JP4600220B2 - 冷却器及びパワーモジュール - Google Patents
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Description
本発明は、例えば半導体チップなどの電子部品が実装される回路基板などの発熱体で発生した熱を放散させる冷却器及びこれを備えるパワーモジュールに関する。
従来から、ＤＢＡ（Ａｌ／ＡｌＮ／Ａｌ）やＤＢＣ（Ｃｕ／ＡｌＮ／Ｃｕ）などのように、絶縁セラミックスの両面に接合によって金属層を形成した絶縁回路基板を有するパワーモジュールが知られている。
この種のパワーモジュールとしては、絶縁回路基板と、ハンダ層を介して一方の金属層が配置された放熱板と、この放熱板が熱伝導グリース層を介して設けられた液冷式ヒートシンクなどの冷却器とを備える構成が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
前者のパワーモジュールの冷却器には、冷却液を流通させる流路が内部に複数形成されており、各流路の端部を隣接する他の流路の端部と接続することで蛇行形状となるように形成されている。
また、後者のパワーモジュールの冷却器にも、流路が内部に複数形成されており、上面に絶縁回路基板と同等の線膨張率を有する低熱膨張金属板が設けられている。
これらのパワーモジュールの使用時には、発熱体からの発熱が冷却器に伝導され、冷却器内の冷却液によって放散される。
特開平９−９２７６２号公報
特開２００４−６７１７号公報
この種のパワーモジュールとしては、絶縁回路基板と、ハンダ層を介して一方の金属層が配置された放熱板と、この放熱板が熱伝導グリース層を介して設けられた液冷式ヒートシンクなどの冷却器とを備える構成が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
前者のパワーモジュールの冷却器には、冷却液を流通させる流路が内部に複数形成されており、各流路の端部を隣接する他の流路の端部と接続することで蛇行形状となるように形成されている。
また、後者のパワーモジュールの冷却器にも、流路が内部に複数形成されており、上面に絶縁回路基板と同等の線膨張率を有する低熱膨張金属板が設けられている。
これらのパワーモジュールの使用時には、発熱体からの発熱が冷却器に伝導され、冷却器内の冷却液によって放散される。
しかしながら、上記従来の冷却器には、以下の課題が残されている。すなわち、上記従来の冷却器では、内部に平面状に形成された複数の流路が１段だけ形成されているため、発熱体で発生した熱で流路内の冷却液の温度が上昇し、発熱体を効率よく冷却することが困難である。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、より高い冷却能を有する冷却器及びパワーモジュールを提供することを目的とする。
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の冷却器は、表面に被冷却部材が搭載される搭載面を有する冷却器本体を備え、該冷却器本体に、冷却液を流通させる流路を前記搭載面に沿って複数配置した流路群が前記搭載面と直交する方向に複数段重なるように形成され、前記冷却器本体に、前記搭載面から前記流路群の重ね方向に沿って前記被冷却部材の熱を伝導する熱伝導経路が形成され、該熱伝道経路はその幅が前記搭載面から前記流路群の重ね方向先端に向かって漸次または段階的に狭くなるように形成され、前記流路群が、前記熱伝導経路の側部に配置された管状の流路形成部材に形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、搭載された被冷却部材の熱が、冷却器に伝導して流路内を流通する冷却液に放散されることで被冷却部材の冷却が行われる。ここで、複数の流路によって構成される流路群を複数段形成することで、被冷却部材から搭載面を介して流路群を通過した熱が、他の流路群を構成する流路内を流通する冷却液に放散される。これにより、冷却器の熱抵抗を下げ、被冷却部材を効率よく冷却できる。したがって、高い放熱能を有する冷却器とすることができる。
そして、流路が搭載面に沿って複数形成されているので、搭載面近傍の流路群を構成するそれぞれの流路で熱の放散が行われる。これにより、複数の流路のうちの一部の内部を流通する冷却液の温度が熱を吸収することによって上昇した場合であっても、温度上昇した冷却液は他の流路内を流通することがなく、他の流路内を流通する冷却液の温度が上昇することを抑制する。
また、熱伝導経路によって被冷却部材の熱を、搭載面から離間する方向に位置する流路群に効率よく伝導することができる。そして、熱伝導経路内を伝導した熱は、搭載面から離間する方向に位置する他の流路群を構成する流路内の冷却液に放散される。これにより、被冷却部材の熱が搭載面近傍に滞りにくくなり、搭載面から離間する方向に位置する他の流路群で放散されやすくなる。したがって、熱抵抗のさらなる低減が図れる。
そして、流路が搭載面に沿って複数形成されているので、搭載面近傍の流路群を構成するそれぞれの流路で熱の放散が行われる。これにより、複数の流路のうちの一部の内部を流通する冷却液の温度が熱を吸収することによって上昇した場合であっても、温度上昇した冷却液は他の流路内を流通することがなく、他の流路内を流通する冷却液の温度が上昇することを抑制する。
また、熱伝導経路によって被冷却部材の熱を、搭載面から離間する方向に位置する流路群に効率よく伝導することができる。そして、熱伝導経路内を伝導した熱は、搭載面から離間する方向に位置する他の流路群を構成する流路内の冷却液に放散される。これにより、被冷却部材の熱が搭載面近傍に滞りにくくなり、搭載面から離間する方向に位置する他の流路群で放散されやすくなる。したがって、熱抵抗のさらなる低減が図れる。
前記流路形成部材が、純アルミニウムによって構成されていることが好ましい。
この発明によれば、歪み量に対する変形応力が小さく、熱サイクルによる熱硬化が少ないので、信頼性が向上する。
この発明によれば、歪み量に対する変形応力が小さく、熱サイクルによる熱硬化が少ないので、信頼性が向上する。
また、本発明のパワーモジュールは、上記記載の冷却器と、前記搭載面に固着された絶縁回路基板とを備えることを特徴とする。
この発明によれば、上述した冷却器を備えているので、絶縁回路基板で発生した熱が冷却器に伝導し、絶縁回路基板を効率よく冷却できる。
この発明によれば、上述した冷却器を備えているので、絶縁回路基板で発生した熱が冷却器に伝導し、絶縁回路基板を効率よく冷却できる。
また、本発明のパワーモジュールは、上記記載の冷却器と、前記搭載面に固着された放熱板と、該放熱板上に固着された絶縁回路基板とを備えることを特徴とする。
この発明によれば、上述した冷却器を備えているので、放熱板及び絶縁回路基板を効率よく冷却できる。ここで、絶縁回路基板で発生した熱が放熱板で拡散されながら冷却器に伝導するので、搭載面上に絶縁回路基板を直接搭載することと比較して、搭載面の面方向により均一に熱が伝導する。
この発明によれば、上述した冷却器を備えているので、放熱板及び絶縁回路基板を効率よく冷却できる。ここで、絶縁回路基板で発生した熱が放熱板で拡散されながら冷却器に伝導するので、搭載面上に絶縁回路基板を直接搭載することと比較して、搭載面の面方向により均一に熱が伝導する。
この発明にかかる冷却器及びパワーモジュールによれば、複数の流路によって構成される流路群を複数段形成することで、搭載面近傍の流路群を構成する各流路の間を伝導した熱を、他の流路群を構成する流路内に放散させることができる。したがって、熱容量の向上や熱抵抗の低減が図れて、被冷却部材が効率よく冷却される。
以下、本発明によるパワーモジュールの第１の実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態におけるパワーモジュール１は、図１に示すように、冷却器２と冷却器２上に固着された被冷却部材である絶縁回路基板３とによって構成されており、絶縁回路基板３で発生した熱を冷却器２で放散させるものである。
本実施形態におけるパワーモジュール１は、図１に示すように、冷却器２と冷却器２上に固着された被冷却部材である絶縁回路基板３とによって構成されており、絶縁回路基板３で発生した熱を冷却器２で放散させるものである。
冷却器２は、内部に冷却液を流通させることによって伝導された熱を冷却させる液冷式のヒートシンクであって、基台１１と、基台１１上に配置された冷却器本体１２とを備えている。
基台１１は、例えばＡｌ（アルミニウム）−Ｍｇ（マグネシウム）−Ｓｉ（珪素）系合金（６０６１、６０６３：ＪＩＳ規格）で形成されており、それぞれ別部材である底部１５と周壁部１６とを備えている。
底部１５は、平面視矩形状であって、周壁部１６に対して水密となるように固定されている。
周壁部１６は、四角筒形状を有しており、一端が底部１５の周縁と当接し、この周縁からほぼ垂直に立設して配置されている。また、冷却器本体１２に対して水密となるように固定されている。そして、周壁部１６の冷却器本体１２に接続されて互いに対向する一対の側壁の内部には、冷却液を流通させるための流路１６Ａ、１６Ｂがそれぞれ形成されている。また、周壁部１６には、流路１６Ａ、１６Ｂのそれぞれに接続される貫通孔が形成されており、一方が流路１６Ａ内に冷却液を導入するための導入孔１６Ｃ、他方が流路１６Ｂから冷却液を排出するための排出孔１６Ｄとなっている。
底部１５は、平面視矩形状であって、周壁部１６に対して水密となるように固定されている。
周壁部１６は、四角筒形状を有しており、一端が底部１５の周縁と当接し、この周縁からほぼ垂直に立設して配置されている。また、冷却器本体１２に対して水密となるように固定されている。そして、周壁部１６の冷却器本体１２に接続されて互いに対向する一対の側壁の内部には、冷却液を流通させるための流路１６Ａ、１６Ｂがそれぞれ形成されている。また、周壁部１６には、流路１６Ａ、１６Ｂのそれぞれに接続される貫通孔が形成されており、一方が流路１６Ａ内に冷却液を導入するための導入孔１６Ｃ、他方が流路１６Ｂから冷却液を排出するための排出孔１６Ｄとなっている。
冷却器本体１２は、基台１１上に３層に積層して配置された流路形成部材２１〜２３によって構成されている。
流路形成部材２１〜２３は、平面視矩形状の板状部材であって、例えばＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（６０６３：ＪＩＳ規格）によって構成され、押し出し成型によって形成されている。
流路形成部材２１には、流路形成部材２１の厚さ方向に対して直交する一対の側面同士を連通する貫通孔である流路２１Ａが複数形成されており、これら複数の流路２１Ａによって第１流路群２４が構成されている。そして、流路形成部材２１の厚さ方向の面である上面は、絶縁回路基板３が搭載される搭載面２１Ｂとなっている。
この流路２１Ａは、断面矩形状であって流路形成部材２１の内部を直進するように形成され、互いが平行となるように適宜間隔をあけて形成されている。ここで、流路２１Ａの形状は、例えば高さが０．５ｍｍ、幅が１．０ｍｍとなっており、隣接する流路２１Ａ同士の間隔は、例えば０．５ｍｍとなっている。
流路形成部材２１〜２３は、平面視矩形状の板状部材であって、例えばＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（６０６３：ＪＩＳ規格）によって構成され、押し出し成型によって形成されている。
流路形成部材２１には、流路形成部材２１の厚さ方向に対して直交する一対の側面同士を連通する貫通孔である流路２１Ａが複数形成されており、これら複数の流路２１Ａによって第１流路群２４が構成されている。そして、流路形成部材２１の厚さ方向の面である上面は、絶縁回路基板３が搭載される搭載面２１Ｂとなっている。
この流路２１Ａは、断面矩形状であって流路形成部材２１の内部を直進するように形成され、互いが平行となるように適宜間隔をあけて形成されている。ここで、流路２１Ａの形状は、例えば高さが０．５ｍｍ、幅が１．０ｍｍとなっており、隣接する流路２１Ａ同士の間隔は、例えば０．５ｍｍとなっている。
また、流路形成部材２２には、流路形成部材２１と同様に、流路２２Ａが複数形成されており、これら複数の流路２２Ａによって第２流路群２５が構成されている。そして、流路形成部材２２の上面には、流路形成部材２１がロウ付け接合されている。この第２流路群２５は、平面視において第１流路群２４と重なるように形成されている。
また、流路形成部材２３には、流路形成部材２１、２２と同様に、流路２３Ａが複数形成されており、これら複数の流路２３Ａによって第３流路群２６が構成されている。そして、流路形成部材２３の上面には、流路形成部材２２がロウ付け接合されている。この第３流路群２６は、平面視において第１及び第２流路群２４、２２と重なるように形成されている。したがって、搭載面２１Ｂに対して直交して搭載面２１Ｂに近い方から離間する方向に向けて、第１流路群２４、第２流路群２５、第３流路群２６の順に３段重ねて形成されている。
また、流路形成部材２３には、流路形成部材２１、２２と同様に、流路２３Ａが複数形成されており、これら複数の流路２３Ａによって第３流路群２６が構成されている。そして、流路形成部材２３の上面には、流路形成部材２２がロウ付け接合されている。この第３流路群２６は、平面視において第１及び第２流路群２４、２２と重なるように形成されている。したがって、搭載面２１Ｂに対して直交して搭載面２１Ｂに近い方から離間する方向に向けて、第１流路群２４、第２流路群２５、第３流路群２６の順に３段重ねて形成されている。
これら流路２１Ａ〜２３Ａは、それぞれ周壁部１６の流路１６Ａ、１６Ｂに接続されている。したがって、周壁部１６の導入孔１６Ｃから導入された冷却液は、流路１６Ａから各流路形成部材２１〜２３のそれぞれの流路２１Ａ〜２３Ａに分岐して流通する。そして、各流路２１Ａ〜２３Ａを流通した冷却液は、周壁部１６の他方の流路１６Ｂで合流し、排出孔１６Ｄから排出される。なお、これら流路２１Ａ〜２３Ａの断面積や形成間隔は、被冷却部材である絶縁回路基板３からの伝熱量などによって定められるが、各流路２１Ａ〜２３Ａ内を流通する冷却液が均一となるように形成されている。
また、流路形成部材２１〜２３を接合するために用いられるロウ材としては、さまざまなものを適用することが可能であるが、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ（ゲルマニウム）系、Ａｌ−Ｍｎ（マンガン）系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｎ系及びＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｍｎ系のロウ材から選択された１種または２種以上であることが好ましい。
また、流路形成部材２１〜２３を接合するために用いられるロウ材としては、さまざまなものを適用することが可能であるが、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ（ゲルマニウム）系、Ａｌ−Ｍｎ（マンガン）系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｎ系及びＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｍｎ系のロウ材から選択された１種または２種以上であることが好ましい。
絶縁回路基板３は、絶縁セラミックス３１と、絶縁セラミックス３１の両側に配置された金属層３２、３３とによって構成されており、金属層３２の上面に発熱体である電子部品３４が配置されている。
絶縁セラミックス３１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの板状のセラミックス材料によって構成されている。
また、金属層３２、３３は、例えばＡｌのような高熱伝導率を有する金属によって形成されており、絶縁セラミックス３１に対してロウ付けにより接合固定されている。ここで用いられるロウ材として、上述した流路形成部材２１〜２３を接合するために用いられるロウ材と同様に、さまざまなものを適用することができる。
絶縁セラミックス３１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの板状のセラミックス材料によって構成されている。
また、金属層３２、３３は、例えばＡｌのような高熱伝導率を有する金属によって形成されており、絶縁セラミックス３１に対してロウ付けにより接合固定されている。ここで用いられるロウ材として、上述した流路形成部材２１〜２３を接合するために用いられるロウ材と同様に、さまざまなものを適用することができる。
金属層３２には、例えばエッチングなどを行うことで、金属層３２を分断するように適宜、回路が形成されており、電子部品３４がハンダ層３５によって固着されている。ここで、電子部品３４としては、例えば半導体チップが適用可能であり、半導体チップとしてＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）などのパワーデバイスがあげられる。また、ハンダとしては、例えば９５％Ｐｂ（鉛）−５％Ｓｎ（スズ）や、Ｓｎ−Ａｇ（銀）−Ｃｕ系のハンダが適用可能である。なお、９５％Ｐｂ−５％Ｓｎのハンダには、Ａｇを含有するものを適用してもよい。
そして、金属層３３の下面は、ハンダ層３６を介して流路形成部材２１の上面に接合されている。
そして、金属層３３の下面は、ハンダ層３６を介して流路形成部材２１の上面に接合されている。
このようなパワーモジュール１において、電子部品３４で発生する熱を放散させるには、まず、周壁部１６の導入孔１６Ｃから流路１６Ａ内に冷却液を導入する。流路１６Ａに内に導入された冷却液は、各流路形成部材２１〜２３のそれぞれの流路２１Ａ〜２３Ａに向けて分岐して流通する。各流路２１Ａ〜２３Ａを流通した冷却液は、周壁部１６の他方の流路１６Ｂで合流し、排出孔１６Ｄから排出される。このようにして、冷却器２に冷却液を流通させる。
そして、電子部品３４を駆動すると、電子部品３４で発生した熱が、金属層３２及び絶縁セラミックス３１を介して金属層３３に至る。金属層３３に伝導した熱は、ハンダ層３６を介して流路形成部材２１に伝導し、一部が第１流路群２４を構成する流路２１Ａ内を流通する冷却液内に放散される。
また、第１流路群２４で放散されない他の熱の一部は、流路形成部材２１の流路２１Ａの間を伝導して流路形成部材２２に至り、一部が第２流路群２５を構成する流路２２Ａ内を流通する冷却液内に放散される。
さらに、第２流路群２５で放散されない残りの熱の一部は、上述と同様に、流路形成部材２２の流路２２Ａの間を伝導して流路形成部材２３に至り、第３流路群２６を構成する流路２３Ａ内を流通する冷却液内に放散される。このようにして、電子部品３４の冷却を行う。
これにより、冷却器２の熱抵抗を低く抑えることができる。また、流路形成部材２１〜２３において、各流路２１Ａ〜２３Ａが流路１６Ａから分岐して設けられており、第１流路群２４を構成する各流路２１Ａが途中で合流せず、各流路２１Ａ内をそれぞれ冷却液が独立して流通している。したがって、第１流路群２４を構成する一部の流路２１Ａ内を流通する冷却液の温度が熱を吸収することによって上昇しても、温度が上昇した冷却液が第１流路群２４を構成する他の流路２１Ａ内を流通することがないので、これら他の流路２１Ａ内を流通する冷却液の温度が上昇することが抑制される。
そして、電子部品３４を駆動すると、電子部品３４で発生した熱が、金属層３２及び絶縁セラミックス３１を介して金属層３３に至る。金属層３３に伝導した熱は、ハンダ層３６を介して流路形成部材２１に伝導し、一部が第１流路群２４を構成する流路２１Ａ内を流通する冷却液内に放散される。
また、第１流路群２４で放散されない他の熱の一部は、流路形成部材２１の流路２１Ａの間を伝導して流路形成部材２２に至り、一部が第２流路群２５を構成する流路２２Ａ内を流通する冷却液内に放散される。
さらに、第２流路群２５で放散されない残りの熱の一部は、上述と同様に、流路形成部材２２の流路２２Ａの間を伝導して流路形成部材２３に至り、第３流路群２６を構成する流路２３Ａ内を流通する冷却液内に放散される。このようにして、電子部品３４の冷却を行う。
これにより、冷却器２の熱抵抗を低く抑えることができる。また、流路形成部材２１〜２３において、各流路２１Ａ〜２３Ａが流路１６Ａから分岐して設けられており、第１流路群２４を構成する各流路２１Ａが途中で合流せず、各流路２１Ａ内をそれぞれ冷却液が独立して流通している。したがって、第１流路群２４を構成する一部の流路２１Ａ内を流通する冷却液の温度が熱を吸収することによって上昇しても、温度が上昇した冷却液が第１流路群２４を構成する他の流路２１Ａ内を流通することがないので、これら他の流路２１Ａ内を流通する冷却液の温度が上昇することが抑制される。
以上のように構成された冷却器２及びパワーモジュール１によれば、第１から第３流路群２４〜２６を３段に重なるように形成することで、電子部品３４で発生して第１流路群２４で放散されなかった熱を第２流路群２５または第３流路群２６で放散させることができる。これにより、電子部品３４で発生した熱を効率よく放散されることができる。したがって、冷却器２の熱容量の向上や熱抵抗の低減を図り、より高い冷却能を有する冷却器とすることができる。
次に、第２の実施形態について、図２を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第１の実施形態と同様であり、上述の第１の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図２においては、図１と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、第１の実施形態では冷却器本体１２が流路形成部材２１〜２３を備えるのに対し、第２の実施形態におけるパワーモジュール４０では、冷却器４１が基台１１とフィン体４２及び８箇所に設けられた流路形成部材４３によって構成された冷却器本体４４とを備えている点である。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、第１の実施形態では冷却器本体１２が流路形成部材２１〜２３を備えるのに対し、第２の実施形態におけるパワーモジュール４０では、冷却器４１が基台１１とフィン体４２及び８箇所に設けられた流路形成部材４３によって構成された冷却器本体４４とを備えている点である。
すなわち、パワーモジュール４０は、図２に示すように、冷却器４１と冷却器４１上に搭載された絶縁回路基板３とを備えている。
冷却器本体４４は、基台１１上に配置されたフィン体４２と８箇所に設けられた流路形成部材４３とを備えている。
フィン体４２は、例えばＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（６０６３：ＪＩＳ規格）によって構成されており、平面部４５と、複数の突条フィン（熱伝導経路）４６とを備えている。
平面部４５は、上面が被冷却部材である絶縁回路基板３を搭載する搭載面４５Ａとなっている。
複数の突条フィン４６は、平面部４５の下面から平面部４５に対して垂直であると共に、相互にほぼ平行となるように設けられており、後述する流路５０Ａ〜５０Ｃに沿って形成されている。
冷却器本体４４は、基台１１上に配置されたフィン体４２と８箇所に設けられた流路形成部材４３とを備えている。
フィン体４２は、例えばＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（６０６３：ＪＩＳ規格）によって構成されており、平面部４５と、複数の突条フィン（熱伝導経路）４６とを備えている。
平面部４５は、上面が被冷却部材である絶縁回路基板３を搭載する搭載面４５Ａとなっている。
複数の突条フィン４６は、平面部４５の下面から平面部４５に対して垂直であると共に、相互にほぼ平行となるように設けられており、後述する流路５０Ａ〜５０Ｃに沿って形成されている。
流路形成部材４３は、突条フィン４６の間または突条フィン４６と周壁部１６との間を充填するように設けられており、フィン体４２に対してロウ付け接合されている。また、これら流路形成部材４３には、搭載面４５Ａに対して直交して搭載面４５Ａに近い側から順に、流路５０Ａ〜５０Ｃが１つずつ形成されている。この流路５０Ａ〜５０Ｃは、流路形成部材４３の側面同士を連通する貫通孔であって、それぞれの流路形成部材４３に形成されている流路５０Ａによって第１流路群５１が構成され、流路形成部材４３にそれぞれ形成されている流路５０Ｂによって第２流路群５２が構成され、流路形成部材４３にそれぞれ形成されている流路５０Ｃによって第３流路群５３が構成されている。
ここで、第１流路群５１を構成する各流路５０Ａの間における流路形成部材４３の熱抵抗は、流路５０Ａの間隔に依存するものの、突条フィン４６の幅が広いため、絶縁回路基板３から伝導される熱は、第１流路群５１を構成する流路５０Ａの間よりも、突条フィン４６内を主に伝導することとなる。これにより、絶縁回路基板３から離れた流路群でも、温度を高くすることができる。また、冷却器４１からの放熱量は各部分での温度と液温との差に依存するため、放熱量を大きくすることができる。
ここで、第１流路群５１を構成する各流路５０Ａの間における流路形成部材４３の熱抵抗は、流路５０Ａの間隔に依存するものの、突条フィン４６の幅が広いため、絶縁回路基板３から伝導される熱は、第１流路群５１を構成する流路５０Ａの間よりも、突条フィン４６内を主に伝導することとなる。これにより、絶縁回路基板３から離れた流路群でも、温度を高くすることができる。また、冷却器４１からの放熱量は各部分での温度と液温との差に依存するため、放熱量を大きくすることができる。
このようなパワーモジュール４０において、冷却器４１に冷却液を流通させ、電子部品３４を駆動すると、上述した第１の実施形態と同様に、電子部品３４で発生した熱が搭載面４５Ａに伝導する。この熱の一部が平面部４５を介して流路形成部材４３のそれぞれに伝導し、第１流路群５１を構成する流路５０Ａ内を流通する冷却液内に放散される。一方、第１流路群５１で放散されない他の一部の熱は、流路５０Ａの間における流路形成部材４３よりも主に熱伝導性の良好な突条フィン４６を伝導し、第２流路群５２を構成する流路５０Ｂ内または第３流路群５３を構成する流路５０Ｃ内を流通する冷却液内に放散される。このようにして、電子部品３４の冷却を行う。
以上のように構成されたパワーモジュール４０においても、上述した第１の実施形態と同様の作用、効果を有するが、第１流路群５１を構成する流路５０Ａ間における流路形成部材４３よりも熱抵抗の小さい突条フィン４６を設けることによって、電子部品３４で発生した熱を突条フィン４６内に伝導させることができる。これにより、電子部品３４で発生した熱が、搭載面４５Ａの近傍に滞りにくくなり、電子部品３４の冷却を効率よく行うことができる。
次に、第３の実施形態について、図３を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第１の実施形態と同様であり、上述の第１の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図３においては、図１と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第３の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、第３の実施形態におけるパワーモジュール６０では絶縁回路基板３が放熱板（被冷却部材）６１を介して冷却器２上に搭載されている点である。
すなわち、冷却器２の搭載面２１Ｂ上に放熱板６１が搭載され、放熱板６１上に絶縁回路基板３が搭載されている。
放熱板６１は、純度９９．９９％のＡｌによって形成された板状部材であって、搭載面２１Ｂ上に接合されている。放熱板６１を流路形成部材２１との接合方法としては、ハンダ付けやロウ付け拡散接合が挙げられる。また、絶縁回路基板３は、放熱板６１上にハンダ層３６を介して接合されている。ここで、純度９９．９９％のＡｌは変形抵抗が小さいので、応力緩和効果が得られる。
第３の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、第３の実施形態におけるパワーモジュール６０では絶縁回路基板３が放熱板（被冷却部材）６１を介して冷却器２上に搭載されている点である。
すなわち、冷却器２の搭載面２１Ｂ上に放熱板６１が搭載され、放熱板６１上に絶縁回路基板３が搭載されている。
放熱板６１は、純度９９．９９％のＡｌによって形成された板状部材であって、搭載面２１Ｂ上に接合されている。放熱板６１を流路形成部材２１との接合方法としては、ハンダ付けやロウ付け拡散接合が挙げられる。また、絶縁回路基板３は、放熱板６１上にハンダ層３６を介して接合されている。ここで、純度９９．９９％のＡｌは変形抵抗が小さいので、応力緩和効果が得られる。
このように構成されたパワーモジュール６０において、冷却器２に冷却液を流通させ、電子部品３４を駆動すると、上述した第１の実施形態と同様に、電子部品３４で発生した熱が搭載面２１Ｂに伝導した後、各流路２１Ａ〜２３Ａ内を流通する冷却液内に放散される。ここで、絶縁回路基板３が放熱板６１上に搭載されているので、金属層３３に伝導した熱は、放熱板６１によって拡散されながら搭載面２１Ｂに至る。
以上のように構成されたパワーモジュール６０においても、上述した第１の実施形態と同様の作用、効果を有するが、電子部品３４で発生した熱が放熱板６１で拡散しながら搭載面２１Ｂに伝導するので、搭載面２１Ｂでの温度分布がより均一となる。したがって、より効率の大きな放熱を行うことができる。
なお、本実施形態において、上述した第２の実施形態と同様に、フィン体４２を有する構成とし、平面部４５上に放熱板６１を搭載した構成としてもよい。
なお、本実施形態において、上述した第２の実施形態と同様に、フィン体４２を有する構成とし、平面部４５上に放熱板６１を搭載した構成としてもよい。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、上記実施形態では第１から第３流路群を構成するすべての流路で冷却液が独立して流通する構成となっているが、それぞれの流路群において流路群を構成する複数の流路が流路の途中で合流や分岐せず、各流路が独立して流通する構成であればよい。例えば、図４に示すパワーモジュール７０のように、冷却器７１が周壁部７２の導入孔７２Ａから第１流路群２４を構成する流路２１Ａ内に冷却液を導入し、流路２１Ａ内を流通した冷却液が第２流路群２５を流通する流路２２Ａ内を流通し、さらに第３流路群２６を構成する流路２３Ａ内を流通した後で周壁部７２の排出孔７２Ｂから排出されるような流路を形成する構成としてもよい。
例えば、上記実施形態では第１から第３流路群を構成するすべての流路で冷却液が独立して流通する構成となっているが、それぞれの流路群において流路群を構成する複数の流路が流路の途中で合流や分岐せず、各流路が独立して流通する構成であればよい。例えば、図４に示すパワーモジュール７０のように、冷却器７１が周壁部７２の導入孔７２Ａから第１流路群２４を構成する流路２１Ａ内に冷却液を導入し、流路２１Ａ内を流通した冷却液が第２流路群２５を流通する流路２２Ａ内を流通し、さらに第３流路群２６を構成する流路２３Ａ内を流通した後で周壁部７２の排出孔７２Ｂから排出されるような流路を形成する構成としてもよい。
また、流路群は３段重ねて形成されているが、流路群が複数段重ねて形成されていればよく、冷却器に対して所望する熱容量などに応じて適宜変更可能であり、２段重ねて形成しても４段以上重ねて形成してもよい。
また、流路形成部材はＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金によって形成されているが、冷却液に対して耐食性を有する他のアルミ合金によって形成されてもよい。ここで、流路形成部材を純度９９．９９％のＡｌによって形成することで、歪み量に対する変形応力が小さく、熱サイクルによる加工硬化が少なくなる。これにより、さらに冷却器の信頼性が向上する。
また、隣接する流路形成部材同士をロウ付けなどによって接合した構成としているが、例えばレーザ溶接など、他の方法によって接合してもよい。また、互いに隣接する流路形成部材を押し出し成型などによって一体成型するなど、他の構成としてもよい。
また、基台はＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金によって形成されているが、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金であるアルミニウム合金ダイカスト（ＡＤＣ１２：ＪＩＳ規格）など、他の材料によって形成されても良い。
また、基台が底部の上面に周壁部を固着した構成となっているが、底部及び周壁部を一体成型した構成など、他の構成としてもよい。
また、流路形成部材はＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金によって形成されているが、冷却液に対して耐食性を有する他のアルミ合金によって形成されてもよい。ここで、流路形成部材を純度９９．９９％のＡｌによって形成することで、歪み量に対する変形応力が小さく、熱サイクルによる加工硬化が少なくなる。これにより、さらに冷却器の信頼性が向上する。
また、隣接する流路形成部材同士をロウ付けなどによって接合した構成としているが、例えばレーザ溶接など、他の方法によって接合してもよい。また、互いに隣接する流路形成部材を押し出し成型などによって一体成型するなど、他の構成としてもよい。
また、基台はＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金によって形成されているが、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金であるアルミニウム合金ダイカスト（ＡＤＣ１２：ＪＩＳ規格）など、他の材料によって形成されても良い。
また、基台が底部の上面に周壁部を固着した構成となっているが、底部及び周壁部を一体成型した構成など、他の構成としてもよい。
また、上述した第２の実施形態において、フィン体はＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金によって構成されているが、Ａｌ−Ｍｎ系合金（３００３：ＪＩＳ規格）など、他の材料によって構成されてもよい。
また、フィン体が互いに平行に配置された複数の突条フィンを備えているが、先端に向かって漸次その幅が狭くなる構成としてもよく、その幅が段階的に狭くなる構成としてもよく、平面部に対して垂直に突設されたピンフィンを備えていてもよく、設計に応じて他の形状としてもよい。さらに、流路形成部材の間に突条フィンを配置し、平面部を設けない構成としてもよい。
また、上述した第３の実施形態において、放熱板には純度９９．９９％のＡｌが用いられているが、他のＡｌやＣｕ、ＡｌＳｉＣ（アルミシリコンカーバイド）、Ｃｕ−Ｍｏ（モリブデン）など他の材料を用いてもよい。
また、フィン体が互いに平行に配置された複数の突条フィンを備えているが、先端に向かって漸次その幅が狭くなる構成としてもよく、その幅が段階的に狭くなる構成としてもよく、平面部に対して垂直に突設されたピンフィンを備えていてもよく、設計に応じて他の形状としてもよい。さらに、流路形成部材の間に突条フィンを配置し、平面部を設けない構成としてもよい。
また、上述した第３の実施形態において、放熱板には純度９９．９９％のＡｌが用いられているが、他のＡｌやＣｕ、ＡｌＳｉＣ（アルミシリコンカーバイド）、Ｃｕ−Ｍｏ（モリブデン）など他の材料を用いてもよい。
また、絶縁回路基板は絶縁セラミックスの両面に金属層を設けた構成となっているが、電子部品が搭載される一方の面のみに金属層を設けた構成としてもよい。このとき、絶縁回路基板は、絶縁セラミックスの他方の面を搭載面または放熱板上にハンダ付けによって直接接合される。このようにすることで、接合界面を少なくして、放熱性をさらに良好とすることができる。
また、絶縁回路基板は２つ設けられているが、１つでも３つ以上であってもよく、パワーモジュール以外の電子部品などを組み合わせた構成としてもよい。
また、絶縁セラミックスはＡｌＮによって構成されているが、発熱体で発生した熱を効率よく冷却器に伝達することができる絶縁性物質であればよく、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）やＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）、ＳｉＣ（炭化珪素）などを用いてもよい。
また、金属層は純Ａｌによって構成されているが、Ａｌ合金や純Ｃｕ、Ｃｕ合金など、他の金属材料を用いてもよい。
また、絶縁回路基板は２つ設けられているが、１つでも３つ以上であってもよく、パワーモジュール以外の電子部品などを組み合わせた構成としてもよい。
また、絶縁セラミックスはＡｌＮによって構成されているが、発熱体で発生した熱を効率よく冷却器に伝達することができる絶縁性物質であればよく、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）やＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）、ＳｉＣ（炭化珪素）などを用いてもよい。
また、金属層は純Ａｌによって構成されているが、Ａｌ合金や純Ｃｕ、Ｃｕ合金など、他の金属材料を用いてもよい。
この発明によれば、冷却器及びパワーモジュールに関して、より高い冷却能を有するため、産業上の利用可能性が認められる。
１、４０、６０、６０ パワーモジュール
２、４１、７１ 冷却器
３ 絶縁回路基板（被冷却部材）
１２、４４ 冷却器本体
２１〜２３、４３ 流路形成部材
２１Ａ〜２３Ａ、５０Ａ〜５０Ｃ 流路
２１Ｂ、４５Ａ 搭載面
２４、５１ 第１流路群
２５、５２ 第２流路群
２６、５３ 第３流路群
４６ 突条フィン（熱伝導経路）
６１ 放熱板（被冷却部材）
２、４１、７１ 冷却器
３ 絶縁回路基板（被冷却部材）
１２、４４ 冷却器本体
２１〜２３、４３ 流路形成部材
２１Ａ〜２３Ａ、５０Ａ〜５０Ｃ 流路
２１Ｂ、４５Ａ 搭載面
２４、５１ 第１流路群
２５、５２ 第２流路群
２６、５３ 第３流路群
４６ 突条フィン（熱伝導経路）
６１ 放熱板（被冷却部材）
Claims (4)
- 表面に被冷却部材が搭載される搭載面を有する冷却器本体を備え、
該冷却器本体に、冷却液を流通させる流路を前記搭載面に沿って複数配置した流路群が前記搭載面と直交する方向に複数段重なるように形成され、
前記冷却器本体に、前記搭載面から前記流路群の重ね方向に沿って前記被冷却部材の熱を伝導する熱伝導経路が形成され、該熱伝道経路はその幅が前記搭載面から前記流路群の重ね方向先端に向かって漸次または段階的に狭くなるように形成され、
前記流路群が、前記熱伝導経路の側部に配置された管状の流路形成部材に形成されていることを特徴とする冷却器。 - 前記流路形成部材が、純アルミニウムによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
- 請求項１または２に記載の冷却器と、前記搭載面に固着された絶縁回路基板とを備えることを特徴とするパワーモジュール。
- 請求項１または２に記載の冷却器と、前記搭載面に固着された放熱板と、該放熱板上に固着された絶縁回路基板とを備えることを特徴とするパワーモジュール。
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