(57)【要約】【課題】本発明は、簡素な構成でありながら、冷却性能の高い半導体冷却装置を提供することを目的とする。【解決手段】冷却水９０が流れる冷却流路１５を有する冷却器１０の一部に開口部１３が形成され、該開口部をシールするように半導体モジュール２０が取り付けられた半導体冷却装置であって、  前記半導体モジュールの下面には放熱板２６が設けられ、該放熱板の側面２９ａ、２９ｂが前記冷却器の内壁よりも内側にあり、前記側面のうち少なくとも前記冷却水の流れに対向する面２９ａは前記冷却流路中に露出していることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水が流れる冷却流路を有する冷却器の一部に開口部が形成され、該開口部をシールするように半導体モジュールが取り付けられた半導体冷却装置であって、
前記半導体モジュールの下面には放熱板が設けられ、該放熱板の側面が前記冷却器の内壁よりも内側にあり、前記側面のうち少なくとも前記冷却水の流れに対向する面は前記冷却流路中に露出していることを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項２】
前記半導体モジュールは、中央に凸部を有するＴ字型の断面形状を有してモールド成形され、前記凸部内に半導体デバイスが設置されるとともに、前記凸部が前記冷却流路中に露出していることを特徴とする請求項１に記載の半導体冷却装置。
【請求項３】
前記放熱板の側面の総てが前記冷却流路中に露出していることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体冷却装置。
【請求項４】
前記放熱板は、凹型の形状を有し、側面の面積が平板形状よりも拡大されて構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体冷却装置。
【請求項５】
前記半導体モジュールは、前記半導体デバイスよりも前記開口部側で、かつ前記冷却器の外壁よりも内側に、前記冷却流路に平行な筒状放熱板を更に有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体冷却装置。
【請求項６】
前記半導体デバイスは、コレクタ面を前記開口部側にして実装されたことを特徴とする請求項５に記載の半導体冷却装置。
【請求項７】
前記半導体モジュールは、側面部にリブを有し、リブを潰して前記開口部に圧入することで、側面部への流水を防いだことを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーデバイス等の半導体装置を冷却する半導体冷却装置に関し、特に、冷却水が流れる冷却流路の一部に開口部が形成され、開口部をシールするように半導体モジュールが取り付けられた半導体冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電力変換装置の液冷ヒートシンクが少なくとも１つ以上の開口部を有し、液冷ヒートシンクの開口部に電力変換素子（ＩＧＢＴ、Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）が装着され、ＩＧＢＴ取付ネジで固定されるとともに、熱拡散部に設けられたＯリング溝内のＯリングにより、ヒートシンクと気密構造とされた電気車の電子部品冷却構造が知られている。かかる電子部品冷却構造によれば、電力変換素子が装着された熱拡散板が、冷却水により直接冷却される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２０７５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の特許文献１に記載の構成では、熱拡散板が単純平板であり、未だ冷却性能が不足するという問題があった。かかる問題を解決するために、熱拡散板にフィン等を設けることで冷却性能を向上させることができるが、フィン追加によりコストが増加するという別の問題を生じる。また、単純平板のままで冷却性能を向上させようとすると、所望の冷却面積よりも大きな面積の熱拡散板が必要となり、省スペースで構成することができなくなるという問題がある。
【０００５】
一方、自動車用インバータ等の分野では、ハイブリッド自動車の需要の高まりを受けて、より高出力で、より小型の製品が求められている。しかし、これらのニーズに応えることは、半導体デバイスの電力損失を上昇させ、半導体モジュールの熱抵抗を増大させることに繋がる。結果として、動作時の半導体デバイスの最高温度が上昇し、一般的な素子動作限界温度である１５０℃を超えるおそれが生じている。従って、インバータを含むパワーモジュール設計において、いかに半導体デバイスを冷却するかが重要な課題となっている。
【０００６】
また、半導体冷却装置には、高性能な冷却性能が求められる一方、ＳｉＣのような次世代デバイスは、高温動作が可能であり、複雑なフィン構造等を設けず、いかに低コストで次世代デバイスを用いたモジュールを実現するかも重要な課題となっている。
【０００７】
そこで、本発明は、簡素な構成でありながら、冷却性能の高い半導体冷却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】
【０００８】
上記目的を達成するため、第１の発明に係る半導体冷却装置は、冷却水が流れる冷却流路を有する冷却器の一部に開口部が形成され、該開口部をシールするように半導体モジュールが取り付けられた半導体冷却装置であって、
前記半導体モジュールの下面には放熱板が設けられ、該放熱板の側面が前記冷却器の内壁よりも内側にあり、前記側面のうち少なくとも前記冷却水の流れに対向する面は前記冷却流路中に露出していることを特徴とする。
【０００９】
これにより、フィン等の複雑な構造を設けることなく、伝熱面を下面だけでなく側面に拡大させるとともに、放熱板の側面の入口側で冷却水との衝突効果を発生させ、半導体モジュールを効率良く冷却することができる。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明に係る半導体冷却装置において、
前記半導体モジュールは、中央に凸部を有するＴ字型の断面形状を有してモールド成形され、前記凸部内に半導体デバイスが設置されるとともに、前記凸部が前記冷却流路中に露出していることを特徴とする。
【００１１】
これにより、半導体デバイスを冷却流路内で確実に冷却できるとともに、冷却流路の外側に半導体モジュールの凸形状が存在しなくなるので、省スペースで半導体モジュール及び半導体冷却装置を構成することができる。
【００１２】
第３の発明は、第１又は第２の発明に係る半導体冷却装置において、
前記放熱板の側面の総てが前記冷却流路中に露出していることを特徴とする。
【００１３】
これにより、冷却水の対向面だけでなく、冷却水の流れと平行な側面も伝熱面とすることができ、冷却性能を一層向上させることができる。
【００１４】
第４の発明は、第１〜３のいずれかの発明に係る半導体冷却装置において、
前記放熱板は、凹型の形状を有し、側面の面積が平板形状よりも拡大されて構成されたことを特徴とする。
【００１５】
これにより、伝熱面をより拡大し、冷却性能を更に向上させることができる。
【００１６】
第５の発明は、第１〜４のいずれかの発明に係る半導体冷却装置において、
前記半導体モジュールは、前記半導体デバイスよりも前記開口部側で、かつ前記冷却器の外壁よりも内側に、前記冷却流路に平行な筒状放熱板を更に有することを特徴とする。
【００１７】
これにより、上下の両面から半導体モジュールを冷却することができるとともに、内側よりも冷却性能のバラツキの少ない外側の放熱板を用いて全体の冷却性能のバラツキを低減することができる。
【００１８】
第６の発明は、第５の発明に係る半導体冷却装置において、
前記半導体デバイスは、コレクタ面を前記開口部側にして実装されたことを特徴とする。
【００１９】
これにより、電極面積の大きいコレクタ面を、バラツキの少ない外側の筒状放熱板を利用して冷却することができ、全体として半導体デバイスの冷却効率を高めることができる。
【００２０】
第７の発明は、第５又は第６の発明に係る半導体冷却装置において、
前記半導体モジュールは、側面部にリブを有し、リブを潰して前記開口部に圧入することで、側面部への流水を防いだことを特徴とする。
【００２１】
これにより、側面部のシール性能を向上させ、冷却効率を更に高めることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、構造を複雑化することなく冷却性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例１に係る半導体冷却装置の一例を示した側断面構成図である。
【図２】実施例１に係る半導体モジュールの断面構成図である。
【図３】実施例１に係る半導体冷却装置を正面視した断面構成図である。
【図４】比較例として従来の半導体冷却装置の一例を示した図である。
【図５】本発明の実施例２に係る半導体冷却装置の一例を示した正面断面構成図である。
【図６】本発明の実施例３に係る半導体冷却装置の一例を示した側断面構成図である。
【図７】実施例３に係る半導体冷却装置の半導体モジュールの側断面構成図である。
【図８】実施例３に係る半導体冷却装置を正面視した断面構成図である。
【図９】実施例３に係る半導体冷却装置を正面視した断面構成図である。
【図１０】本発明の実施例４に係る半導体冷却装置の一例を示した側断面構成図である。
【図１１】本発明の実施例５に係る半導体冷却装置の一例を示した正面断面構成図である。
【図１２】本発明の実施例６に係る半導体冷却装置の一例を示した正面断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
【実施例１】
【００２５】
図１は、本発明の実施例１に係る半導体冷却装置の一例を示した側断面図である。図１において、実施例１に係る半導体冷却装置は、冷却器１０と、半導体モジュール２０と、シール部材７０と、締結部材８０とを有する。
【００２６】
冷却器１０は、冷却水９０が流れる冷却流路１５を有し、筒状に構成される。冷却水９０が冷却器１０を流れることにより、冷却器１０は冷却水９０に近い温度に冷却される。冷却器１０は、下面１１と上面１２とを有するが、上面１２には、開口部１３が形成されており、開口部１３には、半導体モジュール２０が、開口部１３を塞いでシールするように取り付けられている。
【００２７】
半導体モジュール２０は、シール部材７０でシールされるとともに、締結部材８０で締め付けられ、半導体モジュール２０の水平に延びた平板部２９ｂの下面と、冷却器１０の上面１２とがシール面３１で接触し、押圧固定されて開口部１３を塞いでいる。シール部材７０には、例えば、Ｏリング等のシール部材が用いられてよく、締結部材８０には、例えばボルト等が用いられてよい。半導体モジュール２０の下面には、放熱板２６が設けられている。放熱板２６は、半導体モジュール２０で発生した熱を放熱するための板であり、熱伝導性の高い材料で構成される。放熱板２６は、側面２６ａ、２６ｂ及び下面２６ｃが、冷却器１０の内壁１４より内側に存在し、冷却水９０が流れる冷却流路１５中に露出した状態となっている。よって、放熱板２６は、下面２６ｃのみならず側面２６ａ、２６ｂが露出し、冷却水９０との接触面積が大きく取れる構成となっている。特に、冷却水９０の流れと対向する入口側の側面２６ａは、流れる冷却水９０が連続的に衝突し、衝突効果により冷却水９０の冷却効果が高い構成となっている。
【００２８】
図２は、図１に示した実施例１に係る半導体モジュール２０の断面構成を示した図である。図２において、半導体モジュール２０は、半導体デバイス２１と、絶縁基板２２と、電極２３、２４と、はんだ２５と、放熱板２６と、シール部材２８と、モールド樹脂２９と、シール面３１と、カラー３２とを備える。
【００２９】
半導体モジュール２０は、半導体デバイス２１を収容し、樹脂２９でモールド成形して封止した半導体パッケージである。半導体モジュール２０は、例えば、パワーモジュールとして構成され、車両用のインバータに用いられてもよい。
【００３０】
半導体デバイス２１は、半導体基板に、半導体素子単体又は用途に応じた所定の機能を有する電子回路が形成されたデバイスである。半導体基板は、従来から用いられているシリコン基板の他、次世代デバイスとして期待されているＳｉＣ、ＧａＮ等が用いられてもよい。また、半導体デバイス２１には、例えば、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳトランジスタ等の半導体素子が、単体で又は電子回路の一部として用いられてよい。このように、半導体モジュール２０は、用途に応じて種々の構成とされてよく、また、半導体デバイス２１は、半導体モジュール２０の用途に応じて種々の半導体素子を用いることができる。
【００３１】
絶縁基板２２は、半導体デバイス２１を搭載するための基板である。絶縁基板２２は、半導体デバイス２１で発生した熱を伝達するため、熱伝導性の高い材料で構成されることが好ましい。絶縁基板２２の下面には電極２３が設けられ、絶縁基板２２の上面には電極２４が設けられる。
【００３２】
電極２３、２４は、半導体デバイス２１との電気的接続を図るとともに、半導体デバイス２１で発生した熱を伝導するための熱伝導媒体としての役割を果たす板状の金属部材である。上側の電極２４は、半導体デバイス２１の下面に形成された端子への電気的接続を行っている。なお、電極２４と半導体デバイス２１は、はんだ２５により接続されている。また、電極２３は、半導体デバイス２１との電気的接続は行われていないが、半導体デバイス２１で発生し、絶縁基板２２に伝達された熱を、放熱板２６に伝達する熱伝導媒体として機能する。一般に、絶縁基板５２の両側に電極２３、２４が形成された状態で部品として市販されているため、本実施例においては、電極として用いられていない下側の金属板も電極２３と呼んでいる。しかしながら、電極２３は必ずしも必要ではなく、放熱板２６の上に直接絶縁基板２２が設けられていてもよい。
【００３３】
なお、半導体デバイス２１で発生した熱は、はんだ２５、電極２４、絶縁基板２２、電極２３、放熱板２６と順次伝達する。電極２３が存在しない場合には、半導体デバイス２１で発生した熱は、はんだ２５、電極２３、絶縁基板２２、放熱板２６と順次伝達することになる。
【００３４】
放熱板２６は、半導体デバイス２１で発生した熱を放出するための板状部材である。図１で説明したように、放熱板２６は、冷却流路１５中に露出され、側面２６ａから直接的に冷却水９０の流れを受けるため、ある程度の厚さを有する板形状であることが好ましい。例えば、放熱板２６は、３〜５ｍｍの厚さで構成されてもよい。また、放熱板２６は、熱伝導率の高い部材であれば、種々の材料から構成されてよいが、例えば、アルムニウム、銅等の金属から構成されてもよい。
【００３５】
シール部材２８は、放熱板２６とモールド樹脂２９との間をシールして密閉するための部材である。シール部材２８には、例えば、Ｏリング等のシール材が用いられてよい。
【００３６】
モールド樹脂２９は、半導体デバイス２１を封止し、半導体モジュール２０としてパッケージングする成形手段である。モールド樹脂２９は、樹脂材料をモールド成形することにより構成され、所定の形状に成形することができる。実施例１に係る半導体冷却装置においては、モールド樹脂２９は、中央に、下に凸の凸部２９ａが形成されたＴ字型の断面形状を有して構成されている。一般的に、モールド樹脂２９は、単に半導体デバイス２１を封止するためにのみ用いられ、全体として直方体として形成される場合が多い。しかしながら、本実施例１に係る半導体冷却装置においては、中央に凸部２９ａが形成され、その周囲に水平の横方向に延びる平板部２９ｂを有する構成となっている。そして、凸部２９ａに半導体デバイス２１が設置され、平板部２９ｂの下面にシール面３１が形成されている。かかる構成により、シール面３１を、冷却器１０の開口部１３の周囲の外側側面に接触されるようにしてシールしたときに、パワーデバイス２１は冷却器１０の内側に組み込まれ、図１で示した配置構成とすることができる。このように、半導体モジュール２０を下に凸の形状とすることにより、放熱板２６を冷却流路１５中に配置することができる。
【００３７】
なお、シール面３１は、冷却器１０の上面１２に設けられたシール部材７０に押し付けられるように接触し、モールド樹脂２９で冷却器１０の開口部１３をシールする構成となる。
【００３８】
カラー３２は、半導体モジュール２０を開口部１３に取り付ける際に、締結部材８０が嵌合する穴を構成している。締結部材８０がネジで構成されている場合には、カラー３２の内壁にはネジ穴が形成されることになる。
【００３９】
図１に戻る。図２で説明した半導体モジュール２０を、凸部２９ａを冷却器１０の内側にして、冷却器１０の一部に形成された開口部１３を塞ぐように取り付け、カラー３２にネジを挿入して締め付けることにより、シール面３１及びシール部材７０で開口部１３をシールすることができる。そして、放熱板２６の下面２６ｃ及び側面２６ａ、２６ｂが冷却流路１５中に露出した構成とすることができ、放熱板２６の下面２６ｃ及び側面２６ａ、２６ｂで熱交換を行い、冷却性能を向上させることができる。
【００４０】
図３は、図１及び図２に示した実施例１に係る半導体冷却装置を正面視した断面構成図である。図３において、図１及び図２と同様の構成要素については、図１及び図２と同一の参照符号を用い、その詳細な説明を省略する。
【００４１】
図３において、冷却器１０は、正面視すると、長方形の形状を有している。そして、冷却器１０の上面１２の上に半導体モジュール２０の平板部２９ｂが締結され、凸部２９ａが冷却流路１５の中に配置されている。これにより、放熱板２６の側面２６ａ、２６ｂは、総て冷却流路１５中に露出され、放熱板２６の冷却水９０との接触面に、下面２６ｃのみならず側面２６ａ、２６ｂも用いることができる。なお、図３に示すように、放熱板２６の側面２６ａ、２６ｂは、冷却水９０と対向する側面２６ａのみならず、冷却水９０の流れに沿い、冷却器１０と平行な側面２９ｂも冷却流路１５中に露出している。かかる構成により、冷却水９０との接触面積を、放熱板２６の側面全体２６ａ、２６ｂとすることができ、冷却能力を向上させることができる。
【００４２】
図４は、比較例として、従来の半導体冷却装置の一例を示した図である。従来の半導体冷却装置は、冷却器１１０の開口部１１３を、放熱板１２６がシール部１７０及び締結部材１８０でシールする構成となっている。そして、放熱板１２６の上に半導体デバイス１２０が搭載されており、半導体デバイス１２０は冷却器１１０内の冷却流路１１５中ではなく、冷却器１１０の外部に設けられる構成となっている。よって、放熱板１２６は、下面の一部しか冷却水１９０と接触せず、しかも、放熱板１２６に冷却水１９０が衝突するのではなく、放熱板１２６に沿って流れるような接触となっている。よって、放熱板１２６の冷却水１９０との接触面積が本実施例に係る半導体冷却装置と比較して非常に小さく、更に、冷却水１９０と対向する部分が無いため、冷却水１９０による冷却効果の低い構成となっている。なお、図４においては、冷却流路１１５を上昇させる流れを作るための部材１１６が設けられているが、放熱板１２６に沿う流れしか形成できないので、上述のように、冷却効果は低くなる。
【００４３】
この点、実施例１に係る半導体冷却装置は、放熱板２６の側面２６ａ、２６ｂ及び下面２６ｃが冷却流路１５中に露出し、しかも、側面２６ａは、冷却水９０と対向して冷却水９０を正面から受ける構成となっているので、冷却水９０との接触面積及び流体圧の増加により、冷却性能を大幅に向上できることが分かる。
【実施例２】
【００４４】
図５は、本発明の実施例２に係る半導体冷却装置の一例を示した正面断面構成図である。なお、図５において、実施例１に係る半導体冷却装置と同様の構成要素については、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００４５】
図５において、実施例２に係る半導体冷却装置は、冷却器１０と、半導体モジュール２０ａと、シール部材７０と、締結部材８０とを備える。実施例２に係る半導体冷却装置は、冷却器１０と、シール部材７０と、締結部材８０によるシール構成は、実施例１に係る半導体冷却装置と同様であるので、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００４６】
実施例２に係る半導体冷却装置は、半導体モジュール２０ａの構成が、実施例１に係る半導体冷却装置と異なっている。実施例２に係る半導体冷却装置の半導体モジュール２０ａは、放熱板２７が、凹型の形状を有する点で、実施例１に係る半導体冷却装置の半導体モジュール２０と異なっている。放熱板２７は、側面部２７ａ、２７ｂを上方に拡大し、側面積を拡大した形状に構成されている。これにより、放熱板２７の側面２７ａ、２７ｂの冷却水９０との接触面積を拡大し、冷却効果を高めることができる。なお、図５においては、半導体冷却装置を正面視した図が示されており、冷却水９０の流れと平行な側面２７ｂのみが折れ曲がった形状となっているが、正面の側面２７ａも折れ曲がった全体で凹型の形状とすることにより、冷却水９０との接触面積を拡大するとともに、冷却水９０と衝突する面積も拡大することができる。
【００４７】
このように、放熱板２７を凹型、又はコの字型に形成することで、側面の面積を拡大し、冷却性能を更に高めることができる。
【００４８】
なお、図５に示す構成とする場合、モールド樹脂３０の形状は、実施例１とは異なる形状となる。図５においては、外側を折り曲げて立てた凹型形状の側面２７ａ、２７ｂを露出させるため、凹型の窪みにモールド樹脂３０が入り込み、外側の側面２７ａ、２７ｂを覆わないような階段状の内側に削れた形状となっている。このように、モールド樹脂３０は、放熱板２７の形状に合わせてモールド成形することができる。
【００４９】
また、図５において、絶縁基板２２は、放熱板２７の上に直接設置された構成となっている。このように、放熱板２７の表面上に絶縁基板２２が直接設けられるような構成としてもよい。なお、絶縁基板２２の上に電極２４が設けられ、電極２４上に、はんだ２５で半導体デバイス２１が接合及び設置されている点は、実施例１に係る半導体冷却装置と同様である。
【００５０】
また、図５において、電極２４の上に電気接続部材３３、半導体デバイス２１の上に電気接続部材３４が設けられている。電気接続部材３３、３４は、半導体デバイス２１の表面及び裏面に形成された端子（図示せず）又は電極２４と外部との電気的接続を行うための配線手段である。実施例１においては、説明の容易のために電気接続部材３３、３４の存在は示さなかったが、実際には、半導体デバイス２１の表面及び裏面との電気的接続を行うため、このような電気接続部材３３、３４が設けられる。
【００５１】
実施例２に係る半導体冷却装置によれば、放熱板２７の側面２７ａ、２７ｂの面積を増加させ、冷却性能を一層高めることができる。
【実施例３】
【００５２】
図６は、本発明の実施例３に係る半導体冷却装置の一例を示した側断面構成図である。図６において、実施例３に係る半導体冷却装置は、冷却器１０と、半導体モジュール４０と、シール部材７０と、締結部材８０とを有する。
【００５３】
実施例３に係る半導体冷却装置において、冷却器１０と、シール部材７０と、締結部材８０からなるシール構成は、実施例１及び実施例２に係る半導体冷却装置と同様であるので、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００５４】
実施例３に係る半導体冷却装置においては、半導体モジュール４０が、下面に下部放熱板５０を備えるだけではなく、半導体デバイス４１よりも開口部側で、かつ冷却器１０の外壁よりも内側に上部筒状放熱板５１を更に備える点で、実施例１、２に係る半導体冷却装置と異なっている。かかる構成により、冷却水９０は、上部筒状放熱板５１も通過し、半導体モジュール４０を上下から挟む形で冷却することができる。
【００５５】
図７は、実施例３に係る半導体冷却装置の半導体モジュール４０の側面の断面構成を示した図である。図７において、実施例３に係る半導体冷却装置の半導体モジュール４０は、半導体デバイス４１と、絶縁基板４２、４３と、電極４４、４５、４６、４７と、はんだ４７、４８と、下部放熱板５０と、上部筒状放熱板５１と、モールド樹脂５４と、シール面５５と、カラー５６とを備える。
【００５６】
半導体デバイス４１は、実施例１及び実施例２における半導体デバイス２１と同様であるので、その説明を省略する。絶縁基板４２、４３は、その構成及び機能は、実施例１、２における絶縁基板２２と同様であるが、半導体デバイス４１の下方に絶縁基板４２を有するだけでなく、半導体デバイス４１の上方にも絶縁基板４３を有する点で、実施例１、２とは異なっている。実施例３に係る半導体冷却装置においては、上部筒状放熱板５１とも熱交換を行うため、半導体デバイス４１の上方にも絶縁基板４３を設ける必要があり、半導体デバイス４１より開口部１３側にも絶縁基板４３が設けられている。また、絶縁基板４２は、実施例１、２における半導体基板２２と同様の大きさ及び構成であるが、絶縁基板４３は、絶縁基板２２よりも面積が小さな基板となっている。これは、半導体デバイス４１が、例えば縦型のＩＧＢＴで構成された場合には、コレクタの端子は半導体デバイス４１の全面となるため、広い面積を必要とするが、エミッタの端子は半導体デバイス４１の一部でよいため、それに対応して絶縁基板４３の面積も小さくすることができるからである。なお、図７においては、半導体デバイス４１のコレクタが下面、エミッタが上面で構成された場合が示されている。
【００５７】
下方にある電極４４、４６は、実施例１における電極２３、２４と同様である。上方にある電極４５、４７は、絶縁基板４３と同様に、電極４４、４６よりも小さい面積を有する点で異なっているが、アルムニウムや銅の金属板で構成されている点は、実施例１、２と同様である。
【００５８】
はんだ４８は、半導体デバイス４１を下方の電極４６と接合し、はんだ４９は、半導体デバイス４１を上方の電極４９と接合している。はんだ４９の面積がはんだ４８の面積よりも小さいことを除けば、実施例１のはんだ２５と同様である。
【００５９】
このように、半導体デバイス２１の上方にも、はんだ４９、電極４６、絶縁基板４３、電極４３、上部筒状放熱板５１の伝熱ルートを設けることにより、半導体デバイス４１で発生する熱を上部筒状放熱板５１から放出することが可能となる。
【００６０】
下部放熱板５０は、実施例１と同様に、板状の金属板で構成される。側面５０ａ、５０ｂ及び下面５０ｃが露出した構成となっている。また、厚さは、実施例１と同様に、例えば、３〜５ｍｍで構成されてもよい。なお、下部放熱板５０とモールド樹脂５４の下面は、シール部材５２でシールされている点も、実施例１のシール部材２８と同様である。
【００６１】
上部筒状放熱板５１は、上部から半導体デバイス４１で発生した熱を放出し、熱交換により半導体デバイス４１を上部から冷却するための手段である。半導体デバイス４１は、上方からモールド樹脂５４により吊り下げられるように支持されているため、モールド樹脂５４を残しつつ放熱板を配置する必要があり、中空の筒状の放熱板を設けている。
【００６２】
上部筒状放熱板５１においても、筒の内面５１ｂだけではなく、冷却水９０と対向する側面５１ａが露出しており、冷却水９０との接触面積が拡大される構成となっている。これにより、半導体デバイス４１の上方からも効率的に冷却を行うことができる。
【００６３】
なお、上部筒状放熱板５１の上下にそれぞれシール部材５３が設けられ、モールド樹脂５４接合してシールする構成となっている。
【００６４】
モールド樹脂５４は、上部筒状放熱板５１も一体的に取り込むようにモールド成形されているが、凸部５４ａと平板部５４ｂを有し、凸部５４ａに半導体デバイス４１を収容して封止している点は、実施例１と同様である。また、モールド樹脂５４の平板部５４ｂの下面にシール面５５が形成され、締結のためのカラー５６を備えている点も、実施例１と同様である。
【００６５】
図６に戻る。図６に示すように、図７で説明した半導体モジュール４０を、冷却器１０の開口部１３を塞いでシールするように取り付けて実装することにより、半導体デバイス４１を上下（外側と内側）の両側から冷却することができ、冷却能力を向上させることができる。
【００６６】
図８は、実施例３に係る半導体冷却装置を正面視した断面構成を示した図である。冷却器１０、シール部材７０及び締結部材８０によるシール構成は、実施例１の図３と同様であるので、その説明を省略する。
【００６７】
図８において、下部放熱板５０は、冷却水９０の流れに対向する側面５０ａ、流れに沿った５０ｂの双方が冷却流路１５中に露出しているとともに、下面５０ｃも露出し、側面５０ａ、５０ｂ及び下面５０ｃから冷却が可能な構成となっている。
【００６８】
上部放熱板５１は、側面５１ａ及び内面５１ｂが冷却流路１５中に露出し、半導体デバイス４１を開口部１３側から冷却可能に構成されており、半導体デバイス４１を上下から効率よく冷却できる構成となっている。
【００６９】
なお、電気接続部材５７、５８は、各々電極４６、４７に接続されており、外部から半導体デバイス４１の下面（コレクタ側）及び上面（エミッタ側）に電力の供給が可能なように構成されている。
【００７０】
図９は、実施例３に係る半導体冷却装置の半導体モジュール４０の圧入構造の一例を示した図である。図９（Ａ）は、半導体モジュール４０を正面図であり、図９（Ｂ）は、半導体モジュール４０の側面図である。
【００７１】
図９（Ａ）において、半導体モジュール４０が簡略化して示されているが、半導体モジュール４０の側面には、横に隆起したリブ５９が示されている。リブ５９は、冷却水９０に対向する形で横に隆起して設けられている。
【００７２】
図９（Ｂ）に示すように、リブ５０は、側面に複数設けられている。半導体モジュール４０を、冷却器１０に実装する際、リブ５９を潰し、半導体モジュール４０を冷却器１０に圧入する。そうすると、リブ５０は、半導体モジュール４０の側面への流水を防ぐように機能し、下部放熱板５０及び上部筒状放熱板５１への流量低減を防ぐことができ、冷却性能を更に向上させることができる。
【００７３】
このように、必要に応じて、半導体パッケージ４０の側面に複数のリブ５９を設け、これを潰して冷却器１０に圧入し、実装を行う構成としてもよい。なお、図８においては、半導体モジュール４０と冷却器１０の内側面に隙間が設けられているが、リブ５９を設けた場合には、半導体モジュール４０と冷却器１０の間に隙間が無い構成となる。
【実施例４】
【００７４】
図１０は、本発明の実施例４に係る半導体冷却装置の一例を示した側断面構成図である。実施例４に係る半導体冷却装置は、半導体モジュール４０ａの内部構成が実施例３に係る半導体冷却装置と異なっている。その他の構成要素については、実施例３に係る半導体冷却装置と同様であるので、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００７５】
図１０において、実施例４に係る半導体冷却装置の半導体モジュール４０ａは、半導体デバイス４１のコレクタ側が上面（開口部１３側）に配置され、エミッタ側が下面側に配置されている点で、実施例３に係る半導体冷却装置と異なっている。それに伴い、半導体デバイス４１の上方には面積の大きい絶縁基板４２、電極４４、４６及びはんだ４８が配置され、半導体デバイス４１の下方には、それらよりも面積の小さい絶縁基板４３、電極４５、４７及びはんだ４９が配置されている。つまり、実施例３に係る半導体冷却装置の上部筒状放熱板５１と下部放熱板５０との間の構成を、上下で反転させた構成となっている。
【００７６】
このように、半導体デバイス４１の裏面を上側、表面を下側に配置して半導体モジュール４０を構成してもよい。実施例３及び実施例４に係る半導体冷却装置の構成において、下部放熱板５０の冷却性能は、半導体モジュール４０、４０ａの厚さのバラツキにより、流量高さにバラツキが生じ、冷却性能がばらつくおそれがある。一方、上部筒状放熱板５１は、放熱板単品のバラツキにのみ流量高さが影響を受けるため、冷却性能のバラツキが下部放熱板５０よりも小さい。
【００７７】
ここで、通常の縦型半導体デバイス４１は、ＩＧＢＴの場合、コレクタ面の接合面積がエミッタ面に比べて大きく、コレクタ側が主に放熱を担うため、バラツキの少ない上部筒状放熱板５１側にコレクタ面を配置することで、全体の冷却性能のバラツキを低減することができる。なお、縦型の半導体デバイス４１がｎチャネル型パワーＭＯＳトランジスタの場合には、ドレインを上面側、ソースを下面側に配置すればよい。
【００７８】
このように、実施例４に係る半導体冷却装置によれば、半導体デバイス４１のコレクタ又はドレインを上部筒状放熱板５１側に配置することにより、全体として冷却性能のバラツキを低減させることができる。
【実施例５】
【００７９】
図１１は、本発明の実施例５に係る半導体冷却装置の一例を示した正面断面構成図である。実施例５に係る半導体冷却装置は、半導体モジュール４０ｂの構成のみが実施例３に係る半導体冷却装置と異なっている。他の構成要素は、実施例３に係る半導体冷却装置と同様であるので、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００８０】
図１１において、実施例５に係る半導体冷却装置の半導体モジュール４０ｂは、下部放熱板５０の冷却流路１５に平行な側面５０ｂが、モールド樹脂５４ａで覆われている点で、実施例３に係る半導体冷却装置と異なっている。この場合であっても、下部放熱板５０の冷却水９０と対向する側面５０ａは、冷却流路１５内に露出しており、冷却水９０との衝突効果は得られる構成となっている。
【００８１】
図９において、リブ５９を設けた構成の半導体冷却装置を説明したが、例えば、リブ５９を設ける場合には、図１１のような構成としてもよい。幅の広い下部放熱板５０を設けた場合であっても、モールド樹脂５４ａの側面のリブ５９による冷却器１０との密着により、下部放熱板５０の側面５０ｂの放熱効果は薄くなると考えられるので、実施例５のような構成としても、放熱効果はあまり変化しないと考えられる。また、半導体モジュール４０ｂと、冷却器１０とのリブ５９の接触点を上下に長くとることが可能となるので、半導体モジュール４０ｂの側面への冷却水９０の流出を防止する効果は高くなり、下部放熱板５０への流量低減を防止することができる。
【００８２】
このように、実施例５に係る半導体冷却装置によれば、半導体モジュール４０ｂと冷却器１０との密着力を高めることにより、半導体モジュール４０ｂの側面への流量の流出を低減できることができ、上部筒状放熱板５１及び下部放熱板５０への流量低減を防止して冷却能力を高めることができる。
【実施例６】
【００８３】
図１２は、本発明の実施例６に係る半導体冷却装置の一例を示した正面断面構成図である。図１２において、実施例６に係る半導体冷却装置は、半導体モジュール４０ｃのモールド樹脂５４ｂの形状が、実施例５に係る半導体冷却装置と異なっている。その他の構成要素の構成については、実施例５に係る半導体冷却装置と同様であるので、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００８４】
図１２において、実施例６に係る半導体冷却装置は、モールド樹脂５４ｂの下部放熱板５０の側面が除去されており、下部放熱板５０の側面５０ａ、５０ｂの総てが冷却流路１５中に露出している点で、実施例５に係る半導体冷却装置と異なっている。かかる構成により、上部筒状放熱板５１に対しては、モールド樹脂５４ｂの側面と冷却器１０との圧入密着により冷却水９０の流出を防止する効果が働き、下部放熱板５０に対しては、実施例１の図３において説明したような、下部放熱板５０の冷却水９０との接触面積を増加させる効果を働かせることができる。
【００８５】
実施例３、５、６において説明したように、用途に応じて、下部放熱板５０付近のモールド樹脂５４ｂの形状を変化させ、所望の冷却効果を得ることが可能となる。
【００８６】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、半導体デバイスを冷却する半導体冷却装置に利用することができ、例えば、車両用のインバータ等に利用することができる。
【符号の説明】
【００８８】
１０    冷却器
１１    下面
１２    上面
１３    開口部
１４    内壁
１５    冷却流路
２０、２０ａ、４０、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ    半導体モジュール
２１、４１    半導体デバイス
２２、４２、４３    絶縁基板
２３、２４、４４、４５、４６、４７    電極
２５、４８、４９    はんだ
２６、２７    放熱板
２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ、５１ａ    側面
２６ｃ、５０ｃ    下面
２８、５２、５３、７０    シール部材
２９、３０、５４、５４ａ、５４ｂ    モールド樹脂
２９ａ、５４ａ    凸部
２９ｂ、５４ｂ    平板部
３１、５５    シール面
３２、５６    カラー
３３、３４、５７、５８    電気接続部材
５０    下部放熱板
５１    上部筒状放熱板
５１ｂ    内面
５９    リブ
８０    締結部材
９０    冷却水
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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