JP7467778B2 - 半導体モジュール冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュール冷却構造に関する。

半導体素子を封止した半導体モジュールは、半導体素子をスイッチング動作させて電力を変換する電力変換装置に組み込まれている。電力変換装置は、変換効率が高いため、民生用、車載用、鉄道用、変電設備等に幅広く利用されている。そして、半導体モジュールの両面には、スイッチング動作により発熱した半導体素子を冷却する冷却部材が配置されている。

特許文献１には、発熱型半導体を封止したパワーモジュールと、複数のパワーモジュールの上面に架け渡すように載置した冷却部と、冷却部をパワーモジュールに圧接する弾性部材とを有し、弾性部材をボルトで締結することにより、冷却部をパワーモジュールに圧接させる半導体冷却構造が開示されている。

日本国特開２０１６－７６６３７号公報

特許文献１に記載の半導体冷却構造は、弾性部材をボルトで締結する必要があり、構造が大型化する課題があった。

本発明による半導体モジュール冷却構造は、半導体素子を封止した半導体モジュールと、前記半導体モジュールの両面に配置され、前記半導体モジュールを冷却する第１及び第２の冷却部材と、前記第１の冷却部材を挟んで前記半導体モジュールと対向するベース板と、複数の脚部が一体的に形成され、前記第２の冷却部材を前記半導体モジュールに向かって押圧するばね板部材と、を備え、前記ばね板部材の前記脚部は、前記第２の冷却部材、前記半導体モジュール、および前記第１の冷却部材の両側面に延在して、前記ベース板の端部に係止される。
本発明による半導体モジュール冷却構造は、半導体素子を封止した半導体モジュールと、前記半導体モジュールの両面に配置され、前記半導体モジュールを冷却する第１及び第２の冷却部材と、複数の脚部が一体的に形成され、前記第２の冷却部材を前記半導体モジュールに向かって押圧するばね板部材と、を備え、前記ばね板部材の前記脚部は、前記第２の冷却部材、前記半導体モジュール、および前記第１の冷却部材の両側面に延在して、前記第１の冷却部材の端部に係止される。

本発明によれば、冷却性能を維持しながら、冷却構造を小型化することが可能になる。

本実施形態にかかる電力変換装置の分解斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）半導体モジュールの冷却構造を示す分解斜視図、ベース板の平面図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）冷却構造の詳細を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）ばね板部材の取り付け工程を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）変形例１にかかる半導体モジュールの冷却構造を示す斜視図である。 変形例２にかかる半導体モジュールの冷却構造を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

同一あるいは同様な機能を有する構成要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、これらの複数の構成要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。

図１は、本実施形態にかかる電力変換装置の分解斜視図である。
詳細は後述するが、半導体モジュール冷却構造は、半導体モジュール１００と、半導体モジュール１００の両面に配置される第１及び第２の冷却部材１１０、１２０（図２（Ａ）参照）を備える。このような冷却構造を備えた半導体モジュール１００は、下部カバー２００と筐体３００との間に設置される。上部カバー１１１と筐体３００との間には基板８００が設置される。筐体３００は、上部カバー１１１と下部カバー２００によって閉塞される。

半導体モジュール１００は、平滑コンデンサ４００、Ｙコンデンサ５００、直流バスバ６００を介して、図示省略したバッテリに接続され、バッテリより直流電力が供給される。また、半導体モジュール１００は、半導体モジュール１００内に封止された半導体素子をスイッチング動作させることにより、バッテリより供給された直流電力を交流電力に変換し、交流バスバ７００へ交流電流を出力する。出力された交流電流は図示省略したモータへ供給され、モータを駆動する。

半導体モジュール１００内の半導体素子をスイッチング動作させるための制御信号は中継端子３０１を介して、筐体３００に配置される基板８００に接続される。基板８００上にはコントローラ等の電子部品が配置され、半導体素子をスイッチング動作させる制御信号を出力する。放電抵抗８０１は、基板８００上のコントローラから放電の指示を受けた際に、平滑コンデンサ４００に充電された電力を放電する抵抗器である。半導体モジュール１００の両面に配置される第１及び第２の冷却部材１１０、１２０には、冷媒が流通しているが、この冷媒は筐体３００に設けられた流入口３０２、流出口３０３より入出力される。筐体３００の流入口３０２、流出口３０３付近には、冷媒の漏洩を防ぐ水路カバー３０４が設けられている。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）は、本実施形態にかかる半導体モジュール１００の冷却構造を示す分解斜視図である。図２（Ａ）は、冷却構造を示す分解斜視図、図２（Ｂ）は、ベース板１４０の平面図である。

図２（Ａ）に示すように、本実施形態の冷却構造は、半導体モジュール１００と、半導体モジュール１００の両面に配置される第１および第２の冷却部材１１０、１２０と、第１の冷却部材１１０を挟んで半導体モジュール１００と対向するベース板１４０と、第２の冷却部材１２０を半導体モジュール１００に向かって押圧するばね板部材１３０とより構成される。

半導体モジュール１００は、半導体素子を封止してなるもので、本実施形態では３個の半導体モジュールを並列に配列した例で説明するが、半導体モジュールの個数は一例である。なお、複数個配列した半導体モジュールを総称して半導体モジュール１００と称する。

第１および第２の冷却部材１１０、１２０は、熱伝導グリスや放熱シートなどの熱伝導部材を介して半導体モジュール１００の両面に密着され、第１および第２の冷却部材１１０、１２０の内部を流通する冷媒により、半導体モジュール１００が冷却される。

半導体モジュール１００からは、制御信号を入力する制御端子１０１と、交流バスバ７００に接続される交流端子１０２が導出されている。なお、交流端子１０２の反対側には直流バスバ６００に接続される直流端子が導出されている。

ばね板部材１３０は、複数の脚部１３１が一体的に形成されている。そして、複数の脚部１３１は、第２の冷却部材１２０、半導体モジュール１００、および第１の冷却部材１１０の両側面に延在して、ベース板１４０の端部に係止される。これにより、ばね板部材１３０は、第２の冷却部材１２０を半導体モジュール１００に向かって押圧する。換言すれば、第２の冷却部材１２０、半導体モジュール１００、および第１の冷却部材１１０が、ばね板部材１３０とベース板１４０との間で押圧される。第１の冷却部材１１０と第２の冷却部材１２０とは水路接続部１２１で接続されている。また、ばね板部材１３０の中央部には２個の開口部１３４が形成されている。

図２（Ｂ）は、ベース板１４０の上面図である。
ベース板１４０は、ビスを挿入する取付穴１４１を４隅に有する。ビスを取付穴１４１に通して、一体となった半導体モジュール１００、第１および第２の冷却部材１１０、１２０からなる構造体を、筐体３００へ固定する。

ベース板１４０は、位置決め穴１４２を有する。この位置決め穴１４２は、構造体を筐体３００へ固定する際に、筐体３００に設けられた突部と位置決め穴１４２を嵌合する位置決めとして使用する。

本実施形態では、ばね板部材１３０の四隅から各１本、計４本の脚部１３１が、さらに、半導体モジュール１００の両側面に半導体モジュール１００の配列方向に沿って所定間隔で計４本の脚部１３１が、ベース板１４０へ向けて延在して一体的に形成されている。各脚部１３１は、半導体モジュール１００から導出される制御端子１０１、交流端子１０２および直流端子と離間して絶縁距離を保つ位置に所定間隔で形成される。

ベース板１４０は、ばね板部材１３０の脚部１３１の先端に設けられたクリップ部１３５と係止する第１係止部１４３を２箇所、第２係止部１４４を６箇所有する。第１係止部１４３は、ばね板部材１３０の脚部１３１のクリップ部１３５と係止および位置決めを行うもので、脚部１３１の断面形状に合わせたコの字形状を有し、ベース板１４０の対角２箇所に配置される。第２係止部１４４は、ばね板部材１３０の脚部１３１のクリップ部１３５と係止を行う。また、ベース板１４０には、半導体モジュール１００より導出される制御端子１０１が、中継端子３０１を介して基板８００に接続される接続線を通すために、制御端子開口１４５が設けられている。

図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）は、冷却構造の詳細を示す図である。図３（Ａ）は、ばね板部材１３０の上面図、図３（Ｂ）は、ばね板部材１３０の側面図、図３（Ｃ）は、ばね板部材１３０の設置を説明するための外観斜視図である。

図３（Ａ）に示すように、ばね板部材１３０は、第２の冷却部材１２０と当接する加圧部１３２と、加圧部１３２と脚部１３１を繋ぐ屈曲部１３３とを備える。加圧部１３２は、半導体モジュール１００の配列方向に沿ってばね板部材１３０の中央部に形成されている。屈曲部１３３は、半導体モジュール１００の配列方向に沿ってばね板部材１３０の中央部の両側に形成されている。

図３（Ｂ）に示すように、ばね板部材１３０の中央部にある加圧部１３２は、第２の冷却部材１２０の中央部に向けて突出し、第２の冷却部材１２０の中央部と当接する構造である。ばね板部材１３０の中央部の両側に位置する屈曲部１３３は、第２の冷却部材１２０の中央部の両側と離間する構造である。脚部１３１の先端は折り曲げられ、クリップ部１３５が形成されている。

ばね板部材１３０は、ステンレス鋼などの材料で形成され、外力が加わると復元力が作用することにより押圧力を生じる。図３（Ｃ）に示すように、ばね板部材１３０の加圧部１３２を第２の冷却部材１２０の中央部へ当接して押圧して、ばね板部材１３０の脚部１３１のクリップ部１３５をベース板１４０に係止する。すると、屈曲部１３３の押圧力により、第２の冷却部材１２０、半導体モジュール１００、第１の冷却部材１１０およびベース板１４０が圧接される。

半導体モジュール１００の配列方向に沿ったばね板部材１３０の中央部の加圧部１３２によって、第２の冷却部材１２０の中央部が均一に押圧され、半導体モジュール１００の中央部に面圧がかかる。中央部に面圧がかかることにより、半導体モジュール１００の両面に対して第１および第２の冷却部材１１０、１２０を均等に押し当てることができる。これにより、半導体モジュール１００の両面に塗布される熱伝導グリスなどの熱伝導部材との密着性が上昇し、半導体モジュール１００に対する冷却性能を良好に維持できる。そして、加圧部１３２と屈曲部１３３とを有するばね板部材１３０は、厚さを薄く構成できるので、冷却構造を小型化することが可能になる。さらに、脚部１３１は、ばね板部材１３０と一体的に形成された薄板形状であるので、半導体モジュール１００の側面に沿って配置することができ、冷却構造を小型化することが可能になる。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）は、ばね板部材１３０の取り付け工程を示す図である。
図４（Ａ）に示すように、脚部１３１のクリップ部１３５は、薄板形状の脚部１３１の先端を約１３５°内側に（半導体モジュール１００側に）折り曲げて形成されている。図４（Ｂ）に示すように、脚部１３１はそれ自体が弾性力を有しているので、ばね板部材１３０をベース板１４０の方向へ均一に押し込むことにより、脚部１３１は弾性変形しながらベース板１４０の端部に掛かり、クリップ部１３５により脚部１３１が外側に広げられる。

そして、図４（Ｃ）に示すように、クリップ部１３５は、第１係止部１４３あるいは第２係止部１４４と係合し、外側に広げられていた脚部１３１が元の状態に復帰する。そして、既に説明したように、ばね板部材１３０の屈曲部１３３の押圧力により、第２の冷却部材１２０、半導体モジュール１００、第１の冷却部材１１０およびベース板１４０が圧接され、クリップ部１３５と、第１係止部１４３あるいは第２係止部１４４との係合により、圧接状態を保持する。これにより、冷却構造の部品点数を低減することができ、更に、ボルトによる締結作業等が不要になり、冷却構造の組立性が向上する。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、本実施形態の変形例１にかかる半導体モジュール１００の冷却構造を示す斜視図である。図５（Ａ）は、冷却構造を示す斜視図、図５（Ｂ）は、冷却構造を示す断面図である。この変形例１では、第２の冷却部材１２０が露出している開口部１３４に電子部品１６０を搭載した例を示す。その他は、図２～図４を参照して説明した構成と同様であり、同一の個所には同一の符号を付してその説明を省略する。

図５（Ａ）に示すように、ばね板部材１３０の開口部１３４に合わせた突起を有する冷却台座１５０を配置する。そして、図５（Ｂ）に示すように、冷却台座１５０の上に電子部品１６０を搭載する。冷却台座１５０はアルミニュウムや銅などの熱伝導率の高い材料を用いる。電子部品１６０は、コンデンサなど発熱する部品である。冷却台座１５０と第２の冷却部材１２０との間には、熱伝導グリスや放熱シートなどの熱伝導部材を配置してもよい。また、電子部品１６０の形状によっては、冷却台座１５０を用いずに、開口部１３４を介して電子部品１６０を第２の冷却部材１２０に直接搭載してもよい。開口部１３４の大きさは、ばね板部材１３０が、半導体モジュール１００の両面に第１および第２の冷却部材１１０、１２０を押し当てる押圧力（面圧）を損なわない程度にする。

変形例１によれば、半導体モジュール１００に対する冷却性能を良好に維持することができるのみならず、ばね板部材１３０に開口部１３４を適宜設けることにより、開口部１３４を介して、電子部品１６０を冷却することができる。

図６は、本実施形態の変形例２にかかる半導体モジュール１００の冷却構造を示す断面図である。この変形例２では、ベース板１４０の替わりに第１の冷却部材１１０を用いた例を示す。その他は、図２～図５を参照して説明した構成と同様であり、同一の個所には同一の符号を付してその説明を省略する。

ばね板部材１３０は、図３（Ａ）を参照して説明したように、第２の冷却部材１２０と当接する加圧部１３２と、加圧部１３２と脚部１３１を繋ぐ屈曲部１３３とを備える。加圧部１３２は、半導体モジュール１００の配列方向に沿ったばね板部材１３０の中央部に形成されている。屈曲部１３３は、半導体モジュール１００の配列方向に沿ったばね板部材１３０の中央部の両側に形成される。図３（Ｂ）を参照して説明したように、ばね板部材１３０の中央部にある加圧部１３２は、第２の冷却部材１２０の中央部に向けて突出し、第２の冷却部材１２０の中央部と当接する構造である。ばね板部材１３０の中央部の両側に位置する屈曲部１３３は、第２の冷却部材１２０の中央部の両側と離間する構造である。また、図４（Ａ）を参照して説明したように、脚部１３１のクリップ部１３５は、薄板形状の脚部１３１の先端を約１３５°内側に（半導体モジュール１００側に）折り曲げて形成されている。

第１の冷却部材１１０には、図示省略するが、脚部１３１のクリップ部１３５が係合する係止部が設けられている。脚部１３１はそれ自体が弾性力を有しているので、ばね板部材１３０を第１の冷却部材１１０の方向へ均一に押し込むことにより、脚部１３１は外側に弾性変形しながら押し込まれ、第１の冷却部材１１０に設けられている係止部と係合し、外側に広げられていた脚部１３１が元の状態に復帰する。そして、既に説明したように、ばね板部材１３０の屈曲部１３３の押圧力により、第２の冷却部材１２０、半導体モジュール１００および第１の冷却部材１１０が圧接され、クリップ部１３５と係止部との係合により、圧接状態を保持する。

変形例２によれば、半導体モジュール１００に対する冷却性能を良好に維持することができるのみならず、第１の冷却部材１１０をばね板部材１３０の脚部１３１の係止に用いることにより、冷却構造をより小型化することが可能になる。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）半導体モジュール冷却構造は、半導体素子を封止した半導体モジュール１００と、半導体モジュール１００の両面に配置され、半導体モジュール１００を冷却する第１及び第２の冷却部材１１０、１２０と、第１の冷却部材１１０を挟んで半導体モジュール１００と対向するベース板１４０と、複数の脚部１３１が一体的に形成され、第２の冷却部材１２０を半導体モジュール１００に向かって押圧するばね板部材１３０と、を備え、ばね板部材１３０の脚部１３１は、第２の冷却部材１２０、半導体モジュール１００、および第１の冷却部材１１０の両側面に延在して、ベース板１４０の端部に係止される。これにより、冷却性能を維持しながら、冷却構造を小型化することが可能になる。

（２）半導体モジュール冷却構造は、半導体素子を封止した半導体モジュール１００と、半導体モジュール１００の両面に配置され、半導体モジュール１００を冷却する第１及び第２の冷却部材１１０、１２０と、複数の脚部１３１が一体的に形成され、第２の冷却部材１２０を半導体モジュール１００に向かって押圧するばね板部材１３０と、を備え、ばね板部材１３０の脚部１３１は、第２の冷却部材１２０、半導体モジュール１００、および第１の冷却部材１１０の両側面に延在して、第１の冷却部材１１０の端部に係止される。これにより、冷却性能を維持しながら、冷却構造を小型化することが可能になる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。

１００・・・半導体モジュール、１０１・・・制御端子、１０２・・・交流端子、１１０・・・第１の冷却部材、１２０・・・第２の冷却部材、１２１・・・水路接続部、１３０・・・ばね板部材、１３１・・・脚部、１３２・・・加圧部、１３３・・・屈曲部、１３４・・・開口部、１３５・・・クリップ部、１４０・・・ベース板、１４１・・・取付穴、１４３・・・第１係止部、１４４・・・第２係止部、１４５・・・制御端子開口、１５０・・・冷却台座、１６０・・・電子部品、２００・・・下部カバー、３００・・・筐体、３０１・・・中継端子、３０２・・・流入口、３０３・・・流出口、４００・・・平滑コンデンサ、５００・・・Ｙコンデンサ、６００・・・直流バスバ、７００・・・交流バスバ、８００・・・基板、８０１・・・放電抵抗。

Claims (10)

1. 半導体素子を封止した半導体モジュールと、
   前記半導体モジュールの両面に配置され、前記半導体モジュールを冷却する第１及び第２の冷却部材と、
   前記第１の冷却部材を挟んで前記半導体モジュールと対向するベース板と、
   複数の脚部が一体的に形成され、前記第２の冷却部材を前記半導体モジュールに向かって押圧するばね板部材と、を備え、
   前記ばね板部材の前記脚部は、前記第２の冷却部材、前記半導体モジュール、および前記第１の冷却部材の両側面に延在して、前記ベース板の端部に係止される半導体モジュール冷却構造。
2. 請求項１に記載の半導体モジュール冷却構造において、
   前記ばね板部材は、前記第２の冷却部材と当接する加圧部と、前記加圧部と前記脚部を繋ぐ屈曲部とを備え、
   前記加圧部を前記第２の冷却部材へ当接して生じる前記屈曲部の押圧力により、前記第２の冷却部材、前記半導体モジュール、前記第１の冷却部材および前記ベース板を圧接する半導体モジュール冷却構造。
3. 請求項１に記載の半導体モジュール冷却構造において、
   前記ばね板部材の前記脚部は、前記半導体モジュールの配列方向に沿って、複数本設けられる半導体モジュール冷却構造。
4. 請求項３に記載の半導体モジュール冷却構造において、
   前記脚部は、前記半導体モジュールより導出される端子と重ならない位置に設けられる半導体モジュール冷却構造。
5. 請求項１に記載の半導体モジュール冷却構造において、
   前記ばね板部材の前記脚部は、前記ベース板の端部に係止するクリップ部を備え、弾性変形しながら前記ベース板の端部に前記クリップ部を係止する半導体モジュール冷却構造。
6. 請求項１に記載の半導体モジュール冷却構造において、
   前記ばね板部材は、前記第２の冷却部材が露出する開口部を備える半導体モジュール冷却構造。
7. 請求項６に記載の半導体モジュール冷却構造において、
   前記開口部を介して電子部品が搭載される半導体モジュール冷却構造。
8. 半導体素子を封止した半導体モジュールと、
   前記半導体モジュールの両面に配置され、前記半導体モジュールを冷却する第１及び第２の冷却部材と、
   複数の脚部が一体的に形成され、前記第２の冷却部材を前記半導体モジュールに向かって押圧するばね板部材と、を備え、
   前記ばね板部材の前記脚部は、前記第２の冷却部材、前記半導体モジュール、および前記第１の冷却部材の両側面に延在して、前記第１の冷却部材の端部に係止される半導体モジュール冷却構造。
9. 請求項８に記載の半導体モジュール冷却構造において、
   前記ばね板部材は、前記第２の冷却部材と当接する加圧部と、前記加圧部と前記脚部を繋ぐ屈曲部とを備え、
   前記加圧部を前記第２の冷却部材へ当接して生じる前記屈曲部の押圧力により、前記第２の冷却部材、前記半導体モジュールおよび前記第１の冷却部材を圧接する半導体モジュール冷却構造。
10. 請求項２または請求項９に記載の半導体モジュール冷却構造において、
    前記加圧部は、前記半導体モジュールの配列方向に沿って前記第２の冷却部材の中央部と当接し、
    前記屈曲部は、前記半導体モジュールの配列方向に沿って前記第２の冷却部材の前記中央部の両側と離間している半導体モジュール冷却構造。
    

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