JP4432892B2

JP4432892B2 - 半導体冷却構造

Info

Publication number: JP4432892B2
Application number: JP2005360383A
Authority: JP
Inventors: 博英佐藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2025-12-14
Also published as: JP2007165620A

Description

本発明は、半導体モジュールと該半導体モジュールを冷却する冷却管とを、絶縁材を介して加圧密着させてなる半導体冷却構造に関する。

従来より、図５に示すごとく、半導体素子９２１を内蔵した半導体モジュール９２に冷却管９４を加圧密着させて、半導体モジュール９２を冷却する半導体冷却構造９がある（特許文献１参照）。この場合、半導体モジュール９の表面に露出した放熱板９２３と冷却管９４との間に、セラミック等からなる絶縁材９３を配置して、両者の間の電気絶縁性を確保している。

そして、半導体モジュール９の放熱板９２３と絶縁材９３との間、及び絶縁材９３と冷却管９４との間には、それぞれグリス９５を介在させている。このグリス９５を介在させることにより、放熱板９２３と絶縁材９３との間や、絶縁材９３と冷却管９４との間の隙間をなくして、互いの伝熱効率を向上させることができる。
また、上記半導体モジュール９２は、絶縁材９３及び冷却管９４を積層した方向と直交する方向に外部接続端子９２２を設けてなる。

しかしながら、上記半導体冷却構造９には、以下の問題がある。
即ち、半導体モジュール９２と絶縁材９３と冷却管９４とを組み付ける際には、それぞれの主面の間にグリス９５を配置して半導体モジュール９２と絶縁材９３と冷却管９４とを積層し、その後、積層方向に押圧力を加える。このとき、グリス９５は、半導体モジュール９２の主面９２５と絶縁材９３の主面９３５との間、或いは、絶縁材９３の他の主面９３５と冷却管９４の主面９４５との間において、四方に広がる。そして、場合によっては、グリス９５が、半導体モジュール９２と絶縁材９３との接触面の端部や、絶縁材９３と冷却管９４との接触面の端部からはみ出すことがある。

ここで、図５に示すごとく、半導体モジュール９２の主面９２５の端部９２６と絶縁材９３の主面９３５の端部９３６と冷却管９４の主面９４５の端部９４６とが同一位置にあると、冷却管９４に接触配置したグリス９５と半導体モジュール９２に接触配置したグリス９５とが連絡し、更には、これらのグリス９５が半導体モジュール９２の外部接続端子９２２にまで達するおそれがある。
このような現象は、半導体モジュール９２の主面９２５の端部９２６よりも絶縁材９３の主面９３５の端部９３６が突出し、絶縁材９３の主面９３５の端部９３６よりも冷却管９４の主面９４５の端部９４６が突出している場合にも起こりうる。

そうすると、冷却管９４と半導体モジュール９２の外部接続端子９２２や放熱板９２３とがグリス９５によって絶縁材９３を乗り越えて短絡することとなる。これにより、冷却管９４と半導体モジュール９２との間の電気絶縁性を充分に確保することが困難となるおそれがある。
また、電気絶縁性に優れたグリス９５を使用することも考えられるが、グリス９５には、本来的に、優れた熱伝導性が要求されるため、熱伝導性と電気絶縁性との双方を兼ね備えた材料を採用する必要が生じ、材料選択の幅が狭まってしまうという問題がある。

特開２００５−０７３３７４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、半導体モジュールと冷却管との間の電気絶縁性を確保することができる半導体冷却構造を提供しようとするものである。

本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールに接触配置された絶縁材と、上記半導体モジュールとの間に上記絶縁材を挟むように該絶縁材に接触配置され上記半導体モジュールを冷却する冷却管とが、それぞれの主面において互いに加圧密着してなる半導体冷却構造であって、
上記半導体モジュールの主面と上記絶縁材の主面との間、及び該絶縁材の他の主面と上記冷却管の主面との間には、グリスが介在しており、
上記半導体モジュールは、主面と直交する方向に外部接続端子を設けてなり、
該外部接続端子の立設方向について、上記半導体モジュールの主面の端部は上記絶縁材の主面の端部よりも突出しており、上記絶縁材の主面の端部は上記冷却管の主面の端部よりも突出していることを特徴とする半導体冷却構造にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記半導体冷却構造においては、上記外部接続端子の立設方向について、上記半導体モジュールの主面の端部が上記絶縁材の主面の端部よりも突出しており、上記絶縁材の主面の端部が上記冷却管の主面の端部よりも突出している。そのため、半導体モジュールと絶縁材との間からグリスがはみ出したとしても、そのグリスは半導体モジュールの主面に留まり、主面の端部から外部接続端子へ流れることを防ぐことができる。また、絶縁材と冷却管との間からグリスがはみ出したとしても、そのグリスは絶縁材の主面に留まり、主面の端部を乗り越えて反対側の主面に配されたグリスと連絡することを防ぐことができる。

このようにして、グリスが、半導体モジュールと絶縁材との接触面の端部や、絶縁材と冷却管との接触面の端部からはみ出したとしても、グリスが半導体モジュールの主面の端部や絶縁材の主面の端部を乗り越えることを防ぎ、グリスによる半導体モジュールと冷却管との短絡を防ぐことができる。その結果、半導体モジュールと冷却管との間の電気絶縁性を確保することができる。

また、上記のごとく、グリスによる半導体モジュールと冷却管との短絡を防ぐことができるため、グリスの材料として、電気絶縁性に優れたものを特に選択する必要がない。それ故、グリスの本来の機能としての熱伝導性に着目した材料選択を行うことができ、材料選択の幅を広げることができる。その結果、放熱性に優れた半導体冷却構造を得ることが容易となる。

以上のごとく、本発明によれば、半導体モジュールと冷却管との間の電気絶縁性を確保することができる半導体冷却構造を提供することができる。

本発明（請求項１）において、上記半導体冷却構造は、例えば車両用のインバータ等の電力変換装置の一部を構成するものとすることができる。
また、上記半導体モジュールは、主面に放熱板を露出してなり、上記主面は、上記放熱板の表面と該放熱板の周囲に配された樹脂部の表面とが同一平面に配置された状態で構成されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、特に半導体モジュールと絶縁材との間からグリスがはみ出しやすい。そこで、かかる構造において本発明を適用することにより、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。

また、上記絶縁材の主面の端部に対する上記半導体モジュールの主面の端部の突出長さは、上記絶縁材の厚さ以上であることが好ましい（請求項３）。
この場合には、半導体モジュールと絶縁材との間からはみ出したグリスが半導体モジュールの主面の端部から外部接続端子へ向かって流れることを、より効果的に防ぐことができる。即ち、突出長さが上記絶縁材の厚さ以上であることにより、半導体モジュールと絶縁材との接触面からはみ出したグリスを、半導体モジュールの主面と絶縁材の端面との間に溜めることができる。

また、上記冷却管は、一対の外殻プレートと、該一対の外殻プレートの間に配された中間プレートと、該中間プレートと上記外殻プレートとの間に配された波形状のインナフィンとを有し、上記中間プレートと上記外殻プレートとの間に冷媒流路を形成してなり、上記一対の外殻プレートは、上記半導体モジュールにおける上記外部接続端子の立設方向の端部において互いに接合した接合部を有し、かつ、該接合部と上記絶縁材との間隔をｄとし、上記冷却管の主面の端部に対する上記絶縁材の主面の端部の突出長さをｅとしたとき、ｅ≧ｄであることが好ましい（請求項４）。
この場合には、絶縁材と冷却管との間からはみ出したグリスが絶縁材の端部を乗り越えて半導体モジュール側へ流れることを、より効果的に防ぐことができる。即ち、上記突出長さｅが上記間隔ｄ以上であることにより、半導体モジュールと絶縁材との接触面からはみ出したグリスは、絶縁材の主面と冷却管の上記接合部との間に充分に溜めることができる。

また、上記半導体モジュールは、両面冷却構造を有し、上記絶縁材及び上記冷却管は、上記半導体モジュールの両主面に積層配置されていることが好ましい（請求項５）。
この場合には、半導体モジュールと冷却管との間の電気絶縁性を確保することができると共に冷却効率に優れた半導体冷却構造を提供することができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる半導体冷却構造につき、図１〜図３を用いて説明する。
本例の半導体冷却構造１は、図１に示すごとく、半導体素子２１を内蔵した半導体モジュール２と、該半導体モジュール２に接触配置された絶縁材３と、上記半導体モジュール２との間に上記絶縁材３を挟むように該絶縁材３に接触配置され上記半導体モジュール２を冷却する冷却管４とが、それぞれの主面において互いに加圧密着してなる。

上記半導体モジュール２の主面２５と上記絶縁材３の主面３５との間、及び該絶縁材３の他の主面３５と上記冷却管４の主面４５との間には、グリス５が介在している。
上記半導体モジュール２は、主面２５と直交する方向に外部接続端子２２を設けてなる。
そして、図１、図２に示すごとく、外部接続端子２２の立設方向について、上記半導体モジュール２の主面２５の端部２５１は上記絶縁材３の主面３５の端部３５１よりも突出しており、上記絶縁材３の主面３５の端部３５１は冷却管４の主面４５の端部４５１よりも突出している。

半導体モジュール２は、主面２５に放熱板２３を露出してなり、上記主面２５は、放熱板２３の表面と該放熱板２３の周囲に配された樹脂部２４の表面とが同一平面に配置された状態で構成されている。
そして、図２に示すごとく、絶縁材３の主面３５の端部３５１に対する半導体モジュール２の主面２５の端部２５１の突出長さａは、絶縁材３の厚さｂ以上である。

また、上記絶縁材３は、厚さｂが０．２〜０．５ｍｍのセラミック板からなり、上記グリス５は、シリコンオイルからなる。また、冷却管４はアルミニウムからなる。また、冷却管４５の主面の端部４５１に対する絶縁材３の主面３５の端部３５１の突出長さｃは、上記絶縁材３の厚みｂと同等もしくは同等以上の長さを有する。

また、図１に示すごとく、半導体モジュール２は、両面冷却構造を有し、絶縁材３及び冷却管４は、半導体モジュール２の両主面２５に積層配置されている。即ち、半導体モジュール２は、両主面２５に放熱板２３を露出して配置しており、それぞれの主面２５にグリス５を介して絶縁材３が接触配置され、各絶縁材３にグリス５を介して冷却管４が接触配置されている。

更に、上記のように配置された冷却管４の反対側にも同様の構成で、絶縁材３及び半導体モジュール２がグリス５を介して積層されている。そして、全体としては、図３に示すごとく、冷却管４と半導体モジュール２とが絶縁材３及びグリス５を介して交互に積層配置されている。なお、一対の冷却管４の間には、２個の半導体モジュール２が左右に並列配置された状態で挟持されている。

半導体モジュール２は、ＩＧＢＴ等の半導体素子２１を内蔵したモジュール本体部２０と、該モジュール本体部２０から突出させた外部接続端子２２とを有する。外部接続端子２２には、主電極端子２２１と、該主電極端子２２１の突出方向と略１８０度異なる方向へ突出させた信号端子２２２とがある。

図１に示すごとく、冷却管４は、その内部に冷媒流路４１を有しており、これに冷却媒体を流通可能に構成してある。また、図３に示すごとく、複数の冷却管４の両端をそれぞれ連結するように蛇腹パイプ４０１を配置し、２箇所のヘッダ部４０２を形成してある。また、該２箇所のヘッダ部４０１、４０２の一方の端部には、冷却管４に接続された冷媒導入口４０３と冷媒排出口４０４とがそれぞれ設けてある。このようにして、複数の冷却管４を並列配置してなる冷却器４０が構成されている。
そして、隣り合う冷却管４の間に上述のごとく半導体モジュール２を挟持させ、冷却管４内に冷却媒体を流通させることにより、モジュール本体部２０を両面から冷却することができる。

また、図３に示す積層配置された複数の半導体モジュール２及び複数の冷却管３とによって構成される半導体冷却構造１は、例えば、インバータ等の電力変換装置の一部を構成する。

また、半導体モジュール２と絶縁材３と冷却管４とを組み付ける際には、それぞれの主面の間にグリス５を配置して半導体モジュール２と絶縁材３と冷却管４とを積層し、その後、積層方向に押圧力を加える。このとき、グリス５は、半導体モジュール２の主面２５と絶縁材３の主面３５との間、或いは、絶縁材３の他の主面３５と冷却管４の主面４５との間において、四方に広がる。上記グリス５の塗布量や押圧力は、グリス５がはみ出さない程度に調整するが、場合によっては、グリス５が、半導体モジュール２と絶縁材３との接触面の端部や、絶縁材３と冷却管４との接触面の端部からはみ出すこともある。本発明は、かかる場合において、後述するごとく、グリス５による半導体モジュール２と絶縁材３との短絡を防ぐものである。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記半導体冷却構造１においては、外部接続端子２２の立設方向について、半導体モジュール２の主面２５の端部２５１が絶縁材３の主面３５の端部３５１よりも突出しており、絶縁材３の主面３５の端部３５１が冷却管４の主面４５の端部４５１よりも突出している。そのため、図２に示すごとく、半導体モジュール２と絶縁材３との間からグリス５がはみ出したとしても、そのグリス５は半導体モジュール２の主面２５に留まり、主面２５の端部２５１から外部接続端子２２へ流れることを防ぐことができる。また、絶縁材３と冷却管４との間からグリス５がはみ出したとしても、そのグリス５は絶縁材３の主面３５に留まり、主面３５の端部３５１を乗り越えて反対側の主面３５に配されたグリス５と連絡することを防ぐことができる。

このようにして、グリス５が、半導体モジュール２と絶縁材３との接触面の端部や、絶縁材３と冷却管４との接触面の端部からはみ出したとしても、グリス５が半導体モジュール２の主面２５の端部２５１や絶縁材３の主面３５の端部３５１を乗り越えることを防ぎ、グリス５による半導体モジュール２と冷却管４との短絡を防ぐことができる。その結果、半導体モジュール２と冷却管４との間の電気絶縁性を確保することができる。

また、上記のごとく、グリス５による半導体モジュール２と冷却管４との短絡を防ぐことができるため、グリス５の材料として、電気絶縁性に優れたものを特に選択する必要がない。それ故、グリス５の本来の機能としての熱伝導性に着目した材料選択を行うことができ、材料選択の幅を広げることができる。その結果、放熱性に優れた半導体冷却構造１を得ることが容易となる。

また、半導体モジュール２の主面２５は、放熱板２３の表面と樹脂部２４の表面とが同一平面に配置された状態で構成されている。かかる構造においては、特に半導体モジュール２と絶縁材３との間からグリス５がはみ出しやすい。そこで、かかる構造において本発明を適用することにより、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。

また、図２に示すごとく、絶縁材３の主面３５の端部３５１に対する半導体モジュール２の主面２５の端部２５１の突出長さａは、絶縁材３の厚さｂ以上である。そのため、半導体モジュール２と絶縁材３との間からはみ出したグリス５が半導体モジュール２の主面２５の端部２５１から外部接続端子２２へ向かって流れることを、より効果的に防ぐことができる。即ち、突出長さａが絶縁材３の厚さｂ以上であることにより、半導体モジュール２と絶縁材３との接触面からはみ出したグリス５を、半導体モジュール２の主面２５と絶縁材３の端面３６との間に溜めることができる。

また、半導体モジュール２は、両面冷却構造を有し、絶縁材３及び冷却管４は、半導体モジュール２の両主面に積層配置されている。それ故、半導体モジュール２と冷却管４との間の電気絶縁性を確保することができると共に冷却効率に優れた半導体冷却構造１を提供することができる。

以上のごとく、本例によれば、半導体モジュールと冷却管との間の電気絶縁性を確保することができる半導体冷却構造を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図４に示すごとく、冷却管４を、一対の外殻プレート４２と、該一対の外殻プレート４２の間に配された中間プレート４３と、該中間プレート４３と上記外殻プレート４２との間に配された波形状のインナフィン４４とによって構成した例である。
外殻プレート４２と中間プレート４３とインナフィン４４とは、互いにろう付け接合されている。

上記中間プレート４３と上記外殻プレート４２との間に、冷媒流路４１が形成されている。上記一対の外殻プレート４２は、半導体モジュール２における外部接続端子２２の立設方向の端部において互いに接合した接合部４６を有する。
そして、該接合部４６と絶縁材３との間隔をｄとし、冷却管４の主面４５の端部４５１に対する絶縁材３の主面３５の端部３５１の突出長さをｅとしたとき、ｅ≧ｄである。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合にも、上記実施例１と同様に、半導体モジュールと冷却管との間の電気絶縁性を確保することができる。
そして、上記間隔ｄと突出長さｅとが、ｅ≧ｄの関係を有することにより、絶縁材３と冷却管４との間からはみ出したグリス５が絶縁材３の端部を乗り越えて半導体モジュール２側へ流れることを、より効果的に防ぐことができる。即ち、半導体モジュール２と絶縁材３との接触面からはみ出したグリス５を、絶縁材３の主面３５と冷却管４の接合部４６との間に充分に溜めることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

実施例１における、半導体冷却構造の断面説明図。実施例１における、絶縁材の端部付近の断面説明図。実施例１における、積層された半導体冷却構造の斜視図。実施例２における、半導体冷却構造の断面説明図。従来例における、半導体冷却構造の断面説明図。

符号の説明

１半導体冷却構造
２半導体モジュール
２１半導体素子
２２外部接続端子
２５主面
２５１端部
３絶縁材
３５主面
３５１端部
４冷却管
４５主面
４５１端部
５グリス

Claims

半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールに接触配置された絶縁材と、上記半導体モジュールとの間に上記絶縁材を挟むように該絶縁材に接触配置され上記半導体モジュールを冷却する冷却管とが、それぞれの主面において互いに加圧密着してなる半導体冷却構造であって、
上記半導体モジュールの主面と上記絶縁材の主面との間、及び該絶縁材の他の主面と上記冷却管の主面との間には、グリスが介在しており、
上記半導体モジュールは、主面と直交する方向に外部接続端子を設けてなり、
該外部接続端子の立設方向について、上記半導体モジュールの主面の端部は上記絶縁材の主面の端部よりも突出しており、上記絶縁材の主面の端部は上記冷却管の主面の端部よりも突出していることを特徴とする半導体冷却構造。
請求項１において、上記半導体モジュールは、主面に放熱板を露出してなり、上記主面は、上記放熱板の表面と該放熱板の周囲に配された樹脂部の表面とが同一平面に配置された状態で構成されていることを特徴とする半導体冷却構造。
請求項１又は２において、上記絶縁材の主面の端部に対する上記半導体モジュールの主面の端部の突出長さは、上記絶縁材の厚さ以上であることを特徴とする半導体冷却構造。
請求項１〜３のいずれか一項において、上記冷却管は、一対の外殻プレートと、該一対の外殻プレートの間に配された中間プレートと、該中間プレートと上記外殻プレートとの間に配された波形状のインナフィンとを有し、上記中間プレートと上記外殻プレートとの間に冷媒流路を形成してなり、上記一対の外殻プレートは、上記半導体モジュールにおける上記外部接続端子の立設方向の端部において互いに接合した接合部を有し、かつ、該接合部と上記絶縁材との間隔をｄとし、上記冷却管の主面の端部に対する上記絶縁材の主面の端部の突出長さをｅとしたとき、ｅ≧ｄであることを特徴とする半導体冷却構造。
請求項１〜４のいずれか一項において、上記半導体モジュールは、両面冷却構造を有し、上記絶縁材及び上記冷却管は、上記半導体モジュールの両主面に積層配置されていることを特徴とする半導体冷却構造。