JP2008109131A - 内蔵式冷却システムを有する電力モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】熱的に効率が良く、半導体モジュールに完全に内蔵され、流体の汚染や漏れの問題を回避し、かつモジュールの取付け／交換を容易にする冷却システムを提供すること。
【解決手段】半導体モジュールは、くぼみを有するハウジングおよびくぼみ内に存在する少なくとも１つの半導体デバイスを備える。冷却システムは、ハウジング内に含まれており、ハウジング内に配設された誘電性流体およびハウジングを通って配設された流れ通路を備える。流れ通路は、流体を流すようにくぼみに結合されており、冷却システムは、流れ通路を通して少なくとも１つの半導体デバイス上へ誘電性流体を循環させるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に液冷の半導体モジュールに関し、より詳細には、電気自動車／ハイブリッド自動車の搭載用途に適する内蔵式冷却システムを有する電力モジュールに関する。

ある半導体デバイスは、動作中に過剰な熱を発生することが知られている。このことは、高出力電気回路内のスイッチまたは整流器として一般に利用される電力半導体デバイスに特に当てはまる。自動車の電気駆動モータに３相動作電力を供給するために、例えば電力インバータが電気自動車およびハイブリッド電気自動車に配置される。適切な機能を保証するために、電力インバータおよび他のそのようなデバイスは、一般に冷却されなければならない。したがって、そのような電力デバイスを収容する電力モジュールは、しばしば何らかの形で冷却システムを与えられる。例えば、従来型の冷却システムは、電力デバイスから熱を逃がすために、一般にコールドプレート（例えばヒートシンク）を使用する。ヒートシンクは、平坦面およびそこから延びる複数の突出部（「ピンフィン」）を有する金属体（例えばアルミニウム、銅など）を備えてよい。ヒートシンクの平坦面は、電力デバイスと熱接触に配置され（例えば電力デバイスを支持する基体に半田付けされ）、ピンフィンは、一般に空気または冷媒液体（例えばグリコール水）である冷却源にさらされる。装置の動作中に、熱は電力デバイスからピンフィンに伝導され、冷却源によって対流的に冷却される。

前述のタイプの簡単なヒートシンク冷却システムで実現する冷却は、電力デバイスの最適の冷却を下回る。電力デバイスからコールドプレートへの伝導性熱伝達は、一般に、冷媒流体が物理的に電力デバイスと接触する直接接触冷却法ほど効果的ではない。また、冷媒流体が利用される場合、冷媒貯留によって熱放散がさらに低減され得る。これらの制限は、電力デバイスの上方へ、または電力デバイス上へ冷媒流体を循環させるためにポンプを利用する直接接触の能動的冷却システムの使用により緩和され得る。これらのシステムの中で最も効果的なのは、一般に、電力デバイス最上部に最も近く電気部品（例えばスイッチ、ダイオードなど）上へ、誘電性の冷媒を直接向けるものである。しかし、直接接触の能動的冷却システムも、ある点で制限されている。そのような冷却システムは、使用するのに比較的複雑で高くつく傾向がある。さらに、そのような冷却システムは一般に内蔵式でなく、したがって部品間で多数の相互接続を必要とする。このことで、そのような冷却システムを使用する電力モジュールの取付け／交換がより困難になり、また、冷媒流体の汚染や漏れの問題に繋がる恐れもある。

したがって、熱的に効率が良く、半導体モジュールに完全に内蔵され、流体の汚染や漏れの問題を回避し、かつモジュールの取付け／交換を容易にする冷却システムを提供することが望ましいと理解されるべきである。そのような冷却システムが、複雑さが緩和され、製作するのに比較的廉価であれば有利なことがさらに理解されるべきである。その上、本発明の他の望ましい特徴および特性が、添付図面ならびに上記の技術分野および背景技術と共に理解され、後続の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。

半導体モジュールは、くぼみを有するハウジングおよびくぼみ内に存在する少なくとも１つの半導体デバイスを備える。冷却システムは、ハウジング内に含まれており、ハウジング内に配設された誘電性流体およびハウジングを通って配設された流れ通路を備える。流れ通路は、流体を流すようにくぼみに結合されており、冷却システムは、流れ通路を通して少なくとも１つの半導体デバイス上へ誘電性流体を循環させるように構成される。

本発明は、次に示す図と共に以下で説明されることになり、同じ番号は同じ要素を示す。

以下の詳細な説明は、本来単なる例示であり、本発明または本発明の用途および使用状態を限定するようには意図されていない。その上、先の技術分野、背景技術、課題を解決するための手段または以下の詳細な説明で提示されたいかなる表現された理論または暗示された理論によっても束縛を受けるような意図はない。

図１は、本発明の例示の実施形態による半導体モジュール２０の第１の断面図であり、図２は、図１の線２−２に沿って得られたモジュール２０の第２の断面図である。半導体モジュール２０は、電力モジュール（例えば電気自動車またはハイブリッド自動車上への配置に適するインバータモジュール）でよく、したがって、本明細書ではそのように見なされることになる。電力モジュール２０はハウジング２２を備え、そしてハウジング２２はモジュールカバー２４および基部２６を備える。基部２６は、例えばコールドプレートを備えてよい。用語コールドプレートは、その最も広い意味で本明細書に使用され、モジュール２０から熱を取り除くのに適したあらゆるデバイス（例えばヒートシンク）を包含する。カバー２４は適当なプラスチックから成型されてよく、コールドプレート２６はアルミニウムまたは銅など熱伝導性の金属から構成されてよい。カバー２４は内側面２８を含み、コールドプレート２６は支持面３０を含む。カバー２４は、内側面２８と支持面３０が協同してハウジング２２内にくぼみ３２を画定するように、コールドプレート２６に密閉して結合される。当業者によって理解されるように、カバー２４は、様々なやり方でコールドプレート２６に密閉して結合されてよい。例えば、カバー２４は、接着剤または複数の締結具によってコールドプレート２６に結合されてよい。あるいは、カバー２４は、支持面３０を固定する複数の機械的固定機構を含むように成型されてよく、または、カバー２４がコールドプレート２６上に簡単に直接成型されてもよい。締結具または機械的固定機構が利用される場合、カバー２４とコールドプレート２６の間に気密封止が形成されることを確実にするために、エラストマーＯリング（図示せず）が内側面２８と支持面３０の間に配設されてよい。

１つまたは複数の半導体デバイス３４（例えばインバータなどの電力デバイス）が、くぼみ３２内に配設され、コールドプレート２６の支持面３０に結合される。具体的には、電力デバイス３４は、基体３６によって支持され、基体３６に固定して結合される。基体３６は直接接着された銅基体（例えば銅で被覆された酸化アルミニウムまたはセラミックの基体）でよく、電力デバイス３４が基体３６に半田付けされてよいが、他の基体および取付け手段が利用されてもよいと理解されたい。基体３６は支持面３０に結合され（例えば半田付けされ）、それによって電力デバイス３４をコールドプレート２６と熱伝導状態に配置する。

半導体モジュール２０の動作中に、電力デバイス３４によって熱が発生される。具体的には、電力デバイス３４に使用された電気部品（例えば電力スイッチ、ダイオードなど）およびワイヤボンディングによって熱が生成される。したがって、ハウジング２２内に冷却システムが配置され、冷媒流体３８を、ハウジング２２を通して、電力デバイス３４の上方へ、または電力デバイス３４上へ、能動的に循環させることにより、電力デバイス３４によって生成された熱を放散する。以下でより詳細に説明されるように、冷却システムは、好ましくは、電力デバイス３４の天面上に１つまたは複数の流体の流れあるいは冷媒流体の噴霧を直接向けて、電気部品およびワイヤボンディングを直接冷却し、したがって対流熱放散を最大限にする。

冷媒流体３８は、好ましくは誘電性の液体である。選択された特定の誘電性の液体は、デバイス、化学的性質および用途次第のはずであることが当業者には明白であろう。適当な誘電性の液体は、過フッ化炭化水素、シリコン油およびポリアルファオレフィンを含んでよいが、これに限定されるものではない。冷媒流体３８は、くぼみ３２内に配設されて支持面３０および内側面２８によって全体的に画定される冷媒流体リザーバ３７内に集まる。図示のように、リザーバ３７は、１つまたは複数の電力デバイス３４を、部分的にまたは完全に包んでよいが、冷媒流体リザーバ３７内に含まれた流体が電力デバイス３４のいずれかの部分と接触することは決して必要ではないことを理解されたい。実際、電力デバイス３４の上部表面が、その上に冷媒流体３８の直接衝突が可能になるようにさらされることは好ましいことであり得る。他の実施形態では、電力デバイス３４は冷媒流体３８に完全に沈められてよく、冷媒流体３８がくぼみ３２を実質的に充填してよい。このタイプの実施形態は、電力デバイス３４が流体３８に完全には沈められない実施形態に対して、ある利点を提供し得る。これらの利点は、伝熱能力の改善および／またはデバイスの方向性に対する感受性の低下、例えば、モジュール２０が傾斜したとき、またはモジュール２０が重力加速度を受けたとき、半導体モジュール２０内に配設されたポンプ（例えば以下で説明されるポンプ４２）が気体を吸い込む可能性の低下を含むがこれに限定されるものではない。

例示の実施形態では、コールドプレート２６は、支持面３０を含む本体部分３９を有するヒートシンクを備える。複数の突出部（「ピンフィン」）４０が本体部分３９に（例えば一体化して）結合され、そこから実質的に支持面３０の反対方向に延びる。ピンフィン４０は、コールドプレート２６の下部部分の表面積を増加し、したがってコールドプレート２６の対流冷却を助長する。ピンフィン４０は、周知のやり方で冷却源にさらされる。例えば、ピンフィン４０は空気源にさらされてよいが、空気源がファン（図示せず）によってピンフィン４０の上に向けられてもよい。あるいは、ピンフィン４０は、第２の液冷却媒体（例えばグリコール水）にさらされてよい。このように、コールドプレート２６は、基体３６と協同して伝導性の熱放散経路を形成する。すなわち、電力デバイス３４によって発生された過剰な熱は、基体３６に伝導的に吸収され、本体部分３９を通ってピンフィン４０内へ移動する。ピンフィン４０に加えられた冷却源は、次いで対流的に過剰熱を放散し、それによってコールドプレート２６を冷却する。

前述のように、冷媒流体３８は、電力モジュール２０内に含まれる冷却システムによって、ハウジング２２を通って能動的に循環される。この冷却システムは、流入口および少なくとも１つの流出口を有してハウジング２２を通る流れ通路４１（図１）を備える。その上、冷却システムは、流れ通路４１に流体を流すように結合されたポンプ４２（図１）をさらに備えてよい。図示の実施形態では、流れ通路４１は、支持面３０を貫通して配設されたリザーバ流入口４４および内側面２８を貫通して配設された複数の衝突流出口４６を含む。衝突流出口４６は、好ましくは、循環する冷媒流体３８を電力デバイス３４の天面上へ向けるように配置され、例えば図１および図２に示されるように、衝突流出口４６の各々が別個の電力デバイス３４の上に実質的に配設されてよい。衝突流出口４６は、電力デバイス３４上に流体３８を向けるのに適したあらゆる形状を想定してよい。例えば、衝突流出口４６は、各々がカバー２４の内側面２８を貫通して作られた１つまたは複数の穴の形をしてよい。しかし、衝突流出口４６は、好ましくは、各々が、冷媒流体の流れを作るように構成された流体流れジェット（図示されている）あるいは細かいミストまたは噴霧ミストを生成するように構成された噴射ノズルを備える。特別なモジュールは、所望の性能特性次第で、流体流れジェット、噴射ノズルまたはジェットとノズルの組合せを使用してよい。流体流れジェットに比べて、噴射ノズルは、より効率的な熱冷却をもたらす傾向がある。反対に、流体流れジェットは、冷媒流体の品質を維持するのを支援し、ポンプ４２が低圧の種類でよいようにでき、それによってシステムのコストを低減し、システムの信頼性を向上させる。

図１および図２には流れ通路が１つしか示されていないが、本発明の半導体モジュールのある実施形態では、複数（例えば２つ）の流れ通路を含んでよいことを理解されたい。１つまたは複数の流れ通路は、好ましくは、基体およびコールドプレートを通って設けられた伝導性の熱経路への直接暴露を実質的に回避するように、コールドプレートの周辺部分を通って形成される。その上、コールドプレートを通って形成される１つまたは複数の流れ通路の部分は、流れ通路の長さを増加し、したがって冷媒流体からコールドプレートまで伝熱を最大限にするために、様々な形状および構成（例えば蛇行または格子の構成）を想定してよいことが当業者には理解されるであろう。

例示のモジュール２０をさらに参照すると、流れ通路４１は、コールドプレート２６を通って形成された第１の流れ通路部分４８、およびカバー２４（例えばカバー２４の最上部）を通って形成された第２の流れ通路部分５０の２つの流れ通路部分を備える。第１の流れ通路部分４８はリザーバ流入口４４を含み、第２の部分５０は複数の衝突流出口４６を含む。ポンプ４２はハウジング２２内に配設され、第１の流れ通路部分４８と第２の流れ通路部分５０の間で流体を流すように結合される。例えば、ポンプ４２は、カバー２４の周辺部分４３（図１）内に存在し、流れ通路４８の流出口５２と流れ通路５０の流入口５４の間で流体を流すように結合されてよい。起動されたとき、ポンプ４２は、冷媒流体３８を、流れ通路４１を通して電力デバイス３４の上に循環させる。より詳細には、冷媒流体３８は、ポンプ４２の影響下で、最初にリザーバ３７から流れ通路部分４８のリザーバ流入口４４の中へ引き込まれる。次いで、冷媒流体３８は、流れ通路部分４８を通ってポンプ４２内へ流れ込む。次に、ポンプ４２は流れ通路部分５０へ冷媒流体３８を放出する。放出された冷媒流体３８は、流れ通路部分５０を通って衝突流出口４６に達するまで流れ、次いで、この流出口が、電力デバイス３４上へ冷媒流体３８を向ける。電力デバイス３４の上部表面に当たった後、冷媒流体３８は冷媒リザーバ３７へ戻り、このサイクルが繰り返される。

冷媒流体３８が電力デバイス３４の上部表面に当たるとき、熱がデバイス３４から流体３８に伝達され、したがって対流による熱放散経路をもたらす。これはデバイス３４から冷媒流体３８への熱伝達をもたらす。冷媒流体３８は熱された状態で冷媒流体リザーバ３７に流れ込み、最終的にはリザーバ流入口４４に引き込まれる。熱された冷媒流体３８が流れ通路部分４８を通って流れるとき、コールドプレート２６は、前述のようなやり方で流体３８を冷却する。図１に示されたように、流れ通路部分４８は、好ましくはコールドプレート２６のほとんどの長さにおよび、熱放散を最大限にする。その上、図２に示されたように、流れ通路部分４８の幅は、好ましくはコールドプレート２６の幅よりかなり狭く、前述の伝導経路に沿った熱放散を増加する。

上記の説明から、モジュール２０に、前述の伝導冷却経路（すなわちデバイス３４、基体３６、本体部分３９およびピンフィン４０の最下部を通るもの）、および対流冷却経路（すなわちデバイス３４、循環される冷媒流体３８およびピンフィン４０の最上部を通るもの）の、２つの別個の熱放散経路が設けられていることが推論されるべきである。このようにして、電力エレクトロニクス・デバイス３４の冷却が実質的に向上される。さらに、個別の熱放散経路が冗長性をもたらし、このことが対流冷却経路内の故障（例えばポンプ４２の故障、流れ通路４１の閉塞など）の場合には電力モジュール２０の継続運転を可能にし得る。

上記の点から見て、熱的に効率が良く、完全に半導体モジュールに収容された冷却システムが提供されたことを理解されたい。この冷却システムは、複雑さが緩和され、製作するのに比較的廉価であることをさらに理解されたい。上記の詳細な説明で少なくとも１つの例示の実施形態が示されたが、多数の変形形態が存在することを理解されたい。１つまたは複数の例示の実施形態が単なる例であり、本発明の範囲、適用可能性または構成を限定するようには少しも意図されていないことも理解されたい。むしろ、上記の詳細な説明は、当業者に、１つまたは複数の例示の実施形態を実施するための都合のよいロードマップを提供するであろう。添付の特許請求の範囲およびその法的等価物で明らかにされた本発明の範囲から逸脱することなく、要素の機能および配置において様々な変更が加えられ得ることを理解されたい。

本発明の例示の実施形態による半導体モジュールの第１の断面図である。 図１に示された半導体モジュールの、線２−２に沿って得られた第２の断面図である。

符号の説明

２０ 半導体モジュール
２２ ハウジング
２４ モジュールカバー
２６ 基部、コールドプレート
２８ 内側面
３０ 支持面
３２ くぼみ
３４ 電力デバイス
３６ 基板
３７ 冷媒流体リザーバ
３８ 冷媒流体
３９ 本体部分
４０ 突出部、ピンフィン
４１ 流れ通路
４２ ポンプ
４４ リザーバ流入口
４６ 衝突流出口
４８ 第１の流れ通路部分
５０ 第２の流れ通路部分
５２ 流出口
５４ 流入口

Claims (20)

1. くぼみを有するハウジングと、
   前記くぼみ内に存在する少なくとも１つの半導体デバイスと、
   前記ハウジング内に含まれる冷却システムとを備え、前記冷却システムが、
   前記ハウジングを通り、前記くぼみに流体を流すように結合された流れ通路と、
   前記ハウジング内に配設された誘電性流体とを備え、前記冷却システムが、前記誘電性流体を、前記流れ通路を通して前記少なくとも１つの半導体デバイス上に循環させるように構成される半導体モジュール。
2. 前記ハウジングが、
   カバーと、
   前記カバーに密閉して結合されたコールドプレートとを備える請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記コールドプレートがヒートシンクである請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記流れ通路が前記カバーおよび前記コールドプレートを通って延びる請求項２に記載の半導体モジュール。
5. 前記流れ通路が、前記コールドプレート内に形成された流入口と、前記カバー内に形成された少なくとも１つの流出口とを含む請求項４に記載の半導体モジュール。
6. 前記少なくとも１つの流出口が、前記少なくとも１つの半導体デバイス上に水流を伝えるように構成されたジェットを備える請求項５に記載の半導体モジュール。
7. 前記少なくとも１つの半導体デバイスが複数の半導体デバイスを備え、前記少なくとも１つの流出口が、前記複数の半導体デバイスの個別の１つの上に前記誘電性流体を導くように前記カバー内に形成された複数の流出口を備える請求項５に記載の半導体モジュール。
8. 前記冷却システムが、前記流れ通路と流体連接であるポンプを備える請求項１に記載の半導体モジュール。
9. 前記ポンプが実質的に前記カバー内に配設される請求項８に記載の半導体モジュール。
10. 前記冷却システムが、前記少なくとも１つの半導体デバイスの上部表面に前記誘電性流体を直接当てるように構成される請求項１に記載の半導体モジュール。
11. 前記少なくとも１つの半導体デバイスを支持し、前記コールドプレートに結合される基体をさらに備える請求項１に記載の半導体モジュール。
12. 内側面を有するカバーおよび支持面を有するコールドプレートを備えるハウジングであって、前記コールドプレートが、前記カバーに密閉して結合され、前記誘電性流体を受け取るように構成された前記ハウジング内にくぼみを画定するハウジングと、
    前記カバーおよび前記コールドプレートを通って形成され、前記支持面を通って配設された流入口および前記内側面を通って配設された流出口を含む流れ通路と、
    前記くぼみ内に存在し、前記支持面に結合された少なくとも１つの電力デバイスと、
    前記ハウジング内に配設され、前記流れ通路と流体連接であり、前記誘電性流体を、前記流れ通路を通して前記少なくとも１つの電力デバイス上に循環させるように構成されたポンプとを備え、前記誘電性流体をその内部で循環させるように構成される電力モジュール。
13. 前記流出口が、実質的に前記少なくとも１つの電力デバイスの上に配設される請求項１２に記載の電力モジュール。
14. 前記流れ通路が前記コールドプレートの周辺部分を通って形成される請求項１２に記載の電力モジュール。
15. 前記コールドプレートが、前記支持面と実質的に反対方向に延びる複数のピンフィンを有するヒートシンクを備える請求項１２に記載の電力モジュール。
16. 前記カバーが、
    前記ポンプが実質的にその内部に存在する周辺部分と、
    前記周辺部分に結合され、前記流出口がその内部に形成された最上部とを備える請求項１２に記載の電力モジュール。
17. 前記流れ通路の第１の部分が前記コールドプレートを通り、実質的にＵ字型である請求項１２に記載の電力モジュール。
18. 前記くぼみ内に冷媒流体リザーバをさらに備える請求項１７に記載の電力モジュール。
19. 前記流れ通路の前記第１の部分が、前記リザーバと前記ポンプの間に流体を流すように結合される請求項１８に記載の電力モジュール。
20. カバーであって、衝突流出口を含んで前記カバーを通る第１の流れ通路を有するカバーと、
    前記カバーに密閉して結合され、くぼみを形成するコールドプレートであって、前記コールドプレートを通り、リザーバ流入口を含む第２の流れ通路を有するコールドプレートと、
    前記くぼみ内に存在し、前記コールドプレートに結合され、実質的に前記衝突流出口の下に配設された少なくとも１つの電力デバイスと、
    前記くぼみ内に配設された誘電性流体と、
    実質的に前記カバー内に存在し、前記第１の流れ通路と前記第２の流れ通路の間に流体を流すように結合されたポンプとを備え、前記ポンプが、前記リザーバ流入口を通して前記誘電性流体を引き込み、前記第１および第２の流れ通路を通して前記誘電性流体を導き、かつ前記衝突流出口を通して前記少なくとも１つの電力デバイス上に前記誘電性流体を分配するように構成される電力モジュール。

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