(57)【要約】【課題】冷却対象の高温となる位置の除熱能力を高める冷却器を提供する。【解決手段】実施形態によれば、冷却器は、平板状部材を備える。前記平板状部材は、第１面と、前記第１面と逆側の第２面とを備え、少なくとも前記第１面と半導体素子が接触する。前記平板状部材は、流体の入口と、流体の出口と、前記平板状部材の内部で前記入口と前記出口とをつなぎ、前記第１面から前記第２面への第１の方向と直交する第２の方向において前記平板状部材の外周から中央にかけて渦巻状の複数層で形成され、略同じ幅で形成された溝とを備える。前記溝は、前記第２の方向の外周側に形成された第１の溝と、前記第１の溝よりも前記第２の方向の中央側に形成され、前記第１の溝の深さよりも浅い第２の溝を備える。【選択図】図３
2015012057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と、前記第１面と逆側の第２面とを備え、少なくとも前記第１面と半導体素子が接触する平板状部材を備え、
前記平板状部材は、流体の入口と、流体の出口と、前記平板状部材の内部で前記入口と前記出口とをつなぎ、前記第１面から前記第２面への第１の方向と直交する第２の方向において前記平板状部材の外周から中央にかけて渦巻状の複数層で形成され、略同じ幅で形成された溝と、を備え、
前記溝は、前記第２の方向の外周側に形成された第１の溝と、前記第１の溝よりも前記第２の方向の中央側に形成され、前記第１の溝の深さよりも浅い第２の溝を備える、
冷却器。
【請求項２】
第１面と、前記第１面と逆側の第２面とを備え、少なくとも前記第１面と半導体素子が接触する平板状部材を備え、
前記平板状部材は、流体の入口と、流体の出口と、前記平板状部材の内部で前記入口と前記出口とをつなぎ、前記第１面から前記第２面への第１の方向と直交する第２の方向において前記平板状部材の外周から中央にかけて渦巻状の複数層で形成され、略同じ幅で形成された溝と、前記第２の方向の外周側に形成された前記溝同士を仕切る第１の仕切りと、前記第１の仕切りよりも前記第２の方向の中央側に形成され、前記第１の仕切りの前記第２の方向の間隔よりも狭い第２の仕切りと、を備える、
冷却器。
【請求項３】
前記第１面及び前記第２面それぞれと前記半導体素子が接触する場合、前記溝は、前記第１の方向に１層または２層で形成されている、請求項１または請求項２の何れか１項に記載の冷却器。
【請求項４】
前記第１面のみと前記半導体素子が接触する場合、前記溝は、前記第１の方向に１層で形成されている、請求項１または請求項２の何れか１項に記載の冷却器。
【請求項５】
前記溝は、前記第２の方向の中央側において、壁面に凸凹部を備える、請求項１から請求項４の何れか１項に記載の冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、半導体素子を冷却するための冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイオード、サイリスタ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子で構成される平型半導体素子は、様々な装置に用いられている。平型半導体素子は、通電時に大きな熱損失を発生するため、このような装置は、平型半導体素子を冷却する冷却器を備える必要がある。
【０００３】
冷却器は、例えば、内部に冷却液を強制通流させた液冷式冷却器である。液冷式冷却器は、ヒートシンクとして用いられ、平型半導体素子からの発生熱を取り除く。
【０００４】
また、平型半導体素子は、故障を防ぎ、寿命を向上させるためには、平型半導体素子内の全ての半導体チップを均等に加圧することが重要である。
【０００５】
平型半導体素子の中央側は、外周側よりも放熱されにくい。通電時の熱損失によって平型半導体素子の中央側の温度が外周側よりも高くなると、平型半導体素子は、冷却器との接触面の熱膨張の程度に差が生じる。平型半導体素子は、冷却器との接触面において外周側の加圧力が弱くなる。したがって、平型半導体素子は、通電時に外周側の半導体チップに加圧力不足が生じ、故障の要因となる。そのため、平型半導体素子と冷却器との接触面における温度平準化手段が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２４１９４３号公報
【特許文献２】特開２００５−１６６７５２号公報
【特許文献３】特開２００１−３５９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
温度平準化手段は冷却器における流路の多層構造化や複雑な３次元加工が考えられるが、部品点数や加工工数の増加による冷却器の製造コストの増加が懸念される。
【０００８】
本発明は、被冷却対象の高温となる位置の除熱能力を高める冷却器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態によれば、冷却器は、平板状部材を備える。前記平板状部材は、第１面と、前記第１面と逆側の第２面とを備え、少なくとも前記第１面と半導体素子が接触する。前記平板状部材は、流体の入口と、流体の出口と、前記平板状部材の内部で前記入口と前記出口とをつなぎ、前記第１面から前記第２面への第１の方向と直交する第２の方向において前記平板状部材の外周から中央にかけて渦巻状の複数層で形成され、略同じ幅で形成された溝とを備える。前記溝は、前記第２の方向の外周側に形成された第１の溝と、前記第１の溝よりも前記第２の方向の中央側に形成され、前記第１の溝の深さよりも浅い第２の溝を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係る圧接型半導体装置全体の一例となる概念図。
【図２】第１の実施形態に係る冷却器と平型半導体素子との一例となる組立平面図。
【図３】第１の実施形態に係る冷却器の一例となる側面断面図。
【図４】第１の実施形態に係る冷却器の別の例となる側面断面図。
【図５】第１の実施形態に係る冷却器による素子接触面温度平準化効果の特性図。
【図６】第１の実施形態に係る端部冷却器の一例となる側面断面図。
【図７】第２の実施形態に係る冷却器と平型半導体素子との一例となる組立平面図。
【図８】第２の実施形態に係る冷却器の側面断面図。
【図９】第２の実施形態に係る冷却器の一例となる側面断面図。
【図１０】第２の実施形態に係る端部冷却器の一例となる側面断面図。
【図１１】第３の実施形態に係る冷却器と平型半導体素子との一例となる組立平面図。
【図１２】第３の実施形態に係る冷却器の一例となる側面断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本実施形態に係る平型半導体素子用の冷却器について説明する。  
（第１の実施形態）  
図１は、第１の実施形態に係る圧接型半導体装置９全体の一例となる外観図である。圧接型半導体装置９は、例えば、インバータ、モータドライブ、半導体の製造装置、電力系統など半導体素子を備える装置であるが、これらに限定されない。圧接型半導体装置９は、平型半導体素子１、冷却器２ａ、端部冷却器２ｂ、皿ばね３、台座部４、絶縁体５、押さえ部６、ボルト７、ナット８を備える。
【００１２】
圧接型半導体装置９は、押さえ部６の間に台座部４、絶縁体５、１以上の冷却器２ａ、２つの端部冷却器２ｂ、１以上の平型半導体素子１、皿ばね３の順で重ねてボルト７とナット８で締め付けた構造となっている。各平型半導体素子１の両面は、冷却器２ａまたは端部冷却器２ｂによって挟まれている。
【００１３】
平型半導体素子１は、円板状であって、複数の半導体チップが内蔵された半導体素子である。平型半導体素子１は、接する冷却器２ａまたは端部冷却器２ｂによって冷却される被冷却対象である。平型半導体素子１を構成する半導体チップの種別は、ＳｉＣ向けであってもよく、特に限定されない。  
冷却器２ａは、第１面と逆側の第２面とを備え、第１面と第２面の両面と半導体素子１が接触する平板状部材である。なお、第１の実施形態では、第１面から第２面への方向（冷却器２ａ、端部冷却器２ｂ、平型半導体素子１の積層方向）を高さ方向または第１の方向というものとする。冷却器２ａは、高さ方向の両面に接する平型半導体素子１を冷却するように構成されている。冷却器２ａは、熱伝導性、導電性の優れた銅またはアルミニウムで形成されている。冷却器２ａの構成例については、後述する。  
端部冷却器２ｂは、高さ方向の第１面と逆側の第２面とを備え、第１面または第２面のいずれかと半導体素子１が接触する平板状部材である。端部冷却器２ｂは、高さ方向の片面に接する平型半導体素子１を冷却するように構成されている。端部冷却器２ｂは、熱伝導性、導電性の優れた銅またはアルミニウムで形成されている。端部冷却器２ｂの構成例については、後述する。なお、端部冷却器２ｂは、冷却器２ａに置き換えてもよい。
【００１４】
皿ばね３は、高さ方向に積層されている台座部４、絶縁体５、１以上の冷却器２ａ、２つの端部冷却器２ｂ、１以上の平型半導体素子１に対して圧力をかけ、これらの構成要素を押さえ板６に対して押し付ける。皿ばね３は、各構成要素を押さえ板６に対して押し付けることで、平型半導体素子１を構成する半導体チップと電極とを圧接すると共に、平型半導体素子１と冷却器２ａとの間、平型半導体素子１と端部冷却器２ｂとの間の接触熱抵抗を低減させる。
【００１５】
台座部４は、圧接型半導体装置９の高さ方向の一端側において、絶縁体５と皿バネ３との間に位置する。台座部４は、さらに、圧接型半導体装置９の高さ方向の他端側において、絶縁体５と押さえ板６との間に位置する。２つの台座部４は、これらの間に挟まれている各構成要素同士を挟み込む。  
絶縁体５は、圧接型半導体装置９の高さ方向の一端側において、端部冷却器２ａと台座部４との間に位置する。
【００１６】
押さえ板６は、圧接型半導体装置９の高さ方向の一端側において、皿ばね３と接するように設けられている。押さえ板６は、さらに、圧接型半導体装置９の高さ方向の一端側において、台座部４と接するように設けられている。押さえ板６は、これらの間に挟まれている各構成要素を固定する。  
ボルト７及びナット８は、２つの押さえ板６を固定すると共に、押さえ板６の間に挟まれている各構成要素に圧力を加える。  
なお、第１の実施形態では、圧接型半導体装置９を例にして説明するが、平型半導体素子１を、冷却器２ａまたは端部冷却器２ｂに接触させて冷却しているような半導体装置であればよい。
【００１７】
次に、冷却器２ａの構成例について説明する。図２は、第１の実施形態に係る冷却器２ａと平型半導体素子１との一例となる組立平面図である。冷却器２ａは、略矩形の平板状で示しているが、円形であってもよく、限定されない。冷却器２ａは、流路２１、入口２５、出口２６を備える。流路２１は、冷却器２ａの内部に流体（例えば、冷却水）を流すために高さ方向に形成された溝である。流路２１は、平型半導体素子１と対向する位置に形成されている。具体的には、流路２１は、第２の方向において冷却器２ａの外周から中央にかけて渦巻状の複数層で形成されている。流路２１は、第１の方向と直交する第２の方向において、冷却器２ａの外周側（外周部分、外周寄りともいう）に設けられている第１の流路２１ａ及び冷却器２ａの中央側（中央部分、中央寄りともいう）に設けられている第２の流路２１ｂを備える。第１の流路２１ａと第２の流路２１ｂとは、互いに接続されている。第２流路２１ｂは、第１の流路２１ａの深さよりも浅い流路である。第１の流路２１ａ及び第２の流路２１ｂの幅は、略同じ（均等）である。第１の流路２１ａ及び第２の流路２１ｂの幅が略同じである理由は、冷却器２ａの加工を容易にするためである。入口２５及び出口２６は、冷却器２ａの側面に形成されている。なお、流路２１は、強度面の観点から渦巻状で冷却器２ａに形成されている方が好ましいが、後述するように、第２の方向において、冷却器２ａの外周から中央にかけて複数層で形成されていればよく、ジグザグ形状であってもよい。入口２５は、第１の流路２１ａ及び第２の流路２１ｂに流体を流入させるための開口である。出口２６は、第１の流路２１ａから流体を流出させるための開口である。入口２５と出口２６は、冷却器２ａの内部で流路２１によって繋がれている。
【００１８】
図３は、第１の実施形態に係る冷却器２ａの側面断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。第１の実施形態では、冷却器２ａと接触する平型半導体素子１の面を素子接触面１１という。冷却器２ａは、平型半導体素子１と接触する両面それぞれの近傍において、流路２１を高さ方向に２層で備える２層流路構造である。つまり、流路２１は、冷却器２ａの高さ方向の第１面と第２面それぞれと平型半導体素子１が接触する場合、高さ方向に２層で形成されている。入口２５から流入した冷却液は、２層それぞれの流路２１に別れて流入する。２層それぞれの流路２１を流れる冷却液は、出口２６から流出する。第１の流路２１ａは、第２の方向において、冷却器２ａの外周側に弧を描くように複数層で形成されている。隣り合う第１の流路２１ａ同士の間隔は、略同じである。第１の流路２１ａの深さは、略同じである。第２の流路２１ｂは、第２の方向において、冷却器２ａの中央側に弧を描くように複数層で形成されている。隣り合う第２の流路２１ｂ同士の間隔は、略同じである。第２の流路２１ｂの深さは、略同じである。第１の流路２１ａ及び第２の流路２１ｂは、第１の流路２１ａの深さをＨ２１ａ、第２の流路２１ｂの深さをＨ２１ｂとした場合、Ｈ２１ａ＞Ｈ２１ｂの関係が成り立つように、冷却器２ａに形成されている。第１の流路２１ａと第２の流路２１ｂのつなぎ目は、矩形に流路２１の深さが変化する形状となってもよいし、テーパーが設けられていてもよい。
【００１９】
なお、第２の流路２１ｂの深さは均一でなくてもよい。第２の流路２１ｂは、第２の方向において、深さが冷却器２ａの外周側から中央側に向かって徐々に浅くなる形状としてもよい。冷却器２ａに第２の流路２１ｂを設ける範囲は、素子接触面１１と対向する範囲以内とする。なお、第２の流路２１ｂのうち最も深さが浅い流路は、第２の方向における中央側の最内（素子接触面１１の略中心と対向する冷却器２ａの中心部分）とは限らない。例えば、第２の流路２１ｂは、素子接触面１１のうち最も熱くなる部分と対向する部分に設けられていればよい。この場合、第１の流路２１ａの深さＨ２１ａは、第１の流路２１ａのうち最も深い流路を指し、第２の流路２１ｂの深さＨ２１ｂは、第２の流路２１ｂのうち最も浅い流路を指すものとする。つまり、流路２１は、第２の方向の外周側に形成された第１の流路２１ａと、第１の流路２１ａよりも第２の方向の中央側に形成され、第１の流路２１ａの深さよりも浅い第２の流路２１ｂを備える。
【００２０】
冷却器２ａは、以下のように形成される。冷却器２ａは、高さ方向の両面それぞれに流路２１が形成された平板状の第１の部材を、略同じ厚さの２枚の平板状の第２の部材で挟むことで形成される。平型半導体素子１と接触する冷却器２ａの両表面それぞれは、第２の部材の表面に対応する。そのため、流路２１と冷却器２ａを挟む平型半導体素子１それぞれまでの距離は、略等しい。
【００２１】
次に、冷却器２ａの他の構成例について説明する。図４は、第１の実施形態に係る冷却器２ａの側面断面図である。図４は、図２のＡ−Ａ断面図である。図４に示す冷却器２ａは、流路２１を１層流路構造で備えている点で図３に示す冷却器２ａと相違する。以下、図４に示す冷却器２ａの構成例について、図３に示す冷却器２ａと相違する点を中心に説明する。なお、特に断りがない部分については、図４に示す冷却器２ａは、上述した図３に示す冷却器２ａと同様に構成されていてもよい。冷却器２ａは、高さ方向の略中央において、流路２１を備える１層流路構造である。つまり、流路２１は、冷却器２ａの高さ方向の第１面と第２面それぞれと平型半導体素子１が接触する場合、高さ方向に１層で形成されている。流路２１は、第２の方向において、冷却器２ａの外周側に弧を描くように複数層で形成されている。隣り合う第１の流路２１ａ同士の間隔は、略同じである。第１の流路２１ａの深さは、略同じである。第２の流路２１ｂは、第２の方向において、冷却器２ａの中央側に複数層で形成されている。隣り合う第２の流路２１ｂ同士の間隔は、略同じである。第２の流路２１ｂの深さは、略同じである。第１の流路２１ａ及び第２の流路２１ｂは、第１の流路２１ａの深さをＨ２１ａ、第２の流路２１ｂの深さをＨ２１ｂとした場合、Ｈ２１ａ＞Ｈ２１ｂの関係が成り立つように、冷却器２ａに形成されている。第１の流路２１ａと第２の流路２１ｂのつなぎ目は、矩形に流路２１の深さが変化する形状となってもよいし、テーパーが設けられていてもよい。
【００２２】
なお、第２の流路２１ｂの深さは均一でなくてもよい。第２の流路２１ｂは、第２の方向において、深さが冷却器２ａの外周側から中央側に向かって徐々に浅くなる形状としてもよい。冷却器２ａに第２の流路２１ｂを設ける範囲は、素子接触面１１と対向する範囲以内とする。なお、第２の流路２１ｂのうち最も深さが浅い流路が第２の方向における中央側の最内（素子接触面１１の略中心と対向する冷却器２ａの中心部分）とは限らない。例えば、第２の流路２１ｂは、素子接触面１１のうち最も熱くなる部分と対向する部分に設けられていればよい。この場合、第１の流路２１ａの深さＨ２１ａは、第１の流路２１ａのうち最も深い流路を指し、第２の流路２１ｂの深さＨ２１ｂは、第２の流路２１ｂのうち最も浅い流路を指すものとする。つまり、流路２１は、第２の方向の外周側に形成された第１の流路２１ａと、第１の流路２１ａよりも第２の方向の中央側に形成され、第１の流路２１ａの深さよりも浅い第２の流路２１ｂを備える。
【００２３】
冷却器２ａは、以下のように形成される。冷却器２ａは、高さ方向の片面に流路２１が形成された平板状の第１の部材を、流路２１が形成された面と接合する１枚の平板状の第２の部材で形成される。流路２１と冷却器２ａを挟む平型半導体素子１それぞれまでの距離は、略等しい。図４に示す冷却器２ａは、１層流路構造なので、図３に示す冷却器２ａよりも加工工程を削減できる。
【００２４】
次に、冷却器２ａの作用について説明する。  
第２の流路２１ｂは、第１の流路２１ａよりも断面積が小さい。第１の流路２１ａ及び第２の流路２１ｂにおける冷却液の流量は、一定であるため、第２の流路２１ｂにおける冷却液の流速は、第１の流路２１ａにおける冷却液の流速よりも速くなる。そのため、第２の流路２１ｂは、強制対流による熱伝達率が大きくなり、冷却器２ａ内において、第２の流路２１ｂが設けられた中央側の除熱能力は、第１の流路２１ａが設けられた外周側の除熱能力よりも高くなる。
【００２５】
次に、冷却器２ａの効果について説明する。  
平型半導体素子１が通電されると、半導体チップに熱損失が発生し、平型半導体素子１の温度が上昇する。高温となった素子接触面１１と冷却液との間の温度差によって、素子接触面１１から冷却液に熱伝達が起きる。熱伝達により、冷却器２ａは、平型半導体素子１を冷却することができる。素子接触面１１から冷却液への伝熱量は、平型半導体素子１の温度が高くなるほど大きくなる。冷却液との伝熱面で沸騰が生じた場合は、伝熱量は、沸騰熱伝達によってさらに大きくなる。
【００２６】
図５は、第１の実施形態に係る冷却器２ａによる素子接触面温度平準化効果の特性図である。横軸は、平型半導体素子１の半径方向の位置を示している。縦軸は、素子接触面１１の温度を示している。実線のグラフは、本実施形態に係る冷却器２ａによる特性を示している。破線のグラフは、従来の冷却器２ａによる特性を比較例として示している。第１の実施形態に係る冷却器２ａは、放熱しにくい平型半導体素子１の中央部分の除熱性能を意図的に高くすることによって、従来の冷却器と比べて、素子接触面１１の温度を平準化することができる。これにより、素子接触面１１の中央が大きく熱膨張して凸形状となることを防ぎ、通電時の素子接触面１１の加圧力は、均一に保たれる。平型半導体素子１が通電された状態でも、冷却器２ａの外周側と対向する半導体チップが加圧力不足となることを防ぐことができる。以上より、平型半導体素子１の故障は減少し、平型半導体素子１の信頼性は向上する。
【００２７】
さらに、流路２１の深さを冷却器２ａの第２の方向における位置によって変えることは、エンドミル加工の刃先位置をコントロールすることで容易に実現できる。そのため、冷却器２ａの加工に関しては、特別な部品追加も無いことから、コスト低減することができる。
【００２８】
次に、端部冷却器２ｂの構成例について説明する。図６は、第１の実施形態に係る端部冷却器２ｂの高さ方向の側断面図である。端部冷却器２ｂは、流路２１を１層流路構造で備えている点で図３に示す冷却器２ａと相違する。以下、端部冷却器２ｂの構成例について、図３に示す冷却器２ａと相違する点を中心に説明する。なお、特に断りがない部分については、図６に示す端部冷却器２ｂは、流路２１の形状など、上述した図３に示す冷却器２ａと同様に構成されていてもよい。
【００２９】
端部冷却器２ｂは、平型半導体素子１が接触する面の近傍において、流路２１を高さ方向に１層で備える１層流路構造である。つまり、流路２１は、冷却器２ａの高さ方向の１面のみと平型半導体素子１が接触する場合、高さ方向に１層で形成されている。流路２１は、平型半導体素子１と対向する位置に形成されている。具体的には、流路２１は、第２の方向において冷却器２ａの外周から中央にかけて渦巻状の複数層で形成されている。端部冷却器２ｂに形成された第１の流路２１ａ及び第２の流路２１ｂの幅及び深さは、図３に示す冷却器２ａに形成された１層当たりの第１の流路２１ａ及び第２の流路２１ｂそれぞれの幅及び深さと略同じである。つまり、流路２１は、第２の方向の外周側に形成された第１の流路２１ａと、第１の流路２１ａよりも第２の方向の中央側に形成され、第１の流路２１ａの深さよりも浅い第２の流路２１ｂを備える。隣り合う第１の流路２１ａ同士の間隔及び隣り合う第２の流路２１ｂ同士の間隔は、それぞれ略同じである。
【００３０】
端部冷却器２ｂは、以下のように形成される。端部冷却器２ｂは、高さ方向の片面に流路２１が形成された平板状の第１の部材を、流路２１が形成された面と接合する１枚の平板状の第２の部材で形成される。流路２１と冷却器２ａを挟む平型半導体素子１それぞれまでの距離は、略等しい。端部冷却器２ｂにおける流路２１から平型半導体素子１までの距離は、図３に示す冷却器２ａにおける流路２１と冷却器２ａを挟む平型半導体素子１それぞれまでの距離と、略等しい。なお、端部冷却器２ｂの高さ方向の厚みは、図３に示す冷却器２ａの半分のであってもよい。
【００３１】
次に、端部冷却器２ｂの作用について説明する。
【００３２】
端部冷却器２ｂは、上述の冷却器２ａと同様に作用する。さらに、２層流路構造である冷却器２ａと同流量の冷却液が端部冷却器２ｂに流入する場合、端部冷却器２ｂの流路２１当たりの流量は、冷却器２ａの２倍となる。そのため、端部冷却器２ｂの流路２１内の流速は、冷却器２ａの流路２１内の流速の２倍になり、端部冷却器２ｂの対流熱伝達率は、冷却器２ａの対流熱伝達率よりも上がる。端部冷却器２ｂに流入する冷却液の流量に対する素子接触面１１当たりの伝熱量は、冷却器２ａよりも向上する。
【００３３】
次に、端部冷却器２ｂの効果について説明する。
【００３４】
端部冷却器２ｂは、上述の冷却器２ａで得られる効果と同様の効果を得られる。さらに、端部冷却器２ｂは、図１に示したように、平型半導体素子１が冷却器２ａと端部冷却器２ｂで挟まれて冷却される場合、冷却器２ａの１／２の冷却液の流量で、冷却器２ａと同等の冷却を行うことができる。そのため、圧接型半導体装置９は、装置全体として必要な冷却液の流量を低減することができ、冷却液循環ポンプを小型化できる。さらに、端部冷却器２ｂは、冷却液２ａと比べて、流路２１の加工工数が１／２となり、加工コストを低減することができる。
【００３５】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る冷却器２ａ及び端部冷却器２ｂについて説明する。図中、第１の実施形態と同一の要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する場合もある。第２の実施形態は、第１の実施形態とは、冷却器２ａ及び端部冷却器２ｂの流路２１の深さが一定である点、第２の方向における外周側の流路２１同士の間隔よりも中央側の流路２１同士の間隔が狭くなっている点で構成が異なっている。以下、第１の実施形態との相違点を中心に詳細に説明する。
【００３６】
初めに、第２の実施形態に係る冷却器２ａの構成例について説明する。図７は、第２の実施形態に係る冷却器２ａと平型半導体素子１との一例となる組立平面図である。冷却器２ａは、略矩形の平板状で示しているが、円形であってもよく、限定されない。冷却器２ａは、流路２１、入口２５、出口２６を備える。流路２１は、冷却器２ａの内部に流体を流すために高さ方向に形成された溝である。流路２１は、平型半導体素子１と対向する位置に渦巻状で形成されている。入口２５及び出口２６は、冷却器２ａの側面に形成されている。入口２５は、流路２１に流体を流入させるための開口である。出口２６は、流路２１から流体を流出させるための開口である。
【００３７】
図８は、第２の実施形態に係る冷却器２ａの側面断面図である。図８は、図７のＢ−Ｂ断面図である。冷却器２ａは、平型半導体素子１と接触する両面それぞれの近傍において、流路２１を高さ方向に２層で備える２層流路構造である。つまり、流路２１は、冷却器２ａの高さ方向の第１面と第２面それぞれと平型半導体素子１が接触する場合、高さ方向に２層で形成されている。入口２５から流入した冷却液は、２層それぞれの流路２１に別れて流入する。２層それぞれの流路２１を流れる冷却液は、出口２６から流出する。流路２１は、冷却器２ａの第２の方向において、冷却器２ａの外周から中央にかけて弧を描くように複数層で形成されている。流路２１の深さ及び幅は、略同じである。
【００３８】
第２の方向において、冷却器２ａの外周側に設けられた隣り合う流路２１同士の間隔は、冷却器２ａの中央側に設けられた隣り合う流路２１同士の間隔よりも大きい。冷却器２ａの外周側に設けられた隣り合う流路２１同士は、厚壁仕切り２３で仕切られている。冷却器２ａの中央側に設けられた隣り合う流路２１同士は、厚壁仕切り２３よりも薄い薄壁仕切り２４で仕切られている。冷却器２ａの中央側に設けられた隣り合う流路２１同士は、第２の方向において、外周から所定位置までは、厚壁仕切り２３で仕切られ、所定位置から中央までは、薄壁仕切り２４で仕切られている。つまり、冷却器２ａは、第２の方向の外周側に形成された流路２１同士を仕切る厚壁仕切り２３と、厚壁仕切り２３よりも第２の方向の中央側に形成され、厚壁仕切り２３の第２の方向の間隔よりも狭い薄壁仕切り２４を備える。流路２１は、厚壁仕切り２３の第２の方向の厚さをＤ２３、薄壁仕切り２４の第２の方向の厚さをＤ２４とした場合、Ｄ２３＞Ｄ２４の関係が成り立つように、冷却器２ａに形成されている。また、Ｄ２４はＤ２３の０．３５倍以上の厚さとする。これはフィン効率低下による除熱性能の悪化を避けるためである。厚壁仕切り２３と薄壁仕切り２４のつなぎ目は、矩形に厚みが変化する形状となってもよいし、テーパーを設けてもよい。
【００３９】
なお、隣り合う流路２１同士の間隔はＤ２３またはＤ２４のいずれかに限られない。隣り合う流路２１同士の間隔は、例えば、第２の方向において、冷却器２ａの外周から中央にかけてＤ２３からＤ２４へと徐々に薄くするようにしてもよい。隣り合う流路２１同士の間隔がＤ２４となる範囲は、素子接触面１１と対向する範囲以内とする。なお、隣り合う流路２１同士の間隔がＤ２４となる部分は、第２の方向における中央側の最内（素子接触面１１の略中心と対向する冷却器２ａの中心部分）とは限らない。例えば、隣り合う流路２１同士の間隔がＤ２４となる部分は、素子接触面１１のうち最も熱くなる部分と対向する部分に設けられていればよい。この場合、厚壁仕切り２３は、隣り合う流路２１同士の間隔のうち最も厚い仕切りを指し、薄壁仕切り２４は、隣り合う流路２１同士の間隔のうち最も薄い仕切りを指すものとする。なお、冷却器２ａの形成手法は、第１の実施形態で説明した手法と同様である。
【００４０】
次に、第２の実施形態に係る冷却器２ａの他の構成例について説明する。図９は、第２の実施形態に係る冷却器２ａの側断面図である。図９は、図７のＢ−Ｂ断面図である。図９に示す冷却器２ａは、流路２１を１層流路構造で備えている点で図８に示す冷却器２ａと相違する。以下、図９に示す冷却器２ａの構成例について、図８に示す冷却器２ａと相違する点を中心に説明する。なお、特に断りがない部分については、図９に示す冷却器２ａは、上述した図８に示す冷却器２ａと同様に構成されていてもよい。冷却器２ａは、高さ方向の略中央において、流路２１を備える１層流路構造である。つまり、流路２１は、冷却器２ａの高さ方向の第１面と第２面それぞれと平型半導体素子１が接触する場合、高さ方向に１層で形成されている。流路２１は、冷却器２ａの第２の方向において、冷却器２ａの外周から中央にかけて弧を描くように複数層で形成されている。流路２１の深さ及び幅は、略同じである。
【００４１】
第２の方向において、冷却器２ａの外周側に設けられた隣り合う流路２１同士の間隔は、冷却器２ａの中央側に設けられた隣り合う流路２１同士の間隔よりも大きい。冷却器２ａの外周側に設けられた隣り合う流路２１同士は、厚壁仕切り２３で仕切られている。冷却器２ａの中央側に設けられた隣り合う流路２１同士は、厚壁仕切り２３よりも薄い薄壁仕切り２４で仕切られている。冷却器２ａの中央側に設けられた隣り合う流路２１同士は、第２の方向において、外周から所定位置までは、厚壁仕切り２３で仕切られ、所定位置から中央までは、薄壁仕切り２４で仕切られている。つまり、冷却器２ａは、第２の方向の外周側に形成された流路２１同士を仕切る厚壁仕切り２３と、厚壁仕切り２３よりも第２の方向の中央側に形成され、厚壁仕切り２３の第２の方向の間隔よりも狭い薄壁仕切り２４を備える。流路２１は、厚壁仕切り２３の第２の方向の厚さをＤ２３、薄壁仕切り２４の第２の方向の厚さをＤ２４とした場合、Ｄ２３＞Ｄ２４の関係が成り立つように、冷却器２ａに形成されている。また、Ｄ２４はＤ２３の０．３５倍以上の厚さとする。これはフィン効率低下による除熱性能の悪化を避けるためである。厚壁仕切り２３と薄壁仕切り２４のつなぎ目は、矩形に厚みが変化する形状となってもよいし、テーパーを設けてもよい。
【００４２】
なお、隣り合う流路２１同士の間隔はＤ２３またはＤ２４のいずれかに限られない。隣り合う流路２１同士の間隔は、例えば、第２の方向において、冷却器２ａの外周から中央にかけてＤ２３からＤ２４へと徐々に薄くするようにしてもよい。隣り合う流路２１同士の間隔がＤ２４となる範囲は、素子接触面１１と対向する範囲以内とする。なお、隣り合う流路２１同士の間隔がＤ２４となる部分は、第２の方向における中央側の最内（素子接触面１１の略中心と対向する冷却器２ａの中心部分）とは限らない。例えば、隣り合う流路２１同士の間隔がＤ２４となる部分は、素子接触面１１のうち最も熱くなる部分と対向する部分に設けられていればよい。この場合、厚壁仕切り２３は、隣り合う流路２１同士の間隔のうち最も厚い仕切りを指し、薄壁仕切り２４は、隣り合う流路２１同士の間隔のうち最も薄い仕切りを指すものとする。なお、冷却器２ａの形成手法は、第１の実施形態で説明した手法と同様であるため、説明を省略する。なお、図９に示す冷却器２ａは、１層流路構造なので、図８に示す冷却器２ａよりも加工工程を削減できる。
【００４３】
次に、冷却器２ａの作用について説明する。  
冷却器２ａの外周側に設けられた隣り合う流路２１同士の間隔Ｄ２４が冷却器２ａの中央側に設けられた隣り合う流路２１同士の間隔Ｄ２３よりも狭いので、流路２１同士の間隔がＤ２４の部分（冷却器２ａの中央側）は、流路２１同士の間隔がＤ２３の部分（冷却器２ａの外周側）よりも冷却液への伝熱面積が大きい。流路２１同士の間隔がＤ２４の部分の除熱能力は、流路２１同士の間隔がＤ２３の部分の除熱能力よりも大きくなる。
【００４４】
次に、冷却器２ａの効果について説明する。  
第２の実施形態に係る冷却器２ａは、外周側よりも中央側の除熱能力が高くなるので、素子接触面１１の温度を平準化することができる。さらに、第２の実施形態に係る冷却器２ａは、第１の実施形態に係る冷却器２ａと異なり、流路２１の断面積を部分的に小さくすることがないため、冷却液の流通時の圧力損失を低減することができる。これら以外の効果は、第１の実施形態で説明したものと同様である。
【００４５】
次に、端部冷却器２ｂの構成例について説明する。図１０は、第１の実施形態に係る端部冷却器２ｂの、高さ方向の側断面図である。端部冷却器２ｂは、流路２１を１層流路構造で備えている点で図８に示す冷却器２ａと相違する。以下、端部冷却器２ｂの構成例について、図８に示す冷却器２ａと相違する点を中心に説明する。なお、特に断りがない部分については、図１０に示す端部冷却器２ｂは、流路２１の形状など、上述した図８に示す冷却器２ａと同様に構成されていてもよい。
【００４６】
端部冷却器２ｂは、平型半導体素子１が接触する面の近傍において、流路２１を高さ方向に１層で備える１層流路構造である。つまり、流路２１は、冷却器２ａの高さ方向の１面のみと平型半導体素子１が接触する場合、高さ方向に１層で形成されている。端部冷却器２ｂに形成された流路２１の幅及び深さは、図８に示す冷却器２ａに形成された１層当たりの流路２１の幅及び深さと略同じである。端部冷却器２ｂに形成された流路２１同士の間隔は、図８に示す冷却器２ａに形成された流路２１同士の間隔と略同じである。なお、第２の実施形態に係る端部冷却器２ｂの形成手法は、第１の実施形態で説明した手法と同様であるため、説明を省略する。
【００４７】
次に、端部冷却器２ｂの作用について説明する。  
端部冷却器２ｂは、上述の冷却器２ａと同様に作用する。さらに、２層流路構造である冷却器２ａと同流量の冷却液が端部冷却器２ｂに流入する場合、端部冷却器２ｂの流路２１当たりの流量は、冷却器２ａの２倍となる。そのため、端部冷却器２ｂの流路２１内の流速は、冷却器２ａの流路２１内の流速の２倍になり、端部冷却器２ｂの対流熱伝達率は、冷却器２ａの対流熱伝達率よりも上がる。端部冷却器２ｂに流入する冷却液の流量に対する素子接触面１１当たりの伝熱量は、冷却器２ａのケースよりも向上する。
【００４８】
次に、端部冷却器２ｂの効果について説明する。
【００４９】
第２の実施形態に係る端部冷却器２ｂは、上述の第１の実施形態に係る端部冷却器２ｂで得られる効果と同様の効果を得られる。
【００５０】
（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る冷却器２ａ及び端部冷却器２ｂについて説明する。図中、第１の実施形態または第２の実施形態と同一の要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する場合もある。第３の実施形態は、第１の実施形態または第２の実施形態とは、流路２１の少なくとも一部の壁面に凸凹加工を施している点で構成が異なっている。以下、第１の実施形態または第２の実施形態との相違点を中心に詳細に説明する。
【００５１】
図１１は、第３の実施形態に係る冷却器２ａと平型半導体素子１との一例となる組立平面図である。流路２１は、第２の方向の中央側において、壁面に凸凹部２７を備える。例えば、凸凹部２７は、平型半導体素子１と対向する範囲以内であって、特に、平型半導体素子１の発熱量が高い部分（例えば、温度を下げたい中央側）と対向する流路２１に設けられている。図１２は、第３の実施形態に係る冷却器２ａの側断面図であって、凸凹部２７の断面拡大図である。凸凹部２７は、流路２１の壁面に高さ数ｍｍ程度で凸凹加工されている。流路２１に対して凸凹加工を施す面は、素子接触面１１に近い高さ方向の面、素子接触面１１から遠い高さ方向の面、側面のどの面でもよいし、これらの面のうちのいくつかの面もしくは全ての面でもよい。凸凹部２７は、冷却器２ａだけでなく、端部冷却器２ｂに設けられていてもよい。第３の実施形態は、第１の実施形態または第２の実施形態と併用せずに流路２１に凸凹部２７が設けられていても、第１の実施形態または第２の実施形態と併用して流路２１に凸凹部２７が設けられていてもよい。
【００５２】
次に、第３の実施形態に係る冷却器２ａ及び端部冷却器２ｂの作用について説明する。  
流路２１を流通する冷却液は、流路２１の壁面に凸凹部２７が設けられることで、乱流化されるため、凸凹部２７が設けられた流路２１における対流熱伝達率は上がる。冷却器２ａのうち、凹凸部２７が設けられた中央側の熱伝達性能は、外周側の熱伝達性能よりも高くなる。
【００５３】
次に、第３の実施形態に係る冷却器２ａ及び端部冷却器２ｂの効果について説明する。  
冷却器２ａは、中央側の流路２１だけに凸凹部２７を設けることで、第１の実施形態のように流路２１の深さを変えたり、第２の実施形態のように流路２１同士の間隔を変えたりすることなく、中央側のみの除熱性能を上げることができる。第３の実施形態を第１の実施形態と第２の実施形態のいずれか一方に組み合わせた場合、冷却器２ａは、外周側と中央側の除熱性能の差をより大きくすることができる。これら以外の効果は、第１の実施形態で説明したものと同様である。
【００５４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５５】
１…平型半導体素子、 ２ａ…冷却器、２ｂ…端部冷却器、３…皿ばね、４…台座部、５…絶縁体、６…押さえ板、７…ボルト、８…ナット、９…圧接型半導体装置、 １１…素子接触面、２１…流路、２１ａ…第１の流路、２１ｂ…第２の流路、２３…厚型仕切り、２４…薄型仕切り、２５…入口、２６…出口、２７…凸凹部。
【図１】
2015012057.tif 000003
【図２】
2015012057.tif 000004
【図３】
2015012057.tif 000005
【図４】
2015012057.tif 000006
【図５】
2015012057.tif 000007
【図６】
2015012057.tif 000008
【図７】
2015012057.tif 000009
【図８】
2015012057.tif 000010
【図９】
2015012057.tif 000011
【図１０】
2015012057.tif 000012
【図１１】
2015012057.tif 000013
【図１２】
2015012057.tif 000014