(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の半導体モジュールをヒートシンクで冷却するパワー半導体装置において、冷却液の流量や圧力損失の増加を抑えつつ、複数の半導体モジュールを同時に冷却できるパワー半導体装置を提供する。【解決手段】ヒートシンク１０上に配置されて冷却液で冷却される複数の半導体モジュール２０を含むパワー半導体装置２１において、冷却液の流路に対する半導体モジュール２０の配列が、流路に対して半導体モジュール２０を並列に配置する並列配列と、流路に対して半導体モジュール２０を直列に配置する直列配列の双方を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンク上に配置されて冷却液で冷却される複数の半導体モジュールを含むパワー半導体装置であって、
該冷却液の流路に対する該半導体モジュールの配列が、該流路に対して該半導体モジュールを並列に配置する並列配列と、該流路に対して該半導体モジュールを直列に配置する直列配列の双方を含むことを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項２】
上記並列配列が、上記ヒートシンクの両面にそれぞれ上記半導体モジュールを載置し、該半導体モジュールを同時に冷却する配列であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項３】
上記直列配列が、上記ヒートシンクに載置した上記半導体モジュールを、上記冷却液が順次通るように直列に接続した配列であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項４】
ヒートシンク上に配置されて冷却液で冷却される複数の半導体モジュールを含むパワー半導体装置であって、
該ヒートシンクが、冷却液を流す導水管と、該導水管を横切って設けられた溝部であって、堰板を装入して該冷却液の流れを止める該溝部とを含み、
該溝部に該堰板を選択的に装入することにより、該冷却水の流路を変えることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項５】
ヒートシンク上に配置されて冷却液で冷却される複数の半導体モジュールを含むパワー半導体装置であって、
更に、複数の該ヒートシンクに含まれた導水管を接続する導管と、該導管を横切って設けられた溝部であって、堰板を装入して該冷却液の流れを止める該溝部とを含み、
該溝部に該堰板を選択的に装入することにより、該冷却水の流路を変えることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項６】
上記ヒートシンクが、該ヒートシンクに載置された上記半導体モジュールと略平行なダクト面を有するしきり部を含み、該ダクト面と該半導体モジュールとの間に形成されたダクト部を上記冷却水が流れることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のパワー半導体装置。
【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パワー半導体装置に関し、特に、複数の半導体モジュールをヒートシンクで冷却するパワー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パワー半導体装置では、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液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、従来のパワー半導体装置では、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液が流れるため、冷却液の流速を大きくして冷却効率を向上させるには、多量の冷却液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。特に、半導体モジュールの数が増えた場合には、冷却能力に限界があった。
【０００４】
そこで、本発明は、冷却液の流量や圧力損失の増加を抑えつつ、多くの半導体モジュールを同時に冷却できるパワー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、ヒートシンク上に配置されて冷却液で冷却される複数の半導体モジュールを含むパワー半導体装置であって、冷却液の流路に対する半導体モジュールの配列が、流路に対して半導体モジュールを並列に配置する並列配列と、流路に対して半導体モジュールを直列に配置する直列配列の双方を含むことを特徴とするパワー半導体装置である。
【発明の効果】
【０００６】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかるパワー半導体装置では、複数の半導体モジュールを並列および直列に配列することにより、流量や圧力損失の増加を抑えつつ、多くの半導体モジュールを同時に冷却することが可能となる。
【０００７】
また、本発明にかかるパワー半導体装置では、複数の半導体モジュールを並列および直列に配列することにより、冷却に必要なポンプを小型化することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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。
【０００９】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表されるパワー半導体装置の断面図である。
パワー半導体装置１００は、ヒートシンク１０を含む。ヒートシンク１０の上には、半導体モジュール２０が載置されている。ヒートシンク１０と半導体モジュール２０との間は、Ｏリングや接着剤（図示せず）で、冷却液が漏れないようにシールされている。
【００１０】
半導体モジュール２０は、放熱板２２上に載置された半導体素子２１を含む。半導体素子２１は、例えばＩＧＢＴやパワーＦＥＴからなる。半導体素子２１は、アルミニウム等の金属ワイヤや金属リード２４により外部への接続端子２３に接続されている。接続端子２３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２０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２５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。
【００１１】
ヒートシンク１０は、例えばアルミニウムや銅、ＰＰＳ（Polyphenylene Sulfide）、シリコーン、エポキシ等の樹脂から形成される。ヒートシンク１０は、上部に平坦面を有するとともに、内部にしきり台１１を有する。しきり台１１を有することにより、図１の左側の導水管１２の中を紙面に垂直方向に供給された冷却液が、半導体モジュール２０の下部のダクト部１３に導かれる。ダクト部１３では、半導体モジュール２０の裏面に沿って左側から右側に冷却液が流れ、半導体モジュール２０から熱（白い矢印で表示）を奪う。冷却液は右側の導水管１４に導かれた後、ヒートシンク１０から排出される（図１中の矢印は、冷却液の流れを示す）。
【００１２】
図２は、パワー半導体装置１００のダクト部１３における流速と熱伝達率および圧力損失との関係である。図２からわかるように、ダクト部１３における冷却液の流速が大きくなるほど熱伝達率（冷却効率）が大きくなるとともに、圧力損失も大きくなる。
【００１３】
図３は、全体が１１０で表される、２つの半導体モジュール２０が搭載されたパワー半導体装置の断面図である。図３中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
パワー半導体装置１１０では、導水管１５から導入された冷却液が、ダクト部１３を通って左側の半導体モジュール２０を冷却した後、導水管１６を経由して右側の半導体モジュール２０を冷却する、いわゆる直列配列になっている。このような直列配列において２つのダクト部１３の断面積が同じ場合、図１のパワー半導体装置１００と同程度の熱伝達率（冷却効率）を得るには、パワー半導体装置１００と同じ流速で冷却液を流せば良い。この時、パワー半導体装置１１０に供給される冷却液の流量は増加しないが、圧力損失は２倍となる。
即ち、直列接続の場合、流速、若しくは流量は、直列に配列された半導体モジュールの数が増えても変化しないが、圧力損失は半導体モジュールの数に比例して増加する。
【００１４】
一方、複数の半導体モジュールに冷却液を分割して流す、いわゆる並列配列の場合、図１のパワー半導体装置１００と同程度の熱伝達率（冷却効率）を得るには、各半導体モジュールに、パワー半導体装置１００の流速と同程度の流速を与えればよい。この場合、流量は半導体モジュールの数に比例して増加する。一方、パワー半導体装置に流入する冷却液の圧力損失は一定で変化しない。
【００１５】
図４は、半導体モジュールの数と、並列配列時の合計流量（グラフＡ）および直列配列時の合計圧力損失（グラフＢ）との関係の一例である。図４からわかるように、並列配列の場合は、半導体モジュールの数が増加しても圧力損失は一定であるが、合計流量は増加する。そして、半導体モジュールの数が４以上となると合計流量が限界値を超える。一方、直列配列の場合は、半導体モジュールの数が増加しても合計流量は一定であるが、合計圧力損失は増加する。そして、半導体モジュールの数が６以上となると合計圧力損失が限界値を超える。
このように、流量や圧力損失の限界値を超えると、循環ポンプの吐出能力を超え、十分な冷却効果が得られなくなる。
【００１６】
図５は、全体が１２０で表される、本実施の形態１にかかるパワー半導体装置の上面図であり。図６は、図５に示すパワー半導体装置１２０のＶ−Ｖにおける断面図であり、実際にはコの字型である断面を平面に表したものである。図５、６中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。パワー半導体装置１２０は、両側に半導体モジュール２０を備えたヒートシンク１０が、２組直列に接続された構造となっている。
【００１７】
パワー半導体装置１２０は、４つの半導体モジュール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを含む。導水管１５は、冷却液を分割してダクト部１３ａ、１３ｂに供給し、モジュール２０ａ、２０ｂを冷却する。一方、導水管１６はダクト部１３ｃ、１３ｄに冷却液を供給し、半導体モジュール２０ｃ、２０ｄを冷却する。半導体モジュール２０ｃ、２０ｄを冷却した冷却液は、導水管１７で一体となり、排出される。
ヒートシンク１０において、例えば、導水管１６の幅は１５ｍｍ、長さは１５０ｍｍ、高さは１０ｍｍとなる。
【００１８】
パワー半導体装置１２０は、いわゆる並列・直列配列である。この配列における圧力損失は、２個の半導体モジュールを直列に配列した場合の圧力損失に等しく、また流量は、２個の半導体モジュールを並列に配列した場合の流量に等しい。即ち、この配列では、２個の半導体モジュールを直列のみに配列したパワー半導体装置、および並列のみに配列したパワー半導体装置の流量と圧力損失を、各々２分の１に低減できる。
【００１９】
例えば、図４に示す能力を有する循環ポンプを用いる場合、並列に３つ、直列に４つ（Ｎ３×Ｎ４個）配置した半導体モジュールを冷却することが可能となる。
【００２０】
次に、本実施の形態１にかかるパワー半導体装置を用いた場合の冷却効率の向上について、図７、８を用いて説明する。
図７は、冷却液の流量と熱伝達率（冷却効率）との関係であり、図７中、黒丸は従来の平行平板ダクトの場合、白丸は平行平板ダクトの内壁面に微小な凹凸フィンを設け、熱伝達率を大きく改善した場合である。
図７に示すように、熱伝達率は（冷却効率）は流量に依存し、流量を増すと熱伝達率は改善される。
【００２１】
一方、図８は、冷却液の流量と圧力損失との関係であり、図８中、黒丸は従来の平行平板ダクトの場合、白丸は平行平板ダクトの内壁面に微小な凹凸フィンを設け、熱伝達率を大きく改善した場合である。
図８に示すように、ダクト内壁面に微小な凹凸フィンを設け、熱伝達率を大きく改善した冷却構造の場合、圧力損失が流量に依存して非常に大きくなることが分かる。
【００２２】
従来の平行平板型ダクトで、流量が毎分２リッター（２ｌ／ｍ）の条件で使用した場合、圧力損失は高々５００Ｐａであり、冷却ダクトを直列に１０段並べても圧力損失は５０００Ｐａとなり、圧力損失が問題になることは無かった。
しかしながら、熱伝達率を高くするためにフィン付ダクトを使用すると、流量が２ｌ／ｍでは、圧力損失が４０００Ｐａを超えてしまい、冷却ダクトを直列に３段並べるだけで圧力損失は１２０００Ｐａを超え、ポンプの能力を超える場合がある。
【００２３】
一方、ダクトを並列に並べて使用する場合、圧力損失は問題にならないが、流量はダクト数に応じて増加し、例えば、ダクトを５段並列に配列して使用すると、１０ｌ／ｍ以上の吐出能力が要求され、ポンプの吐出能力を超える場合があった。
【００２４】
本実施の形態１にかかるパワー半導体装置では、ダクトを２段直列配列したものを、５列平行に接続して使用すると、圧力損失は８０００Ｐａ、流量は１０ｌ／ｍとなり、ポンプの能力を超えることなく１０個の半導体モジュールの冷却が可能となる。
【００２５】
逆に言うと、５個のダクトを冷却する場合は、従来のポンプより能力の小さなポンプが使用でき、製造コストの低減が可能となる。
【００２６】
以上に説明したように、本実施の形態１にかかるパワー半導体装置では、複数の半導体モジュールを、並列および直列に配列して冷却することにより、流量や圧力損失の増加を抑えつつ、多くの半導体モジュールを同時に冷却することができる。
【００２７】
なお、上述のような１つのヒートシンクの両面に半導体モジュールを設ける構造以外でも、半導体モジュールを横に配列することにより、同様の効果を得ることができる。また、ダクト形状、導水管形状、ダクトと導水管を繋ぐ水路の形状なども、適宜他の形状にしても構わない。
【００２８】
実施の形態２．
図９は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２にかかるパワー半導体装置の上面図である。ただし、図９においては、ヒートシンク２１０に載置される半導体モジュールは省略してある。
【００２９】
パワー半導体装置２００は、ヒートシンク２１０を含む。ヒートシンク２１０の両側には、ヒートシンク２１０に冷却液を供給する供給口および排出口２１５が形成されている。供給口と排出口２１５との間には、導水管２１３が設けられている。導水管２１３に供給された冷却液は、水路２２０を通って、半導体モジュール（図示せず）の下方のダクト部２２１に導かれる。また、導水管２１３の、半導体モジュールが載置される場所の両側には、溝部２１６が形成されている。後述するように、溝部２１６には堰板が装入されて冷却液の流れが遮断される。
【００３０】
図１０、１１は、図９に示すパワー半導体装置２００の溝部２１６に堰板が装入された場合の具体例である。図１０、１１中、符号２１７で示すのが堰板であり、これにより形成される冷却液の流路を矢印Ｃ、Ｄで示す。
【００３１】
図１０に示すように、堰板２１７を３箇所に装入すると、２つの半導体モジュールに対する冷却液の供給は、直列配列による供給（矢印Ｃ）となる。一方、図１１に示すように、堰板２１７を２箇所に装入すると、２つの半導体モジュールに対する冷却液の供給は、並列配列による供給（矢印Ｄ）となる。
【００３２】
このように、本実施の形態にかかるパワー半導体装置２００では、ヒートシンク２１０の形状を変えることなく、図１０に示すように、堰板２１７を３箇所に装入すると、２つの半導体モジュールに対する冷却液の供給は、堰板２１７の挿入位置を変えるだけで、直列配列、並列配列の変更が可能となる。
このため、パワー半導体装置の品種に対応して異なったヒートシンク２１０を製造する必要がなく、ヒートシンク２１０の標準化ができ、製造コストの低減が可能となる。
【００３３】
かかるヒートシンク２１０では、ヒートシンク２１０の基本的な構造を共通とし、堰板２１７を装入する溝部２１６の位置を適宜選択することにより、並列配列用のヒートシンク、直列配列用のヒートシンクとすることができる。
【００３４】
実施の形態３．
図１２は、全体が３００で表される、本実施の形態３にかかるパワー半導体装置の斜視図である。
パワー半導体装置３００は、ヒートシンク２１０を含む。ヒートシンク２１０には、冷却液を供給、排出する供給口及び排出口２１５が形成されている。更に、供給口及び排出口２１５には、ヒートシンク２１０に対して略垂直に冷却液を供給する導管２１８が接続されている。ヒートシンク２１０の上には、半導体モジュール２２０が載置されている。
なお、半導体モジュール２２０の数が増すと、半導体モジュール２２０を載置したヒートシンク２１０を重ねて、導管２１８で接続することによりパワー半導体装置を形成する。
【００３５】
図１３は、図１２のＡ方向から見た場合の概略図であり、図１４は、図１２のＢ方向から見た場合の概略図である。なお、図１３、１４では、半導体モジュール２２０は省略されている。
図１３、１４に示すように、ヒートシンク２１０中には導水管２１３が設けられており、ヒートシンク２１０の上下に載置した半導体モジュール２２０を冷却する。また、導管２１８の継目には、堰板を装入するための溝部２１６が形成されている。
【００３６】
図１５、１６は、溝部２１６に冷却液遮断用の堰板２１７を挿入した一例である。図１５、１６中、矢印Ｅは冷却液の流れを示す。
【００３７】
このように堰板２１７を挿入することにより、導管２１８の上部から供給された冷却液は、供給口２１５から上側のヒートシンク２１０に供給されて循環し、続いて、下側のヒートシンク２１０内を循環して、下の排水口２１５から排出される。この結果、上側のヒートシンク２１０の上下に載置された半導体モジュールには、並列配列として冷却液が供給され、続いて、下側のヒートシンク２１０の上下に載置された半導体モジュールにも、同じく並列配列として冷却液が供給される。即ち、並列配列された２つの半導体モジュールが、２組、直列に配列された、いわゆる２並列＋２直列の形態となる。
【００３８】
図１７、１８は、溝部２１６に冷却液遮断用の堰板２１７を挿入した他の例である。図１７、１８中、矢印Ｆは冷却液の流れを示す。
【００３９】
このように堰板２１７を挿入することにより、導管２１８の上部から供給された冷却液は、上側と下側のヒートシンク２１０に同時に供給されて循環し、導管２１８の下部から排出される。この結果、上側と下側のヒートシンク２１０に載置された４つの半導体モジュールには、並列配列として冷却液が供給される。即ち、４つの半導体モジュールが並列配列された、いわゆる４並列の形態となる。
【００４０】
このように、本実施の形態３にかかるパワー半導体装置では、ヒートシンク２１０の形状を変更することなく冷却液の流路を変更できる。この結果、設計変更にすばやく対応できる。また、パワー半導体装置の品種に対応して異なったヒートシンク２１０を製造する必要がなく、ヒートシンク２１０の標準化ができ、製造コストの低減が可能となる。更に、半導体モジュールの数に応じてヒートシンクの数を増やすことにより、パワー半導体装置の能力を容易に増強できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態１の説明に用いた、パワー半導体装置の断面図である。
【図２】パワー半導体装置に供給される冷却液の流速と熱伝達率および圧力損失の関係である。
【図３】本発明の実施の形態１の説明に用いた、複数の半導体モジュールが搭載されたパワー半導体装置の断面図である。
【図４】冷却用ダクトを直列に配列した場合と並列に配列した場合の、半導体モジュールの数と冷却液体の合計流量および合計圧力損失の関係である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体装置の上面図である。
【図６】本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体装置の断面図である。
【図７】冷却用ダクトに供給される冷却液の流量と熱伝達率との関係である。
【図８】冷却用ダクトに供給される冷却液の流量と圧力損失との関係である。
【図９】本発明の実施の形態２にかかるパワー半導体装置の平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２にかかるパワー半導体装置の平面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２にかかるパワー半導体装置の平面図である。
【図１２】本発明の実施の形態３にかかるパワー半導体装置の斜視図である。
【図１３】本発明の実施の形態３にかかるパワー半導体装置の概略図である。
【図１４】本発明の実施の形態３にかかるパワー半導体装置の概略図である。
【図１５】本発明の実施の形態３にかかるパワー半導体装置の概略図である。
【図１６】本発明の実施の形態３にかかるパワー半導体装置の概略図である。
【図１７】本発明の実施の形態３にかかるパワー半導体装置の概略図である。
【図１８】本発明の実施の形態３にかかるパワー半導体装置の概略図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  ヒートシンク、１１  しきり部、１２  導水管、１３  ダクト部、１４  導水管、２０  半導体モジュール、２１  パワー半導体素子、２２  放熱板、２３  接続端子、２４  ボンディングワイヤまたはリード、２５  封止樹脂、１００  パワー半導体装置。
【図１】
2006165186.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006165186.tif 000005
【図４】
2006165186.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2006165186.tif 000014
【図１３】
2006165186.tif 000015
【図１４】
2006165186.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
2006165186.tif 000018
【図１７】
2006165186.tif 000019
【図１８】
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