(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック焼結体からなり、一つの側面に流体の入口および出口、内部に流路を備え、前記セラミック焼結体の上面に、冷却対象物が前記側面から見て２列配置される冷却プレートであって、前記流路は、一方の列である第１列側における上部に前記入口と連通する入側流路Ａ、下部に前記入口と連通する入側流路Ｂを有し、他方の列である第２列側における上部に前記入側流路Ｂおよび前記出口と連通する出側流路Ｃ、下部に前記入側流路Ａおよび前記出口と連通する出側流路Ｄを有し、
前記入側流路Ａから前記出側流路Ｄまでを第１流路、前記入側流路Ｂから前記出側流路Ｃまでを第２流路としたとき、前記第１流路と前記第２流路とは独立していることを特徴とする冷却プレート。
【請求項２】
流体の流れる方向に垂直な断面において、上下に位置する前記入側流路Ａの中心と前記入側流路Ｂの中心とが鉛直方向においてずれていることを特徴とする請求項１に記載の冷却プレート。
【請求項３】
流体の流れる方向に垂直な断面において、上下に位置する前記出側流路Ｃの中心と前記出側流路Ｄの中心とが鉛直方向においてずれていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷却プレート。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の冷却プレートの上面に、該冷却プレートの前記入口および前記出口を備える前記側面から見て、複数の半導体素子が２列に配置されて搭載されていることを特徴とする半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却プレートおよびこの冷却プレートに半導体素子を搭載してなる半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子は、大電力かつ高速のスイッチングに用いられ、このような用途において発熱して高温になると、スイッチング機能に影響を及ぼす可能性がある。そのため、このような半導体素子の搭載にあたっては、半導体素子を冷却可能な流路を有する冷却プレートが用いられている。
【０００３】
このような冷却プレートとして、例えば、特許文献１には、一つの側面に設けられた入口から入った流体が、仕切り板によって分岐された後に集約され、対向する側面の一つの出口から排出される構成の冷却プレートが図示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３４０７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に図示されているように、複数の半導体素子の載置下の流路が、仕切り板によって分岐されていれば、複数の半導体素子を冷却することができるものの、半導体素子の冷却に伴って流体は温まっていくものであることから、入口側の半導体素子と、出口側の半導体素子とでは、流体による冷却効果に大きな差が生じるため、出口側の半導体素子は、入口側の半導体素子と同じスイッチング機能を発揮することができない。
【０００６】
なお、入口および出口の数を増やす、すなわち流体の経路を増やせば、複数の半導体素子の冷却効果の差を小さくすることができるものの、入口まで流体を供給するための供給管や、出口からの流体を排出するための排出管が増えることとなって、これらの管の引き回しや取り付け等は煩雑なものとなり、実用的ではない。また、一つの側面に供給管、この側面に対向する側面に排出管が配置される構成では、供給管、排出管を含めた半導体モジュールの配置に広いスペースが必要であった。
【０００７】
今般において、半導体モジュールおよび半導体モジュールを構成する冷却プレートには、コンパクト化可能な構成であることが求められており、冷却プレートの一つの側面に、流体の入口および出口を備えるとともに、供給管や排出管の引き回しをシンプルにするために、上記側面を正面視したとき、例えば、流体の入口を右側、出口を左側といったように、流体の入口および出口をそれぞれ片側に寄せる構成が検討されている。
【０００８】
そして、このようなコンパクト化を図ることができる構成において、複数の冷却対象物における流体による冷却効果の差が小さいことが求められている。
【０００９】
本発明は、上記要求を満たすべく案出されたものであり、コンパクト化を図ることができる構成において、複数の冷却対象物における流体による冷却効果の差が小さい冷却プレートおよびこの冷却プレートに半導体素子を搭載してなる半導体モジュールを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の冷却プレートは、セラミック焼結体からなり、一つの側面に流体の入口および出口、内部に流路を備え、前記セラミック焼結体の上面に、冷却対象物が前記側面から見て２列配置される冷却プレートであって、冷却対象物が前記側面から見て２列配置されており、前記流路は、一方の列である第１列側における上部に前記入口と連通する入側流路Ａ、下部に前記入口と連通する入側流路Ｂを有し、他方の列である第２列側における上部
に前記入側流路Ｂおよび前記出口と連通する出側流路Ｃ、下部に前記入側流路Ａおよび前記出口と連通する出側流路Ｄを有し、前記入側流路Ａから前記出側流路Ｄまでを第１流路、前記入側流路Ｂから前記出側流路Ｃまでを第２流路としたとき、前記第１流路と前記第２流路とは独立していることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の半導体モジュールは、上記構成の本発明の冷却プレートの上面に、該冷却プレートの前記入口および前記出口を備える前記側面から見て、複数の半導体素子が２列に配置されて搭載されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の冷却プレートによれば、コンパクト化を図ることができる構成において、複数の冷却対象物における流体による冷却効果の差が小さいものである。
【００１３】
また、本発明の半導体モジュールによれば、上記構成の本発明の冷却プレートの上面に、該冷却プレートの前記入口および前記出口を備える前記側面から見て、複数の半導体素子が２列に配置されて搭載されていることにより、複数の半導体素子のそれぞれが、大電力かつ高速のスイッチングが可能であるため、性能および信頼性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態の半導体モジュールの一例を示す、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＧ−Ｇ線での断面図である。
【図２】本実施形態の冷却プレートにおける、図１（ｂ）において示す各線で切断した部位の一例を示す断面斜視図であり、（ａ）はＨ−Ｈ線とＩ−Ｉ線の間の部位、（ｂ）はＩ−Ｉ線とＪ−Ｊ線との間の部位、（ｃ）はＪ−Ｊ線と、Ｋ−Ｋ線との間の部位、（ｄ）はＫ−Ｋ線とＬ−Ｌ線との間の部位であり、（ｅ）はＬ−Ｌ線より下の部位である。
【図３】本実施形態の半導体モジュールの他の例を示す、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＭ−Ｍ線での断面図である。
【図４】本実施形態の半導体モジュールのさらに他の例を示す、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＮ−Ｎ線での断面図である。
【図５】本実施形態の冷却プレートにおける、図４（ｂ）において示す各線で切断した部位の一例を示す断面斜視図であり、（ａ）はＯ−Ｏ線とＰ−Ｐ線の間の部位、（ｂ）はＰ−Ｐ線とＱ−Ｑ線との間の部位、（ｃ）はＱ−Ｑ線と、Ｒ−Ｒ線との間の部位、（ｄ）はＲ−Ｒ線とＳ−Ｓ線との間の部位であり、（ｅ）はＳ−Ｓ線より下の部位である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本実施形態の冷却プレートおよび半導体モジュールについて図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の半導体モジュールの一例を示す、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＧ−Ｇ線での断面図である。なお、以降の図において同一の部材については、同一の番号を付するものとする。
【００１６】
本実施形態の半導体モジュール１００は、図１（ａ）に示すように、本実施形態の冷却プレート１０の上面１ａに、金属層４を介して半導体素子５が、２列×２個で４個搭載されているものである。なお、列のカウントは、図１（ｂ）に示す側面図のように、流体の入口２および出口３を備える側面１ｂから見て、カウントしたものである。
【００１７】
そして、図１に示す半導体モジュール１００を構成する本実施形態の冷却プレート１０
は、セラミック焼結体からなり、側面１ｂに流体の入口２および出口３を備え、図１（ｃ）に示すように、内部に流路を備えるものである。そして、セラミック焼結体の上面１ａに、冷却対象物（図１においては、半導体素子５）が側面１ｂから見て２列配置されるものである。また、内部に備える流路は、図１（ｂ）の側面図または図１（ｃ）の断面図における右側を第１列側、左側を第２列側としたとき、第１列側の上部に、入口２と連通する入側流路Ａ、第１列側の下部に、入口２と連通する入側流路Ｂを有し、第２列側の上部に、入側流路Ｂおよび出口３と連通する出側流路Ｃ、第２列側の下部に、入側流路Ａおよび出口３と連通する出側流路Ｄを有する。なお、第１列側は入口側、第２列側は出口側とも言えるものである。
【００１８】
次に、図１に示す本実施形態の冷却プレート１０における流体の経路について図２を用いて説明する。図２は、本実施形態の冷却プレートにおける、図１（ｂ）において示す各線で切断した部位の一例を示す断面斜視図であり、（ａ）はＨ−Ｈ線とＩ−Ｉ線の間の部位、（ｂ）はＩ−Ｉ線とＪ−Ｊ線との間の部位、（ｃ）はＪ−Ｊ線と、Ｋ−Ｋ線との間の部位、（ｄ）はＫ−Ｋ線とＬ−Ｌ線との間の部位であり、（ｅ）はＬ−Ｌ線より下の部位である。
【００１９】
供給された流体の経路は、まず、図２（ｃ）に示す入口２から入り、図２（ｂ）および図２（ｄ）に示す、それぞれ上下方向に向かう流路に分岐される。そして、図２（ｂ）に示す流路を介して、上部の図２（ａ）に示す入側流路Ａに進んだ流体は、入側流路Ａを通り、図２（ｂ）に示す流路を介して図２（ｃ）に示す第１流路Ｅに進む。次に、第１連通路Ｅを通って、第２列側へ進んだ流体は、図２（ｄ）に示す流路を介して、下部の図２（ｅ）に示す出側流路Ｄに進む。そして、出側流路Ｄを通り、図２（ｄ）に示す流路を介して図２（ｃ）に示す出口３へと進む。一方、図２（ｄ）に示す流路を介して、下部の図２（ｅ）に示す入側流路Ｂに進んだ流体は、入側流路Ｂを通り、図２（ｄ）に示す流路を介して図２（ｃ）に示す第２連通路Ｆに進む。次に、第２連通路Ｆを通って、第１列側へ進んだ流体は、図２（ｂ）に示す流路を介して、上部の図２（ａ）に進む。そして、出側流路Ｃを通り、図２（ｂ）に示す流路を介して図２（ｃ）に示す出口３へと進み、上述した経路を進んだ流体と合流して排出される。
【００２０】
そして、第１列側の冷却対象物は、入側流路Ａを通る流体によって冷却され、第２列側の冷却対象物は、出側流路Ｃを通る流体によって冷却される。このように、入口２から出口３までの経路が、２本独立していることにより、冷却対象物の載置下に到達するまでに流体が温められることが少ないため、複数の冷却対象物における流体による冷却効果の差が小さくなる。
【００２１】
また、本実施形態の冷却プレート１０は、一つの側面に流体の入口および出口を備えるとともに、上記側面を正面視したとき、流体の入口を右側、出口を左側といったように、流体の入口および出口をそれぞれ片側に寄せる構成としていることから、流体の供給管や排出管の引き回しがシンプルであるため、コンパクト化に対応することができ、複数の冷却対象物における流体による冷却効果の差が小さいものである。
【００２２】
次に、図３は、本実施形態の半導体モジュールの他の例を示す、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＭ−Ｍ線での断面図である。
【００２３】
本実施形態の半導体モジュール２００は、図２（ａ）に示すように、本実施形態の冷却プレート２０の上面１ａに、金属層４を介して半導体素子５が、２列×３個で６個搭載されているものである。そして、図２（ｂ）の断面図において、上下に位置する入側流路Ａの中心と入側流路Ｂの中心とが鉛直方向においてずれているとともに、上下に位置する出側流路Ｃの中心と出側流路Ｄの中心とが鉛直方向においてずれている例を示している。
【００２４】
なお、図３（ｂ）においては、各流路の中心を黒丸点で示し、入側流路Ａの中心および出側流路Ｃの中心からの鉛直線を矢印で示している。
【００２５】
この図３（ｂ）に示すような、流体の流れる方向に垂直な断面において、上下に位置する入側流路Ａの中心と入側流路Ｂの中心とが鉛直方向においてずれているときには、図１に示す構成の冷却プレート１０に比べて、冷却対象物の載置下に位置する入側流路Ａと、入側流路Ｂとの距離が長くなることから、入側流路Ｂを流れる流体を温まりにくくすることができる。
【００２６】
また、流体の流れる方向に垂直な断面において、上下に位置する出側流路Ｃの中心と出側流路Ｄの中心とが鉛直方向においてずれているときには、入側流路Ａを流れて冷却対象物との熱交換が行われ、供給時よりも温まった流体が流れる出側流路Ｄと、出側流路Ｃとの距離が長くなることから、出側流路Ｃを流れる流体を温まりにくくすることができる。
【００２７】
なお、上下に位置する入側流路Ａの中心と入側流路Ｂの中心とが鉛直方向においてずれているとともに、上下に位置する出側流路Ｃの中心と出側流路Ｄの中心とが鉛直方向においてずれている構成とするときには、入側流路Ｂと出側流路Ｄとは、可能な限り距離をとることが好適である。
【００２８】
次に、図４は、本実施形態の半導体モジュールのさらに他の例を示す、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＮ−Ｎ線での断面図である。
【００２９】
本実施形態の半導体モジュール３００は、図４（ａ）に示すように、本実施形態の冷却プレート３０の上面１ａに、金属層４を介して半導体素子５が、２列×２個で４個搭載されている。
【００３０】
そして、冷却プレート３０は、図４（ｂ）に示すように、入側流路Ａに繋がる入口２ａおよび入側流路Ｂに繋がる入口２ｂと、出側流路Ｃに繋がる出口３ａおよび出側流路Ｄに繋がる出口３ｂとを備えている。
【００３１】
そして、図５は、本実施形態の冷却プレートにおける、図４（ｂ）において示す各線で切断した部位の一例を示す断面斜視図であり、（ａ）はＯ−Ｏ線とＰ−Ｐ線の間の部位、（ｂ）はＰ−Ｐ線とＱ−Ｑ線との間の部位、（ｃ）はＱ−Ｑ線と、Ｒ−Ｒ線との間の部位、（ｄ）はＲ−Ｒ線とＳ−Ｓ線との間の部位であり、（ｅ）はＳ−Ｓ線より下の部位である。
【００３２】
ここで、本実施形態の冷却プレート３０の流体の経路について説明する。まず、図５（ａ）に示す入口２ａから入った流体は、入側流路Ａを通って、図５（ｂ）に示す流路を介して図５（ｃ）に示す第１流路Ｅに進む。次に、第１連通路Ｅを通って第２列側へ進んだ流体は、図５（ｄ）に示す流路を介して、下部の図５（ｅ）に示す出側流路Ｄに進む。そして、出側流路Ｄを通って出口３ｄへと進んで排出される。一方、図５（ｅ）に示す入口２ｂから入った流体は、入側流路Ｂを通って、図５（ｄ）示す流路を介して図５（ｃ）に示す第２連通路Ｆに進む。次に、第２連通路Ｆを通って第１列側へ進んだ流体は、図５（ｂ）に示す流路を介して、上部の図５（ａ）に示す出側流路Ｃに進む。そして、出側流路Ｃを通って出口３ａへと進んで排出される。
【００３３】
なお、本実施形態の冷却プレート１０、２０、３０は、セラミック焼結体からなり、セラミック焼結体としては、酸化アルミニウム質焼結体、酸化ジルコニウム質焼結体、酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムの複合焼結体、窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウ
ム質焼結体等を用いることができる。
【００３４】
そして、本実施形態の半導体モジュール１００、２００、３００は、それぞれ本実施形態の冷却プレート１０、２０、３０の上面１ａに、側面１ｂから見て、複数の半導体素子５が２列に配置されて搭載されていることにより、複数の半導体素子５のそれぞれが、大電力かつ高速のスイッチングが可能であるため、性能および信頼性に優れている。
【００３５】
次に、本実施形態の冷却プレートの作製方法を説明する。
【００３６】
まず、主成分となる原料粉末、焼結助剤、バインダ、溶媒等を用いて所定量秤量し、スラリーを作製する。次に、このスラリーを用いてドクターブレード法によりグリーンシートを作製する。そして、得られたグリーンシートを金型で打ち抜く若しくはレーザー加工により、所定形状の複数のシートを得る。例えば、図２（ａ）〜（ｅ）や図５（ａ）〜（ｅ）に示すような構成のシートと、最上部となる孔の開いていないシートを得る。次に、最上部シートと、図２（ａ）〜（ｅ）または図５（ａ）〜（ｅ）に示すような構成のシートとを積層して加圧することにより、シート積層体である成形体を得て、これを使用した原料粉末に応じた焼成温度で焼成することにより、冷却プレートを得ることができる。
【００３７】
また、他のシート状の成形体の作製方法としては、原料粉末、焼結助剤、バインダ、溶媒等を用いて坏土を作製し、押出成形法により得てもよいまた、スラリーを噴霧乾燥することによって造粒した顆粒を用いて、粉末圧延法や粉末プレス法で成形したり、冷間静水圧加圧成形（ＣＩＰ）法で成形した後に切断することによってシート状の成形体を得てもよい。
【００３８】
次に、本実施形態の半導体モジュールの作製方法について説明する。
【００３９】
まず、金属層については、例えば、銅または銀などの導電性粉末と、ガラス粉末と、有機ビヒクルとを用いてペーストを作製する。そして、公知のスクリーン印刷法により、冷却プレートの上面にペーストを印刷し、乾燥の後、導電性粉末に合わせた雰囲気で焼成することにより金属層を形成することができる。また、他の金属層の作製方法としては、活性金属法やＤＣＢ（Direct Copper Bonding）法による金属板の接合や、電解めっき法ま
たは無電解めっき法を用いて銅または銀などの金属層を形成してもよい。そして、この金属層の上に、半導体素子を搭載することにより、本実施形態の半導体モジュールを得ることができる。
【００４０】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１０，２０，３０：冷却プレート
１ａ：上面
１ｂ：側面
２：入口
３：出口
４：金属層
５：半導体素子
１００，２００，３００：半導体モジュール
Ａ：入側流路（上部）
Ｂ：入側流路（下部）
Ｃ：出側流路（上部）
Ｄ：出側流路（下部）
【図１】
0006502653.tif 000002
【図２】
0006502653.tif 000003
【図３】
0006502653.tif 000004
【図４】
0006502653.tif 000005
【図５】
0006502653.tif 000006