CN202977400U

CN202977400U - 功率半导体模块冷却装置

Info

Publication number: CN202977400U
Application number: CN2012205751802U
Authority: CN
Inventors: 松岛诚二
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2022-11-02
Also published as: JP5926928B2; CN103094228A; JP2013098468A; US20130112369A1; KR20130049739A

Abstract

本实用新型提供功率半导体模块冷却装置，适用其的IPM冷却装置具备在内部设有冷却流体通路的冷却器和固定于冷却器且将IPMI安装于冷却器的安装器。在冷却器的内表面朝向冷却流体通路的器壁部分的外表面整体中的至少一部分设置搭载IPMI的搭载部。安装器包括：由导热性材料制成且沿冷却器的搭载部软钎焊的导热板；和阳螺纹部件，其由用比导热板硬质的材料形成的板状头部及阳螺纹部构成，并且阳螺纹部贯穿导热板使得板状头部位于冷却器侧。通过将板状头部压入导热板的下表面，从而在下表面形成凹处。板状头部嵌入凹处内使其其不会从该下表面突出到冷却器侧且阻止其绕阳螺纹部的轴线旋转。

Description

功率半导体模块冷却装置

技术领域

本实用新型涉及冷却例如IGBT模块和/或智能功率模块等使半导体元件及其控制电路一体化而成的功率半导体模块的功率半导体模块冷却装置。

背景技术

在搭载于例如电动车、混合动力车、电车等的电力转换装置中使用的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）等功率器件（半导体元件），近年来也多用作与控制电路一体化而被收置于同一封装中的IGBT模块（以下称为IGBTM）和/或、相对于IGBTM进一步一体化有保护电路而被收置于同一封装中的智能功率模块（以下称为IPM）。

以往，作为冷却IGBTM的冷却装置，已知有一种产品，其具备：由板状的外壁部件构成并且在内部收置受到从IGBTM发出的热而沸腾的冷媒的冷媒槽；和在冷媒槽的上部与冷媒槽相连通地设置且使从冷媒槽上升的气相冷媒冷凝液化的散热器，形成有阴螺纹孔的分隔件介于冷媒槽的互相相对的外壁部件间，IGBTM通过将在IGBTM设置的螺钉插穿孔中插穿的阳螺纹部件贯穿外壁部件而螺纹嵌合于分隔件的阴螺纹孔内、从而安装于外壁部件的外表面（参照特开平8-186209号公报）。

但是，在上述公报记载的冷却装置中，阳螺纹部件贯穿冷媒槽的外壁部件，因此冷媒恐会泄漏。

另一方面，作为冷却没有模块化的IGBT等功率器件的冷却装置，已知有一种产品，其包括：由散热基板及在散热基板的单面一体形成的散热翅片构成的冷却器；和由陶瓷板、在陶瓷板的单面设置的多孔质金属层及覆盖多孔质金属层的表面的金属层构成的绝缘电路基板，绝缘电路基板的与设置陶瓷板中的多孔质层一侧相反的一侧的面经由高导热性润滑脂而装载于冷却器的散热基板的另一面，陶瓷板的周缘部经由在冷却器的散热基板固定的夹具而安装于散热基板，夹具通过使在夹具设置的螺钉插穿孔中插穿的阳螺纹部件螺纹嵌合于在冷却器的散热基板形成的阴螺纹孔中、从而固定，在绝缘电路基板的金属层上软钎焊有多个功率器件（参照特开2003-298009号公报）。

但是，在特开2003-298009号公报记载的冷却装置中，冷却器由散热基板及在散热基板的单面一体形成的散热翅片构成，通过在散热翅片间流动的空气来冷却在绝缘电路基板的金属层上软钎焊的多个功率器件，因此冷却效率不足。

再有，作为与特开2003-298009号公报记载的冷却装置相比高效地冷却没有模块化的IGBT等功率器件的冷却装置，已知有一种产品，其具备由顶壁、底壁及周壁构成且在内部具有冷却流体通路的壳体、配置于壳体的流体通路内的波纹状散热翅片、与壳体连接而使冷却液流入壳体内的流入管、与壳体连接而使冷却液从壳体内流出的流出管和与壳体的顶壁外表面接合的绝缘电路基板，在绝缘电路基板上接合功率器件（参照特开2009-195912号公报）。

但是，在将特开2009-195912号公报记载的冷却装置适用于IGBTM和/或IPM等功率半导体模块的冷却的情况下，代替在壳体的顶壁外表面接合绝缘电路基板，而在特开2009-195912号公报记载的冷却装置的壳体内配置特开平8-186209号公报记载的分隔件，通过使在功率半导体模块设置的螺钉插穿孔中插穿的阳螺纹部件贯穿壳体的顶壁而螺纹嵌合于分隔件的阴螺纹孔，从而将夹具固定于壳体，经由固定了的夹具将功率半导体模块安装于壳体。但是，该情况下，阳螺纹部件贯穿壳体的顶壁，因此冷却液体恐会泄漏。此外，分隔件会妨碍在壳体内的冷却液体的流畅流动，冷却效率恐会下降。再有，无法将分隔件配置于翅片存在的部分，因此功率半导体模块的设置自由度下降。

为了解决将特开2009-195912号公报记载的冷却装置适用于功率半导体模块的冷却的情况下的上述问题，而可以考虑增大壳体的顶壁的厚度，并在壳体的顶壁形成螺纹嵌合于阳螺纹部件的阴螺纹孔，但是该情况下，由于从功率半导体模块向壳体内流动的冷却流体的导热性的下降，使得冷却效率恐会不足。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供解决上述问题，能防止冷却流体的泄漏，且能抑制冷却效率的下降的功率半导体模块冷却装置。

为实现上述目的，本实用新型包括以下方式。

1）一种功率半导体模块冷却装置，其特征在于，具备在内部设有冷却流体通路的冷却器和固定于冷却器且将功率半导体模块安装于冷却器的安装器，在冷却器的内表面朝向冷却流体通路的器壁部分的外表面整体中的至少一部分设置有搭载功率半导体模块的搭载部，安装器包括：由导热性材料构成且沿冷却器的搭载部接合的导热板；和阳螺纹部件，其由板状头部及阳螺纹部构成、板状头部位于冷却器侧并且阳螺纹部贯穿导热板，阳螺纹部件的板状头部嵌入于在导热板的冷却器侧的面形成的凹处内使得其不会从该面突出到冷却器侧且阻止其绕阳螺纹部的轴线旋转。

2）根据上述1）所述的功率半导体模块冷却装置，其特征在于，阳螺纹部件的板状头部由比导热板硬质的材料形成，阳螺纹部件的板状头部被压入导热板的冷却器侧的面，从而在导热板的冷却器侧的面形成凹处，并且阳螺纹部件的板状头部嵌入于该凹处内使得其不从该面突出到冷却器侧且阻止其绕阳螺纹部的轴线旋转。

3）根据上述1）所述的功率半导体模块冷却装置，其特征在于，在阳螺纹部件的板状头部的朝向阳螺纹部侧的面，一体形成有多个突起。

4）根据上述1）所述的功率半导体模块冷却装置，其特征在于，冷却器具备在内部具有冷却流体通路的壳体，在壳体内的冷却流体通路上配置有散热翅片，在壳体的壳壁部分的内表面朝向冷却流体通路的部分的外表面整体中的至少一部分设置有搭载功率半导体模块的搭载部。

5）根据上述1）所述的功率半导体模块冷却装置，其特征在于，导热板由铝构成，阳螺纹部件由比形成导热板的铝硬质的铝构成。

6）根据上述1）所述的功率半导体模块冷却装置，其特征在于，导热板由铝构成，阳螺纹部件由比形成导热板的铝硬质的铁合金构成。

7）根据上述1）所述的功率半导体模块冷却装置，其特征在于，导热板由铜合金构成，阳螺纹部件由比形成导热板的铜合金硬质的铁合金构成。

根据上述1）~7）的功率半导体模块冷却装置，具备在内部设有冷却流体通路的冷却器和固定于冷却器且将功率半导体模块安装于冷却器的安装器，在冷却器的内表面朝向冷却流体通路的器壁部分的外表面整体中的至少一部分设置有搭载功率半导体模块的搭载部，安装器包括由导热性材料构成且沿冷却器的搭载部接合的导热板和由板状头部及阳螺纹部构成并且板状头部位于冷却器侧且阳螺纹部贯穿导热板的阳螺纹部件，阳螺纹部件的板状头部嵌入于在导热板的冷却器侧的面形成的凹处内使得其不从该面突出到冷却器侧且阻止其绕阳螺纹部的轴线旋转，因此能够将安装器的阳螺纹部件的阳螺纹部插穿在功率半导体模块设置的螺钉插穿孔，并从阳螺纹部的前端部螺纹嵌合螺母来将功率半导体模块安装于安装器。因此，由于阳螺纹部件没有贯穿冷却器的器壁部分，因此能够防止冷却流体从冷却器内泄漏。再有，导热板只要具有能够形成阳螺纹部件的板状头部嵌入的凹处的厚度即可，因此与专利文献3记载的壳体中的形成阴螺纹孔的顶壁相比，可使壁厚变薄。因此，能够抑制由于从功率半导体模块向在冷却器内的冷却流体通路流动的冷却流体传导的导热性下降及导热性下降，而导致冷却效率下降。

附图说明

图1是表示在本实用新型的冷却装置中安装了IPM的状态的立体图。

图2是图1中A-A线放大剖视图。

图3是图2的局部放大图。

图4是表示在制造图1的冷却装置的方法中在导热板上安装阳螺纹部件前的状态的立体图。

图5是表示阳螺纹部件的变形例的立体图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本实用新型的实施方式。该实施方式是将本实用新型涉及的功率半导体模块冷却装置适用于IPM的冷却的实施方式。

再有，在以下的说明中，将图2的上下、左右称为上下、左右，将图1的右侧称为前，将与其相反的一侧称为后。

此外，在以下的说明中，“铝”这一术语既包括纯铝外还包括铝合金。

图1~图3表示在本实用新型涉及的冷却装置中安装了IPM的状态，图4表示制造本实用新型涉及的冷却装置的方法的一个工序。

在图1及图2中，IPM冷却装置1（功率半导体模块冷却装置）具备：冷却器2；和固定于冷却器2且将必要数量的IPM（I）安装于冷却器2的安装器3。

冷却器2具备：在内部具有冷却流体通路5的壳体4；在壳体4内的冷却流体通路5上配置的铝制散热翅片6；与壳体4连接且使冷却流体流入壳体4内的铝制入口管7；和与壳体4连接且使冷却流体从壳体4内流出的出口管8。

壳体4包括顶壁9、底壁11及周壁12，在前侧缘部的右端部前方突出状地设置有冷却流体流入部13，并且同样地在前侧缘部的左端部前方突出状地设置有冷却流体流出部14，入口管7与冷却流体流入部13连接，出口管8与冷却流体流出部14连接。壳体4通过将铝制上构成部件15和铝制下构成部件16互相软钎焊而形成，该铝制上构成部件15构成顶壁9以及周壁12、冷却流体流入部13和冷却流体流出部14的上半部，该铝制下构成部件16构成底壁11以及周壁12、冷却流体流入部13和冷却流体流出部14的下半部。在壳体4的右端部，在壳体4的前后方向的全长范围内设置有与冷却流体流入部13连通的入口集液部17，在壳体4的左端部，在壳体4的前后方向的全长范围内设置有与冷却流体流出部14连通的出口集液部18。

壳体4的冷却流体通路5设置成，在周壁12的前后两侧壁部间且在入口集液部17和出口集液部18之间的部分，冷却流体从右方流向左方。散热翅片6是由波峰部6a、波谷部6b及将波谷部6a和波谷部6b连结的连结部6c构成的波纹状，配置于冷却流体通路5使得波峰部6a及波谷部6b的长度方向朝向左右方向，波峰部6a在壳体4的顶壁9软钎焊并且波谷部6b在同一底壁11软钎焊。而且，在冷却器2的壳体4的顶壁9的内表面朝向冷却流体通路5的部分整个外表面，设有搭载IPM（I）的搭载部19。

安装器3包括：包含铝和/或铜（包括铜合金）等导热率为150~450W/mK左右的导热性材料构成，且在冷却器2的壳体4的底壁9的搭载部19重叠地软钎焊的导热板21；和阳螺纹部件22，其由板状头部23及与板状头部23一体形成的阳螺纹部24构成，且阳螺纹部24贯穿导热板21使得板状头部23位于冷却器2侧（下侧）。用标记25来表示将导热板21在顶壁9的搭载部19软钎焊的软钎焊材料层。阳螺纹部件22的阳螺纹部24从下方贯穿形成于导热板21的通孔26，板状头部23嵌入在导热板21的下表面21a（冷却器2侧的面）形成的凹处28内嵌入，使得板状头部23不会从下表面突出到冷却器2侧且阻止其绕阳螺纹部24的轴线旋转。

这里，如果举导热板21及阳螺纹部件22的组合的例子，则表示为以下的表。

上述表中铝的维氏硬度为10~250，铁合金（包括不锈钢）的维氏硬度为50~700，铜合金的维氏硬度为40~300，以阳螺纹部件的维氏硬度必定比导热板的维氏硬度大的组合来进行使用。

阳螺纹部件22的板状头部23，这里包括阳螺纹部24在内阳螺纹部件22的整体由比导热板21硬质的材料例如碳素钢或不锈钢等形成。如图3所示，阳螺纹部件22的板状头部23是圆形，在板状头部23的上表面（阳螺纹部24侧的面），在周向上隔着间隔地一体形成有向上方突出的多个突起27。作为阳螺纹部件22，使用例如セルジャパン社制的セルスタッド（商品名）。而且，阳螺纹部件22的板状头部23从下方压入导热板21的下表面21a的通孔26周围的部分，从而在导热板21的下表面21a形成凹处28，并且在该凹处28内嵌入阳螺纹部件22的板状头部23使得其不会从下表面21a突出到冷却器2侧且阻止其绕阳螺纹部24的轴线旋转。阳螺纹部件22的数量根据安装于安装器3的IPM（I）的数量来适当选择。

IPM（I）向IPM冷却装置1中的冷却器2安装，通过将安装器3的阳螺纹部件22的阳螺纹部24从下方贯穿在IPM（I）设置的螺钉插穿孔29，且在阳螺纹部24的从螺钉插穿孔29向上方突出的部分从上端部侧螺纹嵌合螺母31，来进行。

在上述构成的IPM冷却装置1中，从入口管7经由冷却流体流入部13流入入口集液部17内的包括液体和/或气体的冷却流体，在入口集液部17中向前后方向分流，通过散热翅片6的相邻的连结部6c间在冷却流体通路5内流到左方。在冷却流体通路5内流到左方的冷却流体进入出口集液部18内，经由冷却流体流出部14流出到出口管8。而且，从IPM（I）发出的热经由导热板21、壳体4的顶壁9及散热翅片6而传递到在冷却流体通路5内流动的冷却流体，将IPM（I）冷却。

下面，参照图4来说明制造IPM冷却装置1的方法。

首先，通过对在至少一面具有软钎焊材料层的铝硬钎焊薄板施行冲压加工而形成在内表面侧具有软钎焊材料层的壳体4的上构成部件15及下构成部件16。此外，预先在所需大小的导热板21上形成有与要安装的IPM（I）的数量对应的数量的通孔26。此外，预先准备由铝裸材或在两面具有软钎焊材料层的铝硬钎焊薄板制成的散热翅片6和包括板状头部23及阳螺纹部24的阳螺纹部件22。

而且，如图4所示，将所有阳螺纹部件22的阳螺纹部24从冷却器2的软钎焊于壳体4的面21a侧通过导热板21的所有通孔26。接着，用未图示的模具从与面21a相反的一面侧支撑导热板21并且将从导热板21的通孔26突出的阳螺纹部24插入于在上述模具上形成的孔内。接着，通过用未图示的冲头将所有阳螺纹部件22的板状头部23按压到模具侧，包括突起27在内将板状头部23的整体压入导热板21的应软钎焊于冷却器2的面21a，从而在该面形成凹处28，并且在该凹处28内嵌入板状头部23，使得板状头部23不会从该面突出到冷却器2侧且阻止其绕阳螺纹部24的轴线旋转。

接着，将上下两构成部件15、16、散热翅片6、入口管7及出口管8组合，并且经由软钎焊材料箔将安装器3的导热板21装载于上构成部件15的顶壁9外表面。而且，用适当夹具将所有部件临时紧固，在炉内加热到预定温度，从而将上下两构成部件15、16彼此、上下两构成部件15、16和散热翅片6、上下两构成部件15、16和入口管7及出口管8、以及上构成部件15和导热板21同时软钎焊。这样，来制造IPM冷却装置1。

在上述制造方法中，可以代替在上构成部件15的顶壁9与导热板21之间存在软钎焊材料箔，而使用在两面具有软钎焊材料层的铝硬钎焊薄板来形成上构成部件15，或者使用在软钎焊于上构成部件15的面21a具有软钎焊材料层的铝硬钎焊薄板来形成导热板21。

在上述实施方式的阳螺纹部件22中，不是必须在板状头部23形成有突起27。

图5表示安装器3使用的阳螺纹部件的变形例。

图5所示的阳螺纹部件40的情况下，板状头部41是四边形，在其阳螺纹部24侧的面没有形成突起27。该阳螺纹部件40的板状头部41也与上述阳螺纹部件22的情况同样地，被压入导热板21的要软钎焊于冷却器2的面21a上的通孔26周围部分，从而在导热板21的要软钎焊于冷却器2的面上形成凹处28，并且阳螺纹部件40的板状头部41嵌入该凹处28内，使得其不会从该面21a突出到冷却器2侧且阻止其绕阳螺纹部24的轴线旋转。

再有，在图5所示的板状头部41的阳螺纹部24侧的面，也可以在阳螺纹部24的周向上隔着间隔地一体形成多个突起。此外，在图5所示的阳螺纹部件40中，板状头部41的形状不限于四边形，也可以是其他多边形。

在上述实施方式中，本实用新型涉及的功率半导体模块冷却装置适用于IPM的冷却，但是，并不限于此，还能够适用于IGBTM和/或其他功率半导体模块的冷却。

Claims

1.一种功率半导体模块冷却装置，其特征在于，具备：

在内部设有冷却流体通路的冷却器；和

固定于冷却器且将功率半导体模块安装于冷却器的安装器，

在冷却器的内表面朝向冷却流体通路的器壁部分的外表面整体中的至少一部分，设置有搭载功率半导体模块的搭载部，

安装器包括：由导热性材料构成且沿冷却器的搭载部接合的导热板；和阳螺纹部件，其由板状头部及阳螺纹部构成并且板状头部位于冷却器侧并且阳螺纹部贯穿导热板，

阳螺纹部件的板状头部嵌入于在导热板的冷却器侧的面形成的凹处内，使得板状头部不会从该面突出到冷却器侧且阻止其绕阳螺纹部的轴线旋转。

2.根据权利要求1所述的功率半导体模块冷却装置，其特征在于，

阳螺纹部件的板状头部由比导热板硬质的材料形成，阳螺纹部件的板状头部被压入导热板的冷却器侧的面，从而在导热板的冷却器侧的面形成凹处，并且阳螺纹部件的板状头部嵌入于该凹处内使得其不会从该面突出到冷却器侧且阻止其绕阳螺纹部的轴线旋转。

3.根据权利要求1所述的功率半导体模块冷却装置，其特征在于，

在阳螺纹部件的板状头部的朝向阳螺纹部侧的面，一体形成有多个突起。

4.根据权利要求1所述的功率半导体模块冷却装置，其特征在于，

冷却器具备在内部具有冷却流体通路的壳体，在壳体内的冷却流体通路上配置有散热翅片，在壳体的壳壁部分中的内表面朝向冷却流体通路的部分的外表面整体中的至少一部分设置有搭载功率半导体模块的搭载部。

5.根据权利要求1所述的功率半导体模块冷却装置，其特征在于，

导热板由铝构成，阳螺纹部件由比形成导热板的铝硬质的铝构成。

6.根据权利要求1所述的功率半导体模块冷却装置，其特征在于，

导热板由铝构成，阳螺纹部件由比形成导热板的铝硬质的铁合金构成。

7.根据权利要求1所述的功率半导体模块冷却装置，其特征在于，

导热板由铜合金构成，阳螺纹部件由比形成导热板的铜合金硬质的铁合金构成。