JP4016917B2 - 半導体冷却ユニット - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を有してなり、該半導体素子の冷却手段を備えた半導体冷却ユニットに関する。

従来より、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路やインバータ回路等の電力変換回路は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流を生成するのに用いられることがある。
一般に、電気自動車やハイブリッド自動車等では、交流モータから大きな駆動トルクを得る必要があるため、駆動電流として大電流が必要となる。
そしてそのため、その交流モータ向けの駆動電流を生成する上記電力変換回路においては、該電力変換回路を構成するＩＧＢＴ等の電力用半導体素子を含む半導体モジュールからの発熱が大きくなる傾向にある。

そこで、電力変換回路を構成する複数の半導体モジュールを均一性高く冷却できるように、冷却用媒体（冷媒）の供給及び排出を担う一対のヘッダの間に多数の扁平冷却チューブを配置し、該扁平冷却チューブの間に半導体モジュールを挟持した冷却チューブ並列型の電力変換装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
この電力変換装置では、冷却チューブと半導体モジュールとの間の熱伝達効率を向上するべく、両者間に当接荷重を作用して、その接触面積を広く確保している。

しかしながら、上記従来の電力変換装置では、次のような問題がある。すなわち、上記冷却チューブと上記半導体モジュールとの間に当接荷重を作用するための機構或いは部材が必要となるため、構造が複雑化すると共に、体格が大型化するおそれがある。
また、荷重の作用方向において、寸法変化を生じるため、その形状精度を高く維持することが難しいという問題がある。

特開２００２−２６２１５号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、放熱効率に優れ、高い形状精度を有する優れた半導体冷却ユニットを提供しようとするものである。

本発明は、半導体素子を有する半導体モジュールと、冷媒を流動させる中空部を有する扁平形状の冷却チューブとを有する半導体冷却ユニットであって、
上記半導体モジュールは、上記半導体素子を挟むように相互に対面する２枚の電極板を有してなり、
該各電極板に対しては、電気的な絶縁性を有する絶縁層を介在して上記冷却チューブを接合してあり、かつ、上記電極板と上記絶縁層との間と、該絶縁層と上記冷却チューブとの間との少なくとも一方は、接着剤を用いて接合してあることを特徴とする半導体モジュールにある（請求項１）。

本発明の半導体冷却ユニットは、上記半導体モジュールの表面及び裏面をなす上記電極板に対して、上記接着剤を用いて上記冷却チューブを固定してある。
すなわち、上記電極板と上記絶縁層との間と、該絶縁層と上記冷却チューブとの間との少なくとも一方は、接着剤を用いて接合してある。
そのため、上記電極板と上記冷却用チューブとの間に当接荷重を作用しなくても、両者を密着して十分な接触面積を確保することができる。
したがって、本発明の半導体冷却ユニットでは、上記電極板と上記冷却チューブとの間に当接荷重を作用しなくても、上記半導体モジュールを効率良く冷却することができる。
すなわち、当接荷重を作用しない上記半導体冷却ユニットは、積層方向に寸法変化を生じるおそれが少なく、形状精度に優れたユニットである。

本発明においては、上記接着剤は、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導性接着剤であることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記接着剤を介在した上記電極板と上記冷却チューブとの間の熱伝達効率を良好に維持することができる。
上記熱伝導性接着剤としては、例えば、酸化亜鉛あるいはアルミナ粉末フィラーを添加したシリコーンあるいはエポキシ接着剤等を用いることができる。

また、上記接着剤がなす接合層の厚さは、０．１ｍｍ以下であることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記電極板と上記冷却チューブとの間の熱伝達効率について、上記接合層が及ぼすおそれがある悪影響を抑制することができる。

また、上記絶縁層は、平板状を呈する絶縁板よりなり、該絶縁板と上記各電極板との間、及び、上記絶縁板と上記冷却チューブとの間は、上記接着剤により接合してあることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記絶縁板により上記半導体素子側と上記冷却用チューブ側との間の電気的な絶縁状態を確実に維持して、上記半導体冷却ユニットの電気的な信頼性を向上できる。
なお、上記絶縁板としては、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等よりなる絶縁板を用いることができる。

また、上記絶縁層は、上記電極板の表面に形成した絶縁被膜であることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記絶縁被膜により、上記電極板と上記冷却チューブとの間の電気的な絶縁を確保することができる。
さらに、上記電極板の表面に形成した上記絶縁被膜によれば、上記電極板と上記冷却チューブとの間の絶縁板等を省略できる。また、それに伴って、上記接着剤による接着層を１層にして接着剥離等が生じるおそれを抑制できる。
なお、上記絶縁被膜としては、ＤＬＣ（ダイヤモンドライク・カーボン）、アルマイト被膜、酸化亜鉛あるいはアルミナ粉末フィラーを添加したエポキシ樹脂等により形成してなる被膜を適用することができる。

また、上記絶縁層は、上記冷却チューブの表面に形成した絶縁被膜であることが好ましい（請求項６）。
この場合には、上記絶縁被膜により、上記半導体素子側と上記冷却用チューブ側との電気的な絶縁性を確保することができる。
さらに、上記電極板と上記冷却チューブとの間の接着層を１層にして、接着剥離が生じるおそれを抑制することができる。
なお、上記絶縁被膜としては、ＤＬＣ（ダイヤモンドライク・カーボン）、アルマイト被膜、酸化亜鉛あるいはアルミナ粉末フィラーを添加したエポキシ樹脂等により形成してなる被膜を適用することができる。

また、上記半導体モジュールと上記冷却チューブとは、モールド樹脂により一体的に覆ってあることが好ましい（請求項７）。
この場合には、全体を上記モールド樹脂により覆ったことにより、上記半導体モジュールと上記冷却チューブとの接着部分を補強することができる。
さらには、たとえ上記接着部分に剥離やクラック等を生じた場合でも、その進行を抑止して冷却性能の低下を最小限に抑制することができる。

また、上記半導体モジュールは、上記半導体素子と上記一対の電極板とを第１のモールド樹脂により一体成形してなり、上記半導体冷却ユニットは、上記半導体モジュールと上記冷却チューブとを第２のモールド樹脂により一体成形してなることが好ましい（請求項８）。
この場合には、上記第１のモールド樹脂により一体的に覆った上記半導体モジュールの取り扱いが容易になる。

なお、上記第１及び上記第２のモールド樹脂として熱硬化性樹脂を使用する場合には、上記第１のモールド樹脂の軟化温度を、上記第２のモールド樹脂の硬化温度よりも高くするのが良い。
この場合には、上記第２のモールド樹脂の成形を行う際、上記半導体モジュールにトラブルが生じるおそれを抑制することができる。

また、上記半導体冷却ユニットは、その外周に周回させたバンドを有してなり、該バンドは、上記冷媒の流動方向に直交して周回してあることが好ましい（請求項９）。
この場合には、上記半導体冷却ユニットの外周に周回させた上記バンドにより、上記電極板と上記冷却チューブとの接着部分を補強することができる。
なお、上記バンドとしては、例えば、アラミド繊維や、ガラス繊維、炭素繊維等により編み込みしたバンドや紐等を用いることができる。
特に、アラミド繊維等、電気的な絶縁性の高い素材により上記バンドを作製すれば、上記半導体冷却ユニットの電気的な信頼性を損なうおそれが少ない。

さらになお、上記半導体冷却ユニットの外周に上記バンドを周回させた場合には、該バンドの作用により上記電極板と上記冷却チューブとの接触状態を維持することができる。
そのため、この場合には、上記電極板と上記冷却チューブとの間に、上記接着層に代えて、熱伝導性グリス層を配置することもできる。
上記バンドの作用により一定に保持された間隙に形成した上記熱伝導性グリス層によれば、上記電極板と上記冷却チューブとの間の熱伝達効率を良好に維持できる。

また、上記半導体素子は、電力用の半導体素子であることが好ましい（請求項１０）。
この場合には、上記半導体素子が生じる発熱量が特に大きいため、本発明による効果が特に有効である。
なお、上記電力用素子としては、ＭＯＳ型ＦＥＴ素子、ＩＧＢＴ素子、ダイオード、トランジスタ、サイリスタ、パワー集積回路等がある。

（実施例１）
本例の半導体冷却ユニット１について、図１〜図３を用いて説明する。
本例の半導体冷却ユニット１は、図１に示すごとく、半導体素子１１を有する半導体モジュール１０と、冷媒を流動させる中空部２１を有する扁平形状の冷却チューブ２０とを有するユニットである。
この半導体モジュール１０は、上記半導体素子１１を挟むように相互に対面する２枚の電極板１５を有してなる。
そして、各電極板１５に対しては、電気的な絶縁性を有する絶縁層３０を介在して冷却チューブ２０を接合してあり、かつ、電極板１５と絶縁層３０との間と、絶縁層３０と冷却チューブ２０との間との少なくとも一方は、接着剤を用いて接合してある。
この内容について、以下に詳しく説明する。

本例の半導体冷却ユニット１は、例えば、電気自動車用の走行モータに通電する駆動電流を生成する電力変換装置（図示略）の一部をなすユニットである。
そして、この半導体冷却ユニット１は、図１に示すごとく、電力用の半導体素子１１としてのＩＧＢＴ素子（以下、ＩＧＢＴ素子１１と記載。）を収容してなり、該ＩＧＢＴ素子１１を挟むように一対の電極板１５を配置してなる。
そして、上記ＩＧＢＴ素子１１が、上記電力変換装置のインバータ回路或いは、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を構成している。

上記半導体モジュール１０は、図１に示すごとく、ハンダ接合したＩＧＢＴ素子１１と一対の電極板１５とを、モールド樹脂１００により一体的に覆ってなるモジュールである。
なお、この半導体モジュール１０では、一対の電極板１５の間には、ＩＧＢＴ素子１１の他、モータの回転を滑らかにするために必要となるフライホイールダイオード素子１２（図２）などを配置してある。
なお、上記ハンダ接合に代えて熱伝導性グリス等を介設し、モールド樹脂１００により一体的に覆って上記半導体モジュール１０を構成することも可能である。

また、上記各電極板１５は、電力端子１５０を有してなる。上記半導体モジュール１０では、一対の電力端子１５０をモールド樹脂１００から突出させてあると共に、各電極板１５の表面を外部に露出させてある。
そして、各電極板１５には、窒化ケイ素よりなる絶縁板３０を介在して、扁平形状の冷却チューブ２０を対面配置してある。
冷却チューブ２０は、図１に示すごとく、内部に冷媒を流動させる中空部２１を形成した扁平形状の部材である。本例では、アルミ合金により上記冷却チューブ２０を形成してある。

そして、上記各電極板１５と絶縁板３０との間、及び、該各絶縁板３０と冷却チューブ２０との間には、熱伝導性接着剤による接合層１１１を配置してある。
なお、本例では、アルミナ添加シリコーンよりなる熱伝導性接着剤を適用した。この熱伝導性接着剤は、熱伝導率が０．９Ｗ／ｍ・Ｋであるという特性を有している。
そして、本例では、この熱伝導性接着剤を用いて、各間隙に０．０２ｍｍ厚の接合層１１１を形成した。

また、本例の半導体冷却ユニット１を使用するに当たっては、例えば、図２に示すごとく、半導体モジュール１０と冷却チューブ２０とを交互に積層して多層構造の半導体冷却ユニット（以下、半導体積層ユニット２と記載する。）を形成することもできる。
この半導体積層ユニット２では、各冷却チューブ２０の両端部に、冷媒の供給及び排出を行う一対のヘッダ部４１、４２を接続してある。

なお、ここで、本例の半導体積層ユニット２では、積層方向に荷重を作用させないため、該積層方向に寸法変化を生じるおそれが少ない。
そのため、半導体積層ユニット２とヘッダ部４１、４２とを接続する際、両者を位置精度高く接続することができる。

なお、半導体モジュール１０の配置層が１層のみ（単層）の半導体冷却ユニットを、一対のヘッダ部４１、４２に接続することもできる。
さらに、この単層の半導体冷却ユニットを、一対のヘッダ部４１、４２に対して複数、並列して接続することもできる。
さらになお、本例の半導体積層ユニット２では、一対の冷却チューブ２０の間に半導体モジュール１０を１個、配置したが、図３に示すごとく複数の半導体モジュールを並列して配置することもできる。

（実施例２）
本例は、実施例１の半導体冷却ユニットを基にして、電気的な絶縁構造を変更した例である。この内容について、図４及び図５を用いて説明する。
本例の半導体冷却ユニット１では、実施例１で適用した上記絶縁板を省略してある。そして、この絶縁板に代えて、半導体モジュール１０の電極板１５の表面に絶縁被膜３１を形成してある。
上記絶縁被膜３１としては、図４に示すごとく、電極板１５の表面に溶射処理によりアルミナよりなる被膜を形成した。
なお、これに代えて、酸化亜鉛あるいはアルミナ粉末フィラーを添加したエポキシ樹脂、ＤＬＣ（ダイヤモンドライク・カーボン）等による絶縁被膜を電極板１５の表面に形成することもできる。

本例の半導体冷却ユニット１によれば、実施例１で適用した上記絶縁板を省略して部品点数を低減することができる。
さらに、接着剤による接合層１１１を、電極板１５と冷却チューブ２０との間の１層のみとすることができる。それ故、接合層１１の数を低減して、接合箇所に剥離等を生じるおそれを抑制することができる。

なお、その他の構成及び作用効果については実施例１と同様である。
さらになお、電極板１５に絶縁被膜３１を形成するのに代えて、図５に示すごとく、冷却チューブ２０の表面に絶縁被膜３２を形成しても良く、この場合にも本例と同様の効果を得ることができる。

（実施例３）
本例は、実施例２の半導体冷却ユニット（図５）をモールド樹脂により覆った例である。この内容について、図６及び図７を用いて説明する。
本例の半導体冷却ユニット１は、実施例２の半導体冷却ユニットを、さらにモールド樹脂１０１により覆ったユニットである。

すなわち、この半導体冷却ユニット１では、半導体モジュール１０をなす第１のモールド樹脂１００とは異なる第２のモールド樹脂１０１により外周を覆ってある。
なお、本例では、上記第１及び第２のモールド樹脂１００、１０１としては、熱硬化性樹脂を適用した。

具体的には、本例では、第１のモールド樹脂１００、第２のモールド樹脂１０１としてエポキシを適用した。
なお、第２のモールド樹脂１０１としては、上記の組み合わせのほか、ポリイミドアミド、フェノール、ポリウレタン等を用いることができる。

そして、上記第２のモールド樹脂１０１によれば、冷却チューブ２０と電極板１５との接合箇所に作用するおそれのある外力を抑制して、この接合箇所を補強することができる。
そのため、接合箇所に接合剥離等のトラブルを生じるおそれを抑制できる。さらに、たとえ、接合箇所にクラック等があっても、そのクラックの進行を抑制して、冷却チューブ２０と電極板１５との熱伝達効率を許容できる範囲に維持することができる。

なお、その他の構成及び作用効果については実施例２と同様である。
さらになお、図７に示すごとく、モールド樹脂１００により、半導体モジュール１のモールド部分（上記第１のモールド樹脂１００に相当。）と、半導体冷却ユニット１０のモールド部分（上記第２のモールド樹脂１０１に相当。）とを同時に成形することも可能である。

（実施例４）
本例は、実施例２の半導体冷却ユニット（図５）の外周にバンド１０８を周回させた例である。この内容について、図８及び図９を用いて説明する。
本例の半導体冷却ユニット１は、図８及び図９に示すごとく、冷却チューブ２０の長手方向の４箇所にバンド１０８を周回してなる。
また、この半導体冷却ユニット１では、一対の冷却チューブ２０の間に２個の半導体モジュール１０を並列して配置してある。

本例のバンド１０８は、アラミド繊維を編み込みしてなる電気的な絶縁性を有するバンドであり、半導体冷却ユニット１に周回させたうえ緩みなく固定できるように構成してある。
これに代えて、電気的な導電性を有するバンドを適用することもできる。この場合には、バンドと電極端子等とが接触しないように配慮する必要がある。

上記のバンド１０８によれば、冷却チューブ２０と電極板１５との接合箇所に作用するおそれのある外力を抑制して、この接合箇所を補強することができる。
そのため、接合箇所に接合剥離等のトラブルを生じるおそれを抑制できる。さらに、たとえ、接合箇所にクラック等があっても、そのクラックの進行を抑制して、冷却チューブ２０と電極板１５との熱伝達効率を許容できる範囲に維持することができる。

なお、その他の構成及び作用効果については実施例２と同様である。
さらになお、半導体冷却ユニット１の外周にバンド１０８を周回させて固定する場合には、冷却チューブ２０と電極板１５との間の接着剤による接合層１１１を省略することも可能である。
この場合には、接着剤による接合層１１１に代えて、冷却チューブ２０と電極板１５との間に、両者間の熱伝達効率を向上するための熱伝導性グリス等を配置するのが良い。

実施例１における、半導体冷却ユニットの断面構造を示す断面図。 実施例１における、半導体積層ユニットの断面構造を示す断面図。 実施例１における、その他の半導体積層ユニットの断面構造を示す断面図。 実施例２における、半導体冷却ユニットの断面構造を示す断面図。 実施例２における、その他の半導体冷却ユニットの断面構造を示す断面図。 実施例３における、半導体冷却ユニットの断面構造を示す断面図。 実施例３における、その他の半導体冷却ユニットの断面構造を示す断面図。 実施例４における、半導体冷却ユニットの断面構造を示す断面図。 実施例４における、半導体冷却ユニットを示す上面図。

符号の説明

１ 半導体冷却ユニット
１０ 半導体モジュール
１００ モールド樹脂（第１のモールド樹脂）
１０１ 第２のモールド樹脂
１０８ バンド
１１１ 接合層
１５ 電極板
１５０ 電力端子
２ 半導体積層ユニット
２０ 冷却チューブ
２１ 中空部
３０ 絶縁板
３１、３２ 絶縁被膜

Claims (10)

1. 半導体素子を有する半導体モジュールと、冷媒を流動させる中空部を有する扁平形状の冷却チューブとを有する半導体冷却ユニットであって、
   上記半導体モジュールは、上記半導体素子を挟むように相互に対面する２枚の電極板を有してなり、
   該各電極板に対しては、電気的な絶縁性を有する絶縁層を介在して上記冷却チューブを接合してあり、かつ、上記電極板と上記絶縁層との間と、該絶縁層と上記冷却チューブとの間との少なくとも一方は、接着剤を用いて接合してあることを特徴とする半導体モジュール。
2. 請求項１において、上記接着剤は、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導性接着剤であることを特徴とする半導体モジュール。
3. 請求項１又は２において、上記接着剤がなす接合層の厚さは、０．１ｍｍ以下であることを特徴とする半導体モジュール。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、上記絶縁層は、平板状を呈する絶縁板よりなり、該絶縁板と上記各電極板との間、及び、上記絶縁板と上記冷却チューブとの間は、上記接着剤により接合してあることを特徴とする半導体モジュール。
5. 請求項１〜３のいずれか１項において、上記絶縁層は、上記電極板の表面に形成した絶縁被膜であることを特徴とする半導体モジュール。
6. 請求項１〜３のいずれか１項において、上記絶縁層は、上記冷却チューブの表面に形成した絶縁被膜であることを特徴とする半導体モジュール。
7. 請求項１〜６のいずれか１項において、上記半導体モジュールと上記冷却チューブとは、モールド樹脂により一体的に覆ってあることを特徴とする半導体モジュール。
8. 請求項７において、上記半導体モジュールは、上記半導体素子と上記一対の電極板とを第１のモールド樹脂により一体成形してなり、上記半導体冷却ユニットは、上記半導体モジュールと上記冷却チューブとを第２のモールド樹脂により一体成形してなることを特徴とする半導体モジュール。
9. 請求項１〜６のいずれか１項において、上記半導体冷却ユニットは、その外周に周回させたバンドを有してなり、該バンドは、上記冷媒の流動方向に直交して周回してあることを特徴とする半導体モジュール。
10. 請求項１〜９のいずれか１項において、上記半導体素子は、電力用の半導体素子であることを特徴とする半導体モジュール。

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