JP2014143273A - 積層冷却ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】冷却プレートと電子部品の間に配置される絶縁板の破損を防止することができる積層冷却ユニットを提供する。
【解決手段】複数の冷却プレート３が、隣り合う冷却プレート３間に絶縁板を介在させて電子部品を両面から挟持するように積層配置された積層冷却ユニットにおいて、各冷却プレート３が、外壁部３２と、この外壁部の内部で冷媒の流路を積層方向に２つの流路Ｆ２，Ｆ３に区画する隔壁部４２と、を備える。２つの流路のうち一方の流路Ｆ３には、フィン４６を備えた受熱部３ｃが設けられ、隔壁部４２には、受熱部３ｃに冷媒を噴出するためのノズル４５が設けられ、２つの流路のうち他方の流路Ｆ２には、隔壁部４２から積層方向に延びる柱状部４７が設けられている。また、他方の流路Ｆ２は、冷媒の流通方向に対して上流側に開口部を有し、この開口部の近傍に柱状部４７が設けられている。
【選択図】図８

Description

本発明は、内部に冷媒の流路を有する冷却プレートと、冷却対象である半導体素子等の電子部品と、が交互にそれぞれ複数段で積層配置された積層冷却ユニットに関する。

積層冷却ユニットの一例として、プレート形状の複数の冷却管が電子部品としての半導体モジュールを両面から挟持するように積層配置された積層型冷却器が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載された積層型冷却器では、各冷却管に、半導体モジュールとの積層方向に仕切り壁によって３層以上に分割された冷媒の流路が設けられ、最も外側の流路とその内側の流路との間の仕切り壁に、内側から外側へ冷媒を噴出する噴出孔が設けられている。

このような積層型冷却器を、例えばハイブリッド車等の車両に搭載して使用する場合、半導体モジュールと冷却プレートの間に絶縁板を設けるのが一般的である。絶縁板を設ける理由は、比較的高電位の動作電圧が印加される半導体モジュールと、例えば０Ｖの基準電位に固定される冷却プレートと、が導通して漏電するのを防ぐためである。

特開２００８−１９８７５１号公報

上記特許文献１に記載されているような従来の積層型冷却器においては、積層方向に圧力がかかるため、冷却プレートが変形する可能性がある。すなわち、冷却プレートは、冷媒を流通させるためにその内部が空洞となっており、その縁部と比べて中央部の剛性が低いため、積層方向に圧力がかかったときに冷却プレートの中央部が内側に撓みやすく、変形する可能性が高い。

したがって、このような冷却プレートと半導体モジュールの間に絶縁板を積層すると、冷却プレートの変形によって絶縁板に生じる応力に偏りが生じるため、この絶縁板が破損するおそれがある。このような問題は、冷却性能を高めるべく熱伝導性を確保するために絶縁板を薄く形成した場合に、特に顕著に表れる。

本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、冷却プレートと電子部品の間に配置される絶縁板の破損を防止することができる積層冷却ユニットを提供することを目的とする。

本発明に係る積層冷却ユニットは、上記目的を達成するため、（１）内部に冷媒の流路が形成された複数の冷却プレートが、隣り合う冷却プレート間に絶縁板を介在させて電子部品を両面から挟持するように積層配置された積層冷却ユニットであって、前記複数の冷却プレートの各々が、外壁部と、前記外壁部の内部で前記冷媒の流路を積層方向に２つの流路に区画する隔壁部と、を備え、フィンを備えた受熱部が、前記２つの流路のうち一方の流路に設けられ、前記受熱部に冷媒を噴出するためのノズルが、前記隔壁部に設けられ、前記隔壁部から積層方向に延びる柱状部が、前記２つの流路のうち他方の流路に設けられているものから構成されている。

この構成により、本発明に係る積層冷却ユニットは、隔壁部によって積層方向に区画された２つの流路のうち、フィンが設けられていて比較的剛性の高い一方の流路と比べて剛性の低い他方の流路に柱状部が積層方向に延設されているので、積層方向の両端側から圧縮力が加わっても、その柱状部によって冷却プレートの外壁部が撓むのを抑制することができる。

すなわち、隔壁部によって積層方向に区画された２つの流路のうち他方の流路に設けた柱状部によって冷却プレートの剛性が高められるので、冷却プレートの変形を抑制することができる。これにより、冷却プレートの、柱状部が設けられている側の一面側と、電子部品と、の間に配置される絶縁板の破損を防止することができる。

また、隔壁部によって積層方向に区画された２つの流路のうち一方の流路は、フィンが設けられていて比較的剛性の高い構造となっているので、積層方向の両端側から圧縮力が加わっても、そのフィンによって冷却プレートの外壁部が撓むのを抑制することができ、冷却プレートの変形を抑制することができる。これにより、冷却プレートの、フィンが設けられている側の他面側と、電子部品と、の間に配置される絶縁板の破損を防止することができる。

上記（１）に記載の積層冷却ユニットにおいて、（２）前記２つの流路のうち他方の流路は、冷媒の流通方向に対して上流側に開口部を有し、前記柱状部は、前記開口部の近傍に設けられているものから構成されている。

この構成により、本発明に係る積層冷却ユニットは、隔壁部によって積層方向に区画された２つの流路のうち他方の流路の上流側の開口部、すなわち、比較的剛性の低い他方の流路のなかでも特に剛性が低くなっている箇所に、隔壁部から積層方向に延びる柱状部が設けられているので、上記（１）に記載の積層冷却ユニットと比べて、冷却プレートの変形をより小さく抑制することができる。これにより、冷却プレートの、柱状部が設けられている側の一面側と、電子部品と、の間に配置される絶縁板の破損を従来と比較して確実に防止することができる。

上記（１）または（２）に記載の積層冷却ユニットにおいて、（３）前記ノズルは、前記２つの流路のうち他方の流路内で前記外壁部の長手方向と並行に配列された複数個のスリット状のノズルであり、前記柱状部は複数個設けられ、該複数個の柱状部は、前記他方の流路内で前記隔壁部上に、並行に配列された前記複数個のスリット状のノズルの間に分散配置されているものから構成されている。

この構成により、本発明に係る積層冷却ユニットは、複数個の柱状部が隣り合うスリット状のノズル間に分散配置されているので、柱状部が設けられている側の流路内を流通する冷媒の流量をほぼ均等にすることができる。これにより、各ノズルを通して反対側の流路に噴出される冷媒の流量をほぼ均等にすることができ、積層冷却ユニットの冷却性能の向上に寄与することができる。

例えば、本発明に係る積層冷却ユニットにおける柱状部と同様に絶縁板の破損を防止することが可能な壁状の部材を、隣り合うスリット状のノズル間に設けた場合、この壁状の部材によって流路が各スリット状のノズル毎に独立した流路に分割されてしまう。このため、各スリット状のノズル毎に冷媒の流量にばらつきが生じ、冷却性能の低下につながるおそれがある。

これに対して、本発明に係る積層冷却ユニットは、複数個の柱状部が隣り合うスリット状のノズル間を分断しないように分散配置されているので、このような問題を解消することができる。

本発明によれば、冷却プレートと電子部品の間に配置される絶縁板の破損を防止することができる積層冷却ユニットを提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る積層冷却ユニットの概略構成を示す斜視図である。 図１に示す積層冷却ユニットの実装例を示す図である。 図１に示す積層冷却ユニットにおける半導体モジュールの構成を示す図であり、（ａ）は半導体モジュールを上方から見たときの平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿って見たときの断面図である。 図１に示す積層冷却ユニットにおける冷却プレートの外観を示す図であり、（ａ）は冷却プレートを斜め上方から見たときの斜視図、（ｂ）はその側面図である。 図４に示す冷却プレートの内部構造を示す図であり、（ａ）は冷却プレートの内部を斜め上方から見たときの斜視図、（ｂ）はその平面図である。 図５に示す冷却プレートの断面構造を示す図であり、（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ図５（ｂ）のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線に沿って見たときの断面図である。 図５に示す冷却プレートにおける隔壁部のノズルとフィンとの位置関係を示す一部切欠き斜視図である。 図５に示す冷却プレートにおける冷媒の流れを示す図であり、（ａ）は図５（ａ）に対応する一部切欠き斜視図、（ｂ）は図６（ｃ）に対応する断面図である。

以下、本発明に係る積層冷却ユニットの実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施の形態においては、本発明に係る積層冷却ユニットを、ハイブリッド車や電気自動車等の電力を動力源とする自動車に搭載する場合を例に説明する。

まず、構成について説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る積層冷却ユニット１は、積層体１０と、圧縮力付与手段１１と、を備えている。圧縮力付与手段１１は、積層体１０にその積層方向（図１においてＹ方向）の両端側から適当な圧縮力を付与して積層体１０を固定保持するものである。

積層体１０は、図１に示すように、冷却対象である電子部品としての半導体モジュール２と、内部に冷媒の流路を有する冷却プレート３と、が交互にそれぞれ複数段で積層配置されている。また、積層体１０は、半導体モジュール２をその厚さ方向（図１においてＹ方向）の両端側から冷却するように、隣り合う冷却プレート３間に半導体モジュール２を両面から挟むようになっている。

さらに、積層体１０は、半導体モジュール２と冷却プレート３の間の絶縁を確保するため、半導体モジュール２と冷却プレート３の間に絶縁板４を挟むようになっている。半導体モジュール２および絶縁板４は、隣り合う冷却プレート３間において、各冷却プレート３の平坦になっている中央部分と対向する位置に配置されている。

このように、積層体１０は、半導体モジュール２、冷却プレート３および絶縁板４が積層された状態で一体化されている。なお、本実施の形態においては、隣り合う冷却プレート３の間に１つの半導体モジュール２を配置しているが、複数の半導体モジュール２を配置するようにしてもよい。

半導体モジュール２と冷却プレート３の間に配置される絶縁板４は、絶縁性の他に熱伝導性にも優れた材料から形成されているのが望ましく、例えば、セラミックス製のものが好適に用いられる。また、絶縁板４は、熱伝導性の観点から薄い方が望ましい。

圧縮力付与手段１１は、図１に示すように、ブラケット１２と、このブラケット１２に装着された板ばね１３と、を備えている。ブラケット１２は、互いに離間して向かい合う第１の部材１２ａおよび第２の部材１２ｂと、第１の部材１２ａおよび第２の部材１２ｂの両端に一体に形成された第３の部材１２ｃと、を有している。板ばね１３は、図示の例では第１の部材１２ａの内側に配置されている。

積層体１０は、図１に示すように、ブラケット１２の第１の部材１２ａと第２の部材１２ｂの間に配置され、その積層方向（図１においてＹ方向）の両端側から板ばね１３のばね力により圧縮力が付与されるようになっている。この圧縮力により、積層冷却ユニット１において半導体モジュール２、冷却プレート３および絶縁板４は、互いに密着し、高い熱伝達効率が確保されるようになっている。

このように構成された積層冷却ユニット１は、ハイブリッド車や電気自動車のパワーコントロールユニットに用いられ、例えば、図２に示すように実装される。

図２において、太い矢印で示す部分は、冷媒Ｗの流れを表している。冷媒Ｗとしては液体が好ましく、例えば、ＬＬＣ (Long Life Coolant) と呼ばれる冷却液が用いられる。

積層冷却ユニット１は、図２に示すように、冷媒Ｗの供給管５１と、冷媒Ｗの排出管５２と、の間に介装されている。供給管５１の、積層冷却ユニット１における各冷却プレート３の配置位置に対応する部分は、開口されており、この開口部分に管状の導入ガイド５３が結合されている。同様に、排出管５２の、積層冷却ユニット１における各冷却プレート３の配置位置に対応する部分も、開口されており、この開口部分に管状の排出ガイド５４が結合されている。

積層冷却ユニット１は、各冷却プレート３の両端部、すなわち、冷却プレート３に冷媒Ｗが導入される側（図示の例において左側）の端部および冷却プレート３から冷媒Ｗが排出される側（図示の例において右側）の端部、がそれぞれ導入ガイド５３および排出ガイド５４に結合されるように固定されている。

図２に示す実装例において、供給管５１から供給される冷媒Ｗは、それぞれ対応する導入ガイド５３を通して各冷却プレート３に導入される。各冷却プレート３に導入された冷媒Ｗは、各冷却プレート３内を導入側の端部から排出側の端部に向かって流通する間に半導体モジュール２の熱を吸収し、半導体モジュール２を冷却する。各冷却プレート３内を流通した冷媒Ｗは、それぞれ対応する排出ガイド５４を通して最終的に排出管５２から排出される。

半導体モジュール２は、ハイブリッド車や電気自動車のモータに交流電力を供給するインバータや電圧コンバータのスイッチング素子として用いられる。

この半導体モジュール２は、図３に示すように、第１の半導体チップ２０および第２の半導体チップ２１と、第１のスペーサ２２および第２のスペーサ２３と、第１の放熱板２４ａおよび第２の放熱板２５ａと、第１のリード２４ｂおよび第２のリード２５ｂと、複数本の第３のリード２６と、これらを絶縁性樹脂で封止した樹脂封止体２７と、を有している。すなわち、半導体モジュール２は、第１の半導体チップ２０および第２の半導体チップ２１をパッケージングした構成になっている。

第１のスペーサ２２および第２のスペーサ２３、第１の放熱板２４ａおよび第２の放熱板２５ａ、第１のリード２４ｂおよび第２のリード２５ｂ、および複数の第３のリード２６は、導電性および熱伝導性に優れた材料、例えば、銅もしくは鉄−ニッケル合金等からなる金属材で形成されている。第１の半導体チップ２０、第２の半導体チップ２１、第１のスペーサ２２および第２のスペーサ２３は、第１の放熱板２４ａと、第２の放熱板２５ａと、の間に配置されている。

第１の半導体チップ２０および第２の半導体チップ２１は、例えば、単結晶シリコンからなる半導体基板を母材として構成されている。第１の半導体チップ２０には、半導体素子として、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と呼ばれるパワー半導体素子が形成されている。このＩＧＢＴは、大電力を得るため、微細な複数のトランジスタセルを並列に接続した構成になっている。第２の半導体チップ２１には、ダイオードが形成されている。このダイオードも微細な複数のダイオードセルを並列に接続した構成になっている。

第１の半導体チップ２０は、その厚さ方向に互いに反対側に位置する主面および裏面を有している。第１の半導体チップ２０の主面には、ＩＧＢＴのエミッタ領域と電気的に接続された電極２０ａが配置されている。また、第１の半導体チップ２０の主面には、図示していないがＩＧＢＴのベース領域と電気的に接続された複数の電極も配置されている。第１の半導体チップ２０の裏面には、ＩＧＢＴのコレクタ領域と電気的に接続された電極２０ｂが配置されている。

第２の半導体チップ２１は、その厚さ方向に互いに反対側に位置する主面および裏面を有している。第２の半導体チップ２１の主面には、ダイオードのカソード領域と電気的に接続された電極２１ａが配置されている。第２の半導体チップ２１の裏面には、ダイオードのアノード領域と電気的に接続された電極２１ｂが配置されている。

樹脂封止体２７は、平面が矩形状で形成され、その厚さ方向に互いに反対側に位置する主面および裏面を有している。第１の放熱板２４ａは、樹脂封止体２７の主面から露出している。第１の放熱板２４ａは、第１のスペーサ２２を介して第１の半導体チップ２０の主面の電極２０ａと電気的に接続されるとともに、第２のスペーサ２３を介して第２の半導体チップ２１の主面の電極２１ａと電気的に接続されている。

第２の放熱板２５ａは、樹脂封止体２７の裏面から露出している。第２の放熱板２５ａは、第１の半導体チップ２０の裏面の電極２０ｂと電気的に接続されるとともに、第２の半導体チップ２１の裏面の電極２１ｂと電気的に接続されている。すなわち、半導体モジュール２は、ＩＧＢＴのエミッタ領域と、ダイオードのアノード領域と、が電気的に接続され、ＩＧＢＴのコレクタ領域と、ダイオードのカソード領域と、が電気的に接続されている。

第１のリード２４ｂおよび第２のリード２５ｂは、樹脂封止体２７の内外に亘って延在している。第１のリード２４ｂは、その一端が樹脂封止体２７の内部において第１の放熱板２４ａと一体的に連なっている。第２のリード２５ｂは、その一端が樹脂封止体２７の内部において第２の放熱板２５ａと一体的に連なっている。

すなわち、第１の放熱板２４ａは、第１のリード２４ｂと、電極２０ａと、を電気的に接続する導電路として用いられている。また、第１の放熱板２４ａは、第１のリード２４ｂと、電極２１ａと、を電気的に接続する導電路として用いられている。また、第２の放熱板２５ａは、第２のリード２５ｂと、電極２０ｂと、を電気的に接続する導電路として用いられている。また、第２の放熱板２５ａは、第２のリード２５ｂと、電極２１ｂと、を電気的に接続する導電路として用いられている。

複数本の第３のリード２６は、樹脂封止体２７の内外に亘って延在している。複数本の第３のリード２６は、図示していないが、第１の半導体チップ２０の主面に配置され、ＩＧＢＴのベース領域に電気的に接続された複数の電極と、ボンディングワイヤを介して電気的に接続されている。

このように構成された半導体モジュール２は、パワー半導体素子を有しており、扱う電力が大きいため発熱量も大きい。そこで、半導体モジュール２は、放熱性を高めるため、樹脂封止体２７から第１の放熱板２４ａおよび第２の放熱板２５ａを露出させたパッケージ構造になっている。

次に、冷却プレート３の構成について図４〜図７を参照しながら説明する。

冷却プレート３は、図４に示すように、その外観上、上下対称の第１の外壁板３１および第２の外壁板３２が封止接合された構造を有している。したがって、第１の外壁板３１は冷却プレート３の一面側を構成し、第２の外壁板３２は冷却プレート３の一面側と反対側の他面側を構成する。

冷却プレート３を構成する第１の外壁板３１および第２の外壁板３２は、積層冷却ユニット１（図２参照）を構成したときにそれぞれ半導体モジュール２と対向する面部と反対側の面部に凹部が形成された容器状に成形されている。また、第１の外壁板３１および第２の外壁板３２は、接合されたときにその長手方向（図４においてＸ方向）の両端部がそれぞれ冷媒の導入口３３および排出口３４を構成するような形状に成形されている。このような形状は、例えば、金属板にプレス加工を施すことによって形成することができる。

したがって、冷却プレート３は、それぞれ容器状に成形された第１の外壁板３１および第２の外壁板３２の各々の凹部側を互いに向かい合わせた状態で接合することにより、形成されている。

また、冷却プレート３の内部には、後述するように、冷媒の流路が形成されている。したがって、この冷却プレート３を構成する第１の外壁板３１および第２の外壁板３２は、本発明における「外壁部」を構成する。

冷却プレート３を構成する第１の外壁板３１および第２の外壁板３２は、図１、図２に示すように、冷却プレート３の一面側および他面側の少なくとも一方の面側に絶縁板４を介して熱結合される半導体モジュール２からの熱を受ける受熱部として機能するようになっている。また、第２の外壁板３２は、その受けた熱を後述するフィン４６（図６、図７参照）に伝熱する伝熱部として機能するようになっている。さらに、第１の外壁板３１および第２の外壁板３２の内側表面には、ＬＬＣ等の冷媒が接触するようになっている。

このため、第１の外壁板３１および第２の外壁板３２には、熱伝導性が良く、かつ耐食性に優れた材料を使用するのが望ましい。例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金（アルミニウム−マンガン（Ａｌ−Ｍｎ）系等）、銅（Ｃｕ）等を用いることができる。このような材料は、加工性やコスト面の観点からも好適である。

冷却プレート３は、図５に示すように、その長手方向（図中、Ｘ方向）において、冷媒の導入口３３を備える導入側端部３ａと、冷媒の排出口３４を備える排出側端部３ｂと、導入側端部３ａおよび排出側端部３ｂの間に位置する中央部３ｃと、を有している。図５に示す例では、冷却プレート３の内部構造を見やすくするために、第１の外壁板３１の図示を省略している。

冷却プレート３の中央部３ｃは、冷却プレート３の外形を形成する第１の外壁板３１および第２の外壁板３２が平坦になっている部分であり、冷却性能に寄与する主たる部分である。したがって、冷却プレート３の中央部３ｃは、冷却プレート３が半導体モジュール２および絶縁板４とともに積層されたときに半導体モジュール２の位置に対向するようになっている。

また、冷却プレート３の内部には、冷媒の流路が形成されている。この冷媒の流路は、図５、図６に示すように、４つの流路、すなわち、冷媒の導入口３３に連通する第１の流路Ｆ１と、この第１の流路Ｆ１に連通する第２の流路Ｆ２と、この第２の流路Ｆ２に連通する第３の流路Ｆ３と、この第３の流路Ｆ３から冷媒の排出口３４に連通する第４の流路Ｆ４と、に分かれている。

これら４つの流路のうち、第２の流路Ｆ２および第３の流路Ｆ３は、冷却プレート３の内部に設けられた流路分配器４０によって画成されている。流路分配器４０は、図５、図６に示すように、冷却プレート３の第２の外壁板３２が平坦になっている中央部３ｃに配置されている。したがって、第１の流路Ｆ１は、この流路分配器４０と冷媒の導入口３３の間に位置する冷却プレート３の導入側端部３ａに形成され、第４の流路Ｆ４は、流路分配器４０と冷媒の排出口３４の間に位置する冷却プレート３の排出側端部３ｂに形成されている。

流路分配器４０は、図５に示すように、その周囲を囲む側壁部４１と、この側壁部４１の内部に設けられた隔壁部４２と、によって構成されている。この隔壁部４２は、側壁部４１によって囲まれる空間を積層方向（図中、Ｙ方向）に第２の流路Ｆ２および第３の流路Ｆ３に区画するものであり、側壁部４１と一体に形成されている。

流路分配器４０の側壁部４１は、冷却プレート３の第２の外壁板３２の内側面に沿って長手方向（図中、Ｘ方向）に延びる２つの長辺部分４１ａおよび４１ｂを備えている。さらに、この側壁部４１の、隔壁部４２によって区画された上側の部分、すなわち、第２の流路Ｆ２が形成される側の部分は、冷媒の排出口３４側に位置する長辺部分４１ａ，４１ｂの各端部を繋ぐ短辺部分４１ｃを備えている。

この短辺部分４１ｃに対向している部分は、開口されている。すなわち、第２の流路Ｆ２が形成される側の側壁部４１の部分においては、冷媒の流通方向に対して上流側に位置する長辺部分４１ａ，４１ｂの各端部は繋がっておらず、開口部４３となっている。この開口部４３は、冷媒の導入口３３に連通する第１の流路Ｆ１に連通している。

すなわち、第２の流路Ｆ２は、隔壁部４２と、側壁部４１の長辺部分４１ａ，４１ｂおよび短辺部分４１ｃと、流路分配器４０に接合される第１の外壁板３１と、によって囲まれる空間により画成されている。

一方、側壁部４１の、隔壁部４２によって区画された下側の部分、すなわち、第３の流路Ｆ３が形成される側の部分は、冷媒の導入口３３側に位置する長辺部分４１ａ，４１ｂの各端部を繋ぐ短辺部分４１ｄを備えている。

この短辺部分４１ｄに対向している部分は、開口されている。すなわち、第３の流路Ｆ３が形成される側の側壁部４１の部分においては、冷媒の流通方向に対して下流側に位置する長辺部分４１ａ，４１ｂの各端部は繋がっておらず、開口部４４となっている。この開口部４４は、冷媒の排出口３４に連通する第４の流路Ｆ４に連通している。

すなわち、第３の流路Ｆ３は、隔壁部４２と、側壁部４１の長辺部分４１ａ，４１ｂおよび短辺部分４１ｄと、流路分配器４０に接合される第２の外壁板３２と、によって囲まれる空間により画成されている。

また、隔壁部４２には、図５、図６に示すように、複数個（図示の例では３個）のスリット状のノズル４５が、側壁部４１の長辺部分４１ａ，４１ｂと平行な方向（図中、Ｘ方向）に並行して延設されている。このノズル４５は、図７に示すように、隔壁部４２から下方側に向かって突出するように設けられている。したがって、隔壁部４２によって区画された上側の第２の流路Ｆ２と、下側の第３の流路Ｆ３とは、隔壁部４２に設けられたノズル４５を介して連通している。

すなわち、冷却プレート３は、その内部に設けられた流路分配器４０の隔壁部４２によって区画され、かつ隔壁部４２に設けられたノズル４５によって互いに連通した第２の流路Ｆ２および第３の流路Ｆ３を有している。

また、冷却プレート３は、図６、図７に示すように、隔壁部４２によって区画された下側の第３の流路Ｆ３に配置された複数のフィン４６を備えている。これら複数のフィン４６は、半導体モジュール２を冷却するためのものであり、受熱部として機能する冷却プレート３の第２の外壁板３２の中央部３ｃに配置されている。したがって、第２の外壁板３２の中央部３ｃは、本発明における「フィンを備えた受熱部」を構成する。

複数のフィン４６は、冷却プレート３の第２の外壁板３２の中央部３ｃ上で、冷却プレート３の導入側端部３ａから排出側端部３ｂに向かう方向と直交する方向、すなわち、図７に示すように、スリット状のノズル４５が延設されている方向（図中、Ｘ方向）と直交する方向（図中、Ｚ方向）に並行して延設されている。

これにより、冷却プレート３の導入口３３から第１の流路Ｆ１を介して第２の流路Ｆ２に導入された冷媒が、ノズル４５を通して第３の流路Ｆ３側に噴出され、第３の流路Ｆ３に配置されたフィン４６に衝突するようになっている。その際、フィン４６は、第２の外壁板３２に接触しているので、この第２の外壁板３２に絶縁板４を介して半導体モジュール２から伝達される熱を冷却プレート３の全体に拡散し易くしている。

なお、第２の外壁板３２の中央部３ｃに配置されるフィン４６の本数、厚みおよび配設ピッチは、流路分配器４０の大きさ、冷却プレート３の形状、熱交換容量等の設計諸元により適宜選択される。

また、流路分配器４０の隔壁部４２には、図５、図６に示すように、複数個（図示の例では４個）の円柱部４７が、第２の流路Ｆ２内で積層方向（図中、Ｙ方向）に延びて設けられている。これにより、円柱部４７は、冷却プレート３の両面側から圧力がかかったときに、冷却プレート３を構成する上側の第１の外壁板３１が円柱部４７の上端面に当たることで、第１の外壁板３１が撓むのを抑制することができる。これは、冷却プレート３の変形防止に寄与する。

すなわち、この円柱部４７は、第１の外壁板３１を支持することで、冷却プレート３の変形を防止するよう機能するようになっている。

また、円柱部４７の形状が円柱状となっているので、第２の流路Ｆ２内で円柱部４７に衝突しながら流通する冷媒の流動抵抗を小さくすることができる。これは、冷媒のスムーズな流通に寄与する。

また、複数個の円柱部４７は、図５に示すように、第２の流路Ｆ２内で冷媒の流通方向と平行な方向に並行して延設された複数個のノズル４５の隣り合うノズル４５間を分断しないように分散配置されている。ここでいう「隣り合うノズル４５間を分断しないように分散配置」とは、隣り合うノズル４５間を遮断するような壁状部材を設けるのではなく、隣り合うノズル４５間に十分なスペースが確保されるように複数個のノズル４５を適宜分散して配置する、という意味である。

仮に、隣り合うノズル４５間に壁状部材を設けた場合、この壁状部材によって第２の流路Ｆ２が各スリット状のノズル４５毎に独立した流路に分割されてしまう。この場合、第１の流路Ｆ１から開口部４３を通して第２の流路Ｆ２に流入する冷媒は、開口部４３の中央部分と比べて両端部分の方が冷媒の流入量が相対的に少なくなる。つまり、各スリット状のノズル４５毎に冷媒の流量にばらつきが生じ、その結果、冷却性能の低下につながるおそれがある。

これに対して、本実施の形態における冷却プレート３は、上述したように複数個の円柱部４７を分散配置しているので、第２の流路Ｆ２内を流通する冷媒の流量をほぼ均等にすることができる。

また、隔壁部４２に設けられる円柱部４７は、隔壁部４２と一体に形成され、その高さが側壁部４１の高さと実質的に同じになるように選定されている。このため、流路分配器４０の側壁部４１の上端面に第１の外壁板３１が接合されたときに、円柱部４７の上端面と、第１の外壁板３１とは、必ずしも密着せず隙間が生じる可能性がある。

このような隙間は、流路分配器４０を構成する材料と、第１の外壁板３１を構成する材料と、の間の熱膨張差によっても生じる可能性がある。仮にこのような隙間が生じたとしても、第１の外壁板３１が円柱部４７の上端面に当たることで第１の外壁板３１の撓みが抑制されるので、円柱部４７が果たすべき「冷却プレート３の変形防止」の機能に影響は及ぼされない。

また、流路分配器４０は、隔壁部４２によって区画された上側の第２の流路Ｆ２に導入された冷媒を、隔壁部４２に設けられたノズル４５を介して下側の第３の流路Ｆ３に配置されたフィン４６の方向に指向させるための部材として機能するようになっている。このような第２の流路Ｆ２および第３の流路Ｆ３を構成するために流路分配器４０は、図５、図６に示すように複雑な形状で、かつ正確な寸法に成形する必要がある。

また、流路分配器４０においては、隔壁部４２によって区画された上側の第２の流路Ｆ２に導入された冷媒が、隔壁部４２に設けられたノズル４５を介して下側の第３の流路Ｆ３に導入され、フィン４６に衝突後、このフィン４６を介して半導体モジュール２から伝達された熱を吸熱しながら第３の流路Ｆ３内を流れるようになっている。

このため、流路分配器４０を構成する材料には、耐熱性に加えて、精密成形性、寸法安定性等に優れた材料を使用するのが望ましい。例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂等を用いることができる。

本実施の形態に係る積層冷却ユニット１における各冷却プレート３は、図８に示すように、図中矢印で示す方向に冷媒Ｗが流通することで、半導体モジュール２を冷却するようになっている。すなわち、冷却プレート３の導入口３３から第１の流路Ｆ１を介して第２の流路Ｆ２に導入された冷媒Ｗが、図８（ｂ）に示すように隔壁部４２のノズル４５を通して第３の流路Ｆ３側に噴出されてフィン４６に衝突し、その衝突後の冷媒Ｗが、第３の流路Ｆ３内を下流側（図８においてＸ方向）に向かって流れ、最終的に第４の流路Ｆ４を介して排出口３４から排出されるようになっている。

このように、冷媒Ｗがフィン４６に衝突して第３の流路Ｆ３内を流れる過程で、フィン４６に第２の外壁板３２および絶縁板４を介して熱結合されている半導体モジュール２から伝達される熱を吸熱し、半導体モジュール２を冷却するようになっている。すなわち、本実施の形態に係る積層冷却ユニット１は、各冷却プレート３が衝突噴流式の冷却器を構成している。

次に、作用について説明する。

まず、図２、図４、図５に示すように、本実施の形態に係る積層冷却ユニット１は、冷却プレート３の内部の隔壁部４２によって積層方向に区画された第２の流路Ｆ２および第３の流路Ｆ３のうち、フィン４６が設けられていて比較的剛性の高い第３の流路Ｆ３と比べて剛性の低い第２の流路Ｆ２に複数の円柱部４７が積層方向に延設されているので、積層方向の両端側から圧縮力が加わっても、その円柱部４７によって冷却プレート３の第１の外壁板３１が撓むのを抑制することができる。

すなわち、隔壁部４２によって積層方向に区画された上側の第２の流路Ｆ２に設けられた円柱部４７によって冷却プレート３の剛性が高められるので、冷却プレート３の変形を抑制することができる。これにより、各冷却プレート３の第１の外壁板３１と、半導体モジュール２と、の間に配置される絶縁板４の破損を防止することができる。

また、隔壁部４２によって積層方向に区画された下側の第３の流路Ｆ３は、フィン４６が設けられていて比較的剛性の高い構造となっているので、積層方向の両端側から圧縮力が加わっても、そのフィン４６によって冷却プレート３の第２の外壁板３２が撓むのを抑制することができ、冷却プレート３の変形を抑制することができる。これにより、各冷却プレート３の第２の外壁板３２と、半導体モジュール２と、の間に配置される絶縁板４の破損を防止することができる。

また、本実施の形態に係る積層冷却ユニット１においては、隔壁部４２によって積層方向に区画された第２の流路Ｆ２の上流側の開口部４３、すなわち、比較的剛性の低い第２の流路Ｆ２のなかでも特に剛性が低くなっている箇所に、隔壁部４２から積層方向に延びる円柱部４７が設けられている。このため、開口部４３の近傍に円柱部４７を設けない場合と比べて、冷却プレート３の変形をより小さく抑制することができる。その結果、冷却プレート３の第１の外壁板３１と、半導体モジュール２と、の間に配置される絶縁板４の破損を従来と比較して確実に防止することができる。

本実施の形態に係る積層冷却ユニット１は、ハイブリット車や電気自動車等の車両に搭載されて用いられる。この場合、積層冷却ユニット１の冷却プレート３は、車両の基準電位、例えば０Ｖに電位固定される。一方、半導体モジュール２の樹脂封止体２７から露出する第１の放熱板２４ａおよび第２の放熱板２５ａには、ＩＧＢＴの動作電位が供給される。このとき、絶縁板４が破損していると、半導体モジュール２の高電位と冷却プレート３の基準電位とが導通し漏電するおそれがある。

したがって、本実施の形態に係る積層冷却ユニット１のように、パワー半導体素子の動作電位に電位固定される第１の放熱板２４ａおよび第２の放熱板２５ａが樹脂封止体２７から露出するパッケージ構造の半導体モジュール２と、冷却プレート３と、の間に絶縁板４を挟んで半導体モジュール２と冷却プレート３の間の絶縁を確保する場合においては、絶縁板４が破損する可能性を抑制することは重要である。また、絶縁板４に生じた亀裂が微小でも時間の経過とともに大きな割れに進展するおそれがあるので、特に重要である。

また、本実施の形態に係る積層冷却ユニット１は、絶縁板４を介在させて半導体モジュール２を両面から挟持している２つの冷却プレート３のうち、一方の冷却プレート３においては、第３の流路Ｆ３内でのフィン４６を介しての衝突噴流によって半導体モジュール２を冷却しており、他方の冷却プレート３においては、第２の流路Ｆ２内を冷媒が流通することで第１の外壁板３１を介してその同じ半導体モジュール２を冷却している。

すなわち、本実施の形態に係る積層冷却ユニット１は、積層された冷却プレート３によって半導体モジュール２をその両面から冷却することができる。

また、本実施の形態に係る積層冷却ユニット１は、冷却プレート３の内部の隔壁部４２によって積層方向に区画された上側の第２の流路Ｆ２内に隔壁部４２から上方側に延びる複数個の円柱部４７が隣り合うスリット状のノズル４５間に分散配置されているので、積層方向の両端側から圧縮力が加わったときに、ノズル４５の変形に起因する冷却性能の低下を防止することができる。

すなわち、第２の流路Ｆ２内に円柱部４７が設けられていない場合、積層方向の両端側から圧縮力が加わったときにノズル４５が変形し、この変形により、図７に示すように隔壁部４２から下方側に突出するノズル４５の先端部と、これに対向するフィン４６の先端部との間に、隙間が生じる可能性がある。このような隙間が生じると、第２の流路Ｆ２からノズル４５を介してフィン４６に衝突させるべき冷媒の一部がその隙間から抜けてしまい、フィン４６に衝突される冷媒の量が相対的に少なくなるため、冷却性能が低下することになる。

これに対して、本実施の形態に係る積層冷却ユニット１における冷却プレート３は、積層方向の両端側から圧縮力が加わったときに、上側の第１の外壁板３１が、スリット状のノズル４５間に分散配置された各円柱部４７の上端面に当たり、各円柱部４７を介して隔壁部４２を下方側に押圧するので、ノズル４５を変形させることなくノズル４５の先端部をフィン４６の先端部と接触させることができる。

このように冷却プレート３は、圧縮時にノズル４５の先端部とフィン４６の先端部との間に隙間が生じない構造を有しているので、上述した隙間から冷媒が抜けてしまうことを防止することができる。この結果、第２の流路Ｆ２からノズル４５を介してフィン４６に衝突させるべき冷媒の量を最大限に維持することができ、冷却性能の低下を防止することができる。

また、本実施の形態に係る積層冷却ユニット１は、冷却プレート３において複数個の円柱部４７が、第２の流路Ｆ２内で冷媒の流通方向と平行な方向に並行して延設された複数個のノズル４５の隣り合うノズル４５間を分断しないように分散配置されているので、第２の流路Ｆ２内を流通する冷媒の流量をほぼ均等にすることができる。

すなわち、本実施の形態に係る積層冷却ユニット１は、冷却プレート３が、各ノズル４５に流入する冷媒の流量が不均一にならない構造を有している。これにより、各ノズル４５を通して第３の流路Ｆ３側に噴出される冷媒の流量をほぼ均等にすることができ、冷却性能の向上に寄与することができる。

上述した実施の形態に係る積層冷却ユニット１においては、冷却プレート３の内部の流路分配器４０の隔壁部４２によって区画された上側の第２の流路Ｆ２に積層方向に延びる円柱部４７を設けた場合を例にとって説明したが、本発明における「柱状部」の形状が円柱状に限定されないことはもちろんである。つまり、複数の柱状部が、第２の流路Ｆ２内で冷媒の流通方向と平行な方向に並行して延びる複数個のスリット状のノズル４５の隣り合うノズル４５間に適宜分散配置されていれば十分である。例えば、楕円柱状や角柱状などの形状であってもよい。

また、上述した実施の形態に係る積層冷却ユニット１においては、ＩＧＢＴが搭載された第１の半導体チップ２０と、ダイオードが搭載された第２の半導体チップ２１と、をパッケージングした半導体モジュール２を用いた場合を例にとって説明している。しかしながら、本実施の形態に係る積層冷却ユニット１においては、これに限定されず、ＩＧＢＴが搭載された第１の半導体チップ２０のみ、もしくは他のトランジスタが搭載された半導体チップのみをパッケージングした半導体モジュールを用いてもよい。また、ロジック回路やメモリ回路等の集積回路と、パワートランジスタと、が混載された半導体チップをパッケージングした半導体モジュールを用いてもよい。

また、上述した実施の形態に係る積層冷却ユニット１においては、冷却対象として半導体モジュール２を用いた場合を例にとって説明したが、本発明における「電子部品」が半導体モジュールに限定されないことはもちろんである。つまり、大電力を必要とし相当の熱を発する電子部品であれば十分であり、半導体素子を用いない電子部品を使用してもよい。

また、上述した実施の形態に係る積層冷却ユニット１においては、積層体１０にその積層方向の両端側から板ばね１３のばね力により圧縮力を付与する圧縮力付与手段１１について説明している。しかしながら、この実施の形態に係る積層冷却ユニット１においてはこれに限定されず、圧縮力付与手段１１としてコイルばねのばね力により圧縮力を付与するものを用いてもよい。また、圧縮力付与手段１１の形態としては、積層体１０に圧縮力を付与できるものであれば、特に限定されるものではない。

以上説明したように、本発明に係る積層冷却ユニットは、冷却プレートと電子部品の間に配置される絶縁板の破損を防止することができるという効果を奏するものであり、内部に冷媒の流路を有する冷却プレートと、冷却対象である半導体素子等の電子部品と、が交互にそれぞれ複数段で積層配置された積層冷却ユニット全般に有用である。特に、本発明に係る積層冷却ユニットは、ハイブリッド車や電気自動車等のパワーコントロールユニットに用いられる積層冷却ユニットとして有用である。

１…積層冷却ユニット、２…半導体モジュール（電子部品）、３…冷却プレート、３ｃ…中央部（フィンを備えた受熱部）、４…絶縁板、１０…積層体、１１…圧縮力付与手段、３１，３２…第１、第２の外壁板（外壁部）、４０…流路分配器、４１…側壁部、４２…隔壁部、４３，４４…開口部、４５…ノズル、４６…フィン、４７…円柱部（柱状部）、Ｆ１…第１の流路、Ｆ２…第２の流路（２つの流路のうち他方の流路）、Ｆ３…第３の流路（２つの流路のうち一方の流路）、Ｆ４…第４の流路、Ｗ…冷媒

Claims (3)

1. 内部に冷媒の流路が形成された複数の冷却プレートが、隣り合う冷却プレート間に絶縁板を介在させて電子部品を両面から挟持するように積層配置された積層冷却ユニットであって、
   前記複数の冷却プレートの各々が、外壁部と、前記外壁部の内部で前記冷媒の流路を積層方向に２つの流路に区画する隔壁部と、を備え、
   フィンを備えた受熱部が、前記２つの流路のうち一方の流路に設けられ、
   前記受熱部に冷媒を噴出するためのノズルが、前記隔壁部に設けられ、
   前記隔壁部から積層方向に延びる柱状部が、前記２つの流路のうち他方の流路に設けられていることを特徴とする積層冷却ユニット。
2. 前記２つの流路のうち他方の流路は、冷媒の流通方向に対して上流側に開口部を有し、
   前記柱状部は、前記開口部の近傍に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の積層冷却ユニット。
3. 前記ノズルは、前記２つの流路のうち他方の流路内で前記外壁部の長手方向と並行に配列された複数個のスリット状のノズルであり、
   前記柱状部は複数個設けられ、該複数個の柱状部は、前記他方の流路内で前記隔壁部上に、並行に配列された前記複数個のスリット状のノズルの間に分散配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層冷却ユニット。

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