JP2005057102A - 半導体冷却ユニット - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体冷却ユニットは、電力用の半導体素子11を含む半導体モジュール10と、冷媒を流動させる中空部21を有する扁平形状の冷却チューブ20とを組み合わせてなるユニットである。この半導体冷却ユニットは、相互に対面する一対の冷却チューブ20の間に配置した半導体モジュール10と、一対の冷却チューブ20とを、モールド樹脂100により一体的に覆った基本ユニット部2を有している。
【選択図】図1
Description
一般に、電気自動車やハイブリッド自動車等では、交流モータから大きな駆動トルクを得る必要があるため、駆動電流として大電流が必要となる。
そしてそのため、その交流モータ向けの駆動電流を生成する上記電力変換回路においては、該電力変換回路を構成するIGBT等の電力用半導体素子を含む半導体モジュールからの発熱が大きくなる傾向にある。
この電力変換装置では、冷却チューブと半導体モジュールとの間の熱交換効率を向上するべく、両者間に当接荷重を作用して、その接触面積を広く確保している。
さらに、荷重の作用方向において、寸法変化を生じるため、その形状精度を高く維持することが難しいという問題がある。
相互に対面する一対の上記冷却チューブと、該一対の冷却チューブの間に配置した上記半導体モジュールとを、モールド樹脂により一体的に覆ってなる基本ユニット部を有していることを特徴とする半導体冷却ユニットにある(請求項1)。
そのため、上記冷却チューブと上記半導体モジュールとの間に当接荷重を作用しなくても、両者間の接触状態を安定的に維持することができる。
また、上記半導体冷却ユニットは、上記冷却チューブと上記半導体モジュールとの間に当接荷重を作用しないため、積層方向に寸法変化を生じるおそれが少なく、高い形状精度を有している。
この場合には、上記第1のモールド樹脂により、上記半導体モジュールを一体成形したのち、その両面に上記冷却部材を配置し、その全体を上記第2のモールド樹脂により一体成形することができる。
それ故、上記第1のモールド樹脂により成形した上記半導体モジュールを、上記半導体冷却ユニットを構成する部品として取り扱いでき、作業効率良く、上記半導体冷却ユニットを作製することができる。
この場合には、上記第2のモールド樹脂の成形を行う際に、上記第1のモールド樹脂が軟化してしまうおそれが少ない。
なお、上記第1のモールド樹脂と上記第2のモールド樹脂との組み合わせとしては、例えば、エポキシとエポキシ、エポキシとPPS、PBTとPPSなどの組み合わせが良い。
上記各冷却チューブと上記冷媒との間、及び、上記各冷却チューブと他の冷却チューブとの間は、電気的に絶縁してあることが好ましい(請求項4)。
この場合には、上記電極板間の電気的な短絡を防止しつつ、上記冷却チューブと上記電極板との間の熱伝達率を向上することができる。
一方、上記冷却チューブと上記ヘッダ部との間の電気的な絶縁性を確保する方法としては、上記ヘッダ部と上記冷却チューブとの接合箇所に、絶縁性の高い部材を配置する方法のほか、上記ヘッダ部を電気的な絶縁性の高い材料により形成する方法などがある。
この場合には、複数の上記基本ユニット部を、効率良く一体的に構成することができる。
この場合には、上記電極板と上記冷却チューブとの間の電気的な絶縁性を確保できるため、上記各冷却チューブ相互間の電気的な絶縁を保持する必要がない。
さらに、酸化アルミニウム、SiN、アルミナ等による絶縁塗膜や、DLC,ポリイミド等の有機絶縁物等よりなる絶縁塗膜を上記絶縁部材として利用することも可能である。
上記凹部は、上記モールド樹脂の外表面から内方に向けて、上記冷却チューブの表面に至るまでへこむ部分である。
そして、上記凹部を形成した場合には、上記凹部の底部に露出する上記冷却チューブの表面から外部への放熱を可能にでき、上記半導体モジュールの冷却性能をさらに向上することができる。
さらに、上記モールド樹脂を成形する際には、上記凹部に対応する支持部を有する治具等を用いて上記半導体素子を挟持した上記冷却チューブを保持しながら成形でき、作業効率も良好である。
本例の半導体冷却ユニット1について、図1〜図5を用いて説明する。
本例の半導体冷却ユニット1は、図1及び図4に示すごとく、電力用の半導体素子11を含む半導体モジュール10と、冷媒を流動させる中空部21を有する扁平形状の冷却チューブ20とを組み合わせてなるユニットである。
この半導体冷却ユニット1は、相互に対面する一対の冷却チューブ20と、該一対の冷却チューブ20の間に配置した半導体モジュール10とを、モールド樹脂100により一体的に覆った基本ユニット部2を有している。
以下に、この内容について詳しく説明する。
そして、上記半導体モジュール10が、上記電力変換装置のインバータ回路或いは、DC−DCコンバータ回路を構成している。
すなわち、上記基本ユニット部2では、電極板15と冷却チューブ20との熱交換効率を向上するため、両者を熱伝導性接着剤31により密着してある。
なお、上記熱伝導性接着剤31に代えて、電極板15と冷却チューブ20との間に熱伝導性グリス等を介設した上、一体的にモールド樹脂100により覆うことも可能である。
図1に示すごとく、一対の電極板15の間隙には、各素子11、12と熱緩衝板110とを配置してある。そして、隣接する各部材は、その接触面に配設したハンダ層111により接合してある。
そして、電力端子150と制御端子160とを、上記電極板15に平行な面内において対向配置してある。
そのため、上記基本ユニット部2においては、図1及び図3に示すごとく、該基本ユニット部2の一方の側面から電力端子150を突出させ、他方の側面から制御端子160を突出させることができる。
本例では、97%のアルミを含有したアルミ合金より、上記冷却チューブを形成した。
すなわち、各基本ユニット部2の一対の冷却チューブ20の中空部21を、ヘッダ部41及び42に連通させてある。
ここで、電気的な絶縁性を有するナイロン樹脂よりなるヘッダ部41、42によれば、各冷却チューブ20相互の電気的な絶縁を確保して、各半導体モジュール10の電気的な短絡を防止することができる。
そのため、上記冷媒を介して、上記半導体モジュール10の一対の電極板15が電気的に短絡するおそれが少ない。
なお、上記各冷媒チューブ20の中空部21の内壁面に絶縁塗膜を形成すれば、導電性を有する冷媒を採用することも可能になる。
さらにまた、図5に示すごとく、本例の半導体モジュール10の構成に代えて、上記熱緩衝板110と電極板15とを一体化(図中の電極板151)することもできる。
本例は、実施例1を基にして、上記基本ユニット部の構成を変更した例である。この例について、図6及び図7を用いて説明する。
本例の基本ユニット部22は、図6に示すごとく、一対の冷却チューブ20の間に、2個の半導体モジュール10を並列して配置してある。
なお、図7に示すごとく、一対の冷却チューブ20の間に配置した2個の半導体モジュール10を、一体的にモールド樹脂100により覆うこともできる。
本例は、実施例1を基にして、上記基本ユニット部の構成を変更した例である。本例の基本ユニット部23は、第1のモールド樹脂231と第2のモールド樹脂232による2重の被覆構造を呈している。この内容について、図8を用いて説明する。
本例の基本ユニット部23は、一対の電極板15と素子11とを、第1のモールド樹脂231により一体的に覆ってなる半導体モジュール10を有してなる。なお、該半導体モジュール10では、上記各電極板15が第1のモールド樹脂231の外表面に露出するようにしてある。
そして、上記基本ユニット部23は、一対の冷却チューブ20と、該一対の冷却チューブ20の間に配置した半導体モジュール10とを第2のモールド樹脂232により一体的に覆ってなる。
本例では、第1のモールド樹脂231としてはエポキシ等を用い、第2のモールド樹脂232としてはPPS等を用いている。なお、第2のモールド樹脂の材質としては、本例のPPS等に代えて、エポキシを用いることもできる。
ここで、第1のモールド樹脂231は、第2のモールド樹脂232の硬化温度において、軟化しない特性を有している。
そのため、上記半導体モジュール10と上記一対の冷却チューブ20とを、上記第2のモールド樹脂232により覆う工程を実施する際、半導体モジュール10の第1のモールド樹脂231が軟化するおそれが少ない。
また、上記第1のモールド樹脂231により覆った上記半導体モジュール10によれば、IGBT素子11等と冷却チューブ20との一体的な取り扱いが容易になり、上記基本ユニット部2を精度良く作製することが可能になる。
本例は、実施例1を基にして、上記基本ユニット部の構成を変更した例である。この内容について、図9及び図10を用いて説明する。
本例の基本ユニット部24では、図9に示すごとく、半導体モジュール10の各電極板15と、冷却チューブ20との間に、電気的な絶縁性を有する厚さ200〜300μmの酸化アルミニウムのセラミック板30を配置してある。
なお、図10に示すごとく、一対の電極板15とIGBT素子11等とを、予め、第1のモールド樹脂241により一体的に成形しておき、その後、半導体モジュール10と冷却チューブ20との間に上記セラミック板30を配置した上で、第2のモールド樹脂242により一体成形することもできる。
本例は、実施例1を基にして、上記基本ユニット部の表面形状を変更した例である。この内容について、図11及び図12を用いて説明する。
本例の基本ユニット部25は、モールド樹脂100の外表面から各冷却チューブ20の表面までへこむ複数の凹部101を形成してなる。
さらに、上記モールド樹脂100により基本ユニット部25を覆う工程を実施するに当たっては、各凹部101に対応する支持部を有する製造治具(図示略)を用いて、予め組み立てた半導体モジュール10と一対の冷却チューブ20とを保持することができる。
そのため、本例の基本ユニット部25は、上記のような製造治具を利用して、効率良く、かつ、形状精度良く製作することができる。
10 半導体モジュール
11 IBGT素子
110 熱緩衝板
15 電極板
2、21、22、23、24、25 基本ユニット部
20 冷却チューブ
30 セラミック板
Claims (7)
- 電力用の半導体素子を含む半導体モジュールと、冷媒を流動させる中空部を有する扁平形状の冷却チューブとを組み合わせてなる半導体冷却ユニットにおいて、
相互に対面する一対の上記冷却チューブと、該一対の冷却チューブの間に配置した上記半導体モジュールとを、モールド樹脂により一体的に覆ってなる基本ユニット部を有していることを特徴とする半導体冷却ユニット。 - 請求項1において、上記半導体モジュールは、上記半導体素子と、該半導体素子を挟むように相互に対面する平板状の2枚の電極板とを、第1のモールド樹脂により一体成形してなり、上記基本ユニット部は、上記半導体モジュールと上記冷却チューブとを、第2のモールド樹脂により一体成形してなることを特徴とする半導体冷却ユニット。
- 請求項2において、上記第1及び上記第2のモールド樹脂は、熱硬化性樹脂よりなり、上記第1のモールド樹脂は、上記第2のモールド樹脂の硬化温度において軟化しない特性を有していることを特徴とする半導体冷却ユニット。
- 請求項2又は3において、上記冷却チューブと上記電極板とは、電気的に接続した状態で当接してあり、
上記各冷却チューブと上記冷媒との間、及び、上記各冷却チューブと他の冷却チューブとの間は、電気的に絶縁してあることを特徴とする半導体冷却ユニット。 - 請求項1〜4のいずれか1項において、上記半導体冷却ユニットは、上記各中空部と連通する一対のヘッダ部を有してなり、該一対のヘッダ部には、複数の上記基本ユニット部を並列して接続してあることを特徴とする半導体冷却ユニット。
- 請求項1〜4のいずれか1項において、上記冷却チューブと上記電極板との間には、電気的な絶縁性を有する絶縁部材を配置してあることを特徴とする半導体冷却ユニット。
- 請求項1〜6のいずれか1項において、上記半導体冷却ユニットは、上記冷却チューブの表面を底面とし、上記モールド樹脂を内側壁面としてなる1つ又は2つ以上の凹部を有してなることを特徴とする半導体冷却ユニット。
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