半導體裝置的制作方法

本發明涉及半導體裝置。

背景技術：

一般，已知有由收納半導體的半導體單元構成的半導體裝置。半導體裝置具備用于冷卻半導體的冷卻結構。

例如，公開了在以可從風洞內抽出的方式將半導體單元多級層疊并在風洞上部安裝強制風冷用風扇的冷卻裝置中，設置對應于各半導體單元的抽出而將抽出后的空間封閉的擋板的技術(參照專利文獻1)。

但是，在沿著垂直方向配置半導體單元，由冷卻扇將冷卻風從上部排出的半導體裝置的情況下，對各級的半導體單元進行冷卻的冷卻風產生風速差。因而，各半導體單元的冷卻效果產生偏差，半導體裝置整體的冷卻效率劣化。

現有技術文獻

專利文獻

【專利文獻1】日本專利特開平4-217353號公報

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種減小流經沿著垂直方向配置的各半導體單元的冷卻風的風速差的半導體裝置。

按照本發明的觀點的半導體裝置，具備：盤形狀的殼體；冷卻扇，該冷卻扇從上述殼體的頂面排氣并且設置于所述頂面；分隔板，該分隔板將所述冷卻扇下的空間沿著垂直方向分隔為第1空間和第2空間，并具有使由所述冷卻扇產生的冷卻風從所述第1空間穿過到所述第2空間的多個開口部；多個半導體單元，該多個半導體單元由所述冷卻風冷卻并沿著垂直方向配置于所述第1空間；以及狹縫板，該狹縫板安裝于所述分隔板的所述多個開口部中的至少一個上并且限制所述冷卻風的風速。

附圖說明

圖1是表示本發明的實施方式所涉及的不間斷電源裝置的結構的側剖視圖。

圖2是表示本實施方式所涉及的不間斷電源裝置的電氣電路的電路圖。

圖3是表示本實施方式所涉及的在分隔板上設置了狹縫板后的外形的外形圖。

圖4是表示本實施方式所涉及的開口率50％的狹縫板的外形圖。

圖5是表示本實施方式所涉及的開口率70％的狹縫板的外形圖。

圖6是表示流經本實施方式所涉及的不間斷電源裝置的冷卻風在無狹縫板狀態下的風速模擬結果的風速分布圖。

圖7是表示流經本實施方式所涉及的不間斷電源裝置的冷卻風在有狹縫板狀態下的風速模擬結果的風速分布圖。

具體實施方式

(實施方式)

圖1是表示本發明的實施方式所涉及的不間斷電源裝置1的結構的側剖視圖。圖2是表示本實施方式所涉及的不間斷電源裝置1的電氣電路的電路圖。另外，這里說明了不間斷電源裝置，但也可以是任何使用需要冷卻的半導體的半導體裝置。另外，圖面中的同一部分標注同一標號，省略其詳細說明，主要對不同的部分進行說明。

不間斷電源裝置1是通過強制風冷來冷卻半導體的半導體裝置。不間斷電源裝置1是在盤形狀(長方體形狀)的殼體CH的內部收納結構元器件的盤類型，是獲得UL(Underwriters Laboratories Inc.－美國保險商試驗所)認證的結構。不間斷電源裝置1在通常時(正常時)，通過從商用電源等的交流電源22供給的交流電，向負載23供給電力。交流電源22停電時，通過從蓄電池21供給的直流電向負載23供給電力。

參照圖2，說明不間斷電源裝置1的電路。

不間斷電源裝置1具備斬波器電路(斬波單元)2；三相功率轉換電路(轉換器單元)3、4、5；冷卻扇7；二極管整流器DSM；三相輸入側電容器C1；三相輸出側電容器C2；4個斷路器CB1、CB2P、CB2N、CB3；3個電抗器L1、L2、L3及2個開關SW1、SW2。不間斷電源裝置1分別與蓄電池21、交流電源22及負載23連接。不間斷電源裝置1與交流電源22以三相三線式連接，與負載23以三相四線式連接。

功率轉換電路3～5分別與U相、V相及W相對應設置。功率轉換電路3～5是轉換器電路CN和逆變器電路IN的直流側彼此通過直流鏈路而連接的電路。從交流電源22輸入的交流電依次經由斷路器CB1及電抗器L2，逐相輸入至功率轉換電路3～5。功率轉換電路3～5通過將輸入的三相交流電變換為直流電，變換為供給負載23的三相交流電。功率轉換電路3～5將變換的三相交流電依次經由電抗器L3及斷路器CB3向負載23及冷卻扇7輸出。在冷卻扇7的輸入側設置開關SW2。不間斷電源裝置1的輸入側的各相經由輸入側電容器C1與不間斷電源裝置1的輸出側的中性點連接。不間斷電源裝置1的輸出側的各相經由輸出側電容器C2，與不間斷電源裝置1的輸出側的中性點連接。

蓄電池21是積蓄能量的電池，用于在交流電源22停電時供給電力。蓄電池21輸出的直流電在停電時，依次經由分別在正極及負極設置的2個斷路器CB2P、CB2N及電抗器L1，供給斬波器電路2。斬波器電路2調節輸入的直流電壓，向功率轉換電路3～5的各個直流鏈路供給直流電。對蓄電池21充電時，二極管整流器DSM將經由開關SW1從交流電源22輸入的三相交流電變換為直流電，向斬波器電路2輸出。斬波器電路2通過從功率轉換電路3～5的直流鏈路或二極管整流器DSM輸入的直流電進行動作，使得對蓄電池21充電。

參照圖1，說明不間斷電源裝置1的盤內的結構。圖1中的箭頭表示冷卻風的流向。

在不間斷電源裝置1的盤內，安裝斬波單元2、3個轉換器單元3～5、控制單元6、冷卻扇7、電容器單元8、2個斷路器單元9、10及3個電抗器L1、L2、L3。另外，在不間斷電源裝置1的盤內還安裝構成圖2所示電氣電路的元件及設備等，但是這里省略。

不間斷電源裝置1的內部分為占大部分的安裝結構元器件的空間和起到作為冷卻風穿過的風洞的作用并且安裝了電抗器L1～L3的空間的2個空間。強制風冷用的冷卻扇7設置于殼體CH的頂面(上表面)的背面側的空間。在不間斷電源裝置1的上部，設置冷卻扇7的背面側的空間比正面側的空間大。在占據不間斷電源裝置1的內部的大部分的下側的空間中，正面側的空間比背面側的空間大。不間斷電源裝置1的下側的空間由分隔板BD分隔為正面側和背面側。

斬波單元2及轉換器單元3～5(以下，稱為“半導體單元2～5”。)具備由IGBT(insulated gate bipolar transistor：絕緣柵雙極晶體管)等的開關元件11構成的電氣電路。開關元件11是發熱量多而特別需要冷卻的半導體。開關元件11為薄板形狀。開關元件11設置于冷卻開關元件11的散熱片12的頂面。開關元件11及散熱片12安裝在半導體單元2～5的背面側。半導體單元2～5是冷卻風從正面側穿過到背面側的結構。散熱片12通過被冷卻風冷卻，使開關元件11冷卻。

半導體單元2～5全部為大致相同的形狀，是高度比深度及寬度較短(低)的長方體形狀。半導體單元2～5設置于不間斷電源裝置1的正面側的下側的空間。半導體單元2～5的深度是比從不間斷電源裝置1的正面的內側到分隔板BD為止的長度小一些的長度。從而，半導體單元2～5的正面與盤內的正面接近(或接觸)，半導體單元2～5的背面與分隔板BD接近(或接觸)。

半導體單元2～5沿著垂直方向配置為多級層疊，各單元2～5間存在很小的間隙。最下級的轉換器單元5設置成與不間斷電源裝置1的底面接觸。轉換器單元4設置在轉換器單元5上方。轉換器單元3設置在轉換器單元4上方。半導體單元2～5中最上級的斬波單元2設置在轉換器單元3上方。

電容器單元8是收納圖2所示輸入側電容器C1及輸出側電容器C2的單元。電容器單元8具有與半導體單元2～5大致相同的形狀。電容器單元8設置在斬波單元2上方。

控制單元6是安裝了對不間斷電源裝置1進行控制的基板等的單元。控制單元6設置在電容器單元8上方的正面側。

斷路器單元9是收納圖2所示2個斷路器CB2P、CB2N的單元。斷路器單元9設置在電容器單元8上方的背面側。

斷路器單元10是收納圖2所示2個斷路器CB1、CB3的單元。斷路器單元10設置在與設置冷卻扇7的空間的正面側相鄰的空間。

電抗器L1～L3設置在由位于安裝半導體單元2～5的空間的背面側的分隔板BD所隔開的空間。電抗器L1～L3是長度方向為垂直方向的長方體形狀或圓柱形狀。電抗器L1～L3配置為沿著垂直方向層疊。設置電抗器L1～L3的空間成為從安裝半導體單元2～5的空間排出的冷卻風上升后流向冷卻扇7的風洞。

冷卻風的吸氣口Ki設置于不間斷電源裝置1的正面的下部從下算起的3個半導體單元(轉換器單元)3～5所處的位置。分別與位于各半導體單元2～5的背面的部分對應地設置分隔板BD的開口部K1～K4。從正面的吸氣口Ki吸入的冷卻風穿過各半導體單元2～5，使散熱片12冷卻，從分隔板BD的各開口部K1～K4向不間斷電源裝置1的背面側的空間排出。向背面側的空間排出的冷卻風向上流動，從設置于不間斷電源裝置1的頂面的冷卻扇7排氣。

圖3是表示在本實施方式所涉及的分隔板BD設置了狹縫板SL1、SL2的外形的外形圖。圖4是表示開口率50％的狹縫板SL1的外形圖。圖5是表示開口率70％的狹縫板SL2的外形圖。這里，開口率是將未設置狹縫板狀態下的開口部K1～K4的開口率設為100％的比例。

設置于分隔板BD的開口部K1～K4中的最上面的開口部K1和最下面的開口部K4未設置狹縫板。即，這些開口部K1、K4的開口率為100％。在從上算起的第2個開口部K2安裝開口率50％的狹縫板SL1。在從上算起的第3個開口部K3安裝開口率70％的狹縫板SL2。狹縫板SL1、SL2的開口率通過狹縫SS的數目調節。另外，狹縫板SL1、SL2的開口率也可以通過狹縫SS的大小調節。

圖6是表示流經本實施方式所涉及的不間斷電源裝置1的冷卻風在無狹縫板SL1、SL2狀態下的風速模擬結果的風速分布圖。圖7是表示流經本實施方式所涉及的不間斷電源裝置1的冷卻風在有狹縫板SL1、SL2狀態下的風速模擬結果的風速分布圖。

參照圖6及圖7，說明確定狹縫板SL1、SL2的安裝位置及開口率的方法。另外，這里說明了通過進行計算機模擬而確定狹縫板SL1、SL2的方法，但是不通過模擬，也可以實測冷卻風的風速，也可以通過經驗確定，也可以通過其他方法確定。

在無狹縫板SL1、SL2的狀態下，流經各半導體單元2～5的冷卻風的風速存在偏差。冷卻扇7安裝在不間斷電源裝置1的上部，因此，原則上，上方的靜壓高。即，上方的冷卻風的風速快。但是，最上面的斬波單元2的吸氣口Ki處于比自身的高度稍微下方的位置。相對地，其他轉換器單元3～5的吸氣口Ki處于各自高度的位置。從而，流經轉換器單元3～5的冷卻風從各自的轉換器單元3～5的正面側直線穿過到背面側。相對地，流經斬波單元2的冷卻風從稍下側向斜上方向吸入盤內后穿過斬波單元2。即，流經斬波單元2的冷卻風不是沿著直線流過(參照圖1)。從而，斬波單元2雖然位于轉換器單元3上，但是流過斬波單元2的冷卻風的風速比流過轉換器單元3的冷卻風慢。

參照圖6，流經從上算起的第2個半導體單元3的冷卻風的風速最快，因此，在位于半導體單元3的背面側的開口部K2安裝開口率50％的狹縫板SL1。在位于從上算起的第3個半導體單元4的開口部K3安裝開口率比安裝在開口部K2的狹縫板SL1更高的開口率70％的狹縫板SL2。在位于最上面的半導體單元2和最下面的半導體單元5的各自位置的開口部K1、K2不安裝狹縫板。即，這些開口部K1、K4成為開口率100％。開口部K1～K4的開口率越低，穿過開口部K1～K4的冷卻風的風速越受限制。

在該狀態下，進行冷卻風的風速模擬，如圖7所示。圖7所示風速模擬結果中，流經各半導體單元2～5的冷卻風以大致均等的風速流過。從而，狹縫板SL1、SL2確定為在該狀態下安裝。如流經各半導體單元2～5的冷卻風存在偏差，則通過變更狹縫板SL1、SL2的開口率或者設置新的狹縫板，調節各開口部K1～K4的開口率。重復該調節，直到流經全部半導體單元2～5的冷卻風均等。

根據本實施方式，通過在設置于分隔板BD的開口部K1～K4上設置改變開口率的狹縫板SL1、SL2，能夠限制(調節)通過開口部K1～K4的冷卻風的風速。從而，能夠使流經各半導體單元2～5的冷卻風的風速均等，提高半導體單元2～5的冷卻效率。

例如，為了使全部半導體單元2～5充分冷卻，考慮在不采用狹縫板SL1、SL2的情況下選定冷卻扇7，使冷卻風最慢的半導體單元5充分冷卻。在該情況下，在最快的冷卻風流過的半導體單元3上流過了比所需更快的冷卻風。即，冷卻扇7消耗了多余的能量。相對地，通過采用狹縫板SL1、SL2使流經各半導體單元2～5的冷卻風的風速均等，能夠避免在半導體單元2～5上流過比所需更快冷卻風。從而，與未采用上述的狹縫板SL1、SL2的情況比較，能夠選定容量小的冷卻扇7。從而，能夠高效冷卻不間斷電源裝置1的盤內，降低不間斷電源裝置1的制造成本。

另外，考慮不采用狹縫板SL1、SL2，通過改變各半導體單元2～5的各自的散熱片12的形狀，使各冷卻風的風速均等。但是，在該情況下，轉換器單元3～5的散熱片12的形狀成為彼此不同的形狀，必須按各轉換器單元3～5的安裝位置來改變結構。相對地，通過采用狹縫板SL1、SL2，能夠使各轉換器單元3～5的結構通用，而與安裝位置無關。通過使各轉換器單元3～5的結構通用，能夠提高不間斷電源裝置1的生產性，降低制造成本。

而且，考慮不采用狹縫板SL1、SL2，而變更安裝各半導體單元2～5的空間的尺寸(例如，深度)，使得流經各半導體單元2～5的冷卻風的風速均等。在該情況下，在不間斷電源裝置1的盤內必須有能夠變更空間的尺寸的余量，另外，可能伴隨殼體CH的大幅變更。

另外，在伴隨不間斷電源裝置1的規格變更而改造的情況下，改造后也必須使各半導體單元2～5充分冷卻。但是，在不間斷電源裝置1的頻率或額定電壓變更時，各半導體單元2～5未必能夠與改造前同樣冷卻。從而，改造后的不間斷電源裝置1中，必須驗證各半導體單元2～5的冷卻能力。

在改造后的不間斷電源裝置1中，若半導體單元2～5中即使有一個無法充分冷卻，也需要再次改造不間斷電源裝置1。這里，若采用狹縫板SL1、SL2，能夠簡單地單獨調節各半導體單元2～5的冷卻風，能夠容易地變更各半導體單元2～5的冷卻能力。另一方面，若在不采用狹縫板SL1、SL2的情況下進行變更各半導體單元2～5的冷卻能力的改造，則必須改變盤內的結構或設備的配置，或者改變各半導體單元2～5的散熱片12的形狀。這與安裝狹縫板SL1、SL2的情況比較，改造成本高。

而且，本實施方式中，主要說明半導體單元2～5的冷卻，但是對于控制單元6及電容器單元8等的其他設備及單元，通過采用實施方式說明的結構，也能夠充分冷卻。

另外，實施方式中，說明了四級層疊的半導體單元2～5的結構，但是只要是二級以上的多級層疊的半導體單元，則半導體單元也可以是任意個。另外，分隔板BD的開口部K1～K4與半導體單元2～5對應設置，但是，也不一定要與半導體單元2～5分別對應設置。通過將開口部K1～K4與半導體單元2～5對應設置，能夠容易調節各半導體單元2～5的冷卻能力。另外，若可以設置2個以上的開口部，則也可以設置任意個開口部。開口部為2個的情況下，通過在一個開口部安裝狹縫板，能夠減小穿過2個開口部的冷卻風的風速差。

另外，本發明不限于上述實施方式，在實施階段，在不脫離其要旨的范圍能夠改變結構要素并具體化。另外，通過上述實施方式公開的多個結構要素的適當組合，能夠形成各種發明。例如，也可以從實施方式公開的全部結構要素刪除幾個結構要素。而且，不同實施方式的結構要素也可以適當組合。