JP7064989B2 - 半導体冷却装置 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子を搭載した基板を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。
半導体素子はセラミック等の絶縁基板に積層された配線層に実装され、前記絶縁基板の反対側の面に、アルミニウムや銅の高熱伝導金属からなる冷却器がろう付等により接合される。このような半導体冷却装置において、半導体素子の発熱によって温度が上昇すると、冷却器の材料である金属の線膨張係数が絶縁基板の材料であるセラミックの線膨張係数よりも大きいために、膨張しようとする冷却器が絶縁基板に引っ張られて反りが生じる。そして、冷却器に反りが生じると、絶縁基板にクラックが生じたり、絶縁基板が剥離することがある。
このような冷却器の反りに対して、特許文献１、２は、冷却器の反対側の面の絶縁基板に対向する位置に、絶縁基板と同程度の線膨張率を有する材料からなり、絶縁基板と同形の拘束部材を接合することによって反りを防止する技術を提案している。
上記のような拘束部材によって冷却器を拘束して反りを防止する場合、特許文献１によると拘束部材の外形はセラミック製絶縁基板の外形と同じであることが好ましいとされている。しかし、絶縁基板と同形の拘束部材の接合位置に冷却流体の出入り口や取り付けボス等の露出が必要な要素が設けられている場合は、かかる形状の拘束部材を用いることができない。そのような冷却器に対しては、同形の拘束部材に代えて、前記要素を避けるために拘束部材の一部を欠損させた近似形状の拘束部材を用いることが考えられる。
ところが、欠損部を有する拘束部材を冷却器に接合した半導体冷却装置では、欠損部が形成されている部位に温度変化に伴う反りが生じ、絶縁基板に応力が加わる。これにより、絶縁基板にクラックが発生して半導体冷却装置の耐久性を低下させる可能性がある。
本発明は、上述した背景技術に鑑み、欠損部を有する反り防止板（拘束部材）が冷却器に接合された半導体冷却装置において、絶縁基板への応力を緩和し、信頼性の高い半導体冷却装置の提供するものである。
即ち、本発明は下記［１］～［５］に記載の構成を有する。
［１］冷却器と、
前記冷却器の第一の面に接合された伝熱層と、
前記伝熱層の冷却器と反対側に接合され、伝熱層と反対側の面に半導体素子を実装する配線層が積層された絶縁基板と、
前記冷却器の第一の面と対向する第二の面に接合され、前記冷却器の材料より線膨張係数の小さい材料からなる反り防止板とを備え、
前記冷却器が、第二の面に前記絶縁基板を投影した投影領域内に露出が必要な要素を有することにより、前記反り防止板が前記要素に対応する位置に欠損部を有し、
前記伝熱層が反り防止板の欠損部に対応する位置に切り欠き部を有することを特徴とする半導体冷却装置。
前記冷却器の第一の面に接合された伝熱層と、
前記伝熱層の冷却器と反対側に接合され、伝熱層と反対側の面に半導体素子を実装する配線層が積層された絶縁基板と、
前記冷却器の第一の面と対向する第二の面に接合され、前記冷却器の材料より線膨張係数の小さい材料からなる反り防止板とを備え、
前記冷却器が、第二の面に前記絶縁基板を投影した投影領域内に露出が必要な要素を有することにより、前記反り防止板が前記要素に対応する位置に欠損部を有し、
前記伝熱層が反り防止板の欠損部に対応する位置に切り欠き部を有することを特徴とする半導体冷却装置。
［２］前記伝熱層の切り欠き部が反り防止板の欠損部よりも小さい前項１に記載の半導体冷却装置。
［３］前記伝熱層の切り欠き部が反り防止板の欠損部よりも大きい前項１に記載の半導体冷却装置。
［４］前記伝熱層が反り防止板と同一形状である前項１に記載の半導体冷却装置。
［５］前記伝熱層の切り欠きの形状が円形または楕円形の一部である前項１～４のうちのいずれか１項に記載の半導体冷却装置。
上記［１］に半導体冷却装置は、冷却器の第一の面に接合された反り防止板が欠損部を有し、第二の面に接合された伝熱層は反り防止板の欠損部に対応する位置に切り欠き部が形成されている。このため、反り防止板の欠損部による拘束力不足により生じた反りが絶縁基板に伝わることを防ぎ、絶縁基板に加わる応力を緩和することができる。
上記［２］に記載の半導体冷却装置によれば、伝熱層の切り欠き部を反り防止板の欠損部よりも小さくすることで、切り欠き部による伝熱層の放熱面積の減少を抑えることができる。これにより、冷却性能を維持しながら応力緩和を図ることができる。
上記［３］に記載の半導体冷却装置によれば、伝熱層の切り欠き部を反り防止板の欠損部よりも大きくすることで、応力緩和効果をより大きく得ることができる。
上記［４］に記載の半導体冷却装置によれば、伝熱層が反り防止板と同一形状であるから、冷却性能を維持しつつ、応力緩和効果を得ることができる。
上記［５］に記載の半導体冷却装置によれば、伝熱層の切り欠き部の形状を、角部を持たない円形または楕円形の一部とすることで応力緩和効果をより効果的に得ることができる。
［半導体冷却装置の構造］
図１～３に、本発明の半導体冷却装置の一実施形態を示す。
図１～３に、本発明の半導体冷却装置の一実施形態を示す。
半導体冷却装置１は、絶縁基板１０、伝熱層１３、冷却器２０および反り防止板４０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、他方の面に冷却器２０への放熱を促す伝熱層１３が接合されている。
前記伝熱層１３は、前記絶縁基板１０の他方の面、即ち半導体素子１１の反対の面に接合されている。、冷却器２０への放熱を促す層である。
前記冷却器２０は、四角形の放熱基板２１とジャケット３０とにより冷却媒体流通空間が形成される液冷式冷却器である。前記放熱基板２１は中央部に多数のフィン２２が一体に立設され、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の深さがフィン２２の高さと同寸に設定されている。前記凹部３１の底壁３２に冷却媒体の入口３３ａおよび出口３３ｂとなる２つの円形孔が穿設されている。前記入口３３ａおよび出口３３ｂは四角形の底壁３２の対向する２辺の近傍にそれぞれ設けられている。
前記放熱基板２１をジャケット３０に被せ、凹部３１にフィン２２群を収容して放熱基板２１で凹部３１の開口部を閉じると、フィン２２の先端が凹部３１の底壁３２の内面３２ｂに当接する。前記放熱基板２１とジャケット３０は、フランジ２３と凹部３１の上面が接合されるとともに、フィン２２の先端と底壁３２の内面３２ｂが接合されて、冷却媒体流通空間が形成されている。
前記冷却器２０は、放熱基板２１の外面２１ａが本発明の冷却器の第一の面に対応し、ジャケット３０の底壁３２の外面３２ａが第二の面に対応する。そして、前記冷却器２０の放熱基板２１の外面２１ａに前記伝熱層１３を介して絶縁基板１０が接合され、前記底壁３２の外面３２ａに反り防止板４０が接合されている。
前記半導体冷却装置１は、配線層１２、絶縁基板１０、伝熱層１３、放熱基板２１、ジャケット３０、反り防止板４０の各部材を、各接合部位にろう材を介在させて組み立て、組み立て物をろう付加熱することにより作製される。
前記半導体冷却装置１において、絶縁基板１０はセラミック等で作製され、冷却器２０はアルミニウムや銅の高熱伝導金属で作製され、反り防止板４０は冷却器２０の材料よりも線膨張率の小さい材料で作製されている。前記冷却器２０を構成する金属はセラミックよりも線膨張係数が大きいので、半導体冷却装置１を上述した方法で作製すると、ろう付加熱の後室温まで冷却する際、冷却器２０が絶縁基板１０よりも縮んで反ろうとするが、冷却器２０の底壁３２の外面３２ａに接合された反り防止板４０が冷却器２０の伸びを抑制する。その結果として、冷却器２０の反りが抑制され、絶縁基板１０のクラック発生や接合部分の剥離を防ぐことができる。また、前記配線層１２に実装した半導体素子１１が発熱して温度が上昇すると、冷却器２０が絶縁基板１０よりも伸びて反ろうとするが、反り防止板４０によって冷却器２０の伸びが抑制されるので、絶縁基板１０のクラック発生や接合部分の剥離を防ぐことができる。前記半導体冷却装置１の各構成部材の好適材料については後に詳述する。
図３において、点線は冷却器２０の底壁３２の外面３２ａに投影した絶縁基板１０の輪郭ｄを示しており、輪郭ｄで囲まれた領域が絶縁基板１０の投影領域Ｐである。前記冷却器２０に接合された反り防止板４０と絶縁基板１０の各辺の長さは同一であるが、説明の便宜のために、冷却器２０に投影された絶縁基板１０の輪郭ｄは反り防止板４０の僅かに外側に表示している。前記冷却器２０の入口３３ａおよび出口３３ｂは露出が必要が要素であり、それらの一部が前記投影領域Ｐ内に存在している。
なお、本発明において、反り防止板は全体が絶縁基板の投影領域内に収まる形状であることに限定されない。反り防止板の輪郭が欠損部以外の部分で投影領域の外側にある形状であってもよい。
前記反り防止板４０は対向する２辺の中央部に半円形の欠損部４１を有している。これらの欠損部４１の位置は冷却器２０の入口３３ａおよび出口３３ｂに対応している。
前記伝熱層１３は、前記反り防止板４０の欠損部４１に対応する位置に半円形の切り欠き部１４を有している。このように伝熱層１３に切り欠き部１４を形成することによって、反り防止板４０の欠損部４１による拘束力不足により生じた反りが絶縁基板１０に伝わることを防ぎ、絶縁基板１０に加わる応力が緩和される。伝熱層１３は切り欠き部１４を有していても相応に熱を伝えることができるので、応力緩和効果を得つつ効果的な半導体１１の冷却が可能である。
前記伝熱層１３と反り防止板４０は、冷却性能を維持しつつ応力緩和効果を得る上で、同一形状であることが好ましい。また、伝熱層１３の切り欠き部１４の面積と反り防止板４０の欠損部４１の面積は同程度であることが望ましいが、両者の面積に差を付けることで冷却性能と応力緩和効果のバランスを調整することができる。例えば図４に示すように、伝熱層５０の切り欠き部５１の面積を反り防止板４０の欠損部４１の面積よりも大きくすることで応力緩和効果をより大きく得ることができる。この場合は、切り欠き部５１の面積を欠損部４１の面積の１００％を超え２００％以下に設定することが好ましい。反対に、図５に示すように、伝熱層５２の切り欠き部５３の面積を反り防止板４０の欠損部４１の面積よりも小さくすることで冷却性能を高く保つことができる。この場合は、切り欠き部５３の面積を欠損部４１の面積の１００％未満２０％以上に設定することが好ましい。
伝熱層の切り欠き部は反り防止板の欠損部に対応位置に形成されるので、切り欠き部の数は欠損部の数と同数である。従って、図６に示すように、四角形の反り防止板４２の四隅に欠損部４３が形成されている場合は、伝熱層５４の四隅の切り欠き部部を５５を形成する。
また、切り欠き部は応力緩和の観点から角を持たない形状であることが望ましく、半円形または半楕円形等、円形または楕円形の一部であることが望ましい。但し、本発明は四角形や多角形等の切り欠き部を除外するものではない。また、切り欠き部が反り防止板の欠損部の輪郭に沿った形状であることに限定されない。
［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１の構成部材の好ましい材料および好ましい形態は以下のとおりである。
本発明の半導体冷却装置１の構成部材の好ましい材料および好ましい形態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（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のセラミックを例示できる。これらのセラミック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点で推奨できる。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にはんだ付等によって接合される。
伝熱層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。前記伝熱層１３は半導体素子１１が発する熱の冷却器２０への放熱を促す効果がある。
冷却器２０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。これらの金属の線膨張係数は前記絶縁基板１０を構成する材料の線膨張係数よりも大きい。また、図示例の冷却器２０は放熱基板２１に多数のピン状フィン２２を一体に設けた構造であるが、フィンの有無およびフィンの形態は問わない。
反り防止板４０を構成する材料は、冷却器２０よりも線膨張係数が小さいことが条件であり、特に純アルミニウムよりも線膨張係数が小さい材料が好ましい。線膨張係数の条件を満たす材料として、上記の絶縁基板１０と同じ材料、アルミニウムめっき鋼、ニッケルめっき鋼、ステンレス鋼、鉄（Ｆｅ）およびこれらの複合材等を例示できる。これらの材料のなかでも、特に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、アルミニウムめっき鋼、ニッケルめっき鋼、鉄（Ｆｅ）のうちのいずれか、あるいはこれらの複合材が好ましい。また、反り防止板４０の厚さは絶縁基板１０と同等であることが好ましく、０．２ｍｍ～３ｍｍの範囲が好ましい。
本発明は発熱量の大きい半導体素子の冷却装置として利用できる
１…半導体冷却装置
１０…絶縁基板
１１…半導体素子
１２…配線層
１３、５０、５２、５４…伝熱層
１４、５１、５３、５５、…切り欠き部
２０…冷却器
２１…放熱基板
２１ａ…外面（第一の面）
３０…ジャケット
３２ａ…外面（第二の面）
３３ａ…入口（要素）
３３ｂ…出口（要素）
４０、４２…反り防止板
４１、４３…欠損部
Ｐ…絶縁基板の投影領域
１０…絶縁基板
１１…半導体素子
１２…配線層
１３、５０、５２、５４…伝熱層
１４、５１、５３、５５、…切り欠き部
２０…冷却器
２１…放熱基板
２１ａ…外面（第一の面）
３０…ジャケット
３２ａ…外面（第二の面）
３３ａ…入口（要素）
３３ｂ…出口（要素）
４０、４２…反り防止板
４１、４３…欠損部
Ｐ…絶縁基板の投影領域
Claims (5)
- 冷却器と、
前記冷却器の第一の面に接合された伝熱層と、
前記伝熱層の冷却器と反対側に接合され、伝熱層と反対側の面に半導体素子を実装する配線層が積層された絶縁基板と、
前記冷却器の第一の面と対向する第二の面に接合され、前記冷却器の材料より線膨張係数の小さい材料からなる反り防止板とを備え、
前記冷却器が、第二の面に前記絶縁基板を投影した投影領域内に露出が必要な要素を有することにより、前記反り防止板が前記要素に対応する位置に欠損部を有し、
前記伝熱層が反り防止板の欠損部に対応する位置に切り欠き部を有することを特徴とする半導体冷却装置。 - 前記伝熱層の切り欠き部が反り防止板の欠損部よりも小さい請求項１に記載の半導体冷却装置。
- 前記伝熱層の切り欠き部が反り防止板の欠損部よりも大きい請求項１に記載の半導体冷却装置。
- 前記伝熱層が反り防止板と同一形状である請求項１に記載の半導体冷却装置。
- 前記伝熱層の切り欠きの形状が円形または楕円形の一部である請求項１～４のうちのいずれか１項に記載の半導体冷却装置。
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