JPS62502929A - 電気的に絶縁した半導体の冷却積み重ね体 - 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】 電気的に絶縁した半導体の冷却積み重ね体発明の背景 最近の数年において、特に高出力形半導体に対して種々の理由に基づき作動組立 体内に各半導体を積み重ねることが一般的である。

い（つかの場合において、このような要望は半導体の簡潔な組立体を得ることに なるが、このような要望は、各半導体ができるだけ同時に且つ完全に接近して制 御されるように制御信号が１個以上の半導体を通過する距離を短か（することに 関する。

とにか（、このような各半導体を含む各回路の動作中、熱が発生するため、半導 体に対する損傷を防ぐようにこの熱を除去する努力がなされなければならない。

一般的Ｋ、この目的のため、放熱又は種々の冷却構造が用いられてきた。最近の 一例として、このような部品は良好な熱伝導すなわち電気的導体を得るための金 属が採用されている。従って、スタック体内の各半導体は互いに電気的に分離さ れており、この電気的絶縁体はスタック体内の種々の場所に介挿されている。

多（の電気的絶縁体は熱に対しては不良導体であり、種々の半導体の効果的な冷 却を妨げるものである。

本発明は、相互に各半導体の絶縁を行うことによりスタック体内の各半導体を異 なる電位で作動するため、良された冷却及び放熱構造を提供することである。

発明の要旨 本発明の第一の目的は、新規で改良された放熱構造及び新規で改良された同様の 構成を用いた半導体スタック体を提供することである。特に、簡便な半導体スタ ック体に用いるための放熱構造を提供すると共に、冷却目的のため要求される熱 変換効率を妨げることな（スタック体内の各半導体エレメントの電気的分離を提 供することである。

本発明の典型的な実施例は、電気的絶縁材からなる薄シートと第−及び第二の導 電形放熱エレメントを含む放熱構造における前述の目的を達成することである。

各放熱エレメントは、半導体と良好な電気的及び熱的接触をなすために平面及び 対向側部を有している。これらの各放熱エレメントは、入口及び出口を相互接続 する内部導管に沿って入口から離れた液入口及び液出口を含んでいる。この導管 は、側面に対向するエレメントの側部及び各表面間の絶縁シートを挟持する各エ レメントに関して熱交換の状態にある。この表面をシートに接合するための手段 が用いられている。

好適な実施例において、各エレメントの一つに各首部を有する表面から延びる各 首部によって決められる各入口及び出口は、他のエレメントの各首部と一列に並 んでいる。

最も好適な実施例において、一つのエレメントにおける少なくとも一つの首部は 、他のエレメントの整列した首部内の貫通孔と整列する貫通孔を有して（・る。

開口部は絶縁シートに位置すると共に、各貫通孔と整列している。このシートに 隣接する各貫通孔は突起部及び各突起部内に配設された誘電体を有している。

最も好適な実施例において、この誘電体は、結合手段として作用する接着剤であ る。

本発明は前述したように整列し間隔をおいて設けられた複数のＸ”放熱構造及び 複数の“Ｘ−１”半導体よりなる半導体スタック体を意図しており、各半導体は 二つの放熱構造間に配設され、各対向側部の一つと係合する。緊締手段は、放熱 構造体及び各半導体を組立てる関係で緊締するためにスタック体内の放熱構造体 の末端に作用している。各チューブは、スタック体内の各導管を経て冷却剤のた めの各通路又は流れ通路を達成するため、スタック体内の各放熱構造に隣接する 各首部に面して密合している。

このスタック体の好適な実施例において、これらの各チューブは、首部及び周辺 に形成した各対向端部を有し、対向端部に隣接して外側に溝を形成している。

０−リングシールはこのような各溝内に配設されている。

本発明は、各放熱エレメントの平面は実質的に大きさ及び形状において同じであ り、シートは、各放熱エレメントの全周辺の平面の周辺を越えるような大きさで 同様の形状をなしていることを意図している。

誘電体はシート上及びその周囲に位置し、各放熱エレメントの周囲に対して延び ている。

他の目的及び利点は、図面と共に以下の明細書から明らかとなる。

図面の説明 第１図は本発明によって作られた各放熱構造を用いた各半導体の積み重ね体を示 す側面図、第２図は第１図の２−２線にほぼ沿って切断した断面図、 第３図は各放熱エレメント間の接続部を示す拡大断面図、 第４図は個別の放熱構造の斜視図、 第５図は放熱構造の他部の拡大部分断面図、第６図は、本発明による各放熱構造 がどのようにして冷却剤の直列流れに接続されるかを示す構成図、第７図は冷却 剤の並列流れを示す第６図と同様の構成図である。

本発明の典型的実施例は第１図に示されており、本発明による４個の放熱構造が 符号１０で示されている。

各放熱構造１０は、符号１６．１８及び２０で示される各半導体のような半導体 の電極と電気的及び熱的に良好な接合をなすように対向して形成された各面１２ 及び１４を有している。

スタック体内の最先端の各放熱構造ＩＯは、各放熱構造１０及び各半導体１６． １８及び２０を組立状態において保持するための符号２２で示される周知のクラ ンプによって積層される。− 後述の説明によりその詳細が明らかとなるように、各放熱構造１０は、各半導体 １６．１８又は２０に接合することにより発生する熱を吸収するため各面１２及 び１４に接近して冷却剤を循環させるための手段を有している。通常の場合、ス タック体の各放熱構造１０は、冷却剤のための一つ又はそれ以上のフロー通路に 相互接続される。従って、樹脂チューブ又は他の絶縁材料よりなる各導管２４は 、平行フロー、直列フロー又はその両方の組合せからなる所要の流れ通路を達成 するための目的のため、各放熱構造１０間に延長して設けられている。

各放熱構造１０は、電気的及び熱的に良導体より形成された２個のエレメント２ ６及び２８から構成されている。このエレメント２８は面１ｚを含むと共に、エ レメント２６は面１４を含み、それらは、エレメント２６上の平面５２とエレメ ント２８上の同じ形状をなす平面３４０間に設けられた絶縁材料よりなる薄シー ト３０を挟持している。従って、各半導体ｔ６．Ｂ及び２０が、各半導体の一つ と隣接する２個間に介装された放熱構造１０内の絶縁シート３０の配置により互 いに電気的に絶縁される。これは放熱構造１０を極めて薄形に構成することを可 能とするものである。

第１図及び第４図に示されるように、各放熱構造１０は、第１図の左から右方向 に示されているように、延長され、その一端において、各エレメント２６及び２ ８は、後者に対してほぼ横切り、平面３２及び３４から離れた各面１２及び１４ から延びる首部３４及び５６を含む各エレメント２６及び２８を有している。

前述された手段により、各首部３４及び３６は各チューブ２４を受けると共に、 入口及び又は出口構造の部品として作用する。

次に、第２図、第３図及び第４図において、首部３６とエレメント２８は各液ポ ートを決めるための２個の平行な孔部４０及び４２を有している。同様に、首部 ３４は各孔部４４及び４６を有している。これらの各孔部４０及び４４は、第２ 図に示される各孔部４２及び４６に良く示されているように互いに整列されてい る。後述の説明でより明らかとなるように、各孔部４ｔｌｌ−４６によって決め られる各ポートは、所要の液体循環パターンに依存する各入口又は出口として種 々い（つかの場合において、各孔部は各孔部４０及び４４の場合に各孔部を貫通 するだろう。このような場合において、第６図に見られるように、絶縁シートは 、各孔部４４及び４０間の液体伝達が達成されるように整列した開口部４８を有 している。

他の場合において、第２図に示される各孔部４２及体部と一体の板部５０及び５ ２によって閉じられている。

第４図に概略的に示されているように、各エレメント２６及び２８は、この場合 、面１２又は面１４のいずれかに極めて接近して冷却剤が通過する内部導管５４ を有している。このエレメント２８の場合における導管５４は各孔部４０及び４ ２間に延びると共に、平面３４に極めて接近する各孔部４０及び４２に連通する 各ポート５６及び５８により同様のものと液伝達状態にある。同様の各ポー）６ Ｇ及び６２は各々孔部４４及び４６を有するエレメント２６内の導管５４と接続 している。

第２図は、図の右側において各チューブ２４のうちの一つが、冷却剤の直列フロ ーが要望される時のプラグ６６を含むことができることを示している。この場合 、孔部４０の上端部は図示されない手段によって栓が施され、液は孔部４２内に 案内される。この液はホト５８を経て導管５４に入り、ポート５６を経て孔部４ ０内に現われる。この孔部４０は絶縁シート′５０内の開口部４８を経て孔部４ ４と液伝達状態にあるため、この液はボート６０に流れることができると共にエ レメント２６と共働する導管５４内に入る。このようなフローの通路はプラグ６ ６の存在によって行われている。

エレメント２６内の導管５４から発生する液はボート６２を出て孔部４６内に入 り、その後、チューブ２４からスタック体内の次の放熱構造１ｏに流れる。

直列流れよりも並行流れが切望される場合、各プラグ６６は、各板体５０及び５ ２として省略される。絶縁シート３０内の追加の開口部４８は各孔部４２及び４ ６と整列して位置している。このような場合、整列した各孔部は各マニホールド としての作用をなし、１セツトの整列した孔部は入口マニホールドとして作用す ると共に、他は出力マニホールドとして作用する。

第２図に示されるような直列流れ構成は、第６図に概略的に示され、前述した並 列流れ構成は第７図に概略的に示されている。

第３図は、各チューブ２４が放熱構造１ｏに隣接して相互接続し且つ密合するこ とによる手段を示している。特に、各チューブ２４の各端部７０に隣接して（１ 個のみ示されている）、同じものは環状の外方に開口する溝７２を有している。

０−リングシール７４はこのような各溝内に配設され、第３図に示される孔部４ ０のように対応する孔部と密合している。各チューブ２４を各孔部４０７−４６ 内に嵌入するため、ケースとしての平面３２又は３４がら離間したそれらの各端 部は第２図の符号７６で示されるように斜めに形成されている。同様に、各チュ ーブ２４の各端部７ｏは第３図における符号７８で示されるように斜めに形成さ 絶縁シート３０は、分離された各放熱エレメント２６及び２８間の期待すべき電 位差に対する所要の絶縁特性を持つために選択される。時々、このシート３０の 材料は、各放熱構造１ｏ内を循環する冷却剤である典型的には油よりも極めてす ぐれた絶縁性を有している。従って、各エレメント２６及び２８が冷却剤通路で 互いに遭遇する改良された絶縁性を有することが望ましい。

第３図に示すように、各孔部４ｏ及び４４は、シート３０内の開口部４８に隣接 する斜面部内の各突起部８０及び８２を有している。これらの各突起部８ｏ及び ８２は、各エレメント２８及び２６間の電気的ギャップ長さを増大する目的のた め好適な誘電体８４からなる部材で充填されている。

同様に、相互の湿気のよってスタックに対する外部の状態ｉ／ｉ、シート３０を 横切る各放熱構造の外部におけるギャップの絶縁特性に影響するため、このシー ト３０ば、このシー）３０が第１図、第２図及び第４図に見ることができるよう に、各々の全周辺をめぐると共に各エレメント２６及び２８の周辺を越えて延び るように、各平面５２及び３４の形状にほぼ似ていると共にやや大であるように 形成されている。誘電体よりなる部材８６は、ケースであるように、その端部か ら隣接する各エレメント２６及び２８１Ｃ延びるようにシート３０の各側部に位 置することができる。

好適な実施例において、誘電体からなる各部材８４及び８６は、シート３００両 側部に符号８８及び９０で示され、各エレメント２６及び２８を結合する作用を 有し、且つ、各平面３２及び３４をシート３０に接着するための層として形成さ れた接着材よりなっている。

ここで、各半導体１６．１８及び２０は、ケースであるような面１２又は１４か ら延びる位置決めピン９２（第４図）を受けるための手段を有している（図示せ ず）。このような各位置決めピン９２は絶縁材料よりなると共に、第５図にみら れるように、各エレメント２６及び２８内の整列した各孔部９４及び９６内に受 けられる。各斜面部内の灸突起部９８及び１００は各孔部９４及び９６の隣接す る各端部に形成され、第５図にみられるように、各位置決めピン９２の位置で電 気的ギャップを増大するための誘電体の接着剤が設けられている。

電位差を異ならせるための接続を促進するため、エレメント２６は第４図にみも れるように端子部＋０２を有する一方、エレメント２８は端子部１０４を有して いる。

前述の説明から、本発明による放熱構造は、異なる電位で作動する各半導体の有 する性能を損なうことなくスタック体内の各半導体の良好な冷却を提供すること が理解されたであろう。各エレメント２６及び２８を貫通する冷却剤のための独 立した流れ通路によって各面１２及び１４に接合する各半導体を個別に冷却する ことにより、特に良好な熱交換が得られる。同時に、熱交換の速度を損なうこと なく、又は、各放熱構造１０の各エレメント２６及び２８間に介装された絶縁材 料よりなる薄シート３０の使用を経て各放熱体の不必要な形状増大を伴なうこと なく、電気的な絶縁は持続される。

この放熱構造は、冷却剤の流れ構成の複数の形態を提供し、そこでは異なる電位 差で作動する各部品間の電気的ギャップの長さが重要なことである。誘電体接着 剤の使用は、各放熱体１０の各部品を組立ててお（ために好適な所要のギャップ 増大を提供するものである。

ｆ７Ｇ’、３ 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の７第１項）昭和６２年　１月２３日

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．電気的な絶縁材料よりなる薄シートと；半導体と良好な電気的及び熱的接合 をなすべく形成した対向側部及び平面を有する導電性の第一及び第二放熱エレメ ントと、前記各放熱エレメントは、液入口及び前記入口から離間した液出口及び 前記入口及び出口を相互接続するために相互接続された内部導管とを有し、前記 導管は前記対向側部に対して熱交換関係にあり、そして各エレメントは前記各平 面間において前記シートを挾持し；そして前記各平面を前記シートに結合するた めの手段と、よりなることを特徴とする放熱構造。
2. ２．入口及び出口は各平面から延びる各首部によつて限定され、前記各エレメン トの一方の各首部が他のエレメントの各首部と整列していることを特徴とする請 求の範囲第１項記載の放熱構造。
3. ３．各前記導管は、付随するエレメント上の各首部を付随する平面に極めて接近 して相互接続することを特徴とする請求の範囲第２項記載の放熱構造。
4. ４．一方のエレメント上の少なくとも一つの首部は、他のエレメント内の整列し た首部内の貫通孔と整列した貫通孔を有し；前記シート内の開口部は、前記各貫 通孔、前記貫通孔の各々、突起部を備えた隣接する前記シート、及び前記各突起 部内の誘電体と整列していることを特徴とする請求の範囲第２項記載の放熱構造 。
5. ５．前記誘電体は、接着剤でさらに前記結合手段をなすことを特徴とする請求の 範囲第４項記載の放熱構造。
6. ６．整列され間隔をおいた関係における請求の範囲第２項の複数の“Ｘ”放熱構 造と、複数の“Ｘ−１”半導体と、各々の前記対向側部の一方と係合し、二つの 前記放熱構造間に配設された各半導体と；各放熱構造及び各半導体を組立関係に おいて緊締するため前記積み重ね体内の前記各放熱構造の各端部に作用する緊締 手段と、前記積み重ね体内の前記各導管を貫通する冷却剤のための流れ通路を達 成するため前記積み重ね体内の各放熱構造に隣接する各首部に面して密合する各 チューブとを備えたことを特徴とする半導体積み重ね体。
7. ７．前記各チューブは前記各首部及び周辺に設けられた各対向端部と、前記各対 向端部に隣接して形成された外方に開口する各溝とを備え、前記各溝内には０− リングシールが設けられていることを特徴とする請求の範囲第６項記載の積み重 ね体。
8. ８．前記各平面は大きさ及び形状において実質的に同じであり、前記シートは同 じ形状で大きく形成されると共に前記各エレメントの全周を回る前記各平面の周 囲を越えて延びていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の放熱構造。
9. ９．前記シートの両側部及びその周辺及び前記各エレメントの前記周辺に延びて 設けられた誘電体を含むことを特徴とする請求の範囲第８項記載の放熱構造。
10. １０．前記誘電体は接着剤であり、さらに結合手段として作用することを特徴と する請求の範囲第９項記載の放熱構造。
11. １１．前記結合手段は接着剤よりなることを特徴とする請求の範囲第１項記載の 放熱構造。
12. １２．電気的な絶縁材料よりなる薄シートと；半導体と良好な電気的及び熱的接 合をなすべく形成した対向側部及び平面を有する長手形状で薄く導電性の第一及 び第二放熱エレメントと、前記各放熱エレメントは液入口及び前記入口から離間 した液出口及び前記入口と出口を相互接続するための内部導管とを有し、前記導 管は前記対向側部に対して熱交換関係にあり、前記各入口及び出口は、付随する エレメントの端部で且つ前記平面をほぼ横切る各対向側部から延びる各首部によ り限定され、前記各エレメントは前記各平面間で前記シートを挟持し；そして 前記各平面を前記シートに結合するための誘電体接着剤を有していることを特徴 とする放熱構造。