JP2021082702A

JP2021082702A - 半導体冷却装置

Info

Publication number: JP2021082702A
Application number: JP2019208781A
Authority: JP
Inventors: 誠二松島; Seiji Matsushima
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2039-11-19
Also published as: CN112908951A; JP7388145B2

Abstract

【課題】液冷式冷却器を備えた半導体冷却装置において、フィンピッチを大きくすることなく異物による冷却性能を低下や圧力損失の上昇を抑制する。【解決手段】半導体冷却装置１は、半導体素子１１を搭載する絶縁基板１０と液冷式冷却器２０日を備えている。前記液冷式冷却器２０は、一方の面に複数の板状フィン２２が所定間隔で立設された放熱基板２１と、前記フィン２２を収容する凹部３１を有し、前記放熱基板２１の一方の面側に装着されて冷却液流通空間３５を形成するジャケット３０とを有し、前記冷却液流通空間３５において、フィン２２の先端と前記ジャケット３０の凹部３１の底面との間に主流路３６となる隙間が形成され、前記主流路３６の高さＨとフィン２２とフィン２２の間のフィン隙間２４の寸法ＷとがＨ＞Ｗの関係を満たしている。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、半導体素子搭載基板を液冷式冷却器で冷却する半導体冷却装置に関する。

近年、半導体素子は大電力を扱うことが多く、それに伴って発熱量が増大している。このため、半導体素子を実装した基板に冷却器を接合して放熱している。放熱に大きなスペースを確保できる定置設備では強制空冷が可能であるが、限られたスペース内に機器は配置する場合は液冷式冷却器が有用である。

従来の液冷式冷却器は、冷却液流通空間内に薄板状のインナーフィンを設置し、フィンを介して冷却液に伝熱する構造が一般的である。このような構造の液冷式冷却器では、流通する冷却液に混入した異物がフィンとフィンの間に詰まって冷却液の流通を妨げることがあり、冷却性能が低下する原因となっている。また、異物量が多い場合は冷却液の圧力損失にもつながる。

異物の詰まりに対しては、異物を冷却液とともにフィン間を流通させるか、あるいは冷却液流通空間への異物の流入を阻止する方法が提案されている（特許文献１，２参照）。

特許文献１に記載された冷却器は、インナーフィンをフィンピッチの小さい上段フィンとフィンピッチの大きい下段フィンの上下２段とし、上段フィンと下段フィンの間に異物の受け渡し手段を設け、上段のフィン間を流通できないサイズの異物を下段フィンに導いて下段のフィン間を流通させている。

特許文献２に記載された冷却器は、冷却液流通空間に通じる入口配管内に袋状の異物除去部材を設置し、異物除去部材に異物を溜めることによって冷却液流通空間への異物の流入を阻止している。

特開２０１４−８６６４１号公報特開２００８−２７５１９０号公報

液冷式冷却器はインナーフィンの冷却性能を高めるためにフィンピッチを小さくしてフィン数を多くしている。しかし、特許文献１に記載された冷却器のように、異物を流通させるために下段フィンのフィンピッチを大きくすることは冷却性能の観点からは好ましくない。また、特許文献２に記載された冷却器は入口配管の内部構造が複雑になるという問題点がある。

本発明は、上述した背景技術に鑑みて、フィンピッチを大きくすることなく異物による冷却性能を低下や圧力損失の上昇を抑制できる半導体冷却装置の提供を目的とする。

即ち、本発明は下記［１］〜［７］に記載の構成を有する。

［１］絶縁基板の一方の面に配線層を介して半導体素子を搭載する絶縁基板と、
一方の面に複数の板状フィンが所定間隔で立設された放熱基板と、前記フィンを収容する凹部を有し、前記放熱基板の一方の面側に装着されて冷却液流通空間を形成するジャケットを有する液冷式冷却器とを備え、
前記絶縁基板の他方の面側が、前記液冷式冷却器の放熱基板の他方の面に接合又は接着されている半導体冷却装置であり、
前記液冷式冷却器の冷却液流通空間において、前記フィンの先端と前記ジャケットの凹部の底面との間に主流路となる隙間が形成され、前記主流路の高さＨとフィンとフィンの間のフィン隙間の寸法ＷとがＨ＞Ｗの関係を満たしていることを特徴とする半導体冷却装置。

［２］前記フィン隙間の寸法Ｗが０．１ｍｍ〜０．６ｍｍである前項１に記載の半導体冷却装置。

［３］前記主流路の高さＨが０．９ｍｍ〜３ｍｍである前項１または２に記載の半導体冷却装置。

［４］前記フィンは先端から放熱基板側に延びる、少なくとも１つのスリットを有する前項１〜３のうちのいずれかに記載の半導体冷却装置。

［５］前記スリットの幅Ｓとフィン隙間の寸法ＷはＳ≧Ｗの関係を満たしている前項４に記載の半導体冷却装置。

［６］前記スリットは半導体素子の直下を避けた位置に設けられている前項４または５に記載の半導体冷却装置。

［７］冷却液の流れ方向において複数の半導体素子を有し、前記スリットが冷却液の流れ方向において半導体素子間に設けられている前項４〜６のうちのいずれかに記載の半導体冷却装置。

上記［１］に記載の半導体冷却装置は、液冷式冷却器の冷却液流通空間においてフィンの先端とジャケットとの間に隙間がある。このフィン先端側の隙間の高さＨとフィンとフィンの間のフィン隙間の寸法ＷはＨ＞Ｗの関係にあるので、冷却水はフィン隙間よりも流通抵抗の少ないフィン先端側の隙間に多く流れかつ流速が早くなって、前記フィン先端側の隙間が冷却液の主流路になる。このため、冷却液に混入する異物は冷却液とともに主流路に流れ込んで冷却液流通空間から排出されるか、あるいは主流路に留まったとしても、主流路は断面積が大きいので圧力損失は極めて小さい。また、流速は主流路よりも遅いがフィン隙間にも冷却水が流れ、流速の速い主流路からも流れ込むので、フィンの側面に接触する冷却液は絶えず入れ替わるので、フィンの側面から冷却液への伝熱も支障なく行われる。また、異物が主流路に流入せずに上流でフィン隙間に詰まったとしても、詰まった箇所を除いて主流路からフィン隙間に冷却液が流入する。

以上のとおり、前記液冷式冷却器は異物がフィン隙間に詰まり難い構造であり、かつ異物が詰まっても詰まった箇所を避けて冷却液が流れる。このため、安定して優れた冷却性能が得られ、異物による圧力損失の上昇も抑制される。また、異物を通すためにフィン隙間の寸法Ｗを拡げる必要がないので、フィンピッチを小さくすることによる高い冷却性能を維持できる。

上記［２］に記載の半導体冷却装置は、前記フィン隙間の寸法Ｗが０．１ｍｍ〜０．６ｍｍであるから、高い冷却性能が得られる。

上記［３］に記載の半導体冷却装置は、前記主流路の高さＨが０．９ｍｍ〜３ｍｍであるから、主流路とフィン隙間の冷却液の流速のバランスが良く、安定して優れた冷却性能が得られる。

上記［４］に記載の半導体冷却装置は、冷却液がフィンに形成されたスリットを通じて主流路からフィン隙間に流れ込み、主流路とフィン隙間の両方において流れが攪拌される。このため、上流側で異物が詰まったとしても、異物よりも下流側ではこの攪拌によって冷却液が滞留することなく流れるので、異物の影響を受けにくくなる。また、冷却液がスリットからスリット隙間に流れ込むことによって、スリットより下流域の流速が速くなるので冷却性能のばらつきが小さくなる。

上記［５］に記載の半導体冷却装置は、フィンに形成されたスリットの幅Ｓとフィン隙間の寸法ＷとがＳ≧Ｗの関係を満たしているので、十分な攪拌効果が得られる。

上記［６］に記載の半導体冷却装置は、フィンのスリットが半導体素子の直下を避けて設けられているので、スリットによるフィンへの伝熱効率の低下を抑制できる。

上記［７］に記載の半導体冷却装置は冷却液の流れ方向において複数の半導体を有し、フィンのスリットが冷却液の流れ方向において半導体素子間に設けられている。このため、冷却液がスリットを通じて主流路からフィン隙間に流入して攪拌されるので、数の半導体素子に対する冷却性能のばらつきを小さくすることができる。

本発明の実施形態である第１の半導体冷却装置の分解斜視図である。図１の２Ａ−２Ａ線断面図である。図１の２Ｂ−２Ｂ線断面図である。本発明の実施形態である第２の半導体冷却装置の縦断面図である。第２の半導体冷却装置の上面透視図である。第２の半導体冷却装置の変形例を示す縦断面図である。第２の半導体冷却装置の別の変形例を示す縦断面図である。本発明の実施形態である第３の半導体冷却装置の縦断面図である。第３の半導体冷却装置の上面透視図である。

図１〜６Ｂに、本発明の液冷式冷却器および半導体冷却装置の３つの実施形態およびその変形例を示す。また、以下の説明において、共通の符号を同一物を示すものとして説明を省略する。
［第１の半導体冷却装置］
図１〜図２Ｂに示す半導体冷却装置１は、絶縁基板１０および液冷式冷却器２０を備えている。

前記絶縁基板１０は四角形であり、一方の面に半導体素子１１を実装するための配線層１２が接合され、他方の面に絶縁基板１０と液冷式冷却器２０の間に発生する応力を緩和するとともに伝熱を促す緩衝層１３が接合されている。１４は半導体素子１１を接合するはんだ層である。

前記液冷式冷却器２０は、四角形の放熱基板２１とジャケット３０とを備えている。前記放熱基板２１は一方の面の中央部に複数の板状フィン２２が所定の隙間をもって立設され、フィン２２群の周囲がフランジ２３となされている。前記ジャケット３０は、フィン２２群を収容する凹部３１を有する箱型であり、凹部３１の深さＤがフィン２２の高さＨｆよりも深い寸法に設定されている。液冷式冷却器２０においては、高さＨｆが２ｍｍ〜１２ｍｍのフィン２２が好適に用いられる。前記ジャケット３０の対向する２つの側壁３２、３３に冷却液Ｃの入口孔３２ａおよび出口孔３３ａが穿設され、それぞれにジョント３４が取り付けられている。

前記放熱基板２１を、フィン２２の長さ方向の両端部が入口孔３２ａおよび出口孔３３に対面するようにジャケット３０に被せると、凹部３１にフィン２２群が収容され、放熱基板２１のフランジ２３がジャケット３０の上面に当接し、放熱基板２１の一方の面と凹部３１の内面によって囲まれた冷却液流通空間３５が形成される。前記放熱基板２１のフランジ２３とジャケット３０の当接面はろう付またはＯリングを用いたシール構造により水密性が保持されている。冷却液Ｃは入口孔３２ａから冷却液流通空間に入り、出口孔３３ａから排出される。

前記液冷式冷却器２０において、凹部３１の深さＤとフィン２２の高さＨｆはＤ＞Ｈｆの関係にあるので、フィン２２の先端と凹部３１の底面との間に高さＨがＤ−Ｈｆなる扁平な隙間３６が形成される。前記凹部３１の深さＤおよびフィン２２の高さＨｆは前記隙間３６の高さＨがフィン２２とフィン２２の間のフィン隙間２４の寸法Ｗよりも大きくなるように、即ちＨ＞Ｗの関係を満たすように設定されている。このため、入口孔３２ａから冷却液流通空間３５に入った冷却液Ｃは、フィン隙間２４より流通抵抗の少ないフィン先端側の隙間３６に多く流れかつ流速が早くなり、フィン先端側の隙間３６が冷却液Ｃの主流路３６になる。そして、冷却液Ｃに異物Ｑが混入していたとしても、異物Ｑは冷却液Ｃとともに主流路３６に流れ込み主流路３６を通って出口孔３３ａから排出される。異物Ｑが出口孔３３ａから排出されずに主流路３６に留まったとしても、主流路３６は断面積が大きいので異物Ｑによる圧力損失は極めて小さい。

なお、前記フィン隙間２４の寸法Ｗはフィン２２の高さ方向において隙間が最も狭い箇所における寸法とする。例えば、フィンの厚みが基端（放熱基板側）から先端に向かって薄くなっている場合は基端部における隙間が最も狭くなる。

また、冷却液Ｃはフィン隙間２４にも流れる。前記フィン隙間２４を流れる冷却液Ｃの流速は主流路３６よりも遅いが滞留することはなく上流側（入口孔３２ａ側）から下流側（出口孔３３ａ側）に流れる。さらに、前記フィン隙間２４と主流路３６はフィン２２の先端側で連通しているので、冷却液Ｃは流速の速い主流路３６からフィン隙間２４にも流入する。このように、フィン２２の側面に接触する冷却液Ｃも絶えず入れ替わるので、フィン２２の側面から冷却液Ｃへの伝熱も支障なく行われる。また、仮に異物Ｑが主流路３６に流入せずに上流でフィン隙間２４に詰まったとしても、詰まった箇所を除いて主流路３６からフィン隙間２４に冷却液Ｃが流入する。

以上のとおり、前記液冷式冷却器２０は異物Ｑがフィン隙間２４に詰まり難い構造であり、かつ異物Ｑが詰まっても詰まった箇所を避けて冷却液Ｃが流れる。このため、安定して優れた冷却性能が得られ、異物による圧力損失の上昇も抑制される。また、異物Ｑを通すためにフィン隙間２４の寸法Ｗを拡げる必要がないので、フィンピッチを小さくすることによる高い冷却性能を維持できる。

前記フィン隙間２４の寸法Ｗは０．１ｍｍ〜０．６ｍｍが好ましい。前記寸法Ｗが０．１ｍｍ未満では組立の難度が増してコスト増加につながる。一方、前記寸法Ｗが大きくなるほどフィン数が減り、０．６ｍｍを超えると高い冷却性能を得にくくなる。特に好ましい寸法Ｗは０．２ｍｍ〜０．５ｍｍである。

前記主流路３６の高さＨは０．９ｍｍ〜３ｍｍの範囲が好ましい。前記主流路３６の高さＨが０．９ｍｍ未満では冷却液Ｃを優先的に主流路３６に流通させる効果が小さくなる。一方、前記高さＨが３ｍｍを超えると、冷却液Ｃが主流路３６に抵抗なく流れ過ぎ、その結果フィン隙間２４における流速が低下してフィン２４側面からの伝熱性能が低下するので、冷却性能の向上を見込めない。前記高さＨが０．９ｍｍ〜３ｍｍの範囲に設定されていると主流路３６とフィン隙間２４の流速のバランスが良く、安定して優れた冷却性能が得られる。前記主流路３６の特に好ましい高さＨは０．９ｍｍ〜１．５ｍｍである。
［第２の半導体冷却装置］
図３Ａおよび図３Ｂに示す半導体冷却装置２は、第１の半導体冷却装置１とは液冷式冷却器４０のフィン４２の形状が異なる。フィン４２以外の構成は第１の半導体冷却装置１と共通である。図３Ｂは前記半導体冷却装置２を上面から見て液冷式冷却器４０内を透視し、フィン４２と半導体素子１１の位置関係を示した図である。

前記フィン４２は、前記フィン２２と同形の板状フィンの長さ方向の両端部からそれぞれ中心側に寄った２箇所に、フィン４２の先端から放熱基板２１側に延びるスリット４３ａ、４３ｂを有している。全てのフィン４２は同じ位置にスリット４３ａ、４３ｂを有しており、平面視において各スリット４３ａ、４３ｂは冷却液Ｃの流れを横断する方向に連なっている。

前記主流路３６を流れる冷却液Ｃは前記スリット４３ａ、４３ｂを通じてフィン隙間４４に流れ込み、主流路３６とフィン隙間４４の両方において流れが攪拌される。上流側で異物Ｑが詰まったとしても、詰まった異物Ｑよりも下流側ではこの攪拌によって冷却液Ｃが滞留することなく流れるので、異物Ｑの影響を受けにくくなる。また、冷却液Ｃがスリット４３ａ、４３ｂからスリット隙間４４に流れ込むことによって、スリット４３ａ、４３ｂより下流域の流速が速くなるので、スリットの無い冷却器よりも冷却性能のばらつきが小さくなる。

前記スリット４３ａ、４３ｂの幅Ｓとフィン隙間４４の寸法ＷはＳ≧Ｗの関係を満たしていることが好ましく、十分な攪拌効果が得られる。前記スリット４３ａ、４３ｂの幅Ｓがスリット隙間４４の寸法Ｗよりも小さくなると上述した攪拌効果が小さくなる。スリット４３ａ、４３ｂの幅Ｓが大きくなるほど攪拌効果が大きくなるが、その反面フィン４２の表面積が小さくなるので伝熱性能が低下する。かかる観点より、特に好ましいスリット４３ａ、４３ｂの幅Ｓはスリット隙間Ｗの１．５倍〜２倍である。

また、スリットは１つあれば上記効果が得られるので、スリット数は限定されない。スリットの位置も限定されない。ただし、発熱体である半導体素子に近い位置にスリットを設けるとフィンへの伝熱効率が低下するので、スリットは半導体素子の直下を避けて設けることが好ましい。半導体素子の直下を避けてスリットを設けることによって、伝熱効率の低下を抑制できる。図３Ａおよび図３Ｂの液冷式冷却器２は、半導体素子１１の直下を避けて、半導体素子１１よりも上流側と下流側の2箇所にスリット４３ａ、４３ｂを設けている。また、異物Ｑはフィンの上流側端部に詰まることが多いので、上流側に複数のスリットを設けて異物Ｑに近い領域の攪拌を促進するようにしてもよい。図４の液冷式冷却器５０は、フィン５１の半導体素子１１よりも上流側の２箇所にスリット５２ａを設け、下流側にの１箇所にスリット５２ｂを設けて上流域の攪拌を促進するようにした液冷式冷却器である。また、図５の液冷式冷却器５５は、フィン５６の半導体素子１１直下にスリット５７を設けた液冷式冷却器である。これらの液冷式冷却器も本発明に含まれる。

なお、図示例の液例式冷却器４０は複数のフィン４２は同じ位置にスリット４３ａ、４３ｂを有しているが、一部のフィンにのみスリットが設けられている場合や複数のフィンが異なる位置にスリットを有している場合も本発明に含まれる。
［第３の半導体冷却装置］
図６Ａおよび図６Ｂの半導体冷却装置３は、冷却液Ｃの流れ方向の上流側に２個の半導体素子１１ａ、下流側に２個の半導体素子１１ｂが配置され、合計４個の半導体素子１１ａ、１１ｂが配置されている。４個の半導体素子１１ａ、１１ｂはそれぞれ別個の絶縁基板１０に搭載されている。図６Ｂは前記半導体冷却装置３を上面から見て液冷式冷却器６０内を透視し、フィン６２と半導体素子１１ａ、１１ｂの位置関係を示した図である。

液冷式冷却器６０において、全てのフィン６２は冷却液Ｃの流れ方向の中央にスリット６３を有している。平面視において、各スリット６３は上流側の半導体素子１１ａと下流側の半導体素子１１ｂの間で冷却液Ｃの流れを横断する方向に連なっている。前記スリット６３は半導体素子１１ａ、１１ｂの直下を避けた位置に設けられている。そして、前記スリット３３において主流路３６からフィン隙間６４に流れ込み、主流路３６とフィン隙間６４の両方において流れが攪拌される。上流側で異物Ｑが詰まったとしても、詰まった異物Ｑよりも下流側ではこの攪拌によって冷却液Ｃが滞留することなく流れるので、異物の影響を受けにくくなる。また、冷却液Ｃがスリット６３からスリット隙間６４に流れ込むことによって、スリット６３より下流域の流速が速くなるので、スリットの無い冷却器よりも複数の半導体素子１１ａ、１１ｂに対する冷却性能のばらつきが小さくなる。

また、複数の半導体素子を有する冷却装置においても、スリット６３の幅Ｓとフィン隙間６４の寸法Ｗの好ましい関係は１つ半導体素子を有する冷却装置と同じである（図３Ａ、３Ｂ参照）。

［半導体冷却装置の構成部材の材料］
本発明の半導体冷却装置の構成部材の好ましい材料は以下のとおりである。

絶縁基板１０を構成する材料は、電気絶縁性が優れていることはもとより、熱伝導性が良く放熱性が優れていることが好ましい。かかる点で窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のセラミックを例示できる。また、シリコン樹脂やエポキシ樹脂中に前記セラミックスをフィラーとして混合した複合材料も使用できる。また、絶縁基板１０の厚さは０．２ｍｍ〜３ｍｍの範囲が好ましい。

配線層１２を構成する材料は導電性に優れかつ熱伝導性に優れたものが好ましく、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金が好ましい。これらの中でも特に純アルミニウムが好ましい。また、配線層１２の厚さは０．２ｍｍ〜１ｍｍの範囲が好ましい。また、半導体素子１１は前記配線層１２にろう付、はんだ付、溶着、接着剤等によって接合される。

緩衝層１３を構成する材料および厚みは配線層１２を構成する材料に準じる。前記緩衝層１３は半導体素子１１が発する熱の液冷式冷却器２０、４０、５０、５５、６０への放熱を促す効果がある。また、前記緩衝層１３は必須の層ではなく、絶縁基板１０が直接冷却器２０、４０、５０、５５、６０に接合された半導体冷却装置も本発明に含まれる。

液冷式冷却器２０、４０、５０、５５、６０を構成する材料は、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金などの高熱伝導性材料が好ましい。

本発明は大きな発熱を伴う半導体素子を実装した半導体冷却装置として好適に利用できる。

１、２、３…半導体冷却装置
１０…絶縁基板
１１、１１ａ、１１ｂ…半導体素子
１２…配線層
１３…緩衝層
２０、４０、５０、５５…液冷式冷却器
２１…放熱基板
２２、４２、５１、５６、６２…フィン
２４、４４、６４…フィン隙間
３０…ジャケット
３１…凹部
３５…冷却液流通空間
３６…主流路
４３ａ、４３ｂ、５２ａ、５２ｂ、５７、６３…スリット
Ｈ…主流路の高さ
Ｓ…スリットの幅
Ｑ…異物
Ｃ…冷却液

Claims

絶縁基板の一方の面に配線層を介して半導体素子を搭載する絶縁基板と、
一方の面に複数の板状フィンが所定間隔で立設された放熱基板と、前記フィンを収容する凹部を有し、前記放熱基板の一方の面側に装着されて冷却液流通空間を形成するジャケットを有する液冷式冷却器とを備え、
前記絶縁基板の他方の面側が、前記液冷式冷却器の放熱基板の他方の面に接合又は接着されている半導体冷却装置であり、
前記液冷式冷却器の冷却液流通空間において、前記フィンの先端と前記ジャケットの凹部の底面との間に主流路となる隙間が形成され、前記主流路の高さＨとフィンとフィンの間のフィン隙間の寸法ＷとがＨ＞Ｗの関係を満たしていることを特徴とする半導体冷却装置。
前記フィン隙間の寸法Ｗが０．１ｍｍ〜０．６ｍｍである請求項１に記載の半導体冷却装置。
前記主流路の高さＨが０．９ｍｍ〜３ｍｍである請求項１または２に記載の半導体冷却装置。
前記フィンは先端から放熱基板側に延びる、少なくとも１つのスリットを有する請求項１〜３のうちのいずれかに記載の半導体冷却装置。
前記スリットの幅Ｓとフィン隙間の寸法ＷはＳ≧Ｗの関係を満たしている請求項４に記載の半導体冷却装置。
前記スリットは半導体素子の直下を避けた位置に設けられている請求項４または５に記載の半導体冷却装置。
冷却液の流れ方向において複数の半導体素子を有し、前記スリットが冷却液の流れ方向において半導体素子間に設けられている請求項４〜６のうちのいずれかに記載の半導体冷却装置。