JP2007258352A - 冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能の優れた電力変換器としての半導体素子の冷却器を提供する。
【解決手段】冷却器は、電力変換器としての半導体素子１の一の面にはんだ１１で接合され、内部に冷媒が流れるように形成された冷媒流通管９と、半導体素子１の一の面と反対側の面にはんだ１１で凹部５ａが接合された熱伝導性の優れた材料で形成された冷却板５と、矢印４２に示すように冷却板の凹部５ａに向かって冷媒を噴出するための冷媒噴出装置とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却器に関する。特に、電力変換器を冷却するための冷却器に関する。

近年においては、ハイブリッド自動車（Hybrid Vehicle）、電気自動車（Electric Vehicle）および燃料電池（Fuel Cell）を搭載した燃料電池車などの電力を動力源とする車が注目されている。ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、モータを動力とする自動車である。ハイブリッド自動車は、エンジンを駆動して動力を得るとともに、直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換し、変換された交流電圧によりモータを駆動することによって動力を得る自動車である。また、電気自動車は、直流電源からの直流電圧を変換した交流電圧によりモータを駆動して動力を得る自動車である。

このような自動車においては、電力変換器が搭載される。電力変換器には、たとえば、インバータやコンバータなどのパワー半導体素子が含まれる。パワー半導体素子には、たとえば、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等が含まれる。

自動車に搭載される電力変換器においては、高い動力性能を得るために大電力を必要とする場合がある。大電力の電力変換器等は、発熱量が大きく、電力変換器を冷却するための冷却器が搭載される。

特開２００１−２４４３９１号公報においては、発熱量の大きな電子素子チップと発熱量の小さな電気素子チップと電極とを熱伝導性が高い導電性材料により形成された均熱板で接続するとともに、電子素子チップを実装した絶縁基板の下部に冷却媒体を用いて冷却する放熱板を設けたマルチチップモジュールの冷却構造が開示されている。このマルチチップモジュールの冷却構造によれば、電子素子チップの冷却効果を高めることができると開示されている。

特開２００５−６４３８２号公報においては、複数の電子部品を両面から冷却するための冷却器が開示されている。この冷却器は、電子部品を複数個並列させた状態で挟持するように配置されるとともに、内部に冷却媒体を流通させる一対の扁平状の冷却チューブからなる両面冷却ユニットを有する。両面冷却ユニットは、冷却チューブの厚み方向に複数個配列している。隣り合う両面冷却ユニットの間には隙間が形成されている。この冷却器によれば、小型で優れた冷却能力を有する冷却器を提供することできると開示されている。
特開２００１−２４４３９１号公報 特開２００５−６４３８２号公報

電力変換器の温度が上昇すると、効率の低下や電力変換器に含まれる半導体素子が破損する場合がある。このため、前述のように、電力変換器を冷却するための冷却器が搭載される場合があり、特に大電力に対応した電力変換器の冷却は重要な課題である。

上記の特開２００１−２４４３９１号公報に開示されたマルチチップモジュールの冷却構造においては、平板形状の金属部材が電子素子チップの上面にはんだ接合によって接合されている。はんだ層は、剛性の高い平板形状の部材の表面に設けられている。このため、はんだ層に大きな応力が発生し、かつ、はんだ層を十分に厚くすることは困難となる。この結果、接合部分の信頼性が十分でないという問題が発生する。

さらには、電子素子チップの冷却は、上面における金属部材の熱伝達と、電子素子チップの下面に配置された冷却器による冷却により行なわれている。電子素子チップの放熱は、主に冷却器が配置されている側から行なわれ、均熱板が配置されている側は、主に熱伝導が行なわれるのみである。このように、放熱は電子素子チップの片面から行なわれているため、電子素子チップの冷却が不十分であるという問題がある。

また、特開２００５−６４３８２号公報においても、平板状の冷却チューブに電子部品が接合され、冷却チューブと電子部品との接合の信頼性が十分でないという問題がある。また、この冷却器においては、それぞれの両面冷却ユニットの間に隙間が形成されているため、装置が大型化するとともに構成が複雑であるという問題がある。

本発明は、冷却性能の優れた電力変換器の冷却器を提供することを目的とする。

本発明に基づく冷却器は、電力変換器の冷却器であって、上記電力変換器の一の表面に接合され、内部に冷媒が流れるように形成された冷媒流通手段を備える。上記電力変換器の上記一の表面と反対側の表面に接合された冷却板を備える。上記冷却板に向かって冷媒を噴出するための冷媒噴出手段を備える。

上記発明において好ましくは、上記冷却板は、凹部を含む。上記冷却板は、上記凹部が上記電力変換器に接合されている。上記冷媒噴出手段は、上記凹部に向かって冷媒を噴出するように形成されている。

上記発明において好ましくは、上記冷媒流通手段は、表裏の表面を有し、上記電力変換器は、上記冷媒流通手段の表裏の表面のそれぞれに配置されている。

上記発明において好ましくは、上記冷媒は、液体を含む。
上記発明において好ましくは、上記冷媒流通手段の表面に配置された導電層を備える。上記導電層を介して上記電力変換器が上記冷媒流通手段に固定されている。上記冷却板は、上記電力変換器に電気的に接続される第１電極の機能を有する。上記導電層は、上記電力変換器に電気的に接続される第２電極の機能を有する。

上記発明において好ましくは、上記凹部は、はんだによって上記電力変換器に接合されている。上記凹部は、断面形状が円弧状に形成されている。

上記発明において好ましくは、一枚の上記冷却板に複数の上記電力変換器が接合されている。

本発明によれば、冷却性能の優れた電力変換器の冷却器を提供することができる。

（実施の形態１）
図１から図３を参照して、本発明に基づく実施の形態における冷却器について説明する。本実施の形態においては、半導体装置に含まれる電力変換器および冷却器について説明する。

図１は、本実施の形態における半導体装置の概略断面図である。本実施の形態における半導体装置は、電力変換器としての半導体素子１を備える。電力変換器は、電力を変換する機能を有する。電力変換器は、直流を交流にしたり、電圧の大きさを変換したりする機能を有する。半導体素子１は、たとえば、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどである。

本実施の形態における半導体装置は、冷媒流通手段としての冷媒流通管９を備える。冷媒流通管９は、内部に冷媒が流れるように形成されている。本実施の形態においては、液体の冷媒が用いられている。冷媒流通管９は、板状に形成されている。冷媒流通管９は、表裏の主表面を有する。

冷媒流通管９は、冷媒管２を含む。冷媒管２は、板状に形成されている。冷媒管２は、内部に冷媒が流れるように形成されている。冷媒管２は、表裏の主表面を有する。本実施の形態における冷媒管２は、Ｃｕで形成されている。冷媒管２としては、この形態に限られず、Ａｌなどの他の金属で形成されていても構わない。冷媒管２としては、熱伝導性の優れた材料で形成されていることが好ましい。

冷媒流通管９は、絶縁板としてのセラミック基板３を含む。セラミック基板３は、冷媒管２の表裏の主表面に、それぞれ配置されている。本実施の形態におけるセラミック基板３は、ＡｌＮで形成されている。絶縁板としては、この形態に限られず、Ａｌ₂Ｏ₃などの絶縁性を有する基板であれば構わない。絶縁板としては、熱伝導性の優れた材料で形成されていることが好ましい。

本実施の形態においては、セラミック基板３の表面に、導電層としての配線層４が形成されている。言い換えると、配線層４は、冷媒流通管９の表面に配置されている。配線層４は、冷媒流通管９の表裏の主面に配置されている。本実施の形態における配線層４は、Ｃｕで形成されている。導電層としては、配線層に限られず、導電性を有する部材が形成されていればよい。

半導体素子１は、配線層４の表面にはんだ１１を介して接合されている。半導体素子１は、互いに間隔をあけて配置されている。半導体素子１は、冷媒流通管９の表裏の主面に配置されている。配線層４は、半導体素子１同士を接続したり、半導体素子１と外部の電気回路とを接続したりするように形成されている。

本実施の形態における冷却器は、板状に形成された冷却板５を備える。本実施の形態における冷却板５は、金属で形成されている。冷却板５は、熱伝導性の優れた材料で形成されることが好ましい。冷却板５は、凹部５ａを有する。凹部５ａは、それぞれの半導体素子１が配置されている領域に対応するように形成されている。凹部５ａは、冷却板５の表面から凹むように形成されている。本実施の形態における凹部５ａは、断面形状がほぼコの字型になるように形成されている。

冷却板５は、半導体素子１に接続されている。本実施の形態における冷却板５は、凹部５ａがはんだ１１を介して半導体素子１に接合されている。

本実施の形態においては、冷媒管２の内部に冷媒を流すための冷媒供給装置を備える（図示せず）。冷媒供給装置は、矢印４１に示すように、冷媒管２の内部に冷媒を流すことができるように形成されている。

本実施の形態においては、冷却板５の凹部５ａに向かって冷媒を噴出するように形成された冷媒噴出手段として冷媒噴出装置を備える。冷媒噴出装置は、矢印４２に示すように、凹部５ａに向かって冷媒を噴出することができるように形成されている。本実施の形態においては、冷却板５の主表面に垂直な方向からそれぞれの凹部５ａに向かって、個別に冷媒を噴出することができるように形成されている。

図２は、本実施の形態における半導体装置の概略斜視図である。冷却板５は、表面に、複数の凹部５ａを有する。本実施の形態においては、１枚の冷却板５に、複数の半導体素子が接合されている。本実施の形態においては、１枚の冷却板５に、６個の半導体素子が接合されている。

半導体装置は、側方に配置され、外部の電気回路とを接合するための端子２１，２２を有する。端子２１，２２は、それぞれが平板状に形成されている。端子２１，２２は、主表面が冷却板５の主表面とほぼ平行になるように配置されている。冷却板５は、主表面が平面状に延びるように形成されている。

図１および図２を参照して、本実施の形態における半導体装置は、半導体素子１に接続される第１電極および第２電極を備える。第１電極は、冷却板５を含む。第２電極は、配線層４を含む。すなわち、冷却板５は、半導体素子１を冷却する機能の他に、半導体素子１の電極としての機能を有する。また、配線層４は、配線としての機能の他に、半導体素子１の電極としての機能を有する。この構成により、装置の小型化を図るとともに、装置の構成を簡略化することができる。本実施の形態における端子２１は、表裏のうち一方の冷却板５に接続されている。端子２２は、表裏のうち他方の冷却板５に接続されている。

図１を参照して、本実施の形態における半導体装置は、冷媒管２の内部を矢印４１に示すように冷媒が流れる。冷媒流通管９が、冷媒によって冷却される。半導体素子１は、配線層４を介して、冷媒流通管９に接合されている。このため、半導体素子１の一方の表面を冷却することができる。

さらに、冷却板５の凹部５ａには、矢印４２に示すように、冷媒が噴射される。半導体素子１の他方の表面は、冷却板５の凹部５ａにはんだ１１を介して接合されているため、半導体素子１の他方の表面を、いわゆる衝突噴流で冷却することができる。

本実施の形態においては、半導体素子１の一の表面に冷媒流通管９が接合され、一の表面と反対側の表面に、冷却板５が接合されている。このため、半導体素子１を表裏の両側から冷却を行なうことができる。また、半導体素子１の表面のうち、冷媒流通管９と反対側の表面においては、衝突噴流により冷却が行なわれる。このため、本発明における冷却器は、優れた冷却能力を有する。

また、本実施の形態においては、冷却板５に凹部５ａが形成され、凹部５ａに、半導体素子１がはんだ１１によって接合されている。凹部５ａは、半導体素子１の接合面とほぼ同じ大きさを有する。本実施の形態においては、半導体素子１の接合面よりも凹部５ａの接触面が小さくなるように凹部５ａが形成されている。

本実施の形態においては、冷却板に凹部が形成されているがこの形態に限られず、冷却板は、凹部を有さない平板であっても構わない。すなわち、冷却板は、表面に凹凸を有さない板であっても構わない。または、本実施の形態においては、凹部に向かって冷却水を噴出するように形成されているが、この形態に限られず、冷却板の凹部を避けた位置に半導体素子が接合されている場合には、半導体素子が接合されている平板状の領域に向かって冷却水を噴出するように形成されていても構わない。または、冷却器は、衝突噴流が半導体素子の接合されている領域を避けた領域に向かって噴出されるように形成されていても構わない。

冷却板が凹部を有さない平板である場合、または、凹部を避けた領域に半導体素子が接合されている場合には、半導体素子に冷却板をはんだによって接合するときに、はんだが冷却板の主表面に沿って広がって薄くなってしまう場合がある。はんだ層は外力を吸収する作用を有するが、はんだ層が薄くなることにより、後に外部から加わる応力に対してはんだ層が脆弱になってしまう場合がある。すなわち、はんだ層が薄くなることにより、接合強度が小さくなる場合がある。

本実施の形態における冷却器は、冷却板５の凹部５ａが半導体素子１に接合されているため、はんだ接合を行なうときに、はんだ１１が冷却板５に沿って流れることを抑制できる。このため、十分な厚さではんだ接合を行なうことができる。この結果、冷却板５と半導体素子１との接合強度を強くすることができる。また、はんだの剥離などを抑制することができ、確実に半導体素子から放熱板としての冷却板に熱伝達を行なうことができる。また、はんだ層を厚くすることができるため、外力の吸収機能を高めることができる。このように、冷却板に凹部が形成され、この凹部に半導体素子が接合されていることが好ましい。

本実施の形態における半導体装置は、冷媒流通管９の表裏の表面に半導体素子１が配置されている。それぞれの表裏の表面に配置された半導体素子１は、外側に冷却板５が接合されている。一の冷媒管２に対して、表裏に半導体素子１を配置することにより、半導体装置の小型化を図ることができる。半導体素子の配置においては、この形態に限られず、冷媒流通管の表裏のうちいずれかの表面に半導体素子が配置されていても構わない。

本実施の形態における半導体装置は、１枚の冷却板５に複数の半導体素子１が接合されている。この構成により、冷却板をそれぞれの半導体素子同士を接続する配線として用いることができる。また、冷却板５が半導体素子を跨ぐように配置されため、冷却板５の放熱面積が大きくなって、半導体素子の冷却効率が向上する。

また、半導体素子１に電気的に接続される冷却板が長手方向を有し、この長手方向に沿った向きに電流が流れる場合には、冷却板において所定のインダクタンスが生じる。すなわち、寄生インダクタンスが生じる。しかしながら、本実施の形態においては、冷却板を幅の広い形状にすることができ、寄生インダクタンスを小さくすることができる。さらに、図２を参照して、本実施の形態における端子２１，２２は、平板状に形成され、それぞれの端子の主表面が互いにほぼ平行になるように配置されている。端子２１，２２において、単独では自己寄生インダクタンスを生じるが、本実施の形態における端子２１，２２は互いに平行に配置され、流れる電流の向きが互いに逆向きになるために、寄生インダクタンスを抑制することができる。

また、本実施の形態における冷却板の凹部は、断面形状がほぼ四角形になるように形成されている。すなわち、凹部は断面形状がほぼコの字型になるように形成されている。凹部の形状としてはこの形態に限られず、任意の形態を採用することができる。

図３に、本実施の形態における他の凹部の拡大概略断面図を示す。冷却板１５は、平板状に形成されている。冷却板１５は、凹部１５ａを有する。凹部１５ａは、断面形状が円弧状になるように形成されている。凹部１５ａは、平面形状がほぼ円形になるように形成されている。すなわち、凹部１５ａは、球面の一部の形状を有する。凹部１５ａは、はんだ１２によって半導体素子１に接合されている。

このように、凹部の断面形状が円弧状に形成されていることによって、はんだ１２の外周部を厚くすることができる。冷却板１５に外力が加わったとき、はんだ１２に加わる応力は、はんだ１２の周辺部が最も大きくなる。しかし、はんだ１２の外周部が厚くなるこによって、外力をはんだ１２で効率よく吸収することができる。すなわち、はんだ１２の接合強度が向上して、接合の信頼性が向上する。

本実施の形態における冷媒流通手段としての冷媒流通管は、板状に形成されているが、この形態に限られず、任意の形状を採用することができる。また、本実施の形態においては、電力変換器として半導体素子が配置されているが、この形態に限られず、電力を変換する任意の機器を配置することができる。

また、本実施の形態においては、冷媒として液体が用いられているが、この形態に限られず、冷媒は気体であっても液体および気体の２相流であってもよい。

本実施の形態においては、冷却器の被冷却物として、大きな電力用の電力変換器を例に採り上げて説明したがこの形態に限られず、任意の被冷却物に本発明を適用することができる。たとえば、電力の小さな電力変換器の冷却器に本発明を適用することができる。

（実施の形態２）
図４および図５を参照して、本発明に基づく実施の形態２における電力変換器の冷却器について説明する。図４は、本実施の形態における半導体装置の上部の概略断面図である。本実施の形態においては、冷却板に向かって冷媒を噴出するための冷媒噴出手段について説明する。

本実施の形態における冷却器は冷媒噴出手段としての冷媒噴出装置を含む。本実施の形態における冷媒噴出装置は、中間部材７および蓋部材８を含む。中間部材７および蓋部材８は、冷却板６の上側に配置されている。

本実施の形態における冷却器は、冷却板６を備える。冷却板６は、凹部６ａを有する。凹部６ａは半導体素子１にはんだ１１によって接合されている。冷却板６は、周辺部に、壁部６ｂを有する。

図５に、本実施の形態における半導体装置の上部の概略分解斜視図を示す。図４および図５を参照して、壁部６ｂは、冷却板６の周縁に沿って枠型に形成されている。壁部６ｂは、冷却板６の主表面から立設するように形成されている。壁部６ｂの上面には、中間部材７が配置されている。

中間部材７は、板状に形成されている。中間部材７は、冷却板６を覆うように形成されている。中間部材７は、冷媒を凹部６ａに向かって噴出するための噴出穴７ａを有する。噴出穴７ａは、凹部６ａの真上に形成されている。中間部材７は、上側に向かって突出するように形成された排出管部７ｃを有する。排出管部７ｃは、管状に形成されている。排出管部７ｃは、中間部材７の板状の部分を貫通するように形成されている。

中間部材７は、外周の縁に沿って形成された壁部７ｂを有する。壁部７ｂは、中間部材７の板状部分の表面から立設するように形成されている。壁部７ｂは、中間部材７の板状部分の周縁に沿うように枠形に形成されている。壁部７ｂは冷却板６の壁部６ｂのほぼ上側に配置されている。中間部材７は、中間部材７と蓋部材８との間に冷媒を流入させるための入口部７ｄを有する。入口部７ｄは壁部７ｂの一部が切欠かれている。

中間部材７の上面には、蓋部材８が配置されている。蓋部材８は、中間部材７を覆うように形成されている。蓋部材８は、貫通穴８ａを有する。貫通穴８ａは、中間部材７の排出管部７ｃの位置に対応するように形成されている。貫通穴８ａは、排出管部７ｃと連通している。貫通穴８ａは、排出管部７ｃを通る冷媒が外側に排出されるように形成されている。

図４および図５を参照して、冷媒は、矢印４３に示すように、入口部７ｄから供給される。冷媒は、中間部材７と蓋部材８との間の空間に供給される。冷媒は、矢印４２に示すように、中間部材７の噴出穴７ａから凹部６ａに向かって噴出される。このように、凹部６ａは、衝突噴流により冷却される。凹部６ａを冷却した冷媒は、矢印４４，４５に示すように、排出管部７ｃおよび貫通穴８ａを通って、蓋部材８の外部に排出される。

このように、本実施の形態においては、簡易な構成で冷媒噴出手段を提供することができる。また、本実施の形態においては、薄型の冷媒噴出手段を提供することができる。

その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるのでここでは説明を繰返さない。

上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には、同一の符号を付している。また、上述の説明において、上または下などの記載は、鉛直方向の絶対的な上下方向を示すものではなく、それぞれの部位の位置関係を相対的に示すものである。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

実施の形態１における半導体装置の概略断面図である。 実施の形態１における半導体装置の概略斜視図である。 実施の形態１における他の凹部の拡大概略断面図である。 実施の形態２における半導体装置の概略断面図である。 実施の形態２における半導体装置の概略斜視図である。

符号の説明

１ 半導体素子、２ 冷媒管、３ セラミック基板、４ 配線層、５，６，１５ 冷却板、５ａ，６ａ，１５ａ 凹部、６ｂ，７ｂ 壁部、７ 中間部材、７ａ 噴出穴、７ｃ 排出管部、７ｄ 入口部、８ 蓋部材、８ａ 貫通穴、９ 冷媒流通管、１１，１２ はんだ、２１，２２ 端子、４１〜４５ 矢印。

Claims (7)

1. 電力変換器の冷却器であって、
   前記電力変換器の一の表面に接合され、内部に冷媒が流れるように形成された冷媒流通手段と、
   前記電力変換器の前記一の表面と反対側の表面に接合された冷却板と、
   前記冷却板に向かって冷媒を噴出するための冷媒噴出手段と
   を備える、冷却器。
2. 前記冷却板は、凹部を含み、
   前記冷却板は、前記凹部が前記電力変換器に接合され、
   前記冷媒噴出手段は、前記凹部に向かって冷媒を噴出するように形成された、請求項１に記載の冷却器。
3. 前記冷媒流通手段は、表裏の表面を有し、
   前記電力変換器は、前記冷媒流通手段の表裏の表面のそれぞれに配置された、請求項１または２に記載の冷却器。
4. 前記冷媒は、液体を含む、請求項１から３のいずれかに記載の冷却器。
5. 前記冷媒流通手段の表面に配置された導電層を備え、
   前記導電層を介して前記電力変換器が前記冷媒流通手段に固定され、
   前記冷却板は、前記電力変換器に電気的に接続される第１電極の機能を有し、
   前記導電層は、前記電力変換器に電気的に接続される第２電極の機能を有する、請求項１から４のいずれかに記載の冷却器。
6. 前記凹部は、はんだによって前記電力変換器に接合され、
   前記凹部は、断面形状が円弧状に形成された、請求項１から５のいずれかに記載の冷却器。
7. 一枚の前記冷却板に複数の前記電力変換器が接合された、請求項１から６のいずれかに記載の冷却器。

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