JPH04256397A - ヒートパイプ式半導体スタック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】この発明は、ヒートパイプ式冷却
器を用いて半導体素子を冷却するようにしたヒートパイ
プ式半導体スタックに関する。

【０００３】

【従来の技術】従来、ヒートパイプ式冷却器を用いて半
導体素子を冷却するようにした積層構造のヒートパイプ
式半導体スタックとして、図１０に示す構成のものが知
られている。

【０００４】この従来のヒートパイプ式半導体スタック
は、ＧＴＯやフライホィールダイオードのような平型半
導体素子１と、それを冷却するためのヒートパイプ式冷
却器２とを交互に複数個配置し、両端部を絶縁座３によ
って絶縁し、さらに皿バネ４を端部に配置し、締結部材
５によって全体を締め付けることにより、皿バネ４のバ
ネ力によって各半導体素子１とヒートパイプ式冷却器２
の受熱部ブロック６とを圧接積層させた構造となってい
る。そして、半導体素子１の冷却を良好なものとするた
めに、１個の半導体素子１に対してその両側に受熱部ブ
ロック６を配して挟み込むようにしている。

【０００５】ヒートパイプ式冷却器２の構成は、複数本
のヒートパイプ７各々の一端が熱伝導良好な受熱部ブロ
ック６に埋め込まれ、各ヒートパイプ７の放熱側に、放
熱効果を高めるために放熱フィン部８が取り付けられた
ものである。また、受熱側と放熱側を絶縁する目的で、
ヒートパイプ７の中間部分に絶縁碍子９を設けられてい
る。

【０００６】このような構成のヒートパイプ式冷却器２
では、その冷却性能を高めるために放熱フィン部８の表
面積を大きくする必要があり、一方、ヒートパイプ７と
受熱部ブロック６の圧接面との間の温度差を小さくする
必要があるために、受熱部ブロック６の幅を小さくしな
ければならないが、一般に、ヒートパイプ式冷却器２は
、受熱部ブロック６に比べて放熱フィン部８の方が幅が
広くなるために、複数個の半導体素子１を１個の半導体
スタックに構成しようとすると、放熱フィン部８の幅に
よって半導体スタックの長さが決定されてきて、半導体
素子１と受熱部ブロック６との積層部には、放熱フィン
部８の幅によって決定される長さを補うためのスペーサ
１０を配置したり、場合によっては、半導体素子１と許
容温度が近い適宜の電気部品１１を配置したりして、同
時に積層するようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
従来のヒートパイプ式半導体スタックでは、放熱フィン
部の幅によって決定される半導体スタックの長さと、積
層部の長さとの間に生じるズレを補うために、積層部側
に長さ調整用のスペーサを挿入したり、受熱部ブロック
を挟んで半導体素子と相対する位置に適宜の電気部品を
挿入したりするが、スペーサは単に長さを補うためだけ
ものであるために、いわば余分の部品を用いることなり
、また適宜の電気部品を配置する場合には、許容温度と
の関連で用いることのできる電気部品の種類が制限され
てくることになり、全体の形状が大型化し、小型化、軽
量化が困難である問題点があった。

【０００８】この発明は、このような従来の問題点に鑑
みなされたもので、ヒートパイプ式冷却器の受熱部ブロ
ックを熱絶縁層により熱力学的に分割し、半導体素子と
許容温度が異なる電気部品であっても受熱部ブロック間
に配置することができるようにし、放熱フィン部の幅に
よって決定される半導体スタックの長さに積層部の長さ
を合わせるために余分なスペーサの介在を不要にし、半
導体スタックと共に使用する必要のある適宜の電気部品
を近くに配置することにより、全体的な形状の小型化が
図れるヒートパイプ式半導体スタックを提供することを
目的とする。

【０００９】［発明の構成］

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、半導体素子
を圧接できる形状の受熱部ブロックおよび放熱フィン部
より構成されるヒートパイプ式冷却器と、半導体素子と
を交互に積層、圧接して成るヒートパイプ式半導体スタ
ックにおいて、ヒートパイプ式冷却器の受熱部ブロック
を熱絶縁層で積層方向に分割し、前記受熱部ブロックの
絶縁層で分割された一方の側の分割ブロックに前記半導
体素子を積層、圧接し、前記絶縁層で分割された他方の
側の分割ブロックに適宜の電気部品を積層するようにし
たものである。

【００１１】また、この発明では、上記のヒートパイプ
式半導体スタックにおいて、絶縁層によって分割された
受熱部ブロックの一方の側の分割ブロックと他方の側の
分割ブロックとの冷却性能を異ならせたものとすること
ができる。

【００１２】

【作用】この発明のヒートパイプ式半導体スタックでは
、受熱部ブロックを熱絶縁層により積層方向に分割し、
その一方の側の分割ブロックに半導体素子を配置して積
層、圧接し、他方の側の分割ブロックに適宜の電気部品
を積層することにより、受熱部ブロックの比較的温度が
高くなる半導体素子と接触する側の温度が上昇しても、
反対側の電気部品が接触する側の温度は半導体素子側ほ
ど上昇することがない。このために、この熱絶縁層によ
り分割された受熱ブロックでは、半導体素子と反対側の
分割ブロックには、許容温度が比較的低い電気部品であ
っても配置することができるようになり、そこに配置す
る電気部品の種類の制限が少なくなり、電力変換装置な
どで、半導体スタックと共に用いるスナバーダイオード
、スナバーコンデンサ、スナバー抵抗などの電気部品を
隣り合う受熱部ブロックによって挟まれた部分に配置す
ることができる。

【００１３】したがって、半導体素子と共に用いる各種
電気部品を近くに配置することができるようになり、電
気的な接続のための配線が短くなり、全体として小型化
が図れることになる。

【００１４】また、受熱部ブロックを熱絶縁層により分
割し、その一方の側の分割ブロックと他方の側の分割ブ
ロックとの熱冷却性能を異ならせたものとすることによ
り、予想できる発熱量に応じた冷却性能を備えた分割ブ
ロックの側に適宜の電気部品や半導体素子を配置するこ
とができるようになり、ヒートパイプの冷却性能を効率
良く利用できるようになる。

【００１５】

【実施例】以下、この発明の実施例を図に基づいて詳説
する。

【００１６】図１はこの発明の一実施例に用いるヒート
パイプ式冷却器２を示している。このヒートパイプ式冷
却器２は、中央部に多孔質の熱絶縁層１２があり、その
両側に分割ブロック６ａ，６ｂが配置されていて、互い
に溶接その他の適宜の手段により一体化された構成の受
熱部ブロック６と、この受熱部ブロック６の分割ブロッ
ク６ａ，６ｂそれぞれに受熱側が埋め込まれたヒートパ
イプ７と、ヒートパイプ７の放熱側に形成された放熱フ
ィン部８と、さらに、前記ヒートパイプ７の中間部に設
けられた絶縁碍子９とから構成されている。

【００１７】図２は、上記の構成のヒートパイプ式冷却
器２を用いて組み立てた半導体スタックの一実施例を示
している。この図２に示すように、ヒートパイプ式冷却
器２の両端にＧＴＯのような発熱量の大きい半導体素子
１と、この半導体素子１と許容温度が異なるスナバー抵
抗のような適宜の電気部品１３とを交互に配置し、さら
に端部には絶縁座３を配し、さらに皿バネ４を一端に配
し、これらを締結部材５で一体化することにより、各半
導体素子１と電気部品１３とが圧接した状態で積層し、
半導体スタックを形成することができる。

【００１８】このように構成された半導体スタックでは
、電力変換装置の主要な働きをなすＧＴＯやフライホィ
ールダイオードのような半導体素子１が高い発熱を行う
が、この熱量は受熱部ブロック６の分割ブロック６ｂ側
が受熱してヒートパイプ７を介して放熱フィン部８に導
き、ここから大気に放散する。そして、電気部品１３に
関しては、同じ受熱部ブロック６に属する分割ブロック
６ａに接触していても、半導体素子１側からの発熱が熱
絶縁層１２によって絶縁されるために分割ブロック６ａ
側まで伝導してくることがなく、この半導体素子１の発
熱の影響を受けることがない。

【００１９】この電気部品１３からの発熱に対しては、
それと接触している分割ブロック６ａが受熱し、同じよ
うにしてヒートパイプ７を介して放熱フィン部８に導き
、ここから大気に放散する。

【００２０】このようにして、この実施例の半導体スタ
ックでは、ヒートパイプ式冷却器２の受熱部ブロック６
を熱絶縁層１２によって分割ブロック６ａ，６ｂに分割
し、分割ブロック６ｂ側に接触している半導体素子１か
らの熱が反対側の分割ブロック６ａに移動しないように
しているため、この分割ブロック６ａに接触する電気部
品１３にはさほど高い許容温度が求められることがなく
、したがって、この隣合う受熱部ブロック６，６の分割
ブロック６ａ，６ａ間の空間部分に許容温度の低い電気
部品でも配置することができる。

【００２１】そこで、この空間部分に、半導体素子と共
に使用して電力変換装置を構成するスナバー回路部品な
どを配置することにより、配線を短くしてコンパクトな
構造の電力変換装置を構成することができ、低インピー
ダンス化を図ることができる。

【００２２】なお、受熱部ブロック６は分割したが、放
熱フィン部８は分割せずに簡単な一体構造にしておくこ
とにより、製造が簡単になる。

【００２３】図３はヒートパイプ式冷却器２の他の例を
示しており、このヒートパイプ式冷却器２では、受熱部
ブロック６を熱絶縁層１２によって分割ブロック６ａ，
６ｂに分割し、それぞれの分割ブロック６ａ，６ｂに埋
め込むヒートパイプ７の本数を分割ブロック各々が接す
る半導体素子または電気部品の許容温度に応じて増減さ
せるようにしている。

【００２４】このような構成のヒートパイプ式冷却器２
を用いた半導体スタックは、図２に示すような積層構造
にし、ヒートパイプ７の本数が少ない分割ブロック６ａ
側には比較的発熱量の少ない電気部品１３を接触させる
ようにして組み立てることができる。

【００２５】図４はヒートパイプ式冷却器２のさらに他
の例を示しており、このヒートパイプ式冷却器２では、
構造上は図１に示したヒートパイプ式冷却器と同様であ
るが、熱絶縁層１２の両側の分割ブロック６ａ，６ｂそ
れぞれに埋め込まれているヒートパイプ７ａ，７ｂそれ
ぞれに封入されている冷媒を、自分側の分割ブロック６
ａ，６ｂが接触する半導体素子１または電気部品１３の
許容温度に応じて冷却性能が異なる種類のものを使用し
たものである。

【００２６】このようにすることにより、発熱量の大き
い半導体素子１側からの熱を受けて電気部品１３側が高
温になってしまうということを、熱絶縁層１２によって
防止でき、その上、半導体素子１、電気部品１３それぞ
れの発熱量に応じた冷却ができるようになる。

【００２７】図５はヒートパイプ式冷却器２のさらに他
の例を示しており、このヒートパイプ式冷却器２では、
受熱部ブロック６の中央の熱絶縁層１２の一方の側の分
割ブロック６ａと他方の側の分割ブロック６ｂとで形状
を異なるものとし、各分割ブロック６ａ，６ｂをそれに
接触する半導体素子１また電気部品１３のポスト径やサ
イズに応じた大きさにすると共に、冷却性能もそれらの
半導体素子または電気部品の許容温度に応じたものとし
ている。

【００２８】ヒートパイプ式冷却器２として、さらに図
６に示す構成のものを用いることもできる。この図６に
示すヒートパイプ式冷却器２は、水平面から数度だけ傾
けた状態で半導体素子１や電気部品１３と積層するもの
であり、下側の分割ブロック６ｃに埋め込まれたヒート
パイプ７ｃには低沸点冷媒を封入し、上側の分割ブロッ
ク６ｄに埋め込まれたヒートパイプ７ｄには高沸点冷媒
を封入した構成である。

【００２９】このヒートパイプ式冷却器２の場合には、
半導体スタックとして半導体素子や電気部品と積層構造
に組み立てるときには、下側には比較的許容温度の低い
電気部品１３を圧接させ、上側には許容温度の高い半導
体素子１を圧接させる構造とする。そして、このヒート
パイプ式冷却器２を用いた半導体スタックでは、空気が
矢印で示すように対流するために、冷却効果がいっそう
改善される。

【００３０】図７および図８は、この発明の実施例に用
いることのできる他のヒートパイプ式冷却器２の例を示
しており、受熱部ブロック６を分割ブロック６ａ，６ｂ
に分割し、中間部に熱絶縁層１２を設けると共、放熱フ
ィン部８も分割フィン部８ａ，８ｂに分割し、各々の分
割ブロック６ａ，６ｂと分割フィン部８ａ，８ｂの間に
ヒートパイプ７を設けた構造としている。

【００３１】このような構造のヒートパイプ式冷却器２
では、分割フィン部８ａ，８ｂの面積を同一にすること
ができるが、この面積を、受熱部ブロック６の分割ブロ
ック６ａ，６ｂそれぞれの圧接面が受熱する熱量に応じ
て、あらかじめ異ならせたものとすることにより、放熱
効果をいっそう高めることができるようになる。

【００３２】図９はヒートパイプ式冷却器２のさらに他
の例を示しており、受熱部ブロック６は図１に示すヒー
トパイプ式冷却器と同一の構造とし、分割ブロック６ａ
，６ｂそれぞれに一端が埋め込まれているヒートパイプ
７ｅ，７ｆを熱絶縁層の両側で圧接面に平行となる面内
で互いに逆方向に屈曲させ、放熱フィン部８ｃ，８ｄそ
れぞれが受熱部ブロック６に対して、圧接面に平行な方
向で互いに完全に片寄った位置に配置した構成を備えて
いる。

【００３３】このような構造のヒートパイプ式冷却器２
では、図１のヒートパイプ式冷却器と同様に小型にして
熱放散効率の良いものとできると共に、放熱フィン部８
の分割フィン部８ｃ，８ｄが積層方向（図９において紙
面に垂直な方向）に並ばないで、積層方向と直角な方向
に並ぶために、各々の分割フィン部８ｃ，８ｄの積層方
向の幅を大きく取ることができ、それだけ放熱効率の高
いものにすることができる。

【００３４】なお、この発明の半導体スタックは、上記
の各図に例示したヒートパイプ式冷却器２を図２に示す
ように半導体素子１や適宜の電気部品１３と積層、圧接
させることにより構成されるのであるが、例示されたい
ずれのヒートパイプ式冷却器を使用しても、従来、デッ
ドスペースとなっていたスペーサを介在させる空間に許
容温度の比較的低い電気部品を収容して圧接、積層する
ことができるようになり、電力変換装置のように電力変
換用半導体素子と共に必ず用いなければならないスナバ
ーダイオード、スナバーコンデンサ、スナバー抵抗など
の比較的許容温度の低い電気部品を半導体スタック中に
組み込むことができるようになり、それだけ目的製品の
組立状態での配線長を短くすることができるようになり
、製品の小型化と共に、低インピーダンス化を図ること
ができるようになる。

【００３５】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、ヒート
パイプ式冷却器の受熱部ブロックを、中間の熱絶縁層に
より分割し、一方の分割ブロックに半導体素子を圧接さ
せ、他方の分割ブロックに適宜の電気部品を圧接させる
ようにして積層して半導体スタックを構成するようにし
ているので、半導体素子の発熱が大きいために一方の分
割ブロックが高温になるようなことがあっても、熱絶縁
層の介在により他方の分割ブロックまでその熱が伝達す
ることがなく、したがって、この他方の分割ブロック側
には比較的許容温度の低い電気部品であっても圧接させ
て積層することができ、例えば電力変換装置のように発
熱量の大きいＧＴＯやフライホィールダイオードと共に
スナバー回路部品をこれらの近くに配置して回路を組み
上げることができるようになり、従来では、許容温度の
関係で半導体スタックとは別の場所に回路を組まなけれ
ばならなかった回路部品も半導体スタック内に組み込む
ことができるようになり、全体として小型化が図れ、ま
た配線長も短くできて低インピーダンス化が図れる。

【００３６】また、受熱部ブロックを熱絶縁層により分
割し、その一方の側の分割ブロックと他方の側の分割ブ
ロックとの熱冷却性能を異ならせたものとすれば、予想
できる発熱量に応じた冷却性能を備えた分割ブロックの
側に適宜の電気部品や半導体素子を配置することによっ
て、ヒートパイプの冷却性能を効率良く利用できるよう
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に用いるヒートパイプ式冷
却器の一例を示す斜視図。

【図２】この発明の一実施例を示す正面図。

【図３】上記実施例の用いるヒートパイプ式冷却器の他
の例を示す斜視図。

【図４】上記実施例に用いるヒートパイプ式冷却器のさ
らに他の例を示す斜視図。

【図５】上記実施例に用いるヒートパイプ式冷却器のさ
らに他の例を示す斜視図。

【図６】上記実施例に用いるヒートパイプ式冷却器のさ
らに他の例を示す正面図。

【図７】上記実施例に用いるヒートパイプ式冷却器のさ
らに他の例を示す斜視図。

【図８】上記のヒートパイプ式冷却器の平面図。

【図９】上記実施例に用いるヒートパイプ式冷却器のさ
らに他の例を示す斜視図。

【図１０】従来例の正面図。

【符号の説明】

１　　半導体素子 ２　　ヒートパイプ式冷却器 ６　　受熱部ブロック ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ　　分割ブロック７，７ａ〜７
ｆ　　ヒートパイプ ８　　放熱フィン部 ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ　　分割フィン９　　絶縁碍子 １２　　熱絶縁層 １３　　電気部品

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体素子を圧接できる形状の受熱部
   ブロックおよび放熱フィン部より構成されるヒートパイ
   プ式冷却器と、半導体素子とを交互に積層、圧接して成
   るヒートパイプ式半導体スタックにおいて、前記ヒート
   パイプ式冷却器の受熱部ブロックを熱絶縁層で積層方向
   に分割し、前記受熱部ブロックの絶縁層で分割された一
   方の側の分割ブロックに前記半導体素子を積層、圧接し
   、前記絶縁層で分割された他方の側の分割ブロックに適
   宜の電気部品を積層するようにして成るヒートパイプ式
   半導体スタック。
2. 【請求項２】　　請求項１に記載のヒートパイプ式半導
   体スタックにおいて、前記絶縁層によって分割された受
   熱部ブロックの一方の側の分割ブロックと他方の側の分
   割ブロックとの冷却性能を異ならせるようにしたもの。