(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓋体部と底板部と、前記蓋体部と前記底板部との間に挟み込まれている隔壁部および側壁部を備え、
前記蓋体部と前記隔壁部と前記側壁部と前記底板部とで内部に流体が流れる流路を構成してなり、
前記側壁部および前記隔壁部の前記底板部側の一部が前記底板部の流路壁を構成する表面よりも内側に入り込む、または、前記側壁部および前記隔壁部の前記蓋体部側の一部が前記蓋体部の流路壁を構成する表面よりも内側に入り込み、入り込んでいる部分の端面全体が直接接合されていることを特徴とする流路部材。
【請求項２】
前記蓋体部および前記底板部のうち、前記隔壁部および前記側壁部の一部が入り込んで直接接合されている方が可撓性材料からなることを特徴とする請求項１に記載の流路部材。
【請求項３】
前記可撓性材料が樹脂材料であることを特徴とする請求項２に記載の流路部材。
【請求項４】
前記樹脂材料が高熱伝導性の樹脂であることを特徴とする請求項３に記載の流路部材。
【請求項５】
前記側壁部および前記隔壁部のうち少なくとも一方がセラミックスの積層体からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の流路部材。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の流路部材と、前記流路部材の前記蓋体部上に設けられた金属部材とを備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項７】
請求項６に記載の熱交換器の前記金属部材上に半導体素子が設けられていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路部材およびこれを用いた熱交換器ならびに半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド自動車や電気自動車の急速な普及に伴い、インバータ装置や、交流−直流電力変換装置などのパワーモジュールと呼ばれる半導体装置が多く用いられようになってきている。【０００３】
そして、このような半導体装置は、車載用に限らず、多くは大電流のスイッチングを繰り返し高温に発熱するため、半導体素子の機能を低下させないためには強制的な冷却が必要である。【０００４】
特許文献１には、熱伝導性に優れた窒化アルミニウムを積層し内部に冷却流路を備えた冷却器を、高温となる半導体デバイスの冷却手段として用いた車載用インバータ装置（流路部材を用いた半導体装置）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７―１８４４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１における半導体装置は、窒化アルミニウムの薄板を積層した積層体によって、内部に流体が流れる流路を形成しているものの、積層体はねじ止めにより接合されており、この半導体装置がエンジンの近くに設けられている場合には、半導体装置に過酷な熱サイクルがかかり、この熱サイクルに伴う熱応力により積層体のねじ止めに緩み（流路の破壊）が生じ、流路の密閉性が損なわれ易いという問題があった。【０００７】
本発明は、上記課題を解決するために案出されたものであり、流路部材に熱応力が発生しても、流路の破壊を抑制できる流路部材およびこれを用いた熱交換器ならびに半導体装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の流路部材は、蓋体部と底板部と、前記蓋体部と前記底板部との間に挟み込まれている隔壁部および側壁部を備え、前記蓋体部と前記隔壁部と前記側壁部と前記底板部とで内部に流体が流れる流路を構成してなり、前記側壁部および前記隔壁部の前記底板部側の一部が前記底板部の流路壁を構成する表面よりも内側に入り込む、または、前記側壁部および前記隔壁部の前記蓋体部側の一部が前記蓋体部の流路壁を構成する表面よりも内側に入り込み、入り込んでいる部分の端面全体が直接接合されていることを特徴とする流路部材ものである。
【０００９】
また、本発明の熱交換器は、上記構成の流路部材と、前記流路部材の前記蓋体部上に設けられた金属部材とを備えることを特徴とするものである。【００１０】
また、本発明の半導体装置は、上記構成の熱交換器の前記金属部材上に半導体素子が設けられていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の流路部材によれば、蓋体部と前記隔壁部と前記側壁部と前記底板部とで内部に流体が流れる流路を構成してなり、前記側壁部および前記隔壁部の前記底板部側の一部が前記底板部の流路壁を構成する表面よりも内側に入り込む、または、前記側壁部および前記隔壁部の前記蓋体部側の一部が前記蓋体部の流路壁を構成する表面よりも内側に入り込み、入り込んでいる部分の端面全体が直接接合されていることから、流路部材に熱応力が発生しても、入り込んでいる部分の端面全体が直接接合された接合部が破壊しにくく、流路の機密性が損なわれることを抑制できる。
【００１２】
また、本発明の熱交換器は、上記構成の流路部材の前記蓋体部上に金属部材が設けられていることから、蓋体部と金属部材との熱交換を効率的に行なうことができ、熱交換効率の高い熱交換器とすることができる。【００１３】
また、本発明の半導体装置は、上記構成の熱交換器の前記金属部材上に半導体素子が設けられていることから、シンプルな構造で半導体素子の発熱による温度上昇を抑制する半導体装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
【図１Ａ】本実施形態の流路部材の斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示すＸ−Ｘ線の部分断面図である。
【図１Ｃ】図１Ａに示すＸ−Ｘ線の部分断面図である。
【図１Ｄ】図１Ｂの破線で囲んだＣ部を拡大した部分断面図である。
【図１Ｅ】図１Ｃの破線で囲んだＣ部を拡大した部分断面図である。
【図２Ａ】本実施形態の流路部材の他の一例を示し、図１Ｂの破線で囲んだＣ部に相当する部分を拡大した部分断面図である。
【図２Ｂ】本実施形態の流路部材の他の一例を示し、図１Ｃの破線で囲んだＣ部に相当する部分を拡大した部分断面図である。
【図３Ａ】本実施形態の流路部材のさらに他の一例を示し、図１Ｂの破線で囲んだＣ部に相当する部分を拡大した部分断面図である。
【図３Ｂ】本実施形態の流路部材のさらに他の一例を示し、図１Ｃの破線で囲んだＣ部に相当する部分を拡大した部分断面図である。
【図４Ａ】本実施形態の流路部材のさらに他の一例を示す斜視図である。
【図４Ｂ】本実施形態の流路部材のさらに他の一例を示し、積層体の一部を取り外して示す平面図である。
【図５Ａ】本実施形態の流路部材のさらに他の一例を示し、流路部材を構成する蓋体部、隔壁部、側壁部および底板部をねじで締結した状態の側面図である。
【図５Ｂ】本実施形態の流路部材のさらに他の一例を示し、かしめ部材で締結した状態の側面図である。
【図６】本実施形態の熱交換器の一例を示す、流路部材の蓋体部上に金属部材を設けた熱交換器の斜視図である。
【図７】本実施形態の半導体装置の一例を示す、熱交換器に半導体素子が実装された半導体装置の斜視図である。
【図８Ａ】本実施形態の半導体装置を筐体に収納してなる筐体収納半導体装置を発熱体上に設置した一例を示し、流路部材の底板部と筐体を個別に形成した断面図である。
【図８Ｂ】本実施形態の半導体装置を筐体に収納してなる筐体収納半導体装置を発熱体上に設置した一例を示し、流路部材の底板部と筐体を一体とした断面図である。
【図８Ｃ】本実施形態の半導体装置を筐体に収納してなる筐体収納半導体装置を発熱体上に設置した一例を示し、流路内にフィンを収納した流路部材の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１６】
図１Ａは、本実施形態の流路部材の斜視図である。図１Ｂおよび図１Ｃは、図１Ａに示すＸ−Ｘ線の部分断面図である。図１Ｄは、図１Ｂの破線で囲んだＣ部を拡大した部分断面図である。図１Ｅは、図１Ｃの破線で囲んだＣ部を拡大した部分断面図である。
【００１７】
図１Ａ〜図１Ｅに示すように、本実施形態の流路部材１は、蓋体部２と底板部４と、この蓋体部２と底板部４との間に設けられた隔壁部３ｂおよび側壁部３とにより構成され、蓋体部２と隔壁部３ｂと側壁部３と底板部４とで囲まれた内部空間が、気体または液体などの流体を流すための流路５となる。
【００１８】
そして、本実施形態の流路部材１によれば、蓋体部２および底板部４のうち少なくとも一方に、隔壁部３ｂおよび側壁部３のうち少なくとも一方の一部が入りこんで直接接合されている。
【００１９】
ここで、直接接合とは、蓋体部２および底板部４のうち少なくとも一方に、隔壁部３ｂおよび側壁部３のうち少なくとも一方が直接接合されていることを指しており、例えば、接合部８にＯリング等の弾性体や、接着材等がない接合を指すものである。
【００２０】
図１Ｂおよび図１Ｄに示す流路部材１においては、流路５を構成する側壁部３および隔壁部３ｂの底面側の一部が底板部４の流路壁を構成する表面よりも内側に入りこんで直接接合されている。また、図１Ｃおよび図１Ｅに示す流路部材１においては、側壁部３および隔壁部３ｂの上面側の一部が蓋体部２の流路壁を構成する表面よりも内側に入りこんで直接接合されている。
【００２１】
さらに、図２Ａおよび図２Ｂでは、流路５を構成する側壁部３の底面側の一部が底板部４に入りこんでいる別の態様を示し、図２Ａは破線で囲んだＡ部に示すように、底板部４を部分的に突出させてあり、突出させた領域に形成される凹部に側壁部３の底面側の一部が入りこんでいる例を示したものであり、図２Ｂは破線で囲んだＢ部に示すように、側壁部３の一端に凸部を設け、相対する底板部４の表面に凹部を設け、側壁部３の一端の凸部が底板部４の凹部に入り込んでいる例を示したものである。なお、図示していないが、側壁部３の蓋体部２側でも同様の構成とすることができ、さらに、隔壁部３ｂにおいても側壁部３と同様の構成とすることもできる。
【００２２】
また、本実施形態の流路部材１の製造方法の一例として、先ず、隔壁部３ｂおよび側壁部３となる焼結部材を準備する。次に、蓋体部２および底板部４を、隔壁部３ｂおよび側壁部３より低融点の粉末材料を所望の形状に成形する。あるいは、低融点材料の溶湯を射出成形等により所望の形状に形成する。そして先に準備した隔壁部３ｂおよび側壁部３を、蓋体部２および底板部４で挟み込むようにして組み合わせたのち加圧した状態で所望の温度で焼成することにより、蓋体部２および底板部４と、隔壁部３ｂおよび側壁部３とがそれぞれ直接接合した流路部材１を得ることができる。なお、このとき、蓋体部２および底板部４は、先に準備した隔壁部３ｂおよび側壁部３より低融点の材料を用いることから、焼成の温度を隔壁部３ｂおよび側壁部３の融点より高い温度で焼成することによって蓋体部２および底板部４に隔壁部３ｂおよび側壁部３の一部が入り込んで直接接合される。なお、上述の例では、隔壁部３ｂおよび側壁部３の両方の一部が、蓋体部２および底板部４の両方に入り込んでいる例の場合について説明したが、隔壁部３ｂおよび側壁部３のうち少なくとも一方の一部が、蓋体部２および底板部４のうち少なくとも一方に入り込んでいればよく、適宜調整して製造することができる。以下の説明において、特に断りがない場合には、隔壁部３ｂおよび側壁部３の両方の一部が、蓋体部２および底板部４の両方に入り込んでいる例を用いて説明する。
【００２３】
ここで、隔壁部３ｂおよび側壁部３を比較的融点の高い材料としてセラミックスを用いる場合には、蓋体部２および底板部４は比較的融点の低い材料として銅やアルミニウムなどの金属または樹脂を用いることができ、隔壁部３ｂおよび側壁部３を比較的融点の高い材料として金属を用いる場合には、蓋体部２および底板部４は比較的融点の低い材料として樹脂を用いることができる。
【００２４】
このように、本実施形態の流路部材１は、蓋体部２および底板部４のうち少なくとも一方に、隔壁部３ｂおよび側壁部３のうち少なくとも一方の一部が入りこんで直接接合されている。それにより、流路部材１に外側および内側から高温により発生した熱応力が加わっても、隔壁部３ｂおよび側壁部３のうち少なくとも一方の一部が入りこんで接合された部位である接合部８が破壊されることや、接合部８に流路５側に開口する隙間が発生することを抑制できる。それにより、流路５の密閉性を高めることができるほか、流路５内を流れる流体の圧力を高くすることができることから、冷却能力を上げることができる。
【００２５】
図３Ａおよび図３Ｂは、本実施形態の流路部材のさらに他の一例を示し、図３Ａは、図１Ｂの破線で囲んだＣ部に相当する部分を拡大した部分断面図であり、図３Ｂは、図１Ｃの破線で囲んだＣ部に相当する部分を拡大した部分断面図である。
【００２６】
図３Ａおよび図３Ｂに示すように、側壁部３の一端に複数の凹部（側壁部３の凹部）を備え、また、蓋体部２および底板部４の少なくとも一部がこの凹部に対応する複数の凸部を備え、凹部が凸部に入り込んで接合されていることが好ましい。なお、以下の説明において、図３Ａおよび図３Ｂにおいて、隔壁部３ｂは示されていないが、隔壁部３ｂも同様にその一端に凹部を備え、その凹部が、蓋体部２および底板部４の少なくとも一部の凸部に入り込んで接合することができる。
【００２７】
つまり、蓋体部２と隔壁部３ｂおよび側壁部３と、底板部４と隔壁部３ｂおよび側壁部３とを接合するにあたり、蓋体部２および底板部４のうち少なくとも一方に、隔壁部３ｂおよび側壁部３のうち少なくとも一方の一部が入りこんで直接接合されているとともに、各接合部８は、隔壁部３ｂおよび側壁部３に複数の凹部を備え、蓋体部２および底板部４に、この凹部と対応する複数の凸部を備え、隔壁部３ｂおよび側壁部３の凹部が、対応する蓋体部２および底板部４の凸部に入り込んで接合される構成の二段階の接合構成を取っている。それゆえ、接合部８においてより強固なアンカー効果を有することができ、熱応力に対しもっとも脆弱な部分である接合部８が破壊されることを抑制できる。それにより、流路５の密閉性を高めることができるほか、流路５内を流れる流体の圧力を高くすることができることから、冷却能力を上げることができる。
【００２８】
なお、隔壁部３ｂおよび側壁部３に設ける凹部の大きさは、例えば、隔壁部３ｂおよび側壁部３の幅寸法が１〜２０ｍｍである場合には、円相当径で、隔壁部３ｂおよび側壁部３の幅寸法の１０万〜１００万分の１の範囲であって、その深さは、０．１〜１０μｍの範囲であることが好ましい。このような凹部を隔壁部３ｂおよび側壁部３の接合面全体に満遍なく複数備えることから、応力を接合面全体に分散することができ接合強度を高めることができる。凸部については、上記凹部と対応する大きさとすればよい。
【００２９】
また、蓋体部２および底板部４の接合部８には変質層を有さないことが好ましく、それにより、各部材の本来の強度を確保でき、接合強度の低下を抑制できる。なお変質層とは、例えば、各部材として樹脂を用いた場合に、樹脂が熱溶着することにより変性して接合強度の特性が劣化した層のことを言う。但し、流路部材の材料の一部にセラミックスを用い、放熱特性を上げるために熱照射を加え表面層のガラス質成分を除去することにより、熱伝導性が向上する場合は変質層とは呼ばず、改質層と呼ぶものとする。
【００３０】
また、本実施形態の流路部材１は、蓋体部２および底板部４のうち、隔壁部３ｂおよび側壁部３のうち少なくとも一方の一部が入り込んで直接接合されている方が可撓性材料からなることが好ましい。このような構成とすることによって、蓋体部２の上方または底板部４の下方にさらに設けられた剛性の高いセラミックス基板などに半導体素子などの電子部品を実装する場合に、電子部品と流路部材１との熱膨張差による剥がれの問題や、蓋体部２または底板部４が電子部品に呼応して大きな反りが生じることを抑制できる。それゆえ、蓋体部２および底板部４と側壁部３および隔壁部３ｂとの各接合部８への負担も軽減できる。
【００３１】
ここで、蓋体部２および底板部４として用いることのできる可撓性材料としては、樹脂材料や金属材料が例示できる。なお、この場合において、隔壁部３ｂおよび側壁部３の材料としては、非可撓性材料を用いることができる。具体的には、蓋体部２および底板部４が樹脂材料であるときには、隔壁部３ｂおよび側壁部３の材料としては、剛性の高いセラミックス、樹脂複合セラミックス、または、金属材料を用いることができる。また、蓋体部２および底板部４が金属材料であるときは、隔壁部３ｂおよび側壁部３の材料としては、銅、アルミニウム系などの金属材料またはセラミックスであってもよい。さらに、また、蓋体部２および底板部４は金属箔であってもよく、銅やアルミニウムまたはそれらの合金以外にステンレスやチタンである場合には、特に耐薬品性に富むことから、より好ましい。
【００３２】
特に、蓋体部２および底板部４の可撓性材料としては、樹脂材料を用いることが好ましい。それにより、隔壁部３ｂおよび側壁部３をセラミックスや金属材料により作製し、蓋体部２と隔壁部３ｂおよび側壁部３と底板部４を加圧接合する場合に、隔壁部３ｂおよび側壁部３の一部が、可撓性のある樹脂材料の蓋体部２および底板部４に入り込んで接合されることから、隔壁部３ｂおよび側壁部３の一部が蓋体部２および底板部４で覆われた形状となる。それにより、流路部材１に繰り返し熱応力が発生しても接合部８に隙間が現れることを抑制でき、流路５に高い圧力の流体を流しても流路５が破壊されにくく、密閉性の高い流路部材１とすることができる。
【００３３】
ここで、蓋体部２および底板部４に用いることができる樹脂材料としては、ＰＯＭ（ポリオキシメチレン）、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、ＰＡ（ナイロン６６）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド系樹脂）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート系樹脂）、ＰＡ（ポリアミド系樹脂）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド系樹脂）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド系樹脂）、ポリフェニレンエーテル系樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ポリフェニレンエーテル系樹脂−スチレン系樹脂−ポリアミド系樹脂混合樹脂、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレンフッ素樹脂）および、ＰＣ（ポリカーボネート系樹脂）などがあるが、特に耐熱性、耐薬品性に富む点で、ＰＰＳ、ＰＥＩ、ＰＡＩ、ＰＴＦＥおよびＰＥＥＫとすることが好ましい。
【００３４】
また、隔壁部３ｂおよび側壁部３を構成するセラミックス材料としては、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素、ジルコニアおよび、それらの複合体であってもよいが、いずれも、耐熱性、耐薬品性が良好であり、熱伝導性を優先するならば炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素が好ましく、安価で高強度の流路部材１とするならばアルミナまたは炭化珪素が好ましい。
【００３５】
また、本実施形態の流路部材１の蓋体部２の上面または底板部４の下面に発熱体を実装する場合は、蓋体部２または底板部４の樹脂材料が、高熱伝導性の樹脂であることが好ましい。それにより、発熱体で発生した熱が流路部材１の内部を流れる流体に効率よく伝熱され、より熱交換効率の高い流路部材１とすることができる。
【００３６】
ここで、高熱伝導性の樹脂材料としては、熱伝導性の高いフィラーを添加した樹脂が好ましく、熱伝導率が１５〜３０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲であればよい。なお、蓋体部２および底板部４が、絶縁性を要求される場合には、フィラーとしてアルミナや窒化アルミニウム、窒化ホウ素などを主成分として用いたものであればよく、絶縁性を求められない場合はフィラーとして錫、アルミニウム、マグネシウム、銀、マンガンおよび銅等の金属を用いればよい。
【００３７】
また、流路部材１の蓋体部２または底板部４として高熱伝導性の樹脂材料を用い、かつ、流路部材１を熱交換器あるいは半導体装置に組み込み、これらを高温の環境下に配設する場合、流路部材１の蓋体部２または底板部４が周囲の熱を拾受することを抑制するために、低熱伝導性の樹脂材料等からなる筐体に収納することが望ましい。
【００３８】
また、本実施形態の流路部材１は、隔壁部３ｂおよび側壁部３の硬さが、蓋体部２および底板部４の硬さより硬いことが好ましい。このような構成とすることによって、蓋体部２と隔壁部３ｂと側壁部３と底板部４とを、ねじ止めなどにより接合するときに、硬さの低い蓋体部２および底板部４側に隔壁部３ｂおよび側壁部３が入り込むことで、流路５を形成する隔壁部３ｂおよび側壁部３の一部を底板部４が覆うこととなる。それにより、流路部材１に繰り返し熱応力が発生しても、蓋体部２と隔壁部３ｂおよび側壁部３、隔壁部３ｂおよび側壁部３と底板部４との各接合部８に隙間が生ずることを抑制でき、高い圧力の流体を流しても流路５が破壊されることを抑制できる。
【００３９】
ここで、例えば、隔壁部３ｂおよび側壁部３がアルミナ含有率９６質量％のセラミックスであって、底板部４がポリカーボネート樹脂であるときには、隔壁部３ｂと側壁部３と蓋体部２と底板部４とが平坦な形状であっても、接合時の加圧力を約１ＭＰａ程度で行えばよく、蓋体部２および底板部４には、接合部８において５〜１０μｍ程度の凹みが得られる。この凹み量が大きいほど、流体の圧力による接合部８の破壊を抑制する効果は高くなるが、凹み量が僅かであっても、凹みがないときに比べれば、流路破壊の確率は著しく低減できる。これは、凹みがないときは、流路部材１に繰り返し熱応力がかかると蓋体部２と隔壁部３ｂおよび側壁部３との間、隔壁部３ｂおよび側壁部３と底板部４との間に、僅かな隙間が発生し、流路５に高い圧力の流体を流したときに、隙間が切り欠き効果となり、容易に流路部材１を破壊することが考えられるからである。僅かであっても凹みがあれば最初の隙間の発生を抑えることができるので、本実施形態の流路部材１は、流路破壊の確率を低減できる。
【００４０】
以下に、可撓性部材である蓋体部２および底板部４と、隔壁部３ｂおよび側壁部３との接合方法の一例を説明する。
【００４１】
隔壁部３ｂおよび側壁部３を、非可撓性材料としてアルミニウムまたはアルミニウム合金にて形成する場合は、予め、隔壁部３ｂおよび側壁部３の接合部８となる部分に、水酸化ナトリウムなどの塩基性水溶液へ浸し前処理したあとに、電気化学処理エッチングすることにより微細な凹部を複数形成する。
【００４２】
また、非可撓性材料がセラミックスであるときは、公知の多孔質体の製造方法による球状樹脂粒子をセラミックスラリーに均一分散して成形する方法などによればよく、部分的に多孔質セラミックとなるスラリーを緻密質セラミックスラリーで成形した部材上に被覆した後、所定の温度で焼成することで接合部８となる部位に凹部を複数作製できる。また、側壁部３および隔壁部３ｂの焼結体を作製したあとに、側壁部３および隔壁部３ｂの接合部８となる部位に凹部を複数形成するときには、非可撓性材料がアルミナであれば、接合部８となる部分のみをフッ酸溶液に浸漬することによりシリカ等のガラス成分が除去され、接合に必要な表面層のみに、アルミナ粒子間に凹部となる隙間が得られる。また、さらに、レーザ光の面照射によりシリカ等のガラス成分を除去して凹部を形成してもよい。
【００４３】
なお、このようにセラミックスの表面のガラス成分を除去した場合は、流路部材１においては、相対する金属材料または樹脂材料との接合部の熱抵抗を小さくすることができるため、このガラス成分が除去された部分は変質層ではなく改質層と捉えてよい。
【００４４】
そして、金型内に、これらの隔壁部３ｂおよび側壁部３となる部材を配置し、蓋体部２および底板部４となる部材を溶融した樹脂または金属を射出成形する。このようにして成形すれば、蓋体部２および底板部４の一部が隔壁部３ｂおよび側壁部３の凹部に入り込むことで凸部となり、結果的に、蓋体部２および底板部４の凸部に、隔壁部３ｂおよび側壁部３の凹部が入り込むことで、蓋体部２または底板部４と接合された隔壁部３ｂまたは側壁部３が得られる。
【００４５】
このようにして得られた可撓性部材と非可撓性部材の接合部８は、可撓性部材である蓋体部２および底板部４のうち少なくとも一方に、非可撓性部材である隔壁部３ｂおよび側壁部３のうち少なくとも一方の一部が入りこんで直接接合され、各接合部８は、複数の凹部を備える隔壁部３ｂおよび側壁部３のうち少なくとも一方の一部が、蓋体部２および底板部４のうち少なくとも一方の凸部に入り込んで接合される構成の二段階の接合構成ができる。さらには、蓋体部２および底体部４に接合強度の低下を招く変質層が存在しないことから、熱交換効率を上げるために流体の圧力を上げて流体を流しても接合部８においてより強固なアンカー効果を有することができ熱応力に対し接合部８が破壊されることを抑制できる。
【００４６】
蓋体部２の上方または底板部４の下方に発熱体を実装するとき、これらが樹脂であるときは、流路部材１に熱を伝熱するためには高熱伝導性の樹脂であることが好ましく、以下、その製造方法の一例を説明する。
【００４７】
前述したように、側壁部３および隔壁部３ｂとなるそれぞれの部材を金型内に配置し、蓋体部２および底板部４との接合部８となる位置に高熱伝導性樹脂となる溶融樹脂を射出成形するが、耐熱性が少なくとも２００℃以上であって、融点が約２３０℃以上であるＰＰＳ、ＰＴＦＥまたはＰＡＩ樹脂に、例えば、錫とマグネシウムまたはマンガン、銀、銅、アルミニウムなどとなるそれぞれの部材を加えた低融点金属の合金粉末を添加して、これらの融点以上の温度で射出成形することにより、高熱伝導性樹脂の蓋体部２および底板部４と、隔壁部３ｂおよび側壁部３とを接合した流路部材１とすることができる。
【００４８】
なお、溶融樹脂に添加する金属粉の量によって熱伝導性をコントロールしようとすると添加した金属粉により樹脂の流れが悪くなり成形性が悪くなるが、金属粉の添加量を少なくして高熱伝導性を得るには、金属粉のアスペクト比を大きくすることや、射出成形時の温度を金属粉の融点付近に制御することにより、金属フィラーの長軸方向を配向させることができ、したがって、低量の金属粉添加であっても金属フィラー間で熱伝達経路を形成し高熱伝導性樹脂とすることができる。特に、金属フィラーの長軸方向が接合部８に対して略鉛直方向とすることは金型構造とゲート位置の設計により対応できる。
【００４９】
図４Ａは、本実施形態の流路部材のさらに他の一例を示す斜視図であり、図４Ｂは、流路部材の積層体の一部を取り外して示す平面図である。
【００５０】
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、本実施形態の流路部材２１は、隔壁部３ｂおよび側壁部３のうち少なくとも一方が、セラミックス層からなる複数の板状体７（ここでは、３層の板状体７からなる例を示す。）が積層された積層体からなっている。
【００５１】
隔壁部３ｂおよび側壁部３をこの様な積層構造とすることによって、複雑な流路５の形成を容易に行なうことができ、また、耐熱性、耐薬品性、さらに、耐圧性のいずれにも富む流路部材２１とすることができる。
【００５２】
例えば、流路５が単純な形状であれば、押出成形等で容易に加工できるものの、流路５を平面視したときの形状が波線状のような複雑な形状の場合には、押出成形では加工が困難であり、また、流路５間の幅が狭い場合も、耐熱性、耐薬品性、および耐圧性を確保することが難しい場合がある。それゆえ、このような形状の流路５を設けようとする場合においては、未焼成のセラミックグリーンシートの平板に所望の流路５となる貫通孔５ａを形成し、これを積層して焼成することにより、セラミックス層の板状体７を積層した積層体である隔壁部３ｂおよび側壁部３を作製すればよい。
【００５３】
図５Ａは、本実施形態の流路部材のさらに他の一例を示し、流路部材を構成する蓋体部、隔壁部、側壁部および底板部をねじで締結した状態の側面図であり、図５Ｂは、かしめ部材で締結した状態の側面図である。
【００５４】
図５Ａに示す流路部材３１は、蓋体部２と隔壁部３ｂと側壁部３と底板部４とにねじ孔９を設け、ねじ１０によって、積層した蓋体部２と隔壁部３ｂと側壁部３と底板部４とを螺合している。図５Ｂに示す流路部材４１は、蓋体部２と隔壁部３ｂと側壁部３と底板部４との長手方向両端部を、かしめ部材１２によって接合している。
【００５５】
上述において、セラミックグリーンシートを積層して焼成することによってセラミック層の板状体７が一体化した隔壁部３ｂおよび側壁部３を得る例を示したが、セラミックグリーンシートを個別に焼成したセラミック層の板状体７を重ね合わせ、蓋体部２と底板部４でこれらを狭持し、それらをねじ止めや、かしめ部材などにより一括して接合、固定してもよい。
【００５６】
次に、本実施形態の熱交換器について、図６を用いて説明する。図６は本実施形態の熱交換器の一例を示す、流路部材の蓋体部上に金属部材を設けた熱交換器の斜視図である。
【００５７】
本実施形態の熱交換器１０１は、本実施形態の流路部材１の蓋体部２上に金属部材１０２を設けている。なおここでは、底板部４は可撓性材料からなっている。蓋体部２の上に金属部材を設けていることから、蓋体部２と金属部材１０２との熱交換を効率的に行なうことができ、熱交換効率の高い熱交換器とすることができる。そして、底板部４が可撓性材料からなることから、熱交換器１０１に繰り返し熱応力が発生したときでも、底板部４で熱応力を吸収軽減することにより流路５の破壊を抑制することができ、信頼性の向上した熱交換器１０１とすることができる。なお、さらに蓋体部２が可撓性材料からなる場合には、さらに熱応力を吸収軽減することができる。
【００５８】
次に、本実施形態の半導体装置について、図７を用いて説明する。図７は本実施形態の半導体装置の一例を示す、熱交換器に半導体素子が実装された半導体装置の斜視図である。
【００５９】
本実施形態の半導体装置２０１は、本実施形態の熱交換器１０１に半導体素子２０２を実装したことから、半導体装置２０１自身で発生した熱または流体や外部環境から繰り返し熱が加えられて熱応力が発生したときでも、熱応力を吸収軽減できる熱交換器１０１を用いていることから、流路５が破壊されることを抑制し、熱交換器１０１を介して、流路５を流れる流体と半導体素子２０２とが高い熱交換効率を有することから、半導体素子２０２の温度を効率よく低下させることができる。
【００６０】
次に、本実施形態の流路部材、熱交換器、および半導体装置の変形例について説明する。
【００６１】
図８Ａは、本実施形態の半導体装置を筐体に収納してなる筐体収納半導体装置を発熱体上に設置した一例を示し、流路部材の底板部と筐体を個別に形成した断面図であり、図８Ｂは、流路部材の底板部と筐体を一体とした断面図であり、図８Ｃは、流路内にフィンを収納した流路部材の変形例を示す断面図である。
【００６２】
図８Ａに示す本実施形態の筐体収納半導体装置２１１は、前述した本実施形態の流路部材１を用いた半導体装置２０１を、筐体１３に収納して覆ったものであり、この筐体収納半導体装置２１１が発熱体３０１上に配設されている。
【００６３】
このような筐体収納半導体装置２１１においては、流路部材１の底板部４の熱伝導性が、側壁部３の熱伝導性よりも低いことに加え、半導体素子２０２に接続される信号端子１５および流体の供給管および排出管（不図示）を除く流路部材１を含む半導体装置２０１の全てを、あるいは、少なくとも、流路部材１の底板部４と側壁部３の一部とを、底板部４と同等の低熱伝導性の材質からなる筐体１３で覆うことが好ましい。筐体１３としては、例えば上述した底板部４で用いた樹脂材料等を用いることができる。
【００６４】
このような構成とした筐体収納半導体装置２１１は、発熱体３０１上に配設したとき、筐体１３と流路部材１の底板部４および側壁部３とが、発熱体３０１の熱を拾受することを抑制できる。それにより、周囲の熱が流路部材１を流れる流体に影響することを抑制でき、熱交換効率の高い筐体収納半導体装置２１１とすることができる。
【００６５】
図８Ｂに示す本実施形態の筐体収納半導体装置２１２は、前述した本実施形態の流路部材１の変形例を示しており、筐体１３の底板部１４が流路部材５１の底板部を兼ねた構成であり、本実施形態の筐体収納半導体装置２１２が発熱体３０１上に配設されている。
【００６６】
本実施形態の筐体収納半導体装置２１２は、流路部材５１の底板部を兼ねる筐体１３の底板部１４の熱伝導性が、側壁部３の熱伝導性より低いことが好ましく、このような構成とした筐体収納半導体装置２１２を発熱体３０１上に配設したときには、流路部材５１の底板部を兼ねる筐体１３の底板部１４と側壁部３とが、発熱体３０１の熱を拾受することを抑制できる。それにより、周囲の熱が流路部材５１に流れる流体に影響することを抑制でき、熱交換効率の高い筐体収納半導体装置２１２とすることができる。
【００６７】
図８Ｃに示す本実施形態の筐体収納半導体装置２１３は、前述した本実施形態の流路部材１のさらなる変形例を示しており、筐体１３の底板部２４が流路部材６１の底板部を兼ねており、さらに、流路５内に突出する複数の板状のフィン１６が隔壁部３ｂの表面に接合された構成であり、本実施形態の筐体収納半導体装置２１３が発熱体３０１上に配設されている。
【００６８】
ここで、フィン１６は横断面が長楕円（小判形状）を含む円形や、長方形や菱形を含む方形の柱状または板状の複数のフィンであって、熱伝導性の高いアルミニウムや銅などの金属板あるいは、窒化アルミや炭化珪素または窒化珪素などのセラミックス板で形成され、熱伝導性の高い金属等を介して蓋体部２に熱移動可能に繋がっていることが好ましい。
【００６９】
そして、本実施形態の筐体収納半導体装置２１３は、流路部材６１の底板部を兼ねる筐体１３の底板部２４の熱伝導性が、側壁部３の熱伝導性より低いことが好ましく、このような構成とした筐体収納半導体装置２１３を発熱体３０１上に配設したとき、流路部材６１の底板部を兼ねる筐体１３の底板部２４と側壁部３とが、発熱体３０１の熱を拾受することを抑制でき、したがって、周囲の熱が流路部材６１に流れる流体に影響することを抑制でき、熱交換効率の高い筐体収納半導体装置２１３とすることができる。
【００７０】
また、フィン１６は、上記の各筐体収納半導体装置２１１，２１２，２１３の底板部４，１４，２４の表面に接合させて設けてもよい。特にフィン１６が非可撓性材料からなるときは、底板部４，１４，２４との接合部においても、底板部４，１４，２４が、フィン１６の接合側端部の表面と接することになり、底板部４，１４，２４とフィン１６との接合部の接合強度が高められ、堅固な流路部材１，５１，６１とすることができる。
【００７１】
また、図７〜８Ａ，８Ｂ，８Ｃに示した熱交換器１０１、半導体装置２０１および筐体収納半導体装置２１１，２１２，２１３の例では、蓋体部２の上面に直接金属部材１０２を設けているが、蓋体部２が絶縁性の低いもので形成されている場合には、絶縁性の高い部材、たとえば、セラミックスの薄板、アルミニウムを電解処理して表面にアルミナ酸化膜を生成したアルミニウムの薄板、ポリイミド等耐熱性の高い樹脂をコーティングした金属部材、ガラスコーティングした金属部材を蓋体部２と金属部材１０２との間に介在させて用いればよい。
【００７２】
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
【符号の説明】
【００７３】
１，２１，３１，４１，５１，６１：流路部材
２：蓋体部、２ａ：内面
３：側壁部、３ｂ：隔壁部、
４，１４，２４：底板部
５：流路、５ａ：貫通孔
７：板状体
８：接合部
９：ねじ孔
１０：ねじ
１２：かしめ部材
１３：筐体
１６：フィン
１０１：熱交換器
１０２：金属部材
２０１：半導体装置
２０２：半導体素子
２１１，２１２，２１３：筐体収納半導体装置
３０１：発熱体
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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