JP4569766B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置に関し、特に、半導体モジュールの発熱素子から発生する熱を冷却ジャケット内の冷媒に放熱することにより冷却する半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device that cools by releasing heat generated from a heating element of a semiconductor module to a refrigerant in a cooling jacket.
例えば、電気自動車やハイブリッド自動車など、産業機器のIPM(インテリジェントパワーモジュール)などの半導体モジュールは、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)やパワーMOSFETなど、作動時に発熱する半導体素子を備えている。これらの半導体素子は、大電流や高集積化に伴って発熱量が大きくなる。そのため、半導体モジュールを効率よく冷却することが求められている。そのため、従来の技術として、冷媒を保有する冷却ジャケットに半導体モジュールを取付けて、半導体モジュールを冷却することが従来から知られている(例えば、特許文献1)。 For example, a semiconductor module such as an IPM (intelligent power module) for industrial equipment such as an electric vehicle or a hybrid vehicle includes a semiconductor element that generates heat during operation, such as an IGBT (insulated gate bipolar transistor) or a power MOSFET. These semiconductor elements generate a large amount of heat with large current and high integration. Therefore, it is required to cool the semiconductor module efficiently. For this reason, as a conventional technique, it is conventionally known to cool a semiconductor module by attaching the semiconductor module to a cooling jacket holding a refrigerant (for example, Patent Document 1).
特許文献1には、冷媒流通用の流路を形成するとともに流路外面に直接または絶縁基板を介して半導体素子を接合する冷媒ジャケットを備え、半導体素子の接合面の裏側となる流路内面に、複数の放熱用突出体を冷媒の流れに交差する方向に所定間隔で設け、各突出体は、半導体素子の略中心に対応する領域で突出長さを最大とし、その外側に向かうにつれて突出長さを漸次減少させてあることを特徴とする半導体素子の冷却装置が開示されている。
しかしながら、上記特許文献1にあっては、発熱素子である半導体素子を冷媒ジャケットの流路外面に対して直接または絶縁基板を介して接合していた。すなわち、半導体素子から発生する熱は、冷媒ジャケットを介して、または、冷媒ジャケットに加えて絶縁基板を介して、冷媒に放熱されるため、その冷却性能には限界があるという問題があった。
However, in the above-mentioned
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、半導体モジュールの発熱素子から発生する熱を効率よく冷媒に放熱することができ、もって、半導体モジュールに対する冷却性能を向上させることができる半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems. With a simple configuration, the heat generated from the heating element of the semiconductor module can be efficiently radiated to the refrigerant, thereby improving the cooling performance for the semiconductor module. An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can be used.
請求項1の半導体装置に係る発明は、上記目的を達成するため、発熱素子およびこれに接合された導電部材を有する半導体モジュールと、内部に絶縁性材料からなる冷媒を保有する冷却ジャケットと、を有し、複数の前記半導体モジュールを端子台に水密で一体に組付け、前記水冷ジャケットに開口部を形成して、該開口部に前記端子台を取付けることにより、前記半導体モジュールの発熱素子と導電部材の少なくとも一方を冷媒に浸漬したことを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the semiconductor device according to
請求項1の発明では、複数の前記半導体モジュールを端子台に水密で一体に組付け、前記水冷ジャケットに開口部を形成して、該開口部に前記端子台を取付けるという簡単な構成で、半導体モジュールは、その発熱素子と導電部材の少なくとも一方が、冷却ジャケット内の絶縁性材料からなる冷媒に直接浸漬されている。そのため、電気的に短絡することなく、半導体モジュールの発熱素子から発生した熱は、冷媒に直接または導電部材を介して放熱される。 According to the first aspect of the present invention, a plurality of the semiconductor modules are assembled in a watertight and integrated manner with a terminal block, an opening is formed in the water cooling jacket, and the terminal block is mounted in the opening. In the module, at least one of the heating element and the conductive member is directly immersed in a refrigerant made of an insulating material in a cooling jacket. Therefore, the heat generated from the heat generating element of the semiconductor module is radiated directly to the refrigerant or via the conductive member without being electrically short-circuited.
請求項1の発明によれば、複数の前記半導体モジュールを端子台に水密で一体に組付け、この端子台を水冷ジャケットに形成した開口部に取付けることにより、前記半導体モジュールの少なくとも発熱素子または導電部材の一部を水冷ジャケット内の絶縁性材料からなる冷媒に浸漬することができ、電気的に短絡することなく、半導体モジュールの発熱素子から発生した熱が冷媒に直接または導電部材を介して放熱されるため、半導体モジュールに対する冷却性能が向上した半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, assembled together with watertight a plurality of the semiconductor module to the terminal block, by attaching the terminal block opening formed in the water-cooling jacket, at least the heating elements or conductive the semiconductor module A part of the member can be immersed in a coolant made of an insulating material in a water-cooled jacket, and heat generated from the heating element of the semiconductor module can be radiated directly to the coolant or via a conductive member without being electrically short-circuited. Therefore, a semiconductor device with improved cooling performance for the semiconductor module can be provided.
本発明の半導体装置の実施の一形態を、電気自動車やハイブリッド自動車などの電動系車両のインバータ制御回路に使用されるインテリジェントパワーモジュール(IPM)1の場合により、図1〜図3に基づいて詳細に説明する。
本発明の半導体装置1は、概略、発熱素子(発熱する半導体素子)11とこれに接合された導電部材としての電極12とを有する半導体モジュール10と、内部に絶縁性材料からなる冷媒21を保有する冷却ジャケット20と、を備えており、複数の半導体モジュール10を端子台30に水密で一体に組付け、水冷ジャケット20に開口部20aを形成して、この開口部20aに端子台30を取付けることにより、半導体モジュール10の発熱素子11と導電部材としての電極12との少なくとも一方が冷媒21に直接接するよう浸漬されている。
One embodiment of a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3 in the case of an intelligent power module (IPM) 1 used in an inverter control circuit of an electric vehicle such as an electric vehicle or a hybrid vehicle. Explained.
The
図1に示した実施の形態では、冷却ジャケット20は、インバータケース3の内部に形成された冷媒21を循環流動させる流路3aにより構成されている。そして、冷却ジャケット20には、半導体装置1として、昇圧用のIPM1aおよび走行用のIPM1bと、リアクトル5と、冷媒21を冷却ジャケット20内で強制的に循環流通させるための循環手段としてのポンプ6と、冷媒21を冷却するための熱交換器7とが、それぞれ対応するように形成された開口部20aに対して水密に取付けられている。なお、冷却ジャケット20内で冷媒21を自然に対流させるなど、強制的に循環流通させない場合には、ポンプ6は必要でない。
In the embodiment shown in FIG. 1, the
冷却ジャケット20内に封入される冷媒21としての絶縁性流体は、例えばシリコンオイルを採用することができる。冷媒21は、冷却ジャケット20内を満たしている。また、熱交換器7に対しては、その冷媒として、例えば自動車のラジエタ冷却水(クーラント)や、エアコンディショナー用の冷媒を供給循環することができる。なお、ポンプ6の冷却ジャケット20に開口するインレット6aとアウトレット6bは、図1では近接配置されるように簡略化して示したが、実際には冷却ジャケット20内全体に冷媒21を循環供給することができるよう離して配置される。同様に、熱交換器7のインレット7aとアウトレット7bも、図1では近接配置されるように簡略化して示したが、実際には熱交換器7内全体にその冷媒を循環供給することができるよう離して配置される。
For example, silicon oil can be used as the insulating fluid as the
次に、半導体モジュールの構成10を、昇圧用のIPM1aに複数設けられた板状のもの(パワーカード)であり、発熱素子11がIGBT素子(以下、場合によって、発熱素子11あるいはIGBT素子11と記する)である場合により、図2および図3に基づいて、詳細に説明する。各半導体モジュール10は、発熱素子11として例えばIGBT素子と、導電部材として一対の電極12A、12Bとを備えており、IGBT素子11の両面にそれぞれそ電極12A,12Bをはんだ付けなどにより直接面接合して一体とし、電極12A,12Bがそれぞれ半導体モジュール10の表面を構成するように露出した状態で、絶縁性樹脂18によってモールド成形してなるものである。半導体モジュール(パワーカード)10は、例えば三相交流モータの各相を制御する目的のために6枚一組で端子台30に取付けられている。なお、電極12は、一対で構成されることに限定されることなく、例えば発熱素子11がさらに信号入力用端子を有する場合には、かかる信号入力用端子と接続される電極が設けられることになる。この信号入力用端子と接続される電極は、半導体モジュール10の表面に露出させることも、露出することなく半導体モジュール10内に配置することもできる。
IGBT素子11は、図2および図3に示した実施の形態の場合、板状の本体の一方の面に部分的に突出した部分を有する2段形状となっており、その突出した部分の面と本体の他方の面とにそれぞれ接続端子を有している。各電極12A,12Bは、IGBT素子11の接続端子が設けられた面とそれぞれ面接合される接合部14と、所定の極性のバスバー16、17と接続される端子部15とにより構成されている。電極12は、導電性を有していることは勿論であるが、特に接合部14が高い熱伝導率を有する素材からなり、はんだ層13を介してIGBT素子11の接続端子が設けられた各面を密着させて直接面接合するために、IGBT素子11の接続端子が設けられた各面よりも面積が大きくなるように成形されている。電極12の端子部15は、半導体モジュール10の基部端面から突出し、所定のバスバー16、17と接続されている。なお、本発明では、冷媒21として絶縁性流体を採用するため、導電部材として、IGBT素子11の両面の接続端子に面接合される板状の接合部14を有する電極12に替えて、例えばリード線など線状のものを使用して、IGBT素子11を半導体モジュール10の表面に直接露出させて少なくともその一部が冷媒21に接するよう構成することもできる。
Next, the
In the case of the embodiment shown in FIGS. 2 and 3, the
半導体モジュール10を製造するに際しては、IGBT素子11の両面にそれぞれ電極12A,12Bの接合部14をはんだ付けなどにより直接面接合して一体とし、両電極12A,12BのIGBT素子11と接していない面が成形型の内面と接するようにして成形型内に配置して絶縁性樹脂18を充填することなどにより、電極12が半導体モジュール10の表面に露出した状態にモールド成形することができる。各半導体モジュール10の基部は、冷却ジャケット20内に位置する電極12の接合部14が露出している部分よりも大きく成形されている。各半導体モジュール10は、端子台30に形成された孔30aに挿通され、基部が接着剤により接着されるとともにポッティング樹脂31を注入して硬化させて埋め込まれることにより、端子台30に対して水密にシールされた状態で一体に組付られている。冷却ジャケット20には、端子台30を嵌合し得る形状の開口部20aが形成されており、開口部20aの周囲には、Oリングなどのシール部材8を保持する凹溝が形成されている。端子台30は、冷却ジャケット20の開口部20aに嵌合されて、そのフランジ30bがシール部材8によりシールされた状態で冷却ジャケット20に取付けられる。したがって、冷却ジャケット20内の冷媒21が、各半導体モジュール10と端子台30の孔30aとの間、および、端子台30と冷却ジャケット20の開口部20aとの間から漏れ出ることはない。なお、半導体モジュール10は、この実施の形態では板状に成形されていることから、その面が冷却ジャケット20内の冷媒21の流動方向と平行に配置すれば、流動抵抗が少なくなってポンプ6の負荷を抑えることができるとともに、各半導体モジュール10を均等に冷却することなどができる。さらに、電極12の表面には、必要に応じてフィンを設けることもできる。また、本発明では、冷媒21として絶縁性流体を採用するため、モールド成形された半導体モジュール10は、冷媒21が冷却ジャケット20内から絶縁性樹脂18と電極12の端子部15が通る部分との間から外部に漏れ出ることがないようにモールド成形できればよい。そして、上述したように、IGBT素子11と電極12の接合部のいずれか一方のみを半導体モジュール10の表面に露出させて直接冷媒21に接するよう構成することなく、IGBT素子11と電極12の接合部の周囲を絶縁性樹脂18でモールド成形することなく、双方11、14の少なくとも一部が直接冷媒21に接するよう構成することもできる。
When manufacturing the
以上のように構成された半導体装置では、冷却ジャケット20内を絶縁性流体からなる冷媒21が流動されている。冷媒21は、熱交換器7によって冷却されている。半導体モジュール10は、冷却ジャケット20内に突出するように取付けられて、少なくとも電極12の接合部14の一部が冷媒21に浸漬されて直接接しており、接合部14にはんだ層13を介して面接合されたIGBT素子11が冷却ジャケット20内に位置している。そのため、IGBT素子11から発生した熱は、両電極12A,12Bの接合部14を介して、これに直接接している冷媒21に放熱される。つまり、電極12は、発熱素子11とバスバー16、17を電気的に接続するという本来の機能の他に、接合部14が発熱素子11と冷媒21との間に介在する放熱板としても機能するよう構成されている。しかも、半導体モジュール10の両面に電極12A,12Bの接合部14がそれぞれ露出しており、発熱素子11の熱がその両面から放熱されるため、半導体モジュール10を効率よく確実に冷却することができる。そして、冷媒21が絶縁性流体により構成されているため、電極12A、12Bが冷媒21を介して互いに電気的に短絡することはない。したがって、半導体モジュール10の発熱素子11から発生する熱を冷却ジャケット20の冷媒21に効率よく確実に放熱することができ、半導体モジュール10に対する冷却性能を向上させることができる。また、上述したように、板状の接合部14を有する電極12に替えて線状の導電部材を使用して、発熱素子11を半導体モジュール10の表面に直接露出させて冷媒21に浸漬するよう構成した場合には、発熱素子11から発生する熱を冷媒21に直接放熱することができるため、冷却効率がさらに向上する。
In the semiconductor device configured as described above, the
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されることはない。半導体モジュール10の発熱素子11がIGBT素子以外の他の半導体素子である場合にも、本発明を適用することができる。本発明の半導体装置1は、電動系車両以外の産業機器のインバータモジュールなど、発熱素子11から発生する熱を冷媒21に放熱することにより冷却するものであれば、適用することができる。半導体モジュール10は、パワーカードとして6枚一組使用される場合に限定されることなく、半導体装置1によっては、単数でもよく、また6枚以外の複数を組として構成することもできる。また、発熱素子11の発熱量が小さい場合などには、電極12A,12Bの一方のみを半導体のジュール10の表面に露出させて冷媒21に接触すべく浸漬するよう構成してもよい。さらに、発熱素子11の形状などによっては、半導体モジュール10を板状に成形することなく、棒状などに成形してもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment. The present invention can also be applied when the
10:パワーカード(半導体モジュール)、 11:発熱素子、 12:電極、 20:冷却ジャケット、 21:冷媒
10: Power card (semiconductor module) 11: Heating element 12: Electrode 20: Cooling jacket 21: Refrigerant
Claims (1)
内部に絶縁性材料からなる冷媒を保有する冷却ジャケットと、を有し、
複数の前記半導体モジュールを端子台に水密で一体に組付け、前記水冷ジャケットに開口部を形成して、該開口部に前記端子台を取付けることにより、前記半導体モジュールの発熱素子と導電部材の少なくとも一方を冷媒に浸漬したことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor module having a heating element and a conductive member bonded thereto;
A cooling jacket holding a refrigerant made of an insulating material inside,
Assembling a plurality of the semiconductor modules to a terminal block in a watertight manner, forming an opening in the water-cooling jacket, and attaching the terminal block to the opening, so that at least the heating element and the conductive member of the semiconductor module A semiconductor device characterized in that one is immersed in a refrigerant.
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