JP2006080211A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】ポンプの最大吐出圧力の大きなものを使用することなく、冷却能力を向上することができる半導体装置を提供する。
【解決手段】冷却管15、16のフィン15b、16bのピッチを、冷却水流通方向に略直交する方向の位置に応じて異なるようにする。例えば、IGBT素子11の直下及び直上付近Aのフィンピッチを相対的に大きなP1とし、その他の部分Bのフィンピッチを相対的に小さなP2とする。これにより、圧損当たりの冷却性能を高くすることができる。
【選択図】図1A semiconductor device capable of improving the cooling capacity without using a pump having a large maximum discharge pressure is provided.
The pitch of fins 15b and 16b of cooling pipes 15 and 16 is made to differ according to the position in a direction substantially perpendicular to the cooling water flow direction. For example, the fin pitch immediately below and immediately above the IGBT element 11 is set to a relatively large P1, and the fin pitch of the other part B is set to a relatively small P2. Thereby, the cooling performance per pressure loss can be made high.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、半導体装置、特に冷却管に特徴を有する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 characterized by a cooling pipe.
従来の半導体装置として、例えば特許文献1に開示されたものがある。特許文献1に開示された半導体装置は、半導体素子の冷却能力を高めるために冷却水路に複数のフィンを設けている。
As a conventional semiconductor device, for example, there is one disclosed in
ところで、近年のハイブリッド自動車などに用いられるインバータ装置には、大電流を流す必要がある。インバータ装置に大電流が流れると、インバータ装置を構成しているIGBTなどの半導体素子の発熱が大きくなるため、半導体素子の冷却能力をさらに向上する必要がある。 By the way, it is necessary to flow a large current to an inverter device used in a recent hybrid vehicle or the like. When a large current flows through the inverter device, heat generation of a semiconductor element such as an IGBT that constitutes the inverter device increases, so that it is necessary to further improve the cooling capability of the semiconductor element.
冷却能力を向上するために、例えば、冷却水路に流れる冷却水の流速を大きくすることが考えられる。しかし、冷却水路に流れる冷却水の流速を大きくすると、冷却水路における圧損が大きくなってしまう。そのため、冷却水を循環させるポンプとして、大きな圧損に耐えうる能力を有するもの、すなわち最大吐出圧力が大きなものを使用しなければならなくなる。
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、ポンプの最大吐出圧力の大きなものを使用することなく、冷却能力を向上することができる半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of improving the cooling capacity without using a pump having a large maximum discharge pressure. .
そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、冷却水路の位置によって要求される冷却能力が異なることを発見した。そして、従来の半導体装置のように冷却水路全てを同一の冷却能力とせずに、半導体装置の冷却水路の位置によって冷却能力を異ならしめることにより、冷却効率を高めることを可能とする半導体装置を完成するに至った。 Therefore, the present inventor has intensively studied to solve this problem, and as a result of repeated trial and error, has found that the required cooling capacity varies depending on the position of the cooling water channel. Then, a semiconductor device that can increase the cooling efficiency by making the cooling capacity different depending on the position of the cooling water path of the semiconductor device without completing the same cooling capacity as in the conventional semiconductor device is completed. It came to do.
すなわち、本発明の半導体装置は、少なくとも1以上の半導体素子と、第1面側に前記半導体素子が配置された基板と、内部側に冷媒流路を形成し前記基板の第2面側に接合された筒状部と該筒状部の内部側に冷媒流通方向に沿うようにかつ前記基板の幅方向に複数配置されたフィンとからなる冷媒流通部と、を備える半導体装置において、前記冷媒流通部は、前記半導体素子からの距離に応じて単位流路あたりの圧損が異なることを特徴とする。ここで、フィンとは、基板に対してほぼ垂直方向に配置されているひだ状の部材である。そして、このフィンにより、筒状部の内部側の冷媒流路を分割している。さらに、冷媒流通部は筒状部の内部側に複数のフィンを有するので、筒状部の内部側には複数の冷媒流路が形成されている。 That is, the semiconductor device of the present invention includes at least one semiconductor element, a substrate on which the semiconductor element is disposed on the first surface side, a coolant channel formed on the inner side, and a junction on the second surface side of the substrate. In the semiconductor device, comprising: a tubular portion that is formed; and a refrigerant circulation portion that includes a plurality of fins arranged along the refrigerant circulation direction on the inner side of the cylindrical portion and in the width direction of the substrate. The section is characterized in that the pressure loss per unit flow path varies depending on the distance from the semiconductor element. Here, the fin is a pleated member disposed in a direction substantially perpendicular to the substrate. And the refrigerant | coolant flow path inside the cylindrical part is divided | segmented by this fin. Furthermore, since the refrigerant circulation part has a plurality of fins on the inner side of the cylindrical part, a plurality of refrigerant flow paths are formed on the inner side of the cylindrical part.
本発明の半導体装置によれば、冷媒流通部は単位流路あたりの圧損が異なることから、冷媒流通部の分割された冷媒流路の位置によって冷却能力が異なるようにしている。そして、単位流路あたりの圧損が半導体素子からの距離に応じて異なることから、本発明の半導体装置は、半導体素子からの距離に応じて冷却能力が異なるようにしていることになる。さらに、半導体素子は、半導体装置の構成部材の中では発熱源となる。つまり、発熱源からの距離に応じて冷却能力を異ならしめることにより、冷却効率を向上させることができる。 According to the semiconductor device of the present invention, since the refrigerant flow section has different pressure loss per unit flow path, the cooling capacity varies depending on the position of the divided refrigerant flow path of the refrigerant flow section. Since the pressure loss per unit flow path varies depending on the distance from the semiconductor element, the semiconductor device of the present invention has different cooling capabilities depending on the distance from the semiconductor element. Further, the semiconductor element becomes a heat source in the constituent members of the semiconductor device. That is, the cooling efficiency can be improved by varying the cooling capacity according to the distance from the heat source.
本発明の半導体装置の冷媒流通部は、上述したように、前記半導体素子からの距離に応じて単位流路あたりの圧損が異なるようにしている。この冷媒流通部は、例えば、以下のようにすればよい。 As described above, the refrigerant circulation part of the semiconductor device of the present invention is configured such that the pressure loss per unit flow path varies depending on the distance from the semiconductor element. This refrigerant distribution part may be performed as follows, for example.
例えば、前記冷媒流通部の前記フィンのピッチを、前記冷媒流通方向に略直交する方向の位置に応じて異なるようにしてもよい。ここで、フィンのピッチとは、隣り合うフィンの間隔をいう。すなわち、フィンのピッチが前記冷媒流通方向に略直交する方向の位置に応じて異なることにより、筒状部とフィンとにより分割形成される複数の冷媒流路の幅が異なるようにされていることになる。なお、冷媒流路の幅とは、冷媒流路のうちフィンに直交する方向の幅である。このように、フィンのピッチを異なるようにすることで、単位流路あたりの圧損を異なるようにしており、結果として冷却効率を向上させることができる。 For example, you may make it the pitch of the said fin of the said refrigerant | coolant distribution part differ according to the position of the direction substantially orthogonal to the said refrigerant | coolant distribution direction. Here, the pitch of fins refers to the interval between adjacent fins. That is, the widths of the plurality of refrigerant flow paths divided by the cylindrical portion and the fins are different by changing the pitch of the fins according to the position in the direction substantially orthogonal to the refrigerant flow direction. become. The width of the refrigerant channel is the width in the direction perpendicular to the fins in the refrigerant channel. Thus, by making the pitch of the fins different, the pressure loss per unit flow path is made different, and as a result, the cooling efficiency can be improved.
また、前記フィンのピッチは、前記半導体素子からの距離に応じて異なるようにしてもよい。ここで、半導体装置の発熱源は半導体素子であることは上述したとおりである。つまり、発熱源である半導体素子からの距離に応じてフィンのピッチを異なるようにすることで、適切に冷却能力を発揮させることができる。すなわち、半導体素子からの距離が近い位置の冷却能力を高くするように、フィンのピッチを調整する。一方、半導体素子からの距離が遠い位置の冷却能力を低くするように、フィンのピッチを調整する。これにより、冷却効率を高めることができる。 Further, the pitch of the fins may be varied according to the distance from the semiconductor element. Here, as described above, the heat source of the semiconductor device is a semiconductor element. That is, the cooling capacity can be appropriately exhibited by changing the pitch of the fins according to the distance from the semiconductor element that is the heat generation source. That is, the fin pitch is adjusted so as to increase the cooling capacity at a position near the distance from the semiconductor element. On the other hand, the pitch of the fins is adjusted so as to reduce the cooling capacity at a position far from the semiconductor element. Thereby, cooling efficiency can be improved.
また、半導体装置が複数の半導体素子を有する場合には、以下のようにしてもよい。すなわち、前記半導体素子は複数であって、前記フィンのピッチは、それぞれの前記半導体素子からの距離及びそれぞれの前記半導体素子の駆動時に発生する発熱量の比に応じて異なるようにしてもよい。このように半導体素子からの距離のみならず、半導体素子の駆動時に発生する発熱量の比を考慮したフィンのピッチとすることで、それぞれの半導体素子に対して要求される冷却能力を適切に発揮させることができる。例えば、半導体素子の駆動時に発生する発熱量の比の最も大きな半導体素子からの距離が近い位置では最も高い冷却能力を発揮させ、前記発熱量の比の最も小さな半導体素子からの距離が近い位置では相対的に低い冷却能力を発揮させるようにして冷却効率を高めることができる。さらに、それぞれの半導体素子からの距離が遠い位置では、半導体素子からの距離が近い位置に比べて冷却能力を低くするようにして、さらに冷却効率を高めることができる。 Further, when the semiconductor device has a plurality of semiconductor elements, the following may be performed. That is, there may be a plurality of semiconductor elements, and the pitch of the fins may be varied according to the distance from each semiconductor element and the ratio of the amount of heat generated when each semiconductor element is driven. Thus, by setting the fin pitch in consideration of not only the distance from the semiconductor element but also the ratio of the amount of heat generated when the semiconductor element is driven, the cooling capacity required for each semiconductor element is appropriately exhibited. Can be made. For example, the highest cooling capacity is exhibited at a position where the distance from the semiconductor element having the largest ratio of the amount of heat generated when the semiconductor element is driven is close, and the position near the distance from the semiconductor element having the smallest ratio of the amount of heat generated is at the position. Cooling efficiency can be increased by exerting a relatively low cooling capacity. Further, at a position far from each semiconductor element, the cooling efficiency can be further lowered by lowering the cooling capacity as compared with a position at a short distance from the semiconductor element.
また、前記半導体素子は複数であって、前記フィンのピッチは、複数の前記半導体素子のうち前記半導体素子の駆動時に発生する発熱量の比が最も大きな前記半導体素子からの距離に応じて異なるようにしてもよい。この場合、特に複数の半導体素子の駆動時に発生する発熱量が大きく異なる場合などに有効である。すなわち、高い冷却能力が要求される駆動時に発生する発熱量の比が最も大きな半導体素子のみからの距離に応じてフィンのピッチを異なるようにすることで、十分に冷却効率を高めることができる。さらに、複数の半導体素子のうちの特定の半導体素子のみからの距離に応じてフィンのピッチを異なるようにすることは、複数の半導体素子全てからの距離及び前記発熱量の比を考慮してフィンのピッチを異なるようにする場合に比べて、冷媒流通部の設計が容易となる。つまり、冷媒流通部の設計及び製造の容易化を図ることができる。 The semiconductor device includes a plurality of semiconductor elements, and the pitch of the fins varies according to the distance from the semiconductor element having the largest ratio of the amount of heat generated when the semiconductor element is driven among the plurality of semiconductor elements. It may be. This is particularly effective when the amount of heat generated when driving a plurality of semiconductor elements differs greatly. That is, the cooling efficiency can be sufficiently increased by making the pitch of the fins different according to the distance from only the semiconductor element having the largest ratio of the amount of heat generated during driving that requires a high cooling capacity. Further, the pitch of the fins can be varied according to the distance from only a specific semiconductor element among the plurality of semiconductor elements in consideration of the distance from all the semiconductor elements and the ratio of the heat generation amount. As compared with the case where the pitches of these are made different, the refrigerant circulation part can be easily designed. That is, it is possible to facilitate the design and manufacture of the refrigerant distribution part.
上述したように半導体素子からの距離に応じてフィンのピッチを異なるようにする場合、以下のように、フィンのピッチを構成するとよい。第1としては、前記半導体素子からの前記距離が近い位置の前記フィンのピッチは、前記距離が遠い位置の前記フィンのピッチより大きくする。フィンのピッチが大きなところでは、フィンのピッチが小さなところに比べて、冷却能力が高くなる。そこで、半導体素子からの距離が近い位置のフィンのピッチを大きくすることで、確実に冷却能力を高めることができる。 As described above, when the pitch of the fins is made different according to the distance from the semiconductor element, the pitch of the fins may be configured as follows. First, the pitch of the fins at a position where the distance from the semiconductor element is short is larger than the pitch of the fins at a position where the distance is far. Where the fin pitch is large, the cooling capacity is higher than when the fin pitch is small. Thus, the cooling capacity can be reliably increased by increasing the pitch of the fins at positions close to the semiconductor element.
また、第2としては、前記フィンのピッチは、前記半導体素子からの前記距離が遠くなるにつれて小さくなるようにしてもよい。例えば、半導体素子からの距離が遠くなるにつれて連続的にフィンのピッチを小さくする。ここで、半導体素子からの距離が近い位置のフィンのピッチを大きくすることは、上述したように確実に冷却能力を高めることができる。さらに、半導体素子からの距離に応じて連続的にフィンのピッチを異なるようにすることで、冷媒流通部の出入口付近における渦流などの発生を抑制することができる。その結果、確実に冷媒流路に冷媒を流すことができるので、冷却能力を確実に発揮することができる。 Second, the pitch of the fins may be reduced as the distance from the semiconductor element increases. For example, the fin pitch is continuously reduced as the distance from the semiconductor element increases. Here, increasing the pitch of the fins at a position close to the semiconductor element can surely increase the cooling capacity as described above. Furthermore, by making the pitch of the fins continuously different according to the distance from the semiconductor element, it is possible to suppress the occurrence of eddy currents in the vicinity of the inlet / outlet of the refrigerant circulation portion. As a result, it is possible to reliably cause the refrigerant to flow through the refrigerant flow path, and thus it is possible to reliably exhibit the cooling capacity.
また、上述したように半導体素子の駆動時に発生する発熱量の比に応じてフィンピッチを異なるようにする場合、前記発熱量の比の大きな前記半導体素子からの前記距離が近い位置の前記フィンのピッチは、前記発熱量の比の小さな前記半導体素子からの前記距離が近い位置の前記フィンのピッチより大きくするとよい。フィンのピッチが大きなところでは、高い冷却能力を発揮することができることは上述したとおりである。そこで、駆動時に発生する発熱量の比の大きな半導体素子からの距離が近い位置のフィンのピッチを大きくすることで、それぞれの半導体素子に要求される冷却能力に応じた冷却能力を発揮することができる。 In addition, as described above, when the fin pitch is made different according to the ratio of the heat generation amount generated when the semiconductor element is driven, the fins at the positions where the distance from the semiconductor element having the large heat generation ratio is short are close. The pitch may be larger than the pitch of the fins at a position where the distance from the semiconductor element having a small ratio of the heat generation amount is short. As described above, a high cooling capacity can be exhibited where the fin pitch is large. Therefore, by increasing the pitch of the fins at a position close to the semiconductor element having a large ratio of the amount of heat generated during driving, it is possible to demonstrate the cooling capacity corresponding to the cooling capacity required for each semiconductor element. it can.
また、上述においては、半導体素子からの距離又は駆動時に発生する発熱量の比に応じてフィンピッチを異なるようにしたが、前記フィンのピッチは、前記半導体素子の発熱による前記基板の温度分布に応じて異なるようにしてもよい。冷媒流通部は、基板のうちの半導体素子が配置された面の反対側に接合されている。すなわち、半導体素子による熱は、基板を介して冷却流通部により冷却される。従って、半導体素子の発熱による基板の温度分布に応じて、フィンピッチを異なるようにすることで、適切に冷却能力を発揮させることができる。すなわち、半導体素子の発熱による基板の温度分布のうち高温度近傍の冷却能力を高くして、半導体素子の発熱による基板の温度分布のうち低温度近傍の冷却能力を低くすることにより、冷却効率を高めることができる。 In the above description, the fin pitch is varied depending on the distance from the semiconductor element or the ratio of the amount of heat generated during driving, but the fin pitch depends on the temperature distribution of the substrate due to the heat generated by the semiconductor element. It may be made different depending on the case. The refrigerant circulation part is joined to the opposite side of the surface of the substrate on which the semiconductor element is disposed. That is, the heat from the semiconductor element is cooled by the cooling flow part through the substrate. Therefore, the cooling capacity can be appropriately exhibited by changing the fin pitch according to the temperature distribution of the substrate due to the heat generation of the semiconductor element. That is, the cooling efficiency near the high temperature is increased in the temperature distribution of the substrate due to the heat generation of the semiconductor element, and the cooling capacity near the low temperature is decreased in the temperature distribution of the substrate due to the heat generation of the semiconductor element. Can be increased.
例えば、前記基板の温度分布のうち最高温度近傍の前記フィンのピッチは、前記基板の温度分布のうち最低温度近傍の前記フィンのピッチより大きくする。半導体素子の発熱による基板の温度分布のうち最高温度近傍のフィンのピッチを大きくすることで、確実に冷却能力を高めることができる。一方、基板の温度分布のうち最低温度近傍のフィンのピッチを小さくすることで、冷却能力を低くしている。 For example, the pitch of the fins near the maximum temperature in the temperature distribution of the substrate is made larger than the pitch of the fins near the minimum temperature in the temperature distribution of the substrate. By increasing the pitch of the fins in the vicinity of the maximum temperature in the temperature distribution of the substrate due to the heat generated by the semiconductor element, the cooling capacity can be reliably increased. On the other hand, the cooling capacity is lowered by decreasing the fin pitch near the lowest temperature in the temperature distribution of the substrate.
また、冷媒流通部を構成する前記筒状部と複数の前記フィンとは、それぞれ別体に成形した後に両者を接合するようにしてもよい。また、筒状部全体と複数のフィンとを全て一体成形してもよい。また、筒状部の一部と複数のフィンとを一体成形して、残りの筒状部と接合してもよい。なお、残りの筒状部とは、半導体装置の外枠を構成するケースの一部を利用することもできる。なお、筒状部の少なくとも一部とフィンとを一体成形することにより、冷媒流通部全体の製造が容易となる。 Moreover, you may make it join the both after forming the said cylindrical part and several said fins which comprise a refrigerant | coolant distribution | circulation part to a different body, respectively. Moreover, you may integrally mold the whole cylindrical part and all the some fins. Alternatively, a part of the cylindrical part and the plurality of fins may be integrally formed and joined to the remaining cylindrical part. A part of the case constituting the outer frame of the semiconductor device can be used as the remaining cylindrical portion. In addition, manufacture of the whole refrigerant | coolant distribution part becomes easy by integrally forming at least one part of a cylindrical part and a fin.
なお、本発明の半導体装置は、いわゆる片面冷却構造からなるようにしてもよいし、両面冷却構造からなるようにしてもよい。両面冷却構造からなる半導体装置は、前記基板が前記半導体素子の両面側に配置され、前記冷媒流通部がそれぞれの前記基板の第2面側に接合される。両面冷却構造とすることにより、より冷却効率を高めることができる。 The semiconductor device of the present invention may have a so-called single-sided cooling structure or a double-sided cooling structure. In a semiconductor device having a double-sided cooling structure, the substrate is disposed on both sides of the semiconductor element, and the coolant circulation part is bonded to the second surface side of each of the substrates. By employing a double-sided cooling structure, the cooling efficiency can be further increased.
ここで、本発明の半導体装置と従来の半導体装置とについて比較する。従来の半導体装置の冷却管のフィンのピッチは、上述したように均一とされていた。つまり、冷媒流通方向に略直交する方向の位置に関わらず、同一の冷却能力を発揮させていた。これに対して、本発明は、冷却流通部のフィンのピッチを冷媒流通方向に略直交する方向の位置に応じて異なるようにしている。フィンのピッチが大きなところでは、抵抗が小さくなることにより冷媒流路を流れる冷媒の流速が大きくなる。すなわち、フィンのピッチが大きなところでは、高い冷却能力を発揮する。一方、フィンのピッチが小さなところでは、抵抗が大きくなることにより冷媒流路を流れる冷媒の流速が遅くなる。すなわち、フィンのピッチが小さなところでは、冷却能力は低くなる。 Here, the semiconductor device of the present invention is compared with the conventional semiconductor device. As described above, the pitch of the fins of the cooling pipe of the conventional semiconductor device is uniform. That is, the same cooling capacity is exhibited regardless of the position in the direction substantially orthogonal to the refrigerant flow direction. In contrast, according to the present invention, the pitch of the fins in the cooling flow section is made different depending on the position in the direction substantially perpendicular to the refrigerant flow direction. Where the fin pitch is large, the flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant flow path increases due to the decrease in resistance. That is, a high cooling capacity is exhibited where the fin pitch is large. On the other hand, where the fin pitch is small, the flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant flow path becomes slow due to the increase in resistance. That is, the cooling capacity is low where the fin pitch is small.
つまり、フィンのピッチを異ならしめることにより、冷媒流通部の位置によって冷却能力を異なるようにしている。そして、高い冷却能力が要求される位置のフィンのピッチを大きくして、冷却能力がそれほど要求されない位置のフィンのピッチを小さくする。このように冷却効率を高めることを可能とする本発明の半導体装置は、同程度の圧損となる従来の半導体装置に比べて、冷却能力を向上させることができる。 In other words, by varying the fin pitch, the cooling capacity varies depending on the position of the refrigerant circulation portion. And the pitch of the fin of the position where high cooling capacity is required is enlarged, and the pitch of the fin of the position where cooling capacity is not so required is reduced. As described above, the semiconductor device of the present invention capable of improving the cooling efficiency can improve the cooling capacity as compared with the conventional semiconductor device having the same pressure loss.
次に、本発明の半導体装置と従来の半導体装置とが同等の冷却能力を発揮する場合について比較する。ここで、従来の半導体装置が冷却能力を高めるためには、冷媒流通部を流れる冷媒の流量を増加させることにより、冷媒流通部全体を流れる冷媒の流速を大きくする必要がある。一方、本発明の半導体装置は、位置によって冷却能力を異なるようにしているので、冷媒流通部全体に流れる冷媒の流量は増加させることなく、冷媒の流速を大きくする特定の部分を作ることができる。つまり、両者の半導体装置に同等の冷却能力を発揮させるためには、本発明の半導体装置の冷媒流通部を流れる冷媒の流量が少なく、従来の半導体装置の冷媒流通部を流れる冷媒の流量が多くなる。 Next, the case where the semiconductor device of the present invention and the conventional semiconductor device exhibit equivalent cooling capability will be compared. Here, in order for the conventional semiconductor device to increase the cooling capacity, it is necessary to increase the flow rate of the refrigerant flowing through the entire refrigerant circulation part by increasing the flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant circulation part. On the other hand, since the semiconductor device of the present invention has different cooling capacities depending on the position, it is possible to create a specific part that increases the flow rate of the refrigerant without increasing the flow rate of the refrigerant flowing through the entire refrigerant circulation part. . That is, in order for both semiconductor devices to exhibit the same cooling capacity, the flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant circulation portion of the semiconductor device of the present invention is small, and the flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant circulation portion of the conventional semiconductor device is large. Become.
このことは、従来の半導体装置は冷媒流通部全体の圧損が大きくなるのに対して、本発明の半導体装置はフィンのピッチが大きな部分の圧損は大きくなるが、フィンのピッチが小さな部分の圧損は小さくなる。つまり、本発明の半導体装置は、全体として圧損を低減することができる。そして、本発明の半導体装置は、圧損を低減できることにより、冷媒を循環させるポンプの最大吐出圧力が低いものを使用することができる。最大吐出圧力の低いポンプを使用することができることにより、ポンプコストを低減することができ、かつ、ポンプの小型化に伴う装置全体の小型化を図ることができる。 This is because the conventional semiconductor device has a large pressure loss in the entire refrigerant circulation part, whereas the semiconductor device of the present invention has a large pressure loss in the portion where the fin pitch is large, but the pressure loss in the portion where the fin pitch is small. Becomes smaller. That is, the semiconductor device of the present invention can reduce pressure loss as a whole. And since the semiconductor device of this invention can reduce a pressure loss, the thing with the low maximum discharge pressure of the pump which circulates a refrigerant | coolant can be used. Since a pump having a low maximum discharge pressure can be used, the cost of the pump can be reduced, and the entire apparatus can be downsized as the pump is downsized.
なお、上述したように、本発明の半導体装置は、同等の圧損の場合には、従来の半導体装置に比べて非常に高い冷却能力を発揮することができる。また、本発明の半導体装置は、同等の冷却能力を発揮させる場合には、従来の半導体装置に比べて圧損を低減することができる。上記においては、圧損及び冷却能力の何れか一方を同等として比較したが、本発明の半導体装置は、従来の半導体装置に比べて圧損を低減しつつ冷却能力を高めることもできる。 As described above, the semiconductor device of the present invention can exhibit a much higher cooling capacity than the conventional semiconductor device in the case of the equivalent pressure loss. In addition, the semiconductor device of the present invention can reduce pressure loss as compared with a conventional semiconductor device when the same cooling capacity is exhibited. In the above description, either one of the pressure loss and the cooling capacity is compared as equivalent, but the semiconductor device of the present invention can also increase the cooling capacity while reducing the pressure loss as compared with the conventional semiconductor device.
次に、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。本実施例の半導体装置は、複数備えることで、例えばインバータ装置やコンバータ装置などを構成する。以下の実施例においては、半導体素子としてIGBT素子及びダイオード素子を1つずつ用いた半導体装置を例に挙げて説明する。 Next, an Example is given and this invention is demonstrated more concretely. By providing a plurality of semiconductor devices according to the present embodiment, for example, an inverter device, a converter device, or the like is configured. In the following embodiments, a semiconductor device using one IGBT element and one diode element as semiconductor elements will be described as an example.
(1)第1実施例
第1実施例の半導体装置1について図1を参照して説明する。図1は、第1実施例の半導体装置1の断面図である。図1に示すように、第1実施例の半導体装置1は、半導体素子であるIGBT素子11及びダイオード素子12と、下側電極(基板)13と、上側電極(基板)14と、下側冷却管(冷媒流通部)15と、上側冷却管(冷媒流通部)16と、IGBT用スペーサ17と、ダイオード用スペーサ18とを備えている。この第1実施例の半導体装置1は、いわゆる両面冷却構造を有している。
(1) First Example
IGBT素子11は、図1の上面がエミッタ側であって、下面がコレクタ側としている。なお、図示しないが、IGBT素子11のゲートは例えば、図1の上面の一部から出力されるようにされている。ダイオード素子12は、図1の上面がカソード側であって、下面がアノード側としている。
The
下側電極13は、例えば銅の金属板からなる。そして、下側電極13の上面には、IGBT素子11及びダイオード素子12が載置されている。具体的には、IGBT素子11は下側電極13の図1におけるほぼ中央に載置され、ダイオード素子12は下側電極13の図1における左側に載置されている。さらに、下側電極13の上面とIGBT素子11及びダイオード素子12との間には、はんだ等の導電性接着剤を介して電気的接続されている。すなわち、下側電極13は、コレクタ側電極(又は、アノード側電極)を構成する。
The
上側電極14は、下側電極13と同様に銅の金属板からなる。そして、上側電極14は、IGBT素子11及びダイオード素子12を中間に挟み込んで、下側電極13に略平行に対向して配置されている。具体的には、IGBT素子11が上側電極14の図1におけるほぼ中央に配置され、ダイオード素子12が上側電極14の図1における左側に配置されている。ただし、上側電極14の下面とIGBT素子11及びダイオード素子12との間には、それぞれIGBT用スペーサ17及びダイオード用スペーサ18が配置されている。ここで、IGBT用スペーサ17及びダイオード用スペーサ18は、銅の金属板からなり、高さ方向を調整すると共に、IGBT素子11のエミッタ及びダイオード素子12から上側電極14への導電性及び熱伝導性を確保することを可能としている。さらに、上側電極14の下面とそれぞれのスペーサ17、18との間、IGBT用スペーサ17とIGBT素子11との間、及び、ダイオード用スペーサ18とダイオード素子12との間には、はんだ等の導電性接着剤を介して電気的接続されている。すなわち、上側電極14は、エミッタ側電極(又は、カソード側電極)を構成する。
Similar to the
下側冷却管15及び上側冷却管16は、内部側に冷却水流路(冷媒流路)を形成している。この下側冷却管15及び上側冷却管16の幅は、下側電極13及び上側電極14の幅とほぼ同等の幅からなる。そして、下側冷却管15の上面が下側電極13の下面に接合されており、上側冷却管16の下面が上側電極14の上面に接合されている。すなわち、下側冷却管15及び上側冷却管16は、対向して配置されており、IGBT素子11、ダイオード素子12、下側電極13、及び上側電極14を挟み込んでいる。
The
下側冷却管15及び上側冷却管16(以下、「冷却管15、16」という)の構成について、さらに詳細に説明する。冷却管15、16は、内部側に冷却水流路を形成した筒状部15a、16aと、筒状部15a、16aの内部側に配置された複数のフィン15b、16bとから構成される。筒状部15a、16aは、アルミニウム材からなる扁平形状の筒状に形成されている。フィン15b、16bは、冷却水流通方向に沿うように、かつ、下側電極13及び上側電極14の図1における幅方向に複数配置されている。すなわち、図1に示すように、フィン15b、16bは、薄い板状からなり、下側電極13及び上側電極14に対して垂直方向に配置され、上下端側が筒状部15a、16aの内周面に接合している。つまり、筒状部15a、16aの内部側の冷却水流路をフィン15b、16bにより図1の幅方向に複数に分割している。なお、製造の便宜上、下側冷却管15の複数のフィン15b又は上側冷却管16の複数のフィン16bは、それぞれ一体成形されている。
The configurations of the
そして、フィン15b、16bのピッチ(以下、「フィンピッチ」という)、すなわち隣り合うフィン15b、16bの間隔は、冷却水流通方向に略直交する方向の位置に応じて異なるようにされている。具体的には、冷却管15、16のA部分は、フィンピッチP1としており、B部分は、フィンピッチP2としている。ここで、フィンピッチP1は、フィンピッチP2よりも大きい。すなわち、冷却管15、16の図1の中央付近は相対的に大きなフィンピッチP1とし、冷却管15、16の両端側は相対的に小さなフィンピッチP2としている。ここで、冷却管15、16の中央付近とは、IGBT素子11を挟み込んでいる位置である。すなわち、IGBT素子11の直下又は直上付近のフィンピッチP1は、その他の位置のフィンピッチP2に比べて大きなフィンピッチとしている。換言すると、駆動時に発生する発熱量の比が最大のIGBT素子11からの距離が近い位置のフィンピッチが、当該IGBT素子11からの距離が遠い位置のフィンピッチよりも大きなフィンピッチとしている。
And the pitch (henceforth "fin pitch") of the
上述した構成からなる冷却管15、16に冷却水を流した場合には、以下のようになる。フィンピッチP1である冷却管15、16のA部分においては、B部分のフィンピッチP2に比べて大きく、抵抗が小さくなるため、冷却水の流速が大きくなる。一方、フィンピッチP2である冷却管15、16のB部分においては、A部分に比べて、抵抗が大きくなるため、冷却水の流速が小さくなる。ここで、冷却能力は、冷却水の流速が大きいほど高い。従って、冷却管15、16のA部分における冷却能力はB部分における冷却能力に比べると高くなる。このように、冷却管15、16の位置によって、フィンピッチを異ならせることにより、単位流路あたりの圧損を異なるようにしている。つまり、冷却管15、16の位置によって、冷却能力を異なるようにしている。
When cooling water flows through the cooling
ところで、半導体装置1において発熱を生じるものは、IGBT素子11及びダイオード素子12の半導体素子である。ただし、ダイオード素子12の駆動時に発生する発熱量の比は、IGBT素子11の駆動時に発生する発熱量の比に比べると、一般的に小さい。そこで、第1実施例の半導体装置1の冷却管15、16は、IGBT素子11付近のみのフィンピッチを大きくし、IGBT素子11付近の冷却能力を向上させている。そして、その他の部分の冷却能力を低くしている。このように、発熱源のうち特に駆動時に発生する発熱量の最大のIGBT素子11付近とその他の位置とによって冷却能力を異ならしめることにより、冷却効率を高めている。
By the way, what generates heat in the
(2)第2実施例
第2実施例の半導体装置2について図2を参照して説明する。図2は、第2実施例の半導体装置2の断面図である。ここで、上記第1実施例の半導体装置1と同一構成については、同一符号を付して説明を省略する。図2に示すように、第2実施例の半導体装置2は、半導体素子であるIGBT素子11及びダイオード素子12と、下側電極(基板)13と、上側電極(基板)14と、下側冷却管(冷媒流通部)25と、上側冷却管(冷媒流通部)26と、IGBT用スペーサ17と、ダイオード用スペーサ18とを備えている。すなわち、第2実施例の半導体装置2も、第1実施例の半導体装置1と同様に、両面冷却構造を有している。なお、第2実施例の半導体装置2は、第1実施例の半導体装置1に対して、下側冷却管25及び上側冷却管26のみが異なる。詳細には、下側冷却管25及び上側冷却管26のフィン25b、26bのみが異なる。以下、下側冷却管25及び上側冷却管26について、詳細に説明する。
(2) Second Embodiment
下側冷却管25及び上側冷却管26(以下、「冷却管25、26」という)の構成について、詳細に説明する。冷却管25、26は、内部側に冷却水流路を形成した筒状部15a、16aと、筒状部15a、16aの内部側に配置された複数のフィン25b、26bとから構成される。筒状部15a、16aは、上述した第1実施例の半導体装置1を構成する冷却管15、16の筒状部15a、16aと同一である。フィン25b、26bは、冷却水流通方向に沿うように、かつ、下側電極13及び上側電極14の図2における幅方向に複数配置されている。すなわち、図2に示すように、フィン25b、26bは、薄い板状からなり、下側電極13及び上側電極14に対して垂直方向に配置され、上下端側が筒状部15a、16aの内周面に接合している。つまり、筒状部15a、16aの内部側の冷却水流路をフィン25b、26bにより図2の幅方向に複数に分割している。なお、製造の便宜上、下側冷却管25の複数のフィン25b又は上側冷却管26の複数のフィン26bは、それぞれ一体成形されている。
The configurations of the
そして、フィン25b、26bのピッチ(以下、「フィンピッチ」という)、すなわち隣り合うフィン25b、26bの間隔は、冷却水流通方向に略直交する方向の位置に応じて異なるようにされている。具体的には、冷却管25、26のC部分はフィンピッチP1としており、D部分はフィンピッチP1’とし、E部分はフィンピッチP2としている。ここで、フィンピッチP1はフィンピッチP1’よりも大きく、フィンピッチP1’はフィンピッチP2よりも大きい。すなわち、冷却管25、26の図2の中央付近及びその左側は相対的に大きなフィンピッチP1とし、冷却管25、26の右端側は相対的に小さなフィンピッチP2としている。さらに、フィンピッチP1の部分とフィンピッチP2の部分との境界部分が、中間的なフィンピッチP1’としている。ここで、冷却管25、26の中央付近及びその左側とは、IGBT素子11及びダイオード素子12を挟み込んでいる位置である。すなわち、IGBT素子11及びダイオード素子12の直下又は直上付近のフィンのピッチP1は、その他のフィンピッチP2に比べて大きなフィンピッチとしている。換言すると、発熱源であるIGBT素子11及びダイオード素子からの距離が近い位置のフィンピッチが、当該IGBT素子11及びダイオード素子12からの距離が遠い位置のフィンピッチよりも大きなフィンピッチとしている。
And the pitch (henceforth "fin pitch") of the
上述した構成からなる冷却管25、26に冷却水を流した場合には、以下のようになる。フィンピッチP1である冷却管25、26のC部分においては、E部分のフィンピッチP2に比べて大きく、抵抗が小さくなるため、冷却水の流速が大きくなる。一方、フィンピッチP2である冷却管25、26のE部分においては、C部分に比べて、抵抗が大きくなるため、冷却水の流速が小さくなる。ここで、冷却能力は、冷却水の流速が大きいほど高い。従って、冷却管25、26のC部分における冷却能力はE部分における冷却能力に比べると高くなる。このように、冷却管25、26の位置によって、フィンピッチを異ならせることにより、単位流路あたりの圧損を異なるようにしている。つまり、冷却管25、26の位置によって、冷却能力を異なるようにしている。
When cooling water flows through the cooling
ところで、半導体装置2において発熱を生じるものは、IGBT素子11及びダイオード素子12の半導体素子であることは上述した通りである。そこで、第2実施例の半導体装置2の冷却管25、26は、IGBT素子11及びダイオード素子12付近のフィンピッチを大きくして、IGBT素子11付近の冷却能力を向上させている。そして、IGBT素子11及びダイオード素子12付近以外の部分のフィンピッチを小さくして、冷却能力を低くしている。このように、発熱源であるIGBT素子11及びダイオード素子12付近とその他の位置とによって、冷却能力を異ならしめることにより、冷却効率を高めている。
By the way, as described above, the
(3)第3実施例
第3実施例の半導体装置3について図3を参照して説明する。図3は、第3実施例の半導体装置3の断面図である。ここで、上記第1実施例の半導体装置1と同一構成については、同一符号を付して説明を省略する。図3に示すように、第3実施例の半導体装置3は、半導体素子であるIGBT素子11及びダイオード素子12と、電極(基板)13と、冷却管35とを備えている。すなわち、第3実施例の半導体装置3は、いわゆる片面冷却構造を有している。なお、第3実施例の半導体装置3の構成のうち、第1実施例の半導体装置1と異なる構成は、実質的には冷却管35のみである。詳細には、冷却管35のフィン35bのみが異なる。以下に、冷却管35について詳細に説明する。
(3) Third Embodiment
冷却管35は、内部側に冷却水流路(冷媒流路)を形成している。この冷却管35の幅は、電極13の幅とほぼ同等の幅からなる。そして、冷却管35の上面が電極13の下面(第2面)に接合されている。
The cooling
冷却管35の構成について、さらに詳細に説明する。冷却管35は、内部側に冷却水流路を形成した筒状部15aと、筒状部15aの内部側に配置された複数のフィン35bとから構成される。筒状部15aは、上述した第1実施例の半導体装置1を構成する下側冷却管15の筒状部15aと同一である。フィン35bは、冷却水流通方向に沿うように、かつ、電極13の図3における幅方向に複数配置されている。すなわち、図3に示すように、フィン35bは、薄い板状からなり、電極13に対して垂直方向に配置され、上下端側が筒状部15aの内周面に接合している。つまり、筒状部15aの内部側の冷却水流路をフィン35bにより図3の幅方向に複数に分割している。なお、製造の便宜上、冷却管35の複数のフィン35bは、一体成形されている。
The configuration of the cooling
そして、フィン35bのピッチ(以下、「フィンピッチ」という)、すなわち隣り合うフィン35bの間隔は、冷却水流通方向に略直交する方向の位置に応じて異なるようにされている。具体的には、冷却管35のF部分のフィンピッチPNは、冷却管35のほぼ中央付近から両端側に向かって徐々に小さくしている。詳細には、冷却管35のほぼ中央付近のフィンピッチPNを1とすると、その隣のフィンピッチPNは0.9とし、さらにその隣のフィンピッチPNは0.81としている。つまり、フィンピッチPNは、ほぼ中央付近から両端側に向かって0.9倍となるようにしている。また、冷却管35のG部分のフィンピッチはP2としている。ここで、フィンピッチPNの何れもが、フィンピッチP2よりも大きくなるようにしている。つまり、IGBT素子11の直下付近のフィンピッチPNをその他の位置のフィンピッチP2に対して大きなフィンピッチとしている。
The pitch of the
上述した構成からなる冷却管35に冷却水を流した場合には、以下のようになる。フィンピッチPNである冷却管35のF部分においては、G部分のフィンピッチP2に比べて大きく、抵抗が小さくなるため、冷却水の流速が大きくなる。一方、フィンピッチP2である冷却管35のG部分においては、F部分に比べて抵抗が大きくなるため、冷却水の流速が小さくなる。ここで、冷却能力は、上述したように冷却水の流速が大きいほど高い。従って、冷却管35のF部分における冷却能力はG部分における冷却能力に比べると高くなる。このように、冷却管35の位置によって、フィンピッチを異ならせることにより、単位流路あたりの圧損を異なるようにしている。つまり、冷却管35の位置によって、冷却能力を異なるようにしている。
When cooling water is caused to flow through the cooling
ところで、第1実施例において説明したように、半導体装置2において発熱を生じるものは、IGBT素子11及びダイオード素子12の半導体素子である。ただし、ダイオード素子12の駆動時に発生する発熱量の比は、IGBT素子11の駆動時に発生する発熱量の比に比べると一般的に小さい。そこで、第3実施例の半導体装置3の冷却管35は、IGBT素子11付近のみのフィンピッチを大きくして、IGBT素子11付近の冷却能力を向上させている。そして、その他の部分のフィンピッチを小さくして、冷却能力を低くしている。このように、発熱源のうち特に駆動時に発生する発熱量の比が最大のIGBT素子11付近とその他の位置とによって、冷却能力を異ならしめることにより、冷却効率を高めている。
By the way, as described in the first embodiment, the
さらに、冷却管35のF部分のフィンピッチPNは、中央付近から両端側に向かって徐々に小さくしている。つまり、冷却管35のF部分とG部分との境界位置のフィンピッチの差が小さくなる。その結果、冷却管35のF部分とG部分との境界付近において、例えば渦流などの発生を抑制することができる。従って、冷却管35のF部分とG部分との境界付近においても、確実に冷却水路に冷却水が流れるようにすることができる。つまり、冷却管35のF部分とG部分との境界付近においても確実に冷却能力を確保することができる。
Further, the fin pitch PN of the F portion of the cooling
(4)その他の実施例
(4.1)第1実施例及び第2実施例の変形態様
上記第1実施例及び第2実施例の半導体装置1、2の冷却管15、16、25、26のフィンピッチは、相対的に大きなフィンピッチP1と相対的に小さなフィンピッチP2の2種類又は3種類としているが、これに限られるものではない。フィンピッチを3種類以上又は4種類以上とすることもでき、第3実施例のように徐々に変化させるようにすることもできる。
(4) Other Embodiments (4.1) Modified Embodiments of the First and Second Embodiments
例えば、第1実施例の半導体装置1の冷却管15、16に対しては、IGBT素子11の直下から遠ざかるにつれて、数段階でフィンピッチを小さくするようにしてもよい。また、例えばIGBT素子11の直下側の隣のフィンピッチの0.9倍となるように、徐々にフィンピッチを小さくするようにしてもよい。第2実施例の半導体装置2の冷却管25、26に対しては、IGBT素子11及びダイオード素子12の中間付近から遠ざかるにつれて、数段階でフィンピッチを小さくするようにしてもよい。また、例えばIGBT素子11及びダイオード素子12の中間付近から遠ざかるにつれて、徐々にフィンピッチを小さくするようにしてもよい。さらに、IGBT素子11及びダイオード素子12の中間位置よりも僅かにIGBT素子11寄りの位置から遠ざかるにつれて、数段階若しくは徐々にフィンピッチを小さくするようにしてもよい。ここで、IGBT素子11及びダイオード素子12の中間位置よりも僅かにIGBT素子11寄りの位置を基準としたのは、IGBT素子11の駆動時に発生する発熱量の比はダイオード素子12の駆動時に発生する発熱量の比に比べて大きいので、IGBT素子11の方がダイオード素子12に比べて高い冷却能力を要するためである。
For example, with respect to the cooling
さらに、第3実施例の半導体装置3の冷却管35のように、所定の範囲のフィンピッチが相対的に大きくかつ徐々に変化するようにして、他の部分は相対的に小さな一定のフィンピッチとしてもよい。つまり、第3実施例の半導体装置3の冷却管35は、第1実施例の半導体装置1の冷却管15、16にほぼそのまま適用して、同様の効果を奏することができる。もちろん、第2実施例の半導体装置2の冷却管25、26に対しても、適宜変更を加えて適用することができる。
Further, like the
第2実施例の半導体装置2の冷却管25、26は、IGBT素子11及びダイオード素子12付近のフィンピッチは、その他の位置のフィンピッチに比べて大きくしている。これに加えて、さらに、IGBT素子11及びダイオード素子12付近のフィンピッチに対して、IGBT素子11及びダイオード素子12の駆動時に発生する発熱量の比を考慮して異なるようにしてもよい。つまり、半導体素子のうち駆動時に発生する発熱量の比の最大のIGBT素子11付近のフィンピッチは、半導体素子のうち駆動時に発生する発熱量の比の最小のダイオード素子12付近のフィンピッチに比べて大きなフィンピッチとする。ただし、ダイオード素子12付近のフィンピッチは、IGBT素子11及びダイオード素子12付近以外の位置のフィンピッチに比べて大きなフィンピッチとする。このように駆動時に発生する発熱量の比に応じた適切なフィンピッチとしている。
In the cooling
(4.2)第3実施例の変形態様
上記第3実施例の半導体装置3の冷却管35のF部分のフィンピッチPNは、冷却管35のほぼ中央付近から遠ざかるにつれて徐々に小さくしているが、これに限られるものではない。例えば、IGBT素子11の中心の直下付近のフィンピッチPNを最も大きくして、その位置から遠ざかるにつれて徐々に小さくするようにしてもよい。
(4.2) Modification of Third Embodiment The fin pitch PN of the F portion of the cooling
また、第3実施例の半導体装置3の冷却管35は、F部分を相対的に大きくかつ徐々に変化させるフィンピッチPNとし、G部分を相対的に小さな一定のフィンピッチP2としているが、これに限られるものではない。例えば、F部分とG部分とに分割することなく、冷却管35全体を徐々に変化させるフィンピッチとしてもよい。具体的には、例えば、IGBT素子11の直下付近から遠ざかるにつれて、徐々に小さくなるようなフィンピッチなどとする。
Further, in the cooling
また、上記第3実施例の半導体装置3の冷却管35のフィンピッチは、相対的に大きく徐々に変化させているフィンピッチPNと相対的に小さなフィンピッチP2としているが、これに限られるものではない。例えば、第1実施例の半導体装置1の冷却管15、16又はその変形態様の冷却管を、第3実施例の半導体装置3の冷却管35に適用することもできる。
Further, the fin pitch of the cooling
(4.3)その他の変形態様
上記第1実施例から第3実施例及びその変形態様においては、半導体素子からの距離に応じてフィンピッチを異ならしめているが、これに限られるものではない。例えば、半導体素子の発熱に伴う電極13、14の温度分布に従って、フィンピッチを異なるようにしてもよい。つまり、電極13、14の温度分布のうち高い温度付近のフィンピッチは、温度分布のうちの低い温度付近のフィンピッチに比べて大きくするようにしてもよい。なお、当該温度分布に応じて、滑らかにフィンピッチを変化させてもよいし、数段階にフィンピッチを変化させてもよい。なお、前記電極13、14の温度分布とは、電極13、14のうち冷却管に接合する部分の温度分布を採用することが好ましい。
(4.3) Other Modifications In the first to third embodiments and the modification thereof, the fin pitch is varied according to the distance from the semiconductor element, but is not limited thereto. For example, the fin pitch may be varied according to the temperature distribution of the
(4.4)冷却管の成形態様
また、上記第1実施例から第3実施例及びその変形態様において、冷却管は、筒状部とフィンとをそれぞれ別個に成形した後に、それらを接合するように成形している。しかし、これに限られることなく、他の成形方法を採用することもできる。例えば、筒状部とフィンとを一体成形することもできる。
(4.4) Forming Form of Cooling Tube In the first to third embodiments and the modified embodiments thereof, the cooling pipe is formed by separately forming the cylindrical portion and the fin, and then joining them. It is molded as follows. However, the present invention is not limited to this, and other molding methods can be adopted. For example, the cylindrical portion and the fin can be integrally formed.
また、筒状部の一部とフィンのみを一体成形しておき、筒状部の残り部分とを接合することもできる。この場合、例えば、筒状部の残り部分として、半導体装置の外枠を構成する樹脂ケースの一部分などを利用することもできる。 Alternatively, only a part of the cylindrical part and the fins are integrally formed, and the remaining part of the cylindrical part can be joined. In this case, for example, a part of the resin case constituting the outer frame of the semiconductor device can be used as the remaining portion of the cylindrical portion.
(5)本実施例の半導体装置と従来の半導体装置における冷却性能の比較
(5.1)従来の半導体装置4、5の構成
次に、第1実施例の半導体装置1及び第2実施例の半導体装置2と従来の半導体装置との冷却性能について比較する。第1実施例の半導体装置1及び第2実施例の半導体装置2は、上述した通りである。ここで、従来の第1の半導体装置4の断面図を図4に示し、従来の第2の半導体装置5の断面図を図5に示す。なお、従来の半導体装置4、5は、第1実施例及び第2実施例の半導体装置1、2に対して、冷却管のフィンのみが相違する。以下、従来の半導体装置4、5の冷却管のフィンのみについて説明する。
(5) Comparison of cooling performance between the semiconductor device of the present embodiment and the conventional semiconductor device (5.1) Configuration of the
従来の第1の半導体装置4の冷却管のフィンのピッチは、均一としている。そして、このフィンピッチは、第1実施例及び第2実施例の半導体装置1、2のフィンピッチP2と同様のフィンピッチP2としている。なお、従来の第1の半導体装置4の複数のフィンは、隣り合うフィンの上端側と下端側とが交互に一体成形されている。
The fin pitches of the cooling pipes of the conventional first semiconductor device 4 are uniform. This fin pitch is set to the same fin pitch P2 as the fin pitch P2 of the
従来の第2の半導体装置5の冷却管の複数のフィンの断面形状は、H字型とO字型とが交互に配置されるように一体成形されている。そして、このフィンピッチは、均一であって、第1実施例及び第2実施例の半導体装置1、2のフィンピッチP2と同様のフィンピッチP2としている。
The cross-sectional shape of the plurality of fins of the cooling pipe of the conventional
(5.2)解析条件
次に、解析条件について説明する。まず、第1実施例及び第2実施例の半導体装置1、2、並びに、従来の第1及び第2の半導体装置4、5の形状値は、以下の通りである。半導体装置全体の形状は、図1〜図5の左右方向の幅(冷却水流通垂直方向幅)が49mm、図1〜図5の高さが19mm、奥行き方向の幅(冷却水流通方向幅)が23mmである。IGBT素子11の冷却水流通方向幅は9.4mmで、ダイオード素子12の冷却水流通方向幅は5.9mmである。また、下側電極13及び上側電極14の高さはそれぞれ3mmである。冷却管15、16、25、26等の高さは5mmである。そして、冷却管の筒状部15a、16aの板厚は1.5mmであり、フィン15b、16b等の板厚は0.5mmである。そして、フィンピッチは、P1が2.5mm、P1’が1.5mm、P2が1.5mmである。
(5.2) Analysis conditions Next, analysis conditions will be described. First, the shape values of the
このような形状からなる半導体装置1〜5の冷却管に供給する冷却水の流量が、1.33L/minの一定値となるようにしている。さらに、供給する冷却水の最初の温度は、65℃としている。
The flow rate of the cooling water supplied to the cooling pipes of the
(5.3)解析結果
上述の解析条件に基づき解析を行った結果を表1に示す。さらに図6に、解析結果のうちの圧損当たりの冷却性能についてのグラフを示す。
(5.3) Analysis Results Table 1 shows the results of analysis based on the above analysis conditions. Furthermore, the graph about the cooling performance per pressure loss among analysis results is shown in FIG.
単位距離当たりの圧損ΔP/Lは、冷却管の冷却水流通方向幅当たりの圧損である。冷却水の上昇温度ΔTは、最初の冷却水の温度65℃から上昇した温度である。すなわち、実際の冷却水の温度は、65+ΔT℃となる。この冷却水の温度は、半導体素子11、12の発熱に伴い冷却水の温度が上昇した後に安定した時の温度である。つまり、冷却水の温度とは、半導体素子11、12の温度にほぼ相当する。
The pressure loss ΔP / L per unit distance is a pressure loss per width in the cooling water flow direction of the cooling pipe. The rising temperature ΔT of the cooling water is a temperature increased from the initial cooling water temperature of 65 ° C. That is, the actual temperature of the cooling water is 65 + ΔT ° C. The temperature of the cooling water is a temperature when the temperature of the cooling water is stabilized after the temperature of the cooling water rises as the
単位発熱量当たりの上昇温度Rは、ΔT/400の値である。ここで、IGBT素子11に最大定格電流が流れた時に発生する発熱量(駆動時に発生する発熱量)は、400Wである。すなわち、単位発熱量当たりの上昇温度Rは、当該IGBT素子11を適用した場合の値としている。そして、圧損当たりの冷却性能については、表1及び図6を参照する。表1及び図6に示すように、圧損当たりの冷却性能は、第1実施例の半導体装置1が最も高く、次に第2実施例の半導体装置2が高い。さらに、第1実施例及び第2実施例の半導体装置1、2の圧損当たりの冷却性能は、従来の第1及び第2の半導体装置4、5の圧損当たりの冷却性能に比べると、非常に高いことが分かる。
The rising temperature R per unit calorific value is a value of ΔT / 400. Here, the amount of heat generated when the maximum rated current flows through the IGBT element 11 (the amount of heat generated during driving) is 400 W. That is, the rising temperature R per unit calorific value is a value when the
上記の解析結果を踏まえて、以下に考察する。まずは、圧損のみの観点から考察する。圧損が小さい場合には、最大吐出圧力が小さなポンプを採用することができることは、上述した通りである。つまり、第1実施例及び第2実施例の半導体装置1、2は、従来の第1及び第2の半導体装置4、5に比べて、最大吐出圧力の小さなポンプを使用することができる。これにより、低コストかつ小型なポンプを使用することができることにより、半導体装置を含む装置全体の低コスト化及び小型化を図ることができる。
Based on the above analysis results, the following is considered. First, consider from the viewpoint of pressure loss only. As described above, when the pressure loss is small, a pump having a small maximum discharge pressure can be employed. That is, the
次に、冷却性能のみの観点から考察する。第2実施例の半導体装置2の上昇温度が最も低く、第1実施例の半導体装置1の上昇温度が次に低い。つまり、従来の第1及び第2の半導体装置4、5の冷却管による冷却性能に比べて、第1実施例及び第2実施例の半導体装置1、2の冷却管による冷却性能は、優れていることが分かる。
Next, it considers from a viewpoint of only cooling performance. The rising temperature of the
以上のように、第1実施例及び第2実施例の半導体装置1、2は、従来の第1及び第2の半導体装置4、5に比べて、圧損が小さく、かつ、冷却性能が優れている。つまり、第1実施例及び第2実施例の半導体装置1、2は、最大吐出圧力の小さなポンプを使用することが可能な上に、冷却性能が高い結果が得られている。
As described above, the
さらに、圧損当たりの冷却性能について考察する。一般的に、冷却管の圧損が同等の半導体装置の場合、圧損当たりの冷却性能が高い方の半導体装置は、高い冷却性能を得ることができることになる。また、冷却管の冷却性能が同等の半導体装置の場合、圧損当たりの冷却性能が高い方が、圧損が小さくなる。つまり、本解析条件として冷却水の流量を一定とせずに圧損が同等となるようにした場合には、第1実施例及び第2実施例の半導体装置1、2は、従来の第1及び第2の半導体装置4、5に比べて、非常に高い冷却能力を発揮することになる。また、冷却能力が同等となるようにした場合には、第1実施例及び第2実施例の半導体装置1、2は、従来の第1及び第2の半導体装置4、5に比べて、圧損が非常に小さくなる。その結果、第1実施例及び第2実施例の半導体装置1、2は、最大吐出圧力が非常に小さなポンプを使用することができる。
Furthermore, the cooling performance per pressure loss will be considered. In general, in the case of a semiconductor device in which the pressure loss of the cooling pipe is equivalent, the semiconductor device having the higher cooling performance per pressure loss can obtain high cooling performance. Further, in the case of a semiconductor device having the same cooling performance of the cooling pipe, the higher the cooling performance per pressure loss, the smaller the pressure loss. That is, when the pressure loss is made equal without making the flow rate of the cooling water constant as the analysis condition, the
ここで、第1実施例の半導体装置1と第2実施例の半導体装置2との解析結果について比較考察する。上記解析結果によれば、第1実施例の半導体装置1の方が、第2実施例の半導体装置2に比べて、圧損当たりの冷却性能が高い。これは、第1実施例の半導体装置1の冷却管は、第2実施例の半導体装置2の冷却管に比べて、駆動時に発生する発熱量の比が最大のIGBT素子11の周囲を大きなP1としている。つまり、第1実施例の半導体装置1は、IGBT素子11に対する冷却能力を高くしていることになる。このように、駆動時に発生する発熱量の比が最大のIGBT素子11に対して特に冷却能力を高くすることで、全体としての冷却性能を向上させることができる。
Here, the analysis results of the
1、2、3、4、5:半導体装置、 11:IGBT素子(半導体素子)、 12:ダイオード素子(半導体素子)、 13:下側電極、電極(基板)、 14:上側電極(基板)、 15、25、35:下側冷却管、冷却管(冷媒流通部)、 16、26:上側冷却管(冷媒流通部)、17:IGBT用スペーサ、 18:ダイオード用スペーサ、 15a、16a:筒状部、 15b、16b、25b、26b、35b:フィン、 P1、P1’、P2:フィンピッチ 1, 2, 3, 4, 5: Semiconductor device, 11: IGBT element (semiconductor element), 12: Diode element (semiconductor element), 13: Lower electrode, electrode (substrate), 14: Upper electrode (substrate), 15, 25, 35: lower cooling pipe, cooling pipe (refrigerant circulation part), 16, 26: upper cooling pipe (refrigerant circulation part), 17: IGBT spacer, 18: diode spacer, 15a, 16a: cylindrical Part, 15b, 16b, 25b, 26b, 35b: fin, P1, P1 ′, P2: fin pitch
Claims (12)
第1面側に前記半導体素子が配置された基板と、
内部側に冷媒流路を形成し前記基板の第2面側に接合された筒状部と該筒状部の内部側に冷媒流通方向に沿うようにかつ前記基板の幅方向に複数配置されたフィンとからなる冷媒流通部と、
を備える半導体装置において、
前記冷媒流通部は、前記半導体素子からの距離に応じて単位流路あたりの圧損が異なることを特徴とする半導体装置。 At least one semiconductor element;
A substrate on which the semiconductor element is disposed on the first surface side;
A cylindrical portion formed with a refrigerant flow path on the inner side and joined to the second surface side of the substrate, and a plurality of them are arranged on the inner side of the cylindrical portion along the refrigerant flow direction and in the width direction of the substrate. A refrigerant distribution section comprising fins;
In a semiconductor device comprising:
The semiconductor device, wherein the refrigerant circulation section has different pressure loss per unit flow path according to a distance from the semiconductor element.
前記フィンのピッチは、それぞれの前記半導体素子からの距離及びそれぞれの前記半導体素子の駆動時に発生する発熱量の比に応じて異なることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 The semiconductor element is plural,
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the pitch of the fins varies according to a distance from each of the semiconductor elements and a ratio of a heat generation amount generated when the semiconductor elements are driven.
前記フィンのピッチは、複数の前記半導体素子のうち前記半導体素子の駆動時に発生する発熱量の比が最も大きな前記半導体素子からの距離に応じて異なることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 The semiconductor element is plural,
The pitch of the fins varies according to a distance from the semiconductor element having the largest ratio of the amount of heat generated when the semiconductor element is driven among the plurality of semiconductor elements. Semiconductor device.
前記冷媒流通部は、それぞれの前記基板の第2面側に接合されたことを特徴とする請求項1〜11の何れか一項に記載の半導体装置。 The substrate is disposed on both sides of the semiconductor element;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the coolant circulation part is bonded to a second surface side of each of the substrates.
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