JP6139342B2 - 積層ユニット - Google Patents

Description

本明細書に開示の技術は、半導体カードと冷却プレートが絶縁板を挟んで積層されているとともに積層方向に荷重を受ける積層ユニットに関する。

ハイブリッドカーや電気自動車では、走行用モータに供給する電力を調整する為に、インバータや電圧コンバータが用いられる。走行用モータは出力が大きいため、上記のインバータ等に用いられるＩＧＢＴ等のパワー半導体素子は発熱量が大きい。特許文献１には、パワー半導体素子を平板型の樹脂のモールド体に収めた半導体カードと、内部を冷媒が流れる冷却プレート（扁平チューブ）を交互に積層した積層ユニットが開示されている。その積層ユニットでは、半導体カードと冷却プレートを積層した積層体に対して積層方向に圧縮荷重が加えられる。これにより、半導体カードから冷却プレートへの熱伝達効率が向上する。

特開２００５−２２８８７７号公報

半導体カードと冷却プレートを交互に積層した積層ユニットでは、半導体カードと冷却プレートの間の絶縁を確保するため、半導体カードと冷却プレートの間に絶縁板を挟む場合がある。絶縁板の材料としては、絶縁性が高いセラミクスが用いられることがある。伝熱性を確保するため、通常、このようなセラミクス製の絶縁板の板厚は薄くされる。一方、半導体カードと冷却プレートを積層した積層体に圧縮荷重が加えられると、冷却プレートが撓むことがある。この場合、半導体カードと冷却プレートとの間に挟まれている絶縁板が曲げられる。ここで、絶縁板を形成するセラミクスは柔軟性に乏しい。このため、絶縁板が破損する虞がある。

本特許出願の出願人は、上記課題を解決するための技術を、特開２０１３−１１５１３７号公報において開示した。この技術では、冷却プレートの表面に窪みが設けられている。窪みが設けられることによって、冷却プレートの剛性が向上する。特許文献１の技術では、冷却プレートの剛性を高めて冷却プレートの撓みを抑制することで、冷却プレートに接している絶縁板の撓みも抑制し、破損し難くする。ここで、窪みの近傍では冷却プレートの剛性が高くなるが、窪みから離れるほど剛性が低くなる。絶縁板は冷却プレートと半導体カードに挟まれるが、剛性が低い箇所で絶縁板が冷却プレートと半導体カードの縁に挟まれると、半導体カードの縁で絶縁板が大きく曲げ変形する虞がある。本明細書は、そのような箇所での絶縁板の曲げ変形を抑制し、絶縁板を破損し難くする技術を提供する。

本明細書は、半導体カードと冷却プレートが絶縁板を挟んで積層されているとともに積層方向に荷重を受ける積層ユニットを開示する。その積層ユニットは、半導体カードと冷却プレートとの間に配置されている絶縁板が、半導体カードの縁で小さな曲率半径で曲がることにより破損することを抑制する。冷却プレートには、絶縁板が配置されている側の面であって積層方向からみたときに半導体カードと絶縁板の接触範囲の外側に窪みが設けられている。絶縁板は、積層方向からみたときに接触範囲から窪みの方向にはみ出した部分を有する。半導体カードは、絶縁板と対向する面の縁であってはみ出した部分と対向する縁が絶縁板から離れる方向に湾曲している。

上記の積層ユニットでは、冷却プレートに窪みが設けられているため冷却プレートの曲げ剛性が向上する。このため、圧縮荷重によって冷却プレートが撓むこと抑制される。ここで、冷却プレートの窪みの縁は、冷却プレートの他の部分と比較して剛性が高いため、窪みと半導体カードとで絶縁板を挟んでしまうと絶縁板に生じる圧縮応力が高くなり過ぎることがある。上記の積層ユニットでは、窪みは半導体カードと絶縁板の接触範囲の外側に設けられている。このため、絶縁板に加わる圧縮応力が高くなることが防止される。

絶縁板は、上記した接触範囲から窪みの方向にはみ出した部分を有する。このため、積層ユニットの組立時や使用時等に、半導体カードと冷却プレートとの相対位置がずれた場合にも、半導体カードと冷却プレートとの間の絶縁を維持できる。

冷却プレートに窪みを設けた場合には、通常、窪みが設けられていない部分の冷却プレートの剛性は、窪みが設けられている部分の剛性よりも相対的に小さくなる。半導体カードと絶縁板の接触範囲は、冷却プレート上において、窪みが設けられていない場所に位置している。このため、圧縮荷重が付加されると、上記接触範囲に位置する冷却プレートの表面が冷却プレートの内側に沈み込むことにより、冷却プレートが撓むことがある。絶縁板は、冷却プレートと半導体カードとの間に挟まれている。このため、冷却プレートが撓むと、絶縁板が半導体カードの縁の部分において曲げ変形する。

本明細書が開示する積層ユニットでは、半導体カードは、絶縁板と対向する面の縁であってはみ出した部分と対向する縁が絶縁板から離れる方向に湾曲している。湾曲する縁は、別言すると、接触領域と冷却プレートの窪みの間に位置する。このため、絶縁板が曲げ変形する際には、絶縁板は、半導体カードの縁の湾曲している曲面に沿うように曲げ変形する。その結果、絶縁板が、上記の曲面の曲率半径以下の曲率半径で曲げ変形することが防止される。これにより、絶縁板が、圧縮荷重によって破壊されることが抑制される。

実施例１の積層ユニット１００を示す斜視図である。 冷却プレート２の分解図である。 冷却プレート２と半導体カード３と絶縁板４の位置関係を示す平面図（Ａ）と側面図（Ｂ）である。 実施例１の積層ユニット１００の図３（Ａ）IV−IV断面における拡大断面図である。但し、図３（Ａ）左側に位置する窪み２ａの付近のみを示す。 実施例１の積層ユニット１００の図３（Ａ）IV−IV断面における拡大断面図である。但し、図３（Ａ）左側に位置する窪み２ａの付近のみを示す。 比較例の積層ユニット１００を示す拡大断面図である。

積層ユニット１００は、ハイブリッドカーや電気自動車等に搭載されるユニットである。積層ユニット１００は、走行用モータに交流電力を供給するインバータやコンバータの電子回路のうち、発熱の特に大きな素子、具体的には交流を発生するスイッチング素子や、昇圧／降圧回路のスイッチング素子を集積し、冷却装置と一体化したユニットである。スイッチング素子は、典型的にはＩＧＢＴである。積層ユニット１００は、ＩＧＢＴなどの半導体素子を封止した複数のパッケージ（半導体カード３）と複数の冷却プレート２を積層した構造を有している。半導体カード３も冷却プレート２も共に平板型に形成されている。別言すれば、積層ユニット１００は、複数の冷却プレート２が平行に配置され、隣接する冷却プレート２の間に半導体カード３を挟んだ構造を有している。冷却プレート２はアルミや銅などの熱伝導率の高い金属で作られている。他方、半導体カード３は、典型的には、樹脂モールドで半導体素子を封止したものである。なお、図示を省略しているが、半導体カード３の表面には、内部の半導体素子の熱を表面に移送する放熱板が備えられることもある。さらに、図示を省略しているが、内部の半導体素子から各半導体カード３の外部へと電極が伸びており、他の回路と接続される。

冷却プレート２の内部は冷媒が流れる空洞（冷媒流路）になっている。それぞれの冷却プレート２には、その長手方向の両端に２個の貫通孔が設けられており、隣接する冷却プレート同士が接続管５によって連結される。積層体の端に位置する冷却プレートの貫通孔には冷媒を供給する供給管８と冷媒を排出する排出管７が接続される。供給管８から供給される冷媒は、冷却プレート２内の冷媒流路と接続管５に分流し、次々に下流の冷却プレート２へと流れる。冷媒は、冷却プレート内を通過する間に半導体カード３の熱を吸収し、半導体カード３を冷却する。冷却プレート内を通過した冷媒は、他方の貫通孔を通じて合流し、最終的に排出管７へ至る。なお、冷媒は好ましくは液体であり、例えばＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。なお、冷却プレート２の表面には窪み２ａが設けられている。

冷却プレート２と半導体カード３の間には、絶縁板４が挟まれている。絶縁板４は、セラミクス製である。また、冷却プレート２と半導体カード３の積層体は、ブラケット１２に挟まれて固定される。ブラケット１２の一端には板バネ１４が配置されており、その板バネ１４が、積層体をその積層方向に付勢する。板バネ１４により、冷却プレート２、絶縁板４、及び、半導体カード３が強く密着し、高い熱伝達効率が確保される。他方、セラミクス製の絶縁板４は、冷却プレート等と比較して脆弱であり、板バネ１４の荷重により割れる虞がある。

図２を用いて、冷却プレート２の内部構造を説明する。冷却プレート２は、筐体に相当する外板２１、２３と、それらの間に挟まれる中板２２を有する。容器状の外板２１、２３は、アルミニウムの板をプレス加工して成形される。外板２１の内部には波板で構成されるフィン２４が配置され、中板２２がフィン２４を抑える。また、外板２３の内部にもフィン２４が配置され、これも中板２２が抑える。フィン２４は中板２２と外板２１、２３の双方に接触し、半導体カード３から伝わる熱を冷却プレート２の全体に拡散し易くしている。また、フィン２４は、冷却プレート２の内部を流れる冷媒との接触面積を増加させ、冷媒への熱伝達効率を向上させる。図２によく示されているように、外側から見たときの窪み２ａは、外板２１、２３の内側からみるとリブに相当し、外板２１、２３の剛性を高める。

窪み２ａの利点を説明する。冷却プレート２は、アルミニウムの板をプレス加工により容器状に成形したものである。そのため、剛性が低い。窪み２ａは、冷却プレート２の内部からみるとリブに相当し、冷却プレート２の剛性を高める役割を果たす。それゆえ、冷却プレート２は積層方向の荷重を受けても撓み難くなる。冷却プレート２が撓むと半導体カード３と冷却プレート２との接触面積が減少する。本実施例の積層ユニット１００では、冷却プレート２が撓み難いため、半導体カード３の冷却性が低下することを防止することができる。

図３（Ａ）、図３（Ｂ）を用いて、冷却プレート２、半導体カード３、及び絶縁板４の位置関係を説明する。図３（Ａ）は、半導体カード３と絶縁板４と冷却プレート２を、その積層方向にみたときの図である。図３（Ａ）に示すように、半導体カード３は、冷却プレート２の長手方向（図中左右方向）において、両側の窪み２ａの間の位置に配置されている。別言すれば、窪み２ａは、半導体カード３と絶縁板４の接触領域の外側に設けられている。絶縁板４は、図３（Ｂ）上下方向において、半導体カード３と冷却プレート２との間に挟まれている。

次に、図４、図５を用いて、窪み２ａ周辺における、積層ユニット１００の構成について、さらに詳細に説明する。図４、図５は、図３（Ｂ）中で半導体カード３の左下に位置する窪み２ａの周辺を示している。他の位置の窪み２ａについては、上記の窪み２ａと同様であるので説明を省略する。

窪み２ａは、半導体カード３と絶縁板４の接触範囲の外側（図４中左側）に設けられている。絶縁板４は、半導体カード３と絶縁板４との接触範囲から窪み２ａの方向（図４中の左方向）にはみ出した部分４ａを有する。図４に示すように、半導体カード３の下面（絶縁板４が配置されている側の面）は、平坦面３ｂと曲面３ｃとを有している。曲面３ｃは、半導体カード３の下面における、窪み２ａ側の縁に形成されている。換言すると、半導体カード３の図４下面の縁（はみ出した部分４ａと対向する縁）が絶縁板４から離れる方向に湾曲している。

上述のように、積層ユニット１００では、半導体カード３の積層方向に圧縮荷重が付加される。ここで、窪み２ａの縁は、冷却プレート２の他の部分と比較して剛性が高いため、窪み２ａと半導体カード３とで絶縁板４を挟んでしまうと絶縁板４に生じる圧縮応力が高くなり過ぎることがある。本実施例の積層ユニット１００では、窪み２ａは半導体カード３と絶縁板４の接触範囲の外側に設けられている。このため、絶縁板４に加わる圧縮応力が高くなることが防止される。

絶縁板４は、半導体カード３と絶縁板４との接触範囲から窪み２ａの方向にはみ出した部分４ａを有する。このため、積層ユニット１００の組立時や使用時等に、半導体カード３と冷却プレート２との相対位置がずれた場合にも、半導体カード３と冷却プレート２との間の絶縁を維持できる。

冷却プレート２に窪み２ａを設けた場合には、窪み２ａが設けられていない部分の冷却プレート２の剛性が、窪み２ａが設けられている部分の剛性よりも相対的に小さくなることがある。この場合、半導体カード３と絶縁板４の接触範囲は、冷却プレート２の剛性が低い部分（窪み２ａが設けられていない部分）に位置することになる。このため、圧縮荷重が付加されると、図５に示すように、上記接触範囲に位置する冷却プレートの図５における上面が、下側（冷却プレート２の内側）に沈み込むことにより、冷却プレート２の上面が撓むことがある。絶縁板４は、冷却プレート２と半導体カード３との間に挟まれている。このため、冷却プレート２が撓むと、絶縁板４が半導体カード３の縁の部分において曲げ変形する。

本実施例の積層ユニット１００では、半導体カード３は、絶縁板４が配置されている側の面における窪み２ａ側の縁に曲面３ｃが形成されている。このため、絶縁板４が曲げ変形する際には、絶縁板４は、半導体カード３の曲面３ｃに沿うように変形する。その結果、絶縁板４が、半導体カードに形成された曲面３ｃの曲率半径以下の曲率半径で曲げ変形することが防止される。これにより、絶縁板４が、圧縮荷重によって破壊されることが抑制される。

以下に、図６を用いて、実施例１の積層ユニット１００の比較例を説明する。比較例の積層ユニット１００は、実施例１の積層ユニット１００の半導体カード３を、半導体カード５３に変更したものである。比較例の積層ユニット１００では、半導体カード５３の絶縁板４が配置されている側の面における窪み側の縁には、実施例１と異なり、曲面３ｃが形成されていない。このため、絶縁板４は、半導体カード５３の縁（図６左下の縁）の位置において、比較的小さな曲率半径で曲げ変形する。その結果、比較例の積層ユニット１００では、絶縁板４が、積層ユニット１００の圧縮荷重によって破壊され易い。

上記の実施例では、曲面３ｃは、円筒面であった。しかしながら、曲面３ｃは、円筒面以外の曲面であってもよい。また、上記の実施例では、図４に示す断面形状において、半導体カード３の下面に相当する線が曲面３ｃに相当する円弧の接線となっており、半導体カード３の側面（図４左側の面）に相当する線が、曲面３ｃに相当する円弧と交差している。しかしながら、半導体カード３の下面に相当する線と、半導体カード３の側面に相当する線との両方が曲面３ｃに相当する円弧の接線となっていてもよい。別言すると、曲面３ｃは、いわゆるＲ面取りと同様の形状であってもよい。ただし、上記の実施例のように、半導体カード３の下面に相当する線が曲面３ｃに相当する円弧の接線となっており、半導体カード３の側面に相当する線が曲面３ｃに相当する円弧と交差している場合には、曲面３ｃがＲ面取りと同様の形状である場合と比較して、次の利点がある。すなわち、上記の実施例のような形状とした場合には、曲面３ｃの曲率半径を大きくしつつ、かつ、半導体カード３と冷却プレート２との接触面積を大きくすることができる。これにより、絶縁板４の破壊を抑制しつつ、半導体カード３の冷却性能を向上することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ 冷却プレート
３ 半導体カード
３ｂ 平坦面
３ｃ 曲面
４ 絶縁板
４ａ 絶縁板における窪みの方向にはみ出した部分
１００ 積層ユニット

Claims (1)

1. 半導体カードと冷却プレートが絶縁板を挟んで積層されているとともに積層方向に荷重を受ける積層ユニットであり、
   前記冷却プレートには、前記絶縁板が配置されている側の面であって前記積層方向からみたときに前記半導体カードと前記絶縁板の接触範囲の外側に窪みが設けられており、
   前記絶縁板は、前記積層方向からみたときに前記接触範囲から前記窪みの方向にはみ出した部分を有し、
   前記半導体カードは、前記絶縁板と対向する面の縁であって前記はみ出した部分と対向する縁が前記絶縁板から離れる方向に湾曲している、積層ユニット。

Images