(57)【要約】  線膨張率が異なる介在部材とフレームの壁部とを溶接したときの介在部材及びフレームの反り（湾曲）を抑制することができる熱交換器及びその製造方法、並びに、介在部材及びフレームの反り（湾曲）が抑制された半導体装置及びその製造方法を提供する。熱交換器１０では、外枠を形成するフレーム３０の内部に、冷媒の流路２５を形成する複数のフィン２２を備えたフィン部材２０が配置されている。フレーム３０は、フレーム３０と発熱体（半導体素子７１〜７４）との間に介在する絶縁板６０（介在部材）が溶接される第１フレーム部材３１（第１壁部）を有している。絶縁板６０（介在部材）は、フレーム３０と線膨張率が異なる。第１フレーム部材３１は、その外面３１ｆのうち絶縁板６０（介在部材）が配置される配置面３１ｇに沿った沿面方向に弾性変形可能な突出部３１ｂ〜３１ｅ（弾性変形可能部）を含む。
2010131317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体を冷却する熱交換器であって、外枠を形成するフレームの内部に、冷媒の流路を形成する複数のフィンを備えたフィン部材を配置した熱交換器において、
上記フレームは、当該フレームと上記発熱体との間に介在する介在部材であって当該フレームと線膨張率が異なる介在部材が溶接される第１壁部を有し、
上記フレームの上記第１壁部は、当該第１壁部の外面のうち上記介在部材が配置される配置面に沿った沿面方向に弾性変形可能な弾性変形可能部を含む
熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器であって、
前記弾性変形可能部は、
前記フレームの内部に突出する突出部であって、前記フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、前記配置面に沿って前記冷媒の流れ方向と交差する方向に直線状に延びるＵ字溝形状の突出部である
熱交換器。
【請求項３】
請求項２に記載の熱交換器であって、
前記突出部は、絞り加工により前記第１壁部と一体成形されてなる
熱交換器。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の熱交換器であって、
前記突出部は、前記冷媒の流れ方向と交差する方向における前記フレームの両側壁の内壁面まで延設されている
熱交換器。
【請求項５】
請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
前記突出部は、前記冷媒の流れ方向と直交する方向に直線状に延びる
熱交換器。
【請求項６】
請求項２〜請求項５のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
前記突出部は、前記冷媒の流れ方向に所定間隔をおいて並設されており、
前記フィンは、上記冷媒の流れ方向に隣り合う上記突出部の間に配置されてなる
熱交換器。
【請求項７】
請求項６に記載の熱交換器であって、
前記熱交換器は、前記冷媒の流れ方向に並んで配置される複数の前記発熱体を冷却する熱交換器であり、
前記第１壁部のうち、上記複数の発熱体の中で相対的に発熱量が少ない発熱体が前記介在部材を介して配置される部分を低発熱部とすると、
前記突出部のうち、上記低発熱部に対し前記流路の上流側に隣り合って位置する突出部は、他の突出部に比べて前記フレームの内部に突出する突出高さが低い
熱交換器。
【請求項８】
請求項７に記載の熱交換器であって、
前記冷媒の流路のうち前記低発熱部を含んで構成される流路部分は、他の流路部分に比べて、流路深さが深くされてなる
熱交換器。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の熱交換器と、
前記発熱体である半導体素子と、
前記フレームの前記第１壁部に溶接されて、上記半導体素子と上記第１壁部との間に位置する前記介在部材と、を備える
半導体装置。
【請求項１０】
発熱体を冷却する熱交換器であって、外枠を形成するフレームの内部に、冷媒の流路を形成する複数のフィンを備えたフィン部材を配置した熱交換器の製造方法において、
上記フレームであって、当該フレームと上記発熱体との間に介在する介在部材が溶接される第１壁部を有するフレームを成形する成形工程と、
上記成形工程で成形された上記フレームの内部に上記フィン部材を配置して、上記熱交換器を組み立てる組立工程と、を有し、
上記成形工程は、
絞り加工により、上記フレームの内部に突出する突出部であって、上記フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、上記第１壁部の外面のうち上記介在部材が配置される配置面に沿って直線状に延びるＵ字溝形状の突出部を、上記第１壁部と一体成形する
熱交換器の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の熱交換器の製造方法により製造された熱交換器と、
前記発熱体である半導体素子と、
前記フレームの前記第１壁部と上記半導体素子との間に介在する前記介在部材であって、上記フレームと線膨張率が異なる介在部材と、を備える
半導体装置の製造方法であって、
上記介在部材を上記フレームの上記第１壁部の前記配置面上に配置して、上記介在部材を上記第１壁部に溶接する溶接工程を備える
半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器内部を流れる冷媒により半導体素子等の発熱体を冷却する熱交換器、この熱交換器と半導体素子を有する半導体装置、及びこれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車等の電源として、電力変換機能を有するインバータ装置が用いられている。インバータ装置は、スイッチング素子として複数の半導体素子を備えている。このインバータ装置の半導体素子は、電力変換等に伴って発熱するため、積極的に冷却される必要がある。【０００３】
ここで、半導体素子等の発熱体を冷却する熱交換器としては、例えば、外枠を形成するフレームの内部に、直線状に延びる複数のフィンを平行に配置することにより、冷媒の流路を形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３３５５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、熱交換器によって半導体素子を冷却する場合、熱交換器と半導体素子との間を電気的に絶縁するのが望ましい。このため、熱交換器と半導体素子との間に電気絶縁性を有する絶縁体を介在させることがある。この絶縁体は、例えば、熱交換器のフレーム（例えば、アルミニウム製のフレーム）の壁部に、溶接（例えばロウ付け）される。【０００６】
ところが、絶縁体とフレームとでは、線膨張率が異なる傾向にある。このため、絶縁体とフレームの壁部との溶接（例えばロウ付け）時に、絶縁体及びフレームの壁部が加熱された後冷却されたとき、絶縁体とフレームの壁部との収縮率（線膨張率）の差が原因で、絶縁体及びフレームに反りが発生する（湾曲する）ことがあった。この問題は、絶縁体をフレームの壁部に溶接する場合のみならず、フレームの壁部に、フレームとは線膨張率の異なる介在部材（フレームの壁部と半導体素子等の発熱体との間に介在させる部材）を溶接する場合において起こりうることであった。【０００７】
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、線膨張率が異なる介在部材とフレームの壁部とを溶接したときの介在部材及びフレームの反り（湾曲）を抑制することができる熱交換器及びその製造方法、並びに、介在部材及びフレームの反り（湾曲）が抑制された半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、発熱体を冷却する熱交換器であって、外枠を形成するフレームの内部に、冷媒の流路を形成する複数のフィンを備えたフィン部材を配置した熱交換器において、上記フレームは、当該フレームと上記発熱体との間に介在する介在部材であって当該フレームと線膨張率が異なる介在部材が溶接される第１壁部を有し、上記フレームの上記第１壁部は、当該第１壁部の外面のうち上記介在部材が配置される配置面に沿った沿面方向に弾性変形可能な弾性変形可能部を含む熱交換器である。【０００９】
上述の熱交換器では、フレームの第１壁部（フレームと発熱体との間に介在する介在部材が溶接される壁部）が、当該第１壁部の外面のうち介在部材が配置される配置面に沿った沿面方向に弾性変形可能な弾性変形可能部を含んでいる。このため、線膨張率が異なる介在部材とフレームの第１壁部との溶接時に、介在部材及び第１壁部が加熱された後冷却されたとき、第１壁部と介在部材の収縮率（線膨張率）の差に応じて、第１壁部の弾性変形可能部が沿面方向に弾性変形する。これにより、第１壁部と介在部材との収縮率（線膨張率）の差によって生じる反り（湾曲）を抑制することができる。【００１０】
なお、本願において、溶接とは、ロウ材を用いたロウ付け、ハンダを用いたハンダ付け、母材（接合対象部材）を溶融させて接合する方法等を含むものであり、加熱溶融して接合する方法をいう。
また、発熱体は、半導体素子など、使用に伴って発熱する部品全般を含むものである。【００１１】
さらに、上記の熱交換器であって、前記弾性変形可能部は、前記フレームの内部に突出する突出部であって、前記フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、前記配置面に沿って前記冷媒の流れ方向と交差する方向に直線状に延びるＵ字溝形状の突出部である熱交換器とすると良い。【００１２】
上述の熱交換器では、フレームの内部に突出する突出部が、前述の弾性変形可能部を構成している。この突出部は、フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、第１壁部の配置面に沿って直線状に延びるＵ字溝形状をなしている。換言すれば、突出部は、フレームの外方に開口するＵ字状の断面が第１壁部の配置面に沿う沿面方向（断面に直交する方向に一致する）に直線状に延びるＵ字溝形状をなしている。このような形態の突出部は、Ｕ字溝の開口が拡縮することで、第１壁部の配置面に沿った沿面方向に弾性変形可能である。このため、この突出部が、第１壁部の配置面に沿った沿面方向に弾性変形することで、第１壁部と介在部材との収縮率（線膨張率）の差によって生じる反りを抑制することができる。【００１３】
ところで、外枠を形成するフレームの内部に冷媒の流路を形成する複数のフィンを備えたフィン部材を配置した熱交換器について、フィン間を流れる冷媒の速度分布を調査したところ、フィンに近づくにつれて冷媒の速度が遅くなる傾向にあった。これは、冷媒の粘性の影響により、冷媒がフィンに引っ張られるためである。これにより、フィン付近には、他の領域に比べて冷媒の流れる速度が遅いか又は冷媒がほとんど停止した領域（以下、これを境界層ともいう）が形成される。この境界層が形成されると、集熱したフィンは、主にフィン周辺に形成された境界層内の冷媒のみと熱交換することになり、境界層以外の領域を流れる冷媒との熱交換がほとんど行われなくなる。その結果、熱交換器の内部を流れる冷媒と有効に熱交換が行われず、高い冷却効果を得ることができないという問題があった。【００１４】
これに対し、上述の熱交換器では、フレームの内部に突出する突出部が、冷媒の流れ方向と交差する方向に直線状に延びている。このため、流路を流れる冷媒を、この突出部に衝突させて攪拌することができる。これにより、冷媒の流れに乱流を発生させて、境界層の形成を効果的に抑制することができる。これにより、熱交換器の内部を流れる冷媒を有効に活用して、高い冷却効果を得ることができる。【００１５】
さらに、上記の熱交換器であって、前記突出部は、絞り加工により前記第１壁部と一体成形されてなる熱交換器とすると良い。【００１６】
上述の熱交換器では、突出部が、絞り加工により第１壁部と一体成形されている。絞り加工により、突出部を第１壁部と一体成形することで、突出部を容易且つ低コストに形成することができる。従って、上述の熱交換器は、安価となる。【００１７】
さらに、上記いずれかの熱交換器であって、前記突出部は、前記冷媒の流れ方向と交差する方向における前記フレームの両側壁の内壁面まで延設されている熱交換器とすると良い。【００１８】
フレームの内部に突出する突出部を、冷媒の流れ方向と交差する方向におけるフレームの両側壁の内壁面まで延設することにより、各フィン間に形成される全ての流路を流れる冷媒を、確実に突出部に衝突させて攪拌することができる。これにより、すべての流路を流れる冷媒について確実に乱流を発生させて、境界層の形成をより効果的に抑制することができる。これにより、熱交換器の内部を流れる冷媒をさらに有効に活用して、より高い冷却効果を得ることができる。【００１９】
さらに、上記いずれかの熱交換器であって、前記突出部は、前記冷媒の流れ方向と直交する方向に直線状に延びる熱交換器とすると良い。【００２０】
突出部を、冷媒の流れ方向と直交する方向に直線状に延びる形態とすることで、冷媒の流れ方向と交差する方向の中で最大の流れ抵抗を形成することができる。これにより、最も効果的に乱流を発生させて、冷却効果をより確実に高めることができる。【００２１】
さらに、上記いずれかの熱交換器であって、前記突出部は、前記冷媒の流れ方向に所定間隔をおいて並設されており、前記フィンは、上記冷媒の流れ方向に隣り合う上記突出部の間に配置されてなる熱交換器とすると良い。【００２２】
フィンを、冷媒の流れ方向に隣り合う突出部の間に配置することで、各フィン間に形成される流路を流れる冷媒を、適切に突出部に衝突させて攪拌することができる。これにより、境界層の形成を抑制して、高い冷却効果を得ることができる。【００２３】
さらに、上記の熱交換器であって、前記熱交換器は、前記冷媒の流れ方向に並んで配置される複数の前記発熱体を冷却する熱交換器であり、前記第１壁部のうち、上記複数の発熱体の中で相対的に発熱量が少ない発熱体が前記介在部材を介して配置される部分を低発熱部とすると、前記突出部のうち、上記低発熱部に対し前記流路の上流側に隣り合って位置する突出部は、他の突出部に比べて前記フレームの内部に突出する突出高さが低い熱交換器とすると良い。【００２４】
突出部の突出高さを高くするほど、流路を流れる冷媒の流れ抵抗を高めることができる。これにより、流路を流れる冷媒を攪拌する能力が高まるので、境界層の形成を抑制する効果を高めることができる。しかしながら、突出部の突出高さを高くし過ぎると、流路の圧力損失が大きくなり過ぎて、冷媒の流量が大きく低下し、却って、冷却効果を低下させることになる。【００２５】
ところで、発熱量の異なる複数の発熱体（半導体素子など）を冷却する場合、全ての発熱体を一律に冷却する必要はなく、発熱量に応じて各々の発熱体を冷却すれば良い。従って、複数の発熱体の中で相対的に発熱量が少ない発熱体は、他の発熱体（相対的に発熱量が多い発熱体）よりも、冷却の程度を低くしても構わない。【００２６】
そこで、上述の熱交換器では、突出部のうち、低発熱部（第１壁部のうち、複数の発熱体の中で相対的に発熱量が少ない発熱体が介在部材を介して配置される部分）に対し流路の上流側に隣り合って位置する突出部について、フレームの内部に突出する突出高さを、他の突出部よりも低くした。このように、一部の突出部の突出高さを低くすることで、流路の圧力損失を抑制することができる。【００２７】
一方、突出高さを低くした突出部では、他の突出部に比べて、冷媒の攪拌能力が低下するので、突出高さを低くした突出部の下流側に隣り合って位置する流路部分では、境界層の抑制効果が低下する。しかしながら、上述の熱交換器では、低発熱部に対し流路の上流側に隣り合って位置する突出部について、突出高さを低くしている。すなわち、第１壁部のうち、突出高さを低くした突出部の下流側（流路の下流側）に隣り合って位置する部分を、低発熱部としている。従って、冷却能力が低下する部位は、低発熱部に限られる。このように、低発熱部においてのみ冷却能力を低下させることで、各々の発熱体を発熱量に応じて適切に冷却することができる。【００２８】
さらに、上記の熱交換器であって、前記冷媒の流路のうち前記低発熱部を含んで構成される流路部分は、他の流路部分に比べて、流路深さが深くされてなる熱交換器とすると良い。【００２９】
上述の熱交換器では、冷媒の流路のうち低発熱部を含んで構成される流路部分を、他の流路部分に比べて、流路深さ（流路の深さ）を深くしている。低発熱部を含んで構成される流路部分の流路深さを深くした分、流路を流れる冷媒の流れ抵抗を低減できるので、流路の圧力損失をより一層低減することができる。【００３０】
なお、流路深さを深くした流路部分では、他の流路部分に比べて流速が小さくなり、冷却能力が低下する傾向にある。しかしながら、上述の熱交換器では、低発熱部を含んで構成される流路部分についてのみ、流路深さを深くしている。このように、低発熱部においてのみ冷却能力を低下させることで、各々の発熱体を発熱量に応じて適切に冷却することができる。【００３１】
本発明の他の態様は、上記いずれかの熱交換器と、前記発熱体である半導体素子と、前記フレームの前記第１壁部に溶接されて、上記半導体素子と上記第１壁部との間に位置する前記介在部材と、を備える半導体装置である。【００３２】
上述の半導体装置は、前述の熱交換器を備えている。従って、介在部材及びフレームの反り（湾曲）が抑制された半導体装置となる。【００３３】
また、本発明の他の態様は、発熱体を冷却する熱交換器であって、外枠を形成するフレームの内部に、冷媒の流路を形成する複数のフィンを備えたフィン部材を配置した熱交換器の製造方法において、上記フレームであって、当該フレームと上記発熱体との間に介在する介在部材が溶接される第１壁部を有するフレームを成形する成形工程と、上記成形工程で成形された上記フレームの内部に上記フィン部材を配置して、上記熱交換器を組み立てる組立工程と、を有し、上記成形工程は、絞り加工により、上記フレームの内部に突出する突出部であって、上記フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、上記第１壁部の外面のうち上記介在部材が配置される配置面に沿って直線状に延びるＵ字溝形状の突出部を、上記第１壁部と一体成形する熱交換器の製造方法である。【００３４】
上述の熱交換器の製造方法では、フレームを成形する成形工程において、絞り加工により、フレームの内部に突出する突出部を、第１壁部（介在部材が溶接される壁部）と一体成形する。このように、絞り加工により、突出部を第１壁部と一体成形することで、突出部を容易且つ低コストに形成することができる。【００３５】
しかも、この突出部を、フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、第１壁部の外面のうち介在部材が配置される配置面に沿って直線状に延びるＵ字溝形状とする。このような形態の突出部は、Ｕ字溝の開口が拡縮することで、第１壁部の配置面に沿った沿面方向に弾性変形可能である。このため、介在部材を第１壁部に溶接したとき、この突出部が、第１壁部と介在部材の収縮率（線膨張率）の差に応じて、第１壁部の配置面に沿った沿面方向に弾性変形することで、第１壁部と介在部材との収縮率（線膨張率）の差によって生じる反りを抑制することができる。【００３６】
また、本発明の他の態様は、上記の熱交換器の製造方法により製造された熱交換器と、前記発熱体である半導体素子と、前記フレームの前記第１壁部と上記半導体素子との間に介在する前記介在部材であって、上記フレームと線膨張率が異なる介在部材と、を備える半導体装置の製造方法であって、上記介在部材を上記フレームの上記第１壁部の前記配置面上に配置して、上記介在部材を上記第１壁部に溶接する溶接工程を備える半導体装置の製造方法である。【００３７】
上述の半導体装置の製造方法では、溶接工程において、フレームと線膨張率が異なる介在部材を、フレームの第１壁部に溶接する。従来の製法では、介在部材（絶縁体）とフレームの壁部との溶接時に、絶縁体及びフレームの壁部が加熱された後冷却されたとき、介在部材とフレームの壁部との収縮率（線膨張率）の差が原因で、介在部材及びフレームに反りが発生する（湾曲する）ことがあった。【００３８】
しかしながら、上述の製造方法では、フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、第１壁部の外面のうち介在部材が配置される配置面に沿って直線状に延びるＵ字溝形状の突出部を、第１壁部と一体成形したフレームを用いている。このため、前述のように、介在部材を第１壁部に溶接したとき、上記突出部が、第１壁部と介在部材の収縮率（線膨張率）の差に応じて、第１壁部の配置面に沿った沿面方向に弾性変形することで、第１壁部と介在部材との収縮率（線膨張率）の差によって生じる反りを抑制することができる。
なお、介在部材と第１壁部との溶接方法としては、例えば、ロウ材を用いたロウ付けを挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施例１にかかる半導体装置の斜視図である。
【図２】実施例１にかかる熱交換器の斜視図である。
【図３】同熱交換器のフィン部材の斜視図である。
【図４】同熱交換器の第１フレーム部材の平面図である。
【図５】第１フレーム部材の断面図であり、図４のＣ−Ｃ矢視断面図に相当する。
【図６】実施例１にかかる半導体装置の上面図である。
【図７】同半導体装置の断面図であり、図６のＤ−Ｄ矢視断面図に相当する。
【図８】実施例１，２にかかる成形工程（絞り加工）を説明する図である。
【図９】実施例１にかかる組立工程を説明する図である。
【図１０】実施例１にかかる溶接工程を説明する図である。
【図１１】同溶接工程における突出部の作用を説明する図である。
【図１２】実施例２にかかる半導体装置の斜視図である。
【図１３】実施例２にかかる熱交換器の斜視図である。
【図１４】同熱交換器のフィン部材の斜視図である。
【図１５】同熱交換器のフィン部材の斜視図である。
【図１６】同熱交換器の第１フレーム部材の平面図である。
【図１７】第１フレーム部材の断面図であり、図１６のＦ−Ｆ矢視断面図に相当する。
【図１８】実施例２にかかる半導体装置の上面図である。
【図１９】同半導体装置の断面図であり、図１８のＧ−Ｇ矢視断面図に相当する。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
（実施例１）
次に、本発明の実施例１について、図面を参照しつつ説明する。
本実施例１の半導体装置１は、図１に示すように、半導体素子７１〜７４（発熱体に相当する）と、これらを冷却する熱交換器１０とを有している。
【００４１】
熱交換器１０は、図２に示すように、外枠を形成するフレーム３０と、フレーム３０内に収容されたフィン部材２０とを備えている。フレーム３０とフィン部材２０とは、ロウ付けにより接合されている。
なお、図１及び図２において、Ａ方向は、熱交換器１０の内部を流れる冷媒（例えば、水）の流れ方向を示し、Ｂ方向はこれに直交する方向を示している。
【００４２】
フィン部材２０は、アルミニウムからなり、図３に示すように、矩形平板状をなすベース２１と、ベース２１の一面から突出する複数（本実施例１では４０個）のフィン２２とを備えている。フィン２２は、矩形平板状をなしている。ベース２１の長手方向（Ａ方向に一致する方向）には、４個のフィン２２が、一定の間隙をあけて一列に並べられている。さらに、ベース２１の短手方向（Ｂ方向に一致する方向）には、１０個のフィン２２が、一定の間隙をあけて一列に並べられている。各フィン２２の間には、所定の幅を有し、Ａ方向へと冷媒を導く冷媒の流路２５が形成される。このフィン部材２０は、例えば、アルミニウムの押出成形により一体成形することができる。
【００４３】
フレーム３０は、矩形平板状をなすアルミニウム製の第１フレーム部材３１と、断面コ字状をなすアルミニウム製の第２フレーム部材３２とを有している（図２参照）。第１フレーム部材３１と第２フレーム部材３２とは、ロウ付けにより接合されている。これにより、フレーム３０は、矩形筒状をなす。このフレーム３０では、長手方向（Ａ方向に一致する方向）の一端が、冷媒を導入する導入口３０ａとなり、長手方向（Ａ方向に一致する方向）の他端が、冷媒を排出する排出口３０ｂとなっている。
【００４４】
第１フレーム部材３１は、その外面３１ｆの４箇所に、フレーム３０と半導体素子７１〜７４との間に介在する絶縁板６０（介在部材に相当する）が配置される平坦な配置面３１ｇを有している（図１、図４、図５参照）。絶縁板６０は、電気絶縁性を有する部材（例えば、アルミナ等のセラミック）からなり、矩形平板状をなしている。各々の配置面３１ｇ上に配置された４個の絶縁板６０は、等しい間隙をあけて、第１フレーム部材３１の長手方向（Ａ方向に一致する方向）に一列に並んでいる（図１、図６参照）。これらの絶縁板６０は、ロウ付けにより、第１フレーム部材３１の配置面３１ｇに接合されている。なお、本実施例１では、第１フレーム部材３１が第１壁部に相当する。
【００４５】
さらに、第１フレーム部材３１は、フレーム３０の内部に突出する複数（本実施例１では４個）の突出部３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅを有している（図２、図５参照）。これらの突出部３１ｂ〜３１ｅは、いずれも同一形状とされている。具体的には、突出部３１ｂ〜３１ｅは、図４及び図５に示すように、フレーム３０の外方（図５において上方）に開口する断面Ｕ字状で、配置面３１ｇに沿ってＢ方向（冷媒の流れ方向と直交する方向、図４において上下方向）に直線状に延びるＵ字溝形状をなしている。これらの突出部３１ｂ〜３１ｅは、絞り加工により、第１フレーム部材３１と一体成形されている。
なお、第１フレーム部材３１では、突出部３１ｂと突出部３１ｃとの間、突出部３１ｃと突出部３１ｄとの間、突出部３１ｄと突出部３１ｅとの間、及び突出部３１ｅに対しＡ方向に隣り合う位置に、配置面３１ｇが存在する。
【００４６】
ところで、絶縁板６０とフレーム３０（第１フレーム部材３１）とでは、線膨張率が異なる。具体的には、例えば、アルミナからなる絶縁板６０を用いた場合、その線膨張率は約７×１０−６／℃である。一方、アルミニウムからなるフレーム３０（第１フレーム部材３１）の線膨張率は、約２３×１０−６／℃である。この例の場合、フレーム３０（第１フレーム部材３１）の線膨張率は、絶縁板６０の線膨張率の３倍以上となる。
【００４７】
このため、従来、アルミナからなる絶縁板とアルミニウムからなるフレーム（第１フレーム部材）との溶接（例えばロウ付け）時に、絶縁板及び第１フレーム部材が加熱された後冷却されたとき、絶縁板と第１フレーム部材との収縮率（線膨張率）の差が原因で、絶縁体及びフレームに反りが発生する（湾曲する）ことがあった。
【００４８】
これに対し、本実施例１では、前述のように、第１フレーム部材３１に、フレーム３０の内部に突出する複数（本実施例１では４個）の突出部３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅを一体成形している（図２参照）。これらの突出部３１ｂ〜３１ｅは、フレーム３０の外方（図５において上方）に開口する断面Ｕ字状で、配置面３１ｇに沿ってＢ方向に直線状に延びるＵ字溝形状をなしている。このような形態の突出部３１ｂ〜３１ｅは、Ｕ字溝の開口が拡縮することで、第１フレーム部材３１の配置面３１ｇに沿った沿面方向（図５、図１１において左右方向）に弾性変形可能である（図１１参照）。
【００４９】
従って、各々の絶縁板６０を第１フレーム部材３１に溶接（本実施例１では、ロウ付け）したとき、突出部３１ｂ〜３１ｅが、絶縁板６０と第１フレーム部材３１との収縮率（線膨張率）の差に応じて、第１フレーム部材３１の配置面３１ｇに沿った沿面方向（図１１において左右方向）に弾性変形する。これにより、絶縁板６０と第１フレーム部材３１との収縮率（線膨張率）の差によって生じる反り（湾曲）を抑制することができる。なお、本実施例１では、突出部３１ｂ〜３１ｅが、弾性変形可能部に相当する。
【００５０】
ところで、外枠を形成するフレームの内部に冷媒の流路を形成する複数のフィンを備えたフィン部材を配置した熱交換器について、フィン間を流れる冷媒の速度分布を調査したところ、フィンに近づくにつれて冷媒の速度が遅くなる傾向にあった。これは、冷媒の粘性の影響により、冷媒がフィンに引っ張られるためである。これにより、フィン付近には、他の領域に比べて冷媒の流れる速度が遅いか又は冷媒がほとんど停止した領域（以下、これを境界層ともいう）が形成される。この境界層が形成されると、集熱したフィンは、主にフィン周辺に形成された境界層内の冷媒のみと熱交換することになり、境界層以外の領域を流れる冷媒との熱交換がほとんど行われなくなる。その結果、熱交換器の内部を流れる冷媒と有効に熱交換が行われず、高い冷却効果を得ることができないという問題があった。
【００５１】
これに対し、本実施例１の熱交換器１０では、前述のように、フレーム３０の内部に突出する突出部３１ｂ〜３１ｅが、冷媒の流れ方向と直交する方向（Ｂ方向）に直線状に延びている（図２参照）。このため、図７に示すように、流路２５を流れる冷媒を、突出部３１ｂ〜３１ｅに衝突させて攪拌することができる。これにより、図７に矢印で示すように、冷媒の流れに乱流を発生させて、境界層の形成を効果的に抑制することができる。これにより、熱交換器１０の内部を流れる冷媒を有効に活用して、高い冷却効果を得ることができる。
【００５２】
さらに、本実施例１の熱交換器１０では、突出部３１ｂ〜３１ｅを、Ｂ方向（冷媒の流れ方向と直交する方向）における第２フレーム部材３２の両側壁３３，３４の内壁面３３ｂ，３４ｂまで延設している（図２参照）。これにより、Ｂ方向に隣り合うフィン２２とフィン２２との間、及びフィン２２と側壁３３，３４との間に形成される全ての流路２５を流れる冷媒を、確実に突出部３１ｂ〜３１ｅに衝突させて攪拌することができる。これにより、すべての流路２５を流れる冷媒について確実に乱流を発生させて、境界層の形成をより効果的に抑制することができる。従って、熱交換器１０の内部を流れる冷媒をさらに有効に活用して、より高い冷却効果を得ることができる。
【００５３】
さらに、本実施例１の熱交換器１０では、突出部３１ｂ〜３１ｅが、Ａ方向（冷媒の流れ方向）に所定間隔をおいて並設されており、Ａ方向（冷媒の流れ方向）に隣り合う突出部の間に、複数のフィン２２が配置されている。フィン２２を、冷媒の流れ方向（Ａ方向）に隣り合う突出部の間に配置することで、各フィン２２間に形成される流路２５を流れる冷媒を、適切に突出部に衝突させて攪拌することができる。これにより、境界層の形成を抑制して、高い冷却効果を得ることができる。
【００５４】
ここで、本実施例１にかかる半導体装置１の熱交換器１０による冷却作用について説明する。半導体素子７１〜７４は、使用に伴って発熱する。これらの熱は、絶縁板６０を通じて、フレーム３０（第１フレーム部材３１）に伝えられ、さらに、フレーム３０の内部に収納されているフィン部材２０の各々のフィン２２に伝えられる。
【００５５】
フレーム３０の内部には、図１に矢印で示すように、導入口３０ａを通じて冷媒（例えば、水）が連続的に導入される。フレーム３０の内部に導入された冷媒は、前述のように、Ｂ方向に隣り合うフィン２２とフィン２２との間及びフィン２２と側壁３３，３４との間に形成される流路２５を、Ａ方向に流れてゆく。流路２５を流れる冷媒は、前述のように、突出部３１ｂ〜３１ｅに衝突して攪拌され、乱流を発生させながらＡ方向に流れてゆく（図７参照）。このため、境界層の形成を抑制することができる。
【００５６】
これにより、フィン部材２０の各々のフィン２２は、流路２５を流れる冷媒と効率良く熱交換を行うことができる。すなわち、半導体素子７１〜７４から各々のフィン２２に伝えられた熱を、効率良く、流路２５を流れる冷媒に放出することができる。熱交換器１０における高い冷却効果については、前述の通りである。流路２５を流れつつフィン２２の熱を吸収した冷媒は、排出口３０ｂを通じてフレーム３０の外部に排出される。このようにして、発熱した半導体素子７１〜７４を、効果的に冷却することができる。
【００５７】
次に、本実施例１にかかる半導体装置１の製造方法について説明する。
まず、アルミニウム製のフィン部材２０を用意する。フィン部材２０は、例えば、アルミニウムの押出成形により一体成形することができる。具体的には、まず、アルミニウムの押出成形により、矩形平板状をなすベースと、ベースの一面から突出してベースの長手方向（Ａ方向に一致する）に延びる複数（本実施例１では１０個）のロングフィンとを備えるロングフィン部材を成形する。その直後、未だ、ロングフィン部材が硬化する前（熱を持った柔らかい状態のとき）に、ベースの長手方向（Ａ方向に一致する）について所定の間隔でロングフィンの一部を切除する。その後、ロングフィン部材を所定の長さに切断することで、矩形平板状をなすベース２１と、ベース２１の一面から突出する複数（本実施例１では４０個）のフィン２２とを備えるフィン部材２０（図３参照）が完成する。なお、この製法は、特願２００８−１０６８０９（図５参照）に詳述されている。
【００５８】
また、アルミニウム製の第１フレーム部材３１と、アルミニウム製の第２フレーム部材３２とを用意する。
第１フレーム部材３１は、成形工程において、第１抑え型９１、第２抑え型９２、及び絞り型９３（図８参照）を用いて、次のようにして成形した。なお、絞り型９３は、矩形平板状をなし、その長手方向（図８において紙面に直交する方向、Ｂ方向に一致する）の寸法は、突出部３１ｂ〜３１ｅのＢ方向長さより僅かに短い。また、第１抑え型９１には、絞り型９３が挿通可能な貫通孔９１ｂが形成されている。また、第２抑え型９２には、貫通孔９１ｂよりも幅寸法（図８において左右方向の寸法）が大きな貫通孔９２ｂが形成されている。
【００５９】
まず、矩形平板状のアルミニウム板３１Ａを用意する。次いで、図８に示すように、アルミニウム板３１Ａの上面側に配置した第１抑え型９１と、アルミニウム板３１Ａの下面側に配置した第２抑え型９２とで、アルミニウム板３１Ａを挟んで固定する。この状態で、アルミニウム板３１Ａの上面側から絞り型９３を降下させてゆき、絞り型９３を第１抑え型９１の貫通孔９１ｂ内を挿通させて、絞り型９３によってアルミニウム板３１Ａの一部を下方に押圧してゆく。アルミニウム板３１Ａのうち絞り型９３によって下方に押圧さる部分は、第２抑え型９２の貫通孔９２ｂ内を通って第２抑え型９２の下方に押し出され、突出部３１ｂとなる。突出部３１ｃ〜３１ｅについても、突出部３１ｂと同様にして成形する。このように、絞り加工によって、突出部３１ｂ〜３１ｅを成形した。これにより、突出部３１ｂ〜３１ｅが一体成形された第１フレーム部材３１が完成する。
また、第２フレーム部材３２は、矩形平板状のアルミニウム板を、コの字状にプレス加工することで製造できる。
【００６０】
次に、組立工程に進み、図９に示すように、フィン部材２０を、第１フレーム部材３１の内面３１ｈ上に配置する。詳細には、フィン部材２０のＡ方向に隣り合うフィン２２の間隙に、第１フレーム部材３１の突出部３１ｃ〜３１ｅが入り込むようにして、フィン部材２０を、第１フレーム部材３１の内面３１ｈ上に配置する。その後、フィン部材２０を包囲するように、第２フレーム部材３２を、第１フレーム部材３１の内面３１ｈ上に配置する。このとき、フィン部材２０のベース２１の裏面２１ｂと第２フレーム部材３２の底面３２ｂとが接触する。なお、第１フレーム部材３１の内面３１ｈ及び第２フレーム部材３２の底面３２ｂには、予めロウ材（融点６００℃）が塗布されている。
【００６１】
その後、上述のようにして、フィン部材２０、第１フレーム部材３１、及び第２フレーム部材３２を組み合わせたもの（組み合わせ体）を、電気炉（図示なし）内に収容する。次いで、電気炉内の温度を６００℃にまで上昇させて、ロウ材を溶融させる。その後、組み合わせ体を電気炉内から取り出し、冷却して、ロウ材を硬化させる。これにより、フィン部材２０、第１フレーム部材３１、及び第２フレーム部材３２を、ロウ付けにより接合することができる。このようにして、本実施例１の熱交換器１０が完成する。
【００６２】
次に、溶接工程に進み、熱交換器１０の第１フレーム部材３１に、４個の絶縁板６０を溶接（本実施例１では、ロウ付け）する。具体的には、まず、熱交換器１０の第１フレーム部材３１の配置面３１ｇに、４個の絶縁板６０（例えば、アルミナからなるセラミック板）を、等しい間隙をあけて（突出部３１ｃ〜３１ｅを挟んで）、第１フレーム部材３１の長手方向（Ａ方向に一致する方向）に一列に配置する（図１０参照）。なお、第１フレーム部材３１の配置面３１ｇには、熱交換器１０を完成させた後、絶縁板６０を配置する前に、ロウ材（融点５５０℃）を塗布している。次いで、これらを電気炉（図示なし）内に収容した後、電気炉内の温度を５５０℃にまで上昇させて、ロウ材を溶融させる。このとき、熱交換器１０を接合しているロウ材は、融点が６００℃であるため、溶融することがない。このため、熱交換器１０の接合状態を確実に維持することができる。その後、絶縁板６０を有する熱交換器１０を電気炉内から取り出し、冷却して、ロウ材を硬化させる。これにより、４個の絶縁板６０を、熱交換器１０の第１フレーム部材３１にロウ付けすることができる。
【００６３】
ところで、絶縁板６０とフレーム３０（第１フレーム部材３１）とでは、線膨張率が異なる。前述のように、例えば、アルミナからなる絶縁板６０を用いた場合、アルミニウムからなるフレーム３０（第１フレーム部材３１）の線膨張率は、絶縁板６０の線膨張率の３倍以上となる。このため、従来、アルミナからなる絶縁板とアルミニウムからなるフレーム（第１フレーム部材）との溶接（例えばロウ付け）時に、絶縁板及び第１フレーム部材が加熱された後冷却されたとき、絶縁板と第１フレーム部材との収縮率（線膨張率）の差が原因で、絶縁体及びフレームに反りが発生する（湾曲する）ことがあった。
【００６４】
しかしながら、本実施例１では、前述のように、第１フレーム部材３１に、フレーム３０の内部に突出する複数（本実施例１では４個）の突出部３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅを一体成形している（図２参照）。これらの突出部３１ｂ〜３１ｅは、フレーム３０の外方（図５において上方）に開口する断面Ｕ字状で、配置面３１ｇに沿ってＢ方向に直線状に延びるＵ字溝形状をなしている。このような形態の突出部３１ｂ〜３１ｅは、Ｕ字溝の開口が拡縮することで、第１フレーム部材３１の配置面３１ｇに沿った沿面方向（図５、図１１において左右方向）に弾性変形可能である（図１１参照）。
【００６５】
従って、絶縁板６０と第１フレーム部材３１との溶接（本実施例１では、ロウ付け）時に、絶縁板６０及び第１フレーム部材３１が加熱された後冷却されたとき、突出部３１ｂ〜３１ｅが、絶縁板６０と第１フレーム部材３１との収縮率（線膨張率）の差に応じて、第１フレーム部材３１の配置面３１ｇに沿った沿面方向（図１１において左右方向）に弾性変形（収縮）する。これにより、絶縁板６０と第１フレーム部材３１との収縮率（線膨張率）の差によって生じる反り（湾曲）を抑制することができる。
その後、各々の絶縁板６０の表面に、半導体素子７１〜７４をハンダ付けすることで、本実施例１の半導体装置１（図１、図６参照）が完成する。
【００６６】
（実施例２）
次に、本発明の実施例２について、図面を参照しつつ説明する。
本実施例２の半導体装置１００（図１２参照）は、実施例１の半導体装置１（図１参照）と比較して、熱交換器のみが異なり、その他については同様である。従って、ここでは、実施例１と異なる点を中心に説明し、同様な点については説明を省略または簡略化する。
【００６７】
本実施例２の熱交換器１１０は、図１３に示すように、外枠を形成するフレーム１３０と、フレーム１３０内に収容されたフィン部材１２０，２２０とを備えている。フレーム１３０とフィン部材１２０，２２０とは、ロウ付けにより接合されている。なお、Ａ方向は、熱交換器１１０の内部を流れる冷媒（例えば、水）の流れ方向を示し、Ｂ方向はこれに直交する方向を示している。
【００６８】
フレーム１３０は、矩形平板状をなすアルミニウム製の第１フレーム部材１３１と、断面コ字状をなすアルミニウム製の第２フレーム部材１３２とを有している（図１３参照）。第１フレーム部材１３１と第２フレーム部材１３２とは、ロウ付けにより接合されている。
【００６９】
このうち、第１フレーム部材１３１は、実施例１の第１フレーム部材３１と同様に、４つの突出部を有している（図１６、図１７参照）。しかしながら、４つの突出部のうち２つの突出部の形状が異なる。具体的には、第１フレーム部材１３１は、実施例１の突出部３１ｂ，３１ｃと同形状の突出部１３１ｂ，１３１ｃと、実施例１の突出部３１ｄ，３１ｅに比べて突出高さを低くした点のみが異なる突出部１３１ｄ，１３１ｅとを有している。これらの突出部１３１ｂ〜１３１ｅは、実施例１と同様に、絞り加工により、第１フレーム部材１３１と一体成形されている。なお、図１７では、突出部１３１ｂ，１３１ｃの突出高さをＬ１、突出部１３１ｄ，１３１ｅの突出高さをＬ２としている。
【００７０】
また、第２フレーム部材１３２は、実施例１の第２フレーム部材３２と比較して、Ａ方向（冷媒の流れ方向）に延びる流路１２５の下流側の深さ（図１３において上下方向の寸法）を深くしている点が異なっている。換言すれば、第２フレーム部材１３２の底面１３２ｂが、Ａ方向について下りの階段状になっている。これにより、Ａ方向（冷媒の流れ方向）に延びる流路１２５の流路深さ（図１３において上下方向の寸法）は、上流側に比べて、下流側が深くなる。具体的には、図１９に示すように、流路１２５では、上流側の流路深さＨ１よりも、下流側の流路深さＨ２が深くなる。
なお、流路１２５は、Ｂ方向に隣り合うフィン２２とフィン２２との間、フィン２２と側壁１３３，１３４との間、Ｂ方向に隣り合うフィン２２２とフィン２２２との間、及びフィン２２２と側壁１３３，１３４との間に形成される。
【００７１】
また、フィン部材１２０（図１４参照）は、実施例１のフィン部材２０を、Ａ方向に４等分したときの１個分に相当する部材である。具体的には、フィン部材１２０は、アルミニウムからなり、図１４に示すように、矩形平板状をなすベース１２１と、ベース１２１の一面から突出する複数（本実施例１では１０本）のフィン２２とを備えている。このフィン部材１２０は、第１フレーム部材１３１の突出部１３１ｂと突出部１３１ｃとの間、及び、突出部１３１ｃと突出部１３１ｄとの間に配置される（図１３参照）。これにより、フィン部材１２０は、流路１２５の上流側に配置される。なお、各フィン２２の間には、所定の幅を有し、Ａ方向へと冷媒を導く冷媒の流路１２５が形成される。フィン部材１２０は、例えば、公知の押出成形により一体成形することができる。
【００７２】
また、フィン部材２２０は、アルミニウムからなり、図１５に示すように、矩形平板状をなすベース１２１と、ベース１２１の一面から突出する複数（本実施例１では１０本）のフィン２２２とを備えている。このフィン部材２２０は、第１フレーム部材１３１の突出部１３１ｄと突出部１３１ｅとの間、及び、突出部１３１ｅに対しＡ方向に隣り合う位置に配置される（図１３参照）。これにより、フィン部材２２０は、流路１２５の下流側に配置される。このため、フィン部材２２０では、フィン部材１２０と比較して、フィンの突出高さ（図１５において上下方向にかかる寸法）のみを異ならせている。詳細には、フィン部材２２０では、流路１２５の下流側の流路深さＨ２から上流側の流路深さＨ１を差し引いた寸法（Ｈ２−Ｈ１）だけ、フィン２２２の突出高さを、フィン部材１２０のフィン２２よりも高くしている。なお、各フィン２２２の間には、所定の幅を有し、Ａ方向へと冷媒を導く冷媒の流路１２５が形成される。フィン部材２２０は、例えば、公知の押出成形により一体成形することができる。
【００７３】
ところで、第１フレーム部材の突出部の突出高さを高くするほど、流路を流れる冷媒の流れ抵抗を高めることができる。これにより、流路を流れる冷媒を攪拌する能力が高まるので、境界層の形成を抑制する効果を高めることができる。しかしながら、突出部の突出高さを高くし過ぎると、流路の圧力損失が大きくなり過ぎて、冷媒の流量が大きく低下し、却って、冷却効果を低下させることになる。
【００７４】
また、発熱量の異なる複数の半導体素子を冷却する場合、全ての発熱体を一律に冷却する必要はなく、発熱量に応じて各々の半導体素子を冷却すれば良い。従って、複数の半導体素子の中で相対的に発熱量が少ない半導体素子は、他の半導体素子よりも、冷却の程度を低くしても構わない。
【００７５】
本実施例２の半導体装置１００では、半導体素子７１〜７４のうち半導体素子７３，７４が、半導体素子７１，７２に比べて発熱量が少ない。そこで、本実施例２の熱交換器１１０では、図１９に示すように、突出部１３１ｂ〜１３１ｅのうち、低発熱部１３１ｋに対し流路１２５の上流側（図１９において右側）に隣り合って位置する突出部１３１ｄ，１３１ｅの突出高さＬ２を、他の突出部１３１ｂ，１３１ｃの突出高さＬ１よりも低くした。ここで、低発熱部１３１ｋとは、第１フレーム部材１３１のうち、相対的に発熱量が少ない半導体素子７３，７４が絶縁板６０を介して配置される部分である。このように、一部の突出部１３１ｄ，１３１ｅの突出高さを低くすることで、流路１２５の圧力損失を抑制することができる。
【００７６】
一方、突出高さを低くした突出部１３１ｄ，１３１ｅでは、他の突出部１３１ｂ，１３１ｃに比べて、冷媒の攪拌能力が低下するので、突出高さを低くした突出部１３１ｄ，１３１ｅに対し流路１２５の下流側（図１９において左側）に隣り合って位置する流路部分１２５ｄ，１２５ｅでは、境界層の抑制効果が低下する。しかしながら、本実施例２では、低発熱部１３１ｋに対し流路１２５の上流側（図１９において右側）に隣り合って位置する突出部１３１ｄ，１３１ｅについて、突出高さを低くしている。すなわち、第１フレーム部材１３１のうち、突出高さを低くした突出部１３１ｄ，１３１ｅに対し流路１２５の下流側（図１９において左側）に隣り合って位置する部分を、低発熱部１３１ｋとしている。従って、境界層の抑制効果が低下して冷却能力が低下する部位は、低発熱部１３１ｋに限られる。このように、低発熱部１３１ｋにおいてのみ冷却能力を低下させることで、半導体素子７１〜７４を各々の発熱量に応じて適切に冷却することができる。
【００７７】
さらに、本実施例２の熱交換器１１０では、図１９に示すように、冷媒の流路１２５のうち低発熱部１３１ｋを含んで構成される流路部分１２５ｄ，１２５ｅを、他の流路部分（高発熱部１３１ｊ含んで構成される流路部分１２５ｂ，１２５ｃ）に比べて、流路深さを深くしている。このように、流路部分１２５ｄ，１２５ｅの流路深さを深くした分、流路１２５を流れる冷媒の流れ抵抗を低減できるので、流路１２５の圧力損失をより一層低減することができる。なお、図１９では、流路部分１２５ｂ，１２５ｃの流路深さをＨ１、流路部分１２５ｄ，１２５ｅの流路深さをＨ２としている。また、高発熱部１３１ｊとは、第１フレーム部材１３１のうち、相対的に発熱量が多い半導体素子７１，７２が絶縁板６０を介して配置される部分である。
【００７８】
ところで、流路深さを深くした流路部分では、他の流路部分に比べて流速が速くなり、冷却能力が低下する傾向にある。しかしながら、本実施例２の熱交換器１１０では、低発熱部１３１ｋを含んで構成される流路部分１２５ｄ，１２５ｅについてのみ、流路深さを深くしている。このように、低発熱部１３１ｋにおいてのみ冷却能力を低下させることで、半導体素子７１〜７４を各々の発熱量に応じて適切に冷却することができる。
【００７９】
ここで、本実施例２にかかる半導体装置１００の熱交換器１１０による冷却作用について説明する。半導体素子７１〜７４は、使用に伴って発熱する。これらの熱は、絶縁板６０を通じて、フレーム１３０（第１フレーム部材１３１）に伝えられ、さらに、フレーム１３０の内部に収納されているフィン部材１２０のフィン２２及びフィン部材２２０のフィン２２２に伝えられる。
【００８０】
フレーム１３０の内部には図１２に矢印で示すように、導入口１３０ａを通じて冷媒（例えば、水）が連続的に導入される。フレーム１３０の内部に導入された冷媒は、流路１２５をＡ方向に流れてゆく。流路１２５を流れる冷媒は、突出部１３１ｂ〜１３１ｅに衝突して攪拌され、乱流を発生させながらＡ方向に流れてゆく（図１９参照）。これにより、境界層の形成を抑制することができる。
【００８１】
従って、フィン部材１２０のフィン２２及びフィン部材２２０のフィン２２２は、流路１２５を流れる冷媒と効率良く熱交換を行うことができる。すなわち、半導体素子７１〜７４からフィン２２，２２２に伝えられた熱を、効率良く、流路１２５を流れる冷媒に放出することができる。流路１２５を流れつつフィン２２，２２２の熱を吸収した冷媒は、排出口１３０ｂを通じてフレーム１３０の外部に排出される。このようにして、発熱した半導体素子７１〜７４を、効果的に冷却することができる。
【００８２】
しかも、本実施例２の熱交換器１１０では、前述のように、突出部１３１ｄ，１３１ｅの突出高さを低くすると共に、流路部分１２５ｄ，１２５ｅの流路深さを深くしている。これにより、流路１２５の圧力損失を効果的に低減することができる。このため、冷媒の流量の低下を抑制できるので、発熱した半導体素子７１〜７４を適切に冷却することができる。
【００８３】
次に、本実施例２にかかる半導体装置１００の製造方法について説明する。
まず、アルミニウム製のフィン部材１２０，２２０を２個ずつ用意する。フィン部材１２０，２２０は、例えば、アルミニウムの押出成形により一体成形することができる。
また、アルミニウム製の第１フレーム部材１３１と、アルミニウム製の第２フレーム部材１３２とを用意する。第１フレーム部材１３１は、成形工程において、第１抑え型９１、第２抑え型９２、及び絞り型９３（図８参照）を用いて、実施例１と同様にして成形した。但し、突出部１３１ｄ，１３１ｅの絞り加工では、突出部１３１ｂ，１３１ｃの絞り加工に比べて、絞り型９３の降下量（絞り量）を小さくしている。第２フレーム部材１３２は、矩形平板状のアルミニウム板を、プレス加工することで製造できる。
【００８４】
次に、組立工程に進み、フィン部材１２０，２２０、第１フレーム部材１３１、及び第２フレーム部材１３２を、図１３に示すように組み合わせる（組み合わせ体を構成する）。なお、第１フレーム部材１３１の内面１３１ｈ及び第２フレーム部材１３２の底面１３２ｂには、予めロウ材（融点６００℃）が塗布されている。次いで、実施例１と同様に、組み合わせ体を電気炉（図示なし）内に収容してロウ材を溶融させた後、組み合わせ体を冷却して、ロウ材を硬化させる。これにより、フィン部材１２０，２２０、第１フレーム部材１３１、及び第２フレーム部材１３２を、ロウ付けにより接合することができる。このようにして、本実施例２の熱交換器１１０が完成する。
【００８５】
次に、溶接工程に進み、実施例１と同様の手順で、熱交換器１１０の第１フレーム部材１３１に、４個の絶縁板６０をロウ付けする。具体的には、まず、第１フレーム部材１３１の配置面１３１ｇ（図１６、図１７参照）に、４個の絶縁板６０を配置する。なお、第１フレーム部材１３１の配置面１３１ｇには、熱交換器１１０を完成させた後、絶縁板６０を配置する前に、ロウ材（融点５５０℃）を塗布している。次いで、これらを電気炉（図示なし）内に収容した後、電気炉内の温度を５５０℃にまで上昇させて、ロウ材を溶融させる。このとき、熱交換器１１０を接合しているロウ材は、融点が６００℃であるため、溶融することがない。このため、熱交換器１１０の接合状態を確実に維持することができる。その後、絶縁板６０を有する熱交換器１１０を電気炉内から取り出し、冷却して、ロウ材を硬化させる。これにより、４個の絶縁板６０を、熱交換器１１０の第１フレーム部材１３１にロウ付けすることができる。
【００８６】
ところで、絶縁板６０とフレーム１３０（第１フレーム部材１３１）とでは、線膨張率が異なる。前述のように、例えば、アルミナからなる絶縁板６０を用いた場合、アルミニウムからなるフレーム１３０（第１フレーム部材１３１）の線膨張率は、絶縁板６０の線膨張率の３倍以上となる。このため、従来、アルミナからなる絶縁板とアルミニウムからなるフレーム（第１フレーム部材）との溶接（例えばロウ付け）時に、絶縁板及び第１フレーム部材が加熱された後冷却されたとき、絶縁板と第１フレーム部材との収縮率（線膨張率）の差が原因で、絶縁体及びフレームに反りが発生する（湾曲する）ことがあった。
【００８７】
しかしながら、本実施例２では、前述のように、第１フレーム部材１３１に、フレーム１３０の内部に突出する複数（本実施例１では４個）の突出部１３１ｂ，１３１ｃ，１３１ｄ，１３１ｅを一体成形している（図１３、図１７参照）。これらの突出部１３１ｂ〜１３１ｅは、フレーム１３０の外方（図１７において上方）に開口する断面Ｕ字状で、配置面１３１ｇに沿ってＢ方向に直線状に延びるＵ字溝形状をなしている。このような形態の突出部１３１ｂ〜１３１ｅは、Ｕ字溝の開口が拡縮することで、第１フレーム部材１３１の配置面１３１ｇに沿った沿面方向（図１１、図１７において左右方向）に弾性変形可能である（図１１参照）。
【００８８】
従って、絶縁板６０と第１フレーム部材１３１との溶接（本実施例２では、ロウ付け）時に、絶縁板６０及び第１フレーム部材１３１が加熱された後冷却されたとき、突出部１３１ｂ〜１３１ｅが、絶縁板６０と第１フレーム部材１３１との収縮率（線膨張率）の差に応じて、第１フレーム部材１３１の配置面１３１ｇに沿った沿面方向（図１１において左右方向）に弾性変形（収縮）する。これにより、絶縁板６０と第１フレーム部材１３１との収縮率（線膨張率）の差によって生じる反り（湾曲）を抑制することができる。
その後、各々の絶縁板６０の表面に、半導体素子７１〜７４をハンダ付けすることで、本実施例１の半導体装置１００（図１２、図１８参照）が完成する。
【００８９】
以上において、本発明を実施例１，２に即して説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施例１では、フィン部材２０と第１フレーム部材３１と第２フレーム部材３２とを、ロウ付けにより接合して、熱交換器１０を完成させた後、熱交換器１０の第１フレーム部材３１に絶縁板６０をロウ付けした。しかしながら、フィン部材２０と第１フレーム部材３１と第２フレーム部材３２と絶縁板６０とを、同時にロウ付けするようにしても良い。この場合、ロウ材は、全て同一融点（例えば６００℃）のものを用いることができる。この手法では、熱交換器１０が完成すると同時に、熱交換器１０の第１フレーム部材３１に絶縁板６０がロウ付けされる。実施例２についても、これと同様なことがいえる。
【符号の説明】
【００９０】
１，１００  半導体装置
１０，１１０  熱交換器
２０，１２０，２２０  フィン部材
２２，２２２  フィン
２５，１２５  流路
３０，１３０  フレーム
３１，１３１  第１フレーム部材（第１壁部）
３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ，１３１ｂ，１３１ｃ，１３１ｄ，１３１ｅ  突出部（弾性変形可能部）
３１ｆ，１３１ｆ  第１フレーム部材（第１壁部）の外面
３１ｇ，１３１ｇ  配置面
３２，１３２  第２フレーム部材
６０  絶縁板（介在部材）
７１，７２，７３，７４  半導体素子（発熱体）
１２５ｄ，１２５ｅ  低発熱部を含んで構成される流路部分
１３１ｋ  低発熱部
Ａ  冷媒の流れ方向
Ｂ  冷媒の流れ方向と直交（交差）する方向
【図１】
2010131317.tif 000003
【図２】
2010131317.tif 000004
【図３】
2010131317.tif 000005
【図４】
2010131317.tif 000006
【図５】
2010131317.tif 000007
【図６】
2010131317.tif 000008
【図７】
2010131317.tif 000009
【図８】
2010131317.tif 000010
【図９】
2010131317.tif 000011
【図１０】
2010131317.tif 000012
【図１１】
2010131317.tif 000013
【図１２】
2010131317.tif 000014
【図１３】
2010131317.tif 000015
【図１４】
2010131317.tif 000016
【図１５】
2010131317.tif 000017
【図１６】
2010131317.tif 000018
【図１７】
2010131317.tif 000019
【図１８】
2010131317.tif 000020
【図１９】
2010131317.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成21年9月28日(2009.9.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（削除）
【請求項２】
発熱体を冷却する熱交換器であって、外枠を形成するフレームの内部に、冷媒の流路を形成する複数のフィンを備えたフィン部材を配置した熱交換器において、
上記フレームは、当該フレームと上記発熱体との間に介在する介在部材であって当該フレームと線膨張率が異なる介在部材が溶接される第１壁部を有し、
上記フレームの上記第１壁部は、当該第１壁部の外面のうち上記介在部材が配置される配置面に沿った沿面方向に弾性変形可能な弾性変形可能部を含み、
前記弾性変形可能部は、
前記フレームの内部に突出する突出部であって、前記フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、前記配置面に沿って前記冷媒の流れ方向と交差する方向に直線状に延びるＵ字溝形状の突出部である
熱交換器。
【請求項３】
請求項２に記載の熱交換器であって、
前記突出部は、絞り加工により前記第１壁部と一体成形されてなる
熱交換器。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の熱交換器であって、
前記突出部は、前記冷媒の流れ方向と交差する方向における前記フレームの両側壁の内壁面まで延設されている
熱交換器。
【請求項５】
請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
前記突出部は、前記冷媒の流れ方向と直交する方向に直線状に延びる
熱交換器。
【請求項６】
請求項２〜請求項５のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
前記突出部は、前記冷媒の流れ方向に所定間隔をおいて並設されており、
前記フィンは、上記冷媒の流れ方向に隣り合う上記突出部の間に配置されてなる
熱交換器。
【請求項７】
請求項６に記載の熱交換器であって、
前記熱交換器は、前記冷媒の流れ方向に並んで配置される複数の前記発熱体を冷却する熱交換器であり、
前記第１壁部のうち、上記複数の発熱体の中で相対的に発熱量が少ない発熱体が前記介在部材を介して配置される部分を低発熱部とすると、
前記突出部のうち、上記低発熱部に対し前記流路の上流側に隣り合って位置する突出部は、他の突出部に比べて前記フレームの内部に突出する突出高さが低い
熱交換器。
【請求項８】
請求項７に記載の熱交換器であって、
前記冷媒の流路のうち前記低発熱部を含んで構成される流路部分は、他の流路部分に比べて、流路深さが深くされてなる
熱交換器。
【請求項９】
請求項２〜請求項８のいずれか一項に記載の熱交換器と、
前記発熱体である半導体素子と、
前記フレームの前記第１壁部に溶接されて、上記半導体素子と上記第１壁部との間に位置する前記介在部材と、を備える
半導体装置。
【請求項１０】
発熱体を冷却する熱交換器であって、外枠を形成するフレームの内部に、冷媒の流路を形成する複数のフィンを備えたフィン部材を配置した熱交換器の製造方法において、
上記フレームであって、当該フレームと上記発熱体との間に介在する介在部材が溶接される第１壁部を有するフレームを成形する成形工程と、
上記成形工程で成形された上記フレームの内部に上記フィン部材を配置して、上記熱交換器を組み立てる組立工程と、を有し、
上記成形工程は、
絞り加工により、上記フレームの内部に突出する突出部であって、上記フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、上記第１壁部の外面のうち上記介在部材が配置される配置面に沿って直線状に延びるＵ字溝形状の突出部を、上記第１壁部と一体成形する
熱交換器の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の熱交換器の製造方法により製造された熱交換器と、
前記発熱体である半導体素子と、
前記フレームの前記第１壁部と上記半導体素子との間に介在する前記介在部材であって、上記フレームと線膨張率が異なる介在部材と、を備える
半導体装置の製造方法であって、
上記介在部材を上記フレームの上記第１壁部の前記配置面上に配置して、上記介在部材を上記第１壁部に溶接する溶接工程を備える
半導体装置の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
びフレームの壁部が加熱された後冷却されたとき、絶縁体とフレームの壁部との収縮率（線膨張率）の差が原因で、絶縁体及びフレームに反りが発生する（湾曲する）ことがあった。この問題は、絶縁体をフレームの壁部に溶接する場合のみならず、フレームの壁部に、フレームとは線膨張率の異なる介在部材（フレームの壁部と半導体素子等の発熱体との間に介在させる部材）を溶接する場合において起こりうることであった。
［０００７］
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、線膨張率が異なる介在部材とフレームの壁部とを溶接したときの介在部材及びフレームの反り（湾曲）を抑制することができる熱交換器及びその製造方法、並びに、介在部材及びフレームの反り（湾曲）が抑制された半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
［０００８］
本発明の一態様は、発熱体を冷却する熱交換器であって、外枠を形成するフレームの内部に、冷媒の流路を形成する複数のフィンを備えたフィン部材を配置した熱交換器において、上記フレームは、当該フレームと上記発熱体との間に介在する介在部材であって当該フレームと線膨張率が異なる介在部材が溶接される第１壁部を有し、上記フレームの上記第１壁部は、当該第１壁部の外面のうち上記介在部材が配置される配置面に沿った沿面方向に弾性変形可能な弾性変形可能部を含み、前記弾性変形可能部は、前記フレームの内部に突出する突出部であって、前記フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、前記配置面に沿って前記冷媒の流れ方向と交差する方向に直線状に延びるＵ字溝形状の突出部である熱交換器である。
［０００９］
上述の熱交換器では、フレームの第１壁部（フレームと発熱体との間に介在する介在部材が溶接される壁部）が、当該第１壁部の外面のうち介在部材が配置される配置面に沿った沿面方向に弾性変形可能な弾性変形可能部を含んでいる。このため、線膨張率が異なる介在部材とフレームの第１壁部との溶接時に、介在部材及び第１壁部が加熱された後冷却されたとき、第１壁部と介在部材の収縮率（線膨張率）の差に応じて、第１壁部の弾性変形可能部が沿面方向に弾性変形する。これにより、第１壁部と介在部材との収縮率（線膨張率）の差によって生じる反り（湾曲）を抑制することができる。
［００１０］
なお、本願において、溶接とは、ロウ材を用いたロウ付け、ハンダを用い
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
たハンダ付け、母材（接合対象部材）を溶融させて接合する方法等を含むものであり、加熱溶融して接合する方法をいう。
また、発熱体は、半導体素子など、使用に伴って発熱する部品全般を含むものである。
［００１１］
［００１２］
上述の熱交換器では、フレームの内部に突出する突出部が、前述の弾性変形可能部を構成している。この突出部は、フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、第１壁部の配置面に沿って直線状に延びるＵ字溝形状をなしている。換言すれば、突出部は、フレームの外方に開口するＵ字状の断面が第１壁部の配置面に沿う沿面方向（断面に直交する方向に一致する）に直線状に延びるＵ字溝形状をなしている。このような形態の突出部は、Ｕ字溝の開口が拡縮することで、第１壁部の配置面に沿った沿面方向に弾性変形可能である。このため、この突出部が、第１壁部の配置面に沿った沿面方向に弾性変形することで、第１壁部と介在部材との収縮率（線膨張率）の差によって生じる反りを抑制することができる。
［００１３］
ところで、外枠を形成するフレームの内部に冷媒の流路を形成する複数のフィンを備えたフィン部材を配置した熱交換器について、フィン間を流れる冷媒の速度分布を調査したところ、フィンに近づくにつれて冷媒の速度が遅くなる傾向にあった。これは、冷媒の粘性の影響により、冷媒がフィンに引っ張られるためである。これにより、フィン付近には、他の領域に比べて冷媒の流れる速度が遅いか又は冷媒がほとんど停止した領域（以下、これを境界層ともいう）が形成される。この境界層が形成されると、集熱したフィンは、主にフィン周辺に形成された境界層内の冷媒のみと熱交換することになり、境界層以外の領域を流れる冷媒との熱交換がほとんど行われなくなる。その結果、熱交換器の内部を流れる冷媒と有効に熱交換が行われず、高い冷
【手続補正書】
【提出日】平成23年7月8日(2011.7.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体を冷却する熱交換器であって、外枠を形成するフレームの内部に、冷媒の流路を形成する複数のフィンを備えたフィン部材を配置した熱交換器において、
上記フレームは、当該フレームと上記発熱体との間に介在する介在部材であって当該フレームと線膨張率が異なる介在部材が溶接される第１壁部を有し、
上記フレームの上記第１壁部は、当該第１壁部の外面のうち上記介在部材が配置される配置面に沿った沿面方向に弾性変形可能な弾性変形可能部を含み、
前記弾性変形可能部は、
前記フレームの内部に突出する突出部であって、前記フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、前記配置面に沿って前記冷媒の流れ方向と交差する方向に直線状に延びるＵ字溝形状の突出部である
熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器であって、
前記突出部は、絞り加工により前記第１壁部と一体成形されてなる
熱交換器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の熱交換器であって、
前記突出部は、前記冷媒の流れ方向と交差する方向における前記フレームの両側壁の内壁面まで延設されている
熱交換器。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
前記突出部は、前記冷媒の流れ方向と直交する方向に直線状に延びる
熱交換器。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
前記突出部は、前記冷媒の流れ方向に所定間隔をおいて並設されており、
前記フィンは、上記冷媒の流れ方向に隣り合う上記突出部の間に配置されてなる
熱交換器。
【請求項６】
請求項５に記載の熱交換器であって、
前記熱交換器は、前記冷媒の流れ方向に並んで配置される複数の前記発熱体を冷却する熱交換器であり、
前記第１壁部のうち、上記複数の発熱体の中で相対的に発熱量が少ない発熱体が前記介在部材を介して配置される部分を低発熱部とすると、
前記突出部のうち、上記低発熱部に対し前記流路の上流側に隣り合って位置する突出部は、他の突出部に比べて前記フレームの内部に突出する突出高さが低い
熱交換器。
【請求項７】
請求項６に記載の熱交換器であって、
前記冷媒の流路のうち前記低発熱部を含んで構成される流路部分は、他の流路部分に比べて、流路深さが深くされてなる
熱交換器。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の熱交換器と、
前記発熱体である半導体素子と、
前記フレームの前記第１壁部に溶接されて、上記半導体素子と上記第１壁部との間に位置する前記介在部材と、を備える
半導体装置。
【請求項９】
発熱体を冷却する熱交換器であって、外枠を形成するフレームの内部に、冷媒の流路を形成する複数のフィンを備えたフィン部材を配置した熱交換器の製造方法において、
上記フレームであって、当該フレームと上記発熱体との間に介在する介在部材が溶接される第１壁部を有するフレームを成形する成形工程と、
上記成形工程で成形された上記フレームの内部に上記フィン部材を配置して、上記熱交換器を組み立てる組立工程と、を有し、
上記成形工程は、
絞り加工により、上記フレームの内部に突出する突出部であって、上記フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、上記第１壁部の外面のうち上記介在部材が配置される配置面に沿って直線状に延びるＵ字溝形状の突出部を、上記第１壁部と一体成形する
熱交換器の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の熱交換器の製造方法により製造された熱交換器と、
前記発熱体である半導体素子と、
前記フレームの前記第１壁部と上記半導体素子との間に介在する前記介在部材であって、上記フレームと線膨張率が異なる介在部材と、を備える
半導体装置の製造方法であって、
上記介在部材を上記フレームの上記第１壁部の前記配置面上に配置して、上記介在部材を上記第１壁部に溶接する溶接工程を備える
半導体装置の製造方法。
【国際調査報告】
2010131317.tif 000022
2010131317.tif 000023