JP2014154752A - 半導体冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】主に、下部冷却部の変形を防止し得るようにする。
【解決手段】パワーモジュール２２と、下部冷却部２３と、上部冷却部２４と、荷重受板２５と、弾性部材２６とを備え、下部冷却部２３が、下部冷却部本体２８と、放熱フィン２９とを備えた液冷式のものとされ、放熱フィン２９が、下部冷却部本体２８の内側上面２８ａから下方へ伸びると共に、その下端と下部冷却部本体２８の内側下面２８ｂとの間に僅少の隙間２８ｃを有する半導体冷却構造に関するものである。そして、放熱フィン２９の下側に、上部冷却部２４側からの押荷重によって下部冷却部２３が変形するのを防止可能な変形防止部４１を設けるようにしている。
【選択図】図３

Description

この発明は、半導体冷却構造に関するものである。

近年、様々な分野において各種の電子機器が用いられている。このような電子機器には、パワートランジスタなどの発熱型半導体を使用したものが存在している。このような発熱型半導体は熱暴走による誤作動を起こすおそれがあるため、熱暴走しないように冷却する必要がある。そして、このような発熱型半導体に対する冷却方式には空冷式や水冷式があるが、発熱型半導体の高性能化、高出力化による発熱量の増大に伴って、空冷式よりも冷却効果の高い水冷式を採用する機会が増加している（例えば、特許文献１参照）。

この水冷式の冷却手段は、例えば、発熱型半導体の下面に設置されて発熱型半導体を下面側から冷却するようにしたものである。しかし、このような水冷式の冷却手段は、発熱型半導体を下面側からしか冷却することができないので、冷却効率には限界がある。

そこで、この冷却効率の限界を打破るべく、本願出願人によって、発熱型半導体を上下両面から効率的に冷却し得るようにする技術の開発が開始されている。

図６は、現在開発中の、発熱型半導体の両面を冷却する半導体冷却構造１を示すものである。

この半導体冷却構造１は、少なくとも１個の発熱型半導体が収容されたパワーモジュール２と、このパワーモジュール２の下面側に当接配置された下部冷却部３と、上記パワーモジュール２の上面に当接配置された上部冷却部４と、この上部冷却部４の上部に当接配置された荷重受板５と、この荷重受板５の上面側に設けられて荷重受板５を介し上部冷却部４をパワーモジュール２の上面へ圧接可能な弾性部材６とを備えている。

そして、少なくとも上記下部冷却部３が、内部に冷却液流路７を有する下部冷却部本体８と、冷却液流路７の内部に設けられた放熱フィン９とを備えたものとされる。そして、放熱フィン９が、下部冷却部本体８の内側上面８ａから下方へ伸びると共に、その下端と下部冷却部本体８の内側下面８ｂとの間に僅少の隙間８ｃを有するものとされている。この放熱フィン９は、冷却液流路７の幅方向に対して所要の間隔を有して複数本設けられる。

なお、上部冷却部４は、熱伝導性の良いアルミニウム材等からなり、扁平したチューブ形状に形成され、該扁平チューブ内には、波型のインナーフィンが上下内壁面に当接するように配設されている。

このような構成によれば、パワーモジュール２の下面側に当接配置された下部冷却部３と、上記パワーモジュール２の上面に当接配置された上部冷却部４とによってパワーモジュール２の両面を効率良く冷却することができる。

また、弾性部材６と荷重受板５とを用いて、上部冷却部４をパワーモジュール２の上面へ圧接（或いは密着）させることにより、パワーモジュール２やパワーモジュール２内部の発熱型半導体の寸法バラ付きによる影響を吸収して、パワーモジュール２の熱を効率良く上部冷却部４へ伝えることができる。

そして、少なくとも下部冷却部３では、パワーモジュール２の熱は、下部冷却部本体８の上面から放熱フィン９を介し、冷却液流路７を流れる冷却液へと伝えられて冷却液と共に逃がされる。

この際、放熱フィン９の下端と下部冷却部本体８の内側下面８ｂとの間に僅少の隙間８ｃを設けて、放熱フィン９の下端よりも下の部分を互いに連通させることにより、幅方向への伝熱を促進して、放熱フィン９の間を完全に隔離して幅方向への伝熱を抑制するようにした場合よりも高い冷却効率が得られるようにしている。

特開２００９−１８２３１１号

しかしながら、上記したような、現在開発中の発熱型半導体の両面を冷却する半導体冷却構造１には、以下のような問題があった。

即ち、弾性部材６と荷重受板５とを用いて、上部冷却部４をパワーモジュール２の上面へ圧接させることは、上記したように、パワーモジュール２やパワーモジュール２内部の発熱型半導体の寸法バラ付きによる影響を吸収して、パワーモジュール２の熱を効率良く上部冷却部４へ伝える上で重要である。

そこで、上部冷却部４とパワーモジュール２との間の密着性を向上させるために、予め、上部冷却部４の上方側から押圧荷重を加え、上部冷却部４のパワーモジュール２と接する面を、パワーモジュール２の上面に倣うように変形させている。

しかし、上記した押圧荷重により、パワーモジュール２の下面側に設置された下部冷却部３に変形を生じさせるおそれがある。そして、下部冷却部３が変形すると、図７に示すように、パワーモジュール２の下面と、下部冷却部３の上面との間に隙間Ｓが生じて熱抵抗が増大したり、下部冷却部３が変形に追従しきれずに割れを発生して破損したりするなどの不具合を生じることになる。

上記課題を解決するために、本発明は、少なくとも１個の発熱型半導体が収容されたパワーモジュールと、該パワーモジュールの下面側に当接配置された下部冷却部と、前記パワーモジュールの上面に当接配置された上部冷却部と、該上部冷却部の上部に当接配置された荷重受板と、該荷重受板の上面側に設けられて、荷重受板を介し、前記上部冷却部を前記パワーモジュールの上面へ圧接可能な弾性部材とを備え、
少なくとも前記下部冷却部が、内部に冷却液流路を有する下部冷却部本体と、前記冷却液流路の内部に設けられた放熱フィンと、を備えた液冷式のものとされ、該放熱フィンが、下部冷却部本体の内側上面から下方へ伸びると共に、その下端と下部冷却部本体の内側下面との間に僅少の隙間を有する半導体冷却構造であって、
前記放熱フィンの下側に、上部冷却部側からの押荷重によって下部冷却部が変形するのを防止可能な変形防止部を設けたことを特徴とする。

本発明は、上記構成を備えることにより、放熱フィンの下側に設けた変形防止部によって、上部冷却部をパワーモジュールの上面に倣う様に変形させる押圧荷重で下部冷却部が変形するのを防止することができる。

本発明の実施例にかかる半導体冷却構造の斜視図である。 図１の分解斜視図である。 図１の横断面図である。 この実施例の変形例の横断面図である。 この実施例の別の変形例の横断面図である。 現在開発中の、発熱型半導体の両面を冷却する半導体冷却構造を示すものである。 図６に生じる不具合の状態を示す図である。

以下、本発明を具体化した実施例を、図面を用いて詳細に説明する。

＜構成＞以下、構成について説明する。
図１〜図５は、この実施例およびその変形例を示すものである。
図１は発熱型半導体の両面を冷却する半導体冷却構造の斜視図、図２はその分解斜視図、図３は図１の横断面図である。図４、図５はそれぞれ変形例である。
この半導体冷却構造２１は、少なくとも１個の発熱型半導体２２ａが収容されたパワーモジュール２２と、このパワーモジュール２２の下面側に当接配置された下部冷却部２３と、上記パワーモジュール２２の上面に当接配置された上部冷却部２４と、この上部冷却部２４の上部に当接配置された荷重受板２５と、この荷重受板２５の上面側に設けられて荷重受板２５を介し上部冷却部２４をパワーモジュール２２の上面へ圧接可能な弾性部材２６とを備えている。

そして、少なくとも上記下部冷却部２３が、内部に冷却液流路２７を有する下部冷却部本体２８と、冷却液流路２７の内部に設けられた放熱フィン２９とを備えた液冷式のものとされる。そして、放熱フィン２９が、下部冷却部本体２８の内側上面２８ａから下方へ伸びると共に、その下端と下部冷却部本体２８の内側下面２８ｂとの間に僅少の隙間２８ｃ（伝熱促進用隙間）を有している。この放熱フィン２９は、冷却液流路２７の幅方向（流動方向と直交する方向）に対し所要の間隔を有して複数本設けられる。この場合、下部冷却部本体２８は、有底容器状の本体容器部と、この本体容器部の上部開口部に取付けられた上蓋部とによって構成されている。上記した放熱フィン２９は、上蓋部の下面から突設されている。

なお、上部冷却部２４は、熱伝導性の良いアルミニウム材等からなり、扁平したチューブ形状に形成され、該扁平チューブ内には、波型のインナーフィンが上下内壁面に当接するように配設されている。

この実施例の場合、上記したパワーモジュール２２は、発熱型半導体２２ａを内蔵する平面視長方形状の３個の板状体とされている。なお、発熱型半導体２２ａの設置数は、３個に限るものではない。

そして、下部冷却部２３と上部冷却部２４とは、パワーモジュール２２の全面を覆い隠し得るようにするために、パワーモジュール２２よりも一回り程度以上大きい平面視長方形状のものとされている。

パワーモジュール２２の上下面と、下部冷却部２３の上面および上部冷却部２４の下面とには、互いに面接触可能な当接面を有している。

下部冷却部２３と上部冷却部２４とは、ボルトなどの締結具３１を用いて直接締結固定されている。締結具３１は、下部冷却部２３と上部冷却部２４との４箇所のコーナー部に取付けられている。締結具３１の取付位置はこれに限るものではない。

そして、下部冷却部２３の一端側に設けた冷却液入口２３ａから供給された冷却液Ｌは、下部冷却部２３の内部を長手方向の一端側から他端側へと流れて、下部冷却部２３の他端側に設けた冷却液出口２３ｂを出ると共に、上部冷却部２４の他端側に設けた図示しない冷却液入口から上部冷却部２４の内部へ入り、上部冷却部２４の内部を他端側から一端側へと流れて、上部冷却部２４の一端側に設けた冷却液出口２４ｂから排出されるように構成されている。
即ち、下部冷却部２３と上部冷却部２４とは、連続した一つの冷却液Ｌの経路となるように接続されている。下部冷却部２３他端側の冷却液出口２３ｂと、上部冷却部２４他端側の冷却液入口との間には、シール部材３２が設けられる。

また、上記した荷重受板２５は、パワーモジュール２２の全面を圧接し得るようにするために、パワーモジュール２２よりも一回り程度以上大きい平面視長方形状のものとされている。

上記した弾性部材２６は、上部冷却部２４の幅方向へ延びる短冊状のものとされると共に、その中間部に、荷重受板２５を部分的に押圧可能な下方迂回形状の押圧部２６ａを少なくとも一つ有している。弾性部材２６は、その両端部を下部冷却部２３の側面に一体に固定された取付部３３に、ボルトなどの締結具３４を用いて締結固定される。弾性部材２６は、上部冷却部２４の長手方向に対し少なくとも一箇所設けられている。この場合には、３個の発熱型半導体２２ａの間の二箇所の位置に設けられている。

なお、上部冷却部２４とパワーモジュール２との間の密着性を向上させるために、予め、上部冷却部２４の上方側から押圧荷重を加え、上部冷却部２４のパワーモジュール２２と接する面を、パワーモジュールの上面に倣うように変形させている。この押圧荷重は、弾性部材による圧接荷重より大きなものとなっている。

そして、以上のような全体構成に対し、更に、以下のような構成を備えている。

（構成１）
図３〜図５のいずれかに示すように、放熱フィン２９の下側に、弾性部材２６による圧接荷重によって下部冷却部２３が変形するのを防止可能な変形防止部４１を設けるようにする。

（構成２）
より具体的には、上記した変形防止部４１は、上記した押圧荷重が下部冷却部２３に作用する位置周辺の放熱フィン２９の下端部に対し部分的に設けられて、他の放熱フィン２９の下端部よりも下方へ突出する変形防止用下方延長部４２とされる。

（補足説明）
ここで、変形防止部４１としての変形防止用下方延長部４２は、上記押圧荷重が下部冷却部２３に作用する前の状態で、下部冷却部本体２８の内側下面２８ｂに到達する或いは接する程度の長さかそれよりも若干短い長さとするのが好ましい。

変形防止部４１としての変形防止用下方延長部４２は、各弾性部材２６の下側の部分周辺に対して設けるようにする。或いは、好ましくは、変形防止用下方延長部４２は、押圧部２６ａの下側の部分周辺に対して設けるようにする。
例えば、図３では、変形防止用下方延長部４２は、弾性部材２６の１箇所の押圧部２６ａの下側部分周辺における、少なくとも一つ以上の放熱フィン２９の下端部に対して設けられている。

図４では、弾性部材２６における押圧部２６ａの設置個数や設置位置に関係なく、変形防止用下方延長部４２は、弾性部材２６の下側にある全ての放熱フィン２９の下端部に対して設けられている。

図５では、変形防止用下方延長部４２は、弾性部材２６の２箇所の押圧部２６ａの下側の２箇所の部分周辺における、少なくとも一つ以上の放熱フィン２９の下端部に対して設けられている。

また、特に図示しないが、押圧部２６ａが３箇所以上ある場合についても、上記と同様にすることができる。

＜作用＞以下、この実施例の作用について説明する。

パワーモジュール２２の下面側に当接配置された下部冷却部２３と、上記パワーモジュール２２の上面に当接配置された上部冷却部２４とによってパワーモジュール２２の両面を効率良く冷却することができる。

また、弾性部材２６と荷重受板２５とを用いて、上部冷却部２４をパワーモジュール２２の上面へ圧接（或いは密着）させることにより、パワーモジュール２２やパワーモジュール２２内部の発熱型半導体２２ａの寸法バラ付きによる影響を吸収して、パワーモジュール２２の熱を効率良く上部冷却部２４へ伝えることができる。

そして、少なくとも下部冷却部２３では、パワーモジュール２２の熱は、下部冷却部本体２８の上面から放熱フィン２９を介し、冷却液流路２７を流れる冷却液Ｌへと伝えられて冷却液Ｌと共に逃がされる。

この際、放熱フィン２９の下端と下部冷却部本体２８の内側下面２８ｂとの間に僅少の隙間２８ｃを設けて、放熱フィン２９の下端よりも下の部分を互いに連通させることにより、幅方向への伝熱を促進して、放熱フィン２９の間を完全に隔離して幅方向への伝熱を抑制するようにした場合よりも高い冷却効率が得られるようにしている。

＜効果＞この実施例によれば、以下のような効果を得ることができる。

（効果１）
放熱フィン２９の下側に設けた変形防止部４１によって、上部冷却部２４をパワーモジュール２２の上面に倣う様に変形させる押圧荷重で 下部冷却部２３が変形するのを防止することができる。

（効果２）
変形防止部４１として、上部冷却部２４をパワーモジュール２２の上面に倣う様に変形させる押圧荷重が下部冷却部２３に作用する位置周辺の放熱フィン２９の下端部に対し部分的に設けられて、他の放熱フィン２９の下端部よりも下方へ突出する変形防止用下方延長部４２が、下部冷却部本体２８の内側下面２８ｂに当って突張ることにより、上記した押圧荷重によって下部冷却部２３が変形するのを防止することができる。また、変形防止用下方延長部４２が、弾性部材２６による圧接荷重が下部冷却部２３に作用する位置周辺に部分的に設けられることにより、下部冷却部２３の冷却機能への影響を少なくすることができる。即ち、隙間２８ｃによる幅方向への伝熱促進効果を妨げ難くすることができる。

以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、実施例はこの発明の例示にしか過ぎないものであるため、この発明は実施例の構成にのみ限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれることは勿論である。

２２ａ 発熱型半導体
２２ パワーモジュール
２３ 下部冷却部
２４ 上部冷却部
２５ 荷重受板
２６ 弾性部材
２７ 冷却液流路
２８ 下部冷却部本体
２８ａ 内側上面
２８ｂ 内側下面
２８ｃ 隙間
２９ 放熱フィン
４１ 変形防止部
４２ 変形防止用下方延長部

Claims (2)

1. 少なくとも１個の発熱型半導体が収容されたパワーモジュールと、該パワーモジュールの下面側に当接配置された下部冷却部と、前記パワーモジュールの上面に当接配置された上部冷却部と、該上部冷却部の上部に当接配置された荷重受板と、該荷重受板の上面側に設けられて、荷重受板を介し前記上部冷却部を前記パワーモジュールの上面へ圧接可能な弾性部材とを備え、
   少なくとも前記下部冷却部が、内部に冷却液流路を有する下部冷却部本体と、前記冷却液流路の内部に設けられた放熱フィンとを備えた液冷式のものとされ、該放熱フィンが、下部冷却部本体の内側上面から下方へ伸びると共に、その下端と下部冷却部本体の内側下面との間に僅少の隙間を有する半導体冷却構造であって、
   前記放熱フィンの下側に、上部冷却部側からの押荷重によって下部冷却部が変形するのを防止可能な変形防止部を設けたことを特徴とする半導体冷却構造。
2. 前記変形防止部が、上部冷却部側からの押荷重が下部冷却部に作用する位置周辺の放熱フィンの下端部に対し部分的に設けられて、他の放熱フィンの下端部よりも下方へ突出する変形防止用下方延長部であることを特徴とする請求項１記載の半導体冷却構造。