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JP5926928B2 - パワー半導体モジュール冷却装置 - Google Patents

パワー半導体モジュール冷却装置 Download PDF

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Description

この発明は、たとえばＩＧＢＴモジュールやインテリジェントパワーモジュールなどの半導体素子およびその制御回路が一体化されたパワー半導体モジュールを冷却するパワー半導体モジュール冷却装置に関する。
たとえば、電気自動車、ハイブリッド自動車、電車などに搭載される電力変換装置に用いられるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワーデバイス（半導体素子）は、近年では、制御回路と一体化されて同一パッケージに収納されたＩＧＢＴモジュール（以下、ＩＧＢＴＭと称する）や、ＩＧＢＴＭにさらに保護回路が一体化されて同一パッケージに収納されたインテリジェントパワーモジュール（以下、ＩＰＭと称する）として用いられることも多くなっている。
従来、ＩＧＢＴＭを冷却する冷却装置として、板状の外壁部材で構成されるとともに、内部にＩＧＢＴＭから発せられる熱を受けて沸騰する冷媒を収容した冷媒槽と、冷媒槽の上部に冷媒槽と連通して設けられ、かつ冷媒槽から上昇してくる気相冷媒を凝縮液化する放熱器とを備え、冷媒槽の相対向する外壁部材間に、めねじ穴が形成されたスペーサが介在されており、ＩＧＢＴＭが、ＩＧＢＴＭに設けられたねじ挿通穴に通されたおねじ部品を、外壁部材に貫通させてスペーサのめねじ穴内にねじ嵌めることによって、外壁部材の外面に取り付けられたものが知られている（特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１記載の冷却装置においては、おねじ部品が冷媒槽の外壁部材を貫通しているので、冷媒が洩れるおそれがある。
一方、モジュール化されていないＩＧＢＴなどのパワーデバイスを冷却する冷却装置としては、放熱基板および放熱基板の片面に一体に形成された放熱フィンからなる冷却器と、セラミック板、セラミック板の片面に設けられた多孔質金属層および多孔質金属層の表面を覆う金属層からなる絶縁回路基板とからなり、絶縁回路基板のセラミック板における多孔質層が設けられた側とは反対側の面が、高熱伝導性グリースを介して冷却器の放熱基板の他面に載せられ、セラミック板の周縁部が、冷却器の放熱基板に固定された治具を介して放熱基板に取り付けられ、治具が、治具に設けられたねじ挿通穴に通されたおねじ部品を冷却器の放熱基板に形成されためねじ穴にねじ嵌めることにより固定されており、絶縁回路基板の金属層上に複数のパワーデバイスがはんだ付けされるようになされたものが知られている（特許文献２参照）。
しかしながら、特許文献２記載の冷却装置では、冷却器が、放熱基板および放熱基板の片面に一体に形成された放熱フィンからなり、放熱フィン間を流れる空気によって、絶縁回路基板の金属層上にはんだ付けされた複数のパワーデバイスが冷却されるので、冷却効率が不足する。
さらに、モジュール化されていないＩＧＢＴなどのパワーデバイスを、特許文献２記載の冷却装置に比べて効率良く冷却する冷却装置として、頂壁、底壁および周壁からなりかつ内部に冷却流体通路を有するケーシングと、ケーシングの流体通路内に配置されたコルゲート状の放熱フィンと、ケーシングに接続されてケーシング内に冷却液を流入させる流入パイプと、ケーシングに接続されてケーシング内から冷却液を流出させる流出パイプと、ケーシングの頂壁外面に接合された絶縁回路基板とを備えており、絶縁回路基板上にパワーデバイスが接合されるようになされたものが知られている（特許文献３参照）。
ところで、特許文献３記載の冷却装置をＩＧＢＴＭやＩＰＭなどのパワー半導体モジュールの冷却に適用する場合、ケーシングの頂壁外面に絶縁回路基板を接合する代わりに、特許文献３記載の冷却装置のケーシング内に特許文献１記載のスペーサを配置し、パワー半導体モジュールに設けられたねじ挿通穴に通されたおねじ部品を、ケーシングの頂壁に貫通させてスペーサのめねじ穴にねじ嵌めることにより治具をケーシングに固定し、固定された治具を介して、パワー半導体モジュールをケーシングに取り付けることになる。しかしながら、この場合、おねじ部品がケーシングの頂壁を貫通するので、冷却液体が洩れるおそれがある。また、スペーサがケーシング内での冷却液体のスムーズの流れを妨げることになって、冷却効率が低下するおそれがある。さらに、スペーサをフィンが存在する部分に配置することができないので、パワー半導体モジュールの設置の自由度が低くなる。
特許文献３記載の冷却装置をパワー半導体モジュールの冷却に適用した場合の上述した問題を解決するためには、ケーシングの頂壁の肉厚を大きくし、ケーシングの頂壁に、おねじ部品をねじ嵌めるめねじ穴を形成することが考えられるが、この場合、パワー半導体モジュールからケーシング内を流れる冷却流体への熱伝導性の低下に起因して、冷却効率が不足するおそれがある。
特開平８−１８６２０９号公報 特開２００３−２９８００９号公報 特開２００９−１９５９１２号公報
この発明の目的は、上記問題を解決し、冷却流体の洩れを防止しうるとともに、冷却効率の低下を抑制しうるパワー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、上記目的を達成するために以下の態様からなる。
1)内部に冷却流体通路が設けられた冷却器と、冷却器に固定されかつパワー半導体モジュールを冷却器に取り付ける取付器とを備えており、冷却器における内面が冷却流体通路に臨んだ壁部分の外面全体のうち少なくとも一部に、パワー半導体モジュールを搭載する搭載部が設けられ、取付器が、熱伝導性材料からなりかつ冷却器の搭載部に沿わされてろう材層により接合された伝熱板と、板状頭部およびおねじ部からなり、かつ板状頭部が冷却器側に位置するとともにおねじ部が伝熱板を貫通しているおねじ部品とよりなり、おねじ部品の板状頭部が、伝熱板の冷却器側の面に形成された凹所内に、当該面から冷却器側に突出せずかつおねじ部の軸線回りの回転が阻止されるように嵌め入れられているパワー半導体モジュール冷却装置。
2)おねじ部品の板状頭部が伝熱板よりも硬質の材料で形成されており、おねじ部品の板状頭部が、伝熱板の冷却器側の面に圧入されることによって、伝熱板の冷却器側の面に凹所が形成されるとともに、当該凹所内に、おねじ部品の板状頭部が、当該面から冷却器側に突出せずかつおねじ部の軸線回りの回転が阻止されるように嵌め入れられている上記1)記載のパワー半導体モジュール冷却装置。
3)おねじ部品の板状頭部におけるおねじ部側を向いた面に、複数の突起が一体に形成されている上記1)または2)記載のパワー半導体モジュール冷却装置。
4)冷却器が、内部に冷却流体通路を有するケーシングを備えており、ケーシング内の冷却流体通路に放熱フィンが配置され、ケーシングの壁部分における内面が冷却流体通路に臨んだ部分の外面全体のうち少なくとも一部に、パワー半導体モジュールを搭載する搭載部が設けられている上記1)〜3)のうちのいずれかに記載のパワー半導体モジュール冷却装置。
上記1)〜4)のパワー半導体モジュール冷却装置によれば、内部に冷却流体通路が設けられた冷却器と、冷却器に固定されかつパワー半導体モジュールを冷却器に取り付ける取付器とを備えており、冷却器における内面が冷却流体通路に臨んだ壁部分の外面全体のうち少なくとも一部に、パワー半導体モジュールを搭載する搭載部が設けられ、取付器が、熱伝導性材料からなりかつ冷却器の搭載部に沿わされてろう材層により接合された伝熱板と、板状頭部およびおねじ部からなり、かつ板状頭部が冷却器側に位置するとともにおねじ部が伝熱板を貫通しているおねじ部品とよりなり、おねじ部品の板状頭部が、伝熱板の冷却器側の面に形成された凹所内に、当該面から冷却器側に突出せずかつおねじ部の軸線回りの回転が阻止されるように嵌め入れられているので、取付器のおねじ部品のおねじ部をパワー半導体モジュールに設けられたねじ挿通穴に通し、おねじ部の先端部からナットをねじ嵌めることによってパワー半導体モジュールを取付器に取り付けることが可能になる。したがって、おねじ部品が冷却器の壁部分を貫通していないので、冷却器内からの冷却流体の洩れを防止することができる。さらに、伝熱板は、おねじ部品の板状頭部を嵌め入れる凹所を形成しうる厚みを有しているだけでよいので、特許文献３記載のケーシングにおけるめねじ穴を形成する頂壁に比べて、肉厚を薄くすることが可能になる。したがって、パワー半導体モジュールから冷却器内の冷却流体通路を流れる冷却流体への熱伝導性の低下および熱伝導性の低下に起因する冷却効率の低下を抑制することができる。
この発明による冷却装置にＩＰＭを取り付けた状態を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線拡大断面図である。 図２の部分拡大図である。 図１の冷却装置を製造する方法において、伝熱板におねじ部品を取り付ける前の状態を示す斜視図である。 おねじ部品の変形例を示す斜視図である。
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。この実施形態は、この発明によるパワー半導体モジュール冷却装置をＩＰＭの冷却に適用したものである。
なお、以下の説明において、図２の上下、左右を上下、左右といい、図１の右側を前、これと反対側を後というものとする。
また、以下の説明において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。
図１〜図３はこの発明による冷却装置にＩＰＭを取り付けた状態を示し、図４はこの発明による冷却装置を製造する方法の一工程を示す。
図１および図２において、ＩＰＭ冷却装置(1)（パワー半導体モジュール冷却装置）は、冷却器(2)と、冷却器(2)に固定されかつ必要数のＩＰＭ(I)を冷却器(2)に取り付ける取付器(3)とを備えている。
冷却器(2)は、内部に冷却流体通路(5)を有するケーシング(4)と、ケーシング(4)内の冷却流体通路(5)に配置されたアルミニウム製放熱フィン(6)と、ケーシング(4)に接続されかつケーシング(4)内に冷却流体を流入させるアルミニウム製入口パイプ(7)と、ケーシング(4)に接続されかつケーシング(4)内から冷却流体を流出させる出口パイプ(8)とを備えている。
ケーシング(4)は、頂壁(9)、底壁(11)および周壁(12)からなり、前側縁部の右端部に冷却流体流入部(13)が前方突出状に設けられるとともに、同じく前側縁部の左端部に冷却流体流出部(14)が前方突出状に設けられ、入口パイプ(7)が冷却流体流入部(13)に接続され、出口パイプ(8)が冷却流体流出部(14)に接続されている。ケーシング(4)は、頂壁(9)、ならびに周壁(12)、冷却流体流入部(13)および冷却流体流出部(14)の上半部を構成するアルミニウム製上構成部材(15)と、底壁(11)、ならびに周壁(12)、冷却流体流入部(13)および冷却流体流出部(14)の下半部を構成するアルミニウム製下構成部材(16)とが、相互にろう付されることにより形成されている。ケーシング(4)の右端部に冷却流体流入部(13)に通じる入口ヘッダ部(17)が、ケーシング(4)の前後方向の全長にわたって設けられ、ケーシング(4)の左端部に冷却流体流出部(14)に通じる出口ヘッダ部(18)が、ケーシング(4)の前後方向の全長にわたって設けられている。
ケーシング(4)の冷却流体通路(5)は、周壁(12)の前後両側壁部間でかつ入口ヘッダ部(17)と出口ヘッダ部(18)との間の部分に、冷却流体が右方から左方に流れるように設けられている。放熱フィン(6)は、波頂部(6a)、波底部(6b)および波頂部(6a)と波底部(6b)とを連結する連結部(6c)からなるコルゲート状であり、波頂部(6a)および波底部(6b)が長さ方向を左右方向を向くように冷却流体通路(5)に配置されており、波頂部(6a)がケーシング(4)の頂壁(9)にろう付されるとともに波底部(6b)が同底壁(11)にろう付されている。そして、冷却器(2)のケーシング(4)の頂壁(9)における内面が冷却流体通路(5)に臨んだ部分の外面全体に、ＩＰＭ(I)を搭載する搭載部(19)が設けられている。
取付器(3)は、アルミニウムや銅（銅合金を含む）などの熱伝導率が１５０〜４５０Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導性材料からなり、かつ冷却器(2)のケーシング(4)の頂壁(9)の搭載部(19)に重ね合わされてろう付された伝熱板(21)と、板状頭部(23)およびおねじ部(24)からなり、かつ板状頭部(23)が冷却器(2)側（下側）に位置するようにおねじ部(24)が伝熱板(21)を貫通しているおねじ部品(22)とよりなる。伝熱板(21)を頂壁(9)の搭載部(19)にろう付しているろう材層を(25)で示す。おねじ部品(22)のおねじ部(24)は伝熱板(21)に形成された貫通穴(26)に下方から通されており、板状頭部(23)は、伝熱板(21)の下面(21a)（冷却器(2)側の面）に形成された凹所(28)内に、下面から冷却器(2)側に突出せずかつおねじ部(24)の軸線回りの回転が阻止されるように嵌め入れられている。
おねじ部品(22)の板状頭部(23)、ここではおねじ部(24)を含んでおねじ部品(22)の全体が、伝熱板(21)よりも硬質の材料、たとえば炭素鋼やステンレス鋼などによって形成されている。図３に示すように、おねじ部品(22)の板状頭部(23)は円形であり、板状頭部(23)の上面（おねじ部(24)側の面）に上方に突出した複数の突起(27)が周方向に間隔をおいて一体に形成されている。おねじ部品(22)としては、たとえばセルジャパン社製のセルスタッド（商品名）が用いられる。そして、おねじ部品(22)の板状頭部(23)が、伝熱板(21)の下面(21a)における貫通穴(26)の周囲の部分に下方から圧入されることによって、伝熱板(21)の下面(21a)に凹所(28)が形成されるとともに、当該凹所(28)内に、おねじ部品(22)の板状頭部(23)が、下面(21a)から冷却器(2)側に突出せずかつおねじ部(24)の軸線回りの回転が阻止されるように嵌め入れられている。おねじ部品(22)の数は、取付器(3)に取り付けるＩＰＭ(I)の数に応じて適宜選択される。
ＩＰＭ冷却装置(1)における冷却器(2)へのＩＰＭ(I)の取付は、取付器(3)のおねじ部品(22)のおねじ部(24)をＩＰＭ(I)に設けられたねじ挿通穴(29)に下方から通し、おねじ部(24)におけるねじ挿通穴(29)から上方に突出した部分に、上端部側からナット(31)をねじ嵌めることにより行われる。
上記構成のＩＰＭ冷却装置(1)において、入口パイプ(7)から冷却流体流入部(13)を経て入口ヘッダ部(17)内に流入した液体や気体からなる冷却流体は、入口ヘッダ部(17)において前後方向に分流し、放熱フィン(6)の隣り合う連結部(6c)間を通って冷却流体通路(5)内を左方に流れる。冷却流体通路(5)内を左方に流れた冷却流体は、出口ヘッダ部(18)内に入り、冷却流体流出部(14)を経て出口パイプ(8)に流出する。そして、ＩＰＭ(I)から発せられる熱は、伝熱板(21)、ケーシング(4)の頂壁(9)および放熱フィン(6)を経て冷却流体通路(5)内を流れる冷却流体に伝わり、ＩＰＭ(I)が冷却される。
以下、ＩＰＭ冷却装置(1)を製造する方法について、図４を参照して説明する。
まず、少なくとも一面のろう材層を有するアルミニウムブレージングシートにプレス加工を施すことによって内面側にろう材層を有するケーシング(4)の上構成部材(15)および下構成部材(16)を形成する。また、必要な大きさの伝熱板(21)に、取り付けるＩＰＭ(I)の数に応じた数の貫通穴(26)を形成しておく。また、アルミニウムベア材または両面にろう材層を有するアルミニウムブレージングシートからなる放熱フィン(6)と、板状頭部(23)およびおねじ部(24)からなるおねじ部品(22)とを用意しておく。
そして、図４に示すように、すべてのおねじ部品(22)のおねじ部(24)を、伝熱板(21)のすべての貫通穴(26)に、冷却器(2)のケーシング(4)にろう付される面(21a)側から通す。ついで、伝熱板(21)を図示しない金型により面(21a)とは反対面側から支持するとともに、伝熱板(21)の貫通穴(26)から突出したおねじ部(24)を前記金型に形成された穴内に挿入する。ついで、全おねじ部品(22)の板状頭部(23)を、図示しないパンチにより金型側に押圧し、突起(27)を含んで板状頭部(23)の全体を伝熱板(21)における冷却器(2)にろう付すべき面(21a)に圧入することによって、当該面に凹所(28)を形成するとともに、当該凹所(28)内に、板状頭部(23)を、当該面から冷却器(2)側に突出せずかつおねじ部(24)の軸線回りの回転が阻止されるように嵌め入れる。
ついで、上下両構成部材(15)(16)、放熱フィン(6)、入口パイプ(7)および出口パイプ(8)を組み合わせるとともに、上構成部材(15)の頂壁(9)外面にろう材箔を介して取付器(3)の伝熱板(21)を載せる。そして、すべての部品を適当な治具により仮止めして、炉内において所定温度に加熱することにより上下両構成部材(15)(16)どうし、上下両構成部材(15)(16)と放熱フィン(6)、上下両構成部材(15)(16)と入口パイプ(7)および出口パイプ(8)、ならびに上構成部材(15)と伝熱板(21)とを同時にろう付する。こうして、ＩＰＭ冷却装置(1)が製造される。
上述した製造方法において、上構成部材(15)の頂壁(9)と伝熱板(21)との間にろう材箔を介在させることに代えて、上構成部材(15)を両面にろう材層を有するアルミニウムブレージングーシートを用いて形成してもよく、あるいは伝熱板(21)を上構成部材(15)にろう付される面(21a)にろう材層を有するアルミニウムブレージングーシートを用いて形成してもよい。
上記実施形態のおねじ部品(22)において、板状頭部(23)には、必ずしも突起(27)が形成されている必要はない。
図５は取付器(3)に用いられるおねじ部品の変形例を示す。
図５に示すおねじ部品(40)の場合、板状頭部(41)は四角形であり、そのおねじ部(24)側の面には突起(27)は形成されていない。このおねじ部品(40)の板状頭部(41)も、上述したおねじ部品(40)の場合と同様にして、伝熱板(21)の冷却器(2)にろう付される面(21a)における貫通穴(26)の周囲の部分に圧入され、これにより伝熱板(21)の冷却器(2)にろう付される面に凹所(28)が形成されるとともに、当該凹所(28)内に、おねじ部品(40)の板状頭部(41)が、当該面(21a)から冷却器(2)側に突出せずかつおねじ部(24)の軸線回りの回転が阻止されるように嵌め入れられる。
なお、図５に示す板状頭部(41)のおねじ部(24)側の面に、複数の突起がおねじ部(24)の周方向に間隔をおいて一体に形成されていてもよい。また、図５に示すおねじ部品(40)において、板状頭部(41)の形状は四角形に限定されず、その他の多角形であってもよい。
上述した実施形態においては、この発明によるパワー半導体モジュール冷却装置がＩＰＭの冷却に適用されているが、これに限定されるものではなく、ＩＧＢＴＭやその他のパワー半導体モジュールの冷却にも適用可能である。
産業上の利用分野
この発明のパワー半導体モジュール冷却装置は、ＩＧＢＴＭやＩＰＭの冷却に好適に用いられる。
(1)：ＩＰＭ冷却装置（パワー半導体モジュール冷却装置）
(2)：冷却器
(3)：取付器
(4)：ケーシング
(5)：冷却流体通路
(9)：頂壁
(19)：搭載部
(21)：伝熱板
(22)(40)：おねじ部品
(23)(41)：板状頭部
(24)：おねじ部
(27)：突起
(28)：凹所
(I)：ＩＰＭ

Claims (4)

  1. 内部に冷却流体通路が設けられた冷却器と、冷却器に固定されかつパワー半導体モジュールを冷却器に取り付ける取付器とを備えており、冷却器における内面が冷却流体通路に臨んだ壁部分の外面全体のうち少なくとも一部に、パワー半導体モジュールを搭載する搭載部が設けられ、取付器が、熱伝導性材料からなりかつ冷却器の搭載部に沿わされてろう材層により接合された伝熱板と、板状頭部およびおねじ部からなり、かつ板状頭部が冷却器側に位置するとともにおねじ部が伝熱板を貫通しているおねじ部品とよりなり、おねじ部品の板状頭部が、伝熱板の冷却器側の面に形成された凹所内に、当該面から冷却器側に突出せずかつおねじ部の軸線回りの回転が阻止されるように嵌め入れられているパワー半導体モジュール冷却装置。
  2. おねじ部品の板状頭部が伝熱板よりも硬質の材料で形成されており、おねじ部品の板状頭部が、伝熱板の冷却器側の面に圧入されることによって、伝熱板の冷却器側の面に凹所が形成されるとともに、当該凹所内に、おねじ部品の板状頭部が、当該面から冷却器側に突出せずかつおねじ部の軸線回りの回転が阻止されるように嵌め入れられている請求項１記載のパワー半導体モジュール冷却装置。
  3. おねじ部品の板状頭部におけるおねじ部側を向いた面に、複数の突起が一体に形成されている請求項１または２記載のパワー半導体モジュール冷却装置。
  4. 冷却器が、内部に冷却流体通路を有するケーシングを備えており、ケーシング内の冷却流体通路に放熱フィンが配置され、ケーシングの壁部分における内面が冷却流体通路に臨んだ部分の外面全体のうち少なくとも一部に、パワー半導体モジュールを搭載する搭載部が設けられている請求項１〜３のうちのいずれかに記載のパワー半導体モジュール冷却装置。
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