(57)【要約】【課題】  小型化が可能で、かつ冷却能力の高い半導体装置を提供する。【解決手段】  ヒートシンクの両面に半導体モジュールがそれぞれ載置され、半導体モジュールの裏面に冷却液が供給される半導体装置において、ヒートシンクが、略平行に配置されたダクト面を両面にそれぞれ備えたしきり部と、しきり部に沿った第１導水管と、しきり部を挟んで第１導水管に対して略平行に配置された第２導水管と、しきり部のダクト面と半導体モジュールの裏面との間にそれぞれ形成されたダクト部とを含む。第１導水管に供給された冷却液は、それぞれのダクト部に分かれて移動し第２導水管に導入される。【選択図】図１
2006156624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンクの両面に半導体モジュールがそれぞれ載置され、該半導体モジュールの裏面に冷却液が供給される半導体装置であって、該ヒートシンクが、
略平行に配置されたダクト面を両面にそれぞれ備えたしきり部と、
該しきり部に沿った第１導水管と、
該しきり部を挟んで該第１導水管に対して略平行に配置された第２導水管と、
該しきり部のダクト面と該半導体モジュールの裏面との間にそれぞれ形成されたダクト部とを含み、
該第１導水管に供給された冷却液が、それぞれの該ダクト部に分かれて移動し、該第２導水管に導入されることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
２つの上記半導体モジュールが、上記ヒートシンクの両面にそれぞれ並置され、上記第１導水管に供給された上記冷却液が、それぞれの該半導体モジュールの裏面に設けられたダクト部に分かれて移動し、上記第２導水管に導入され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】
上記ヒートシンクの一の面に載置された２つの上記半導体モジュールが、該半導体モジュールの裏面に略平行な方向に突出し該裏面に略垂直な方向に折り曲げられたリード端子を有し、折り曲げられた該リード端子が対向するように、２つの該半導体モジュールが該ヒートシンク上に並置されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
上記ヒートシンクの一の面に設けられた上記ダクト部の、上記半導体モジュールの裏面と上記ダクト面との距離Ｈ１と、該ヒートシンクの他の面に設けられた該ダクト部の、該半導体モジュールの裏面と該ダクト面との距離Ｈ２とが、異なる大きさであることを特徴とする請求項１に記載の半導体措置。
【請求項５】
更に、上記しきり部が、上記第１導水管と上記第２導水管とを直接接続する水路を含むことを特徴とする請求項１〜４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、複数の半導体モジュールを使用する場合には、平面状のヒートシンクに複数の半導体モジュールを配置しなければならず、半導体装置が大型化するという問題点があった。
また、複数の半導体モジュールを組み合わせて使用する場合、半導体モジュール毎にヒートシンクが必要であり、ヒートシンクの体積が大きくなり半導体装置が大型化するという問題があった。
また、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。
【０００４】
そこで、本発明は、小型化が可能で、かつ冷却能力の高い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、ヒートシンクの両面に半導体モジュールがそれぞれ載置され、半導体モジュールの裏面に冷却液が供給される半導体装置である。ヒートシンクは、略平行に配置されたダクト面を両面にそれぞれ備えたしきり部と、しきり部に沿った第１導水管と、しきり部を挟んで第１導水管に対して略平行に配置された第２導水管と、しきり部のダクト面と半導体モジュールの裏面との間にそれぞれ形成されたダクト部とを含む。第１導水管に供給された冷却液は、それぞれのダクト部に分かれて移動し、第２導水管に導入される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明にかかる半導体装置によれば、複数の半導体モジュールを１個のヒートシンクで冷却することができ、半導体装置の小型化が可能となるとともに、コストの低減が可能となる。また、半導体モジュール毎に冷却速度が制御でき、複数の半導体装置に対して均一な冷却が可能となる。
【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平面図であり、図２は、図１の半導体装置１００をＩ−Ｉ方向に見た場合の断面図である。図１では、構造を理解しやすいように、半導体モジュール１０１ａの合成樹脂１１５を波線で示している。
【０００９】
図１、２に示すように、半導体装置１００は、ヒートシンク２０１と、その両面に固定された２つの半導体モジュール１０１ａ、１０１ｂを含む。ヒートシンク２０１と半導体モジュール１０１ａ、１０１ｂ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。
【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、上下に平坦面を有するとともに、内部にしきり台２０２を有することにより、冷却水等の冷媒が流通する複数の導水管２１３ａ、２１３ｂ、２個の半導体モジュール１０１ａ、１０１ｂの裏面を冷却するダクト部２１１ａ、２１１ｂ、および導水管２１３ａ、２１３ｂとダクト部２１１ａ、２１１ｂを繋ぐ水路２１２ａ、２１２ｂを備えている。
なお、図２において、実際には、水路２１２ａ以外の導水管２１３ａ、２１３ｂの上面は閉じられている。
【００１１】
例えば、冷却水等の冷媒は、接続配管２２０ａからヒートシンク２０１に供給され、導水管２１３ａを通り、モジュールの装着面付近で等分され、導水管とダクト部を繋ぐ水路２１２ａ、２１２ｂを経由してそれぞれの半導体モジュール１０１ａ、１０１ｂの裏面に接して冷却するダクト部２１１ａ、２１１ｂに供給される。ダクト部２１１ａ、２１１ｂを経由する間に半導体モジュール１０１ａ、１０１ｂから発生する熱を受け取る。ダクト部２１１ａ、２１１ｂは、反対側の水路を経て導水管２１３ｂで一体となり、接続配管２２０ｂから排出される。
【００１２】
なお、ヒートシンク２０１の材料として、耐水性と電気絶縁性が高く、安価で加工性の良い材料であれば特に、上述の材料に限定されるものではない。
【００１３】
半導体モジュール１０１ａ、１０１ｂ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。図２に示すように、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１０１ａ、１０１ｂ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。
【００１４】
一方の側面から伸びる接続端子１１２は、直流電源のＰ極、直流電源のＮ極、３相交流モーター等の交流負荷機器等に接続される（図示せず）。他方の側面から伸びる接続端子１１２は、半導体素子１１１を制御するための制御端子であり、制御回路に接続される（図示せず）。これにより、半導体モジュール１０１ａ、１０１ｂの内部の半導体素子１１１は、スイッチング動作により直流を交流に変換し、交流負荷機器に電力を供給することができる。
【００１５】
半導体装置１００では、半導体モジュール１０１ａ、１０１ｂやヒートシンク２０１の上下の面を全て平坦な面としたが、例えば、半導体モジュール１０１ａの上面に突起や上面電極を形成しても良い。一方、半導体モジュール１０１ａ、１０１ｂとヒートシンク２０１の接触面は必ずしも平坦でなくてもよく、例えば、半導体モジュール１０１ａ、１０１ｂの底面に設けた突起部をヒートシンク２０１に設けた窪み中に嵌め込み、Ｏリング等で冷却水が漏れないようにシールすることも可能である。
【００１６】
以上の説明から明らかなように、本実施の形態１にかかる半導体装置１００では、ヒートシンク２０１の両主面に半導体モジュール１０１ａ、１０１ｂを配置し、接続配管２２０ａ、２２０ｂから導入された冷却水を、導水管２１３を経て両ダクト部２１１ａ、２１１ｂに分割して導入し、両ダクト部２１１ａ、２１１ｂに装着された半導体モジュール１０１ａ、１０１ｂを冷却する。
これにより、実質的に一つのヒートシンク２０１で２個の半導体モジュール１０１ａ、１０１ｂを冷却することができ、半導体モジュール１０１ａ、１０１ｂを一つの面に並置した従来の構造に比較して、半導体モジュールの設置面積を約１／２に低減できるとともに、設置する方向の自由度も向上する。半導体装置１００全体の体積は、約２／３に小型化される。
【００１７】
また、２個の半導体モジュール１０１ａ、１０１ｂを一つの冷却水で冷却せずに、冷却水を２分割し、各々の半導体モジュール１０１ａ、１０１ｂを冷却することにより、冷却水の流速、圧損を別々に制御でき、２個の半導体モジュール１０１ａ、１０１ｂに対する冷却能力のばらつきを抑えることができる。
【００１８】
即ち、ダクト部２１１ａ、２１１ｂの断面積は、導水管２１３ａ、２１３ｂの断面積より小さいため、ダクト部２１１ａ、２１１ｂ中での冷却水の流速は、導水管２１３ａ、２１３ｂ中での冷却水の流速より大きくなる。また、ダクト部２１１ａ、２１１ｂの断面積を変えることにより、冷却水の流速を変えて、冷却効率を制御することができる。
【００１９】
更に、導水管２１３ａ、２１３ｂとダクト部２１１ａ、２１１ｂを分けて、導水管２１３ａ、２１３ｂの寸法を縮小することなく、ダクト部２１１ａ、２１１ｂの流路の高さを小さくすることにより、導水管２１３ａ、２１３ｂでの圧損を増やすこと無く、ダクト部２１１ａ、２１１ｂの冷却能力を大幅に向上できる。
【００２０】
また、ヒートシンク２０１自体を小型化でき、組立部品の点数や組立工程数の削減も可能となり、半導体装置１００のコストの低減ができる。
【００２１】
実施の形態２．
図３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る。図３中、図１、２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。また、図３においても、構造を理解しやすいように、半導体モジュール１０１ａ、１０１ｃの合成樹脂１１５を波線で示している。
【００２２】
半導体装置２００は、４個の半導体モジュール１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ（１０１ｂ、１０１ｄは図示せず）と、冷却用ヒートシンク２０１で構成され、ヒートシンク２０１の両面に、半導体モジュールが２個ずつ配置され、４個の半導体モジュールが同時に冷却できるようになっている。
図３では、ヒートシンク２０１の上面に２つの半導体モジュール１０１ａ、１０１ｃが配置され、裏面にも２つの半導体モジュール１０１ｂ、１０１ｄ（図示せず）が配置されている。
【００２３】
本実施の形態２にかかる半導体装置２００では、上述の半導体装置１００と同様に、半導体モジュールの設置面積を約１／２に低減できる。また、ダクト部の冷却能力を調整し、４個の半導体モジュール１０１ａ〜ｄに対する冷却能力のばらつきを抑えることもできる。
【００２４】
半導体装置を自動車、電車などの機器本体に設置する場合、機器内の設置スペースの制約は極めて大きい。従って、本実施の形態にかかる半導体装置２００のように、半導体モジュールの数が多くなると、半導体モジュールの設置面積や半導体装置の体積が低減できることは、極めて有効である。
【００２５】
なお、本実施の形態２では４個の半導体モジュール１０１ａ〜ｄに冷却液を分割して流す構造を示すが、上述の半導体装置１００のような半導体装置を直列に２個配列しても構わない。
【００２６】
実施の形態３．
図４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平面図であり、図５は、図４の半導体装置３００をＩＶ−ＩＶ方向に見た場合の断面図である。図４、５中、図１、２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。図４は、構造を理解しやすいように、半導体モジュールの合成樹脂を波線で示している。
【００２７】
本実施の形態３にかかる半導体装置３００は、８個のモジュール１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ、１０１ｅ、１０１ｆ、１０１ｇ、１０１ｈと冷却用ヒートシンク２０１で構成され、ヒートシンク２０１の両面に、半導体モジュールが４個ずつ配置され、８個の半導体モジュールが同時に冷却できるようになっている。
【００２８】
本実施の形態３にかかる半導体装置３００では、半導体モジュールのリード端子（制御端子または接続端子）が隣り合うように、半導体モジュールが配置される。更に、リード端子は上方向に曲げられるため、隣接する半導体モジュールの間隔を小さくできる。即ち、一方の側面のリード端子側のスペースを削減でき、半導体装置の設置面積が従来構造に比べ２分の１以下に低減できる。
【００２９】
一方、折り曲げて対向するリード端子は、外部回路への接続が容易になり、外部取り出し回路の小型化が可能となる。
【００３０】
本実施の形態にかかる半導体装置３００では、８個の半導体モジュールに冷却液体を分割して流す構造としたが、４個、６個等のモジュールへの適用も可能である。
【００３１】
実施の形態４．
図６は、全体が４００で表される、本実施の形態４にかかる半導体装置の断面図であり、図１のＩ−Ｉ方向に見た断面を示す。図４中、図１、２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００３２】
半導体装置４００では、上側のダクト部２１１ａの高さ（Ｈ１）と下側のダクト部２１１ｂの高さ（Ｈ２）とが異なるように形成されている（Ｈ１＜Ｈ２）。ダクト部の高さを調整することにより、ダクト部を流れる冷却水の流量が制御できる。半導体装置４００では、下側のダクト部２１１ｂの高さ（Ｈ２）を、上側のダクト部２１１ａの高さ（Ｈ１）より大きくすることにより、下側のダクト部２１１ｂの放熱効率を高くしている。これにより、上下の半導体モジュールに含まれる半導体素子を同じ温度に冷却したい場合、下側の半導体素子の発熱量が上側の半導体素子の発熱量より大きくても、高さＨ１とＨ２を適当に設計することにより、上下の半導体モジュールの温度を同じにできる。
【００３３】
実施の形態５．
図７は、全体が５００で表される、本実施の形態５にかかる半導体装置の断面図であり、図１のＩ−Ｉ方向に見た断面を示す。図５中、図１、２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００３４】
半導体装置を構成する半導体モジュールの数が多く、かつ、各々の半導体モジュールの発熱量が異なる場合、半導体装置の安定動作を得るためには全ての半導体モジュールの半導体素子温度を一定にすることが必要となる。このため、各半導体モジュールを冷却するダクト部の熱伝達率の制御が必要となる。熱伝達率の制御は、例えば実施の形態４で述べたように、ダクト部の高さを変えることにより行われる。
【００３５】
しかし、冷却水の流量が大きい場合、両面に配列されたダクト部のみでは、すべての冷却水を流せない場合が起こりうる。
本実施の形態５にかかる半導体装置５００では、しきり部に設けられた水路２５０が、余剰の冷却水を流すバイパスとして働き、冷却水の流量が大きい場合でもダクト部の流量を制御でき、ダクト部に設置された半導体モジュールの温度を制御することが可能となる。
【００３６】
なお、水路２５０の形状、位置は適宜設計するものとし、更には、水路の途中に可変式の絞り弁（図示せず）を設置し、水路２５０を流れる冷却液体の流量を制御することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の上面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の上面図である。
【図４】本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の上面図である。
【図５】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。
【図６】本発明の実施の形態４にかかる半導体装置の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態５にかかる半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１００  半導体装置、１０１  半導体モジュール、１１１  半導体素子、１１２  接続端子、１１３  封止樹脂、１１４  放熱板、２０１  ヒートシンク、２１１  ダクト部、２１２  水路、２１３  導水管、２２０  接続配管、２５０  水路。
【図１】
2006156624.tif 000003
【図２】
2006156624.tif 000004
【図３】
2006156624.tif 000005
【図４】
2006156624.tif 000006
【図５】
2006156624.tif 000007
【図６】
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【図７】
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