JP2011198998A - 発熱素子の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シール部材の劣化を抑制し、冷媒の漏出を有効に防止できる発熱素子の冷却装置を提供する。
【解決手段】発熱素子２が配置される主面と、放熱部４１および該放熱部４１の周囲を囲む第１嵌合部４３が形成された他の主面と、を有する第１放熱体４と、前記第１嵌合部４３に嵌合される第２嵌合部５３を有し、第１嵌合部４３に第２嵌合部５３を嵌合して第１放熱体４と組み合わせることで、放熱部４１を受容して冷媒流路を形成する受容部５１を有する第２放熱体５と、第１嵌合部４３と第２嵌合部５３との間に介装される金属製の環状弾性体７と、を備える発熱素子の冷却装置であって、環状弾性体７は、受容部５１側と逆側に配置され、かつ、発熱素子２の形成領域よりも外側の領域において、第２嵌合部５３と接触するように配置されることを特徴とする発熱素子の冷却装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発熱素子の冷却装置に関するものである。

従来より、発熱素子を冷却する冷却装置として、一対の放熱体を各放熱体に備えられた嵌合部で組み合わせてなるものが知られている。このような発熱素子の冷却装置として、発熱素子と冷却装置との間の熱抵抗を低減するために、冷却装置を構成する一対の放熱体のうち一方の放熱体を摺動可能に形成するとともに、該放熱体を発熱素子側に押圧するためのコイル状のばねを設けた発熱素子の冷却装置が開示されている（特許文献１）。

特開２００６−１９４７７号公報

しかしながら、従来技術では、コイル状のばねを用いているため、コイル状のばねが押圧する放熱体の一部のみに応力が集中してしまい、このような応力集中の影響により、一対の放熱体の嵌合部分をシールするシール部材が劣化してしまい、これにより、冷媒流路から冷媒が漏出してしまう場合があった。

本発明が解決しようとする課題は、シール部材の劣化を抑制し、冷媒の漏出を有効に防止できる発熱素子の冷却装置を提供することである。

本発明は、放熱部および該放熱部の周囲を囲む第１嵌合部を有する第１放熱体と、第１嵌合部に嵌合される第２嵌合部、および放熱部を受容して冷媒流路を形成する受容部を有する第２放熱体と、を備える発熱素子の冷却装置において、環状弾性体を、受容部側と逆側の位置であって、発熱素子の形成領域よりも外側の領域において第２嵌合部と接触するような位置に配置することにより、上記課題を解決する。

本発明によれば、環状弾性体を、受容部側と逆側の位置であって、発熱素子の形成領域よりも外側の領域において第２嵌合部と接触するような位置に配置することで、第１嵌合部および第２嵌合部に加えられる応力を分散させることができ、これにより、シール部材の劣化を抑制することができ、その結果、冷媒の漏出を有効に防止することができる。

本実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 本実施形態に係る第１放熱体を示す底面図である。 図２に示す第１放熱体の正面図である。 図２に示す第１放熱体の側面図である。 図１のV部分における要部拡大図である。 本実施形態に係る皿ばねの斜視図である。 第１嵌合部および第２嵌合部に加わる力を説明するための図である。 第２実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 第３実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

≪第１実施形態≫
本実施形態に係る半導体装置は、スイッチング素子やダイオードなどの半導体素子と、半導体素子を冷却するための冷却器とからなるものである。このような半導体装置は、スイッチング素子の導通／非導通を制御することにより、直流電源からの直流電流を三相交流電流に変換することが可能となっており、例えば、ハイブリッド車や燃料電池車等の電動車両用駆動モーターへ電力を供給するインバータ装置に用いることができる。

図１は第１実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、半導体素子２と、冷却器３，８（第１冷却器３および第２冷却器８）とから構成されており、半導体素子２を２つの冷却器３，８で挟み込むことにより、半導体素子２を両面から冷却する両面冷却構造が採られている。

冷却器３，８による冷却対象物である半導体素子２は、三相インバータブリッジ回路を個別に構成するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのトランジスタやダイオードからなり、半導体素子２の両主面には、はんだ付けにより形成されたはんだ層を介して、一対の電極が接続されている。また、半導体装置１を構成する半導体素子２は、端子電極に電気的に接続されており、端子電極を介して、電力の入力／出力が可能となっている。なお、半導体素子２は、通電により発熱することから、以下に説明する冷却器３，８により、除熱が行われることとなる。また、半導体素子２は、ＩＧＢＴなどのトランジスタやダイオードに限定されるものではなく、他の発熱素子であってもよい。

第１冷却器３および第２冷却器８は、半導体素子２を冷却するための冷却器であり、図１に示すように、第１冷却器３は、半導体素子２の下側に配置されており、第２冷却器８は、半導体素子２の上側に配置されている。

第１冷却器３は、図１に示すように、第１放熱体４と第２放熱体５とを、シール部材６および皿ばね７を介して、組み合わせることにより構成されており、第１放熱体４と第２放熱体５とが組み合わさることにより、内部に冷媒が流れるための流路（以下、冷媒流路。）が形成されている。そして、導入パイプ（不図示）から、第１冷却器３内に形成された冷媒流路内に冷媒が連続的に導入され、導入された冷媒が、Ｘ方向に沿って、この冷媒流路を流れることにより、半導体素子２により発生した熱を放熱できるようになっている。なお、第１冷却器３内に導入された冷媒は、排出パイプ（不図示）から連続的に排出されることとなる。また、第１冷却器３を構成する第１放熱体４および第２放熱体５は、例えば、熱伝導性の優れたアルミニウムやアルミニウム合金などを原材料として、ダイカストや押出し成型などにより、それぞれ個別に成型されてなるものである。

第１放熱体４は、図１に示すように、一方の主面に、半導体素子２が配置され、半導体素子２から伝達された熱を受熱するような構成となっている。また、第１放熱体４は、他方の主面に、受熱した熱を放熱するための放熱部４１と、放熱部４１を周囲する第１嵌合部４３とを有している。なお、第１嵌合部４３は、後述する第２放熱体５の第２嵌合部５３に嵌合するための部分である。

図２は第１放熱体４の底面図であり、第１放熱体４を第２放熱体５側（冷媒流路側）からＺ方向に沿って見た図である。また、図３は図２に示す第１放熱体４の正面図であり、第１放熱体４をＸ方向に沿って見た図である。さらに、図４は図２に示す第１放熱体４の側面図であり、第１放熱体４をＹ方向に沿って見た図である。図２に示すように、放熱部４１は、円形状に形成されており、この円形状に形成された放熱部４１上には、第２放熱体５側に向かって突出する複数の放熱フィン４２ａ〜４２ｇが形成されている。これら複数の放熱フィン４２ａ〜４２ｇは、図１〜図３に示すように、Ｙ方向に所定の間隔で配列されている。また、複数の放熱フィン４２ａ〜４２ｇは、図２に示すように、Ｘ方向（すなわち、冷媒の流れ方向）に沿って連続的に延伸して形成されている。なお、各放熱フィン４２ａ〜４２ｇのＸ方向の長さは、図２に示すように、放熱部４１の円形状の形状に応じて決定されている。すなわち、Ｙ方向に配列する放熱フィン４２ａ〜４２ｇのうち、配列方向の中央に位置する放熱フィンほど長さが長く形成されており、配列方向の両端に位置する放熱フィンほど、長さが短く形成されている。

さらに、第１放熱体４には、図２に示すように、放熱部４１を周囲する第１嵌合部４３が形成されている。この第１嵌合部４３は、図１に示すように、シール部材６および皿ばね７を介して、第２放熱体５の第２嵌合部５３と嵌合している。そして、第１嵌合部４３および第２嵌合部５３が互いに嵌合されることにより、第１放熱体４と第２放熱体５とが組み合わされている。

一方、第２放熱体５は、図１に示すように、第１放熱体４の放熱部４１を受容する受容部５１と、第２嵌合部５３とを有している。第２嵌合部５３は、図１に示すように、第１放熱体４の第１嵌合部４３と、シール部材６および皿ばね７を介して嵌合しており、これにより、受容部５１は、第１放熱体４の放熱部４１（放熱フィン４２ａ〜４２ｇを含む）を受容しつつ、第１放熱体４の放熱部４１とともに、冷媒流路を形成している。

さらに、本実施形態では、第１嵌合部４３と第２嵌合部５３との間に、冷媒流路をシールするためのシール部材６が介装されている。ここで、図５は、図１のV部分における要部拡大図である。シール部材６は、図５に示すように、その内周側において、放熱部４１の外周側面に形成された周溝４４に保持されているとともに、その外周側において、第２放熱体５と摺接するようになっている。その結果、シール部材６は、第１嵌合部４３と第２嵌合部５３とにより両側から押圧されることとなり、これにより、第１嵌合部４３および第２嵌合部５３と密着し、冷媒流路をシールすることができるようになっている。なお、このようなシール部材６としては、Ｏ−リングなどのゴム材料からなるシールリングを用いることができる。

また、図１に示すように、第１嵌合部４３と第２嵌合部５３との間には、さらに、第１放熱体４を半導体素子２側に付勢するための皿ばね７が介装されている。本実施形態においては、皿ばね７は、第１嵌合部４３と第２嵌合部５３とで形成される嵌合部のうち、第２放熱体５の受容部５１（冷媒流路）側と逆側に配置されている。すなわち、皿ばね７は、第１嵌合部４３と第２嵌合部５３とで形成される嵌合部のうち、シール部材６の内側の部分ではなく、シール部材６よりも外側の部分に配置されている。ここで、図６は、本実施形態に係る皿ばね７の斜視図であり、第１冷却器３から皿ばね７のみを抜き出して示した図である。

皿ばね７は、金属製の弾性体であり、図６に示すように、環状に形成されている。また、皿ばね７は、図６に示すように、内周端７１から外周端７２に向かって、勾配した構成となっており、これにより、厚み方向において、変形可能となっている。

そして、本実施形態では、このような構成を有する皿ばね７は、図５に示すように、その内周端７１が、第１放熱体４の第１嵌合部４３と接触し、外周端７２が、第２放熱体５の第２嵌合部５３と接触した状態で、第１嵌合部４３と第２嵌合部５３との間に介装されている。

具体的には、皿ばね７の内周端７１は、図５に示すように、Ｚ方向から見た場合に、半導体素子２の形成領域の内側に位置する接触点４５において、第１嵌合部４３と接触している。すなわち、皿ばね７は、半導体素子２の直下に位置する点において、第１嵌合部４３と接触している。また、皿ばね７の外周端７２は、図５に示すように、Ｚ方向から見た場合に、半導体素子２の形成領域の外側に位置する接触点５５において、第２嵌合部５３と接触している。

また、本実施形態においては、この皿ばね７は、Ｚ方向（厚み方向）に変形可能であるため、これにより、皿ばね７上に位置する第１放熱体４は、シール部材６に摺接した状態を保ちながら、Ｚ方向に移動可能となっている。そのため、第１放熱体４は、皿ばね７により、半導体素子２側に押圧された状態で、半導体素子２と密着している。また、第１放熱体４は、皿ばね７により押圧される他、放熱部４１において、冷媒流路を流れる冷媒からも、半導体モジュール２側へ押圧する圧力を受けており、これにより、第１放熱体４と半導体素子２との間の密着性が、より強固なものとなっている。

なお、皿ばね７の荷重特性は、第１放熱体４を半導体素子２側に付勢することで、半導体素子２の厚さばらつきを吸収することができる荷重であり、かつ、半導体素子２の耐荷重を超えないものとなるように、設定されることが好適である。なお、本実施形態では、図５、図６に示すように、単一の皿ばね７を用いた構成としているが、例えば、皿ばね７の荷重特性を適切なものとするために、複数の皿ばね７を重ねて用いる構成としてもよい。

以上のように、第１冷却器３は構成される。

また、半導体装置１は、図１に示すように、上述した第１冷却器３以外に、第２冷却器８を備えており、この第２冷却器８は、複数の放熱フィン８１ａ〜８１ｅを有している。第２冷却器８においても、第１冷却器３と同様に、冷媒が、連続的に、導入パイプ（不図示）から第２冷却器８の冷媒流路内へと導入され、これにより、半導体素子２を冷却するようになっている。

以上のように、本実施形態の半導体装置１においては、図１、図５に示すように、第１嵌合部４３と第２嵌合部５３との間に、皿ばね７が介装されており、この皿ばね７が、第１放熱体４を、半導体素子２側に付勢することにより、第１放熱体４と半導体素子２との密着性を高め、第１冷却器３と半導体素子２との間の熱抵抗を低減することができる。さらに、本実施形態の半導体装置１においては、環状に形成された皿ばね７を用い、皿ばね７が放熱部４１を周囲するように配置することにより、第１嵌合部４３および第２嵌合部５３に加わる応力を分散させることができる。このように、第１放熱体４および第２放熱体５に加わる応力を分散させることにより、シール部材６の一部に応力が集中することを有効に防止することができ、これにより、シール部材６の劣化を有効に抑制することができる。そして、その結果、本実施形態では、冷媒流路からの冷媒の漏出を有効に防止することができる。

また、本実施形態では、図５に示すように、皿ばね７が、半導体素子２の形成領域よりも内側に位置する接触点４５において、第１嵌合部４３と接触するように配置されている。そのため、図７に示すように、皿ばね７は、半導体素子２の直下から、第１放熱体４を押圧力Ｆ_１で押圧することができ、これにより、皿ばね７の押圧力Ｆ_１により、第１放熱体４がたわむことを有効に防止することができる。そして、その結果として、半導体素子２と第１冷却器３との間の熱抵抗が増大することを有効に抑制することができる。ここで、図７は、第１嵌合部４３および第２嵌合部５３に加わる力を説明するための図である。なお、図７においては、図１と同様に、半導体装置１の断面図を表しているが、説明を容易にするため、ハッチング処理および図面中の符号を一部省略している。

一方で、皿ばね７を、半導体素子２の形成領域よりも外側に位置する点において、第１嵌合部４３と接触させた場合には、皿ばね７の押圧力Ｆ_１により、皿ばね７と接触する第１嵌合部４３が、半導体素子２側（上方向）に反り曲がり、これにより、第１放熱体４がたわんでしまう場合がある。これに対して、本実施形態では、皿ばね７を、半導体素子２の形成領域よりも内側に位置する接触点４５において、第１嵌合部４３と接触するように配置することにより、このような問題を有効に解決するものである。

さらに、本実施形態では、図５に示すように、皿ばね７が、半導体素子２の形成領域よりも外側に位置する接触点５５において、第２嵌合部５３と接触するように配置されている。そのため、図７に示すように、皿ばね７は、第２嵌合部５３のうちＹ方向に突出した部分の根元側において、第２嵌合部５３を押圧力Ｆ_２で押圧することができ、これにより、皿ばね７の押圧力Ｆ_２により、第２嵌合部５３が冷媒流路側（下方向）に折れ曲がることを有効に抑制することができる。そして、その結果として、冷媒流路から冷媒が漏出することをより有効に防止することができる。

一方で、皿ばね７を、半導体素子２の形成領域よりも内側に位置する点において、第２嵌合部５３と接触させた場合には、皿ばね７は、第２嵌合部５３のうちＹ方向に突出した部分の先端側において、第２嵌合部５３を押圧力Ｆ_２で押圧してしまい、これにより、皿ばね７と接触する第２嵌合部５３が、冷媒流路側（下方向）に折れ曲がり、冷媒流路から冷媒が漏出してしまう場合がある。これに対して、本実施形態では、皿ばね７を、半導体素子２の形成領域よりも外側に位置する接触点５５において、第２嵌合部５３と接触するように配置することにより、このような問題を有効に解決するものである。

さらに、本実施形態では、図２に示すように、放熱部４１が円形状に形成されており、この円形状に形成された放熱部４１の外周側面を周囲するように、シール部材６が配置されている。すなわち、本実施形態では、シール部材６が円形状に配置されているため、シール部材６に加わる応力が不均一なものとなることを有効に防止することができ、その結果として、シール部材６の信頼性を高めることができる。

≪第２実施形態≫
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。図８は、第２実施形態に係る半導体装置１ａの断面図である。第２実施形態に係る半導体装置１ａは、以下に説明する点において、第１実施形態の半導体装置１と異なる以外は、上述の第１実施形態と同様の構成と作用を有し、その重複する説明は省略する。

第２実施形態に係る半導体装置１ａは、図８に示すように、単一の半導体素子２と、２つの第１冷却器３とを有しており、この半導体素子２を、２つの第１冷却器３で挟み込むことにより、半導体素子２を両面から冷却する両面冷却構造が採られている。すなわち、第２実施形態に係る半導体装置１ａでは、第１冷却器３が、半導体素子２の上下両面に配置されており、この点において、第１実施形態に係る半導体装置１と異なる。

以上のように、本実施形態に係る半導体装置１ａにおいては、第１放熱体４と第２放熱体５とを、シール部材６および皿ばね７を介して、組み合わせてなる第１冷却器３を、半導体素子２の上下両面に配置した構成となっている。ここで、上述したように、第１冷却器３は、第１嵌合部４３と第２嵌合部５３との間に、皿ばね７を介装しており、この皿ばね７は、図５に示すように、半導体素子２の形成領域の内側に位置する接触点４５において、第１嵌合部４３と接触し、かつ、半導体素子２の形成領域の外側に位置する接触点５５において、第２嵌合部５３と接触するように、配置されている。本実施形態では、このように構成された第１冷却器３により、半導体素子２を上下両面から冷却することにより、上述した第１実施形態の効果に加えて、半導体素子２の上面においても、半導体素子２と第１冷却器３との密着性を高めることができ、これにより、半導体装置１ａ全体としての冷却性能をより高めることができるという効果を奏することができる。

≪第３実施形態≫
続いて、本発明の第３実施形態について説明する。図９は、第３実施形態に係る半導体装置１ｂの断面図である。第３実施形態に係る半導体装置１ｂは、以下に説明する点において、第１実施形態の半導体装置１と異なる以外は、上述の第１実施形態と同様の構成と作用を有し、その重複する説明は省略する。

第３実施形態に係る半導体装置１ｂは、図９に示すように、半導体素子を搭載する半導体モジュール２０と、この半導体モジュール２０を冷却するための第１冷却器３とを有しており、半導体モジュール２０を、ボルトやねじなどの締結部材９により、第１冷却器３に固定することにより、半導体モジュール２０を、片面から、第１冷却器３で冷却する構成となっている。すなわち、第３実施形態に係る半導体装置１ｂにおいては、半導体素子２の代わりに半導体素子を搭載する半導体モジュール２０を備えるとともに、この半導体モジュール２０を冷却するための冷却器として、第２冷却器８が配置されておらず、この点において、第１実施形態に係る半導体装置１と異なる。

本実施形態において、半導体装置１ｂを構成する第１冷却器３には、図９に示すように、第１嵌合部４３と第２嵌合部５３との間に、皿ばね７が介装されている。そして、この皿ばね７は、半導体モジュール２０に搭載された半導体素子（不図示）の形成領域の内側に位置する接触点において、第１嵌合部４３と接触し、かつ、半導体モジュール２０に搭載された半導体素子（不図示）の形成領域の外側に位置する接触点おいて、第２嵌合部５３と接触するように配置されている。

以上のように、本実施形態に係る半導体装置１ｂは、半導体モジュール２０が、締結部材９により、第１冷却器３に固定されており、半導体モジュール２０を、片面から、第１冷却器３で冷却する構成となっている。この第１冷却器３は、第１嵌合部４３と第２嵌合部５３との間に、皿ばね７を介装しており、この皿ばね７は、図９に示すように、半導体モジュール２０に搭載された半導体素子（不図示）の形成領域の内側に位置する接触点において、第１嵌合部４３と接触し、かつ、半導体モジュール２０に搭載された半導体素子（不図示）の形成領域の外側に位置する接触点おいて、第２嵌合部５３と接触するように配置されている。本実施形態では、このように構成された第１冷却器３により、半導体素子２を片面から冷却することにより、上述した第１実施形態の効果に加えて、半導体装置１ｂの小型化、および製造コストの低減化などの効果を奏することができる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

例えば、本実施形態においては、第１放熱体４を半導体素子２側に付勢するための部材として、皿ばね７を例示して説明しているが、このような部材としては、皿ばね７に限定されるものではなく、金属製の環状弾性体であれば、特に限定されるものではない。

また、上述した実施形態においては、単一の半導体素子２を、２つの冷却器３，８で冷却する半導体装置１を例示したが、半導体装置１が備える半導体素子の数は特に限定されず、複数の半導体素子を備える構成としてもよい。

なお、上述した実施形態の半導体素子２は本発明の発熱素子に、第１放熱体４は本発明の第１放熱体に、第１嵌合部４３は本発明の第１嵌合部に、第２放熱体５は本発明の第２放熱体に、第２嵌合部５３は本発明の第２嵌合部に、皿ばね７は本発明の環状弾性体および皿ばねに、それぞれ相当する。

１，１ａ，１ｂ…半導体装置
２…半導体素子
２０…半導体モジュール
３…第１冷却器
４…第１放熱体
４１…放熱部
４２ａ〜４２ｇ…放熱フィン
４３…第１嵌合部
４４…周溝
４５…接触点
５…第２放熱体
５１…受容部
５３…第２嵌合部
５５…接触点
６…シール部材
７…皿ばね
８…第２冷却器

Claims (5)

1. 発熱素子が配置される主面と、放熱部および該放熱部の周囲を囲む第１嵌合部が形成された他の主面と、を有する第１放熱体と、
   前記第１嵌合部に嵌合される第２嵌合部を有し、前記第１嵌合部に前記第２嵌合部を嵌合して前記第１放熱体と組み合わせることで、前記放熱部を受容して冷媒流路を形成する受容部を有する第２放熱体と、
   前記第１嵌合部と前記第２嵌合部との間に介装される金属製の環状弾性体と、を備える発熱素子の冷却装置であって、
   前記環状弾性体は、前記受容部側と逆側に配置され、かつ、前記発熱素子の形成領域よりも外側の領域において、前記第２嵌合部と接触するように配置されることを特徴とする発熱素子の冷却装置。
2. 請求項１に記載の発熱素子の冷却装置であって、
   前記環状弾性体は、内周側から外周側に向かって、勾配して形成されており、
   前記環状弾性体は、内周側の一端において、前記第１嵌合部と接触しており、外周側の他端において、前記第２嵌合部と接触していることを特徴とする発熱素子の冷却装置。
3. 請求項１または２に記載の発熱素子の冷却装置であって、
   前記環状弾性体は、前記発熱素子の形成領域よりも内側の領域において、前記第１嵌合部と接触するように配置されることを特徴とする発熱素子の冷却装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の発熱素子の冷却装置であって、
   前記第１放熱体は、前記放熱部には、複数の放熱フィンが形成されており、
   前記複数の放熱フィンは、前記環状弾性体よりも内側の、円形状の領域に形成されていることを特徴とする発熱素子の冷却装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の発熱素子の冷却装置であって、
   前記環状弾性体は、皿ばねであることを特徴とする発熱素子の冷却装置。

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