(57)【要約】【課題】熱交換器本来の機能を阻害することなく、応力緩和のための部材を廃止して、部品点数の削減によるコストダウンと重量軽減を図った熱交換器の構造を提供する。【解決手段】ボトムプレート４とディンプルプレート３とからなる冷却ジャケット７の上に三層構造の絶縁基板２をろう付けにて接合し、その絶縁基板２に半導体素子Ｐをはんだ付けにて接合してある。ディンプルプレート３には独立した多数のディンプル３ａを規則性をもって形成してある。ディンプルプレート３のうちディンプル３ａを形成したことに伴って反対側に膨出形成されるエンボス部３ｂとボトムプレート４との間の空間を、冷却水を流すための冷却水通路８としてある。【選択図】図１
2013258343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
独立した多数のディンプルが形成されているとともに絶縁基板を介して半導体素子が接合されるディンプルプレートとボトムプレートとを互いに重ね合わせて接合することで冷却ジャケットを形成し、
上記冷却ジャケットのうちディンプルプレートとボトムプレートとの間の空間を冷却媒体の通路としたことを特徴とする半導体素子の熱交換器。
【請求項２】
上記絶縁基板は、母体となる絶縁ベースのうち半導体素子が接合される面に導電性に優れた金属層が、放熱板と接する面に熱伝達性に優れた金属層がそれぞれ形成されている一方、
上記ディンプルプレートは、絶縁基板と対向する面に独立した多数のディンプルが形成されているとともに、それらの多数のディンプルの形成に伴い反対側の面に各ディンプルに個別に対応する多数のエンボス部が形成されていて、
これらのエンボス部が形成された面がボトムプレートと接していることにより、上記ディンプルプレートとボトムプレートとの間に冷却媒体の通路を形成してあることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子からなるパワーデバイスあるいはパワーモジュールの冷却に用いられる熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車や電気自動車におけるインバータ等では、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子からなるパワーデバイスが用いられている。そして、このようなパワーデバイスの冷却のために熱交換器（ヒートシンク）を設けている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載された冷却器（熱交換器）の構造では、ＩＧＢＴ等の半導体素子が搭載されるパワーデバイス用基板を、緩衝用基板を介して冷却器天板上に載置してある。そして、冷却器天板とその下側の冷却器底板とで所定容積の冷却ジャケットが形成されていて、この冷却ジャケットの内部に冷媒通路を形成するとともに、複数枚のコルゲートフィンを積層配置してある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２４５１５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような従来の冷却器の構造では、応力緩和のために緩衝用基板を介装しているため、必然的に部品点数の増加によるコストアップと重量の増加が余儀なくされ、なおも改善の余地を残している。
【０００６】
本発明はこのような課題に着目してなされたもので、熱交換器本来の機能を阻害することなく、応力緩和のための部材を廃止して、部品点数の削減によるコストダウンと重量軽減を図った構造を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、独立した多数のディンプルが形成されているとともに絶縁基板を介して半導体素子が接合されるディンプルプレートとボトムプレートとを互いに重ね合わせて接合することで冷却ジャケットを形成し、上記冷却ジャケットのうちディンプルプレートとボトムプレートとの間の空間を冷却媒体の通路としたことを特徴とする。
【０００８】
より具体的には、請求項２に記載のように、上記絶縁基板は、母体となる絶縁ベースのうち半導体素子が接合される面に導電性に優れた金属層が、放熱板と接する面に熱伝達性に優れた金属層がそれぞれ形成されている一方、上記ディンプルプレートは、絶縁基板と対向する面に独立した多数のディンプルが形成されているとともに、それらの多数のディンプルの形成に伴い反対側の面に各ディンプルに個別に対応する多数のエンボス部が形成されていて、これらのエンボス部が形成された面がボトムプレートと接していることにより、上記ディンプルプレートとボトムプレートとの間に冷却媒体の通路を形成してあるものとする。
【０００９】
したがって、本発明では、冷却ジャケットを形成しているディンプルプレートに独立した多数のディンプルを形成してあることから、このディンプルプレートが熱伝達性向上のための機能とともに応力緩和のための機能を発揮することが可能となる。そのため、応力緩和のための独立した部材を設ける必要がなくなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ディンプルプレートが熱伝達性向上のための機能とともに応力緩和のための機能を発揮することになるため、応力緩和のための独立した部材を設ける必要がなく、熱交換器本来の機能を阻害することなしに部品点数の削減による構造の簡素化やコストダウンとともに重量軽減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る熱交換器のより具体的な実施の形態を示す断面説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は本発明に係る熱交換器を実施するためのより具体的な形態を示す図である。なお、図１はいわゆる多層構造の熱交換器の断面を模式的に示しているにすぎず、個々の層の厚みは作図上誇張して描いてある。
【００１３】
図１に示す半導体素子Ｐのための熱交換器１は、ＩＧＢＴ等の半導体素子Ｐと、この半導体素子Ｐが搭載される例えば三層構造の絶縁基板２と、この絶縁基板２の下側に配置されて放熱板として機能するディンプルプレート３と、さらにこのディンプルプレート３の下側に配置されるボトムプレート４と、から構成される。
【００１４】
三層構造の絶縁基板２は、例えば必要とされる絶縁特性を有するセラミック製（例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等）の絶縁ベース２ａの上面に、熱伝達性および導電性に優れたアルミニウムや銅などの配線層２ｂが形成されているとともに、絶縁ベース２ａの下面には同じく熱伝達性に優れたアルミニウムや銅等の伝熱層２ｃが形成されている。そして、絶縁基板２の上面側の配線層２ｂには半導体素子Ｐがはんだ付けにて接合されて実装されるとともに、絶縁基板２の下面側の伝熱層２ｃはろう付けにてその下方の放熱板としてのディンプルプレート３と接合されている。
【００１５】
なお、半導体素子Ｐを絶縁基板２に接合しているはんだ層を符号５で示し、絶縁基板２をディンプルプレート３に接合しているろう材層を符号６で示している。また、必要に応じてディンプルプレート３の上にもう一枚の別のアルミニウム等の放熱板を介装し、絶縁基板２をこの放熱板に対してろう付けにて接合することも可能である。
【００１６】
ここで、絶縁基板２の上面側の配線層２ｂと絶縁基板２の下面側の伝熱層２ｃとは共に同一材料で形成されていることが望ましく、また絶縁ベース２ａと配線層２ｂおよび伝熱層２ｃの厚さは共に例えば０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度とされる。このような絶縁ベース２ａの表裏両面に配線層２ｂや伝熱層２ｃが予め形成された基板材料としては、一般に市販されている例えばＤＢＡ基板（登録商標）やＤＢＣ基板（登録商標）等を用いることができる。
【００１７】
放熱板として機能するディンプルプレート３はその下方のボトムプレート４とろう付けにて接合されていて、これらのディンプルプレート３とボトムプレート４により冷却ジャケット７が形成されている。ディンプルプレート３およびボトムプレート４は、いずれも熱伝達性に優れた例えばアルミニウム製のもので、ボトムプレート４が平板状のものであるのに対して、ディンプルプレート３はボトムプレート４よりも板厚が大きく、その名のとおり多数のディンプル（凹部または窪み）４ａが形成されて断面が凹凸形状のものとなっている。
【００１８】
より詳しくは、ディンプルプレート３は、絶縁基板２に臨む上面側からボトムプレート４側に向けて規則性をもって相互に独立した多数のディンプル３ａが凹状に形成してあり、そのディンプル３ａの形成に伴ってボトムプレート４側の面には各ディンプル３ａに個別に対応する多数のエンボス部３ｂが膨出形成されていて、図１に示すように断面形状としては略波形状または凹凸形状のものとなっている。そして、各エンボス部３ｂの頂部側を相手側となるボトムプレート４に対してろう付けにて接合してある。
【００１９】
この場合において、それぞれのディンプル３ａに位置的に個別に対応しているエンボス部３ｂも相互に独立してはいても、各ディンプル３ａとは反対側のそれぞれのエンボス部３ｂの頂部側を相手側となるボトムプレート４に接合してあることで、各エンボス部３ｂ，３ｂ同士の間の凹状空間は相互に連続したものとなっている。本実施の形態では、これらの各エンボス部３ｂ，３ｂ同士の間の凹状空間を冷却媒体である冷却水のための冷却水通路８としてある。そして、図示しない外部の冷却水供給源と冷却水通路８との間で所定の冷却水を循環させることで、ディンプルプレート３とボトムプレート４とで形成された冷却ジャケット７を強制冷却して、ひいては発熱を伴う半導体素子Ｐを積極的に冷却するべくその冷却ジャケット７と半導体素子Ｐとの間での熱交換を促進することができるようになっている。
【００２０】
さらに、先に述べたように、ディンプルプレート３は断面形状が略波形状または凹凸形状のものとなっていることから、あたかもコルゲートフィン等の冷却フィンと同等の機能を発揮して、冷却水の乱流促進機能による熱伝達性向上効果が期待できるとともに、ディンプルプレート３それ自体の断面形状に基づく自己弾性力のほか多数のディンプル３ａがあることによって熱応力の緩和機能が期待できるようになる。なお、ここでの熱応力の緩和機能とは、三層構造の絶縁基板２のうちのセラミック製の絶縁ベース２ａとその他の異材質の冷却ジャケット構成部品との熱膨張率の差に基づく内部応力の緩和を意図している。
【００２１】
なお、図１では、先にも述べたように、ボトムプレート４が平板状のものであるのに対して、ディンプルプレート３はボトムプレート４よりも板厚が大きく、断面が凹凸形状のものとしているが、必要に応じて、ボトムプレート４についても平板状以外の例えば断面が凹凸形状のものとしても良く、さらにディンプルプレート３はボトムプレート４よりも板厚が小さいものであっても良いことは言うまでもない。
【００２２】
したがって、このように構成された半導体素子Ｐのための熱交換器１は、ボトムプレート４とディンプルプレート３とからなる冷却ジャケット７に三層構造の絶縁基板２をろう付けし、その絶縁基板２に半導体素子Ｐをはんだ付けにて接合したものと理解することができ、半導体素子Ｐから発せられる熱を三層構造の絶縁基板２を介して冷却ジャケット７を形成しているディンプルプレート３に伝え、冷却ジャケット７内を流れる冷却水と熱交換することで放熱し、これをもって半導体素子Ｐを冷却することになる。
【００２３】
そして、先に述べたように、ディンプルプレート３は熱応力緩和機能と熱伝達率向上機能とを併せ持っているため、絶縁基板２と冷却ジャケット７との間の線膨張係数の差による熱応力をディンプルプレート３が分散し、さらにボトムプレート４側に膨出している各エンボス部３ｂがあたかもコルゲートフィン等の冷却フィンと同等の乱流促進機能にて熱伝達率向上効果を発揮し、結果として効率良く熱交換作用を行うことができる。
【００２４】
つまり、本実施の形態によれば、冷却ジャケット７を形成しているディンプルプレート３が応力緩衝部材を兼ねているため、熱交換器１本来の機能を阻害することなしに部品点数の削減による構造の簡素化やコストダウンとともに重量軽減が図れるようになる。
【００２５】
なお、上記実施の形態では、半導体素子としてＩＧＢＴを例にとって説明したが、当然のことながら本発明が対象とする半導体素子はＩＧＢＴに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００２６】
１…熱交換器
２…絶縁基板
２ａ…絶縁ベース
２ｂ…配線層（導電性に優れた金属層）
２ｃ…伝熱層（熱伝達性に優れた金属層）
３…ディンプルプレート
３ａ…ディンプル
３ｂ…エンボス部
４…ボトムプレート
７…冷却ジャケット
８…冷却水通路
Ｐ…半導体素子
【図１】
2013258343.tif 000003