半導體裝置制造方法
【專利摘要】半導體裝置(1)具備絕緣基板(14)、半導體元件(12、13)以及冷卻器(20)。冷卻器(20)具備散熱基板(21)、散熱片(22)以及冷卻盒(23)，該冷卻盒(23)收容散熱片(22)，呈具有底壁(23a)和側(cè)壁(23b)的箱型形狀。在冷卻盒(23)的側(cè)壁(23b)中的、沿著散熱片(22)的集合體的長邊方向設(shè)置的一對側(cè)壁上，對角線狀地設(shè)有冷卻液的導入口(23c)和排出口(23d)，并且在冷卻盒(23)內(nèi)部設(shè)有朝向?qū)肟?23c)的擴散壁(23g)。
【專利說明】半導體裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具備用于冷卻半導體元件的冷卻器的半導體裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 在以混合動力汽車、電動汽車等為代表的使用電動機的設(shè)備中，為了節(jié)能而利用 電力變換裝置。在該電力變換裝置中廣泛使用著半導體模塊。構(gòu)成這種用于節(jié)能的控制裝 置的半導體模塊具備控制大電流的功率半導體元件。通常的功率半導體元件在控制大電流 時發(fā)熱，隨著電力變換裝置不斷小型化、高輸出化，其發(fā)熱量增加。因此，在具備多個功率半 導體元件的半導體模塊中，其冷卻方法成為大問題。
[0003] 作為為了冷卻半導體模塊而安裝到半導體模塊的冷卻器，以往使用液冷式的冷卻 器。該液冷式的冷卻器具備：金屬制的散熱基板，其與搭載功率半導體元件的絕緣基板的、 該半導體模塊的相反側(cè)的面接合；散熱用的散熱片，其一體地形成于該散熱基板；以及箱 型形狀的冷卻盒，其收容該散熱片，液密地安裝到上述散熱基板。該冷卻盒上連接有冷卻介 質(zhì)（冷卻液）的導入口和排出口。在冷卻盒內(nèi)形成以下流路：從導入口導入到冷卻盒內(nèi)的 冷卻介質(zhì)通過散熱片后從排出口排出。由外部的泵進行加壓的冷卻介質(zhì)（例如水、長效冷 卻液等）被從導入口導入，流過冷卻盒內(nèi)的流路，由此功率半導體元件的熱能經(jīng)由散熱片 散熱到冷卻介質(zhì)。冷卻介質(zhì)被從排出口排出，在外部的換熱器中冷卻之后，通過泵進行加壓 而返回到冷卻盒內(nèi)的流路。
[0004] 關(guān)于這種冷卻器，存在以下冷卻器：在冷卻器的長邊方向端部設(shè)有冷卻介質(zhì)的入 口與出口，在該入口與出口之間的冷卻器內(nèi)的流路上，將與多個半導體模塊分別對應地設(shè) 置的散熱片沿著冷卻器的長邊方向排列并使冷卻介質(zhì)與該散熱片直接接觸（專利文獻1)。 關(guān)于專利文獻1所圖示的冷卻器，冷卻介質(zhì)的入口與出口分別被設(shè)于散熱裝置的背面，換 言之被設(shè)于冷卻器的底面。
[0005] 關(guān)于液冷式的冷卻器，為了提高冷卻效率，想了以下各種辦法：增加冷卻介質(zhì)的流 量，或者將冷卻器所具備的散熱用的散熱片（冷卻體）設(shè)為導熱率好的形狀，或者使用導熱 率高的材料作為構(gòu)成散熱片的材料等。
[0006] 例如存在一種在冷卻器的入口部與冷卻介質(zhì)通路之間設(shè)有用于促進冷卻介質(zhì)分 散的壁的冷卻器（專利文獻2)。另外，存在一種在冷卻器的入口與出口之間設(shè)有用于使制 冷劑擴散的槽或者突起的冷卻器（專利文獻3)。另外，存在一種冷卻劑的導入管和排出管 被設(shè)于散熱器的長邊方向端側(cè)周緣的角部附近并在導入管與排出管之間設(shè)有柱狀部件的 冷卻器（專利文獻4)。另外，存在以下一種冷卻器：在與周壁部一體化的長方形的底座部， 除了其角部以外設(shè)有散熱突起，在與該散熱突起的前端相對置地設(shè)置的下蓋設(shè)有冷卻介質(zhì) 的流入口、流出口，在底座部的角部促進冷卻介質(zhì)的湍流而提高冷卻效率（專利文獻5)
[0007] 專利文獻1 :日本特開2001-308246號公報（參照段落[0018]和圖1)
[0008] 專利文獻2 :日本特開2007-123607號公報（參照權(quán)利要求書和段落[0041])
[0009] 專利文獻3 :日本特開2005-19905號公報（參照權(quán)利要求書和圖1)
[0010] 專利文獻4 :日本特開2007-294891號公報（參照段落[0017])
[0011] 專利文獻5 :日本特開2011-103369號公報（參照段落[0031]和圖1)


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 發(fā)明要解決的問是頁
[0013] 在專利文獻1所記載的冷卻器中，流過冷卻器內(nèi)的冷卻介質(zhì)的流量在其流路的寬 度方向中央部多而在周圍部少，因此配置在流過冷卻器內(nèi)的冷卻介質(zhì)的流路的寬度方向中 央附近的半導體元件與配置在周圍部的半導體元件在冷卻程度上產(chǎn)生差異。關(guān)于這一點， 當如專利文獻2?5所記載那樣設(shè)置用于促進冷卻介質(zhì)分散的壁、槽、突起等時，能夠在通 路的寬度方向上抑制流量的偏差，能夠抑制各半導體元件的冷卻程度的差。
[0014] 然而，對冷卻器的散熱性能的要求不止，隨著電力變換裝置的小型化、高輸出化， 要求提高散熱性能。
[0015] 另外，關(guān)于專利文獻1、專利文獻5所圖示的冷卻器，將冷卻介質(zhì)的入口與出口設(shè) 于冷卻器底面，因此在該冷卻器底面的下方無法與冷卻器重疊地設(shè)置電子部件、例如薄膜 電容器。
[0016] 本發(fā)明是有利地解決上述問題的發(fā)明，目的在于提供一種具備如下冷卻器的半導 體裝置，該冷卻器能夠提高散熱性能，并且能夠有效利用冷卻器底面的下方的空間而能夠 在冷卻器的下方重疊地配置電子部件。
[0017] 用于解決問題的方案
[0018] 為了達到上述目的，提供以下的半導體裝置。
[0019] 該半導體裝置具備：絕緣基板；半導體元件，其搭載在該絕緣基板上；以及冷卻 器，其使該半導體元件冷卻。上述冷卻器具備：散熱基板，其與該絕緣基板接合；多個散熱 片，其設(shè)置在該散熱基板的、與該絕緣基板接合的接合面的相反側(cè)的面上的大致長方形的 區(qū)域；以及冷卻盒，其收容該散熱片，呈具有底壁和側(cè)壁的箱型形狀。在該冷卻盒的側(cè)壁中 的、沿著散熱片的集合體的長邊方向設(shè)置的一對第一側(cè)壁和第二側(cè)壁上，在相對于散熱片 的集合體的短邊方向的中心線向相互相反的方向錯開的位置處設(shè)有冷卻介質(zhì)的導入口和 排出口。在上述底壁與設(shè)有上述導入口的上述第一側(cè)壁之間設(shè)有擴散壁，該擴散壁使從上 述導入口導入的上述冷卻介質(zhì)沿著上述第一側(cè)壁擴散。
[0020] 發(fā)明的效果
[0021] 根據(jù)本發(fā)明，在冷卻盒的側(cè)壁中的、沿著散熱片的集合體的長邊方向設(shè)置的第一 側(cè)壁上設(shè)有冷卻介質(zhì)的導入口，在第二側(cè)壁上設(shè)有冷卻介質(zhì)的排出口，因此能夠形成冷卻 介質(zhì)沿散熱片的集合體的短邊方向流動的流路，因此能夠提高散熱性能。另外，在冷卻盒的 第一側(cè)壁與底壁之間設(shè)有擴散壁，因此降低沿散熱片的集合體的短邊方向流過流路的冷卻 介質(zhì)的壓力損失，并且能夠使流量均勻。進一步，將導入口和排出口設(shè)于相對于散熱片的集 合體的短邊方向的中心線向相互相反的方向錯開的位置處，因此在冷卻盒底壁的下方能夠 重疊地設(shè)置薄膜電容器等電子部件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明的半導體裝置的一個實施方式的立體圖。
[0023] 圖2是說明三種散熱片的形狀的立體圖。
[0024] 圖3是構(gòu)成為三相逆變裝置的半導體模塊的電路圖。
[0025] 圖4是冷卻器的冷卻盒的俯視圖。
[0026] 圖5是安裝了散熱基板的冷卻盒的俯視圖。
[0027] 圖6是安裝了散熱基板的冷卻盒的一個側(cè)視圖。
[0028] 圖7是安裝了散熱基板的冷卻盒的一個側(cè)視圖。
[0029] 圖8是用圖5的A-A線來切斷的截面圖。
[0030] 圖9是表示冷卻盒的其它例的用圖5的A-A線來切斷的截面圖。
[0031] 圖10是安裝了樹脂盒的實施方式的半導體裝置的立體圖。
[0032] 圖11是設(shè)置了薄膜電容器的本發(fā)明的其它實施方式的立體圖。
[0033] 圖12是表示實施例和比較例的IGBT元件的溫度的圖表。
[0034] 圖13是表示擴散壁的高度與壓力損失的關(guān)系的圖表。
[0035] 圖14是表示有角針的間距與IGBT元件的溫度的關(guān)系的圖表。

【具體實施方式】
[0036] 使用附圖來具體地說明本發(fā)明的半導體裝置的實施方式。
[0037] 在圖1的（a)、(b)、（c)中用立體圖示出的本發(fā)明的一個實施方式的半導體裝置1 具備半導體模塊10以及使該半導體模塊冷卻的冷卻器20。半導體模塊10在圖示的本實施 方式中具有配置在冷卻器20的散熱基板21上的多個電路元件部11A、11B、11C。半導體模 塊10通過這些電路元件部11A、11B、11C構(gòu)成三相逆變電路。具體地說，電路元件部11A、 11B、11C分別構(gòu)成為在圖3中示出電路圖的形成三相逆變電路40的W相用電路、V相用電 路以及U相用電路。此外，在圖3中，在三相逆變電路40上連接有三相交流電動機41。
[0038] 關(guān)于成為W相用電路的電路元件部11A，如圖1的（a)所示，在安裝于散熱基板21 的絕緣基板14上安裝作為構(gòu)成上側(cè)臂的半導體元件的IGBT元件12和與該IGBT元件12反 并聯(lián)連接的續(xù)流二極管（freewheel diode) 13以及形成下側(cè)臂的IGBT元件12和與該IGBT 元件12反并聯(lián)連接的續(xù)流二極管13。另外，成為V相用電路的電路元件部11B和成為U相 用電路的電路元件部11C也具有與上述電路元件部11A相同的結(jié)構(gòu)。在各絕緣基板14上 形成有用于構(gòu)成上述電路的電路圖案。此外，半導體模塊10在圖示的例子中構(gòu)成三相逆變 電路，但是本發(fā)明中的半導體模塊10并不限定于構(gòu)成三相逆變電路的半導體模塊。
[0039] 冷卻器20具備圖1的（a)示出的散熱基板21、圖2示出的散熱片22以及圖1的 (b)示出的冷卻盒23。圖1的（c)是使圖1的（b)的冷卻盒23旋轉(zhuǎn)后的圖。散熱片22 在散熱基板21上的、安裝了電路元件部11A、11B、11C的面的相反側(cè)的面上與該散熱基板 21 -體地形成。冷卻盒23的內(nèi)部收容散熱片22。冷卻盒23有時被稱為冷卻套（coolant jacket)或者水冷套。
[0040] 在圖1的（a)中，各電路元件部11A、11B、11C的絕緣基板14與散熱基板21接合， 由此絕緣基板14以及搭載于該絕緣基板14上的IGBT元件12和續(xù)流二極管13以能夠?qū)?熱的方式與冷卻器20連接。也可以在各絕緣基板14上形成有使用于與散熱基板21之間 的接合的金屬層。此外，圖1的（a)中的線段cl為一體地安裝于散熱基板21的、圖2示出 的散熱片22的集合體的短邊方向的中心線。
[0041] 一體地安裝于散熱基板21的散熱片22被用作散熱板，換言之被用作散熱裝置 (heat sink)。散熱片22例如能夠使用圖2的（a)示出的將多個角柱形狀的針（有角針： angular pins)隔著間隔以規(guī)定間距排列而成的針散熱片。另外，還能夠使用該圖的（b)示 出的將多個圓柱形狀的針（圓針：round pins)隔著間隔以規(guī)定間距排列而成的針散熱片 22A。并且，還能夠使用該圖的（c)示出的將多個翅片（blade)形狀的散熱片相互平行地設(shè) 置而成的翅片散熱片22B。從提高散熱性能的觀點出發(fā)，圖2的（a)?（c)示出的散熱片中 的、圖2的（a)和圖2的（b)示出的針散熱片22、22A與圖2的（c)示出的翅片散熱片22B 相比更能提高散熱片的密度，因此優(yōu)選使用。并且，圖2的（a)示出的有角針的散熱片22 與圖2的（b)示出的圓針的散熱片22A相比，不僅能夠加快針周圍的流速，還能夠使每個針 的表面面積大，因此能夠高效率地進行熱交換。以下，以圖2的（a)示出的有角針的散熱片 22為代表來說明散熱片。
[0042] 優(yōu)選考慮冷卻介質(zhì)向冷卻器20的導入條件（即泵性能等）、冷卻介質(zhì)的種類與性 質(zhì)（特別是粘性等）、目標散熱量等來適當?shù)卦O(shè)定散熱片22的形狀和尺寸。另外，散熱片 22的高度形成為在散熱片22收容于冷卻盒23時在散熱片22的前端與冷卻盒23的底壁之 間存在固定的間隙。
[0043] 在散熱基板21中，散熱片22 -體地安裝于散熱基板21的區(qū)域優(yōu)選包含以下區(qū) 域，即，將散熱基板21與絕緣基板14接合的狀態(tài)下的、該絕緣基板14上的搭載作為半導體 元件的IGBT元件12和續(xù)流二極管13的區(qū)域向散熱基板21的厚度方向進行投影所得到的 區(qū)域。換言之，優(yōu)選為包含IGBT元件12和續(xù)流二極管13的正下方區(qū)域的區(qū)域。
[0044] 散熱片22的集合體的外形為大致長方體，優(yōu)選為長方體，也可以是在無損本發(fā)明 的效果的范圍內(nèi)進行倒角、變形所得到的形狀。在圖2的（a)中示出具有長方體外形的散 熱片22的集合體的短邊方向的中心線cl。
[0045] 根據(jù)圖1的（b)示出的立體圖以及圖4示出的俯視圖可知，收容散熱片22的冷卻 盒23具有底壁23a以及設(shè)于該底壁23a周緣的側(cè)壁23b，呈上部開口的箱型形狀。冷卻盒 23的開口配合散熱片22的集合體的外形而具有長方形。冷卻盒23的外形具有大致長方體 形狀，其長邊方向與散熱片22的集合體的長邊方向一致。
[0046] 關(guān)于冷卻盒23,在長邊側(cè)的側(cè)壁23b中的第一側(cè)壁23b 1的角部附近設(shè)有用于將冷 卻介質(zhì)導入到冷卻盒23內(nèi)的導入口 23c，并且在長邊側(cè)的側(cè)壁23b中的第二側(cè)壁23b2的角 部附近設(shè)有用于將冷卻介質(zhì)從冷卻盒23內(nèi)排出到外部的排出口 23d。換言之，在第一側(cè)壁 23bl和第二側(cè)壁23b2上，在相對于散熱片22的集合體的短邊方向的中心線cl向相互相反 的方向錯開的位置處設(shè)有冷卻介質(zhì)的導入口 23c和排出口 23d。在側(cè)壁23b的上表面安裝 有用于防止在散熱基板21安裝于冷卻盒23且冷卻介質(zhì)在冷卻盒23內(nèi)流動時液體從冷卻 盒23內(nèi)泄露的0型環(huán)23e，并且在四角形成有用于以螺栓固定散熱基板21的螺栓孔23f。 防止液體泄漏的方法也可以是金屬密封片、液體密封件。
[0047] 在冷卻盒23內(nèi)，在第一側(cè)壁23bl與底壁23a之間，沿著冷卻盒23的長邊方向設(shè) 有擴散壁23g，該擴散壁23g使從導入口 23c導入的冷卻介質(zhì)沿著第一側(cè)壁23bl擴散。另 夕卜，在冷卻盒23內(nèi)，在第二側(cè)壁23b2與底壁23a之間，沿著冷卻盒23的長邊方向設(shè)有收斂 壁23h，該收斂壁23h使冷卻介質(zhì)沿著第二側(cè)壁23b2向排出口 23d收斂。
[0048] 圖5示出將圖1的（a)示出的散熱基板21安裝到該圖的（b)示出的冷卻盒23時 的俯視圖，圖6示出從導入口 23c側(cè)觀察的側(cè)視圖，圖7示出從排出口 23d側(cè)觀察的側(cè)視圖， 圖8示出用圖5的A-A線來切斷的截面圖。此外，在圖5?8中，為了容易理解本發(fā)明，省 略散熱基板21上的各電路元件部11A、11B、11C的圖示。
[0049] 如圖8所示，關(guān)于擴散壁23g，在一例中為從第一側(cè)壁23bl的底邊朝向底壁23a而 形成的向上傾斜面。另外，關(guān)于收斂壁23h，在一例中為從底壁23a朝向第二側(cè)壁23b2的底 邊而形成的向下傾斜面。
[0050] 由于擴散壁23g、收斂壁23h為傾斜面，由此能夠抑制在將擴散壁23g、收斂壁23h 相對于導入口 23c、排出口 23d垂直地設(shè)置的情況下有可能產(chǎn)生的渦流。另外，由于擴散壁 23g、收斂壁23h為簡單的傾斜面，由此在通過壓鑄等制造冷卻盒23時，能夠容易地形成擴 散壁23g、收斂壁23h。關(guān)于擴散壁23g、收斂壁23h相對于導入口 23c、排出口 23d的傾斜 角度，由于擴散壁23g、收斂壁23h在從冷卻盒的上方觀察時設(shè)于側(cè)壁23b同底壁內(nèi)面的與 散熱片22相對置的區(qū)域之間的區(qū)域，因此能夠設(shè)為根據(jù)該區(qū)域的距離能夠設(shè)定的角度。該 區(qū)域的距離L(參照圖4)大約為2mm?12mm。
[0051] 將該擴散壁23g設(shè)于冷卻盒23內(nèi)，由此在圖5中用箭頭表示的冷卻介質(zhì)流首先從 導入口 23c被導入到冷卻盒23內(nèi)而與擴散壁23g碰撞，沿著擴散壁23g向冷卻盒23內(nèi)的 長邊方向擴散。接著，在設(shè)有散熱片22的散熱片區(qū)域22e內(nèi)沿冷卻盒23的短邊方向、換言 之散熱片22的集合體的短邊方向流動而與散熱裝置進行熱交換，之后沿著收斂壁23h流動 而被收斂，從排出口 23d排出到冷卻盒23外。
[0052] 在本實施方式的半導體裝置1中，冷卻盒23的導入口 23c和排出口 23d被設(shè)于沿 著冷卻盒23的長邊方向的側(cè)壁23b，并且在冷卻盒23內(nèi)設(shè)有擴散壁23g，由此使冷卻介質(zhì) 沿散熱片22的集合體（長方體形狀）的短邊方向流動。由此，與使冷卻介質(zhì)沿散熱片22 的集合體的長邊方向流動的情況相比，能夠提高散熱性能。認為其理由如下。通常，如果散 熱片22的密度高則能夠得到高的散熱性能，而另一方面壓力損失增加。另外，使冷卻介質(zhì) 沿散熱片22的集合體的長邊方向流動的情況與使冷卻介質(zhì)沿短邊方向流動的情況相比， 壓力損失變大。因此，對于密度高的散熱片22,通過使冷卻介質(zhì)沿散熱片22的集合體的短 邊方向流動，能夠兼顧高散熱性能與低壓力損失。
[0053] 另外，如圖1所示，在將多個半導體元件作為電路元件部1 ΙΑ、1 IB、11C而沿著散熱 基板21的長邊方向并排排列的情況下，通常，散熱片22的集合體的長邊方向與這些半導體 元件的排列方向相同。此時，當使冷卻介質(zhì)沿散熱片22的集合體的長邊方向流動時，冷卻 介質(zhì)的流向下游側(cè)的半導體元件被通過與上游側(cè)的半導體元件之間的熱交換而變暖的冷 卻介質(zhì)進行冷卻，與上游側(cè)相比，冷卻效果變低。與此相對，通過如本實施方式的半導體裝 置1那樣使冷卻介質(zhì)沿散熱片22的集合體的短邊方向流動，而使冷卻介質(zhì)沿與多個半導體 元件（電路元件部）的排列方向正交的方向流動，因此減小冷卻效果的不均勻，不管半導體 元件的排列位置如何均能夠提高散熱性能。
[0054] 并且，通過在冷卻盒23內(nèi)設(shè)置擴散壁23g，使沿散熱片22的集合體的短邊方向流 動的冷卻介質(zhì)流均勻化。由此也能夠提高散熱性能。關(guān)于使該冷卻介質(zhì)流均勻化的效果，在 散熱片的形狀為有角針的散熱片22或者圓針的散熱片22A且為了提高散熱性能而以高密 度排列針的散熱片的情況下特別大，在該情況下針的高密度化與冷卻介質(zhì)流均勻化相輔而 能夠進一步提高散熱性能。在散熱片的形狀為有角針的散熱片22或者圓針的散熱片22A的 情況下，在針散熱片的直徑為2mm時，優(yōu)選針被高密度化為針的間距、即針的排列間隔（相 鄰的針的中心間距離）為4_以下這種程度。這是由于，在以下實施例中說明的熱分析的 結(jié)果是在針的間距處于3mm?6mm的范圍內(nèi)的情況下如果間距變大則散熱性能降低這種結(jié) 果，但是，如果間距為4mm以下，則半導體元件的溫度上升為5%左右，通過提高制冷劑的流 量來提高散熱性能而能夠充分進行冷卻。另外，構(gòu)成針散熱片的多個相鄰的針的間距（間 隔）優(yōu)選為針直徑的1. 25倍?2倍。針直徑在有角針中為一邊的長度，在圓針中為直徑， 大約為1mm?2mm。在2mm角的有角針的情況下，間距優(yōu)選為2. 5mm?4mm的范圍。當間距 小于2. 5_時需要去除制冷劑中的灰塵或者高精度的加工而成本上升。
[0055] 導入口 23c的內(nèi)徑d(參照圖8)優(yōu)選大于擴散壁23g的高度h。具體地說，在導 入口 23c的內(nèi)徑d為lOmmq)?15ιτπτκρ的情況下，擴散壁23g的高度h優(yōu)選處于0. 1mm? 13mm的范圍。在圖8示出的例子中，導入口 23c的內(nèi)徑d同與導入口 23c相連接的導入管 23i的內(nèi)徑（管徑）相等。導入口 23c的內(nèi)徑d、即導入管23i的管徑越大則能夠使壓力損 失越低。在導入管23i的管徑d為一般的10mm(p?15mm(p的情況下，優(yōu)選為了降低導入 口 23c處的壓力損失而設(shè)置擴散壁23g，當擴散壁23g的高度h小于0. lmm時缺乏設(shè)置擴散 壁23g的效果，當超過13mm時反而使壓力損失變大。
[0056] 能夠?qū)⑹諗勘?3h的高度設(shè)為與擴散壁23g的高度h相同。即，在與排出口 23d 相連接的排出管23j為一般的管徑lOmmcp?15mmq)的情況下優(yōu)選處于0. lmm?13mm的 范圍。
[0057] 在本實施方式的半導體裝置1中，冷卻盒23的導入口 23c和排出口 23d被設(shè)于沿 著冷卻盒23的長邊方向的側(cè)壁23b (23bl、23b2)。因此，容易將軟管安裝到導入管23i和排 出管23 j。另外，在冷卻盒23的底壁23a不需要設(shè)置用于將冷卻介質(zhì)導入到冷卻盒23內(nèi)或 者用于將冷卻介質(zhì)從冷卻盒23內(nèi)排出的排出口，因此能夠在冷卻盒23的底壁23a的下方 設(shè)置其它電子部件。關(guān)于冷卻盒23的底壁23a的形狀，如果能夠設(shè)置其它電子部件則不特 別限定，如圖9所示的與圖8相同的截面圖那樣，底壁23a的外表面也可以是平面。但是， 如圖8示出的截面圖那樣，通過底壁23a、擴散壁23g以及收斂壁23h設(shè)為在冷卻盒20的底 壁23a的背面?zhèn)刃纬捎邪疾康男螤钅軌蚪档驮牧腺M用，因此優(yōu)選使用。
[0058] 在圖6示出的從冷卻盒20的導入口 23c側(cè)觀察的側(cè)視圖和圖7示出的從冷卻盒 20的排出口 23d側(cè)觀察的側(cè)視圖中，冷卻盒20具有相同的外形。也就是說，冷卻盒20的導 入口 23c與排出口 23d的位置相對于冷卻盒20是旋轉(zhuǎn)對稱的。由于旋轉(zhuǎn)對稱，由此容易制 作冷卻盒20,并且在將導入管23i和排出管23 j安裝到冷卻盒20時，只要任意地將形成于 側(cè)壁23b的開口中的一個決定為導入口 23c而將另一個決定為排出口 23d即可，因此容易 進行操作。
[0059] 在圖10中用立體圖示出將收容半導體模塊10的樹脂盒15安裝到冷卻器20上的 散熱基板21 (未圖示）的周緣部的實施方式的半導體裝置1。圖示的樹脂盒15具有大致長 方體的外形，從上方觀察時的長邊方向、短邊方向的尺寸與冷卻器20大致相同。與半導體 模塊10的電路相連接的P端子和N端子16、U端子、V端子和W端子17在樹脂盒15的上 表面突出。P端子和N端子16、U端子、V端子和W端子17端子16分別沿著冷卻盒20的 長邊方向設(shè)置。還能夠沿著冷卻盒20的短邊方向設(shè)置這些端子16、17中的至少一個，但是 如圖1所示在將多個IGBT元件12、續(xù)流二極管13作為電路元件部11A、11B、11C而沿著散 熱基板21的長邊方向并排排列的情況下，通過沿著樹脂盒20的長邊方向設(shè)置端子16、17， 與沿著短邊方向設(shè)置的情況相比，能夠減小這些端子16、17與IGBT元件12、續(xù)流二極管13 之間的電感。另外，通過沿著樹脂盒20的長邊方向設(shè)置端子16、17,能夠使具備與這些端子 相連接的多個IGBT元件12的多個電路元件部11A、11B和11C相互接近地配置它們，由此 能夠?qū)⑹闺娐吩?1A、11B和11C散熱的散熱片22形成為一個集合體，因此容易制造散 熱片22,并且能夠降低散熱片22的制造成本。
[0060] 在本實施方式的半導體裝置1中，在冷卻盒22的第一側(cè)壁23bl和第二側(cè)壁23b2 上，在相對于散熱片22的集合體的短邊方向的中心線cl向相互相反的方向錯開的位置處 設(shè)有冷卻盒23的導入口 23c和排出口 23d。優(yōu)選在冷卻盒23的導入口 23c和排出口 23d 之間設(shè)置上述P端子16和N端子16。因而，在將其它電子部件例如薄膜電容器設(shè)于冷卻盒 23的底壁23a的下方的位置處并為了減小該薄膜電容器與半導體模塊10的P端子16和N 端子16之間的電感而使用母線將薄膜電容器與半導體模塊10以最短距離電連接時，導入 口 23c、排出口 23d不會干擾到母線。
[0061] 圖11是在冷卻器20的下方設(shè)有薄膜電容器30的本發(fā)明的實施方式。在圖示的 本實施方式中，在冷卻器20的上方設(shè)有內(nèi)部收容有半導體模塊10的樹脂盒15。與半導體 模塊10的電路相連接的端子16在該樹脂盒15的上表面突出。該端子16與設(shè)于冷卻器20 的下方的薄膜電容器30的端子31通過母線32相連接。與冷卻器20的冷卻盒23的側(cè)壁 23b的導入口 23c相連接的導入管23i被設(shè)于比從半導體模塊10的樹脂盒15突出的端子 16、薄膜電容器30的端子31的長邊方向位置更靠端側(cè)的位置，因此母線32不會干擾到導 入管23i，以最短距離對半導體模塊10的端子16與薄膜電容器30的端子31進行連接。此 夕卜，也可以將圖11的導入管23i設(shè)為排出管23j。
[0062] 冷卻盒23與散熱片22和散熱基板21同樣地，需要選定由導熱率高的材料構(gòu)成的 材料、形成部件時引進了周圍部件的情況下的材料等根據(jù)構(gòu)造來選定材料。在考慮導熱性 的情況下，優(yōu)選使用A1050、A6063等材料，在需要與周圍部件、特別是收納固定部、功率模 塊的逆變器盒之間進行密封的情況下，優(yōu)選使用ADC12、A6061等材料。另外，在通過壓鑄來 制造冷卻盒23且要求導熱性的情況下，還能夠應用三菱樹脂株式會社的作為壓鑄用高導 熱鋁合金的DMS系列材料。在使用這種金屬材料來形成冷卻盒23的情況下，能夠通過例如 壓鑄來形成上述那樣的導入口 23c、排出口 23d、冷卻盒23內(nèi)的流路。冷卻盒23還能夠使 用在金屬材料中含有碳填料的材料。另外，還能夠根據(jù)冷卻介質(zhì)的種類、流過冷卻盒23內(nèi) 的冷卻介質(zhì)的溫度等而使用陶瓷材料、樹脂材料等。
[0063] 實施例
[0064] 作為實施例，對構(gòu)成圖1示出的三相逆變電路的本實施方式的半導體裝置的各 IGBT元件的溫度進行了熱分析。另外，作為比較例，對除了在沿著冷卻盒的短邊方向的側(cè)壁 設(shè)置導入口和排出口而使冷卻介質(zhì)沿散熱片22的集合體的長邊方向流動以外具有與實施 例相同結(jié)構(gòu)的半導體裝置的各IGBT元件的溫度進行了熱分析。實施例和比較例的分析條 件如下。冷卻介質(zhì)為含5〇 V〇1%長效冷卻液（LLC)的液溫65°C的水。將冷卻介質(zhì)的流量設(shè) 為10L/min。將各IGBT的產(chǎn)生損失設(shè)為每個芯片360W，將各FWD的損失設(shè)為45W，并假設(shè)為 進行逆變動作。散熱片22為2_角的有角針，將散熱片的間距設(shè)為3_。實施例的壓力損 失為5. 8kPa，比較例的壓力損失為30kPa。
[0065] 在圖12中以圖表的方式示出實施例和比較例的各IGBT元件的溫度。橫軸的WP? UN分別表示六個IGBT元件的位置。WP與WN分別表示W(wǎng)相用的電路元件部11A的上臂與 下臂的IGBT元件，同樣地，VP與VN表示V相用的電路元件部11B的上下臂的IGBT元件， UP與UN表示U相用的電路元件部11C的上下臂的IGBT元件。根據(jù)圖12可知，在比較例 中，位于冷卻介質(zhì)的流向下游側(cè)的IGBT元件的溫度變高，與此相對，在實施例中，各IGBT元 件的溫度大致相同，具有良好的散熱性能。
[0066] 接著，關(guān)于圖1示出的本實施方式的半導體裝置，在將與導入口 23c相連接的導入 管23i以及與排出口 23d相連接的排出管23j的直徑設(shè)為6mrncp、9mmcp以及12mm(p的 情況下，調(diào)查了對擴散壁23g的高度進行各種變更時的壓力損失。在圖13中使用圖表來示 出其結(jié)果。
[0067] 如上所述，導入管23i和排出管23j的一般管徑為lOmmq)?15mmcp，在圖13示 出的管徑為6mm(p和9mmq>的情況下，小于一般管徑，與管徑為12mmcp的情況相比壓力 損失大，并且擴散壁的高度越高則壓力損失越大。認為其理由如下：在導入口徑小的情況 下，冷卻介質(zhì)被導入到冷卻盒內(nèi)的區(qū)域小，因此在包含散熱片部分的整個區(qū)域內(nèi)壓力變高， 并且由于設(shè)置擴散壁進一步阻礙了制冷劑的導入。
[0068] 與此相對，在包含于一般管徑范圍內(nèi)的管徑12mmcp的情況下，通過設(shè)置擴散壁， 與不設(shè)置擴散壁的情況（擴散壁的高度為〇)相比降低了壓力損失。認為其理由如下：通過 設(shè)置擴散壁能夠降低導入口附近的壓力損失。根據(jù)圖13可知，關(guān)于設(shè)置擴散壁所帶來的降 低壓力損失的效果，只要設(shè)置擴散壁就產(chǎn)生且在擴散壁的高度為13mm以內(nèi)的范圍內(nèi)產(chǎn)生。 [0069] 接著，關(guān)于圖1示出的構(gòu)成三相逆變電路的本實施方式的半導體裝置，在使用2mm 角的有角針作為散熱片22的情況下，在將散熱片的間距設(shè)為3mm、6mm、12mm的例子中對 IGBT溫度進行了熱分析。在圖14中使用圖表來示出其結(jié)果。此外，在圖14中，橫軸的WP? UN與圖12相同分別表示六個IGBT元件的位置。
[0070] 根據(jù)圖14可知，散熱片間距越大、換言之散熱片密度越低，冷卻介質(zhì)越在接近導 入管的散熱片部分流動，散熱片的集合體的中央部的流速越低。其結(jié)果，VN、VP的位置的 IGBT元件的溫度高于其它IGBT元件的溫度。當散熱片密度低時冷卻介質(zhì)的流速不均勻性 變得明顯。
[0071] 此外，在上述實施方式中，對熱等效或者電等效且產(chǎn)生損失相等的多個半導體元 件（電路元件部）并排配置在冷卻器的長邊方向的情況進行了說明。然而，本發(fā)明并不限 定于上述結(jié)構(gòu)，還能夠應用于局部包含產(chǎn)生損失不同的半導體元件（電路元件部）的半導 體模塊。另外，也可以將多個電路元件部形成于一個絕緣基板。
[0072] 附圖標記說明
[0073] 1 :半導體裝置；10 :半導體模塊；11A、11B、11C :電路元件部；12 :IGBT元件；13 : 續(xù)流二極管；14 :絕緣基板；15 :樹脂盒；16、17 :端子；20 :冷卻器；21 :散熱基板；22、22A、 22B :散熱片；22e :散熱片區(qū)域；23 :冷卻盒；23a :底壁；23b :側(cè)壁；23c :導入口；23d :排出 口；23e :0型環(huán)；23f :螺栓孔；23g :擴散壁；23h :收斂壁；23i :導入管；23j :排出管；30 :薄 膜電容器；31 :端子；32 :母線；40 :逆變電路；41 :三相交流電動機。
【權(quán)利要求】
1. 一種半導體裝置，具備： 絕緣基板； 半導體元件，其搭載在該絕緣基板上；以及 冷卻器，其使該半導體元件冷卻， 該半導體裝置的特征在于，上述冷卻器具備： 散熱基板，其與該絕緣基板接合； 多個散熱片，其設(shè)置在該散熱基板的、與該絕緣基板接合的接合面的相反側(cè)的面上的 大致長方形的區(qū)域；以及 冷卻盒，其收容該散熱片，呈具有底壁和側(cè)壁的箱型形狀， 其中，在該冷卻盒的側(cè)壁中的、沿著散熱片的集合體的長邊方向設(shè)置的一對第一側(cè)壁 和第二側(cè)壁上，在相對于散熱片的集合體的短邊方向的中心線向相互相反的方向錯開的位 置處設(shè)有冷卻介質(zhì)的導入口和排出口，并且， 在上述底壁與設(shè)有上述導入口的上述第一側(cè)壁之間設(shè)有擴散壁，該擴散壁使從上述導 入口導入的上述冷卻介質(zhì)沿著上述第一側(cè)壁擴散。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體裝置，其特征在于， 在上述底壁與設(shè)有上述排出口的上述第二側(cè)壁之間設(shè)有收斂壁，該收斂壁使上述冷卻 介質(zhì)沿著上述第二側(cè)壁向上述排出口收斂。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體裝置，其特征在于， 上述擴散壁為從上述第一側(cè)壁的底邊朝向上述底壁形成的向上傾斜面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導體裝置，其特征在于， 上述收斂壁為從上述底壁朝向上述第二側(cè)壁的底邊形成的向下傾斜面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導體裝置，其特征在于， 上述導入口的內(nèi)徑大于上述擴散壁的高度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導體裝置，其特征在于， 上述導入口的內(nèi)徑為l〇mm?15mm，上述擴散壁的高度為0· 1mm?13mm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的半導體裝置，其特征在于， 上述導入口和上述排出口的位置相對于上述冷卻盒旋轉(zhuǎn)對稱。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3或者4所述的半導體裝置，其特征在于， 通過上述底壁、上述擴散壁和上述收斂壁在上述冷卻盒的上述底壁的背面?zhèn)刃纬闪税?部。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的半導體裝置，其特征在于， 沿著上述冷卻盒的長邊方向設(shè)有上述半導體裝置的端子。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的半導體裝置，其特征在于， 上述散熱片為針散熱片。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導體裝置，其特征在于， 上述針散熱片由多個針構(gòu)成，針的間距為針直徑的1. 25倍?2倍。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的半導體裝置，其特征在于， 在上述冷卻器的上述底壁的下方重疊設(shè)有薄膜電容器。
【文檔編號】H05K7/20GK104247010SQ201380019990
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年10月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月29日
【發(fā)明者】安達新一郎 申請人:富士電機株式會社