JP4840276B2

JP4840276B2 - 素子冷却構造

Info

Publication number: JP4840276B2
Application number: JP2007190039A
Authority: JP
Inventors: 直一原田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2027-07-20
Also published as: JP2009027040A

Description

本発明は、半導体パワー素子のような、熱を発する素子を適切に冷却するための素子冷却構造に関する。

従来から、この種の素子冷却構造は知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、ＩＧＢＴ等の能動素子の上面を、絶縁性を有する遠赤外線放射材からなる膜で覆うことで、能動素子の上面からの放熱性を高めている。
特開２００３−５１５７２号公報

ところで、上記の特許文献１において従来技術として紹介されているように、能動素子の上面側に、樹脂やゲル等のような絶縁性流動物質を充填し、当該絶縁性流動物質を介して放熱を行う構成も知られている。しかしながら、樹脂やゲルのような絶縁性流動物質は熱伝導率が低いため、単に能動素子の上面側に充填するだけでは、十分な放熱性を得られないという問題がある。

そこで、本発明は、絶縁性流動物質を介して効率的に素子の放熱を行うことが可能な素子冷却構造の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明に係る素子冷却構造は、熱を発する素子が第１面側に設けられ、水平面に対して傾斜をもって配置された基板と、
該基板の第１面に接触する空間に充填された絶縁性流動物質と、
前記素子の位置よりも上方に配置され、前記絶縁性流動物質を冷却する冷却手段と、
前記素子における前記絶縁性流動物質と接触する面に設けられ、下方から上方に向けて傾斜して延在する複数のフィンとを備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明に係る素子冷却構造において、前記絶縁性流動物質が充填される空間は密閉されていることを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明に係る素子冷却構造において、前記基板の前記第１面の裏側の第２面側に配置され、前記素子の位置よりも上方で前記絶縁性流動物質に接触する第１放熱板を更に備え、
前記冷却手段は、前記第１放熱板の上縁で前記第１放熱板に接続する第２放熱板であって、前記絶縁性流動物質に接触する第２放熱板を含み、
前記第１放熱板及び第２放熱板は、前記絶縁性流動物質を密閉する壁の一部を構成し、前記第１放熱板及び第２放熱板のそれぞれの前記絶縁性流動物質に接触する面の裏側に、冷媒の流通経路を更に備えることを特徴とする。

本発明によれば、絶縁性流動物質を介して効率的に素子の放熱を行うことが可能な素子冷却構造が得られる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、本発明による素子冷却構造１の一実施例の主要断面を示す図である。本実施例の素子冷却構造１は、基板１０を含む。基板１０は、熱伝導性の良い絶縁基板で構成されてよい。基板１０上には、例えば図２に示すような、パワー素子１２を含む電子回路が形成されている。尚、図２に示す回路構成は、例えばハイブリッド自動車に搭載されてよいインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）の電力変換器インバーター用回路であり、パワー素子１２としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられ、還流用のダイオードを備える。尚、基板１０上に形成される回路は、当然ながら他の形態の回路であってもよく、パワー素子１２は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴのような、ＩＧＢＴ以外の任意の半導体パワー素子であってよい。

パワー素子１２の上面（図の左側の面）は、例えば上部電極で構成される。上部電極は、例えば銅で形成される。パワー素子１２の上面上には、図１に示すように、複数の冷却フィン１４が設けられる。冷却フィン１４は、好ましくは、図１に示すように、上方に向けて斜め方向に延在する。即ち、冷却フィン１４は、上方に反った形状（等断面形状）を有する。冷却フィン１４の奥行き方向の長さ（図の紙面垂直方向の長さ）は、パワー素子１２の上面の同寸法と同様であってもよいし、また、複数の冷却フィン１４が奥行き方向に列をなして形成されてもよい。冷却フィン１４は、例えば上部電極と同一の材料（例えば銅）で形成されてもよい。冷却フィン１４の製造方法としては、マイクロソリッド工法が用いられてもよい。この方法によれば、フィンピッチを最小０．１ｍｍまで小さくすることが可能であり、長い微細フィンの加工が可能である。

基板１０の背面（図の右側の面）には、放熱板２０（以下、「背面放熱板２０」という）が設けられる。即ち、背面放熱板２０は、基板１０を背面から支持する。背面放熱板２０は、熱伝導性の良い材料からなり、フィン２０ａを有してよい。フィン２０ａは、図１に示すように、背面放熱板２０の背面側（図の右側）に形成される。フィン２０ａは、背面放熱板２０に対して垂直に延在してもよいし、背面放熱板２０に対して斜め上方に延在してもよい。

背面放熱板２０の上方の側面（上縁）には、放熱板２２（以下、「上方放熱板２２」という）が設けられる。上方放熱板２２は、図１に示すように、基板１０上のパワー素子１２を上方から覆うように設けられる。上方放熱板２２は、背面放熱板２０に対して略直角をなして配置される。上方放熱板２２は、熱伝導性の良い材料からなり、フィン２２ａを有してよい。フィン２２ａは、図１に示すように、上方放熱板２２の背面側（図の上側）に形成される。

冷却水５０が循環する流路５２は、背面放熱板２０及び上方放熱板２２に隣接して設けられる。流路５２は、例えば図１に示すように、Ｌ字型の断面を有し、背面放熱板２０及び上方放熱板２２の背面側を冷却水５０が流通するように構成されている。尚、図示の例では、冷却水５０は、対流効果を促進し且つ重力を効果的に用いる観点から、上から下に循環されているが、ポンプ等を用いて逆に循環させることも可能である。また、冷却水５０に代えて、他の冷媒（流体）が用いられてもよい。

カバー部材４０は、背面放熱板２０と上方放熱板２２と協動して、パワー素子１２及び基板１０を密閉する空間を形成する。従って、図１には示されていないが、カバー部材４０は、上方放熱板２２に対向する位置、及び、図の手前側及び奥側にも存在し、背面放熱板２０と上方放熱板２２と協動して、略直方体の密閉空間を形成している。この密閉空間内には、絶縁性流動物質３０が充填される。

絶縁性流動物質３０は、熱伝導性が良好で且つ電気的に絶縁性のある流動性物質であり、流動性のある樹脂や、シリコンゲルやシリコンオイルで構成される。尚、絶縁性を要するのは、パワー素子１２上面に絶縁性・耐圧性を確保するためである。絶縁性流動物質３０は、例えば１００Ｐ（ポアズ）以下程度の粘度を有し、環境温度（−４０℃〜１５０℃）に依存しない。絶縁性流動物質３０は、図１に示すように、パワー素子１２が収容される密閉空間内に充填される。絶縁性流動物質３０は、冷却フィン１４、背面放熱板２０及び上方放熱板２２と協動して、パワー素子１２の発する熱を外部に伝達する役割を果たす。

素子冷却構造１は、図１に示すように、縦置きされる。即ち、素子冷却構造１は、基板１０及び背面放熱板２０の基本面が水平面に対して略直角になるような向きで、例えば車両の適切な位置に搭載される。これにより、後述の対流作用が促進される。尚、素子冷却構造１は、必ずしも鉛直方向に平行に縦置きされる必要はなく、水平面に対して基板１０及び背面放熱板２０の基本面がゼロ度よりも有意に大きい角度をなしていればよい。

次に、図１の参照を続けつつ、上述の素子冷却構造１の冷却原理について説明する。尚、図１において、絶縁性流動物質３０に関連して図示される白抜きの矢印（Ａ１，Ａ２及びＡ３）は、高温の絶縁性流動物質３０の移動方向（パワー素子１２の発する熱の移動方向）を示し、黒塗りの矢印は、低温の絶縁性流動物質３０の移動方向を示す。

広く知られているようにパワー素子１２は、動作時に熱を発する。パワー素子１２の上面側の熱は、次のようにして外部に放出される。即ち、パワー素子１２上面付近の絶縁性流動物質３０は、パワー素子１２の発する熱で熱され、先ず、図の矢印Ａ１に示すように、上方へと移動する。この上方への移動は、上向きに反る冷却フィン１４により促進される。この際、上方へ移動する高温の絶縁性流動物質３０は、上方放熱板２２付近から下方に移動する冷却された絶縁性流動物質３０との間での対流作用により、冷却される。尚、上方放熱板２２付近から下方に移動する冷却された絶縁性流動物質３０の流れは、黒の下向きの矢印で図示されている。また、パワー素子１２付近から上方に移動する比較的高温の絶縁性流動物質３０は、基板１０の上縁を越えると、図の矢印Ａ２に示すように、背面放熱板２０と接して冷却され、また、図の矢印Ａ３に示すように、上方放熱板２２と接して冷却される。

パワー素子１２の下面側（図の右側）の熱は、通常通り、基板１０及び背面放熱板２０を介して外部（冷却水５０）に放出される。

以上説明した本実施例による素子冷却構造１によれば、とりわけ、以下のような優れた効果が奏される。

本実施例によれば、上述の如く、縦置き型の素子冷却構造１で生ずる対流を利用してパワー素子１２の熱を効果的に外部に放出することができる。即ち、高温の絶縁性流動物質３０が上方に移動し、低温の絶縁性流動物質３０が下方に移動する際に生ずる対流を効果的に利用して、パワー素子１２の熱を効果的に外部に放出することができる。これにより、パワーモジュールの冷却性能が向上する。

特に、本実施例によれば、上向きに反る冷却フィン１４により、パワー素子１２の上面付近で対流が促進されるので、パワー素子１２の熱を効果的に外部に放出することができ、冷却性能が向上する。

また、本実施例では、上述の如く、上部側から新鮮な冷却水５０を導入し、また、パワー素子１２よりも上方側でのみ背面放熱板２０と絶縁性流動物質３０とが接触するので、密閉空間内の絶縁性流動物質３０は、上部側が下部側よりも有意に効率的に冷却される。これにより、冷却された絶縁性流動物質３０の下方向の移動及びひいては上述の対流が効果的に促進され、冷却性能が向上する。

また、上述の如く冷却性能が向上するので、パワー素子１２及びパワーモジュールを効率的に小型化することができる。また、パワーモジュールの信頼性が向上する。

また、絶縁性流動物質３０は、上述の如く密閉されるので、パワー素子１２の腐食の問題が生じない。また、例えば図３に示す比較例のようにパワー素子の上面側と下面側の双方に冷却水を循環させる構成に比べて、絶縁性流動物質３０の循環に必要なスペース及び部品を節約することができ、また、大幅な変更無しに既存のパワーモジュール構造に適用することができる。また、図３に示す例のように、絶縁性流動物質３０を冷却水５０のように循環させる場合には、絶縁性流動物質３０の圧がパワー素子１２上面におけるワイヤーボンディングの配線に悪影響を及ぼす虞があるが、本実施例によれば、かかる不都合が防止される。

また、上述の如く、パワー素子１２の上面に上部電極を配置する場合には、過渡熱特性が向上する。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例では、基板１０と背面放熱板２０を別部材で構成しているが、背面放熱板２０の機能を基板１０により実現し、背面放熱板２０を廃止してもよい。

本発明による素子冷却構造１の一実施例の主要断面を示す図である。本実施例の素子冷却構造１に関連するパワーモジュールの回路構成の一例を示す図である。パワー素子の両面に冷却水を循環させる比較例を概略的に示す図である。

符号の説明

１素子冷却構造
１０基板
１２パワー素子
１４冷却フィン
２０背面放熱板
２０ａフィン
２２上方放熱板
２２ａフィン
３０絶縁性流動物質
４０カバー部材
５０冷却水
５２流路

Claims

熱を発する素子が第１面側に設けられ、水平面に対して傾斜をもって配置された基板と、
該基板の第１面に接触する空間に充填された絶縁性流動物質と、
前記素子の位置よりも上方に配置され、前記絶縁性流動物質を冷却する冷却手段と、
前記素子における前記絶縁性流動物質と接触する面に設けられ、下方から上方に向けて傾斜して延在する複数のフィンとを備えることを特徴とする、素子冷却構造。
前記絶縁性流動物質が充填される空間は密閉されている、請求項１に記載の素子冷却構造。
前記基板の前記第１面の裏側の第２面側に配置され、前記素子の位置よりも上方で前記絶縁性流動物質に接触する第１放熱板を更に備え、
前記冷却手段は、前記第１放熱板の上縁で前記第１放熱板に接続する第２放熱板であって、前記絶縁性流動物質に接触する第２放熱板を含み、
前記第１放熱板及び第２放熱板は、前記絶縁性流動物質を密閉する壁の一部を構成し、前記第１放熱板及び第２放熱板のそれぞれの前記絶縁性流動物質に接触する面の裏側に、冷媒の流通経路を更に備える、請求項２に記載の素子冷却構造。