KR101572787B1 - 방열 장치 및 반도체 장치 - Google Patents

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가부시키가이샤 도요다 지도숏키
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Abstract

냉각 대상물 (12) 에 대한 절연 기능과 냉각 기능을 충족시키면서 부품 점수를 삭감하는 방열 장치 (H) 는, 세라믹으로 이루어지는 기체 (14) 와, 기체의 내부에 냉매를 흐르게 하는 냉매 유로 (T) 를 구비한다. 기체 (14) 는, 복수 장의 세라믹 시트 (13a, 13b, 13c, 13d1) 를 적층시켜 이루어지는 적층체가 소성됨으로써 형성된다. 이들 복수 장의 세라믹 시트는, 냉매 유로 (T) 를 구성하는 복수 개의 슬릿 (S) 이 형성된 세라믹 시트 (13c) 와, 냉매 유로 (T) 와 외부 (P1, P2) 를 서로 연통시키는 연통로 (R1, R2) 가 형성된 세라믹 시트 (13a, 13b) 를 포함한다. 반도체 소자 (12) 가 실장된 금속판 (11) 이 방열 장치 (H) 에 접합됨으로써, 반도체 장치 (10) 는 구성된다.

Description

방열 장치 및 반도체 장치{HEAT DISSIPATION DEVICE AND SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 세라믹 시트를 적층시킴으로써 형성한 방열 장치에 관한 것이다. 또한 본 발명은, 반도체 소자를 실장한 금속판을 당해 방열 장치에 접합시킴으로써 구성된 반도체 장치에 관한 것이다.
종래, 예를 들어 특허문헌 1 이 개시하는 반도체 장치 요컨대 반도체 모듈은, 질화알루미늄 등의 세라믹 기판 요컨대 절연 기판의 표리 양면에, 순알루미늄 등의 금속판을 각각 접합시킴으로써 형성한 회로 기판을 갖고, 이 회로 기판에 방열 장치 요컨대 히트 싱크를 접합시킴으로써 모듈화하고 있다. 이 종류의 반도체 장치에서는, 반도체 소자가 발하는 열은 방열 장치에 의해 방열된다.
일본 공개특허공보 2006-294699호
그런데, 상기 문헌의 반도체 장치는, 회로 기판의 절연 기능을 충족시키기 위해 세라믹 기판을 사용하는 한편으로, 방열 장치를 열전도성이 우수함과 함께 경량인 알루미늄에 의해 형성하고 있다. 이 때문에 상기 문헌의 반도체 장치는, 부품 점수가 많아졌다.
본 발명은, 이와 같은 종래의 기술에 존재하는 문제점에 주목하여 이루어진 것으로, 그 목적은 절연 기능과 냉각 기능을 충족시키면서 부품 점수를 삭감할 수 있는 방열 장치 및 반도체 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 양태에 의하면, 세라믹으로 이루어지는 기체와, 상기 기체의 내부에 냉매를 흐르게 하는 냉매 유로를 구비하는 방열 장치가 제공된다. 상기 기체는, 복수 장의 세라믹 시트를 적층시켜 이루어지는 적층체가 소성됨으로써 형성된다. 상기 복수 장의 세라믹 시트는, 상기 냉매 유로를 구성하는 복수 개의 슬릿이 형성된 세라믹 시트와, 상기 냉매 유로와 외부를 서로 연통시키는 연통로가 형성된 세라믹 시트를 포함한다.
이 구성에 의하면 방열 장치는, 복수 장의 세라믹 시트를 적층시키고 소성함으로써 형성된다. 따라서 방열 장치 자체가 냉각 기능과 절연 기능을 가질 수 있게 된다. 이 때문에 본 발명의 방열 장치가, 예를 들어 반도체 장치에 채용되는 경우, 반도체 소자가 실장된 배선층으로서 기능하는 금속판은 방열 장치에 직접 접합시킬 수 있다. 따라서 방열 장치는, 절연 기능과 냉각 기능을 충족시키면서 부품 점수를 삭감할 수 있다.
바람직하게는 상기 기체는, 냉각 대상물이 탑재되는 탑재면을 갖고, 상기 연통로가 갖는 냉매 유입구와 냉매 배출구는, 상기 탑재면에 개구되어 있는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 방열 장치로의 냉매 유입구와 방열 장치로부터의 냉매 배출구를, 냉각 대상물이 탑재되는 기체에 있어서의 탑재면에 개구시킴으로써, 냉매 공급용 관로나 냉매 배출용 관로를 탑재면에 접속시킬 수 있다. 이 때문에, 방열 장치에 필요한 부품을 탑재면에 집약시킨 상태로 배치할 수 있게 된다. 따라서, 방열 장치를 소형화할 수 있다.
바람직하게는 상기 기체는, 냉각 대상물이 탑재되는 탑재면을 갖고, 상기 기체를 상기 탑재면으로부터 평면에서 본 경우, 상기 냉매 유로는 파선 (波線) 상으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 예를 들어 냉매 유로를 평면에서 봤을 때에 직선상으로 형성된 경우에 비해, 냉매 유로의 표면적을 증가시킬 수 있다. 따라서, 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는 상기 복수 개의 슬릿이 형성된 상기 세라믹 시트는, 기계적 강도가 높은 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 세라믹 시트의 강도를 향상시킴으로써, 폭이 좁은 냉매 유로 요컨대 슬릿을 형성할 수 있다. 그 결과, 방열 장치의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는 상기 냉매 유로에는, 상기 슬릿의 연장 형성 방향으로 상기 슬릿을 구분하는 적어도 1 개의 칸막이가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 칸막이가 들보의 역할을 한다. 따라서 방열 장치의 제조 단계에 있어서, 복수 장의 세라믹 시트를 적층시키고 또한 서로 접합시킬 때, 강도 부족으로 이들 세라믹 시트가 변형되거나 적층 어긋남이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
바람직하게는 복수의 상기 칸막이는, 적어도 1 개의 사다리상의 줄을 구성한다. 상기 슬릿의 연장 형성 방향으로 연장되고 또한 상기 세라믹 시트의 적층 방향으로 연장되는 단면에서 상기 냉매 유로를 본다. 이 때에 복수의 상기 칸막이가, 상기 세라믹 시트의 적층순으로 순차적으로 어긋나 배치 형성됨으로써, 상기 사다리상의 줄을 구성하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 사다리의 스텝이 되는 각각의 칸막이에 의해, 냉매 유로를 흐르는 냉매의 흐름 방향이 바뀐다. 이 때문에 냉매의 방사상의 확산류가 발생하기 쉬워진다. 따라서, 냉각 대상물과 냉매 사이에서 보다 효과적인 열 교환이 촉진되게 되어, 방열 장치의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는 상기 슬릿의 연장 형성 방향으로 연장되고 또한 상기 세라믹 시트의 적층 방향으로 연장되는 단면에서 상기 냉매 유로를 본다. 상기 방열 장치는, 상기 탑재면과는 반대측에 위치하는 저판부를 갖는다. 상기 저판부는, 상기 냉매 유로의 저면을 구획 형성한다. 상기 냉매 유로의 저면은, 상기 탑재면을 향하여 돌출되는 돌출상부를 구비하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 냉매 유로를 흐르는 냉매의 흐름 방향은, 냉매 유로의 저면의 돌출상부에 의해, 냉각 대상물이 탑재되는 탑재면을 향하도록 바뀐다. 이러한 점에서, 냉각 대상물과 냉매 사이에서 보다 효과적인 열 교환이 촉진되게 되어, 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는 상기 슬릿의 연장 형성 방향에 대하여 수직인 단면에서 상기 냉매 유로를 본다. 이 때에 상기 냉매 유로의 양 측면은, 상기 슬릿과 상기 기체 사이의 1 쌍의 경계선을 규정한다. 상기 1 쌍의 경계선은, 상기 슬릿을 사이에 두고 서로 대칭성이 있도록 절곡되고 또한 각각 사각형을 덮도록 절곡되는 형상을 나타내고 있는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 슬릿의 연장 형성 방향에 대하여 수직인 단면에서 냉매 유로는, 높이 방향 요컨대 탑재면과 저면 사이에서 확폭 (擴幅) 과 협폭 (狹幅) 을 반복하는 형상이 된다. 이 때문에 높이 방향으로의 냉매의 흐름은, 협폭부에서 일부가 와류가 되어, 난류를 일으킨다. 또한 냉매 유로의 단면이 확폭과 협폭을 반복함으로써, 냉매 유로의 표면적도 넓어진다. 이들 쌍방의 효과에 의해, 효과적으로 냉매와 기체 사이에서 열 교환이 촉진되게 된다. 따라서 방열 장치의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는 상기 슬릿의 연장 형성 방향에 대하여 수직인 단면에서 상기 냉매 유로를 본다. 상기 냉매 유로의 양 측면은, 상기 슬릿과 상기 기체 사이의 1 쌍의 경계선을 규정한다. 상기 1 쌍의 경계선은, 쌍방 모두 동일 방향으로 절곡되고 또한 각각 사각형을 덮도록 절곡되는 형상을 나타내고 있는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 슬릿의 연장 형성 방향에 대하여 수직인 단면에서 냉매 유로는, 높이 방향 요컨대 탑재면과 저면 사이에서 지그재그인 형상이 된다. 이 때문에 냉매 유로의 냉매의 흐름은, 높이 방향으로 구부러진 흐름이 된다. 또 냉매 유로의 표면적도 넓어진다. 이들 쌍방의 효과에 의해, 효과적으로 냉매와 기체 사이에서 열 교환이 촉진되게 되어, 방열 장치의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는 상기 냉매 유로에는, 당해 냉매 유로를 폭 방향 또는 높이 방향으로 오므리는 적어도 1 개의 협착부가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 냉매 유로를 흐르는 냉매가 협착부를 통과할 때에 난류를 일으킨다. 따라서, 보다 효과적인 열 교환이 냉매와 기체 사이에서 촉진되게 되어, 방열 장치의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는 반도체 장치는, 반도체 소자와, 상기 반도체 소자가 실장된 금속판과, 상기 금속판이 접합되는 전술한 방열 장치를 구비한다. 상기 방열 장치의 상기 기체는, 냉각 대상물이 탑재되는 탑재면을 갖는다. 상기 금속판이 상기 탑재면에 접합됨으로써, 상기 반도체 장치는 구성된다.
이 구성에 의하면, 반도체 소자가 실장되는 배선층으로서 기능하는 금속판이 전술한 방열 장치에 직접 접합됨으로써, 반도체 장치는 형성된다. 따라서 반도체 장치의 절연 기능과 냉각 기능을 충족시키면서 반도체 장치의 부품 점수를 삭감할 수 있다.
바람직하게는 상기 연통로의 냉매 유입구에는, 상기 냉매를 상기 냉매 유로로 공급하는 공급 파이프가 형성된다. 상기 연통로의 냉매 배출구에는, 상기 냉매 유로를 통과한 냉매를 외부로 배출하는 배출 파이프가 형성된다. 상기 공급 파이프와 상기 배출 파이프는, 연질 재료에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 가령 반도체 장치에 격렬한 진동 등이 가해진 경우라도, 연질 재료로 형성된 파이프 예를 들어 공급 파이프나 배출 파이프가 반도체 장치의 진동을 흡수할 수 있다.
바람직하게는 상기 사다리상의 줄이, 상기 냉매 공급부에서 상기 냉매 배출부로의 상기 냉매 유로의 흐름 방향을 따라 상기 냉매 유로의 저면에 가까워지도록 경사지도록, 상기 사다리상의 줄을 구성하는 복수의 상기 칸막이를 배치하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 냉각 대상물이 탑재되는 탑재면을 향하여, 냉매 공급부로부터의 냉매가 송출되는 위치는 사다리상의 줄에 의해 순차적으로 어긋난다. 따라서, 탑재면을 향하는 방사상의 냉매의 확산류가 발생한다. 이 때문에 고르게 냉매와 냉각 대상물 사이에서 열 교환이 촉진되게 된다. 따라서 방열 장치의 냉각 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 절연 기능과 냉각 기능을 충족시키면서 부품 점수를 삭감할 수 있다.
도 1 은 일 실시형태의 방열 장치의 사시도이다.
도 2 는 도 1 의 방열 장치를 갖는 반도체 장치의 사시도이다.
도 3 은 도 2 의 A-A 선 단면도이다.
도 4 는 도 2 의 B-B 선 단면도이다.
도 5 는 도 1 의 방열 장치를 구성하는 복수 장의 세라믹 시트의 평면도이다.
도 6 은 별례 (別例) 에 있어서의 세라믹 시트의 평면도이다.
도 7 은 또 다른 방열 장치를 구성하는 복수 장의 세라믹 시트의 평면도이다.
도 8 은 또 다른 별례의 방열 장치를 구성하는 복수 장의 세라믹 시트의 평면도이다.
도 9 는 또 다른 별례의 방열 장치를 구성하는 복수 장의 세라믹 시트의 평면도이다.
도 10 은 도 9 의 세라믹 시트에 의해 구성되는 방열 장치의 사시도이다.
도 11 은 도 10 의 C-C 선 단면으로, 도 9 의 세라믹 시트로 구성된 냉매 유로에 있어서의 냉매의 흐름의 개념도이다.
도 12 의 (a) 와 (b) 는 각각 도 10 의 방열 장치의 D-D 선에 있어서의 냉매 유로의 형상이 서로 상이한 실시형태의 단면도이다.
도 13 의 (a) ∼ (c) 는 각각 냉매 유로의 횡단면이 서로 상이한 실시형태의 부분 확대 개념도이다.
도 14 의 (a) 와 (b) 는 각각 냉매 유로가 서로 상이한 실시형태의 부분 확대 단면도이다.
도 1 ∼ 도 5 는 본 발명을 구체화한 일 실시형태를 설명한다.
도 1 이 나타내는 방열 장치 (H) 는, 세라믹으로 이루어지는 기체 (14) 를 구비하고, 기체 (14) 의 내부에는, 냉매를 흐르게 하는 도 4 에 나타내는 냉매 유로 (T) 가 형성되어 있다. 도 3 에서는, 냉매 유로 (T) 가 지면의 안쪽에 숨겨져 있다. 도 2 는 도 1 에 나타내는 방열 장치 (H) 를 사용한, 반도체 모듈로서의 반도체 장치 (10) 의 일례를 나타낸다. 도 1 에 나타내는 방열 장치 (H) 는, 냉각 대상물이 탑재되는 탑재면 (15) 을 갖는다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 탑재면 (15) 에는, 전자 부품으로서의 반도체 소자 (12) 가 실장된 금속 회로판으로서의 금속판 (11) 이 접합된다. 그렇게 함으로써, 반도체 장치 (10) 는 구성되어 있다.
금속판 (11) 은, 배선층 및 접합층으로서 기능함과 함께, 순알루미늄 예를 들어 공업용 순알루미늄인 1000 계 알루미늄이나, 구리에 의해 형성되어 있다. 또 반도체 소자 (12) 로는, 예를 들어 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 나 다이오드가 사용된다. 금속판 (11) 과 반도체 소자 (12) 의 접합이나 금속판 (11) 과 방열 장치 (H) 의 접합에는, 솔더링이나 브레이징이 사용된다.
본 실시형태에 있어서 방열 장치 (H) 는, 각각 두께 1 ㎜ 정도의 세라믹 시트를 복수 장 적층시켜 이루어지는 적층체를 소성함으로써 형성되어 있다. 세라믹 시트의 재료로는, 산화알루미늄, 질화규소, 탄화규소, 질화알루미늄 및 알루미나·지르코니아 등이 사용된다. 또한 방열 장치의 냉각 방식으로서 수랭 방식을 채용하는 경우, 세라믹 시트의 재료는 내수성이 높은 재료가 바람직하다.
도 5 는 방열 장치 (H) 의 분해도로, 요컨대 본 실시형태의 방열 장치 (H) 를 구성하는 복수 장의 세라믹 시트를 나타낸다. 구체적으로는 도 5 는 제 1 세라믹 시트 (13a), 복수의 제 2 세라믹 시트 (13b), 복수의 제 3 세라믹 시트 (13c), 및 제 4 세라믹 시트 (13d) 를 나타낸다. 또한 탑재면 (15) 을 갖는 방열 장치 (H) 의 부분을, 요컨대 금속판 (11) 에 접합되는 접합면을 갖는 방열 장치 (H) 의 부분을「방열 장치 (H) 의 천판부」라고 부르기로 한다. 제 1 세라믹 시트 (13a) 는 방열 장치 (H) 의 천판부를 구성한다. 이들 세라믹 시트를 세라믹 시트 (13) 로 총칭하는 경우가 있다. 또한 도 5 는 방열 장치 (H) 의 냉매 유로의 위치 관계를 보기 쉽게 하기 위해 각 세라믹 시트 (13) 가 정방형처럼 도시되어 있지만, 실제로는 도 1 이나 도 2 에 나타내는 바와 같이, 각 세라믹 시트 (13) 의 냉매 흐름 방향의 길이는 폭 방향보다 길게 형성되어 있다.
제 1 세라믹 시트 (13a) 에는, 각각 관통공상의 냉매 공급부 (IN) 와 냉매 배출부 (OUT) 가 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서 냉매 공급부 (IN) 와 냉매 배출부 (OUT) 는 서로 동일한 개구 면적으로 형성되어 있다. 냉매 공급부 (IN) 에는, 방열 장치 (H) 내에 냉매를 공급하는 공급 파이프 (P1) (도 1 ∼ 도 3 에 나타낸다) 가 접속된다. 냉매 배출부 (OUT) 에는, 방열 장치 (H) 내를 유통한 냉매를 외부로 배출하는 배출 파이프 (P2) (도 1 ∼ 도 3 에 나타낸다) 가 접속된다. 본 실시형태에서는, 냉매 공급부 (IN) 가 냉매 유입구가 되고, 냉매 배출부 (OUT) 가 냉매 배출구가 된다.
각각 제 2 세라믹 시트 (13b) 에는, 제 1 세라믹 시트 (13a) 의 냉매 공급부 (IN) 에 대응하는 위치에 관통공상의 제 1 통로 형성부 (Ta) 가 형성되어 있다. 또 제 2 세라믹 시트 (13b) 에는, 제 1 세라믹 시트 (13a) 의 냉매 배출부 (OUT) 에 대응하는 위치에 관통공상의 제 2 통로 형성부 (Tb) 가 형성되어 있다. 제 1 통로 형성부 (Ta) 는 냉매 공급부 (IN) 에 대향하고, 제 2 통로 형성부 (Tb) 는 냉매 배출부 (OUT) 에 대향한다. 또 본 실시형태에 있어서 제 1 통로 형성부 (Ta) 와 제 2 통로 형성부 (Tb) 는 동일 개구 면적으로 형성되어 있다.
각각 제 3 세라믹 시트 (13c) 에는, 냉매 유로 (T) 를 구성하는 유로 형성부로서의 복수 개의 슬릿 (세극) (S) 이 형성되어 있다. 방열 장치 (H) 내에 형성되는 냉매 유로 (T) 가, 냉각 대상이 되는 반도체 소자 (12) 가 실장되는 방열 장치 (H) 의 부위인 실장 부위에 대응하는 위치에 배치되도록, 슬릿 (S) 은 형성되어 있다. 이로써 냉매 유로 (T) 는, 반도체 소자 (12) 의 바로 아래에 배치되게 된다. 냉매 유로 (T) 는, 세라믹으로 이루어지는 방열 장치 (H) 의 기체의 내부에 냉매를 흐르게 한다. 본 실시형태에 있어서 각 슬릿 (S) 은, 평면에서 봤을 때에 직선상으로 형성되어 있다. 또 본 실시형태에 있어서 각 슬릿 (S) 은, 서로 동일 개구 면적으로 형성되어 있다. 각 슬릿 (S) 의 길이는, 제 2 세라믹 시트 (13b) 에 있어서의 제 1 통로 형성부 (Ta) 와 제 2 통로 형성부 (Tb) 의 양자 사이의 이간 길이보다 길게 되어 있다. 또 제 4 세라믹 시트 (13d) 는, 방열 장치 (H) 의 천판부와는 반대측의 방열 장치 (H) 의 저판부를 구성한다.
본 실시형태에서는, 방열 장치 (H) 의 저판부가 되는 제 4 세라믹 시트 (13d) 상에, 복수 장 요컨대 본 실시형태에서는 5 장의 제 3 세라믹 시트 (13c) 가 적층되어 있다. 그 위에 복수 장 요컨대 본 실시형태에서는 2 장의 제 2 세라믹 시트 (13b) 가 적층되고, 그 위에 제 1 세라믹 시트 (13a) 가 적층되어 있다. 이들 제 1 세라믹 시트 (13a) ∼ 제 4 세라믹 시트 (13d) 는 이와 같은 순서로 적층된 적층체로 되어 있다. 또한 복수 장의 제 3 세라믹 시트 (13c) 는, 각 슬릿 (S) 의 슬릿의 연장 형성 방향이 동일 방향이 되도록 적층되어 있다. 또 복수 장의 제 2 세라믹 시트 (13b) 는, 제 1 통로 형성부 (Ta) 끼리가 중첩되도록, 또한 제 2 통로 형성부 (Tb) 끼리가 중첩되도록 적층되어 있다. 슬릿 (S) 의 양단 중 일단에 제 1 통로 형성부 (Ta) 가 배치되고, 또한 슬릿 (S) 의 타단에 제 2 통로 형성부 (Tb) 가 배치되도록 제 2 세라믹 시트 (13b) 는 제 3 세라믹 시트 (13c) 에 대하여 적층되어 있다. 또 제 1 세라믹 시트 (13a) 는, 냉매 공급부 (IN) 에 제 1 통로 형성부 (Ta) 가 중첩됨과 함께, 냉매 배출부 (OUT) 에 제 2 통로 형성부 (Tb) 가 중첩되도록 제 2 세라믹 시트 (13b) 에 대하여 적층되어 있다. 그리고 방열 장치 (H) 는, 전술한 바와 같이 적층시켜 이루어지는 적층체를 소성함으로써, 도 1 ∼ 도 4 에 나타내는 바와 같이 형성된다.
방열 장치 (H) 에는, 적층된 제 3 세라믹 시트 (13c) 의 슬릿 (S) 에 의해, 직선상을 이루는 복수 개 예를 들어 본 실시형태에서는 8 개의 냉매 유로 (T) 가 형성된다. 또 서로 이웃하는 냉매 유로 (T) 끼리 사이의 충실 부분은, 냉매 유로 (T) 에 면하는 측면을 갖는 핀 (F) 으로서 기능한다. 도 3 은 핀 (F) 의 단면을 나타내고 있으며, 슬릿 (S) 은 지면의 안쪽에 숨겨져 있다. 본 실시형태의 방열 장치 (H) 에 있어서, 냉매 유로 (T) 는 각각이 독립된 유로로서 형성된다. 복수 개 예를 들어 본 실시형태에서는 7 개의 핀 (F) 이 냉매 유로 (T) 를 복수 개로 구획함으로써 냉매 유로 (T) 를 서로 독립시킨다. 따라서, 방열 장치 (H) 내에 있어서의 냉매의 접촉 면적 요컨대 유로의 표면적이 증가하게 된다. 또 제 4 세라믹 시트 (13d) 가 냉매 유로 (T) 의 저부를 이룸과 함께, 제 1 세라믹 시트 (13a) 와 제 2 세라믹 시트 (13b) 에 의해 냉매 유로 (T) 의 상부가 복개 (覆蓋) 됨으로써, 각각 냉매 유로 (T) 는, 냉매 유로 (T) 가 연장되는 방향에 대하여 수직인 단면에 있어서, 폐색된 공간으로서 구획 형성된다.
또 방열 장치 (H) 에는, 적층된 제 1 세라믹 시트 (13a) 의 냉매 공급부 (IN) 와 제 2 세라믹 시트 (13b) 의 제 1 통로 형성부 (Ta) 에 의해 제 1 연통로 (R1) 가 형성된다. 또한 방열 장치 (H) 에는, 적층된 제 1 세라믹 시트 (13a) 의 냉매 배출부 (OUT) 와 제 2 세라믹 시트 (13b) 의 제 2 통로 형성부 (Tb) 에 의해 제 2 연통로 (R2) 가 형성된다. 이들 제 1 연통로 (R1) 와 제 2 연통로 (R2) 는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 각각 냉매 유로 (T) 에 접속된다. 또 제 1 연통로 (R1) 에는 공급 파이프 (P1) 가 접속되고, 제 2 연통로 (R2) 에는 배출 파이프 (P2) 가 접속된다. 이로써 제 1 연통로 (R1) 와 제 2 연통로 (R2) 는 각각 냉매 유로 (T) 와 방열 장치 (H) 의 외부를 서로 연통시킨다.
또한 제 1 세라믹 시트 (13a) ∼ 제 4 세라믹 시트 (13d) 의 재료는, 전술한 산화알루미늄, 질화규소, 탄화규소, 질화알루미늄 및 알루미나·지르코니아 중 어느 것 혹은 이들 복수 재료의 조합이어도 상관없다.
특히 금속판 (11) 이 재치 (접합) 되는 제 1 세라믹 시트 (13a) 는, 절연성이 높은 재료 예를 들어 산화알루미늄, 질화규소 및 알루미나·지르코니아 등을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 또 제 1 연통로 (R1) 의 일부를 구성하는 제 1 통로 형성부 (Ta) 와 제 2 연통로 (R2) 의 일부를 구성하는 제 2 통로 형성부 (Tb) 가 형성되는 제 2 세라믹 시트 (13b) 는, 열전도율이 높은 재료 예를 들어 질화규소, 탄화규소 및 질화알루미늄 등을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 또 서로 이웃하는 핀 (F) 끼리 사이에 구획 형성되는 냉매 유로 (T) 를 갖는 제 3 세라믹 시트 (13c) 는, 냉각 성능을 높이기 위해서는 예를 들어 핀 (F) 의 폭을 좁게 하거나 슬릿 (S) 의 폭을 좁게 하거나 함으로써, 핀 (F) 이나 슬릿 (S) 각각의 갯수를 늘리는 것이 바람직하기 때문에, 기계적 강도가 높고 또한 열전도율이 높은 예를 들어 질화규소 등을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
(작용)
이와 같이 구성한 방열 장치 (H) 에서는, 냉매 공급원으로부터 공급된 냉매가 공급 파이프 (P1) 에서 제 1 연통로 (R1) 로 유입됨과 함께, 그 냉매는 제 1 연통로 (R1) 를 통하여 각각 냉매 유로 (T) 로 유입된다. 각각 냉매 유로 (T) 로 유입된 냉매는 제 2 연통로 (R2) 를 향하여 동일 방향으로 흐른다. 금속판 (11) 을 통하여 방열 장치 (H) 에, 요컨대 핀 (F) 에 전달된 반도체 소자 (12) 의 열은, 이와 같이 냉매 유로 (T) 를 흐르는 냉매로 방열된다. 그리고 핀 (F) 과의 열 교환 후의 냉매는, 냉매 유로 (T) 로부터 제 2 연통로 (R2) 에 도달하고, 배출 파이프 (P2) 에서 방열 장치 (H) 의 외부로 배출된다. 도 3 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 방열 장치 (H) 에 있어서 냉매는, 방열 장치 (H) 의 상면 (탑재면 (15)) 요컨대 금속판 (11) 과의 방열 장치 (H) 의 접합면으로부터 방열 장치 (H) 의 내부로 유입되어, 방열 장치 (H) 의 내부를 통과한 후, 다시 방열 장치 (H) 의 상면 (탑재면 (15)) 으로부터 배출된다. 또 본 실시형태의 방열 장치 (H) 는 세라믹 재료로 형성되어 있는 점에서, 냉각 기능에 추가하여 절연 기능도 갖게 된다.
따라서 본 실시형태는, 이하에 나타내는 효과를 얻을 수 있다.
(1) 복수 장의 제 1 세라믹 시트 (13a) ∼ 제 4 세라믹 시트 (13d) 를 적층시키고, 그리고 소성함으로써, 방열 장치 (H) 를 형성하였다. 이로써, 방열 장치 (H) 자체에 냉각 기능과 절연 기능을 갖게 할 수 있게 된다. 이 때문에 반도체 소자 (12) 를 실장한 배선층으로서 기능하는 금속판 (11) 이 방열 장치 (H) 에 직접 접합됨으로써, 반도체 장치 (10) 를 형성할 수 있다. 따라서 방열 장치 (H) 와 반도체 장치 (10) 는 각각 절연 기능과 냉각 기능을 충족시키면서 부품 점수를 삭감할 수 있다. 즉 본 실시형태는 종래와는 달리, 예를 들어 절연 기능을 충족시키기 위한 세라믹 기판과 냉각 기능을 충족시키기 위한 방열 장치를 별체로 할 필요가 없다.
(2) 반도체 소자 (12) 를 실장한 금속판 (11) 이 방열 장치 (H) 에 직접 접합됨으로써, 반도체 장치 (10) 는 형성된다. 따라서 반도체 장치 (10) 를 소형화할 수 있다.
(3) 제 3 세라믹 시트 (13c) 에 형성된 슬릿 (S) 에 의해, 세분화된 서로 독립된 복수 개의 냉매 유로 (T) 가 형성되었다. 따라서 본 실시형태는, 방열 장치 (H) 에 있어서의 냉매 유로 (T) 의 표면적을, 예를 들어 유로의 단면적을 넓게 한 단일 유로를 형성하는 경우에 비해 보다 넓게 할 수 있다. 따라서 방열 장치 (H) 의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
(4) 서로 독립된 냉매 유로 (T) 가 복수 개 형성됨으로써, 서로 이웃하는 냉매 유로 (T) 사이에는 핀 (F) 이 형성되었다. 이 때문에 본 실시형태는, 방열 장치 (H) 에 단일 유로를 형성하는 경우에 비해, 방열 장치 (H) 의 강도를 향상시킬 수 있다. 즉 핀 (F) 은 냉매 유로 (T) 의 표면적을 증가시키는 것에 추가하여, 방열 장치 (H) 의 보강재로서도 기능하게 된다. 그리고 방열 장치 (H) 의 강도를 향상시킴으로써 방열 장치 (H) 를 얇게 형성할 수 있으므로, 열원이 되는 반도체 소자 (12) 와 방열 장치 (H) 내의 냉매 유로 (T) 의 간격을 짧게 할 수 있게 된다. 이로써, 방열 장치 (H) 의 열 저항을 감소시킴과 함께 열 전달 성능을 향상시킬 수 있으므로, 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
(5) 제 3 세라믹 시트 (13c) 의 슬릿 (S) 에 의해 냉매 유로 (T) 를 형성하므로, 냉매 유로 (T) 의 설계 자유도를 향상시킬 수 있다. 즉 냉각 대상으로 하는 반도체 소자 (12) 의 형상, 발열량, 실장 위치 등에 따라, 요구되는 냉각 성능을 충족시킬 수 있는 냉매 유로 (T) 를 용이하게 형성할 수 있다. 또 금속판 (11) 에 복수 개의 반도체 소자 (12) 를 실장하는 경우라도, 각각 반도체 소자 (12) 에 따른 냉매 유로 (T) 를 용이하게 형성할 수 있다.
(6) 방열 장치 (H) 로의 냉매 유입구 요컨대 냉매 공급부 (IN) 와, 방열 장치 (H) 로부터의 냉매 배출구 요컨대 냉매 배출부 (OUT) 는, 모두 방열 장치 (H) 의 금속판 (11) 과의 접합면 요컨대 탑재면 (15) 에 개구되었다. 이로써, 금속판 (11) 과의 접합면에, 냉매 공급용 관로 요컨대 공급 파이프 (P1) 나 냉매 배출용 관로 요컨대 배출 파이프 (P2) 를 접속시킬 수 있다. 이 때문에, 반도체 장치 (10) 에 필요한 부품 예를 들어 금속판 (11) 이나 반도체 소자 (12) 등을, 금속판 (11) 과의 접합면에 집약된 상태로 배치할 수 있게 된다. 따라서, 반도체 장치 (10) 를 소형화하기 쉽다.
(7) 방열 장치 (H) 를 소성체로 하였다. 따라서 방열 장치 (H) 는 필요한 냉각 성능을 충족시킬 수 있음과 함께, 방열 장치 (H) 가 수랭 방식을 채용한 경우의 누수의 발생을 방지할 수도 있다.
또한 본 실시형태는 이하와 같이 변경해도 된다.
○ 도 6 에 나타내는 바와 같이, 제 3 세라믹 시트 (13c) 에 형성하는 슬릿 (S) 을 평면에서 봤을 때에 파선상으로 해도 된다. 요컨대 냉각 대상물이 탑재되는 탑재면 (15) 으로부터 기체 (14) 를 평면에서 본 경우, 슬릿 (S) 은 파선상으로 형성되어도 된다. 이와 같이 슬릿 (S) 을 형성한 경우, 방열 장치 (H) 에는 평면에서 봤을 때에 파선상의 냉매 유로가 형성되게 된다. 평면에서 봤을 때에 파선상의 냉매 유로는, 예를 들어 냉매 유로가 평면에서 봤을 때에 직선상인 경우에 비해, 냉매의 흐름을 흐트러뜨려, 난류 효과에 의해 냉각 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
○ 제 3 세라믹 시트 (13c) 에 형상이 서로 상이한 슬릿 (S) 을 형성해도 된다. 구체적으로 말하면, 금속판 (11) 에 복수의 반도체 소자 (12) 를 실장하는 경우, 그 반도체 소자 (12) 의 발열량에 따라 상이한 형상의 슬릿 (S) 에 의해 냉매 유로 (T) 를 형성한다. 예를 들어 발열량이 비교적 적은 반도체 소자 (12) 가 실장되는 방열 장치 (H) 의 부위에 대응시켜, 평면에서 봤을 때에 직선상의 냉매 유로 (T) 가 되는 슬릿 (S) 을 형성한다. 한편, 발열량이 비교적 많은 반도체 소자 (12) 가 실장되는 방열 장치 (H) 의 부위에 대응시켜, 평면에서 봤을 때에 파선상의 냉매 유로 (T) 가 되는 슬릿 (S) 을 형성한다. 이와 같이 형상이 서로 상이한 냉매 유로 (T) 는, 방열 장치 (H) 가 복수 장의 세라믹 시트에 의한 적층 구조로 됨으로써 용이하게 형성할 수 있다.
○ 방열 장치 (H) 의 냉각 방식을 공랭으로 해도 된다. 이와 같이 구성한 경우, 냉매 유로 (T) 에는 공기 등의 냉각용 기체가 흐르게 된다.
○ 방열 장치 (H) 를 구성하는 세라믹 시트의 적층 장수를 변경해도 된다. 예를 들어 적층 장수는, 방열 장치 (H) 내에 형성하는 냉매 유로 (T) 의 단면적 (유로 면적) 에 따라 증감시킨다. 또 적층 장수는, 제 1 연통로 (R1) 와 제 2 연통로 (R2) 의 크기 (깊이) 에 따라 증감시킨다.
○ 제 3 세라믹 시트 (13c) 에 형성하는 슬릿 (S) 의 수를 변경해도 된다. 슬릿 (S) 의 수는, 금속판 (11) 에 실장하는 반도체 소자 (12) 의 실장 면적이나 냉매 유로 (T) 의 통로 폭 등에 따라 변경된다. 즉 냉매 유로 (T) 를 형성하는 영역 면적을 동일하다고 하면, 각각 슬릿 (S) 의 통로 폭을 넓게 하면, 1 개의 제 3 세라믹 시트 (13c) 가 갖는 슬릿 (S) 의 수는 적어진다. 반대로 각각 슬릿 (S) 의 통로 폭을 좁게 하면, 1 개의 제 3 세라믹 시트 (13c) 가 갖는 슬릿 (S) 의 수는 많아진다.
○ 도 7 에 나타내는 바와 같이, 냉매 유로 (T) 에 슬릿 (S) 을 슬릿의 연장 형성 방향으로 구분하는 칸막이 (C) 를 형성해도 된다. 도 7 은 별례에 있어서의 방열 장치 (H) 를 구성하는 제 1 세라믹 시트 (13a) ∼ 제 4 세라믹 시트 (13d) 의 평면도를 나타낸다. 이 별례의 제 3 세라믹 시트 (13c) 에는 칸막이 (C) 가 냉매 유로 (T) (슬릿 (S)) 를 슬릿 (S) 의 연장 형성 방향으로 구분하도록 형성되어 있다. 요컨대 칸막이 (C) 는 냉매 유로 (T) 와 슬릿 (S) 을 가로질러 연장된다. 또 이 별례에서는, 5 장의 제 3 세라믹 시트 (13c) 중, 한가운데 (3 장째) 의 제 3 세라믹 시트 (13c) 에 칸막이 (C) 가 형성된다. 이 1 개의 칸막이 (C) 는, 각 슬릿 (S) 의 연장 형성 방향의 중앙 부근을 횡단하고 있다. 또한 도 7 의 별례에서는 칸막이 (C) 를 1 개 형성하고 있지만, 슬릿 (S) 의 연장 형성 방향에 걸쳐 복수의 칸막이 (C) 가 분포되도록 형성해도 된다. 또 도 7 에서는 1 장의 제 3 세라믹 시트 (13c) 에 칸막이 (C) 를 형성하고 있지만, 복수 장 예를 들어 2 장의 제 3 세라믹 시트 (13c) 에 각각 칸막이 (C) 를 형성해도 된다.
예를 들어 핀 (F) 의 폭을 좁게 하거나 슬릿 (S) 의 폭을 좁게 하거나 함으로써 핀 (F) 이나 슬릿 (S) 각각의 갯수를 늘리면, 냉매 (R) 와 기체 (20) 의 열 교환이 증대되어, 냉각 효율은 향상될 수 있다. 그러나, 방열 장치 (H) 의 제조 단계에 있어서, 복수 장의 제 3 세라믹 시트 (13c) 를 서로 적층시키거나 접합시키거나 할 때, 강도 부족으로 제 3 세라믹 시트 (13c) 가 변형되거나 적층 어긋남이 발생할 우려도 생각할 수 있다. 이 때문에 도 7 에 나타내는 바와 같이, 냉매 유로 (T) 를 가로지르도록 1 개 또는 복수의 칸막이 (C) 를 형성하면, 칸막이 (C) 가 들보의 역할을 하기 때문에, 핀 (F) 의 강도를 확보하기 쉽다. 따라서 칸막이 (C) 는 슬릿 (S) 이나 핀 (F) 의 변형이나 적층 어긋남을 방지할 수 있다. 또한 복수의 제 3 세라믹 시트 (13c) 를 서로 접합시키기 위해 적층 및 가압하였을 때, 가압력을 각각 제 3 세라믹 시트 (13c) 에 확실하게 전파시키거나, 제 3 세라믹 시트 (13c) 를 서로 충분히 접합시키거나 함으로써, 제 3 세라믹 시트 (13c) 의 층간 박리의 발생을 방지함과 함께 냉매 유로 (T) 를 확보하기 위해서는, 복수의 칸막이 (C) 의 형성 위치를 서로 약간 어긋나게 하여 배치하는 것이 바람직하다.
○ 도 8 의 실시형태와 도 9 ∼ 도 11 의 실시형태에서는, 복수 장 예를 들어 5 장의 제 3 세라믹 시트 (13c) 에 각각 칸막이 (C) 가 형성되어 있다. 이들 칸막이 (C) 는, 제 3 세라믹 시트 (13c) 의 적층순으로 순차적으로 어긋나 형성되어 있다. 또한 도 8 은 제 5 세라믹 시트 (13d1) 가 1 장인 실시형태를 나타낸다. 도 9 ∼ 도 11 은 제 5 세라믹 시트 (13d1) 가 2 장인 실시형태를 나타낸다. 도 11 에 나타내는 바와 같이, 슬릿 (S) 의 연장 형성 방향으로 연장되고 또한 제 3 세라믹 시트 (13c) 의 적층 방향으로 연장되는 단면에서 냉매 유로 (T) 를 봤을 때, 복수 예를 들어 5 개의 칸막이 (C) 가 제 3 세라믹 시트 (13c) 의 적층순으로 순차적으로 어긋나 배치 형성되어 있음으로써, 「사다리상의 줄」이 형성되어 있다. 요컨대 도 11 이 도시하는 냉매 (R) 흐름의 개념도에 나타내는 바와 같이, 이들 칸막이 (C) 에 의해 사다리상의 줄 (L) 이 구성되어 있다.
도 8 의 실시형태와 도 9 ∼ 도 11 의 실시형태에서는, 사다리상의 줄 (L) 은 1 개이지만, 사다리상의 줄 (L) 을 복수 형성하는 것이 보다 바람직하다. 예를 들어 방열 장치 (H) 에 복수의 냉각 대상물을 탑재할 때에는, 슬릿 (S) 의 연장 형성 방향으로 서로 이웃하는 1 쌍의 사다리상의 줄 (L) 중, 탑재면 (15) 에 가장 근접한 1 쌍의 칸막이 (C) 사이에 대응하는 탑재면 (15) 의 부분에 냉각 대상물 예를 들어 반도체 소자 (12) 등을 배치한다. 이렇게 하면 냉각 대상물은, 칸막이 (C) 가 방해가 되지 않고 냉매 (R) 에 접근하기 때문에, 효과적으로 냉매 (R) 와 열 교환할 수 있다.
이와 같이 복수의 칸막이 (C) 가 사다리상의 줄 (L) 을 구성하도록 배치 형성되어 있는 구성에 있어서, 냉매 (R) 가 외부의 공급 파이프 (P1) 로부터 방열 장치 (H) 의 냉매 공급부 (IN) 에 공급되면, 냉매 (R) 는 제 1 연통로 (R1) 로부터 제 3 세라믹 시트 (13c) 의 슬릿 (S) 요컨대 냉매 유로 (T) 에 이송된다. 냉매 (R) 의 흐름 방향은, 사다리상의 줄 (L) 을 구성하는 단차 요컨대 스텝을 구성하는 각각의 칸막이 (C) 에 의해 바뀐다. 그 결과, 냉매 (R) 의 방사상의 확산류가 냉매 유로 (T) 에 있어서 발생하기 쉬워진다.
도 8 에 나타내는 바와 같이, 이 실시형태에서의 방열 장치 (H) 는, 제 1 세라믹 시트 (13a), 제 3 세라믹 시트 (13c), 및 제 5 세라믹 시트 (13d1), 및 제 4 세라믹 시트 (13d) 가 순서대로 적층되고 소성됨으로써 형성되어 있다. 제 3 세라믹 시트 (13c) 도, 제 1 연통로 (R1) 와 제 2 연통로 (R2) 를 각각 구성하기 위한 관통공을, 냉매 공급부 (IN) 와 냉매 배출부 (OUT) 에 각각 대향하도록 갖고 있다. 제 5 세라믹 시트 (13d1) 도, 제 1 연통로 (R1) 와 제 2 연통로 (R2) 를 각각 구성하기 위한 관통공을 갖고 있으며, 제 5 세라믹 시트 (13d1) 가 갖는 관통공은, 제 1 연통로 (R1) 를 슬릿 (S) 요컨대 냉매 유로 (T) 에 연통시키거나, 제 2 연통로 (R2) 를 슬릿 (S) 요컨대 냉매 유로 (T) 에 연통시키거나 한다. 또한 도 8 의 방열 장치 (H) 에 제 2 세라믹 시트 (13b) 를 추가해도 지장없다.
냉매 (R) 의 제 1 연통로 (R1) 와 제 2 연통로 (R2) 는, 각각 제 1 세라믹 시트 (13a) 와 제 3 세라믹 시트 (13c) 를 관통함으로써 제 5 세라믹 시트 (13d1) 에 도달한다. 제 1 연통로 (R1) 와 제 2 연통로 (R2) 는, 각각 제 4 세라믹 시트 (13d) 에 의해 되접혀 냉매 유로 (T) 에 연통된다. 제 4 세라믹 시트 (13d) 는, 냉각 대상물이 탑재되는 탑재면 (15) 과는 반대측의 방열 장치 (H) 의 부분으로서의 저판부 (16) 를 구성한다. 냉매 (R) 는 제 5 세라믹 시트 (13d1) 의 제 1 연통로 (R1) 에서 저판부 (16) 로 이송된다. 또 냉매 유로 (T) 를 통과한 모든 냉매 (R) 는 제 5 세라믹 시트 (13d1) 의 제 2 연통로 (R2) 에 모이고, 그리고 냉매 배출부 (OUT) 를 통과함으로써 배출된다. 이와 같은 구성에 의해 냉매 유로 (T) 에서는, 냉매 (R) 의 방사상의 확산류가 더욱 발생하기 쉬워져 바람직하다.
제 1 세라믹 시트 (13a) 는, 냉각 대상물이 탑재되는 탑재면 (15) 을 갖는 천정판으로서 기능한다. 따라서 제 1 세라믹 시트 (13a) 의 두께는, 반도체 소자 (12) 등의 발열을 보다 효과적으로 전달시키기 위해, 다른 세라믹 시트보다 얇은 것이 바람직하다. 제 1 세라믹 시트 (13a) 의 두께는, 예를 들어 제 3 세라믹 시트 (13c) 의 30 ％ ∼ 50 ％ 의 두께가 바람직하다. 또 전술한 바와 같이, 방열 장치 (H) 의 탑재면 (15) 에 복수의 냉각 대상물을 탑재할 때에는, 복수의 사다리상의 줄 (L) 끼리 사이에 냉각 대상물 예를 들어 반도체 소자 (12) 등을 배치함으로써, 보다 효과적으로 냉매 (R) 와 냉각 대상물 사이에서 열 교환할 수 있다.
○ 도 11 에 나타내는 바와 같이, 방열 장치 (H) 의 저판부 (16) 는 냉매 유로 (T) 의 저면을 구획 형성하고 있고, 저면은 냉각 대상물의 탑재면 (15) 을 향하여 돌출되는 돌출상부 (Pr) 를 구비하고 있으면 좋다. 냉매 공급부 (IN) 에 공급된 냉매 (R) 는, 제 1 세라믹 시트 (13a) 와 제 3 세라믹 시트 (13c) 와 제 5 세라믹 시트 (13d1) 에 의해 형성되는 제 1 연통로 (R1) 를 거쳐, 제 3 세라믹 시트 (13c) 가 구획 형성하는 냉매 유로 (T) 로 이송된다. 도 9 와 도 11 로 나타내는 실시형태에서는, 저판부 (16) 의 중앙 부근에는 2 단의 계단상으로 이루어지는 돌출상부 (Pr) 가 형성되어 있다. 돌출상부 (Pr) 의 1 단째는, 제 4 세라믹 시트 (13d) 에 인접하는 제 5 세라믹 시트 (13d1) 에 의해 구성된다. 돌출상부 (Pr) 의 2 단째는, 제 4 세라믹 시트 (13d) 에서부터 2 개째의 제 5 세라믹 시트 (13d1) 에 의해 구성된다. 요컨대 도 9 와 도 11 에 나타내는 바와 같이, 저판부 (16) 에서부터 2 개째의 제 5 세라믹 시트 (13d1) 가 제 1 연통로 (R1) 와 제 2 연통로 (R2) 를 구성하기 위해 갖는 관통공은, 저판부 (16) 에 인접하는 제 5 세라믹 시트 (13d1) 가 갖는 관통공보다 저판부 (16) 의 중앙쪽까지 개구되어 있다. 따라서 2 단의 돌출상부 (Pr) 가 구성된다. 한편, 도 8 의 실시형태는 제 5 세라믹 시트 (13d1) 를 1 개만 갖고 있기 때문에, 돌출상부 (Pr) 는 1 단만 형성되어 있다.
도 11 은 2 개의 계단상으로 이루어지는 돌출상부 (Pr) 를 구비한 냉매 유로 (T) 에서의 냉매 (R) 흐름의 개념도를 나타내고 있다. 냉매 (R) 의 흐름 방향은, 냉매 유로 (T) 의 저면에 존재하는 돌출상부 (Pr) 에 의해, 냉각 대상물이 탑재되는 탑재면 (15) 요컨대 방열 장치 (H) 의 천정부를 향하도록 바뀐다. 이 때문에 보다 효과적으로 냉매 (R) 와 냉각 대상물 사이의 열 교환이 촉진된다. 또한 돌출상부 (Pr) 는, 계단상으로 구성되는 것에 한정되지 않고, 예를 들어 사면에 의해 구성되는 슬로프상이어도 된다.
○ 도 12(a) 에 나타내는 바와 같이, 냉매 유로를 횡단면에서 봤을 때, 요컨대 슬릿 (S) 의 연장 형성 방향에 대하여 수직인 단면에서 냉매 유로 (T) 를 봤을 때, 각각 냉매 유로 (T) 의 양 측면 (T1) 은 슬릿 (S) 을 사이에 두고 서로 대칭성이 있는 사각형상을 나타내도 된다. 슬릿 (S) 을 사이에 두는 1 쌍의 측면 (T1) 중 일방의 측면 (T1) 을 슬릿 (S) 을 사이에 두도록 반전시키면, 타방의 측면 (T1) 과 중첩된다. 요컨대 슬릿 (S) 을 사이에 두는 1 쌍의 측면 (T1) 은 선대칭이다. 도 12(a) 는 도 8 또는 도 9 의 방열 장치 (H) 를 조립하였을 때의 도 10 의 D-D 선에 의한 냉매 유로 (T) 의 단면도로, 칸막이 (C) 와는 상이한 지점의 단면도이다. 도 12(a) 에 나타내는 바와 같이, 상세하게는 각각 냉매 유로 (T) 의 양 측면은, 슬릿 (S) 과 기체 (14) 사이의 1 쌍의 경계선을 규정한다. 이들 1 쌍의 경계선은, 구형파와 같이, 높이 방향 요컨대 저판부 (16) 와 탑재면 (15) 사이에서 연장되어 있다. 요컨대 슬릿 (S) 과 기체 (14) 사이의 1 쌍의 경계선은, 도 12(a) 에서의 각각 슬릿 (S) 을 사이에 두고 서로 대칭성이 있도록 절곡되고, 또한 각각 사각형의 3 변을 덮도록 절곡되는 형상을 나타내고 있다.
이와 같은 도 12(a) 의 냉매 유로 (T) 는, 높이 방향 요컨대 저판부 (16) 와 탑재면 (15) 사이에서 확폭과 협폭을 반복한다. 이 때문에 높이 방향으로의 냉매 (R) 의 흐름은, 협폭부에 부딪치는 부분이 와류 (R3) 가 되고, 이로써 난류를 일으킨다. 또 높이 방향 예를 들어 저판부 (16) 에서 탑재면 (15) 으로의 냉매 (R) 의 흐름은, 전술한 저판부 (16) 의 돌출상부 (Pr) 등에 의해 발생한다. 또 냉매 유로 (T) 가 확폭과 협폭을 반복하기 때문에, 냉매 유로 (T) 의 표면적도 넓어진다. 이들 난류와 냉매 유로 (T) 의 표면적 증대의 쌍방의 효과에 의해, 냉매 (R) 와 기체 (14) 사이에서 열 교환이 효과적으로 촉진되어, 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
여기서, 「양 측면 (T1) 이 슬릿 (S) 을 사이에 두고 대칭성이 있는 사각형상」이란, 측면 (T1) 이 갖는 각각의 사각형 요컨대 요철의 방향이, 슬릿 (S) 의 중심을 사이에 두고 양 측면 (T1) 끼리에서 서로 대칭이고, 또한 사각형상의 돌출량이 양 측면 (T1) 에서 대체로 동등한 상태를 가리킨다. 또한 도 6 에 나타내는 바와 같이 냉매 유로 (T) 요컨대 슬릿 (S) 이 파선상인 것과 같이 직선상 이외인 경우, 도 12(a) 가 나타내는 단면은, 개개의 냉매 유로 (T) (슬릿 (S)) 의 진행 방향에 대하여 직각인 단면을 나타낸다.
도 12(a) 에 나타내는 냉매 유로 (T) 의 제조 방법은, 슬릿 (S) 의 치수가 크고 작은 합계 2 종류의 제 3 세라믹 시트 (13c) 를 준비한다. 그리고 이들 제 3 세라믹 시트 (13c) 를 적층순으로 교대로 적층시키고 또한 접합시키면 된다. 또한 반드시 제 3 세라믹 시트 (13c) 의 1 장씩 교대로 슬릿 (S) 의 확폭과 협폭을 반복할 필요는 없고, 예를 들어 2 개 확폭이 연속되거나, 3 개 확폭이 연속되거나 해도 된다. 요컨대 대체로 교대로 확폭과 협폭이 배치되면 된다.
측면 (T1) 의 사각형상의 돌출량 (w2) 은 10 ㎛ ∼ 40 ㎛ 의 범위인 것이 보다 바람직하다. 돌출량 (w2) 이 이 범위 내이면, 제 3 세라믹 시트 (13c) 의 층간 박리의 발생을 억제하면서, 냉매 유로 (T) 의 표면적을 보다 넓게 확보할 수 있다. 또한 돌출량 (w2) 은 냉매 유로 (T) 의 폭 (w) 과 동일한 방향의 치수를 의미한다.
○ 도 12(b) 에 나타내는 바와 같이, 냉매 유로를 횡단면에서 봤을 때, 요컨대 슬릿 (S) 의 연장 형성 방향에 대하여 수직인 단면에서 냉매 유로 (T) 를 봤을 때, 각각 냉매 유로 (T) 의 양 측면 (T1) 은 쌍방 모두 동일 방향으로 절곡되고 또한 각각 사각형을 덮도록 절곡되는 형상을 나타내도 된다. 요컨대 냉매 유로 (T) 의 양 측면 (T1) 은 서로 동일성이 있는 사각형상을 나타내도 된다. 도 12(b) 에 있어서, 슬릿 (S) 을 사이에 두는 1 쌍의 측면 (T1) 중 일방의 측면 (T1) 을 평행 이동시키면, 타방의 측면 (T1) 과 중첩된다. 이 구성에 의하면, 냉매 (R) 는 높이 방향으로 구부러진 흐름을 따라가고, 또한 냉매 (R) 와 기체 (14) 사이에서의 접촉 표면적이 넓어진다. 따라서 효과적으로 냉매 (R) 와 기체 (14) 사이에서 열 교환이 촉진된다.
여기서, 「양 측면 (T1) 이 서로 동일성이 있는 사각형상」이란, 측면 (T1) 의 각각의 사각형 요컨대 요철의 방향이 양 측면에서 동일 방향이고, 또한 사각형상의 돌출량이 양 측면 (T1) 에서 대체로 동등한 상태를 가리킨다. 또한 도 6 에 나타내는 바와 같이 냉매 유로 (T) 요컨대 슬릿 (S) 이 파선상인 경우, 도 12(b) 가 나타내는 단면은, 개개의 냉매 유로 (T) (슬릿 (S)) 의 진행 방향에 대하여 직각인 단면을 나타낸다. 도 12(b) 에 나타내는 냉매 유로 (T) 의 제조 방법은, 슬릿 (S) 의 치수가 1 종류인 제 3 세라믹 시트 (13c) 를 복수, 슬릿 (S) 의 적층 위치가 적층순으로 교대로 어긋나도록 배치하여 적층시키고 접합시키면 된다. 또한 반드시 1 장씩 교대로 슬릿 (S) 의 배치를 어긋나게 할 필요도 없고, 예를 들어 제 3 세라믹 시트 (13c) 가 2 장 연속하여 어긋나지 않도록 적층시키거나, 3 장 연속하여 제 3 세라믹 시트 (13c) 가 어긋나지 않도록 적층시키거나 해도 된다. 요컨대 대체로 교대로 슬릿 (S) 의 위치가 어긋나도록 제 3 세라믹 시트 (13c) 는 배치되면 된다.
도 12(b) 의 측면 (T1) 의 사각형상의 돌출량 (w2) 은 10 ㎛ ∼ 40 ㎛ 의 범위인 것이 보다 바람직하다. 돌출량 (w2) 이 이 범위 내이면, 제 3 세라믹 시트 (13c) 의 층간 박리의 발생을 억제하면서, 냉매 유로 (T) 의 표면적을 보다 많이 확보할 수 있다.
○ 냉매 유로 (T) 에, 당해 냉매 유로 (T) 를 폭 방향 또는 높이 방향으로 오므리는 협착부를 형성해도 된다. 협착부는, 슬릿 (S) 을 구획 형성하는 제 3 세라믹 시트 (13c) 에 형성된다. 제 3 세라믹 시트 (13c) 는, 1 개 또는 복수의 냉매 유로 (T) 를 오므리도록 협착부를 형성해도 된다. 도 1 ∼ 도 7 의 각각 실시형태에서는, 냉매 유로 (T) 를 구성하는 슬릿 (S) 의 통로 폭은 일정하였다. 그러나, 이들 도 1 ∼ 도 7 의 냉매 유로 (T) 에 1 개 또는 복수의 협착부를 형성하면, 냉매 (R) 는 협착부를 통과할 때에 난류를 일으킨다. 따라서 냉매와 핀 (F) 사이에서의 보다 효과적인 열 교환이 촉진되어, 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
○ 도 13(b) 에 나타내는 바와 같이, 냉매 유로 (T) 의 높이 치수를 오므리는 협착부를 형성해도 된다. 냉매 유로 (T) 의 최대 높이 치수 (h0) 에 대한 협착부에 의해 오므려진 냉매 유로 (T) 의 최소 높이 치수 (h1) 의 비, 요컨대 최소 높이 치수 (h1)/최대 높이 치수 (h0) 는 0.96 이상 1 미만이면 좋다 (0.96 ≤ h1/h0 ＜ 1). 여기서, 「냉매 유로 (T) 의 높이 치수 (h)」란, 복수의 제 3 세라믹 시트 (13c) 가 적층됨으로써 쌓아 올려진 복수의 슬릿 (S) 의 합계 높이 치수 (h) 를 가리킨다.
도 13(a) 는 냉매 유로 (T) 를 슬릿 (S) 의 연장 형성 방향에 대하여 수직인 단면에서 본 개념도를 나타내고, 또한 협착부가 없는 경우를 나타낸다. 도 13(b) 의 냉매 유로 (T) 에서는, 1 쌍의 협착부가 냉매 유로 (T) 의 폭 방향의 중앙에 형성되어 있다. 요컨대 1 쌍의 협착부가 냉매 유로 (T) 의 상하면에 형성되어 있다.
도 13(b) 에 나타내는 바와 같이, 냉매 유로 (T) 의 높이 치수를 오므리는 협착부가 존재하고, 협착부에 의한 냉매 유로 (T) 의 최소 높이 치수 (h1)/최대 높이 치수 (h0) 의 비가 0.96 이상일 때, 예를 들어 협착부가 냉매 (R) 의 흐름을 막는 이상 (異常) 의 발생을 억제할 수 있다. 따라서 최소 높이 치수 (h1)/최대 높이 치수 (h0) 가 0.96 이상이면, 공급 파이프 (P1) 는 냉매 (R) 의 공급 압력을 극단적으로 높일 필요가 없다. 또 최소 높이 치수 (h1)/최대 높이 치수 (h0) 가 1 미만일 때, 냉매 (R) 의 흐름이 협착부에 의해 적당히 정체된다. 요컨대 협착부에 의해 막힌 일부의 냉매 (R) 가 와류가 된다. 따라서 냉매 (R) 의 난류가 발생하기 쉬워져, 효과적인 열 교환이 냉매 (R) 와 기체 (14) 사이에서 촉진된다.
복수의 세라믹 시트 (13) 를 적층시키고 또한 접합시키는 제조 방법 중, 예를 들어 도 13(b) 의 높이 방향 협착부의 형성 방법은, 슬릿 (S) 의 연장 형성 방향의 중앙 부근의 접합시의 가압력과, 그 밖의 부분 예를 들어 핀 (F) 의 접합시의 가압력을 서로 달리하도록 복수의 세라믹 시트 (13) 를 가압하는 가압 지그를 사용하여 가압한다. 그리고 이들 세라믹 시트 (13) 를 소성한다. 가압 지그는, 예를 들어 적층된 복수의 세라믹 시트 (13) 를 협지함으로써 가압하는 복수의 지그로, 적어도 하나의 지그는, 다른 부분보다 높은 가압력을 슬릿 (S) 을 향하여 가하도록 돌출면을 구비한다. 이와 같은 높은 가압력에 의해, 높이 방향에서 냉매 유로 (T) 의 내부로 돌출되는 높이 방향 협착부가 형성된다. 소성 후의 기체 (14) 에는, 냉각 대상물이 탑재되는 탑재면 (15) 을 평탄화하기 위한 연삭이 실시된다. 따라서, 냉각 대상물인 반도체 소자 (12) 등을 탑재하는 금속판 (11) 은, 지장없이 방열 장치 (H) 의 탑재면 (15) 에 탑재할 수 있다.
○ 도 13(c) 에 나타내는 바와 같이, 냉매 유로 (T) 의 폭 치수를 오므리는 협착부를 형성해도 된다. 냉매 유로 (T) 의 최대폭 (w0) 에 대한 협착부에 의해 오므려진 냉매 유로 (T) 의 최소폭 (w1) 의 비, 요컨대 최소폭 (w1)/최대폭 (w0) 은 0.96 이상 1 미만이면 좋다 (0.96 ≤ w1/w0 ＜ 1). 여기서, 「냉매 유로 (T) 의 최소폭 (w1)」이란, 냉매 유로 (T) 의 폭 방향에서 가장 내측의 벽부끼리 사이의 간격을 가리킨다.
도 13(a) 는 폭 방향으로도 협착부가 없는 냉매 유로 (T) 를 나타낸다. 도 13(c) 의 냉매 유로 (T) 에서는, 1 쌍의 폭 방향 협착부가 냉매 유로 (T) 의 높이 방향의 중앙에 형성되어 있다. 요컨대 1 쌍의 폭 방향 협착부가 냉매 유로 (T) 의 양 측면에 형성되어 있다.
도 13(c) 에 나타내는 바와 같이, 냉매 유로 (T) 의 폭 치수를 오므리는 협착부가 존재하고, 협착부에 의한 냉매 유로 (T) 의 최소폭 (w1)/최대폭 (w0) 의 비가 0.96 이상일 때, 예를 들어 협착부가 냉매 (R) 의 흐름을 막는 이상의 발생을 억제할 수 있다. 따라서 최소폭 (w1)/최대폭 (w0) 의 비가 0.96 이상이면, 공급 파이프 (P1) 는 냉매 (R) 의 공급 압력을 극단적으로 높일 필요가 없다. 또 최소폭 (w1)/최대폭 (w0) 이 1 미만일 때, 냉매 (R) 의 흐름이 협착부에 의해 적당히 정체된다. 요컨대 협착부에 의해 막힌 일부의 냉매 (R) 가 와류가 되어, 냉매 (R) 의 난류가 발생하기 쉬워진다. 따라서 효과적인 열 교환이 냉매 (R) 와 기체 (14) 사이에서 촉진된다.
복수의 세라믹 시트 (13) 를 적층시키고 또한 접합시키는 제조 방법 중, 예를 들어 도 13(c) 의 폭 방향 협착부의 형성 방법은, 전술한 도 13(b) 의 높이 방향 협착부의 형성 방법과 동일하게 가압 지그를 사용한다. 가압 지그는, 예를 들어 적층된 복수의 세라믹 시트 (13) 를 협지함으로써 가압하는 지그로, 적어도 하나의 지그는, 다른 부분보다 높은 가압력을 슬릿 (S) 끼리 사이 요컨대 핀 (F) 에 가하도록 돌출면을 구비한다. 이와 같은 높은 가압력에 의해, 폭 방향에서 냉매 유로 (T) 의 내부로 돌출되는 폭 방향 협착부가 형성된다. 소성 후의 기체 (14) 는 탑재면 (15) 이 형성되도록 연삭된다.
○ 방열 장치 (H) 에 있어서의 냉매 유입구 요컨대 냉매 공급부 (IN) 의 위치나, 냉매 배출구 요컨대 냉매 배출부 (OUT) 의 위치를 변경해도 된다. 예를 들어 방열 장치 (H) 의 하면 (저면) 에 냉매 유입구와 냉매 배출구를 배치해도 된다. 이 경우, 제 1 세라믹 시트 (13a) 가 방열 장치 (H) 의 저판부를 구성한다. 제 1 세라믹 시트 (13a) 상에 제 2 세라믹 시트 (13b) 를 적층시키고, 제 2 세라믹 시트 (13b) 상에 제 3 세라믹 시트 (13c) 를 적층시키고, 제 3 세라믹 시트 (13c) 상에 제 4 세라믹 시트 (13d) 를 순서대로 적층시킨다. 또 다른 변경예로서, 냉매 유입구와 냉매 배출구 중 어느 일방을 방열 장치 (H) 의 상면에 배치함과 함께, 냉매 유입구와 냉매 배출구 중 타방을 방열 장치 (H) 의 하면에 배치해도 된다.
○ 방열 장치 (H) 에 접속되는 공급 파이프 (P1) 와 배출 파이프 (P2) 를 연질 재료로 형성해도 된다. 요컨대 냉매 공급부 (IN) 나 냉매 배출부 (OUT) 를, 냉매의 유체원에 접속되는 적어도 방열 장치 (H) 측의 관로를 연질 재료로 형성해도 된다. 방열 장치 (H) 가 접합된 반도체 소자 (12) 를 갖는 반도체 장치 (10) 를, 예를 들어 차재 용도에 사용하였을 때, 반도체 장치 (10) 에는 격렬한 진동이 가해질 것이 예측된다. 그래서 이 구성에 의하면, 연질 재료로 형성된 공급 파이프 (P1) 나 배출 파이프 (P2) 와 같은 관로가, 반도체 장치 (10) 의 진동을 흡수할 수 있다. 특히 바람직한 연질 재료로는, 내열성, 고강도 및 내약품성이 풍부한 실리콘 고무나, 페놀 수지 함침 면포 기재 등을 사용하면 된다.
○ 도 11 에 나타내는 바와 같이, 사다리상의 줄 (L) 은, 냉매 공급부 (IN) 에서 냉매 배출부 (OUT) 로의 냉매 유로 (T) 의 흐름 방향을 따라, 냉매 유로 (T) 의 저면에 가까워지도록 경사져 있으면 좋다. 이와 같이 사다리상의 줄 (L) 이 경사지도록, 사다리상의 줄 (L) 을 구성하는 복수의 칸막이 (C) 가 배치되면 좋다. 이 경우, 냉매 공급부 (IN) 로부터 제 1 통로 형성부 (Ta) 를 거쳐 냉매 유로 (T) 로 이송된 냉매 (R) 가 사다리상의 줄 (L) 을 통과하는 위치는, 냉매 공급부 (IN) 에서 냉매 배출부 (OUT) 로의 냉매 (R) 의 흐름 방향을 따라, 탑재면 (15) 에서 냉매 유로 (T) 의 저면을 향하여 순차적으로 어긋난다. 요컨대 각각의 칸막이 (C) 에 의해, 냉매 유로 (T) 에서의 냉매 (R) 의 흐름은, 도 11 에 나타내는 바와 같이 방사상의 확산류가 되어, 탑재면 (15) 을 향하는 냉매 (R) 의 흐름이 고르게 확산된다. 따라서 탑재면 (15) 의 전면에 걸쳐 고르게 열 교환이 촉진되어, 냉각 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
○ 상기 실시형태는, 냉각 대상물을 탑재하는 방열 장치 (H) 를 예시하였다. 그러나 본 발명이 적용되는 것은 방열 장치에 한정되지 않고, 가온을 목적으로 하는 열 교환 장치에 응용해도 된다. 요컨대 냉매 (R) 가 흐르는 냉매 유로 (T) 에 한정되지 않고, 본 발명의 장치는, 액체 또는 기체를 포함하는 유체가 흐르는 유로를 갖는 장치이면 된다.
(실시예)
이하에 설명하는 바와 같이, 도 12(a) 나 도 12(b) 에 나타낸 냉매 유로 (T) 의 측면 (T1) 의 바람직한 구형파상의 치수에 대해 조사하였다. 도 14(a) 와 도 14(b) 를 사용하면서 설명한다.
본 실시예에서는, 도 8 에 나타내는 제 1 세라믹 시트 (13a) 와, 5 개의 제 3 세라믹 시트 (13c) 와, 1 개의 제 5 세라믹 시트 (13d1) 와, 제 4 세라믹 시트 (13d) 의 합계 8 층을 적층시킨다. 요컨대 돌출상부 (Pr) 는 1 단이다. 이들 세라믹 시트 (13a, 13c, 13d1, 13d) 를 접합시키고 소성한 후에는, 제 1 세라믹 시트 (13a) 의 두께는 0.5 ㎜ 이다. 소성 후의 제 3 세라믹 시트 (13c) 의 두께와 제 5 세라믹 시트 (13d1) 의 두께와 제 4 세라믹 시트 (13d) 의 두께는, 각각 1 ㎜ 이다. 슬릿 (S) 의 폭 (w) 은 1 ㎜ 이고, 연장 형성 방향 (e) 의 슬릿 (S) 의 길이는 180 ㎜ 이다. 이웃하는 슬릿 (S) 끼리의 간격, 요컨대 핀 (F) 의 폭은 1 ㎜ 이다. 직선상의 8 개의 슬릿 (S) 이 형성되어 있다. 방열 장치 (H) 의 외변 치수는 220 ㎜ (흐름 방향 치수) × 50 ㎜ (폭 치수) 이다.
산화알루미늄과 산화규소, 산화칼슘 및 산화마그네슘의 분말을 혼합하고, 이것에 아크릴 수지를 주성분으로 하는 바인더를 혼합함으로써, 슬러리를 얻는다.
다음으로, 상기 슬러리를 공지된 독터 블레이드법으로 처리함으로써, 평탄한 세라믹 시트를 제조한다. 다음으로, 상기 세라믹 시트를 금형에 의해 처리함으로써, 개개의 세라믹 시트 (13) 을 제조한다. 이들 세라믹 시트 (13) 는 적층시켰을 때에 제품 형상이 된다.
다음으로, 상기 세라믹 시트 (13) 를 적층시키고 가압, 접합시키기 위해, 세라믹 시트 (13) 끼리의 접합부에 상기 슬러리와 동일한 것을 밀착액으로서 공지된 스크린 인쇄법에 의해 도포한다.
다음으로, 세라믹 시트 (13) 를 적층시키고, 최하층에 세라믹 시트 (13) 의 압력 전파 상태를 관찰하기 위한 프리스케일 (후지 필름 주식회사 제조의 형명 : LLLW 초저압 0.2 ∼ 0.6 ㎫ 용) 을 사이에 둔다. 프리스케일은, 적층된 세라믹 시트 (13) 의 전체면에 균등한 가압력이 가해지고 있는지 관찰하기 위해 사용된다. 프리스케일이 나타내는 적색의 발색 정도에 의해, 세라믹 시트 (13) 의 가압력이 판단된다.
다음으로, 상기와 같이 적층된 세라믹 시트 (13) 와 프리스케일을, 가압 지그에 의해 협지함으로써 0.5 ㎫ 의 가압을 실시한다. 가압 후의 프리스케일을 확인하여 발색이 드문드문한 경우에는, 재가압하거나 혹은 세라믹 시트 (13) 를 불량으로서 처분한다.
다음으로, 산화 분위기의 터널형 소성로를 사용하여 약 1500 ℃ ∼ 1650 ℃ 의 최고 온도 (본 실시예에서는 1600 ℃) 에서 소성한다. 그 결과, 산화알루미늄 96 질량％ 함유의 세라믹 소결체인 방열 장치 (H) 가 얻어진다.
도 14(a) 와 도 14(b) 는 각각 도 10 에 나타내는 방열 장치 (H) 의 D-D 선의 단면도로, 냉매 유로 (T) 의 연장 형성 방향 (e) 에 대하여 수직인 단면을 부분 확대하여 나타낸다. 도 14(a) 는 도 12(a) 와 같이 냉매 유로 (T) 의 양 측면 (T1) 이 대칭성이 있는 사각형상의 파선을 규정하는 실시예를 나타낸다. 단, 아래에서부터 3 번째와 4 번째의 제 3 세라믹 시트 (13c) 는, 협폭의 슬릿 (S) 이 2 개 연속되어 있다. 도 14(b) 는 도 12(b) 와 같이 냉매 유로 (T) 의 양 측면 (T1) 이 서로 동일성이 있는 사각형상의 파선을 규정하는 실시예를 나타낸다. 단, 아래에서부터 3 번째와 4 번째의 제 3 세라믹 시트 (13c) 는, 도 14(b) 의 우측으로 적층 어긋난 슬릿 (S) 이 2 개 연속되어 있다.
1 개의 방열 장치 (H) 가 갖는 복수의 냉매 유로 (T) 는 서로 동일 형상 또한 동일 치수이다. 5 층의 제 3 세라믹 시트 (13c) 의 슬릿 (S) 의 치수값을 각각 달리하여 냉매 유로 (T) 를 제조하였다. 도 14(a) 와 같이 대칭성이 있는 사각형상의 물결을 갖는 양 측면 (T1) 에서는, 사각형의 오목부 사이의 폭을 w 로 하고, 사각형의 돌출량 요컨대 어긋남량을 w2 로 하였다. 도 14(b) 에 나타내는 바와 같이 서로 동일성이 있는 사각형상의 물결을 갖는 양 측면 (T1) 에서는, 폭 방향으로 마주보는 사각형의 요철 사이의 폭을 w 로 하고, 사각형의 돌출량을 w2 로 하였다. 그리고, 하기의 표 1 에 나타내는 시료를 각각 준비하였다.
이와 같이 하여 얻어진 방열 장치 (H) 의 시료 각각의 적층된 세라믹 시트 (13) 의 접합 상태를 관찰하기 위해, 초음파 탐상 시험을 실시하였다.
초음파 탐상 시험에서는, 히타치 건기 파인테크 주식회사 제조의 형명 : mi-scopehyper 와 초음파 프로브 형명 : 50P6F15 및 PT-3-25-17 을 사용하였다. 각각의 시료의 접합부를 주파수 50 MHZ 와 25 MHZ 로 각각 바꾸고 찾았다. 각각의 초음파 탐상 시험에 의해 얻어지는 화상에 있어서, 세라믹 시트 (13) 의 접합 불량인 층간 박리 상태를 관찰하였다. 냉매 유로 (T) 의 연장 형성 방향과 수직인 단면 요컨대 횡단면에 나타나는 박리 깊이를 D1 로 하였다. 개개의 방열 장치 (H) 의 냉매 유로 (T) 의 사각형상의 돌출량 (w2) 과 박리 깊이 (D1) 가 표 1 의 범위에 들어가는 시료를 선택함으로써, 합계 10 개의 시료를 준비하였다.
다음으로, 방열 장치 (H) 의 각각 시료의 탑재면 (15) 에 히터와 열전쌍을 장착하였다. 이들 히터나 열전쌍은, 탑재면 (15) 의 온도가 80 ℃ 가 되도록 가열하였다.
또한 냉매 공급부 (IN) 에 냉매 (R) 로서 18 ℃ 의 물을 0.5 ㎫ 의 압력으로 공급하였다. 이렇게 하여 30 분 경과 후의 탑재면 (15) 의 온도를 측정하고, 그 평균값을 구하였다.
냉각 시험 종료 후에는, 각각의 시료로 초음파 탐상 시험을 실시하고, 박리 깊이 (D1) 를 측정하였다. 또한 초음파 탐상 시험에 의해 얻어지는 화상에서는, 공동이 존재하면 백색 화상이 표시되고, 공동이 없는 경우에는 흑색 화상이 표시된다. 그러나 미세한 박리 깊이 (D1) 를 계량값으로 나타내는 것은 실제로는 불가능하다. 그래서 사전에 세라믹 시트의 층간 박리의 시료를 크로스 섹션한 것을 사용하여, SEM 화상으로 박리 깊이 (D1) 를 구한 것을 제조하였다. 이와 같이 사전에 얻은 것과 실제로 얻은 화상을 비교 대조함으로써, 박리 깊이 (D1) 의 수치를 구하였다.
이들에 의해 얻어진 데이터를 표 1 에 나타낸다.
Figure 112015072207031-pat00001
표 1 은 도 14(a) 와 같이 냉매 유로 (T) 의 측면 (T1) 이 대칭성이 있는 사각형상을 나타내는 시료 No.1 ∼ No.5 와, 도 14(b) 와 같이 서로 동일성이 있는 사각형상의 시료 No.11 ∼ No.15 를 나타낸다. 이들 시료 No.1 ∼ 5 와 시료 No.11 ∼ 15 모두 사각형상의 돌출량 (w2) 이 커짐에 따라 냉각 효과는 향상된다. 냉각 효율은, No.11 ∼ 15 와 같이 서로 동일성이 있는 사각형상 쪽이, No.1 ∼ 5 와 같이 대칭성이 있는 사각형상보다 상회한다는 것도 알 수 있다. 이것은, No.11 ∼ 15 와 같이 서로 동일성이 있는 사각형상에서는, 냉매 (R) 가 높이 방향으로도 구부러지도록 흐름으로써, 기체 (14) 와 냉매 (R) 사이에서의 보다 효과적인 열 교환이 실시된 결과인 것으로 생각된다.
사각형상의 돌출량 (w2) 이 40 ㎛ 이상인 시료 No.4, 5 와 시료 No.14, 15 에서는, 냉각 시험 전의 냉매 유로 (T) 의 측면 (T1) 의 박리 깊이 (D1) 가 최대값으로 6 ㎛ ∼ 15 ㎛ 로 커졌다. 이것은, 세라믹 시트 (13) 를 적층, 접합시킬 때의 가압력이 측면 (T1) 의 사각형부에 충분히 전파되지 않았기 때문인 것으로 추측된다. 고압의 물을 소정 시간 공급한 결과, 시료 No.5 와 시료 No.15 에서는 각각 1 개의 냉매 유로 (T) 가 유로 파괴를 일으켰다. 이것은, 측면 (T1) 의 박리 깊이 (D1) 가 가장 큰 지점이 기점이 되어, 유로 파괴가 일어난 것으로 생각된다.
이들 사각형상의 돌출량 (w2) 에 대해, 냉각 효과와 세라믹 시트 (13) 의 층간 박리 (유로 파괴) 에 대한 내성의 양면으로부터 고찰하면, 다음과 같은 점을 알 수 있다. 요컨대 세라믹 시트 (13) 의 어긋남량인 사각형상의 돌출량 (w2) 은 10 ㎛ 이상 50 ㎛ 미만의 범위로 설정하면 좋고, 보다 바람직하게는 10 ㎛ 이상 40 ㎛ 미만으로 설정하면 좋다.
10 … 반도체 장치
11 … 금속판
12 … 반도체 소자
13a ∼ 13d1 … 세라믹 시트
14 … 기체
15 … 탑재면
16 … 저판부
H … 방열 장치
IN … 제 1 연통로의 일부를 구성하는 냉매 공급부
OUT … 제 2 연통로의 일부를 구성하는 냉매 배출부
Ta … 제 1 연통로의 일부를 구성하는 통로 형성부
Tb … 제 2 연통로의 일부를 구성하는 통로 형성부
T … 냉매 유로
T1 … 측면
e … 슬릿의 연장 형성 방향
S … 슬릿
C … 칸막이
R1 … 제 1 연통로
R2 … 제 2 연통로
P1 … 공급 파이프
P2 … 배출 파이프
R … 냉매
R3 … 와류
Pr … 돌출상부
L … 줄
h … 냉매 유로 (슬릿) 의 높이 치수
h0 … 냉매 유로 (슬릿) 의 최대 높이 치수
h1 … 냉매 유로 (슬릿) 의 최소 높이 치수
w … 냉매 유로 (슬릿) 의 폭
w0 … 냉매 유로 (슬릿) 의 최대폭
w1 … 냉매 유로 (슬릿) 의 최소폭
w2 … 사각형상의 돌출량, 어긋남량
D1 … 박리 깊이

Claims (11)

  1. 반도체 소자와 ;
    상기 반도체 소자가 실장된 금속판과 ;
    상기 금속판이 접합되는 방열 장치를 구비하는 반도체 장치로서,
    상기 방열 장치는 세라믹으로 이루어지는 기체와, 상기 기체의 내부에 냉매를 흐르게 하는 복수 개의 냉매 유로를 구비하는 방열 장치로서,
    상기 기체는, 복수 장의 세라믹 시트를 적층시켜 이루어지는 적층체가 소성됨으로써 형성되고, 상기 복수 장의 세라믹 시트는, 상기 복수 개의 냉매 유로를 구성하는 복수 개의 슬릿이 각각 형성된 복수 장의 세라믹 시트와, 상기 복수 개의 냉매 유로와 외부를 서로 연통시키는 연통로가 형성된 세라믹 시트를 포함하고,
    상기 복수 개의 슬릿은 상기 복수 개의 냉매 유로를 구획하는 핀으로 형성되고,
    상기 방열 장치의 상기 기체는, 냉각 대상물이 탑재되는 탑재면을 갖고,
    상기 금속판이 상기 탑재면에 접합됨으로써 구성되는 상기 반도체 장치에 있어서,
    상기 연통로의 냉매 유입구에는, 상기 냉매를 상기 복수 개의 냉매 유로로 공급하는 공급 파이프가 형성되고,
    상기 연통로의 냉매 배출구에는, 상기 복수 개의 냉매 유로를 통과한 냉매를 외부로 배출하는 배출 파이프가 형성되고,
    상기 공급 파이프와 상기 배출 파이프는, 연질 재료에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연통로가 갖는 냉매 유입구와 냉매 배출구는, 상기 탑재면에 개구되어 있는 반도체 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체를 상기 탑재면으로부터 평면에서 본 경우, 상기 복수 개의 냉매 유로는 파선상으로 형성되어 있는 반도체 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 슬릿이 형성된 상기 복수 장의 세라믹 시트는, 산화알루미늄, 질화규소, 탄화규소, 질화알루미늄 및 알루미나·지르코니아 중 하나로 형성되어 있는 반도체 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 냉매 유로에는, 상기 슬릿의 연장 형성 방향으로 상기 슬릿을 구분하는 적어도 1 개의 칸막이가 형성되어 있는 반도체 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    복수의 상기 칸막이는, 적어도 1 개의 사다리상의 줄을 구성하고,
    상기 슬릿의 연장 형성 방향으로 연장되고 또한 상기 세라믹 시트의 적층 방향으로 연장되는 단면에서 상기 복수 개의 냉매 유로를 봤을 때, 복수의 상기 칸막이가, 상기 세라믹 시트의 적층순으로 순차적으로 어긋나 배치 형성됨으로써, 상기 사다리상의 줄은 구성되는 반도체 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수 개의 냉매 유로에는, 상기 슬릿의 연장 형성 방향으로 상기 슬릿을 구분하는 적어도 1 개의 칸막이가 형성되어 있고,
    복수의 상기 칸막이는, 적어도 1 개의 사다리상의 줄을 구성하고,
    상기 슬릿의 연장 형성 방향으로 연장되고 또한 상기 세라믹 시트의 적층 방향으로 연장되는 단면에서 상기 복수 개의 냉매 유로를 봤을 때, 복수의 상기 칸막이가, 상기 세라믹 시트의 적층순으로 순차적으로 어긋나 배치 형성됨으로써, 상기 사다리상의 줄은 구성되고,
    상기 슬릿의 연장 형성 방향으로 연장되고 또한 상기 세라믹 시트의 적층 방향으로 연장되는 단면에서 상기 복수 개의 냉매 유로를 봤을 때, 상기 방열 장치는, 상기 탑재면과는 반대측에 위치하는 저판부를 갖고,
    상기 저판부는, 상기 복수 개의 냉매 유로의 저면을 구획 형성하고,
    상기 복수 개의 냉매 유로의 저면은, 상기 탑재면을 향하여 돌출되는 돌출상부를 구비하는 반도체 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬릿의 연장 형성 방향에 대하여 수직인 단면에서 상기 복수 개의 냉매 유로를 봤을 때, 상기 복수 개의 냉매 유로 각각의 양 측면은, 상기 슬릿과 상기 기체 사이의 1 쌍의 경계선을 규정하고,
    상기 1 쌍의 경계선은, 상기 슬릿을 사이에 두고 서로 대칭성이 있도록 절곡되고 또한 각각 사각형을 덮도록 절곡되는 형상을 나타내고 있는 반도체 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬릿의 연장 형성 방향에 대하여 수직인 단면에서 상기 복수 개의 냉매 유로를 봤을 때, 상기 복수 개의 냉매 유로 각각의 양 측면은, 상기 슬릿과 상기 기체 사이의 1 쌍의 경계선을 규정하고,
    상기 1 쌍의 경계선은, 쌍방 모두 동일 방향으로 절곡되고 또한 각각 사각형을 덮도록 절곡되는 형상을 나타내고 있는 반도체 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 냉매 유로 각각에는, 당해 냉매 유로 각각을 폭 방향 또는 높이 방향으로 오므리는 적어도 1 개의 협착부가 형성되어 있는 반도체 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방열 장치는, 냉매가 공급되는 냉매 공급부와, 냉매가 배출되는 냉매 배출부와, 상기 탑재면과는 반대측에 위치하는 저판부를 갖고,
    상기 저판부는, 상기 복수 개의 냉매 유로의 저면을 구획 형성하고,
    상기 복수 개의 냉매 유로에는, 상기 복수 개의 슬릿을 당해 슬릿의 연장 형성 방향으로 구분하는 복수의 칸막이가 형성되고,
    복수의 상기 칸막이는, 적어도 1 개의 사다리상의 줄을 구성하고,
    상기 슬릿의 연장 형성 방향으로 연장되고 또한 상기 세라믹 시트의 적층 방향으로 연장되는 단면에서 상기 복수 개의 냉매 유로를 봤을 때, 복수의 상기 칸막이가, 상기 세라믹 시트의 적층순으로 순차적으로 어긋나 배치 형성됨으로써, 상기 사다리상의 줄은 구성되고,
    상기 사다리상의 줄이, 상기 냉매 공급부에서 상기 냉매 배출부로의 상기 복수 개의 냉매 유로의 흐름 방향을 따라 상기 복수 개의 냉매 유로의 저면에 가까워지도록 경사지도록, 상기 사다리상의 줄을 구성하는 복수의 상기 칸막이는 배치되는 반도체 장치.
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