JPWO2014128868A1 - 冷却装置及びこれを用いた冷却装置付きパワーモジュール - Google Patents

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Abstract

発熱するチップを複数内蔵し、発熱量が最大となる第１のチップ２２ａと発熱量が２番目に大きい第２のチップ２２ｂ1,２２ｂ2とが隣同士にならず、かつ第１のチップ２２ａは発熱量が最小となる第３のチップ２２ｃ1,２２ｃ2,２２ｃ3のいずれか２つと隣同士となるチップ配置のパワーモジュール２０と、パワーモジュール２０がベース面１Ａに密着して取り付けられるヒートシンク２と、ヒートシンク２の表面に配置される本体１より熱伝導率が高い平板状の第１及び第２の異方性高熱伝導体２ａ1,２ａ2,２ｂ1,２ｂ2とを備えた冷却装置１０において、第１及び第２の異方性高熱伝導体２ａ1,２ａ2,２ｂ1,２ｂ2を第１のチップ２２ａの直下と第２のチップ２２ｂ1,２２ｂ2の直下の２つに分離して配置する。

Description

本発明は、冷却装置及びこれを用いた冷却装置付きパワーモジュールに係り、特にパワー半導体チップを搭載したパワーモジュールの冷却装置に関する。
従来、モータ駆動においては主に、パワー半導体チップを搭載したパワーモジュールでインバータ回路を構成し、直流電力をスイッチングして交流電力に変換することで制御を行う技術が開示されている(特許文献１)。瞬間的にはパワーモジュール内の特定の数チップにのみ電流が流れ発熱するが、発熱するチップが瞬時に切り替わり、通常は各チップが均等に発熱している。一方、特にサーボモータの駆動では重量物の保持など、モータの回転を伴わずにモータに電力を供給するケースが多い。このようなケースではモジュール内の特定の数チップに集中して電流が流れ、局所的に発熱量が増大する。このようなケースでも熱を効率よく急速に拡散し放熱できる、高い放熱特性を持った冷却装置が求められる。
こうした冷却装置として、従来、熱伝導率の高い材料を使用し、放熱特性の高い構造にしたものがある。例えば特許文献１では放熱板を２層のグラファイト層で構成し、１層目で水平方向、２層目で垂直方向に高い熱伝導率を得て放熱特性を高めている。
特開２０１２-０６９６７０号公報
しかしながら、上記従来の技術によれば、ワイドバンドギャップ半導体の使用などによりモジュールが小型化し、発熱量の大きい数チップが近くに配置されるようになると、チップ間の熱干渉が発生し互いに高温になるという問題があった。
また特許文献１では、１層目のグラファイト層の垂直方向の熱伝導率が低いため、１層目の垂直方向の厚さは薄くせざるを得ない。そのため、水平方向への熱伝導特性も悪化し、ヒートシンクの端まで即時に均一に熱を拡散することは困難であった。このように、熱伝導率の高い方向が２方向に限られるため、ヒートシンク全体に熱を拡散しにくいという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、発熱するチップ間で熱干渉を生じることなく、即時にヒートシンク全体に熱拡散を行うことができる冷却装置及びこれを用いたパワーモジュールを得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、発熱する第１及び第２のチップを備えたパワーモジュールを冷却するための冷却装置であって、前記パワーモジュールが密着して装着される、ベース面を有するヒートシンクを備え、前記ヒートシンクは、前記ベース面を備えた本体と、前記本体よりも熱伝導率の高い、第１及び第２の高熱伝導体とを備え、前記第１及び第２のチップが、それぞれ、前記第１及び第２の高熱伝導体の一端に当接し、前記第１及び第２の高熱伝導体を介して、それぞれ独立した熱分散経路に接続されることを特徴とする。
本発明にかかる冷却装置は、特定の数チップで局所的に発熱量が増大した場合でも、発熱量が最大となる第１のチップは、発熱量が２番目に大きい第２のチップの影響をほとんど受けることなく冷却可能となり、即時にヒートシンク全体に均一に熱を拡散することが可能であるという効果を奏する。
図１−１は、本発明の実施の形態１による冷却装置付きパワーモジュールを示す斜視図である。 図１−２は、本発明の実施の形態１による冷却装置付きパワーモジュールの要部拡大斜視図である。 図２−１は、本発明の実施の形態１によるパワーモジュールの他の例を示す拡大斜視図である。 図２−２は、本発明の実施の形態１によるパワーモジュールの他の例を示す拡大斜視図である。 図２−３は、本発明の実施の形態１によるパワーモジュールの他の例を示す拡大斜視図である。 図２−４は、本発明の実施の形態１によるパワーモジュールの他の例を示す拡大斜視図である。 図２−５は、本発明の実施の形態１によるパワーモジュールの他の例を示す拡大斜視図である。 図３は、本発明の実施の形態２による冷却装置付きパワーモジュールを示す斜視図である。 図４は、本発明の実施の形態３による冷却装置付きパワーモジュールを示す斜視図である。 図５は、本発明の実施の形態４による冷却装置付きパワーモジュールを示す斜視図である。 図６は、本発明の実施の形態５による冷却装置付きパワーモジュールを示す斜視図である。 図７は、本発明の実施の形態６による冷却装置付きパワーモジュールを示す斜視図である。 図８は、本発明の実施の形態６による平板状ヒートパイプを示す平面図である。
以下に、本発明にかかる冷却装置及びこれを用いた冷却装置付きパワーモジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。
実施の形態１．
図１−１は、本実施の形態１の冷却装置付きパワーモジュールの斜視図である。図１−２は本実施の形態で用いられるパワーモジュールの要部拡大斜視図である。図１−１に示すように、本実施の形態１の冷却装置付きパワーモジュール１００は、パワーモジュール２０とこれを冷却するための冷却装置１０とで構成される。冷却装置１０は、パワーモジュール２０が密着して装着される、ベース面１Ａを有するヒートシンク２を備える。ヒートシンク２は、ベース面１Ａを備えた本体１と、本体１よりも熱伝導率の高い、第１及び第２の高熱伝導体（第１及び第２の異方性高熱伝導体２ａ1、２ａ2、２ｂ1、２ｂ2）とを備える。第１及び第２のチップが、それぞれ、第１及び第２の高熱伝導体の一端に当接し、第１及び第２の異方性高熱伝導体を介して、それぞれ矢印で示すように、独立した２グループの熱分散経路に接続されるようにしたことを特徴とする。
この冷却装置１０は、例えばアルミニウムからなる複数の平板フィン３と本体１とから構成されるヒートシンク２を有する。また、ベース本体１の平板フィン３形成面１Ｂと反対の面であるベース面１Ａにはパワーモジュール２０が設けられている。パワーモジュール２０は、例えばインバータ回路を構成し直流電力をスイッチングして交流電力に変換しモータ駆動を制御するものである。このパワーモジュール２０は、配線基板２１に発熱体となるパワー半導体からなるチップが６個搭載されている。通常、瞬間的にはパワーモジュール２０内の特定の数チップにのみ電流が流れ発熱するが、発熱するチップが瞬時に切り替わり、各チップが均等に発熱している。一方、例えばサーボモータの駆動では重量物の保持など、モータの回転を伴わずにモータに電力を供給するケースがある。このようなケースではモジュール内の特定の数チップに集中して電流が流れ、局所的に発熱量が増大する。このように、パワーモジュール２０は、局所的に発熱が集中した場合に発熱量が最大となる第１のチップ２２ａ、発熱量が２番目に大きい第２のチップ２２ｂ1,２２ｂ2、発熱量が最小となる第３のチップ２２ｃ1,２２ｃ2,２２ｃ3の６個のチップから構成される。
チップレイアウトは、第１のチップ２２ａと第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2が隣同士とならず、かつ第１のチップ２２ａは第３のチップ２２ｃ１と第３のチップ２２ｃ3と隣同士となるように配置される。また、第１のチップ２２ａが含まれるｙ方向の列には第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2が配置されない。
第１のチップ２２ａを含む領域の直下には第１異方性高熱伝導体２ａ1及び第１異方性高熱伝導体２ｂ1が、第２のチップ２２ｂ1と第２のチップ２２ｂ2を含む領域の直下には第２異方性高熱伝導体２ａ2及び第２異方性高熱伝導体２ｂ2が設けられる。なお、パワーモジュール２０の直下には熱伝導率がｙ方向とｚ方向に高く、ｘ方向には小さい第１異方性高熱伝導体２ａ1及び第２異方性高熱伝導体２ａ2が配置され、その下に熱伝導率がｘ方向とｚ方向に高く、ｙ方向には小さい第１異方性高熱伝導体２ｂ1と第２異方性高熱伝導体２ｂ2が配置され、ヒートシンク２と密着されている。異方性熱伝導体としては熱伝導率が高い方向の熱伝導率が１０００Ｗ／ｍＫ以上の例えばグラファイト系材料を用いることができる。
このような冷却装置１０では、上述のように特定の数チップに集中して電流が流れた場合に第１のチップ２２ａが瞬間的・局所的に発熱量最大となり、第２のチップ２２ｂ1と第２のチップ２２ｂ2の発熱量が２番目に大きくなり、第３のチップ２２ｃ１、第３のチップ２２ｃ2、第３のチップ２２ｃ3はほとんど発熱しない。したがって、第１のチップ２２ａの発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第１異方性高熱伝導体２ａ1に伝わり、ｙ方向とｚ方向に拡散され、更に第１異方性熱伝導体２ｂ1によりｘ方向とｚ方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため、第１のチップ２２ａの瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。また、第２のチップ２２ｂ1と第２のチップ２２ｂ2の発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第２異方性高熱伝導体２ａ2に伝わり、ｙ方向とｚ方向に拡散され、更に第２異方性熱伝導体２ｂ2によりｘ方向とｚ方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため第２のチップｂ1と第２のチップ２２ｂ2の瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。
また、高熱伝導体は第１のチップ２２ａの直下と第２のチップ２２ｂ1と第２のチップ２２ｂ2の直下で分断され、独立した２グループの熱分散経路を構成する。このため、スイッチング動作で瞬間的に発熱量が増大したときに第２のチップ２２ｂ1と第２のチップ２２ｂ2の熱は主に第２異方性高熱伝導体２ａ2と第２異方性高熱伝導体２ｂ2の内部で拡散される。高熱伝導体が分断されていなければ、第２のチップ２２ｂ1と第２のチップ２２ｂ2の２つのチップが発熱するため発熱面積が広く、第１のチップ２２ａ直下の領域にまで熱が拡散しやすくなり、第１のチップ２２ａの冷却に影響を及ぼす。これに対し本実施の形態では、高熱伝導体が分断されているため、第２のチップ２２ｂ1と第２のチップ２２ｂ2の熱が第１のチップ２２ａ直下の領域に流入し難くなる。従って、第１のチップ２２ａの発熱が効率的に第１異方性高熱伝導体２ａ1と第１異方性高熱伝導体２ｂ1の内部で拡散され第１のチップ２２ａの瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。
なお、第２のチップ２２ｂ1と第２のチップ２２ｂ2の発熱量の合計と第１のチップ２２ａの発熱量はほぼ同じであるため、分断された高熱伝導体に伝わる熱量が同等となりヒートシンク２全体に均一に熱拡散が可能となり効率よく冷却が可能となる。
図２−１〜図２−５は本発明の実施の形態１によるパワーモジュールの変形例を示す斜視図である。チップがスイッチング動作で発熱したときの構成は、図１−１及び図１−２に示したレイアウト構成に限らず、図２−１〜図２−５のように、第１のチップ２２ａと第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2が隣同士とならず、かつ第１のチップ２２ａは第３のチップ２２ｃ1、第３のチップ２２ｃ2、第３のチップ２２ｃ3と隣同士となるように配置されていればよい。
実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２による冷却装置付きパワーモジュールの斜視図である。図３に示すように、実施の形態２では積層される高熱伝導体の順を逆にしている。パワーモジュール２０の直下には熱伝導率がｘ方向とｚ方向に高く、ｙ方向には小さい第１異方性高熱伝導体２ｂ1及び第２異方性高熱伝導体２ｂ2が配置され、その下に熱伝導率がｙ方向とｚ方向に高く、ｘ方向には小さい第１異方性高熱伝導体２ａ1と第２異方性高熱伝導体２ａ2が配置され、ヒートシンク２と密着せしめられている。
このような冷却装置１０では、第１のチップ２２ａの発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第１異方性高熱伝導体２ｂ1に伝わり、ｘ方向とｚ方向に拡散され、更に第１異方性熱伝導体２ａ1によりｙ方向とｚ方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため、第１のチップ２２ａの瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。また、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第２異方性高熱伝導体２ｂ2に伝わり、ｘ方向とｚ方向に拡散され、更に下層側の第２異方性熱伝導体２ａ2によりｙ方向とｚ方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。
また、実施の形態１と同様に高熱伝導体は第１のチップ２２ａの直下と第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の直下で分断されているので、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の熱が第１のチップ２２ａ直下の領域に流入し難くなり、第１のチップ２２ａの発熱が効率的に第１異方性高熱伝導体２ｂ1と第１異方性高熱伝導体２ａ1の内部で拡散され第１のチップ２２ａの瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。
なお、発熱するチップのレイアウト配置は図３の構成に限らず、図２−１〜図２−５の構成であってもよい。
実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３による冷却装置付きパワーモジュールの斜視図である。図４に示すように、実施の形態１，２では同一サイズの異方性高熱伝導体を積層したが本実施の形態では、パワーモジュール２０側に配置される異方性高熱伝導体のサイズを、熱伝導率が小さいｙ方向ではパワーモジュールと同程度に小さくしたことを特徴とする。すなわち、パワーモジュール側に配置される、熱伝導率がｘ方向とｚ方向に高く、ｙ方向には小さい第１異方性高熱伝導体２ｂ1と第２異方性高熱伝導体２ｂ2のサイズをパワーモジュール２０のｙ方向のサイズに合わせて配置している。その下に、熱伝導率がｙ方向とｚ方向に高く、ｘ方向には小さい第１異方性高熱伝導体２ａ1と第２異方性高熱伝導体２ａ2がヒートシンク２のサイズに合わせて密着して配置されている。
このような冷却装置１０では、実施の形態２の冷却装置１０と同様に、第１のチップ２２ａ1の発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第１異方性高熱伝導体２ｂ1に伝わり、ｘ方向とｚ方向に拡散され、更に第１異方性熱伝導体２ａ1によりｙ方向とｚ方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため、第１のチップ２２ａ1の瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。また、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の発熱はパワーモジュール２０を通して第２異方性高熱伝導体２ｂ2に伝わり、ｘ方向とｚ方向に拡散され、更に第２異方性熱伝導体２ａ2によりｙ方向とｚ方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。
また、実施の形態２と同様に高熱伝導体は第１のチップ２２ａの直下と第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の直下で分断されているので、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の熱が第１のチップ２２ａ直下の領域に流入し難くなり、第１のチップ２２ａの発熱が効率的に第１異方性高熱伝導体２ｂ1と第１異方性高熱伝導体２ａ1の内部で拡散され第１のチップ２２ａの瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。
このとき、第１異方性高熱伝導体２ｂ1と第２異方性高熱伝導体２ｂ2はｘ方向に熱を広げる役割を持つので、ｙ方向の長さはパワーモジュール２０のサイズに合わせた大きさでもｘ方向に熱を広げる能力に支障はなく、高熱伝導体の使用量が減りコスト低減が可能となる。
なお、本実施の形態においても、パワーモジュール２０における発熱するチップのレイアウト配置は図４の構成に限らず、図２−１〜図２−５の構成であってもよい。
実施の形態４．
図５は本発明の実施の形態４による冷却装置付きパワーモジュールの斜視図である。実施の形態３では積層構造の異方性高熱伝導体のうち、パワーモジュール２０側にｙ方向の熱伝導率の小さい異方性高熱伝導体のサイズをｙ方向で小さくしたが、本実施の形態では、図５に示すように、パワーモジュール２０側に配置される異方性高熱伝導体をｘ方向で熱伝導率が小さいものとした。そしてこの異方性高熱伝導体のサイズを、熱伝導率が小さいｘ方向ではパワーモジュールの配線基板２１の外縁と一致する程度に小さくしたことを特徴とする。すなわち、図５に示すように、本実施の形態４では積層される高熱伝導体のパワーモジュール２０側に配置される、熱伝導率がｙ方向とｚ方向に高く、ｘ方向には小さい第１異方性高熱伝導体２ａ1と第２異方性高熱伝導体２ａ2のサイズをパワーモジュール２０の配線基板のｘ方向のサイズに合わせて小さくして配置している。その下に、熱伝導率がｘ方向とｚ方向に高く、ｙ方向には小さい第１異方性高熱伝導体２ｂ1と第２異方性高熱伝導体２ｂ2がヒートシンク２のサイズに合わせて密着して配置されている。
このような冷却装置１０では、実施の形態１の冷却装置１０と同様に、第１のチップ２２ａの発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第１異方性高熱伝導体２ａ1に伝わり、ｙ方向とｚ方向に拡散され、更に第１異方性熱伝導体２ｂ1によりｘ方向とｚ方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため、第１のチップ２２ａの瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。また、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の発熱はパワーモジュール２０を通して第２異方性高熱伝導体２ａ2に伝わり、ｙ方向とｚ方向に拡散され、更に第２異方性熱伝導体２ｂ2によりｘ方向とｚ方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。
また、実施の形態１と同様に高熱伝導体は第１のチップ２２ａの直下と第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の直下で分断されているので、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の熱が第１のチップ２２ａ直下の領域に流入し難くなり、第１のチップ２２ａの発熱が効率的に第１異方性高熱伝導体２ａ1と第１異方性高熱伝導体２ｂ1の内部で拡散され第１のチップ２２ａの瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。
このとき、第１異方性高熱伝導体２ａ1と第２異方性高熱伝導体２ａ2はｙ方向に熱を広げる役割を持つので、ｘ方向の長さはパワーモジュール２０の配線基板２１のサイズに合わせた大きさでもｙ方向に熱を広げる能力に支障はなく、高熱伝導体の使用量が減りコスト低減が可能となる。
なお、本実施の形態においても、パワーモジュール２０における発熱するチップのレイアウト配置は図５の構成に限らず、図２−１〜図２−５の構成であってもよい。
また、以上の実施の形態においては、異方性高熱伝導体は２層構造で構成したが、３層以上の多層構造としてもよいことはいうまでもなく、これにより、より高効率の放熱特性を得ることが可能となる。
実施の形態５．
図６は本発明の実施の形態５による冷却装置付きパワーモジュールの斜視図である。図６に示すように、冷却装置１０は、例えばアルミニウムからなる複数の平板フィン３とベース面１Ａを有する本体１から構成されるヒートシンク２を有する。また、ベース面１Ａにはパワーモジュール２０が設けられ、ベース面１Ａと反対側の面である平板フィン形成面１Ｂには平板フィン３が設けられている。
実施の形態１と同様に、パワーモジュール２０には発熱体となるパワー半導体チップが６個搭載されており、局所的に発熱が集中した場合に発熱量が最大となる第１のチップ２２ａ、発熱量が２番目に大きい第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2、発熱量が最小となる第３のチップ２２ｃ1,２２ｃ2,２２ｃ3から構成される。
チップレイアウトは、第１のチップ２２ａと第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2が隣同士とならず、かつ第１のチップ２２ａは第３のチップ２２ｃ1,２２ｃ3と隣同士となるように配置される。また、第１のチップ２２ａが含まれるｙ方向の列には第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2が配置されない。
第１のチップ２２ａを含む領域の直下にはパワーモジュール２０の配線基板２１のｙ方向のサイズと同等サイズの第１平板状ヒートパイプ３１が、第２のチップ２２ｂ1,２２ｂ2を含む領域の直下にはパワーモジュール２０のｙ方向のサイズと同等サイズの第２平板状ヒートパイプ３２が設けられ、ヒートシンク２と密着されている。
このような冷却装置１０では、実施の形態１と同様にスイッチング動作により第１のチップ２２ａが瞬間的・局所的に発熱量最大となり、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の発熱量が２番目に大きくなり、第３のチップ２２ｃ1,２２ｃ2,２２ｃ3はほとんど発熱しない。したがって、第１のチップ２２ａの発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第１平板状ヒートパイプ３１に伝わり、ｘ、ｙ、ｚの全方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため、第１のチップ２２ａの瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。また、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の発熱はパワーモジュール２０を通して第２平板状ヒートパイプ３２に伝わり、ｘ、ｙ、ｚの全方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため第２のチップ２２ｂ1,２２ｂ2の瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。
また、第１及び第２平板状ヒートパイプ３１、３２は第１のチップ２２ａの直下と第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の直下で分断されているので、スイッチング動作で瞬間的に発熱量が増大したときに第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の熱は主に第２平板状ヒートパイプ３２の内部で拡散される。分断されていなければ、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の２つのチップが発熱するため発熱面積が広く、第１のチップ２２ａ直下の領域にまで熱が拡散しやすくなり、第１のチップ２２ａの冷却に影響を及ぼすが、平板状ヒートパイプが分断されているため、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の熱が第１のチップ直下の領域に流入し難くなり、第１のチップ２２ａの発熱が効率的に第１平板状ヒートパイプ３１の内部で拡散され第１のチップ２２ａの瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。
なお、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の発熱量の合計と第１のチップ２２ａの発熱量はほぼ同じであるため、分断された平板状ヒートパイプ３１，３２に伝わる熱量が同等となりヒートシンク２全体に均一に熱拡散が可能となり効率よく冷却が可能となる。
なお、本実施の形態においても、パワーモジュール２０における発熱するチップのレイアウト配置は図６の構成に限らず、図２−１〜図２−５の構成であってもよい。
実施の形態６．
図７は本発明の実施の形態６による冷却装置の斜視図である。図７に示すように、実施の形態６ではヒートシンクのｙ方向のサイズと同等サイズの第１平板状ヒートパイプ３１及び第２平板状ヒートパイプ３２が配置され、ヒートシンク２と密着されている。
このとき、パワーモジュール２０をネジでヒートシンク２に固定する場合、図８に示すように第１平板状ヒートパイプ３１及び第２平板状ヒートパイプ３２の蒸気流路３３を避けて取付穴３４を設けることで、図７のようにパワーモジュール２０の配線基板２１より大きい第１平板状ヒートパイプ３１及び第２平板状ヒートパイプ３２を用いることが可能となる。この取付穴３４にむけて、配線基板２１側からネジ３５を挿通し、第１平板状ヒートパイプ３１及び第２平板状ヒートパイプ３２をパワーモジュール２０に固定している。このため、組み立てが容易であるとともに、密着性が向上し、放熱性が向上する。
このような冷却装置１では、第１のチップ２２ａの発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第１平板状ヒートパイプ３１に伝わり、ｘ、ｙ、ｚの全方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため、第１のチップ２２ａの瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。また、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第２平板状ヒートパイプ３２に伝わり、ｘ、ｙ、ｚの全方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。
また、実施の形態５と同様に平板状ヒートパイプは第１のチップ２２ａの直下と第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の直下で分断されているので、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の熱が第１のチップ２２ａ直下の領域に流入し難くなり、第１のチップ２２ａの発熱が効率的に第１平板状ヒートパイプ３１の内部で拡散され第１のチップ２２ａの瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。
また、第１平板状ヒートパイプ３１及び第２平板状ヒートパイプ３２はｙ方向のサイズがヒートシンク２のサイズとほぼ同等であるため、ヒートシンク２全体に熱拡散が可能となり、効率よく冷却が可能となる。
なお、本実施の形態においても、パワーモジュール２０における発熱するチップのレイアウト配置は図７の構成に限らず、図２−１〜図２−５の構成であってもよい。
また、実施の形態１〜６は、パワーモジュール２０のパワー半導体チップが６個の場合の構成であるが、パワー半導体チップが４個の場合や８個以上の場合でも、発熱が最大となるチップと発熱が２番目に大きいチップが隣同士とならず、かつ、発熱が最大となるチップと発熱が最小となるチップが隣同士となるように配置され、さらに、発熱が最大となるチップが含まれるｙ方向の列には発熱が２番目に大きいチップが配置されないチップレイアウトであればよい。
さらにまた、発熱量の多い半導体チップ毎にグループ分けを行い、発熱量の多いグループは、互いに独立して熱拡散経路を持つように設計すればよい。
また、前記実施の形態では、ヒートシンクに平板フィンを装着した例について説明したが、放熱フィンの形状あるいは有無については適宜選択可能である。また、ヒートシンクにおける高熱伝導体の構成ついても、グラファイトの埋め込み構造を用いて集積構造としたり、一部を変質構造として、熱伝導性領域のレイアウトを調整したりすることも可能であり、変更可能であることはいうまでもない。
以上説明してきたように、本実施の形態によれば、瞬時の発熱をヒートシンク全体で冷却することが可能となり、チップの温度上昇を抑制することができる。また、局所的な発熱を左右などの放熱経路に沿って分散させることができるため、チップ間の干渉を抑制することが可能となる。さらにまた、局所的な発熱が隣接チップ同士で発生しないため、瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。これらの特徴から、瞬時に発熱量が大きくなる可能性のあるパワーモジュールへの搭載に有用である。
１ 本体、１Ａ ベース面、１Ｂ 平板フィン形成面、２ ヒートシンク、３ 平板フィン、１０ 冷却装置、２０ パワーモジュール、２１ 配線基板、２２ａ 第１のチップ、２２ｂ1,２２ｂ2 第２のチップ、２２ｃ1,２２ｃ2,２２ｃ3 第３のチップ、２ａ1,２ｂ1 第１異方性高熱伝導体、２ａ2,２ｂ2 第２異方性高熱伝導体、３１ 第１平板状ヒートパイプ、３２ 第２平板状ヒートパイプ、３３ 蒸気流路、３４ 取付穴、３５ ネジ。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、発熱する第１及び第２のチップを備えたパワーモジュールを冷却するための冷却装置であって、前記パワーモジュールが密着して装着される、ベース面を有するヒートシンクを備え、前記ヒートシンクは、前記ベース面を備えた本体と、縦、横、奥行方向の内の２方向の熱伝導率が高く１方向の熱伝導率が低い平板状の異方性高熱伝導体で構成され、前記本体よりも熱伝導率の高い、第１及び第２の高熱伝導体とを備え、前記第１及び第２の高熱伝導体は、前記ヒートシンクのベース面に沿って配された２層構造の積層異方性高熱伝導体で構成され、第１層目は熱伝導率の低い方向が前記ヒートシンクの表面と水平であり、第２層目は熱伝導率の低い方向が前記ヒートシンクの表面と水平でかつ１層目の熱伝導率が低い方向とは垂直になるように積層され、前記第１及び第２のチップが、それぞれ、前記第１及び第２の高熱伝導体の一端に当接し、前記第１及び第２の高熱伝導体を介して、それぞれ独立した熱分散経路に接続されることを特徴とする。
このような冷却装置１０では、実施の形態２の冷却装置１０と同様に、第１のチップ２２ａ1の発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第１異方性高熱伝導体２ｂ1に伝わり、ｘ方向とｚ方向に拡散され、更に第１異方性熱伝導体２ａ1によりｙ方向とｚ方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため、第１のチップ２２ａ1の瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。また、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第２異方性高熱伝導体２ｂ2に伝わり、ｘ方向とｚ方向に拡散され、更に第２異方性熱伝導体２ａ2によりｙ方向とｚ方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、発熱する第１及び第２のチップを備えたパワーモジュールを冷却するための冷却装置であって、前記パワーモジュールが密着して装着される、ベース面を有するヒートシンクを備え、前記ヒートシンクは、前記ベース面を備えた本体と、縦、横、奥行方向の内の２方向の熱伝導率が高く１方向の熱伝導率が低い平板状の異方性高熱伝導体で構成され、前記本体よりも熱伝導率の高い、第１及び第２の高熱伝導体とを備え、前記第１及び第２の高熱伝導体は、前記ヒートシンクのベース面に沿って配された２層構造の積層異方性高熱伝導体で構成され、第１層目は熱伝導率の低い方向が前記ヒートシンクの表面と水平であり、第２層目は熱伝導率の低い方向が前記ヒートシンクの表面と水平でかつ１層目の熱伝導率が低い方向とは垂直になるように積層され、前記第１及び第２のチップが、それぞれ、前記第１及び第２の高熱伝導体の一端に配線基板を通して当接し、前記第１及び第２の高熱伝導体を介して、それぞれ独立した熱分散経路に接続されることを特徴とする。
この冷却装置１０は、例えばアルミニウムからなる複数の平板フィン３と本体１とから構成されるヒートシンク２を有する。また、本体１の平板フィン３の形成面１Ｂと反対の面であるベース面１Ａにはパワーモジュール２０が設けられている。パワーモジュール２０は、例えばインバータ回路を構成し直流電力をスイッチングして交流電力に変換しモータ駆動を制御するものである。このパワーモジュール２０は、配線基板２１に発熱体となるパワー半導体からなるチップが６個搭載されている。通常、瞬間的にはパワーモジュール２０内の特定の数チップにのみ電流が流れ発熱するが、発熱するチップが瞬時に切り替わり、各チップが均等に発熱している。一方、例えばサーボモータの駆動では重量物の保持など、モータの回転を伴わずにモータに電力を供給するケースがある。このようなケースではモジュール内の特定の数チップに集中して電流が流れ、局所的に発熱量が増大する。このように、パワーモジュール２０は、局所的に発熱が集中した場合に発熱量が最大となる第１のチップ２２ａ、発熱量が２番目に大きい第２のチップ２２ｂ1,２２ｂ2、発熱量が最小となる第３のチップ２２ｃ1,２２ｃ2,２２ｃ3の６個のチップから構成される。
第１のチップ２２ａを含む領域の直下には第１異方性高熱伝導体２ａ1及び第１異方性高熱伝導体２ｂ1が、第２のチップ２２ｂ1と第２のチップ２２ｂ2を含む領域の直下には第２異方性高熱伝導体２ａ2及び第２異方性高熱伝導体２ｂ2が設けられる。なお、パワーモジュール２０の直下には熱伝導率がｙ方向とｚ方向に高く、ｘ方向には小さい第１異方性高熱伝導体２ａ1及び第２異方性高熱伝導体２ａ2が配置され、その下に熱伝導率がｘ方向とｚ方向に高く、ｙ方向には小さい第１異方性高熱伝導体２ｂ1と第２異方性高熱伝導体２ｂ2が配置され、ヒートシンク２と密着されている。異方性高熱伝導体としては熱伝導率が高い方向の熱伝導率が１０００Ｗ／ｍＫ以上の例えばグラファイト系材料を用いることができる。
このような冷却装置１０では、上述のように特定の数チップに集中して電流が流れた場合に第１のチップ２２ａが瞬間的・局所的に発熱量最大となり、第２のチップ２２ｂ1と第２のチップ２２ｂ2の発熱量が２番目に大きくなり、第３のチップ２２ｃ１、第３のチップ２２ｃ2、第３のチップ２２ｃ3はほとんど発熱しない。したがって、第１のチップ２２ａの発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第１異方性高熱伝導体２ａ1に伝わり、ｙ方向とｚ方向に拡散され、更に第１異方性高熱伝導体２ｂ1によりｘ方向とｚ方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため、第１のチップ２２ａの瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。また、第２のチップ２２ｂ1と第２のチップ２２ｂ2の発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第２異方性高熱伝導体２ａ2に伝わり、ｙ方向とｚ方向に拡散され、更に第２異方性高熱伝導体２ｂ2によりｘ方向とｚ方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため第２のチップ２２ｂ1と第２のチップ２２ｂ2の瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。
このような冷却装置１０では、第１のチップ２２ａの発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第１異方性高熱伝導体２ｂ1に伝わり、ｘ方向とｚ方向に拡散され、更に第１異方性高熱伝導体２ａ1によりｙ方向とｚ方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため、第１のチップ２２ａの瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。また、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第２異方性高熱伝導体２ｂ2に伝わり、ｘ方向とｚ方向に拡散され、更に下層側の第２異方性高熱伝導体２ａ2によりｙ方向とｚ方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。
このような冷却装置１０では、実施の形態２の冷却装置１０と同様に、第１のチップ２２ａの発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第１異方性高熱伝導体２ｂ1に伝わり、ｘ方向とｚ方向に拡散され、更に第１異方性高熱伝導体２ａ1によりｙ方向とｚ方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため、第１のチップ２２ａの瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。また、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第２異方性高熱伝導体２ｂ2に伝わり、ｘ方向とｚ方向に拡散され、更に第２異方性高熱伝導体２ａ2によりｙ方向とｚ方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。
このような冷却装置１０では、実施の形態２の冷却装置１０と同様に、第１のチップ２２ａ1の発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第１異方性高熱伝導体２ｂ1に伝わり、ｘ方向とｚ方向に拡散され、更に第１異方性高熱伝導体２ａ1によりｙ方向とｚ方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため、第１のチップ２２ａ1の瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。また、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の発熱はパワーモジュール２０を通して第２異方性高熱伝導体２ｂ2に伝わり、ｘ方向とｚ方向に拡散され、更に第２異方性高熱伝導体２ａ2によりｙ方向とｚ方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。
このような冷却装置１０では、第１のチップ２２ａの発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第１平板状ヒートパイプ３１に伝わり、ｘ、ｙ、ｚの全方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため、第１のチップ２２ａの瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。また、第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の発熱はパワーモジュール２０の配線基板２１を通して第２平板状ヒートパイプ３２に伝わり、ｘ、ｙ、ｚの全方向に拡散されてヒートシンク２に伝わるため第２のチップ２２ｂ1及び第２のチップ２２ｂ2の瞬間的な温度上昇を抑制することが可能となる。

Claims (9)

  1. 発熱する第１及び第２のチップを備えたパワーモジュールを冷却するための冷却装置であって、
    前記パワーモジュールが密着して装着される、ベース面を有するヒートシンクを備え、
    前記ヒートシンクは、
    前記ベース面を備えた本体と、
    前記本体よりも熱伝導率の高い、第１及び第２の高熱伝導体とを備え、
    前記第１及び第２のチップが、それぞれ、前記第１及び第２の高熱伝導体の一端に当接し、前記第１及び第２の高熱伝導体を介して、それぞれ独立した熱分散経路に接続されることを特徴とする冷却装置。
  2. 前記第１及び第２の高熱伝導体は縦、横、奥行方向の内の２方向の熱伝導率が高く１方向の熱伝導率が低い平板状の異方性高熱伝導体で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  3. 前記第１及び第２の高熱伝導体は、
    前記ヒートシンクのベース面に沿って配された２層構造の積層異方性高熱伝導体で構成され、
    第１層目は熱伝導率の低い方向が前記ヒートシンクの表面と水平であり、
    第２層目は熱伝導率の低い方向が前記ヒートシンクの表面と水平でかつ１層目の熱伝導率が低い方向とは垂直になるように積層されたことを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
  4. 前記２層構造の積層異方性高熱伝導体は、
    それぞれ、１層目と２層目で、ヒートシンク面と水平な面の面積が異なることを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
  5. 前記積層異方性高熱伝導体は、モジュールに近い側の１層目が２層目よりもヒートシンク面と水平な面の面積が小さいことを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
  6. 前記第１及び第２の高熱伝導体は、平板状ヒートパイプであることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  7. 前記平板状ヒートパイプは、蒸気流路を避けた位置に取付穴を有し、
    前記パワーモジュールと、前記平板状ヒートパイプと、前記ヒートシンクは、ネジ止めで密着させたことを特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷却装置と、
    前記冷却装置の前記ヒートシンクの前記ベース面に密着された第１及び第２のチップとを備えたことを特徴とする、冷却装置付きパワーモジュール。
  9. 前記第１及び第２のチップに加え、１個以上の第３のチップを具備し、
    発熱量が最大となる前記第１のチップと発熱量が２番目に大きい第２のチップとが隣同士にならないように配された、請求項８に記載の冷却装置付きパワーモジュール。
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