(57)【要約】【課題】従来の半導体装置では、冷却器の冷媒流路内におけるフィンの冷媒の流通方向と略直交する方向への配置ピッチを半導体素子からの距離に応じて異ならせた場合、大ピッチでフィンが配置された半導体素子近くの冷媒流路の冷媒の流れが層流となり熱伝達率が低くなって大きな冷却性能が得られない場合がある。【解決手段】ＩＧＢＴ素子２０が一面側に実装された基板１０と、基板が接合される筐体５１の内部に冷媒流路５１ａが形成されるとともに、冷媒流路における冷媒流通方向に沿う方向に配置され冷媒流路を区画するフィン５２が、冷媒の流通方向と略直交する方向に複数設けられた冷却器５０とを備え、前記フィンの冷媒の流通方向と略直交する方向への配置ピッチが、ＩＧＢＴ素子からの距離に応じて異なる半導体装置１であって、ＩＧＢＴ素子の近傍に配置されるフィンの側面に、冷媒の流れの乱流発生を促進する乱流発生促進部となる突起部５２ａを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上の半導体素子が一面側に実装された基板と、
前記基板が接合される筐体の内部に冷媒流路が形成されるとともに、前記冷媒流路における冷媒流通方向に沿う方向に配置され前記冷媒流路を区画するフィンが、前記冷媒の流通方向と略直交する方向に複数設けられた冷却器とを備え、
前記フィンの、冷媒の流通方向と略直交する方向への配置ピッチが、前記半導体素子からの距離に応じて異なる半導体装置であって、
前記半導体素子の近傍に配置されるフィンの側面に、前記冷媒の流れの乱流発生を促進する乱流発生促進部を備える、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記乱流発生促進部は、前記フィン側面から突出し、その突出量が冷媒流通方向の上流側から下流側にかけて漸次増加していく複数の突起からなる、
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】
前記乱流発生促進部は、前記フィンの側面を貫通する複数の孔からなる、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記乱流発生促進部は、前記フィンの側面における、冷媒の流通方向と略直交する方向に形成される複数のスリットからなる、
ことを特徴とする請求項１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、１以上の半導体素子が一面側に実装された基板と、前記基板が接合される筐体の内部に冷媒流路が形成されるとともに、前記冷媒流路における冷媒流通方向に沿う方向に配置され前記冷媒流路を区画するフィンが、前記冷媒の流通方向と略直交する方向に複数設けられた冷却器とを備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車等に用いられるインバータ装置等の半導体装置においては、大電流が流れるＩＧＢＴ等のパワー半導体素子が備えられており、該パワー半導体素子は電流が流れた際に発熱するため、半導体装置に冷却器を付設してパワー半導体素子を冷却することが行われている。
前記冷却器は、前記パワー半導体素子が実装される基板が接合された筐体を備えており、該筐体内部には冷媒が流通する冷媒流路が形成されている。
前記冷却器の冷媒流路内には、冷媒流通方向に沿う方向に配置され前記冷媒流路を区画するフィンが、前記冷媒の流通方向と略直交する方向に複数設けられており、パワー半導体素子を効率良く冷却するように構成されている。
【０００３】
近年は、前記半導体装置の高出力化が進むに従って発熱量が増大する傾向にあるため、前述のように構成される冷却器においては、冷却効率の向上が求められている。
冷却効率を向上するためには、例えば、冷媒流路を流れる冷媒の流速を大きくすることが考えられるが、冷媒の流速を大きくすると冷媒流路における圧損が大きくなってしまうため、冷媒を循環させるポンプとして最大吐出圧力が大きなものを使用する必要が出てくる。
【０００４】
しかし、実際に用いることができるポンプの最大吐出圧力性能には限界があるため、大きな能力を備えたポンプを用いることなく冷却効率を向上することができる冷却器が考案されている（特許文献１参照）。
つまり、前記冷媒流路内に配置される前記フィンの、冷媒の流通方向と略直交する方向への配置ピッチを、パワー半導体素子の近くに位置するフィンでは大きく、パワー半導体素子から遠くに位置するフィンでは小さくするといったように、パワー半導体素子からの距離に応じて異ならせ、パワー半導体素子の近くでは冷媒の流速を大きくして冷媒の流量を増大させ冷却効率を向上する一方、パワー半導体素子から遠く離れた位置では流速を小さくして冷媒の流量を減少させ冷却効率を抑えるようにしている。
【０００５】
例えば、図７に示す半導体装置１０１は、パワー半導体素子であるＩＧＢＴ素子１２０およびダイオード素子１３０が一面側に実装された基板１１０と、前記基板１１０が接合される筐体１５１の内部に冷媒流路１５１ａが形成されるとともに、前記冷媒流路１５１ａにおける冷媒流通方向に沿う方向に配置され前記冷媒流路１５１ａを区画するフィン１５２・１５２・・・が、前記冷媒の流通方向と略直交する方向（図７における左右方向）に複数設けられた冷却器１５０とを備え、前記フィン１５２・１５２・・・の、冷媒の流通方向と略直交する方向への配置ピッチが、前記ＩＧＢＴ素子１２０からの距離に応じて異なっている半導体装置である。
そして、前記ＩＧＢＴ素子１２０の近くに配置されるフィン１５２・１５２・・・の配置ピッチを大ピッチとして冷媒の流速を大きくし、冷媒の流量を増大させて冷却効率を向上させている。その一方で、ＩＧＢＴ素子１２０から遠く離れた位置ではフィン１５２・１５２・・・の配置ピッチを小ピッチとして流速を小さくし、冷媒の流量を減少させ冷却効率を抑えている。
【０００６】
このように、冷媒流路全体の冷却能力を一様に高めるのではなく、冷却が必要なパワー半導体素子の近くの冷却能力を他より高めることで、圧損が大きくなる箇所をパワー半導体素子の近くのみとして冷媒流路全体としては圧損を低下させつつ、冷却効率を向上させるようにしている。
【特許文献１】特開２００６−８０２１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記冷媒流路内を流れる冷媒により冷却を行う場合、その冷却性能を表わす一つの指標として熱伝達率が挙げられるが、前記熱伝達率は、冷媒流路内を流れる冷媒のレイノルズ数の大きさにより決定される。
具体的には、前記レイノルズ数は、一般的な管形状に形成された冷媒流路内を流れる冷媒の流速や前記フィンにて区画される冷媒流路の幅等により決定され、レイノルズ数が小さい領域では前記冷媒の流れが層流となって低い熱伝達率を示し、レイノルズ数が大きい領域では前記冷媒の流れが乱流となって高い熱伝達率を示すこととなる。
【０００８】
しかし、前述のように、冷媒流路内に配置される前記フィンの冷媒の流通方向と略直交する方向への配置ピッチを、パワー半導体素子からの距離に応じて異ならせた構成とした場合、大きなピッチでフィンが配置されたパワー半導体素子近くの冷媒流路における冷媒の流れが、冷媒の流速や冷媒流路幅等によっては層流となることがあって、低い熱伝達率しか得られず大きな冷却性能を得ることができない場合がある。
【０００９】
そこで、本発明においては、一般的な管形状に形成された冷媒流路内における冷媒の流れでは層流になるような小さなレイノルズ数の領域においても、前記冷媒の流れを乱流に遷移させて高い熱伝導率を得るこことができ、冷却性能を向上させることができる冷却器を備えた半導体装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する半導体装置は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、１以上の半導体素子が一面側に実装された基板と、前記基板が接合される筐体の内部に冷媒流路が形成されるとともに、前記冷媒流路における冷媒流通方向に沿う方向に配置され前記冷媒流路を区画するフィンが、前記冷媒の流通方向と略直交する方向に複数設けられた冷却器とを備え、前記フィンの、冷媒の流通方向と略直交する方向への配置ピッチが、前記半導体素子からの距離に応じて異なる半導体装置であって、前記半導体素子の近傍に配置されるフィンの側面に、前記冷媒の流れの乱流発生を促進する乱流発生促進部を備える。
【００１１】
また、請求項２記載の如く、前記乱流発生促進部は、前記フィン側面から突出し、その突出量が冷媒流通方向の上流側から下流側にかけて漸次増加していく複数の突起からなる。
【００１２】
また、請求項３記載の如く、前記乱流発生促進部は、前記フィンの側面を貫通する複数の孔からなる。
【００１３】
また、請求項４記載の如く、前記乱流発生促進部は、前記フィンの側面における、冷媒の流通方向と略直交する方向に形成される複数のスリットからなる。
【００１４】
以上のような構成とすることで、半導体素子の近傍に配置される冷媒流路の幅寸法や冷媒の流速が、該冷媒流路内を流通する冷媒の流れが層流となるような条件であった場合でも、該冷媒流路内を流通する冷媒の流れが、前記乱流発生促進部により乱流化されて、高い熱伝達率を有するようになり、前記半導体素子の近傍の冷却効率を高めることが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、半導体素子の近傍に配置される冷媒流路内を流通する冷媒の流れが、前記乱流発生促進部により乱流化されて、高い熱伝達率を有するようになり、前記半導体素子の近傍の冷却効率を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。
【００１７】
図１に示す半導体装置１は、半導体素子であるＩＧＢＴ素子２０およびダイオード素子３０が一面側に実装された基板１０と、筐体５１の内部に冷媒が流通する空間となる冷媒流路５１ａが形成された冷却器５０とを備えており、前記基板１０は、その他面側が冷却器５０の上面にはんだ４０を介して接合されている。
【００１８】
前記冷却器５０の冷媒流路５１ａ内には、該冷媒流路５１ａにおける冷媒流通方向（図１における紙面奥方向）に沿う方向に配置され前記冷媒流路５１ａを区画するフィン５２・５２・・・が、前記冷媒の流通方向と略直交する方向（図１における左右方向）に複数設けられている。
【００１９】
本例においては、前記複数のフィン５２・５２・・・は、薄板状部材を凸凹に屈曲させて蛇腹状に形成した部材により一体的に構成されており、この蛇腹状に形成した薄板状部材が前記筐体５１内に封入されることにより、前記冷媒流路５１ａが複数に区画されている。
【００２０】
複数のフィン５２・５２・・・にて区画された各冷媒流路５１ａにおいては、その周囲の三面（左右面と上面、または左右面と下面）が前記フィン５２・５２・５２にて囲まれており、他の一面が筐体５１の内周面にて囲まれている。
このように、前記フィン５２・５２・・・にて区画される各冷媒流路５１ａ内には、図１における紙面手前側から奥方向に向って冷媒が流れている。
【００２１】
また、区画された各冷媒流路５１ａの左右に配置される各フィン５２・５２・・・の配置ピッチは、該フィン５２・５２・・・の配置位置によって異なっており、作動時の発熱量が大きいＩＧＢＴ２０の近くに位置するフィン５２・５２・・・の配置ピッチは相対的に他部の配置ピッチより大きく、前記ＩＧＢＴ２０から遠くに位置するフィン５２・５２・・・の配置ピッチは、前記ＩＧＢＴ２０の近くのフィン５２・５２・・・の配置ピッチよりも小さく設定されている。
【００２２】
図１においては、ＩＧＢＴ２０の実装位置に近い左右略中央部にフィン５２・５２・・・が配置されている範囲が大ピッチ領域Ｒａとなり、該大ピッチ領域Ｒａの左右両側の領域が小ピッチ領域Ｒｂとなっており、前記大ピッチ領域Ｒａにてフィン５２・５２・・・により区画されている冷媒流路５１ａの幅寸法が、小ピッチ領域Ｒｂにてフィン５２・５２・・・により区画されている冷媒流路５１ａの幅寸法に対して大きく構成されている。
【００２３】
図２に示すように、前記大ピッチ領域Ｒａに配置される各フィン５２・５２・・・の側面には、複数の突起部５２ａ・５２ａ・・・が形成されている。
前記突起部５２ａは、フィン５２の側面から冷媒流路５１ａ側へ突出し、その突出量が冷媒流通方向の上流側（図１における紙面手前側）から下流側（図１における紙面奥側）にかけて漸次増加していく形状に形成されている。
また、前記突起部５２ａは、該フィン５２における冷媒流路５１ａと接する側面に形成されている。
【００２４】
このように、側面に突起部５２ａ・５２ａ・・・が形成されている大ピッチ領域Ｒａのフィン５２・５２・・・に囲まれている冷媒流路５１ａ内においては、前記突起部５２ａ・５２ａ・・・により、流通する冷媒の流れの乱流化が促進されることとなる。
すなわち、前記冷媒流路５１ａ内を流通する冷媒の流れを前記突起部５２ａ・５２ａ・・・により積極的に乱すことで、例えば前記フィン５２の側面に突起部５２ａ・５２ａ・・・が形成されておらず、該側面が平坦であった場合には層流となる冷媒の流れが、乱流化されることとなる。
【００２５】
ここで、一般的に管路内を流れる流体が層流となるか乱流となるかは、その流体が有するレイノルズ数の大きさに応じて決定され、また、その流体の熱伝達率は、レイノルズ数の大きさに応じて決定される。
つまり、図３には、一般的な管路内を流れる流体の熱伝導率とレイノルズ数との関係を示しているが、あるレイノルズ数Ｒｅ辺りを境界として、レイノルズ数が概ねＲｅよりも小さい領域では流体の流れが層流となり、概ねＲｅよりも大きい領域では流体の流れが乱流となっており、レイノルズ数がＲｅの付近にある領域が層流から乱流への遷移領域となっている。
【００２６】
このように、レイノルズ数Ｒｅ付近の領域が層流と乱流との遷移領域となり、前記レイノルズ数Ｒｅよりも小さい領域が層流領域となり、該レイノルズ数Ｒｅよりも大きい領域が乱流領域となる特性は、前記突起部部５２ａ・５２ａ・・・が形成されていないフィン５２・５２・・・で囲まれた冷媒流路５１ａ内における冷媒の流れの場合も同様である。
つまり、前記フィン５２・５２・・・にて一般的な管状に区画される冷媒流路５１ａ・５１ａ・・・の幅等により決定される前記レイノルズ数は、レイノルズ数が小さい領域では前記冷媒の流れが層流となって低い熱伝達率を示し、レイノルズ数が大きい領域では前記冷媒の流れが乱流となって高い熱伝達率を示すこととなる。
【００２７】
従って、例えば、前記冷却器５０における大ピッチ領域Ｒａのフィン５２・５２・・・に囲まれた冷媒流路５１ａにおけるレイノルズ数の大きさ、および小ピッチ領域Ｒｂのフィン５２・５２・・・に囲まれた冷媒流路５１ａにおけるレイノルズ数の大きさが、図３における前記レイノルズ数Ｒｅ付近の遷移領域よりも小さい領域にある領域Ａの範囲内にあるときには、前記フィン５２・５２・・・に突起部５２ａ・５２ａ・・・が形成されていなければ、冷媒流路５１ａを流れる冷媒は層流となり、高い熱伝導率を得ることができない。
【００２８】
これに対し、前記フィン５２・５２・・・に突起部５２ａ・５２ａ・・・を形成した場合には、該突起部５２ａ・５２ａ・・・により冷媒の流れが乱されて乱流化が促進されることにより、図４に示すように、レイノルズ数と熱伝導率との関係における層流と乱流との遷移領域が、前記領域Ａよりも小さなレイノルズ数Ｒｅｘから、該領域Ａよりも大きなレイノルズ数Ｒｅｙまでの範囲にわたって存在することとなる。
【００２９】
つまり、前記突起部５２ａ・５２ａ・・・が形成された冷媒流路５１ａにおいては、該冷媒流路５１ａのレイノルズ数の大きさが前記領域Ａの範囲内にあった場合でも、該冷媒流路５１ａ内を流れる冷媒の流れは前記突起部５２ａ・５２ａ・・・により乱されるので、レイノルズ数の大きさが前記領域Ａの範囲にある冷媒流路５１ａ内を流れる冷媒の熱伝導率は、図４において前記遷移領域を示す点線にて示されるように、高い値を示すこととなる。
【００３０】
このように、本半導体装置１の冷却器５０においては、冷却が必要なＩＧＢＴ素子２０近傍の領域における冷媒流路５１ａの幅を大きく構成し、それ以外の冷却がそれほど必要でない領域における冷媒流路５１ａの幅を小さく構成して、圧損が大きくなる箇所をＩＧＢＴ素子２０近傍のみとし、冷却器５０における冷媒流路５１ａ全体としては圧損を低下させつつ、冷却効率を向上させるようにした冷却器に関して、前記ＩＧＢＴ素子２０近傍の領域となる大ピッチ領域Ｒａにおける冷媒流路５１ａを区画するフィン５２・５２・・・の側面に突起部５２ａ・５２ａ・・・を形成し、該大ピッチ領域Ｒａにおける冷媒流路５１ａ内を流通する冷媒の流れの乱流化を促進するように構成している。
【００３１】
すなわち、本半導体装置１の冷却器５０では、大ピッチ領域Ｒａにおける冷媒流路５１ａを区画するフィン５２・５２・・・の側面に、該冷媒流路５１ａ内を流れる冷媒の流れの乱流発生を促進する乱流発生促進部として機能する突起部５２ａ・５２ａ・・・を形成している。
【００３２】
これにより、大ピッチ領域Ｒａにおける冷媒流路５１ａの幅寸法や冷媒の流速が、該大ピッチ領域Ｒａにおける冷媒流路５１ａに突起部５２ａ・５２ａ・・・を形成しなかった場合に、該冷媒流路５１ａ内を流通する冷媒の流れが層流となるような条件であった場合でも、大ピッチ領域Ｒａにおける冷媒流路５１ａ内を流通する冷媒の流れが、前記突起部５２ａ・５２ａ・・・により乱流化されて、高い熱伝達率を有するようになり、該大ピッチ領域Ｒａにおける冷却効率をさらに高めることが可能となっている。
【００３３】
また、前記フィン５２の側面に形成する乱流発生促進部としては、前述の突起部５２ａ・５２ａ・・・のほか、次に示すようなものを用いることが可能である。
例えば、図５に示すように、フィン５２に、該フィン５２の側面を貫通する複数の孔５２ｂ・５２ｂ・・・を形成することができる。
【００３４】
この場合も、孔５２ｂ・５２ｂ・・・が形成されたフィン５２に囲まれた冷媒流路５１ａ内を流通する冷媒の流れが、前記孔５２ｂ・５２ｂ・・・により乱されて、冷媒の流れの乱流化が促進されることとなり、大ピッチ領域Ｒａにおける冷媒流路５１ａ内を流通する冷媒の熱伝達率を高めて、冷却効率をさらに高めることが可能となる。
このように、フィン５２に形成した複数の孔５２ｂ・５２ｂ・・・を、冷媒の流れの乱流発生を促進する乱流発生促進部として用いることもできる。
【００３５】
さらに、前記フィン５２の側面に形成する乱流発生促進部としては、次に示すようなものを用いることも可能である。
例えば、図６に示すように、フィン５２の側面に、複数のスリット５２ｃ・５２ｃ・・・を、冷媒流路５１ａ内を流通する冷媒の流通方向と略直交する方向に形成することができる。
【００３６】
この場合も、スリット５２ｃ・５２ｃ・・・が形成されたフィン５２に囲まれた冷媒流路５１ａ内を流通する冷媒の流れが、前記スリット５２ｃ・５２ｃ・・・により乱されて、冷媒の流れの乱流化が促進されることとなり、大ピッチ領域Ｒａにおける冷媒流路５１ａ内を流通する冷媒の熱伝達率を高めて、冷却効率をさらに高めることが可能となる。
このように、フィン５２に形成した複数のスリット５２ｃ・５２ｃ・・・を、冷媒の流れの乱流発生を促進する乱流発生促進部として用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】半導体装置を示す側面断面図である。
【図２】乱流発生促進部として突起部が形成されたフィンを示す斜視図である。
【図３】一般的な管路（側面に乱流発生促進部が形成されていない管路）を流れる流体のレイノルズ数と熱伝導率との関係を示す図である。
【図４】乱流発生促進部が形成されたフィンにより囲まれた冷媒流路内を流れる冷媒のレイノルズ数と熱伝導率との関係を示す図である。
【図５】乱流発生促進部として孔が形成されたフィンを示す斜視図である。
【図６】乱流発生促進部としてスリットが形成されたフィンを示す斜視図である。
【図７】従来の半導体装置を示す側面断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    半導体装置
１０    基板
２０    ＩＧＢＴ素子
３０    ダイオード素子
５０    冷却器
５１    筐体
５１ａ  冷媒流路
５２    フィン
５２ａ  突起部
【図１】
2008288330.tif 000003
【図２】
2008288330.tif 000004
【図３】
2008288330.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008288330.tif 000007
【図６】
2008288330.tif 000008
【図７】
2008288330.tif 000009