半導體裝置以及半導體裝置用冷卻器的製造方法

2023-12-02 21:25:21

半導體裝置以及半導體裝置用冷卻器的製造方法
【專利摘要】本發明提供一種半導體裝置，其壓力損耗較小，能均勻地對多個功率半導體晶片進行冷卻。半導體裝置(1)包括半導體模塊(30)、以及用於對搭載在半導體模塊內的功率半導體元件進行冷卻的冷卻器(50)。冷卻器(50)的冷卻部(51)包括第一頭部(54)以及第二頭部(55)，該第一頭部(54)在從製冷劑導入部(52)到第一基板(33-1)的製冷劑排出部(53)一側的端部之間具備向冷卻翅片(41)的底面傾斜的第一底面，且用於將由製冷劑導入部(52)提供的製冷劑提供給冷卻翅片(41)一側，該第二頭部(55)具備從冷卻翅片(41)底面的製冷劑排出部(53)一側的端部的位置開始傾斜的第二底面，且用於將從冷卻翅片(41)一側排出的製冷劑排出到製冷劑排出部(53)。
【專利說明】半導體裝置以及半導體裝置用冷卻器

【技術領域】
[0001] 本發明涉及至少具備半導體模塊和冷卻器的半導體裝置、以及用於該半導體裝置 的冷卻器。

【背景技術】
[0002] 在電動車的電動機可變速驅動裝置的逆變器（功率轉換裝置）等中使用搭載 有功率半導體晶片的半導體模塊。作為功率半導體晶片，例如使用絕緣柵雙極電晶體 (Insulated Gate Bipolar Transistor，以下稱為"IGBT"）等兀件。由於功率半導體晶片 會因流過大電流而發熱，因此將半導體模塊與冷卻器組合起來使用。在像電動車那樣對重 量、安裝空間等存在限制的產品中，為了提高散熱性，使用液冷式冷卻器，該液冷式冷卻器 中使用了循環冷卻介質。
[0003] 半導體模塊包括經由基板與功率半導體晶片進行熱耦合的散熱基底，散熱基底上 設有冷卻翅片。散熱基底與冷卻器之間形成的流路中收納有冷卻翅片，通過在冷卻翅片內 流過施加了壓力的冷卻介質（下文也稱為"製冷劑"），從而高效地將半導體晶片中產生的 熱量釋放給冷卻介質。因來自半導體晶片的放熱而升溫的冷卻介質由外部的熱交換器進行 冷卻，冷卻後的冷卻介質由泵進行加壓，並送回到設置有冷卻翅片的流路中。
[0004] 例如，在專利文獻1?5中揭示了這樣的現有技術。 專利文獻1公開了具備如下流路的冷卻系統，該流路包括：收納翅片的冷卻部；具有 在冷卻部的短邊方向上逐漸縮小、在長邊方向上逐漸擴大的截面流路形狀的部分結構部； 以及具有從冷卻部的短邊開始逐漸擴大、從長邊開始逐漸縮小的截面流路形狀的部分結構 部。專利文獻2公開了一種冷卻器，包括：由多個精細的流路構成的並列流路；將製冷劑 分配給該並列流路中的各流路的第一頭部；以及使從並列流路流出的製冷劑匯流的第二頭 部。專利文獻3公開了一種在形成冷卻液路的底面的底部元器件的上表面具有隆起部的冷 卻裝置，該隆起部由上遊部向上傾斜面以及下遊部向下傾斜面構成。專利文獻4公開了一 種在散熱器的開口部的底面設有使流路截面積平滑地縮小的空間的功率模塊冷卻部。專利 文獻5公開了一種構成有流路蓋板的半導體冷卻裝置，以使得與銷狀翅片的前端的間隙在 流入口一側較大，在流出口一側較小。專利文獻6公開了以製冷劑的流入口側的高度低於 流出口側高度的方式形成有導熱翅片的冷卻裝置。 現有技術文獻 專利文獻
[0005] 專利文獻1 :日本專利特開2004-6811號公報（圖1、7以及第0023?003U0056? 0061 段） 專利文獻2 :日本專利特開2001-35981號公報（圖1、2以及第0020?28段） 專利文獻3 :日本專利特開2008-263137號公報（圖11以及第0035?0038段） 專利文獻4 :日本專利特開2001-308246號公報（圖9以及第0034段） 專利文獻5 :日本專利特開2010-153785號公報（圖7、8以及第0035?0037段） 專利文獻6 :日本專利特開2007-81375號公報（圖2、3、6、7以及第0038?0050段）


【發明內容】
發明所要解決的技術問題
[0006] 然而，在上述那樣的半導體裝置中，為了高效地對功率半導體晶片所產生的熱量 進行散熱，冷卻翅片的形狀具有精細且複雜的趨勢。若使用這種形狀的冷卻翅片，則冷卻器 中的壓力損耗容易上升，為了使製冷劑循環需要高輸出的泵。並且，若使半導體裝置小型化 且高輸出化，則存在如下問題：單位面積的發熱量會變大，且需要更精細且更高密度的冷卻 翅片，壓力損耗上升，導致需要輸出較大的泵。
[0007] 此外，若沿著製冷劑的流動方向設置多個功率半導體晶片，則難以均勻地對各個 晶片進行冷卻。 因此，本發明的目的在於解決上述問題，提供一種半導體裝置以及用於該半導體裝置 的冷卻器，即使半導體裝置小型且高輸出，壓力損耗也較小，不使用較大的泵也能維持冷卻 性能，並且能均勻地對多個功率半導體晶片進行冷卻。 解決技術問題的技術方案
[0008] 為解決上述問題，本發明的第一方式的半導體裝置包括：半導體模塊、以及用於對 該半導體模塊內的基板上搭載的功率半導體元件進行冷卻的冷卻器，其特徵在於，至少包 括：散熱基底；冷卻翅片，該冷卻翅片由多個引腳構件或多個葉片構件構成，是外形大致呈 長方體形狀的集合體，且設置於所述散熱基底的第一主面；冷卻器，該冷卻器包括：收納有 所述冷卻翅片的冷卻部、分別形成於該冷卻部的長邊方向上相對的兩端的製冷劑導入部和 製冷劑排出部，該冷卻器固定在所述散熱基底上；第一基板，該第一基板以與所述冷卻翅片 的位置相對應的方式與所述散熱基底的第二主面的所述製冷劑導入部一側相結合；以及第 二基板，該第二基板與所述第一基板相鄰，與所述散熱基底的第二主面的所述製冷劑排出 部一側相結合。
[0009] 所述冷卻部還包括：第一頭部，該第一頭部至少包括第一底面，該第一底面向所述 冷卻翅片的底面傾斜，從而將從所述製冷劑導入部提供的製冷劑從所述冷卻翅片的製冷劑 導入部一側的側面以及底面提供至冷卻翅片內，並使其流向製冷劑排出部；以及第二頭部， 該第二頭部至少包括第二底面，該第二底面從所述冷卻翅片的底面的端部位置開始傾斜， 從而將從所述冷卻翅片排出的所述製冷劑排出至所述製冷劑排出部。
[0010] 由於具備這種第一頭部以及第二頭部，因此在本發明的半導體裝置中，能大致均 勻地對設置在冷卻部的長邊方向上的第一基板以及第二基板上分別搭載的功率半導體元 件進行冷卻，並能降低冷卻器的壓力損耗。
[0011] 為解決上述問題，本發明的第二方式的半導體裝置包括：散熱基底；卻翅片，該冷 卻翅片由多個引腳構件或多個葉片構件構成，是外形大致呈長方體形狀的集合體，且設置 於所述散熱基底的第一主面；冷卻器，該冷卻器包括：收納有所述冷卻翅片的冷卻部、分別 形成於該冷卻部的長邊方向上相對的兩端的製冷劑導入部和製冷劑排出部，該冷卻器固定 在所述散熱基底上；第一基板，該第一基板以與所述冷卻翅片的位置相對應的方式與所述 散熱基底的第二主面的所述製冷劑導入部一側相結合；以及第二基板，該第二基板與所述 第一基板相鄰，與所述散熱基底的第二主面的所述製冷劑排出部一側相結合。
[0012] 所述冷卻部還包括：第一頭部，該第一頭部包括設置在所述製冷劑導入部與所述 第一基板的製冷劑排出部一側的端部之間、並向所述冷卻翅片的底面傾斜的第一底面，該 第一底面用於將從所述製冷劑導入部提供的製冷劑提供到所述冷卻翅片一側；以及第二頭 部，該第二頭部包括從所述冷卻翅片的底面的所述製冷劑排出部一側的端部位置開始傾斜 的第二底面，該第二底面用於將從所述冷卻翅片一側排出的所述製冷劑排出到所述製冷劑 排出部。
[0013] 由於具備這種第一頭部以及第二頭部，因此在本發明的半導體裝置中，製冷劑導 入部與第一基板的製冷劑排出部側的端部之間的壓力損耗變小，且製冷劑向著製冷劑排出 部順暢地流動，因此，能大致均勻地對第一基板以及第二基板上分別搭載的功率半導體元 件進行冷卻，並能降低冷卻器的壓力損耗。
[0014] 為解決上述問題，本發明的第三方式的半導體裝置包括：散熱基底；冷卻翅片，該 冷卻翅片由多個引腳構件或多個葉片構件構成，是外形大致呈長方體形狀的集合體，且設 置於所述散熱基底的第一主面；冷卻器，該冷卻器包括：收納有所述冷卻翅片的冷卻部、分 別形成於該冷卻部的長邊方向上相對的兩端的製冷劑導入部和製冷劑排出部，該冷卻器固 定在所述散熱基底上；第一基板，該第一基板以與所述冷卻翅片的位置相對應的方式與所 述散熱基底的第二主面的所述製冷劑導入部一側相結合；以及第二基板，該第二基板與所 述第一基板相鄰，與所述散熱基底的第二主面的所述製冷劑排出部一側相結合。
[0015] 所述冷卻部包括將從所述製冷劑導入部提供的製冷劑提供到所述冷卻翅片一側 的第一頭部、以及將從所述冷卻翅片一側排出的所述製冷劑排出到所述製冷劑排出部的第 二頭部，在所述第一頭部內露出的所述冷卻翅片的側面以及底面的面積大於在所述第二頭 部內露出的所述冷卻翅片的側面的面積。
[0016] 通過如上述那樣使在第一頭部內露出的冷卻翅片的側面和底面的面積大於在第 二頭部內露出的冷卻翅片的側面的面積，在本發明的半導體裝置中，能大致均勻地對第一 頭部和第二頭部之間的冷卻器上搭載的功率半導體晶片進行冷卻，因此能降低冷卻器的壓 力損耗，而且能大致均勻地對搭載在第一頭部一側的第一基板上的功率半導體晶片以及搭 載在第二頭部一側的第二基板上的功率半導體晶片進行冷卻。
[0017] 此外，為了解決上述問題，本發明的第四方式的冷卻器用於對半導體模塊進行冷 卻，該半導體模塊至少包括：散熱基底；並排接合在散熱基底上的至少兩個基板；搭載在各 個所述基板上的功率半導體元件；以及冷卻翅片，該冷卻翅片由多個引腳構件或多個葉片 構件構成，是外形大致呈長方體的集合體，且設置於所述散熱基底上，該冷卻器的特徵在 於，包括收納有所述冷卻翅片的冷卻部、以及分別形成於該冷卻部的長邊方向上相對的兩 端的製冷劑導入部和製冷劑排出部。
[0018] 所述冷卻部還包括：第一頭部，該第一頭部至少包括第一底面，該第一底面向所述 冷卻翅片的底面傾斜，從而將從所述製冷劑導入部提供的製冷劑從所述冷卻翅片的製冷劑 導入部一側的側面以及底面提供到冷卻翅片內，並流向製冷劑排出部；以及第二頭部，該第 二頭部至少包括第二底面，該第二底面從所述冷卻翅片的底面的端部位置開始傾斜，從而 將從所述冷卻翅片排出的所述製冷劑排出到所述製冷劑排出部。。
[0019] 由於具備這種第一頭部以及第二頭部，因此在本發明的冷卻器中，能大致均勻地 對設置在冷卻部的長邊方向上的第一基板以及第二基板上分別搭載的功率半導體元件進 行冷卻，並能降低冷卻器主體的壓力損耗。 發明效果
[0020] 根據本發明的第一?第三方式，能提供一種能大致均勻地對至少兩枚基板上搭載 的各個功率半導體元件進行冷卻、且能降低冷卻器的壓力損耗的半導體裝置。
[0021] 根據本發明的第四方式，能提供一種能大致均勻地對至少兩枚基板上搭載的各個 功率半導體元件進行冷卻、且能降低冷卻器主體的壓力損耗的冷卻器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1是本發明的實施方式的半導體裝置的立體圖。 圖2(a)是從圖1的A側觀察本發明實施方式的半導體裝置得到的IIA-IIA箭頭剖面 側視圖。圖8(b)是其變形例。 圖3是示意性表示本發明實施方式的半導體裝置的主要部分的立體圖，圖3 (a)是表示 基板、散熱基底以及冷卻器的圖，圖8(b)是表示冷卻翅片以及冷卻器的圖。 圖4是表示本發明實施方式的散熱基底的立體圖，圖4 (a)是表示冷卻翅片的第一變形 例的圖，圖4 (b)是表示冷卻翅片的第二變形例的圖，圖4 (c)是表示冷卻翅片的第三變形例 的圖。 圖5是本發明實施方式的半導體裝置的圖3的5A-5A箭頭剖視圖，圖5(a)是表示冷卻 器的第一變形例的圖，圖5(b)是表示冷卻器的第二變形例的圖。 圖6是表示本發明實施方式的冷卻器的俯視圖，圖6(a)是表示第一變形例的圖，圖 6(b)是表示第二變形例的圖，圖6(c)是表示第三變形例的圖，圖6(d)是表示第四變形例的 圖。 圖7是現有的半導體裝置的主要部分剖視圖。 圖8是表示本發明實施方式的半導體裝置的製冷劑流速分布的輪廓圖，圖8 (a)為俯視 圖，圖8(b)為側視圖。 圖9是表示現有的半導體裝置的製冷劑流速分布的輪廓圖，圖8 (a)為俯視圖，圖8 (b) 為側視圖。

【具體實施方式】
[0023] 以下，參照附圖對本發明所涉及的半導體裝置以及用於該半導體裝置的冷卻器的 優選實施方式進行說明。附圖用於舉例表示本發明的【具體實施方式】。下面的說明中出現的 表示"上"、"下"、"底"、"前"、"後"等方向的用語應參照附圖的方向來使用。
[0024] 圖1是本發明的實施方式的半導體裝置的立體圖。圖2(a)是從圖1的A側觀察 半導體裝置得到的IIA-IIA箭頭剖面側視圖。 如圖1、圖2 (a)所示，半導體裝置1包括：搭載有功率半導體晶片31的半導體模塊30 ; 以及用於對功率半導體晶片31進行冷卻的冷卻器50。
[0025] 半導體模塊30至少包括：外圍殼體32、以及與功率半導體晶片31接合的絕緣基 板33。 外圍殼體32呈0字形或框形，且是外形大致呈長方體形狀的樹脂制殼體。外圍殼體 32內置有三枚絕緣基板33。樹脂例如是聚苯硫醚。外圍殼體32的框部分的一條邊上設有 主端子（u) 34-1、主端子（V) 34-2、以及主端子（W) 34-3,框部分的另一條邊上設有電源端子 (P)35-l、以及電源端子（N)35-2。主端子（U)34-l、主端子（V)34-2、以及主端子（W)34-3 是用於通過功率半導體晶片31的開關控制來驅動例如外部的電動機的端子。電源端子 (P) 35-1以及電源端子（N) 35-2是從外部接受供電的端子。
[0026] 如圖2(a)所示，電源端子35上設有開口孔35a。開口孔35a供未圖示的螺釘插 入，與配置於外圍殼體32的螺母32η擰合。電源端子35以彎曲的狀態設置在外圍殼體32 的表面上。這些端子例如通過嵌入成形設置於外圍殼體32。
[0027] 控制端子36-1?36-8是用於將內置於外圍殼體32的功率半導體晶片31的柵極 電極和未圖示的電路基板上的控制電路相連接、並利用從控制電路發送的控制信號來進行 功率半導體晶片31的開關控制的中繼端子。此外，在外圍殼體32的框部的四個角部設有 開口部37-1?37-4。通過分別向這些開口部37-1?37-4中插入螺釘b，從而使半導體模 塊30與冷卻器50以固接的方式來固定。外圍殼體32上設有用於將電路基板（未圖示） 安裝於上表面的螺釘座38。
[0028] 絕緣基板33通過在由陶瓷、樹脂等形成的絕緣板的兩面上接合由板狀的銅、銅合 金等構成的電路圖案而成。各絕緣基板33上安裝有IGBT、M0SFET等功率半導體晶片31、用 於使負載電流續流的二極體、即FWD39(Free Wheeling Diode)等晶片。多個功率半導體元 件31以及FWD39分別通過接合線wl相互連接。在絕緣基板33上，功率半導體晶片31和 FWD39例如通過接合線wl以外的未圖示的接合線進行反向並聯連接，且進行電連接以構成 上下橋臂。
[0029] 並且，引線端子rl、r2通過嵌入成形埋入外圍殼體32的框部分，並通過接合線《2、 w3與功率半導體晶片31相連。功率半導體晶片31經由未圖示的接合線、引線端子等與電 動機驅動用的主端子34電連接。功率半導體晶片31的柵極經由接合線《3與引線端子r2 相連接，引線端子r2與控制端子36相連接。
[0030] 如圖2(a)所示，在外圍殼體32的底面側的開口部設有散熱基底，該散熱基底通過 粘接劑固接於開口階差面32a，且將開口部封閉。散熱基底包括散熱底板40以及冷卻翅片 41。散熱底板40是由銅、銅合金、鋁、或鋁合金構成的板狀構件、或者對這些材料進行鍍敷 後得到的構件。冷卻翅片41出於對散熱底板40以及功率半導體晶片31進行冷卻的目的， 利用公知的方法形成在散熱底板40的下表面側。散熱基底的上表面側依次接合有絕緣基 板33以及功率半導體晶片31。這種在散熱基底上接合有絕緣基板33的半導體模塊被稱為 直接水冷型半導體模塊，主要用於製冷劑為水或長壽命冷卻液（LLC)等液體的水冷式半導 體裝置。在直接水冷型的半導體模塊中，通過對功率半導體晶片31、冷卻翅片41、以及冷卻 部51的形狀以及配置進行研究，能提高冷卻效率，降低用於製冷劑循環的泵的負載。而且 與現有相比能增加流量，因此能改善半導體裝置的特性以及可靠性。
[0031] 圖2(b)示出散熱基底的變形例以及使用該散熱基底的半導體裝置1。該變形例 中，散熱基底至少包括散熱底板40、底板40-1、以及冷卻翅片41-1。散熱底板40固接於外 圍殼體32的底面側。散熱底板40上未形成冷卻翅片，植入有冷卻翅片41-1的底板40-1 經由導熱膏等與散熱底板40密接從而進行固定。具備這種散熱基底的半導體模塊主要用 於製冷劑為空氣等氣體的空冷式半導體裝置。
[0032] 在散熱底板40的上表面通過焊料、燒結金屬等接合有絕緣基板33。 外圍殼體32的內部空間中填充有例如矽凝膠、環氧樹脂或有機矽樹脂的密封材料 32e。外圍殼體32的開口階差面32b通過未圖示的粘接劑固接有樹脂制的蓋板32c，並被封 閉。設置開口部37是為了通過螺栓將外圍殼體32固定於後述的冷卻器等。
[0033] 半導體裝置1通過在外圍殼體32的螺釘座38上安裝未圖示的電路基板來使 用。電路基板的表面安裝有由IC(Integrated Circuit:集成電路）、LSI (Large Scale Integration :大規模集成電路）、電晶體、電阻、以及電容器等各種電路元件構成的控制電 路。另外，半導體裝置1並不一定要在內部具備電路基板，也可以採用與外部的具有相同功 能的設備相連接從而被控制的結構。
[0034] 圖3是示意性表示本發明實施方式的半導體裝置的主要部分的立體圖，圖3 (a)是 表示絕緣基板33、散熱基底、以及冷卻器50的配置的圖，圖3(b)是表示散熱基底的冷卻翅 片41與冷卻器50的配置的圖。
[0035] 冷卻器50經由密封構件例如如以上說明的那樣通過螺釘、螺栓與半導體模塊30 密接從而固定。冷卻器50通過對鋁、鋁合金等公知的材料成形而成。
[0036] 如圖3所示，冷卻器50包括：收納冷卻翅片41的冷卻部51、以和冷卻部51連通 的方式形成的製冷劑導入部52以及製冷劑排出部53。冷卻部51是設置於箱狀的冷卻器 50的大致長方體形狀的凹部，俯視時大致呈長方形。製冷劑導入部52以及製冷劑排出部 53形成為各自的開口的中心位於冷卻部51的短邊側的側面、即冷卻部51的長邊方向上相 對的兩個側面的大致中央部分。開口的形狀例如是圓形、橢圓形。從製冷劑導入部52提供 的製冷劑的方向以及從製冷劑排出部53排出的製冷劑的方向與冷卻部51的長邊方向大致 平行。
[0037] 通過與冷卻器50相連接的未圖示的泵，將製冷劑從上遊的製冷劑導入部52提供 給冷卻部51，並從下遊的製冷劑排出部53排出，從而進行冷卻系統的循環。 至少兩枚絕緣基板33以沿著冷卻部51的長邊方向從製冷劑導入部52 -側開始依次 排列的方式接合在散熱基底上。圖3(a)中，具有相同外形和尺寸的三枚絕緣基板33-1、 33-2、33-3以沿著從製冷劑導入部52 -側向製冷劑排出部53的方向相鄰排列的方式來設 置。
[0038] 在散熱底板40的與接合有絕緣基板33-1、33-2、33_3的面相對的面上，形成有冷 卻翅片41。優選冷卻翅片41以距離和熱阻較小的方式設置於絕緣基板33-1、33-2、33-3的 正下方表面，從而高效地對功率半導體晶片31中產生的熱進行散熱。而且，由於從功率半 導體晶片31產生的熱量會在面內方向擴散，因此，優選以冷卻翅片41與散熱底板40固接 的面的面積大於絕緣基板33-1、33-2、33-3的總面積的方式構成散熱基底。此外，以該冷卻 翅片41與冷卻部51構成一定間隙的方式構成冷卻器50較佳。絕緣基板33_1、33_2、33_3 設置成不超出冷卻部51的側壁，換言之，設置成朝向由冷卻部51構成的製冷劑流路。
[0039] 冷卻翅片41由多個引腳構件或多個葉片構件構成，且是外形大致呈長方體形 狀的集合體。由銅、銅合金、鋁、鋁合金等公知的材料來構成，通過一體成型、切削加工 (carving)、植入等公知的方法來形成。從散熱底板40的主面到引腳、葉片前端的高度優選 為6_?10_的範圍。作為冷卻翅片41的形狀，包含公知的形狀在內，能使用各種形狀。 從冷卻性能均一化的方面考慮，優選使冷卻翅片41的外形為大致長方體形狀，以使得使引 腳等的高度彼此相同、將前端連結而假想地形成的面與散熱底板40的面大致平行。
[0040] 此外，若使製冷劑導入部52以及製冷劑排出部53各自的開口部的內徑在冷卻翅 片41的高度以上，則能維持冷卻性能並降低整個冷卻系統的壓力損耗，因此較為優選。例 如當引腳的高度為l〇mm，通過使內徑為10mm以上，由此能降低壓力損耗。並且，若使開口部 的形狀為橢圓形，使其短徑在冷卻翅片41的高度以上，使其長徑達到設置有功率半導體芯 片31的區域的寬度左右，則製冷劑會在發熱部擴散並流動，因此從冷卻性能方面考慮較為 優選。
[0041] 圖4是舉例示出本發明實施方式的散熱基底的立體圖，圖4(a)示出冷卻翅片的第 一變形例，圖4(b)示出冷卻翅片的第二變形例，圖4(c)示出冷卻翅片的第三變形例。圖 4(a)的冷卻翅片41-1是使用圓形引腳的示例，圖4(b)的冷卻翅片41-2是使用稜柱引腳的 示例，圖4(c)的冷卻翅片41-3是使用葉片的示例。在使用引腳的情況下，為了抑制製冷劑 的異常流動，並能提高冷卻效率，優選將引腳設置成交錯狀且在與長邊方向呈45°的方向 上排列。
[0042] 圖5表示本發明實施方式的半導體裝置1的主要部分，並且是圖3的5A-5A箭頭 剖視圖，圖5(a)、（b)分別示出冷卻器50的第一變形例和第二變形例。各圖中空心箭頭表 示製冷劑的流動方向。圖6是從散熱基底一側觀察本發明實施方式的冷卻器的製冷劑流路 的俯視圖，圖6(a)?（d)分別示出冷卻部51的第一變形例、第二變形例、第三變形例、以及 第四變形例。雙點劃線示出絕緣基板33-1、33-2、33-3的位置。
[0043] 冷卻器50中，對冷卻翅片41進行收納的冷卻部51在製冷劑導入部52 -側具備 第一頭部54,在製冷劑排出部53 -側具備第二頭部55。 第一頭部54具有放大部以及縮小部，該放大部包括以從製冷劑導入部52導入冷卻器 50的冷卻劑向著冷卻翅片41的側面均勻擴散的方式傾斜的側壁，且截面積逐漸變大，該縮 小部收納冷卻翅片41的一端部，包括用於將製冷劑送入冷卻翅片41內的傾斜面，且截面積 逐漸變小。
[0044] 第一頭部54的縮小部的底面向冷卻翅片41的底面傾斜，換言之，向將引腳或葉片 的前端假想地連結而形成的面傾斜。傾斜部分形成在從第一頭部54的製冷劑導入部52 - 側到絕緣基板33-1的製冷劑排出部53 -側的端部（圖5 (a)、圖6 (a)所示的位置E)之間 的任意位置之間。為了使冷卻性能均勻，優選形成在絕緣基板33-1的中央部與製冷劑排出 部53 -側的端部之間的任意位置。
[0045] 利用這種第一頭部54,製冷劑不僅從冷卻翅片41的側面，也從構成冷卻翅片41的 引腳的前端側傾斜地、即沿著圖5的虛線箭頭方向，向著製冷劑排出部53流入冷卻翅片41。 通過增大從由製冷劑導入部52提供的製冷劑的角度進行觀察時、在第一頭部54內露出的 冷卻翅片41的面積，從而能降低壓力損耗。並且，通過將底面的傾斜終點設置在上述範圍 內，從而能將第一頭部54內的壓力損耗抑制在所需的程度。
[0046] 第二頭部55具有擴大部以及縮小部，該擴大部包括用於將從冷卻翅片41流出的 製冷劑排出到製冷劑排出部53 -側的傾斜面，且截面積逐漸變大，該縮小部包括以製冷劑 從冷卻翅片41的側面向製冷劑排出部53集中的方式傾斜的側壁，且截面積逐漸變小。
[0047] 第二頭部55的擴大部的底面從冷卻翅片41底面的製冷劑排出部53 -側的端部 位置開始傾斜。第二頭部55的底面於冷卻翅片41的底面所成的角度（銳角）比第一頭部 54的底面於冷卻翅片41的底面所成的角度大。
[0048] 第一頭部54與第二頭部55之間的冷卻部51的底面、與第一頭部54的底面與第 二頭部55的底面之間相連，且與冷卻翅片41的底面大致平行。該大致平行的區域中的冷 卻部51與冷卻翅片41的底面的間隙越小，越能提1?冷卻性能。考慮到散熱基底的熱變形 等，間隙的大小優選為例如〇. 2mm?0. 8mm。
[0049] 通過如上述那樣使冷卻部51與冷卻翅片41的間隙固定，由此在設置於絕緣基板 33-1下遊側的絕緣基板33-2、33-3的正下方，製冷劑在冷卻翅片41的內部流動，能實現足 夠的冷卻效率。
[0050] 第一頭部54與第二頭部55的形狀為夾著冷卻部51而非對稱，第一頭部54的容 積大於第二頭部55,在第一頭部54內露出的冷卻翅片41的製冷劑導入部52-側的側面和 底面的面積大於在第二頭部55內露出的冷卻翅片41的製冷劑排出部53 -側的側面的面 積。
[0051] 由於具備這種第一頭部54、冷卻部51以及第二頭部55,因此在半導體裝置1中， 對於絕緣基板33-2、33-3正下方的冷卻翅片41也能提供足夠的低溫製冷劑，能更好地對第 一頭部54與第二頭部55之間的冷卻器50上所搭載的功率半導體晶片31進行冷卻，因此 能均勻地對搭載在三枚絕緣基板上的功率半導體晶片31進行冷卻。而且，即使在使用相同 能力的泵的情況下，與現有相比，能降低功率半導體晶片31的最高溫度，因此能提供整體 冷卻性能較佳的半導體裝置1。通過使在第一頭部54內露出的冷卻翅片41的底面面積大 於在第一頭部54內露出的冷卻翅片41的側面面積，能良好地獲得上述效果。
[0052] 第一頭部54的底面形狀可以如圖6(a)?（d)所示那樣進行各種變形。 圖6 (a)示出第一頭部54的底面與和冷卻翅片41的底面大致平行的面56之間的邊界 57上出現的頂部（交線）呈筆直（I字形）狀的示例。與冷卻翅片41的底面大致平行的面 56夾在第一頭部54的底面與第二頭部55的底面之間，且與它們相連。圖6 (b)?（d)是圖 6(a)的邊界57的中央部向製冷劑排出部53-側呈C字形地彎曲的示例。無論在哪個示例 中，邊界57都位於與從製冷劑導入部52 -側的雙點劃線所示的絕緣基板33-1的中央部到 製冷劑排出部53-側端部之間的區域相對的部分、即該區域的正下方。通過如圖6(b)? (d)那樣使第一頭部54的下遊側端部的形狀為向下遊側凸出的C字形，從而能使冷卻部51 在寬度方向上的冷卻效率更均勻。
[0053] 以上說明的半導體裝置1和冷卻器50能通過現有公知的方法來製造。 圖7是現有的半導體裝置的主要部分剖視圖。另外，圖7中，對與圖1至圖6所示的結 構要素相同的結構要素標註相同的標號並省略說明。
[0054] 圖7所示的現有的半導體裝置與使用圖5說明的本發明實施方式的半導體裝置1 相比在以下方面不同。 例如在圖7 (a)所示的半導體裝置中，冷卻器500的冷卻部510中沒有相當於本發明實 施方式的第一頭部54的空間。此外，在圖7(b)所示的半導體裝置中，冷卻部510中不存在 本發明實施方式的第一頭部54與第二頭部55之間的、與冷卻翅片41的底面平行的面56。 圖7 (C)所示的半導體裝置的冷卻部510具有相當於本發明實施方式的第一頭部54和第二 頭部55的空間，且製冷劑導入部520以及製冷劑排出部530安裝在冷卻部510的底部，與 本發明實施方式的結構不同。此外，在圖7(d)所示的半導體裝置中，在冷卻器500的冷卻 部510的製冷劑導入部520 -側具備第一頭部540,並且在製冷劑排出部530 -側具備與第 一頭部540對稱且形狀和尺寸大致相同的第二頭部550。第一頭部540底面的形成為傾斜 的區域的長度1?與第二頭部550底面的形成為傾斜的區域的長度Ow大致相等。
[0055] 圖8示出通過數值計算求得的本發明實施方式的半導體裝置1的製冷劑流速分布 的輪廓圖，圖8 (a)為俯視圖，圖8(b)為側視圖。該計算例以在圖8(a)、（b)的B-B位置存 在第一頭部54的I字形端部的冷卻器50為對象。
[0056] 圖9示出通過數值計算求得的現有的半導體裝置的製冷劑流速分布的輪廓圖，圖 9(a)為俯視圖，圖9(b)為側視圖。該計算例以圖7(a)的冷卻器500為對象。
[0057] 圖8、圖9示出製冷劑流量為10L/min時的流速分布，兩圖所示的數值（0. 000? 1.000)分別表示製冷劑的流速（單位m/s)。為了進行比較，將最大流速統一為l.OOOm/s。
[0058] 若將圖8的本發明實施方式的流速分布與圖9的現有技術進行比較，則本發明實 施方式的半導體裝置1中，第一頭部54的冷卻翅片41內的流速較小，且流速的變化較緩。 並且在從第一頭部54的下遊側端部（圖8的B-B所示位置）到冷卻翅片41的下遊側端部 (圖8的C-C所示位置）之間的分布大致相同。其結果是，冷卻器50的冷卻性能在製冷劑 導入部52與製冷劑排出部53之間大致相同，進而能降低其壓力損耗。
[0059] 例如，將圖5 (a)中的Iw設為15mm，將0w設為1mm，並將冷卻翅片41的高度設為 10mm，通過數值計算求得絕緣基板33-1、33-2、33-3上所安裝的功率半導體晶片31的結溫， 其結果是，製冷劑導入部52 -側的絕緣基板33-1上所搭載的晶片的溫度越約134. 7°C，制 冷劑排出部53 -側的絕緣基板33-3上所搭載的晶片的溫度約為136. 0°C，它們的差約為 1.3°C。壓力損耗為9.3kPa。另一方面，將圖7(d)中的Iw設為1mm，將0w設為1mm並進行 同樣的計算，其結果是，溫度差約為2. 7°C，壓力損耗為11. lkPa。
[0060] 若降低冷卻翅片41的高度，則對設置在長邊方向上的多個功率半導體晶片31進 行均勻冷卻在現有技術下較為困難，然而，若採用本發明實施方式的半導體裝置1，則能獲 得如下優異效果：即，能進一步降低冷卻翅片41的高度，即使是6_左右，也能保持較小的 溫度差。
[0061] 此外，關於圖7(d)所示的現有的半導體裝置，使lw、0w相等地改變為1、5、10、15mm 來進行其它數值計算，其結果可知，若lw(0w)從1mm增大到15mm，則安裝在絕緣基板33-1、 33-2、33-3上的所有功率半導體模塊的溫度上升，無法均勻地冷卻。
[0062] 由此，在本發明實施方式的半導體裝置1以及冷卻器50中，冷卻器50的冷卻部51 包括：至少具備向冷卻翅片41的底面傾斜的底面的第一頭部54 ;以及至少具備從冷卻翅片 41底面的端部位置開始傾斜的底面的第二頭部55,因此，由製冷劑導入部52提供的製冷劑 從冷卻翅片41的製冷劑導入部52 -側的側面以及底面向著製冷劑排出部53被提供到冷 卻翅片41內，並從冷卻翅片41的側面排出到製冷劑排出部53。其結果是，第一頭部54的 壓力損耗以及冷卻效率變小，能大致均勻地對設置在冷卻部51的長邊方向上的三枚絕緣 基板33上分別搭載的功率半導體晶片31進行冷卻，且能降低冷卻器50的壓力損耗。
[0063] 上述實施方式是將本發明具體化後的示例，本發明並不限於這些實施方式，在不 脫離本發明宗旨的情況下可以進行各種變更。 標號說明
[0064] 1半導體裝置 30半導體模塊 31功率半導體晶片 32外圍殼體 32a、32b開口階差面 32c蓋板 32e密封材料 32η螺母 33、 33-1、33-2、33-3 絕緣基板 34、 34-1、34-2、34-3 主端子 35、 35-1、35-2 電源端子 35a開口孔 36、 36-1?36-8控制端子 37、 37-1 ?37-4 開口部 38螺釘座 39 FWD wl、w2、w3 接合線 rl、r2引線端子 40、 40- 1散熱底板 41、 41-1、41-2、41-3 冷卻翅片 50冷卻器 51冷卻部 52製冷劑導入部 53製冷劑排出部 54第一頭部 55第二頭部
【權利要求】
1. 一種半導體裝置，包括：半導體模塊、以及用於對該半導體模塊內的基板上搭載的 功率半導體元件進行冷卻的冷卻器，其特徵在於，至少包括： 散熱基底； 冷卻翅片，該冷卻翅片由多個引腳構件或多個葉片構件構成，是外形大致呈長方體形 狀的集合體，且設置於所述散熱基底的第一主面； 冷卻器，該冷卻器包括：收納有所述冷卻翅片的冷卻部、分別形成於該冷卻部的長邊方 向上相對的兩端的製冷劑導入部和製冷劑排出部，該冷卻器固定在所述散熱基底上； 第一基板，該第一基板以與所述冷卻翅片的位置相對應的方式與所述散熱基底的第二 主面的所述製冷劑導入部一側相結合；以及 第二基板，該第二基板與所述第一基板相鄰，與所述散熱基底的第二主面的所述製冷 劑排出部一側相結合， 所述冷卻部還包括： 第一頭部，該第一頭部至少包括第一底面，該第一底面向所述冷卻翅片的底面傾斜，從 而將從所述製冷劑導入部提供的製冷劑從所述冷卻翅片的製冷劑導入部一側的側面以及 底面提供至冷卻翅片內，並使其流向製冷劑排出部；以及 第二頭部，該第二頭部至少包括第二底面，該第二底面從所述冷卻翅片的底面的端部 位置開始傾斜，從而將從所述冷卻翅片排出的所述製冷劑排出至所述製冷劑排出部。
2. -種半導體裝置，包括：半導體模塊、以及用於對該半導體模塊內的基板上搭載的 功率半導體元件進行冷卻的冷卻器，其特徵在於，至少包括： 散熱基底； 冷卻翅片，該冷卻翅片由多個引腳構件或多個葉片構件構成，是外形大致呈長方體形 狀的集合體，且設置於所述散熱基底的第一主面； 冷卻器，該冷卻器包括：收納有所述冷卻翅片的冷卻部、分別形成於該冷卻部的長邊方 向上相對的兩端的製冷劑導入部和製冷劑排出部，該冷卻器固定在所述散熱基底上； 第一基板，該第一基板以與所述冷卻翅片的位置相對應的方式與所述散熱基底的第二 主面的所述製冷劑導入部一側相結合；以及 第二基板，該第二基板與所述第一基板相鄰，與所述散熱基底的第二主面的所述製冷 劑排出部一側相結合， 所述冷卻部還包括： 第一頭部，該第一頭部包括設置在所述製冷劑導入部與所述第一基板的製冷劑排出部 一側的端部之間、並向所述冷卻翅片的底面傾斜的第一底面，該第一底面用於將從所述制 冷劑導入部提供的製冷劑提供到所述冷卻翅片一側；以及 第二頭部，該第二頭部包括從所述冷卻翅片的底面的所述製冷劑排出部一側的端部位 置開始傾斜的第二底面，該第二底面用於將從所述冷卻翅片一側排出的所述製冷劑排出到 所述製冷劑排出部。
3. 如權利要求1或2所述的半導體裝置，其特徵在於， 包括與所述冷卻翅片的底面平行的第三底面，該第三底面連接在所述第一底面與所述 第二底面之間。
4. 如權利要求3所述的半導體裝置，其特徵在於， 所述第一底面相對於所述冷卻翅片的底面的傾斜角小於所述第二底面的傾斜角。
5. 如權利要求4所述的半導體裝置，其特徵在於， 所述第一底面與第三底面相交的頂部位於所述第一基板的中央部下方與所述製冷劑 排出部側端部下方之間。
6. 如權利要求1或2所述的半導體裝置，其特徵在於， 所述第一頭部的體積大於所述第二頭部的體積。
7. 如權利要求1或2所述的半導體裝置，其特徵在於， 與所述製冷劑導入部以及製冷劑排出部相連接的配管的內徑大於所述引腳構件或葉 片構件的高度。
8. 如權利要求1或2所述的半導體裝置，其特徵在於， 所述冷卻翅片的寬度大於所述第一基板以及第二基板的寬度，所述冷卻部的側壁不位 於所述第一基板以及第二基板的正下方。
9. 如權利要求1或2所述的半導體裝置，其特徵在於， 所述引腳構件的截面為圓形、橢圓形或多邊形，該引腳構件交錯地排列在所述散熱基 底上。
10. -種半導體裝置，包括：半導體模塊、以及用於對該半導體模塊內的基板上搭載的 功率半導體元件進行冷卻的冷卻器，其特徵在於，至少包括： 散熱基底； 冷卻翅片，該冷卻翅片由多個引腳構件或多個葉片構件構成，是外形大致呈長方體形 狀的集合體，且設置於所述散熱基底的第一主面； 冷卻器，該冷卻器包括：收納有所述冷卻翅片的冷卻部、分別形成於該冷卻部的長邊方 向上相對的兩端的製冷劑導入部和製冷劑排出部，該冷卻器固定在所述散熱基底上； 第一基板，該第一基板以與所述冷卻翅片的位置相對應的方式與所述散熱基底的第二 主面的所述製冷劑導入部一側相結合；以及 第二基板，該第二基板與所述第一基板相鄰，與所述散熱基底的第二主面的所述製冷 劑排出部一側相結合， 所述冷卻部包括將從所述製冷劑導入部提供的製冷劑提供到所述冷卻翅片一側的第 一頭部、以及將從所述冷卻翅片一側排出的所述製冷劑排出到所述製冷劑排出部的第二頭 部，在所述第一頭部內露出的所述冷卻翅片的側面以及底面的面積大於在所述第二頭部內 露出的所述冷卻翅片的側面的面積。
11. 如權利要求10所述的半導體裝置，其特徵在於， 在所述第一頭部內露出的所述冷卻翅片的底面的面積大於在所述第一頭部內露出的 所述冷卻翅片的側面的面積。
12. 如權利要求11所述的半導體裝置，其特徵在於， 所述第一頭部的第一底面向所述冷卻翅片的底面傾斜，所述第二頭部的第二底面從所 述冷卻翅片的底面的所述製冷劑排出部一側的端部位置開始傾斜。
13. -種冷卻器，用於對半導體模塊進行冷卻，該半導體模塊至少包括：散熱基底；並 排接合在散熱基底上的至少兩個基板；搭載在各個所述基板上的功率半導體元件；以及冷 卻翅片，該冷卻翅片由多個引腳構件或多個葉片構件構成，是外形大致呈長方體的集合體， 且設置於所述散熱基底上，該冷卻器的特徵在於， 包括收納有所述冷卻翅片的冷卻部、以及分別形成於該冷卻部的長邊方向上相對的兩 端的製冷劑導入部和製冷劑排出部， 所述冷卻部包括： 第一頭部，該第一頭部至少包括第一底面，該第一底面向所述冷卻翅片的底面傾斜，從 而將從所述製冷劑導入部提供的製冷劑從所述冷卻翅片的製冷劑導入部一側的側面以及 底面提供到冷卻翅片內，並流向製冷劑排出部；以及 第二頭部，該第二頭部至少包括第二底面，該第二底面從所述冷卻翅片的底面的端部 位置開始傾斜，從而將從所述冷卻翅片排出的所述製冷劑排出到所述製冷劑排出部， 該冷卻器固定在所述散熱基底上來進行使用。
14. 如權利要求13所述的冷卻器，其特徵在於， 所述基板包括設置在所述製冷劑導入部一側的第一基板、以及與該第一基板並排地設 置在所述製冷劑排出部一側的第二基板，所述第一底面向與從所述第一基板的中央部與所 述製冷劑排出部一側端部之間的區域相對應的所述冷卻翅片的底面傾斜。
15. 如權利要求13所述的冷卻器，其特徵在於， 以所述第一底面相對於所述冷卻翅片的底面的傾斜角小於所述第二底面的傾斜角的 方式，形成有所述第一頭部以及第二頭部。
【文檔編號】H01L25/07GK104145333SQ201380012209
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年4月11日 優先權日:2012年4月16日
【發明者】鄉原廣道 申請人:富士電機株式會社