(57)【要約】【課題】半導体素子を効率良く冷却することができる半導体装置を提供すること。【解決手段】フィン２０は、冷媒流路３０を複数層に区画し、複数層のうちの第１層は、第１の冷媒流路３１及び第２の冷媒流路３２を含み、複数層のうちの第２層は、第３の冷媒流路３３及び第４の冷媒流路３４を含む。フィン２０は、第１の平板部２１、第２の平板部２２、第３の平板部２３及び第４の平板部２４を有する。そして、搭載面１５ａの面方向において第１の平板部２１と第２の平板部２２との間に第３の平板部２３が配置されるとともに、搭載面１５ａの面方向において第３の平板部２３と第４の平板部２４との間に第２の平板部２２が配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子を冷却する冷却器と、を備え、
前記冷却器は、
前記半導体素子が搭載される搭載面を有する筐体と、
前記筐体内に収容されるとともに前記筐体と熱的に結合されたフィンと、を備える半導体装置であって、
前記フィンは、冷媒流路を複数層に区画し、
前記複数層のうちの第１層は、第１の冷媒流路と、前記第１の冷媒流路に対して前記搭載面の面方向に隣り合う第２の冷媒流路と、を含み、
前記複数層のうちの第２層は、第３の冷媒流路と、前記第３の冷媒流路に対して前記搭載面の面方向に隣り合う第４の冷媒流路と、を含み、
前記フィンは、
前記搭載面の面方向に延びて前記第１の冷媒流路における流路断面の多角形の一部を形成する第１の平板部と、
前記搭載面の面方向に延びて前記第２の冷媒流路における流路断面の多角形の一部を形成する第２の平板部と、
前記搭載面の面方向に延びて前記第３の冷媒流路における流路断面の多角形の一部を形成する第３の平板部と、
前記搭載面の面方向に延びて前記第４の冷媒流路における流路断面の多角形の一部を形成する第４の平板部と、を有し、
前記面方向において前記第１の平板部と前記第２の平板部との間に前記第３の平板部が配置されるとともに、前記面方向において前記第３の平板部と前記第４の平板部との間に前記第２の平板部が配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１〜第４の冷媒流路の流路断面形状は、四角形であ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】
前記第１〜第４の冷媒流路の流路断面形状は、六角形であ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】
前記第１〜第４の冷媒流路の流路断面形状は、八角形であ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５】
前記フィンには、前記第１層の冷媒流路と前記第２層の冷媒流路とを連通する貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１層の冷媒流路は、前記第２層の冷媒流路よりも前記搭載面側に配置され、
前記第１層の冷媒流路の流路断面積は、前記第２層の冷媒流路の流路断面積よりも小さくなっていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項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、半導体素子を冷却する冷却器を備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置は、発熱体である半導体素子を備えている。半導体素子は、例えば特許文献１のような冷却器によって冷却される。図５に示すように、特許文献１の冷却器１００は、内部が冷媒流路１００ａとなる筐体１０１を備えている。筐体１０１は、天板１０１ａと、底板１０１ｂとを有する。筐体１０１内には、二つのコルゲートフィン１０２，１０３が平板状の中間板１０４を介して積層されている。一方のコルゲートフィン１０２は中間板１０４よりも天板１０１ａ寄りに配置されるとともに、他方のコルゲートフィン１０３は中間板１０４よりも底板１０１ｂ寄りに配置されている。そして、一方のコルゲートフィン１０２における天板１０１ａ側の波頂部１０２ａは天板１０１ａに接合されるとともに、一方のコルゲートフィン１０２における中間板１０４側の波頂部１０２ｂは中間板１０４に接合されている。また、他方のコルゲートフィン１０３における底板１０１ｂ側の波頂部１０３ａは底板１０１ｂに接合されるとともに、他方のコルゲートフィン１０３における中間板１０４側の波頂部１０３ｂは中間板１０４に接合されている。冷却器１００に搭載される半導体素子１０５から発せられる熱は、コルゲートフィン１０２，１０３を介して、冷媒流路１００ａを流れる冷媒（冷却水）と熱交換されることで放熱される。これにより、半導体素子１０５が冷却される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２４５１５８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、コルゲートフィン１０２，１０３における中間板１０４側の波頂部１０２ｂ，１０３ｂと中間板１０４とは線接触となっているため、波頂部１０２ｂ，１０３ｂと中間板１０４との接触面積が小さい。そのため、波頂部１０２ｂ，１０３ｂと中間板１０４との間での熱伝達が行われ難く、半導体素子１０５から発せられる熱が、コルゲートフィン１０２，１０３を介して中間板１０４に伝達され難い。そして、コルゲートフィン１０２，１０３に伝達された熱は、コルゲートフィン１０２，１０３に沿って一方向に伝達されていくのみであるため、筐体１０１の内部での熱の拡散性が乏しく、コルゲートフィン１０２，１０３に伝達された熱と、冷媒流路１００ａを流れる冷媒との熱交換性能が低くなっている。その結果、半導体素子が冷却され難い。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、半導体素子を効率良く冷却することができる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子を冷却する冷却器と、を備え、前記冷却器は、前記半導体素子が搭載される搭載面を有する筐体と、前記筐体内に収容されるとともに前記筐体と熱的に結合されたフィンと、を備える半導体装置であって、前記フィンは、冷媒流路を複数層に区画し、前記複数層のうちの第１層は、第１の冷媒流路と、前記第１の冷媒流路に対して前記搭載面の面方向に隣り合う第２の冷媒流路と、を含み、前記複数層のうちの第２層は、第３の冷媒流路と、前記第３の冷媒流路に対して前記搭載面の面方向に隣り合う第４の冷媒流路と、を含み、前記フィンは、前記搭載面の面方向に延びて前記第１の冷媒流路における流路断面の多角形の一部を形成する第１の平板部と、前記搭載面の面方向に延びて前記第２の冷媒流路における流路断面の多角形の一部を形成する第２の平板部と、前記搭載面の面方向に延びて前記第３の冷媒流路における流路断面の多角形の一部を形成する第３の平板部と、前記搭載面の面方向に延びて前記第４の冷媒流路における流路断面の多角形の一部を形成する第４の平板部と、を有し、前記面方向において前記第１の平板部と前記第２の平板部との間に前記第３の平板部が配置されるとともに、前記面方向において前記第３の平板部と前記第４の平板部との間に前記第２の平板部が配置されている。
【０００７】
これによれば、半導体素子から発せられる熱は、筐体を介して、第１の平板部、第２の平板部、第３の平板部及び第４の平板部を含む第１〜第４の冷媒流路における流路断面の多角形の一部を形成するフィンに多方向に伝達されていくため、コルゲートフィンに比べると、筐体の内部での熱の拡散性を向上させることができる。そして、半導体素子から発せられて筐体を介してフィンに伝達された熱は、各冷媒流路を流れる冷媒と熱交換されることで放熱される。その結果、半導体素子を効率良く冷却することができる。
【０００８】
上記半導体装置において、前記第１〜第４の冷媒流路の流路断面形状は、四角形であることが好ましい。
上記半導体装置において、前記第１〜第４の冷媒流路の流路断面形状は、六角形であることが好ましい。
【０００９】
上記半導体装置において、前記第１〜第４の冷媒流路の流路断面形状は、八角形であることが好ましい。
上記半導体装置において、前記フィンには、前記第１層の冷媒流路と前記第２層の冷媒流路とを連通する貫通孔が形成されていることが好ましい。
【００１０】
これによれば、第１層の冷媒流路と第２層の冷媒流路とをそれぞれ流れる冷媒が、貫通孔を介して各冷媒流路を行き来することが可能となるため、冷媒流路の積層方向において隣り合う冷媒流路を流れる冷媒の温度を均一にし易くすることができる。その結果、筐体の内部での温度分布を均一化させることができ、例えば、搭載面に最も近い層の冷媒流路を流れる冷媒の温度が、搭載面に最も近い層の冷媒流路よりも搭載面から離れている層の冷媒流路を流れる冷媒の温度よりも高くなってしまうことが抑制され、半導体素子をさらに効率良く冷却することができる。
【００１１】
上記半導体装置において、前記第１層の冷媒流路は、前記第２層の冷媒流路よりも前記搭載面側に配置され、前記第１層の冷媒流路の流路断面積は、前記第２層の冷媒流路の流路断面積よりも小さくなっていることが好ましい。
【００１２】
これによれば、半導体素子から発せられる熱が筐体を介してフィンに伝達し易くなり、半導体素子から発せられて筐体を介してフィンに伝達された熱が、各冷媒流路を流れる冷媒と熱交換されることで放熱され易くなる。その結果、半導体素子をさらに効率良く冷却することができる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、半導体素子を効率良く冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態における半導体装置を示す断面図。
【図２】別の実施形態における半導体装置を示す断面図。
【図３】別の実施形態における半導体装置を示す断面図。
【図４】別の実施形態における半導体装置を示す断面図。
【図５】従来例における冷却器を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、半導体装置を具体化した一実施形態を図１にしたがって説明する。本実施形態の半導体装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載されるインバータであり、バッテリから入力される直流電流を交流電流に変換して走行用モータに出力するものである。
【００１６】
図１に示すように、半導体装置１０は、発熱体である半導体素子１１と、半導体素子１１を冷却する冷却器１２とを備えている。冷却器１２は、外形が直方体形状である金属材料製（例えばアルミニウム製）の筐体１３を備えている。筐体１３は、一面が開口する有底長四角箱状の収容ケース１４と、収容ケース１４の開口を閉鎖する平板状の蓋部材１５とを有する。蓋部材１５の外面は、半導体素子１１が搭載される搭載面１５ａとなっている。
【００１７】
冷却器１２は、筐体１３内に収容される金属材料製（例えばアルミニウム製）のフィン２０を備えている。フィン２０は、筐体１３の内部において流路断面形状が四角形（多角形）である冷媒流路３０を複数層に区画している。冷媒流路３０の積層方向は、搭載面１５ａに対して直交する方向（図１において矢印Ｙ１で示す方向）である。
【００１８】
複数層のうちの第１層は、第１の冷媒流路３１と、第１の冷媒流路３１に対して搭載面１５ａの面方向（図１において矢印Ｘ１で示す）に隣り合う第２の冷媒流路３２とを含む。また、複数層のうちの第２層は、第３の冷媒流路３３と、第３の冷媒流路３３に対して搭載面１５ａの面方向に隣り合う第４の冷媒流路３４とを含む。
【００１９】
フィン２０は、搭載面１５ａの面方向に延びて第１の冷媒流路３１における流路断面の四角形の一部を形成する第１の平板部２１と、搭載面１５ａの面方向に延びて第２の冷媒流路３２における流路断面の四角形の一部を形成する第２の平板部２２とを有する。また、フィン２０は、搭載面１５ａの面方向に延びて第３の冷媒流路３３における流路断面の四角形の一部を形成する第３の平板部２３と、搭載面１５ａの面方向に延びて第４の冷媒流路３４における流路断面の四角形の一部を形成する第４の平板部２４とを有する。そして、搭載面１５ａの面方向において第１の平板部２１と第２の平板部２２との間に第３の平板部２３が配置されるとともに、搭載面１５ａの面方向において第３の平板部２３と第４の平板部２４との間に第２の平板部２２が配置されている。
【００２０】
複数層に区画された複数の冷媒流路３０は、第１層に第１の冷媒流路３１及び第２の冷媒流路３２を含み、第２層に第３の冷媒流路３３及び第４の冷媒流路３４を含んだ配置関係を維持した状態で、第１〜第４の冷媒流路３１，３２，３３，３４からなる組が、筐体１３の内部に複数組配置されることで構成されている。第１層及び第２層は、冷媒流路３０の積層方向において交互に配置されている。
【００２１】
第１の平板部２１、第２の平板部２２、第３の平板部２３及び第４の平板部２４は、冷媒流路３０の積層方向において隣り合う冷媒流路３０同士を仕切っている。また、フィン２０は、搭載面１５ａの面方向に隣り合う冷媒流路３０同士を仕切る仕切り壁２５を備えている。
【００２２】
本実施形態では、各層の各冷媒流路３０の流路断面積は同じになっている。フィン２０は、ロウ付けにより筐体１３に接合されており、筐体１３と熱的に結合されている。各冷媒流路３０には、冷媒（例えば冷却水）が流れる。各冷媒流路３０は、搭載面１５ａに沿う方向（図１における紙面と直交する方向）に延びている。図１において拡大して示すように、フィン２０には、第１層の冷媒流路３０と第２層の冷媒流路３０とを連通する貫通孔２０ｈが形成されている。
【００２３】
次に、本実施形態の作用について説明する。
半導体素子１１から発せられる熱は、筐体１３を介して、第１の平板部２１、第２の平板部２２、第３の平板部２３及び第４の平板部２４を含む第１〜第４の冷媒流路３１，３２，３３，３４における流路断面の四角形の一部を形成するフィン２０に多方向に伝達されていく。よって、コルゲートフィンに比べると、筐体１３の内部での熱の拡散性が向上している。そして、半導体素子１１から発せられて筐体１３を介してフィン２０に伝達された熱は、各冷媒流路３０を流れる冷媒と熱交換されることで放熱される。その結果、半導体素子１１が冷却される。
【００２４】
また、第１層の冷媒流路３０と第２層の冷媒流路３０とをそれぞれ流れる冷媒が、貫通孔２０ｈを介して各冷媒流路３０を行き来することが可能となっている。よって、積層方向において隣り合う冷媒流路３０を流れる冷媒の温度が均一になり易く、筐体１３の内部での温度分布が均一化される。その結果、例えば、搭載面１５ａに最も近い層の冷媒流路３０を流れる冷媒の温度が、搭載面１５ａに最も近い層の冷媒流路３０よりも搭載面１５ａから離れている層の冷媒流路３０を流れる冷媒の温度よりも高くなってしまうことが抑制され、半導体素子１１が効率良く冷却される。
【００２５】
上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）フィン２０は、冷媒流路３０を複数層に区画し、複数層のうちの第１層は、第１の冷媒流路３１及び第２の冷媒流路３２を含み、複数層のうちの第２層は、第３の冷媒流路３３及び第４の冷媒流路３４を含む。フィン２０は、第１の平板部２１、第２の平板部２２、第３の平板部２３及び第４の平板部２４を有する。そして、搭載面１５ａの面方向において第１の平板部２１と第２の平板部２２との間に第３の平板部２３が配置されるとともに、搭載面１５ａの面方向において第３の平板部２３と第４の平板部２４との間に第２の平板部２２が配置されている。これによれば、半導体素子１１から発せられる熱は、筐体１３を介して、第１の平板部２１、第２の平板部２２、第３の平板部２３及び第４の平板部２４を含む第１〜第４の冷媒流路３１，３２，３３，３４における流路断面の四角形の一部を形成するフィン２０に多方向に伝達されていく。このため、コルゲートフィンに比べると、筐体１３の内部での熱の拡散性を向上させることができる。そして、半導体素子１１から発せられて筐体１３を介してフィン２０に伝達された熱は、各冷媒流路３０を流れる冷媒と熱交換されることで放熱される。その結果、半導体素子１１を効率良く冷却することができる。
【００２６】
（２）第１〜第４の冷媒流路３１，３２，３３，３４の流路断面形状は、四角形である。流路断面形状が四角形である第１〜第４の冷媒流路３１，３２，３３，３４を複数形成するフィン２０は、フィン２０を製造する上で好適な構成である。
【００２７】
（３）フィン２０には、第１層の冷媒流路３０と第２層の冷媒流路３０とを連通する貫通孔２０ｈが形成されている。これによれば、第１層の冷媒流路３０と第２層の冷媒流路３０とをそれぞれ流れる冷媒が、貫通孔２０ｈを介して各冷媒流路３０を行き来することが可能となるため、冷媒流路３０の積層方向において隣り合う冷媒流路３０を流れる冷媒の温度を均一にし易くすることができる。その結果、筐体１３の内部での温度分布を均一化させることができる。よって、例えば、搭載面１５ａに最も近い層の冷媒流路３０を流れる冷媒の温度が、搭載面１５ａに最も近い層の冷媒流路３０よりも搭載面１５ａから離れている層の冷媒流路３０を流れる冷媒の温度よりも高くなってしまうことが抑制され、半導体素子１１をさらに効率良く冷却することができる。
【００２８】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○  図２に示すように、第１〜第４の冷媒流路３１，３２，３３，３４の流路断面形状が、六角形であってもよい。図２に示すフィン２０Ａは、筐体１３の内部において流路断面形状が四角形である冷媒流路３０を複数層に区画している。フィン２０Ａは、搭載面１５ａの面方向に延びて第１の冷媒流路３１における流路断面の六角形の一部を形成する第１の平板部２１と、搭載面１５ａの面方向に延びて第２の冷媒流路３２における流路断面の六角形の一部を形成する第２の平板部２２とを有する。また、フィン２０Ａは、搭載面１５ａの面方向に延びて第３の冷媒流路３３における流路断面の六角形の一部を形成する第３の平板部２３と、搭載面１５ａの面方向に延びて第４の冷媒流路３４における流路断面の六角形の一部を形成する第４の平板部２４とを有する。そして、搭載面１５ａの面方向において第１の平板部２１と第２の平板部２２との間に第３の平板部２３が配置されるとともに、搭載面１５ａの面方向において第３の平板部２３と第４の平板部２４との間に第２の平板部２２が配置されている。なお、筐体１３とフィン２０Ａとの間に形成される空間も冷媒が流れる流路である。
【００２９】
○  図３に示すように、第１〜第４の冷媒流路３１，３２，３３，３４の流路断面形状が、八角形であってもよい。図２に示すフィン２０Ｂは、筐体１３の内部において流路断面形状が八角形である冷媒流路３０を複数層に区画している。フィン２０Ｂは、搭載面１５ａの面方向に延びて第１の冷媒流路３１における流路断面の八角形の一部を形成する第１の平板部２１と、搭載面１５ａの面方向に延びて第２の冷媒流路３２における流路断面の八角形の一部を形成する第２の平板部２２とを有する。また、フィン２０Ａは、搭載面１５ａの面方向に延びて第３の冷媒流路３３における流路断面の八角形の一部を形成する第３の平板部２３と、搭載面１５ａの面方向に延びて第４の冷媒流路３４における流路断面の八角形の一部を形成する第４の平板部２４とを有する。そして、搭載面１５ａの面方向において第１の平板部２１と第２の平板部２２との間に第３の平板部２３が配置されるとともに、搭載面１５ａの面方向において第３の平板部２３と第４の平板部２４との間に第２の平板部２２が配置されている。なお、筐体１３とフィン２０Ｂとの間に形成される空間も冷媒が流れる流路である。また、流路断面形状が八角形である第１〜第４の冷媒流路３１，３２，３３，３４を形成することにより、フィン２０Ｂの内部に形成される流路断面形状が四角形である空間も冷媒が流れる流路である。
【００３０】
○  図４に示すように、第１層の冷媒流路３０は、第２層の冷媒流路３０よりも搭載面１５ａ側に配置され、第１層の冷媒流路３０の流路断面積は、第２層の冷媒流路３０の流路断面積よりも小さくなっていてもよい。これによれば、半導体素子１１から発せられる熱が筐体１３を介してフィン２０に伝達し易くなり、半導体素子１１から発せられて筐体１３を介してフィン２０に伝達された熱が、各冷媒流路３０を流れる冷媒と熱交換されることで放熱され易くなる。その結果、半導体素子１１をさらに効率良く冷却することができる。
【００３１】
○  実施形態において、冷却水以外の流体を冷媒として用いてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１０…半導体装置、１１…半導体素子、１２…冷却器、１３…筐体、１５ａ…搭載面、２０，２０Ａ，２０Ｂ…フィン、２０ｈ…貫通孔、２１…第１の平板部、２２…第２の平板部、２３…第３の平板部、２４…第４の平板部、３０…冷媒流路、３１…第１の冷媒流路、３２…第２の冷媒流路、３３…第３の冷媒流路、３４…第４の冷媒流路。
【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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