(coolant jacket)或者水冷套。
在图1的(a)中，各电路元件部11A、11B、11C的绝缘基板14与散热基板21接合，由此绝缘基板14以及搭载于该绝缘基板14上的IGBT元件12和续流二极管13以能够导热的方式与冷却器20连接。也可以在各绝缘基板14上形成有使用于与散热基板21之间的接合的金属层。此外，图1的(a)中的线段cl为一体地安装于散热基板21的、图2示出的散热片22的集合体的短边方向的中心线。
一体地安装于散热基板21的散热片22被用作散热板，换言之被用作散热装置(heat sink)。散热片22例如能够使用图2的(a)示出的将多个角柱形状的针(有角针：angular pins)隔着间隔以规定间距排列而成的针散热片。另外，还能够使用该图的(b)示出的将多个圆柱形状的针(圆针：round pins)隔着间隔以规定间距排列而成的针散热片22A。并且，还能够使用该图的(c)示出的将多个翅片(blade)形状的散热片相互平行地设置而成的翅片散热片22B。从提高散热性能的观点出发，图2的(a)～(c)示出的散热片中的、图2的(a)和图2的(b)示出的针散热片22、22A与图2的(c)示出的翅片散热片22B相比更能提高散热片的密度，因此优选使用。并且，图2的(a)示出的有角针的散热片22与图2的(b)示出的圆针的散热片22A相比，不仅能够加快针周围的流速，还能够使每个针的表面面积大，因此能够高效率地进行热交换。以下，以图2的(a)示出的有角针的散热片22为代表来说明散热片。
优选考虑冷却介质向冷却器20的导入条件(即泵性能等)、冷却介质的种类与性质(特别是粘性等)、目标散热量等来适当地设定散热片22的形状和尺寸。另外，散热片22的高度形成为在散热片22收容于冷却盒23时在散热片22的前端与冷却盒23的底壁之间存在固定的间隙。
在散热基板21中，散热片22一体地安装于散热基板21的区域优选包含以下区域，即，将散热基板21与绝缘基板14接合的状态下的、该绝缘基板14上的搭载作为半导体元件的IGBT元件12和续流二极管13的区域向散热基板21的厚度方向进行投影所得到的区域。换言之，优选为包含IGBT元件12和续流二极管13的正下方区域的区域。
散热片22的集合体的外形为大致长方体，优选为长方体，也可以是在无损本发明的效果的范围内进行倒角、变形所得到的形状。在图2的(a)中示出具有长方体外形的散热片22的集合体的短边方向的中心线cl。
根据图1的(b)示出的立体图以及图4示出的俯视图可知，收容散热片22的冷却盒23具有底壁23a以及设于该底壁23a周缘的侧壁23b，呈上部开口的箱型形状。冷却盒23的开口配合散热片22的集合体的外形而具有长方形。冷却盒23的外形具有大致长方体形状，其长边方向与散热片22的集合体的长边方向一致。
关于冷却盒23，在长边侧的侧壁23b中的第一侧壁23b1的角部附近设有用于将冷却介质导入到冷却盒23内的导入口23c，并且在长边侧的侧壁23b中的第二侧壁23b2的角部附近设有用于将冷却介质从冷却盒23内排出到外部的排出口23d。换言之，在第一侧壁23b1和第二侧壁23b2上，在相对于散热片22的集合体的短边方向的中心线cl向相互相反的方向错开的位置处设有冷却介质的导入口23c和排出口23d。在侧壁23b的上表面安装有用于防止在散热基板21安装于冷却盒23且冷却介质在冷却盒23内流动时液体从冷却盒23内泄露的O型环23e，并且在四角形成有用于以螺栓固定散热基板21的螺栓孔23f。防止液体泄漏的方法也可以是金属密封片、液体密封件。
在冷却盒23内，在第一侧壁23b1与底壁23a之间，沿着冷却盒23的长边方向设有扩散壁23g，该扩散壁23g使从导入口23c导入的冷却介质沿着第一侧壁23b1扩散。另外，在冷却盒23内，在第二侧壁23b2与底壁23a之间，沿着冷却盒23的长边方向设有收敛壁23h，该收敛壁23h使冷却介质沿着第二侧壁23b2向排出口23d收敛。
图5示出将图1的(a)示出的散热基板21安装到该图的(b)示出的冷却盒23时的俯视图，图6示出从导入口23c侧观察的侧视图，图7示出从排出口23d侧观察的侧视图，图8示出用图5的A-A线来切断的截面图。此外，在图5～8中，为了容易理解本发明，省略散热基板21上的各电路元件部11A、11B、11C的图示。
如图8所示，关于扩散壁23g，在一例中为从第一侧壁23b1的底边朝向底壁23a而形成的向上倾斜面。另外，关于收敛壁23h，在一例中为从底壁23a朝向第二侧壁23b2的底边而形成的向下倾斜面。
由于扩散壁23g、收敛壁23h为倾斜面，由此能够抑制在将扩散壁23g、收敛壁23h相对于导入口23c、排出口23d垂直地设置的情况下有可能产生的涡流。另外，由于扩散壁23g、收敛壁23h为简单的倾斜面，由此在通过压铸等制造冷却盒23时，能够容易地形成扩散壁23g、收敛壁23h。关于扩散壁23g、收敛壁23h相对于导入口23c、排出口23d的倾斜角度，由于扩散壁23g、收敛壁23h在从冷却盒的上方观察时设于侧壁23b同底壁内面的与散热片22相对置的区域之间的区域，因此能够设为根据该区域的距离能够设定的角度。该区域的距离L(参照图4)大约为2mm～12mm。
将该扩散壁23g设于冷却盒23内，由此在图5中用箭头表示的冷却介质流首先从导入口23c被导入到冷却盒23内而与扩散壁23g碰撞，沿着扩散壁23g向冷却盒23内的长边方向扩散。接着，在设有散热片22的散热片区域22e内沿冷却盒23的短边方向、换言之散热片22的集合体的短边方向流动而与散热装置进行热交换，之后沿着收敛壁23h流动而被收敛，从排出口23d排出到冷却盒23外。
在本实施方式的半导体装置1中，冷却盒23的导入口23c和排出口23d被设于沿着冷却盒23的长边方向的侧壁23b，并且在冷却盒23内设有扩散壁23g，由此使冷却介质沿散热片22的集合体(长方体形状)的短边方向流动。由此，与使冷却介质沿散热片22的集合体的长边方向流动的情况相比，能够提高散热性能。认为其理由如下。通常，如果散热片22的密度高则能够得到高的散热性能，而另一方面压力损失增加。另外，使冷却介质沿散热片22的集合体的长边方向流动的情况与使冷却介质沿短边方向流动的情况相比，压力损失变大。因此，对于密度高的散热片22，通过使冷却介质沿散热片22的集合体的短边方向流动，能够兼顾高散热性能与低压力损失。
另外，如图1所示，在将多个半导体元件作为电路元件部11A、11B、11C而沿着散热基板21的长边方向并排排列的情况下，通常，散热片22的集合体的长边方向与这些半导体元件的排列方向相同。此时，当使冷却介质沿散热片22的集合体的长边方向流动时，冷却介质的流向下游侧的半导体元件被通过与上游侧的半导体元件之间的热交换而变暖的冷却介质进行冷却，与上游侧相比，冷却效果变低。与此相对，通过如本实施方式的半导体装置1那样使冷却介质沿散热片22的集合体的短边方向流动，而使冷却介质沿与多个半导体元件(电路元件部)的排列方向正交的方向流动，因此减小冷却效果的不均匀，不管半导体元件的排列位置如何均能够提高散热性能。
并且，通过在冷却盒23内设置扩散壁23g，使沿散热片22的集合体的短边方向流动的冷却介质流均匀化。由此也能够提高散热性能。关于使该冷却介质流均匀化的效果，在散热片的形状为有角针的散热片22或者圆针的散热片22A且为了提高散热性能而以高密度排列针的散热片的情况下特别大，在该情况下针的高密度化与冷却介质流均匀化相辅而能够进一步提高散热性能。在散热片的形状为有角针的散热片22或者圆针的散热片22A的情况下，在针散热片的直径为2mm时，优选针被高密度化为针的间距、即针的排列间隔(相邻的针的中心间距离)为4mm以下这种程度。这是由于，在以下实施例中说明的热分析的结果是在针的间距处于3mm～6mm的范围内的情况下如果间距变大则散热性能降低这种结果，但是，如果间距为4mm以下，则半导体元件的温度上升为5％左右，通过提高制冷剂的流量来提高散热性能而能够充分进行冷却。另外，构成针散热片的多个相邻的针的间距(间隔)优选为针直径的1.25倍～2倍。针直径在有角针中为一边的长度，在圆针中为直径，大约为1mm～2mm。在2mm角的有角针的情况下，间距优选为2.5mm～4mm的范围。当间距小于2.5mm时需要去除制冷剂中的灰尘或者高精度的加工而成本上升。
导入口23c的内径d(参照图8)优选大于扩散壁23g的高度h。具体地说，在导入口23c的内径d为的情况下，扩散壁23g的高度h优选处于0.1mm～13mm的范围。在图8示出的例子中，导入口23c的内径d同与导入口23c相连接的导入管23i的内径(管径)相等。导入口23c的内径d、即导入管23i的管径越大则能够使压力损失越低。在导入管23i的管径d为一般的的情况下，优选为了降低导入口23c处的压力损失而设置扩散壁23g，当扩散壁23g的高度h小于0.1mm时缺乏设置扩散壁23g的效果，当超过13mm时反而使压力损失变大。
能够将收敛壁23h的高度设为与扩散壁23g的高度h相同。即，在与排出口23d相连接的排出管23j为一般的管径的情况下优选处于0.1mm～13mm的范围。
在本实施方式的半导体装置1中，冷却盒23的导入口23c和排出口23d被设于沿着冷却盒23的长边方向的侧壁23b(23b1、23b2)。因此，容易将软管安装到导入管23i和排出管23j。另外，在冷却盒23的底壁23a不需要设置用于将冷却介质导入到冷却盒23内或者用于将冷却介质从冷却盒23内排出的排出口，因此能够在冷却盒23的底壁23a的下方设置其它电子部件。关于冷却盒23的底壁23a的形状，如果能够设置其它电子部件则不特别限定，如图9所示的与图8相同的截面图那样，底壁23a的外表面也可以是平面。但是，如图8示出的截面图那样，通过底壁23a、扩散壁23g以及收敛壁23h设为在冷却盒23的底壁23a的背面侧形成有凹部的形状能够降低原材料费用，因此优选使用。
在图6示出的从冷却盒23的导入口23c侧观察的侧视图和图7示出的从冷却盒23的排出口23d侧观察的侧视图中，冷却盒23具有相同的外形。也就是说，冷却盒23的导入口23c与排出口23d的位置相对于冷却盒23是旋转对称的。由于旋转对称，由此容易制作冷却盒23，并且在将导入管23i和排出管23j安装到冷却盒23时，只要任意地将形成于侧壁23b的开口中的一个决定为导入口23c而将另一个决定为排出口23d即可，因此容易进行操作。
在图10中用立体图示出将收容半导体模块10的树脂盒15安装到冷却器20上的散热基板21(未图示)的周缘部的实施方式的半导体装置1。图示的树脂盒15具有大致长方体的外形，从上方观察时的长边方向、短边方向的尺寸与冷却器20大致相同。与半导体模块10的电路相连接的P端子和N端子16、U端子、V端子和W端子17在树脂盒15的上表面突出。P端子和N端子16、U端子、V端子和W端子17分别沿着冷却盒23的长边方向设置。还能够沿着冷却盒23的短边方向设置这些端子16、17中的至少一个，但是如图1所示在将多个IGBT元件12、续流二极管13作为电路元件部11A、11B、11C而沿着散热基板21的长边方向并排排列的情况下，通过沿着冷却盒23的长边方向设置端子16、17，与沿着短边方向设置的情况相比，能够减小这些端子16、17与IGBT元件12、续流二极管13之间的电感。另外，通过沿着冷却盒23的长边方向设置端子16、17，能够使具备与这些端子相连接的多个IGBT元件12的多个电路元件部11A、11B和11C相互接近地配置它们，由此能够将使电路元件部11A、11B和11C散热的散热片22形成为一个集合体，因此容易制造散热片22，并且能够降低散热片22的制造成本。
在本实施方式的半导体装置1中，在冷却盒23的第一侧壁23b1和第二侧壁23b2上，在相对于散热片22的集合体的短边方向的中心线cl向相互相反的方向错开的位置处设有冷却盒23的导入口23c和排出口23d。优选在冷却盒23的导入口23c和排出口23d之间设置上述P端子16和N端子16。因而，在将其它电子部件例如薄膜电容器设于冷却盒23的底壁23a的下方的位置处并为了减小该薄膜电容器与半导体模块10的P端子16和N端子16之间的电感而使用母线将薄膜电容器与半导体模块10以最短距离电连接时，导入口23c、排出口23d不会干扰到母线。
图11是在冷却器20的下方设有薄膜电容器30的本发明的实施方式。在图示的本实施方式中，在冷却器20的上方设有内部收容有半导体模块10的树脂盒15。与半导体模块10的电路相连接的端子16在该树脂盒15的上表面突出。该端子16与设于冷却器20的下方的薄膜电容器30的端子31通过母线32相连接。与冷却器20的冷却盒23的侧壁23b的导入口23c相连接的导入管23i被设于比从半导体模块10的树脂盒15突出的端子16、薄膜电容器30的端子31的长边方向位置更靠端侧的位置，因此母线32不会干扰到导入管23i，以最短距离对半导体模块10的端子16与薄膜电容器30的端子31进行连接。此外，也可以将图11的导入管23i设为排出管23j。
冷却盒23与散热片22和散热基板21同样地，需要选定由导热率高的材料构成的材料、形成部件时引进了周围部件的情况下的材料等根据构造来选定材料。在考虑导热性的情况下，优选使用A1050、A6063等材料，在需要与周围部件、特别是收纳固定部、功率模块的逆变器盒之间进行密封的情况下，优选使用ADC12、A6061等材料。另外，在通过压铸来制造冷却盒23且要求导热性的情况下，还能够应用三菱树脂株式会社的作为压铸用高导热铝合金的DMS系列材料。在使用这种金属材料来形成冷却盒23的情况下，能够通过例如压铸来形成上述那样的导入口23c、排出口23d、冷却盒23内的流路。冷却盒23还能够使用在金属材料中含有碳填料的材料。另外，还能够根据冷却介质的种类、流过冷却盒23内的冷却介质的温度等而使用陶瓷材料、树脂材料等。
实施例
作为实施例，对构成图1示出的三相逆变电路的本实施方式的半导体装置的各IGBT元件的温度进行了热分析。另外，作为比较例，对除了在沿着冷却盒的短边方向的侧壁设置导入口和排出口而使冷却介质沿散热片22的集合体的长边方向流动以外具有与实施例相同结构的半导体装置的各IGBT元件的温度进行了热分析。实施例和比较例的分析条件如下。冷却介质为含50vol％长效冷却液(LLC)的液温65℃的水。将冷却介质的流量设为10L/min。将各IGBT的产生损失设为每个芯片360W，将各FWD的损失设为45W，并假设为进行逆变动作。散热片22为2mm角的有角针，将散热片的间距设为3mm。实施例的压力损失为5.8kPa，比较例的压力损失为30kPa。
在图12中以图表的方式示出实施例和比较例的各IGBT元件的温度。横轴的WP～UN分别表示六个IGBT元件的位置。WP与WN分别表示W相用的电路元件部11A的上臂与下臂的IGBT元件，同样地，VP与VN表示V相用的电路元件部11B的上下臂的IGBT元件，UP与UN表示U相用的电路元件部11C的上下臂的IGBT元件。根据图12可知，在比较例中，位于冷却介质的流向下游侧的IGBT元件的温度变高，与此相对，在实施例中，各IGBT元件的温度大致相同，具有良好的散热性能。
接着，关于图1示出的本实施方式的半导体装置，在将与导入口23c相连接的导入管23i以及与排出口23d相连接的排出管23j的直径设为 以及的情况下，调查了对扩散壁23g的高度进行各种变更时的压力损失。在图13中使用图表来示出其结果。
如上所述，导入管23i和排出管23j的一般管径为在图13示出的管径为和的情况下，小于一般管径，与管径为的情况相比压力损失大，并且扩散壁的高度越高则压力损失越大。认为其理由如下：在导入口径小的情况下，冷却介质被导入到冷却盒内的区域小，因此在包含散热片部分的整个区域内压力变高，并且由于设置扩散壁进一步阻碍了制冷剂的导入。
与此相对，在包含于一般管径范围内的管径的情况下，通过设置扩散壁，与不设置扩散壁的情况(扩散壁的高度为0)相比降低了压力损失。认为其理由如下：通过设置扩散壁能够降低导入口附近的压力损失。根据图13可知，关于设置扩散壁所带来的降低压力损失的效果，只要设置扩散壁就产生且在扩散壁的高度为13mm以内的范围内产生。
接着，关于图1示出的构成三相逆变电路的本实施方式的半导体装置，在使用2mm角的有角针作为散热片22的情况下，在将散热片的间距设为3mm、6mm、12mm的例子中对IGBT温度进行了热分析。在图14中使用图表来示出其结果。此外，在图14中，横轴的WP～UN与图12相同分别表示六个IGBT元件的位置。
根据图14可知，散热片间距越大、换言之散热片密度越低，冷却介质越在接近导入管的散热片部分流动，散热片的集合体的中央部的流速越低。其结果，VN、VP的位置的IGBT元件的温度高于其它IGBT元件的温度。当散热片密度低时冷却介质的流速不均匀性变得明显。
此外，在上述实施方式中，对热等效或者电等效且产生损失相等的多个半导体元件(电路元件部)并排配置在冷却器的长边方向的情况进行了说明。然而，本发明并不限定于上述结构，还能够应用于局部包含产生损失不同的半导体元件(电路元件部)的半导体模块。另外，也可以将多个电路元件部形成于一个绝缘基板。
附图标记说明
1：半导体装置；10：半导体模块；11A、11B、11C：电路元件部；12：IGBT元件；13：续流二极管；14：绝缘基板；15：树脂盒；16、17：端子；20：冷却器；21：散热基板；22、22A、22B：散热片；22e：散热片区域；23：冷却盒；23a：底壁；23b：侧壁；23c：导入口；23d：排出口；23e：O型环；23f：螺栓孔；23g：扩散壁；23h：收敛壁；23i：导入管；23j：排出管；30：薄膜电容器；31：端子；32：母线；40：逆变电路；41：三相交流电动机。

Claims (11)

1.一种半导体装置，具备：
绝缘基板；
半导体元件，其搭载在该绝缘基板上；以及
冷却器，其使该半导体元件冷却，
该半导体装置的特征在于，上述冷却器具备：
散热基板，其与该绝缘基板接合；
多个散热片，其设置在该散热基板的、与该绝缘基板接合的接合面的相反侧的面上的大致长方形的区域；以及
冷却盒，其收容该散热片，呈具有底壁和侧壁的箱型形状，
其中，在该冷却盒的侧壁中的、沿着散热片的集合体的长边方向设置的一对第一侧壁和第二侧壁上，在相对于散热片的集合体的短边方向的中心线向相互相反的方向错开的位置处设有冷却介质的导入口和排出口，并且，
在上述底壁与设有上述导入口的上述第一侧壁之间设有扩散壁，该扩散壁使从上述导入口导入的上述冷却介质沿着上述第一侧壁扩散，上述扩散壁为从上述第一侧壁的底边朝向上述底壁形成的向上倾斜面。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
在上述底壁与设有上述排出口的上述第二侧壁之间设有收敛壁，该收敛壁使上述冷却介质沿着上述第二侧壁向上述排出口收敛。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，
上述收敛壁为从上述底壁朝向上述第二侧壁的底边形成的向下倾斜面。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
上述导入口的内径大于上述扩散壁的高度。
5.根据权利要求4所述的半导体装置，其特征在于，
上述导入口的内径为10mm～15mm，上述扩散壁的高度为0.1mm～13mm。
6.根据权利要求1或者2所述的半导体装置，其特征在于，
上述导入口和上述排出口的位置相对于上述冷却盒旋转对称。
7.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，
上述收敛壁为从上述底壁朝向上述第二侧壁的底边形成的向下倾斜面，
通过上述底壁、上述扩散壁和上述收敛壁在上述冷却盒的上述底壁的背面侧形成了凹部。
8.根据权利要求1或者2所述的半导体装置，其特征在于，
沿着上述冷却盒的长边方向设有上述半导体装置的端子。
9.根据权利要求1或者2所述的半导体装置，其特征在于，
上述散热片为针散热片。
10.根据权利要求9所述的半导体装置，其特征在于，
上述针散热片由多个针构成，针的间距为针直径的1.25倍～2倍。
11.根据权利要求1或者2所述的半导体装置，其特征在于，
在上述冷却器的上述底壁的下方重叠设有薄膜电容器。
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