(57)【要約】 【課題】電子機器全体の小型軽量化を図るうえで有利となり、かつ、回路基板を分断する必要がなく、効率的に基板製造が可能な半導体装置の冷却装置と電子機器の冷却装置を提供する。【解決手段】パッケージ５に半導体素子４が収納された半導体装置２の冷却装置１１であって、パッケージ５における半導体素子４のベースプレート（半導体素子の固定プレート）６の裏面側の放熱面に突設された冷却フィン１３と、ベースプレート６の放熱面に対し、冷却フィン１３を挟んで離間対向配置され、パッケージ５の冷却風を送風する送風器１４とを具備する。【選択図】図４
2012004324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージに半導体素子が収納された半導体装置の冷却装置であって、
前記パッケージにおける前記半導体素子の固定プレートの裏面側の放熱面に突設された冷却フィンと、
前記固定プレートの前記放熱面に対し、前記冷却フィンを挟んで離間対向配置され、前記パッケージの冷却風を送風する送風器と
を具備することを特徴とする半導体装置の冷却装置。
【請求項２】
前記冷却フィンは、前記固定プレートに固定された前記半導体素子の配置位置と対応する位置に配置され、かつ前記固定プレートと前記送風器との間に前記送風器からの冷却風の送風路を形成する送風路形成要素を兼ねることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の冷却装置。
【請求項３】
前記送風器は、軸流ファンによって形成され、
前記冷却フィンは、前記固定プレートの中心位置から放射状に配置されている多数の板状フィン要素を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の冷却装置。
【請求項４】
前記送風器は、本体の中央位置に送風口を有する圧電ブロワによって形成され、
前記冷却フィンは、多数の板状フィン要素が平行に配置されたフィン要素群を有し、
前記フィン要素群の両側に前記送風器からの冷却風を前記板状フィン要素に沿って前記固定プレートの中心側から外側に流す状態に前記送風路を規制する送風路規制板が配設されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の冷却装置。
【請求項５】
前記冷却フィンは、多数のピン状フィン要素を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の冷却装置。
【請求項６】
パッケージに半導体素子が収納された半導体装置が回路基板上に取り付けられた電子機器の冷却装置であって、
前記パッケージにおける前記半導体素子の固定プレートの裏面側の放熱面に突設された冷却フィンと、
前記固定プレートの前記放熱面に対し、前記冷却フィンを挟んで離間対向配置され、前記パッケージの冷却風を送風する送風器と
を具備する半導体装置冷却ユニットが前記半導体装置に組み付けられていることを特徴とする電子機器の冷却装置。
【請求項７】
前記半導体装置冷却ユニットは、前記半導体装置に組み付けられている状態で、前記回路基板上に固定されていることを特徴とする請求項６に記載の電子機器の冷却装置。
【請求項８】
前記半導体装置冷却ユニットは、前記半導体装置に組み付けられている状態で、前記回路基板上に前記半導体装置が固定されていることを特徴とする請求項６に記載の電子機器の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、シャーシ内の電気回路基板に実装配置される半導体装置の冷却装置と電子機器の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シャーシ内の電気回路基板に実装配置される半導体装置としては、金属パッケージに収納された状態で電気回路基板に実装配置される構成のものが知られている。金属パッケージに収納された発熱する半導体装置は、排熱のためにヒートシンク（放熱板）にモジュール単位で複数個がまとめて取り付けられている。さらに、そのヒートシンクは、ブロワによる強制空冷で冷却している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平５−４４９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来構成の装置では、大型のヒートシンク上に複数の周辺回路基板と、モジュール単位で取り付けられた複数個の半導体装置の金属パッケージとが並べて配置されている。また、大型のヒートシンクの側部には、冷却用のブロワが配設されている。そして、ヒートシンクにモジュール単位で取り付けられた複数個の半導体装置の金属パッケージを周辺回路基板と一緒にブロワによる強制空冷でまとめて冷却している。そのため、ヒートシンクやブロワが大型になり、寸法的な影響が大きい。最近は、電子機器全体の小型軽量化の要求が厳しく、特にシャーシ内に半導体装置を実装配置する場合はモジュールの厚さ寸法を薄くしたい場合が多く、その対応が困難になっている。
【０００５】
また、上記従来構成の装置では、半導体装置の冷却能力の要求を満たすためには半導体装置をヒートシンクに直接取り付ける必要がある。そのため、半導体装置の前後の回路基板が分断される可能性があり、効率的な基板製造ができない可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態によれば、パッケージに半導体素子が収納された半導体装置の冷却装置であって、前記パッケージにおける前記半導体素子の固定プレートの裏面側の放熱面に突設された冷却フィンと、前記固定プレートの前記放熱面に対し、前記冷却フィンを挟んで離間対向配置され、前記パッケージの冷却風を送風する送風器とを具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態の半導体装置の冷却装置を用いた回路基板の構成を示す斜視図。
【図２】第１の実施形態の半導体装置の冷却装置を半導体パッケージに組み付けた状態の冷却ユニットを示す斜視図。
【図３】図２の冷却ユニットの分解斜視図。
【図４】図２の冷却ユニットを裏側から見た状態を示す分解斜視図。
【図５】第１の実施形態の半導体装置の冷却装置で使用される圧電ブロワの動作原理を示す縦断面図。
【図６】第１の実施形態の半導体装置と回路基板との接続状態を示す側面図。
【図７】第１の実施形態の半導体装置に流れる圧電ブロワからの冷却風の流れを示す側面図。
【図８】第１の実施形態の半導体装置の冷却装置の変形例を示す側面図。
【図９】第２の実施形態の半導体装置の冷却装置を半導体パッケージに組み付ける前の状態を示す斜視図。
【図１０】第２の実施形態の半導体装置の冷却装置の第１の変形例を示す斜視図。
【図１１】第２の実施形態の半導体装置の冷却装置の第２の変形例を示す斜視図。
【図１２】第２の実施形態の半導体装置の冷却装置の第３の変形例を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。  
［第１の実施形態］  
図１乃至図７は、第１の実施形態を示す。図１は、第１の実施形態の半導体装置２の冷却装置１１を用いた電気回路基板１の構成を示す図である。本実施の形態の電気回路基板１の表面には、複数の半導体装置２がそれぞれ固定ネジ３を介して固定されている。
【０００９】
半導体装置２は、図３に示すように複数、本実施の形態では２つの半導体素子４を収納するための半導体素子収納用空間を形成する半導体素子収納用パッケージ（半導体パッケージ）５を備える。半導体パッケージ５は、半導体素子４での発熱の放熱性等の関係から、主に金属で形成されている。半導体パッケージ５は、基体であるベースプレート（半導体素子の固定プレート）６と、ベースプレート６の上表面に半導体素子４を囲む状態で設けられる周壁７と、周壁７の上側に設けられる蓋部８とを備える。パッケージ５のベースプレート６上には、内部基板７１と、半導体素子４とが並べて配置されている。半導体素子４は、ベースプレート６上に直接固定されている。内部基板７１と、半導体素子４との間は、ワイヤ７２で接続されている。
【００１０】
図３に示すように、周壁７には、２つの外部接続用の接続端子（フィードスルー）９を備える。接続端子９は、図６に示すようにリード線１０を介して電気回路基板１の電気回路に接続されている。
【００１１】
図２に示すように本実施の形態の半導体装置２は、半導体パッケージ５に冷却装置１１を組み付けた冷却ユニット１２を有する。冷却装置１１には、図４に示すようにパッケージ５における半導体素子４のベースプレート６の裏面側の放熱面に突設された冷却フィン１３と、送風器１４とを有する。
【００１２】
冷却フィン１３は、ベースプレート６に固定された半導体素子４の配置位置と対応する位置に配置され、ベースプレート６に熱的に結合されている。本実施の形態の冷却フィン１３は、多数の壁板（板状フィン要素）１５が平行に配置された２つのフィン要素群１６を有する。図４に示すように２つのフィン要素群１６は、図３に示す２つの半導体素子４の配置位置と対応する位置に配置されている。さらに、２つのフィン要素群１６間には、隙間Ｓが設けられている。
【００１３】
また、２つのフィン要素群１６の両側には、送風路規制板１７が配設されている。そして、送風器１４からの冷却風の送風路をこれらの送風路規制板１７によって壁板１５に沿ってベースプレート６の中心側から外側に流す状態に規制するようになっている。
【００１４】
本実施の形態の送風器１４は、圧電ブロワ１８によって形成されている。図５は、圧電ブロワ１８の概略構成を示す。圧電ブロワ１８は、ほぼ薄型箱状のブロワ本体１９と、外周部がブロワ本体１９に対して固定されたダイヤフラムユニット２０とで構成されている。
【００１５】
ブロワ本体１９は、天板１９ａの中心部に表裏に貫通する送風口２１が形成されている。ブロワ本体１９の底板１９ｂの４つのコーナ部近傍には、流入孔２２が形成されている。さらに、ブロワ本体１９の底板１９ｂの中心部には、ブロワ室となる大径な空洞部２３が形成されている。
【００１６】
ダイヤフラムユニット２０は、ブロワ本体１９の底板１９ｂの空洞部２３に固定されている。ダイヤフラムユニット２０は、図５に示すように、金属板などからなるダイヤフラム２４の中央部下面に、円形の中間板２５を間にして圧電素子２６を貼り付けた構造を有する。圧電素子２６及び中間板２５は、ブロワ室となる大径な空洞部２３より小径な円板である。ここでは、圧電素子２６を中間板２５の片面に接着し、中間板２５の他面をダイヤフラム２４の裏面中央部に貼り付けて構成されている。中間板２５もダイヤフラム２４と同様に金属板で構成されている。
【００１７】
そして、圧電素子２６に交番電圧（正弦波または矩形波）を印加することにより、圧電素子２６が平面方向に伸縮するのに対し、中間板２５及びダイヤフラム２４は伸縮しないので、ダイヤフラムユニット２０全体が板厚方向に屈曲変形する。このとき、ブロワ本体１９の底板１９ｂの４つのコーナ部近傍の流入孔２２から空気を吸い込み、ブロワ本体１９の天板１９ａの中心部の送風口２１から排出することで、パッケージ５の冷却風を送風することができる。
【００１８】
さらに、半導体パッケージ５のベースプレート６の４隅部分とブロワ本体１９の４隅部分との間には、それぞれ円筒形状のスペーサ２７が介設されている。これらのスペーサ２７は冷却フィン１３とほぼ同じ高さに設定されている。そして、半導体パッケージ５のベースプレート６の４隅部分とブロワ本体１９の４隅部分との間は、各スペーサ２７内に挿通される固定ねじ２８によって固定されている。これにより、送風器１４は、ベースプレート６の裏面側の放熱面に対し、冷却フィン１３を挟んで離間対向配置されている。
【００１９】
また、ブロワ本体１９の送風口２１は、冷却フィン１３の２つのフィン要素群１６間の隙間Ｓと対応する位置に配置されている。これにより、図７中に矢印で示すようにブロワ本体１９の送風口２１から吐出された冷却風は、２つのフィン要素群１６間の隙間Ｓから２つのフィン要素群１６側に流れる。このとき、送風器１４と、ベースプレート６の裏面側の放熱面との間の冷却風は、送風路規制板１７によって２つのフィン要素群１６の壁板１５に沿ってベースプレート６の中心側から外側に流す状態に規制される。
【００２０】
［作用］  
次に、上記構成よりなる本実施の形態の半導体装置２の冷却装置１１の作用について説明する。本実施の形態の半導体装置２の冷却装置１１の動作時には、送風器１４の圧電ブロワ１８が駆動される。このとき、圧電ブロワ１８は、ブロワ本体１９の底板１９ｂの４つのコーナ部近傍の流入孔２２から空気を吸い込み、ブロワ本体１９の天板１９ａの中心部の送風口２１から排出することで、パッケージ５の冷却風を送風する。
【００２１】
また、ブロワ本体１９の送風口２１から吐出された冷却風は、２つのフィン要素群１６間の隙間Ｓから２つのフィン要素群１６側に流れる。このとき、送風器１４と、ベースプレート６の裏面側の放熱面との間の冷却風は、送風路規制板１７によって２つのフィン要素群１６の壁板１５に沿ってベースプレート６の中心側から外側に流す状態に規制される。そのため、２つのフィン要素群１６の壁板１５間を流れる冷却風を整流状態で円滑に流すことができるので、冷却フィン１３の冷却効率を高めることができ、ベースプレート６に固定されている２つの半導体素子４を効率よく空冷することができる。
【００２２】
［効果］  
そこで、上記構成の本実施の形態の半導体装置２の冷却装置１１によれば、次の効果を奏する。すなわち、本実施形態の半導体装置２の冷却装置１１は、半導体装置２に半導体装置冷却ユニット１２が直接的に組み付けられている。そのため、従来、半導体装置２を冷却するために必要であったヒートシンクや、ヒートシンクを強制空冷で冷却するブロワなどの大型のファンが不要となる。その結果、電子機器全体の小型軽量化を図るうえで有利となる。
【００２３】
さらに、半導体装置２を従来のようにヒートシンクに取り付ける必要がないため、電気回路基板１を分断する必要がなくなる。そのため、電気回路基板１の製造が効率的になる。したがって、上記構成の本実施の形態の半導体装置２の冷却装置１１によれば、電子機器全体の小型軽量化を図るうえで有利となり、かつ、回路基板を分断する必要がなく、効率的に基板製造が可能な半導体装置の冷却装置と電子機器の冷却装置を提供することができる。
【００２４】
なお、上記第１の実施形態では、半導体パッケージ５に２つの半導体素子４を収納した構成を示したが、半導体パッケージ５に収納される半導体素子４の数は、適宜、変更可能である。
【００２５】
［第１の実施形態の変形例］  
図８は、第１の実施形態の半導体装置２の冷却装置１１の変形例を示す。第１の実施形態では、半導体装置冷却ユニット１２は、半導体装置２の半導体パッケージ５に組み付けられている状態で、電気回路基板１の上に固定されている構成を示した。これに対し、本変形例は、半導体装置２に半導体装置冷却ユニット１２が組み付けられている状態で、電気回路基板１の上に半導体装置２が固定されている。すなわち、本変形例では、電気回路基板１の上に半導体装置２が直接固定されている。これにより、半導体素子収納用パッケージ５の接続端子９と電気回路基板１の電気回路との間を接続するリード線１０の長さを第１の実施形態の半導体装置２よりも短くすることができる効果がある。
【００２６】
［第２の実施形態］  
図９は、第２の実施形態を示す。図９は、第２の実施形態の半導体装置２の冷却装置３１を半導体パッケージ３２に組み付ける前の状態を示す。本実施の形態の冷却装置３１は、軸流ファンによって形成された送風器３３を有する。この送風器３３は、ファンケース３４内に小型の送風ファン３５と、この送風ファン３５の図示しない駆動モータとが組み込まれている。
【００２７】
半導体パッケージ３２に突設された冷却フィン３６は、ベースプレート６の裏面側の放熱面の中心位置から放射状に配置されている多数の壁板（板状フィン要素）３７を有する。この冷却フィン３６の壁板３７は、ベースプレート６の裏面全体に分散配置されている。
【００２８】
また、半導体パッケージ３２のベースプレート６の４隅部分と送風器３３のファンケース３４の４隅部分との間には、第１の実施形態と同様にそれぞれ円筒形状のスペーサ２７（図３に示す）が配設されている。これらのスペーサ２７は冷却フィン３６とほぼ同じ高さに設定されている。そして、半導体パッケージ３２のベースプレート６の４隅部分と送風器３３のファンケース３４の４隅部分との間は、各スペーサ２７内に挿通される固定ねじ２８（図３に示す）によって固定されている。これにより、送風器３３は、ベースプレート６の裏面側の放熱面に対し、冷却フィン３６を挟んで離間対向配置され、半導体装置２に半導体装置冷却ユニット３８が直接的に組み付けられている。
【００２９】
［作用］  
次に、上記構成よりなる本実施の形態の半導体装置２の冷却装置３１の作用について説明する。本実施の形態の半導体装置２の冷却装置３１の動作時には、送風器３３からの冷却風は、冷却フィン３６の放射状の壁板３７に直接吹き付けられてベースプレート６の全面が冷却される。
【００３０】
また、半導体パッケージ３２の半導体素子４からの熱は、ベースプレート６の全面に伝熱され、熱拡散される。この状態で、送風器３３からの冷却風がベースプレート６の全面に吹き付けられて冷却される。このとき、送風器３３と、ベースプレート６の裏面側の放熱面との間の冷却風は、冷却フィン３６の放射状の壁板３７に沿ってベースプレート６の中心側から外側に流す状態に規制される。
【００３１】
［効果］  
そこで、上記構成の本実施の形態の半導体装置２の冷却装置３１によれば、次の効果を奏する。すなわち、本実施形態の半導体装置２の冷却装置３１は、第１の実施形態と同様に半導体装置２に半導体装置冷却ユニット３８が直接的に組み付けられている。そのため、従来、半導体装置２を冷却するために必要であったヒートシンクや、ヒートシンクを強制空冷で冷却するブロワなどの大型のファンが不要となる。その結果、電子機器全体の小型軽量化を図るうえで有利となる。
【００３２】
さらに、半導体装置２を従来のようにヒートシンクに取り付ける必要がないため、電気回路基板１を分断する必要がなくなる。そのため、電気回路基板１の製造が効率的になる。したがって、上記構成の本実施の形態の半導体装置２の冷却装置３１によれば、電子機器全体の小型軽量化を図るうえで有利となり、かつ、回路基板を分断する必要がなく、効率的に基板製造が可能な半導体装置の冷却装置と電子機器の冷却装置を提供することができる。
【００３３】
［第２の実施形態の第１の変形例］  
図１０は、第２の実施形態の第１の変形例を示す。本変形例は、放射状の壁板３７を有する冷却フィン３６に代えて多数の壁板（板状フィン要素）４１が平行に配置された２つのフィン要素群４２を有する冷却フィン４３を半導体パッケージ３２に設けたものである。前記冷却フィン４３は、前記ベースプレート６に固定された半導体素子４（図３に示す）の配置位置と対応する位置に配置され、かつ前記ベースプレート６と前記送風器３３との間に前記送風器３３からの冷却風の送風路を形成する送風路形成要素を兼ねる。
【００３４】
本変形例の半導体装置２の冷却装置３１の動作時には、送風器３３からの冷却風は、冷却フィン４３の２つのフィン要素群４２に直接吹き付けられて冷却される。このとき、送風器３３と、ベースプレート６の裏面側の放熱面との間の冷却風は、冷却フィン４３の２つのフィン要素群４２の多数の壁板４１に沿って流す状態に規制される。本変形例でも、第２の実施形態と同様の効果を奏する。
【００３５】
［第２の実施形態の第２の変形例］  
図１１は、第２の実施形態の第２の変形例を示す。本変形例は、放射状の壁板３７を有する冷却フィン３６に代えて多数のピン状フィン要素５１がブロック状に配置された２つのフィン要素群５２を有する冷却フィン５３を半導体パッケージ３２に設けたものである。前記冷却フィン５３は、前記ベースプレート６に固定された半導体素子４（図３に示す）の配置位置と対応する位置に配置されている。
【００３６】
本変形例の半導体装置２の冷却装置３１の動作時には、送風器３３からの冷却風は、冷却フィン５３の多数のピン状フィン要素５１に直接吹き付けられて冷却される。本変形例でも、第２の実施形態と同様の効果を奏する。
【００３７】
［第２の実施形態の第３の変形例］  
図１２は、第２の実施形態の第３の変形例を示す。本変形例は、多数のピン状フィン要素６１を送風器３３の送風ファン３５に合わせて円形に配置した冷却フィン６２を半導体パッケージ３２に設けたものである。前記冷却フィン６２は、前記ベースプレート６に固定された半導体素子４（図３に示す）の配置位置と対応する位置に配置されている。
【００３８】
本変形例の半導体装置２の冷却装置３１の動作時には、送風器３３からの冷却風は、冷却フィン６２の多数のピン状フィン要素６１に直接吹き付けられて冷却される。本変形例でも、第２の実施形態と同様の効果を奏する。
【００３９】
以上、実施形態について説明したが、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形実施ができることは勿論である。
【符号の説明】
【００４０】
２…半導体装置、４…半導体素子、５…パッケージ、６…ベースプレート（半導体素子の固定プレート）、１１…冷却装置、１３…冷却フィン、１４…送風器。
【図１】
2012004324.tif 000003
【図２】
2012004324.tif 000004
【図３】
2012004324.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012004324.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2012004324.tif 000012
【図１１】
2012004324.tif 000013
【図１２】
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