CN111164748B - 半导体冷却装置 - Google Patents
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Abstract
提供能够不降低冷却性能而防止散热基板的翘曲的半导体冷却装置的构造。接合于在绝缘基板(40)的一个面经由布线层(41)而搭载半导体元件(42)的半导体模块(2)的半导体冷却装置(1)具备：散热基板(10)，接合于所述绝缘基板(40)的另一个面侧；翅片(11)，设置于所述散热基板(10)的、与接合有所述绝缘基板(40)的面相反一侧的面；及翘曲防止板(20)，接合于所述翅片(11)的前端，由线膨胀系数比所述散热基板(10)的材料小的材料形成。
Description
技术领域
本发明涉及对搭载有半导体元件的基板进行冷却的半导体冷却装置。
背景技术
近年来，半导体元件经常处理大功率，伴随于此而发热量增大。因而，在安装有半导体元件的基板接合冷却器，向冷却器散热。在能够对散热确保大的空间的固定设备中，能够进行强制空冷，但在配置于受限的空间内的情况下，液冷式冷却器是有用的。
半导体元件搭载于在陶瓷等的绝缘基板上形成的布线层，在所述绝缘基板的相反侧的面通过钎焊等而接合由铝、铜的高热传导金属形成的冷却器。作为冷却器，具有在散热板的一个面接合有散热的翅片的冷却器，而且具有在散热板装配套箱而形成了内置有翅片的冷却介质流通空间的液冷式冷却器(参照专利文献1～3)。
在接合有如上所述的冷却器的半导体冷却装置中，若通过半导体元件的发热而温度上升，则由于散热基板的材料即金属的线膨胀系数比绝缘基板的材料即陶瓷的线膨胀系数大，所以要膨胀的散热基板被绝缘基板拉拽而产生翘曲。并且，若在散热基板产生翘曲，则有时会在绝缘基板产生裂纹或者绝缘基板剥离。
对于这样的散热基板的翘曲，专利文献1提出了以下技术：在散热基板与翅片之间夹设由陶瓷形成的束缚板，通过束缚散热基板来防止翘曲。另外，专利文献2提出了以下技术：在散热板的冷却器侧的面的一部分设置凹部，通过向该凹部钎焊由热膨胀系数近似的金属或陶瓷形成的修正板来防止散热基板的翘曲。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-141932号公报
专利文献2：日本特开2004-146650号公报
专利文献3：日本特开2005-191502号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在专利文献1、2所记载的方法中，可能会因在散热基板与翅片之间夹设束缚板或修正板而导致向翅片的传热延迟。另外，无法应用于散热基板与翅片一体成形的冷却器。
用于解决课题的技术方案
本发明鉴于上述的背景技术，提供能够不降低冷却性能而防止散热基板的翘曲的半导体冷却装置的构造。
即，本发明具有下述[1]～[5]所记载的结构。
[1]一种半导体冷却装置，其接合于半导体模块，该半导体模块在绝缘基板的一个面经由布线层而搭载半导体元件，该半导体冷却装置的特征在于，具备：
散热基板，其接合于所述绝缘基板的另一个面侧；
翅片，其设置于所述散热基板的、与接合有所述绝缘基板的面相反一侧的面；以及
翘曲防止板，其接合于所述翅片的前端，由线膨胀系数比所述散热基板的材料小的材料形成。
[2]根据前项1所述的半导体冷却装置，在所述翘曲防止板形成有在该翘曲防止板的厚度方向上贯通的贯通部。
[3]根据前项1所述的半导体冷却装置，所述翅片由高刚性材形成。
[4]根据前项2所述的半导体冷却装置，所述翅片由高刚性材形成。
[5]根据前项1～4中任一项所述的半导体冷却装置，具备套箱，该套箱装配于所述散热基板的接合有翅片的面侧，在该套箱与散热基板之间容纳翅片，形成冷却介质流通空间。
发明效果
上述[1]所记载的半导体冷却装置在供半导体模块的绝缘基板接合的散热基板的相反的面设置的翅片的前端接合有线膨胀系数比散热基板小的翘曲防止板。若因半导体元件的发热而绝缘基板及散热基板的温度上升，则线膨胀系数比绝缘基板大的散热基板要伸长而翘曲，但配置于相反侧的面的翘曲防止板会抑制散热基板的伸长。作为其结果，散热基板的翘曲被抑制，能够防止绝缘基板的裂纹产生、接合部分的剥离。另外，由于是在翅片的前端接合翘曲防止板的构造，在散热基板与翅片之间没有夹设物，所以半导体元件发出的热从散热基板向翅片快速传递，冷却性能优异。
上述[2]所记载的半导体冷却装置能够将形成于翘曲防止板的贯通部作为冷却介质的流路来利用。
上述[3][4]所记载的半导体冷却装置由于翅片的刚性高而难以变形，所以翘曲防止板的效果不会下降。
根据上述[5]所记载的半导体冷却装置，通过套箱的装配而形成容纳翅片的冷却介质流通空间。
附图说明
图1是本发明的半导体冷却装置的一个实施方式的分解立体图。
图2是图1的半导体冷却装置的组装状态下的A-A线剖视图。
图3是从翘曲防止板侧观察图1的半导体冷却装置的散热基板时的立体图。
图4是示出翘曲防止板的其他方式的立体图。
具体实施方式
[半导体冷却装置的构造]
图1～图3示出半导体冷却装置的一个实施方式和经由传热层而安装于该半导体冷却装置的半导体模块。
半导体冷却装置1由散热基板10、多个销状的翅片11、翘曲防止板20及套箱30构成。
四边形的散热基板10在一个面的中央部与散热基板一体地立起设置有多个翅片11，翅片11组的周围被设为凸缘12。在所述凸缘12的四角穿设有套箱安装用的孔13。
翘曲防止板20的平面尺寸比散热基板10小，翘曲防止板20钎焊于所述翅片11的前端，与散热基板10平行地配置。另外，所述翘曲防止板20在一边的端部附近穿设有3个圆形孔21，其相对边的端部在3个部位处被切口而形成有切口部22。所述圆形孔21及切口部22对应于本发明中的贯通部。所述翘曲防止板20由线膨胀系数比散热基板10小的材料形成。
套箱30是具有容纳翅片11组的凹部31的箱型，在所述凹部31的底面突出设置有将凹部31一分为二的分隔壁32。在所述套箱30的一个侧壁穿设有孔33，在与该侧壁相对的侧壁穿设有孔34，孔33和孔34分别连通于由所述分隔壁32一分为二的各个区划。在所述侧壁外表面以与各孔33、34连通的方式安装有连接冷却介质的导管的接头35。另外，在所述套箱30的上表面中，在凹部31的开口缘的附近设置有槽36，在该槽36中嵌入有O型圈37。另外，在所述槽36的外侧形成有4个阴螺纹部38。
半导体模块2在绝缘基板40的一个面接合有布线层41，在该布线层41通过焊料层43而接合有半导体元件42。而且，在所述绝缘基板40的另一个面接合有用于将半导体元件41发出的热向所述半导体冷却装置1传递的传热层44。
并且，所述半导体模块2经由传热层44而钎焊于半导体冷却装置1的散热基板10。
所述半导体冷却装置1如以下这样组装，并且安装于半导体模块2。
将接合有所述半导体模块2的散热基板10盖上套箱30，在凹部31容纳翅片11组并利用散热基板10关闭凹部31的开口部，将散热基板10的孔13对位于套箱30的阴螺纹部38。然后，将螺栓50向散热基板10的孔13插入并紧固于套箱30的阴螺纹部38。由此，形成在散热基板10与套箱30的凹部31之间围出的冷却介质流通空间，由O型圈37形成液密构造，并且所述翘曲防止板20与凹部31的分隔壁32的上表面抵接。所述冷却介质流通空间由翘曲防止板20和分隔壁32区划成处于翘曲防止板20与散热基板10之间且容纳有翅片11组的散热室60和处于翘曲防止板20与凹部31的底面之间且由分隔壁32一分为二的第1室61及第2室62。所述散热室60和第1室61通过翘曲防止板20的圆形孔21而连通，散热室60和第2室62通过切口部22而连通。
在上述的半导体冷却装置1中，若从套箱30的一个侧壁的孔33向第1室61导入冷却介质，则冷却介质通过圆形孔21而进入散热室60，从而冷却翅片11，通过切口部22而进入第2室62，从相对的侧壁的孔34排出。
在所述半导体模块2及半导体冷却装置1中，半导体元件42产生的热向布线层41、绝缘基板40、传热层44、散热基板10、翅片11传递，从翅片11向冷却介质排热。
所述散热基板10的线膨胀系数比绝缘基板40的线膨胀系数大，且所述翘曲防止板20的线膨胀系数比散热基板10的线膨胀系数小。即，在散热基板10的两侧配置有线膨胀率比散热基板10小的绝缘基板40和翘曲防止板20。若通过半导体元件42的发热而绝缘基板40及散热基板10的温度上升，则线膨胀系数大的散热基板10要比绝缘基板40伸长而翘曲，但在相反侧的面配置的翘曲防止板20抑制散热基板10的伸长。作为其结果，散热基板10的翘曲被抑制，能够防止绝缘基板40的裂纹产生、接合部分的剥离。
另外，在本发明的翘曲防止构造中，由于翘曲防止板20接合于翅片11的前端，在散热基板10与翅片11之间没有夹设物，所以半导体元件42发出的热从散热基板10向翅片11快速传递。因此，本发明的翘曲防止构造不会因翘曲防止板而导致冷却性能下降，在这一点上，与在散热基板与翅片之间夹设有翘曲防止板的以往的翘曲防止构造相比冷却性能优异。另外，本发明的翘曲防止构造不管翅片和散热基板是一体成形物还是接合物都能够应用。
另外，接合于所述翅片11的前端的翘曲防止板20将凹部31内以与相当于翅片11的高度的深度进行分隔，通过在翘曲防止板20设置圆形孔21及切口部22之类的贯通部而形成冷却介质的流通路。因而，翘曲防止板20并不妨碍冷却介质的流通，能够通过翘曲防止板20和贯通部21、22来控制冷却介质的流通而使冷却介质遍及翅片11组，提高冷却效率。
在本发明中，不限定于在翘曲防止板与套箱的凹部的底面之间形成制冷剂流通空间，翘曲防止板抵接于凹部的底面的情况也包含于本发明。另外，也不管翘曲防止板中有无贯通部。即使在翘曲防止板没有贯通部，也能够减小翘曲防止板的尺寸而利用在该翘曲防止板与凹部的侧面之间形成的间隙作为冷却介质流路。图4的翘曲防止板25是使平面尺寸比形成有翅片组的部分小而在翘曲防止板与凹部的侧壁之间创造间隙、而且在端部设置有半圆形的切口状的贯通部26的例子。在所述翘曲防止板设置的贯通部的位置、数量没有限定，但根据冷却介质的出入口的位置而适当设定，以使冷却介质不停滞地遍及整个翅片组。
所述翘曲防止板20、25的厚度优选是0.2mm～5mm，尤其优选的厚度是0.2mm～2mm。
翅片的形状不限定于图示例的截面为圆形的销状，作为其他翅片而能够例示截面为菱形的销状翅片、壁厚的平直翅片。另外，也不限定于翅片和散热基板是一体成形物。例如，也可以将铝等的薄板弯曲而形成的波纹翅片通过钎焊等而接合于散热基板。不过，翅片优选不会因热、温度变化、冷却介质等而变形或难以变形。若翅片变形，则翘曲防止板的散热基板翘曲防止效果下降，因此，要想长期维持翘曲防止板的效果，翅片优选由高刚性材形成。所谓刚性高的翅片，具体而言是在被称作销状翅片、棱柱翅片、菱型翅片的支柱形状的翅片、或者板形状的翅片中、高度15mm以下、板厚0.2mm以上且翅片间的间隙为2mm以下且细微配置的翅片。
本发明的半导体冷却装置的结构是散热基板、翅片及翘曲防止板，具备它们的结构无论有无装配套箱都包含于本发明的技术范围。同样，不管在散热基板接合有半导体模块还是未接合半导体模块都包含于本发明的技术范围。另外，半导体模块的绝缘基板与半导体冷却装置的散热基板的接合方式也没有限定，也能够将绝缘基板不经由传热层而直接接合于散热基板。
[半导体冷却装置及半导体模块的材料]
构成所述半导体冷却装置1及半导体模块2的构件的优选的材料及优选的方式如下。
(半导体冷却装置)
构成所述散热基板10及翅片11的材料优选是铝或铝合金、铜或铜合金等高热传导性材料。这些金属的线膨胀系数比后述的构成绝缘基板40的材料的线膨胀系数大。
构成所述翘曲防止板20的材料以线膨胀系数比散热基板10小为条件，优选是线膨胀系数比纯铝小的材料。作为满足线膨胀系数的条件的材料，能够例示AlN、SiN、镀铝钢板、镀镍钢板、它们的复合材等。
所述套箱30的材料没有限定。另外，由散热基板10和套箱30形成的液密构造的方式也没有限定。
(半导体模块)
构成所述绝缘基板40的材料不仅优选电绝缘性优异，而且优选热传导性好且散热性优异。在这一点上，能够例示氮化铝、氧化铝、氮化硅、氧化锆、碳化硅等陶瓷。这些陶瓷不仅电绝缘性优异、而且热传导性好且散热性优异，在这一点上可以推荐。
构成所述布线层41的材料优选导电性优异且热传导性优异，优选是铝或铝合金、铜或铜合金。在它们之中，尤其优选纯铝。
构成所述传热层44的材料以构成布线层41的材料为基准。
本申请是伴随2017年12月5日提出申请的日本国专利申请的日本特愿2017-233121号的优先权主张的申请，其公开内容直接构成本申请的一部分。
这里使用的术语及表述为了说明而使用，并非为了限定性地解释而使用，必须认识到，并不排除这里示出且叙述的特征事项的任何均等物，也容许本发明的声明的范围内的各种变形。
产业上的可利用性
本发明能够作为发热量大的半导体元件的冷却装置来利用。
标号说明
1…半导体冷却装置
2…半导体模块
10…散热基板
11…翅片
20、25…翘曲防止板
21…圆形孔(贯通部)
22…切口部(贯通部)
26…切口部(贯通部)
30…套箱
40…绝缘基板
41…布线层
42…半导体元件
Claims (9)
1.一种半导体冷却装置，其接合于半导体模块，该半导体模块在绝缘基板的一个面经由布线层而搭载半导体元件，该半导体冷却装置的特征在于，
具备：
散热基板，其接合于所述绝缘基板的另一个面侧；
翅片，其设置于所述散热基板的、与接合有所述绝缘基板的面相反一侧的面；以及
翘曲防止板，其接合于所述翅片的前端，由线膨胀系数比所述散热基板的材料小的AlN或SiN、或者它们的复合材料形成。
2.根据权利要求1所述的半导体冷却装置，
在所述翘曲防止板形成有在该翘曲防止板的厚度方向上贯通的贯通部。
3.根据权利要求1所述的半导体冷却装置，
所述翅片由高刚性材形成。
4.根据权利要求2所述的半导体冷却装置，
所述翅片由高刚性材形成。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体冷却装置，
具备套箱，该套箱装配于所述散热基板的接合有翅片的面侧，在该套箱与散热基板之间容纳翅片，形成冷却介质流通空间。
6.一种半导体冷却装置，其接合于半导体模块，该半导体模块在绝缘基板的一个面经由布线层而搭载半导体元件，该半导体冷却装置的特征在于，
具备：
散热基板，其接合于所述绝缘基板的另一个面侧；
翅片，其设置于所述散热基板的、与接合有所述绝缘基板的面相反一侧的面；
翘曲防止板，其接合于所述翅片的前端，平面尺寸比所述散热基板小，由线膨胀系数比所述散热基板的材料小的选自AlN、SiN、镀铝钢板、镀镍钢板、以及它们的复合材料中的至少一种材料形成；以及
套箱，该套箱装配于所述散热基板的接合有翅片的面侧，在该套箱与散热基板之间容纳翅片，形成冷却介质流通空间，
所述套箱具有容纳所述翅片的凹部，利用在所述翘曲防止板与所述凹部的侧面之间形成的间隙作为冷却介质流路。
7.根据权利要求6所述的半导体冷却装置，
在所述翘曲防止板形成有在该翘曲防止板的厚度方向上贯通的贯通部。
8.根据权利要求6所述的半导体冷却装置，
所述翅片由高刚性材形成。
9.根据权利要求7所述的半导体冷却装置，
所述翅片由高刚性材形成。
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