JP2006303264A

JP2006303264A - 半導体モジュールの冷却装置

Info

Publication number: JP2006303264A
Application number: JP2005124473A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamabuchi; 浩史山渕
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2025-04-22
Also published as: JP4041131B2

Abstract

【課題】半導体チップの高集積化、高密度化、大電力化に伴う発熱密度の増加に対応可能な半導体モジュールの冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却液が通流され、内壁部に複数の奪熱部４ａを有する容器４と、上記複数の奪熱部にそれぞれ対向して設けられ、各奪熱部にそれぞれ冷却液を噴射させる複数のノズル５を備え、上記奪熱部を半導体モジュール１の放熱面１ａに熱的に結合させる半導体モジュールの冷却装置において、上記複数のノズル相互の間に、上記ノズルから噴射された冷却液が互いに干渉するのを防ぐ隔壁９を設けるようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体素子の高密度化、大電力化に伴う発熱密度の増加に対応可能な放熱構造を有する半導体モジュールの放熱装置に関し、さらに詳細には噴流冷却方式を用いる半導体モジュールの放熱装置に関する。

自動車などに搭載される半導体モジュール、例えばハイブリッド車の電力変換装置などに用いられるパワー半導体モジュールの冷却装置は、許容空間の制約から小型化が要求される一方で、発熱密度は急速に高まりつつあり、冷却性の面から放熱面積は増大したいといった相反する要求がある。この小型でかつ高冷却能力の要請に対応する冷却方式として放熱能力の高い液体を用いた液冷方式が採用され、パワー半導体素子の温度上昇の抑制が図られている。この液冷方式の中でも、流体の噴流を利用した噴流冷却方式は、局部的であるものの熱伝達率に換算すると、通常の液冷方式では到達し得ない程度の冷却性能を実現できることが知られている。例えば下記特許文献１によると、複数の中心ノズルを発熱源に対向させて配置し、より低圧損で大流速を得るノズルの構成や形状についての提案がなされている。

上記のような液冷方式においては、半導体素子の動作により発生した熱は半導体素子を内部に包含する半導体モジュールを伝わり、ヒートシンクに熱が伝導される。そして、ヒートシンクに伝導された熱は冷却液に吸収されて半導体素子の温度を所定のある一定の温度以下に維持している。半導体素子の発熱密度が増加した場合は、冷却液の流速を高めて放熱能力を向上させることで対応することができる。一方、ヒートシンクまで伝導してきた熱は、冷却液がノズルより噴流冷却液としてヒートシンク内面に衝突して熱を吸収する。そして吸収した熱を持った冷却液は排出側に流出され、半導体素子の温度をある所定の一定の温度に維持している。この時、噴出ノズルの間隔を狭くすると隣り合う噴流冷却液の流れ同士の干渉が発生し、噴流冷却効果が所定の放熱能力を発揮しなくなる。そこでノズルの本数を増やしたりして所定の放熱能力を得るか、噴流冷却水間の干渉を発生させないように配列ピッチを拡げるかして対処している（例えば特許文献１参照。）。

特開２００３−１４２６４０公報（第１頁、図１）

上記のような従来の半導体モジュールの冷却装置においては、半導体モジュールに冷却板を取りつけて冷却水を流したり、ノズルより冷却水を噴流させたりして、半導体チップの温度をある一定の温度に維持していたが、近年従来の半導体装置と比較して数倍、ないし数十倍に高出力が可能な新しい半導体チップが開発され、その結果ますます発熱密度が増大してきており、従来の放熱能力では不足するという問題点が発生してきた。

この発明は、上記のような従来技術の課題を解決するためになされたもので、半導体チップの高集積化、高密度化、大電力化に伴う発熱密度の増加に対応可能な放熱能力が向上された半導体モジュールの冷却装置を得ることを目的としている。

第１の発明に係る半導体モジュールの冷却装置は、冷却液が通流され、内壁部に複数の奪熱部を有する容器と、この容器内の上記複数の奪熱部にそれぞれ対向して設けられ、各奪熱部にそれぞれ冷却液を噴射させる複数のノズルを備え、上記奪熱部を半導体モジュールの放熱面に熱的に結合させて用いる半導体モジュールの冷却装置において、上記複数のノズル相互の間に、上記ノズルから噴射された冷却液が互いに干渉するのを防ぐ隔壁を設けてなるものである。
第２の発明に係る半導体モジュールの冷却装置は、冷却液が通流され、内壁部に複数の奪熱部を有する容器と、この容器内の上記複数の奪熱部にそれぞれ対向して設けられ、各奪熱部にそれぞれ冷却液を噴射させる複数のノズルを備え、上記奪熱部を半導体モジュールの放熱面に熱的に結合させて用いる半導体モジュールの冷却装置において、上記容器の内壁部における奪熱部近傍に設けられ上記ノズルから上記奪熱部に噴射された冷却液を下流方向に導く複数の案内フィンを備えるようにしたものである。

第１の発明においては、複数のノズル相互の間に、噴射された冷却液の干渉を防ぐ隔壁を設けたことにより、ノズルから噴射された冷却液の流れが、隣接するノズルから噴射された冷却液によって妨げられることがなくなり、流速が落ちることがなくなることで各奪熱部の均質な冷却が可能となり、放熱能力が向上する。
また、第２の発明においては、容器内壁部の奪熱部近傍に、ノズルから噴射された冷却液を下流方向に導く複数の案内フィンを設けたことにより、複数のノズル相互から噴射された冷却液相互の干渉が減少し、各奪熱部の均質な冷却が可能となり、放熱能力が向上する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による半導体モジュールの冷却装置を概念的に説明する図であり、図１（ａ）は要部を示す断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図である。なお、図１（ａ）は図１（ｂ）のＩａ−Ｉａ線における断面図に相当する。図において、半導体モジュール１の内部には発熱源となる複数（この例では１つの半導体モジュールにつき４つ）の半導体素子２が並設され、図１（ｂ）の下面部に、各半導体素子２に対応した４つの放熱面１ａがそれぞれ形成されている。上記半導体素子２は、例えば電力変換に用いられるＩＧＢＴ、フライホイールダイオードなどのパワー半導体素子からなるが、必ずしも電力変換用の半導体素子のみに限定されるものではない。

ヒートシンクである箱状の冷却装置３は、上面部に上記半導体モジュール１を２つ並べて密着させるように形成されており、冷却液（図示省略）を通流させる内壁部の図１（ｂ）の上面部には上記合計８つの半導体素子２に対応する位置に冷却液をそれぞれ勢いよく衝突させる８つの奪熱部４ａを有する容器４と、この容器４内を下部室４１と上部室４２に仕切ると共に、上記８つの奪熱部４ａにそれぞれ対向して設けられ、各奪熱部４ａにそれぞれ冷却液を噴射させる８つの断面円形のノズル５を有する仕切り部材６と、容器４の下部室４１に冷却液を導入する入口流路７と、容器４の上部室４２から冷却液を排出する出口流路８を備えている。

下部室４１内には、該下部室４１内中央部を図１（ａ）に示すように通流方向に２分するように整流板４３が設けられている。上部室４２内には、隣接するノズル５の間をノズル２つずつに区画する隔壁９が設けられている。該隔壁９はノズル５、及び仕切り部材６と同一材料により一体的に形成され、上端部は容器４の内壁に当接している。なお、矢印Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは冷却液の流れの方向を示している。また、冷却液の循環手段、及び昇温した冷却液の放熱手段、半導体モジュール１と冷却装置３の固定手段などは図示を省略している。なお、隔壁９の形状は図示のものに限定されるものではなく、例えば、下記実施の形態２で例示する隔壁９１のような形状などでもよい。

次に上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。半導体モジュール１は、図示を省略している固定手段によって放熱面１ａを冷却装置３の図の上面部に密着させることによって、奪熱部４ａと半導体モジュール１の放熱面１ａが熱的に結合されている。半導体素子２が動作すると、半導体モジュール１内の発熱源となる。そして発熱源の半導体素子２からの熱は半導体モジュール１内を伝わり、冷却装置３の上面部から奪熱部４ａに伝導する。奪熱部４ａに伝導された熱は、入口流路７から矢印Ａのように下部室４１内に導入され、仕切り部材６と一体的に形成されたノズル５より矢印Ｂ、Ｃのように噴出され、冷却液が冷却装置３の内壁の奪熱部４ａに衝突することにより冷却液に吸収される。

ここで、ノズル５から上部室４２内に噴出した冷却液は、冷却装置３の内壁の奪熱部４ａに衝突して熱を奪った後、流れの方向を放射状に変えるが、隔壁９が隣り合うノズル５の間に設けられていることにより、噴射された冷却液が相互に干渉し、乱流や滞留を生じ、受熱して温度が上昇した冷却液が再び奪熱部４ａに衝突したりするのを防いでいる。

上記のように、この実施の形態１によれば、ノズル５相互の間に該ノズル５から噴出した冷却液の流れの干渉を防ぐ隔壁９を設けたことにより、ノズル５から上部室４２内の奪熱部４ａに噴出した冷却液は、噴流後の流れに対し相互の干渉がなくなるため、噴流の流速が一定となって均一な流れを実現することができ、複数の熱源に対し均質な冷却性能を得られ、放熱能力が向上する。この結果、発熱密度の高い半導体モジュールであっても十分な冷却性能が得られる。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２に係る半導体モジュールの冷却装置を概念的に説明する図である。図２（ａ）は要部をイメージ的に示す断面図、図２（ｂ）は平面方向の断面図であり、図２（ａ）の略ＩＩｂ−ＩＩｂ線における断面図に相当する。図において、隣接するノズル５の側方及び上部空間を仕切る隔壁９１は、断面略十字形を横方向に連結した形状に形成され、各ノズル５の側方及び上部空間をそれぞれ個別に仕切る如く設けられている。さらに、容器４の内壁部における奪熱部４ａ近傍には、ノズル５から奪熱部４ａに噴射された冷却液を下流方向に導く多数の案内フィン１０が設けられている。

この実施の形態２では、容器４は例えば銅、アルミニウムなどの熱伝導率の良好な金属からなり、案内フィン１０は、その容器４と同一材料で一体的に構成され、かつ冷却液をスムーズに下流方向に導くように曲面で形成され、具体的には図２（ａ）の上部側が容器４の内壁部に固着され、下端部は仕切り部材４との間に隙間が形成されている。なお、矢印Ｃ１は上部室４２内に噴射された冷却液の流れの方向を概念的に示す。その他の符号は上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

次に上記のように構成された実施の形態２の動作について説明する。ノズル５より噴出した冷却液は、容器４内の上部室４２の奪熱部４ａに衝突し奪熱した後、放射状に流れの向きを変え、矢印Ｃ１に示すような流れとなる。このとき隔壁９１により隣り合うノズル５からの噴流との干渉を無くすことは実施の形態１と同様であるが、この実施の形態２ではさらに案内フィン１０が設けられていることにより、出口流路８に向かう流れが、下流での隣のノズルから噴出した流れと合流する際に、上流側への逆流や、あるいは干渉により、上流側からの流れを止めるような現象を防ぐことができる。

このとき案内フィン１０は曲面で形成され、冷却液の流れに対し圧力損失を抑制した形状であるとともに、容器４の内面に固着されて一体的に形成され、銅あるいはアルミニウムなどの高熱伝導率を有する材料からなるので、奪熱部４ａの冷却液との接触面積を大きくした場合と同様の作用により、冷却液への伝熱が促進され、放熱能力が向上する。

上記のように、この実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加えて、曲面を有する案内フィン１０を設けたことにより、ノズル５から流出した冷却液の流れが一層スムーズになり、さらに案内フィン１０を熱伝導率に優れた材料からなる容器４と一体的に形成したことにより、奪熱部４ａの冷却液との接触面積が大きくなると同時に、冷却効率がさらに向上し、複数の半導体素子２の温度を所定の温度以下に安定して維持することが容易となる。

実施の形態３．
なお、上記実施の形態１、２で用いた隔壁９、または隔壁９１、ノズル５、及び仕切り部材６は、それぞれ個別に形成したものを組み立てても差し支えないが、これらを樹脂成型により一体化して形成した場合には、冷却液が最適な流れを形成するように、隔壁９、または隔壁９１、ノズル５、及び仕切り部材６の形状を、複雑な曲線を有する形状に形成することも容易であり、しかも注型金型を用いてひとつの工程で同時に形成できることから、組立て作業も省力化できるとともに、製造コストが安価にできるなどの効果も期待できる（図示省略）。

なお、上記実施の形態ではノズル５の噴出口が円形の場合について説明したが、円形に限定されるものではなく、例えば楕円形、多角形、あるいはこれらを組み合わせた任意の形状でも差し支えない。また、１つの奪熱部４ａ毎に１つのノズル５を配設したが、ノズルは１つの奪熱部４ａに対して複数設けてもよい。さらに、実施の形態２では隔壁９１と共に、案内フィン１２を設けたが、隔壁９１を設けずに、案内フィン１２のみ備えるように構成しても相当の効果が期待できる。また、容器４の形状や奪熱部４ａの配置の仕方、冷却液の通流経路など、上記実施の形態で例示したものに限定されるものではないことは当然である。

この発明の実施の形態１による半導体モジュールの冷却装置を概念的に説明する図であり、（ａ）は要部を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図である。なお、（ａ）は（ｂ）のＩａ−Ｉａ線における断面図に相当する。この発明の実施の形態２に係る半導体モジュールの冷却装置を概念的に説明する図であり、（ａ）は要部をイメージ的に示す断面図、（ｂ）は平面方向の断面図であり、（ａ）の略ＩＩｂ−ＩＩｂ線における断面図に相当する。

符号の説明

１半導体モジュール、１ａ放熱面、２半導体素子、３冷却装置（ヒートシンク）、４容器、４ａ奪熱部、４１上部室、４２下部室、４３整流板、５ノズル、６仕切り部材、７入口流路、８出口流路、９、９１隔壁、１０案内フィン、１１、１２、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｃ１、Ｄ冷却液の流れの方向。

Claims

冷却液が通流され、内壁部に複数の奪熱部を有する容器と、この容器内の上記複数の奪熱部にそれぞれ対向して設けられ、各奪熱部にそれぞれ冷却液を噴射させる複数のノズルを備え、上記奪熱部を半導体モジュールの放熱面に熱的に結合させて用いる半導体モジュールの冷却装置において、上記複数のノズル相互の間に、上記ノズルから噴射された冷却液が互いに干渉するのを防ぐ隔壁を設けてなることを特徴とする半導体モジュールの冷却装置。
冷却液が通流され、内壁部に複数の奪熱部を有する容器と、この容器内の上記複数の奪熱部にそれぞれ対向して設けられ、各奪熱部にそれぞれ冷却液を噴射させる複数のノズルを備え、上記奪熱部を半導体モジュールの放熱面に熱的に結合させて用いる半導体モジュールの冷却装置において、上記容器の内壁部における奪熱部近傍に設けられ上記ノズルから上記奪熱部に噴射された冷却液を下流方向に導く複数の案内フィンを備えたことを特徴とする半導体モジュールの冷却装置。
上記隔壁は、上記ノズルと一体的に形成された樹脂成形体からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体モジュールの冷却装置。
上記案内フィンは、上記容器と一体的に形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の半導体モジュールの冷却装置。