JPH07249721A - 電力用半導体素子の冷却体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電力用半導体素子を冷却する冷却体の冷却効率
を冷却水の流路抵抗を大きくすることなく高くする。 【構成】２枚の冷却板31,32 の互いの重ね合わせ面に、
両端が本体311,321の側面に突き抜けない互いに平行な
複数の溝312,322 を設け、それぞれの冷却板31,32 の溝
312,322 が直角になるように冷却板31,32 を重ね合わせ
て冷却体３を構成することによって、冷却板31,32 の互
いの溝同士が連通する多数の連通部36を形成する。出入
口33から冷却水を入れると、冷却水はまず冷却板31の溝
312 の一部を流れるが、連通部36を通って冷却板32の溝
322 にも流れ込んで、結局、両方の冷却板31,32 の溝31
2,322 と連通部36で複雑な流路を形成し、冷却水は最終
的に出入口34から出る。流路的には溝312,322 は大略的
には並列になるので流路抵抗は小さい。また、連通部36
で冷却水の流れは乱れ、しかも連通部36は溝312,322 の
間隔ごとに存在するので殆どの流路が乱流部とり冷却効
率が高くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、整流装置やインバー
タなどの電力変換装置に使用されるダイオード、サイリ
スタ又はパワートランジスタなどの半導体素子、特に大
容量の素子として採用される円板状の半導体素子が半導
体モジュールに組み込まれる際に、この半導体素子の一
方の面又は両面に接触して設ける電力用半導体素子の冷
却体に関する。

【０００２】

【従来の技術】大容量の整流装置やインバータではダイ
オード、サイリスタ及びパワートランジスタなどの半導
体素子が多数使用される。使用される半導体素子の数が
多いほどコストと信頼性の両方の点で不利なので、その
使用数を減らすためになるべく容量の大きな半導体素子
が使用される。このような大容量の半導体素子は円板状
ををしたいわゆる平形半導体素子が多い。平形半導体素
子はそれ自身冷却構造や端子引き出し構造を持っていな
いので、冷却機能と端子引き出し構造の双方を兼ねた冷
却体や端子導体で挟み所定の圧力をかけた状態で保持す
る構成が採用される。

【０００３】図７は大容量のダイオードやサイリスタに
多く採用される平形半導体素子を冷却体で挟んで両側か
ら冷却する構成が採用された半導体モジュールの模式的
な正面図である。平形半導体素子11は２枚の冷却体12,
13で挟まれて両面から効率的に冷却される。また、これ
らは絶縁体14, 15を介して加圧装置によって所定の力で
加圧された状態が保たれる。すなわち、これらは加圧装
置の架台16と加圧金具17に挟まれていて符号を付けない
連結ボルトに取付けられたナット18,19 を回転させて連
結したボルに沿って下の方向に移動させることによって
加圧される。加圧が必要なのは、平形半導体素子11の冷
却のための伝熱と導電のための接触抵抗を低くして特性
を向上させるためである。

【０００４】冷却体12, 13は導電体を兼ねている。例え
ば平形半導体素子11が正電極であるとすると、電流は平
形半導体素子11の上面の電極から冷却体12に流れ、リー
ド121 を介して図示しない接続リードに流れ込む。一
方、リード131 から流れ込んだ電流は冷却体13を通って
平形半導体素子11の下面の負電極に流れ込む。冷却体1
2, 13は後述のように内部に設けられている冷却管に冷
却水が流れることによって冷却されて平形半導体素子11
との接触面を介して熱を奪うことによって平形半導体素
子11が冷却される。

【０００５】図８はパワートランジスタのようなフラッ
トパッケージ形の半導体素子とこれを冷却する冷却体と
からなる半導体モジュールの模式的な正面図である。こ
の図において、フラットパッケージ形の半導体素子21は
その下面が冷却体22に接していて図の両側のボルト23で
冷却体22に取付けられている。半導体素子21の上面から
リード27が引き出され、下面は導電体を兼ねる冷却体22
を介して電流が流れる。

【０００６】図９は従来の冷却体の構成の例を示すもの
で、図９(a) は平面図、図９(b) は図９(a) のC-C 断面
図である。これらの図において、冷却体2Aは例えば銅の
ような良導電性と良熱伝導性を合わせ持つ金属からなる
もので、円板状の本体2A1 とこの本体2A1 の内部に設け
られた冷却管2A2 とこの冷却管2A2 を流れる冷却水の２
つの出入口2A3 とからなっている。冷却管2A2 は本体部
2A1 に合わせて円弧状に形成されている。このような冷
却体2Aは鋳造によって製作される。

【０００７】図10は図９とは異なる従来の冷却体の構成
の例を示すもので、図10(a) は平面図、図10(b) は図10
(a) のD-D 断面図である。これらの図において、冷却体
2Bは冷却体2Aと同様の金属製でありその本体2B1 は長方
形板状で、その中に冷却管2B2 が形成されている。冷却
管2B2 の製作方法は、まず図の左寄りの位置の垂直方向
に符号を付さない貫通孔と、右側からこの貫通孔まで達
する水平方向の２本の貫通孔を設け、垂直方向の貫通孔
の両端をロー付けに使用されるローを埋め込んで盲栓2B
4 とする。これによって右側に開いたコの状の冷却管2B
2 が形成される。本体2B1 から出た位置には２つの出入
口2B3 が設けられる。

【０００８】貫通孔は機械加工によって容易に形成でき
るので、鋳造で製作される図９の冷却体2Aの冷却管2A2
に比べて、冷却管2B2 はより複雑な構成の冷却管を形成
することができる。図11は図９、図10とは異なる従来の
冷却体の構成の例を示すもので、図11(a)は平面図、図1
1(b) は図11(a) のE-E 断面図である。これらの図にお
いて、冷却体2Cは２枚の冷却板2C1,2C5 からなる。２枚
の冷却板2C1 と冷却板2C5 とを図11(b) のように重ねる
前に冷却板2C1 にＷ字状の溝を設ける。冷却板2C5 を冷
却板2C1 の溝が設けられた面に重ね合わせると図示のよ
うに溝の上が覆われて冷却管2C2 が形成される。冷却管
2C2 の冷却水の出入口には出入口2C3 が設けられる。冷
却管を形成するのに貫通孔を設けるのではなく溝を設け
るので機械加工が容易であり図10に比べて製作が容易で
また複雑な形状の冷却管を形成することができる。

【０００９】これら冷却体は一般的に冷却水と被冷却体
としての冷却板又は本体との接触面積、すなわち冷却管
の表面積が大きいほど冷却効率が高い。そのためには図
11のように屈曲部を多くするのが良いが、そうすると流
路抵抗が大きくなって冷却水を流しにくくなり、その結
果冷却効率が低下するという相反する結果になる。した
がって、冷却管の形状、寸法は冷却効率を上げるための
表面積を大きくすることと流路抵抗を小さくすることと
の相反する事項の最適の条件を設定して最も冷却効率の
高い冷却体が製作される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】電力用半導体素子は担
体の大容量化、又はより高周波のスイッチング素子に適
用の動向にあり、従来以上に冷却効率の高い冷却体が要
求されて来ている。前述の冷却体2Aは製作可能な冷却管
の形状に制約があって高効率化要請の時代に適さず、冷
却体2Bの場合もその点では同様であるといってよい。一
方、冷却体2Cの場合、複雑な形状の冷却管を製作するの
が比較的容易であるが、冷却管の形状を複雑にする、す
なわち、直線部の本数を大きくすると流路抵抗が大きく
なり過ぎて製作が可能であっても期待する高冷却効率が
期待できないという問題がある。また、周知のように冷
却水の流れが層流部よりも乱流部の方が冷却効率が高い
が、冷却体2Cの場合、乱流が生ずるのは冷却管2C2 の屈
曲部であり直線部は層流が主体なので冷却効率の高い部
分が偏在して全体として高冷却効率化に限界があるとい
う問題がある。

【００１１】この発明の目的はこのような問題を解決
し、高冷却効率化を実現することのできる電力用半導体
素子の冷却体を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
にこの発明によれば、電力用半導体素子の少なくとも１
つの面に接触させてこの半導体素子を冷却する冷却体で
あって、この冷却体が２枚の冷却板が重ね合わされて一
体化されてなり、少なくとも一方の冷却板の重ね合わせ
面に、溝とこの溝に連通する出入口が設けられてなる電
力用半導体素子の冷却体において、２枚の冷却板の互い
の重ね合わせ面に、両端が冷却板の側面に突き抜けない
互いに平行な複数の溝が設けられ、それぞれの冷却板の
溝の方向が所定の角度をもって重ね合わされてなるもの
とする。また、２枚の冷却板の溝の重ね合わせたときの
角度が直角であるものとする。また、溝の間隔が中央部
ほど広いものとする。

【００１３】

【作用】この発明の構成において、２枚の冷却板の互い
の重ね合わせ面に、両端が冷却板の側面に突き抜けない
互いに平行な複数の溝を設け、それぞれの冷却板の溝の
方向が所定の角度をもつように重ね合わして構成するこ
とによって、互いの冷却板の溝同士が多くの箇所で連通
する連通部を形成する。一方の冷却板に設けられた出入
口の一方から冷却水を入れると、冷却水はまず出入口が
設けられた側の冷却板の溝に流れ込むが、連通部を通っ
てもう一方の冷却板にも冷却水が流れ込み、結局、両方
の冷却板の溝と連通部からななる複雑な流路を流れて冷
却水は最終的にもう一方の出入口から流れ出る。２枚の
冷却板のそれぞれの溝は大略的には互いに並列となる流
路となっているので、流路抵抗はそれぞれの溝を直列接
続した場合にくらべてはるかに小さな流路抵抗になる。
一方、冷却面積となる冷却管と冷却板との接触面積は溝
の表面積に略等しいので溝の寸法、本数が同じとしたと
きの従来の冷却体の構成に比べて冷却面積の点で冷却効
率が低下することはない。更に、連通部で冷却水の流れ
は乱れ、しかも連通部は溝の間隔ごとに存在するので殆
どの流路が乱流部となることから同じ表面積であっても
冷却効率は高くなる。

【００１４】２枚の冷却板の溝の角度は余り小さく平行
に近くなるのでなければ特に限定するものではないが、
対称性からも直角であるのが最適である。また、冷却板
は半導体素子とともに加圧された状態に維持されるが、
冷却板の溝の間隔を中央部ほど広くすることによって、
冷却板の素材同士が直接接触する接触部の面積が大きく
なって、溝があるために中央部の圧力が大きくなって圧
力分布が均一でなくなるのを緩和して均一分布に近づけ
ることができる。

【００１５】

【実施例】以下この発明を実施例に基づいて説明する。
図１はこの発明の実施例を示す２枚の冷却板からなる冷
却体の一方の冷却板を示すもので、図１(a) はその平面
図、図１(b) は図１(a) のA-A 断面図である。また、図
２は図１と同じ冷却体の他方の冷却板を示すもので、図
２(a) はその平面図、図２(b) は図２(a) のB-B 断面図
である。また、図３は図１と図２の２枚の冷却板を重ね
合わせて形成された冷却体の２面図で、図３(a) は平面
図、図３(b) は側面図である。

【００１６】図１において、冷却板31は正方形の板であ
り、図９の冷却体 2A などと同様に銅などの良導電性と
良熱伝導性の両方の特性を持った金属で製作される。冷
却板31は本体311 とこれに設けられた溝312 からなって
いて、図１(a) に示すように溝312 は図の水平方向に平
行な８本で構成されている。溝312 は冷却板31の図の左
右の側面には到達しないように作られている。図の右上
と左下にそれぞれ出入り穴313,314 が溝312 の一部と連
通するように設けられていて、後述するようにこれに管
を挿入して出入口33, 34が構成される。この図では８本
の溝312 は等間隔に設けられている。溝312 の加工はフ
ライス盤によって容易に行うことができる。

【００１７】図２に示す冷却板32は、本体321 の形状、
寸法及びこれに設ける溝322 の寸法、本数及び間隔は図
１の冷却板31と同じである。２枚の冷却板31,32 で異な
る点はその厚み寸法と出入り穴313,314 の有無である。
冷却板32の厚み寸法が薄いのは出入り穴313,314 を設け
ないからである。図３に示すように、冷却板31と冷却板
32には溝312 と溝322 がそれぞれ設けられた面を接触さ
せて重ね合わされる。また、前述のように出入り穴 31
3,314には符号を付けない管を挿入して半田付けされて
出入口33, 34が形成される。図３(a) には溝312 と溝32
2 とを鎖線で示すが、冷却板31,32 とは溝312 と溝322
とが直交するよように重ね合わされることによって、溝
312 と溝322 とは互いに連通する連通部36とそれ以外の
部分の非連通部37とが形成される。非連通部37の中には
溝と冷却板の素材が接触する部分と素材同士が接触する
部分があるがこれらいずれも冷却水が通ることができな
いという点で非連通部37として連通部36と区別されてい
る。図に実線で１箇所だけを示すように、連通部36の１
つは溝312,322 の幅を１辺とする正方形状をしている。
連通部36の数は溝312,322 の本数の積、すなわち64とな
る。冷却体３の冷却管35はこれらの溝312 、溝322 及び
これらを連通する連通部36で構成されている。

【００１８】出入口33から冷却管35に流れ込んだ冷却水
は、最初は溝312 に流れ込むが、すぐ近くの連通部36を
通って溝322 にも流れ込み、大略的には溝312 と溝322
それぞれの複数本が並列に流れて最終的に出入口34から
流れ出す。冷却水が溝312 と溝322 とに並列に流れるの
で、冷却管が溝 312や溝322 が直列に接続されている場
合に比べてはるかに流路抵抗が小さい。一方、溝312,32
2 の冷却に貢献する有効な表面積は溝312,322 の上面と
側面と底面の面積総和から連通部36の面積を差し引いた
面積なので流路が直列になるか並列になるかには余り関
係しない。更に、連通部36では溝312 と溝322 とを直交
して流れる冷却水が互いに干渉しあって流れが乱れ乱流
が発生することから、冷却管35内全体にわたって乱流部
の比率が大きくなって冷却効率が向上する。

【００１９】溝312, 322を機械加工で作るのは前述のよ
うに容易であり、例えば図11の円弧部のように、溝312,
322 を連通させるための加工は不要なので冷却体の製作
はこの点でも容易である。図４はこの発明の別の実施例
を示す２枚の冷却板からなる冷却体の一方の冷却板の平
面図、図５は同じ冷却体の他方の冷却板の平面図、図６
は図４と図５の冷却板を重ね合わせて構成された冷却体
の平面図であり、側面図を記載しない点を除き図１〜図
３と類似であるので、類似の構成要素には符号の接頭桁
の数値３を４に代えて重複説明を省く。これらの図にお
ける冷却体４の図１〜図３の冷却体３との異なる点は、
溝412 、溝422 を等間隔ではなく中央部ほど間隔を広げ
端部ほど間隔を狭くした点である。このような構成を採
用したのは加圧装置によって加圧された圧力の重ね合わ
せ面での分布が均一になるように配慮したものである。

【００２０】図３から明らかなように冷却体３の冷却板
31と冷却板32とが接触する面は、周辺部は溝がないので
広く接触し、中央部では溝のない面同士が接触した非接
触部37であり、仮に隣同士の溝の隔たりが溝の幅と同じ
であるとしたとき、この重ね合わせ面は図3 に示す連通
部36と同じ面積になる。したがって冷却板31の本体311
と冷却板32の本体312 が接触する面は４分の１と小さく
なる。ちなみに溝312と溝322 とを平行かつ一致するよ
うに配置すると接触面は非接触面を含めた面の２分の１
である。

【００２１】このように、冷却体３の中央部では重ね合
わせ面が周辺部の約４分の１と小さくなるために一様に
圧力が掛けられているとすると重ね合わせ面の単位面積
当たりの圧力は周辺のそれの約４倍になり、その結果、
収縮率は周辺の４倍になる。実際には収縮率は全面で一
様なのが実際なので、結果的に圧力が不均一になってし
まう。

【００２２】図４〜図５のように冷却体４における冷却
板41、冷却板42の溝412,422 の隣合う溝の間隔を中央部
ほど大きくするのはこのような圧力不均一を緩和するた
めである。すなわち、溝の間隔を中央部ほど大きくする
と図６で明らかなように、中央部の接触部48の面積は隣
同士の溝の隔たりを１辺とする長方形（中央では正方
形）になって等間隔の場合に比べて大きくなり、前述の
ような圧力が一様分布したとししたときの実際の接触面
の圧力が中央部ほど大きくなるという不均一性が緩和さ
れて圧力が一様になる。

【００２３】

【発明の効果】この発明は前述のように、冷却体を構成
する２枚の冷却板に溝を設け、互いに所定の角度傾かせ
て重ね合わせる構成を採用することによって、溝と溝と
が重なって冷却水が他方の溝に移ることのできる連通部
が形成される。このような冷却体の出入口の一方から冷
却水が流れ込むと、冷却水は連通部を介して異なる冷却
板の溝の間で流れの交換があるとともに大略的にはそれ
ぞれの溝を並列に流れることから、流路抵抗は溝を直列
に流れる場合に比べてはにかに小さく、しかも連通部は
溝の間隔ごとに存在するので殆どの流路が乱流部となっ
て冷却効率が高くなることから、小さな流路抵抗で冷却
効率が向上するという効果が得られる。

【００２４】また、２枚の冷却板を重ね合わせるときの
溝の角度は特に限定するものではないが、対称性からも
直角であるのが最適である。また、冷却板は半導体素子
とともに加圧された状態に維持されるが、角度を付けて
それぞれの溝を配置したために中央部の重ね合わせ面が
少なくなるが、溝の間隔を中央部ほど広くして中央部の
接触部の面積を大きくすることによって圧力の不均一が
緩和されるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す２枚の冷却板からなる
冷却体の一方の冷却板を示し、図１(a) は平面図、図１
(b) は図１(a) のA-A 断面図

【図２】図１と同じ冷却体の他方の冷却板を示し、図２
(a) は平面図、図２(b) は図２(a) のB-B 断面図

【図３】図１と図２の冷却板からなる冷却体の２面図
で、図３(a) は平面図、図３(b)は側面図

【図４】この発明の異なる実施例を示す２枚の冷却板か
らなる冷却体の一方の冷却板の平面図

【図５】図４と同じ冷却体の他方の冷却板の平面図

【図６】図４と図５の冷却板からなる冷却体の平面図

【図７】平形半導体素子が使用された半導体モジュール
の模式的な正面図

【図８】フラットパッケージ形の半導体素子が使用され
た半導体モジュールの模式的な正面図

【図９】従来の冷却体を示し、図９(a) は平面図、図９
(b) は図９(a) のC-C 断面図

【図10】図９とは異なる従来の冷却体を示し、図10(a)
は平面図、図10(b) は図10(a)のD-D 断面図

【図11】図９、図10とは異なる従来の冷却体の構成を示
し、図11(a) は平面図、図11(b) は図11(a) のE-E 断面
図

【符号の説明】

3, 4, 2A, 2B, 2C …冷却体、 31, 32, 41, 42…冷却板、 311, 321, 411, 421, 2A1, 2B1, 2C1 …本体、 312, 322, 412, 422…溝 33, 34, 43，44, 2A3, 2B3, 2C3 …出入口、 35, 45, 2A2, 2B2, 2C2 …冷却管 36…連通部、37…非連通部、48…接触部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電力用半導体素子の少なくとも１つの面に
   接触させてこの半導体素子を冷却する冷却体であって、
   この冷却体が２枚の冷却板が重ね合わされて一体化され
   てなり、少なくとも一方の冷却板の重ね合わせ面に、溝
   とこの溝に連通する出入口が設けられてなる電力用半導
   体素子の冷却体において、 ２枚の冷却板の互いの重ね合わせ面に、両端が冷却板の
   側面に突き抜けない互いに平行な複数の溝が設けられ、
   それぞれの冷却板の溝の方向が所定の角度をもって重ね
   合わされてなることを特徴とする電力用半導体素子の冷
   却体。
2. 【請求項２】２枚の冷却板の溝の重ね合わせたときの角
   度が直角であることを特徴とする請求項１記載の電力用
   半導体素子の冷却体。
3. 【請求項３】溝の間隔が中央部ほど広いことを特徴とす
   る請求項１又は２記載の電力用半導体素子の冷却体。