(57)【要約】【課題】半導体冷却装置において、簡易な構造により、ろう付け作業時の手間を省くことができるようにする。【解決手段】半導体冷却装置１０は、冷却器１８が該冷却器の下面と流路３４とを貫通する貫通孔４０を有し、底板２０が該底板の上面２０ａから突出し、貫通孔４０に挿入される突起部４２を有する。貫通孔４０に突起部４２を挿入することにより、冷却器１８と底板２０との位置決めを容易に行うことができ、ろう付け作業時の手間を省くことができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷却媒体が流れる流路が形成され、発熱体である半導体の熱を冷却媒体に放熱する冷却器と、
冷却器を配置する底板と、
を有し、
冷却器の下面と底板の上面とがろう付けにより接合されて構成される半導体冷却装置において、
冷却器は、該冷却器の下面と前記流路とを貫通する貫通孔を有し、
底板は、該底板の上面から突出し、前記貫通孔に挿入される突起部を有する、
ことを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体冷却装置において、
冷却器は、前記流路内に収容されるフィンを有し、
前記突起部は、底板と冷却器を積層したときに、当該突起部の先端部が前記貫通孔を通過して前記流路内に突出するように形成され、
前記突起部の先端部がフィンに当接することにより、前記流路内におけるフィンの移動が規制される、
ことを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体冷却装置において、
前記突起部は、互いに対向するように底板の上面に配置され、
底板と冷却器を積層したときに、前記互いに対向する突起部の先端部の間にフィンが位置することにより、前記突起部が互いに対向する方向へのフィンの移動が規制される、
ことを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載の半導体冷却装置において、
冷却器と底板とは、フラックスを用いたろう付けにより接合される、
ことを特徴とする半導体冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体冷却装置の構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の半導体を使用したパワーモジュールにおいては、半導体で発生した熱を効率よく放熱して、半導体の温度を所定温度以下に保つ半導体冷却装置が知られている。
【０００３】
従来の半導体冷却装置の概略構成について図４を用いて説明する。半導体冷却装置１１０は、複数の構成部品を有する。具体的には、表面に半導体１１２を配置した絶縁基板１１４と、絶縁基板１１４の裏面に、応力吸収空間が形成された応力緩和部材１１６を介して設けられた冷却器１１８と、冷却器１１８を配置する底板１２０とを有する。絶縁基板１１４と応力緩和部材１１６と冷却器１１８と底板１２０とは、それぞれろう付けにより接合されている。
【０００４】
冷却器１１８は、応力緩和部材１１６に熱的に接続される上部板１１８ａと、上部板１１８ａとの間に冷却媒体が流れる流路１２２を形成する下部板１１８ｂとを有する。上部板１１８ａと下部板１１８ｂとは、冷却器１１８の側壁の中間位置でかしめられ、そのかしめられた部位がろう付けにより接合されている。
【０００５】
流路１２２には、上部板１１８ａと下部板１１８ｂとを結ぶようにフィン１２４が設けられている。フィン１２４を設けることにより、流路１２２を流れる冷却媒体と冷却器１１８との接触面積が増加するので、放熱性能が向上する。
【０００６】
このように構成される半導体冷却装置１１０においては、半導体１１２で生じた熱を、絶縁基板１１４と応力緩和部材１１６を介して、冷却器１１８の流路１２２を流れる冷却媒体に効率よく放熱することができる。
【０００７】
下記特許文献１には、半導体素子を搭載する絶縁基板とヒートシンクとの間に、応力吸収空間を有する応力緩和部材を設け、絶縁基板と応力緩和部材とヒートシンクがろう付けにより接合されて構成される放熱装置が記載されている。
【０００８】
下記特許文献２には、一対の表面板がろう材により接合されて構成されるサンドイッチパネルであって、一方の表面板には外側に通じる貫通孔が形成されるサンドイッチパネルが記載されている。このサンドイッチパネルによれば、ろう材に取り込まれた空気が貫通孔を通じて外部に排出されるので、ろう付け不良の防止を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２９４６９９号公報
【特許文献２】特開２０００−１１７４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の半導体冷却装置１１０の各構成部品をろう付けにより接合する場合、半導体冷却装置１１０をろう付け用の炉に入れる前に、仮組み治具を用いて各構成部品の位置決めが行われる。このように、半導体冷却装置１１０のろう付け作業には、仮組み治具が用いられるため、手間がかかるという問題がある。
【００１１】
本発明の目的は、簡易な構造により、各構成部品の位置決めを容易にし、ろう付け作業時の手間を省くことができる半導体冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、内部に冷却媒体が流れる流路が形成され、発熱体である半導体の熱を冷却媒体に放熱する冷却器と、冷却器を配置する底板と、を有し、冷却器の下面と底板の上面とがろう付けにより接合されて構成される半導体冷却装置において、冷却器は、該冷却器の下面と前記流路とを貫通する貫通孔を有し、底板は、該底板の上面から突出し、前記貫通孔に挿入される突起部を有することを特徴とする。
【００１３】
また、冷却器は、前記流路内に収容されるフィンを有し、前記突起部は、底板と冷却器を積層したときに、当該突起部の先端部が前記貫通孔を通過して前記流路内に突出するように形成され、前記突起部の先端部がフィンに当接することにより、前記流路内におけるフィンの移動を規制することができる。
【００１４】
また、前記突起部は、互いに対向するように底板の上面に配置され、底板と冷却器を積層したときに、前記互いに対向する突起部の先端部の間にフィンが位置することにより、前記突起部が互いに対向する方向へのフィンの移動を規制することができる。
【００１５】
また、冷却器と底板とは、フラックスを用いたろう付けにより接合することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の半導体冷却装置によれば、簡易な構造により、ろう付け作業時の手間を省くことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態の半導体冷却装置の構成を示す断面図である。
【図２】冷却器と底板が積層した状態を示す断面図である。
【図３】下部板に形成される貫通孔とフィンとの位置配置を示す平面図である。
【図４】従来の半導体冷却装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る半導体冷却装置の実施形態について、図面に従って説明する。なお、本実施形態においては、一例として、自動車を駆動するモータに電力を供給するパワーモジュールを挙げ、これに用いられる半導体冷却装置について説明する。なお、本発明は、自動車のパワーモジュールに限らず、発熱体である半導体を冷却するために用いられる半導体冷却装置にも適用できる。
【００１９】
図１は、本実施形態の半導体冷却装置１０の概略構成を示す断面図である。半導体冷却装置１０は、表面に半導体１２を配置した絶縁基板１４と、絶縁基板１４の裏面に、応力吸収空間が形成された応力緩和部材１６を介して設けられた冷却器１８と、冷却器１８を配置する底板２０とを有する。絶縁基板１４と応力緩和部材１６と冷却器１８と底板２０とは、それぞれろう付けにより接合される。
【００２０】
半導体１２は、インバータや昇圧コンバータに用いられるスイッチング素子であり、ＩＧＢＴ、パワートランジスタ、サイリスタ等などで構成される。スイッチング素子は、駆動により発熱する。
【００２１】
絶縁基板１４は、第一のアルミニウム層２２とセラミック層２４と第二のセラミック層２６とを順に積層して構成される。
【００２２】
第一のアルミニウム層２２には、電気回路が形成され、この電気回路上に半導体１２がはんだ付けにより電気的に接続される。第一のアルミニウム層２２は、導電性に優れたアルミニウムにより形成されるが、導電性に優れた材質であれば、例えば銅で形成されてもよい。しかし、電気伝導率が高く、変形能が高く、しかも半導体１２とのはんだ付けが良好である純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好適である。
【００２３】
セラミック層２４は、絶縁性能が高く、熱伝導率が高く、そして機械的強度が高いセラミックから形成されている。セラミックは、例えば酸化アルミニウムや窒素アルミニウムである。
【００２４】
第二のアルミニウム層２６には、応力緩和部材１６がろう付けにより接合される。第二のアルミニウム層２６は、熱伝導性に優れたアルミニウムにより形成されるが、熱伝導性に優れた材質であれば、例えば銅で形成されてもよい。しかし、熱伝導率が高く、変形能が高く、しかも溶融したろう材との濡れ性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好適である。
【００２５】
応力緩和部材１６は応力吸収空間２８を有する。応力吸収空間２８は、応力緩和部材１６を積層方向に貫通する孔である。この孔が変形することにより応力を吸収することができる。応力吸収空間２８は、スリット形状の孔であり、応力緩和部材１６に千鳥状に形成されている。なお、応力吸収空間２８はスリット形状に限らず、多角形状や円形の孔であってもよい。応力緩和部材１６は、熱伝導性に優れたアルミニウムにより形成されるが、熱伝導性に優れた材質であれば、例えば銅で形成されてもよい。しかし、熱伝導率が高く、変形能が高く、しかも溶融したろう材との濡れ性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好適である。本実施形態においては、応力吸収空間２８が応力緩和部材１６を積層方向に貫通する孔である場合について説明したが、この構成に限定されず、応力緩和部材１６を貫通することなく端部が塞がった孔でもよい。
【００２６】
冷却器１８は、熱伝導性に優れるとともに、軽量であるアルミニウムにより形成される。冷却器１８は、応力緩和部材１６に接合する上部板３０と、上部板３０に接合し、上部板３０との間に冷却媒体が流れる流路３４を形成する下部板３２とを有する。流路３４には、板状のフィン３６であって、上部板３０と下部板３２とを交互に結ぶように折り曲げて形成されたフィン３６が設けられている。フィン３６は、上部板３０と下部板３２に挟まれ、これらにろう付けにより接合される。流路３４内にフィン３６を設けることにより、流路３４を流れる冷却媒体と冷却器１８との接触面積が増加するので、放熱性能が向上する。本実施形態の冷却器１８の流路３４を流れる冷却液は、腐食及び凍結防止性能を有するＬＬＣ（ロングライフクーラント）である。
【００２７】
底板２０は、熱伝導性に優れるとともに、軽量であるアルミニウムにより形成される。底板２０の下部には、電子機器（図示せず）が接するように設けられている。電子機器は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータやリアクトルであり、発熱体を含む。
【００２８】
このような構成により、発熱体である半導体１２が熱的に冷却器１８に接続されるので、半導体１２で生じた熱を、絶縁基板１４と応力緩和部材１６を介して、冷却器１８の流路３４を流れる冷却媒体に効率よく放熱することができる。また、電子機器で生じた熱も、底板２０を介して、冷却器１８の流路３４を流れる冷却液に効率よく放熱することができる。
【００２９】
本実施形態の半導体冷却装置１０においては、冷却器１８が該冷却器の下面と流路３４とを貫通する貫通孔４０を有し、底板２０が該底板の上面２０ａから突出し、貫通孔４０に挿入される突起部４２を有する。冷却器１８の下面とは、底板２０と接触し接合される面のことであり、下部板３２の下面３２ａのことである。貫通孔４０は、積層方向に沿って下部板３２を貫通するように形成される。突起部４２は、貫通孔４０に対して僅かに間隔が空くように形成される。貫通孔４０に突起部４２を挿入することにより、冷却器１８と底板２０との位置決めを容易に行うことができる。なお、貫通孔４０の開口部は、円形または矩形にすることができ、突起部４２はその開口部の形状に対応させた形状にすることができる。
【００３０】
次に、冷却器１８と底板２０との積層した状態について具体的に説明する。図２は、冷却器１８と底板２０が積層した状態を示す断面図である。この図においては、冷却器１８と底板２０を除く、半導体冷却装置１０の他の構成部品については省略する。
【００３１】
突起部４２は、冷却器１８と底板２０とが積層状態にあるとき、突起部４２の先端部４４が貫通孔４０を通過して流路３４に突出するように形成されている。そして、冷却器１８と底板２０とが積層状態にあるとき、突起部４２の先端部４４がフィン３６に当接するように、フィン３６と貫通孔４０と突起部４２との位置が予め設定されている。突起部４２の先端部４４がフィン３６に当接することにより、流路３４内におけるフィン３６の移動を規制することができる。
【００３２】
図２に示されるように、突起部４２が、互いに対向するように底板２０の上面２０ａに配置されている。そして、冷却器１８と底板２０とが積層状態にあるとき、互いに対向する突起部４２の先端部４４の間にフィン３６の全体が位置するように、フィン３６と貫通孔４０と突起部４２との位置が予め設定されている。そして、フィン３６の両端には、突起部４２の先端部４４がそれぞれ当接している。このように、２つの突起部４２の間にフィン３６が位置し、それらの突起部４２の先端部４４がフィン３６にそれぞれ当接することにより、底板２０に対する下部板３２の移動を規制するとともに、突起部４２が互いに対向する方向への下部板３２に対するフィン３６の移動を規制することができる。フィン３６の移動が規制されるということは、流路３４内においてフィン３６が位置決めされるので、ろう付けの作業時の手間を省くことができる。
【００３３】
なお、本実施形態においては、互いに対向する突起部４２の間にフィン３６の全体が位置する場合について説明したが、これに限定されず、互いに対向する突起部４２の間にフィン３６の一部が位置するように構成することもできる。フィン３６の一部の両端に、突起部４２の先端部４４がそれぞれ当接することで、突起部４２が互いに対向する方向へのフィン３６の移動を規制することができる。
【００３４】
図３は、下部板３２に形成される貫通孔４０とフィン３６と位置関係を示す平面図であり、下部板３２を上方から見下ろした図である。図３に示されるように、下部板３２の中央部にフィン３６が配置される。そして、フィン３６の外周に接するように、下部板３２に貫通孔４０が形成される。具体的には、図中のｘ方向におけるフィン３６の両辺にそれぞれ２個ずつ接するように、下部板３２に貫通孔４０が形成され、図中のｙ方向におけるフィン３６の両辺にそれぞれ２個ずつ接するように、下部板３２に貫通孔４０が形成される。なお、フィン３６の各辺における貫通孔４０の数は一例であって、本発明は貫通孔４０の数に限定されない。
【００３５】
このように構成される下部板３２とフィン３６を含む冷却器１８と底板２０とを積層すると、貫通孔４０に挿入された突起部４２の先端部４４が、フィン３６の外周、すなわちｘ及びｙ方向におけるフィン３６の両端にそれぞれ当接するので、流路３４内における平面方向へのフィン３６の移動を規制することができる。
【００３６】
半導体冷却装置１０の各構成部品の接合部をろう付けする方法として、従来から、非腐食性のフラックスを接合部に塗布して、大気中の高温（例えば６００℃）の炉内において接合部をろう付けする方法が知られている。このろう付け方法においては、ろう付け時には雰囲気の気圧が大気圧であるため、各構成部品の接合部であって接触面積が大きい接合部、すなわち冷却器１８の下部板３２と底板２０との接合部に介在する空気が抜け切れずにボイドとして残ってしまう。接合部にボイドが形成されると、その接合部における熱伝導率が低下してしまうとともに、ろう付けによる強度も低下してしまい、ろう付け性能が悪化してしまうという問題がある。
【００３７】
しかしながら、本実施形態における半導体冷却装置１０の構成によれば、上述の問題を解消することができる。すなわち、図２に示されるように、冷却器１８の下部板３２には貫通孔４０が形成され、底板２０には、貫通孔４０に対応する突起部４２が形成され、突起部４２は、貫通孔４０に対して隙間を空けて貫通している。このような構成により、フラックスを用いたろう付けを行う場合、冷却器１８と底板２０の接合部に介在する空気が、貫通孔４０と突起部４２の隙間を通って流路３０側の空間へ抜け易くなる。よって、冷却器１８と底板２０の接合部に生ずるボイドを抑制することができ、ろう付け性能の向上を図ることができる。なお、貫通孔４０と突起部４２の隙間は、ろう付け時に冷却器１８と底板２０から融解したろう材４６により塞がれ、流路３４側の開口部にはフィレット４８が形成される。
【符号の説明】
【００３８】
１０  半導体冷却装置、１２  半導体、１４  絶縁基板、１６  応力緩和部材、１８  冷却器、２０  底板、３０  上部板、３２  下部板、３４  流路、３６  フィン、４０  貫通孔、４２  突起部、４４  先端部、４６  ろう材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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