CN108987359B - 散热器和散热器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供散热器和散热器组件。本发明提供一种能够使集中在功率半导体元件模块的芯片部分的热高效地扩散的散热器。散热器(20)具备散热器主体(21)和热扩散结构部(25)，该散热器主体(21)在冷却面(F1)上放置有具有多个功率半导体元件(11)的功率半导体元件模块(10)，且使功率半导体元件(11)所产生的热散发，该热扩散结构部(25)与散热器主体(21)相比导热性高，能够使功率半导体元件(11)所产生的热扩散，热扩散结构部(25)设置于在散热器主体(21)的与冷却面(F1)垂直的方向(Z)上与配置在功率半导体元件模块(10)内的功率半导体元件(11)重叠的位置。

Description

散热器和散热器组件
技术领域
本发明涉及散热器和具备散热器的散热器组件。
背景技术
在机床、电动汽车、铁路车辆等中使用的电动机驱动装置具备电力转换电路。这种电力转换电路具备Si(硅)等的功率半导体元件作为用于将直流电转换为交流电的开关元件。
近年来，作为新一代的功率半导体元件，以SiC(碳化硅)为代表的大电流、高耐电压的宽带隙功率半导体元件(以下，也仅称为“功率半导体元件”)受到关注。该功率半导体元件能够增大单位芯片尺寸的电流密度，但由于制造时晶片的缺陷密度高，因此难以以低成本制作大芯片。因此，在大电流用的电动机驱动装置中，代替大芯片而进行将多个小芯片并联连接(以下，也将具备多个芯片的模块称为“功率半导体元件模块”或仅称为“模块”)。在这样的电动机驱动装置中，通过使功率半导体元件模块与散热器接触而使模块内的功率半导体元件驱动时所产生的热扩散(例如，参照专利文献1～3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-164048号公报
专利文献2：日本特开2005-223348号公报
专利文献3：日本特开2011-211017号公报
发明内容
发明要解决的课题
在上述功率半导体元件模块中，由于设置在模块内的功率半导体元件的芯片尺寸小，因此热阻变大。因此，热集中在芯片及其附近(以下，也称为“芯片部分”)，产生所谓的热点，存在难以使集中在该部分的热高效地扩散这样的课题。
本发明的目的在于提供能够使集中在功率半导体元件模块的芯片部分的热高效地扩散的散热器和散热器组件。
用于解决课题的方法
(1)本发明涉及一种散热器(例如，后述的散热器20)，其具备散热器主体(例如，后述的散热器主体21)和热扩散结构部(例如，后述的热扩散片25等)，所述散热器主体在冷却面(例如，后述的冷却面F1)上放置有具有多个功率半导体元件(例如，后述的功率半导体元件11)的功率半导体元件模块(例如，后述的功率半导体元件模块10)，且使上述功率半导体元件所产生的热散发，所述热扩散结构部与上述散热器主体相比导热性高，能够使上述功率半导体元件所产生的热扩散，上述热扩散结构部设置于在上述散热器主体的与上述冷却面垂直的方向(例如，后述的厚度方向Z)上与配置在上述功率半导体元件模块内的上述功率半导体元件重叠的位置。
(2)在(1)的散热器中，上述热扩散结构部为热扩散片(例如，后述的热扩散片25)，上述热扩散片由与上述散热器主体相比导热性高的金属材料形成为板状且配置在上述散热器主体的与上述功率半导体元件模块相同的一侧，上述热扩散片可以按照在上述散热器主体的与上述冷却面垂直的方向上与配置在上述功率半导体元件模块内的上述功率半导体元件重叠的方式配置。
(3)在(1)的散热器中，上述散热器主体在与放置上述功率半导体元件模块的一侧相反的一侧、在上述散热器主体的与上述冷却面垂直的方向上与配置在上述功率半导体元件模块内的上述功率半导体元件不重叠的位置具备多个第1散热片(例如，后述的第1散热片123)，上述热扩散结构部为：在与放置上述功率半导体元件模块的一侧相反的一侧且设置于在上述散热器主体的与上述冷却面垂直的方向上与配置在上述功率半导体元件模块内的上述功率半导体元件重叠的位置的多个第2散热片(例如，后述的第2散热片125)，可以使上述第2散热片的片间隔比上述第1散热片的片间隔窄。
(4)在(1)的散热器中，上述散热器主体在与放置上述功率半导体元件模块的一侧相反的一侧、在上述散热器主体的与上述冷却面垂直的方向上与配置在上述功率半导体元件模块内的上述功率半导体元件不重叠的位置具备多个第1散热片(例如，后述的第1散热片223)，上述热扩散结构部为：在与放置上述功率半导体元件模块的一侧相反的一侧且设置于在上述散热器主体的与上述冷却面垂直的方向上与配置在上述功率半导体元件模块内的上述功率半导体元件重叠的位置的多个第2散热片(例如，后述的第2散热片225)，上述第2散热片可以由与上述第1散热片相比导热性高的构件形成。
(5)在(1)的散热器中，上述热扩散结构部也可以为设置在上述散热器主体内部且敷设于在上述散热器主体的与上述冷却面垂直的方向上与配置在上述功率半导体元件模块内的上述功率半导体元件重叠的位置的冷却管(例如，后述的冷却管340)。
(6)本发明涉及一种具备上述功率半导体元件和(1)至(5)中的任一散热器的散热器组件(例如，后述的散热器组件1)。
(7)在(6)的散热器组件中，上述功率半导体元件可以为宽带隙功率半导体元件。
发明效果
根据本发明，可提供能够使集中在功率半导体元件模块中的芯片部分的热高效地扩散的散热器和散热器组件。
附图说明
图1A是第1实施方式的散热器组件1的立体图。
图1B是图1A所示的散热器组件1的平面图。
图1C是表示热扩散片的第2形状的散热器组件1的平面图。
图1D是表示热扩散片的第3形状的散热器组件1的平面图。
图2A是第2实施方式的散热器组件2的立体图。
图2B是图2A所示的散热器组件2的平面图。
图3A是第3实施方式的散热器组件3的立体图。
图3B是图3A所示的散热器组件3的平面图。
图4A是第4实施方式的散热器组件4的立体图。
图4B是图4A所示的散热器组件4的平面图。
图5是散热器主体330的分解立体图。
符号说明
1～4：散热器组件、10：功率半导体元件模块、11：功率半导体元件、20，120，220，320：散热器、21，121，221，330：散热器主体、23：散热片、25：热扩散片、123，223：第1散热片、125，225：第2散热片、F1：冷却面
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是，本说明书所附的附图均为示意图，考虑到容易理解等，从实物中变更或夸大各部分的形状、比例尺、纵横的尺寸比等。
在本说明书等中，关于形状、几何学的条件、限定它们的程度的词例如“平行”、“方向”等词，除了该词的严格含义以外，还包含大致可视为平行程度的范围、大致可视为该方向的范围。
另外，在本说明书等中，将后述的散热器20的纵深方向设为X(X1-X2)方向，将宽度方向设为Y(Y1-Y2)方向，将厚度方向设为Z(Z1-Z2)方向。
(第1实施方式)
图1A是第1实施方式的散热器组件1的立体图。图1B是图1A所示的散热器组件1的平面图。图1B示出了热扩散片的第1形状。图1C是表示热扩散片的第2形状的散热器组件1的平面图。图1D是表示热扩散片的第3形状的散热器组件1的平面图。需要说明的是，在图1B～图1D中，功率半导体元件11的盒12(后述)仅图示其轮廓(与第2实施方式之后的同等附图相同)。
如图1A所示，第1实施方式的散热器组件1具备多个功率半导体元件模块10和散热器20。
如图1B所示，功率半导体元件模块10为在盒12的内部配置有多个功率半导体元件11的组件模块。功率半导体元件模块10放置于散热器20的冷却面F1(后述)。
需要说明的是，第1～第4实施方式中，示出了将功率半导体元件模块10直接放置于散热器20的冷却面F1的例子，但功率半导体元件模块10也可以隔着导热油脂、导热片等(未图示)放置于散热器20的冷却面F1。另外，第1～第4实施方式中，示出了在散热器20的冷却面F1配置有3个功率半导体元件模块10的例子，但功率半导体元件模块10的数量、配置部位等不限于本例。
功率半导体元件11为先前说明的SiC等的宽带隙功率半导体元件，与Si等的功率半导体元件相比芯片尺寸小。本实施方式中，如图1B所示，在一个功率半导体元件模块10中，一组(2个)的功率半导体元件11配置有8组。需要说明的是，功率半导体元件11的布局图案不限于图1B的例子。另外，功率半导体元件不限于宽带隙功率半导体元件。
散热器20为用于将功率半导体元件模块10(功率半导体元件11)所产生的热散发到外部的散热装置。
本实施方式的散热器20具备散热器主体21和作为热扩散结构部的热扩散片25。
散热器主体21为将放置于冷却面F1的功率半导体元件模块10冷却的结构体。如图1A所示，散热器主体21具备冷却板22和散热片23。冷却板22是保持功率半导体元件模块10和热扩散片25的部分。
在冷却板22的Z1侧的面(以下，也称为“冷却面F1”)上放置功率半导体元件模块10和热扩散片25。另外，在冷却板22的Z2侧的面(以下，也称为“背面F2”)上安装散热片23。散热器主体21和散热片23例如由铝合金等形成。需要说明的是，冷却面F1不限于图1A所示那样的平坦面，例如也可以为整体或部分具有凹凸、倾斜等的面。
散热片23为将从热扩散片25经过冷却板22传递来的热散发到周围空气的构件。本实施方式中，散热片23与冷却板22一体地形成，但不限于此。也可以设为通过焊料等将散热片23接合于冷却板22的背面的构成，还可以设为通过将散热片23嵌入到设于冷却板22的背面的槽(未图示)中而进行固定的构成。在后者的情况下，散热器主体21和散热片23可以分别由不同的金属材料形成。本实施方式中，如图1A所示，多个散热片23沿着散热器20的宽度方向(Y方向)以均等的间隔配置。
热扩散片25为将功率半导体元件11所产生的热扩散的板状金属构件。热扩散片25放置于散热器主体21的冷却面F1。如图1B所示，第1形状的热扩散片25沿着散热器20的纵深方向(X方向)延伸，在宽度方向(Y方向)上以大致相等间隔平行地排列。另外，热扩散片25配置于在散热器主体21的厚度方向Z(与X-Y平面垂直的方向)上与配置在功率半导体元件模块10内的功率半导体元件11重叠的位置。本实施方式中，厚度方向Z也是与散热器主体21的冷却面F1垂直的方向。
热扩散片25中，未被功率半导体元件模块10的盒12覆盖的部分露出在散热器主体21的冷却面F1上。因此，功率半导体元件11所产生的热从热扩散片25经过散热器主体21而由散热片23散热，同时也从露出在散热器主体21的冷却面F1的区域散热。
热扩散片25由与散热器主体21相比导热性高的材料例如铜、金、银、碳、高导热树脂等形成。另外，热扩散片25例如可通过铜焊、压入、使用导热性粘接剂的粘接等方法被接合于散热器主体21的冷却面F1。需要说明的是，关于热扩散片25的宽度W，如后所述，在设置于与配置在功率半导体元件模块10内的功率半导体元件11重叠的位置的情况下，优选设定为功率半导体元件11的宽度(图1B的X方向的宽度)以上。
上述第1实施方式的散热器20在散热器主体21的厚度方向上的与功率半导体元件11重叠的位置具备与散热器主体21相比导热性高的热扩散片25。因此，散热器20能够使集中在功率半导体元件11的芯片及其附近的热经过热扩散片25而高效地向整个散热器主体21散发。因此，根据本实施方式的散热器20和散热器组件1，能够使集中在功率半导体元件模块10的芯片部分的热高效地扩散。
第1实施方式的散热器20由于能够使集中在功率半导体元件模块10的芯片部分的热高效地扩散，因此能够充分发挥SiC等的功率半导体元件11的能力。另外，即使在功率半导体元件11流过大电流的情况下，散热器20也能够比以前更降低芯片的温度，因此能够使散热器20更小型化，而且能够提高功率半导体元件11的耐久性、可靠性。
另外，如果为了提高散热器20的导热性而由铜等高价材料形成整个散热器主体21(冷却板22、散热片23)，则具备散热器组件1的电动机驱动装置的成本变高。但是，本实施方式的散热器20如果仅由铜形成热扩散片25，则与由铜形成整个散热器主体21的情况相比，能够大幅削减铜的使用量。因此，根据本实施方式的散热器20，能够抑制具备散热器组件1的电动机驱动装置的成本变高。
第1实施方式中的热扩散片25也可以设为如图1C所示的第2形状那样，沿着散热器20的宽度方向(Y方向)延伸，在纵深方向(X方向)上以大致相等间隔平行地排列的形状。
另外，第1实施方式中的热扩散片25也可以设为如图1D所示的第3形状那样，在一个功率半导体元件模块10中，沿着散热器20的纵深方向形成W字形，在与芯片重叠部分的附近设有凸部25a的形状。
就上述第2和第3形状而言，由于热扩散片25均配置于在散热器主体21的厚度方向上与配置在功率半导体元件模块10内的功率半导体元件11重叠的位置，因此与第1形状同样地，能够使集中在功率半导体元件模块10的芯片部分的热高效地扩散。
(第2实施方式)
图2A是第2实施方式的散热器组件2的立体图。图2B是图2A所示的散热器组件2的平面图。
需要说明的是，在第2实施方式的说明和附图中，关于实现与第1实施方式同样功能的构成要件，对相同的符号或末尾(后2位)赋予相同的符号，适当地省略重复的说明。
如图2A所示，第2实施方式的散热器组件2具备多个功率半导体元件模块10和散热器120。其中，功率半导体元件模块10的构成由于与第1实施方式相同，因此省略说明。
本实施方式的散热器120具备散热器主体121和作为热扩散结构部的第2散热片125。
散热器主体121为将放置于冷却面F1的功率半导体元件模块10冷却的结构体。散热器主体121具备冷却板122和第1散热片123。
第1散热片123为将从散热器主体121传递来的热散发到周围空气的构件。如图2B所示，第1散热片123沿着散热器120的纵深方向(X方向)延伸，在宽度方向(Y方向)上以间隔S1平行排列。第1散热片123配置于在散热器主体121的厚度方向Z(与X-Y平面垂直的方向)与配置在功率半导体元件模块10内的功率半导体元件11不重叠的位置。需要说明的是，第1散热片123中，与后述的第2散热片125邻接的第1散热片123与该第2散热片125以间隔S1排列。
第2散热片125为将从散热器主体121传递来的热中的特别是集中在功率半导体元件11附近的热散发到周围空气的构件。如图2B所示，第2散热片125沿着散热器120的纵深方向(X方向)延伸，在宽度方向(Y方向)上以间隔S2平行排列。第2散热片125配置于在散热器主体121的厚度方向上与配置在功率半导体元件模块10内的功率半导体元件11重叠的位置。
在本实施方式的散热器120中，上述第1散热片123和第2散热片125可以与散热器主体121一体地形成，也可以通过第1实施方式中说明的利用焊料等的接合、嵌入到槽中等方法进行固定。
按照第2散热片125的间隔S2比第1散热片123的间隔S1窄(S2＜＜S1)的方式构成。通过这样使第2散热片125的间隔S2比第1散热片123的间隔S1窄，能够提高第2散热片125的散热性。由此，与没有配置功率半导体元件11的芯片的第1散热片123的区域相比，能够散发更多从散热器主体121传递到第2散热片125的区域的热。
上述第2实施方式的散热器120在与功率半导体元件11重叠的位置具备与第1散热片123相比片间隔窄的第2散热片125。因此，在散热器120中，与没有配置功率半导体元件11的芯片的第1散热片123的区域相比，第2散热片125能够散发更多集中在功率半导体元件11的芯片及其附近的热。因此，根据本实施方式的散热器120和散热器组件2，能够使集中在功率半导体元件模块10的芯片部分的热高效地扩散。
(第3实施方式)
图3A是第3实施方式的散热器组件3的立体图。图3B是图3A所示的散热器组件3的平面图。
需要说明的是，在第3实施方式的说明和附图中，关于实现与第1实施方式同样功能的构成要件，对相同的符号或末尾(后2位)赋予相同的符号，适当地省略重复的说明。
如图3A所示，第3实施方式的散热器组件3具备多个功率半导体元件模块10和散热器220。其中，功率半导体元件模块10的构成由于与第1实施方式相同，因此省略说明。
本实施方式的散热器220具备散热器主体221和作为热扩散结构部的第2散热片225。
散热器主体221为将放置于冷却面的功率半导体元件模块10冷却的结构体。散热器主体221具备冷却板222和第1散热片223。
第1散热片223为将从散热器主体221传递来的热散发到周围空气的构件。如图3B所示，第1散热片223沿着散热器220的纵深方向(X方向)延伸，在宽度方向(Y方向)以相等间隔平行排列。第1散热片223配置于在散热器主体221的厚度方向Z(与X-Y平面垂直的方向)上与配置在功率半导体元件模块10内的功率半导体元件11不重叠的位置。本实施方式中，第1散热片223例如由铝合金形成。
第2散热片225为将从散热器主体221传递来的热中的特别是集中在功率半导体元件11附近的热散发到周围空气的构件。如图3B所示，第2散热片225沿着散热器220的纵深方向(X方向)延伸，在宽度方向(Y方向)以相等间隔平行排列。第2散热片225配置于在散热器主体221的厚度方向上与配置在功率半导体元件模块10内的功率半导体元件11重叠的位置。第2散热片225的间隔S2设定为与第1散热片223的间隔S1相同。
在本实施方式的散热器220中，第1散热片223和第2散热片225通过嵌入到槽中而进行固定，但也可以通过第1实施方式中说明的使用焊料等的接合进行固定。
本实施方式中，第2散热片225由与第1散热片223(铝合金)相比导热性高的材料例如铜形成。通过如此由导热性高的铜形成第2散热片225，从而与没有配置功率半导体元件11的芯片的第1散热片223的区域相比，能够散发更多从散热器主体221传递到第2散热片225的区域的热。
上述第3实施方式的散热器220在与功率半导体元件11重叠的位置具备由与第1散热片223相比导热性高的材料形成的第2散热片225。因此，散热器220中，与没有配置功率半导体元件11的芯片的第1散热片223的区域相比，第2散热片225能够散发更多集中在功率半导体元件11的芯片及其附近的热。因此，根据本实施方式的散热器220和散热器组件3，能够使集中在功率半导体元件模块10的芯片部分的热高效地扩散。
(第4实施方式)
图4A是第4实施方式的散热器组件4的立体图。图4B是图4A所示的散热器组件4的平面图。图5是散热器主体330的分解立体图。
需要说明的是，在第4实施方式的说明和附图中，关于实现与第1实施方式同样功能的构成要件，对相同的符号或末尾(后2位)赋予相同的符号，适当地省略重复的说明。
如图4A所示，第4实施方式的散热器组件4具备多个功率半导体元件模块10和散热器320。其中，功率半导体元件模块10的构成由于与第1实施方式相同，因此省略说明。
本实施方式的散热器320具备散热器主体330和作为热扩散结构部的冷却管340。
散热器主体330为将放置于冷却面F1的功率半导体元件模块10冷却的结构体。本实施方式的散热器主体330以水冷板(水冷式的冷却板)的形式构成，在内部收纳有冷却管340。
如图5所示，散热器主体330具备第1冷却板331和第2冷却板332。
第1冷却板331为构成散热器主体330的冷却面F1的板状构件。第1冷却板331具备收纳从冷却管340的中心起占据Z1侧的部分的多个槽331a。槽331a沿着第1冷却板331的长度方向(X方向)形成。
第2冷却板332为构成散热器主体330的背面F2的板状构件。第2冷却板332具备收纳从冷却管340的中心起占据Z2侧的部分的多个槽332a。槽332a沿着第2冷却板332的长度方向(X方向)形成。
第1冷却板331和第2冷却板332例如由铝合金、铜合金等导热性高的材料形成。
如图5所示，通过在第1冷却板331的槽331a与第2冷却板332的槽332a之间夹入冷却管340(后述)，并将2个冷却板331、332接合，从而得到本实施方式的散热器主体330。2个冷却板331、332和冷却管340例如可以通过铜焊、压入、利用导热性粘接剂的粘接等方法进行接合。
冷却管340为冷却水CW(制冷剂)在内部流通的管状构件。冷却管340例如由铜等导热性高的构件形成。
如图4B所示，冷却管340按照通过在散热器主体330的厚度方向Z(与X-Y平面垂直的方向)上与配置在功率半导体元件模块10内的功率半导体元件11重叠的位置的方式进行敷设。
需要说明的是，虽然没有图示，但冷却管340的一侧端部341和另一侧端部342与从热交换器延伸出的外部配管连接。
如图4B所示，从热交换器(未图示)向冷却管340的一侧端部341供给冷却水CW。如图4B所示，供给至冷却管340的冷却水CW在冷却管340的内部流通，从而主要在设有功率半导体元件11的位置吸收冷却面F1的热(热交换)。在冷却管340的内部流通的冷却水CW从另一侧端部342排出并被送到热交换器中。
上述第4实施方式的散热器320具备按照通过与功率半导体元件11重叠的位置的方式敷设的冷却管340。因此，在散热器320中，与没有配置功率半导体元件11的芯片的区域相比，冷却管340能够吸收更多集中在功率半导体元件11的芯片及其附近的热。因此，根据本实施方式的散热器320和散热器组件4，能够使集中在功率半导体元件模块10的芯片部分的热高效地扩散。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限于上述各实施方式，可以像后述的变形方式那样进行各种变形、变更，它们也在本发明的技术范围内。另外，关于实施方式所记载的效果，只列举了由本发明产生的最优选的效果，不限于实施方式所记载的效果。需要说明的是，上述实施方式和后述变形方式也可以适当地组合，但详细的说明省略。
(变形方式)
第1实施方式中，热扩散片25只要能够使集中在功率半导体元件11的芯片及其附近的热散发，就不限于第1～第3形状的例子，可以为任何形状。
第1实施方式的第1～第3形状也可以适当组合。例如，也可以组合第1形状与第2形状，将热扩散片25设为格子状的图案。
关于第1实施方式的第1～第3形状，也可以在散热器主体21的冷却面F1上设置凹部(槽)，将热扩散片25嵌入到该凹部。
第2实施方式中，也可以设为在散热器主体121的冷却面F1侧、在与第2散热片125重叠的位置配置有热扩散片25(第1实施方式)的构成。
第3实施方式中，也可以按照使第2散热片225的间隔S2比第1散热片223的间隔S1窄(S2＜＜S1)的方式构成。
第4实施方式中，也可以将散热器主体330构成为使用扩管方式等结构的水冷板。

Claims (3)

1.一种散热器组件，其具备：
功率半导体元件模块，其具有多个功率半导体元件；
散热器主体，其具备放置所述功率半导体元件模块的冷却面，在所述冷却面，使所述功率半导体元件所产生的热散发；
热扩散片，其由与所述散热器主体相比导热性高的金属形成为板状，能够使所述功率半导体元件所产生的热扩散；
多个第1散热片，其配置在与放置所述功率半导体元件模块的一侧相反的一侧、且在所述散热器主体的与所述冷却面垂直的方向上与配置在所述功率半导体元件模块内的所述功率半导体元件不重叠的位置；以及
多个第2散热片，其配置在与放置所述功率半导体元件模块的一侧相反的一侧、且在所述散热器主体的与所述冷却面垂直的方向上与配置在所述功率半导体元件模块内的所述功率半导体元件重叠的位置，
所述散热器主体在与放置所述功率半导体元件模块的一侧相反的一侧的面上具备用于嵌入多个所述第1散热片和多个所述第2散热片的多个槽，
所述第2散热片由与所述第1散热片相比导热性高的构件形成，
所述热扩散片配置于在所述散热器主体的厚度方向上与配置在所述功率半导体元件模块内的所述功率半导体元件重叠的位置，
所述热扩散片在所述功率半导体元件模块中，沿着散热器的纵深方向形成W字形，在与所述功率半导体元件重叠部分的附近设有凸部。
2.根据权利要求1所述的散热器组件，
所述第2散热片的片间隔比所述第1散热片的片间隔窄。
3.根据权利要求1或2所述的散热器组件，所述功率半导体元件为宽带隙功率半导体元件。
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