JP5729261B2 - パワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を収めた平板型の複数の半導体パッケージと冷却器が一体となったパワーモジュールに関する。

インバータや電圧コンバータで用いられるＩＧＢＴや還流ダイオードなどの半導体素子は、発熱量が大きい。それらの素子は、パワー半導体素子、あるいは単にパワー素子などと呼ばれることがある。発熱量は、流れる電流の大きさに依存する。従って、大きな出力トルクが要求される車輪駆動用のモータ（ハイブリッド車を含む電気自動車用の走行用モータ）に電力を供給するインバータや電圧コンバータは、発熱量の大きいパワー素子を多数用いる。他方、車両搭載機器にはコンパクト性も求められる。そこで、電気自動車用に、多数のパワー素子を冷却器と一体化したパワーモジュールが提案されている。

例えば、特許文献１〜特許文献４には、発熱量の大きい半導体素子（パワー素子）を平板型の筐体（半導体パッケージ）に収め、複数の半導体パッケージと平板型の冷却プレートを交互に積層したパワーモジュールが提案されている。そのパワーモジュールは、半導体パッケージを両面から冷却することで、コンパクトで高い冷却能力を確保している。

特開２００５−３３２８６４号公報 特開２０１０−２００４７８号公報 特開２０１１−１６５９２２号公報 特開２００５−３１１０４６号公報

上記のパワーモジュールは、次の構造を有する。即ち、冷却プレートには、半導体パッケージの当接領域の両側に貫通孔が形成されているとともに、その内部に一方の貫通孔から他方の貫通孔へと冷媒が通る流路が形成されている。隣接する冷却プレートの貫通孔同士が接続されている。また、冷却プレートと半導体パッケージの積層体の一方の端に位置する冷却プレート（最外冷却プレート）の２つの貫通孔の夫々に、冷媒を供給する供給管と冷媒を排出する排出管が接続されている。以下、隣り合う冷却プレートの貫通孔同士を接続する部分を接続管と称する。供給管から最外冷却プレートへと流入した冷媒は、最外冷却プレート内へ向かう流れと、接続管を通じて下流の冷却プレートへと向かう流れに分かれる。次の冷却プレート内でも同様に分流し、順次下流の冷却プレートへと冷媒が流れる。冷媒は、複数の冷却プレートを平行に流れ、他方の貫通孔と接続管を通じて合流し、最終的に排出管から出ていく。

コンパクト性を高めるためには、冷却プレートの面積を小さくするのがよい。しかしながら、半導体パッケージの大きさは決まっているから、半導体パッケージの当接領域は小さくできない。冷却プレートのうち、当接領域を除く部分、即ち、貫通孔の断面積を小さくすれば、冷却プレートの面積を小さくすることができ、その結果、パワーモジュール全体のサイズを小さくすることができる。他方、上記したように、冷却プレートは積層されており、冷媒は接続管を通じて最外冷却プレートから順次に下流側の冷却プレートへ分流しながら流れていく。ここで、接続管の面積が狭いと冷媒供給管から下流側の冷却プレートには冷媒が流れ難くなる。本明細書は、冷却プレートと半導体パッケージを交互に積層したパワーモジュールにおいて、冷媒の流れを向上する技術を提供する。

前述したように、冷媒の供給管と排出管は、最外冷却プレート（冷却プレートと半導体パッケージの積層体の一方の端に位置する冷却プレート）に接続している。そして、最外冷却プレートの外側には半導体パッケージは配置されない。即ち、供給管と排出管の間には半導体パッケージが配置されない。そのため、最外冷却プレートでは、供給管と排出管の間に空間があり、供給管と排出管の断面積を大きくする余地がある。本明細書が開示する新規なパワーモジュールは、供給管と排出管の間の空間を利用し、供給管と排出管（少なくともその一方）と冷却プレートとの接続部の流路断面積を、接続管の流路断面積よりも大きくする。そのような構成によって、冷媒を積層体に流入し易くする。特に、供給管あるいは排出管と最外冷却プレートとの接続部分は、冷媒の分流／合流地点として最も流量が多い箇所であるから、そのような箇所にて冷媒を流れ易くすることによって（別言すれば流路抵抗を低減することによって）、供給管から遠い側（下流側）の冷却プレートへも冷媒がよく流れるようになる。

供給管（あるいは排出管）と最外冷却プレートとの接続部の流路断面積を大きくすると、最外冷却プレート内部を流れる冷媒の流量が他の冷却プレートにおける冷媒流量よりも大きくなり、最外冷却プレート以外の下流の冷却プレートでは、期待したほど冷媒流量が増えない可能性がある。そこで、より好ましくは、最外冷却プレートの流路抵抗を他の冷却プレートの流路抵抗よりも大きくするのがよい。最外冷却プレートの流路抵抗を大きくする構造の好適な一例は、供給管（あるいは排出管）を冷却プレートの内部まで押し込み、供給管（あるいは排出管）の端部によって冷却プレート内部の流路を狭めることである。供給管（あるいは排出管）の端部を使って流路を狭める構造は、冷却プレートに特別な構造的変更を加えることなく実現できる。また、最外冷却プレートの流路抵抗を大きくする構造の別の一例は、最外冷却プレートの内部の流路の最小断面積を、他の冷却プレートの内部の最小断面積よりも小さくすることである。例えば、流路内に突起や遮蔽板を設けることで、その流路の最小断面積を他の流路よりも小さくすることができる。

本明細書が開示する冷却器が一体となった積層型のパワーモジュールの詳細、及び、さらなる改良については発明の実施の形態において説明する。

パワーモジュールの模式的斜視図である。 １個の冷却プレートの斜視図である。 図１のIII−III方向から見たときのパワーモジュールの断面図である。 端部冷却プレートの断面図である。 変形例のパワーモジュールの断面図である。

図１に、パワーモジュール１００の模式的斜視図を示す。パワーモジュール１００は、電気自動車のモータに交流電力を供給するインバータの一部である。パワーモジュール１００は、インバータの電子回路のうち、特に発熱の大きな素子、具体的には交流を発生するスイッチング素子（例えばＩＧＢＴなど）を集積したものである。パワーモジュール１００は、ＩＧＢＴなどの半導体素子を封止した複数のパッケージ（半導体パッケージ３）と冷却プレート２を積層した構造を有している。別言すれば、パワーモジュール１００は、複数の冷却プレート２が平行に配置され、隣接する冷却プレート２の間に、半導体パッケージ３が挟まれた構造を有している。本実施例のパワーモジュール１００では、隣接する冷却プレート２の間に、２個の半導体パッケージ３が挟まれる。なお、半導体パッケージ３と冷却プレート２の間には、絶縁シート４が挿入される。また、図示を省略しているが、各半導体パッケージ３からは電極が伸びており、他の回路と接続される。説明の都合上、冷媒の供給管８と排出管７（後述）が接続される冷却プレートを符号２ａで表し、冷却プレート２ａに近い方から遠い方へ向かって符号２ｂ〜２ｇを付す。特定の冷却プレートを指定しない場合は、「冷却プレート２」と表記する。

図２に冷却プレート２単体の斜視図を示す。冷却プレート２の長手方向（図中のＸ方向）の両端には貫通孔１２ａ、１２ｂが設けられている。冷却プレート２の内部は空洞であり、一方の貫通孔１２ａから流入した冷媒が空洞を通り、他方の貫通孔１２ｂから出ていく。冷却プレート２の内部空間が流路に相当する。流路を冷媒が流れ、冷却プレート２に接する半導体パッケージ３を冷却する。冷却プレート２の中央には、絶縁シート４を介して半導体パッケージ３が当接する当接領域１２ｃが定められている。貫通孔１２ａ、１２ｂは当接領域１２ｃの両側に位置する。図１に示すように、複数の冷却プレート２は平行に配置され、隣接する冷却プレート２の貫通孔同士が接続管５で接続される。但し、積層体の端に位置する冷却プレート（最外冷却プレート２ａ）の貫通孔の外側開口（積層体の端面に位置する開口）には、冷媒を供給する供給管８と冷媒を排出する排出管７が接続される。また、他方の最外冷却プレート（図１の冷却プレート２ｇ）の貫通孔の外側開口は塞がれる。全ての冷却プレート２の内部空間（流路）は接続管５によって相互に連通している。供給管８から供給される冷媒は、一方の貫通孔と接続管を通じて各冷却プレート内部に流入し、冷却プレート２の内部を横断し、他方の貫通孔と接続管を通じて排出管７へ至る。なお、冷媒は液体であり、例えばＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。

図３に、図１のIII−III線に沿った断面図（図中のＸＹ平面での断面図）を示す。また、図４に、最外冷却プレート２ａの断面図を示す。図３に示すように、供給管８（排出管７）と最外冷却プレート２ａとの接続部の断面積Ｓ１（流路断面積Ｓ１）は、貫通孔同士を接続する接続管５の断面積Ｓ２（流路断面積）よりも大きい。従って、冷媒は最外冷却プレート２ａに流れ込み易くなっている。別言すれば、供給管８から最外冷却プレート２ａへの冷媒流量が大きい。そのため、全ての冷却プレート２に冷媒が良く行きわたる。特に、供給管８の端部８ａは、冷媒が接続管５へ向かう流れと流路１２ｆへ向かう流れに分かれる分流点となるため、流路抵抗が大きい。パワーモジュール１００では、最外冷却プレート２ａにおける分流点の直前の流路断面積Ｓ１を大きくして冷媒を流れ易くしているので、流路抵抗が小さくなり多くの冷媒がスムーズに流れることができる。

流路断面積Ｓ１が流路断面積Ｓ２よりも大きいということは、別言すると、最外冷却プレート２ａの貫通孔において、供給管８と接続する側の開口１２ｄの断面積Ｓ１が、接続管５と接続する側の開口１２ｅの断面積Ｓ２よりも大きい、ということである（図４参照）。

パワーモジュール１００では、複数の冷却プレート２と複数の半導体パッケージ３の積層体における冷媒の入り口（供給管８と最外冷却プレート２ａとの接続部）での流量が大きいので、下流の冷却プレート（図３において最外冷却プレート２ａよりも下側の冷却プレート２ｂ〜２ｇ）へも冷媒が良く流れる。

供給管８は、図３に示すように、その先端８ａが最外冷却プレート２ａの内部に入り込んでおり、流路１２ｆの幅を狭めている。具体的には、供給管８の先端８ａと流路内壁との間の幅ｄ１は、流路１２ｆの幅ｄ２の約１／２である。他方、他の冷却プレート２ｂ〜２ｇでは、接続管５の端部は冷却プレート２の開口部で止まっている。従って、最外冷却プレート２ａの流路抵抗は、他の冷却プレート２ｂ〜２ｇの流路抵抗よりも大きい。そのため、供給管８から冷媒が流れ込むが、その大部分が最外冷却プレート２ａに流れ込むことを防ぐことができる。即ち、供給管８から流入する冷媒の多くは、最外冷却プレート２ａ以外の冷却プレート２ｂ〜２ｇへと流れる。最外冷却プレート２ａの流路抵抗が他の冷却プレート２ｂ〜２ｇの流路抵抗よりも大きいという構造も、下流の冷却プレート２ｂ〜２ｇへ冷媒が良く流れることに寄与する。なお、幅ｄ１は、流路断面積Ｓ１や冷却プレートの数などの設計により適宜に選定され得る。

実施例のパワーモジュール１００に関する留意点を述べる。図４に示すように、最外冷却プレート２ａにおいて、供給管８と排出管７が接続する２個の開口１２ｄの端から端までの長さＬ１は、反対側（接続管５に面する側）の２個の開口１２ｅの端から端までの長さＬ２と同じである。別言すれば、供給管８と排出管７が接続する２個の開口１２ｄは、供給管８と排出管７の間の空間へと広がることによって、その断面積Ｓ１が反対側の開口１２ｅの断面積Ｓ２よりも大きくなっている。供給管８と排出管７の間の空間には半導体パッケージ３が配置されないので、上記のとおり供給管８と排出管７を拡径して断面積Ｓ１を大きくすることが可能となる。上記の構造により、パワーモジュール１００の外形サイズを増大することなく、最外冷却プレート２ａの外側の開口１２ｄの断面積を大きくすることを実現している。即ち、この構造によって、パワーモジュール１００のサイズを増大することなく、全ての冷却プレート２へ冷媒を良く行き渡らせることを実現している。

実施例のパワーモジュール１００では、冷媒の供給管８と接続する開口と排出管７と接続する開口の双方の断面積Ｓ１が接続管５の断面積Ｓ２よりも大きい。冷媒の供給管８と接続する開口と排出管７と接続する開口のいずれか一方が接続管５の断面積Ｓ２よりも大きければ、断面積が等しい場合と比較して、下流の冷却プレートまで冷媒を良く行き渡らせる効果がある。なお、排出管側の開口断面積が大きいと、冷媒がスムーズに排出されるから、その結果として上流側（即ち供給管と最外冷却プレート２ａとの接続部）も流れがスムーズとなる。

接続管５は、冷却プレート２と別部材でなく、冷却プレート２と一体で成形されるものであってもよい。例えば、冷却プレート２が筐体を構成する２枚の外板で構成され、その外板に、貫通孔の開口の周縁が突き出ている接続部が形成されていてもよい。そのような接続部付きの外板は、プレス加工で容易に形成することが可能である。

図５に、変形例のパワーモジュール２００の断面図を示す。この例では、供給管８は、最外冷却プレート２ａの内部には入り込んでいない。その代わり、最外冷却プレート２ａの内部の流路１２ｆ内に、突起１９が設けられている。突起１９は、流路１２ｆの横手方向（図５のＺ方向）に伸びており、流路１２ｆの横手方向全体に亘って、流路１２ｆを狭めている。図５に示すように、最外冷却プレート２ａ内部の流路の最小幅（最小断面積）はｄ１である。また、最外冷却プレート２ａに隣接する冷却プレート２ｂの流路の最小幅（最小断面積）はｄ２であり、ｄ１＜ｄ２である。即ち、最外冷却プレート２ａの流路の最小断面積は隣接する冷却プレート２ｂの流路の最終断面積よりも小さい。流路の断面積が小さければ流路抵抗は大きくなる。従って、図５のパワーモジュール２００も、最外冷却プレート２ａを流れる冷媒の量を抑え、冷媒が下流側に多く流れるようにすることができる。

図示を省略したが、冷却効果を高めるため、各冷却プレート内の流路には、その長手方向（図中のＸ方向）に伸びる複数のフィンを備えることも好適である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：冷却プレート
２ａ：最外冷却プレート
３：半導体パッケージ
４：絶縁シート
５：接続管
７：冷媒排出管
８：冷媒供給管
１２ａ、１２ｂ：貫通孔

Claims (4)

1. 複数の平板型の冷却プレートと、半導体素子を収めた平板型の複数の半導体パッケージを交互に積層したパワーモジュールであり、
   冷却プレートの半導体パッケージ当接領域の両側に貫通孔が形成されているとともに、冷却プレートの内部に一方の貫通孔から他方の貫通孔へと冷媒が通る流路が形成されており、
   隣接する冷却プレートの貫通孔同士が接続されており、
   複数の冷却プレートと複数の半導体パッケージの積層体の一方の端に位置する冷却プレートの２つの貫通孔の夫々に、冷媒を供給する供給管と冷媒を排出する排出管が接続されており、
   供給管と排出管の少なくとも一方と冷却プレートとの接続部の流路断面積が、貫通孔同士を接続する接続管の流路断面積よりも大きいことを特徴とするパワーモジュール。
2. 供給管と排出管が接続された積層体端部に位置する冷却プレートの内部の流路の抵抗が、他の冷却プレートの内部の流路の抵抗よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 供給管と排出管が接続された積層体端部に位置する冷却プレートの内部の流路の最小断面積が、他の冷却プレートの内部の流路の最小断面積よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 供給管と排出管の少なくとも一方の端部が冷却プレートの内部に延設されており、前記端部が冷却プレート内部の流路を狭めていることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール。

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