JP2005032904A - 直接液冷型電力用半導体モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】直接液冷式を採用する電力用半導体モジュールの実装構造において、冷却液の洩れを阻止する液洩れ防止構造の欠点を補償し、従来よりも液洩れ防止機能を高めたこの種構造物を提供する。
【解決手段】少なくとも電流をスイッチングする電力用半導体素子をモジュールベース201に搭載し、冷却液が流れる液冷部材203の開口部を前記モジュールベースで被い、前記液冷部材とモジュールベース間の接合部に、前記開口部を囲むガスケット204を装着した直接液冷型電力用半導体モジュールにおいて、前記ガスケットの外周を、冷却液保持・導出用溝205で被い、前記冷却液保持・導出用溝に、この溝内に溜まった洩液を外部に放出する手段を接続する。
【選択図】図2
【解決手段】少なくとも電流をスイッチングする電力用半導体素子をモジュールベース201に搭載し、冷却液が流れる液冷部材203の開口部を前記モジュールベースで被い、前記液冷部材とモジュールベース間の接合部に、前記開口部を囲むガスケット204を装着した直接液冷型電力用半導体モジュールにおいて、前記ガスケットの外周を、冷却液保持・導出用溝205で被い、前記冷却液保持・導出用溝に、この溝内に溜まった洩液を外部に放出する手段を接続する。
【選択図】図2
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)等の電力用半導体素子を有する、直接液冷型電力用半導体モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
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付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、水あるいは水に防錆剤等を混入した冷却液を使用する液冷構造を採用することが多い。
【0003】
液冷式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、冷却液容器にグリース等の熱伝導物質を介して電力用半導体モジュールを取り付ける、いわゆる間接液冷が一般的である。この構造はモジュールの取付けに液洩れ対策等、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液に至る経路の熱抵抗が大きく、冷却能力の点で限りがあることは否めない。
【0004】
間接液冷に相対する構造として、モジュールの金属ベースを直接冷却液で冷却する、いわゆる直接液冷構造があり、特開平9−246443号公報あるいは特開2001−203309号公報に代表的な構造が開示されている。すなわち、これらの開示例では、液路を構成する液冷部材に設けた開口部をモジュールの金属ベースで塞いで冷却液の流路を完成させる構造であり、液洩れ防止のためにOリングのようなガスケットを使用していることが共通している。
【0005】
この構造では、ガスケットの加圧力の不均一、金属ベースや液冷部材の加工精度不良、ガスケットの経年劣化等の理由により、液洩れを生ずることが考えられる。用途によっては、少々の液洩れは許される場合もあるが、例えば自動車用インバータでは、高圧大電流を扱う回路が近傍に存在するため、液洩れは許されない。
【0006】
一方、特開2001−308246号公報、特開2001−339020号公報に開示されているように、二重のガスケットを使用し、ガスケットとガスケットの間に液抜き構造を設けるという対策もある。万が一冷却液が洩れた場合、この冷却液を支障のない場所に導くという発想である。
【0007】
しかし、この構造では、内外二重のガスケットの締付圧をそれぞれ独立して制御することが困難であり、冷却液が何等かの理由で外側のガスケットを突破した場合、液洩れの原因となる。
【0008】
なお、特開平5−102362号公報、特開2001−223310号公報には、モジュールの底面と液冷部材とを金属同士の一体結合とした技術が開示されている。
【0009】
しかし、金属同士の結合は剛性が高いため、何等かの外力や自分自身の熱膨張に伴う応力を吸収する能力に乏しい。そのため、金属疲労が生じやすく、破壊する場合がある。さらに、金属結合を実現するには、ある程度の高温が必要で、接合時に温度上昇を伴い、温度そのものにより半導体モジュール内の耐熱性の劣る部品に悪影響を与える場合がある。また、温度上昇により接合部材の残留応力が開放されるために歪を生じ、そのために半導体モジュール内の部品を破壊することも懸念される。
【0010】
【特許文献1】
特開平9−246443号公報
【特許文献2】
特開2001−203309号公報
【特許文献3】
特開2001−308246号公報
【特許文献4】
特開2001−339020号公報
【特許文献5】
特開平5−102362号公報
【特許文献6】
特開2001−223310号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来技術において、間接液冷を採用した電力用半導体モジュールの実装構造は、モジュールの取付けに液洩れ対策等、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液に至る経路の熱抵抗が大きく、冷却能力の点で限りがある。
【0012】
また、直接液冷を採用した電力用半導体モジュールの実装構造は、ガスケットの加圧力の不均一、金属ベースや液冷部材の加工精度不良、ガスケットの経年劣化等の理由により、液洩れを生ずることが考えられる。
【0013】
さらに、直接液冷を採用した電力用半導体モジュールの実装構造のうち、二重のガスケットを使用するタイプのものは、内外二重のガスケットの締付圧をそれぞれ独立して制御することが困難であり、冷却液が何等かの理由で外側のガスケットを突破した場合、液洩れの原因となる。
【0014】
一方、モジュールの底面と液冷部材とを金属同士の一体結合とした電力用半導体モジュールの実装構造は、何等かの外力や自分自身の熱膨張により金属疲労が生じやすく、また接合時の温度上昇により半導体モジュール内の部品に悪影響を与え、さらに前記温度上昇により接合部材の残留応力が開放されて歪を生じる。
【0015】
本発明の目的は、直接液冷式を採用する電力用半導体モジュールの実装構造において、冷却液の洩れを阻止する液洩れ防止構造の欠点を補償し、従来よりも液洩れ防止機能を高めたこの種構造物を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
前記目的は、少なくとも電流をスイッチングする電力用半導体素子をモジュールベースに搭載し、冷却液が流れる液冷部材の開口部を前記モジュールベースで被い、前記液冷部材とモジュールベース間の接合部に、前記開口部を囲むガスケットを装着した直接液冷型電力用半導体モジュールにおいて、前記ガスケットの外周を、冷却液保持・導出用溝で被い、前記冷却液保持・導出用溝に、この溝内に溜まった洩液を外部に放出する手段を接続することによって達成される。
【0017】
図2に、本発明による液洩れ防止補償構造の典型例を示す。なお、理解を容易にするため、図では補償構造の説明に直接必要ない部分を省略してある。
【0018】
冷却液は、モジュールベース201と液冷部材203で囲まれる管路状の空間内を流れる。冷却液が外部に洩れ出さないように、ガスケット204による液洩れ防止構造が設けられている。なお、液洩れを防ぐためには、ガスケット204に加圧力を加えなければならないが、そのための構造については図では省略してある。また、モジュールベース201はモジュールケース(内部省略)202と一体化され、全体としてモジュールを構成している。
【0019】
205は冷却液保持・導出用溝205である。モジュールベース201と液冷部材203で構成される冷却液の流路を密封するための液洩れ防止構造として、リング状に成型されたガスケット204が使用されている。このガスケット204に平行に、ガスケット204の外周に設けられているのが冷却液保持・導出用溝205である。図2で冷却液保持・導出用溝205は2本である。また、溝205の一部に、冷却液導出用穴206が1〜数個設けられている。
【0020】
液洩れ防止構造であるガスケット204の冷却液遮断機能が損なわれた場合を想定する。
【0021】
洩れ出した液は冷却液保持及び導出用溝205の毛細管現象により、冷却液保持・導出用溝205内に保持される。その際、冷却液保持・導出用溝205の存在する領域にモジュールベース201が被さっていることがポイントとなる。すなわち、冷却液保持・導出用溝205から溢れた冷却液が冷却液保持・導出用溝205とモジュールベース201との間に保持され、モジュールベース201の外部に流れ出ない。
【0022】
このようにして、冷却液保持・導出用溝205に保持された、洩れ出した冷却液は、冷却液保持・導出用溝205に沿って流動する。その後、冷却液保持・導出用溝205に設けられた冷却液導出用穴206に達した冷却液は、冷却液導出用穴206内を流れて系外に放出される。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、実施例によりさらに具体的に説明する。なお、本発明はこれら実施例に限定されない。
【0024】
本発明の実施例1〜3を、図1、図3および図4に従って説明する。
(実施例1)
本発明の第1の実施例について、図1を参照して説明する。
【0025】
図1は、本発明の第1の実施例による液冷型電力用半導体モジュール、すなわちモジュールベース101とモジュールケース102の結合体を構成要素とするインバータ100の断面図である。
【0026】
液冷型電力用半導体モジュールには、電力用半導体であるIGBTチップ106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106はモジュール内で2列に並んでいる。モジュールは、長手方向150mm、短手方向70mmの矩形である。液冷型電力用半導体モジュールの外形は、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モジュールケース102と、土台にあたるモジュールベース101の二つの部品から成っている。
【0027】
モジュールベース101は、アルミニウムの厚さ1.5mmの板である。熱伝導を良くするため、材質として純粋なアルミニウムに近い工業用純アルミニウムを使用している。モジュールベース101は、単なる板ではなく、モジュール内部では配線板の一構成要素としても機能している。すなわち、モジュールベース101に絶縁樹脂107を塗布あるいは張り付けることで絶縁層を形成し、その上に銅箔を張り付けてエッチングすることにより、銅配線パターン108を形成している。IGBTチップ106を始めとする部品は、銅配線パターン108に、はんだあるいは導電性接着剤で固定され、必要に応じてボンディングワイヤ109で配線してある。
【0028】
冷却液110の流路は、冷却液入口111から冷却液出口112に至る、ほぼ直線状である。流路の壁面を構成する部材は、本実施例の場合インバータ底蓋103である。インバータ底蓋103は蓋のない容器の形状であり、モジュールベース101がインバータ底蓋103に開けられた開口部を塞ぐことで流路を完成させる構造になっている。モジュールベース101がインバータ底蓋103の開口部を塞ぐ構造であることは、同時に、液冷型電力用半導体モジュール内で発生する熱をモジュールベース101から直接冷却液110に伝える構造になっていることを意味している。冷却液110が洩れないように、シール構造として樹脂105が使われている。これは、液状ガスケットと呼ばれているもので、当初液状であるが、硬化してゴム状になる。シール部の形状に馴染むため、シール性に優れている。本実施例では、万が一シール樹脂105を通過して冷却液110が洩れても、液冷型電力用半導体モジュール内部のIGBTチップ106に代表される半導体部品、その他の部品に冷却液110が触れないよう、補償構造が設けられている。すなわち、シール樹脂105の上部空間を利用して冷却液保持・導出用溝114が設けられており、図2の冷却液保持・導出用溝205と同様の機能を有する。図2では、ガスケット204による液洩れ防止構造と独立して冷却液保持・導出用溝205を設けてあるが、本実施例では、液洩れ防止構造の一部、すなわちでシール樹脂105の上部空間を利用して冷却液保持・導出用溝114が設けられており、図2と同様の機能を発揮する。さらに、図2で冷却液導出用穴206と同様の機能を有する冷却液導出用溝113が、一方の端を冷却液保持・導出用溝114に開孔する形で設けられている。冷却液導出用溝113の他方の端は外部に開放している。冷却液導出用溝113は、幅が0.5mm、深さが0.5mmの矩形断面であり、毛細管現象が起こりやすいようになっている。万が一洩れ出した冷却液は、シール樹脂105上部の冷却液保持・導出用溝114に溜まると同時に毛細管現象によって全周に広がる。その後、冷却液保持・導出用溝114と交差するように設けられた冷却液導出用溝113に達し、毛細管現象によって冷却液が外部に放出される。
【0029】
放出された冷却液を検知するセンサーを設けることで、液洩れを的確に把握することも可能である。
【0030】
モジュールの熱抵抗をさらに下げたい場合、モジュールベース101の材質を銅にすることも有効である。
(実施例2)
本発明の第2の実施例について、図3を参照して説明する。
【0031】
本実施例では、パワー半導体であるIGBTチップ306が冷却液310の流れる方向(紙面に垂直)に対して2列、流れ方向に3個並び、トータル6個使用しているという点では、第1の実施例と同じである。また、モジュール300の損失(内部の半導体素子の損失が主)も、第1の実施例とほぼ同じである。異なる点は、モジュール300が、図1のようにインバータ底蓋103を利用した冷却液流路に取り付けられることなく、専用の液冷部材303に取り付けられている点にある。モジュール300内には、より熱抵抗が小さいアルミナセラミック基板307を用いている。その小さい熱抵抗を生かすため、モジュールベース301への接着には、はんだ313を用いている。はんだ付けのためにアルミナセラミック基板307表面に金属化を施す必要があるが、図では省略した。さらに、モジュールベース301の素材をアルミニウムではなく銅にすることで、熱抵抗の上昇を抑えることができる。
【0032】
次に、液洩れ防止構造およびその補償構造について述べる。まず、液洩れ防止構造であるが、シール構造としてOリング304を使用している。どのような構造にも長所短所があるが、ガスケットの一部であるOリングは使用実績の上で群を抜いており、信頼性がある。ただし、液洩れが全くないわけではないので、本実施例による液洩れ防止補償構造を備えている。すなわち、Oリング304の外周に、これと平行に冷却液保持・導出用溝305が、液冷部材303側に設けられている。さらに、冷却液保持・導出用溝305内に保持された冷却液310を外部に導くための冷却液導出用穴311が設けられている。冷却液導出用穴311は、単に液冷部材303に穴を開けてあるだけではなく、冷却液導出用管壁312を備えてパイプ状とし、その先への冷却液310の導出に便利なようになっている。
(実施例3)
本発明の第3の実施例について、図4を参照して説明する。
【0033】
モジュール401内の構成は、第1の実施例とほぼ同じである。すなわち、モジュールベース402はアルミニウムであり、樹脂による絶縁層である絶縁樹脂414を備えている。
【0034】
本実施例の他の実施例との相違点は、液洩れ防止構造が多重、実施例では二重になっている点である。すなわち、通常の液洩れ防止構造である第一のOリング405に加えて第二のOリング406が設置されている。第一のOリング405を冷却液413が通過した場合、第二のOリング406で外への流出を防止すると同時に冷却液導出用溝407から冷却液導出用穴409を経由して外部に放出する。
【0035】
本実施例では、何等かの理由で第二のOリング406を突破した冷却液413を外部に導く構造を提供する。すなわち、第一、第二のOリング405,406の最外周のOリングである第二のOリング406の外周に、これと平行に冷却液保持・導出用溝410を設け、冷却液保持・導出用溝410内に保持された冷却液413を外部に導くための冷却液導出用穴411が設けている。本構造により、さらに液洩れに対して安全性の高い直接液冷型モジュール構造体400となっている。
【0036】
【発明の効果】
本発明によれば、直接液冷式を採用する電力用半導体モジュールの実装構造において、冷却液の洩れを阻止する液洩れ防止構造の欠点を補償し、従来よりも液洩れ防止機能を高めたこの種構造物を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す断面図である。
【図2】本発明による液洩れ防止補償構造の典型例を示す一部断面斜視図である。
【図3】本発明の第2の実施例を示す断面図である。
【図4】本発明の第3の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
100…インバータ、101…モジュールベース、102…モジュールケース、103…インバータ底蓋、104…インバータ上蓋、105…シール樹脂、106…IGBTチップ、107…絶縁樹脂、108…銅配線パターン、109…ボンディングワイヤ、110…冷却液、111…冷却液入口、112…冷却液出口、113…冷却液導出用溝、114…冷却液保持・導出用溝、201…モジュールベース、202…モジュールケース(内部省略)、203…液冷部材、204…ガスケット、205…冷却液保持・導出用溝、206…冷却液導出用穴、300…モジュール、301…モジュールベース、302…モジュールケース、303…液冷部材、304…Oリング、305…冷却液保持・導出用溝、306…IGBTチップ、307…アルミナセラミック基板、308…銅配線パターン、309…ボンディングワイヤ、310…冷却液、311…冷却液導出用穴、312…冷却液導出用管壁、313…はんだ、314…直接液冷モジュール構造体、400…直接液冷型モジュール構造体、401…モジュール、402…モジュールベース、403…モジュールケース、404…液冷部材、405…第一のOリング、406…第二のOリング、407…冷却液導出用溝、408…冷却液導出用管壁、409…冷却液導出用穴、410…冷却液保持・導出用溝、411…冷却液導出用穴、412…冷却液導出用管壁、413…冷却液、414…絶縁樹脂、415…IGBTチップ、416…銅配線パターン、417…ボンディングワイヤ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)等の電力用半導体素子を有する、直接液冷型電力用半導体モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
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付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、水あるいは水に防錆剤等を混入した冷却液を使用する液冷構造を採用することが多い。
【0003】
液冷式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、冷却液容器にグリース等の熱伝導物質を介して電力用半導体モジュールを取り付ける、いわゆる間接液冷が一般的である。この構造はモジュールの取付けに液洩れ対策等、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液に至る経路の熱抵抗が大きく、冷却能力の点で限りがあることは否めない。
【0004】
間接液冷に相対する構造として、モジュールの金属ベースを直接冷却液で冷却する、いわゆる直接液冷構造があり、特開平9−246443号公報あるいは特開2001−203309号公報に代表的な構造が開示されている。すなわち、これらの開示例では、液路を構成する液冷部材に設けた開口部をモジュールの金属ベースで塞いで冷却液の流路を完成させる構造であり、液洩れ防止のためにOリングのようなガスケットを使用していることが共通している。
【0005】
この構造では、ガスケットの加圧力の不均一、金属ベースや液冷部材の加工精度不良、ガスケットの経年劣化等の理由により、液洩れを生ずることが考えられる。用途によっては、少々の液洩れは許される場合もあるが、例えば自動車用インバータでは、高圧大電流を扱う回路が近傍に存在するため、液洩れは許されない。
【0006】
一方、特開2001−308246号公報、特開2001−339020号公報に開示されているように、二重のガスケットを使用し、ガスケットとガスケットの間に液抜き構造を設けるという対策もある。万が一冷却液が洩れた場合、この冷却液を支障のない場所に導くという発想である。
【0007】
しかし、この構造では、内外二重のガスケットの締付圧をそれぞれ独立して制御することが困難であり、冷却液が何等かの理由で外側のガスケットを突破した場合、液洩れの原因となる。
【0008】
なお、特開平5−102362号公報、特開2001−223310号公報には、モジュールの底面と液冷部材とを金属同士の一体結合とした技術が開示されている。
【0009】
しかし、金属同士の結合は剛性が高いため、何等かの外力や自分自身の熱膨張に伴う応力を吸収する能力に乏しい。そのため、金属疲労が生じやすく、破壊する場合がある。さらに、金属結合を実現するには、ある程度の高温が必要で、接合時に温度上昇を伴い、温度そのものにより半導体モジュール内の耐熱性の劣る部品に悪影響を与える場合がある。また、温度上昇により接合部材の残留応力が開放されるために歪を生じ、そのために半導体モジュール内の部品を破壊することも懸念される。
【0010】
【特許文献1】
特開平9−246443号公報
【特許文献2】
特開2001−203309号公報
【特許文献3】
特開2001−308246号公報
【特許文献4】
特開2001−339020号公報
【特許文献5】
特開平5−102362号公報
【特許文献6】
特開2001−223310号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来技術において、間接液冷を採用した電力用半導体モジュールの実装構造は、モジュールの取付けに液洩れ対策等、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液に至る経路の熱抵抗が大きく、冷却能力の点で限りがある。
【0012】
また、直接液冷を採用した電力用半導体モジュールの実装構造は、ガスケットの加圧力の不均一、金属ベースや液冷部材の加工精度不良、ガスケットの経年劣化等の理由により、液洩れを生ずることが考えられる。
【0013】
さらに、直接液冷を採用した電力用半導体モジュールの実装構造のうち、二重のガスケットを使用するタイプのものは、内外二重のガスケットの締付圧をそれぞれ独立して制御することが困難であり、冷却液が何等かの理由で外側のガスケットを突破した場合、液洩れの原因となる。
【0014】
一方、モジュールの底面と液冷部材とを金属同士の一体結合とした電力用半導体モジュールの実装構造は、何等かの外力や自分自身の熱膨張により金属疲労が生じやすく、また接合時の温度上昇により半導体モジュール内の部品に悪影響を与え、さらに前記温度上昇により接合部材の残留応力が開放されて歪を生じる。
【0015】
本発明の目的は、直接液冷式を採用する電力用半導体モジュールの実装構造において、冷却液の洩れを阻止する液洩れ防止構造の欠点を補償し、従来よりも液洩れ防止機能を高めたこの種構造物を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
前記目的は、少なくとも電流をスイッチングする電力用半導体素子をモジュールベースに搭載し、冷却液が流れる液冷部材の開口部を前記モジュールベースで被い、前記液冷部材とモジュールベース間の接合部に、前記開口部を囲むガスケットを装着した直接液冷型電力用半導体モジュールにおいて、前記ガスケットの外周を、冷却液保持・導出用溝で被い、前記冷却液保持・導出用溝に、この溝内に溜まった洩液を外部に放出する手段を接続することによって達成される。
【0017】
図2に、本発明による液洩れ防止補償構造の典型例を示す。なお、理解を容易にするため、図では補償構造の説明に直接必要ない部分を省略してある。
【0018】
冷却液は、モジュールベース201と液冷部材203で囲まれる管路状の空間内を流れる。冷却液が外部に洩れ出さないように、ガスケット204による液洩れ防止構造が設けられている。なお、液洩れを防ぐためには、ガスケット204に加圧力を加えなければならないが、そのための構造については図では省略してある。また、モジュールベース201はモジュールケース(内部省略)202と一体化され、全体としてモジュールを構成している。
【0019】
205は冷却液保持・導出用溝205である。モジュールベース201と液冷部材203で構成される冷却液の流路を密封するための液洩れ防止構造として、リング状に成型されたガスケット204が使用されている。このガスケット204に平行に、ガスケット204の外周に設けられているのが冷却液保持・導出用溝205である。図2で冷却液保持・導出用溝205は2本である。また、溝205の一部に、冷却液導出用穴206が1〜数個設けられている。
【0020】
液洩れ防止構造であるガスケット204の冷却液遮断機能が損なわれた場合を想定する。
【0021】
洩れ出した液は冷却液保持及び導出用溝205の毛細管現象により、冷却液保持・導出用溝205内に保持される。その際、冷却液保持・導出用溝205の存在する領域にモジュールベース201が被さっていることがポイントとなる。すなわち、冷却液保持・導出用溝205から溢れた冷却液が冷却液保持・導出用溝205とモジュールベース201との間に保持され、モジュールベース201の外部に流れ出ない。
【0022】
このようにして、冷却液保持・導出用溝205に保持された、洩れ出した冷却液は、冷却液保持・導出用溝205に沿って流動する。その後、冷却液保持・導出用溝205に設けられた冷却液導出用穴206に達した冷却液は、冷却液導出用穴206内を流れて系外に放出される。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、実施例によりさらに具体的に説明する。なお、本発明はこれら実施例に限定されない。
【0024】
本発明の実施例1〜3を、図1、図3および図4に従って説明する。
(実施例1)
本発明の第1の実施例について、図1を参照して説明する。
【0025】
図1は、本発明の第1の実施例による液冷型電力用半導体モジュール、すなわちモジュールベース101とモジュールケース102の結合体を構成要素とするインバータ100の断面図である。
【0026】
液冷型電力用半導体モジュールには、電力用半導体であるIGBTチップ106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106はモジュール内で2列に並んでいる。モジュールは、長手方向150mm、短手方向70mmの矩形である。液冷型電力用半導体モジュールの外形は、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モジュールケース102と、土台にあたるモジュールベース101の二つの部品から成っている。
【0027】
モジュールベース101は、アルミニウムの厚さ1.5mmの板である。熱伝導を良くするため、材質として純粋なアルミニウムに近い工業用純アルミニウムを使用している。モジュールベース101は、単なる板ではなく、モジュール内部では配線板の一構成要素としても機能している。すなわち、モジュールベース101に絶縁樹脂107を塗布あるいは張り付けることで絶縁層を形成し、その上に銅箔を張り付けてエッチングすることにより、銅配線パターン108を形成している。IGBTチップ106を始めとする部品は、銅配線パターン108に、はんだあるいは導電性接着剤で固定され、必要に応じてボンディングワイヤ109で配線してある。
【0028】
冷却液110の流路は、冷却液入口111から冷却液出口112に至る、ほぼ直線状である。流路の壁面を構成する部材は、本実施例の場合インバータ底蓋103である。インバータ底蓋103は蓋のない容器の形状であり、モジュールベース101がインバータ底蓋103に開けられた開口部を塞ぐことで流路を完成させる構造になっている。モジュールベース101がインバータ底蓋103の開口部を塞ぐ構造であることは、同時に、液冷型電力用半導体モジュール内で発生する熱をモジュールベース101から直接冷却液110に伝える構造になっていることを意味している。冷却液110が洩れないように、シール構造として樹脂105が使われている。これは、液状ガスケットと呼ばれているもので、当初液状であるが、硬化してゴム状になる。シール部の形状に馴染むため、シール性に優れている。本実施例では、万が一シール樹脂105を通過して冷却液110が洩れても、液冷型電力用半導体モジュール内部のIGBTチップ106に代表される半導体部品、その他の部品に冷却液110が触れないよう、補償構造が設けられている。すなわち、シール樹脂105の上部空間を利用して冷却液保持・導出用溝114が設けられており、図2の冷却液保持・導出用溝205と同様の機能を有する。図2では、ガスケット204による液洩れ防止構造と独立して冷却液保持・導出用溝205を設けてあるが、本実施例では、液洩れ防止構造の一部、すなわちでシール樹脂105の上部空間を利用して冷却液保持・導出用溝114が設けられており、図2と同様の機能を発揮する。さらに、図2で冷却液導出用穴206と同様の機能を有する冷却液導出用溝113が、一方の端を冷却液保持・導出用溝114に開孔する形で設けられている。冷却液導出用溝113の他方の端は外部に開放している。冷却液導出用溝113は、幅が0.5mm、深さが0.5mmの矩形断面であり、毛細管現象が起こりやすいようになっている。万が一洩れ出した冷却液は、シール樹脂105上部の冷却液保持・導出用溝114に溜まると同時に毛細管現象によって全周に広がる。その後、冷却液保持・導出用溝114と交差するように設けられた冷却液導出用溝113に達し、毛細管現象によって冷却液が外部に放出される。
【0029】
放出された冷却液を検知するセンサーを設けることで、液洩れを的確に把握することも可能である。
【0030】
モジュールの熱抵抗をさらに下げたい場合、モジュールベース101の材質を銅にすることも有効である。
(実施例2)
本発明の第2の実施例について、図3を参照して説明する。
【0031】
本実施例では、パワー半導体であるIGBTチップ306が冷却液310の流れる方向(紙面に垂直)に対して2列、流れ方向に3個並び、トータル6個使用しているという点では、第1の実施例と同じである。また、モジュール300の損失(内部の半導体素子の損失が主)も、第1の実施例とほぼ同じである。異なる点は、モジュール300が、図1のようにインバータ底蓋103を利用した冷却液流路に取り付けられることなく、専用の液冷部材303に取り付けられている点にある。モジュール300内には、より熱抵抗が小さいアルミナセラミック基板307を用いている。その小さい熱抵抗を生かすため、モジュールベース301への接着には、はんだ313を用いている。はんだ付けのためにアルミナセラミック基板307表面に金属化を施す必要があるが、図では省略した。さらに、モジュールベース301の素材をアルミニウムではなく銅にすることで、熱抵抗の上昇を抑えることができる。
【0032】
次に、液洩れ防止構造およびその補償構造について述べる。まず、液洩れ防止構造であるが、シール構造としてOリング304を使用している。どのような構造にも長所短所があるが、ガスケットの一部であるOリングは使用実績の上で群を抜いており、信頼性がある。ただし、液洩れが全くないわけではないので、本実施例による液洩れ防止補償構造を備えている。すなわち、Oリング304の外周に、これと平行に冷却液保持・導出用溝305が、液冷部材303側に設けられている。さらに、冷却液保持・導出用溝305内に保持された冷却液310を外部に導くための冷却液導出用穴311が設けられている。冷却液導出用穴311は、単に液冷部材303に穴を開けてあるだけではなく、冷却液導出用管壁312を備えてパイプ状とし、その先への冷却液310の導出に便利なようになっている。
(実施例3)
本発明の第3の実施例について、図4を参照して説明する。
【0033】
モジュール401内の構成は、第1の実施例とほぼ同じである。すなわち、モジュールベース402はアルミニウムであり、樹脂による絶縁層である絶縁樹脂414を備えている。
【0034】
本実施例の他の実施例との相違点は、液洩れ防止構造が多重、実施例では二重になっている点である。すなわち、通常の液洩れ防止構造である第一のOリング405に加えて第二のOリング406が設置されている。第一のOリング405を冷却液413が通過した場合、第二のOリング406で外への流出を防止すると同時に冷却液導出用溝407から冷却液導出用穴409を経由して外部に放出する。
【0035】
本実施例では、何等かの理由で第二のOリング406を突破した冷却液413を外部に導く構造を提供する。すなわち、第一、第二のOリング405,406の最外周のOリングである第二のOリング406の外周に、これと平行に冷却液保持・導出用溝410を設け、冷却液保持・導出用溝410内に保持された冷却液413を外部に導くための冷却液導出用穴411が設けている。本構造により、さらに液洩れに対して安全性の高い直接液冷型モジュール構造体400となっている。
【0036】
【発明の効果】
本発明によれば、直接液冷式を採用する電力用半導体モジュールの実装構造において、冷却液の洩れを阻止する液洩れ防止構造の欠点を補償し、従来よりも液洩れ防止機能を高めたこの種構造物を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す断面図である。
【図2】本発明による液洩れ防止補償構造の典型例を示す一部断面斜視図である。
【図3】本発明の第2の実施例を示す断面図である。
【図4】本発明の第3の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
100…インバータ、101…モジュールベース、102…モジュールケース、103…インバータ底蓋、104…インバータ上蓋、105…シール樹脂、106…IGBTチップ、107…絶縁樹脂、108…銅配線パターン、109…ボンディングワイヤ、110…冷却液、111…冷却液入口、112…冷却液出口、113…冷却液導出用溝、114…冷却液保持・導出用溝、201…モジュールベース、202…モジュールケース(内部省略)、203…液冷部材、204…ガスケット、205…冷却液保持・導出用溝、206…冷却液導出用穴、300…モジュール、301…モジュールベース、302…モジュールケース、303…液冷部材、304…Oリング、305…冷却液保持・導出用溝、306…IGBTチップ、307…アルミナセラミック基板、308…銅配線パターン、309…ボンディングワイヤ、310…冷却液、311…冷却液導出用穴、312…冷却液導出用管壁、313…はんだ、314…直接液冷モジュール構造体、400…直接液冷型モジュール構造体、401…モジュール、402…モジュールベース、403…モジュールケース、404…液冷部材、405…第一のOリング、406…第二のOリング、407…冷却液導出用溝、408…冷却液導出用管壁、409…冷却液導出用穴、410…冷却液保持・導出用溝、411…冷却液導出用穴、412…冷却液導出用管壁、413…冷却液、414…絶縁樹脂、415…IGBTチップ、416…銅配線パターン、417…ボンディングワイヤ。
Claims (3)
- 少なくとも電流をスイッチングする電力用半導体素子をモジュールベースに搭載し、冷却液が流れる液冷部材の開口部を前記モジュールベースで被い、前記液冷部材とモジュールベース間の接合部に、前記開口部を囲む一組のガスケットを装着した直接液冷型電力用半導体モジュールにおいて、
前記ガスケットの外周を、冷却液保持・導出用溝で被い、前記冷却液保持・導出用溝に、この溝内に溜まった洩液を外部に放出する手段を接続したことを特徴とする直接液冷型電力用半導体モジュール。 - 少なくとも電流をスイッチングする電力用半導体素子をモジュールベースに搭載し、冷却液が流れる液冷部材の開口部を前記モジュールベースで被い、前記液冷部材とモジュールベース間の接合部に、前記開口部を囲む多重のガスケットを装着した直接液冷型電力用半導体モジュールにおいて、
前記多重のガスケットの最外周を、冷却液保持・導出用溝で被い、前記冷却液保持・導出用溝に、この溝内に溜まった洩液を外部に放出する手段を接続したことを特徴とする直接液冷型電力用半導体モジュール。 - 請求項1または2に記載の直接液冷型電力用半導体モジュールを備えたインバータ。
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Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007250918A (ja) * | 2006-03-17 | 2007-09-27 | Mitsubishi Electric Corp | 直接冷却型電力半導体装置 |
JP2012238681A (ja) * | 2011-05-11 | 2012-12-06 | Denso Corp | 電力変換装置 |
WO2012165559A1 (ja) * | 2011-05-31 | 2012-12-06 | 株式会社ザイキューブ | インターポーザを用いた積層モジュールの実装構造 |
JP2014512678A (ja) * | 2011-03-29 | 2014-05-22 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | 電子モジュールおよびその製造方法 |
WO2014171276A1 (ja) * | 2013-04-16 | 2014-10-23 | 日産自動車株式会社 | 発熱素子の冷却装置 |
JP6457678B1 (ja) * | 2018-03-19 | 2019-01-23 | 株式会社ケーヒン | 電力変換装置 |
US11488890B2 (en) | 2020-05-21 | 2022-11-01 | Google Llc | Direct liquid cooling with O-ring sealing |
-
2003
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Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007250918A (ja) * | 2006-03-17 | 2007-09-27 | Mitsubishi Electric Corp | 直接冷却型電力半導体装置 |
JP4620617B2 (ja) * | 2006-03-17 | 2011-01-26 | 三菱電機株式会社 | 直接冷却型電力半導体装置 |
JP2014512678A (ja) * | 2011-03-29 | 2014-05-22 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | 電子モジュールおよびその製造方法 |
JP2012238681A (ja) * | 2011-05-11 | 2012-12-06 | Denso Corp | 電力変換装置 |
WO2012165559A1 (ja) * | 2011-05-31 | 2012-12-06 | 株式会社ザイキューブ | インターポーザを用いた積層モジュールの実装構造 |
WO2014171276A1 (ja) * | 2013-04-16 | 2014-10-23 | 日産自動車株式会社 | 発熱素子の冷却装置 |
CN105144375A (zh) * | 2013-04-16 | 2015-12-09 | 日产自动车株式会社 | 发热元件的冷却装置 |
JP5979311B2 (ja) * | 2013-04-16 | 2016-08-24 | 日産自動車株式会社 | 発熱素子の冷却装置 |
US10249553B2 (en) | 2013-04-16 | 2019-04-02 | Nissan Motor Co., Ltd. | Cooling apparatus for a heat-generating element |
JP6457678B1 (ja) * | 2018-03-19 | 2019-01-23 | 株式会社ケーヒン | 電力変換装置 |
JP2019165554A (ja) * | 2018-03-19 | 2019-09-26 | 株式会社ケーヒン | 電力変換装置 |
US11488890B2 (en) | 2020-05-21 | 2022-11-01 | Google Llc | Direct liquid cooling with O-ring sealing |
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