JP5232133B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、半導体装置に関し、より特定的には、半導体素子を冷却可能な半導体装置に関するものである。

従来、半導体装置は、たとえば特開２００６−５０１４号公報（特許文献１）、特開２００８−１６８７２号公報（特許文献２）および特開平１０−２２４２８号公報（特許文献３）に開示されている。

特開２００６−５０１４号公報 特開２００８−１６８７２号公報 特開平１０−２２４２８号公報

従来の技術では、半導体モジュールと冷却管を積層構造にして半導体モジュールの両面を冷却している。しかしながら、冷却性能の向上、ばらつきの改善および熱による半導体モジュールの反りや変形等を改善することが困難であるという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、半導体素子の冷却性能を向上させ、かつ熱による半導体モジュールの反りまたは変形等を抑制することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。

この発明に従った半導体装置は、半導体素子を含む半導体モジュールと、半導体モジュールに嵌合する、ノズルを有する冷却器とを備え、半導体モジュールは、半導体素子が接合される、ノズルの先端部を挿入可能な開口部を有する筒状の熱拡散部と、開口部の内側面に設けられたフィンと、半導体素子と熱拡散部とを一体化するモールド部とを含み、冷却器は、ノズルを介して熱拡散部に冷媒を衝突させて熱拡散部に接合された半導体素子を冷却する。

このように構成された半導体装置では、噴出衝突した冷媒が熱拡散部の内側面に行き渡って熱拡散部が万遍なく冷却されるので、熱拡散部に接合された半導体素子を冷却する能力が向上する。また、熱拡散部と半導体素子とがモールド部で一体化されているため、熱による半導体素子の反りおよび変形を低減することができる。

好ましくは、複数の半導体モジュールは冷却器に並列に配置されている。この場合、冷媒供給部により各半導体素子を冷却することができるため、従来のように一箇所の噴流による上流および下流管での冷却能力の差が少なくなる。その結果、複数の半導体素子を有する半導体装置に最適な冷却構造を提供することができる。

好ましくは、冷却器は半導体モジュールに着脱自在に嵌合する。
好ましくは、冷却器は、冷却器内に配置された冷媒供給部を含み、冷媒供給部からノズルを経由して熱拡散部に冷媒が送られ、熱拡散部と接触した冷媒は冷却器に集められる。

好ましくは、熱拡散部には、熱拡散部を構成する材料よりも熱伝導性の高い熱伝導材が埋め込まれている。

好ましくは、熱拡散部には複数の半導体素子が接合されている。

この発明に従えば、半導体素子の冷却性能が向上し、かつ熱による半導体モジュールの反りまたは変形も低減することが可能となった半導体装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った、フィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。 この発明の実施の形態２に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。 図３中のＩＶ−ＩＶ線に沿った、フィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。 図３中の矢印Ｖで示す方向から見た半導体モジュールを有する半導体装置の図である。 図５中のＶＩ−ＶＩ線に沿った、フィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。 この発明の実施の形態３に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。 図７中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った、フィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。 図７および図８で示す半導体装置において半導体モジュールと一方の冷却器とが離された状態を示す斜視図である。 比較例に従った、熱拡散部が平坦形状であり端部での冷却性能が低い冷却構造を示す図である。 この発明の実施の形態４に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。 図１１中のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った、フィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。 図１１で示す半導体装置における、半導体素子から発生した熱の流れを示す図である。 この発明の実施の形態５に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。 図１４中のＸＶ−ＸＶ線に沿った、フィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。 図１４で示す半導体装置における、半導体素子から発生した熱の流れを示す図である。 この発明の実施の形態６に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。 図１７中のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線に沿ったフィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。 図１７で示す半導体装置における、半導体素子から発生した熱の流れを示す図である。 この発明の実施の形態７に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。 図２０中の矢印ＸＸＩ−ＸＸＩ線に沿ったフィンと冷媒供給用のノズルの断面図である。 図２０で示す半導体装置における、半導体素子から発生した熱の流れを示す図である。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。また、各実施の形態を組合せることも可能である。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った、フィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。図１および図２を参照して、半導体装置１は、半導体モジュール７と冷却器８とから構成されている。半導体冷却モジュールとしての半導体モジュール７は、半導体素子２、入力電極３Ａ、出力電極３Ｂ、絶縁材４、熱拡散部５を有し、これらが互いに接合され、これら全体が樹脂モールド６により一体固定されている。熱拡散部５は円筒または角筒の高熱伝導性材料（銅またはアルミニウム等）により構成される。半導体素子２との接合部の反対側に開口部５ａを有し、内部に放熱フィン９が放射状に形成されている。また、外周部には、着脱機能を有した接続部１０が形成されている。接続部１０は、ねじ、クイックカップリングまたはＯリング溝等により構成される。半導体素子２の種類は特に限定されないが、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)のような発熱量の大きな半導体素子２に本発明を適用すれば、効果が高い。

半導体モジュール７は、接続部１０にて冷却器８と接続される。冷却器８に形成されたノズル部１１より、熱拡散部の開口部５ａ内へ冷媒１２が矢印１２ａで示す方向に噴出し、熱拡散部５の放熱フィン９において熱交換（冷却）が行なわれる。冷却器８の形状は、この例では角筒形状であるが、この例に限られず、円筒形状であってもよい。冷却器８の中に冷媒供給部１１１が設けられる。冷媒供給部１１１は、この例では角筒形状であるが、この例に限られず、円筒形状であってもよい。

噴出された冷媒は矢印１２ｂで示す方向に折り返して流れ、そして矢印１２ｃで示す方向に排出される。

半導体装置１は、半導体素子２を含む半導体モジュール７と、半導体モジュール７に嵌合する、ノズル部１１を有する冷却器８とを備え、半導体モジュール７は、半導体素子２が接合される、ノズル部１１の先端部を挿入可能な開口部５ａを有する筒状の熱拡散部５と、開口部５ａの内側面に設けられたフィン９と、半導体素子２と熱拡散部５とを一体化するモールド部としての樹脂モールド６とを含み、冷却器８は、ノズル部１１を介して熱拡散部５に冷媒１２を衝突させて熱拡散部５に接合された半導体素子２を冷却する。冷却器８は半導体モジュール７に着脱自在に嵌合する。冷却器８は、冷却器８内に配置された冷媒供給部１１１を含み、冷媒供給部１１１からノズル部１１を経由して熱拡散部５に冷媒１２が送られ、熱拡散部５と熱交換した冷媒１２は冷却器８に集められる。

（実施の形態２）
図３は、この発明の実施の形態２に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。図４は、図３中のＩＶ−ＩＶ線に沿った、フィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。図５は、図３中の矢印Ｖで示す方向から見た半導体モジュールを有する半導体装置の図である。図６は、図５中のＶＩ−ＶＩ線に沿った、フィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。

実施の形態２では、半導体素子２が２個設置される半導体装置の例を示している。この場合、熱拡散部５内には、板状の放熱フィン９が平行に配置されて長手方向がフィン列に対して直角に設定された矩形のノズル部１１から冷媒１２が噴出される。なお、これらの構成において、放熱フィン９の形状は、板状のほか、ピン形状や微細溝形状で構成されていてもよい。

また、ノズル部１１の開口は、単一の孔である必要はなく、多孔性であってもよく、端部に切欠が形成されていてもよい。

さらに、ノズル部１１の先端が、熱拡散部５の開口部内底面までの距離（衝突距離）は、ノズル開口部相当直径の１０倍以下に設定されることが好ましい。噴流の衝突および撹乱効果が得られ、高い熱伝導率が維持される。一般に、この距離は６から８倍で最大となる。

上述のような実施例１および２の構成を採用することで、モジュール部品の故障および不具合が発生しても、個別に着脱および交換が可能なため、半導体装置１の全損を回避できる。

また、液体による冷却の性能低下の要因となる、放熱フィン９への汚れおよび析出物の定期的な除去が可能となる。汚れおよび析出物として、ごみの付着、沸騰時のスケール付着等があり、これらは熱抵抗として作用する。

さらに、素子を実装する半導体モジュール７と冷却器８をロウ付けおよびはんだ付け等で接合する大掛かりな熱および圧力製造工程が不要であり、コストを削減することができる。

また、熱拡散部５の高い剛性による反りの抑制、および樹脂モールド６による接合部材の拘束（部材間の線膨張差に起因する歪を抑制）により、熱応力を低減することができる。

また、半導体モジュール７と冷却器８はねじ等の接続部１０を介しての接合であり、完全密着（接合）ではないため、装置動作時の熱膨張による応力および歪の影響が少ない構造となる。すなわち、応力を緩和する作用がある。

また、上記熱および圧力を用いた製造工程が不要なため、組付け工程に起因した熱変形等の諸問題を回避することができる。

さらに、半導体素子２の直下への衝突噴流と熱拡散部５の伝熱面積の増大および高熱容量化により、高熱伝達率が得られる。

（実施の形態３）
図７は、この発明の実施の形態３に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。図８は、図７中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った、フィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。図９は、図７および図８で示す半導体装置において半導体モジュールと一方の冷却器とが離された状態を示す斜視図である。

図７から図９を参照して、この発明の実施の形態３に従った半導体装置１では、出力電極３Ｂを中心として、その両側に半導体素子２、入力電極３Ａ、絶縁材４、熱拡散部５が順に左右対称に配置され、全体を樹脂モールド６により一体固定化された半導体モジュール７と、冷却器とから半導体装置１が構成されている。

半導体モジュール７の両端は、熱拡散部５の開口部５ａとなっており、内部には、放熱フィン９、外周部には着脱機能を有した接続部１０が形成されている。半導体モジュール７は、接続部１０を介して冷却器８と結合し、冷却器８のノズル部１１より噴出した冷媒１２と放熱フィン９間で熱交換（冷却）が行なわれる。

入力電極３Ａおよび出力電極３Ｂは、互いに平行に配置され、電気系コネクタ１３と接合する。半導体装置１は、冷却器８に複数の半導体モジュール７を装着し、電気系コネクタ１３を半導体モジュール７の入力電極３Ａおよび出力電極３Ｂに接続して組付けられる。

すなわち、２つの冷却器８，１０８によって半導体モジュール７が冷却される。複数の半導体モジュール７は冷却器８，１０８に並列に配置されている。

このように構成された半導体装置１では、半導体モジュール７は、出力電極３Ｂを中心として対称形状を有するため、線膨張係数差などに起因した反りおよび変形を低減することができる。

また、正負の入力電極３Ａが近接平行配置となるため、寄生インダクタンス（Ｌ）が打消され（相互インダクタンス効果）また、スイッチング損失が低減される。スイッチング損失は寄生インダクタンスに比例する。

（実施の形態４）
図１０は、比較例に従った、熱拡散部が平坦形状であり端部での冷却性能が低い冷却構造を示す図である。比較例に従った半導体装置１では、絶縁材４の両側に接合材４ａ，４ｂが設けられている。噴流衝突部の中心付近は高い熱伝導率（冷却性能）が得られるが、半径方向に沿って冷却性能が低下していく。すなわち、矢印１２ａで示す方向に噴出した冷媒１２が衝突する部分では最も冷却性能が高く、この部分から矢印１２ｂで示す方向に拡散するに従って冷却性能が低下する。衝突面（底面）にフィンを配置する場合、拡大伝熱面積の確保をするためフィンの微細化や規定面積の拡張を行なうと、圧損増加やモジュールの大型化を招く。

図１１は、この発明の実施の形態４に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。図１２は、図１１中のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った、フィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。図１３は、図１１で示す半導体装置における、半導体素子から発生した熱の流れを示す図である。

図１１から図１３を参照して、半導体素子２、絶縁材４、および熱拡散部５の順で積層され、ノズル部１１を介して熱拡散部５に向けて冷媒１２を噴出し、この冷媒により冷却するヒートシンク構造において、熱拡散部５は円筒もしくは角柱形状であり、素子接合面と対向する側に開口部５ａを有し、中空形状であり、内部側面および底面に放熱フィン９が形成されている。半導体素子２から発生した熱は、矢印２ａ，２ｂ，２ｃで示す方向に流れて熱拡散部５へ伝わり、さらに熱拡散部５内において矢印２ｄ，２ｅで示す方向に流れることで冷媒１２に熱が伝達される。なお、この実施の形態を含む以降の実施の形態では、樹脂モールドおよび冷却器の記載を省略している。

このように構成された半導体装置１では、熱拡散部５内部側面に放熱フィン９を配置することで、半導体素子２周りの冷却能力（等価熱伝達率）が大幅に向上する。その結果、素子周囲部温度低下に伴う温度差を駆動力として素子発熱量の多くが熱拡散部５の側面を介して冷却されるため、半導体素子２の冷却が均一化される。また、半導体素子２からの熱流れを均一化することで、半導体素子２直下の噴流衝突部の熱負荷が軽減され、素子温度の低下が図れる。

さらに、熱拡散部５の厚さＴと高さＨ（放熱フィン長さ）を適正に設定することにより、同一フィン仕様および基底面積で周囲部の冷却性能を増加させることができるため、性能向上のためのフィンの微細化や基底面積の拡大等することがなく、これらによって生じる問題を回避できる。たとえば、フィンの微細化をすれば製造コストが上昇し、基底面積を拡大すれば、モジュール投影面積が増加し、大型化に繋がるという問題がある。

（実施の形態５）
図１４は、この発明の実施の形態５に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。図１５は、図１４中のＸＶ−ＸＶ線に沿った、フィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。図１６は、図１４で示す半導体装置における、半導体素子から発生した熱の流れを示す図である。

図１４から図１６を参照して、この発明の実施の形態５に従った半導体装置１では、フィンの形状が、放射状となっている。放熱フィン９は、中心から外周に向けて延びており、矢印１２ｂで示す冷媒の流れもこの方向に沿って流れる。

このように構成された実施の形態５に従った半導体装置１では、実施の形態１に従った半導体装置１と同様の効果がある。

（実施の形態６）
図１７は、この発明の実施の形態６に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。図１８は、図１７中のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線に沿ったフィンおよび冷媒供給用のノズルの断面図である。図１９は、図１７で示す半導体装置における、半導体素子から発生した熱の流れを示す図である。

図１７から図１９を参照して、この発明の実施の形態６に従った半導体装置では、熱拡散部５の一部分に熱伝導材５１が充填されている。熱伝導材５１は、熱拡散部５の外周部内に設けられ異方性の高熱伝導材料である。この材料として配向性グラファイト（熱伝導率１ｋＷ／ｍＫ）または自励式ヒートパイプ（熱伝導率＞１ｋＷ／ｍＫ）などがある。このような構成を採用することで、外周部の熱伝導率が大幅に向上し、均一冷却をより確実に図ることができる。熱拡散部５には、熱拡散部５を構成する材料よりも熱伝導性の高い熱伝導材５１が埋め込まれている。

（実施の形態７）
図２０は、この発明の実施の形態７に従った半導体モジュールを有する半導体装置の断面図である。図２１は、図２０中の矢印ＸＸＩ−ＸＸＩ線に沿ったフィンと冷媒供給用のノズルの断面図である。図２２は、図２０で示す半導体装置における、半導体素子から発生した熱の流れを示す図である。

実施の形態７に従った半導体装置１では、複数の半導体素子２，２１，３１が熱拡散部５に搭載されている。熱拡散部５の側面に半導体素子２よりも低熱負荷の半導体素子２１，３１を配置する。熱拡散部５には複数の半導体素子２，２１，３１が接合されている。これにより、ヒートシンク構造を三次元的に活用することで、モジュールの体格の低減を図ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、たとえば車両に搭載される半導体装置の分野において用いることができる。

１ 半導体装置、２，２１，３１ 半導体素子、３Ａ 入力電極、３Ｂ 出力電極、４ａ，４ｂ 接合材、４ 絶縁材、５ 熱拡散部、５ａ 開口部、６ 樹脂モールド、７ 半導体モジュール、８，１０８ 冷却器、９ 放熱フィン、１０ 接続部、１１ ノズル部、１２ 冷媒、１３ 電気系コネクタ、５１ 熱伝導材、１１１ 冷媒供給部。

Claims (6)

1. 半導体素子を含む半導体モジュールと、
   前記半導体モジュールに嵌合する、ノズルを有する冷却器とを備え、
   前記半導体モジュールは、
   前記半導体素子が接合される、ノズルの先端部を挿入可能な開口部を有する筒状の熱拡散部と、
   前記開口部の内側面に設けられたフィンと、
   前記半導体素子と前記熱拡散部とを一体化するモールド部とを含み、
   前記冷却器は、ノズルを介して前記熱拡散部に冷媒を衝突させて前記熱拡散部に接合された前記半導体素子を冷却する、半導体装置。
2. 複数の前記半導体モジュールは前記冷却器に並列に配置されている、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記冷却器は前記半導体モジュールに着脱自在に嵌合する、請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記冷却器は、前記冷却器内に配置された冷媒供給部を含み、前記冷媒供給部から前記ノズルを経由して前記熱拡散部に冷媒が送られ、前記熱拡散部と接触した冷媒は前記冷却器に集められる、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記熱拡散部には、前記熱拡散部を構成する材料よりも熱伝導性の高い熱伝導材が埋め込まれている、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記熱拡散部には複数の前記半導体素子が接合されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置。

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