(57)【要約】【課題】本発明は、半導体素子の液冷に使用する半導体素子冷却装置に関し、簡単な構造で半導体素子を一様に冷却する。【解決手段】供給口４３から、半導体素子１０が密着した伝熱板４１の中央に冷媒を供給し、スペーサとしての隙間間隔板５３とその隙間間隔板５３の上に配置された隙間天板５２との２枚の薄板材からなる隙間形成板５４により形成された高さ寸法の小さい隙間状流路を放射状に周縁部に向けて冷媒を流し、周縁部を一周する回収溝４６で冷媒を回収して排出口４７から排出する構造とした。【選択図】        図３
2006054351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面ほぼ中央で半導体素子から熱を受け取る伝熱板を備え、該伝熱板の、該半導体素子に面する外面とは反対側の内面に接する冷媒流路を形成する半導体素子冷却装置において、
前記伝熱板内面中央部に冷媒を供給する冷媒供給口と、
前記伝熱板内面中央部に供給された冷媒を該中央部から周縁部に向けて放射状に流し出す、該伝熱板内面と、該内面に対し平行に広がる面とで挟まれた隙間状流路と、
前記周縁部を一周して形成され前記隙間状流路から流し出された冷媒を回収する、該伝熱板内面からの高さ寸法が該隙間状流路の高さ寸法よりも大きい冷媒回収溝と、
前記冷媒回収溝に回収された冷媒を該冷媒回収溝から排出する冷媒排出口とを有することを特徴とする半導体素子冷却装置。
【請求項２】
前記伝熱板内面に部分的に接して配備され、該内面との間に前記隙間状流路を形成する隙間形成板と、
前記隙間形成板を前記伝熱板内面に押し付けるとともに側面が前記冷媒回収溝を区画する側壁として作用する弾性部材と、
前記弾性部材が前記隙間形成板を押圧した状態に該弾性部材を保持するとともに、前記伝熱板内面外周部および前記弾性部材側面と共同して冷媒回収溝を区画するハウジングとを備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体素子冷却装置。
【請求項３】
前記隙間形成板が、前記伝熱板内面に対し平行に広がる面を有し該伝熱板内面と共同して前記隙間状流路を形成する隙間天板と、該隙間天板と前記伝熱板内壁との間に配備され該隙間天板を前記隙間状流路が形成される高さ位置に保持する隙間間隔板とからなることを特徴とする請求項２記載の半導体素子冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の液冷に使用する半導体素子冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体素子、冷却用の種々のタイプの構造部品が提案されており、特に液冷に使用するクーリングプレートと呼ばれる半導体素子冷却装置には、従来、溝型やチューブ型の冷媒流路構造が多く用いられてきている。
【０００３】
図１は、溝型の流路を持つクーリングプレートの概略構造を示す図であり、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）の矢印Ｘ−Ｘに沿う矢視断面平面図、図１（Ｂ）は、側面図である。
【０００４】
このクーリングプレート２０には、伝熱板２１が備えられており、その伝熱板２１の外面２１ａには、半導体素子１０が接合材１１により接合されており、伝熱板２１の内面２１ｂに沿って以下に説明する流路が形成されている。すなわち、冷媒供給口２２から冷媒（ここでは一例として水を冷媒として用いるものとする）が供給され、その冷媒としての水は、立設したフィン２３ａの間に形成された溝型流路２４ａを通って伝熱板２１の内面２１ｂ上を流れ、さらに立設したフィン２３ｂの間に形成された溝型流路２４ｂを通って伝熱板２１の内面２１ｂ上を流れて冷媒排出口２５から排出される。
【０００５】
このような溝型流路２４ａ，２４ｂを有するクーリングプレート２０は、半導体素子１０の冷却に関し高性能を得やすい反面、構造が複雑であり製造コストが高いという問題がある。
【０００６】
図２は、チューブ型の流路を持つクーリングプレートの概略構成図であり、図２（Ａ）および図２（Ｂ）はそれぞれ平面図および側面図である。
【０００７】
この図２に示すクーリングプレート３０は、厚めの伝熱板３１を有し、その伝熱板３１の外面３１ａに接合材１１により半導体素子１０が接合されている。
【０００８】
また、この伝熱板３１の内部にはチューブ型の流路３２が形成されている。冷媒供給口３３から供給された冷媒（例えば水）はそのチューブ型の流路３２を通り、その流路３２を通る間に伝熱板３１を介して伝えられてきた熱を受け取って冷媒排出口３４から排出される。
【０００９】
この図２に示すような、チューブ型の流路を持つクーリングプレートは、比較的安価に製造することができるものの冷却性能が低く、かつ小型化が困難であるという問題がある。
【００１０】
また、図示は省略するが、特許文献１には、例えば本発明図１に示すように伝熱板２１の外面２１ａに半導体素子１０を接合し、その伝熱板２１の内面に、例えば図の右から左に向かって冷媒が一方向に平行に流れる、伝熱板２１の内面に沿う薄い層状の流路を形成する冷却構造が開示されている。
【００１１】
この特許文献１の流路構造の場合、伝熱板の内面に沿う薄い層状の流路を形成したことから、図２に示す流路構造よりも高い熱吸収性能を得ることができるが、例えば右から左への一方向に流しているため右側と左側とで温度勾配を持ち、半導体素子の右側と左側とで熱吸収性能が異なり、均一な冷却が難しいという問題がある。
【特許文献１】特開平１０−２４６５３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑み、簡単な構造で半導体素子を一様に良好に冷却することのできる半導体素子冷却装置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】
【００１３】
上記目的を達成する本発明の半導体素子冷却装置は、外面ほぼ中央で半導体素子から熱を受け取る伝熱板を備え、伝熱板の、半導体素子に面する外面とは反対側の内面に接する冷媒流路を形成する半導体素子冷却装置において、
伝熱板内面中央部に冷媒を供給する冷媒供給口と、
伝熱板内面中央部に供給された冷媒を中央部から周縁部に向けて放射状に流し出す、伝熱板内面と、その内面に対し平行に広がる面とで挟まれた隙間状流路と、
上記周縁部を一周して形成され隙間状流路から流し出された冷媒を回収する、伝熱板内面からの高さ寸法が隙間状流路の高さ寸法よりも大きい冷媒回収溝と、
冷媒回収溝に回収された冷媒を冷媒回収溝から排出する冷媒排出口とを有することを特徴とする。
【００１４】
本発明の半導体素子冷却装置は、高さ寸法の小さい隙間状流路を形成し伝熱板内面に沿って薄い層状の流れを形成しており、比較的簡単な構造で高い熱吸収性能を得ることができる。また、この隙間状流路は伝熱板内面中央部に冷媒を供給してその冷媒を中央部から周縁部に向かって放射状に流す流路であり、半導体素子が均一に冷却される。
【００１５】
ここで、本発明の半導体素子冷却装置において、伝熱板内面に部分的に接して配備され、その内面との間に隙間状流路を形成する隙間形成板と、
隙間形成板を伝熱板内面に押し付けるとともに側面が冷媒回収溝を区画する側壁として作用する弾性部材と、
上記弾性部材が隙間形成板を押圧した状態にその弾性部材を保持するとともに、伝熱板内面外周部および弾性部材側面と共同して冷媒回収溝を区画するハウジングとを備えることが好ましく、その場合に、上記隙間形成板が、伝熱板内面に対し平行に広がる面を有し伝熱板内面と共同して隙間状流路を形成する隙間天板と、その隙間天板と伝熱板内壁との間に配備され隙間天板を隙間状流路が形成される高さ位置に保持する隙間間隔板とからなることが好ましい。
【００１６】
上記の隙間形成板と弾性部材との組合せにより、隙間状流路を簡便、低コストかつ高精度に形成することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上、説明したように、本発明によれば、比較的簡単な構造で半導体素子を一様に良好に冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
図３は、本発明の半導体素子冷却装置の第１実施形態であるクーリングプレートを示す縦断面図、図４はその第１実施形態のクーリングプレートの平面図である。図３は、図４に示す矢印Ｙ−Ｙに沿う矢視断面図である。ここで、図３には、図示の分かり易さのために、図４の平面図よりも拡大した断面図を示してある。
【００２０】
この図３、図４に示すクーリングプレート４０には伝熱板４１が備えられており、その伝熱板４１の外面４１ａには、半導体素子１０が、ハンダあるいは接着剤、サーマルグリース、サーマルシート等の熱接合材１１を介して密着固定されている。
【００２１】
また、ハウジング４２は、中央に供給口４３につながる孔４４ａが設けられた環状凸部４４を有し、その環状凸部４４の、伝熱板４１に対向した面４４ｂは、伝熱板４１の内面４１ｂとの間に所定の隙間を開けてその伝熱板４１に平行に広がっており、伝熱板４１の内面４１ｂと環状凸部４４の面４４ｂとで薄く広がる隙間状流路４５が形成されている。
【００２２】
ここで、環状凸部４４は、ハウジング４２と一体に形成された、ハウジング４２の一部であってもよく、あるいは、ハウジング４２とは別体に形成された上でハウジング４２に接合されたものであってもよい。
【００２３】
供給口４３から供給された水（冷媒）は伝熱板４１の内面４１ｂの中央部に供給され、隙間状流路４５を通ることによってその伝熱板４１の内面４１ｂに沿って中央部から周縁部に向かって放射状に広がる。
【００２４】
また、その伝熱板４１の周縁部には、その周縁部を一周して形成された、隙間状流路４５から流し出された水を回収する回収溝４６が形成されている。この回収溝４６は、伝熱板４１の内面４１ｂと、環状凸部４４の側面４４ｃと、ハウジング４２の内面４２ａとで区画されており、伝熱板４１の内面４１ｂからの高さ寸法は、隙間状流路４５の高さ寸法よりも高くなっている。このため、供給口４３から供給され隙間状流路４５を通って放射状に流れた水は、その隙間状流路４５から流れ出て回収溝４６に流れ込む。また、この回収溝４６につながるように排出口４７が設けられており、回収溝４６に流れ込んだ水は排出口４７から外に排出される。伝熱板４１とハウジング４２は、回収溝４６よりも外側の最外周の部分で接着等により接合されて接合部４８を形成しており、供給口４３から供給された水は、排出口４７以外からは漏れ出ないよう構成されている。
【００２５】
ここで、伝熱板４１には、銅等の高熱伝導性の材料が使用されている。またハウジング４２および環状凸部４４は、樹脂、ＳＵＳ等、低熱伝導性材料で形成することが望ましい。樹脂を使用する場合は、ハウジング４２と環状凸部４４を一体にしたモールド成型等の量産製法を適用することができる。また、隙間状流路４５の隙間寸法（伝熱板４１の内面４１ｂと環状凸部４４の伝熱板側の面４４ｂとの間隔）は必要とする冷却性能に応じて設定されるが、通常は０．５ｍｍ以下が望ましく、１００Ｗ程度の冷却に対しては０．１ｍｍ程度が望ましい。
【００２６】
図１に示す従来例の場合、多数のフィン２３ａ，２３ｂが立設されているなど、構造が複雑であるが、この図３，図４に示す第１実施形態の場合、主な構成部品は、伝熱板４１と、内部に空隙のある単純な形状のハウジング４２のほかは、隙間状流路４５を形成するための環状凸部４４のみであり、この環状凸部４４は樹脂モールド等によりハウジング４２と同一の部品として形成することもでき、構造が簡単であり低コストに製造可能である。
【００２７】
また冷却性能については、詳細は後述するが、半導体素子１０の全面をほぼ均一に冷却することができる。
【００２８】
図５は、本発明の半導体素子冷却装置の第２実施形態であるクーリングプレートを示す縦断面図である。この第２実施形態の外形は、前述した第１実施形態の半導体素子冷却装置の外形と同一であり、ここでは、その外形は第１実施形態の半導体素子冷却装置の外形を示す平面図である図４をそのまま参照することとする。この図５は、図４が第２実施形態の半導体素子冷却装置の外形を示す平面図であった場合の、図４の矢印Ｙ−Ｙに沿う断面図を示している。
【００２９】
また、この図５において、図３，図４に示す第１実施形態の半導体素子冷却装置の構成要素に対応する構成要素には、図３，図４に示した符号と同一の符号を付して示し、ここでは、図３，図４を参照して説明した第１実施形態の半導体素子冷却装置との相違点について説明する。
【００３０】
図５に示す第２実施形態のクーリングプレート５０には、図３に示す第１実施形態のクーリングプレート４０における環状凸部４４に代わり、環状弾性部材５１、および、隙間天板５２と隙間間隔板５３との２枚の薄板材からなる隙間形成板５４が備えられている。
【００３１】
環状弾性部材５１は、その中央に供給口４３に連通する孔５１ａが設けられたものであり、板状のゴム等の材料からなり、プレス（型抜き）等の量産製法により安価に製造される。この環状弾性部材５１は、その上面５１ｂがハウジング４２により押され、その下面５１ｃで隙間形成板５４を伝熱板４１側に押さえる役割りを担っている。また、その環状弾性部材５１の側面５１ｄは、回収溝４６を区画する側壁として作用している。
【００３２】
また、弾性部材５１には、その中央穴５１ａと外周側面５１ｄとの間が連通しない範囲で、適宜、穴や溝，空洞状の肉抜きを施してもよい。そうすることにより、弾性部材５１が隙間形成板５４を押さえる荷重の大きさや分布を任意に調整することが可能となる。
【００３３】
また伝熱板４１と、ハウジング４２の最外周の部分は、隙間形成板５４を間に挟んで、その隙間形成板５４（隙間天板５２と隙間間隔板５３）とともに全てが接合されて接合部４８を形成しており、洩れ防止が図られている。
【００３４】
図６は、隙間天板の平面図である。
【００３５】
この隙間天板５２には、その中央に、供給口４３（図５参照）に連通する孔５２ａが形成されるとともに、その周縁部には、全体として一周する４つに分割されたスリット５２ｂが形成されている。これらの４つのスリット５２ｂが互いに分割されているのは、全周つなげると１つの部品として成立しなくなってしまうからである。これら４つのスリット５２ｂは、図５に示す回収溝４６につながっている。
【００３６】
この隙間天板５２は、金属（例えば銅、ステンレス等）や樹脂の一様な厚さの薄板材のプレス（打抜き）やエッチング等の量産製法により安価に製造される。
【００３７】
図７は隙間間隔板の平面図である。
【００３８】
この隙間間隔板５３には、全体として円形に広がる開口５３ａが形成されており、この開口５３ａの外周から中央に向かって４本の突起５３ｂが延びている。この開口５３ａの寸法は、図６に示す隙間天板５２の４つのスリット５２ｂと連通する位置まで広がっている。その開口５３ａの内側に延びる４本の突起５３ｂは、この隙間間隔板５３の上に配置される図６に示す隙間天板５２を支持するためのものである。この隙間間隔板５３も隙間天板５２と同様、金属（例えば銅、ステンレス等）や樹脂の一様な厚さの薄板材のプレス（打抜き）やエッチング等の量産製法により安価に製造される。
【００３９】
図５に戻って説明を続行する。
【００４０】
図５に示すクーリングプレート５０は、伝熱板４１の内面４１ｂに図７に示す形状の隙間間隔板５３が配置され、その上に図６に示す形状の隙間天板５２が配置され、その隙間天板５２が環状弾性部材５１で押圧された構成となっており、供給口４３から水が供給されると、その水は、環状弾性部材５１の中央の孔５１ａを通り、隙間天板５２の中央の孔５２ａ（図６参照）を通り、隙間間隔板５３の開口５３ａ（図７参照）を挟んで対向した伝熱板４１の内面４１ｂと隙間天板５２の伝熱板４１側の面とで形成された隙間状流路に流れ込み、その隙間状流路を通って中央から周縁に向かって広がり、隙間間隔板５３の開口５３ａ（図７参照）から隙間天板５２のスリット５２ｂ（図６参照）を通って回収溝４６に流れ込み、さらに排出口４７を通って外部に排出される。
【００４１】
この図５に示すクーリングプレート５０の場合、隙間天板５２と隙間間隔板５３の２枚の薄板材からなる隙間形成板５４を環状弾性部材５１で押圧する構成であるため、それらの薄板材と伝熱板４１との密着性を高めることができる。これにより、各部材の平面度を極端に高くしなくても隙間状流路の間隔を精度良く形成することができる。したがって各部材の形状公差を大幅に緩和して、安価に製造することが可能となる。
【００４２】
尚、上記で説明した隙間天板５２，隙間間隔板５３の形状は一例であり、スリット５２ｂの分割数および形状や、突起５３ｂの本数および形状は、供給口４３から排出口４７への水の流れを損なわない範囲で任意に選ぶことができる。
【００４３】
ここでは、隙間形成板５４は隙間天板５２と隙間間隔板５３の２枚の薄板材で形成しており、この場合各薄板材の厚さをそれぞれ一様な厚さとすることができ製造上も好ましい。ただし、この隙間形成板５４は必ずしも隙間天板５２と隙間間隔板５３との２枚の薄板材で形成する必要はなく、単一の板材で形成してもよい。この場合は、金属板のハーフエッチングや樹脂モールド等により量産製造することができる。
【００４４】
図８は、図３に示すクーリングプレートの冷却性能（実施例）と比較例の冷却性能のシミュレーション結果を示す図である。
【００４５】
横軸はクーリングプレート中心からの半径（ｍｍ）であり、縦軸は、冷媒（ここでは水）の入口における冷媒温度を基準としたときの、伝熱板及び冷媒の温度上昇ΔＴ［℃］を示している。
【００４６】
図８において、グラフａおよびグラフｂは、図３，図４に示すクーリングプレート４０の排出口４７から冷媒（水）を供給し、供給口４３から冷媒（水）を排出させたときの、中心（供給口４３）からの各距離における、それぞれの冷媒（水）および伝熱板の温度上昇を示している。
【００４７】
図示のグラフａ，ｂから分かるように、冷媒（水）を周縁部から流し込み中央部で回収すると、周縁部と中央部とで伝熱板の温度上昇が大きく異なる結果となる。
【００４８】
また、グラフｃおよびグラフｄは、図３，図４に示す構造のクーリングプレートにおいて中央の供給口４３から冷媒（水）を供給し、周縁部の排出口４７から冷媒（水）を排出したときの、それぞれ冷媒（水）および伝熱板の温度上昇を示すグラフである。
【００４９】
特にグラフｃから分かるように、クーリングプレート中央も周縁部も温度上昇に大きな差異はなく略一様な冷却特性を示している。
【００５０】
伝熱板の最大温度上昇どうしを比較すると、実施例（グラフｃ）の場合、図３，図４に示すクーリングプレートの構造自体は同一とし外周から中央に向けて同じ流量の冷媒（水）を流した比較例（グラフｂ）と比べ２７％の冷却性能向上が見られる。
【００５１】
また、図３，図４に示すクーリングプレートと比べ寸法や隙間状流路の間隔などの条件は同一とし一方から他方に向けて薄厚の平行水流を一様に流すように構成したクーリングプレート（特許文献１参照）についてもシミュレーションを行なった。図示は省略するが、そのシミュレーション結果によると、グラフｂの場合と同様に中央と端部とで上昇温度が大きく異なり、しかも全体的に温度が大きく上昇していた。これは、半導体素子から伝熱板に伝わった熱が冷媒（水）に吸収されにくいことを意味している。
【００５２】
実施例（グラフｃ）をこの平行水流のクーリングプレートのシミュレーション結果と比較すると５５％の冷却性能向上が見られた。
【００５３】
尚、以上の説明では、冷媒として水を使用する旨説明したが、冷媒は水に限られるものではなく、フルオロカーボン液や、その他、冷却用として使用できる液体であればどのような冷媒であっても使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】溝型の流路を持つクーリングプレートの概略構造を示す図である。
【図２】チューブ型の流路を持つクーリングプレートの概略構成図である。
【図３】本発明の半導体素子冷却装置の第１実施形態であるクーリングプレートを示す縦断面図である。
【図４】第１実施形態のクーリングプレートの平面図である。
【図５】本発明の半導体素子冷却装置の第２実施形態であるクーリングプレートを示す縦断面図である。
【図６】隙間天板の平面図である。
【図７】隙間間隔板の平面図である。
【図８】図３に示すクーリングプレートの冷却性能（実施例）と比較例の冷却性能のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０    半導体素子
１１    熱接合材
４０    クーリングプレート
４１    伝熱板
４１ａ    外面
４１ｂ    内面
４２    ハウジング
４３    供給口
４４    環状凸部
４４ｂ    面
４５    隙間状流路
４６    回収溝
４７    排出口
４８    接合部
５０    クーリングプレート
５１    環状弾性部材
５２    隙間天板
５２ａ    孔
５２ｂ    スリット
５３    隙間間隔板
５３ａ    開口
５３ｂ    突起
５４    隙間形成板
【図１】
2006054351.tif 000003
【図２】
2006054351.tif 000004
【図３】
2006054351.tif 000005
【図４】
2006054351.tif 000006
【図５】
2006054351.tif 000007
【図６】
2006054351.tif 000008
【図７】
2006054351.tif 000009
【図８】
2006054351.tif 000010