JP7064974B2

JP7064974B2 - 半導体冷却装置

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Publication number: JP7064974B2
Application number: JP2018115733A
Authority: JP
Inventors: 智洋安西; 誠二松島
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2022-05-11
Anticipated expiration: 2038-06-19
Also published as: JP2019220539A

Description

本発明は、半導体素子を搭載した基板を冷却する半導体冷却装置に関する。

近年、半導体素子は大電力を扱うことが多く、それに伴って発熱量が増大している。このため、半導体素子を実装した基板に冷却器を接合して放熱している。放熱に大きなスペースを確保できる定置設備では強制空冷が可能であるが、限られたスペース内に機器は配置する場合は液冷式冷却器が有用である。

半導体素子はセラミック等の絶縁基板に積層された配線層に実装され、前記絶縁基板の反対側の面に、アルミニウムや銅の高熱伝導金属からなる冷却器がろう付等により接合される。このような半導体冷却装置において、半導体素子の発熱によって温度が上昇すると、冷却器の材料である金属の線膨張係数が絶縁基板の材料であるセラミックの線膨張係数よりも大きいために、膨張しようとする冷却器が絶縁基板に引っ張られて反りが生じる。そして、冷却器に反りが生じると、絶縁基板にクラックが生じたり、絶縁基板が剥離することがある。

このような冷却器の反りに対して、特許文献１、２は、冷却器の反対側の面の絶縁基板に対向する位置に、絶縁基板と同程度の線膨張率を有する材料からなり、絶縁基板と同形の拘束部材を接合することによって反りを防止する技術を提案している。

特開２００６－２９４９７１号公報特開２０１７－９８４３９号公報

前記半導体冷却装置において、液冷式冷却器の冷却媒体の出入口が絶縁基板に対向する面に設けられている場合、拘束部材は出入口を塞がない位置に配置しなければならない。従って、前記拘束部材を絶縁基板の対向位置に配置するという条件を満たすには、絶縁基板の対向位置に拘束部材を配置し、拘束部材の外側に出入口を設けることになる（特許文献２の図２参照）。このため、冷却器は寸法が大きくなり、半導体冷却装置の小型化を妨げている。

本発明は、上述した背景技術に鑑み、反り防止板によって反りを防止した冷却器を小型化した半導体冷却装置を提供するものである。

即ち、本発明は下記［１］～［５］に記載の構成を有する。

［１］冷却器と、
前記冷却器の第一の面側に接合され、半導体素子を実装する配線層が積層された絶縁基板と、
前記冷却器の第一の面と対向する第二の面に接合され、前記冷却器の材料より線膨張係数の小さい材料からなる反り防止板とを備え、
前記冷却器が、第二の面に前記絶縁基板を投影した投影領域内に露出が必要な要素を有し、
前記反り防止板が前記要素に対応する位置に欠損部を有していることを特徴とする半導体冷却装置。

［２］前記冷却器が内部に冷却媒体流通空間を有する液冷式冷却器であり、前記要素が冷却媒体の入口および／または出口である前項１に記載の半導体冷却装置。

［３］前記要素が突起物である前項１に記載の半導体冷却装置。

［４］前記反り防止板が、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミニウムめっき鋼、ステンレス鋼、鉄（Ｆｅ）のうちのいずれか、あるいはこれらの複合材で形成されている前項１～３のうちのいずれか１項に記載の半導体冷却装置。

［５］前記絶縁基板と冷却器との間に伝熱層を有する前項１～４のうちのいずれか１項に記載の半導体冷却装置。

上記［１］に記載の半導体冷却装置は、冷却器の第一の面側に絶縁基板が接合され、第一の面に対向する第二の面に、前記絶縁基板の投影領域に露出を必要とする要素を有している。冷却器の第二の面に接合される反り防止板は前記要素に対応する位置に欠損部を有し、欠損部によって前記要素を避けた位置に接合されているので、前記要素を露出させることができる。従って、冷却器の第二の面において、露出を必要とする要素を反り防止板を避けて絶縁基板の投影領域外に設ける必要がなく、前記要素を投影領域内に設けることによって冷却器、ひいては半導体冷却装置を小型化できる。

上記［２］に記載の半導体冷却装置は、冷却器が第二の面に冷却媒体の入口および／または出口を有する液冷式冷却器であり、入口および／または出口が露出を必要とする要素である。反り防止板の欠損部が冷却器の入口および／または出口に対応する位置に欠損部を有しているので、前記入口および／または出口を投影領域内に設けることによって冷却器、ひいては半導体冷却装置を小型化できる。

上記［３］に記載の半導体冷却装置は、冷却器の第二の面に突起物が設けられ、前記突起物が露出を必要とする要素である。反り防止板の欠損部が冷却器の突起物に対応する位置に欠損部を有しているので、前記突起物を投影領域内に設けることによって冷却器、ひいては半導体冷却装置を小型化できる。

上記［４］に記載の半導体冷却装置によれば、反り防止板が所定の材料で形成されているので適正な反り防止効果が得られる。

上記［５］に記載の半導体冷却装置によれば、絶縁基板と冷却器の間に介在する伝熱層によって半導体素子が発する熱の放熱が促進される。

本発明の半導体冷却装置の一実施形態の分解斜視図である。図１の半導体冷却装置の組み立て状態におけるＡ－Ａ線断面図である。図１の半導体冷却装置を底面から見た斜視図であり、冷却器の底壁に絶縁基板を投影した図である。他の半導体冷却装置を底面から見た斜視図である。さらに他の半導体冷却装置における、絶縁基板の投影領域と反り防止板の欠損部の関係を示す説明図である。

［半導体冷却装置の構造］
図１～３に、本発明の半導体冷却装置の一実施形態を示す。

半導体冷却装置１は、絶縁基板１０、冷却器２０および反り防止板４０を備えている。

前記絶縁基板１０は四角形であり、一方の面に半導体素子１１を実装するための配線層１２が接合され、他方の面に冷却器２０への放熱を促す伝熱層１３が接合されている。

前記冷却器２０は、四角形の放熱基板２１とジャケット３０とにより冷却媒体流通空間が形成される液冷式冷却器である。前記放熱基板２１は中央部に多数のフィン２２が一体に立設され、フィン２２群の周囲がフランジ２３となされている。前記ジャケット３０は、フィン２２群を収容する凹部３１を有する箱型であり、凹部３１の深さがフィン２２の高さと同寸に設定されている。前記凹部３１の底壁３２に冷却媒体の入口３３ａおよび出口３３ｂとなる２つの円形孔が穿設されている。前記入口３３ａおよび出口３３ｂは四角形の底壁３２の対向する２辺の近傍にそれぞれ設けられている。

前記放熱基板２１をジャケット３０に被せ、凹部３１にフィン２２群を収容して放熱基板２１で凹部３１の開口部を閉じると、フィン２２の先端が凹部３１の底壁３２の内面３２ｂに当接する。前記放熱基板２１とジャケット３０は、フランジ２３と凹部３１の上面が接合されるとともに、フィン２２の先端と底壁３２の内面３２ｂが接合されて、冷却媒体流通空間が形成されている。

前記冷却器２０は、放熱基板２１の外面２１ａが本発明の冷却器の第一の面に対応し、ジャケット３０の底壁３２の外面３２ａが第二の面に対応する。そして、前記冷却器２０の放熱基板２１の外面２１ａに伝熱層１３を介して絶縁基板１０が接合され、底壁３２の外面３２ａに反り防止板４０が接合されている。また、前記入口３３ａおよび出口３３ｂは露出が必要な要素である。

前記半導体冷却装置１は、配線層１２、絶縁基板１０、伝熱層１３、放熱基板２１、ジャケット３０、反り防止板４０の各部材を、各接合部位にろう材を介在させて組み立て、組み立て物をろう付加熱することにより作製される。

前記半導体冷却装置１において、絶縁基板１０はセラミック等で作製され、冷却器２０はアルミニウムや銅の高熱伝導金属で作製され、反り防止板４０は冷却器２０の材料よりも線膨張率の小さい材料で作製されている。前記冷却器２０を構成する金属はセラミックよりも線膨張係数が大きいので、半導体冷却装置１を上述した方法で作製すると、ろう付加熱の後室温まで冷却する際、冷却器２０が絶縁基板１０よりも縮んで反ろうとするが、冷却器２０の底壁３２の外面３２ａに接合された反り防止板４０が冷却器２０の伸びを抑制する。その結果として、冷却器２０の反りが抑制され、絶縁基板１０のクラック発生や接合部分の剥離を防ぐことができる。また、前記配線層１２に実装した半導体素子１１が発熱して温度が上昇すると、冷却器２０が絶縁基板１０よりも伸びて反ろうとするが、反り防止板４０によって冷却器２０の伸びが抑制されるので、絶縁基板１０のクラック発生や接合部分の剥離を防ぐことができる。前記半導体冷却装置１の各構成部材の好適材料については後に詳述する。

図３において、点線は冷却器２０の底壁３２の外面３２ａに投影した絶縁基板１０の輪郭ｄを示しており、輪郭ｄで囲まれた領域が絶縁基板１０の投影領域Ｐである。前記冷却器２０に接合された反り防止板４０と絶縁基板１０の各辺の長さは同一であるが、説明の便宜のために、冷却器２０に投影された絶縁基板１０の輪郭ｄは反り防止板４０の僅かに外側に表示している。前記冷却器２０の入口３３ａおよび出口３３ｂは露出が必要が要素であり、それらの一部が前記投影領域Ｐ内に存在している。

前記反り防止板４０は対向する２辺の中央部に半円形の欠損部４１を有している。これらの欠損部４１の位置は冷却器２０の入口３３ａおよび出口３３ｂに対応しているので、反り防止板４０は欠損部４１によって入口３３ａおよび出口３３ｂを避けた位置に接合されて、入口３３ａおよび出口３３ｂは塞がれることなくそれらの機能を果たすことができる。このように、反り防止板４０に欠損部４１を形成することによって投影領域Ｐ内に露出が必要な要素を設けることができる。反り防止板４０は欠損部４１を有していても相応に反り防止効果を発揮するので、反り防止効果を得つつ、投影領域Ｐ内に入口３３ａおよび出口３３ｂを設けることが可能となり、冷却器２０、ひいては半導体冷却装置１を小型化できる
冷却器の第二の面において、絶縁基板の投影領域内の露出が必要な要素は冷却媒体の出入口等の開口部に限定されないし、要素の数も限定されない。突起物は反り防止板の接合を妨げる障害物であるから、その種類に関係なく露出が必要な要素である。例えば、図４の冷却器５０は第二の面の四隅に設けられた取付用ボス５１が投影領域内の障害物であり、反り防止板５２の四隅に欠損部５３が形成されている。

前記反り防止板４０、５２は欠損部４１、５３の面積が大きくなるほど反り防止効果が小さくなる。このため、反り防止効果を維持するために欠損部４１、５３の合計面積は投影領域Ｐの面積の５０％以下であることが好ましく、特に２０％以下であることが好ましい。また、欠損部４１、５３の面積を可及的に小さくするために、露出が必要な要素の輪郭に沿った形状に形成することが好ましい。図３の欠損部４１は円形の入口３３ａおよび出口３３ｂの輪郭に沿って半円形に形成され、図４の欠損部５３は取付用ボス５１の輪郭に沿って四半円形に形成されている。但し、本発明は欠損部が露出が必要な要素の輪郭に沿った形状であることに限定されない。図５は、図３の冷却器２０に適用する他の形状の反り防止板５５の例を示している。前記反り防止板５５は円形の入口３３ａおよび出口３３ｂと重なる辺を辺の長さ方向の全体を長方形に切り欠いて欠損部５６（斜線を付した部分）を形成している。これらの欠損部５６の面積は投影領域Ｐと入口３３ａおよび出口３３ｂの重複部分の面積よりも大きい。このように欠損部５６の面積を拡大することによって反り防止板５５の形状を単純化できる。前記反り防止板５５は図３の反り防止板４０よりもそり防止効果が小さくなるが、相応の効果は得られる。

また、本発明の反り防止板は全体が絶縁基板の投影領域内に収まる形状であることにも限定されない。反り防止板の輪郭が欠損部以外の部分で投影領域の外側にある形状であってもよい。

［半導体冷却装置の構成部材の材料］
本発明の半導体冷却装置１の構成部材の好ましい材料および好ましい形態は以下のとおりである。

絶縁基板１０を構成する材料は、電気絶縁性が優れていることはもとより、熱伝導性が良く放熱性が優れていることが好ましい。かかる点で窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のセラミックを例示できる。これらのセラミックは電気絶縁性が優れていることはもとより、熱伝導性が良く放熱性が優れている点で推奨できる。また、絶縁基板１０の厚さは０．２ｍｍ～３ｍｍの範囲が好ましい。

配線層１２を構成する材料は導電性に優れかつ熱伝導性に優れたものが好ましく、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金が好ましい。これらの中でも特に純アルミニウムが好ましい。また、配線層１２の厚さは０．２ｍｍ～１ｍｍの範囲が好ましい。また、半導体素子１１は前記配線層１２にはんだ付等によって接合される。

伝熱層１３を構成する材料および厚みは配線層１２を構成する材料に準じる。前記伝熱層１３は半導体素子１１が発する熱の冷却器２０への放熱を促す効果がある。また、前記伝熱層１３は必須の層ではなく、絶縁基板１０が直接冷却器２０に接合された半導体冷却装置も本発明の技術的範囲に含まれる。

冷却器２０を構成する材料は、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金などの高熱伝導性材料が好ましい。これらの金属の線膨張係数は前記絶縁基板１０を構成する材料の線膨張係数よりも大きい。また、図示例の冷却器２０は放熱基板２１に多数のピン状フィン２２を一体に設けた構造であるが、フィンの有無およびフィンの形態は問わない。

反り防止板４０を構成する材料は、冷却器２０よりも線膨張係数が小さいことが条件であり、特に純アルミニウムよりも線膨張係数が小さい材料が好ましい。線膨張係数の条件を満たす材料として、上記の絶縁基板１０と同じ材料、アルミニウムめっき鋼、ニッケルめっき鋼、ステンレス鋼、鉄（Ｆｅ）およびこれらの複合材等を例示できる。これらの材料のなかでも、特に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミニウムめっき鋼、ニッケルめっき鋼、鉄（Ｆｅ）のうちのいずれか、あるいはこれらの複合材が好ましい。また、反り防止板４０の厚さは絶縁基板１０と同等であることが好ましく、０．２ｍｍ～３ｍｍの範囲が好ましい。

本発明は発熱量の大きい半導体素子の冷却装置として利用できる。

１…半導体冷却装置
１０…絶縁基板
１１…半導体素子
１２…配線層
１３…伝熱層
２０、５０…冷却器
２１…放熱基板
２１ａ…外面（第一の面）
３０…ジャケット
３２ａ…外面（第二の面）
３３ａ…入口（要素）
３３ｂ…出口（要素）
４０、５２、５５…反り防止板
４１、５３、５６…欠損部
５１…取付用ボス（要素、突起物）
Ｐ…絶縁板の投影領域

Claims

冷却器と、
前記冷却器の第一の面側に接合され、半導体素子を実装する配線層が積層された絶縁基板と、
前記冷却器の第一の面と対向する第二の面に接合され、前記冷却器の材料より線膨張係数の小さい材料からなる反り防止板とを備え、
前記冷却器が、第二の面に前記絶縁基板を投影した投影領域内に露出が必要な要素を有し、
前記反り防止板が前記要素に対応する位置に該要素の輪郭に沿った形状の欠損部を有することを特徴とする半導体冷却装置。
前記冷却器が内部に冷却媒体流通空間を有する液冷式冷却器であり、前記要素が冷却媒体の入口および／または出口である請求項１に記載の半導体冷却装置。
前記要素が突起物である請求項１に記載の半導体冷却装置。
前記反り防止板が、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミニウムめっき鋼、ステンレス鋼、鉄（Ｆｅ）のうちのいずれか、あるいはこれらの複合材で形成されている請求項１～３のうちのいずれか１項に記載の半導体冷却装置。
前記絶縁基板と冷却器との間に伝熱層を有する請求項１～４のうちのいずれか１項に記載の半導体冷却装置。