JP7622410B2

JP7622410B2 - 冷却器及び半導体装置

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Publication number: JP7622410B2
Application number: JP2020199467A
Authority: JP
Inventors: 憲亮松澤; 貴裕小山; 広道郷原
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2025-01-28
Anticipated expiration: 2040-12-01
Also published as: US12249556B2; CN114582820A; JP2022087498A; US20220173013A1

Description

本発明は、冷却器及び半導体装置に関する。

汎用の熱交換器（冷却器）は、アルミニウム合金等、熱伝導性の良好な金属材料によって形成される（特許文献１－２参照）。例えば特許文献１では、いわゆるフィンチューブ式の熱交換器の製造方法について記載されている。特許文献１では、アルミニウム合金製の押出扁平管とフィンとをろう材で接合している。また、特許文献２では、一対のプレート部材の間にコルゲート板を配置し、プレート部材とコルゲート板をろう材で接合する。

また、冷却器の冷却対象として、半導体装置が挙げられる。半導体装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等の半導体素子が設けられた基板を有し、インバータ装置等に利用されている。

この種の半導体装置では、冷却器が一体となったものが提案されている（例えば、特許文献３－４参照）。半導体素子は、所定の回路基板（絶縁基板と呼ばれてもよい）上に配置され、半田等の接合材を介して冷却器上に搭載される。例えば冷却器は、半導体素子等が搭載される天板、放熱フィン、底板、冷媒の流入口及び流出口等を備えている。天板、放熱フィン及び底板は、ろう材等によって接合される。

特開平９－０７０６５８号公報特開２００９－２９３８８８号公報特開２０１３－０３６０９８号公報特開２０１７－００５１８１号公報

ところで、冷却器の内部には、冷媒（冷却水）が流れる。冷媒が流れることにより、冷却器の内面には、腐食が発生し得る。腐食が進行することにより、冷却器に穴が開いて冷媒が外に漏れてしまうおそれがある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、冷媒通路の所定箇所における局所的な腐食を抑制することが可能な冷却器及び半導体装置を提供することを目的の１つとする。

本発明の一態様の冷却器は、一方の面に放熱面が形成された天板と、前記天板に対向配置され、前記天板より厚みの大きい底板と、前記底板に設けられた複数のフィンと、前記底板の外周縁に沿って前記複数のフィンの外周を囲うように形成された周壁部と、を備え、前記複数のフィン及び前記周壁部は、前記天板の前記放熱面に接合され、前記天板、前記底板、前記複数のフィン、及び前記周壁部によって囲まれた空間により冷媒の流路が形成され、前記天板側の電位が前記底板側の電位よりも高い。

また、本発明の一態様の半導体装置は、上記の冷却器と、前記天板の他方の面に絶縁基板を介して配置された半導体素子と、を備え、前記複数のフィンは、前記半導体素子の直下に配置されている。

本発明によれば、冷媒通路の所定箇所における局所的な腐食を抑制することが可能である。

本実施の形態に係る半導体装置の断面図である。本実施の形態に係る冷却器から天板を省略して上面からみた平面図である。比較例に係る半導体装置の断面図である。変形例に係る冷却器から底板を省略して下側からみた平面図である。図１の部分拡大図である。変形例に係る半導体装置の断面図である。他の変形例に係る半導体装置の断面図である。

以下、本発明を適用可能な半導体装置について説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体装置の断面図である。図２は、本実施の形態に係る冷却器から天板を省略して上面からみた平面図である。なお、以下に示す半導体装置はあくまで一例にすぎず、これに限定されることなく適宜変更が可能である。

また、以下の図において、半導体装置（冷却器）の長手方向（複数の相が並ぶ方向）をＸ方向、半導体装置（冷却器）の短手方向をＹ方向、高さ方向（基板の厚み方向）をＺ方向と定義することにする。図示されたＸ、Ｙ、Ｚの各軸は互いに直交し、右手系を成している。また、場合によっては、Ｘ方向を左右方向、Ｙ方向を前後方向、Ｚ方向を上下方向と呼ぶことがある。これらの方向（前後左右上下方向）は、説明の便宜上用いる文言であり、半導体装置の取付姿勢によっては、ＸＹＺ方向のそれぞれとの対応関係が変わることがある。例えば、半導体装置の放熱面側（冷却器側）を下面側とし、その反対側を上面側と呼ぶことにする。また、本明細書において、平面視は、半導体装置の上面又は下面をＺ方向からみた場合を意味する。

本実施の形態に係る半導体装置１は、例えばパワーコントロールユニット等の電力変換装置に適用されるものであり、インバータ回路を構成するパワー半導体モジュールである。図１及び図２に示すように、半導体装置１は、天板２０の上面に複数の絶縁基板３を配置し、各絶縁基板３の上面に半導体素子４を配置して構成される。複数の絶縁基板３及び半導体素子４は、枠状のケース部材５によって囲われる。ケース部材５の内側空間には、封止樹脂６が充填されている。

図１では、絶縁基板３及び半導体素子４がＹ方向に並んで２つ配置されているが、この構成に限定されない。例えば、絶縁基板３及び半導体素子４は、Ｙ方向だけでなくＸ方向にも複数並んで配置されてもよい。この場合、複数の絶縁基板３及び半導体素子４によって、インバータ回路が形成される。

天板２０は、冷却器２の一部を構成し、平面視矩形で所定厚みを有する板状体で形成される。冷却器２は、例えば天板２０と、底板２１と、底板２１に設けられる複数のフィン２２及び周壁部２３と、を含んで構成される。冷却器２の構成については後述する。

天板２０の一方の面である下面には、放熱面２０ａが形成されている。放熱面２０ａは、半導体素子の熱を放熱する面であり、当該放熱面２０ａには、後述する複数のフィン２２の先端が接合される。放熱面２０ａは、冷媒が直接接触する面でもある。

天板２０の他方の面である上面には、はんだＳを介して絶縁基板３が配置される。はんだＳは、焼結材等、他の結合剤で代用することも可能である。絶縁基板３は、例えば、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板やＡＭＢ（Active Metal Brazing）基板、あるいは金属ベース基板で構成される。具体的に絶縁基板３は、絶縁板３０と、絶縁板３０の下面に配置された放熱板３１と、絶縁板３０の上面に配置された回路板３２と、を有する。絶縁基板３は、例えば平面視矩形状に形成される。

絶縁板３０は、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等のセラミックス材料、エポキシ等の樹脂材料、又はセラミックス材料をフィラーとして用いたエポキシ樹脂材料等の絶縁材料によって形成される。なお、絶縁板３０は、絶縁層又は絶縁フィルムと呼ばれてもよい。

放熱板３１は、Ｚ方向に所定の厚みを有し、絶縁板３０の下面全体を覆うように形成される。放熱板３１は、例えば銅やアルミニウム等の熱伝導性の良好な金属板によって形成される。

絶縁板３０の上面には、回路板３２が形成される。なお、図１では、便宜上、１つの絶縁板３０につき１つの回路板３２を示すが、絶縁板３０の上面には、より多くの回路板３２が形成されてもよい。これらの回路板３２は、銅箔等で形成された所定厚みの金属層であり、絶縁板３０上に電気的に互いに絶縁された状態で島状に形成される。

回路板３２の上面には、はんだＳを介して半導体素子４が配置されている。はんだＳは、焼結材等、他の結合剤で代用することも可能である。半導体素子４は、例えば平面視方形状に形成される。詳細は後述するが、半導体素子４は、複数のフィン２２に対応する箇所に配置されている。

半導体素子４は、回路板３２の上面にはんだＳを介して配置され、電気的に接続される。図１では、便宜上、１つの回路板３２につき１つの半導体素子４を示すが、より多くの半導体素子４が回路板３２に配置されてもよい。半導体素子４は、例えば炭化けい素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、及びダイヤモンド等の半導体基板によって平面視方形状（矩形状）に形成される。

なお、半導体素子４としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のスイッチング素子、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等のダイオードが用いられる。また、半導体素子４として、ＩＧＢＴとＦＷＤを一体化したＲＣ（Reverse Conducting）－ＩＧＢＴ素子、又はパワーＭＯＳＦＥＴ素子、逆バイアスに対して十分な耐圧を有するＲＢ（Reverse Blocking）－ＩＧＢＴ等が用いられてもよい。

また、半導体素子４の形状、配置数、配置箇所等は適宜変更が可能である。なお、本実施の形態における半導体素子４は、半導体基板にトランジスタなどの機能素子を形成した、縦型のスイッチング素子であるが、これに限らず、横型のスイッチング素子であってもよい。

ケース部材５は、天板２０の上面に例えば接着剤（不図示）を介して接合される。ケース部材５は、天板２０の外形に沿った形状を有している。また、ケース部材５は、中央が開口された矩形枠状に形成される。中央開口には、上記した絶縁基板３及び半導体素子４が収容される。すなわち、絶縁基板３及び半導体素子４は、枠状のケース部材５によって囲われる。

また、詳細は後述するが、ケース部材５の内側空間には、封止樹脂６が充填される。すなわち、ケース部材５は、複数の絶縁基板３、半導体素子４や封止樹脂６を収容する空間を画定する。このようなケース部材５は、例えば熱可塑性樹脂によって形成されている。ケース部材５は、例えば、ＰＰＳ樹脂（ポリフェニレンサルファイド樹脂）、ＰＢＴ樹脂（ポリブチレンテレフタレート樹脂）等により形成される。

また、図示はしないが、ケース部材５には、外部接続用の主端子（Ｐ端子、Ｎ端子、Ｍ端子等）と、制御用の制御端子が設けられている。これらの端子は、例えばケース部材５と一体成型される。

上記したように、封止樹脂６は、枠状のケース部材５により規定された空間内に充填される。これにより、絶縁基板３、及びこれに実装された半導体素子４が上記の空間内に封止される。封止樹脂６は、例えば熱硬化性の樹脂により構成される。具体的に封止樹脂６は、エポキシ、シリコーン、ウレタン、ポリイミド、ポリアミド、及びポリアミドイミドのいずれかを少なくとも含むことが好ましい。封止樹脂６には、例えば、フィラーを混入したエポキシ樹脂が、絶縁性、耐熱性及び放熱性の点から好適である。

次に冷却器２の詳細構成について説明する。図１及び図２に示すように、冷却器２は、天板２０と底板２１とを接合して一体化された箱型に形成される。冷却器２は、放熱性のよい、例えばアルミニウム合金によって形成される。

上記したように、天板２０は、平面視矩形状を有し、所定厚みの板状体で形成される。天板２０の外形は、ケース部材５の外形に対応している。すなわち、天板２０は、その長手方向が半導体装置１の左右方向（Ｘ方向）に延び、その短手方向が半導体装置１の前後方向（Ｙ方向）に延びている。天板２０は、一方の面（下面）と他方の面（上面）とを有している。一方の面は、半導体素子４の熱を放出する放熱面を形成している。他方の面は、絶縁基板３に対する接合面を形成している。

本実施の形態では、複数の絶縁基板３及び半導体素子４が、天板２０の上面の中央領域に配置されている。例えば複数の絶縁基板３及び半導体素子４は、Ｘ方向又はＹ方向に並んで配置されている。図１では、絶縁基板３及び半導体素子４がＹ方向に２つずつ並んで配置されているが、この構成に限定されない。絶縁基板３及び半導体素子４は、Ｘ方向にも複数並んで配置されてもよい。なお、本実施の形態において、上記した複数の絶縁基板３及び半導体素子４が配置された天板２０の下面側（放熱面側）の中央領域を放熱領域と呼ぶことがある。

底板２１は、天板２０と同形状の平面視矩形状を有し、所定隙間を空けて天板２０の直下に対向配置されている。底板２１は、天板２０より厚みの大きい板状体で形成される。底板２１は、天板２０と同素材のアルミニウム合金で形成されることが好ましい。

底板２１の上面には、複数のフィン２２が設けられている。フィン２２は、例えばＺ方向に延びる角柱形状のピンフィンを用いることが可能である。複数のフィン２２は、Ｘ方向又はＹ方向、もしくはＸＹ方向に交差する方向で所定ピッチの間隔を空けて配列されてよい。複数のフィン２２は、底板２１と同一の金属材料で構成され、底板２１と一体的に設けられてよい。また、フィン２２は、言い換えると、ヒートシンク（heat sink）として用いられる。

フィン２２は、より具体的には、平面視ひし形に形成され、対角線上で対向する一対の角部の対向方向が、Ｘ方向又はＹ方向と一致している。また、フィン２２は、Ｚ方向正側に向かって所定長さで突出している。フィン２２の一方の端部は底板２１の上面と接続され、他方の端部は天板２０の下面（放熱面）と接続されている。また、フィン２２は、後述する接合材Ｂを介して天板２０又は底板２１と接続されていてもよい。なお、底板２１に設けられるフィン２２の構成については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、円柱形状のピンを複数設ける構成や、前後方向又は左右方向に延在するブレード形状の複数のフィン２２を互いに平行に配列する構成としてもよい。フィン２２は、底板２１にロウ付け、植設、切削加工あるいは塑性加工により設けられてよい。

複数のフィン２２は、全体として略直方体形状のフィン集合体２４を形成する。フィン集合体２４の長手方向は、底板２１の長手方向と合致している。なお、フィン集合体２４の外形形状は、これに限定されるものではなく、面取りや変形された形状であってもよい。

また、底板２１の上面には、複数のフィン２２（フィン集合体２４）の外周を囲う周壁部２３が設けられている。周壁部２３は、底板２１の上面からＺ方向正側に所定高さで突出している。また、周壁部２３は、底板２１の外周縁に沿って矩形枠状に形成されている。なお、周壁部２３の突出高さは、フィン２２の突出高さと等しいことが好ましい。

底板２１と周壁部２３は、一体的に形成されてもよい。すなわち、底板２１と周壁部２３は、上方が開口された箱型の冷却器ケースを構成する。そして、天板２０は、冷却器ケースの開口を塞ぐ蓋部を構成する。

天板２０は、上記した周壁部２３及び複数のフィン２２の先端（上端）にろう付け等することで接合される。これにより、冷却ケースの上方開口が塞がれる。このように、天板２０、底板２１、複数のフィン２２、及び周壁部２３によって囲まれた空間により、冷媒の流路が形成される。冷媒には、例えば冷却水が用いられ、その物性は適宜変更が可能である。また、天板２０と冷却器ケースの接合構成については後述する。

なお、天板２０、底板２１、及び周壁部２３によって囲まれた空間は、３つの空間（第１ヘッダ部Ｒ１、フィン収容部Ｒ２、第２ヘッダ部Ｒ３）に分けられる。具体的に第１ヘッダ部Ｒ１は、後述する冷媒の導入口２５に連なる空間を形成する。フィン収容部Ｒ２は、上記した複数のフィン２２が収容される空間を形成する。第２ヘッダ部Ｒ３は、後述する冷媒の排出口２６に連なる空間を形成する。

第１ヘッダ部Ｒ１及び第２ヘッダ部Ｒ３は、フィン収容部Ｒ２をＹ方向で挟んで対向するように配置されている。すなわち、第１ヘッダ部Ｒ１は、フィン収容部Ｒ２よりも上流側の冷媒流路を形成し、第２ヘッダ部Ｒ３は、フィン収容部Ｒ２よりも下流側の冷媒流路を形成する。冷媒には液体を用いている。なお、冷媒には種々の液体を用いることが可能である。

また、図２に示すように、底板２１の所定箇所には、冷却器２に対する冷媒の導入口２５及び排出口２６が形成されている。導入口２５及び排出口２６は、底板２１を厚み方向に貫通する貫通穴で形成される。具体的に導入口２５及び排出口２６は、複数のフィン２２をＹ方向で挟んで斜めに対向するように配置されている。例えば、第１ヘッダ部Ｒ１において、導入口２５は、Ｘ方向負側に偏って配置されている。これに対し、第２ヘッダ部Ｒ３において、排出口２６は、Ｘ方向正側に偏って配置されている。

また、導入口２５及び排出口２６は、平面視でＸ方向に長い長穴形状を有している。例えば、導入口２５及び排出口２６の形状は、冷却器２の短手方向側は短く、長手方向側が長い楕円形状となっている。なお、導入口２５及び排出口２６の形状及び配置箇所は、これに限定することなく、適宜変更が可能である。

このように構成される半導体装置１は、ホース（不図示）の接続口を有するフランジ７０の平坦な取付面７１に、Ｏリング７２等のパッキンを介して取り付けられる。このとき、底板２１の下面が取付面７１に接触される。図１では、例えば、フランジ７０側にＯリング７２用の溝７３が形成されている。Ｏリング７２によって取付面７１と底板２１の下面とのシール性が確保される。

ところで、水冷式の冷却器においては、内部に形成された空間（冷媒の流路）内を冷媒が流れることになる。冷媒には例えば、各種冷却水が用いられる。そのため、冷却器の内面には、冷媒が長期にわたって接触することで腐食が発生してしまうことが想定される。ここで、図１及び図３の比較例を参照して本実施の形態に係る冷却器について説明する。図３は、比較例に係る半導体装置の断面図である。なお、比較例においては、複数のフィン及び周壁部が天板に設けられている点でのみ、本実施の形態と相違する。このため、本実施の形態と同一名称の構成については同一の符号を付しており、適宜説明を省略する。

本実施に係る冷却器２は、図１に示すように、底板２１の上面に、複数のフィン２２が設けられている。また、底板２１の上面に、複数のフィン２２と複数のフィン２２の外周を囲うように周壁部２３とが設けられている。底板２１、複数のフィン２２、及び周壁部２３は、一体的に形成されてもよい。

図１では、底板２１と周壁部２３により、上方が開口された箱型の冷却器ケースが構成される。そして、天板２０は、冷却器ケースの開口を塞ぐ蓋部を構成する。天板２０は、上記した周壁部２３及び複数のフィン２２の先端（上端）にろう付け等することで接合される。より具体的に天板２０は、接合材Ｂを介して周壁部２３及び複数のフィン２２に接合される。

一方、比較例に係る冷却器２は、図３に示すように、天板２０の下面に、複数のフィン２２が設けられている。また、天板２０の下面に、複数のフィン２２の外周を囲うように周壁部２３が設けられている。天板２０、複数のフィン２２、及び周壁部２３は、一体的に形成されてもよい。

図３では、天板２０と周壁部２３により、下方が開口された箱型の冷却器ケースが構成される。そして、底板２１は、冷却器ケースの開口を塞ぐ蓋部を構成する。底板２１は、上記した周壁部２３及び複数のフィン２２の先端（下端）にろう付け等することで接合される。より具体的には、底板２１は、接合材Ｂを介して周壁部２３及び複数のフィン２２に接合される。

本実施の形態及び比較例では、接合材Ｂは、例えばシート状のろう材で構成される。接合材Ｂは、所定厚みを有し、底板２１の所定範囲に配置されている。接合材Ｂは、天板２０や底板２１と同等のアルミニウム合金系の金属材料によって構成される。また、天板２０の上面には、冷却対象である半導体素子４及び絶縁基板３が配置されている。天板２０の厚みは、熱伝導性の観点から底板２１の厚みに比べて小さく設定されている。また、半導体素子４は、装置の駆動に伴って発熱する熱源である。そのため、一般的には冷却器２では、底板２１及び周壁部２３よりも天板２０の温度が上がりやすく、底板２１側及び周壁部２３側よりも天板２０側の腐食が進行しやすい。

比較例では、冷却器２の内部空間において、接合材Ｂが配置された底板２１側よりも金属の母材が露出した天板２０の放熱面２０ａ側の方が、腐食しやすい傾向にある。上記したように、底板２１よりも天板２０の方が薄いため、腐食が進行してしまうと、天板２０に穴が開いて冷媒が外に漏れ出てしまうおそれがある。

一方、本実施の形態では、冷却器２の内部空間において、接合材Ｂが配置された天板２０側よりも金属の母材が露出した底板２１側の方が、腐食しやすい傾向にある。そして、天板２０側の腐食の進行を抑制する。上記したように、底板２１は天板２０よりも厚いため、腐食が進行しても、穴が開いて冷媒が外に漏れ出てしまうおそれを抑制することができる。

本実施の形態及び比較例で用いた接合材Ｂは、天板２０や底板２１の母材よりも電位が高い材料で構成される。そこで、本件発明者等は、冷媒の流路内における腐食の傾向として、電位の低い箇所がより腐食しやすく、電位の高い箇所が腐食の進行を抑制することを見出した。より具体的には、天板２０や底板２１の金属の母材よりも電位の高い接合材Ｂを用いることで、接合材Ｂを配置していない側の腐食の進行がより進み、接合材Ｂを配置した側の腐食の進行が抑えられる。したがって、本件発明者等は、冷却器２の内部の冷媒流路において、電位の高低による腐食の傾向、天板２０及び底板２１の厚みに着目し、本発明に想到した。

すなわち、本発明の骨子は、冷媒流路からみて放熱面２０ａを有する天板２０側の電位を底板２１側よりも高くすることである。具体的に本実施の形態において、冷却器２は、一方の面に放熱面２０ａが形成された天板２０と、天板２０に対向配置され、天板２０より厚みの大きい底板２１と、底板２１に設けられた複数のフィン２２と、底板２１の外周縁に沿って複数のフィン２２の外周を囲うように形成された周壁部２３と、を備える。複数のフィン２２及び周壁部２３は、天板２０の放熱面２０ａに接合され、天板２０、底板２１、複数のフィン２２、及び周壁部２３によって囲まれた空間により冷媒の流路が形成される。そして、冷媒の流路において天板２０側の電位が底板２１側の電位よりも高くなっている。

この構成によれば、底板２１に複数のフィン２２及び周壁部２３を設け、底板２１側で冷却器ケースを構成している。また、冷却器２内の空間（冷媒の流路）において、比較的厚みの小さい天板２０側が底板２１側よりも高電位である。このため、底板２１側よりも天板２０側が腐食し難くなっている。すなわち、比較的厚みの大きい底板２１側は、ある程度の腐食を許容しつつも、底板２１よりも厚みの小さい天板２０側は、電位を高くして腐食を極力進行し難くするという意図である。これにより、冷媒通路の所定箇所における局所的な腐食を抑制して冷却器２の長寿命化を図ることが可能である。

また、本実施の形態では、複数のフィン２２及び周壁部２３を天板２０に接合するに際し、底板２１よりも高電位である接合材Ｂを用いる。この構成によれば、複数のフィン２２及び周壁部２３の先端と天板２０との間に接合材Ｂが介在することになる。冷媒の流路において、天板２０側に接合材Ｂが配置され、底板２１側には接合材Ｂが配置されず、底板２１が露出されている。したがって、接合材Ｂによって天板２０側と底板２１側との間に電位差を生じさせることが可能である。

なお、天板２０側と底板２１側との電位差、すなわち接合材Ｂと底板２１との電位差は、５０ｍＶ以上であることが好ましい。この場合、天板２０側での腐食を極力抑制することが可能である。

また、本実施の形態では、接合材Ｂが天板２０の下面（放熱面）を全面にわたって覆っている。本来的には、接合材Ｂは接合箇所のみ配置されれば十分である。しかしながら、本実施の形態では、放熱面２０ａ全体が接合材Ｂによって覆われることで、天板２０側と底板２１側との間の電位差を確保しつつも、天板２０の母材が冷媒の流路内に露出することがない。この結果、天板２０の腐食を接合材Ｂで防止することが可能である。すなわち、本発明における接合材Ｂは、部材間の接合という本来的な機能のみならず、天板２０の腐食を防止するための保護被膜としての機能も兼ね備えている。

また、本実施の形態では、接合材Ｂがシート状のろう材で構成されている。この構成によれば、シート状の接合材Ｂを予め天板２０の大きさに合わせてカットしておき、その接合材Ｂを複数のフィン２２及び周壁部２３と天板２０との間に配置した状態で炉に入れることが可能である。炉内で接合材Ｂが溶融することで、複数のフィン２２及び周壁部２３と天板２０とが接合されると共に天板２０の下面（放熱面２０ａ）全体がろう材で覆われる。このように、接合材Ｂとしてシート状のろう材を用いることで冷却器２の製造工程（主に接合工程及び保護被膜形成工程）を簡略化することが可能である。なお、接合材Ｂは、シート状に限らず、ペースト状のろう材を天板２０の下面全体に塗布する構成としてもよい。

また、本実施の形態において、冷却器２は、アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金で形成されることが好ましい。例えば、天板２０や底板２１の母材は、Ａ６０６３等、６０００系のアルミニウム合金で形成されることが好ましい。６０００系のアルミニウム合金は、主にマグネシウムとシリコンを添加し、純アルミニウムの強度を増加させたものであり、強度や耐食性に優れている。例えば、冷却器２は、アルミニウムを主成分とし、シリコンが０．２％以上１．５％以下、マグネシウムが０．３５％以上１．５％以下、銅が０％以上０．７％以下、亜鉛が０％以上０．７％以下の比率で構成されていてよい。より具体的に天板２０及び底板２１の母材の組成は、少なくとも銅が２．０％以下の比率で構成されていることが好ましい。より好ましくは、銅が０．２％以下である。なお、組成の比率は重量パーセントである。主成分とは８０％以上の比率で構成されていることを指す。

天板２０と底板２１は、同じ組成のアルミニウム合金であることが好ましい。または、天板２０と底板２１は、同じ組成のアルミニウム合金に限らず、互いに組成の異なる材料で形成されてもよい。この場合、底板２１と天板２０と同じ電位、または、底板２１よりも天板２０の方が高電位となるように組成比率を調整することが好ましい。

接合材Ｂとしてのろう材は、Ａ４０４７等、４０００系のアルミニウム合金で形成されることが好ましい。４０００系のアルミニウム合金は、アルミニウムを主成分とし、主にシリコンを添加し、耐熱性、耐摩耗性に優れている。なお、冷却器２の構成部材の材質は、アルミニウム合金に限らず、例えば銅合金であってもよい。例えば、冷却器２は、アルミニウムを主成分とし、シリコンが４．５％以上１３．５％以下、マグネシウムが０％以上１．３％以下、銅が０％以上１．３％以下、亜鉛が０％以上０．２５％以下の比率で構成されていてよい。接合材Ｂの組成は、天板２０や底板２１の母材より、シリコンの組成比率が大きい。また、電位を下げる効果があるマグネシウムの組成比率が小さい。更には、電位を上げる効果がある銅の組成比率が大きくてよい。また、電位を下げる効果があるマンガンの組成比率が小さくてよい。より具体的に接合材Ｂの組成は、少なくともシリコンが７．５％以上、亜鉛が０．２５％以下の比率で構成されていることが好ましい。なお、組成の比率は重量パーセントである。主成分とは８０％以上の比率で構成されていることを指す。

また、本実施の形態では、天板２０の上面（他方の面）に絶縁基板３を介して半導体素子４が配置されている。複数のフィン２２は、半導体素子４の直下に配置されている。このように、本実施の形態では、冷却器２の冷却対象が半導体素子４及び絶縁基板３である。半導体素子４は、装置の駆動に伴って発熱する熱源であるためである。

半導体装置１においては、その熱伝導性を向上するため、天板２０の厚みを極力小さくしている。より具体的に天板２０の厚みは、２５０μｍ以上、５．０ｍｍ以下であることが好ましい。天板２０の厚みをこの範囲に設定することで、熱伝導性を損なうことなく、半導体素子４の熱を放熱面から効果的に排出することが可能である。

一方で、底板２１は、据付先に固定される側であるため、ある程度の剛性が必要である。そのため、底板２１は、天板２０よりも厚く形成されており、その剛性が確保されている。より具体的には、底板２１の厚みは、２．０ｍｍ以上、１０．０ｍｍ以下であることが好ましい。

また、上記した天板２０及び底板２１の厚みに加え、接合材Ｂの厚みは、５０μｍ以上、５００μｍ以下であることが好ましい。接合材Ｂの厚みをこの範囲に設定することで、熱伝導性を損なうことなく、天板２０の放熱面を保護する保護被膜としての機能を両立することが可能である。

また、上記の実施の形態では、天板２０の下面に一様の厚さで接合材Ｂが配置されている場合について説明したが、この構成に限定されない。接合材Ｂは、部分的に厚く形成されてもよい。図４は、変形例に係る冷却器から底板を省略して下側からみた平面図である。より具体的に本実施の形態では、図２及び図４に示すように、底板２１が冷媒の導入口２５及び排出口２６を有している。導入口２５及び排出口２６は、平面視で複数のフィン２２を挟んで斜めに対向するように配置されている。この場合、導入口２５及び／又は排出口２６にＺ方向で対向する天板２０の領域２５ａ、２６ｂにおける接合材Ｂの厚みは、その周囲よりも大きいことが好ましい。この構成によれば、冷媒の導入口２５及び排出口２６の近傍は、冷媒の流速が速い。このため、冷媒の流路からすれば、導入口２５及び排出口２６に対向する天板２０は、腐食しやすい環境にあるといえる。したがって、導入口２５及び排出口２６に対向する接合材Ｂの厚みをその周囲の厚みよりも大きくすることで、天板２０を腐食から効果的に防止することが可能である。なお、接合材Ｂの厚みの調整は、導入口２５及び排出口２６の両方に対応する箇所、又は、導入口２５若しくは排出口２６のいずれか一方に対応する箇所のみ行ってもよい。

上記したように、本実施の形態では、冷却器２において、天板２０側と底板２１側との間に電位差を設けることで、比較的厚みの小さい天板２０側の腐食を極力抑制するものである。しかしながら、本発明は、冷媒による冷却器２の内壁面の腐食を完全に防止するものではない。上記したように、本実施の形態では、冷却器２の冷却対象（半導体素子４等）の配置の関係上、冷却効率（熱伝導性）や剛性を考慮して天板２０及び底板２１の厚みが異なっている。このため、比較的厚みの小さい天板２０側の電位を底板２１側の電位よりも高くすることで、天板２０側の腐食を極力抑えようというものである。すなわち、比較的に厚みの大きい底板２１側であれば、ある程度の腐食は許容しても、底板２１には冷媒が漏れる程の腐食孔は形成されないという意味である。

ここで、図５を参照して、本実施の形態に係る冷却器２で腐食が発生した場合の一例について説明する。図５は、図１の部分拡大図である。なお、図５に示す腐食はあくまで一例を示すものであり、これに限定されるものではない。例えば図５では、天板２０側にも僅かながら比較的小さな腐食孔が形成された場合を示している。

図５に示すように、底板２１の上面には、所定の大きさの腐食孔２７（第１の腐食孔）が複数形成されている。腐食孔２７の深さは、例えば４００μｍ以上、１１００μｍ以下である。一方で、天板２０の放熱面２０ａには、所定の大きさの腐食孔２８（第２の腐食孔）が複数形成されている。腐食孔２８は、接合材Ｂを貫通して天板２０の下面（放熱面２０ａ）にも一部侵食している。腐食孔２８の深さは、腐食孔２７よりも浅く、例えば１００μｍ以上、５５０μｍ以下である。より具体的には、腐食孔２８は、腐食孔２７の半分程度の深さである。また、腐食孔２８の数は、腐食孔２７の数よりも少なくなっている。

このように、本実施の形態では、比較的厚みの小さい天板２０側の電位を高くしたことで、底板２１側よりも天板２０側を腐食し難くしている。逆を言えば、比較的厚みの大きい底板２１側を天板２０側よりも先に腐食しやすくしている。このため、天板２０側の腐食孔２８よりも底板２１側の腐食孔２７方が比較的大きく形成され、その数も多くなっている。上記したように、底板２１は、剛性確保のために十分な厚みを有しているので、多少の腐食は許容できるという趣旨である。したがって、底板２１側が腐食孔２７によって液漏れを起こすような事態は生じない。

一方で、天板２０側は、上面に半導体素子４が配置され底板２１側よりも高温になりやすいものの、底板２１側よりも高電位であるためにそもそも腐食し難い。仮に腐食が生じたとしても、ろう材で構成される接合材Ｂから先に腐食されるため、天板２０の母材にその腐食が進行したとしても、腐食孔２８自体の大きさは底板２１側の腐食孔２７に比べて十分に小さい。このため、天板２０側においても、腐食孔２８によって液漏れを起こすような事態は生じない。

次に、図３、図６、及び図７を参照して、変形例について説明する。図６は、変形例に係る半導体装置の断面図である。図７は、他の変形例に係る半導体装置の断面図である。

上記したように、図３に示す比較例では、底板２１側に接合材Ｂが配置され、底板２１側よりも天板２０側が低電位となる構成とした。一方で、図３のレイアウトを同じにしたまま、接合材Ｂの組成を調整して天板２０側の電位が底板２１側の電位よりも高くしてもよい。すなわち、図３において、底板２１側の接合材Ｂが天板２０よりも低電位であってもよい。この場合、接合材Ｂの方が低電位となるため、接合材Ｂが犠牲層となって天板２０よりも先に腐食が進行する。そして、接合材Ｂが腐食されて無くなるまでの間、天板２０側の腐食を遅らせることができ、天板２０側での液漏れを抑制することが可能である。但し、この場合、接合材Ｂを十分に厚くする必要があるため、天板２０と底板２１の接合部分における剥離対策等の課題がある。したがって、図１のように、接合材Ｂが高電位である方が好適である。

また、図６に示すように、天板２０と底板２１とが接合材Ｂを介して接合されているものの、天板２０の下面（放熱面２０ａ）及び底板２１の上面が共に接合材Ｂで覆われていない構成も可能である。この場合、接合材Ｂは、周壁部２３の形状に沿った四角枠状に形成されてよい。またこの場合、天板２０側が底板２１側よりも高電位であることが好ましい。この構成によっても、天板２０側より底板２１側が先に腐食されるため、天板２０側の腐食を遅らせて、天板２０側での液漏れを抑制することが可能である。但し、この場合、天板２０及び底板２１の加工性・剛性・放熱性が劣るため、図１のように、より高電位な接合材Ｂがあった方が好適である。

更に、図７に示すように、天板２０の下面（放熱面２０ａ）及び底板２１の上面の両方が接合材Ｂで覆われる構成であってもよい。この場合、天板２０側が底板２１側よりも高電位であることが好ましい。この構成によっても天板２０側より底板２１側が先に腐食されるため、天板２０側の腐食を遅らせて、天板２０側での液漏れを抑制することが可能である。但し、この場合、接合材Ｂを十分に厚くする必要があるため、天板２０と底板２１の接合部分における剥離対策等の課題がある。したがって、図１のように、天板２０側の接合材Ｂが高電位である方が好適である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、冷却器２の天板２０と底板２１との間に電位差を設けたことで、天板２０側における局所的な腐食を抑制することが可能となる。

なお、上記実施の形態では、導入口２５と排出口２６が斜めに対向するように配置される場合について説明したが、この構成に限定されない。例えば、導入口２５及び排出口２６は、冷却器２の長手方向に直交する方向（Ｙ方向）で対向してもよい。

また、上記実施の形態において、導入口２５及び排出口２６は、長手方向（Ｘ方向）に長い長穴形状を有する場合について説明したが、この構成に限定されない。導入口２５及び排出口２６の形状、配置箇所等は、適宜変更が可能である。

また、上記実施の形態において、半導体素子４の個数及び配置箇所は、上記構成に限定されず、適宜変更が可能である。

また、上記実施の形態において、回路板３２の個数及びレイアウトは、上記構成に限定されず、適宜変更が可能である。

また、上記実施の形態では、絶縁基板３、半導体素子４が平面視矩形状又は方形状に形成される構成としたが、この構成に限定されない。これらの構成は、上記以外の多角形状に形成されてもよい。

また、本実施の形態及び変形例を説明したが、他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。

また、本実施の形態は上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらに、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

下記に、上記の実施の形態における特徴点を整理する。
上記実施の形態に係る冷却器は、一方の面に放熱面が形成された天板と、前記天板に対向配置され、前記天板より厚みの大きい底板と、前記底板に設けられた複数のフィンと、前記底板の外周縁に沿って前記複数のフィンの外周を囲うように形成された周壁部と、を備え、前記複数のフィン及び前記周壁部は、前記天板の前記放熱面に接合され、前記天板、前記底板、前記複数のフィン、及び前記周壁部によって囲まれた空間により冷媒の流路が形成され、前記天板側の電位が前記底板側の電位よりも高い。

また、上記実施の形態に係る冷却器は、前記複数のフィン及び前記周壁部を前記天板に接合する接合材を更に備え、前記接合材は、前記底板側よりも高電位である。

また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記接合材は、冷媒の流路における前記放熱面を全面にわたって覆っている。

また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記接合材は、シート状のろう材で構成されている。

また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記底板側と前記接合材との電位差は、５０ｍＶ以上である。

また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記底板は、母材が冷媒の流路に露出している。

また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記接合材及び前記底板の母材は、アルミニウムを主成分とし、前記接合材は、前記底板の母材より、シリコンの比率が高く、マグネシウムの比率が低い。

また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記接合材の組成は、アルミニウムを主成分とし、少なくともシリコンが７．５％以上、亜鉛が０．２５％以下の比率で構成されている。

また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記底板の母材の組成は、アルミニウムを主成分とし、少なくとも銅が２．０％以下の比率で構成されている。

また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記底板の上面に第１の腐食孔が形成されている。

また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記天板の前記放熱面に前記接合材を貫通した第２の腐食孔が形成され、前記第２の腐食孔は、前記第１の腐食孔よりも小さい。

また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記接合材の厚みは、５０μｍ以上、５００μｍ以下である。

また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記天板の厚みは、０．２５ｍｍ以上、５．０ｍｍ以下である。

また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記底板の厚みは、２．０ｍｍ以上、１０．０ｍｍ以下である。

また、上記実施の形態に係る冷却器において、前記天板の母材と、前記底板の母材は、組成の異なる材料で形成され、前記天板の母材の電位が、前記底板の母材の電位よりも高い。

また、上記実施の形態に係る半導体装置は、上記の冷却器と、前記天板の他方の面に絶縁基板を介して配置された半導体素子と、を備え、前記複数のフィンは、前記半導体素子の直下に配置されている。

また、上記実施の形態に係る半導体装置において、前記底板は、冷媒の導入口及び排出口を有し、前記導入口及び前記排出口は、前記複数のフィンを挟んで対向するように配置されており、前記導入口及び／又は前記排出口に対向する前記接合材の厚みは、その周囲よりも大きい。

以上説明したように、本発明は、冷媒通路の所定箇所における局所的な腐食を抑制することができるという効果を有し、特に、水冷式の冷却器及びこれを備える半導体装置に有用である。

１半導体装置
２冷却器
３絶縁基板
４半導体素子
５ケース部材
６封止樹脂
２０天板
２１底板
２２フィン
２３周壁部
２４フィン集合体
２５導入口
２６排出口
２７腐食孔（第１の腐食孔）
２８腐食孔（第２の腐食孔）
３０絶縁板
３１放熱板
３２回路板
７０フランジ
７１取付面
７２Ｏリング
７３溝
Ｓはんだ
Ｂ接合材
Ｒ１第１ヘッダ部
Ｒ２第２ヘッダ部
Ｒ３フィン収容部

Claims

一方の面に放熱面が形成された天板と、
前記天板に対向配置され、前記天板より厚みの大きい底板と、
前記底板に設けられた複数のフィンと、
前記底板の外周縁に沿って前記複数のフィンの外周を囲うように形成された周壁部と、
前記複数のフィン及び前記周壁部を前記天板に接合する接合材と、
を備え、
前記複数のフィン及び前記周壁部は、前記天板の前記放熱面に接合され、前記天板、前記底板、前記複数のフィン、及び前記周壁部によって囲まれた空間により冷媒の流路が形成され、
前記天板側の電位が前記底板側の電位よりも高く、
前記接合材は、アルミニウムを主成分とし、少なくとも組成比率が７．５％以上のシリコン、組成比率が０．２５％以下の亜鉛、及びマグネシウムを有し、
前記底板は、
アルミニウムを主成分とし、少なくとも組成比率が０．２％以上１．５％以下のシリコン、組成比率が０．３５％以上１．５％以下のマグネシウム、組成比率が０％以上０．７％以下の銅、及び組成比率が０％以上０．７％以下の亜鉛を有し、または、
アルミニウムを主成分とし、少なくとも組成比率が４．５％以上１３．５％以下のシリコン、組成比率が０％以上１．３％以下のマグネシウム、組成比率が０％以上１．３％以下の銅、及び組成比率が０％以上０．２５％以下の亜鉛を有する、冷却器。
前記接合材は、前記底板側よりも高電位である、請求項１に記載の冷却器。
前記接合材は、冷媒の流路における前記放熱面を全面にわたって覆っている、請求項２に記載の冷却器。
前記接合材は、シート状のろう材で構成されている、請求項２又は請求項３に記載の冷却器。
前記底板側と前記接合材との電位差は、５０ｍＶ以上である、請求項２から請求項４のいずれかに記載の冷却器。
前記底板は、母材が冷媒の流路に露出している、請求項２から請求項５のいずれかに記載の冷却器。
前記接合材及び前記底板の母材は、アルミニウムを主成分とし、
前記接合材は、前記底板の母材より、シリコンの比率が高く、マグネシウムの比率が低い、請求項２から請求項６のいずれかに記載の冷却器。
前記接合材の組成は、アルミニウムを主成分とし、少なくともシリコンが７．５％以上、亜鉛が０．２５％以下の比率で構成されている、請求項２から請求項７のいずれかに記載の冷却器。
前記底板の母材の組成は、アルミニウムを主成分とし、少なくとも銅が２．０％以下の比率で構成されている、請求項８に記載の冷却器。
前記底板の上面に第１の腐食孔が形成されている、請求項２から請求項９のいずれかに記載の冷却器。
前記天板の前記放熱面に前記接合材を貫通した第２の腐食孔が形成され、
前記第２の腐食孔は、前記第１の腐食孔よりも小さい、請求項１０に記載の冷却器。
前記接合材の厚みは、５０μｍ以上、５００μｍ以下である、請求項２から請求項１１のいずれかに記載の冷却器。
前記天板の厚みは、０．２５ｍｍ以上、５．０ｍｍ以下である、請求項２から請求項１２のいずれかに記載の冷却器。
前記底板の厚みは、２．０ｍｍ以上、１０．０ｍｍ以下である、請求項２から請求項１３のいずれかに記載の冷却器。
前記天板の母材と、前記底板の母材は、組成の異なる材料で形成され、前記天板の母材の電位が、前記底板の母材の電位よりも高い、請求項２から請求項１４のいずれかに記載の冷却器。
請求項２から請求項１５のいずれかに記載の冷却器と、
前記天板の他方の面に絶縁基板を介して配置された半導体素子と、を備え、
前記複数のフィンは、前記半導体素子の直下に配置されている、半導体装置。
前記底板は、冷媒の導入口及び排出口を有し、
前記導入口及び前記排出口は、前記複数のフィンを挟んで対向するように配置されており、
前記導入口及び／又は前記排出口に対向する前記接合材の厚みは、その周囲よりも大きい、請求項１６に記載の半導体装置。