JP2023025979A - 半導体モジュール冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】弾性部材をボルトで締結する必要があり、構造が大型化する課題があった。【解決手段】半導体素子を封止した半導体モジュールと、前記半導体モジュールの両面に配置され、前記半導体モジュールを冷却する第１および第２の冷却部材と、前記第１の冷却部材を挟んで前記半導体モジュールと対向するベース板と、前記ベース板と前記第２の冷却部材とを介して前記半導体モジュールを両面から挟み込み、前記第１および前記第２の冷却部材を前記半導体モジュールに向かってそれぞれ押圧付勢する第１のばね板部材と、前記第１のばね板部材と係合し、前記ベース板と前記第２の冷却部材とを介して前記半導体モジュールを両面から挟み込み、前記第１および前記第２の冷却部材を前記半導体モジュールに向かってそれぞれ押圧付勢する第２のばね板部材とを備える半導体モジュール冷却構造。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体モジュール冷却構造に関する。

半導体素子を封止した半導体モジュールは、半導体素子をスイッチング動作させて電力を変換する電力変換装置に組み込まれている。電力変換装置は、変換効率が高いため、民生用、車載用、鉄道用、変電設備等に幅広く利用されている。そして、半導体モジュールの両面には、スイッチング動作により発熱した半導体素子を冷却する冷却部材が配置されている。

特許文献１には、発熱型半導体を封止したパワーモジュールと、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冷却部と、冷却部をパワーモジュールに圧接する弾性部材とを有し、弾性部材をボルトで締結することにより、冷却部をパワーモジュールに圧接させる半導体冷却構造が開示されている。

特開２０１６－７６６３７号公報

特許文献１に記載の半導体冷却構造は、弾性部材をボルトで締結する必要があり、構造が大型化する課題があった。

本発明の半導体モジュール冷却構造は、半導体素子を封止した半導体モジュールと、前記半導体モジュールの両面に配置され、前記半導体モジュールを冷却する第１および第２の冷却部材と、前記第１の冷却部材を挟んで前記半導体モジュールと対向するベース板と、前記ベース板と前記第２の冷却部材とを介して前記半導体モジュールを両面から挟み込み、前記第１および第２の冷却部材を前記半導体モジュールに向かってそれぞれ押圧付勢する第１のばね板部材と、前記第１のばね板部材と係合し、前記ベース板と前記第２の冷却部材とを介して前記半導体モジュールを両面から挟み込み、前記第１および第２の冷却部材を前記半導体モジュールに向かってそれぞれ押圧付勢する第２のばね板部材とを備える。

本発明によれば、冷却性能を維持しながら、冷却構造を小型化することが可能になる。

本実施形態にかかる電力変換装置の分解斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）半導体モジュールの冷却構造を示す図である。 （Ａ）～（Ｆ）半導体モジュールの冷却構造の組立工程を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）ばね板部材の変形例１を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）ばね板部材の変形例２を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

図１は、本実施形態にかかる電力変換装置の分解斜視図である。
詳細は後述するが、半導体モジュール冷却構造は、半導体モジュール１００と、半導体モジュール１００の両面に配置される第１および第２の冷却部材１１０、１２０（図２（Ａ）参照）を備える。このような冷却構造を備えた半導体モジュール１００は、下部カバー２００と筐体３００との間に設置される。上部カバー１１１と筐体３００との間には基板８００が設置される。筐体３００は、上部カバー１１１と下部カバー２００によって閉塞される。

半導体モジュール１００は、平滑コンデンサ４００、Ｙコンデンサ５００、直流バスバ６００を介して、図示省略したバッテリに接続され、バッテリより直流電力が供給される。また、半導体モジュール１００は、半導体モジュール１００内に封止された半導体素子をスイッチング動作させることにより、バッテリより供給された直流電力を交流電力に変換し、交流バスバ７００へ交流電流を出力する。出力された交流電流は図示省略したモータへ供給され、モータを駆動する。

半導体モジュール１００内の半導体素子をスイッチング動作させるための制御信号は中継端子３０１を介して、筐体３００に配置される基板８００に接続される。基板８００上にはコントローラ等の電子部品が配置され、半導体素子をスイッチング動作させる制御信号を出力する。放電抵抗８０１は、基板８００上のコントローラから放電の指示を受けた際に、平滑コンデンサ４００に充電された電力を放電する抵抗器である。半導体モジュール１００の両面に配置される第１および第２の冷却部材１１０、１２０には、冷媒が流通しているが、この冷媒は筐体３００に設けられた流入口３０２、流出口３０３より入出力される。筐体３００の流入口３０２、流出口３０３付近には、冷媒の漏洩を防ぐ水路カバー３０４が設けられている。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）は、本実施形態にかかる半導体モジュール１００の冷却構造を示す図である。図２（Ａ）は、ばね板部材２１０、２２０を装着する前の冷却構造を示す斜視図、図２（Ｂ）は、ばね板部材２１０、２２０を装着した後の冷却構造を示す側面図、図２（Ｃ）は、ばね板部材２１０、２２０の係合部２０４を示す側面図の部分拡大図である。

図２（Ａ）に示すように、本実施形態の冷却構造は、半導体モジュール１００と、半導体モジュール１００の両面に配置される第１および第２の冷却部材１１０、１２０と、第１の冷却部材１１０を挟んで半導体モジュール１００と対向するベース板１４０とを備える。さらに、第１および第２のばね板部材２１０、２２０を備える。第１および第２のばね板部材２１０、２２０は、半導体モジュール１００の両側部から半導体モジュール１００に装着され、装着後は第１および第２のばね板部材２１０、２２０は係合部２０４で係合され、第１および第２のばね板部材２１０、２２０が分離しないように互いに固定される。そして、第１のばね板部材２１０は、半導体モジュール１００の一方の側部からベース板１４０と第２の冷却部材１２０とを介して半導体モジュール１００を両面から挟み込む。第２のばね板部材２２０は、半導体モジュール１００の他方の側部からベース板１４０と第２の冷却部材１２０とを介して半導体モジュール１００を両面から挟み込む。これにより、第１および第２のばね板部材２１０、２２０は、ベース板１４０、第１および第２の冷却部材１１０、１２０を介して半導体モジュール１００を両面から挟み込み、第１および第２の冷却部材１１０、１２０を半導体モジュール１００に向かってそれぞれ押圧付勢する。

半導体モジュール１００は、半導体素子を封止してなるもので、本実施形態では３個の半導体モジュールを並列に配列した例で説明するが、半導体モジュールの個数は一例である。なお、複数個配列した半導体モジュールを総称して半導体モジュール１００と称する。

第１および第２の冷却部材１１０、１２０は、熱伝導グリスや放熱シートなどの熱伝導部材を介して半導体モジュール１００の両面に密着され、第１および第２の冷却部材１１０、１２０の内部を流通する冷媒により、半導体モジュール１００が冷却される。

半導体モジュール１００からは、制御信号を入力する制御端子１０１と、交流バスバ７００に接続される交流端子１０２が導出されている。なお、交流端子１０２の反対側には直流バスバ６００に接続される直流端子１０３が導出されている（図２（Ｂ）参照）。

第１および第２のばね板部材２１０、２２０は、半導体モジュール１００の配列方向に沿って、ベース板１４０に当接する第１押圧部２０１と、半導体モジュール１００の配列方向に沿って、第２の冷却部材１２０に当接する第２押圧部２０２と、半導体モジュール１００の側部を跨いで、第１押圧部２０１と第２押圧部２０２とを繋ぐ脚部２０３と、第１および第２のばね板部材２１０、２２０を互いに係合する係合部２０４とが弾性力のあるばね板部材により一体的に形成されている。

図２（Ｂ）に示すように、第１および第２のばね板部材２１０、２２０の第１押圧部２０１と第２押圧部２０２は、それぞれベース板１４０の表面１４５と第２の冷却部材１２０の表面１２５を半導体モジュール１００の配列方向に沿って広い面で当接している。このように、第１および第２の冷却部材１１０、１２０を半導体モジュール１００の両面に均等に面で押圧しているので、第１および第２の冷却部材１１０、１２０と半導体モジュール１００の密着性が高まり、半導体モジュール１００の冷却性能が向上する。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示すように、第１および第２のばね板部材２１０、２２０の脚部２０３は、半導体モジュール１００から導出される制御端子１０１、交流端子１０２および直流端子１０３と離間して絶縁距離を保つ位置に所定間隔で４本形成される。脚部２０３の本数は、半導体モジュール１００内の半導体素子の数等に応じて、交流端子１０２および直流端子１０３と離間して適宜設定する。脚部２０３は、ベース板１４０に当接し、第１および第２のばね板部材２１０、２２０の位置決めを行う。具体的には、第１および第２のばね板部材２１０、２２０の両端に位置する脚部２０３がベース板１４０の係止部１４１に当接する。

図２（Ｂ）、図２（Ｃ）に示すように、第１および第２のばね板部材２１０、２２０の係合部２０４は、ベース板１４０の表面１４５や第２の冷却部材１２０の表面１２５から離間する方向に屈曲して設けられる係合穴２０５および係合突起２０６により互いに係合される。第１のばね板部材２１０は、第１押圧部２０１および第２押圧部２０２の先端における係合部２０４において係合穴２０５が形成されている。第２のばね板部材２２０は、第１押圧部２０１および第２押圧部２０２の先端における係合部２０４において係合突起２０６が形成されている。第１のばね板部材２１０の係合部２０４と、第２のばね板部材２２０の係合部２０４とは、係合穴２０５に係合突起２０６を通した状態で互いに係合して、第１および第２のばね板部材２１０、２２０を一体的に固定する。

第１および第２のばね板部材２１０、２２０は、厚さを薄く構成できるので、冷却構造を小型化することが可能になる。さらに、脚部２０３は、第１および第２のばね板部材２１０、２２０と一体的に形成された薄板形状であるので、半導体モジュール１００の側面に沿って配置することができ、冷却構造を小型化することが可能になる。また、第１および第２のばね板部材２１０、２２０は、ばね板を折り曲げて形成する簡易な構造であるためばね板部材２１０、２２０の生産性が向上する。

図３（Ａ）～図３（Ｆ）は、半導体モジュールの冷却構造の組立工程を示す図である。
図３（Ａ）は、ベース板１４０の上面図である。ベース板１４０は、第１および第２のばね板部材２１０、２２０の両端に位置する脚部２０３が当接する係止部１４１を４個所備える。また、ベース板１４０は、第１および第２の冷却部材１１０、１２０の内部に流す冷媒を通す開口１４２が２個所設けられている。さらに、ベース板１４０は、ビスを挿入する取付穴１４３を４隅に有する。ビスを取付穴１４３に通して、半導体モジュール１００、第１および第２の冷却部材１１０、１２０、第１および第２のばね板部材２１０、２２０からなる半導体モジュール冷却構造体を、筐体３００へ固定する。また、ベース板１４０には、半導体モジュール１００より導出される制御端子１０１が、中継端子３０１を介して基板８００に接続される接続線を通すために、制御端子開口１４４が設けられている。

次に、図３（Ｂ）に示すように、ベース板１４０の上に第１の冷却部材１１０をろう付け等により接合する。そして、図３（Ｃ）に示すように、熱伝導部材を塗布した第１の冷却部材１１０の面上に半導体モジュール１００を設置する。次に、図３（Ｄ）に示すように、熱伝導部材を塗布した第２の冷却部材１２０を半導体モジュール１００の上に設置する。

このようにして、半導体モジュール１００の両面に第１および第２の冷却部材１１０、１２０を配置した後に、図３（Ｅ）に示すように、第１および第２のばね板部材２１０、２２０を両側面から装着する。第１および第２のばね板部材２１０、２２０の第１押圧部２０１と第２押圧部２０２との間隔は、第１および第２の冷却部材１１０、１２０が配置された半導体モジュール１００の厚みより若干小さく形成されているので、第１押圧部２０１と第２押圧部２０２との間隔を治具等で広げながら装着する。その際に、第１および第２のばね板部材２１０、２２０の両端に位置する脚部２０３をベース板１４０の係止部１４１に当接することにより、第１および第２のばね板部材２１０、２２０の位置合わせを行う。

そして、図３（Ｆ）に示すように、第１および第２のばね板部材２１０、２２０の係合部２０４を係合することにより、第１および第２のばね板部材２１０、２２０を締結する。第１および第２のばね板部材２１０、２２０は、その弾性力により第１および第２の冷却部材１１０、１２０を半導体モジュール１００の両面に均等に押圧する。

第１および第２のばね板部材２１０、２２０を半導体モジュール１００の両側面から装着して、係合部２０４で係合するので、組立性が向上する。また、係合部２０４を解除することにより、第１および第２のばね板部材２１０、２２０を容易に取り外しが可能であり、メンテナンス性が向上する。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）は、変形例１における第１および第２のばね板部材２１０’、２２０’を示す図である。図４（Ａ）は、第１のばね板部材２１０’の外観斜視図、図４（Ｂ）は、第１および第２のばね板部材２１０’、２２０’を締結した状態の外観斜視図、図４（Ｃ）は、ばね板部材２１０’、２２０’を装着した後の冷却構造を示す側面図である。第１および第２のばね板部材２１０’、２２０’における係合穴２０５と係合突起２０６の配置が図２に示す実施形態とは異なる。図２と同一個所には同一の符号を付してその説明を簡略に行う。

図４（Ａ）に示すように、第１のばね板部材２１０’は、第１押圧部２０１の先端における係合部２０４において係合穴２０５が、第２押圧部２０２の先端における係合部２０４において係合突起２０６が形成されている。一方、第２のばね板部材２２０’は、第１のばね板部材２１０’の上下を反転した構成である。すなわち、第２のばね板部材２２０’は、第１押圧部２０１の先端における係合部２０４において係合突起２０６が、第２押圧部２０２の先端における係合部２０４において係合穴２０５が形成されている。

図４（Ｂ）、図４（Ｃ）に示すように、第１および第２のばね板部材２１０’、２２０’における係合部２０４同士は、係合穴２０５に係合突起２０６を通すことで互いに係合する。これにより、第１および第２のばね板部材２１０’、２２０’を一体的に固定することができる。すなわち、第１のばね板部材２１０’の第１押圧部２０１の先端における係合穴２０５に、第２のばね板部材２２０’の第１押圧部２０１の先端における係合突起２０６を通した状態で、第１および第２のばね板部材２１０’、２２０’の第１押圧部２０１にそれぞれ形成された係合部２０４同士が互いに係合する。また、第１のばね板部材２１０’の第２押圧部２０２の先端における係合突起２０６を、第２のばね板部材２２０’の第２押圧部２０２の先端における係合穴２０５に通すことで、第１および第２のばね板部材２１０’、２２０’の第２押圧部２０１にそれぞれ形成された係合部２０４同士が互いに係合する。なお、第１のばね板部材２１０’は、半導体モジュール１００の側部のどちら側に配置してもよい。第２のばね板部材２２０’は、第１のばね板部材２１０’が配置された半導体モジュール１００の反対側の側部に配置する。

変形例１によれば、第１および第２のばね板部材２１０’、２２０’を係合部２０４の形状も含めて同一の形状にすることができ、ばね板部材２１０’、２２０’の形成が簡易化され製造コストを軽減することができる。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、変形例２における第１および第２のばね板部材２１０”、２２０”を示す図である。図５（Ａ）は、ばね板部材の係合部２０４を示す側面図の部分拡大図、図５（Ｂ）は、ばね板部材２１０”、２２０”を装着した後の冷却構造を示す側面図である。係合突起２０６の先端に係合穴２０５と係止する折り返し２０７が形成されている点が図２に示す実施形態とは異なる。図２と同一個所には同一の符号を付してその説明を簡略に行う。

図５（Ａ）に示すように、係合突起２０６の先端には、係合突起２０６を係合穴２０５に通した後に係合穴２０５の端部に係止する折り返し２０７が形成されている。係合突起２０６を弾性力に抗して係合穴２０５に挿入後に、係合突起２０６の弾性力により折り返し２０７が係合穴２０５の端部に係止する。
図５（Ｂ）に示すように、第１および第２のばね板部材２１０”、２２０”を係合部２０４で締結した後も、係合突起２０６の折り返し２０７が係合穴２０５に係止しているので、振動や熱膨張などの外力が作用したとしても第１および第２のばね板部材２１０”、２２０”の締結を強固に保持することができる。図５に示す変形例２は、図２に示す実施形態、図４に示す変形例１に適用することができる。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）半導体モジュール冷却構造は、半導体素子を封止した半導体モジュール１００と、半導体モジュール１００の両面に配置され、半導体モジュール１００を冷却する第１および第２の冷却部材１１０、１２０と、第１の冷却部材１１０を挟んで半導体モジュール１００と対向するベース板１４０と、ベース板１４０と第２の冷却部材１２０とを介して半導体モジュール１００を両面から挟み込み、第１および第２の冷却部材１１０、１２０を半導体モジュール１００に向かって押圧付勢する第１のばね板部材２１０、２１０’、２１０”と、第１のばね板部材２１０、２１０’、２１０”と係合し、ベース板１４０と第２の冷却部材１２０とを介して半導体モジュール１００を両面から挟み込み、第１および第２の冷却部材１１０、１２０を半導体モジュール１００に向かってそれぞれ押圧付勢する第２のばね板部材２２０、２２０’、２２０”とを備える。これにより、冷却性能を維持しながら、冷却構造を小型化することが可能になる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。

１００・・・半導体モジュール、１０１・・・制御端子、１０２・・・交流端子、１０３・・・直流端子、１１０・・・第１の冷却部材、１１１・・・上部カバー、１２０・・・第２の冷却部材、１４０・・・ベース板、１４１・・・係止部、１４２・・・開口、１４３・・・取付穴、１４４・・・制御端子開口、２００・・・下部カバー、２０１・・・第１押圧部、２０２・・・第２押圧部、２０３・・・脚部、２０４・・・係合部、２０５・・・係合穴、２０６・・・係合突起、２０７・・・折り返し、２１０、２１０’、２１０”・・・第１のばね板部材、２２０、２２０’、２２０”・・・第２のばね板部材、３００・・・筐体、３０１・・・中継端子、３０２・・・流入口、３０３・・・流出口、４００・・・平滑コンデンサ、５００・・・Ｙコンデンサ、６００・・・直流バスバ、７００・・・交流バスバ、８００・・・基板、８０１・・・放電抵抗。

Claims (7)

1. 半導体素子を封止した半導体モジュールと、
   前記半導体モジュールの両面に配置され、前記半導体モジュールを冷却する第１および第２の冷却部材と、
   前記第１の冷却部材を挟んで前記半導体モジュールと対向するベース板と、
   前記ベース板と前記第２の冷却部材とを介して前記半導体モジュールを両面から挟み込み、前記第１および前記第２の冷却部材を前記半導体モジュールに向かってそれぞれ押圧付勢する第１のばね板部材と、
   前記第１のばね板部材と係合し、前記ベース板と前記第２の冷却部材とを介して前記半導体モジュールを両面から挟み込み、前記第１および前記第２の冷却部材を前記半導体モジュールに向かってそれぞれ押圧付勢する第２のばね板部材とを備える半導体モジュール冷却構造。
2. 請求項１に記載の半導体モジュール冷却構造において、
   前記第１および第２のばね板部材は、
   前記半導体モジュールの配列方向に沿って、前記ベース板に当接する第１押圧部と、
   前記半導体モジュールの配列方向に沿って、前記第２の冷却部材に当接する第２押圧部と、
   前記半導体モジュールの側部を跨いで、前記第１押圧部と前記第２押圧部とを繋ぐ脚部と、
   前記第１および第２のばね板部材を互いに係合する係合部と
   をそれぞれ備える半導体モジュール冷却構造。
3. 請求項２に記載の半導体モジュール冷却構造において、
   前記第１および第２のばね板部材は、それぞれ前記脚部を複数有する半導体モジュール冷却構造。
4. 請求項３に記載の半導体モジュール冷却構造において、
   複数の前記脚部の少なくとも一つは、前記ベース板に当接し、前記第１および第２のばね板部材の位置決めを行う半導体モジュール冷却構造。
5. 請求項２に記載の半導体モジュール冷却構造において、
   前記第１のばね板部材は、前記第１押圧部および前記第２押圧部の先端における前記係合部において係合穴が形成され、
   前記第２のばね板部材は、前記第１押圧部および前記第２押圧部の先端における前記係合部において係合突起が形成され、
   前記第１のばね板部材の前記係合部と、前記第２のばね板部材の前記係合部とは、前記係合穴に前記係合突起を通した状態で互いに係合する半導体モジュール冷却構造。
6. 請求項２に記載の半導体モジュール冷却構造において、
   前記第１のばね板部材は、前記第１押圧部の先端における前記係合部は係合穴が形成され、前記第２押圧部の先端における前記係合部は係合突起が形成され、
   前記第２のばね板部材は、前記第１押圧部の先端における前記係合部は係合突起が形成され、前記第２押圧部の先端における前記係合部は係合穴が形成され、
   前記第１のばね板部材の前記係合部と、前記第２のばね板部材の前記係合部とは、前記係合穴に前記係合突起を通した状態で互いに係合する半導体モジュール冷却構造。
7. 請求項５または請求項６に記載の半導体モジュール冷却構造において、
   前記係合突起の先端に前記係合穴と係止する折り返しが形成されている半導体モジュール冷却構造。

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