半導(dǎo)體模塊冷卻器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種能有效地冷卻半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體模塊用冷卻器。該半導(dǎo)體模塊用冷卻器從外部向冷卻介質(zhì)套(2)提供冷卻介質(zhì)，并對(duì)半導(dǎo)體元件(13)進(jìn)行冷卻，所述半導(dǎo)體元件(13)設(shè)置于具有冷卻片(11)的冷卻器(1)的外表面。在冷卻器中，從外部導(dǎo)入的冷卻介質(zhì)會(huì)在冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室(26)中擴(kuò)散，然后越過冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁(25)，并導(dǎo)入設(shè)置有冷卻片(11)的冷卻片冷卻室(28)，從而對(duì)冷卻片(11)進(jìn)行冷卻，并從冷卻介質(zhì)排出端口(21)排出到外部。
【專利說明】半導(dǎo)體模塊冷卻器
【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體模塊冷卻器，特別涉及一種將散熱片一體形成于散熱器的背面、且冷卻介質(zhì)在散熱片之間流動(dòng)以散發(fā)由半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱量的半導(dǎo)體模塊冷卻器，上述散熱器與配置有多個(gè)半導(dǎo)體元件的絕緣基板相接合。
【背景技術(shù)】
半導(dǎo)體模塊廣泛地應(yīng)用于功率轉(zhuǎn)換裝置，該功率轉(zhuǎn)換裝置一般用于例如混合動(dòng)力汽車或電動(dòng)汽車。構(gòu)成用于節(jié)能的控制裝置的半導(dǎo)體模塊中，具有功率半導(dǎo)體元件以控制大電流。
在控制大電流時(shí)，由功率半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱量會(huì)趨于增加。特別是隨著功率半導(dǎo)體元件的尺寸的減小或隨著功率半導(dǎo)體元件的輸出的增加，功率半導(dǎo)體元件會(huì)產(chǎn)生巨大的熱量。因而，對(duì)具有多個(gè)功率半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體模塊進(jìn)行冷卻十分重要。
[0003]一般而言，在半導(dǎo)體模塊中采用液體冷卻器(下文中稱為"冷卻器")以提高半導(dǎo)體模塊的冷卻效率。在對(duì)冷卻介質(zhì)進(jìn)行循環(huán)的液體冷卻器中，為了提高制冷效率，采用以下多種方式:即，提高冷卻介質(zhì)的流動(dòng)速度的方法；形成散熱片(冷卻體)以增加傳熱系數(shù)的方法；或增加形成散熱片的材料的熱傳導(dǎo)率的方法等。
[0004]將冷卻器與金屬基底一體形成，以使得薄板形的散熱片以均勻的密度配置在冷卻介質(zhì)的流路中，且將設(shè)置有產(chǎn)生熱量的半導(dǎo)體芯片的絕緣基板與該金屬基底相接合。對(duì)流路施加壓力以使冷卻介質(zhì)流動(dòng)。之后，由半導(dǎo)體芯片釋放出的熱量會(huì)通過具有較大的表面積的散熱片并利用冷卻介質(zhì)來高效地散發(fā)。被半導(dǎo)體芯片所釋放出的熱量加熱的冷卻介質(zhì)通過外部熱交換器進(jìn)行冷卻，并利用泵來對(duì)冷卻后的冷卻介質(zhì)進(jìn)行加壓，以使其返回設(shè)置有散熱片的流路。
[0005]JP2001-308246 A中揭示了一種冷卻器。附圖24、25、26中揭示了現(xiàn)有技術(shù)中的冷卻器的結(jié)構(gòu)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，在散熱器1001中形成有由較寬的冷卻通道側(cè)壁1004所包圍的冷卻通道1002。冷卻水進(jìn)口 1003a及冷卻水出口 1003b形成在冷卻通道1002的前端和后端。此夕卜，開口部1005形成在冷卻通道1002中的、與配置于散熱器1001的兩個(gè)半導(dǎo)體模塊的散熱基板1104相對(duì)的位置上。將以并排連接的方式配置于散熱基板1104的多個(gè)散熱片1105插入到開口部1005，并將散熱片1105浸入冷卻通道1002。
[0006]將多個(gè)絕緣基板1103配置于散熱基板1104，并將半導(dǎo)體元件1102或電路元件安裝于絕緣基板1103。利用上蓋1101來覆蓋多個(gè)絕緣基板1103。此外，將密封部1109設(shè)置在散熱器1001和散熱基板1104之間以包圍開口部1005。
現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn) 專利文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)I JP 2001-308246 A
【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明要解決的問題
[0008]在上述冷卻器中，在流路的寬度方向的中央部，冷卻介質(zhì)流經(jīng)冷卻器的流速較高，而在流路的周邊部，冷卻介質(zhì)流經(jīng)冷卻器的流速較低。因而，配置于流路的周邊部的半導(dǎo)體元件1102的冷卻程度低于配置于流路的寬度方向的中央部附近的半導(dǎo)體元件1102的冷卻程度。
若在半導(dǎo)體元件之間存在溫度差，則各半導(dǎo)體元件的輸出電流會(huì)受限于具有最高溫度的半導(dǎo)體元件的輸出電流。因此，其他半導(dǎo)體元件的輸出電流會(huì)受限于具有最高溫度的半導(dǎo)體元件的輸出電流，而且即使就溫度而言可有較大的輸出電流流過半導(dǎo)體元件，也很難確保其他半導(dǎo)體元件具有足夠的輸出。
[0009]本發(fā)明是鑒于上述問題而完成的，其目的在于提供一種半導(dǎo)體模塊冷卻器，該半導(dǎo)體模塊冷卻器能以簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)來降低配置在與冷卻介質(zhì)的流向相交的方向上的半導(dǎo)體元件之間的溫度差。
解決問題的手段
[0010]為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，半導(dǎo)體模塊冷卻器中，從外部向冷卻介質(zhì)套提供冷卻介質(zhì)，并對(duì)一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體元件進(jìn)行冷卻，所述半導(dǎo)體元件設(shè)置于所述半導(dǎo)體模塊冷卻器的外表面并通過散熱器與所述冷卻介質(zhì)套進(jìn)行熱連接。所述冷卻介質(zhì)套包括:冷卻片冷卻室，該冷卻片冷卻室包括開口部并對(duì)冷卻片進(jìn)行冷卻，所述開口部中插入有所述冷卻片，該冷卻片形成于所述散熱器的與連接有所述半導(dǎo)體元件的表面相反一側(cè)的表面；冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口，從該冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口導(dǎo)入所述冷卻介質(zhì)；冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室，該冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室使從所述冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口導(dǎo)入的所述冷卻介質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散，并將所述冷卻介質(zhì)提供給所述冷卻片冷卻室；冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁，該冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁設(shè)置于所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室中并偏向于所述冷卻片冷卻室側(cè)，且由所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室所擴(kuò)散的所述冷卻介質(zhì)越過所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁而被導(dǎo)入到所述冷卻片冷卻室中；冷卻介質(zhì)排出端口，經(jīng)由該冷卻介質(zhì)排出端口將所述冷卻介質(zhì)排出到外部；以及冷卻介質(zhì)聚集室，該冷卻介質(zhì)聚集室設(shè)置于所述冷卻片冷卻室和所述冷卻介質(zhì)排出端口之間。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁的上端的高度高于或等于所述冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口的上端的高度。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁的面向所述冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口的面是傾斜面，該傾斜面從下部向其上部前傾。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁的上端的高度高于或等于所述冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口的上端的高度，所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁的面向所述冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口的表面是傾斜面，該傾斜面從下部向其上部前傾。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的第五方面，以從所述冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口向所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁變寬的方式來形成所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室形成為從所述冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口向著所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁變寬,所述冷卻介質(zhì)聚集室形成為從所述冷卻介質(zhì)排出端口向著所述冷卻片冷卻室變寬。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的第七方面，在所述散熱器上，在與所述冷卻介質(zhì)從所述冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口流向所述冷卻介質(zhì)排出端口的方向相正交的方向上，配置有多個(gè)所述半導(dǎo)體元器件。
根據(jù)本發(fā)明的第八方面，所述冷卻片是包括多個(gè)平板葉片、多個(gè)剖視時(shí)為圓形的圓形針、和多個(gè)剖視時(shí)為多邊形的角形針中的任意一種。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的第九方面，所述冷卻片是多個(gè)圓形針或多個(gè)角形針的情況下，將所述針配置成鋸齒狀。
根據(jù)本發(fā)明的第十方面，在所述散熱器和所述冷卻介質(zhì)套之間設(shè)置有至少包圍所述開口部的密封構(gòu)件。
本發(fā)明的效果
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，冷卻介質(zhì)能均勻地流過冷卻介質(zhì)套的冷卻片冷卻室的寬度方向，該冷卻片冷卻室中插入有形成在配置有半導(dǎo)體元件的散熱器的背面的冷卻片。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體元件沿與冷卻介質(zhì)的流向相交的方向來配置在散熱器上的情況下，能均勻地冷卻各半導(dǎo)體元件。其結(jié)果是，產(chǎn)生熱量的半導(dǎo)體元件之間的溫度差會(huì)減小，且能確保任意半導(dǎo)體芯片都具有足夠的輸出電流。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是表示本發(fā)明的冷卻器的圖。
圖2是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊的圖。
圖3是表示本發(fā)明的冷卻片的一個(gè)示例的圖。
圖4是表示本發(fā)明的第一示例的冷卻介質(zhì)套的沿A-A丨線的剖視圖。
圖5是表示本發(fā)明的第一示例的冷卻介質(zhì)套的沿B-B丨線的剖視圖。
圖6是表不現(xiàn)有技術(shù)中冷卻介質(zhì)流入冷卻片的流入狀態(tài)的不意圖。
圖7是表示本發(fā)明中冷卻介質(zhì)流入冷卻片的流入狀態(tài)的示意圖。
圖8(a)是表示本發(fā)明的實(shí)施例2的冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁的圖，圖8(b)是沿圖5的C-C’線的剖視圖。
圖9是表示本發(fā)明中使用平板葉片時(shí)、冷卻介質(zhì)的流動(dòng)的模擬結(jié)果的示意圖。
圖10是表示本發(fā)明中并排設(shè)置圓形針時(shí)的冷卻片結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。
圖11是表示本發(fā)明中使用并排設(shè)置的圓形針時(shí)、冷卻介質(zhì)的流動(dòng)的模擬結(jié)果的示意圖。
圖12是表示本發(fā)明中呈鋸齒狀配置圓形針時(shí)的冷卻片結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。
圖13是表示圖12中的的冷卻片的一個(gè)示例的圖。
圖14是表示本發(fā)明中使用呈鋸齒狀配置的圓形針時(shí)、冷卻介質(zhì)的流動(dòng)的模擬結(jié)果的示意圖。
圖15是表示本發(fā)明中并排設(shè)置角形針時(shí)的冷卻片結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。
圖16是表示本發(fā)明中呈鋸齒狀配置角形針時(shí)的冷卻片結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。
圖17是表示本發(fā)明中使用呈鋸齒狀配置的角形針時(shí)、冷卻介質(zhì)的流動(dòng)的模擬結(jié)果的示意圖。
圖18是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的冷卻介質(zhì)沿冷卻介質(zhì)套的縱向流動(dòng)的示意圖。
圖19是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的冷卻介質(zhì)沿冷卻介質(zhì)套的橫向流動(dòng)時(shí)的冷卻介質(zhì)的流入位置、流出位置的示意圖。
圖20是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的冷卻介質(zhì)沿冷卻介質(zhì)套的縱向流動(dòng)時(shí)的冷卻介質(zhì)的流入位置、流出位置的示意圖。
圖21是表示在使用圓形針、角形針、及平板葉片時(shí)，冷卻介質(zhì)的流速與IGBT接合溫度之間的關(guān)系的圖。
圖22是表示在使用圓形針、角形針、及平板葉片時(shí)，冷卻介質(zhì)的流速與壓力損耗之間的關(guān)系的圖。
圖23是表示熱阻抗、壓力損耗的流速依賴性的圖。
圖24是表不現(xiàn)有技術(shù)的圖。
圖25是沿圖24的線AA-AA’的剖面圖。
圖26是沿圖24的線的剖面圖。
附圖標(biāo)記 I散熱器 2冷卻介質(zhì)套 3冷卻器 4平滑電容器 11平板葉片 12續(xù)流二極管 13 IGBT元件
14半導(dǎo)體電路(W相電路)
15半導(dǎo)體電路(V相電路)
16半導(dǎo)體電路(U相電路)
17，101安裝孔
18.102，103 圓形針 19角形針
21冷卻介質(zhì)排出端口 22冷卻介質(zhì)進(jìn)口 23 O形環(huán)
24冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口 25冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁 26冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室 27冷卻介質(zhì)聚集室 28冷卻片冷卻室 29電路基板
100，201，202冷卻介質(zhì)的流動(dòng)方向
200半導(dǎo)體模塊
203冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口的中央
204冷卻介質(zhì)的流動(dòng)路徑
205冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁的傾斜面 206冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室的底面的傾斜面【具體實(shí)施方式】
[0017]圖1是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊冷卻器的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖。圖1(b)表示半導(dǎo)體模塊冷卻器3的外觀。圖1 (a)表示本發(fā)明的散熱器1、及安裝于散熱器I的半導(dǎo)體電路(14、15、及16)。此處，舉出IGBT(絕緣柵雙極晶體管)模塊作為半導(dǎo)體電路的一個(gè)示例。圖1(c)表示本發(fā)明的冷卻介質(zhì)套(水套)2。圖1(d)是表示本發(fā)明的冷卻介質(zhì)套(水套)2的冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口的圖。
[0018]此處，半導(dǎo)體電路14是W相用電路，半導(dǎo)體電路15是V相用電路，半導(dǎo)體電路16是U相用電路，從而形成三相逆變器。如圖1(a)所示，在作為W相用電路的半導(dǎo)體電路14中，在安裝于散熱器I的絕緣基板上裝載有:構(gòu)成上臂的作為半導(dǎo)體元件的IGBT13、和與該IGBT13反向并聯(lián)連接的續(xù)流二極管12 ;及構(gòu)成下臂的IGBT13、和與該IGBT13反向并聯(lián)連接的續(xù)流二極管12。作為V相用電路的半導(dǎo)體電路15和作為U相用電路的半導(dǎo)體電路16具有與作為W相用電路的半導(dǎo)體電路14相同的結(jié)構(gòu)。
冷卻介質(zhì)套(水套)2具有扁平的長(zhǎng)方體形狀。
[0019]圖2是表示使用本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊冷卻器3來構(gòu)成半導(dǎo)體模塊200的例子的圖。半導(dǎo)體模塊200的一個(gè)例子是IGBT模塊。在安裝有電路基板29的IGBT模塊的側(cè)方，設(shè)置有平滑電容器4。
[0020]圖3是表示本發(fā)明的平板葉片的一個(gè)示例的圖。圖3是從圖1的散熱器I的背面進(jìn)行觀察時(shí)的圖。在圖3中，平板葉片11沿與方向100相垂直的方向并排設(shè)置在散熱器I的背面，上述方向100是冷卻介質(zhì)的流動(dòng)方向。
[0021]圖4是沿圖1的線A-A’的剖面圖。圖5是沿圖1的線B_B’的剖面圖。使用圖4和圖5來說明本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊冷卻器3。在冷卻介質(zhì)套2中，在一長(zhǎng)邊側(cè)的中央部的底面形成有冷卻介質(zhì)進(jìn)口 22。對(duì)于冷卻介質(zhì)，例如從冷卻介質(zhì)進(jìn)口 22導(dǎo)入且由箭頭201表示的冷卻水，會(huì)如箭頭202所示那樣從冷卻介質(zhì)排出端口 21排出，上述冷卻介質(zhì)排出端口 21形成在冷卻介質(zhì)套2的另一長(zhǎng)邊側(cè)的中央部的底面。
[0022]在冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口 24、與配置有平板葉片11的長(zhǎng)方體形狀的冷卻片冷卻室28的冷卻介質(zhì)流入端之間設(shè)置有空間。將上述空間稱為冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室26。在冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室26中以偏向于冷卻片冷卻室28的方式設(shè)置作為堤岸的冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁25。該空間設(shè)置于冷卻片冷卻室28的冷卻介質(zhì)流出端與冷卻介質(zhì)排出端口 21之間。將上述空間稱為冷卻介質(zhì)聚集室27。
[0023]從冷卻介質(zhì)進(jìn)口 22導(dǎo)入的冷卻介質(zhì)會(huì)從冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口 24流向冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室26,并流經(jīng)設(shè)置于冷卻片冷卻室28中的平板葉片11，而到達(dá)冷卻介質(zhì)聚集室27,從而通過冷卻介質(zhì)排出端口 21從冷卻介質(zhì)出口排出。在該過程中，平板葉片11由冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻且安裝于散熱器I的半導(dǎo)體電路14?16會(huì)被冷卻。此處，冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室26、冷卻介質(zhì)聚集室27、及冷卻片冷卻室28的面向散熱器I的上表面形成開口部30。在將平板葉片11插入冷卻片冷卻室28的狀態(tài)下，利用散熱器I來閉塞該開口部30。將固定螺釘插入到設(shè)置于散熱器I的安裝孔17中，并將固定螺釘與形成于冷卻介質(zhì)套2的螺母相咬合并進(jìn)行旋緊，以使散熱器I固定到冷卻介質(zhì)套2。[0024]利用冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室26與冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁25之間的協(xié)同作用，使得冷卻介質(zhì)相對(duì)于沿垂直于冷卻介質(zhì)流動(dòng)方向的方向而設(shè)置的平板葉片11均勻地流過。在未設(shè)置冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁25的情況下，如圖6所示，從冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口 24排放出的大量的冷卻介質(zhì)會(huì)如箭頭204所示那樣流向設(shè)置于冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口 24的正前方的中央的平板葉片11，特別會(huì)流向平板葉片11的下部，而小部分冷卻介質(zhì)會(huì)流向遠(yuǎn)離冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口 24的平板葉片11。此外，還有小部分冷卻介質(zhì)會(huì)流向平板葉片11的上部，即，散熱器I的附近。其結(jié)果是，冷卻效率降低。此外，遠(yuǎn)離冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口 24的平板葉片11的冷卻效率低于設(shè)置在冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口 24附近的平板葉片11的冷卻效率。其結(jié)果是，無(wú)法充分冷卻半導(dǎo)體電路14?16,因而會(huì)導(dǎo)致安裝于散熱器I的多個(gè)半導(dǎo)體電路14?16間的冷卻效率具有較大的偏差。
[0025]如圖7的箭頭204所示，在設(shè)置有冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁25的情況下，從冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口 24流入的冷卻介質(zhì)會(huì)被冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁25所阻擋，因而會(huì)在冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室26的寬度方向上的左側(cè)和右側(cè)上進(jìn)行大范圍地?cái)U(kuò)散，并越過冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁25而流入平板葉片11的上部，即，平板葉片11間的靠近散熱器I的間隙。在形成流路時(shí)，冷卻介質(zhì)會(huì)均勻地流過進(jìn)入口的寬度方向上的中央部及周邊部。
[0026]如圖4所示，冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁25的高度H可以等于或大于冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口 24的上端(HS O).冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室26的水平截面形狀可以為長(zhǎng)方形。但是，如圖5所示，在以從冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口 24向著冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁25變寬的方式來形成冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室26時(shí)，能使從冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口 24流入的冷卻介質(zhì)高效地在垂直于流動(dòng)方向的左右方向上擴(kuò)散。即，在如圖5所示那樣形成冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室26以使得形成冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室26的側(cè)壁相對(duì)于冷卻介質(zhì)的流動(dòng)方向的傾斜角Θ in小于或等于90°時(shí)，冷卻介質(zhì)均勻地流動(dòng)。更具體而言，在60° ( 0in<8O°的范圍時(shí)，冷卻介質(zhì)平滑地?cái)U(kuò)散，有助于提高冷卻性能。
[0027]如圖8(b)所示，冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室26的垂直截面結(jié)構(gòu)是在底部形成有梯形的斜面206。在這種情況下，冷卻介質(zhì)能平滑地流過，從而有助于冷卻介質(zhì)均勻地流動(dòng)，并使半導(dǎo)體芯片的溫度均勻。即，如圖8(b)所示那樣，在冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室26的截面形狀為倒梯形時(shí)，冷卻介質(zhì)能平滑地流動(dòng)，因而有助于冷卻介質(zhì)均勻地流動(dòng)，并使半導(dǎo)體芯片的溫度均勻。
[0028]另外，對(duì)于冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁25的面向冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室26的表面、即冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁25的面向冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口 24的表面，可以是如圖4所示的垂直面。但是，如圖8(a)的冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁25的傾斜面205所示，冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁25的表面可以是一個(gè)傾斜面，該傾斜面從下部向其上部前傾。在這種情況下，冷卻介質(zhì)能均勻地流動(dòng)，因而有助于使半導(dǎo)體芯片的溫度均勻。相對(duì)于垂直方向的傾斜角可在60°到80°的范圍內(nèi)。
[0029]對(duì)于冷卻介質(zhì)聚集室27，與冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室26相同，冷卻介質(zhì)聚集室27的水平截面形狀可以是長(zhǎng)方形。但是，如圖5所示，在以從冷卻介質(zhì)排出端口 21向著冷卻介質(zhì)的流動(dòng)方向上的平板葉片11的端部變寬的方式，來形成冷卻介質(zhì)聚集室27時(shí)，冷卻介質(zhì)能平滑地流動(dòng)，因而有助于冷卻介質(zhì)均勻地流動(dòng)，并使半導(dǎo)體芯片的溫度均勻。具體而言，將形成冷卻介質(zhì)聚集室27的側(cè)壁相對(duì)于冷卻介質(zhì)的流動(dòng)方向的傾斜角Θ out設(shè)置為60° ( Θ out <80°。在這種情況下，冷卻介質(zhì)能均勻地流動(dòng)，因而有助于提高冷卻性能。
[0030]對(duì)于作為一個(gè)示例所制造的冷卻器的尺寸，如圖4所示，對(duì)于冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口24, Din=13mm, D=13mm。對(duì)于冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁25的高度與冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口 24的上端之間的關(guān)系，H=4.5mm。冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口 24的垂直方向上的中央位置與冷卻片冷卻室28的底面之差SS為SS=3mm。平板葉片11的下端與冷卻片冷卻室28的底面之間的間隔S為S=0.5mmο冷卻介質(zhì)排出端口 21的直徑Dout是Dout=13mm。平板葉片的高度Hf是Hf=10mm。
[0031]在本發(fā)明中，冷卻介質(zhì)在垂直于冷卻介質(zhì)的流動(dòng)方向的方向上均勻地流動(dòng)。優(yōu)選如圖1所示，將要冷卻的半導(dǎo)體芯片14?16沿著與冷卻介質(zhì)的流路相交的方向設(shè)置在散熱器I上，特別是沿著與冷卻介質(zhì)的流路正交的方向設(shè)置在散熱器I上，以使得均勻地提高半導(dǎo)體芯片14?16的冷卻效果。
在散熱器I與冷卻介質(zhì)套2之間，將作為密封構(gòu)件的O形環(huán)23沿著開口部30設(shè)置在開口部30的外部，以包圍冷卻介質(zhì)套2中的冷卻介質(zhì)的流路。在這種情況下，密封構(gòu)件并不限于O形環(huán)23，也可以使用其他密封構(gòu)件，例如封裝。
[0032]圖9表示采用平板葉片11的結(jié)構(gòu)中的冷卻介質(zhì)的流動(dòng)的模擬結(jié)果。冷卻介質(zhì)均勻地流過中央的平板葉片11和周邊的平板葉片11。基于采用上述結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件的溫度分布的模擬結(jié)果可知，半導(dǎo)體電路14?16的每個(gè)IGBT元件13都具有較低的低溫及均勻的溫度分布。采用具有高熱傳導(dǎo)性的金屬材料，例如銅或鋁來構(gòu)成散熱器I和冷卻介質(zhì)套2。
[0033]在上述實(shí)施方式中，將平板葉片11用作散熱器I中的葉片。但是，如圖11所示，也能并排設(shè)置具有圓形截面的圓形針18，或如圖15所示，也能并排設(shè)置具有長(zhǎng)方形截面的角形針19。在此情況下，能獲得與上述相同的作用和效果。
[0034]圖12表示呈鋸齒狀配置圓形針18時(shí)的冷卻片結(jié)構(gòu)。在圖12、圖15、及圖16中，箭頭100表示冷卻介質(zhì)的流動(dòng)方向，參考標(biāo)記101表示安裝孔。圖16表示呈鋸齒狀配置角形針19時(shí)的冷卻片結(jié)構(gòu)。在使用上述附圖中的冷卻片時(shí)，能獲得與本發(fā)明的上述效果相同的效果。在這種情況下，對(duì)于圓形針18的設(shè)置密度，如圖13所示那樣從前側(cè)(冷卻介質(zhì)導(dǎo)入側(cè))進(jìn)行觀察時(shí)，將后排的圓形針以未隔開間隔的方式設(shè)置在前排的圓形針18之間來進(jìn)行排列時(shí)，其冷卻效率高于在前排與后排的圓形針18a之間隔開有間隔的方式來進(jìn)行排列時(shí)的冷卻效率。在圖13中，實(shí)線表示在前排的針，點(diǎn)線表示下一排的針。即使與平板葉片11相比，冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁25的高度較低，利用上述針也能獲得與上述相同的效果。
[0035]在使用圓形針18的示例中，圓形針18的直徑是2mm，圓形針18的高度是10mm，圓形針18之間的間距是1mm。
在使用角形針19的示例中，角形針19的一邊長(zhǎng)度是2mm，角形針19的高度是10mm，角形針19之間的間距是1mm。
[0036]圖11是表示在如圖10所示那樣并排設(shè)置圓形針18時(shí)的冷卻片結(jié)構(gòu)中的、冷卻介質(zhì)的流動(dòng)的模擬結(jié)果的示意圖。圖14是表示在呈鋸齒狀配置圓形針18時(shí)的本發(fā)明中的、冷卻介質(zhì)的流動(dòng)的模擬結(jié)果的示意圖。該模擬結(jié)果表示冷卻介質(zhì)會(huì)均勻地流過中央的冷卻片和周邊的冷卻片。對(duì)于上述結(jié)構(gòu)，對(duì)半導(dǎo)體芯片的溫度分布進(jìn)行了模擬及測(cè)量。如表I所示，模擬結(jié)果證實(shí)半導(dǎo)體電路14?16中的每個(gè)IGBT元件13都具有較低的溫度和均勻的溫度分布。
[0037]同樣地，對(duì)于圖17所示的呈鋸齒狀設(shè)置的角形針19，也能獲得相同的效果。在這種情況下，與圓形針18的設(shè)置相同，在角形針19之間未設(shè)置間隔的情況下，其冷卻效率要高于在角形針19之間設(shè)置間隔時(shí)的冷卻效率。此外，即使冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁25的高度較低，上述結(jié)構(gòu)也與上述平板葉片11同樣地能獲得與上述相同的效果。
[0038]對(duì)于冷卻片，即平板葉片11、圓形針18、及角形針19，對(duì)半導(dǎo)體電路中具有IGBT芯片的示例來測(cè)量相對(duì)于冷卻介質(zhì)的流速的IGBT接合溫度、及相對(duì)于流速的壓力損耗。圖21和圖22示出了測(cè)量結(jié)果。對(duì)于圓形針冷卻片，最高芯片溫度是141.6°C，對(duì)于角形針冷卻片，最高芯片溫度是136.(TC。對(duì)于圓形針冷卻片，壓力損耗是4.8kPa，對(duì)于角形針冷卻片，壓力損耗是6.0kPa0由于圓形針冷卻片的體積密度較小，因而圓形針冷卻片的壓力損耗較小。相反地，由于角形針冷卻片的表面積較大，因而角形針冷卻片的芯片溫度較低，但是由于角形針冷卻片的體積密度較大，因而角形針冷卻片的壓力損耗較大。測(cè)量結(jié)果證實(shí)按照?qǐng)A形針18、角形針19、平板葉片11的順序，冷卻性能依次提高。
[0039]為了確認(rèn)由模擬所預(yù)測(cè)的冷卻性能的可信度，使用實(shí)際裝置來對(duì)角形針19檢測(cè)芯片溫度的上升。采用以下測(cè)量條件，以與模擬條件相匹配。
總損耗:IGBT:258W 和 FffD:31ff ；
冷卻介質(zhì):LLC 50% ；
流速:5 to 15/min;以及 冷卻介質(zhì)的溫度:65°C
[0040]在流速為10L/min的情況下，與角形針19的模擬結(jié)果進(jìn)行比較。將比較結(jié)果示于表1。在表1中，A~F對(duì)應(yīng)于圖1 (a)中從左上方到右下方設(shè)置的IGBT兀件13。已確認(rèn)各相的最大誤差是2%左右，且模擬值與測(cè)量值大致相等?；跍y(cè)量結(jié)果來計(jì)算熱阻抗，熱阻抗為0.27K/ff(IGBT平均值)。一邊改變流速一邊進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果證實(shí)熱阻抗取決于流速。圖23是表示在流速為5L/min~15L/min時(shí)的熱阻抗、壓力損耗的流速依賴性的圖(測(cè)量值)。若比較5L/min和15L/min，可知IGBT和FWD的熱阻抗在流速為15L/min時(shí)比其在流速為5L/min時(shí)要低10%左右。因而，可認(rèn)為隨著流速的增加，散熱性能得到提高。
[0041][表 I]
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體模塊冷卻器，從外部向冷卻介質(zhì)套提供冷卻介質(zhì)，并對(duì)一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體元件進(jìn)行冷卻，所述半導(dǎo)體元件設(shè)置于所述半導(dǎo)體模塊冷卻器的外表面并通過散熱器與所述冷卻介質(zhì)套進(jìn)行熱連接，其特征在于， 所述冷卻介質(zhì)套包括: 冷卻片冷卻室，該冷卻片冷卻室包括開口部并對(duì)冷卻片進(jìn)行冷卻，所述開口部中插入有所述冷卻片，該冷卻片形成于所述散熱器的與連接有所述半導(dǎo)體元件的表面相反一側(cè)的表面； 冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口，從該冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口導(dǎo)入所述冷卻介質(zhì)； 冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室,該冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室使從所述冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口導(dǎo)入的所述冷卻介質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散，并將所述冷卻介質(zhì)提供給所述冷卻片冷卻室； 冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁，該冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁設(shè)置于所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室中并偏向于所述冷卻片冷卻室側(cè)，且由所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室所擴(kuò)散的所述冷卻介質(zhì)越過所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁而被導(dǎo)入到所述冷卻片冷卻室中； 冷卻介質(zhì)排出端口，經(jīng)由該冷卻介質(zhì)排出端口將所述冷卻介質(zhì)排出到外部；以及 冷卻介質(zhì)聚集室，該冷卻介質(zhì)聚集室設(shè)置于所述冷卻片冷卻室和所述冷卻介質(zhì)排出端口之間。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體模塊冷卻器，其特征在于， 所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁的 上端的高度高于或等于所述冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口的上端的高度。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體模塊冷卻器，其特征在于， 所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁的面向所述冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口的表面是傾斜面，該傾斜面從下部向其上部前傾。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體模塊冷卻器，其特征在于， 所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁的上端的高度高于或等于所述冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口的上端的高度， 所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁的面向所述冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口的表面是傾斜面，該傾斜面從下部向其上部前傾。
5.如權(quán)利要求1至4的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體模塊冷卻器，其特征在于， 所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室形成為從所述冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口向著所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁變寬。
6.如權(quán)利要求1至4的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體模塊冷卻器，其特征在于， 所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散室形成為從所述冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口向著所述冷卻介質(zhì)擴(kuò)散壁變寬， 所述冷卻介質(zhì)聚集室形成為從所述冷卻介質(zhì)排出端口向著所述冷卻片冷卻室變寬。
7.如權(quán)利要求1至4的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體模塊冷卻器，其特征在于， 在所述散熱器上，在與所述冷卻介質(zhì)從所述冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端口流向所述冷卻介質(zhì)排出端口的方向正交的方向上，配置有多個(gè)所述半導(dǎo)體元件。
8.如權(quán)利要求1至4的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體模塊冷卻器，其特征在于， 所述冷卻片是包括多個(gè)平板葉片、多個(gè)剖視時(shí)為圓形的圓形針、和多個(gè)剖視時(shí)為多邊形的角形針中的任意一種。
9.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體模塊冷卻器，其特征在于， 在所述冷卻片是多個(gè)圓形針或多個(gè)角形針時(shí)，將所述針配置成鋸齒狀。
10.如權(quán)利要求1至4的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體模塊冷卻器，其特征在于，在所述散熱器和所述冷卻介質(zhì)套之間設(shè)置有至少包圍所述開口部的密封構(gòu)件。
【文檔編號(hào)】H01L23/473GK103477432SQ201280018786
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月16日
【發(fā)明者】長(zhǎng)畦文男 申請(qǐng)人:富士電機(jī)株式會(huì)社