JP5321526B2 - 半導体モジュール冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体モジュール冷却装置の構造の改良に関する。

半導体素子で発生した熱を効率よく放熱して、半導体素子の温度を所定温度以下に保つ冷却装置が知られている。

下記特許文献１には、半導体素子を内蔵した半導体モジュールの両面にそれぞれ設けられ、半導体モジュールを冷却する冷却管を有する積層型冷却器が記載されている。冷却管には、冷却媒体が流れる冷却流路が形成されている。そして、冷却流路には、積層方向に重ねられたインナフィンが設けられ、積層するインナフィンの間には、両者に接触する平板状の中間フィンが介在している。インナフィンは、伝熱面積を大きくするため、断面が波型形状に形成されている。

下記特許文献２には、表面に電気部品を配置した電気回路ボードと、電気回路ボードの裏面に接続された冷却ボードとを有する冷却装置が記載されている。冷却ボードには、冷却液が流れる冷却通路が形成され、冷却通路は、伝熱面積が大きくなるようにジグザグ状に形成されている。

特開２０１０−１０４１８号公報 特開２００１−１８３０４２号公報

近年、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の半導体を使用したパワーモジュールが使用され、そこからの発熱量が増加傾向にある。よって、このような半導体モジュールを冷却する冷却装置においては、さらなる冷却性能の向上が求められる。

上記特許文献１に記載されるように、冷却性能の向上を図るため、冷却装置の冷却管にインナフィンを設け、冷却媒体との伝熱面積を大きくすることが考えられる。しかし、上記特許文献１のような構成では、インナフィンと、これに接触する中間フィンとの間で位置ずれが生じた場合、著しく熱伝導性が低下し、結果として冷却性能が低下してしまう。また、位置ずれを防止するため、インナフィンと中間フィンとを、例えばろう付けにより固定する方法が考えられるが、この固定方法では品質管理が難しく手間がかかってしまうという問題がある。

本発明の目的は、製造時の手間を省くことができるような簡易な構造で、半導体モジュールを冷却する冷却性能の向上を図り、それを維持することができる半導体モジュール冷却装置を提供することにある。

本発明は、半導体素子を含む半導体モジュールを冷却する半導体モジュール冷却装置において、半導体モジュールを収容するハウジングと、ハウジングの内面に設けられ、半導体モジュールを冷却する冷却管と、半導体モジュールと冷却管との間に設けられ、半導体モジュールの熱を冷却管に放熱する放熱部材と、を有し、冷却管は、冷却媒体が流れる流路にインナフィンを含み、インナフィンは、これの一部が熱可塑性の絶縁部材に埋設されてハウジングに固定されることを特徴とする。

また、インナフィンは断面波形状であり、その波形状の底部が前記絶縁部材に埋設されることができる。

また、前記絶縁部材には、この前記樹脂部材から前記流路側に突起する突起部が設けられることができる。

また、ハウジングが前記絶縁部材により形成され、インナフィンの一部がハウジングに埋設されることができる。

また、半導体モジュールの両面に放熱部材がそれぞれ設けられ、ハウジングの対向する内面に、それらの放熱部材を挟持するように、冷却管がそれぞれ設けられることができる。

本発明の半導体モジュール冷却装置によれば、製造時の手間を省くことができるような簡易な構造で、半導体モジュールを冷却する冷却性能の向上を図り、それを維持することができる。

本実施形態に係る半導体モジュール冷却装置の構成を示す断面図である。 図１のＡ部の詳細図である。 別の態様のＡ部の詳細部である。 別の態様の半導体モジュール冷却装置の構成を示す断面図である。 別の態様の半導体モジュール冷却装置の構成を示す断面図である。 さらに別の態様の半導体モジュール冷却装置の構成を示す断面図である。

以下、本発明に係る半導体モジュール冷却装置の実施形態について、図面に従って説明する。なお、本実施形態においては、一例として、自動車を駆動するモータに電力を供給するパワーモジュールを挙げ、これに用いられる半導体モジュール冷却装置について説明する。なお、本発明は、自動車のパワーモジュールに限らず、発熱体である半導体素子を含む半導体モジュールを冷却するために用いられる半導体モジュール冷却装置にも適用できる。

図１は、本実施形態の半導体モジュール冷却装置の概略構成を示す断面図である。半導体モジュール冷却装置（以降、単に「冷却装置」と記す）１０は、半導体モジュール１２を収容するハウジング１４を有する。ハウジング１４は、絶縁性能が高い材質、例えば樹脂（複合繊維材料を含む）により形成される。

ハウジング１４における対向する内面には、半導体モジュール１２を冷却する冷却管１６がそれぞれ設けられ、これらの冷却管１６と半導体モジュール１２の間には、半導体モジュール１２の熱を冷却管１６に放熱する放熱部材１８がそれぞれ設けられる。すなわち、半導体モジュール１２の両面に放熱部材１８がそれぞれ設けられ、これらの放熱部材１８を挟持するように冷却管１６がそれぞれハウジング１４の対向する面に設けられる。

半導体モジュール１２は、半導体素子２０と、半導体素子２０を配置した基板２２を有する。

半導体素子２０は、インバータや昇圧コンバータに用いられるスイッチング素子であり、ＩＧＢＴ、パワートランジスタ、サイリスタ等で構成される。スイッチング素子は、駆動により発熱する。

基板２２は、電気回路（図示せず）を有し、この電気回路上に半導体素子２０が電気的に接続される。電気回路は、導電性の優れた材質の層、例えばアルミニウム層に形成される。しかし、本実施形態の電気回路は、この構成に限定されず、導電性に優れた材質であれば、例えば銅で形成されてもよい。

放熱部材１８は、熱伝導性に優れた材質、例えばアルミニウムにより形成される。この構成により、半導体モジュール１２の熱を効率よく冷却管１６に放熱することができる。本実施形態の放熱部材１８はアルミニウムにより形成される場合について説明したが、この構成に限定されず、熱伝導性に優れた材質であれば、例えば銅で形成されてもよい。

半導体モジュール１２とこれの両面に設けられる放熱部材１８とは、樹脂製のモールド部材２４により一体に固定される。

冷却管１６は、冷却媒体が流れる流路２６を有する。流路２６を流れる冷却媒体は、自動車に使用される冷却媒体であり、例えばＡＴＦ（Automatic Transmission Fluid）またはＬＬＣ（Long Life Coolant）である。本実施形態の流路２６は、ハウジング１４と放熱部材１８とモールド部材２４とによって囲まれた空間である。

なお、本実施形態の流路２６は、上記の構成に限定されず、ハウジング１４と放熱部材１８とによって囲まれた空間であってもよく、また、冷却管１６がハウジング１４の内面を、隙間を空けて覆う部材を有し、この部材とハウジング１４の内面によって囲まれた空間であってもよい。

流路２６には、インナフィン２８が設けられる。インナフィン２８は、熱伝導性に優れた材質、例えばアルミニウムにより形成される。しかし、本実施形態のインナフィン２８はこの構成に限定されず、熱伝導性に優れた材質であれば、例えば銅で形成されてもよい。

インナフィン２８は、断面波形状に形成されたフィンである。具体的には、インナフィン２８は、ハウジング１４の内面と、放熱部材１８及びモールド部材２４とを交互に結ぶように折り曲げて形成される。流路２６内にインナフィン２８を設けることにより、流路２６を流れる冷却媒体と冷却管１６との接触面積が増加するので、放熱性能が向上、言い換えれば冷却性能が向上する。

なお、本実施形態のインナフィン２８は、断面波形状に形成される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、冷却管１６の放熱面積が増大し、流路２６の対向する面を結ぶように形成されるのであれば、断面ジグザグ、くし状に形成されてもよい。

本実施形態の冷却装置１０は、ハウジング１４が熱可塑性の絶縁部材により形成され、このハウジング１４の内面に、インナフィン２８の一部が埋設されるように構成される。以下、この構成について、図２を用いて説明する。

図２は、図１のＡ部の詳細図である。インナフィン２８は、上述したように断面波形状に形成される。図２に示されるように、インナフィン２８がハウジング１４の内面に接触する部分は、断面波形状の底にあたる部分であり、ここを以降、底部３０と記す。

インナフィン２８は、インサート成形により、ハウジング１４と一体成形され、ハウジング１４に固定される。このとき、インナフィン２８の一部、すなわち底部３０がハウジング１４の内面に埋設される。

この構成により、インナフィン２８の位置ずれが確実に防止される。位置ずれの防止により、インナフィン２８の底部３０とハウジング１４との間に形成される隙間に冷却媒体が流れることによって生じる冷却管１６内の冷却媒体の流速の低下を防止することができる。その結果、インナフィン２８の位置ずれに伴う冷却装置１０の冷却性能の低下を防止することができる。

また、上述のような構成によれば、従来のろう付けによるフィンの固定方法より、簡易な方法で、インナフィン２８をハウジング１４に固定することができるので、製造時の手間を省くことができる。

本実施形態のインナフィン２８においては、図２に示されるように、底部３０がハウジング１４の内面に埋設されて、底部３０の上面にハウジング１４の絶縁部材が覆いかぶさるように構成されているが、本発明はこの構成に限定されない。インナフィン２８の一部がハウジング１４の内面に埋設されるのであれば、図３に示されるように、底部３０の側部までハウジング１４に埋設されるように構成されてもよい。この構成においても、インナフィン２８をハウジング１４に十分固定することができる。

次に、別の態様の半導体モジュール冷却装置について、図４を用いて説明する。図４は、別の態様の半導体モジュール冷却装置の構成を示す断面図である。なお、上記実施形態と同じ構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

この冷却装置１０は、冷却管１６が設けられるハウジング１４の内面から流路２６側に突起する突起部３２を有する。この突起部３２は、インナフィン２８と同様、インサート成形により、ハウジング１４と一体成形され、ハウジング１４に固定される。つまり、突起部３２の端部が、ハウジング１４に埋設されている。

この構成により、流路２６を流れる冷却媒体が突起部３２に当たり攪拌される。この攪拌により強制的に冷却媒体を対流させることにより、インナフィン２８から冷却媒体への熱の移動が増加するので、冷却性能の向上を図ることができる。

これらの実施形態においては、半導体モジュール１２の両面に放熱部材１８がそれぞれ設けられ、これらの放熱部材１８を挟持するように冷却管１６がそれぞれハウジング１４の対向する面に設けられる場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。半導体モジュール１２を冷却することができるのであれば、図５に示されるように、ハウジング１４の一つの内面に冷却管１６を設け、この冷却管１６と半導体モジュール１２の一方の面との間に放熱部材１８を設けることもできる。

次に、さらに別の態様の半導体モジュール冷却装置について、図６を用いて説明する。図６は、さらに別の態様の半導体モジュール冷却装置の構成を示す断面図である。なお、上記実施形態と同じ構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

冷却装置３４は、上述した実施形態のハウジング１４を積層して一体に形成されるハウジング３６を有する。このハウジング３６は、半導体モジュール１２を収容する空間を仕切る仕切り板３８を有し、この仕切り板３８の両面に、インナフィン２８の一部が埋設されるように構成される。この構成により、インナフィン２８の位置ずれを防止するとともに、仕切り板３８の両面がそれぞれ流路２６の一部を形成するので、冷却装置３４の小型化を図ることができる。

上述した実施形態においては、インナフィン２８の一部がハウジング１４の内面に埋設され、インナフィン２８がハウジング１４に固定される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。流路２６内においてインナフィン２８の位置ずれが防止されるのであれば、別の構成であってもよい。具体的には、インナフィン２８の一部が、ハウジング１４とは異なる熱可塑性の絶縁部材に埋設されて、この絶縁部材を介してハウジング１４に固定されてもよい。熱可塑性の絶縁部材とは、ハウジング１４と同様の樹脂、またはゴム、プラスチックなどであり、インサート成形により、インナフィン２８と絶縁部材とハウジング１４を一体成形して、インナフィン２８をハウジング１４に固定することができる。

１０，３４ 半導体モジュール冷却装置、１２ 半導体モジュール、１４ ハウジング、１６ 冷却管、１８ 放熱部材、２０ 半導体素子、２２ 基板、２４ モールド部材、２６ 流路、２８ インナフィン、３０ 底部、３２ 突起部。

Claims (5)

1. 半導体素子を含む半導体モジュールを冷却する半導体モジュール冷却装置において、
   半導体モジュールを収容するハウジングと、
   ハウジングの内面に設けられ、半導体モジュールを冷却する冷却管と、
   半導体モジュールと冷却管との間に設けられ、半導体モジュールの熱を冷却管に放熱する放熱部材と、
   を有し、
   冷却管は、冷却媒体が流れる流路にインナフィンを含み、
   インナフィンは、これの一部が熱可塑性の絶縁部材に埋設されてハウジングに固定される、
   ことを特徴とする半導体モジュール冷却装置。
2. 請求項１に記載の半導体モジュール冷却装置において、
   インナフィンは断面波形状であり、その波形状の底部が前記絶縁部材に埋設される、
   ことを特徴とする半導体モジュール冷却装置。
3. 請求項１または２に記載の半導体モジュール冷却装置において、
   前記絶縁部材には、この前記絶縁部材から前記流路側に突起する突起部が設けられる、
   ことを特徴とする半導体モジュール冷却装置。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の半導体モジュール冷却装置において、
   ハウジングが前記絶縁部材により形成され、
   インナフィンの一部がハウジングに埋設される、
   ことを特徴とする半導体モジュール冷却装置。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の半導体モジュール冷却装置において、
   半導体モジュールの両面に放熱部材がそれぞれ設けられ、
   ハウジングの対向する内面に、それらの放熱部材を挟持するように、冷却管がそれぞれ設けられる、
   ことを特徴とする半導体モジュール冷却装置。
   

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