JP2016076637A - 半導体冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で、冷却部を、サイズのばらついた複数のパワーモジュールに確実に密着させて固定する。
【解決手段】内部に、複数の放熱フィン２１ｃによって仕切られた冷媒流路２１ｆを有するフィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂ（冷却部）を、発熱型半導体３０ａ〜３０ｆを封止した複数のパワーモジュール３１ａ〜３１ｆの上面に架け渡すように載置した後で、フィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂを複数のパワーモジュール３１ａ〜３１ｆの各々に当接させて加圧し、複数のパワーモジュール３１ａ〜３１ｆにそれぞれ密着するように塑性変形させた状態で、弾性部材１４ａ，１４ｂが、荷重受板１２ａ，１２ｂを介して、フィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂを複数のパワーモジュール３１ａ〜３１ｆに圧接させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、電気自動車のモータ制御等に用いられるスイッチング素子である半導体パワーデバイスを冷却する半導体冷却構造に関するものである。

ＩＧＢＴやパワートランジスタ等の半導体パワーデバイス（半導体素子）は、スイッチング時に大電流が流れるため、多くの熱を発生する。そのため、使用時には半導体素子を冷却する必要があり、従来から熱交換機能を有する半導体冷却構造が用いられている。

このような半導体冷却構造として、内部に冷却液のような冷媒を流通させる、一対の冷却管の間に、半導体素子を内蔵した半導体モジュールを複数個、互いの間に間隙部を設けながら並列配置してなる半導体冷却構造が知られている（例えば特許文献１）。

特許文献１の半導体冷却構造にあっては、半導体モジュール（パワーモジュール）間の厚みのばらつきを吸収するために、個々のパワーモジュールに当接する冷却管毎に異なる荷重を加えて、冷却管をパワーモジュールに密着させて、パワーモジュールの冷却性能向上を図っている。

その際、個々のパワーモジュールに当接する冷却管毎に異なる荷重を加えて圧接すると、加えた荷重に追従してパワーモジュールの下面側に当接した冷却管に変形が生じる虞があるため、特許文献１の半導体冷却構造にあっては、パワーモジュールを押圧する挟圧手段を各パワーモジュール毎に個別に設けるとともに、隣接するパワーモジュールの間隙部に、挟圧手段の加圧力によって変形可能な可変形部を設けていた。

特開２００９−１８２３１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された半導体冷却構造にあっては、挟圧手段を各パワーモジュール毎に個別に設ける必要があるとともに、隣接するパワーモジュールの間隙部に可変形部を設ける必要があるため、装置の構造が複雑になり、コストアップを招く虞があった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたもので、簡単な構造で個々のパワーモジュールの寸法ばらつきを吸収して、パワーモジュールに確実に密着させることができる半導体冷却構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の半導体冷却構造は、発熱型半導体を封止した複数のパワーモジュールと、内部に、複数の放熱フィンによって仕切られた冷媒流路を有する冷却部と、間隙部をおいて整列された前記複数のパワーモジュールの上面に架け渡すように載置した前記冷却部を、前記複数のパワーモジュールにそれぞれ圧接する弾性部材と、を有し、前記冷却部を、前記複数のパワーモジュールに当接させて加圧し、前記複数のパワーモジュールにそれぞれ密着するように塑性変形させた状態で、前記弾性部材が前記冷却部を前記複数のパワーモジュールに圧接させることを特徴とする。

本発明に係る半導体冷却構造によれば、前記した構造としたため、簡単な構造で個々のパワーモジュールの厚さのばらつきを吸収して、冷却部を各パワーモジュールに確実に密着させることができ、安定した半導体冷却性能を得ることができる。

本発明の一実施形態である実施例１に係る半導体冷却装置の斜視図である。 図１の主要構成部品の分解斜視図である。 図１を切断線Ａ−Ａで切った断面図である。 （ａ）はフィン付押出チューブ（冷却部）をパワーモジュールの上部に載置して、上方から押付け荷重を加える様子を示す断面図である。（ｂ）は押付け荷重を加えた後のフィン付押出チューブの長手方向に亘る断面図である。（ｃ）は図４（ｂ）を切断線Ｂ−Ｂで切った、フィン付押出チューブの幅方向に亘る断面図である。 本発明の一実施形態である実施例２に係る半導体冷却装置の斜視図である。 図５の主要構成部品の分解斜視図である。 図５を切断線Ｃ−Ｃで切った断面図である。 （ａ）はフィン付チューブ（冷却部）をパワーモジュールの上部に載置して、上方から押付け荷重を加える様子を示す断面図である。（ｂ）は押付け荷重を加えた後のフィン付チューブの長手方向に亘る断面図である。（ｃ）は図８（ｂ）を切断線Ｄ−Ｄで切った、フィン付チューブの幅方向に亘る断面図である。（ｄ）は図８（ｂ）を切断線Ｅ−Ｅで切った、フィン付チューブの幅方向に亘る断面図である。

以下、本発明の半導体冷却構造の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態である半導体冷却構造を有する半導体冷却装置１０ａの外観を示す斜視図である。図２は、半導体冷却装置１０ａを構成する主要部品の分解斜視図である。まず、図１，図２を用いて、半導体冷却装置１０ａの全体構成について説明する。
［全体構成の説明］

図１の斜視図に示すように、半導体冷却装置１０ａは、発熱型半導体３０ａ〜３０ｃがそれぞれ収容されたパワーモジュール３１ａ〜３１ｃと、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの下面側に設置された下部半導体冷却部４０ａと、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面側に設置されたフィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）と、フィン付押出チューブ２１ａの上部に当接して配置された荷重受板１２ａと、この荷重受板１２ａの上面側に設けられて、荷重受板１２ａを介してフィン付押出チューブ２１ａをパワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に圧接する弾性部材１４ａ，１４ｂと、を備えている。

半導体冷却装置１０ａは、さらに、図１では不可視の発熱型半導体３０ｄ〜３０ｆ（図２参照）がそれぞれ収容されたパワーモジュール３１ｄ〜３１ｆ（図２）と、パワーモジュール３１ｄ〜３１ｆ（図２）の下部に設置された下部半導体冷却部４０ｂと、パワーモジュール３１ｄ〜３１ｆ（図２）の上部に設置されたフィン付押出チューブ２１ｂ（冷却部）と、フィン付押出チューブ２１ｂ（冷却部）の上部に当接して配置された荷重受板１２ｂと、この荷重受板１２ｂの上面側に設けられて、荷重受板１２ｂを介してフィン付押出チューブ２１ｂをパワーモジュール３１ｄ〜３１ｆの上面に圧接する弾性部材１４ａ，１４ｂと、を備えている。

以下、図２の主要構成部品の分解斜視図を用いて、半導体冷却装置１０ａの詳細構造について説明する。

上部半導体冷却部２０ａは、フィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂ（冷却部）と、冷媒給排部２４ａ，２４ｂ，２４ｃと、冷媒流路接続部２３と、から構成されており、絶縁シート３２ａ，３２ｂを介して、パワーモジュール３１ａ〜３１ｆの上面に架け渡すように載置されている。

６個のパワーモジュール３１ａ〜３１ｆは、それぞれ、発熱型半導体３０ａ〜３０ｆを樹脂材料で封止した平面視長方形状の板状体とされている。ただし、パワーモジュール３１ａ〜３１ｆの設置数は６個に限るものではなく、適宜設計された個数のパワーモジュールが実装される。そして、パワーモジュール３１ａ〜３１ｆは、隣接するパワーモジュールの間に間隙部３４をおいて配置されている。

なお、パワーモジュール３１ａ〜３１ｆは、一般に、収容される発熱型半導体３０ａ〜３０ｆのサイズに応じた、異なる厚みを有している。また、パワーモジュール３１ａ〜３１ｆに収容される発熱型半導体３０ａ〜３０ｆ（半導体）としては、例えば、ＩＧＢＴ素子やパワートランジスタ素子に代表されるパワーデバイスが用いられる。

フィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂ（冷却部）の内部には、後述する複数の放熱フィン２１ｃ（図３）が設けられている。そして、隣接する放熱フィン２１ｃの隙間が、冷媒である冷却液の流路とされている。この冷媒の流路である冷媒流路の構造について、詳しくは後述する。

冷媒給排部２４ａ，２４ｂ，２４ｃは、それぞれ、ダイカストで成形されて、フィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂ（冷却部）の内部に形成された複数の冷媒流路に、冷媒である冷却液を分配させ、また、複数の冷媒流路から流出した冷却液を合流させて、上部半導体冷却部２０ａの内部に冷媒の流通経路を形成する。冷媒の流通経路の構成について、詳しくは後述する。

冷媒流路接続部２３は、上部半導体冷却部２０ａの冷媒流路と下部半導体冷却部４０ａ，４０ｂの冷媒流路とを接続する。

下部半導体冷却部４０ａは、本体容器部４１と上蓋部４２ａと、本体容器部４１の一端側に設けられた冷媒入口４７ａとから構成されている。また、下部半導体冷却部４０ｂは、本体容器部４１と上蓋部４２ｂと、本体容器部４１の一端側に設けられた冷媒出口４７ｂとから構成されている。そして下部半導体冷却部４０ａ，４０ｂは、それぞれ、絶縁シート４３ａ，４３ｂを介して、パワーモジュール３１ａ〜３１ｆの下面に当接している。

本体容器部４１には、図２に示すように、長手方向に沿って凹状部４１ａ，４１ｂが形成されており、凹状部４１ａは上蓋部４２ａによって閉止されている。また、凹状部４１ｂは上蓋部４２ｂによって閉止されている。

上蓋部４２ａ，４２ｂの裏面側には後述する放熱フィン４４（図３）が設けられている。そして、この放熱フィン４４と凹状部４１ａとの隙間、および、放熱フィン４４と凹状部４１ｂとの隙間が、それぞれ、冷媒である冷却液の流路とされている。冷媒流路の構造について、詳しくは後述する。

下部半導体冷却部４０ａの他端側（冷媒入口４７ａが形成されていない側）には、冷媒出口４９ａが設けられている。この冷媒出口４９ａは、冷媒流路接続部２３を介して冷媒給排部２４ａと接続されており、その接続位置である冷媒出口４９ａには冷却液の漏洩を防止するためのシール部材４８ａが設けられている。また、冷媒給排部２４ｃは、冷媒流路接続部２３を介して下部半導体冷却部４０ｂの他端側（冷媒出口４７ｂが形成されていない側）に設けられた冷媒入口４９ｂと接続されており、その接続位置である冷媒入口４９ｂには冷却液の漏洩を防止するためのシール部材４８ｂが設けられている。

下部半導体冷却部４０ａ，４０ｂと上部半導体冷却部２０ａとは、ボルトなどの締結具１６を用いて締結固定されている。即ち、本実施例においては、締結具１６は、直接、またはブラケット１８を介して冷媒流路接続部２３に取り付けられて、上部半導体冷却部２０ａと下部半導体冷却部４０ａ，４０ｂとを締結している。

弾性部材１４ａ，１４ｂは、フィン付押出チューブ２１ａの幅方向へ延びる短冊状に形成されて、ボルトなどの締結具１５を用いて本体容器部４１に締結固定され、その締結力によって荷重受板１２ａ，１２ｂを押圧する。そして、この押圧力によって、上部半導体冷却部２０ａが、パワーモジュール３１ａ〜３１ｆ（発熱型半導体３０ａ〜３０ｆ）と下部半導体冷却部４０ａ，４０ｂに圧接される。

次に、実施例１の半導体冷却装置１０ａにおける、冷媒である冷却液の流通経路について、図１，図２を用いて説明する。
［冷媒の流通経路の構成］

図１に示すように、冷媒入口４７ａには、矢印Ｌ_ｉｎの方向に、冷媒である冷却液が流入する。そして、下部半導体冷却部４０ａ，フィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂ、そして下部半導体冷却部４０ｂの内部を順に通過しながら、発熱型半導体３０ａ〜３０ｆを冷却して、冷媒出口４７ｂから矢印Ｌ_ｏｕｔの方向に流出する。なお、冷媒入口４７ａと冷媒出口４７ｂの設置位置は、図１に示した位置に限定されるものではなく、半導体冷却装置１０ａの設置要件に応じて適切な位置に設置される。

冷媒入口４７ａから下部半導体冷却部４０ａに流入した冷却液は、下部半導体冷却部４０ａの内部を通過してパワーモジュール３１ａ〜３１ｃを冷却した後、下部半導体冷却部４０ａから流出して、図２に示す冷媒流路接続部２３を介して冷媒給排部２４ａに流入する。そして、冷媒給排部２４ａの内部を通過してフィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）に流入する。このとき、冷媒給排部２４ａは、下部半導体冷却部４０ａから流入した冷却液をフィン付押出チューブ２１ａの内部に形成された複数の冷媒流路２１ｆ（図３）に供給する供給部として作用する。

冷媒給排部２４ａからフィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）に流入した冷却液は、フィン付押出チューブ２１ａ内に形成された複数の冷媒流路２１ｆ（図３）を通過してパワーモジュール３１ａ〜３１ｃを冷却した後、冷媒給排部２４ｂに流入する。このとき、冷媒給排部２４ｂは、複数の冷媒流路２１ｆ（図３）から流入した冷却液を合流させて排出する排出部として作用する。

冷媒給排部２４ｂに流入した冷却液は、冷媒給排部２４ｂの内部を通過して、フィン付押出チューブ２１ｂ（冷却部）に流入する。このとき、冷媒給排部２４ｂは、冷却液をフィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）の内部に形成された複数の冷媒流路２１ｆ（図３）に供給する供給部として作用する。

フィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）内に形成された複数の冷媒流路２１ｆ（図３）を通過した冷却液は、パワーモジュール３１ｄ〜３１ｆを冷却して、次に冷媒給排部２４ｃに流入する。このとき、冷媒給排部２４ｃは、複数の冷媒流路２１ｆ（図３）から流出した冷却液を排出させる排出部として作用する。

そして、冷媒給排部２４ｃから排出された冷却液は、下部半導体冷却部４０ｂに流入して、下部半導体冷却部４０ｂの内部を通過し、パワーモジュール３１ｄ〜３１ｆを冷却した後、冷媒出口４７ｂから流出する。

次に、図３を用いて、フィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂ（冷却部）、および、下部半導体冷却部４０ａ，４０ｂの内部に形成される冷媒流路の詳細な構造について説明する。
［冷媒流路の構造］

図３は、図１に示した半導体冷却装置１０ａを切断線Ａ−Ａで切った、弾性部材１４ａが荷重受板１２ａ，１２ｂを介してフィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂ（冷却部）を圧接している位置の断面図である。

フィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂ（冷却部）の内部には、フィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂの長手方向に沿って、複数の壁状の放熱フィン２１ｃによって仕切られた冷媒流路２１ｆが形成されている。このフィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂは押し出し成形によって形成されており、フィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂの内面と放熱フィン２１ｃとは一体的に成形されて、フィン付チューブの形態をなしている。

下部半導体冷却部４０ａは、図３に示すように、上蓋部４２ａの裏面側に、上蓋部４２ａの長手方向に沿って立設した互いに平行な複数の放熱フィン４４と、本体容器部４１の凹状部４１ａとの間に形成された隙間によって冷媒流路４６が形成されている。下部半導体冷却部４０ｂも同様の構造を有している。

図３に示すように、放熱フィン４４のうち、下部半導体冷却部４０ａ，４０ｂの幅方向中央付近に設けられた放熱フィン４４ａの先端部は、下部半導体冷却部４０ａ，４０ｂの幅方向左右端付近に設けられた放熱フィン４４ｂの先端部よりも下方に延長されて、本体容器部４１の凹状部４１ａ，４１ｂの内底面に当接している。そして、放熱フィン４４ｂの先端部と本体容器部４１の凹状部４１ａ，４１ｂの内底面との間には、僅かな隙間が設けられている。

このように、放熱フィン４４ａの先端部を本体容器部４１の内底面に当接させることによって、弾性部材１４ａの押し付けによる圧力に耐えて、パワーモジュール３１ｂ，３１ｅと下部半導体冷却部４０ａ，４０ｂとを確実に密着させることができ、これによって高い冷却効果を得ることができる。

また、放熱フィン４４ｂの先端部よりも下の部分を互いに連通させることによって、下部半導体冷却部４０ａ，４０ｂの幅方向への伝熱を促進することにより、放熱フィンの間を完全に隔離して下部半導体冷却部４０ａ，４０ｂの幅方向への伝熱を抑制した場合と比べて高い冷却効率を得ることができる。

なお、上蓋部４２ａ，４２ｂは、それぞれ、本体容器部４１に嵌合された後、摩擦撹拌接合によって閉止固定される。そのため、本体容器部４１および下部半導体冷却部４０ａ，４０ｂは、摩擦撹拌接合が可能で、しかも熱伝導率の高い金属、例えば、アルミニウムや銅などによって形成されている。

次に、図４，図５を用いて、フィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）をパワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に圧接させる具体的な構造について説明する。
［フィン付押出チューブ（冷却部）の圧接構造の説明］

図４（ａ）は、フィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）をパワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に架け渡すように載置した様子を示す断面図である。

パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの高さは、内部に封止される発熱型半導体３０ａ〜３０ｃの厚さに応じて異なったものとなるため、一般にはばらついている。したがって、フィン付押出チューブ２１ａをパワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に架け渡すように載置すると、フィン付押出チューブ２１ａは、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に密着することなく載置される。

そして、図４（ａ）の状態にあるときに、各パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上方から押付け荷重を加えて加圧し、フィン付押出チューブ２１ａを上下方向に押し潰す。即ち、パワーモジュール３１ａの上方から押付け荷重Ｆ１を加え、パワーモジュール３１ｂの上方から押付け荷重Ｆ２を加え、パワーモジュール３１ｃの上方から押付け荷重Ｆ３を加える。

ここで、フィン付押出チューブ２１ａを上下方向に押し潰す、即ち塑性変形させるための押付け荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の大きさは、フィン付押出チューブ２１ａの材料の種類に基づいて、事前に適切な大きさに設定することが可能である。

なお、これらの押付け荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３は、それぞれ、図４に図示しない押付け治具によって加えられる。なお、押付け荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３はできるだけ等しい荷重に設定されて、押し潰されたフィン付押出チューブ２１ａの上面ができるだけ平坦になるようにするのが望ましい。

図４（ｂ）は、押付け荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が加えられて、上下方向に押し潰されたフィン付押出チューブ２１ａの長手方向に亘る断面図である。図４（ｂ）に示すように、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの高さがばらついている場合であっても、フィン付押出チューブ２１ａを上下方向に押し潰すことによって、フィン付押出チューブ２１ａをパワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に密着させることができる。

このとき、押付け荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３は、それぞれ、フィン付押出チューブ２１ａが弾性領域を超えて塑性変形を起こす領域に至る大きさに設定される。したがって、図４（ｂ）に示す変形が生じた後で押付け荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を解除しても、フィン付押出チューブ２１ａの変形状態は保持されて、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に密着した状態が保持される。

このようにして、図４（ｂ）に示すように、フィン付押出チューブ２１ａの下面のうち、当接面２２ａがパワーモジュール３１ａの上面に密着し、当接面２２ｃがパワーモジュール３１ｂの上面に密着し、当接面２２ｅがパワーモジュール３１ｃの上面に密着した状態が保持される。そして、塑性変形したフィン付押出チューブ２１ａは、弾性領域が拡大しているため、その状態で上方から荷重を加えると、弾性によって、加えた荷重に対応する反力が得られる。即ち、塑性変形したフィン付押出チューブ２１ａに対して、上方から荷重を加えることによって、フィン付押出チューブ２１ａをパワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に圧接させることができる。

具体的には、前述したように（図１）、弾性部材１４ａ，１４ｂによって、荷重受板１２ａを介してフィン付押出チューブ２１ａの上方から荷重を加えることによって、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に圧接させることができる。

なお、フィン付押出チューブ２１ａの下面のうち、当接面２２ａと当接面２２ｃの間の領域、即ち、間隙部３４の上部の領域は、接続面２２ｂとなって、当接面２２ａと当接面２２ｃの間を滑らかに接続する。また、当接面２２ｃと当接面２２ｅの間の領域、即ち、間隙部３４の上部の領域は、接続面２２ｄとなって、当接面２２ｃと当接面２２ｅの間を滑らかに接続する。

図４（ｃ）は、図４（ｂ）を切断線Ｂ−Ｂで切った、フィン付押出チューブ２１ａの幅方向に亘る断面図である。図４（ｃ）に示すように、フィン付押出チューブ２１ａが上下方向に押し潰されることによって、内部の放熱フィン２１ｃの形状が変形し、それに伴って、冷媒流路２１ｆの断面形状が変形する。しかし、冷媒流路２１ｆは閉塞しないため、冷媒の流通状態は保持される。したがって、フィン付押出チューブ２１ａが有する冷却性能は保持される。

次に、本発明の半導体冷却構造の別の実施形態である実施例２について、図５〜図８を参照して説明する。

図５は、本発明の別の実施形態である半導体冷却構造を有する半導体冷却装置１０ｂの外観を示す斜視図である。図６は、半導体冷却装置１０ｂを構成する主要部品の分解斜視図である。まず、図５，図６を用いて、半導体冷却装置１０ｂの全体構成について説明する。
［全体構成の説明］

図５の斜視図、および図６の分解斜視図に示すように、半導体冷却装置１０ｂは、３個の発熱型半導体３０ａ〜３０ｃがそれぞれ収容されたパワーモジュール３１ａ〜３１ｃと、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの下面側に設置された下部半導体冷却部４０ｃと、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面側に設置された上部半導体冷却部２０ｂと、この上部半導体冷却部２０ｂの上部に当接して配置された荷重受板１２ｃと、この荷重受板１２ｃの上面側に設けられて、荷重受板１２ｃを介して上部半導体冷却部２０ｂをパワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に圧接する弾性部材１４ｃ，１４ｄと、を備えている。なお、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃは、隣接するパワーモジュールの間に間隙部３４をおいて配置されている。

上部半導体冷却部２０ｂは、さらに、内部に冷媒流路を有するフィン付チューブ２１ｈ（冷却部）と、冷媒入口２１ｉ（図６）と、冷媒出口４７ｄと、から構成されており、絶縁シート３２ｃ（図６）を介してパワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面側に当接している。

また、下部半導体冷却部４０ｃは、絶縁シート４３ｃ（図６）を介してパワーモジュール３１ａ〜３１ｃの下面側に当接している。

なお、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃに収容される発熱型半導体３０ａ〜３０ｃ（半導体）としては、例えば、ＩＧＢＴ素子やパワートランジスタ素子に代表されるパワーデバイスが用いられる。また、発熱型半導体３０ａ〜３０ｃの設置数は、３個に限るものではない。

下部半導体冷却部４０ｃと上部半導体冷却部２０ｂとは、ボルトなどの締結具１６を用いて締結固定されている。本実施例２においては、締結具１６は、下部半導体冷却部４０ｃと上部半導体冷却部２０ｂの４箇所のコーナー部に取り付けられている。なお、締結具１６の取付位置はこれに限るものではない。

また、下部半導体冷却部４０ｃの冷媒出口４９ｃと、上部半導体冷却部２０ｂの冷媒入口２１ｉとの間は、冷却液の漏洩を防止するためのシール部材４８ｃを介して接続されている。なお、上部半導体冷却部２０ｂと下部半導体冷却部４０ｃの内部における、冷媒である冷却液の流通経路について、詳しくは、後述する。

弾性部材１４ｃ，１４ｄは、上部半導体冷却部２０ｂの幅方向へ延びる短冊状のものとされて、ボルトなどの締結具１５を用いて下部半導体冷却部４０ｃに締結固定され、その締結力によって荷重受板１２ｃを押圧する。そして、この押圧力によって、上部半導体冷却部２０ｂが、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃ（発熱型半導体３０ａ〜３０ｃ）と下部半導体冷却部４０ｃに圧接される。

弾性部材１４ｃ，１４ｄは、上部半導体冷却部２０ｂの長手方向に対し少なくとも一箇所設けられている。本実施例２においては、３個のパワーモジュール３１ａ〜３１ｃの間の２箇所の位置に設けられている。

次に、実施例２の半導体冷却装置１０ｂにおける、冷媒である冷却液の流通経路について、図５，図６を用いて説明する。
［冷媒の流通経路の構成］

図５に示すように、冷媒入口４７ｃには、矢印Ｌ_ｉｎの方向に、冷媒である冷却液が流入する。そして、下部半導体冷却部４０ｃ，上部半導体冷却部２０ｂの内部を順に通過しながら、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃに収容される発熱型半導体３０ａ〜３０ｃを冷却して、冷媒出口４７ｄから矢印Ｌ_ｏｕｔの方向に流出する。

冷媒入口４７ｃから下部半導体冷却部４０ｃに流入した冷却液は、下部半導体冷却部４０ｃの内部を通過してパワーモジュール３１ａ〜３１ｃを冷却した後、冷媒出口４９ｃから流出して、上部半導体冷却部２０ｂを構成する冷媒入口２１ｉからフィン付チューブ２１ｈ（冷却部）に流入する。そして、フィン付チューブ２１ｈの内部を通過してパワーモジュール３１ａ〜３１ｃを冷却した後、冷媒出口４７ｄから流出する。

次に、図７を用いて、フィン付チューブ２１ｈ（冷却部）、および、下部半導体冷却部４０ｃの内部に形成される冷媒流路の詳細な構造について説明する。
［冷媒流路の構造］

図７は、図５に示した半導体冷却装置１０ｂを切断線Ｃ−Ｃで切った、弾性部材１４ｃが荷重受板１２ｃを介してフィン付チューブ２１ｈ（冷却部）を圧接している位置の断面図である。

下部半導体冷却部４０ｃは、実施例１で説明した下部半導体冷却部４０ａと同じ構造を有している。即ち、上蓋部４２ｃの裏面側に、上蓋部４２ｃの長手方向に沿って立設した互いに平行な複数の放熱フィン４４と、本体容器部４１の凹状部４１ｃとの間に形成された隙間によって冷媒流路４６が形成されている。

そして、放熱フィン４４のうち、下部半導体冷却部４０ｃの幅方向中央付近に設けられた放熱フィン４４ａの先端部は、下部半導体冷却部４０ｃの幅方向左右端付近に設けられた放熱フィン４４ｂの先端部よりも下方に延長されて、本体容器部４１の凹状部４１ｃの内底面に当接している。そして、放熱フィン４４ｂの先端部と本体容器部４１の凹状部４１ｃの内底面との間には、僅かな隙間が設けられている。このような構造とすることによって、実施例１で説明したように、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃ（図１）と下部半導体冷却部４０ｃを確実に当接させることができ、これによって高い冷却効果を得ることができる。

一方、上部半導体冷却部２０ｂ（図１）を構成するフィン付チューブ２１ｈ（冷却部）の内部には、フィン付チューブ２１ｈの上下内面に当接するように、放熱フィン２１ｄが形成されている。この放熱フィン２１ｄは、フィン付チューブ２１ｈの長手方向に沿って形成されている。そして、放熱フィン２１ｄとフィン付チューブ２１ｈの隙間には、冷媒である冷却液が流れる冷媒流路２１ｇが形成されている。

そして、放熱フィン２１ｄとフィン付チューブ２１ｈの隙間に形成される冷媒流路２１ｇは、下部半導体冷却部４０ｃに形成される放熱フィン４４（４４ａ，４４ｂ）と本体容器部４１の隙間に形成される冷媒流路４６と平行になるように、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃに当接して配置される。

なお、放熱フィン２１ｄはプレス加工によって製造されて、フィン付チューブ２１ｈ（冷却部）の内面にろう付けされて、フィン付チューブ２１ｈとして一体化されている。
［フィン付チューブ（冷却部）の圧接構造の説明］

図８（ａ）は、フィン付チューブ２１ｈ（冷却部）をパワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に架け渡すように載置した様子を示す断面図である。

パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの高さは、内部に封止される発熱型半導体３０ａ〜３０ｃの厚さに応じて異なったものとなるため、一般にはばらついている。したがって、フィン付チューブ２１ｈをパワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に架け渡すように載置すると、フィン付チューブ２１ｈは、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に密着することなく載置される。

そして、図８（ａ）の状態にあるときに、各パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上方から押付け荷重を加えて加圧し、フィン付チューブ２１ｈを上下方向に押し潰す。即ち、パワーモジュール３１ａの上方から押付け荷重Ｆ１を加え、パワーモジュール３１ｂの上方から押付け荷重Ｆ２を加え、パワーモジュール３１ｃの上方から押付け荷重Ｆ３を加える。

ここで、フィン付押出チューブ２１ａを上下方向に押し潰す、即ち塑性変形させるための押付け荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の大きさは、フィン付チューブ２１ｈの材料の種類に基づいて、事前に適切な大きさに設定することが可能である。

なお、これらの押付け荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３は、それぞれ、図８に図示しない押付け治具によって加えられる。なお、押付け荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３はできるだけ等しい荷重に設定されて、押し潰されたフィン付チューブ２１ｈの上面ができるだけ平坦になるようにするのが望ましい。

図８（ｂ）は、押付け荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が加えられて、上下方向に押し潰されたフィン付チューブ２１ｈの長手方向に亘る断面図である。図８（ｂ）に示すように、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの高さがばらついている場合であっても、フィン付チューブ２１ｈを上下方向に押し潰すことによって、フィン付チューブ２１ｈをパワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に密着させることができる。

このとき、押付け荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３は、それぞれ、フィン付チューブ２１ｈが弾性領域を超えて塑性変形を起こす領域に至る大きさに設定される。したがって、図８（ｂ）に示す変形が生じた後で押付け荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を解除しても、フィン付チューブ２１ｈの変形状態は保持されて、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に密着した状態が保持される。

図８（ｃ）は、フィン付チューブ２１ｈを図８（ｂ）の切断線Ｄ−Ｄで切った断面図である。また、図８（ｄ）は、フィン付チューブ２１ｈを図８（ｂ）の切断線Ｅ−Ｅで切った断面図である。図８（ｃ），（ｄ）に示すように、フィン付チューブ２１ｈの内部に形成された放熱フィン２１ｄは、場所に応じて、放熱フィン２１ｄのピッチが異なるように形成されている。

すなわち、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に密着する位置には、図８（ｃ）に示すように、放熱フィン２１ｄが形成されている。

一方、間隙部３４の上部に対応する位置には、図８（ｄ）に示すように、放熱フィン２１ｊが形成されている。そして、放熱フィン２１ｊのピッチは、放熱フィン２１ｄのピッチよりも狭くなるように形成されている。

このように、間隙部３４の上部に対応する位置に、ピッチの狭い放熱フィン２１ｊを形成することによって、フィン付チューブ２１ｈの剛性を部分的に高めることができる。したがって、図８（ｂ）に示すように、フィン付チューブ２１ｈを上下方向に押し潰したときに、間隙部３４の上部ではフィン付チューブ２１ｈの剛性が高いため、隣接する当接面２２ａ，２２ｃ，２２ｅの間で、互いに塑性変形の影響が及ぶことを防止できる。したがって、当接面２２ａ，２２ｃ，２２ｅにおいて、フィン付チューブ２１ｈを確実にパワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に密着させることができる。

また、隣接する当接面２２ａ，２２ｃ，２２ｅの間で、互いに塑性変形の影響が及ばないため、間隙部３４の大きさを小さく設定することができる。そのため、半導体冷却装置１０ｂの小型化を図ることができる。

さらに、間隙部３４の上部においてフィン付チューブ２１ｈの剛性を向上させたため、冷媒の内圧によるフィン付チューブ２１ｈの変形を防止することができる。

なお、フィン付チューブ２１ｈの内部で、部分的に放熱フィンのピッチが異なるが、狭いピッチで形成された放熱フィン２１ｊの隙間に形成された冷媒流路２１ｋと、通常のピッチで形成された放熱フィン２１ｄの隙間に形成された冷媒流路２１ｇと、は、互いに連通しているため、冷却液の流通が阻害されることはない。そして、冷媒流路２１ｋと冷媒流路２１ｇの切り替わり位置においては、放熱フィンのピッチが変更されるため、冷却液の乱流が発生する。これにより、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの冷却性能が向上する。

ここで、フィン付チューブ２１ｈの剛性を部分的に向上させる方法は、放熱フィンのピッチを狭くすることに限定されるものではない。即ち、間隙部３４の上部に配置される放熱フィン２１ｊを、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に配置される放熱フィン２１ｄよりも剛性の高い材料で形成しても、上記したのと同様の効果を得ることができる。

以上説明したように、実施例１に係る半導体冷却構造を有する半導体冷却装置１０ａによれば、内部に、複数の放熱フィン２１ｃによって仕切られた冷媒流路２１ｆを有するフィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂ（冷却部）を、発熱型半導体３０ａ〜３０ｆを封止した複数のパワーモジュール３１ａ〜３１ｆの上面に架け渡すように載置した後で、フィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂを複数のパワーモジュール３１ａ〜３１ｆの各々に当接させて加圧し、複数のパワーモジュール３１ａ〜３１ｆにそれぞれ密着するように塑性変形させた状態で、弾性部材１４ａ，１４ｂが、荷重受板１２ａ，１２ｂを介して、フィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂを複数のパワーモジュール３１ａ〜３１ｆに圧接させるため、特許文献１に記載されたような複雑な構造を用いることなく、簡単な構造で個々のパワーモジュール３１ａ〜３１ｆの厚さのばらつきを吸収して、フィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂを各パワーモジュール３１ａ〜３１ｆに確実に密着させることができ、安定した半導体冷却性能を得ることができる。

さらに、実施例１に係る半導体冷却構造を有する半導体冷却装置１０ａによれば、フィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂ（冷却部）は、加圧されて塑性変形することによって弾性領域が拡大した状態で、弾性部材１４ａ，１４ｂによって、荷重受板１２ａ，１２ｂを介して、複数のパワーモジュール３１ａ〜３１ｆを圧接するため、フィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂを各パワーモジュール３１ａ〜３１ｆに確実に密着させることができ、安定した半導体冷却性能を得ることができる。

また、実施例１に係る半導体冷却構造を有する半導体冷却装置１０ａによれば、フィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂ（冷却部）は、内部が、放熱フィン２１ｃと冷媒流路２１ｆとが一体的に成形されたフィン付チューブをなしているため、押し出し工法にて放熱フィン２１ｃと冷媒流路２１ｆとを一体成形することができる。したがって、製造コストを低減することができる。また、フィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂの内面と放熱フィン２１ｃとは一体的に成形されているため、パワーモジュール３１ａ〜３１ｆで発生した熱の放熱性能が向上する。

そして、実施例２に係る半導体冷却構造を有する半導体冷却装置１０ｂによれば、フィン付チューブ２１ｈ（冷却部）は、内部に、放熱フィン２１ｄがろう付けされるとともに、放熱フィン２１ｄの剛性を、間隙部３４の上部において、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面の位置に比べて高いものとするため、隣接するパワーモジュール間で、各々のパワーモジュールに当接するフィン付チューブ２１ｈの塑性変形の影響が及ばないため、フィン付チューブ２１ｈが確実にパワーモジュール３１ａ〜３１ｃに密着することによって、安定した半導体冷却性能を得ることができる。また、隣接するパワーモジュール間で、各々のパワーモジュールに当接するフィン付チューブ２１ｈの塑性変形の影響が及ばないため、間隙部３４を縮めることができる。したがって、半導体冷却装置１０ｂの小型化を図ることができる。そして、さらに、間隙部３４の上部において、冷媒の内圧によるフィン付チューブ２１ｈの変形を防止することができる。

また、実施例２に係る半導体冷却構造を有する半導体冷却装置１０ｂによれば、間隙部３４の上部に配置される放熱フィン２１ｊのピッチを、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に配置される放熱フィン２１ｄのピッチよりも狭くするため、フィン付チューブ２１ｈの剛性を、間隙部３４の上部において容易に向上させることができる。また、間隙部３４の上部において放熱フィン２１ｊのピッチを狭くするため、ピッチの変更位置において冷媒の乱流が発生して、これによりパワーモジュール３１ａ〜３１ｃの冷却性能が向上する。

また、実施例２に係る半導体冷却構造を有する半導体冷却装置１０ｂによれば、間隙部３４の上部に配置される放熱フィン２１ｊを、パワーモジュール３１ａ〜３１ｃの上面に配置される放熱フィン２１ｄよりも剛性が高い材料で形成するため、フィン付チューブ２１ｈの剛性を、間隙部３４の上部において容易に向上させることができ、これによって、フィン付チューブ２１ｈが確実にパワーモジュール３１ａ〜３１ｃに密着することによって、安定した半導体冷却性能を得ることができる。

なお、実施例１にあっては、冷媒流路が冷却装置内で３回折り返す（２往復する）、所謂４パス方式の冷却装置を形成した。また、実施例２にあっては、冷媒流路が冷却装置内で１回折り返す（１往復する）、所謂２パス方式の冷却装置を形成した。このように、本発明が適用される半導体冷却構造のパス数に制限はなく、いかなるパス数を有する半導体冷却構造であっても同様に適用することができる。

また、実施例２にあっては、間隙部３４の上部において、放熱フィンのピッチや放熱フィンの材料を変更することによって、フィン付チューブ２１ｈの剛性を向上させたが、剛性を向上させる方法は、それらに限定されるものではない。即ち、間隙部３４の上部において、放熱フィンの厚さを厚くする等の設計パラメータの変更を行うことによってフィン付チューブ２１ｈの剛性を向上させても、前記したのと同様の効果を得ることができる。

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。

２０ａ 上部半導体冷却部
２１ａ，２１ｂ フィン付押出チューブ（冷却部）
２１ｃ 放熱フィン
２１ｆ 冷媒流路
３０ａ〜３０ｆ 発熱型半導体
３１ａ〜３１ｆ パワーモジュール
１２ａ，１２ｂ 荷重受板
１４ａ，１４ｂ 弾性部材
４０ａ 下部半導体冷却部
４２ａ 上蓋部

Claims (6)

1. 発熱型半導体を封止した複数のパワーモジュールと、
   内部に、複数の放熱フィンによって仕切られた冷媒流路を有する冷却部と、
   間隙部をおいて整列された前記複数のパワーモジュールの上面に架け渡すように載置した前記冷却部を、前記複数のパワーモジュールにそれぞれ圧接する弾性部材と、を有し、前記冷却部を、前記複数のパワーモジュールに当接させて加圧し、前記複数のパワーモジュールにそれぞれ密着するように塑性変形させた状態で、前記弾性部材が前記冷却部を前記複数のパワーモジュールに圧接させることを特徴とする半導体冷却構造。
2. 前記冷却部は、加圧されて塑性変形することによって弾性領域が拡大した状態で、前記弾性部材によって、前記複数のパワーモジュールに圧接させられることを特徴とする請求項１に記載の半導体冷却構造。
3. 前記冷却部は、内部が、前記放熱フィンと前記冷媒流路とが一体的に成形されたフィン付チューブをなしていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体冷却構造。
4. 前記冷却部は、内部に、前記放熱フィンがろう付けされるとともに、前記間隙部の上部における前記放熱フィンの剛性を、前記パワーモジュールの上面における前記放熱フィンの剛性と比べて高いものとすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体冷却構造。
5. 前記間隙部の上部に配置される前記放熱フィンのピッチを、前記パワーモジュールの上面に配置される前記放熱フィンのピッチよりも狭くすることを特徴とする請求項４に記載の半導体冷却構造。
6. 前記間隙部の上部に配置される前記放熱フィンが、前記パワーモジュールの上面に配置される前記放熱フィンよりも剛性が高い材料で形成されることを特徴とする請求項４に記載の半導体冷却構造。