JPH09139453A - 半導体冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内部に冷媒液を封入し、その外面に少くとも
１個以上の半導体素子を圧接接合した蒸発器と、該蒸発
器から発生する冷媒蒸気を凝縮させ該凝縮した冷媒液を
蒸発器へ循環させる凝縮器３を備えた半導体冷却装置の
冷却効率の向上とバーンアウトの防止。 【解決手段】 内部に冷媒液５を封入し、その外面に少
くとも１個以上の半導体素子１を圧接接合した蒸発器２
と、該蒸発器２から発生する冷媒蒸気を凝縮させ該凝縮
した冷媒液を蒸発器へ循環させる凝縮器３を備えた半導
体冷却装置において、前記半導体素子１を圧接接合した
前記蒸発器内の伝熱面６に密着させて１層以上の金属製
の網１３を積層配置したことを特徴とする半導体冷却装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷媒の沸騰・凝縮
現象を利用した半導体装置の冷却技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】パワーエレクトロニクス装置（ＰＥ装
置）は、電力用及び産業用変換装置の普及、高性能化に
大きく貢献し、その利用範囲は、電力、産業システムか
ら鉄道、昇降機、家庭電気機器に至るまで多岐にわたっ
ている。これらの装置に用いられるＧＴＯやＩＧＢＴ等
の半導体素子は、大容量化、高速化を指向しており、そ
れに伴ない素子の発熱損失も増大している。また、高速
形の素子は大容量化に限界があるため装置に適用する場
合は素子を直並列に多数接続する必要があり、これらの
素子を効率良く冷却する冷却器の小形、軽量化を図るこ
とが、装置全体をコンパクト化、高性能化を図る上で重
要な技術課題となっている。

【０００３】モジュール形半導体素子による半導体装置
において、沸騰冷却器を用いた従来例を図７、図８を用
いて説明する。図７は従来の半導体冷却装置を示す斜視
図であり図８は図７の断面図である。

【０００４】半導体冷却装置は半導体素子１を取付ける
蒸発器２と冷媒蒸気７を凝縮させる凝縮器３から成る。
蒸発器２は中空容器であり、内部は冷媒液５で満され、
外壁面に半導体素子１が複数個圧接接合される。図７の
例では半導体素子１が片面６個づつ計１２個装着されて
いる。

【０００５】半導体素子１に発生した熱は、蒸発器２と
の接合面から、蒸発器壁８を通して蒸発器内部の冷媒液
５へと伝熱する。冷媒液５は蒸発器内壁面上の伝熱面６
で沸騰し、相変化によって冷媒蒸気７となり、伝熱面６
を冷却する。

【０００６】蒸発した蒸気７は上方へと移動し、蒸発器
２の上方に設置した凝縮器３へと導かれ、放熱フィン４
を介して大気・水などの２次冷却媒体と熱交換し、再び
凝縮して冷媒液となり、蒸発器２へ戻る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図７、図８に示した半
導体冷却装置では、半導体素子１の発熱を、冷媒５の蒸
発・凝縮のサイクルを形成して冷却するもであり、各半
導体素子１に対応する蒸発器２の内壁の伝熱面６からの
冷媒液５の沸騰を促進し、熱伝達性能を向上させること
が半導体装置の高性能化・コンパクト化につながる重要
な課題である。

【０００８】伝熱面６からの沸騰促進は、気泡の発生を
助長させ安定化させることにより、伝熱面６上に気泡発
生の核となる気泡核を保持することにある。伝熱面６上
に気泡核が存在する場合、その核を中心に気泡が成長・
離脱を繰り返し、安定した沸騰状態が保たれるのに対
し、気泡核が存在しない場合は、伝熱面６上に気泡核が
形成されるまでに大きな壁面過熱度（伝熱面温度と冷媒
液温度との温度差）が必要であり、沸騰は安定しない。

【０００９】伝熱面６上に気泡核を保持する方法として
は金属粒子や金属繊維を伝熱面上に焼結・溶射・鍍金な
どして、多孔質層を形成して気泡核を伝熱面上に保持す
る方法が多種提案されているが（例えば、「伝熱工学資
料 改訂版４版」．ｐ１９４，日本機械工学，１９８６
年発行）、半導体冷却装置のように広い伝熱面６に金属
粒子または金属繊維を用いて多孔質層を形成するのは困
難であり、又、焼結・溶射・鍍金等の方法により多孔質
層を形成するため、得られる伝熱性能のばらつきが大き
いという欠点を持っている。そのため、従来の半導体冷
却装置では、伝熱面６からの沸騰を促進する技術に関し
てはほとんど考慮されていないのが現状である。

【００１０】又、半導体素子１の発熱量が多くなり、伝
熱面６の熱流束が高くなると、伝熱面６からの冷媒液５
の沸騰が核沸騰から膜沸騰へと移行するバーンアウト現
象が生じ、伝熱面６温度が急に上昇して、半導体素子１
を破壊する危険性が高くなって来る。

【００１１】図９は、垂直伝熱面のバーンアウト現象を
模式的に示した説明図である。熱流束が高くなると、気
泡核からの蒸気発生はほとんど連続的となり蒸気ジェッ
ト９を形成し、発生した蒸気は他の蒸気核から発生した
蒸気と合体して蒸気塊１０を形成しながら上へと上昇す
る。伝熱面６の冷却には伝熱面６への冷媒液５の供給が
必要であるが、伝熱面６の上方位置ほど蒸気塊１０は大
きくなり冷媒液５の供給を妨げる。伝熱面６のバーンア
ウトは、蒸気塊１０と伝熱面６との間に存在する薄い冷
媒液５の膜１２が新たに冷媒液５が伝熱面６に流入する
前に蒸発乾燥した場合に生じ、図中１１で示したように
伝熱面６が冷媒蒸気で覆われると熱伝達性能が極端に低
下するため、伝熱面温度が急上昇し、それに追従して半
導体素子１の温度が上昇し、暴走・破壊の原因となる。

【００１２】複数の半導体素子１を複数段に配列して半
導体冷却装置を構成する場合、下方の伝熱面６から発生
した蒸気が上方の伝熱面上を通過するため、上方位置の
伝熱面周りの冷媒蒸気の比率が高くなるため、上方位置
の伝熱面６においてバーンアウトする可能性が高くな
る。また、バーンアウトに至らないまでも上方位置の伝
熱面６への冷媒液の供給が妨げられるため、上方位置の
伝熱面６ほど高い温度を示し、各半導体素子１間で温度
差が生じ、許容範囲以上の温度差が各半導体素子１間に
生じた場合、各半導体素子１の性能がアンバランスにな
り半導体素子１によて構成される回路の暴走等の危険性
が高くなる。

【００１３】本発明は、前述のような事情に鑑みなされ
たもので、その目的は、内部に冷媒液を封入し、その外
面に少くとも１個以上の半導体素子を圧接接合した蒸発
器と該蒸発器から発生する冷媒蒸気を凝縮させ該凝縮し
た冷媒液を蒸発器へ循環させる凝縮器を備えた半導体冷
却装置において、前記半導体素子を圧接した前記蒸発器
内の伝熱面上にに多孔質層を形成し、伝熱面からの沸騰
を促進して、冷却性能の優れた半導体冷却装置を提供す
ることにある。

【００１４】又、本発明の他の目的は、内部に冷媒液を
封入し、その外面に複数個の半導体素子を垂直方向に複
数段圧接接合した蒸発器と、該蒸発器から発生する冷媒
蒸気を凝縮させ、該凝縮した冷媒液を蒸発器へ循環させ
る凝縮器を備えた半導体冷却装置において、下方位置の
伝熱面から発生した気泡が上方位置の伝熱面を干渉する
ことなく上昇し、上方位置の伝熱面がバーンアウトする
危険性を極めて低くしたことを特徴とする半導体冷却装
置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載に関わる発明は、内部に冷媒液を封
入し、その外面に少くとも１個以上の半導体素子を圧接
接合した蒸発器と、該蒸発器から発生する冷媒蒸気を凝
縮させ該凝縮した冷媒液を蒸発器へ循環させる凝縮器を
備えた半導体冷却装置において、半導体素子を圧接接合
した蒸発器の伝熱面に密着させて１層以上の金属製の網
を積層配置したことを特徴とする。

【００１６】又、請求項２に関わる発明は、請求項１に
記載の半導体冷却装置において、１層以上の金属製の網
を密着積層配置する伝熱面を球面状にしたこを特徴とす
る。又、請求項３に関わる発明は、内部に冷媒液を封入
し、その外面に複数個の半導体素子を垂直方向に複数段
圧接接合した蒸発器と、該蒸発器から発生する冷媒蒸気
を凝縮させ、該凝縮した冷媒液を蒸発器へ循環させる凝
縮器を備えた半導体冷却装置において、前記半導体素子
を圧接接合した前記蒸発器内の伝熱面の下方或いは上方
のいずれか一方を前記蒸発器の内壁面より高くし前記伝
熱面に傾斜を持たせたことを特徴とする。

【００１７】又、請求項４に関わる発明は、内部に冷媒
液を封入し、その外面に複数個の半導体素子を垂直方向
に複数段圧接接合した蒸発器と、該蒸発器から発生する
冷媒蒸気を凝縮させ、該凝縮した冷媒液を蒸発器へ循環
させる凝縮器を備えた半導体冷却装置において、前記半
導体素子を圧接接合した前記蒸発器内の伝熱面の高さを
下方に位置する伝熱面ほど高くしたことを特徴とする。

【００１８】更に、請求項５に関わる発明は、内部に冷
媒液を封入し、その外面に複数個の半導体素子を垂直方
向に複数段圧接接合した蒸発器と、該蒸発器から発生す
る冷媒蒸気を凝縮させ、該凝縮した冷媒液を蒸発器へ循
環させる凝縮器を備えた半導体冷却装置において、下方
位置の伝熱面から発生した蒸気泡が上方位置の伝熱面上
を通過しないように伝熱面下部にガイドを設けたことを
特徴としている。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について図
面を参照して説明する。図１は請求項１に関わる発明の
一実施例を示す構成図である。図１に示した実施例の基
本的構成は図７、図８に示した従来の半導体冷却装置と
同様であり、図７、図８において、既に示した部品につ
いては、以下においても同じ番号を付している。

【００２０】請求項１の発明に関わる半導体冷却装置は
半導体素子１を取付ける蒸発器２と冷媒蒸気を凝縮させ
る凝縮器３から成る。蒸発器２は中空容器であり、内部
は冷媒液５で満され、外壁面に半導体素子１が複数個圧
接接合されている。半導体素子１が接合された蒸発器壁
８の内側面が伝熱面６に密着させて１層以上の金属製の
網１３を積層配置することにより、伝熱面上に多孔質が
形成される。

【００２１】半導体素子１に発生した熱は、蒸発器２と
の接合面から蒸発器壁面８を通して蒸発器内部の冷媒液
５へと伝熱する。冷媒液５は蒸発器内壁面上の伝熱面６
で沸騰し、層変化によって冷媒蒸気となり、伝熱面６を
冷却する。

【００２２】この時、金属製の網１３によって形成され
た多孔質層に気泡核が保持されるため、安定して気泡の
成長・脱離が繰り返され、高い冷却性能が得られる。発
生した蒸気７は上方へと移動し、蒸発器２の上方に設置
した凝縮器３へと導かれ、大気、水などの２次冷却媒体
と熱交換し、再び凝縮して冷媒液となり、蒸発器２へ戻
る。

【００２３】図２は請求項２に記載の発明の一実施例を
示す構成図で、蒸発器２の半導体素子１の取付け部分の
拡大図である。本実施例では、伝熱面６に対応する蒸発
器壁面８を球面状とし、その伝熱面に密着させて金属製
の網１３を積層配置している。金属製の網１３は伝熱面
６にできるだけ密着して配置することが望ましいが、金
網１３を伝熱面外周に沿って押えて固定する場合、伝熱
面を球面状にしたことにより、金網１３に張力が働き、
伝熱面への密着性が向上する。

【００２４】図３は請求項３に記載の発明の一実施例を
示す構成図で、蒸発器２内の伝熱面６の形状を下方ほど
蒸発器内壁面より高くし、伝熱面６に傾斜を設けてい
る。伝熱面６の上方に向って傾斜を設けることにより、
伝熱面６から発生した気泡が上昇する過程で上方の伝熱
面６への冷媒液５の供給を妨げることが極めて少なくな
る。特に、半導体素子１からの発熱が大きくなり伝熱面
６から発生した蒸気が図９に示したような蒸気塊１０を
形成し、伝熱面６への冷媒液５の供給を妨げようとして
も、伝熱面６に傾斜が設けてあるため蒸気塊１０と伝熱
面６との距離が伝熱面６が垂直の場合よりも広く保た
れ、バーンアウトする危険性が低くなる。

【００２５】図３の実施例は、蒸発器２内の伝熱面６の
形状を下方ほど蒸発器内壁面より高くし、伝熱面６に傾
斜を設けているが、この逆にしても同様な効果を得るこ
とができる。即ち、蒸発器２内の伝熱面６の形状を下方
より上方を蒸発器内壁面より高くし、伝熱面６に傾斜を
設けても良い。

【００２６】図４は、請求項４に記載の発明の一実施例
を示す構成図である。下方の伝熱面６を蒸発器２内壁面
より高くし、その高さを下方に位置する伝熱面６ほど高
くしている。

【００２７】請求項４に関わる本発明は、複数個の半導
体素子１を垂直方向に複数段圧接した導体冷却装置の場
合に適用するもので、同一面上に伝熱面を配置した場
合、下段伝熱面から発生した気泡が、上段の伝熱面より
発生した気泡と合体するため上段伝熱面でバーンアウト
する危険性が高くなるが、請求項４に関わる本発明では
複数段ある伝熱面６の位置が異るため、下段伝熱面６か
ら発生した冷媒蒸気の影響を受け難くなり、上段伝熱面
６でバーンアウトする危険性がほとんど無くなり装置の
信頼性が向上する。

【００２８】図５は、請求項５に記載の発明の一実施例
を示す構成図である。図６は図５におけるＡ―Ａ矢視断
面図である。請求項５に記載の発明では、下方位置の伝
熱面６から発生した蒸気泡が上方位置の伝熱面６上を通
過しないように伝熱面６の下部にガイド１４を設けてい
る。図６に示した実施例では、ガイド１４の形状を半円
型として、通過する蒸気が上部伝熱面の側面を通過し易
いようにしており、各伝熱面６から発生した気泡は、図
６に矢印で示すような経路で上昇する。

【００２９】請求項５に記載の発明は、複数個の半導体
素子を垂直方向に複数段圧接した半導体冷却装置の場合
に適用されるものであり、上方ほど冷媒の蒸気含有率が
大きくなり、上方に位置する伝熱面６ほど冷媒供給が妨
げられて、バーンアウトや、上下素子間の温度差が生じ
る原因となるが、ガイド１４を設けたことにより上方伝
熱面でバーンアウトする危険性が極めて低くなると共に
上下半導体素子１間の温度差を小さく保つことができ、
信頼性の高い安定し回路性能を得ることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明のように、請求項１、請求項２
に関わる発明によると伝熱面に密着させて１層以上の金
属製の網を積層配置することにより、伝熱面上に多孔質
層が形成され、気泡核を保持する効果があるため、伝熱
面から安定して蒸気が発生し、高い冷却性能が得られ
る。伝熱面からの冷却性能が向上することにより、素子
の過熱に起因して発生していた故障等の可能性が低くな
り装置の信頼性が高くなると共に、冷媒の作動圧力の低
減を図ることができ、装置全体のコンパクト化にも大き
く寄与する。

【００３１】多孔質層の最適な孔径は、使用する冷媒、
圧力、温度条件、熱流速等の冷却条件により変化するた
め、金属粒子や金属繊維を焼結・溶射・鍍金等により目
的の孔径に多孔質層を形成することが困難であり、ま
た、製作ごとのばらつきも大きい。しかし、本発明によ
れば多孔質層形成に使用する金網の線径及びメッシュピ
ッチ、積層枚数を適当に選ぶことにより、最適な孔径の
多孔質層を形成することができる。又、伝熱面ごとの孔
径のばらつきも小さく、安定して高い伝熱性能を得るこ
とができる。

【００３２】又、請求項３、請求項４及び請求項５に関
わる発明によれば、半導体素子からの発熱が大きくなり
下方の伝熱面から発生した蒸気が上方の伝熱面から発生
する蒸気と合体することなく、伝熱面への冷媒液の供給
が十分行われるため、バーンアウトする危険性がほとん
ど無くなり上下半導体素子間の温度差を小さく保つこと
ができ、安定した回路性能を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の発明の一実施例を示す半導体冷却装
置の断面図。

【図２】請求項２の発明の一実施例を示す半導体冷却装
置の半導体素子取付け部分の断面図。

【図３】請求項３の発明の一実施例を示す半導体冷却装
置の断面図。

【図４】請求項４の発明の一実施例を示す半導体冷却装
置の断面図。

【図５】請求項５の発明の一実施例を示す半導体冷却装
置の断面図。

【図６】［図５］に示すＡ―Ａ断面図。

【図７】従来の半導体冷却装置の基本構成を示す斜視
図。

【図８】［図７］の断面図。

【図９】バーンアウト現象の模式図。

【符号の説明】

１ …半導体素子 ２ …蒸
発器 ３ …凝縮器 ４ …放
熱フィン ５ …冷媒液 ６ …伝
熱面 ７ …冷媒蒸気 ８ …蒸
発器壁面 ９ …蒸気ジェット １０ …蒸
気塊 １１ …バーンアウト点 １２ …冷
媒液膜 １３ …金属製の網 １４ …ガ
イド ７ …冷媒蒸気 ８ …蒸
発器壁

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に冷媒液を封入し、その外面
   に少くとも１個以上の半導体素子を圧接接合した蒸発器
   と、該蒸発器から発生する冷媒蒸気を凝縮させ該凝縮し
   た冷媒液を蒸発器へ循環させる凝縮器を備えた半導体冷
   却装置において、前記半導体素子を圧接接合した前記蒸
   発器内の伝熱面に密着させて１層以上の金属製の網を積
   層配置したことを特徴とする半導体冷却装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の半導体冷却装置
   において、１層以上の金属製の網を密着積層配置する伝
   熱面を球面状にしたこを特徴とする半導体冷却装置。
3. 【請求項３】 内部に冷媒液を封入し、その外面
   に複数個の半導体素子を垂直方向に複数段圧接接合した
   蒸発器と、該蒸発器から発生する冷媒蒸気を凝縮させ、
   該凝縮した冷媒液を蒸発器へ循環させる凝縮器を備えた
   半導体冷却装置において、前記半導体素子を圧接接合し
   た前記蒸発器内の伝熱面の下方或いは上方のいずれか一
   方を前記蒸発器の内壁面より高くし前記伝熱面に傾斜を
   持たせたことを特徴とする半導体冷却装置。
4. 【請求項４】 内部に冷媒液を封入し、その外面
   に複数個の半導体素子を垂直方向に複数段圧接接合した
   蒸発器と、該蒸発器から発生する冷媒蒸気を凝縮させ、
   該凝縮した冷媒液を蒸発器へ循環させる凝縮器を備えた
   半導体冷却装置において、前記半導体素子を圧接接合し
   た前記蒸発器内の伝熱面の高さを下方に位置する伝熱面
   ほど高くしたことを特徴とする半導体冷却装置。
5. 【請求項５】 内部に冷媒液を封入し、その外面
   に複数個の半導体素子を垂直方向に複数段圧接接合した
   蒸発器と、該蒸発器から発生する冷媒蒸気を凝縮させ、
   該凝縮した冷媒液を蒸発器へ循環させる凝縮器を備えた
   半導体冷却装置において、下方位置の伝熱面から発生し
   た蒸気泡が上方位置の伝熱面上を通過しないように伝熱
   面下部にガイドを設けたことを特徴とする半導体冷却装
   置。