(57)【要約】【課題】主に、摩擦撹拌接合による問題や、冷却液出口を設ける際の問題を解消し得るようにする。【解決手段】冷却装置本体２８が、本体容器部４１と、本体容器部４１上面に対し、摩擦撹拌接合によって閉止固定可能な上蓋部４２とを有する。冷却液出口２３ｂが、本体容器部４１上面他端側の部分上面部４１４に形成される。本体容器部４１の下面部４１２に、上蓋部４２を摩擦撹拌接合する際の押圧力を下方から受けるための受治具４５を挿入可能な治具挿入用開口部４１６が設けられる。治具挿入用開口部４１６の下縁に、摩擦撹拌接合によって閉止固定可能な下蓋部４６が、冷却液流通部４７を有して設けられる。下蓋取付用縁部４１７が、摩擦撹拌接合する際の押圧力に耐え得る耐力部４１８を有する。【選択図】図４
2014154753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷却液通路となる中空部を有する冷却装置本体を備え、
該冷却装置本体の一端側に前記冷却液通路と連通する冷却液入口が設けられ、
前記冷却装置本体の他端側に前記冷却液通路と連通する冷却液出口が設けられ、
前記冷却装置本体の上面に半導体を当接配置可能な当接面が設けられ、
該当接面の裏面側に前記冷却液通路内へ延びる放熱フィンが設けられた半導体冷却装置であって、
前記冷却装置本体が、少なくとも、前記冷却液通路の下部を構成する凹状部を有する本体容器部と、
上面に前記当接面を有し、下面に前記放熱フィンを有して、前記本体容器部上面における前記凹状部上縁に設けられた上蓋取付部に対し、摩擦撹拌接合によって閉止固定可能な上蓋部と、を有し、
更に、前記冷却液出口が、前記本体容器部上面における、前記上蓋取付部の他端側縁部よりも他端側の位置に部分的に設けられた部分上面部に形成され、
前記本体容器部の下面部における前記上蓋取付部の他端側縁部および前記冷却液出口の下方に、前記上蓋部を摩擦撹拌接合する際に、前記上蓋取付部の他端側縁部に作用する押圧力を下方から受けるための受治具を挿入可能な治具挿入用開口部が設けられ、
該治具挿入用開口部の下縁に設けられた下蓋取付用縁部に対し、摩擦撹拌接合によって閉止固定可能な下蓋部が、前記部分上面部との間に冷却液流通部を有して設けられ、
前記下蓋取付用縁部が、前記下蓋部を摩擦撹拌接合する際に作用される押圧力に耐え得る耐力部を有す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】
この発明は、半導体冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な分野において各種の電子機器が用いられている。このような電子機器には、パワートランジスタなどの発熱型半導体を使用したものが存在している。このような発熱型半導体は熱暴走によって誤作動を起こすおそれがあるため、熱暴走しないように冷却する必要がある。そして、このような発熱型半導体に対する冷却方式には空冷式や水冷式があるが、発熱型半導体の高性能化、高出力化による発熱量の増大に伴って、空冷式よりも冷却効果の高い水冷式を採用する機会が増加している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図７は、現在開発中の半導体冷却構造１を示すものである。
【０００４】
この半導体冷却構造１は、少なくとも１個の発熱型半導体が収容されたパワーモジュール２と、このパワーモジュール２の下面側に当接配置された下部半導体冷却装置３と、上記パワーモジュール２の上面に当接配置された上部半導体冷却装置４と、この上部半導体冷却装置４の上部に当接配置された荷重受板５と、この荷重受板５の上面側に設けられて荷重受板５を介し上部半導体冷却装置４をパワーモジュール２の上面へ圧接可能な弾性部材６とを備えている。
【０００５】
そして、少なくとも上記下部半導体冷却装置３は、内部に冷却液通路７となる中空部を有する冷却装置本体８を備えている。この冷却装置本体８の一端側に冷却液通路７と連通する冷却液入口が設けられ、冷却装置本体８の他端側に冷却液通路７と連通する冷却液出口が設けられている。冷却装置本体８の上面にパはワーモジュール２を当接配置可能な当接面８ａが設けられている。この当接面８ａの裏面側には冷却液通路７内へ延びる放熱フィン９が設けられている。
【０００６】
なお、上部半導体冷却装置４も、下部半導体冷却装置３とほぼ同様の液冷式のものとされている。
【０００７】
そして、下部半導体冷却装置３と上部半導体冷却装置４とを連続させて、下部半導体冷却装置３から出た冷却液を上部半導体冷却装置４へと流入させるようにしている。
【０００８】
このような構成によれば、パワーモジュール２の下面側に当接配置された下部半導体冷却装置３と、上記パワーモジュール２の上面に当接配置された上部半導体冷却装置４とによってパワーモジュール２の両面を効率良く冷却することができる。
【０００９】
また、弾性部材６と荷重受板５とを用いて、上部半導体冷却装置４をパワーモジュール２の上面へ圧接（或いは密着）させることにより、パワーモジュール２やパワーモジュール２内部の発熱型半導体の寸法バラ付きの影響を吸収して、パワーモジュール２の熱を効率良く上部半導体冷却装置４へ伝えることができる。
【００１０】
そして、下部半導体冷却装置３では、冷却液を、冷却装置本体８の一端側に設けた冷却液入口から、冷却装置本体８の内部の冷却液通路７へ供給し、冷却液通路７を通して、冷却装置本体８の他端側に設けた冷却液出口から外部（この場合には、上部半導体冷却装置４）へ排出させようにする。すると、パワーモジュール２の熱は、冷却液通路７内に配置された放熱フィン９から冷却液へと伝えられ、冷却液と共に外部へ逃がされる。これにより、パワーモジュール２を冷却液によって効率的に冷却することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−１８２３１１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記した半導体冷却構造１には、以下のような問題があった。
【００１３】
即ち、上記したように下部半導体冷却装置３と上部半導体冷却装置４とを連続したものにする場合、下部半導体冷却装置３の冷却液出口と、上部半導体冷却装置４の冷却液入口とを、向い合わせに形成するのが構造上最も簡単になるので都合が良い。そのために、下部半導体冷却装置３については、冷却液出口を、下部半導体冷却装置３の他端側の上面に設けるようにするのが最も望ましい。
【００１４】
一方、下部半導体冷却装置３は、冷却液通路７の内部に放熱フィン９を配置するために、構造上、冷却液通路７の下部を構成する本体容器部８ｂと、冷却液通路７の上部を構成する上蓋部８ｃとに分けて、上蓋部８ｃの下面に放熱フィン９を設けるなどする必要がある。また、下部半導体冷却装置３は、冷却液の漏れを防ぐために、それ自体に高い密閉性を持たせる必要がある。そのため、上記した本体容器部８ｂに対して上蓋部８ｃを摩擦撹拌接合によって閉止固定することが検討されている。
【００１５】
しかし、摩擦撹拌接合の際には、冷却装置本体８に強い押圧力が作用されるので、本体容器部８ｂと上蓋部８ｃとの接合部周辺は、この強い押圧力に耐えられる構造にしなければならない。
【００１６】
また、上記した冷却液出口の、下部半導体冷却装置３の他端側上面に対する設け方について言うと、冷却液出口を冷却装置本体８の上蓋部８ｃに対して予め開口形成しておくようにした場合、摩擦撹拌接合を行う時に冷却液出口を栓で塞いでおき、摩擦撹拌接合の後でこの栓を取外すなどの操作が必要になるので、栓の取扱いが煩わしいという問題がある。また、冷却液出口から十分に離して摩擦撹拌接合を行わなければならないため、上蓋部８ｃが必要以上に大きくなってしまうという問題がある。
【００１７】
これに対し、摩擦撹拌接合の後で冷却液出口を上蓋部８ｃに開口形成することも考えられるが、このようにする場合、冷却液出口を加工する際の切削屑が冷却装置本体８の内部に入り込んで除去することが不可能になるので、この手段は採用できないものとして断念されている。
【００１８】
よって、摩擦撹拌接合による問題を解消しつつ、冷却液出口を下部半導体冷却装置３の他端側の上面に設けられるようにすることが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明は、内部に冷却液通路となる中空部を有する冷却装置本体を備え、該冷却装置本体の一端側に前記冷却液通路と連通する冷却液入口が設けられ、前記冷却装置本体の他端側に前記冷却液通路と連通する冷却液出口が設けられ、前記冷却装置本体の上面に半導体を当接配置可能な当接面が設けられ、該当接面の裏面側に前記冷却液通路内へ延びる放熱フィンが設けられた半導体冷却装置であって、
前記冷却装置本体が、少なくとも、前記冷却液通路の下部を構成する凹状部を有する本体容器部と、上面に前記当接面を有し、下面に前記放熱フィンを有して、前記本体容器部上面における前記凹状部上縁に設けられた上蓋取付部に対し、摩擦撹拌接合によって閉止固定可能な上蓋部とを有し、
更に、前記冷却液出口が、前記本体容器部上面における、前記上蓋取付部の他端側縁部よりも他端側の位置に部分的に設けられた部分上面部に形成され、
前記本体容器部の下面部における前記上蓋取付部の他端側縁部および前記冷却液出口の下方に、前記上蓋部を摩擦撹拌接合する際に、前記上蓋取付部の他端側縁部に作用する押圧力を下方から受けるための受治具を挿入可能な治具挿入用開口部が設けられ、
該治具挿入用開口部の下縁に設けられた下蓋取付用縁部に対し、摩擦撹拌接合によって閉止固定可能な下蓋部が、前記部分上面部との間に冷却液流通部を有して設けられ、
前記下蓋取付用縁部が、前記下蓋部を摩擦撹拌接合する際に作用される押圧力に耐え得る耐力部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、上記構成によって、上記したような摩擦撹拌接合の問題や、冷却液出口を下部半導体冷却装置の他端側の上面に設ける際の問題を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施例にかかる半導体冷却構造の斜視図である。
【図２】図１の分解斜視図である。
【図３】図１の横断面図である。
【図４】図１の縦断面図である。
【図５】図４の部分拡大図である。
【図６】摩擦撹拌接合の様子を示す斜視図である。
【図７】現在開発中の半導体冷却構造を示す横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を具体化した実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
＜構成＞以下、構成について説明する。
図１〜図６は、この実施例を示すものである。
【００２４】
図１の斜視図または図２の分解斜視図に示すように、この半導体冷却構造２１は、少なくとも１個の発熱型半導体２２ａが収容されたパワーモジュール２２（被冷却体）と、このパワーモジュール２２の下面側に当接配置された下部半導体冷却装置２３と、上記パワーモジュール２２の上面に当接配置された上部半導体冷却装置２４と、この上部半導体冷却装置２４の上部に当接配置された荷重受板２５と、この荷重受板２５の上面側に設けられて荷重受板２５を介し上部半導体冷却装置２４をパワーモジュール２２の上面へ圧接可能な弾性部材２６と、を備えている。
【００２５】
そして、少なくとも上記下部半導体冷却装置２３は、図３の横断面図に示すように、内部に冷却液通路２７となる中空部を有する冷却装置本体２８を備えている。この冷却装置本体２８の一端側に冷却液通路２７と連通する冷却液入口２３ａ（図１または図２参照）が設けられ、冷却装置本体２８の他端側に冷却液通路２７と連通する冷却液出口２３ｂが設けられている。冷却装置本体２８の上面にパワーモジュール２２を当接配置可能な当接面２８ａが設けられている。当接面２８ａの裏面側には冷却液通路２７内へ延びる放熱フィン２９が設けられている。
【００２６】
なお、上部半導体冷却装置２４も、下部半導体冷却装置２３とほぼ同様の液冷式のものとされている。
【００２７】
この実施例の場合、上記したパワーモジュール２２は、パワートランジスタなどの発熱型半導体２２ａを３個内蔵する平面視長方形状の板状体とされている。なお、発熱型半導体２２ａの設置数は、３個に限るものではない。
【００２８】
そして、下部半導体冷却装置２３と上部半導体冷却装置２４とは、パワーモジュール２２の全面を覆い隠し得るようにするために、パワーモジュール２２よりも一回り程度以上大きい平面視長方形状のものとされている。
【００２９】
下部半導体冷却装置２３と上部半導体冷却装置２４とは、ボルトなどの締結具３１を用いて直接締結固定されている。締結具３１は、下部半導体冷却装置２３と上部半導体冷却装置２４との４箇所のコーナー部に取付けられている。締結具３１の取付位置はこれに限るものではない。
【００３０】
そして、下部半導体冷却装置２３の一端側に設けた冷却液入口２３ａから供給された冷却液Ｌは、下部半導体冷却装置２３の内部を長手方向の一端側から他端側へと流れて、下部半導体冷却装置２３の他端側に設けた冷却液出口２３ｂを出ると共に、上部半導体冷却装置２４の他端側に設けた冷却液入口２４ａから上部半導体冷却装置２４の内部へ入り、上部半導体冷却装置２４の内部を他端側から一端側へと流れて、上部半導体冷却装置２４の一端側に設けた冷却液出口２４ｂから排出されるように構成されている。
即ち、下部半導体冷却装置２３と上部半導体冷却装置２４とは、連続した一つの冷却液Ｌの流れが形成されるように接続されている。下部半導体冷却装置２３他端側の冷却液出口２３ｂと、上部半導体冷却装置２４他端側の冷却液入口２４ａとの間には、シール部材３２または、シール性を有する接続部材が設けられる。
【００３１】
また、上記した荷重受板２５は、パワーモジュール２２の全面を圧接し得るようにするために、パワーモジュール２２よりも一回り程度以上大きい平面視長方形状のものとされている。
【００３２】
上記した弾性部材２６は、上部半導体冷却装置２４の幅方向へ延びる短冊状のものとされると共に、その中間部に、荷重受板２５を部分的に押圧可能な下方迂回形状の押圧部２６ａを少なくとも一つ有している。弾性部材２６は、その両端部を下部半導体冷却装置２３の側面に一体に固定された取付部３３に、ボルトなどの締結具３４を用いて締結固定される。弾性部材２６は、上部半導体冷却装置２４の長手方向に対し少なくとも一箇所設けられている。この場合には、３個の発熱型半導体２２ａの間の二箇所の位置に設けられている。
【００３３】
そして、以上のような全体構成に対し、この実施例のものでは、以下のような構成を備えるようにしている。
【００３４】
（構成１）
図４の縦断面図または図５の部分拡大図に示すように、下部半導体冷却装置２３（半導体冷却装置）の冷却装置本体２８が、少なくとも、冷却液通路２７の下部を構成する凹状部４１０を有する本体容器部４１と、上面に当接面２８ａを有し、下面に放熱フィン２９を有して、本体容器部４１上面における凹状部４１０の上縁に設けられた上蓋取付部４１１に対し、摩擦撹拌接合によって閉止固定可能な上蓋部４２とを有している。
【００３５】
（補足説明１）
ここで、本体容器部４１は、下面部４１２と、この下面部４１２の周縁部に沿って立上がる側面部４１３とを有している。上蓋部４２は、凹状部４１０を閉止することにより、冷却液通路２７の上部を構成する。また、上蓋部４２は、当接面２８ａと放熱フィン２９とを有することにより、伝熱促進部材として使用される。上蓋取付部４１１は、本体容器部４１の上面に対して、上蓋部４２を面一状態で取付可能な段差部とされる。本体容器部４１および上蓋部４２は、摩擦撹拌接合が可能で、しかも、熱伝導率の高い金属によって構成される。例えば、アルミニウムや銅などによって構成される。摩擦撹拌接合については後述する。
【００３６】
（構成２）
冷却液出口２３ｂが、本体容器部４１上面における、上蓋取付部４１１の他端側縁部４１１ａよりも他端側の位置に部分的に設けられた部分上面部４１４に対して形成される。
【００３７】
（補足説明２）
ここで、冷却液出口２３ｂは、上蓋取付部４１１の他端側縁部４１１ａから、少なくとも摩擦撹拌接合に必要な距離以上離して設けられる。冷却液出口２３ｂは、摩擦撹拌接合の前に予め設けられる。この場合、冷却液出口２３ｂは、部分上面部４１４から上方へ立上がる周壁部４１５の内部に設けられている。但し、冷却液出口２３ｂは、単なる開口部などとしても良い。
【００３８】
（構成３）
本体容器部４１の下面部４１２における上蓋取付部４１１の他端側縁部４１１ａおよび冷却液出口２３ｂの下方に、上蓋部４２を摩擦撹拌接合する際に、上蓋取付部４１１の他端側縁部４１１ａに作用する押圧力を下方から受けるための受治具４５を挿入可能な治具挿入用開口部４１６が設けられる。
そして、治具挿入用開口部４１６の下縁に設けられた下蓋取付用縁部４１７に対し、摩擦撹拌接合によって閉止固定可能な下蓋部４６が、部分上面部４１４との間に冷却液流通部４７を有して設けられる。
更に、下蓋取付用縁部４１７が、下蓋部４６を摩擦撹拌接合する際に作用される押圧力に耐え得る耐力部４１８を有している。
【００３９】
（補足説明３）
ここで、下蓋取付用縁部４１７は、下蓋部４６を取付可能な段差部とされる。この段差部は、好ましくは、下蓋取付用縁部４１７に下蓋部４６を面一状態で取付可能なものとする。冷却液流通部４７は、上記凹状部４１０と冷却液出口２３ｂとの間を連接するものである。耐力部４１８は、上蓋取付部４１１の他端側縁部４１１ａ（部分上面部４１４）の肉厚ｔ１よりも上下方向の寸法ｔ２を大きくした肉厚部とされる（ｔ１＜ｔ２）。
この場合、耐力部４１８は、肉厚部となるようにするために、治具挿入用開口部４１６の周縁部から下方へ立下がる周壁部（立下壁部）とされている。但し、耐力部４１８は、例えば、本体容器部４１の下面部４１２全体を厚肉にすることによって、上記した立下壁部を設けないようにすることなどもできる。
【００４０】
（構成４）
上記した摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding、略してＦＳＷ）は、図６に示すように、先端に突起５１のある円柱状の工具５２を回転させながら強い力で接合しようとする部材５３，５４に押付けて、突起５１を部材５３，５４の接合部５５に嵌入させることにより、摩擦熱を発生させて部材５３，５４を軟化すると共に、工具５２の回転力によって接合部５５周辺を塑性流動させて練り混ぜるようにしつつ部材５３，５４を一体化する接合方法である。
【００４１】
（補足説明４）
この場合、上記した部材５３，５４は、本体容器部４１と上蓋部４２、または、本体容器部４１と下蓋部４６である。
【００４２】
なお、摩擦撹拌接合の後は、発生したバリを接合線に沿って除去する。
【００４３】
＜作用＞以下、この実施例の作用について説明する。
【００４４】
このような構成によれば、パワーモジュール２２の下面側に当接配置された下部半導体冷却装置２３と、上記パワーモジュール２２の上面に当接配置された上部半導体冷却装置２４とによってパワーモジュール２２の両面を効率良く冷却することができる。
【００４５】
また、弾性部材２６と荷重受板２５とを用いて、上部半導体冷却装置２４をパワーモジュール２２の上面へ圧接（或いは密着）させることにより、パワーモジュール２２やパワーモジュール２２内部の発熱型半導体２２ａの寸法バラ付きの影響を吸収して、パワーモジュール２２の熱を効率良く上部半導体冷却装置２４へ伝えることができる。
【００４６】
そして、冷却液Ｌを、冷却装置本体２８の一端側に設けた冷却液入口２３ａから、冷却装置本体２８の内部の冷却液通路２７へ供給し、冷却液通路２７を通して、冷却装置本体２８の他端側に設けた冷却液出口２３ｂから外部へ排出させる。すると、パワーモジュール２２の熱は、冷却液通路２７内に配置された放熱フィン２９から冷却液Ｌへと伝えられ、冷却液Ｌと共に外部へ逃がされる（この場合には、上部半導体冷却装置２４へと送られる）。これにより、パワーモジュール２２を冷却液Ｌによって効率的に冷却することができる。
【００４７】
＜効果＞この実施例によれば、以下のような効果を得ることができる。
【００４８】
冷却装置本体２８は、本体容器部４１における凹状部４１０の上縁に設けられた上蓋取付部４１１に対し、上蓋部４２を摩擦撹拌接合によって閉止固定することにより、ほぼ構成される。これによって、密閉された冷却液通路２７の主要部が形成されると共に、冷却液通路２７の内部に放熱フィン２９が挿入配置される。
【００４９】
更に、冷却液出口２３ｂを、本体容器部４１の上面における、上蓋取付部４１１の他端側縁部４１１ａよりも他端側の位置に部分的に設けられた部分上面部４１４に対して設けるようにし、これに伴い、本体容器部４１の下面部４１２における上蓋取付部４１１の他端側縁部４１１ａおよび冷却液出口２３ｂの下方に治具挿入用開口部４１６を設けて、治具挿入用開口部４１６から受治具４５を挿入することにより、上蓋部４２を凹状部４１０上縁の上蓋取付部４１１に摩擦撹拌接合する際に、受治具４５で上蓋取付部４１１の他端側縁部４１１ａに作用される押圧力を下方から受けさせることができる。これにより、部分上面部４１４を厚肉にしなくても、本体容器部４１の上蓋取付部４１１に対し、上蓋部４２を摩擦撹拌接合によって支障なく取付けることが可能となる。
【００５０】
加えて、治具挿入用開口部４１６に対し、下蓋部４６を摩擦撹拌接合によって閉止固定するようにし、この際、下蓋部４６と部分上面部４１４との間に冷却液流通部４７が形成されるようにしているので、下蓋部４６と部分上面部４１４との間で塞がれることなく冷却液Ｌを流通させることができる。
【００５１】
そして、下蓋部４６を治具挿入用開口部４１６に摩擦撹拌接合する際に、治具挿入用開口部４１６の下蓋取付用縁部４１７に耐力部４１８を設けることによって、摩擦撹拌接合の押圧力に耐えられるようにしている。これにより、本体容器部４１の治具挿入用開口部４１６に対し、下蓋部４６を摩擦撹拌接合によって支障なく取付けることが可能となる。
【００５２】
以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、実施例はこの発明の例示にしか過ぎないものであるため、この発明は実施例の構成にのみ限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれることは勿論である。
【符号の説明】
【００５３】
２７  冷却液通路
２８  冷却装置本体
２３ａ  冷却液入口
２３ｂ  冷却液出口
２８ａ  当接面
２９  放熱フィン
４１  本体容器部
４１０  凹状部
４１１  上蓋取付部
４１１ａ  他端側縁部
４１２  下面部
４１４  部分上面部
４１６  治具挿入用開口部
４１７  下蓋取付用縁部
４１８  耐力部
４２  上蓋部
４５  受治具
４６  下蓋部
４７  冷却液流通部
【図１】
2014154753.tif 000003
【図２】
2014154753.tif 000004
【図３】
2014154753.tif 000005
【図４】
2014154753.tif 000006
【図５】
2014154753.tif 000007
【図６】
2014154753.tif 000008
【図７】
2014154753.tif 000009