CN112908951A

CN112908951A - 半导体冷却装置

Info

Publication number: CN112908951A
Application number: CN202010976482.XA
Authority: CN
Inventors: 松岛诚二
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2021-06-04
Also published as: JP7388145B2; JP2021082702A

Abstract

在具备液冷式冷却器的半导体冷却装置中，能不增大翅片间距地抑制由异物引起的冷却性能的下降、压力损失的上升。半导体冷却装置(1)具备搭载半导体元件(11)的绝缘基板(10)和液冷式冷却器(20)。所述液冷式冷却器(20)具有：散热基板(21)，在一个面以预定间隔立起设置有多个板状翅片(22)；及套箱(30)，具有容纳所述翅片(22)的凹部(31)，并装配于所述散热基板(21)的一个面侧而形成冷却液流通空间(35)，在所述冷却液流通空间(35)中，在翅片(22)的前端与所述套箱(30)的凹部(31)的底面之间形成有成为主流路(36)的间隙，所述主流路(36)的高度H和翅片(22)与翅片(22)之间的翅片间隙(24)的尺寸W满足H>W的关系。

Description

半导体冷却装置

技术领域

本发明涉及利用液冷式冷却器对半导体元件搭载基板进行冷却的半导体冷却装置。

背景技术

近年来，半导体元件大多处理大电力，伴随于此而发热量增大。因而，对安装有半导体元件的基板接合冷却器来进行散热。在能够对散热确保大的空间的定置设备中，能够进行强制空冷，但在设备配置于有限的空间内的情况下，液冷式冷却器是有用的。

以往的液冷式冷却器，一般来说是在冷却液流通空间内设置薄板状的内翅片且经由翅片向冷却液传热的构造。在这样的构造的液冷式冷却器中，有时混入到流通的冷却液中的异物会在翅片与翅片之间堵塞而妨碍冷却液的流通，成为了冷却性能下降的原因。另外，在异物量多的情况下也会导致冷却液的压力损失。

对于异物的堵塞，提出了使异物与冷却液一起在翅片间流通或者阻止异物流入冷却液流通空间的方法(参照专利文献1、2)。

专利文献1所记载的冷却器将内翅片设为翅片间距小的上段翅片和翅片间距大的下段翅片这上下2段，在上段翅片与下段翅片之间设置异物的移交单元，将无法在上段的翅片间流通的尺寸的异物向下段翅片引导并使其在下段的翅片间流通。

专利文献2所记载的冷却器在通向冷却液流通空间的入口配管内设置袋状的异物除去构件，通过在异物除去构件积存异物而阻止异物流入冷却液流通空间。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-86641号公报

专利文献2：日本特开2008-275190号公报

发明内容

发明要解决的课题

液冷式冷却器为了提高内翅片的冷却性能而减小翅片间距从而增加了翅片数量。但是，如专利文献1所记载的冷却器那样，为了使异物流通而增大下段翅片的翅片间距，这从冷却性能的观点来看不是优选的。另外，专利文献2所记载的冷却器存在入口配管的内部构造变得复杂这一问题点。

用于解决课题的技术方案

本发明鉴于上述的背景技术，目的在于提供不用增大翅片间距就能够抑制由异物引起的冷却性能的下降、压力损失的上升的半导体冷却装置。

即，本发明具有下述[1]～[7]所记载的结构。

[1]一种半导体冷却装置，具备：

绝缘基板，在其一个面经由布线层搭载半导体元件；及

液冷式冷却器，具有散热基板和套箱，所述散热基板在一个面以预定间隔立起设置有多个板状翅片，所述套箱具有容纳所述翅片的凹部，并装配于所述散热基板的一个面侧而形成冷却液流通空间，

所述绝缘基板的另一个面侧接合或粘接于所述液冷式冷却器的散热基板的另一个面，

在所述液冷式冷却器的冷却液流通空间中，在所述翅片的前端与所述套箱的凹部的底面之间形成有成为主流路的间隙，所述主流路的高度H和翅片与翅片之间的翅片间隙的尺寸W满足H>W的关系。

[2]根据前项1所述的半导体冷却装置，所述翅片间隙的尺寸W是0.1mm～0.6mm。

[3]根据前项1或2所述的半导体冷却装置，所述主流路的高度H是0.9mm～3mm。

[4]根据前项1～3中任一项所述的半导体冷却装置，所述翅片具有从前端向散热基板侧延伸的至少1个缝隙。

[5]根据前项4所述的半导体冷却装置，所述缝隙的宽度S和翅片间隙的尺寸W满足S≥W的关系。

[6]根据前项4或5所述的半导体冷却装置，所述缝隙设置于避开了半导体元件的正下方的位置。

[7]根据前项4～6中任一项所述的半导体冷却装置，在冷却液的流动方向上具有多个半导体元件，所述缝隙在冷却液的流动方向上设置于半导体元件间。

发明效果

上述[1]所记载的半导体冷却装置在液冷式冷却器的冷却液流通空间中在翅片的前端与套箱之间存在间隙。由于该翅片前端侧的间隙的高度H和翅片与翅片之间的翅片间隙的尺寸W处于H>W的关系，所以冷却水向与翅片间隙相比、流通阻力小的翅片前端侧的间隙流动得多且流速变快，所述翅片前端侧的间隙成为冷却液的主流路。因而，向冷却液混入的异物与冷却液一起向主流路流入并从冷却液流通空间排出，或者即使停留于主流路，由于主流路的截面积大，所以压力损失也极小。另外，虽然流速比主流路慢，但冷却水也向翅片间隙流动，也从流速快的主流路流入，因此与翅片的侧面接触的冷却液不断地调换，因此从翅片的侧面向冷却液的传热也无障碍地进行。另外，即使异物不向主流路流入而在上游堵塞于翅片间隙，冷却液也会除了堵塞的部位之外从主流路向翅片间隙流入。

如以上这样，所述液冷式冷却器是异物难以堵塞于翅片间隙的构造，并且，即使异物堵塞，冷却液也会避开堵塞的部位而流动。因而，能稳定地得到优异的冷却性能，由异物引起的压力损失的上升也能被抑制。另外，由于无需为了使异物通过而扩大翅片间隙的尺寸W，所以能够维持由减小翅片间距实现的高的冷却性能。

在上述[2]所记载的半导体冷却装置中，由于所述翅片间隙的尺寸W是0.1mm～0.6mm，所以能得到高的冷却性能。

在上述[3]所记载的半导体冷却装置中，由于所述主流路的高度H是0.9mm～3mm，所以主流路和翅片间隙的冷却液的流速的平衡良好，能稳定地得到优异的冷却性能。

在上述[4]所记载的半导体冷却装置中，冷却液通过形成于翅片的缝隙而从主流路向翅片间隙流入，在主流路和翅片间隙双方中流动被搅拌。因而，即使在上游侧异物堵塞，在比异物靠下游侧处，通过该搅拌，冷却液也不滞留地进行流动，因此会不容易受到异物的影响。另外，通过冷却液从缝隙向缝隙间隙流入，比缝隙靠下游域的流速变快，因此冷却性能的不均变小。

在上述[5]所记载的半导体冷却装置中，由于形成于翅片的缝隙的宽度S和翅片间隙的尺寸W满足S≥W的关系，所以能得到充分的搅拌效果。

在上述[6]所记载的半导体冷却装置中，由于翅片的缝隙避开半导体元件的正下方而设置，所以能够抑制由缝隙引起的向翅片的传热效率的下降。

在上述[7]所记载的半导体冷却装置中，在冷却液的流动方向上具有多个半导体，翅片的缝隙在冷却液的流动方向上设置于半导体元件间。因而，冷却液通过缝隙而从主流路向翅片间隙流入并被搅拌，因此能够减小相对于多个半导体元件的冷却性能的不均。

附图说明

图1是作为本发明的实施方式的第1半导体冷却装置的分解立体图。

图2A是图1的2A-2A线剖视图。

图2B是图1的2B-2B线剖视图。

图3A是作为本发明的实施方式的第2半导体冷却装置的纵剖视图。

图3B是第2半导体冷却装置的俯视透视图。

图4是示出第2半导体冷却装置的变形例的纵剖视图。

图5是示出第2半导体冷却装置的其它变形例的纵剖视图。

图6A是作为本发明的实施方式的第3半导体冷却装置的纵剖视图。

图6B是第3半导体冷却装置的俯视透视图。

标号说明

1、2、3…半导体冷却装置；10…绝缘基板；11、11a、11b…半导体元件；12…布线层；13…缓冲层；20、40、50、55…液冷式冷却器；21…散热基板；22、42、51、56、62…翅片；24、44、64…翅片间隙；30…套箱；31…凹部；35…冷却液流通空间；36…主流路；43a、43b、52a、52b、57、63…缝隙；H…主流路的高度；S…缝隙的宽度；Q…异物；C…冷却液

具体实施方式

图1～图6B示出本发明的液冷式冷却器及半导体冷却装置的3个实施方式及其变形例。另外，在以下的说明中，设为共用的标号表示同一元件而省略说明。

[第1半导体冷却装置]

图1～图2B所示的半导体冷却装置1具备绝缘基板10及液冷式冷却器20。

所述绝缘基板10是四边形，在一个面接合有用于安装半导体元件11的布线层12，在另一个面接合有缓和在绝缘基板10与液冷式冷却器20之间产生的应力并且促进传热的缓冲层13。14是接合半导体元件11的焊料层。

所述液冷式冷却器20具备四边形的散热基板21和套箱30。所述散热基板21在一个面的中央部以具有预定的间隙的方式立起设置有多个板状翅片22，翅片22群的周围被设为凸缘23。所述套箱30是具有容纳翅片22群的凹部31的箱型，凹部31的深度D被设定为比翅片22的高度Hf深的尺寸。在液冷式冷却器20中，优选使用高度Hf为2mm～12mm的翅片22。冷却液C的入口孔32a及出口孔33a在所述套箱30的相对向的2个侧壁32、33穿设，并且分别安装有接头34。

若将所述散热基板21以使翅片22的长边方向的两端部面对入口孔32a及出口孔33的方式盖住套箱30，则在凹部31容纳翅片22群，散热基板21的凸缘23与套箱30的上表面抵接，形成由散热基板21的一个面和凹部31的内表面包围出的冷却液流通空间35。所述散热基板21的凸缘23与套箱30的抵接面通过硬钎焊或使用了O型圈的密封构造而保持水密性。冷却液C从入口孔32a进入冷却液流通空间，从出口孔33a被排出。

在所述液冷式冷却器20中，由于凹部31的深度D和翅片22的高度Hf处于D>Hf的关系，所以在翅片22的前端与凹部31的底面之间形成高度H成为D-Hf的扁平的间隙36。所述凹部31的深度D及翅片22的高度Hf被设定成：所述间隙36的高度H比翅片22与翅片22之间的翅片间隙24的尺寸W大，即满足H>W的关系。因而，从入口孔32a进入到冷却液流通空间35的冷却液C向与翅片间隙24相比、流通阻力小的翅片前端侧的间隙36流动得多且流速变快，翅片前端侧的间隙36成为冷却液C的主流路36。并且，即使在冷却液C中混入有异物Q，异物Q也会与冷却液C一起向主流路36流入并通过主流路36而从出口孔33a被排出。即使异物Q不从出口孔33a排出而停留于主流路36，由于主流路36的截面积大，所以由异物Q引起的压力损失也极小。

此外，所述翅片间隙24的尺寸W设为在翅片22的高度方向上间隙最窄的部位处的尺寸。例如，在翅片的厚度从基端(散热基板侧)朝向前端变薄的情况下，基端部处的间隙最窄。

另外，冷却液C也向翅片间隙24流动。在所述翅片间隙24中流动的冷却液C的流速虽然比主流路36慢，但不滞留而从上游侧(入口孔32a侧)向下游侧(出口孔33a侧)流动。而且，由于所述翅片间隙24和主流路36在翅片22的前端侧连通，所以冷却液C也从流速快的主流路36向翅片间隙24流入。这样，与翅片22的侧面接触的冷却液C也不断地调换，因此从翅片22的侧面向冷却液C的传热也无障碍地进行。另外，即使假设异物Q不向主流路36流入而在上游堵塞于翅片间隙24，冷却液C也会除了堵塞的部位之外从主流路36向翅片间隙24流入。

如以上这样，所述液冷式冷却器20是异物Q难以堵塞于翅片间隙24的构造，并且，即使异物Q堵塞，冷却液C也会避开堵塞的部位而流动。因而，能稳定地得到优异的冷却性能，由异物引起的压力损失的上升也被抑制。另外，由于无需为了使异物Q通过而扩大翅片间隙24的尺寸W，所以能够维持由减小翅片间距实现的高的冷却性能。

所述翅片间隙24的尺寸W优选为0.1mm～0.6mm。若所述尺寸W小于0.1mm，则组装的难度增加而导致成本增加。另一方面，所述尺寸W越大则翅片数量越减少，若超过0.6mm则会不容易得到高的冷却性能。尤其优选的尺寸W是0.2mm～0.5mm。

所述主流路36的高度H优选是0.9mm～3mm的范围。若所述主流路36的高度H小于0.9mm，则使冷却液C优先向主流路36流通的效果变差。另一方面，若所述高度H超过3mm，则冷却液C向主流路36无阻力地过度流动，其结果，翅片间隙24中的流速下降而从翅片24侧面的传热性能下降，因此无法期待冷却性能的提高。若所述高度H被设定为0.9mm～3mm的范围，则主流路36和翅片间隙24的流速的平衡良好，能稳定地得到优异的冷却性能。所述主流路36的尤其优选的高度H是0.9mm～1.5mm。

[第2半导体冷却装置]

在图3A及图3B所示的半导体冷却装置2中，液冷式冷却器40的翅片42的形状与第1半导体冷却装置1不同。翅片42以外的结构与第1半导体冷却装置1是共同的。图3B是从上表面观察所述半导体冷却装置2并透视液冷式冷却器40内而示出了翅片42与半导体元件11的位置关系的图。

所述翅片42在从与所述翅片22相同形状的板状翅片的长边方向的两端部分别靠向中心侧的两个部位具有从翅片42的前端向散热基板21侧延伸的缝隙43a、43b。全部翅片42在相同的位置具有缝隙43a、43b，在俯视下，各缝隙43a、43b在横穿冷却液C的流动的方向上相连。

在所述主流路36中流动的冷却液C通过所述缝隙43a、43b而向翅片间隙44流入，在主流路36和翅片间隙44双方中流动被搅拌。即使在上游侧异物Q堵塞，在比堵塞的异物Q靠下游侧处，通过该搅拌，冷却液C也不滞留地流动，因此会不容易受到异物Q的影响。另外，通过冷却液C从缝隙43a、43b向缝隙间隙44流入，比缝隙43a、43b靠下游域的流速变快，因此冷却性能的不均比无缝隙的冷却器小。

所述缝隙43a、43b的宽度S和翅片间隙44的尺寸W优选满足S≥W的关系，能得到充分的搅拌效果。若所述缝隙43a、43b的宽度S比缝隙间隙44的尺寸W小，则上述的搅拌效果变差。缝隙43a、43b的宽度S越大则搅拌效果越好，但另一方面，由于翅片42的表面积变小，所以传热性能下降。根据该观点，尤其优选的缝隙43a、43b的宽度S是缝隙间隙W的1.5倍～2倍。

另外，缝隙只要有1个就能够得到上述效果，因此缝隙数量没有限定。缝隙的位置也没有限定。不过，若在接近作为发热体的半导体元件的位置设置缝隙，则向翅片的传热效率下降，因此优选缝隙避开半导体元件的正下方而设置。通过避开半导体元件的正下方而设置缝隙，能够抑制传热效率的下降。图3A及图3B的液冷式冷却器2避开半导体元件11的正下方而在比半导体元件11靠上游侧和下游侧的两个部位设置有缝隙43a、43b。另外，由于异物Q多堵塞于翅片的上游侧端部，所以也可以在上游侧设置多个缝隙而促进接近异物Q的区域的搅拌。图4的液冷式冷却器50是在翅片51的比半导体元件11靠上游侧的两个部位设置缝隙52a且在下游侧的一个部位设置缝隙52b而促进上游域的搅拌的液冷式冷却器。另外，图5的液冷式冷却器55是在翅片56的半导体元件11正下方设置有缝隙57的液冷式冷却器。这些液冷式冷却器也包含于本发明。

此外，在图示例的液例式冷却器40中，多个翅片42在相同的位置具有缝隙43a、43b，但仅在一部分翅片设置有缝隙的情况、多个翅片在不同的位置具有缝隙的情况也包含于本发明。

[第3半导体冷却装置]

图6A及图6B的半导体冷却装置3在冷却液C的流动方向的上游侧配置有2个半导体元件11a，在下游侧配置有2个半导体元件11b，配置有合计4个半导体元件11a、11b。4个半导体元件11a、11b分别搭载于独立的绝缘基板10。图6B是从上表面观察所述半导体冷却装置3并透视液冷式冷却器60内而示出了翅片62与半导体元件11a、11b的位置关系的图。

在液冷式冷却器60中，全部翅片62在冷却液C的流动方向的中央具有缝隙63。在俯视下，各缝隙63在上游侧的半导体元件11a与下游侧的半导体元件11b之间在横穿冷却液C的流动的方向上相连。所述缝隙63设置于避开了半导体元件11a、11b的正下方的位置。并且，在所述缝隙63处从主流路36向翅片间隙64流入，在主流路36和翅片间隙64双方中流动被搅拌。即使在上游侧异物Q堵塞，在比堵塞的异物Q靠下游侧处，通过该搅拌，冷却液C也不滞留地流动，因此会不容易受到异物的影响。另外，通过冷却液C从缝隙63向缝隙间隙64流入，比缝隙63靠下游域的流速变快，因此相对于多个半导体元件11a、11b的冷却性能的不均比无缝隙的冷却器小。

另外，在具有多个半导体元件的冷却装置中，缝隙63的宽度S与翅片间隙64的尺寸W的优选的关系也与具有1个半导体元件的冷却装置相同(参照图3A、3B)。

[半导体冷却装置的构成构件的材料]

本发明的半导体冷却装置的构成构件的优选的材料如下。

优选的是，构成绝缘基板10的材料不仅电绝缘性优异而且热传导性好且散热性优异。在这方面，能够例示氮化铝(AlN)、氧化铝(Al₂O₃)、氮化硅(Si₃N₄)、氧化锆(ZrO₂)、碳化硅(SiC)等陶瓷。另外，也能够使用将所述陶瓷作为填料向硅树脂、环氧树脂中混合而成的复合材料。另外，绝缘基板10的厚度优选是0.2mm～3mm的范围。

构成布线层12的材料优选导电性优异且热传导性优异，优选铝或铝合金、铜或铜合金。其中，尤其优选纯铝。另外，布线层12的厚度优选是0.2mm～1mm的范围。另外，半导体元件11通过硬钎焊、软钎焊、熔焊、粘接剂等而接合于所述布线层12。

构成缓冲层13的材料及厚度依照构成布线层12的材料。所述缓冲层13具有促进半导体元件11发出的热向液冷式冷却器20、40、50、55、60散热的效果。另外，所述缓冲层13不是必需的层，绝缘基板10直接接合于冷却器20、40、50、55、60的半导体冷却装置也包含于本发明。

构成液冷式冷却器20、40、50、55、60的材料优选铝或铝合金、铜或铜合金等高热传导性材料。

产业上的可利用性

本发明能够合适地用作安装有伴随大的发热的半导体元件的半导体冷却装置。

Claims

1.一种半导体冷却装置，具备：

绝缘基板，在其一个面经由布线层搭载半导体元件；及

2.根据权利要求1所述的半导体冷却装置，

所述翅片间隙的尺寸W是0.1mm～0.6mm。

3.根据权利要求1或2所述的半导体冷却装置，

所述主流路的高度H是0.9mm～3mm。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的半导体冷却装置，

所述翅片具有从前端向散热基板侧延伸的至少1个缝隙。

5.根据权利要求4所述的半导体冷却装置，

所述缝隙的宽度S和翅片间隙的尺寸W满足S≥W的关系。

6.根据权利要求4或5所述的半导体冷却装置，

所述缝隙设置于避开了半导体元件的正下方的位置。

7.根据权利要求4～6中任一项所述的半导体冷却装置，

在冷却液的流动方向上具有多个半导体元件，所述缝隙在冷却液的流动方向上设置于半导体元件间。

8.根据权利要求5所述的半导体冷却装置，

所述缝隙的宽度S是所述翅片间隙的尺寸W的1.5倍～2倍。