JP2004200333A - 水冷型電力用半導体モジュールの実装構造 - Google Patents

Abstract

【課題】直接水冷構造の電力用半導体モジュールにおいて、電力用半導体素子で発生した熱を効果的に水に導く構造を提供すること。
【解決手段】水冷型電力用半導体モジュールの実装構造において、該金属製ベースの該外壁に該ベースと一体の板状フィンが複数枚形成され、該板状フィンが電力用半導体素子を中心として略放射状に配置されるように、該板状フィンの、該金属製ベースの面及び該板状フィンの面の何れにも垂直な断面における該板状フィン板中心間の間隔が、該ベースから離れるにつれ大きくなり、しかも該板状フィンの向かい合う面どうしの間隙が該金属製ベースに近い側、すなわち該フィン根元から、該金属製ベースから遠ざかる側、すなわち該フィンの先端に至るにつれ、一定もしくは狭まることを特徴とする、水冷型電力用半導体モジュールの実装構造。
【効果】放熱が効果的に行われる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水冷型電力用半導体モジュールの実装構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
間接水冷構造に相対する構造として、モジュールの金属ベースを直接水で冷却する、いわゆる直接水冷構造があり、特開平１１−１２１６６８号公報に代表的な構造が開示されている。また、特開平１１−１６３５７２号公報では、ブロックを水中に入れて水と金属ベースとの接触面積を増している。特開平４−2156号公報では、水路をモジュール底面部のみ浅くし、金属ベース表面近傍での水の流速を増す工夫をしている例を示している。特開平１０−２２４２８号公報では、パイプからモジュールの金属ベースに垂直に水をぶつける、いわゆる衝突型の冷却構造を採ることで冷却能力を増加させる提案をしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１２１６６８号公報
【特許文献２】
特開平１１−１６３５７２号公報
【特許文献３】
特開平４−２１５６号公報
【特許文献４】
特開平１０−２２４２８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術では、水との接触面積を増すとか、水の流速を増すとかによって冷却能力を増加させる工夫をしている。しかし、さらに有効に電力用半導体素子で発生した熱を水に導くため、半導体素子の配置まで考慮して、効率良く熱を水に導く手段についての従来技術が見当たらない。
【０００５】
以上述べたように、従来技術には、電力用半導体素子で発生した熱を効率的に水に導くための構造上のさらなる工夫が認められない。
【０００６】
本発明の目的は、電力用半導体素子で発生した熱をより効果的に冷却媒体に導く構造を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
電力用半導体素子で発生した熱を効果的に水冷する構造として、電力用半導体素子を搭載したモジュールの底面を構成する金属ベースにフィンを付ける、いわゆるフィン付き直接水冷構造が優れている。
【０００８】
図２（ａ）に、代表的なフィン付き直接水冷構造の水冷型モジュール２００の断面を示す。この例では、表示断面においては、電力用半導体素子、すなわち半導体チップ２０１が１個見える場合を示している。水冷フィンには種々の構造があるが、ここでは圧力損失の少ないストレートフィン（板状のフィン）を採用している。平行型水冷用フィン２０５は、同じ高さ（断面図での金属ベース２０４から突き出している長さ）で、厚さも同じ、また、板と板の間隔も同じである。
【０００９】
熱の経路に熱の伝わりにくい部分があると、その上流側で熱が横に広がる。しかし、水冷構造の場合、熱の経路に熱伝導の悪い部分を極力作らないので、熱はあまり広がらず、比較的まっすぐに流れる傾向がある。すなわち、図の場合、周辺部の平行型水冷用フィン２０５に流れる熱より中央部の平行型水冷用フィン２０５に流れる熱が圧倒的に多い。図では矢印の太さでその状況を模式的に示している。この状況は、平行型水冷用フィン２０５がその機能を充分発揮していないことを示している。金属ベース２０４及び平行型水冷用フィン２０５の材料として、熱伝導率の高い銅を使用し、また、金属ベース２０４の厚さを大きくすることで、熱の広がりを改善することは可能である。しかし、金属ベース２０４全面に熱を広げることは非常に困難であり、この構造のフィンでは、フィンの能力を充分発揮することはできない。
【００１０】
そこで、同図（ｂ）に示すように、放射型水冷用フィン２１２とし、フィンの付け根を半導体チップ２０１に近い部分に集中させる構造を採用した水冷型モジュール２１０を提案する。このモジュールでは、図に矢印で示すように、金属ベース２１１内で半導体チップ２０１から出た熱が高密度に存在する部分に集中的に放射型水冷用フィン２１２を配しているため、放射型水冷用フィン２１２全体に比較的均質に熱が流入する。しかも、放射状になっているため、広範囲の水に熱を伝えることができ、総合的な熱抵抗が下がる。
【００１１】
つぎに、水流との関係を、図３を用いて説明する。同図（ａ）は、図２（ｂ）と同じ水冷型モジュール２１０である。水が流れる部分、すなわち、放射型水冷用フィン２１２の板と板の隙間は、図中に丸印の大小で示しているように、金属ベース２１１に近い部分で狭く、金属ベース２１１から離れると広くなっている。この場合、水が流れる際の抵抗は、金属ベース２１１に近い部分の方が金属ベース２１１から遠い部分より高くなる。すなわち、金属ベース２１１に近い部分では、水が流れにくい。
【００１２】
一方、金属ベース２１１を経由して流れる熱は、放射型水冷用フィン２１２自体の熱抵抗を考えると、金属ベース２１１に近い部分で水に流れ込む方が望ましい。ところが、図３（ａ）の構造では、金属ベース２１１から遠い部分の方が熱が水に流れ込みやすく、多くの熱が放射型水冷用フィン２１２の先端近くで水に移動する形になっている。この望ましくない構造を解消する構造が、同図（ｂ）の水冷型モジュール３００である。すなわち、板厚変動型放射型水冷用フィン３０２は、金属ベース３０１から遠ざかるにつれ板厚が増している。その結果、水が流れる隙間は、金属ベース３０１に近い方が広くなっている。水は金属ベース３０１に近い部分でより多く流れ、効率的に熱を奪う。隙間は、板厚変動型放射型水冷用フィン３０２の先端と根元で同じか、根元の方が広いことが重要である。この構造の副次的な効果として、板厚変動型放射型水冷用フィン３０２の先端の板が厚いため、この部分が熱の一時貯蔵場所、すなわち、半導体チップ201の急激な発熱量の変化に熱的なクッションの役割を果たす場所になるという利点もある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
今回発明者らは、水冷構造有するインバータについて種々検討した。モーター駆動用インバータ、とりわけ電気自動車やハイブリッド自動車のモーターを駆動するインバータでは、数百ボルト、かつ数百アンペアという大電力を扱うため、スイッチングを行う電力用半導体素子の消費電力が大きい。しかも、自動車内であるため取り付け部が狭いという制約もある。そのため、インバータに使用する電力用半導体素子を組み込んだ電力用半導体モジュールでは、水冷構造を採用することが多い。
【００１４】
水冷構造を採用した電力用半導体モジュールの実装構造としては、冷却水容器に熱伝導グリース等を介して電力用半導体モジュールを取り付ける、いわゆる間接水冷が一般的である。この構造はモジュールの取り付けに水洩れ対策等、余分の技術を要しない点で利点があるが、モジュールの底面、すなわち、金属ベースから冷却水に至る経路の熱抵抗が大きく、冷却能力が劣るという欠点を併せ持つ。
【００１５】
間接水冷構造に相対する構造として、モジュールの金属ベースを直接水で冷却する、いわゆる直接水冷構造がある。単に金属ベースを水に触れさせるのみでは冷却能力に限りがあるので、冷却能力を増すための追加構造についても、二三の技術が開示されている。また、ブロックを水中に入れて水と金属ベースとの接触面積を増しているものも開示されている。また、水路をモジュール底面部のみ浅くし、金属ベース表面近傍での水の流速を増す工夫をしている例や、パイプからモジュールの金属ベースに垂直に水をぶつける、いわゆる衝突型の冷却構造を採ることで冷却能力を増加させる提案をしている文献もある。
【００１６】
これらの技術では、水との接触面積を増すとか、水の流速を増すとかによって冷却能力を増加させる工夫をしている。しかし、さらに有効に電力用半導体素子で発生した熱を水に導くため、半導体素子の配置まで考慮して、効率良く熱を水に導く手段についての従来技術が見当たらない。
【００１７】
一部の実施例は、特に、モジュール底面に形成された板状フィンが電力用半導体素子から略放射状になるように配置され、しかも、フィンの向かい合う面どうしの間隙がフィン根元からフィンの先端に至るにつれ、一定もしくは狭まる、水冷型電力用半導体モジュールの実装構造に関する。
【００１８】
以下、実施例によりさらに具体的に説明する。なお、発明者の考えはこれら実施例に限定されない。
【００１９】
実施例１乃至２を、図１，図４乃至図６に従って説明する。
【００２０】
（実施例１）
実施例１について、図１，図４及び図５を参照して説明する。
【００２１】
図１は、実施例１による水冷型電力用半導体モジュール、すなわち水冷型モジュール１００を、斜め下から眺めたところである。
【００２２】
図示していないが、水冷型モジュール１００には電力用半導体であるＩＧＢＴチップを６個搭載している。損失は、１個あたり３００Ｗ、モジュール全体では１.８ｋＷ である。６個のＩＧＢＴチップはモジュール内で一列に並んでいる。モジュールは、長手方向２００mm，短手方向５０mmの長矩形である。水冷の場合、長矩形にする方が熱抵抗が小さくなるためである。水冷型モジュール１００の外形は、大きく分けて、中の回路を外部から遮蔽するための蓋にあたる樹脂ケース１０１と、土台にあたる銅ベース１０２から成っている。銅ベース１０２の水冷型モジュール１００外部側の構造としては、水冷用フィン１０４がある。これは、銅ベース１０２と一体構造である。さらに、銅ベース１０２の水冷型モジュール１００外部側の構造としては、漏水防止のためのゴムパッキング１０３がある。
【００２３】
図４に、水冷型モジュール１００の断面形状を示す。主な発熱源は、ＩＧＢＴチップ４００である。ＩＧＢＴチップ４００は、本実施例では水冷型モジュール１００内で一列に並んでいる。本断面図では１個が見えている。ＩＧＢＴチップ４００のアノード電極は、セラミック配線基板４０１の導体パターンにはんだ付けされている。カソード及びゲート電極は、ボンディングワイヤ４０２でセラミック配線基板４０１の導体パターンに接続されている。耐湿性確保のため、IGBTチップ４００，セラミック配線基板４０１、及びボンディングワイヤ４０２は、シリコーンゲル４０３で覆われている。
【００２４】
ＩＧＢＴチップ４００で発生した熱をいかに効率良く水冷用フィン１０４に導くか、そのために、まず、水冷用フィン１０４がＩＧＢＴチップ４００を中心とした放射状に配置されている。さらに、銅ベース１０２の板厚が、ＩＧＢＴチップ４００の直下でもっとも厚くなるように、若干円形状になっている。この二つの構造上の特徴により、ＩＧＢＴチップ４００で発生した熱が、中央部のみならず、周辺部まで比較的均一に全部の水冷用フィン１０４に行き渡る。冷却水への熱の伝達を良好にするため、水冷用フィン１０４の根元の隙間より先端の隙間を若干小さくしてある。両端を除いた根元の隙間は２.０mm、先端の隙間は１.８mmである。水冷用フィン１０４の根元の方が先端よりＩＧＢＴチップ４００からの熱抵抗が小さいので、できるだけ根元に近い部分に流れる冷却水を多くし、IGBTチップ４００から冷却水までの熱抵抗を小さくする構造になっている。
【００２５】
図５に、水冷型モジュール１００を冷却水容器５００に取り付けた状態を示す。本実施例では、水冷用フィン１０４がＩＧＢＴチップ４００から放射状に配置されていることに加え、水冷用フィン１０４と冷却水５０１との接する面積が、中央のフィンと周辺のフィンで余り異ならないこと、また、冷却水５０１の幅が、中央のフィンと周辺のフィンで余り異ならないこと、のため、水冷用フィン１０４の冷却能力が中央と周辺で余り異ならない。
【００２６】
さらに、本実施例では、冷却水容器５００の底面が水冷用フィン１０４の先端に合わせた曲面になっている。その上、水冷用フィン１０４の先端が若干冷却水容器５００に食い込む形態になっている。これらの構造を採用することで、冷却水５０１が水冷用フィン１０４の隙間にほぼ１００％流れることになり、IGBTチップ４００から冷却水５０１までの熱抵抗を下げる効果が飛躍的に大きくなる。
【００２７】
もちろん、冷却水容器５００の底面をフラットにするとか、本実施例と同じように水冷用フィン１０４の先端に合わせた曲面にするにしても、水冷用フィン１０４の先端が冷却水容器５００に食い込む形態にしない、滑らかな底面にする構造もあり得る。この場合、冷却の効率は本実施例より若干落ちるが、本実施例の本質、すなわち、水冷用フィン１０４の根本付近に流れる冷却水５０１を増やすことにより熱抵抗を下げるという効果は存在する。
【００２８】
（実施例２）
実施例２について、図６を参照して説明する。本実施例では、パワー半導体であるＩＧＢＴチップ６００が冷却水６０９の流れる方向（紙面に垂直）に対して、２列並んでいる。したがって、主な熱の流れが第１の実施例のように１系統でなく、２系統になる。
【００２９】
このような場合、水冷用フィン６０６の形状は、第１の実施例の形状を水平方向にずらして重ねたようになる。すなわち、山が二つある形状になる。熱の流れとしては、左側の山に相当する水冷用フィン６０６が主に左側のＩＧＢＴチップ６００からの熱を放出し、右側の山に相当する水冷用フィン６０６が主に右側のＩＧＢＴチップ６００からの熱を放出するという形になる。
【００３０】
第１の実施例と同じく、冷却水容器６０８の底を水冷用フィン６０６の凹凸に合わせて、冷却水６０９が水冷用フィン６０６の隙間の空間に効率的に流れるように工夫している。
【００３１】
なお、各実施例は冷却媒体として水を用いたが、水に薬品を注入し熱容量の調整や粘度の調整を行ってもよい。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の目的は、電力用半導体素子で発生した熱をより効果的に冷却媒体に導く構造を提供することにある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例を示す斜視図。
【図２】手段を示す断面図。
【図３】手段を示す断面図。
【図４】第１の実施例を示す断面図。
【図５】第１の実施例を示す断面図。
【図６】第２の実施例を示す断面図。
【符号の説明】
１００，２００，２１０，３００…水冷型モジュール、１０１,２０３,６０１…樹脂ケース、１０２，６０５…銅ベース、１０３，６０７…ゴムパッキング、１０４，６０６…水冷用フィン、２０１…半導体チップ、２０２…配線基板、２０４，２１１，３０１…金属ベース、２０５…平行型水冷用フィン、２０６…パッキング、２１２…放射型水冷用フィン、３０２…板厚変動型放射型水冷用フィン、４００，６００…ＩＧＢＴチップ、４０１，６０２…セラミック配線基板、４０２，６０３…ボンディングワイヤ、４０３，６０４…シリコーンゲル、５００，６０８…冷却水容器、５０１，６０９…冷却水。

Claims (7)

1. 水冷型電力用半導体モジュールの実装構造において、
   該金属製ベースの該外壁に該ベースと一体の板状フィンが複数枚形成され、
   該板状フィンが電力用半導体素子を中心として略放射状に配置されるように、該板状フィンの、該金属製ベースの面及び該板状フィンの面の何れにも垂直な断面における該板状フィン板中心間の間隔が、該ベースから離れるにつれ大きくなり、
   該板状フィンの向かい合う面どうしの間隙は、該金属製ベースに近い側である該フィン根元から、該金属製ベースから遠ざかる側である該フィンの先端に至るにつれ、一定もしくは狭まることを特徴とする、水冷型電力用半導体モジュールの実装構造。
2. 該板状フィンの高さ、すなわち該板状フィンの該金属製ベース取り付け部からの距離が、該板状フィンの該金属製ベースに対する取り付け角度が直角から外れるに従い小さくなることを特徴とする請求項１項記載の水冷型電力用半導体モジュールの実装構造。
3. 該金属ベースの厚さが、該板状フィンの該金属製ベースに対する取り付け角度が直角に近づくに従い大きくなることを特徴とする、請求項２項記載の水冷型電力用半導体モジュールの実装構造。
4. 水冷型電力用半導体モジュールの実装構造、とりわけモジュール底面を構成する金属製ベースの外壁を直接冷却水に触れさせる、直接水冷型電力用半導体モジュールにおいて、該金属製ベースの該外壁に該ベースと一体の板状フィンが複数枚形成され、該板状フィンが電力用半導体素子を中心として略放射状に配置されるように、該板状フィンの、該金属製ベースの面及び該板状フィンの面の何れにも垂直な断面における該板状フィン板中心間の間隔が、該ベースから離れるにつれ大きくなり、しかも該板状フィンの向かい合う面どうしの間隙が該金属製ベースに近い側、すなわち該フィン根元から、該金属製ベースから遠ざかる側、すなわち該フィンの先端に至るにつれ、一定もしくは狭まることを特徴とする、水冷型電力用半導体モジュールを冷却水容器に取り付けた状態で、該フィンの先端が冷却水容器の内壁に隙間がほぼない状態で取り付けられることを特徴とする、水冷型電力用半導体モジュールの実装構造。
5. 該冷却水容器の底面と該金属製ベース間の距離、すなわち該冷却水の深さが、該板状フィンの該金属製ベースに対する取り付け角度が直角から外れるに従い小さくなることを特徴とする、請求項４項記載の水冷型電力用半導体モジュールの実装構造。
6. 該冷却水容器の底面の該板状フィンの先端に対応する部分のみに凹みを儲けることを特徴とする、請求項４項記載の水冷型電力用半導体モジュールの実装構造。
7. 請求項１において、前記水冷型電力用半導体モジュールは、モジュール底面を構成する金属製ベースの外壁を直接冷却水に触れさせる、直接水冷型電力用半導体モジュールであることを特徴とする水冷型電力用半導体モジュールの実装構造。

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