JP2007036214A - Cooling structure and cooling apparatus - Google Patents

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山口　　剛
Koji Ishimura
光司 石村
Iichiro Kaneda
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cooling apparatus in which the number of parts is reduced and a cooling effect is high as a cooling structure and a cooling apparatus for an inverter device used in a motor for a hybrid automobile or an electric automobile. <P>SOLUTION: This cooling apparatus comprises a heat sink comprising a high thermal conductive material in which a cooling fin is disposed on one surface of the heat sink and a power semiconductor element having a small heat resistance and a small heat capacity is connected to another surface of the heat sink than the surface on which the cooling fin is disposed, through a high thermal conductive material, so that by the cooling apparatus, an insulating type package power semiconductor element is cooled by letting a cooling water flow through the heat sink with the cooling fin. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、ハイブリッド自動車および電気自動車用モータ等に使用するインバータ装置の冷却構造および冷却装置に関する。   The present invention relates to a cooling structure and a cooling device for an inverter device used for a motor for a hybrid vehicle and an electric vehicle.

ハイブリッド自動車用モータ等、高出力モータにおいては、パワー半導体素子が使用されたインバータ装置が知られている。前記パワー半導体素子とはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やダイオード等の半導体を示す。前記インバータ装置の構造は、例えば特開平１１−３４６４８０号公報に開示されているようにパワー半導体素子と窒化アルミニウム(AlN)絶縁基板が高温ハンダにて接合され、また、窒化アルミニウム絶縁基板と材質が主にAl-SiCまたはCu-Mo等にて使用されたヒートシンクとが低温ハンダにて接合し、ヒートシンクが熱グリス等により専用の冷却器に接合され、このヒートシンクにパワー半導体素子が搭載されている他方面に冷却水を流しパワー半導体素子を冷却している。更に、電気接続部材である大量のバスバーが必要であり、パワー半導体素子とバスバーおよび絶縁基板を大量にAlワイヤボンディングにて電気的接続された構造である。
特開平１１−３４６４８０号 In a high-output motor such as a motor for a hybrid vehicle, an inverter device using a power semiconductor element is known. The power semiconductor element refers to a semiconductor such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a diode. As for the structure of the inverter device, for example, as disclosed in JP-A-11-346480, a power semiconductor element and an aluminum nitride (AlN) insulating substrate are joined by high-temperature solder, and the material of the aluminum nitride insulating substrate is the same. The heat sink mainly used in Al-SiC or Cu-Mo is joined with low-temperature solder, and the heat sink is joined to a dedicated cooler with thermal grease etc., and the power semiconductor element is mounted on this heat sink. Cooling water is allowed to flow on the other surface to cool the power semiconductor element. Furthermore, a large number of bus bars that are electrical connection members are required, and the power semiconductor element, the bus bar, and the insulating substrate are electrically connected in large quantities by Al wire bonding.
JP-A-11-346480

しかしながら、このような従来技術の構造では次のような問題が生じている。まず、高熱抵抗による大型化といった問題がある。すなわち、パワー半導体素子と窒化アルミニウム絶縁基板およびヒートシンクとがハンダ接合され、このヒートシンクが専用の冷却器に接合されると、パワー半導体素子からヒートシンクまでの部品が多数存在することから、パワー半導体素子からヒートシンクまでの熱抵抗Rthを低減させるためには、パワー半導体素子サイズを大きくする必要がある。   However, such a conventional structure has the following problems. First, there is a problem such as an increase in size due to high thermal resistance. That is, the power semiconductor element, the aluminum nitride insulating substrate, and the heat sink are soldered together, and when this heat sink is joined to a dedicated cooler, there are many parts from the power semiconductor element to the heat sink. In order to reduce the thermal resistance Rth to the heat sink, it is necessary to increase the size of the power semiconductor element.

更に、Al-SiCまたはCu-Mo等を使用しヒートシンクサイズを大きくすることで熱容量が高く、過渡熱損失を緩和（パワー半導体素子の接合部温度が飽和するまでに達する熱時定数τが大）されるため、モジュール全体サイズが大型化してしまう。   In addition, heat capacity is increased by using Al-SiC or Cu-Mo, etc. to increase heat capacity and reduce transient heat loss (the thermal time constant τ that reaches the point where the power semiconductor element junction temperature saturates is large) Therefore, the entire module size is increased.

次の問題として低信頼性がある。すなわち、パワー半導体素子と窒化アルミニウム絶縁基板とがハンダ接合され、また、パワー半導体素子にAlワイヤボンディング接合されているため、パワーサイクル試験に於いて、接続されているAlワイヤが電流集中により溶断される可能性があることから信頼性が低い。一方、配線のインダクタンスが高くオーバーシュート電圧が高くなりパワー半導体素子が発熱、破壊を起こし信頼性が低い。   The next problem is low reliability. In other words, the power semiconductor element and the aluminum nitride insulating substrate are solder-bonded, and the Al wire bonding is bonded to the power semiconductor element. Therefore, in the power cycle test, the connected Al wire is blown by current concentration. The reliability is low. On the other hand, the inductance of the wiring is high, the overshoot voltage is high, and the power semiconductor element generates heat and breaks down, resulting in low reliability.

次に重量化の問題として、パワー半導体素子と窒化アルミニウム絶縁基板およびヒートシンクとがハンダ接合され、ヒートシンクと窒化アルミニウム絶縁基板およびパワー半導体素子の熱膨張係数の差によりヒートシンクの材質にはAl-SiCまたはCu-Mo等を使用されている。また、Al-SiCまたはCu-Mo等を使用することで熱容量が高く、過渡熱損失を緩和（パワー半導体素子の接合部温度が飽和するまでに達する熱時定数τが大）された役割を果たしている構造のため、重く高コストである。   Next, as a weight problem, the power semiconductor element, the aluminum nitride insulating substrate, and the heat sink are soldered together, and the heat sink is made of Al-SiC or the heat sink due to the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink, the aluminum nitride insulating substrate, and the power semiconductor element. Cu-Mo etc. are used. Also, by using Al-SiC or Cu-Mo, etc., the heat capacity is high, and the transient heat loss is mitigated (the thermal time constant τ reached until the junction temperature of the power semiconductor element is saturated) The structure is heavy and expensive.

さらには高コストかという問題があり、パワー半導体素子と窒化アルミニウム絶縁基板およびヒートシンクとがハンダ接合され、更にAlワイヤボンディング接続されていることからリワーク性が困難である。更に、ヒートシンクの材質やパワー半導体素子を冷却する専用の冷却器への配管が必要であることから高コストとなっている。   In addition, there is a problem of high cost, and reworkability is difficult because the power semiconductor element, the aluminum nitride insulating substrate, and the heat sink are solder-bonded and further Al-wire bonded. Furthermore, since the material for the heat sink and the piping to a dedicated cooler for cooling the power semiconductor element are necessary, the cost is high.

本発明は上記課題に鑑み、ハイブリッド自動車および電気自動車が走行時における加速と減速により温度変化が伴うパワーサイクルや温度サイクルに対して高寿命・高信頼性を確保することができ、また、小型で軽く低コストを実現できるインバータ装置を提供することを目的とする。   In view of the above-mentioned problems, the present invention can ensure a long life and high reliability for a power cycle and a temperature cycle in which a hybrid vehicle and an electric vehicle change in temperature due to acceleration and deceleration during traveling. It aims at providing the inverter apparatus which can implement | achieve light and low cost.

上記課題を解決するために、本発明は次のような構成とする。すなわち、高熱伝導材であるアルミニウム(Al)または銅(Cu)等を使用し、押し出し工法或いはダイキャスト工法等にてヒートシンクの一方面に冷却フィンが形成され冷却フィン付きヒートシンクとなり、このヒートシンクの冷却フィン形成面に対応するよう裏面側に絶縁型パッケージパワー半導体素子が高熱伝導性グリスまたは高熱伝導性接着剤を用いて接合されていて、この冷却フィン付きヒートシンクに冷却水を流し絶縁型パッケージパワー半導体素子を冷却した構造とする。   In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration. That is, aluminum (Al) or copper (Cu), which is a high thermal conductivity material, is used, and a cooling fin is formed on one side of the heat sink by an extrusion method or die-casting method. An insulated package power semiconductor element is bonded to the back side using a high thermal conductive grease or a high thermal conductive adhesive so as to correspond to the fin forming surface, and cooling water is allowed to flow through the heat sink with the cooling fin to provide an insulated package power semiconductor. The element has a cooled structure.

また、冷却フィン付きヒートシンクにおける冷却フィン形状については、フィン幅１．５ｍｍ以内、フィン間ピッチ１．５ｍｍ以内、フィン高さ１３ｍｍ以上といったフィン表面積が４１００(mm2)以上、フィンに流れる冷却水の熱伝達係数が４５００(W/m2・℃)以上になるようなフィン形状とする。   As for the cooling fin shape in the heat sink with cooling fins, the fin surface area is 4100 (mm2) or more, such as fin width within 1.5 mm, fin pitch within 1.5 mm, and fin height of 13 mm or more. The fin shape is such that the transmission coefficient is 4500 (W / m 2 · ° C) or more.

よって、上記に示すような構造から、絶縁型パッケージパワー半導体素子の接合部から冷却フィン付きヒートシンクまでの熱抵抗Rthが０．３５(℃/W)を満足する構造となり得る。 Therefore, the structure as described above can be a structure in which the thermal resistance Rth from the junction of the insulated package power semiconductor element to the heat sink with the cooling fin satisfies 0.35 (° C./W).

更に、この冷却フィン付きヒートシンクが既存冷却器、すなわちＤＣ−ＤＣコンバータやモータ等を水冷式で冷却することに必要な冷却器のフタの役割をするため、絶縁型パッケージパワー半導体素子を冷却する専用の冷却器への配管が不要となる構造である。   Furthermore, this heat sink with cooling fins serves as a lid for the existing cooler, that is, a cooler necessary for cooling a DC-DC converter, a motor, etc. by water cooling. This eliminates the need for piping to the cooler.

一方、絶縁型パッケージパワー半導体素子は、パワー半導体素子とＤＢＣ基板およびゲート、コレクタおよびエミッタ端子形状がリードフレームに形成されハンダ接合されることでパワー半導体素子の両方面にＤＢＣ基板が実装された絶縁型パッケージパワー半導体素子が可能となり、この絶縁型パッケージパワー半導体素子内にあるリードフレームがバスバー内蔵基板にハンダ付けするため、ワイヤボンドレス構造となる。   On the other hand, the insulated package power semiconductor element has an insulating structure in which the DBC substrate is mounted on both sides of the power semiconductor element by forming the power semiconductor element, the DBC substrate, and the gate, collector and emitter terminal shapes on the lead frame and soldering. Type package power semiconductor element is possible, and since the lead frame in the insulated package power semiconductor element is soldered to the bus bar built-in substrate, a wire bondless structure is formed.

上記構成により本発明では次の効果を奏する。まず、パワー半導体素子低熱抵抗による小型がある。すなわち、高熱伝導材冷却フィン付きヒートシンクに絶縁型パッケージパワー半導体素子を直接冷却できることから絶縁型パッケージパワー半導体素子が低熱抵抗となりパワー半導体素子サイズの小型化が可能となり、更に、バスバー内蔵基板に絶縁型パッケージパワー半導体素子を実装することでモジュール全体サイズの小型化となる。   With the above configuration, the present invention has the following effects. First, there is a small size due to the low thermal resistance of the power semiconductor element. In other words, since the insulated package power semiconductor element can be directly cooled by a heat sink with a high heat conductive material cooling fin, the insulated package power semiconductor element has a low thermal resistance, and the size of the power semiconductor element can be reduced. By mounting the package power semiconductor element, the entire module size can be reduced.

高信頼性については、ワイヤボンドレス構造のため、パワーサイクル試験に於いてAlワイヤが電流集中による溶断不具合発生の可能性がなくなりワイヤボンド構造より高信頼性となる。また、ワイヤボンドレス構造およびバスバー内蔵基板によりインダクタンスの低減が可能となりオーバーシュート電圧が抑制でき高信頼性となる。また、パワー半導体素子低熱抵抗より熱容量が小さく過渡熱損失（パワー半導体素子の接合部温度が飽和するまでに達する熱時定数τが大）によりパワー半導体素子が繰り返し発熱、破壊を起こすという懸念点があったが、冷却フィン付きヒートシンクを設けることで過渡熱損失を抑制（パワー半導体素子の接合部温度が飽和するまでに達する熱時定数τが小）でき高信頼性となる。   As for high reliability, because of the wire bondless structure, there is no possibility of occurrence of fusing failure due to current concentration in the Al wire in the power cycle test, and the reliability is higher than that of the wire bond structure. In addition, the wire bondless structure and the bus bar built-in substrate can reduce the inductance, suppress the overshoot voltage, and achieve high reliability. In addition, there is a concern that the power semiconductor element repeatedly generates heat and breaks down due to transient heat loss (large thermal time constant τ until the junction temperature of the power semiconductor element is saturated) is smaller than the low thermal resistance of the power semiconductor element. However, by providing a heat sink with cooling fins, transient heat loss can be suppressed (the thermal time constant τ reached until the junction temperature of the power semiconductor element saturates is small), and high reliability is achieved.

軽量化に関しては、絶縁型パッケージパワー半導体素子およびモジュール全体サイズの小型化となり、更に、絶縁型パッケージパワー半導体素子を高熱伝導性グリスまたは高熱伝導性接着剤を介することで直接、冷却フィン付きヒートシンクに冷却できる構造から、ヒートシンクの材質は従来構造であるAl-SiCまたはCu-Moから本発明であるAlまたはCuにより軽量化となる。また、過渡熱損失を抑制（パワー半導体素子の接合部温度が飽和するまでに達する熱時定数τが小）するために、冷却フィン付きヒートシンク（材質：従来技術Al-SiCまたはCu-Moから本発明AlまたはCu）を設ける構造により軽量化となる。   In terms of weight reduction, the overall size of the insulated package power semiconductor element and module has been reduced. Furthermore, the insulated package power semiconductor element can be directly used as a heat sink with cooling fins via high thermal conductivity grease or high thermal conductivity adhesive. Because of the structure that can be cooled, the heat sink material is reduced in weight from the conventional structure Al—SiC or Cu—Mo to Al or Cu according to the present invention. In addition, heat sinks with cooling fins (material: conventional Al-SiC or Cu-Mo) are used to suppress transient heat loss (small thermal time constant τ until the power semiconductor element junction temperature saturates). The structure provided with the invention Al or Cu) reduces the weight.

コストに関しては、小型化およびワイヤボンドレス構造によりリワーク性の向上。更に、冷却フィン付きプレートが既存冷却器のフタの役割を果たすため、冷却器専用の配管が不要であり低コスト化となる。   In terms of cost, reworkability is improved by downsizing and wire bondless structure. Furthermore, since the plate with the cooling fin serves as a lid for the existing cooler, piping dedicated to the cooler is not required and the cost is reduced.

以上より、本発明により温度変化が伴うパワーサイクルまたは温度サイクルに対して高寿命・高信頼性であり、小型で軽く低コストという効果がある。 As described above, according to the present invention, there is an effect that it has a long life and high reliability with respect to a power cycle or a temperature cycle accompanied by a temperature change, and is small, light and low cost.

次に本発明の実施例について説明する。本発明の冷却装置を図１に示す。図１において、高熱伝導材を押し出し工法或いはダイキャスト工法でヒートシンクの一方面に冷却フィンを形成した冷却フィン付きヒートシンク３０上にグリス２０を介在してパワー半導体素子１０が配置される。なお、当該パワー半導体素子１０の上下にはＤＢＣ２０−２０が配置されている。なお、前記グリス２０は高熱伝導性であり、これは他の高熱伝導性材料、例えば接着剤に代えてもよい。また、本実施例では、絶縁型パッケージとするパワー半導体素子１０内部にあるＩＧＢＴ接合部の許容温度Tj（例えば１３５℃）以下にするために絶縁型パッケージパワー半導体素子１０の接合部から冷却フィン付きヒートシンク３０までの熱抵抗Rthを０．３５(℃/W)以下としている。   Next, examples of the present invention will be described. The cooling device of the present invention is shown in FIG. In FIG. 1, a power semiconductor element 10 is disposed on a heat sink 30 with a cooling fin, in which a cooling fin is formed on one surface of a heat sink by an extrusion method or a die-casting method of a high heat conductive material, with a grease 20 interposed. Note that DBCs 20-20 are arranged above and below the power semiconductor element 10. The grease 20 has a high thermal conductivity, and this may be replaced with another high thermal conductivity material such as an adhesive. Further, in this embodiment, a cooling fin is provided from the junction of the insulated package power semiconductor element 10 in order to make the temperature equal to or lower than the allowable temperature Tj (for example, 135 ° C.) of the IGBT junction inside the power semiconductor element 10 as the insulated package. The thermal resistance Rth to the heat sink 30 is set to 0.35 (° C./W) or less.

ヒートシンク材質が熱伝導率が２１０(W/m・k)、密度が２．７(g/cm3)相当品のアルミニウムを使用し、フィン表面積が４１００(mm2)以上としてフィン３２に流れる冷却水５０の熱伝達係数が４５００(W/m2・℃)以上に設定してもよい。   The heat sink material is made of aluminum with a thermal conductivity of 210 (W / m · k) and a density of 2.7 (g / cm3) or equivalent, and the cooling water flowing through the fins 32 with a fin surface area of 4100 (mm2) or more The heat transfer coefficient may be set to 4500 (W / m 2 · ° C.) or more.

パワー半導体素子１０から冷却フィン付きヒートシンク３０までの熱容量が向上し過渡熱損失を緩和しており、上記ヒートシンク３０のプレート部３１が既に存在するＤＣ−ＤＣコンバータやモータ等を水冷式で冷却することに必要な冷却器のフタを共用してもよい。絶縁型パッケージは、パワー半導体素子１０とＤＢＣ基板１２−１２およびゲートとコレクタおよびエミッタ端子形状がリードフレームを形成しハンダ接合されることで絶縁型パッケージとなし、当該絶縁型パッケージパワー半導体素子内にあるリードフレームがバスバー内蔵基板にハンダ付けされることでワイヤボンドレス構造としてもよい。   The heat capacity from the power semiconductor element 10 to the heat sink 30 with cooling fins is improved and transient heat loss is mitigated, and the DC-DC converter, motor, etc. in which the plate portion 31 of the heat sink 30 already exists are cooled by water cooling. You may share the lid of the cooler required for The insulated package is formed into an insulated package by forming the power semiconductor element 10, the DBC substrate 12-12, the gate, the collector, and the emitter terminal form the lead frame and soldering, and the insulated package power semiconductor element is formed in the insulated package power semiconductor element. A wire bondless structure may be formed by soldering a lead frame to a bus bar built-in substrate.

次に上記構成の冷却装置の用途及び作用について述べる。低熱抵抗（冷却構造）、小型化に関して、ハイブリッド自動車用モータ等、高出力モータに使用されるパワー半導体素子１チップあたりの損失には定常損失およびスイッチング損失が発生する。この損失は、定常損失＋スイッチング損失と表すことができ、Vce(sat)×Ice [V]で表される。また、スイッチング損失は Qsw(on)+Qsw(off)[Watt] 或いはQsw(on)=1/6(Vce1×Ice×Ton×f)、Qsw(off)=1/6(Vce2×Ice×Toff×f)で表される。よって、パワー半導体素子１チップあたりの損失＝｛Vce(sat)×Ice｝＋｛1/6(Vce1×Ice×Ton×f)＋1/6(Vce2×Ice×Toff×f)｝と表すことができる。   Next, the use and operation of the cooling apparatus having the above configuration will be described. With regard to low thermal resistance (cooling structure) and miniaturization, steady loss and switching loss occur in the loss per chip of power semiconductor elements used in high-power motors such as motors for hybrid vehicles. This loss can be expressed as steady loss + switching loss, and is expressed as Vce (sat) × Ice [V]. Switching loss is Qsw (on) + Qsw (off) [Watt] or Qsw (on) = 1/6 (Vce1 × Ice × Ton × f), Qsw (off) = 1/6 (Vce2 × Ice × Toff Xf). Therefore, the loss per chip of the power semiconductor element = {Vce (sat) × Ice} + {1/6 (Vce1 × Ice × Ton × f) +1/6 (Vce2 × Ice × Toff × f)} it can.

上記式において、Vce(sat)はIGBTのコレクタ−エミッタ間飽和電圧[V]を、IceはIGBTのコレクタ−エミッタ間に流れる電流[A]を、Qsw(on)はターンON時間時に発生する損失[Watt]を、Qsw(off)はターンOFF時間時に発生する損失[Watt]を、Vce1はターンON時におけるIGBTのコレクタ−エミッタ間電圧[V]を、Vce2はターンOFF時におけるIGBTのコレクタ−エミッタ間電圧[V]を、TonはターンON時間[秒]を、ToffはターンOFF時間[秒]をｆはキャリア周波数[Hz]をそれぞれ表している。   In the above equation, Vce (sat) is the IGBT collector-emitter saturation voltage [V], Ice is the current [A] that flows between the collector and emitter of the IGBT, and Qsw (on) is the loss that occurs during the turn-on time. [Watt], Qsw (off) is the loss [Watt] that occurs at turn-off time, Vce1 is the IGBT collector-emitter voltage [V] at turn-on, and Vce2 is the IGBT collector-turn-off time The emitter voltage [V], Ton represents turn-on time [seconds], Toff represents turn-off time [seconds], and f represents carrier frequency [Hz].

具体的には、約５０ｋＷ以上クラスの高出力モータに使用されるパワー半導体素子に流れる総電流はIce=360[A]となり、パワー半導体素子を３つ並列接続した場合、パワー半導体素子１チップあたりIce=120[A]となり、f=10[kHz]では約１７０W以上クラスの損失が発生する。このパワー半導体素子１チップあたりの損失において、パワー半導体素子内部にあるＩＧＢＴ接合部の許容温度Tjは１３５℃以下に抑制しなければならない。よって、冷却水入口から出口までにおける最高温度となる冷却水温度が７６℃以下の場合、絶縁型パッケージパワー半導体素子の接合部から冷却フィン付きヒートシンクまでの目標熱抵抗Rthは０．３５(℃/W)以下に低減する必要がある。また、ポンプ冷却能力および冷却水の流量を向上させ熱抵抗Rthを低減させる手段は困難なため、低熱抵抗および冷却構造で対応しなければならない。   Specifically, the total current flowing through the power semiconductor elements used in high-power motors of about 50 kW or higher class is Ice = 360 [A]. When three power semiconductor elements are connected in parallel, the power semiconductor element per chip Ice = 120 [A], and at f = 10 [kHz], a loss of about 170 W or more occurs. In the loss per chip of the power semiconductor element, the allowable temperature Tj of the IGBT junction in the power semiconductor element must be suppressed to 135 ° C. or less. Therefore, when the cooling water temperature that is the maximum temperature from the cooling water inlet to the outlet is 76 ° C. or lower, the target thermal resistance Rth from the junction of the insulated package power semiconductor element to the heat sink with the cooling fin is 0.35 (° C. / W) It needs to be reduced to below. In addition, since it is difficult to improve the pump cooling capacity and the flow rate of the cooling water to reduce the thermal resistance Rth, it must be handled with a low thermal resistance and a cooling structure.

しかし、上記従来技術の構造ではパワー半導体素子と窒化アルミニウム絶縁基板およびヒートシンクの接合にはハンダ工法が用いられ、このヒートシンクが熱グリス等で専用の冷却器に接合されると、パワー半導体素子からヒートシンクまで部品が多数あることからパワー半導体素子の接合部からヒートシンクまでの熱抵抗Rthが０．５５(℃/W)となり目標値熱抵抗Rth０．３５(℃/W)を超えていた。   However, in the above prior art structure, a solder method is used to join the power semiconductor element, the aluminum nitride insulating substrate, and the heat sink. When this heat sink is joined to a dedicated cooler with thermal grease or the like, the power semiconductor element is heated to the heat sink. Since there are so many parts, the thermal resistance Rth from the junction of the power semiconductor element to the heat sink was 0.55 (° C./W), exceeding the target thermal resistance Rth 0.35 (° C./W).

ここで、本発明のパワー半導体素子１０の接合部から冷却フィン付きヒートシンク３０までの熱抵抗Rthを低減させるために次の構成とする。まず、パワー半導体素子１０と冷却フィン付きヒートシンク３０の接触熱抵抗を低減させる。これは、熱伝導率が４．５(W/m・k)相当の高熱伝導性グリス２０、または熱伝導率が７．５(W/m・k)相当の高熱伝導性接着剤を用いて接触熱抵抗を低減させる。   Here, in order to reduce the thermal resistance Rth from the junction of the power semiconductor element 10 of the present invention to the heat sink 30 with the cooling fin, the following configuration is adopted. First, the contact thermal resistance between the power semiconductor element 10 and the heat sink 30 with the cooling fin is reduced. This is done using a high thermal conductivity grease 20 having a thermal conductivity of 4.5 (W / m · k) or a high thermal conductivity adhesive having a thermal conductivity of 7.5 (W / m · k). Reduce contact thermal resistance.

次に、高熱伝導率の材質である冷却フィン付きヒートシンク３０を使用する。これは、材質がAlまたはCuをはじめとする、熱伝導率が２１０(W/m・k)相当の高熱伝導材を使用し、押し出し工法或いはダイキャスト工法等にて冷却フィン３２付きヒートシンク３０を形成する。   Next, a heat sink 30 with cooling fins, which is a material with high thermal conductivity, is used. This uses a high thermal conductivity material equivalent to 210 (W / m · k), such as Al or Cu, and the heat sink 30 with the cooling fins 32 by an extrusion method or a die-cast method. Form.

また、冷却フィン付きヒートシンクにおける冷却フィン３２形状による熱抵抗を低減させる。冷却フィン付きヒートシンク形状については、冷却フィンに流れる冷却水の流量Ｑ＝５(L/min)と想定し、絶縁型パッケージパワー半導体素子の接合部から冷却フィン付きヒートシンクまでの熱抵抗Rth：０．３５(℃/W)を満足する冷却フィン形状は、フィン表面積が４１００(mm2)以上、フィンに流れる冷却水の熱伝達係数が４５００(W/m2・℃)以上になるようなフィン形状であれば良い。   Further, the thermal resistance due to the shape of the cooling fin 32 in the heat sink with the cooling fin is reduced. As for the shape of the heat sink with the cooling fin, assuming that the flow rate Q of cooling water flowing through the cooling fin is Q = 5 (L / min), the thermal resistance Rth from the junction of the insulated package power semiconductor element to the heat sink with the cooling fin is 0. The cooling fin shape satisfying 35 (℃ / W) should be such that the fin surface area is 4100 (mm2) or more and the heat transfer coefficient of cooling water flowing to the fin is 4500 (W / m2 · ° C) or more. It ’s fine.

具体的に冷却フィン３２付きヒートシンク３０の形状を求めると、例えば、フィン幅１．５ｍｍとしフィン間ピッチ１．５ｍｍでフィン高さ１３ｍｍの形状および冷却水の流れ方が図２ａのようなＷ字の場合、或いは図２ｃのようなＳ字の場合、フィン表面積は４１０２（mm2）、フィンに流れる熱伝達係数は６３７８(W/m2・℃)となり絶縁型パッケージパワー半導体素子の接合部から冷却フィン付きヒートシンクまでの熱抵抗Rthは０．３３(℃/W)となる。更に、フィン幅、ピッチ、高さ一定で冷却水の流れが図２ｂのようにコの字になると、フィン表面積は４１０２(mm2)、熱伝達係数は４５１０(W/m2・℃)となり絶縁型パッケージパワー半導体素子の接合部から冷却フィン付きヒートシンクまでの熱抵抗熱抵抗Rthは０．３４(℃/W)となる。   Specifically, the shape of the heat sink 30 with the cooling fins 32 is obtained. For example, the fin width is 1.5 mm, the fin pitch is 1.5 mm, the fin height is 13 mm, and the cooling water flow is W-shaped as shown in FIG. In the case of S-shaped as shown in FIG. 2c, the fin surface area is 4102 (mm 2), the heat transfer coefficient flowing through the fin is 6378 (W / m 2 · ° C.), and the cooling fin from the junction of the insulated package power semiconductor element The thermal resistance Rth to the attached heat sink is 0.33 (° C./W). Furthermore, if the fin width, pitch, and height are constant and the flow of cooling water becomes U-shaped as shown in Fig. 2b, the fin surface area is 4102 (mm2) and the heat transfer coefficient is 4510 (W / m2 · ° C). The thermal resistance thermal resistance Rth from the junction of the package power semiconductor element to the heat sink with the cooling fin is 0.34 (° C./W).

一方、フィン幅２．５ｍｍとし、フィン間ピッチ２．５ｍｍでフィン高さ１３ｍｍの形状および冷却水の流れ方がＷ字の場合、フィン表面積は２５１７(mm2)、フィンに流れる熱伝達係数は５２８１(W/m2・℃)となり絶縁型パッケージパワー半導体素子の接合部から冷却フィン付きヒートシンクまでの熱抵抗Rthは０．３７(℃/W)となる。また、フィン幅４．５ｍｍとしフィン間ピッチ４．５ｍｍでフィン高さ１３ｍｍの形状および冷却水の流れ方がＷ字の場合、フィン表面積は２２６１(mm2)でフィンに流れる熱伝達係数は５２０７(W/m2・℃)となり、絶縁型パッケージパワー半導体素子の接合部から冷却フィン付きヒートシンクまでの熱抵抗Rthは０．３８(℃/W)となり、絶縁型パッケージパワー半導体素子の接合部から冷却フィン付きヒートシンクまでの熱抵抗Rthは０．３５(℃/W)以下を満足できない冷却フィン形状となる。   On the other hand, when the fin width is 2.5 mm, the fin pitch is 2.5 mm, the fin height is 13 mm, and the cooling water flow is W-shaped, the fin surface area is 2517 (mm 2) and the heat transfer coefficient flowing through the fin is 5281. (W / m 2 · ° C.) The thermal resistance Rth from the junction of the insulated package power semiconductor element to the heat sink with the cooling fin is 0.37 (° C./W). When the fin width is 4.5 mm, the fin pitch is 4.5 mm, the fin height is 13 mm, and the cooling water flow is W-shaped, the fin surface area is 2261 (mm 2) and the heat transfer coefficient flowing through the fin is 5207 ( W / m2 · ° C), and the thermal resistance Rth from the junction of the insulated package power semiconductor element to the heat sink with the cooling fin is 0.38 (° C / W), and the cooling fin from the junction of the insulated package power semiconductor element. The heat resistance Rth to the attached heat sink becomes a cooling fin shape that cannot satisfy 0.35 (° C / W) or less.

よって、フィン幅１．５ｍｍ以内、フィン間ピッチ１．５ｍｍ以内、フィン高さ１３ｍｍ以上のフィン形状にすると、フィン表面積が４１００(mm2)以上、フィンに流れる冷却水の熱伝達係数が４５００(W/m2・℃)以上となり絶縁型パッケージパワー半導体素子の接合部から冷却フィン付きヒートシンクまでの熱抵抗Rthは０．３５(℃/W)以下となる。   Therefore, if the fin shape has a fin width of 1.5 mm or less, a fin pitch of 1.5 mm or less, and a fin height of 13 mm or more, the fin surface area is 4100 (mm 2) or more, and the heat transfer coefficient of cooling water flowing through the fin is 4500 (W The thermal resistance Rth from the junction of the insulated package power semiconductor element to the heat sink with the cooling fin is 0.35 (° C./W) or less.

したがって、本発明の絶縁型パッケージパワー半導体素子が直接、冷却フィン付きヒートシンクに冷却でき、更に、高熱伝導性グリスまたは高熱伝導性接着剤を介することで絶縁型パッケージパワー半導体素子の接合部から冷却フィン付きヒートシンクまでの熱抵抗Rthは０．３５(℃/W)以下が可能となる。   Therefore, the insulated package power semiconductor element of the present invention can be directly cooled to the heat sink with the cooling fin, and further, the cooling fin can be removed from the junction of the insulated package power semiconductor element through the high thermal conductive grease or the high thermal conductive adhesive. The thermal resistance Rth to the attached heat sink can be 0.35 (° C / W) or less.

また、高信頼性については次の通りである。パワーサイクルに関し、従来技術であるワイヤボンディング構造および大量のバスバーでは、パワーサイクル試験(ΔＴ＝７０℃、３秒通電ＯＮ、２４秒通電ＯＦＦを１サイクルとする)に於いて約１００００サイクルにて接続されているAlワイヤが電流集中により溶断されるという懸念点があった。しかし本発明は、絶縁型パッケージパワー半導体素子内ゲート、コレクタおよびエミッタ端子部に形成されたリードフレームをバスバー内蔵基板にハンダ付け接合されることからワイヤボンドレス構造となり、ワイヤ溶断不具合の可能性がなくなることから約２６５００サイクル以上に於いても破壊されず高信頼性が実現可能となる。   The high reliability is as follows. With regard to power cycle, the wire bonding structure and a large number of bus bars, which are the prior art, are connected at about 10,000 cycles in the power cycle test (ΔT = 70 ° C, 3 seconds energization ON, 24 seconds energization OFF as one cycle). There was a concern that the Al wire being melted was blown by current concentration. However, the present invention has a wire bondless structure because the lead frame formed on the gate, collector and emitter terminal portions in the insulated package power semiconductor element is soldered to the bus bar built-in substrate, and there is a possibility of wire fusing failure. Therefore, high reliability can be realized without being destroyed even in about 26500 cycles or more.

インダクタンスに関し、従来技術ではワイヤボンディング構造および大量のバスバーのため、高インダクタンスに伴うオーバーシュート電圧が高くなりパワー半導体素子が発熱、破壊を起こし信頼性が低いという懸念点があった。しかし、本発明では、絶縁型パッケージパワー半導体素子によりワイヤボンドレス構造およびバスバー内蔵基板により大量のバスバー、Alワイヤボンディングが不必要になることからインダクタンスが低減しオーバーシュート電圧が抑制できる。ここで例を示すとパワー半導体素子ＩＧＢＴに於いてコレクタ−エミッタ間電圧(Vce)が４００Ｖ入力を想定した場合、従来技術（ワイヤボンディング構造）と本発明（ワイヤボンドレス構造）におけるオーバーシュート電圧を比較すると、従来技術ではVce=５２０Ｖ、本発明ではVce=４４０Ｖとオーバーシュート電圧が抑制でき高信頼性が可能となる。   With respect to the inductance, the conventional technique has a wire bonding structure and a large number of bus bars, so that there is a concern that the overshoot voltage associated with the high inductance becomes high and the power semiconductor element generates heat and breaks down, resulting in low reliability. However, in the present invention, since the wire bondless structure and the bus bar built-in substrate are unnecessary for the insulated package power semiconductor element, a large number of bus bars and Al wire bonding are not required, so that the inductance is reduced and the overshoot voltage can be suppressed. As an example, when the collector-emitter voltage (Vce) is assumed to be 400V input in the power semiconductor element IGBT, the overshoot voltage in the conventional technique (wire bonding structure) and the present invention (wire bondless structure) is shown. In comparison, Vce = 520V in the prior art, and Vce = 440V in the present invention, so that the overshoot voltage can be suppressed and high reliability is possible.

過渡熱損失に関し、絶縁型パッケージパワー半導体素子の構造ではパワー半導体素子の熱抵抗が小さく且つ熱容量が小さい具体的には、熱容量は従来技術より約１／６に減少することから過渡熱損失、すなわちパワー半導体素子の接合部温度が飽和するまでに達する時間が早いことで、パワー半導体素子の接合部温度が飽和するまでに達する熱時定数τが小さいことによりパワー半導体素子内部にあるＩＧＢＴ接合部の許容温度Tjが１３５℃を超過することでパワー半導体素子が発熱・破壊を起こすという問題点があった。   Regarding the transient heat loss, in the structure of the insulated package power semiconductor element, the thermal resistance of the power semiconductor element is small and the heat capacity is small. Specifically, since the heat capacity is reduced to about 1/6 than the prior art, The time to reach the junction temperature of the power semiconductor element is saturated, and the thermal time constant τ until the junction temperature of the power semiconductor element is saturated is small, so that the IGBT junction in the power semiconductor element is When the allowable temperature Tj exceeds 135 ° C., there is a problem that the power semiconductor element generates heat and breaks.

しかし、冷却フィン付きヒートシンクを設けることで絶縁型パッケージパワー半導体素子から冷却フィン付きヒートシンクまでの全体の熱容量が向上、過渡熱損失を緩和すなわち、パワー半導体素子の接合部温度が飽和するまでに達する時間の遅延が可能であることで、パワー半導体素子の接合部温度が飽和するまでに達する熱時定数τが大きくでき高信頼性が可能となる。   However, by providing a heat sink with cooling fins, the overall heat capacity from the insulated package power semiconductor element to the heat sink with cooling fins is improved, and transient heat loss is mitigated, that is, the time until the power semiconductor element junction temperature is saturated. Is possible, the thermal time constant τ reached until the junction temperature of the power semiconductor element is saturated can be increased, and high reliability can be achieved.

例えば、図４に示すように絶縁型パッケージパワー半導体素子の熱容量は、２．７(J/g・K)の場合、過渡熱損失とするチップ飽和温度までに達する時間は約５秒である。また、従来技術でのパワー半導体素子からヒートシンクの熱容量は、１４．６(J/g・K)である。   For example, as shown in FIG. 4, when the heat capacity of the insulated package power semiconductor element is 2.7 (J / g · K), the time to reach the chip saturation temperature as the transient heat loss is about 5 seconds. Further, the heat capacity of the power semiconductor element to the heat sink in the prior art is 14.6 (J / g · K).

ここで、フィン幅１．５ｍｍ、フィン間ピッチ１．５ｍｍ、フィン高さ１３ｍｍのフィン形状をした冷却フィン付きヒートシンクを設けると絶縁型パッケージパワー半導体素子から冷却フィン付きヒートシンクまでの熱容量は、１３．０(J/g・K)となり、過渡熱損失とするチップ飽和温度までに達する時間は約２０秒となり過渡熱損失を緩和した構造となり得る。したがって、本発明の構造の方が高信頼性となる。   Here, when a heat sink with cooling fins having a fin shape of fin width 1.5 mm, fin pitch 1.5 mm and fin height 13 mm is provided, the heat capacity from the insulated package power semiconductor element to the heat sink with cooling fins is 13. The time to reach the chip saturation temperature, which is 0 (J / g · K), is about 20 seconds, and the structure can reduce the transient heat loss. Therefore, the structure of the present invention is more reliable.

生産コストに関しては、従来技術の構造であるワイヤボンディング構造では、パワー半導体素子と窒化アルミニウム絶縁基板およびヒートシンクとがハンダ接合され、更にAlワイヤボンディング接続されているため、製品検査工程に於いて不具合と判定された製品のリワークが不可能であり廃棄することになる。更に、パワー半導体素子を冷却するために冷却フィンに流れる冷却水専用の配管が必要となり大掛かりな工事が必要となりコストが高くなるという懸念点があった。   Regarding the production cost, in the wire bonding structure that is the structure of the prior art, the power semiconductor element, the aluminum nitride insulating substrate, and the heat sink are soldered and further connected by Al wire bonding. The determined product cannot be reworked and will be discarded. Furthermore, in order to cool the power semiconductor element, there is a concern that piping for exclusive use of the cooling water flowing through the cooling fins is required, so that a large-scale construction is required and the cost is increased.

しかし、本発明では、使用材料の少量化による小型化のため、低コストとなり、併せてワイヤボンドレス構造によりリワーク性が向上する。また、図３のような冷却フィン付きプレートが既存冷却器のフタの役割を果たすため、パワー半導体素子専用冷却器の配管が不要であり低コストが可能となる。図３における構成は次の通りである。パワー半導体素子１０はバスバー内蔵基板１４上に配置され、半導体装置を形成している。当該半導体装置はケース６１とケース底部６２から構成される空間に配置されている。当該半導体装置は、特に発熱対策のためにヒートシンク３０を備えるプレート３１の上面に搭載され、当該プレート３１とケース６１とが形成する半導体収容部７０に配置され、外部から遮断されるように蓋部６０で封止されている。また、ケース６１の凸部とヒートシンク３０及びケース底部６２が形成する空間は水路７１となっており、ここに冷却水５０が満たされており、当該冷却水によって半導体装置の廃熱が促進されている。なお、図３における半導体収容部７０と水路７１との隔離は、上記の通りケース６１の凸部とヒートシンク３０（プレート３１）のみで行われており、冷却水の漏れによる半導体装置の保護を確実に行う場合には図５に示す様な構成としてもよい。図５には図３のケース６１を分割式とし、プレート３１の上下方向から挟み込む構成とすることで、水路７１から冷却水５０が漏れた場合であっても半導体収容部７０への水の侵入が防止できるものとなっている。   However, in the present invention, since the size is reduced by reducing the amount of material used, the cost is reduced, and the reworkability is improved by the wire bondless structure. Further, since the plate with cooling fins as shown in FIG. 3 serves as a lid for the existing cooler, piping for the power semiconductor element dedicated cooler is not required, and the cost can be reduced. The configuration in FIG. 3 is as follows. The power semiconductor element 10 is disposed on the bus bar built-in substrate 14 to form a semiconductor device. The semiconductor device is disposed in a space formed by the case 61 and the case bottom 62. The semiconductor device is mounted on the upper surface of a plate 31 provided with a heat sink 30 particularly for measures against heat generation, and is disposed in a semiconductor housing portion 70 formed by the plate 31 and a case 61, and a lid portion so as to be blocked from the outside. 60 is sealed. A space formed by the convex portion of the case 61, the heat sink 30, and the case bottom 62 is a water channel 71, which is filled with cooling water 50, and waste heat of the semiconductor device is promoted by the cooling water. Yes. In addition, the isolation | separation of the semiconductor accommodating part 70 and the water channel 71 in FIG. 3 is performed only by the convex part of the case 61 and the heat sink 30 (plate 31) as above-mentioned, and protection of the semiconductor device by the leakage of cooling water is ensured. In the case of the above, the configuration as shown in FIG. 5 may be adopted. In FIG. 5, the case 61 of FIG. 3 is divided and sandwiched from above and below the plate 31, so that even if the cooling water 50 leaks from the water channel 71, water enters the semiconductor housing 70. Can be prevented.

本発明の冷却装置の構造図を示すThe structural drawing of the cooling device of the present invention is shown. 冷却水の流れを示すShows the flow of cooling water 本発明の冷却装置をインバータ装置に搭載した構造図を示すThe structural drawing which mounted the cooling device of the present invention in the inverter device is shown. 熱量の特性グラフを示すShows the characteristic graph of heat quantity 本発明の冷却装置をインバータ装置に搭載した別の構造図を示すThe another structural drawing which mounted the cooling device of the present invention in the inverter device is shown.

符号の説明Explanation of symbols

１０ パワー半導体素子
１２ ＤＢＣ基板
１４ バスバー内蔵基板
２０ グリス
３０ ヒートシンク
３１ プレート
３２ フィン
５０ 冷却水
６０ 蓋部
６１ ケース
６２ ケース底部
７０ 半導体収容部
７１ 水路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power semiconductor element 12 DBC board | substrate 14 Busbar built-in board | substrate 20 Grease 30 Heat sink 31 Plate 32 Fin 50 Cooling water 60 Lid part 61 Case 62 Case bottom part 70 Semiconductor accommodating part 71 Water channel

Claims (7)

高熱伝導材からなるヒートシンクの一方面に冷却フィンを形成した冷却フィン付きヒートシンクと、当該ヒートシンクの冷却フィン形成面の裏面側にパワー半導体素子の熱抵抗が小さく且つ熱容量が小さい絶縁されたパッケージであるパワー半導体素子が高熱伝導性材料を用いて接合され、当該冷却フィン付きヒートシンクに冷却水を流し絶縁型パッケージパワー半導体素子を冷却していることを特徴とした冷却装置。   A heat sink with a cooling fin in which a cooling fin is formed on one surface of a heat sink made of a high thermal conductive material, and an insulated package having a low thermal resistance and a small heat capacity of the power semiconductor element on the back side of the cooling fin forming surface of the heat sink. A cooling apparatus characterized in that a power semiconductor element is bonded using a high thermal conductive material, and cooling water is allowed to flow through the heat sink with cooling fins to cool the insulated package power semiconductor element. 絶縁型パッケージパワー半導体素子内部にあるＩＧＢＴ接合部の許容温度Tj：１３５℃以下にするために絶縁型パッケージパワー半導体素子の接合部から冷却フィン付きヒートシンクまでの熱抵抗Rthを０．３５(℃/W)以下としたことを特徴とした請求項１に記載の冷却装置。   In order to reduce the allowable temperature Tj of the IGBT junction in the insulated package power semiconductor element to 135 ° C. or less, the thermal resistance Rth from the junction of the insulated package power semiconductor element to the heat sink with the cooling fin is 0.35 (° C. / W) The cooling device according to claim 1, wherein ヒートシンク材質がアルミニウムで熱伝導率が２１０(W/m・k)、密度が２．７(g/cm3)相当品のヒートシンク材料を使用し、フィン表面積が４１００(mm2)以上でフィンに流れる冷却水の熱伝達係数が４５００(W/m2・℃)以上に設定されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷却装置。   The heat sink material is aluminum, the thermal conductivity is 210 (W / m · k), the density is equivalent to 2.7 (g / cm 3), and the cooling that flows to the fin when the fin surface area is 4100 (mm 2) or more. The cooling device according to claim 1 or 2, wherein a heat transfer coefficient of water is set to 4500 (W / m 2 · ° C) or more. 絶縁型パッケージパワー半導体素子から冷却フィン付きヒートシンクまでの熱容量が向上し過渡熱損失を緩和していることを特徴とした請求項１乃至３の冷却装置。   4. The cooling device according to claim 1, wherein the heat capacity from the insulated package power semiconductor element to the heat sink with cooling fins is improved to mitigate transient heat loss. 冷却フィン付きヒートシンクのプレート部が既に存在するＤＣ−ＤＣコンバータやモータ等を水冷式で冷却することに必要な冷却器のフタの役割を果たすため、冷却器専用の配管を不要としたことを特徴とした請求項１乃至４の冷却構造。   Since it serves as a lid for the cooler necessary for cooling a DC-DC converter or motor that already has a heat sink plate with a cooling fin by water-cooling, piping for the cooler is unnecessary. The cooling structure according to claim 1. 絶縁型パッケージは、パワー半導体素子とＤＢＣ基板およびゲートとコレクタおよびエミッタ端子形状がリードフレームを形成しハンダ接合されることで絶縁型パッケージとなし、当該絶縁型パッケージパワー半導体素子内にあるリードフレームがバスバー内蔵基板にハンダ付けされワイヤボンドレスとなることを特徴とした請求項１に記載の冷却構造。   An insulated package is a power semiconductor element, a DBC substrate, a gate, a collector, and an emitter terminal shape forming a lead frame and soldered to form an insulated package, and the lead frame in the insulated package power semiconductor element is The cooling structure according to claim 1, wherein the bus bar-embedded substrate is soldered to form a wire bondless. ケースを分離型とし、分離したケースで半導体収容部と水路の空間を完全に隔離した請求項１に記載の冷却装置。 The cooling device according to claim 1, wherein the case is a separation type, and the space of the semiconductor housing portion and the water channel is completely isolated by the separated case.
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