JP6139342B2 - Laminated unit - Google Patents
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Description
本明細書に開示の技術は、半導体カードと冷却プレートが絶縁板を挟んで積層されているとともに積層方向に荷重を受ける積層ユニットに関する。 The technology disclosed in this specification relates to a stacked unit in which a semiconductor card and a cooling plate are stacked with an insulating plate interposed therebetween and receives a load in the stacking direction.
ハイブリッドカーや電気自動車では、走行用モータに供給する電力を調整する為に、インバータや電圧コンバータが用いられる。走行用モータは出力が大きいため、上記のインバータ等に用いられるIGBT等のパワー半導体素子は発熱量が大きい。特許文献1には、パワー半導体素子を平板型の樹脂のモールド体に収めた半導体カードと、内部を冷媒が流れる冷却プレート(扁平チューブ)を交互に積層した積層ユニットが開示されている。その積層ユニットでは、半導体カードと冷却プレートを積層した積層体に対して積層方向に圧縮荷重が加えられる。これにより、半導体カードから冷却プレートへの熱伝達効率が向上する。 In hybrid cars and electric cars, inverters and voltage converters are used to adjust the power supplied to the driving motor. Since the traveling motor has a large output, a power semiconductor element such as an IGBT used in the above-described inverter or the like generates a large amount of heat. Patent Document 1 discloses a stacked unit in which a semiconductor card in which power semiconductor elements are housed in a flat resin mold and cooling plates (flat tubes) in which a coolant flows are alternately stacked. In the stacked unit, a compressive load is applied in the stacking direction to the stacked body in which the semiconductor card and the cooling plate are stacked. Thereby, the heat transfer efficiency from the semiconductor card to the cooling plate is improved.
半導体カードと冷却プレートを交互に積層した積層ユニットでは、半導体カードと冷却プレートの間の絶縁を確保するため、半導体カードと冷却プレートの間に絶縁板を挟む場合がある。絶縁板の材料としては、絶縁性が高いセラミクスが用いられることがある。伝熱性を確保するため、通常、このようなセラミクス製の絶縁板の板厚は薄くされる。一方、半導体カードと冷却プレートを積層した積層体に圧縮荷重が加えられると、冷却プレートが撓むことがある。この場合、半導体カードと冷却プレートとの間に挟まれている絶縁板が曲げられる。ここで、絶縁板を形成するセラミクスは柔軟性に乏しい。このため、絶縁板が破損する虞がある。 In a stacked unit in which a semiconductor card and a cooling plate are alternately stacked, an insulating plate may be sandwiched between the semiconductor card and the cooling plate in order to ensure insulation between the semiconductor card and the cooling plate. As a material for the insulating plate, ceramics having high insulating properties may be used. In order to ensure heat transfer, the thickness of such ceramic insulating plates is usually reduced. On the other hand, when a compressive load is applied to the stacked body in which the semiconductor card and the cooling plate are stacked, the cooling plate may be bent. In this case, the insulating plate sandwiched between the semiconductor card and the cooling plate is bent. Here, the ceramic forming the insulating plate is poor in flexibility. For this reason, there exists a possibility that an insulating board may be damaged.
本特許出願の出願人は、上記課題を解決するための技術を、特開2013−115137号公報において開示した。この技術では、冷却プレートの表面に窪みが設けられている。窪みが設けられることによって、冷却プレートの剛性が向上する。特許文献1の技術では、冷却プレートの剛性を高めて冷却プレートの撓みを抑制することで、冷却プレートに接している絶縁板の撓みも抑制し、破損し難くする。ここで、窪みの近傍では冷却プレートの剛性が高くなるが、窪みから離れるほど剛性が低くなる。絶縁板は冷却プレートと半導体カードに挟まれるが、剛性が低い箇所で絶縁板が冷却プレートと半導体カードの縁に挟まれると、半導体カードの縁で絶縁板が大きく曲げ変形する虞がある。本明細書は、そのような箇所での絶縁板の曲げ変形を抑制し、絶縁板を破損し難くする技術を提供する。 The applicant of this patent application has disclosed a technique for solving the above problems in Japanese Patent Laid-Open No. 2013-115137. In this technique, a depression is provided on the surface of the cooling plate. By providing the depression, the rigidity of the cooling plate is improved. In the technique of Patent Document 1, by suppressing the bending of the cooling plate by increasing the rigidity of the cooling plate, the bending of the insulating plate that is in contact with the cooling plate is also suppressed and is not easily damaged. Here, the rigidity of the cooling plate increases in the vicinity of the recess, but the rigidity decreases as the distance from the recess increases. The insulating plate is sandwiched between the cooling plate and the semiconductor card. However, if the insulating plate is sandwiched between the cooling plate and the edge of the semiconductor card at a low rigidity, the insulating plate may be greatly bent and deformed at the edge of the semiconductor card. The present specification provides a technique for suppressing the bending deformation of the insulating plate at such a location and making the insulating plate difficult to break.
本明細書は、半導体カードと冷却プレートが絶縁板を挟んで積層されているとともに積層方向に荷重を受ける積層ユニットを開示する。その積層ユニットは、半導体カードと冷却プレートとの間に配置されている絶縁板が、半導体カードの縁で小さな曲率半径で曲がることにより破損することを抑制する。冷却プレートには、絶縁板が配置されている側の面であって積層方向からみたときに半導体カードと絶縁板の接触範囲の外側に窪みが設けられている。絶縁板は、積層方向からみたときに接触範囲から窪みの方向にはみ出した部分を有する。半導体カードは、絶縁板と対向する面の縁であってはみ出した部分と対向する縁が絶縁板から離れる方向に湾曲している。 This specification discloses a stacked unit in which a semiconductor card and a cooling plate are stacked with an insulating plate interposed therebetween and receives a load in the stacking direction. The stacked unit suppresses the insulating plate disposed between the semiconductor card and the cooling plate from being damaged by bending at the edge of the semiconductor card with a small radius of curvature. The cooling plate is provided with a recess on the outer surface of the contact area between the semiconductor card and the insulating plate when viewed from the stacking direction on the surface on which the insulating plate is disposed. The insulating plate has a portion protruding from the contact range in the direction of the depression when viewed from the stacking direction. The semiconductor card is curved in a direction in which the edge of the surface facing the insulating plate that faces the protruding portion is separated from the insulating plate.
上記の積層ユニットでは、冷却プレートに窪みが設けられているため冷却プレートの曲げ剛性が向上する。このため、圧縮荷重によって冷却プレートが撓むこと抑制される。ここで、冷却プレートの窪みの縁は、冷却プレートの他の部分と比較して剛性が高いため、窪みと半導体カードとで絶縁板を挟んでしまうと絶縁板に生じる圧縮応力が高くなり過ぎることがある。上記の積層ユニットでは、窪みは半導体カードと絶縁板の接触範囲の外側に設けられている。このため、絶縁板に加わる圧縮応力が高くなることが防止される。 In the above laminated unit, since the cooling plate is provided with the depression, the bending rigidity of the cooling plate is improved. For this reason, it is suppressed that a cooling plate bends with a compressive load. Here, since the edge of the recess of the cooling plate is higher in rigidity than other parts of the cooling plate, if the insulating plate is sandwiched between the recess and the semiconductor card, the compressive stress generated in the insulating plate becomes too high. There is. In the above-described laminated unit, the recess is provided outside the contact range between the semiconductor card and the insulating plate. For this reason, it is prevented that the compressive stress added to an insulating board becomes high.
絶縁板は、上記した接触範囲から窪みの方向にはみ出した部分を有する。このため、積層ユニットの組立時や使用時等に、半導体カードと冷却プレートとの相対位置がずれた場合にも、半導体カードと冷却プレートとの間の絶縁を維持できる。 The insulating plate has a portion that protrudes from the contact range in the direction of the depression. For this reason, insulation between the semiconductor card and the cooling plate can be maintained even when the relative position between the semiconductor card and the cooling plate is shifted during assembly or use of the stacked unit.
冷却プレートに窪みを設けた場合には、通常、窪みが設けられていない部分の冷却プレートの剛性は、窪みが設けられている部分の剛性よりも相対的に小さくなる。半導体カードと絶縁板の接触範囲は、冷却プレート上において、窪みが設けられていない場所に位置している。このため、圧縮荷重が付加されると、上記接触範囲に位置する冷却プレートの表面が冷却プレートの内側に沈み込むことにより、冷却プレートが撓むことがある。絶縁板は、冷却プレートと半導体カードとの間に挟まれている。このため、冷却プレートが撓むと、絶縁板が半導体カードの縁の部分において曲げ変形する。 When the depression is provided in the cooling plate, the rigidity of the cooling plate in the portion where the depression is not provided is usually relatively smaller than the rigidity of the portion where the depression is provided. The contact range of the semiconductor card and the insulating plate is located on the cooling plate at a place where no depression is provided. For this reason, when a compressive load is applied, the surface of the cooling plate located in the contact range sinks inside the cooling plate, and the cooling plate may be bent. The insulating plate is sandwiched between the cooling plate and the semiconductor card. For this reason, when the cooling plate is bent, the insulating plate is bent and deformed at the edge portion of the semiconductor card.
本明細書が開示する積層ユニットでは、半導体カードは、絶縁板と対向する面の縁であってはみ出した部分と対向する縁が絶縁板から離れる方向に湾曲している。湾曲する縁は、別言すると、接触領域と冷却プレートの窪みの間に位置する。このため、絶縁板が曲げ変形する際には、絶縁板は、半導体カードの縁の湾曲している曲面に沿うように曲げ変形する。その結果、絶縁板が、上記の曲面の曲率半径以下の曲率半径で曲げ変形することが防止される。これにより、絶縁板が、圧縮荷重によって破壊されることが抑制される。 In the stacked unit disclosed in this specification, the semiconductor card is curved in a direction in which the edge of the surface facing the insulating plate and the protruding portion is separated from the insulating plate. In other words, the curved edge is located between the contact area and the recess of the cooling plate. For this reason, when the insulating plate is bent and deformed, the insulating plate is bent and deformed along the curved surface of the edge of the semiconductor card. As a result, the insulating plate is prevented from being bent and deformed with a curvature radius equal to or less than the curvature radius of the curved surface. Thereby, it is suppressed that an insulating board is destroyed by a compressive load.
積層ユニット100は、ハイブリッドカーや電気自動車等に搭載されるユニットである。積層ユニット100は、走行用モータに交流電力を供給するインバータやコンバータの電子回路のうち、発熱の特に大きな素子、具体的には交流を発生するスイッチング素子や、昇圧/降圧回路のスイッチング素子を集積し、冷却装置と一体化したユニットである。スイッチング素子は、典型的にはIGBTである。積層ユニット100は、IGBTなどの半導体素子を封止した複数のパッケージ(半導体カード3)と複数の冷却プレート2を積層した構造を有している。半導体カード3も冷却プレート2も共に平板型に形成されている。別言すれば、積層ユニット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の間に半導体カード3を挟んだ構造を有している。冷却プレート2はアルミや銅などの熱伝導率の高い金属で作られている。他方、半導体カード3は、典型的には、樹脂モールドで半導体素子を封止したものである。なお、図示を省略しているが、半導体カード3の表面には、内部の半導体素子の熱を表面に移送する放熱板が備えられることもある。さらに、図示を省略しているが、内部の半導体素子から各半導体カード3の外部へと電極が伸びており、他の回路と接続される。
The stacked
冷却プレート2の内部は冷媒が流れる空洞(冷媒流路)になっている。それぞれの冷却プレート2には、その長手方向の両端に2個の貫通孔が設けられており、隣接する冷却プレート同士が接続管5によって連結される。積層体の端に位置する冷却プレートの貫通孔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。供給管8から供給される冷媒は、冷却プレート2内の冷媒流路と接続管5に分流し、次々に下流の冷却プレート2へと流れる。冷媒は、冷却プレート内を通過する間に半導体カード3の熱を吸収し、半導体カード3を冷却する。冷却プレート内を通過した冷媒は、他方の貫通孔を通じて合流し、最終的に排出管7へ至る。なお、冷媒は好ましくは液体であり、例えばLLC(Long Life Coolant)である。なお、冷却プレート2の表面には窪み2aが設けられている。
The inside of the
冷却プレート2と半導体カード3の間には、絶縁板4が挟まれている。絶縁板4は、セラミクス製である。また、冷却プレート2と半導体カード3の積層体は、ブラケット12に挟まれて固定される。ブラケット12の一端には板バネ14が配置されており、その板バネ14が、積層体をその積層方向に付勢する。板バネ14により、冷却プレート2、絶縁板4、及び、半導体カード3が強く密着し、高い熱伝達効率が確保される。他方、セラミクス製の絶縁板4は、冷却プレート等と比較して脆弱であり、板バネ14の荷重により割れる虞がある。
An insulating
図2を用いて、冷却プレート2の内部構造を説明する。冷却プレート2は、筐体に相当する外板21、23と、それらの間に挟まれる中板22を有する。容器状の外板21、23は、アルミニウムの板をプレス加工して成形される。外板21の内部には波板で構成されるフィン24が配置され、中板22がフィン24を抑える。また、外板23の内部にもフィン24が配置され、これも中板22が抑える。フィン24は中板22と外板21、23の双方に接触し、半導体カード3から伝わる熱を冷却プレート2の全体に拡散し易くしている。また、フィン24は、冷却プレート2の内部を流れる冷媒との接触面積を増加させ、冷媒への熱伝達効率を向上させる。図2によく示されているように、外側から見たときの窪み2aは、外板21、23の内側からみるとリブに相当し、外板21、23の剛性を高める。
The internal structure of the
窪み2aの利点を説明する。冷却プレート2は、アルミニウムの板をプレス加工により容器状に成形したものである。そのため、剛性が低い。窪み2aは、冷却プレート2の内部からみるとリブに相当し、冷却プレート2の剛性を高める役割を果たす。それゆえ、冷却プレート2は積層方向の荷重を受けても撓み難くなる。冷却プレート2が撓むと半導体カード3と冷却プレート2との接触面積が減少する。本実施例の積層ユニット100では、冷却プレート2が撓み難いため、半導体カード3の冷却性が低下することを防止することができる。
The advantages of the
図3(A)、図3(B)を用いて、冷却プレート2、半導体カード3、及び絶縁板4の位置関係を説明する。図3(A)は、半導体カード3と絶縁板4と冷却プレート2を、その積層方向にみたときの図である。図3(A)に示すように、半導体カード3は、冷却プレート2の長手方向(図中左右方向)において、両側の窪み2aの間の位置に配置されている。別言すれば、窪み2aは、半導体カード3と絶縁板4の接触領域の外側に設けられている。絶縁板4は、図3(B)上下方向において、半導体カード3と冷却プレート2との間に挟まれている。
The positional relationship between the cooling
次に、図4、図5を用いて、窪み2a周辺における、積層ユニット100の構成について、さらに詳細に説明する。図4、図5は、図3(B)中で半導体カード3の左下に位置する窪み2aの周辺を示している。他の位置の窪み2aについては、上記の窪み2aと同様であるので説明を省略する。
Next, the configuration of the
窪み2aは、半導体カード3と絶縁板4の接触範囲の外側(図4中左側)に設けられている。絶縁板4は、半導体カード3と絶縁板4との接触範囲から窪み2aの方向(図4中の左方向)にはみ出した部分4aを有する。図4に示すように、半導体カード3の下面(絶縁板4が配置されている側の面)は、平坦面3bと曲面3cとを有している。曲面3cは、半導体カード3の下面における、窪み2a側の縁に形成されている。換言すると、半導体カード3の図4下面の縁(はみ出した部分4aと対向する縁)が絶縁板4から離れる方向に湾曲している。
The
上述のように、積層ユニット100では、半導体カード3の積層方向に圧縮荷重が付加される。ここで、窪み2aの縁は、冷却プレート2の他の部分と比較して剛性が高いため、窪み2aと半導体カード3とで絶縁板4を挟んでしまうと絶縁板4に生じる圧縮応力が高くなり過ぎることがある。本実施例の積層ユニット100では、窪み2aは半導体カード3と絶縁板4の接触範囲の外側に設けられている。このため、絶縁板4に加わる圧縮応力が高くなることが防止される。
As described above, in the
絶縁板4は、半導体カード3と絶縁板4との接触範囲から窪み2aの方向にはみ出した部分4aを有する。このため、積層ユニット100の組立時や使用時等に、半導体カード3と冷却プレート2との相対位置がずれた場合にも、半導体カード3と冷却プレート2との間の絶縁を維持できる。
The insulating
冷却プレート2に窪み2aを設けた場合には、窪み2aが設けられていない部分の冷却プレート2の剛性が、窪み2aが設けられている部分の剛性よりも相対的に小さくなることがある。この場合、半導体カード3と絶縁板4の接触範囲は、冷却プレート2の剛性が低い部分(窪み2aが設けられていない部分)に位置することになる。このため、圧縮荷重が付加されると、図5に示すように、上記接触範囲に位置する冷却プレートの図5における上面が、下側(冷却プレート2の内側)に沈み込むことにより、冷却プレート2の上面が撓むことがある。絶縁板4は、冷却プレート2と半導体カード3との間に挟まれている。このため、冷却プレート2が撓むと、絶縁板4が半導体カード3の縁の部分において曲げ変形する。
When the
本実施例の積層ユニット100では、半導体カード3は、絶縁板4が配置されている側の面における窪み2a側の縁に曲面3cが形成されている。このため、絶縁板4が曲げ変形する際には、絶縁板4は、半導体カード3の曲面3cに沿うように変形する。その結果、絶縁板4が、半導体カードに形成された曲面3cの曲率半径以下の曲率半径で曲げ変形することが防止される。これにより、絶縁板4が、圧縮荷重によって破壊されることが抑制される。
In the
以下に、図6を用いて、実施例1の積層ユニット100の比較例を説明する。比較例の積層ユニット100は、実施例1の積層ユニット100の半導体カード3を、半導体カード53に変更したものである。比較例の積層ユニット100では、半導体カード53の絶縁板4が配置されている側の面における窪み側の縁には、実施例1と異なり、曲面3cが形成されていない。このため、絶縁板4は、半導体カード53の縁(図6左下の縁)の位置において、比較的小さな曲率半径で曲げ変形する。その結果、比較例の積層ユニット100では、絶縁板4が、積層ユニット100の圧縮荷重によって破壊され易い。
Below, the comparative example of the lamination | stacking
上記の実施例では、曲面3cは、円筒面であった。しかしながら、曲面3cは、円筒面以外の曲面であってもよい。また、上記の実施例では、図4に示す断面形状において、半導体カード3の下面に相当する線が曲面3cに相当する円弧の接線となっており、半導体カード3の側面(図4左側の面)に相当する線が、曲面3cに相当する円弧と交差している。しかしながら、半導体カード3の下面に相当する線と、半導体カード3の側面に相当する線との両方が曲面3cに相当する円弧の接線となっていてもよい。別言すると、曲面3cは、いわゆるR面取りと同様の形状であってもよい。ただし、上記の実施例のように、半導体カード3の下面に相当する線が曲面3cに相当する円弧の接線となっており、半導体カード3の側面に相当する線が曲面3cに相当する円弧と交差している場合には、曲面3cがR面取りと同様の形状である場合と比較して、次の利点がある。すなわち、上記の実施例のような形状とした場合には、曲面3cの曲率半径を大きくしつつ、かつ、半導体カード3と冷却プレート2との接触面積を大きくすることができる。これにより、絶縁板4の破壊を抑制しつつ、半導体カード3の冷却性能を向上することができる。
In the above embodiment, the
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。また、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、出願時の請求項に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の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。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. In addition, the technical elements described in the present specification or drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in the present specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
2 冷却プレート
3 半導体カード
3b 平坦面
3c 曲面
4 絶縁板
4a 絶縁板における窪みの方向にはみ出した部分
100 積層ユニット
2 Cooling
Claims (1)
前記冷却プレートには、前記絶縁板が配置されている側の面であって前記積層方向からみたときに前記半導体カードと前記絶縁板の接触範囲の外側に窪みが設けられており、
前記絶縁板は、前記積層方向からみたときに前記接触範囲から前記窪みの方向にはみ出した部分を有し、
前記半導体カードは、前記絶縁板と対向する面の縁であって前記はみ出した部分と対向する縁が前記絶縁板から離れる方向に湾曲している、積層ユニット。 A semiconductor card and a cooling plate are laminated with an insulating plate in between and a laminated unit that receives a load in the lamination direction,
The cooling plate is a surface on the side where the insulating plate is disposed, and a recess is provided outside the contact range of the semiconductor card and the insulating plate when viewed from the stacking direction.
The insulating plate has a portion protruding from the contact range in the direction of the depression when viewed from the stacking direction,
The semiconductor card is a stacked unit in which an edge of a surface facing the insulating plate and an edge facing the protruding portion is curved in a direction away from the insulating plate.
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