WO2014171276A1 - 発熱素子の冷却装置 - Google Patents

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heat sink
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豪 二宮
古川　資之
近藤　勝彦
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日産自動車株式会社
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    • H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]

Definitions

  • the heat radiating plate and the cooling structure are disposed inside the refrigerant flow path at the seal position.
  • a minute gap is formed between the surfaces facing the body, and the refrigerant stays in the gap, thereby causing corrosion of the heat sink and the cooling structure as follows.
  • the flow of the refrigerant in the vicinity of the seal position in the refrigerant flow path can be made smooth. Prevents the concentration difference of dissolved oxygen in the refrigerant in the flow path and the formation of concentration cells in the refrigerant flow path. As a result, corrosion of the heat sink and cooling structure, and liquid leakage of the refrigerant due to this corrosion are prevented. It can be prevented simply and at low cost.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the semiconductor device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a conventional semiconductor device.
  • FIG. 4 is an enlarged view showing another example of the semiconductor device according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is an enlarged view of the semiconductor device according to the third embodiment.
  • the heat radiating plate 5 has a main surface 51 in which the above-described insulating layer 4, electrode 3, and semiconductor element 2 are provided in this order, and a heat radiating structure in which a plurality of heat radiating fins 53a to 53f are formed. And a surface 52.
  • the heat radiating plate 5 receives the heat of the semiconductor element 2 generated by energization by the main surface 51 via the insulating layer 4, and then radiates the received heat from the heat radiating fins 53 a to 53 f of the heat radiating surface 52.
  • the number of heat radiation fins 53a to 53f is not particularly limited and may be a desired number.
  • the shape of the heat radiating fin is not particularly limited.
  • the heat sink 5 can be made of, for example, copper, aluminum or aluminum alloy having excellent thermal conductivity, and in addition, a plating layer such as nickel may be provided on the surface thereof.
  • a ceramic substrate made of ceramic having electrical insulation, an insulating sheet, or the like can be used as the insulating layer 4.
  • a sealing member 8 for sealing the refrigerant flow path 7 is interposed between the cooling structure 6 and the heat radiating plate 5.
  • the sealing member 8 is in sliding contact with the heat sink 5 on one surface and the cooling structure 6 on the opposite surface. As a result, the sealing member 8 is pressed from both sides by the heat radiating plate 5 and the cooling structure 6, and thereby, the heat radiating plate 5 and the cooling structure 6 are in close contact with each other and the refrigerant flow path 7 can be sealed. It can be done.
  • a seal ring such as an O-ring made of a rubber material, a liquid gasket, a metal gasket, or the like can be used.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the seal member 8 in the semiconductor device 1 shown in FIG.
  • the cooling structure 6 is provided with a recess inside the refrigerant flow path 7 in the vicinity of the seal position. Therefore, in the present embodiment, in the vicinity of the seal member 8 as shown in FIG. , The in-channel facing distance D10 and the outside-channel facing distance D20, which are the distance between the facing surfaces of the heat sink 5 and the cooling structure 6, are compared with each other. Is also getting longer. That is, the distance between the opposed surfaces of the heat sink 5 and the cooling structure 6 in the vicinity of the seal member 8 is the distance between the opposed surfaces inside the refrigerant flow channel 7 partitioned by the seal member 8.
  • the distance D ⁇ b> 10 is longer than the outside-channel facing distance D ⁇ b> 20 that is the distance between the facing surfaces on the outside of the coolant channel 7 partitioned by the seal member 8.
  • the in-channel facing distance D10a is relatively short as in the conventional semiconductor device 1a shown in FIG. 3, the refrigerant flow in the refrigerant channel gap 9 is hindered. As a result, a concentration cell is formed in the refrigerant flow path 7 due to the difference in the concentration of residual oxygen, and corrosion of the heat sink 5 and the cooling structure 6a occurs. That is, first, when flowing the refrigerant through the semiconductor device 1a, if the dissolved oxygen concentration in the refrigerant is high, the oxygen reduction reaction represented by the following general formula (1) proceeds in the refrigerant. The reaction in which the metal dissolves proceeds from the radiator plate 5 and the cooling structure 6a that are in contact with each other.
  • the eluted metal ions and chloride ions contained in the refrigerant are represented by the following general formula ( As shown in 3), a metal chloride is formed. Thereafter, as shown in the following general formula (4), when the generated metal chloride is hydrolyzed in the refrigerant, hydrogen ions are generated during the hydrolysis reaction, thereby lowering the pH in the refrigerant.
  • the cooling structure 6a also corrodes.
  • the radiator plate 5 and the cooling structure 6 can be effectively prevented from corroding. That is, when the heat radiating plate 5 and the cooling structure 6 are fastened with screws, the heat radiating plate 5 and the cooling structure 6 approach each other, and both the in-channel facing distance D10 and the outside-channel facing distance D20 are reduced. In this case, however, first, the heat radiating plate 5 and the cooling structure 6 are in contact with each other on the outer side of the refrigerant flow path 7 according to the short distance outside flow path D20.
  • the example in which the depression is provided inside the refrigerant flow path 7 in the vicinity of the seal position is shown.
  • the shape is not particularly limited to such an example, and may be any shape as long as the facing distance D10 in the flow path is longer than the facing distance D20 outside the flow path.
  • the shape of the cooling structure may be an inclined structure in which the facing distance D10 in the flow path increases from the seal position side toward the concave portion.
  • the shape of the cooling structure may be a shape in which the peripheral portion of the recess 61 is gently inclined as in the cooling structure 6b of the semiconductor device 1b shown in FIG. This part may be a C chamfered shape or an R chamfered shape (fillet shape).
  • the shape of the cooling structure is such that the facing distance D10b in the flow path increases from the seal position side toward the concave portion, so that the gap 9 in the refrigerant flow path 9
  • the flow of the refrigerant can be made smoother, and corrosion of the heat radiating plate 5 and the cooling structure 6b and liquid leakage of the refrigerant due to such corrosion can be more effectively prevented.
  • the shape of the cooling structure 6b is such that the facing distance D10b in the flow path at the position closest to the seal position (that is, the facing distance D10b in the flow path with the shortest distance) is outside the flow path. It should be longer than the facing distance D20.
  • the semiconductor device 1c in the second embodiment has a configuration as shown in FIG. 5, and is formed as the cooling structure 6c so that the side wall of the recess 61 is substantially flush with the end face of the seal member 8.
  • the semiconductor device 1 has the same configuration as that of the semiconductor device 1 according to the first embodiment except that the shape is different.
  • the in-flow path facing distance D10c can be made longer by making the cooling structure 6c have the shape described above. That is, the in-channel facing distance D10c is the distance between the facing surfaces of the heat radiating plate 5 and the cooling structure 6c inside the refrigerant channel 7 partitioned by the sealing member 8 in the vicinity of the sealing member 8 as described above. Therefore, as shown in FIG. 5, by making the side wall of the recess 61 substantially flush with the end surface of the seal member 8, the in-channel facing distance D ⁇ b> 10 c can be made longer.
  • the semiconductor device 1d in the third embodiment has a configuration as shown in FIG. 6A, uses an O-ring as the seal member 8a, and is an O-ring for the cooling structure 6d.
  • the semiconductor device 1 has the same configuration as that of the semiconductor device 1 according to the first embodiment except that a seal groove 11 for disposing the seal member 8a is formed.
  • FIG. 6A is an enlarged view of the vicinity of the seal member 8a in the semiconductor device 1d of the present embodiment.
  • the cooling structure 6d includes a refrigerant flow path 7 in which the protruding amount of the side wall of the seal groove 11 with respect to the depth of the seal groove 11 is divided by the seal member 8a.
  • the side wall inside the refrigerant flow path 7 partitioned by the seal member 8a is smaller than the side wall on the outer side. That is, in the cooling structure 6d shown in FIG. 6A, the height of the side wall inside the refrigerant flow path 7 is higher than the height of the side wall outside the refrigerant flow path 7 (flow path external side wall height H2). (Flow path inner side wall height H1) is lower.
  • the seal groove 11 in the cooling structure 6d, the seal member 8a, which is an O-ring, can be fixed to the groove to improve water tightness.
  • the seal groove 11 The flow path inner wall height H1 is made lower than the flow path outer side wall height H2, so that the flow of the refrigerant in the refrigerant flow path gap 9 can be made smooth. It is possible to effectively prevent corrosion of the cooling structure 6d and liquid leakage of the refrigerant caused by such corrosion.
  • the shape of the side wall on the inside of the refrigerant flow path 7 may be processed so that the in-flow path facing distance D10 increases from the seal position side toward the recess.
  • the shape of the side wall inside the refrigerant flow path 7 may be a shape having a gentle inclination as in the cooling structure 6e of the semiconductor device 1e shown in FIG.
  • a corner portion around 61 may be a C chamfered shape or an R chamfered shape (fillet shape).
  • the opposing distance D10e in the flow path increases from the seal position side toward the concave portion, and the refrigerant in the gap 9 in the refrigerant flow path is similar to the semiconductor device 1b shown in FIG. 4 described above.
  • the flow of the refrigerant can be made smoother, and corrosion of the heat radiating plate 5 and the cooling structure 6e and leakage of the refrigerant due to such corrosion can be more effectively prevented.
  • a plating layer or the like due to contact between the heat sink 5 and the cooling structure 6 in the refrigerant flow path 7 can be obtained. Since cracks and damage can be prevented, corrosion of the base of the heat sink 5 and the cooling structure 6 can be more effectively prevented.
  • the shape of the cooling structure 6e is such that the facing distance D10e in the flow path at the position closest to the seal position (that is, the facing distance D10e in the flow path with the shortest distance) is the outside of the flow path. It should be longer than the facing distance D20.
  • the watertightness by the seal member 8a can be further improved by increasing the facing distance D10e in the flow path from the seal position side toward the recess. . That is, in the semiconductor device 1e, as shown in FIG. 6B, the closer to the seal member 8a, the higher the flow path inner side wall height H1a, so that the seal member 8a is compressed in the seal groove 11. Even when this is done, the seal member 8a does not protrude from the seal groove 11, thereby improving the watertightness of the seal member 8a.
  • the heat sink 5 is the heat sink of the present invention
  • the cooling structure 6 is the cooling structure of the present invention
  • the seal member 8 is the seal member of the present invention
  • the seal groove 11 is of the present invention. Each corresponds to a seal groove.

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Abstract

　発熱素子２が載置された放熱板５と、放熱板５と対向させた状態で組み合わされることで、冷媒を流すための冷媒流路７を形成する凹部６１を有する冷却構造体６と、放熱板５と冷却構造体６との間に介装されることで冷媒流路７をシールし、冷媒流路７と外部とを区切るシール部材８と、を備え、シール部材８の近傍における放熱板５と冷却構造体６との対向面間の距離について、シール部材８によって区切られた冷媒流路７内側における対向面間の距離を、シール部材８によって区切られた冷媒流路７の外部側における対向面間の距離より長くすることを特徴とする発熱素子の冷却装置。

Description

発熱素子の冷却装置
　本発明は、発熱素子の冷却装置に関するものである。
　本出願は、２０１３年４月１６日に出願された日本国特許出願の特願２０１３―０８５５５０に基づく優先権を主張するものであり、文献の参照による組み込みが認められる指定国については、上記の出願に記載された内容を参照により本出願に組み込み、本出願の記載の一部とする。
　発熱素子の冷却装置として、一方の面に発熱素子を載置し、他方の面で熱を放熱するという構成の放熱板を備えた装置が知られている。このような発熱素子の冷却装置としては、放熱板と対向するようにして、凹部を有する冷却構造体が配置され、冷却構造体の凹部が形成する冷媒流路に冷媒を流すことによって放熱板を冷却する方式（直冷方式）を用いた発熱素子の冷却装置が開示されている（特許文献１）。
特開２００７－２５０９１８号公報
　しかしながら、上記特許文献１に記載の技術においては、放熱板の表面に、放熱板の腐食を防止するためのコーティング膜を形成しているため、コスト的に不利になってしまうという問題があった。
　すなわち、上述した直冷方式を用いた発熱素子の冷却装置においては、放熱板と冷却構造体との間をシール部材によってシールする際に、シール位置における冷媒流路内側で、放熱板と冷却構造体との対向面間に微小な隙間が生じ、この隙間に冷媒が滞留してしまうことによって、次のようにして放熱板および冷却構造体の腐食が発生してしまう。まず、冷媒が上記隙間に滞留してしまうと、滞留している冷媒については溶存している酸素濃度が一定であるのに対し、冷媒流路内の上記隙間以外の部分を流れる冷媒については、冷却構造体に接続された冷媒を押し出すためのポンプなどを通る間に、酸素が溶解してしまうことで溶存する酸素濃度が上昇する。そのため、冷媒流路内において、冷媒中の溶存酸素濃度に差が生じることで、放熱板の表面に濃淡電池が形成されてしまい、これにより、放熱板が局部腐食（隙間腐食）してしまう。さらに、放熱板の局部腐食が進行すると、放熱板から溶解した金属イオンの影響で冷媒中のｐＨが低下することにより、冷却構造体も腐食してしまい、この場合には、放熱板や冷却構造体の表面のめっき層などが剥がれることでシール位置から液漏れが発生してしまう。この際において、上記特許文献１に記載の技術では、放熱板および冷却構造体の腐食を防止するために、放熱板の表面にコーティング膜を形成しているため、コスト的に不利になってしまうという問題があった。
　本発明が解決しようとする課題は、冷却構造体により形成される冷媒流路に冷媒を流すことにより放熱板を冷却する際において、放熱板および冷却構造体の腐食、およびこれに起因する冷媒の液漏れを、簡便にかつ低コストで防止することができる発熱素子の冷却装置を提供することである。
　本発明は、発熱素子が載置された放熱板と、放熱板と対向させた状態で組み合わされることで冷媒を流すための冷媒流路を形成する冷却構造体と、放熱板と冷却構造体との間に介装されることで冷媒流路をシールし、冷媒流路と外部とを区切るシール部材と、を備え、シール部材の近傍における放熱板と冷却構造体との対向面間の距離について、シール部材によって区切られた冷媒流路内側における対向面間の距離を、シール部材によって区切られた冷媒流路の外部側における対向面間の距離より長くすることにより、上記課題を解決する。
　冷却構造体により形成される冷媒流路に冷媒を流すことにより放熱板を冷却する際に、冷媒流路内のシール位置近傍における冷媒の流れをスムーズなものとすることができ、これにより、冷媒流路内の冷媒中における溶存酸素の濃度差の発生、および冷媒流路内における濃淡電池の形成を防ぎ、結果として、放熱板および冷却構造体の腐食、およびこれに起因する冷媒の液漏れを、簡便にかつ低コストで防止することができる。
図１は、第１実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 図２は、第１実施形態に係る半導体装置の拡大図である。 図３は、従来における半導体装置の拡大図である。 図４は、第１実施形態に係る半導体装置の別の例を示す拡大図である。 図５は、第２実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 図６は、第３実施形態に係る半導体装置の拡大図である。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
<<第１実施形態>>
　本実施形態に係る半導体装置は、スイッチング素子やダイオードなどの半導体素子と、半導体素子を載置するための放熱板と、放熱板を冷却するための冷却構造体とからなるものである。このような半導体装置は、スイッチング素子の導通／非導通を制御することにより、直流電源からの直流電流を三相交流電流に変換することが可能となっており、例えば、ハイブリッド車や燃料電池車等の電動車両用駆動モーターへ電力を供給するインバータ装置に用いることができる。
　図１は第１実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、半導体素子２と、電極３と、絶縁層４と、放熱板５と、冷却構造体６と、シール部材８とから構成されており、放熱板５および冷却構造体６が形成する冷媒流路７内を流れる冷媒によって放熱板５を冷却することにより、放熱板５上に載置された半導体素子２を間接的に冷却することができる。
　なお、図１においては図示省略したが、本実施形態の半導体装置１には、通常、半導体素子２の上面（図１において電極３が設けられている面の反対面）にも、電極３、絶縁層４、放熱板５、および冷却構造体６が設けられている。すなわち、半導体装置１は、半導体素子２の上下両面（図１において電極３が設けられている面、およびその反対面）から、一対の電極３、絶縁層４、放熱板５、および冷却構造体６によって挟持された構成となっている。これにより、半導体素子２は、一対の電極３と接続され、さらに、上下両面から、絶縁層４を介して放熱板５および冷却構造体６によって冷却されることとなる。
　冷却対象物である半導体素子２は、三相インバータブリッジ回路を個別に構成するＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのトランジスタやダイオードからなり、半導体素子２の上下両面には、はんだ付けにより形成されたはんだ層を介して一対の電極３が接続され、絶縁層４を介して、一対の放熱板５によって挟持されている。また、半導体素子２は、各電極３に電気的に接続されており、各電極３を通じて、電力の入力／出力が可能となっている。なお、本実施形態においては、半導体素子２は、通電により発熱することから、以下に説明する放熱板５により、除熱が行われることとなる。また、半導体素子２としては、ＩＧＢＴなどのトランジスタやダイオードに限定されるものではなく、他の発熱素子であってもよい。さらに、電極３としては、たとえば、電気伝導性の優れた銅、またはアルミによって形成されてものを用いることができる。
　放熱板５は、図１に示すように、上述した絶縁層４、電極３、および半導体素子２が、この順で設けられた主面５１と、複数の放熱フィン５３ａ～５３ｆが形成された放熱面５２とから構成される。放熱板５は、通電により発熱した半導体素子２の熱を、絶縁層４を介して主面５１で受熱した後、受熱した熱を放熱面５２の放熱フィン５３ａ～５３ｆから放熱する。
　なお、図１に示す例においては、放熱面５２に６つの放熱フィン５３ａ～５３ｆを設けた例を示したが、放熱フィンの数は特に限定されず、所望の数とすることができる。また、放熱フィンの形状も特に限定されない。さらに、放熱板５は、たとえば、熱伝導性の優れた銅、アルミニウム、またはアルミニウム合金などにより形成されたものを用いることができ、加えて、その表面にニッケルなどのめっき層を設けてもよい。また、絶縁層４としては、電気絶縁性を有するセラミックからなるセラミック基板や、絶縁シートなどを用いることができる。
　冷却構造体６は、上述した放熱板５と組み合わされることで、放熱板５を冷却するための冷媒が流れる冷媒流路７を形成することができ、図１に示すように、放熱板５の放熱面５２と対向する位置に配置されている。図１に示すように、冷却構造体６には、凹部６１が設けられており、この凹部６１が、上述した放熱板５と組み合わされることにより、放熱板５を冷却するための冷媒が流れる冷媒流路７が形成される。
　なお、冷却構造体６と放熱板５との間には、冷媒流路７をシールするためのシール部材８が介装されている。シール部材８は、一方の面において放熱板５と、その反対の面において冷却構造体６と、それぞれ摺接するようになっている。その結果、シール部材８は、放熱板５と冷却構造体６とにより両面から押圧されることとなり、これにより、放熱板５および冷却構造体６と密着し、冷媒流路７をシールすることができるようになっている。なお、シール部材８としては、たとえば、ゴム材料からなるＯリングなどのシールリングや、液状ガスケットまたはメタルガスケットなどを用いることができる。
　そして、図１に示すように、シール部材８によって冷媒流路７をシールした際には、シール部材８の近傍において、シール部材８によって区切られた冷媒流路７内側に、放熱板５と冷却構造体６との隙間である冷媒流路内隙間９が形成され、また、シール部材８によって区切られた冷媒流路７の外部側に、放熱板５と冷却構造体６との隙間である冷媒流路外隙間１０が形成される。
　本実施形態においては、次のようにして、冷却構造体６により放熱板５が冷却される。すなわち、冷却構造体６に設けられた導入パイプ（不図示）から、冷媒流路７内に冷媒が連続的に導入され、導入された冷媒が、冷媒流路７内において、放熱板５の放熱フィン５３ａ～５３ｆと接触することにより熱交換することで、放熱板５が冷却される。そして、冷却構造体６内に導入された冷媒は、排出パイプ（不図示）から連続的に排出されることとなる。なお、冷却構造体６としては、たとえば、熱伝導性の優れた銅、アルミニウム、またはアルミニウム合金などを原材料として、ダイカストや押出し成型などにより成型されたものを用いることができる。また、冷媒としては、冷却水やＬＬＣ（ロングライフクーラント）などの液体を用いることができる。
　ここで、図２は、図１に示す半導体装置１におけるシール部材８近傍の拡大図である。図２に示すように、冷却構造体６には、シール位置近傍において冷媒流路７内側に窪みが設けられており、そのため、本実施形態においては、図２に示すように、シール部材８近傍において、放熱板５と冷却構造体６との対向面間の距離である流路内対向距離Ｄ１０および流路外対向距離Ｄ２０を比較すると、流路内対向距離Ｄ１０が流路外対向距離Ｄ２０よりも長くなっている。すなわち、シール部材８の近傍における放熱板５と冷却構造体６との対向面間の距離について、シール部材８によって区切られた冷媒流路７内側における該対向面間の距離である流路内対向距離Ｄ１０が、シール部材８によって区切られた冷媒流路７の外部側における該対向面間の距離である流路外対向距離Ｄ２０よりも長くなっている。
　これにより、本実施形態においては、流路内対向距離Ｄ１０を流路外対向距離Ｄ２０よりも長くすることにより冷媒流路内隙間９における冷媒の流れをスムーズなものとすることができ、次のような効果を奏することができる。すなわち、冷媒流路内隙間９の冷媒の流れをスムーズなものとすることにより、冷媒流路７内の冷媒全体を均質なものとすることができ、これにより、冷媒流路７内において、残存酸素の濃度差による濃淡電池が形成されてしまうことを防ぎ、放熱板５および冷却構造体６の腐食、ならびに、このような腐食に起因する冷媒の液漏れを有効に防止することができる。
　一方で、図３に示す従来の半導体装置１ａのように、流路内対向距離Ｄ１０ａが比較的短くなっている場合には、冷媒流路内隙間９における冷媒の流れが妨げられてしまい、これにより、冷媒流路７内において、残存酸素の濃度差による濃淡電池が形成され、放熱板５および冷却構造体６ａの腐食が発生してしまう。すなわち、まず、半導体装置１ａに冷媒を流す際においては、冷媒中の溶存酸素濃度が高いと、冷媒中において下記一般式（１）に示す酸素の還元反応が進行してしまい、これとともに、冷媒と接触している放熱板５および冷却構造体６ａなどから金属が溶解する反応が進行してしまう。そのため、半導体装置１ａに流す冷媒としては、通常、冷媒中に溶存する酸素を予め脱気したものが用いられている。しかしながら、このように酸素を脱気した冷媒を用いた場合においても、半導体装置１ａを、配管を介してポンプ、バルブ、および膨張タンク（調圧槽）などと接続し、これに冷媒を循環させる際に、冷媒がポンプ、バルブ、および膨張タンクなどを通る間に空気と触れてしまい、冷媒に酸素が溶解し、冷媒中の溶存酸素濃度が上昇してしまう。この場合においては、流路内対向距離Ｄ１０ａが比較的短くなっていると、冷媒流路内隙間９における冷媒の流れが妨げられ、冷媒が滞留してしまうため、滞留した冷媒における溶存酸素濃度が低いまま維持され、一方、冷媒流路７内の冷媒流路内隙間９以外の部分で良好に循環している冷媒は、溶存酸素濃度が上昇し、これにより、冷媒中で溶存酸素の濃度に差が生じる。そして、冷媒中で溶存酸素の濃度に差が生じると、冷媒流路７内に濃淡電池が形成されてしまい、放熱板５および冷却構造体６ａの腐食が発生してしまう。
　　Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ－→４ＯＨ－　　・・・（１）
　具体的には、放熱板５の放熱面５２において、溶存酸素濃度が低い冷媒が存在する部分（冷媒流路内隙間９近傍）から、溶存酸素濃度が高い冷媒が存在している部分（冷媒流路内隙間９以外の部分）へと電子が移動することで濃淡電池が形成されてしまう。この際においては、電子が移動するとともに、下記一般式（２）に示すように、放熱板５を構成する金属が溶出する反応が進行し、放熱板５に局部腐食（隙間腐食）が発生してしまう。さらに、放熱板５の金属が溶出すると、溶出した金属イオンと、冷媒中に含まれる塩化物イオン（たとえば、冷媒である冷却水やＬＬＣなどに含まれる塩化物イオン）とが、下記一般式（３）に示すように、金属塩化物を生成する。その後、生成した金属塩化物が、下記一般式（４）に示すように、冷媒中で加水分解されると、加水分解の反応時に水素イオンが生成され、これにより、冷媒中のｐＨが低下し、冷却構造体６ａも腐食してしまう。さらに、この際において、放熱板５や冷却構造体６ａの表面にめっき層が形成されている場合には、腐食が進行してめっき層が剥がれることにより、シール位置から液漏れが発生してしまう。
　　２Ｍ→２Ｍ２＋＋４ｅ－　　・・・（２）
　　Ｍ２＋＋２Ｃｌ－→ＭＣｌ２　　・・・（３）
　　ＭＣｌ２＋２Ｈ２Ｏ→Ｍ（ＯＨ）２＋２Ｈ＋＋２Ｃｌ－　　・・・（４）
　上記式（２）、式（３）、式（４）中、Ｍは放熱板５を構成する金属である。
　これに対し、本実施形態においては、流路内対向距離Ｄ１０を流路外対向距離Ｄ２０よりも長くすることで冷媒流路内隙間９における冷媒の流れをスムーズなものとすることができ、これにより、冷媒中における溶存酸素の濃度差の発生、および冷媒流路７内における濃淡電池の形成を防ぐことができる。そして、本実施形態によれば、濃淡電池の形成を防ぐことで、放熱板５および冷却構造体６の腐食、ならびに、このような腐食に起因する冷媒の液漏れを有効に防止することができる。
　特に、本実施形態においては、放熱板５や冷却構造体６の腐食を防止するために、放熱板５や冷却構造体６に対してコーティング膜を形成するなどの特別な加工を施す必要がないため、簡便にかつ低コストで放熱板５や冷却構造体６の腐食を防止することができる。
　さらに、本実施形態においては、流路内対向距離Ｄ１０を流路外対向距離Ｄ２０よりも長くすることにより、放熱板５と冷却構造体６とをネジで締結するような場合においても、放熱板５および冷却構造体６の腐食を有効に防止することができる。すなわち、放熱板５と冷却構造体６とをネジで締結した際には、放熱板５と冷却構造体６とが接近し、流路内対向距離Ｄ１０および流路外対向距離Ｄ２０がいずれも縮まることとなるが、この場合には、まず、距離が短い流路外対向距離Ｄ２０に係る冷媒流路７の外部側において放熱板５と冷却構造体６とが接触する。そのため、冷媒流路７内において距離が長い流路内対向距離Ｄ１０に係る冷媒流路７内側での放熱板５と冷却構造体６との接触を防止することができる。これにより、放熱板５や冷却構造体６の表面にめっき層などが設けられている場合においても、冷媒流路７内では、放熱板５と冷却構造体６との接触によるめっき層などの亀裂や損傷を防ぐことができるため、放熱板５や冷却構造体６の素地の腐食を防止することができる。
　加えて、本実施形態においては、流路内対向距離Ｄ１０を流路外対向距離Ｄ２０よりも長くすることにより、半導体素子２の発熱による温度負荷で放熱板５に反りが発生した場合においても、冷媒流路７内において放熱板５と冷却構造体６との接触を防止することができる。これにより、放熱板５や冷却構造体６の表面にめっき層などが設けられている場合においても、冷媒流路７内では、放熱板５と冷却構造体６との接触によるめっき層などの亀裂や損傷を防ぐことができるため、放熱板５や冷却構造体６の素地の腐食を防止することができる。
　なお、上述した半導体装置１の冷却構造体６においては、図１、図２に示すように、シール位置近傍において冷媒流路７内側に窪みを設けた例を示したが、冷却構造体６の形状としては、このような例に特に限定されず、流路内対向距離Ｄ１０が流路外対向距離Ｄ２０より長くなるような形状であれば何でもよい。
　また、本実施形態においては、冷却構造体の形状は、流路内対向距離Ｄ１０が、シール位置側から前記凹部に向かって大きくなるような傾斜構造としてもよい。たとえば、冷却構造体の形状を、図４に示す半導体装置１ｂの冷却構造体６ｂのように、凹部６１の周辺部分に緩やかな傾斜をつけた形状としてもよいし、あるいは、凹部６１周辺の角の部分をＣ面取り形状またはＲ面取り形状（フィレット形状）とした形状としてもよい。
　これにより、本実施形態においては、冷却構造体の形状を、流路内対向距離Ｄ１０ｂが、シール位置側から前記凹部に向かって大きくなるような形状とすることにより、冷媒流路内隙間９における冷媒の流れを、よりスムーズなものとすることができ、放熱板５および冷却構造体６ｂの腐食、ならびに、このような腐食に起因する冷媒の液漏れを、より有効に防止することができる。
　なお、この際においては、冷却構造体６ｂの形状としては、シール位置に最も近付いた位置における流路内対向距離Ｄ１０ｂ（すなわち、最も距離が短くなる流路内対向距離Ｄ１０ｂ）が、流路外対向距離Ｄ２０より長くなるようにする。
　加えて、流路内対向距離Ｄ１０ｂを、シール位置側から前記凹部に向かって大きくすることにより、放熱板５や冷却構造体６の素地の腐食をより有効に防止することができる。すなわち、流路内対向距離Ｄ１０ｂが、シール位置側から前記凹部に向かって大きくなることにより、放熱板５と冷却構造体６とをネジで締結するような場合や、半導体素子２の発熱による温度負荷で放熱板５に反りが発生した場合においても、冷媒流路７内における放熱板５と冷却構造体６との接触をより有効に防止することができる。これにより、冷媒流路７内において、放熱板５と冷却構造体６との接触によるめっき層などの亀裂や損傷を防ぐことができるため、放熱板５や冷却構造体６の素地の腐食をより有効に防止することができる。
<<第２実施形態>>
　次いで、本発明の第２実施形態について説明する。
　第２実施形態における半導体装置１ｃは、図５に示すような構成を有しており、冷却構造体６ｃとして、凹部６１の側壁がシール部材８の端面とほぼ面一となるように形成された形状のものを用いた点において異なる以外は、第１実施形態に係る半導体装置１と同様の構成を有する。
　本実施形態においては、冷却構造体６ｃを上述した形状とすることにより、流路内対向距離Ｄ１０ｃをより長くすることができる。すなわち、流路内対向距離Ｄ１０ｃは、上述したように、シール部材８の近傍においてシール部材８によって区切られた冷媒流路７内側における、放熱板５と冷却構造体６ｃとの対向面間の距離であるため、図５に示すように、凹部６１の側壁をシール部材８の端面とほぼ面一とすることにより、流路内対向距離Ｄ１０ｃをより長くすることができる。
　第２実施形態によれば、上述した第１実施形態による効果に加えて、次の効果を奏する。
　すなわち、本実施形態においては、冷却構造体６ｃを、凹部６１がシール部材８の端面とほぼ面一となるような形状とすることにより、流路内対向距離Ｄ１０ｃをより長くすることができ、これにより、冷媒流路内隙間９における冷媒の流れが、よりスムーズなものとなり、放熱板５および冷却構造体６ｃの腐食、ならびに、このような腐食に起因する冷媒の液漏れを、より有効に防止することができる。
<<第３実施形態>>
　次いで、本発明の第３実施形態について説明する。
　第３実施形態における半導体装置１ｄは、図６（Ａ）に示すような構成を有しており、シール部材８ａとしてＯリングを用いている点、および、冷却構造体６ｄに、Ｏリングであるシール部材８ａを配置するためのシール溝１１を形成している点において異なる以外は、第１実施形態に係る半導体装置１と同様の構成を有する。なお、図６（Ａ）は、本実施形態の半導体装置１ｄにおけるシール部材８ａ近傍の拡大図である。
　本実施形態においては、図６（Ａ）に示すように、冷却構造体６ｄは、シール溝１１の深さに対するシール溝１１の側壁の突出量が、シール部材８ａによって区切られた冷媒流路７の外部側の側壁よりも、シール部材８ａによって区切られた冷媒流路７内側の側壁の方が小さくなっている。すなわち、図６（Ａ）に示す冷却構造体６ｄにおいては、冷媒流路７の外部側の側壁の高さ（流路外部側壁高さＨ２）よりも、冷媒流路７内側の側壁の高さ（流路内側壁高さＨ１）の方が低くなっている。これにより、本実施形態においては、図６（Ａ）に示すように、流路内対向距離Ｄ１０ｄが流路外対向距離Ｄ２０より長くなり、冷媒流路内隙間９における冷媒の流れをスムーズなものとすることができる。
　第３実施形態によれば、上述した第１実施形態による効果に加えて、次の効果を奏する。
　すなわち、本実施形態においては、冷却構造体６ｄにシール溝１１を形成することにより、Ｏリングであるシール部材８ａを溝に固定して水密性を向上させることができ、加えて、シール溝１１において、流路内側壁高さＨ１を流路外部側壁高さＨ２より低くすることにより、冷媒流路内隙間９における冷媒の流れをスムーズなものとすることができ、これにより、放熱板５および冷却構造体６ｄの腐食、ならびに、このような腐食に起因する冷媒の液漏れを有効に防止することができる。
　なお、本実施形態においては、冷媒流路７内側の側壁の形状を加工し、流路内対向距離Ｄ１０が、シール位置側から前記凹部に向かって大きくなるような傾斜構造としてもよい。この際においては、冷媒流路７内側の側壁の形状を、図６（Ｂ）に示す半導体装置１ｅの冷却構造体６ｅのように、緩やかな傾斜をつけた形状としてもよいし、あるいは、凹部６１周辺の角の部分をＣ面取り形状またはＲ面取り形状（フィレット形状）とした形状としてもよい。
　これにより、本実施形態においては、流路内対向距離Ｄ１０ｅが、シール位置側から前記凹部に向かって大きくなり、上述した図４に示す半導体装置１ｂと同様に、冷媒流路内隙間９における冷媒の流れを、よりスムーズなものとすることができ、放熱板５および冷却構造体６ｅの腐食、ならびに、このような腐食に起因する冷媒の液漏れを、より有効に防止することができる。加えて、流路内対向距離Ｄ１０ｅが、シール位置側から前記凹部に向かって大きくなることによれば、冷媒流路７内において、放熱板５と冷却構造体６との接触によるめっき層などの亀裂や損傷を防ぐことができるため、放熱板５や冷却構造体６の素地の腐食を、より有効に防止することができる。
　なお、この際においては、冷却構造体６ｅの形状としては、シール位置に最も近付いた位置における流路内対向距離Ｄ１０ｅ（すなわち、最も距離が短くなる流路内対向距離Ｄ１０ｅ）が、流路外対向距離Ｄ２０より長くなるようにする。
　さらに、図６（Ｂ）に示す半導体装置１ｅにおいては、流路内対向距離Ｄ１０ｅを、シール位置側から前記凹部に向かって大きくすることより、シール部材８ａによる水密性をより向上させることができる。すなわち、半導体装置１ｅにおいては、図６（Ｂ）に示すように、シール部材８ａに近づくほど、流路内側壁高さＨ１ａを高くすることができるため、シール溝１１内においてシール部材８ａが圧縮された際においても、シール部材８ａがシール溝１１からはみ出すことがなく、これにより、シール部材８ａによる水密性をより向上させることができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
　なお、上述した実施形態において、放熱板５は本発明の放熱板に、冷却構造体６は本発明の冷却構造体に、シール部材８は本発明のシール部材に、シール溝１１は本発明のシール溝に、それぞれ相当する。
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ…半導体装置
　２…半導体素子
　３…電極
　４…絶縁層
　５…放熱板
　　５１…主面
　　５２…放熱面
　　５３ａ～５３ｆ…放熱フィン
　６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ…冷却構造体
　　６１…凹部
　７…冷媒流路
　８、８ａ…シール部材
　９…冷媒流路内隙間
　１０…冷媒流路外隙間
　１１…シール溝

Claims (3)

  1. 　発熱素子が載置される主面と、前記発熱素子からの熱を放熱する放熱面と、を有する放熱板と、
    　前記放熱板と対向させた状態で組み合わされることで、冷媒を流すための冷媒流路を形成する凹部を有する冷却構造体と、
    　前記放熱板と前記冷却構造体との間に介装されることで前記冷媒流路をシールし、前記冷媒流路と外部とを区切るシール部材と、を備える発熱素子の冷却装置であって、
    　前記シール部材の近傍における前記放熱板と前記冷却構造体との対向面間の距離について、前記シール部材によって区切られた前記冷媒流路内側における前記対向面間の距離が、前記シール部材によって区切られた前記冷媒流路の外部側における前記対向面間の距離より長いことを特徴とする発熱素子の冷却装置。
  2. 　請求項１に記載の発熱素子の冷却装置において、
    　前記冷却構造体は、前記シール部材を配置するためのシール溝を有し、
    　前記シール溝の深さに対する前記シール溝の側壁の突出量が、前記シール部材によって区切られた前記冷媒流路の外部側の側壁よりも、前記シール部材によって区切られた前記冷媒流路内側の側壁の方が小さいことを特徴とする発熱素子の冷却装置。
  3. 　請求項１または２に記載の発熱素子の冷却装置において、
    　前記冷却構造体は、前記シール部材によって区切られた前記冷媒流路内側における、前記放熱板と前記冷却構造体との対向面間の距離が、シール位置側から、前記凹部に向かって、大きくなるような傾斜構造を有していることを特徴とする発熱素子の冷却装置。
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