JP4193633B2 - Semiconductor cooling unit - Google Patents
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Description
本発明は、半導体モジュールを有してなり、該半導体モジュールの冷却手段を備えた半導体冷却ユニットに関する。 The present invention relates to a semiconductor cooling unit that includes a semiconductor module and includes cooling means for the semiconductor module.
従来より、例えば、IGBT等の電力用半導体素子を収容した半導体モジュールは、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インバータ回路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ため、通電すべき駆動電流は大電流となる傾向にある。
そのため、その駆動電流を制御する上記半導体モジュールでは、IGBT等の電力用半導体素子から発生する発熱量が大きくなる。
2. Description of the Related Art Conventionally, for example, a semiconductor module containing a power semiconductor element such as an IGBT may be used in an inverter circuit that generates a drive current for energizing an AC motor that is a power source of an electric vehicle or a hybrid vehicle.
Generally, in an electric vehicle, a hybrid vehicle, or the like, a drive current to be energized tends to be a large current in order to obtain a large drive torque from an AC motor.
Therefore, in the semiconductor module that controls the drive current, the amount of heat generated from a power semiconductor element such as an IGBT becomes large.
そこで、半導体モジュールに冷却手段を設けた半導体冷却ユニットが提案されている。該半導体冷却ユニットでは、放熱効率の向上を目的として、半導体モジュールの放熱面と、上記冷却手段の冷却面との接触面積を広く確保するための工夫がなされる場合がある。
例えば、半導体モジュールからの放熱を促進するため、該半導体モジュールの放熱面を凸状に形成した上、該放熱面を冷却手段の冷却面と当接させた半導体冷却ユニットがある(例えば、特許文献1参照。)。
Therefore, a semiconductor cooling unit in which a cooling means is provided in the semiconductor module has been proposed. In the semiconductor cooling unit, for the purpose of improving the heat dissipation efficiency, a device for ensuring a wide contact area between the heat dissipation surface of the semiconductor module and the cooling surface of the cooling means may be used.
For example, in order to promote heat dissipation from the semiconductor module, there is a semiconductor cooling unit in which the heat dissipation surface of the semiconductor module is formed in a convex shape and the heat dissipation surface is in contact with the cooling surface of the cooling means (for example, Patent Documents) 1).
該半導体冷却ユニットは、上記凸状の放熱面と上記冷却面との間に当接荷重を作用させることにより、冷却面の面形状に倣って、上記凸状の放熱面を積極的に変形させるように構成してある。
そして、上記半導体冷却ユニットでは、上記のごとく放熱面と冷却面とを当接することで、両者間の接触面積を広く確保している。
The semiconductor cooling unit positively deforms the convex heat radiating surface according to the surface shape of the cooling surface by applying a contact load between the convex heat radiating surface and the cooling surface. It is constituted as follows.
And in the said semiconductor cooling unit, the contact area between both is ensured widely by contact | abutting a thermal radiation surface and a cooling surface as mentioned above.
しかしながら、上記従来の半導体冷却ユニットでは、次のような問題がある。すなわち、上記凸状の放熱面の変形に伴って上記半導体モジュールに歪みを生じ、内部の半導体素子自体や、半田接合部等にトラブルを生じるおそれがある。
すなわち、半導体素子の特性変動による性能低下や、半田接合部の半田クラック等による耐久性低下を生じるおそれがある。
That is, there is a risk of performance degradation due to characteristic fluctuations of the semiconductor element and durability degradation due to solder cracks at the solder joints.
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、高い冷却性能と、長期間に渡る動作信頼性を両立した半導体冷却ユニットを提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor cooling unit that achieves both high cooling performance and long-term operation reliability.
本発明は、電力用の半導体素子を含む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組み合わせてなる半導体冷却ユニットにおいて、
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枚の平板状の電極放熱板を有していると共に、相互に対面する一対の上記冷却チューブの間に配設してあり、
該冷却チューブは、直接的又は間接的に、上記電極放熱板と当接する吸熱面を有してなり、該吸熱面に当接荷重が作用しない状態において、上記冷媒の流動方向に直交する方向における上記吸熱面の断面形状は、上記電極放熱板に向かって突出する凸状であり、
かつ、上記冷却チューブは、上記吸熱面の裏面に当たる上記中空部の内壁面に、上記流動方向に沿って上記中空部を区画するリブを形成してなることを特徴とする半導体冷却ユニットにある(請求項1)。
The present invention relates to a semiconductor cooling unit comprising a combination of a semiconductor module including a power semiconductor element and a flat cooling tube having a hollow portion through which a refrigerant flows.
The semiconductor module has two flat electrode heat dissipating plates facing each other so as to sandwich the semiconductor element, and is disposed between the pair of cooling tubes facing each other. ,
The cooling tube has a heat absorption surface that directly or indirectly contacts the electrode heat dissipation plate, and in a state where a contact load does not act on the heat absorption surface, the cooling tube is in a direction perpendicular to the flow direction of the refrigerant. sectional shape of the heat absorbing surface, Ri convex der projecting toward the electrode radiating plate,
And the said cooling tube is a semiconductor cooling unit characterized by forming the rib which divides the said hollow part along the said flow direction in the inner wall face of the said hollow part which hits the back surface of the said heat absorption surface ( Claim 1).
本発明の電力変換装置は、上記半導体モジュールの電極放熱板に対面する上記冷却チューブの吸熱面を凸状に形成してある。
そのため、上記半導体モジュールと上記冷却チューブとの間に当接荷重を作用させた状態で組み合わせたとき、上記凸状の吸熱面を、上記電極放熱板の面形状に倣って変形させて、両者間の接触面積を広く確保することができる。
それ故、上記冷却チューブ側を積極的に変形させる一方、半導体モジュール側に生じる変形を抑制しながら、両者を十分に接触させることができる。
したがって、本発明の電力変換装置によれば、上記当接荷重による歪み等による上記半導体モジュールのトラブルを抑制しつつ、半導体素子から発生する熱量の放出を効率化することができる。
In the power conversion device of the present invention, the endothermic surface of the cooling tube facing the electrode heat dissipation plate of the semiconductor module is formed in a convex shape.
Therefore, when combined with a contact load acting between the semiconductor module and the cooling tube, the convex heat absorbing surface is deformed following the surface shape of the electrode heat sink, It is possible to ensure a wide contact area.
Therefore, while positively deforming the cooling tube side, it is possible to bring them into full contact while suppressing deformation occurring on the semiconductor module side.
Therefore, according to the power conversion device of the present invention, it is possible to efficiently release heat generated from the semiconductor element while suppressing trouble of the semiconductor module due to distortion caused by the contact load.
さらに、本発明の電力変換装置では、半導体モジュールの両面側に冷却チューブを配置してある。
そのため、積層した冷却チューブと半導体モジュールとの間に当接荷重を作用させたとき、該半導体モジュールに対して積層方向の上下側から均等に当接荷重を作用することができる。
それ故、本発明の半導体冷却ユニットでは、半導体モジュールに歪み等を生じるおそれがさらに少ない。
Furthermore, in the power converter of the present invention, cooling tubes are arranged on both sides of the semiconductor module.
Therefore, when a contact load is applied between the stacked cooling tubes and the semiconductor module, the contact load can be applied uniformly to the semiconductor module from the upper and lower sides in the stacking direction.
Therefore, in the semiconductor cooling unit of the present invention, there is less possibility that the semiconductor module will be distorted.
なお、上記吸熱面と上記電極放熱板との間に、電気的な絶縁性を有する層として、薄板状の絶縁板や、上記吸熱面或いは上記電極放熱板の表面に形成した絶縁被膜などを配置して、両者を間接的に当接することができる。
或いは、上記吸熱面と上記電極放熱板とを、電気的に接触させた状態で、直接的に当接させる一方、上記各冷却チューブを、冷媒や他の冷却チューブ等の他の部分と電気的に絶縁することも可能である。
In addition, a thin insulating plate or an insulating film formed on the heat absorbing surface or the surface of the electrode heat dissipation plate is disposed as an electrically insulating layer between the heat absorption surface and the electrode heat dissipation plate. Thus, the two can be contacted indirectly.
Alternatively, the heat absorption surface and the electrode heat dissipation plate are brought into direct contact with each other while being in direct contact with each other, while the cooling tubes are electrically connected to other parts such as a refrigerant and other cooling tubes. It is also possible to insulate.
以上のように、本発明の半導体冷却ユニットによれば、半導体モジュールの耐久性を高く維持しながら、半導体モジュールにおいて発生する熱量の放出効率を高くすることができる。 As described above, according to the semiconductor cooling unit of the present invention, the efficiency of releasing the amount of heat generated in the semiconductor module can be increased while maintaining the durability of the semiconductor module high.
本発明においては、重量比90%以上のアルミニウムを含有したアルミニウム合金から上記冷却チューブを形成することが好ましい。
上記アルミニウム合金は、一般に、軟質の金属材料であるため、上記冷却チューブの変形を容易に生じさせるこができ、相対的に、上記半導体モジュールに歪みが生じるおそれを抑制することができる。
さらに、重量比60%以上の銅を含有した銅合金から上記電極放熱板を形成することが好ましい。
上記銅合金は、一般的に、硬質の金属材料であるため、上記電極放熱板は、上記半導体モジュールの内部に収容した半導体素子等を保護するのに役立つ。
In the present invention, it is preferable to form the cooling tube from an aluminum alloy containing aluminum of 90% by weight or more.
Since the aluminum alloy is generally a soft metal material, the cooling tube can be easily deformed, and the risk of distortion of the semiconductor module can be relatively suppressed.
Furthermore, it is preferable to form the said electrode heat sink from the copper alloy containing copper 60% or more of weight ratio.
Since the copper alloy is generally a hard metal material, the electrode heat dissipating plate is useful for protecting a semiconductor element and the like housed in the semiconductor module.
また、上記吸熱面に当接荷重が作用しない状態において、上記冷媒の流動方向に直交する方向における上記吸熱面の断面形状は、上記半導体モジュールにおける上記半導体素子の配設位置に対応して頂点をなす略円弧状であることが好ましい(請求項2)。
この場合には、発熱源である上記半導体素子の配設位置において、上記電極放熱板と上記冷却チューブとを確実に接触させることができる。
Further, in a state in which a contact load does not act on the heat absorption surface, the cross-sectional shape of the heat absorption surface in a direction orthogonal to the flow direction of the refrigerant has a peak corresponding to the arrangement position of the semiconductor element in the semiconductor module. It is preferably a substantially arc shape formed (claim 2).
In this case, the electrode heat radiating plate and the cooling tube can be reliably brought into contact with each other at the position where the semiconductor element which is a heat source is disposed.
また、上記吸熱面の突出高さは、20μm〜100μmであることが好ましい。
この場合には、上記吸熱面と上記電極放熱板との間の当接荷重を適正に維持しながら、両者間の接触面積を広く確保することができる。
なお、突出高さが20μm未満であると、吸熱面と電極放熱板とが十分に接触しないおそれがある。
一方、突出高さが100μmを超えると、上記吸熱面の変形に要する当接荷重が大きくなり、この当接荷重により半導体モジュールに歪みを生じるおそれがある。
Further, the protruding height of the heat absorbing surface is not preferable to be 20 m to 100 m.
In this case, it is possible to ensure a wide contact area between the heat absorbing surface and the electrode heat radiating plate while appropriately maintaining the contact load.
In addition, there exists a possibility that a heat absorption surface and an electrode heat sink may not fully contact that protrusion height is less than 20 micrometers.
On the other hand, if the protruding height exceeds 100 μm, the contact load required for the deformation of the endothermic surface increases, and the contact load may cause distortion in the semiconductor module.
また、上記冷却チューブは、上記吸熱面の裏面に当たる上記中空部の内壁面に、上記流動方向に沿って上記中空部を区画するリブを形成してなる。これにより、上記冷却チューブと上記冷媒との間の熱交換効率をさらに向上して、上記半導体モジュールの冷却性能をさらに向上することができる。 Moreover, the cooling tube, the inner wall surface of the hollow portion which corresponds to the back surface of the heat-absorbing surface, ing to form a rib for partitioning the hollow portion along the flow direction. Thereby, the heat exchange efficiency between the cooling tube and the refrigerant can be further improved, and the cooling performance of the semiconductor module can be further improved.
また、上記リブは、弾性変形するように構成した弾性部を有してなり、上記冷却チューブは、上記吸熱面に当接荷重が作用した際、上記弾性部に弾性変形を生じ、相手部材の形状に倣って上記吸熱面の形状を変形するように構成してあることが好ましい(請求項3)。
この場合には、上記吸熱面の弾性変形を容易にして、上記半導体モジュールと上記冷却チューブとの接触面積を広く確保することができる。
The rib has an elastic part configured to be elastically deformed, and the cooling tube undergoes elastic deformation in the elastic part when a contact load acts on the heat absorbing surface, and It is preferable that the shape of the endothermic surface is deformed following the shape ( claim 3 ).
In this case, elastic deformation of the heat absorption surface can be facilitated, and a wide contact area between the semiconductor module and the cooling tube can be ensured.
また、上記冷媒の流動方向に直交する方向における上記リブの断面形状は、曲線状又は屈曲線状を呈しており、上記弾性部は、曲線状をなす上記リブの湾曲部或いは、屈曲線状をなす上記リブの屈曲部に形成してあることが好ましい(請求項4)。
この場合には、上記曲線状をなすリブの湾曲部、或いは、上記屈曲線状をなすリブの屈曲部の上記弾性部において容易に弾性変形を生じさせることができる。
そして、該弾性部の弾性変形によれば、上記凸状の吸熱面の変形が容易になる。
In addition, the cross-sectional shape of the rib in a direction orthogonal to the flow direction of the refrigerant has a curved shape or a bent line shape, and the elastic portion has a curved portion or a bent line shape of the rib having a curved shape. Nasu it is preferable that is formed on the bent portion of the rib (claim 4).
In this case, elastic deformation can be easily caused in the curved portion of the curved rib or the bent portion of the bent rib.
According to the elastic deformation of the elastic portion, the convex heat absorbing surface can be easily deformed.
また、上記冷媒の流動方向に直交する方向における上記中空部の断面形状は、幅方向の線対称形状を呈していることが好ましい(請求項5)。
この場合には、上記冷却チューブから上記半導体モジュールとの間の当接荷重の分布を、幅方向に対称にすることができる。半導体モジュールに対して、バランス良く荷重を作用して、歪みが生じるおそれをさらに抑制できる。
Moreover, it is preferable that the cross-sectional shape of the said hollow part in the direction orthogonal to the flow direction of the said refrigerant | coolant is exhibiting the line symmetrical shape of the width direction ( Claim 5 ).
In this case, the distribution of the contact load between the cooling tube and the semiconductor module can be made symmetric in the width direction. The load can be applied to the semiconductor module in a well-balanced manner to further suppress the possibility of distortion.
また、上記吸熱面をなす上記冷却チューブの管壁は、対面する上記電極放熱板と比べて、板厚を薄くしてあることが好ましい。
この場合には、上記冷却チューブの変形を容易にして、上記半導体モジュールに生じる歪みをさらに抑制することができる。
なお、さらに好ましくは、上記管壁の板厚は、上記電極放熱板の板厚の80%以下にするのが良い。
上記管壁の板厚が、上記電極放熱板の板厚の80%を超えると、両者間の接触面積を広く確保するための当接荷重が大きくなるおそれがある。
Further, the tube wall of the cooling tube having the above-described heat absorbing surface, as compared with facing the electrode heat sink have preferred that are thinner plate thickness.
In this case, deformation of the cooling tube can be facilitated, and distortion generated in the semiconductor module can be further suppressed.
More preferably, the thickness of the tube wall is 80% or less of the thickness of the electrode heat sink.
If the thickness of the tube wall exceeds 80% of the thickness of the electrode heat dissipation plate, the contact load for ensuring a wide contact area between the two may increase.
また、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交互に積層し、少なくとも2層以上の上記半導体モジュールの層を有してなることが好ましい(請求項6)。
この場合には、多層積層構造を有する上記半導体冷却ユニットでは、その積層方向に大きな荷重を作用させる必要があるため、本発明による効果が特に有効である。
Further, the semiconductor cooling unit, alternately laminated said semiconductor module and the cooling tube is preferably made with a layer of at least two layers of the semiconductor module (claim 6).
In this case, in the semiconductor cooling unit having a multilayer stacked structure, it is necessary to apply a large load in the stacking direction, and thus the effect of the present invention is particularly effective.
(実施例1)
本例の半導体冷却ユニット1について、図1〜図6を用いて説明する。
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を含む半導体モジュール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とを組み合わせてなるユニットである。
上記半導体モジュール10は、上記半導体素子11を挟むように、相互に対面する平板状の2枚の電極放熱板15を有してなると共に、相互に対面する一対の冷却チューブ20の間に配設してある。
そして、この冷却チューブ20は、電気的な絶縁性を有する絶縁部材30を介して電極放熱板15に当接する吸熱面200を有してなる。この吸熱面200に当接荷重が作用しない状態において、冷媒の流動方向に直交する方向における吸熱面200の断面形状は、電極放熱板15に向かって突出する凸状である。
以下に、この内容について詳しく説明する。
(Example 1)
The semiconductor cooling unit 1 of this example will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the semiconductor cooling unit 1 is a unit formed by combining a
The
And this cooling
This content will be described in detail below.
本例の半導体冷却ユニット1は、図1に示すごとく、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。
本例の半導体冷却ユニット1は、電力用の半導体素子11を収容した半導体モジュール10を有してなる。そして、該半導体モジュール10は、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。
As shown in FIG. 1, the semiconductor cooling unit 1 of this example is a unit that forms part of a power conversion device (not shown) that generates a drive current for energizing a travel motor for an electric vehicle, for example.
The semiconductor cooling unit 1 of this example includes a
本例では、図1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、2層以上の半導体モジュール10の層を形成した多層積層構造の半導体冷却ユニット1を構成してある。
すなわち、本例の半導体冷却ユニット1は、半導体モジュール10を3層積層してなる半導体積層ユニット(以下、半導体積層ユニット1と記載する。)として構成してある。
また、この半導体積層ユニット1は、図2に示すごとく、隣接して積層した冷却チューブ10の間に、2個の半導体モジュールを並列配置してなり、全体として、6個の半導体モジュールを有してなる。
In this example, as shown in FIG. 1, a semiconductor cooling unit 1 having a multilayer stacked structure in which
That is, the semiconductor cooling unit 1 of this example is configured as a semiconductor laminated unit (hereinafter, referred to as a semiconductor laminated unit 1) in which three layers of
In addition, as shown in FIG. 2, the semiconductor laminated unit 1 includes two semiconductor modules arranged in parallel between
また、本例の半導体積層ユニット1では、図1に示すごとく、半導体モジュール10の電極放熱板15と、冷却チューブ20の放熱面200との間の絶縁部材30として、厚さ320μmのSiNのセラミック板を積層した。
これに代えて、窒化アルミニウムやアルミナ等のセラミック板を上記絶縁部材として用いることもできる。さらに、窒化アルミニウム、SiN、アルミナ、DLC等による絶縁塗膜や、ポリイミド等の有機絶縁物等よりなる絶縁塗膜を上記絶縁部材として利用することも可能である。
Moreover, in the semiconductor laminated unit 1 of this example, as shown in FIG. 1, an SiN ceramic having a thickness of 320 μm is used as the insulating
Alternatively, a ceramic plate such as aluminum nitride or alumina can be used as the insulating member. Further, an insulating coating film made of aluminum nitride, SiN, alumina, DLC, or the like, or an insulating coating film made of an organic insulator such as polyimide can be used as the insulating member.
なお、上記絶縁部材を省略して、放熱面200と電極放熱板15とを直接的に接触させることもできる。この場合には、冷媒や、隣接する他の冷却チューブ等、他の部分と、各冷却チューブ20との電気的な絶縁性を確保する必要がある。
冷却チューブ20と冷媒とを電気的に絶縁する方法としては、中空部21の内周壁に絶縁被膜を形成する方法や、電気的な絶縁性を有する冷媒を採用する等の方法がある。
一方、各冷却チューブ20を、他の部分から電気的に絶縁する方法としては、各冷却チューブ20を接続するベローズパイプ400(図2)自体に電気的な絶縁性をもたせる方法がある。例えば、電気的な絶縁性を有する素材によりベローズパイプ400を形成する方法や、電気的な絶縁性を有する絶縁被膜をベローズパイプ400の表面に形成する方法などがある。
他に、ベローズパイプ400と、各冷却チューブ20との間に、電気的な絶縁性を有する部材を配置する等の方法を採用することもできる。
In addition, the said insulating member can be abbreviate | omitted and the
As a method of electrically insulating the cooling
On the other hand, as a method of electrically insulating each cooling
In addition, a method such as arranging an electrically insulating member between the
上記半導体モジュール10は、図3に示すごとく、電力用半導体素子であるIGBT素子11と、モータの回転を滑らかにするために必要なフライホイールダイオード素子12とを相互に対面する一対の電極放熱板15の間に挟持したモジュールである。
そして、半導体モジュール10は、2枚の電極放熱板15と、その間隙の各素子11、12とを、モールド樹脂により一体成形してなる。
本例では、上記電極放熱板は、90%の銅を含む銅合金よりなる。
As shown in FIG. 3, the
The
In this example, the electrode heat sink is made of a copper alloy containing 90% copper.
この半導体モジュール10は、図4に示すごとく、その両面において電極放熱板15が露出するように樹脂成形してなり、この露出した電極放熱板15が放熱面として機能するように構成してある。
なお、図3では、電極放熱板15と、外部端子150、160と、モールド樹脂との関係の理解を容易にするため、便宜上、モールド樹脂(点線で示す部分)を上下に分割して示してある。
As shown in FIG. 4, the
In FIG. 3, for ease of understanding of the relationship between the electrode
上記半導体モジュール10は、図3及び図4に示すごとく、電力信号用の端子であって上記各電極放熱板15と一体をなす電力端子150と、制御信号用の端子であってモールド樹脂中に保持した制御端子160とを有してなる。そして、電力端子150と制御端子160とを、上記電極放熱板15に平行な面内において対向配置してある。
そのため、この半導体モジュール10と冷却チューブ20とを積層した上記半導体積層ユニット1(図1)においては、該半導体積層ユニット1の表面側に電力端子150を突出させ、裏面側に制御端子160を突出させることができる。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
Therefore, in the semiconductor laminated unit 1 (FIG. 1) in which the
本例の冷却チューブ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を有してなる扁平形状の配管部材20である。本例では、97%のアルミを含有したアルミ合金より、上記冷却チューブを形成した。
そして、この冷却チューブ20は、その扁平形状をなす平坦表面の一部に、上記絶縁部材30を介して電極放熱板15に当接する吸熱面200を形成してなる。
As shown in FIG. 1, the cooling
And this cooling
冷媒の流動方向に直交する方向における吸熱面200の断面形状は、図1に示すごとく、当接荷重が作用しない状態において、電極放熱板15に向かって突出する略円弧状を呈するように形成してある。
特に、本例の冷却チューブ20では,吸熱面200の頂点の位置と、半導体モジュール10におけるIGBT素子11との配設位置とが略一致するようにしてある。
なお、本例では、吸熱面200の突出高さgは、40μmとしてある。
As shown in FIG. 1, the cross-sectional shape of the
In particular, in the cooling
In this example, the protruding height g of the
上記冷却チューブ20は、両端部付近の平坦表面に、冷媒の供給及び排出用の貫通穴(図示略)を穿孔してなる。そして、隣接する冷却チューブ20の各貫通穴には、図2に示すごとく、長さ方向に伸縮可能なアルミニウムよりなる管状のベローズパイプ400を接合してある。
また、冷却チューブ20の両端には、封止用のキャップ部材201を接合してある。
The cooling
Further, sealing
上記半導体積層ユニット1では、図2に示すごとく、上記ベローズパイプ400により、冷媒供給用のヘッダ部41と排出用のヘッダ部42とを形成してある。
すなわち、ベローズパイプ400は、隣接して積層した冷却チューブ20の間に配置してなり、各冷却チューブ20の中空部21相互の連通を実現している。そして、積層した冷却チューブ20の各間隙に配置した複数のベローズパイプ400が、全体として、冷媒の各ヘッダ部41、42を形成している。
In the semiconductor laminated unit 1, as shown in FIG. 2, the
In other words, the
なお、ここで、上記半導体モジュール10を冷却チューブ20の間に挟持する際には、同図に示すごとく、上記各ヘッダ部41、42のベローズパイプ400を伸ばした状態で半導体モジュール10を冷却チューブ20の間に配置した後、各ベローズパイプ400を縮めることにより、冷却チューブ20と半導体モジュール10とを密着させる。
Here, when the
また、本例の半導体積層ユニット1は、図5に示すごとく、ガイドユニット50と組み合わせて組み付けるように構成してある。そして、該ガイドユニット50は、組み付けた半導体積層ユニット1に対して、その積層方向に荷重を作用するように構成してある。
このガイドユニット50は、半導体積層ユニット1の積層方向の一方の端面に当接するベースプレート部51と、他方の端面に当接する挟圧プレート部52と、ベースプレート部51と挟圧プレート部52とを所定の間隙を空けて保持する一対のガイド部53とからなるユニットである。
Further, as shown in FIG. 5, the semiconductor laminated unit 1 of this example is configured to be assembled in combination with the
The
図5に示すごとく、ガイド部53における長手方向のベースプレート部51側の端面には、該ベースプレート部51に固定するためのフランジ(図示略)を形成してある。
そして、ガイド部53は、フランジをベースプレート部51にボルト固定することにより、該ベースプレート部51に対して直立した状態で固定するように構成してある。
ベースプレート部51は、一対のヘッダ部41、42に連通する冷媒流路511、512を形成してなり、半導体積層ユニット1をガイドユニット50に組み付けたとき、冷媒流路511、512と各ヘッダ部41、42とが連通するように構成してある。
As shown in FIG. 5, a flange (not shown) for fixing to the
And the
The
上記挟圧プレート部52は、図5に示すごとく、一定の間隔を空けて配置した一対のガイド部53を、ブリッジ状に連結するように構成してある。
この挟圧プレート部52は、その両端部に、固定用のボルトを挿通するボルト穴を穿孔してなり、該ボルト穴に挿入したボルトにより、各ガイド部53の長手方向の端面に固定するように構成してある。
As shown in FIG. 5, the clamping
The clamping
挟圧プレート部52は、図5に示すごとく、上記両端のボルト穴の間に、上記半導体積層ユニット1の積層方向の端面に当接する当接部520を有してなる。
該当接部520は、上記ボルト穴を形成した両端部よりも板厚を厚く形成してなり、上記ガイド部53に固定したとき、半導体積層ユニット1に向けて突出するように構成してある。
そして、この挟圧プレート部52は、ガイド部53の端面にボルト結合する際のボルトの締め付けトルクに応じて、当接部520から半導体積層ユニット1に向けて荷重を作用するように構成してある。
As shown in FIG. 5, the clamping
The
And this clamping
すなわち、本例の半導体積層ユニット1では、図5に示すごとく、上記締め付けトルクの調整により、冷却チューブ20と半導体モジュール10との間に作用する当接荷重を調整することができる。
そのため、本例の半導体積層ユニット1においては、上記挟圧プレート部52に適切な荷重を作用させることで、冷却チューブ20と半導体モジュール10との間の当接荷重を適正にすることができる。
それ故、本例の半導体積層ユニット1では、図6に示すごとく、適正な当接荷重を作用させることで、凸状(略円弧状)の吸熱面200を電極放熱板15の面形状に倣って変形させ、両者の間の接触状態を適切にすることができる。
That is, in the semiconductor laminated unit 1 of this example, as shown in FIG. 5, the contact load acting between the cooling
Therefore, in the semiconductor laminated unit 1 of this example, the contact load between the cooling
Therefore, in the semiconductor laminated unit 1 of this example, as shown in FIG. 6, by applying an appropriate contact load, the convex (substantially arc-shaped)
ここで、本例の吸熱面200は、図1に示すごとく、半導体モジュール10におけるIGBT素子11の配設位置において頂点を有する略円弧状の断面形状を有してなる。
そのため、発熱源であるIGBT素子11の配設位置において、吸熱面200と電極放熱板15とを、絶縁部材30を介在して確実に当接させることができる。
Here, as shown in FIG. 1, the
Therefore, the
また、上記電極放熱板15は、銅を主成分とする銅合金により形成してある一方、上記吸熱面200をなす冷却チューブ20は、アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金により形成してある。
さらに、図1に示すごとく、上記電極放熱板15の板厚bは、上記吸熱面200をなす冷却チューブ20の板厚aよりも厚くしてある。
The electrode
Further, as shown in FIG. 1, the plate thickness b of the electrode
そのため、電極放熱板15と吸熱面200とを当接させた際には、材質自体が軟らかく、板厚も薄く設定してある冷却チューブ20の側において、積極的に変形を生じさせることができ、相対的に、電極放熱板15を有する半導体モジュール10側における変形や歪み等の発生を抑制することができる。
それ故、本例の凸状の断面形状の吸熱面を有する冷却チューブ20と、半導体モジュール10との組み合わせによれば、半導体モジュール10に歪み等を生じさせるおそれを少なく、両者間の接触面積を広く確保することができる。
Therefore, when the electrode
Therefore, according to the combination of the cooling
さらにまた、本例の半導体積層ユニット1は、図1に示すごとく、半導体モジュール10の両面に冷却チューブ20を配置し、荷重を作用した状態で積層してある。
そのため、半導体モジュール10に対しては、その積層方向の両側から均等に荷重を作用させることができる。
それ故、本例の半導体積層ユニット1においては、半導体モジュール10に対して、不均一に荷重が作用するおそれが少なく、半導体モジュール10に歪みを生じるおそれが少ない。
したがって、本例の半導体モジュール10は、半田接合部のクラックや素子特性の変動等が生じにくく、良好な耐久性を実現できる。
Furthermore, as shown in FIG. 1, the semiconductor laminated unit 1 of this example has the
Therefore, a load can be applied to the
Therefore, in the semiconductor laminated unit 1 of this example, there is little possibility that a load will act on the
Therefore, the
(実施例2)
本例は、実施例1を基にして、冷却チューブの中空部の形状を変更した例である。この例について、図7及び図8を用いて説明する。
本例の冷却チューブ20の中空部21には、冷媒の流動方向に沿って中空部21を区画する複数のリブ22を形成してある。
(Example 2)
In this example, the shape of the hollow portion of the cooling tube is changed based on the first embodiment. This example will be described with reference to FIGS.
In the
冷媒の流動方向に直交する方向における各リブ22の断面形状は、図7に示すごとく、中央側から外方に向けて突出する屈曲線状(くさび状)を呈している。
そして、本例では、中空部21が、幅方向に線対称の形状を呈するようにリブ22を形成してある。
As shown in FIG. 7, the cross-sectional shape of each
And in this example, the
リブ22は、その屈曲部220に、弾性変形が容易な弾性部225を形成してなり、該弾性部225の弾性変形により屈曲変形を容易にしてある。そして、リブ22の屈曲変形によれば、積層方向の荷重による冷却チューブ20の凸状の吸熱面200が平坦面に近づくような変形が容易になる。
すなわち、本例の冷却チューブ20の吸熱面200は、図8に示すごとく、電極放熱板15との間に当接荷重が作用したとき、電極放熱板15の面形状に倣って容易に変形することができる。
The
That is, the
また、本例の冷却チューブ20の中空部21には、図7に示すごとく、幅方向に線対称形状をなすようにリブ22を形成してある。
そのため、冷却チューブ20から電極放熱板15に作用する荷重分布は、幅方向に対称な分布となる。
それ故、この冷却チューブ20から半導体モジュール10へ、バランス良く荷重を作用させることができ、アンバランスな当接荷重に起因して半導体モジュール10内部に歪みを生じるおそれが少ない。
Further, as shown in FIG. 7,
Therefore, the load distribution acting on the electrode
Therefore, a load can be applied from the cooling
以上のように本例の冷却チューブ20によれば、中空部21に配設したリブ22により、冷媒と冷却チューブ20との熱伝達をさらに促進できる。
さらに、弾性部225を形成したリブ22によれば、凸状の吸熱面200の変形を阻害することなく、該吸熱面200と電極面15との接触面積を広く確保することができる。
As described above, according to the cooling
Furthermore, according to the
1 半導体冷却ユニット(半導体積層ユニット)
10 半導体モジュール
11 IGBT素子
12 フライホイールダイオード素子
20 冷却チューブ
200 吸熱面
30 絶縁部材
41、42 ヘッダ部
400 ベローズパイプ
50 ガイドユニット
51 ベースプレート部
52 挟圧プレート部
53 ガイド部
1 Semiconductor cooling unit (semiconductor laminated unit)
DESCRIPTION OF
Claims (6)
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枚の平板状の電極放熱板を有していると共に、相互に対面する一対の上記冷却チューブの間に配設してあり、
該冷却チューブは、直接的又は間接的に、上記電極放熱板と当接する吸熱面を有してなり、該吸熱面に当接荷重が作用しない状態において、上記冷媒の流動方向に直交する方向における上記吸熱面の断面形状は、上記電極放熱板に向かって突出する凸状であり、
かつ、上記冷却チューブは、上記吸熱面の裏面に当たる上記中空部の内壁面に、上記流動方向に沿って上記中空部を区画するリブを形成してなることを特徴とする半導体冷却ユニット。 In a semiconductor cooling unit comprising a combination of a semiconductor module including a power semiconductor element and a flat cooling tube having a hollow portion for allowing a coolant to flow,
The semiconductor module has two flat electrode heat dissipating plates facing each other so as to sandwich the semiconductor element, and is disposed between the pair of cooling tubes facing each other. ,
The cooling tube has a heat absorption surface that directly or indirectly contacts the electrode heat dissipation plate, and in a state where a contact load does not act on the heat absorption surface, the cooling tube is in a direction perpendicular to the flow direction of the refrigerant. sectional shape of the heat absorbing surface, Ri convex der projecting toward the electrode radiating plate,
And the said cooling tube forms the rib which divides the said hollow part along the said flow direction in the inner wall face of the said hollow part which hits the back surface of the said heat absorption surface, The semiconductor cooling unit characterized by the above-mentioned .
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