(57)【要約】【課題】  小型化が可能で、かつ高くて安定した冷却能力を備えた半導体装置を提供する。【解決手段】  凹部を備えたヒートシンク上に半導体モジュールを載置して、凹部と半導体モジュールの裏面で囲まれた流路に冷却液が供給され、凹部の底面に、半導体モジュールの裏面と略平行なダクト面を有するしきり部が設けられ、しきり部の一の側面に沿った導水管から供給された冷却液が、ダクト面と該半導体モジュールとの間に形成されるダクト部を通って、しきり部の他の側面に沿って形成された導水管を通って排出される半導体装置である。流路内に形成された気泡を排出するための気泡抜き孔がヒートシンクに設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部を備えたヒートシンク上に半導体モジュールを載置して、該凹部と該半導体モジュールの裏面で囲まれた流路に冷却液が供給され、
該凹部の底面に、該半導体モジュールの裏面と略平行なダクト面を有するしきり部が設けられ、該しきり部の一の側面に沿った導水管から供給された冷却液が、該ダクト面と該半導体モジュールとの間に形成されるダクト部を通って、該しきり部の他の側面に沿って形成された導水管を通って排出される半導体装置であって、
該流路内に形成された気泡を排出するための気泡抜き孔が該ヒートシンクに設けられたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
上記気泡抜き孔が、上記ダクト面の略中央に開口部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
上記気泡抜き孔が、上記ダクト部の端部に開口部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
上記気泡抜き孔が、上記導水管の終端部に開口部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
上記気泡抜き孔の断面積が、上記開口部に向かって漸次大きくなることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートシンクを備えた半導体装置に関し、特に、ヒートシンク内に冷却流路を設けた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のインバータに用いられた半導体装置では、半導体素子を内蔵した半導体モジュールにヒートシンクを装着し、ヒートシンク内に冷却水を流すことにより半導体モジュールを冷却していた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−２０７５８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の半導体装置では、ヒートシンクに設けられた断面が略矩形のダクトを冷却水が流れるため、冷却水の流速を大きくして冷却効率を向上させるには、多量の冷却水とそれに適応する吐水能力を有する循環ポンプが必要であった。
一方、冷却水中に気泡が発生した場合、気泡近傍において部分的に冷却効率が低下して、半導体装置の故障原因になるという問題もあった。
【０００４】
そこで、本発明は、小型化が可能で、かつ高くて安定した冷却能力を備えた半導体装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、凹部を備えたヒートシンク上に半導体モジュールを載置して、凹部と半導体モジュールの裏面で囲まれた流路に冷却液が供給され、凹部の底面に、半導体モジュールの裏面と略平行なダクト面を有するしきり部が設けられ、しきり部の一の側面に沿った導水管から供給された冷却液が、ダクト面と該半導体モジュールとの間に形成されるダクト部を通って、しきり部の他の側面に沿って形成された導水管を通って排出される半導体装置であって、流路内に形成された気泡を排出するための気泡抜き孔がヒートシンクに設けられたことを特徴とする半導体装置である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明にかかる半導体装置によれば、半導体モジュールの冷却速度が容易に制御できるとともに、冷却媒体中に発生した気泡による冷却効率の部分的な低下も防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。
【０００８】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態１にかかる半導体装置の断面図である。半導体装置１００は、ヒートシンク２０１を含む。ヒートシンク２０１の上には、半導体モジュール１０１が載置されている。ヒートシンク２０１と半導体モジュール１０１との間は、Ｏリングや接着剤で、冷却水が漏れないようにシールされている。
【０００９】
半導体モジュール１０１は、放熱板１１４上に載置された半導体素子１１１を含む。半導体素子１１１は、例えばＩＧＢＴやパワーＦＥＴからなる。半導体素子１１１は、金属導線やリード箔１１３により外部への接続端子１１２に接続されている。接続端子１１２は対向する２側面から突き出し、外部と電気的に接続される。半導体モジュール１０１の内部回路を構成する各部材は、例えばエポキシやシリコーンなどの絶縁性を有する合成樹脂１１５により封止され、外力から電気的、機械的に保護されている。
【００１０】
ヒートシンク２０１は、例えばアルミニウムや銅、ＰＰＳ（Polyphenylene Sulfide）等の樹脂から形成される。ヒートシンク２０１は、上部に平坦面を有するとともに、内部にしきり台２０２を有する。しきり台２０２を有することにより、図１の左側の導水管２１３の中を紙面に垂直方向に供給された冷却水が、半導体モジュール１０１の下部のダクト部２１１に導かれる。ダクト部２１１では、半導体モジュール１０１の裏面に沿って左側から右側に冷却水が流れ、半導体モジュール１０１から熱を奪う。冷却水は右側の導水管２１３に導かれた後、ヒートシンク２０１から排出される（図１中の矢印は、冷却水の流れを示す）。
【００１１】
このような構造の冷媒流路を有するヒートシンク２０１では、例えば図２に示すように、ダクト部２１１の中央部付近や端部に気泡３０１が形成されやすい。即ち、流路の高さや幅が小さい場合、気泡３０１が流路中にトラップされ、抜けずに留まりやすい。気泡３０１が形成されトラップされると、気泡３０１のある部分の熱伝達率が低下し、局部的に冷却効率が低下する。トラップされた気泡３０１を抜くことは困難であり、半導体装置の故障原因となる。
【００１２】
そこで、本実施の形態１にかかる半導体装置１００では、図１に示すように、ダクト部２１１の端部に気泡抜き孔３０２を、ダクト部２１１の中央付近に気泡抜き孔３０３を、それぞれ設けている。気孔３０１を抜くには、例えば気泡抜き孔３０２、３０３からポンプで吸引する方法や、排水側の導水管２０３を閉じて、気泡抜き孔３０２、３０３から冷却水を排出する方法等がある。
なお、気泡抜き孔３０２、３０３の形状、大きさ、数、及び設置場所は、適宜選択可能である。
【００１３】
ここで、気泡発生による影響について、図３の断面図を参照しながらより詳しく述べる。図３の半導体装置５１０は、半導体素子５０１が半田５０２により放熱板５０３に固定されている。放熱板５０３の裏面には、金属箔５０５を設けた絶縁板５０４が取り付けられている。半導体素子５０１等は、封止樹脂５０６により封止されている。絶縁板５０４は、冷却ブロック５０７に取り付けられ、間に冷却水の流路５０８が形成される。
【００１４】
このような、冷却水等の液体を冷媒とした放熱装置では、放熱面の熱流速の最も大きい箇所では冷媒の温度が冷媒の沸点を超えやすく、気泡が発生する可能性が高い。半導体装置５１０では、半導体素子５０１からの熱流速５２０のうち、破線で描いた熱流速５２１が最も大きい。
【００１５】
即ち、半導体素子５１１の直下が、半導体素子５１１から冷媒へ最も熱流速の高い位置に該当し、気泡５５０が発生しやすい。気泡５５０が発生すると、冷却水が局所的に輸送されなくなり、気泡５５０の周辺において冷却が遮断される。同じ大きさの気泡５５０が発生した場合、熱流速の大きい箇所ほど冷却効率の低下は大きくなる。
【００１６】
例えば、図２において、半導体素子１１１のチップサイズ１０ｍｍ×１０ｍｍで、ダクト部２１１の流路の高さを５ｍｍとすると、気泡３０１のサイズは直径４ｍｍ程度となる。この場合、一個の気泡３０１に対する熱遮断面積は１２．５ｍｍ２となる。これは、チップの面積１００ｍｍ２に対して１２．５％に相当する。
【００１７】
具体的には、例えばチップサイズ１０ｍｍ×１０ｍｍの半導体素子１１１が、熱抵抗がおよそ０．４℃／Ｗ程度の放熱性能を有する場合、１００Ｗの入熱時には、チップの温度が冷媒の温度より４０℃程度高くなる。通常の半導体素子の場合、素子性能を保証できる温度上限は１２５℃であるため、水温８５℃（１２５℃−４０℃）まで使用できる。これに対して、チップの中央部直下に気泡があり、１２．５ｍｍ２の熱遮断が生じた場合、熱抵抗は、例えば０．４５℃／Ｗ程度まで大きくなる。この結果、水温８５℃の冷却水に対して、８９Ｗの入熱で半導体素子１１１の温度が１２５℃に達してしまう。
【００１８】
気泡３０１の発生を防止できることを前提に半導体装置を設計した場合、半導体装置は１００Ｗの発熱まで可能なのに対し、気泡の発生を防止できない場合は、８９Ｗまでしか発熱させられないことになり、半導体装置の可動範囲が狭くなってしまう。
【００１９】
このような場合、放熱性の向上が必要となり、熱抵抗を下げるために半導体素子の大型化が必要となり、半導体装置全体が大型化したり、冷却性能を高めるために、冷却水用ポンプを大型化する必要が生じるなどの問題点が生じる。
【００２０】
多数の気泡の発生は、冷却性能の低下のみならず、気泡が壊れるときの衝撃でキャビテーションコロージョンと呼ばれる局部腐食を引き起こす可能性があり、半導体装置の寿命が短くなるという問題もあった。
【００２１】
以上で述べたように、本実施の形態１にかかる半導体装置１００では、ダクト部２１１の中に形成された気泡３０１は、気泡抜き孔３０２、３０３を経由して排出できる。この結果、気泡３０１の発生に起因する局所的な冷却効率の低下や、局部腐食が防止でき、稼働範囲が広く信頼性の高い半導体装置１００を得ることができる。
【００２２】
実施の形態２．
図４は、全体が２００で表される、本実施の形態２にかかる半導体装置の平面図であり、構造を理解しやすいように、半導体モジュール１０１の合成樹脂１１５は破線で示してある。図４中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００２３】
半導体装置２００では、導水管２１３の端部の隅部に気泡抜き孔３０５が設けられている。気泡抜き孔３０５の形状、大きさ、数、及び設置場所は、適宜選択可能である。
【００２４】
即ち、一般の水路構造において、水路の折れ曲がり部分や隅部に気泡がトラップされ、抜けずに留まる。このような気泡が形成されトラップされると、気泡のある部分の流速が変化し、極端な場合流れを阻害する要因となる。この結果、ダクト部の流速が低下し、熱伝達率を低下させる。
【００２５】
図５は、全体が５００で表される、従来構造の半導体装置の平面図であり、半導体モジュール１０１の合成樹脂１１５は破線で示してある。また、図５中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
図５に示すように、例えば導水管２１３の左側端部は冷却水の流路からはずれているため、特に隅部において気泡３０４が発生し、トラップされやすい。
【００２６】
これに対して、本実施の形態２にかかる半導体装置２００では、導水管２１３の端部に気泡抜き孔３０５が設けられており、かかる気泡抜き孔３０５により気泡３０４を排出できる。
【００２７】
この結果、導水管２１３内で、気泡３０４により冷却水の流れを阻害することが防止でき、冷却性能は損なわず、半導体装置２０００の信頼性を向上させることができる。
【００２８】
実施の形態３．
図６は、全体が３００で表される、本実施の形態３にかかる半導体装置の断面図である。図６中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００２９】
半導体装置３００では、上述の半導体装置１００と同じ位置に気泡抜き孔３０２、３０３が形成され、更に、気泡抜き孔３０２、３０３の入口部分に面取３０６、３０７が形成されている。これにより、気泡抜き孔３０２、３０３の断面積は、開口部に向かって漸次大きくなっている。
【００３０】
このように、気泡抜き孔３０２、３０３が、入口部分に面取３０６、３０７を備えることにより、気泡３０４は気泡抜き孔３０２、３０３の入口に集まりやすくなるとともに、気泡抜き孔３０２、３０３内に入りやすくなる。
【００３１】
なお、面取３０６、３０７の形状は、テーパ状、Ｒ形状等、適宜選択して設計できる。
【００３２】
また、実施の形態２にかかる半導体装置２００の気泡抜き孔３０５に、面取を設けることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置を示す断面図である。
【図２】従来構造の半導体装置の断面図である。
【図３】従来構造の半導体装置の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の平面図である。
【図５】従来構造の半導体装置の平面図である。
【図６】本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１００  半導体装置、１０１  半導体モジュール、１１１  半導体素子、１１２  外部端子、１１３  リード箔、１１４  放熱板、１１５  封止樹脂、２０１  ヒートシンク、２０２  しきり部、２１１  ダクト部、２１３  導水管、３０１  気泡、３０２、３０３  気泡抜き孔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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