JP2014056853A - 半導体積層ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、冷却プレートと半導体モジュールの間に絶縁板を挟んだ半導体積層ユニットにおいて、絶縁板が破損し難い構造を提供する。
【解決手段】本明細書が開示する半導体積層ユニット２は、半導体素子２２、２３を収めた平板型の半導体モジュール２０と内部を冷媒が流れる平板型の冷却プレート１０が絶縁板６を挟んで積層した構造を有している。冷却プレート１０の側面１５に、積層方向から見たときに絶縁板６が重なる範囲に亘って補強構造６０が設けられている。補強構造６０は、典型的には、リブ１６やビードであってよい。あるいは、補強構造６０は、側面１５を積層方向からみたときに波状となるように構成することであってもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を収めた平板型の半導体モジュールと内部を冷媒が流れる平板型の冷却プレートが絶縁板を挟んで積層される半導体積層ユニットに関する。

電気自動車の走行用モータに電力を供給するコンバータやインバータなどの電気デバイスは発熱量が大きい。特に、大電流が流れるスイッチング素子の発熱量が大きい。そこで、スイッチング素子（およびその周辺の半導体素子）を集中して冷却するユニットが開発されている。そのユニットは、半導体素子を収めた平板型の複数の半導体モジュールと、内部を冷媒が流れる平板型の複数の冷却プレートを交互に積層した構造を有する。冷却プレートは、内部が空洞の細長の密閉容器であり、長手方向の両側に冷媒流入用と排出用の孔が設けられている。そのような構造のユニットは例えば特許文献１から３に例示されている。さらに、例えば特許文献２に開示されているように、冷却プレートと半導体モジュールの間には熱伝導性の高い絶縁板が配置されていることがある。絶縁板を配置するのは、内部の半導体素子の熱を半導体モジュールの表面に移送すべく、内部で半導体素子と接している金属板が半導体モジュールの表面に露出させることがあり、その金属と、金属製の冷却プレートの間を絶縁するためである。

特開２００９−１４１１８３号公報 特開２００９−１８２３１３号公報 特開２０１０−１６５７１４号公報

熱伝導率が高い絶縁板として、セラミック製の絶縁板が使われることがある。しかしながらセラミックの板は、柔軟性に乏しく、割れ易い（破損し易い）。他方、半導体積層ユニットは、冷却効率向上のために冷却プレートと半導体モジュールの密着度を高めるべく、積層方向に荷重を与えつつ支持される。前述したように、冷却プレートは内部が空洞の密閉容器であるため、積層方向に荷重を受けると変形する。冷却プレートが変形すると、これに接している絶縁板に偏った荷重が加わり、絶縁板が割れる虞がある。本明細書は、冷却プレートと半導体モジュールの間に絶縁板を挟んだ半導体積層ユニットにおいて、絶縁板が割れ難い構造を提供する。なお、以下では、「半導体積層ユニット」を単純に「積層ユニット」と称することがある。

内部が空洞の冷却プレートは、積層方向からみて内部空間の中央部が撓み易く、縁の部分、即ち、絶縁板と接する平面の縁に相当する位置で撓み難い。それゆえ、積層ユニットに積層方向の荷重が加わると、冷却プレートの縁に当接する部分で絶縁板に荷重が集中する。他方、冷却プレートの縁が中央よりも撓み難いとはいえ、全く撓まないわけではない。冷却プレートの縁の部分が撓んで湾曲すると、高い応力集中が生じ、絶縁板が割れる可能性が高まる。積層方向から見た冷却プレートの縁とは、冷却プレートの側面に相当する。そこで、本明細書が開示する技術の一態様の積層ユニットは、冷却プレートの側面に、絶縁板が重なる範囲に渡って補強構造を設ける。補強構造を設けることによって、積層方向から見たときに冷却プレートの側面に相当する冷却プレートの縁の剛性を高め、縁を湾曲し難くさせて絶縁板に応力が集中しないようにする。

上記の補強構造は、典型的には、冷却プレート側面に設けられたリブである。リブは、冷却プレートと一体化した部材であってもよいし、溶接の肉盛りビードであってもよい。

また、上記の補強構造は、冷却プレートと絶縁板の積層方向からみたときに、絶縁板が重なる範囲に渡って冷却プレートの側面が波状に湾曲している構造であってもよい。特に、側面が波状に湾曲していると、絶縁板との接触領域が増え、応力集中が緩和される。さらには、冷却プレートとの側面が湾曲していると、内部を流れる冷媒が撹拌されるので冷却効果が高まる、という副次的な効果が期待できる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

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。 冷却プレートの変形例を示す斜視図である。 冷却プレートの別の変形例を示す斜視図である。 図４の冷却プレートの平面図である。

図面を参照して実施例の半導体積層ユニットを説明する。図１に、半導体積層ユニット２の斜視図を示す。以下、「半導体積層ユニット２」を単純に「積層ユニット２」と称する。実施例の積層ユニット２は、２個の走行用モータを有する電気自動車に搭載されるインバータの一部である。一つのモータに対してインバータはＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路を６個備える。逆並列回路をスイッチング回路と称する場合がある。インバータは、直列に接続された２個のスイッチング回路が３セット並列に接続された回路構成を有する。インバータは、２個のモータ夫々に対してインバータ回路を備えるので、合計１２個のスイッチング回路を備える。積層ユニット２は、合計１２個のスイッチング回路を集積したユニットである。積層ユニット２は、半導体素子を収めた平板型の複数の半導体モジュール２０と内部を冷媒が流れる平板型の複数の冷却プレート１０を、絶縁板６を挟んで交互に積層した構造を有している。より具体的には、半導体モジュール２０は、半導体素子を樹脂にてモールド（封止）している。

一つの半導体モジュール２０には、２個のスイッチング回路、即ち、２個のＩＧＢＴ２２と２個のダイオード２３がモールドされている。それらは半導体モジュール２０の内部で結線されている。３個の半導体モジュール２０で一つのインバータ回路が構成される。２個の走行用モータを駆動するため、積層ユニット２は、６個の半導体モジュール２０と７個の冷却プレート１０を交互に積層している。なお、図１では、一部の冷却プレートと半導体モジュールには符号を付すことを省略している。２個のスイッチング回路の直列接続の両端の電極と中間の電極とＩＧＢＴのゲートに繋がる電極が半導体モジュール２０から延びているが、図では電極の図示は省略してある。

ＩＧＢＴ２２とダイオード２３の熱量を半導体モジュール２０の表面に移送するため、半導体モジュール２０の表面には金属板２１が露出しており、その金属板２１は内部でＩＧＢＴ２２とダイオード２３の双方に接している。

冷却プレート１０は、内部が空洞の細長い平板状であり、長手方向の両端に貫通孔を有している。但し、積層ユニット２の一方の端面では冷却プレート１０の孔は閉じられている。積層ユニット２の一方の端に位置する冷却プレートの貫通孔には冷媒供給管４ａと冷媒排出管４ｂが接続されている。隣接する冷却プレートの貫通孔同士は接続管３ａ、３ｂで接続されている。積層方向（図中のＸ軸方向）から見て冷媒供給管４ａと重なる貫通孔では接続管３ａが隣接する冷却プレート同士を接続しており、冷媒供給管４ａから供給される冷媒は、接続管３ａを通じて全ての冷却プレート１０へと流れ込む。冷媒は、冷却プレート１０をその長手方向に沿って流れる間に両側に接する半導体モジュールから熱を奪う。冷媒排出管４ｂと重なる貫通孔では接続管３ｂが隣接する冷却プレート同士を接続しており、冷却プレート１０の内部を流れた冷媒は、接続管３ｂと冷媒排出管４ｂを通じて外部に排出される。

図２に冷却プレート１０の分解斜視図を示す。図２に示すように、冷却プレート１０は、内部が空洞であり、長手方向両端に貫通孔１７を有する容器状の部品である。冷却プレート１０は、プレス加工で作られている２枚の外板１２ａ、１２ｂを貼り合わせて作られる。外板１２ａ、１２ｂは、絶縁板６が接する平面部１３と、平面部１３と交差する側面１５（冷却プレート側面）によって容器形状をなしている。容器形状の開口部の外側にはフランジ１４が設けられており、２枚の外板１２ａ、１２ｂはフランジ面を合わせて接合される。外板１２ａ、１２ｂは、熱伝導率の高い金属、典型的にはアルミニウム又は銅で作られている。アルミニウムと銅はともに導電性であるので、先に述べたように、半導体モジュール２０の表面に露出している金属板２１と絶縁するために、冷却プレート１０と半導体モジュール２０との間に絶縁板６が配置される。

冷却プレート１０と半導体モジュール２０は交互に積層されるが、半導体モジュール２０の表面に露出している金属板２１と冷却プレート１０との間を絶縁するため、冷却プレート１０と半導体モジュール２０の間には絶縁板６が挟まれる。積層ユニット２をその積層方向からみたときに、矩形の絶縁板６は、冷却プレート１０の長手方向（図中のＹ方向）では冷却プレート１０の両端よりも内側に位置し、短手方向（長手方向と交差する方向であり、図中のＺ方向）では、冷却プレート１０の縁の両側に突出している。すなわち、積層方向から見たときに、冷却プレート１０の短手方向の縁は絶縁板６に接している。

積層ユニット２は、インバータの筐体に備えられたバネにより積層方向から荷重を受けつつ筐体内で支持される。積層ユニット２は、インバータの筐体積層方向に荷重を加えることによって、冷却プレート１０と半導体モジュール２０の密着度を高め、半導体モジュール２０から冷却プレート１０への熱伝達効率を高めている。

絶縁板６は、半導体モジュール２０から冷却プレート１０へ熱を伝える必要があるため、高い熱伝導率が要求される。絶縁性と高い熱伝導率を兼ね備えた材料として、絶縁板６にはよくセラミックが使われる。他方、セラミックは柔軟性に乏しい。冷却プレート１０は内部が空洞であるので、積層ユニット２の全体が積層方向に荷重を受けたときに撓み易く、絶縁板６が冷却プレート１０に沿って撓むと割れる虞がある。特に、冷却プレート１０がその平面部１３の平面外方向に二次元的に撓むと絶縁板６に応力集中が生じ易くなり、割れる可能性が高まる。さらに、前述したように、積層方向からみたときの冷却プレート１０の短手方向の縁は絶縁板６と接しており、冷却プレート１０の縁が撓むと絶縁板６が割れる可能性は益々高まる。そこで、冷却プレート１０は、長手方向（図中のＹ方向）と積層方向（図中のＸ方向）の双方に交差する軸（図中のＺ方向）周りの剛性を高めるべく、側面１５に補強構造６０を備える。

補強構造６０は、具体的には、冷却プレート側面１５とフランジ１４との間に連なる複数のリブ１６である。リブ１６が設けられている側面１５は、積層方向から見たときに冷却プレート１０の短手方向の端に相当する側面である。図２に示すように、複数のリブ１６は、冷却プレート１０と絶縁板６が重なる範囲（図２において符号Ｗが示す範囲）に亘って、冷却プレート側面１５に設けられている。このリブ１６によって、冷却プレート１０のＺ軸周りの剛性が高められる。それゆえ、積層方向に荷重が加わっても冷却プレート１０の撓みは少なくなり、絶縁板６が割れ難くなる。

図１、図２で示したリブ１６は、フランジ１４と側面１５の間に連なる三角形の部材であった。図３（冷却プレート１０ａ）に示すように、リブ１６の変形例として、絶縁板６が重なる範囲に亘って冷却プレート側面１５に溶接ビード１１６を設けても同様の効果が得られる。

補強構造６０の別の態様として、冷却プレートの側面を、積層方向から見たときに波状となるように湾曲させてもよい。図４に側面２１５の一部を湾曲させた冷却プレート１０ｂの斜視図を示し、図５にその平面図を示す。冷却プレート１０ｂは、積層方向からみたときの短手方向（Ｚ方向）の端部に相当する側面１５の一部を波状に形成している（波状側面２１６）。波状側面２１６は、半導体モジュール２０及び絶縁板６を積層したときに絶縁板６と重なる範囲（図中の符号Ｗが示す範囲）に形成される。側面２１５を波状とすることによって、冷却プレート１０ｂの剛性が高くなるだけでなく、絶縁板６と接触する平面部１３において強度が向上する範囲が拡がる。図５の破線Ｂが示す範囲が、強度が向上する範囲を示す。絶縁板６と接触する平面部１３において強度が向上する範囲は、積層方向の荷重を受けても撓み難いので、その範囲で荷重の大半を受けることになる。荷重を受ける範囲が拡がるので、単位面積当たりの荷重が小さくなる。すなわち、絶縁板６と接触する平面部１３において面圧が下がり、応力集中が緩和されるので、絶縁板６が一層割れ難くなる。

また、冷却プレートの側面を波状とすることで、内部を流れる冷媒が撹拌され、冷却効率が高まる。

以上説明したように、実施例の技術は、絶縁板６を挟んで半導体モジュール２０と冷却プレート１０（１０ａ、１０ｂ）を積層した積層ユニットにおいて、積層方向からみたときの冷却プレート１０の短手方向端部に相当する側面１５に、絶縁板６と重なる範囲に亘って補強構造６０（リブ１６、ビード１１６、波状側面２１６）を設けることによって絶縁板６を割れ難くする。

実施例で説明した技術の留意点を述べる。リブ１６、ビード１１６の数は、多い方がよいが、数に制限はない。絶縁板６と重なる範囲に亘って設けられていればよい。同様に、波状側面２１６における波の数は多い方がよいが制限はない。こちらの場合も、絶縁板６と重なる範囲に亘って設けられていればよい。また、波状側面２１６の波の形状は、曲線のみで構成される波型のほか、台形を上下交互に連続させたり矩形を上下交互に連続させた角ばった波型や、のこぎり状の波型であってもよい。

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。

２：半導体積層ユニット
３ａ、３ｂ：接続管
４ａ：冷媒供給管
４ｂ：冷媒排出管
６：絶縁板
１０、１０ａ、１０ｂ：冷却プレート
１２ａ、１２ｂ：外板
１３：平面部
１４：フランジ
１５、２１５：冷却プレート側面
１６：リブ
１７：貫通孔
２０：半導体モジュール
２１：金属板
２２：半導体素子
２３：ダイオード
６０：補強構造
１１６：ビード
２１６：波状側面

Claims (3)

1. 半導体素子を収めた平板型の半導体モジュールと内部を冷媒が流れる平板型の冷却プレートが絶縁板を挟んで積層している半導体積層ユニットであり、
   冷却プレートの側面に、積層方向から見たときに絶縁板が重なる範囲に亘って補強構造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. 補強構造は、冷却プレート側面に設けられたリブであ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. 積層方向から見たときに、絶縁板が重なる範囲に渡って冷却プレートの側面が波状に湾曲しており、前記側面の湾曲が補強構造を構成し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。

Images