JP2013138113A - 冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の熱を筐体に拡散し易い放熱構造を提供する。
【解決手段】本明細書が開示する冷却構造２は、発熱する素子を収めた半導体モジュール２０、３０と、半導体モジュール２０、３０を収めるインバータの筐体５と、筐体５に固定されるアンダーカバー４で構成される。半導体モジュール２０、３０は、グリスを挟んで複数の固定箇所２２、３２にて筐体５に固定されている。アンダーカバー４は、筐体５と熱膨張率が異なる材質でできており、筐体５の壁を挟んで半導体モジュール２０、３０と対向するように筐体５に固定されている。この冷却構造２は、さらに、固定箇所２２、３２は発熱する素子を囲むように設けられており、半導体モジュール２０、３０に対向する筐体面に、グリスが入り込む閉環状の溝８、９が、固定箇所で囲まれた領域の中心を囲むように形成されている。
【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、発熱する素子の冷却構造であって、素子を収めた部材から筐体へ熱を伝達させる冷却構造に関する。

大出力のモータ用のインバータや電圧コンバータなどの電子機器では、ＩＧＢＴなど、発熱量の大きい素子を多数用いる。それゆえ、素子の冷却構造が重要である。素子の冷却には、冷媒を流す冷却器を使う場合もあるが、素子を収めた半導体モジュールから筐体への伝熱も冷却の重要な要素である。冷却器を使う場合であっても筐体への伝熱効率を上げることは、素子の冷却能力の向上に繋がる。

素子を収めた半導体モジュールから筐体への伝熱効率を向上させる技術が例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。いずれの文献も、筐体と半導体モジュールの間に伝熱性の高いグリスを介在させるが、グリスが不均一にならないように筐体における半導体モジュールとの対向面にグリスが溜まるように溝を設けるものである。特許文献１の技術では、半導体モジュールに設けられた固定用孔によって囲まれる領域の内部に、その領域の外周線に沿うように溝を設ける。特許文献１の技術は、半導体モジュール締結時の力により半導体モジュールが変形することによって生じるグリスの不均一を解消するものである。特許文献２の技術では、筐体における半導体モジュールとの対向面に複数の溝を設ける。

特開２００６−１９６５７６号公報 特開２０１０−９２９９９号公報

本明細書は、筐体と半導体モジュールの間に塗布されたグリスの不均一を解消するためにさらに改良した技術を提供する。特に、筐体における半導体モジュール固定面とは反対側の面に、筐体とは熱膨張率が異なる板部材が固定され、熱膨張率の違いにより筐体が変形し元へ戻るような場合であっても、筐体と半導体モジュールとの間に、グリス欠損領域が生じないようにする技術を提供する。

本明細書が開示する冷却構造は、発熱する素子を収めた半導体モジュールと、その半導体モジュールを収める電子機器の筐体と、筐体に固定される板部材で構成される。半導体モジュールは、グリスを挟んで複数の固定箇所にて筐体に固定されている。板部材は、筐体と熱膨張率が異なるものであり、筐体の壁を挟んで半導体モジュールと対向するように筐体に固定されている。なお、半導体モジュールは、発熱素子（あるいは多数の素子を含む半導体チップ）をモールドしたパッケージであってよいし、発熱素子（あるいは半導体チップ）と冷却器を一体化したユニットであってもよい。板部材は、筐体を補強する鉄板であったり、筐体を別の装置に取り付けるためのブラケットであってもよい。筐体は、典型的には、アルミダイカストで作られ、板部材は鉄製のアンダーカバー（下部遮蔽板）である。

本明細書が開示する冷却構造は、さらに、半導体モジュールの固定箇所が発熱する素子を囲むように設けられており、半導体モジュールに対向する筐体面に、グリスが入り込む閉環状の溝が、固定箇所で囲まれた領域の中心を囲むように形成されている。

上記の冷却構造では、相互に固定されている筐体と板部材の熱膨張率が異なるので、それらの温度が上昇すると筐体が変形する。上記のように閉じた環状の溝を備えることで、筐体が変形し、筐体と半導体モジュールの間の隙間が不均一となっても、閉環状の溝にグリスが溜まる。そして、筐体の変形が元に戻ると溝のグリスが隙間に戻り、グリス欠損領域が発生することを防ぐ。

上記した冷却構造においては、閉環状の溝が少なくとも二重に形成されているとよい。そのような構成は、筐体が変形した際に、固定部材で囲まれた領域の中心から外側に向けてグリスが拡散することを防止する。また、溝が二重に形成されている場合、溝の間隔が溝幅よりも大きいことが好ましい。筐体はアルミダイカストで製造されることがあるが、射出成形の際、溝と溝の間の筐体部分を形成するためのキャビティにおける湯流れが悪くなることを避けるためである。

グリスによる半導体モジュールから筐体への伝熱効果を保持するために、溝は、半導体モジュールと筐体と板部材の積層方向からみて発熱素子と重なるように形成されていることが好ましい。発熱素子の直下でグリスが欠損することを防止するためである。また、溝の深さは、筐体の厚みの１／５以下であることが好ましい。筐体の強度を損ねることを防止するためである。

本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

インバータ筐体の底部の平面図である。 半導体モジュールを外したインバータ筐体の底部の平面図である。 図１のIII−III線に沿った断面図である。 溝の拡大断面図である。

図面を参照して実施例の冷却構造を説明する。実施例の冷却構造２が対象とする装置は、電気自動車のインバータ３である。図１にインバータ３の筐体５の底部の平面図を示す。筐体５の底部上面に、２つの半導体モジュール２０、３０が固定されている。筐体５は箱状であるが、以下では半導体モジュール２０、３０が固定さえる筐体底部について説明し、筐体全体については説明を省略する。

半導体モジュール２０は、その内部にＩＧＢＴなどの複数個の半導体素子を樹脂でモールドした半導体チップ２１ａ、２１ｂ、及び２１ｃを内蔵している。半導体モジュール３０は、その内部にＩＧＢＴ等の複数個の半導体素子を樹脂でモールドした半導体チップ３１を内蔵している。なお、図１では、半導体モジュールに内蔵さあれた半導体チップはグレーで示してある。さらに、図１では、半導体素子の配線は図示を省略している。半導体モジュール２０、３０に収められたＩＧＢＴなどの半導体素子は、バッテリの電力をモータ駆動に適した交流電力に変換するためのコンバータ回路やインバータ回路におけるスイッチング回路を構成する素子である。半導体モジュール２０、３０に収められた素子には大電流が流れるため発熱量が大きい。インバータ３では、そのような発熱量の大きい素子を集積し、集中的に冷却する。

半導体モジュール２０は、４本のボルト２２で筐体５の底部に固定される。筐体５の底部表面であって半導体モジュール２０と対向する領域には三重の溝８が形成されている。半導体モジュール３０は、４本のボルト３２で筐体５の底部に固定される。筐体５の底部表面であって半導体モジュール３０と対向する領域には、三重の溝９が形成されている。溝の全体的な形状は、図１の平面図でみて溝が半導体チップと重なる部分が多くなるように定められている。

半導体モジュール２０と筐体５の底部との間には熱伝導率の高いグリスが塗布されている。半導体モジュール３０と筐体５の底部との間にもグリスが塗布されている。グリスは、半導体モジュールから筐体５へと半導体素子の熱を良く拡散させるために塗られている。グリスは溝８と溝９にも溜まる。溝８と溝９については後に詳しく説明する。なお、半導体モジュール２０の下方には溝が三重に形成されているが、それらの溝を総称する場合は「溝８」と称し、個別に示す場合は、後述するように、内側から溝８ａ、溝８ｂ、及び、溝８ｃと称する。溝９についても同様であり、三重の溝のそれぞれを個別に示す場合は内側から溝９ａ、溝９ｂ、及び、溝９ｃと称する。

インバータ３の底部外側（インバータ３の下面）には、アンダーカバー４が取り付けられている。インバータ３は車両のエンジンコンパートメントに固定されるが、アンダーカバー４は、路面から跳ね上がってくる小石などからインバータ３を保護することを一つの目的として取り付けられている。アンダーカバー４は、下からボルト６でインバータ３に固定される。筐体５はアルミダイキャストで製造され、アンダーカバー４は鉄製である。筐体５とアンダーカバー４はボルト６によって相互に固定されており、筐体５とアンダーカバー４は熱膨張率が異なるため、温度が上昇すると、熱膨張率の差によって筐体５が変形する。筐体５が変形し、底部表面が湾曲すると、底部表面と半導体モジュール２０、３０との間の隙間が不均一となり、隙間の狭い領域から広い領域へとグリスが押し出される。しかし、温度が下がり、変形が元に戻ったとき、溝８、溝９内に溜まったグリスが筐体表面に出てくるので、底部表面と半導体モジュール２０、３０との間にグリス欠損領域が生じ難い。次に、溝８、溝９について詳しく説明する。

図２に、半導体モジュール２０と３０を外した状態のインバータ３の底部の平面図を示す。図３に、図１のIII−III線に沿った断面図を示す。なお、図３における符号Ｇはグリスを示している。前述したように、半導体モジュール２０は、４本のボルト２２でインバータ３の筐体５に固定される。筐体５の底部には、ボルトを通すための固定孔７ａが４箇所に設けられている。固定孔７ａは、半導体チップ２１ａ、２１ｂ、及び２１ｃ（半導体素子）を囲むように配置されている（図１も参照されたい）。三重の溝８は、４箇所の固定孔７ａで囲まれた領域の中心Ｃａを囲むように形成されている。半導体モジュール３０の側でも同様であり、三重の溝９は、４箇所の固定孔７ｂで囲まれた領域の中心Ｃｂを囲むように形成されている。

三重の溝８のそれぞれは、閉じたリング状（閉環状）であり、相互にほぼ平行である。詳しく説明すると、最内側の溝８ａは、中心Ｃａを囲む閉じた環状に形成されており、その外側に位置する溝８ｂは、溝８ａを囲むように閉じた環状に形成されており、最外側の溝８ｃは、溝８ｂを囲むように閉じた環状に形成されている。三重の溝９についても同様である。

図３によく示されているように、半導体モジュール３０と筐体５の底部とアンダーカバー４は積層状態にあり、溝９は、積層方向からみたときに半導体モジュール３０内の半導体チップ３１（半導体素子）と重なるように設けられている（図１も参照されたい）。

また、図３に良く示されているように、筐体５の底部と半導体モジュール３０の間にはグリスＧが塗布されており、閉環状の三重の溝９にもグリスＧが入り込む。筐体５の底部が変形し半導体モジュール３０との間の隙間が不均一となったのち、隙間が元の状態に戻ったときには溝９内のグリスが筐体５と半導体モジュール３０の間に供給され、グリス欠損領域ができることが防止される。特に、溝９は半導体モジュール３０の概ね中心を囲むように閉環状に設けられているので、隙間が狭くなった領域のグリスは、隙間が広くなった領域に移動し、隙間が均一化するとともにグリスも元の位置に戻ることができる。そのようにして閉環状の溝９は、グリス欠損領域の発生防止に貢献する。

図４に溝９ｂと９ｃ付近の拡大断面図を示す。図４ではグリスは図示を省略している。図４によく示されているように、溝の断面形状は概ねＵ字型に形成されており、グリスが流れ易くなっている。また、溝９の幅Ｗ１は、隣接する溝９ｂ、９ｃの間隔Ｌよりも小さい。これは、筐体５はアルミダイカストで製造されるが、射出成形の際、溝と溝の間の筐体部分を形成するためのキャビティにおける湯流れが悪くなることを避けるためである。また、溝の深さＤ１は、筐体５の厚みＨ１の１／５以下である。溝の深さを深くしないことで、筐体５の強度低下を抑制している。溝８についても同様である。

実施例の技術に関する留意点を述べる。アンダーカバー４が板部材の一例に相当する。筐体５の底部が筐体の壁の一例に相当する。ボルト固定孔７ａ、７ｂが、固定箇所の一例に相当する。

実施例では、三重の溝８、溝９を説明したが、溝は、三重以外、例えば二重や四重であってもかまわない。溝は一重でもよいが、二重以上であることが好ましい。溝と溝の間のグリスは、溝を超えては移動し難いので、二重以上の溝は、半導体モジュールと筐体表面との隙間の変形に対してグリスが散逸し難くなる。実施例では、半導体モジュール２０、３０を筐体５の底部に固定する例を示したが、半導体モジュール２０、３０を固定する場所は、筐体の側面や上面であってもよい。実施例ではインバータにおける冷却構造２を説明したが、本明細書が開示する技術はインバータ以外の電子機器に適用することもできる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。また、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するものであり、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。

２：冷却構造
３：インバータ
４：アンダーカバー
５：筐体
６、２２、３２：ボルト
７ａ、７ｂ：固定孔
８、９：溝
２０、３０：半導体モジュール
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、３１：半導体チップ
Ｃａ、Ｃｂ：中心
Ｇ：グリス
Ｌ：溝間隔
Ｗ１：溝幅
Ｄ１：溝深さ

Claims (7)

1. 発熱する素子を収めた半導体モジュールがグリスを挟んで複数の固定箇所にて電子機器の筐体に固定されているとともに、筐体と熱膨張率の異なる板部材が筐体の壁を挟んで半導体モジュールと対向するように筐体に固定されており、
   固定箇所は発熱する素子を囲むように設けられており、
   半導体モジュールに対向する筐体面に、グリスが入り込む閉環状の溝が、固定箇所で囲まれた領域の中心を囲むように形成されていることを特徴とする素子の放熱構造。
2. 閉環状の溝が少なくとも二重に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放熱構造。
3. 少なくとも二重に形成されている溝の間隔が溝幅よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の放熱構造。
4. 半導体モジュールと筐体と板部材の積層方向からみて、溝は、発熱する素子と重なるように形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の放熱構造。
5. 溝の深さが、筐体の厚みの１／５以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の放熱構造。
6. 筐体はアルミダイカスト製であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の放熱構造。
7. 板部材は鉄製であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の冷却構造。

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