JP5163160B2 - Semiconductor cooling structure - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールの両面に冷却管を配置した半導体冷却構造に関する。 The present invention relates to a semiconductor cooling structure in which cooling pipes are arranged on both sides of a semiconductor module incorporating a semiconductor element.
半導体素子を内蔵した半導体モジュールを一対の冷却管の間に複数個並列配置した半導体冷却構造がある(特許文献1)。この半導体冷却構造においては、複数の冷却管を積層配置すると共に、隣り合う冷却管の間に半導体モジュールを2個ずつ並列配置している。また、積層配置された冷却管と半導体モジュールとは、積層方向の両端に配置される一対の押圧板によって積層方向に押圧されることにより、互いに加圧された状態で密着するよう構成されている。 There is a semiconductor cooling structure in which a plurality of semiconductor modules incorporating semiconductor elements are arranged in parallel between a pair of cooling pipes (Patent Document 1). In this semiconductor cooling structure, a plurality of cooling tubes are stacked and two semiconductor modules are arranged in parallel between adjacent cooling tubes. Further, the cooling pipe and the semiconductor module arranged in a stacked manner are configured to be in close contact with each other by being pressed in the stacking direction by being pressed in the stacking direction by a pair of pressing plates disposed at both ends in the stacking direction. .
しかしながら、上記の構成では、隣り合う一対の冷却管の間に並列配置された複数の半導体モジュールの間に厚みの差が生じている場合、これらの半導体モジュールのすべてに対して同じような加圧力にて冷却管を密着させることが困難となる。
その結果、半導体モジュールと冷却管との間の熱抵抗にばらつきが生じ、複数の半導体モジュールを充分に冷却することが困難となるおそれがある。
However, in the above configuration, when there is a difference in thickness between a plurality of semiconductor modules arranged in parallel between a pair of adjacent cooling pipes, the same pressure is applied to all of these semiconductor modules. It becomes difficult to make the cooling pipes closely contact with each other.
As a result, the thermal resistance between the semiconductor module and the cooling pipe varies, and it may be difficult to sufficiently cool the plurality of semiconductor modules.
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熱抵抗のばらつきを抑制した冷却効率に優れた半導体冷却構造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 structure excellent in cooling efficiency in which variation in thermal resistance between a semiconductor module and a cooling pipe is suppressed.
本発明は、冷却媒体を内部に流通させる一対の冷却管の間に、半導体素子を内蔵した半導体モジュールを複数個、互いの間に間隙部を設けながら並列配置してなる半導体冷却構造であって、
上記一対の冷却管を上記半導体モジュールに押圧するための挟圧手段が、各上記半導体モジュールごとに個別に配設してあり、
上記挟圧手段は、上記冷却管における上記半導体モジュールと反対側の面に配された一対の押圧板を、上記半導体モジュールの並列方向における両端の外側において互いに近付ける方向に加圧することにより構成してあり、
上記一対の冷却管のうちの少なくとも一方は、隣り合う上記半導体モジュールの間の上記間隙部に対向する部分に、上記挟圧手段の加圧力によって変形可能な可変形部を設けてなることを特徴とする半導体冷却構造にある(請求項1)。
The present invention relates to a semiconductor cooling structure in which a plurality of semiconductor modules each including a semiconductor element are arranged in parallel between a pair of cooling pipes through which a cooling medium flows, while providing a gap portion between them. ,
The clamping means for pressing the pair of cooling pipes against the semiconductor module is individually arranged for each of the semiconductor modules,
The clamping means is configured by pressurizing a pair of pressing plates disposed on a surface of the cooling pipe opposite to the semiconductor module in a direction approaching each other outside both ends in the parallel direction of the semiconductor module. Yes,
At least one of the pair of cooling pipes is provided with a deformable portion that can be deformed by the pressing force of the clamping means at a portion facing the gap between the adjacent semiconductor modules. The semiconductor cooling structure is as follows.
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、上記挟圧手段が、各上記半導体モジュールごとに個別に配設してある。そして、一対の冷却管のうちの少なくとも一方は、隣り合う上記半導体モジュールの間の上記間隙部に対向する部分に、上記可変形部を設けてなる。これにより、一対の冷却管の間に配置された複数の半導体モジュールが互いの厚みに差を生じていても、これらの半導体モジュールに対して同等の加圧力にて冷却管を密着させることができる。
Next, the effects of the present invention will be described.
In the semiconductor cooling structure, the clamping means is individually arranged for each semiconductor module. At least one of the pair of cooling pipes is provided with the deformable portion in a portion facing the gap portion between the adjacent semiconductor modules. Thereby, even if the several semiconductor module arrange | positioned between a pair of cooling pipes has produced the difference in each other's thickness, a cooling pipe can be closely_contact | adhered with equivalent pressurization with respect to these semiconductor modules. .
すなわち、上記冷却管が上記可変形部を設けていることによって、可変形部の両側の部分は、互いに拘束されることなく各半導体モジュール側へ個別に移動することが可能となる。そして、各半導体モジュールに対応して設けられた個々の上記挟圧手段によって、冷却管における各半導体モジュールに対向配置された部分を、個別に半導体モジュールに向かって押圧することができる。その結果、冷却管における各半導体モジュールに対向する部分は、半導体モジュールの厚みに差が生じていても、それぞれの半導体モジュールに対して充分な押圧力にて密着させ、半導体モジュールと冷却管との間の熱抵抗を充分に低減することができる。
それゆえ、半導体モジュールに厚みばらつきが生じていても、半導体モジュールごとに冷却ばらつきが生じることを抑制し、冷却効率を向上させることができる。
That is, since the cooling pipe is provided with the deformable portion, the portions on both sides of the deformable portion can be moved individually to the respective semiconductor modules without being constrained to each other. Then, the individual clamping means provided corresponding to each semiconductor module can individually press the portion of the cooling pipe that is disposed facing each semiconductor module toward the semiconductor module. As a result, even if there is a difference in the thickness of the semiconductor module, the portion of the cooling pipe that faces each semiconductor module is brought into close contact with each semiconductor module with sufficient pressing force. The thermal resistance between them can be sufficiently reduced.
Therefore, even if thickness variation occurs in the semiconductor module, it is possible to suppress the cooling variation for each semiconductor module and improve the cooling efficiency.
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熱抵抗のばらつきを抑制した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。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor cooling structure with excellent cooling efficiency in which variation in thermal resistance between the semiconductor module and the cooling pipe is suppressed.
本発明において、上記半導体モジュールは、上記半導体素子を1個内蔵していてもよいし、複数個内蔵していてもよい。
また、上記半導体冷却構造は、たとえば、インバータ等の電力変換装置の一部を構成する構造とすることができる。
また、上記可変形部は、上記一対の冷却管の一方のみに形成されていてもよく、双方に形成されていてもよい。
In the present invention, the semiconductor module may contain one semiconductor element or a plurality of semiconductor elements.
Moreover, the said semiconductor cooling structure can be made into the structure which comprises some power converters, such as an inverter, for example.
Further, the deformable portion may be formed on only one of the pair of cooling pipes or on both.
また、上記可変形部は、塑性変形可能に構成されていることが好ましい(請求項2)。
この場合には、上記挟圧部材の加圧力によって、冷却管を充分に半導体モジュールへ押圧することができる。すなわち、上記可変形部が弾性変形する場合には、上記挟圧部材の加圧力に対する反力が作用する。それゆえ、冷却管と半導体モジュールとの間の加圧力を充分に確保するためには、その反力を考慮して挟圧部材の加圧力を大きくする必要がある。これに対して、上記可変形部が塑性変形可能であれば、上記挟圧部材の加圧力は比較的小さくしても、充分に冷却管と半導体モジュールとの間の押圧力を確保することができる。
Moreover, it is preferable that the said deformable part is comprised so that plastic deformation is possible (Claim 2).
In this case, the cooling pipe can be sufficiently pressed against the semiconductor module by the pressing force of the pressing member. That is, when the deformable portion is elastically deformed, a reaction force against the applied pressure of the pressing member acts. Therefore, in order to sufficiently secure the applied pressure between the cooling pipe and the semiconductor module, it is necessary to increase the applied pressure of the clamping member in consideration of the reaction force. On the other hand, if the deformable portion can be plastically deformed, the pressing force between the cooling pipe and the semiconductor module can be sufficiently secured even if the pressing force of the clamping member is relatively small. it can.
また、上記冷却管は、上記半導体モジュールを密着配置させた部分における冷媒流路にインナーフィンを設け、上記可変形部における冷媒流路には上記インナーフィンを設けていないことが好ましい(請求項3)。
この場合には、冷却媒体の圧力損失を抑制しつつ、半導体モジュールの冷却効率を向上させることができる。また、上記インナーフィンが可変形部の変形を妨げることもない。
In the cooling pipe, it is preferable that an inner fin is provided in a refrigerant flow path in a portion where the semiconductor module is closely disposed, and the inner fin is not provided in the refrigerant flow path in the deformable portion. ).
In this case, the cooling efficiency of the semiconductor module can be improved while suppressing the pressure loss of the cooling medium. Further, the inner fin does not hinder the deformation of the deformable portion.
また、上記可変形部は、上記冷却管における他の部位よりも変形しやすい部位であることが好ましい(請求項4)。
この場合には、上記可変形部において局部的に、すなわち冷却管における隣り合う半導体モジュールの間の間隙部に対向する部分において局部的に冷却管を変形させやすくなる。それゆえ、その他の部位における余分な変形を防ぐことができる。
The deformable portion is preferably a portion that is more easily deformed than other portions of the cooling pipe.
In this case, it becomes easy to deform the cooling pipe locally in the deformable portion, that is, locally in a portion of the cooling pipe facing the gap between adjacent semiconductor modules. Therefore, excessive deformation in other parts can be prevented.
また、上記可変形部は、蛇腹形状を有していることが好ましい(請求項5)。
この場合には、上記可変形部を容易に変形しやすくすることができる。また、冷却管の内部を流れる冷却媒体が、上記可変形部の内側において、その流れに乱れを生じることとなる。その結果、冷却媒体が流れ方向に直交する方向に混合され、その下流側における冷媒流路内の温度分布を抑制することができ、半導体モジュールの冷却効率を向上させることができる。
The deformable portion preferably has a bellows shape.
In this case, the deformable portion can be easily deformed. Further, the cooling medium flowing inside the cooling pipe is disturbed in the flow inside the deformable portion. As a result, the cooling medium is mixed in a direction orthogonal to the flow direction, the temperature distribution in the refrigerant flow path on the downstream side can be suppressed, and the cooling efficiency of the semiconductor module can be improved.
(実施例1)
本発明の実施例に係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、冷却媒体を内部に流通させる一対の冷却管3の間に、半導体素子21を内蔵した半導体モジュール2を複数個、互いの間に間隙部11を設けながら並列配置してなる。
Example 1
A semiconductor cooling structure according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the
そして、図1に示すごとく、上記一対の冷却管21を半導体モジュール2に押圧するための挟圧手段4が、各半導体モジュール2ごとに個別に配設してある。なお、図2、図3においては、挟圧手段4の記載を省略してある。
一対の冷却管3のうちの少なくとも一方は、隣り合う半導体モジュール2の間の間隙部11に対向する部分に、挟圧手段4の加圧力によって変形可能な可変形部31を設けてなる。
As shown in FIG. 1, the clamping means 4 for pressing the pair of
At least one of the pair of
可変形部31は、塑性変形可能に構成されている。すなわち、冷却管3のうち少なくとも可変形部31は、塑性材料によって構成されている。
また、冷却管3は、図2、図3に示すごとく、半導体モジュール2を密着配置させた部分における冷媒流路にインナーフィン32を設けている。一方、可変形部31における冷媒流路にはインナーフィン32を設けていない。これにより、可変形部31は、冷却管3における他の部位よりも変形しやすい部位となる。
The
In addition, as shown in FIGS. 2 and 3, the
図3に示すごとく、冷却管3は、例えばアルミニウム等の熱伝導性の高い金属板を加工することによって形成された一対の外殻部33を重ね合わせることにより形成されている。そして、一対の外殻部33の内側に、同じく例えばアルミニウム等の熱伝導性の高い金属板を加工することによって波型に形成されたインナーフィン32が、部分的に配設されている。この波型のインナーフィン32は、一対の外殻部33の双方に対して内側から当接した状態で配設されている。これにより、冷却管3のうち、インナーフィン32を設けた部分の強度を向上させている。そして、上記のごとく、インナーフィン32は、可変形部31以外の部分に設けているため(図2参照)、可変形部31は、冷却管3における他の部位よりも変形しやすい部位となる。
As shown in FIG. 3, the
図1に示すごとく、挟圧手段4は、冷却管3における半導体モジュール2と反対側の面に配された一対の押圧板41と、一対の押圧板41をその端部において貫通する複数のスルーボルト42と、該スルーボルト42に螺合するナット43とからなる。そして、挟圧手段4は、スルーボルト42とナット43とによって、一対の押圧板41を互いに近づける方向に締め付けることによって、一対の冷却管3を半導体モジュール2に押圧させる。
As shown in FIG. 1, the clamping means 4 includes a pair of
このようにして、複数の半導体モジュール2に対してそれぞれ設けられた複数の挟圧手段4によって、それぞれの半導体モジュール2に冷却管3を押圧して密着させる。このとき、各半導体モジュール2への冷却管3の加圧力は、複数の半導体モジュール2において均等になるようにする。すなわち、上記複数の挟圧手段の加圧力を同等にする。
In this way, the cooling
なお、図3に示すごとく、半導体モジュール2は、半導体素子21と、該半導体素子21の両主面に半田22を介して接合された放熱板23とを樹脂によってモールドしてある。一対の放熱板23は、一対の電極端子24にそれぞれ電気的に接続されていると共に、半導体モジュール2の両主面に露出している。電極端子24は、半導体モジュール2における一方の端面から突出しており、その反対側の端面からは、半導体素子21を制御する制御回路に接続するための信号端子25が突出している。
As shown in FIG. 3, in the
半導体モジュール2と冷却管3との間には、熱伝導性に優れた絶縁材12が介在している。すなわち、半導体モジュール2の主面には、電極端子24に電気的に接続された放熱板23が露出しているため、この放熱板23と冷却管3との間の電気的絶縁を確保すべく、上記絶縁材12が介設されている。
Between the
また、図1に示すごとく、一対の冷却管3は、長手方向の両端部において、互いの冷媒流路を連結する連結管34によって互いに連結されている。そして、一方の冷却管3における長手方向の両端部には、冷却媒体を導入する冷媒導入管351と、冷却媒体を排出する冷媒排出管352とがそれぞれ配設されている。連結管34は、例えば蛇腹パイプ状とするなど、一対の冷却管3の積層方向に伸縮可能に構成されている。
Moreover, as shown in FIG. 1, a pair of
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、挟圧手段4が、各半導体モジュール2ごとに個別に配設してある。そして、一対の冷却管3のうちの少なくとも一方は、隣り合う半導体モジュール2の間の間隙部11に対向する部分に、可変形部31を設けてなる。これにより、一対の冷却管3の間に配置された複数の半導体モジュール2が互いの厚みに差を生じていても、これらの半導体モジュール2に対して同等の加圧力にて冷却管3を密着させることができる。
Next, the function and effect of this example will be described.
In the
すなわち、冷却管3が可変形部31を設けていることによって、可変形部31の両側の部分は、互いに拘束されることなく各半導体モジュール2側へ個別に移動することが可能となる。そして、各半導体モジュール2に対応して設けられた個々の挟圧手段4によって、冷却管3における各半導体モジュール2に対向配置された部分を、個別に半導体モジュール2に向かって押圧することができる。その結果、冷却管3における各半導体モジュール2に対向する部分は、半導体モジュール2の厚みに差が生じていても、それぞれの半導体モジュール2に対して充分な押圧力にて密着させ、半導体モジュール2と冷却管3との間の熱抵抗を充分に低減することができる。
それゆえ、半導体モジュール2に厚みばらつきが生じていても、半導体モジュール2ごとに冷却ばらつきが生じることを抑制し、冷却効率を向上させることができる。
That is, since the
Therefore, even if thickness variation occurs in the
また、可変形部31は、塑性変形可能に構成されているため、挟圧部材4の加圧力によって、冷却管3を充分に半導体モジュール2へ押圧することができる。すなわち、可変形部31が弾性変形する場合には、挟圧部材4の加圧力に対する反力が作用する。それゆえ、冷却管31と半導体モジュール2との間の加圧力を充分に確保するためには、その反力を考慮して挟圧部材4の加圧力を大きくする必要がある。これに対して、可変形部31が塑性変形可能であれば、挟圧部材4の加圧力は比較的小さくしても、充分に冷却管3と半導体モジュール2との間の押圧力を確保することができる。
In addition, since the
また、冷却管3は、半導体モジュール2を密着配置させた部分における冷媒流路にインナーフィン32を設け、可変形部31における冷媒流路にはインナーフィン32を設けていない。これにより、冷却媒体の圧力損失を抑制しつつ、半導体モジュール2の冷却効率を向上させることができる。また、インナーフィン32が可変形部31の変形を妨げることもない。
In the
また、可変形部31は、冷却管3における他の部位よりも変形しやすいため、可変形部31において局部的に、すなわち冷却管3における隣り合う半導体モジュール2の間の間隙部11に対向する部分において局部的に冷却管3を変形させやすくなる。それゆえ、その他の部位における余分な変形を防ぐことができる。
Further, since the
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熱抵抗のばらつきを抑制した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。 As described above, according to this example, it is possible to provide a semiconductor cooling structure excellent in cooling efficiency in which variation in thermal resistance between the semiconductor module and the cooling pipe is suppressed.
(実施例2)
本例は、図4に示すごとく、可変形部31を蛇腹形状とした例である。
すなわち、冷却管3における可変形部31となる部分において、外殻管33(図3参照)を波型に形成してある。
その他は、実施例1と同様である。
(Example 2)
In this example, as shown in FIG. 4, the
That is, the outer shell tube 33 (see FIG. 3) is formed in a corrugated shape at the portion of the
Others are the same as in the first embodiment.
本例の場合には、可変形部31を容易に変形しやすくすることができる。また、冷却管3の内部を流れる冷却媒体が、可変形部31の内側において、その流れに乱れを生じることとなる。その結果、冷却媒体が流れ方向に直交する方向に混合され、その下流側における冷媒流路内の温度分布を抑制することができ、半導体モジュール2の冷却効率を向上させることができる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
In the case of this example, the
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.
(実施例3)
本例は、図5に示すごとく、バネ部材44を有する挟圧手段4を用いた半導体冷却構造1の例である。
すなわち、各挟圧手段4の一対の押圧板41における半導体モジュール2側とは反対側の面に、バネ部材44を配置すると共に、該バネ部材44を、押圧板41との間に挟み込む支承板45を配設する。そして、この支承板45と一対の押圧板41とを貫通するように、スルーボルト42が設けられ、ナット43に螺合している。
(Example 3)
This example is an example of the
In other words, the
具体的には、支承板45、バネ部材44、押圧板41、冷却管3、半導体モジュール2、冷却管3、押圧板41の順で積層された状態とし、これらの積層方向の両端に配される支承板45と押圧板41とを、複数のスルーボルト42及びナット43によって挟み込んでいる。
上記バネ部材44は、板バネからなり、上記積層方向に広がる方向の付勢力を付与された状態で、支承板45と押圧板41との間に介設されている。
その他は、実施例1と同様である。
Specifically, the
The
Others are the same as in the first embodiment.
本例の場合には、上記バネ部材44の付勢力によって、冷却管3を半導体モジュール2に押圧することができる。それゆえ、冷却管3と半導体モジュール2との間の加圧力を調整しやすく、複数の半導体モジュール2に対する冷却管3の加圧力のばらつきを、一層低減することができ、熱抵抗のばらつきを一層抑制することができる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
In the case of this example, the
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.
上記各実施例においては、一対の冷却管3の間に3個の半導体モジュール2を配置した例を示したが、一対の冷却管3の間に配置する半導体モジュール2は、2個であってもよいし、4個以上であってもよい。
なお、上記可変形部31は、一対の冷却管3の一方のみに形成されていてもよく、双方に形成されていてもよい。
また、可変形部31は、構造的に他の部位よりも変形しやすくすることができる他、例えば、他の部位よりも板厚を薄くしたり、他の部位よりも変形しやすい材料を用いたりすることにより、変形しやすくすることもできる。
In each of the above-described embodiments, an example in which three
The
Further, the
1 半導体冷却構造
11 間隙部
2 半導体モジュール
21 半導体素子
3 冷却管
31 可変形部
4 挟圧手段
DESCRIPTION OF
Claims (5)
上記一対の冷却管を上記半導体モジュールに押圧するための挟圧手段が、各上記半導体モジュールごとに個別に配設してあり、
上記挟圧手段は、上記冷却管における上記半導体モジュールと反対側の面に配された一対の押圧板を、上記半導体モジュールの並列方向における両端の外側において互いに近付ける方向に加圧することにより構成してあり、
上記一対の冷却管のうちの少なくとも一方は、隣り合う上記半導体モジュールの間の上記間隙部に対向する部分に、上記挟圧手段の加圧力によって変形可能な可変形部を設けてなることを特徴とする半導体冷却構造。 A semiconductor cooling structure in which a plurality of semiconductor modules containing semiconductor elements are arranged in parallel between a pair of cooling pipes that circulate a cooling medium therein, while providing a gap portion between them.
The clamping means for pressing the pair of cooling pipes against the semiconductor module is individually arranged for each of the semiconductor modules,
The clamping means is configured by pressurizing a pair of pressing plates disposed on a surface of the cooling pipe opposite to the semiconductor module in a direction approaching each other outside both ends in the parallel direction of the semiconductor module. Yes,
At least one of the pair of cooling pipes is provided with a deformable portion that can be deformed by the pressing force of the clamping means at a portion facing the gap between the adjacent semiconductor modules. Semiconductor cooling structure.
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