JP2004031577A

JP2004031577A - 半導体素子用放熱器

Info

Publication number: JP2004031577A
Application number: JP2002184710A
Authority: JP
Inventors: Masanori Yamagiwa; 山際　正憲
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】大型化を避けた放熱効率のよい半導体素子用放熱器を提供する。
【解決手段】放熱器１は、載置部２の端部から半導体素子５側に立ち上がる側壁部３を有している。載置部２の下面には下面フィン１１を、側壁部３の外側面には側面フィン１２を備えている。この下面フィン１１、側面フィン１２、載置部２の下面および側壁部３の外側面を冷却用液体１０に臨ませて、半導体素子５で発生する熱の放熱を行う。これにより従来の載置部の面積を拡大して下面フィンを追加した放熱器に比べ、小型の半導体素子用放熱器を得ることができ、半導体素子５を備えた放熱器１の設置場所の余裕寸法に対応した形状で、必要な放熱性能を確保することができる。
【選択図】　　　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の放熱を行う半導体素子用放熱器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子の微細加工技術がより一層進歩し、高密度化によって動作時の発熱量が増大しているため、その熱を効果的に放熱するための新しい放熱器が種々提案されている。このような放熱器の例として、たとえば特開２００１−１６８２５６号公報記載のようなものがある。この放熱器は、半導体素子を載置する載置部と、載置部の半導体を載置した側を表面としてその裏面から伸びる複数の放熱フィンからなる。この載置部の裏面と放熱フィンを冷却用液体に臨ませることにより、半導体素子で発生した熱は載置部表面へ伝わり、放熱器の内部で拡散して放熱フィンを伝って冷却用液体へと放熱される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような上記従来の放熱器にあっては、十分な放熱効果を得るためには放熱フィンを追加する必要があり、また同時に放熱フィンを冷却する冷却用液体の流路も拡大せざるを得ない。
さらに、放熱フィンを追加した場合、放熱面積が増加し冷却用液体への伝熱量は全体的には増加する傾向になるが、熱源である半導体素子から放熱フィンにおける冷却用液体と接する放熱面までの距離が遠くなるため、熱源から運ばれる熱量はその距離が遠いほど少なくなる。したがって追加した放熱フィンほど、そこでの冷却用液体への伝熱量は少なくなる。
【０００４】
式で表すと、放熱器の材料の熱伝導率をλ、熱の流れる断面積をＳ１、その熱伝導距離をＸ、放熱面における冷却用液体への熱伝達係数をα、その伝達面積（放熱面積）をＳ２とした場合、放熱器内での熱源から放熱面までの熱の流れやすさは、
λ×Ｓ１／Ｘ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式（１）
で表され、放熱器の放熱面から冷却用液体への熱の伝わりやすさは、
α×Ｓ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式（２）
で表される。
【０００５】
したがって、どれだけ伝達面積Ｓ２を増やしても、それにあわせて熱伝道距離Ｘの値も上昇してしまえば、全体の放熱効果は小さくなる。すなわち、追加した放熱フィンでは、式（１）に含まれる熱伝導距離Ｘの値が大きくなり放熱フィン先端まで十分に熱が伝わらないため、式（２）であらわされる冷却用液体への伝熱量は非常に少ないものとなる。
【０００６】
特に液冷の場合、式（２）に含まれる熱伝達係数αの値が空冷に比べて大きいにもかかわらず、熱伝導距離Ｘの値が大きいほど式（１）で算出されるように放熱フィンの放熱面まで熱が到達しにくくなり、その結果、放熱フィンの追加による半導体素子の最大温度Ｔｊｍａｘの低減には限界が生じていた。
【０００７】
そこで本発明はこのような問題点に鑑み、大型化を避け、放熱効率のよい半導体素子用放熱器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体素子を備える基板を載置する載置部の端部を、半導体素子側に伸ばして側壁部を形成する。載置部の半導体素子を載置していない側の面と、側壁部の外側の面および載置部の側面の少なくとも一方を冷却用媒体に臨ませて、半導体素子で発生する熱の放熱を行うものとした。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体素子を載置する載置部の端部に側壁部を備えたので、半導体素子によって発生した熱は、載置部だけでなく側壁部および載置部の側面からも冷却用媒体へ放熱できる構造となっている。よって従来は、放熱器を載置部の面積方向へ拡大して放熱性能を確保していたが、本発明では側壁部を設けて放熱を行うことにより、従来よりも小型な放熱器を得ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を実施例により説明する。
図１に本発明の断面図を示す。
放熱器１の載置部２に、半導体素子５を備える半導体モジュール１３が接合されている。放熱器１は、載置部２の端部から半導体素子５側に立ち上がる側壁部３を有している。また側壁部３の端部が外方に向けて９０度折り曲げられ、その先端に取付穴４Ａが開けられて取付部４を形成している。放熱器１は、載置部２の半導体素子５が載置されていない側の面から下方に伸びる下面フィン１１を有している。また放熱器１は、最外側の下面フィン１１における外側面、側壁部３の外側面および載置部２の側面から、外側方向に伸びる側面フィン１２を有している。
【００１１】
一方、半導体モジュール１３は半導体素子５、半田６および絶縁基板７からなる。絶縁基板７は、十分な絶縁性を保ち熱伝導率の高いセラミックス基板７Ｂを備え、セラミックス基板７Ｂの上面には半導体素子５を半田付けするための銅回路７Ａを直接またはろう材を用いて接合してある。半導体素子５は半田６によって銅回路７Ａに取り付けられる。またセラミックス基板７Ｂの下面は、直接またはろう材を用いて載置部２に接合される。
【００１２】
放熱器１の下方には、下面フィン１１および側面フィン１２を囲う図示しない流路が形成され、下面フィン１１、側面フィン１２、載置部２の下面および側面、側壁部３の外方側面は、流路を流れる冷却媒体としての冷却用液体１０に接している。半導体素子５で発生した熱は、半田６と絶縁基板７を経由して載置部２の上面へと伝わり、放熱器１の載置部２および側壁部３で拡散し、下面フィン１１、側面フィン１２を伝って冷却用液体１０へと放熱される。
【００１３】
放熱器１は熱伝導率や、加工性、信頼性の観点から、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成される。これらは比較的熱伝導率が高く（２００Ｗ／ｍＫ前後）、加工も容易でありさらにヤング率が低く塑性変形しやすいために、載置部２に接合したセラミックス基板７Ｂにかかる応力の緩和が図れ、半導体モジュール１３としての高い信頼性を確保することができる。
【００１４】
図１に示すように、冷却用液体１０の流路の幅を２６ｍｍ、放熱器１の取付部４の上面から、冷却用液体１０の流路の底面までの高さを１０．４ｍｍとする。また半導体素子５の発熱量を２００Ｗ、放熱器１の熱伝導率を２００Ｗ／ｍＫ、冷却用液体１０の温度を８０℃とし、冷却用液体１０に接する放熱面の熱伝達係数を６０００Ｗ／ｍ^２Ｋ、半田６の熱伝導率を７０Ｗ／ｍＫ、半田６の厚みを０．０８ｍｍとする。さらに絶縁基板７の絶縁層であるセラミックス基板７Ｂの熱伝導率を１７０Ｗ／ｍＫ、その厚みを０．６ｍｍとした場合の、半導体素子５の熱シュミレーションを行った。
その結果、半導体素子５の最大温度Ｔｊｍａｘは１３４．０℃となった。
【００１５】
ここで従来の放熱器、すなわち載置部と、載置部から下方に伸びる放熱フィンからなる放熱器に、半導体素子を取り付けた際の熱シュミレーション結果を示す。この放熱器に取り付けられる半導体モジュールは、第１の実施例と同じ構成であるものとする。また、載置部の下面からは７個の放熱フィンが伸び、放熱フィンの左右最外側間は３２ｍｍである。さらに、冷却用液体を流す流路の幅を３２ｍｍに形成して、流路に放熱フィンを臨ませ、放熱フィンと載置部の下面を冷却用液体に臨ませる。冷却用液体の流路の下面から半導体素子の上面までの高さは１０．４ｍｍであるとする。
【００１６】
半導体素子の発熱量を２００Ｗ、放熱器の熱伝導率を２００Ｗ／ｍＫ、冷却用液体の温度を８０℃とし、それと接する放熱面における熱伝達係数を６０００Ｗ／ｍ^２Ｋとする。また、半田の熱伝導率を７０Ｗ／ｍＫ、厚みを０．０８ｍｍ、絶縁基板の絶縁層であるセラミックス基板の熱伝導率を１７０Ｗ／ｍＫ、その厚みを０．６ｍｍとした場合に半導体素子の熱シュミレーションを行った。
その結果、半導体素子の最大温度Ｔｊｍａｘは１３４．０℃となった。
【００１７】
このように、本実施例および従来の放熱器における半導体素子の熱シュミレーションより、半導体素子の最大温度Ｔｊｍａｘを同じ値としながら、取付部４を除く放熱器の横方向の幅を、従来の幅３２ｍｍから幅２６ｍｍに縮小することができ、モジュール全体の約２０％の小型化を達成することができる。
【００１８】
図２の（ａ）に、本実施例における放熱器１の放熱面から冷却用液体１０へ伝達される熱の伝達量を、放熱器１の横方向の単位長さ（１ｍｍ）毎に計算した値をグラフにしたものを示す。放熱器１の奥行きは１ｍとする。同様に図２の（ｂ）に、上記従来の放熱器の放熱面から冷却用液体へ伝達される熱の伝熱量を、放熱器の横方向の単位長さ（１ｍｍ）毎に計算した値をグラフにしたものを示す。これによると、従来の放熱器である図２の（ｂ）に比べ、本実施例における放熱器内において全体的に均一に熱拡散が行われ、両脇の放熱フィンで効果的な放熱が実施されていることがわかる。
【００１９】
さらに同様な熱シュミレーションにおいて、図１における放熱器１の左右の側面フィン１２を両側に互いに３ｍｍずつ伸ばし、冷却用液体１０の流路幅を従来と同様の３２ｍｍにした場合、半導体素子５の最大温度Ｔｊｍａｘは１３２．２℃となり、上記従来の放熱器と同じ横幅寸法で、モジュール全体の熱抵抗を約３．３％改善できる結果が得られた。
本実施例において、下面フィン１１および側面フィン１２が本発明における放熱フィンを構成する。
【００２０】
本実施例は以上のように構成され、下面フィン１１を備える載置部２、および側面フィン１２を備える側壁部３を冷却用液体１０に臨ませて、半導体素子５で発生する熱の放熱を行うことにより、従来の下面フィンを追加した放熱器に比べ、小型の半導体素子用放熱器を得ることができ、半導体素子５を備えた放熱器１と冷却用液体の流路の設置場所の縦横寸法の制限範囲内で、必要な放熱性能を確保することができる。
【００２１】
これにより、半導体素子の最大温度Ｔｊｍａｘは上げずに半導体素子用放熱器を小型化することや、半導体素子用放熱器の大きさは大型化せずに半導体素子の最大温度Ｔｊｍａｘを下げることが可能である。
熱を放熱する放熱フィンとしての下面フィン１１や側面フィン１２を備えたことにより放熱面積が増加し、より効果的な放熱を行うことができる。
【００２２】
次に本発明の第２の実施例を説明する。
図３は第２の実施例の断面図である
放熱器１Ａの載置部２に、半導体素子５を備える半導体モジュール１３が接合されている。放熱器１Ａは、載置部２の端部から半導体素子５側に立ち上がる側壁部３を有している。また側壁部３の端部が外方に向けて９０度折り曲げられ、その先端に取付穴４Ａが開けられて取付部４を形成している。放熱器１Ａは、載置部２の半導体素子５が載置されていない側の面から下方に伸びる下面フィン１１（１１Ａ、１１Ｂ）を有している。
【００２３】
載置部２の下面から伸びる下面フィン１１（１１Ａ、１１Ｂ）のうち左右最外側の下面フィン１１Ａは、載置部２の下面からの突出量を中央部の下面フィン１１Ｂと同じに形成されている。また下面フィン１１Ａの内側面１１ａは、下面フィン１１Ａの先端から階段状に、隣接する下面フィン１１Ｂの根元近傍につながっている。このように下面フィン１１Ａは、先端に向かうにつれて他の下面フィン１１Ｂの幅と同じとなる先細り形状に形成してある。
また放熱器１Ａは、最外側の下面フィン１１Ａにおける外側面、側壁部３の外側面および載置部２の側面から、外側方向に伸びる側面フィン１２を有している。
他の構成は上記第１の実施例と同様であり、同じ番号を付して説明を省略する。
なお、下面フィン１１Ａの内側面１１ａの形状は、階段状に限らず、斜めや曲線等の形状であってもかまわない。
【００２４】
図３に示すように、冷却用液体１０の流路の幅を２６ｍｍ、放熱器１Ａの取付部４の上面から、冷却用液体１０の流路の底面までの高さを１０．４ｍｍとし、上記第１の実施例で行った各種の条件と同じ条件で、第２の実施例における放熱器１Ａを用いて、半導体素子５の熱シュミレーションを行った。
その結果、半導体素子５の最大温度Ｔｊｍａｘは１３２．４℃となり、上記従来の放熱器を用いた場合に比べ、モジュール全体の約２０％の小型化とともに、モジュール全体の熱抵抗を約３．０％改善することが同時に可能である結果が得られた。
【００２５】
図４に、第２の実施例における放熱器１Ａの放熱面から冷却用液体１０へ伝達される熱の伝達量を、放熱器１Ａの横方向の単位長さ（１ｍｍ）毎に計算した値をグラフにしたものを示す。放熱器１Ａの奥行きは１ｍとする。これによると、放熱器１Ａ内で全体的に満遍なく熱拡散が行われ、階段状の内側面１１ａを備えた下面フィン１１Ａで特に伝熱量が多く、効果的な放熱が実施されていることがわかる。
【００２６】
本実施例は以上のように構成され、下面フィン１１Ａは、内側面１１ａを階段状に形成され、先端に向かうにつれて他の下面フィン１１Ｂの幅と同じとなる先細り形状に形成される。よって放熱器１Ａにおいて、半導体素子５を備える半導体モジュール１３との接合面から伝わる熱は、下面フィン１１Ａの先端まで十分に広い断面積を通って運ばれてくるため、下面フィン１１Ａおよび側面フィン１２の放熱面において、熱を冷却用液体１０に効果的に放熱することができる。
【００２７】
なお本実施例において、下面フィンのうち左右最外側の下面フィン１１Ａのみを先細り形状に形成したが、これに限定されず他の下面フィン１１Ｂや側面フィン１２の形状を先細り形状に形成してもよい。これにより、より効率よく熱を放熱することができる。
【００２８】
なお上記各実施例において、絶縁基板７の上面に備えた銅回路７Ａに代り、応力緩和を図ったアルミニウム回路を用いてもよい。また半導体モジュール１３と放熱器１との取り付けの際に、セラミックス基板７Ｂと載置部２とを直接またはろう材を用いて取り付けたが、これに限定されず、セラミックス基板７Ｂの下面に銅回路を備えたセラミックス絶縁基板や、前記セラミックス絶縁基板を搭載したベース、または、その他全ての半導体モジュールを接合してもよい。
【００２９】
また、放熱器の材料として、高い熱伝導率で放熱性を向上した無酸素銅（３６０Ｗ／ｍＫ前後、１６ｐｐｍ／℃前後）を用いてもよい。また、熱膨張係数がよりセラミックスの値に近く、セラミックス基板７Ｂにかかる応力の緩和が図れるモリブデンを用いた銅合金（２２０Ｗ／ｍＫ前後、８ｐｐｍ／℃前後）やその他の銅合金、炭化ケイ素等を分散材とした金属基複合材料（１８０Ｗ／ｍＫ前後、８ｐｐｍ／℃前後）や、１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を持った窒化アルミニウム、窒化ケイ素等のセラミックス材料を用いてもよい。
【００３０】
このように放熱器を熱伝導率の高い金属材料によって形成することにより、放熱器内で熱の伝達がよくなり、より一層冷却用液体に熱を伝達し、半導体素子を冷却することができる。また絶縁基板に用いられるセラミックスと比較的熱膨張係数が近い金属基複合材料やセラミックス材料を放熱器の材料として用いた場合は、高温と低温との間で繰り返されるヒートサイクルによって絶縁基板に与える熱応力を小さくすることができ、モジュールの信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第１の実施例を示す断面図である。
【図２】第１の実施例における放熱器から冷却用液体への伝熱量を示す図である。
【図３】本発明における第２の実施例を示す断面図である。
【図４】第２の実施例における放熱器から冷却用液体への伝熱量を示す図である。
【符号の説明】
１、１Ａ　　放熱器
２　　載置部
３　　側壁部
５　　半導体素子
７　　絶縁基板
１０　　冷却用液体
１１、１１Ａ、１１Ｂ　　下面フィン
１２　　側面フィン
１３　　半導体モジュール

Claims

半導体素子の冷却に用いられる半導体素子用放熱器において、
前記半導体素子を備える基板を載置する載置部と、該載置部の端部を前記半導体素子側に伸ばして形成した側壁部とを備え、
前記載置部の半導体素子を載置していない側の面と、前記側壁部の外側の面および載置部の側面の少なくとも一方を冷却用媒体に臨ませて、前記半導体素子で発生する熱の放熱を行うことを特徴とする半導体素子用放熱器。
前記載置部の半導体素子を載置していない側の面、前記側壁部の外側の面、および前記載置部の側面の少なくともいずれか一方に、前記半導体素子で発生する熱を前記冷却用媒体に放熱するための放熱フィンを備えていることを特徴とする請求項１記載の半導体素子用放熱器。
前記放熱フィンを、根元の断面積を大きく形成し、先端に向かうにつれその断面積が小さくなる先細り形状に形成したことを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子用放熱器。
前記載置部と側壁部は、
銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属材料、またはセラミックス分散材を用いた金属基複合材料、または熱伝導率の高い窒化アルミニウム、窒化ケイ素等のセラミックス材料によって形成されていることを特徴とする請求項１、２または３記載の半導体素子用放熱器。