JP4292913B2 - 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、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。
Conventionally, a power conversion circuit such as a DC-DC converter circuit or an inverter circuit is sometimes used to generate 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 large driving torque needs to be obtained from an AC motor, and thus a large current is required as a driving current.
Therefore, in the power conversion circuit that generates the drive current for the AC motor, heat generation from the semiconductor module including the power semiconductor element such as IGBT constituting the power conversion circuit tends to increase.
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。
Therefore, a large number of flat cooling tubes are arranged between a pair of headers that supply and discharge the cooling medium (refrigerant) so that the plurality of semiconductor modules constituting the power conversion circuit can be cooled with high uniformity. A cooling tube parallel type power converter in which a semiconductor module is sandwiched between cooling tubes has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
In this power converter, in order to improve the heat transfer efficiency between the cooling tube and the semiconductor module, a contact load is applied between the two to ensure a wide contact area.
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。
Furthermore, since a dimensional change occurs in the direction of the load, there is a problem that it is difficult to maintain a high shape accuracy.
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。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide an excellent semiconductor cooling unit having excellent heat radiation efficiency and high shape accuracy.
第1の発明は、電力用の半導体素子と冷媒を流動させる一対の冷媒流路とを有してなり、該一対の冷媒流路の間に上記半導体素子を配置してなる半導体冷却ユニットにおいて、
上記半導体素子は、該半導体素子を挟むように配置した一対の平板状の電極板を有しており、
かつ、上記冷媒流路は、その内壁面の少なくとも一部を上記電極板の一部により構成してあり、
また、一対の上記電極板と上記半導体素子とは、モールド樹脂により一体的に覆ってあり、上記各冷媒流路は、上記モールド樹脂の内部において、上記電極板に面して形成してあ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)。
A first aspect of the present invention is a semiconductor cooling unit comprising a power semiconductor element and a pair of refrigerant flow paths for flowing a refrigerant, and the semiconductor element is disposed between the pair of refrigerant flow paths.
The semiconductor element has a pair of flat electrode plates arranged so as to sandwich the semiconductor element,
And the coolant channel is Ri at least a portion of the inner wall constitutes a part of the electrode plate Thea,
The pair of electrode plates and the semiconductor element are integrally covered with a mold resin, and each of the coolant channels is formed facing the electrode plate inside the mold resin. (Claim 1).
上記第1の発明の半導体冷却ユニットは、内壁面の少なくとも一部として上記電極板の表面を利用した上記冷媒流路を有している。
そのため、上記電極板によれば、上記冷媒流路を流動する冷媒に対して、直接的かつ効率的に、上記半導体素子の発熱を放熱することができる。
The semiconductor cooling unit according to the first aspect of the invention has the refrigerant flow path using the surface of the electrode plate as at least a part of the inner wall surface.
Therefore, according to the electrode plate, heat generated by the semiconductor element can be radiated directly and efficiently to the refrigerant flowing through the refrigerant flow path.
また、上記半導体冷却ユニットでは、上記冷媒流路を形成する冷媒配管等の部材を、上記電極板に対して押し付ける必要がない。
そのため、上記第1の発明の上記半導体冷却ユニットは、当接荷重を作用させるための機構や構造等が必要でないため、その構造が簡単であり、かつ、当接荷重による寸法変化を生じるおそれがなく、形状精度に優れている。
In the semiconductor cooling unit, it is not necessary to press a member such as a refrigerant pipe that forms the refrigerant flow path against the electrode plate.
Therefore, the semiconductor cooling unit according to the first aspect of the invention does not require a mechanism or a structure for applying a contact load, so that the structure is simple and a dimensional change due to the contact load may occur. There is no shape accuracy.
以上のように、上記第1の発明の半導体冷却ユニットは、放熱効率に優れ、高い形状精度を有するユニットである。 As described above, the semiconductor cooling unit according to the first aspect of the invention is a unit having excellent heat dissipation efficiency and high shape accuracy.
また、一対の上記電極板と上記半導体素子とは、モールド樹脂により一体的に覆ってあり、上記各冷媒流路は、上記モールド樹脂の内部において、上記電極板に面して形成してある。
これにより、上記モールド樹脂により成形した上記冷媒流路を流動する上記冷媒を、上記電極板の表面に接触させて、両者間の熱伝達効率を向上することができる。
Further, the pair of the electrode plate and the semiconductor element, Yes covers integrally by molding resin, each coolant channel, in the interior of the mold resin, Ru Thea formed facing the electrode plate .
Thereby , the said refrigerant | coolant which flows through the said refrigerant | coolant flow path shape | molded with the said mold resin can be made to contact the surface of the said electrode plate, and the heat transfer efficiency between both can be improved.
また、上記半導体冷却ユニットは、冷媒の供給及び排出を行う一対のヘッダ部を有してなり、該一対のヘッダ部には、上記半導体素子を挟持した上記一対の冷媒流路を複数、並列して接続してあることが好ましい(請求項2)。
この場合には、上記一対の冷媒流路を有する複数の上記半導体冷却ユニットをコンパクトに構成することができる。
Further, the semiconductor cooling unit includes a pair of header portions for supplying and discharging a refrigerant, and the pair of headers sandwiching the semiconductor element are arranged in parallel in the pair of header portions. Are preferably connected (claim 2 ).
In this case, the plurality of semiconductor cooling units having the pair of refrigerant flow paths can be configured in a compact manner.
上記第1の発明においては、上記冷媒は、電気的な絶縁性を有する冷媒であることが好ましい(請求項3)。
この場合には、上記冷媒を介して電気的な短絡が生じるおそれを抑制して、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。
In the first invention, the coolant is preferably a refrigerant having an electrical insulation property (claim 3).
In this case, the electrical reliability of the semiconductor cooling unit can be improved by suppressing the possibility of an electrical short circuit through the refrigerant.
また、上記冷媒に接触する上記電極板の表面には、電気的な絶縁性を有する絶縁被膜を形成してあることが好ましい(請求項4)。
この場合には、上記冷媒を介して電気的な短絡を生じるおそれを抑制できる。
そして、上記冷媒と上記電極板との間に上記絶縁被膜を配置してあるため、上記冷媒としては、導電性を有する冷媒を採用することができる。
The surface of the electrode plate in contact with the refrigerant, it is preferable that is formed with an insulating film having an electrical insulation property (claim 4).
In this case, the possibility of causing an electrical short circuit through the refrigerant can be suppressed.
And since the said insulating film is arrange | positioned between the said refrigerant | coolant and the said electrode plate, the refrigerant | coolant which has electroconductivity can be employ | adopted as the said refrigerant | coolant.
(参考例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2に示すごとく、電力用の半導体素子11と冷媒を流動させる一対の冷媒流路21とを有してなり、該一対の冷媒流路21の間に半導体素子11を配置してなるユニットである。
上記半導体素子11は、該半導体素子11を挟むように配置した一対の平板状の電極板151、152を有している。
上記冷媒流路21は、その内壁面の少なくとも一部を電極板15の表面により構成してある。
以下に、この内容について詳しく説明する。
( Reference Example 1 )
The
As shown in FIGS. 1 and 2, the
The
The
This content will be described in detail below.
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。
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151、152を配置してなるユニットである。
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。
The
As shown in FIG. 1, this
The
本例の半導体冷却ユニット1では、図1に示すごとく、IGBT素子11の両面に、電極板151、152をハンダ接合してなる。すなわち、IGBT素子11と電極板151、152との間には、ハンダ接合層111を形成してある。
そして、本例の半導体冷却ユニット1は、図1及び図2に示すごとく、ハンダ接合したIGBT素子11と一対の電極板151、152とを、モールド樹脂100により一体的に覆ってなる。
In the
And the
上記半導体冷却ユニット1では、上記一対の電極板151、152の間に、図2に示すごとく、上記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とを配置してある。
この半導体冷却ユニット1は、図1及び図2に示すごとく、電力信号用の端子であって上記各電極板151、152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とは、上記電極板15に平行な面内において対向配置されている。
In the
As shown in FIGS. 1 and 2, the
The
また、上記電極板151、152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、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。
中空部21を流動する冷媒によれば、IGBT素子11等から発生し、電極板151、152に伝達された熱を効率良く吸熱することができる。
Moreover, the said
According to the refrigerant flowing through the
なお、IGBT素子11の一方の面の端部には、制御端子160との接続信号線であるボンディングワイヤ116を接続するボンディング部115を形成してある。
そこで、該ボンディング部115を避けて電極板152を接合できるよう、該電極板152は、冷媒の流動方向に直交する方向における幅を他方の電極板151よりも狭くしてある。
A
Therefore, the width of the
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3に示すごとく、ガラス繊維入り66ナイロン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、複数の半導体冷却ユニット1を並列的に接続して構成することができる。
すなわち、各半導体冷却ユニット1の電極板151、152の冷媒流動方向の両端部を、ヘッダ部41及び42に接続してある。
ここで、電気的な絶縁性を有するガラス繊維入り66ナイロンよりなるヘッダ部41、42によれば、各電極板151、152相互間の電気的な絶縁を確保して、各素子11、12の電気的な短絡を防止することができる。
In using the
That is, both end portions of the
Here, according to the
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上記中空部21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、上記各素子11、12が電気的に短絡するおそれが少ない。
なお、上記各電極板151、152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。
In addition, the
Therefore, there is little possibility that the
In addition, if an insulating coating film is formed on the inner wall surface of the
さらになお、上記のガラス繊維入り66ナイロンよりなるヘッダ部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41、42を形成する一方、ヘッダ部41、42と電極板15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、複数の半導体冷却ユニット1を並列させて構成したが、これに代えて、一対のヘッダ部41、41に対して、1個の半導体冷却ユニット1を接続することもできる。
Furthermore, instead of the
Furthermore, in this example, the plurality of
また、本例では、IGBT素子11に接合した電極板151と電極板152とを別部品として半導体冷却ユニット1を構成したが、図4に示すごとく、電極板151を共通化することもできる。
各電極板150についての電極端子150の先端位置にズレを生じるが、電極端子150と組み合わせるソケット側で、ズレを吸収できれば問題は生じない。
In this example, the
Although a deviation occurs at the tip position of the
さらに、電極板155の中空部21を、図5に示すごとく、リブ210によって区画することもできる。この場合には、冷媒に接触する電極板155の表面積を広く確保して、両者間の熱伝達効率を向上することができる。
さらにまた、図6に示すごとく、中空部21を形成した部分を、電極端子150と比べて板厚に形成することもできる。この場合には、中空部21を流動する冷媒の流量を増やして、IGBT素子11の冷却性能を向上することができる。
Further, the
Furthermore, as shown in FIG. 6, the portion where the
なお、同図の半導体冷却ユニット1では、IGBT素子11の一方の面側に、熱伝導性が良い銅よりなるプレート状のブロック110を介設して電極端子150を接合してある。プレート状のブロック110を介設すれば、電極端子150とボンディングワイヤ116との干渉を回避することができる。
そのため、この場合には、IGBT素子11の両面において、略同一形状の電極端子150を素子表面に沿ってずらすことなく配設することができる。
In the
Therefore, in this case, the
(参考例2)
本例は、参考例1を基にして、上記電極板の構成を変更した例である。この例の内容について、図7〜図11を用いて説明する。
本例の電極板17は、図7に示すごとく、端子部171と冷媒流路部172との2分割構造を呈している。そして、両者は、予め、ろう付けにより一体に接合してあり、実施例1の電極板と略同形状に形成してある。
( Reference Example 2 )
In this example, the configuration of the electrode plate is changed based on Reference Example 1 . The contents of this example will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 7, the
また、図8及び図9に示すごとく、端子部181、191と冷媒流路部182、192とを重ね合わせて接合し、一体の電極板18、19とすることもできる。
ここで、端子部181、191と冷媒流路部182、192との位置関係については、図8に示すごとく、端子部181とIGBT素子11との間に冷媒流路部182を配置しても良く、図9に示すごとく、端子部191の外側に冷媒流路部192を配置することもできる。
なお、上記ろう付け接合に代えて、はんだ接合とすることもできる。さらに、端子部181、191と、冷媒流路部182、192との間に熱伝導性グリスを介設したうえ、モールド樹脂100により一体的に覆って両者を接合することもできる。
Further, as shown in FIGS. 8 and 9, the
Here, regarding the positional relationship between the
In addition, it can replace with the said brazing joining and can also be set as solder joining. Furthermore, it is also possible to interpose a heat conductive grease between the
さらに、図8に示した半導体冷却ユニット1を基にして、中空部21の形状を変更することもできる。すなわち、図10に示すごとく、中空部21をリブ210により区画した冷媒流路部183を用いることができる。
なお、同図の半導体冷却ユニット1では、IGBT素子11の一方の面側に、熱伝導性が良い銅よりなるプレート状のブロック110を介設して冷媒流路部183を接合してある。プレート状のブロック110を介設すれば、冷媒流路部183とボンディングワイヤ116との干渉を回避することができる。
そのため、この場合には、IGBT素子11の両面において、略同一形状の冷媒流路部183を素子表面に沿ってずらすことなく配設することができる。
Furthermore, the shape of the
In the
Therefore, in this case, on both surfaces of the
また、同様に、図9に示した半導体冷却ユニット1を基にして、中空部21の形状を変更することもできる。
すなわち、図11に示すごとく、中空部21をリブ210により区画した冷媒流路部193を用いることができる。
なお、その他の構成及び作用効果については参考例1と同様である。
Similarly, the shape of the
That is, as shown in FIG. 11, it is possible to use a refrigerant
Other configurations and operational effects are the same as in Reference Example 1 .
(実施例1)
本例は、参考例1を基にして、上記冷媒流路の構成を変更した例である。この内容について、図12を用いて説明する。
本例の半導体冷却ユニット1は、一対の電極板15によりIGBT素子11を挟持したうえ、モールド樹脂100により一体的に覆ってある。
( Example 1 )
In this example, the configuration of the refrigerant flow path is changed based on Reference Example 1 . The contents will be described with reference to FIG.
In the
そして、半導体冷却ユニット1を覆うモールド樹脂100の内部には、各電極板15の表面に沿って冷媒流路211を形成してある。
すなわち、本例の冷媒流路211は、その内周壁が、モールド樹脂100の表面と電極板15の表面とにより形成されてなる流路である。
そのため、この冷媒流路211を流動する冷媒は、電極板15の表面に接触し、該電極板15との間で直接的に熱交換することができる。
A
That is, the
Therefore, the refrigerant flowing through the
なお、上記冷媒流路211に流動させる冷媒としては、電気的な絶縁性を有する冷媒を使用する必要がある。
一方、電極板15の表面に絶縁被膜を形成する場合には、導電性を有する冷媒を適用することもできる。
なお、その他の構成及び作用効果については、参考例1と同様である。
In addition, as a refrigerant | coolant made to flow through the said refrigerant |
On the other hand, when an insulating film is formed on the surface of the
Other configurations and operational effects are the same as in Reference Example 1 .
(参考例3)
本例は、参考例1を基にして、上記半導体冷却ユニットの構成を変更した例である。この内容について、図13及び図14を用いて説明する。
本例の半導体冷却ユニット1は、図13に示すごとく、IGBT素子11等を収容した半導体モジュール2を、冷媒を流動させる冷媒配管4の内部に配置してなるユニットである。
( Reference Example 3 )
In this example, the configuration of the semiconductor cooling unit is changed based on Reference Example 1. The contents will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 13, the
上記半導体モジュール2は、一対の電極板15の間にIGBT素子11を配置したうえ、電極板15の表面が露出する状態でモールド樹脂100により一体成形してなる。
そして、この半導体モジュール2は、電気的な絶縁性を備えた冷媒を流動させた冷媒配管4の内部に配置してある。
本例の半導体冷却ユニット1では、冷媒中に半導体モジュール2を浸漬してあるため、その内部のIGBT素子11を冷却する性能が高い。
The
And this
In the
なお、図14に示すごとく、電極板15の表面に、伝熱フィン159を形成することも有効である。この場合には、冷媒と電極板15との接触面積を拡大して、熱伝達効率をさらに向上することができる。
また、半導体モジュール2の外表面のうち冷媒と接触する部分に、電気的な絶縁性を有する絶縁被膜を形成することもできる。この場合には、導電性を有する冷媒中に、半導体モジュール2を浸漬することができる。
As shown in FIG. 14, it is also effective to form
In addition, an insulating film having electrical insulation can be formed on a portion of the outer surface of the
なお、その他の構成及び作用効果については、参考例1と同様である。
さらになお、上記冷媒配管4に代えて、冷媒の流入及び流出がない冷媒タンク中に半導体モジュール2を浸漬することもできる。
この場合には、タンク中の冷媒の自然対流を利用して半導体モジュール2を冷却することができる。
Other configurations and operational effects are the same as in Reference Example 1 .
Furthermore, it can replace with the said refrigerant |
In this case, the
(参考例4)
本例は、参考例1を基にして、上記半導体冷却ユニットの冷媒流路の接続構造を変更した例である。この例の内容について、図15〜19を用いて説明する。
本例の半導体冷却ユニット1では、電極板151、152の端部の位置を変更してある。
( Reference Example 4 )
This example is an example in which the connection structure of the refrigerant flow path of the semiconductor cooling unit is changed based on Reference Example 1. The contents of this example will be described with reference to FIGS.
In the
本例の半導体冷却ユニット1は、中空部を形成した一対の電極板15の間にIGBT素子11等を挟持した上、モールド樹脂100により一体的に覆ってなるユニットである。
図15に示す半導体冷却ユニット1では、電極板15の両端部は、半導体冷却ユニット1の端面に位置しており、該端面には中空部が開口している。
図16に示す半導体冷却ユニット1では、電極板15の両端部は、半導体冷却ユニット1をなすモールド樹脂100の内部に位置している。
図17に示す半導体冷却ユニット1では、電極板15の一方の端部は、モールド樹脂100から突出しており、他方の端部はモールド樹脂100の内部にある。
The
In the
In the
In the
なお、図16及び図17に示す半導体冷却ユニット1の場合において、電極板15の端部をモールド樹脂100の内部に配置する場合、各中空部に連通する開口形状としては、各中空部ごとに開口部105(図18)を設けても良く、各中空部を集合した単一の開口部106(図19)を設けても良い。
なお、その他の構成及び作用効果については参考例1と同様である。
In the case of the
Other configurations and operational effects are the same as in Reference Example 1 .
1 半導体冷却ユニット
100 モールド樹脂
11 IGBT素子
110 熱緩衝板
150 電力端子
160 制御端子
151、152、17、18、19 電極板
171、181、191 端子部
172、182、192 冷媒流路部
2 半導体モジュール
21、211 中空部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
上記半導体素子は、該半導体素子を挟むように配置した一対の平板状の電極板を有しており、
かつ、上記冷媒流路は、その内壁面の少なくとも一部を上記電極板の一部により構成してあり、
また、一対の上記電極板と上記半導体素子とは、モールド樹脂により一体的に覆ってあり、上記各冷媒流路は、上記モールド樹脂の内部において、上記電極板に面して形成してあ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 semiconductor element for electric power and a pair of refrigerant passages for flowing a refrigerant, and the semiconductor element is disposed between the pair of refrigerant passages,
The semiconductor element has a pair of flat electrode plates arranged so as to sandwich the semiconductor element,
And the said refrigerant | coolant flow path comprises at least one part of the inner wall surface by a part of said electrode plate,
The pair of electrode plates and the semiconductor element are integrally covered with a mold resin, and each of the coolant channels is formed facing the electrode plate inside the mold resin. A semiconductor cooling unit.
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