(57)【要約】【課題】パワー半導体素子を絶縁性の冷却液に浸して冷却する冷却装置において、簡素な構成で冷却対象のバーンアウトの発生を防止する。【解決手段】パワー半導体チップ５の発熱領域を、金属部材７で覆って絶縁性の冷却液３の中に浸してある冷却装置１である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体チップの発熱領域を、金属部材で覆って絶縁性の冷却液の中に浸して前記冷却液の沸騰により冷却を行うことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却装置において、
前記金属部材は、前記パワー半導体チップに接続されているビームリードの一部であることを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の冷却装置において、
前記冷却液が気化したことで発生した気泡の前記金属部材からの乖離を促すために、前記金属部材の表面が荒らされている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】
本発明は、冷却装置に係り、特に、絶縁性の冷却液によって冷却対象を冷却するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、図５で示すような冷却装置３０１が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００３】
冷却装置３０１では、パワー半導体チップ３０３を、絶縁性の冷却液３０５の中に浸し、パワー半導体チップ３０３が発する熱による冷却液３０５の沸騰により（気化熱により）、パワー半導体チップ３０３を冷却するようになっている。
【０００４】
しかし、冷却装置３０１では、パワー半導体チップ３０３の表面にできた泡（気化した冷却液３０５の泡）３０７が動かずパワー半導体チップ３０３の表面から離れないと、バーンアウトしてしまう（泡３０７がパワー半導体チップ３０３に存在し続けるとパワー半導体チップ３０３のその箇所が高温になり、パワー半導体チップ３０３が壊れてしまう）おそれがある。
【０００５】
そこで、従来、図６、図７（たとえば、特許文献１参照）や図８で示すような冷却装置３５１が知られている。
【０００６】
冷却装置３５１では、冷却装置３０１と同様にして、冷却対象物３５３を、絶縁性の冷却液３５５の中に浸し、冷却対象物３５３が発する熱による冷却液３５５の沸騰により、冷却対象物３５３を冷却するようになっているとともに、冷却液３５５に流れをつくって泡３５７を飛ばし、バーンアウトの発生を防いでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１５０２１６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】パナソニックweb公告［平成２５年３月２８日検索］＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ:／／ｐａｎａｓｏｎｉｃ．ｃｏ．ｊｐ／ｃｏｒｐ／ｎｅｗｓ／ｏｆｆｉｃｉａｌ．ｄａｔａ／ｄａｔａ．ｄｉｒ／ｊｎ１００９２４−４／ｊｎ１００９２４−４．ｈｔｍｌ＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、従来の冷却装置では、バーンアウトの発生は防止可能であるが、冷却液の流れを作る必要があるので、装置の構成が煩雑になるという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、パワー半導体素子を絶縁性の冷却液に浸して冷却する冷却装置において、簡素な構成で冷却対象のバーンアウトの発生を防止することができるものを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の発明は、パワー半導体チップの発熱領域を、金属部材で覆って絶縁性の冷却液の中に浸して前記冷却液の沸騰により冷却を行う冷却装置である。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の冷却装置において、前記金属部材は、前記パワー半導体チップに接続されているビームリードの一部である冷却装置である。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の冷却装置において、前記冷却液が気化したことで発生した気泡の前記金属部材からの乖離を促すために、前記金属部材の表面が荒らされている冷却装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ワー半導体素子を絶縁性の冷却液に浸して冷却する冷却装置において、簡素な構成で冷却対象のバーンアウトの発生を防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る冷却装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の別の実施形態に係る冷却装置の概略構成を示す図である。
【図３】パワー半導体チップとビームリードとを基板に設置した状態を示す斜視図である。
【図４】ビームリードの荒らした表面を示す図である。
【図５】従来の冷却装置を示す図である。
【図６】従来の冷却装置を示す図である。
【図７】従来の冷却装置を示す図である。
【図８】従来の冷却装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態に係る冷却装置（沸騰冷却システム）１は、図１で示すように、絶縁性の冷却液３に浸して冷却液３の沸騰により、冷却対象物（たとえば、パワー半導体チップ）５を、金属部材７を介して冷却するものである。
【００１７】
パワー半導体チップ５として、たとえば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ；Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、ＦＷＤ（フリーホイールダイオード；Ｆｒｅｅｗｈｅｅｌ  Ｄｉｏｄｅ）が採用されている。
【００１８】
パワー半導体チップ５は、コレクタ１７等の電極が、基板９に設けられている導体パターン（配線パターン）１１にハンダ１３を介して接続されている。
【００１９】
金属部材７は、パワー半導体チップ５の発熱領域（エミッタ２９等の電極）のたとえば総てを覆っている。冷却装置１では、パワー半導体チップ５、金属部材７、基板９、ハンダ１３等が冷却液３に浸されている。
【００２０】
さらに説明すると、パワー半導体チップ５の発熱領域が板状の金属部材（金属板）７で覆われており、パワー半導体チップ５の発熱領域で発した熱が金属板７を伝導して冷却液３に伝わるようになっている。冷却液３が接している金属板７の表面では、パワー半導体チップ５で発生し金属板７を伝導してきた熱によって冷却液３が沸騰し、主に、冷却液３の気化熱によって、金属板７から熱量が奪われる（熱の放散がされる）ようになっている。そして、金属板７を介してパワー半導体チップ５が冷却されるようになっている。なお、金属板７の表面から熱伝導によっても、冷却液３に熱が放散されるようになっている。
【００２１】
また、図１で示すように、冷却装置１は、箱状の筐体１５の中に、パワー半導体チップ５等と冷却液３を入れてある。平板状の基板９は厚さ方向が上下方向になるようにして筐体１５の底部に設置されている。
【００２２】
基板９の上面には、配線パターン１１が設けられている。配線パターン１１の上面には、層状のハンダ１３が設けられており、ハンダ１３には、平板状のパワー半導体チップ５が設けられている。これにより、パワー半導体チップ５がハンダ１３によって基板９に一体的に設置されている。なお、パワー半導体チップ５は、この厚さ方向が上下方向になっており、パワー半導体チップ５の下面に設けられているコレクタ１７等の電極がハンダ１３を介して基板９上面の配線パターン１１に電気的に接続されている。
【００２３】
パワー半導体チップ５の上面の一部には、ゲート１９等の電極が設けられており、ゲート１９からボンディングワイヤ２１等の配線が延びている。また、パワー半導体チップ５の上面の他の部位（エミッタ２９等の部位）が、層状のハンダ２３を介して金属板７で覆われている。
【００２４】
基板９、ハンダ１３，２３、パワー半導体チップ５、金属板７、ボンディングワイヤ２１が、筐体１５内の冷却液３に浸されている。そして、パワー半導体チップ５で発生した熱が、ハンダ２３と金属板７とを伝わって、金属板７の上面から冷却液３に放散されることで、パワー半導体チップ５が冷却されるようになっている。
【００２５】
ところで、図２や図３で示すように、金属部材７が、パワー半導体チップ５に接続されているビームリード２５の一部（パワー半導体チップ接続部位）２７で構成されていてもよい。
【００２６】
詳しく説明すると、ビームリード２５は、銅等の板状の金属の素材を適宜折り曲げることで生成されている。
【００２７】
図２で示す冷却装置１も、図１で示す冷却装置１と同様に、箱状の筐体１５を備えて構成されている。筐体１５の底部には、平板状の基板９が設置されている。基板９の厚さ方向が上下方向になっている。基板９の上面には、配線パターン１１（１１Ａ，１１Ｂ）が設けられている。
【００２８】
配線パターン１１Ａの上面には、層状のハンダ１３を介してパワー半導体チップ５が設置されている。パワー半導体チップ５は平板状に形成されており、厚さ方向が上下方向になっている。
【００２９】
パワー半導体チップ５の下面に設けられているコレクタ１７等の電極がハンダ１３を介して配線パターン１１Ａに電気的に接続されている。
【００３０】
パワー半導体チップ５の上面には、エミッタ２９やゲート１９等の電極が設けられている。ゲート１９からボンディングワイヤ２１等の配線が延びている。また、パワー半導体チップ５のエミッタ２９が、層状のハンダ２３を介してビームリード２５の部位（一端部）２７で覆われている。ビームリード２５の部位２７は、平板状に形成されており、厚さ方向が上下方向になっており、ハンダ２３を介してエミッタ２９の全体を覆っている。
【００３１】
ビームリード２５の他端部３１は、平板状に形成されており、厚さ方向が上下方向になっており、ハンダ３３を介して配線パターン１１Ｂに電気的に接続されている。ビームリード２５の中間部３５は、各端部２７，３１よりも上側に位置している。
【００３２】
また、ビームリード２５の一端部２７の表面（上面；パワー半導体チップ５側の面とは反対側の面）は、図４で示すように、冷却液３が気化したことで発生した気泡（泡）３７の一端部２７（金属部材７でもよい。）からの乖離を促すために、荒らされている（一端部２７の上面に微細な凹凸が形成されている）。
【００３３】
また、金属部材７（ビームリード２５の一端部２７）の厚さの値は、金属部材７の表面にできる最大の大きさ気泡（半球状もしくは球状等の気泡）の直径の値Ｄの、√２／２倍（約０．７１倍）よりも大きな値になっていることが望ましい。なお、金属部材７（ビームリード２５の一端部２７）の厚さの値と、ハンダ２３の厚さの値との和が、金属部材７の表面にできる最大の大きさ気泡の直径の値Ｄの、約０．７１倍より大きな値になっていてもよい。
【００３４】
冷却装置１によれば、冷却液３の流れをつくることなく、パワー半導体チップ５の発熱領域を金属部材７で覆って絶縁性の冷却液３の中に浸してあるだけなので、従来のものに比べて構成が簡素になっている。
【００３５】
また、冷却装置１によれば、パワー半導体チップ５の発熱領域を、金属部材７で覆って絶縁性の冷却液３の中に浸してあるので、バーンアウトが起きにくくなる。
【００３６】
すなわち、パワー半導体チップ５が冷却液３に直接さらされる構成であると、パワー半導体チップ５の表面に気泡（冷却液が気化したもの）３７ができてこの気泡（熱伝導率が悪い気泡）３７が動かないと、パワー半導体チップ５が局所的に高温になり、パワー半導体チップ５が壊れてしまう。
【００３７】
しかし、冷却装置１によれば、冷却液３が接している金属板７の面（上面）の一部（局所）で冷却液３が沸騰して気泡３７になり、この気泡３７が動かないと金属板７の上面の一部が高温になるが、金属板７の上面の一部が高温になっても、金属板７の他の箇所からの熱伝導ですぐさま金属板７が冷却されるので、金属板７の下面（パワー半導体チップ５側の面）の温度はほぼ均一になる。したがって、パワー半導体チップ５の一部が高温になることがなく、パワー半導体チップ５が壊れてしまうことを防止することができる。
【００３８】
また、冷却装置１によれば、冷却のための別途金属部材を設けることなく、パワー半導体チップ５と基板９の回路パターン１１Ａとをお互いに接続しているビームリード２５が冷却液３とパワー半導体チップ５と間に存在してパワー半導体チップ５を冷却するので、装置の構成が一層簡素化されている。
【００３９】
なお、ビームリード２５の一部２７は、発熱部（ＩＧＢＴのエミッタ２９）の部位のみしか覆っておらず、ゲート１９のところ等は覆っていないが、エミッタ２９以外の部分からの発熱量は少ないので、パワー半導体チップ５におけるバーンアウトの心配はない。
【００４０】
また、冷却装置１によれば、金属部材７の表面が荒らされているので、金属部材７の表面から泡３７が乖離しやすくなり、金属部材７を介してパワー半導体チップ５を一層確実に冷却することができ、パワー半導体チップ５でのバーンアウトの発生を防止することができる。また、金属部材７の表面での突沸を避けることができる。
【００４１】
なお、金属部材７の表面を荒らすことは一般的には困難であるが、金属部材７をビームリード２５で構成すれば、表面を荒らすことは容易になる。すなわち、金型を用いたプレス成形等によりビームリード２５が生成されるときにビームリード２５の表面を荒らすことは、容易だからである。
【符号の説明】
【００４２】
１  冷却装置
３  冷却液
５  パワー半導体チップ
７  金属部材
２５  ビームリード
２７  一部（ビームリードの一端部）
３７  気泡（泡）
【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】
2015065200.tif 000008
【図７】
2015065200.tif 000009
【図８】
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