JP7126423B2 - 冷却器、そのベース板および半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力用半導体素子等の発熱体の冷却用に用いられる冷却器およびそのベース板に関し、さらに当該冷却器を備えた半導体装置に関する。

ハイブリッド自動車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）等の電動機、産業機械、家電、情報端末等の電力駆動機器の主電力を制御するのに用いられる電力用半導体素子は、大電力を取り扱うために大きな発熱が伴う。このため高熱による悪影響を回避して高性能を維持するために、電力用半導体素子が実装された基板（素子実装基板）には、冷却器を接合または接着して、その冷却器によって発生した熱を放出するようにしている。

定置設備等のように、素子実装基板の周辺に放熱用に大きなスペースを確保できるような場合には、空冷式冷却器を採用することが可能であるが、自動車等の限られたスペース内に多数の機器が密集して配置されるような場合には、液冷式（水冷式）の冷却器を採用するのが通例である。

下記特許文献１，２には、素子実装基板を冷却するための液冷式冷却器が開示されている。この冷却器は、上面に開口を有する水冷ジャケット等の箱形の容器本体と、その容器本体の上面開口を閉塞するように取り付けられるベース板とを備えている。ベース板は、その内周部の下面側に多数の放熱フィンが一体に形成されるとともに、内周部の上面側に素子実装基板が搭載されている。このベース板の多数の放熱フィンを容器本体内に上面開口を介して収容した状態で、ベース板の外周部が容器本体の上面開口周縁部にＯリング等のシール部材を介してボルト等によって固定される。これにより容器本体およびベース板によって冷媒が流通する冷媒流路が形成され、冷却器の外部から冷媒流路の一端に供給される冷媒が、冷媒流路を通って他端から外部に流出されるように構成されている。こうして冷却器の冷媒流路内に循環される冷媒と、半導体素子とがベース板および放熱フィン等を介して熱交換して、半導体素子から発生する熱が冷媒を介して外部に放出され、それによって半導体素子が冷却されるようになっている。

特開２０１６－９２２０９号公報 特開２０１８－６７６９１号公報

上記特許文献１，２に示す従来の冷却器のように、容器本体とベース板とが別体で後付けされる冷却器においては、放熱フィンが形成されたベース板の内周部は、冷却性能を向上させるために高い熱伝導率が要求されるのに対し、ベース板の外周部は、容器本体に固定する際に密封性を確保するためにシール部材を十分に圧縮する必要があり、シール部材の弾性反発力によっても変形しないような高い強度が要求される。

しかしながら、従来の冷却器は、ベース板全体が一体に形成されており、ベース板内周部と、ベース板外周部とが同じ材質によって構成されている。このため冷却性能を優先してベース板を熱伝導率の高い材質により構成すると、ベース板に十分な強度を得ることができず、ベース板外周部がシール部材の反発力によって変形してしまい、ベース板を容器本体に精度良く取り付けることが困難になるという課題が発生する。逆にベース板の取付精度を優先してベース板を高い強度の材質によって構成すると、ベース板内周部の熱伝達率が低下し、十分な冷却性能を得ることが困難になるという課題が発生する。

この発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、十分な冷却性能を得ることができる上さらに、ベース板を容器本体に精度良く安定した状態に取り付けることができる冷却器、そのベース板および半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、以下の手段を備えるものである。

［１］上面に開口を有する箱形の容器本体と、内周部の下面側に多数の放熱フィンが形成され、かつ前記内周部の上面側に発熱体が配置可能なベース板とを備え、前記放熱フィンが前記容器本体内にその上面開口を介して収容された状態で、前記ベース板の外周部が前記容器本体の上面開口周縁部にシール部材を介して固定されることによって、前記ベース板が前記容器本体にその上面開口を閉塞するように組み付けられる冷却器であって、
前記ベース板が、その内周部と、外周部とが別体に形成されるとともに、その別体の内周部および外周部が連結一体化されることによって形成されていることを特徴とする冷却器。

［２］前記ベース板における前記外周部が、前記内周部に対し強度が高い材質によって形成されている前項１に記載の冷却器。

［３］前記ベース板における前記内周部が、前記外周部に対し熱伝導率が高い材質によって形成されている前項１または２に記載の冷却器。

［４］前記ベース板における外周部の板厚が、前記内周部の板厚よりも厚く形成されている前項１～３のいずれか１項に記載の冷却器。

［５］前記ベース板における前記外周部の下面と、前記内周部の下面とがほぼ同一平面内に配置されている前項１～４のいずれか１項に記載の冷却器。

［６］前記ベース板における前記外周部の内周端縁下側に凹段部が設けられ、
前記凹段部内に前記内周部の外周端縁が収容された状態に配置されている前項１～５のいずれか１項に記載の冷却器。

［７］前記ベース板における前記外周部の内周端縁下側に内方に突出する内方突出部が設けられるとともに、
前記内周部の外周端縁が前記内容突出部に載置された状態に配置されている前項１～５のいずれか１項に記載の冷却器。

［８］前記ベース板における前記外周部および前記内周部がアルミニウムよって構成されている前項１～７のいずれか１項に記載の冷却器。

［９］上面に開口を有する箱形の容器本体に、その上面開口を閉塞するように組み付けられる冷却器のベース板であって、
下面側に、容器本体内にその上面開口を介して収容可能な多数のフィンが形成され、かつ上面側に発熱体が配置可能な内周部と、
前記内周部の外側に設けられ、かつ容器本体の上面開口縁部にシール部材を介して固定可能な外周部とを備え、
前記内周部と、前記外周部とが別体に形成されるとともに、その別体の内周部および外周部が連結一体化されることによって構成されていることを特徴とする冷却器のベース板。

［１０］上面に開口を有する箱形の容器本体と、内周部の下面側に多数の放熱フィンが形成されたベース板と、前記ベース板の内周部上面側に配置される半導体素子とを備え、前記放熱フィンが前記容器本体内にその上面開口を介して収容された状態で、前記ベース板の外周部が前記容器本体器の上面開口周縁部にシール部材を介して固定されることによって、前記ベース板が前記容器本体にその上面開口を閉塞するように組み付けられる半導体装置であって、
前記ベース板が、その内周部と、外周部とが別体に形成されるとともに、その別体の内周部および外周部が連結一体化されることによって形成されていることを特徴とする半導体装置。

発明［１］の冷却器によれば、ベース板において放熱フィンが形成される内周部と、容器本体に固定される外周部とを別体に形成しているため、内周部と外周部とを異なる材質によって構成することができる。すなわち内周部を熱伝導率が高い素材によって構成するとともに、外周部を強度が高い素材によって構成することができる。これにより、発熱体から発生する熱は内周部を介して容器本体内の冷媒にスムーズに吸収され、効率良く熱交換することができ、十分な冷却性能を得ることができる。さらに外周部はシール部材の弾性反発力に対しても変形することがなく、外周部をシール部材を圧縮した状態で容器本体に確実に取り付けることができ、ベース板としての外周部を容器本体に位置精度良く安定した状態に取り付けることができる。

発明［２］～［４］の冷却器によれば、上記の効果をより確実に得ることができる。

発明［５］［６］の冷却器によれば、ベース板の下面側における内周部および外周部間に段差が形成されるのを防止できるため、ベース板の下面に沿って冷媒が内周部および外周部間をスムーズに流通するようになり、冷却性能をより一層向上させることができる。

発明［７］の冷却器によれば、外周部の内周端縁に内方突出部を形成し、その内方突出部上に内周部の外周端縁を配置するようにしているため、シール部材を内方突出部の下面の位置に配置することにより、シール部材を容器本体の上面開口の近接位置に配置することができる。このため、シール部材を外周部における内側寄りの位置に配置でき、その分、外周部の外径寸法を小さくすることができ、ひいては冷却器全体の小型軽量化を図ることができる。

発明［８］の冷却器によれば、上記の効果をより一層確実に得ることができる。

発明［９］の冷却器のベース板によれば、上記と同様の主要部を備えているため、上記と同様の効果を得ることができる。

発明［１０］の半導体装置によれば、上記と同様の主要部を備えているため、上記と同様の効果を得ることができる。

図１はこの発明の第１実施形態である冷却器が適用された電力用半導体装置を示す断面図である。 図２は第１実施形態の半導体装置のベース板における内周部および外周部間の接合部周辺を拡大して示す断面図である。 図３はこの発明の第２実施形態である冷却器が適用された電力用半導体装置を示す断面図である。 図４は第２実施形態の半導体装置のベース板における内周部および外周部間の接合部周辺を拡大して示す断面図である。

＜第１実施形態＞
図１はこの発明の第１実施形態である冷却器が適用された電力用半導体装置を示す断面図である。図２はその半導体装置の要部を拡大して示す断面図であって、図１の一点鎖線で囲まれる部分を拡大して示す断面図に相当する。

図１に示すようにこの半導体装置は、冷却ジャケット等の容器本体１と、ベース板５と、実装基板２とを基本的な構成要素として備えている。

なお本明細書および特許請求の範囲において、アルミニウムという用語は、特に明示した場合を除き、純アルミニウムはもちろん、アルミニウム合金も含む意味で用いられる。さらに本明細書および特許請求の範囲において、方向を示す「上方（上側）」や「下方（下側）」等の用語は、重力方向を基準とするものではなく、便宜的に図１に示す状態を基準にしたものである。つまり、本発明の冷却器や半導体装置は実使用状態において、図１に示す状態の他に、例えば図１の状態に対し、上下を反転させた状態、上下を左右方向に向けて配置した状態、上下を斜め方向に向けて配置した状態で使用するようにしても良い。

容器本体１は、平面視が矩形状に形成されており、全体として箱形（ボックス型）の形状に形成されている。この容器本体１には、上面に開口１１を有し、その上面開口１１によって容器本体１の内部が上方に開放されている。

ベース板５は、平面視において外周形状が、容器本体１の外周形状に対応する矩形状に形成されている。このベース板５は、ベース板５の内側の領域を構成する内周部６と、ベース板５の外側の領域を構成し、かつ内周部６の外側に配置される外周部７とを備えている。本実施形態においてベース板５は、内周部６と外周部７とは別体に形成されており、後述するように異なる材質によって構成されている。

内周部６にはその下面側に多数の放熱フィン６１が下方に突出するようにして一体に形成されている。本実施形態において、放熱フィン６１の構成は特に限定されるものではなく、プレートフィンであっても、ピンフィンであっても良い。さらにピンフィンを採用する場合には、その断面形状が限定されるものではなく、円形状、楕円形状、長円形状、多角形状、異形状等、どのような断面形状に形成されていても良い。

また外周部７は、内周部６に比べて板厚が厚く形成されている。さらに図１および図２に示すように外周部７における内周端縁の下側には、内方に向けて突出するように内方突出部７５が一体に形成されている。

この外周部７の内方突出部７５上に、内周部６の外周端縁が載置されるように配置され、かつ内周部６の放熱フィン６１が外周部７の中央孔を通って下方に突出するように配置された状態で、内周部６の外周端縁と外周部７の内周端縁との接触領域周辺がろう付け処理、溶接処理、接着剤塗布処理等によってされて結合される。これによって、内周部６および外周部７が接合一体化（連結一体化）されて、ベース板５が形成されている。

ここで本実施形態においてベース板５の内周部６は、外周部７に比べて熱伝導率が高い材質によって構成されている。さらに外周部７は、内周部６に比べて強度が高い材質によって構成されている。

具体的に内周部６の素材としては、合金番号がＡ１０５０（熱伝導率２３０Ｗ／ｍＫ、耐力３０ＭＰａ）、Ａ１１００（熱伝導率２２０Ｗ／ｍＫ、耐力３５ＭＰａ）等の純アルミニウムを好適に用いることができる。また外周部７の素材としては、合金番号がＡ６０６３（熱伝導率２１０Ｗ／ｍＫ、耐力１４５ＭＰａ）等のＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金、Ａ３００３（熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫ、耐力１２５ＭＰａ）等のＡｌ－Ｍｎ系合金を好適に用いることができる。

以上の構成のベース板５が容器本体１に組み付けられて冷却器が形成される。すなわちベース板５の放熱フィン６１が容器本体１の上面開口１１を介して容器本体１内に収容され、さらにベース板５の外周部７の下面が容器本体１の上面開口周縁部に、Ｏリングやメタルガスケット等のシール部材３を介して載置される。その状態で、外周部７にその上方側から貫通されたボルト４が容器本体１の上面開口周縁部に締結されて固定される。これによりベース板５が容器本体１に組み付けられる。この組付状態においては、容器本体１とベース板５とによって密閉された冷媒流路が形成されるとともに、その冷媒流路内に放熱フィン６が配置されている。

なおこの組付状態において、放熱フィン６１の下端は、容器本体１の内部底面に接触させておくのが好ましい。

また、ベース板５の上側に設けられる実装基板２は、絶縁板２１を備え、その絶縁板２１の上下両面にアルミニウム製の配線層２２，２２が積層されるとともに、上側の配線層２２の上面にはんだ層２３を介して電力用半導体素子２４が固定されている。

この実装基板２の下側の配線層２２が、ベース板５の内周部６の上面にろう付け処理、溶接処理、接着剤塗布処理等によって結合される。これにより本実施形態の半導体装置が形成される。

以上の構成の本実施形態の半導体装置においては、容器本体１に図示しない冷媒入口および冷媒出口が設けられており、冷媒入口を介して容器本体１（冷媒流路）内に冷媒が流入されて、冷媒流路における多数の放熱フィン６１の各間を流通した後、冷媒出口から外部に流出される。こうして容器本体１（冷媒流路）内を流通する冷媒と、半導体素子２４との間で熱交換されることにより、半導体素子２４から発生する熱が、冷媒を介して外部に放出されて、半導体素子２４が冷却されるようになっている。

以上の構成の本実施形態の半導体装置によれば、ベース板５において放熱フィン６１が形成される内周部６と、容器本体１に固定される外周部７とを別体に形成し、内周部６を熱伝導率が高い素材によって構成するとともに、外周部７を強度が高い素材によって構成している。このため、半導体素子２４から発生する熱は内周部６を介して容器本体１内の冷媒にスムーズに吸収され、効率良く熱交換することができ、十分な冷却性能を得ることができる。さらに外周部７はシール部材３の弾性反発力に対しても変形することがなく、外周部７をシール部材３を圧縮した状態で容器本体１に確実に取り付けることができる。従って密封性を十分に確保しつつ、ベース板５としての外周部７を容器本体１に位置精度良く安定した状態に取り付けることができ、製品価値を格段に向上させることができる。

また本実施形態においては、ベース板５における内周部６の板厚を外周部７の板厚に比べて薄く形成しているため、内周部６の熱伝達率をさらに向上できて、冷却性能をより一層向上させることができるとともに、外周部７の強度をさらに向上できて、ベース板５を容器本体１により一層安定した状態に取り付けることができる。

また本実施形態においては、外周部７の内周端縁に内方突出部７５を形成し、その内方突出部７５上に内周部６の外周端縁を配置するようにしているため、シール部材３を内方突出部７５の下面の位置に配置することができる。このため本第１実施形態においては、図３および図４に示す後述の第２実施形態の半導体装置に比べて、シール部材３を容器本体１の上面開口１１の近接位置に配置することができる。つまり本第１実施形態においてはシール部材３を内側寄りの位置に配置でき、その分、ベース板５としての外周部７の外径寸法を小さくすることができ、ひいては半導体装置全体の小型軽量化を図ることができる。

＜第２実施形態＞
図３はこの発明の第２実施形態である冷却器が適用された電力用半導体装置を示す断面図、図４はその半導体装置の要部を拡大して示す断面図であって、図３の一点鎖線で囲まれる部分を拡大して示す断面図に相当する。

両図に示すようにこの半導体装置においては、ベース板５における外周部７の内周端縁下側に、内方および下方に向けて開放する凹段部７６が形成されている。そしてこの外周部７の凹段部７６内に内周部６の外周端縁が嵌め込まれるように配置された状態で、内周部６および外周部７との接触領域周辺がろう付け処理、溶接処理、接着剤塗布処理等によって結合されて、ベース板５が形成される。さらにこのベース板５が、上記第１実施形態と同様にして容器本体１に取り付けられるとともに、ベース板５上に実装基板２が実装されて、本第２実施形態の半導体装置が形成される。

この第２実施形態の半導体装置において他の構成は、上記第１実施形態と実質的に同様であるため、同一または相当部分に同一符号を付して、重複説明は省略する。

この第２実施形態の半導体装置においても上記と同様、十分な冷却性能を得ることができるとともに、ベース板５としての外周部７を容器本体１に位置精度良く安定した状態に取り付けることができる。

その上さらに本第２実施形態の半導体装置においては、ベース板５における外周部７の内周端縁下側に凹段部７６を形成して、その凹段部７６内に内周部６の外周端縁を収容するように配置しているため、内周部６の下面と外周部７の下面とを同一平面内（面一）に配置することが容易となる。このため内周部６の下面と外周部７の下面との間に段差がなくなり、図４の矢符号に示すように、ベース板５の下面に沿う冷媒Ｒが外周部７から内周部６に、および内周部６から外周部７にスムーズに流動するようになる。このように冷媒流路内での冷媒Ｒの流れがよりスムーズになり、より一層冷却性能を向上させることができる。

＜変形例＞
上記実施形態においては、ベース板５における外周部７の内周端縁に内方突出部７５や凹段部７６を形成し、外周部７の内周端縁に内周部６の外周端縁を軸心方向に係合し得るように配置しているが、それだけに限られず、本発明においては、外周部および内周部の接合部の形状はどのような形状でも良い。例えば内周部６の外周端縁（外周端面）および外周部７の内周端縁（内周端面）をそれぞれ垂直面に形成するようにしても良いし、内周部６の外周端縁に、外方突出部や凹段部を形成するようにしても良い。

また上記実施形態においては、半導体素子２４を冷却する冷却器を例に挙げて説明したが、それだけに限られず、本発明においては、半導体素子以外の発熱体を冷却する冷却器にも適用することができる。

また上記実施形態においては、ベース板を容器本体にボルトによって固定する場合を例に挙げて説明したが、それだけに限られず、本発明においては、ベース板の容器本体に対する固定手段は限定されるものではない。例えばボルト以外に、ねじやクランプ等の固定手段を用いて固定するようにしても良い。

この発明の冷却器は、電力用半導体素子等の発熱体を冷却するための冷却装置として好適に用いることができる。

１：容器本体
１１：上面開口
２４：半導体素子
３：シール部材
５：ベース板
６：内周部
６１：放熱フィン
７：外周部
７５：内方突出部
７６：凹段部

Claims (11)

1. 上面に開口を有する箱形の容器本体と、内周部の下面側に多数の放熱フィンが形成され、かつ前記内周部の上面側に発熱体が配置可能なベース板とを備え、前記放熱フィンが前記容器本体内にその上面開口を介して収容された状態で、前記ベース板の外周部が前記容器本体の上面開口周縁部にシール部材を介して固定されることによって、前記ベース板が前記容器本体にその上面開口を閉塞するように組み付けられる冷却器であって、
   前記ベース板が、その内周部と、外周部とが別体に形成されるとともに、その別体の内周部および外周部が連結一体化されることによって形成され、
   前記ベース板における前記外周部が、前記内周部に対し強度が高い材質によって形成されていることを特徴とする冷却器。
2. 上面に開口を有する箱形の容器本体と、内周部の下面側に多数の放熱フィンが形成され、かつ前記内周部の上面側に発熱体が配置可能なベース板とを備え、前記放熱フィンが前記容器本体内にその上面開口を介して収容された状態で、前記ベース板の外周部が前記容器本体の上面開口周縁部にシール部材を介して固定されることによって、前記ベース板が前記容器本体にその上面開口を閉塞するように組み付けられる冷却器であって、
   前記ベース板が、その内周部と、外周部とが別体に形成されるとともに、その別体の内周部および外周部が連結一体化されることによって形成され、
   前記ベース板における前記内周部が、前記外周部に対し熱伝導率が高い材質によって形成されていることを特徴とする冷却器。
3. 前記ベース板における外周部の板厚が、前記内周部の板厚よりも厚く形成されている請求項１または２に記載の冷却器。
4. 前記ベース板における前記外周部の下面と、前記内周部の下面とがほぼ同一平面内に配置されている請求項１～３のいずれか１項に記載の冷却器。
5. 前記ベース板における前記外周部の内周端縁下側に凹段部が設けられ、
   前記凹段部内に前記内周部の外周端縁が収容された状態に配置されている請求項１～４のいずれか１項に記載の冷却器。
6. 前記ベース板における前記外周部の内周端縁下側に内方に突出する内方突出部が設けられるとともに、
   前記内周部の外周端縁が前記内方突出部に載置された状態に配置されている請求項１～４のいずれか１項に記載の冷却器。
7. 前記ベース板における前記外周部および前記内周部がアルミニウムによって構成されている請求項１～６のいずれか１項に記載の冷却器。
8. 上面に開口を有する箱形の容器本体に、その上面開口を閉塞するように組み付けられる冷却器のベース板であって、
   下面側に、容器本体内にその上面開口を介して収容可能な多数のフィンが形成され、かつ上面側に発熱体が配置可能な内周部と、
   前記内周部の外側に設けられ、かつ容器本体の上面開口縁部にシール部材を介して固定可能な外周部とを備え、
   前記内周部と、前記外周部とが別体に形成されるとともに、その別体の内周部および外周部が連結一体化されることによって構成され、
   前記ベース板における前記外周部が、前記内周部に対し強度が高い材質によって形成されていることを特徴とする冷却器のベース板。
9. 上面に開口を有する箱形の容器本体に、その上面開口を閉塞するように組み付けられる冷却器のベース板であって、
   下面側に、容器本体内にその上面開口を介して収容可能な多数のフィンが形成され、かつ上面側に発熱体が配置可能な内周部と、
   前記内周部の外側に設けられ、かつ容器本体の上面開口縁部にシール部材を介して固定可能な外周部とを備え、
   前記内周部と、前記外周部とが別体に形成されるとともに、その別体の内周部および外周部が連結一体化されることによって構成され、
   前記ベース板における前記内周部が、前記外周部に対し熱伝導率が高い材質によって形成されていることを特徴とする冷却器のベース板。
10. 上面に開口を有する箱形の容器本体と、内周部の下面側に多数の放熱フィンが形成されたベース板と、前記ベース板の内周部上面側に配置される半導体素子とを備え、前記放熱フィンが前記容器本体内にその上面開口を介して収容された状態で、前記ベース板の外周部が前記容器本体の上面開口周縁部にシール部材を介して固定されることによって、前記ベース板が前記容器本体にその上面開口を閉塞するように組み付けられる半導体装置であって、
    前記ベース板が、その内周部と、外周部とが別体に形成されるとともに、その別体の内周部および外周部が連結一体化されることによって形成され、
    前記ベース板における前記外周部が、前記内周部に対し強度が高い材質によって形成されていることを特徴とする半導体装置。
11. 上面に開口を有する箱形の容器本体と、内周部の下面側に多数の放熱フィンが形成されたベース板と、前記ベース板の内周部上面側に配置される半導体素子とを備え、前記放熱フィンが前記容器本体内にその上面開口を介して収容された状態で、前記ベース板の外周部が前記容器本体の上面開口周縁部にシール部材を介して固定されることによって、前記ベース板が前記容器本体にその上面開口を閉塞するように組み付けられる半導体装置であって、
    前記ベース板が、その内周部と、外周部とが別体に形成されるとともに、その別体の内周部および外周部が連結一体化されることによって形成され、
    前記ベース板における前記内周部が、前記外周部に対し熱伝導率が高い材質によって形成されていることを特徴とする半導体装置。

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