JP2013175639A - 半導体積層ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】平板型の半導体モジュール３と冷却プレート２を積層した半導体積層ユニット１００において、冷却プレート内の冷媒流れに交差する方向で冷却能力を異ならせる技術を提供する。
【解決手段】半導体モジュール３は、発熱量の異なる第１素子４ａと第２素子４ｂを収めている。本明細書が開示する半導体積層ユニット１００では、冷却プレート内部に、第２素子４ｂに対向する領域の冷媒流量が第１素子４ａに対向する領域の冷媒流量よりも多くなるように突起２ａ、２ｂが設けられている。冷却プレート内部では、長さの長い第１突起２ａから抵抗を受けて第１突起２ａの側では長さの短い第２突起２ｂの側よりも冷媒流量が小さくなる。
【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、半導体素子を内蔵した平板型の半導体モジュールと平板型の冷却プレートを積層した半導体積層ユニットに関する。そのような半導体積層ユニットは、インバータや電圧コンバータなどの電力変換器において、スイッチング素子を集中的に冷却するための構造として用いられる。

モータなどの負荷デバイスに供給する電力が大きくなるにつれてインバータなどの電力変換器内部の素子の発熱量が多くなる。特に、電力変換器の出力の源となる電流が流れるＩＧＢＴやダイオードなどの素子は発熱量が大きい。発熱量の大きい素子だけを集めて集中的に冷却する構造が提案されている。そのようなユニットの一つは、発熱量の大きい半導体素子を収めた平板型の半導体モジュールと冷媒が流れる平板型の冷却プレートを交互に積層した構造を有している。本明細書ではそのような構造を半導体積層ユニットと称する。特許文献１〜３はいずれも、そのような半導体積層ユニットを開示している。

発熱量が大きい素子群であっても、素子ごとに発熱量が異なる場合がある。発熱量が大きい素子群の中でも、発熱量が比較的に大きいタイプの素子と、発熱量が比較的に小さいタイプの素子がある。素子の発熱量に応じて冷却能力にも差を付ける方が効率がよい。例えば、特許文献１は、冷却プレート内の冷媒流れ方向の上流側と下流側にピッチの異なるフィンを配置した半導体積層ユニットを開示している。ピッチの狭いフィンを配置した領域は冷却能力が相対的に高くなり、ピッチの広いフィンを配置した領域は冷却能力が相対的に低くなる。そこで、狭ピッチのフィンに対向して発熱量の大きい素子を配置し、広ピッチのフィンに対向して発熱量の小さい素子を配置する。こうして、特許文献１は、素子の発熱量に応じて冷却プレートの場所ごとに冷却能力の異なる半導体積層ユニットを実現している。

また、特許文献２は、厚み（即ち冷媒流路断面積）の異なる複数の冷却プレートを用意し、発熱量の大きい素子に対しては厚みが大きい冷却プレートを対向させ、発熱量の小さい素子に対しては厚みの小さい冷却プレートを対向させる。こうして、特許文献２は、素子の発熱量に応じて冷却プレートの場所ごとに冷却能力の異なる半導体積層ユニットを実現している。

特開２０１１−２３３６８８号公報 特開２００５−１９１０８２号公報 特開２０１０−１０４１８号公報

特許文献１の技術では、冷却プレートの冷媒上流側と下流側で冷却能力を異ならせることは可能であるが、冷媒の流れ方向に交差する方向では冷却能力は同じである。特許文献２の技術は冷却プレート毎に冷却能力を異ならせるものであって、やはり、冷媒の流れ方向に交差する方向では冷却能力は同じである。従って、特許文献１あるいは特許文献２の技術では、発熱量の異なる素子を冷媒の流れ方向に交差する方向に並べると素子の発熱量と冷却能力にアンバランスが生じてしまう。本明細書は、冷媒の流れ方向に交差する方向で冷却能力に差を付ける技術を提供する。本明細書の技術を採用すると、半導体モジュールにおいて発熱量の異なる素子のレイアウトの自由度が広がる。

本明細書が開示する新規な半導体積層ユニットは、平板型の半導体モジュールと冷却プレートを備えている。半導体モジュールは、第１素子と、第１素子よりも発熱量が大きい第２素子を収めている。第１素子と第２素子は典型的には半導体素子であり、例えばＩＧＢＴとダイオードである。冷却プレートは、半導体モジュールに接しており、内部を冷媒が半導体モジュールに沿って流れる。すなわち、冷却プレート全体が空洞であり、その空洞が冷媒流路を形成している。冷却プレートは、その長手方向の両端に貫通孔を有しており、一方の貫通孔から冷媒が供給され、冷却プレート長手方向に流れた冷媒は他方の貫通孔から排出される。第１素子と第２素子は、半導体モジュールと冷却プレートの当接面に対向するように、かつ、冷媒流れ方向に対して横方向に並んで配置される。そして、冷却プレート内部には、第２素子に対向する領域の冷媒流量が第１素子に対向する領域の冷媒流量よりも多くなるように突起が設けられている。

以下、説明のため、冷媒流れ方向（冷却プレートの長手方向）に交差する方向を「流路横方向」と称することにする。本明細書が開示する冷却プレートでは、流路横方向で冷媒流量を異ならしめ、これによって冷却能力を流路横方向で異ならしめる。従って、発熱量の小さい第１素子と発熱量の大きい第２素子を流路横方向に並べても、それぞれの発熱量に応じた冷却能力を実現することができる。

例えば、冷却プレートの内部には、流路横方向に並んで２つの突起が設けられている。一方の突起は他方の突起よりも流路横方向の長さが長い。長い突起の側の流量は、短い突起の側の流量よりも小さくなる。そのような突起によって、流路横方向で異なる流量を実現することができる。

本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態と実施例にて説明する。

実施例の半導体積層ユニットの斜視図である。 冷却プレートの分解斜視図である。 冷却プレートの外板の平面図である。 図３のIV−IV矢視における断面図である。 第２実施例における外板の平面図である 第３実施例における外板の平面図である。 第４実施例における外板の平面図である。

実施例を説明する前に、実施例の半導体積層ユニットが有する他の特徴を述べる。（１）冷却プレートは内部にフィンを備えている。（２）第１素子と第２素子はＩＧＢＴとトランジスタである。（３）半導体積層ユニットは、複数の冷却プレートと複数の平板型の半導体モジュールを交互に積層した構造を有している。

図面を参照して第１実施例の半導体積層ユニット１００を説明する。以下、簡単のため、半導体積層ユニット１００を単純に積層ユニット１００と称する。積層ユニット１００は、インバータ回路の一部を構成するユニットであり、インバータ回路のうち、発熱量の大きいＩＧＢＴとダイオード（還流ダイオード）を集積したものである。ＩＧＢＴと還流ダイオードは逆並列に接続され、一つのスイッチング回路を構成する。スイッチング回路は、直流を交流に変換するメインの回路であり、出力電流の源となる大電流が通るのでインバータの中でも特に発熱量が大きい。積層ユニット１００は、そのような発熱量の大きい素子を効率よく冷却する。

積層ユニット１００は、複数の平板型の半導体モジュール３と複数の平板型の冷却プレートを交互に積層したものである。半導体モジュール３は、半導体素子を樹脂モールドで固めたパッケージである。積層ユニット１００は、隣接する２枚の冷却プレート２の間に、２つの半導体モジュール３が並んで挟まれる。また、夫々の半導体モジュール３は、その両面に絶縁シート５を付して冷却プレート２に挟まれる。複数の冷却プレート２と複数の半導体モジュール３で構成される積層体は、クリップ１２で挟まれ、クリップ１２の一端のフランジと積層体の間に板バネ１４が配置される。板バネ１４は積層ユニット１００を積層方向に加圧し、積層ユニット１００の積層構造を維持する。板バネ１４が隣接する冷却プレート２と半導体モジュール３を密着させるので、半導体モジュール３から冷却プレート２への熱伝達率が高まる。なお、図１では、一つの半導体モジュールと一つの冷却プレートにだけ符号を付しており、他の半導体モジュールと冷却プレートには符号の図示を省略している。また、半導体モジュール３からは、内部の素子と外部の回路を接続する導電部材（バスバやりード線と呼ばれる導電部材）が延設されているが、図では導電部材の図示を省略している。

隣接する冷却プレート２は、２つの接続管８で接続される。２つの接続管８は、冷却プレート２の長手方向の両端付近に接続される。別言すれば、２つの接続管８は、それらの間に半導体モジュール３を挟むように配置される。また、積層ユニット１００の一端に位置する冷却プレート２（図１にて左下端の冷却プレート２）には、冷媒供給管６と冷媒排出管７が接続される。冷媒供給管６は、積層ユニットの積層方向から見たときに冷却プレートの一方の端の接続管８と重なる位置に連結される。同様に、冷媒排出管７は、積層ユニットの積層方向から見たときに冷却プレートの他方の端の接続管８と重なる位置に連結される。そのような接続構造により、冷媒供給管６から流入した冷媒は、接続管８を通じて全ての冷却プレート２に行き渡る。また、夫々の冷却プレートに流入した冷媒は、冷却プレート２をその長手方向に流れ、反対側の接続管８を通じ、さらには冷媒排出管７を通じて外部に排出される。冷媒は冷却プレート内部を流れる際、冷却プレートの両側に位置する半導体モジュール３に沿って流れ、半導体モジュール３内部の素子を冷却する。

本実施例の積層ユニット１００では、一つの半導体モジュール３に２つの素子、即ち、ダイオード４ａとトランジスタ４ｂ（ＩＧＢＴ）が含まれる。さらに、本実施例では、トランジスタ４ｂの方がダイオード４ａよりも発熱量が大きいと仮定する。なお、トランジスタとダイオードのいずれの発熱量が大きいかは、インバータの設計に依存することに留意されたい。ダイオード４ａが第１素子の一例に相当し、トランジスタ４ｂが、第１素子よりも発熱量の大きい第２素子の一例に相当する。

半導体モジュール３の内部においては、図１で見たときの上側に発熱量の小さいダイオード４ａが配置され、発熱量の大きいトランジスタ４ｂが下側に配置される。本実施例では、全ての半導体モジュール３にてダイオード４ａとトランジスタ４ｂが同様に配置されているものとする。それゆえ、冷却プレート２は、図１で見たときの上側の冷却能力が低く、下側の冷却能力が高いことが望ましい。即ち、冷却プレート２は、流路横方向で冷却能力が異なることが望ましい。

流路横方向で冷却能力を異ならせるため、冷却プレート２は、窪み２ａと２ｂを有している。なお、図２を参照して説明するように、符号２ａ、２ｂが示す箇所は、冷却プレート２の外部から見ると窪みであるが、冷却プレート２の内部から見ると突起である。本実施例では、冷却プレート内でみたときの構造を説明するので、符号２ａ、２ｂが示す箇所を突起２ａ、２ｂと称する。特に、流路横方向の長さの長い方の突起２ａを第１突起２ａと称し、長さの短い方の突起２ｂを第２突起と称する。

図２に、冷却プレート２の分解斜視図を示す。冷却プレート２は、その筐体に相当する外板２１、２３と、内部の流路を積層方向で２分する中板２２、及び、フィン２４で構成される。外板２１、２３は、有底のケース状であり、間に中板２２を挟んで対向させて接合すると、内部が冷媒の流路となる冷却プレート筐体が形成される。外板２１と２３を接合する際、内部にフィン２４が配置される。

外板２１の長手方向の両端には円筒部８ａが形成されており、外板２３の長手方向の両端には円筒部８ｂが形成されている。円筒部８ａの内径は円筒部８ｂの外径とほぼ同じである。即ち、２つの冷却プレート２を並べて配置すると、円筒部８ａと円筒部８ｂが対向し、２つの冷却プレート２を両側から押し付けると円筒部８ａと円筒部８ｂが嵌合する。嵌合部をロウ付けにより接合すると、前述した接続管８が形成される。中板２２の長手方向の両側にも孔が形成されており、中板２２を挟んで外板２１、２３を接合すると、長手方向の両側に貫通孔３１、３２が形成される。この貫通孔３１、３２は、冷媒が通る流路となる。

外板２１、２３、中板２２、及び、フィン２４は、アルミニウムの板をプレス加工して作られている。フィン２４は、アルミニウムの板を波状にプレス加工した波板である。

冷却プレート２は、図２における上側に流路横方向の長さが長い第１突起２ａを有し、下側に流路横方向の長さが短い第２突起２ｂを有している。第１突起２ａは冷却プレート２の長手方向に沿って３箇所に設けられており、第２突起２ｂも冷却プレート２の長手方向に沿って３箇所に設けられている。第１突起２ａと第２突起２ｂは、冷却プレート２内部の流路の幅を狭めるとともに、フィン２４の位置決めに寄与する。即ち、長さの長い第１突起２ａが設けられている側の冷媒流量は、長さの短い第２突起２ｂが設けられている側の冷媒流量よりも少なくなる。また、相互に隣接する２つの第１突起２ａと２つの第２突起２ｂで囲まれる矩形領域にフィン２４が収められる。別言すれば、フィン２４は、第１突起２ａと第２突起２ｂにより位置決めされる。

図３に外板２３の平面図を示す。図３は、外板２３を内側から見た図にも相当する。さらに、図３は、冷却プレート２の断面図にも相当する。また、外板２１を内側から見ても図３と形状である（ただし左右は逆転する）。図３に示すように、第１突起２ａの流路横方向長さをＤａは、第２突起２ｂの流路横方向長さをＤｂの概ね２倍である。矢印ＬａとＬｂは冷媒流れを示している。貫通孔３１（冷媒供給管６の側の貫通孔）から流入した冷媒は、第１突起２ａ、第２突起２ｂによって一部に抵抗を受けながら反対側の貫通孔３２へと向かう。長さの長い第１突起２ａの側では冷媒流れが大きく乱され、反対の第２突起２ｂの側ではそれほど冷媒流れは乱されない。図３の細い矢印線Ｌａが第１突起２ａの側における冷媒の流れを表しており、太い矢印線Ｌｂが第２突起２ｂの側における冷媒の流れを示している。また、矢印線の太さの相違が流量の相違を模式的に表している。図３に示すように、第１突起２ａ側では流れが蛇行し、流量が小さくなる。第２突起２ｂの側では蛇行が小さく、流量が大きくなる。その結果、第１突起２ａ側の冷却能力が小さくなり、逆に第２突起２ｂ側の冷却能力が大きくなる。即ち、流路横方向で冷却能力が異なる。図３に示すように、冷媒流量の少ない領域に発熱量の小さいダイオード４ａが面しており、冷媒流量の大きい領域に発熱量の大きいトランジスタ４ｂが面する。この積層ユニットでは、発熱量の異なる素子を流路横方向に配置しても、発熱量に応じて流路横方向で冷却能力を異ならせることができる。

図３の二点鎖線は、素子の位置を示している。別言すれば、図３の二点鎖線は、素子に対向する冷却プレート上の領域を示している。つまり、図３の二点鎖線は、素子と向かい合った冷却プレート内の領域である。従って、図３の構造は、冷却プレート２の内部に、ＩＧＢＴ（第２素子）に対向する領域４ｂの流量がダイオード（第１素子）に対向する領域４ａの流量よりも多くなるように突起２ａ、２ｂを設けることに相当する。

図４は、図３のIV−IV矢視に相当する断面図である。図４から明らかなとおり、符号２ａ、２ｂが示す部位は、冷却プレートの内側からみれば突起であるが、冷却プレートの外側からみれば窪みである。また、図４から明らかなとおり、第１突起２ａと第２突起２ｂは流路を狭めている。特に、図４において、ダイオード４ａに対向する上側の流路が第１突起２ａによって大きく狭められている。従って、冷媒はダイオード４ａに対向する領域からトランジスタ４ｂに対向する領域にシフトする。

外板２１、２２の突起２ａ、２ｂは、プレス加工にて成形される。また、外板２１、２３と中板２２は、ロウ付けにて接合される。

第１実施例では、同じ長さＤａを有する３個の突起２ａが冷却プレート長手方向に並んで設けられており、同じ長さＤｂを有する３個の突起２ｂも冷却プレート長手方向に並んで設けられていた。長い第１突起２ａと短い第２突起２ｂのレイアウトは第１実施例のものに限られない。

図５に、第２実施例における冷却プレート１０２の外板１２３の平面図を示す。外板１２３は、長い第１突起２ａと短い第２突起２ｂのレイアウトが第１実施例の場合と異なる。外板１２３では、図において上側であって冷媒流れの最上流側だけが長い第１突起２ａであり、その他の５つの突起は短い第２突起２ｂである。外板１２３に対向する外板（不図示）も、図５と同様の形状を有する（ただし左右が逆となる）。

細矢印線Ｌａが流路横方向の上側における冷媒の流れを模式的に表しており、太矢印線Ｌｂが流路横方向の下側における冷媒の流れを模式的に表している。貫通孔３１から流入した冷媒は、上流側で第１突起２ａによって抵抗を受けてその流れが乱れるが、第１突起２ａを通過した後は図５の下側を流れる冷媒と同様にスムーズに流れる。それゆえ、冷媒流量の差は、第１実施例ほど大きくはない。それでも、第１突起２ａの下流では冷媒流量がやや減少する。それゆえ、図５の上側には比較的に発熱量の小さいダイオード４ａを配置し、下側には発熱量の大きいトランジスタ４ｂを配置するとよい。ただし、第２実施例は、ダイオード４ａとトランジスタ４ｂの発熱量の差が第１実施例の場合ほどではない場合に適している。

図６に、第３実施例における冷却プレート２０２の外板２２３の平面図を示す。本実施例も、長い第１突起２ａと短い第２突起２ｂのレイアウトが第１実施例及び第２実施例の場合と異なる。外板２２３では、図において上側であって冷媒流れの最上流と最下流の中間の突起だけが長い第１突起２ａであり、その他の５つの突起は短い第２突起２ｂである。

細矢印線Ｌａが流路横方向の上側における冷媒の流れを模式的に表しており、太矢印線Ｌｂが流路横方向の下側における冷媒の流れを模式的に表している。貫通孔３１から流入した冷媒は、冷却プレート内の流路の中間当たりで第１突起２ａから抵抗を受けてその流れが乱れるが、第１突起２ａを通過した後は図６の下側を流れる冷媒と同様にスムーズに流れる。それゆえ、第１突起２ａよりも上流側では流路横方向の冷却能力の差はほとんどない。他方、第１突起２ａよりも下流側では、第１突起２ａで流れが乱される分だけ、冷却能力が低下する。それゆえ、第３実施例では、図６の上側であって下流側には比較的に発熱量の小さいダイオード４ａを配置し、上流側には発熱量の大きいトランジスタ４ｂを配置するとよい。第３実施例の場合、流路横方向だけでなく、流路長手方向にも冷却能力を異ならせることができる。

図７に、第４実施例における冷却プレート３０２の外板３２３の平面図を示す。本実施例も、長い第１突起２ａと短い第２突起２ｂのレイアウトが第１実施例、第２実施例、及び第３実施例の場合と異なる。外板３２３では、図において上側であって冷媒流れの最下流側の突起だけが長い第１突起２ａであり、その他の５つの突起は短い第２突起２ｂである。

図７においても、細矢印線Ｌａが流路横方向の上側における冷媒の流れを模式的に表しており、太矢印線Ｌｂが流路横方向の下側における冷媒の流れを模式的に表している。第４実施例では、図における上側の流路において、冷媒の流れは最下流で長い第１突出部２ａの影響を受けて乱れる。ただし、流れでは下流の乱れが上流にも伝搬するので、第１突起２ａのすぐ上流側では冷媒流量が他の領域よりも少なくなる。それゆえ、本実施例の構成の場合は、長い第１突起２ａのすぐ上流には発熱量の小さいダイオード４ａを配置し、それ以外の位置には発熱量の多いトランジスタ４ｂを配置するのがよい。

以上説明したように、積層ユニット１００は、冷却プレート内部に流路横方向に並んで長さの異なる第１突起２ａと第２突起２ｂを備える。突起は冷媒の流れに抵抗を与え、冷媒流量を抑制する。それゆえ、流路横方向で長さの異なる突起を設けることによって、流路横方向で冷却能力を異ならせることができる。これにより、半導体モジュール内部で発熱量の小さいダイオード４ａ（第１素子）と、発熱量の大きいトランジスタ４ｂ（第２素子）のレイアウトの自由度が拡がる。

実施例に関する留意点を述べる。本明細書が開示す技術は、必ずしも、流路横方向に複数の突起を並べる必要はない。本明細書が開示する技術は、冷却プレート２の内部に、ＩＧＢＴ（第２素子）に対向する領域４ｂの流量がダイオード（第１素子）に対向する領域４ａの流量よりも多くなるように突起を設ければよい。例えば、図３の構造において第２突起２ｂが無くともよい。図３の構造において第２突起２ｂがなくても、図３の下側における冷媒流量は上側における冷媒流量よりも確実に多くなる。

流路横方向の一方の流量を減少させると、他方の流量が増大する。即ち、流路横方向の一方で冷却能力を下げれば他方において冷却能力が高まる。それゆえ、本明細書が開示する半導体積層ユニットは、発熱量の異なる素子を効率よく冷却することができる。

実施例の冷却プレート２は内部にフィン２４を備えたが、フィン２４がなくとも実施例と同様の作用効果は得られる。ただし、フィン２４を備える方が、積層ユニット全体で冷却能力が高まる。

実施例では突起２ａ、２ｂの形状は矩形であったが、突起の形状は矩形に限定されない。正方形でもよいし、楕円形でもよい。

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、１０２、２０２、３０２：冷却プレート
２ａ：第１突起
２ｂ：第２突起
３：半導体モジュール
４：冷却プレート
４ａ：ダイオード（第１素子）
４ｂ：トランジスタ（第２素子）
５：絶縁シート
６：冷媒供給管
７：冷媒排出管
８：接続管
８ａ、８ｂ：円筒部
２１、２３、１２３、２２３、３２３：外板
２２：中板
２４：フィン
３１、３２：貫通孔
１００：半導体積層ユニット

Claims (4)

1. 第１素子と、第１素子よりも発熱量が大きい第２素子を収めた平板型の半導体モジュールと、
   半導体モジュールに接しており、内部を冷媒が半導体モジュールに沿って流れる平板型の冷却プレートと、
   を備えており、
   第１素子と第２素子は、半導体モジュールと冷却プレートの当接面に対向するように、かつ、冷媒流れ方向に対して横方向に並んで配置されており、
   冷却プレート内部に、第２素子に対向する領域の流量が第１素子に対向する領域の流量よりも多くなるように突起が設けられていることを特徴とする半導体積層ユニット。
2. 冷却プレートは内部にフィンを備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体積層ユニット。
3. 第１素子と第２素子はＩＧＢＴとトランジスタであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体積層ユニット。
4. 複数の冷却プレートと複数の平板型の半導体モジュールが積層していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体積層ユニット。

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