JP2023156808A - 放熱部材、および半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】放熱部材の冷却性能の向上及び冷却水内に含まれるコンタミの詰まりを抑制する放熱部材及び半導体モジュールを提供する。【解決手段】放熱部材５は、冷媒Ｗが流れる方向に沿う第１方向、かつ第１方向に直交する第２方向に広がり、第１方向および第２方向に直交する第３方向に厚みを有する板形状のベース部２と、ベース部２から第３方向一方側面２１に突出するフィン１と、を有する。フィン１は、第１方向かつ第３方向に広がって第２方向を厚み方向とする平板状の側壁部１１を有する。側壁部１１には、第２方向に突出する突起部１１１が設けられる。突起部１１１の第２方向への突出量は、第２方向に隣り合う前記フィン１の前記側壁部１１間の間隔の半分以下である。突起部１１１は、冷媒Ｗが流れる方向と対向する対向面を有する。対向面は、側壁部１１から第２方向に起立する矩形状である。【選択図】図１

Description

本開示は、放熱部材に関する。

従来、水冷に用いられるウォータージャケットと放熱部材を備える冷却装置が知られている。放熱部材は、冷却用のフィンを有する。ウォータージャケットには、フィンが収容される。ウォータージャケット内部が冷却水の流路となり、発熱体はフィンを介して冷却される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７－１０８０６８号公報

放熱部材では、冷却性能の向上が要求される。さらに、放熱部材では、冷却水内に含まれるコンタミの詰まりを抑制することが要求される。

上記状況に鑑み、本開示は、コンタミ対策を行いつつ冷却性能を向上させることが可能となる放熱部材を提供することを目的とする。

本開示の例示的な放熱部材は、冷媒が流れる方向に沿う第１方向、かつ第１方向に直交する第２方向に広がり、第１方向および第２方向に直交する第３方向に厚みを有する板形状のベース部と、前記ベース部から前記第３方向一方側に突出するフィンと、を有する。前記フィンは、第１方向かつ第３方向に広がって第２方向を厚み方向とする平板状の側壁部を有する。前記側壁部には、第２方向に突出する突起部が設けられる。前記突起部の第２方向への突出量は、第２方向に隣り合う前記フィンの前記側壁部間の間隔の半分以下である。前記突起部は、前記冷媒が流れる方向と対向する対向面を有する。前記対向面は、前記側壁部から第２方向に起立する矩形状である。

本開示の例示的な放熱部材によれば、コンタミ対策を行いつつ冷却性能を向上させることが可能となる。

図１は、本開示の例示的な実施形態に係る放熱部材の斜視図である。 図２は、図１に示す放熱部材の側面図である。 図３は、図１における領域Ａの拡大図である。 図４は、フィンの平面断面図である。 図５は、変形例に係るフィンの平面断面図である。 図６は、各種の放熱部材の側面図である。 図７は、傾斜角度θで突起部が傾斜している構成のモデルについてシミュレーションを実施した結果の一例を示すグラフである。 図８は、側壁部に設けられる突起部の変形例を示す拡大図である。 図９は、突起部の別変形例を示す斜視図である。 図１０は、突起部の別変形例を示す斜視図である。 図１１は、突起部の別変形例を示す斜視図である。 図１２は、各種の放熱部材の側面断面図である。 図１３は、傾斜角度θで突起部が傾斜している構成のモデルについてシミュレーションを実施した結果の一例を示すグラフである。 図１４は、一変形例に係る放熱部材の側面断面図である。

以下に、本開示の例示的な実施形態について、図面を参照して説明する。

なお、図面においては、第１方向をＸ方向として、Ｘ１を第１方向一方側、Ｘ２を第１方向他方側として示す。第１方向は、冷媒Ｗが流れる方向Ｆに沿う方向であり、下流側をＦ１、上流側をＦ２として示す。下流側Ｆ１が第１方向一方側、上流側Ｆ２が第１方向他方側である。また、第１方向に直交する第２方向をＹ方向として、Ｙ１を第２方向一方側、Ｙ２を第２方向他方側として示す。また、第１方向および第２方向に直交する第３方向をＺ方向として、Ｚ１を第３方向一方側、Ｚ２を第３方向他方側として示す。なお、上記直交とは、９０度から若干ずれた角度での交差も含む。また、上記の各方向は、放熱部材５を各種機器に組み込んだときの方向を限定しない。

＜１．放熱部材の構成＞
図１は、本開示の例示的な実施形態に係る放熱部材５の斜視図である。図２は、放熱部材５の側面図である。図２は、放熱部材５を第２方向一方側へ視た図である。

放熱部材５と、放熱部材５が設置される図示しない液冷ジャケットと、から冷却装置が構成される。当該冷却装置は、複数の半導体装置３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ，３Ｆ（以下、３Ａ等）（図２参照）を冷却するための装置である。半導体装置は、発熱体の一例である。半導体装置３Ａ等は、例えば、車両の車輪を駆動するためのトラクションモータに備えられるインバータのパワートランジスタである。当該パワートランジスタは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。この場合、冷却装置は、トラクションモータに搭載される。なお、半導体装置の個数は、６個以外の複数個であってもよいし、１個であってもよい。

放熱部材５は、ベース部２と、放熱フィン部１０と、を有する。ベース部２は、第１方向かつ第２方向に広がり、第３方向に厚みを有する板形状である。ベース部２は、熱伝導性の高い金属から構成され、例えば銅合金から構成される。

放熱フィン部１０は、ベース部２の第３方向一方側に固定される。放熱フィン部１０は、第１方向に延びる１枚の金属板から構成されるフィン１を第２方向に複数並べて形成されるいわゆるスタックドフィンとして構成される。フィン１は、例えば銅板により構成される。

フィン１は、側壁部１１と、底板部１２と、天板部１３と、を有する。側壁部１１は、第１方向かつ第３方向に広がって第２方向を厚み方向とする平板状である。

底板部１２は、側壁部１１の第３方向他方側端部において第２方向一方側に折れ曲がる。天板部１３は、側壁部１１の第３方向一方側端部において第２方向一方側に折れ曲がる。従って、フィン１の断面は、角型Ｕ字状となる。フィン１を第２方向に積み重ねた放熱フィン部１０は、底板部１２がベース部２の第３方向一方側面２１に例えばろう付けにより固定されることでベース部２に固定される。すなわち、放熱部材５は、ベース部２から第３方向一方側に突出するフィン１を有する。

放熱フィン部１０は、図示しない液冷ジャケットに収容される。液冷ジャケットに流れ込んだ冷媒Ｗは、図１に示すように第１方向他方側（上流側）から放熱フィン部１０へ流れ込む。冷媒Ｗは、例えば水またはエチレングリコール水溶液である。冷媒Ｗは、第２方向に隣り合うフィン１間に形成される流路内部を第１方向一方側へ流れ、放熱フィン部１０から排出された後、液冷ジャケットから外部へ排出される。半導体装置３Ａ等は、ベース部２の第３方向他方側に配置される（図２参照）。半導体装置３Ａ等から発生した熱がベース部２およびフィン１を介して冷媒Ｗへ移動することにより、半導体装置３Ａ等が冷却される。なお、半導体モジュール５０は、放熱部材５と、ベース部２の第３方向他方側に配置される半導体装置３Ａ等と、を有する（図２参照）。

＜２．突起部に関して＞
図１および図２に示すように、フィン１は、突起部１１１を有する。以下、突起部１１１に関する構成について説明する。突起部１１１は、第３方向に１つ配置され、かつ第１方向に複数配置される。

図３は、図１における領域Ａの拡大図である。突起部１１１は、フィン１の側壁部１１に設けられる。突起部１１１は、側壁部１１から第２方向に突出する。図３では、最も第１方向他方側と最も第１方向一方側の各突起部１１１は、第２方向他方側に突出する。上記各突起部１１１の間に配置される突起部１１１は、第２方向一方側に突出する。すなわち、突起部１１１は、第１方向に向かうにつれて第２方向に交互に突出する。すなわち、側壁部１１には、第２方向に突出する突起部１１１が設けられる。

図３に示すように、突起部１１１は、第３方向に延びる三角柱状に形成される。突起部１１１は、冷媒Ｗが流れる方向と対向する対向面１１１Ａを有する。対向面１１１Ａは、側壁部１１から第２方向に起立する矩形状である。側壁部１１に突起部１１１を設けることで、側壁部１１付近の流れに乱れを発生させ、側壁部１１に発達する温度境界層を破壊することで、熱伝達率を向上させることができる。矩形状にし対向面１１１Ａの面積を大きくすることで、冷媒Ｗとの接触面積が増え、さらに、流れが大きく乱れるため、熱伝達率を大きくして冷却性能を向上させることができる。なお、図３に示すように、対向面１１１Ａが側壁部１１に対してほぼ垂直に起立していることで、流れが大きく乱れるため、熱伝達率がより向上する。

図４は、フィン１の第３方向途中位置で第３方向に垂直な切断面で切断した場合の平面断面図を示す。図４に示すように、突起部１１１の第２方向への突出量Ｌ２は、第２方向に隣り合うフィン１の側壁部１１間の間隔Ｌ１の半分以下としている。このように、突起部１１１の突出量を小さくすることで、冷媒Ｗに含まれるコンタミＣの詰まりを防止するとともに、圧力損失の増大を抑制できる。このように、突起部１１１により、コンタミ対策を行いつつ、冷却性能を向上させることができる。

また、突起部１１１は、板材をプレス加工することで形成されるため、図３に示すように、突起部１１１の突出する方向と反対側には凹部１１２が設けられる。このように、プレス加工により突起部１１１を容易に形成できる。ただし、突起部は、プレス加工以外の例えば切削または溶接などにより形成してもよい。

また、図３に示すように、突起部１１１は、対向面１１１Ａに対して第１方向一方側に連接される矩形状の矩形面１１１Ｂを有する。矩形面１１１Ｂは、第１方向一方側端で側壁部１１に接続される。板材をプレスして突起部１１１を形成する場合に、対向面１１１Ａと側壁部１１の接続部の板厚は薄くなるが、矩形面１１１Ｂと側壁部１１の接続部の板厚は薄くならない。そのため、上記のように矩形面１１１Ｂを有することにより、突起部１１１が側壁部１１から分離する加工不良を減らすことができ、また、突起部１１１を板厚に近い高さにプレス成形することが容易になる。

なお、図４に示すように、突起部１１１は、第１方向一方側に向かうにつれて第２方向に交互に突出する。これにより、図４に示すように、冷媒Ｗの流れが蛇行し乱れが大きくなるため、冷却性能を向上させることができる。ただし、図５に示すように、突起部１１１は、第２方向の同じ方向に突出してもよい。これにより、加工工数が減り、突起部１１１の製造が容易となる。

＜３．傾斜した突起部＞
突起部１１１については、第２方向に視て第３方向に対して傾斜してもよい。このような構成を有する各種の放熱部材５の側面図を図６に示す。図６は、突起部１１１の傾斜角度を変化させた構成例を示す。なお、図６の最も上段には、傾斜していない突起部１１１の構成例も示す。

図６に示すように、突起部１１１の対向面１１１Ａは、第２方向に視て第３方向に対して傾斜角度θで傾斜している。図６の例では、θ＝０°、３０°、－３０°のそれぞれの場合を示している。

図７は、傾斜角度θで突起部１１１が傾斜している構成のモデルについてシミュレーションを実施した結果を示す。図７においては、半導体装置３Ａ等の最高温度Ｔｍａｘおよび圧力損失ＰＬのシミュレーション結果をプロットしている。

図６に示すθ＝３０°の場合のように、第２方向に視て対向面１１１Ａの第１方向他方側端がベース部２側に配置される場合、θは正の値である。この場合、傾斜した対向面１１１Ａの下流側の端付近に逆圧力勾配が発生し、後流の流れが停滞する。流れが停滞する側とは反対側、すなわち傾斜した対向面１１１Ａの上流側の端（第１方向他方側端）付近の流量が増加し、熱伝達率が高くなる。従って、ベース部２の第３方向他方側に配置される発熱体（半導体装置３Ａ等）の冷却効率を向上させることができる。また、傾斜した対向面１１１Ａにより、ベース部２側の温められた冷媒Ｗが第３方向一方側へ導かれ攪拌が生じ、ベース部２側の冷媒温度が高くなりやすい下流側で冷媒温度を均一化できる。従って、下流側の冷却効率が向上する。さらに、傾斜した対向面１１１Ａにより流れの向きの変化が小さくなるため、圧力損失を低減できる。

特に図７に示すように、対向面１１１Ａの第３方向に対して傾斜する傾斜角度θは、１５°から６０°であることが望ましい。これにより、冷却性能をより向上させるとともに、圧力損失をより低減できる。

＜４．突起部の変形例＞
図８は、側壁部１１に設けられる突起部の変形例を示す拡大図である。図８に示す突起部１１３は、第３方向に複数配置され、かつ第１方向に複数配置される。すなわち、先述した突起部１１１のように第３方向に１つ配置する場合に対して、本変形例に係る突起部１１３は、第３方向に分割して配置される。そのため、流れの乱れの発生を維持しつつ流れの向きの変化が小さくなり、冷却性能を維持しつつ圧力損失を低減できる。また、冷媒Ｗを循環させるポンプが許容する圧力損失の上限に達するまで突起数密度を増やした場合には、冷却性能を向上させることができる。

図８に示す突起部１１３は、第３方向に延びる三角柱状に形成され、側壁部１１からほぼ垂直に起立する矩形状の対向面１１３Ａを有する。ただし、突起部１１３は、図８に示す形状に限らず、例えば図９に示すような構成としてもよい。図９に示す突起部１１３は、第２方向に延びる三角柱状に形成され、矩形状の対向面１１３Ａを有する。また、図１０に示す突起部１１３としてもよい。当該突起部１１３は、四角錐状に形成され、矩形状の対向面１１３Ａを有する。また、図１１に示す突起部１１３としてもよい。当該突起部１１３は、直方体状に形成され、矩形状の対向面１１３Ａを有する。

このような第３方向に分割された突起部１１３は、第２方向に視て第３方向に対して傾斜してもよい。このような構成を有する各種の放熱部材５の側面断面図を図１２に示す。図１２は、突起部１１３の傾斜角度を変化させた構成例を示す。なお、図１２の最も上段には、傾斜していない突起部１１３の構成例も示す。

図１２に示すように、突起部１１３の対向面１１３Ａは、第２方向に視て第３方向に対して傾斜角度θで傾斜している。図１２の例では、θ＝０°、３０°、－３０°のそれぞれの場合を示している。

図１３は、傾斜角度θで突起部１１３が傾斜している構成のモデルについてシミュレーションを実施した結果を示す。図１３においては、熱伝達率ｈのシミュレーション結果をプロットしている。

図１２に示すθ＝３０°の場合のように、第２方向に視て対向面１１３Ａの第１方向他方側端がベース部２側に配置される場合、θは正の値である。図１３に示すように、θが正の値でも負の値であっても、熱伝達率が向上されている。対向面１１３Ａを傾斜させることで、突起部１１３に沿う第３方向一方側への流れと第３方向他方側への流れが生じ、第３方向に隣接する突起部１１３に沿う流れとの衝突が起き、乱流が促進されるため、冷却性能が向上する。また、冷媒Ｗを第３方向に撹拌し、ベース部２側の温められた冷媒Ｗの温度を下げることができるため、冷却性能が向上する。

特に図１３に示すように、対向面１１３Ａの第３方向に対して傾斜する傾斜角度θは、－６０°から－１５°または、１５°から６０°であることが望ましい。これにより、冷却性能をより向上させることができる。

また、図１４は、一変形例に係る放熱部材５の側面断面図である。なお、図１４では、紙面下方を第３方向一方側としている。

図１４に示すように、第１方向に同じ長さに区切られた領域をＲ１，Ｒ２，Ｒ３として、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の順に下流側に向けて配置される。突起部１１３の個数は、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３となるほど多くなる。すなわち、第１方向に同じ長さに区切られた領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３当たりの突起部１１３の個数が第１方向一方側に向かうほど多くなる。突起部１１３を設けると、フィン１の冷却性能は向上するが、圧力損失の増大につながる。上流側よりも下流側の方が冷媒Ｗの温度が高くなり、発熱体の温度が高くなりやすいため、上記のように、上流側は突起部１１３の設置密度を減らし、下流側ほど設置密度を増やすことで、発熱体（半導体装置３Ａ等）の最高温度を低く抑えつつ、圧力損失を低減できる。また、第１方向に並べられる発熱体（半導体装置３Ａ等）の温度差を抑制できるため、温度差によって発生するベース部２の反りを抑制できる。

また、図１４に示すように、領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとにおいて、第１方向に並ぶ突起部１１３の個数は、最もベース部２側の個数が最も少ない。図１４では、最もベース部２側の個数は、領域Ｒ１において０個、領域Ｒ２において７個、領域Ｒ３において１６個としている。ベース部２付近の突起部１１３を減らすことで、ベース部２付近の流路抵抗が小さくなり、流速が大きくなる。下流側の領域における突起部１１３の個数は多く、流速が増した冷媒Ｗがベース部２付近の突起部１１３に衝突することになるため、最下流の最も温度が高い発熱体（半導体装置３Ｆ）の温度を低下させることができる。

＜５．その他＞
以上、本開示の実施形態を説明した。なお、本開示の範囲は上述の実施形態に限定されない。本開示は、発明の主旨を逸脱しない範囲で上述の実施形態に種々の変更を加えて実施することができる。また、上述の実施形態で説明した事項は、矛盾を生じない範囲で適宜任意に組み合わせることができる。

＜６．総括＞
以上のように、例えば、本開示の一態様に係る放熱部材は、
冷媒が流れる方向に沿う第１方向、かつ第１方向に直交する第２方向に広がり、第１方向および第２方向に直交する第３方向に厚みを有する板形状のベース部と、
前記ベース部から前記第３方向一方側に突出するフィンと、
を有し、
前記フィンは、第１方向かつ第３方向に広がって第２方向を厚み方向とする平板状の側壁部を有し、
前記側壁部には、第２方向に突出する突起部が設けられ、
前記突起部の第２方向への突出量は、第２方向に隣り合う前記フィンの前記側壁部間の間隔の半分以下であり、
前記突起部は、前記冷媒が流れる方向と対向する対向面を有し、
前記対向面は、前記側壁部から第２方向に起立する矩形状である構成としている（第１の構成）。

また、上記第１の構成において、前記突起部の突出する方向と反対側には凹部が設けられる構成としてもよい（第２の構成）。

また、上記第２の構成において、前記突起部は、前記対向面に対して第１方向一方側に連接される矩形状の矩形面を有し、
前記矩形面は、第１方向一方側端で前記側壁部に接続される構成としてもよい（第３の構成）。

また、上記第１から第３のいずれかの構成において、前記突起部は、第３方向に１つ配置され、かつ第１方向に複数配置され、
前記対向面は、第２方向に視て第３方向に対して傾斜しており、
第２方向に視て前記対向面の第１方向他方側端が前記ベース部側に配置される構成としてもよい（第４の構成）。

また、上記第４の構成において、前記対向面の第３方向に対して傾斜する傾斜角度は、１５°から６０°である構成としてもよい（第５の構成）。

また、上記第１から第３のいずれかの構成において、前記突起部は、第３方向に複数配置され、かつ第１方向に複数配置される構成としてもよい（第６の構成）。

また、上記第６の構成において、前記対向面は、第２方向に視て第３方向に対して傾斜している構成としてもよい（第７の構成）。

また、上記第７の構成において、前記対向面の第３方向に対して傾斜する傾斜角度は、－６０°から－１５°、または、１５°から６０°である構成としてもよい（第８の構成）。

また、上記第６から第８のいずれかの構成において、第１方向に同じ長さに区切られた領域当たりの前記突起部の個数が第１方向一方側に向かうほど多くなる構成としてもよい（第９の構成）。

また、上記第９の構成において、前記領域ごとにおいて、第１方向に並ぶ前記突起部の個数は、最も前記ベース部側の個数が最も少ない構成としてもよい（第１０の構成）。

また、上記第１から第１０のいずれかの構成において、前記突起部は、第１方向に複数配置され、かつ第１方向一方側に向かうにつれて第２方向に交互に突出する構成としてもよい（第１１の構成）。

また、上記第１から第１０のいずれかの構成において、前記突起部は、第１方向に複数配置され、かつ第２方向の同じ方向に突出する構成としてもよい（第１２の構成）。

また、本開示の一態様に係る半導体モジュールは、上記第１から第１２のいずれかの構成の放熱部材と、前記ベース部の第３方向他方側に配置される半導体装置と、を有する（第１３の構成）。

本開示は、各種発熱体の冷却に利用することができる。

１ フィン
２ ベース部
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ，３Ｆ 半導体装置
５ 放熱部材
１０ 放熱フィン部
１１ 側壁部
１２ 底板部
１３ 天板部
２１ 第３方向一方側面
５０ 半導体モジュール
１１１ 突起部
１１１Ａ 対向面
１１１Ｂ 矩形面
１１２ 凹部
１１３ 突起部
１１３Ａ 対向面
Ｃ コンタミ
Ｗ 冷媒

Claims (13)

1. 冷媒が流れる方向に沿う第１方向、かつ第１方向に直交する第２方向に広がり、第１方向および第２方向に直交する第３方向に厚みを有する板形状のベース部と、
   前記ベース部から前記第３方向一方側に突出するフィンと、
   を有し、
   前記フィンは、第１方向かつ第３方向に広がって第２方向を厚み方向とする平板状の側壁部を有し、
   前記側壁部には、第２方向に突出する突起部が設けられ、
   前記突起部の第２方向への突出量は、第２方向に隣り合う前記フィンの前記側壁部間の間隔の半分以下であり、
   前記突起部は、前記冷媒が流れる方向と対向する対向面を有し、
   前記対向面は、前記側壁部から第２方向に起立する矩形状である、放熱部材。
2. 前記突起部の突出する方向と反対側には凹部が設けられる、請求項１に記載の放熱部材。
3. 前記突起部は、前記対向面に対して第１方向一方側に連接される矩形状の矩形面を有し、
   前記矩形面は、第１方向一方側端で前記側壁部に接続される、請求項２に記載の放熱部材。
4. 前記突起部は、第３方向に１つ配置され、かつ第１方向に複数配置され、
   前記対向面は、第２方向に視て第３方向に対して傾斜しており、
   第２方向に視て前記対向面の第１方向他方側端が前記ベース部側に配置される、請求項１に記載の放熱部材。
5. 前記対向面の第３方向に対して傾斜する傾斜角度は、１５°から６０°である、請求項４に記載の放熱部材。
6. 前記突起部は、第３方向に複数配置され、かつ第１方向に複数配置される、請求項１に記載の放熱部材。
7. 前記対向面は、第２方向に視て第３方向に対して傾斜している、請求項６に記載の放熱部材。
8. 前記対向面の第３方向に対して傾斜する傾斜角度は、－６０°から－１５°、または、１５°から６０°である、請求項７に記載の放熱部材。
9. 第１方向に同じ長さに区切られた領域当たりの前記突起部の個数が第１方向一方側に向かうほど多くなる、請求項６に記載の放熱部材。
10. 前記領域ごとにおいて、第１方向に並ぶ前記突起部の個数は、最も前記ベース部側の個数が最も少ない、請求項９に記載の放熱部材。
11. 前記突起部は、第１方向に複数配置され、かつ第１方向一方側に向かうにつれて第２方向に交互に突出する、請求項１に記載の放熱部材。
12. 前記突起部は、第１方向に複数配置され、かつ第２方向の同じ方向に突出する、請求項１に記載の放熱部材。
13. 請求項１から請求項１２のいずれか１項に放熱部材と、前記ベース部の第３方向他方側に配置される半導体装置と、を有する、半導体モジュール。