JP2856729B2 - 平型半導体素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平型半導体素子に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、大容量の平型半導体素子の放熱に
は、図７に示すように半導体素子１の両側から圧接した
フィン２を受熱部とするヒートパイプ３を用いる方式
や、図８に示すように密閉容器４と凝縮器５を蒸気管６
と戻り管７で接続し、密閉容器４の内部に冷媒８と両側
からフィン２を圧接した平型半導体素子１を収容する沸
騰冷却方式があるが、冷却効率の面で沸騰冷却方式が優
れており、多く採用されていた。

【０００３】この沸騰冷却方式については、実願昭５３
−１４９２７１号（実開昭５５−６５８６４号）のマイ
クロフィルムなどに記載される方式がある。同マイクロ
フィルムの第４図には、平型素子の沸騰冷却式タンクの
構成図が示されており、タンク３１内部に平型素子１５
とその両面に取り付けた冷却フィン１８が収納され、冷
媒１６が封入されている。タンク３１は蒸気管１３と液
管１４により凝縮部１２と連結されている。このような
構成により、平型素子１５の発熱は冷却フィン１８に伝
えられ、タンク３１内部の冷媒１６と熱交換して冷却さ
れ、熱を受けた冷媒１６は沸騰して蒸気管１３を上昇
し、凝縮部１２で大気に熱を放散して凝縮し、液管１４
を通って再びタンク３１に戻る動作を行う。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た沸騰冷却方式には、次のような問題点があった。

【０００５】（１）半導体素子の内部には、熱伝導に対
する抵抗があり、大容量の場合内部の温度勾配が大き
く、冷却上の限界がある。

【０００６】（２）上記（１）項のため冷媒の温度を下
げる必要があり、凝縮器が大型化する。

【０００７】（３）上記（２）項のため沸騰熱伝達率が
低下する。

【０００８】（４）冷却部が大きくなるため、圧力容器
の構造上、高圧の冷媒を使用できない。

【０００９】（５）以上の問題点があるため、冷却器を
大きくしても、大容量の半導体素子の能力を１００％使
用することができない。

【００１０】そこで本発明は、上述した問題点を解決す
るためになされたもので、平型半導体素子内部に直接冷
媒を封入し、平形半導体素子を構成している一部品であ
る外囲器の圧接ブロックを半導体ペレットへの通電と半
導体ペレットの冷却に寄与すものとして使うことで冷却
効率を上げ、大容量の半導体素子の能力をフルに生かす
ことのできる平型半導体素子を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために、請求項１に記載の発明は、複数の貫通孔が形成
され、半導体ペレットを両側から圧接し、前記半導体ペ
レットとの接触面が前記半導体ペレットから発生する熱
を受け、非接触面から前記半導体ペレットに通電する圧
接ブロックを有する前記半導体ペレットを収納した外囲
器と、この外囲器に設けられ、外部と連通する管と、前
記外囲器内部に封入され、沸騰・凝縮の相変化を行う冷
媒とから構成される。

【００１２】また請求項２に記載の発明は、半導体ペレ
ットを両側から圧接し、前記半導体ペレットとの接触面
が前記半導体ペレットから発生する熱を受け、非接触面
の内前記接触面と対向する面から前記半導体ペレットに
通電し、その他の少なくとも１つの非接触面に凹凸部が
形成された圧接ブロックを有する前記半導体ペレットを
収納した外囲器と、この外囲器に設けられ、外部と連通
する管と、前記外囲器内部に封入され、沸騰・凝縮の相
変化を行う冷媒とをから構成される。

【００１３】上述した構成により、請求項１又は請求項
２の発明では、半導体ペレットは外囲器の圧接ブロック
を介して通電されると発熱するが、この熱が外囲器の圧
接部材に伝達し外囲器の内部に封入している冷媒を沸騰
させる。圧接部材は、複数の貫通孔又は凹凸部が形成さ
れるので、表面積が大きくなり冷却能力の向上を図るこ
とができる。発生した蒸気は外部と連通する管を介して
別に設けられた熱交換器に送られ液化し、液化した冷媒
は外部と連通する管を介して外囲器に戻される。この一
連の作用により半導体ペレットが直接冷却される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。

【００１５】図１は、請求項１又は請求項２に記載の発
明の共通的な実施の形態を示す平型半導体素子の正面
図、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。

【００１６】半導体ペレット１０は、その両面が、金属
材（例えばＷ，Ｍｏ，Ｃｕ）から形成された緩衝板１１
で覆われ、端部には絶縁ブロック１２が備えられてい
る。緩衝板１１により耐冷媒性を高くし、絶縁ブロック
１２によりアノードとカソードの絶縁を強化している。
そしてこのように構成される半導体ペレット１０は、外
囲器１３を構成する圧接ブロックである銅ブロック１
４，１４で両側から押え付けられている。

【００１７】外囲器１３は、円板状をなし半導体ペレッ
ト１０を両側から押え付ける一対の銅ブロック１４，１
４と、セラミックで環状に形成され、半導体ペレット１
０の外形より内径を大きくした絶縁部１５と、薄いステ
ンレス材で形成され、絶縁部１５のそれぞれの側面とは
外周に設けた折曲部で気密に接合し、銅ブロック１４と
は中央に設けた開口部で気密に接合し、かつ外周に近い
位置に環状の溝１６ａを設け、対向した状態に配置され
る一対のバッファ部１６，１６で構成され、内側に空間
部を形成し、低沸点冷媒（例えば住友３Ｍ社の商品名フ
ロリナート）１７を封入している。

【００１８】一方、絶縁部１５には、使用状態で上側と
なる位置に冷媒１７が沸騰したときに蒸気を凝縮器であ
る熱交換器（図示しない）に導く蒸気管１８と、反対側
の位置に熱交換器で液化した冷媒１７の戻り管１９を接
続する。

【００１９】以上のように構成することにより、半導体
素子内部に直接冷媒１７を封入でき、銅ブロック１４は
内側が冷却フィンとして作用し、外側が導電および圧接
に使用され、またバッファ部１６は環状の溝１６ａによ
り銅ブロック１４が加圧されたときにも過大な応力を発
生することがない。

【００２０】次に、以上のように構成された実施の形態
の作用を説明する。まず、半導体ペレット１０は、外部
から銅ブロック１４，１４が図２の矢印方向の荷重を受
けると、外囲器１３のバッファ部１６の変形により適切
な値に加圧、圧接される。次に銅ブロック１４，１４を
介して通電すると、半導体ペレット１０が発熱し、この
熱が銅ブロック１４，１４へ伝導する。そこで、銅ブロ
ック１４の表面（外周）に接している冷媒１７が沸騰し
気化する。気化した蒸気は、外囲器１３の蒸気管１８か
ら熱交換器（上部に設けられるが図示しない）へ送ら
れ、液化した後戻り管１９から戻る。つまり、半導体ペ
レット１０は、この冷却系により直接冷却することがで
きる。

【００２１】このように本実施の形態では、半導体素子
の一部を構成する銅ブロック１４を冷却フィンとし、半
導体素子内部に直接冷媒を封入するように半導体素子そ
のものを構成したので、半導体ペレット１０と冷媒１７
との温度差（熱抵抗）を小さくでき、冷却効率を大幅に
改善することができる。また、冷却フィンが半導体素子
の一部分であることから、半導体素子と冷却フィンとの
接触熱抵抗を無くすことができ、冷却器が一体化してい
るため構成を簡単にすることができる。このように熱伝
導に対する抵抗を無くすことができるため、凝縮部（熱
交換器）側では内部の冷媒温度を高く設定できることか
ら、外気との温度差が大きく凝縮部の性能が改善されて
小型軽量化が可能となる。また、半導体ペレット１０を
直接沸騰冷却するため応答性が良く、半導体素子内部の
温度上昇を低減でき、許容温度に対し余裕を大きく取れ
ピークロスを強くでき信頼性向上が図れる。さらに、半
導体素子の内容積が小さく冷媒量も少ないため圧力容器
にならず、外部圧接型のため内圧に強い構成となる。な
お、外囲器１３を外部から冷却するようにすれば、さら
に冷却能率を向上することができる。

【００２２】図３は請求項１に記載の発明の要部を示す
断面図で、図４は図３のＡ−Ａ断面図である。銅ブロッ
ク１４には上下方向に沿って貫通孔２０が形成され、こ
れにより銅ブロック１４の表面積を大きくすることがで
き冷却能力を向上することができる。

【００２３】また図５は、請求項２に記載の発明の要部
を示す断面図である。銅ブロック１４の外周（ただし、
バッファ部１６が接合される部分は除く）には凹凸部で
あるヒダ２１が形成され、これにより、銅ブロック１４
の表面積を大きくすることができ冷却能力を向上するこ
とができる。

【００２４】図６は、請求項１又は請求項２に記載の発
明の共通的な他の実施の形態の要部を示す断面図であ
る。この実施の形態は、絶縁部２２を２個用い上記した
図１乃至図５に示した各実施の形態の絶縁部１５より外
形、内径共小さい環状として内周を直接銅ブロック１４
と気密に接合し、バッファ部２３には外周に近い位置に
環状の溝２３ａを設け、外周の折曲部に蒸気管１８と戻
り管（図示しない）を接続したものである。この実施の
形態によれば、半導体素子の一部を構成する銅ブロック
１４を冷却フィンとし、半導体素子内部に直接冷媒を封
入するように半導体素子そのものを構成したので、半導
体ペレット１０と冷媒１７との温度差（熱抵抗）を小さ
くでき、冷却効率を大幅に改善することができる。ま
た、冷却フィンが半導体素子の一部分であることから、
半導体素子と冷却フィンとの接触熱抵抗を無くすことが
でき、冷却器が一体化しているため構成を簡単にするこ
とができる。このように熱伝導に対する抵抗を無くすこ
とができるため、凝縮部（熱交換器）側では内部の冷媒
温度を高く設定できることから、外気との温度差が大き
く凝縮部の性能が改善されて小型軽量化が可能となる。
また、半導体ペレット１０を直接沸騰冷却するため応答
性が良く、半導体素子内部の温度上昇を低減でき、許容
温度に対し余裕を大きく取れピークロスを強くでき信頼
性向上が図れる。さらに、半導体素子の内容積が小さく
冷媒量も少ないため圧力容器にならず、外部圧接型のた
め内圧に強い構成となる。なお、外囲器１３を外部から
冷却するようにすれば、さらに冷却能率を向上すること
ができる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１又は請求
項２に記載の発明によれば、平型半導体素子内部に直接
冷媒を封入し、平形半導体素子を構成している一部品で
ある外囲器の圧接ブロックを半導体ペレットへの通電と
半導体ペレットの冷却に寄与すものとして使うことで冷
却効率を上げ、大容量の半導体素子の能力をフルに生か
すことのできる平型半導体素子を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１又は請求項２に記載の発明の共通的な
実施の形態を示す平型半導体素子の正面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】請求項１に記載の発明の要部を示す断面図であ
る。

【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。

【図５】請求項２に記載の発明の要部を示す断面図であ
る。

【図６】請求項１又は請求項２に記載の発明の共通的な
他の実施の形態の要部を示す断面図である。

【図７】ヒートパイプを用いた従来の冷却構造を示す図
である。

【図８】沸騰冷却方式による従来の冷却構造を示す図で
ある。

【符号の説明】

１０…半導体ペレット １３…外囲器 １４…銅ブロック １５…絶縁部 １６…バッファ部 １７…冷媒 １８…蒸気管 １９…戻り管 ２０…貫通孔 ２１…ヒダ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の貫通孔が形成され、半導体ペレッ
   トを両側から圧接し、前記半導体ペレットとの接触面が
   前記半導体ペレットから発生する熱を受け、非接触面か
   ら前記半導体ペレットに通電する圧接ブロックを有する
   前記半導体ペレットを収納した外囲器と、 この外囲器に設けられ、外部と連通する管と、 前記外囲器内部に封入され、沸騰・凝縮の相変化を行う
   冷媒とからなる平型半導体素子。
2. 【請求項２】 半導体ペレットを両側から圧接し、前記
   半導体ペレットとの接触面が前記半導体ペレットから発
   生する熱を受け、非接触面の内前記接触面と対向する面
   から前記半導体ペレットに通電し、その他の少なくとも
   １つの非接触面に凹凸部が形成された圧接ブロックを有
   する前記半導体ペレットを収納した外囲器と、 この外囲器に設けられ、外部と連通する管と、 前記外囲器内部に封入され、沸騰・凝縮の相変化を行う
   冷媒とからなる平型半導体素子。