JP2023510568A - パワー半導体モジュール冷却板の放熱構造 - Google Patents

パワー半導体モジュール冷却板の放熱構造 Download PDF

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Abstract

Figure 2023510568000001
パワー半導体モジュール冷却板の放熱構造であって、当該放熱構造は、上から下へ順次配置されたパワーチップ、第１のはんだ層、銅張セラミック基板、第２のはんだ層、および冷却板本体を含み、当該放熱構造は、前記冷却板本体の底面に設けられたストレートリブ機構と、前記ストレートリブ機構の表面に設けられたピンリブ機構と、をさらに含む。本放熱構造は、従来の平板式冷却板の欠陥を克服し、流体－固体接触面の対流熱伝達係数および放熱面積を効果的に向上させ、流体の巨視的な流動による移動熱量および流体中の分子熱伝導による伝達熱量を増加させ、パワー半導体モジュールの放熱性能を高め、パワー半導体モジュールの熱信頼性および耐用年数を向上させる。

Description

本出願は、パワーデバイス冷却の技術分野に関し、特に、パワー半導体モジュール冷却板の放熱構造に関する。
パワー半導体モジュールは、パワー電子部品を一定の機能に応じて組み合わせてパッケージした１つの全体的なモジュールであり、サイズが小さく、パワー密度が高いなどの利点を有するので、新エネルギー自動車分野で広く適用されている。新エネルギー自動車のハイパワー、長い航続などの方面への発展に伴い、パワー半導体モジュールの適用環境はますます厳しくなり、パワー半導体モジュールの信頼性は広く注目されている。
熱信頼性は、パワー半導体モジュールの信頼性の重要な構成部分であり、熱信頼性は、パワー半導体モジュールが良好な放熱性能を持つことを要求する。パワー半導体モジュールにおける熱は、主にチップ、銅層およびバスバー端子に由来し、チップおよび銅層から発生した熱は、主に銅張セラミック基板によって冷却板に伝達され、最終的に冷却液から伝達され、このように、冷却板の放熱構造はパワー半導体モジュールの放熱にとって特に重要である。
熱伝達は、主に３つの基本方式があり、それぞれ熱伝導、熱対流および熱放射である。パワー半導体モジュールの放熱過程において、熱は、主に冷却板と冷却液の対流熱伝達の方式によって放熱を実現する。
対流熱伝達は、流体の巨視的な流動による熱移動、および流体中の分子の熱伝導による熱伝達の共同作用の結果である。この現象を説明するために、図１に示すように、流体が冷却板で流れる定常状態熱伝達状況を例として取り上げる。仮に冷却液の流入温度が冷却板１の温度よりも低くすれば、流体粘性の作用により、冷却板１の壁面に近い流体薄層内での流速
Figure 2023510568000002
が徐々に減少し、最終的に流体が接着箇所で阻止されてずれのない状態にある。この場合、流体分子の熱伝導により、熱量
Figure 2023510568000003
が板面から流体に伝達するため、流体が加熱され、加熱された流体が同時に前へ運動して熱量の一部
Figure 2023510568000004
を運び去ることにより、図１の点線矢印に示すように、流体分子が板面に垂直な方向へ伝達し続ける熱量
Figure 2023510568000005
を徐々に低減させる。流体薄層の外側の境界に達する場合、冷却板１の壁面から流体に伝達される熱量の全ては既に、運動している流体によって運び去られ、当該箇所の板面に垂直な方向の流体の温度変化率をゼロに近させるため、板面に垂直な方向の流体分子の熱伝導もゼロになる。図１における点線矢印は、板面に垂直な主流れ方向の分子熱伝導
Figure 2023510568000006
を表し、矢印の異なる幅は熱流の大きさを示し、太い実線矢印は、流体によって運び去られた熱量
Figure 2023510568000007
を表し、矢印の異なる幅は、熱流の大きさを示し、
Figure 2023510568000008
は、流体の主な流れ速度を示し、細い実線矢印は、
Figure 2023510568000009
の大きさおよび方向を表す。
対流熱伝達の式は、以下の通りである。
Figure 2023510568000010
式において、
Figure 2023510568000011
は、冷却板と冷却液との対流熱伝達によって運び去られた熱量であり、単位が
Figure 2023510568000012
であり、
Figure 2023510568000013
はそれぞれ流体－固体接触面の固体壁面の平均温度及び液体壁面の平均温度であり、単位が
Figure 2023510568000014
であり、
Figure 2023510568000015
は対流熱伝達係数であり、単位が
Figure 2023510568000016
であり、
Figure 2023510568000017
は対流熱伝達面積であり、単位が
Figure 2023510568000018
であり、
Figure 2023510568000019
は
Figure 2023510568000020
の両者の温度差であり、単位が
Figure 2023510568000021
である。
式（１）により分かるように、対流熱伝達の量を増加しようとすると、対流熱伝達係数の増加、熱交換面積の増加、および温度差の増加という３種類の方法によって実現することができる。対流熱伝達係数は、冷却液の速度、密度、動的粘度、比熱容量、および冷却板の熱伝導率などの多くの影響要素に関し、熱交換面積は、冷却板の放熱構造の構造形式に関し、温度差は、具体的なプロセス技術に関する。
流体力学の研究により、粘性流体には、層流および乱流という２つの異なる流動状態が存在することを示した。層流の場合、図１の細い実線矢印に示すように、流体のミセルはいずれも主流れ方向に沿って規則的な層流を行い、乱流の場合、流体は、主流れ方向の運動に加えて、流体のミセルは不規則的な脈動を行い、流体のミセルが１つの位置からもう１つの位置に脈動する時、各部分の流体のミセルの間に激しい混合が発生し、この場合、異なる流速の層流体の間に付加的な運動量交換が発生する作用、および異なる温度の層流体の間に付加的な熱交換が発生する作用という２つの作用が発生する。対流熱伝達理論により分かるように、他の条件が同じである場合、層流時の対流熱伝達係数は、乱流時の対流熱伝達係数よりも小さく、さらに分かるように、乱流の流体によって運び去られた熱量は、層流の流体によって運び去られた熱量よりも大きい。
図１に示すように、通常のパワー半導体モジュール冷却板１は、底部が平板構造であることが多く、あるいは、図２に示すように、平板構造とピンリブ２の構造が共同で構成され、ピンリブ２は、冷却板１の底部に間隔をおいて設けられる。図１に示す流体－固体接触面での粘性流体流動状態は、完全に層流であり、図２に示す流体－固体接触面での流体流動状態は、乱流が存在するが、乱流の流体のミセルが極めて少なく、層流が依然として主要なものである。式（１）を結合して分かるように、図１、図２に示す冷却板の放熱構造は、流体－固体接触面での流体流動状態を実質的に変更させないため、対流熱伝達係数
Figure 2023510568000022
が実質的に向上することがなく、図２は図１と比較しても、対流熱伝達面積
Figure 2023510568000023
を増加させるだけであり、放熱能力が著しく高めることがない。
パワー半導体モジュールの適用環境がますます厳しくなるにつれて、通常の冷却板の放熱構造は既に、放熱の要求を満たすことができなくなり、パワー半導体モジュールの熱信頼性に重大な影響を与え、パワー半導体モジュールの総合性能および耐用年数を低下させる。
本発明が解決しようとする技術的課題は、パワー半導体モジュール冷却板の放熱構造を提供し、本放熱構造は、従来の平板式冷却板の欠陥を克服し、流体－固体接触面の対流熱伝達係数および放熱面積を効果的に向上させ、流体の巨視的な流動による移動熱量および流体中の分子熱伝導による伝達熱量を増加させ、パワー半導体モジュールの放熱性能を高め、パワー半導体モジュールの熱信頼性および耐用年数を向上させる。
上記技術的課題を解決するために、本発明に係るパワー半導体モジュール冷却板の放熱構造は、上から下へ順次配置されたパワーチップ、第１のはんだ層、銅張セラミック基板、第２のはんだ層、および冷却板本体を含み、本放熱構造は、前記冷却板本体の底面に設けられたストレートリブ機構と、前記ストレートリブ機構の表面に設けられたピンリブ機構と、をさらに含む。
さらに、前記ストレートリブ機構は、前記冷却板本体の底面に設けられた若干のストレートリブであり、前記ストレートリブの断面形状は、三角形、弧形凸面、または弧形凹面である。
さらに、前記若干のストレートリブは、前記冷却板本体の底面の延伸方向に連続的または間隔をおいて配置される。
さらに、前記若干のストレートリブは、前記冷却板本体の底面の延伸方向において冷却液の流体の主流れ方向に対して０～９０°の角度をなして配置される。
さらに、前記ピンリブ機構は、前記ストレートリブのリブベース、ストレートリブのリブトップおよび／またはストレートリブの側面に設けられた若干のピンリブであり、前記ピンリブの断面形状は、円形、長円形または多角形である。
さらに、前記ピンリブは、冷却液の流体の主流れ方向に沿って直線または千鳥形に分布される。
さらに、前記ピンリブは、若干のストレートリブの隣り合うリブベース、または隣り合うリブトップの間に少なくとも１列が分布される。
本発明に係るパワー半導体モジュール冷却板の放熱構造は、上記技術案を採用し、即ち、本放熱構造は、上から下へ順次配置されたパワーチップ、第１のはんだ層、銅張セラミック基板、第２のはんだ層、および冷却板本体を含み、本放熱構造は、前記冷却板本体の底面に設けられたストレートリブ機構と、前記ストレートリブ機構の表面に設けられたピンリブ機構と、をさらに含む。これにより、本放熱構造は、従来の平板式冷却板の欠陥を克服し、流体－固体接触面の対流熱伝達係数および放熱面積を効果的に向上させ、流体の巨視的な流動による移動熱量および流体中の分子熱伝導による伝達熱量を増加させ、パワー半導体モジュールの放熱性能を高め、パワー半導体モジュールの熱信頼性および耐用年数を向上させる。
以下、図面および実施形態を結合して本発明をさらに詳しく説明する。
平板型冷却板の放熱メカニズムの概略図である。 平板型冷却板の底部にピンリブが設けられた放熱メカニズムの概略図である。 本発明に係るパワー半導体モジュール冷却板の放熱構造の概略図である。 図３の平面図である。 図３の底面図である。 本放熱構造の軸測図である。 本放熱構造におけるストレートリブおよびピンリブの形式１の概略図である。 本放熱構造におけるストレートリブおよびピンリブの形式２の概略図である。 本放熱構造におけるストレートリブおよびピンリブの形式３の概略図である。 本放熱構造におけるストレートリブおよびピンリブの形式４の概略図である。 本放熱構造におけるストレートリブおよびピンリブの形式５の概略図である。 本放熱構造におけるストレートリブおよびピンリブの形式６の概略図である。 本放熱構造においてストレートリブが延伸方向に沿って間隔をおいて配置され且つピンリブがストレートリブの側面に設けられる概略図である。 図１３の底面図である。 本放熱構造においてストレートリブが延伸方向に沿って間隔をおいて配置され且つピンリブがストレートリブのリブベースおよびリブトップに設けられる概略図である。 図１５の底面図である。 本放熱構造においてストレートリブが冷却液の流体の主流れ方向に対して角度をなして配置される概略図である。 本放熱構造の放熱メカニズムの概略図である。
実施例は、図３、図４、図５および図６に示され、本発明に係るパワー半導体モジュール冷却板の放熱構造は、上から下へ順次配置されたパワーチップ１、第１のはんだ層２、銅張セラミック基板３、第２のはんだ層４、および冷却板本体５を含み、本放熱構造は、前記冷却板本体５の底面に設けられたストレートリブ機構６と、前記ストレートリブ機構６の表面に設けられたピンリブ機構７と、をさらに含む。
好ましくは、前記ストレートリブ機構６は、前記冷却板本体５の底面に設けられた若干のストレートリブ６１であり、前記ストレートリブ６１の断面形状は、三角形、弧形凸面、または弧形凹面である。
好ましくは、前記若干のストレートリブ６１は、前記冷却板本体５の底面の延伸方向に連続的または間隔をおいて配置される。
好ましくは、前記若干のストレートリブ６１は、前記冷却板本体５の底面の延伸方向において冷却液の流体の主流れ方向に対して０～９０°の角度をなして配置される。
好ましくは、前記ピンリブ機構７は、前記ストレートリブ６１のリブベース、ストレートリブ６１のリブトップおよび／またはストレートリブ６１の側面に設けられた若干のピンリブ７１であり、前記ピンリブ７１の断面形状は、円形、長円形または多角形である。
好ましくは、前記ピンリブ７１は、冷却液の流体の主流れ方向に沿って直線または千鳥形に分布される。
好ましくは、前記ピンリブ７１は、若干のストレートリブ６１の隣り合うリブベース、または隣り合うリブトップの間に少なくとも１列が分布される。
図７に示すように、本冷却構造のストレートリブ６１は、断面が三角形であり、延伸方向に沿って冷却板本体５の底面に連続的に設けられ、ピンリブ７１は、ストレートリブ６１の側面、即ち、ストレートリブ６１のリブベース６２とリブトップ６３との間に設けられる。
図８に示すように、本冷却構造のストレートリブ６１は、断面が弧形凸面であり、延伸方向に沿って冷却板本体５の底面に連続的に設けられ、ピンリブ７１は、弧形凸面の側面に設けられる。
図９に示すように、本冷却構造のストレートリブ６１は、断面が弧形凹面であり、延伸方向に沿って冷却板本体５の底面に連続的に設けられ、ピンリブ７１は、弧形凸面の内凹面に設けられる。
図１０に示すように、本冷却構造のストレートリブ６１は、断面が三角形であり、延伸方向に沿って冷却板本体５の底面に連続的に設けられ、ピンリブ７１は、ストレートリブ６１のリブベースおよびリブトップに設けられる。
図１１に示すように、本冷却構造のストレートリブ６１は、断面が弧形凸面であり、延伸方向に沿って冷却板本体５の底面に連続的に設けられ、ピンリブ７１は、弧形凸面の弧のトップおよび弧のボトムに設けられる。
図１２に示すように、本冷却構造のストレートリブ６１は、断面が弧形凹面であり、延伸方向に沿って冷却板本体５の底面に連続的に設けられ、ピンリブ７１は、弧形凸面の内凹の弧のトップおよび弧形凸面の端部に設けられる。
図１３および図１４に示すように、本冷却構造のストレートリブ６１は、断面が三角形であり、延伸方向に沿って冷却板本体５の底面に間隔をおいて設けられ、ピンリブ７１は、ストレートリブ６１の側面に設けられる。
図１５および図１６に示すように、本冷却構造のストレートリブ６１は、断面が三角形であり、延伸方向に沿って冷却板本体５の底面に間隔をおいて設けられ、ピンリブ７１は、ストレートリブ６１のリブベースおよびリブトップに設けられる。
図１７に示すように、本冷却構造のストレートリブ６１は、断面が三角形であり、延伸方向に沿って冷却板本体５の底面に連続的に設けられ、ピンリブ７１は、ストレートリブ６１のリブベースおよびリブトップに設けられ、ストレートリブ６１は、冷却板本体５の底面の延伸方向において冷却液の流体の主流れ方向に対して角度をなして配置される。
図１８に示すように、本放熱構造は、従来技術の欠陥を考慮して、対流熱伝達係数
Figure 2023510568000024
および熱交換面積
Figure 2023510568000025
を増加させることにより、冷却板５の放熱能力を著しく高めることができる。
式（１）によれば、本冷却板５の放熱構造と冷却液との対流熱伝達によって運び去られた熱量は、以下の通りである。
Figure 2023510568000026
式において、
Figure 2023510568000027
は冷却板の放熱構造のリブ面の総効率であり、
Figure 2023510568000028
はそれぞれ、冷却板にリブを加えた後の対流熱伝達によって運び去られた熱量、対流熱伝達係数、および放熱総面積である。
対流熱伝達理論によれば、ストレートリブ６１およびピンリブ７１の作用により、従来技術よりも明らかに優れたのは、流体－固体接触面での流体流動状態が層流から乱流に変更することであり、その対流熱伝達係数
Figure 2023510568000029
は、層流時の対流熱伝達係数よりも著しく大きくなり、流体の巨視的な流動による移動熱量
Figure 2023510568000030
を増加させ、また、本放熱構造の流体－固体接触面の放熱面積が著しく増加し、ひいては流体中の分子熱伝導による伝達熱量
Figure 2023510568000031
が増加する。従って、本放熱構造の対流熱伝達によって運び去られた熱量
Figure 2023510568000032
は、従来技術よりも著しく大きくなり、冷却板の放熱能力を効果的に高めることができる。
図１８に示すように、本放熱構造は、ストレートリブおよびピンリブの共同作用により、その流体－固体接触面の冷却液の流体が、主流れ方向の運動に加えて、流体のミセルが不規則的な脈動を行い、流体のミセルが１つの位置からもう１つの位置に脈動する時、各部分の流体のミセルの間に激しい混合が発生し、異なる温度の層流体の間に付加的な熱交換が発生し、即ち、流体－固体接触面での冷却液の流体流動状態が層流から乱流に変更し、その対流熱伝達係数
Figure 2023510568000033
が層流時の対流熱伝達係数よりも著しく大きくなり、流体の巨視的な流動による移動熱量
Figure 2023510568000034
を増加させる。同時に、本放熱構造の流体－固体接触面の放熱面積が著しく増加し、ひいては流体中の分子熱伝導による伝達熱量
Figure 2023510568000035
が増加する。本放熱構造によれば、パワー半導体モジュールの放熱性能を著しく高め、パワー半導体モジュールの熱信頼性を向上させ、パワー半導体モジュールの総合放熱コストを大幅に削減させ、パワー半導体モジュールの耐用年数を向上させる。

Claims (7)

  1. 上から下へ順次配置されたパワーチップ、第１のはんだ層、銅張セラミック基板、第２のはんだ層、および冷却板本体を含むパワー半導体モジュール冷却板の放熱構造であって、前記冷却板本体の底面に設けられたストレートリブ機構と、前記ストレートリブ機構の表面に設けられたピンリブ機構と、をさらに含む、ことを特徴とするパワー半導体モジュール冷却板の放熱構造。
  2. 前記ストレートリブ機構は、前記冷却板本体の底面に設けられた若干のストレートリブであり、前記ストレートリブの断面形状は、三角形、弧形凸面、または弧形凹面である、ことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール冷却板の放熱構造。
  3. 前記若干のストレートリブは、前記冷却板本体の底面の延伸方向に連続的または間隔をおいて配置される、ことを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体モジュール冷却板の放熱構造。
  4. 前記若干のストレートリブは、前記冷却板本体の底面の延伸方向において冷却液の流体の主流れ方向に対して０～９０°の角度をなして配置される、ことを特徴とする請求項２または３に記載のパワー半導体モジュール冷却板の放熱構造。
  5. 前記ピンリブ機構は、前記ストレートリブのリブベース、ストレートリブのリブトップおよび／またはストレートリブの側面に設けられた若干のピンリブであり、前記ピンリブの断面形状は、円形、長円形または多角形である、ことを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体モジュール冷却板の放熱構造。
  6. 前記ピンリブは、冷却液の流体の主流れ方向に沿って直線または千鳥形に分布される、ことを特徴とする請求項５に記載のパワー半導体モジュール冷却板の放熱構造。
  7. 前記ピンリブは、若干のストレートリブの隣り合うリブベース、または隣り合うリブトップの間に少なくとも１列が分布される、ことを特徴とする請求項４または５に記載のパワー半導体モジュール冷却板の放熱構造。
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