JP4765821B2

JP4765821B2 - パワーモジュールの冷却構造体

Info

Publication number: JP4765821B2
Application number: JP2006211897A
Authority: JP
Inventors: 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2026-08-03
Also published as: JP2008041806A

Description

本発明は、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされるとともに、この回路層の表面に半導体チップがはんだ接合されたパワーモジュールを冷却するパワーモジュールの冷却構造体に関するものである。

この種の冷却構造体として、例えば下記特許文献１に示されるような、内部に水路が形成された液冷ヒートシンクに、冷媒供給手段を備える流路が連結された構成が知られている。
特開２００３−８６７４４号公報

しかしながら、前記従来の冷却構造体では、セラミックス板の裏面側は冷却することができるものの、セラミックス板の表面側は効率よく冷却することができず、温度分布が生じてパワーモジュールを均一に冷却することができないという問題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、パワーモジュールを均一に冷却することができるパワーモジュールの冷却構造体を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュールの冷却構造体は、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされるとともに、この回路層の表面に半導体チップがはんだ接合されたパワーモジュールを冷却するパワーモジュールの冷却構造体であって、前記セラミックス板の裏面側に設けられた液冷ヒートシンクと、この液冷ヒートシンクとの間で前記パワーモジュールを液密に囲繞する冷却室とを備え、前記液冷ヒートシンクには、その内部に形成された水路に第１冷媒を供給する第１冷媒供給手段を備える第１流路が連結されるとともに、前記冷却室には、その内部に電気絶縁性を有する第２冷媒を供給する第２冷媒供給手段を備える第２流路が連結されて、これらの両流路が互いに独立した別系統となっており、前記パワーモジュールは、前記液冷ヒートシンクの表面に一定の方向に複数並べられて設けられ、前記液冷ヒートシンクの水路内を第１冷媒が流れる向きと、前記冷却室内を第２冷媒が流れる向きとは、前記一定の方向において互いに逆になっていることを特徴とする。
この発明では、液冷ヒートシンクと冷却室とが備えられ、液冷ヒートシンクでセラミックス板の裏面側が冷却されるとともに、冷却室で半導体チップを含むセラミックス板の表面側が冷却されることになるので、温度分布を生じさせることなくパワーモジュールを均一に冷却することができる。しかも、液冷ヒートシンクの水路に第１冷媒を供給可能な第１流路と、冷却室の内部に第２冷媒を供給可能な第２流路とが備えられて、これらの両流路が互いに独立した別系統となっているので、パワーモジュールにおいてセラミックス板の表面側および裏面側のそれぞれに対する冷却効率を向上させることもできる。

また、パワーモジュールが液冷ヒートシンクの表面に一定の方向に複数並べられて設けられるとともに、液冷ヒートシンクの水路内を第１冷媒が流れる向きと、冷却室内を第２冷媒が流れる向きとが、前記一定の方向において互いに逆になっているので、液冷ヒートシンクの水路において、第１冷媒の供給される入口が前記一定の方向における一端部に位置されるとともに、第１冷媒が排出される出口が他端部に位置されると、冷却室では、第２冷媒の供給される入口が前記他端部に位置されるとともに、第２冷媒が排出される出口が前記一端部に位置されることになる。
したがって、液冷ヒートシンクでは、前記一端部側に設けられたパワーモジュールを、低温の第１冷媒が流されているので効率よく冷却することができるが、前記他端部側に設けられたパワーモジュールは、前記一端部側のパワーモジュールからの熱により温度が高くなった第１冷媒が流されているので効率よく冷却することはできない。その一方、冷却室では、前記他端部側に設けられたパワーモジュールは、低温の第２冷媒が流されているので効率よく冷却することができるが、前記一端部側に設けられたパワーモジュールは、前記他端部側のパワーモジュールからの熱により温度が高くなった第２冷媒が流されているので効率よく冷却することはできない。すなわち、前記一端部側のパワーモジュールは、冷却室では効率よく冷却することができないものの、液冷ヒートシンクでは高効率に冷却することができる一方、前記他端部側のパワーモジュールは、液冷ヒートシンクでは効率よく冷却することができないものの、冷却室では高効率に冷却することができる。
以上より、第１、第２冷媒がそれぞれ、前記水路内および冷却室内を流れてパワーモジュールから熱を回収したことによる液冷ヒートシンクおよび冷却室それぞれの冷却効率の低下を、互いに補わせることが可能になり、前記一端部側に設けられたパワーモジュールと他端部側に設けられたパワーモジュールとをそれぞれ略同等の効率で冷却することができる。これにより、液冷ヒートシンクの表面に複数並べられて設けられた各パワーモジュールごとでその温度に差が生ずるのを抑制することができる。

また、前記液冷ヒートシンクの水路と前記冷却室との間において前記一定の方向の両端部にそれぞれ、断熱部材が設けられてもよい。
この場合、第１、第２冷媒の温度差が最大となっている前記一定の方向の両端部にそれぞれ断熱部材が設けられているので、これらの両冷媒のうち、パワーモジュールからの熱により高温になった方の熱が他方に伝導するのを抑制することが可能になり、前記の作用効果を確実に奏効させることができるとともに、冷却効率をより一層向上させることもできる。

この発明によれば、パワーモジュールを均一に冷却することができる。

以下、本発明に係るパワーモジュールの冷却構造体の一実施形態について説明する。まず、パワーモジュール２０は、セラミックス板２１の表面に回路層２２がろう付けされるとともに、この回路層２２の表面に半導体チップ２３がはんだ接合されている。図示の例では、パワーモジュール２０は、セラミックス板２１の裏面にろう付けされた金属層２４を備えている。そして、このようなパワーモジュール２０を冷却するパワーモジュールの冷却構造体１０は、金属層２４の裏面（セラミックス板２１の裏面側）にろう付けされた液冷ヒートシンク１１と、この液冷ヒートシンク１１との間でパワーモジュール２０を液密に囲繞する冷却室１２とを備えている。

ここで、セラミックス板２１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４若しくはＳｉＣ等で形成され、回路層２２、金属層２４および液冷ヒートシンク１１は、例えば純Ａｌ、純Ｃｕ、Ａｌ合金若しくはＣｕ合金等、好ましくは純度が９９．９８ｗｔ％以上の純Ａｌ若しくはＡｌ合金、または純度が９９．９９９ｗｔ％の純Ｃｕで形成され、セラミックス板２１と回路層２２および金属層２４とは、例えばＡｌ−Ｓｉ系等のＡｌ系のろう材でろう付けされている。また、冷却室１２は例えば熱硬化性樹脂等で形成されている。

そして、本実施形態では、液冷ヒートシンク１１には、その内部に形成された水路１１ａに第１冷媒を供給する第１冷媒供給手段１３を備える第１流路１４が連結されている。また、冷却室１２には、その内部に電気絶縁性を有する第２冷媒を供給する第２冷媒供給手段１５を備える第２流路１６が連結されている。そして、これらの両流路１４、１６は互いに独立した別系統となっている。図示の例では、第１、第２流路１４、１６にはそれぞれ、第１、第２冷媒供給手段１３、１５に対して第１、第２冷媒の流れる方向の後側に熱交換器１７が設けられている。なお、第２冷媒は、例えばシリコーンオイル、鉱物油若しくは植物油等とされている。また、冷却室１２の内部には第２冷媒が充填されており、パワーモジュール２０はその全体が第２冷媒中に浸漬されている。

以上より、第１冷媒供給手段１３が、第１冷媒を液冷ヒートシンク１１の水路１１ａ内に供給して流すことにより、パワーモジュール２０を金属層２４の裏面側から冷却する一方、第２冷媒供給手段１５が、第２冷媒を冷却室１２内に供給して流すことにより、パワーモジュール２０をその全体から冷却するようになっている。そして、前記水路１１ａおよび冷却室１２を通過して加熱された第１、第２冷媒はそれぞれ、第１、第２流路１４、１６の熱交換器１７で冷却された後に、再度前記水路１１ａおよび冷却室１２に各別に供給されるようになっている。

ここで、本実施形態では、パワーモジュール２０は、液冷ヒートシンク１１の表面に一定の方向Ｔに複数並べられて設けられ、液冷ヒートシンク１１の水路１１ａ、および冷却室１２はそれぞれ、この一定の方向Ｔに延在している。そして、液冷ヒートシンク１１の水路１１ａ内を第１冷媒が流れる向きと、冷却室１２内を第２冷媒が流れる向きとは、前記一定の方向Ｔにおいて互いに逆になっている。
さらに、本実施形態では、液冷ヒートシンク１１の水路１１ａと冷却室１２との間において前記一定の方向Ｔの両端部にそれぞれ、例えばガラス、セラミックス若しくは樹脂等からなる断熱部材１８が設けられている。図示の例では、断熱部材１８は、液冷ヒートシンク１１の表面の前記一定の方向Ｔの両端部において、パワーモジュール２０の金属層２４がろう付けされた部分を回避した位置に接合されている。また、この断熱部材１８はシート状体とされている。

以上説明したように、本実施形態に係るパワーモジュールの冷却構造体１０によれば、液冷ヒートシンク１１と冷却室１２とが備えられ、液冷ヒートシンク１１でセラミックス板２１の裏面側が冷却されるとともに、冷却室１２で半導体チップ２３を含むセラミックス板２１の表面側が冷却されることになるので、温度分布を生じさせることなくパワーモジュール２０を均一に冷却することができる。しかも、液冷ヒートシンク１１の水路１１ａに第１冷媒を供給可能な第１流路１４と、冷却室１２の内部に第２冷媒を供給可能な第２流路１６とが備えられて、これらの両流路１４、１６が互いに独立した別系統となっているので、パワーモジュール２０においてセラミックス板２１の表面側および裏面側のそれぞれに対する冷却効率を向上させることもできる。

また、本実施形態では、パワーモジュール２０が液冷ヒートシンク１１の表面に一定の方向Ｔに複数並べられて設けられるとともに、液冷ヒートシンク１１の水路１１ａ内を第１冷媒が流れる向きと、冷却室１２内を第２冷媒が流れる向きとが、前記一定の方向Ｔにおいて互いに逆になっているので、第１、第２冷媒がそれぞれ、前記水路１１ａ内および冷却室１２内を流れてパワーモジュール２０から熱を回収したことによる液冷ヒートシンク１１および冷却室１２それぞれの冷却効率の低下を、互いに補わせることが可能になり、前記一定の方向Ｔにおける一端部側に設けられたパワーモジュール２０と他端部側に設けられたパワーモジュール２０とを略同等の効率で冷却することができる。これにより、液冷ヒートシンク１１の表面に前記一定の方向Ｔに複数並べられて設けられた各パワーモジュール２０ごとでその温度に差が生ずるのを抑制することができる。

さらに、本実施形態では、液冷ヒートシンク１１の水路１１ａと冷却室１２との間において、第１、第２冷媒の温度差が最大となっている前記一定の方向Ｔの両端部にそれぞれ、断熱部材１８が設けられているので、第１、第２冷媒のうち、パワーモジュール２０からの熱により高温になった方の熱が他方に伝導するのを抑制することが可能になり、前記の作用効果を確実に奏効させることができるとともに、冷却効率をより一層向上させることもできる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記実施形態では、パワーモジュール２０に金属層２４を設けたが、この金属層２４を有しないパワーモジュールにおいても適用可能である。
また、前記実施形態では、断熱部材１８を液冷ヒートシンク１１の表面に接合したが、これに代えて、例えば、液冷ヒートシンク１１の表面側に埋め込むようにしてもよい。さらに、この断熱部材１８を設けなくてもよい。さらにまた、前記実施形態では、複数のパワーモジュール２０を、液冷ヒートシンク１１の表面に前記一定の方向Ｔに並べて設けたが、これに代えて、例えば、液冷ヒートシンク１１の表面にパワーモジュール２０が１つ設けられた構成においても適用可能である。

パワーモジュールを均一に冷却することができる。

この発明の一実施形態に係るパワーモジュールの冷却構造体として示した概略断面図である。

符号の説明

１０パワーモジュールの冷却構造体
１１液冷ヒートシンク
１１ａ水路
１２冷却室
１３第１冷媒供給手段
１４第１流路
１５第２冷媒供給手段
１６第２流路
１８断熱部材
２０パワーモジュール
２１セラミックス板
２２回路層
２３半導体チップ
Ｔ一定の方向

Claims

セラミックス板の表面に回路層がろう付けされるとともに、この回路層の表面に半導体チップがはんだ接合されたパワーモジュールを冷却するパワーモジュールの冷却構造体であって、
前記セラミックス板の裏面側に設けられた液冷ヒートシンクと、この液冷ヒートシンクとの間で前記パワーモジュールを液密に囲繞する冷却室とを備え、
前記液冷ヒートシンクには、その内部に形成された水路に第１冷媒を供給する第１冷媒供給手段を備える第１流路が連結されるとともに、前記冷却室には、その内部に電気絶縁性を有する第２冷媒を供給する第２冷媒供給手段を備える第２流路が連結されて、これらの両流路が互いに独立した別系統となっており、
前記パワーモジュールは、前記液冷ヒートシンクの表面に一定の方向に複数並べられて設けられ、
前記液冷ヒートシンクの水路内を第１冷媒が流れる向きと、前記冷却室内を第２冷媒が流れる向きとは、前記一定の方向において互いに逆になっていることを特徴とするパワーモジュールの冷却構造体。
請求項１記載のパワーモジュールの冷却構造体であって、
前記液冷ヒートシンクの水路と前記冷却室との間において前記一定の方向の両端部にそれぞれ、断熱部材が設けられていることを特徴とするパワーモジュールの冷却構造体。