JPH0220048A - 沸騰冷却形半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、サイリスタ、ダイオードなどの半導体素子か
ら発生する熱を液体冷媒の沸騰／凝縮作用で系外に除熱
するようにした沸騰冷却形半導体装置に関する。

〔従来の技術〕

まず、頭記した沸騰冷却形半導体装置の従来構成を第４
図、第５図により説明する０図において１は半導体装置
のスタック組立体であり、サイリスタなどの半導体素子
２と熱伝導性の高い金属で作られた平板状の冷却体３と
を交互に重ね合わせた積層体が絶縁板４を介して左右の
端板５の間に加圧挟持されている。なお、６はスタック
締結用のスタンド、７は加圧力を与える皿ばね、８はス
タックの両端に配した端子板である。

一方、上記のスタック組立体ｌは、図示のように横置姿
勢でフロンなどの液体冷媒９に浸漬して容器ＩＯ内に収
容設置されており、これらで沸騰冷却形半導体装置を構
成している。なお、１１は前記端子板８に接続した容器
１０よりの外部引出し端子、１２は容器ｌＯの上部空間
の外周面より張り出す放熱フィンである。

かかる構成による沸騰冷却作用は周知であり、半導体素
子２の通電により発生した熱は、冷却体３に伝熱し、こ
こから冷却体３の表面に接する液体冷媒９へ沸騰伝熱さ
れる。一方、この沸騰伝熱の過程で生じた冷媒蒸気は気
泡となり、その浮力で冷媒液中を上昇して容器１０の上
部空間に放散される。また容器１０の上部空間に充満す
る冷媒蒸気１３は容器１０の壁面へ凝縮伝熱して凝縮し
、再び液相に状Ｂ変化して液中に還流するとともに、容
器１０に伝熱された熱は放熱フィン１１より糸外（大気
中）に放散される。このような液体冷媒の蒸発／凝縮サ
イクルによる潜熱での熱授受により、半導体素子２の発
生熱が系外に除熱される。なお、前記した沸騰熱伝達は
主として核沸騰の領域で進行し、冷媒は冷却体３の伝熱
面で表面沸騰する。

一方、前記した冷却体３について、液体冷媒９と接する
伝熱面積を増大させ、併せて伝熱促進を図るために、第
５図のように冷却体３の内部（厚さ方向の中央部）に、
半導体素子の当接面３１に沿って平行に並ぶ複数の冷媒
通路穴３２を穿孔したものが既に実施されている。なお
この冷媒通路穴３２は、第４図に示すようにスタック組
立体ｌを容器１０内に据付けた状態で上下方向に向くよ
うに定めである。これにより冷却体３と液体冷媒９との
間の伝熱面積が増加し、かつこれに冷媒通路穴３２の煙
突効果による冷媒の流動も加わって冷却体３と液体冷媒
９との間の伝熱が促進され、冷却性能を高めることがで
きる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、前記した従来装置の冷媒としては一般に冷媒
として優れた特性を有するフロンを使用しているが、昨
今ではフロンの使用が国際的に規制される（項部にある
ことから、フロンに代わる冷媒１例えば弗化炭素冷媒の
採用が検討されている。

しかして弗化炭素冷媒の熱伝導率はフロンに比べて低く
、かつ弗化炭素冷媒を使用した場合の沸騰熱伝達率は、
フロンの場合に比べて約２／３程度に低下する。したが
って従来構造のままでフロンを使用した場合と同等な沸
騰冷却効果を得るには、沸騰熱伝達率の低下分だけ冷却
体を大形寸法にして伝熱面積を増加させるなどの手段を
講じる必要があり、結果的に半導体装置の全体構造が大
形化してしまう。

本発明は上記の点にかんがみ成されたものであり、冷却
体に穿孔した冷媒通路穴に改良の手を加えることにより
、同じ形状１寸法の冷却体で、冷媒との間の有効伝熱面
積を増加させ、併せて沸騰伝熱の有効促進が図れるよう
にした冷却性能の高い沸騰冷却形半導体装置を提供する
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するために、本発明の沸騰冷却形半導体
装置においては、半導体素子とともに積層してスタック
組立体を構成する冷却体の内部に、半導体素子との当接
面に沿い、かつ穴内壁面を歯列面と成した冷媒通路大判
を穿孔して構成するものとする。

〔作用〕

上記の構成で、冷媒通路穴の内壁面に形成した歯列は、
雌ねじ、あるいは内歯歯車の歯として形成されたもので
ある。これにより冷媒と接する冷媒通路穴の伝熱面積は
、歯列の高さを１１程度とすると、穴内壁面が平坦面で
ある同じ内径の冷媒通路穴と比べて約１．８倍に増大す
る。また、この歯列により形成された穴内壁面の凹凸は
冷媒の気泡発生の核として有効に働き、それだけ気泡発
生点が増加する。さらに沸騰伝熱過程で煙突効果により
冷媒通路穴の中を上昇流動する冷媒流に対して前記の歯
列面による撹乱作用が加わり、表面沸騰して冷却体の伝
熱面に生じた気泡の泡切れがよくなる。この結果、前記
作用の相乗効果により冷却体と冷媒との間の沸騰伝熱が
より一層促進されるようになり、沸騰冷却効果が高まる
。

〔実施例］ 第１図ないし第３図は本発明実施例による冷却体の構造
を示すものであり、第５図と同様に半導体素子の当接面
３１に沿って冷却体３５の厚さ方向の中央部には複数の
冷媒通路穴３４が穿孔されている。

なお、冷却体３５を第４図に示したスタック組立体へ組
込むに際しては、従来と同様に冷媒通路穴３４が上下方
向に向くようにして組み込まれる。ここで、本発明によ
り、前記した冷媒通路穴３４は第３図に明示されている
ように雌ねじのねし穴であり、その穴内壁面に雌ねじ状
の歯列３３が形成されている。なお、歯列３３は雌ねじ
の代わりに内歯歯車の歯列として形成してもよい、いず
れの場合でも冷媒通路穴３４の内壁面が凹凸状の歯列面
となる。ここで、第３図における歯列３３としてのねし
山の高さを１−程度とすると、冷媒通路穴３４の冷媒と
の間の伝熱面積は、同じ内径で内壁面が平坦な冷媒通路
穴（従来の冷媒通路穴）と比べて約１．８倍に増加する
。

かかる構成により、第４図で説明したように半導体素子
の発生熱が当接面３１を経て冷却体３５に熱伝達される
と、冷媒通路穴３４の伝熱面よりここに接する液体冷媒
との間で対流による伝熱が生じる。

ここで冷却体３５の壁面が液体冷媒の飽和温度以上であ
れば、冷媒は表面沸騰して壁面上に気泡が発生し、沸騰
伝熱が行われる。一方、冷却体３５からの伝熱で冷媒通
路穴３４内を満たしている冷媒の温度も上昇し、これに
より容器内での上下に液体密度差が生じていわゆる煙突
効果が働き、液体冷媒が冷媒通路穴３４の中を上昇通流
するようになる。

ところで、本発明により、冷媒通路穴３４の内壁面には
前記のように歯列３３が形成されていることから、冷媒
との間の有効伝熱面積が増加し、かつ歯列３３による凹
凸面が気泡発生の核として有効に働いて気泡発生点も大
幅に増える。しかも冷媒通路穴３４の煙突効果により穴
内を上昇する冷媒流に対して歯列３３が撹乱効果を与え
ることから、表面沸騰により生じた気泡は壁面上に停滞
することなく直ちに剥離するように気泡の切れがよくな
り、これらの相乗効果で沸騰伝熱が促進される。

この結果、沸騰冷却系での沸騰冷却効率が向上し、冷却
体３５自体の寸法小形化が可能になる、ないしは冷媒を
フロンから弗化炭素冷媒に替えた場合でも同等な冷却性
能を確保できる。また半導体装置に過負荷が加わった場
合でも、冷却体３５と液体冷媒との間の熱抵抗が低い状
態に維持されるので、それだけ過負荷耐量が高まる。な
おこの点について発明者が行った従来装置との対比実験
結果より、熱抵抗がほぼ半減することが確認されている
。

なお、図示実施例では、−枚の冷却体３５について冷媒
通路穴３４を横一列に穿孔した例を示したが、この冷媒
通路大判を二列、ないしそれ以上の複数列として、各人
に対してその内壁面に歯列を形成することにより、冷却
性能をより一層高めることができる。

（発明の効果〕 本発明の沸騰冷却形半導体装置は、以上説明したように
構成されているので、次記の効果を奏する。

すなわち、半導体素子とと・もに積層してスタック組立
体を構成する冷却体の内部に、半導体素子との当接面に
沿い、かつ穴内壁面を歯列面と成した冷媒通路穴列を穿
孔して構成したことにより、従来の構成と比べて液体冷
媒との間の有効伝熱面積の増大、並びに沸騰伝熱の促進
が図れる。これにより、フロンに比べて熱伝導率の低い
弗化炭素冷媒の使用にも対応可能な小形で沸騰冷却効率
の高い沸騰冷却形半導体装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例によるスタック組立体に組み込ま
れた冷却体の断面図、第２図は第１図の平面図、第３図
は第１図における冷媒通路穴の拡大断面図、第４図は沸
騰冷却形半導体装宜全体の構成回、第５図は従来におけ
る冷却体の斜視図である０図において、 １ニスタック組立体、２：半導体素子、３，３５ｊ冷却
体、３１”：半導体素子の当接面、３２，３４７冷媒通
路穴、３３：歯列、９：液体冷媒、１０：容器、１２：
第２図 第３図３３ 第４図 ？！ 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体素子と平板状の冷却体とを交互に積層して
   なるスタック組立体を液体冷媒に浸漬して容器内に収容
   し、半導体素子の発生熱を冷却体を介して冷媒へ沸騰伝
   熱させ、さらに冷媒蒸気を系外への放熱面上に凝縮伝熱
   させて除熱するようにした沸騰冷却形半導体装置におい
   て、前記冷却体の内部に、半導体素子との当接面に沿い
   、かつ穴内壁面を歯列面と成した冷媒通路穴列を穿孔し
   たことを特徴とする沸騰冷却形半導体装置。