CN102422413B - 热交换器、半导体装置及它们的制造方法 - Google Patents

热交换器、半导体装置及它们的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能够抑制在焊接具有不同线膨胀系数的插入部件和框架的壁部时插入部件和框架的翘曲(弯曲)的热交换器及其制造方法、以及抑制了插入部件和框架的翘曲(弯曲)的半导体装置及其制造方法。在热交换器(10)中，在形成外壳的框架(30)的内部配置有包括形成冷却剂的流道(25)的多个散热片(22)的散热片部件(20)。框架(30)具有第一框架部件(31)(第一壁部)，设置在框架(30)与发热休(半导体元件71～74)之间的绝缘板(60)(插入部件)被焊接在第一框架部件(31)上。绝缘板(60)(插入部件)具有与框架(30)不同的线膨胀系数。第一框架部件(31)包括能够在沿其外表面(31f)中配置绝缘板(60)(插入部件)的配置面(31g)的沿面方向上弹性变形的突出部(31b～31e)(可弹性变形部)。

Description

热交换器、半导体装置及它们的制造方法
技术领域
本发明涉及通过流经热交换器内部的冷却剂冷却半导体元件等发热体的热交换器、具有该热交换器和半导体元件的半导体装置以及它们的制造方法。
背景技术
具有电力变换功能的逆变器装置被用作混合动力汽车等的电源。逆变器装置包括多个半导体元件作为开关组件。该逆变器装置的半导体元件随着电力变换而发热，因此需要被主动冷却。
在此，作为对半导体元件等发热体进行冷却的热交换器，已知例如有通过在形成外壳的框架的内部平行地配置呈直线状延伸的多个散热片来形成冷却剂的流道的热交换器(例如，参照专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利文献特开2007-335588号公报
发明内容
本发明所要解决的问题
但是，当使用热交换器冷却半导体元件时，最好热交换器与半导体元件之间电绝缘。因此，有时在热交换器与半导体元件之间设置电绝缘性的绝缘体。该绝缘体例如被焊接(例如，钎焊)到热交换器的框架(例如，铝制框架)的壁部。
但是，绝缘体和框架倾向于具有不同的线膨胀系数。因此，在焊接(例如，钎焊)绝缘体与框架的壁部的当中，当绝缘体及框架的壁部经加热后被冷却时，因为绝缘体与框架的壁部的收缩率(线膨胀系数)的差异，绝缘体和框架可能发生翘曲(弯曲)。该问题不仅在将绝缘体焊接到框架壁部的场合发生，而且在将具有与框架不同的线膨胀系数的插入部件(设置在框架的壁部与半导体元件等发热体之间的部件)焊接到框架壁部的场合也可发生。
本发明就是鉴于上述现状而作出的，其目的在于提供能够抑制在焊接具有不同线膨胀系数的插入部件和框架的壁部时插入部件和框架的翘曲(弯曲)的热交换器及其制造方法、以及抑制了插入部件和框架的翘曲(弯曲)的半导体装置及其制造方法。
用于解决问题的手段
本发明的一个侧面是一种热交换器，用于冷却发热体，所述热交换器在形成外壳的框架的内部配置有散热片部件，所述散热片部件包括形成冷却剂的流道的多个散热片，其中，所述框架具有第一壁部，在所述第一壁部焊接插入部件，所述插入部件插在所述框架与所述发热体之间，并具有与所述框架不同的线膨胀系数，所述框架的所述第一壁部包括可弹性变形部，所述可弹性变形部能够在沿所述第一壁部的外表面中配置所述插入部件的配置面的沿面方向上弹性变形，所述可弹性变形部是向所述框架的内部突出的突出部，所述突出部形成为U字槽形状，所述U字槽形状具有向所述框架的外侧开口的U字形截面，并且沿着所述配置面在与所述冷却剂的流动方向交叉的方向上呈直线状延伸。
在上述的热交换器中，框架的第一壁部(设置在框架与发热体之间的插入部件被焊接在其上的壁部)包括能够在沿在所述第一壁部的外表面中配置所述插入部件的配置面的沿面方向上弹性变形的可弹性变形部。因此，在焊接具有不同线膨胀系数的插入部件和框架的第一壁部时，当插入部件和第一壁部经加热后被冷却时，第一壁部的可弹性变形部根据第一壁部和插入部件的收缩率(线膨胀系数)的差异而在沿面方向上弹性变形。由此，能够抑制由第一壁部和插入部件的收缩率(线膨胀系数)的差异引起的翘曲(弯曲)。
在本申请中，焊接是通过加热熔化进行接合的方法，包括使用钎料的钎焊、使用焊料的焊接、通过使母材(接合对象部件)熔化进行接合的方法等。
另外，发热体包括半导体元件等所有随着使用而发热的部件。
在上述的热交换器中，向框架的内部突出的突出部构成了上述可弹性变形部。该突出部形成为U字槽形状，该U字槽形状具有向框架的外侧开口的U字状截面并沿第一壁部的配置面呈直线状延伸。换言之，突出部形成为U字槽形状，该U字槽形状具有在沿第一壁部的配置面的沿面方向(与垂直于截面的方向一致)上呈直线状延伸的向框架的外侧开口的U字状的截面。这种形态的突出部通过U字槽的开口的扩大和缩小可在沿第一壁部的配置面的沿面方向上弹性变形。因此，通过该突出部在沿第一壁部的配置面的沿面方向上弹性变形，能够抑制由第一壁部和插入部件的收缩率(线膨胀系数)的差异引起的翘曲。
但是，对于在形成外壳的框架的内部配置了包括形成冷却剂的流道的多个散热片的散热片部件的热交换器，调查了流经散热片之间的冷却剂的速度分布，结果显示出越接近散热片，冷却剂的速度就越慢的倾向。这是因为由于冷却剂粘性的影响而冷却剂被散热片吸引的缘故。由此，在散热片附近形成与其他区域相比冷却剂的流动速度慢或者冷却剂几乎不流动的区域(以下，也称为边界层)。如果形成这种边界层，收集了热量的散热片仅与主要形成在散热片周缘的边界层内的冷却剂进行热交换，而几乎不与流经边界层以外的区域的冷却剂进行热交换。其结果是，存在与流经热交换器内部的冷却剂未有效地进行热交换、从而无法获得很好的冷却效果的问题。
与此相对，在上述的热交换器中，向框架的内部突出的突出部向与冷却剂的流动方向交叉的方向呈直线状延伸。因此，能够使流经流道的冷却剂与该突出部碰撞而被搅拌。由此，通过使冷却剂的流动发生湍流，能够有效地抑制边界层的形成。由此，能够有效地利用流经热交换器内部的冷却剂来获得很好的冷却效果。
此外，在上述的热交换器中，也可以如下：所述突出部通过拉拔加工而与所述第一壁部一体地成形。
在上述的热交换器中，突出部通过拉拔加工而与第一壁部一体地成形。由于通过拉拔加工使突出部与第一壁部一体成形，因此能够容易且低成本地形成突出部。因此，上述的热交换器是廉价的。
另外，在上述任一热交换器中，也可以如下：所述突出部被延伸设置至与所述冷却剂的流动方向交叉的方向上的所述框架的两侧壁的内壁面。
通过将向框架的内部突出的突出部延伸设置至与冷却剂的流动方向交叉的方向的框架的两侧壁的内壁面，能够使流经在各散热片之间形成的所有流道的冷却剂与突出部可靠地碰撞而被搅拌。由此，通过使流经所有流道的冷却剂可靠地发生湍流，能够更有效地抑制边界层的形成。由此，通过有效地利用流经热交换器内部的冷却剂，能够获得更好的冷却效果。
另外，在上述任一热交换器中，也可以如下：所述突出部在与所述冷却剂的流动方向垂直的方向上呈直线状延伸。
通过将突出部形成为在与冷却剂的流动方向垂直的方向上呈直线状延伸的形态，能够在与冷却剂的流动方向交叉的方向中形成最大的流动阻力。由此，通过最有效地发生湍流，能够更可靠地提高冷却效果。
另外，在上述任一热交换器中，也可以如下：所述突出部在所述冷却剂的流动方向上以预定间隔并排设置，并且所述散热片配置于在所述冷却剂的流动方向上相邻的所述突出部之间。
通过将散热片配置于在冷却剂的流动方向上相邻的突出部之间，能够使流经形成在各散热片之间的流道的冷却剂与突出部适当地碰撞而被搅拌。由此，能够通过抑制边界层的形成来获得很好的冷却效果。
另外，在上述的热交换器中，也可以如下：所述热交换器冷却在所述冷却剂的流动方向上并排配置的多个所述发热体，当将所述第一壁部中的、经由所述插入部件配置所述多个发热体中发热量相对少的发热体的部分设为低发热部时，所述突出部中相对于所述低发热部位于所述流道的上流侧并与所述低发热部相邻的突出部的向所述框架的内部突出的突出高度低于其他突出部的所述突出高度。
越提高突出部的突出高度，就越能够提高流经流道的冷却剂的流动阻力。由此，搅拌流经流道的冷却剂的能力提高，从而能够提高抑制边界层形成的效果。然而，如果突出部的突出高度过高，流道的压力损失就会变得过大，冷却剂的流量大幅下降，反而使冷却效果下降。
但是，当冷却具有不同发热量的多个发热体(半导体元件等)时，不需要均匀地冷却所有发热体，只要根据发热量冷却各个半导体元件即可。因此，在多个半导体元件中，发热量相对少的半导体元件的冷却程度可以比其他发热体(发热量相对多的发热体)低。
因此，在上述的热交换器中，突出部中相对于低发热部(第一壁部中的、多个发热体中的发热量相对少的发热体经由插入部件被配置的部分)位于流道的上流侧并与该低发热部相邻的突出部的向框架的内部突出的突出高度低于其他突出部的突出高度。如此，通过降低一部分突出部的突出高度，能够抑制流道的压力损失。
另一方面，突出高度降低的突出部与其他突出部相比，冷却剂的搅拌能力降低，因此，在与突出高度降低的突出部的下游侧相邻的流道部分，边界层的抑制效果降低。然而，在上述的热交换器中，降低了相对于低发热部在流道的上游侧与其相邻的突出部的突出高度。即，在第一框架部件中，将与突出高度降低的突出部的下游侧(流道的下游侧)相邻的部分设为低发热部。因此，冷却能力降低的部位仅限于低发热部。如此，通过仅在低发热部使冷却能力降低，能够根据各个发热体的发热量适当地冷却各个发热体。
另外，在上述的热交换器中，也可以如下；所述冷却剂的流道中包括所述低发热部而构成的流道部分的流道深度比其他流道部分的流道深度深。
在上述的热交换器中，冷却剂的流道中被构成为包括低发热部的流道部分与其他流道部分相比流道深度(流道的深度)加深。通过被构成为包括低发热部的流道部分的流道深度的加深，能够减小流经流道的冷却剂的流动阻力，因此能够进一步降低流道的压力损失。
此外，流道深度加深的流道部分与其他流道部分相比流速变小，具有冷却能力减小的倾向。然而，在上述的热交换器中，仅加深了包括低发热部而构成的流道部分的流道深度。如此，通过仅在低发热部使冷却能力降低，能够根据各个发热体的发热量适当地冷却各个发热体。
本发明的其他侧面是一种半导体装置，包括：上述任一热交换器；半导体元件，所述半导体元件是所述发热体；以及所述插入部件，所述插入部件被焊接在所述框架的所述第一壁部，并位于所述半导体元件与所述第一壁部之间。
所述半导体装置包括上述的热交换器。从而构成插入部件及框架的翘曲(弯曲)得以抑制的半导体装置。
另外，本发明的其他侧面是一种热交换器的制造方法，其中，所述热交换器用于冷却发热体，并且在形成外壳的框架的内部配置有散热片部件，所述散热片部件包括形成冷却剂的流道的多个散热片，所述热交换器的制造方法包括：成形作为所述框架并具有第一壁部的框架的成形工序，所述第一壁部用于焊接插在所述框架与所述发热体之间的插入部件；以及通过将所述散热片部件配置到在所述成形工序中成形的所述框架的内部来装配所述热交换器的装配工序；其中，所述成形工序通过拉拔加工将突出部与所述第一壁部一体地成形，所述突出部向所述框架的内部突出，并形成为U字槽形状，所述U字槽形状具有向所述框架的外侧开口的U字形截面，并且沿着所述第一壁部的外表面中配置所述插入部件的配置面呈直线状延伸。
在上述热交换器的制造方法中，在成形出框架的成形工序中，通过拉拔加工将向框架的内部突出的突出部与第一壁部(插入部件被焊接在其上的壁部)一体地成形。如此，通过使用拉拔加工将突出部与第一壁部一体成形，能够容易且低成本地形成突出部。
而且，该突出部形成为U字槽形状，该U字槽形状具有向框架的外侧开口的U字状截面，并且沿着第一壁部的外表面中配置插入部件的配置面呈直线状延伸。这样的突出部通过U字槽的开口的扩大和缩小能够在沿第一壁部的配置面的沿面方向上弹性变形。因此，在将插入部件焊接到第一壁部上时，该突出部根据第一壁部和插入部件的收缩率(线膨胀系数)的差异而在沿第一壁部的配置面的沿面方向上弹性变形，由此能够抑制由第一壁部和插入部件的收缩率(线膨胀系数)的差异引起的翘曲。
另外，本发明的其他侧面是一种半导体装置的制造方法，其中，所述半导体装置包括：热交换器，所述热交换器通过所述热交换器的制造方法制造；半导体元件，所述半导体元件是所述发热体；所述插入部件插在所述框架的所述第一壁部与所述半导体元件之间，并具有与所述框架不同的线膨胀系数；其中，所述半导体装置的制造方法包括将所述插入部件配置在所述框架的所述第一壁部的所述配置面上并将所述插入部件焊接到所述第一壁部的焊接工序。
在上述半导体装置的制造方法中，在焊接工序中，将具有与框架不同的线膨胀系数的插入部件焊接到框架的第一壁部上。在以往的制造方法中，在焊接插入部件(绝缘体)和框架的壁部时，当绝缘体及框架的壁部经加热后被冷却时，由于插入部件和框架的壁部的收缩率(线膨胀系数)的差异，插入部件和框架可能发生翘曲(弯曲)。
然而，在上述的制造方法中，使用了将突出部与第一壁部一体成形的框架，该突出部具有U字槽形状，该U字槽形状具有向框架的外侧开口的U字状截面，并且沿着第一壁部的外表面中配置插入部件的配置面呈直线状延伸。因此，如前所述，在将插入部件焊接到第一壁部时，所述突出部根据第一壁部和插入部件的收缩率(线膨胀系数)的差异而在沿第一壁部的配置面的沿面方向上弹性变形，从而能够抑制由第一壁部和插入部件的收缩率(线膨胀系数)的差异引起的翘曲。
此外，作为焊接插入部件和第一壁部的方法，例如可举出使用钎料的钎焊。
附图说明
图1是实施例1涉及的半导体装置的立体图；
图2是实施例1涉及的热交换器的立体图；
图3是该热交换器的散热片部件的立体图；
图4是该热交换器的第一框架部件的平面图；
图5是第一框架部件的剖面图，相当于图4的沿C-C箭头观看的剖面图；
图6是实施例1涉及的半导体装置的顶面图；
图7是该半导体装置的剖面图，相当于图6的沿D-D箭头观看的剖面图；
图8是说明实施例1、2涉及的成形工序(拉拔加工)的图；
图9是说明实施例1涉及的装配工序的图；
图10是说明实施例1涉及的焊接工序的图；
图11是说明该焊接工序中的突出部的作用的图；
图12是实施例2涉及的半导体装置的立体图；
图13是实施例2涉及的热交换器的立体图；
图14是该热交换器的散热片部件的立体图；
图15是该热交换器的散热片部件的立体图；
图16是该热交换器的第一框架部件的平面图；
图17是第一框架部件的剖面图，相当于图16的沿F-F箭头观看的剖面图；
图18是实施例2涉及的半导体装置的顶面图；
图19是该半导体装置的剖面图，相对于图18的沿G-G箭头观看的剖面图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施例1进行说明。
如图1所示，本实施例1的半导体装置1具有半导体元件71～74(相当于发热体)以及对它们进行冷却的热交换器10。
如图2所示，热交换器10包括形成外壳的框架30、以及容纳在框架30内的散热片部件20。框架30和散热片部件20通过钎焊接合在一起。
在图1和图2中，A方向表示流经热交换器10内部的冷却剂(例如，水)的流动方向，B方向表示与A方向垂直的方向。
散热片部件20由铝制成，并如图3所示包括构成矩形平板状的基部21、以及从基部21的一个表面突出的多个(在本实施例1中为40个)散热片22。散热片22呈矩形平板状。在基部21的长边方向(与A方向一致的方向)上，4个散热片22以固定间隔排成一行。另外，在基部21的短边方向(与B方向一致的方向)上，10个散热片22以固定间隔排成一列。在各散热片22之间形成冷却剂的流道25，该流道25具有预定的宽度，并向A方向引导冷却剂。该散热片部件20例如能够通过铝的拉拔成形而一体地成形。
框架30具有呈矩形平板状的铝制的第一框架部件31和具有U形截面的铝制的第二框架部件32(参照图2)。第一框架部件31和第二框架部件32通过钎焊接合在一起。由此，框架30呈矩形筒状。在该框架30中，长边方向(与A方向一致的方向)的一端形成为导入冷却剂的导入口30a，长边方向(与A方向一致的方向)的另一端形成为排出冷却剂的排出口30b。
第一框架部件31在其外表面31f的四个位置具有平坦的配置面31g(参照图1、图4、图5)，插在框架30与半导体元件71～74之间的绝缘板60(相当于插入部件)被配置到配置面31g上。绝缘板60由具有电绝缘性的部件(例如，氧化铝等陶瓷)制成，并呈矩形平板状。配置在各个配置面31g上的4个绝缘板60以相等的间隔在第一框架部件31的长边方向(与A方向一致的方向)上排成一行(参照图1、图6)。这些绝缘板60通过钎焊而与第一框架部件31的配置面31g接合。在本实施例1中，第一框架部件31相当于第一壁部。
另外，第一框架部件31r具有向框架30的内部突出的多个(在本实施例1中为4个)突出部31b、31c、31d、31e(参照图2、图5)。这些突出部31b～31e均具有相同的形状。具体地，如图4及图5所示，突出部31b～31e形成为U字槽形状，该U字槽形状具有向框架30的外侧(在图5中为上方)开口的U字状截面，并且沿着配置面31g在B方向(与冷却剂的流动方向垂直的方向，在图4中为上下方向)上呈直线状延伸。这些突出部31b～31e通过拉拔加工而与第一框架部件31一体成形。
在第一框架部件31中，在突出部31b与突出部31c之间、在突出部31c与突出部31d之间、在突出部31d与突出部31e之间、以及在A方向上与突出部31e相邻的位置上存在配置面31g。
但是，绝缘板60和框架30(第一框架部件31)具有不同的线膨胀系数。具体地，例如在使用由氧化铝制成的绝缘板60的情况下，其线膨胀系数约为7×10-6/℃。另一方面，由铝制成的框架30(第一框架部件31)的线膨胀系数约为23×10-6/℃。在该例的情况下，框架30(第一框架部件31)的线膨张率为绝缘板60的线膨胀系数的3倍以上。
因此，以往当焊接(例如，钎焊)由氧化铝制成的绝缘板和由铝制成的框架(第一框架部件)时，当绝缘板及第一框架部件经加热后被冷却时，因为绝缘板和第一框架部件的收缩率(线膨胀系数)的差异，绝缘板和框架可能发生翘曲(弯曲)。
相对于此，在本实施例1中，如前所述，向框架30的内部突出的多个(在本实施例1中为4个)突出部31b、31c、31d、31e与第一框架部件31一体地成形(参照图2)。这些突出部31b～31e具有U字槽形状，该U字槽形状具有向框架30的外侧(在图5中为上方)开口的U字状截面，并且沿配置面31g在B方向上呈直线状延伸。这种形态的突出部31b～31e通过U字槽的开口扩大和缩小而可在沿第一框架部件31的配置面31g的沿面方向(在图5、图11中为左右方向)上弹性变形(参照图11)。
因此，在将各个绝缘板60焊接(在本实施例1中为钎焊)在第一框架部件31上时，突出部31b～31e根据绝缘板60和第一框架部件31的收缩率(线膨胀系数)的差异而在沿第一框架部件31的配置面31g的沿面方向(在图11中为左右方向)上弹性变形。由此，能够抑制由绝缘板60和第一框架部件31的收缩率(线膨胀系数)的差异引起的翘曲(弯曲)。另外，在本实施例1中，突出部31b～31e相当于可弹性变形部。
但是，对于在形成外壳的框架的内部配置了包括形成冷却剂的流道的多个散热片的散热片部件的热交换器，调查了在散热片之间流动的冷却剂的速度分布，结果显示出越接近散热片，冷却剂的速度就越慢的倾向。这是因为由于冷却剂粘性的影响而冷却剂被散热片吸引的缘故。由此，在散热片附近形成与其他区域相比冷却剂的流动速度慢或者冷却剂几乎不流动的区域(以下，也称为边界层)。如果形成这种边界层，收集了热量的散热片仅与主要形成在散热片周缘的边界层内的冷却剂进行热交换，而几乎不与流经边界层以外的区域的冷却剂进行热交换。其结果是，存在与流经热交换器内部的冷却剂未有效地进行热交换、从而无法获得很好的冷却效果的问题。
与此相对，在本实施例1的热交换器10中，如前所述，向框架30的内部突出的突出部31b～31e在与冷却剂的流动方向垂直的方向(B方向)上呈直线状延伸(参照图2)。因此，如图7所示，能够使流经流道25的冷却剂与突出部31b～31e碰撞而被搅拌。由此，如图7中箭头所示，冷却剂的流动发生湍流，能够有效地抑制边界层的形成。由此，能够有效地利用流经热交换器10内部的冷却剂来获得很好的冷却效果。
此外，在本实施例1的热交换器10中，突出部31b～31e被延伸设置至B方向(与冷却剂的流动方向垂直的方向)上的第二框架部件32的两侧壁33、34的内壁面33b、34b(参照图2)。由此，能够使流经在B方向上相邻的散热片22与散热片22之间、以及散热片22与侧壁33、34之间形成的所有流道25的冷却剂与突出部31b～31e可靠地碰撞而被搅拌。由此，通过使流经所有流道25的冷却剂可靠地发生湍流，能够更有效地抑制边界层的形成。因此，能够通过更有效地利用流经热交换器10内部的冷却剂来获得更好的冷却效果。
另外，在本实施例1的热交换器10中，突出部31b～31e在A方向(冷却剂的流动方向)上以预定间隔并排设置，并且在A方向(冷却剂的流动方向)上相邻的突出部之间配置有多个散热片22。通过将散热片22配置到在冷却剂的流动方向(A方向)上相邻的突出部之间，能够使流经在各散热片22之间形成的流道25的冷却剂与突出部恰当地碰撞而被搅拌。由此，通过抑制边界层的形成，能够获得很好的冷却效果。
这里，对本实施例1涉及的半导体装置1的热交换器10所产生的冷却作用进行说明。半导体元件71～74随着使用而发热。这些热量经过绝缘板60被传递到框架30(第一框架部件31)，进而被传递到容纳在框架30内部的散热片部件20的各个散热片22。
如图1中箭头所示，冷却剂(例如，水)经过导入口30a被连续导入到框架30的内部。被导入到框架30内部的冷却剂如前所述在形成于在B方向上相邻的散热片22与散热片22之间以及散热片22与侧壁33、34之间的流道25中向A方向流动。流经流道25的冷却剂如前所述与突出部31b～31e碰撞而被搅拌，并在发生湍流的同时继续向A方向流动(参照图7)。因此，能够抑制边界层的形成。
由此，散热片部件20的各个散热片22能够与流经流道25的冷却剂高效地进行热交换。即，能够将从半导体元件71～74向各个散热片22传递的热量高效地向流经流道25的冷却剂排放。热交换器10中的优异的冷却效果如前面所述。在流经流道25的同时吸收了散热片22的热量的冷却剂经过排出口30b被排出到框架30的外部。由此，能够有效地冷却发热的半导体元件71～74。
下面，对本实施例1涉及的半导体装置1的制造方法进行说明。
首先，准备铝制的散热片部件20。散热片部件20例如可通过铝的挤压成形而一体成形。具体地，首先，通过铝的挤压成形来成形出长散热片部件，该长散热片部件包括呈矩形平板状的基部、以及从基部的一个表面突出并向基部的长边方向(与A方向一致)延伸的多个(在本实施例1中为10个)长散热片。紧随其后，在长散热片部件尚未硬化之前(处于具有热量的柔软状态时)，在基部的长边方向(与A方向一致)上以预定的间隔切除长散热片的一部分。之后，通过将长散热片部件切割成预定的长度，制成包括呈矩形平板状的基部21以及从基部21的一个表面突出的多个(在本实施例1中为40个)散热片22的散热片部件20(参照图3)。这种制法在日本专利申请号2008-106809(参照图5)中有详细描述。
另外，准备铝制的第一框架部件31以及铝制的第二框架部件32。
第一框架部件31在成形工序中使用第一压紧模91、第二压紧模92以及拉延模93(参照图8)以如下的方式成形。拉延模93呈矩形平板状，其长边方向(在图8中与纸面垂直的方向，与B方向一致)的尺寸稍小于突出部31b～31e的B方向上的长度。另外，在第一压紧模91上形成有拉延模93能够插入的通孔91b。另外，在第二压紧模92上形成有与通孔91b相比宽度尺寸(在图8中为左右方向的尺寸)更大的通孔92b。
首先，准备矩形平板状的铝板31A。接着，如图8所示，通过配置在铝板31A的上表面侧的第一压紧模91和配置在铝板31A的下表面侧的第二压紧模92夹持并固定铝板31A。在该状态下，使拉延模93从铝板31A的上表面侧逐渐下降，并使拉延模93插入第一压紧模91的通孔91b内，从而通过拉延模93向下方按压铝板31A的一部分。铝板31A的被拉延模93向下按压的部分通过第二压紧模92的通孔92b内被压出到第二压紧模92的下方，成为突出部31b。突出部31c～31e也与突出部31b同样地成形。如此，通过拉拔加工来成形突出部31b～31e。由此，制成突出部31b～31e被一体成形的第一框架部件31。
另外，第二框架部件32能够通过将矩形平板状的铝板冲压加工成U形来制造。
接着，进入装配工序，如图9所示，将散热片部件20配置在第一框架部件31的内表面31h上。详细来说，将散热片部件20配置到第一框架部件31的内表面31h，以使第一框架部件31的突出部31c～31e进入散热片部件20的在A方向上相邻的散热片22之间的间隙内。之后，将第二框架部件32配置到第一框架部件31的内表面31h上，使其包围散热片部件20。此时，散热片部件20的基部21的背面21b与第二框架部件32的底面32b接触。在第一框架部件31的内表面31h及第二框架部件32的底面32b上预先涂布有钎料(熔点600℃)。
之后，如上所述，将组合散热片部件20、第一框架部件31以及第二框架部件32而成的组件(组合体)放入在电炉(没有图示)内。接着，通过使电炉内的温度升至600℃来使钎料熔化。之后，从电炉内取出组合体进行冷却，使钎料硬化。由此，可通过钎焊将散热片部件20、第一框架部件31以及第二框架部件32接合在一起。如此制成本实施例1的热交换器10。
接着，进入焊接工序，将4个绝缘板60焊接(在本实施例1中为钎焊)在热交换器10的第一框架部件31上。具体地，首先，在热交换器10的第一框架部件31的配置面31g上将4个绝缘板60(例如，铝制的陶瓷板)以相等的间隔(隔着突出部31c～31e)在第一框架31的长边方向(与A方向一致的方向)上配置成一行(参照图10)。在制成热交换器1a后、且在配置绝缘板60之前，在第一框架部件31的配置面31g上涂布钎料(熔点550℃)。接着，在将它们放置到电炉(没有图示)内后使电炉内的温度升至550℃，使钎料熔化。此时，由于接合热交换器10的钎料的熔点为600℃，因此钎料不会熔化。因此，能够可靠地维持热交换器10的接合状态。之后，从电炉内取出具有绝缘板60的热交换器1a并进行冷却，使钎料硬化。由此，能够将4个绝缘板60钎焊在热交换器10的第一框架部件31上。
但是，绝缘板60与框架30(第一框架部件31)具有不同的线膨胀系数。如前所述，例如，当使用由氧化铝制成的绝缘板60时，由铝制成的框架30(第一框架部件31)的线膨胀系数是绝缘板60的线膨胀系数的3倍以上。因此，以往在焊接(例如，钎焊)由氧化铝制成的绝缘板和由铝制成的框架(第一框架部件)时，当绝缘板及第一框架部件经加热后被冷却时，因为绝缘板和第一框架部件的收缩率(线膨胀系数)的差异，绝缘板及框架可能发生翘曲(弯曲)。
然而，在本实施例1中，如前所述，向框架30的内部突出的多个(在本实施例1中为4个)突出部31b、31c、31d、31e与第一框架部件31一体地成形(参照图2)。这些突出部31b～31e具有U字槽形状，该U字槽形状具有向框架30的外侧(在图5中为上方)开口的U字状截面，并且沿配置面31g在B方向上呈直线状延伸。这种形态的突出部31b～31e通过U字槽的开口的扩大和缩小，可在沿第一框架部件31的配置面31g的沿面方向(在图5、图11中为左右方向)上弹性变形(参照图11)。
因此，在焊接(在本实施例1中为钎焊)绝缘板60和第一框架部件31时，当绝缘板60及第一框架部件31经加热后被冷却时，突出部31b～31e根据绝缘板60和第一框架部件31的收缩率(线膨胀系数)的差异，而在沿第一框架部件31的配置面31g的沿面方向(在图11中为左右方向)上弹性变形(收缩)。由于，能够抑制由绝缘板60和第一框架部件31的收缩率(线膨胀系数)的差异引起的翘曲(弯曲)。
之后，通过将半导体元件71～74焊接到各个绝缘板60的表面上，制成本实施例1的半导体装置1(参照图1、图6)。
(实施例2)
接着，参照附图对本发明的实施例2进行说明。
本实施例2的半导体装置100(参照图12)与实施例1的半导体装置1(参照图1)相比，仅热交换器不同，其他部分相同。因此，在此主要说明与实施例1不同的方面，对于相同的部分，省略或简化说明。
如图13所示，本实施例2的热交换器110包括形成外壳的框架130、以及容纳在框架130内的散热片部件120、220。框架130和散热片部件120、220通过钎焊接合在一起。A方向表示流经热交换器110内部的冷却剂(例如，水)的流动方向，B方向表示与A方向垂直的方向。
框架130具有呈矩形平板状的铝制的第一框架部件131以及具有U形截面的铝制的第二框架部件132(参照图13)。第一框架部件131和第二框架部件132通过钎焊接合在一起。
其中，第一框架部件131与实施例1的第一框架部件31同样，具有4个突出部(参照图16、图17)。然而，4个突出部中的两个突出部的形状不同。具体地，第一框架部件131具有：形状与实施例1的突出部31b、31c相同的突出部131b、131c；以及与实施例1的突出部31d、31e的差异仅在于突出高度较低的突出部131d、131e。这些突出部131b～131e与实施例1同样，通过拉拔加工而与第一框架部件131一体地成形。另外，在图17中，突出部131b、131c的突出高度设为L1，突出部131d、131e的突出高度设为L2。
另外，第二框架部件132与实施例1的第二框架部件32相比，差异在于向A方向(冷却剂的流动方向)延伸的流道125的下游侧的深度(在图13中为上下方向的尺寸)被加深了。换言之，第二框架部件132的底面132b呈在A方向上向下的台阶状。由此，在沿A方向(冷却剂的流动方向)延伸的流道125的流道深度(在图13中为上下方向的尺寸)中，与上游侧相比，下游侧更深。具体地，如图19所示，在流道125中，下游侧的流道深度H2比上游侧的流道深度H1更深。
另外，流道125形成于在B方向上相邻的散热片22与散热片22之间、散热片22与侧壁133、134之间、在B方向上相邻的散热片222与散热片222之间、以及散热片222与侧壁133、134之间。
另外，散热片部件120(参照图14)是与将实施例1的散热片部件20在A方向上四等分时的一个部分相当的部件。具体地，散热片部件120由铝制成，并且如图14所示，包括呈矩形平板状的基部121、以及从基部121的一个表面突出的多个(在本实施例2中为10个)散热片22。该散热片部件120被配置在第一框架部件131的突出部131b与突出部131c之间、以及突出部131c与突出部131d之间(参照图13)。由此，散热片部件120被配置在流道125的上游侧。在各散热片22之间形成冷却剂的流道125，流道125具有预定的宽度，并向A方向引导冷却剂。散热片部件120例如能够通过公知的挤压成形而一体成形。
另外，散热片部件220由铝制成，并且如图15所示，包括呈矩形平板状的基部121、以及从基部121的一个表面突出的多个(在本实施例2中为10个)散热片222。该散热片部件220被配置在第一框架部件131的突出部131d与突出部131e之间、以及在A方向上与突出部131e相邻的位置上(参照图13)。由此，散热片部件220被配置在流道125的下游侧。因此，散热片部件220与散热片部件120相比，差异仅在于散热片的突出高度(在图15中为与上下方向有关的尺寸)。详细来说，在散热片部件220中，使散热片222的突出高度比散热片部件120的散热片22高出从流道125的下游侧的流道深度H2减去上游侧的流道深度H1的尺寸(H2-H1)。此外，在各散热片222之间形成冷却剂的流道125，流道125具有预定的宽度，并向A方向引导冷却剂。散热片部件220例如能够通过公知的挤压成形而一体成形。
但是，越提高第一框架部件的突出部的突出高度，就越能够提高流经流道的冷却剂的流动阻力。由此，搅拌流经流道的冷却剂的能力变高，能够提高抑制边界层形成的效果。然而，如果突出部的突出高度过高，流道的压力损失就会变得过大，冷却剂的流量大幅下降，反而降低冷却效果。
另外，当冷却具有不同发热量的多个半导体元件时，不需要均匀地冷却所有发热体，只要根据发热量冷却各个半导体元件即可。从而，在多个半导体元件中，发热量相对少的半导体元件的冷却程度可以比其他半导体元件低。
在本实施例2的半导体装置100中，半导体元件71～74中的半导体元件73、74与半导体元件71、72相比具有较少的发热量。因此，在本实施例2的热交换器110中，如图19所示，在突出部131b～131e中，使得相对于低发热部131k在流道125的上游侧(在图19中，右侧)与其相邻的突出部131d、131e的突出高度L2比其他突出部131b、131c的突出高度L1低。在此，低发热部131k是第一框架部件131中的发热量相对少的半导体元件73、74经由绝缘板60被配置在其上的部分。如此，通过降低一部分突出部131d、131e的突出高度，能够抑制流道125的压力损失。
另一方面，与其他突出部131b、131c相比，在突出高度降低的突出部131d、131e，冷却剂的搅拌能力降低，因此在相对于突出高度降低的突出部131d、131e在流道125的下游侧(在图19中为左侧)与其相邻的流道部分125d、125e中，边界层的抑制效果降低。然而，在本实施例2中，降低了相对于低发热部131k在流道125的上游侧(在图19中，右侧)与其相邻的突出部131d、131e的突出高度。即，将第一框架部件131中的相对于突出高度降低的突出部131d、131e在流道125的下游侧(在图19中为左侧)与其相邻的部分设为低发热部131k。从而，边界层的抑制效果下降从而冷却能力下降的部位仅限于低发热部131k。如此，通过仅在低发热部131k使冷却能力降低，能够根据各个冷却半导体元件71～74的发热量适当地冷却半导体元件71～74。
另外，在本实施例2的热交换器110中，如图19所示，在冷却剂的流道125中，包含低发热部131k而构成的流道部分125d、125e与其他流道部分(包含高发热部131j而构成的流道部分125b、125c)相比流道深度加深。如此，由于通过加深流道部分125d、125e的流道深度的加深能够减少流经流道125的冷却剂的流动阻力，因此能够进一步降低流道125的压力损失。在图19中，流道部分125b、125c的流道深度设为H1，流道部分125d、125e的流道深度设为H2。另外，高发热部131j是第一框架部件131中的发热量相对多的半导体元件71、72经由绝缘板60被配置在其上的部分。
但是，流道深度加深的流道部分与其他流道部分相比流速变快，具有冷却能力减小的倾向。然而，在本实施例2的热交换器110中，仅加深了包含低发热部131k而构成的流道部分125d、125e的流道深度。如此，通过仅在低发热部131k使冷却能力降低，能够根据各个半导体元件71～74的发热量适当地冷却半导体元件71～74。
在此，对本实施例2涉及的半导体装置100的热交换器110产生的冷却作用进行说明。半导体元件71～74随着使用而发热。这些热量通过绝缘板60传递到框架130(第一框架部件131)，进而传递到容纳在框架130内部的散热片部件120的散热片22和散热片部件220的散热片222。
如图12中箭头所示，冷却剂(例如，水)通过导入口130a被连续导入到框架130的内部。被导入到框架130内部的冷却剂在流道125内沿A方向流动。流经流道125的冷却剂与突出部131b～131e碰撞而被搅拌，并在产生湍流的同时向A方向流动(参照图19)。由此，能够抑制边界层的形成。
因此，散热片部件120的散热片22以及散热片部件220的散热片222能够与流经流道125的冷却剂高效地进行热交换。即，能够将从半导体元件71～74向散热片22、222传递传递的高效地向流经流道125的冷却剂排放。在流经流道125的同时吸收了散热片22、222的热量的冷却剂经过排出口130b被排出到框架130的外部。由此，能够有效地冷却发热的半导体元件71～74。
而且，在本实施例2的热交换器110中，如前所述，降低了突出部131d、131e的突出高度，并且加深了流道部分125d、125e的流道深度。由此，能够有效地降低流道125的压力损失。因此，能够抑制冷却剂流量的下降，能够适当地冷却发热的半导体元件71～74。
下面，对本实施例2涉及的半导体装置100的制造方法进行说明。
首先，将铝制的散热片部件120、220各准备两个。
散热片部件120、220例如能够通过铝的挤压成形而一体成形。
另外，准备铝制的第一框架部件131和铝制的第二框架部件132。第一框架部件131在成形工序中使用第一压紧模91、第二压紧模92以及拉延模93(参照图8)与实施例1同样地成形。但是，在突出部131d、131e的拉拔加工中，拉延模93的下降量(拉拔量)比突出部131b、131c的拉拔加工中的拉延模93的下降量(拉拔量)小。第二框架部件132可通过对矩形平板状的铝板进行冲压加工来制造。
随后，进入装配工序，如图13所示，将散热片部件120、220、第一框架部件131、以及第二框架部件132组合在一起(构成组合体)。在第一框架部件131的内表面131h和第二框架部件132的底面132b上预先涂布有钎料(熔点600℃)。随后，与实施例1同样地，将组合体放置到电炉(没有图示)内并使钎料熔化，然后冷却组合体，使钎料硬化。由此，可通过钎焊将散热片部件20、第一框架部件31以及第二框架部件32接合在一起。如此，制成本实施例2的热交换器10。
随后，进入焊接工序，以与实施例1相同的步骤，将4个绝缘板60钎焊到热交换器110的第一框架部件131上。具体地，首先，将4个绝缘板60配置在第一框架部件131的配置面131g上(参照图16、图17)。此外，在制成热交换器1a后、且配置绝缘板60之前，在第一框架部件131的配置面131g上涂布钎料(熔点550℃)。接着，在将它们放置到电炉(没有图示)内后使电炉内的温度升至550℃，使钎料熔化。此时，由于接合热交换器10的钎料的熔点为600℃，因此钎料不会熔化。因此，能够可靠地维持热交换器110的接合状态。之后，从电炉内取出具有绝缘板60的热交换器1a并进行冷却，使钎料硬化。由此，能够将4个绝缘板60钎焊在热交换器110的第一框架部件131上。
此外，绝缘板60与框架30(第一框架部件31)具有不同的线膨胀系数。如前所述，例如，当使用由氧化铝制成的绝缘板60时，由铝制成的框架130(第一框架部件131)的线膨胀系数是绝缘板60的线膨胀系数的3倍以上。因此，以往在焊接(例如，钎焊)由氧化铝制成的绝缘板和由铝制成的框架(第一框架部件)时，当绝缘板及第一框架部件经加热后被冷却时，因为绝缘板和第一框架部件的收缩率(线膨胀系数)的差异，绝缘板和框架可能发生翘曲(弯曲)。
然而，在本实施例2中，如前所述，向框架130的内部突出的多个(在本实施例2中为4个)突出部131b、131c、131d、131e与第一框架部件131一体地成形(参照图13、图17)。这些突出部131b～131e具有U字槽形状，该U字槽形状具有向框架130的外侧(在图17中，上方)开口的U字状截面，并且沿配置面131g在B方向上呈直线状延伸。这种形态的突出部131b～131e通过U字槽的开口的扩大和缩小，可在沿第一框架部件131的配置面131g的沿面方向(在图11、图17中为左右方向)上弹性变形(参照图11)。
因此，在焊接(在本实施例2中为钎焊)绝缘板60和第一框架部件131时，当绝缘板60及第一框架部件131经加热后被冷却时，突出部131b～131e根据绝缘板60和第一框架部件131的收缩率(线膨胀系数)的差异，而在沿第一框架部件131的配置面131g的沿面方向(在图11中为左右方向)上弹性变形(收缩)。由此，能够抑制由绝缘板60和第一框架部件131的收缩率(线膨胀系数)的差异引起的翘曲(弯曲)。
之后，通过将半导体元件71～74焊接在各个绝缘板60的表面上，制成本实施例2的半导体装置100(参照图12、图18)。
以上，基于实施例1、2对本发明进行了说明，但本发明不限于上述实施例，可在不脱离本发明主旨的范围内进行适当改变。
例如，在实施例1中，在通过将散热片部件20、第一框架部件31、第二框架部件32钎焊接合来制成热交换器10之后，将绝缘板60钎焊在热交换器10的第一框架部件31上。然而，也可以将散热片部件20、第一框架部件31、第二框架部件32、以及绝缘板60同时钎焊。在此情况下，钎料全部可使用熔点(例如，600℃)相同的钎料。通过该方法，在制成热交换器10的同时，绝缘板60被钎焊在热交换器10的第一框架部件31上。对于实施例2，也一样。
符号说明
1，100半导体装置
10，110热交换器
20，120，220散热片部件
22，222散热片
25，125流道
30，130框架
31，131第一框架部件(第一壁部)
31b，31c，31d，31e，131b，131c，131d，131e突出部(可弹性变形部)
31f，131f第一框架部件(第一壁部)的外表面
31g，131g配置面
32，132第二框架部件
60绝缘板(插入部件)
71，72，73，74半导体元件(发热体)
125d，125e包含低发热部而构成的流道部分
131k低发热部
A冷却剂的流动方向
B与冷却剂的流动方向垂直(交叉)的方向

Claims (8)

1.一种热交换器，用于冷却发热体，所述热交换器在形成外壳的框架的内部配置有散热片部件，所述散热片部件包括形成冷却剂的流道的多个散热片，其中，
所述框架具有第一壁部，在所述第一壁部焊接插入部件，所述插入部件插在所述框架与所述发热体之间，并具有与所述框架不同的线膨胀系数，
所述框架的所述第一壁部包括可弹性变形部，所述可弹性变形部能够在沿所述第一壁部的外表面中配置所述插入部件的配置面的沿面方向上弹性变形，
所述可弹性变形部是向所述框架的内部突出的突出部，所述突出部形成为U字槽形状，所述U字槽形状具有向所述框架的外侧开口的U字形截面，并且沿着所述配置面在与所述冷却剂的流动方向交叉的方向上呈直线状延伸，
所述突出部在所述冷却剂的流动方向上以预定间隔并排设置，
所述散热片被配置于在所述冷却剂的流动方向上相邻的所述突出部之间，
所述热交换器冷却在所述冷却剂的流动方向上并排配置的多个所述发热体，
当将所述第一壁部中的、经由所述插入部件配置所述多个发热体中发热量相对少的发热体的部分设为低发热部时，
所述突出部中相对于所述低发热部位于所述流道的上流侧并与所述低发热部相邻的突出部的向所述框架的内部突出的突出高度低于其他突出部的所述突出高度。
2.如权利要求1所述的热交换器，其中，
所述突出部通过拉拔加工而与所述第一壁部一体地成形。
3.如权利要求1或2所述的热交换器，其中，
所述突出部被延伸设置至与所述冷却剂的流动方向交叉的方向上的所述框架的两侧壁的内壁面。
4.如权利要求1或2所述的热交换器，其中，
所述突出部在与所述冷却剂的流动方向垂直的方向上呈直线状延伸。
5.如权利要求1或2所述的热交换器，其中，
所述冷却剂的流道中包括所述低发热部而构成的流道部分的流道深度比其他流道部分的流道深度深。
6.一种半导体装置，包括：
权利要求1至5中任一项所述的热交换器；
半导体元件，所述半导体元件是所述发热体；以及
所述插入部件，所述插入部件被焊接在所述框架的所述第一壁部，并位于所述半导体元件与所述第一壁部之间。
7.一种热交换器的制造方法，其中，所述热交换器用于冷却发热体，并且在形成外壳的框架的内部配置有散热片部件，所述散热片部件包括形成冷却剂的流道的多个散热片，所述热交换器的制造方法包括：
成形作为所述框架并具有第一壁部的框架的成形工序，所述第一壁部用于焊接插在所述框架与所述发热体之间的插入部件；以及
通过将所述散热片部件配置到在所述成形工序中成形的所述框架的内部来装配所述热交换器的装配工序；
其中，所述成形工序通过拉拔加工将突出部与所述第一壁部一体地成形，所述突出部向所述框架的内部突出，并形成为U字槽形状，所述U字槽形状具有向所述框架的外侧开口的U字形截面，并且沿着所述第一壁部的外表面中配置所述插入部件的配置面呈直线状延伸。
8.一种半导体装置的制造方法，其中，
所述半导体装置包括：
热交换器，所述热交换器通过权利要求7所述的热交换器的制造方法制造；
半导体元件，所述半导体元件是所述发热体；以及
插入部件，所述插入部件插在所述框架的所述第一壁部与所述半导体元件之间，并具有与所述框架不同的线膨胀系数；
其中，所述半导体装置的制造方法包括将所述插入部件配置在所述框架的所述第一壁部的所述配置面上并将所述插入部件焊接到所述第一壁部的焊接工序。
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