JP2020027901A - Semiconductor cooling device - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a semiconductor cooling device that cools a substrate on which a semiconductor element is mounted.
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、この冷却器に放熱して、発生した熱の除去が行われている。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が配置される場合は、液冷式冷却器が用いられる。 2. Description of the Related Art In recent years, semiconductor elements often handle large electric power, and accordingly, the amount of heat generated has increased. For this reason, a cooler is bonded to a substrate on which a semiconductor element is mounted, and heat is radiated to the cooler to remove generated heat. In a stationary facility that can secure a large space for heat radiation, forced air cooling is possible, but when equipment is arranged in a limited space, a liquid-cooled cooler is used.
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フィンを接合したものがあり、さらに放熱板の前記一方の面側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知られている。 The semiconductor element is mounted on a wiring layer formed on an insulating substrate made of ceramic or the like, and a cooler made of a high heat conductive metal such as aluminum or copper is joined to the surface on the opposite side of the insulating substrate by brazing or the like. As the cooler, there is a cooler in which a heat radiating fin is joined to one surface of a heat radiating plate, and a liquid cooling type in which a cooling medium circulation space containing a fin is formed by attaching a jacket to the one surface of the heat radiating plate. Coolers are known.
従来、フィンを備えた放熱板と、ジャケット（冷媒流通空間形成用筐体）とが、別部材で構成されている場合には、ジャケットを装着した際にフィンの先端と筐体との間に隙間が生じてしまっていたが、この隙間を流れる冷却媒体と、フィンとの間で殆ど熱交換がなされないために、十分な放熱性能（冷却性能）が得られないという問題があった。 Conventionally, when the radiator plate provided with the fins and the jacket (housing for forming the coolant circulation space) are formed of different members, when the jacket is mounted, the space between the tip of the fins and the housing is formed. Although a gap has been created, there is a problem that sufficient heat radiation performance (cooling performance) cannot be obtained because heat is hardly exchanged between the cooling medium flowing through the gap and the fins.
そこで、上記のようなフィンの先端とジャケットとの隙間を冷却媒体が通過してしまう問題を解消するために、以下のような構成の冷却器が提案されている。 Therefore, in order to solve the problem that the cooling medium passes through the gap between the tip of the fin and the jacket as described above, a cooler having the following configuration has been proposed.
特許文献１では、放熱フィンの先端部と接するように冷媒流動防止部材を設け、フィンの先端とジャケットとの隙間を冷媒が通過してしまうことを防止する構成が提案されている。また、特許文献２では、放熱フィンの先端部を、ジャケットの底壁の内面に設けられた凹部内に配置した構成が提案されている。また、特許文献３では、ジャケットは、放熱フィンの先端部分に対して先端に対向する方向および側方を微小な隙間を介して囲む状態にフィンの先端を受け入れる遊嵌手段を備えた構成とすることが提案されている。
上記のような液冷式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。放熱基板にこのような反りが生じると、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。 In a semiconductor cooling device in which a liquid-cooled cooler as described above is joined, when the temperature rises due to the heat generated by the semiconductor element, the linear expansion coefficient of the metal that is the material of the heat radiation substrate is increased by the linear expansion of the ceramic that is the material of the insulating substrate. Since the coefficient is larger than the coefficient, the heat-dissipating substrate that is about to expand is pulled by the insulating substrate, causing warpage. When such a warp occurs in the heat radiation substrate, cracks may occur in the insulating substrate, or the insulating substrate may peel off.
本発明は、かかる技術的背景に鑑みてなされたものであって、優れた冷却性能が得られると共に放熱基板の反りを防止できる半導体冷却装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a technical background, and an object of the present invention is to provide a semiconductor cooling device that can obtain excellent cooling performance and can prevent warpage of a heat dissipation substrate.
前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
［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、
前記放熱基板における前記絶縁基板側とは反対側の面に設けられた複数のフィンと、
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で形成された反り防止板と、
前記放熱基板のフィンが設けられた面側に装着されて、前記放熱基板との間に前記フィンを収容して冷却媒体流通空間を形成したジャケットと、を備え、
前記反り防止板は、基板と、該基板における前記放熱基板側とは反対側の面の少なくとも一部に設けられた突出部と、を備え、
前記突出部の先端が前記ジャケットの内面の一部に当接していることを特徴とする半導体冷却装置。
[1] A semiconductor cooling device joined to a semiconductor module in which a semiconductor element is mounted on one surface of an insulating substrate via a wiring layer,
A heat dissipation substrate joined to the other surface side of the insulating substrate,
A plurality of fins provided on a surface of the heat dissipation substrate opposite to the insulating substrate side,
A warp prevention plate joined to a tip of the fin and formed of a material having a smaller linear expansion coefficient than a material of the heat dissipation board;
A jacket mounted on the fin-provided surface side of the heat-dissipating substrate and containing the fin between the heat-dissipating substrate and a cooling medium flow space;
The warpage prevention plate includes a substrate and a protrusion provided on at least a part of a surface of the substrate opposite to the heat radiation substrate,
A semiconductor cooling device, wherein a tip of the protruding portion is in contact with a part of an inner surface of the jacket.
［２］前記放熱基板のフィンが設けられた面側に前記ジャケットが装着された際に前記反り防止板の突出部の先端が前記ジャケットの内面の一部に接触することで前記反り防止板の少なくとも一部が変形した状態で前記突出部の先端が前記ジャケットの内面の一部に当接している前項１に記載の半導体冷却装置。
[2] The tip of the protrusion of the warpage prevention plate contacts a part of the inner surface of the jacket when the jacket is mounted on the surface of the heat dissipation board on which the fins are provided. 2. The semiconductor cooling device according to
［３］前記突出部は、前記基板を構成する材料とは異なる材料で形成されている前項１または２に記載の半導体冷却装置。
[3] The semiconductor cooling device according to the
［４］前記反り防止板の突出部が、隣り合うフィンとフィンの間の領域に対応した領域に設けられている前項１〜３のいずれか１項に記載の半導体冷却装置。
[4] The semiconductor cooling device according to any one of the preceding
［５］前記反り防止板の突出部は、突条部からなり、該突条部の長さ方向が、前記冷却媒体流通空間における冷却媒体の流れ方向に対して略直交するように配置されている前項１〜４のいずれか１項に記載の半導体冷却装置。
[5] The projecting portion of the warpage prevention plate is formed of a ridge portion, and the ridge portion is arranged so that the length direction of the ridge portion is substantially orthogonal to the flow direction of the cooling medium in the cooling medium flow space. The semiconductor cooling device according to any one of the preceding
［６］前記反り防止板の突出部は、相互に離間して配置された複数の突条部からなり、これら複数の突条部の長さ方向が、前記冷却媒体流通空間における冷却媒体の流れ方向に対して略直交するように配置されている前項１〜４のいずれか１項に記載の半導体冷却装置。
[6] The protruding portion of the warpage prevention plate includes a plurality of ridges arranged apart from each other, and the length direction of the plurality of ridges is determined by the flow of the cooling medium in the cooling medium flow space. The semiconductor cooling device according to any one of
［１］の発明では、放熱基板における絶縁基板側とは反対側の面に設けられたフィンの先端に、放熱基板の材料より線膨張係数の小さい材料で形成された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、フィンの先端に接合された反り防止板が放熱基板の伸びを抑制するので、放熱基板の反りを防止できて、絶縁基板のクラック発生や絶縁基板の剥離を防ぐことができ、ろう付け後の冷却での反りも防止できる。また、反り防止板は、基板と、該基板における放熱基板側とは反対側の面の少なくとも一部に設けられた突出部と、を備えてなる構成であるから、反り防止板の突出部の先端がジャケットの内面の一部に十分に当接した状態の半導体冷却装置を提供できる。即ち、反り防止板とジャケットの内面との間の隙間に生じる冷却媒体の流れを阻害できて、冷却性能に優れた半導体冷却装置を提供できる。 According to the invention as recited in the aforementioned Item [1], a warp prevention plate formed of a material having a smaller linear expansion coefficient than the material of the heat dissipation board is joined to the tip of the fin provided on the surface of the heat dissipation board opposite to the insulating substrate side. I have. When the temperature of the insulating substrate and the heat radiating substrate rises due to the heat generated by the semiconductor element, the heat radiating substrate having a larger linear expansion coefficient than the insulating substrate tends to stretch and warp. Therefore, warpage of the heat dissipation substrate can be prevented, cracks in the insulating substrate and peeling of the insulating substrate can be prevented, and warpage due to cooling after brazing can also be prevented. Further, since the warpage prevention plate has a configuration including a substrate and a protrusion provided on at least a part of a surface of the substrate opposite to the heat dissipation substrate side, the protrusion of the warpage prevention plate is It is possible to provide a semiconductor cooling device in a state where the tip is sufficiently in contact with a part of the inner surface of the jacket. That is, the flow of the cooling medium generated in the gap between the warpage preventing plate and the inner surface of the jacket can be inhibited, and a semiconductor cooling device having excellent cooling performance can be provided.
［２］の発明では、反り防止板の少なくとも一部が変形した状態で突出部の先端がジャケットの内面の一部に当接しており、前記変形に対して反り防止板が変形前の本来の形状に復帰しようとすることで、反り防止板の突出部の先端がジャケットの内面の一部に十分に当接した状態の半導体冷却装置を提供できる。即ち、反り防止板とジャケットの内面との間の隙間に生じる冷却媒体の流れを十分に阻害でき、これにより冷却性能をより向上させることができる。 In the invention of [2], the tip of the protruding portion abuts a part of the inner surface of the jacket in a state where at least a part of the warp prevention plate is deformed, and the warp prevention plate responds to the deformation by the original shape before the deformation. By trying to return to the shape, the semiconductor cooling device can be provided in a state where the tip of the projecting portion of the warpage prevention plate is sufficiently in contact with a part of the inner surface of the jacket. That is, the flow of the cooling medium generated in the gap between the warpage prevention plate and the inner surface of the jacket can be sufficiently inhibited, and the cooling performance can be further improved.
［３］の発明では、突出部を構成する材料と、基板を構成する材料とは、異なる材料であるから、放熱基板の様々な形状に対し、反りをより十分に防止できる。また、異なる材料を用いることにより、反り防止板とジャケット内面との間の隙間に生じる冷却媒体の流れを十分に阻害できる。 In the invention [3], since the material forming the protruding portion and the material forming the substrate are different materials, warping can be more sufficiently prevented for various shapes of the heat dissipation substrate. Further, by using different materials, the flow of the cooling medium generated in the gap between the warpage prevention plate and the inner surface of the jacket can be sufficiently inhibited.
［４］の発明では、反り防止板の突出部が、隣り合うフィンとフィンの間の領域に対応した領域に設けられているので、放熱基板の反りをより十分に防止できる。 In the invention as recited in the aforementioned Item [4], the protrusion of the warpage prevention plate is provided in the region corresponding to the region between the adjacent fins, so that the heat radiation substrate can be more sufficiently prevented from warping.
［５］の発明では、反り防止板の突出部は、突条部からなり、該突条部の長さ方向が、冷却媒体流通空間における冷却媒体の流れ方向に対して略直交するように配置されているから、反り防止板とジャケットの内面との間の隙間に生じる冷却媒体の流れを十分に阻害できて、冷却性能をより一層向上させることができる。 In the invention as recited in the aforementioned Item [5], the projecting portion of the warpage prevention plate comprises a ridge, and the length direction of the ridge is arranged so as to be substantially orthogonal to the flow direction of the cooling medium in the cooling medium flow space. Therefore, the flow of the cooling medium generated in the gap between the warpage preventing plate and the inner surface of the jacket can be sufficiently inhibited, and the cooling performance can be further improved.
［６］の発明では、反り防止板の突出部は、相互に離間して配置された複数の突条部からなり、これら複数の突条部の長さ方向が、前記冷却媒体流通空間における冷却媒体の流れ方向に対して略直交するように配置されているから、反り防止板とジャケットの内面との間の隙間に生じる冷却媒体の流れをより十分に阻害できて、冷却性能をさらに向上させることができる。 According to the invention as recited in the aforementioned Item [6], the projecting portion of the warpage prevention plate comprises a plurality of ridges arranged apart from each other, and the length direction of the plurality of ridges is determined by the cooling direction in the cooling medium flow space. Since it is arranged so as to be substantially perpendicular to the flow direction of the medium, the flow of the cooling medium generated in the gap between the warpage prevention plate and the inner surface of the jacket can be more sufficiently hindered, and the cooling performance is further improved. be able to.
本発明の半導体冷却装置１の一実施形態を図１、２に示す。図１は、組み立て前の分解状態で示す斜視図であり、図２は、組み立て後の半導体冷却装置を示す断面図である。
1 and 2 show an embodiment of a
前記半導体冷却装置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を備えている。前記放熱基板１０は、平面視略長方形形状の板体で構成されている。通常は、前記放熱基板１０は、金属材で形成されている。前記放熱基板１０における一方の面（絶縁基板側とは反対側の面）の中央部に多数のフィン１１が放熱基板１０と一体に立設され、前記放熱基板１０における前記フィン１１群の周囲がフランジ部１２となされている（図１〜３参照）。前記フランジ部１２の四つの角部（コーナー部）にジャケット取付用孔１３が穿設されている（図１、３参照）。
The
前記反り防止板２０は、平面寸法が前記放熱基板１０より小さい大きさの平面視略長方形形状である（図３参照）。前記反り防止板２０は、前記フィン１１の先端にろう付けされて前記放熱基板１０と平行状に配置されている（図２、３参照）。前記反り防止板２０は、前記放熱基板１０を構成する材料より線膨張係数の小さい材料で形成されている。
The
本実施形態では、前記反り防止板２０は、基板２０ａと、該基板２０ａにおける放熱基板１０側とは反対側の面の少なくとも一部に設けられた突出部２０ｂとを備えてなる（図２、３参照）。前記基板２０ａは、前記フィン１１の先端にろう付け接合された平面視略矩形状の平板からなる。前記突出部２０ｂは、前記基板２０ａに設けられた突条部からなり、該突条部２０ｂは、前記基板２０ａの一方の端縁部から対向する他方の端縁部まで延ばされている（図３参照）。本実施形態では、前記基板２０ａと前記突出部２０ｂとは一体に形成されている。
In the present embodiment, the
前記ジャケット３０は、前記フィン１１群を収容する凹部（収容部）３１を有する箱形（天面のない箱形）である（図１参照）。前記ジャケット３０のひとつの側壁に孔３３が設けられ、該側壁に対向する側壁に孔３４が設けられ、これらの孔３３、３４は、いずれも前記ジャケット３０の収容部３１に連通している（図１、２参照）。前記互いに対向する側壁の各孔３３、３４に連通してパイプ管からなるジョイント３５が取り付けられている。このジョイント３５に冷却媒体の導管が接続される。また、前記ジャケット３０の上面において、前記凹部（収容部）３１の開口縁の近傍にこれを取り囲むように溝３６が形成され、この溝３６にＯリング３７が嵌め込まれている。また、前記ジャケット３０の上面における前記溝３６の外側に４つの雌ねじ部３８が形成されている。
The
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、該配線層４１に半導体素子４２がはんだ層４３によって接合されてなる（図１、２参照）。また、前記絶縁基板４０の他方の面に、半導体素子４２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を介して前記半導体冷却装置１の放熱基板１０にろう付け接合されている（図２参照）。
The
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て半導体モジュール２に取り付けられる。
The
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でジャケット３０の（凹部３１の）開口部を閉じて、放熱基板１０のジャケット取付用孔１３をジャケット３０の雌ねじ部３８に位置合わせを行う。次に、放熱基板１０のジャケット取付用孔１３にボルト５０を挿入し、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で取り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。このようにして半導体モジュール２に半導体冷却装置１が接合された液密構造において、前記反り防止板２０の突出部（突条部）２０ｂの下面が、前記ジャケット３０の底壁の内面に当接して、突出部（突条部）２０ｂの下面とジャケット３０の底壁の内面との間の隙間がない状態になっている（隙間が閉塞されている）。また、前記反り防止板２０の突出部（突条部）２０ｂの長さ方向の一方の端縁が、前記ジャケット３０における一方の側壁（４つの側壁のうちジョイントが取り付けられていない２つの側壁のうちの一方の側壁）の内面に当接すると共に、前記突出部（突条部）２０ｂの長さ方向の他方の端縁が、ジャケット３０の他方の側壁（４つの側壁のうちジョイントが取り付けられていない２つの側壁のうちの残りの側壁）の内面に当接している。また、前記反り防止板２０の突条部２０ｂの長さ方向は、前記冷却媒体流通空間における冷却媒体の流れ方向に対して略直交するように配置されている（図２参照）。
The
前記半導体モジュール２に接合された半導体冷却装置１において、ジャケット３０の一方の側壁の孔３３から冷却媒体流通空間に冷却媒体を導入すると、この冷却媒体は、反り防止板２０の突出部（突条部）２０ｂの存在により反り防止板２０とジャケット３０底面との間の隙間を流れることなく（前記隙間を冷却媒体が流れるのを防止できて）、前記冷却媒体流通空間のフィン１１群の間の空間を通過して熱交換を行って、対向する他方の側壁の孔３４から排出される（図２参照）から、優れた冷却性能が得られる。
In the
即ち、前記半導体モジュール２に接合された半導体冷却装置１において、半導体素子４２が発する熱は、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のであるが、このとき、冷却媒体は、反り防止板２０の突出部（突条部）２０ｂの存在により反り防止板２０とジャケット３０底面との間の隙間を流れることがないから（前記隙間を冷却媒体が流れるのを防止できるから）、優れた冷却性能が得られる（図２参照）。
That is, in the
前記放熱基板１０の線膨張係数は前記絶縁基板４０の線膨張係数よりも大きく、前記反り防止板２０の線膨張係数は前記放熱基板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、放熱基板１０の反りが抑制され、絶縁基板４０でのクラック発生や絶縁基板の剥離を防止でき、ろう付け後の冷却での反りも防止できる。
The linear expansion coefficient of the
図５に、本発明に係る半導体冷却装置１の他の実施形態を示す。この実施形態では、前記反り防止板２０は、基板２０ａと、該基板２０ａにおける放熱基板１０側とは反対側の面の一部に形成された突条部２０ｂとを備えてなり、前記基板２０ａと前記突出部２０ｂとは一体に形成されており、前記突出部２０ｂの先端は、前記基板２０ａの表面（下面）よりも突出している。このように基板２０ａと突出部２０ｂとが一体に形成されてなる反り防止板２０は、前記放熱基板１０の構成材料よりも線膨張係数の小さい材料で形成されている。前記反り防止板２０の基板２０ａにおける前記突出部２０ｂの突出側とは反対側の面（上面）が、前記フィン１１の先端にろう付け接合されている。前記突条部２０ｂは、前記基板２０ａの一方の端縁部から対向する他方の端縁部まで延ばされている。また、前記反り防止板２０の突条部２０ｂの長さ方向は、前記冷却媒体流通空間における冷却媒体の流れ方向に対して略直交するように配置されている（図５参照）。しかして、前記放熱基板１０のフィン１１が設けられた面側に前記ジャケット３０が装着された際に前記反り防止板２０の突出部２０Ｂの先端が前記ジャケット３０の内面（底面）の一部に接触することで前記反り防止板２０の突出部２０Ｂおよびその近傍部が特に内方側に（冷却媒体流通空間側に）少し変形した状態で突出部２０ｂの先端がジャケット３０の内面（底面）の一部に当接している。前記変形に対して反り防止板２０が変形前の本来の形状に復帰しようとすることで反り防止板２０の突出部２０ｂの先端がジャケット３０の内面（底面）の一部に十分に当接した（接触した）状態になるので、反り防止板２０とジャケット３０の内面との間の隙間に生じ得る冷却媒体の流れを十分に阻止できて、優れた冷却性能が得られる。
FIG. 5 shows another embodiment of the
図７に、本発明に係る半導体冷却装置１のさらに他の実施形態を示す。この実施形態では、前記反り防止板２０は、波板からなり（図６参照）、即ち基板２０ａと、該基板２０ａにおける放熱基板１０側とは反対側の面の一部に形成された複数条の突条部２０ｂとを備えてなり、前記基板２０ａと前記突出部２０ｂとは一体に形成されていて、前記突出部２０ｂの先端は、前記基板２０ａの表面（下面）よりも突出している。このように基板２０ａと突出部２０ｂとが一体に形成されてなる波板形状の反り防止板２０は、前記放熱基板１０の構成材料よりも線膨張係数の小さい材料で形成されている。前記反り防止板２０の基板２０ａにおける前記突出部２０ｂの突出側とは反対側の面（上面）が、前記フィン１１の先端にろう付け接合されている（図７参照）。前記突条部２０ｂは、前記基板２０ａの一方の端縁部から対向する他方の端縁部まで延ばされている（図６参照）。また、前記反り防止板２０の複数の突条部２０ｂの長さ方向は、前記冷却媒体流通空間における冷却媒体の流れ方向に対して略直交するように配置されている（図７参照）。しかして、前記放熱基板１０のフィン１１が設けられた面側に前記ジャケット３０が装着された際に前記反り防止板２０の突出部２０Ｂの先端が前記ジャケット３０の内面（底面）の一部に接触することで前記反り防止板２０の突出部２０Ｂおよびその近傍部が特に内方側に（冷却媒体流通空間側に）少し変形した状態で突出部２０ｂの先端がジャケット３０の内面（底面）の一部に当接している。前記変形に対して反り防止板２０が変形前の本来の形状に復帰しようとすることで反り防止板２０の突出部２０ｂの先端がジャケット３０の内面の一部に十分に当接した状態になるので、反り防止板２０とジャケット３０の内面との間の隙間に生じ得る冷却媒体の流れを十分に阻止できて、優れた冷却性能が得られる。
FIG. 7 shows still another embodiment of the
図８に、本発明に係る半導体冷却装置１のさらに他の実施形態を示す。この実施形態では、前記反り防止板２０は、基板２０ａと、該基板２０ａにおける放熱基板１０側とは反対側の面の一部に形成された２条の突条部２０ｂとを備えてなり、前記基板２０ａと前記突条部２０ｂとは一体に形成されており、前記突条部２０ｂの先端は、前記基板２０ａの表面（下面）よりも突出している。前記反り防止板の突条部２０ｂは、いずれも、隣り合うフィン１１とフィン１１の間の領域に対応した領域に設けられている（図８参照）。このように基板２０ａと突出部２０ｂとが一体に形成されてなる反り防止板２０は、前記放熱基板１０の構成材料よりも線膨張係数の小さい材料で形成されている。前記反り防止板２０の基板２０ａにおける前記突出部２０ｂの突出側とは反対側の面（上面）が、前記フィン１１の先端にろう付け接合されている。前記突条部２０ｂは、前記基板２０ａの一方の端縁部から対向する他方の端縁部まで延ばされている。また、前記反り防止板２０の突条部２０ｂの長さ方向は、前記冷却媒体流通空間における冷却媒体の流れ方向に対して略直交するように配置されている（図８参照）。しかして、前記放熱基板１０のフィン１１が設けられた面側に前記ジャケット３０が装着された際に前記反り防止板２０の突出部２０Ｂの先端が前記ジャケット３０の内面（底面）の一部に接触することで前記反り防止板２０の突出部２０Ｂおよびその近傍部が特に内方側に（冷却媒体流通空間側に）少し変形した状態で突出部２０ｂの先端がジャケット３０の内面（底面）の一部に当接している。前記変形に対して反り防止板２０が変形前の本来の形状に復帰しようとすることで反り防止板２０の突出部２０ｂの先端がジャケット３０の内面（底面）の一部に十分に当接した（接触した）状態になるので、反り防止板２０とジャケット３０の内面との間の隙間に生じ得る冷却媒体の流れを十分に阻止できて、優れた冷却性能が得られる。
FIG. 8 shows still another embodiment of the
本発明において、放熱基板１０とフィン１１は、一体成形物であってもよいし、相互に接合されてなる接合物であってもよい。
In the present invention, the
前記放熱基板１０を構成する材料としては、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅、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。
As a material constituting the
前記フィン１１の形状は、図示例の横断面円形のピン形状（図３参照）に特に限定されるものではなく、例えば、横断面菱形のピン形状であってもよいし、或いは冷却媒体の流れを阻害しない方向に延ばされた略板状のストレートフィンであってもよい。前記フィン１１は、熱、温度変化、冷却媒体等の影響により変形するものでない、又は変形し難いものであるのが好ましい。フィン１１が変形すると、反り防止板２０による放熱基板１０の反り防止効果が低下するため、フィン１１は高剛性材で形成されているのが好ましい。このような高剛性のフィン１１としては、特に限定されるものではないが、例えば、ピンフィン、角柱フィン、菱形フィンと呼ばれる支柱形状のフィンが挙げられ、略板状のフィンでは高さ１５ｍｍ以下、板厚０．２ｍｍ以上で隣り合うフィン間の隙間（離間間隔）が２ｍｍ以下に設定されたものが挙げられる。
The shape of the
前記フィン１１を構成する材料としては、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅、銅合金等の高熱伝導性材料が好ましい。
As a material for forming the
前記反り防止板２０を構成する材料としては、前記放熱基板１０の構成材料よりも線膨張係数の小さい材料を用いる。純アルミニウムよりも線膨張係数が小さい材料を用いるのが好ましく、例えば、ＡｌＮ、ＳｉＮ、アルミニウムめっき鋼板、ニッケルめっき鋼板の他、これらの複合材等を例示できる。
As a material forming the
前記反り防止板２０の厚さは、０．２ｍｍ〜５ｍｍであるのが好ましく、中でも０．２ｍｍ〜２ｍｍであるのが特に好ましい。
The thickness of the
上記実施形態（図２）では、反り防止板２０を構成する基板２０ａと突出部２０ｂとは、一体に形成されていたが、反り防止板２０は、例えば、別部材である基板２０ａと突出部２０ｂとが接合されてなる構成であってもよい（図４参照）。このような別部材の構成としては、例えば、前記放熱基板１０の構成材料よりも線膨張係数の小さい材料で形成された基板２０ａと、該基板２０ａにおける前記放熱基板１０側とは反対側の面の少なくとも一部に接合された突出部２０ｂとを備えた構成であって、前記突出部２０ｂが、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、ＳＵＳ、樹脂又はゴム等からなる構成が挙げられる。
In the above-described embodiment (FIG. 2), the
前記ジャケット３０を構成する材料としては、特に限定されるものではないが、例えば、純アルミニウム、アルミニウム合金、アルミニウム複合材、樹脂等が挙げられる。なお、放熱基板１０とジャケット３０で形成される液密構造は、特に限定されず、例えば、上記実施形態のようなボルト５０等を用いたものであってもよいし、その他の液密構造としてもよい。
The material forming the
なお、前記絶縁基板４０を構成する材料は、電気絶縁性に優れていると共に、熱伝導性が良くて放熱性に優れている材料であるのが好ましく、このような好適材料として、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。
The material forming the insulating
前記配線層４１および前記伝熱層４４を構成する材料としては、導電性に優れかつ熱伝導性に優れた材料を用いるのが好ましく、このような好適材料として、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅、銅合金等を例示できる。
As a material for forming the
なお、上記実施形態では、半導体モジュール２の絶縁基板４０と、半導体冷却装置１の放熱基板１０とが伝熱層４４を介して接合されていたが、このような伝熱層を介さずに絶縁基板４０と放熱基板１０とが直接に接合された構成を採用してもよい。
In the above-described embodiment, the insulating
本発明に係る半導体冷却装置は、例えば、発熱量の大きい半導体素子の冷却装置として好適に用いられる。 The semiconductor cooling device according to the present invention is suitably used, for example, as a cooling device for a semiconductor element generating a large amount of heat.
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…反り防止板
２０ａ…基板
２０ｂ…突出部
３０…ジャケット
４０…絶縁基板
４１…配線層
４２…半導体素子
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記絶縁基板の他方の面側に接合される放熱基板と、
前記放熱基板における前記絶縁基板側とは反対側の面に設けられた複数のフィンと、
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で形成された反り防止板と、
前記放熱基板のフィンが設けられた面側に装着されて、前記放熱基板との間に前記フィンを収容して冷却媒体流通空間を形成したジャケットと、を備え、
前記反り防止板は、基板と、該基板における前記放熱基板側とは反対側の面の少なくとも一部に設けられた突出部と、を備え、
前記突出部の先端が前記ジャケットの内面の一部に当接していることを特徴とする半導体冷却装置。 A semiconductor cooling device that is joined to a semiconductor module in which a semiconductor element is mounted on one surface of an insulating substrate via a wiring layer,
A heat dissipation substrate joined to the other surface side of the insulating substrate,
A plurality of fins provided on a surface of the heat dissipation substrate opposite to the insulating substrate side,
A warp prevention plate joined to a tip of the fin and formed of a material having a smaller linear expansion coefficient than a material of the heat dissipation board;
A jacket mounted on the fin-provided surface side of the heat-dissipating substrate and containing the fin between the heat-dissipating substrate and a cooling medium flow space;
The warpage prevention plate includes a substrate and a protrusion provided on at least a part of a surface of the substrate opposite to the heat radiation substrate,
A semiconductor cooling device, wherein a tip of the protruding portion is in contact with a part of an inner surface of the jacket.
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