JP5955262B2 - 半導体冷却装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置、スイッチング電源などに用いられるパワー半導体装置に搭載される半導体チップを冷却する半導体冷却装置の信頼性向上に関するものである。
電力変換装置、スイッチング電源などに用いられるパワー半導体装置は、年々大容量化が進み、パワー半導体装置に搭載される半導体チップ(例えばＩＧＢＴなど)は、高い電流密度で通電使用されることから、放熱対策と、パワーサイクル寿命を延ばすことが課題となっている。特に、最近では半導体素子に耐熱温度の高い化合物半導体（ＳｉＣ、ＧａＮなど）を用いて高速動作化した半導体装置の開発が進められており、その放熱対策がますます重要となっている。
例えば特許文献１には、半導体チップが搭載される基板内に冷却媒体通路（冷却媒体流路）を設け、冷却媒体通路を流れる冷却媒体を用いて基板を冷却することで、発熱した半導体チップを冷却する回路基板が開示されている。
特開２００７−６７２２８号公報
しかしながら、特許文献１に記載の回路基板では、基板内に設けられた冷却媒体流路において全ての領域が一様であるため、冷却媒体の温度は、冷却媒体流路において入口側の領域よりも出口側の領域の方が高くなり、冷却媒体流路において入口側の領域と出口側の領域とで冷却媒体に温度差が生じる。このため、半導体チップを含む半導体装置を均一に冷却できないことから、半導体装置において温度差に基づく熱応力の差が大きくなり、半導体装置のパワーサイクル寿命が短くなるなどの問題点があった。
そこで、本発明は、冷却効率を改善し、半導体装置の長寿命化を図ることが可能な半導体冷却装置を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体冷却装置は、絶縁層を介して搭載された半導体チップを冷却する半導体冷却装置であって、前記半導体チップを冷却するための冷却媒体が流動する冷却媒体流路と、前記冷却媒体流路の上流側の領域に設けられ、かつ、前記冷却媒体を層流にして流動させる層流部と、前記冷却媒体流路において前記層流部よりも下流側の領域に設けられ、かつ、前記層流部から層流にして流動された冷却媒体を乱流にして流動させる乱流部とを備え、前記層流部において前記半導体チップが搭載された側の領域に、網目状の層流材が設けられ、前記層流部において前記半導体チップが搭載されない側の領域に、水平方向に延びる複数の層流材が設けられたものである。
本発明によれば、半導体チップを冷却するための冷却媒体が流動する冷却媒体流路と、冷却媒体流路の上流側の領域に設けられ、かつ、冷却媒体を層流にして流動させる層流部と、冷却媒体流路において層流部よりも下流側の領域に設けられ、かつ、層流部から層流にして流動された冷却媒体を乱流にして流動させる乱流部とを備えた。
したがって、冷却媒体の温度は、冷却媒体流路において上流側の領域である層流部よりも下流側の領域である乱流部の方が高くなるが、層流部を流動する冷却媒体を層流にするとともに、乱流部を流動する冷却媒体を乱流にすることで、乱流部では冷却媒体への熱伝達が促進され、冷却媒体流路において上流側と下流側とを均一に冷却することができ、半導体冷却装置の冷却効率を高めることができる。このように、半導体チップを含む半導体装置を均一に冷却することができるため、半導体装置において温度差に基づく熱応力の差が小さくなることで、パワーサイクル寿命を延ばすことが可能となり、ひいては半導体装置の長寿命化を図ることが可能となる。さらに、層流部において半導体チップが搭載された側の領域に、網目状の層流材が設けられ、層流部において半導体チップが搭載されない側の領域に、水平方向に延びる複数の層流材が設けられたため、層流部において発熱する側の表面積が大きくなり、半導体冷却装置における特に層流部での冷却効率を向上させることが可能となる。
実施の形態１に係る半導体冷却装置を備えた半導体装置の断面図である。 実施の形態１の変形例に係る半導体冷却装置を備えた半導体装置の断面図である。 実施の形態２に係る半導体冷却装置を備えた半導体装置の断面図である。 実施の形態２の変形例に係る半導体冷却装置を備えた半導体装置の断面図である。 実施の形態３に係る半導体冷却装置を備えた半導体装置の断面図である。 実施の形態４に係る半導体冷却装置を備えた半導体装置の断面図である。
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体冷却装置１を備えた半導体装置の断面図である。半導体装置は、半導体チップ１０ａ，１０ｂと、半導体冷却装置１とを備えている。
最初に、半導体チップ１０ａ，１０ｂについて簡単に説明する。半導体チップ１０ａ，１０ｂは、例えばＩＧＢＴなどであり、Ｓｉまたはワイドバンドギャップ半導体（例えばＳｉＣ、ＧａＮなど）を用いて形成されている。図１に示すように、例えば複数（２つ）の半導体チップ１０ａ，１０ｂが金属製の半導体冷却装置１の上面に左右方向に並んで搭載されている。
より具体的には、半導体チップ１０ａは、金属製の半導体冷却装置１の上面に絶縁層１２ａを介してそれぞれ搭載されるとともに、配線層１１ａが、半導体冷却装置１の上面に絶縁層１２ａを介して搭載されている。また、半導体チップ１０ｂは、金属製の半導体冷却装置１の上面に絶縁層１２ｂを介してそれぞれ搭載されるとともに、配線層１１ｂが、半導体冷却装置１の上面に絶縁層１２ｂを介して搭載されている。
次に、半導体冷却装置１について説明する。半導体冷却装置１は、半導体冷却装置１の上面に搭載された半導体チップ１０ａ，１０ｂを冷却する装置であり、金属製のベース板２と、冷却媒体流路５と、層流部３と、乱流部４とを備えている。ベース板２の内部には、冷却媒体（例えば水など）が流動する冷却媒体流路５が形成されている。ベース板２の１つの側壁（図１において左側の側壁）には、冷却媒体流路５と連通し、かつ、外部から冷却媒体流路５に冷却媒体を流入するための入口２ａが形成され、また、ベース板２において別の１つの側壁（図１において右側の側壁）には、冷却媒体流路５と連通し、かつ、冷却媒体流路５を流動した冷却媒体を外部に排出するための出口２ｂが形成されている。
入口２ａと出口２ｂは、例えば冷却媒体循環路（図示省略）で接続され、冷却媒体循環路には、冷却媒体の供給手段（図示省略）および冷却手段（図示省略）が設けられ、供給手段が作動することで、冷却手段を用いて冷却された冷却媒体が入口２ａから冷却媒体流路５に流入するようになっている。
次に、層流部３と乱流部４について説明する。層流部３は、冷却媒体流路５の上流側の領域、より具体的には、冷却媒体流路５において入口２ａの周辺領域を含む上流側の領域に形成されている。層流部３には、例えば水平方向に延びる複数の板状の層流材６が、冷却媒体が流動することが可能に鉛直方向に予め定められた間隔をあけてそれぞれ平行に配置されている。層流材６は、例えば、図１において層流部３の手前側から奥側に渡って形成されるとともに、層流部３において入口２ａ側の周辺領域から乱流部４との境界に渡って形成されている。入口２ａから流入された冷却媒体は、複数の層流材６の間を流動することで層流となる。
乱流部４は、冷却媒体流路５において層流部３よりも下流側の領域、より具体的には、冷却媒体流路５において出口２ｂの周辺領域を含む下流側の領域に形成されている。乱流部４には、例えば乱流部４において半導体チップ１０ｂが搭載された側の領域、より具体的には、乱流部４において上側の内壁から下方に突出する複数の突起７が形成されている。突起７は、例えば、図１において乱流部４の手前側から奥側に渡って予め定められた間隔をあけて複数形成されるとともに、乱流部４において層流部３との境界から出口２ｂの周辺領域に渡って予め定められた間隔をあけて複数形成されている。
層流部３から層流にして流動された冷却媒体は、乱流部４において複数の突起７に衝突することで乱流となる。なお、乱流部４において冷却媒体を乱流にして流動させることができればよく、複数の突起７はそれぞれランダムに配置されていてもよいし、また、突起７の個数は複数に限定されず１つであってもよい。
半導体チップ１０ａ，１０ｂから発生した熱は、絶縁層１２ａ，１２ｂを介して半導体冷却装置１に熱伝達され、層流部３および乱流部４の内面から、層流部３および乱流部４を流動する冷却媒体に熱伝達される。これにより、半導体チップ１０ａ，１０ｂから発生した熱を放熱することができる。
層流部３を流動した冷却媒体に半導体チップ１０ａ，１０ｂから発生した熱が熱伝達されることで、層流部３から層流にして流動された冷却媒体の温度が、入口２ａから流入された冷却媒体と比べて高くなる。しかし、当該冷却媒体は、乱流部４において複数の突起７に衝突することで、乱流となって乱流部４を流動するため、乱流部４では、乱流部４の内面から冷却媒体への熱伝達が促進され、乱流部４での冷却効率は、層流部３での冷却効率よりも高くなる。これにより、冷却媒体流路５において上流側と下流側とを均一に冷却することが可能となる。
以上のように、実施の形態１に係る半導体冷却装置１では、半導体チップ１０ａ，１０ｂを冷却するための冷却媒体が流動する冷却媒体流路５と、冷却媒体流路５の上流側の領域に設けられ、かつ、冷却媒体を層流にして流動させる層流部３と、冷却媒体流路５において層流部３よりも下流側の領域に設けられ、かつ、層流部３から層流にして流動された冷却媒体を乱流にして流動させる乱流部４とを備えた。
したがって、冷却媒体の温度は、冷却媒体流路５において上流側の領域である層流部３よりも下流側の領域である乱流部４の方が高くなるが、層流部３を流動する冷却媒体を層流にするとともに、乱流部４を流動する冷却媒体を乱流にすることで、乱流部４では冷却媒体への熱伝達が促進され、冷却媒体流路５において上流側と下流側とを均一に冷却することができ、半導体冷却装置１の冷却効率を高めることができる。このように、半導体チップ１０ａ，１０ｂを含む半導体装置を均一に冷却することができるため、半導体装置において温度差に基づく熱応力の差が小さくなることで、パワーサイクル寿命を延ばすことが可能となり、ひいては半導体装置の長寿命化を図ることが可能となる。
また、乱流部４において半導体チップ１０ｂが搭載された側の領域に突起７が設けられたため、乱流部４の表面積が大きくなり熱抵抗を低減することができるとともに、層流部３から層流にして流動された冷却媒体を簡単に乱流にすることができる。
また、半導体チップ１０ａ，１０ｂがワイドバンドギャップ半導体を用いて形成された場合は、Ｓｉを用いて形成された場合よりも高温で使用されるため、半導体冷却装置１を用いて半導体チップ１０ａ，１０ｂの冷却を効果的に行うことができる。
さらに、従来の構造に対して乱流部４を設けるだけでよいため、半導体冷却装置１の製造工程が複雑化せず、半導体冷却装置１の歩留りの向上、ひいては半導体装置の歩留りの向上を図ることが可能となる。
なお、図２に示すように、乱流部４において突起７を省略することも可能である。図２は、実施の形態１の変形例に係る半導体冷却装置１Ａを備えた半導体装置の断面図である。この場合、層流部３から層流にして流動された冷却媒体は、乱流部４において干渉し乱流となって流動する。これにより、半導体装置において温度差に基づく熱応力の差が小さくなることで、パワーサイクル寿命を延ばすことが可能となり、ひいては半導体装置の長寿命化を図ることが可能となる。また、突起７を形成する必要がないため、半導体冷却装置１の場合よりも半導体冷却装置１Ａの製造工程が簡単化し、半導体冷却装置１Ａの歩留りの向上、ひいては半導体装置の歩留りの向上を図ることが可能となる。
＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体冷却装置１Ｂについて説明する。図３は、実施の形態２に係る半導体冷却装置１Ｂを備えた半導体装置の断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態２に係る半導体冷却装置１Ｂにおいては、層流部３に網目状の層流材２０が設けられている。より具体的には、層流部３において上側（半導体チップ１０ａが搭載された側）の領域に、網目状の層流材２０が配置され、層流部３においてその他の領域には、水平方向に延びる複数の層流材６が、冷却媒体が流動することが可能に鉛直方向に予め定められた間隔をあけてそれぞれ平行に配置されている。層流材２０は、例えば、鉛直方向に予め定められた間隔をあけてそれぞれ平行に配置された水平方向に延びる板状部材と、水平方向に予め定められた間隔をあけてそれぞれ平行に配置された鉛直方向に延びる板状部材とで、網目状、換言すると格子状に形成されている。なお、乱流部４は、実施の形態１の場合と同様であるため、説明を省略する。
以上のように、実施の形態２に係る半導体冷却装置１Ｂでは、層流部３において半導体チップ１０ａが搭載された側の領域に、網目状の層流材２０が設けられたため、層流部３において発熱する側の表面積が大きくなり、半導体冷却装置１Ｂにおける特に層流部３での冷却効率を向上させることが可能となる。
なお、図４に示すように、乱流部４において突起７を省略することも可能である。図４は、実施の形態２の変形例に係る半導体冷却装置１Ｃを備えた半導体装置の断面図である。この場合、層流部３から層流にして流動された冷却媒体は、乱流部４において干渉し乱流となって流動する。これにより、半導体装置において温度差に基づく熱応力の差が小さくなることで、パワーサイクル寿命を延ばすことが可能となり、ひいては半導体装置の長寿命化を図ることが可能となる。
＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係る半導体冷却装置１Ｄについて説明する。図５は、実施の形態３に係る半導体冷却装置１Ｄを備えた半導体装置の断面図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
実施の形態３に係る半導体冷却装置１Ｄでは、乱流部４に柱部材２１が設けられている。より具体的には、乱流部４において、例えば上下方向に延びる複数の柱部材２１が配置されている。柱部材２１は、例えば、図５において乱流部４の手前側から奥側に渡って予め定められた間隔をあけて複数形成されるとともに、乱流部４において層流部３との境界から出口２ｂの周辺領域に渡って予め定められた間隔をあけて複数形成されている。
層流部３から流動された冷却媒体が柱部材２１に衝突することで、冷却媒体は乱流となって乱流部４内を流動し、出口２ｂから排出される。なお、層流部３は、実施の形態１の場合と同様であるため、説明を省略する。また、乱流部４において冷却媒体を乱流にして流動させることができればよく、複数の柱部材２１はそれぞれランダムに配置されていてもよいし、また、柱部材２１の個数は複数に限定されず１つであってもよい。
以上のように、実施の形態３に係る半導体冷却装置１Ｄでは、乱流部４に柱部材２１が設けられたため、乱流部４の表面積が大きくなり、半導体冷却装置１Ｄにおける特に乱流部４の冷却効率を向上させることが可能となる。また、乱流部４に柱部材２１が設けられたため、乱流部４が補強され、乱流部４を流動する冷却媒体の水圧に対する乱流部４の耐久性が向上する。
＜実施の形態４＞
次に、実施の形態４に係る半導体冷却装置１Ｅについて説明する。図６は、実施の形態４に係る半導体冷却装置１Ｅを備えた半導体装置の断面図である。なお、実施の形態４において、実施の形態１〜３で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
実施の形態４に係る半導体冷却装置１Ｅでは、実施の形態２の場合と同様に、層流部３に網目状の層流材２０が配置されるとともに、実施の形態３の場合と同様に、乱流部４に上下方向に延びる複数の柱部材２１が配置されており、層流部３および乱流部４について説明は省略する。
以上のように、実施の形態４に係る半導体冷却装置１Ｅでは、層流部３において半導体チップ１０ａ，１０ｂが搭載された側の領域に、網目状の層流材２０が設けられたため、層流部３において発熱する側の表面積が大きくなり、半導体冷却装置１Ｅにおける特に層流部３の冷却効率を向上させることが可能となる。
また、乱流部４に柱部材２１が設けられたため、乱流部４の表面積が大きくなり、半導体冷却装置１Ｅにおける特に乱流部４の冷却効率を向上させることが可能となる。さらに、乱流部４に柱部材２１が設けられたため、乱流部４を流動する冷却媒体の水圧に対する乱流部４の耐久性が向上する。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ 半導体冷却装置、３ 層流部、４ 乱流部、５ 冷却媒体流路、７ 突起、１０ａ，１０ｂ 半導体チップ、１２ａ，１２ｂ 絶縁層、２０ 層流材、２１ 柱部材。

Claims (4)

  1. 絶縁層を介して搭載された半導体チップを冷却する半導体冷却装置であって、
    前記半導体チップを冷却するための冷却媒体が流動する冷却媒体流路と、
    前記冷却媒体流路の上流側の領域に設けられ、かつ、前記冷却媒体を層流にして流動させる層流部と、
    前記冷却媒体流路において前記層流部よりも下流側の領域に設けられ、かつ、前記層流部から層流にして流動された冷却媒体を乱流にして流動させる乱流部と、
    を備え、
    前記層流部において前記半導体チップが搭載された側の領域に、網目状の層流材が設けられ、前記層流部において前記半導体チップが搭載されない側の領域に、水平方向に延びる複数の層流材が設けられた、半導体冷却装置。
  2. 前記乱流部において前記半導体チップが搭載された側の領域に突起が設けられた、請求項１記載の半導体冷却装置。
  3. 前記乱流部に柱部材が設けられた、請求項１記載の半導体冷却装置。
  4. 前記半導体チップはワイドバンドギャップ半導体を用いて形成された、請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の半導体冷却装置。
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