JP2014063870A - 半導体冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒の排出側における冷媒の淀みの発生を抑制することができる半導体冷却装置を提供する。
【解決手段】半導体素子２０と、第一の面に半導体素子２０を搭載し、第一の面と対向する第二の面に冷却用フィン２７を設けた金属プレート２６と、金属プレート２６の第二の面との間で冷媒の流路を形成するように、金属プレート２６の第二の面を覆うケース１２とを備え、流路の冷媒の排出側のケース１２内に、冷却用フィン２７に対向するように突起部３０を設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体冷却装置に関する。

電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）等の駆動モータを制御するために、パワー半導体を用いたインバータが使用されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１には、伝熱性の高い金属等から構成される放熱板の上面に半導体素子を設置し、半導体素子を設置した面と対向する下面に冷却用フィンを設け、冷却用フィンに水等の冷媒を流して冷却する構成が記載されている。半導体素子から発生した熱は、冷却用フィンを介して冷媒に放熱される。

特開２０１０−８７０７２号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、冷媒をポンプを用いて循環させるために、ポンプと半導体モジュールとを配管で接続しており、特に、冷媒が半導体モジュールから配管に排出される部分で冷媒の淀みが生じ易い。このため、冷媒の排出側に位置する半導体素子の熱抵抗が増大し、冷却能力が低下してしまうという問題がある。

本発明の目的は、冷媒の排出側における冷媒の淀みの発生を抑制することができる半導体冷却装置を提供することである。

本発明の一態様によれば、ヒートシンクに設けられた冷却用フィンを冷媒で冷却する構造において、冷媒の排出側のケース内に突起部を設けた半導体冷却装置が提供される。

本発明によれば、冷媒の排出側における冷媒の淀みの発生を抑制することができる半導体冷却装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体冷却装置の一例を示す上面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体冷却装置の一例を示す側面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体冷却装置の一例を示す断面図（図１のＡ−Ａ方向の断面図）である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体冷却装置の突起部及び冷却用フィンの一例を示す断面図（図３のＢ−Ｂ方向の断面図）である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体冷却装置の突起部の斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体冷却装置の突起部及び冷却用フィンの他の一例を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体冷却装置の突起部及び冷却用フィンの更に他の一例を示す断面図である。 比較例に係る半導体冷却装置の排出側の冷媒の流れを示す概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体冷却装置の排出側の冷媒の流れを示す概略図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体冷却装置の突起部及び冷却用フィンの一例を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体冷却装置の排出側の冷媒の流れを示す概略図である。 本発明の第３の実施の形態に係る半導体冷却装置の突起部及び冷却用フィンの一例を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る半導体冷却装置の突起部及び平坦部の斜視図である。 本発明の第４の実施の形態に係る半導体冷却装置の突起部及び平坦部の斜視図である。 本発明のその他の実施の形態に係る半導体冷却装置の一例を示す断面図である。 本発明のその他の実施の形態に係る半導体冷却装置の突起部及び冷却用フィンの一例を示す断面図（図１５のＤ−Ｄ方向の断面図）である。 本発明のその他の実施の形態に係る半導体冷却装置の突起部及び冷却用フィンの他の一例を示す断面図（図１５のＤ−Ｄ方向の断面図）である。 本発明のその他の実施の形態に係る半導体冷却装置の突起部の一例を示す斜視図である。

次に、図面を参照して、本発明の第１〜第４の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。また、以下に示す第１〜第４の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の実施の形態に係る半導体冷却装置の一例として、車載用のインバータ装置を説明する。本発明の実施の形態に係る半導体冷却装置は、図１に示すように、冷却流路部品（ケース）１２と、ケース１２上に複数のボルト１３により固定された半導体装置（半導体モジュール）１１を備える。

ケース１２の側面には、図２に示すように冷媒入口１４が設けられている。図示を省略するが、冷媒入口１４が設けられた側面と反対側の側面には冷媒出口が設けられている。

半導体装置１１は、図３に示すように、半導体素子２０と、半導体素子２０の下面に接合部材２１を介して接合された導体パターン２２と、導体パターン２２の下面に接合された絶縁板２３と、絶縁板２３の下面に接合された導体パターン２４と、導体パターン２４の下面に接合部材２５を介して接合された金属プレート（ヒートシンク）２６とを備える。金属プレート２６の上面には、半導体素子２０を覆うように筐体１６が配置されている。

半導体素子２０としては、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やフリーホイーリングダイオード（ＦＷＤ）等の種々のパワー半導体が使用可能である。接合部材２１，２５としては、はんだ等が使用可能である。導体パターン２２，２４は、例えば銅（Ｃｕ）等からなり、電気的配線部材及び放熱部材を兼ねている。絶縁板２３としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等が使用可能である。導体パターン２２、２４及び絶縁板２３により絶縁基板（配線基板）が構成されている。

金属プレート２６は、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等からなる。金属プレート２６の下面には複数の円筒形状の冷却用フィン２７がマトリクス状に形成されている。冷却用フィン２７は、例えば直径が２ｍｍ、長さが８ｍｍであり、隣接する冷却用フィン２７との間隔は例えば４．５ｍｍである。冷却用フィン２７の形状、サイズ、数及び配列のパターンは特に限定されず適宜選択可能である。冷却用フィン２７付きの金属プレート２６は、冷却用フィン２７を別途ろう付けする工法や、冷却用フィン２７を切削加工で削り出す工法等により製作することができる。

金属プレート２６の下面には、冷却用フィン２７の周囲を覆うようにアルミニウム（Ａｌ）等からなるケース１２が接合されている。ケース１２は、冷媒入口１４及び冷媒出口１５を有し、金属プレート２６との間で冷却水等の冷媒の流路１９を形成する。

図３に矢印で示すように、冷媒入口１４から供給された冷媒は、流路１９において冷却用フィン２７の間を流れ、冷媒出口１５から排出される。ここで、冷媒入口１４から冷媒出口１５へ向かう方向（矢印の方向）を「冷媒の流れ方向」と定義する。

冷媒入口１４には、冷媒を供給するためのポンプ（冷媒供給手段）１７が配管を介して接続されている。冷媒出口１５には、冷媒を冷却するためのラジエータ１８が配管を介して接続され、ラジエータ１８にはポンプ１７が接続される。ラジエータ１８で冷却された冷媒はポンプ１７を用いて冷媒入口１４に循環的に供給される。

金属プレート２６とケース１２の接触部には、冷媒の漏れを防止するため、ＯリングやＦＩＰＧ（Formed In Place Gasket）等のシール材２８が挟み込まれている。ケース１２の金属プレート２６との接触部分は、シール材２８の反力によるケース１２の撓みを防止するために肉厚の厚さＴ１（例えば８ｍｍ）の段差部２９となる。

図４及び図５に示すように、冷媒の排出側のケース１２内、即ち段差部２９の側面には、冷媒の排出側（最下流側）に位置する冷却用フィン２７の側面に対向するように突起部３０が設けられている。本発明の第１の実施の形態においては、冷媒の流れ方向において、突起部３０間の凹部３１が、冷媒の排出側（最下流側）に位置する冷却用フィン２７に重なる位置にある。冷媒の流れ方向における突起部３０の寸法Ｄ１は例えば２ｍｍである。寸法Ｄ１は、段差部２９の寸法Ｄ０に対して同等以下であっても良く、寸法Ｄ０より大きくても良い。突起部３０の幅は、例えば冷却用フィン２７間の間隔と同等であっても良い。突起部３０の数、幅及び間隔等は特に限定されず、冷却用フィン２７の数や直径、間隔等に応じて適宜変更可能である。突起部３０は、例えば切削加工等により形成することができる。

なお、図４及び図５に示すように突起部３０が円柱状の場合を主に説明するが、突起部３０の形状は特に限定されない。例えば図６に示すように三角柱状の突起部３０ａであっても良く、図７に示すように曲面を有する突起部３０ｂであっても良い。

ここで、比較例として、段差部２９に突起部が設けられていない場合を説明する。図８において、突起部が設けられていない段差部２９付近における冷媒の流れを矢印で示す。図８に示すように、冷媒の排出側（最下流側）に位置する冷却用フィン２７間を通過した冷媒は、段差部２９に当り、冷媒流れ方向と逆方向に流れる。このため、冷却用フィン２７の背面の領域Ａにおいて冷媒の淀みが生じる。

これに対して、本発明の第１の実施の形態においては、図４及び図５に示すように、冷媒の排出側のケース１２内に、冷却用フィン２７に対向するように突起部３０を設けている。よって、図９に矢印で示すように、最下流側に位置する冷却用フィン２７の間を通過した冷媒が、突起部３０間の凹部３１に流れるように制御される。凹部３１が冷却用フィン２７背面に位置するため、冷媒は冷却用フィン２７背面にも流れ込むので、冷却用フィン２７背面には淀みが発生しなくなる。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、冷媒の排出側（下流側）のケース１２内に、冷却用フィン２７に対向するように突起部３０を設けることにより、冷媒の排出側（下流側）の冷媒の淀みの発生を抑制することができる。この結果、半導体素子２０の熱抵抗の増大を抑制することができる。

特に、冷媒の流れ方向において突起部３０間の凹部３１が最下流側に位置する冷却用フィン２７に重なる位置にあることにより、冷媒が冷却用フィン２７背面に流れるので、冷却用フィン２７の背面の冷媒の淀みの発生を抑制することができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る半導体冷却装置は、図１０に示すように、冷媒の流れ方向において、突起部３０が冷媒の排出側（最下流側）に位置する冷却用フィン２７と重なる位置にある点が、第１の実施の形態と異なる。突起部３０の冷却用フィン２７と対向する面の幅は、例えば冷却用フィン２７の直径と同等であっても良い。本発明の第２の実施の形態に係る半導体冷却装置の他の構成は、第１の実施の形態に係る半導体冷却装置の構成と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

図１１において段差部２９付近における冷媒の流れを矢印で示す。図１１に示すように、最下流側に位置する冷却用フィン２７の間を通過した冷媒は、突起部３０間の凹部３１に流れ込む。冷却用フィン２７背面には突起部３０が位置しており、冷媒が冷却用フィン２７背面に流れ込む隙間がないため、冷却用フィン２７背面の淀みの発生を抑制することができる。

本発明の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、冷媒の排出側（下流側）のケース１２内に、冷却用フィン２７に対向するように突起部３０を設けることにより、冷媒の排出側（下流側）の冷媒の淀みの発生を抑制することができる。したがって、半導体素子２０の熱抵抗の増大を抑制することができる。

特に、冷媒の流れ方向において、突起部３０が冷媒の排出側（最下流側）に位置する冷却用フィン２７と重なる位置にあることにより、冷媒が冷却用フィン２７背面に流入しなくなり、冷却用フィン２７背面の冷媒の淀みの発生を抑制することができる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る半導体冷却装置は、図１２及び図１３に示すように、ケース１２に設けられた突起部３０の上部（水密部側）において、突起部３０間を埋めるように平坦部３２を設ける点が、第１の実施の形態と異なる。冷媒の流れ方向における平坦部３２の寸法Ｄ３は、突起部３０の寸法Ｄ１と同等以下であり、段差部２９の厚さ方向における平坦部３２の寸法Ｄ４は、突起部３０の寸法Ｄ２より小さい。本発明の第３の実施の形態に係る半導体冷却装置の他の構成は、第１の実施の形態に係る半導体冷却装置の構成と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

本発明の第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、冷媒の排出側（下流側）のケース１２内に、冷却用フィン２７に対向するように突起部３０を設けることにより、冷媒の排出側（下流側）の冷媒の淀みの発生を抑制することができる。したがって、半導体素子２０の熱抵抗の増大を抑制することができる。

更に、第１の実施の形態と同様に、冷媒の流れ方向において突起部３０間の凹部３１が最下流側に位置する冷却用フィン２７に重なる位置にあることにより、冷媒が最下流側に位置する冷却用フィン２７背面に流れる。したがって、冷却用フィン２７背面の冷媒の淀みの発生を抑制することができる。

更に、突起部３０の上部において突起部３０間を埋めるように平坦部３２を設けることにより、ケース１２と金属プレート２６との接触面積が増大するので、ケース１２と金属プレート２６との水密性を向上させることができる。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係る半導体冷却装置は、図１４に示すように、平坦部３２の下端の凹部３１に、金属プレート２６から離れるにつれて冷媒の排出側に傾斜するようにテーパを設ける点が、第３の実施の形態と異なる。本発明の第４の実施の形態に係る半導体冷却装置の他の構成は、第３の実施の形態に係る半導体冷却装置の構成と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

本発明の第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、冷媒の排出側（下流側）のケース１２内に、冷却用フィン２７に対向するように突起部３０を設けることにより、冷媒の排出側（下流側）の冷媒の淀みの発生を抑制することができる。したがって、半導体素子２０の熱抵抗の増大を抑制することができる。

更に、第３の実施の形態と同様に、突起部３０の上部において突起部３０間を埋めるように平坦部３２を設けることにより、金属プレート２６と段差部２９との接触面積（シール面積）を増大させることができる。したがって、金属プレート２６と段差部２９との水密性を向上させることができる。

更に、凹部３１にテーパを設けることにより、凹部３１に流入した冷媒がテーパに従って流れるため、冷媒を滑らかに流すことができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第４の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

本発明の第１〜第４の実施の形態においては、円筒形状の冷却用フィン２７がマトリクス状に配置された場合を説明したが、冷却用フィン２７の形状及び配置は特に限定されない。例えば、図１５に示すように、冷却用フィン２７ａがブレードフィン型（板状）のフィンであっても良い。この場合、例えば図１６に示すように、冷媒の流れ方向において突起部３０間の凹部３１が冷却用フィン２７ａの端部と重なる位置にあっても良い。これにより、第１の実施の形態と同様に、冷媒は冷却用フィン２７ａの背面に流れ込むので、冷却用フィン２７ａの背面に淀みが発生することを抑制することができる。

また、図１７に示すように、冷媒の流れ方向において、突起部３０が、冷却用フィン２７ａの端部と重なる位置にあっても良い。これにより、第２の実施の形態と同様に、冷却用フィン２７ａ背面に冷媒が流れ込まず、冷却用フィン２７ａの背面に淀みが発生することを抑制することができる。

また、第４の実施の形態において、平坦部３２の下側の凹部３１がテーパを有する場合を説明したが、突起部３０の上部に平坦部が設けられていなくても良い。即ち、図１８に示すように、平坦部が設けられていない構造において、突起部３０間の凹部３１が、金属プレート２６から離れにつれて冷媒の排出側に傾斜するテーパを有していても良い。これにより、第４の実施の形態と同様に、冷媒がテーパに従って流れるため、冷媒を滑らかに流すことができる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１２…ケース（冷却流路部品）
１７…ポンプ（冷媒供給手段）
１９…流路
２０…半導体素子
２６…金属プレート（ヒートシンク）
２７，２７ａ…冷却用フィン
３０，３０ａ，３０ｂ…突起部
３１…凹部
３２…平坦部

Claims (5)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子を第一の面に搭載し、前記第一の面と対向する第二の面に冷却用フィンを設けたヒートシンクと、
   前記ヒートシンクとの間で冷媒の流路を形成するように、前記ヒートシンクの第二の面を覆うケースとを備え、
   前記ヒートシンクより冷媒の排出側の前記ケース内に、前記冷却用フィンと対向するように突起部を設けたことを特徴とする半導体冷却装置。
2. 前記冷媒の流れ方向において、前記突起部間の凹部が、前記冷媒の排出側に位置する前記冷却用フィンと重なる位置にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体冷却装置。
3. 前記冷媒の流れ方向において、前記突起部が、前記冷媒の排出側に位置する前記冷却用フィンと重なる位置にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体冷却装置。
4. 前記突起部の上部において前記突起部間の凹部を埋めるように平坦部が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体冷却装置。
5. 前記突起部間の凹部が、前記ヒートシンクから離れにつれて前記冷媒の排出側に傾斜するテーパを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体冷却装置。

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