[发明专利]散热器、散热器组装体、半导体模块以及带冷却装置的半导体装置

说明书

技术领域

本发明涉及散热器、散热器组装体(assembly)、半导体模块以及带冷却装置的半导体装置。

背景技术

一般情况下，功率半导体元件的冷却装置如图1、图2所示，是通过经由绝缘件102和润滑脂（greese）、热传导粘接件等热界面材料（thermal interface material）103将散热器104螺栓紧固于功率半导体模块101来进行加压接触的构成。而且，为了强制风冷，将风扇105设置成向沿着散热器104的散热叶片104B的方向送风。

电力变换装置运转时由功率半导体元件产生的热从功率半导体模块101经由接触边界的热界面材料103，通过散热器104的基座104A、散热叶片104B而向周围环境（大气）释放热量。

另外，在上述的强制风冷式的功率半导体元件的冷却装置的情况下，相对于功率半导体元件的发热密度（几十万W/m²），作为散热部的散热器104的热传导率（几十W/m²K）低，为了保持在可允许的温度差（几十℃）以内，需要将散热面积扩大为发热面积的数百倍。

在该面积的扩大过程中，会产生热传导阻抗（固体热传导引起的热阻）、接触热阻（固体与固体的接触引起的热阻）、扩展热阻（来自发热部件的热以45°的角度扩展并且传递到散热器104的热阻）、叶片效率（散热叶片104B整体的温度不一样的修正）、散热器效率（进风温度与出风温度不一样的修正）等妨碍散热的重要因素。因此，与功率半导体模块101的体积相比，散热器104的体积变得非常大。

作为以往的功率半导体元件的冷却装置的一个例子，对图1所示的由大型IGBT模块和冷却装置构成的电力变换装置进行说明。若将功率半导体元件的发热损失设为2000W、并将所允许的结温（junction temperature）设为125℃（周围温度40℃），则应用搭载了强制风冷用风扇105的大型铆接式散热器104（W330mm×L300mm×H110mm）是一个妥当的作法。此时，由于散热器104的热阻为0.028K/W，体积为10890cm³，所以体积热阻为305cm³K/W（散热器的性能指数）。

为了使该散热器104的体积小型化，需要用于高效放热的冷却单元。其一个单元是利用热管式、沸腾式等的制冷剂基于蒸发凝缩形成的潜热和移动来进行热输送的冷却器，能够使散热器体积变为约1／2～1／3（非专利文献1）。该散热器还作为电动车辆用的冷却装置被广泛使用（专利文献1）。

另一个单元是以水冷式等的泵、使制冷剂强制循环来进行热输送的冷却器。通过在发热部件的附近构成微通道（micro channel）来减少热传导阻抗，并增大放热面积来减少向制冷剂的热传导阻抗，从而能够使可冷却的热流速增大、实现高发热密度的发热部件的冷却（专利文献2～5）。另外，利用碰撞喷流来减少热传导阻抗，可获得同样的效果（专利文献6、7）。

但是，在非专利文献1以及专利文献1～7所记载的现有装置中，虽然受热块（block）能够小型化，但为了向周围环境（大气）散热，需要另外设置气液式热交换器。因此，如果包括周边部件（驱动泵、管）在内，则水冷式冷却装置的体积成为与热管式、沸腾冷却式冷却装置同等以上的体积。

这样，在上述的非专利文献1以及专利文献1～7所记载的现有的功率半导体元件的冷却装置中，需要基于制冷剂的循环的热输送机构。因此，包括受热块、热输送机构、散热叶片的散热器整体的成本增大。而且，由于在这些现有的功率半导体元件的冷却装置中，可以将受热块与散热叶片分离，所以布局的自由度高。但是，包括受热块、热输送机构、散热器在内的冷却装置整体的体积约为1／2～1／3左右，不能进一步变小。并且，由于还会引起制冷剂的冻结、漏液这些问题，所以还存在需要相应的对策的问题点。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000－60106号公报

专利文献2：日本特开平6－326226号公报

专利文献3：日本特开平7－66338号公报

专利文献4：日本特开2002－151640号公报

专利文献5：日本特开2006－19730号公报

专利文献6：日本特开平5－3274号公报

专利文献7：日本特开平10－22428号公报

非专利文献