JPH10107194A

JPH10107194A - 水冷式半導体素子スタックの冷却体およびその製造方法

Info

Publication number: JPH10107194A
Application number: JP8258238A
Authority: JP
Inventors: Izumi Azuma; 泉東; Kazuhiro Yano; 和博矢野
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 1998-04-24

Abstract

(57)【要約】【課題】伝熱性，冷却効率，機械的強度，冷却水による
エロージョン腐食防止対策などの面で優れた水冷式半導
体素子スタックの冷却体を提供する。【解決手段】水冷式半導体素子スタックに組み込む冷却
体４を、スタックの電極板との当接面を受熱面とした窒
化アルミニウム・セラミックス製の平型容器としなし、
その内部にはリブ状フィン４ｇの間を縫って冷却水入口
４ｄと出口４ｅの間に連なる蛇行状の冷却水流通路４ｆ
を画成する。また、電極板との間の接触熱抵抗を低減す
るために受熱面には低硬度なメタライズ層を形成し、さ
らに冷却水による冷却体のエロージョン防止策として、
内部表面に高硬度なアルミナの酸化皮膜を形成する。そ
して、この冷却体を製作するには、窒化アルミニウムに
焼結助剤，バインダを加えて混合した粉体を原料とし
て、受熱面と平行に二分割した平型容器の半片を金型を
用いて成形した後、その２枚の半片を突き合わせ接着し
た上で焼成して焼結し、さらに受熱面を平滑に研磨加工
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電鉄車両に搭載し
た電力変換装置などに適用する水冷式半導体素子スタッ
ク、特に半導体素子スタックに組み込んだ冷却体に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】頭記した電鉄車両用の電力変換装置とし
て、サイリスタ，ＩＧＢＴなどの電力用平型半導体素
子，電極板，水冷式の冷却体を重ね合わせてスタックに
組み、これを閉鎖形の箱体に収納して車両の床下に設置
するようにした構成のものが広く採用されている。

【０００３】図６は電力用の半導体素子として平型サイ
リスタ，平型ＩＧＢＴなどを採用した水冷式半導体素子
スタックの組立構造を示すものであり、図において、１
は電力用の平型半導体素子、２は半導体素子１の電極面
に当接した電極板、３はセラミックスなどの伝熱性の高
い絶縁板、４は冷却水の入口管４ａ，出口管４ｂを通じ
て外部の冷却水系から内部に冷却水（エチレングリコー
ル水溶液，プロピレングリコール水溶液などの不凍液）
を流すようにした平板状の金属製冷却体であり、これら
部品を図示のように重ね合わせてスタックを組み、さら
にスタックを両側から締めつけ機構（図示せず）で加圧
締結した上で、各半導体素子１の間を相互接続するよう
に電極板２に接続バー５を配線した構成になる。

【０００４】かかる構成により、通電時に半導体素子１
に発生した損失熱は、電極板２，絶縁板３を経て冷却体
４に伝熱し、外部の放熱部（熱交換器）と冷却体４との
間に循環通流する冷却水を伝熱媒体として系外に放熱さ
れる。なお、半導体素子１と金属製の冷却体４との間に
は絶縁板３が介在しているので、冷却体４を流れる冷却
水（導電性がある）を通じて半導体素子１が短絡，地絡
するおそれはない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記した水冷式半導体
素子スタックの組立体では、金属製冷却体４と半導体素
子１の間を電気的に絶縁する必要から、電極板２と冷却
体４の受熱面との間に絶縁板３を介挿している。このた
めに、半導体層１から電極板２を経て冷却体４に至る伝
熱経路には、電極板２と絶縁板３，および絶縁板３と冷
却体４との間の接触面に接触熱抵抗が余分に加わる。し
かも、この接触熱抵抗は部品間の密着の程度によっても
異なるが熱伝達系全体の伝熱抵抗に占める割合が大き
く、このことが半導体素子スタックの冷却性能を低下さ
せる大きな要因となっている。

【０００６】一方、最新の動向では前記した金属製冷却
体の代わりに、絶縁性のセラミックスなどで作製した冷
却体を使用し、図６に示した絶縁板３を省略して伝熱系
における接触熱抵抗の低減化を図るようにした構成例の
報告もなされている。ところで、水冷式半導体素子スタ
ックに組み込む前記冷却体をセラミックスなどの絶縁材
料で製作して製品化するには、伝熱性の高いセラミック
ス材料の選定に加えて、冷却効率の高い冷却水流通路，
および半導体素子スタックの締結力に耐える機械的強度
が確保できるような冷却体の構造，冷却体と電極板との
間の接触熱抵抗を低める対策，冷却水の通流に伴う冷却
体のエロージョン腐食防止対策，並びに製作し易い構造
の設計などの面で検討，解決すべき課題が多くある。

【０００７】本発明は上記の点にかんがみなされたもの
であり、その目的は前記課題を解決し、伝熱性，冷却効
率，機械的強度，冷却水によるエロージョン腐食防止対
策などの面で優れた機能，効果が発揮できる水冷式半導
体素子スタックの冷却体構造，並びにその製造方法を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、冷却体を窒化アルミニウム（ＡＬ
Ｎ）を材料として作られた平型容器で、かつその内部に
は受熱面に沿って冷却水入口と出口の間に連なる蛇行状
の冷却水流通路を画成したものとなし、具体的に各部を
次記のように構成するものとする。

【０００９】１）冷却体の容器内に画成した蛇行状の冷
却水流通路を、容器の受熱壁面の間にまたがって容器壁
と一体成形したリブ状フィン部の間を縫って形成する。２）冷却体の受熱面を平滑面に仕上げた上で、該受熱面
に低硬度のメタライズ層を被覆形成するものとし、その
メタライズ層は厚さ１０〜５０μｍの銀を含む金属皮膜
とする。

【００１０】３）冷却体内部の冷却水通流路の表面に硬
質の酸化皮膜を形成するものとし、その酸化皮膜は厚さ
３〜１５μｍのアルミナ皮膜とする。窒化アルミニウム（ＡＬＮ）を主原料として製作した前
記構成の冷却体は、セラミックス構造物に広く使われて
いるアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）に比べて熱伝導率が数倍高
く（金属アルミニウムの熱伝導率に近い値）、冷却体内
に画成した冷却水流通路を受熱面に沿って蛇行状に画成
することで高い熱交換性能が得られる。また、この冷却
水流通路を画成するために平型容器の内部に受熱壁面の
間にまたがるリブ状フィンを一体成形することで、半導
体素子スタックを組立てる際の締結力に対して冷却体の
機械的強度が補強される。さらに、冷却体の受熱面に低
硬度なメタライズ層（銅に比べて硬度の低い銀を含むメ
タライズ層）をあらかじめ形成しておくことで、半導体
素子スタックを組立てる際に冷却体を銅製の電極板に重
ね合わせて加圧した状態では、電極板の板面がメタライ
ズ層に馴染んで密接し合い、両者間の接触熱抵抗が小さ
くなる。さらに加えて、冷却体内部で冷却水が流れる流
通路の表面に硬度の高い酸化皮膜（アルミナ皮膜）を形
成することで、窒化アルミニウムと水との反応に起因す
るエロージョン腐食が効果的に防げて冷却体の長寿命化
が図れる。

【００１１】また、前記構成の冷却体を製作する本発明
の製造方法は、窒化アルミニウムの粉体に焼結助剤，バ
インダを加えて混合したものを原料として、受熱面と平
行に二分割した平型容器の半片を金型を用いてプレス成
形した後、この２枚の半片を突き合わせ接着した上で焼
成して焼結し、さらに受熱面を平滑に研磨加工して冷却
体を作製するものとする。

【００１２】また、前記の製造方法においては、焼成工
程で容器の内部に酸化性ガスを送り込むことにより、セ
ラミックス製冷却体の焼結と同じ工程で、冷却体内部の
冷却水流通路の表面に前項３）に記したアルミナ皮膜を
同時に形成することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。なお、実施例の図中で図６に対応する
同一部材には同じ符号が付してある。まず、図３に本発
明の冷却体を組み込んだ水冷式半導体素子スタック，並
びにその水冷却系の全体構成を示す。図において、平型
半導体素子１と電極板２と窒化アルミニウムのセラミッ
クスで作られた冷却体４とを重ね合わせて組立てた半導
体素子スタック体は、その両端に押え板６を配した上
で、鋼球７，皿ばね８を介して両側の端板９の間に締め
つけ保持される。また、各冷却体４から引出した冷却水
の入口管４ａ，出口管４ｂはそれぞれ冷却水分配ヘッダ
１０ａ，１０ｂに分岐接続され、さらに冷却水分配ヘッ
ダ１０ａと１０ｂの間には冷却ファン１１ａと組合せた
放熱器（熱交換器）１１、冷却水貯留タンク１２，冷却
水循環ポンプ１３を経由して冷却水（エチレングリコー
ル水溶液，プロピレングリコール水溶液などの不凍液）
１４を循環送水する冷却水循環路１５を配管して冷却体
４に対する水冷却系を構築している。

【００１４】次に、前記した窒化アルミニウムのセラミ
ックスで作られた冷却体４の具体的な構造，およびその
製造方法を図１(a) 〜(c),および図２により説明する。
なお、図１(a) は二つ割り構造の冷却体４の半片の平面
図、図１(b) は２枚の半片を突き合わせ接合する段階で
の断面図、図１(c) は半片同士を一体化して焼結した状
態での断面図を表す。

【００１５】すなわち、冷却体４は電極板２（図３参
照）と重なり合う両端面を受熱面４ｃとした平型の方形
状容器で、その外周の一側面には冷却水入口４ｄ，出口
４ｅが開口し、かつ入口４ｄと出口４ｅの間を連ねて冷
却体内部には受熱面４ｃに沿ってジグザグ状に蛇行する
冷却水流通路４ｆが画成されており、この冷却水流通路
４ｆは受熱面４ｃとなる両側の壁面間にまたがって互い
違いに配列するよう容器と一体成形したリブ状フィン４
ｇの相互間を蛇行状に縫うようにして形成されている。

【００１６】そして、かかる構成の冷却体４を製作する
には、冷却体４を左右の受熱面４ｃの中間で受熱面と平
行に二分した二つ割り構造体として、その２枚の半片４
-1,４-2を別々に作製した上で、半片４-1と４-2とを突
き合わせ接合し、後記のような工程を経て一体化する。
次に、前記構成になる冷却体４の具体的な製造方法を図
２を参照して説明する。まず、原料として窒化アルミニ
ウム（ＡＬＮ）の粉体に適量の焼結助剤，バインダを加
え、ボールミルで混合して造粒する。次に造粒した前記
原料を金型を用いてプレス成形し、図１(a),(b) に示し
た冷却体４の半片（半片４-1と４-2は同一形状）を得
る。次いで、２枚の半片４-1，４-2の接合端面（図１
(a) でハッチングを施した面域）に接着剤（なお、接着
剤には融着助剤としてアルミナ粉末を加えておく）を塗
布して両者を突き合わせ接着し、続いて加熱炉で１００
０℃以下の温度に加熱して脱脂焼成した後、次に還元性
雰囲気中で１５００℃以上に加熱，焼成する。この焼成
により半片４-1，４-2の端面が融着して冷却体４が一体
構造の焼結体となる。その後に受熱面４ｃ，および冷却
水入口４ｄ，４ｅの内面を研磨加工し、その表面仕上精
度をＪＩＳの仕上精度６−Ｓ級（表面粗さ６μｍ以下)
に平滑化する。

【００１７】かかる製法により作製された窒化アルミニ
ウムを主原料とするセラミックス焼結体の冷却体４は、
熱伝導率λが１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上（室温時），１６０
Ｗ／ｍ・Ｋ（１００℃時）、熱膨張係数（室温〜４００
℃）が４．４×１０⁶/℃、電気絶縁耐力１５ｋＶ／ｍｍ
である。また、図４はセラミックス製の冷却体４とこれ
に当接する電極板２との間の接触熱抵抗の低減化を図っ
た本発明の応用実施例を示すものであり、先記の製法に
より作製されたセラミックス製の冷却体４に対して、表
面粗さ０．８−Ｓ級に仕上げた受熱面４ｃの面域には厚
さ１０〜５０μｍの銀（Ag）を含む低硬度なメタライズ
層４ｈがスクリーン印刷法などによって被覆形成されて
いる。このメタライズ層４ｈは電極板２の材料である銅
に比べて硬度が低く、半導体素子スタックの組立体を両
端から締め付け際の加圧により電極板２がメタライズ層
４ｈに馴染んで両者間の接触熱抵抗を低く抑えることが
できる。なお、図示のように、冷却体４の冷却水入口４
-1, 出口４-2に接続した導水配管１６はＯリング１６ａ
を介して液密に接続されている。

【００１８】さらに、図５は窒化アルミニウムで作られ
た先記の冷却体４に対して、冷却水の通流に伴って生じ
るエロージョン腐食の防止対策を施した実施例を示すも
のである。すなわち、窒化アルミニウムは硬度ＨＶが１
１００ｋｇ／ｍｍ²程度でセラミックスの中でも比較的
硬度が低い。また、窒化アルミニウムは水と接触反応に
よって表面にベーマイト層：ＡＬＯＯＨ（生成反応式：
ＡＬＮ＋２Ｈ₂Ｏ→ＡＬＯＯＨ＋ＮＨ₃）を形成する。
しかも、このベーマイト層が成長して厚くなると水流圧
によって表面から剥離し、この結果として窒化アルミニ
ウムの表面が次第に浸食されて遂には腐食割れを引き起
こす。そこで、図示実施例では冷却体４の内部に形成し
た冷却水流通路４ｆの表面に厚さ３〜１５μｍ程度の酸
化皮膜（アルミナ）４ｉを形成している。アルミナは硬
度ＨＶが２５００ｋｇ／ｍｍ²程度で窒化アルミニウム
に比べて倍以上高く、かつ冷却水との反応もないので前
記した腐食割れのおそれがなくなる。なお、窒化アルミ
ニウム製の冷却体４に対して、その冷却水流通路の表面
に酸化皮膜４ｉを形成するには、図３で述べた冷却体４
の焼成工程の途中で冷却体の内部に酸化性ガスを流すこ
とにより、焼成と同時に酸化皮膜４ｉを形成することが
できて便利である。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように、水冷式半導体素子ス
タックに組み込む冷却体を電気絶縁物であるセラミック
スで構成するに際して、本発明の冷却体構造を採用する
ことにより、次記の効果が得られる。１）窒化アルミニウムを主原料として製作した冷却体
は、金属アルミニウムの熱伝導率に近い熱伝導率が得ら
れるとともに、その冷却体内に画成した冷却水流通路を
受熱面に沿って蛇行状に画成することで高い熱交換性能
が得られる。

【００２０】２）また、前記冷却水流通路を画成するた
めに冷却体の内部に受熱壁面の間にまたがるリブ状フィ
ンを一体成形することで、半導体素子スタックを組立て
る際の締結力に対して冷却体の機械的強度が補強され
る。３）さらに、冷却体の受熱面に低硬度なメタライズ層
（銅に比べて硬度の低い銀を含むメタライズ層）をあら
かじめ形成しておくことで、半導体素子スタックを組立
てる際に冷却体を銅製の電極板に重ね合わせて加圧した
状態では、電極板の板面がメタライズ層に馴染んで密接
し合い、これにより両者間の接触熱抵抗を低めて冷却性
性能の向上化が図れる。

【００２１】４）さらに加えて、冷却体内部で冷却水が
流れる流通路の表面に硬度の高い酸化皮膜（アルミナ皮
膜）を形成することで、窒化アルミニウムと水との反応
に起因するエロージョン腐食が効果的に防げて冷却体の
長寿命化が図れる。また、本発明の製造方法を採用する
ことにより、高い寸法精度を確保しつつ前記構成の冷却
体を生産性よく製作できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の冷却体の詳細構造を示す図であ
り、(a) は二つ割り構造の冷却体の半片の平面図、(b)
は２枚の半片を突き合わせ接合する段階の矢視Ｘ−Ｘ断
面図、(c) は半片同士を一体化して焼結した状態での断
面図

【図２】図１に示した冷却体の製造方法の工程図

【図３】本発明の冷却体を採用した水冷式半導体素子ス
タック，および冷却体に対する水冷却系の全体構成図

【図４】本発明の応用実施例として受熱面にメタライズ
層を形成した冷却体の構成断面図

【図５】本発明の応用実施例として冷却水流通路の表面
に酸化皮膜を形成した冷却体の構成断面図

【図６】従来における水冷式半導体素子スタックの構成
図

【符号の説明】

１平型半導体素子２電極板４冷却体４-1, ４-2 冷却体の半片４ｃ受熱面４ｄ冷却水入口４ｅ冷却水出口４ｆ蛇行状冷却水流通路４ｇリブ状フィン４ｈメタライズ層４ｉ酸化皮膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個の電力用平型半導体素子と、各半導
体素子の両側に配した電極板と、各電極板の間に介挿し
てその内部に冷却水を通流する冷却体との積層組立体と
してなる水冷式半導体素子スタックにおいて、前記冷却
体が、電極板と当接し合う両端面を受熱面とする窒化ア
ルミニウムのセラミックスで作られた平型容器で、かつ
その内部には受熱面に沿って冷却水入口と出口の間に連
なる蛇行状の冷却水流通路を画成したものであり、その
蛇行状の冷却水流通路を容器の受熱壁面の間にまたがっ
て容器壁と一体成形したリブ状フィン部の間を縫って形
成したことを特徴とする水冷式半導体素子スタックの冷
却体。
【請求項２】請求項１記載の冷却体において、冷却体の
受熱面を平滑面に仕上げた上で、該受熱面に低硬度のメ
タライズ層を被覆形成したことを特徴とする水冷式半導
体素子スタックの冷却体。
【請求項３】請求項２記載の冷却体において、メタライ
ズ層が、厚さ１０〜５０μｍの銀を含む金属皮膜である
ことを特徴とする水冷式半導体素子スタックの冷却体。
【請求項４】請求項１記載の冷却体において、冷却体内
部の冷却水通流路の表面に硬質の酸化皮膜を形成したこ
とを特徴とする水冷式半導体素子スタックの冷却体。
【請求項５】請求項４記載の冷却体において、酸化皮膜
が厚さ３〜１５μｍのアルミナ皮膜であることを特徴と
する水冷式半導体素子スタックの冷却体。
【請求項６】請求項１記載の冷却体の製造方法であり、
窒化アルミニウムの粉体に焼結助剤，バインダを加えて
混合したものを原料として、受熱面と平行に二分割した
平型容器の半片を金型を用いてプレス成形した後、その
２枚の半片を突き合わせ接着した上で焼成して焼結し、
さらに受熱面を平滑に研磨加工して作製することを特徴
とする水冷式半導体素子スタックの冷却体の製造方法。
【請求項７】請求項６記載の冷却体の製造方法におい
て、焼成工程で容器の内部に酸化性ガスを送り込み、そ
の冷却水流通路の表面にアルミナ皮膜を形成することを
特徴とする水冷式半導体素子スタックの冷却体の製造方
法。