专利名称：半导体元件的冷却构造的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及半导体元件的冷却构造，特别涉及装载在具有冷却剂流路 的散热器上的半导体元件的冷却构造。
背景技术：
从以往就有用于冷却半导体元件等发热体的冷却装置被公众所知。例
如，日本专利文件特开2004-103936号公报(专利文件1)公开了具备使 来自半导体元件的热量散逸的散热器的半导体装置。其中，在构成冷却剂
的流路的壳体的内壁上设置有多个突起。
另外，日本专利文件特开平10-200278号公报(专利文件2)公开了 具有肋片的冷却装置，所述肋片在冷却风的流通方向上具有连续弯曲成波 形的形状。
另外，日本专利文件特开2004-119939号公报(专利文件3)公开了 在散热器的内部设置引线回路(wire loop)来提高冷却效率的方法。
另外，日本专利文件特开2001-352025号公报(专利文件4)公开了 根据距冷却剂的流入口的距离来使流路的宽度变化的冷却装置。
当使冷却剂在形成于散热器内的冷却剂流路中流动时，越往冷却剂流 路的下游侧，冷却剂流路的壁面上的边界层越厚。由于在边界层冷却剂的 流速低，因此边界层的变厚使冷却效率降低。
从提高冷却效率的观点可以想到例如，通过将流路微细化来增大传 热面积。然而，当将流路的微细化时，压力损失将会增大。
另外，在冷却剂沸腾的沸腾冷却中，会在传热面上形成气泡膜，出现 由于该气泡膜而阻碍由冷却剂进行的冷却的情况。
为了防止上述的边界层或气泡膜的发展，优选的是使得在冷却剂流中 产生湍流(turbulence)。然而，上述的专利文件1 4没有记载能够肯定生 成有效的湍流来提高冷却效率的构成。例如，在专利文件1中，虽然在构成冷却剂流路的壳体的内表面上形成有突起，但是该突起是沿着冷却剂的 流动方向延伸的，不能确定通过该突起肯定能充分促进湍流的产生、提高 冷却效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冷却效率高的半导体元件的冷却构造。 本发明中的半导体元件的冷却构造，在一方面，包括半导体元件； 散热器，所述散热器具有装载半导体元件的装载面，并且在内部形成有供 冷却剂流动的冷却剂流路，所述冷却剂用于冷却半导体元件；以及突出
部，设置在散热器的位于与装载面的相反侧的部分，在与冷却剂的流动方 向交叉的方向上延伸，并且从冷却剂流路的壁面向冷却剂流路的内侧突 出，并且，突出部被设置成位于半导体元件的附近且比半导体元件在冷却 剂的流动方向上的中心更靠上游侧的位置。
作为一个示例，上述半导体元件的冷却构造还包括装载在装载面上的 第二半导体元件，半导体元件和第二半导体元件被排列配置在所述冷却剂 的流动方向上，使得第二半导体元件位于比半导体元件更靠上游侧的位 置，突出部被设置成位于比第二半导体元件更靠下游侧且比半导体元件在 冷却剂的流动方向上的中心更靠上游侧的位置。
根据上述的构成，通过设置从冷却剂流路的底面突出的突出部，能够 在半导体元件的附近生成在装载面侧流速大的流速分布，并且能够产生由 冷却剂的湍流，抑制边界层变厚。结果，能够提高由冷却剂的热传导效 率，提高半导体元件的冷却效率。
在上述的半导体元件的冷却结构中，优选的是还包括第二突出部，所 述第二突出部被设置在散热器的面对突出部的部分，在与冷却剂的流动方 向交叉的方向上延伸，从冷却剂流路的壁面向冷却剂流路的内侧突出，并 且位于比突出部更靠上游侧的位置。
根据上述的构成，根据设置在冷却剂流路的上表面和底面的一对突出 部，容易形成朝向半导体元件的装载部的冷却剂流，因此提高了半导体元 件的冷却效率。在上述的构成中"沿着与冷却剂的流动方向交叉的方向延伸"包括 沿着与冷却剂的流动方向交叉的方向连续地延伸的情况和沿着与冷却剂的 流动方向交叉的方向断续地延伸的情况。
本发明的半导体元件的冷却构造，在另一方面，包括半导体元件以 及散热器，所述散热器具有装载半导体元件的装载面，并且在内部形成有 供冷却剂流动的冷却剂流路，所述冷却剂用于冷却半导体元件，散热器包 括第一部件和第二部件，其中，所述第一部件包含装载面，所述第二部件 被设置成面对第一部件，第一部件具有多个肋片，所述肋片是沿着所述冷 却剂流路形成的，并且从所述冷却剂流路的壁面向所述冷却剂流路的内侧 突出，第二部件具有突出部，所述突出部以在肋片的长边方向的一部分上 嵌合在肋片之间的方式形成，并且从冷却剂流路的壁面向冷却剂流路的内 侧突出。
根据上述的构成，通过设置从冷却剂流路的底面突出的突出部，能够 在半导体元件的附近生成在装载面侧流速大的流速分布，并且能够产生由 冷却剂的湍流，抑制边界层变厚。结果，能够提高由冷却剂的热传导效 率，提高半导体元件的冷却效率。另外，通过以使肋片和突出部嵌合的方 式组合第一和第二部件，决定当构成散热器时的第一和第二部件的位置变 得容易。
在上述的半导体元件的冷却结构中，优选的是突出部被设置在将在冷 却剂流路中流动的冷却剂流引向半导体元件的位置。
作为一个示例，在上述的半导体元件的冷却结构中，半导体元件被包 含在用于对驱动车辆的旋转电机进行控制的控制装置中。
如上所述，根据本发明能够提高半导体元件的冷却效率。
也可以适当组合上述构成中的两个以上的构成。
图1是示出应用了本发明的一个实施方式中的半导体元件的冷却构造 的PCU的主要部件的构成的电路图；图2是示出本发明的一个实施方式中
的半导体元件的冷却构造的截面图；图3是图2中的III-III截面图4是拆开示出图2、图3示出的冷却构造的立体图5是示出本发明的一个实施方式中的半导体元件的冷却构造的变形 例的截面图6是示出本发明的一个实施方式中的半导体元件的冷却构造的其他
的变形例的截面图7是示出在图2 图6中示出的冷却构造中的突出部的变形例的图； 图8是示出在图2~图6中示出的冷却构造中的突出部的其他的变形例
的图9是示出构成本发明的一个实施方式中的半导体元件的冷却构造的 散热器的立体图10是示出将半导体元件装载在图9示出的散热器上的状态的一个 示例的上表面图。
具体实施例方式
下面，对本发明的实施方式进行说明。对于相同或相当的部分标注相 同的参照标号，有时不重复对其进行说明。
在下面说明的实施方式中，在涉及个数、量等的情况下，除了有特殊 记载的之外，本发明的范围不一定局限于该个数、量等。另外，在以下的 实施方式中，各个构成要素除了有特殊记载的之外并不一定是本发明必需 的。另外，在下面存在多个实施方式的情况下，除了有特殊记载的情况之 外，最初就已预料到了可以对各个实施方式的构成进行适当的组合。
图1是示出应用了本发明的一个实施方式中的半导体元件的冷却构造 的PCU的主要部件构成的电路图。图1所示的PCU100是"驱动车辆的旋
转电机的控制装置"。
参照图1， PCU100是包含转换器110、逆变器120、 130、控制装置 140、电容器C1、 C2来构成的。转换器IIO连接在电池B和逆变器120、 130之间，逆变器120、 130分别与电动发电机MG1、 MG2连接。
转换器110包括功率晶体管Q1、 Q2、 二极管D1、 D2、电抗器L。功率晶体管Ql、 Q2串联连接，在基极接收来自控制装置140的控制信 号。二极管Dl、 D2以使电流从功率晶体管Ql、 Q2的发射极侧流向集电 极侧的方式分别连接在功率晶体管Q1、 Q2的发射极-集电极之间。电抗器 L的一端连接在与电池B的正极连接的电源线PL1上，另一端连接在功率 晶体管Q1与Q2的连接点上。
该转换器IIO利用电抗器L对从电池B接收的直流电压进行升压，将 该升压后的升压电压提供给电源线PL2。另外，转换器110对从逆变器 120、 130接收的直流电压进行降压，对电池B进行充电。
逆变器120、 130分别包括U相桥臂121U、 131U、 V相桥臂 121V、 131V、 W相桥臂121W、 131W。 U相桥臂121U、 V相桥臂121V 以及W相桥臂121W并联连接在节点Nl和节点N2之间。同样地，U相 桥臂131U、 V相桥臂131V以及W相桥臂131W并联连接在节点Nl和节 点N2之间。
U相桥臂121U包括串联连接的两个功率晶体管Q3、 Q4。同样地，U 相桥臂131U、 V相桥臂121V、 131V以及W相桥臂121W、 131W分别包 括串联连接的两个功率晶体管Q5 Q14。另外，各功率晶体管Q3 Q14的 集电极-发射极之间分别连接有使电流从功率晶体管Ql、 Q2的发射极侧流 向集电极侧的二极管D3 D 14 。
逆变器120、 130的各相桥臂的中间点分别连接在电动发电机MG1、 MG2的各相绕组的各相端。并且，在电动发电机MG1、 MG2中，被构成 为U、 V、 W相三个绕组的一端共同连接在中点。
电容器Cl连接在电源线PL1、 PL3之间，对电源线PL1的电压电平 进行平滑。另外，电容器C2连接在电源线PL2、 PL3之间，对电源线PL2 的电压电平进行平滑。
逆变器120、 130基于来自控制装置140的驱动信号将来自电容器C2 的直流电压转换成交流电压来驱动电动发电机MG1、 MG2。
控制装置140基于电机扭矩指令值、电动发电机MG1、 MG2的各相 电流值、以及逆变器120、 130的输入电压计算电动发电机MG1、 MG2的 各相绕组电压，基于该计算结果生成用于导通/截止功率晶体管Q3 Q14的PWM (Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)信号，输出给逆变器 120、 130。
另外，控制装置140基于上述的电机扭矩指令值以及电机转速来计算 用于使逆变器120、 130的输入电压最合适的功率晶体管Ql、 Q2的占空 比，基于该计算结果生成用于导通/截止功率晶体管Ql、 Q2的PWM信
号，输出给转换器iio。
并且，控制装置140为了将由电动发电机MG1、 MG2发电得到的交 流电力转换成直流电力对电池B进行充电，对转换器110以及逆变器 120、 130中的功率晶体管Q1 Q14的切换动作进行控制。
在PCU100进行动作时，构成转换器110以及逆变器120、 130的功率 晶体管Q1 Q14以及二极管D1 D14发热。因此，需要设置冷却构造，所 述冷却构造用于促进这些半导体元件的冷却。
图2是示出本实施方式中的半导体元件的冷却构造的截面图，图3是 图2中的III-III截面图。另外，图4是拆开示出图2、图3示出的冷却构造 的立体图。参照图2~图4，本实施方式的半导体元件的冷却构造包括半 导体元件l、装载半导体元件1的散热器2。
半导体元件1例如是图1中的功率晶体管Q1 Q14以及二极管 D1 D14。在图2的示例中，作为半导体元件1示出了多个半导体元件 11、 12。半导体元件l (11、 12)经由装载构造1A被装载在散热器2上。 散热器2由例如铜、铝等的热传导率比较高的金属构成。另外，散热器2 是包含第一部件21和第二部件22来构成的。在第一和第二部件21、 22之 间形成有冷却剂流路20。通过使冷却剂在冷却剂流路20内流动来进行半 导体元件1的冷却。
如图3、图4所示，第一部件21具有向第二部件22突出的多个肋片 4。肋片4是沿着冷却剂流路20的延伸方向、即冷却剂的流动方向(箭头 DR1方向)延伸的。另外，第二部件22具有向第一部件21突出的多个突 出部3。如图3所示，多个突出部3和肋片4是以互相咬合的方式设置 的。另外，肋片4决定冷却剂流路20的高度。当形成散热器2时，如图4 所示，第一和第二部件21、 22沿着箭头0方向以使突出部3和肋片4嵌合的方式进行组合。以如上所述的方式，在散热器2内构成被肋片4分隔的
隧道(channel)型的冷却剂流路20。
当使冷却剂在冷却剂流路20中流动来对半导体元件1进行冷却时， 冷却剂流路20的壁面附近的边界层变厚，出现冷却剂的流速容易变小的 倾向。另外，当进行冷却剂沸腾的沸腾冷却时，位于半导体元件1的装载 部的下部的冷却剂流路20的上表面20B上形成气泡膜。在冷却剂流路20 的上表面20B侧由于冷却剂的流速降低或形成气泡膜，因此半导体元件1 的冷却效率容易降低。
本发明的发明者们想到通过形成沿着与冷却剂的流动方向(箭头 DR1的方向)交叉的方向延伸并且从冷却剂流路20的底面20A向冷却剂 流路20的内侧突出的突出部3 (31、 32)，来提高半导体元件1的冷却效 率。再一次参照图2，突出部3包括沿箭头DR1方向排列的突出部31、 32。突出部31、 32分别形成在冷却剂流路20中的位于半导体元件11、 12 附近的部分。突出部31、 32形成为沿着与冷却剂的流动方向交叉的方向 (箭头DR2的方向)断续地延伸(被肋片4断开)。在图2的示例中，在 半导体元件11、 12的上游侧分别形成有突出部31、 32。图2中的箭头o; 表示局部的冷却剂的流动。
通过设置如上所述的突出部3，能够在半导体元件1的装载位置上使 冷却剂的流动发生偏向，发生湍流，并且能够增大半导体元件1的装载面 侧的冷却剂的流速，抑制边界层的变厚。结果，半导体元件1的冷却效率 得以提高。
设置突出部3的位置可以进行适当改变，典型的是，设置突出部3以 使其位于各半导体元件1的上游侧。例如，在图2的示例中，设置在半导 体元件12的上游侧的突出部32设置在半导体元件11和12之间(换句话 说，位于半导体元件11的下游侧并且位于半导体元件12的上游侧)。突 出部3也可以以与半导体元件1重叠(overlap)的方式设置。例如，图2 示出的突出部32也可以设置在半导体元件12的正下方。即使在这种情况 下，当突出部32比半导体元件12的(箭头DR1方向的)中心设置在更上 游侧时，能够期待与上述相同的效果。另外，通过将突出部3设置在上述的位置，将在冷却剂流路20中流 动的冷却剂流引向半导体元件1。引向半导体元件1的冷却剂流与位于半
导体元件1的正下方的冷却剂流路20的上表面20B冲突，由此破坏上述 的气泡膜。结果，半导体元件1的冷却效率进一步提高。
图5是示出图2~图4示出的冷却构造的变形例的截面图。参照图5， 在本实施例中，设置有从第二部件22向上方突出的突出部3A，并且设置 有从第一部件21向下方突出的突出部3B。换句话说，在图5的示例中， 设置有从冷却剂流路20的底面20A向冷却剂流路20的内侧突出的突出部 3A和从冷却剂流路20的上表面20B向冷却剂流路20内侧突出的突出部 3B。在图5的示例中，突出部3A、 3B也是以沿着与冷却剂的流动方向交 叉的方向延伸的方式设置的。另外，图5中的箭头a表示局部的冷却剂流 动。
通过设置如上所述的一对突出部3A、 3B，能够更加容易引导散热器2 中的朝向位于半导体元件1的正下方的部分(例如图5中的A部)的冷却 剂流。因此，能够进一步提高半导体元件1的冷却效率。
在图2~图5的示例中，对于由第一和第二部件21、 22构成冷却剂流 路20的情况进行了说明，但是散热器2例如也可以如图6所示通过一个部 件在其内部形成中空形状的流路来形成。在图6的示例中，在一根扁平管 的下表面(与半导体元件1的装载面相对的面)设置凹部5A，在上表面 (半导体元件1的装载面)设置凹部5B，由此形成从冷却剂流路20的底 面20A和上表面20B突出的突出部。在图6的示例中，用于形成突出部的 凹部5A、 5B是以沿着与冷却剂的流动方向(箭头DR1方向)交叉的方向 延伸的方式形成的。图6中的箭头a表示局部的冷却剂的流动。
根据图6所示的构成，也能够与图2~图5同样地提高半导体元件1的 冷却效率。另外，由于半导体元件1的发热，有时在扁平管中产生的应力 会增大，然而通过设置上述的凹部5A、 5B能够得到缓和该应力的增大的 效果。
突出部的形状不限于图2 图6中说明的形式，也可以采用例如图7、 图8示出的三角形形状。图9是示出构成上述的冷却构造的散热器的立体图。另外，图IO是
示出将半导体元件装载在图9示出的散热器上的状态的一个示例的上表面 图。参照图9、图IO，散热器2具有装载半导体元件1的装载面2A。如图 IO所示，包含在转换器110以及逆变器120、 130中的半导体元件(功率 晶体管Q1 Q14以及二极管D1 D14)被装载在装载面2A上。散热器2具 有入口部6以及出口部7。在冷却器(radiator,没有图示)中被冷却的冷 却剂从入口部6流入散热器2内，流过在散热器2内形成的冷却剂流路 20。流过冷却剂流路20的冷却剂从出口部7流出，被引导到冷却器，被 再一次冷却。这样，促进半导体元件l的冷却。
概括上述的内容，则如下所述。即，本实施方式中的半导体元件的冷 却构造包括半导体元件l、散热器2、突出部3，其中，半导体元件l包 含半导体元件12以及作为"第二半导体元件"的半导体元件11，散热器 2具有装载半导体元件1的装载面2A，并且在其内部形成有使用于冷却半 导体元件1的冷却剂流动的冷却剂流路20，突出部3设置在散热器2中的 位于与装载面2A的相反侧的部分，沿着与冷却剂的流动方向(箭头DR1 方向)交叉的方向(箭头DR2方向)延伸，并从冷却剂流路20的底面 20A向该冷却剂流路20的内侧突出。在图2 图4中的示例中，半导体元 件11、 12以半导体元件11位于比半导体元件12更靠上游侧的位置的方式 沿着箭头DR1方向排列配置，并且半导体元件12用的突出部32以位于比 半导体元件11更靠下游侧的位置并且比半导体元件12在箭头DR1方向上 的中心更靠上游侧的方式被设置。
另外，在图2 图4的示例中，散热器2包括包含装载面2A的第一 部件21 、面对第一部件21而被设置的第二部件22。其中，第一部件21 具有沿着冷却剂流路20形成的、从冷却剂流路20的上表面2B向冷却剂 流路20的内侧突出的多个肋片4。另外，第二部件22具有突出部3，所 述突出部3以在肋片的长边方向的一部分嵌合在多个肋片之间的方式形 成，并从冷却剂流路20的底面20A向冷却剂流路20的内侧突出。
另外，在图5的示例中，设置有突出部3A和作为"第二突出部"的 突出部3B，其中，突出部3A沿着与冷却剂的流动方向交叉的方向延伸，并且从冷却剂流路20的底面20A向冷却剂流路20的内侧突出；突出部 3B沿着与冷却剂的流动方向交叉的方向延伸，从冷却剂流路20的上表面 20B向冷却剂流路20的内侧突出，并且设置在突出部3A的上游侧。
以上，虽然对本发明的实施方式进行了说明，但是应该认为此次公开 的实施方式在所有的方面只是示例而并不是限制。本发明的范围由权利要 求的范围示出，并且包含与权利要求具有相等的内容及其范围内的所有的 变更。
产业上的实用性
本发明可以适用于例如装载在具有冷却剂流路的散热器上的半导体元 件的冷却构造等。
权利要求
1.一种半导体元件的冷却构造，包括半导体元件(12)；散热器(2)，所述散热器(2)具有装载所述半导体元件(12)的装载面(2A)，并且在内部形成有供冷却剂流动的冷却剂流路(20)，所述冷却剂用于冷却半导体元件(12)；以及突出部(3、3A、5A)，设置在所述散热器(2)的位于与所述装载面(2A)相反侧的部分，在与所述冷却剂的流动方向交叉的方向上延伸，并且从所述冷却剂流路(20)的壁面向所述冷却剂流路(20)的内侧突出；其中，所述突出部(3、3A、5A)被设置成位于所述半导体元件(12)的附近且比所述半导体元件(12)在所述冷却剂的流动方向上的中心更靠上游侧的位置。
2. 如权利要求1所述的半导体元件的冷却构造，其中， 还包括装载在所述装载面(2A)上的第二半导体元件(11)， 所述半导体元件(12)和所述第二半导体元件(11)被排列配置在所述冷却剂的流动方向上，使得所述第二半导体元件(11)位于比所述半导 体元件(12)更靠上游侧的位置，所述突出部(3、 3A、 5A)被设置成位于比所述第二半导体元件 (11)更靠下游侧且比所述半导体元件(12)在所述冷却剂的流动方向上 的中心更靠上游侧的位置。
3. 如权利要求1所述的半导体元件的冷却构造，其中， 还包括第二突出部(3B、 5B)，所述第二突出部(3B、 5B)被设置在所述散热器(2)的面对所述突 出部(3、 3A、 5A)的部分，在与所述冷却剂的流动方向交叉的方向上延 伸，从所述冷却剂流路(20)的壁面向该冷却剂流路(20)的内侧突出， 并且位于比所述突出部(3、 3A、 5A)更靠上游侧的位置。
4. 如权利要求1所述的半导体元件的冷却构造，其中，所述半导体元件(12)被包含在用于对驱动车辆的旋转电机(MG1、 MG2)进行控制的控制装置(100)中。
5. —种半导体元件的冷却构造， 包括半导体元件(1);以及散热器(2)，所述散热器(2)具有装载所述半导体元件(1)的装 载面(2A)，并且在内部形成有供冷却剂流动的冷却剂流路，所述冷却剂 用于冷却半导体元件(1);所述散热器(2)包括第一部件(21)和第二部件(22)，其中，所 述第一部件(21)包含所述装载面(2A)，所述第二部件(22)被设置成 面对所述第一部件(21)，所述第一部件(21)具有多个肋片(4)，所述肋片(4)是沿着所述 冷却剂流路(20)形成的，并且从所述冷却剂流路(20)的壁面向该冷却 剂流路(20)的内侧突出，所述第二部件(22)具有突出部(3)，所述突出部(3)以在所述肋 片(4)的长边方向的一部分上嵌合在多个所述肋片(4)之间的方式形 成，并且从所述冷却剂流路(20)的壁面向该冷却剂流路(20)的内侧突 出。
6. 如权利要求5所述的半导体元件的冷却构造，其中， 所述突出部(3)被设置在将在所述冷却剂流路(20)中流动的冷却剂流引向所述半导体元件(1)的位置。
7. 如权利要求5所述的半导体元件的冷却构造，其中， 所述半导体元件(1)被包含在用于对驱动车辆的旋转电机(MG1、MG2)进行控制的控制装置(100)中。
全文摘要
半导体元件的冷却构造包括第一和第二半导体元件(11、12)；散热器(2)，所述散热器(2)具有装载所述半导体元件(11、12)的装载面(2A)，并且在内部形成有供冷却剂流动的冷却剂流路(20)，所述冷却剂用于冷却半导体元件(11、12)；以及突出部(3)，被设置在散热器(2)的位于与所述装载面(2A)相反侧的部分，沿着与冷却剂的流动方向(箭头DR1方向)交叉的方向上延伸，并且从冷却剂流路(20)的底面向所述冷却剂流路(20)的内侧突出。半导体元件(11、12)以第一半导体元件(11)位于比第二半导体元件(12)更靠上游侧的位置的方式沿着箭头DR1方向排列配置，第二半导体元件(12)用的突出部(32)被设置成位于比第一半导体元件(11)更靠下游侧且比第二半导体元件(12)在箭头DR1方向上的中心更靠上游侧的位置。
文档编号H01L23/473GK101578701SQ20088000220
公开日2009年11月11日 申请日期2008年1月9日 优先权日2007年1月11日
发明者吉田忠史, 横井丰, 长田裕司 申请人:丰田自动车株式会社