JPH0556679B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、サイリスタなどの半導体装置に使用
する積層構造冷却フインの製造方法に関する。

〔発明の背景〕

サイリスタなどの半導体素子は、容量の大型化
に伴つて、いかに効率のよい冷却方式を採用する
かが重要な課題となつており、その１つとして、
フロン等の蒸発性の良い冷却液の沸騰および凝縮
の繰返しを利用して冷却を行う沸騰冷却方式が採
用されている。沸騰冷却装置は、第５図に示すよ
うに一般に冷却液を収納する冷却フイン１と、そ
の上部に設けられた凝縮器２とからなつている。
冷却フインと凝縮器の間には絶縁材で作られた管
３を有する方式となつている。ところでこの沸騰
冷却装置では、半導体素子４の熱負荷の大小によ
つて内圧が真空から２〜３気圧まで変化するため
厳重な気密容器としなければならない。また冷却
フインは半導体素子からの熱をフロン沸騰により
冷却する部分であり、前記のとおりの気密性とと
もに冷却効率を高める必要がある。このためこの
方式の冷却フインをいかなる構造にするか、また
それをいかに製造するかについて従来より研究開
発が続けられてきているがいまだそれらの要件を
十分満足する技術が開発されていないのが現状で
ある。すなわち、従来、この方式の冷却フインを
製造する方法として、第６図に示すように、まず
冷却フイン内の流体通路を押出成形や切削加工に
より形成し（工程Ａ，Ｂ）、次に管７，８および
側板を溶接し（加工Ｃ，Ｄ）し、その後ブスバー
６を溶接して第７図に示す構造冷却フインを製造
する方法が用いられているが、この方法では、溶
接工数が多く気密性確保に問題が多いばかりでな
く溶接変形に多大の注意をはらう必要があり技術
的な困難性を伴う。さらにこの方法の大きな欠点
は、押出法又は切削法により流体通路を形成して
いるため、流体通路の太さを小さくすることに限
界があることである。流体通路の太さを小さく
し、その数を多くすることは伝熱面積を大にし冷
却効率を高めるうえで重要な事項である。

この他に、第８図に示すような中空の冷却フイ
ンも考えられているが、この構造では、半導体素
子を冷却フインに固定するための数トンにも及ぶ
荷重付加に耐えられず冷却フインが変形する欠点
を有する。また、近年半導体整流装置は大容量化
の傾向にあり、装置はますます大型化する傾向に
ある。この大型化は装置スペースの増大の問題を
引起すため、装置の小型化が望まれている。この
装置の小型化に関する先行技術としては、特開昭
57−49787号公報に記載された技術が挙げられる。
この技術は、冷却フイン（蒸発器）と凝縮器との
間を絶縁材で接続することなく、半導体素子と、
冷却フイン及び凝縮器を有する冷却体との間に高
熱伝導性絶縁材を介設するものである。しかしな
がら、この技術によつても、ある程度の小型化は
進むものの、根本的な小型化を実現することはで
きなく、依然として冷却フインの小型化が半導体
整流装置の小型化のネツクになつている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、流体通路の形状、寸法が任意
に設定でき冷却効率が高く、かつ気密性が確保さ
れ、装置の小型化にも対応できる半導体用積層構
造冷却フインの製造方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、前述の目的を達成するためには従来
のような、押出し加工又は切削加工による流体通
路の成形と溶接による組立てによる冷却フインで
は限界かあり、これに代る新規な方式の冷却フイ
ンを開発すべきであるとの考えから、鋭意研究し
た結果、以下に述べる積層構造の冷却フインの製
造方法を開発したものである。

本発明は、熱伝導性の良好な金属の薄板を積層
してなり、平らな外表面に取付けられる半導体素
子を冷却する流体の通路を内部に設けた半導体用
積層構造冷却フインを製造する方法であつて、ま
ず薄板として、平板の第１の薄板と、１個の半導
体素子に対応して複数の細溝穴を並列に形成しか
つこの複数の細溝穴の始終端それぞれの近傍にこ
の細溝穴と直交して広幅溝穴を形成した第２の薄
板と、第２の薄板に形成された広幅溝穴から各細
溝穴の端部を含む幅の拡大溝穴をその広幅溝穴と
細溝穴端部に該当する位置に形成した第３の薄板
との３種類を製作し、３種類の薄板の接合面を非
酸化性雰囲気中で清浄化し、接合面に接合合金層
を形成し、その後１枚の第１の薄板、１枚または
複数枚の第２の薄板、１枚または複数枚の第３の
薄板、１枚または複数枚の第２の薄板及び１枚の
第１の薄板の順になるように積層し、それから接
合し、次に接合した積層板の一側面から拡大溝穴
の長手方向に、第２の薄板の広幅溝穴と各細溝穴
間が直接に開通するように入口穴と出口穴を形成
し、各溝を流体の通路とすることを特徴としてい
る。

具体的には、熱伝導性の良い例えば銅，アルミ
ニウム又はそれらの合金などの材料を素材とした
第１ないし第３の薄板を製作し、該薄板の積層接
合に際して、非酸化性雰囲気中で、Arイオンビ
ーム等によつて接合面を清浄化した後、接合用合
金層を蒸着又はスパツタ蒸着法により形成して接
合することにより、気密性にすぐれた半導体用積
層構造冷却フインが得られることを見出したもの
である。そして本発明の有効性は以下に述べる構
成の詳細な説明により、一層明確になるであろ
う。

本発明においては、冷却フイン１の流体通路を
予め加工された薄板を積層接合することによつて
形成されるため、従来の押出し加工又は切削加工
と異つて、いかなる形状、寸法の流体通路５，１
１でも、プレス打抜きなどの比較的簡単な加工技
術によつて形成することが可能である。又プレス
打抜き加工に代えて、従来より知られているフオ
トエツチング、イオンビーム加工など微細加工技
術を利用すれば、一層微細な流体通路を形成する
ことができ冷却効率が高まることは言うまでもな
い。また本発明の製造方法において、薄板の積層
接合に際し、非酸化性雰囲気中で、Arイオンビ
ームなどによつて接合面を清浄化した後、さらに
その接合面に接合合金層を蒸着又はスパツタ蒸着
により形成して接合するようにした技術的理由は
以下のことを考慮したためである。前述のとお
り、半導体用冷却フインは、使用時に真空から２
〜３気圧程度の圧力変化が起るため、その気密性
が重要な問題となり、接合を強固にする必要があ
るとともに、精密な流体通路の確保を容易にする
ためである。すなわち、素材となる金属板表面は
通常汚染膜又は酸化膜で覆われているため、この
ままの金属板を拡散接合するには極めて高い温度
と接合圧力を要し、このため変形が生じやすい。
特に素材としてアルミニウム又はその合金を素材
とする薄板は緻密で安定な酸化膜を有するためそ
の接合は極めて困難である。そこで本発明者等
は、この問題について種々研究した結果、非酸化
性雰囲気中で、まず接合面の表面の汚染膜、酸化
膜をArイオンビーム等により除去清浄化したの
ち、更にその接合面に蒸着またはスパツタ蒸着法
により銅などの接合用合金層を形成して接合する
手段を講じることにより、比較的低温度、低接合
圧力で、したがつて変形の恐れがなく、強固な積
層接合が可能であることを見出したものである。
積層接合の他の方法として、ロウ付け法も考えら
れるが、この方法を用いる場合は、接合に際して
ロウ材が流体通路に流れ込み通路をふさぐ恐れが
あるため、ロウ材の量に十分注意する必要があ
る。また他の方法として、接合面にインサートを
挿入して液相拡散接合する方法もあるが、この方
法においても、インサートの溶込みにより通路が
埋まる恐れがあり、インサートの厚さ十分注意を
払う必要がある。

これに対し、本発明では接合合金層を蒸着又は
スパツタ蒸着により形成するため、その合金層の
厚さは極めて薄くすることが可能であり、接合の
際、接合合金が溶けても通路への流れ込みがなく
容易に精密な流体通路を有する積層構造冷却フイ
ンを製造することができる。

金属にセラミツクスを介在させた構造となつた
場合でも、セラミツクス接合面上に蒸着又はスパ
ツタ蒸着により薄いメタライズ層を形成し、さら
に接合用合金層を形成する方法を取るため、本質
的には、金属同志の場合とまつたく同じである。

また、積層構造冷却フインを製造する方法に於
て、該薄板の接合面を非酸化性雰囲気中で清浄化
し接合面に接合用合金層を形成した後、接合時に
流体通路となる溝を加工しても何ら問題は無い。

〔発明の実施例〕

本発明の実施例を、第１図、第２図および第３
図を用いて説明する。

第１図に示す板厚２mmのアルミニウム薄板９を
２枚と、プレスにより積層時に細溝穴としての流
体通路５、広幅溝穴としての流体通路１１を形成
するように打ち抜いた板厚２mmのアルミニウム薄
板１０を４枚と、同様に拡大溝穴としての流体通
路１３を形成するようにプレス打抜き加工された
板厚４mmのアルミニウム板６を２枚を用意し、こ
れらを真空室に装入してそれぞれの接合面にAr
イオンビームを照射して清浄化したのち、同一真
空容器内で、スパツタ蒸着により銅を0.5μm付着
した。前記の処理を施した各アルミニウム板を第
２図に示すように積層した後、真空炉に装入し、
450℃、0.5Kg／mm²の加圧力で１時間接合を行い各
板を一体化し第７図の実線で示すような冷却フイ
ンを作製した。第３図に示す冷却フインにおいて
は、前記のとおり各薄板を接合した後、冷却媒体
の流入流出口の穴あけと各流体通路５と１１を連
絡して冷却媒体が各流体通路に流入できるように
するために、側面１２より穴あけ加工を施し、そ
の媒体の流入流出口に、該冷却フインと凝縮器と
の間で冷却媒体を循環させるための接続管７，８
を溶接により一体化している。第４図は第３図に
示すＡ−Ａ断面図を示す。なお、この実施例にお
いては、予め流体通路１１，１３を設けている
が、これは後の穴あけ加工を容易にするためのも
ので、必ずしも予め流体通路１１，１３を設けて
おく必要はなく、後の穴あけ加工の際にこの流体
通路１１，１３を流体通路５につながるように形
成してもよい。また、ブスバーを２枚用いている
が、これも打抜き加工を容易にするためで１枚で
あつても本質的な問題はない。

この実施例の冷却フインは、５mm×６mmの矩形
の流体通路を有しているが、その熱抵抗の測定を
行つた結果、0.005℃／Ｗと非常にすぐれた冷却
フインであることが判明した。また気密性におい
ても10^-9Torr／sec以下とすぐれており、さらに
従来の冷却フインに比較して約1/2の薄肉化が達
成されている。

〔発明の効果〕

本発明によれば、半導体用積層構造冷却フイン
の製造方法を、１個の半導体素子に対応して複数
の細溝穴を並列に形成しかつ細溝穴の始終端近傍
にそれぞれ広幅溝穴を形成した薄板と、この薄板
の広幅溝穴から細溝穴の端部を含む幅の拡大溝穴
を広幅溝穴と細溝穴端部に当たる位置に形成した
別の薄板とを、２枚の平板の間に適宜枚数配して
積層し、接合するものとしたので、必要によつて
は、細溝穴を微細にし、100μm以下のミクロンオ
ーダーの流体通路を自由に形成できるため、高い
冷却効率を有し装置の小型化に対応できる半導体
冷却フインを実現することができ、また薄板に広
幅溝穴、拡大溝穴を予め形成しておくので、細溝
穴に通ずる入口穴及び出口穴を容易に加工するこ
とができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の積層板の形状を示す図、第２
図は本発明の積層状況の概略図、第３図は本発明
による冷却フインの完成図、第４図は第３図の冷
却フインの断面図、第５図は沸騰冷却装置の概略
図、第６図は従来の冷却フインの製造工程を示す
図、第７図は従来の冷却フインの完成図、第８図
は中空冷却フインを示す図である。 １……冷却フイン、２……凝縮器、３……絶縁
材、４……半導体素子、５，１１，１３……流体
通路、６……ブスバー、７，８……凝縮器と冷却
フインの接続管、９……半導体素子設置用薄板、
１０……流体通路形成用薄板、１２……側面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 熱伝導性の良好な金属の薄板を積層してな
   り、外平面に取付ける半導体素子を冷却する流体
   の通路を内部に設けた半導体用積層構造冷却フイ
   ンの製造方法において、前記薄板として、平板で
   なる第１の薄板と、１個の半導体素子に対応して
   複数の細溝穴を並列に形成しかつ該複数の細溝穴
   の始終端それぞれの近傍に該細溝穴と直交して広
   幅溝穴を形成した第２の薄板と、第２の薄板に形
   成された広幅溝穴から各細溝穴の端部を含む幅の
   拡大溝穴を該広幅溝穴と該細溝穴端部に該当する
   位置に形成した第３の薄板との３種類を製作し、
   該各薄板の接合面を非酸化性雰囲気中で清浄化
   し、接合面に接合合金層を形成し、それから１枚
   の第１の薄板、１枚または複数枚の第２の薄板、
   １枚または複数枚の第３の薄板、１枚または複数
   枚の第２の薄板及び１枚の第１の薄板の順に積層
   して接合し、該接合した積層板の１側面から拡大
   溝穴長手方向に、第２の薄板の広幅溝穴と各細溝
   穴が直接つながるように、入口穴と出口穴を形成
   し、各溝を流体の通路とすることを特徴とする半
   導体用積層構造冷却フインの製造方法。