JPH0254955A - 沸騰冷却形半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 本発明は、サイリスタ、ダイオードなどの半導体素子か
ら発生する熱を液体冷媒の沸騰／４１縮作用で系外に除
熱するようにした沸騰冷却形半導体装置に関する。

〔従来の技術〕

まず、頭記した沸騰冷却形半導体装置の従来構成を第３
図により説明する０図において１は半導体装置のスタッ
ク組立体であり、サイリスクなどの半導体素子２と熱伝
導性の高い金属で作られた平板状の冷却体３とを交互に
重ね合わせた積層体が絶縁板４を介して左右の端板５の
間に加圧挟持されている。なお、６はスタック締結用の
スタンド、７は加圧力を与える皿ばね、８はスタックの
両端に配した端子板である。

一方、上記のスタック組立体ｌは、図示のように横置姿
勢でフロンなどの液体冷媒９に浸漬して容器１０内に収
容設置されており、これらで沸騰冷却形半導体装置を構
成している。なお、１１は前記端子Ｆｉ８に接続して容
器１０より外部に引出した端子、１２は容器１０の上部
空間の外周面より張り出す放熱フィンである。

かかる構成による沸騰冷却作用は周知であり、半導体素
子２の通電により発生した熱は、冷却体３に伝熱し、こ
こから冷却体３の表面に接する液体冷媒９へ沸騰伝熱さ
れる。一方、この沸騰伝熱の過程で生じた冷媒蒸気は気
泡となり、その浮力で冷媒液中を上昇して容器１０の上
部空間に放散される。また容器ｌＯの上部空間に充満す
る冷媒蒸気１３は容器１０の壁面へ′ａ縮伝熱して凝縮
し、再び液相に状態変化して液中に還流するとともに、
容器１０に伝熱された熱は放熱フィン１２より糸外（大
気中）に放散される。このような液体冷媒の蒸発／凝縮
サイクルによる潜熱での熱投受により、半導体素子２の
発生熱が系外に除熱される。なお、前記した沸騰熱伝達
は主として核沸騰の領域で進行し、冷媒は冷却体３の伝
熱面で表面沸騰する。

（発明が解決しようとする課題〕 ところで、前記した従来装置の冷媒としては一般に冷媒
として優れた特性を有するフロンを使用しているが、最
近ではフロンが大気中のオゾン層破壊の原因となること
からフロンの使用が国際釣に規制される傾向にあり、フ
ロンに代わるものとして例えば弗化炭素冷媒の採用が検
討されている。

しかして弗化炭素冷媒の熱伝導率はフロンに比べて低く
、かつ弗化炭素冷媒を使用した場合の沸騰熱伝達率は、
フロンの場合に比べて約２／３程度に低下する。したが
って従来構造のままでフロンを使用した場合と同等な沸
騰冷却効果を得るには、沸騰熱伝達率の低下分だけ冷却
体を大形寸法にして伝熱面積を増加させるなどの手段を
講じる必要があり、結果的に半導体装置の全体構造が大
形化してしまう。

本発明は上記の点にかんがみ成されたものであり、冷却
体自体に改良の手を加えることにより、同じ形状１寸法
の冷却体で、冷媒との間の有効伝熱面積を増加させ、併
せて沸騰伝熱の有効促進が図れるようにした冷却性能の
高い沸騰冷却形半導体装置を提供することを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明の沸騰冷却形半導体
装置においては、平板状の冷却体に対し、半導体素子と
の当接部を除く外表面の接液面域を凹凸面と成して構成
するものとする。

〔作用〕

上記の構成で、冷却体の外表面に形成した凹凸面は、ロ
ーレフト加工、切削加工などで板面に高さｌａｗ程度の
三角錐ないし四角錐を多数形成したものであり、これに
より冷媒に接する冷却体表面の有効伝熱面積が増加する
とともに、その凹凸面の突起部が冷媒゛の気泡発生の核
として有効に働いてそれだけ気泡発生点が増加する他、
表面沸騰して生じた気泡の泡切れがよくなる。この結果
、冷却体と冷媒との間の沸騰伝熱がより一層促進される
ようになり、半導体素子の発熱に対する沸騰冷却効果が
高まる。

〔実施例〕

第１図、第２図は本発明実施例による冷却体の構造を示
すものであり、まず半導体素子の当接部３１に沿って冷
却体３の厚さ方向の中央部には複数の冷媒通路穴３２が
穿孔されている。なお、冷却体３を第３図に示したスタ
ック組立体へ組込むに際しては、従来と同様に冷媒通路
穴３２が上下方向に向くようにして組み込まれる。ここ
で本発明により、冷却体３の外表面には半導体素子との
当接部３１を除く冷媒との接液面域に凹凸面３３が形成
されている。この凹凸面３３は、ローレフト加工、切削
加工などにより高さ１１前後の五角錐、四角錐が多数形
成されたものである。このように外表面に１１前後の凹
凸面３３を形成することにより、平坦面と比べて冷媒と
の間の有効伝熱面積は同じ板面面積で約１．８倍に増加
する。

かかる構成により、第３図で説明したように半導体素子
の発生熱が当接部３１より冷却体３に熱伝達されると、
冷媒通路穴３２．および凹凸面３３を成す外表面の伝熱
面よりここに接する液体冷媒との間で対流による伝熱が
生じる。ここで冷却体３の壁面が液体冷媒の飽和温度以
上であれば、冷媒は表面沸騰して壁面上に気泡が発生し
、沸騰伝熱が行われる。一方、冷却体３からの伝熱で冷
媒通路穴３２．外表面の凹凸面３３に接する冷媒の温度
も上昇する。これにより容器内での上下に液体密度差が
生じ、冷媒通路穴３２ではいわゆる煙突効果が働いて液
体冷媒が冷媒通路３２の中を上昇通流するようになる。

また、同様な沸騰伝熱は冷却体３の外表面でも同様に発
生する。しかもこの場合に冷却体３の外表面には凹凸面
３３が形成されているので冷媒との間の有効伝熱面積が
増加し、かつ凹凸面３３の突起部が気泡発生の核として
有効に働いて気泡発生点も大幅に増え、さらに凹凸面３
３は冷媒流に撹乱効果を与えるので、表面沸騰により生
じた気泡は壁面上に停滞することなく直ちに剥離するよ
うに気泡の切れがよくなり、これらの相乗効果で沸騰伝
熱が促進される。

この結果、沸騰冷却系での沸騰冷却効率が向上し、冷却
体３自体の寸法小形化が可能になる、ないしは冷媒をフ
ロンから弗化炭素冷媒に替えた場合でも同等な冷却性能
を確保できる。また半導体装置に過負荷が加わった場合
でも、冷却体３と液体冷媒との間の熱抵抗が低い状態に
維持されるので、それだけ過負荷耐量が高まる。

〔発明の効果〕

本発明の沸騰冷却形半導体装置は、以上説明したように
構成されているので、次記の、勤人を奏する。

すなわち、半導体素子とともに積層してスタック組立体
を構成する冷却体に対し、半導体素子との当接部を除く
外表面を凹凸面となしたことにより、従来のように外表
面を平滑面とした冷却体の構造と比べて液体冷媒との間
の有効伝熱面積の増大、並びに沸騰伝熱の促進が図れる
。これにより、フロンに比べて熱伝導率の低い弗化炭素
冷媒の使用にも対応可能な小形で沸騰冷却効率、過負荷
耐量の高い沸騰冷却形半導体装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例によるスタック組立体に組み込ま
れた冷却体の平面図、第２図は第１図の矢視■−■断面
図、第３図は沸騰冷却形半導体装置全体の構成図である
０図において、 １ニスタック組立体、２：半導体素子、３：冷却体、３
１：当接部、３２：冷媒通路穴、３３：凹凸面、９：液
体冷媒、ｌＯ：容器、１２：放熱フィン、１３：３１閂
拝び 刊１凛？；−乃（マ蒸気 第１図 第３図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体素子と平板状の冷却体とを交互に積層して
   なるスタック組立体を液体冷媒に浸漬して容器内に収容
   し、半導体素子の発生熱を冷却体を介して冷媒へ沸騰伝
   熱させ、さらに冷媒蒸気を系外への放熱面上に凝縮伝熱
   させて除熱するようにした沸騰冷却形半導体装置におい
   て、前記冷却体に対し、半導体素子との当接部を除く外
   表面の接液面域を凹凸面と成したことを特徴とする沸騰
   冷却形半導体装置。