半導體裝置以及半導體裝置用冷卻器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)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芯片進行冷卻。半導體裝置(1)包括半導體模塊(30)、以及用于對搭載在半導體模塊內(nèi)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)在從制冷劑導入部(52)到第一基板(33-1)的制冷劑排出部(53)一側(cè)的端部之間具備向冷卻翅片(41)的底面傾斜的第一底面，且用于將由制冷劑導入部(52)提供的制冷劑提供給冷卻翅片(41)一側(cè)，該第二頭部(55)具備從冷卻翅片(41)底面的制冷劑排出部(53)一側(cè)的端部的位置開始傾斜的第二底面，且用于將從冷卻翅片(41)一側(cè)排出的制冷劑排出到制冷劑排出部(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(fā)明涉及至少具備半導體模塊和冷卻器的半導體裝置、以及用于該半導體裝置 的冷卻器。

【背景技術】
[0002] 在電動車的電動機可變速驅(qū)動裝置的逆變器（功率轉(zhuǎn)換裝置）等中使用搭載 有功率半導體芯片的半導體模塊。作為功率半導體芯片，例如使用絕緣柵雙極晶體管 (Insulated Gate Bipolar Transistor，以下稱為"IGBT"）等兀件。由于功率半導體芯片 會因流過大電流而發(fā)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(chǎn)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(huán)冷卻介質(zhì)。
[0003] 半導體模塊包括經(jīng)由基板與功率半導體芯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(nèi) 流過施加了壓力的冷卻介質(zhì)（下文也稱為"制冷劑"），從而高效地將半導體芯片中產(chǎn)生的 熱量釋放給冷卻介質(zhì)。因來自半導體芯片的放熱而升溫的冷卻介質(zhì)由外部的熱交換器進行 冷卻，冷卻后的冷卻介質(zhì)由泵進行加壓，并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(xiàn)有技術。 專利文獻1公開了具備如下流路的冷卻系統(tǒng)，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并列流路；將制冷劑 分配給該并列流路中的各流路的第一頭部；以及使從并列流路流出的制冷劑匯流的第二頭 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，該隆起部由上游部向上傾斜面以及下游部向下傾斜面構成。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(cè)較大，在流出口一側(cè)較小。專利文獻6公開了以制冷劑的流入口側(cè)的高度低于 流出口側(cè)高度的方式形成有導熱翅片的冷卻裝置。 現(xiàn)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(fā)明內(nèi)容】
發(fā)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芯片所產(chǎn)生的熱量 進行散熱，冷卻翅片的形狀具有精細且復雜的趨勢。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，為了使制冷劑循環(huán)需要高輸出的泵。并且，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(fā)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，若沿著制冷劑的流動方向設置多個功率半導體芯片，則難以均勻地對各個 芯片進行冷卻。 因此，本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提供一種半導體裝置以及用于該半導體裝置 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，并且能均勻地對多個功率半導體芯片進行冷卻。 解決技術問題的技術方案
[0008] 為解決上述問題，本發(fā)明的第一方式的半導體裝置包括：半導體模塊、以及用于對 該半導體模塊內(nèi)的基板上搭載的功率半導體元件進行冷卻的冷卻器，其特征在于，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，且設置于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、分別形成于該冷卻部的長邊方向上相對的兩端的制冷劑導入部和 制冷劑排出部，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制冷劑導入部一側(cè)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制冷劑排出 部一側(cè)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，從而將從所述制冷劑導入部提供的制冷劑從所述冷卻翅片的制冷劑 導入部一側(cè)的側(cè)面以及底面提供至冷卻翅片內(nèi)，并使其流向制冷劑排出部；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制冷劑排出至所述制冷劑排出部。
[0010] 由于具備這種第一頭部以及第二頭部，因此在本發(fā)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，并能降低冷卻器的壓力損耗。
[0011] 為解決上述問題，本發(fā)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 于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 形成于該冷卻部的長邊方向上相對的兩端的制冷劑導入部和制冷劑排出部，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制冷劑導入部一側(cè)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制冷劑排出部一側(cè)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制冷劑導入部與所述 第一基板的制冷劑排出部一側(cè)的端部之間、并向所述冷卻翅片的底面傾斜的第一底面，該 第一底面用于將從所述制冷劑導入部提供的制冷劑提供到所述冷卻翅片一側(cè)；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制冷劑排出部一側(cè)的端部位置開始傾斜 的第二底面，該第二底面用于將從所述冷卻翅片一側(cè)排出的所述制冷劑排出到所述制冷劑 排出部。
[0013] 由于具備這種第一頭部以及第二頭部，因此在本發(fā)明的半導體裝置中，制冷劑導 入部與第一基板的制冷劑排出部側(cè)的端部之間的壓力損耗變小，且制冷劑向著制冷劑排出 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，并能降低冷卻器的壓力損耗。
[0014] 為解決上述問題，本發(fā)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 置于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 別形成于該冷卻部的長邊方向上相對的兩端的制冷劑導入部和制冷劑排出部，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制冷劑導入部一側(cè)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制冷劑排出部一側(cè)相結合。
[0015] 所述冷卻部包括將從所述制冷劑導入部提供的制冷劑提供到所述冷卻翅片一側(cè) 的第一頭部、以及將從所述冷卻翅片一側(cè)排出的所述制冷劑排出到所述制冷劑排出部的第 二頭部，在所述第一頭部內(nèi)露出的所述冷卻翅片的側(cè)面以及底面的面積大于在所述第二頭 部內(nèi)露出的所述冷卻翅片的側(cè)面的面積。
[0016] 通過如上述那樣使在第一頭部內(nèi)露出的冷卻翅片的側(cè)面和底面的面積大于在第 二頭部內(nèi)露出的冷卻翅片的側(cè)面的面積，在本發(fā)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芯片進行冷卻，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(cè)的第一基板上的功率半導體芯片以及搭 載在第二頭部一側(cè)的第二基板上的功率半導體芯片進行冷卻。
[0017] 此外，為了解決上述問題，本發(fā)明的第四方式的冷卻器用于對半導體模塊進行冷 卻，該半導體模塊至少包括：散熱基底；并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，且設置于所述散熱基底上，該冷卻器的特征在 于，包括收納有所述冷卻翅片的冷卻部、以及分別形成于該冷卻部的長邊方向上相對的兩 端的制冷劑導入部和制冷劑排出部。
[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，從而將從所述制冷劑導入部提供的制冷劑從所述冷卻翅片的制冷劑 導入部一側(cè)的側(cè)面以及底面提供到冷卻翅片內(nèi)，并流向制冷劑排出部；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制冷劑排出到所述制冷劑排出部。。
[0019] 由于具備這種第一頭部以及第二頭部，因此在本發(fā)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，并能降低冷卻器主體的壓力損耗。 發(fā)明效果
[0020] 根據(jù)本發(fā)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(jù)本發(fā)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(fā)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(cè)觀察本發(fā)明實施方式的半導體裝置得到的IIA-IIA箭頭剖面 側(cè)視圖。圖8(b)是其變形例。 圖3是示意性表示本發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(xiàn)有的半導體裝置的主要部分剖視圖。 圖8是表示本發(fā)明實施方式的半導體裝置的制冷劑流速分布的輪廓圖，圖8 (a)為俯視 圖，圖8(b)為側(cè)視圖。 圖9是表示現(xiàn)有的半導體裝置的制冷劑流速分布的輪廓圖，圖8 (a)為俯視圖，圖8 (b) 為側(cè)視圖。

【具體實施方式】
[0023] 以下，參照附圖對本發(fā)明所涉及的半導體裝置以及用于該半導體裝置的冷卻器的 優(yōu)選實施方式進行說明。附圖用于舉例表示本發(fā)明的【具體實施方式】。下面的說明中出現(xiàn)的 表示"上"、"下"、"底"、"前"、"后"等方向的用語應參照附圖的方向來使用。
[0024] 圖1是本發(fā)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(cè)觀察 半導體裝置得到的IIA-IIA箭頭剖面?zhèn)纫晥D。 如圖1、圖2 (a)所示，半導體裝置1包括：搭載有功率半導體芯片31的半導體模塊30 ; 以及用于對功率半導體芯片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、以及與功率半導體芯片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(nèi)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 是用于通過功率半導體芯片31的開關控制來驅(qū)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，與配置于外圍殼體32的螺母32η擰合。電源端子35以彎曲的狀態(tài)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于外圍殼體32。
[0027] 控制端子36-1?36-8是用于將內(nèi)置于外圍殼體32的功率半導體芯片31的柵極 電極和未圖示的電路基板上的控制電路相連接、并利用從控制電路發(fā)送的控制信號來進行 功率半導體芯片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上設有用于將電路基板（未圖示） 安裝于上表面的螺釘座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等功率半導體芯片31、用 于使負載電流續(xù)流的二極管、即FWD39(Free Wheeling Diode)等芯片。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，功率半導體芯片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并聯(lián)連接，且進行電連接以構成 上下橋臂。
[0029] 并且，引線端子rl、r2通過嵌入成形埋入外圍殼體32的框部分，并通過接合線《2、 w3與功率半導體芯片31相連。功率半導體芯片31經(jīng)由未圖示的接合線、引線端子等與電 動機驅(qū)動用的主端子34電連接。功率半導體芯片31的柵極經(jīng)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?zhèn)鹊拈_口部設有散熱基底，該散熱基底通過 粘接劑固接于開口階差面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 后得到的構件。冷卻翅片41出于對散熱底板40以及功率半導體芯片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?zhèn)取Ｉ峄椎纳媳砻鎮(zhèn)纫来谓雍嫌薪^緣基 板33以及功率半導體芯片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，主要用于制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，通過對功率半導體芯片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，降低用于制冷劑循環(huán)的泵的負載。而且 與現(xiàn)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固接于外 圍殼體32的底面?zhèn)?。散熱底?0上未形成冷卻翅片，植入有冷卻翅片41-1的底板40-1 經(jīng)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 于制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(nèi)部空間中填充有例如硅凝膠、環(huán)氧樹脂或有機硅樹脂的密封材料 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，并被封 閉。設置開口部37是為了通過螺栓將外圍殼體32固定于后述的冷卻器等。
[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(guī)模集成電路）、晶體管、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并不一定要在內(nèi)部具備電路基板，也可以采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(fā)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(jīng)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 的方式形成的制冷劑導入部52以及制冷劑排出部53。冷卻部51是設置于箱狀的冷卻器 50的大致長方體形狀的凹部，俯視時大致呈長方形。制冷劑導入部52以及制冷劑排出部 53形成為各自的開口的中心位于冷卻部51的短邊側(cè)的側(cè)面、即冷卻部51的長邊方向上相 對的兩個側(cè)面的大致中央部分。開口的形狀例如是圓形、橢圓形。從制冷劑導入部52提供 的制冷劑的方向以及從制冷劑排出部53排出的制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，將制冷劑從上游的制冷劑導入部52提供 給冷卻部51，并從下游的制冷劑排出部53排出，從而進行冷卻系統(tǒng)的循環(huán)。 至少兩枚絕緣基板33以沿著冷卻部51的長邊方向從制冷劑導入部52 -側(cè)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以沿著從制冷劑導入部52 -側(cè)向制冷劑排出部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(yōu)選冷卻翅片41以距離和熱阻較小的方式設置于絕緣基板33-1、33-2、33-3的 正下方表面，從而高效地對功率半導體芯片31中產(chǎn)生的熱進行散熱。而且，由于從功率半 導體芯片31產(chǎn)生的熱量會在面內(nèi)方向擴散，因此，優(yōu)選以冷卻翅片41與散熱底板40固接 的面的面積大于絕緣基板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(cè)壁，換言之，設置成朝向由冷卻部51構成的制冷劑流路。
[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(yōu)選 為6_?10_的范圍。作為冷卻翅片41的形狀，包含公知的形狀在內(nèi)，能使用各種形狀。 從冷卻性能均一化的方面考慮，優(yōu)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，若使制冷劑導入部52以及制冷劑排出部53各自的開口部的內(nèi)徑在冷卻翅 片41的高度以上，則能維持冷卻性能并降低整個冷卻系統(tǒng)的壓力損耗，因此較為優(yōu)選。例 如當引腳的高度為l〇mm，通過使內(nèi)徑為10mm以上，由此能降低壓力損耗。并且，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(qū)域的寬度左右，則制冷劑會在發(fā)熱部擴散并流動，因此從冷卻性能方面考慮較為 優(yōu)選。
[0041] 圖4是舉例示出本發(fā)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是使用棱柱引腳的 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，為了抑制制冷劑 的異常流動，并能提高冷卻效率，優(yōu)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(fā)明實施方式的半導體裝置1的主要部分，并且是圖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 示制冷劑的流動方向。圖6是從散熱基底一側(cè)觀察本發(fā)明實施方式的冷卻器的制冷劑流路 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在制冷劑導入部52 -側(cè)具備 第一頭部54,在制冷劑排出部53 -側(cè)具備第二頭部55。 第一頭部54具有放大部以及縮小部，該放大部包括以從制冷劑導入部52導入冷卻器 50的冷卻劑向著冷卻翅片41的側(cè)面均勻擴散的方式傾斜的側(cè)壁，且截面積逐漸變大，該縮 小部收納冷卻翅片41的一端部，包括用于將制冷劑送入冷卻翅片41內(nèi)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?qū)⒁_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的制冷劑導入部52 - 側(cè)到絕緣基板33-1的制冷劑排出部53 -側(cè)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(yōu)選形成在絕緣基板33-1的中央部與制冷劑排出 部53 -側(cè)的端部之間的任意位置。
[0045] 利用這種第一頭部54,制冷劑不僅從冷卻翅片41的側(cè)面，也從構成冷卻翅片41的 引腳的前端側(cè)傾斜地、即沿著圖5的虛線箭頭方向，向著制冷劑排出部53流入冷卻翅片41。 通過增大從由制冷劑導入部52提供的制冷劑的角度進行觀察時、在第一頭部54內(nèi)露出的 冷卻翅片41的面積，從而能降低壓力損耗。并且，通過將底面的傾斜終點設置在上述范圍 內(nèi)，從而能將第一頭部54內(nèi)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，該擴大部包括用于將從冷卻翅片41流出的 制冷劑排出到制冷劑排出部53 -側(cè)的傾斜面，且截面積逐漸變大，該縮小部包括以制冷劑 從冷卻翅片41的側(cè)面向制冷劑排出部53集中的方式傾斜的側(cè)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底面的制冷劑排出部53 -側(cè)的端部 位置開始傾斜。第二頭部55的底面于冷卻翅片41的底面所成的角度（銳角）比第一頭部 54的底面于冷卻翅片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(qū)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?？紤]到散熱基底的熱變形 等，間隙的大小優(yōu)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，由此在設置于絕緣基板 33-1下游側(cè)的絕緣基板33-2、33-3的正下方，制冷劑在冷卻翅片41的內(nèi)部流動，能實現(xiàn)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 積大于第二頭部55,在第一頭部54內(nèi)露出的冷卻翅片41的制冷劑導入部52-側(cè)的側(cè)面和 底面的面積大于在第二頭部55內(nèi)露出的冷卻翅片41的制冷劑排出部53 -側(cè)的側(cè)面的面 積。
[0051] 由于具備這種第一頭部54、冷卻部51以及第二頭部55,因此在半導體裝置1中， 對于絕緣基板33-2、33-3正下方的冷卻翅片41也能提供足夠的低溫制冷劑，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芯片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芯片31進行冷卻。而且，即使在使用相同 能力的泵的情況下，與現(xiàn)有相比，能降低功率半導體芯片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(nèi)露出的冷卻翅片41的底面面積大 于在第一頭部54內(nèi)露出的冷卻翅片41的側(cè)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(xiàn)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的中央部向制冷劑排出部53-側(cè)呈C字形地彎曲的示例。無論在哪個示例 中，邊界57都位于與從制冷劑導入部52 -側(cè)的雙點劃線所示的絕緣基板33-1的中央部到 制冷劑排出部53-側(cè)端部之間的區(qū)域相對的部分、即該區(qū)域的正下方。通過如圖6(b)? (d)那樣使第一頭部54的下游側(cè)端部的形狀為向下游側(cè)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(xiàn)有公知的方法來制造。 圖7是現(xiàn)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注相同的標號并省略說明。
[0054] 圖7所示的現(xiàn)有的半導體裝置與使用圖5說明的本發(fā)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中沒有相當于本發(fā)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(fā)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具有相當于本發(fā)明實施方式的第一頭部54和第二 頭部55的空間，且制冷劑導入部520以及制冷劑排出部530安裝在冷卻部510的底部，與 本發(fā)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的制冷劑導入部520 -側(cè)具備第一頭部540,并且在制冷劑排出部530 -側(cè)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(qū)域的長度1?與第二頭部550底面的形成為傾斜的區(qū)域的長度Ow大致相等。
[0055] 圖8示出通過數(shù)值計算求得的本發(fā)明實施方式的半導體裝置1的制冷劑流速分布 的輪廓圖，圖8 (a)為俯視圖，圖8(b)為側(cè)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(shù)值計算求得的現(xiàn)有的半導體裝置的制冷劑流速分布的輪廓圖，圖 9(a)為俯視圖，圖9(b)為側(cè)視圖。該計算例以圖7(a)的冷卻器500為對象。
[0057] 圖8、圖9示出制冷劑流量為10L/min時的流速分布，兩圖所示的數(shù)值（0. 000? 1.000)分別表示制冷劑的流速（單位m/s)。為了進行比較，將最大流速統(tǒng)一為l.OOOm/s。
[0058] 若將圖8的本發(fā)明實施方式的流速分布與圖9的現(xiàn)有技術進行比較，則本發(fā)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(nèi)的流速較小，且流速的變化較緩。 并且在從第一頭部54的下游側(cè)端部（圖8的B-B所示位置）到冷卻翅片41的下游側(cè)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的冷卻性能在制冷劑 導入部52與制冷劑排出部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，并將冷卻翅片41的高度設為 10mm，通過數(shù)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芯片31的結溫， 其結果是，制冷劑導入部52 -側(cè)的絕緣基板33-1上所搭載的芯片的溫度越約134. 7°C，制 冷劑排出部53 -側(cè)的絕緣基板33-3上所搭載的芯片的溫度約為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并進行 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芯片31進 行均勻冷卻在現(xiàn)有技術下較為困難，然而，若采用本發(fā)明實施方式的半導體裝置1，則能獲 得如下優(yōu)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，關于圖7(d)所示的現(xiàn)有的半導體裝置，使lw、0w相等地改變?yōu)?、5、10、15mm 來進行其它數(shù)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(fā)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，由制冷劑導入部52提供的制冷劑 從冷卻翅片41的制冷劑導入部52 -側(cè)的側(cè)面以及底面向著制冷劑排出部53被提供到冷 卻翅片41內(nèi)，并從冷卻翅片41的側(cè)面排出到制冷劑排出部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芯片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(fā)明具體化后的示例，本發(fā)明并不限于這些實施方式，在不 脫離本發(fā)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功率半導體芯片 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制冷劑導入部 53制冷劑排出部 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、以及用于對該半導體模塊內(nèi)的基板上搭載的 功率半導體元件進行冷卻的冷卻器，其特征在于，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，且設置于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、分別形成于該冷卻部的長邊方 向上相對的兩端的制冷劑導入部和制冷劑排出部，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 主面的所述制冷劑導入部一側(cè)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制冷 劑排出部一側(cè)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 而將從所述制冷劑導入部提供的制冷劑從所述冷卻翅片的制冷劑導入部一側(cè)的側(cè)面以及 底面提供至冷卻翅片內(nèi)，并使其流向制冷劑排出部；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制冷劑排出至所述制冷劑排出部。
2. -種半導體裝置，包括：半導體模塊、以及用于對該半導體模塊內(nèi)的基板上搭載的 功率半導體元件進行冷卻的冷卻器，其特征在于，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，且設置于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、分別形成于該冷卻部的長邊方 向上相對的兩端的制冷劑導入部和制冷劑排出部，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 主面的所述制冷劑導入部一側(cè)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制冷 劑排出部一側(cè)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制冷劑導入部與所述第一基板的制冷劑排出部 一側(cè)的端部之間、并向所述冷卻翅片的底面傾斜的第一底面，該第一底面用于將從所述制 冷劑導入部提供的制冷劑提供到所述冷卻翅片一側(cè)；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制冷劑排出部一側(cè)的端部位 置開始傾斜的第二底面，該第二底面用于將從所述冷卻翅片一側(cè)排出的所述制冷劑排出到 所述制冷劑排出部。
3. 如權利要求1或2所述的半導體裝置，其特征在于， 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，其特征在于， 所述第一底面相對于所述冷卻翅片的底面的傾斜角小于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，其特征在于， 所述第一底面與第三底面相交的頂部位于所述第一基板的中央部下方與所述制冷劑 排出部側(cè)端部下方之間。
6. 如權利要求1或2所述的半導體裝置，其特征在于， 所述第一頭部的體積大于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，其特征在于， 與所述制冷劑導入部以及制冷劑排出部相連接的配管的內(nèi)徑大于所述引腳構件或葉 片構件的高度。
8. 如權利要求1或2所述的半導體裝置，其特征在于， 所述冷卻翅片的寬度大于所述第一基板以及第二基板的寬度，所述冷卻部的側(cè)壁不位 于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，其特征在于， 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、以及用于對該半導體模塊內(nèi)的基板上搭載的 功率半導體元件進行冷卻的冷卻器，其特征在于，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，且設置于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、分別形成于該冷卻部的長邊方 向上相對的兩端的制冷劑導入部和制冷劑排出部，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 主面的所述制冷劑導入部一側(cè)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制冷 劑排出部一側(cè)相結合， 所述冷卻部包括將從所述制冷劑導入部提供的制冷劑提供到所述冷卻翅片一側(cè)的第 一頭部、以及將從所述冷卻翅片一側(cè)排出的所述制冷劑排出到所述制冷劑排出部的第二頭 部，在所述第一頭部內(nèi)露出的所述冷卻翅片的側(cè)面以及底面的面積大于在所述第二頭部內(nèi) 露出的所述冷卻翅片的側(cè)面的面積。
11. 如權利要求10所述的半導體裝置，其特征在于， 在所述第一頭部內(nèi)露出的所述冷卻翅片的底面的面積大于在所述第一頭部內(nèi)露出的 所述冷卻翅片的側(cè)面的面積。
12. 如權利要求11所述的半導體裝置，其特征在于， 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制冷劑排出部一側(cè)的端部位置開始傾斜。
13. -種冷卻器，用于對半導體模塊進行冷卻，該半導體模塊至少包括：散熱基底；并 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， 且設置于所述散熱基底上，該冷卻器的特征在于， 包括收納有所述冷卻翅片的冷卻部、以及分別形成于該冷卻部的長邊方向上相對的兩 端的制冷劑導入部和制冷劑排出部， 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 而將從所述制冷劑導入部提供的制冷劑從所述冷卻翅片的制冷劑導入部一側(cè)的側(cè)面以及 底面提供到冷卻翅片內(nèi)，并流向制冷劑排出部；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制冷劑排出到所述制冷劑排出部， 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，其特征在于， 所述基板包括設置在所述制冷劑導入部一側(cè)的第一基板、以及與該第一基板并排地設 置在所述制冷劑排出部一側(cè)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 述制冷劑排出部一側(cè)端部之間的區(qū)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，其特征在于， 以所述第一底面相對于所述冷卻翅片的底面的傾斜角小于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(yōu)先權日:2012年4月16日
【發(fā)明者】鄉(xiāng)原廣道 申請人:富士電機株式會社