WO2016079970A1 - 冷却モジュール - Google Patents

Abstract

　冷却モジュールは、発熱体（１０）、熱交換器（２０）、および絶縁板（３０、３０Ａ、３０Ｂ）を備える。発熱体は、表面の少なくとも一面が放熱面（１５）とされている。熱交換器は、金属製であり、表面の少なくとも一面が放熱面に対向する冷却面（２２）とされている。絶縁板は、第１面および第２面を表裏に備え、放熱面に対向すると共に第２面が冷却面に対向した状態で放熱面と冷却面との間に介在し、電気絶縁性および熱伝導性を有する。発熱体が発生した熱は、絶縁板を介して放熱面と冷却面との間で熱交換されることにより熱交換器に放出される。冷却面と絶縁板との間には金属製の接合材（４０）が介在し、絶縁板は接合材によって冷却面に一体に接合されている。放熱面と絶縁板とは、接合材よりも弾性率が低い弾性部材（５０）を介して密着している。放熱面と冷却面とは、接合材、絶縁板および弾性部材を介して熱的に接続されている。

Description

冷却モジュール 関連出願の相互参照

　本出願は、当該開示内容が参照によって本出願に組み込まれた、２０１４年１１月２０日に出願された日本特許出願２０１４－２３５４４８号および２０１５年６月１５日に出願された日本特許出願２０１５－１２０４６２号を基にしている。

　本開示は、熱交換器の冷却面と発熱体の放熱面とを、絶縁板を介して熱的に接続してなる冷却モジュールに関する。

　冷却モジュールは一般的に、一面が放熱面とされた発熱体と、一面が放熱面に対向する冷却面とされた熱交換器と、放熱面と冷却面との間に介在する電気絶縁性且つ熱伝導性を有する絶縁板と、放熱グリスと、を備えている。

　ここで、発熱体に発生する熱が、絶縁板を介して放熱面と冷却面との間で熱交換されることにより、熱交換器に放熱される。また、一般的には、冷却面と絶縁板との間、および、放熱面と絶縁板の間には、放熱グリスが介在されることで、冷却面と絶縁板、および放熱面と絶縁板が密着し、上記熱交換が可能となるように熱的に接続されている。

　しかしながら、この構成の場合、パワーサイクルによって、放熱グリスによる密着性が低下するなどの不具合が生じるため、熱抵抗が悪化するおそれがある。

　一方で、冷却面と絶縁板との間、および、放熱面と絶縁板の間を、ＣｕやＡｇ等による接合や、ろう付けによる接合などの金属接合によって接合することで、高熱伝導性且つ絶縁機能を持たせた冷却モジュールが提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１３－９８３８７号公報

　本開示の発明者らによる検討によると、特許文献１に記載の冷却モジュールの場合、熱交換器の冷却面と発熱体の放熱面の両方に対して、絶縁板を金属による接合を用いて接続している。この場合、冷却面、放熱面、および接合用金属の各部を構成する金属と、絶縁板を構成するセラミック等との間では、発熱による線膨張係数の差から応力、つまり熱応力が発生する。そして、この応力によるダメージは、線膨張係数の低い絶縁板において大きく、最悪、絶縁板の破損につながるおそれがある。

　そのため、上記特許文献１に記載の冷却モジュールの構成を採用する場合、さらに、冷却面を含む熱交換器の少なくとも一部、接合用金属、絶縁板、接合用金属および発熱体を、モールド樹脂で囲う必要が出てくる。そうすると、たとえば発熱体の故障等が発生したとき、発熱体のみを取り替えることが困難になる等の不具合が生じる。

　本開示は、上記点に鑑みてなされたものであり、絶縁板を介して熱交換器の冷却面と発熱体の放熱面とを熱的に接続するにあたって、冷却面と放熱面との絶縁性を確保しつつ、線膨張差により絶縁板に発生する応力の緩和、および、熱的接続部分における熱抵抗の悪化の低減を実現することが可能な冷却モジュールを提供することを目的とする。

　本開示の冷却モジュールは、発熱体、熱交換器、および絶縁板を備える。

　発熱体は、表面の少なくとも一面が放熱面とされている。熱交換器は、金属製であり、表面の少なくとも一面が放熱面に対向する冷却面とされている。絶縁板は、第１面および第２面を表裏に備え、放熱面に対向すると共に第２面が冷却面に対向した状態で放熱面と冷却面との間に介在し、電気絶縁性および熱伝導性を有する。発熱体が発生した熱は、絶縁板を介して放熱面と冷却面との間で熱交換されることにより熱交換器に放出される。冷却面と絶縁板との間には金属製の接合材が介在し、絶縁板は接合材によって冷却面に一体に接合されている。放熱面と絶縁板とは、接合材よりも弾性率が低い弾性部材を介して密着している。放熱面と冷却面とは、接合材、絶縁板および弾性部材を介して熱的に接続されている。

　それによれば、熱交換器の冷却面と発熱体の放熱面との間の放熱経路に、電気絶縁性を有する絶縁板が介在するので、冷却面と放熱面とは電気的に絶縁される。また、当該放熱経路において、冷却面と絶縁板との間に介在する金属製の接合材により、熱抵抗の悪化を抑制することができる。

　また、当該放熱経路において、放熱面と絶縁板との間に介在する弾性率の低い弾性部材により、発熱による線膨張係数差に起因して絶縁板に発生する応力を緩和することができる。従って、熱的接続部分をモールド樹脂で囲う必要はない。

　よって、本開示によれば、冷却面と放熱面との絶縁性を確保しつつ、線膨張差により絶縁板に発生する応力の緩和、および、熱的接続部分における熱抵抗の悪化の低減を実現することができる。

　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。
第１実施形態にかかる冷却モジュールを示す概略断面図である。 図１における熱交換器の冷却面と接合材との界面の拡大図である。 第２実施形態にかかる冷却モジュールを示す概略断面図である。 第３実施形態にかかる冷却モジュールを示す概略断面図である。

　以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の実施形態を説明する。各実施形態において先行する実施形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した実施形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

　（第１実施形態）
　第１実施形態にかかる冷却モジュールＳ１について、図１を参照して述べる。この冷却モジュールＳ１は、たとえば自動車などの車両に搭載され、車両用の各種電子装置における電力変換装置等に適用される。

　本実施形態の冷却モジュールＳ１は、発熱体１０、熱交換器２０および絶縁板３０を備える。発熱体１０は、駆動時等に発熱する。熱交換器２０は、金属製であり、発熱体１０と熱交換する。絶縁板３０は、発熱体１０と熱交換器２０との間に介在し、発熱体１０と熱交換器２０とを電気的に絶縁する。

　本実施形態の発熱体１０は、いわゆる両面放熱型のモールドパッケージとして構成されている。具体的に、発熱体１０は、発熱素子１１と、発熱素子１１に電気的および熱的に接続されたヒートシンク１２と、これら発熱素子１１およびヒートシンク１２を封止するモールド樹脂１３を有している。

　発熱素子１１は、シリコン半導体等、たとえば発熱素子１１は、ＭＯＳトランジスタやＩＧＢＴ等のパワー素子等により構成されている。このような発熱素子１１は、通常の半導体プロセス等により、たとえば半導体チップとして形成されている。

　ここで、ヒートシンク１２は、発熱素子１１の表裏両側（図１における発熱素子１１の上下両側に相当）それぞれに設けられている。このヒートシンク１２は、Ｃｕ（銅）やＦｅ（鉄）等の放熱性に優れた金属等で形成され、板状をなし、発熱素子１１の放熱板且つ電極として機能する。

　発熱素子１１における表裏の両側において、ヒートシンク１２の一方の板面と発熱素子１１とが、はんだ１４を介して電気的および機械的に接合されている。このはんだ１４は、この種のモールドパッケージに通常採用されるものとすることができ、典型的にはＰｂ（鉛）フリーはんだ等がはんだ１４として用いられる。

　そして、これらヒートシンク１２、発熱素子１１、ヒートシンク１２が順次積層された積層体が、モールド樹脂１３により、包み込まれるように封止されている。このモールド樹脂１３は、ポリイミドやエポキシ樹脂等の典型的なモールド材料よりなり、トランスファー成形、コンプレッション成形等により形成される。

　ここで、発熱素子１１の表裏両側において、ヒートシンク１２は、発熱素子１１とはんだ接続されている板面とは反対側の板面をモールド樹脂１３より露出させている。そして、ヒートシンク１２において、このモールド樹脂１３から露出する面が、放熱面１５とされている。

　このように、本実施形態では、発熱体１０は、当該発熱体１０の表面において２個の放熱面１５を有している。駆動時等に発生する発熱素子１１の熱は、ヒートシンク１２に伝わり、放熱面１５を介して、発熱体１０の外部に放出される。このように、本実施形態の発熱体１０は、発熱素子１１の表裏両側、すなわち発熱体１０の表裏両側に放熱面１５を有しており、上記した両面放熱型のモールドパッケージとして構成されている。

　なお、発熱体１０は、この種のモールドパッケージと同様に、一部がモールド樹脂１３で封止された図示しないリードフレームを備えている。そして、このリードフレームにおけるインナーリードと発熱素子１１とがワイヤボンディング等で接続されている。また、このリードフレームにおけるアウターリードは、モールド樹脂１３より露出して、外部配線部材等と電気的に接続可能である。

　また、図示しないが、ヒートシンク１２には、ヒートシンク１２に一体に形成された端子部が設けられ、この端子部はモールド樹脂１３より露出している。そして、これらリードフレームやヒートシンク１２の端子部により、本実施形態の発熱体１０は、発熱体１０外部、ひいては冷却モジュールＳ１の外部と電気的に接続可能である。

　熱交換器２０は、発熱体１０と熱交換して発熱体１０を冷却する冷却器として機能する。ここでは、熱交換器２０は、内部を水やエチレングリコール等の冷媒が流れるもので、いわゆる水冷タイプである。

　この熱交換器２０は、たとえばＡｌ（アルミニウム）等の熱伝導性に優れ、軽量化等に適した金属で形成される。熱交換器２０は、内部に冷媒が流れる流路２１を有しており、図示しないタンク等からポンプ等により、冷媒が流路２１に供給される。

　本実施形態では、熱交換器２０は、発熱体１０における表裏の２つの放熱面１５のそれぞれに対向して設けられている。つまり、本実施形態の冷却モジュールＳ１は、一対の熱交換器２０の間に発熱体１０が設けられた積層構成を有する。

　この熱交換器２０のそれぞれにおいて、発熱体１０の放熱面１５に対向する面が、放熱面１５と熱的に接続される冷却面２２とされている。つまり、冷却面２２は、放熱面１５との間で熱交換して発熱体１０を冷却する。

　具体的には、熱交換器２０は、図１中の上下方向を厚さ方向とし、矩形の主面を表裏に有する薄型の直方体形状を有している。熱交換器２０のうち、発熱体１０と対向する一方の主面が冷却面２２とされている。なお、図１では、熱交換器２０における冷却面２２とは反対側の主面は、外側面２３として示してある。換言すれば、熱交換器２０における発熱体１０とは反対側の冷却面が外側面２３となっている。

　絶縁板３０は、電気絶縁性且つ熱伝導性を有する板であり、発熱体１０の放熱面１５と熱交換器２０の冷却面２２との間の電気絶縁性および熱伝導性を確保する。絶縁板３０は、たとえばシリコンナイトライド（ＳｉＮ）やアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックやガラス等により形成される。また、絶縁板３０は、絶縁板３０としての電気絶縁性および熱伝導性が確保されるならば、たとえば電気絶縁性の樹脂等により成形されてもよい。

　この絶縁板３０は、発熱体１０の表裏の両側において、放熱面１５と熱交換器２０の冷却面２２との間に介在している。具体的には、絶縁板３０は、一面（第１面）および他面（第２面）を表裏に備え、第１面を放熱面１５に対向させると共に第２面を冷却面２２に対向させた状態で配置されている。換言すれば、絶縁板３０は、放熱面１５側の第１面および冷却面２２側の第２面を有し、放熱面１５と冷却面２２との間に介在している。また、絶縁板３０は、電気絶縁性および熱伝導性を有している。

　ここで、熱交換器２０の冷却面２２と絶縁板３０との間には金属製の接合材４０が介在し、絶縁板３０は接合材４０によって冷却面２２に一体に接合されている。換言すれば、接合材４０は絶縁板３０の第２面と冷却面２２との間に介在して、絶縁板３０を冷却面２２に一体的に接合させる。この接合材４０は、典型的には、ろう材であるが、はんだ等であってもよい。

　たとえば、Ａｌ－Ｃｕ、Ａｌ－Ａｇ、Ａｌ－Ｓｉ等がろう材として用いられ、Ｃｕを含むＣｕ系のはんだ等がはんだとして用いられる。このように、絶縁板３０は、冷却面２２に対して、ろう付けやはんだ付けにより一体に接合されている。

　ここで、このような金属製の接合材４０は、２種類の金属から構成される共晶からなるもの、つまり共晶部とされたものであり、図２に示されるように、冷却面２２と接合されていることが望ましい。

　この共晶部としての接合材４０は、冷却面２２と接合材４０とについて共晶による接合を発現しやすい材料を適宜選択することで接合される。接合材４０による共晶部が形成されていると、冷却面２２と接合材４０とで接合は確保されるので、強固な接合が実現されやすくなる、という利点がある。また、冷却モジュールの壊れ方を考えた場合、この共晶部の存在により、共晶部の脆弱な部分が優先的に破損するので、接合された絶縁板３０自身が破損することはなく、漏電による機能停止を防ぐことができる、という利点もある。

　具体的に述べると、典型的には、接合材４０を構成する金属は、冷却面２２すなわち熱交換器２０を構成する金属とは異なる金属である。また、共晶とは、共融混合物とも言い、同時に析出する２種以上の結晶の混合物である。

　例えば、冷却面２２を構成する金属がＡｌであり、接合材４０を構成する金属がＡｌ－Ｃｕである場合には、接合材４０を構成する金属はＣｕである。そして、この場合、共晶部は、Ａｌ－Ｃｕの共晶により構成される。また、接合材４０を構成する金属がＡｌ－Ｃｕである場合は、接合性の確保等の点から、接合材４０による共晶部を形成するθ相の厚さが２μｍ以下であることが望ましい。なお、絶縁板３０と接合材４０とは、直接接触した状態で、ろう付けやはんだ付けの形態で接合されていればよい。

　また、発熱体１０の放熱面１５と絶縁板３０との間には、接合材４０よりも弾性率が低い弾性部材５０、すなわち接合材４０よりも軟らかい弾性部材５０が介在している。これにより、放熱面１５と絶縁板３０とは、弾性部材５０を介して密着している。換言すれば、弾性部材５０は、接合材４０よりも弾性率が低く、絶縁板３０の第１面と放熱面１５との間に介在して絶縁板３０を放熱面１５に密着させる。

　さらに言えば、弾性部材５０は、接合材４０よりも弾性率（あるいはヤング率）が小さく、軟らかく変形しやすい。このような低弾性率の弾性部材５０としては、典型的には、シリコーン樹脂等よりなる放熱グリスが挙げられる。なお、弾性部材５０は、弾性を有するとともに使用環境耐性を有していれば、ゴム等よりなるシートなどであってもよい。

　こうして、本実施形態の冷却モジュールＳ１は、熱交換器２０、絶縁板３０、および、発熱体１０が、接合材４０および弾性部材５０を介して積層されている。そして、発熱体１０の放熱面１５と熱交換器２０の冷却面２２とは、接合材４０、絶縁板３０および弾性部材５０を介して接触することで、熱的に接続されている。

　このような熱的接続構成により、本実施形態では、接合材４０、絶縁板３０および弾性部材５０を介して放熱面１５と冷却面２２との間で熱交換が行われる。そのため、発熱体１０に発生する熱は、絶縁板３０を介して熱交換器２０に放熱され、発熱体１０は冷却される。

　ここで、本実施形態の冷却モジュールＳ１は、熱交換器２０、絶縁板３０、発熱体１０、絶縁板３０、熱交換器２０が積層された積層構成を有しており、この積層構成は、図示しない箇所にて、ねじ止め等の固定方法等により保持されている。具体的には、積層方向（図１の上下方向に相当）に圧縮される力が印加された状態で、熱交換器２０、絶縁板３０および発熱体１０が積層されている。

　冷却モジュールＳ１の組み付け方法の一例を、次に説明する。まず、熱交換器２０の冷却面２２に、接合材４０を介して絶縁板３０を接合し、熱交換器２０と絶縁板３０とを一体化しておく。

　次に、弾性部材５０を絶縁板３０もしくは発熱体１０の放熱面１５に配置した状態で、熱交換器２０と発熱体１０とを積層する。そして、上述のねじ止め等を行い、積層された各部品同士を固定する。こうして、本実施形態の冷却モジュールＳ１が組み立てられる。

　本実施形態によれば、熱交換器２０の冷却面２２と発熱体１０の放熱面１５との間の伝熱経路、つまり放熱経路に、電気絶縁性の絶縁板３０が介在する。これにより、冷却面２２と放熱面１５とは電気的に絶縁される。また、当該放熱経路において、冷却面２２と絶縁板３０との間に介在する金属製の接合材４０により、熱抵抗の悪化を抑制することができる。

　また、当該放熱経路において、放熱面１５と絶縁板３０との間に介在する弾性率の低い弾性部材５０により、発熱による線膨張係数差に起因して絶縁板３０に発生する応力を緩和することができる。従って、熱的接続部分をモールド樹脂で囲う必要がない。

　また、弾性部材５０は、上記した積層構造を有する冷却モジュールＳ１に印加されている圧縮力によって放熱面１５と絶縁板３０とに密着した状態となっている。そのため、たとえば固定手段等による圧縮力を解除することで、発熱体１０と絶縁板３０とを容易に取り外すことができる。これによれば、たとえば発熱体１０の故障等が生じた場合、容易に発熱体１０のみを取り替えることができる。

　さらには、放熱面１５や絶縁板３０が凹凸を有していても、これら凹凸は弾性部材５０の変形により埋められるため、放熱面１５と絶縁板３０との密着性が向上する等の利点が期待できる。

　よって、本実施形態によれば、熱交換器２０の冷却面２２と発熱体１０の放熱面１５との絶縁性を確保しつつ、線膨張差により絶縁板３０に発生する応力の緩和、および、熱的接続部分における熱抵抗の悪化の低減を実現することができる。

　また、本実施形態によれば、予め熱交換器２０と絶縁板３０とを一体に接合したうえで、放熱面１５と絶縁板３０との間に弾性部材５０を配置して、発熱体１０を組み付けている。そのため、放熱面１５と絶縁板３０との間、および、絶縁板３０と冷却面２２との間の両方に、それぞれ放熱グリス等の弾性部材を配置して組み付けを行う場合に比べて、組み付け性の簡素化が期待できる。

　本実施形態では、図１に示すように、熱交換器２０の表面のうち一面が冷却面２２とされ、この冷却面２２に絶縁板３０が設けられている。冷却面２２は、上述したように、発熱体１０の放熱面１５に対向し、接合材４０、絶縁板３０、弾性部材５０を介して、放熱面１５と熱的に接続されている。また、図１において、熱交換器２０の表面のうち発熱体１０とは反対側に位置し、放熱面１５と熱的に接続されない面を外側面２３とした。

　図１に示されるように、放熱面１５と対向していない外側面２３に対し、金属製の外側接合材４０Ａによって絶縁板３０が一体に接合されている。換言すれば、外側面２３と外側絶縁板３０Ａとの間に、外側接合材４０Ａが介在している。

　これによれば、熱交換器２０の冷却面２２と絶縁板３０が接合材４０により一体に接合され、外側面２３と外側絶縁板３０Ａが外側接合材４０Ａにより一体に接合されている。外側絶縁板３０Ａは、絶縁板３０と実質的に同一の部材であり、従って、冷却面２２および外側面２３のどちらに対しても、発熱体１０を熱的に接続することが可能となる。

　これにより、外側面２３を冷却面として機能させることができる。つまり、発熱体１０の発熱状況に応じて、冷却面２２と外側面２３のどちらか一方を冷却面として選択することが可能になる。具体的には、熱交換器２０において絶縁板３０または外側絶縁板３０Ａが接合されている冷却面２２および外側面２３のうち一方を選択して、冷却面２２と外側面２３のうち当該選択された一方に発熱体１０を接続してやればよい。例えば、外側面２３に発熱体１０を設けた場合には、外側面２３が冷却面として機能し、冷却面２２が外側面２３として機能することになる。また、この外側面２３へ外側絶縁板３０Ａを接合する効果として、熱交換器２０の冷却面２２と外側面２３の反りを低減する効果が期待される。

　さらに、本実施形態によれば、熱交換器２０における冷却面２２および外側面２３の両方に発熱体１０を熱的に接続することも可能になる。この場合、外側面２３も冷却面として機能し、熱交換器２０は、表裏に２つの冷却面を有することとなる。

　なお、熱交換器２０の外側面２３を、何も接合されることなく露出した面としてもよい。すなわち、熱交換器２０の冷却面２２のみに絶縁板３０を設けてもよい。

　また、図１では、発熱体１０の表裏両側が放熱面１５とされており、それぞれの放熱面１５に対応するように２個の熱交換器２０が設けられている。しかしながら、熱交換器２０は、２つの放熱面１５のうちどちらか一方に対応するように１個設けていてもよい。たとえば、図１において、発熱体１０の下側の熱交換器２０を省略して、発熱体１０における下側の放熱面１５を、外気にさらされた状態としてもよい。

　（第２実施形態）
　第２実施形態にかかる冷却モジュールＳ２について、図３を参照して、第１実施形態との相違点を中心に述べる。この冷却モジュールＳ２は、図１に示される、熱交換器２０、発熱体１０、熱交換器２０が交互に積層されてなる積層体１００により構成される。

　本実施形態では、発熱体１０および熱交換器２０の数はそれぞれ２以上である。ここでは、図３に示されるように、発熱体１０および熱交換器２０の数は、それぞれ３および４である。なお、本実施形態では、複数の熱交換器２０と複数の発熱体１０とが交互に積層された積層体１００が形成されていればよく、発熱体１０の個数および熱交換器２０の個数は、ともに複数であれば特に限定するものではない。

　つまり、複数個の発熱体１０は、直列に配列され、隣り合う発熱体１０同士のそれぞれの間に熱交換器２０が介在するように、複数個の発熱体１０および複数個の熱交換器２０が交互に積層されて積層体１００を形成している。

　ここで、放熱面１５、冷却面２２はそれぞれ、隣り合う発熱体１０と熱交換器２０とにおいて互いに対向する発熱体１０の面、熱交換器２０の面とされている。そして、隣り合う発熱体１０および熱交換器２０同士において、互いに対向する放熱面１５と冷却面２２との間では、上記第１実施形態と同様、接合材４０、絶縁板３０および弾性部材５０を介した熱的な接続がなされている。

　換言すれば、冷却モジュールＳ２では、複数の発熱体１０と複数の熱交換器２０とが交互に積層されて積層体１００を形成しており、接合材４０、絶縁板３０および弾性部材５０が複数組み設けられている。隣り合う発熱体１０および熱交換器２０における放熱面１５および冷却面２２は、一組の接合材４０、絶縁板３０および弾性部材５０を介して熱的に接続されている。

　このように、冷却モジュールＳ２は、発熱体１０と熱交換器２０とが繰り返して配置された積層体１００よりなる。そして、上述のように、図３の例では、３個の発熱体１０と４個の熱交換器２０とが繰り返し積層されている。

　ここで、図３中の上端および下端に位置する２個の熱交換器２０以外の、中間の２個の熱交換器２０については、上下両側に発熱体１０が配置され、当該上下両側にて放熱面１５と対向している。そして、図３における当該中間の２個の熱交換器２０のそれぞれは、上面と下面の両方が冷却面２２とされている。この２つの冷却面２２のそれぞれに、接合材４０によって絶縁板３０が一体に接合されている。

　そして、当該２つの冷却面２２のそれぞれに接合された絶縁板３０と、これに隣り合う発熱体１０の放熱面１５とが弾性部材５０を介して密着している。こうして、本実施形態においても、隣り合う熱交換器２０と発熱体１０との間で、冷却面２２と放熱面１５とが熱的に接続されている。

　そして、本実施形態の発熱体１０においても、図１に示された構成と同様に、発熱体１０の２つの放熱面１５のそれぞれが、これに隣り合う熱交換器２０の冷却面２２に対して、接合材４０、絶縁板３０および弾性部材５０を介して熱的に接続され、効率の良い両面放熱を可能としている。

　さらに言えば、図３に示される構造においては、上端および下端に位置する２個の熱交換器２０は、一面のみが熱交換器２０に熱的に接続される冷却面２２とされ、外側面２３側には発熱体１０が配置されない。一方、中間の２個の熱交換器２０は、上面と下両の両方が冷却面２２とされたものであり、表面のうち２面が冷却面２２とされた熱交換器２０に相当する。

　上述したように、図３においては、中間の２個の熱交換器２０は、上面と下両の両方が冷却面２２とされており、つまり、２つの冷却面２２を有している。しかしながら、この中間の２つの熱交換器２０が、冷却面２２を１つのみ有してもよい。

　たとえば、図３において、中間の２個の熱交換器２０のそれぞれについて、上面および下面のいずれか一方のみを冷却面２２とすればよい。この場合、冷却面２２とこれに対向する発熱体１０の放熱面１５とを、上記同様に、接合材４０、絶縁板３０、弾性部材５０を介して熱的に接続すればよい。

　また、この場合、中間の２個の熱交換器２０のそれぞれにおいて、冷却面２２とは反対側の面には絶縁板３０を設けず、当該反対側の面とこれに対向する発熱体１０の放熱面１５との間に隙間を形成すればよい。

　あるいは、中間の２個の熱交換器２０のそれぞれにおいて、当該反対側の面には、接合材４０を介して絶縁板３０のみ設けて、弾性部材５０は設けなくてもよい。この場合、当該反対側の面側において、絶縁板３０とこれに対向する発熱体１０の放熱面１５との間に隙間を形成する。

　（第３実施形態）
　第３実施形態にかかる冷却モジュールＳ３について、図４を参照して述べる。本実施形態は、上記第１実施形態と比較して絶縁板３０の構成を変形したところが相違するものであり、この相違点を中心に述べる。

　第１実施形態では、絶縁板３０は、セラミックやガラス等よりなる単一の板として構成されている。これに対して、本実施形態では、発熱体１０の放熱面１５と熱交換器２０の冷却面２２との間に介在する絶縁板３０Ｂは、セラミックやガラス等により形成される絶縁層３０ｂと、この絶縁層３０ｂにおける冷却面２２側の面に積層された金属層３０ａの２層が積層された積層構造を有している。具体的には、図４に示されるように、絶縁板３０Ｂの表裏の板面のうち冷却面２２に対向する面が金属層３０ａとなっている。

　本実施形態においても、絶縁板３０Ｂが電気絶縁性の絶縁層３０ｂを有するため、熱交換器２０の冷却面２２と発熱体１０の放熱面１５との間の電気絶縁が確保される。

　この金属層３０ａは、ろう材やはんだ等よりなる接合材４０との接合性に優れた金属、具体的には、銅やアルミニウム等の金属により形成される。そして、この金属層３０ａは、絶縁層３０ｂの表面にスパッタ、蒸着、めっき、あるいは、ロウ付け等の成膜法により設けられ、絶縁板３０Ｂにおいて冷却面２２側の面を構成している。

　そして、本実施形態では、熱交換器２０の冷却面２２と絶縁板３０Ｂの金属層３０ａとの間に、接合材４０が介在している。接合材４０は、絶縁板３０と冷却面２２とを一体的に接合している。一方、第１実施形態同様、発熱体１０の放熱面１５と絶縁板３０Ｂの絶縁層３０ｂとが弾性部材５０を介して密着している。

　本実施形態では、絶縁板３０Ｂのうち接合材４０が配置される冷却面２２側に金属層３０ａを設け、この金属層３０ａと接合材４０とを接合するようにしているため、接合性の向上が期待できる。つまり、接合材４０による接合対象として、絶縁層３０ｂよりもろう付けやはんだ付け性に優れた金属層３０ａが用いられることで、接合強度の向上が図れる。

　図３の例では、絶縁板３０Ｂは、熱交換器２０の冷却面２２側のみに金属層３０ａを有している。しかしながら、さらに発熱体１０の放熱面１５側にも金属層３０ａを有してもよい。

　この場合、図示しないが、絶縁板３０Ｂは、発熱体１０側から熱交換器２０側へ向かって、金属層３０ａ、絶縁層３０ｂ、金属層３０ａが積層された３層構成となる。このような３層構成の場合、絶縁層３０ｂの両側に金属層３０ａが積層されているため、２層構成に比べて、絶縁板３０がさらに反りにくくなるという効果が期待できる。

　なお、本実施形態においても、図１と同様、熱交換器２０の外側面２３に外側絶縁板３０Ａを設けており、この外側面２３に接続された外側絶縁板３０Ａは、第１実施形態と同様、単一の板として構成されている。しかし、この外側絶縁板３０Ａも、絶縁板３０Ｂのような積層構成を有していてもよい。

　また、本実施形態においても、熱交換器２０の外側面２３は、何も接合されることなく露出した面としてもかまわない。また、本実施形態においても、発熱体１０の表裏両側の放熱面１５のどちらか一方のみに対して、熱交換器２０を設けてもよい。つまり、図４における上下２つの放熱面１５のうち一方にて熱交換器２０を省略し、当該一方の放熱面１５を外気にさらした構成としてもよい。

　さらに、本実施形態は、絶縁板３０Ｂが金属層３０ａと絶縁層３０ｂを積層してなる積層構成を有する点のみが他の実施形態と異なる。従って、第２実施形態のように、複数の発熱体１０と複数の熱交換器２０とが交互に積層されてなる積層体１００により構成される冷却モジュールＳ２に、本実施形態の絶縁板３０Ｂを採用してもよい。

　以上、本開示の好ましい実施形態について説明したが、本開示は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本開示の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本開示の範囲は、本開示における記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含む。

　（他の実施形態）
　上述した各実施形態においては、発熱体１０は、発熱素子１１の表裏両側に放熱面１５を有する両面放熱タイプのものであった。しかしながら、発熱体１０は、発熱素子１１の表裏両側のうち一方側のみに放熱面１５を有してもよい。例えば、図１に示される発熱体１０において、一方のヒートシンク１２を省略したパッケージ構成とすればよい。

　また、発熱体１０としては、表面の少なくとも一面が放熱面１５とされているものであればよく、上記したモールドパッケージに限定されるものではない。たとえば、配線基板の一面側に発熱素子が搭載され、配線基板の他面側を放熱面とする電子装置等であってもよい。

　また、熱交換器２０は、表面の少なくとも一面が冷却面２２とされたものであればよく、１つの熱交換器２０について３面以上の冷却面２２が設けられていてもよい。また、熱交換器２０としては、上記した水冷式に限らず、たとえば空冷式のフィン構造体などであってもよい。

　また、本開示は上記した実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能であり、また、上記各実施形態は、上記の図示例に限定されるものではない。

 

Claims (7)

1. 　表面の少なくとも一面が放熱面（１５）とされた発熱体（１０）と、
   　表面の少なくとも一面が前記放熱面に対向する冷却面（２２）とされた金属製の熱交換器（２０）と、
   　第１面および第２面を表裏に備え、前記放熱面に対向すると共に前記第２面が前記冷却面に対向した状態で前記放熱面と前記冷却面との間に介在し、電気絶縁性および熱伝導性を有する絶縁板（３０、３０Ａ、３０Ｂ）と、を備え、
   　前記発熱体が発生した熱は、前記絶縁板を介して前記放熱面と前記冷却面との間で熱交換されることにより前記熱交換器に放出され、
   　前記冷却面と前記絶縁板との間には金属製の接合材（４０）が介在し、前記絶縁板は前記接合材によって前記冷却面に一体に接合されており、
   　前記放熱面と前記絶縁板とは、前記接合材よりも弾性率が低い弾性部材（５０）を介して密着しており、
   　前記放熱面と前記冷却面とは、前記接合材、前記絶縁板および前記弾性部材を介して熱的に接続されている冷却モジュール。
2. 　熱を放出する放熱面（１５）を有する発熱体（１０）と、
   　前記発熱体を冷却する冷却面（２２）を有する金属製の熱交換器（２０）と、
   　前記放熱面側の第１面および前記冷却面側の第２面を有し、前記放熱面と前記冷却面との間に介在する電気絶縁性および熱伝導性を有した絶縁板（３０、３０Ａ、３０Ｂ）と、
   　前記第２面と前記冷却面との間に介在して、前記絶縁板を前記冷却面に一体的に接合させる金属製の接合材（４０）と、
   　前記接合材よりも弾性率が低く、前記第１面と前記放熱面との間に介在して前記絶縁板を前記放熱面に密着させる弾性部材（５０）と、を備え、
   　前記発熱体が発生した熱は、前記絶縁板を介して前記熱交換器に放出され、
   　前記放熱面および前記冷却面は、前記接合材、前記絶縁板および前記弾性部材を介して熱的に接続されている冷却モジュール。
3. 　前記接合材が少なくとも２種類の金属から構成される共晶からなる請求項１または２に記載の冷却モジュール。
4. 　一対の前記熱交換器（２０）の間に前記発熱体（１０）が設けられ、
   　前記熱交換器における前記発熱体（１０）とは反対側の外側面（２３）に外側絶縁板（３０Ａ）が設けられ、
   　前記外側絶縁板は、金属製の外側接合材（４０Ａ）によって前記外側面に一体的に接合されている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の冷却モジュール。
5. 　複数の前記発熱体と複数の前記熱交換器とが交互に積層されて積層体（１００）を形成し、
   　前記接合材、前記絶縁板および前記弾性部材が複数組み設けられ、
   　隣り合う前記発熱体および前記熱交換器における前記放熱面および前記冷却面は、一組の前記接合材、前記絶縁板および前記弾性部材を介して熱的に接続されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の冷却モジュール。
6. 　前記接合材は、Ａｌ－Ｃｕ、Ａｌ－Ａｇ、Ａｌ－Ｓｉのいずれか１つにより構成される請求項３に記載の冷却モジュール。
7. 　前記接合材は、Ａｌ－Ｃｕで構成されており、前記接合材による共晶部を形成するθ相の厚さが２μｍ以下である請求項６に記載の冷却モジュール。
   
    

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