ヒートシンク及びその製造方法
【課題】高い冷却性能を有し、外層を半導体素子に電圧を印加するための電極を兼ねた構成とすることができるヒートシンク及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ヒートシンク１００は、冷媒循環用の流路９ａに設けられる積層体１２を備え、積層体１２は、金属から形成され、内側が流路９ａとなる管体９と、管体９の外側に形成された絶縁層１０と、絶縁層１０の外側に形成され、表面に冷却対象の半導体素子１の電極、例えばエミッタ電極１ｂが接合される接合面である上面１１ａを有する導体１１とを備える。
【解決手段】ヒートシンク１００は、冷媒循環用の流路９ａに設けられる積層体１２を備え、積層体１２は、金属から形成され、内側が流路９ａとなる管体９と、管体９の外側に形成された絶縁層１０と、絶縁層１０の外側に形成され、表面に冷却対象の半導体素子１の電極、例えばエミッタ電極１ｂが接合される接合面である上面１１ａを有する導体１１とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の冷却に用いられるヒートシンク及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子の動作を安定化させるために、様々なヒートシンクが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
特許文献１に開示されたヒートシンクは、銅からなるヒートシンク本体の内部空間に、複数の冷媒通孔を有する銅からなる多孔体を配置したものである。ヒートシンク本体の表面に半導体素子を実装し、冷媒を多孔体の冷媒通孔の一方から他方へ通過させることで、半導体素子からヒートシンク本体を介して多孔体に伝導した熱が冷媒通孔を通る冷媒中に放熱される。冷媒通孔の数が多いほど、多孔体が冷媒と接触する面積が増え、放熱量が増加して放熱効率が向上するとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１６５１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来のヒートシンクによれば、半導体素子をヒートシンク本体に直接接合した場合、半導体素子の電極とヒートシンクを流れる冷媒とが導通しないようにするため、半導体素子としては、半導体素子の接合面と反対側に電極を有するものに限られる。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、高い冷却性能を有し、外層を半導体素子に電圧を印加するための電極を兼ねた構成とすることができるヒートシンク及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一形態は、上記目的を達成するため、以下のヒートシンク及びその製造方法を提供する。
【０００８】
［１］冷媒循環用の流路に設けられる積層体を備え、前記積層体は、金属から形成され、内側が前記流路となる管体と、前記管体の外側に形成された絶縁層と、前記絶縁層の外側に形成され、表面に冷却対象の半導体素子の電極が接合される接合面を有する導体と、を備えたヒートシンク。
【０００９】
上記構成において、半導体素子からの発熱は、導体の接合面に伝達し、さらに絶縁層を介して管体に伝達し、管体の流路を流れる冷媒中に放熱される。また、半導体素子からの発熱は、導体の周囲から管体に伝達しており、半導体素子の電極を導体の接合面にハンダ等を用いて直接接合することで、高い冷却性能が得られる。さらに、導体と管体とは絶縁層によって電気的に絶縁されているため、半導体素子の電極が管体を流れる冷媒と導通されず、安全性が確保される。すなわち、外層である導体を電極を兼ねた構成とすることができる。
【００１０】
［２］前記導体の表面に設けられ、前記半導体素子に前記導体を介して電気的に接続される電極体を、さらに備えた前記［１］に記載のヒートシンク。
【００１１】
［３］前記積層体は、並列して配置された複数の前記積層体である前記［１］又は［２］に記載のヒートシンク。
【００１２】
［４］前記複数の積層体は、対向する一対の前記導体の表面に前記接合面を有する前記［３］に記載のヒートシンク。
【００１３】
［５］前記複数の積層体は、前記導体の同一方向に設けられた表面に複数の前記接合面を有する前記［３］に記載のヒートシンク。
【００１４】
［６］前記積層体は、長手方向に沿って設けられ、互いに電気的に絶縁された複数の前記導体を有する前記［１］乃至［５］のいずれかに記載のヒートシンク。
【００１５】
［７］前記積層体は、前記導体の同一の面上に設けられ、互いに電気的に絶縁された複数の導体領域を有し、前記複数の導体領域がそれぞれ前記接合面を有する前記［１］乃至［５］のいずれかに記載のヒートシンク。
【００１６】
［８］前記管体は、内面溝付管である前記［１］乃至［７］のいずれかに記載のヒートシンク。
【００１７】
［９］前記積層体は、複数の前記流路に沿って形成された複数の前記管体と、前記複数の管体の外側に形成された単一の前記絶縁層と、前記単一の絶縁層の外側に形成された前記導体とを備えた前記［１］乃至［８］に記載のヒートシンク。
【００１８】
［１０］前記積層体は、複数の前記流路を有する単一の前記管体と、前記単一の管体の外側に形成された単一の前記絶縁層と、前記単一の絶縁体の外側に形成された単一の前記導体とを備えた前記［１］乃至［８］のいずれかに記載のヒートシンク。
【００１９】
［１１］金属から形成され内側が流路となる管体と、前記管体の外側に形成された絶縁層と、前記絶縁層の外側に形成された導体とを備えた長尺状の積層体を、引き抜き工程を経て形成し、前記導体の一部を除去し、前記長尺状の前記積層体を切断する工程を含むヒートシンクの製造方法。
【００２０】
上記絶縁層は、酸化マグネシウム等のセラミックから形成されたものでもよい。また、上記導体は、断面矩形状を有し、接合面は平面が好ましい。上記半導体素子は、２００Ｖ以上の高電圧が印加され、または３００Ａ以上の大電流が流れるパワー半導体素子でもよい。
【００２１】
上記ヒートシンクが複数の積層体を有している場合、複数の積層体の管体を金属からなる連結管により直列に接続してもよい。管体と連結管とは、ろう付けあるいはハンダ付けで行うことが好ましい。
【００２２】
上記積層体が複数の流路を有する場合、複数の流路が直列に接続されていてもよく、分岐部と合流部との間に設けられたものでもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、高い冷却性能を有し、外層を半導体素子に電圧を印加するための電極を兼ねた構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の第２の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す平面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２ＡのＡ−Ａ線断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、第２の実施の形態に係るシステムの等価回路図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の第３の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、第３の実施の形態に係るシステムの等価回路図である。
【図４】図４は、本発明の第４の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の第５の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、第５の実施の形態に係るシステムの等価回路図である。
【図６】図６は、本発明の第６の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す平面図である。
【図７】図７は、本発明の第７の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す平面図である。
【図８】図８は、第７の実施の形態における導体の除去工程を模式的に示す工程図である。
【図９】図９は、本発明の第８の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。
【図１０】図１０に、本発明の第９の実施の形態に係るヒートシンクの積層体の断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の第１０の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、第１０の実施の形態に係るシステムの流路系を示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、第１０の実施の形態に係るシステムの他の流路系を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の第１１の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の第１２の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図中、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付してその重複した説明を省略する。
【００２６】
［実施の形態］
本実施の形態に係るヒートシンクは、冷媒循環用の流路に設けられる積層体を備えたヒートシンクにおいて、前記積層体は、金属から形成され、内側が前記流路となる管体と、前記管体の外側に形成された絶縁層と、前記絶縁層の外側に形成され、表面に冷却対象の半導体素子の電極が接合される接合面を有する導体とを備える。
【００２７】
上記構成において、半導体素子からの発熱は、導体の接合面に伝達し、さらに絶縁層を介して管体に伝達し、管体の流路を流れる冷媒中に放熱される。また、半導体素子からの発熱は、導体の周囲から管体に伝達しており、半導体素子の電極を導体の接合面にハンダ等を用いて直接接合することで、高い冷却性能が得られる。さらに、導体と管体とは絶縁層によって電気的に絶縁されているため、半導体素子の電極が管体を流れる冷媒と導通されず、安全性が確保される。すなわち、外層である導体を電極を兼ねた構成とすることができる。
【００２８】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。
【００２９】
このヒートシンク１００は、冷媒循環用の流路９ａに設けられた積層体１２と、積層体１２の表面に電気的に接続された電極体７とを有して構成され、積層体１２の表面に冷却対象の半導体素子１が接合剤としてのハンダ２によって接合される。冷媒としては、例えば冷水が用いられる。なお、半導体素子１と積層体１２との接合には、ハンダ２に限られず、銀ペースト等の導電性接着剤を用いてもよく、超音波溶接、常温接合（真空中で原子レベルで清浄な面同士を圧接する方法）等の接合剤を用いない他の接合方法を用いてもよい。接合剤を用いないことで伝熱性がより向上できる場合がある。
【００３０】
（積層体）
積層体１２は、内側が流路９ａとなる管体９と、管体９の外側に形成された絶縁層１０と、絶縁層１０の外側に形成された導体１１とを備える。管体９、絶縁層１０及び導体１１は、一体成形される。
【００３１】
管体９は、断面矩形状（例えば断面正方形状）を有する。管体９の厚さは、薄い方が伝熱性能は向上する。管体９の厚さは、加工性、取付性等を考慮して決められる。管体９の厚さは、本実施の形態では、例えば１ｍｍ〜７ｍｍである。流路９ａは正方形状を有し、その一辺のサイズは、例えば４ｍｍ〜２０ｍｍである。管体９は、熱伝導性及び電気伝導性の観点から、例えば銅又は銅合金から形成されているが、他の金属でもよい。
【００３２】
絶縁層１０の厚さは、薄い方が伝熱性能は向上するが、半導体素子１に印加される電圧や管体９及び導体１１を流れる電流により決定される。絶縁層１０の厚さは、例えば１ｍｍ〜４ｍｍである。絶縁層１０は、電気絶縁性及び耐熱性の観点から、例えば酸化マグネシウム等のセラミックから形成されているが、他の絶縁材料でもよい。すなわち、絶縁層１０の材料は、酸化マグネシウムに限定されるものではなく、半導体素子１の取付方法（温度条件を含む）などにより、他のセラミックや耐熱性樹脂等を用いてもよい。絶縁層１０の材料としてセラミックを用いることで、半導体素子１のハンダ接合の際に接合部が高温になっても絶縁層１０の劣化や損傷等が生じるおそれが少ない。
【００３３】
導体１１は、上面１１ａ、下面１１ｂ、側面１１ｃ、１１ｄから構成された断面矩形状（例えば断面正方形状）を有する。本実施の形態では、上面１１ａが半導体素子１が接合される接合面を含んでいる。導体１１の厚さは、薄い方が伝熱性能は向上するが、半導体素子１に印加される電圧及び導体１１を流れる電流により決定される。導体１１の厚さは、例えば０．５ｍｍ〜３ｍｍである。また、導体１１の外形の一辺のサイズは、例えば７ｍｍ〜３５ｍｍである。導体１１の接合面となる面のサイズは、冷却対象の半導体素子のサイズ又は電極のサイズに応じて決められる。導体１１の半導体素子１が接合される上面（接合面）１１ａは、半導体素子１が接合し易いように平面となっている。従って、接合面以外の面は湾曲していてもよい。導体１１は、熱伝導性及び電気伝導性の観点から、例えば銅又は銅合金から形成されているが、他の金属でもよい。
【００３４】
（電極体）
電極体７は、例えば断面Ｌ字状を有する。電極体７は、電気伝導性の観点から、例えば銅又は銅合金から形成されているが、他の金属でもよい。電極体７は、導体１１の表面、本実施の形態では側面１１ｃにハンダ付け、ろう付け、超音波溶接等により接合され、半導体素子１に導体１１を介して電気的に接続される。電極体７の取り付け面は、導体１１の側面１１ｃに限られず、下面１１ｂや他の側面１１ｄ、上面１１ａの半導体素子１が接合されている領域以外の領域でもよい。電極体７の形状も断面Ｌ字状に限られず、平坦状でもよく、他の形状でもよい。
【００３５】
（半導体素子）
半導体素子１としては、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、バイポーラモード静電誘導トランジスタ（ＢＳＩＴ：Bipolar-Mode Static Induction Transistor）等の定格電圧２００Ｖ以上、定格電流３００Ａ以上のパワー半導体素子や、レーザダイオード等を冷却対象とすることができるが、これらに限られない。本実施の形態は、例えば定格電圧２００Ｖ、定格電流３００Ａの仕様のＩＧＢＴを用いる。ＩＧＢＴの半導体素子１は、上面にコレクタ電極１ａ、下面にエミッタ電極１ｂ、側面にゲート電極１ｃを備える。半導体素子１のコレクタ電極１ａには、直流電源の正極が金属線（図示省略）を介して接続され、エミッタ電極１ｂには、直流電源の負極が金属線（図示省略）、電極体７、導体１１及びハンダ２を介して接続される。ＩＧＢＴの半導体素子１は、例えば１５ｍｍ×３０ｍｍ程度のサイズを有する。
【００３６】
半導体素子１のコレクタ電極１ａは、配線を介して直流電源の正極に接続される。半導体素子１のエミッタ電極１ｂは、ハンダ２、積層体１２の導体１１、電極体７、配線を介して直流電源の負極に接続される。半導体素子１は、ゲート電極１ｃに制御信号が入力されることで動作する。
【００３７】
（積層体の製造方法）
次に、積層体１２の製造方法の一例について説明する。本実施の形態は、以下のような引き抜き工程を行って製造する。まず、所定の外径と肉厚を有する断面円形の導体、管体、及び酸化マグネシウムの粉末を所定の外形と肉厚の筒体に成型してなる絶縁体を用意し、導体内に絶縁体と管体を同心状に挿入することによって積層体を形成する。
【００３８】
次に、この積層体の管体の中空部にプラグを通した状態で、四角形の各辺の中央部がやや外側にふくらんだ形の孔形を有するダイスに通して引抜き加工を行った後、焼鈍を行う。これにより積層体（中間体）は、四角形の各辺の中央部がやや外側にふくらんだ断面形状を有するものとなる。
【００３９】
次に、この積層体（中間体）を中空部にプラグを通した状態で製品寸法に等しい四角形の孔形を有するダイを通して引抜き加工する。これにより、図１に示すような断面形状を有する積層体１２が得られる。この後、焼鈍することにより例えば６０ｍ以上の長尺の完成品が得られる。その後は、必要な長さに切断する。
【００４０】
なお、上記製造方法の説明では、２回の引抜き加工で成形しているが、引抜き加工と焼鈍の回数を増やしてもよい。また、上記製造方法の説明では、管体の中空部にプラグを通して引抜き加工を行ったが、プラグを入れずに引抜き加工しても差支えなく、プラグを入れないとコイル状に引抜き加工でき、長尺品が得られ易い。
【００４１】
（ヒートシンクの動作）
半導体素子１は動作によって発熱する。半導体素子１からの発熱は、導体１１の接合面である上面１１ａに伝達し、さらに絶縁層１０を介して管体９に伝達し、管体９の流路９ａを流れる冷媒中に放熱される。また、半導体素子１からの発熱は、導体１１の周囲から管体９に伝達しており、半導体素子１のエミッタ電極１ｂを導体１１の接合面である上面１１ａにハンダ２を用いて直接接合することで、高い冷却性能が得られる。さらに、導体１１と管体９とは絶縁層１０によって電気的に絶縁されているため、半導体素子１のエミッタ電極１ｂが管体９を流れる冷媒と導通されず、安全性が確保される。すなわち、導体１１を電極を兼ねた構成とすることができる。冷媒は流路９ａを流れてポンプ、ラジエータ、ファン等から構成された放熱部（図示省略）や冷凍機（図示省略）を通過する際に冷媒が保持する熱は外気に放熱される。
【００４２】
（第１の実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）積層体１２は、引き抜き工程で各層を容易に一体構造とすることが可能であり、かつ６０ｍ以上の長尺に加工することが可能であることから、長尺材を所定の長さに切断するだけで、本ヒートシンクを安価に製造することができる。
（ｂ）管体９と導体１１は、絶縁層１０によって絶縁されているので、高電圧が冷媒である水に印加されるおそれはない。このように、積層体１２をあたかも電極兼ヒートシンクとして用いるだけで、従来構造のように絶縁に気を配り特別な構造を配する必要がなくなる。
【００４３】
［第２の実施の形態］
図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す平面図である。図２Ｂは、図２ＡのＡ−Ａ線断面図である。なお、図２Ａ、図２Ｂでは、半導体素子１Ａのゲート電極１ｃの図示を省略している（以下の図でも同じ）。
【００４４】
本実施の形態は、一対の積層体１２Ａ、１２Ｂを並列して配置し、２つの半導体素子１Ａ、１Ｂを一対の積層体１２Ａ、１２Ｂ間に配置したものである。本実施の形態の場合、積層体１２Ａの導体１１の側面１１ｄが接合面に相当し、積層体１２Ｂの導体１１の側面１１ｃが接合面に相当する。
【００４５】
本実施の形態のヒートシンクは、並列して配置された一対の積層体１２Ａ、１２Ｂと、一対の積層体１２Ａ、１２Ｂの一方の端部にそれぞれ接続された一対の配管材１３Ａ、１３Ｂと、一対の積層体１２Ａ、１２Ｂの他方の端部間に両端部が接続された円弧状の配管材１３Ｃと、一対の積層体１２Ａ、１２Ｂの導体１１に接続された一対の電極体７Ａ、７Ｂとを備えて構成されている。積層体１２Ａ、１２Ｂ、配管材１３Ａ、１３Ｂの一部、配管材１３Ｃ、及び一対の電極体７Ａ、７Ｂは、ケース６に収容されている。
【００４６】
ケース６は、例えば樹脂等の絶縁性材料から形成されている。ケース６は、例えば上部ケースと下部ケースに分離できる構成とし、積層体１２Ａ、１２Ｂ、配管材１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、電極体７Ａ、７Ｂを下部ケースに収容した後、上部ケースを下部ケースに取り付けてもよい。
【００４７】
半導体素子１Ａは、例えばＩＧＢＴであり、上面にコレクタ電極１ａ、下面にエミッタ電極１ｂ、側面にゲート電極（図示省略）を備える。
半導体素子１Ｂは、例えばフリーホイールダイオード（ＦＷＤ：Free Wheel Diode）であり、上面にカソード電極１ｄ、下面にアノード電極１ｅを備える。ＩＧＢＴである半導体素子１Ａのコレクタ電極１ａは、ハンダ２によって積層体１２Ａの導体１１に接続され、半導体素子１Ａのエミッタ電極１ｂは、ハンダ２によって積層体１２Ｂの導体１１に接続される。ＦＷＤである半導体素子１Ｂのカソード電極１ｄは、ハンダ２によって積層体１２Ａの導体１１に接続され、半導体素子１Ｂのアノード電極１ｅは、ハンダ２によって積層体１２Ｂの導体１１に接続される。
【００４８】
積層体１２Ａ、１２Ｂの一方の端面に露出する管体９には、配管材１３Ａ、１３Ｂが接続され、積層体１２Ａ、１２Ｂの他方の端面に露出する管体９には、配管材１３Ｃが接続される。これにより、配管材１３Ａ、積層体１２Ａ、配管材１３Ｃ、積層体１２Ｂ及び配管材１３Ｂを冷媒が循環する。なお、実際には、信号線や位置決め機構等が配されてシステムが構成されているが、ヒートシンクに着目しているため、図示を省略している（以後の図も同様）。
【００４９】
配管材１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは、管体９の流路９ａと同じ大きさの断面矩形状の流路９ａを有する。配管材１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは、例えば銅又は銅合金から形成されている。配管材１３は、銀ろう等のろう材で管体９に接続される。銀ろうによる接続により、水漏れへの信頼性が向上する。
【００５０】
図２Ｃは、第２の実施の形態に係るシステムの等価回路図である。図２Ｃに示すように、ＩＧＢＴである半導体素子１Ａのコレクタ電極１ａ、及びＦＷＤである半導体素子１Ｂのカソード電極１ｄは、ハンダ２、積層体１２Ａの導体１１、電極体７Ａ及び配線１８ａを介して直流電源２０の正極に接続される。ＩＧＢＴである半導体素子１Ａのエミッタ電極１ｂ、及びＦＷＤである半導体素子１Ｂのカソード電極１ｄは、ハンダ２、積層体１２Ｂの導体１１、電極体７Ｂ及び配線１８ｂを介して直流電源２０の負極に接続される。半導体素子１Ａは、ゲート電極（図示省略）に制御信号が入力されることで動作する。
【００５１】
（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）半導体素子１のハンダ接合時の温度よりも高い融点のろう材を用いて予め配管材１３を接合しておけば、半導体素子１をハンダ付けする際にも配管材１３の接合が取れることなく、安定して製造できる。
（ｂ）さらに、配管材１３と半導体素子１を同一のハンダ材で接合すれば、一度にまとめて接合することができ、さらに安価に製造することができる。
（ｃ）また、ハンダ接合部は、半導体素子１が導体１１と接合する部分だけにすることができ、従来技術に比べてハンダクラックに対する信頼性が向上する。
（ｄ）放熱経路に伝熱グリースを用いる必要がないので、冷却性能が向上するとともに、組立て安定性が向上する。
（ｅ）従来構造にくらべ、放熱経路も単純・短経路化することが可能で、性能向上が可能となる。
【００５２】
［第３の実施の形態］
図３Ａは、本発明の第３の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。
【００５３】
第２の実施の形態では、一対の積層体１２Ａ、１２Ｂの間に半導体素子１Ａ、１Ｂを配置したが、本実施の形態は、一方の積層体１２Ａの上面１１ａに半導体素子１Ａを配置し、他方の積層体１２Ｂの上面１１ａに半導体素子１Ｂを配置したものである。すなわち、第２の実施の形態では、半導体素子１Ａ、１Ｂの上下両面に放熱経路を有していたが、本実施の形態では、半導体素子１Ｄ１、１Ｄ２の下面に放熱経路を有する。なお、図３Ａ中、１８ｃはボンディングワイヤである。
【００５４】
図３Ｂは、第３の実施の形態に係るシステムの等価回路図である。図３Ｂに示すように、半導体素子１Ｄ１、１Ｄ２は、例えばＩＧＢＴとＦＷＤとが１チップ化されたものであり、半導体素子１Ｄ１のコレクタ電極１ａは、ハンダ２、積層体１２Ａの導体１１、電極体７Ａ及び配線１８ａを介して直流電源２０の正極に接続される。また、半導体素子１Ｄ１のエミッタ電極１ｂは、ボンディングワイヤ１８ｃを介して半導体素子１Ｄ２のコレクタ電極１ａに接続される。半導体素子１Ｄ２のエミッタ電極１ｂは、ハンダ２、積層体１２Ｂの導体１１、電極体７Ｂ及び配線１８ｂを介して直流電源２０の負極に接続される。すなわち、半導体素子１Ｄ１、１Ｄ２は直列接続される。
【００５５】
第３の実施の形態は、第１の実施の形態と比較すると、冷却性能で不利であるが、積層体１２を冷却用途及び電圧印加用途として用いることは、第２の実施の形態と同様であり、効果についても、第２の実施の形態と同等の効果を得ることが可能となる。
【００５６】
［第４の実施の形態］
図４は、本発明の第４の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。第３の実施の形態では、一対の積層体１２Ａ、１２Ｂの上面にそれぞれ半導体素子１Ａ、１Ｂを配置したが、本実施の形態は、一対の積層体１２Ａ、１２Ｂに跨るように半導体素子１Ｃを配置したものである。
【００５７】
本実施の形態の半導体素子１Ｃは、下面にコレクタ電極１ａ及びエミッタ電極１ｂを有する。
【００５８】
図２に示すように半導体素子１Ａ、１Ｂの両面に電極１ａ、１ｂ、１ｄ、１ｅを有する場合や、本実施の形態のように半導体素子１Ｃの下面に電極１ａ、１ｂを有する場合のように、半導体素子の電極位置に応じて半導体素子の片面又は上下両面を冷却として用いることができる。
【００５９】
なお、外層である導体１１と管体９が絶縁されていることを生かし、電極位置によらず、半導体素子１の任意の面に積層体１２を配して、冷却を効率的に行ってもよい。例えば、積層体１２が電圧印加を兼ねていないものがあってもよい。
【００６０】
［第５の実施の形態］
図５Ａは、本発明の第５の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。本実施の形態は、３つの積層体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを並列に配置し、積層体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの間に２つの半導体素子１Ａ、１Ｂを配置したものである。
【００６１】
本実施の形態は、図５Ａにおいて、左に位置する積層体１２Ａと中央に位置する積層体１２Ｂとの間にＩＧＢＴである半導体素子１Ａを配置し、中央に位置する積層体１２Ｂと右に位置する積層体１２Ｃとの間にＦＷＤである半導体素子１Ｂを配置している。
【００６２】
ＩＧＢＴである半導体素子１Ａのコレクタ電極１ａは、ハンダ２によって左に位置する積層体１２Ａの導体１１に接続され、半導体素子１Ａのエミッタ電極１ｂは、ハンダ２によって中央に位置する積層体１２Ｂの導体１１に接続される。
【００６３】
ＦＷＤである半導体素子１Ｂのアノード電極１ｅは、ハンダ２によって中央に位置する積層体１２Ｂの導体１１に接続され、半導体素子１Ｂのカソード電極１ｄは、ハンダ２によって右に位置する積層体１２Ｃの導体１１に接続される。
【００６４】
図５Ｂは、第５の実施の形態に係るシステムの等価回路図である。ＩＧＢＴである半導体素子１Ａのコレクタ電極１ａは、ハンダ２、積層体１２Ａの導体１１、電極体７Ａ及び配線１８ａを介して直流電源２０の正極に接続される。半導体素子１Ａのエミッタ電極１ｂは、ハンダ２、積層体１２Ｂの導体１１、電極体７Ｂ及び配線１８ｂを介して直流電源２０の負極に接続される。
【００６５】
ＦＷＤである半導体素子１Ｂのカソード電極１ｄは、ハンダ２、積層体１２Ｃの導体１１、電極体７Ｃ及び配線１８ａを介して直流電源２０の正極に接続される。半導体素子１Ｂのアノード電極１ｅは、ハンダ２、積層体１２Ｂの導体１１、電極体７Ｂ及び配線１８ｂを介して直流電源２０の負極に接続される。
【００６６】
（第５の実施の形態の効果）
第５の実施の形態によれば、半導体素子の回路を形成する上で、素子同士の電極が導通する回路の場合には、中央の積層体１２Ｂが２つの半導体素子１Ａ、１Ｂの電極を兼ねることができる。
【００６７】
なお、本実施の形態では、２つの半導体素子１を用いた場合について説明したが、本実施の形態は、３つ以上の半導体素子１を用いる場合にも適用することができる。
【００６８】
［第６の実施の形態］
図６は、本発明の第６の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す平面図である。なお、図６では、電極体、ケース及び配管材の図示を省略している。本実施の形態は、並列して配置された一対の積層体を２組長手方向に連結したものである。
【００６９】
本実施の形態は、図２Ａに示したように、並列して配置された一対の積層体１２Ａ、１２Ｂを２組、連結体１４によって長手方向に連結したものである。一対の積層体１２Ａ、１２Ｂ間には、第２の実施の形態と同様に、２つの半導体素子１Ａ、１Ｂが配置されている。積層体１２と半導体素子１とは、いままでの実施の形態と同様に、ハンダ２によって接合されている。
【００７０】
連結体１４は、管体９の流路９ａの内径よりも大きい外径を有する大径部１４ａと、大径部１４ａの両端に設けられ、管体９の流路９ａの内径よりもやや小さい外径を有する小径部１４ｂとを備え、軸方向に沿って断面矩形状の流路１４ｃが形成されている。小径部１４ｂを管体９の流路９ａに挿入し、銀ろう等を用いたろう付けで連結体１４を積層体１２Ａに連結する。
【００７１】
第６の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）１組の半導体素子１Ａ、１Ｂと他の組の半導体素子１Ａ、１Ｂとを電気的に絶縁した場合に用いることができる。
（ｂ）連結体１４を半導体素子１のハンダ接合時の温度よりも高い融点のろう材を用いて予め接合しておけば、半導体素子１をハンダ付けする際に連結体１４の接合が取れることなく、安定して製造することができる。
（ｃ）連結体１４と半導体素子１を同一のハンダ材で接合すれば、一度にまとめて接合することができ、さらに安価に製造することができる。
【００７２】
［第７の実施の形態］
図７は、本発明の第７の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す平面図である。なお、図７では、ケース及び配管材の図示を省略している。本実施の形態は、並列して配置された一対の積層体１２Ａ、１２Ｂの導体１１を所定の位置で部分的に除去し、一対の積層体１２Ａ、１２Ｂの残存する導体１１間に複数の半導体素子１を配置し、複数の半導体素子１を直列接続したものである。
【００７３】
本実施の形態は、各積層体１２Ａ、１２Ｂは、長手方向に沿って設けられ、互いに電気的に絶縁された複数の導体１１を有する。すなわち、積層体１２Ａは、互いに電気的に絶縁された複数の導体１１Ｂ、１１Ｄを有する。積層体１２Ｂは、互いに電気的に絶縁された複数の導体１１Ａ、１１Ｃ、１１Ｅを有する。両積層体１２Ａ、１２Ｂは、並列して配置し、両積層体１２Ａ、１２Ｂ間に複数の半導体素子１Ｄ（１Ｄ１〜１Ｄ４）を配置したものである。
【００７４】
半導体素子１Ｄ１〜１Ｄ４は、例えばＩＧＢＴとＦＷＤとが１チップ化されたものを用いる。
【００７５】
半導体素子１Ｄ１は、コレクタ電極１ａが積層体１２Ｂの導体１１Ａにハンダ２によって接続され、エミッタ電極１ｂが積層体１２Ａの導体１１Ｂにハンダ２によって接続される。
【００７６】
半導体素子１Ｄ２は、コレクタ電極１ａが積層体１２Ａの導体１１Ｂにハンダ２によって接続され、エミッタ電極１ｂが積層体１２Ｂの導体１１Ｃにハンダ２によって接続される。
【００７７】
半導体素子１Ｄ３は、コレクタ電極１ａが積層体１２Ｂの導体１１Ｃにハンダ２によって接続され、エミッタ電極１ｂが積層体１２Ａの導体１１Ｄにハンダ２によって接続される。
【００７８】
半導体素子１Ｄ４は、コレクタ電極１ａが積層体１２Ａの導体１１Ｄにハンダ２によって接続され、エミッタ電極１ｂが積層体１２Ｂの導体１１Ｅにハンダ２によって接続される。
【００７９】
以上のように半導体素子１Ｄ１〜１Ｄ４を接続することにより、半導体素子１Ｄ１〜１Ｄ４が直列接続される。また、半導体素子１Ｄ１のコレクタ電極１ａがハンダ２、積層体１２Ｂの導体１１Ａ、電極体７Ａ及び配線を介して直流電源の正極に接続され、半導体素子１Ｄ４のエミッタ電極１ｂがハンダ２、積層体１２Ｂの導体１１Ｅ、電極体７Ｂ及び配線を介して直流電源の負極に接続される。
【００８０】
図８は、導体の除去工程を模式的に示す工程図である。第１の実施の形態で説明したような引抜き加工を行って６０ｍ以上の長尺状の積層体（長尺材）を形成する（Ｓ１）。この場合、長尺材は、コイル状の形態でも棒状の形態でもよい。
【００８１】
次に、長尺状の積層体を整直機により整直する（Ｓ２）。次に、導体１１を機械加工機により部分的に除去する（Ｓ３）。次に、積層体を切断機により必要な長さに切断する（Ｓ４）。
【００８２】
上記ステップＳ２、Ｓ３、Ｓ４は、引抜き加工機、整直機、機械加工機、切断機を並べて配し、引抜き加工機、整直機、機械加工機、切断機間に被加工材の送り機構を設けることで、被加工材を連続して加工することができ、ヒートシンクを安価に製造することができる。なお、マシニングセンタを機械加工及び切断を行う工程に用いてもよい。
【００８３】
（第７の実施の形態の効果）
第７の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）所定の位置で部分的に積層体１２の外層導体部分を除去することで、任意の位置に電気絶縁部を設けることが可能となり、半導体素子１と部分除去された積層体１２の組合せで電気回路を組むことが可能となる。
（ｂ）積層体１２は引き抜き加工で長尺とすることが可能であることから、予め全長に応じた積層体を準備しておき、所定の位置を除去することで、本構造を実現できることから、安価に製造することが可能となる。
【００８４】
なお、本実施の形態では、外層の導体と併せて絶縁層も除去しているが、絶縁層を残して、導体だけ除去してもよい。
【００８５】
［第８の実施の形態］
図９は、本発明の第８の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。本実施の形態は、図２に示す第２の実施の形態の変形例である。
【００８６】
本実施の形態は、積層体１２Ａ、１２Ｂの導体１１の半導体素子１Ａ、１Ｂが配置される面に長手方向に沿って一対の突起１５を設けたものである。一対の突起１５の間隔は、半導体素子１Ａ、１Ｂの幅に対応している。突起１５は切削加工等の機械加工で形成してもよいが、積層体の引き抜き加工の際に突起１５を形成してもよい。引き抜き工程で突起１５を形成するには、引抜ダイスの断面形状を突起付きの形状とする。また、引き抜き工程で突起１５を形成する場合、半導体素子１Ａと半導体素子１Ｂの幅を同一とする必要がある。
【００８７】
（第８の実施の形態）
第８の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）積層体１２と半導体素子１をハンダ接合する際、突起１５で半導体素子１を位置決めすることができるため、半導体素子１を所定の位置に容易に固定することができる。
（ｂ）突起１５を有する積層体１２は、引き抜き加工により長尺に加工することができるので、突起を形成するための工程を増やすことなく、突起１５を有する積層体１２を安価に得ることができる。
【００８８】
なお、突起の形状は、図９のものに限られず、引き抜きダイスの断面形状を任意に設定することで任意の形状に加工することができる。
【００８９】
［第９の実施の形態］
図１０に、本発明の第９の実施の形態に係るヒートシンクの積層体の断面図である。同図は、積層体１２のみを示しているが、これまでの実施の形態と同様、積層体１２には、半導体素子が接合され、積層体１２は、電極兼ヒートシンクして使用される。
【００９０】
本実施の形態の積層体１２は、管体１６の内面に溝１６ａが形成されている。溝１６ａは例えば螺旋状を有する。積層体の引き抜き工程で溝１６ａを形成することができる。
【００９１】
第９の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）管体として内面溝付管１６を用いることで、流路内の冷媒への熱伝達率が向上して冷却性能が向上する。
（ｂ）内面溝付管は、エアコン用熱交換器等に広く使用されていることから、大きなコストアップすることなしに適用することができる。
（ｃ）積層体１２の引き抜き工程について工程を増やすことはなく、同工程で製造可能となることから、コストアップにはならない。
【００９２】
［第１０の実施の形態］
図１１Ａは、本発明の第１０の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。同図は、積層体１２のみを示しているが、これまでの実施の形態と同様、積層体１２には、半導体素子が接合され、積層体１２は、電極兼ヒートシンクして使用される。
【００９３】
本実施の形態は、積層体１２が複数（本実施の形態では４つ）の流路９ａを有する複数（本実施の形態では４つ）の管体９と、複数の管体９の外側に形成された単一の絶縁層１０と、単一の絶縁層１０の外側に形成された導体１１とを備える。
【００９４】
本実施の形態は、例えば、積層体１２を引き抜き工程において、複数の管体９を絶縁体の内側に予め挿入しておくことで、本構造の積層体１２を製造する。
【００９５】
図１１Ｂは、第１０の実施の形態に係るシステムの流路系を示す図である。同図は、積層体１２内の４つの流路９ａを円弧状の配管材９ｂで接続した直流系によって構成した場合を示す。積層体１２の流路９ａはポンプ２１から圧送された冷媒は、積層体１２内の流路９ａ、配管１９を通る。冷媒が保持する熱は、アルミ製ラジエータ等の放熱器２２で放熱される。放熱器２２には冷却ファン２３が設けられている。
【００９６】
図１１Ｃは、第１０の実施の形態に係るシステムの他の流路系を示す図である。同図は、積層体１２内の４つの流路９ａを平行流として構成した場合を示す。ポンプ２１から圧送された冷媒は、分岐部１９ａで分岐されて積層体１２内の流路９ａを通り、合流部１９ｂ、配管１９を通る。冷媒が保持する熱は、放熱器２２で放熱される。
【００９７】
（第１０の実施の形態の効果）
第１０の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）本構造とすることで、広幅の積層体１２を容易に得ることができると共に、断面オーバル状の管体に比べ、内面積を増大させることができ、冷却性能が向上する。
（ｂ）また、管体９への配管構造により、直列流、平行流等を任意に設定することが可能となり、ポンプの能力や全体の圧力損実に応じて、最適な流路を設定することが可能となり、冷却性能の向上を図ることができる。
【００９８】
［第１１の実施の形態］
図１２は、本発明の第１１の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。同図は、積層体１２のみを示しているが、これまでの実施の形態と同様、積層体１２には、半導体素子が接合され、積層体１２は、電極兼ヒートシンクして使用される。
【００９９】
本実施の形態は、図１１Ａに示す複数の管体９を単一の管体９としたものである。すなわち、本実施の形態は、積層体が、複数（本実施の形態は５つ）の流路１７ａを有する単一の管体１７と、単一の管体１７の外側に形成された単一の絶縁層１０と、単一の絶縁層１０の外側に形成された単一の導体１１とを備える。
【０１００】
本実施の形態は、例えば、積層体１２を引き抜き工程で製造する際に、管体１７を予め挿入しておくことで、容易に本構造を得ることができる。
【０１０１】
第１１の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）本構造とすることで、広幅の積層体１２を容易に得ることができると共に、流路内面積を増大させることができ、冷却性能向上が図れる。
（ｂ）アルミ製ラジエータ等の熱交換器等で多孔管は広く用いられていることから、大きなコストアップをしないで本構造を得ることができる。
【０１０２】
［第１２の実施の形態］
図１３は、本発明の第１２の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す斜視図である。同図は、電極体及びケースの図示を省略している。本実施の形態は、図１２に示す第１１の実施の形態において、積層体１２の上面に複数の半導体素子を配置したものである。
【０１０３】
本実施の形態は、積層体１２が、複数（本実施の形態は５つ）の流路９ａを有する単一の管体９と、単一の管体９の外側に形成された単一の絶縁層１０と、単一の絶縁層１０の外側に形成された単一の導体１１とを備え、導体１１の上面１１ａに複数の半導体素子１を配置したものである。前記積層体は、前記導体の同一の面に設けられ。互いに電気的に絶縁された複数の導体領域を有し、前記複数の導体領域がそれぞれ前記接合面を有する
【０１０４】
導体１１は、半導体素子１の配置に応じて同一の上面１１ａに設けられ、上面１１ａの一部が除去されて互いに電気的に絶縁された複数の導体領域１１ｅが形成されている。導体１１の部分な除去は、切削等の機械加工や、エッチング等の化学処理で行うことができる。導体１１を除去する場合は、前述の図８に示す工程で行うことができる。
【０１０５】
第１２の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）パターン除去された導体１１には、半導体素子１がハンダ２により接合されている。このようにすることで、積層体１２をあたかも配線基板のように用いることができ、半導体素子１の冷却も効率的に行うことが可能となる。
（ｂ）導体１１が部分的に除去されているが、半導体素子１からの発熱が絶縁層１０を介して管体９に伝達し、管体９の流路９ａを流れる冷媒に伝達する。
【０１０６】
なお、本実施の形態では、半導体素子１の下面にだけ積層体１２が接続されているが、同様にパターン除去された積層体１２を半導体素子の上面に接続してもよい。これにより、上下両面から放熱されることで冷却性能が向上すると共に、導体１１で形成される電気回路をより複雑なものにすることが可能になり、汎用性が向上する。
【０１０７】
本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々な変形実施が可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１、１Ａ−１Ｄ、１Ｄ１−１Ｄ４…半導体素子、１ａ…コレクタ電極、１ｂ…エミッタ電極、１ｃ…ゲート電極、１ｄ…カソード電極、１ｅ…アノード電極、２…ハンダ、６…ケース、７、７Ａ−７Ｃ…電極体、９…管体、９ａ…流路、９ｂ…配管材、１０…絶縁層、１１、１１Ａ−１１Ｅ…導体、１１ａ…上面、１１ｂ…下面、１１ｃ、１１ｄ…側面、１１ｅ…導体領域、１２、１２Ａ−１２Ｃ…積層体、１３、１３Ａ−１３Ｃ…配管材、１４…連結体、１４ａ…大径部、１４ｂ…小径部、１４ｃ…流路、１５…突起、１６…管体、１６ａ…溝、１７…管体、１７ａ…流路、１８ａ、１８ｂ…配線、１８ｃ…ボンディングワイヤ、１９…配管、１９ａ…分岐部、１９ｂ…合流部、２０…直流電源、２１…ポンプ、２２…放熱器、２３…冷却ファン、１００…ヒートシンク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の冷却に用いられるヒートシンク及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子の動作を安定化させるために、様々なヒートシンクが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
特許文献１に開示されたヒートシンクは、銅からなるヒートシンク本体の内部空間に、複数の冷媒通孔を有する銅からなる多孔体を配置したものである。ヒートシンク本体の表面に半導体素子を実装し、冷媒を多孔体の冷媒通孔の一方から他方へ通過させることで、半導体素子からヒートシンク本体を介して多孔体に伝導した熱が冷媒通孔を通る冷媒中に放熱される。冷媒通孔の数が多いほど、多孔体が冷媒と接触する面積が増え、放熱量が増加して放熱効率が向上するとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１６５１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来のヒートシンクによれば、半導体素子をヒートシンク本体に直接接合した場合、半導体素子の電極とヒートシンクを流れる冷媒とが導通しないようにするため、半導体素子としては、半導体素子の接合面と反対側に電極を有するものに限られる。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、高い冷却性能を有し、外層を半導体素子に電圧を印加するための電極を兼ねた構成とすることができるヒートシンク及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一形態は、上記目的を達成するため、以下のヒートシンク及びその製造方法を提供する。
【０００８】
［１］冷媒循環用の流路に設けられる積層体を備え、前記積層体は、金属から形成され、内側が前記流路となる管体と、前記管体の外側に形成された絶縁層と、前記絶縁層の外側に形成され、表面に冷却対象の半導体素子の電極が接合される接合面を有する導体と、を備えたヒートシンク。
【０００９】
上記構成において、半導体素子からの発熱は、導体の接合面に伝達し、さらに絶縁層を介して管体に伝達し、管体の流路を流れる冷媒中に放熱される。また、半導体素子からの発熱は、導体の周囲から管体に伝達しており、半導体素子の電極を導体の接合面にハンダ等を用いて直接接合することで、高い冷却性能が得られる。さらに、導体と管体とは絶縁層によって電気的に絶縁されているため、半導体素子の電極が管体を流れる冷媒と導通されず、安全性が確保される。すなわち、外層である導体を電極を兼ねた構成とすることができる。
【００１０】
［２］前記導体の表面に設けられ、前記半導体素子に前記導体を介して電気的に接続される電極体を、さらに備えた前記［１］に記載のヒートシンク。
【００１１】
［３］前記積層体は、並列して配置された複数の前記積層体である前記［１］又は［２］に記載のヒートシンク。
【００１２】
［４］前記複数の積層体は、対向する一対の前記導体の表面に前記接合面を有する前記［３］に記載のヒートシンク。
【００１３】
［５］前記複数の積層体は、前記導体の同一方向に設けられた表面に複数の前記接合面を有する前記［３］に記載のヒートシンク。
【００１４】
［６］前記積層体は、長手方向に沿って設けられ、互いに電気的に絶縁された複数の前記導体を有する前記［１］乃至［５］のいずれかに記載のヒートシンク。
【００１５】
［７］前記積層体は、前記導体の同一の面上に設けられ、互いに電気的に絶縁された複数の導体領域を有し、前記複数の導体領域がそれぞれ前記接合面を有する前記［１］乃至［５］のいずれかに記載のヒートシンク。
【００１６】
［８］前記管体は、内面溝付管である前記［１］乃至［７］のいずれかに記載のヒートシンク。
【００１７】
［９］前記積層体は、複数の前記流路に沿って形成された複数の前記管体と、前記複数の管体の外側に形成された単一の前記絶縁層と、前記単一の絶縁層の外側に形成された前記導体とを備えた前記［１］乃至［８］に記載のヒートシンク。
【００１８】
［１０］前記積層体は、複数の前記流路を有する単一の前記管体と、前記単一の管体の外側に形成された単一の前記絶縁層と、前記単一の絶縁体の外側に形成された単一の前記導体とを備えた前記［１］乃至［８］のいずれかに記載のヒートシンク。
【００１９】
［１１］金属から形成され内側が流路となる管体と、前記管体の外側に形成された絶縁層と、前記絶縁層の外側に形成された導体とを備えた長尺状の積層体を、引き抜き工程を経て形成し、前記導体の一部を除去し、前記長尺状の前記積層体を切断する工程を含むヒートシンクの製造方法。
【００２０】
上記絶縁層は、酸化マグネシウム等のセラミックから形成されたものでもよい。また、上記導体は、断面矩形状を有し、接合面は平面が好ましい。上記半導体素子は、２００Ｖ以上の高電圧が印加され、または３００Ａ以上の大電流が流れるパワー半導体素子でもよい。
【００２１】
上記ヒートシンクが複数の積層体を有している場合、複数の積層体の管体を金属からなる連結管により直列に接続してもよい。管体と連結管とは、ろう付けあるいはハンダ付けで行うことが好ましい。
【００２２】
上記積層体が複数の流路を有する場合、複数の流路が直列に接続されていてもよく、分岐部と合流部との間に設けられたものでもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、高い冷却性能を有し、外層を半導体素子に電圧を印加するための電極を兼ねた構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の第２の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す平面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２ＡのＡ−Ａ線断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、第２の実施の形態に係るシステムの等価回路図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の第３の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、第３の実施の形態に係るシステムの等価回路図である。
【図４】図４は、本発明の第４の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の第５の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、第５の実施の形態に係るシステムの等価回路図である。
【図６】図６は、本発明の第６の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す平面図である。
【図７】図７は、本発明の第７の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す平面図である。
【図８】図８は、第７の実施の形態における導体の除去工程を模式的に示す工程図である。
【図９】図９は、本発明の第８の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。
【図１０】図１０に、本発明の第９の実施の形態に係るヒートシンクの積層体の断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の第１０の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、第１０の実施の形態に係るシステムの流路系を示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、第１０の実施の形態に係るシステムの他の流路系を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の第１１の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の第１２の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図中、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付してその重複した説明を省略する。
【００２６】
［実施の形態］
本実施の形態に係るヒートシンクは、冷媒循環用の流路に設けられる積層体を備えたヒートシンクにおいて、前記積層体は、金属から形成され、内側が前記流路となる管体と、前記管体の外側に形成された絶縁層と、前記絶縁層の外側に形成され、表面に冷却対象の半導体素子の電極が接合される接合面を有する導体とを備える。
【００２７】
上記構成において、半導体素子からの発熱は、導体の接合面に伝達し、さらに絶縁層を介して管体に伝達し、管体の流路を流れる冷媒中に放熱される。また、半導体素子からの発熱は、導体の周囲から管体に伝達しており、半導体素子の電極を導体の接合面にハンダ等を用いて直接接合することで、高い冷却性能が得られる。さらに、導体と管体とは絶縁層によって電気的に絶縁されているため、半導体素子の電極が管体を流れる冷媒と導通されず、安全性が確保される。すなわち、外層である導体を電極を兼ねた構成とすることができる。
【００２８】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。
【００２９】
このヒートシンク１００は、冷媒循環用の流路９ａに設けられた積層体１２と、積層体１２の表面に電気的に接続された電極体７とを有して構成され、積層体１２の表面に冷却対象の半導体素子１が接合剤としてのハンダ２によって接合される。冷媒としては、例えば冷水が用いられる。なお、半導体素子１と積層体１２との接合には、ハンダ２に限られず、銀ペースト等の導電性接着剤を用いてもよく、超音波溶接、常温接合（真空中で原子レベルで清浄な面同士を圧接する方法）等の接合剤を用いない他の接合方法を用いてもよい。接合剤を用いないことで伝熱性がより向上できる場合がある。
【００３０】
（積層体）
積層体１２は、内側が流路９ａとなる管体９と、管体９の外側に形成された絶縁層１０と、絶縁層１０の外側に形成された導体１１とを備える。管体９、絶縁層１０及び導体１１は、一体成形される。
【００３１】
管体９は、断面矩形状（例えば断面正方形状）を有する。管体９の厚さは、薄い方が伝熱性能は向上する。管体９の厚さは、加工性、取付性等を考慮して決められる。管体９の厚さは、本実施の形態では、例えば１ｍｍ〜７ｍｍである。流路９ａは正方形状を有し、その一辺のサイズは、例えば４ｍｍ〜２０ｍｍである。管体９は、熱伝導性及び電気伝導性の観点から、例えば銅又は銅合金から形成されているが、他の金属でもよい。
【００３２】
絶縁層１０の厚さは、薄い方が伝熱性能は向上するが、半導体素子１に印加される電圧や管体９及び導体１１を流れる電流により決定される。絶縁層１０の厚さは、例えば１ｍｍ〜４ｍｍである。絶縁層１０は、電気絶縁性及び耐熱性の観点から、例えば酸化マグネシウム等のセラミックから形成されているが、他の絶縁材料でもよい。すなわち、絶縁層１０の材料は、酸化マグネシウムに限定されるものではなく、半導体素子１の取付方法（温度条件を含む）などにより、他のセラミックや耐熱性樹脂等を用いてもよい。絶縁層１０の材料としてセラミックを用いることで、半導体素子１のハンダ接合の際に接合部が高温になっても絶縁層１０の劣化や損傷等が生じるおそれが少ない。
【００３３】
導体１１は、上面１１ａ、下面１１ｂ、側面１１ｃ、１１ｄから構成された断面矩形状（例えば断面正方形状）を有する。本実施の形態では、上面１１ａが半導体素子１が接合される接合面を含んでいる。導体１１の厚さは、薄い方が伝熱性能は向上するが、半導体素子１に印加される電圧及び導体１１を流れる電流により決定される。導体１１の厚さは、例えば０．５ｍｍ〜３ｍｍである。また、導体１１の外形の一辺のサイズは、例えば７ｍｍ〜３５ｍｍである。導体１１の接合面となる面のサイズは、冷却対象の半導体素子のサイズ又は電極のサイズに応じて決められる。導体１１の半導体素子１が接合される上面（接合面）１１ａは、半導体素子１が接合し易いように平面となっている。従って、接合面以外の面は湾曲していてもよい。導体１１は、熱伝導性及び電気伝導性の観点から、例えば銅又は銅合金から形成されているが、他の金属でもよい。
【００３４】
（電極体）
電極体７は、例えば断面Ｌ字状を有する。電極体７は、電気伝導性の観点から、例えば銅又は銅合金から形成されているが、他の金属でもよい。電極体７は、導体１１の表面、本実施の形態では側面１１ｃにハンダ付け、ろう付け、超音波溶接等により接合され、半導体素子１に導体１１を介して電気的に接続される。電極体７の取り付け面は、導体１１の側面１１ｃに限られず、下面１１ｂや他の側面１１ｄ、上面１１ａの半導体素子１が接合されている領域以外の領域でもよい。電極体７の形状も断面Ｌ字状に限られず、平坦状でもよく、他の形状でもよい。
【００３５】
（半導体素子）
半導体素子１としては、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、バイポーラモード静電誘導トランジスタ（ＢＳＩＴ：Bipolar-Mode Static Induction Transistor）等の定格電圧２００Ｖ以上、定格電流３００Ａ以上のパワー半導体素子や、レーザダイオード等を冷却対象とすることができるが、これらに限られない。本実施の形態は、例えば定格電圧２００Ｖ、定格電流３００Ａの仕様のＩＧＢＴを用いる。ＩＧＢＴの半導体素子１は、上面にコレクタ電極１ａ、下面にエミッタ電極１ｂ、側面にゲート電極１ｃを備える。半導体素子１のコレクタ電極１ａには、直流電源の正極が金属線（図示省略）を介して接続され、エミッタ電極１ｂには、直流電源の負極が金属線（図示省略）、電極体７、導体１１及びハンダ２を介して接続される。ＩＧＢＴの半導体素子１は、例えば１５ｍｍ×３０ｍｍ程度のサイズを有する。
【００３６】
半導体素子１のコレクタ電極１ａは、配線を介して直流電源の正極に接続される。半導体素子１のエミッタ電極１ｂは、ハンダ２、積層体１２の導体１１、電極体７、配線を介して直流電源の負極に接続される。半導体素子１は、ゲート電極１ｃに制御信号が入力されることで動作する。
【００３７】
（積層体の製造方法）
次に、積層体１２の製造方法の一例について説明する。本実施の形態は、以下のような引き抜き工程を行って製造する。まず、所定の外径と肉厚を有する断面円形の導体、管体、及び酸化マグネシウムの粉末を所定の外形と肉厚の筒体に成型してなる絶縁体を用意し、導体内に絶縁体と管体を同心状に挿入することによって積層体を形成する。
【００３８】
次に、この積層体の管体の中空部にプラグを通した状態で、四角形の各辺の中央部がやや外側にふくらんだ形の孔形を有するダイスに通して引抜き加工を行った後、焼鈍を行う。これにより積層体（中間体）は、四角形の各辺の中央部がやや外側にふくらんだ断面形状を有するものとなる。
【００３９】
次に、この積層体（中間体）を中空部にプラグを通した状態で製品寸法に等しい四角形の孔形を有するダイを通して引抜き加工する。これにより、図１に示すような断面形状を有する積層体１２が得られる。この後、焼鈍することにより例えば６０ｍ以上の長尺の完成品が得られる。その後は、必要な長さに切断する。
【００４０】
なお、上記製造方法の説明では、２回の引抜き加工で成形しているが、引抜き加工と焼鈍の回数を増やしてもよい。また、上記製造方法の説明では、管体の中空部にプラグを通して引抜き加工を行ったが、プラグを入れずに引抜き加工しても差支えなく、プラグを入れないとコイル状に引抜き加工でき、長尺品が得られ易い。
【００４１】
（ヒートシンクの動作）
半導体素子１は動作によって発熱する。半導体素子１からの発熱は、導体１１の接合面である上面１１ａに伝達し、さらに絶縁層１０を介して管体９に伝達し、管体９の流路９ａを流れる冷媒中に放熱される。また、半導体素子１からの発熱は、導体１１の周囲から管体９に伝達しており、半導体素子１のエミッタ電極１ｂを導体１１の接合面である上面１１ａにハンダ２を用いて直接接合することで、高い冷却性能が得られる。さらに、導体１１と管体９とは絶縁層１０によって電気的に絶縁されているため、半導体素子１のエミッタ電極１ｂが管体９を流れる冷媒と導通されず、安全性が確保される。すなわち、導体１１を電極を兼ねた構成とすることができる。冷媒は流路９ａを流れてポンプ、ラジエータ、ファン等から構成された放熱部（図示省略）や冷凍機（図示省略）を通過する際に冷媒が保持する熱は外気に放熱される。
【００４２】
（第１の実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）積層体１２は、引き抜き工程で各層を容易に一体構造とすることが可能であり、かつ６０ｍ以上の長尺に加工することが可能であることから、長尺材を所定の長さに切断するだけで、本ヒートシンクを安価に製造することができる。
（ｂ）管体９と導体１１は、絶縁層１０によって絶縁されているので、高電圧が冷媒である水に印加されるおそれはない。このように、積層体１２をあたかも電極兼ヒートシンクとして用いるだけで、従来構造のように絶縁に気を配り特別な構造を配する必要がなくなる。
【００４３】
［第２の実施の形態］
図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す平面図である。図２Ｂは、図２ＡのＡ−Ａ線断面図である。なお、図２Ａ、図２Ｂでは、半導体素子１Ａのゲート電極１ｃの図示を省略している（以下の図でも同じ）。
【００４４】
本実施の形態は、一対の積層体１２Ａ、１２Ｂを並列して配置し、２つの半導体素子１Ａ、１Ｂを一対の積層体１２Ａ、１２Ｂ間に配置したものである。本実施の形態の場合、積層体１２Ａの導体１１の側面１１ｄが接合面に相当し、積層体１２Ｂの導体１１の側面１１ｃが接合面に相当する。
【００４５】
本実施の形態のヒートシンクは、並列して配置された一対の積層体１２Ａ、１２Ｂと、一対の積層体１２Ａ、１２Ｂの一方の端部にそれぞれ接続された一対の配管材１３Ａ、１３Ｂと、一対の積層体１２Ａ、１２Ｂの他方の端部間に両端部が接続された円弧状の配管材１３Ｃと、一対の積層体１２Ａ、１２Ｂの導体１１に接続された一対の電極体７Ａ、７Ｂとを備えて構成されている。積層体１２Ａ、１２Ｂ、配管材１３Ａ、１３Ｂの一部、配管材１３Ｃ、及び一対の電極体７Ａ、７Ｂは、ケース６に収容されている。
【００４６】
ケース６は、例えば樹脂等の絶縁性材料から形成されている。ケース６は、例えば上部ケースと下部ケースに分離できる構成とし、積層体１２Ａ、１２Ｂ、配管材１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、電極体７Ａ、７Ｂを下部ケースに収容した後、上部ケースを下部ケースに取り付けてもよい。
【００４７】
半導体素子１Ａは、例えばＩＧＢＴであり、上面にコレクタ電極１ａ、下面にエミッタ電極１ｂ、側面にゲート電極（図示省略）を備える。
半導体素子１Ｂは、例えばフリーホイールダイオード（ＦＷＤ：Free Wheel Diode）であり、上面にカソード電極１ｄ、下面にアノード電極１ｅを備える。ＩＧＢＴである半導体素子１Ａのコレクタ電極１ａは、ハンダ２によって積層体１２Ａの導体１１に接続され、半導体素子１Ａのエミッタ電極１ｂは、ハンダ２によって積層体１２Ｂの導体１１に接続される。ＦＷＤである半導体素子１Ｂのカソード電極１ｄは、ハンダ２によって積層体１２Ａの導体１１に接続され、半導体素子１Ｂのアノード電極１ｅは、ハンダ２によって積層体１２Ｂの導体１１に接続される。
【００４８】
積層体１２Ａ、１２Ｂの一方の端面に露出する管体９には、配管材１３Ａ、１３Ｂが接続され、積層体１２Ａ、１２Ｂの他方の端面に露出する管体９には、配管材１３Ｃが接続される。これにより、配管材１３Ａ、積層体１２Ａ、配管材１３Ｃ、積層体１２Ｂ及び配管材１３Ｂを冷媒が循環する。なお、実際には、信号線や位置決め機構等が配されてシステムが構成されているが、ヒートシンクに着目しているため、図示を省略している（以後の図も同様）。
【００４９】
配管材１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは、管体９の流路９ａと同じ大きさの断面矩形状の流路９ａを有する。配管材１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは、例えば銅又は銅合金から形成されている。配管材１３は、銀ろう等のろう材で管体９に接続される。銀ろうによる接続により、水漏れへの信頼性が向上する。
【００５０】
図２Ｃは、第２の実施の形態に係るシステムの等価回路図である。図２Ｃに示すように、ＩＧＢＴである半導体素子１Ａのコレクタ電極１ａ、及びＦＷＤである半導体素子１Ｂのカソード電極１ｄは、ハンダ２、積層体１２Ａの導体１１、電極体７Ａ及び配線１８ａを介して直流電源２０の正極に接続される。ＩＧＢＴである半導体素子１Ａのエミッタ電極１ｂ、及びＦＷＤである半導体素子１Ｂのカソード電極１ｄは、ハンダ２、積層体１２Ｂの導体１１、電極体７Ｂ及び配線１８ｂを介して直流電源２０の負極に接続される。半導体素子１Ａは、ゲート電極（図示省略）に制御信号が入力されることで動作する。
【００５１】
（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）半導体素子１のハンダ接合時の温度よりも高い融点のろう材を用いて予め配管材１３を接合しておけば、半導体素子１をハンダ付けする際にも配管材１３の接合が取れることなく、安定して製造できる。
（ｂ）さらに、配管材１３と半導体素子１を同一のハンダ材で接合すれば、一度にまとめて接合することができ、さらに安価に製造することができる。
（ｃ）また、ハンダ接合部は、半導体素子１が導体１１と接合する部分だけにすることができ、従来技術に比べてハンダクラックに対する信頼性が向上する。
（ｄ）放熱経路に伝熱グリースを用いる必要がないので、冷却性能が向上するとともに、組立て安定性が向上する。
（ｅ）従来構造にくらべ、放熱経路も単純・短経路化することが可能で、性能向上が可能となる。
【００５２】
［第３の実施の形態］
図３Ａは、本発明の第３の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。
【００５３】
第２の実施の形態では、一対の積層体１２Ａ、１２Ｂの間に半導体素子１Ａ、１Ｂを配置したが、本実施の形態は、一方の積層体１２Ａの上面１１ａに半導体素子１Ａを配置し、他方の積層体１２Ｂの上面１１ａに半導体素子１Ｂを配置したものである。すなわち、第２の実施の形態では、半導体素子１Ａ、１Ｂの上下両面に放熱経路を有していたが、本実施の形態では、半導体素子１Ｄ１、１Ｄ２の下面に放熱経路を有する。なお、図３Ａ中、１８ｃはボンディングワイヤである。
【００５４】
図３Ｂは、第３の実施の形態に係るシステムの等価回路図である。図３Ｂに示すように、半導体素子１Ｄ１、１Ｄ２は、例えばＩＧＢＴとＦＷＤとが１チップ化されたものであり、半導体素子１Ｄ１のコレクタ電極１ａは、ハンダ２、積層体１２Ａの導体１１、電極体７Ａ及び配線１８ａを介して直流電源２０の正極に接続される。また、半導体素子１Ｄ１のエミッタ電極１ｂは、ボンディングワイヤ１８ｃを介して半導体素子１Ｄ２のコレクタ電極１ａに接続される。半導体素子１Ｄ２のエミッタ電極１ｂは、ハンダ２、積層体１２Ｂの導体１１、電極体７Ｂ及び配線１８ｂを介して直流電源２０の負極に接続される。すなわち、半導体素子１Ｄ１、１Ｄ２は直列接続される。
【００５５】
第３の実施の形態は、第１の実施の形態と比較すると、冷却性能で不利であるが、積層体１２を冷却用途及び電圧印加用途として用いることは、第２の実施の形態と同様であり、効果についても、第２の実施の形態と同等の効果を得ることが可能となる。
【００５６】
［第４の実施の形態］
図４は、本発明の第４の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。第３の実施の形態では、一対の積層体１２Ａ、１２Ｂの上面にそれぞれ半導体素子１Ａ、１Ｂを配置したが、本実施の形態は、一対の積層体１２Ａ、１２Ｂに跨るように半導体素子１Ｃを配置したものである。
【００５７】
本実施の形態の半導体素子１Ｃは、下面にコレクタ電極１ａ及びエミッタ電極１ｂを有する。
【００５８】
図２に示すように半導体素子１Ａ、１Ｂの両面に電極１ａ、１ｂ、１ｄ、１ｅを有する場合や、本実施の形態のように半導体素子１Ｃの下面に電極１ａ、１ｂを有する場合のように、半導体素子の電極位置に応じて半導体素子の片面又は上下両面を冷却として用いることができる。
【００５９】
なお、外層である導体１１と管体９が絶縁されていることを生かし、電極位置によらず、半導体素子１の任意の面に積層体１２を配して、冷却を効率的に行ってもよい。例えば、積層体１２が電圧印加を兼ねていないものがあってもよい。
【００６０】
［第５の実施の形態］
図５Ａは、本発明の第５の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。本実施の形態は、３つの積層体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを並列に配置し、積層体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの間に２つの半導体素子１Ａ、１Ｂを配置したものである。
【００６１】
本実施の形態は、図５Ａにおいて、左に位置する積層体１２Ａと中央に位置する積層体１２Ｂとの間にＩＧＢＴである半導体素子１Ａを配置し、中央に位置する積層体１２Ｂと右に位置する積層体１２Ｃとの間にＦＷＤである半導体素子１Ｂを配置している。
【００６２】
ＩＧＢＴである半導体素子１Ａのコレクタ電極１ａは、ハンダ２によって左に位置する積層体１２Ａの導体１１に接続され、半導体素子１Ａのエミッタ電極１ｂは、ハンダ２によって中央に位置する積層体１２Ｂの導体１１に接続される。
【００６３】
ＦＷＤである半導体素子１Ｂのアノード電極１ｅは、ハンダ２によって中央に位置する積層体１２Ｂの導体１１に接続され、半導体素子１Ｂのカソード電極１ｄは、ハンダ２によって右に位置する積層体１２Ｃの導体１１に接続される。
【００６４】
図５Ｂは、第５の実施の形態に係るシステムの等価回路図である。ＩＧＢＴである半導体素子１Ａのコレクタ電極１ａは、ハンダ２、積層体１２Ａの導体１１、電極体７Ａ及び配線１８ａを介して直流電源２０の正極に接続される。半導体素子１Ａのエミッタ電極１ｂは、ハンダ２、積層体１２Ｂの導体１１、電極体７Ｂ及び配線１８ｂを介して直流電源２０の負極に接続される。
【００６５】
ＦＷＤである半導体素子１Ｂのカソード電極１ｄは、ハンダ２、積層体１２Ｃの導体１１、電極体７Ｃ及び配線１８ａを介して直流電源２０の正極に接続される。半導体素子１Ｂのアノード電極１ｅは、ハンダ２、積層体１２Ｂの導体１１、電極体７Ｂ及び配線１８ｂを介して直流電源２０の負極に接続される。
【００６６】
（第５の実施の形態の効果）
第５の実施の形態によれば、半導体素子の回路を形成する上で、素子同士の電極が導通する回路の場合には、中央の積層体１２Ｂが２つの半導体素子１Ａ、１Ｂの電極を兼ねることができる。
【００６７】
なお、本実施の形態では、２つの半導体素子１を用いた場合について説明したが、本実施の形態は、３つ以上の半導体素子１を用いる場合にも適用することができる。
【００６８】
［第６の実施の形態］
図６は、本発明の第６の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す平面図である。なお、図６では、電極体、ケース及び配管材の図示を省略している。本実施の形態は、並列して配置された一対の積層体を２組長手方向に連結したものである。
【００６９】
本実施の形態は、図２Ａに示したように、並列して配置された一対の積層体１２Ａ、１２Ｂを２組、連結体１４によって長手方向に連結したものである。一対の積層体１２Ａ、１２Ｂ間には、第２の実施の形態と同様に、２つの半導体素子１Ａ、１Ｂが配置されている。積層体１２と半導体素子１とは、いままでの実施の形態と同様に、ハンダ２によって接合されている。
【００７０】
連結体１４は、管体９の流路９ａの内径よりも大きい外径を有する大径部１４ａと、大径部１４ａの両端に設けられ、管体９の流路９ａの内径よりもやや小さい外径を有する小径部１４ｂとを備え、軸方向に沿って断面矩形状の流路１４ｃが形成されている。小径部１４ｂを管体９の流路９ａに挿入し、銀ろう等を用いたろう付けで連結体１４を積層体１２Ａに連結する。
【００７１】
第６の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）１組の半導体素子１Ａ、１Ｂと他の組の半導体素子１Ａ、１Ｂとを電気的に絶縁した場合に用いることができる。
（ｂ）連結体１４を半導体素子１のハンダ接合時の温度よりも高い融点のろう材を用いて予め接合しておけば、半導体素子１をハンダ付けする際に連結体１４の接合が取れることなく、安定して製造することができる。
（ｃ）連結体１４と半導体素子１を同一のハンダ材で接合すれば、一度にまとめて接合することができ、さらに安価に製造することができる。
【００７２】
［第７の実施の形態］
図７は、本発明の第７の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す平面図である。なお、図７では、ケース及び配管材の図示を省略している。本実施の形態は、並列して配置された一対の積層体１２Ａ、１２Ｂの導体１１を所定の位置で部分的に除去し、一対の積層体１２Ａ、１２Ｂの残存する導体１１間に複数の半導体素子１を配置し、複数の半導体素子１を直列接続したものである。
【００７３】
本実施の形態は、各積層体１２Ａ、１２Ｂは、長手方向に沿って設けられ、互いに電気的に絶縁された複数の導体１１を有する。すなわち、積層体１２Ａは、互いに電気的に絶縁された複数の導体１１Ｂ、１１Ｄを有する。積層体１２Ｂは、互いに電気的に絶縁された複数の導体１１Ａ、１１Ｃ、１１Ｅを有する。両積層体１２Ａ、１２Ｂは、並列して配置し、両積層体１２Ａ、１２Ｂ間に複数の半導体素子１Ｄ（１Ｄ１〜１Ｄ４）を配置したものである。
【００７４】
半導体素子１Ｄ１〜１Ｄ４は、例えばＩＧＢＴとＦＷＤとが１チップ化されたものを用いる。
【００７５】
半導体素子１Ｄ１は、コレクタ電極１ａが積層体１２Ｂの導体１１Ａにハンダ２によって接続され、エミッタ電極１ｂが積層体１２Ａの導体１１Ｂにハンダ２によって接続される。
【００７６】
半導体素子１Ｄ２は、コレクタ電極１ａが積層体１２Ａの導体１１Ｂにハンダ２によって接続され、エミッタ電極１ｂが積層体１２Ｂの導体１１Ｃにハンダ２によって接続される。
【００７７】
半導体素子１Ｄ３は、コレクタ電極１ａが積層体１２Ｂの導体１１Ｃにハンダ２によって接続され、エミッタ電極１ｂが積層体１２Ａの導体１１Ｄにハンダ２によって接続される。
【００７８】
半導体素子１Ｄ４は、コレクタ電極１ａが積層体１２Ａの導体１１Ｄにハンダ２によって接続され、エミッタ電極１ｂが積層体１２Ｂの導体１１Ｅにハンダ２によって接続される。
【００７９】
以上のように半導体素子１Ｄ１〜１Ｄ４を接続することにより、半導体素子１Ｄ１〜１Ｄ４が直列接続される。また、半導体素子１Ｄ１のコレクタ電極１ａがハンダ２、積層体１２Ｂの導体１１Ａ、電極体７Ａ及び配線を介して直流電源の正極に接続され、半導体素子１Ｄ４のエミッタ電極１ｂがハンダ２、積層体１２Ｂの導体１１Ｅ、電極体７Ｂ及び配線を介して直流電源の負極に接続される。
【００８０】
図８は、導体の除去工程を模式的に示す工程図である。第１の実施の形態で説明したような引抜き加工を行って６０ｍ以上の長尺状の積層体（長尺材）を形成する（Ｓ１）。この場合、長尺材は、コイル状の形態でも棒状の形態でもよい。
【００８１】
次に、長尺状の積層体を整直機により整直する（Ｓ２）。次に、導体１１を機械加工機により部分的に除去する（Ｓ３）。次に、積層体を切断機により必要な長さに切断する（Ｓ４）。
【００８２】
上記ステップＳ２、Ｓ３、Ｓ４は、引抜き加工機、整直機、機械加工機、切断機を並べて配し、引抜き加工機、整直機、機械加工機、切断機間に被加工材の送り機構を設けることで、被加工材を連続して加工することができ、ヒートシンクを安価に製造することができる。なお、マシニングセンタを機械加工及び切断を行う工程に用いてもよい。
【００８３】
（第７の実施の形態の効果）
第７の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）所定の位置で部分的に積層体１２の外層導体部分を除去することで、任意の位置に電気絶縁部を設けることが可能となり、半導体素子１と部分除去された積層体１２の組合せで電気回路を組むことが可能となる。
（ｂ）積層体１２は引き抜き加工で長尺とすることが可能であることから、予め全長に応じた積層体を準備しておき、所定の位置を除去することで、本構造を実現できることから、安価に製造することが可能となる。
【００８４】
なお、本実施の形態では、外層の導体と併せて絶縁層も除去しているが、絶縁層を残して、導体だけ除去してもよい。
【００８５】
［第８の実施の形態］
図９は、本発明の第８の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。本実施の形態は、図２に示す第２の実施の形態の変形例である。
【００８６】
本実施の形態は、積層体１２Ａ、１２Ｂの導体１１の半導体素子１Ａ、１Ｂが配置される面に長手方向に沿って一対の突起１５を設けたものである。一対の突起１５の間隔は、半導体素子１Ａ、１Ｂの幅に対応している。突起１５は切削加工等の機械加工で形成してもよいが、積層体の引き抜き加工の際に突起１５を形成してもよい。引き抜き工程で突起１５を形成するには、引抜ダイスの断面形状を突起付きの形状とする。また、引き抜き工程で突起１５を形成する場合、半導体素子１Ａと半導体素子１Ｂの幅を同一とする必要がある。
【００８７】
（第８の実施の形態）
第８の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）積層体１２と半導体素子１をハンダ接合する際、突起１５で半導体素子１を位置決めすることができるため、半導体素子１を所定の位置に容易に固定することができる。
（ｂ）突起１５を有する積層体１２は、引き抜き加工により長尺に加工することができるので、突起を形成するための工程を増やすことなく、突起１５を有する積層体１２を安価に得ることができる。
【００８８】
なお、突起の形状は、図９のものに限られず、引き抜きダイスの断面形状を任意に設定することで任意の形状に加工することができる。
【００８９】
［第９の実施の形態］
図１０に、本発明の第９の実施の形態に係るヒートシンクの積層体の断面図である。同図は、積層体１２のみを示しているが、これまでの実施の形態と同様、積層体１２には、半導体素子が接合され、積層体１２は、電極兼ヒートシンクして使用される。
【００９０】
本実施の形態の積層体１２は、管体１６の内面に溝１６ａが形成されている。溝１６ａは例えば螺旋状を有する。積層体の引き抜き工程で溝１６ａを形成することができる。
【００９１】
第９の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）管体として内面溝付管１６を用いることで、流路内の冷媒への熱伝達率が向上して冷却性能が向上する。
（ｂ）内面溝付管は、エアコン用熱交換器等に広く使用されていることから、大きなコストアップすることなしに適用することができる。
（ｃ）積層体１２の引き抜き工程について工程を増やすことはなく、同工程で製造可能となることから、コストアップにはならない。
【００９２】
［第１０の実施の形態］
図１１Ａは、本発明の第１０の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。同図は、積層体１２のみを示しているが、これまでの実施の形態と同様、積層体１２には、半導体素子が接合され、積層体１２は、電極兼ヒートシンクして使用される。
【００９３】
本実施の形態は、積層体１２が複数（本実施の形態では４つ）の流路９ａを有する複数（本実施の形態では４つ）の管体９と、複数の管体９の外側に形成された単一の絶縁層１０と、単一の絶縁層１０の外側に形成された導体１１とを備える。
【００９４】
本実施の形態は、例えば、積層体１２を引き抜き工程において、複数の管体９を絶縁体の内側に予め挿入しておくことで、本構造の積層体１２を製造する。
【００９５】
図１１Ｂは、第１０の実施の形態に係るシステムの流路系を示す図である。同図は、積層体１２内の４つの流路９ａを円弧状の配管材９ｂで接続した直流系によって構成した場合を示す。積層体１２の流路９ａはポンプ２１から圧送された冷媒は、積層体１２内の流路９ａ、配管１９を通る。冷媒が保持する熱は、アルミ製ラジエータ等の放熱器２２で放熱される。放熱器２２には冷却ファン２３が設けられている。
【００９６】
図１１Ｃは、第１０の実施の形態に係るシステムの他の流路系を示す図である。同図は、積層体１２内の４つの流路９ａを平行流として構成した場合を示す。ポンプ２１から圧送された冷媒は、分岐部１９ａで分岐されて積層体１２内の流路９ａを通り、合流部１９ｂ、配管１９を通る。冷媒が保持する熱は、放熱器２２で放熱される。
【００９７】
（第１０の実施の形態の効果）
第１０の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）本構造とすることで、広幅の積層体１２を容易に得ることができると共に、断面オーバル状の管体に比べ、内面積を増大させることができ、冷却性能が向上する。
（ｂ）また、管体９への配管構造により、直列流、平行流等を任意に設定することが可能となり、ポンプの能力や全体の圧力損実に応じて、最適な流路を設定することが可能となり、冷却性能の向上を図ることができる。
【００９８】
［第１１の実施の形態］
図１２は、本発明の第１１の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す断面図である。同図は、積層体１２のみを示しているが、これまでの実施の形態と同様、積層体１２には、半導体素子が接合され、積層体１２は、電極兼ヒートシンクして使用される。
【００９９】
本実施の形態は、図１１Ａに示す複数の管体９を単一の管体９としたものである。すなわち、本実施の形態は、積層体が、複数（本実施の形態は５つ）の流路１７ａを有する単一の管体１７と、単一の管体１７の外側に形成された単一の絶縁層１０と、単一の絶縁層１０の外側に形成された単一の導体１１とを備える。
【０１００】
本実施の形態は、例えば、積層体１２を引き抜き工程で製造する際に、管体１７を予め挿入しておくことで、容易に本構造を得ることができる。
【０１０１】
第１１の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）本構造とすることで、広幅の積層体１２を容易に得ることができると共に、流路内面積を増大させることができ、冷却性能向上が図れる。
（ｂ）アルミ製ラジエータ等の熱交換器等で多孔管は広く用いられていることから、大きなコストアップをしないで本構造を得ることができる。
【０１０２】
［第１２の実施の形態］
図１３は、本発明の第１２の実施の形態に係るヒートシンクの概略の構成を示す斜視図である。同図は、電極体及びケースの図示を省略している。本実施の形態は、図１２に示す第１１の実施の形態において、積層体１２の上面に複数の半導体素子を配置したものである。
【０１０３】
本実施の形態は、積層体１２が、複数（本実施の形態は５つ）の流路９ａを有する単一の管体９と、単一の管体９の外側に形成された単一の絶縁層１０と、単一の絶縁層１０の外側に形成された単一の導体１１とを備え、導体１１の上面１１ａに複数の半導体素子１を配置したものである。前記積層体は、前記導体の同一の面に設けられ。互いに電気的に絶縁された複数の導体領域を有し、前記複数の導体領域がそれぞれ前記接合面を有する
【０１０４】
導体１１は、半導体素子１の配置に応じて同一の上面１１ａに設けられ、上面１１ａの一部が除去されて互いに電気的に絶縁された複数の導体領域１１ｅが形成されている。導体１１の部分な除去は、切削等の機械加工や、エッチング等の化学処理で行うことができる。導体１１を除去する場合は、前述の図８に示す工程で行うことができる。
【０１０５】
第１２の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）パターン除去された導体１１には、半導体素子１がハンダ２により接合されている。このようにすることで、積層体１２をあたかも配線基板のように用いることができ、半導体素子１の冷却も効率的に行うことが可能となる。
（ｂ）導体１１が部分的に除去されているが、半導体素子１からの発熱が絶縁層１０を介して管体９に伝達し、管体９の流路９ａを流れる冷媒に伝達する。
【０１０６】
なお、本実施の形態では、半導体素子１の下面にだけ積層体１２が接続されているが、同様にパターン除去された積層体１２を半導体素子の上面に接続してもよい。これにより、上下両面から放熱されることで冷却性能が向上すると共に、導体１１で形成される電気回路をより複雑なものにすることが可能になり、汎用性が向上する。
【０１０７】
本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々な変形実施が可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１、１Ａ−１Ｄ、１Ｄ１−１Ｄ４…半導体素子、１ａ…コレクタ電極、１ｂ…エミッタ電極、１ｃ…ゲート電極、１ｄ…カソード電極、１ｅ…アノード電極、２…ハンダ、６…ケース、７、７Ａ−７Ｃ…電極体、９…管体、９ａ…流路、９ｂ…配管材、１０…絶縁層、１１、１１Ａ−１１Ｅ…導体、１１ａ…上面、１１ｂ…下面、１１ｃ、１１ｄ…側面、１１ｅ…導体領域、１２、１２Ａ−１２Ｃ…積層体、１３、１３Ａ−１３Ｃ…配管材、１４…連結体、１４ａ…大径部、１４ｂ…小径部、１４ｃ…流路、１５…突起、１６…管体、１６ａ…溝、１７…管体、１７ａ…流路、１８ａ、１８ｂ…配線、１８ｃ…ボンディングワイヤ、１９…配管、１９ａ…分岐部、１９ｂ…合流部、２０…直流電源、２１…ポンプ、２２…放熱器、２３…冷却ファン、１００…ヒートシンク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒循環用の流路に設けられる積層体を備え、
前記積層体は、金属から形成され、内側が前記流路となる管体と、
前記管体の外側に形成された絶縁層と、
前記絶縁層の外側に形成され、表面に冷却対象の半導体素子の電極が接合される接合面を有する導体と、
を備えたヒートシンク。
【請求項２】
前記導体の表面に設けられ、前記半導体素子に前記導体を介して電気的に接続される電極体を、さらに備えた請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項３】
前記積層体は、並列して配置された複数の前記積層体である請求項１又は２に記載のヒートシンク。
【請求項４】
前記複数の積層体は、対向する一対の前記導体の表面に前記接合面を有する請求項３に記載のヒートシンク。
【請求項５】
前記複数の積層体は、前記導体の同一方向に設けられた表面に複数の前記接合面を有する請求項３に記載のヒートシンク。
【請求項６】
前記積層体は、長手方向に沿って設けられ、互いに電気的に絶縁された複数の前記導体を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項７】
前記積層体は、前記導体の同一の面上に設けられ。互いに電気的に絶縁された複数の導体領域を有し、前記複数の導体領域がそれぞれ前記接合面を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項８】
前記管体は、内面溝付管である請求項１乃至７のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項９】
前記積層体は、複数の前記流路に沿って形成された複数の前記管体と、前記複数の管体の外側に形成された単一の前記絶縁層と、前記単一の絶縁層の外側に形成された前記導体とを備えた請求項１乃至８のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項１０】
前記積層体は、複数の前記流路を有する単一の前記管体と、前記単一の管体の外側に形成された単一の前記絶縁層と、前記単一の絶縁体の外側に形成された単一の前記導体とを備えた請求項１乃至８のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項１１】
金属から形成され内側が流路となる管体と、前記管体の外側に形成された絶縁層と、前記絶縁層の外側に形成された導体とを備えた長尺状の積層体を、引き抜き工程を経て形成し、
前記導体の一部を除去し、
前記長尺状の前記積層体を切断する工程を含むヒートシンクの製造方法。
【請求項１】
冷媒循環用の流路に設けられる積層体を備え、
前記積層体は、金属から形成され、内側が前記流路となる管体と、
前記管体の外側に形成された絶縁層と、
前記絶縁層の外側に形成され、表面に冷却対象の半導体素子の電極が接合される接合面を有する導体と、
を備えたヒートシンク。
【請求項２】
前記導体の表面に設けられ、前記半導体素子に前記導体を介して電気的に接続される電極体を、さらに備えた請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項３】
前記積層体は、並列して配置された複数の前記積層体である請求項１又は２に記載のヒートシンク。
【請求項４】
前記複数の積層体は、対向する一対の前記導体の表面に前記接合面を有する請求項３に記載のヒートシンク。
【請求項５】
前記複数の積層体は、前記導体の同一方向に設けられた表面に複数の前記接合面を有する請求項３に記載のヒートシンク。
【請求項６】
前記積層体は、長手方向に沿って設けられ、互いに電気的に絶縁された複数の前記導体を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項７】
前記積層体は、前記導体の同一の面上に設けられ。互いに電気的に絶縁された複数の導体領域を有し、前記複数の導体領域がそれぞれ前記接合面を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項８】
前記管体は、内面溝付管である請求項１乃至７のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項９】
前記積層体は、複数の前記流路に沿って形成された複数の前記管体と、前記複数の管体の外側に形成された単一の前記絶縁層と、前記単一の絶縁層の外側に形成された前記導体とを備えた請求項１乃至８のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項１０】
前記積層体は、複数の前記流路を有する単一の前記管体と、前記単一の管体の外側に形成された単一の前記絶縁層と、前記単一の絶縁体の外側に形成された単一の前記導体とを備えた請求項１乃至８のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項１１】
金属から形成され内側が流路となる管体と、前記管体の外側に形成された絶縁層と、前記絶縁層の外側に形成された導体とを備えた長尺状の積層体を、引き抜き工程を経て形成し、
前記導体の一部を除去し、
前記長尺状の前記積層体を切断する工程を含むヒートシンクの製造方法。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１２】
【図１３】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１７４８５６（Ｐ２０１２−１７４８５６Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３４６６０（Ｐ２０１１−３４６６０）
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]