JP6893003B2 - 冷却器、半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子を流体によって冷却する冷却器、及び本冷却器を有する半導体モジュールに関する。
従来、電力変換用のスイッチングデバイス等として用いられるパワー半導体モジュールでは、回路から発生する熱による悪影響を抑制するため、放熱部材として冷却フィンが用いられている。例えば、次のような液冷式冷却装置が知られている。
隣り合う２つのフィンのうちの一方（左側のフィンにおける隣り合う２つの波頂部）、および両波頂部間に位置する波底部を連結する２つの傾斜部の他方（右側のフィンを向いた右側面）と、水平面とからなる２つの交線が交わる点Ｐ１は、前後方向にのびる第１直線Ｌ１により結ばれている。また、右側のフィンにおける隣り合う２つの波底部、および両波底部間に位置する波頂部を連結する２つの傾斜部の左側のフィンを向いた左側面と水平面とからなる２つの交線が交わる点Ｐ２は、前後方向にのびる第２直線Ｌ２により結ばれている。そして、第１直線Ｌ１が第２直線Ｌ２よりも右側に位置し、点Ｐ１と点Ｐ２とが水平面上において前後方向（冷却液の流れ方向）にのびる１つの直線よりも隣り合う反対のフィン側に位置している。したがって、冷却液は、冷却液流路において、隣り合う２つのフィン間の流路部分を蛇行状に流れる（日本国特開２０１３−１６５２９８号公報参照）。
上記文献のフィン構造は、従来のストレートフィンと比較して冷却液が発熱体に接触する時間が長く、放熱性能が高い。しかしながら、放熱性能と冷却液の圧力損失が低いことを兼ね揃えたフィン構造が理想であり、さらに改良を重ねる必要があった。
このような問題に鑑み、本発明の目的は、冷却効率が高く、さらに圧力損失が低い冷却器を提供することにある。
上記目的を達成するため、第１発明は、少なくとも天板と、底板とからなる流路部を有し、前記天板と前記底板との間に流体が流れる連続的な溝状の流路が形成された、半導体素子を冷却する冷却器において、前記流路は、前記天板と平行でかつ前記流路に対して交差する方向から見たとき、前記流路の前記天板側の面及び前記底板側の面が、前記天板側及び前記底板側に同期して屈曲する波型形状をなし、前記流路部は、前記天板と前記底板との間に配置された少なくとも１枚の板状フィンを有し、前記天板と前記底板との間に前記板状フィンで仕切られた複数の流路が上下方向に並列して形成され、前記複数の流路は、前記天板と平行でかつ前記複数の流路に対して交差する方向から見たとき、前記複数の流路の前記天板側の面及び前記底板側の面が、前記天板側、前記底板側及び前記板状フィンの上下面に同期して屈曲する波型形状をなしていることを特徴とする。
本発明の冷却器は、流路部が少なくとも天板と底板とからなり、天板と底板との間の流路を流れる流体（例えば、水）により半導体素子を冷却することができる。この流路は、天板と平行でかつ流路に対して交差する方向から見たとき、流路の天板側の面及び底板側の面が、天板側及び底板側に同期して屈曲する波型形状をなしているので、流体が天板側及び底板側に揺動しながら進行する。これにより、流体の流路内壁に対する接触面積を大きくとれるとともに、渦流等による圧力損失を低く保った状態で流体が流れることになるため、冷却効率が高く、圧力損失が低い冷却器を実現することができる。
また、冷却器の天板と底板との間に少なくとも１枚の板状フィンを配置して、天板と底板との間に板状フィンで仕切られた複数の流路が上下方向に並列して形成され、これらの流路が天板側、底板側及び板状フィンの上下面に同期して屈曲する波型形状をなしている。天板と底板との間に重なり合って形成された複数の流路を流れる流体が天板側、底板側及び板状フィンの上下面に同期して揺動しながら進行することになるため、圧力損失を低く抑えつつ、冷却効率をさらに高めることができる。
また、第１発明のもう１つは、少なくとも天板と、底板とからなる流路部を有し、前記天板と前記底板との間に流体が流れる連続的な溝状の流路が形成された、半導体素子を冷却する冷却器において、前記流路は、前記天板と平行でかつ前記流路に対して交差する方向から見たとき、前記流路の前記天板側の面及び前記底板側の面が、前記天板側及び前記底板側に同期して屈曲する波型形状をなし、前記天板に対して垂直方向から見たとき、前記流路の両側面が同期して屈曲する波型形状をなしていることを特徴とする。
この構成によれば、板状フィンの流路は、天板に対して垂直方向から見たとき、流路の両側面が同期して屈曲する波型形状をなしているので、流体は、天板側及び底板側の揺動に加えて、天板の面に沿った左右方向にも揺動しながら進行する。これにより、冷却された流体と流路内面との接触面積がさらに増大するとともに、渦流の発生が抑制されつつ流体が停滞することなく流れるようになるため、冷却効率を高めることができる。
また、第１発明の冷却器において、前記天板に対して垂直方向から見たときの前記流路の山と谷の間の間隔ｙ１と、前記天板に対して平行でかつ前記流路に対して交差する方向から見たときの前記流路の山と谷の間の間隔ｙ２とが等しいことが好ましい。
天板に対して垂直方向から見たときの間隔ｙ１は、この方向から見た波形の半波長であり、天板に対して平行でかつ流路に対して交差する方向から見たときの間隔ｙ２は、この方向から見た波形の半波長である。間隔ｙ１と間隔ｙ２とを等しくすることで、それ以外のパラメータを変更して圧力損失等の流路特性を調べれば良いので、設計が容易になる。
また、第１発明の冷却器において、前記天板に対して垂直な方向から見たときの前記流路の波型形状と、前記天板に対して平行でかつ前記流路に対して交差する方向から見たときの前記流路の波型形状との位相差φが、０°＋９０°ｎ≦φ≦３０°＋９０°ｎ、又は６０°＋９０°ｎ≦φ≦９０°＋９０°ｎ（ｎ＝０，１，２，３）の関係にあることが好ましい。
それぞれの方向から見た２つの波型形状の位相差φを変更すると、冷却器の性能を決定する温度と圧力損失がそれぞれ変化する。位相差φは、９０°≦φ≦１２０°又は１５０°≦φ≦１８０°（ｎ＝１の場合）のときに冷却効率及び圧力損失がいずれも適切な値となり、冷却器としての機能を発揮させることができる。
また、第１発明の冷却器において、前記天板に対して垂直な方向から見たときの前記流路の振幅をｘ１、前記天板に対して平行でかつ前記流路に対して交差する方向から見たときの前記流路の振幅をｚ１としたとき、ｚ１≦ｘ１≦３ｚ１の関係にあることが好ましい。
この構成によれば、天板に対して垂直な方向から見たときの流路の振幅ｘ１を、天板に対して平行でかつ流路に対して交差する方向から見たときの流路の振幅ｚ１の１〜３倍の範囲で変更することができる。例えば、振幅ｘ１を流路の全長を考慮して、上記範囲内である程度大きく設定することで、流体が半導体素子に接触する面積が増大するため、冷却効率を高めることができる。
また、第１発明の冷却器において、前記天板に対して垂直な方向から見たときの隣り合う前記流路の間隔をｘ２、前記流路の幅をｘ３としたとき、２ｘ３≦ｘ２の関係にあることが好ましい。
この構成によれば、天板に対して垂直な方向から見たときの隣り合う流路の間隔ｘ２を、流路の幅ｘ３の２倍以上とすることで、ある程度の数の流路を形成することができる。これによっても、流体が半導体素子に接触する面積が増大するため、冷却効率を高めることができる。
第２発明の半導体モジュールは、半導体素子と、前記半導体素子を搭載し、絶縁基板の上面及び下面を導電性板で挟んだ積層基板と、前記積層基板の前記半導体素子を搭載していない側と接合し、前記半導体素子を冷却する流体が流れる冷却器と、を備え、前記冷却器は、第１発明、その従属発明のいずれかに記載の冷却器であることを特徴とする。
本発明の半導体モジュールは、半導体素子が積層基板に搭載され、積層基板の半導体素子を搭載していない側と冷却器とが接合している。この冷却器には半導体素子を冷却する流体（例えば、水）が流れており、積層基板を熱伝導性が高い材料で構成することで、半導体素子を効果的に冷却することができる。
また、冷却器（請求項１）の流路部の流路は、天板と平行でかつ流路に対して交差する方向から見たとき、天板側の面及び底板側の面が天板側及び底板側に同期して屈曲する波型形状をなしているので、流体が天板側及び底板側に揺動しながら進行する。これにより、流体の流路内壁に対する接触面積を大きくとれるとともに、渦流等による圧力損失を低く保った状態で流体が流れるようになるため、半導体素子の冷却効率を高めることができる。
本発明の実施形態に係る半導体モジュールの断面図。 冷却器を構成する流路部の斜視図。 冷却器を構成する流路部の斜視図（板状フィン２枚）。 図３Ａの冷却器の流路部を側面側から見た図。 図１の冷却器を天板の上方側から見た図（天板無し）。 図３Ａの領域Ｒ１の拡大図。 図１の冷却器を側面側から見た図（側面枠無し）。 図４Ａの領域Ｒ２の拡大図。 冷却器を天板の上方側から見た流路と、側面側から見た流路の位相差を説明する図。 温度と圧力損失の測定時のパラメータ一覧を示す図。 位相差を変化させて温度と圧力損失を測定した測定結果を示す図。 本発明の実施の形態２の流路と、左右方向のみ周期的に屈曲する波型形状を有する流路との温度の比較結果を示す図。
以下、図面を参照しながら本発明の半導体モジュールの実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る半導体モジュール１００の断面図を示している。半導体モジュール１００は、主に２つの半導体素子１ａ，１ｂ、配線基板３、積層基板５、冷却器７、ケース９等で構成されている。図示するように、半導体素子１ａ，１ｂ、配線基板３及び積層基板５はケース９内に収められ、樹脂８でモールドされている。また、ケース９の下面に半導体素子１ａ，１ｂを冷却する冷却器７が配設されている。
半導体素子１ａ，１ｂは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。また、これらのトランジスタを１つの半導体素子の中で縦方向に形成したＲＢ−ＩＧＢＴ（Reverse Blocking-IGBT）やＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting-IGBT）であってもよい。
配線基板３は、半導体素子１ａ，１ｂの上面側に配設されている。配線基板３は、絶縁基板の両面を金属箔で覆った構造であり、下面側の金属箔は半導体素子１ａ，１ｂに対向するように形成されている。絶縁基板は誘電率が低く、熱伝導率の高い材料が好ましく、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂を含む樹脂絶縁材やＳｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックを使用することができる。また、金属箔は電気抵抗が低く、熱伝導率の高い材料が好ましく、例えば、Ｃｕを使用することができる。
ピン４は、その一端が金属接合部材２ａによって半導体素子１ａ，１ｂの上面側に接合され、他端は配線基板３との接続に用いられる。ピン４は電気抵抗が低く、熱伝導率の高い金属、例えば、Ｃｕを使用することができる。なお、金属接合部材２ａは、はんだや銀等の金属微粒子を有する部材であってもよい。
図示するように、ピン４は、それぞれの半導体素子１ａ，１ｂに対して複数配置されていることが好ましい。このような構造にすることにより、電気抵抗を低減するとともに、熱伝導性能を向上させることができる。
積層基板５は、絶縁基板５２と、その上面側に形成される第１導電性板５１と、その下面側に形成される第２導電性板５３とで構成される。絶縁基板５２は、電気絶縁性、熱伝導性に優れた材料を用いることができる。絶縁基板５２の材料としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４が挙げられる。特に、高耐圧用途では、電気絶縁性と熱伝導性をともに備えた材料が好ましく、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４を用いることができるが、これらに限定されない。
第１導電性板５１、第２導電性板５３は、導電性及び加工性が優れているＣｕ、Ａｌ等の金属材料（金属箔）を用いることができる。なお、本明細書において、Ｃｕからなる第２導電性板５３を、裏面銅箔と指称することもある。防錆等の目的で、Ｎｉめっき等の処理を行ったＣｕ、Ａｌであってもよい。絶縁基板５２の面上に導電性板５１，５３を配設する方法としては、直接接合法（Direct Copper Bonding法）、若しくは、ろう材接合法（Active Metal Brazing法）等が挙げられる。
また、積層基板５は、半導体素子１ａ，１ｂの下面側に配設されている。積層基板５は、絶縁基板５２の両面をＣｕ等の金属箔で覆った構造であり、絶縁基板５２の絶縁性により、金属箔とは電気的に分離されている。絶縁基板５２の周縁は、導電性板５１，５３の周縁よりも外側に突出していることが好ましい。なお、上述の例は、絶縁基板５２が裏面銅箔のような第２導電性板５３を有する場合であったが、絶縁基板と冷却器とが熱伝導性の優れた接合部材で熱的に（熱が効率よく伝導する態様で）接合されていてもよい。
半導体素子は、積層基板に実装される。具体的には、半導体素子１ａ，１ｂの下面側と積層基板５の上面側の第１導電性板５１とは、金属接合部材２ｂによって電気的及び熱的に接合されている。積層基板５の上面側、下面側の金属箔は電気的に分離されているが、この間の熱伝導は良好である。また、積層基板５の下面側の第２導電性板５３と冷却器７の外壁（天板７ａ）とは、金属接合部材２ｃによって接合されている。つまり、冷却器７の天板７ａの上部に半導体素子１ａ，１ｂが配置されている。金属接合部材２ｂ，２ｃは、熱伝導性及び導電性に優れたはんだや銀等の金属微粒子を有する部材であってもよい。なお、積層基板と冷却器とは、熱伝導性の優れた接合部材で熱的に接合される。したがって、接合部材は、導電性の金属接合部材でもよいし、主として基油とセラミック充填剤から構成されるサーマルコンパウンドでもよい。そして、上述の接合部材の熱伝導率は１Ｗ／ｍ・Ｋ以上が好ましく、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがより好ましい。
冷却器７は、天板７ａ、底板７ｂ、側面枠７ｃ及び流路部７ｄで構成されている。詳細は後述するが、流路部７ｄは、例えば、複数の板状フィンをＺ軸方向に重ねた構造となっている。また、流路を構成する天板７ａ、底板７ｂ及び流路部７ｄの材料は、Ａｌ、Ｃｕ等の熱伝導率の高い金属が用いられている。
（実施の形態１）
次に、図２〜図３Ｂを参照して、本発明の実施の形態１に係る冷却器の詳細を説明する。なお、後述する冷却器の形状パラメータは、熱流体解析ソフトにより本発明の流路部の形状パラメータ等を変化させて、温度及び圧力損失を評価し、さらに、流路部を試作して検証することにより求めた。
図２は、冷却器７から流路部７ｄを取り出し、一部分解したときの斜視図である。図示するように、流路部７ｄは、６枚の板状フィン７ｄ１〜７ｄ６で構成されている。最も上方に配置される板状フィン７ｄ１は、その下面側にのみ流体が流れる連続的な溝状の流路が形成されている。この場合、最も上方に配置される板状フィン７ｄ１が天板を兼ねていてもよい。また、最も下方に配置される板状フィン７ｄ６は、その上面側にのみ流路が形成されている。この場合、最も下方に配置される板状フィン７ｄ６が底板を兼ねていてもよい。
なお、板状フィンの枚数は６枚に限られず、例えば、板状フィン７ｄ１（天板）と板状フィン７ｄ６（底板）の２枚で構成してもよい。この場合、図３Ａに示すように、流路部７ｄ’の流路は１段である。
また、図３Ｂは、図３Ａの流路部７ｄ’を側面側から見た様子を示している。冷却器７の流入口７ｅからＹ軸方向に流入した流体は、流路部７ｄ’の流路を通過して、流出口７ｆから外部に流出する。図示するように、流路部７ｄ’の流路は、板状フィン７ｄ１と板状フィン７ｄ６により１段で構成され、上下方向（Ｚ軸方向）に屈曲する波型形状をなしている。
なお、本実施形態において、本発明における天板と垂直な方向とは、図２、図３ＡにおけるＺ軸方向（上下方向）を意味する。また、本発明における天板と平行でかつ流路に対して交差する方向とは、図２、図３ＡにおけるＸ軸方向（流路部７ｄ’を側面側から見た方向）を意味する。また、本発明における流路の方向とは、図２、図３Ａ，３ＢにおけるＹ軸方向を意味する。
図２に戻り、板状フィン７ｄ１と板状フィン７ｄ６との間に配置される板状フィン７ｄ２〜７ｄ５は全て同じ構造を有し、その両面側に流路が形成されていてもよい。そして、隣接する板状フィンをＺ軸方向に重ねたとき、一定の高さを有する流路が構成される。この各流路は、一定の高さを保持しつつ、上下方向に屈曲するように周期的な変位を有する。
板状フィン７ｄ２〜７ｄ５の厚みは３．０ｍｍであり、片面側に形成された流路はＺ軸方向に深い部分、浅い部分を有する。また、板状フィン７ｄ２〜７ｄ５の流路はＸ軸方向に等間隔で形成され、表面側の流路の深い部分は、裏面側では流路の浅い部分に対応している。そして、２枚の板状フィンをＺ軸方向に重ねたとき、高さが一定で、流路の上面と下面とが同期して上下方向に屈曲する波型形状の流路が構成される。なお、本実施の形態において、本発明における流路の天板側の面とは上面を意味し、流路の底板側の面とは下面を意味する。
以上により、流路部７ｄ（流路部７ｄ’）の流路を通過する流体は、上下方向（Ｚ軸方向）に揺動しながら進行する。流路をこのような形状とすることで、流入口７eから流路部７ｄに流入した冷却された流体は、流路内で渦流を生じたり、停滞したりすることなく進行するとともに、上下方向での流体の入れ替えが生じる。したがって、冷却器７の流路内壁に冷却された流体が効果的に接触するため、熱交換により冷却効果を高めることができる。つまり、冷却器７の天板７ａの上部に配置された半導体素子１ａ，１ｂにより生じる熱を効果的に冷却器７の底板７ｂの方向（下方向）に伝搬させることができる。なお、後述する具体的な形状パラメータ（図５Ｂ参照）である間隔ｙ２、振幅ｚ１、流路間隔ｚ２、流路幅ｚ３等は、以下の実施の形態２で記すものと同様である。
（実施の形態２）
次に、図４Ａ〜図６を参照して、本発明の実施の形態２に係る冷却器の詳細を説明する。
冷却器の流路は、上述の通り上面と下面とが同期して上下方向に屈曲する波型形状であることに加えて、流路の両側面が同期して左右方向に屈曲する波型形状をなしていることが好ましい。
図４Ａは、図１の冷却器７を天板７ａの上方側（天板７ａに対して垂直な方向）から見た様子（天板７ａ無し）を示している。実際には、最上面の板状フィン７ｄ１があって流路を視認することはできないが、説明のため示している。また、以下では、図示するＸＹ平面上の流路を流路αと称する。
流路αはＸ軸方向に等間隔で多数配置され、流路αの両側面が同期して左右方向（Ｘ軸方向）に屈曲する波型形状を有している。側面枠７ｃの形状は八角形に限られないが、流体（水等の冷却液）の進行方向であるＹ軸方向に流体の流入口７ｅ、流出口７ｆを有する。
図４Ｂは、図４Ａの領域Ｒ１の拡大図である。まず、振幅ｘ１は、流路αの振幅に相当する。振幅ｘ１は、０．２から１．５ｍｍの範囲であることが好ましい。また、流路間隔ｘ２は流路α同士の最短間隔であり、流路間隔ｘ２は、０．８から２．０ｍｍの範囲であることが好ましい。
また、流路幅ｘ３は流路αの幅であり、本実施形態では、流路幅ｘ３は０．９ｍｍである。流路幅ｘ３は、０．８から１．５ｍｍの範囲であることが好ましい。なお、流路幅ｘ３が余りに狭すぎると、冷媒中のパーティクルが詰ったり、圧力損失が増大したりするため好ましくない。
さらに、流路間隔ｘ２と流路幅ｘ３との間には、２ｘ３≦ｘ２の関係があることが好ましい。この条件を満たすとき、流体が半導体素子１ａ，１ｂに接触する面積が増大するため、熱交換により冷却効率を高めることができる。
流路は、周期的に左右方向に屈曲する波型形状が好ましく、その周期性を示す形状パラメータの１つとして間隔ｙ１がある。間隔ｙ１は、流路αの屈曲部の間隔、すなわち、波型形状の山と谷の間の距離（半波長）である。間隔ｙ１は、４．５から７．５ｍｍの範囲であることが好ましい。
次に、流路の上下方向に屈曲する波型形状について説明する。図５Ａは、図１の冷却器７を側面側から見た様子（側面枠７ｃ無し）を示している。この場合も、実際には、流路部７ｄの側方から流路を視認することはできないが、説明のため示している。また、以下では、図示するＹＺ平面上の流路を流路βと称する。
冷却器７の流入口７ｅから流入した流体は、流路部７ｄの各流路を通過して、流出口７ｆから外部に流出する。流路βはＺ軸方向に等間隔で５本配置され、流路βの両側面が同期して上下方向（Ｚ軸方向）に屈曲する波型形状を有している。なお、流路部７ｄを構成する板状フィンの数により、流路の数を変更することができる。
図５Ｂは、図５Ａの領域Ｒ２の拡大図である。流路は、周期的に上下方向に屈曲する波型形状であることが好ましく、その周期性を示す形状パラメータの１つとして間隔ｙ２がある。間隔ｙ２は、流路βの屈曲部の間隔、すなわち、波型形状の山と谷の間の距離（半波長）である。間隔ｙ２は４．５から７．５ｍｍの範囲であり、上述の間隔ｙ１と同じ長さであることが好ましい。間隔ｙ１と間隔ｙ２を等しくすることで、それ以外のパラメータ（特に、後述する位相差）を変更して、圧力損失等の流路特性を調べれば良いので、設計が容易になる。
また、振幅ｚ１は、流路βの振幅に相当する。振幅ｚ１は０．２から１．５ｍｍの範囲であり、振幅ｚ１と上述の振幅ｘ１との間には、ｚ１≦ｘ１≦３ｚ１の関係があることが好ましい。この条件を満たすとき、流体が半導体素子１ａ，１ｂに接触する面積が増大するため、熱交換により冷却効率を高めることができる。本実施形態では、流路βの流路幅ｚ３は０．９ｍｍであり、流路をＹ軸方向から見た断面は正方形である（図１参照）。流路幅ｚ３は０．８から１．５ｍｍの範囲であることが好ましい。
また、流路間隔ｚ２は流路β同士の間隔であり、流路を隔てる板厚でもある。流路間隔ｚ２は０．３から２．０ｍｍの範囲であることが好ましい。流路間隔ｚ２が０．３ｍｍ以上であれば、フィンの変形などがおきず、冷却器としての強度を満たすことができる。また、流路間隔ｚ２が２．０ｍｍより厚くなると冷却効率が低下するため、２．０ｍｍ以下が好ましい。
次に、図６を参照して、ＸＹ平面から見た流路αと、ＹＺ平面から見た流路βの位相差について説明する。ここでは、説明の都合上、両流路を同じ平面上に示している。
流路αの波型形状のピークと流路βの波型形状のピークは角度φのずれがあり、このずれが両波形の位相差である。詳細は後述するが、位相差φは冷却効率（半導体素子１ａ，１ｂの温度）や圧力損失に影響する冷却器７の重要な形状パラメータである。
なお、図示するように、本実施形態では、冷却効率の点から、流路αの間隔ｙ１と流路βの間隔ｙ２とは等しいことが好ましい。また、流路αの流路幅ｘ３と流路βの流路幅ｚ３を等しくしてもよい（振幅は異なる）。
次に、図７Ａ、図７Ｂを参照して、熱流体解析ソフトにより本発明の流路部７ｄの形状パラメータを変化させて、温度及び圧力損失を測定したシミュレーション結果を説明する。なお、実際に試作した試作物の結果もシミュレーション結果と同じであった。
流路部７ｄの温度Ｔ(℃)及び圧力損失ＰＬ（ｋＰａ）に影響を及ぼす形状パラメータとしては、上述の振幅ｘ１、流路間隔ｘ２、流路幅ｘ３、間隔ｙ１、間隔ｙ２、振幅ｚ１、流路幅ｚ３、位相差φ等がある。
冷却器７全体の大きさは、Ｚ軸方向の長さが１０．０ｍｍ、Ｘ軸方向の長さが５３．０ｍｍ、Ｙ軸方向の長さが５０．０ｍｍである。そして、板状フィン７ｄ１〜７ｄ６の振幅ｘ１、流路間隔ｘ２、流路幅ｘ３，ｚ３、間隔ｙ１，ｙ２、振幅ｚ１を図７Ａに示す値に設定し、位相差φのみを変更して温度Ｔ及び圧力損失ＰＬを測定した。以下では、その結果について説明する。
ここで、温度Ｔは、ヒータを含む断熱装置（図示省略）を用いて、冷却器７の中心付近の温度を測定した。特に、ヒータの出力を１，１１０（Ｗ）とし、冷却液として純水を用い、流入口７ｅからの流入量を４．０（Ｌ／ｍｉｎ）とした。圧力損失ＰＬは、同じ流入量の条件において、冷却器７の流入口７ｅの圧力と、流出口７ｆの圧力との差として評価した。
図７Ｂは、位相差φを変化させて温度Ｔと圧力損失ＰＬを測定した測定結果である。位相差φが０度、すなわち、流路αと流路βの位相が揃っている状態においては、温度Ｔが最も低い６６．９３（℃）、圧力損失ＰＬが２．８１（ｋＰａ）という結果が得られた。なお、温度Ｔは低い方が放熱性が高く、冷却効率が高い。また、圧力損失ＰＬは小さい方が流体を送出するポンプの出力が小さくて済み、流路内で流体が損失なく進行する。
位相差φを大きくしていった場合、温度Ｔは徐々に上昇し、位相差φが約４５度のとき、温度Ｔが最も高くなった（６７．０７℃）。一方、圧力損失ＰＬは徐々に降下し、位相差φが約４５度のとき、圧力損失ＰＬが最も低くなった（２．７８ｋＰａ）。
その後、さらに位相差φを大きくしていくと、温度Ｔは徐々に降下し、位相差φが９０度のとき、温度Ｔが６６．９９（℃）という結果が得られた。一方、圧力損失ＰＬは徐々に上昇し、位相差φが９０度のとき、圧力損失ＰＬが最も高い２．９１（ｋＰａ）という結果が得られた。
位相差φを４５度より大きくしていくと、流路αの屈曲と流路βの屈曲が連続して現れる部分が生じて、流体の流速が速くなる。これにより、冷却された流体が半導体素子１ａ，１ｂに接触して、温度Ｔが低下することが考えられる。また、このとき、流体は連続した屈曲部による摩擦を受けて、圧力損失ＰＬが上昇することが考えられる。
温度Ｔ及び圧力損失ＰＬの測定結果により、位相差φが０〜３０度である図中の領域（１）では、温度Ｔ、圧力損失ＰＬがともに低く、最適条件であることが分かった。また、位相差φが３０〜６０度である図中の領域（２）では、圧力損失ＰＬが低い点は良いが、温度Ｔが高いため冷却効果が低く、採用し難い条件であった。
また、位相差φが６０〜９０度である図中の領域（３）では、圧力損失ＰＬが高くなるが、温度Ｔは領域（２）より低いため、採用が可能な条件であることが分かった。
位相差φが９０度以上の場合は、図７Ｂの結果が周期的に表れるものとして対処する。例えば、位相差φが１２０度の場合は、図７Ｂの３０度の条件と同じ結果である。すなわち、図中の領域（１）は、０°＋９０°ｎ≦φ≦３０°＋９０°ｎ（ｎ＝０，１，２，３）と一般化することができる。領域（１）の位相差φの範囲では、冷却器としての機能を最も発揮させることができる。
同様に、図中の領域（２）は、３０°＋９０°ｎ<φ<６０°＋９０°ｎ（ｎ＝０，１，２，３）と一般化することができ、例えば、位相差φが１３０度のとき（ｎ＝１のときの範囲内）が挙げられる。また、図中の領域（３）は、６０°＋９０°ｎ≦φ≦９０°＋９０°ｎ（ｎ＝０，１，２，３）と一般化することができ、例えば、３７０度のとき（ｎ＝３のときの範囲内）が挙げられる。
最後に、図８に、実施の形態２で説明した上下方向、左右方向に周期的に屈曲する波型形状を有する流路（実施例）に対して、左右方向のみ周期的に屈曲する波型形状を有する流路を比較例とし、実施例と比較例の流路について、図示する形状パラメータの場合に温度Ｔを比較した結果を示す。
具体的には、振幅ｘ１、流路間隔ｘ２，ｚ２、流路幅ｘ３，ｚ３、間隔ｙ１，ｙ２を同じ値として、上下方向の振幅がある場合（実施例）と、上下方向の振幅がない場合（比較例）との流体の温度Ｔを比較した。例えば、実施例１と比較例１との比較では、実施例１のみ振幅ｚ１を０．３０ｍｍとして、実施例１の温度Ｔが６６．６５（℃）、比較例１の温度Ｔが６９．７５（℃）という結果が得られた。
実施例２と比較例２、実施例３と比較例３との比較結果についても、上下方向にも振幅を有する実施例の流路の温度Ｔが低くなり、冷却効率が優れていることが分かった。これは、実施例の流路の場合に、半導体素子から発生する熱が冷却器の下面方向に伝わり易くなるためである。
以上、複数の板状フィン７ｄ１〜７ｄ６で構成される冷却器７について説明したが、本発明は、これまで説明した実施形態に限られない。例えば、板状フィンの材料は、ＡｌやＣｕに限られず、熱伝導率の高い他の材料を適用することができる。また、流路を流れる流体（冷却液）は、通常使用される水や他の冷媒を用いることができる。
以上により、流路部７ｄの流路を通過する流体は、上下方向（Ｚ軸方向）の揺動に加えて、左右方向（Ｘ軸方向）にも揺動しながら進行する。流路をこのような構造とすることで、流入口７ｅから流路部７ｄに流入した冷却された流体は、流路内で渦流を生じたり、停滞したりすることなく進行するとともに、Ｚ軸方向での流体の入れ替えも生じる。したがって、冷却器７の流路内壁に冷却された流体が効果的に接触するため、熱交換により冷却効果を高めることができる。
１ａ，１ｂ 半導体素子
２ａ〜２ｃ 金属接合部材
３ 配線基板
４ ピン
５ 積層基板
７ 冷却器
７ａ 天板
７ｂ 底板
７ｃ 側面枠
７ｄ，７ｄ’ 流路部
７ｄ１〜７ｄ６ 板状フィン
７ｅ 流入口
７ｆ 流出口
８ 樹脂
９ ケース
５１ 第１導電性板
５２ 絶縁基板
５３ 第２導電性板
１００ 半導体モジュール

Claims (7)

  1. 少なくとも天板と、底板とからなる流路部を有し、前記天板と前記底板との間に流体が流れる連続的な溝状の流路が形成された、半導体素子を冷却する冷却器において、
    前記流路は、前記天板と平行でかつ前記流路に対して交差する方向から見たとき、前記流路の前記天板側の面及び前記底板側の面が、前記天板側及び前記底板側に同期して屈曲する波型形状をなし、
    前記流路部は、前記天板と前記底板との間に配置された少なくとも１枚の板状フィンを有し、前記天板と前記底板との間に前記板状フィンで仕切られた複数の流路が上下方向に並列して形成され、
    前記複数の流路は、前記天板と平行でかつ前記複数の流路に対して交差する方向から見たとき、前記複数の流路の前記天板側の面及び前記底板側の面が、前記天板側、前記底板側及び前記板状フィンの上下面に同期して屈曲する波型形状をなしていることを特徴とする冷却器。
  2. 少なくとも天板と、底板とからなる流路部を有し、前記天板と前記底板との間に流体が流れる連続的な溝状の流路が形成された、半導体素子を冷却する冷却器において、
    前記流路は、前記天板と平行でかつ前記流路に対して交差する方向から見たとき、前記流路の前記天板側の面及び前記底板側の面が、前記天板側及び前記底板側に同期して屈曲する波型形状をなし、前記天板に対して垂直方向から見たとき、前記流路の両側面が同期して屈曲する波型形状をなしていることを特徴とする冷却器。
  3. 前記天板に対して垂直方向から見たときの前記流路の山と谷の間の間隔ｙ1と、前記天板に対して平行でかつ前記流路に対して交差する方向から見たときの前記流路の山と谷の間の間隔ｙ2とが等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却器。
  4. 前記天板に対して垂直な方向から見たときの前記流路の波型形状と、前記天板に対して平行でかつ前記流路に対して交差する方向から見たときの前記流路の波型形状との位相差φが、０°＋９０°ｎ≦φ≦３０°＋９０°ｎ、又は６０°＋９０°ｎ≦φ≦９０°＋９０°ｎ（ｎ＝０，１，２，３）の関係にあることを特徴とする請求項２又は３に記載の冷却器。
  5. 前記天板に対して垂直な方向から見たときの前記流路の振幅をｘ1、前記天板に対して平行でかつ前記流路に対して交差する方向から見たときの前記流路の振幅をｚ1としたとき、ｚ1≦ｘ1≦３ｚ1の関係にあることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の冷却器。
  6. 前記天板に対して垂直な方向から見たときの隣り合う前記流路の間隔をｘ2、前記流路の幅をｘ3としたとき、２ｘ3≦ｘ2の関係にあることを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の冷却器。
  7. 半導体素子と、
    前記半導体素子を搭載し、絶縁基板の上面及び下面を導電性板で挟んだ積層基板と、
    前記積層基板の前記半導体素子を搭載していない側と接合し、前記半導体素子を冷却する流体が流れる冷却器と、を備え、
    前記冷却器は、請求項１から６のいずれか１項に記載の冷却器であることを特徴とする半導体モジュール。
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