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JPWO2015079643A1 - 半導体モジュール用冷却器の製造方法、半導体モジュール用冷却器、半導体モジュール及び電気駆動車両 - Google Patents

半導体モジュール用冷却器の製造方法、半導体モジュール用冷却器、半導体モジュール及び電気駆動車両 Download PDF

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Abstract

外観直方体形状をなし、一側に流速調整板（２２）が固定されているヒートシンク（５）と、外面に半導体素子（２Ａ〜２Ｃ）を接合した放熱板（３）と、冷媒を冷媒導入部（１４）から導入する冷媒導入流路（１６）及び冷媒排出部（１５）に冷媒を排出する冷媒排出流路（１７）が互いに平行に延在し、これら冷媒導入流路及び冷媒排出流路の間に冷却用流路（１８）を設けたトレイ形状の冷却ジャケット（４）とを備えている。そして、冷却ジャケットの冷却用流路に、流速調整板が冷媒排出流路との境界位置に延在し、ヒートシンクに設けた複数の流路が冷媒導入流路及び冷媒排出流路に直行して延在するようにヒートシンクが配置され、冷却ジャケットの開口部を閉塞するように放熱板が固定されている。

Description

本発明は、半導体素子を冷却するための半導体モジュール用冷却器の製造方法、半導体モジュール用冷却器、冷却器の外面に配置された半導体素子を冷却する半導体モジュール及び電気駆動車両に関する。
ハイブリッド自動車や電気自動車等に代表される電力変換装置には、広く半導体モジュールが利用されている。こうした省エネルギーのための制御装置を構成する半導体モジュールでは、大電流を制御するパワー半導体素子を備えている。通常のパワー半導体素子は、大電流を制御する際に発熱するが、電力変換装置の小型化や高出力化が進むにつれてその発熱量が増大している。そのため、パワー半導体素子を複数備えた半導体モジュールでは、その冷却方法が大きな問題となる。
半導体モジュールの冷却効率を向上させるうえで、従来から液冷式の冷却装置が用いられている。液冷式の冷却装置においては、その冷却効率を向上させるために冷媒流量を増加させたり、放熱用のフィン（冷却体）を熱伝達率のよい形状とし、あるいはフィンを構成する材料の熱伝導率を高めたりするなど、様々な工夫がなされている（例えば特許文献１〜特許文献８）。
ところが、冷却装置への冷媒流量を増加し、あるいは熱伝達率のよい複雑なフィン形状を用いる場合には、装置内部で冷媒の圧力損失が増加するなど、冷媒を循環させるための冷却ポンプへの負荷が増大する。特に、複数のヒートシンクを用いて多数のパワー半導体素子を冷却する冷却装置では、複数流路を直列に接続する流路構成の場合、圧力損失の増加が顕著となる。圧力損失を低減するには、少ない冷媒流量で冷却効率を高める構成を用いることが理想的である。例えば、フィン材料の熱伝導率を改善すればよいが、高い熱伝導率を有するフィン材料を採用することは、装置全体のコストアップに繋がる恐れがある。
従来から、冷却性能を維持しつつ低圧力損失化を図るため、冷媒を導入するための冷媒導入流路と、冷媒を排出するための冷媒排出流路とを互いに平行に並べ、それらの間で略直交する冷媒の流通方向に複数のヒートシンクを配置する冷却装置が考えられている（例えば特許文献９〜１３参照）。
ここで、特許文献１３の場合には、冷媒排出口に向かって延在する冷媒排出流路に、ヒートシンクの他の側面と離間して平行に流速調整板を配置することで、冷媒導入流路からヒートシンクの一の側面に流入する冷媒の流速を調整でき、冷却器の外面に配置された半導体素子を効果的に冷却でき、半導体素子の安定した動作が可能になる。
特開２０１１−１１４２０６号公報 特開２００７−２８１５０４号公報 特開２０１２−３７１３６号公報 特開２０１０−８７０１６号公報 特開２０１２−１５６３２２号公報 特開２０１２−６０００２号公報 特開２０１１−１０８６８３号公報 特開２００８−１７２０１４号公報 特開２００１−３５２０２５号公報（図２、図３） 特開２０１０−２０３６９４号公報 特開２０１１−１３４９７９号公報 特開２００６−２９５１７８号公報 ＷＯ２０１３／０５４６１５号公報（図１１〜図１５）
ところで、前述した特許文献１３は、冷媒の流速を調整する流速調整板は、ウォータージャケットの冷媒排出流路を形成する位置に固定されており、ヒートシンクに対する位置決め精度が低下しやすいとともに、多くの組立工程を経て製造しなければならないので、製造コストの面で問題がある。
また、従来の半導体モジュール用冷却器は、多数のパワー半導体素子を冷却する冷却装置の重量が増大しやすいという問題がある。
そこで、本発明は、安定した冷却性能を得ながら製造コストの低減化を図ることができる半導体モジュール用冷却器の製造方法を提供するとともに、安定した冷却性能を得ながら軽量で堅牢な半導体モジュール用冷却器、半導体モジュール及び電気駆動車両を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る半導体モジュール用冷却器の製造方法は、外観直方体形状のヒートシンクと、外面に半導体素子を接合した放熱板と、冷媒を冷媒導入部から導入する冷媒導入流路及び冷媒排出部に上記冷媒を排出する冷媒排出流路が互いに平行に延在し、これら冷媒導入流路及び冷媒排出流路の間に冷却用流路を設けたトレイ形状の冷却ジャケットと、を備えた半導体モジュール用冷却器の製造方法である。そして、上記ヒートシンクの一側に流速調整板を固定する工程と、上記冷却ジャケットの上記冷却用流路に、上記流速調整板が冷媒排出流路との境界位置に延在し、且つ上記ヒートシンクに設けた複数の流路が上記冷媒導入流路及び上記冷媒排出流路に直行して延在するように上記ヒートシンクを配置する工程と、上記冷却ジャケットの開口部を閉塞するように上記放熱板をロウ付けで接合する工程と、を備えている。
また、本発明の一態様に係る半導体モジュール用冷却器は、外観直方体形状をなし、一側に流速調整板が固定されているヒートシンクと、外面に半導体素子を接合した放熱板と、冷媒を冷媒導入部から導入する冷媒導入流路及び冷媒排出部に上記冷媒を排出する冷媒排出流路が互いに平行に延在し、これら冷媒導入流路及び冷媒排出流路の間に冷却用流路を設けたトレイ形状の冷却ジャケットと、を備え、上記冷却ジャケットの上記冷却用流路に、上記流速調整板が冷媒排出流路との境界位置に延在し、上記ヒートシンクに設けた複数の流路が上記冷媒導入流路及び上記冷媒排出流路に直行して延在するように上記ヒートシンクが配置され、上記冷却ジャケットの開口部を閉塞するように上記放熱板が固定されているとともに、上記ヒートシンクの上記冷却ジャケットの内面及び上記放熱板の内面に対向する上下面が、上記冷却ジャケットの内面及び上記放熱板の内面に当接している。
さらに、本発明の一態様に係る半導体モジュールは、外部から冷媒が供給され、外面に配置した半導体素子を冷却する冷却器が、外観直方体形状をなし、一側に流速調整板が固定されているヒートシンクと、外面に前記半導体素子を接合した放熱板と、上記冷媒を冷媒導入部から導入する冷媒導入流路及び冷媒排出部に冷媒を排出する冷媒排出流路が互いに平行に延在し、これら冷媒導入流路及び冷媒排出流路の間に冷却用流路を設けたトレイ形状の冷却ジャケットと、を備え、上記冷却ジャケットの上記冷却用流路に、上記流速調整板が冷媒排出流路との境界位置に延在し、上記ヒートシンクに設けた複数の流路が上記冷媒導入流路及び冷媒排出流路に直行して延在するように当該ヒートシンクが配置され、上記冷却ジャケットの開口部を閉塞するように上記放熱板が固定されているとともに、上記ヒートシンクの上記冷却ジャケットの内面及び上記放熱板の内面に対向する上下面が、上記冷却ジャケットの内面及び上記放熱板の内面に当接している。
さらに、本発明の一態様に係る電気駆動車両は、上記半導体モジュールと、上記半導体モジュールの出力する電力で駆動するモータと、上記半導体モジュールを制御する中央演算装置と、上記半導体モジュールを冷却する冷媒を輸送するポンプと、上記冷媒を冷却する熱交換器と、上記半導体モジュールに一体化された冷却器、上記ポンプおよび上記熱交換器を閉回路状に接続して冷媒流路を形成する配管と、を備えている。
本発明に係る半導体モジュール用冷却器の製造方法によれば、流速調整板をヒートシンクに固定する工程を備えているので、部品点数を少なくし、簡単な製造工程で半導体モジュール用冷却器を製造し、製造コストの低減化を図ることができる。また、冷却用流路と冷媒排出流路との境界位置に流速調整板を配置したことで、ヒートシンクの特定の流路にだけ冷媒の流速が増大するといった冷媒の偏流を解消し、安定した冷却性能を得ることができる。
また、本発明に係る半導体モジュール用冷却器及び半導体モジュールによれば、ヒートシンクの冷却ジャケットの内面及び放熱板の内面に対向するシンク面が、冷却ジャケットの内面及び放熱板の内面に当接していることから、外部から振動が伝達しても容易に変形せず撓み剛性が大きい半導体モジュール用冷却器及び半導体モジュールとなり、堅牢化を図ることができる。また、放熱板及び冷却ジャケットの肉厚を薄く設定しても、ヒートシンクのシンク面が当接することで堅牢な構造を維持することができるので、軽量化を図ることができる。さらに、肉厚を薄くした放熱板及び冷却ジャケットは、熱抵抗は小さくなって放熱性に優れた部材となるので、さらに冷却性能を高めることができる。
さらに、本発明に係る電気駆動車両によれば、コンパクトで剛性が高い半導体モジュール用いることで電気駆動車両の移動により生じる振動に耐え得る構造とすることができる。
本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの一例を示す外観斜視図である。 図１で示した半導体モジュールのＡ‐Ａ線矢視断面図である。 半導体モジュールを構成する冷却器の内部を示す図である。 図１で示した半導体モジュールのＢ‐Ｂ線矢視断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体モジュールを構成する部材の分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る電気駆動車両の概略構成図である。
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの一例を示す外観斜視図であり、図２は、図１で示した半導体モジュールのＡ‐Ａ線矢視断面図、図３は、半導体モジュールに一体化された冷却器の内部を示す図、図４は、図１で示した半導体モジュールのＢ‐Ｂ線矢視断面図、図５は、半導体モジュールを構成する部材の分解斜視図、図６は、本発明の一実施形態に係る電気駆動車両の概略構成図である。
半導体モジュールＳは、図１及び図２に示すように、冷却器１と、冷却器２の外面に配置された回路素子部２Ａ〜２Ｃとを備えている。
冷却器１は、図１及び図２に示すように、複数の回路素子部２Ａ〜２Ｃが外面に配置されている放熱板３と、放熱板３にロウ付けにより接合される冷却ジャケット４と、これら放熱板３及び冷却ジャケット４の内部に収容されるヒートシンクとしてのフィンユニット５、とを備えている。
放熱板３は、図１に示すように、略長方形状の板材であり、長尺方向の一端側に、冷媒導入パイプ１０、冷媒排出パイプ１１が短尺方向に離間して接続されている。
冷却ジャケット４は、図３に示すように、略直方体のトレイ形状をなし、開口部の全周に放熱板３と接合する接合面１２が形成されている。この冷却ジャケット４には、冷媒導入部１４、冷媒排出部１５、冷媒導入流路１６、冷媒排出流路１７及び冷却用流路１８が設けられている。
冷媒導入部１４は冷却ジャケット４内部に冷媒を導入する部位であり、冷媒排出部１５は、冷却ジャケット４内部から外部に冷媒を排出する部位であり、これら冷媒導入部１４及び冷媒排出部１５は、互いに冷却ジャケット４の長尺方向の一端側において、短尺方向に離間して設けられている。
冷媒導入流路１６は、冷媒の流入方向に沿う第１流路として、冷媒導入部１４に連通して冷却ジャケット４の長手方向の一端側から他端側まで延在して設けられている。
冷媒排出流路１７は、冷媒排出部１５に向かう第２流路として冷媒導入流路１６に対して直線状に略平行に設けられ、冷却ジャケット４の長手方向の他端側から一端側まで延在している。
冷却用流路１８は、冷媒導入流路１６と冷媒排出流路１７の中間位置に、第３流路として配設され、冷媒導入流路１６及び冷媒排出流路１７を連通するように形成されている。すなわち、冷却用流路１８は、冷媒導入流路１６の延在方向及び冷媒排出流路１７の延在方向とそれぞれ直交する方向に延在している。
冷却用流路１８に前述したフィンユニット５が配置されており、このフィンユニット５で画成される各流路にそれぞれ冷媒が流れる。
フィンユニット５は、図５に示すように、同一形状の波形として折曲形成され、フィン支持部材（不図示）に支持されて厚さ方向に所定間隔をあけて外観直方体形状に配列されている多数のフィン２０と、多数のフィン２０の下端に固定されている長方形板材からなるユニットベース２１と、外観直方体形状に配列された多数のフィン２０の一方の長尺方向に沿ってロウ付けにより接合された流速調整板２２とを備えている。
流速調整板２２は、フィン２０の下端からフィン２０の上端より僅かに低い高さｔ１まで立ち上がっている流速減少部２２ａと、流速減少部２２ａと比較してフィン２０の下端からの高さｔ２が低い流速増大部２２ｂと、を備えている。
このフィンユニット５は、図３に示すように、冷却ジャケット４の冷却用流路１８に対応する領域にユニットベース２１がロウ付けにより接合されることで配置されている。
このフィンユニット５を冷却用流路１８に配置したことで、フィンユニット５の多数のフィン２０の間に形成されている流路が、冷却ジャケット４に設けた冷媒導入流路１６及び冷媒排出流路１７に略直交して連通する。
また、フィンユニット５の流速調整板２２は、冷媒排出流路１７及び冷却用流路１８の境界位置に延在している一枚の板状部材であり、冷媒排出部１５に対して近い側に配置され、冷媒排出部１５に対して遠い側には配置されていない。
そして、冷却用流路１８にフィンユニット５を接合した冷却ジャケット４は、その開口部の全周に設けた接合面１２に、放熱板３の下面をロウ付けにより接合されることで、放熱板３に接続した冷媒導入パイプ１０が冷媒導入部１４に連通し、冷媒排出パイプ１１が冷媒排出部１５に向けて連通するとともに、一体化された冷却ジャケット４及び放熱板３の内部にフィンユニット５を封止した状態で冷却器１が形成される。
そして、冷却器１は、図２に示すように、フィンユニット５の全てのフィン５が放熱板３の内面３ａ及び冷却ジャケット４の底面（ユニットベース２１を介して）に当接する。
なお、冷却器１を構成する放熱板３及び冷却ジャケット４は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等の金属材料を用いて形成されている。そして、フィンユニット５を構成する、フィン２０、ユニットベース２１及び流速調整板２２も、放熱板３及び冷却ジャケット４と同様に、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等の金属材料を用いて形成されている。
一方、各回路素子部２Ａ〜２Ｃは、図２に示すように、いずれも基板３１上に２種類のパワー半導体素子である半導体素子３２，３３がそれぞれ２個ずつ、計４個搭載した構成を有する。基板３１は、絶縁基板３１ａの両面に導体パターン３１ｂ，３１ｃが形成された構成とされる。
基板３１の絶縁基板３１ａには、例えば窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等のセラミック基板を用いることができる。絶縁基板３１ａ上の導体パターン３１ｂ，３１ｃは、銅やアルミニウム等の金属（例えば、銅箔）を用いて形成することができる。
半導体素子３２，３３は、はんだ等の接合層３４を用いて基板３１の導体パターン３１ｂ側に接合され、その導体パターン３１ｂに直接、或いはワイヤ（図示せず）を介して、電気的に接続される。半導体素子３２，３３を搭載した基板３１は、もう一方の導体パターン３１ｃ側で、接合層３５を介して放熱板３に接合される。
このように、基板３１と基板３１上に搭載された半導体素子３２，３３は、冷却器１と熱的に接続された状態になる。なお、導体パターン３１ｂ，３１ｃの露出表面や、半導体素子３２，３３と導体パターン３１ｂとを電気的に接続するワイヤ表面には、ニッケルめっき等により、それらの表面を汚れ、腐食、外力等から保護するための保護層を形成するようにしてもよい。
そして、本実施形態の半導体モジュールＳは、３個の回路素子部２Ａ〜２Ｃによってインバータ回路を構成している。このインバータ回路は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相についてそれぞれ、ＩＧＢＴである半導体素子３３と、ＦＷＤである半導体素子３２とのブリッジ回路を備え、半導体素子３３のスイッチング制御を行うことで、直流電流を交流電流に変換し、三相交流モータを駆動することができるようになっている。
このようなインバータ回路の動作時に、各回路素子部２Ａ〜２Ｃで発生した熱は、冷却器１の各回路素子部２Ａ〜２Ｃが接合されている放熱板３に伝わり、さらにその下のフィンユニット５へと伝わる。
半導体モジュールＳの冷却器１には、上流側に設けられるポンプ（不図示）と冷媒導入パイプ１０が接続され、冷媒排出パイプ１１がその下流側に設けられる熱交換器に接続されることで、ポンプ及び熱交換器を含む閉ループの冷媒流路が構成される。冷媒は、このような閉ループ内をポンプによって強制循環される。
そして、上記の閉ループ内の強制循環により冷却器１の冷媒導入パイプ１０から冷媒導入部１４に導入された冷媒は、図３に示すように、冷媒導入流路１６、フィンユニット５の多数のフィン２０間に形成した流路、冷媒排出流路１７及び冷媒排出部１５を通過し、冷媒排出パイプ１１から排出される。
そして、フィンユニット５に伝わった回路素子部２Ａ〜２Ｃの熱は、フィンユニット５の多数のフィン２０間に形成した流路を通過する冷媒により放熱され、発熱した回路素子部２Ａ〜２Ｃは冷却器１により冷却される。
なお、本発明のヒートシンクがフィンユニット５に対応し、ヒートシンクの上下面が多数のフィン２０のユニットベース２１に固定された下端及び放熱板３の内面３ａに当接する上端に対応している。
次に、冷却器１に設けた流速調整板２２の作用について説明する。
本実施形態の流速調整板２２は、図３に示すように、冷媒排出流路１７及び冷却用流路１８の境界位置に延在し、冷媒排出部１５に対して近い側に配置され、冷媒排出部１５に対して遠い側には配置されていない。
このような構造にすると、冷媒導入パイプ１０から冷媒導入部１４を介して冷媒導入流路１６に流れ込んだ冷媒は、冷媒導入部１４に近い側のフィンユニット５のフィン２０の間の流路を通過し、冷媒排出部１５に近い側の冷媒排出流路１７に流れ出ようとするが、冷媒排出部１５に対して近い側で冷媒排出流路１７及び冷却用流路１８の境界位置に延在している流速調整板２２が、冷媒排出流路１７に流れ出ようとする冷媒の流れを規制する。
このように、本実施形態は、フィンユニット５の特定のフィン２０（上述したように冷媒導入部１４に近い側のフィンユニット５のフィン２０）の間の流路にだけ冷媒の流速が増大するといった冷媒の偏流を解消する。
また、本実施形態の流速調整板２２は、図４に示すように、図４の左側の回路素子部２Ａの下方に配置されている複数のフィン２０の端部に所定の流速増大部２２ｂが位置し、図４の左側から２番目の回路素子部２Ｂの下方に配置されている複数のフィン２０の端部に他の所定の流速増大部２２ｂが位置している。
このような構造にすると、左側の回路素子部２Ａの下方に配置されている複数のフィン２０の間の流路を流れる冷媒は、流速増大部２２ｂを設けたことで流速が低下せず、左側の回路素子部２Ａは効率良く冷却される。また、左側から２番目の回路素子部２Ｂの下方に配置されている複数のフィン２０の間の流路を流れる冷媒も、流速増大部２２ｂを設けたことで流速が低下せず、左側から２番目の回路素子部２Ｂも効率良く冷却される。
次に、本実施形態の半導体モジュールＳの効果について説明する。
本実施形態の冷却器１の流速調整板２２が、冷媒排出流路１７及び冷却用流路１８の境界位置に延在し、冷媒排出部１５に対して近い側に配置され、冷媒排出部１５に対して遠い側には配置されていないので、冷媒導入流路１６に流れ込んだ冷媒は、始端側（冷媒導入部１４に近い側）から終端側（冷媒導入部１４に遠い側）に向かって適正な流速で流れていき、多数のフィン２０の間の流路の流速分布を均一化して冷媒排出流路１７に流れ出るので、回路素子部２Ａ〜２Ｃに対して安定した冷却性能を得る半導体モジュールＳを提供することができる。
また、本実施形態の流速調整板２２は、回路素子部２Ａの下方に配置されている複数のフィン２０の端部に所定の流速増大部２２ｂが位置し、他の回路素子部２Ｂの下方に配置されている複数のフィン２０の端部に他の所定の流速増大部２２ｂが位置しており、それら回路素子部２Ａ，２Ｂの下方に配置されている複数のフィン２０の間の流路を流れる冷媒は、流速増大部２２ｂを設けたことで流速が低下せず、回路素子部２Ａ，２Ｂを効率良く冷却することができる。
また、本実施形態の冷却器１は、フィンユニット５を構成する多数のフィン２０の上端が放熱板３の内面３ａに当接し、それら多数のフィン２０の下端が冷却ジャケット４の底面にユニットベース２１を介して当接していることから、外部から振動が伝達しても容易に変形せず撓み剛性が大きいので、堅牢な冷却器１とすることができる。
そして、放熱板３及び冷却ジャケット４の肉厚を薄く設定しても、フィンユニット５の多数のフィン２０が当接することで堅牢な構造の冷却器１を維持することができるので、軽量化を図った半導体モジュールＳを提供することができる。
さらに、肉厚を薄くした放熱板３及び冷却ジャケット４は、熱抵抗は小さくなって放熱性に優れた部材となるので、さらに冷却性能を高めた冷却器１を得ることができる。
次に、本発明に係る半導体モジュールＳの冷却器１の製造方法の一実施形態について、図５を参照して説明する。
先ず、同一形状の波形として折曲形成され、フィン支持部材（不図示）に支持されて厚さ方向に所定間隔をあけて外観直方体形状に配列されている多数のフィン２０の下面にユニットベース２１を固定し、外観直方体形状に配列された多数のフィン２０の一方の長尺方向に沿ってロウ付けにより流速調整板２２を接合してフィンユニット５を形成する。
次いで、冷却ジャケット４の冷却用流路１８の領域に、フィンユニット５のユニットベース２１がロウ付けにより接合する。このフィンユニット５を冷却用流路１８に接合したことで、フィンユニット５の多数のフィン２０の間に形成されている流路が、冷却ジャケット４の冷媒導入流路１６及び冷媒排出流路１７に略直交して連通する。
次いで、冷却用流路１８にフィンユニット５を接合した冷却ジャケット４の開口部の全周に設けた接合面１２に、複数の回路素子部２Ａ〜２Ｃが外面に配置されている放熱板３の下面をロウ付けにより接合する。
これにより、放熱板３に接続した冷媒導入パイプ１０が冷媒導入部１４に連通し、冷媒排出パイプ１１が冷媒排出部１５に向けて連通するとともに、一体化された冷却ジャケット４及び放熱板３の内部にフィンユニット５を封止した状態で冷却器１が形成される。
次に、本実施形態の半導体モジュールＳの冷却器１の製造方法の効果について説明する。
本実施形態の半導体モジュールＳの冷却器１の製造方法では、流速調整板２２をフィン２０に一体化したフィンユニット５を使用しており、部品点数を少なくし、簡単な製造工程で冷却器１を製造しているので、製造コストの低減化を図ることができる。
また、外観直方体形状に配列された多数のフィン２０の一方の長尺方向に沿って接合した流速調整板２２は、複数のフィン２０の間の流路を所定の幅に設定するので、フィン２０の間を流れる冷媒の流速を適正値に調整することができる。
なお、上述したフィンユニット５のフィン２０の形状については、従来公知の様々な形状のものを用いることが可能である。フィン２０は、冷却用流路１８内を流れる冷媒の抵抗となるので、冷媒に対する圧力損失が小さいものが望ましい。また、フィン２０の形状及び寸法は、冷却器１への導入条件（すなわち、ポンプ性能等）、冷媒の種類（粘性等）、目的とする除熱量等を考慮して、適宜設定することが好ましい。そして、本実施形態では多数のフィン２０を外観直方体形状に配列したが、発明の効果を損ねない範囲で面取りや変形された形状であってもよい。
次に、本発明の一実施形態に係る半導体モジュールを備えた電気駆動車両の一実施形態について、図６を参照して説明する。
電気駆動車両５０は、少なくとも、半導体モジュールＳと、半導体モジュールＳの出力する電力で駆動するモータ３７と、半導体モジュールＳを制御する中央演算装置３８と、半導体モジュールＳを冷却する冷媒を輸送するポンプ３９と、冷媒を冷却する熱交換器４０と、半導体モジュールＳに一体化された冷却器１、ポンプ３９および熱交換器４０を閉回路状に接続して冷媒流路を形成する配管４１とを備えている。
モータ３７は、機械的に駆動力を車輪３６に伝達させる機構を用いて車輪３６を回転させている。
本発明の半導体モジュールを用いた電気駆動車両は、ヒートシンク５と流速調整板２２が一体にされた後、冷却ジャケット４に収納されるため、従来の半導体モジュールよりも製造コストが安くでき、コンパクトであるという効果がある。また、ヒートシンク５の冷却ジャケット４の内面及び放熱板３の内面に対向する上下面が、冷却ジャケット４の内面及び放熱板３の内面に当接しているので、冷却器の剛性が高く、電気駆動車両の移動により生じる振動に耐え得る構造である。
以上のように、本発明に係る半導体モジュール用冷却器の製造方法は、安定した冷却性能を得ながら製造コストの低減化を図ることができる方法に有用であるとともに、本発明に係る半導体モジュール用冷却器、半導体モジュール及び電気駆動車両は、安定した冷却性能を得ながら軽量で堅牢なものに有用である。
１…冷却器、２Ａ〜２Ｃ…回路素子部、３…放熱板、３ａ…放熱板の内面、４…冷却ジャケット、５…フィンユニット（ヒートシンク）、１０…冷媒導入パイプ、１１…冷媒排出パイプ、１２…接合面、１４…冷媒導入部、１５…冷媒排出部、１６…冷媒導入流路、１７…冷媒排出流路、１８…冷却用流路、２０…フィン、２１…ユニットベース、２２…流速調整板、２２ａ…流速減少部、２２ｂ…流速増大部、３１…基板、３１ａ…絶縁基板、３１ｂ，３１ｃ…導体パターン、３２，３３…半導体素子、３４，３５…接合層、３６…車輪、３７…モータ、３８…中央演算装置、３９…ポンプ、４０…熱交換器、４１…配管、５０…電気駆動車両、Ｓ…半導体モジュール
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る半導体モジュール用冷却器の製造方法は、外観直方体形状のヒートシンクと、外面に半導体素子を接合した放熱板と、冷媒を冷媒導入部から導入する冷媒導入流路及び冷媒排出部に上記冷媒を排出する冷媒排出流路が互いに平行に延在し、これら冷媒導入流路及び冷媒排出流路の間に冷却用流路を設けたトレイ形状の冷却ジャケットと、を備えた半導体モジュール用冷却器の製造方法である。そして、上記ヒートシンクの一側に流速調整板を固定する工程と、上記冷却ジャケットの上記冷却用流路に、上記流速調整板が冷媒排出流路との境界位置に延在し、且つ上記ヒートシンクに設けた複数の流路が上記冷媒導入流路及び上記冷媒排出流路に直交して延在するように上記ヒートシンクを配置する工程と、上記冷却ジャケットの開口部を閉塞するように上記放熱板をロウ付けで接合する工程と、を備えている。
また、本発明の一態様に係る半導体モジュール用冷却器は、外観直方体形状をなし、一側に流速調整板が固定されているヒートシンクと、外面に半導体素子を接合した放熱板と、冷媒を冷媒導入部から導入する冷媒導入流路及び冷媒排出部に上記冷媒を排出する冷媒排出流路が互いに平行に延在し、これら冷媒導入流路及び冷媒排出流路の間に冷却用流路を設けたトレイ形状の冷却ジャケットと、を備え、上記冷却ジャケットの上記冷却用流路に、上記流速調整板が冷媒排出流路との境界位置に延在し、上記ヒートシンクに設けた複数の流路が上記冷媒導入流路及び上記冷媒排出流路に直交して延在するように上記ヒートシンクが配置され、上記冷却ジャケットの開口部を閉塞するように上記放熱板が固定されているとともに、上記ヒートシンクの上記冷却ジャケットの内面及び上記放熱板の内面に対向する上下面が、上記冷却ジャケットの内面及び上記放熱板の内面に当接している。
さらに、本発明の一態様に係る半導体モジュールは、外部から冷媒が供給され、外面に配置した半導体素子を冷却する冷却器が、外観直方体形状をなし、一側に流速調整板が固定されているヒートシンクと、外面に上記半導体素子を接合した放熱板と、上記冷媒を冷媒導入部から導入する冷媒導入流路及び冷媒排出部に前記冷媒を排出する冷媒排出流路が互いに平行に延在し、これら冷媒導入流路及び冷媒排出流路の間に冷却用流路を設けたトレイ形状の冷却ジャケットと、を備え、上記冷却ジャケットの上記冷却用流路に、上記流速調整板が上記冷媒排出流路との境界位置に延在し、上記ヒートシンクに設けた複数の流路が上記冷媒導入流路及び上記冷媒排出流路に直交して延在するように上記ヒートシンクが配置され、上記冷却ジャケットの開口部を閉塞するように上記放熱板が固定されているとともに、上記ヒートシンクの上記冷却ジャケットの内面及び上記放熱板の内面に対向する上下面が、上記冷却ジャケットの内面及び上記放熱板の内面に当接している。
さらに、本発明の一態様に係る電気駆動車両は、上記半導体モジュールと、上記半導体モジュールの出力する電力で駆動するモータと、上記半導体モジュールを制御する中央演算装置と、上記半導体モジュールを冷却する冷媒を輸送するポンプと、上記冷媒を冷却する熱交換器と、上記半導体モジュールに一体化された冷却器、上記ポンプおよび上記熱交換器を閉回路状に接続して冷媒流路を形成する配管と、を備えている。
半導体モジュールＳは、図１及び図２に示すように、冷却器１と、冷却器１の外面に配置された回路素子部２Ａ〜２Ｃとを備えている。
冷却器１は、図１及び図２に示すように、複数の回路素子部２Ａ〜２Ｃが外面に配置されている放熱板３と、放熱板３にロウ付けにより接合される冷却ジャケット４と、これら放熱板３及び冷却ジャケット４の内部に収容されるヒートシンクとしてのフィンユニット５、とを備えている。
放熱板３は、図１に示すように、略長方形状の板材であり、長尺方向の一端側に、冷媒導入パイプ１０、冷媒排出パイプ１１が短尺方向に離間して接続されている。
そして、冷却用流路１８にフィンユニット５を接合した冷却ジャケット４は、その開口部の全周に設けた接合面１２に、放熱板３の下面をロウ付けにより接合されることで、放熱板３に接続した冷媒導入パイプ１０が冷媒導入部１４に連通し、冷媒排出パイプ１１が冷媒排出部１５に向けて連通するとともに、一体化された冷却ジャケット４及び放熱板３の内部にフィンユニット５を封止した状態で冷却器１が形成される。
そして、冷却器１は、図２に示すように、フィンユニット５の全てのフィン２０が放熱板３の内面３ａ及び冷却ジャケット４の底面（ユニットベース２１を介して）に当接する。
なお、冷却器１を構成する放熱板３及び冷却ジャケット４は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等の金属材料を用いて形成されている。そして、フィンユニット５を構成する、フィン２０、ユニットベース２１及び流速調整板２２も、放熱板３及び冷却ジャケット４と同様に、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等の金属材料を用いて形成されている。

Claims (10)

  1. 外観直方体形状のヒートシンクと、外面に半導体素子を接合した放熱板と、冷媒を冷媒導入部から導入する冷媒導入流路及び冷媒排出部に前記冷媒を排出する冷媒排出流路が互いに平行に延在し、これら冷媒導入流路及び冷媒排出流路の間に冷却用流路を設けたトレイ形状の冷却ジャケットと、を備え、
    前記ヒートシンクの一側に流速調整板を固定する工程と、
    前記冷却ジャケットの前記冷却用流路に、前記流速調整板が冷媒排出流路との境界位置に延在し、且つ前記ヒートシンクに設けた複数の流路が前記冷媒導入流路及び前記冷媒排出流路に直行して延在するように当該ヒートシンクを配置する工程と、
    前記冷却ジャケットの開口部を閉塞するように前記放熱板をロウ付けで接合する工程と、を備えたことを特徴とする半導体モジュール用冷却器の製造方法。
  2. 前記ヒートシンクに固定されている前記流速調整板の一端は、前記冷媒排出部の近くに位置していることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール用冷却器の製造方法。
  3. 前記流速調整板は、前記半導体素子が接合されている前記放熱板の下方位置において前記ヒートシンクの前記流路を流れる前記冷媒の流速を増大させる形状に設定されていることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール用冷却器の製造方法。
  4. 前記ヒートシンクは、多数のフィンが厚さ方向に所定の間隔をあけて配列された部材であり、前記流速調整板は、隣接する前記フィンの前記間隔を保持していることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール用冷却器の製造方法。
  5. 外観直方体形状をなし、一側に流速調整板が固定されているヒートシンクと、
    外面に半導体素子を接合した放熱板と、
    冷媒を冷媒導入部から導入する冷媒導入流路及び冷媒排出部に前記冷媒を排出する冷媒排出流路が互いに平行に延在し、これら冷媒導入流路及び冷媒排出流路の間に冷却用流路を設けたトレイ形状の冷却ジャケットと、を備え、
    前記冷却ジャケットの前記冷却用流路に、前記流速調整板が前記冷媒排出流路との境界位置に延在し、前記ヒートシンクに設けた複数の流路が前記冷媒導入流路及び前記冷媒排出流路に直行して延在するように当該ヒートシンクが配置され、
    前記冷却ジャケットの開口部を閉塞するように前記放熱板が固定されているとともに、
    前記ヒートシンクの前記冷却ジャケットの内面及び前記放熱板の内面に対向する上下面が、前記冷却ジャケットの内面及び前記放熱板の内面に当接していることを特徴とする半導体モジュール用冷却器。
  6. 前記ヒートシンクに固定されている前記流速調整板の一端は、前記冷媒排出部の近くに位置していることを特徴とする請求項５記載の半導体モジュール用冷却器。
  7. 前記流速調整板は、前記半導体素子が接合されている前記放熱板の下方位置において前記ヒートシンクの流路を流れる冷媒の流速を増大させる形状に設定されていることを特徴とする請求項５記載の半導体モジュール用冷却器。
  8. 前記ヒートシンクは、多数のフィンが厚さ方向に所定の間隔をあけて配列された部材であり、前記流速調整板は、隣接する前記フィンの前記間隔を保持していることを特徴とする請求項５記載の半導体モジュール用冷却器。
  9. 外部から冷媒が供給され、外面に配置した半導体素子を冷却する冷却器が、外観直方体形状をなし、一側に流速調整板が固定されているヒートシンクと、外面に前記半導体素子を接合した放熱板と、前記冷媒を冷媒導入部から導入する冷媒導入流路及び冷媒排出部に前記冷媒を排出する冷媒排出流路が互いに平行に延在し、これら冷媒導入流路及び冷媒排出流路の間に冷却用流路を設けたトレイ形状の冷却ジャケットと、を備え、
    前記冷却ジャケットの前記冷却用流路に、前記流速調整板が前記冷媒排出流路との境界位置に延在し、前記ヒートシンクに設けた複数の流路が前記冷媒導入流路及び前記冷媒排出流路に直行して延在するように前記ヒートシンクが配置され、
    前記冷却ジャケットの開口部を閉塞するように前記放熱板が固定されているとともに、
    前記ヒートシンクの前記冷却ジャケットの内面及び前記放熱板の内面に対向する上下面が、前記冷却ジャケットの内面及び前記放熱板の内面に当接していることを特徴とする半導体モジュール。
  10. 請求項９記載の半導体モジュールと、
    当該半導体モジュールの出力する電力で駆動するモータと、
    前記半導体モジュールを制御する中央演算装置と、
    前記半導体モジュールを冷却する冷媒を輸送するポンプと、
    前記冷媒を冷却する熱交換器と、
    前記半導体モジュールに一体化された前記冷却器、前記ポンプおよび前記熱交換器を閉回路状に接続して冷媒流路を形成する配管と、を備えることを特徴とする電気駆動車両。
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