專利名稱：半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，更特定地涉及應(yīng)用于在車輛上搭載的變換器的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造
背景技術(shù)：
關(guān)于以往的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，例如在日本特開2008 — 42074號(hào)公報(bào)中公開了用于防止裝置大型化的半導(dǎo)體裝置(專利文獻(xiàn)I)。專利文獻(xiàn)I所公開的半導(dǎo)體裝置具有第一半導(dǎo)體元件和第二半導(dǎo)體元件；隔著第一電力基板相對(duì)于第一半導(dǎo)體元件而層疊的第一散熱器；和隔著第二電力基板相對(duì)于第二半導(dǎo)體兀件而層疊的第二散熱器。另外，日本特開平4 - 7860號(hào)公報(bào)中公開了能夠使部件數(shù)量減少而組裝、并能夠?qū)崿F(xiàn)小型重量輕的半導(dǎo)體疊層(stack)(專利文獻(xiàn)2)。專利文獻(xiàn)2所公開的半導(dǎo)體疊層具備熱管式散熱器，該熱管式散熱器中，在熱管的一端部埋入受熱部功能塊、在熱管的另一端部安裝有散熱翅片。具備如此結(jié)構(gòu)的多個(gè)熱管式散熱器和多個(gè)半導(dǎo)體元件層疊成夾層(sandwich)構(gòu)造。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :日本特開2008 - 42074號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特開平4 - 7860號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題在使用于變換器電路等的半導(dǎo)體元件的工作中，由于伴隨非常大的發(fā)熱，采用了各種冷卻構(gòu)造。然而，在專利文獻(xiàn)I所公開的半導(dǎo)體裝置中，在第一半導(dǎo)體元件和第二半導(dǎo)體元件之間，沒有配置對(duì)由各半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱進(jìn)行隔熱或者散熱的部件。因此，由第一半導(dǎo)體元件和第二半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱彼此干涉，故而會(huì)產(chǎn)生無(wú)法得到充分的冷卻效率的擔(dān)心。于是，本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提供一種可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的冷卻效率的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造。用于解決問題的手段本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，具備電極；夾著電極而彼此相對(duì)配置的第一半導(dǎo)體兀件和第二半導(dǎo)體兀件；相對(duì)于第一半導(dǎo)體兀件配置于與電極相反一側(cè)的第一散熱器；以及相對(duì)于第二半導(dǎo)體元件配置于與電極相反一側(cè)的第二散熱器。電極包括元件安裝部和熱輸送部。元件安裝部與第一半導(dǎo)體元件以及第二半導(dǎo)體元件電連接，并由導(dǎo)電性材料形成。熱輸送部從元件安裝部向第一散熱器以及第二散熱器延伸設(shè)置。根據(jù)如此構(gòu)成的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，能夠?qū)⒂傻谝话雽?dǎo)體元件以及第二半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱通過輸送部向第一散熱器以及第二散熱器傳送。由此，能夠提高第一半導(dǎo)體元件以及第二半導(dǎo)體元件的冷卻效率。
另外，優(yōu)選，熱輸送部在與第一半導(dǎo)體元件和第二半導(dǎo)體元件的相對(duì)方向正交的方向上從元件安裝部延伸。熱輸送部由在熱輸送部的延伸方向上的傳熱系數(shù)比在第一半導(dǎo)體元件和第二半導(dǎo)體元件的相對(duì)方向上的傳熱系數(shù)大的導(dǎo)熱系數(shù)各向異性部件形成。根據(jù)如此構(gòu)成的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，由于在第一半導(dǎo)體元件和第二半導(dǎo)體元件的相對(duì)方向上的熱輸送部的傳熱系數(shù)小，所以能夠抑制由第一半導(dǎo)體元件和第二半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱彼此干涉。另外，由于熱輸送部在其延伸方向上的傳熱系數(shù)大，所以能夠?qū)⒂傻谝话雽?dǎo)體元件以及第二半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱，通過熱輸送部高效地傳送到第一散熱器以及第二散熱器。另外，優(yōu)選，導(dǎo)熱系數(shù)各向異性部件包括熱管和定向石墨。根據(jù)如此構(gòu)成的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，使用熱管或定向石墨來(lái)構(gòu)成在熱輸送部的延伸方向上的傳熱系數(shù)比在半導(dǎo)體元件的相對(duì)方向上的傳熱系數(shù)大的導(dǎo)熱系數(shù)各向異性部件。另外，優(yōu)選，熱輸送部由高導(dǎo)熱性的絕緣材料形成。熱輸送部被設(shè)置成介于第一散熱器與元件安裝部以及第二散熱器與元件安裝部之間。根據(jù)如此構(gòu)成的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，通過熱輸送部，能夠使第一散熱器與導(dǎo)電部以及第二散熱器與導(dǎo)電部之間電絕緣。另外，優(yōu)選，元件安裝部是由銅或鋁形成的匯流條。熱輸送部由被設(shè)置成覆蓋匯流條的氮化鋁或高導(dǎo)熱性的樹脂形成。根據(jù)如此構(gòu)成的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，通過氮化鋁或高導(dǎo)熱性的樹脂，能夠使第一散熱器與由銅或鋁形成的匯流條以及第二散熱器與所述匯流條之間電絕緣。另外，優(yōu)選，電極由高導(dǎo)熱性的導(dǎo)電材料以使元件安裝部和熱輸送部成為一體的形態(tài)來(lái)形成。根據(jù)如此構(gòu)成的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，能夠通過簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)兼具對(duì)半導(dǎo)體元件通電和高效率的傳熱這兩方面功能的電極。另外，優(yōu)選，熱輸送部具有受熱部和散熱部，所述受熱部被配置于第一半導(dǎo)體元件和第二半導(dǎo)體元件相對(duì)的位置，并接受由第一半導(dǎo)體元件和第二半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱量，所述散熱部被配置于第一散熱器和第二散熱器之間的空間，并排出由受熱部傳遞來(lái)的熱量。熱輸送部從受熱部向散熱部延伸。根據(jù)如此構(gòu)成的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，通過將由第一半導(dǎo)體元件和第二半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱量從受熱部向散熱部傳遞，能夠提高第一半導(dǎo)體元件和第二半導(dǎo)體元件的冷卻效率。另外，優(yōu)選，元件安裝部被設(shè)置成在第一散熱器和第二散熱器之間的空間覆蓋散熱部。半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造還具備絕緣基板，該絕緣基板被設(shè)置成介于第一半導(dǎo)體元件與第一散熱器及元件安裝部與第一散熱器之間、以及第二半導(dǎo)體元件與第二散熱器及元件安裝部與第二散熱器之間。根據(jù)如此構(gòu)成的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，通過絕緣基板，能夠使第一半導(dǎo)體元件與第一散熱器及元件安裝部與第一散熱器之間、以及第二半導(dǎo)體元件與第二散熱器及元件安裝部與第二散熱器之間電絕緣。另外，優(yōu)選，絕緣基板被設(shè)置成介于第一半導(dǎo)體元件與第一散熱器之間的部分和介于元件安裝部與第一散熱器之間的部分彼此分開，并被設(shè)置成介于第二半導(dǎo)體元件與第二散熱器之間的部分和介于元件安裝部與第二散熱器之間的部分彼此分開。根據(jù)如此構(gòu)成的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，能夠抑制隨著溫度變化而由熱應(yīng)力對(duì)絕緣基板產(chǎn)生損害。發(fā)明的效果 如以上進(jìn)行的說(shuō)明，根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的冷卻效率的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造。


圖I是示意表示混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)單元的圖。圖2是表示圖I中的P⑶的結(jié)構(gòu)的電氣電路圖。圖3是表示應(yīng)用于圖2中的變換器的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造的剖面圖。圖4是表示沿著圖3中的IV-IV線上的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造的剖面圖。圖5是表示圖3中的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造的第一變形例的剖面圖。圖6是表示圖3中的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造的第二變形例的剖面圖。圖7是表示圖3中的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造的第三變形例的剖面圖。圖8是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2中的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造的剖面圖。
具體實(shí)施例方式參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。此外，在以下參照的附圖中，對(duì)相同或與其相當(dāng)?shù)牟考?biāo)記相同的標(biāo)號(hào)。(實(shí)施方式I)圖I是示意表示混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)單元的圖。在本實(shí)施方式中，本發(fā)明應(yīng)用于在作為車輛的混合動(dòng)力汽車上搭載的變換器。首先，對(duì)用于驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車的HV系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明。參照?qǐng)D1，驅(qū)動(dòng)單元I設(shè)置于將汽油發(fā)動(dòng)機(jī)或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)等內(nèi)燃機(jī)和可充放電的電池800作為動(dòng)力源的混合動(dòng)力汽車。驅(qū)動(dòng)單元I構(gòu)成為包含電動(dòng)發(fā)電機(jī)100、機(jī)架(housing) 200、減速機(jī)構(gòu)300、差動(dòng)機(jī)構(gòu)400、驅(qū)動(dòng)軸接受部900、端子臺(tái)600。電動(dòng)發(fā)電機(jī)100是具有作為電動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)的功能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。電動(dòng)發(fā)電機(jī)100包括旋轉(zhuǎn)軸110、轉(zhuǎn)子130、定子140。旋轉(zhuǎn)軸110經(jīng)由軸承120以能夠旋轉(zhuǎn)的方式安裝于機(jī)架200。轉(zhuǎn)子130與旋轉(zhuǎn)軸110成為一體而旋轉(zhuǎn)。從電動(dòng)發(fā)電機(jī)100輸出的動(dòng)力，從減速機(jī)構(gòu)300經(jīng)由差動(dòng)機(jī)構(gòu)400傳遞到驅(qū)動(dòng)軸接受部900。傳遞到驅(qū)動(dòng)軸接受部900的驅(qū)動(dòng)力，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)軸傳遞到車輪作為旋轉(zhuǎn)力，使車輛行駛。另一方面，在混合動(dòng)力汽車的再生制動(dòng)時(shí)，車輪通過車體的慣性力而旋轉(zhuǎn)。通過來(lái)自車輛的旋轉(zhuǎn)，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)軸接受部900、差動(dòng)機(jī)構(gòu)400以及減速機(jī)構(gòu)300驅(qū)動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)100。此時(shí)，電動(dòng)發(fā)電機(jī)100作為發(fā)電機(jī)進(jìn)行工作。由電動(dòng)發(fā)電機(jī)100發(fā)電產(chǎn)生的電力經(jīng)由PCU (Power Control Unit :功率控制單兀)700供給到電池800。圖2是表示圖I中的P⑶的結(jié)構(gòu)的電氣電路圖。參照?qǐng)D2，P⑶700包括轉(zhuǎn)換器(converter) 710、變換器(inverter) 720、控制裝置 730、電容器 C1、C2、電源線 PLl PL3、輸出線 740U、740V、740W。轉(zhuǎn)換器710經(jīng)由電源線PL1、PL3而與電池800連接。變換器720經(jīng)由電源線PL2、PL3而與轉(zhuǎn)換器710連接。變換器720經(jīng)由輸出線740U、740V、740W而與電動(dòng)發(fā)電機(jī)100連接。電池800是直流電源，例如由鎳氫電池、鋰離子電池等二次電池形成。電池800對(duì)轉(zhuǎn)換器710供給所蓄積的直流電力，或者通過從轉(zhuǎn)換器710接受的直流電力進(jìn)行充電。
轉(zhuǎn)換器710包括由半導(dǎo)體模塊構(gòu)成的上臂以及下臂、和電抗器L。上臂以及下臂串聯(lián)連接在電源線PL2、PL3之間。連接于電源線PL2的上臂包括功率晶體管(IGBT InsulatedGate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)Q1、和反并聯(lián)連接于功率晶體管Ql的二極管D1。連接于電源線PL3的下臂包括功率晶體管Q2、和反并聯(lián)連接于功率晶體管Q2的二極管D2。電抗器L連接在電源線PLl和上臂與下臂的連接點(diǎn)之間。轉(zhuǎn)換器710使用電抗器L對(duì)從電池800接受的直流電壓進(jìn)行升壓，將該升壓后的電壓供給到電源線PL2。轉(zhuǎn)換器710對(duì)從變換器720接受的直流電壓進(jìn)行降壓，對(duì)電池800充電。變換器720包括U相臂750U、V相臂750V、W相臂750W。U相臂750U、V相臂750V、W相臂750W并聯(lián)連接在電源線PL2、PL3之間。U相臂750U、V相臂750V、W相臂750W各自包括由半導(dǎo)體模塊構(gòu)成的上臂以及下臂。各相臂的上臂以及下臂串聯(lián)連接在電源線PL2、PL3之間。U相臂750U的上臂包括功率晶體管(IGBT)Q3和反并聯(lián)連接于功率晶體管Q3的二極管D3。U相臂750U的下臂包括功率晶體管Q4和反并聯(lián)連接于功率晶體管Q4的二極管D4。V相臂750V的上臂包括功率晶體管Q5和反并聯(lián)連接于功率晶體管Q5的二極管D5。V相臂750V的下臂包括功率晶體管Q6和反并聯(lián)連接于功率晶體管Q6的二極管D6。W相臂750W的上臂包括功率晶體管Q7和反并聯(lián)連接于功率晶體管Q7的二極管D7。W相臂750W的下臂包括功率晶體管Q8和反并聯(lián)連接于功率晶體管Q8的二極管D8。各相臂的功率晶體管的連接點(diǎn)，經(jīng)由對(duì)應(yīng)的輸出線740U、740V、740W連接于電動(dòng)發(fā)電機(jī)100的對(duì)應(yīng)的相的線圈的與中性點(diǎn)相反一側(cè)。此外，圖中，對(duì)從U相臂750U到W相臂750W的上臂以及下臂分別由包括功率晶體管和二極管的一個(gè)半導(dǎo)體模塊構(gòu)成的情況進(jìn)行表示，但也可以由多個(gè)半導(dǎo)體模塊來(lái)構(gòu)成。變換器720基于來(lái)自控制裝置730的控制信號(hào)，將從電源線PL2接受的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓并輸出到電動(dòng)發(fā)電機(jī)100。變換器720將由電動(dòng)發(fā)電機(jī)100發(fā)電產(chǎn)生的交流電壓整流成直流電壓并供給到電源線PL2。電容器Cl連接在電源線PL1、PL3之間，使電源線PLl的電壓電平平滑化。電容器C2連接在電源線PL2、PL3之間，使電源線PL2的電壓電平平滑化。控制裝置730基于電動(dòng)發(fā)電機(jī)100的轉(zhuǎn)矩指令值、各相電流值以及變換器720的輸入電壓，運(yùn)算電動(dòng)發(fā)電機(jī)100的各相線圈電壓?？刂蒲b置730基于該運(yùn)算結(jié)果，生成導(dǎo)通/截止功率晶體管Q3 Q3的PWM (Pulse Width Modulation :脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)并將其輸出到變換器720。電動(dòng)發(fā)電機(jī)100的各相電流值由組裝入構(gòu)成變換器720的各臂的半導(dǎo)體模塊的電流傳感器來(lái)檢測(cè)。該電流傳感器配置在半導(dǎo)體模塊內(nèi)以使S/N比提高?？刂蒲b置730基于上述的轉(zhuǎn)矩指令值以及馬達(dá)轉(zhuǎn)速來(lái)運(yùn)算用于使變換器720的輸入電壓最佳的功率晶體管Q1、Q2的占空比?？刂蒲b置730基于該結(jié)果生成導(dǎo)通/截止功率晶體管Q1、Q2的PWM信號(hào)并將其輸出到轉(zhuǎn)換器710。為了將由電動(dòng)發(fā)電機(jī)100發(fā)電產(chǎn)生的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓來(lái)對(duì)電池800充電，控制裝置730控制轉(zhuǎn)換器710以及變換器720中的功率晶體管Ql Q8的開關(guān)動(dòng)作。接著，對(duì)本實(shí)施方式中的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖3是應(yīng)用于圖 2中的變換器的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造的剖面圖。
參照?qǐng)D3，圖中，示出了 U相臂750U、V相臂750V以及W相臂750W在單向上層疊而構(gòu)成的半導(dǎo)體裝置10。各相臂具有相同的構(gòu)造，因此以下代表性地著眼于U相臂750U來(lái)對(duì)本實(shí)施方式中的半導(dǎo)體裝置10的冷卻構(gòu)造進(jìn)行說(shuō)明。
本實(shí)施方式中的半導(dǎo)體裝置10的冷卻構(gòu)造，作為其主要結(jié)構(gòu)，具有分別包含圖2中的功率晶體管(IGBT) Q3以及功率晶體管Q4而構(gòu)成的半導(dǎo)體元件31和半導(dǎo)體元件36 ；輸入電極26和輸入電極27 ;輸出電極50 ;散熱器41和散熱器42。半導(dǎo)體元件31和半導(dǎo)體元件36在箭頭101所示的方向上彼此隔著距離相對(duì)配置(以下，將箭頭101所示的方向也稱為半導(dǎo)體元件31和半導(dǎo)體元件36的相對(duì)方向)。輸出電極50使用未圖示的連接器和/或配線等連接于圖2中的輸出線740U。輸出電極50配置在半導(dǎo)體元件31與半導(dǎo)體元件36之間。換言之，半導(dǎo)體元件31和半導(dǎo)體元件36配置成從兩側(cè)夾著輸出電極50。輸出電極50經(jīng)由焊料33連接于半導(dǎo)體元件31，經(jīng)由焊料38連接于半導(dǎo)體元件36。輸出電極50在與半導(dǎo)體元件31和半導(dǎo)體元件36的相對(duì)方向正交的、箭頭102所示的方向上延伸而形成。在從半導(dǎo)體元件31和半導(dǎo)體元件36的相對(duì)方向觀察半導(dǎo)體裝置10的情況下，輸出電極50在箭頭102所示的方向上呈帶狀延伸而形成。輸出電極50在與半導(dǎo)體元件31和半導(dǎo)體元件36的相對(duì)方向正交的一個(gè)方向和其相反的方向上從半導(dǎo)體元件31和半導(dǎo)體元件36相對(duì)的位置延伸而形成。輸入電極26配置成在輸入電極26與輸出電極50之間對(duì)半導(dǎo)體兀件31進(jìn)行定位。輸入電極26經(jīng)由焊料32連接于半導(dǎo)體元件31。輸入電極26使用未圖示的連接器和/或配線連接于圖2中的電源線PL2。輸入電極27配置成在輸入電極27與輸出電極50之間對(duì)半導(dǎo)體元件36進(jìn)行定位。輸入電極27經(jīng)由焊料37連接于半導(dǎo)體元件36。輸入電極27使用未圖示的連接器和/或配線連接于圖2中的電源線PL3。輸入電極26和輸入電極27平行地配置。由此,在輸入電極26和輸入電極27之間寄生電感抵消，能夠降低開關(guān)損失。散熱器41相對(duì)于半導(dǎo)體兀件31配置于與輸出電極50相反一側(cè)。散熱器41配置成在散熱器41與半導(dǎo)體兀件31之間對(duì)輸入電極26進(jìn)行定位。散熱器41經(jīng)由絕緣基板46連接于輸入電極26。散熱器46相對(duì)于半導(dǎo)體兀件36配置于與輸出電極50相反一側(cè)。散熱器46配置成在散熱器46與半導(dǎo)體兀件36之間對(duì)輸入電極27進(jìn)行定位。散熱器46經(jīng)由絕緣基板47連接于輸入電極27。散熱器41、42在與半導(dǎo)體兀件31和半導(dǎo)體兀件36的相對(duì)方向正交的一個(gè)方向上從半導(dǎo)體元件31和半導(dǎo)體元件36相對(duì)的位置延伸而形成。散熱器41、42由流通作為冷媒的冷卻液的冷卻液通路、和配置在該冷卻液通路上并由具有高導(dǎo)熱性的金屬例如鋁形成的散熱翅片構(gòu)成。此外，散熱器41、42的結(jié)構(gòu)并沒有特別限定，例如也可以是空氣冷卻方式的結(jié)構(gòu)。絕緣基板46由絕緣性材料構(gòu)成的平板狀的部件形成。絕緣基板46由例如絕緣性陶瓷形成。絕緣基板46例如通過焊接(口々付K)連接于輸入電極26以及散熱器41。絕緣基板47例如通過焊接連接于輸入電極27以及散熱器42。本實(shí)施方式中的半導(dǎo)體裝置10的冷卻構(gòu)造中，在散熱器41與輸出電極50之間配置一個(gè)半導(dǎo)體元件31，在散熱器42與輸出電極50之間配置一個(gè)半導(dǎo)體元件36。U相臂750U和V相臂750V設(shè)置成在兩者的邊界處共用一個(gè)散熱器，V相臂750V和W相臂750W設(shè)置成在兩者的邊界處共用一個(gè)散熱器。輸出電極50構(gòu)成為具有元件安裝部51和熱輸送部56。元件安裝部51由銅等導(dǎo)電材料形成。元件安裝部51設(shè)置為與半導(dǎo)體元件31、36電連接。也就是說(shuō)，半導(dǎo)體元件31、36經(jīng)由焊料33、38安裝于元件安裝部51。元件安裝部51具有將半導(dǎo)體元件31、36電連接于作為外部配線的輸出線740U的通電功能。熱輸送部56從安裝有半導(dǎo)體元件31、36的元件安裝部51向散熱器41、42延伸設(shè)置。熱輸送部56在與半導(dǎo)體兀件31和半導(dǎo)體兀件36的相對(duì)方向正交的箭頭102所不的方向上從安裝有半導(dǎo)體元件31、36的元件安裝部51延伸(以下，將箭頭102所示的方向也稱為熱輸送部56的延伸方向)。熱輸送部56在遠(yuǎn)離半導(dǎo)體兀件31和半導(dǎo)體兀件36相對(duì)的位置的方向上從安裝有半導(dǎo)體元件31、36的元件安裝部51延伸。熱輸送部56與散熱器41、42平行地延伸。熱輸送部56具有將由半導(dǎo)體元件31、36產(chǎn)生的熱向散熱器41、42傳遞的傳熱功能。熱輸送部56具有配置在半導(dǎo)體元件31和半導(dǎo)體元件36相對(duì)的位置的受熱部60、和配置在散熱器41和散熱器42之間的空間的散熱部59。熱輸送部56從受熱部60向散熱部59延伸。受熱部60接受由半導(dǎo)體元件31、36產(chǎn)生的熱，散熱部59將從受熱部60傳遞來(lái)的熱向散熱器41、42排出。在熱輸送部56的延伸方向上,熱輸送部56的傳熱系數(shù)為兀件安裝部51的傳熱系數(shù)以上。圖3中所示的本實(shí)施方式中的半導(dǎo)體裝置10的冷卻構(gòu)造中，在熱輸送部56的延伸方向上，熱輸送部56的傳熱系數(shù)大于元件安裝部51的傳熱系數(shù)。圖4是表示沿著圖3中的IV-IV線上的熱輸送部的剖面圖。參照?qǐng)D3以及圖4，熱輸送部56由在熱輸送部56的延伸方向上的傳熱系數(shù)比在半導(dǎo)體兀件31和半導(dǎo)體兀件36的相對(duì)方向上的傳熱系數(shù)大的導(dǎo)熱系數(shù)各向異性部件形成。在本實(shí)施方式中，作為該導(dǎo)熱系數(shù)各向異性部件，使用自勵(lì)式熱管。對(duì)自勵(lì)式熱管的構(gòu)造進(jìn)行說(shuō)明，熱輸送部56具有形成有載熱體路58的金屬板57。金屬板57由鋁、銅、不銹鋼等金屬形成。載熱體路58在金屬板57的內(nèi)部形成為由真空密封的狀態(tài)。載熱體路58在受熱部60與散熱部59之間延伸。載熱體路58在金屬板57延伸的平面內(nèi)蜿蜒延伸，形成封閉的路徑(loop hole :換氣孔)。在載熱體路58的內(nèi)部封入水、氟利昂、乙醇、氨水等載熱體。載熱體例如以體積比50%的比例封入載熱體路58中。在具備如此結(jié)構(gòu)的自勵(lì)式熱管中，通過受熱部60處的由冷媒蒸發(fā)產(chǎn)生的壓力上升和散熱部59處的由蒸氣凝結(jié)產(chǎn)生的壓力下降引起的泵效果，冷媒在受熱部60與散熱部59之間振動(dòng)同時(shí)進(jìn)行熱輸送。因此,與使用毛細(xì)結(jié)構(gòu)(wick structure)的熱管相比,在所輸送的熱中，除了受熱部60處的由冷媒蒸發(fā)產(chǎn)生的潛熱，還包括液態(tài)冷媒移動(dòng)的顯熱量，能夠發(fā)揮較大的輸送力。另外，與使用毛細(xì)構(gòu)造的熱管相比，還具有設(shè)置姿勢(shì)的影響小這樣的優(yōu)點(diǎn)。由自勵(lì)式熱管構(gòu)成的載熱體路58具有金屬板57的厚度方向上的傳熱系數(shù)比金屬板58的面方向上的傳熱系數(shù)小的特性，例如，面方向上的傳熱系數(shù)為約800 數(shù)1000W/mK，與此相對(duì)，厚度方向上的傳熱系數(shù)為其十分之一以下(鋁200W/mK、銅400W/mK)。、
此外，在本實(shí)施方式中，熱輸送部56使用了自勵(lì)式熱管，但也可以使用具有毛細(xì)構(gòu)造的熱管。
參照?qǐng)D3，元件安裝部51具有接合部51p、外部連接部51q、傳熱部51r。接合部51p配置于半導(dǎo)體元件31和半導(dǎo)體元件36相對(duì)的位置。在接合部51p分別經(jīng)由焊料33和焊料38與半導(dǎo)體元件31和半導(dǎo)體元件36接合。接合部5Ip設(shè)置成覆蓋受熱部60。外部連接部51q和傳熱部51r配置成在熱輸送部56的延伸方向上在兩者之間對(duì)接合部51p進(jìn)行定位。在外部連接部51q上連接有未圖示的連接器和/或配線，元件安裝部51與圖2中的輸出線740U電連接。傳熱部51r設(shè)置成覆蓋散熱部59并填埋散熱器41與散熱器46之間的空間。傳熱部51r經(jīng)由絕緣基板46連接于散熱器41，經(jīng)由絕緣基板47連接于散熱器42。由此，散熱器41、42和傳熱部51r之間電絕緣。傳熱部51r具有其厚度比接合部51p以及外部連接部51q的厚度大的加厚構(gòu)造。接著，對(duì)由本實(shí)施方式中的半導(dǎo)體裝置10的冷卻構(gòu)造起到的作用、效果進(jìn)行說(shuō)明。圖3中，以箭頭示出由半導(dǎo)體元件31、36產(chǎn)生的熱的路徑。參照?qǐng)D3，伴隨圖2中的變換器720的工作，由半導(dǎo)體元件31、36產(chǎn)生大量發(fā)熱。在本實(shí)施方式中的半導(dǎo)體裝置10的冷卻構(gòu)造中，由半導(dǎo)體元件31、36產(chǎn)生的熱，通過焊料33、38以及元件安裝部51的接合部51p傳遞到熱輸送部56的受熱部60。另外，形成熱輸送部56的導(dǎo)熱系數(shù)各向異性部件具有在熱輸送部56的厚度方向上的傳熱系數(shù)比在熱輸送部56的延伸方向上的傳熱系數(shù)小的特性。因此，能夠有效地抑制由半導(dǎo)體元件31產(chǎn)生的熱與由半導(dǎo)體元件36產(chǎn)生的熱發(fā)生干涉的現(xiàn)象。通過熱輸送部56具有的導(dǎo)熱系數(shù)各向異性，傳遞到受熱部60的熱有效地從受熱部60傳遞到散熱部59。傳遞到散熱部59的熱，進(jìn)而通過元件安裝部51的傳熱部51r傳遞到散熱器41、42，通過與散熱器41、42內(nèi)部的冷卻液之間的熱交換而散熱。另外，作為與上述不同的熱路徑，由半導(dǎo)體元件31產(chǎn)生的熱，通過輸入電極26傳遞到散熱器41，由半導(dǎo)體元件36產(chǎn)生的熱，通過輸入電極27傳遞到散熱器42。結(jié)果，可得到分別從兩面?zhèn)壤鋮s半導(dǎo)體元件31、36的兩面冷卻的效果。另外，本實(shí)施方式中的半導(dǎo)體裝置10的冷卻構(gòu)造通過具有元件安裝部51的通電功能和熱輸送部56的傳熱功能的一體部件即輸出電極50來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此能夠減少半導(dǎo)體裝置10的部件數(shù)量，削減其制造成本。對(duì)以上說(shuō)明的本發(fā)明的實(shí)施方式I中的半導(dǎo)體裝置10的冷卻構(gòu)造的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)性說(shuō)明，本實(shí)施方式中的半導(dǎo)體裝置10的冷卻構(gòu)造具備作為電極的輸出電極50 ；夾著輸出電極50而彼此相對(duì)配置的作為第一半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體元件31和作為第二半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體元件36 ;相對(duì)于半導(dǎo)體元件31配置在與輸出電極50相反一側(cè)的作為第一散熱器的散熱器41 ;相對(duì)于半導(dǎo)體兀件36配置在與輸出電極50相反一側(cè)的作為第二散熱器的散熱器42。輸出電極50包括元件安裝部51和熱輸送部56。元件安裝部51與半導(dǎo)體元件31以及半導(dǎo)體元件36電連接，并由導(dǎo)電性材料形成。熱輸送部56從元件安裝部51向散熱器41以及散熱器42延伸設(shè)置。根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明的實(shí)施方式I中的半導(dǎo)體裝置10的冷卻構(gòu)造，夾著輸出電極50而在其兩側(cè)配置半導(dǎo)體元件31和半導(dǎo)體元件36，進(jìn)而在輸出電極50設(shè)置熱輸送部56，通過該結(jié)構(gòu)，能夠提高半導(dǎo)體元件31、36的冷卻效率。此外，圖3中所示的U相臂750U、V相臂750V以及W相臂750W的層疊構(gòu)造只是一個(gè)例子，例如可以使半導(dǎo)體裝置為進(jìn)一步多級(jí)層疊的構(gòu)造，也可以使多個(gè)臂為在與半導(dǎo)體元件31和半導(dǎo)體元件36的相對(duì)方向正交的平面內(nèi)并排的構(gòu)造。接著，對(duì)圖3中所示的半導(dǎo)體裝置10的冷卻構(gòu)造的各種變形例進(jìn)行說(shuō)明。圖5是表示圖3中的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造的第一變形例的剖面圖。參照?qǐng)D5，在本變形例中，輸出電極50構(gòu)成為具有熱輸送部66來(lái)代替圖3中的熱輸送部56。熱輸送部66具有配置于半導(dǎo)體元件31和半導(dǎo)體元件36相對(duì)的位置的受熱部67、和配置于散熱器41和散熱器42之間的空間的散熱部68,熱輸送部66從受熱部67向散熱部68延伸。熱輸送部66由在熱輸送部66的延伸方向上的傳熱系數(shù)比在半導(dǎo)體兀件31和半導(dǎo)體元件36的相對(duì)方向上的傳熱系數(shù)大的導(dǎo)熱系數(shù)各向異性部件形成。在本實(shí)施方式 中，作為該導(dǎo)熱系數(shù)各向異性部件使用高導(dǎo)熱性石墨。高導(dǎo)熱性石墨具有密集的兩維結(jié)晶構(gòu)造，作為針對(duì)面方向而顯著提高聲子的導(dǎo)熱的材料而使用。此外，圖5中，示出了形成為散熱部68中厚度大的熱輸送部66，但在元件安裝部51的傳熱部51r的傳熱系數(shù)比高導(dǎo)熱性石墨的厚度方向上的傳熱系數(shù)小的情況下，也可以將散熱部68的加厚部分置換為形成元件安裝部51的金屬。圖6是表示圖3中的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造的第二變形例的剖面圖。參照?qǐng)D6，在本變形例中，輸出電極50由高導(dǎo)熱性的導(dǎo)電材料以使兀件安裝部51和熱輸送部56成為一體的形態(tài)而形成。作為這樣的高導(dǎo)熱性的導(dǎo)電材料，例如舉例有銅。對(duì)更具體的構(gòu)造進(jìn)行說(shuō)明，輸出電極50具有配置在半導(dǎo)體元件31和半導(dǎo)體元件36相對(duì)的位置的受熱側(cè)的接合部50p ;設(shè)置成填埋散熱器41與散熱器46之間的空間的散熱側(cè)的傳熱部50r ;相對(duì)于接合部50p配置在與傳熱部50r相反一側(cè)并與未圖示的連接器和/或配線等連接的外部連接部50q。由半導(dǎo)體元件31、36產(chǎn)生的熱，通過焊料33、38傳遞到接合部50p。傳遞到接合部50p的熱向傳熱部50r傳遞,通過散熱器41、42散熱。另一方面，由于輸出電極50由導(dǎo)電材料形成，因此可確保通過接合部50p以及外部連接部50q的、半導(dǎo)體元件31以及半導(dǎo)體元件36與外部之間的通電。圖7是表示圖3中的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造的第三變形例的剖面圖。參照?qǐng)D7，在本變形例中，絕緣基板46由第一部分46a和與第一部分46a分開的第二部分46b構(gòu)成,絕緣基板47由第一部分47a和與第一部分47a分開的第二部分47b構(gòu)成。第一部分46a介于輸入電極26與散熱器41之間,第二部分46b介于兀件安裝部51與散熱器41之間。第一部分47a介于輸入電極27與散熱器42之間,第二部分47b介于兀件安裝部51與散熱器42之間。在連接于散熱器41、42和/或輸入電極26、27的絕緣基板46、47上，伴隨這些連接部件的熱變形而產(chǎn)生應(yīng)變，因此存在絕緣基板47、47損壞的擔(dān)心。特別是在絕緣基板47、47的固定上使用了焊接的情況下，由于絕緣基板47、47被牢靠固定，所以這種問題變得顯著。與此相對(duì)，在本變形例中，使絕緣基板46、47為分開構(gòu)造，將各基基板的大小抑制得較小，由此能夠更切實(shí)地防止絕緣基板46、47的損壞。
(實(shí)施方式2)圖8是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2中的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造的剖面圖。本實(shí)施方式中的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造與實(shí)施方式I的半導(dǎo)體裝置10的冷卻構(gòu)造相比，基本上具有同樣的構(gòu)造。以下，對(duì)重復(fù)的構(gòu)造不重復(fù)其說(shuō)明。參照?qǐng)D8，在本實(shí)施方式中，輸出電極50構(gòu)成為具有元件安裝部71和熱輸送部W。元件安裝部71作為由銅或鋁形成的匯流條而設(shè)置。元件安裝部71具有接合部71p，其配置在半導(dǎo)體元件31和半導(dǎo)體元件36相對(duì)的位置，并經(jīng)由焊料33、38與半導(dǎo)體元件31、36接合；和外部連接部71q，其設(shè)置在從接合部71單向延伸的前方，并與未圖示的連 接器和/或配線連接。熱輸送部76由高導(dǎo)熱性的絕緣材料形成。作為這種材料的一例，舉例有氮化鋁(AlN)0另外，作為其他的例子，舉例高導(dǎo)熱性的樹脂，例如作為導(dǎo)熱性的無(wú)機(jī)填充物，含有氧化鋁、二氧化硅、氧化鋅、氧化鎂等氧化物、和/或氮化硅、氮化硼、氮化鋁等氮化物的微粒子的樹脂。熱輸送部76具有受熱部77，其與接合部71p連接設(shè)置，并接受由半導(dǎo)體元件31、36產(chǎn)生的熱；和散熱部78，其配置在散熱器41與散熱器42之間的空間，并排出從受熱部77傳遞來(lái)的熱。熱輸送部76從受熱部77向散熱部78延伸。由半導(dǎo)體元件31、36產(chǎn)生的熱通過焊料33、38傳遞到受熱部77。傳遞到受熱部77的熱通過熱輸送部76傳遞到散熱部78，通過散熱器41、42散熱。熱輸送部76的散熱部78具有其厚度比受熱部77的厚度大的框形狀。在本實(shí)施方式中，由于熱輸送部76由絕緣材料形成，所以散熱部78設(shè)置成不經(jīng)由絕緣基板46、47而直接與散熱器41、42接觸。根據(jù)如此結(jié)構(gòu)，可以使絕緣基板46、47僅介于輸入電極26、27與散熱器41、42之間，能夠?qū)⒔^緣基板46、47的大小抑制得較小。由此，能夠抑制由熱應(yīng)變導(dǎo)致的絕緣基板46,47的損壞。另外，由于在散熱器41與散熱器42之間散熱部78的厚度增大，所以能夠?qū)彷斔筒?6的絕緣耐壓設(shè)定得較低。根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明的實(shí)施方式2的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，能夠同樣取得實(shí)施方式I所記載的效果。此外，也可以適當(dāng)組合以上說(shuō)明的實(shí)施方式、變形例中的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成新的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造。另外，也可以將本發(fā)明應(yīng)用于在將燃料電池和二次電池作為動(dòng)力源的燃料電池混合動(dòng)力車(FCHV :Fuel Cell Hybrid Vehicle)或者電動(dòng)汽車(EV :Electric Vehicle)上搭載的電抗器中。在本實(shí)施方式中的混合動(dòng)力汽車中，在燃料經(jīng)濟(jì)性最佳工作點(diǎn)驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，與此相對(duì)，在燃料電池混合動(dòng)力車中，在發(fā)電效率最佳工作點(diǎn)驅(qū)動(dòng)燃料電池。另外，關(guān)于二次電池的使用，在兩方的混合動(dòng)力汽車中基本上沒有變化。應(yīng)該認(rèn)為，本次所公開的實(shí)施方式在所有的方面都是例示而不是限制性的內(nèi)容。本發(fā)明的范圍不是由上述的說(shuō)明而是由權(quán)利要求表示，包括與權(quán)利要求等同的意思以及范圍內(nèi)的所有的變更。產(chǎn)業(yè)上的可利用性
本發(fā)明除了可應(yīng)用于在車輛上搭載的電力變換裝置以外，還可應(yīng)用于各種功率模塊。標(biāo)號(hào)說(shuō)明10半導(dǎo)體裝置；26、27輸入電極；31、36半導(dǎo)體元件；41、42散熱器；46、47絕緣基板；46a、47a 第一部分、46b、47b 第二部分;50 輸出電極;50p、51p、71p 接合部;50q、51q、71q外部連接部；50r、51r傳熱部；51、71元件安裝部；56、66、76熱輸送部；57金屬板；58載熱體路；59、68、78散熱部；60、67、77受熱部；100電動(dòng)發(fā)電機(jī)；110旋轉(zhuǎn)軸；120軸承；130轉(zhuǎn)子；140定子；200機(jī)架；300減速機(jī)構(gòu)；400差動(dòng)機(jī)構(gòu)；600端子臺(tái)；710轉(zhuǎn)換器；720變換器； 730控制裝置;740U、740V、740W輸出線；750U U相臂；750V V相臂；750ff W相臂。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，具備 電極(50)； 夾著所述電極(50)而彼此相對(duì)配置的第一半導(dǎo)體元件(31)和第二半導(dǎo)體元件(36)； 相對(duì)于所述第一半導(dǎo)體元件(31)配置于與所述電極(50)相反一側(cè)的第一散熱器(41);以及 相對(duì)于所述第二半導(dǎo)體元件(36)配置于與所述電極(50)相反一側(cè)的第二散熱器(42)， 所述電極(50 )包括元件安裝部(51、71)和熱輸送部(56、66、76 )，所述元件安裝部與所述第一半導(dǎo)體元件(31)以及所述第二半導(dǎo)體元件(36)電連接，并由導(dǎo)電性材料形成，所述熱輸送部從所述元件安裝部(51、71)向所述第一散熱器(41)以及所述第二散熱器(42)延伸設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，其中， 所述熱輸送部(56、66)在與所述第一半導(dǎo)體元件(31)和所述第二半導(dǎo)體元件(36)的相對(duì)方向正交的方向上從所述兀件安裝部(51)延伸， 所述熱輸送部(56、66)由在所述熱輸送部(56、66)的延伸方向上的傳熱系數(shù)比在所述第一半導(dǎo)體元件(31)和所述第二半導(dǎo)體元件(36)的相對(duì)方向上的傳熱系數(shù)大的導(dǎo)熱系數(shù)各向異性部件形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，其中， 所述導(dǎo)熱系數(shù)各向異性部件包括熱管或定向石墨。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，其中， 所述熱輸送部(76)由高導(dǎo)熱性的絕緣材料形成，并被設(shè)置成介于所述第一散熱器(41)與所述元件安裝部(71)以及所述第二散熱器(42)與所述元件安裝部(71)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，其中， 所述元件安裝部(71)是由銅或鋁形成的匯流條， 所述熱輸送部(76)由被設(shè)置成覆蓋所述匯流條的氮化鋁或高導(dǎo)熱性的樹脂形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，其中， 所述電極(50 )由高導(dǎo)熱性的導(dǎo)電材料以使所述元件安裝部(51)和所述熱輸送部(56 )成為一體的形態(tài)來(lái)形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，其中， 所述熱輸送部(56、66、76)具有受熱部(60、67、77)和散熱部(59、68、78)，并從所述受熱部(60、67、77)向所述散熱部(59、68、78)延伸，所述受熱部被配置于所述第一半導(dǎo)體元件(31)和所述第二半導(dǎo)體元件(36)相對(duì)的位置，并接受由所述第一半導(dǎo)體元件(31)和所述第二半導(dǎo)體元件(36)產(chǎn)生的熱量，所述散熱部被配置于所述第一散熱器(41)和所述第二散熱器(42)之間的空間，并排出由所述受熱部(60、67、77)傳來(lái)的熱量。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，其中， 所述元件安裝部(51)被設(shè)置成在所述第一散熱器(41)和所述第二散熱器(42 )之間的空間覆蓋所述散熱部(59、68 )， 所述半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造還具備絕緣基板(46、47)，該絕緣基板被設(shè)置成介于所述第一半導(dǎo)體元件(31)與所述第一散熱器(41)及所述元件安裝部(51)與所述第一散熱器(41)之間、以及所述第二半導(dǎo)體元件(36)與所述第二散熱器(42)及所述元件安裝部(51)與所述第二散熱器(42)之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造，其中， 所述絕緣基板(46、47)被設(shè)置成介于所述第一半導(dǎo)體元件(31)與所述第一散熱器(41)之間的部分和介于所述元件安裝部(51)與所述第一散熱器(41)之間的部分彼此分開，并被設(shè)置成介于所述第二半導(dǎo)體元件(36)與所述第二散熱器(42)之間的部分和介于所述元件安裝部(51)與所述第二散熱器(42)之間的部分彼此分開。
全文摘要
半導(dǎo)體裝置(10)的冷卻構(gòu)造，具備輸出電極(50)；夾著輸出電極(50)而彼此相對(duì)配置的半導(dǎo)體元件(31)和半導(dǎo)體元件(36)；相對(duì)于半導(dǎo)體元件(31)配置于與輸出電極(50)相反一側(cè)的散熱器(41)；以及相對(duì)于半導(dǎo)體元件(36)配置于與輸出電極(50)相反一側(cè)的散熱器(42)。輸出電極(50)包括元件安裝部(51)和熱輸送部(56)。元件安裝部(51)與半導(dǎo)體元件(31)以及半導(dǎo)體元件(36)電連接，并由導(dǎo)電性材料形成。熱輸送部(56)從元件安裝部(51)向散熱器(41)以及散熱器(42)延伸設(shè)置。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠提供一種可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的冷卻效率的半導(dǎo)體裝置的冷卻構(gòu)造。
文檔編號(hào)H01L23/427GK102648519SQ20098016261
公開日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2009年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月25日
發(fā)明者上野孝史, 北見明朗 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社