(57)【要約】【課題】半導体素子の冷却効率の向上を達成できる、半導体素子の冷却装置を提供する。【解決手段】半導体素子３０の冷却装置１は、主表面１１を有する基板１０と、基板１０の主表面１１側に設けられたベース部材２０と、ベース部材２０の側面２２に取付けられた半導体素子３０と、ベース部材２０の上面２１に取付けられ、半導体素子３０の発熱を受けて放散する放熱部４０と、主表面１１に平行な方向に沿って放熱部４０に送風するファン５０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主表面を有する基板と、
前記基板の前記主表面側に設けられたベース部材と、
前記ベース部材の側面に取付けられた半導体素子と、
前記ベース部材の上面に取付けられ、前記半導体素子の発熱を受けて放散する放熱部と、
前記主表面に平行な方向に沿って前記放熱部に送風する送風機と、を備える、半導体素子の冷却装置。
【請求項２】
前記側面は、前記主表面に対して傾斜している、請求項１に記載の半導体素子の冷却装置。
【請求項３】
前記側面と前記主表面とは４５°の角度を形成する、請求項２に記載の半導体素子の冷却装置。
【請求項４】
前記放熱部は、複数のフィンを有し、
前記フィン同士の隙間が前記送風機による前記放熱部への送風の方向に沿って形成されるように、前記フィンは配置されている、請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体素子の冷却装置。
【請求項５】
前記フィンは、前記ベース部材にかしめられて固定されている、請求項４に記載の半導体素子の冷却装置。
【請求項６】
前記ベース部材は、２０ｍｍ以下の厚みを有する、請求項５に記載の半導体素子の冷却装置。
【請求項７】
前記送風機による送風を前記放熱部へ導くガイド部を備える、請求項１から請求項６のいずれかに記載の半導体素子の冷却装置。
【請求項８】
前記半導体素子を前記基板に接続する導線を備え、
前記ガイド部は、前記導線を覆う、請求項７に記載の半導体素子の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の冷却装置に関し、特に、半導体素子の発熱を強制風冷により放散する冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の冷却装置に関し、従来、プリント基板と、プリント基板に実装される半導体素子と、半導体素子の発熱を受けて放散するヒートシンクとを具備し、半導体素子はプリント基板とヒートシンクとの間に介在される、電気部品装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。また、パワースイッチングデバイスを搭載するベース部の、パワースイッチングデバイスを搭載する面以外の面に、冷却能力が他の部位よりも高いフィン部を設けた、電力変換装置が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２６４３８８号公報
【特許文献２】特開２００８−２９０９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献２に開示される装置では、発熱するパワースイッチングデバイスを、フィンに接する空気の温度上昇による対流を利用した自然風冷式の冷却によって、冷却している。半導体素子の冷却効率の向上のためには強制空冷による冷却がより有利であり、特許文献１に開示される装置では、放熱フィンは送風機による送風を受けて放熱するようになっている。
【０００５】
特許文献１の装置では、ヒートシンクは基板と放熱フィンと取付け用鍔部とを有し、ヒートシンクの基板の一面側に複数枚の放熱フィンが設けられている。半導体素子はヒートシンクの基板の一部と取付け用鍔部とに接触している。この場合、半導体素子が発生する熱は、半導体素子から、ヒートシンクの基板の半導体素子が接触する部分と取付け用鍔部とに、直接伝達される。半導体素子に近接する位置にある放熱フィンには、半導体素子で発生する熱が多く伝達される。一方、半導体素子から離れた位置にある放熱フィンへの熱伝導の経路が不充分なため、半導体素子から離れた位置にある放熱フィンへ伝達される熱量が相対的に少なくなる。そのため、放熱フィンによる放熱能力を十分に活用できず、結果的に半導体素子の冷却が不十分になる問題がある。
【０００６】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、半導体素子の冷却効率の向上を達成できる、半導体素子の冷却装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る半導体素子の冷却装置は、主表面を有する基板と、基板の主表面側に設けられたベース部材と、ベース部材の側面に取付けられた半導体素子と、ベース部材の上面に取付けられ、半導体素子の発熱を受けて放散する放熱部と、主表面に平行な方向に沿って放熱部に送風する送風機と、を備える。
【０００８】
上記冷却装置において好ましくは、側面は、主表面に対して傾斜している。側面と主表面とは４５°の角度を形成してもよい。
【０００９】
上記冷却装置において好ましくは、放熱部は、複数のフィンを有し、フィン同士の隙間が送風機による放熱部への送風の方向に沿って形成されるように、フィンは配置されている。フィンは、ベース部材にかしめられて固定されてもよい。ベース部材は、２０ｍｍ以下の厚みを有してもよい。
【００１０】
上記冷却装置において好ましくは、送風機による送風を放熱部へ導くガイド部を備える。好ましくは、半導体素子を基板に接続する導線を備え、ガイド部は、導線を覆う。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体素子の冷却装置によると、半導体素子の冷却効率の向上を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１の冷却装置の構成を示す側面図である。
【図２】図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿う冷却装置の部分断面図である。
【図３】実施の形態２の冷却装置の構成を示す側面図である。
【図４】図３に示す冷却装置の主要部の構成を示す斜視図である。
【図５】実施の形態３の冷却装置の構成を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の冷却装置１の構成を示す側面図である。図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿う冷却装置１の部分断面図である。図１および図２に示すように、冷却装置１は、基板１０と、基板１０に搭載されたベース部材２０と、ベース部材２０に取付けられた半導体素子３０と、を備える。基板１０は、平板状の形状を有し、主表面１１と、主表面１１に対し反対側の面である裏面１２とを有する。ベース部材２０および半導体素子３０は、基板１０の主表面１１側に配置されている。
【００１５】
半導体素子３０は、たとえばディスクリートＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）など、電力制御の用途で使用されるバイポーラトランジスタであってもよい。半導体素子３０は、電流が流れることにより発熱する。本実施の形態の冷却装置１は、発熱源である半導体素子３０の発熱を、強制風冷により放散する。
【００１６】
ベース部材２０は、基板１０の主表面１１に対向する底面２３と、底面２３に対し反対側の上面２１と、上面２１および底面２３に対し交差する側面２２とを有する。ベース部材２０は平坦な直方体の箱型形状を有している。ベース部材２０の底面２３と上面２１とは基板１０の主表面１１に対し平行に配置され、側面２２は主表面１１に対し直交して配置されている。半導体素子３０は、板部材３６に固定されている。半導体素子３０は、板部材３６を介在させて、ベース部材２０の側面２２に取付けられている。
【００１７】
半導体素子３０は、導線であるリード線３１によって、基板１０に接続されている。図２に示すように、一つの半導体素子３０から三本のリード線３１ａ，３１ｂ，３１ｃが延びている。リード線３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、基板１０の主表面１１側から裏面１２側にまで延び、基板１０を貫いて配置され、たとえばはんだ付けによって基板１０に固定される。各々のリード線３１ａ，３１ｂ，３１ｃが基板１０に接続され、これにより、半導体素子３０と基板１０とが電気的に接続されている。なお図２には、ベース部材２０が計８個のブロックに分割され、各々のブロックに二個の半導体素子３０が取付けられ、冷却装置１は計１６個の半導体素子３０を有する例が図示されている。半導体素子３０の個数はこの例に限られるものではなく任意であり、またベース部材２０はブロックの組合せにより形成されず一体の構造物であってもよい。
【００１８】
ベース部材２０の上面２１には、半導体素子３０の発熱を受けて放散する放熱部４０が取付けられている。放熱部４０は、複数のフィン４１を有する。フィン４１は、プレートフィンであり、矩形板状の形状を有する。隣接する二つのフィン４１の間には、隙間が形成されている。
【００１９】
放熱部４０は、ベース部材２０の上面２１のほぼ全体に設けられている。つまり、矩形板状のフィン４１の、ベース部材２０に組み付けられる辺の長さは、ベース部材２０の短手方向または奥行き方向（図１中の左右方向、図２中の紙面垂直方向）の長さとほぼ同一である。フィン４１は、ベース部材２０の長手方向または幅方向（図１中の紙面垂直方向、図２中の左右方向）において、上面２１の一方の縁から他方の縁にまで亘って、設けられている。その結果、ベース部材２０の上面２１のほぼ全体において、フィン４１が取付けられている。かつ、ベース部材２０の上面２１の、フィン４１が取付けられていない部分には、隣接するフィン４１間の隙間が形成されている。
【００２０】
半導体素子３０が固定される板部材３６は、ベース部材２０の側面２２に面接触している。板部材３６の全体が側面２２に面接触しており、半導体素子３０は板部材３６を介して側面２２に面接触している。そのため、半導体素子３０が発生した熱は、熱伝導により、板部材３６を経由してベース部材２０に伝達され易くなっている。板部材３６、ベース部材２０および放熱部４０は、高い熱伝導率を有する材料、たとえば銅やアルミニウムに代表される金属材料により、形成されている。
【００２１】
放熱部４０を形成する各々のフィン４１は、同一の矩形板状の形状を有する。このようなフィン４１は、ロウ付けによりベース部材２０の上面２１に接合されてもよい。または、ベース部材２０の上面２１から連続的にフィン４１を切り起こすスカイブフィン法によりフィン４１が形成され、ベース部材２０とフィン４１とが一体化した構造が形成されてもよい。
【００２２】
ベース部材２０の側面２２に等間隔に半導体素子３０が配置され、ベース部材２０が箱状に形成され、さらに、同一の形状を有するフィン４１がベース部材２０の上面２１の全体に形成される。ベース部材２０は、その内部を経由する熱伝導を妨げない形状および寸法を有するように、形成される。そのため、半導体素子３０が発生する熱は、各々の半導体素子３０からベース部材２０を経由してフィン４１に、ほぼ等しい熱伝達効率にて、伝達される。これにより、複数の半導体素子３０をほぼ同一の冷却効率で冷却することができ、複数の半導体素子３０間での冷却度合いのばらつきの発生が抑制されている。
【００２３】
図１を参照して、冷却装置１はさらに、送風機の一例としてのファン５０を備える。図１中の矢印に示すように、ファン５０は、基板１０の主表面１１に平行な方向に沿って、放熱部４０へ送風する。板状のフィン４１は、ファン５０による送風の方向に沿って延在する。複数のフィン４１同士の隙間が、ファン５０によるフィン４１への送風の方向に沿って形成されるように、フィン４１は配置されている。
【００２４】
板状のフィン４１を並行に並べ、ファン５０による空気流れの方向に沿って延びる隙間をフィン４１間に形成することにより、半導体素子３０の発熱を受け加熱されたフィン４１からフィン４１の周囲の空気に効率よく熱を放散できる。フィン４１からの放熱を受け加熱された空気はフィン４１間の隙間を通って流れ、この隙間を流れる空気の流れの妨げとならないようにフィン４１が配置されている。ファン５０が形成する空気流れにより、フィン４１と熱交換し加熱された空気がフィン４１の周囲から効率よく除去され、温度の低い空気が新たにフィン４１の周囲に供給される。そのため、フィン４１からの熱の放散効率を向上することができる。
【００２５】
フィン４１の形状は、プレートフィンに限られるものではない。たとえば、放熱部４０が多数のピンフィンを有し、このピンフィンがベース部材２０の上面２１に縦横二方向に整列されて設けられてもよい。この場合も、ファン５０により形成される空気流れに沿ってピンフィン間の隙間を形成することにより、ピンフィンの周囲の空気の移動が促進され、フィンからの熱の放散効率を向上することができる。
【００２６】
ベース部材２０の側面２２において半導体素子３０がベース部材２０に面接触できるように、側面２２の寸法が規定されている。ベース部材２０は、直方体の箱状の形状を有し、十分に大きい体積を有する。ベース部材２０は、体積が十分大きく形成され、十分な熱容量を有するように形成される。これにより、半導体素子３０からの熱伝達がベース部材２０で滞ることがなく、半導体素子３０で発生した熱はベース部材２０を経由して放熱部４０まで速やかに伝達される。放熱部４０はファン５０からの送風により強制空冷されるので、放熱部４０における熱の滞留の発生も回避できる。したがって、発熱源である半導体素子３０で発生した熱を放熱部４０で効率的に放散できるので、放熱部４０での熱の放散を利用した半導体素子３０の冷却能力を向上することができ、より効率的に半導体素子３０を冷却することができる。
【００２７】
（実施の形態２）
図３は、実施の形態２の冷却装置１の構成を示す側面図である。図４は、図３に示す冷却装置１の主要部の構成を示す斜視図である。実施の形態２の冷却装置１では、ベース部材２０の形状が直方体の箱形状ではなく、半導体素子３０の取付けられる側面２２が基板１０の主表面１１に対して傾斜している点で、実施の形態１と異なっている。
【００２８】
具体的には、図３および図４に示すように、ベース部材２０の上面２１および底面２３は基板１０の主表面１１に対し平行に配置されているが、半導体素子３０の取付けられる側面２２は主表面１１に直交していない。側面２２は底面２３に対し、角度αを形成して傾斜している。底面２３と主表面１１とは平行であるので、側面２２は結局、主表面１１に対して角度αを形成して傾斜している。
【００２９】
側面２２を底面２３に対し傾斜させることにより、図３中に示すベース部材２０の高さ方向の寸法ｔを小さくすることができる。ベース部材２０の高さを半導体素子３０の高さ方向の寸法よりも小さくしても、側面２２を傾斜させることで、半導体素子３０を取付けるための側面２２の面積を確保できる。そのため、実施の形態２においても、半導体素子３０のベース部材２０への接触状態は変わらず、半導体素子３０は側面２２に面接触している。
【００３０】
半導体素子３０のベース部材２０への取付面積を維持することにより、半導体素子３０が発生した熱のベース部材２０への熱伝達効率を低下させることなく、ベース部材２０の厚みを低減できる。そのため、ベース部材２０に係る材料費を低減できるので、冷却装置１のコストを低減できる。かつ、ベース部材２０の重量を低減できるので、冷却装置１を軽量化できる。
【００３１】
半導体素子３０が取付けられる側面２２を斜めにし、ベース部材２０の厚みを低減することにより、フィン４１をベース部材２０にかしめて固定することができる。かしめ用の金型上の制約によって、ベース部材２０の厚みが大きい場合にはフィン４１をベース部材２０にかしめ固定するのは困難である。本実施の形態のようにベース部材２０の厚みを削減し、典型的にはベース部材２０の厚みを２０ｍｍまたはそれ以下にすれば、冷却装置１へのかしめフィンの採用が可能になる。
【００３２】
図３および図４に示すように、ベース部材２０の上面２１には、上面２１から上方に突起した畝状のかしめ部２５が複数形成される。複数のかしめ部２５は、フィン４１の延在方向と同じ方向に延び、互いに平行に設けられる。隣接する二つのかしめ部２５によってフィン４１が挟まれるようにフィン４１を上面２１に配置し、フィン４１の厚み方向に沿ってフィン４１の両側からかしめ部２５に力を加えることにより、フィン４１はベース部材２０にかしめ固定される。このようにフィン４１を設けることで、実施の形態１で説明したロウ付けまたはスカイブフィン法に比較して、フィン４１の形成のための加工が簡単になる。そのため、フィン４１の加工に要する工数を低減でき、冷却装置１の製造コストを低減できる。
【００３３】
ベース部材２０の側面２２が基板１０の主表面１１に対して傾斜する角度αは、発熱源である半導体素子３０とフィン４１との間の距離、半導体素子３０を側面２２に取付けるために十分大きい側面２２の面積、ベース部材２０の厚み寸法ｔなどを考慮して、最適な角度が規定される。半導体素子３０をフィン４１に近接させて配置でき、半導体素子３０を側面２２に面接触でき、かつベース部材２０の厚みを低減できるために最適な角度として、たとえば角度αを４５°と規定してもよい。
【００３４】
側面２２が傾斜しており、側面２２に取付けられる半導体素子３０もまた基板１０の主表面１１に対し傾斜して配置されるので、半導体素子３０と基板１０とを接続するリード線３１は屈曲する。リード線３１は、半導体素子３０から導線が直線状に延びる延在部３２と、基板１０の主表面１１に対して垂直に導線が延び基板１０に固定される接続部３３と、延在部３２と接続部３３との連結点でリード線３１が屈曲する屈曲部３４と、を有する。
【００３５】
半導体素子３０に接続される部分である延在部３２は、基板１０の主表面１１に対する半導体素子３０の傾斜に従って、基板１０の主表面１１に対して傾斜して延びる。基板１０へのリード線３１のはんだ付けのために、接続部３３は基板１０に対して垂直な方向に延在する必要がある。屈曲部３４でリード線３１を屈曲させることにより、基板１０の主表面１１に対して接続部３３が成す角度を任意に調整できる。これにより、接続部３３を確実に基板１０に対して垂直な方向に延在させ、リード線３１を基板１０にはんだ付けにより固定することが可能になる。
【００３６】
（実施の形態３）
図５は、実施の形態３の冷却装置１の構成を示す側面図である。実施の形態３の冷却装置１は、基板１０の主表面１１に実装された電気部品７０と、主表面１１に固定されたガイド部６０，８０をさらに備える点で、実施の形態２と異なっている。
【００３７】
ガイド部６０は、半導体素子３０に対し、ファン５０による空気流れの方向の上流側に配置されている。ガイド部６０は、基板１０の主表面１１に固定される板状の固定部６１と、主表面１１から離れた位置で固定部６１と平行に設けられる板状の平行部６３と、を有する。固定部６１と平行部６３とは、基板１０の主表面１１に対し平行に配置されている。ガイド部６０はまた、固定部６１と平行部６３とを連結する連結部６２を有する。連結部６２は、上記空気流れの下流側の固定部６１の端部と、上記空気流れの上流側の平行部６３の端部と、を連結する。連結部６２は、基板１０の主表面１１に対し傾斜して配置されている。
【００３８】
ガイド部６０は、矩形状の板材が当該矩形の一辺に沿って一以上の箇所において曲げ加工されることにより、形成されてもよい。または、ガイド部６０は、固定部６１、連結部６２および平行部６３に相当する形状を有する三つの板材を、任意の方法で接合することにより、形成されてもよい。
【００３９】
平行部６３は、ガイド部６０のうち、基板１０の主表面１１から最も離れる部分を構成する。平行部６３は、基板１０の主表面１１に直交する方向において、ベース部材２０の上面２１とほぼ同じ位置に配置される。平行部６３は、固定部６１に対して、ファン５０により形成される空気流れの下流側に配置される。連結部６２は、基板１０から離れるに従って、上記空気流れのより下流側に配置される。なお、連結部６２および平行部６３は、平板形状に限られず、曲面形状の板材により形成されてもよい。また平行部６３は、基板１０の主表面１１に対して必ずしも平行に配置されなくてもよい。
【００４０】
放熱部４０に対して、ファン５０により形成される空気流れの上流側に、ガイド部６０を配置する。これにより、ファン５０から放熱部４０へ向かって流れる空気は、ガイド部６０の上面（基板１０から離れる側のガイド部６０の表面）に沿って流れ、放熱部４０へ導かれる。ガイド部６０がファン５０による送風を放熱部４０へ導くことにより、より多量の空気が放熱部４０へ供給される。そのため、放熱部４０における熱の放散効率を一層向上することができる。
【００４１】
半導体素子３０およびリード線３１は、ベース部材２０の、ファン５０により形成される空気流れの上流側の側面２２に取付けられる。ガイド部６０は、当該空気流れの方向における、半導体素子３０およびリード線３１の上流側に配置される。ガイド部６０は、ファン５０からの送風に対して半導体素子３０およびリード線３１を覆い、ファン５０からの空気が半導体素子３０およびリード線３１に直接流れることを防止する。これにより、空気流れにより運ばれる粉塵や埃が半導体素子３０およびリード線３１に付着することを抑制できるので、半導体素子３０の過熱、リード線３１の短絡などの、粉塵または埃の付着を原因とした不具合の発生を回避することができる。
【００４２】
電気部品７０は、ガイド部６０に対し、ファン５０による空気流れの方向の上流側に配置されている。ガイド部８０は、固定部８１、連結部８２および平行部８３などのガイド部６０と同様の構成を有しており、電気部品７０に対し、ファン５０による空気流れの方向の上流側に配置されている。ガイド部８０は、ファン５０からの送風に対して電気部品７０を覆い、ファン５０からの空気が電気部品７０に直接流れることを防止する。これにより、空気流れにより運ばれる粉塵や埃が電気部品７０に付着することを抑制できるので、粉塵または埃の付着を原因とした電気部品７０の不具合の発生を回避することができる。
【００４３】
ファン５０による送風により、粉塵や埃が空気と共に運ばれ、基板１０に到達することが考えられる。そのため、基板１０に実装される電気部品７０が粉塵および埃による悪影響を受けにくいようにするのが望ましい。たとえば、電気部品７０にコーティングをすることで粉塵および埃の影響を少なくすることができる。そのため、コーティングが容易な電気部品７０を選択して基板１０に実装するのが望ましい。このようにコーティングし易い電気部品７０の一例としては、たとえば、フォトカプラ、抵抗、パルストランスなどが挙げられる。
【００４４】
ファン５０が基板１０から離れる位置に配置され、放熱部４０とファン５０との間の距離が大きく放熱部４０がファン５０から離れた位置にある構成であっても、ガイド部６０，８０によってファン５０で発生した空気流れを放熱部４０に導くことができる。ガイド部６０に対し空気流れの上流側に他のガイド部８０を設けることにより、ファン５０による送風をより確実に放熱部４０にまで導くことができる。よって、放熱部４０における熱の放散効率を確保でき、半導体素子３０の冷却能力を向上することができる。
【００４５】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４６】
１  冷却装置、１０  基板、１１  主表面、１２  裏面、２０  ベース部材、２１  上面、２２  側面、２３  底面、２５  かしめ部、３０  半導体素子、３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ  リード線、３２  延在部、３３  接続部、３４  屈曲部、３６  板部材、４０  放熱部、４１  フィン、５０  ファン、６０，８０  ガイド部、６１，８１  固定部、６２，８２  連結部、６３，８３  平行部、７０  電気部品。
【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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