JP2012060002A - 半導体素子の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の冷却構造において、構造的な安定性を有しつつ半導体素子を効率的に冷却する。
【解決手段】ベース板１１０は、他方の主面に、対向板の主面に向けて突出した複数の放熱用突出部１１１を有する。ベース板１１０の他方の主面と対向板の主面とが、２つの流路側壁部１３０Ａ，１３０Ｂを介して繋がれることにより、複数の放熱用突出部１１１が位置する冷媒流路１９０の一部である耐圧領域１９４を互いの間に有する冷媒流路１９０の流入口１９１と流出口１９２とが形成されている。冷媒流路１９０は、流入口１９１と流出口１９２とを結ぶ方向において、耐圧領域１９０の端部におけるベース板１１０に負荷する静圧に比較して、耐圧領域１９４の中央部におけるベース板１１０に負荷する静圧が低くなるように形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体素子の冷却構造に関し、特に、冷媒を用いる半導体素子の冷却構造に関する。

半導体素子の冷却装置を開示した先行文献として特許文献１がある。特許文献１に記載された半導体素子の冷却装置においては、冷媒流通用の流路を形成しかつ外面に半導体素子を接合する冷媒ジャケットを備えている。また、半導体素子の裏側となる流路内面に、複数の放熱用突出体を所定間隔で設けている。半導体素子の略中心に対応する領域で突出体の突出長さを最大とし、その外側に向かうにつれて突出体の突出長さを漸次減少させている。

特開２００３−３２４１７３号公報

冷媒ジャケットの半導体素子が接合される部分であるベース板には、通常、固体の絶縁体を介して半導体素子が接合される。この絶縁体には、高い絶縁性と熱伝導性が求められる。固体内の熱伝導（熱輸送）は、通常、自由電子またはフォノンによって行なわれる。絶縁体は絶縁性を有するため、自由電子による熱伝導が少なく、フォノンによる熱伝導が主となる。結果として、絶縁体の熱伝導性を高めるために、ヤング率の高い、すなわち脆く割れやすい素材が絶縁体として用いられる。よって、絶縁体に負荷される応力を低減して、絶縁体が割れないようにすることが必要である。

半導体素子を効率的に冷却するために、ベース板には、薄くて高い熱伝導性を有することが求められる。また、上記のように、絶縁体に負荷される応力を低減するために、ベース板には、冷媒の流れによって発生する静圧による変形が小さいことが求められる。特に、冷媒の静圧による変形量が大きくなる位置である、ベース板における面内の中央部において、ベース板の変形を小さくすることが求められる。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであって、構造的な安定性を有しつつ半導体素子を効率的に冷却可能な、半導体素子の冷却構造を提供することを目的とする。

本発明に基づく半導体素子の冷却構造は、半導体素子が直接または間接に一方の主面に接合されるベース板と、ベース板の他方の主面に対して間隔を置いて対向するように主面が配置され、ベース板との間に形成される冷媒流路の壁部の一部を構成する対向板と、ベース板と対向板とを繋ぐように互いに間隔を置いて対向して配置され、冷媒流路の壁部の一部となる２つの流路側壁部とを備える。ベース板は、他方の主面に、対向板の主面に向けて突出した複数の放熱用突出部を有する。ベース板の他方の主面と対向板の主面とが、２つの流路側壁部を介して繋がれることにより、複数の放熱用突出部が位置する冷媒流路の一部である耐圧領域を互いの間に有する冷媒流路の流入口と流出口とが形成されている。冷媒流路は、流入口と流出口とを結ぶ方向において、耐圧領域の端部におけるベース板に負荷する静圧に比較して、耐圧領域の中央部におけるベース板に負荷する静圧が低くなるように形成されている。

本発明の一形態においては、２つの流路側壁部の互いに対向する対向面同士の間の距離が、耐圧領域の上記端部から上記中央部に向かうに従って短くなっている。

本発明の一形態においては、複数の放熱用突出部の各々は、柱状の形状を有する。複数の放熱用突出部において、耐圧領域の上記中央部に位置する放熱用突出部は、耐圧領域の上記端部に位置する放熱用突出部より太い。

本発明の一形態においては、複数の放熱用突出部の各々は、長手方向を有する板状の形状を有し、かつ、流入口と流出口とを結ぶ方向と上記長手方向とが略一致するように位置する。複数の放熱用突出部において、隣接する放熱用突出部同士の間隔が、耐圧領域の上記端部から上記中央部に向かうに従って狭くなっている。

本発明の一形態においては、複数の放熱用突出部の各々は、柱状の形状を有する。複数の放熱用突出部において、耐圧領域の上記端部に位置する放熱用突出部は規則的に位置し、かつ、耐圧領域の上記中央部に位置する放熱用突出部は不規則的に位置する。

本発明の一形態においては、複数の放熱用突出部の各々は、柱状の形状を有する。複数の放熱用突出部において、耐圧領域の上記中央部に位置する放熱用突出部は、冷媒流路を流れる冷媒の形状抵抗が耐圧領域の上記端部に位置する放熱用突出部より大きくなるような表面形状を有している。

本発明の一形態においては、複数の放熱用突出部の各々は、柱状の形状を有する。複数の放熱用突出部において、耐圧領域の上記中央部に位置する放熱用突出部は、耐圧領域の上記端部に位置する放熱用突出部より突出長さが長い。

本発明の一形態においては、ベース板の他方の主面と対向板の主面との間の距離が、耐圧領域の上記端部から上記中央部に向かうに従って短くなっている。

本発明によれば、半導体素子の冷却構造において、構造的な安定性を有しつつ半導体素子を効率的に冷却できる。

本発明の実施形態１〜７に係る半導体素子の冷却構造の構成を示す斜視図である。 図１の矢印ＩＩ方向から見た図である。 図２の矢印ＩＩＩ方向から見た図である。 本発明の実施形態２に係る半導体素子の冷却構造を図１の矢印ＩＶ方向から見た図である。 図４の矢印Ｖ方向から見た図である。 本発明の実施形態３に係る半導体素子の冷却構造を図１の矢印ＶＩ方向から見た図である。 図６の矢印ＶＩＩ方向から見た図である。 本発明の実施形態４に係る半導体素子の冷却構造を図１の矢印ＶＩＩＩ方向から見た図である。 図８の矢印ＩＸ方向から見た図である。 本発明の実施形態５に係る半導体素子の冷却構造を図１の矢印Ｘ方向から見た図である。 図１０の矢印ＸＩ方向から見た図である。 本発明の実施形態６に係る半導体素子の冷却構造を図１の矢印ＸＩＩ方向から見た図である。 図１２の矢印ＸＩＩＩ方向から見た図である。 図１３の矢印ＸＩＶ方向から見た図である。 本発明の実施形態７に係る半導体素子の冷却構造を図１の矢印ＸＶ方向から見た図である。 図１５の矢印ＸＶＩ方向から見た図である。 図１６の矢印ＸＶＩＩ方向から見た図である。

以下、本発明の実施形態１に係る半導体素子の冷却構造について図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰返さない。なお、実施形態の説明において、説明の便宜上、上、下、左、右の表現を用いるが、これらの表現は示した図に基づくものであって発明の構成を限定するものではない。

実施形態１
図１は、本発明の実施形態１〜７に係る半導体素子の冷却構造の外観を示す斜視図である。図２は、図１の矢印ＩＩ方向から見た図である。図３は、図２の矢印ＩＩＩ方向から見た図である。なお、図１においては実施形態１の半導体素子の冷却構造１００の構成を示し、図３においては対向板を取外した状態を示している。

図１に示すように、本実施形態に係る半導体素子の冷却構造１００においては、矩形状かつ平板状のベース板１１０の一方の主面に絶縁体基板１４０が取付けられている。本実施形態においては、ベース板１１０の材料として銅系合金を用いたが、アルミニウム系合金などを用いてもよい。絶縁体基板１４０の材料としては、窒化珪素を用いたが、アルミナ、窒化アルミニウムおよび炭化珪素などを用いてもよい。

絶縁体基板１４０の一方の主面に複数の半導体素子１５０が接合されている。本実施形態においては、８つの半導体素子１５０が接合されている。複数の半導体素子１５０同士は、互いにワイヤ１６０により接続されている。本実施形態においては、４つの半導体素子１５０が互いに接続されて、２組の接続ユニットが構成されている。１組の接続ユニット毎に電極１６１が接続されている。

本実施形態においては、半導体素子１５０がベース板１１０の一方の主面に間接に接合されているが、ベース板１１０が絶縁性および熱伝導性を有する材料で形成されている場合には、半導体素子１５０がベース板１１０に直接接合されていてもよい。

ベース板１１０の一方の主面には、絶縁体基板１４０を間に挟むように互いに対向する筐体側壁部１８０Ａと筐体側壁部１８０Ｂとが、ベース板１１０の長手方向に伸びる一対の縁にそれぞれ沿うように配置されて組み付けられている。

ベース板１１０の一方の主面と筐体側壁部１８０Ａと筐体側壁部１８０Ｂとに囲まれる領域に、絶縁性を有する封止樹脂１７０が設けられる。絶縁体基板１４０と複数の半導体素子１５０とワイヤ１６０とは、封止樹脂１７０の内部に封止されて外部から絶縁されている。

筐体側壁部１８０Ａおよび筐体側壁部１８０Ｂの上端を繋ぐように、蓋部１８１が組み付けられている。蓋部１８１は、ベース板１１０の一方の主面に対向するように配置され、封止樹脂１７０との間に僅かな隙間を有している。

ベース板１１０の他方の主面側に、矩形状かつ平板状の対向板１２０が配置されている。対向板１２０は、対向板１２０の主面がベース板１１０の他方の主面に対して間隔を置いて対向するように、配置されている。

ベース板１１０と対向板１２０との間を繋ぐように２つの流路側壁部１３０Ａ，１３０Ｂが配置されている。流路側壁部１３０Ａと流路側壁部１３０Ｂとは、互いに間隔を置いて、ベース板１１０および対向板１２０の長手方向に伸びる一対の縁にそれぞれ沿うように配置されている。対向板１２０と２つの流路側壁部１３０Ａ，１３０Ｂとは、ベース板１１０と同じ材料を用いて形成されている。図３に示す穴部１３２は、対向板１２０と２つの流路側壁部１３０Ａ，１３０Ｂとを組付けるためのものである。対向板１２０には、穴部１３２と嵌合する図示しない突出部が形成されている。

ベース板１１０の他方の主面と対向板１２０の主面とが、２つの流路側壁部１３０Ａ，１３０Ｂを介して繋がれることにより、図中のハッチングで示す部分に冷媒流路１９０が形成される。言い換えると、ベース板１１０、対向板１２０および２つの流路側壁部１３０Ａ，１３０Ｂの各々は、冷媒流路１９０の壁部の一部を構成している。

ベース板１１０、対向板１２０および２つの流路側壁部１３０Ａ，１３０Ｂのそれぞれの間には、シール材またはＯリングなどが設けられており、冷媒流路１９０の外側に冷媒が漏洩することが防止されている。なお、本実施形態においては、ベース板１１０、対向板１２０および２つの流路側壁部１３０Ａ，１３０Ｂの分割された４つの構成部品により冷媒流路１９０を構成しているが、たとえば、２つの流路側壁部１３０Ａ，１３０Ｂとベース板１１０とが一体で形成されていてもよいし、４つの構成部品が一体で形成されていてもよい。

図２，３に示すように、ベース板１１０の他方の主面に、対向板１２０の主面に向けて突出した複数の放熱用突出部１１１が形成されている。複数の放熱用突出部１１１の各々は、長手方向を有する板状の形状を有している。複数の放熱用突出部１１１の各々は、互いに所定の間隔を置いて、放熱用突出部１１１の長手方向と直交する方向に並列に配置されている。

本実施形態においては、放熱用突出部１１１は、ベース板１１０と一体で形成されている。放熱用突出部１１１は、根元部から先端部に向けて漸次細くなるように形成されている。複数の放熱用突出部１１１の突出長さは、全体的に略均一である。

半導体素子の冷却構造１００においては、冷媒は、図３の矢印１９３に示す方向に流動される。冷媒流路１９０は、冷媒が流入する流入口１９１および冷媒が流出する流出口１９２を含む。冷媒としては、水または液体状クーランなどを用いることができる。

上述の通り、流動する冷媒の静圧による変形量が大きくなる位置である、ベース板１１０における面内の中央部において、ベース板１１０の変形を小さくすることが求められる。これは、ベース板１１０は周囲を固定された状態で冷媒の静圧を受けるため、両持ち梁のような状態となり、静圧による変形成分がベース板１１０の面内の中央部付近で最も大きくなるためである。そのため、冷媒流路１９０の一部であって、ベース板１１０の面内の中央部付近に形成されている複数の放熱用突出部１１１が位置する領域は、流動する冷媒の静圧による変形成分が大きくなる耐圧領域１９４となる。耐圧領域１９４は、流入口１９１と流出口１９２との間に位置している。

本実施形態の半導体素子の冷却構造１００は、冷媒の流動方向である矢印１９３で示す方向、すなわち、流入口１９１と流出口１９２とを結ぶ方向において、流路側壁部１３０Ａおよび流路側壁部１３０Ｂの互いに対向する面同士の間の距離が、耐圧領域１９４の端部から中央部に向かうに従って短くなるように形成されている。

具体的には、流路側壁部１３０Ａにおいて、流路側壁部１３０Ｂに対向する面に、流路側壁部１３０Ｂ側に突出した凸部１３１Ａが形成されている。本実施形態においては、凸部１３１Ａは、湾曲しているが、屈曲するように形成されていてもよい。

同様に、流路側壁部１３０Ｂにおいて、流路側壁部１３０Ａに対向する面に、流路側壁部１３０Ａ側に突出した凸部１３１Ｂが形成されている。本実施形態においては、凸部１３１Ｂは、湾曲しているが、屈曲するように形成されていてもよい。

上記のように流路側壁部１３０Ａおよび流路側壁部１３０Ｂを形成することにより、冷媒流路１９０は、矢印１９３で示す冷媒の流動方向において、耐圧領域１９４の中央部の方が端部より狭くなる。その結果、冷媒流路１９０を流動する冷媒の流速は、耐圧領域１９４の中央部において端部より大きくなる。

冷媒の流速が大きくなると、ベンチュリー効果により冷媒の動圧が大きくなる。ベルヌーイの定理より冷媒の静圧は、動圧が大きくなると小さくなる。よって、冷媒流路が狭くされた耐圧領域１９４の中央部においてベース板１１０に負荷される静圧はベース板１１０の他の部分に負荷される静圧に比べて低減されている。

言い換えると、冷媒流路１９０は、流入口１９１と流出口１９２とを結ぶ方向において、耐圧領域１９４の端部におけるベース板１１０に負荷する静圧に比較して、耐圧領域１９４の中央部におけるベース板１１０に負荷する静圧が低くなるように形成されている。

上記の構成により、ベース板１１０の面内の中央部に負荷する冷媒の静圧を低減して、ベース板１１０の変形を抑制することにより、半導体素子の冷却構造１００の構造的安定性を向上することができる。半導体素子の冷却構造１００は、薄いベース板１１０を用いており、さらに、放熱用突出部１１１が位置する部分において冷媒流路の流速を増加させているため、冷媒との熱交換が効率よく行なわれて半導体素子１５０の冷却効率が向上されている。

以下、本発明の実施形態２に係る半導体素子の冷却構造について説明する。
実施形態２
本実施形態の半導体素子の冷却構造は、放熱用突出部および２つの流路側壁部の構造のみ実施形態１の半導体素子の冷却構造と異なる。そのため、放熱用突出部および２つの流路側壁部以外の構成については実施形態１と同様であるため説明を繰返さない。

図４は、本発明の実施形態２に係る半導体素子の冷却構造を図１の矢印ＩＶ方向から見た図である。図５は、図４の矢印Ｖ方向から見た図である。なお、図５においては、対向板を取外した状態を示している。

図４，５に示すように、本発明の実施形態２に係る半導体素子の冷却構造２００においては、２つの流路側壁部２３０Ａ，２３０Ｂは、互いに対向する面がともに平坦である。そのため、２つの流路側壁部２３０Ａ，２３０Ｂの互いに対向する面同士の間の距離は、矢印１９３に示す冷媒の流動方向において一定である。

本実施形態においては、ベース板２１０の他方の主面に、対向板１２０の主面に向けて突出した複数の放熱用突出部２１１が形成されている。複数の放熱用突出部２１１の各々は、略円柱状の形状を有している。複数の放熱用突出部２１１は、互いに所定の間隔を置いて、格子状に配置されている。

本実施形態においては、放熱用突出部２１１は、ベース板２１０と一体で形成されている。放熱用突出部２１１は、根元部から先端部に向けて漸次細くなるように形成されている。複数の放熱用突出部２１１の突出長さは、全体的に略均一である。

放熱用突出部２１１は、矢印１９３に示す冷媒の流動方向において、流入側から順に配置された、放熱用突出部２１１Ａ、放熱用突出部２１１Ｂ、放熱用突出部２１１Ｃ、放熱用突出部２１１Ｄ、放熱用突出部２１１Ｅ、放熱用突出部２１１Ｆ、放熱用突出部２１１Ｇを含む。

放熱用突出部２１１Ａから放熱用突出部２１１Ｄまでは、順に放熱用突出部２１１が太くなるように形成されている。一方、放熱用突出部２１１Ｄから放熱用突出部２１１Ｇまでは、順に放熱用突出部２１１が細くなるように形成されている。

言い換えると、複数の放熱用突出部２１１において、耐圧領域２９４の中央部に位置する放熱用突出部２１１Ｄは、端部に位置する放熱用突出部２１１Ａ，２１１Ｇより太い。

上記のように放熱用突出部２１１を形成することにより、冷媒流路１９０は、矢印１９３で示す冷媒の流動方向において、耐圧領域２９４の中央部の方が端部より狭くなる。その結果、冷媒流路１９０を流動する冷媒の流速は、耐圧領域２９４の中央部において端部より大きくなる。よって、冷媒流路が狭くされた耐圧領域２９４の中央部においてベース板２１０に負荷される静圧はベース板２１０の他の部分に負荷される静圧に比べて低減されている。

言い換えると、冷媒流路１９０は、流入口１９１と流出口１９２とを結ぶ方向において、耐圧領域２９４の端部におけるベース板２１０に負荷する静圧に比較して、耐圧領域２９４の中央部におけるベース板２１０に負荷する静圧が低くなるように形成されている。

上記の構成により、ベース板２１０の面内の中央部に負荷する冷媒の静圧を低減して、ベース板２１０の変形を抑制することにより、半導体素子の冷却構造２００の構造的安定性を向上することができる。半導体素子の冷却構造２００は、薄いベース板２１０を用いており、さらに、放熱用突出部２１１が位置する部分において冷媒流路の流速を増加させているため、冷媒との熱交換が効率よく行なわれて半導体素子１５０の冷却効率が向上されている。

以下、本発明の実施形態３に係る半導体素子の冷却構造について説明する。
実施形態３
本実施形態の半導体素子の冷却構造は、放熱用突出部のみ実施形態２の半導体素子の冷却構造と異なる。そのため、放熱用突出部以外の構成については実施形態２と同様であるため説明を繰返さない。

図６は、本発明の実施形態３に係る半導体素子の冷却構造を図１の矢印ＶＩ方向から見た図である。図７は、図６の矢印ＶＩＩ方向から見た図である。なお、図７においては、対向板を取外した状態を示している。

図６，７に示すように、本発明の実施形態３に係る半導体素子の冷却構造３００においては、ベース板３１０の他方の主面に、対向板１２０の主面に向けて突出した複数の放熱用突出部３１１が形成されている。複数の放熱用突出部３１１の各々は、長手方向を有する板状の形状を有し、かつ、流入口１９１と流出口１９２とを結ぶ方向と放熱用突出部３１１の長手方向とが略一致するように位置している。

本実施形態においては、放熱用突出部３１１は、ベース板３１０と一体で形成されている。放熱用突出部３１１は、根元部から先端部に向けて漸次細くなるように形成されている。複数の放熱用突出部３１１の突出長さは、全体的に略均一である。

放熱用突出部３１１は、矢印１９３に示す冷媒の流動方向と直交する方向において、中心から左側に順に配置された、放熱用突出部３１１Ａ、放熱用突出部３１１Ｂ、放熱用突出部３１１Ｃ、放熱用突出部３１１Ｄを含む。さらに、放熱用突出部３１１は、矢印１９３に示す冷媒の流動方向と直交する方向において、中心から右側に順に配置された、放熱用突出部３１１Ｅ、放熱用突出部３１１Ｆ、放熱用突出部３１１Ｇを含む。

中心に配置された放熱用突出部３１１Ａは、長手方向が矢印１９３で示す流動方向と平行になるように直線状に形成されている。放熱用突出部３１１Ｂから放熱用突出部３１１Ｇまでの各々は、耐圧領域３９４の中央部から端部に向かうに従って、放熱用突出部３１１Ａから離れるように湾曲した形状を有している。

放熱用突出部３１１Ｂから放熱用突出部３１１Ｄまでは、順に湾曲の曲率が大きくなるように形成されている。放熱用突出部３１１Ｅから放熱用突出部３１１Ｇまでは、順に湾曲の曲率が大きくなるように形成されている。

言い換えると、複数の放熱用突出部３１１において、隣接する放熱用突出部３１１同士の間隔が、耐圧領域３９４の端部から中央部に向かうに従って狭くなる。

上記のように複数の放熱用突出部３１１を形成することにより、耐圧領域３９４の中央部において、冷媒の流れが収束する。具体的には、冷媒の流れが放熱用突出部３１１Ａの近傍に収束する。その結果、冷媒流路１９０を流動する冷媒の流速は、耐圧領域３９４の中央部において端部より大きくなる。よって、冷媒の流れが収束された耐圧領域３９４の中央部においてベース板３１０に負荷される静圧はベース板３１０の他の部分に負荷される静圧に比べて低減されている。

言い換えると、冷媒流路１９０は、流入口１９１と流出口１９２とを結ぶ方向において、耐圧領域３９４の端部におけるベース板３１０に負荷する静圧に比較して、耐圧領域３９４の中央部におけるベース板３１０に負荷する静圧が低くなるように形成されている。

上記の構成により、ベース板３１０の面内の中央部に負荷する冷媒の静圧を低減して、ベース板３１０の変形を抑制することにより、半導体素子の冷却構造３００の構造的安定性を向上することができる。半導体素子の冷却構造３００は、薄いベース板３１０を用いており、さらに、放熱用突出部３１１が位置する部分において冷媒流路の流速を増加させているため、冷媒との熱交換が効率よく行なわれて半導体素子１５０の冷却効率が向上されている。

以下、本発明の実施形態４に係る半導体素子の冷却構造について説明する。
実施形態４
本実施形態の半導体素子の冷却構造は、放熱用突出部のみ実施形態２の半導体素子の冷却構造と異なる。そのため、放熱用突出部以外の構成については実施形態２と同様であるため説明を繰返さない。

図８は、本発明の実施形態４に係る半導体素子の冷却構造を図１の矢印ＶＩＩＩ方向から見た図である。図９は、図８の矢印ＩＸ方向から見た図である。なお、図９においては、対向板を取外した状態を示している。

図８，９に示すように、本発明の実施形態４に係る半導体素子の冷却構造４００においては、ベース板４１０の他方の主面に、対向板１２０の主面に向けて突出した複数の放熱用突出部４１１が形成されている。複数の放熱用突出部４１１の各々は、略円柱状の形状を有している。複数の放熱用突出部４１１は、互いに間隔を置いて配置されている。

本実施形態においては、放熱用突出部４１１は、ベース板４１０と一体で形成されている。放熱用突出部４１１は、根元部から先端部に向けて漸次細くなるように形成されている。複数の放熱用突出部４１１の突出長さは、全体的に略均一である。

複数の放熱用突出部４１１は、冷媒の流動方向である矢印１９３で示す方向において、流入口１９１側の耐圧領域４９４の端部に配置された複数の放熱用突出部４１１Ｂ、耐圧領域４９４の中央部に配置された複数の放熱用突出部４１１Ａ、および、流出口１９２側の耐圧領域４９４の端部に配置された複数の放熱用突出部４１１Ｃを含む。

複数の放熱用突出部４１１Ｂおよび複数の放熱用突出部４１１Ｃの各々は、格子状に配置されて規則的に位置している。複数の放熱用突出部４１１Ａの各々は、不規則的に配置されている。具体的には、放熱用突出部４１１Ａが密に位置しているところと、疎に位置しているところとがある。

上記のように放熱用突出部４１１を形成することにより、耐圧領域４９４の中央部において、冷媒の流れが乱されて、冷媒が実際に流動する流路長さが長くなる。矢印１９３方向に冷媒流路１９０を流れる冷媒の流速は全体的に一定であるため、耐圧領域４９４の中央部における冷媒の流速は大きくなる。

言い換えると、冷媒流路１９０は、流入口１９１と流出口１９２とを結ぶ方向において、耐圧領域４９４の端部におけるベース板４１０に負荷する静圧に比較して、耐圧領域４９４の中央部におけるベース板４１０に負荷する静圧が低くなるように形成されている。

上記の構成により、ベース板４１０の面内の中央部に負荷する冷媒の静圧を低減して、ベース板４１０の変形を抑制することにより、半導体素子の冷却構造４００の構造的安定性を向上することができる。半導体素子の冷却構造４００は、薄いベース板４１０を用いており、さらに、放熱用突出部４１１が位置する部分において冷媒流路の流速を増加させているため、冷媒との熱交換が効率よく行なわれて半導体素子１５０の冷却効率が向上されている。

以下、本発明の実施形態５に係る半導体素子の冷却構造について説明する。
実施形態５
本実施形態の半導体素子の冷却構造は、放熱用突出部のみ実施形態２の半導体素子の冷却構造と異なる。そのため、放熱用突出部以外の構成については実施形態２と同様であるため説明を繰返さない。

図１０は、本発明の実施形態５に係る半導体素子の冷却構造を図１の矢印Ｘ方向から見た図である。図１１は、図１０の矢印ＸＩ方向から見た図である。なお、図１１においては、対向板を取外した状態を示している。

図１０，１１に示すように、本発明の実施形態５に係る半導体素子の冷却構造５００においては、ベース板５１０の他方の主面に、対向板１２０の主面に向けて突出した複数の放熱用突出部５１１が形成されている。複数の放熱用突出部５１１の各々は、柱状の形状を有している。複数の放熱用突出部５１１は、互いに間隔を置いて配置されている。

本実施形態においては、放熱用突出部５１１は、ベース板５１０と一体で形成されている。放熱用突出部５１１は、根元部から先端部に向けて漸次細くなるように形成されている。複数の放熱用突出部５１１の突出長さは、全体的に略均一である。

複数の放熱用突出部５１１は、冷媒の流動方向である矢印１９３で示す方向において、流入口１９１側から順に配置された、放熱用突出部５１１Ａ、放熱用突出部５１１Ｂ、放熱用突出部５１１Ｃ、放熱用突出部５１１Ｄ、放熱用突出部５１１Ｅ、放熱用突出部５１１Ｆ、放熱用突出部５１１Ｇ、放熱用突出部５１１Ｈを含む。

放熱用突出部５１１Ａは、略円柱形状を有している。放熱用突出部５１１Ｂは、略八角柱形状を有している。放熱用突出部５１１Ｃは、略六角柱形状を有している。放熱用突出部５１１Ｄは、略四角柱形状を有している。放熱用突出部５１１Ｅは、略三角柱形状を有している。放熱用突出部５１１Ｆは、略四角柱形状を有している。放熱用突出部５１１Ｇは、略六角柱形状を有している。放熱用突出部５１１Ｈは、略八角柱形状を有している。

放熱用突出部５１１Ａから放熱用突出部５１１Ｅまでは、順に冷媒流路１９０を流れる冷媒の形状抵抗が大きくなるように配置されている。一方、放熱用突出部５１１Ｅから放熱用突出部５１１Ｈまでは、順に冷媒流路１９０を流れる冷媒の形状抵抗が小さくなるように配置されている。

言い換えると、複数の放熱用突出部５１１において、耐圧領域５９４の中央部に位置する放熱用突出部５１１Ｅは、冷媒流路１９０を流れる冷媒の形状抵抗が耐圧領域５９４の端部に位置する放熱用突出部５１１Ａ，５１１Ｈより大きくなるような表面形状を有している。

上記のように放熱用突出部５１１を形成することにより、耐圧領域５９４の中央部において、冷媒の流れが乱されて、冷媒が実際に流動する流路長さが長くなる。矢印１９３方向に冷媒流路１９０を流れる冷媒の流速は全体的に一定であるため、耐圧領域５９４の中央部における冷媒の流速は大きくなる。

言い換えると、冷媒流路１９０は、流入口１９１と流出口１９２とを結ぶ方向において、耐圧領域５９４の端部におけるベース板５１０に負荷する静圧に比較して、耐圧領域５９４の中央部におけるベース板５１０に負荷する静圧が低くなるように形成されている。

上記の構成により、ベース板５１０の面内の中央部に負荷する冷媒の静圧を低減して、ベース板５１０の変形を抑制することにより、半導体素子の冷却構造５００の構造的安定性を向上することができる。半導体素子の冷却構造５００は、薄いベース板５１０を用いており、さらに、放熱用突出部５１１が位置する部分において冷媒流路の流速を増加させているため、冷媒との熱交換が効率よく行なわれて半導体素子１５０の冷却効率が向上されている。

以下、本発明の実施形態６に係る半導体素子の冷却構造について説明する。
実施形態６
本実施形態の半導体素子の冷却構造は、放熱用突出部のみ実施形態２の半導体素子の冷却構造と異なる。そのため、放熱用突出部以外の構成については実施形態２と同様であるため説明を繰返さない。

図１２は、本発明の実施形態６に係る半導体素子の冷却構造を図１の矢印ＸＩＩ方向から見た図である。図１３は、図１２の矢印ＸＩＩＩ方向から見た図である。図１４は、図１３の矢印ＸＩＶ方向から見た図である。なお、図１３においては、対向板を取外した状態を示している。

図１２〜１４に示すように、本発明の実施形態６に係る半導体素子の冷却構造６００においては、ベース板６１０の他方の主面に、対向板１２０の主面に向けて突出した複数の放熱用突出部６１１が形成されている。複数の放熱用突出部６１１の各々は、略円柱状の形状を有している。複数の放熱用突出部６１１は、互いに間隔を置いて配置されている。

本実施形態においては、放熱用突出部６１１は、ベース板６１０と一体で形成されている。放熱用突出部６１１は、根元部から先端部に向けて漸次細くなるように形成されている。

放熱用突出部６１１は、矢印１９３に示す冷媒の流動方向において、流入側から順に配置された、放熱用突出部６１１Ａ、放熱用突出部６１１Ｂ、放熱用突出部６１１Ｃ、放熱用突出部６１１Ｄ、放熱用突出部６１１Ｅ、放熱用突出部６１１Ｆ、放熱用突出部６１１Ｇ、放熱用突出部６１１Ｈ、放熱用突出部６１１Ｉを含む。

放熱用突出部６１１Ａから放熱用突出部６１１Ｅまでは、順に放熱用突出部６１１の突出長さが長くなるように形成されている。一方、放熱用突出部６１１Ｅから放熱用突出部６１１Ｉまでは、順に放熱用突出部６１１が突出長さが短くなるように形成されている。

言い換えると、複数の放熱用突出部６１１において、耐圧領域６９４の中央部に位置する放熱用突出部６１１Ｅは、耐圧領域６９４の端部に位置する放熱用突出部６１１Ａ，６１１Ｉより突出長さが長い。

上記のように放熱用突出部６１１を形成することにより、冷媒流路１９０は、矢印１９３で示す冷媒の流動方向において、耐圧領域６９４の中央部の方が端部より狭くなる。その結果、冷媒流路１９０を流動される冷媒の流速は、耐圧領域６９４の中央部において端部より大きくなる。よって、冷媒流路が狭くされた耐圧領域６９４の中央部においてベース板６１０に負荷される静圧はベース板６１０の他の部分に負荷される静圧に比べて低減されている。

言い換えると、冷媒流路１９０は、流入口１９１と流出口１９２とを結ぶ方向において、耐圧領域６９４の端部におけるベース板６１０に負荷する静圧に比較して、耐圧領域６９４の中央部におけるベース板６１０に負荷する静圧が低くなるように形成されている。

上記の構成により、ベース板６１０の面内の中央部に負荷する冷媒の静圧を低減して、ベース板６１０の変形を抑制することにより、半導体素子の冷却構造６００の構造的安定性を向上することができる。半導体素子の冷却構造６００は、薄いベース板６１０を用いており、さらに、放熱用突出部６１１が位置する部分において冷媒流路の流速を増加させているため、冷媒との熱交換が効率よく行なわれて半導体素子１５０の冷却効率が向上されている。

以下、本発明の実施形態７に係る半導体素子の冷却構造について説明する。
実施形態７
本実施形態の半導体素子の冷却構造は、放熱用突出部および対向板のみ実施形態２の半導体素子の冷却構造と異なる。そのため、放熱用突出部および対向板以外の構成については実施形態２と同様であるため説明を繰返さない。

図１５は、本発明の実施形態７に係る半導体素子の冷却構造を図１の矢印ＸＶ方向から見た図である。図１６は、図１６の矢印ＸＶＩ方向から見た図である。図１７は、図１６の矢印ＸＶＩＩ方向から見た図である。なお、図１６においては、対向板を取外した状態を示している。

図１５〜１７に示すように、本発明の実施形態７に係る半導体素子の冷却構造７００においては、ベース板７１０の他方の主面に、対向板１２０の主面に向けて突出した複数の放熱用突出部７１１が形成されている。複数の放熱用突出部７１１の各々は、長手方向を有する板状の形状を有している。複数の放熱用突出部７１１は、互いに所定の間隔を置いて、放熱用突出部７１１の長手方向と直交する方向に並列に配置されている。

本実施形態においては、放熱用突出部７１１は、ベース板７１０と一体で形成されている。放熱用突出部７１１は、根元部から先端部に向けて漸次細くなるように形成されている。複数の放熱用突出部７１１の突出長さは、全体的に略均一である。

本実施形態の半導体素子の冷却構造７００は、冷媒の流動方向である矢印１９３で示す方向、すなわち、流入口１９１と流出口１９２とを結ぶ方向において、ベース板７１０の他方の主面と対向板７２０の主面との間の距離が、耐圧領域７９４の端部から中央部に向かうに従って短くなるように形成されている。

具体的には、対向板７２０において、ベース板７１０に対向する主面に、ベース板７１０側に突出した凸部７２１が形成されている。本実施形態においては、凸部７２１は、湾曲しているが、屈曲するように形成されていてもよい。

上記のように対向板７２０を形成することにより、冷媒流路１９０は、矢印１９３で示す冷媒の流動方向において、耐圧領域７９４の中央部の方が端部より狭くなる。その結果、冷媒流路１９０を流動される冷媒の流速は、耐圧領域７９４の中央部において端部より大きくなる。

言い換えると、冷媒流路１９０は、流入口１９１と流出口１９２とを結ぶ方向において、耐圧領域７９４の端部におけるベース板７１０に負荷する静圧に比較して、耐圧領域７９４の中央部におけるベース板７１０に負荷する静圧が低くなるように形成されている。

上記の構成により、ベース板７１０の面内の中央部に負荷する冷媒の静圧を低減して、ベース板７１０の変形を抑制することにより、半導体素子の冷却構造７００の構造的安定性を向上することができる。半導体素子の冷却構造７００は、薄いベース板７１０を用いており、さらに、放熱用突出部７１１が位置する部分において冷媒流路の流速を増加させているため、冷媒との熱交換が効率よく行なわれて半導体素子１５０の冷却効率が向上されている。

なお、今回開示した上記実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００ 半導体素子の冷却構造、１１０，２１０，３１０，４１０，５１０，６１０，７１０ ベース板、１１１，２１１，２１１Ａ，２１１Ｂ，２１１Ｃ，２１１Ｄ，２１１Ｅ，２１１Ｆ，２１１Ｇ，３１１，３１１Ａ，３１１Ｂ，３１１Ｃ，３１１Ｄ，３１１Ｅ，３１１Ｆ，３１１Ｇ，４１１，４１１Ａ，４１１Ｂ，４１１Ｃ，５１１，５１１Ａ，５１１Ｂ，５１１Ｃ，５１１Ｄ，５１１Ｅ，５１１Ｆ，５１１Ｇ，５１１Ｈ，６１１，６１１Ａ，６１１Ｂ，６１１Ｃ，６１１Ｄ，６１１Ｅ，６１１Ｆ，６１１Ｇ，６１１Ｈ，６１１Ｉ，７１１ 放熱用突出部、１２０，７２０ 対向板、１３０Ａ，１３０Ｂ，２３０Ａ，２３０Ｂ 流路側壁部、１３１Ａ，１３１Ｂ，７２１ 凸部、１３２ 穴部、１４０ 絶縁体基板、１５０ 半導体素子、１６０ ワイヤ、１６１ 電極、１７０ 封止樹脂、１８０Ａ，１８０Ｂ 筐体側壁部、１８１ 蓋部、１９０ 冷媒流路、１９１ 流入口、１９２ 流出口、１９４，２９４，３９４，４９４，５９４，６９４，７９４ 耐圧領域。

Claims (8)

1. 半導体素子が直接または間接に一方の主面に接合されるベース板と、
   前記ベース板の他方の主面に対して間隔を置いて対向するように主面が配置され、前記ベース板との間に形成される冷媒流路の壁部の一部を構成する対向板と、
   前記ベース板と前記対向板とを繋ぐように互いに間隔を置いて対向して配置され、前記冷媒流路の壁部の一部となる２つの流路側壁部と
   を備え、
   前記ベース板は、前記他方の主面に、前記対向板の前記主面に向けて突出した複数の放熱用突出部を有し、
   前記ベース板の前記他方の主面と前記対向板の前記主面とが、前記２つの流路側壁部を介して繋がれることにより、前記複数の放熱用突出部が位置する前記冷媒流路の一部である耐圧領域を互いの間に有する前記冷媒流路の流入口と流出口とが形成され、
   前記冷媒流路は、前記流入口と前記流出口とを結ぶ方向において、前記耐圧領域の端部における前記ベース板に負荷する静圧に比較して、前記耐圧領域の中央部における前記ベース板に負荷する静圧が低くなるように形成されている、半導体素子の冷却構造。
2. 前記２つの流路側壁部の互いに対向する対向面同士の間の距離が、前記耐圧領域の前記端部から前記中央部に向かうに従って短くなる、請求項１に記載の半導体素子の冷却構造。
3. 前記複数の放熱用突出部の各々は、柱状の形状を有し、
   前記複数の放熱用突出部において、前記耐圧領域の前記中央部に位置する放熱用突出部は、前記耐圧領域の前記端部に位置する放熱用突出部より太い、請求項１に記載の半導体素子の冷却構造。
4. 前記複数の放熱用突出部の各々は、長手方向を有する板状の形状を有し、かつ、前記流入口と前記流出口とを結ぶ方向と該長手方向とが略一致するように位置し、
   前記複数の放熱用突出部において、隣接する放熱用突出部同士の間隔が、前記耐圧領域の前記端部から前記中央部に向かうに従って狭くなる、請求項１に記載の半導体素子の冷却構造。
5. 前記複数の放熱用突出部の各々は、柱状の形状を有し、
   前記複数の放熱用突出部において、前記耐圧領域の前記端部に位置する放熱用突出部は規則的に位置し、かつ、前記耐圧領域の前記中央部に位置する放熱用突出部は不規則的に位置する、請求項１に記載の半導体素子の冷却構造。
6. 前記複数の放熱用突出部の各々は、柱状の形状を有し、
   前記複数の放熱用突出部において、前記耐圧領域の前記中央部に位置する放熱用突出部は、前記冷媒流路を流れる冷媒の形状抵抗が前記耐圧領域の前記端部に位置する放熱用突出部より大きくなるような表面形状を有している、請求項１に記載の半導体素子の冷却構造。
7. 前記複数の放熱用突出部の各々は、柱状の形状を有し、
   前記複数の放熱用突出部において、前記耐圧領域の前記中央部に位置する放熱用突出部は、前記耐圧領域の前記端部に位置する放熱用突出部より突出長さが長い、請求項１に記載の半導体素子の冷却構造。
8. 前記ベース板の前記他方の主面と前記対向板の前記主面との間の距離が、前記耐圧領域の前記端部から前記中央部に向かうに従って短くなる、請求項１に記載の半導体素子の冷却構造。

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