专利名称：半导体装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体装置，特别涉及如电动机驱动等所使用的逆变器装置那样的电力调整用半导体装置。
背景技术：
以往，装载有电力变换等所使用的逆变器等功率器件的半导体装置，使用空气或水等冷却，以便器件的温度在动作时变为构成该装置的器件的动作温度以下。作为以往的冷却结构已知有例如特开平10-75583号公报所记载，在逆变器装置的上面与下面通过冷却器冷却。
但是，在特开平10-75583号公报所记载的结构中，若使逆变器动作，则由在逆变器中控制电压或电流等的功率器件动作而产生的热，以此向用于冷却该逆变器的冷却水传热使得冷却水温度变化，或通过对构成逆变器的功率器件的动作进行控制用的微型计算机或用于使其动作的电源或电容器等的动作，逆变器装置内部的温度变化。构成半导体装置的电子部件及其连接部受到由半导体装置的动作引起的冷却水温度变化的温度变化循环，这些成为装载部件的寿命减少的主要因素之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够延长装载部件的寿命的半导体装置。
(1)为了实现上述目的，本发明的半导体装置，具有通过加热部与散热器控制冷却用制冷剂的温度而构成的冷却系统，该半导体装置与该冷却系统连接从而被冷却，通过所述冷却系统的加热部与散热器而控制的温度的变化范围(ΔT1)，比所述半导体装置的工作状况的变化带给冷却介质的温度变化(ΔT2)大(ΔT1＞ΔT2)。
根据该构成，能够延长装载部件的寿命。
(2)而且，为了实现上述目的，本发明的半导体装置具有通过加热部与散热器控制冷却用制冷剂的温度而构成的冷却系统，与该冷却系统连接，且具有比所述加热部的发热量小的发热量。
根据该构成，能够延长装载部件的寿命。
(3)进而，为了实现上述目的，本发明的车辆用冷却系统，其配置于具备内燃机与电动机且电动机由电力变换装置控制的车辆中，具有冷却器，其对冷却介质进行冷却；和循环器，其用于循环由该冷却器冷却的所述冷却介质，并且冷却系统构成为由所述循环器循环被所述冷却器冷却的冷却介质，由该冷却介质冷却所述电力变换装置，由冷却了所述电力变换装置的冷却介质冷却所述内燃机或所述内燃机与所述电动机，由所述冷却器冷却对所述内燃机或所述内燃机与所述电动机进行了冷却的冷却介质，所述冷却系统构成为由所述内燃机与所述冷却器控制的冷却介质的温度的变化范围(ΔT1)，比与所述电力变换装置的工作状况的变化对应的冷却介质的温度变化(ΔT2)大(ΔT1＞ΔT2)。
根据该构成，能够延长装载部件的寿命。
(4)更进一步，为了实现上述目的，本发明的车辆用电力变换装置，其装载于具备内燃机与电动机的车辆中，变换由电池供给的电力来控制所述电动机的驱动，并且配置于冷却系统的内燃机上游侧而被冷却，所述冷却系统构成为由被冷却器冷却的冷却介质冷却所述内燃机，该车辆用电力变换装置具有容器；由冷却系统供给的冷却介质所流通的冷却通路；电力变换电路模块，其用于变换由所述电池供给的电力，并且由多个半导体元件构成；和变换电路控制基板，其用于控制所述半导体元件的驱动，并且由多个电子部件构成，所述容器用于收纳所述电力变换电路模块及所述变换电路控制基板，按照至少使与所述电力变换电路模块的工作状况的变化对应的冷却介质的温度变化范围(ΔT2)，比由所述内燃机与冷却器控制的冷却介质的温度的变化范围(ΔT1)小(ΔT2＜ΔT1)的方式，来抑制来自外部的导热。
根据该构成，能够延长装载部件的寿命。
图1是本发明的第1实施方式的半导体装置的冷却系统的系统构成图；图2是表示本发明的第1实施方式的半导体装置的冷却系统的温度变化推移的曲线图；图3是本发明的第1实施方式的半导体装置的冷却系统的寿命的说明图；图4是本发明的第1实施方式的半导体装置的冷却系统所使用的制冷剂的温度依赖性的说明图；图5是表示本发明的第1实施方式的半导体装置的构成的局部剖面的立体图；图6是表示本发明的第1实施方式的半导体装置的装配工序的工序图；图7是表示本发明的第1实施方式的半导体装置的装配工序的工序图；图8是表示本发明的第1实施方式的半导体装置的装配工序的工序图；图9是表示本发明的第2实施方式的半导体装置的构成的局部剖面的立体图；图10是表示本发明的第2实施方式的半导体装置的冷却系统的温度变化推移的曲线图；图11是表示本发明的第3实施方式的半导体装置的构成的局部剖面的立体图；图12是表示本发明的第4实施方式的半导体装置的构成的局部剖面的立体图；图13是表示本发明的第5实施方式的半导体装置的构成的局部剖面的立体图；图14是表示使用了本发明的各实施方式的车辆用输出传导装置的电动车辆之一的混合动力电动汽车的驱动系统的框图；图15是表示使用了本发明的各实施方式的半导体装置的电动汽车的系统的框图。
具体实施例方式
以下，结合图1～图8对本发明的第1实施方式的半导体装置的构成进行说明。
首先，结合图1对本实施方式的半导体装置的冷却系统的构成进行说明。
图1是本发明的第1实施方式的半导体装置的冷却系统的系统构成图。
半导体装置100经由流动用于冷却的介质9的管11，与用于使介质流动的泵3、用于冷却介质的散热器2、和半导体装置100以外的加热部1连接。半导体装置100其内部包括功率器件等的发热部，构成第1加热部。该冷却系统中，加热部1是具有比作为第1加热部的半导体装置100的发热量Q2更大的发热量Q1(Q1＞Q2)的第2加热部。进而，散热器2及泵3以使加热部1的温度在特定的范围内的方式调整。关于冷却用的介质9通过的容量，加热部1的容量V1与半导体装置100的容量V2相比充分大，冷却用介质的温度T处于不易受到由半导体装置100动作引起的温度变化的状态。
作为加热部1例如是汽车的引擎。在以引擎和电动机为驱动力源的混合动力(hybrid)汽车的情况下，引擎是第1加热部，控制电动机的逆变器装置成为半导体装置100，成为第2加热部。而且，在由电动机单体进行驱动的电动汽车的情况下，由于使用大型电动机，需要冷却该电动机。这种情况下，电动机是第1加热部，控制电动机的逆变器装置成为半导体装置100，成为第2加热部。进而，在燃料电池车的情况下，发电时发热的燃料电池或电动机、或该二者是第1加热部，控制驱动力源即电动机的逆变器装置成为半导体装置100，成为第2加热部。
半导体装置100的筐体中设置有用于流动冷却用介质的流路4，电容器6、控制器7、功率器件装载模块12等安装于形成有流路4的筐体的内壁。半导体装置的筐体一般是铝压铸件、SUS等，在装载功率器件装载模块12的散热部5中，使用对导热率高的铜等进行镀镍后的材料，从而容易将由构成半导体装置的电子部件的损耗引起的热，传导至冷却用介质。
流入到于半导体装置100的筐体形成的流路4的冷却用介质9，在制冷剂输送用管分支，通过使冷却用介质流入流路4，从而使冷却用介质流入筐体的多个面上，能够用于功率器件装载模块12、电容器6、控制器7等的冷却，其中该流路4与于半导体装置设置的制冷剂的流入口10A及排出口10B连接、并设置于筐体的多个面。而且，还可以在筐体的壁内分支流路4，使冷却用介质流入筐体的多个面，从而用于功率器件装载模块12、电容器6、控制器7等的冷却。
并且，内燃机等的加热部1所使用的冷却系统也可不是单一系统，而采用通过切换多个冷却系统可调节温度的结构，从而即使内燃机的运转状况变化，也能变成考虑了运转效率的温度。流入到半导体装置100的冷却用流路4中的冷却用介质，通过使用所述的温度调整后的介质，冷却用介质的温度几乎不会受到半导体装置的动作的影响，可调整到对内燃机的运转状态最佳的温度范围的状态。因此，由于半导体装置100的筐体中设置有以温度变化范围小的状态来控制温度的介质所通过的流路4，从而装载有构成半导体装置100的电子部件的筐体内的温度也成为与冷却用介质的温度变化范围几乎相同的状态。
此处，结合图2及图3，对如本实施方式的半导体装置的冷却系统那样，由在温度变化范围小的状态下控制温度的介质进行冷却时的效果进行说明。
图2是表示本发明的第1实施方式的半导体装置的冷却系统的温度变化推移的曲线图。图3是本发明的第1实施方式的半导体装置的冷却系统的寿命的说明图。
在图2中，虚线B表示如以往那样仅应用了逆变器用的冷却系统的冷却水的温度。即，并非如本实施方式那样具有第1加热部与第2加热部，而是具有单独地仅冷却半导体装置的冷却系统的情况。实线A表示在以往的构成中应用了逆变器用的冷却系统时的逆变器内部的温度。若起动汽车(时刻t0)逆变器从时刻t1开始动作，则通过逆变器的功率器件部的损耗而使得冷却水温增高。然后继续运转，若逆变器的冷却水温达到温度a℃以上，则通过用于降低冷却水温度的散热风扇来冷却温热的冷却水，冷却水被调整在a℃～c℃的范围。接着，根据加速器踏板的开闭等逆变器的动作状况变化，冷却水温度通过由逆变器的功率模块部的损耗产生的热而被加热，另一方面，通过由散热风扇进行的温度调节，冷却水温度如虚线B所示，被调整在a℃～c℃的范围内变化。若在时刻t3停止运转，则来自逆变器的损耗消失，冷却水温度缓慢下降，在时刻t4达到半导体装置的设置的气氛温度。另外，在图2中，为了简略说明而设起动时的气氛温度与停止时的气氛温度相同。
在以往的方式中，逆变器内的温度变化也和冷却水温变化同样，若起动汽车(时刻t0)逆变器动作，则通过逆变器的功率器件部的损耗使得冷却水被加热，逆变器内温度增高。然后继续运转，若逆变器的冷却水温达到温度a℃以上，则通过用于降低冷却水温度的散热风扇冷却温热的冷却水，冷却水温度被调整在a℃～c℃的范围。进而，与逆变器动作同时，通过用于控制逆变器的微型计算机或电力用的电容器等的损耗产生的热，使得逆变器内部被加热。因此，运转中的逆变器内的温度比冷却水更高，在b℃～d℃的范围内反复。若在时刻t3停止运转，则来自逆变器的损耗消失，冷却水温度降低并且逆变器内的温度也缓慢下降，在时刻t4达到气氛温度。这样，逆变器内的温度不仅通过冷却水温度的变化而变化，还通过由构成逆变器的半导体等的损耗产生的热的影响而变化。
另一方面，图2的虚线C表示例如用于冷却发热量大的汽车的引擎的冷却水温度变化，实线D表示如本实施方式那样将上述冷却水用作冷却水的逆变器内的温度变化。调整内燃机与冷却水容量、冷却能力等的关系，以便内燃机用的冷却水在考虑内燃机的燃烧效率的高温下几乎为恒定温度。因此，该冷却水温度在起动后上升，一定时刻后(时刻t2)被调整在e℃～f℃的范围内。
在逆变器中，不仅电力调整用的功率器件，而且控制逆变器的动作的微型计算机或电力用电容器等损耗大的部件也采用通过逆变器的内壁等与该冷却水接触的结构。因此，通过逆变器的动作，对其进行控制的微型计算机和电力用电容器等的损耗而产生的热，经逆变器内壁传导至冷却水，从而对逆变器装置内部的温度上升的影响减小。
内燃机在燃烧引起的发热量较大而对其进行冷却时，由于应对发热量而使用大量的冷却水，因此冷却水的热容量较大。由此，逆变器的动作引起的对冷却水温度的影响也减少，运转中的逆变器内部温度比冷却水温度稍高，为e℃～g℃的范围。若在时刻t3停止运转，则来自逆变器的损耗、由内燃机引起的发热消失，冷却水温度降低，并且逆变器内的温度也缓慢下降。此时，内燃机冷却用的冷却水热容量与现有例的逆变器专用的冷却水热容量相比较大而难以冷却，因此在比现有例长的时间t5之后达到环境温度。
因此，装载于汽车中的逆变器装置，在以往的结构中，受到伴随实线A表示的起动、停止的从环境温度到d℃的范围的温度循环、与运转中b℃～d℃的温度循环。相对于此，根据本实施方式的结构，会受到伴随实线D表示的起动、停止的从环境温度到g℃的范围的温度循环、与运转中e℃～g℃的温度循环。因此，相对于半导体装置100的工作状况的变化带给冷却介质的温度变化(ΔT2)，通过冷却系统的加热部与散热器控制的温度变化范围(ΔT1)，成为ΔT1＞ΔT2的关系。
受到这样反复温度应力的部件的寿命N，由下式(1)表示。
N＝AΔT-B…(1)此处，A及B是由试验环境、材料确定的值，ΔT是反复温度范围。
因此，产品的寿命能够由从伴随运转·停止的温度变化构成的式(1)求得的寿命、与从运转中的逆变器动作引起的温度变化构成的式(1)求得的寿命的和，来表示。
此处，结合图3表示基于式(1)计算运转时的最高温度、与改变运转中的温度变化范围时的部件寿命的关系的结果。由于寿命根据运转模式改变，因此可任意设置。
图3中，点a是在运转时的逆变器内部件的最高温度120℃下，设运转中的温度变化为40℃而求得的点。点b是在运转时的逆变器内部件的最高温度130℃下，设运转中的温度变化为40℃而求得的点。若运转时的逆变器内部件的最高温度上升，则伴随起动·停止的温度的反复范围增大，寿命降低。
点c是在运转时的逆变器内部件的最高温度130℃下，设运转中的温度变化为30℃而求得的点。点d是在运转时的逆变器内部件的最高温度140℃下，设运转中的温度变化为20℃而求得的点。若比较点b与点c，则即使运转时的逆变器内部件的最高温度同为130℃，通过运转中的温度变化从40℃减小到30℃可知寿命提高。
同样，若比较点a与点d，则即使运转时的逆变器内部件的最高温度从120℃上升到140℃，通过将运转中的温度变化从40℃减小到20℃可知能够提高寿命。通过减小运转中的温度变化对部件寿命的贡献是根据运转模式而变化的，但该倾向并不大。
因此，即使在图2所示的逆变器内的温度变化曲线中，与由构成逆变器的部件的损耗的影响而使得逆变器内的温度变化的实线A的曲线相比，如本实施方式，通过如实线D所示的构成逆变器的部件的损耗的影响减少而能够提高逆变器内部件的寿命。
下面，结合图4，对本实施方式的半导体装置的冷却系统所使用的制冷剂的特性进行说明。
图4是本发明的第1实施方式的半导体装置的冷却系统所使用的制冷剂的温度依赖性的说明图。
作为本实施方式的冷却用介质，可在70℃以上小于100℃的范围内使用水或在水中配合乙二醇、丙二醇、丁二醇等醇类中的一种以上，进一步根据需要适当添加了噻唑，三唑，由磷酸、羧酸等构成的防锈剂，抗氧化剂，消泡剂等而得到的介质。
图4表示水的粘度的温度依赖性。考虑冷却性能或使用环境，醇类等可在约20％～50％的浓度范围内使用，此时的粘度的温度变化表现与水的情况几乎相同的倾向。因此，通过设冷却用介质的温度在70℃以上小于100℃，可使冷却介质的粘度几乎固定，由泵引起的冷却用介质的液速变化减少，从而能够减小因半导体装置运转中的冷却用介质引起的温度变化。由此，可进一步提高半导体装置的可靠性及寿命。
下面，结合图5对本实施方式的半导体装置的冷却结构进行说明。
图5是表示本发明的第1实施方式的半导体装置的构成的局部剖面的立体图。另外，与图1相同的符号表示同一部分。
半导体装置100由用于发现所希望的功能的各种电子部件6、7、12、和用于收纳这些电子部件的筐体20构成。在筐体20设置有用于流动冷却介质的流路4；用于进行制冷剂的出入的出入口10；用于控制电子设备的信号输入输出端子21；和由信号控制的电力等输入输出端子22。由于信号输入输出端子21通过连接器而被连接，因此在端子周围设置连接器连接用的罩等。而且，由信号控制的电力的输入输出端子22由于一般使用电压或电流大的部件，因此设置用于固定半导体装置与电力用布线电缆的螺栓·螺母，或开设插通固定电力用布线电缆的螺栓用的孔来进行使用。
如上所述，半导体装置100的温度变化越少，越能延长半导体装置100的寿命。因此，第1通过冷却引擎等发热量大的加热部的制冷剂，来冷却半导体装置100。并且，第2半导体装置100采用不易受到由外部的温度变化引起的影响的筐体结构。即，制冷剂用的流路4设置于筐体20的壁面内部的所有面上。例如，若设筐体20为长方体形状，则包括6面的流路形成于筐体20的上面的流路4A；形成于筐体20的下面的流路4B；形成于筐体20的左侧面的流路4C；形成于筐体20的右侧面的流路4D；形成于筐体20的前面的侧面的流路4E；和省略图示的形成于筐体20的里面方向的侧面的流路。此处，流路4可在筐体的壁面内部较细地分割，也可为在筐体的壁面内部一面展开的状态。而且，通过在流路4的内部设置翅(fin)状的凹凸以增加流路内部的表面积，从而可提高冷却效率。
这样，通过增加筐体20的壁面内的制冷剂用流路，能够降低由筐体外部的温度变化引起的对筐体内部的温度变化的影响。因此，能够延长半导体装置100的寿命。
作为构成半导体装置100的主要部件的损耗大的电子部件，固定于形成有流路4的筐体的内壁上。电容器6按照如下方式固定、即经由导热膏(未图示)等并使用固定夹具23等接触到筐体20的内壁，经由筐体将由半导体装置动作时的电容器6部的损耗引起的热传导至冷却用介质。
而且，控制半导体装置100的动作的电子部件中，损耗大的微型计算机等电子部件7预先装载到基板24上后，通过由导热膏(未图示)等固定于筐体20的内壁上，或将电子部件的散热器(风扇)部固定于筐体20的内壁上，从而经由筐体将由电子部件的损耗产生的热传导至冷却用介质。
进而，装载有损耗大的功率器件的模块12，使用焊锡等将电力用半导体元件装载到氮化硅、氮化铝等导热率大的基板的电极图案上，使用铝线等连接半导体元件上的电极与基板上的电极，进一步使用焊锡等将该基板连接到由铜或钼、铝等构成的散热板5上，通过导热膏等将散热板固定到筐体20的内壁上，或设置到预先设置在筐体内壁的开口部内，以能形成冷却用介质流动用的流路的方式固定上述散热板，从而经由筐体将由电力用半导体元件的损耗(发热)引起的热传导至冷却用介质。
另外，损耗(发热)少的电子部件25装载到基板27上后，经由隔离物26将基板27固定于筐体20等，也可以是未特别考虑向筐体的导热的结构，还可如损耗大的其它电子部件那样将装载基板固定于筐体20的内壁上。电子部件及装载有该电子部件的基板向筐体内部的固定未必限定于筐体内部的上下面，可根据电子部件的尺寸、损耗量调整，还可通过与上述方法相同的方法固定到筐体内壁的设有冷却用流路的侧面上。
根据以上的构成，可经由制冷剂将由构成半导体装置100的电子部件的动作损耗产生的热从筐体传导至散热机，能够降低由构成半导体装置的电子部件的损耗引起的对筐体内部温度的影响，并能够抑制筐体内的温度上升。
因此，即使半导体装置的周围温度变化，该温度变化也不易传导至筐体内部，由于能够减少由构成半导体装置的电子部件的损耗引起的到筐体内的热的影响，所以可减小伴随半导体装置运转的筐体内部的温度变化，能够实现提高装载的电子部件的可靠性提高、提高寿命。
下面，结合图6～图8，对本实施方式的半导体装置的装配工序进行说明。
图6～图8是表示本发明的第1实施方式的半导体装置的装配工序的工序图。另外，与图5相同的符号表示同一部分。
在本实施方式中，将筐体20分割成两个进行装配，以便容易装载半导体装置构成部件。
图6表示分割的半导体装置的下侧的部分的装配工序。如图6(a)所示，预先在下侧的筐体20a的底面(1面)及侧面(4面)形成流动冷却用介质的流路4B、4E、4F。另外，如图5所示的左右侧面的流路4C、4D未图示。而且，在筐体20a中形成冷却用介质的给排出口10A、10B与控制信号导入用的连接器21。筐体20a是铝压铸件制。筐体20a的内侧底部形成有散热部5。功率器件模块12经由导热润滑脂(grease)(未图示)等并通过螺栓等固定于筐体20a的散热部5之上的位置。
然后，如图6(b)所示，进行功率器件模块12与控制信号的布线之后，在筐体20a的内侧固定隔离物26，其用于固定装载有损耗少的部件的基板。
接着，如图6(c)所示，将装载有部件的基板8装载到隔离物的规定位置，如图6(d)所示由螺栓91固定，进而进行功率器件模块、设置于筐体上的连接器部的布线，从而形成分割后的半导体装置的一部分。
图7表示分割的半导体装置的上侧的部分的装配工序。如图7(a)所示，在上侧筐体20b形成冷却用介质用的流路4A。而且，筐体20b设置有给排口10A、10B。筐体20b是铝压铸件制。在上侧的筐体20b的内侧，经由导热润滑脂(未图示)等将预先装载有损耗大的控制用电子部件7的基板24或电容器6装载到规定的位置。
然后，如图7(b)所示，使用螺栓91将装载有控制用电子部件7的基板24固定到筐体20b的内壁。为了进一步提高向筐体20b的导热性，用固定夹具23使电容器6与筐体20b密接，并且还确保来自电容器6中未与筐体接触的面的导热。
接着，进行必要的基板间的布线连接，形成如图7(c)所示的分割后的半导体装置的上侧的部分。
图8表示将由图6及图7所示的工序制造的分割的半导体装置组合而形成所希望的半导体装置的装配工序。如图8(a)所示，进行分割的半导体装置20a、20b之间的控制信号、电力等涉及的布线，然后装配相互的半导体装置的开口部。
继而，如图8(b)所示，通过螺栓92固定分割部分，完成本实施方式的半导体装置100。
如图8(c)所示，将管11与半导体装置的给排口10A、10B连接，该管11连接装配后的半导体装置100、加热机、泵、与散热机并使进行温度调整的冷却用介质流动，从而获得使用本实施方式的半导体装置的冷却系统。
在本实施方式的半导体装置的装配工序中，各电子部件的装载方法、顺序及半导体装置的分割方法未必限定为该方法，也可通过其它分割方法、装载顺序装配。
如上所述，根据本实施方式，由对热容量大的加热部进行冷却的冷却介质也冷却了半导体装置，因此制冷剂的温度变化小，能够延长半导体装置的寿命。进而，由于在半导体装置的筐体的各面设置冷却介质的流路，从而不易受到周围的温度变化的影响，因此可减小运转中的半导体装置内的温度变化，能够提高半导体装置的可靠性和装载部件的连接寿命。
下面，结合图9～图10，对本发明的第2实施方式的半导体装置的构成进行说明。另外，本实施方式的半导体装置的冷却系统的构成与图1所示的构成相同。
图9是表示本发明的第2实施方式的半导体装置的构成的局部剖面的立体图。另外，与图5相同的符号表示同一部分。图10是表示本发明的第2实施方式的半导体装置的冷却系统中的温度变化推移的曲线图。另外，与图2相同的符号表示同一部分。
在本实施方式的半导体装置100A中，冷却板(散热部)5设置于制冷剂流入用的流路4的上面侧，经由导热膏等将功率半导体模块12固定于该冷却板5上，而且，电容器6、装载有控制部件7的基板24经由导热膏等固定于流路4的下面侧。功率半导体模块12或电容器6、装载有控制部件7的基板24被由导热率小的材料形成的筐体31覆盖。在制冷剂流入用的流路4，设置冷却用介质的给排出口10A、10B，通过图1所示的加热部1、散热机2、泵3等供给进行温度调节的冷却用介质。
作为筐体31所使用的导热率小的材料，例如可使用由铝或不锈钢板覆盖由微细的硅石粉构成的泡沫材料的两面而得到的材料，或由铝或不锈钢板夹持将酚醛树脂等树脂作为粘合剂的玻璃棉的材料，或代替这些金属板，可使用聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮等。
该结构中，由于构成筐体的筐体31由导热率小的材料形成，因此外壳内部的温度不易受半导体装置外部的温度变化的影响，而由冷却板5内的冷却用介质温度与装载的电子部件的损耗所引起的向筐体内部的热的影响来决定。
其结果，如图10所示，从起动·停止到下一次起动·停止之间，由于采用逆变器内的温度不易降到设置半导体装置的气氛温度h℃的结构，因此，可将下一此起动t6时的温度设为比h℃更高的i℃，从而能够减小伴随起动·停止的温度变化范围。
由构成半导体装置的电子部件的损耗引起的热，由于通过流经于装载有这些电子部件的冷却板5上形成的流路的冷却介质传导至散热机，因此向筐体内部的由电子部件的损耗引起的热的影响减少，可减小伴随半导体装置的运转的筐体内部的温度变化，能够实现装载的电子部件的可靠性的提高、寿命的提高。
如上所述，根据本实施方式，由冷却热容量大的加热部的冷却介质，半导体装置也冷却，因此制冷剂的温度变化小，能够延长半导体装置的寿命。进而，通过由导热率小的材料形成半导体装置的筐体而不易受到周围的温度变化的影响，因此可减小运转中的半导体装置内的温度变化，能够提高半导体装置的可靠性、装载部件的连接寿命。
下面，结合图11，对本发明的第3实施方式的半导体装置的构成进行说明。另外，本实施方式的半导体装置的冷却系统的构成与图1所示的构成相同。
图11是表示本发明的第3实施方式的半导体装置的构成的局部剖面的立体图。另外，与图5相同的符号表示同一部分。
在本实施方式中，在半导体装置100B的筐体的上面与下面设有用于流动冷却介质的流路。而且，由导热率小的材料形成左右侧面与前后侧面的筐体32。
由此，通过冷却热容量大的加热部的冷却介质，半导体装置也冷却，因此制冷剂的温度变化小，能够延长半导体装置的寿命。进而，通过在半导体装置的筐体的上下面形成冷却介质的流路，由导热率小的材料形成其它面，由于不易受到周围的温度变化的影响，因此可减小运转中的半导体装置内的温度变化，能够提高半导体装置的可靠性或装载部件的连接寿命。
下面，结合图12，对本发明的第4实施方式的半导体装置的构成进行说明。另外，本实施方式的半导体装置的冷却系统的构成与图1所示的构成相同。
图12是表示本发明的第4实施方式的半导体装置的构成的局部剖面的立体图。另外，与图5相同的符号表示同一部分。
本实施方式的半导体装置100C，在图1所示的半导体装置100的周围设置间隙并由筐体33覆盖，该间隙中设置有绝热层40。作为设置于半导体装置的外周的绝热层40，例如可使用由铝或不锈钢板覆盖由微细的硅石粉构成的泡沫材料的两面而得到的材料，或由铝或不锈钢板夹持将酚醛树脂等树脂作为粘合剂的玻璃棉而得到的材料等。进而，绝热层的外侧通过使用如聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮等具有耐热性、且导热率小的树脂材料，从而能够更不易受到设置该半导体装置的环境温度的变化。
而且，即使在绝热层40中不特别插入绝热材料，而通过形成如不与设置该半导体装置的气氛的空气混合的空气层、或形成真空层，也可获得与绝热材料同等的效果。
这样，通过由绝热层40包围设置了冷却介质的流路的半导体装置的周围，降低带给半导体装置内部的周围温度变化的影响，进一步减小半导体内部的温度变化，从而可提高半导体装置的可靠性、寿命等。
下面，结合图13，对本发明的第5实施方式的半导体装置的构成进行说明。另外，本实施方式的半导体装置的冷却系统的构成与图1所示的构成相同。
图13是表示本发明的第5实施方式的半导体装置的构成的局部剖面的立体图。另外，与图5相同的符号表示同一部分。
本实施方式的半导体装置100D，在图1所示的半导体装置100的周围设置间隙并由筐体33覆盖，该间隙中设置有蓄热层50。作为蓄热层50所使用的蓄热材料，可使用醋酸钠水合物、水合盐系蓄热材料等潜热蓄热材料。进而，蓄热层的外壁可使用如聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮等具有耐热性、且导热率小的树脂材料。
通过将蓄热层50安装在半导体装置的周围，在半导体装置运转中吸收来自冷却用介质的热，从而蓄热材料熔融，若停止运转冷却用介质温度下降，则蓄热材料固化释放凝固时的潜热，减缓半导体装置部的温度降低速度。即，如图10所示，由于从运转停止时刻t3开始的温度降低变缓，因此到下一次起动为止的时间变短，从而半导体装置的温度下降到h℃之前在时刻t6进行下一次的起动时，在半导体装置的温度仅下降到i℃就起动。该情况下，从半导体装置的起动伴随运转的温度变化范围为i℃～g℃，与半导体装置的周围未设置蓄热层时的从起动伴随运转的温度变化范围h℃～g℃相比，温度变化范围变窄。
这样，通过由蓄热层50包围设置有冷却介质的流路的半导体装置的周围，可降低带给半导体装置内部的周围温度变化的影响，可进一步减小半导体内部的温度变化，从而可提高半导体装置的可靠性、寿命等。
下面，结合图14，对使用本发明的各实施方式的车辆用输出传动装置的电动车辆之一的混合动力电动汽车的驱动系统的构成进行说明。
图14是表示使用本发明的各实施方式的车辆用输出传动装置的电动车辆之一的混合动力电动汽车的驱动系统框图。
本实施方式的混合动力电动汽车是四轮驱动式电动汽车，构成为分别由作为内燃机的引擎(engine)EN与电动·发电机(generator)MG驱动前轮WH-F，由电动机M驱动后轮WH-R。另外，在本实施方式中，对分别由引擎EN与电动·发电机MG驱动前轮WH-F，由电动机M驱动后轮WH-R的情况进行了说明，但也可以分别由引擎EN与电动·发电机MG驱动后轮WH-R，由电动机M驱动前轮WH-F。
引擎EN、散热机2、泵3和半导体装置100由以虚线表示的流路连接，半导体装置100由引擎EN的冷却水冷却。
变速器TM经由差动装置(省略图示)机械连接于前轮WH-F的前轮车轴DS-F上。引擎EN与电动·发电机MG经由输出控制机构(省略图示)机械连接于变速器TM上。输出控制机构(省略图示)是管理旋转输出的合成或分配的机构。作为所述的半导体装置100(100A、100B、100C、100D)的逆变器的交流侧电连接于电动·发电机MG的定子绕组。逆变器是将直流电力变换为三相交流电力的电力变换装置，用于控制电动·发电机MG的驱动。电池BA电连接于半导体装置100的直流侧。
电动机M机械连接于后轮WH-R的后轮车轴DS-R1、DS-R2上。半导体装置100的交流侧电连接于电动机M的定子绕组上。此处，半导体装置100对电动·发电机MG与电动机M的电动机是公用的，具有电动·发电机MG用的变换电路部、电动机M的电动机的变换电路部、和用于驱动这些的驱动控制部。
在混合动力电动汽车起动时及低速行驶时(引擎EN的运转效率(耗油量)降低的行驶区域)，由电动·发电机MG驱动前轮WH-F。另外，在本实施方式中，对混合动力电动汽车起动时及低速行驶时由电动·发电机MG驱动前轮WH-F的情况进行了说明，但也可由电动·发电机MG驱动前轮WH-F，由电动机M驱动后轮WH-R(可进行四轮驱动行驶)。由电池BA对半导体装置100供给直流电力。供给的直流电力通过半导体装置100变换为三相交流电力。由此获得的三相交流电力供给到电动·发电机MG的定子绕组。由此，电动·发电机MG被驱动产生旋转输出。该旋转输出经由输出控制机构(省略图示)输入到变速器TM。输入的旋转输出由变速器TM变速而输入到差动装置(省略图示)。输入的旋转输出由差动装置(省略图示)分配给左右，分别传导至前轮WH-F的一方的前轮车轴DS-F与前轮WH-F的另一方的前轮车轴DS-F。由此，前轮车轴DS-F被旋转驱动。并且，通过前轮车轴DS-F的旋转驱动，前轮WH-F被旋转驱动。
混合动力电动汽车正常行驶时(在较干的路面行驶时，引擎EN的运转效率(耗油量)良好的行驶区域)，由引擎EN驱动前轮WH-F。因此，引擎EN的旋转输出经由输出控制机构(省略图示)输入到变速器TM。输入的旋转输出由变速器TM变速。变速后的旋转输出经由差动装置(省略图示)传导至前轮车轴DS-F。由此，前轮WH-F被旋转驱动。而且，检测电池BA的充电状态，需要充电电池BA时，经由输出控制机构(省略图示)将引擎EN的旋转输出分配到电动·发电机MG，旋转驱动电动·发电机MG。由此，电动·发电机MG作为发电机动作。通过该动作，电动·发电机MG的定子绕组中产生三相交流电力。该产生的三相交流电力通过半导体装置100变换为规定的直流电力。通过该变换获得的直流电力供给到电池BA。由此，电池BA被充电。
混合动力电动汽车四轮驱动行驶时(在雪路等低μ路行驶时，引擎EN的运转效率(耗油量)良好的行驶区域)，由电动机M驱动后轮WH-R。而且，与上述正常行驶同样，由引擎EN驱动前轮WH-F。进而，由于通过电动机M的驱动而使得电池BA的蓄电量减少，因此与上述正常行驶同样，由引擎EN的旋转输出旋转驱动电动·发电机MG从而充电电池BA。为了由电动机M驱动后轮WH-R，由电池BA对半导体装置100供给直流电力。供给的直流电力通过半导体装置100INV变换为三相交流电力。由该变换获得的交流电力供给到电动机M的定子绕组。由此，电动机M被驱动而产生旋转输出。产生的旋转输出被分配给左右，分别被传导至后轮WH-R的一方的后轮车轴DS-R1与后轮WH-R的另一方的后轮车轴DS-R2。由此，后轮车轴DS-F4被旋转驱动。并且，通过后轮车轴DS-R1、DS-R2的旋转驱动，后轮WH-R被旋转驱动。
混合动力电动汽车加速时，通过引擎EN与电动·发电机MG驱动前轮WH-F。另外，在本实施方式中，对混合动力电动汽车加速时，由引擎EN与电动·发电机MG驱动前轮WH-F的情况进行说明，但也可由引擎EN与电动·发电机MG驱动前轮WH-F，由电动机M驱动后轮WH-R(可进行四轮驱动行驶)。引擎EN与电动·发电机的旋转输出经由输出控制机构(省略图示)输入到变速器TM。输入的旋转输出由变速器TM变速。变速后的旋转输出由差动装置(省略图示)传导至前轮车轴DS-F。由此，前轮WH-F被旋转驱动。
混合动力电动汽车再生制动时(踩制动器时、减缓踩加速踏板时或停止踩加速踏板时等减速时)，将前轮WH-F的旋转输出经由前轮车轴DS-F、差动装置(省略图示)、变速器TM、输出控制机构(省略图示)而传导至电动·发电机MG，旋转驱动电动·发电机MG。由此，电动·发电机MG作为发电机动作。通过该动作，电动·发电机MG的定子绕组中产生三相交流电力。该产生的三相交流电力通过半导体装置100变换为规定的直流电力。通过该变换获得的直流电力供给到电池BA。由此，电池BA被充电。另一方面，将后轮WH-R的旋转输出经由后轮车轴DS-R1、DS-R2传导至电动机M，旋转驱动电动机M。由此，电动·发电机MG作为发电机动作。通过该动作，电动·发电机MG的定子绕组中产生三相交流电力。该产生的三相交流电力通过半导体装置100变换为规定的直流电力。通过该变换获得的直流电力供给到电池BA。由此，电池BA被充电。
另外，冷却流路中，也可在引擎EN、散热机2、泵3、半导体装置100之外添加电动·发电机MG。
根据本实施方式的电机驱动系统，能够延长半导体装置的寿命，并能够容易地维护混合动力汽车。
下面，结合图15，对使用本发明的各实施方式的半导体装置的电动车辆之一的电动汽车的系统的构成进行说明。
图15是表示使用本发明的各实施方式的半导体装置的电动汽车的系统框图。
前轮WH-F的前轮车轴DS-F1、DS-F2机械连接于电动机M的输出轴的端部。由此，电动机M的输出传导至前轮车轴DS-F1、DS-F2，旋转驱动前轮车轴DS-F1、DS-F2。并且，通过前轮车轴DS-F1、DS-F2的旋转驱动，前轮WH-F被旋转驱动，从而图示的构成的电动汽车被驱动。另外，在本实施方式中，对由电动机M旋转驱动前轮车轴DS-F1、DS-F2并旋转驱动前轮WH-F的情况进行说明，但也可由电动机M旋转驱动后轮车轴4并旋转驱动后轮2。
电动机M、散热机2、泵3和半导体装置100由以虚线表示的流路连接，半导体装置100由电动机M的冷却水冷却。
半导体装置100的交流侧电连接于电动机M的定子绕组。半导体装置100是将直流电力变换为三相交流电力的电力变换装置，用于控制电动机M的驱动。电池BA电连接于半导体装置100的直流侧。
电动汽车动力运行时(起动时、行驶时、加速时等)，由电动机M驱动前轮WH-F。为此，由电池BA对半导体装置100供给直流电力。供给的直流电力通过半导体装置100变换为三相交流电力。由此获得的三相交流电力供给到电动机M的定子绕组。由此，电动机M被驱动而产生旋转输出。该旋转输出被分配给左右，分别被传导至前轮WH-F的一方的前轮车轴DS-F1与前轮WH-F的另一方的前轮车轴DS-F2。由此，前轮车轴DS-F1、DS-F2被旋转驱动。并且，通过前轮车轴DS-F1、DS-F2的旋转驱动，前轮WH-F被旋转驱动。
混合动力电动汽车再生制动时(踩制动器时、减缓踩加速踏板时或停止踩加速踏板时等的减速时)，将前轮WH-F的旋转输出经由前轮车轴DS-F1、DS-F2传导至电动机M，旋转驱动电动机M。由此，电动机M作为发电机动作。通过该动作，电动机M的定子绕组中产生三相交流电力。该产生的三相交流电力通过半导体装置100变换为规定的直流电力。通过该变换获得的直流电力供给到电池BA。由此，电池BA被充电。
根据本实施方式的电机驱动系统，能够延长半导体装置的寿命，并能够容易地维护混合动力汽车。
(工业上的可利用性)根据本发明，能够延长半导体装置的装载部件的寿命。
权利要求
1.一种半导体装置，具有通过加热部与散热器控制冷却用制冷剂的温度而构成的冷却系统，该半导体装置与该冷却系统连接从而被冷却，通过所述冷却系统的加热部与散热器而控制的温度的变化范围(ΔT1)，比所述半导体装置的工作状况的变化带给冷却介质的温度变化(ΔT2)大(ΔT1＞ΔT2)。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，包括抑制机构，其设置为覆盖所述半导体装置的外周，抑制从外部气氛气体对所述半导体装置的导热。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，所述抑制机构形成于覆盖所述半导体装置外周的筐体的整个面上，是循环所述冷却用制冷剂的流路。
4.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，在所述半导体装置的内面设置所述冷却用的流路，在该流路的两侧装载有构成半导体装置的电子部件。
5.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，所述抑制机构是按照覆盖所述半导体装置的外周的方式设置的、由导热率小的材料形成的绝热部。
6.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，所述抑制机构是按照覆盖所述半导体装置的外周的方式设置的蓄热部。
7.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，所述抑制机构为于所述半导体装置的外周面的至少两面设置的、循环所述冷却用制冷剂的流路；和按照覆盖所述半导体装置的其它外周面的方式设置的、由导热率小的材料形成的绝热部。
8.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，作为所述冷却介质，在70℃以上小于100℃的范围内使用水或在水中配合有乙二醇、丙二醇、丁二醇等醇类中的一种以上而得到的介质。
9.一种半导体装置，具有通过加热部与散热器控制冷却用制冷剂的温度而构成的冷却系统，该半导体装置与该冷却系统连接，并具有比所述加热部的发热量小的发热量。
10.一种车辆用冷却系统，其配置于具备内燃机与电动机且电动机由电力变换装置控制的车辆中，具有冷却器，其对冷却介质进行冷却；和循环器，其用于循环由该冷却器冷却的所述冷却介质，并且冷却系统构成为由所述循环器循环被所述冷却器冷却的冷却介质，由该冷却介质冷却所述电力变换装置，由冷却了所述电力变换装置的冷却介质冷却所述内燃机或所述内燃机与所述电动机，由所述冷却器冷却对所述内燃机或所述内燃机与所述电动机进行了冷却的冷却介质，所述冷却系统构成为由所述内燃机与所述冷却器控制的冷却介质的温度的变化范围(ΔT1)，比与所述电力变换装置的工作状况的变化对应的冷却介质的温度变化(ΔT2)大(ΔT1＞ΔT2)。
11.一种车辆用电力变换装置，其装载于具备内燃机与电动机的车辆中，变换由电池供给的电力来控制所述电动机的驱动，并且配置于冷却系统的内燃机上游侧而被冷却，所述冷却系统构成为由被冷却器冷却的冷却介质冷却所述内燃机，该车辆用电力变换装置具有容器；由冷却系统供给的冷却介质所流通的冷却通路；电力变换电路模块，其用于变换由所述电池供给的电力，并且由多个半导体元件构成；和变换电路控制基板，其用于控制所述半导体元件的驱动，并且由多个电子部件构成，所述容器用于收纳所述电力变换电路模块及所述变换电路控制基板，按照至少使与所述电力变换电路模块的工作状况的变化对应的冷却介质的温度变化范围(ΔT2)，比由所述内燃机与冷却器控制的冷却介质的温度的变化范围(ΔT1)小(ΔT2＜ΔT1)的方式，来抑制来自外部的导热。
12.根据权利要求11所述的车辆用电力变换装置，其特征在于，通过在所述容器中设置所述冷却通路，通过流经所述冷却通路的冷却介质而在所述容器中形成绝热层，从而抑制来自外部的导热。
13.根据权利要求11所述的车辆用电力变换装置，其特征在于，通过由导热率小的构件形成所述容器，从而抑制来自外部的导热。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种能够延长装载部件的寿命的半导体装置。具有通过加热部(1)与散热器(2)控制冷却用制冷剂的温度而构成的冷却系统。半导体装置(100)与该冷却系统连接而被冷却。此处，由冷却系统的加热部(1)与散热器(2)控制的温度的变化范围(ΔT1)，比半导体装置(100)的工作状况的变化带给冷却介质的温度变化(ΔT2)大(ΔT1＞ΔT2)。
文档编号H02M7/48GK1906840SQ20048004090
公开日2007年1月31日 申请日期2004年1月26日 优先权日2004年1月26日
发明者斋藤淳, 樋口胜弘, 大塚修, 西台秀和, 宝藏寺裕之, 守田俊章, 高桥可昌, 佐藤俊也 申请人:株式会社日立制作所