(57)【要約】【課題】本発明は冷却装置を用いて半導体素子を冷却する半導体装置に関し、低コストを図りつつ半導体素子を高い効率で冷却することを課題とする。【解決手段】半導体素子２０と冷却装置３０Ａとを有する半導体装置において、冷却装置３０Ａの半導体素子２０の搭載位置の下方に断面積が均一な冷却水路３３が設けられ、この冷却水路３３の半導体素子２０の搭載位置の上流側のみに渦発生体４０Ａを設ける。【選択図】図４
2008091700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
該半導体素子が搭載されると共に、該半導体素子の搭載位置の下方に断面積が均一な冷却水路が設けられ、該冷却水路の前記半導体素子の搭載位置の上流側のみに突起を設けた冷却装置と
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記冷却装置は、前記半導体素子が搭載される上部冷却ケースと、該上部冷却ケースの下部に配設されて前記冷却水路を形成する下部冷却ケースとを有し、
かつ、前記突起を前記上部冷却ケースに設けたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記冷却装置は、前記半導体素子が搭載される上部冷却ケースと、該上部冷却ケースの下部に配設されて前記冷却水路を形成する下部冷却ケースと、前記冷却水路内に冷却水の流れ方向に延在するよう設けられた冷却フィンとを有し、
かつ、前記突起を前記冷却フィンに設けたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に係り、特に冷却装置を用いて半導体素子を冷却する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばハイブリッド車や電気自動車等では、バッテリの直流電力とモータ／発電機における交流電力との間の変換のためにインバータとして機能する半導体装置が搭載されている。この半導体装置を構成する半導体素子は稼動する際に高熱を発生するため、冷却装置を用いて冷却することが行われている。また、冷却装置としては空冷タイプのものと水冷のものがあるが、上記のような発熱量が大きい半導体素子では冷却効率の高い冷却水タイプの冷却装置が用いられる。
【０００３】
この種の冷却装置を有した従来の半導体装置としては、例えば特許文献１の開示されたものがある。この半導体装置は、半導体素子の下に冷却装置を構成する冷却通路が設けられており、またこの冷却水路の半導体素子の搭載位置下方には複数の突起が形成されている。このように、冷却水が流れる冷却水路内に多数の突起を形成することにより、冷却水に渦流が発生し、半導体素子の冷却効率を高めることができる。
【特許文献１】特開２００６−００４９６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の半導体装置は、半導体素子に対する冷却効率を高めるため、半導体素子の搭載位置の略全体にわたり冷却水路内に突出する多数の突起を形成した構成としていたため、冷却装置のコストが高くなってしまうという問題点があった。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、低コストを図りつつ半導体素子を高い効率で冷却することを可能とした半導体装置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】
【０００６】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【０００７】
請求項１記載の発明に係る半導体装置は、
半導体素子と、
該半導体素子が搭載されると共に、該半導体素子の搭載位置の下方に断面積が均一な冷却水路が設けられ、該冷却水路の前記半導体素子の搭載位置の上流側のみに突起を設けた冷却装置とを有することを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載の半導体装置において、
前記冷却装置は、前記半導体素子が搭載される上部冷却ケースと、該上部冷却ケースの下部に配設されて前記冷却水路を形成する下部冷却ケースとを有し、
かつ、前記突起を前記上部冷却ケースに設けたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項３記載の発明は、
請求項１記載の半導体装置において、
前記冷却装置は、前記半導体素子が搭載される上部冷却ケースと、該上部冷却ケースの下部に配設されて前記冷却水路を形成する下部冷却ケースと、前記冷却水路内に冷却水の流れ方向に延在するよう設けられた冷却フィンとを有し、
かつ、前記突起を前記冷却フィンに設けたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、半導体素子の上流側のみに突起を設けるだけで渦流が発生し、半導体素子の冷却能力が向上する。従って、渦流を発生させるための構成が単純になり、半導体装置のコスト低減及び小型化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。
【００１２】
図１乃至図３は、本発明の第１実施例である半導体装置１０Ａを示している。図１は半導体装置１０Ａの平面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図であり、また図３は図１におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【００１３】
本実施例に係る半導体装置１０Ａは、冷却装置３０Ａに複数の半導体素子２０が実装された構成とされている。半導体素子２０は、例えばハイブリッド車や電気自動車等においてバッテリの直流電力とモータ／発電機における交流電力とを変換するインバータとして機能する絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（ＩＧＢＴ）等のパワー素子である。このＩＧＢＴ等のパワー素子は、稼働時時に高温を発生する。このため、本実施例では、半導体素子２０を冷却装置３０Ａに搭載（実装）して冷却する構成としている。
【００１４】
半導体素子２０は、絶縁基板２１を介して冷却装置３０Ａ上に搭載されている。絶縁基板２１は、例えば、セラミック（例えば窒化アルミニウムや窒化珪素）等の絶縁材料で形成された絶縁層の両面に、銅やアルミニウムなどの金属層を設けて構成されており、上面側の金属層には電極が形成されている。
【００１５】
この絶縁基板２１は、後述する上部冷却ケース３１の上面に対してはんだ付けで接合されている。この際、絶縁基板２１上に搭載された半導体素子２０は２個を一組として、図１に矢印Ｌで示す所定の間隔（後述する冷却水路３３が曲がっている部分を除く）で配設されている。
【００１６】
冷却装置３０Ａは、高熱を発生する半導体素子２０を冷却する機能を奏するものである。この冷却装置３０Ａは、大略すると上部冷却ケース３１、下部冷却ケース３２、冷却水路３３、及び渦発生体４０Ａ等により構成されている。
【００１７】
上部冷却ケース３１及び下部冷却ケース３２は、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属により形成されている。この上部冷却ケース３１と下部冷却ケース３２は、溶接又ははんだ付けにより接合されて一体化し、上部冷却ケース３１を構成する。
【００１８】
この上部冷却ケース３１及び下部冷却ケース３２の双方、又はいずれか一方の内側には凹部が形成されており、よって上部冷却ケース３１と下部冷却ケース３２とを接合することにより、冷却装置３０Ａの内部には冷却水路３３が形成される。この冷却水路３３は、本実施例では略Ｕ字形状を有しており、冷却水５０が流入口３４から流入し、流出口３５から排出される構成とされている。この冷却水路３３は、Ｕ字状に折り曲がった部分を除いて、その断面積は略均一となるよう構成されている。
【００１９】
また、冷却水路３３には渦発生体４０Ａとなる突起が形成されている。この渦発生体４０Ａは、上部冷却ケース３１の冷却水路３３を構成する凹部内に突出形成されている。また、渦発生体４０Ａの形状は、本実施例では図４、図５、及び図９（Ａ）に示すように、断面が二等辺三角形とされた三角柱形状とされている。
【００２０】
この渦発生体４０Ａは、冷却水路３３の半導体素子２０の搭載位置の上流側にのみに配設された構成とされている。この渦発生体４０Ａの配設位置について、更に詳述する。本実施例では、２個の半導体素子２０が１対（以下、半導体素子対という）となり、合計で８対（合計１６個）が冷却装置３０Ａ上に搭載されている。この各半導体素子対は、冷却装置３０Ａの冷却水路３３の形成位置の上部に搭載位置が設定されている。
【００２１】
渦発生体４０Ａは、各半導体素子対に対し１個のみ設けられた構成とされている。よって、本実施例においては、渦発生体４０Ａは半導体素子対の数と等しい８個形成されている。また、渦発生体４０Ａの幅寸法（冷却水５０の流れ方向に対して直交する方向）は、半導体素子対の幅寸法と略同じ長さとされている。この幅寸法は、図３に示すように、冷却水路３３の幅寸法と略等しい長さとなる。更に、各渦発生体４０Ａの配設位置は、各半導体素子対の搭載領域で、冷却水５０の流れ方向に対して上流側にのみ配設された構成とされている。
【００２２】
続いて、上記構成とされた半導体装置１０Ａにおいて、渦発生体４０Ａの作用効果について、図４乃至図６を主に用いて説明する。
【００２３】
ここでは、説明の便宜上、流入口３４から流入した冷却水５０が最初に渦発生体４０Ａを通過する場合について説明する。冷却水５０は、流入口３４から冷却水路３３内に流入する。この時、冷却水５０の流れは層流であり、熱伝達率は高くない。
【００２４】
いま仮に、冷却水路３３内に渦発生体４０Ａが存在しない構成を想定すると、断面積が略一定である冷却水路３３では、冷却水５０が冷却水路３３内をその内壁に対して平行に流れる平行流冷却では、上流側から冷却水路３３の内壁との境界面に沿って冷却水５０の流れが低下し、熱伝達が低下する層（温度境界層）が形成され、冷却効率が悪化してしまう。
【００２５】
しかしながら、本実施例に係る半導体装置１０Ａは、冷却水路３３内に渦発生体４０Ａが設けられているため、冷却水５０が渦発生体４０Ａを通過すると、渦発生体４０Ａのすぐ下流部分に図４に示すような周期的な渦５１が発生する。このように渦５１が発生することにより温度境界層は破壊され、これにより渦５１の発生領域（図４に矢印Ｘで示す領域）における冷却効率を高めることができる。
【００２６】
本実施例では、渦発生体４０Ａの配設数は各半導体素子対に対して１本であるが、この渦発生体４０Ａにより発生する渦５１の発生領域、即ち冷却効率が高まる領域は半導体素子２０の搭載位置の直下位置となる。このため、１本の渦発生体４０Ａであっても高い効率を持って半導体素子２０を冷却することが可能となる。
【００２７】
図６は、渦発生体４０Ａを設けた際、冷却水路３３内における熱伝達率（W/m2K）の変化を示している。同図おいて横軸は冷却水路３３内の位置を示しており、渦発生体４０Ａは基準位置（０ｍｍ）から１５ｍｍ離間した位置に設けられている。また、同図において縦軸は熱伝達率を示している。尚、同図では、渦発生体４０Ａを設けない従来の熱伝達率についても合わせて示している。また、冷却水５０としてはLLC（エンジン冷却水）５０％水を用い、その温度は室温とした。
【００２８】
同図に示すように、渦発生体４０Ａを設けない従来の構成では、冷却水路の全域において熱伝達率は4000W/m2K程度である。半導体素子２０に対して有効な冷却を行うためには、熱伝達率は8000W/m2K以上であることが望ましい。よって、渦発生体４０Ａを設けない従来の構成では、半導体素子２０を有効に冷却することができない。
【００２９】
これに対して本実施例のように冷却水路３３に渦発生体４０Ａを設けた構成では、渦発生体４０Ａが形成された１５ｍｍの位置から約３５ｍｍの位置の範囲（約２０ｍｍの範囲）において、熱伝達率が冷却の目標値となる8000W/m2Kを越すか、或いは略同じ値となっている。即ち、渦発生体４０Ａを設けることにより、約２０ｍｍの範囲の熱伝達率を8000W/m2Kとすることができる。また、本発明者は、図６に示す条件と同一の条件で、渦５１を可視する実験を行ったところ、この熱伝達率が上昇する範囲と、渦５１が発生する領域は略一致していることが分かった。
【００３０】
このように本実施例に係る半導体装置１０Ａによれば、半導体素子２０の上流側のみに１本の渦発生体４０Ａ（突起）を設けるだけで渦流が発生し、半導体素子２０の搭載領域における温度境界層が破壊され、半導体素子２０の冷却能力が向上する。従って、渦流を発生させるための構成が単純になり、半導体装置１０Ａのコスト低減及び小型化を図ることが可能となる。
【００３１】
また、上記のように渦発生体４０Ａを設けることにより熱伝達率は向上して放熱特性は向上するものの、渦発生体４０Ａは冷却水路３３の内部に突出するよう設けられるため、渦発生体４０Ａを設けることにより冷却水５０の圧力損失も大きくなる。冷却水５０の圧力損失が大きくなると冷却水５０の流速が遅くなり、また流速を維持するためには冷却水５０を流すポンプの出力を高める必要が生じる。よって、冷却効率を得ながら、かつ圧力損失の増加を抑える必要がある。
【００３２】
このためには、図４に示すように渦発生体４０Ａの冷却水路３３内への突出量をＨとし、冷却水路３３の高さをＤとした場合、その比（Ｈ／Ｄ）が0.25〜0.5となるよう設定することが望ましい。本発明者の実験では、この比（Ｈ／Ｄ）を0.25〜0.5とすることにより、熱伝達率及び圧力損失の大きな損失を抑制することができ、半導体素子２０の冷却を良好に行うことができた。
【００３３】
尚、上記した実施例では、渦発生体４０Ａの形状を断面が二等辺三角形の三角柱形状とした例を示した。しかしながら、渦発生体の形状はこれに限定されるものではない。図９（Ｂ）〜（Ｅ）に示すような各種形状の渦発生体４０Ｂ〜４０Ｆとすることが可能である。また、このように渦発生体４０Ｂ〜４０Ｆの形状を変化することにより、渦発生体４０Ｂ〜４０Ｆの下流側に発生する渦５１の発生状態を可変することができる。
【００３４】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００３５】
図７及び図８は、第２実施例である半導体装置１０Ｂを示している。尚、図７及び図９８において、第１実施例に係る半導体装置１０Ａの説明に用いた図１乃至図６に示した構成と対応する構成については、同一符号を付してその説明を省略するものとする。
【００３６】
前記した第１実施例に係る半導体装置１０Ａは、冷却装置３０Ａを構成する上部冷却ケース３１に形成された冷却水路３３に渦発生体４０Ａを突出するよう形成し、これにより渦５１を発生する構成とした。
【００３７】
これに対して本実施例に係る半導体装置１０Ｂは、冷却水路３３に複数の冷却フィン６０を形成し、この冷却フィン６０に渦発生体４０Ｂを突出するよう形成いたことを特徴とするものである。図８は、１つの渦発生体４０Ｂを拡大して示す図である。同図に示すように、渦発生体４０Ｂは平板状の冷却フィン６０に渦発生体４０Ｂを突出するよう形成した構成を有している。
【００３８】
この冷却フィン６０は、図７に示すように、冷却水路３３内に立てた状態で複数枚が平行に立設された構成とされている。よって冷却水５０は、この立設された複数の冷却フィン６０の間を流れる構成とされている。また、渦発生体４０Ｂは、冷却水５０の流れ方向に対して直交する方向に形成されている。
【００３９】
また、第１実施例に係る半導体装置１０Ａと同様に、渦発生体４０Ｂは冷却水路３３の半導体素子２０の搭載位置の上流側にのみに配設された構成とされている（図７（Ｂ）参照）。具体的には、冷却水路３３内に配設された複数の冷却フィン６０の各々において、渦発生体４０Ｂは各半導体素子対に対し１個のみ設けられた構成とされている。また、渦発生体４０Ｂの幅寸法（冷却水５０の流れ方向に対して直交する方向）は、冷却フィン６０の幅寸法（冷却水路３３の高さＤと等価）と略同じ長さとされている。
【００４０】
上記構成とされた渦発生体４０Ｂを冷却水路３３内に配設することにより、冷却水５０が渦発生体４０Ｂを通過すると、渦発生体４０Ｂのすぐ下流部分に第１実施例と同様に周期的な渦５１が発生する。そして、渦５１が発生することにより、冷却水路３３内に形成されている温度境界層は破壊され、これにより渦５１の発生領域（図４に矢印Ｘで示す領域）における冷却効率が上昇する。
【００４１】
本実施例においても渦発生体４０Ｂの配設数は各半導体素子対に対して１本であるが、この渦発生体４０Ｂにより発生する渦５１の発生領域（冷却効率が高まる領域）は半導体素子２０の搭載位置の直下位置となる。このため、本実施例に係る半導体装置１０Ｂにおいても、１本の渦発生体４０Ａで半導体素子２０を確実に冷却することが可能となる。よって、本実施例に係る半導体装置１０Ｂでも、半導体素子２０の上流側のみに１本の渦発生体４０Ａ（突起）を設けるだけで半導体素子２０の冷却能力を向上させることができ、渦流を発生させるための構成が単純になり、半導体装置１０Ｂのコスト低減及び小型化を図ることが可能となる。
【００４２】
尚、上記した各実施例では、半導体装置１０Ａ，１０Ｂをハイブリッド車等の電力変換のために使用した例を示したが、本願発明の適用はこれに限定されるものではなく、各種の発熱素子の冷却に広く利用可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、本発明の第１実施例である半導体装置の平面図である。
【図２】図２は、図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】図３は、図２におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図４】図４は、渦発生体による渦の発生状態を説明するための図である。
【図５】図５は、渦発生体の斜視図である。
【図６】図６は、渦発生体を設けた場合の冷却水路内の熱伝達率分布を示す図である。
【図７】図７は、本発明の第２実施例である半導体装置を説明するための図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は図７（Ａ）におけるＡ−Ａ線に沿う断面図、（Ｃ）は図７（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図８】図８は、第２実施例である半導体装置の冷却ファンを拡大して示す斜視図である。
【図９】図９は、渦発生体の各種変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０Ａ，１０Ｂ  半導体装置
２０  半導体素子
２１  絶縁基板
３０Ａ，３０Ｂ  冷却装置
３１  上部冷却ケース
３２  下部冷却ケース
３３  冷却水路
４０Ａ〜４０Ｆ  渦発生体
５０  冷却水
５１  渦
６０  冷却フィン
【図１】
2008091700.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2008091700.tif 000006
【図５】
2008091700.tif 000007
【図６】
2008091700.tif 000008
【図７】
2008091700.tif 000009
【図８】
2008091700.tif 000010
【図９】
2008091700.tif 000011