JP5869399B2

JP5869399B2 - 流路部材およびこれを用いた熱交換器ならびに半導体装置

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Publication number: JP5869399B2
Application number: JP2012076847A
Authority: JP
Inventors: 阿部　裕一; 裕一阿部
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: JP2013207200A

Description

本発明は、流路部材およびこれを用いた熱交換器ならびに半導体装置に関する。

近年、ハイブリッド自動車や電気自動車の急速な普及に伴い、インバータ装置や、交流−直流電力変換装置などのパワーモジュールと呼ばれる半導体装置が多く用いられようになってきている。

そして、このような半導体装置は、車載用に限らず、多くは大電流のスイッチングを繰り返し高温となるため、半導体素子の機能を低下させないためには強制的な冷却が必要とされる。

特許文献１には、半導体部品が実装される回路基板を有するセラミック回路基板において、半導体部品が実装される回路基板に冷媒流路となる空隙部が形成されたことが開示されている。

特開2002-329938号公報

しかしながら、特許文献１の回路基板は、全体が同一のセラミックからなることから、半導体部品が実装される場所の熱による影響を受けやすい。そのため、回路基板全体の温度が上昇し易く、電子部品による熱と流体との間での熱交換効率が低下しやすいという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するために案出されたものであり、熱交換効率の低下を抑制し、流路部材の熱の影響を抑制した流路部材およびこれを用いた熱交換器ならびに半導体装置を提供することを目的とするものである。

本発明の流路部材は、蓋体部と非可撓性材料からなる側壁部と可撓性材料である樹脂材料からなる底板部とを備え、前記蓋体部と前記側壁部と前記底板部とで内部に流体が流れる流路を構成してなり、前記蓋体部および前記側壁部の熱伝導率が、前記底板部の熱伝導率よりも高いことを特徴とするものである。
また、蓋体部とセラミックスの積層体からなる側壁部と底板部とを備え、
前記蓋体部と前記側壁部と前記底板部とで内部に流体が流れる流路を構成してなり、前記蓋体部および前記側壁部の熱伝導率が、前記底板部の熱伝導率よりも高いことを特徴とするものである。

また、本発明の熱交換器は、上記構成の流路部材と、前記流路部材の前記蓋体部上に設けられた金属部材とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の半導体装置は、上記構成の熱交換器の前記金属部材上に半導体素子が設けられていることを特徴とするものである。

本発明の流路部材によれば、流路部材の蓋体部に電子部品を実装した場合には、蓋体部が受けた熱が効率良く側壁部に伝熱され、蓋体部と側壁部とで流体との熱交換ができるので、流体との熱交換効率の低下を抑制することができる。

また、本発明の熱交換器は、上記構成の流路部材と、前記流路部材の前記蓋体部上に設けられた金属部材とを備えることから、蓋体部と側壁部とで金属部材との熱交換を効率良く行なうことができ、熱交換効率の高い熱交換器とすることができる。

また、本発明の半導体装置は、上記構成の熱交換器の前記金属部材上に半導体素子が設けられていることから、シンプルな構造で半導体素子の温度上昇の抑制が可能な半導体装置とすることができる。

本実施形態の流路部材の一例を示す、（ａ）は流路部材の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線の部分断面図である。本実施形態の流路部材の他の一例を示し、（ａ）〜（ｃ）は、図１（ｂ）の破線で囲んだＣ部に相当する部分を拡大した部分断面図である。本実施形態の流路部材のさらに他の一例を示す、（ａ）は流路部材の斜視図であり、（ｂ）は積層体の側壁部を分解した平面図である。図４は本実施形態の流路部材のさらに他の一例を示し、（ａ）は流路部材を構成する蓋体部、側壁部および底板部をねじで締結した状態の側面図であり、（ｂ）は、かしめ部材で締結した状態の側面図である。本実施形態の熱交換器の一例を示す、流路部材の蓋体部上に金属部材を設けてなる熱交換器の斜視図である。本実施形態の半導体装置の一例を示す、熱交換器の金属部材上に半導体素子を設けてなる半導体装置の斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

本発明の流路部材の実施の形態の一例を、図１を用いて説明する。

図１は、本実施形態の流路部材の一例を示す、（ａ）は流路部材の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線の部分断面図である。なお、図１においては内部に複数の流路を有する流路部材を示している。

図１（ａ）（ｂ）に示すように、本実施形態の流路部材１は、蓋体部２と側壁部３と底板部４とを備え、この蓋体部２と側壁部３と底板部４とで、内部に気体または液体などの流体を流すための流路５が構成されている。

そして、本実施形態の流路部材１によれば、蓋体部２および側壁部３の熱伝導率が、底板部４よりも高いことから、例えば、流路部材１の蓋体部２に電子部品を実装し、底板部４が載置される場所が高温となる場合でも、底板部４が受けた熱の影響を受けにくく、蓋体部２が電子部品から受けた熱が効率良く側壁部３に伝熱され、蓋体部２と側壁部３とで流体との熱交換ができる。それにより、流体との熱交換効率が低下することを抑制した流路部材１を提供できる。

また、本実施形態の流路部材１において、流路５を複数有する場合には、それぞれの流路５を仕切る隔壁３ｂを有し、この隔壁３ｂは、側壁３と同じ態様であってもよい。

そして、蓋体部２，側壁部３および底板部４の材質としては、セラミックスや樹脂、または、金属、さらには、これらの複合体や、多孔質体等の組合せで作製することができる
。

表１は、本実施形態で用いることができる材料の種類および具体的な材質の組合せを示したものであり、群Ｎｏ．１は蓋体部２および側壁部３がセラミックスで底板部４が樹脂、群Ｎｏ．２は蓋体部２，側壁部３および底板部４共にセラミックス、群Ｎｏ．３は蓋体部２，側壁部３および底板部４共に樹脂、群Ｎｏ．４は蓋体部２および側壁部３が金属で底板部４がセラミックス、さらに、群Ｎｏ．５は蓋体部２，側壁部３および底板部４共に金属の組合せで、具体的な一例として、表１に示すような材質を用いることができる。

本実施形態における流路部材１は、表１に示すように、群毎の蓋体部２および側壁部３のそれぞれを構成する材質の熱伝導率は、底板部４を構成する材質の熱伝導率よりも高いものをリストアップしている。

具体例としては、例えば、群Ｎｏ．２においては、蓋体部２，側壁部３および底板部４共に材質の種類はセラミックスとしているが、蓋体部２および側壁部３として用いることのできる材質として、熱伝導率の高い窒化アルミから熱伝導率の低いジルコニア・アルミナまでを例示し、これらと組み合わせる底板部４として用いることのできる材質として、アルミナ（アルミナ含有量95〜99.8質量％）から多孔質セラミックスまたは樹脂複合セラミックスまでを例示している。

そして、本実施形態の流路部材１の蓋体部２，側壁部３および底板部４のそれぞれの材質は、蓋体部２および側壁部３を構成する材質の熱伝導率が、底板部４を構成する材質の熱伝導率よりも高くなるように適宜組み合わせて用いることができる。例えば、蓋体部２
および側壁部３の材質としてジルコニア・アルミナを用いる場合には、底板部４の材質としては、ジルコニアや多孔質セラミックスまたは樹脂複合セラミックスの何れかを用いればよい。

なお、群Ｎｏ．２に示した材質は、耐熱性、機械的強度および耐食性が高く、高温環境下や酸およびアルカリなどの液体等に曝されても流路が損傷することを抑制できる材質である。

流路部材１の蓋体部２，側壁部３および底板部４を、このような材質の組合せとして作製し、例えば、自動車のエンジン付近の上方に、流路部材１の底板部４が熱源に近接するように配設した場合には、蓋体部２および側壁部３の熱伝導率が底板部４の熱伝導率よりも高いことから、底板部４が受けた熱の影響を受けにくく、蓋体部２が電子部品から受けた熱が効率良く側壁部３に伝熱され、蓋体部２および側壁部３で流体との熱交換ができる。それにより、流体との熱交換効率が低下することを抑制した流路部材１を提供できる。

また、流路５を仕切る隔壁３ｂを設けることによって流路を複数構成する場合には、側壁部３および隔壁３ｂは、蓋体部２よりも熱伝導率が高いことが好ましい。この様な構成とすることで、蓋体部２上に電子部品などの熱交換対象物を実装したときに、蓋体部２で受けた熱を、隔壁３ｂおよび側壁部３により伝熱することができるので、流路５を流れる流体との間で、効率良く熱交換を行なうことができる。さらに、流路部材１の構成として、側壁部３と隔壁３ｂとの熱伝導率は、流路部材１が周囲からの熱による影響を受けにくくするにあたり、隔壁３ｂの熱伝導率が側壁部３の熱伝導率より高い方が好ましい。

特に、使用環境の温度もしくは熱交換対象物が、高温（300℃以上）であるときは、側
壁部３および底板部４の材質は、セラミックスまたは金属であることが好ましい。また、これより低温（300℃未満）であれば、セラミックス、金属に加え樹脂を用いることが好
ましい。

また、流路部材１の軽量化が求められる場合には、多孔質体のセラミックスや樹脂を用いればよく、たとえば、車載用のＩＧＢＴの流路部材としては、従来は、金属を主体として構成されていたが、耐熱性、耐食性さらには軽量化を考慮すれば、流路部材の少なくとも一部に多孔質セラミックスや樹脂複合セラミックスまたは、樹脂や多孔質樹脂を用いることが好ましい。

また、蓋体部２の上に直接、半導体素子などの熱交換対象物を実装するときには、蓋体部２を構成する材質が、配線層を直接形成できるセラミックスであれば、金属である場合に比べ、絶縁物を介在させる必要がないことからシンプルな構造とすることができる。

図２は、本実施形態の流路部材の他の一例を示し、（ａ）〜（ｃ）は、図１（ｂ）の破線で囲んだＣ部に相当する部分を拡大した部分断面図である。

本実施形態の流路部材１は、側壁部３が非可撓性材料からなり、底板部４が可撓性材料からなることが好ましい。このような構成とすることによって、流路部材１の組み立て工程において、蓋体部２と側壁部３と底板部４との接合時に、ねじ締め付けなどにより加圧することで、図２（ａ）に示すように、非可撓性である側壁部３は、側壁部３よりも可撓性である底板部４に食い込んで接合される。

つまり、側壁部３と底板部４との接合部８に、凹または凸の形状を事前に形成しなくても、加圧接合することにより側壁部３が底板部４に食い込み、流路５に接する側壁部３の内面３ａの一部が底板部４で覆れた接合部８となる。このようにして作製した流路部材１
は、繰り返し使用することによって熱応力が発生しても、側壁部３と底板部４との接合部８に隙間が発生することを抑制できる。それにより、流路５に高い圧力の流体を流しても流路部材１が破壊されにくく、密閉性の高い流路部材１とすることができる。

また（ｂ）に示すように、底板部４と側壁部３との接合部８に隣接して部分的に底板部４を凸形状にして内面３ａと接するようにすることや、（ｃ）に示すように、底板部４と側壁部３との接合部８における底板部４側を凹形状若しくは、側壁部３側の先端を凸形状とし、これらの側壁部３と底板部４と、蓋体部２とを加圧し接合すると、側壁部３の底板部４との接合部８における食い込み量は大きくなる。それにより、さらに密閉性が高く、破壊のおそれの少ない流路部材１とすることができる。

ここで、底板部４の可撓性材料としては、樹脂材料や金属材料があり、側壁部３の非可撓性材料としては、底板部４が樹脂材料であるときには、剛性の高いセラミックス、樹脂複合セラミックス、または、金属材料を用いることができる。また、底板部４がアルミニウム系の金属材料の場合は、側壁部３としては銅または銅合金などの金属材料またはセラミックスを用いることができる。

また、本実施形態の流路部材１において、流路５を複数有する場合には、それぞれの流路５を構成する隔壁３ｂについても側壁部３と同様であり、隔壁３ｂの内面の一部が底板部４と接していることが好ましい。それにより、複数の流路５を有する流路部材において、隣り合う流路５間の隔壁３ｂと底板部４との接合部８が破壊することを抑制できる。あわせて、流路５の隔壁部３ｂの厚み（幅）を薄くすることも可能となり、熱交換効率の高い流路部材１とすることができる。

また、本実施形態の流路部材は、底板部４の可撓性材料として樹脂材料を用いることが好ましい。それにより、セラミックスや金属材料により作製された側壁部３を用いて、蓋体部２と側壁部３と底板部４とを加圧接合したときに、側壁部３が可撓性のある樹脂材料の底板部４に食い込んで接合されることから、側壁部３の内面３ａの一部が底板部４で覆われた形状となる。それにより、流路部材１に繰り返し熱応力が加わっても接合部８に隙間が生じることを抑制でき、高い圧力の流体を流しても流路５が破壊しにくく、密閉性の高い流路部材１とすることができる。

そして、さらに、底板部４を樹脂材料により形成した場合であれば、樹脂材料の熱伝導率が、銅などの金属や炭化珪素や窒化アルミニウムなどのセラミックスの熱伝導率に比べ１／2000〜１／100程度と遙かに低い熱伝導率であるから、例えば、流路部材１を発熱体
の上面に当接するように設けたときに、底板部４が発熱体の熱を拾受することを抑制できる。それにより、発熱体の熱が底板部４を伝わって流体に影響し、電子部品から受けた熱と流体との熱交換が低下することを抑制でき、熱交換効率の高い流路部材１とすることができる。

ここで、底板部４に用いられる樹脂材料としては、ＰＯＭ（ポリオキシメチレン）、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、ナイロン、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ポリエーテルイミド系樹脂、ポリブチレンテレフタレート系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）系樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ポリフェニレンエーテル系樹脂−スチレン系樹脂−ポリアミド系樹脂混合樹脂、フッ素系樹脂および、ポリカーボネート（ＰＣ）系樹脂などがあるが、耐熱性、耐食性に富むＰＰＳ系樹脂やＰＥＥＫが好ましく、より好ましくは、耐熱性の高いＰＣ系樹脂である。

図３は、本実施形態の流路部材のさらに他の一例を示す、（ａ）は流路部材の斜視図であり、（ｂ）は積層体の側壁部を分解した平面図である。

図３（ａ）に示すように、本実施形態の流路部材21は、蓋体部２と底板部４間に介在する側壁部３が、セラミックグリーンシートからなる複数の板状体７（ここでは、３層の板状体７からなる例を示す。）が積層されて焼成された積層体からなっている。

側壁部３をこの様な積層構造とすることによって、複雑な流路５の形成を容易に行なうことができ、また、耐熱性、耐食性、さらに、耐圧性のいずれにも富む流路部材21とすることができる。

例えば、流路５が単純な形状であれば、押出成形等で容易に加工できるものの、流路５を平面視したときの形状が、図３（ｂ）に示す波線状のような複雑な形状の場合には、押出成形では加工できず、また、流路５間の幅が狭い場合も、耐熱性、耐食性および耐圧性を確保することが難しい場合がある。それゆえ、このような形状の流路５を設けようとする場合においては、未焼成のセラミックグリーンシートの平板に所望の流路５となる貫通孔５ａを形成した板状体７を、積層して焼成することにより作製すればよい。

図４は本実施形態の流路部材のさらにその他の一例を示し、（ａ）は流路部材を構成する蓋体部、側壁部および底板部をねじで締結した状態の側面図であり、（ｂ）は、かしめ部材で締結した状態の側面図である。

図４（ａ）に示す流路部材31は、蓋体部２と側壁部３と底板部４との、それぞれの間にパッキン11を挟み、これらにねじ孔９を開け、ねじ10によって、積層した蓋体部２と側壁部３と底板部４とを螺合している。図４（ｂ）に示す流路部材41は、蓋体部２と側壁部３と底板部４との長手方向の両端部を、かしめ材12によって接合している。

上述において、セラミックグリーンシートの板状体７を積層して焼成することによって一体化した側壁部３を得る例を示したが、個々の板状体７を焼成しセラミック板を重ね合わせ、蓋体部２と底板部４でこれらを狭持し、それらをねじ止めや、かしめ部材などにより一括して接合、固定してもよい。但し、この場合は、板状体７間にはパッキン11を挟み込む必要がある。また、この他に、金属材料とセラミックスの接合には、ろう材を用いてもよく、蓋体部２と側壁部３とがセラミックスのときには、各々が未焼成の成形体で接合した接合部８にセラミックスグリーンシート作製時の泥漿と同一のものを密着液として用いて塗布し、積層・加圧し、所定の温度で焼成することによって一体化することがより好ましい。

また、蓋体部２および側壁部３の未焼成の成形体は、各々が異なるセラミックスであってもよく、この場合には、密着液の焼結温度は、それぞれのセラミックスの焼結温度の中間になるものであれば、接合強度の低下などの問題を少なくすることができる。

ここで、パッキン11は、耐熱性および耐食性に富むフッ素ゴムやシリコーンゴム、アクリルゴムまたはブチルゴムなどを用いることが好ましい。

次に、本実施形態の熱交換器について、図５を用いて説明する。

図５は本実施形態の熱交換器の一例を示す、流路部材の蓋体部上に金属部材を設けてなる熱交換器の斜視図である。

本実施形態の熱交換器101は、本実施形態の流路部材１の蓋体部２の上面に金属部材102
を設けている。これにより、蓋体部２と金属部材102との熱交換を効率的に行なうことが
でき、熱交換効率の高い熱交換器101とすることができる。

次に、本実施形態の半導体装置について、図６を用いて説明する。

図６は本実施形態の半導体装置の一例を示す、熱交換器の金属部材上に半導体素子を設けてなる半導体装置の斜視図である。

本実施形態の半導体装置201は、本実施形態の熱交換器101に半導体素子202を実装した
ことから、底板部４が載置される場所が高温となる場合でも、底板部４が受けた熱の影響を受けにくく、金属部材102を通して蓋体部２が電子部品から受けた熱が効率良く側壁部
３に伝熱され、蓋体部２と側壁部３とで流体との熱交換ができる。それにより、流体との熱交換効率が低下することを抑制し、半導体素子202の温度を効率良く低下させることが
できる半導体装置201とすることができる。

また、半導体素子202自身または外部から繰り返し熱応力が加わったときでも、熱応力
を吸収軽減できる熱交換器を用いていることから、流路が破壊することを抑制し、流体と流路部材１との高い熱交換効率があり、半導体素子202の機能低下を抑制することができ
る。

また、図５および６のそれぞれの熱交換器101、半導体装置201の例では、蓋体部２の上面に直接金属部材102に設けている例で記載しているが、蓋体部２が絶縁性の低いもので
形成されている場合には、絶縁性の高いもの例えば、（セラミックスの薄板や、アルミニウムを電解処理して表面にアルミナ酸化膜を生成したアルミニウムの薄板等、ポリイミド等耐熱性の高い樹脂をコーティングした金属部材、ガラスコーティング等）を蓋体部２と金属部材102との間に介在させて用いればよい。

１、21、31、41：流路部材
２：蓋体部
３：側壁部、３ａ：内面、３ｂ：隔壁
４：底板部
５：流路、５ａ：貫通孔
７：板状体
８：接合部
９：ねじ孔
10：ねじ
11：パッキン
12：かしめ部材
101：熱交換器
102：金属部材
201：半導体装置
202：半導体素子

Claims

蓋体部と非可撓性材料からなる側壁部と可撓性材料である樹脂材料からなる底板部とを備え、
前記蓋体部と前記側壁部と前記底板部とで内部に流体が流れる流路を構成してなり、前記蓋体部および前記側壁部の熱伝導率が、前記底板部の熱伝導率よりも高いことを特徴とする流路部材。
蓋体部とセラミックスの積層体からなる側壁部と底板部とを備え、
前記蓋体部と前記側壁部と前記底板部とで内部に流体が流れる流路を構成してなり、前記蓋体部および前記側壁部の熱伝導率が、前記底板部の熱伝導率よりも高いことを特徴とする流路部材。
請求項１または請求項２に記載の流路部材と、前記流路部材の前記蓋体部上に設けられた金属部材とを備えることを特徴とする熱交換器。
請求項３に記載の熱交換器の前記金属部材上に半導体素子が設けられていることを特徴とする半導体装置。