JP2013161993A - 半導体モジュールの冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールと冷却器とを接合した箇所において、冷媒通路に段差が存在する場合でも、温度が高い半導体素子を十分に冷却できない。
【解決手段】第１の半導体素子１２と、使用時に第１の半導体素子１２よりも温度が高くなる第２の半導体素子１１とが実装された半導体モジュールと、冷媒が流れる通路を内部に有し、半導体モジュールを冷却する冷却器５１とを備えた半導体モジュールの冷却構造において、一以上の第１の半導体素子１２は、冷媒が流れる方向に沿った第１列に、一以上の第２の半導体素子１１は第２列に配置されており、半導体モジュールと冷却器５１との接合箇所は、接合していない箇所に比べて、冷却器５１の厚みの分だけ冷媒が流れる通路の流路断面積が狭くなっており、接合箇所における冷却器の厚みのうち、第２列の上流および下流のうちの少なくとも一方の厚みは、第１列の上流および下流のうちの少なくとも一方の厚みよりも薄い。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体モジュールの冷却構造に関する。

従来、基板上に半導体素子を載置し、基板の反対側をヒートシンクと接合した半導体モジュールをアルミ等からなる冷却器（冷却ケース）に固定して、半導体モジュールと冷却器との間に冷却水を流す構造が知られている（特許文献１参照）。半導体モジュールと冷却器との接触部には、Ｏリングやガスケット等からなるシール材を挟み込むことによって、冷却水の漏れを防止している。

特開２００４−８０８５６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構造では、ヒートシンクの下部のうち、シール材を介して冷却器と接合された部分は、冷却器の厚さ分だけ、冷却水流路に段差が生じて流路断面積が狭くなる。従って、段差付近の冷却水の流れが悪くなり、温度が高い半導体素子を十分に冷却できないという問題が生じる。

本発明は、半導体モジュールと冷却器とを接合した箇所において、冷媒通路に段差が存在する場合でも、温度が高い半導体素子を効果的に冷却することができる技術を提供することを目的とする。

本発明による半導体モジュールの冷却構造は、第１の半導体素子と、使用時に第１の半導体素子よりも温度が高くなる第２の半導体素子とが実装された半導体モジュールと、冷媒が流れる通路を内部に有し、半導体モジュールを冷却する冷却器とを備える。一以上の第１の半導体素子は、冷媒が流れる方向に沿った第１列に配置され、一以上の第２の半導体素子は、冷媒が流れる方向に沿った第２列に配置されている。半導体モジュールと冷却器とを接合している接合箇所は、接合していない箇所に比べて、冷却器の厚みの分だけ冷媒が流れる通路の流路断面積が狭くなっており、接合箇所における冷却器の厚みのうち、第２列の上流および下流のうちの少なくとも一方の厚みは、第１列の上流および下流のうちの少なくとも一方の厚みよりも薄い。

本発明によれば、半導体モジュールと冷却器との接合箇所の冷却器の厚みのうち、使用時に温度が高くなる第２の半導体素子の上流および下流のうちの少なくとも一方の厚みを薄くして、流路断面積を大きくするので、冷媒の流速を上げて熱伝達率を大きくして、第２の半導体素子を効果的に冷却することができる。

図１（ａ）は、第１の実施形態における半導体装置の上面図、図１（ｂ）は、第１の実施形態における半導体装置の側面図である。 図２は、図１（ｂ）の断面Ａ−Ａを示す図である。 図３は、図１（ｂ）の断面Ｂ−Ｂを示す図である。 図４は、図２の断面Ｃ−Ｃを示す図である。 図５は、図２の断面Ｄ−Ｄを示す図である。 図６は、図４の断面Ｅ−Ｅを示す図である。 図７は、図５に対応する第２の実施形態における半導体装置の断面図である。 図８は、図３に対応する第２の実施形態における半導体装置の断面図である。 図９は、図４に対応する第３の実施形態における半導体装置の断面図である。 図１０は、図４に対応する第４の実施形態における半導体装置の断面図である。 図１１は、図４に対応する第５の実施形態における半導体装置の断面図である。 図１２は、図５に対応する第５の実施形態における半導体装置の断面図である。 図１３は、図６に対応する第５の実施形態における半導体装置の断面図である。

−第１の実施形態−
図１（ａ）は、第１の実施形態における半導体装置１の上面図、図１（ｂ）は、第１の実施形態における半導体装置１の側面図である。第１の実施形態における半導体装置１は、半導体モジュール１０を収容したモジュールケース７１が冷却器５１に対して複数のボルト７３によって固定されることによって構成されている。

図１（ｂ）に示すように、冷却器５１の側面には、冷却水が流入する流入口５５が設けられており、反対側の側面には、冷却器５１の内部を通過した冷却水が流出する流出口５６（図３参照）が設けられている。なお、半導体モジュール１０を冷却するための冷媒が冷却水に限定されることはない。

図２は、図１（ｂ）の断面Ａ−Ａを示す図である。半導体モジュール１０は、複数の半導体素子１１、１２を備える。例えば、半導体素子１１は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子であり、半導体素子１２はダイオードである。通常使用時において、半導体素子１２よりも半導体素子１１の方が温度が高くなるものとする。特に、本実施形態では、半導体モジュール１０を構成する複数の半導体素子のうち、図２に示す半導体素子１１ａの温度が最も高くなるものとする。なお、温度が最も高くなる半導体素子は、半導体モジュール１０の寸法や材料の組み合わせ等で決まるものであって、図２に示す半導体素子１１ａに限定されることはない。

半導体素子１１は、冷却水が流れる方向に沿って配列されている。同様に、半導体素子１２も冷却水が流れる方向に沿って配列されている。図２に示す例では、半導体素子１１および半導体素子１２はそれぞれ直線上に一列に配列されているが、必ずしも直線上に配列されていなくてもよい。

複数の半導体素子１１、１２は、アルミワイヤボンディング等で電気的配線部材および放熱部材である電極パターン２１と接合されている。また、電極パターン２１も、アルミワイヤボンディングや、アルミや銅等からなるリボンボンディング等でモジュールケース７１に接続され、半導体モジュール１０の外のブスバー等の配線部品にボルト止め等で接続される。これにより、半導体装置１は、電気自動車やハイブリッド自動車等の電気自動車を駆動するモータを制御するインバータ等の電力変換装置の一部として使用される。

図３は、図１（ｂ）の断面Ｂ−Ｂを示す図である。図３に示すように、冷却器５１の内部には、冷却水が流れる冷却水路６１が形成されており、流入口５５から流入した冷却水は、冷却水路の形状に沿って流れが広がり、半導体モジュール１０の一部である冷却フィン４２の間を流れることによって、半導体素子１１、１２で発生する熱を奪い、流路形状に沿って流出口５６から排出される。

図４は、図２の断面Ｃ−Ｃ、すなわち、半導体素子１１が配列された列の断面を示す図である。また、図５は、図２の断面Ｄ−Ｄ、すなわち、半導体素子１２が配列された列の断面を示す図である。半導体素子１１は、はんだ等からなる接合材料３１によって電極パターン２１に接合されている。また、半導体素子１２は、はんだ等からなる接合材料３２によって電極パターン２１に接合されている。電極パターン２１は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等からなる絶縁板２３と接合されている。

積層方向における絶縁板２３の両面のうち、電極パターン２１と接合されていない面は、電極パターン２２と接合されている。電極パターン２１、２２および絶縁板２３は、合わせて絶縁基板と呼ばれる。

電極パターン２２は、はんだ等からなる接合材３３によってヒートシンク４１と接合している。ヒートシンク４１には、複数の冷却フィン４２が形成されている。それぞれの冷却フィン４２は、円筒形状である。ヒートシンク４１は、銅やアルミ等からなり、別体フィンをろう付けする工法や、切削書こうで削り出す工法等により、冷却フィン４２付きヒートシンク４１を製作することができる。

ヒートシンク４１の端部と冷却器５１との間には、冷却水の漏れを防ぐために、Ｏリングやガスケット等のシール材７５が挟み込まれている。

ここで、図４および図５に示すように、ヒートシンク４１の下部のうち、シール材７５を介して冷却器５１と接合されているシール部分は、冷却器５１の厚さ分だけ、冷却水路６１の流路断面積が狭くなっている。すなわち、冷却水が流れる方向と垂直な方向における冷却水路６１の高さは、ヒートシンク４１と冷却器５１とが接合されているシール部分と、ヒートシンク４１と冷却器５１とが接合されていない部分とで異なっており、段差が生じている。

図６は、図４の断面Ｅ−Ｅ、すなわち、ヒートシンク４１と冷却器５１とのシール部分の断面を示す図である。本実施形態では、ヒートシンク４１と冷却器５１とが接合されているシール部分のうち、使用時に温度が高い半導体素子の上流および下流における冷却器５１の肉厚を、相対的に温度が低い半導体素子の上流および下流における冷却器５１の肉厚よりも薄くする。ここで、上流および下流とは、冷却水の流れ方向における上流および下流を意味する。

すなわち、図６に示すように、半導体素子１１の上流および下流におけるシール部分５２ａは、半導体素子１２の上流および下流におけるシール部分５２ｂよりも、肉厚が薄い。これにより、半導体素子１１の上流および下流における冷却水路６１の段差が生じている部分で冷却水の流れがよどみやすいエリア６１ａを小さくすることができる（図４参照）。従って、温度が高くなる素子（半導体素子１１）、特に最高温度となる素子（半導体素子１１ａ）の上流側および下流側の冷却水路の流路断面積が大きくなって、温度が高くなる素子、特に最高温度となる素子の直下の冷却水の流速を上げることができるので、熱伝達率を大きくして、温度が高くなる素子、特に最高温度となる素子の温度を効果的に下げることができる。

ここで、温度が低い半導体素子の上流および下流におけるシール部分（冷却器）の肉厚も薄くすると、シール部分における剛性が低下して、シール部分から冷却水が漏れる可能性がある。しかしながら、本実施形態では、肉が厚いシール部分５２ｂと肉が薄いシール部分５２ａとを組み合わせているので、使用時に温度が高い半導体素子の上流および下流におけるシール部分５２ａの肉厚を薄くしても、シール部全体として必要な剛性を確保することができる。

以上、第１の実施形態における半導体モジュールの冷却構造によれば、第１の半導体素子１２と、使用時に第１の半導体素子１２よりも温度が高くなる第２の半導体素子１１とが実装された半導体モジュール１０と、冷媒が流れる通路を内部に有し、半導体モジュール１０を冷却する冷却器５１とを備えた半導体モジュールの冷却構造において、一以上の第１の半導体素子１２は、冷媒が流れる方向に沿った第１列に配置され、一以上の第２の半導体素子１１は、冷媒が流れる方向に沿った第２列に配置されている。半導体モジュール１０と冷却器５１とを接合している接合箇所は、半導体モジュール１０と冷却器５１とを接合していない箇所に比べて、冷却器５１の厚みの分だけ冷媒が流れる通路の流路断面積が狭くなっており、接合箇所の冷却器５１の厚みのうち、第２列の上流および下流の厚みは、第１列の上流および下流の厚みよりも薄い。これにより、温度が高くなる第２の半導体素子１１の上流側および下流側の流路断面積が大きくなって、第２の半導体素子１１の直下を流れる冷媒の流速を上げることができ、熱伝達率を大きくすることができるので、相対的に温度が高くなる第２の半導体素子１１を効果的に冷却することができる。また、接合箇所の冷却器５１の厚みのうち、第２列側だけでなく第１列側の厚みも薄くする場合に比べて、シール部全体の剛性を高くすることができる。

−第２の実施形態−
図７は、図５に対応する第２の実施形態における半導体装置の断面図であり、図８は、図３に対応する第２の実施形態における半導体装置の断面図である。

第２の実施形態における半導体装置が第１の実施形態における半導体装置と異なるのは、ヒートシンクの冷却ファンの形状である。すなわち、第２の実施形態における半導体装置のヒートシンクは、複数の平板状のフィンを有するブレードフィン型の冷却フィン４３を有する。冷却水が複数の平板状のフィン間を流れることにより、半導体素子１１、１２が発生する熱を奪う。

以上、第２の実施形態における半導体モジュールの冷却構造においても、第１の実施形態における半導体モジュールの冷却構造と同様の効果を得ることができる。

−第３の実施形態−
図９は、図４に対応する第３の実施形態における半導体装置の断面図である。

第３の実施形態における半導体装置では、第１および第２の実施形態における半導体装置と異なり、ヒートシンク４１と冷却器５１とが接合されているシール部分のうち、上流側（冷却水の流入側）のシール部分５２ｃが均一な肉厚を有している。また、半導体素子の配置位置や、電極パターン２１の寸法違いや材質特性違いのため、最高温度となる半導体素子１１ａの位置は、一列に配置された半導体素子１１の中央（図２参照）ではなく、下流側の位置となっている。

本実施形態の半導体装置では、最高温度となる半導体素子１１ａの下流側におけるヒートシンク４１と冷却器５１とが接合されているシール部分５２ｂの肉厚が、半導体素子１１ａ以外の半導体素子１１および半導体素子１２の下流側におけるヒートシンク４１と冷却器５１とが接合されているシール部分の肉厚よりも薄い。このため、最高温度となる半導体素子１１ａの下流側において冷却水路６１の段差がある部分、すなわち、冷却水の流れが悪くなるエリア６１ａを小さくするができるので、放熱性を向上させることができる。

また、最高温度の半導体素子１１ａから遠い距離にある上流側のシール部分５２ｃの肉厚は均一であって、かつ、最高温度となる半導体素子１１ａの下流側におけるシール部分５２ｂの肉厚よりも厚い。これにより、上流側のシール部分の一部の肉厚も薄くする構成と比べると、最高温度の半導体素子１１ａから遠い距離にある上流側のシール部分の剛性を高くすることができる。

上述した説明では、最高温度となる半導体素子１１ａの下流側におけるヒートシンク４１と冷却器５１とが接合されているシール部分５２ｂの肉厚を薄くした。しかし、最高温度となる半導体素子１１ａに限らず、半導体素子１１の下流側におけるヒートシンク４１と冷却器５１とが接合されているシール部分の肉厚を、半導体素子１２の下流側におけるヒートシンク４１と冷却器５１とが接合されているシール部分の肉厚よりも薄くするようにしてもよい。

以上、第３の実施形態における半導体モジュールの冷却構造によれば、半導体モジュール１０と冷却器５１とを接合している接合箇所のうち、使用時に温度が高くなる半導体素子１１の下流の厚みは、半導体素子１２の下流の厚みよりも薄くした。半導体素子で発生した熱を受熱するため、冷却水の温度は下流になるほど高くなるが、半導体素子１１の下流側の接合箇所の厚みを、半導体素子１２の下流側の接合箇所の厚みよりも薄くしたので、半導体素子１１の放熱性を向上させることができる。

−第４の実施形態−
図１０は、図４に対応する第４の実施形態における半導体装置の断面図である。

第４の実施形態における半導体装置が第１の実施形態における半導体装置と異なるのは、半導体素子１１および半導体素子１２の下流側のシール部分５２ｃの肉厚が均一であることと、最高温度となる半導体素子１１ａの上流側におけるシール部分５２ｄの形状である。最高温度となる半導体素子１１ａの上流側におけるシール部分５２ｄは、図１０に示すように、流路高さＨの厚みを有する形状であって、図１０の紙面と垂直な方向の断面が均一な形状である。

ここで、流速Ｕ、流路高さＨ、動粘性係数νを次式（１）〜（３）のように決めると、レイノルズ数Ｒｅは、次式（４）のようになる。なお、冷却水の温度は、例えば２５℃である。

Ｕ＝２［ｍ／ｓｅｃ］ …（１）
Ｈ＝２×１０^−３［ｍ］ …（２）
ν＝９×１０^−７［ｍ^２／ｓｅｃ］ …（３）
レイノルズ数Ｒｅ＝ＵＨ／ν＝４４４４ …（４）
ここで、レイノルズ数Ｒｅとは、流体力学において、流れの性質を調べるために使用される無次元量である。レイノルズ数Ｒｅが２０００〜３０００以上であると、層流ではなく乱流の状態となる事例が報告されている。また、乱流状態では、多くの場合、渦を伴った複雑な流れ状態となるため、流体の拡散性が増大することで熱の移動もしやすくなる。

本実施形態では、式（４）に示すように、レイノルズ数Ｒｅが４４４４で乱流が発生することが予想され、その流れ状態で冷却水が冷却フィン４２に当たるため、熱伝達率が大きくなり、層流のときに比べて放熱性能が向上する。

−第５の実施形態−
図１１は、図４に対応する第５の実施形態における半導体装置の断面図であり、図１２は、図５に対応する第５の実施形態における半導体装置の断面図である。また、図１３は、図６に対応する第５の実施形態における半導体装置の断面図である。

第５の実施形態における半導体装置が第１の実施形態における半導体装置と異なるのは、半導体素子１１の下流側のシール部分５２ｃの肉厚が均一であることと、半導体素子１１ａの上流側のシール部分が後述する構造となっていることである。

最高温度となる半導体素子１１ａの上流側の冷却器５１のシール部分５２ｅは、図１１に示すように、流路高さＨとなるような厚みを有する形状であり、図１１の紙面と垂直な方向の断面が均一な形状である。

ここで、流速Ｕ、流路高さＨ、動粘性係数νを次式（５）〜（７）のように決めると、レイノルズ数Ｒｅは、次式（８）のようになる。なお、冷却水の温度は、例えば２５℃である。

Ｕ＝１．５［ｍ／ｓｅｃ］ …（５）
Ｈ＝３×１０^−３［ｍ］ …（６）
ν＝９×１０^−７［ｍ^２／ｓｅｃ］ …（７）
レイノルズ数Ｒｅ＝ＵＨ／ν＝５０００ …（８）
半導体素子１１の上流側におけるシール部分５２ｅの厚みは、半導体素子１２の上流側および下流側におけるシール部分５２ｆの厚みよりも薄い。

本実施形態においても、レイノルズ数Ｒｅが５０００であるため、第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、上記効果に加えて、最高温度となる半導体素子１１ａの上流側におけるシール部分５２ｅ周辺の冷却水の流れが悪くなるエリア６１ａを小さくすることができるので、シール部分５２ｅ付近で発生した乱流の渦が効率的に冷却フィン４２に当たり、放熱性をさらに向上させることができる。

以上、第５の実施形態における半導体モジュールの冷却構造によれば、冷却器５１は、半導体モジュールとの接合箇所において、半導体モジュールとの接合面と反対側の面に凸部を有する。凸部を設けたことにより、凸部で発生した乱流により放熱性を向上させることができる。また、接合箇所における剛性が高くなるとともに、冷却水の漏水をより確実に防ぐことができる。

特に、冷却器５１は、使用時に温度が高くなる半導体素子１１の上流における接合箇所において、凸部を有するので、乱流発生による圧力損失の上昇を抑制しつつ、効果的に放熱性を向上させることができる。

冷媒が流れる通路の高さをＨ、冷媒の動粘性係数をν、冷媒の流速をＵとすると、レイノルズ数Ｒｅ＝Ｕ×Ｈ／νが一定値（例えば２０００）以上となるように、凸部の高さを定めたので、凸部において乱流を発生しやすくして、放熱性を向上させることができる。

本発明は、上述した各実施の形態に限定されることはない。例えば、半導体モジュール１０は、半導体素子１１および半導体素子１２の２種類の半導体素子を含むものとして説明したが、３種類以上の半導体素子を含んでいてもよい。この場合、使用時に最も温度が高くなる半導体素子の上流および下流のうちの少なくとも一方の厚みを、他の種類の半導体素子の上流および下流のうちの少なくとも一方の厚みよりも薄くすればよい。

第１の実施形態における半導体装置では、半導体モジュール１０と冷却器５１とを接合している接合箇所の冷却器５１の厚みのうち、半導体素子１１の上流および下流の厚みを、半導体素子１２の上流および下流の厚みよりも薄くした。しかし、半導体素子１１の上流の厚みを半導体素子１２の上流の厚みより薄くするだけの構成とすることもできるし、半導体素子１１の下流の厚みを半導体素子１２の下流の厚みより薄くするだけの構成とすることもできる。

１…半導体装置
１０…半導体モジュール
１１…半導体素子
１２…半導体素子
４１…ヒートシンク
５１…冷却器

Claims (6)

1. 第１の半導体素子と、使用時に前記第１の半導体素子よりも温度が高くなる第２の半導体素子とが実装された半導体モジュールと、
   冷媒が流れる通路を内部に有し、前記半導体モジュールを冷却する冷却器と、
   を備えた半導体モジュールの冷却構造において、
   一以上の前記第１の半導体素子は、前記冷媒が流れる方向に沿った第１列に配置され、一以上の前記第２の半導体素子は、前記冷媒が流れる方向に沿った第２列に配置されており、
   前記半導体モジュールと前記冷却器とを接合している接合箇所は、前記半導体モジュールと前記冷却器とを接合していない箇所に比べて、前記冷却器の厚みの分だけ前記冷媒が流れる通路の流路断面積が狭くなっており、前記接合箇所における前記冷却器の厚みのうち、前記第２列の上流および下流のうちの少なくとも一方の厚みは、前記第１列の上流および下流のうちの少なくとも一方の厚みよりも薄い、
   ことを特徴とする半導体モジュールの冷却構造。
2. 請求項１に記載の半導体モジュールの冷却構造において、
   前記接合箇所の前記冷却器の厚みのうち、前記第２列の下流の厚みは、前記第１列の下流の厚みよりも薄い、
   ことを特徴とする半導体モジュールの冷却構造。
3. 請求項１または請求項２に記載の半導体モジュールの冷却構造において、
   前記冷却器は、前記接合箇所において、前記半導体モジュールとの接合面と反対側の面に凸部を有する、
   ことを特徴とする半導体モジュールの冷却構造。
4. 請求項３に記載の半導体モジュールの冷却構造において、
   前記冷却器は、前記第２列の上流における接合箇所において、前記凸部を有する、
   ことを特徴とする半導体モジュールの冷却構造。
5. 請求項３または請求項４に記載の半導体モジュールの冷却構造において、
   前記冷媒が流れる通路の高さをＨ、前記冷媒の動粘性係数をν、前記冷媒の流速をＵとすると、レイノルズ数Ｒｅ＝Ｕ×Ｈ／νが一定値以上となるように、前記凸部の高さを定めた、
   ことを特徴とする半導体モジュールの冷却構造。
6. 請求項５に記載の半導体モジュールの冷却構造において、
   前記一定値は２０００である、
   ことを特徴とする半導体モジュールの冷却構造。