JP2013115139A - パワー半導体パッケージの冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パワー半導体パッケージを冷却する冷却装置において、薄く形成した絶縁板の強度と絶縁性を確保することが可能な技術を提供する。
【解決手段】本明細書は、パワー半導体素子を収容したパワー半導体パッケージを冷却する冷却装置を開示する。そのパワー半導体パッケージは、平板状に形成されており、放熱部を備えている。その冷却装置は、内部に冷却水が流れる冷却器と、パワー半導体パッケージの放熱部と冷却器の間に挟み込まれる絶縁板を備えている。その冷却装置では、絶縁板の端部に、パワー半導体パッケージに向けて突出するリブが形成されている。
【選択図】図２

Description

本明細書は、パワー半導体パッケージの冷却装置に関する。

近年、ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両が本格的に実用化され、普及が拡大している。電動車両の電力変換装置は、ＩＧＢＴなどのパワー半導体素子を収容したパワー半導体パッケージを備えている。パワー半導体素子は動作に伴い発熱するため、パワー半導体パッケージを効果的に冷却する技術が必要とされる。

特許文献１に、パワー半導体パッケージを冷却する技術が記載されている。パワー半導体パッケージは、平板状に形成されており、放熱部を備えている。特許文献１の技術では、パワー半導体パッケージの放熱部からの熱を、内部に冷却水が流れる冷却器へ伝熱することで、パワー半導体パッケージを冷却する。パワー半導体パッケージの放熱部と冷却器には、高い伝熱性が必要とされるため、それぞれ金属製の部材が用いられる。パワー半導体パッケージの放熱部と冷却器の間の絶縁性を確保するために、特許文献１の技術では、パワー半導体パッケージと冷却器の間にセラミックス製の絶縁板を挟みこんでいる。

特開２００８−２１０８２９号公報

絶縁板には、冷却器とパワー半導体パッケージを確実に絶縁する絶縁性と、パワー半導体パッケージから冷却器へ良好に伝熱する伝熱性が要求される。絶縁板を厚く形成してしまうと、熱抵抗が高くなり、冷却器によるパワー半導体パッケージの冷却効率が低下してしまう。従って、絶縁板は可能な限り薄く形成することが好ましい。しかしながら、薄く形成した絶縁板は、端部において割れや欠けを生じるおそれがある。特に、絶縁板としてセラミックス等の脆性材料を用いる場合、この傾向は顕著である。また、薄く形成した絶縁板では、絶縁板の端部を回りこんで放電する沿面放電を生じるおそれがある。薄く形成した絶縁板の強度と絶縁性を確保することが可能な技術が期待されている。

本明細書では、上記の課題を解決する技術を提供する。本明細書では、パワー半導体パッケージを冷却する冷却装置において、薄く形成した絶縁板の強度と絶縁性を確保することが可能な技術を提供する。

本明細書は、パワー半導体素子を収容したパワー半導体パッケージを冷却する冷却装置を開示する。そのパワー半導体パッケージは、平板状に形成されており、放熱部を備えている。その冷却装置は、内部に冷却水が流れる冷却器と、パワー半導体パッケージの放熱部と冷却器の間に挟み込まれる絶縁板を備えている。その冷却装置では、絶縁板の端部に、パワー半導体パッケージに向けて突出するリブが形成されている。

上記の冷却装置では、絶縁板の端部にリブが形成されているので、絶縁板の端部の強度が確保され、割れや欠けが生じることを抑制することができる。さらに、上記の冷却装置では、絶縁板の端部にリブを形成することで、パワー半導体パッケージの放熱部から冷却器までの沿面距離を長くし、沿面放電の発生を抑制することができる。絶縁板を薄くした場合でも、絶縁性能を確保することができる。

上記の冷却装置では、パワー半導体パッケージと絶縁板の間に隙間充填剤が充填されており、パワー半導体パッケージに、リブが嵌合する凹部が形成されていることが好ましい。

パワー半導体パッケージの放熱部や、絶縁板の表面には、表面粗さに起因する微少な凹凸が存在する。従って、パワー半導体パッケージの放熱部と絶縁板を直接的に接触させると、理想的な面接触とはならずに、多数の点接触を介して放熱部と絶縁板が接触することになる。このような場合、放熱部からの放熱にばらつきが生じて、絶縁板が局所的に高温となってしまうおそれがある。上記のように隙間充填剤を用いることで、放熱部と絶縁板を理想的な面接触に近づけ、放熱部からの均等な放熱を実現することができる。隙間充填剤としては、例えばグリス等が用いられる。このように隙間充填剤を使用すると、絶縁板がパワー半導体パッケージに対して滑りやすくなり、絶縁板の位置決めが困難となる場合がある。上記の冷却装置によれば、絶縁板のリブがパワー半導体パッケージの凹部に嵌合するので、パワー半導体パッケージに対する絶縁板の滑りを抑制し、絶縁板を確実に位置決めすることができる。

上記の冷却装置では、絶縁板のパワー半導体素子に対向する箇所に凸部が形成されていることが好ましい。

上記の冷却装置によれば、放熱部からの放熱が最も大きくなるパワー半導体素子の近傍で、放熱部と絶縁板の間の距離を短くすることができ、伝熱性を向上して冷却効率を向上することができる。また、放熱部と絶縁板の間に異物が混入した場合でも、凸部によってその異物が周辺に排斥されるので、放熱部からの放熱が最も大きくなるパワー半導体素子の近傍から異物を排斥することができる。上記の冷却装置によれば、冷却効率をより向上することができる。

本明細書が開示する技術によれば、パワー半導体パッケージを冷却する冷却装置において、薄く形成した絶縁板の強度と絶縁性を確保することができる。

冷却装置１０とパワーカード１２の外観を示す斜視図である。 冷却装置１０にパワーカード１２を組み付けた状態の断面図である。 絶縁板２０の断面図である。

図１は、本実施例の冷却装置１０を示している。冷却装置１０は、パワーカード１２を冷却するために用いられる。図２に示すように、パワーカード１２は、電動車両においてコンバータやインバータ等を構成するパワー半導体素子１４を内部に収容している。パワーカード１２は、パワー半導体パッケージということもできる。パワー半導体素子１４は、例えばＩＧＢＴなどのスイッチング素子である。冷却装置１０はパワーカード１２とともに、電動車両に搭載される。

図１に示すように、パワーカード１２は、平板状に形成されている。図２に示すように、パワーカード１２は、前面と後面に金属製の放熱部１６を備えている。

図１に示すように、冷却装置１０は、冷却器１８と、絶縁板２０を備えている。冷却器１８は、内部に冷却水が流れる複数の冷却水通路２２を備えている。冷却水通路２２は金属製である。冷却装置１０は、パワーカード１２の前面と後面を、絶縁板２０を介して冷却水通路２２で挟み込むことで、前面の放熱部１６と後面の放熱部１６をそれぞれ冷却する。絶縁板２０は、例えばセラミックス製の板状部材である。

図２に示すように、パワーカード１２の放熱部１６と絶縁板２０の間には、隙間充填剤としてグリス３０が充填されている。グリス３０を充填することで、放熱部１６と絶縁板２０の間を理想的な面接触の状態に近づけ、放熱部１６からの放熱を均等にすることができる。絶縁板２０が局所的に高温となってしまう事態を防ぐことができる。

図１に示すように、絶縁板２０は、矩形の平板形状に成形されている。図２や図３に示すように、絶縁板２０の端部には、パワーカード１２に向けて突出するリブ２４が形成されている。このようなリブ２４を形成することで、絶縁板２０の端部の強度が確保されて、割れや欠けの発生が抑制されている。また、絶縁板２０の端部にリブ２４を形成することで、パワーカード１２の放熱部１６から冷却水通路２２までの沿面距離が長く確保され、絶縁板２０の端部を回り込む沿面放電の発生を抑制することができる。

図２に示すように、パワーカード１２には、絶縁板２０のリブ２４に対応する位置に、凹部２６が形成されている。この凹部２６にリブ２４が嵌合することで、絶縁板２０をパワーカード１２に対して位置決めすることができる。パワーカード１２の放熱部１６と絶縁板２０の間にグリス３０を介在させた場合でも、絶縁板２０のパワーカード１２に対する滑りを抑制し、絶縁板２０をパワーカード１２に対して確実に位置決めすることができる。

図２に示すように、絶縁板２０には、パワーカード１２のパワー半導体素子１４に対向する箇所に、パワーカード１２に向けて突出する凸部２８が形成されている。この凸部２８が存在することで、放熱部１６からの放熱が最も大きくなるパワー半導体素子１４の近傍において、放熱部１６と絶縁板２０の間の距離を短くすることができる。これにより、放熱部１６から冷却水通路２２への伝熱性を向上し、冷却効率を向上することができる。また、放熱部１６と絶縁板２０の間に異物が混入した場合でも、凸部２８によってその異物が周辺に排斥されるので、放熱部１６からの放熱が最も大きくなるパワー半導体素子１４の近傍から異物を排斥することができる。冷却効率をより向上することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０ 冷却装置
１２ パワーカード
１４ パワー半導体素子
１６ 放熱部
１８ 冷却器
２０ 絶縁板
２２ 冷却水通路
２４ リブ
２６ 凹部
２８ 凸部
３０ グリス

Claims (3)

1. パワー半導体素子を収容したパワー半導体パッケージを冷却する冷却装置であって、
   パワー半導体パッケージは、平板状に形成されており、放熱部を備えており、
   その冷却装置は、冷却器と、パワー半導体パッケージの放熱部と冷却器の間に挟み込まれる絶縁板を備えており、
   絶縁板の端部に、パワー半導体パッケージに向けて突出するリブが形成されている冷却装置。
2. パワー半導体パッケージと絶縁板の間に隙間充填剤が充填されており、
   パワー半導体パッケージに、リブが嵌合する凹部が形成されている請求項１の冷却装置。
3. 絶縁板のパワー半導体素子に対向する箇所に凸部が形成されている請求項２の冷却装置。

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