(57)【要約】【課題】冷却媒体の乱流誘発能力を高めて、同冷却媒体による冷却能力のさらなる向上を図ることのできる半導体装置の冷却装置を提供する。【解決手段】冷媒流路を区画する多数のフィン１２１及び１２２を有して冷却対象となる半導体素子３００が搭載される冷却器１００と、この冷却器１００のフィン１２１及び１２２を上下に分断してかつ、それら分断した上下のフィン１２１及び１２２各々の先端からは離間される態様で冷媒流路中に設けられた樹脂板２００を備える。そして、この樹脂板２００には、フィン１２１及び１２２によって区画される各冷媒流路１３１及び１３２に対応して冷却器１００の半導体素子３００搭載側に突出する凸部２１０と、この凸部２１０の冷媒流路方向下流にあって冷媒の表裏間での移動を促す貫通孔２２０とがそれぞれ設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒流路を区画する多数のフィンを有して冷却対象となる半導体素子が搭載される冷却器と、該冷却器の前記フィンの先端から離間される態様で冷媒流路中に設けられた平板とを備える半導体装置の冷却装置であって、
前記平板には、前記フィンによって区画される各冷媒流路に対応して前記冷却器の半導体素子搭載側に突出する凸部と、該凸部の冷媒流路方向下流にあって冷媒の表裏間での移動を促す貫通孔とがそれぞれ設けられてなる
ことを特徴とする半導体装置の冷却装置。
【請求項２】
前記平板は、前記冷却器の前記フィンを上下に分断してかつ、それら分断した上下のフィン各々の先端から離間される態様で冷媒流路中に設けられている
請求項１に記載の半導体装置の冷却装置。
【請求項３】
前記凸部と前記貫通孔とはそれぞれ連続した一体の機構として設けられてなる
請求項１又は２に記載の半導体装置の冷却装置。
【請求項４】
前記冷却器には前記半導体素子が複数搭載されてなり、前記凸部及び前記貫通孔は、前記冷却器に搭載された半導体素子の各々に対応して複数設けられてなる
請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置の冷却装置。
【請求項５】
前記冷却器が、前記平板を境に表裏一体に設けられた２つの冷却器からなり、
前記半導体素子は、これら冷却器毎の各々に搭載される
請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置の冷却装置。
【請求項６】
前記平板が、樹脂板からなる
請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置の冷却装置。
【請求項７】
前記冷却器が、液冷式もしくは空冷式の冷却器である
請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱体となる主にパワー半導体素子等を含む半導体装置を冷却対象としてその冷却に使用される半導体装置の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の冷却装置としては、例えば特許文献１に記載の冷却装置がある。図５に、この特許文献１に記載の冷却装置についてその概要を示す。
すなわちこの装置では、図５に示すように、アルミニウムを含浸させた炭化ケイ素（ＡｌＳｉＣ）からなるモジュール用マウントプレート６の一面側に、谷部３と波の山部４とを有する波形のストリップ１が半田付けされている。このストリップ１には、各波の谷部３には複数の開口部２が波軸の方向に沿って等間隔に設けられており、この開口部２によってストリップ１の波軸に対する曲げ撓み性が高められている。また、こうしたストリップ１が設けられたモジュール用マウントプレート６は、その一面側がカバープレート及びサイドプレート（図示省略）によって覆われている。こうして、山部４とカバープレート及びサイドプレートとの間には、ストリップ１の波方向に対して平行に冷却媒体を流通させる冷却通路が形成されている。そして、この冷却通路内を冷却媒体が流通することによって、マウントプレート７の他面側に搭載された発熱素子に対する冷却が行われるようになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３３０３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような冷却装置によれば、冷却通路を形成する波形のストリップ１に複数の開口部２が設けられたことによって、この冷却通路内を流通する冷却媒体は、ストリップ１の上側で谷部３と山部４とに沿って流通するとともに、開口部２を介してストリップ１の下側を流通するようになる。そしてこれにより、こうした冷却通路内を流通する冷却媒体の乱流が誘発され、冷却装置としての冷却能力が向上されるようにはなる。
【０００５】
しかし、この冷却通路は、波形のストリップ１と、このストリップ１の波軸に対する曲げ撓み性の向上を図るべく形成された開口部２とによって形成されたものでしかなく、こうしたこの冷却通路内を流通する冷却媒体の乱流を誘発する、すなわち上記冷却対象物としての発熱素子に対する冷却能力を向上させる上では、なお改良の余地を残すものとなっている。
【０００６】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、冷却媒体の乱流誘発能力を高めて、同冷却媒体による冷却能力のさらなる向上を図ることのできる半導体装置の冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、冷媒流路を区画する多数のフィンを有して冷却対象となる半導体素子が搭載される冷却器と、該冷却器の前記フィンの先端から離間される態様で冷媒流路中に設けられた平板とを備える半導体装置の冷却装置であって、前記平板には、前記フィンによって区画される各冷媒流路に対応して前記冷却器の半導体素子搭載側に突出す
る凸部と、該凸部の冷媒流路方向下流にあって冷媒の表裏間での移動を促す貫通孔とがそれぞれ設けられてなることを要旨とする。
【０００８】
上記構成によれば、冷媒流路中を冷媒が流通する際に、平板に設けられた凸部によって同凸部の突出方向、すなわち上記半導体素子側に蛇行するようになるとともに、同凸部の背面で負圧による剥離が誘発されるようになる。これにより、冷媒が、平板を介して上下に蛇行する態様で冷媒流路中を流通するようになり、いわゆるクロスフロー（乱流）が誘発されるようになる。そして、こうした乱流の誘発は、冷却装置としての冷却能力に相関することから、冷却装置としての冷却能力の向上が図られるようになる。
【０００９】
また、通常、上記平板を備える冷却装置を構成した場合には、冷媒流路中を流通する冷媒が、平板と上記フィン各々の先端との間隙に集中して流通することとなる。このため、冷却器の各フィン間、すなわち、この冷却器に搭載される半導体素子の直下には冷却媒体が流通しがたく、ひいては冷却装置としての冷却効率が低下することとなってしまう。この点、上記構成によれば、平板に設けられた上記凸部及び貫通孔の協働によって冷却媒体のクロスフローが誘発されることにより、冷却器の各フィン間にも的確に冷媒が流通するようになる。すなわち、冷却装置としての冷却効率が確実に高められるようになる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置の冷却装置において、前記平板は、前記冷却器の前記フィンを上下に分断してかつ、それら分断した上下のフィン各々の先端から離間される態様で冷媒流路中に設けられていることを要旨とする。
【００１１】
上記構成によるように、上記フィンを上下に分断してかつ、それら分断した上下のフィン各々の先端からは離間される態様で冷媒流路中に上記平板を設けることとすれば、この平板によって分断されたフィンに案内される態様で平板の上下を冷媒が流通するようになる。これにより、平板を介したクロスフローを望ましいかたちで誘発することができるようになり、ひいては、冷却装置としての冷却効率がより高められるようになる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の半導体装置の冷却装置において、前記凸部と前記貫通孔とはそれぞれ連続した一体の機構として設けられてなることを要旨とする。
【００１３】
上記構成によるように、上記凸部と貫通孔とを、それぞれ連続した一体の機構として設けることとすれば、これら凸部及び貫通孔によって冷却媒体の乱流誘発能力を高める上で、冷却装置としての構造上の安定化が図られるようになり、ひいては、同冷却装置による半導体素子の冷却をより高い信頼性のもとに実現することができるようになる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置の冷却装置において、前記冷却器には前記半導体素子が複数搭載されてなり、前記凸部及び前記貫通孔は、前記冷却器に搭載された半導体素子の各々に対応して複数設けられてなることを要旨とする。
【００１５】
上記構成によるように、冷却器に搭載された複数の半導体素子の各々に対応するかたちで上記凸部及び貫通孔を設けることとすれば、これら凸部及び貫通孔によるクロスフローが冷却対象とする半導体素子の直下で誘発されるようになり、ひいては、半導体素子に対する冷却能力がより高められるようになる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置の冷却装置において、前記冷却器が、前記平板を境に表裏一体に設けられた２つの冷却器からなり、前記半導体素子は、これら冷却器の各々に搭載されることを要旨とする。
【００１７】
この発明は、上記構成によるように、半導体素子が搭載された一対の冷却器が上記平板を境に設けられる冷却装置に適用して特に有効であり、平板を介して上下に蛇行する態様で冷媒流路中を流通する冷却媒体によって、その上下に設けられた一対の冷却器に搭載された半導体素子の各々に対する冷却能力の向上が図られるようになる。このため、冷却装置としての冷却能力の向上はもとより、冷却対象とされる複数の半導体素子が搭載される半導体装置の冷却装置としての構造上の効率化が図られるようにもなる。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置の冷却装置において、前記平板が、樹脂板からなることを要旨とする。
上記構成によるように、上記平板として樹脂板を用いることとすれば、上記凸部及び貫通孔を有する平板を一体成形によって製作することができるなど、その構造、製作をより簡易なものとすることができるようになる。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置の冷却装置において、前記冷却器が、液冷式もしくは空冷式の冷却器であることを要旨とする。
この冷却装置は、上記冷却器として液冷式もしくは空冷式の冷却器を用いるものに適用して特に有効であり、同構造の適用により、上記凸部及び貫通孔による冷却媒体の乱流誘発能力の向上をより望ましいかたちで実現することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明にかかる半導体装置の冷却装置について、その一実施の形態の概略構成を示す斜視図。
【図２】（ａ）は、同実施の形態の冷却装置について、その側面から見た断面構造を模式的に示す断面図。（ｂ）は、同冷却装置の樹脂板の一部を平面から見た平面構造を模式的に示す平面図。
【図３】比較例として従来の冷却装置の断面構造及び冷媒の流通態様を模式的に示す部分断面図。
【図４】同実施の形態の冷却装置の断面構造及び冷媒の流通態様を模式的に示す部分断面図。
【図５】従来の冷却装置について、その構成を模式的に示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明にかかる半導体装置の冷却装置の一実施の形態について図１〜図４を参照して説明する。
図１は、この実施の形態にかかる半導体装置の冷却装置について、その概略構成を示したものである。図１に示されるように、この冷却装置は冷却器１００を備えている。この冷却器１００は、半導体素子３００の動作に伴って発せられる熱を熱交換することでその冷却を図るためのものであり、本実施の形態では、例えばアルミニウム製からなる水冷式の冷却器が用いられている。この冷却器１００は、上下一対のアルミニウム板１１１及び１１２を有しており、これらアルミニウム板１１１及び１１２にはそれぞれ上下一対の複数のフィン１２１及び１２２が突設されている。また、これら各フィン１２１及び１２２の間には、それらの先端から離間される態様で、平板としての樹脂板２００が介在されている。そしてこれにより、冷却器１００は、その内部空間が樹脂板２００によって上下に分断されているとともに、この上下に分断された各空間では各フィン１２１及び１２２によって区画される冷媒流路１３１及び１３２が形成されている。
【００２２】
ここで、上記樹脂板２００には、上記各冷媒流路１３１及び１３２並びに半導体素子３００に対応して同半導体素子３００の搭載側に突出する凸部２１０が設けられており、この凸部２１０の冷媒流路方向下方には液冷媒の表裏間での移動を促す貫通孔２２０が設け
られている。
【００２３】
また、冷却器１００の上下両面には、半導体素子３００が半田付けによって実装されている。この半導体素子３００は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）などの動作時に高温の熱が発せられる電力用半導体素子であり、その動作に伴って発せられる熱が上記冷却器１００の各冷媒流路１３１及び１３２を流通する液冷媒との熱交換によって冷却が図られている。
【００２４】
次に、こうした冷却装置内を流通する液冷媒の流通態様を図２を参照して説明する。なお、図２（ａ）は同冷却装置を側面から見た断面構造を示しており、図２（ｂ）は同冷却装置の樹脂板の一部を平面から見た平面構造を示している。
【００２５】
図２（ａ）に示すように、冷却器１００を構成する上下一対のアルミニウム板１１１及び１１２には、半導体素子３１１〜３１５、３１６〜３１９がそれぞれ搭載されている。そして、図２（ｂ）に示すように、上記樹脂板２００の上面には、上側のアルミニウム板１１１に実装されている半導体素子３１１〜３１５の各々に対応するかたちで各凸部２１１〜２１５と各貫通孔２２１〜２２５とが連続した一体の機構として設けられている。また、樹脂板２００の下面には、下側のアルミニウム板１１２に実装されている半導体素子３１６〜３１９の各々に対応するかたちで各凸部２１６〜２１９と各貫通孔２２６〜２２９とが連続した一体の機構として設けられている。
【００２６】
ここで、こうした冷却装置内に液冷媒Ｒが流通されたとすると、図２（ａ）に実線の矢印にて示すように、樹脂板２００の上側を流通する液冷媒Ｒは、まず、樹脂板２００の上面に設けられた凸部２１１によって半導体素子３１１側に蛇行するようになる。そしてこのとき、凸部２１１の背面で負圧による剥離が誘発されることによって、同凸部２１１により半導体素子３１１側に蛇行された液冷媒Ｒが凸部２１１の背面に向けて蛇行するようになるとともに、樹脂板２００の下側を流通する液冷媒Ｒが貫通孔２２１を介して凸部２１１の背面に向けて蛇行するようになる。これにより、冷却対象とする半導体素子３１１の直下において、いわゆるクロスフロー（乱流）が生じるようになり、半導体素子３１１に対する冷却能力が高められるようになる。
【００２７】
また、図２（ａ）に一点鎖線の矢印にて示すように、樹脂板２００の下側を流通する液冷媒Ｒは、まず、樹脂板２００の下面に設けられた凸部２１６によって半導体素子３１６側に蛇行するようになる。そしてこのとき、凸部２１６の背面で負圧による剥離が誘発されることによって、同凸部２１６により半導体素子３１６側に蛇行された液冷媒Ｒが凸部２１６の背面に向けて蛇行するようになるとともに、樹脂板２００の上側を流通する液冷媒Ｒが貫通孔２２６を介して凸部２１６の背面に向けて蛇行するようになる。これにより、冷却対象とする半導体素子３１６の直上においてもクロスフローが生じるようになり、半導体素子３１６に対する冷却能力が高められるようになる。
【００２８】
こうして、冷媒流路１３１及び１３２を流通する液冷媒Ｒが各半導体素子３１１〜３１９付近を流通する際には、これら各半導体素子３１１〜３１９の各々に対応する各凸部２１１〜２１９の背面でクロスフローが誘起されるようになり、各半導体素子３１１〜３１９に対する冷却能力が高められるようになる。
【００２９】
次に、本実施の形態における冷却装置内を流通する液冷媒Ｒの流速分布について、比較例との対比のもとに図３及び図４を参照して説明する。なお、図３は、本実施の形態における冷却装置の比較例として上記凸部２１０及び貫通孔２２０が樹脂板２００に設けられていない冷却装置内を流通する液冷媒Ｒの流通態様を示している。また、図４は、本実施の形態における冷却装置内を流通する液冷媒Ｒの流通態様を示している。
【００３０】
すなわち、図３に示されるように、上記樹脂板２００に凸部２１０及び貫通孔２２０が設けられていない冷却装置にあっては、同冷却装置内を流通する液冷媒Ｒが上記各フィン１２１及び１２２の先端と樹脂板２００との間に集中して一定の流速で流通するようになる。このため、各フィン１２１及び１２２の間の冷媒流路１３１及び１３２には、液冷媒Ｒが流通されにくくなり、半導体素子３００に対する冷却能力が低下することとなる。
【００３１】
一方、図４に示されるように、本実施の形態における冷却装置では、樹脂板２００に設けられた凸部２１０及び貫通孔２２０によるクロスフローが誘起されることによって、各フィン１２１及び１２２により区画される冷媒流路１３１及び１３２中を液冷媒Ｒが流通するようになる。そして、このときの液冷媒Ｒは、その流通経路が凸部２１０によって半導体素子３００側に蛇行されることにより、半導体素子３００付近での流速が向上するようになる。このように、本実施の形態による冷却装置によれば、樹脂板２００に凸部２１０及び貫通孔２２０が設けられたことによって、液冷媒Ｒが冷媒流路１３１及び１３２内を流通するようになるとともに、冷却対象とする半導体素子３００の直下で液冷媒Ｒの流速が高められるようにもなり、冷却装置としての冷却能力の向上が図られるようになる。
【００３２】
以上説明したように、本実施の形態にかかる半導体装置の冷却装置によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）半導体素子３００の各フィン１２１及び１２２を分断するかたちでそれらの間に樹脂板２００を介在させるとともに、この樹脂板２００に冷媒流路１３１及び１３２に対応するかたちで凸部２１０及び貫通孔２２０を設けることとした。これにより、凸部２１０の背面で誘起されたクロスフローによって、液冷媒Ｒが冷媒流路１３１及び１３２中を流通するようになるとともに冷却対象とする半導体素子３００付近での液冷媒Ｒの流速が高められるようになり、ひいては、冷却装置としての冷却能力が高められるようになる。
【００３３】
（２）凸部２１０と貫通孔２２０とを連続して一体の機構として樹脂板２００に設けることとした。これにより、凸部２１０及び貫通孔２２０によって冷却媒体の乱流誘発能力を高める上で、冷却装置としての構造上の安定化が図られるようになる。
【００３４】
（３）冷却対象とする複数の半導体素子３１１〜３１９を冷却器１００の上下両面に搭載することとし、これら各半導体素子３１１〜３１９の各々に対応するかたちで凸部２１０及び貫通孔２２０を樹脂板２００の両面に設けることとした。これにより、各半導体素子３１１〜３１９付近でのクロスフローが誘起されるようになり、各半導体素子３１１〜３１９の各々に対する冷却能力の向上が図られるようになる。また、このように冷却器１００の上面と下面に設けられた各半導体素子３１１〜３１９に対する冷却を行なうことが可能となることから、複数の半導体素子を有する半導体装置としての構造上の効率化が図られるようにもなる。
【００３５】
（４）冷却器１００の各フィン１２１及び１２２の間に介在される平板として、樹脂板２００を用いることとした。これにより、凸部２１０及び貫通孔２２０を有する平板を一体成形によって製作することができるなど、その構造、製作をより簡易なものとすることができるようになる。
【００３６】
（５）上記冷却装置を構成する冷却器として、液冷式の冷却器１００を用いることとした。これにより、上記凸部２１０及び貫通孔２２０による液冷媒Ｒの乱流誘発能力がより高められるようになり、ひいては、冷却装置としての冷却能力の向上が図られるようになる。
【００３７】
なお、上記実施の形態は、以下のような形態をもって実施することもできる。
・上記凸部２１１〜２１９及び貫通孔２２１〜２２９を、半導体素子３１１〜３１９の各々に対応するかたちで樹脂板２００に設けることとした。これに限らず、これら凸部２１１〜２１９及び貫通孔２２１〜２１９によって冷媒流路１３１及び１３２中の乱流が誘発されるものであればよく、凸部２１１〜２１９及び貫通孔２２１〜２２９の形成位置は半導体素子３１１〜３１９付近に限定されるものではない。また、一つの半導体素子に対して複数の凸部及び貫通孔を対応して設けることも可能であり、凸部２１０及び貫通孔２２０の数は限定されるものではない。
【００３８】
・上記冷却装置の冷却対象としての半導体素子３１１〜３１９を、冷却器１００の上下両面に搭載することとした。上記冷却器１００によって半導体素子を冷却する上では半導体素子は冷却器１００の片面のみに搭載される構成であってもよい。また、冷却対象とする半導体素子は一つであってもよい。
【００３９】
・上記冷却装置を構成する平板として、樹脂板２００を用いることとした。平板としては上記凸部２１０及び貫通孔２２０を形成することが可能なものであればよく、他に例えば、ゴム材等によって上記平板を構成するようにしてもよい。
【００４０】
・上記凸部２１０と貫通孔２２０とをそれぞれ連続した一体の機構として形成することとしたが、これら凸部２１０及び貫通孔２２０によって液冷媒Ｒに対する乱流誘発能力が高められるものであればよく、凸部２１０と貫通孔２２０とを別々に形成するようにしてもよい。また、上記凸部の形状は、冷媒流路１３１及び１３２を流通する液冷媒Ｒを蛇行させることが可能なものであればよく、角状の他、液冷媒Ｒを半導体素子側に蛇行させる傾斜面を有する形状であってもよい。
【００４１】
・上記平板を、冷却器１００を構成するフィン１２１及び１２２を上下に分断してかつ、それら分断した上下のフィン１２１及び１２２の先端からは離間される態様で冷媒流路中に設けることとした。これに限らず、フィン１２１及び１２２のうちの一つによって冷却器１００のフィンを構成し、このフィンの先端から離間される態様で冷媒流路中に上記平板を設ける構成としてもよい。
【００４２】
・上記冷却装置による冷却対象としてＩＧＢＴを冷却器１００に搭載することとしたが、半導体素子としては、この他、他の電力用トランジスタやダイオード等であってもよく、動作時に発する熱の処理が必要とされるものであれば本発明の適用は可能である。
【００４３】
・上記冷却装置を構成する冷却器として、液冷式の冷却器１００を用いることとしたが、上記凸部２１０及び貫通孔２２０による乱流誘発は、空冷式の冷却器に対しても有効であり、これに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４４】
１…ストリップ、２…開口部、３…谷部、４…山部、６…モジュール用マウントプレート、７…マウントプレート、１００…冷却器、１１１、１１２…アルミニウム板、１２１、１２２…フィン、１３１、１３２…冷媒流路、２００…樹脂板、２１０、２１１〜２１９…凸部、２２０、２２１〜２２９…貫通孔、３００、３１１〜３１９…半導体素子、Ｒ…液冷媒。
【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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