JP2019102677A

JP2019102677A - 半導体冷却装置

Info

Publication number: JP2019102677A
Application number: JP2017233121A
Authority: JP
Inventors: 誠二松島; Seiji Matsushima; 平野　智哉; Tomoya Hirano; 智哉平野
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2019-06-24
Anticipated expiration: 2037-12-05
Also published as: WO2019111751A1; JP7033443B2; CN111164748A; CN111164748B

Abstract

【課題】冷却性能を低下させることなく、放熱基板の反りを防止できる半導体冷却装置の構造を提供する。【解決手段】絶縁基板４０の一方の面に配線層４１を介して半導体素子４２が搭載される半導体モジュール２に接合される半導体冷却装置１は、前記絶縁基板４０の他方の面側に接合される放熱基板１０と、前記放熱基板１０の、前記絶縁基板４０が接合された面とは反対側の面に設けられたフィン１１と、前記フィン１１の先端に接合され、前記放熱基板１０の材料より線膨張係数の小さい材料からなる反り防止板２０とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子を搭載した基板を冷却する半導体冷却装置に関する。

近年、半導体素子は大電力を扱うことが多く、それに伴って発熱量が増大している。このため、半導体素子を実装した基板に冷却器を接合し、冷却器に放熱している。放熱に大きなスペースを確保できる定置設備では強制空冷が可能であるが、限られたスペース内に機器は配置する場合は液冷式冷却器が有用である。

半導体素子はセラミック等の絶縁基板上に形成された配線層に搭載され、前記絶縁基板の反対側の面に、アルミニウムや銅の高熱伝導金属からなる冷却器がろう付等により接合される。冷却器としては、放熱板の一方の面に放熱したフィンを接合したものがあり、さらに放熱板にジャケットを装着してフィンを内蔵した冷却媒体流通空間を形成した液冷式冷却器がある（特許文献１〜３参照）。

上記のような冷却器を接合した半導体冷却装置において、半導体素子の発熱によって温度が上昇すると、放熱基板の材料である金属の線膨張係数が絶縁基板の材料であるセラミックの線膨張係数よりも大きいために、膨張しようとする放熱基板が絶縁基板に引っ張られて反りが生じる。そして、放熱基板に反りが生じると、絶縁基板にクラックが生じたり、絶縁基板が剥離することがある。

このような放熱基板の反りに対して、特許文献１は、放熱基板とフィンの間にセラミックからなる拘束板を介在させ、放熱基板を拘束することによって反りを防止する技術を提案している。また、特許文献２は、放熱板の冷却器側の面の一部に凹部を設け、この凹部に熱膨張係数が熱膨張係数が近似する金属またはセラミックからなる補正板をろう付することによって放熱基板の反りを防止する技術を提案している。

特開２００７−１４１９３２号公報特開２００４−１４６６５０号公報特開２００５−１９１５０２号公報

しかし、特許文献１、２に記載された方法は、放熱基板とフィンの間に拘束板または補正板が介在することでフィンへの伝熱が遅れるおそれがある。また、放熱基板とフィンが一体に成形された冷却器には適用できない。

本発明は、上述した背景技術に鑑み、冷却性能を低下させることなく放熱基板の反りを防止できる半導体冷却装置の構造を提供するものである。

即ち、本発明は下記［１］〜［４］に記載の構成を有する。

［１］絶縁基板の一方の面に配線層を介して半導体素子が搭載される半導体モジュールに接合される半導体冷却装置であり、
前記絶縁基板の他方の面側に接合される放熱基板と、
前記放熱基板の、前記絶縁基板が接合された面とは反対側の面に設けられたフィンと、
前記フィンの先端に接合され、前記放熱基板の材料より線膨張係数の小さい材料からなる反り防止板とを備えることを特徴とする半導体冷却装置。

［２］前記反り防止板に、該反り防止板の厚み方向に貫通する貫通部が形成されている前項１に記載の半導体冷却装置。

［３］前記フィンは高剛性材からなる前項１または２に記載の半導体冷却装置。

［４］前記放熱基板のフィンが接合された面側に装着され、放熱基板との間にフィンを収容して冷却媒体流通空間を形成するジャケットを備える前項１〜３のうちのいずれか１項に記載の半導体冷却装置。

上記［１］に記載の半導体冷却装置は、半導体モジュールの絶縁基板が接合される放熱基板の反対の面に設けられたフィンの先端に、放熱基板よりも線膨張係数の小さい反り防止板が接合されている。半導体素子の発熱によって絶縁基板および放熱基板の温度が上昇すると、絶縁基板よりも線膨張係数の大きい放熱基板が伸びて反ろうとするが、反対側の面に配置された反り防止板が放熱基板の伸びを抑制する。その結果として、放熱基板の反りが抑制され、絶縁基板のクラック発生や接合部分の剥離を防ぐことができる。また、フィンの先端に反り防止板を接合する構造であり放熱基板とフィンとの間に介在物がないので、半導体素子が発する熱が放熱基板からフィンに速やかに伝わり、冷却性能が優れている。

上記［２］に記載の半導体冷却装置は、反り防止板に形成された貫通部を冷却媒体の流路として利用できる。

上記［３］に記載の半導体冷却装置は、フィンの剛性が高く変形し難いので、反り防止板による効果が低下しない。

上記［４］に記載の半導体冷却装置によれば、ジャケットの装着によってフィンを収容する冷却媒体流通空間が形成される。

本発明の半導体冷却装置の一実施形態の分解斜視図である。図１の半導体冷却装置の組み立て状態におけるＡ−Ａ線断面図である。図１の半導体冷却装置の放熱基板を反り防止板側から見た斜視図である。反り防止板の他の形態を示す斜視図である。

［半導体冷却装置の構造］
図１〜３に、半導体冷却装置の一実施形態と、この半導体冷却装置に伝熱層を介して取り付けられた半導体モジュールを示す。

半導体冷却装置１は、放熱基板１０、多数のピン状のフィン１１、反り防止板２０およびジャケット３０により構成されている。

四角形の放熱基板１０は、一方の面の中央部に多数のフィン１１が放熱基板と一体に立設され、フィン１１群の周囲がフランジ１２となされている。前記フランジ１２の四隅にジャケット取付用の孔１３が穿設されている。

反り防止板２０は、平面寸法が放熱基板１０より小さく、前記フィン１１の先端にろう付されて放熱基板１０と平行に配置されている。また、前記反り防止板２０は、一辺の端部近傍に３つの円形孔２１が穿設され、その対向辺は端部が３箇所で切り欠かれて切り欠き部２２が形成されている。前記円形孔２１および切り欠き部２２は本発明における貫通部に対応する。前記反り防止板２０は放熱基板１０よりも線膨張係数の小さい材料で形成されている。

ジャケット３０は、フィン１１群を収容する凹部３１を有する箱型であり、前記凹部３１の底面に凹部３１を二分する隔壁３２が突設されている。前記ジャケット３０の一つの側壁に孔３３が穿設され、その側壁に対向する側壁に孔３４が穿設され、前記隔壁３２で二分されたそれぞれの区画に連通している。前記側壁外面に各孔３３、３４に連通して冷却媒体の導管を接続するジョイント３５が取り付けられている。また、前記ジャケット３０の上面において、凹部３１の開口縁の近傍に溝３６が設けられ、この溝３６にＯリング３７が嵌め込まれている。また、前記溝３６の外側に４つの雌ねじ部３８が形成されている。

半導体モジュール２は、絶縁基板４０の一方の面に配線層４１が接合され、その配線層４１に半導体素子４２がはんだ層４３によって接合されている。さらに、前記絶縁基板４０の他方の面には、半導体素子４１が発する熱を前記半導体冷却装置１に伝達するための伝熱層４４が接合されている。

そして、前記半導体モジュール２は、伝熱層４４を介して半導体冷却装置１の放熱基板１０にろう付されている。

前記半導体冷却装置１は以下のようにして組み立てられるとともに、半導体モジュール２に取り付けられる。

前記半導体モジュール２が接合された放熱基板１０をジャケット３０に被せ、凹部３１にフィン１１群を収容して放熱基板１０で凹部３１の開口部を閉じ、放熱基板１０の孔１３をジャケット３０の雌ねじ部３８に位置合わせする。そして、ボルト５０を放熱基板１０の孔１３に挿入してジャケット３０の雌ねじ部３８に止め付ける。これにより、放熱基板１０とジャケット３０の凹部３１の間に囲まれた冷却媒体流通空間が形成され、Ｏリング３７によって液密構造が形成されるとともに、前記反り防止板２０が凹部３１の隔壁３２の上面に当接する。前記冷却媒体流通空間は反り防止板２０と隔壁３２によって、反り防止板２０と放熱基板１０の間にあってフィン１１群が収容された放熱室６０と、反り防止板２０と凹部３１の底面との間にあって隔壁３２で二分された第１室６１および第２室６２とに区画される。前記放熱室６０と第１室６１は反り防止板２０の円形孔２１で連通し、放熱室６０と第２室６２は切り欠き部２２で連通している。

上記の半導体冷却装置１において、ジャケット３０の一方の側壁の孔３３から第１室６１に冷却媒体を導入すると、冷却媒体は円形孔２１を通って放熱室６０に入ってフィン１１を冷却し、切り欠き部２２を通って第２室６２に進み、対向する側壁の孔３４から排出される。

前記半導体モジュール２および半導体冷却装置１において、半導体素子４２が発生する熱は、配線層４１、絶縁基板４０、伝熱層４４、放熱基板１０、フィン１１に伝達され、フィン１１から冷却媒体に排熱される。

前記放熱基板１０の線膨張係数は絶縁基板４０の線膨張係数よりも大きく、かつ、前記反り防止板２０の線膨張係数は放熱基板１０の線膨張係数よりも小さい。即ち、放熱基板１０の両側に放熱基板１０よりも線膨張率の小さい絶縁基板４０と反り防止板２０が配置されている。半導体素子４２の発熱によって絶縁基板４０および放熱基板１０の温度が上昇すると、線膨張係数の大きい放熱基板１０が絶縁基板４０よりも伸びて反ろうとするが、反対側の面に配置された反り防止板２０が放熱基板１０の伸びを抑制する。その結果として、放熱基板１０の反りが抑制され、絶縁基板４０のクラック発生や接合部分の剥離を防ぐことができる。

また、本発明の反り防止構造では、反り防止板２０がフィン１１の先端に接合され放熱基板１０とフィン１１との間に介在物がないので、半導体素子４２が発する熱が放熱基板１０からフィン１１に速やかに伝わる。従って、本発明の反り防止構造は反り防止板によって冷却性能が低下することがなく、かかる点で放熱基板とフィンとの間に反り防止板を介在させた従来の反り防止構造よりも冷却性能が優れている。また、本発明の反り防止構造はフィンが放熱基板と一体成形物であるか、接合物であるかを問わず適用できる。

また、前記フィン１１の先端に接合された反り防止板２０は凹部３１内をフィン１１の高さに相当する深さで仕切ることになるが、反り防止板２０に円形孔２１および切り欠き部２２といった貫通部を設けることによって冷却媒体の流通路が形成される。このため、反り防止板２０が冷却媒体の流通を妨げるのではなく、反り防止板２０と貫通部２１、２２によって冷却媒体の流通を制御してフィン１１群に冷却媒体を行き渡らせて冷却効率を高めることができる。

本発明においては、反り防止板とジャケットの凹部の底面との間に冷媒流通空間が形成されることには限定されず、反り防止板が凹部の底面に当接している場合も本発明に含まれる。また、反り防止板における貫通部の有無も問わない。反り防止板に貫通部が無くても、反り防止板の寸法を小さくして凹部の側面との間に形成される隙間を冷却媒体流路として利用することができる。図４の反り防止板２５は、平面寸法をフィン群が形成されている部分よりも小さくして凹部の側壁との間に隙間を作り、さらに端部に半円形の切り欠き状の貫通部２６を設けた例である。前記反り防止板に設ける貫通部の位置や数は限定されないが、冷却媒体が澱み無くフィン群の全体に行き渡るように、冷却媒体の出入り口の位置に応じて適宜設定する。

前記反り防止板２０、２５の厚みは０．２ｍｍ〜５ｍｍが好ましく、特に好ましい厚みは０．２ｍｍ〜２ｍｍである。

フィンの形状は図示例の断面円形のピン状に限定されず、他のフィンとして断面菱形のピンフィンや厚肉のストレートフィンを例示できる。また、フィンが放熱基板と一体成形物であることにも限定されない。例えば、アルミニウム等の薄板を曲成したコルゲートフィンを放熱基板にろう付等により接合したものであってもよい。ただし、フィンは熱、温度変化、冷却媒体等によって変形しない、あるいは変形し難いことが好ましい。フィンが変形すると反り防止板による放熱基板反り防止効果が低下するため、反り防止板による効果を長く維持するにはフィンが高剛性材で形成されていることが好ましい。剛性の高いフィンとは、具体的には、ピンフィン、角柱フィン、菱型フィンと呼ばれる支柱形状のフィンや、板形状のフィンでは高さ１５ｍｍ以下、板厚０．２ｍｍ以上でフィン間の隙間が２ｍｍ以下で微細に配置されているフィンである。

本発明の半導体冷却装置の構成は、放熱基板、フィンおよび反り防止板であり、これらを備えているものは、ジャケット装着の有無にかかわらず本発明の技術的範囲に含まれる。同様に、放熱基板に半導体モジュールが接合されていても接合されていなくても本発明の技術的範囲に含まれる。また、半導体モジュールの絶縁基板と半導体冷却装置の放熱基板との接合形態も限定されず、絶縁基板を伝熱層を介さずに放熱基板に直接接合することもできる。
［半導体冷却装置および半導体モジュールの材料］
前記半導体冷却装置１および半導体モジュール２を構成する部材の好ましい材料および好ましい形態は以下のとおりである。
（半導体冷却装置）
前記放熱基板１０およびフィン１１を構成する材料は、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金などの高熱伝導性材料が好ましい。これらの金属の線膨張係数は後述する絶縁基板４０を構成する材料の線膨張係数よりも大きい。

前記反り防止板２０を構成する材料は、放熱基板１０よりも線膨張係数が小さいことが条件であり、純アルミニウムよりも線膨張係数が小さい材料が好ましい。線膨張係数の条件を満たす材料として、ＡｌＮ、ＳｉＮ、アルミニウムめっき鋼板、ニッケルめっき鋼板、これらの複合材等を例示できる。

前記ジャケット３０の材料は限定されない。また、放熱基板１０とジャケット３０で形成される液密構造の形態も限定されない。
（半導体モジュール）
前記絶縁基板４０を構成する材料は、電気絶縁性が優れていることはもとより、熱伝導性が良く放熱性が優れていることが好ましい。かかる点で窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム、炭化ケイ素等のセラミックを例示できる。これらのセラミックは電気絶縁性が優れていることはもとより、熱伝導性が良く放熱性が優れている点で推奨できる。

前記配線層４１を構成する材料は、導電性に優れかつ熱伝導性に優れたものが好ましく、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金が好ましい。これらの中でも特に純アルミニウムが好ましい。

前記伝熱層４４を構成する材料は配線層４１を構成する材料に準じる。

本発明は発熱量の大きい半導体素子の冷却装置として利用できる。

１…半導体冷却装置
２…半導体モジュール
１０…放熱基板
１１…フィン
２０、２５…反り防止板
２１…円形孔（貫通部）
２２…切り欠き部（貫通部）
２６…切り欠き部（貫通部）
３０…ジャケット
４０…絶縁基板
４１…配線層
４２…半導体素子

Claims

絶縁基板の一方の面に配線層を介して半導体素子が搭載される半導体モジュールに接合される半導体冷却装置であり、
前記絶縁基板の他方の面側に接合される放熱基板と、
前記放熱基板の、前記絶縁基板が接合された面とは反対側の面に設けられたフィンと、
前記フィンの先端に接合され、前記放熱基板の材料より線膨張係数の小さい材料からなる反り防止板とを備えることを特徴とする半導体冷却装置。
前記反り防止板に、該反り防止板の厚み方向に貫通する貫通部が形成されている請求項１に記載の半導体冷却装置。
前記フィンは高剛性材からなる請求項１または２に記載の半導体冷却装置。
前記放熱基板のフィンが接合された面側に装着され、放熱基板との間にフィンを収容して冷却媒体流通空間を形成するジャケットを備える請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の半導体冷却装置。