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JP4967988B2 - 半導体冷却装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体冷却装置に係り、詳しくは半導体パワー素子の駆動に伴う熱を逃がすための冷却装置に関するものである。
冷却管の内部にインナーフィンを備える冷却装置が例えば特許文献１に開示されている。
この装置は、図９に示すように、モジュール化した半導体パワー素子１００の両面を、絶縁材１０１を介して冷却管１１０に接合して放熱する構成となっている。冷却管１１０について詳しくは、２枚の外殻プレート１１１が１枚の中間プレート１１２を挟んで外周縁において接合されており、各外殻プレート１１１と中間プレート１１２とで構成される空間を冷媒流路としている。また、各外殻プレート１１１と中間プレート１１２との間には、それぞれインナーフィン１１３が配置されており、インナーフィン１１３により冷却媒体の流路を分ける構成となっている。
特開２００７−１７３３７２号公報
冷却管１１０と、モジュール化したパワー素子１００とは、絶縁材１０１を介して組み付けられている。そのため、冷却管１１０と、モジュール化したパワー素子１００とは、ロウ付けすることができず、組み立て性について改良の余地がある。また、冷却管１１０について更なる冷却効率のアップが望まれている。
本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、容易に組み立てることができるとともに冷却効率の高い半導体冷却装置を提供することにある。
請求項１に記載の発明では、第１の外殻プレートと第２の外殻プレートが中間プレートを挟んで外周縁部においてロウ付けされ、第１の外殻プレートと中間プレートとの間に波板状の第１のインナーフィンがロウ付けされるとともに第２の外殻プレートと中間プレートとの間に波板状の第２のインナーフィンがロウ付けされ、第１の外殻プレートと第１のインナーフィンとの間に第１の冷媒通路が、また第１のインナーフィンと中間プレートとの間に第２の冷媒通路が、また中間プレートと第２のインナーフィンとの間に第３の冷媒通路が、また第２のインナーフィンと第２の外殻プレートとの間に第４の冷媒通路が、それぞれ区画形成され、該第１〜第４の冷媒通路に冷媒として液体が供給されるタンク構成体と、前記タンク構成体の第１および第２の外殻プレートの外表面にロウ付けされた複数の半導体パワー素子搭載基板と、備え、前記半導体パワー素子搭載基板は、絶縁基板の両面に金属層が形成され、一方の面が半導体パワー素子搭載面となるとともに他方の面が前記タンク構成体へのロウ付け面であって、前記中間プレートに透孔を設けて前記第２の冷媒通路と前記第３の冷媒通路を連通したことを要旨とする。
請求項２に記載の発明では、第１の外殻プレートと第２の外殻プレートが中間プレートを挟んで外周縁部においてロウ付けされ、第１の外殻プレートと中間プレートとの間に波板状の第１のインナーフィンがロウ付けされるとともに第２の外殻プレートと中間プレートとの間に波板状の第２のインナーフィンがロウ付けされ、第１の外殻プレートと第１のインナーフィンとの間に第１の冷媒通路が、また第１のインナーフィンと中間プレートとの間に第２の冷媒通路が、また中間プレートと第２のインナーフィンとの間に第３の冷媒通路が、また第２のインナーフィンと第２の外殻プレートとの間に第４の冷媒通路が、それぞれ区画形成されたタンク構成体と、前記タンク構成体の第１および第２の外殻プレートの外表面にロウ付けされた複数の半導体パワー素子搭載基板と、を備え、前記半導体パワー素子搭載基板は、絶縁基板の両面に金属層が形成され、一方の面が半導体パワー素子搭載面となるとともに他方の面が前記タンク構成体へのロウ付け面であって、前記中間プレートに透孔を設けて前記第２の冷媒通路と前記第３の冷媒通路を連通し、前記第１のインナーフィンおよび前記第２のインナーフィンは、それぞれ、複数の分割インナーフィンから構成されており、前記複数の分割インナーフィンは互いに離間して配置されることを要旨とする。
請求項１及び請求項２に記載の発明によれば、半導体パワー素子搭載基板において半導体パワー素子搭載面に搭載した半導体パワー素子が発熱すると、その熱は半導体パワー素子搭載基板を介してタンク構成体の第１の外殻プレートまたは第２の外殻プレートに伝わる。第１の外殻プレートに伝わった熱は第１および第２の冷媒通路を通る冷媒との間で熱交換され、また第２の外殻プレートに伝わった熱は第３および第４の冷媒通路を通る冷媒との間で熱交換される。このとき、タンク構成体の内部に設けられた第１および第２のインナーフィンが放熱面積を大きくしており、半導体冷却装置の冷却能力が高くなる。
また、タンク構成体においてロウ付けにて、第１の外殻プレートと第２の外殻プレートが中間プレートを挟んで外周縁部において接合されるとともに第１のインナーフィンおよび第２のインナーフィンが接合され、さらに、複数の半導体パワー素子搭載基板がロウ付けにてタンク構成体の第１および第２の外殻プレートの外表面に接合されている。このように半導体冷却装置を構成する各部材をロウ付けにて一括結合することができ、半導体冷却装置を容易に組み立てることができる。
また、第１のインナーフィンと第２のインナーフィンとの間に配置される中間プレートに透孔を設け、第２の冷媒通路と第３の冷媒通路とを連通させている。このため、第２の冷媒通路を流れる冷媒と第３の冷媒通路を流れる冷媒との温度の差を小さくすることができ、半導体冷却装置の冷却効率を高くすることができる。
特に、請求項２に記載の発明では、第１の冷媒通路と第２の冷媒通路が連通しており、第１の冷媒通路を流れる冷媒と第２の冷媒通路を流れる冷媒の温度の差が小さくなる。また、第３の冷媒通路と第４の冷媒通路が連通しており、第３の冷媒通路を流れる冷媒と第４の冷媒通路を流れる冷媒の温度の差が小さくなる。即ち、各冷媒通路を流れる冷媒の間で効率的な熱交換が行われるため、半導体冷却装置の冷却効率をより高くすることができる。
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の半導体冷却装置において、前記タンク構成体に、前記分割インナーフィンに接触する位置決め突起を設けたので、分割した第１のインナーフィンおよび第２のインナーフィンを容易に位置決めすることができる。
本発明によれば、容易に組み立てることができるとともに冷却効率の高いものとすることができる。
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態における半導体冷却装置１の分解斜視図である。図２は、半導体冷却装置１の斜視図である。図３は、半導体冷却装置１の平面図である。図４は図３のＡ−Ａ線での縦断面図である。図５は図３のＢ−Ｂ線での縦断面図である。本実施形態においては自動車モータ用インバータに適用しており、半導体パワー素子としてのインバータ用ＩＧＢＴとフライホイールダイオードを冷却する冷却装置である。
図１に示すように、半導体冷却装置１は、タンク構成体１０と、タンク構成体１０の両面に配置される複数の半導体パワー素子搭載基板３０と、を備えている。半導体パワー素子搭載基板３０は計６つ使用している。
タンク構成体１０について、図３に示すように平面形状として図中、Ｘ方向に延びる楕円形状をなし、かつ、図４に示すように所定の厚さを有している。そして、図２において冷媒としての冷却水やアルコール等が楕円形状のタンク構成体１０の一端からタンク構成体１０の内部に供給され、タンク構成体１０の内部を延設方向に沿って流れてタンク構成体１０の他端から排出されることになる。
図３，４，５に示すように、タンク構成体１０は第１の外殻プレート１１と第２の外殻プレート１２が中間プレート１３を挟んで外周縁部においてロウ付けされている。詳しくは、外殻プレート１１，１２において、その外周縁部が接合されるとともに、この接合部の内周側は冷媒が通過する中空断面形状に形成されている。
また、図５に示すように、第１の外殻プレート１１と中間プレート１３の間に波板状の第１のインナーフィン１４がロウ付けされている。同様に、第２の外殻プレート１２と中間プレート１３の間に波板状の第２のインナーフィン１５がロウ付けされている。タンク構成体１０を構成する第１の外殻プレート１１、第２の外殻プレート１２、中間プレート１３、第１のインナーフィン１４、第２のインナーフィン１５はアルミよりなる。
そして、第１の外殻プレート１１と第１のインナーフィン１４の間に第１の冷媒通路Ｐ１が区画形成されている。また、第１のインナーフィン１４と中間プレート１３の間に第２の冷媒通路Ｐ２が区画形成されている。また、中間プレート１３と第２のインナーフィン１５の間に第３の冷媒通路Ｐ３が区画形成されている。また、第２のインナーフィン１５と第２の外殻プレート１２の間に第４の冷媒通路Ｐ４が区画形成されている。
半導体パワー素子搭載基板３０について、図５に示すように、半導体パワー素子搭載基板３０は、絶縁基板３１の両面に金属層３２，３３が形成されている。具体的には、例えば窒化アルミ（ＡｌＮ）よりなる絶縁基板３１の両面にアルミ（または銅）が張り合わされている。絶縁基板３１の一方の面が半導体パワー素子搭載面となっており、本実施形態においては図３に示すようにＩＧＢＴ９０およびダイオード９１が半田により接合されている（シリコンチップが半田付けされている）。このように、半導体パワー素子搭載基板３０は、絶縁基板３１の一方の面に半導体パワー素子が搭載される構造となっており、半導体パワー素子は絶縁基板３１により電気的に分離されている。
また、半導体パワー素子搭載基板３０の他方の面がタンク構成体１０へのロウ付け面である。６つの半導体パワー素子搭載基板３０のうちの３つの半導体パワー素子搭載基板３０について、図５においてタンク構成体１０の第１の外殻プレート１１の外表面（上面）に、絶縁基板３１の他方の面がアルミロウ付け用材料としてのフィラー４０（図１参照）を介してロウ付けされている。同様に、残りの３つの半導体パワー素子搭載基板３０について、図５においてタンク構成体１０の第２の外殻プレート１２の外表面（下面）に、絶縁基板３１の他方の面がアルミロウ付け用材料としてのフィラー４０を介してロウ付けされている。
図１において、外殻プレート１１，１２に突起４１が設けられ、突起４１がフィラー４０の透孔４０ａに挿入され位置決めされる。つまり、突起４１にてフィラー４０（半導体パワー素子搭載基板３０と外殻プレート１１，１２をロウ付けするためのロウ材）が位置決めされる。なお、半導体パワー素子搭載基板３０とフィラー４０とは接着剤や治具等にて事前に位置決めしておいてもよい。
図１において外殻プレート１２に設けられた突起５５によって、インナーフィン１５が位置決めされる（インナーフィン１５の長手方向の位置ズレが抑制される）。また、外殻プレート１１に設けた突起５７によって、インナーフィン１４が位置決めされる（インナーフィン１４の長手方向の位置ズレが抑制される）。なお上記突起５５，５７に替えて、図６に示すように、インナーフィン１４，１５の位置決めを行う突起１７を中間プレート１３に設けてもよい。
このようにして、タンク構成体１０においてロウ付けにて第１の外殻プレート１１と第２の外殻プレート１２が中間プレート１３を挟んで外周縁部において接合されるとともに第１のインナーフィン１４および第２のインナーフィン１５が接合され、さらに、複数の半導体パワー素子搭載基板３０がロウ付けにてタンク構成体１０の第１および第２の外殻プレート１１，１２の外表面に接合されている。よって、半導体冷却装置を構成する各部材をロウ付けにて一括で接合でき、半導体冷却装置を容易に組み立てることができる。
また、図２，３に示すように、タンク構成体１０には冷媒をタンクに供給するためのパイプ５０とパイプ５１が連結されている。図４で説明すると、タンク構成体１０の右端上面にパイプ５０が接続されるとともにタンク構成体１０の左端上面にパイプ５１が接続されている。
図１において第１の外殻プレート１１には連通孔１１ａ，１１ｂが形成され、タンク構成体１０とパイプ５０とが第１の外殻プレート１１の連通孔１１ａを介して連通するとともにタンク構成体１０とパイプ５１とが連通孔１１ｂを介して連通している。また、図１において中間プレート１３には連通孔１３ａ，１３ｂが形成され、連通孔１３ａ，１３ｂを通して中間プレート１３の上側と下側が連通している。そして、例えば、パイプ５０から冷媒としての水やアルコール等がタンク構成体１０内に送られてパイプ５１から排出される。詳しくは、連通孔１１ａを通してタンク構成体１０内に入り、タンク構成体１０内において、中間プレート１３の上側での流れと、連通孔１３ａを通過する中間プレート１３の下側の流れとに分岐し、さらに、中間プレート１３の下側の流れが連通孔１３ｂを通して中間プレート１３の上側での流れと合流して連通孔１１ｂを通してパイプ５１より排出される。
図３に示すように、パイプ５０とパイプ５１はタンク構成体１０の延設方向Ｘに延びている。なお、パイプ５０とパイプ５１はタンク構成体１０の延設方向Ｘに対し直交するＹ方向に延びる構成としてもよい。
図１に示すように、半導体パワー素子搭載基板３０に半導体パワー素子が半田付けされた後には、タンク構成体１０（半導体パワー素子搭載基板３０）の両面に設けられた半導体パワー素子搭載基板３０上にはコネクタ６０が配置される。コネクタ６０においては樹脂ケース６１に電力端子６２と信号端子６３が設けられている。そして、電力端子６２と信号端子６３は半導体パワー素子としてのＩＧＢＴ９０およびダイオード９１とボンディングワイヤにて電気的に接続される。
図１において下側のコネクタ６０の樹脂ケース６１に設けた突起８０が、外殻プレート１２の透孔８１、中間プレート１３の透孔８２、外殻プレート１１の透孔８３、上側のコネクタ６０の樹脂ケース６１の穴８４に嵌め込まれて位置決めされる。同様に、上側のコネクタ６０の樹脂ケース６１に設けた突起８５が、外殻プレート１１の透孔８６、中間プレート１３の透孔８７、外殻プレート１２の透孔８８、下側のコネクタ６０の樹脂ケース６１の穴８９に嵌め込まれて位置決めされる。
図１，５に示すように、中間プレート１３には多数の透孔１６が形成されている。透孔１６は円形をなし、格子状に配列されている。中間プレート１３において格子状に配列した透孔１６により、インナーフィン１４と中間プレート１３との間の第２の冷媒通路Ｐ２を流れる冷媒（冷却水）と、中間プレート１３とインナーフィン１５との間の第３の冷媒通路Ｐ３を流れる冷媒とが、互いに両冷媒通路間を移動可能となる。即ち、第２の冷媒通路Ｐ２を流れる冷媒は、中間プレート１３の透孔１６を介して第３の冷媒通路Ｐ３に入ることが可能であり、また第３の冷媒通路Ｐ３を流れる冷媒は中間プレート１３の透孔１６を介して第２の冷媒通路Ｐ２に入ることが可能である。
次に、半導体冷却装置の作用について説明する。
半導体パワー素子搭載基板３０において半導体パワー素子搭載面に搭載した半導体パワー素子が発熱すると、その熱は半導体パワー素子搭載基板３０を介してタンク構成体１０の第１の外殻プレート１１または第２の外殻プレート１２に伝わる。第１の外殻プレート１１に伝わった熱は、第１および第２の冷媒通路Ｐ１，Ｐ２を通る冷媒との間で熱交換される。同様に、第２の外殻プレート１２に伝わった熱は、第３および第４の冷媒通路Ｐ３，Ｐ４を通る冷媒との間で熱交換される。このとき、第１の外殻プレート１１と中間プレート１３との間には第１のインナーフィン１４が、第２の外殻プレート１２と中間プレート１３との間には第２のインナーフィン１５が配置されているため、これらインナーフィン１４，１５により放熱面積が大きくなって効率の高い冷却が行われる。即ち、タンク構成体１０の内部に設けられた第１および第２のインナーフィン１４，１５が放熱面積を大きくしており、半導体冷却装置の冷却能力が高くなる。
図９に示した特許文献１においては、発熱体である素子１００と冷却管１１０（冷却水路）との間に放熱板や絶縁材１０１を挟んでいるとともに、各部材の接触面にはグリスが塗布されている。これに対し本実施形態では、半導体パワー素子搭載基板３０を外殻プレート１１，１２に直接ロウ付けすることにより放熱板やグリス等を必要としない。即ち、効率的に半導体パワー素子を冷却させる構造とすることができる。
また、図９に示した特許文献１においては、冷却管１１０の内部において、中間プレート１１２に対して素子１００側の冷媒通路Ａと素子１００と反対側の冷媒通路Ｂとは、当該中間プレート１１２によって互いに分離されている。このため、１つの冷却管１１０の内部において、冷媒通路Ａ，Ｂの間で冷却水の温度の差が生じてしまうという可能性がある。
これに対し、本実施形態では、中間プレート１３に透孔１６が設けられ、第２の冷媒通路Ｐ２と第３の冷媒通路Ｐ３が連通している。これにより、相互に冷媒（冷却水等）の入れ替えが行われて、第２の冷媒通路Ｐ２を流れる冷媒と第３の冷媒通路Ｐ３を流れる冷媒との温度の差が小さくなり、半導体冷却装置の冷却効率を高くすることができる。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
第１の外殻プレート１１と第２の外殻プレート１２と中間プレート１３が外周縁部においてロウ付けされ、第１のインナーフィン１４および第２のインナーフィン１５がロウ付けされ、半導体パワー素子搭載基板３０がロウ付けされ、かつ、中間プレート１３に透孔１６を設けて第２の冷媒通路Ｐ２と第３の冷媒通路Ｐ３を連通した。これにより、容易に組み立てることができるとともに冷却効率の高い半導体冷却装置を提供することができる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
図１等に示したようにインナーフィン１４，１５は、１個体であるが、インナーフィン１４，１５の外側に冷却水を回り込みやすくするため、図７に示すように、インナーフィン（波板）の延設方向Ｘにおいて２分割以上の個体に分割してもよい。詳しくは、図７においては３分割にしている。
この場合、図８に示すように、第１の外殻プレート１１と第２の外殻プレート１２と中間プレート１３のうちの何れかにインナーフィン１４ａ，１４ｂ，１４ｃ、１５ａ，１５ｂ，１５ｃの位置決め用の突起１９，２０を設ける。具体的には、図８においては四角形のインナーフィン１４ａ，１４ｂ，１４ｃにおける対角での角部において突起１９と係合させる。同様に、外殻プレート１２においても図７に示すように突起２０を形成して、この突起２０によりインナーフィン１５ａ，１５ｂ，１５ｃを位置決めする。
このように、第１のインナーフィン１４および第２のインナーフィン１５は、それぞれ、複数の分割インナーフィン１４ａ，１４ｂ，１４ｃ、１５ａ，１５ｂ，１５ｃから構成されており、複数の分割インナーフィン１４ａ，１４ｂ，１４ｃ、１５ａ，１５ｂ，１５ｃは互いに離間して配置される。よって、第１の冷媒通路Ｐ１と第２の冷媒通路Ｐ２が連通しており、第１の冷媒通路Ｐ１を流れる冷媒と第２の冷媒通路Ｐ２を流れる冷媒の温度の差が小さくなる。また、第３の冷媒通路Ｐ３と第４の冷媒通路Ｐ４が連通しており、第３の冷媒通路Ｐ３を流れる冷媒と第４の冷媒通路Ｐ４を流れる冷媒の温度の差が小さくなる。即ち、各冷媒通路を流れる冷媒の間で効率的な熱交換が行われるため、半導体冷却装置の冷却効率をより高くすることができる。
また、タンク構成体１０に、分割インナーフィン１４ａ，１４ｂ，１４ｃ、１５ａ，１５ｂ，１５ｃに接触する位置決め突起１９，２０を設けたことにより、分割した第１のインナーフィン（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）および第２のインナーフィン（１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）を容易に位置決めすることができる。
本実施形態における半導体冷却装置の分解斜視図。 半導体冷却装置の斜視図。 半導体冷却装置の平面図。 図３のＡ−Ａ線での縦断面図。 図３のＢ−Ｂ線での縦断面図。 中間プレートとインナーフィンの平面および正面図。 別例における半導体冷却装置の分解斜視図。 別例における中間プレートとインナーフィンの平面および正面図。 背景技術を説明するための冷却装置の断面図。
符号の説明
１０…タンク構成体、１１…第１の外殻プレート、１２…第２の外殻プレート、１３…中間プレート、１４…第１のインナーフィン、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ…インナーフィン、１５…第２のインナーフィン、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…インナーフィン、１６…透孔、１９…突起、２０…突起、３０…半導体パワー素子搭載基板、３１…絶縁基板、３２…金属層、３３…金属層、Ｐ１…第１の冷媒通路、Ｐ２…第２の冷媒通路、Ｐ３…第３の冷媒通路、Ｐ４…第４の冷媒通路。

Claims (3)

  1. 第１の外殻プレートと第２の外殻プレートが中間プレートを挟んで外周縁部においてロウ付けされ、第１の外殻プレートと中間プレートとの間に波板状の第１のインナーフィンがロウ付けされるとともに第２の外殻プレートと中間プレートとの間に波板状の第２のインナーフィンがロウ付けされ、第１の外殻プレートと第１のインナーフィンとの間に第１の冷媒通路が、また第１のインナーフィンと中間プレートとの間に第２の冷媒通路が、また中間プレートと第２のインナーフィンとの間に第３の冷媒通路が、また第２のインナーフィンと第２の外殻プレートとの間に第４の冷媒通路が、それぞれ区画形成され、該第１〜第４の冷媒通路に冷媒として液体が供給されるタンク構成体と、
    前記タンク構成体の第１および第２の外殻プレートの外表面にロウ付けされた複数の半導体パワー素子搭載基板と、
    を備え、
    前記半導体パワー素子搭載基板は、絶縁基板の両面に金属層が形成され、一方の面が半導体パワー素子搭載面となるとともに他方の面が前記タンク構成体へのロウ付け面であって、
    前記中間プレートに透孔を設けて前記第２の冷媒通路と前記第３の冷媒通路を連通したことを特徴とする半導体冷却装置。
  2. 第１の外殻プレートと第２の外殻プレートが中間プレートを挟んで外周縁部においてロウ付けされ、第１の外殻プレートと中間プレートとの間に波板状の第１のインナーフィンがロウ付けされるとともに第２の外殻プレートと中間プレートとの間に波板状の第２のインナーフィンがロウ付けされ、第１の外殻プレートと第１のインナーフィンとの間に第１の冷媒通路が、また第１のインナーフィンと中間プレートとの間に第２の冷媒通路が、また中間プレートと第２のインナーフィンとの間に第３の冷媒通路が、また第２のインナーフィンと第２の外殻プレートとの間に第４の冷媒通路が、それぞれ区画形成されたタンク構成体と、
    前記タンク構成体の第１および第２の外殻プレートの外表面にロウ付けされた複数の半導体パワー素子搭載基板と、
    を備え、
    前記半導体パワー素子搭載基板は、絶縁基板の両面に金属層が形成され、一方の面が半導体パワー素子搭載面となるとともに他方の面が前記タンク構成体へのロウ付け面であって、
    前記中間プレートに透孔を設けて前記第２の冷媒通路と前記第３の冷媒通路を連通し、
    前記第１のインナーフィンおよび前記第２のインナーフィンは、それぞれ、複数の分割インナーフィンから構成されており、前記複数の分割インナーフィンは互いに離間して配置されることを特徴とする半導体冷却装置。
  3. 前記タンク構成体に、前記分割インナーフィンに接触する位置決め突起を設けたことを特徴とする請求項２に記載の半導体冷却装置。
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