JP2009182312A - 半導体冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールと冷却管との間の熱抵抗のばらつきを抑制した冷却効率に優れた半導体冷却構造を提供すること。
【解決手段】冷却媒体を内部に流通させる一対の冷却管３の間に、半導体素子を内蔵した半導体モジュール２を複数個、互いの間に間隙部１１を設けながら並列配置してなる半導体冷却構造１。一対の冷却管３を半導体モジュール２に押圧するための挟圧手段４が、各半導体モジュール２ごとに個別に配設してある。一対の冷却管３のうちの少なくとも一方は、隣り合う半導体モジュール２の間の間隙部１１に対向する部分に、挟圧手段４の加圧力によって変形可能な可変形部３１を設けてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールの両面に冷却管を配置した半導体冷却構造に関する。

半導体素子を内蔵した半導体モジュールを一対の冷却管の間に複数個並列配置した半導体冷却構造がある（特許文献１）。この半導体冷却構造においては、複数の冷却管を積層配置すると共に、隣り合う冷却管の間に半導体モジュールを２個ずつ並列配置している。また、積層配置された冷却管と半導体モジュールとは、積層方向の両端に配置される一対の押圧板によって積層方向に押圧されることにより、互いに加圧された状態で密着するよう構成されている。

特開２００４−２１４６２３号公報（図１０）

しかしながら、上記の構成では、隣り合う一対の冷却管の間に並列配置された複数の半導体モジュールの間に厚みの差が生じている場合、これらの半導体モジュールのすべてに対して同じような加圧力にて冷却管を密着させることが困難となる。
その結果、半導体モジュールと冷却管との間の熱抵抗にばらつきが生じ、複数の半導体モジュールを充分に冷却することが困難となるおそれがある。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、半導体モジュールと冷却管との間の熱抵抗のばらつきを抑制した冷却効率に優れた半導体冷却構造を提供しようとするものである。

本発明は、冷却媒体を内部に流通させる一対の冷却管の間に、半導体素子を内蔵した半導体モジュールを複数個、互いの間に間隙部を設けながら並列配置してなる半導体冷却構造であって、
上記一対の冷却管を上記半導体モジュールに押圧するための挟圧手段が、各上記半導体モジュールごとに個別に配設してあり、
上記一対の冷却管のうちの少なくとも一方は、隣り合う上記半導体モジュールの間の上記間隙部に対向する部分に、上記挟圧手段の加圧力によって変形可能な可変形部を設けてなることを特徴とする半導体冷却構造にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記半導体冷却構造においては、上記挟圧手段が、各上記半導体モジュールごとに個別に配設してある。そして、一対の冷却管のうちの少なくとも一方は、隣り合う上記半導体モジュールの間の上記間隙部に対向する部分に、上記可変形部を設けてなる。これにより、一対の冷却管の間に配置された複数の半導体モジュールが互いの厚みに差を生じていても、これらの半導体モジュールに対して同等の加圧力にて冷却管を密着させることができる。

すなわち、上記冷却管が上記可変形部を設けていることによって、可変形部の両側の部分は、互いに拘束されることなく各半導体モジュール側へ個別に移動することが可能となる。そして、各半導体モジュールに対応して設けられた個々の上記挟圧手段によって、冷却管における各半導体モジュールに対向配置された部分を、個別に半導体モジュールに向かって押圧することができる。その結果、冷却管における各半導体モジュールに対向する部分は、半導体モジュールの厚みに差が生じていても、それぞれの半導体モジュールに対して充分な押圧力にて密着させ、半導体モジュールと冷却管との間の熱抵抗を充分に低減することができる。
それゆえ、半導体モジュールに厚みばらつきが生じていても、半導体モジュールごとに冷却ばらつきが生じることを抑制し、冷却効率を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、半導体モジュールと冷却管との間の熱抵抗のばらつきを抑制した冷却効率に優れた半導体冷却構造を提供することができる。

本発明において、上記半導体モジュールは、上記半導体素子を１個内蔵していてもよいし、複数個内蔵していてもよい。
また、上記半導体冷却構造は、たとえば、インバータ等の電力変換装置の一部を構成する構造とすることができる。
また、上記可変形部は、上記一対の冷却管の一方のみに形成されていてもよく、双方に形成されていてもよい。

また、上記可変形部は、塑性変形可能に構成されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記挟圧部材の加圧力によって、冷却管を充分に半導体モジュールへ押圧することができる。すなわち、上記可変形部が弾性変形する場合には、上記挟圧部材の加圧力に対する反力が作用する。それゆえ、冷却管と半導体モジュールとの間の加圧力を充分に確保するためには、その反力を考慮して挟圧部材の加圧力を大きくする必要がある。これに対して、上記可変形部が塑性変形可能であれば、上記挟圧部材の加圧力は比較的小さくしても、充分に冷却管と半導体モジュールとの間の押圧力を確保することができる。

また、上記冷却管は、上記半導体モジュールを密着配置させた部分における冷媒流路にインナーフィンを設け、上記可変形部における冷媒流路には上記インナーフィンを設けていないことが好ましい（請求項３）。
この場合には、冷却媒体の圧力損失を抑制しつつ、半導体モジュールの冷却効率を向上させることができる。また、上記インナーフィンが可変形部の変形を妨げることもない。

また、上記可変形部は、上記冷却管における他の部位よりも変形しやすい部位であることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記可変形部において局部的に、すなわち冷却管における隣り合う半導体モジュールの間の間隙部に対向する部分において局部的に冷却管を変形させやすくなる。それゆえ、その他の部位における余分な変形を防ぐことができる。

また、上記可変形部は、蛇腹形状を有していることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記可変形部を容易に変形しやすくすることができる。また、冷却管の内部を流れる冷却媒体が、上記可変形部の内側において、その流れに乱れを生じることとなる。その結果、冷却媒体が流れ方向に直交する方向に混合され、その下流側における冷媒流路内の温度分布を抑制することができ、半導体モジュールの冷却効率を向上させることができる。

（実施例１）
本発明の実施例に係る半導体冷却構造につき、図１〜図３を用いて説明する。
本例の半導体冷却構造１は、冷却媒体を内部に流通させる一対の冷却管３の間に、半導体素子２１を内蔵した半導体モジュール２を複数個、互いの間に間隙部１１を設けながら並列配置してなる。

そして、図１に示すごとく、上記一対の冷却管２１を半導体モジュール２に押圧するための挟圧手段４が、各半導体モジュール２ごとに個別に配設してある。なお、図２、図３においては、挟圧手段４の記載を省略してある。
一対の冷却管３のうちの少なくとも一方は、隣り合う半導体モジュール２の間の間隙部１１に対向する部分に、挟圧手段４の加圧力によって変形可能な可変形部３１を設けてなる。

可変形部３１は、塑性変形可能に構成されている。すなわち、冷却管３のうち少なくとも可変形部３１は、塑性材料によって構成されている。
また、冷却管３は、図２、図３に示すごとく、半導体モジュール２を密着配置させた部分における冷媒流路にインナーフィン３２を設けている。一方、可変形部３１における冷媒流路にはインナーフィン３２を設けていない。これにより、可変形部３１は、冷却管３における他の部位よりも変形しやすい部位となる。

図３に示すごとく、冷却管３は、例えばアルミニウム等の熱伝導性の高い金属板を加工することによって形成された一対の外殻部３３を重ね合わせることにより形成されている。そして、一対の外殻部３３の内側に、同じく例えばアルミニウム等の熱伝導性の高い金属板を加工することによって波型に形成されたインナーフィン３２が、部分的に配設されている。この波型のインナーフィン３２は、一対の外殻部３３の双方に対して内側から当接した状態で配設されている。これにより、冷却管３のうち、インナーフィン３２を設けた部分の強度を向上させている。そして、上記のごとく、インナーフィン３２は、可変形部３１以外の部分に設けているため（図２参照）、可変形部３１は、冷却管３における他の部位よりも変形しやすい部位となる。

図１に示すごとく、挟圧手段４は、冷却管３における半導体モジュール２と反対側の面に配された一対の押圧板４１と、一対の押圧板４１をその端部において貫通する複数のスルーボルト４２と、該スルーボルト４２に螺合するナット４３とからなる。そして、挟圧手段４は、スルーボルト４２とナット４３とによって、一対の押圧板４１を互いに近づける方向に締め付けることによって、一対の冷却管３を半導体モジュール２に押圧させる。

このようにして、複数の半導体モジュール２に対してそれぞれ設けられた複数の挟圧手段４によって、それぞれの半導体モジュール２に冷却管３を押圧して密着させる。このとき、各半導体モジュール２への冷却管３の加圧力は、複数の半導体モジュール２において均等になるようにする。すなわち、上記複数の挟圧手段の加圧力を同等にする。

なお、図３に示すごとく、半導体モジュール２は、半導体素子２１と、該半導体素子２１の両主面に半田２２を介して接合された放熱板２３とを樹脂によってモールドしてある。一対の放熱板２３は、一対の電極端子２４にそれぞれ電気的に接続されていると共に、半導体モジュール２の両主面に露出している。電極端子２４は、半導体モジュール２における一方の端面から突出しており、その反対側の端面からは、半導体素子２１を制御する制御回路に接続するための信号端子２５が突出している。

半導体モジュール２と冷却管３との間には、熱伝導性に優れた絶縁材１２が介在している。すなわち、半導体モジュール２の主面には、電極端子２４に電気的に接続された放熱板２３が露出しているため、この放熱板２３と冷却管３との間の電気的絶縁を確保すべく、上記絶縁材１２が介設されている。

また、図１に示すごとく、一対の冷却管３は、長手方向の両端部において、互いの冷媒流路を連結する連結管３４によって互いに連結されている。そして、一方の冷却管３における長手方向の両端部には、冷却媒体を導入する冷媒導入管３５１と、冷却媒体を排出する冷媒排出管３５２とがそれぞれ配設されている。連結管３４は、例えば蛇腹パイプ状とするなど、一対の冷却管３の積層方向に伸縮可能に構成されている。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記半導体冷却構造１においては、挟圧手段４が、各半導体モジュール２ごとに個別に配設してある。そして、一対の冷却管３のうちの少なくとも一方は、隣り合う半導体モジュール２の間の間隙部１１に対向する部分に、可変形部３１を設けてなる。これにより、一対の冷却管３の間に配置された複数の半導体モジュール２が互いの厚みに差を生じていても、これらの半導体モジュール２に対して同等の加圧力にて冷却管３を密着させることができる。

すなわち、冷却管３が可変形部３１を設けていることによって、可変形部３１の両側の部分は、互いに拘束されることなく各半導体モジュール２側へ個別に移動することが可能となる。そして、各半導体モジュール２に対応して設けられた個々の挟圧手段４によって、冷却管３における各半導体モジュール２に対向配置された部分を、個別に半導体モジュール２に向かって押圧することができる。その結果、冷却管３における各半導体モジュール２に対向する部分は、半導体モジュール２の厚みに差が生じていても、それぞれの半導体モジュール２に対して充分な押圧力にて密着させ、半導体モジュール２と冷却管３との間の熱抵抗を充分に低減することができる。
それゆえ、半導体モジュール２に厚みばらつきが生じていても、半導体モジュール２ごとに冷却ばらつきが生じることを抑制し、冷却効率を向上させることができる。

また、可変形部３１は、塑性変形可能に構成されているため、挟圧部材４の加圧力によって、冷却管３を充分に半導体モジュール２へ押圧することができる。すなわち、可変形部３１が弾性変形する場合には、挟圧部材４の加圧力に対する反力が作用する。それゆえ、冷却管３１と半導体モジュール２との間の加圧力を充分に確保するためには、その反力を考慮して挟圧部材４の加圧力を大きくする必要がある。これに対して、可変形部３１が塑性変形可能であれば、挟圧部材４の加圧力は比較的小さくしても、充分に冷却管３と半導体モジュール２との間の押圧力を確保することができる。

また、冷却管３は、半導体モジュール２を密着配置させた部分における冷媒流路にインナーフィン３２を設け、可変形部３１における冷媒流路にはインナーフィン３２を設けていない。これにより、冷却媒体の圧力損失を抑制しつつ、半導体モジュール２の冷却効率を向上させることができる。また、インナーフィン３２が可変形部３１の変形を妨げることもない。

また、可変形部３１は、冷却管３における他の部位よりも変形しやすいため、可変形部３１において局部的に、すなわち冷却管３における隣り合う半導体モジュール２の間の間隙部１１に対向する部分において局部的に冷却管３を変形させやすくなる。それゆえ、その他の部位における余分な変形を防ぐことができる。

以上のごとく、本例によれば、半導体モジュールと冷却管との間の熱抵抗のばらつきを抑制した冷却効率に優れた半導体冷却構造を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図４に示すごとく、可変形部３１を蛇腹形状とした例である。
すなわち、冷却管３における可変形部３１となる部分において、外殻管３３（図３参照）を波型に形成してある。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、可変形部３１を容易に変形しやすくすることができる。また、冷却管３の内部を流れる冷却媒体が、可変形部３１の内側において、その流れに乱れを生じることとなる。その結果、冷却媒体が流れ方向に直交する方向に混合され、その下流側における冷媒流路内の温度分布を抑制することができ、半導体モジュール２の冷却効率を向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図５に示すごとく、バネ部材４４を有する挟圧手段４を用いた半導体冷却構造１の例である。
すなわち、各挟圧手段４の一対の押圧板４１における半導体モジュール２側とは反対側の面に、バネ部材４４を配置すると共に、該バネ部材４４を、押圧板４１との間に挟み込む支承板４５を配設する。そして、この支承板４５と一対の押圧板４１とを貫通するように、スルーボルト４２が設けられ、ナット４３に螺合している。

具体的には、支承板４５、バネ部材４４、押圧板４１、冷却管３、半導体モジュール２、冷却管３、押圧板４１の順で積層された状態とし、これらの積層方向の両端に配される支承板４５と押圧板４１とを、複数のスルーボルト４２及びナット４３によって挟み込んでいる。
上記バネ部材４４は、板バネからなり、上記積層方向に広がる方向の付勢力を付与された状態で、支承板４５と押圧板４１との間に介設されている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、上記バネ部材４４の付勢力によって、冷却管３を半導体モジュール２に押圧することができる。それゆえ、冷却管３と半導体モジュール２との間の加圧力を調整しやすく、複数の半導体モジュール２に対する冷却管３の加圧力のばらつきを、一層低減することができ、熱抵抗のばらつきを一層抑制することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

上記各実施例においては、一対の冷却管３の間に３個の半導体モジュール２を配置した例を示したが、一対の冷却管３の間に配置する半導体モジュール２は、２個であってもよいし、４個以上であってもよい。
なお、上記可変形部３１は、一対の冷却管３の一方のみに形成されていてもよく、双方に形成されていてもよい。
また、可変形部３１は、構造的に他の部位よりも変形しやすくすることができる他、例えば、他の部位よりも板厚を薄くしたり、他の部位よりも変形しやすい材料を用いたりすることにより、変形しやすくすることもできる。

実施例１における、半導体冷却構造の平面説明図。 実施例１における、半導体冷却構造の正面説明図。 実施例１における、半導体冷却構造の断面説明図。 実施例２における、半導体冷却構造の正面説明図。 実施例３における、半導体冷却構造の平面説明図。

符号の説明

１ 半導体冷却構造
１１ 間隙部
２ 半導体モジュール
２１ 半導体素子
３ 冷却管
３１ 可変形部
４ 挟圧手段

Claims (5)

1. 冷却媒体を内部に流通させる一対の冷却管の間に、半導体素子を内蔵した半導体モジュールを複数個、互いの間に間隙部を設けながら並列配置してなる半導体冷却構造であって、
   上記一対の冷却管を上記半導体モジュールに押圧するための挟圧手段が、各上記半導体モジュールごとに個別に配設してあり、
   上記一対の冷却管のうちの少なくとも一方は、隣り合う上記半導体モジュールの間の上記間隙部に対向する部分に、上記挟圧手段の加圧力によって変形可能な可変形部を設けてなることを特徴とする半導体冷却構造。
2. 請求項１において、上記可変形部は、塑性変形可能に構成されていることを特徴とする半導体冷却構造。
3. 請求項１又は２において、上記冷却管は、上記半導体モジュールを密着配置させた部分における冷媒流路にインナーフィンを設け、上記可変形部における冷媒流路には上記インナーフィンを設けていないことを特徴とする半導体冷却構造。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、上記可変形部は、上記冷却管における他の部位よりも変形しやすい部位であることを特徴とする半導体冷却構造。
5. 請求項４において、上記可変形部は、蛇腹形状を有していることを特徴とする半導体冷却構造。

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