CN111009494A - 冷却器及其基板、以及半导体装置 - Google Patents

冷却器及其基板、以及半导体装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种冷却器，其具备充分的冷却性能，并且能够将基板高精度地固定于容器主体。本发明的冷却器具备容器主体(1)和基板(5)，容器主体(1)是在上表面具有开口的箱形，基板(5)在内周部(6)的下表面侧形成多个散热翅片(61)，并且能够在内周部(6)的上表面侧配置发热体，在散热翅片(61)经由容器主体(1)的上表面开口(11)而收纳于容器主体(1)内的状态下，基板(5)的外周部经由密封件(3)而固定于容器主体(1)的上表面开口周缘部，由此基板(5)以堵塞容器主体(1)的上表面开口(11)的方式安装于容器主体(1)。基板(5)是通过单独形成其内周部(6)和外周部(7)、并且使该单独的内周部(6)和外周部(7)连结一体化而形成的。

Description

冷却器及其基板、以及半导体装置
技术领域
本发明涉及用于冷却电力用半导体元件等发热体的冷却器及其基板，还涉及具备该冷却器的半导体装置。
背景技术
用于控制混合动力汽车(HV)、电动汽车(EV)等的电动机、工业机械、家用电器、信息终端等的电力驱动设备的主电力的电力用半导体元件，由于要处理较大电力，从而会伴随较大发热。因此，为了避免由高热量导致的不利影响并维持高性能，会使安装有电力用半导体元件的基板(元件安装基板)与冷却器接合或接触，通过该冷却器将产生的热量释放。
像固定设备等这样在元件安装基板的周边能够确保用于散热的大空间的情况下，可以采用风冷式冷却器，但在汽车等的有限空间内密集配置有许多设备的情况下，通常采用液冷式(水冷式)的冷却器。
下述专利文献1、2公开了用于冷却元件安装基板的液冷式冷却器。该冷却器具备在上表面具有开口的水冷套等箱形的容器主体、和以堵塞该容器主体的上表面开口的方式安装的基板。基板在其内周部的下表面侧一体形成有多个散热翅片，并且在内周部的上表面侧搭载元件安装基板。在该基板的多个散热翅片经由上表面开口而收纳于容器主体内的状态下，基板的外周部隔着O型环等密封件通过螺栓等固定于容器主体的上表面开口周缘部。由此，通过容器主体和基板形成流通制冷剂的制冷剂流路，从冷却器的外部向制冷剂流路的一端供给的制冷剂，通过制冷剂流路而从另一端向外部流出。这样，在冷却器的制冷剂流路内循环的制冷剂与半导体元件经由基板和散热翅片等进行热交换，从半导体元件产生的热经由制冷剂而向外部释放，由此使半导体元件冷却。
在先技术文献
专利文献1：日本特开2016-92209号公报
专利文献2：日本特开2018-67691号公报
发明内容
像上述专利文献1、2所示的以往的冷却器那样，在容器主体和基板单独加装的冷却器中，形成有散热翅片的基板的内周部为了提高冷却性能而需求高的热传导率，与此相对，基板的外周部为了在固定于容器主体时确保密封性而需要将密封件充分压缩，需求不会由于密封件的弹性反作用力而变形的高强度。
但是，以往的冷却器中，基板整体一体形成，基板内周部和基板外周部由相同材质构成。因此，如果优先考虑冷却性能而由热传导率高的材质构成基板，则基板无法得到足够的强度，基板外周部会由于密封件的反作用力而变形，产生难以将基板高精度地安装于容器主体这样的课题。相反，如果优先考虑基板的安装精度而由高强度的材质构成基板，则基板内周部的热传导率降低，产生难以得到足够的冷却性能这样的课题。
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的是提供能够得到充分的冷却性能，并且还能够将基板以高精度且稳定的状态安装于容器主体的冷却器及其基板、以及半导体装置。
为解决上述课题，本发明具备以下手段。
[1]一种冷却器，具备容器主体和基板，所述容器主体是在上表面具有开口的箱形，所述基板在内周部的下表面侧形成多个散热翅片，并且能够在所述内周部的上表面侧配置发热体，在所述散热翅片经由所述容器主体的上表面开口而收纳于所述容器主体内的状态下，所述基板的外周部经由密封件而固定于所述容器主体的上表面开口周缘部，由此所述基板以堵塞所述容器主体的上表面开口的方式安装于所述容器主体，
所述冷却器的特征在于，所述基板是通过单独形成其内周部和外周部、并且使该单独的内周部和外周部连结一体化而形成的。
[2]根据前项1所述的冷却器，所述基板的所述外周部由强度比所述内周部高的材质形成。
[3]根据前项1或2所述的冷却器，所述基板的所述内周部由热传导率比所述外周部高的材质形成。
[4]根据前项1～3的任一项所述的冷却器，所述基板的外周部的板厚被形成为大于所述内周部的板厚。
[5]根据前项1～4的任一项所述的冷却器，所述基板的所述外周部的下表面和所述内周部的下表面配置在大致同一平面内。
[6]根据前项1～5的任一项所述的冷却器，
在所述基板的所述外周部的内周端缘下侧设置凹台部，
所述冷却器被配置成在所述凹台部内收纳有所述内周部的外周端缘的状态。
[7]根据前项1～5的任一项所述的冷却器，
在所述基板的所述外周部的内周端缘下侧设有向内侧突出的内侧突出部，并且
所述冷却器被配置成所述内周部的外周端缘载置于所述内侧突出部的状态。
[8]根据前项1～7的任一项所述的冷却器，所述基板的所述外周部和所述内周部由铝构成。
[9]一种冷却器的基板，是以堵塞在上表面具有开口的箱形的容器主体的上表面开口的方式安装于所述容器主体的冷却器的基板，
所述冷却器的基板的特征在于，具备内周部和外周部，
所述内周部在下表面侧形成多个翅片，并且能够在上表面侧配置发热体，所述翅片能够经由所述容器主体的上表面开口而收纳于所述容器主体内，
所述外周部设置在所述内周部的外侧，并且能够经由密封件而固定于容器主体的上表面开口周缘部，
所述冷却器的基板是通过单独形成所述内周部和所述外周部、并且使该单独的内周部和外周部连结一体化而构成的。
[10]一种半导体装置，具备容器主体、基板和半导体元件，所述容器主体是在上表面具有开口的箱形，所述基板在内周部的下表面侧形成有多个散热翅片，所述半导体元件配置于所述基板的内周部上表面侧，在所述散热翅片经由所述容器主体的上表面开口而收纳于所述容器主体内的状态下，所述基板的外周部经由密封件而固定于所述容器主体的上表面开口周缘部，由此所述基板以堵塞所述容器主体的上表面开口的方式安装于所述容器主体，
所述半导体装置的特征在于，所述基板是通过单独形成其内周部和外周部、并且使该单独的内周部和外周部连结一体化而形成的。
根据发明[1]的冷却器，将基板中形成散热翅片的内周部和固定于容器主体的外周部分别单独形成，因此能够由不同的材质构成内周部和外周部。即、能够由热传导率高的材料构成内周部，并且由强度高的材料构成外周部。由此，从发热体产生的热经由内周部而顺利地被容器主体内的制冷剂吸收，能够高效率地进行热交换，能够得到充分的冷却性能。另外，外周部即使受到密封件的弹性反作用力也不会变形，能够将外周部在压缩密封件的状态下切实地安装于容器主体，能够将作为基板的外周部以位置精度高且稳定的状态安装于容器主体。
根据发明[2]～[4]的冷却器，能够更切实地得到上述效果。
根据发明[5][6]的冷却器，能够防止在基板的下表面侧的内周部与外周部之间形成台阶差，因此制冷剂会沿着基板的下表面在内周部与外周部之间顺利地流通，能够进一步提高冷却性能。
根据发明[7]的冷却器，在外周部的内周端缘形成内侧突出部，在该内侧突出部上配置内周部的外周端缘，因此通过将密封件配置于内侧突出部的下表面的位置，能够将密封件配置于接近容器主体的上表面开口的位置。因此，能够将密封件配置于外周部的靠内侧的位置，能够与该程度相应地减小外周部的外径尺寸，进而能够谋求冷却器整体的小型轻量化。
根据发明[8]的冷却器，能够更切实地得到上述效果。
根据发明[9]的冷却器的基板，由于具备与上述同样的主要部分，因此能够得到与上述同样的效果。
根据发明[10]的半导体装置，由于具备与上述同样的主要部分，因此能够得到与上述同样的效果。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式的应用了冷却器的电力用半导体装置的截面图。
图2是将第1实施方式的半导体装置的基板的内周部与外周部之间的接合部周边放大表示的截面图。
图3是表示本发明的第2实施方式的应用了冷却器的电力用半导体装置的截面图。
图4是将第2实施方式的半导体装置的基板的内周部与外周部之间的接合部周边放大表示的截面图。
附图标记说明
1：容器主体
11：上表面开口
24：半导体元件
3：密封件
5：基板
6：内周部
61：散热翅片
7：外周部
75：内侧突出部
76：凹台部
具体实施方式
＜第1实施方式＞
图1是表示本发明的第1实施方式的应用了冷却器的电力用半导体装置的截面图。图2是将该半导体装置的主要部分放大表示的截面图，相当于将图1中由一点划线包围的部分放大表示的截面图。
如图1所示，该半导体装置具备冷却套等容器主体1、基板5和安装基板2作为基本构成要素。
再者，本说明书和权利要求的范围中，铝这样的用语除了特别说明的情况以外，其含义包含纯铝和铝合金。另外，本说明书和权利要求的范围中，表示方向的“上方(上侧)”、“下方(下侧)”等用语并不以重力方向为基准，而是以图1所示的状态为基准。也就是说，本发明的冷却器、半导体装置在实际使用状态下，除了图1所示的状态以外，例如也可以在相对于图1的状态上下颠倒的状态、将上下向左右方向配置的状态、将上下向倾斜方向配置的状态下使用。
容器主体1在俯视下形成为矩形，作为整体形成为箱形(盒子型)的形状。该容器主体1在上表面具有开口11，通过其上表面开口11，容器主体1的内部向上方开放。
基板5在俯视下其外周形状形成为与容器主体1的外周形状相对应的矩形。该基板5具备内周部6和外周部7，内周部6构成基板5的内侧的区域，外周部7构成基板5的外侧的区域，并且配置在内周部6的外侧。本实施方式中，基板5的内周部6和外周部7是分别单独形成的，如后所述由不同的材质构成。
多个散热翅片61以向下方突出的方式一体形成于内周部6的下表面侧。本实施方式中，不特别限定散热翅片61的结构，可以是板翅也可以是针翅。另外，在采用针翅的情况下，不限定其截面形状，可以形成为圆形、椭圆形、长圆形、多边形、不规则形状等各种截面形状。
另外，外周部7的板厚被形成为大于内周部6的板厚。如图1和图2所示，在外周部7的内周端缘的下侧一体形成有向内侧突出的内侧突出部75。
在该外周部7的内侧突出部75上载置内周部6的外周端缘，并且内周部6的散热翅片61以穿过外周部7的中央孔向下方突的方式配置的状态下，内周部6的外周端缘与外周部7的内周端缘的接触区域周边通过钎焊处理、焊接处理、粘结剂涂布处理等而结合。由此，内周部6与外周部7接合一体化(连结一体化)，形成基板5。
在此，本实施方式中基板5的内周部6由热传导率比外周部7高的材质构成。外周部7由强度比内周部6高的材质构成。
具体而言，作为内周部6的材料，可优选使用合金编号为A1050(热传导率230W/mK、耐力30MPa)、A1100(热传导率220W/mK、耐力35MPa)等的纯铝。作为外周部7的材料，可优选使用合金编号为A6063(热传导率210W/mK、耐力145MPa)等的Al-Mg-Si系合金、A3003(热传导率170W/mK、耐力125MPa)等的Al-Mn系合金。
以上结构的基板5安装于容器主体1而形成冷却器。即、基板5的散热翅片61经由容器主体1的上表面开口11而收纳于容器主体1内，基板5的外周部7的下表面隔着O型环、金属垫片等密封件3而载置于容器主体1的上表面开口周缘部。在该状态下，从上方侧贯穿外周部7的螺栓4紧固于容器主体1的上表面开口周缘部。由此，基板5安装于容器主体1。在该组装状态下，由容器主体1和基板5形成密闭的制冷剂流路，并且在该制冷剂流路内配置有散热翅片6。
再者，在该组装状态下，散热翅片61的下端优选与容器主体1的内部底面接触。
另外，设置于基板5的上侧的安装基板2具备绝缘板21，在该绝缘板21的上下两面层叠铝制的布线层22、22，并且电力用半导体元件24经由焊料层23而固定于上侧的布线层22的上表面。
该安装基板2的下侧的布线层22通过钎焊处理、焊接处理、粘结剂涂布处理等而与基板5的内周部6的上表面结合。由此形成本实施方式的半导体装置。
以上结构的本实施方式的半导体装置中，在容器主体1设有未图示的制冷剂入口和制冷剂出口，制冷剂经由制冷剂入口流入容器主体1(制冷剂流路)内，在制冷剂流路中的多个散热翅片61各自之间流通之后，从制冷剂出口向外部流出。这样，通过在容器主体1(制冷剂流路)内流通的制冷剂与半导体元件24之间进行热交换，从半导体元件24产生的热经由制冷剂而向外部释放，使半导体元件24冷却。
根据以上结构的本实施方式的半导体装置，将基板5中形成有散热翅片61的内周部6和固定于容器主体1的外周部7分别单独形成，由热传导率高的材料构成内周部6，并且由强度高的材料构成外周部7。因此，从半导体元件24产生的热经由内周部6而被容器主体1内的制冷剂顺利吸收，能够高效率地进行热交换，能够得到充分的冷却性能。另外，外周部7即使受到密封件3的弹性反作用力也不会变形，能够将外周部7在压缩密封件3的状态下切实地安装于容器主体1。因此，能够充分确保密封性，并且将作为基板5的外周部7以位置精度高且稳定的状态安装于容器主体1，能够进一步提高产品价值。
另外，本实施方式中，将基板5的内周部6的板厚形成为比外周部7的板厚薄，因此能够进一步提高内周部6的热传导率，能够进一步提高冷却性能，并且能够进一步提高外周部7的强度，能够将基板5以更加稳定的状态安装于容器主体1。
另外，本实施方式中，在外周部7的内周端缘形成内侧突出部75，在该内侧突出部75上配置内周部6的外周端缘，因此能够将密封件3配置于内侧突出部75的下表面的位置。因此，在第1实施方式中，与图3和图4所示的后述的第2实施方式的半导体装置相比，能够将密封件3配置于接近容器主体1的上表面开口11的位置。也就是说，在第1实施方式中，能够将密封件3配置于靠近内侧的位置，能够与该程度相对应地减小作为基板5的外周部7的外径尺寸，进而能够谋求半导体装置整体的小型轻量化。
＜第2实施方式＞
图3是表示本发明的第2实施方式的应用了冷却器的电力用半导体装置的截面图，图4是将该半导体装置的主要部分放大表示的截面图，相当于将图3中由一点划线包围的部分放大表示的截面图。
如这两图所示，在该半导体装置中，在基板5的外周部7的内周端缘下侧形成有向内侧和下方开放的凹台部76。在以内周部6的外周端缘嵌入该外周部7的凹台部76内的方式配置的状态下，内周部6与外周部7的接触区域周边通过钎焊处理、焊接处理、粘结剂涂布处理等而结合，形成基板5。另外，该基板5与上述第1实施方式同样地安装于容器主体1，并且安装基板2被安装在基板5上，形成第2实施方式的半导体装置。
该第2实施方式的半导体装置中，其它结构与上述第1实施方式实质相同，因此对相同或相当的部分附带同一标记并省略重复说明。
该第2实施方式的半导体装置中，也与上述同样地能够得到充分的冷却性能，并且能够将作为基板5的外周部7以位置精度高且稳定的状态安装于容器主体1。
并且，在第2实施方式的半导体装置中，在基板5的外周部7的内周端缘下侧形成凹台部76，以内周部6的外周端缘收纳于该凹台部76内的方式配置，因此容易将内周部6的下表面和外周部7的下表面配置在同一平面内。因此，在内周部6的下表面与外周部7的下表面之间没有台阶差，如图4的箭头所示，制冷剂R沿着基板5的下表面从外周部7向内周部6以及从内周部6向外周部7顺利流动。这样，制冷剂流路内的制冷剂R的流动变得更顺利，能够进一步提高冷却性能。
＜变形例＞
上述实施方式中，在基板5的外周部7的内周端缘形成内侧突出部75、凹台部76，以内周部6的外周端缘在轴心方向上能够与外周部7的内周端缘卡合的方式配置，但并不限定于此，本发明中，外周部与内周部的接合部的形状可以为任意形状。例如可以将内周部6的外周端缘(外周端面)和外周部7的内周端缘(内周端面)分别形成为垂直面，可以在内周部6的外周端缘形成外侧突出部、凹台部。
另外，上述实施方式中，以用于冷却半导体元件24的冷却器为例进行了说明，但并不限定于此，本发明中，也可以应用于冷却半导体元件以外的发热体的冷却器。
另外，上述实施方式中，以通过螺栓将基板固定于容器主体的情况为例进行了说明，但并不限定于此，本发明中，并不限定将基板固定于容器主体的手段。例如除了螺栓以外，也可以采用螺钉、夹具等固定手段进行固定。
产业可利用性
本发明的冷却器能够很好地作为用于冷却电力用半导体元件等发热体的冷却装置使用。

Claims (10)

1.一种冷却器，具备容器主体和基板，
所述容器主体是在上表面具有开口的箱形，
所述基板在内周部的下表面侧形成多个散热翅片，并且能够在所述内周部的上表面侧配置发热体，
在所述散热翅片经由所述容器主体的上表面开口而收纳于所述容器主体内的状态下，所述基板的外周部经由密封件而固定于所述容器主体的上表面开口周缘部，由此所述基板以堵塞所述容器主体的上表面开口的方式安装于所述容器主体，
所述冷却器的特征在于，
所述基板是通过单独形成其内周部和外周部、并且使该单独的内周部和外周部连结一体化而形成的。
2.根据权利要求1所述的冷却器，
所述基板的所述外周部由强度比所述内周部高的材质形成。
3.根据权利要求1或2所述的冷却器，
所述基板的所述内周部由热传导率比所述外周部高的材质形成。
4.根据权利要求1～3的任一项所述的冷却器，
所述基板的外周部的板厚被形成为大于所述内周部的板厚。
5.根据权利要求1～4的任一项所述的冷却器，
所述基板的所述外周部的下表面和所述内周部的下表面配置在大致同一平面内。
6.根据权利要求1～5的任一项所述的冷却器，
在所述基板的所述外周部的内周端缘下侧设置凹台部，
所述冷却器被配置成在所述凹台部内收纳有所述内周部的外周端缘的状态。
7.根据权利要求1～5的任一项所述的冷却器，
在所述基板的所述外周部的内周端缘下侧设有向内侧突出的内侧突出部，并且
所述冷却器被配置成所述内周部的外周端缘载置于所述内侧突出部的状态。
8.根据权利要求1～7的任一项所述的冷却器，
所述基板的所述外周部和所述内周部由铝构成。
9.一种冷却器的基板，是以堵塞在上表面具有开口的箱形的容器主体的上表面开口的方式安装于所述容器主体的冷却器的基板，
所述冷却器的基板的特征在于，具备内周部和外周部，
所述内周部在下表面侧形成多个翅片，并且能够在上表面侧配置发热体，所述翅片能够经由所述容器主体的上表面开口而收纳于所述容器主体内，
所述外周部设置在所述内周部的外侧，并且能够经由密封件而固定于容器主体的上表面开口周缘部，
所述冷却器的基板是通过单独形成所述内周部和所述外周部、并且使该单独的内周部和外周部连结一体化而构成的。
10.一种半导体装置，具备容器主体、基板和半导体元件，
所述容器主体是在上表面具有开口的箱形，
所述基板在内周部的下表面侧形成有多个散热翅片，
所述半导体元件配置于所述基板的内周部上表面侧，
在所述散热翅片经由所述容器主体的上表面开口而收纳于所述容器主体内的状态下，所述基板的外周部经由密封件而固定于所述容器主体的上表面开口周缘部，由此所述基板以堵塞所述容器主体的上表面开口的方式安装于所述容器主体，
所述半导体装置的特征在于，
所述基板是通过单独形成其内周部和外周部、并且使该单独的内周部和外周部连结一体化而形成的。
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