JP5392196B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子と板状の金属体とが一体化された半導体実装体を冷媒により冷却する半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device for cooling a semiconductor mounting body in which a semiconductor element and a plate-shaped metal body are integrated with a coolant.
従来の半導体装置として、冷媒が流れる扁平の冷却管を積層して積層冷却器を構成し、隣接する冷却管の間に半導体実装体を配置し、積層冷却器および半導体実装体をバネで加圧することにより、製造バラツキにより発生する冷却管と半導体実装体との間の隙間を小さくして(すなわち、冷却管と半導体実装体とを面接触させて)伝熱性向上を図るようにしたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。なお、冷却管と半導体実装体との間の隙間が大きい場合、その隙間をグリスで埋めることも行われる。 As a conventional semiconductor device, a flat cooling pipe through which a refrigerant flows is laminated to constitute a laminated cooler, a semiconductor mounting body is arranged between adjacent cooling pipes, and the stacked cooling device and the semiconductor mounting body are pressurized with a spring. Therefore, it is proposed that the gap between the cooling pipe and the semiconductor mounting body generated due to manufacturing variations be reduced (that is, the cooling pipe and the semiconductor mounting body are brought into surface contact) to improve heat transfer (For example, refer to Patent Document 1). In addition, when the clearance gap between a cooling pipe and a semiconductor mounting body is large, the clearance gap is also filled with grease.
また、他の従来の半導体装置として、半導体素子と放熱用の金属体とを樹脂製の封止材にて封止して半導体実装体を構成し、また、封止材の一部が半導体実装体を囲んで冷媒の流路を形成し、金属体の放熱面に冷媒を直接接触させて半導体実装体を冷却するようにしたものが提案されている(例えば、特許文献2参照)。 As another conventional semiconductor device, a semiconductor element and a heat dissipating metal body are sealed with a resin sealing material to form a semiconductor mounting body, and a part of the sealing material is a semiconductor mounting. There has been proposed a structure in which a coolant channel is formed so as to surround the body, and the semiconductor mounting body is cooled by bringing the coolant directly into contact with the heat radiating surface of the metal body (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、前者の従来装置は、伝熱性向上を図るためにバネやグリスが必要である。 However, the former conventional device requires a spring or grease in order to improve heat transfer.
一方、後者の従来装置は、金属体の放熱面に冷媒が直接接触するため封止材と金属体の放熱面間のシールが必要であるが、封止材と金属体の材質が異なるためそのシールが難しい。また、半導体装置の周囲に発熱部品(例えば、コンデンサやリアクトル、回路基板等)が配置されている場合、冷媒の流路を形成する封止材が樹脂であるため、半導体装置の周囲の熱を封止材を介して冷媒に吸収させることが困難である。したがって、半導体装置の周囲の温度が上昇し、半導体装置の周囲に配置される発熱部品の耐熱性を上げざるを得ずコストアップになってしまう。 On the other hand, the latter conventional device requires a seal between the sealing material and the heat dissipation surface of the metal body because the refrigerant directly contacts the heat dissipation surface of the metal body. It is difficult to seal. In addition, when a heat generating component (for example, a capacitor, a reactor, a circuit board, or the like) is disposed around the semiconductor device, the sealing material that forms the flow path of the refrigerant is resin, so the heat around the semiconductor device is It is difficult to absorb the refrigerant through the sealing material. Therefore, the temperature around the semiconductor device rises, and the heat resistance of the heat-generating components arranged around the semiconductor device must be increased, resulting in an increase in cost.
本発明は上記点に鑑みて、バネやグリスを用いなくても高い伝熱性が得られるようにすることを目的とする。また、シールが容易で、周囲の熱を冷媒に吸収しやすくすることを他の目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to obtain high heat conductivity without using a spring or grease. Another object is to facilitate sealing and to easily absorb ambient heat into the refrigerant.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、半導体素子(111)と半導体素子(111)の両側に配置された板状の金属体(112、113)とが一体化された半導体実装体(11)を備え、半導体素子(111)と金属体(112、113)とが積層された方向を積層方向としたとき、半導体実装体(11)における積層方向の両端面が放熱面として構成されて、半導体実装体(11)が冷媒により冷却される半導体装置において、半導体実装体(11)と、半導体実装体(11)を積層方向の両側から挟持する金属製の冷却板(13、14)とが一体化された半導体冷却構造体(1)を備え、半導体冷却構造体(1)は、半導体冷却構造体(1)における積層方向の一端側と他端側とを連通させて、冷却板(13、14)間に冷媒を流通させる冷媒流路(19)を備え、さらに、半導体冷却構造体(1)が積層方向に沿って複数個積層され、隣接する半導体冷却構造体(1)における冷却板(13、14)の間に、冷媒流路(19)と連通する冷媒流通空間(18)が形成されていることを特徴とする。 To achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a semiconductor in which a semiconductor element (111) and plate-like metal bodies (112, 113) disposed on both sides of the semiconductor element (111) are integrated. The mounting body (11) is provided, and when the direction in which the semiconductor element (111) and the metal body (112, 113) are stacked is defined as the stacking direction, both end surfaces of the semiconductor mounting body (11) in the stacking direction are heat dissipation surfaces. In the semiconductor device that is configured and the semiconductor mounting body (11) is cooled by the refrigerant, the semiconductor mounting body (11) and a metal cooling plate (13, 13) that sandwiches the semiconductor mounting body (11) from both sides in the stacking direction. 14) is integrated with the semiconductor cooling structure (1), and the semiconductor cooling structure (1) communicates the one end side and the other end side in the stacking direction of the semiconductor cooling structure (1), Between cooling plates (13, 14) A coolant channel (19) for circulating a coolant is provided, and a plurality of semiconductor cooling structures (1) are stacked along the stacking direction, and cooling plates (13, 14) in adjacent semiconductor cooling structures (1) are provided. A refrigerant circulation space (18) communicating with the refrigerant flow path (19) is formed between the two.
これによると、半導体実装体(11)が冷却板(13、14)にて挟持される構成であるため、半導体実装体(11)と冷却板(13、14)との間の隙間が小さくなり、バネやグリスを用いなくても高い伝熱性を得ることができる。 According to this, since the semiconductor mounting body (11) is sandwiched between the cooling plates (13, 14), the gap between the semiconductor mounting body (11) and the cooling plates (13, 14) is reduced. High heat conductivity can be obtained without using a spring or grease.
また、請求項1に記載の発明では、半導体冷却構造体(1)は、半導体実装体(11)における積層方向に対して直交する方向の両側に配置されて、冷却板(13,14)に挟持されるスペーサ(12)を備え、冷媒流路(19)は、スペーサ(12)に設けられていることを特徴とする。
Further, in the invention according to
これによると、冷媒流路(19)や冷媒流通空間(18)を形成するスペーサ(12)および冷却板(13、14)をいずれも金属製にすることにより、シール性が確保しやすく、且つ、半導体装置の周囲の熱を冷媒に吸収させやすい。 According to this, the spacer (12) and the cooling plates (13, 14) that form the refrigerant flow path (19) and the refrigerant circulation space (18) are all made of metal, thereby making it easy to ensure sealing performance, and The heat around the semiconductor device is easily absorbed by the refrigerant.
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の半導体装置において、半導体冷却構造体(1)は、冷却板(13,14)とは別体に形成されて、スペーサ(12)内に配置される連通管(20)を備え、連通管(20)は、2つの冷却板(13、14)に接合され、冷媒流路(19)は、連通管(20)によって形成されていることを特徴とする。
In the invention described in claim 2, in the semiconductor device according to
これによると、冷媒流路(19)や冷媒流通空間(18)を形成する連通管(20)および冷却板(13、14)をいずれも金属製にすることにより、シール性が確保しやすく、且つ、半導体装置の周囲の熱を冷媒に吸収させやすい。 According to this, by making all the communication pipe (20) and the cooling plates (13, 14) forming the refrigerant flow path (19) and the refrigerant circulation space (18), it is easy to ensure the sealing performance, In addition, the heat around the semiconductor device is easily absorbed by the refrigerant.
請求項3に記載の発明では、請求項1に記載の半導体装置において、半導体冷却構造体(1)は、スペーサ(12)内に配置される筒部(143)を備え、筒部(143)は、2つの冷却板(13、14)のうち一方の冷却板(13、14)に一体に形成されるとともに、他方の冷却板(13、14)に向かって延設されてその先端側が他方の冷却板(13、14)に接合され、冷媒流路は、筒部(143)によって形成されていることを特徴とする。
In the invention described in
これによると、冷媒流路(19)や冷媒流通空間(18)を形成する冷却板(13、14)は金属製であるため、シール性が確保しやすく、且つ、半導体装置の周囲の熱を冷媒に吸収させやすい。 According to this, since the cooling plates (13, 14) forming the refrigerant flow path (19) and the refrigerant circulation space (18) are made of metal, it is easy to ensure the sealing performance, and the heat around the semiconductor device is reduced. Easy to absorb in refrigerant.
請求項4に記載の発明では、請求項1ないし3のいずれか1つに記載の半導体装置において、2つの冷却板(13、14)のうち一方の冷却板(13、14)は、冷媒流路(19)の開口部および冷媒流通空間(18)を取り囲む突起部(133)を備え、突起部(133)に対向する冷却板(13、14)と突起部(133)との間は、弾性部材よりなる環状のシール部材(17)にてシールされていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to any one of the first to third aspects, one of the two cooling plates (13, 14) has a coolant flow. A protrusion (133) surrounding the opening of the passage (19) and the refrigerant circulation space (18) is provided, and between the cooling plate (13, 14) and the protrusion (133) facing the protrusion (133), It is sealed by an annular seal member (17) made of an elastic member.
これによると、冷却板(13、14)と突起部(133)との間を確実にシールすることができる。 According to this, the space between the cooling plates (13, 14) and the protrusions (133) can be reliably sealed.
請求項5に記載の発明では、請求項1ないし4のいずれか1つに記載の半導体装置において、冷却板(13、14)は、冷媒流通空間(18)に向かって突出して、冷媒と冷却板(13、14)との間の熱伝達を促進する冷却フィン(132、142)を備えることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to any one of the first to fourth aspects, the cooling plate (13, 14) protrudes toward the refrigerant circulation space (18), so that the refrigerant and the cooling plate are cooled. It is characterized by comprising cooling fins (132, 142) that promote heat transfer between the plates (13, 14).
これによると、伝熱性がさらに高まり、半導体実装体(11)を一層確実に冷却することができる。 According to this, the heat conductivity is further enhanced, and the semiconductor mounting body (11) can be cooled more reliably.
請求項6に記載の発明のように、請求項1ないし5のいずれか1つに記載の半導体装置において、半導体実装体(11)と冷却板(13、14)との間は、絶縁フィルム(15、16)により電気的に絶縁することができる。
As in the invention described in claim 6 , in the semiconductor device according to any one of
請求項7に記載の発明のように、請求項6に記載の半導体装置において、絶縁フィルム(15、16)は、半導体実装体(11)と冷却板(13、14)とを接合する機能を有することができる。 As in the invention described in claim 7, in the semiconductor device according to claim 6, the function of the insulating film (15, 16) joins the semiconductor mounting body (11) and cooling plate (13, 14) Can have.
請求項8に記載の発明では、請求項3に記載の半導体装置において、筒部(143)の肉厚は、他方の冷却板(13、14)に向かって薄くなっていることを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the third aspect , the thickness of the cylindrical portion (143) is reduced toward the other cooling plate (13, 14). .
これによると、冷却板(13、14)を鋳造によって製造する場合、溶融金属が筒部(143)においてスムーズに流れやすい。 According to this, when manufacturing a cooling plate (13, 14) by casting, a molten metal tends to flow smoothly in a cylinder part (143).
請求項9に記載の発明では、請求項3または8に記載の半導体装置において、筒部(143)の外周面は、他方の冷却板(13、14)に向かって細くなっていることを特徴とする。
The invention according to claim 9 is the semiconductor device according to
これによると、スペーサ(12)の貫通穴に筒部(143)が挿入される構成の場合、筒部(143)へのスペーサ(12)の組み付けが容易になる。 According to this, in the case where the cylindrical portion (143) is inserted into the through hole of the spacer (12), the assembly of the spacer (12) to the cylindrical portion (143) is facilitated.
請求項10に記載の発明では、請求項2または3に記載の半導体装置において、スペーサ(12)は熱可塑性樹脂よりなることを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the second or third aspect , the spacer (12) is made of a thermoplastic resin.
これによると、半導体実装体(11)、スペーサ(12)、冷却板(13、14)等を一体化する際に、熱を加えてスペーサ(12)を軟化させることにより、半導体実装体(11)と冷却板(13、14)とを確実に面接触させることができる。 According to this, when the semiconductor mounting body (11), the spacer (12), the cooling plates (13, 14) and the like are integrated, the spacer (12) is softened by applying heat, thereby the semiconductor mounting body (11 ) And the cooling plates (13, 14) can be reliably brought into surface contact.
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.
(第1実施形態)
図1(a)は本発明の第1実施形態に係る半導体装置の斜視図、図1(b)は図1(a)の半導体装置の分解斜視図である。図2は図1の半導体装置における半導体冷却構造体を示す断面図、図3は図1の半導体装置における半導体冷却構造体が積層された状態を示す断面図、図4は図1の半導体装置における絶縁フィルムを示す斜視図である。
(First embodiment)
FIG. 1A is a perspective view of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is an exploded perspective view of the semiconductor device of FIG. 2 is a cross-sectional view showing a semiconductor cooling structure in the semiconductor device of FIG. 1, FIG. 3 is a cross-sectional view showing a stacked state of the semiconductor cooling structure in the semiconductor device of FIG. 1, and FIG. 4 is in the semiconductor device of FIG. It is a perspective view which shows an insulating film.
図1に示すように、半導体装置は、複数個(品例では3個)の半導体冷却構造体1が積層され、これらの半導体冷却構造体1の一端側に第1蓋材3が配置され、これらの半導体冷却構造体1の他端側に第2蓋材4が配置されて、多数のボルト5によってそれらが締結されている。
As shown in FIG. 1, the semiconductor device includes a plurality (three in the example) of
図2、図3に示すように、半導体冷却構造体1は、半導体実装体11、スペーサ12、第1冷却板13、第2冷却板14、第1絶縁フィルム15、第2絶縁フィルム16、およびOリング17を備えている。
2 and 3, the
半導体実装体11は、半導体素子としての半導体チップ111を2つ備えている。具体的には、一方の半導体チップ111は、例えばIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)やサイリスタ等のパワー半導体素子から構成し、他方の半導体チップ111は、例えばFWD(フリーホイールダイオード)としている。また、半導体チップ111は、直方体の薄板状になっている。
The
2つの半導体チップ111の一端面に対向して第1金属体としての第1ヒートシンク112が配置され、2つの半導体チップ111の他端面に対向して第2金属体としての第2ヒートシンク113が配置されている。換言すると、半導体チップ111とヒートシンク112、113は積層状態になっている。以下、半導体チップ111とヒートシンク112、113とが積層された方向を積層方向Aという。ここで、第1ヒートシンク112および第2ヒートシンク113は、例えば、銅合金もしくはアルミ合金等の熱伝導性および電気伝導性の良い金属で構成されている。また、第1ヒートシンク112および第2ヒートシンク113は、略直方体の板材になっている。
A
2つの半導体チップ111の一端面と第1ヒートシンク112は、導電性接合部材としての第1はんだ114によって接合され、2つの半導体チップ111の他端面と第2ヒートシンク113は導電性接合部材としての第2はんだ115によって接合されている。
One end surface of the two
そして、半導体チップ111、第1ヒートシンク112、第2ヒートシンク113、第1はんだ114、および第2はんだ115は、封止材としてのモールド樹脂116によって一体化されている。このモールド樹脂116は、例えばエポキシ樹脂等のモールド材料を用いる。
The
ここで、半導体実装体11における積層方向Aの両端面、すなわち、第1ヒートシンク112における反半導体チップ側の面(図2の紙面上方側の面)、および第2ヒートシンク113における反半導体チップ側の面(図2の紙面下方側の面)は、モールド樹脂116から露出していて、半導体チップ111の熱を放熱するための放熱面として機能する。
Here, both end surfaces of the
このように、半導体実装体11は、半導体チップ111、第1ヒートシンク112、第2ヒートシンク113、第1はんだ114、第2はんだ115、およびモールド樹脂116により構成されている。また、半導体実装体11は、略直方体になっている。
As described above, the
スペーサ12は、アルミ合金等の熱伝導性の良い金属よりなり、半導体実装体11における積層方向Aに対して直交する方向の両側に配置されている。スペーサ12は、略直方体であり、積層方向Aに貫通する貫通穴121が形成されている。スペーサ12における積層方向Aの寸法は、半導体実装体11における積層方向Aの寸法と同じか、或いはそれよりも僅かに大きくなっている。
The
第1冷却板13は、アルミ合金等の熱伝導性の良い金属よりなり、半導体実装体11およびスペーサ12における積層方向Aの一端側に配置されている。第1冷却板13は、略直方体の板状になっており、積層方向Aに貫通する貫通穴131が2つ形成されている。
The
第1冷却板13における反半導体実装体側の面(図2の紙面上方側の面)には、冷媒流通空間18(詳細後述)に向かって突出して、冷媒流通空間18を流れる冷媒と第1冷却板13との間の熱伝達を促進する多数の冷却フィン132が形成されている。なお、冷媒とは、空気、水、油などの流体である。
The
第1冷却板13における反半導体実装体側の面(図2の紙面上方側の面)には、貫通穴131の開口部、冷却フィン132、および冷媒流通空間18を取り囲む環状の突起部133が形成されている。この突起部133における反半導体実装体側の面(図2の紙面上方側の面)には、シール部材としてのOリング17が挿入される環状の溝134が形成されている。
An opening of the through
第2冷却板14は、アルミ合金等の熱伝導性の良い金属よりなり、半導体実装体11およびスペーサ12における積層方向Aの他端側に配置されている。第2冷却板14は、略直方体の板状になっており、積層方向Aに貫通する貫通穴141が2つ形成されている。
The
第2冷却板14における反半導体実装体側の面(図2の紙面下方側の面)には、冷媒流通空間18に向かって突出して、冷媒流通空間18を流れる冷媒と第2冷却板14との間の熱伝達を促進する多数の冷却フィン142が形成されている。
The surface of the
図4に示すように、第1絶縁フィルム15および第2絶縁フィルム16は、矩形薄膜状であり、電気絶縁性の高い絶縁層151、161と、この絶縁層151、161の両側に配置され、加熱により軟化して接着機能を発揮する接着層152、162とからなる。なお、絶縁層151、161は、アルミナ等を用いることができ、また、アルミナ等を樹脂に混ぜたものを用いることもできる。
As shown in FIG. 4, the first insulating
図2、図3に示すように、半導体冷却構造体1は、半導体実装体11と第1冷却板13との間に第1絶縁フィルム15が配置され、半導体実装体11と第2冷却板14との間に第2絶縁フィルム16が配置され、さらに、半導体実装体11における積層方向Aに対して直交する方向の両側にスペーサ12が配置された状態で、半導体実装体11、スペーサ12、第1絶縁フィルム15、および第2絶縁フィルム16が、第1冷却板13と第2冷却板14とによって積層方向Aの両側から挟持されて一体化されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, in the
具体的には、第1絶縁フィルム15の接着層152が加熱によって軟化し、この軟化した接着層152により、半導体実装体11と第1冷却板13とが接着され、同様に、第2絶縁フィルム16の接着層162が加熱によって軟化し、この軟化した接着層162により、半導体実装体11と第2冷却板14とが接着されている。また、第1冷却板13とスペーサ12は接着や溶接等にて接合され、第2冷却板14とスペーサ12も接着や溶接等にて接合されている。
Specifically, the adhesive layer 152 of the first insulating
ここで、スペーサ12と各冷却板13、14とを接合する際に、各冷却板13、14の外側から加圧してスペーサ12を積層方向Aに圧縮変形させることにより、半導体実装体11と各冷却板13、14との間の隙間を小さくすることができる。
Here, when joining the
このようにして一体化された半導体冷却構造体1は、半導体冷却構造体1における積層方向Aの一端側の冷媒流通空間18と他端側の冷媒流通空間18が、スペーサ12の貫通穴121、第1冷却板13の貫通穴131、および第2冷却板14の貫通穴141により連通される。ここで、スペーサ12の貫通穴121と第1冷却板13の貫通穴131との境界部、およびスペーサ12の貫通穴121と第2冷却板14の貫通穴141との境界部は、溶接等にて接合されてシールされている。なお、スペーサ12の貫通穴121、第1冷却板13の貫通穴131、および第2冷却板14の貫通穴141は、冷媒を流通させる冷媒流路を構成するものであり、以下、それらを総称して冷媒流路19という。
In the
図1、図3に示すように、半導体冷却構造体1は、積層方向Aに沿って複数個積層されて用いられ、隣接する半導体冷却構造体1における冷却板13、14の間に冷媒流通空間18が形成されるようになっている。より詳細には、隣接する2つの半導体冷却構造体1のうち、一方の半導体冷却構造体1における第1冷却板13および突起部133と、他方の半導体冷却構造体1における第2冷却板14とにより、冷媒流通空間18が形成されている。そして、突起部133と第2冷却板14との間は、Oリング17によりシールされる。
As shown in FIGS. 1 and 3, a plurality of
第1蓋材3は、アルミ合金等の金属よりなり、略直方体の板である。第1蓋材3は、冷媒の入口となる入口パイプ31、および冷媒の出口となる出口パイプ32を備えている。第1蓋材3に隣接する半導体冷却構造体1と第1蓋材3との間に冷媒流通空間18が形成され、入口パイプ31および出口パイプ32は、その冷媒流通空間18に連通している。第1蓋材3に隣接する半導体冷却構造体1の突起部133と第1蓋材3との間は、Oリング17によりシールされる。
The
第2蓋材4は、アルミ合金等の金属よりなり、略直方体の板である。第2蓋材4に隣接する半導体冷却構造体1と第2蓋材4との間に冷媒流通空間18が形成され、第2蓋材4に隣接する半導体冷却構造体1の第2冷却板14と第2蓋材4との間は、第2蓋材4の凹部41に配置したOリング17によりシールされる。
The 2nd cover material 4 consists of metals, such as an aluminum alloy, and is a substantially rectangular parallelepiped board. A
そして、第1蓋材3のボルト通し孔(図示せず)、および第2蓋材4のボルト通し孔42にボルト5を通し、ボルト5とナット(図示せず)を螺合させることにより、半導体冷却構造体1、第1蓋材3、および第2蓋材4が、締結されている。
Then, the bolt 5 is passed through the bolt through hole (not shown) of the
上記構成になる半導体装置は、以下のようにして半導体チップ111が冷却される。まず、半導体チップ111が発生した熱は、第1はんだ114を介して第1ヒートシンク112に伝達されるとともに、第2はんだ115を介して第2ヒートシンク113に伝達される。
In the semiconductor device configured as described above, the
一方、入口パイプ31に導かれた冷媒は、図3の矢印Bのように冷媒流通空間18や冷媒流路19を通って出口パイプ32に戻る。そして、冷媒が冷媒流通空間18を通過する際に、冷媒は第1冷却板13および第1絶縁フィルム15を介して第1ヒートシンク112から受熱するとともに、第2冷却板14および第2絶縁フィルム16を介して第2ヒートシンク113から受熱する。これにより、半導体チップ111が発生した熱は冷媒に伝達され、半導体チップ111が冷却される。
On the other hand, the refrigerant guided to the
上述した本実施形態の半導体装置では、半導体実装体11が第1冷却板13と第2冷却板14とによって挟持される構成であるため、半導体実装体11と各冷却板13、14との間の隙間が小さくなり、したがって、バネやグリスを用いなくても高い伝熱性を得ることができる。
In the semiconductor device of the present embodiment described above, the
また、冷媒流路19や冷媒流通空間18を形成するスペーサ12および各冷却板13、14はいずれも金属製であるため、シール性が確保しやすく、且つ、半導体装置11の周囲の熱をスペーサ12および各冷却板13、14を介して冷媒に吸収させやすい。
In addition, since the
さらに、各冷却板13、14に設けた冷却フィン132、142により、冷媒と各冷却板13、14との間の伝熱性がさらに高まり、半導体実装体11の半導体チップ111を一層確実に冷却することができる。
Further, the cooling
(第2実施形態)
図5は本発明の第2実施形態に係る半導体装置における半導体冷却構造体の分解斜視図、図6は図5の半導体冷却構造体における要部の断面図である。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is an exploded perspective view of the semiconductor cooling structure in the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a cross-sectional view of the main part of the semiconductor cooling structure in FIG.
本実施形態は、冷媒流路19の構成およびスペーサ12の材質が第1実施形態と異なり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
In the present embodiment, the configuration of the
図5、図6に示すように、スペーサ12の貫通穴121、第1冷却板13の貫通穴131、および第2冷却板14の貫通穴141に、円筒の連通管20が挿入されている。連通管20の両端は各冷却板13、14に接合されており、半導体冷却構造体1における積層方向Aの一端側の冷媒流通空間18と他端側の冷媒流通空間18が、連通管20により連通されている。すなわち、連通管20の内部の貫通穴が、冷媒を流通させる冷媒流路19を構成する。
As shown in FIGS. 5 and 6, a
この連通管20および各冷却板13、14は同材質であり、アルミ合金や銅合金等の熱伝導性の良い金属よりなる。そして、連通管20と各冷却板13、14は、連通管20の両端外周部と各冷却板13、14における各貫通穴131、141の内周面とを溶接して接合することができる。この場合の溶接個所は、各冷却板13、14の表面側になるため、溶接がし易い。
The
なお、連通管20の両端部をかしめて連通管20と各冷却板13、14とを接合してもよいし、溶接およびかしめにより連通管20と各冷却板13、14とを接合してもよい。
Note that both ends of the
また、スペーサ12は、樹脂製、望ましくは熱可塑性樹脂製とし、スペーサ12における積層方向Aの寸法を、半導体実装体11における積層方向Aの寸法よりも大きくしている。この場合、構成部品を一体化して半導体冷却構造体1を形成する際に、半導体実装体11、スペーサ12、および各絶縁フィルム15、16を第1冷却板13と第2冷却板14とによって積層方向Aの両側から挟持した状態で、それらを加熱しながらプレスすることにより、スペーサ12を積層方向Aに圧縮して半導体実装体11と各冷却板13、14とを密着させることができる。そして、この後に、連通管20と各冷却板13、14とを接合する。
The
(第3実施形態)
図7は本発明の第3実施形態に係る半導体装置における半導体冷却構造体の要部の断面図である。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a cross-sectional view of the main part of the semiconductor cooling structure in the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
本実施形態は、冷媒流路19の構成が第2実施形態と異なり、その他に関しては第2実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
In the present embodiment, the configuration of the
図7に示すように、第2冷却板14には、第1冷却板13に向かって延びる円筒状の筒部143が一体に形成されている。より詳細には、筒部143は、内径および外径が一定である。この筒部143がスペーサ12の貫通穴121(図5参照)および第1冷却板13の貫通穴131(図5参照)に挿入され、筒部143の先端が第1冷却板13に接合されており、半導体冷却構造体1における積層方向Aの一端側の冷媒流通空間18と他端側の冷媒流通空間18が、筒部143により連通されている。すなわち、筒部143の内部の貫通穴が、冷媒を流通させる冷媒流路19を構成する。
As shown in FIG. 7, the
なお、筒部143と第1冷却板13は、筒部143の先端外周部と第1冷却板13の貫通穴131の内周面とを溶接して接合することができる。また、筒部143の先端部をかしめて筒部143と第1冷却板13とを接合してもよいし、溶接およびかしめにより筒部143と第1冷却板13とを接合してもよい。
In addition, the
そして、本実施形態の半導体装置は、連通管20が不要であるため、部品点数を少なくすることができ、連通管20の挿入作業が不要となり、さらに、溶接個所が少なくなる。
In the semiconductor device of this embodiment, the
また、本実施形態の半導体装置の第2冷却板14は、半導体実装体11と対向する部位の薄肉部144と、スペーサ12と対向する部位で薄肉部144よりも肉厚の肉厚部145とを有し、薄肉部144と肉厚部145との段差部146が、半導体実装体11の位置決めに利用されるようになっている。
Further, the
そして、肉厚部145を有するため、第2冷却板14の外周側面の面積が増加し、半導体装置11の周囲の熱を吸収し易くなる。なお、肉厚部145の厚さをさらに増加することにより(例えば、筒部143を含む第2冷却板14の厚さの1/2以上にすることにより)、第2冷却板14の外周側面の面積がさらに増加し、半導体装置11の周囲の熱をさらに吸収し易くなる。また、肉厚部145を有するため、第2冷却板14を鋳造にて製造する場合、溶融金属が筒部143にスムーズに流れやすい。
And since it has the
なお、上記実施形態においては、筒部143の内径および外径を一定にしたが、図8に示す変形例のように、筒部143の外周面が第1冷却板13に向かって細くなるようにしてもよい。これによると、スペーサ12の貫通穴121に筒部143が挿入しやすくなり、筒部143へのスペーサ12の組み付けが容易になる。また、筒部143の肉厚が第1冷却板13に向かって薄くなるため、第2冷却板14を鋳造にて製造する場合、溶融金属が筒部143内においてスムーズに流れやすい。
In the above embodiment, the inner diameter and the outer diameter of the
1 半導体冷却構造体
11 半導体実装体
12 スペーサ
13 冷却板
14 冷却板
18 冷媒流通空間
19 冷媒流路
111 半導体素子
112 金属体
113 金属体
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記半導体実装体(11)と、前記半導体実装体(11)を前記積層方向の両側から挟持する金属製の冷却板(13、14)とが一体化された半導体冷却構造体(1)を備え、
半導体冷却構造体(1)は、前記半導体冷却構造体(1)における前記積層方向の一端側と他端側とを連通させて、前記冷却板(13、14)間に前記冷媒を流通させる冷媒流路(19)を備え、
さらに、前記半導体冷却構造体(1)が前記積層方向に沿って複数個積層され、隣接する前記半導体冷却構造体(1)における前記冷却板(13、14)の間に、前記冷媒流路(19)と連通する冷媒流通空間(18)が形成されており、
前記半導体冷却構造体(1)は、前記半導体実装体(11)における前記積層方向に対して直交する方向の両側に配置されて、前記冷却板(13,14)に挟持されるスペーサ(12)を備え、
前記冷媒流路(19)は、前記スペーサ(12)に設けられていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor mounting body (11) in which a semiconductor element (111) and plate-like metal bodies (112, 113) disposed on both sides of the semiconductor element (111) are integrated, and the semiconductor element (111) When the direction in which the metal bodies (112, 113) are stacked is defined as the stacking direction, both end surfaces of the semiconductor mounting body (11) in the stacking direction are configured as heat dissipation surfaces, and the semiconductor mounting body (11) In a semiconductor device that is cooled by a refrigerant,
A semiconductor cooling structure (1) in which the semiconductor mounting body (11) and a metal cooling plate (13, 14) sandwiching the semiconductor mounting body (11) from both sides in the stacking direction are integrated. ,
The semiconductor cooling structure (1) communicates the one end side and the other end side in the stacking direction of the semiconductor cooling structure (1) so that the refrigerant flows between the cooling plates (13, 14). Comprising a flow path (19),
Further, a plurality of the semiconductor cooling structures (1) are stacked along the stacking direction, and the refrigerant flow path (13, 14) is disposed between the cooling plates (13, 14) in the adjacent semiconductor cooling structures (1). 19) and the refrigerant circulation space communicating (18) is formed,
The semiconductor cooling structure (1) is disposed on both sides of the semiconductor mounting body (11) in a direction orthogonal to the stacking direction and is sandwiched between the cooling plates (13, 14). With
The semiconductor device, wherein the coolant channel (19) is provided in the spacer (12) .
前記連通管(20)は、前記2つの冷却板(13、14)に接合され、
前記冷媒流路(19)は、前記連通管(20)によって形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor cooling structure (1) includes a communication pipe (20) formed separately from the cooling plates (13, 14) and disposed in the spacer (12).
The communication pipe (20) is joined to the two cooling plates (13, 14),
The semiconductor device according to claim 1 , wherein the coolant channel (19) is formed by the communication pipe (20).
前記筒部(143)は、前記2つの冷却板(13、14)のうち一方の冷却板(13、14)に一体に形成されるとともに、他方の前記冷却板(13、14)に向かって延設されてその先端側が他方の冷却板(13、14)に接合され、
前記冷媒流路は、前記筒部(143)によって形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor cooling structure (1) includes a cylindrical portion (143) disposed in the spacer (12),
The cylindrical portion (143) is integrally formed with one cooling plate (13, 14) of the two cooling plates (13, 14) and toward the other cooling plate (13, 14). It is extended and the tip side is joined to the other cooling plate (13, 14),
The semiconductor device according to claim 1 , wherein the refrigerant flow path is formed by the cylindrical portion (143).
前記突起部(133)に対向する前記冷却板(13、14)と前記突起部(133)との間は、弾性部材よりなる環状のシール部材(17)にてシールされていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の半導体装置。 Of the two cooling plates (13, 14), one cooling plate (13, 14) includes an opening of the refrigerant flow path (19) and a protrusion (133) surrounding the refrigerant circulation space (18). ,
The cooling plate (13, 14) facing the projection (133) and the projection (133) are sealed by an annular seal member (17) made of an elastic member. the semiconductor device according to any one of claims 1 to 3.
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