(57)【要約】      （修正有）【課題】スイッチング素子と放熱板とからなる半導体モジュールを構成し、放熱板とヒートシンクとを絶縁板を介して接触させて、スイッチング素子からの熱を外部に逃がす半導体冷却ユニットにおいて、放熱板と絶縁板、ヒートシンクと絶縁板を接触させても、うねり、反り、凹凸による隙間の発生しない半導体冷却ユニットを提供する。【解決手段】スイッチング素子とスイッチング素子と導通するとともに外部に露出する放熱板１２を有する半導体モジュール２と、放熱板１２からの熱を放散させるヒートシンク２１と、を備える半導体冷却ユニット１において、放熱板１２とヒートシンク２１との間に複数の絶縁板２２が放熱板１２の露出面に沿って互いに離間して配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子と前記スイッチング素子と導通するとともに外部に露出する放熱板を有する半導体モジュールと、前記放熱板からの熱を放散させるヒートシンクと、を備える半導体冷却ユニットにおいて、
前記放熱板と前記ヒートシンクとの間に複数の絶縁板が前記放熱板の露出面に沿って互いに離間して配置されることを特徴とする半導体冷却ユニット。
【請求項２】
隣接して配置された前記絶縁板の間には、
前記絶縁板同士を相対変位可能に支持する支持部を有する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体冷却ユニット。
【請求項３】
前記支持部は、絶縁部材からなることを特徴とする請求項２記載の半導体冷却ユニット。
【請求項４】
前記絶縁板は、接着剤により、前記放熱板又は前記ヒートシンクと固定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記接着剤は熱伝導性フィラーを含むことを特徴とする請求項４記載の半導体冷却ユニット。
【請求項６】
前記絶縁板の主面の少なくとも一方に、複数の前記絶縁板を保持するシート部材を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の半導体冷却ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールの放熱性能を向上できる半導体冷却ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インバータ回路に代表される電力変換装置では、入力電力を所望の電力に変換して出力するためにスイッチング素子を用いている。特に、ハイブリッド自動車や電気自動車に用いられる電力変換装置は、大電力を必要とするためにスイッチング素子から発せられる熱は大きなものになる傾向がある。そのため、スイッチング素子と放熱板とからなる半導体モジュールを構成し、放熱板とヒートシンクとを絶縁板を介して接触させて、スイッチング素子からの熱を外部に逃がすことが行われる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３２４９８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、放熱板、ヒートシンク及び絶縁板の表面にはうねり、反り、凹凸等が存在するため、放熱板と絶縁板、ヒートシンクと絶縁板を接触させようとしても、少なからず隙間が生じてしまい、放熱効率に悪影響をあたえてしまう。
【０００４】
本発明は上記問題点に鑑みたものであり、放熱効率に優れた半導体冷却ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の発明では、スイッチング素子とスイッチング素子と導通するとともに外部に露出する放熱板を有する半導体モジュールと、放熱板からの熱を放散させるヒートシンクと、を備える半導体冷却ユニットにおいて、放熱板とヒートシンクとの間に複数の絶縁板が放熱板の露出面に沿って互いに離間して配置されることを特徴とする。
【０００６】
上記構成では、放熱板とヒートシンクとの間に絶縁板を複数体にして配置しているため、一枚の絶縁板を配置した場合と比べ、絶縁板一枚あたりの主面が小さくなる分、放熱板やヒートシンクの表面上に生じるうねり、そり及び凹凸という形状に沿って、複数の絶縁体を個々に配置できる。この結果、一枚の絶縁板を放熱板とヒートシンクとの間に配置させた場合と比べ、半導体モジュールの熱を効率的にヒートシンクに逃がすことができ、半導体冷却ユニットの放熱効率を上げることができる。
【０００７】
請求項２記載の発明では、隣接して配置された絶縁板の間には、絶縁板同士を相対変位可能に支持する支持部を有することを特徴とする。
【０００８】
上記構成では、複数の絶縁板を支持部によって連結することで、相互に連接された複数の絶縁板を一の集合物として扱うことができる。この結果、複数の絶縁板の取付け時に複数の絶縁板がばらつくことがなく、絶縁板取付けの作業効率を向上させることができる。また、支持部は絶縁板同士を相対変位可能に支持する構造であるため、複数の絶縁板を支持部によって連結しても、放熱板やヒートシンクの表面上に生じるうねり、そり及び凹凸という形状に沿って、複数の絶縁体を個々に配置でき、放熱効率も維持できる。
【０００９】
請求項３記載の発明では、支持部は、絶縁部材からなることを特徴とする。
【００１０】
支持部を絶縁することで複数の絶縁板の離間部分における絶縁性の向上を図ることができる。
【００１１】
請求項４記載の発明では、絶縁板は、接着剤により、放熱板又はヒートシンクと固定されていることを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、接着剤を用いて絶縁板を放熱板又はヒートシンクに固定するため、絶縁板の取付作業が容易になる。さらに、一枚の絶縁板を用いる場合よりも、複数の絶縁板を用いる場合の方が、絶縁板一枚の大きさは小さくなるため、温度変化によって絶縁板よりも膨張係数が大きいヒートシンク又は放熱板が収縮・膨張したとしても、その収縮・膨張によるヒートシンクと絶縁板又は放熱板と絶縁板の相対的な変位は小さくなる。相対的な変位を小さくすることで接着剤に働く応力を小さくでき、接着剤の寿命を向上させることができる。
【００１３】
請求項５記載の発明では、接着剤は熱伝導性フィラーを含むことを特徴とする。
【００１４】
接着剤には熱伝導性フィラーを含むため、絶縁板とヒートシンク又は絶縁板と放熱板の放熱性を向上させることができる。
【００１５】
請求項６記載の発明では、絶縁板の主面の少なくとも一方に、複数の絶縁板を保持するシート部材を有することを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、複数の絶縁板の主面をシート部材によって保持することで、複数の絶縁板をひとまとめにして扱えるため、絶縁板の組付け性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（全体構成）
図１に本発明に係る半導体冷却ユニット１の断面図、図２に半導体モジュール２の上面図を示す。
【００１８】
半導体冷却ユニット１は、スイッチング素子１１とスイッチング素子１１と導通するとともに外部に露出する放熱板１２を有する半導体モジュール２と、放熱板１２からの熱を拡散させるヒートシンク２１と、を備えるユニットである。
【００１９】
半導体モジュール２の上面と下面は、絶縁板２２を介して、ヒートシンク２１と接している。半導体モジュール２は、上面と下面の両面を通じてヒートシンク２１に熱を逃がしているため、効率的に放熱することができる。なお、必ずしも半導体モジュール２の上面と下面の両面がヒートシンク２１に接している必要性はなく、片面のみがヒートシンク２１に接していても良い。
【００２０】
（半導体モジュール）
半導体モジュール２は２つのスイッチング素子１１を有し、更に２つのスイッチング素子１１を挟み込むように３枚の放熱板１２を有する。放熱板１２はスイッチング素子１１と導通するとともに外部に露出し、例えば銅等の熱伝導率に優れた物質からなる。放熱板１２は、スイッチング素子１１に直接取り付けられるため、スイッチング素子１１の熱を直接放熱板１２に拡散することができ、スイッチング素子１１に大きな電流を流す必要がある場合に特に有効である。一方で、放熱板１２とスイッチング素子１１とは導通するため、絶縁を施すために、外部に露出している放熱板１２の表面に絶縁板２２を取り付けられる。絶縁板２２については後に詳述する。
【００２１】
（半導体モジュールにおける入出力端子）
半導体モジュール２からは電力端子３１が伸びており、入力側の２つの電力端子３１ａ、３１ｃはそれぞれバッテリの正極端子と負極端子に接続され、出力側の電力端子３１ｂはモータ等に接続される。
【００２２】
半導体モジュール２の他端からは、制御端子３２が伸びている。制御端子３２には、スイッチング素子１１を駆動する駆動回路（図示せず）から駆動信号が入力され、駆動信号に従ってスイッチング素子１１がスイッチングを行う。
【００２３】
電力端子３１ａ、３１ｃから入力された電力は、スイッチングにより所望の電力に変換され、電力端子３１ｂから出力される。
【００２４】
スイッチング素子１１としては、ＩＧＢＴ素子などがある。
【００２５】
（ヒートシンク）
図１及び図２に示すように、ヒートシンク２１は内部の空洞部４１に冷却水等の冷媒を流動させる冷却器である。ヒートシンク２１は、内部に空洞部４１を有しているため、ヒートシンク２１に荷重がかかった際にヒートシンク２１は変形する。ヒートシンク２１が変形することで、ヒートシンク２１と放熱板１２との隙間を減らすことができ、両者を密着しやすくなる。
【００２６】
アルミニウムなどの延性・展性に富んだ金属をヒートシンク２１の材質に採用すると、ヒートシンク２１が容易に変形しやすくなり、なお好ましい。
【００２７】
（絶縁板の配置）
図３に半導体モジュール２の放熱板１２とヒートシンク２１との間に配置される絶縁板２２の拡大図を示す。図３に示すように、複数の絶縁板２２は、放熱板１２の露出面１３に沿って互いに離間して配置される。ヒートシンク２１は中に冷媒を流動させるための空洞部４１を有するため、ヒートシンク２１に荷重をかけることで変形させることが可能となる。一方、放熱板１２は銅であり、ヒートシンク２１よりも剛性が大きいため、荷重をかけてもヒートシンク２１のように容易には変形しない。
【００２８】
絶縁板２２の材料としては、例えば、セラミックがある。
【００２９】
放熱板１２とヒートシンク２１との間に、一枚の絶縁板２２を設けた場合、図６に示すように、放熱板１２の凹んでいる部分が隙間となってしまい、放熱板１２から絶縁板２２まで十分に熱が伝わらず、放熱性が低下してしまう。
【００３０】
一方、複数の絶縁板２２を用いた場合には、絶縁板一枚あたりの主面１４の大きさを小さくできる。そのため、一枚の絶縁板を用いた場合と比較して、放熱板の表面の形状に沿って、複数の絶縁板を配置することが可能となる。したがって、ヒートシンク２１に荷重をかけると、複数の絶縁板が放熱板の表面の形状に沿って配置でき、ヒートシンク２１も放熱板の表面の形状に沿って変形することができる。この結果、放熱板１２の凹んでいる部分の隙間を減らすことができ、ヒートシンク２１と放熱板１２との間の放熱効率が向上させることができる。
【００３１】
（支持部）
隣接して配置された絶縁板２２の間には、絶縁板２２同士を相対変位可能に支持する支持部２３を有する。複数の絶縁板２２を支持部２３によって連結することで、相互に連接された複数の絶縁板２２を一の集合物として扱うことができる。この結果、複数の絶縁板２２の取付け時に複数の絶縁板２２がばらつくことがなく、絶縁板２２取付けの作業効率を向上させることができる。また、支持部２３は絶縁板２２同士を相対変位可能に支持する構造であるため、複数の絶縁板２２を支持部２３によって連結しても、放熱板１２やヒートシンク２１の表面上に生じるうねり、そり及び凹凸という形状に沿って、複数の絶縁体を個々に配置でき、放熱効率も維持できる。
【００３２】
支持部２３は、絶縁板２２同士を相対変位可能に支持する役割を有するため、絶縁板２２よりも変形容易な物質であることが好ましい。更に、放熱板１２とヒートシンク２１との絶縁性を確保する必要があるため、支持部２３は絶縁部材からなることが望ましい。
【００３３】
（接着剤）
また、絶縁板２２は、接着剤により、放熱板１２又はヒートシンク２１と固定されることが好ましい。例えば、図４のように絶縁板２２を、接着剤により、放熱板１２と固定させることで、絶縁板２２の取付作業が容易になる。
さらに、絶縁板２２とヒートシンク２１及び放熱板１２とは、熱膨張率が異なるため、絶縁板２２とヒートシンク２１との間、絶縁板２２と放熱板１２との間では、熱膨張差による応力が働くが、
一枚の絶縁板２２を用いる場合よりも、複数の絶縁板２２を用いる場合の方が、
絶縁板２２一枚の主面１４の大きさは小さくなるため、一枚の絶縁板２２にかかる熱応力は小さくなる。この結果、熱膨張差による接着剤のクラック発生などの不具合を防止できる。
【００３４】
接着剤を充填する接着部２４と支持部２３は樹脂材が充填され、接着部２４には熱伝導性フィラーを支持部２３よりも多く含むことが望ましい。
【００３５】
絶縁板２２が放熱経路との役割を果たすため放熱経路としての役割が小さい支持部２３と放熱経路としての役割が大きい接着部２４とで、熱伝導性フィラーを使い分けるため、必要最低限の熱伝導性フィラーで放熱経路を確保でき、かつ、支持部２３の変形容易性を維持することができる。
【００３６】
なお、ヒートシンク２１と絶縁板２２との間にも、接着剤を充填してもよいし、接着剤の代わりにグリスを充填してもよい。
【００３７】
（シート部材）
図５に示すように、絶縁板２２の主面１４の少なくとも一方に、複数の絶縁板２２を保持するシート部材２５を有するようにしてもよい。複数の絶縁板２２の主面１４をフィルムによって保持することで、複数の絶縁板２２をひとまとめにして扱えるため、絶縁板２２の組付け性を向上することができる。
【００３８】
ここで、主面１４とは絶縁板の面のうち、ヒートシンクと接する面又は放熱板と接する面を指す。
【００３９】
（その他）
上記実施例においては、絶縁板２２は正方形の形状であったが、形状は長方形や正六形でも良いし、正方形と正八方形の組み合わせで並べても良い。また、図のように均等に並べてもよいし、敷設箇所によって絶縁板２２の形状を変えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施例に係る半導体冷却ユニットの全体構成図である。
【図２】本発明の実施例に係る半導体冷却ユニットの上面図である。
【図３】本発明の実施例に係る半導体冷却ユニットの絶縁板の配置を示す拡大図である。
【図４】本発明の実施例に係る接着剤を用いた半導体冷却ユニットの分解図である。
【図５】本発明の実施例に係るシート部材を用いた半導体冷却ユニットの分解図である。
【図６】従来の一枚の絶縁板を用いた半導体冷却ユニットを示す拡大図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    半導体冷却ユニット
２    半導体モジュール
１１  スイッチング素子
１２  放熱板
１３  露出面
１４  主面
２１  ヒートシンク
２２  絶縁板
２３  支持部
２４  接着部
２５  シート部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010073965.tif 000007
【図６】
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