JP2012028520A - 半導体冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子に発生する過渡的な熱を効率良く吸熱部に伝導させることができる半導体冷却装置を提供する。
【解決手段】電極部５５の一面５５ａに半導体素子５１と吸熱部５６とが実装されている。そして、電極部５５として、電極部５５の一面５５ａの面方向に平行な一方向と半導体素子５１から第１冷却器１０への厚み方向とが一方向および厚み方向とは異なる方向よりも熱伝導率が高い高熱伝導方向とされたグラファイト熱拡散板５４を用いる。また、電極部５５の一面５５ａのうち半導体素子５１の配置場所から一方向の延長線上に吸熱部５６を配置する。これにより、半導体素子５１で発生した過渡的な熱は半導体素子５１からグラファイト熱拡散板５４に伝導すると共に高熱伝導方向である一方向に沿って吸熱部５６に効率良く伝導するので、半導体素子５１が過渡的な熱で容易に動作限界温度に達することを防止できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電極部に半導体素子と蓄熱材とが実装された半導体冷却装置に関する。

従来より、冷却器の上に金属基板および絶縁基板が順に積層され、絶縁基板の上に電極を介して半導体素子が設けられた電力変換装置が、例えば特許文献１で提案されている。

この電力変換装置では、蓄熱器が半導体素子の上や半導体素子の周囲の絶縁基板上に設けられている。蓄熱器は、内部に収納された素材が半導体素子の使用可能上限温度よりわずかに低い温度で固体から液体に相変化することで半導体素子の熱を一時的に吸収し、吸収した熱をその後に放出するものである。

このように、電力変換装置に蓄熱器が設けられていることで、半導体素子が発熱して急激に温度上昇した場合に半導体素子の熱が半導体素子上の蓄熱器や半導体素子周辺の蓄熱器に一時的に吸収されるので、半導体素子の急激な温度上昇が抑制されるようになっている。

特開２００２−２７０７６５号公報

しかしながら、上記従来の技術では、半導体素子の周囲に設けられた蓄熱器は金属よりも熱伝導率が低い絶縁基板の上に配置されているため、半導体素子の熱が半導体素子周辺の蓄熱器に伝導されにくいという問題があった。また、短時間で急激に高温となる過渡的な温度上昇が半導体素子に起こった場合、半導体素子の上の蓄熱器だけでは熱を吸収しきれず、さらに半導体素子周辺の蓄熱器にも熱が伝導しにくいため、容易に半導体素子の動作限界温度に達してしまう。

また、半導体素子を小型化した場合や半導体素子に流す電流を大きくした場合には半導体素子の発熱密度が増加する。このため、上記のように半導体素子に過渡的な温度上昇が発生した場合、半導体素子の熱を蓄熱器に伝導させる前に半導体素子が容易に動作限界温度に達してしまう。

なお、特開２００８−２２７３４２号公報では、金属製の電極の上に半導体素子および蓄熱器を設け、さらに蓄熱器と電極とを同じ材料で構成したものが提案されている。これにより、電極と蓄熱器との接合界面の熱抵抗は低減するが、金属の熱伝導率には限界があるため、上述のように半導体素子の発熱密度が増加した場合では半導体素子の過渡的な熱を円滑に蓄熱器に伝導できず、半導体素子が当該過渡的な温度上昇で故障してしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、半導体素子に発生する過渡的な熱を効率良く蓄熱材に伝導させることができる半導体冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体素子（５１）と一面（５５ａ）で当接すると共に半導体素子（５１）と電気的に接続された電極部（５５）と、一面（５５ａ）とは別の電極部（５５）の他面（５５ｂ）側に設けられ、電極部（５５）を介して半導体素子（５１）を冷却する冷却器（１０）と、を備えた半導体冷却装置において、以下のことを特徴としている。

すなわち、電極部（５５）は、熱伝導により半導体素子（５１）からの熱を拡散させる熱拡散板であり、熱伝導のうち、一面（５５ａ）の面方向と平行な第１方向の熱伝導、および一面（５５ａ）から他面（５５ｂ）へ向かう第２方向の熱伝導をそれぞれ規定する第１熱伝導率、および第２熱伝導率を備えている。そして、熱拡散板は、第１および第２熱伝導率が、第１および第２方向以外の方向の熱伝導をそれぞれ規定するいずれの熱伝導率よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする。

これによると、半導体素子（５１）で過渡的な発熱が起こった場合、熱は半導体素子（５１）から熱拡散板に伝導すると共に高熱伝導方向である第１および第２方向に沿って熱拡散板を介して伝導するので、半導体素子（５１）の過渡的な熱を半導体素子（５１）から熱拡散板に効率良く放出することができる。このため、半導体素子（５１）が過渡的な熱で容易に動作限界温度に達することを防止できる。

そして、請求項２に記載の発明のように、熱拡散板は、第１方向が、半導体素子（５１）との当接面の最大幅に沿った方向と交差するように構成することができる。

この場合、請求項３に記載の発明のように、熱拡散板は、前記交差する互いの方向の成す角度が直角となるように構成することができる。これによると、電極部（５５）の一面（５５ａ）において、第１方向に熱が伝導する熱拡散板の幅が最大になるので、半導体素子（５１）の熱を効率良く熱拡散板に伝導することができる。

請求項４に記載の発明では、電極部（５１）としての熱拡散板における一面に、１つの半導体素子（５１）に対して１つまたは２つ以上の蓄熱材で構成されており、熱拡散板を介して半導体素子（５１）からの熱を吸収する吸熱部（５６）が配設されていることを特徴とする。

これによると、熱は半導体素子（５１）から熱拡散板を介して吸熱部（５６）に伝導するので、半導体素子（５１）の過渡的な熱を効率良く吸熱部（５６）に放出することができる。このため、半導体素子（５１）が過渡的な熱で容易に動作限界温度に達することを防止できる。

請求項５に記載の発明では、吸熱部（５６）は、熱拡散板の一面における半導体素子（５１）の当接位置から第１方向に沿う延長線上に配設されていることを特徴とする。これにより、熱拡散板に伝導した熱が第１方向に沿って伝導することで、熱を効率良く吸熱部（５６）で吸収することができる。

請求項６に記載の発明では、吸熱部（５６）は、熱拡散板の一面に対して吸熱部（５６）が占める面における、第１方向と直交する方向の最大幅が、前記一面と前記半導体素子（５１）との当接面における、前記第１方向と直交する方向の最大幅よりも大きくなるように構成されたことを特徴とする。

これによると、半導体素子（５１）から第１方向に熱が伝導する幅全体に少なくとも吸熱部（５６）が位置するので、半導体素子（５１）から放出された熱を効率良く吸熱部（５６）に吸収させることができる。

一方、請求項７に記載の発明では、半導体冷却装置において、電極部（５５）は、熱伝導により半導体素子（５１）からの熱を拡散させる熱拡散板であり、熱伝導のうち、一面（５５ａ）の面方向において半導体素子（５１）を中心とした放射方向である第１方向の熱伝導、および一面（５５ａ）から他面（５５ｂ）へ向かう第２方向の熱伝導をそれぞれ規定する第１熱伝導率、および第２熱伝導率を備え、熱拡散板は、第１および第２熱伝導率が、第１および第２方向以外の方向の熱伝導をそれぞれ規定するいずれの熱伝導率よりも大きくなるように構成されたことを特徴とする。

これによると、半導体素子（５１）で過渡的な発熱が起こった場合、熱は半導体素子（５１）から熱拡散板に伝導すると共に放射方向である第１方向に沿って伝導するので、半導体素子（５１）の過渡的な熱を半導体素子（５１）から熱拡散板に効率良く放出することができる。このため、半導体素子（５１）が過渡的な熱で容易に動作限界温度に達することを防止できる。

請求項８に記載の発明では、電極部（５１）としての熱拡散板における一面に、１つの半導体素子（５１）に対して１つまたは２つ以上の蓄熱材で構成されており、熱拡散板を介して半導体素子（５１）からの熱を吸収する吸熱部（５６）が配設されていることを特徴とする。

これにより、熱は半導体素子（５１）から熱拡散板を介して吸熱部（５６）に伝導するので、半導体素子（５１）の過渡的な熱を効率良く吸熱部（５６）に吸収させることができる。このため、半導体素子（５１）が過渡的な熱で容易に動作限界温度に達することを防止できる。

請求項９に記載の発明では、請求項８に記載の発明において、吸熱部（５６）は、熱拡散板の一面における半導体素子（５１）の当接位置から第１方向に沿う延長線上に配設されていることを特徴とする。これによると、熱拡散板に伝導した熱が第１方向に沿って伝導するので、熱を効率良く吸熱部（５６）に吸収させることができる。

請求項１０に記載の発明では、請求項４、８、９に記載の発明において、吸熱部（５６）は、半導体素子（５１）を一周して囲むように半導体素子（５１）の周囲に配置されていることを特徴とする。これによると、高熱伝導方向である第１方向の延長線上だけでなく、当該延長線上から離れた場所にも吸熱部（５６）が位置しているので、これらの吸熱部（５６）にも熱を吸収させることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る半導体冷却装置の断面図である。 図１のＡ−Ａ矢視図である。 潜熱蓄熱材料の融点−潜熱マップを示した図である。 エリスリトールの特性を示した図である。 グラファイト熱拡散板の製造方法を示した図である。 グラファイト熱拡散板を伝導する熱の経路の模式図である。 本発明の第２実施形態に係る電極部の平面図である。 図７に示されたグラファイト熱拡散板の製造方法を示した図である。 本発明の第３実施形態に係る電極部の平面図である。 図９に示されたグラファイト熱拡散板の製造方法を示した図である。 他の実施形態において、半導体素子と蓄熱材との配置のバリエーションを示した図である。 他の実施形態に係る半導体冷却装置の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。以下で示される半導体冷却装置は、例えばインバータ装置などの電力変換装置に適用されるものである。

図１は、本実施形態に係る半導体冷却装置の断面図である。また、図２は図１のＡ−Ａ矢視図である。

図１に示されるように、半導体冷却装置は、第１冷却器１０と、第２冷却器２０と、第１絶縁部３０と、第２絶縁部４０と、半導体モジュール５０と、を備えている。

第１冷却器１０および第２冷却器２０は、各半導体素子５１を冷却するものである。このような第１冷却器１０および第２冷却器２０は、内部に通路が設けられており、この通路に冷媒として例えば水が流れる構造になっている。第１冷却器１０と第２冷却器２０とは所定の間隔を空けて配置され、第１冷却器１０と第２冷却器２０との間に半導体モジュール５０が配置されている。

第１絶縁部３０および第２絶縁部４０は各冷却器１０、２０と半導体モジュール５０との絶縁を図るための絶縁シートである。第１絶縁部３０は第１冷却器１０の上に配置され、第１冷却器１０と半導体モジュール５０とを絶縁する役割を果たす。一方、第２絶縁部４０は第２冷却器２０の上に配置され、第２冷却器２０と半導体モジュール５０とを絶縁する役割を果たす。

このような第１絶縁部３０および第２絶縁部４０として、セラミック基板やエポキシ樹脂にセラミックフィラーを混ぜたシート、アルミナ溶射膜等の高熱伝導と絶縁とを両立するものが用いられる。

半導体モジュール５０は、複数の半導体素子５１が封止材５２で封止された半導体実装体である。半導体モジュール５０は、半導体素子５１や封止材５２の他、金属基板５３とグラファイト熱拡散板５４とで構成された電極部５５、複数の吸熱部５６、複数のスペーサ５７、５８、上記電極部５５以外の金属基板５９ａ、５９ｂおよび複数のグラファイト熱拡散板６０、６１を備えている。

電極部５５は一面５５ａおよび一面５５ａとは別の他面５５ｂを有し、電気伝導と熱伝導との両方の役割を兼ね備えた板状の電極部材である。本実施形態では、電極部５５は金属基板５３の上にグラファイト熱拡散板５４が積層されて構成されている。したがって、グラファイト熱拡散板５４のうち金属基板５３とは反対側の面が電極部５５の一面５５ａに対応し、金属基板５３のうちグラファイト熱拡散板５４とは反対側の面が電極部５５の他面５５ｂに対応している。電極部５５は、半導体素子５１と一面５５ａで当接すると共に半導体素子５１と電気的に接続されている。電極部５５の他面５５ｂ側には第１冷却器１０が設けられている。

金属基板５３は封止材５２から露出しており、第１絶縁部３０の上に配置されている。このような金属基板５３は配線として機能できると共にヒートスプレッダとしても機能できるように、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などにより形成されている。

グラファイト熱拡散板５４は、半導体素子５１で発生した熱を吸熱部５６や第１冷却器１０に伝導する（拡散させる）ための熱伝導と、半導体素子５１と金属基板５３とを電気的に接続する電気伝導との両方の役割を持った部材である。１７００〜２０００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を持つグラファイト材を用いることで、金属を用いた場合よりも吸熱部５６への熱伝導が速くなる。

そして、本実施形態では、グラファイト熱拡散板５４は、電極部５５の一面５５ａの面方向に平行な一方向と半導体素子５１から第１冷却器１０への厚み方向とが一方向および厚み方向とは異なる方向よりも熱伝導率が高い高熱伝導方向とされている。言い換えると、グラファイト熱拡散板５４は、電極部５５の一面５５ａの面方向と平行な一方向の熱伝導、および電極部５５の一面５５ａから他面５５ｂへ向かう厚み方向の熱伝導をそれぞれ規定する第１熱伝導率、および第２熱伝導率を備えている。つまり、グラファイト熱拡散板５４は２方向に高熱伝導し、第１および第２熱伝導率が一方向および厚み方向以外の方向の熱伝導をそれぞれ規定するいずれの熱伝導率よりも大きくなるように構成されている。なお、厚み方向は半導体素子５１から第１冷却器１０に向かう方向であれば良く、本実施形態では電極部５５の一面５５ａに垂直な方向である。

本来、グラファイト材は、結晶構造に基づき、例えばｘ方向とこのｘ方向に直角のｙ方向に高熱伝導の特性をもっているが、ｚ方向には熱が伝導しにくいという特性がある。したがって、単にグラファイトで形成されたグラファイトシートは、当該シートの面に平行な２方向に熱伝導が良くてもシートの厚み方向には熱伝導しにくい。本実施形態に係るグラファイト熱拡散板５４は、このようなグラファイト材そのものではなく、グラファイト材を用いて製造された新たな熱拡散板である。グラファイト熱拡散板５４の製造方法については後で詳しく説明する。

なお、電極部５５の構成に金属基板５３は必須ではなく、電極部５５がグラファイト熱拡散板５４のみで構成されていても良い。

半導体素子５１は、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳトランジスタ、ダイオード素子等の素子が形成された半導体チップである。この半導体素子５１にはゲート等のパッドや電極が形成されており、図示しないボンディングワイヤを介して外部と電気的に接続されている。また、半導体素子５１は、電極部５５の一面５５ａにはんだ付けされ、電極部５５に電気的に接続されている。なお、半導体素子５１には、図示しないリードが電気的に接続されている。

吸熱部５６は、グラファイト熱拡散板５４を介して半導体素子５１からの熱を一時的に吸収する役割を果たすものであり、グラファイト熱拡散板５４における一面５５ａに、１つの半導体素子５１に対して１つまたは２つ以上の蓄熱材で構成されている。吸熱部５６は、電極部５５の一面５５ａすなわちグラファイト熱拡散板５４の上に配設されている。本実施形態では、図２に示されるように、吸熱部５６は半導体素子５１の隣に配置されている。

上述のように、グラファイト熱拡散板５４は電極部５５の一面５５ａの面方向においては一方向が高熱伝導方向とされているので、吸熱部５６は、少なくとも、電極部５５の一面５５ａのうち半導体素子５１の配置場所（当接位置）から一方向の延長線上に配置されている。これにより、半導体素子５１で発生した熱がグラファイト熱拡散板５４に伝導すると共に、高熱伝導方向である一方向に沿って吸熱部５６に伝導する。

吸熱部５６としては、固体から液体もしくは液体から気体に相変化させる潜熱を利用した潜熱蓄熱材が用いられる。さらに、吸熱部５６は、半導体素子５１の動作限界温度より低い融点を持つ潜熱蓄熱材であることが好ましい。

潜熱蓄熱材には多くの種類がある。図３は、潜熱蓄熱材料の融点−潜熱マップを示した図である。横軸は融点（Melting point）を示し、縦軸は潜熱（Melting latent heat）を示している。半導体素子５１の動作限界温度は例えば１５０℃であるので、融点が１５０℃以下の潜熱蓄熱材料のうち融点が１５０℃に最も近く、潜熱が最も高いエリスリトールを潜熱蓄熱材として用いることができる。したがって、吸熱部５６は例えば金属容器にエリスリトールが収納されたものとして構成される。

エリスリトールは、図４に示されるように、融解熱が５０２．９０４Ｊ／ｃｃと大きいため、固体から液体に相変化するために多くの熱が必要となるので、１つの吸熱部５６で多くの熱を吸収することができる。もちろん、半導体モジュール５０の設計において、図３に示される潜熱蓄熱材を適宜利用できる。また、吸熱部５６としてＣｕ等の金属板を採用しても良い。

スペーサ５７、５８は、半導体素子５１の上に設けられた部材である。具体的に、スペーサ５７、５８は半導体素子５１の熱を受け取ってスペーサ５７、５８の上のグラファイト熱拡散板６０、６１に放出するヒートシンクとしての役割と、半導体素子５１と金属基板５９ａ、５９ｂとを電気的に接続するための配線としての役割とを果たすものである。

スペーサ５７の上にはグラファイト熱拡散板６０が接合され、スペーサ５８の上にはグラファイト熱拡散板６１が接合されている。これらグラファイト熱拡散板６０、６１についても上記と同様に、一方向および厚み方向に高熱伝導方向を持つ。また、各グラファイト熱拡散板６０、６１のうち電極部５５側の面には吸熱部５６が設けられている。本実施形態では、一方向は四角形状の半導体素子５１の一辺に平行である。

各グラファイト熱拡散板６０、６１にはスペーサ５７、５８が接合されているので、各グラファイト熱拡散板６０、６１に設けられた各吸熱部５６は、少なくとも、スペーサ５７、５８の配置場所から一方向の延長線上にそれぞれ配置されている。

金属基板５９ａ、５９ｂは金属基板５３と同様のものである。そして、本実施形態では、金属基板５９ａはグラファイト熱拡散板６０と一体化されて電極部が構成され、金属基板５９ｂはグラファイト熱拡散板６０と一体化されて電極部が構成されている。

封止材５２は、半導体モジュール５０の外観をなすものである。この封止材５２は、金属基板５３、５９のうちグラファイト熱拡散板５４、６０、６１が接合された面とは反対側の面が露出するように、各金属基板５３、５９、半導体素子５１、グラファイト熱拡散板５４、６０、６１、吸熱部５６、およびスペーサ５７、５８を封止している。このような封止材５２として、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。

このような構成の半導体モジュール５０を各冷却器１０、２０で挟んだものが半導体冷却装置である。すなわち、第１絶縁部３０が第１冷却器１０と第１金属基板５３とで挟まれると共に、第２絶縁部４０が第２冷却器２０と金属基板５９とで挟まれるようにそれぞれが積層されている。以上が、本実施形態に係る半導体冷却装置の全体構成である。

次に、電極部５５の一面５５ａの面方向に平行な一方向および電極部５５の一面５５ａに垂直な厚み方向に高熱伝導方向を持つグラファイト熱拡散板５４、６０、６１の製造方法について、図５を参照して説明する。

高温加熱炉内で炭化水素を熱的に分解し、図５に示されるように、原子レベルで高温基板上に気相成長させた高純度の黒鉛結晶を積層していく。１層だけを見てみると、ｘ方向とｙ方向とに高熱伝導方向を持ったグラファイトシートになっている。このグラファイトシートをｚ方向に高く積層させて積層体７０を形成する。

この積層体７０はｘ−ｙ面においてｘ方向とｙ方向とに高熱伝導方向を持っているが、ｚ方向は結晶構造上、高熱伝導方向ではない。そして、積層体７０をｙ−ｚ面に平行に切断すると、切断面がｙ−ｚ面の板が得られる。すなわち、ｙ方向とｚ方向とに高熱伝導方向を持った板である。この板がグラファイト熱拡散板５４、６０、６１である。したがって、積層体７０のｙ方向がグラファイト熱拡散板５４、６０、６１の一方向となり、ｘ方向が厚み方向となる。

なお、上記では積層体７０をｙ−ｚ面に平行に切断したが、積層体７０をｘ−ｚ面に平行に切断しても良い。この場合、積層体７０のｘ方向がグラファイト熱拡散板５４、６０、６１の一方向となり、ｙ方向が厚み方向となる。

以上のようにして得られたグラファイト熱拡散板５４ははんだ付けや導電性接着剤により金属基板５３に接合され、電極部５５が形成される。同様に、グラファイト熱拡散板６０、６１は金属基板５３、５９に接合される。

続いて、半導体冷却装置において、半導体素子５１に発生した熱の伝導経路について、図６を参照して説明する。図６（ａ）は図１のＡ−Ａ矢視図に相当し、図６（ｂ）はＡ−Ａ矢視側の半導体冷却装置の断面図である。なお、図６では封止材５２を省略している。

上述のように、電極部５５を構成するグラファイト熱拡散板５４の高熱伝導方向は図６（ａ）および図６（ｂ）に示されるように、電極部５５の一面５５ａの面方向における一方向と電極部５５の厚み方向である。

そして、半導体素子５１に熱が発生すると、当該熱はグラファイト熱拡散板５４に伝導し、図６（ａ）に示されるようにグラファイト熱拡散板６０内を一方向に広がりながら図６（ｂ）に示されるように厚み方向に伝導して第１冷却器１０に放出される。この場合、グラファイト熱拡散板５４を伝導する熱は、吸熱部５６に一時的にも吸収される。吸熱部５６に一時的に吸収された熱は、再びグラファイト熱拡散板５４に伝導すると共にグラファイト熱拡散板５４の厚み方向に伝導し、第１冷却器１０に放出される。このように、グラファイト熱拡散板５４に熱が伝導するようになっている。

また、半導体素子５１にはスペーサ５７、５８が接合されているので、半導体素子５１で発生した熱はスペーサ５７、５８を介してグラファイト熱拡散板６０、６１に伝導し、一方向に広がりながら厚み方向に伝導することで第２冷却器２０にも放出される。

そして、半導体素子５１の過負荷時等で半導体素子５１の温度が瞬間的に上昇する。このような過渡的な熱が半導体素子５１に発生した場合、グラファイト熱拡散板５４では電極部５５の一面５５ａの面方向においては一方向のみに熱が伝導するので、半導体素子５１の熱は半導体素子５１の延長線上に位置する吸熱部５６まで一方向に沿って効率良く伝導する。

もちろん、半導体素子５１に接合されたスペーサ５７、５８を介してグラファイト熱拡散板６０、６１に伝導した熱はグラファイト熱拡散板６０、６１の一方向に沿ってグラファイト熱拡散板６０、６１に接合された吸熱部５６にも効率良く放出される。

このように、半導体素子５１に発生した過渡的な熱はグラファイト熱拡散板５４、６０、６１に接合された吸熱部５６に一時的に吸収されるので、半導体素子５１が動作限界温度を超えて動作不能になることはない。吸熱部５６に吸収された熱は上述のように時間を掛けて第１冷却器１０や第２冷却器２０に放出される。

以上説明したように、本実施形態では、電極部５５の一面５５ａの面方向に平行な一方向と電極部５５の一面５５ａに垂直な厚み方向とに、他の方向よりも熱伝導が良い高熱伝導方向を持ったグラファイト熱拡散板５４を電極部５５として用いていることが特徴となっている。

これにより、半導体素子５１で過渡的な発熱が起こったとしても、熱を半導体素子５１からグラファイト熱拡散板５４、６０、６１に伝導すると共に高熱伝導方向である一方向に沿って吸熱部５６に伝導することができるので、半導体素子５１の過渡的な熱を効率良く吸熱部５６に放出することができる。このため、半導体素子５１が過渡的な熱で容易に動作限界温度に達することを防止できる。

特に、半導体素子５１を小型化した場合や半導体素子５１に流す電流を大きくした場合には半導体素子５１の発熱密度が増加するが、上記のように半導体素子５１からグラファイト熱拡散板５４を介して吸熱部５６に効率良く熱を伝導することができるので、半導体素子５１の熱を吸熱部５６に伝導させる前に半導体素子５１が容易に動作限界温度に達してしまうことはない。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、電極部５５のグラファイト熱拡散板５４が特許請求の範囲の「熱拡散板」に対応する。また、第１冷却器１０が特許請求の範囲の「冷却器」に対応する。さらに、一方向が特許請求の範囲の「第１方向」に対応し、厚み方向が特許請求の範囲の「第２方向」に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図７は、本実施形態に係る電極部５５の平面図である。本実施形態では、グラファイト熱拡散板５４は、一方向が、半導体素子５１との当接面の最大幅に沿った方向と交差するように構成されている。特に、図７（ａ）および図７（ｂ）に示されるように、本実施形態に係るグラファイト熱拡散板５４の熱伝導方向である一方向は半導体素子５１の最大幅に沿った方向に対して垂直になっている。言い換えると、グラファイト熱拡散板５４は、グラファイト熱拡散板５４に対する半導体素子５１の当接面の最大幅に沿った方向と一方向とが交差する互いの方向の成す角度が直角となるように構成されている。

このような具体例として、図７（ａ）に示されるように、グラファイト熱拡散板５４の長辺と半導体素子５１の一辺とが平行または直角に配置されている場合に高熱伝導方向である一方向がグラファイト熱拡散板５４の長辺に対して傾けられているものがある。また、図７（ｂ）に示されるように、グラファイト熱拡散板５４の長辺と高熱伝導方向である一方向とが平行である場合、半導体素子５１の一辺がグラファイト熱拡散板５４の長辺に対して傾けられているものもある。

そして、吸熱部５６の幅は半導体素子５１の最大幅と同じになっており、半導体素子５１の配置場所から一方向の延長線上に吸熱部５６が配置されている。すなわち、グラファイト熱拡散板５４において半導体素子５１から吸熱部５６への伝熱面積を大きくとれる方向に高熱伝導方向である一方向を配向させて吸熱部５６を配置している。

図７の斜線部（２本の線が交わる領域）で示されるように、吸熱部５６の平面形状は、半導体素子５１の外形に沿っていると共に、電極部５５の外形に沿っている。また、吸熱部５６は高熱伝導方向である一方向に延びた形状になっている。このため、高熱伝導方向である一方向に伝導する熱を一方向に延びた吸熱部５６で吸収できるようになっている。

次に、図７（ａ）に示されるグラファイト熱拡散板５４の製造方法について図８を参照して説明する。第１実施形態で示されたように、グラファイトの積層体７０を形成し、この積層体７０をｙ−ｚ面に平行に切断する。このようにして得られた板は、高熱伝導方向である一方向はｙ方向である。したがって、この一方向をｙ方向に対して所定の角度に傾けて新たな板を切り出すことで、所定の方向に一方向が向いたグラファイト熱拡散板５４が得られる。

なお、図７（ｂ）に示されるグラファイト熱拡散板５４は、第１実施形態で示された図５に示される方法により製造することができる。

以上のように、半導体素子５１の最大幅に沿った任意の方向に対して垂直に高熱伝導方向である一方向を配置することで、半導体素子５１の熱が一方向に伝導する幅が最大になる。したがって、半導体素子５１の熱を効率良く吸熱部５６に伝導することができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。上記各実施形態では、グラファイト熱拡散板５４に係る高熱伝導方向である一方向は、電極部５５の一面５５ａのどの場所でも同じ方向を向いていたが、本実施形態では半導体素子５１を中心に放射状に高熱伝導方向が配向していることが特徴となっている。

図９は、本実施形態に係る電極部５５の平面図である。この図に示されるように、本実施形態に係る半導体冷却装置は、電極部５５として、電極部５５の一面５５ａの面方向において半導体素子５１を中心とした放射方向と半導体素子５１から第１冷却器１０への厚み方向とが放射方向および厚み方向とは異なる方向よりも熱伝導率が高い高熱伝導方向とされたグラファイト熱拡散板５４が用いられている。

また、吸熱部５６は、半導体素子５１の周囲に半導体素子５１を囲むように配置されている。つまり、吸熱部５６はドーナツ状の平面形状をなしており、ドーナツ形状の窓部に半導体素子５１が配置された状態になっている。

なお、本実施形態においても、半導体素子５１にスペーサ５７、５８が接合され、このスペーサ５７、５８が上層のグラファイト熱拡散板６０、６１に接合された構造になっている。

次に、本実施形態に係るグラファイト熱拡散板５４の製造方法について図１０を参照して説明する。図５に示されるように、グラファイトの積層体７０を形成し、この積層体７０をｙ−ｚ面（もしくはｘ−ｚ面）に平行に切断する。

そして、図１０（ａ）に示されるように、積層体７０から切断した板を三角柱状に切り出す。これにより、図１０（ｂ）に示されるように、三角柱のパーツが複数得られる。１つの三角柱のパーツは、一方向と厚み方向とに高熱伝導方向を持つものである。

続いて、図１０（ｃ）に示されるように、複数の三角柱のパーツを組み合わせて接着する。この後、三角柱のパーツを組み合わせた中心を中心として任意の四角形状を切り出すことにより、図１０（ｄ）に示されるように板の中心から放射状に一方向が配向した放射方向と厚み方向に高熱伝導方向が配向したグラファイト熱拡散板５４が得られる。

以上のように、電極部５５の一面５５ａの面方向におけるグラファイト熱拡散板５４の熱伝導方向を放射状にし、吸熱部５６への伝熱面積を広くすることで吸熱部５６の熱容量を増やすことができる。また、半導体素子５１の熱が放射状に熱拡散するので、グラファイト熱拡散板５４に温度分布がつきにくいという利点もある。

なお、本実施形態では、吸熱部５６は半導体素子５１を一周囲んでいるが、ブロック状の吸熱部５６が少なくとも半導体素子５１の配置場所から放射方向の延長線上に配置されていれば良い。また、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、放射方向が特許請求の範囲の「第１方向」に対応し、厚み方向が特許請求の範囲の「第２方向」に対応する。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された半導体冷却装置の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明の特徴を含んだ他の構造とすることもできる。例えば、高熱伝導方向である一方向に垂直な半導体素子５１および吸熱部５６の幅を適宜設定することができる。また、電極部５５の構成は、上述のようにグラファイト熱拡散板５４のみで構成されていても良い。一方、グラファイト熱拡散板５４の上にＣｕ等の薄い金属基板が積層されていても良い。この場合、半導体素子５１や吸熱部５６はこの薄い金属基板の上に実装される。

図１１は、半導体素子５１と吸熱部５６との配置のバリエーションを示した図である。なお、図１１では吸熱部５６の部分を斜線部で示してある。
図１１（ａ）に示されるように、一方向が半導体素子５１の最大幅に垂直な方向に配向しているグラファイト熱拡散板５４において、半導体素子５１を囲むように半導体素子５１の周囲に吸熱部５６を配置することができる。半導体素子５１から吸熱部５６への伝熱面積を大きく取ることができると共に、吸熱部５６が吸収できる熱量を確保できる。

また、図１１（ｂ）に示されるように、半導体素子５１は縦横比が高い長方形をなしている場合、一方向を半導体素子５１の長辺に垂直な方向に配向させることができる。また、吸熱部５６は、高熱伝導方向である一方向から見た半導体素子５１の幅以上の幅を有している。そして、高熱伝導方向である一方向から半導体素子５１および吸熱部５６を見たとき、半導体素子５１が吸熱部５６の幅に含まれるように、吸熱部５６は半導体素子５１の配置場所から一方向の延長線上に配置されている。これにより、半導体素子５１から吸熱部５６への熱が通る道幅が狭くならないので、半導体素子５１から放出された熱を効率良く吸熱部５６に吸収させることができる。

このように、グラファイト熱拡散板５４の一面（つまり電極部５５の一面５５ａ）に対して吸熱部５６が占める面における、一方向と直交する方向の最大幅が、一面５５ａと半導体素子５１との当接面における、一方向と直交する方向の最大幅よりも大きくなるように吸熱部５６を構成することができる。

なお、吸熱部５６の幅が半導体素子５１の幅以上となっている関係は、図１１（ｂ）に限らず、図２、図７、そして図１１（ａ）、図１１（ｃ）、図１１（ｄ）に示されるものについても同様である。図２や図７では、半導体素子５１の幅と吸熱部５６の幅とが同じになっている。

また、図１１（ｃ）に示されるように、半導体素子５１が電極部５５の長手方向の中央に位置しており、吸熱部５６が半導体素子５１を挟むように配置されていても良い。これにより、吸熱部５６が一方向に沿った部分が増えるので、熱の伝導方向に対する熱の吸収の効率が良くなる。

そして、図１１（ｄ）に示されるように、半導体素子５１を電極部５５の長手方向の端に位置させても良い。これにより、グラファイト熱拡散板５４に接合される吸熱部５６において一方向における吸熱部５６の幅を長くすることができる。このため、一方向に伝導する熱を効率良く吸熱部５６に吸収させることができる。

なお、図１１で示されたグラファイト熱拡散板５４はスペーサ５７、５８が接合されたグラファイト熱拡散板６０、６１にも適用できる。

さらに、上記各実施形態では、半導体冷却装置は半導体モジュール５０を各冷却器１０、２０で挟み込んだ構造となっていたが、図１２に示されるように、半導体モジュール５０を第１冷却器１０のみで冷却する構造とすることもできる。この場合、半導体素子５１や吸熱部５６を封止材６２で封止した構造となる。このように、いわゆる片面冷却構造とすることもできる。

１０ 第１冷却器
５１ 半導体素子
５４ グラファイト熱拡散板（熱拡散板）
５５ 電極部
５５ａ 電極部の一面
５５ｂ 電極部の他面
５６ 吸熱部

Claims (10)

1. 半導体素子（５１）と一面（５５ａ）で当接すると共に前記半導体素子（５１）と電気的に接続された電極部（５５）と、
   前記一面（５５ａ）とは別の前記電極部（５５）の他面（５５ｂ）側に設けられ、前記電極部（５５）を介して前記半導体素子（５１）を冷却する冷却器（１０）と、を備えた半導体冷却装置であって、
   前記電極部（５５）は、熱伝導により前記半導体素子（５１）からの熱を拡散させる熱拡散板であり、前記熱伝導のうち、前記一面（５５ａ）の面方向と平行な第１方向の熱伝導、および前記一面（５５ａ）から前記他面（５５ｂ）へ向かう第２方向の熱伝導をそれぞれ規定する第１熱伝導率、および第２熱伝導率を備え、
   前記熱拡散板は、前記第１および第２熱伝導率が、前記第１および第２方向以外の方向の熱伝導をそれぞれ規定するいずれの熱伝導率よりも大きくなるように構成されたことを特徴とする半導体冷却装置。
2. 前記熱拡散板は、前記第１方向が、前記半導体素子（５１）との当接面の最大幅に沿った方向と交差するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体冷却装置。
3. 前記熱拡散板は、前記交差する互いの方向の成す角度が直角となるように構成されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体冷却装置。
4. 前記電極部（５１）としての前記熱拡散板における一面に、１つの前記半導体素子（５１）に対して１つまたは２つ以上の蓄熱材で構成されており、前記熱拡散板を介して前記半導体素子（５１）からの熱を吸収する吸熱部（５６）が配設されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体冷却装置。
5. 前記吸熱部（５６）は、前記熱拡散板の一面における前記半導体素子（５１）の当接位置から前記第１方向に沿う延長線上に配設されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体冷却装置。
6. 前記吸熱部（５６）は、前記熱拡散板の一面に対して前記吸熱部（５６）が占める面における、前記第１方向と直交する方向の最大幅が、前記一面と前記半導体素子（５１）との当接面における、前記第１方向と直交する方向の最大幅よりも大きくなるように構成されたことを特徴とする請求項５に記載の半導体冷却装置。
7. 半導体素子（５１）と一面（５５ａ）で当接すると共に前記半導体素子（５１）と電気的に接続された電極部（５５）と、
   前記一面（５５ａ）とは別の前記電極部（５５）の他面（５５ｂ）側に設けられ、前記電極部（５５）を介して前記半導体素子（５１）を冷却する冷却器（１０）と、を備えた半導体冷却装置であって、
   前記電極部（５５）は、熱伝導により前記半導体素子（５１）からの熱を拡散させる熱拡散板であり、前記熱伝導のうち、前記一面（５５ａ）の面方向において前記半導体素子（５１）を中心とした放射方向である第１方向の熱伝導、および前記一面（５５ａ）から前記他面（５５ｂ）へ向かう第２方向の熱伝導をそれぞれ規定する第１熱伝導率、および第２熱伝導率を備え、
   前記熱拡散板は、前記第１および第２熱伝導率が、前記第１および第２方向以外の方向の熱伝導をそれぞれ規定するいずれの熱伝導率よりも大きくなるように構成されたことを特徴とする半導体冷却装置。
8. 前記電極部（５１）としての前記熱拡散板における一面に、１つの前記半導体素子（５１）に対して１つまたは２つ以上の蓄熱材で構成されており、前記熱拡散板を介して前記半導体素子（５１）からの熱を吸収する吸熱部（５６）が配設されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体冷却装置。
9. 前記吸熱部（５６）は、前記熱拡散板の一面における前記半導体素子（５１）の当接位置から前記第１方向に沿う延長線上に配設されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体冷却装置。
10. 前記吸熱部（５６）は、前記半導体素子（５１）を一周して囲むように前記半導体素子（５１）の周囲に配置されていることを特徴とする請求項４、８、９のいずれか１つに記載の半導体冷却装置。

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