JP2010251443A

JP2010251443A - Cooler

Info

Publication number: JP2010251443A
Application number: JP2009097750A
Authority: JP
Inventors: Kenji Otsuka; 健司大塚
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2010-11-04

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cooler capable of alleviating stress generated at a brazing process and the like, and suppressing damage of a heating element mounting substrate or warpage of the cooler, with a simple and low-cost structure. <P>SOLUTION: A cooler 10 for HV inverters has a top plate 11, a bottom plate 12, and a fin 17, as main configuration members. The top plate 11 has a recessed part 18 formed on a junction surface to which an insulating substrate 31 is joined, a circumference groove 19a formed at least a part of the circumference of the junction surface, and a gap groove (19b) formed with remaining a part of a gap of the junction surface. In addition, a slit 20 is provided to the fin 17 at a position corresponding to a position immediately under the junction surface along a direction of repeating wave shapes. Further, a thickness ratio of the top plate 11 and the bottom plate 12 is 1:3 to 1:10 (NOCOLOK(R) brazing). <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、冷却器に係り、特に、半導体素子を搭載した絶縁基板がロウ付けにより接合される電動車両用の冷却器に関する。 The present invention relates to a cooler, and more particularly to a cooler for an electric vehicle in which an insulating substrate on which a semiconductor element is mounted is joined by brazing.

近年、電動機を駆動源として搭載したハイブリッド車両や電気自動車等の電動車両が普及してきた。このような電動車両には、電動機の他に、充放電可能なバッテリ、バッテリの直流電力を電動機駆動用の三相交流電力に変換等するインバータなどが搭載されている。インバータは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等の半導体素子のスイッチング動作によって電力変換を行うものであり、スイッチング動作によって半導体素子が発熱する。したがって、この熱を除去して半導体素子の過熱を防止するために、冷却器が取り付けられる。 In recent years, electric vehicles such as hybrid vehicles and electric vehicles equipped with an electric motor as a drive source have become widespread. In such an electric vehicle, in addition to the electric motor, a chargeable / dischargeable battery, an inverter that converts DC power of the battery into three-phase AC power for driving the electric motor, and the like are mounted. The inverter performs power conversion by a switching operation of a semiconductor element such as an IGBT (insulated gate bipolar transistor), and the semiconductor element generates heat by the switching operation. Therefore, a cooler is attached to remove this heat and prevent overheating of the semiconductor element.

一般的に、半導体素子は、絶縁基板上に搭載されて、その絶縁基板が冷却器の天部にロウ付けにより接合される。冷却器は、熱伝導性、加工性の観点から、アルミニウムから構成され、絶縁基板は、絶縁性、熱伝導性の観点から、窒化アルミニウム等のセラミックから構成される。アルミニウム製の冷却器とセラミック製の絶縁基板とをロウ付けするときには、両者の熱膨張率（線膨張率）の相違に起因して大きな応力（熱応力）が発生し、絶縁基板のクラックや冷却器の反り等が起こり得る。即ち、絶縁基板の熱歪みは小さいが、冷却器の熱歪みは大きいため、ロウ付け後の冷却過程において、絶縁基板に対して冷却器の収縮しようとする力が作用する。また、冷却器の天部は、絶縁基板が接合されて剛性が高くなっているので、天部よりも底部が収縮し易く、天部には底部の収縮しようとする力が作用する。 Generally, a semiconductor element is mounted on an insulating substrate, and the insulating substrate is joined to the top of the cooler by brazing. The cooler is made of aluminum from the viewpoint of thermal conductivity and workability, and the insulating substrate is made of ceramic such as aluminum nitride from the viewpoint of insulation and thermal conductivity. When brazing an aluminum cooler and a ceramic insulating substrate, a large stress (thermal stress) is generated due to the difference in thermal expansion coefficient (linear expansion coefficient) between the two, causing cracks and cooling of the insulating substrate. Warping of the vessel can occur. That is, the thermal strain of the insulating substrate is small, but the thermal strain of the cooler is large. Therefore, in the cooling process after brazing, a force for contracting the cooler acts on the insulating substrate. In addition, since the insulating board is bonded to the top of the cooler and the rigidity is high, the bottom part is more easily contracted than the top part, and a force for contracting the bottom part acts on the top part.

このような状況に鑑みて、ロウ付け時や使用時において発生する応力を緩和することが求められている。本発明に関連する技術として、セラミックス基板とアルミニウム製冷却器とが、セラミックス基板に相対する側の表面に多数の互いに交差する溝が設けられているアルミニウム板材を介して接合されてなる冷却器付きセラミック基板が特許文献１に開示されている。また、特許文献１には、セラミックスとアルミニウムとの線膨張率差に起因して発生する応力を、アルミニウム板材の溝等の空間部分の変形によって緩和することができる、と記載されている。 In view of such a situation, it is required to relieve stress generated during brazing or use. As a technology related to the present invention, a ceramic substrate and an aluminum cooler are attached to each other via an aluminum plate member provided with a plurality of mutually intersecting grooves on the surface facing the ceramic substrate. A ceramic substrate is disclosed in Patent Document 1. Further, Patent Document 1 describes that the stress generated due to the difference in linear expansion coefficient between ceramics and aluminum can be alleviated by deformation of a space portion such as a groove of an aluminum plate material.

特開２００７−２９９７９８号公報JP 2007-299798 A

上記特許文献１の技術によれば、応力を幾分低減することができると想定される。しかしながら、セラミックス基板とアルミニウム製冷却器との間に、アルミニウム板材を設ける必要があるため、部品点数が増加することになり、生産性向上の観点から改良の余地がある。また、アルミニウム板材を設けることにより、アルミニウム製冷却器の天部が厚くなり剛性が高くなるため、天部に向かって湾曲するような冷却器の反りが発生し易くなることが想定される。 According to the technique of Patent Document 1, it is assumed that the stress can be reduced somewhat. However, since it is necessary to provide an aluminum plate between the ceramic substrate and the aluminum cooler, the number of parts increases, and there is room for improvement from the viewpoint of improving productivity. Further, by providing the aluminum plate material, the top of the aluminum cooler becomes thicker and the rigidity becomes higher, so that it is assumed that the cooler is likely to warp toward the top.

本発明の目的は、簡便且つ安価な構成により、ロウ付け工程等で発生する応力を緩和して、発熱体搭載基板の損傷や冷却器の反りを抑制することが可能な冷却器を提供することである。 An object of the present invention is to provide a cooler that can relieve stress generated in a brazing process or the like and suppress damage to a heating element mounting substrate or warpage of the cooler with a simple and inexpensive configuration. It is.

本発明に係る冷却器は、天板、底板、及び天板と底板との間に形成される冷媒流通部から構成され、天板の表面に発熱体を搭載した基板がロウ付けにより接合される冷却器であって、天板は、基板が接合される接合表面に形成された凹部を有することを特徴とする。 The cooler according to the present invention includes a top plate, a bottom plate, and a refrigerant circulation part formed between the top plate and the bottom plate, and a substrate on which a heating element is mounted is joined to the surface of the top plate by brazing. In the cooler, the top plate has a recess formed on a bonding surface to which the substrates are bonded.

また、天板は、接合表面の周囲の少なくとも一部に形成された周囲溝を有することが好ましい。 Moreover, it is preferable that a top plate has the surrounding groove | channel formed in at least one part of the circumference | surroundings of a joining surface.

また、天板には、複数の基板が所定間隔をあけて接合され、天板は、該所定間隔に対応する接合表面の間隙に、該間隙の一部を残して形成された間隙溝を有することが好ましい。 In addition, a plurality of substrates are bonded to the top plate at a predetermined interval, and the top plate has a gap groove formed in a gap on the bonding surface corresponding to the predetermined interval, leaving a part of the gap. It is preferable.

また、冷媒流通部に設置されて冷媒流路を規定する波板形状のフィンであって、波板形状の各頂部が天板及び底板にそれぞれ接合されたフィンを備え、当該フィンには、波形状が繰り返される方向に沿ったスリットが設けられることが好ましい。 The corrugated plate-shaped fins that are installed in the refrigerant flow section and define the refrigerant flow path are provided with fins each having a corrugated plate-shaped top portion joined to a top plate and a bottom plate, respectively. It is preferable to provide a slit along the direction in which the shape is repeated.

また、フィンのスリットは、接合表面の直下に対応する位置に設けられることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the slit of a fin is provided in the position corresponding to directly under a joining surface.

また、天板と底板との厚さの比が、１：３〜１：１０であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the ratio of the thickness of the top plate and the bottom plate is 1: 3 to 1:10.

本発明に係る冷却器によれば、天板は、基板が接合される接合表面に形成された凹部を有するので、ロウ付け工程等で発生する応力を緩和して、発熱体搭載基板の損傷や冷却器の反りを抑制することが可能になる。即ち、ロウ付け時や使用時に応力が発生したときには、剛性が低くなった凹部が優先的に変形することで冷却器、特に、天板の応力が緩和される。また、天板と基板との間に応力を緩和する部材を別途設置する必要がないため、部品点数を低減できると共に、基板が接合される部分の厚みを薄くして剛性を低くすることができるので、冷却器の反りが抑制し易くなる。 According to the cooler according to the present invention, the top plate has a recess formed on the bonding surface to which the substrate is bonded, so that the stress generated in the brazing process or the like is relieved, and the heating element mounting substrate is damaged or It is possible to suppress the warpage of the cooler. That is, when stress is generated during brazing or use, the recess having low rigidity is preferentially deformed, so that the stress of the cooler, particularly the top plate is relieved. In addition, since there is no need to separately install a member that relieves stress between the top plate and the substrate, the number of components can be reduced, and the thickness of the portion to which the substrate is bonded can be reduced to reduce the rigidity. Therefore, it becomes easy to suppress warping of the cooler.

また、天板は、接合表面の周囲の少なくとも一部に形成された周囲溝を有する構成とすれば、発熱体の放熱性能を低下させることなく、応力を緩和することができる。 Further, if the top plate has a peripheral groove formed in at least a part of the periphery of the bonding surface, the stress can be relieved without deteriorating the heat dissipation performance of the heating element.

また、天板には、複数の基板が所定間隔をあけて接合され、天板は、該所定間隔に対応する接合表面の間隙に、該間隙の一部を残して形成された間隙溝を有する構成とすれば、特に大きな応力が発生する基板の間隙においても、十分に応力を緩和して、発熱体搭載基板の損傷や冷却器の反りを抑制できる。なお、間隙溝は、接合表面の間隙の一部を残して形成されるので、応力が加わったときの変形度合いを調整することができる。 In addition, a plurality of substrates are bonded to the top plate at a predetermined interval, and the top plate has a gap groove formed in a gap on the bonding surface corresponding to the predetermined interval, leaving a part of the gap. With this configuration, the stress can be sufficiently relaxed even in the gap between the substrates where particularly large stress is generated, and damage to the heating element mounting substrate and warpage of the cooler can be suppressed. Since the gap groove is formed leaving a part of the gap on the bonding surface, the degree of deformation when stress is applied can be adjusted.

また、フィンに、波形状が繰り返される方向に沿ったスリットが設けられる構成とすれば、波形状が繰り返される方向に交差する方向に沿った応力を緩和することができる。即ち、このような応力が発生した場合に、スリットの幅を狭くするような変形が可能であり、この変形により応力が緩和される。 Further, if the fin is provided with a slit along the direction in which the wave shape is repeated, the stress along the direction intersecting the direction in which the wave shape is repeated can be relieved. That is, when such a stress is generated, the slit can be deformed so as to narrow the width, and the stress is relieved by the deformation.

また、フィンのスリットが、接合表面の直下に対応する位置に設けられる構成とすれば、波形状が繰り返される方向に交差する方向に沿った応力をさらに緩和し易くなる。 In addition, if the fin slit is provided at a position corresponding to a position directly below the bonding surface, stress along the direction intersecting the direction in which the wave shape is repeated can be further eased.

また、天板と底板との厚さの比を、１：３〜１：１０とすれば、応力の発生を抑制することができ、発熱体搭載基板の損傷や冷却器の反りをさらに抑制し易くなる。即ち、天板の剛性は発熱体搭載基板の接合により高くなるので、底板よりも天板の厚みを薄くすることで、天板と底板の剛性を調整して応力の発生を抑制することができる。 Moreover, if the ratio of the thickness of the top plate and the bottom plate is set to 1: 3 to 1:10, the generation of stress can be suppressed, and damage to the heating element mounting substrate and warpage of the cooler can be further suppressed. It becomes easy. That is, since the rigidity of the top plate is increased by joining the heating element mounting substrate, the thickness of the top plate is made thinner than the bottom plate, so that the rigidity of the top plate and the bottom plate can be adjusted to suppress the generation of stress. .

本発明に係る実施の形態におけるハイブリッド車両のインバータ用冷却器を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the cooler for inverters of the hybrid vehicle in embodiment which concerns on this invention. 図１のＡ−Ａ線断面を示す図である。It is a figure which shows the AA line cross section of FIG. 図１のハイブリッド車両のインバータ用冷却器において、絶縁基板を取り外した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which removed the insulated substrate in the cooler for inverters of the hybrid vehicle of FIG. 本発明に係る実施の形態におけるハイブリッド車両のインバータ用冷却器のフィンを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the fin of the cooler for inverters of the hybrid vehicle in embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態におけるハイブリッド車両のインバータ用冷却器において、天板と底板との厚さの比を変更したときの応力変化を示す図である。In the inverter cooler of the hybrid vehicle in the embodiment according to the present invention, it is a diagram showing a stress change when the thickness ratio of the top plate and the bottom plate is changed.

以下に図面を用いて、本発明に係る冷却器の実施形態につき、詳細に説明する。なお、本実施形態においては、一例として、ハイブリッド車両のインバータ用冷却器１０（以下、ＨＶインバータ用冷却器１０とする）について説明する。また、冷媒としては、腐食防止性能・凍結防止性能を有するＬＬＣ（ロングライフクーラント）を使用することができる。 Embodiments of a cooler according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the present embodiment, as an example, an inverter cooler 10 (hereinafter referred to as an HV inverter cooler 10) of a hybrid vehicle will be described. Further, as the refrigerant, LLC (long life coolant) having corrosion prevention performance / freezing prevention performance can be used.

図１〜図３に示すように、ＨＶインバータ用冷却器１０は、表面に半導体素子３０を搭載した絶縁基板３１が接合される天板１１と、天板１１に対向して設けられる底板１２と、冷媒流通部１３とから構成される所謂ヒートシンクである。天板１１の端部は、曲げ加工されており、その曲げ加工された部分と底板１２とがロウ付けにより接合されている。このように天板１１と底板１２とが接合されて、天板１１と底板１２との間に密閉された空間である冷媒流通部１３が形成される。 As shown in FIGS. 1 to 3, the HV inverter cooler 10 includes a top plate 11 to which an insulating substrate 31 on which a semiconductor element 30 is mounted is bonded, and a bottom plate 12 provided to face the top plate 11. , A so-called heat sink composed of the refrigerant circulation part 13. The end of the top plate 11 is bent, and the bent portion and the bottom plate 12 are joined by brazing. In this way, the top plate 11 and the bottom plate 12 are joined together to form the refrigerant circulation portion 13 that is a sealed space between the top plate 11 and the bottom plate 12.

ＨＶインバータ用冷却器１０は、冷媒を冷媒流通部１３に導入するための導入パイプ１４と、冷媒を導出するための導出パイプ１５と、図示しないハイブリッド車両にボルト等を用いて固定するための締結部１６とを有する。また、図２に示すように、冷媒流通部１３には、冷媒流路を規定するフィン１７が設けられる。フィン１７は、詳しくは後述するように、波板形状を有し、波板形状の各頂部が天板１１及び底板１２にそれぞれロウ付けにより接合されている。なお、ＨＶインバータ用冷却器１０は、導入パイプ１４及び導出パイプ１５が延出する方向に沿って長くなった矩形形状を有している。 The HV inverter cooler 10 includes an introduction pipe 14 for introducing the refrigerant into the refrigerant circulation portion 13, a lead-out pipe 15 for deriving the refrigerant, and a fastening for fixing to a hybrid vehicle (not shown) using a bolt or the like. Part 16. In addition, as shown in FIG. 2, the refrigerant flow part 13 is provided with fins 17 that define the refrigerant flow path. As will be described later in detail, the fins 17 have a corrugated plate shape, and the top portions of the corrugated plate shape are joined to the top plate 11 and the bottom plate 12 by brazing, respectively. The HV inverter cooler 10 has a rectangular shape that is elongated along the direction in which the introduction pipe 14 and the outlet pipe 15 extend.

また、ＨＶインバータ用冷却器１０は、熱伝導性に優れた金属材料から構成される必要がある。金属材料としては、一般的に、熱伝導性に加えて、加工性にも優れ、軽量であるアルミニウムが使用される。特に、天板１１は、発熱体を搭載した絶縁基板３１が接合される部材であり、底板１２も、発熱体であるＤＣ／ＤＣコンバータやリアクトル等の電子機器に接する部材であるため、熱伝導性等に優れたアルミニウムから構成されることが好ましい。フィン１７についても、冷媒との接触面積を増加させて放熱性能を向上させる機能を有する部材であるから、天板１１及び底板１２と同様に、熱伝導性等に優れたアルミニウムから構成されることが好ましい。 Moreover, the cooler 10 for HV inverters needs to be comprised from the metal material excellent in heat conductivity. As a metal material, aluminum that is excellent in workability and lightweight in addition to thermal conductivity is generally used. In particular, the top plate 11 is a member to which an insulating substrate 31 on which a heating element is mounted is joined, and the bottom plate 12 is also a member in contact with an electronic device such as a DC / DC converter or a reactor that is a heating element. It is preferable that it is comprised from the aluminum excellent in property etc. The fin 17 is also a member having a function of improving the heat dissipation performance by increasing the contact area with the refrigerant, and therefore, similar to the top plate 11 and the bottom plate 12, it is made of aluminum having excellent thermal conductivity. Is preferred.

上記のように、天板１１、底板１２、フィン１７等は、ロウ付けにより接合されるので、天板１１等は、低融点のアルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金）からなるロウ材層を有する。具体的に、ロウ材層は、１０〜２００μｍ程度の厚みを有し、フィン１７がロウ付けされる天板１１の下面、底板１２の上面に設けられる。さらに、天板１１の少なくとも絶縁基板３１が接合される部位である接合表面（図３に、２つの隣接する接合表面を網目で示している）にもロウ材層が設けられる。絶縁基板３１の下面にロウ材層を設けることもできるが、後述の凹部１８にロウ材が流れ込むおそれがあるので、接合表面に設けられることが好ましい。 As described above, the top plate 11, the bottom plate 12, the fins 17 and the like are joined by brazing, so that the top plate 11 and the like are made of a low melting point aluminum alloy (Al-Si based alloy, Al-Si-Mg based alloy). ). Specifically, the brazing material layer has a thickness of about 10 to 200 μm and is provided on the lower surface of the top plate 11 and the upper surface of the bottom plate 12 to which the fins 17 are brazed. Furthermore, a brazing material layer is also provided on a bonding surface (two adjacent bonding surfaces are shown by a mesh in FIG. 3), which is a portion to which at least the insulating substrate 31 of the top plate 11 is bonded. Although a brazing material layer can be provided on the lower surface of the insulating substrate 31, it is preferable that the brazing material is provided on the bonding surface because the brazing material may flow into the recesses 18 described later.

図１に示すように、天板１１の表面には、発熱体である半導体素子３０が搭載された絶縁基板３１がロウ付けにより接合されている。半導体素子３０としては、通常、電動機駆動用素子、発電機駆動用素子、昇圧機能用素子に別けて、複数の絶縁基板３１上に搭載される。そして、各絶縁基板３１には、例えば、ＩＧＢＴ（図１の大きい方）、ダイオード（図１の小さい方）が１個ないし２個ずつ搭載されている。 As shown in FIG. 1, an insulating substrate 31 on which a semiconductor element 30 as a heating element is mounted is bonded to the surface of the top plate 11 by brazing. The semiconductor element 30 is usually mounted on a plurality of insulating substrates 31 separately from an electric motor driving element, a generator driving element, and a boosting function element. Each insulating substrate 31 is mounted with, for example, one or two IGBTs (larger one in FIG. 1) and diodes (smaller one in FIG. 1).

絶縁基板３１は、厚み方向に対する絶縁性及び熱伝導性を有する基板であって、例えば、セラミック基板の両面にアルミニウム層が形成された３層構造の基板が使用される。セラミック基板を構成するセラミックとしては、例えば、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムが好ましく、窒化アルミニウムが特に好ましい。ここで、アルミニウム層は、例えば、半導体素子３０、天板１１との接合性を向上させる機能を有する。半導体素子３０は、絶縁基板３１とＨＶインバータ用冷却器１０とのロウ付け工程後にはんだ付けされるが、アルミニウム層によりはんだ付け性が良好なものとなる。また、もう１つのアルミニウム層は、天板１１とのロウ付け性を良好にする。 The insulating substrate 31 is a substrate having insulation and thermal conductivity in the thickness direction. For example, a substrate having a three-layer structure in which aluminum layers are formed on both surfaces of a ceramic substrate is used. As the ceramic constituting the ceramic substrate, for example, aluminum oxide or aluminum nitride is preferable, and aluminum nitride is particularly preferable. Here, the aluminum layer has a function of improving the bonding property with the semiconductor element 30 and the top plate 11, for example. The semiconductor element 30 is soldered after the brazing step between the insulating substrate 31 and the HV inverter cooler 10, but the aluminum layer provides good solderability. Moreover, another aluminum layer makes the brazing property with the top plate 11 favorable.

図１に示すように、半導体素子３０が搭載された複数の絶縁基板３１（８個の絶縁基板３１）は、天板１１の長手方向に沿って、２列に並んで接合されている（合計１６個の絶縁基板３１）。また、各絶縁基板３１は、応力がかかったときに絶縁基板３１同士が当たって損傷しないように、所定間隔をあけて接合されている。なお、所定間隔としては、応力による損傷防止を考慮することに加えて、放熱性能、絶縁性能、搭載スペース等も考慮して決定されることが好ましい。 As shown in FIG. 1, a plurality of insulating substrates 31 (eight insulating substrates 31) on which semiconductor elements 30 are mounted are joined in two rows along the longitudinal direction of the top plate 11 (total) 16 insulating substrates 31). In addition, the insulating substrates 31 are joined at a predetermined interval so that the insulating substrates 31 do not collide with each other and are damaged when stress is applied. The predetermined interval is preferably determined in consideration of prevention of damage due to stress, in addition to heat dissipation performance, insulation performance, mounting space, and the like.

ＨＶインバータ用冷却器１０の各構成部材、及び絶縁基板３１のロウ付け工程は、１つの炉の中で同時に行われる。ロウ付け工程において炉内温度は、約６００℃である。応力は、絶縁基板３１のセラミックとＨＶインバータ用冷却器１０のアルミニウムとの線膨張率の相違に起因して発生する。上記のように、加熱後の冷却過程において、絶縁基板３１に対して天板１１・底板１２等が収縮しようとする力が作用し、絶縁基板３１に損傷を与えるおそれがある。また、天板１１は、絶縁基板３１が接合されて剛性が高くなっているので、天板１１よりも底板１２が収縮し易いため、反りが発生するおそれもある。 The components of the HV inverter cooler 10 and the brazing process of the insulating substrate 31 are performed simultaneously in one furnace. In the brazing process, the furnace temperature is about 600 ° C. The stress is generated due to a difference in linear expansion coefficient between the ceramic of the insulating substrate 31 and the aluminum of the HV inverter cooler 10. As described above, in the cooling process after heating, the force that the top plate 11, the bottom plate 12, and the like try to contract acts on the insulating substrate 31, which may damage the insulating substrate 31. In addition, since the top plate 11 is bonded to the insulating substrate 31 and has high rigidity, the bottom plate 12 is more easily contracted than the top plate 11, which may cause warpage.

ＨＶインバータ用冷却器１０は、ロウ付け工程（或いは使用時）において発生する上記のような応力を緩和する機能を有する。この機能を発現するための重要な構成要素として、図２、図３に示すように、天板１１は、絶縁基板３１の接合表面に形成された凹部１８を有する。さらに、天板１１は、接合表面の周囲の少なくとも一部に形成された周囲溝１９ａ、接合表面の間隙に形成された間隙溝１９ｂを有する。 The HV inverter cooler 10 has a function of relieving the stress generated in the brazing process (or during use). As an important component for expressing this function, the top plate 11 has a recess 18 formed on the bonding surface of the insulating substrate 31 as shown in FIGS. Furthermore, the top plate 11 has a peripheral groove 19a formed in at least a part of the periphery of the bonding surface, and a gap groove 19b formed in the gap of the bonding surface.

凹部１８は、局所的に剛性を低くして（ヤング率を低くして）、応力を緩和する機能を有する。即ち、凹部１８が形成された部位は、周囲よりも天板１１の厚みが薄く、周囲よりも剛性が低くなっている。故に、天板１１等に応力が発生したときには、凹部１８が形成された部位が優先的に変形して、その応力を緩和する。また、接合表面に凹部１８を形成したことにより、絶縁基板３１と天板１１（接合表面）との接触面積が小さくなるので、天板１１等に発生する応力が絶縁基板３１に伝わり難くなって、絶縁基板３１のクラックを抑制する効果もある。 The recess 18 has a function of locally reducing the rigidity (lowering the Young's modulus) and relieving stress. That is, in the portion where the recess 18 is formed, the thickness of the top plate 11 is thinner than the surroundings, and the rigidity is lower than the surroundings. Therefore, when stress is generated in the top plate 11 or the like, the portion where the recess 18 is formed is preferentially deformed, and the stress is relaxed. Moreover, since the contact area between the insulating substrate 31 and the top plate 11 (joining surface) is reduced by forming the recess 18 on the bonding surface, the stress generated on the top plate 11 and the like is not easily transmitted to the insulating substrate 31. There is also an effect of suppressing cracks in the insulating substrate 31.

また、凹部１８は、図３に示すように、複数形成される。凹部１８が形成される部分は、幾分放熱性能が低下することになるので、局部的な放熱性能低下の抑制、応力緩和の均一化等の観点から、個々の直径が小さな凹部１８を複数形成することが好ましいといえる。一方、半導体素子３０が集まって発熱量が多くなる絶縁基板３１の中央部分に対応する部位には、凹部１８の数を減らす、又は凹部１８を形成しないことが好ましい。したがって、凹部１８は、放熱性能及び応力緩和性能を両立する観点から、規則的な配列、例えば、図３に示すように等間隔で、接合表面の中央を除く部位に形成される。 A plurality of the recesses 18 are formed as shown in FIG. Since the heat radiation performance is somewhat reduced in the portion where the concave portion 18 is formed, a plurality of concave portions 18 having small individual diameters are formed from the viewpoint of suppressing local heat radiation performance deterioration and uniform stress relaxation. It is preferable to do so. On the other hand, it is preferable to reduce the number of the recesses 18 or not to form the recesses 18 in a portion corresponding to the central portion of the insulating substrate 31 where the semiconductor elements 30 gather and generate a large amount of heat. Accordingly, the recesses 18 are formed in a regular array, for example, at a portion other than the center of the bonding surface at regular intervals as shown in FIG. 3 from the viewpoint of achieving both heat dissipation performance and stress relaxation performance.

凹部１８のサイズとしては、上記のように、個々の直径は小さいことが好ましく、接合表面における凹部１８の開口率（凹部１８の総面積／接合表面の総面積）は、５％〜３０％であることが好ましく、１０％〜２５％であることが特に好ましい。開口率がこの範囲であれば、放熱性能及び応力緩和性能を両立し易くなる。また、凹部１８の深さは、詳しくは後述するように、凹部１８の底部における天板１１の厚さとして、真空ロウ付けの場合０．８ｍｍ程度、ノコロックロウ付けの場合０．４ｍｍ程度であることが好ましい。なお、凹部１８の周囲の天板１１の厚みは、凹部１８が形成される部位よりも当然に厚く、且つ１．３ｍｍ以下（真空ロウ付け）であることが好ましい。 As described above, the size of the concave portion 18 is preferably small, and the opening ratio of the concave portion 18 on the bonding surface (total area of the concave portion 18 / total area of the bonding surface) is 5% to 30%. It is preferably 10% to 25%. When the aperture ratio is within this range, it is easy to achieve both heat dissipation performance and stress relaxation performance. Further, as will be described in detail later, the depth of the concave portion 18 is about 0.8 mm for vacuum brazing and about 0.4 mm for sawlock brazing as the thickness of the top plate 11 at the bottom of the concave portion 18. Is preferred. The top plate 11 around the recess 18 is naturally thicker than the portion where the recess 18 is formed, and preferably 1.3 mm or less (vacuum brazing).

また、凹部１８の穴形状としては、三角形柱や四角形柱等の多角形柱形状とすることもできるが、図３に示すように、円柱形状であることが好ましい。円柱形状の凹部１８とすれば、応力が作用したときに、角部にその応力が集中することがないので、凹部１８の全体で応力を吸収することができ、応力緩和性能が向上する。なお、断面形状（接合表面に水平な断面）が円形状である円錐形状とすることもできる。 Moreover, as a hole shape of the recessed part 18, although it can also be made into polygonal column shapes, such as a triangular column and a quadrangle column, it is preferable that it is a column shape as shown in FIG. When the cylindrical concave portion 18 is used, when stress is applied, the stress is not concentrated on the corner portion. Therefore, the stress can be absorbed by the entire concave portion 18 and the stress relaxation performance is improved. In addition, it can also be set as the cone shape whose cross-sectional shape (a cross section horizontal to a joining surface) is circular.

周囲溝１９ａは、凹部１８と同様に、周囲よりも天板１１の厚みを薄くすることで剛性を低くして、応力を緩和する機能を有する。天板１１に発生する応力は、絶縁基板３１の接合表面だけでなく、その周囲でも大きな応力が発生する。例えば、ロウ付け後の冷却過程において、アルミニウム製の天板１１が収縮しようとする応力が絶縁基板３１に作用する。周囲溝１９ａは、このような応力を吸収することができる所謂ダンパとして機能する。なお、周囲溝１９ａは、上記のように、接合表面の周囲に形成されるため、放熱性能に与える影響が少ないという利点を有する。 Similar to the concave portion 18, the peripheral groove 19a has a function of reducing stress by reducing the thickness of the top plate 11 thinner than the periphery, thereby relieving stress. The stress generated in the top plate 11 is generated not only on the bonding surface of the insulating substrate 31 but also around it. For example, in the cooling process after brazing, stress that the aluminum top plate 11 tends to contract acts on the insulating substrate 31. The peripheral groove 19a functions as a so-called damper that can absorb such stress. Since the peripheral groove 19a is formed around the bonding surface as described above, there is an advantage that the influence on the heat radiation performance is small.

周囲溝１９ａは、絶縁基板３１に対して周囲から加わる応力を緩和するものであるため、接合表面の周囲の広範囲に亘って形成されることが好ましい。図１に示すように、絶縁基板３１は、天板１１の長手方向に沿って２列に並んで接合されており、周囲溝１９ａは、各列の全周囲に亘って形成されている。絶縁基板３１は、所定間隔をあけて接合されるので、各接合表面の全周囲に亘って周囲溝１９ａを形成することもできるが、接合表面の間隙には、該間隙の一部を残して形成される間隙溝１９ｂを設けることが好ましい。 Since the peripheral groove 19a relieves stress applied from the periphery to the insulating substrate 31, it is preferable that the peripheral groove 19a be formed over a wide area around the bonding surface. As shown in FIG. 1, the insulating substrates 31 are joined in two rows along the longitudinal direction of the top plate 11, and the peripheral grooves 19 a are formed over the entire periphery of each row. Since the insulating substrate 31 is bonded at a predetermined interval, a peripheral groove 19a can be formed over the entire periphery of each bonding surface. However, a part of the gap is left in the gap between the bonding surfaces. It is preferable to provide a gap groove 19b to be formed.

間隙溝１９ｂは、接合表面の間隙の一部を残して形成される溝であり、天板１１の長手方向に沿った応力を吸収する機能を有する。天板１１の長手方向には、複数の絶縁基板３１が並んで接合されて、特に剛性が高くなっているので、高い応力緩和性能が要求される。一方、各絶縁基板３１の所定間隔は、放熱性能、絶縁性能、搭載スペース等も考慮して決定されるので、応力を吸収して変形し過ぎると好ましくない場合がある。そこで、応力の吸収による変形度合いを調整するために、接合表面の間隙の一部（以下、接続部と称する）を残し、周囲溝１９ａと独立した間隙溝１９ｂが設けられる。なお、接続部は、複数箇所とすることもできるが、両端に１箇所ずつであることが好ましい。 The gap groove 19 b is a groove formed while leaving a part of the gap on the bonding surface, and has a function of absorbing stress along the longitudinal direction of the top plate 11. In the longitudinal direction of the top plate 11, a plurality of insulating substrates 31 are joined side by side and particularly high in rigidity, so that high stress relaxation performance is required. On the other hand, the predetermined interval between the insulating substrates 31 is determined in consideration of heat dissipation performance, insulation performance, mounting space, and the like. Therefore, in order to adjust the degree of deformation due to the absorption of stress, a gap groove 19b that is independent of the peripheral groove 19a is provided, leaving a part of the gap on the bonding surface (hereinafter referred to as a connecting portion). In addition, although a connection part can also be made into several places, it is preferable that it is one place at both ends.

周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂのサイズとしては、深さについて、凹部１８と同様に、溝底部における天板１１の厚さとして、真空ロウ付けの場合０．８ｍｍ程度、ノコロックロウ付けの場合０．４ｍｍ程度であることが好ましい。周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂのサイズ、特に、深さを調整することで、応力の吸収度合いを調整することができる。また、周囲溝１９ａの幅としては、応力の吸収できるだけの幅があれば、ある程度任意に設定することができる。間隙溝１９ｂの幅としては、接合表面の間隙の幅が小さいので、当該間隙の幅と同程度に設定することが好ましい。なお、間隙溝１９ｂについては、接続部の数、幅、位置を変更することによっても、応力の吸収度合いを調整することができる。 As the size of the peripheral groove 19a and the gap groove 19b, the depth of the top plate 11 at the bottom of the groove is about 0.8 mm in the case of vacuum brazing and 0.4 mm in the case of sawlock brazing, as with the recess 18. It is preferable that it is a grade. The degree of stress absorption can be adjusted by adjusting the size, especially the depth, of the peripheral groove 19a and the gap groove 19b. The width of the peripheral groove 19a can be set arbitrarily to some extent as long as it has a width that can absorb stress. The width of the gap groove 19b is preferably set to be approximately the same as the width of the gap since the gap width on the bonding surface is small. In addition, about the clearance groove 19b, the absorption degree of stress can be adjusted also by changing the number of connection parts, a width | variety, and a position.

その他の応力緩和構造として、フィン１７には、図２、図４に示すように、波形状が繰り返される方向に沿ったスリット２０が設けられる。ここで、図４は、ＨＶインバータ用冷却器１０に設置されるフィン１７のみを示す斜視図である。フィン１７により規定される冷媒流路は、フィン１７の板面に沿って、即ち波形状が繰り返される方向と直交する方向に形成されるので、スリット２０は、冷媒流路と直交する方向に沿って形成されることになる。 As another stress relaxation structure, as shown in FIGS. 2 and 4, the fin 17 is provided with a slit 20 along the direction in which the wave shape is repeated. Here, FIG. 4 is a perspective view showing only the fins 17 installed in the HV inverter cooler 10. Since the refrigerant flow path defined by the fins 17 is formed along the plate surface of the fins 17, that is, in a direction orthogonal to the direction in which the wave shape is repeated, the slit 20 is along the direction orthogonal to the refrigerant flow paths. Will be formed.

スリット２０は、例えば、１枚のフィン１７を、波形状が繰り返される方向に沿って切断加工することにより形成できる。図２に示すように、フィン１７を完全に切断せず、スリット２０両側のフィン１７同士を接続する部分を残したスリット２０を形成することができる。このような構成とすれば、部品点数が増加しないので、生産性向上の観点から好ましい。 The slit 20 can be formed, for example, by cutting one fin 17 along the direction in which the wave shape is repeated. As shown in FIG. 2, it is possible to form the slits 20 that do not completely cut the fins 17 but leave portions that connect the fins 17 on both sides of the slits 20. Such a configuration is preferable from the viewpoint of improving productivity because the number of parts does not increase.

一方、図４に示すように、フィン１７を切断、分割するスリット２０を形成することもできる。この場合には、冷却性能向上の観点から、冷媒流路が直線状からずれるように、即ち冷媒流路の方向に沿ってフィン１７を見たときに、隣接するフィン１７の山部（天板１１と接合する部分）と谷部（底板１２と接合する部分）、及び谷部と山部がそれぞれ重なるように設置することが好ましい。このように、隣接するフィン１７の波形状を半ピッチ分ずらして設置すると、フィン１７の端面に冷媒が衝突して乱流が発生するので（冷媒の界面剥離効果）、冷却性能が向上することになる。 On the other hand, as shown in FIG. 4, slits 20 for cutting and dividing the fins 17 can be formed. In this case, from the viewpoint of improving the cooling performance, when the fins 17 are viewed so that the refrigerant flow path deviates from a straight line, that is, along the direction of the refrigerant flow path, 11 and a trough (a part to be joined to the bottom plate 12), and a trough and a peak are preferably installed so as to overlap each other. Thus, if the wave shapes of the adjacent fins 17 are shifted by a half pitch, the coolant collides with the end surfaces of the fins 17 to generate turbulent flow (refrigerant interface peeling effect), so that the cooling performance is improved. become.

また、スリット２０は、冷却性能を向上させるだけでなく、波形状が繰り返される方向と交差する方向に沿った応力を緩和する機能を有する。即ち、このような応力が発生した場合には、スリット２０の幅を狭くするような変形が可能になって応力が緩和される。上記のように、天板１１には、セラミック製の絶縁基板３１が接合されるため、その剛性が高くなっており、絶縁基板３１を頂点とするように反り易い。このような反りが発生したときには、スリット２０の下方（底板１２側）の幅が狭くなるようにフィン１７が変形して、反りの影響を天板１１まで伝達しないように機能する。故に、フィン１７の下方における変形を容易にすべく、フィン１７同士を接続する部分を残したスリット２０を採用する場合には、当該接続部分は、中央〜上方、或いは天板１１に近接する位置にあることが好ましい。 The slit 20 not only improves the cooling performance but also has a function of relaxing stress along the direction intersecting the direction in which the wave shape is repeated. That is, when such a stress is generated, a deformation that narrows the width of the slit 20 is possible and the stress is relieved. As described above, since the ceramic insulating substrate 31 is bonded to the top plate 11, the rigidity thereof is high, and the top substrate 11 is easily warped so that the insulating substrate 31 is at the top. When such warpage occurs, the fin 17 is deformed so that the width below the slit 20 (on the bottom plate 12 side) is narrowed, and functions so as not to transmit the influence of warpage to the top plate 11. Therefore, in order to facilitate the deformation below the fins 17, when the slit 20 that leaves a part for connecting the fins 17 is employed, the connecting part is located at the center to the upper side or close to the top plate 11. It is preferable that it exists in.

また、スリット２０が設けられる位置としては、図２に示すように、絶縁基板３１の接合表面の直下に対応する位置であることが好ましい。上記のような反りは、絶縁基板３１の直下において起こり易いため、この位置にスリット２０を設けることで、反りを抑制し易くなるからである。冷却性の観点からも、発熱体の直下にスリット２０を設けて乱流を発生させることが好ましい。 Further, the position where the slit 20 is provided is preferably a position corresponding to a position directly below the bonding surface of the insulating substrate 31, as shown in FIG. This is because such warping is likely to occur immediately below the insulating substrate 31, and thus it is easy to suppress warping by providing the slit 20 at this position. From the viewpoint of cooling performance, it is preferable to provide a slit 20 directly below the heating element to generate turbulent flow.

スリット２０の幅としては、０．９〜１．５ｍｍ程度であることが好ましい。スリット２０の幅が、この範囲内であれば、冷媒中に存在することが想定される異物によりスリット２０が目詰まりすることなく、応力緩和性能、冷却性能についても良好なものとなる。スリット２０の数としては、絶縁基板３１のサイズ等によっても異なるが、絶縁基板３１の直下に対応する位置において、１〜５個が好ましく、２個〜４個が特に好ましい。なお、スリット２０を多数設けた方が、応力緩和の観点からは好ましい。しかし、スリット２０が多くなりすぎると、流路抵抗が大きくなるため、スリット２０の数は、応力緩和性能と流路抵抗とを考慮して決定される。故に、絶縁基板３１の直下に当たらない位置においては、スリット２０の数を減らす、或いはスリット２０を形成しないことが好ましい。 The width of the slit 20 is preferably about 0.9 to 1.5 mm. If the width of the slit 20 is within this range, the slit 20 will not be clogged with foreign substances assumed to be present in the refrigerant, and the stress relaxation performance and cooling performance will be good. The number of the slits 20 varies depending on the size of the insulating substrate 31 and the like, but is preferably 1 to 5 and particularly preferably 2 to 4 at a position corresponding to a position directly below the insulating substrate 31. In addition, it is preferable from the viewpoint of stress relaxation to provide many slits 20. However, if the number of slits 20 increases too much, the flow path resistance increases, so the number of slits 20 is determined in consideration of the stress relaxation performance and the flow path resistance. Therefore, it is preferable to reduce the number of slits 20 or not to form the slits 20 at positions that do not directly hit the insulating substrate 31.

その他の応力緩和構造として、天板１１と底板１２との厚さの比が、１：３〜１：１０（本明細書では、前の数字が天板１１、後ろの数字が底板１２を示す）に設定される。即ち、セラミック製の絶縁基板３１が接合されて剛性が高くなる天板１１の厚みを、少なくとも底板１２の１／３まで薄くして剛性を低下させ、天板１１と底板１２の剛性を調整している。厚さの比が、この範囲内であれば、応力の発生を抑制することができ、絶縁基板３１のクラックや天板１１、底板１２の反りの発生を抑制し易くなる。 As another stress relaxation structure, the thickness ratio between the top plate 11 and the bottom plate 12 is 1: 3 to 1:10 (in the present specification, the front number indicates the top plate 11 and the back number indicates the bottom plate 12). ). That is, the thickness of the top plate 11 to which rigidity is increased by bonding the ceramic insulating substrate 31 is reduced to at least 1/3 of the bottom plate 12 to reduce the rigidity, and the rigidity of the top plate 11 and the bottom plate 12 is adjusted. ing. If the thickness ratio is within this range, the generation of stress can be suppressed, and the generation of cracks in the insulating substrate 31 and warping of the top plate 11 and the bottom plate 12 can be easily suppressed.

具体的に、天板１１は、耐久性の観点（万一、冷媒流通部１３を流通する冷媒により腐食が進んだ場合を考慮）から、少なくとも０．８ｍｍの厚みが必要である。故に、凹部１８、周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂの底部における天板１１の厚みが少なくとも０．８ｍｍであることが要求される。凹部１８、周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂを除く部位の厚みは、凹部１８等が形成される部位よりも厚く、且つ１．３ｍｍ以下であることが好ましい。 Specifically, the top plate 11 needs to have a thickness of at least 0.8 mm from the viewpoint of durability (in the unlikely event that corrosion has progressed due to the refrigerant flowing through the refrigerant circulation portion 13). Therefore, it is required that the thickness of the top plate 11 at the bottom of the recess 18, the peripheral groove 19a, and the gap groove 19b is at least 0.8 mm. The thickness of the portion excluding the concave portion 18, the peripheral groove 19a, and the gap groove 19b is preferably thicker than the portion where the concave portion 18 and the like are formed and 1.3 mm or less.

なお、天板１１、底板１２、及びフィン１７が、真空ロウ付けにより接合される場合には、少なくとも０．８ｍｍの厚みが必要になるが、ノコロックロウ付けにより接合される場合には、フッ素系化合物等の非腐食性フラックスにより天板１１がコーティングされて冷媒に対する耐久性が向上するので、天板１１の厚みを０．８ｍｍより薄くすることができる。具体的には、天板１１の厚みを０．４ｍｍまで薄くすることができ、応力緩和性能、放熱性能等の観点から好ましい。 In addition, when the top plate 11, the bottom plate 12, and the fins 17 are joined by vacuum brazing, a thickness of at least 0.8 mm is required. However, when joining by noclock brazing, a fluorine-based compound is required. Since the top plate 11 is coated with a non-corrosive flux such as, and the durability against the refrigerant is improved, the thickness of the top plate 11 can be made thinner than 0.8 mm. Specifically, the thickness of the top plate 11 can be reduced to 0.4 mm, which is preferable from the viewpoint of stress relaxation performance, heat dissipation performance, and the like.

一方、底板１２は、厚くなる方が、即ち、天板１１と底板１２との厚さの比が大きくなる方が、後述の図５に示すように、絶縁基板３１に加わる応力が低減されるため好ましい。しかし、底板１２には、発熱体である電気部品が接触するため、放熱性能を考慮すると、４．０ｍｍよりも厚くすることは難しく、また、軽量性や材料コスト等の観点からも、４．０ｍｍ以下であることが好ましい。 On the other hand, the stress applied to the insulating substrate 31 is reduced when the thickness of the bottom plate 12 is increased, that is, when the thickness ratio between the top plate 11 and the bottom plate 12 is increased, as shown in FIG. Therefore, it is preferable. However, since an electrical component which is a heating element is in contact with the bottom plate 12, it is difficult to make it thicker than 4.0 mm in consideration of heat dissipation performance, and also from the viewpoint of light weight, material cost, and the like. It is preferable that it is 0 mm or less.

ここで、図５を用いて、応力緩和の観点から最適な天板１１と底板１２との厚みの比について説明する。図５は、ＨＶインバータ用冷却器１０において、天板１１と底板１２との厚さの比を変更したときの応力変化を示す図である。同図に示すデータは、「ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ）」を用いて、次のような条件で算出したシミュレーションデータである。
＜シミュレーション条件＞
・ＨＶインバータ用冷却器１０の構成材料：アルミニウム（ＪＩＳ３００３）
・絶縁基板３１の構成材料；窒化アルミニウム
・底板１２の厚み：４．０ｍｍ（点線の比較例は、２．８ｍｍ）
・凹部１８、周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂ、スリット２０無し Here, the optimum thickness ratio of the top plate 11 and the bottom plate 12 from the viewpoint of stress relaxation will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram showing a change in stress when the thickness ratio between the top plate 11 and the bottom plate 12 is changed in the HV inverter cooler 10. The data shown in the figure is simulation data calculated using “CFD (Computational Fluid Dynamics)” under the following conditions.
<Simulation conditions>
-Constituent material of HV inverter cooler 10: Aluminum (JIS3003)
-Constituent material of insulating substrate 31; aluminum nitride-Thickness of bottom plate 12: 4.0 mm (dotted line comparison example is 2.8 mm)
・ Without recess 18, peripheral groove 19a, gap groove 19b, and slit 20

図５は、横軸に温度（℃）、縦軸に応力（ＭＰａ）をとる。ここで、応力は、天板１１に接合される絶縁基板３１の上面にかかる応力である。図５の実線は、本発明に係るＨＶインバータ用冷却器１０の実施例を示し、破線は、比較例を示す。実施例の黒丸、黒四角、黒三角は、それぞれ、１：３．３（１．２ｍｍ）、１：５（０．８ｍｍ）、１：１０（０．４ｍｍ）を示し、比較例の点線、１点鎖線は、それぞれ、１：１．２（２．４ｍｍ（底板２．８ｍｍ））、１：２．５（１．６ｍｍ）を示す（括弧内は天板１１の厚み）。 In FIG. 5, the horizontal axis represents temperature (° C.) and the vertical axis represents stress (MPa). Here, the stress is a stress applied to the upper surface of the insulating substrate 31 joined to the top plate 11. The solid line of FIG. 5 shows the Example of the cooler 10 for HV inverters which concerns on this invention, and a broken line shows a comparative example. The black circles, black squares, and black triangles in the examples represent 1: 3.3 (1.2 mm), 1: 5 (0.8 mm), and 1:10 (0.4 mm), respectively. The alternate long and short dash lines indicate 1: 1.2 (2.4 mm (bottom plate 2.8 mm)) and 1: 2.5 (1.6 mm) (the thickness in parentheses is the thickness of the top plate 11).

図５に示すように、破線で示す比較例のＨＶインバータ用冷却器では、天板と底板の厚さ比に関わらず、互いに近似した応力を示している。１３０℃よりも低温の領域では、絶縁基板３１に加わる応力は小さいが、１３０℃よりも高温の領域、特に、１７０〜１８０℃のときに大きな応力が発生する。なお、絶縁基板３１のクラックを抑制するためには、最大応力を小さくすることが重要であるが、厚さ比が１：１．２、１：２．５の場合には、最大応力が約１４０ＭＰａ（１７０〜１８０℃）であり、絶縁基板３１に大きな応力が作用する。 As shown in FIG. 5, the HV inverter cooler of the comparative example indicated by the broken line shows stresses that are approximate to each other regardless of the thickness ratio of the top plate and the bottom plate. In the region lower than 130 ° C., the stress applied to the insulating substrate 31 is small, but a large stress is generated in a region higher than 130 ° C., particularly 170-180 ° C. In order to suppress cracks in the insulating substrate 31, it is important to reduce the maximum stress. However, when the thickness ratio is 1: 1.2 or 1: 2.5, the maximum stress is about The pressure is 140 MPa (170 to 180 ° C.), and a large stress acts on the insulating substrate 31.

一方、実線で示すＨＶインバータ用冷却器１０では、図５から明らかなように、最大応力が大幅に低減している。具体的には、厚さ比が１：３．３、１：５の場合で、１２５〜１３０ＭＰａ（２００℃）、１：１０の場合には、約１２０ＭＰａまで最大応力が低減している。上記のように、絶縁基板３１のクラックを抑制するためには、最大応力を小さくすることが重要であるから、天板１１を薄く、底板１２を厚く設定することは、絶縁基板３１のクラックの抑制に極めて効果的である。なお、図５では、厚さ比が１：２．５（１．６ｍｍ）と、１：３．３の場合を示しているが、さらに詳細な検討を行った結果、厚さ比が１：３を境に、最大応力が大きく変化することが解った。したがって、応力緩和性能を向上させるためには、天板１１の厚みは底板１２の１／３以下であって、真空ロウ付けの場合は、厚さ比が１：３〜１：５、ノコロックロウ付けの場合は、１：３〜１：１０に設定される必要がある。 On the other hand, in the HV inverter cooler 10 indicated by the solid line, the maximum stress is significantly reduced as is apparent from FIG. Specifically, when the thickness ratio is 1: 3.3, 1: 5, the maximum stress is reduced to about 120 MPa when the thickness ratio is 125 to 130 MPa (200 ° C.) and 1:10. As described above, in order to suppress cracks in the insulating substrate 31, it is important to reduce the maximum stress. Therefore, setting the top plate 11 to be thin and the bottom plate 12 to be thick can reduce cracks in the insulating substrate 31. It is extremely effective for suppression. FIG. 5 shows the case where the thickness ratio is 1: 2.5 (1.6 mm) and 1: 3.3, but as a result of further detailed examination, the thickness ratio is 1: It was found that the maximum stress changed greatly with 3 as a boundary. Therefore, in order to improve the stress relaxation performance, the thickness of the top plate 11 is 1/3 or less of the bottom plate 12, and in the case of vacuum brazing, the thickness ratio is 1: 3 to 1: 5, and noclock brazing. In this case, it is necessary to set 1: 3 to 1:10.

実施例のシミュレーション結果によれば、いずれも１５０℃より低温の領域において、殆ど同じ応力が発生している。１５０℃より高温の領域では、応力に差が現れ、１：３．３、１：５の場合には、１５０℃を境に応力が大きくなり、１：１０の場合には、逆に応力が小さくなっている。このように、天板１１と底板１２との厚さ比を変更すると、応力が急激に変化するポイントが存在することが解る。なお、図示しないが、厚さ比が１：５〜１：１０の場合には、ちょうど間の値をとり、１：１０よりも底板１２が厚くなると、暫くは応力が低減する傾向を示す。 According to the simulation results of the examples, almost the same stress is generated in a region lower than 150 ° C. In the region higher than 150 ° C., a difference in stress appears. In the case of 1: 3.3 and 1: 5, the stress increases at 150 ° C., and in the case of 1:10, the stress is reversed. It is getting smaller. Thus, it can be seen that when the thickness ratio between the top plate 11 and the bottom plate 12 is changed, there is a point where the stress changes rapidly. Although not shown in the figure, when the thickness ratio is 1: 5 to 1:10, the value is just in between, and when the bottom plate 12 becomes thicker than 1:10, the stress tends to decrease for a while.

なお、図５に示すシミュレーション結果は、凹部１８、周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂ、スリット２０を設けない条件で算出したものであるから、これらを設けることにより、さらに、絶縁基板３１にかかる応力（最大応力）は低減される。 Note that the simulation results shown in FIG. 5 are calculated under conditions where the concave portion 18, the peripheral groove 19 a, the gap groove 19 b, and the slit 20 are not provided. By providing these, the stress applied to the insulating substrate 31 ( Maximum stress) is reduced.

ここで、上記構成を備えるＨＶインバータ用冷却器１０の作用、特に応力緩和作用について、総括して説明する。上記のように、ＨＶインバータ用冷却器１０、これに接合される絶縁基板３１に作用する応力は、特に、各部材をロウ付けするときに、各部材の線膨張率の相違に起因して発生する。例えば、ロウ付け後の冷却過程において、絶縁基板３１に対して天板１１等が収縮しようとする力が作用する。また、天板１１よりも底板１２が収縮し易いので、絶縁基板３１を頂点とするような反りが発生するおそれがある。 Here, the action of the HV inverter cooler 10 having the above-described configuration, particularly the stress relaxation action, will be generally described. As described above, the stress acting on the HV inverter cooler 10 and the insulating substrate 31 joined to the HV inverter cooler is generated due to the difference in the coefficient of linear expansion of each member, particularly when brazing each member. To do. For example, in the cooling process after brazing, a force is applied to the insulating substrate 31 so that the top plate 11 and the like are contracted. Further, since the bottom plate 12 is more easily contracted than the top plate 11, there is a possibility that a warp with the insulating substrate 31 as a vertex occurs.

上記の天板１１等が収縮しようとする力は、絶縁基板３１との接合部分（接合表面）に大きく作用する。接合部分に作用する応力は、凹部１８の空間が変形することにより吸収・緩和される。また、このような応力は、絶縁基板３１に対して周囲から作用するので、周囲から作用する応力は、周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂにより吸収・緩和される。なお、接合表面の間隙には、大きな応力が作用すると共に、放熱性能等の観点から絶縁基板１９の所定間隔を維持することも重要である。接合表面の間隙における吸収変形量の調整を容易にするのが、接合部を有する間隙溝１９ｂである。例えば、間隙溝１９ｂの両端に残した接合部のつっぱり効果により、変形量を抑制して、適切な吸収変形を実現する。 The force that the top plate 11 or the like tends to contract greatly acts on the joint portion (joint surface) with the insulating substrate 31. The stress acting on the joint portion is absorbed and relaxed by the deformation of the space of the recess 18. Further, since such stress acts on the insulating substrate 31 from the periphery, the stress acting from the periphery is absorbed and relaxed by the peripheral groove 19a and the gap groove 19b. A large stress acts on the gap between the bonding surfaces, and it is also important to maintain a predetermined interval of the insulating substrate 19 from the viewpoint of heat dissipation performance and the like. The gap groove 19b having a joint portion facilitates adjustment of the amount of absorption deformation in the gap on the joint surface. For example, the amount of deformation can be suppressed and an appropriate absorption deformation can be realized by the pulling effect of the joints left at both ends of the gap groove 19b.

絶縁基板３１を頂点とするような反りは、天板１１と底板１２との厚さ比を、１：３〜１：１０（ノコロックロウ付け）に設定することで抑制できる。即ち、このような反りは、天板１１よりも底板１２の剛性（ヤング率）が低いことに起因して発生するものであるから、これを抑制するためには、底板１２よりも天板１１の厚みを薄くして、天板１１の剛性を低くすることが重要である。また、絶縁基板３１の損傷を抑制する等の観点から、底板１２の収縮力が天板１１に伝わらないようにすることも重要であり、これは、フィン１７のスリット２０により実現することができる。即ち、スリット２０の下方（底板１２側）の幅が狭くなるようにフィン１７が変形することで、反りの影響を天板１１まで伝達しないようにする。なお、フィン１７は、波形状が繰り返される方向については、スリット２０がなくても変形し易い。 The warp with the insulating substrate 31 as the apex can be suppressed by setting the thickness ratio of the top plate 11 and the bottom plate 12 to 1: 3 to 1:10 (nocco brazing). That is, such warpage occurs due to the lower rigidity (Young's modulus) of the bottom plate 12 than the top plate 11. To suppress this, the top plate 11 than the bottom plate 12. It is important to reduce the thickness of the top plate 11 and reduce the rigidity of the top plate 11. It is also important to prevent the contraction force of the bottom plate 12 from being transmitted to the top plate 11 from the viewpoint of suppressing damage to the insulating substrate 31, and this can be realized by the slits 20 of the fins 17. . That is, the fin 17 is deformed so that the width below the slit 20 (on the bottom plate 12 side) is narrowed, so that the influence of warpage is not transmitted to the top plate 11. Note that the fin 17 is easily deformed in the direction in which the wave shape is repeated without the slit 20.

以上のように、ＨＶインバータ用冷却器１０は、天板１１、底板１２、フィン１７を主要構成部材とし、天板１１は、絶縁基板３１が接合される接合表面に形成された凹部１８、接合表面の周囲の少なくとも一部に形成された周囲溝１９ａ、接合表面の間隙の一部を残して形成された間隙溝１９ｂを有する。また、フィン１７には、接合表面の直下に対応する位置に、波形状が繰り返される方向に沿ったスリット２０が設けられる。さらに、天板１１と底板１２との厚さの比が、１：３〜１：１０（ノコロックロウ付け）である。したがって、ロウ付け工程等で発生する応力を緩和して、絶縁基板３１の損傷や天板１１、底板１２の反りを抑制することが可能になる。 As described above, the HV inverter cooler 10 includes the top plate 11, the bottom plate 12, and the fins 17 as main components, and the top plate 11 includes the concave portion 18 formed on the bonding surface to which the insulating substrate 31 is bonded, the bonding It has a peripheral groove 19a formed in at least a part of the periphery of the surface and a gap groove 19b formed leaving a part of the gap on the bonding surface. In addition, the fin 17 is provided with a slit 20 along a direction in which the wave shape is repeated at a position corresponding to a position directly below the bonding surface. Furthermore, the ratio of the thickness of the top plate 11 and the bottom plate 12 is 1: 3 to 1:10 (with sawlock brazing). Therefore, the stress generated in the brazing process or the like can be relaxed, and the damage to the insulating substrate 31 and the warp of the top plate 11 and the bottom plate 12 can be suppressed.

なお、上記では、応力緩和構造として、凹部１８を形成した天板１１の表面構造、周囲溝１９ａ・間隙溝１９ｂを形成した天板１１の表面構造、フィン１７にスリット２０を形成した構造、天板１１と底板１２との厚さの比を１：３〜１：１０（ノコロックロウ付け）とした構造を挙げ、各構造が結合した形態について説明したが、各構造を独立して採用した場合にも、ロウ付け工程等で発生する応力を緩和することが可能である。 In the above description, as the stress relaxation structure, the surface structure of the top plate 11 in which the recesses 18 are formed, the surface structure of the top plate 11 in which the peripheral grooves 19a and the gap grooves 19b are formed, the structure in which the slits 20 are formed in the fins 17, and the top A structure in which the thickness ratio between the plate 11 and the bottom plate 12 is set to 1: 3 to 1:10 (with noclock brazing) is described, and the form in which the structures are combined has been described. However, it is possible to relieve the stress generated in the brazing process or the like.

ＨＶインバータ用冷却器、１１天板、１２底板、１３冷媒流通部、１４導入用パイプ、１５導出用パイプ、１６締結部、１７フィン、１８凹部、１９ａ周囲溝、１９ｂ間隙溝、２０スリット、３０半導体素子、３１絶縁基板。 Cooler for HV inverter, 11 Top plate, 12 Bottom plate, 13 Refrigerant flow part, 14 Pipe for introduction, 15 Pipe for lead out, 16 Fastening part, 17 Fin, 18 Recessed part, 19a Circumferential groove, 19b Gap groove, 20 Slit, 30 Semiconductor element, 31 Insulating substrate.

Claims

The cooler is composed of a top plate, a bottom plate, and a refrigerant circulation part formed between the top plate and the bottom plate, and a substrate on which a heating element is mounted on the surface of the top plate is joined by brazing,
The top plate has a recess formed on a bonding surface to which the substrates are bonded.

The cooler of claim 1,
The top plate has a peripheral groove formed in at least a part of the periphery of the bonding surface.

The cooler of claim 1,
A plurality of substrates are joined to the top plate at a predetermined interval,
The top plate has a gap groove formed in the gap of the joining surface corresponding to the predetermined interval leaving a part of the gap.

The cooler according to any one of claims 1 to 3,
A corrugated fin that is installed in the refrigerant flow section and defines a refrigerant flow path, and each corrugated top has a fin joined to the top and bottom plates,
The said fin is provided with the slit along the direction where a wave shape is repeated, The cooler characterized by the above-mentioned.

The cooler according to claim 4, wherein
The fin is provided with a slit at a position corresponding to a position directly below the bonding surface.

In the cooler according to any one of claims 1 to 5,
The cooler characterized in that the ratio of the thickness of the top plate and the bottom plate is 1: 3 to 1:10.