(57)【要約】【課題】冷却装置において、蓄熱機能及び熱伝導効率の両方を確保する。【解決手段】冷却装置１は、容器２と、容器２内に積層される複数の層４１，４２で形成される伝熱体４と、伝熱体４が配置された容器２内に封入される蓄熱体３とを備える。伝熱体４は、蓄熱体３より高い熱伝導率を有する。伝熱体４の複数の層の隣り合う２層４１，４２は、蓄熱体３が液相のときに相対移動可能な状態で積層される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器と、
前記容器内に積層される複数の層で形成される伝熱体と、
前記伝熱体が配置された容器内に封入された蓄熱体とを備え、
前記伝熱体は、前記蓄熱体より高い熱伝導率を有し、
前記伝熱体の複数の層の隣り合う２層は、前記蓄熱体が液相のときに相対移動可能な状態で積層される、冷却装置。
【請求項２】
前記伝熱体の前記複数の層は、開口率が異なる２つの隣り合う層を含む、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記伝熱体の前記複数の層は、自層の開口率よりも低い開口率の層に挟まれた層を含む、請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記開口率が異なる２つの層において、開口率が低い方の層の厚みが、開口率が高い方の層の厚みより薄い、請求項２又は３に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記伝熱体の前記複数の層の少なくとも１層は、積層方向に突出する凸部を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記伝熱体の前記複数の層の少なくとも１つの層の側面の少なくとも一部が前記容器に接し、前記蓄熱体が液相のときに前記側面の少なくとも一部は、前記容器に対して相対移動可能で接する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記伝熱体に積層される弾性体又はスペーサをさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項８】
前記容器は、貫通孔を有し、
前記弾性体又は前記スペーサが、前記容器に接することで、前記貫通孔が塞がられる、請求項７に記載の冷却装置。
【請求項９】
前記伝熱体の前記複数の層の少なくとも１層は、メッシュ状に形成される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の冷却装置と、
前記冷却装置に接する半導体素子とを備える、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱体を用いた半導体の冷却装置及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、蓄熱体の相変化を利用した半導体素子の冷却装置が開発されている。例えば、特開２０１２−９９６１２号公報（特許文献１）に記載の半導体装置は、半導体素子を内部に収納するケーシングを備える。このケーシングに、潜熱蓄熱材からなる蓄熱体が充填される。潜熱蓄熱材は、半導体素子から熱を受けると、固相から液相へ変化する。潜熱蓄熱材は、半導体素子から受けた熱を相変化に伴う潜熱として蓄熱する。
【０００３】
また、特開２０１４−２０３９０２号公報（特許文献２）に記載の冷却板は、固相の蓄熱体を収納するケースと、ケースを密閉するシール材と、ケースに蓋をするカバーとを備える。ケースの上側内面と下側内面との間に、圧縮された高熱伝導体ばねが設置される。高熱伝導体ばねをケース内部に配置することにより、発熱体（半導体素子）と蓄熱体の間の熱抵抗を低減する。
【０００４】
特開２００４−２４７４２３号公報（特許文献３）に記載の冷却装置は、箱体と、箱体内に封入される蓄熱材とを備える。箱体の外面に半導体装置が固定される。蓄熱材は、１００℃より高く、半導体装置の機能が喪失する温度より低い温度に融点を持つ。蓄熱材は、加熱されて固相から液相になったときの体積が、箱体の容積未満である。これにより、蓄熱材が液相になり、固相時により膨張しても、箱体に内圧が加わらない。そのため、冷却装置から蓄熱材が吹き出すような事態を避けることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−９９６１２号公報
【特許文献２】特開２０１４−２０３９０２号公報
【特許文献１】特開２００４−２４７４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
蓄熱体に接触する伝熱体を容器内に配置することで、容器内の蓄熱体に効率よく熱を伝導することができる。しかし、容器内において、伝熱体が占める割合が大きくなると、蓄熱体の割合が減り、蓄熱機能が下がる。
【０００７】
そこで、本願は、蓄熱機能及び熱伝導効率の両方を確保できる冷却装置及び半導体装置を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態における冷却装置は、容器と、前記容器内に積層される複数の層で形成される伝熱体と、前記伝熱体が配置された容器内に封入された蓄熱体とを備える。前記伝熱体は、前記蓄熱体より高い熱伝導率を有する。前記伝熱体の複数の層の隣り合う２層は、前記蓄熱体が液相のときに相対移動可能な状態で積層される。
【発明の効果】
【０００９】
本開示によれば、冷却装置において、蓄熱機能及び熱伝導効率の両方を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施形態１における冷却装置を含む半導体装置の構成例を示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示す層４１の構成例を示す平面図である。
【図３】図３は、図１に示す層４２の構成例を示す平面図である。
【図４】図４は、実施形態２における冷却装置１１を含む半導体装置の構成例を示す断面図である。
【図５】図５は、図４におけるＡ−Ａ線断面の図である。
【図６】図６は、図４におけるＢ−Ｂ線断面の図である。
【図７】図７は、実施形態３における冷却装置を含む半導体装置の構成例を示す断面図である。
【図８】図８は、実施形態４における冷却装置を含む半導体装置の構成例を示す断面図である。
【図９】図９は、図８に示す冷却装置の変形例を示す図である。
【図１０】図１０は、実施形態５における冷却装置１４を含む半導体装置の構成例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
発明者は、蓄熱体の内部に配置する伝熱体の構成について検討した。容器内の蓄熱体に効率良く熱を伝導するために、伝熱体が蓄熱体に接する面の面積が大きい方が好ましい。また、蓄熱効果の観点からは、容器の内部において、伝熱体の体積を小さくし、蓄熱体の体積が占める割合を大きくすることが好ましい。このために、伝熱体を、複数の層で形成することができる。小さい体積で効率よく熱を伝えるために、伝熱体の層は、例えば、メッシュ状等の精密な構造とすることができる。また、隣り合う層を確実に接続するため、発明者は、伝熱体の各層が隣の層に対して固定される構成を試みた。隣り合う層を互いに接続することで、伝熱体の複数の層に効率良く熱を伝導することができる。
【００１２】
積層構造を有する伝熱体について検討を重ねるうちに、発明者は、蓄熱体の相変化に伴って伝熱体が破損する場合があることがわかった。例えば、蓄熱体が、固相から液相に変化して膨張すると、伝熱体の層間距離が広がり、層間を接続する部分が破損する場合がある。一方で、熱伝導効率及び蓄熱効果の観点からは、伝熱体の層は精密な構造とし、層間を部分的に接続する構成が好ましいことも分かっている。すなわち、熱伝導効率及び蓄熱効果を確保するために、伝熱体の強度に問題が生じることがわかった。
【００１３】
そこで、発明者は、鋭意検討の結果、蓄熱体の内部に積層される伝熱体の複数の層において、隣り合う２層を、敢えて固定せず、蓄熱体が液相のときに相対移動可能とすることに想到した。この構成により、伝熱体の破損を抑えつつ、熱伝導効率をよくすることができることを見出した。これらの知見に基づき、発明者は、以下の実施形態に想到した。
【００１４】
実施形態における冷却装置は、容器と、前記容器内に積層される複数の層で形成される伝熱体と、前記伝熱体が配置された容器内に封入された蓄熱体とを備える。前記伝熱体は、前記蓄熱体より高い熱伝導率を有する。前記伝熱体の複数の層の隣り合う２層は、前記蓄熱体が液相のときに相対移動可能な状態で積層される。（第１の構成）。
【００１５】
上記第１の構成では、伝熱体が、蓄熱体より高い熱伝導率を有し、複数の層の積層体で形成される。これにより、容器内の蓄熱体内に対し、伝熱体を介して、積層方向及び各層の面内方向に効率よく熱を伝えることができる。また、蓄熱体が液相のときに、伝熱体の隣り合う２層は、相対移動可能となる。すなわち、伝熱体の隣り合う２層は固定されない。これにより、蓄熱体が加熱されて固体から液相になって膨張した場合に、伝熱体の各層の隣の層との接続部分において、力が加わり変形することが少なくなる。すなわち、伝熱体は、破損しにくくなる。そのため、伝熱体を、体積増加を抑えつつ熱伝導効率を高めるような構成にすることが可能になる。結果として、蓄熱機能及び熱伝導効率の両方を確保することができる。
【００１６】
上記第１の構成において、前記伝熱体の前記複数の層は、開口率が異なる２つの隣り合う層を含むことができる（第２の構成）。伝熱体の隣り合う２つの層の開口率が異なることにより、それらの２つの層に配置される蓄熱体の体積が異なる。蓄熱体に対する伝熱体の配置の設計自由度が高くなる。その結果、蓄熱機能の確保及び熱伝導効率の向上が両立しやすくなる。
【００１７】
上記第２の構成において、前記伝熱体の前記複数の層は、自層の開口率よりも低い開口率の層に挟まれた層を含むことができる（第３の構成）。開口率が低い層では、層の面内方向（積層方向に垂直な方向）に効率よく熱が伝達される。開口率が高い層では、蓄熱体が占める割合が大きくなる。開口率が高い層を、開口率が低い層で挟むことにより、積層方向及び面内方向へ効率よく熱を伝導することができる。
【００１８】
上記第２又は第３の構成において、開口率が異なる２つの層において、開口率が低い方の層の厚みは、開口率が高い方の層の厚みより薄くすることができる（第４の構成）。この構成により、開口率が低い方の層は、面内方向への熱の伝導をより促進し、開口率が高い方の層は、積層方向への熱の伝導をより促進する。そのため、積層方向及び面内方向への熱の伝導効率がより良好になる。
【００１９】
上記第１〜第４のいずれかの構成において、前記伝熱体の前記複数の層の少なくとも１層は、積層方向に突出する凸部を有することができる（第５の構成）。これにより、前記少なくとも１つの層における凸部が、隣の層に接する構成とすることができる。この場合、凸部を有する層は、凸部が接する隣の層に対して、蓄熱体が液相のときに相対移動可能な状態となる。また、凸部により、伝熱体４の層の間に蓄熱体が配置されるスペースが確保される。そのため、熱の伝導効率がより良好になる。
【００２０】
上記第１〜第５のいずれかの構成において、前記伝熱体の前記複数の層の少なくとも１つの層の側面の少なくとも一部が前記容器に接する構成とすることができる。この場合、前記蓄熱体が液相のときに前記側面の少なくとも一部は、前記容器に対して相対移動可能で接する（第６の構成）。これにより、容器の熱を、伝熱体を介して効率よく蓄熱体に伝導することができる。
【００２１】
上記第１〜第６のいずれかの構成において、前記冷却装置は、前記伝熱体に積層される弾性体又はスペーサを備えることができる（第７の構成）。弾性体又はスペーサにより、伝熱体の複数の層は、積層方向に付勢される。そのため、隣り合う層は、より確実に互いに接するようになる。また、伝熱体の最下層又は最上層が、容器に面している場合、弾性体又はスペーサにより、最下層又は最上層と容器との接触がより確実になる。
【００２２】
上記第７の構成において、前記容器は、貫通孔を有してもよい。この場合、前記弾性体又は前記スペーサが、前記容器に接することで、前記貫通孔が塞がられる構成とすることができる（第８の構成）。容器内に蓄熱体及び伝熱体を収納して組み立てる際に、容器の貫通孔から容器内の気体を外に逃がすことができる。また、組み立て後には、弾性体又はスペーサで貫通孔を塞ぐ状態とすることで容器を密閉することができる。
【００２３】
上記第１〜第７のいずれかの構成において、前記伝熱体の前記複数の層の少なくとも１層は、メッシュ状に形成されてもよい（第９の構成）。伝熱体の層をメッシュ状にすることにより、伝熱体の蓄熱体に接する面積が大きくなる。そのため、熱の伝導効率が向上する。
【００２４】
上記第１〜第９のいずれかの構成の冷却装置と、前記冷却装置に接する半導体素子とを備える半導体装置も、本発明の実施形態に含まれる。
【００２５】
以下、実施形態について図面を参照しつつ説明する。図中同一及び相当する構成については同一の符号を付し、同じ説明を繰り返さない。説明の便宜上、各図において、構成を簡略化又は模式化して示したり、一部の構成を省略して示したりする場合がある。
【００２６】
＜実施形態１＞
図１は、実施形態１における冷却装置１を含む半導体装置の構成例を示す側面断面図である。図１に示す冷却装置１は、容器２と、容器２に封入された蓄熱体３と、容器２内に配置された伝熱体４を備える。伝熱体４は、容器２内で積層される複数の層４１，４２で形成される。蓄熱体３は、伝熱体４の複数の層４１，４２に接する。冷却装置１の容器２の外面は、半導体素子５に接する。
【００２７】
蓄熱体３は、伝熱体４とともに、容器２内に充填される。蓄熱体３は、半導体素子５の発した熱を吸収する。蓄熱体３は、半導体素子５が発熱していない時の半導体装置の雰囲気温度においては、固相である。半導体素子５が発熱し、その熱が、容器２を介して蓄熱体３に伝わると、蓄熱体３の温度が上昇する。蓄熱体３の温度が融点を超えると、蓄熱体３は、固相から液相に相変化、すなわち融解する。蓄熱体３は、相変化の際に、融解熱により、温度が一定のまま吸熱する状態が生じる。このとき、冷却装置は、温度を一定に保ったまま半導体素子５の熱を吸収することができる。そのため、半導体素子５の温度上昇が抑えられる。
【００２８】
このように、蓄熱体３は、半導体素子５から受けた熱を固相から液相への相変化に伴う潜熱として蓄熱する。すなわち、蓄熱体３は、物質の相変化による潜熱により蓄熱する蓄熱材で構成される。蓄熱体３の融点は、例えば、半導体素子５の許容限界温度（例えば、半導体素子５が動作可能な温度の上限）より低い温度とすることができる。また、蓄熱体３の融点は、想定される半導体装置の雰囲気温度の最高値より高い温度とすることができる。
【００２９】
蓄熱体３の材料は、特定のものに限定されないが、例えば、Ｓｎ／Ｚｎ、溶解塩ＮａＯＨ−ＫＯＨ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｃｄなどの合金からなる低融点金属、エリスリトール、キシリトール、又は、パラフィン等を用いることができる。また、蓄熱体３は、例えば、絶縁性を有する材料で形成することができる。
【００３０】
伝熱体４は、蓄熱体３より、熱伝導率が高い材料で形成される。伝熱体４の材料として、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、ステンレス、又は、Ｆｅ等の金属を用いることができる。
【００３１】
伝熱体４の複数の層４１，４２は、容器２内の蓄熱体３に含まれるように積層される。蓄熱体３の内部に伝熱体４の複数の層４１，４２が積層される構成となる。言い換えれば、蓄熱体３は、伝熱体４が配置された容器２内の空間に充填される。例えば、伝熱体４の複数の層４１，４２が積層された容器２内に、蓄熱体３を注ぎ入れ容器を密閉することで、蓄熱体３に浸かった状態で積層される伝熱体３の複数の層４１，４２を形成できる。
【００３２】
上述のように、伝熱体４は、蓄熱体３より、熱伝導率が高い。伝熱体４の複数の層を蓄熱体３の内に積層することで、伝熱体４を介して蓄熱体３に効率よく熱を伝えることができる。熱伝導効率の観点からは、蓄熱体３と伝熱体４が接触する面積は大きい方が好ましい。そのため、例えば、後述するように、伝熱体４の複数の層４１，４２は、貫通孔又は凹部を有する構成とすることができる。複数の層４１，４２の貫通孔又は凹部にも蓄熱体３が接触する。
【００３３】
図１に示す例では、蓄熱体３が固相のとき、伝熱体４の複数の層４１，４２において、隣り合う層は、互いに接している。蓄熱体３が液相のとき、複数の層４１，４２の隣り合う層は、相対移動可能となる。そのため、複数の層４１，４２は、互いに離間及び接触が可能である。すなわち、複数の層４１，４２は、互いに固定されていない。
【００３４】
このように、伝熱体４の複数の層４１，４２を相対移動可能に積層することで、蓄熱体３の相変化によって発生する圧力によって伝熱体４が破損するのを避けることができる。すなわち、伝熱体４の複数の層４１，４２は、蓄熱体３の相変化による圧力を逃がす構造になっている。以下、この理由について説明する。
【００３５】
蓄熱体３が吸熱して液化すると、蓄熱体３の体積が増加する。ここで、蓄熱体の内部に、伝熱体の複数の層を互いに固定して設けた場合、蓄熱体の相変化による圧力で、伝熱体の複数の層において、隣り合う２つの層を固定する部分が破壊され得ることが、発明者によって見出された。伝熱体が破壊されると、蓄熱体３への伝熱効率が低下する。その結果、半導体素子５の放熱効率が低下する。
【００３６】
これに対して、本実施形態のように、伝熱体４の複数の層４１、４２を互いに固定しないで積層することができる。これにより、蓄熱体３の相変化による圧力によって隣り合う２つの層を固定する部分が破損する可能性が低くなる。すなわち、伝熱体４は、蓄熱体３の相変化によって破壊されにくくなる。そのため、伝熱体４の設計自由度が高くなる。例えば、伝熱体４の体積増加を抑えつつも高い熱伝導効率を実現できるような構成が可能になる。
【００３７】
伝熱体４の各層４１，４２は、板状である。図１に示す例では、伝熱体４は、容器２の内面であって半導体素子５が接する面の裏側（反対側）の面に接する。このように、発熱体が接する容器２の面の裏面に伝熱体４を接触させることで、発熱体からの熱を、容器２及び伝熱体４を介して、効率よく蓄熱体３に伝導することができる。
【００３８】
図１に示す蓄熱体３では、厚みの異なる層４１，４２が交互に積層される。すなわち、第１の厚みｔ１を有する層４１と、第２の厚みｔ２を有する層４２とが、互いに接して積層される。
【００３９】
図２は、図１に示す層４１の構成例を示す平面図である。図３は、図１に示す層４２の１つを取り出して上（積層方向）から見た場合の構成例を示す平面図である。図２及び図３は、層４１及び４２それぞれの単一の層を取り出して積層方向（上）から見た形状を示している。なお、図１に示す複数の層４１は、いずれも同じ形状とすることができる。同様に、図１に示す複数の層４２は、いずれも同じ形状とすることができる。図１に示す層４１は、図２のＡ−Ａ線における断面を示している。図１に示す層４２は、図２のＢ―Ｂ線における断面を示している。
【００４０】
図２及び図３に示す例では、隣り合う２つの層４１，４２は、積層方向から見た形状も異なっている。このように、隣り合う２つの層４１，４２の積層方向から見た形状を異ならせることで、隣り合う２つの層４１，４２が接触する部分を減らすことができる。すなわち、伝熱体４の層４１，４２が蓄熱体３と接する部分を増やすことができる。
【００４１】
図２に示す例では、伝熱体４の層４１は、マトリクス状に配置された貫通孔４１ａを有する。この例では、貫通孔４１ａは、矩形である。層４１は、格子状であり、これは、メッシュ状の一例である。この形状により、層４１を介して、蓄熱体３の面内方向へ効率よく熱が伝導される。貫通孔４１ａは、蓄熱材３で満たされる。すなわち、貫通孔４１ａの内面は、蓄熱材３に接する。また、層４１の上面と下面において、隣の層４２と接していない部分は、蓄熱材３に接する。
【００４２】
図３に示す例では、伝熱体４の層４２は、マトリクス状に配置された貫通孔４２ａを有する。貫通孔４２ａは、蓄熱材３で満たされる。すなわち、貫通孔４２ａの内面は、蓄熱材３に接する。また、層４２の上面と下面において、隣の層４１と接していない部分は、蓄熱材３に接する。積層方向から見て、層４２の貫通孔４２ａは、層４１の貫通孔４１ａより大きい。また、層４２の貫通孔４２ａ間の距離Ｗ２は、層４１の貫通孔４１ａ間の距離Ｗ１より長い。
【００４３】
このように、本例では、厚みが薄くて、比較的小さな貫通孔４１ａを有する層４１と、厚みが厚く、比較的大きな貫通孔４２ａを有する層４２とが隣り合うように積層される。層４１は、単位体積当たりの伝熱体４との接触面積が、層４２に比べて大きい。そのため、層４１は、伝熱体４１から蓄熱材３への熱を伝えやすい。そのため、層４１は、層４２に比べて、面内方向における熱伝導効率が高い。層４２は、貫通孔４２ａ間の距離Ｗ２が大きい（幅が広い）。そのため、伝熱体４１の内部を熱が伝わりやすい。また、層４２は、隣の層に熱を伝えやすい。すなわち、層４２は、層４１に比べて、積層方法（層の厚み方向）における熱伝導効率が高い。層４１と層４２を隣り合うように積層することで、蓄熱体３内で、積層方向と面内方向の双方において、効率よく熱を伝導することができる。
【００４４】
図１に示す例では、容器２は、半導体素子５に接する面を持つ容器２２と、この容器２２の開口を覆う容器２１を含む。蓄熱体３及び伝熱体４は、容器２１及び容器２２に挟まれるように封入される。容器２１と容器２２は、伝熱体４の複数の層４１，４２の積層方向において互いに対向している。すなわち、容器２１と容器２２は、伝熱体４の複数の層４１，４２を積層方向に圧縮するように伝熱体４を挟む。伝熱体４の最上層は、容器２１の内面に接し、伝熱体４の最下層は、容器２２の内面に接する。伝熱体４の複数の層４１，４２は、容器２１，２２からの圧力を受けて互いに接している。これにより、複数の層４１，４２の積層方向における熱伝導効率が高くなる。
【００４５】
容器２２には、組み立て時に容器２内の気体を逃がすための空気孔（図示せず）が設けられる。この容器２２の空気孔は、例えば、伝熱体４又はスペーサ（図示せず）により塞がれる。
【００４６】
＜実施形態２＞
図４は、実施形態２における冷却装置１１を含む半導体装置の構成例を示す側面断面図である。図４に示す冷却装置１は、伝熱体４の層４２の形状が、実施形態１の層４２と異なる。図４に示す層４２の開口率は、隣の層４１の開口率より高くなっている。すなわち、伝熱体４は、開口率が異なる２つの隣り合う層４１，４２を含む。ここで、開口率は、各層における容器２内の断面積全体に対する蓄熱材３が占める部分の断面積の割合とする。
【００４７】
実施形態２においても、実施形態１と同様に、伝熱体４は、容器２内で積層される複数の層４１，４２で形成される。蓄熱体３は、伝熱体４の複数の層４１，４２に接するように容器２内に封入される。また、蓄熱体３が液相のとき、複数の層４１，４２の隣り合う層は、相対移動可能となる。
【００４８】
実施形態２では、層４２の開口率を変えることができる。同様に、層４１の開口率も必要に応じて変えることができる。層４１，４２の開口率は、例えば、冷却装置１１に要求される冷却性能や装置のサイズ等に応じて設計することができる。一例として、蓄熱体３に蓄積できる熱量は、容器２内の蓄熱体３の量によって決まる。そこで、伝熱体４の一部の層の開口率を高くすることで、容器２内に充填できる蓄熱体３の量を増やすことができる。
【００４９】
図４に示す例では、層４２は、自層４２よりも開口率が低い層４１に挟まれて配置される。すなわち、層４２と隣り合う上下の層４１の開口率は、層４２の開口率より低い。さらに言い換えれば、２つの層４１の間に、これら２つの層４１よりも開口率が高い層４２が配置される。例えば、開口率が低い層４２では、面内方向に効率よく熱を伝導できる。開口率が高い層４２では、蓄熱体３の体積を増やすことができる。開口率が低い層４２と開口率が高い層４２を隣同士に配置することで、冷却装置１１全体としての熱伝導効率と蓄熱能力の双方を確保できる層構成が可能になる。
【００５０】
また、層４１の厚みｔ１は、層４２の厚みｔ２より薄い。すなわち、開口率が異なる２つの層４１，４２において、開口率が低い方の層４１の厚みｔ１が、開口率が高い方の層４２の厚みより薄い。例えば、厚みが厚く、積層方向に効率よく伝導する層と、開口率が低く面内方向に効率よく熱を伝導できる層とが互いに隣り合うように配置することができる。これにより、蓄熱体３の全体に効率よく熱を伝導することができる。
【００５１】
一例として、層４１の厚みｔ１を１ｍｍ以下とし、層４２の厚みｔ２を５ｍｍ以下とすることができる。層４１，４２の厚みｔ１，ｔ２の下限値は、特に限定されないが、例えば、０．１ｍｍ程度とすることができる。
【００５２】
図５は、図４に示す層４２を含む平面断面（Ａ−Ａ線断面図）である。図５に示す例では、伝熱体４の層４２は、１つの貫通孔４２ａを有する。層４２は、平面視で、単一の貫通孔を有する矩形形状に形成される。なお、層４２の形状は、図５に限られない。層４２は、例えば、環状であってもよいし、複数の貫通孔を有する形状であってもよい。
【００５３】
ここで、ある層の開口率は、容器２内において蓄熱体３中に配置された伝熱体４の層を積層方向から見た場合に、容器２内の断面積に対して蓄熱体３が占める部分の断面積の割合とすることができる。例えば、図５に示す例の場合、積層方向から見た伝熱体４の層４２が占める面積Ｓ４２と蓄熱体３が占める面積Ｓ３の和に対する蓄熱体３の面積Ｓ３の割合（Ｓ３／（Ｓ４２＋Ｓ３））を、その層４２の開口率とすることができる。
【００５４】
図６は、図４に示す層４１を含む平面断面図（Ｂ−Ｂ線断面図）である。図６に示す例では、伝熱体４の層４１は、図２と同様の形状を有する。図６に示す層４１の開口率は、積層方向から見た層４１と蓄熱体３の合計面積（Ｓ４１＋Ｓ３）に対する蓄熱体３の面積Ｓ３の割合（Ｓ３／（Ｓ４１＋Ｓ３））とすることができる。図６に示す層４１の開口率は、図５に示す層４２の開口率よりも低くなっている。すなわち、
（Ｓ３／（Ｓ４２＋Ｓ３））＞（Ｓ３／（Ｓ４１＋Ｓ３））
となっている。
【００５５】
なお、層４１と層４２は、異なる材料で形成されてもよい。例えば、層４１は、精密な構造を作成しやすい金属で形成し、層４２は、コスト又は熱伝導率において優れた金属で形成することができる。例えば、メッシュ状の層４１は、ステンレス、又はＦｅ等の金属で形成し、層４２は、熱伝導率の高いＣｕ、Ａｌ等の金属で形成することができる。これにより、低コストで、精密構造を含む伝熱体４を形成することができる。
【００５６】
＜実施形態３＞
図７は、実施形態３における冷却装置１２を含む半導体装置の構成例を示す側面断面図である。図７に示す冷却装置１は、伝熱体４の層４３の形状が、実施形態１及び２とは異なる。伝熱体４の層４３は、伝熱体４の複数の層４３は、積層方向に突出する凸部４３ａを有する。各層４３の凸部４３は、隣の層４３に接する。
【００５７】
実施形態３においても、実施形態１と同様に、伝熱体４は、容器２内で積層される複数の層４３で形成される。蓄熱体３は、伝熱体４の複数の層４３に接するように容器２内に封入される。また、蓄熱体３が液相のとき、複数の層４３の隣り合う層は、相対移動可能となる。そのため、蓄熱体３の層変化による圧力がかかっても、伝熱体４は破壊されにくい。
【００５８】
また、各層４３が凸部４３を有することで、各層４３間に隙間ができる。これにより、蓄熱体３が各層４３の間に充填される。そのため、容器２内の蓄熱体３の量を多くすることができる。また、凸部４３を通じて、積層方向に熱が伝導する。そのため、積層方向及び面内方向の双方において、効率良く熱を伝導することが可能になる。
【００５９】
図７に示す例では、隣り合う２層の凸部は、積層方向から見て互いに重ならない位置に配置される。これにより、積層方向における熱の伝導経路を重ならないようにできる。そのため、蓄熱体３の全体に効率よく熱を伝導することができる。
【００６０】
なお、図７に示す例では、伝熱体４の全ての層４３が凸部を有する構成であるが、複数の層のうち一部の層が凸部を有する構成であってもよい。例えば、上記実施形態１、２におけるメッシュ状の層４１と、凸部を有する層４３が隣り合うように、積層されてもよい。
【００６１】
凸部を有する層４３は、例えば、金属板をエンボス加工することにより形成することができる。
【００６２】
＜実施形態４＞
図８は、実施形態４における冷却装置１３を含む半導体装置の構成例を示す断面図である。図８に示す冷却装置１３は、図４に示す冷却装置１１に、弾性体６を追加した構成である。すなわち、伝熱体４の複数の層４１，４２に、弾性体６がさらに積層される。弾性体６により、伝熱体４の複数の層４１，４２は、積層方向に付勢される。すなわち、複数の層４１，４２を積層方向に圧縮する方向に力が加わる。これにより、複数の層４１，４２における隣り合う２つの層４１，４２をより確実に接触させることができる。
【００６３】
実施形態４においても、実施形態１と同様に、伝熱体４は、容器２内で積層される複数の層４１，４２で形成される。蓄熱体３は、伝熱体４の複数の層４１，４２に接するように容器２内に封入される。また、蓄熱体３が液相のとき、複数の層４１，４２の隣り合う層は、相対移動可能となる。
【００６４】
図８に示す例では、弾性体６は、容器２の壁のうち、半導体素子５が配置される壁に対向する壁（反対側の壁）の内面と、伝熱体４との間に配置される。これにより、容器２の内面すなわち半導体素子５が配置される面の裏面に、伝熱体４を接触させることができる。また、伝熱体４の最上層と、容器２の内面とは、弾性体６を介して接触する。
【００６５】
図８に示す例では、容器２１は、空気孔２１ａを有する。弾性体６が、容器２１の空気孔２１ａを塞いでいる。空気孔２１ａは、例えば、組み立て時に容器２内の気体を容器の外へ逃がすために設けられる。空気孔２１ａは、組み立て時に、弾性体６で塞がれる。
【００６６】
なお、弾性体６の代わりに、弾性を略有しないスペーサを、伝熱体４に積層することができる。スペーサによって、伝熱体４の複数の層の接触及び、伝熱体４と容器２との接触を確実にすることができる。また、スペーサによって空気孔２１ａを塞ぐこともできる。
【００６７】
また、弾性体６の配置は、図８に示す例の他、伝熱体４の任意の層に弾性体６を配置することができる。例えば、図９に示すように、伝熱体４の複数の層４１，４２の間に、弾性体６が配置されてもよい。
【００６８】
本例と同様に、図１、図７に示す構成においても、弾性体６を伝熱体４に積層することができる。
【００６９】
＜実施形態５＞
図１０は、実施形態５における冷却装置１４を含む半導体装置の構成例を示す側面断面図である。図１０に示す冷却装置１４は、図８に示す冷却装置１３において、伝熱体４の層４１，４２の側面が容器２に接するようにした構成である。容器２に接する層４１，４２の側面は、容器２に対して相対移動可能である。すなわち、蓄熱体３が液相のとき、容器２に接する層４１，４２の側面は、容器２に対して、相対移動可能となる。このように、伝熱体４の層の側面を容器２に相対移動可能に接することで、熱伝導効率を高めながらも、伝熱体４は蓄熱体３の相変化に対して破壊しにくい構成とすることができる。
【００７０】
容器２を構成する部材のうち、半導体素子５と接する板を底部とし、底部に対向する板を頂部、底部及び頂部の間に接続される板を側壁とする。図１０に示す例では、容器２の側壁に、伝熱体４の各層４１，４２の側面が接する。これにより、半導体素子５が接する容器２の底部から容器２の側壁及び伝熱体４を介して、蓄熱体３に熱が伝導される。そのため、底部から離れた位置の蓄熱体３にも素早く熱が伝わる。
【００７１】
実施形態５においても、実施形態１と同様に、伝熱体４は、容器２内で積層される複数の層４１，４２で形成される。蓄熱体３は、伝熱体４の複数の層４１，４２に接するように容器２内に封入される。また、蓄熱体３が液相のとき、複数の層４１，４２の隣り合う層は、相対移動可能となる。
【００７２】
なお、各層４１，４２の側面の一部が容器２に接してもよいし、側面の全部が容器２に接してもよい。また、複数の層４１，４２のうち一部の層の側面が容器２に接する構成であってもよい。また、図１、図４、図７に示す冷却装置１，１１，１２においても、伝熱体４の側面が容器２に接するよう構成することができる。
【００７３】
＜変形例＞
図１に示す伝熱体４は、厚み及び形状の異なる層４１，４２が交互に積層される構成である。これに対して、厚み及び形状が同じ複数の層で、伝熱体４を構成することもできる。この場合も、複数の層を相対移動可能に、積層することができる。
【００７４】
また、上記例では、伝熱体４の複数の層において、全ての隣り合う２つの層が相対移動可能となっている。これに対して、伝熱体４の複数の層のうち一部の隣り合う層を相対移動可能とすることができる。すなわち、伝熱体４の複数の層の少なくとも１組の隣り合う層を相対移動可能に構成することで、蓄熱体３の相変化による圧力に対する伝熱体４の強度を向上させることができる。
【００７５】
隣り合う２つの層の相対移動の形態としては、例えば、隣り合う２つの層の積層方向に垂直な方向（面内方向）における相対位置が変化する場合、すなわち２つの層がずれる場合が挙げられる。また、積層方向における２つの層の相対位置の変化、及び、積層方向及び面内方向における２つの層の相対位置の変化も、隣り合う２つの層の相対移動の例に含まれる。相対移動の態様は特定のものに限られない。
【００７６】
例えば、図１，図４，図７，図８，図９，図１０に示す構成の場合、伝熱体４の隣り合う２つの層は、面内方向における相対位置が変化する相対移動が可能である。図１，図４，図７のように、伝熱体４に、スペーサ又は弾性体が積層されない構成の場合、隣り合う２つの伝熱体４の層は、面内方向及び積層方向のいずれにおいても相対位置の変化が可能である。図８，図９，図１０のように、スペーサ又は弾性体が伝熱体４に積層される構成においても、スペーサのサイズや弾性体の弾性係数によって、隣り合う２つの層の積層方向における相対位置の変化を可能にすることができる。
【００７７】
伝熱体４の各層の形状は、上記例に限られず、任意の形状とすることができる。例えば、伝熱体４の層を、金属板、金網、又は孔を有しない形状等にすることができる。
【００７８】
図７に示す例では、容器２内に、蓄熱体３も伝熱体４もいずれも存在しない空間が存在する。このように、容器２内に空間を設けることで、蓄熱体３の相変化によって伝熱体４にかかる力を軽減することができる。なお、図１、図４に示す構成においても、図７と同様に、容器２内に空間を設けてもよい。
【００７９】
図７では、伝熱体４の複数の層のうち最上層は、容器２１に接していない。このように、伝熱体４の最上層又は／及び最下層が容器２１に接しない構成とすることもできる。
【００８０】
上記例では、半導体素子５は、例えば、容器２の底部に配置されるが、半導体素子５は、容器２の他の任意の部分に配置することができる。また、半導体素子５を容器２の内部に配置することもできる。
【００８１】
＜半導体素子＞
上記実施形態１〜５における半導体素子５は、例えば、トランジスタ、ダイオード又はこれらを含む半導体チップとすることができる。半導体素子５は、対向する２面のうち片面に電極部を有する横型半導体素子、又は、対向する２面両面に電極部を有する縦型半導体素子のいずれであってもよい。
【００８２】
上記の実施形態１〜５のように、容器２の外側に半導体素子５を配置する形態は、例えば、横型半導体素子に好適に適用できる。横型半導体素子は、電極部が設けられる面は，熱抵抗が大きくなる場合がある。そのような場合、電極部の面の反対側の面に、上記の冷却装置１、１１〜１４等を配置することで、電極部の面の反対側の面へ放熱することができる。なお、縦型半導体の場合は、例えば、縦型半導体の電極部を有する２面のうち一方の面を基板に向けて配置し、他方の面すなわち基板と反対側の面に、容器２を配置することができる。
【００８３】
＜適用例＞
冷却装置１、１１〜１４は、一例として、モータを制御するインバータのスイッチング素子を構成する半導体素子の冷却装置に適用することができる。例えば、インバータのブリッジ回路の上アーム及び下アームのスイッチング素子（トランジスタ）を、冷却装置１、１１〜１４が接する半導体素子５とすることができる。この場合、半導体素子５及び冷却装置１、１１〜１４を含む半導体装置によりインバータを構成することができる。
【００８４】
インバータのスイッチング素子は、短時間で急激に発熱する。その対策として、従来、高負荷状態におけるスイッチング素子の発熱を、アルミヒートシンクにて吸収する構成が採られていた。例えば、電動パワースステアリング（ＥＰＳ）において、操舵系の回転をアシストするトルクを出力するモータが設けられる。このモータを制御するインバータのスイッチング素子の駆動期間における発熱を全てヒートシンクで吸収する必要がある。そのため、ヒートシンクのサイズが大きくなる。
【００８５】
これに対して、本実施形態１〜５の冷却装置１、１１〜１４によれば、装置の複雑化及び大型化を避けつつ、熱伝導効率と蓄熱性能を向上させることができる。そのため、コストの増加を抑えつつ、熱伝導効率と蓄熱性能を向上させることが可能になる。上記の冷却装置１、１〜１４をインバータのスイッチング素子に配置することにより、モータの制御部（例えば、ＥＣＵ）の小型化及び軽量化が可能になる。そのため、冷却装置１，１１〜１４は、ＥＰＳのモータを制御するインバータに好適に用いられる。冷却装置１，１１〜１４を含むインバータを備えるＥＰＳも、本発明の実施形態に含まれる。
【００８６】
なお、本発明の冷却装置は、インバータのスイッチング素子の冷却に限られない。その他の任意の半導体素子の冷却に、本発明の冷却装置を用いることができる。
【符号の説明】
【００８７】
１，１１，１２，１３，１４：冷却装置、２：容器、３：蓄熱体、４：伝熱体、５：半導体素子、６：弾性体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2017199853.tif 000007
【図６】
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【図７】
2017199853.tif 000009
【図８】
2017199853.tif 000010
【図９】
2017199853.tif 000011
【図１０】
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