JP3577192B2

JP3577192B2 - 半導体素子用冷却装置

Info

Publication number: JP3577192B2
Application number: JP7495697A
Authority: JP
Inventors: 武志伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2017-03-27
Also published as: JPH10270617A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体素子から発生する熱を外部に伝導し放散するための半導体素子用冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、大電力用の半導体素子として外形が平形状に構成されたものがあり、この種の半導体素子が通電中に発生する熱を効率よく放散させるべく、使用時に半導体素子の平坦な放熱面部が圧接状態とされる水冷方式の冷却装置があった。
【０００３】
例えば、図８ないし図１０に示される如く、この種の冷却装置１として、冷却ブロック本体３と、該冷却ブロック本体３の下面側に接合された蓋ブロック４とを備えた直方体形状に構成されたものがあった。そして、これら冷却ブロック本体３や蓋ブロック４の材質としては熱伝導性の観点から通常、銅材が使用されている。
【０００４】
前記冷却ブロック本体３には、その下面側に適宜数の冷却フィン部５を構成すべく、適宜深さの溝部６が縦横に形成されており、また、前記蓋ブロック４は冷却ブロック本体３に対応する矩形の平板状に形成されていた。
【０００５】
そして、溝部６開口側を閉塞状として、冷却ブロック本体３の下面側に蓋ブロック４がろう付けされており、冷却ブロック本体３下面と蓋ブロック４上面とが液密状にシールされた接合構造とされていた。
【０００６】
ここに、溝部６は冷却ブロック本体３および蓋ブロック４を冷却するための冷却水を案内する水路を構成する。
【０００７】
また、冷却ブロック本体３の一側面に、前記溝部６に連通する流入管７が接続されると共に、冷却ブロック本体３の他側面に、溝部６に連通する排出管８が接続されており、冷却水が一側の流入管７を通じて溝部６に案内され、他側の排出管８より排出されるように構成されている。
【０００８】
そして、図９に示される如く、冷却ブロック本体３上面の平坦な圧接平面９に、仮想線で示される半導体素子１０の平坦な放熱面部を圧接した状態で所定位置にバネ材等を介してボルト止め等により固定することによって、放熱面部が圧接平面９に所定の加圧力により圧接された状態で保持される。この状態で、冷却装置１の溝部６に冷却水を流し、半導体素子１０に通電されれば、通電中に発生する熱は、放熱面部から冷却ブロック本体３や蓋ブロック４側に伝導され、冷却水を通じて外部に放熱される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来構造の冷却装置１によれば、図１０に示される如く、冷却ブロック本体３の下面側と蓋ブロック４上面側とをろう付けにより接合する方法であり、また、この種のろう付けに際して、一般に銀ろう等のろう材が用いられている。
【００１０】
従って、このろう付け時におけるろう材の溶融温度は８００〜９００゜Ｃ程度となり、この熱が銅製の冷却ブロック本体３と蓋ブロック４に伝わり、その材料となっている銅の軟化によって変形が生じるおそれがあった。
【００１１】
そして、冷却装置１の使用時においては、冷却装置１の圧接平面９には半導体素子１０の放熱面部が加圧状態で当接されており、冷却ブロック本体３および蓋ブロック４を介して蓋ブロック４下面との間に垂直方向の荷重が付与されることとなる。
【００１２】
この付与される荷重は４．５ｋＮ〜１１８ｋＮにもなり、前記ろう付け時における銅の軟化によって冷却ブロック本体３や蓋ブロック４に変形が生じている場合、この荷重によって銅製である冷却ブロック本体３の圧接平面９や蓋ブロック４の下面の平坦状態が変形し、この変形によって圧接平面９に圧接されている半導体素子１０の放熱面部に不均一の力が作用し、放熱面部における圧力分布が不均一になるという事態を招いていた。
【００１３】
そして、この放熱面部における不均一な圧力分布は半導体素子１０の電気的特性を不安定にさせるおそれがあった。また、半導体素子１０の通電中に発生する熱が圧接平面９を介して冷却ブロック本体３側に十分に熱が伝わらない部分が生じ、そのために熱が半導体素子１０内の一部に集中し、この熱によって半導体素子１０が破壊されるというおそれもあった。
【００１４】
そこで、この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、半導体素子が均一に圧接されて効率のよい冷却機能が発揮でき、半導体素子の電気的特性の安定化や信頼度の向上が図れる半導体素子用冷却装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係る課題解決手段は、互いに接合された接合面部分に冷却流体用の流路を形成してなる第１の冷却ブロックと第２の冷却ブロックとを備え、半導体素子が通電中に発生する熱を外部に放散させるべく半導体素子が圧接状態とされる圧接平面を、第１の冷却ブロックもしくは第２の冷却ブロックの前記接合面部分と反対側の面に有してなる半導体素子用冷却装置において、前記第１の冷却ブロックもしくは第２の冷却ブロックのいずれか一方側の前記接合面外周部に、周方向に沿って連続する凹溝部が設けられると共に、他方側の前記接合面外周部に、前記凹溝部に液密状に嵌合装着される周方向に沿って連続する突条部が設けられてなる点にある。
【００１６】
この発明の請求項２に係る課題解決手段は、前記第１の冷却ブロックと前記第２の冷却ブロックとが、互いに硬度の異なる材料よりなると共に、前記突条部の突出高さが前記凹溝部の溝深さより長く形成されてなる点にある。
【００１７】
この発明の請求項３に係る課題解決手段は、前記凹溝部側と前記突条部とが互いに硬度の異なる材料よりなると共に、前記突条部の突出高さが前記凹溝部の溝深さより長く形成されてなる点にある。
【００１８】
この発明の請求項４に係る課題解決手段は、前記凹溝部にシール材を介在させて、前記突条部を嵌合装着してなる点にある。
【００１９】
この発明の請求項５に係る課題解決手段は、前記突条部が突出方向に漸次肉厚となる逆テーパ状もしくは突出端に外方弧状に膨出する膨出部を有する形状とされ、前記凹溝部が前記突条部に対応する内部で拡開する溝形状とされてなる点にある。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１を図面に基づいて説明すると、図１ないし図４において、２０は冷却装置で、第１の冷却ブロックとしての銅製の冷却ブロック本体２２と、第２の冷却ブロックとしての銅製の蓋ブロック２３とから主構成されている。また、本実施の形態においては、冷却ブロック本体２２と蓋ブロック２３とは異なる種類の銅材が使用され、冷却ブロック本体２２の方が蓋ブロック２３の方より硬度が高い銅材が使用されている。
【００２１】
前記冷却ブロック本体２２は、平面視矩形の直方体形状に構成され、その下面側に適宜深さの溝部２４が縦横に形成され、該溝部２４によって溝部２４間に複数の冷却フィン部２５が下方突出状に備えられた構造とされている。さらに、溝部２４外方に位置する冷却ブロック本体２２下面外周部には、周方向に沿って連続する環状の凹溝部２６が形成されている。また、凹溝部２６は図２ないし図４に示される如く、下半部、即ち溝開口側近くで幅狭とされ、上半部、即ち溝底部側で弧状に膨出する幅広とされた内部で拡開する溝形状とされている。
【００２２】
前記蓋ブロック２３は冷却ブロック本体２２に対応する平面視矩形の平板状に形成されており、冷却ブロック本体２２の凹溝部２６に対応する蓋ブロック２３上面側の外周部には、周方向に沿って連続する環状の突条部２７が形成されている。また、突条部２７は図３および図４に示される如く、下半部、即ち基部側近くで幅狭とされ、上半部、即ち突出端部側で外方弧状に膨出する膨出部２７ａを有する幅広とされたいわゆる突出側で肉厚となる形状とされている。
【００２３】
なお、膨出部２７ａの肉厚は凹溝部２６における溝底部側の溝幅よりも若干狭く構成されており、また、突条部２７の突出高さＨは凹溝部２６の溝深さＬよりも僅かに長く形成されている。
【００２４】
そして、蓋ブロック２３の突条部２７を冷却ブロック本体２２の凹溝部２６内に挿入し、図４に示される挿入状態でさらに上下方向からプレス機等により圧縮荷重を加えることにより、硬度の低い蓋ブロック２３側の突条部２７先端部等が潰されて幅方向に広がる。この突条部２７先端部の幅方向の広がりによって凹溝部２６内の隙間部が埋められ、図２に示される如く、凹溝部２６内に突条部２７が隙間無く嵌合された状態が得られ、ここに、冷却ブロック本体２２下面側と蓋ブロック２３上面側とが液密状にシールされた接合状態が得られる。
【００２５】
なお、この接合状態において、接合面を構成する冷却ブロック本体２２下面側、即ち冷却ブロック本体２２下面周縁部および各冷却フィン部２５下面と、蓋ブロック２３上面側とが互いに密接するように、凹溝部２６の溝深さＬおよび突条部２７の突出高さＨ等が適宜設定されている。
【００２６】
また、冷却ブロック本体２２の一側面に、前記溝部２４に連通する流入管２９が接続されると共に、冷却ブロック本体２２の他側面に、溝部２４に連通する排出管３０が接続されており、冷却流体の一例としての冷却水が一側の流入管２９を通じて溝部２４に案内され、溝部２４内を通じて他側の排出管３０より排出されるように構成されている。ここに、溝部２４は冷却水を案内する流路としての水路を構成する。
【００２７】
そして、図２に示される如く、冷却ブロック本体２２上面の平坦な圧接平面３２に、従来同様、仮想線で示される半導体素子３４の平坦な放熱面部を圧接した状態で所定位置にバネ材等を介してボルト止め等により固定することによって、放熱面部が圧接平面３２に所定の加圧力により圧接された状態で保持される。この状態で、流入管２９側より冷却装置２０の溝部２４内に冷却水を流し、半導体素子３４に通電されれば、通電中に発生する熱は、放熱面部から圧接平面３２を通じて冷却ブロック本体３や蓋ブロック４側に伝導され、冷却水を通じて外部に放熱される。
【００２８】
以上のように、本実施の形態によれば、冷却ブロック本体２２と蓋ブロック２３との接合が、凹溝部２６内に突条部２７を挿入して、加圧し、液密状に接合する構造であり、従来のようなろう付け時における熱による冷却ブロック本体２２や蓋ブロック２３自体の軟化が防止でき、ここに材質の軟化による変形が有効に防止できる。
【００２９】
そして、冷却ブロック本体２２の圧接平面３２に半導体素子３４の放熱面部が圧接されて、冷却ブロック本体２２および蓋ブロック２３を介して圧接平面３２と蓋ブロック２３下面との間に垂直方向の荷重が付与された場合であっても、圧接平面３２や蓋ブロック２３下面の変形が防止でき、それらの面の平坦状態が維持できる。ここに、圧接平面３２に圧接されている半導体素子３４の放熱面部には均一な荷重が作用し、放熱面部における面内の圧力分布が均一となる。
【００３０】
従って、半導体素子３４の電気的特性が安定し、また通電中に半導体素子３４から発生する熱は圧接平面３２を介して冷却ブロック本体２２側に均一に伝わり、効率のよい冷却機能が発揮でき、半導体素子３４内の一部に熱が集中することもなくなり、熱の集中による半導体素子３４の破損も有効に防止できる。ここに、品質的にもより安定し、通電能力の向上した信頼度の高い半導体装置を提供できることとなる。
【００３１】
また、蓋ブロック２３側を冷却ブロック本体２２側より硬度の低い銅材で形成しているため、突条部２７と凹溝部２６との嵌合装着時に突条部２７側が容易に潰れて変形し、目的とする良好な液密状態を容易に得ることができ、さらに、凹溝部２６は内部で拡開する溝形状であり、凹溝部２６からの突条部２７の不用意な離脱も有効に防止できる。
【００３２】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２を図５および図６に基づいて説明する。なお、実施の形態１と同様構成部分は同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３３】
この実施の形態においては、予め、冷却ブロック本体２２の凹溝部２６における溝底部に沿って所定量のシール材３６が装着された状態で、蓋ブロック２３の突条部２７を冷却ブロック本体２２の凹溝部２６内に挿入し、前記実施の形態１と同様、上下方向から加圧することにより、硬度の低い蓋ブロック２３側の突条部２７先端部等が潰されて幅方向に広がり、この突条部２７先端部の幅方向の広がりとシール材３６の広がりによって凹溝部２６内の隙間部が埋められ、図６に示される如く、凹溝部２６内に突条部２７が嵌合された状態が得られ、ここに、冷却ブロック本体２２下面側と蓋ブロック２３上面側とが液密状にシールされた接合状態が得られる。
【００３４】
なお、この接合状態においても、冷却ブロック本体２２下面側、即ち冷却ブロック本体２２下面周縁部および各冷却フィン部２５下面と、蓋ブロック２３上面側とが密接するように、凹溝部２６の溝深さＬおよび突条部２７の突出高さＨ等が適宜設定されている。
【００３５】
また、冷却ブロック本体２２の一側面に、前記溝部２４に連通する流入管２９が接続されると共に、冷却ブロック本体２２の他側面に、溝部２４に連通する排出管３０が接続され、冷却流体の一例としての冷却水が一側の流入管２９を通じて溝部２４に案内され、溝部２４内を通じて他側の排出管３０より排出されるように構成される。
【００３６】
本実施の形態によっても、冷却ブロック本体２２や蓋ブロック２３の前記軟化による変形が防止でき、実施の形態１と同様の効果が得られる。また、冷却ブロック本体２２と蓋ブロック２３との接合に際して、シール材３６を介在させる方式であり、接合部分における凹溝部２６側と突条部２７側とのより高い密着性が得られ、より高いシール効果が得られる。
【００３７】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３を図７に基づいて説明する。なお、実施の形態１と同様構成部分は同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３８】
この実施の形態においては、蓋ブロック２３の突条部２７が突出方向に漸次肉厚となる逆テーパ状に形成され、対応する冷却ブロック本体２２側の凹溝部２６は溝底部方向に漸次拡開する溝形状に形成されている。
【００３９】
そして、蓋ブロック２３の突条部２７を冷却ブロック本体２２の凹溝部２６内に挿入し、前期実施の形態１と同様、上下方向から加圧することにより、硬度の低い蓋ブロック２３側の突条部２７先端部等が潰されて幅方向に広がり、この突条部２７先端部の幅方向の広がりによって凹溝部２６内の隙間部が埋められ、凹溝部２６内に突条部２７が隙間無く嵌合された状態が得られる。ここに、冷却ブロック本体２２下面側と蓋ブロック２３上面側とが液密状にシールされた接合状態が得られる。
【００４０】
なお、この接合状態においても、冷却ブロック本体２２下面側、即ち冷却ブロック本体２２下面周縁部および各冷却フィン部２５下面と、蓋ブロック２３上面側とが密接するように、凹溝部２６の溝深さＬおよび突条部２７の突出高さＨ等が適宜設定されている。
【００４１】
また、冷却ブロック本体２２の一側面に、前記溝部２４に連通する流入管２９が接続されると共に、冷却ブロック本体２２の他側面に、溝部２４に連通する排出管３０が接続され、冷却流体の一例としての冷却水が一側の流入管２９を通じて溝部２４に案内され、溝部２４内を通じて他側の排出管３０より排出されるように構成される。
【００４２】
本実施の形態によっても、冷却ブロック本体２２や蓋ブロック２３の前記軟化による変形が防止でき、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００４３】
なお、上記各実施の形態において、蓋ブロック２３に突条部２７が一体に具備された構造を示しているが、蓋ブロック２３を冷却ブロック本体２２と同じ銅材で構成し、蓋ブロック２３の上面外周部に、該蓋ブロック２３の銅材より硬度の低い別の種類の銅材で構成された突条部２７を別途、装着した構造であってもよい。さらには、冷却ブロック本体２２側と蓋ブロック２３側とを同じ銅材で構成し、突条部２７側が変形容易な薄肉状に形成し、凹溝部２６を構成する周囲の冷却ブロック本体２２側をより厚肉状に構成してもよい。
【００４４】
また、冷却ブロック本体２２側に凹溝部２６を設け、蓋ブロック２３側に突条部２７を設けた構造を示しているが、冷却ブロック本体２２側に突条部２７を設け、蓋ブロック２３側に凹溝部２６を設ける構造としてもよい。さらには、凹溝部２６や突条部２７の形状も上記各実施の形態に限られず、良好な接合状態が確保できる形状であればよい。
【００４５】
さらに、冷却ブロック本体２２や蓋ブロック２３が銅材で構成されたものを例示しているが、銅材に限らず、熱伝導性に優れるその他の金属等で冷却ブロック本体２２や蓋ブロック２３を形成してもよい。
【００４６】
また、流入管２９や排出管３０の接続位置も各実施の形態に示されるような冷却ブロック本体２２の側面に限られず、支障のない位置に適宜接続すればよい。
【００４７】
【発明の効果】
この発明における請求項１に係る半導体素子用冷却装置によれば、第１の冷却ブロックもしくは第２の冷却ブロックのいずれか一方側の接合面外周部に、周方向に沿って連続する凹溝部が設けられると共に、他方側の接合面外周部に、前記凹溝部に液密状に嵌合装着される周方向に沿って連続する突条部が設けられてなるものであり、従来のようなろう付けが不要となるため、ろう材の溶融による熱の影響が皆無となり、各冷却ブロックの熱による軟化が防止できて変形が有効に防止でき、半導体素子が圧接状態で使用される場合においても、均一な圧力分布状態が有効に確保でき、電気的特性が安定する利点がある。また、半導体素子の通電中に発生する熱は各冷却ブロックを通じて一部に集中することなく均一に伝導、放散されるので品質的にもより安定し、信頼度も高い半導体素子を提供できるという利点がある。
【００４８】
この発明における請求項２に係る半導体素子用冷却装置によれば、第１の冷却ブロックと第２の冷却ブロックとが、互いに硬度の異なる材料よりなると共に、突条部の突出高さが凹溝部の溝深さより長く形成されてなるものであり、突条部と凹溝部との嵌合装着時に硬度の低い側が容易に潰れて変形し、良好な液密状態が容易に得られるという利点がある。
【００４９】
この発明における請求項３に係る半導体素子用冷却装置によれば、凹溝部側と突条部とが互いに硬度の異なる材料よりなると共に、突条部の突出高さが凹溝部の溝深さより長く形成されてなるものであり、この場合にも突条部と凹溝部との嵌合装着時に硬度の低い側が容易に潰れて変形し、良好な液密状態が容易に得られるという利点がある。
【００５０】
この発明における請求項４に係る半導体素子用冷却装置によれば、凹溝部にシール材を介在させて、突条部を嵌合装着してなるものであり、接合部分における凹溝部側と突条部側とのより高い密着性が得られ、より高いシール効果が得られるという利点がある。
【００５１】
この発明における請求項５に係る半導体素子用冷却装置によれば、突条部が突出方向に漸次肉厚となる逆テーパ状もしくは突出端に外方弧状に膨出する膨出部を有する形状とされ、凹溝部が前記突条部に対応する内部で拡開する溝形状とされてなるものであり、凹溝部と突条部との液密状の嵌合装着状態において、不用意な離脱が有効に防止できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における平面図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面矢視図である。
【図３】本発明の実施の形態１における製造工程説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１における製造工程説明図である。
【図５】本発明の実施の形態２における製造工程説明図である。
【図６】本発明の実施の形態２における製造工程説明図である。
【図７】本発明の実施の形態３における製造工程説明図である。
【図８】従来例を示す平面図である。
【図９】図８におけるＩＸ−ＩＸ線断面矢視図である。
【図１０】従来例における製造工程説明図である。
【符号の説明】
２０冷却装置、２２冷却ブロック本体、２３蓋ブロック、２４溝部、２５冷却フィン部、２６凹溝部、２７突条部、３２圧接平面、３４半導体素子、３６シール材。

Claims

互いに接合された接合面部分に冷却流体用の流路を形成してなる第１の冷却ブロックと第２の冷却ブロックとを備え、半導体素子が通電中に発生する熱を外部に放散させるべく半導体素子が圧接状態とされる圧接平面を、第１の冷却ブロックもしくは第２の冷却ブロックの前記接合面部分と反対側の面に有してなる半導体素子用冷却装置において、
前記第１の冷却ブロックもしくは第２の冷却ブロックのいずれか一方側の前記接合面外周部に、周方向に沿って連続する凹溝部が設けられると共に、他方側の前記接合面外周部に、前記凹溝部に液密状に嵌合装着される周方向に沿って連続する突条部が設けられてなることを特徴とする半導体素子用冷却装置。
前記第１の冷却ブロックと前記第２の冷却ブロックとが、互いに硬度の異なる材料よりなると共に、前記突条部の突出高さが前記凹溝部の溝深さより長く形成されてなることを特徴とする請求項１記載の半導体素子用冷却装置。
前記凹溝部側と前記突条部とが互いに硬度の異なる材料よりなると共に、前記突条部の突出高さが前記凹溝部の溝深さより長く形成されてなることを特徴とする請求項１記載の半導体素子用冷却装置。
前記凹溝部にシール材を介在させて、前記突条部を嵌合装着してなることを特徴とする請求項１、２または３記載の半導体素子用冷却装置。
前記突条部が突出方向に漸次肉厚となる逆テーパ状もしくは突出端に外方弧状に膨出する膨出部を有する形状とされ、前記凹溝部が前記突条部に対応する内部で拡開する溝形状とされてなることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の半導体素子用冷却装置。