WO2010131317A1 - 熱交換器、半導体装置、及び、これらの製造方法 - Google Patents

熱交換器、半導体装置、及び、これらの製造方法 Download PDF

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frame
heat exchanger
refrigerant
wall portion
flow path
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正裕 森野
靖治 竹綱
栄作 垣内
悠也 高野
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger that cools a heating element such as a semiconductor element by a refrigerant flowing inside the heat exchanger, a semiconductor device having the heat exchanger and the semiconductor element, and a method of manufacturing the same.
  • An inverter device having a power conversion function is used as a power source for a hybrid vehicle or the like.
  • the inverter device includes a plurality of semiconductor elements as switching elements. Since the semiconductor element of this inverter device generates heat with power conversion or the like, it must be actively cooled.
  • a heat exchanger for cooling a heating element such as a semiconductor element for example, by arranging a plurality of linearly extending fins in parallel inside the frame forming the outer frame, the flow path of the refrigerant is set. What was formed is known (for example, refer to Patent Document 1).
  • an insulator having electrical insulation may be interposed between the heat exchanger and the semiconductor element.
  • the insulator is welded (for example, brazed) to a wall portion of a frame (for example, an aluminum frame) of a heat exchanger.
  • the coefficient of linear expansion tends to be different between the insulator and the frame. For this reason, at the time of welding (for example, brazing) between the insulator and the wall portion of the frame, when the insulator and the frame wall portion are heated and then cooled, the shrinkage rate (line) between the insulator and the frame wall portion is reduced.
  • the insulator and the frame may be warped (curved) due to the difference in expansion coefficient. This problem occurs not only when the insulator is welded to the wall of the frame, but also between the frame wall and an interposition member having a linear expansion coefficient different from that of the frame (between the frame wall and a heating element such as a semiconductor element). This may happen in the case of welding a member interposed between the two.
  • the present invention has been made in view of the present situation, and is capable of suppressing warpage (curving) of the interposition member and the frame when the interposition member having a different linear expansion coefficient and the wall portion of the frame are welded. It is an object of the present invention to provide an exchanger and a manufacturing method thereof, a semiconductor device in which warpage (curving) of an interposed member and a frame is suppressed, and a manufacturing method thereof.
  • One aspect of the present invention is a heat exchanger that cools a heating element, in which a fin member that includes a plurality of fins that form a flow path of a refrigerant is disposed inside a frame that forms an outer frame.
  • the frame includes a first wall portion to which an interposed member interposed between the frame and the heating element and having a linear expansion coefficient different from that of the frame is welded.
  • 1 wall part is a heat exchanger containing the elastically deformable part which can be elastically deformed in the creeping direction along the arrangement
  • the first wall portion of the frame (the wall portion to which the interposed member interposed between the frame and the heating element is welded) is disposed on the outer surface of the first wall portion.
  • An elastically deformable portion that is elastically deformable in a creeping direction along the arrangement surface is included. Therefore, when the interposition member and the first wall portion of the frame having different linear expansion rates are welded, when the interposition member and the first wall portion are heated and then cooled, the contraction rate of the first wall portion and the interposition member ( The elastically deformable portion of the first wall portion is elastically deformed in the creeping direction according to the difference in linear expansion coefficient. Thereby, the curvature (curvature) which arises by the difference of the contraction rate (linear expansion coefficient) of a 1st wall part and an interposition member can be suppressed.
  • welding includes brazing using a brazing material, soldering using solder, a method of melting and joining a base material (member to be joined), and joining by heating and melting. How to do.
  • the heating element includes all components that generate heat with use, such as a semiconductor element.
  • the elastically deformable portion is a protruding portion that protrudes into the frame, and has a U-shaped cross section that opens outward from the frame, along the arrangement surface.
  • a heat exchanger that is a U-shaped groove-like projecting portion that extends linearly in a direction intersecting the refrigerant flow direction may be used.
  • the protruding portion protruding into the frame constitutes the elastically deformable portion described above.
  • the projecting portion has a U-shaped cross-section opening outward from the frame, and has a U-shaped groove shape extending linearly along the arrangement surface of the first wall portion.
  • the protruding portion has a U-shaped groove extending linearly in a creeping direction along the arrangement surface of the first wall portion (corresponding to a direction orthogonal to the cross-section). It has a shape.
  • the protruding portion having such a shape can be elastically deformed in the creeping direction along the arrangement surface of the first wall portion by expanding and contracting the opening of the U-shaped groove. For this reason, this protrusion part elastically deforms in the creeping direction along the arrangement surface of the first wall part, thereby suppressing warpage caused by a difference in contraction rate (linear expansion coefficient) between the first wall part and the interposition member. can do.
  • the heat-collected fins mainly exchange heat only with the refrigerant in the boundary layer formed around the fins, and heat exchange with the refrigerant flowing in the region other than the boundary layer is performed. Almost never done. As a result, there is a problem that heat cannot be effectively exchanged with the refrigerant flowing inside the heat exchanger, and a high cooling effect cannot be obtained.
  • the projecting portion projecting into the frame extends linearly in a direction intersecting with the flow direction of the refrigerant. For this reason, the refrigerant flowing through the flow path can be agitated by colliding with the protrusions. Thereby, a turbulent flow is generated in the flow of the refrigerant, and the formation of the boundary layer can be effectively suppressed. Thereby, the refrigerant
  • the protrusion may be a heat exchanger formed integrally with the first wall by drawing.
  • the protruding portion is integrally formed with the first wall portion by drawing.
  • the protrusion can be formed easily and at a low cost by integrally forming the protrusion with the first wall by drawing. Therefore, the above-described heat exchanger is inexpensive.
  • the protrusion may be a heat exchanger that extends to the inner wall surfaces of both side walls of the frame in a direction intersecting with the flow direction of the refrigerant.
  • the refrigerant flowing through all the flow paths formed between the fins is surely secured. It can collide with a protrusion part and can stir. Thereby, a turbulent flow can be reliably generated for the refrigerant flowing through all the flow paths, and the formation of the boundary layer can be more effectively suppressed. Thereby, the refrigerant
  • the protrusion may be a heat exchanger that extends linearly in a direction orthogonal to the flow direction of the refrigerant.
  • the maximum flow resistance can be formed in the direction intersecting with the flow direction of the refrigerant by making the protruding portion linearly extend in a direction orthogonal to the flow direction of the refrigerant.
  • the protrusions are juxtaposed at a predetermined interval in the refrigerant flow direction, and the fins are adjacent to the refrigerant flow direction. It is preferable to use a heat exchanger arranged between the two.
  • the refrigerant flowing through the flow path formed between the fins can be appropriately collided with the protrusions and stirred. Thereby, formation of a boundary layer can be suppressed and a high cooling effect can be obtained.
  • the heat exchanger is a heat exchanger that cools the plurality of heating elements arranged side by side in the flow direction of the refrigerant, and among the first wall portion,
  • a portion where the heat generating element having a relatively small amount of heat generation among the plurality of heat generating elements is disposed through the interposition member is a low heat generating portion
  • the flow path with respect to the low heat generating portion of the projecting portion is preferable that the projecting portion located adjacent to the upstream side of the heat exchanger is a heat exchanger having a projecting height that projects into the frame lower than the other projecting portions.
  • the higher the protrusion height of the protrusion the higher the flow resistance of the refrigerant flowing through the flow path.
  • the protruding height of the protruding portion is too high, the pressure loss of the flow path becomes too large, and the flow rate of the refrigerant is greatly reduced, and on the contrary, the cooling effect is reduced.
  • a heating element having a relatively small amount of heat generation among the plurality of heating elements may have a lower degree of cooling than other heating elements (heating elements having a relatively large amount of heat generation).
  • the heat generating element having a relatively small heat generation amount among the plurality of heat generating elements among the plurality of heat generating elements is disposed via the interposition member.
  • frame was made lower than the other protrusion part.
  • the stirring ability of the refrigerant is lower than in the other projecting portions. Therefore, in the channel portion located adjacent to the downstream side of the projecting portion with the lower projecting height, , The effect of suppressing the boundary layer is reduced.
  • the protruding height of the protruding portion located adjacent to the upstream side of the flow path with respect to the low heat generating portion is lowered. That is, a portion of the first wall portion that is located adjacent to the downstream side (downstream side of the flow path) of the protruding portion having a low protruding height is defined as a low heat generating portion. Therefore, the part where the cooling capacity is reduced is limited to the low heat generation part. Thus, by reducing the cooling capacity only in the low heat generating portion, each heat generating element can be appropriately cooled according to the amount of heat generated.
  • the flow path portion including the low heat generation portion in the flow path of the refrigerant has a flow path depth deeper than other flow path portions. It is better to use a heat exchanger.
  • the flow path portion including the low heat generation portion in the flow path of the refrigerant is made deeper than the other flow path portions. ing. Since the flow resistance of the refrigerant flowing through the flow path can be reduced by increasing the flow path depth of the flow path portion including the low heat generating portion, the pressure loss of the flow path can be further reduced.
  • the flow rate portion with a deeper flow channel depth has a lower flow velocity than other flow channel portions, and the cooling capacity tends to decrease.
  • the flow path depth is increased only for the flow path portion including the low heat generation portion.
  • any one of the above heat exchangers, the semiconductor element that is the heating element, and the first wall portion of the frame are welded to the semiconductor element and the first wall portion. And an interposition member located between them.
  • the above-described semiconductor device includes the above-described heat exchanger. Therefore, a semiconductor device in which warpage (curvature) of the interposition member and the frame is suppressed is obtained.
  • Another aspect of the present invention is a heat exchanger that cools a heating element, and a fin member that includes a plurality of fins that form refrigerant flow paths is disposed inside a frame that forms an outer frame.
  • the frame in the molding step, includes a first wall portion to which an intervening member interposed between the frame and the heating element is welded.
  • An assembly step of assembling the heat exchanger by arranging the fin member inside the molded frame, and the molding step is a projecting portion that projects into the frame by drawing.
  • a U-shaped projecting portion having a U-shaped cross section that opens to the outside of the frame and extending linearly along an arrangement surface on which the interposition member is disposed among the outer surfaces of the first wall portion, Molded integrally with the first wall It is a method of manufacturing the exchanger.
  • the projecting portion that projects into the frame is integrally formed with the first wall portion (the wall portion to which the interposition member is welded) by drawing.
  • the protrusion can be formed easily and at low cost by integrally forming the protrusion with the first wall by drawing.
  • the projecting portion has a U-shaped cross section that opens to the outside of the frame, and has a U-shaped groove shape that linearly extends along an arrangement surface on the outer surface of the first wall portion where the interposed member is disposed.
  • the protruding portion having such a shape can be elastically deformed in the creeping direction along the arrangement surface of the first wall portion by expanding and contracting the opening of the U-shaped groove. For this reason, when the interposed member is welded to the first wall portion, the protruding portion follows the arrangement surface of the first wall portion according to the difference in contraction rate (linear expansion coefficient) between the first wall portion and the interposed member. By being elastically deformed in the creeping direction, it is possible to suppress warping caused by a difference in contraction rate (linear expansion coefficient) between the first wall portion and the interposition member.
  • a heat exchanger manufactured by the above heat exchanger manufacturing method, a semiconductor element that is the heating element, the first wall portion of the frame, and the semiconductor element.
  • a method of manufacturing a semiconductor device comprising the interposition member interposed therebetween, the interposition member having a linear expansion coefficient different from that of the frame, wherein the interposition member is disposed on the arrangement surface of the first wall portion of the frame
  • an interposition member having a linear expansion coefficient different from that of the frame is welded to the first wall portion of the frame.
  • the interposition member (insulator) and the wall portion of the frame are welded, when the insulator and the wall portion of the frame are heated and then cooled, the shrinkage rate between the interposition member and the wall portion of the frame ( Due to the difference in linear expansion coefficient, the intervening member and the frame may be warped (curved).
  • the U-shaped protrusion having a U-shaped cross-section opening outward from the frame and extending linearly along the arrangement surface on the outer surface of the first wall portion where the interposed member is disposed.
  • a part frame is integrally formed with the first wall part.
  • FIG. 1 is a perspective view of a semiconductor device according to Example 1.
  • FIG. It is a perspective view of the heat exchanger concerning Example 1.
  • FIG. It is a perspective view of the fin member of the same heat exchanger.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the first frame member and corresponds to a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 1 is a top view of a semiconductor device according to Example 1.
  • FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view of the same semiconductor device, and corresponds to a cross-sectional view taken along the line DD in FIG. 6. It is a figure explaining the formation process (drawing process) concerning Examples 1 and 2.
  • FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view of the same semiconductor device, and corresponds to a cross-section
  • FIG. 7 is a perspective view of a semiconductor device according to Example 2.
  • FIG. It is a perspective view of the heat exchanger concerning Example 2.
  • FIG. It is a perspective view of the fin member of the same heat exchanger.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of the first frame member and corresponds to a cross-sectional view taken along the line FF in FIG. 16.
  • 7 is a top view of a semiconductor device according to Example 2.
  • FIG. FIG. 19 is a cross-sectional view of the semiconductor device, and corresponds to a cross-sectional view taken along the line GG in FIG. 18.
  • Example 1 Next, Example 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the semiconductor device 1 includes semiconductor elements 71 to 74 (corresponding to heating elements) and a heat exchanger 10 that cools them.
  • the heat exchanger 10 includes a frame 30 that forms an outer frame, and a fin member 20 that is accommodated in the frame 30.
  • the frame 30 and the fin member 20 are joined by brazing. 1 and 2
  • the A direction indicates the flow direction of the refrigerant (for example, water) flowing inside the heat exchanger 10
  • the B direction indicates the direction orthogonal thereto.
  • the fin member 20 is made of aluminum and includes a base 21 having a rectangular flat plate shape and a plurality of (40 in the first embodiment) fins 22 protruding from one surface of the base 21 as shown in FIG. .
  • the fin 22 has a rectangular flat plate shape. In the longitudinal direction of the base 21 (a direction coinciding with the A direction), four fins 22 are arranged in a line with a certain gap. Further, ten fins 22 are arranged in a line with a certain gap in the short direction of the base 21 (the direction coinciding with the B direction). Between each fin 22, a refrigerant flow path 25 having a predetermined width and guiding the refrigerant in the A direction is formed.
  • the fin member 20 can be integrally formed by, for example, aluminum extrusion.
  • the frame 30 has a first aluminum frame member 31 having a rectangular flat plate shape, and a second aluminum frame member 32 having a U-shaped cross section (see FIG. 2).
  • the first frame member 31 and the second frame member 32 are joined by brazing. Thereby, the frame 30 forms a rectangular cylinder shape.
  • one end in the longitudinal direction (direction matching the A direction) is an inlet 30 a for introducing the refrigerant, and the other end in the longitudinal direction (direction matching the A direction) is the discharge port 30 b for discharging the refrigerant. It has become.
  • the first frame member 31 has flat arrangement surfaces 31g on four sides of the outer surface 31f on which insulating plates 60 (corresponding to interposed members) interposed between the frame 30 and the semiconductor elements 71 to 74 are arranged. (See FIGS. 1, 4 and 5).
  • the insulating plate 60 is made of an electrically insulating member (for example, ceramic such as alumina) and has a rectangular flat plate shape.
  • the four insulating plates 60 arranged on the respective arrangement surfaces 31g are arranged in a line in the longitudinal direction of the first frame member 31 (the direction corresponding to the A direction) with an equal gap therebetween (FIG. 1, (See FIG. 6). These insulating plates 60 are joined to the arrangement surface 31g of the first frame member 31 by brazing.
  • the first frame member 31 corresponds to the first wall portion.
  • the first frame member 31 has a plurality of (four in the first embodiment) protruding portions 31b, 31c, 31d, and 31e protruding into the frame 30 (see FIGS. 2 and 5). These protrusions 31b to 31e all have the same shape. Specifically, as shown in FIGS. 4 and 5, the projecting portions 31b to 31e have a U-shaped cross section that opens outward (upward in FIG. 5) of the frame 30, and along the arrangement surface 31g in the B direction. It has a U-shaped groove shape extending linearly in a direction perpendicular to the refrigerant flow direction (vertical direction in FIG. 4). These protrusions 31b to 31e are integrally formed with the first frame member 31 by drawing.
  • the linear expansion coefficient is different between the insulating plate 60 and the frame 30 (first frame member 31).
  • the coefficient of linear expansion is about 7 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C.
  • the linear expansion coefficient of the frame 30 (first frame member 31) made of aluminum is about 23 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C.
  • the linear expansion coefficient of the frame 30 (first frame member 31) is three times or more the linear expansion coefficient of the insulating plate 60.
  • the insulating plate and the first frame member are cooled after being heated (for example, brazing) between the insulating plate made of alumina and the frame (first frame member) made of aluminum, the insulating plate Due to the difference in shrinkage rate (linear expansion rate) between the first frame member and the first frame member, the insulator and the frame may be warped (curved).
  • the first frame member 31 is provided with a plurality of (four in the first embodiment) protruding portions 31b, 31c, 31d, and 31e that protrude into the frame 30. It is integrally molded (see FIG. 2). These protrusions 31b to 31e have a U-shaped cross section that opens outward (upward in FIG. 5) of the frame 30, and have a U-shaped groove shape that extends linearly in the B direction along the arrangement surface 31g. .
  • the protrusions 31b to 31e having such a configuration are elastically deformed in the creeping direction (the left-right direction in FIGS. 5 and 11) along the arrangement surface 31g of the first frame member 31 by expanding and contracting the opening of the U-shaped groove. It is possible (see FIG. 11).
  • the projecting portions 31b to 31e cause the contraction rate (line) of the insulating plate 60 and the first frame member 31 to be reduced.
  • the first frame member 31 is elastically deformed in the creeping direction (left-right direction in FIG. 11) along the arrangement surface 31g of the first frame member 31.
  • the curvature (curvature) which arises by the difference of the shrinkage
  • the protruding portions 31b to 31e correspond to elastically deformable portions.
  • the heat-collected fins mainly exchange heat only with the refrigerant in the boundary layer formed around the fins, and heat exchange with the refrigerant flowing in the region other than the boundary layer is performed. Almost never done. As a result, there is a problem that heat cannot be effectively exchanged with the refrigerant flowing inside the heat exchanger, and a high cooling effect cannot be obtained.
  • the protrusions 31b to 31e protruding inside the frame 30 are linear in the direction (B direction) orthogonal to the refrigerant flow direction. It extends (see FIG. 2). Therefore, as shown in FIG. 7, the refrigerant flowing through the flow path 25 can be agitated by colliding with the protruding portions 31b to 31e. Thereby, as shown by the arrow in FIG. 7, a turbulent flow is generated in the flow of the refrigerant, and the formation of the boundary layer can be effectively suppressed. Thereby, the refrigerant
  • the protrusions 31b to 31e are arranged so that the inner wall surfaces 33b and 34b of the both side walls 33 and 34 of the second frame member 32 in the B direction (direction orthogonal to the refrigerant flow direction). (See FIG. 2).
  • the refrigerant flowing through all the flow paths 25 formed between the fins 22 adjacent to each other in the B direction and between the fins 22 and the side walls 33 and 34 is reliably transferred to the protrusions 31b to 31e.
  • a turbulent flow can be reliably generated for the refrigerant flowing through all the flow paths 25, and the formation of the boundary layer can be more effectively suppressed. Therefore, the refrigerant flowing inside the heat exchanger 10 can be more effectively used to obtain a higher cooling effect.
  • the protrusions 31b to 31e are arranged in parallel in the A direction (the refrigerant flow direction) at a predetermined interval, and are adjacent to the A direction (the refrigerant flow direction).
  • a plurality of fins 22 are arranged between the protrusions that fit.
  • the semiconductor elements 71 to 74 generate heat with use. These heats are transmitted to the frame 30 (first frame member 31) through the insulating plate 60, and further to each fin 22 of the fin member 20 housed in the frame 30.
  • a refrigerant for example, water
  • the refrigerant introduced into the frame 30 passes through the flow paths 25 formed between the fins 22 adjacent to each other in the B direction and between the fins 22 and the side walls 33 and 34, as shown in FIG. It flows in the direction.
  • the refrigerant flowing through the flow path 25 collides with the protrusions 31b to 31e and is stirred, and flows in the A direction while generating turbulent flow (see FIG. 7). For this reason, formation of a boundary layer can be suppressed.
  • each fin 22 of the fin member 20 can efficiently exchange heat with the refrigerant flowing through the flow path 25. That is, the heat transferred from the semiconductor elements 71 to 74 to each fin 22 can be efficiently released to the refrigerant flowing through the flow path 25.
  • the high cooling effect in the heat exchanger 10 is as described above.
  • the refrigerant that has absorbed the heat of the fins 22 while flowing through the flow path 25 is discharged to the outside of the frame 30 through the discharge port 30b. In this way, the generated semiconductor elements 71 to 74 can be effectively cooled.
  • an aluminum fin member 20 is prepared.
  • the fin member 20 can be integrally formed by, for example, aluminum extrusion.
  • a base having a rectangular flat plate shape is formed by extrusion molding of aluminum, and a plurality (ten in the first embodiment) extending from one surface of the base and extending in the longitudinal direction of the base (corresponding to the A direction).
  • a long fin member including the long fin is formed.
  • a part of the long fin is cut out at a predetermined interval in the longitudinal direction of the base (corresponding to the A direction).
  • the long fin member is cut into a predetermined length to thereby provide a base 21 having a rectangular flat plate shape, and a plurality (40 in the first embodiment) of fins 22 protruding from one surface of the base 21. 20 (see FIG. 3) is completed.
  • This production method is described in detail in Japanese Patent Application No. 2008-106809 (see FIG. 5).
  • first frame member 31 made of aluminum and a second frame member 32 made of aluminum are prepared.
  • the first frame member 31 was molded as follows using the first restraining die 91, the second restraining die 92, and the drawing die 93 (see FIG. 8).
  • the diaphragm 93 has a rectangular flat plate shape, and its longitudinal direction (the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 8 and coincides with the B direction) is slightly shorter than the length in the B direction of the protruding portions 31b to 31e.
  • the first holding die 91 is formed with a through hole 91b through which the drawing die 93 can be inserted.
  • the second suppression die 92 is formed with a through hole 92b having a width dimension (dimension in the left-right direction in FIG. 8) larger than that of the through hole 91b.
  • a rectangular flat aluminum plate 31A is prepared.
  • the aluminum plate 31 ⁇ / b> A is sandwiched and fixed by the first restraining die 91 disposed on the upper surface side of the aluminum plate 31 ⁇ / b> A and the second restraining die 92 disposed on the lower surface side of the aluminum plate 31 ⁇ / b> A.
  • the drawing die 93 is lowered from the upper surface side of the aluminum plate 31A, the drawing die 93 is inserted into the through hole 91b of the first holding die 91, and a part of the aluminum plate 31A is moved by the drawing die 93. Press down.
  • a portion of the aluminum plate 31A that is pressed downward by the drawing die 93 passes through the through hole 92b of the second holding die 92 and is pushed out below the second holding die 92 to form the protruding portion 31b.
  • the protrusions 31c to 31e are formed in the same manner as the protrusion 31b.
  • the protrusions 31b to 31e were formed by drawing.
  • the second frame member 32 can be manufactured by pressing a rectangular flat aluminum plate into a U-shape.
  • the process proceeds to the assembly process, and the fin member 20 is disposed on the inner surface 31h of the first frame member 31, as shown in FIG. Specifically, the fin member 20 is placed on the inner surface 31h of the first frame member 31 so that the protrusions 31c to 31e of the first frame member 31 enter the gap between the fins 22 adjacent to each other in the A direction of the fin member 20. To place. Thereafter, the second frame member 32 is disposed on the inner surface 31 h of the first frame member 31 so as to surround the fin member 20. At this time, the back surface 21b of the base 21 of the fin member 20 and the bottom surface 32b of the second frame member 32 come into contact with each other. Note that a brazing material (melting point 600 ° C.) is applied in advance to the inner surface 31 h of the first frame member 31 and the bottom surface 32 b of the second frame member 32.
  • a brazing material melting point 600 ° C.
  • a combination (combined body) of the fin member 20, the first frame member 31, and the second frame member 32 is accommodated in an electric furnace (not shown).
  • the temperature in the electric furnace is raised to 600 ° C. to melt the brazing material.
  • the combination is taken out from the electric furnace and cooled to cure the brazing material.
  • the fin member 20, the 1st frame member 31, and the 2nd frame member 32 can be joined by brazing.
  • the heat exchanger 10 of Example 1 is completed.
  • four insulating plates 60 are welded to the first frame member 31 of the heat exchanger 10 (in the first embodiment, brazed). Specifically, first, four insulating plates 60 (for example, ceramic plates made of alumina) are placed on the arrangement surface 31g of the first frame member 31 of the heat exchanger 10 with an equal gap therebetween (the protruding portions 31c to 31c). 31e), the first frame member 31 is arranged in a line in the longitudinal direction (the direction matching the A direction) (see FIG. 10). Note that a brazing material (melting point 550 ° C.) is applied to the arrangement surface 31 g of the first frame member 31 after the heat exchanger 10 is completed and before the insulating plate 60 is arranged.
  • a brazing material melting point 550 ° C.
  • the temperature in the electric furnace is raised to 550 ° C. to melt the brazing material.
  • the brazing material joining the heat exchanger 10 does not melt because the melting point is 600 ° C. For this reason, the joining state of the heat exchanger 10 can be maintained reliably.
  • the heat exchanger 10 having the insulating plate 60 is taken out from the electric furnace and cooled to cure the brazing material. Thereby, the four insulating plates 60 can be brazed to the first frame member 31 of the heat exchanger 10.
  • the coefficient of linear expansion differs between the insulating plate 60 and the frame 30 (first frame member 31).
  • the linear expansion coefficient of the frame 30 (first frame member 31) made of aluminum is three times or more the linear expansion coefficient of the insulating plate 60. Therefore, conventionally, when the insulating plate and the first frame member are cooled after being heated (for example, brazing) between the insulating plate made of alumina and the frame (first frame member) made of aluminum, the insulating plate Due to the difference in shrinkage rate (linear expansion rate) between the first frame member and the first frame member, the insulator and the frame may be warped (curved).
  • a plurality of (four in the first embodiment) protruding portions 31b, 31c, 31d, and 31e protruding into the frame 30 are integrally formed on the first frame member 31.
  • These protrusions 31b to 31e have a U-shaped cross section that opens outward (upward in FIG. 5) of the frame 30, and have a U-shaped groove shape that extends linearly in the B direction along the arrangement surface 31g. .
  • the protrusions 31b to 31e having such a configuration are elastically deformed in the creeping direction (the left-right direction in FIGS. 5 and 11) along the arrangement surface 31g of the first frame member 31 by expanding and contracting the opening of the U-shaped groove. It is possible (see FIG. 11).
  • Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the semiconductor device 100 of the second embodiment (see FIG. 12) is different from the semiconductor device 1 of the first embodiment (see FIG. 1) only in the heat exchanger, and the others are the same. Therefore, here, the description will focus on the points different from the first embodiment, and the description of the same points will be omitted or simplified.
  • the heat exchanger 110 includes a frame 130 that forms an outer frame, and fin members 120 and 220 accommodated in the frame 130.
  • the frame 130 and the fin members 120 and 220 are joined by brazing.
  • the A direction indicates the flow direction of the refrigerant (for example, water) flowing inside the heat exchanger 110, and the B direction indicates a direction orthogonal to the flow direction.
  • the frame 130 has a first aluminum frame member 131 having a rectangular flat plate shape and a second aluminum frame member 132 having a U-shaped cross section (see FIG. 13).
  • the first frame member 131 and the second frame member 132 are joined by brazing.
  • the 1st frame member 131 has four protrusion parts similarly to the 1st frame member 31 of Example 1 (refer to Drawing 16 and Drawing 17).
  • the shape of two of the four protrusions is different.
  • the first frame member 131 has a protruding height lower than the protruding portions 131b and 131c having the same shape as the protruding portions 31b and 31c of the first embodiment and the protruding portions 31d and 31e of the first embodiment. Projections 131d and 131e differing only in point.
  • These protrusions 131b to 131e are integrally formed with the first frame member 131 by drawing as in the first embodiment.
  • the protrusion height of the protrusions 131b and 131c is L1
  • the protrusion height of the protrusions 131d and 131e is L2.
  • the second frame member 132 is, as compared with the second frame member 32 of the first embodiment, the depth on the downstream side of the flow path 125 extending in the A direction (the refrigerant flow direction) (the vertical dimension in FIG. 13). ) Is different.
  • the bottom surface 132b of the second frame member 132 has a downward staircase shape in the A direction.
  • the flow path depth (the vertical dimension in FIG. 13) of the flow path 125 extending in the A direction (the refrigerant flow direction) is deeper on the downstream side than on the upstream side.
  • the downstream flow path depth H2 is deeper than the upstream flow path depth H1.
  • the flow path 125 is formed between the fin 22 and the fin 22 adjacent in the B direction, between the fin 22 and the side walls 133 and 134, between the fin 222 and the fin 222 adjacent in the B direction, and the fin 222. It is formed between the side walls 133 and 134.
  • the fin member 120 is a member corresponding to one when the fin member 20 of the first embodiment is divided into four equal parts in the A direction.
  • the fin member 120 is made of aluminum, and as shown in FIG. 14, a base 121 having a rectangular flat plate shape and a plurality (ten in the first embodiment) of fins 22 protruding from one surface of the base 121.
  • the fin member 120 is disposed between the protrusion 131b and the protrusion 131c of the first frame member 131 and between the protrusion 131c and the protrusion 131d (see FIG. 13). Thereby, the fin member 120 is disposed on the upstream side of the flow path 125.
  • coolant which has a predetermined width and guides a refrigerant
  • the fin member 120 can be integrally formed by, for example, known extrusion molding.
  • the fin member 220 is made of aluminum, and includes a base 121 having a rectangular flat plate shape and a plurality of (ten in the first embodiment) fins 222 protruding from one surface of the base 121 as shown in FIG. ing.
  • the fin member 220 is disposed between the protrusion 131d and the protrusion 131e of the first frame member 131 and at a position adjacent to the protrusion 131e in the A direction (see FIG. 13).
  • the fin member 220 is disposed on the downstream side of the flow path 125. For this reason, in the fin member 220, compared with the fin member 120, only the protrusion height (dimension concerning an up-down direction in FIG. 15) differs.
  • the protrusion height of the fin 222 is set to the fin height by the dimension (H 2 ⁇ H 1) obtained by subtracting the upstream flow path depth H 1 from the downstream flow path depth H 2 of the flow path 125. It is made higher than the fin 22 of the member 120.
  • coolant flow path 125 which has a predetermined width and guides a refrigerant
  • the fin member 220 can be integrally formed by, for example, known extrusion molding.
  • the flow resistance of the refrigerant flowing through the flow path can be increased as the protruding height of the protruding portion of the first frame member is increased.
  • the capability to stir the refrigerant flowing through the flow path is increased, the effect of suppressing the formation of the boundary layer can be enhanced.
  • the protruding height of the protruding portion is too high, the pressure loss of the flow path becomes too large, and the flow rate of the refrigerant is greatly reduced, and on the contrary, the cooling effect is reduced.
  • each semiconductor element may be cooled according to the heat generation amount. Accordingly, a semiconductor element that generates a relatively small amount of heat among a plurality of semiconductor elements may have a lower degree of cooling than other semiconductor elements.
  • the semiconductor elements 73 and 74 among the semiconductor elements 71 to 74 generate less heat than the semiconductor elements 71 and 72. Therefore, in the heat exchanger 110 of the second embodiment, as shown in FIG. 19, the protrusions 131b to 131e are adjacent to the low heat generation part 131k upstream of the flow path 125 (on the right side in FIG. 19).
  • the protruding height L2 of the protruding portions 131d and 131e is set lower than the protruding height L1 of the other protruding portions 131b and 131c.
  • the low heat generating portion 131k is a portion of the first frame member 131 where the semiconductor elements 73 and 74 that generate a relatively small amount of heat are disposed via the insulating plate 60.
  • the pressure loss of the flow path 125 can be suppressed by reducing the protruding height of some of the protruding portions 131d and 131e.
  • the refrigerant stirring ability is lower than that of the other protrusions 131b and 131c.
  • the protrusion heights of the protrusions 131d and 131e located adjacent to the low heat generation part 131k on the upstream side (right side in FIG. 19) of the flow path 125 are reduced. That is, a portion of the first frame member 131 that is located adjacent to the downstream side (left side in FIG.
  • the flow path portions 125d and 125e configured to include the low heat generating portion 131k in the refrigerant flow path 125 are replaced with other flow path portions.
  • the flow path depth is deepened.
  • the high heat generating portion 131j is a portion of the first frame member 131 where the semiconductor elements 71 and 72 that generate a relatively large amount of heat are disposed via the insulating plate 60.
  • the flow path depth is increased only for the flow path portions 125d and 125e including the low heat generating portion 131k.
  • the semiconductor elements 71 to 74 can be appropriately cooled according to the respective heat generation amounts.
  • the semiconductor elements 71 to 74 generate heat with use. These heats are transmitted to the frame 130 (first frame member 131) through the insulating plate 60, and further to the fins 22 of the fin member 120 and the fins 222 of the fin member 220 housed in the frame 130. .
  • a refrigerant for example, water
  • the refrigerant introduced into the frame 130 flows in the A direction through the flow path 125.
  • the refrigerant flowing in the flow path 125 collides with the protrusions 131b to 131e and is stirred, and flows in the A direction while generating turbulent flow (see FIG. 19). Thereby, formation of a boundary layer can be suppressed.
  • the fin 22 of the fin member 120 and the fin 222 of the fin member 220 can efficiently exchange heat with the refrigerant flowing through the flow path 125. That is, the heat transferred from the semiconductor elements 71 to 74 to the fins 22 and 222 can be efficiently released to the refrigerant flowing through the flow path 125.
  • the refrigerant that has absorbed the heat of the fins 22 and 222 while flowing through the flow path 125 is discharged to the outside of the frame 130 through the discharge port 130b. In this way, the generated semiconductor elements 71 to 74 can be effectively cooled.
  • the protruding heights of the protruding portions 131d and 131e are lowered and the flow path depths of the flow path portions 125d and 125e are increased.
  • the pressure loss of the flow path 125 can be reduced effectively. For this reason, a decrease in the flow rate of the refrigerant can be suppressed, so that the semiconductor elements 71 to 74 that have generated heat can be appropriately cooled.
  • first frame member 131 made of aluminum and a second frame member 132 made of aluminum are prepared.
  • the first frame member 131 was molded in the same manner as in Example 1 by using the first restraining die 91, the second restraining die 92, and the drawing die 93 (see FIG. 8).
  • the amount of lowering (drawing amount) of the drawing die 93 is made smaller than in the drawing processing of the protruding portions 131b and 131c.
  • the second frame member 132 can be manufactured by pressing a rectangular flat aluminum plate.
  • the process proceeds to the assembling process, and the fin members 120 and 220, the first frame member 131, and the second frame member 132 are combined as shown in FIG.
  • a brazing material (melting point 600 ° C.) is applied in advance to the inner surface 131 h of the first frame member 131 and the bottom surface 132 b of the second frame member 132.
  • the combined body is cooled to cure the brazing material.
  • the fin members 120 and 220, the first frame member 131, and the second frame member 132 can be joined by brazing. In this way, the heat exchanger 110 of the second embodiment is completed.
  • the process proceeds to the welding process, and four insulating plates 60 are brazed to the first frame member 131 of the heat exchanger 110 in the same procedure as in the first embodiment. Specifically, first, four insulating plates 60 are arranged on the arrangement surface 131g (see FIGS. 16 and 17) of the first frame member 131. Note that a brazing material (melting point 550 ° C.) is applied to the arrangement surface 131 g of the first frame member 131 after the heat exchanger 110 is completed and before the insulating plate 60 is arranged. Subsequently, after accommodating these in an electric furnace (not shown), the temperature in the electric furnace is raised to 550 ° C. to melt the brazing material.
  • a brazing material melting point 550 ° C.
  • the melting point of the brazing material joining the heat exchanger 110 is 600 ° C., it does not melt. For this reason, the joining state of the heat exchanger 110 can be maintained reliably. Thereafter, the heat exchanger 110 having the insulating plate 60 is taken out from the electric furnace and cooled to cure the brazing material. Thereby, the four insulating plates 60 can be brazed to the first frame member 131 of the heat exchanger 110.
  • the linear expansion coefficient is different between the insulating plate 60 and the frame 130 (first frame member 131).
  • the linear expansion coefficient of the aluminum frame 130 (first frame member 131) is three times or more the linear expansion coefficient of the insulating plate 60. Therefore, conventionally, when the insulating plate and the first frame member are cooled after being heated (for example, brazing) between the insulating plate made of alumina and the frame (first frame member) made of aluminum, the insulating plate Due to the difference in shrinkage rate (linear expansion rate) between the first frame member and the first frame member, the insulator and the frame may be warped (curved).
  • a plurality of (four in the first embodiment) protruding portions 131b, 131c, 131d, and 131e that protrude into the frame 130 are integrally formed on the first frame member 131.
  • These protrusions 131b to 131e have a U-shaped cross section that opens outward (upward in FIG. 17) of the frame 130, and have a U-shaped groove shape extending linearly in the B direction along the arrangement surface 131g. .
  • the protrusions 131b to 131e having such a configuration are elastically deformed in the creeping direction (the left-right direction in FIGS. 11 and 17) along the arrangement surface 131g of the first frame member 131 as the opening of the U-shaped groove expands and contracts. It is possible (see FIG. 11).
  • the protruding portions 131b to 131e when the insulating plate 60 and the first frame member 131 are welded (in the present embodiment 2, brazing), when the insulating plate 60 and the first frame member 131 are heated and then cooled, the protruding portions 131b to 131e. Is elastically deformed in the creeping direction (left-right direction in FIG. 11) along the arrangement surface 131g of the first frame member 131 according to the difference in shrinkage rate (linear expansion rate) between the insulating plate 60 and the first frame member 131. (Shrink). Thereby, the curvature (curvature) which arises by the difference of the shrinkage
  • Example 1 after the fin member 20, the first frame member 31, and the second frame member 32 are joined by brazing to complete the heat exchanger 10, the first frame of the heat exchanger 10 is used.
  • An insulating plate 60 is brazed to the member 31.
  • the fin member 20, the first frame member 31, the second frame member 32, and the insulating plate 60 may be brazed simultaneously. In this case, all brazing materials having the same melting point (for example, 600 ° C.) can be used.
  • the insulating plate 60 is brazed to the first frame member 31 of the heat exchanger 10 at the same time as the heat exchanger 10 is completed. The same can be said for Example 2.

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Abstract

　線膨張率が異なる介在部材とフレームの壁部とを溶接したときの介在部材及びフレームの反り（湾曲）を抑制することができる熱交換器及びその製造方法、並びに、介在部材及びフレームの反り（湾曲）が抑制された半導体装置及びその製造方法を提供する。熱交換器１０では、外枠を形成するフレーム３０の内部に、冷媒の流路２５を形成する複数のフィン２２を備えたフィン部材２０が配置されている。フレーム３０は、フレーム３０と発熱体（半導体素子７１～７４）との間に介在する絶縁板６０（介在部材）が溶接される第１フレーム部材３１（第１壁部）を有している。絶縁板６０（介在部材）は、フレーム３０と線膨張率が異なる。第１フレーム部材３１は、その外面３１ｆのうち絶縁板６０（介在部材）が配置される配置面３１ｇに沿った沿面方向に弾性変形可能な突出部３１ｂ～３１ｅ（弾性変形可能部）を含む。

Description

熱交換器、半導体装置、及び、これらの製造方法
　本発明は、熱交換器内部を流れる冷媒により半導体素子等の発熱体を冷却する熱交換器、この熱交換器と半導体素子を有する半導体装置、及びこれらの製造方法に関する。
　ハイブリッド自動車等の電源として、電力変換機能を有するインバータ装置が用いられている。インバータ装置は、スイッチング素子として複数の半導体素子を備えている。このインバータ装置の半導体素子は、電力変換等に伴って発熱するため、積極的に冷却される必要がある。
　ここで、半導体素子等の発熱体を冷却する熱交換器としては、例えば、外枠を形成するフレームの内部に、直線状に延びる複数のフィンを平行に配置することにより、冷媒の流路を形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７－３３５５８８号公報
　ところで、熱交換器によって半導体素子を冷却する場合、熱交換器と半導体素子との間を電気的に絶縁するのが望ましい。このため、熱交換器と半導体素子との間に電気絶縁性を有する絶縁体を介在させることがある。この絶縁体は、例えば、熱交換器のフレーム（例えば、アルミニウム製のフレーム）の壁部に、溶接（例えばロウ付け）される。
　ところが、絶縁体とフレームとでは、線膨張率が異なる傾向にある。このため、絶縁体とフレームの壁部との溶接（例えばロウ付け）時に、絶縁体及びフレームの壁部が加熱された後冷却されたとき、絶縁体とフレームの壁部との収縮率（線膨張率）の差が原因で、絶縁体及びフレームに反りが発生する（湾曲する）ことがあった。この問題は、絶縁体をフレームの壁部に溶接する場合のみならず、フレームの壁部に、フレームとは線膨張率の異なる介在部材（フレームの壁部と半導体素子等の発熱体との間に介在させる部材）を溶接する場合において起こりうることであった。
　本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、線膨張率が異なる介在部材とフレームの壁部とを溶接したときの介在部材及びフレームの反り（湾曲）を抑制することができる熱交換器及びその製造方法、並びに、介在部材及びフレームの反り（湾曲）が抑制された半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
　本発明の一態様は、発熱体を冷却する熱交換器であって、外枠を形成するフレームの内部に、冷媒の流路を形成する複数のフィンを備えたフィン部材を配置した熱交換器において、上記フレームは、当該フレームと上記発熱体との間に介在する介在部材であって当該フレームと線膨張率が異なる介在部材が溶接される第１壁部を有し、上記フレームの上記第１壁部は、当該第１壁部の外面のうち上記介在部材が配置される配置面に沿った沿面方向に弾性変形可能な弾性変形可能部を含む熱交換器である。
　上述の熱交換器では、フレームの第１壁部（フレームと発熱体との間に介在する介在部材が溶接される壁部）が、当該第１壁部の外面のうち介在部材が配置される配置面に沿った沿面方向に弾性変形可能な弾性変形可能部を含んでいる。このため、線膨張率が異なる介在部材とフレームの第１壁部との溶接時に、介在部材及び第１壁部が加熱された後冷却されたとき、第１壁部と介在部材の収縮率（線膨張率）の差に応じて、第１壁部の弾性変形可能部が沿面方向に弾性変形する。これにより、第１壁部と介在部材との収縮率（線膨張率）の差によって生じる反り（湾曲）を抑制することができる。
　なお、本願において、溶接とは、ロウ材を用いたロウ付け、ハンダを用いたハンダ付け、母材（接合対象部材）を溶融させて接合する方法等を含むものであり、加熱溶融して接合する方法をいう。
　また、発熱体は、半導体素子など、使用に伴って発熱する部品全般を含むものである。
　さらに、上記の熱交換器であって、前記弾性変形可能部は、前記フレームの内部に突出する突出部であって、前記フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、前記配置面に沿って前記冷媒の流れ方向と交差する方向に直線状に延びるＵ字溝形状の突出部である熱交換器とすると良い。
　上述の熱交換器では、フレームの内部に突出する突出部が、前述の弾性変形可能部を構成している。この突出部は、フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、第１壁部の配置面に沿って直線状に延びるＵ字溝形状をなしている。換言すれば、突出部は、フレームの外方に開口するＵ字状の断面が第１壁部の配置面に沿う沿面方向（断面に直交する方向に一致する）に直線状に延びるＵ字溝形状をなしている。このような形態の突出部は、Ｕ字溝の開口が拡縮することで、第１壁部の配置面に沿った沿面方向に弾性変形可能である。このため、この突出部が、第１壁部の配置面に沿った沿面方向に弾性変形することで、第１壁部と介在部材との収縮率（線膨張率）の差によって生じる反りを抑制することができる。
　ところで、外枠を形成するフレームの内部に冷媒の流路を形成する複数のフィンを備えたフィン部材を配置した熱交換器について、フィン間を流れる冷媒の速度分布を調査したところ、フィンに近づくにつれて冷媒の速度が遅くなる傾向にあった。これは、冷媒の粘性の影響により、冷媒がフィンに引っ張られるためである。これにより、フィン付近には、他の領域に比べて冷媒の流れる速度が遅いか又は冷媒がほとんど停止した領域（以下、これを境界層ともいう）が形成される。この境界層が形成されると、集熱したフィンは、主にフィン周辺に形成された境界層内の冷媒のみと熱交換することになり、境界層以外の領域を流れる冷媒との熱交換がほとんど行われなくなる。その結果、熱交換器の内部を流れる冷媒と有効に熱交換が行われず、高い冷却効果を得ることができないという問題があった。
　これに対し、上述の熱交換器では、フレームの内部に突出する突出部が、冷媒の流れ方向と交差する方向に直線状に延びている。このため、流路を流れる冷媒を、この突出部に衝突させて攪拌することができる。これにより、冷媒の流れに乱流を発生させて、境界層の形成を効果的に抑制することができる。これにより、熱交換器の内部を流れる冷媒を有効に活用して、高い冷却効果を得ることができる。
　さらに、上記の熱交換器であって、前記突出部は、絞り加工により前記第１壁部と一体成形されてなる熱交換器とすると良い。
　上述の熱交換器では、突出部が、絞り加工により第１壁部と一体成形されている。絞り加工により、突出部を第１壁部と一体成形することで、突出部を容易且つ低コストに形成することができる。従って、上述の熱交換器は、安価となる。
　さらに、上記いずれかの熱交換器であって、前記突出部は、前記冷媒の流れ方向と交差する方向における前記フレームの両側壁の内壁面まで延設されている熱交換器とすると良い。
　フレームの内部に突出する突出部を、冷媒の流れ方向と交差する方向におけるフレームの両側壁の内壁面まで延設することにより、各フィン間に形成される全ての流路を流れる冷媒を、確実に突出部に衝突させて攪拌することができる。これにより、すべての流路を流れる冷媒について確実に乱流を発生させて、境界層の形成をより効果的に抑制することができる。これにより、熱交換器の内部を流れる冷媒をさらに有効に活用して、より高い冷却効果を得ることができる。
　さらに、上記いずれかの熱交換器であって、前記突出部は、前記冷媒の流れ方向と直交する方向に直線状に延びる熱交換器とすると良い。
　突出部を、冷媒の流れ方向と直交する方向に直線状に延びる形態とすることで、冷媒の流れ方向と交差する方向の中で最大の流れ抵抗を形成することができる。これにより、最も効果的に乱流を発生させて、冷却効果をより確実に高めることができる。
　さらに、上記いずれかの熱交換器であって、前記突出部は、前記冷媒の流れ方向に所定間隔をおいて並設されており、前記フィンは、上記冷媒の流れ方向に隣り合う上記突出部の間に配置されてなる熱交換器とすると良い。
　フィンを、冷媒の流れ方向に隣り合う突出部の間に配置することで、各フィン間に形成される流路を流れる冷媒を、適切に突出部に衝突させて攪拌することができる。これにより、境界層の形成を抑制して、高い冷却効果を得ることができる。
　さらに、上記の熱交換器であって、前記熱交換器は、前記冷媒の流れ方向に並んで配置される複数の前記発熱体を冷却する熱交換器であり、前記第１壁部のうち、上記複数の発熱体の中で相対的に発熱量が少ない発熱体が前記介在部材を介して配置される部分を低発熱部とすると、前記突出部のうち、上記低発熱部に対し前記流路の上流側に隣り合って位置する突出部は、他の突出部に比べて前記フレームの内部に突出する突出高さが低い熱交換器とすると良い。
　突出部の突出高さを高くするほど、流路を流れる冷媒の流れ抵抗を高めることができる。これにより、流路を流れる冷媒を攪拌する能力が高まるので、境界層の形成を抑制する効果を高めることができる。しかしながら、突出部の突出高さを高くし過ぎると、流路の圧力損失が大きくなり過ぎて、冷媒の流量が大きく低下し、却って、冷却効果を低下させることになる。
　ところで、発熱量の異なる複数の発熱体（半導体素子など）を冷却する場合、全ての発熱体を一律に冷却する必要はなく、発熱量に応じて各々の発熱体を冷却すれば良い。従って、複数の発熱体の中で相対的に発熱量が少ない発熱体は、他の発熱体（相対的に発熱量が多い発熱体）よりも、冷却の程度を低くしても構わない。
　そこで、上述の熱交換器では、突出部のうち、低発熱部（第１壁部のうち、複数の発熱体の中で相対的に発熱量が少ない発熱体が介在部材を介して配置される部分）に対し流路の上流側に隣り合って位置する突出部について、フレームの内部に突出する突出高さを、他の突出部よりも低くした。このように、一部の突出部の突出高さを低くすることで、流路の圧力損失を抑制することができる。
　一方、突出高さを低くした突出部では、他の突出部に比べて、冷媒の攪拌能力が低下するので、突出高さを低くした突出部の下流側に隣り合って位置する流路部分では、境界層の抑制効果が低下する。しかしながら、上述の熱交換器では、低発熱部に対し流路の上流側に隣り合って位置する突出部について、突出高さを低くしている。すなわち、第１壁部のうち、突出高さを低くした突出部の下流側（流路の下流側）に隣り合って位置する部分を、低発熱部としている。従って、冷却能力が低下する部位は、低発熱部に限られる。このように、低発熱部においてのみ冷却能力を低下させることで、各々の発熱体を発熱量に応じて適切に冷却することができる。
　さらに、上記の熱交換器であって、前記冷媒の流路のうち前記低発熱部を含んで構成される流路部分は、他の流路部分に比べて、流路深さが深くされてなる熱交換器とすると良い。
　上述の熱交換器では、冷媒の流路のうち低発熱部を含んで構成される流路部分を、他の流路部分に比べて、流路深さ（流路の深さ）を深くしている。低発熱部を含んで構成される流路部分の流路深さを深くした分、流路を流れる冷媒の流れ抵抗を低減できるので、流路の圧力損失をより一層低減することができる。
　なお、流路深さを深くした流路部分では、他の流路部分に比べて流速が小さくなり、冷却能力が低下する傾向にある。しかしながら、上述の熱交換器では、低発熱部を含んで構成される流路部分についてのみ、流路深さを深くしている。このように、低発熱部においてのみ冷却能力を低下させることで、各々の発熱体を発熱量に応じて適切に冷却することができる。
　本発明の他の態様は、上記いずれかの熱交換器と、前記発熱体である半導体素子と、前記フレームの前記第１壁部に溶接されて、上記半導体素子と上記第１壁部との間に位置する前記介在部材と、を備える半導体装置である。
　上述の半導体装置は、前述の熱交換器を備えている。従って、介在部材及びフレームの反り（湾曲）が抑制された半導体装置となる。
　また、本発明の他の態様は、発熱体を冷却する熱交換器であって、外枠を形成するフレームの内部に、冷媒の流路を形成する複数のフィンを備えたフィン部材を配置した熱交換器の製造方法において、上記フレームであって、当該フレームと上記発熱体との間に介在する介在部材が溶接される第１壁部を有するフレームを成形する成形工程と、上記成形工程で成形された上記フレームの内部に上記フィン部材を配置して、上記熱交換器を組み立てる組立工程と、を有し、上記成形工程は、絞り加工により、上記フレームの内部に突出する突出部であって、上記フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、上記第１壁部の外面のうち上記介在部材が配置される配置面に沿って直線状に延びるＵ字溝形状の突出部を、上記第１壁部と一体成形する熱交換器の製造方法である。
　上述の熱交換器の製造方法では、フレームを成形する成形工程において、絞り加工により、フレームの内部に突出する突出部を、第１壁部（介在部材が溶接される壁部）と一体成形する。このように、絞り加工により、突出部を第１壁部と一体成形することで、突出部を容易且つ低コストに形成することができる。
　しかも、この突出部を、フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、第１壁部の外面のうち介在部材が配置される配置面に沿って直線状に延びるＵ字溝形状とする。このような形態の突出部は、Ｕ字溝の開口が拡縮することで、第１壁部の配置面に沿った沿面方向に弾性変形可能である。このため、介在部材を第１壁部に溶接したとき、この突出部が、第１壁部と介在部材の収縮率（線膨張率）の差に応じて、第１壁部の配置面に沿った沿面方向に弾性変形することで、第１壁部と介在部材との収縮率（線膨張率）の差によって生じる反りを抑制することができる。
　また、本発明の他の態様は、上記の熱交換器の製造方法により製造された熱交換器と、前記発熱体である半導体素子と、前記フレームの前記第１壁部と上記半導体素子との間に介在する前記介在部材であって、上記フレームと線膨張率が異なる介在部材と、を備える半導体装置の製造方法であって、上記介在部材を上記フレームの上記第１壁部の前記配置面上に配置して、上記介在部材を上記第１壁部に溶接する溶接工程を備える半導体装置の製造方法である。
　上述の半導体装置の製造方法では、溶接工程において、フレームと線膨張率が異なる介在部材を、フレームの第１壁部に溶接する。従来の製法では、介在部材（絶縁体）とフレームの壁部との溶接時に、絶縁体及びフレームの壁部が加熱された後冷却されたとき、介在部材とフレームの壁部との収縮率（線膨張率）の差が原因で、介在部材及びフレームに反りが発生する（湾曲する）ことがあった。
　しかしながら、上述の製造方法では、フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、第１壁部の外面のうち介在部材が配置される配置面に沿って直線状に延びるＵ字溝形状の突出部を、第１壁部と一体成形したフレームを用いている。このため、前述のように、介在部材を第１壁部に溶接したとき、上記突出部が、第１壁部と介在部材の収縮率（線膨張率）の差に応じて、第１壁部の配置面に沿った沿面方向に弾性変形することで、第１壁部と介在部材との収縮率（線膨張率）の差によって生じる反りを抑制することができる。
　なお、介在部材と第１壁部との溶接方法としては、例えば、ロウ材を用いたロウ付けを挙げることができる。
実施例１にかかる半導体装置の斜視図である。 実施例１にかかる熱交換器の斜視図である。 同熱交換器のフィン部材の斜視図である。 同熱交換器の第１フレーム部材の平面図である。 第１フレーム部材の断面図であり、図４のＣ－Ｃ矢視断面図に相当する。 実施例１にかかる半導体装置の上面図である。 同半導体装置の断面図であり、図６のＤ－Ｄ矢視断面図に相当する。 実施例１，２にかかる成形工程（絞り加工）を説明する図である。 実施例１にかかる組立工程を説明する図である。 実施例１にかかる溶接工程を説明する図である。 同溶接工程における突出部の作用を説明する図である。 実施例２にかかる半導体装置の斜視図である。 実施例２にかかる熱交換器の斜視図である。 同熱交換器のフィン部材の斜視図である。 同熱交換器のフィン部材の斜視図である。 同熱交換器の第１フレーム部材の平面図である。 第１フレーム部材の断面図であり、図１６のＦ－Ｆ矢視断面図に相当する。 実施例２にかかる半導体装置の上面図である。 同半導体装置の断面図であり、図１８のＧ－Ｇ矢視断面図に相当する。
（実施例１）
　次に、本発明の実施例１について、図面を参照しつつ説明する。
　本実施例１の半導体装置１は、図１に示すように、半導体素子７１～７４（発熱体に相当する）と、これらを冷却する熱交換器１０とを有している。
　熱交換器１０は、図２に示すように、外枠を形成するフレーム３０と、フレーム３０内に収容されたフィン部材２０とを備えている。フレーム３０とフィン部材２０とは、ロウ付けにより接合されている。
　なお、図１及び図２において、Ａ方向は、熱交換器１０の内部を流れる冷媒（例えば、水）の流れ方向を示し、Ｂ方向はこれに直交する方向を示している。
　フィン部材２０は、アルミニウムからなり、図３に示すように、矩形平板状をなすベース２１と、ベース２１の一面から突出する複数（本実施例１では４０個）のフィン２２とを備えている。フィン２２は、矩形平板状をなしている。ベース２１の長手方向（Ａ方向に一致する方向）には、４個のフィン２２が、一定の間隙をあけて一列に並べられている。さらに、ベース２１の短手方向（Ｂ方向に一致する方向）には、１０個のフィン２２が、一定の間隙をあけて一列に並べられている。各フィン２２の間には、所定の幅を有し、Ａ方向へと冷媒を導く冷媒の流路２５が形成される。このフィン部材２０は、例えば、アルミニウムの押出成形により一体成形することができる。
　フレーム３０は、矩形平板状をなすアルミニウム製の第１フレーム部材３１と、断面コ字状をなすアルミニウム製の第２フレーム部材３２とを有している（図２参照）。第１フレーム部材３１と第２フレーム部材３２とは、ロウ付けにより接合されている。これにより、フレーム３０は、矩形筒状をなす。このフレーム３０では、長手方向（Ａ方向に一致する方向）の一端が、冷媒を導入する導入口３０ａとなり、長手方向（Ａ方向に一致する方向）の他端が、冷媒を排出する排出口３０ｂとなっている。
　第１フレーム部材３１は、その外面３１ｆの４箇所に、フレーム３０と半導体素子７１～７４との間に介在する絶縁板６０（介在部材に相当する）が配置される平坦な配置面３１ｇを有している（図１、図４、図５参照）。絶縁板６０は、電気絶縁性を有する部材（例えば、アルミナ等のセラミック）からなり、矩形平板状をなしている。各々の配置面３１ｇ上に配置された４個の絶縁板６０は、等しい間隙をあけて、第１フレーム部材３１の長手方向（Ａ方向に一致する方向）に一列に並んでいる（図１、図６参照）。これらの絶縁板６０は、ロウ付けにより、第１フレーム部材３１の配置面３１ｇに接合されている。なお、本実施例１では、第１フレーム部材３１が第１壁部に相当する。
　さらに、第１フレーム部材３１は、フレーム３０の内部に突出する複数（本実施例１では４個）の突出部３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅを有している（図２、図５参照）。これらの突出部３１ｂ～３１ｅは、いずれも同一形状とされている。具体的には、突出部３１ｂ～３１ｅは、図４及び図５に示すように、フレーム３０の外方（図５において上方）に開口する断面Ｕ字状で、配置面３１ｇに沿ってＢ方向（冷媒の流れ方向と直交する方向、図４において上下方向）に直線状に延びるＵ字溝形状をなしている。これらの突出部３１ｂ～３１ｅは、絞り加工により、第１フレーム部材３１と一体成形されている。
　なお、第１フレーム部材３１では、突出部３１ｂと突出部３１ｃとの間、突出部３１ｃと突出部３１ｄとの間、突出部３１ｄと突出部３１ｅとの間、及び突出部３１ｅに対しＡ方向に隣り合う位置に、配置面３１ｇが存在する。
　ところで、絶縁板６０とフレーム３０（第１フレーム部材３１）とでは、線膨張率が異なる。具体的には、例えば、アルミナからなる絶縁板６０を用いた場合、その線膨張率は約７×１０－６／℃である。一方、アルミニウムからなるフレーム３０（第１フレーム部材３１）の線膨張率は、約２３×１０－６／℃である。この例の場合、フレーム３０（第１フレーム部材３１）の線膨張率は、絶縁板６０の線膨張率の３倍以上となる。
　このため、従来、アルミナからなる絶縁板とアルミニウムからなるフレーム（第１フレーム部材）との溶接（例えばロウ付け）時に、絶縁板及び第１フレーム部材が加熱された後冷却されたとき、絶縁板と第１フレーム部材との収縮率（線膨張率）の差が原因で、絶縁体及びフレームに反りが発生する（湾曲する）ことがあった。
　これに対し、本実施例１では、前述のように、第１フレーム部材３１に、フレーム３０の内部に突出する複数（本実施例１では４個）の突出部３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅを一体成形している（図２参照）。これらの突出部３１ｂ～３１ｅは、フレーム３０の外方（図５において上方）に開口する断面Ｕ字状で、配置面３１ｇに沿ってＢ方向に直線状に延びるＵ字溝形状をなしている。このような形態の突出部３１ｂ～３１ｅは、Ｕ字溝の開口が拡縮することで、第１フレーム部材３１の配置面３１ｇに沿った沿面方向（図５、図１１において左右方向）に弾性変形可能である（図１１参照）。
　従って、各々の絶縁板６０を第１フレーム部材３１に溶接（本実施例１では、ロウ付け）したとき、突出部３１ｂ～３１ｅが、絶縁板６０と第１フレーム部材３１との収縮率（線膨張率）の差に応じて、第１フレーム部材３１の配置面３１ｇに沿った沿面方向（図１１において左右方向）に弾性変形する。これにより、絶縁板６０と第１フレーム部材３１との収縮率（線膨張率）の差によって生じる反り（湾曲）を抑制することができる。なお、本実施例１では、突出部３１ｂ～３１ｅが、弾性変形可能部に相当する。
　ところで、外枠を形成するフレームの内部に冷媒の流路を形成する複数のフィンを備えたフィン部材を配置した熱交換器について、フィン間を流れる冷媒の速度分布を調査したところ、フィンに近づくにつれて冷媒の速度が遅くなる傾向にあった。これは、冷媒の粘性の影響により、冷媒がフィンに引っ張られるためである。これにより、フィン付近には、他の領域に比べて冷媒の流れる速度が遅いか又は冷媒がほとんど停止した領域（以下、これを境界層ともいう）が形成される。この境界層が形成されると、集熱したフィンは、主にフィン周辺に形成された境界層内の冷媒のみと熱交換することになり、境界層以外の領域を流れる冷媒との熱交換がほとんど行われなくなる。その結果、熱交換器の内部を流れる冷媒と有効に熱交換が行われず、高い冷却効果を得ることができないという問題があった。
　これに対し、本実施例１の熱交換器１０では、前述のように、フレーム３０の内部に突出する突出部３１ｂ～３１ｅが、冷媒の流れ方向と直交する方向（Ｂ方向）に直線状に延びている（図２参照）。このため、図７に示すように、流路２５を流れる冷媒を、突出部３１ｂ～３１ｅに衝突させて攪拌することができる。これにより、図７に矢印で示すように、冷媒の流れに乱流を発生させて、境界層の形成を効果的に抑制することができる。これにより、熱交換器１０の内部を流れる冷媒を有効に活用して、高い冷却効果を得ることができる。
　さらに、本実施例１の熱交換器１０では、突出部３１ｂ～３１ｅを、Ｂ方向（冷媒の流れ方向と直交する方向）における第２フレーム部材３２の両側壁３３，３４の内壁面３３ｂ，３４ｂまで延設している（図２参照）。これにより、Ｂ方向に隣り合うフィン２２とフィン２２との間、及びフィン２２と側壁３３，３４との間に形成される全ての流路２５を流れる冷媒を、確実に突出部３１ｂ～３１ｅに衝突させて攪拌することができる。これにより、すべての流路２５を流れる冷媒について確実に乱流を発生させて、境界層の形成をより効果的に抑制することができる。従って、熱交換器１０の内部を流れる冷媒をさらに有効に活用して、より高い冷却効果を得ることができる。
　さらに、本実施例１の熱交換器１０では、突出部３１ｂ～３１ｅが、Ａ方向（冷媒の流れ方向）に所定間隔をおいて並設されており、Ａ方向（冷媒の流れ方向）に隣り合う突出部の間に、複数のフィン２２が配置されている。フィン２２を、冷媒の流れ方向（Ａ方向）に隣り合う突出部の間に配置することで、各フィン２２間に形成される流路２５を流れる冷媒を、適切に突出部に衝突させて攪拌することができる。これにより、境界層の形成を抑制して、高い冷却効果を得ることができる。
　ここで、本実施例１にかかる半導体装置１の熱交換器１０による冷却作用について説明する。半導体素子７１～７４は、使用に伴って発熱する。これらの熱は、絶縁板６０を通じて、フレーム３０（第１フレーム部材３１）に伝えられ、さらに、フレーム３０の内部に収納されているフィン部材２０の各々のフィン２２に伝えられる。
　フレーム３０の内部には、図１に矢印で示すように、導入口３０ａを通じて冷媒（例えば、水）が連続的に導入される。フレーム３０の内部に導入された冷媒は、前述のように、Ｂ方向に隣り合うフィン２２とフィン２２との間及びフィン２２と側壁３３，３４との間に形成される流路２５を、Ａ方向に流れてゆく。流路２５を流れる冷媒は、前述のように、突出部３１ｂ～３１ｅに衝突して攪拌され、乱流を発生させながらＡ方向に流れてゆく（図７参照）。このため、境界層の形成を抑制することができる。
　これにより、フィン部材２０の各々のフィン２２は、流路２５を流れる冷媒と効率良く熱交換を行うことができる。すなわち、半導体素子７１～７４から各々のフィン２２に伝えられた熱を、効率良く、流路２５を流れる冷媒に放出することができる。熱交換器１０における高い冷却効果については、前述の通りである。流路２５を流れつつフィン２２の熱を吸収した冷媒は、排出口３０ｂを通じてフレーム３０の外部に排出される。このようにして、発熱した半導体素子７１～７４を、効果的に冷却することができる。
　次に、本実施例１にかかる半導体装置１の製造方法について説明する。
　まず、アルミニウム製のフィン部材２０を用意する。フィン部材２０は、例えば、アルミニウムの押出成形により一体成形することができる。具体的には、まず、アルミニウムの押出成形により、矩形平板状をなすベースと、ベースの一面から突出してベースの長手方向（Ａ方向に一致する）に延びる複数（本実施例１では１０個）のロングフィンとを備えるロングフィン部材を成形する。その直後、未だ、ロングフィン部材が硬化する前（熱を持った柔らかい状態のとき）に、ベースの長手方向（Ａ方向に一致する）について所定の間隔でロングフィンの一部を切除する。その後、ロングフィン部材を所定の長さに切断することで、矩形平板状をなすベース２１と、ベース２１の一面から突出する複数（本実施例１では４０個）のフィン２２とを備えるフィン部材２０（図３参照）が完成する。なお、この製法は、特願２００８－１０６８０９（図５参照）に詳述されている。
　また、アルミニウム製の第１フレーム部材３１と、アルミニウム製の第２フレーム部材３２とを用意する。
　第１フレーム部材３１は、成形工程において、第１抑え型９１、第２抑え型９２、及び絞り型９３（図８参照）を用いて、次のようにして成形した。なお、絞り型９３は、矩形平板状をなし、その長手方向（図８において紙面に直交する方向、Ｂ方向に一致する）の寸法は、突出部３１ｂ～３１ｅのＢ方向長さより僅かに短い。また、第１抑え型９１には、絞り型９３が挿通可能な貫通孔９１ｂが形成されている。また、第２抑え型９２には、貫通孔９１ｂよりも幅寸法（図８において左右方向の寸法）が大きな貫通孔９２ｂが形成されている。
　まず、矩形平板状のアルミニウム板３１Ａを用意する。次いで、図８に示すように、アルミニウム板３１Ａの上面側に配置した第１抑え型９１と、アルミニウム板３１Ａの下面側に配置した第２抑え型９２とで、アルミニウム板３１Ａを挟んで固定する。この状態で、アルミニウム板３１Ａの上面側から絞り型９３を降下させてゆき、絞り型９３を第１抑え型９１の貫通孔９１ｂ内を挿通させて、絞り型９３によってアルミニウム板３１Ａの一部を下方に押圧してゆく。アルミニウム板３１Ａのうち絞り型９３によって下方に押圧さる部分は、第２抑え型９２の貫通孔９２ｂ内を通って第２抑え型９２の下方に押し出され、突出部３１ｂとなる。突出部３１ｃ～３１ｅについても、突出部３１ｂと同様にして成形する。このように、絞り加工によって、突出部３１ｂ～３１ｅを成形した。これにより、突出部３１ｂ～３１ｅが一体成形された第１フレーム部材３１が完成する。
　また、第２フレーム部材３２は、矩形平板状のアルミニウム板を、コの字状にプレス加工することで製造できる。
　次に、組立工程に進み、図９に示すように、フィン部材２０を、第１フレーム部材３１の内面３１ｈ上に配置する。詳細には、フィン部材２０のＡ方向に隣り合うフィン２２の間隙に、第１フレーム部材３１の突出部３１ｃ～３１ｅが入り込むようにして、フィン部材２０を、第１フレーム部材３１の内面３１ｈ上に配置する。その後、フィン部材２０を包囲するように、第２フレーム部材３２を、第１フレーム部材３１の内面３１ｈ上に配置する。このとき、フィン部材２０のベース２１の裏面２１ｂと第２フレーム部材３２の底面３２ｂとが接触する。なお、第１フレーム部材３１の内面３１ｈ及び第２フレーム部材３２の底面３２ｂには、予めロウ材（融点６００℃）が塗布されている。
　その後、上述のようにして、フィン部材２０、第１フレーム部材３１、及び第２フレーム部材３２を組み合わせたもの（組み合わせ体）を、電気炉（図示なし）内に収容する。次いで、電気炉内の温度を６００℃にまで上昇させて、ロウ材を溶融させる。その後、組み合わせ体を電気炉内から取り出し、冷却して、ロウ材を硬化させる。これにより、フィン部材２０、第１フレーム部材３１、及び第２フレーム部材３２を、ロウ付けにより接合することができる。このようにして、本実施例１の熱交換器１０が完成する。
　次に、溶接工程に進み、熱交換器１０の第１フレーム部材３１に、４個の絶縁板６０を溶接（本実施例１では、ロウ付け）する。具体的には、まず、熱交換器１０の第１フレーム部材３１の配置面３１ｇに、４個の絶縁板６０（例えば、アルミナからなるセラミック板）を、等しい間隙をあけて（突出部３１ｃ～３１ｅを挟んで）、第１フレーム部材３１の長手方向（Ａ方向に一致する方向）に一列に配置する（図１０参照）。なお、第１フレーム部材３１の配置面３１ｇには、熱交換器１０を完成させた後、絶縁板６０を配置する前に、ロウ材（融点５５０℃）を塗布している。次いで、これらを電気炉（図示なし）内に収容した後、電気炉内の温度を５５０℃にまで上昇させて、ロウ材を溶融させる。このとき、熱交換器１０を接合しているロウ材は、融点が６００℃であるため、溶融することがない。このため、熱交換器１０の接合状態を確実に維持することができる。その後、絶縁板６０を有する熱交換器１０を電気炉内から取り出し、冷却して、ロウ材を硬化させる。これにより、４個の絶縁板６０を、熱交換器１０の第１フレーム部材３１にロウ付けすることができる。
　ところで、絶縁板６０とフレーム３０（第１フレーム部材３１）とでは、線膨張率が異なる。前述のように、例えば、アルミナからなる絶縁板６０を用いた場合、アルミニウムからなるフレーム３０（第１フレーム部材３１）の線膨張率は、絶縁板６０の線膨張率の３倍以上となる。このため、従来、アルミナからなる絶縁板とアルミニウムからなるフレーム（第１フレーム部材）との溶接（例えばロウ付け）時に、絶縁板及び第１フレーム部材が加熱された後冷却されたとき、絶縁板と第１フレーム部材との収縮率（線膨張率）の差が原因で、絶縁体及びフレームに反りが発生する（湾曲する）ことがあった。
　しかしながら、本実施例１では、前述のように、第１フレーム部材３１に、フレーム３０の内部に突出する複数（本実施例１では４個）の突出部３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅを一体成形している（図２参照）。これらの突出部３１ｂ～３１ｅは、フレーム３０の外方（図５において上方）に開口する断面Ｕ字状で、配置面３１ｇに沿ってＢ方向に直線状に延びるＵ字溝形状をなしている。このような形態の突出部３１ｂ～３１ｅは、Ｕ字溝の開口が拡縮することで、第１フレーム部材３１の配置面３１ｇに沿った沿面方向（図５、図１１において左右方向）に弾性変形可能である（図１１参照）。
　従って、絶縁板６０と第１フレーム部材３１との溶接（本実施例１では、ロウ付け）時に、絶縁板６０及び第１フレーム部材３１が加熱された後冷却されたとき、突出部３１ｂ～３１ｅが、絶縁板６０と第１フレーム部材３１との収縮率（線膨張率）の差に応じて、第１フレーム部材３１の配置面３１ｇに沿った沿面方向（図１１において左右方向）に弾性変形（収縮）する。これにより、絶縁板６０と第１フレーム部材３１との収縮率（線膨張率）の差によって生じる反り（湾曲）を抑制することができる。
　その後、各々の絶縁板６０の表面に、半導体素子７１～７４をハンダ付けすることで、本実施例１の半導体装置１（図１、図６参照）が完成する。
（実施例２）
　次に、本発明の実施例２について、図面を参照しつつ説明する。
　本実施例２の半導体装置１００（図１２参照）は、実施例１の半導体装置１（図１参照）と比較して、熱交換器のみが異なり、その他については同様である。従って、ここでは、実施例１と異なる点を中心に説明し、同様な点については説明を省略または簡略化する。
　本実施例２の熱交換器１１０は、図１３に示すように、外枠を形成するフレーム１３０と、フレーム１３０内に収容されたフィン部材１２０，２２０とを備えている。フレーム１３０とフィン部材１２０，２２０とは、ロウ付けにより接合されている。なお、Ａ方向は、熱交換器１１０の内部を流れる冷媒（例えば、水）の流れ方向を示し、Ｂ方向はこれに直交する方向を示している。
　フレーム１３０は、矩形平板状をなすアルミニウム製の第１フレーム部材１３１と、断面コ字状をなすアルミニウム製の第２フレーム部材１３２とを有している（図１３参照）。第１フレーム部材１３１と第２フレーム部材１３２とは、ロウ付けにより接合されている。
　このうち、第１フレーム部材１３１は、実施例１の第１フレーム部材３１と同様に、４つの突出部を有している（図１６、図１７参照）。しかしながら、４つの突出部のうち２つの突出部の形状が異なる。具体的には、第１フレーム部材１３１は、実施例１の突出部３１ｂ，３１ｃと同形状の突出部１３１ｂ，１３１ｃと、実施例１の突出部３１ｄ，３１ｅに比べて突出高さを低くした点のみが異なる突出部１３１ｄ，１３１ｅとを有している。これらの突出部１３１ｂ～１３１ｅは、実施例１と同様に、絞り加工により、第１フレーム部材１３１と一体成形されている。なお、図１７では、突出部１３１ｂ，１３１ｃの突出高さをＬ１、突出部１３１ｄ，１３１ｅの突出高さをＬ２としている。
　また、第２フレーム部材１３２は、実施例１の第２フレーム部材３２と比較して、Ａ方向（冷媒の流れ方向）に延びる流路１２５の下流側の深さ（図１３において上下方向の寸法）を深くしている点が異なっている。換言すれば、第２フレーム部材１３２の底面１３２ｂが、Ａ方向について下りの階段状になっている。これにより、Ａ方向（冷媒の流れ方向）に延びる流路１２５の流路深さ（図１３において上下方向の寸法）は、上流側に比べて、下流側が深くなる。具体的には、図１９に示すように、流路１２５では、上流側の流路深さＨ１よりも、下流側の流路深さＨ２が深くなる。
　なお、流路１２５は、Ｂ方向に隣り合うフィン２２とフィン２２との間、フィン２２と側壁１３３，１３４との間、Ｂ方向に隣り合うフィン２２２とフィン２２２との間、及びフィン２２２と側壁１３３，１３４との間に形成される。
　また、フィン部材１２０（図１４参照）は、実施例１のフィン部材２０を、Ａ方向に４等分したときの１個分に相当する部材である。具体的には、フィン部材１２０は、アルミニウムからなり、図１４に示すように、矩形平板状をなすベース１２１と、ベース１２１の一面から突出する複数（本実施例１では１０本）のフィン２２とを備えている。このフィン部材１２０は、第１フレーム部材１３１の突出部１３１ｂと突出部１３１ｃとの間、及び、突出部１３１ｃと突出部１３１ｄとの間に配置される（図１３参照）。これにより、フィン部材１２０は、流路１２５の上流側に配置される。なお、各フィン２２の間には、所定の幅を有し、Ａ方向へと冷媒を導く冷媒の流路１２５が形成される。フィン部材１２０は、例えば、公知の押出成形により一体成形することができる。
　また、フィン部材２２０は、アルミニウムからなり、図１５に示すように、矩形平板状をなすベース１２１と、ベース１２１の一面から突出する複数（本実施例１では１０本）のフィン２２２とを備えている。このフィン部材２２０は、第１フレーム部材１３１の突出部１３１ｄと突出部１３１ｅとの間、及び、突出部１３１ｅに対しＡ方向に隣り合う位置に配置される（図１３参照）。これにより、フィン部材２２０は、流路１２５の下流側に配置される。このため、フィン部材２２０では、フィン部材１２０と比較して、フィンの突出高さ（図１５において上下方向にかかる寸法）のみを異ならせている。詳細には、フィン部材２２０では、流路１２５の下流側の流路深さＨ２から上流側の流路深さＨ１を差し引いた寸法（Ｈ２－Ｈ１）だけ、フィン２２２の突出高さを、フィン部材１２０のフィン２２よりも高くしている。なお、各フィン２２２の間には、所定の幅を有し、Ａ方向へと冷媒を導く冷媒の流路１２５が形成される。フィン部材２２０は、例えば、公知の押出成形により一体成形することができる。
　ところで、第１フレーム部材の突出部の突出高さを高くするほど、流路を流れる冷媒の流れ抵抗を高めることができる。これにより、流路を流れる冷媒を攪拌する能力が高まるので、境界層の形成を抑制する効果を高めることができる。しかしながら、突出部の突出高さを高くし過ぎると、流路の圧力損失が大きくなり過ぎて、冷媒の流量が大きく低下し、却って、冷却効果を低下させることになる。
　また、発熱量の異なる複数の半導体素子を冷却する場合、全ての発熱体を一律に冷却する必要はなく、発熱量に応じて各々の半導体素子を冷却すれば良い。従って、複数の半導体素子の中で相対的に発熱量が少ない半導体素子は、他の半導体素子よりも、冷却の程度を低くしても構わない。
　本実施例２の半導体装置１００では、半導体素子７１～７４のうち半導体素子７３，７４が、半導体素子７１，７２に比べて発熱量が少ない。そこで、本実施例２の熱交換器１１０では、図１９に示すように、突出部１３１ｂ～１３１ｅのうち、低発熱部１３１ｋに対し流路１２５の上流側（図１９において右側）に隣り合って位置する突出部１３１ｄ，１３１ｅの突出高さＬ２を、他の突出部１３１ｂ，１３１ｃの突出高さＬ１よりも低くした。ここで、低発熱部１３１ｋとは、第１フレーム部材１３１のうち、相対的に発熱量が少ない半導体素子７３，７４が絶縁板６０を介して配置される部分である。このように、一部の突出部１３１ｄ，１３１ｅの突出高さを低くすることで、流路１２５の圧力損失を抑制することができる。
　一方、突出高さを低くした突出部１３１ｄ，１３１ｅでは、他の突出部１３１ｂ，１３１ｃに比べて、冷媒の攪拌能力が低下するので、突出高さを低くした突出部１３１ｄ，１３１ｅに対し流路１２５の下流側（図１９において左側）に隣り合って位置する流路部分１２５ｄ，１２５ｅでは、境界層の抑制効果が低下する。しかしながら、本実施例２では、低発熱部１３１ｋに対し流路１２５の上流側（図１９において右側）に隣り合って位置する突出部１３１ｄ，１３１ｅについて、突出高さを低くしている。すなわち、第１フレーム部材１３１のうち、突出高さを低くした突出部１３１ｄ，１３１ｅに対し流路１２５の下流側（図１９において左側）に隣り合って位置する部分を、低発熱部１３１ｋとしている。従って、境界層の抑制効果が低下して冷却能力が低下する部位は、低発熱部１３１ｋに限られる。このように、低発熱部１３１ｋにおいてのみ冷却能力を低下させることで、半導体素子７１～７４を各々の発熱量に応じて適切に冷却することができる。
　さらに、本実施例２の熱交換器１１０では、図１９に示すように、冷媒の流路１２５のうち低発熱部１３１ｋを含んで構成される流路部分１２５ｄ，１２５ｅを、他の流路部分（高発熱部１３１ｊ含んで構成される流路部分１２５ｂ，１２５ｃ）に比べて、流路深さを深くしている。このように、流路部分１２５ｄ，１２５ｅの流路深さを深くした分、流路１２５を流れる冷媒の流れ抵抗を低減できるので、流路１２５の圧力損失をより一層低減することができる。なお、図１９では、流路部分１２５ｂ，１２５ｃの流路深さをＨ１、流路部分１２５ｄ，１２５ｅの流路深さをＨ２としている。また、高発熱部１３１ｊとは、第１フレーム部材１３１のうち、相対的に発熱量が多い半導体素子７１，７２が絶縁板６０を介して配置される部分である。
　ところで、流路深さを深くした流路部分では、他の流路部分に比べて流速が速くなり、冷却能力が低下する傾向にある。しかしながら、本実施例２の熱交換器１１０では、低発熱部１３１ｋを含んで構成される流路部分１２５ｄ，１２５ｅについてのみ、流路深さを深くしている。このように、低発熱部１３１ｋにおいてのみ冷却能力を低下させることで、半導体素子７１～７４を各々の発熱量に応じて適切に冷却することができる。
　ここで、本実施例２にかかる半導体装置１００の熱交換器１１０による冷却作用について説明する。半導体素子７１～７４は、使用に伴って発熱する。これらの熱は、絶縁板６０を通じて、フレーム１３０（第１フレーム部材１３１）に伝えられ、さらに、フレーム１３０の内部に収納されているフィン部材１２０のフィン２２及びフィン部材２２０のフィン２２２に伝えられる。
　フレーム１３０の内部には図１２に矢印で示すように、導入口１３０ａを通じて冷媒（例えば、水）が連続的に導入される。フレーム１３０の内部に導入された冷媒は、流路１２５をＡ方向に流れてゆく。流路１２５を流れる冷媒は、突出部１３１ｂ～１３１ｅに衝突して攪拌され、乱流を発生させながらＡ方向に流れてゆく（図１９参照）。これにより、境界層の形成を抑制することができる。
　従って、フィン部材１２０のフィン２２及びフィン部材２２０のフィン２２２は、流路１２５を流れる冷媒と効率良く熱交換を行うことができる。すなわち、半導体素子７１～７４からフィン２２，２２２に伝えられた熱を、効率良く、流路１２５を流れる冷媒に放出することができる。流路１２５を流れつつフィン２２，２２２の熱を吸収した冷媒は、排出口１３０ｂを通じてフレーム１３０の外部に排出される。このようにして、発熱した半導体素子７１～７４を、効果的に冷却することができる。
　しかも、本実施例２の熱交換器１１０では、前述のように、突出部１３１ｄ，１３１ｅの突出高さを低くすると共に、流路部分１２５ｄ，１２５ｅの流路深さを深くしている。これにより、流路１２５の圧力損失を効果的に低減することができる。このため、冷媒の流量の低下を抑制できるので、発熱した半導体素子７１～７４を適切に冷却することができる。
　次に、本実施例２にかかる半導体装置１００の製造方法について説明する。
　まず、アルミニウム製のフィン部材１２０，２２０を２個ずつ用意する。フィン部材１２０，２２０は、例えば、アルミニウムの押出成形により一体成形することができる。
　また、アルミニウム製の第１フレーム部材１３１と、アルミニウム製の第２フレーム部材１３２とを用意する。第１フレーム部材１３１は、成形工程において、第１抑え型９１、第２抑え型９２、及び絞り型９３（図８参照）を用いて、実施例１と同様にして成形した。但し、突出部１３１ｄ，１３１ｅの絞り加工では、突出部１３１ｂ，１３１ｃの絞り加工に比べて、絞り型９３の降下量（絞り量）を小さくしている。第２フレーム部材１３２は、矩形平板状のアルミニウム板を、プレス加工することで製造できる。
　次に、組立工程に進み、フィン部材１２０，２２０、第１フレーム部材１３１、及び第２フレーム部材１３２を、図１３に示すように組み合わせる（組み合わせ体を構成する）。なお、第１フレーム部材１３１の内面１３１ｈ及び第２フレーム部材１３２の底面１３２ｂには、予めロウ材（融点６００℃）が塗布されている。次いで、実施例１と同様に、組み合わせ体を電気炉（図示なし）内に収容してロウ材を溶融させた後、組み合わせ体を冷却して、ロウ材を硬化させる。これにより、フィン部材１２０，２２０、第１フレーム部材１３１、及び第２フレーム部材１３２を、ロウ付けにより接合することができる。このようにして、本実施例２の熱交換器１１０が完成する。
　次に、溶接工程に進み、実施例１と同様の手順で、熱交換器１１０の第１フレーム部材１３１に、４個の絶縁板６０をロウ付けする。具体的には、まず、第１フレーム部材１３１の配置面１３１ｇ（図１６、図１７参照）に、４個の絶縁板６０を配置する。なお、第１フレーム部材１３１の配置面１３１ｇには、熱交換器１１０を完成させた後、絶縁板６０を配置する前に、ロウ材（融点５５０℃）を塗布している。次いで、これらを電気炉（図示なし）内に収容した後、電気炉内の温度を５５０℃にまで上昇させて、ロウ材を溶融させる。このとき、熱交換器１１０を接合しているロウ材は、融点が６００℃であるため、溶融することがない。このため、熱交換器１１０の接合状態を確実に維持することができる。その後、絶縁板６０を有する熱交換器１１０を電気炉内から取り出し、冷却して、ロウ材を硬化させる。これにより、４個の絶縁板６０を、熱交換器１１０の第１フレーム部材１３１にロウ付けすることができる。
　ところで、絶縁板６０とフレーム１３０（第１フレーム部材１３１）とでは、線膨張率が異なる。前述のように、例えば、アルミナからなる絶縁板６０を用いた場合、アルミニウムからなるフレーム１３０（第１フレーム部材１３１）の線膨張率は、絶縁板６０の線膨張率の３倍以上となる。このため、従来、アルミナからなる絶縁板とアルミニウムからなるフレーム（第１フレーム部材）との溶接（例えばロウ付け）時に、絶縁板及び第１フレーム部材が加熱された後冷却されたとき、絶縁板と第１フレーム部材との収縮率（線膨張率）の差が原因で、絶縁体及びフレームに反りが発生する（湾曲する）ことがあった。
　しかしながら、本実施例２では、前述のように、第１フレーム部材１３１に、フレーム１３０の内部に突出する複数（本実施例１では４個）の突出部１３１ｂ，１３１ｃ，１３１ｄ，１３１ｅを一体成形している（図１３、図１７参照）。これらの突出部１３１ｂ～１３１ｅは、フレーム１３０の外方（図１７において上方）に開口する断面Ｕ字状で、配置面１３１ｇに沿ってＢ方向に直線状に延びるＵ字溝形状をなしている。このような形態の突出部１３１ｂ～１３１ｅは、Ｕ字溝の開口が拡縮することで、第１フレーム部材１３１の配置面１３１ｇに沿った沿面方向（図１１、図１７において左右方向）に弾性変形可能である（図１１参照）。
　従って、絶縁板６０と第１フレーム部材１３１との溶接（本実施例２では、ロウ付け）時に、絶縁板６０及び第１フレーム部材１３１が加熱された後冷却されたとき、突出部１３１ｂ～１３１ｅが、絶縁板６０と第１フレーム部材１３１との収縮率（線膨張率）の差に応じて、第１フレーム部材１３１の配置面１３１ｇに沿った沿面方向（図１１において左右方向）に弾性変形（収縮）する。これにより、絶縁板６０と第１フレーム部材１３１との収縮率（線膨張率）の差によって生じる反り（湾曲）を抑制することができる。
　その後、各々の絶縁板６０の表面に、半導体素子７１～７４をハンダ付けすることで、本実施例１の半導体装置１００（図１２、図１８参照）が完成する。
　以上において、本発明を実施例１，２に即して説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
　例えば、実施例１では、フィン部材２０と第１フレーム部材３１と第２フレーム部材３２とを、ロウ付けにより接合して、熱交換器１０を完成させた後、熱交換器１０の第１フレーム部材３１に絶縁板６０をロウ付けした。しかしながら、フィン部材２０と第１フレーム部材３１と第２フレーム部材３２と絶縁板６０とを、同時にロウ付けするようにしても良い。この場合、ロウ材は、全て同一融点（例えば６００℃）のものを用いることができる。この手法では、熱交換器１０が完成すると同時に、熱交換器１０の第１フレーム部材３１に絶縁板６０がロウ付けされる。実施例２についても、これと同様なことがいえる。
１，１００　半導体装置
１０，１１０　熱交換器
２０，１２０，２２０　フィン部材
２２，２２２　フィン
２５，１２５　流路
３０，１３０　フレーム
３１，１３１　第１フレーム部材（第１壁部）
３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ，１３１ｂ，１３１ｃ，１３１ｄ，１３１ｅ　突出部（弾性変形可能部）
３１ｆ，１３１ｆ　第１フレーム部材（第１壁部）の外面
３１ｇ，１３１ｇ　配置面
３２，１３２　第２フレーム部材
６０　絶縁板（介在部材）
７１，７２，７３，７４　半導体素子（発熱体）
１２５ｄ，１２５ｅ　低発熱部を含んで構成される流路部分
１３１ｋ　低発熱部
Ａ　冷媒の流れ方向
Ｂ　冷媒の流れ方向と直交（交差）する方向

Claims (11)

  1. 発熱体を冷却する熱交換器であって、外枠を形成するフレームの内部に、冷媒の流路を形成する複数のフィンを備えたフィン部材を配置した熱交換器において、
    　上記フレームは、当該フレームと上記発熱体との間に介在する介在部材であって当該フレームと線膨張率が異なる介在部材が溶接される第１壁部を有し、
    　上記フレームの上記第１壁部は、当該第１壁部の外面のうち上記介在部材が配置される配置面に沿った沿面方向に弾性変形可能な弾性変形可能部を含む
    熱交換器。
  2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
    　前記弾性変形可能部は、
    　　前記フレームの内部に突出する突出部であって、前記フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、前記配置面に沿って前記冷媒の流れ方向と交差する方向に直線状に延びるＵ字溝形状の突出部である
    熱交換器。
  3. 請求項２に記載の熱交換器であって、
    　前記突出部は、絞り加工により前記第１壁部と一体成形されてなる
    熱交換器。
  4. 請求項２または請求項３に記載の熱交換器であって、
    　前記突出部は、前記冷媒の流れ方向と交差する方向における前記フレームの両側壁の内壁面まで延設されている
    熱交換器。
  5. 請求項２～請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
    　前記突出部は、前記冷媒の流れ方向と直交する方向に直線状に延びる
    熱交換器。
  6. 請求項２～請求項５のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
    　前記突出部は、前記冷媒の流れ方向に所定間隔をおいて並設されており、
    　前記フィンは、上記冷媒の流れ方向に隣り合う上記突出部の間に配置されてなる
    熱交換器。
  7. 請求項６に記載の熱交換器であって、
    　前記熱交換器は、前記冷媒の流れ方向に並んで配置される複数の前記発熱体を冷却する熱交換器であり、
    　前記第１壁部のうち、上記複数の発熱体の中で相対的に発熱量が少ない発熱体が前記介在部材を介して配置される部分を低発熱部とすると、
    　前記突出部のうち、上記低発熱部に対し前記流路の上流側に隣り合って位置する突出部は、他の突出部に比べて前記フレームの内部に突出する突出高さが低い
    熱交換器。
  8. 請求項７に記載の熱交換器であって、
    　前記冷媒の流路のうち前記低発熱部を含んで構成される流路部分は、他の流路部分に比べて、流路深さが深くされてなる
    熱交換器。
  9. 　請求項１～請求項８のいずれか一項に記載の熱交換器と、
    　前記発熱体である半導体素子と、
    　前記フレームの前記第１壁部に溶接されて、上記半導体素子と上記第１壁部との間に位置する前記介在部材と、を備える
    半導体装置。
  10. 発熱体を冷却する熱交換器であって、外枠を形成するフレームの内部に、冷媒の流路を形成する複数のフィンを備えたフィン部材を配置した熱交換器の製造方法において、
    　上記フレームであって、当該フレームと上記発熱体との間に介在する介在部材が溶接される第１壁部を有するフレームを成形する成形工程と、
    　上記成形工程で成形された上記フレームの内部に上記フィン部材を配置して、上記熱交換器を組み立てる組立工程と、を有し、
    　上記成形工程は、
    　　絞り加工により、上記フレームの内部に突出する突出部であって、上記フレームの外方に開口する断面Ｕ字状で、上記第１壁部の外面のうち上記介在部材が配置される配置面に沿って直線状に延びるＵ字溝形状の突出部を、上記第１壁部と一体成形する
    熱交換器の製造方法。
  11. 　請求項１０に記載の熱交換器の製造方法により製造された熱交換器と、
    　前記発熱体である半導体素子と、
    　前記フレームの前記第１壁部と上記半導体素子との間に介在する前記介在部材であって、上記フレームと線膨張率が異なる介在部材と、を備える
    半導体装置の製造方法であって、
    　上記介在部材を上記フレームの上記第１壁部の前記配置面上に配置して、上記介在部材を上記第１壁部に溶接する溶接工程を備える
    半導体装置の製造方法。
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