JP4228830B2

JP4228830B2 - 半導体冷却ユニット

Info

Publication number: JP4228830B2
Application number: JP2003287397A
Authority: JP
Inventors: 次郎海老原; 申也野呂; 知章仲野; 淳司加藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-08-06
Filing date: 2003-08-06
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2023-08-06
Also published as: JP2005057102A

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。

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交換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。
さらに、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、電力用の半導体素子と該半導体素子を挟むように相互に対面する平板状の２枚の電極板と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、
相互に対面する一対の上記冷却チューブと、該一対の冷却チューブの間に配置した上記半導体モジュールとを、モールド樹脂により一体的に覆ってなる基本ユニット部を有し、
上記各冷却チューブと上記半導体モジュールの上記各電極板との間に上記モールド樹脂が介在していないことを特徴とする半導体冷却ユニットにある（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を挟むように配置した上記一対の冷却チューブを、モールド樹脂により一体的に覆ってなるユニットである。
そのため、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しなくても、両者間の接触状態を安定的に維持することができる。
また、上記半導体冷却ユニットは、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しないため、積層方向に寸法変化を生じるおそれが少なく、高い形状精度を有している。

本発明においては、上記半導体モジュールは、上記半導体素子と、上記２枚の電極板とを、第１のモールド樹脂により一体成形してなり、上記基本ユニット部は、上記半導体モジュールと上記一対の冷却チューブとを、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２）。
この場合には、上記第１のモールド樹脂により、上記半導体モジュールを一体成形した
のち、その両面に上記冷却部材を配置し、その全体を上記第２のモールド樹脂により一体
成形することができる。
それ故、上記第１のモールド樹脂により成形した上記半導体モジュールを、上記半導体
冷却ユニットを構成する部品として取り扱いでき、作業効率良く、上記半導体冷却ユニッ
トを作製することができる。

また、上記第１及び上記第２のモールド樹脂は、熱硬化性樹脂よりなり、上記第１のモールド樹脂は、上記第２のモールド樹脂の硬化温度において軟化しない特性を有していることが好ましい。
この場合には、上記第２のモールド樹脂の成形を行う際に、上記第１のモールド樹脂が軟化してしまうおそれが少ない。

そのため、上記第１のモールド樹脂により上記半導体モジュールを一体成形した後に、上記第２のモールド樹脂により、上記半導体モジュールと上記冷媒チューブとを一体成形することができる。
なお、上記第１のモールド樹脂と上記第２のモールド樹脂との組み合わせとしては、例えば、エポキシとエポキシ、エポキシとＰＰＳ、ＰＢＴとＰＰＳなどの組み合わせが良い。

また、上記各冷却チューブとそれぞれの冷却チューブに隣接した上記電極板とは、電気的に接続した状態で当接してあり、
上記各冷却チューブと上記冷媒との間、及び、上記一対の冷却チューブの間は、電気的に絶縁してあることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記電極板間の電気的な短絡を防止しつつ、上記冷却チューブと上記電
極板との間の熱伝達率を向上することができる。

上記冷却チューブと上記冷媒との間の電気的な絶縁性を確保する方法としては、上記冷媒の特性を、電気的な絶縁性を有するものと方法のほか、上記冷却チューブの内壁面に絶縁被膜を形成する方法などがある。
一方、上記冷却チューブと上記ヘッダ部との間の電気的な絶縁性を確保する方法としては、上記ヘッダ部と上記冷却チューブとの接合箇所に、絶縁性の高い部材を配置する方法のほか、上記ヘッダ部を電気的な絶縁性の高い材料により形成する方法などがある。

また、上記半導体冷却ユニットは、上記一対の冷却チューブにおける各中空部とその両端において連通する一対のヘッダ部を有してなり、該一対のヘッダ部には、複数の上記基本ユニット部を並列して、各基本ユニット部における上記一対の冷却チューブの両端において接続してあることが好ましい（請求項７）。
この場合には、複数の上記基本ユニット部を、効率良く一体的に構成することができる。

また、上記冷却チューブと上記電極板との間には、電気的な絶縁性を有する絶縁部材を配置してあることが好ましい（請求項６）。
この場合には、上記電極板と上記冷却チューブとの間の電気的な絶縁性を確保できるため、上記各冷却チューブ相互間の電気的な絶縁を保持する必要がない。

なお、上記冷却チューブと上記電極板との間に配置する上記絶縁部材としては、酸化アルミニウムや、ＳｉＮや、アルミナ等のセラミック板を用いることができる。
さらに、酸化アルミニウム、ＳｉＮ、アルミナ等による絶縁塗膜や、ＤＬＣ，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。

また、上記半導体冷却ユニットは、上記冷却チューブの表面を底面とし、上記モールド樹脂を内側壁面としてなる１つ又は２つ以上の凹部を有してなることが好ましい（請求項３）。
上記凹部は、上記モールド樹脂の外表面から内方に向けて、上記冷却チューブの表面に至るまでへこむ部分である。
そして、上記凹部を形成した場合には、上記凹部の底部に露出する上記冷却チューブの表面から外部への放熱を可能にでき、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。
さらに、上記モールド樹脂を成形する際には、上記凹部に対応する支持部を有する治具等を用いて上記半導体素子を挟持した上記冷却チューブを保持しながら成形でき、作業効率も良好である。
また、上記請求項２の発明において、上記半導体冷却ユニットは、上記冷却チューブの表面を底面とし、上記第２のモールド樹脂を内側壁面としてなる１つ又は２つ以上の凹部を有してなることが好ましい（請求項４）。

（実施例１）
本例の半導体冷却ユニット１について、図１〜図５を用いて説明する。
本例の半導体冷却ユニット１は、図１及び図４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。
この半導体冷却ユニット１は、相互に対面する一対の冷却チューブ２０と、該一対の冷却チューブ２０の間に配置した半導体モジュール１０とを、モールド樹脂１００により一体的に覆った基本ユニット部２を有している。
以下に、この内容について詳しく説明する。

本例の半導体冷却ユニット１は、図４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。この半導体冷却ユニット１は、一対のヘッダ部４１、４２に対して、複数の基本ユニット部２（図１）を並列して接続したユニットである。

そして、上記の基本ユニット部２は、図１及び図３に示すごとく、電力用の半導体素子１１を収容してなり、該半導体素子１１を挟むように一対の電極板１５を配置してなる半導体モジュール１０と、該半導体モジュール１０を挟むように配置した一対の冷却チューブ２０とを有してなるユニットである。
そして、上記半導体モジュール１０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。

本例の基本ユニット部２では、図１のＢ部を拡大して示す図２に示すごとく、半導体モジュール１０の電極板１５と冷却チューブ２０とを、熱伝導性接着剤３１を用いて接合してある。
すなわち、上記基本ユニット部２では、電極板１５と冷却チューブ２０との熱交換効率を向上するため、両者を熱伝導性接着剤３１により密着してある。

そして、本例の基本ユニット部２は、図１及び図３に示すごとく、接合した半導体モジュール１０と一対の冷却チューブ２０とを、一体的にモールド樹脂１００により覆ってなる。
なお、上記熱伝導性接着剤３１に代えて、電極板１５と冷却チューブ２０との間に熱伝導性グリス等を介設した上、一体的にモールド樹脂１００により覆うことも可能である。

上記半導体モジュール１０は、図１及び図３に示すごとく、電力用の半導体素子１１であるＩＧＢＴ素子（以下、ＩＧＢＴ素子１１と記載。）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板１５の間に挟持したモジュールである。
図１に示すごとく、一対の電極板１５の間隙には、各素子１１、１２と熱緩衝板１１０とを配置してある。そして、隣接する各部材は、その接触面に配設したハンダ層１１１により接合してある。

この半導体モジュール１０は、図１及び図３に示すごとく、電力信号用の端子であって上記各電極板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、上記電極板１５に平行な面内において対向配置してある。
そのため、上記基本ユニット部２においては、図１及び図３に示すごとく、該基本ユニット部２の一方の側面から電力端子１５０を突出させ、他方の側面から制御端子１６０を突出させることができる。

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を複数、並列して形成した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。

本例の半導体冷却ユニット１は、図４に示すごとく、ナイロン樹脂よりなるタンク形状をなし、冷媒の供給及び排出を行う一対のヘッダ部４１、４２に対して、複数の基本ユニット部２を並列して接続したものである。
すなわち、各基本ユニット部２の一対の冷却チューブ２０の中空部２１を、ヘッダ部４１及び４２に連通させてある。
ここで、電気的な絶縁性を有するナイロン樹脂よりなるヘッダ部４１、４２によれば、各冷却チューブ２０相互の電気的な絶縁を確保して、各半導体モジュール１０の電気的な短絡を防止することができる。

併せて、本例の半導体冷却ユニット１では、電気的な絶縁性を有する冷媒を、冷却チューブ２０に流動させるように構成してある。
そのため、上記冷媒を介して、上記半導体モジュール１０の一対の電極板１５が電気的に短絡するおそれが少ない。
なお、上記各冷媒チューブ２０の中空部２１の内壁面に絶縁塗膜を形成すれば、導電性を有する冷媒を採用することも可能になる。

なお、上記のナイロン樹脂よりなるヘッダ部４１、４２に代えて、導電性を有する素材、例えば、アルミ合金等によりヘッダ部を形成する一方、該ヘッダ部と冷却チューブ２０との間に絶縁性の高い部材を介設して、両者を絶縁状態で接続することもできる。

さらに、本例では、複数の基本ユニット部２を並列させて上記半導体冷却ユニット１を構成したが、これに代えて、上記一対のヘッダ部４１、４１に対して、１個の基本ユニット部２を接続することもできる。
さらにまた、図５に示すごとく、本例の半導体モジュール１０の構成に代えて、上記熱緩衝板１１０と電極板１５とを一体化（図中の電極板１５１）することもできる。

（実施例２）
本例は、実施例１を基にして、上記基本ユニット部の構成を変更した例である。この例について、図６及び図７を用いて説明する。
本例の基本ユニット部２２は、図６に示すごとく、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。

そして、上記基本ユニット部２２においては、同図に示すごとく、各半導体モジュール１０を、それぞれ独立してモールド樹脂１００により覆ってある。
なお、図７に示すごとく、一対の冷却チューブ２０の間に配置した２個の半導体モジュール１０を、一体的にモールド樹脂１００により覆うこともできる。

（実施例３）
本例は、実施例１を基にして、上記基本ユニット部の構成を変更した例である。本例の基本ユニット部２３は、第１のモールド樹脂２３１と第２のモールド樹脂２３２による２重の被覆構造を呈している。この内容について、図８を用いて説明する。
本例の基本ユニット部２３は、一対の電極板１５と素子１１とを、第１のモールド樹脂２３１により一体的に覆ってなる半導体モジュール１０を有してなる。なお、該半導体モジュール１０では、上記各電極板１５が第１のモールド樹脂２３１の外表面に露出するようにしてある。
そして、上記基本ユニット部２３は、一対の冷却チューブ２０と、該一対の冷却チューブ２０の間に配置した半導体モジュール１０とを第２のモールド樹脂２３２により一体的に覆ってなる。

ここで、上記第１のモールド樹脂２３１及び上記第２のモールド樹脂２３２は、熱硬化性樹脂よりなる。
本例では、第１のモールド樹脂２３１としてはエポキシ等を用い、第２のモールド樹脂２３２としてはＰＰＳ等を用いている。なお、第２のモールド樹脂の材質としては、本例のＰＰＳ等に代えて、エポキシを用いることもできる。
ここで、第１のモールド樹脂２３１は、第２のモールド樹脂２３２の硬化温度において、軟化しない特性を有している。
そのため、上記半導体モジュール１０と上記一対の冷却チューブ２０とを、上記第２のモールド樹脂２３２により覆う工程を実施する際、半導体モジュール１０の第１のモールド樹脂２３１が軟化するおそれが少ない。
また、上記第１のモールド樹脂２３１により覆った上記半導体モジュール１０によれば、ＩＧＢＴ素子１１等と冷却チューブ２０との一体的な取り扱いが容易になり、上記基本ユニット部２を精度良く作製することが可能になる。

（実施例４）
本例は、実施例１を基にして、上記基本ユニット部の構成を変更した例である。この内容について、図９及び図１０を用いて説明する。
本例の基本ユニット部２４では、図９に示すごとく、半導体モジュール１０の各電極板１５と、冷却チューブ２０との間に、電気的な絶縁性を有する厚さ２００〜３００μｍの酸化アルミニウムのセラミック板３０を配置してある。

なお、酸化アルミニウムのセラミック板３０に代えて、ＳｉＮ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、酸化アルミニウム、ＳｉＮ、アルミナ等による絶縁塗膜や、ＤＬＣ，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。

本例の基本ユニット部２４によれば、各冷却チューブ２０間の電気的な絶縁を確保するための構成を省略することができる。
なお、図１０に示すごとく、一対の電極板１５とＩＧＢＴ素子１１等とを、予め、第１のモールド樹脂２４１により一体的に成形しておき、その後、半導体モジュール１０と冷却チューブ２０との間に上記セラミック板３０を配置した上で、第２のモールド樹脂２４２により一体成形することもできる。

（実施例５）
本例は、実施例１を基にして、上記基本ユニット部の表面形状を変更した例である。この内容について、図１１及び図１２を用いて説明する。
本例の基本ユニット部２５は、モールド樹脂１００の外表面から各冷却チューブ２０の表面までへこむ複数の凹部１０１を形成してなる。

この凹部１０１によれば、冷却チューブ２０の表面から外部に向かう熱の放出を促進して、半導体モジュール１０の冷却効果をさらに向上することができる。
さらに、上記モールド樹脂１００により基本ユニット部２５を覆う工程を実施するに当たっては、各凹部１０１に対応する支持部を有する製造治具（図示略）を用いて、予め組み立てた半導体モジュール１０と一対の冷却チューブ２０とを保持することができる。
そのため、本例の基本ユニット部２５は、上記のような製造治具を利用して、効率良く、かつ、形状精度良く製作することができる。

実施例１における、半導体冷却ユニットを構成する基本ユニット部の断面図（図３におけるＡ−Ａ線矢視断面図。）。実施例１における、基本ユニット部を図示した図１におけるＢ部の拡大図。実施例１における、基本ユニット部の正面図。実施例１における、半導体冷却ユニットを示す正面図。実施例１における、その他の基本ユニット部の断面図。実施例２における、基本ユニット部の正面図。実施例２における、その他の基本ユニット部の正面図。実施例３における、基本ユニット部の断面図。実施例４における、基本ユニット部の断面図。実施例４における、その他の基本ユニット部の断面図。実施例５における、基本ユニット部の正面図。実施例５における、基本ユニット部の断面図（図１１におけるＣ−Ｃ線矢視断面図。）。

符号の説明

１半導体冷却ユニット
１０半導体モジュール
１１ＩＢＧＴ素子
１１０熱緩衝板
１５電極板
２、２１、２２、２３、２４、２５基本ユニット部
２０冷却チューブ
３０セラミック板

Claims

電力用の半導体素子と該半導体素子を挟むように相互に対面する平板状の２枚の電極板と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、
相互に対面する一対の上記冷却チューブと、該一対の冷却チューブの間に配置した上記半導体モジュールとを、モールド樹脂により一体的に覆ってなる基本ユニット部を有し、
上記各冷却チューブと上記半導体モジュールの上記各電極板との間に上記モールド樹脂が介在していないことを特徴とする半導体冷却ユニット。
請求項１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２枚の電極板とを、第１のモールド樹脂により一体成形してなり、上記基本ユニット部は、上記半導体モジュールと上記一対の冷却チューブとを、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冷却ユニット。
請求項１において、上記半導体冷却ユニットは、上記冷却チューブの表面を底面とし、上記モールド樹脂を内側壁面としてなる１つ又は２つ以上の凹部を有してなることを特徴とする半導体冷却ユニット。
請求項２において、上記半導体冷却ユニットは、上記冷却チューブの表面を底面とし、上記第２のモールド樹脂を内側壁面としてなる１つ又は２つ以上の凹部を有してなることを特徴とする半導体冷却ユニット。
請求項２又は４において、上記各冷却チューブとそれぞれの冷却チューブに隣接した上記電極板とは、電気的に接続した状態で当接してあり、
上記各冷却チューブと上記冷媒との間、及び、上記一対の冷却チューブの間は、電気的に絶縁してあることを特徴とする半導体冷却ユニット。
請求項１〜４のいずれか１項において、上記冷却チューブと上記電極板との間には、電気的な絶縁性を有する絶縁部材を配置してあることを特徴とする半導体冷却ユニット。
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、上記一対の冷却チューブにおける各中空部とその両端において連通する一対のヘッダ部を有してなり、該一対のヘッダ部には、複数の上記基本ユニット部を並列して、各基本ユニット部における上記一対の冷却チューブの両端において接続してあることを特徴とする半導体冷却ユニット。