JP4158648B2 - 半導体冷却ユニット - Google Patents

Description

本発明は、電力変換回路を構成する電子部品の冷却手段を備えた電力変換装置に関する。

従来より、例えば、ＩＧＢＴ等の電力用半導体素子を収容した半導体モジュールは、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流を生成するインバータ回路に用いられることがある。
一般に、電気自動車やハイブリッド自動車等では、交流モータから大きな駆動トルクを得るため、通電すべき駆動電流は大電流となる傾向にある。
そのため、その駆動電流を制御する上記半導体モジュールでは、ＩＧＢＴ等の電力用半導体素子から発生する発熱量が大きくなる。

そこで、半導体モジュールに冷却手段を設けた半導体冷却ユニットが提案されている。該半導体冷却ユニットでは、放熱効率の向上を目的として、半導体モジュールの放熱面と、上記冷却手段の冷却面との接触面積を広く確保するための工夫がなされる場合がある。
例えば、半導体モジュールからの放熱を促進するため、該半導体モジュールの放熱面を凸状に形成した上、該放熱面を冷却手段の冷却面と当接させた半導体冷却ユニットがある（例えば、特許文献１参照。）。

該半導体冷却ユニットは、上記凸状の放熱面と上記冷却面との間に当接荷重を作用させることにより、冷却面の面形状に倣って、上記凸状の放熱面を積極的に変形させるように構成してある。
そして、上記半導体冷却ユニットでは、上記のごとく放熱面と冷却面とを当接することで、両者間の接触面積を広く確保している。

しかしながら、上記従来の半導体冷却ユニットでは、次のような問題がある。すなわち、上記凸状の放熱面の変形に伴って上記半導体モジュールに歪みを生じ、内部の半導体素子自体や、半田接合部等にトラブルを生じるおそれがある。
すなわち、半導体素子の特性変動による性能低下や、半田接合部の半田クラック等による耐久性低下を生じるおそれがある。
特開平１０−３４０９５１号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、高い放熱性能と、長期間に渡る動作信頼性を両立した半導体冷却ユニットを提供しようとするものである。

本発明は，電力用の半導体素子を含む半導体モジュールと，冷媒を流動させる中空部を有する扁平形状の冷却チューブとを組み合わせてなる半導体冷却ユニットにおいて，
上記半導体モジュールは，上記半導体素子を挟むように，相互に対面する２枚の平板状の電極放熱板を有していると共に，相互に対面する一対の上記冷却チューブの間に配設してあり，
上記冷却チューブは，直接的又は間接的に，上記電極放熱板と当接する吸熱面を有してなり，
該吸熱面をなす管壁の板厚を，上記電極放熱板の板厚よりも薄くしてあり，
また，上記電極放熱板は銅合金により形成してあり，上記冷却チューブは上記電極放熱板をなす銅合金よりも軟らかいアルミニウム合金により形成してあることを特徴とする半導体冷却ユニットにある（請求項１）。

本発明の電力変換装置では、上記管壁の板厚を、上記電極放熱板の板厚よりも薄くしてある。
そのため，上記各冷却チューブと上記半導体モジュールとの間に当接荷重を作用させた場合、板厚の薄い冷却チューブ側に変形を生じ易いため、半導体モジュールに歪み等を生じるおそれが少ない。
それ故、本発明の電力変換装置では、上記半導体モジュールにトラブルを生じるおそれを抑制しながら、該半導体モジュールと上記冷却チューブとの間の接触面積を広く確保することができる。

したがって、本発明の半導体冷却ユニットは、放熱性と、信頼性とを両立した優れた電力変換装置となる。
なお、上記吸熱面と上記電極放熱板との間に、電気的な絶縁性を有する層として、薄板状の絶縁板や、上記吸熱面或いは上記電極放熱板の表面に形成した絶縁被膜などを配置して、両者を間接的に当接することができる。
或いは、上記吸熱面と上記電極放熱板とを、電気的に接触させた状態で、直接的に当接させる一方、上記各冷却チューブを、冷媒や他の冷却チューブ等、他の部分と電気的に絶縁することも可能である。

本発明においては、重量比９０％以上のアルミニウムを含有したアルミニウム合金から上記冷却チューブを形成することが好ましい。
上記アルミニウム合金は、一般に、軟質の金属材料であるため、上記冷却チューブの変形を容易に生じさせるこができ、相対的に、上記半導体モジュールに歪みが生じるおそれを抑制することができる。
さらに、重量比６０％以上の銅を含有した銅合金から上記電極放熱板を形成することが好ましい。
上記銅合金は、一般的に、硬質の金属材料であるため、上記電極放熱板は、上記半導体モジュールの内部に収容した半導体素子等を保護するのに役立つ。

また，上記管壁の板厚は，上記電極放熱板の板厚の０．６倍よりも薄くしてあることが好ましい。
この場合には，上記半導体モジュールの剛性に対して，上記冷却チューブの剛性をさらに抑制することができる。
そして，上記半導体モジュールと上記冷却チューブとの間に当接荷重を作用させた際に生じるおそれのある上記半導体モジュールのトラブルをさらに抑制することができる。

また，上記管壁の板厚は，上記電極放熱板の板厚の０．３倍よりも薄くしてあることが好ましい。
この場合には，上記半導体モジュールの剛性に対して，上記冷却チューブの剛性をさらに抑制することができる。
そして，上記半導体モジュールと上記冷却チューブとの間に当接荷重を作用させた際には，上記冷却チューブを適切に変形させて，両者間の接触面積を広く確保することができる。

また，上記半導体冷却ユニットは，上記半導体モジュールと上記冷却チューブとを交互に積層し，少なくも２層以上の上記半導体モジュールの層を有してなることが好ましい（請求項２）。
この場合には，上記半導体モジュールと上記冷却チューブとを適切に当接させるためには，積層方向の荷重を大きくする必要があるため，本発明による効果が特に有効である。

また，上記冷媒の流動方向に直交する方向における上記吸熱面の断面形状は，上記電極放熱板に向かって突出する凸状であることが好ましい（請求項３）。
この場合には，上記冷却チューブと上記電極放熱板との接触領域の内周部において，確実性高く両者を接触させることができる。
なお，上記吸熱面の突出高さとしては，２０μｍ〜１００μｍ程度が好ましい。突出高さが２０μｍ未満であると，吸熱面と電極放熱板との接触面積を広く確保できないおそれがある。
一方，突出高さが１００μｍを超えると，必要となる当接荷重が大きくなり，該当接荷重により半導体モジュールに歪みを生じるおそれがある。

また，上記冷媒の流動方向に直交する方向における上記吸熱面の断面形状は，上記電極放熱板に向かって突出する凸状をなす略円弧形状であることが好ましい（請求項４）。
この場合には，上記冷却チューブと上記電極放熱板との接触領域における荷重を，中心部において大きく，外周部において小さくなるように適切に分布させることができる。
そのため，上記冷却チューブと上記電極放熱板との接触領域の全面において，両者を隙間なく接触させることができる。

また，上記吸熱面の裏面に当たる上記中空部の内壁面には，上記冷媒の流動方向に沿って上記中空部を区画するリブを形成してあることが好ましい（請求項５）。
この場合には，上記冷却チューブと，上記冷媒との熱伝達効率を向上して，半導体モジュールの冷却性能をさらに向上することができる。

（実施例１）
本例の半導体冷却ユニット１について、図１〜図６を用いて説明する。
この半導体冷却ユニット１は、電力用の半導体素子１１を含む半導体モジュール１０と，冷媒を流動させる中空部２１を有する扁平形状の冷却チューブ２０とを組み合わせてなるユニットである。
上記半導体モジュール１０は、上記半導体素子１１を挟むように、相互に対面する平板状の２枚の電極放熱板１５を有してなると共に、相互に対面する一対の上記冷却チューブ２０の間に配設してある。
上記冷却チューブ２０は、電気的な絶縁性を有する絶縁部材３０を介して上記電極放熱板１５に当接する放熱面２００を有してなり、該放熱面２００をなす管壁２１０の板厚ａを、上記電極放熱板１５の板厚ｂよりも薄くしてある。
以下に、この内容について詳しく説明する。

本例の半導体冷却ユニット１は、図１に示すごとく、例えば、電気自動車用の走行モータに通電する駆動電流を生成する電力変換装置（図示略）の一部をなし、該電力変換装置におけるインバータ回路或いは、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の全部又は一部を構成するユニットである。
本例の半導体冷却ユニット１は、電力用半導体素子であるＩＧＢＴ素子１１を収容した半導体モジュール１０を有してなる。

本例では、図１に示すごとく、半導体モジュール１０と冷却チューブ２０とを交互に積層して、少なくとも２層以上の半導体モジュール１０の層を有してなる多層積層構造の半導体冷却ユニット１を構成してある。
すなわち、本例の半導体冷却ユニット１は、半導体モジュール１０を３層積層してなる半導体積層ユニット（以下、半導体積層ユニット１と記載する。）として構成してある。
また、この半導体積層ユニット１は、図２に示すごとく、隣接して積層した冷却チューブ１０の間に、２個の半導体モジュールを並列配置してなり、全体として、６個の半導体モジュールを有してなる。

また、本例の半導体積層ユニット１では、図１及び図２に示すごとく、半導体モジュール１０の電極放熱板１５と、冷却チューブ２０の放熱面２００との間の絶縁部材３０として、厚さ３２０μｍのＳｉＮのセラミック板を積層してある。
これに代えて、窒化アルミニウムやアルミナ等のセラミック板を絶縁部材として用いることもできる。さらに、窒化アルミニウム、ＳｉＮ、アルミナ、ＤＬＣ等による絶縁塗膜や、ポリイミド等の有機絶縁物等よりなる絶縁塗膜を上記絶縁部材として利用することも可能である。

なお、上記絶縁部材を省略して、放熱面２００と電極放熱板１５とを直接的に接触させることもできる。この場合には、冷媒や、隣接する他の冷却チューブ等、他の部分と、各冷却チューブ２０との電気的な絶縁性を確保する必要がある。
冷却チューブ２０と冷媒とを電気的に絶縁する方法としては、中空部２１の内周壁に絶縁被膜を形成する方法や、電気的な絶縁性を有する冷媒を採用する等の方法がある。
一方、各冷却チューブ２０を、他の部分から電気的に絶縁する方法としては、各冷却チューブ２０を接続するベローズパイプ４００（図２）自体に電気的な絶縁性をもたせる方法がある。例えば、電気的な絶縁性を有する素材によりベローズパイプ４００を形成する方法や、電気的な絶縁性を有する絶縁被膜をベローズパイプ４００の表面に形成する方法などがある。
他に、ベローズパイプ４００と、各冷却チューブ２０との間に、電気的な絶縁性を有する部材を配置する等の方法を採用することもできる。

上記半導体モジュール１０は、図３に示すごとく、電力用半導体素子であるＩＧＢＴ素子１１と、モータの回転を滑らかにするために必要なフライホイールダイオード素子１２とを相互に対面する一対の電極放熱板１５の間に挟持したモジュールである。
該半導体モジュール１０は、２枚の電極放熱板１５と、その間隙の各素子１１、１２とを、モールド樹脂により一体成形してなる。
なお、本例では、上記電極放熱板は、９０％の銅を含む銅合金より形成してなり、その板厚はｂとしてある。

この半導体モジュール１０は、図４に示すごとく、その両面において電極放熱板１５が露出するように樹脂成形してなり、この露出する電極放熱板１５が放熱面として機能するように構成してある。
なお、図３では、電極放熱板１５と、外部端子１５０、１６０と、モールド樹脂との関係の理解を容易にするため、便宜上、モールド樹脂（点線で示す部分）を上下に分割して示してある。

上記半導体モジュール１０では、図３及び図４に示すごとく、電力信号用の端子であって上記各電極放熱板１５と一体をなす電力端子１５０と、制御信号用の端子であってモールド樹脂中に保持した制御端子１６０とを有してなる。そして、電力端子１５０と制御端子１６０とを、上記電極放熱板１５に平行な面内において対向配置してある。
そのため、この半導体モジュール１０と冷却チューブ２０とを積層した上記半導体積層ユニット１（図１）においては、該半導体積層ユニット１の表面側に電力端子１５０を突出させ、裏面側に制御端子１６０を突出させることができる。

本例の冷却チューブ２０は、図１に示すごとく、内部に冷媒を流動させる中空部２１を有してなる扁平形状の配管部材２０である。なお、本例では、９７％のアルミを含有したアルミ合金より、上記冷却チューブを形成した。
そして、この冷却チューブ２０は、その扁平形状をなす平坦表面の一部に、上記絶縁部材３０を介して電極放熱板１５に当接する吸熱面２００を形成してなる。該吸熱面２００をなす管壁２１０は、その板厚ａを、電極放熱板の板厚ｂのおよそ３２％としてある。

また、上記冷却チューブ２０は、両端付近の平坦表面に、冷媒の供給及び排出用の貫通穴（図示略）を穿孔してなる。そして、隣接する冷却チューブ２０の各貫通穴には、図２に示すごとく、長さ方向に伸縮可能なアルミニウムよりなる管状のベローズパイプ４００を接合してある。
また、冷却チューブ２０の両端には、封止用のキャップ部材２０１を接合してある。

上記半導体積層ユニット１では、図２に示すごとく、上記ベローズパイプ４００により、冷媒供給用のヘッダ部４１と排出用のヘッダ部４２とを形成してある。
すなわち、ベローズパイプ４００は、隣接して積層した冷却チューブ２０の間隙に配置してなり、隣接する冷却チューブ２０の中空部２１相互の連通を実現している。そして、積層した冷却チューブ２０の各間隙に配置した複数のベローズパイプ４００が、全体として、冷媒の各ヘッダ部４１、４２を形成している。

なお、ここで、上記半導体モジュール１０を冷却チューブ２０の間に挟持する際には、同図に示すごとく、上記各ヘッダ部４１、４２のベローズパイプ４００を伸ばした状態で半導体モジュール１０を冷却チューブ２０の間に配置した後、各ベローズパイプ４００を縮めることにより、冷却チューブ２０と半導体モジュール１０とを密着させる。

また、本例の半導体積層ユニット１は、図５に示すごとく、ガイドユニット５０と組み合わせて組み付けるように構成してある。そして、該ガイドユニット５０は、組み付けた半導体積層ユニット１に対して、その積層方向に荷重を作用するように構成してある。
このガイドユニット５０は、半導体積層ユニット１の積層方向の一方の端面に当接するベースプレート部５１と、他方の端面に当接する挟圧プレート部５２と、ベースプレート部５１と挟圧プレート部５２とを所定の間隙を空けて保持する一対のガイド部５３とからなるユニットである。

図５に示すごとく、ガイド部５３における長手方向のベースプレート部５１側の端面には、該ベースプレート部５１に固定するためのフランジ（図示略）を形成してある。
そして、ガイド部５３は、フランジをベースプレート部５１にボルト固定することにより、該ベースプレート部５１に対して直立した状態で固定するように構成してある。
ベースプレート部５１は、一対のヘッダ部４１、４２に連通する冷媒流路５１１、５１２を形成してなり、半導体積層ユニット１をガイドユニット５０に組み付けたとき、冷媒流路５１１、５１２と各ヘッダ部４１、４２とが連通するように構成してある。

上記挟圧プレート部５２は、図５に示すごとく、一定の間隔を空けて配置した一対のガイド部５３を、ブリッジ状に連結するように構成してある。
この挟圧プレート部５２は、その両端部に、固定用のボルトを挿通するボルト穴を穿孔してなり、該ボルト穴に挿入したボルトにより、各ガイド部５３の長手方向の端面に固定するように構成してある。

挟圧プレート部５２は、図５に示すごとく、上記両端部のボルト穴の間に、上記半導体積層ユニット１の積層方向の端面に当接する当接部５２０を有してなる。
該当接部５２０は、上記ボルト穴を形成した両端部よりも板厚を厚く形成してなり、上記ガイド部５３に固定したとき、半導体積層ユニット１に向けて突出するように構成してある。
そして、この挟圧プレート部５２は、ガイド部５３の端面にボルト結合する際のボルトの締め付けトルクに応じて、当接部５２０から半導体積層ユニット１に向けて荷重を作用するように構成してある。

すなわち、本例の半導体積層ユニット１では、図６に示すごとく、上記締め付けトルクの調整により、冷却チューブ２０と半導体モジュール１０との間に作用する当接荷重を調整することができる。
そのため、本例の半導体積層ユニット１では、上記挟圧プレート部５２から適切な荷重を作用させることで、冷却チューブ２０と半導体モジュール１０との間に適正な当接荷重を作用させることができる。
それ故、本例の半導体積層ユニット１では、図６に示すごとく、板厚を薄く設定してある上記冷却チューブ２０の管壁２１０を、当接する電極放熱板１５の面形状に倣って変形させ、放熱面２００と電極放熱板１５との接触状態を適切にすることができる。

また、上記電極放熱板１５は、銅合金により形成してある一方、上記吸熱面２００をなす冷却チューブ２０は、電極放熱板１５をなす銅合金よりも軟らかいアルミニウム合金より形成してある。
そのため、電極放熱板１５と吸熱面２００とを当接させた際には、吸熱面２００をなす冷却チューブ２０の側において、積極的に変形を生じさせることができ、相対的に、電極放熱板１５を有する半導体モジュール１０側における変形や歪み等の発生を抑制することができる。
それ故、本例の冷却チューブ２０と半導体モジュール１０との組み合わせによれば、半導体モジュール１０に歪み等を生じさせるおそれを少なく、両者間の接触面積を広く確保することができる。

さらにまた、本例の半導体積層ユニット１は、図１に示すごとく、半導体モジュール１０の両面に冷却チューブ２０を配置し、積層方向に荷重を作用した状態で積層してある。
そのため、半導体モジュール１０に対しては、その積層方向の両側から均等に荷重を作用させることができる。
それ故、本例の半導体積層ユニット１においては、半導体モジュール１０に対して、不均一に荷重が作用するおそれが少なく、半導体モジュール１０に歪みを生じるおそれが少ない。
したがって、本例の半導体モジュール１０は、半田接合部のクラックや素子特性の変動等が生じにくく、良好な耐久性を実現できる。

（実施例２）
本例は、実施例１を基にして、冷却チューブの断面形状を変更した例である。この例について、図７を用いて説明する。
本例の冷却チューブでは、同図に示すごとく、その吸熱面２００に当接荷重が作用しない状態において、冷媒の流動方向に直交する方向における吸熱面２００の断面形状が、電極放熱板１５に向かって突出する略円弧状を呈するように形成してある。

特に、本例の冷却チューブ２０では，吸熱面２００の頂点の位置と、半導体モジュール１０におけるＩＧＢＴ素子１１との配設位置とが略一致するようにしてある。なお、本例では、吸熱面２００の突出高さｇを４０μｍとしてある。
そのため、発熱源であるＩＧＢＴ素子１１の配設位置において、吸熱面２００と電極放熱板１５とを、絶縁部材３０を介在して確実に当接させると共に、両者間の接触面積を広く確保することができる。

（実施例３）
本例は、実施例１を基にして、冷却チューブの中空部の形状を変更した例である。この例について、図８を用いて説明する。
本例の冷却チューブ２０の中空部２１には、冷媒の流動方向に沿って中空部２１を区画する複数のリブ２２を形成してある。

冷媒の流動方向に直交する方向における各リブ２２の断面形状は、中央側から外方に向けて突出する屈曲線状（くさび状）を呈している。
そして、本例では、中空部２１が、幅方向に線対称の形状を呈するようにリブ２２を形成してなる。
リブ２２は、その屈曲部２２０に、弾性変形が容易な弾性部２２５を形成してなり、該弾性部２２５の弾性変形により屈曲変形を容易にしてある。そして、リブ２２の屈曲変形によれば、積層方向の荷重による冷却チューブ２０の凸状の吸熱面２００が平坦面に近づくような変形が容易になる。
すなわち、本例の冷却チューブ２０の吸熱面２００は、電極放熱板１５との間に当接荷重が作用したとき、電極放熱板１５の面形状に倣って容易に変形することができる。

また、本例の冷却チューブ２０の中空部２１には、幅方向に線対称形状をなすようにリブ２２を形成してある。
そのため、冷却チューブ２０から電極放熱板１５に作用する荷重分布は、幅方向に線対称な分布となる。
それ故、この冷却チューブ２０から半導体モジュール１０へ、バランス良く荷重を作用させることができ、アンバランスな当接荷重に起因して半導体モジュール１０内部に歪みを生じるおそれが少ない。

以上のように本例の冷却チューブ２０によれば、中空部２１に配設したリブ２２により、冷媒と冷却チューブ２０との間の熱交換効率を向上できる。をさらに促進できる。
さらに、弾性部２２５を形成したリブ２２によれば、凸状の吸熱面２００の変形を阻害することなく、該吸熱面２００と電極面１５との接触面積を広く確保することができる。

実施例１における、半導体積層ユニット（荷重なし）の断面構造を示す断面図。 実施例１における、半導体積層ユニットを示す正面図。 実施例１における、半導体モジュールの構造を示す組み付け図。 実施例１における、半導体モジュールを示す斜視図。 実施例１における、ガイドユニットに組み付けた半導体積層ユニットを示す正面図。 実施例１における、半導体積層ユニット（荷重あり）の断面構造を示す断面図。 実施例２における、半導体積層ユニット（荷重なし）の断面構造を示す断面図。 実施例３における、半導体積層ユニット（荷重なし）の断面構造を示す断面図。

符号の説明

１ 半導体冷却ユニット（半導体積層ユニット）
１０ 半導体モジュール
１１ ＩＧＢＴ素子
１２ フライホイールダイオード素子
２０ 冷却チューブ
２００ 吸熱面
３０ 絶縁部材
４１、４２ ヘッダ部
４００ ベローズパイプ
５０ ガイドユニット
５１ ベースプレート部
５２ 挟圧プレート部
５３ ガイド部

Claims (5)

1. 電力用の半導体素子を含む半導体モジュールと，冷媒を流動させる中空部を有する扁平形状の冷却チューブとを組み合わせてなる半導体冷却ユニットにおいて，
   上記半導体モジュールは，上記半導体素子を挟むように，相互に対面する２枚の平板状の電極放熱板を有していると共に，相互に対面する一対の上記冷却チューブの間に配設してあり，
   上記冷却チューブは，直接的又は間接的に，上記電極放熱板と当接する吸熱面を有してなり，
   該吸熱面をなす管壁の板厚を，上記電極放熱板の板厚よりも薄くしてあり，
   また，上記電極放熱板は銅合金により形成してあり，上記冷却チューブは上記電極放熱板をなす銅合金よりも軟らかいアルミニウム合金により形成してあることを特徴とする半導体冷却ユニット。
2. 請求項１において，上記半導体冷却ユニットは，上記半導体モジュールと上記冷却チューブとを交互に積層し，少なくも２層以上の上記半導体モジュールの層を有してなることを特徴とする半導体冷却ユニット。
3. 請求項１又は２において，上記冷媒の流動方向に直交する方向における上記吸熱面の断面形状は，上記電極放熱板に向かって突出する凸状であることを特徴とする半導体冷却ユニット。
4. 請求項３において，上記冷媒の流動方向に直交する方向における上記吸熱面の断面形状は，上記電極放熱板に向かって突出する凸状をなす略円弧形状であることを特徴とする半導体冷却ユニット。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において，上記吸熱面の裏面に当たる上記中空部の内壁面には，上記冷媒の流動方向に沿って上記中空部を区画するリブを形成してあることを特徴とする半導体冷却ユニット。

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