JP2015133433A - 積層ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、樹脂製の筐体を備える冷却器とパワーカードの積層ユニットに関し、冷却器とパワーカードの密着性を高める技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する積層ユニット２は、半導体素子を収容した２個のパワーカード２０ａ、２０ｂと、内部に流路が形成された樹脂製の筐体を有する２個の冷却器１０ａ、１０ｂを備える。２個のパワーカードは、２個の冷却器の間に挟まれている。夫々のパワーカードは夫々の冷却器と接している。２個の冷却器は、冷媒が流れる樹脂製の連結管によって連結されている。そして、２個のパワーカードの間に、夫々のパワーカードを夫々の冷却器に押し付ける弾性部材が挿入されている。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、半導体素子を収容したパワーカードと冷却器を積層した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電力変換器など、大電流を扱う電力変換器は、発熱量の大きい多数の半導体素子を備える。そのような半導体素子の典型は、電圧変換回路、あるいは、インバータ回路に用いられるＩＧＢＴなどのスイッチング素子である。多数のスイッチング素子を集約して効率よく冷却する構造が特許文献１−３に開示されている。

特許文献１、２に開示された技術は、半導体素子を樹脂で封止した複数のパワーカードと平板型の複数の冷却器を交互に積層した積層ユニットを採用する。積層ユニットは、小さなスペースで、冷却器とパワーカードの大きな接触面積を確保することができ、スペースに対する冷却効率が良い。なお、複数の冷却器同士は、パワーカードの横を通過する冷媒を送る（排出する）連結管で連結されている。

また、冷却器とパワーカードの間の熱伝達の効率を高めるため、積層ユニットはその積層方向に荷重される。このとき、連結管が荷重に抗してしまって冷却器とパワーカードの密着度を阻害しないように、特許文献２では、連結管と冷却器をアルミニウムで作り、積層ユニットを積層方向に荷重する。冷却器は、連結管との接続部の付近の剛性が低くなっている。その構造によると、連結管との接続部に近い冷却器の部位が変形し、冷却器とパワーカードの密着性が保たれる。また、特許文献２では、積層ユニットの両側からバネで荷重するタイプと、隣接する一対の冷却器の間にパワーカードではなくバネを配置し、積層ユニットの積層方向の内側から外側に向けて荷重するタイプが開示されている。

なお、本発明は、積層ユニットに用いる冷却器の筐体を樹脂製とするものであり、樹脂製の筐体を有する冷却器に関する先行技術文献として、特許文献３、４を挙げておく。特許文献３に開示された技術は、パワーカードを冷却器の樹脂製の筐体内に組み込み、その冷却器を積層する。ただし、特許文献３に開示されたデバイスは、樹脂製の筐体内でパワーカードが直接に冷媒に晒される。すなわち、そのデバイスは、積層ユニットのようにパワーカードと冷却器を積層するものではなく、パワーカードと冷却器の密着性が問題となることはない。特許文献４は、樹脂製の筐体の冷却器に絶縁基板等を介して半導体チップを取り付けるものである。

特開２００８−１９８７５１号公報 特開２００２−０２６２１５号公報 特開２０１２−００９７３４号公報 特開２０１３−０８４８００号公報

前述したように、複数の冷却器と複数のパワーカードを積層し、隣接する冷却器を連結管で連結する積層ユニットを採用する場合、積層ユニットを荷重する際に連結管が荷重の一部を支えてしまって冷却器とパワーカードの密着性を阻害しないようにしなければならない。特許文献２の技術では、冷却器と連結管がアルミニウム板で作られており、連結管との接続部位の付近の剛性が低く、荷重に応じて変形するので、冷却器とパワーカードの密着性を阻害しない。

他方、冷却器の筐体と連結管を樹脂で作る場合、アルミニウムの板ほどには剛性が低くないので、積層方向の荷重に抗してしまい、パワーカードと冷却器の密着性を阻害する虞がある。本明細書は、樹脂製の筐体を備える冷却器とパワーカードの積層ユニットに関し、冷却器とパワーカードの密着性を高める技術を提供する。

本明細書が開示する積層ユニットは、半導体素子を収容した２個のパワーカードと、内部に流路が形成された樹脂製の筐体を有する２個の冷却器を備える。２個のパワーカードは、２個の冷却器の間に挟まれている。夫々のパワーカードは夫々の冷却器と接している。２個の冷却器は、冷媒が流れる樹脂製の連結管によって連結されている。連結管は、積層ユニットの積層方向に伸びているとともに、積層ユニットの積層方向からみたときにパワーカードの脇を通過している。２個のパワーカードの間に、夫々のパワーカードを夫々の冷却器に押し付ける弾性部材が挿入されている。

上記の積層ユニットは、弾性部材が夫々のパワーカードを夫々の冷却器に押し付けることによってパワーカードと冷却器の密着度を高める。それゆえ、積層方向の両端から荷重を加えるタイプの場合に、連結管が荷重を支持してしまってパワーカードと冷却器の十分な密着度が確保できない、という課題そのものが解消する。なお、本明細書が開示する技術は、３個以上のパワーカードあるいは冷却器を積層した積層ユニットに適用することも可能である。３個以上のパワーカードのいずれか２枚を連続して積層し、それらの間に弾性部材を挿入すれば、本明細書が開示する技術の効果が得られる。

また、前述したように、特許文献２に開示された積層ユニットは、隣接する２枚の冷却器の間にバネ（弾性部材）を配置するものであるが、バネは、冷却器に接しており、冷却器をパワーカードに押し付ける。即ち、特許文献２に開示された積層ユニットは、パワーカードを挟持する２個の冷却器をその積層方向の外側から荷重を加える点で、２個の冷却器間の連結管の剛性がパワーカードと冷却器の密着性を阻害する虞がある。本明細書が開示する技術は、バネを冷却器に当接させるのではなく、パワーカードに当接させ、パワーカードを冷却器に押し付けることで、冷却器を連結する連結管の剛性に関わらず、パワーカードと冷却器との密着性を高める。

弾性部材を挟んで隣接する冷却器の一方から伸びる連結管と他方から伸びる連結管は、締結部材によって連結されているとよい。２個の冷却器は、相互に離れる方向に荷重を受けるので、両者の夫々から伸びる連結管にも離間する方向に力が加わる。双方から伸びる２個の連結管を締結部材で連結することによって、２個の連結管を接着剤等で連結するよりも高い水密性を確保することができる。

本明細書が開示する技術によれば、樹脂製の筐体を備える冷却器とパワーカードの積層ユニットに関して冷却器とパワーカードの密着性を高めることができる。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。

実施例の積層ユニットの平面図である。 実施例の積層ユニットの側面図である。 図１ＢのII−II線における積層ユニットの断面図である。

図面を参照して実施例の積層ユニット２を説明する。実施例の積層ユニット２は、電気自動車に搭載される電力変換器の部品であり、多数の半導体素子を集積して効率よく冷却するデバイスである。図１Ａに、積層ユニット２の平面図を示し、図１Ｂに積層ユニット２の側面図を示す。積層ユニット２は、２個のパワーカード２０ａ、２０ｂを２個の冷却器１０ａ、１０ｂで挟持・積層した構造を有する。

パワーカード２０ａ、２０ｂは、発熱量の大きい半導体素子（後述するトランジスタ２３ａ、２３ｂ）を樹脂で封止したデバイスであり、その筐体の一面（図中の上面）からは３本の端子９１が延出している。図１Ｂに示すように、筐体の別の面（図中の下面）からは別の端子９２が延出している。パワーカード２０ａ、２０ｂの内部構造は後に説明する。

冷却器１０ａ、１０ｂは、内部に冷媒が通る流路が設けられた略直方体の筐体を有する。２個の冷却器１０ａ、１０ｂは、積層方向（図中のＸ軸方向）を向く側面を対向させて並んでおり、それらの間にパワーカード２０ａ、２０ｂが配置されている。パワーカード２０ａと冷却器１０ａは、絶縁板８を挟んで密着している。パワーカード２０ｂと冷却器１０ｂは、絶縁板８を挟んで密着している。パワーカード２０ａ（２０ｂ）と絶縁板８との間には、熱伝導性を高めるためにグリースが塗布されることがある。

２個のパワーカード２０ａ、２０ｂの間には、圧縮コイルバネ７ａ、７ｂが配置されている。圧縮コイルバネ７ａ、７ｂは、２個のパワーカード２０ａ、２０ｂを互いに離間する方向に荷重を加える。ただし、２個のパワーカード２０ａ、２０ｂは、その積層方向の両側に冷却器１０ａ、１０ｂが位置している。それゆえ、２個のパワーカード２０ａ、２０ｂの夫々は、冷却器１０ａ、１０ｂに対して押し付けられることになり、パワーカードと冷却器の密着性が高まる。

冷却器１０ａ（１０ｂ）は、積層方向から見たときにパワーカード２０ａ（２０ｂ）の両側に、積層方向に伸びる連結管が設けられている。図１Ａに示すように、冷却器１０ａには、積層方向の両側に伸びる４本の連結管６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄが設けられている。冷却器１０ｂには、積層方向の一方の側に伸びる２本の連結管６ｅ、６ｆが設けられている。冷却器１０ａと連結管６ａ−６ｄは、ともに樹脂製であり、射出成形で一体に作られる。

冷却器１０ａの積層方向を向く一方の面の一方の連結管６ｂには締結部材５を介して冷媒供給管４が連結されており、他方の連結管６ａには締結部材５を介して冷媒排出管３が連結されている。なお、締結部材５は、２本のパイプを接続する継手である。冷却器１０ａの積層方向を向く他方の面の一方の連結管６ｄには締結部材５を介して冷却器１０ｂの一方の連結管６ｆが連結しており、他方の連結管６ｃには締結部材５を介して冷却器１０ｂの他方の連結管６ｅが連結している。別言すれば、２個のパワーカード２０ａ、２０ｂを挟持する２個の冷却器１０ａ、１０ｂは、パワーカードの側方を通り積層方向に伸びる連結管６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆで連結されている。

積層方向からみると、冷媒供給管４、連結管６ｂ、６ｄ、６ｆが一直線に並び、それらは冷媒の供給路を構成する。また、積層方向からみたときにパワーカードを挟んで冷媒の供給路とは反対側にて、冷媒排出管３、連結管６ａ、６ｂ、６ｅが一直線に並び、それらは冷媒の排出路を構成する。

冷媒の流れについて説明する。冷媒供給管４を通じて積層ユニット２に供給される冷媒は、連結管６ｂ、６ｄ、６ｆを通じて全ての冷却器１０ａ、１０ｂに分配される。冷却器１０ａ（１０ｂ）の内部は空洞（流路）になっており、一方の連結管６ｂ（６ｆ）から流入した冷媒は、冷却器１０ａ（１０ｂ）の長手方向（図中のＹ軸方向）に沿って流れる。冷却器１０ａ（１０ｂ）の内部を流れる間に冷媒は隣接して密着しているパワーカード２０ａ（２０ｂ）から熱を吸収する。冷却器１０ａ（１０ｂ）を通過した冷媒は、他方の連結管６ａ（６ｅ）から排出される。冷却器１０ａ、１０ｂから排出された冷媒は、冷媒排出管３を通じて積層ユニット２の外部へと排出される。なお、冷媒は不図示のラジエータで冷却され、再び積層ユニット２へと循環する。また、積層ユニット２が使う冷媒は液体であり、典型的には、水、あるいは、ＬＬＣ（Long Life Coolant）である。

積層ユニット２の利点を説明する。積層ユニット２は、２個のパワーカード２０ａ、２０ｂを、２個の冷却器１０ａ、１０ｂで挟持するとともに、２個のパワーカード２０ａ、２０ｂの間に圧縮コイルバネ７ａ、７ｂを配置し、夫々のパワーカード２０ａ、２０ｂを夫々の冷却器１０ａ、１０ｂに押し当てている。圧縮コイルバネ７ａ、７ｂの荷重は、全てパワーカード２０ａ（２０ｂ）と冷却器１０ａ（１０ｂ）に伝わり、それらの密着性を高める。このことは、冷却器１０ａ（１０ｂ）の筐体、及び、連結管６ａ−６ｆが樹脂で作られている積層ユニット２において次の利点を与える。

従来の積層ユニットは、複数の冷却器と複数のパワーカードを交互に積層し、積層ユニットの両側から荷重を加えていた。そうすると、荷重は、２枚の冷却器の間でパワーカードと連結管とに分散する。連結管がアルミニウム等の薄い金属板で作られている場合は、連結管の剛性、あるいは、連結管との接続部付近の冷却器の剛性をパワーカードの剛性よりも低くすることができるので、連結管に加わる荷重をパワーカードに加わる荷重よりも小さくでき、荷重の大部分はパワーカードと冷却器の密着性に寄与する。他方、冷却器の筐体と連結管が樹脂で作られている場合、金属板の場合ほどには連結管の剛性を下げることができず、積層ユニットの両側から加えられた荷重の一部は連結管が支えることとなる。その結果、パワーカードと冷却器を密着させることに寄与する荷重が低くなる。パワーカードと冷却器の密着性が高ほどパワーカードの冷却効率が高まるので、冷却効率の観点では、連結管が支える荷重分が無駄となってしまう。

一方、実施例の積層ユニット２では、冷却器側から荷重を加えるのではなく、圧縮コイルバネ７ａ、７ｂが、パワーカード２０ａ（２０ｂ）を冷却器１０ａ（１０ｂ）に押し付けるように荷重を加える。従来の積層ユニットと異なり、圧縮コイルバネ７ａ、７ｂの荷重が全てパワーカードに伝わるので、圧縮コイルバネ７ａ、７ｂの荷重が無駄なくパワーカード２０ａ（２０ｂ）と冷却器１０ａ（１０ｂ）の密着性の向上に寄与する。従って積層ユニット２は、加えられる荷重の観点では冷却効率がよい。

一方、圧縮コイルバネ７ａ、７ｂが加える荷重は、一方の冷却器１０ａから伸びる連結管６ｃ、６ｄと、これと連結されている他方の冷却器１０ｂから伸びる連結管６ｅ、６ｆを離間させる方向に作用する。ここで、冷却器１０ａから伸びる連結管６ｃ（６ｄ）と、冷却器１０ｂから伸びる連結管６ｅ（６ｆ）は、締結部材５によって強固に連結されている。締結部材５は、圧縮コイルバネ７ａ、７ｂの荷重に抗して、連結管同士の間の高い水密性を保持する。

次に、図２を参照して積層ユニット２の内部構造、即ち、冷却器１０ａ（１０ｂ）の内部構造とパワーカード２０ａ（２０ｂ）の内部構造を説明する。なお、図２では、一方の冷却器１０ａと一方のパワーカード２０ａだけに細かく符号を付し、他方の冷却器１０ｂと他方のパワーカード２０ｂには符号を省略した。以下、パワーカード２０ａと冷却器１０ａについて説明するが、他方のパワーカード２０ｂと冷却器１０ｂも同様の構造を有している。

まず、パワーカード２０ａについて説明する。パワーカード２０ａは、２個のトランジスタ２３ａ、２３ｂを樹脂でモールドしたデバイスである。トランジスタは、典型的にはＩＧＢＴである。２個のトランジスタ２３ａ、２３ｂは、樹脂のパッケージ２４の内部で直列に接続されている。２個のトランジスタの直列回路は、インバータの上アームと下アームの回路に適用されたり、あるいは、チョッパ式の昇降圧コンバータの昇圧用スイッチング素子と降圧用スイッチング素子の直列接続に適用される。図１Ａに示した３本の端子９１は、２個のトランジスタの直列回路の高電位側端子、低電位側端子、及び、中間点の端子に相当する。また、図１Ｂに示した別の端子９２は、トランジスタのゲート電極に導通する端子である。

２個のトランジスタ２３ａ、２３ｂは平板型のチップであり、その幅広面に電極が露出している。図２に示されているように、２個のトランジスタ２３ａ、２３ｂの夫々の幅広面に金属板２１が当接しており、この金属板２１が、一方のトランジスタの低電位側電極と他方のトランジスタの高電位側電極を接続している。即ち、金属板２１が２個のトランジスタを直列に接続している。なお、金属板２１とトランジスタ２３ａ、２３ｂの間に導電性のスペーサが挿入される場合もある。

金属板２１は、前述した３本の端子９１の一つと連続している。金属板２１の一方の面は、平板型のパッケージ２４の幅広い側面に露出している。そして、この金属板２１が、絶縁板８を介して冷却器１０ａと接している。即ち、金属板２１は、トランジスタ２３ａ、２３ｂの電極に通じる端子の役割を果たすとともに、放熱板（ヒートスプレッダ）としても機能する。

冷却器１０ａの内部構造について説明する。前述したように、冷却器１０ａの筐体１７は樹脂製である。筐体１７から伸びている連結管６ａ−６ｄも樹脂製である。筐体１７と連結管６ａ−６ｄは、射出成形により一体的に製造される。樹脂の筐体は射出成形で作ることができるので、複雑な形状が低コストで製造できるという利点を有する。筐体１７と連結管６ａ−６ｄを一体成形することも、樹脂の射出成形法により低コストで実現できる。冷却器１０ａは、その筐体１７は樹脂であるが、絶縁板８を挟んでパワーカード２０ａと接する側面には金属板１４が配置されている。より具体的には、樹脂製の筐体１７は、パワーカードと対向する面に大きな開口１７ａを有しており、金属板１４は、その開口１７ａを閉塞する。なお、開口１７ａの周囲と金属板１４は不図示のガスケットによって封止されている。筐体１７の内部は冷媒が通る流路となっており、金属板１４は、その流路の内壁を構成する。冷却器１０ａは、パワーカード２０ａと対向する面に金属板１４を配することによって、筐体１７が樹脂製であってもパワーカードの高い冷却効率を実現している。金属板１４の裏面（筐体内側を向く面）には、複数のフィン１５が設けられている。複数のフィン１５も冷却性能を高めることに寄与している。

冷却器１０ａは、衝突噴流型と呼ばれる構造を有している。その構造を説明する。筐体１７の内部空間は、積層方向と直交する仕切板１２によって２層の流路に区画されている。パワーカード２０ａから遠い側の流路を冷媒供給路Ｐａと称し、パワーカード２０ａに近い側の流路を冷媒排出路Ｐｂと称する。仕切板１２には、筐体１７の長手方向（図中のＹ軸方向）に細長いノズル１３が設けられている。ノズル１３は、仕切板１２から金属板１４へ向かって伸びており、その先端はフィン１５に当接している。冷媒供給管４と連結管６ｂを通じて供給される冷媒は、冷媒供給路Ｐａへと流れる。冷媒供給路Ｐａの下流は閉塞しており、冷媒は、ノズル１３を通じて冷媒排出路Ｐｂへと流れる。ノズル１３の図中Ｚ軸方向の幅は狭く、冷媒はノズル１３から勢いよく噴出する。図２の符号Ａ１が示す矢印太線が、冷媒供給路Ｐａからノズル１３を通る冷媒の流れを示している。

ノズル１３の先端は金属板１４に向いているので、ノズル１３から噴出した冷媒は、金属板１４に衝突し、その後、フィン１５に沿って流れる。冷媒は、冷媒排出路Ｐｂから連結管６ａへと流れ、最後は冷媒排出管３を通じて積層ユニット２から排出される。図２中の符号Ａ２が示す矢印太線が、金属板１４に衝突した後の冷媒の流れを示している。

衝突噴流型の冷却器は、冷却対象（この場合はパワーカード２０ａ）と接している筐体側板（この場合は金属板１４）の裏面に冷媒を勢いよく衝突させることで高い冷却効率を実現する。

以上、パワーカード２０ａ、冷却器１０ａについて説明したが、パワーカード２０ｂ、冷却器１０ｂについても同様である、図２において冷却器１０ｂに描かれている矢印太線も冷媒の流れを示している。矢印太線が示すように、冷却器１０ｂにおいて、冷媒は、ノズルを通過し、パワーカード２０ｂに面している金属板の裏面に衝突し、その後、フィンに沿って流れ、連結管６ｅを通り排出される。

なお、冷却器１０ａの連結管６ａと冷媒排出管３は、ガスケット９を挟んで密着しているとともに、ガスケット９を覆うように締結部材５で強固に連結されている。連結管６ｂと冷媒供給管４についても同様である、また、連結管６ｃと６ｅ、及び、連結管６ｄと６ｆも、ガスケット９と締結部材５によって高い水密性を保持しながら、強固に連結されている。

実施例に関する留意点を述べる。実施例の積層ユニット２は、２個のパワーカードと２個の冷却器が積層されたデバイスである。本明細書が開示する技術は、３個以上のパワーカードあるいは３個以上の冷却器が積層された積層ユニットに適用することもできる。３個以上のパワーカードと冷却器の中で、隣接する一対のパワーカードの間に圧縮弾性部材を挿入すれば、それらのパワーカードに本明細書が開示する効果を期待することができる。また、積層ユニット２の積層方向の端に冷却器が位置するが、その冷却器に接するように別のデバイスを配置することも好適である。

実施例では２個の圧縮コイルバネ７ａ、７ｂを採用した。圧縮コイルバネ７ａ、７ｂは、それぞれ、積層ユニット２を積層方向からみたときに、パワーカード内部のトランジスタ２３ａ、２３ｂと重なる位置に配置される（図２参照）。そのような配置は、発熱源であるトランジスタ２３ａ、２３ｂの近傍でパワーカードと冷却器の密着性を高めるので、トランジスタの冷却効率がさらに高まる。また、一対のパワーカードに荷重を加える弾性部材は、コイルバネに限られず、板バネであってもよい。

実施例の積層ユニット２では、冷却器は衝突噴流型であった。本明細書が開示する技術は、冷却器内部を冷媒が単純に平行に流れるタイプの冷却器を使った積層ユニットにも適用することができる。

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。

２：積層ユニット
３：冷媒排出管
４：冷媒供給管
５：締結部材
６ａ−６ｆ：連結管
７ａ、７ｂ：圧縮コイルバネ
８：絶縁板
９：ガスケット
１０ａ、１０ｂ：冷却器
１２：仕切板
１３：ノズル
１４：金属板
１５：フィン
１７：筐体
１７ａ：開口
２０ａ、２０ｂ：パワーカード
２１：金属板
２３ａ、２３ｂ：トランジスタ
２４：パッケージ
９１、９２：端子
Ｐａ：冷媒供給路
Ｐｂ：冷媒排出路

Claims (1)

1. 半導体素子を収容した２個のパワーカードと、
   内部に流路が形成されている樹脂製の筐体を有する２個の冷却器と、
   を備えており、
   前記２個のパワーカードは前記２個の冷却器に挟まれており、
   前記２個の冷却器は、冷媒が流れる樹脂製の連結管によって連結されており、
   ２個のパワーカードの間に、夫々のパワーカードを夫々の冷却器に押し付ける弾性部材が挿入されている、
   ことを特徴とする積層ユニット。

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