(57)【要約】【課題】半導体装置の冷却能力を向上させることができる技術を提供する。【解決手段】半導体装置は扁平であって、相互に対向する第１扁平面と第２扁平面を有する。第１扁平面は第１冷媒が封入されているヒートパイプで冷却する。第２扁平面は内部にフィンが設けられている冷却器で冷却する。第１冷媒の沸点は冷却器を通過する第２冷媒の沸点より低い。【選択図】図１
2019096790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１扁平面と第２扁平面を有する半導体装置の冷却装置であって、
前記第１扁平面に近接しているとともに第１冷媒が封入されているヒートパイプと、
前記第２扁平面に近接している冷却器、
を備えており、
前記冷却器は、第２冷媒が沿って流れるフィンを備えており、
前記第１冷媒の沸点が前記第２冷媒の沸点より低いことを特徴とする冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する技術は、冷却装置に関する。
【０００２】
特許文献１に、半導体装置（特許文献１ではインバータ）を冷却するための冷却装置が開示されている。この冷却装置は、第１循環路と第２循環路を有している。第１循環路は半導体装置の近傍を通過する。第１循環路の内部には第１冷媒が循環する。第２循環路は第１循環路の近傍を通過する。第２循環路の内部には第２冷媒が循環する。
【０００３】
特許文献１の冷却装置では、半導体装置が発熱した際に、第１循環路内を流れる第１冷媒が半導体装置の近傍において気化する。このときに、第１冷媒が潜熱を吸収することによって半導体装置が冷却される。気化した第１冷媒は、第２循環路を流れる第２冷媒と熱交換して冷却されて凝縮する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０４１９５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体装置が動作する際には、非常に大きな発熱を伴う。このため、特許文献１の冷却装置では、十分に冷却できない場合がある。本明細書では、半導体装置の冷却能力を向上させることができる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示する冷却装置は、第１扁平面と第２扁平面を有する半導体装置を冷却する。この冷却装置は、第１扁平面に近接しているとともに第１冷媒が封入されているヒートパイプと、第２扁平面に近接している冷却器、を備えている。その冷却器は、第２冷媒が沿って流れるフィンを備えている。第１冷媒の沸点が第２冷媒の沸点より低い。
【０００７】
なお、本明細書でいう「近接する」とは、間にはんだ等の接合層が介在する状態、さらには間に伝熱板等の伝熱層が介在する状態を含む。例えば、第１扁平面とヒートパイプがはんだ層を介して接合されている場合も、第１扁平面とヒートパイプが近接している関係にある。第２扁平面と冷却器がはんだ層と伝熱板を介して接合されている場合も、第２扁平面と冷却器が近接している関係にある。
【０００８】
上記の冷却装置では、ヒートパイプに封入された第１冷媒が気化することによって半導体装置が冷却される。また、半導体装置の反対側では、フィンとフィンに沿って流動する第２冷媒によって冷却可能となっている。したがって、半導体装置が大きく発熱した場合は、半導体装置の両面から半導体装置を冷却することができ、冷却能力が増大している。半導体装置の発熱量が小さい間は、ヒートパイプだけで冷却することができ、第２冷媒を流動させる必要がない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】半導体モジュール１０の断面図。
【図２】変形例の冷却装置の冷却構造を示す図。
【図３】他の変形例の冷却装置の冷却構造を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照して、実施例の半導体モジュール１０について説明する。半導体モジュール１０は、例えば、電気自動車（ハイブリッドカー及び燃料電池車を含む）に搭載される電力変換装置に用いられる。図１に示すように、半導体モジュール１０は、半導体装置２０と、半導体装置２０を冷却するための冷却装置３０を備える。
【００１１】
半導体装置２０の内部には、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）といったスイッチング素子や、ダイオード等が形成されている。半導体装置２０は、動作すると発熱し、その発熱量が動作状態によって大きくかつ急速に変化する。半導体装置２０は扁平であり、上面と下面が扁平面となっている。本明細書では、上面を第１扁平面２０ａといい、下面を第２扁平面２０ｂという。
【００１２】
冷却装置３０は、ヒートパイプ３２と、伝熱板３４と、冷却器３６を備えている。冷却器３６は、冷却板３７と、複数のフィン３８を備えている。複数のフィン３８に沿って、第２冷媒が流動可能となっている（矢印Ａを参照）。
【００１３】
ヒートパイプ３２は、密閉された内部空間を有する細管であり、内部空間に封入された第１冷媒が作動液として機能して熱を移動させる。ヒートパイプ３２の内面には、ウィックと呼ばれる多孔質材が設けられており、当該ウィックの内側が空間となっている。ヒートパイプ３２の一端側の部分３２ａは、第１はんだ層４０及び不図示の絶縁層を介して半導体装置２０の第１扁平面２０ａに接合されている。すなわち、ヒートパイプ３２は、絶縁層によって半導体装置２０から絶縁されている。ヒートパイプ３２は、半導体装置２０の第１扁平面２０ａに接合された部分３２ａから半導体装置２０の面方向に沿って半導体装置２０の外側まで伸びており、他端側の部分３２ｂは、不図示の絶縁部材を介して電気自動車のボディやエンジン等の筐体５０に接合されている。ヒートパイプ３２は、例えば、銅やアルミニウム等の熱伝導性の高い金属で形成されている。第１冷媒は揮発性の高い液体であり、例えば、代替フロンである。絶縁層と絶縁部材は、熱電導性が高い材料（例えば、熱伝導セラミックス）で形成されている。
【００１４】
伝熱板３４は、第２はんだ層４２を介して半導体装置２０の第２扁平面２０ｂに接合されている。これにより、半導体装置２０と伝熱板３４とが電気的かつ熱的に接続されている。伝熱板３４は、導電性と熱電導性とが高い材料（例えば、銅やアルミニウム）で形成されている。
【００１５】
冷却板３７は、伝熱板３４の下面に絶縁層４４を介して接合されている。冷却板３７は、導電性と熱伝導性とが高い材料（例えば、銅やアルミニウム）で形成されている。絶縁層４４は、絶縁性と熱伝導性が高い材料（例えば、熱伝導セラミックス）で形成されている。絶縁層４４は、伝熱板３４と冷却板３７とを絶縁するとともに、伝熱板３４から伝熱される半導体装置２０の熱を冷却板３７に伝達する。
【００１６】
複数のフィン３８は、冷却板３７の下面に設けられている。冷却板３７の下側には、矢印Ａで示すように、複数のフィン３８に沿って第２冷媒が流動可能とされている。半導体装置２０の熱は、伝熱板３４、冷却板３７及び複数のフィン３８を通じて第２冷媒に伝達される。第２冷媒は、不図示の電動ポンプによって圧送されることにより、矢印Ａで示されるように、複数のフィン３８に沿って流通する。第２冷媒の沸点は第１冷媒の沸点より高い。第２冷媒は、例えば、ＬＬＣ（Long Life Coolant）である。
【００１７】
本実施例では、ヒートパイプ３２が第１はんだ層４０及び不図示の絶縁層を介して半導体装置２０の第１扁平面２０ａに接合されている。このため、半導体装置２０が発熱した際は、ヒートパイプ３２の部分３２ａにおいて第１冷媒が気化する。この際に潜熱が吸収されることにより、半導体装置２０が冷却される。なお、気化した第１冷媒は、ヒートパイプ３２内の空間を通って部分３２ｂへ移動し、筐体５０との熱交換により凝縮される。液化した第１冷媒は、ウィックに吸収され、毛細管現象により再び部分３２ａへ移動する。このように、ヒートパイプ３２は、無動力で動作する。
【００１８】
また、半導体装置２０の第２扁平面２０ｂ側では、第２冷媒が複数のフィン３８に沿って流動可能とされている。したがって、半導体装置２０は、上面側では第１冷媒によって冷却されるとともに、下面側では第２冷媒によって冷却される。このように、本実施例の冷却装置３０は、半導体装置２０の上下から半導体装置２０を冷却することができるため、高い冷却能力を有する。
【００１９】
なお、本実施例の冷却装置３０では、半導体装置２０が発熱した際の半導体装置２０の温度に応じて、第２冷媒の流量を調整してもよい。半導体装置２０の温度は、例えば、冷却板３７の下側に滞留している第２冷媒の温度を監視することによって検出することができる。具体的には、第２冷媒の温度が所定温度未満である場合には、電動ポンプをオフすることによって第２冷媒の流通を停止させてもよい。また、第２冷媒の温度が所定温度以上である場合には、電動ポンプを駆動させて第２冷媒を流通させてもよい。さらに、第２冷媒の温度が高くなることに応じて、電動ポンプの回転数が大きくなるように（すなわち、第２冷媒の流量が大きくなるように）制御してもよい。
【００２０】
このように、半導体装置２０の発熱状況に応じて、電動ポンプの回転数を制御することによって第２冷媒の流量を調整してもよい。このような構成では、半導体装置２０の発熱量が小さい（半導体装置２０の温度が低い）場合には、第２冷媒の流通を停止させ、ヒートパイプ３２に封入された第１冷媒のみを用いて冷却することによって、電動ポンプの駆動に要する消費電力を低減することができる。ヒートパイプ３２は動力を加えなくても冷却動作する。また、半導体装置２０の発熱量が大きい（半導体装置２０の温度が高い）場合には、第２冷媒の流量を大きくすることによって、半導体装置２０を効率良く冷却することができる。なお、上記では、第２冷媒の温度を監視することによって電動ポンプの回転数を制御したが、例えば、単位時間当たりの第２冷媒の温度変化を監視することによって、電動ポンプの回転数を制御してもよい。例えば、単位時間当たりの温度上昇量が閾値未満である場合には電動ポンプを駆動させずに、単位時間当たりの温度上昇量が閾値以上である場合には電動ポンプを駆動させてもよい。このような構成では、半導体装置２０が実際に高温となる前に第２冷媒を流通させることができるため、半導体装置２０の温度上昇幅を抑制することができる。また、上記では、第２冷媒の温度を監視することによって半導体装置２０の温度を検出したが、半導体装置２０の温度の検出は、ヒートパイプ３２の部分３２ａ内の第１冷媒の温度変化を監視して行ってもよいし、半導体装置２０の温度を直接監視して行ってもよい。
【００２１】
上述した実施例の冷却装置３０では、第１冷媒は、筐体５０に放熱することによって凝縮される構成であった。変形例の冷却装置１３０では、図２に示すように、Ｌ字型のヒートパイプ１３２を用い、冷却板３７に放熱することによって第１冷媒を凝縮してもよい。すなわち、ヒートパイプ１３２は、半導体装置２０の第１扁平面２０ａから半導体装置２０の面方向に沿って半導体装置２０の外側まで伸びる部分１３２ａと、部分１３２ａから屈曲して伸びる部分１３２ｂとを有していてもよい。そして、部分１３２ｂが不図示の絶縁層を介して冷却板３７の上面に接合されていてもよい。
また、他の変形例の冷却装置２３０では、図３に示すように、Ｕ字型のヒートパイプ２３２を用い、伝熱板３４及び冷却板３７に放熱することによって第１冷媒が凝縮するようにしてもよい。すなわち、ヒートパイプ２３２は、半導体装置２０の第１扁平面２０ａを半導体装置２０の面方向に覆う部分２３２ａと、部分２３２ａから下側に屈曲して伸びる部分２３２ｂとを有していてもよい。そして、部分２３２ｂが不図示の絶縁層を介して伝熱板３４の側面及び冷却板３７の上面に接合されていてもよい。
【００２２】
また、上述した実施例では、伝熱板３４を利用しているが、伝熱板３４は省略可能であり、半導体装置２０に第２はんだ層４２及び絶縁層４４を介して冷却器３６が接合される構造であってもよい。
また、上述した実施例では、毛細管現象によって熱を移動させるヒートパイプを用いたが、本明細書に開示される技術には、自励振動式のヒートパイプを採用してもよい。
【００２３】
本実施例では、ヒートパイプとフィンを利用する冷却器の間に半導体装置をおく。この方式の場合、一対の冷却器の間に半導体装置をおく場合に比して半導体モジュール１０の高さを低く押さえることができる。また、ヒートパイプは、発熱量の時間的変化が急速な場合にもよく追従し、一対の冷却器の間に半導体装置をおく場合に比して、発熱量が急速に増大する場合にも冷却不足となることがない。
【００２４】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２５】
１０：半導体モジュール
２０：半導体装置
２０ａ：上面
２０ｂ：下面
３０：冷却装置
３２：ヒートパイプ
３４：伝熱板
３６：冷却器
３７：冷却板
３８：フィン
４０：第１はんだ層
４２：第２はんだ層
４４：絶縁層
５０：筐体
【図１】
2019096790.tif 000003
【図２】
2019096790.tif 000004
【図３】
2019096790.tif 000005