JP2021114598A - ヒートシンクおよびパワーモジュールパッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートシンクおよびパワーモジュールを開示する。【解決手段】 ヒートシンクは、入口と、出口と、前面を有する冷却プレートと、を備える。冷却プレートは、入口と連通する入口チャネルと、出口と連通する出口チャネルと、入口チャネルの長手方向に沿って前面上に設けられた複数の冷却ユニットと、を備える。冷却ユニットは、それぞれ、第１冷却チャネルと、第１冷却チャネルに平行な第２冷却チャネルと、第１冷却チャネルと第２冷却チャネルとの間の少なくも１つのセパレータと、を備える。入口チャネルは出口チャネルに平行する。第１冷却チャネルは、それぞれ、入口チャネルと連通する。第２冷却チャネルは、それぞれ、出口チャネルと連通する。セパレータは、冷却剤を第１冷却チャネルから第２冷却チャネルに導くように構成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、ヒートシンクおよびパワーモジュールパッケージ、特に、高速スイッチング半導体装置用のヒートシンクおよび電流バランスの良いパワーモジュールパッケージに関する。

従来、インバータの冷却システム１はプレート形状を有する。また、パワーチップ２（ＳｉＣデバイスなど）は、プレートの表面上に並列に固定されている。（図１において、Ｕ相３１、Ｖ相３２およびＷ相３３をそれぞれ表す三相のアプリケーションが示される。）冷却剤は、入口１１を通って冷却システムに流入し、出口１２を通って冷却システムから流出する。図２および図３を参照すると、２つの従来の蛇行冷却管が使用されている。冷却システムの同じ側に、入口１および出口２が設けられている。パワーチップは、これら蛇行冷却管に沿って設けられている。（図２および図３において、冷却剤の流れが矢印で示される。）したがって、パワーチップによって発生された熱は、冷却剤の流れ３によって放散される。しかしながら、熱交換プロセス中に冷却剤自体の温度が上昇し、これによって温度のアンバランスが発生する。そのため、出口付近の温度は入口付近の温度よりも高い。並列に配置されたパワーチップの数が増加するにつれて、温度の分布はより不均一になる。一般に、ＥＶ（Electric Vehicle／電気自動車）はより大きな電流を必要とし、より多くのＳｉＣデバイスを使用する。それらＳｉＣデバイスが、図１に示すように、依然として並列に配置されている場合、温度のアンバランスに起因して、不均衡な電流が発生されるであろう。その結果、ＳｉＣデバイスの一部が破壊される可能性さえある。

温度のバランスを改善するために、ヒートシンクが開示される。ヒートシンクは、ヒートシンクの一方の端部上の入口と、ヒートシンクの対向する端部上の出口と、冷却プレートと、を備える。冷却プレートは、前面と、入口と連通する入口チャネルと、出口と連通する出口チャネルと、入口チャネルの長手方向に沿って前面上に設けられた複数の冷却ユニットと、を備える。冷却ユニットは、それぞれ、第１冷却チャネルと、第１冷却チャネルに平行な第２冷却チャネルと、第１冷却チャネルと第２冷却チャネルとの間の少なくとも１つのセパレータと、を備える。入口チャネルは出口チャネルに平行する。第１冷却チャネルは。それぞれ、入口チャネルと連通する。第２冷却チャネルは、それぞれ、出口チャネルと連通する。セパレータは、冷却剤を第１冷却チャネルから第２冷却チャネルに導くように構成されている。

本発明の別の態様によれば、パワーモジュールパッケージも開示される。パワーモジュールパッケージは、上述のヒートシンクを備える。パワーモジュールパッケージは、冷却プレートの後面上に配置された複数のパワーデバイスを更に備える。後面は前面に対向する。および／または、パワーモジュールパッケージは、カバーの外面上に配置された複数のパワーデバイスを更に備える。

実施形態の他の態様および利点は、記載の実施形態の原理を例として示す添付の図面と併せて解釈される以下の詳細な説明から明らかになる。

記載の実施形態およびその利点は、添付の図面と併せて解釈される以下の説明を参照することによって、最もよく理解することができる。これらの図面は、記載の実施形態の精神および範囲から逸脱することなく当業者によって記載の実施形態に施すことができる、形態および詳細におけるいかなる変化をも、決して限定することがない。

三相のアプリケーションにおける並列パワーチップ配置を示す図である。 従来の冷却剤の流れを示す図である。 別の従来の冷却剤の流れを示す図である。 本発明の第１実施形態における冷却プレートの斜視図である。 図４の冷却プレートの上面図である。 第１実施形態のヒートシンクを備えるパワーモジュールパッケージの分解図である。 本発明の第２実施形態における冷却プレートの斜視図である。 図７の冷却プレートの上面図である。

ここで図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図４〜図６を参照すると、パワーモジュールパッケージは、冷却プレート３およびカバー５を有する流体で充填されたヒートシンクを備える。第１実施形態において、ヒートシンクは、一方の端部上の入口１と、対向する端部上の出口２と、を備える。入口１は、冷却剤がヒートシンク内部のチャネルに入ることを可能にする。出口２は、冷却剤がヒートシンクから出ることを可能にする。矩形の冷却プレート３は、前面３１と、入口１と連通する入口チャネル３２と、出口２と連通する出口チャネル３３と、前面３１上に設けられた複数の冷却ユニット３０と、を備える。冷却ユニット３０は、入口チャネルの長手方向に沿って設けられている。この実施形態において、入口チャネル３２は出口チャネル３３と平行する。

それぞれの冷却ユニットにおいて、第１冷却チャネル４１と、第１冷却チャネル４１に平行する第２冷却チャネル４２と、第１冷却チャネル４１と第２冷却チャネル４２との間の複数のセパレータ４３と、が設けられている。したがって、前面３１上で、複数の第１冷却チャネル４１および複数の第２冷却チャネル４２が。相互にかみ合っている。すべての第１冷却チャネル４１およびすべての第２冷却チャネル４２は、入口チャネル３２および出口チャネル３３に垂直である。第１冷却チャネル４１は、それぞれ、入口チャネル３２と連通する。第２冷却チャネル４２は、それぞれ、出口チャネル３３と連通する。したがって、これらのチャネルによって櫛形状が形成されている。冷却剤は、入口チャネル３２から異なる冷却ユニットに分岐され、短時間で、第１冷却チャネル４１を通って冷却プレート全体に拡散することができる。

さらに、それぞれの冷却ユニット３０において、冷却剤が、セパレータ４３によって第１冷却チャネル４１から第２冷却チャネル４２に導かれる。全ての第２冷却チャネル４２を通って流れる冷却剤は、最終的には出口チャネル３３に収束され、ヒートシンクから出ることになる。この実施形態において、セパレータ４３は、第１冷却チャネル４１に垂直なストリップである。第１冷却チャネル４１に垂直な方向に沿って延在する複数のカラムのような他の形状を有するセパレータも、冷却剤の流れを導くために使用することができる、と理解されたい。

ヒートシンクは、前面３１に面するカバー５を更に備える。カバー５が冷却プレート３に組み付けられると、冷却剤はヒートシンク内部にシールされる。カバー５は、外面５１と、外面５１に対向する内面と、を備える。ヒートシンクが組み立てられてシールされると、内面は、前面３１に面する。

ここで図６を参照すると、ヒートシンクが、パワーデバイスを冷却するためにパワーモジュールパッケージにおいて使用される。複数のパワーデバイス６は、外面５１上に配置されている。パワーデバイス６は、スイッチング周波数の高いＳｉＣチップまたはＭＯＳＦＥＴチップである。パワーデバイス６は３つのグループに分割されている。グループは、それぞれ、三相システムにおける１つの相に対応する。それぞれのグループにおけるパワーデバイスは、第１冷却チャネル４１に平行な方向に沿って延在している。別の好適な実施形態において、カバー５の外面５１の代わりに、前面３１に対向する冷却プレートの後面上に、パワーデバイスが設けられる。このパワーモジュールパッケージにおいては、明らかに不均一な温度分布が発生しないため、電流バランスがより好適である。

別の好適な実施形態において、冷却ユニットは、それぞれ、第１冷却チャネルに平行な追加の第２冷却チャネルを更に備える。追加の第２冷却チャネルは出口チャネルと連通する。第１冷却チャネルは、第２冷却チャネルと追加の第２冷却チャネルとの間にある。別の好適な実施形態において、隣接する冷却ユニットは、１つの第２冷却チャネルまたは１つの追加の第２冷却チャネルを共有する。すなわち、１つの冷却ユニットにおける追加の第２冷却チャネルは、隣接する冷却ユニットにおける第２冷却チャネルでもある。図７および図８を参照すると、本発明の第２実施形態における冷却プレートの、斜視図および上面図がそれぞれ示される。この場合、入口チャネル３２からの冷却剤は、まず第１冷却チャネル４１に分岐される。次いで、それぞれの冷却ユニット３０において、冷却剤がセパレータ４３によって導かれ、矢印で示すように、第２冷却チャネルおよび追加の第２冷却チャネル（両方ともを４２として記す）に更に分岐される。その後、分岐された冷却剤は、出口チャネル３３に収束され、出口２を介してヒートシンクから出る。この設計では、冷却剤が完全に拡散され、ヒートシンク全体が効果的に冷却される。

いくつかの代替的な構造要素および処理ステップが、好適な実施形態のために提案されている。したがって、本発明を特定の実施形態を参照して説明してきたが、この説明は、本発明を例示するものであり、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、当業者は多様な変形および応用を想起しうる。

Claims (6)

1. ヒートシンクであって、
   前記ヒートシンクの一方の端部上の入口と、前記ヒートシンクの対向する他方の端部上の出口と、
   冷却プレートと、を備え、前記冷却プレートは、前面と、前記入口と連通する入口チャネルと、前記出口と連通する出口チャネルと、前記入口チャネルの長手方向に沿って前記前面上に設けられた複数の冷却ユニットと、を備え、前記冷却ユニットは、それぞれ、第１冷却チャネルと、前記第１冷却チャネルに平行な第２冷却チャネルと、前記第１冷却チャネルと前記第２冷却チャネルとの間の少なくとも１つのセパレータと、を備え、
   前記入口チャネルは前記出口チャネルに平行し、第１冷却チャネルは、それぞれ、前記入口チャネルと連通し、第２冷却チャネルは、それぞれ、前記出口チャネルと連通し、前記セパレータは、冷却剤を前記第１冷却チャネルから前記第２冷却チャネルに導くように構成されている、ヒートシンク。
2. 請求項１に記載のヒートシンクであって、少なくとも１つの冷却ユニットは、前記第１冷却チャネルに平行な追加の第２冷却チャネルを更に備え、前記追加の第２冷却チャネルは前記出口チャネルと連通し、前記第１冷却チャネルは、前記第２冷却チャネルと前記追加の第２冷却チャネルとの間にある、ヒートシンク。
3. 請求項２に記載のヒートシンクであって、隣接する前記冷却ユニットは、１つの第２冷却チャネルまたは１つの追加の第２冷却チャネルを共有する、ヒートシンク。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載のヒートシンクであって、前記セパレータは、前記第１冷却チャネルに垂直なストリップである、ヒートシンク。
5. 請求項１〜３の何れか一項に記載のヒートシンクであって、前記ヒートシンクは、前記前面に面するカバーを更に備え、前記カバーは、前記冷却プレートに組み付けられて冷却剤を前記ヒートシンク内部にシールする、ヒートシンク。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載のヒートシンクを備えるパワーモジュールパッケージであって、前記パワーモジュールパッケージは、前記冷却プレートの後面上に配置された複数のパワーデバイスを更に備え、前記後面は前記前面に対向し、および／または前記パワーモジュールパッケージは、前記カバーの外面上に配置された複数のパワーデバイスを更に備える、パワーモジュールパッケージ。
   

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