(57)【要約】【課題】半導体モジュールを効率よく冷却することができる半導体装置の冷却構造を提供する。【解決手段】冷媒１５が収容された第１凹部１１を有する第１冷却器１２と、第１冷却器１２に一定の間隔を開けて平行に配置され、冷媒１６が収納された第２凹部１３を有するとともに、第２凹部１３が第１凹部１１に対向して形成された第２冷却器１４と、第１凹部１１内の冷媒１５に接触し、冷媒１５で冷却される第１冷却部材１９と、第２凹部１３内の冷媒１６に接触し、冷媒１６で冷却される第２冷却部材２０とを備え、第１冷却器１２及び第２冷却器１４を互いに接近する方向に変位させることにより、第１冷却部材１９と第２冷却部材２０との間に挟持した半導体モジュール２１を押圧しながら、半導体モジュール２１を冷却する半導体装置の冷却構造であって、第１冷却器１２と第１冷却部材１９との間に弾性体１８を介在させた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が収容された第１凹部を有する第１冷却器と、
前記第１冷却器に一定の間隔を開けて平行に配置され、冷媒が収納された第２凹部を有するとともに、該第２凹部が前記第１凹部に対向して形成された第２冷却器と、
前記第１凹部内の冷媒に接触し、該冷媒で冷却される第１冷却部材と、
前記第２凹部内の冷媒に接触し、該冷媒で冷却される第２冷却部材とを備え、
前記第１冷却器及び前記第２冷却器を互いに接近する方向に変位させることにより、前記第１冷却部材と前記第２冷却部材との間に挟持した半導体モジュールを押圧しながら、該半導体モジュールを冷却する半導体装置の冷却構造であって、
前記第１冷却器と前記第１冷却部材との間、及び前記第２冷却器と前記第２冷却部材との間の、少なくとも一方に弾性体を介在させたことを特徴とする半導体装置の冷却構造。
【請求項２】
前記第１冷却部材及び前記第２冷却部材には冷却フィンがそれぞれ設けられ、前記第１冷却部材に設けられた冷却フィンは前記第１凹部内の冷媒に接触し、前記第２冷却部材に設けられた冷却フィンは前記第２凹部内の冷媒に接触することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項３】
前記第１冷却器と前記第１冷却部材との間に前記弾性体が介在されている場合、前記第１冷却器と前記第１冷却部材間の距離は、前記半導体モジュールを押圧する際に前記弾性体が変形可能な長さに設定されてい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の冷却構造。
【請求項４】
前記第２冷却器と前記第２冷却部材との間に前記弾性体が介在されている場合、前記第２冷却器と前記第２冷却部材間の距離は、前記半導体モジュールを押圧する際に前記弾性体が変形可能な長さに設定されてい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の冷却構造。
【請求項５】
前記第１凹部内の冷媒圧力と前記第２凹部内の冷媒圧力は、一方の冷媒圧力が高圧に、他方の冷媒圧力が低圧にそれぞれ設定されてい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の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、両面冷却型の半導体モジュールを冷却するための半導体装置の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ駆動用のインバータ回路等に使用される半導体モジュール（例えば、ＩＧＰＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））は発熱量が多く、通常、このような半導体モジュールの周囲に冷媒を循環させることにより、当該半導体モジュールは冷却されている。
【０００３】
上記半導体モジュールを冷却する冷却構造として、冷媒が収容された凹部を有する変位型冷却器と、内部を冷媒が循環する固定型冷却器とを用意し、変位型冷却器の凹部の開口端を金属薄膜で覆って、その金属薄膜の上に半導体モジュールを載置し、さらに、半導体モジュールの上面に固定型冷却器を載置したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上記特許文献１における半導体装置の冷却構造においては、固定型冷却器を半導体モジュールに押し付けることによって、固定型冷却器の底面と半導体モジュールの上面、及び半導体モジュールの底面と金属薄膜とを密着させ、これにより、半導体モジュールに対する冷却効率の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４０１６２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１の技術では、半導体モジュールを金属薄膜の上に載置させた構造であるので、固定型冷却器で半導体モジュールを押圧したとき、半導体モジュールの底面と金属薄膜との間に隙間が生じる虞がある。すなわち、固定型冷却器で半導体モジュールを押圧したとき、その押圧力が半導体モジュールから金属薄膜に伝わり、僅かではあるが金属薄膜は下方へ円弧状に曲がり、その結果、半導体モジュールの平坦な下面と金属薄膜との間に隙間が生じる。
【０００７】
上記のような隙間が生じると、半導体モジュールの下面と金属薄膜との間の熱抵抗が大きくなり、半導体モジュールで発生した熱が金属薄膜へ効率よく伝達されなくなり、冷却効率の低下をもたらす。
【０００８】
本発明の課題は、半導体モジュールを効率よく冷却することができる半導体装置の冷却構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置の冷却構造は、冷媒が収容された第１凹部を有する第１冷却器と、前記第１冷却器に一定の間隔を開けて平行に配置され、冷媒が収納された第２凹部を有するとともに、該第２凹部が前記第１凹部に対向して形成された第２冷却器と、前記第１凹部内の冷媒に接触し、該冷媒で冷却される第１冷却部材と、前記第２凹部内の冷媒に接触し、該冷媒で冷却される第２冷却部材とを備え、前記第１冷却器及び前記第２冷却器を互いに接近する方向に変位させることにより、前記第１冷却部材と前記第２冷却部材との間に挟持した半導体モジュールを押圧しながら、該半導体モジュールを冷却する。
【００１０】
そして、本発明の半導体装置の冷却構造においては、前記第１冷却器と前記第１冷却部材との間、及び前記第２冷却器と前記第２冷却部材との間の、少なくとも一方に弾性体を介在させたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、第１冷却部材と第２冷却部材との間に半導体モジュールを挟持して、第１冷却器及び第２冷却器を互いに接近する方向に変位させると、半導体モジュールは第１冷却部材と第２冷却部材で押圧される。このとき、第１冷却器と第１冷却部材との間、及び第２冷却器と第２冷却部材との間の少なくとも一方に介在された弾性体が潰されて変形する。これにより、半導体モジュールは、その下面が第１冷却部材に密着するとともに、その上面が第２冷却部材に密着する。その結果、半導体モジュールと第１冷却部材との間、及び半導体モジュールと第２冷却部材との間の熱抵抗は大幅に低減され、半導体モジュールを効率よく冷却することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１による半導体装置の冷却構造を示す図である。
【図２】実施例２による半導体装置の冷却構造を示す図である。
【図３】実施例３による半導体装置の冷却構造を示す図である。
【図４】実施例４による半導体装置の冷却構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、実施例１による半導体装置の冷却構造を示している。この半導体装置の冷却構造は、第１凹部１１を有する第１冷却器１２と、第２凹部１３を有する第２冷却器１４とを備えている。第１凹部１１は第１冷却器１２の上面の略中央部に形成され、第１凹部１１内には冷媒１５が収容されている。また、第２凹部１３は第２冷却器１４の下面の略中央部に形成され、第２凹部１３内には冷媒１６が収容されている。
【００１５】
第２冷却器１４は第１冷却器１２の上方に所定間隔開けて、かつ第１冷却器１２に平行に配置されている。また、第１凹部１１の開口端１１Ａの面積と第２凹部１３の開口端１３Ａの面積は略同一に形成され、かつ開口端１１Ａと開口端１３Ａとが対向するように第１冷却器１２及び第２冷却器１４が配置されている。開口端１１Ａ及び開口端１３Ａは矩形を成している。
【００１６】
第１冷却器１２の上面には、開口端１１Ａの周囲に縦断面円弧状の溝１７が形成され、この溝１７には縦断面円形の弾性体１８の下部が嵌合されている。弾性体１８は、平面視で開口端１１Ａの形状に合わせて矩形を成し、かつ横方向（紙面垂直方向及び紙面左右方向）の長さが開口端１１Ａよりも大きく設定されている。弾性体１８はゴムや樹脂で形成されている。なお、弾性体１８の縦断面形状は、円形に限らず、四角形や六角形の多角形であってもよい。
【００１７】
弾性体１８の上には第１冷却部材１９が載置されている。第１冷却部材１９の底面には縦断面円弧状の溝１９Ａが形成され、弾性体１８の上に第１冷却部材１９を載置すると、弾性体１８の上部は溝１９Ａに嵌合される。第１冷却部材１９は矩形状の平板から成り、その横方向（紙面垂直方向及び紙面左右方向）のサイズは弾性体１８の横方向の大きさよりも大きい。すなわち、第１冷却部材１９を弾性体１８の上に、両者の中心軸（紙面上下方向の中心軸）を合致させて載置すると、第１冷却部材１９の周縁部は弾性体１８よりも横方向へはみ出す。
【００１８】
第２冷却器１４には、開口端１３Ａの周囲に段部１３Ｂが形成されている。段部１３Ｂは開口端１３Ａの形状に合わせて矩形を成し、段部１３Ｂには、矩形状の平板からなる第２冷却部材２０が嵌め込まれている。
【００１９】
第１冷却部材１９の下面には、複数の冷却フィン１９Ｂが下方に向かって突出して設けられ、これら冷却フィン１９Ｂは第１凹部１１内に収容された冷媒１５の中に浸っている。また、第２冷却部材２０の上面には、複数の冷却フィン２０Ａが上方に向かって突出して設けられ、これら冷却フィン２０Ａは第２凹部１３内に収容された冷媒１６の中に浸っている。
【００２０】
そして、第１冷却部材１９の上面と第２冷却部材２０の下面との間に半導体モジュール２１が挟持されている。なお、第１凹部１１内の冷媒１５、及び第２凹部１３内の冷媒１６は、図示しない冷却装置との間で循環している。
【００２１】
次に、本実施例における半導体装置の冷却構造の作用について説明する。当該半導体装置を組み立てる際、第１冷却部材１９の上面と第２冷却部材２０の下面との間に半導体モジュール２１を挟持し、図示しない押圧機構を用いて第１冷却器１２及び第２冷却器１４を互いに接近する方向に変位させる。例えば図１において、第１冷却器１２を上方向へ、第２冷却器１４を下方向へそれぞれ移動させる。すると、半導体モジュール２１は第１冷却部材１９と第２冷却部材２０とで押圧される。
【００２２】
本実施例では、第１冷却部材１９と第２冷却部材２０とで半導体モジュール２１を押圧するとき、弾性体１８は、第１冷却器１２の上面と第１冷却部材１９の下面との間（溝１７と溝１９Ａとの間）で潰され変形する。弾性体１８は潰されると反力が生じる。すなわち、潰された弾性体１８には、第１冷却部材１９を矢印Ａ方向（上方向）に押し上げる力が生じる
【００２３】
これにより、半導体モジュール２１は、その底面が第１冷却部材１９の上面に密着するとともに、その上面が第２冷却部材２０の下面に密着する。その結果、半導体モジュール２１と第１冷却部材１９との間、及び半導体モジュール２１と第２冷却部材２０との間の熱抵抗は大幅に低減され、半導体モジュール２１を効率よく冷却することが可能となる。
【００２４】
なお、第１冷却器１２の上面と第１冷却部材１９の下面との間の距離Ｓ１（この距離Ｓ１は半導体モジュール２１を押圧する以前の距離である。）は、半導体モジュール２１を押圧する際に弾性体１８が変形可能な長さに設定されている。
【００２５】
本実施例においては、第１冷却器１２及び第２冷却器１４を互いに接近する方向に変位させて、弾性体１８を潰して変形させたとき、弾性体１８の下部は第１冷却器１２上面の溝１７の内壁面に密着し、弾性体１８の上部は第１冷却部材１９下面の溝１９Ａの内壁面に密着する。その結果、第１凹部１１の内部を密閉状態とすることができ、第１凹部１１内の冷媒１５が外に漏れることはない。
【００２６】
また、第１凹部１１の内部には冷媒１５が充満しており、冷却フィン１９Ｂの全面及び第１冷却部材１９の下面が冷媒１５に接触し、第１冷却部材１９を冷媒１５によって十分に冷却することができる。
【００２７】
さらに、第２冷却器１４においては、第２凹部１３の開口端１３Ａの周囲に形成された段部１３Ｂに、第２冷却部材２０が嵌め込まれているので、第２凹部１３の内部を密閉状態とすることができ、第２凹部１３内の冷媒１６が外に漏れることはない。
【００２８】
また、第２凹部１３の内部には冷媒１６が充満しており、冷却フィン２０Ａの全面及び第２冷却部材２０の上面が冷媒１６に接触し、第２冷却部材２０を冷媒１６によって十分に冷却することができる。
【００２９】
本実施例によれば、第１冷却器１２と第１冷却部材１９との間に弾性体１８を介在させたので、半導体モジュール２１の下面が若干傾斜しているときは、第１冷却部材１９は、半導体モジュール２１の傾斜した下面に倣って傾斜し、半導体モジュール２１の下面と第１冷却部材１９の上面との密着性が損なわれることはない。
【００３０】
また、本実施例によれば、弾性体１８によって第１凹部１１内を密閉状態とすることが可能であるから、弾性体１８はシール部材の役割も兼ねており、シール部材が不要となる。これにより、部品点数が増加するのを抑制することができる。
【００３１】
さらに、本実施例によれば、半導体モジュール２１の寸法が最大のときでも、弾性体１８を更に潰せる空間（距離Ｓ１）を設けることにより、半導体モジュール２１の熱膨張による変位を、第１冷却部材１９よりもヤング率が小さい弾性体１９で吸収することができるため、冷却面にかかる応力(＝撓み×ヤング率)を小さく抑えることができる。
【実施例２】
【００３２】
次に、実施例２について説明する。図２は、実施例２による半導体装置の冷却構造を示している。
【００３３】
本実施例では、第２冷却器１４と第２冷却部材２０との間にも弾性体が介在されている。すなわち、第２凹部１３の開口端１３Ａの周囲には弾性体２５が設けられ、この弾性体２５は、第１冷却器１２及び第２冷却器１４を互いに接近する方向に変位させたとき、第２冷却器１４の下面と第２冷却部材２０の上面との間で押し潰され変形するように構成されている。
【００３４】
弾性体２５を第２冷却器１４と第２冷却部材２０との間に位置決めするために、第２冷却器１４の下面及び第２冷却部材２０の上面には、溝１７及び１９Ａ（図１参照）と同じような溝が形成されている。他の構成は実施例１の場合と同様である。
【００３５】
本実施例によれば、弾性体１８，２５のうち、一方の弾性体が劣化して反力が低下した場合でも、他方の劣化していない弾性体で反力を補うことができる。例えば、弾性体１８が劣化して弾性体１８による第１凹部１１内の密閉性が損なわれる状態となっても、弾性体２５が劣化していなければ、弾性体２５による反力が半導体モジュール２１を介して第１冷却部材１９を下方へ押圧するので、第１凹部１１内の密閉性を維持することができる。この場合、勿論、第２凹部１３内の密閉性は弾性体２５によって維持される。
【実施例３】
【００３６】
次に、実施例３について説明する。図３は、実施例３による半導体装置の冷却構造を示している。
【００３７】
本実施例では、第１冷却器１２の第１凹部１１内の冷媒１５の圧力は高く、第２冷却器１４の第２凹部１３内の冷媒１６の圧力は低く設定されている。半導体装置は複数個並設されて使用される場合があり、この場合、隣り合う半導体装置においては、各第１凹部１１間は高圧側冷媒配管で接続され、また各第２凹部１３間は低圧側冷媒配管で接続されている。各第１凹部１１には高圧側冷媒配管を介して高圧の冷媒１５が、各第２凹部１３には低圧側冷媒配管を介して低圧の冷媒１６がそれぞれ供給される。
【００３８】
また、本実施例では、第１冷却器１２の上面、つまり第１凹部１１の開口端１１Ａの周囲に、縦断面四角形の溝３１が形成され、この溝３１内に縦断面円形状の弾性体３２が嵌合されている。弾性体３２の上部は溝３１より上方に突出しており、弾性体３２の上部に第１冷却部材１９が載置されている。第１冷却部材１９の下面には、弾性体３２が嵌合するための溝は形成されていない。
【００３９】
一方、第２冷却器１４の下面、つまり第２凹部１３の開口端１３Ａの周囲に、縦断面四角形の溝３３が形成され、この溝３３内に縦断面円形状の弾性体３４が嵌合されている。弾性体３４の上部は溝３３より下方に突出しており、弾性体３４の下部に接するよう第２冷却部材２０が配置されている。第２冷却部材２０の上面には、弾性体３４が嵌合するための溝は形成されていない。
【００４０】
溝３３の深さｄは、弾性体３４の圧縮代が最大のときでも、第２冷却器１４の下面と第２冷却部材２０の上面との間に隙間Ｓ２が確保できる大きさに設定されている。
【００４１】
高圧の冷媒１５が循環する第１冷却器１２では、冷媒１５が漏水する虞があるため、弾性体３２の劣化を低圧側の弾性体３４よりも抑える必要がある。本実施例では、高圧側と低圧側の流路間の圧力差を平衡状態にすることで、高圧側の弾性体３２の断面積が拡大し、弾性体３２の圧縮量が緩和され、劣化しづらくなる。これにより、高圧側における漏水リスクを低減することができる。
【実施例４】
【００４２】
次に、実施例４について説明する。図４は、実施例４による半導体装置の冷却構造を示している。
【００４３】
本実施例では、第１冷却器１２の上面と第１冷却部材１９の下面との間にシール３５が設けられている。このシール３５は第１凹部１１の開口端１１Ａの周囲に設けられ、開口端１１Ａと弾性体１８との間に配置されている。また、第１冷却部材１９の下面には弾性体１８が嵌合するための溝は形成されていない。他の構成は実施例１の場合（図１参照）と同様である。
【００４４】
本実施例によれば、第１冷却器１２の第１凹部１１内の密閉状態を、弾性体１８に代わって、シール３５で達成することができる。その結果、弾性体１８の精度や、第１冷却器１２上面に形成された溝１７の精度をあまり高くしなくても、第１冷却器１２からの冷媒１５の漏水を防ぐことができる。弾性体１８をバネで構成しても良い。
【００４５】
以上、本発明の実施例を図面により詳述してきたが、上記各実施例は本発明の例示にしか過ぎないものであり、本発明は上記各実施例の構成にのみ限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれることは勿論である。
【符号の説明】
【００４６】
１１  第１凹部
１２  第１冷却器
１３  第２凹部
１４  第２冷却器
１５，１６  冷媒
１７  第１冷却器の上面の溝
１８，２５  弾性体
１９  第１冷却部材
１９Ａ  第１冷却部材の下面の溝
１９Ｂ  冷却フィン
２０  第２冷却部材
２０Ａ  冷却フィン
２１  半導体モジュール
【図１】
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【図２】
2010212412.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010212412.tif 000006