(57)【要約】【課題】冷却用流体が充填される空間を容易に形成でき、電子部品を良好に冷却できる冷却器およびその製造方法を提供する。【解決手段】冷却器１は、ベースプレート５ａと、ベースプレート５ａ上に積層配置された複数枚の積層プレート５ｂとを含む積層構造体６を有している。複数枚の積層プレート５ｂは、複数の貫通孔９をそれぞれ有しており、平面視で複数の貫通孔９同士が互いに重なり合うようにベースプレート５ａ上に積層配置されている。積層構造体６において、複数枚の積層プレート５ｂの積層方向に連通する複数の貫通孔９によって形成された複数の空間１４には、潜熱蓄熱材７が充填されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品を冷却するための冷却器であって、
ベースプレートと、それぞれが複数の貫通孔を有し、平面視で前記複数の貫通孔同士が互いに重なり合うように前記ベースプレート上に積層配置された複数枚の積層プレートとを含む積層構造体と、
前記積層構造体において、前記複数枚の積層プレートの積層方向に連通する前記複数の貫通孔によって形成された複数の空間に充填された冷却用流体とを含む、冷却器。
【請求項２】
前記冷却用流体が充填された前記複数の空間を閉塞するように前記積層構造体に圧入嵌合された金属製の蓋部材をさらに含む、請求項１に記載の冷却器。
【請求項３】
各前記積層プレートは、円板状に形成されており、前記円板状の径方向に沿って延びる平面視帯状の第１領域と、前記第１領域と交差するように前記円板状の径方向に沿って延びる平面視帯状の第２領域とを含み、
各前記積層プレートにおいて、前記複数の貫通孔は、前記第１領域および前記第２領域以外の領域に選択的に形成されている、請求項２に記載の冷却器。
【請求項４】
前記複数枚の積層プレートは、当該複数枚の積層プレートの前記第１領域同士が互いに接続され、かつ、当該複数枚の積層プレートの前記第２領域同士が互いに接続されるように積層されている、請求項３に記載の冷却器。
【請求項５】
電子部品を冷却するための冷却器の製造方法であって、
積層プレートに複数の貫通孔を選択的に形成する貫通孔形成工程と、
前記複数の貫通孔が形成された複数枚の前記積層プレートを、平面視で前記複数の貫通孔同士が互いに重なり合うようにベースプレート上に積層することによって積層構造体を形成する工程と、
前記積層構造体において、前記複数枚の積層プレートの積層方向に連通する前記複数の貫通孔によって形成された複数の空間に冷却用流体を充填する工程とを含み、
前記貫通孔形成工程は、エッチングによって前記複数の貫通孔を形成する工程を含む、冷却器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品を冷却するための冷却器およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、電子部品を冷却するための冷却器の一例としてのヒートシンクが開示されている。このヒートシンクは、その内部に、冷却用流体が充填される複数の流路（空間）が形成された１つの金属体からなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１８３１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
金属体に形成された空間内に冷却用流体が充填される構造では、当該冷却用流体と金属体との接触面積を大きくするため、金属体内に複数の空間を形成する必要がある。しかし、特許文献１に開示されているように、冷却器が１つの金属体からなる場合では、当該金属体の厚さ方向に比較的深い複数の空間を作り込まなければならないため、製造が容易でない。
【０００５】
そこで、本発明は、冷却用流体が充填される空間を容易に形成でき、電子部品を良好に冷却できる冷却器およびその製造方法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】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、電子部品（４）を冷却するための冷却器（１）であって、ベースプレート（５ａ）と、それぞれが複数の貫通孔（９）を有し、平面視で前記複数の貫通孔同士が互いに重なり合うように前記ベースプレート上に積層配置された複数枚の積層プレート（５ｂ）とを含む積層構造体（６）と、前記積層構造体において、前記複数枚の積層プレートの積層方向に連通する前記複数の貫通孔によって形成された複数の空間（１４）に充填された冷却用流体（７）とを含む、冷却器（１）である。なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表すが、むろん、この発明の範囲は当該実施形態に限定されない。以下、この項において同じ。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、前記冷却用流体が充填された前記複数の空間を閉塞するように前記積層構造体に圧入嵌合された金属製の蓋部材（８）をさらに含む、請求項１に記載の冷却器である。
請求項３に記載の発明は、各前記積層プレートは、円板状に形成されており、前記円板状の径方向に沿って延びる平面視帯状の第１領域（１１）と、前記第１領域と交差するように前記円板状の径方向に沿って延びる平面視帯状の第２領域（１２）とを含み、各前記積層プレートにおいて、前記複数の貫通孔は、前記第１領域および前記第２領域以外の領域（Ａ１、Ａ２，Ａ３，Ａ４）に選択的に形成されている、請求項２に記載の冷却器である。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、前記複数枚の積層プレートは、当該複数枚の積層プレートの前記第１領域同士が互いに接続され、かつ、当該複数枚の積層プレートの前記第２領域同士が互いに接続されるように積層されている、請求項３に記載の冷却器である。
請求項５に記載の発明は、電子部品（４）を冷却するための冷却器（１）の製造方法であって、積層プレート（５ｂ）に複数の貫通孔（９）を選択的に形成する貫通孔形成工程（Ｓ１）と、前記複数の貫通孔が形成された複数枚の前記積層プレートを、平面視で前記複数の貫通孔同士が互いに重なり合うようにベースプレート（５ａ）上に積層することによって積層構造体（６）を形成する工程（Ｓ２）と、前記積層構造体において、前記複数枚の積層プレートの積層方向に連通する前記複数の貫通孔によって形成された複数の空間（１４）に冷却用流体（７）を充填する工程（Ｓ３）とを含み、前記貫通孔形成工程は、エッチングによって前記複数の貫通孔を形成する工程を含む、冷却器（１）の製造方法である。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、積層構造体に形成された複数の空間に冷却用流体が充填された構成を有している。これにより、電子部品で生じた熱を、積層構造体を介して冷却用流体によって吸収させることができるから、電子部品で生じた熱を効率良く放熱できる。よって、電子部品を良好に冷却できる。
また、請求項１に記載の発明では、１つの金属体からなる冷却器と同等の厚さの冷却器を製造する場合を想定すると、当該金属体よりも薄い複数枚の積層プレートを積層させた構造となるから、１枚当たりの積層プレートの加工が容易となる。したがって、積層プレートに複数の貫通孔を容易に形成できる。そして、これら複数の貫通孔が積層方向に連通するように複数枚の積層プレートを積層配置することによって、冷却用流体が充填される複数の空間を形成できるので、１つの金属体に対して複数の空間を形成する場合に比べて、当該空間の形成が容易である。よって、冷却用流体が充填される空間を容易に形成でき、電子部品を良好に冷却できる冷却器を提供できる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、複数の空間を閉塞する蓋部材を備えているので、積層構造内に冷却用流体を良好に封入できる。よって、電子部品で生じた熱を冷却用流体によって良好に吸収させることができる。
請求項３に記載の発明では、互いに交差するように径方向に沿って延びる平面視帯状の第１部分および第２部分によって、各積層プレートが縮径するのを抑制できる。これにより、積層構造体が蓋部材に圧入される際に、当該積層構造体が縮径するのを良好に抑制できる。よって、蓋部材への圧入前後において積層構造内に冷却用流体が封入された状態を良好に維持できる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、各積層プレートの第１部分同士が積層方向に互いに接続され、かつ各積層プレートの第２部分同士が積層方向に互いに接続されているので、径方向に対する積層構造体の強度をより一層高めることができる。
請求項５に記載の発明によれば、請求項１において述べた効果と同様の効果を奏することのできる冷却器を製造し、提供できる。また、貫通孔を形成する手段としてエッチングを選択することにより、ドリル加工、ワイヤカット加工、放電加工等のエッチング以外の加工法によって貫通孔を形成する場合に比べて、平面視形状が複雑な貫通孔を容易に形成できる。また、エッチング以外の加工法によって貫通孔を積層プレートに形成する場合に比べて、積層プレートの材質強度による制限を緩和できるから、複数の貫通孔間の距離を良好に狭めることができる。よって、冷却用流体が充填される空間の容積を良好に増加させることができると共に、冷却用流体と積層構造体（積層プレート）との接触面積を良好に増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る冷却器が適用された回路モジュールの模式的な断面図である。
【図２】図２は、積層構造体のみを示す模式的な分解斜視図である。
【図３】図３は、図１の冷却器の製造方法の一例を示す工程図である。
【図４】図４は、積層プレートの一変形例を示す模式的な平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下では、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る冷却器１が適用された回路モジュール１０１の模式的な断面図である。図２は、後述する積層構造体６のみを示す模式的な分解斜視図である。
図１を参照して、回路モジュール１０１は、冷却器１と、冷却器１に接合された絶縁基板３と、絶縁基板３に接合された半導体スイッチング素子４（電子部品）とを含む。冷却器１は、半導体スイッチング素子４で生じた熱を吸収することによって、当該半導体スイッチング素子４を冷却する。
【００１４】
冷却器１は、複数枚のプレート５ａ，５ｂが積層配置された積層構造体６と、積層構造体６内に封入された潜熱蓄熱材７（冷却用流体）と、積層構造体６を収容する蓋部材８とを含む。なお、図１および図２では、説明の便宜上、６枚のプレート５ａ，５ｂが積層配置された構成を示しているが、積層構造体６は、実際には、３０枚〜５０枚程度のプレート５ａ，５ｂが積層された構成とされる。むろん、プレート５ａ，５ｂの枚数は、これに限定されるものではなく、積層構造体６は、３０枚以下または５０枚以上のプレート５ａ，５ｂを含んでいてもよい。
【００１５】
複数枚のプレート５ａ，５ｂは、いずれも厚さが０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下（本実施形態では０．５ｍｍ程度）の金属製（たとえば銅製）の薄板からなり、固相接合によって一体化されている。これらの複数枚のプレート５ａ，５ｂには、積層構造体６の底部を形成するベースプレート５ａと、当該ベースプレート５ａ上に積層配置された複数枚の積層プレート５ｂとが含まれる。
【００１６】
図２を参照して、ベースプレート５ａは、平坦な円板状に形成されており、複数枚の積層プレート５ｂは、いずれもベースプレート５ａとほぼ同一径の円板状に形成されている。複数枚の積層プレート５ｂは、複数の貫通孔９を有しており、平面視で複数の貫通孔９同士が互いに重なり合うようにベースプレート５ａ上に積層配置されている。
より具体的には、複数枚の積層プレート５ｂは、いずれもほぼ等しい平面視形状に形成されており、径方向に沿って延びる平面視帯状の第１領域１１と、第１領域１１と交差（本実施形態では直交）するように径方向に沿って延びる平面視帯状の第２領域１２と、第１領域１１の端部および第２領域１２の端部同士を連結するように周方向に沿って延び、当該積層プレート５ｂの外周縁を形成する円環状の連結領域１３とを含む。なお、「径方向」および「周方向」とは、円板状の積層プレート５ｂの径方向および周方向を意味する。第１領域１１および第２領域１２は、各積層プレート５ｂの中央部において互いに交差（直交）しており、これら第１領域１１および第２領域１２によって、各積層プレート５ｂに十字形状の領域が形成されている。
【００１７】
複数の貫通孔９は、第１領域１１および第２領域１２以外の領域に選択的に形成されている。より具体的には、複数の貫通孔９は、第１領域１１、第２領域１２および連結領域１３によって区画された４つの領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４内に形成されている。複数の貫通孔９は、本実施形態では、前記４つの領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４内のそれぞれにおいて、第２領域１２に沿って延びるストライプ状に形成されている。
【００１８】
複数枚の積層プレート５ｂは、それらの平面視形状が互いに整合する態様でベースプレート５ａ上に積層配置されている。より具体的には、複数枚の積層プレート５ｂは、平面視で貫通孔９同士が互いに重なり合うように積層されている。また、複数枚の積層プレート５ｂは、それらの第１領域１１同士が積層方向に互いに接続され、かつ、それらの第２領域１２同士が積層方向に互いに接続されるように積層されている。このようにして、積層構造体６には、積層方向に連通する複数の貫通孔９によって複数の凹状の空間１４が形成されている。これら複数の空間１４は、複数の貫通孔９の平面視形状に整合する平面視形状を有しており、当該複数の空間１４の底部には、ベースプレート５ａが露出している。
【００１９】
図１を参照して、潜熱蓄熱材７は、積層構造体６に形成された複数の空間１４のそれぞれに充填されている。潜熱蓄熱材７としては、たとえばエリスリトール、パラフィン等が用いられる。粘度を上げるため、増粘材がエリスリトール、パラフィン等に加えられたものが潜熱蓄熱材７として用いられていてもよい。
蓋部材８は、潜熱蓄熱材７が充填された複数の空間１４を閉塞するように積層構造体６に圧入嵌合されている。より具体的には、蓋部材８は、金属製（たとえば銅製）の部材からなり、複数の空間１４を閉塞する円板状の底壁部８ａと、積層構造体６の側面に沿って底壁部８ａの周縁からベースプレート５ａ側に向けて延びる円筒状の側壁部８ｂとを含む。蓋部材８の側壁部８ｂは、全ての積層プレート５ｂの側面を被覆していると共に、ベースプレート５ａの側面も被覆している。
【００２０】
絶縁基板３は、冷却器１の蓋部材８上に配置されており、当該蓋部材８に対向する一方表面３ａと、その反対側の他方表面３ｂとを含む。絶縁基板３の一方表面３ａには、第１金属膜２１が選択的に形成されており、絶縁基板３の他方表面３ｂには、第２金属膜２２が選択的に形成されている。絶縁基板３の一方表面３ａ側に形成された第１金属膜２１は、たとえば金属製の第１接合材２３を介して冷却器１の蓋部材８に接合されている。
【００２１】
半導体スイッチング素子４は、本実施形態では、複数の電極が設けられた電極面４ａと、その反対面であり、いずれの電極も形成されていない非電極面４ｂとを有する、いわゆる横型のＦＥＴ（Field effect transistor：電界効果トランジスタ）である。半導体スイッチング素子４の非電極面４ｂは、たとえば金属製の第２接合材２４を介して絶縁基板３の他方表面３ｂ側に形成された第２金属膜２２に接合されている。これにより、半導体スイッチング素子４は、非電極面４ｂを絶縁基板３の他方表面３ｂに対向させた状態で当該絶縁基板３に接合されている。また、これにより、半導体スイッチング素子４は、絶縁基板３を介して冷却器１に熱的に接続されている。
【００２２】
次に、図３を参照して、冷却器１の製造方法の一例について説明する。
冷却器１を製造するに当たり、まず、積層プレート５ｂに貫通孔９が選択的に形成される（図３のステップＳ１）。より具体的には、貫通孔９を形成するに当たり、まず、当該貫通孔９を形成すべき領域を露出させる開口を選択的に有するマスクが積層プレート５ｂの表面に形成される。次いで、当該マスクを介するエッチングにより、積層プレート５ｂの不要な部分が除去される。これにより、第１領域１１、第２領域１２および連結領域１３を有し、それらの領域外の領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４に複数の貫通孔９が選択的に形成された積層プレート５ｂが形成される。
【００２３】
次いで、ステップＳ１の工程を経て複数の貫通孔９が形成された複数枚の積層プレート５ｂが、貫通孔９を有さない平坦なベースプレート５ａ上に積層されて、積層構造体６が形成される（図３のステップＳ２）。ベースプレート５ａおよび積層プレート５ｂ、ならびに積層方向に対向する複数枚の積層プレート５ｂは、いずれも固相接合法によって互いに固相接合される。複数枚の積層プレート５ｂは、平面視で貫通孔９同士が互いに重なり合うように積層される。また、複数枚の積層プレート５ｂは、それらの第１領域１１同士が積層方向に互いに接続され、かつ、それらの第２領域１２同士が積層方向に互いに接続されるように積層される。
【００２４】
次いで、複数枚の積層プレート５ｂの積層方向に連通する複数の貫通孔９によって形成された空間１４に、潜熱蓄熱材７が充填される（図３のステップＳ３）。
次いで、円板状の底壁部８ａと、底壁部８ａの周縁に立設された円筒状の側壁部８ｂとを含む蓋部材８が、潜熱蓄熱材７が充填された複数の空間１４を閉塞するように積層構造体６に圧入嵌合される（図３のステップＳ４）。このようにして、冷却器１が製造される。その後、半導体スイッチング素子４が実装された前述の絶縁基板３を所定の態様で冷却器１の蓋部材８に接合することによって、回路モジュール１０１を製造してもよい。
【００２５】
以上、本実施形態の冷却器１は、積層構造体６に形成された複数の空間１４に潜熱蓄熱材７が充填された構成を有している。したがって、半導体スイッチング素子４で生じた熱は、蓋部材８を介して積層構造体６に伝達される。積層構造体６に伝達された熱は、潜熱蓄熱材７が融解することによって、当該潜熱蓄熱材７によって吸収される。積層構造体６や蓋部材８は、熱伝導性が高い金属から構成されているので、半導体スイッチング素子４で生じた熱は、当該積層構造体６内に充填された潜熱蓄熱材７に効率良く伝達されると同時に、当該潜熱蓄熱材７によって効率良く吸収される。これにより、半導体スイッチング素子４で生じた熱を、効率良く放熱することができる。
【００２６】
また、１つの厚い金属体からなる冷却器と同等の厚さの冷却器を製造する場合を想定すると、本実施形態の冷却器１では、当該金属体よりも薄い複数枚の積層プレート５ｂを積層させた構造となるから、１枚当たりの積層プレート５ｂの加工が容易となる。したがって、積層プレート５ｂに複数の貫通孔９を容易に形成できる。そして、これら複数の貫通孔９が積層方向に連通するように複数枚の積層プレート５ｂを積層配置することによって、潜熱蓄熱材７が充填される複数の空間を形成できるので、１つの金属体に対して複数の空間１４を形成する場合に比べて、当該空間１４の形成が容易である。
【００２７】
とりわけ、本実施形態の冷却器１の製造方法では、貫通孔９を形成する手段としてエッチングが選択されている（図３のステップＳ１）。したがって、ドリル加工、ワイヤカット加工、放電加工等のエッチング以外の加工法によって貫通孔９を積層プレート５ｂに形成する場合に比べて、平面視形状が複雑な貫通孔９を容易に形成できる。また、エッチング以外の加工法によって貫通孔９を積層プレート５ｂに形成する場合に比べて、積層プレート５ｂの材質強度による制限を緩和できるから、複数の貫通孔９間の距離を良好に狭めることができる。よって、潜熱蓄熱材７が充填される空間１４の容積を良好に増加させることができると共に、潜熱蓄熱材７と積層構造体６（積層プレート５ｂ）との接触面積を良好に増加させることができる。
【００２８】
よって、潜熱蓄熱材７が充填される空間１４を容易に形成でき、半導体スイッチング素子４を良好に冷却できる冷却器１を提供できる。
また、本実施形態の冷却器１は、各積層プレート５ｂが、互いに交差（直交）するように径方向に沿って延びる平面視帯状の第１領域１１および第２領域１２を有しているので、これら第１領域１１および第２領域１２によって、各積層プレート５ｂが縮径するのを抑制できる。とりわけ、本実施形態の冷却器１では、複数枚の積層プレート５ｂ間において、第１領域１１同士が積層方向に互いに接続され、かつ第２領域１２同士が積層方向に互いに接続されているので、径方向に対する積層構造体６の強度がより一層高められている。
【００２９】
これにより、積層構造体６が蓋部材８に圧入される際に、当該積層構造体６が縮径するのを良好に抑制できるので、積層構造体６の変形によって積層プレート５ｂが剥離するのを良好に抑制できる。また、蓋部材８が積層構造体６に圧入嵌合されているから、潜熱蓄熱材７の熱膨張によって積層構造体６が変形したり、積層プレート５ｂが剥離したりするのも良好に抑制できる。これにより、蓋部材８への圧入前後において、潜熱蓄熱材７が積層構造体６の外部に漏れ出すのを良好に抑制できるから、積層構造内に潜熱蓄熱材７が封入された状態を良好に維持できる。よって、半導体スイッチング素子４で生じた熱を潜熱蓄熱材７によって良好に吸収させることができる。
【００３０】
また、本実施形態に係る冷却器１では、ベースプレート５ａおよび各積層プレート５ｂが円板状に形成されることによって、積層構造体６が円柱状に形成されている。これにより、蓋部材８を積層構造体６に圧入嵌合する際に、積層構造体６の周方向に対して圧縮力を均等に加えることができるから、積層構造体６の変形をより一層良好に抑制できる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することもできる。
【００３１】
たとえば、前述の実施形態では、第１領域１１、第２領域１２および連結領域１３によって取り囲まれた４つの領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４内に、ストライプ状に延びる複数の貫通孔９が形成された例について説明した。しかし、積層プレート５ｂの一変形例を示す図４に示されるように、前記４つの領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４内において、平面視円形状の複数の貫通孔９が、第１領域１１および第２領域１２に沿って互いに間隔を空けて行列状の配列となるように形成されていてもよい。
【００３２】
むろん、複数の貫通孔９は、前記４つの領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４内において、千鳥状の配列となるように形成されていてもよいし、離散的な配列で形成されていてもよい。また、平面視四角形状、平面視六角形状等の平面視多角形状の複数の貫通孔９が形成されていてもよい。
また、前述の実施形態において、各積層プレート５ｂが縮径するのを抑制するための領域（縮径抑制領域）として、互いに交差するように径方向に沿って延びる平面視帯状の第１領域１１および第２領域１２を含む例について説明した。しかし、各積層プレート５ｂは、第１領域１１および第２領域１２のいずれか一方のみを含む構成とされてもよい。この場合、複数の貫通孔９は、第１領域１１と連結領域１３とによって区画された領域または第２領域１２と連結領域１３とによって区画された領域に選択的に形成される。
【００３３】
また、前述の実施形態において、絶縁基板３を介さずに半導体スイッチング素子４が蓋部材８に接合された形態が採用されてもよい。
また、前述の実施形態では、半導体スイッチング素子４がＦＥＴである例について説明したが、半導体スイッチング素子４は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であってもよいし、ＢＪＴ（Bipolar Junction Transistor：バイポーラトランジスタ）であってもよい。
【００３４】
また、前述の実施形態において、電子部品の一例として半導体スイッチング素子４が採用された例について説明したが、半導体スイッチング素子４に代えて、抵抗素子や、コンデンサ素子等の半導体スイッチング素子４以外の電子部品が採用されてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１…冷却器、４…半導体スイッチング素子、５ａ…ベースプレート、５ｂ…積層プレート、６…積層構造体、７…潜熱蓄熱材、８…蓋部材、９…貫通孔、１１…第１領域、１２…第２領域、１４…空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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