(57)【要約】【課題】本明細書は、半導体カードと冷却プレートを交互に積層し、その積層体を積層方向に付勢して密着させる積層ユニットに関し、半導体カードと冷却プレートの間に挟んだ絶縁板を破損から保護する技術を提供する。【解決手段】積層ユニット１００は、平板状の樹脂のモールド体３に半導体素子が封止されている半導体カード６と平板型の冷却プレート２が間に絶縁板４を挟んで積層されているとともに、積層方向の両側から荷重を受けるユニットである。絶縁板４と対向するモールド体３の表面に、積層方向からみて周囲をモールド体３に囲まれているとともにモールド体３の表面と面一でヒートシンク５が露出している。絶縁板４と対向する冷却プレート２の表面に窪み２ａが設けられている。絶縁板４とモールド体３は、積層方向からみて、窪み２ａの周縁２ｂと重なるように配置されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の樹脂のモールド体に半導体素子が封止されている半導体カードと平板型の冷却プレートが間に絶縁板を挟んで積層されているとともに積層方向の両側から荷重を受ける積層ユニットであり、
絶縁板と対向するモールド体の表面に、積層方向からみて周囲をモールド体に囲まれているとともにモールド体の表面と面一でヒートシンクが露出しており、
絶縁板と対向する冷却プレート表面に窪みが設けられており、
絶縁板とモールド体は、積層方向からみて、前記窪みの周縁と重なるように配置されていることを特徴とする積層ユニット。
【請求項２】
前記ヒートシンクが前記窪みの周縁と重ならないように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の積層ユニット。
【請求項３】
積層方向から見て、
前記窪みはモールド体の四隅に対応する位置に設けられており、
ヒートシンクは四隅の窪みが規定する四角形の内側に位置しており、
ヒートシンクを囲むモールド体が四隅の窪みの周縁と重なっている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の積層ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層ユニットに関する。積層ユニットは、平板状の樹脂のモールド体に半導体素子が封止されている半導体カードと平板型の冷却プレートが間に絶縁板を挟んで積層されているとともに積層方向の両側から加圧されているデバイスである。
【背景技術】
【０００２】
インバータや電圧コンバータで用いられるＩＧＢＴや還流ダイオードなどの半導体素子は、発熱量が大きい。それらの素子は、パワー半導体素子、あるいは単にパワー素子などと呼ばれることがある。発熱量は、流れる電流の大きさに依存する。従って、大きな出力が要求される走行用のモータ（ハイブリッド車を含む電気自動車用の走行用モータ）に電力を供給するインバータや電圧コンバータは、発熱量の大きいパワー素子を多数用いる。他方、車両搭載機器にはコンパクト性も求められる。そこで、電気自動車用に、多数のパワー素子と冷却器を一体化した積層ユニットが提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、発熱量の大きい半導体素子（パワー素子）を平板型の樹脂のモールド体に収めた複数の半導体カードと複数の扁平チューブ（内部を冷媒が流れる平板型の冷却プレート）を交互に積層した積層ユニットが提案されている。その積層ユニットは、半導体カードを両面から冷却することで、コンパクトで高い冷却能力を実現している。
【０００４】
半導体カードから冷却プレートへの熱伝達効率を高めるため、特許文献１に例示される積層ユニットでは、その積層方向に荷重が加えられ、半導体カードと冷却プレートの密着性を高めている。その反面、荷重によって冷却プレートが変形し、半導体カードとの密着度が低下する虞がある。そこで特許文献１の技術では、冷却プレートにくびれを設け、変形し易い箇所を意図的に作る。くびれは、積層方向からみて半導体カードと接する面の両側に設けられる。冷却プレートは２箇所のくびれで変形し、くびれの間では変形量が小さくなる。冷却プレートはくびれの間で半導体カードと接するので、冷却プレートの変形により接触面積が小さくなってしまうことが抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２２８８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１でも言及されているように、冷却プレートと半導体カードの間には絶縁板が配置されることがある。他方、絶縁板を挟んで冷却プレートと半導体カードを積層し、両側から荷重を加えると、冷却プレートの変形により絶縁板に応力集中が生じ、破損する虞がある。特に、特許文献１の図５によると、積層ユニットの積層方向から見て、窪みは冷却プレートの両端付近に設けられ、半導体カードはその２箇所の窪みよりも内側（冷却プレートの中心寄り）に位置する。窪み周縁では剛性が高くなるが、窪み周縁に隣接する部位では剛性が急激に低くなり、冷却プレートは変形する。特許文献１の技術では、積層方向から見て冷却プレートの変形箇所よりも内側（中心寄り）に半導体カードを配置するため、半導体カードと冷却プレートの密着度は確保できる。しかしながら、絶縁板が冷却プレートの変形箇所と重なっていると、冷却プレートの変形に起因して絶縁板に大きな応力（曲げ応力）が集中してしまう。
【０００７】
本明細書が開示する技術は、上記課題を解決する。本明細書は、半導体カードと冷却プレートが絶縁板を挟んで積層されており、積層体の積層方向に荷重を受ける積層ユニットに関し、半導体カードと冷却プレートの間に挟んだ絶縁板が割れ難い構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書が開示する積層ユニットにおいて、半導体カードは、平板状の樹脂のモールド体に半導体素子が封止されている構造を有している。そして、絶縁板と対向するモールド体の表面に、積層方向からみて周囲をモールド体に囲まれているとともにモールド体の表面と面一でヒートシンクが露出している。本明細書が開示する積層ユニットでは、絶縁板と対向する冷却プレート表面に窪みが設けられており、絶縁板とモールド体は、積層方向からみて、上記の窪みの周縁と重なるように配置されている。
【０００９】
窪みを設けると、その周縁では剛性が高くなる。上記の冷却プレートは、窪みを設けることで変形を抑制する。他方、剛性の高い窪み周縁に絶縁板が面すると、窪み周縁の高剛性の部位から剛性が低くなる部位にかけて冷却プレートが変形し、それに伴い絶縁板に集中応力（曲げ応力）が生じ易くなる。そこで、本明細書が開示する積層ユニットでは、積層方向から見て、絶縁板だけでなくモールド体も窪み周縁と重なるように、冷却プレートの窪み周縁と絶縁板及び半導体カードの位置関係を規定する。そのような位置関係を実現することによって、窪み周縁にモールド体が対向し、モールド体が支えとなって冷却プレートの変形が抑制され、絶縁板の変形が抑制される。即ち、絶縁板に曲げ応力の集中が生じ難くなる。本明細書が開示する技術は、冷却プレートに窪みを設ける点では特許文献１の技術と同じであるが、特許文献１の技術は窪みの周辺で意図的に冷却プレートを変形させるのに対して、本明細書が開示する技術では、積層方向から見て絶縁板とモールド体が窪み周縁と重なるように配置し、窪み周縁で冷却プレートの剛性を高めるとともに、モールド体と冷却プレートが一体となって変形を抑制する。変形を抑制することで絶縁板に生じる応力集中（曲げ応力の集中）を低減する。
【００１０】
絶縁体とモールド体が窪み周縁と重なる構成とすればよいため、異なる形状の半導体素子であっても、封止する樹脂を調整することで、同一の冷却プレートを用いて積層ユニットを形成することができる。
【００１１】
本明細書が開示する積層ユニットではさらに、積層方向からみて、冷却プレートの窪み周縁とヒートシンクが重ならないように配置されていることが好ましい。上記の説明における「剛性」は曲げ剛性を意味し、上記の積層ユニットは、絶縁板に対する曲げ応力の集中を低減する。他方、ヒートシンクは金属製であり、圧縮方向の剛性は樹脂製のモールド体よりも高い。従って、窪み周縁とヒートシンクの間に絶縁板が挟まれると、絶縁板において圧縮方向の応力（圧縮応力）が高まり、破損し易くなる。他方、ヒートシンクを避け、窪み周縁とモールド体とで絶縁板が挟まれるようにすれば、ヒートシンクと挟まれる場合と比較して絶縁板に生じる圧縮応力を抑制できる。
【００１２】
冷却プレートの窪みとモールド体と絶縁板の具体的な位置関係の典型は、次の通りである。なお、以下の位置関係の記述は、全て積層方向から見たときの関係を表している。冷却プレートの窪みはモールド体の四隅に対応する位置に設けられている。ヒートシンクは四隅の窪みが規定する四角形の内側に位置している。ヒートシンクを囲むモールド体が四隅の窪みの周縁と重なっている。
【００１３】
なお、「窪み周縁」は、積層方向から見て、冷却プレートの中心に近い側と遠い側の２箇所が存在する。上記の表現における「窪み周縁と重なっている」とは、積層方向から見て冷却プレートの中心に近い側の「窪み周縁」と遠い側の「窪み周縁」のいずれであってもよい。
【００１４】
本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は以下の「実施例」において説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例の積層ユニットの斜視図である。
【図２】冷却プレートと半導体カードのモールド体と絶縁板の位置関係を示す斜視図である。
【図３】冷却プレートとモールド体と絶縁板の位置関係を示す平面図（Ａ）と側面図（Ｂ）である。
【図４】冷却プレートの分解図である。
【図５】冷却プレートとモールド体と絶縁板の位置関係の第１変形例を示す平面図（Ａ）と側面図（Ｂ）である。
【図６】冷却プレートとモールド体と絶縁板の位置関係の第２変形例を示す平面図（Ａ）と側面図（Ｂ）である。
【実施例】
【００１６】
図１に、積層ユニット１００の模式的斜視図を示す。積層ユニット１００は、電気自動車のモータに交流電力を供給するインバータや電圧コンバータに用いられるモジュールである。積層ユニット１００は、インバータやコンバータの電子回路のうち、発熱量の大きな素子、具体的には交流を発生するスイッチング素子や、昇圧／降圧回路のスイッチング素子を集積し、冷却装置と一体化したモジュールである。スイッチング素子は、典型的にはＩＧＢＴであるが、ＩＧＢＴの逆並列に接続される還流ダイオードを含んでもよい。積層ユニット１００は、ＩＧＢＴなどの半導体素子を封止した複数のパッケージ（半導体カード６）と複数の冷却プレート２を積層した構造を有している。半導体カード６も冷却プレート２も共に平板型に形成されている。別言すれば、積層ユニット１００は、複数の冷却プレート２が平行に配置され、隣接する冷却プレート２の間に半導体カード６を挟んだ構造を有している。冷却プレート２はアルミや銅などの熱伝導率の高い金属で作られている。
【００１７】
半導体カード６において、半導体素子を封止する樹脂製の筐体を以下ではモールド体３と称する。図１に示すように、モールド体３の表面には、内部の半導体素子の熱を表面に移送するヒートシンク５（放熱板）が備えられている。ヒートシンク５は、隣接する冷却プレート２と対向する面に備えられている。ヒートシンク５は、アルミニウムあるいは銅など、熱伝導率の高い金属で作られている。また、ヒートシンク５は、モールド体３の内部の半導体素子の電極と外部のデバイスを電気的に接続する端子の一部である場合もある。半導体素子の電極は、素子内部の熱を外部に移送するのに適しているため、その電極と接触している端子を熱伝導経路に活用するのが効率的である。それゆえ、後述するように、ヒートシンク５と冷却プレート２の間を絶縁する絶縁板４が必要となる。
【００１８】
積層ユニット１００の積層方向（図の座標系におけるＹ軸の方向）から見ると、ヒートシンク５は、その周囲をモールド体３で囲まれている。また、ヒートシンク５の表面は、その周囲のモールド体３と面一である。別言すれば、ヒートシンク５の表面とその周囲のモールド体３の表面が同一の平面を形成する。冷却プレート２と半導体カード６の積層構造において、ヒートシンク５が冷却プレート２に対向することにより、半導体カード６の内部の素子の熱が、ヒートシンク５を通じて効率よく冷却プレート２に移動する。なお、図示を省略しているが、内部の半導体素子からモールド体３の外部へと電極が伸びており、他の回路と接続される。
【００１９】
冷却プレート２の内部は冷媒が流れる空洞（冷媒流路）になっている。それぞれの冷却プレート２には、その長手方向の両端に２個の貫通孔が設けられており、隣接する冷却プレート同士が接続管９によって連結される。積層体の端に位置する冷却プレート２の貫通孔には冷媒を供給する供給管８と冷媒を排出する排出管７が接続される。供給管８から供給される冷媒は、冷却プレート２内の冷媒流路と接続管９に分流し、次々に下流の冷却プレート２へと流れる。冷媒は、冷却プレート内を通過する間に半導体カード６の熱を吸収する。即ち、半導体カード６を冷却する。冷却プレート２内を通過した冷媒は、他方の貫通孔を通じて合流し、最終的に排出管７へ至る。なお、冷媒は好ましくは液体であり、典型的には、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ  Ｌｉｆｅ  Ｃｏｏｌａｎｔ）である。
【００２０】
冷却プレート２と半導体カード６の間には、絶縁板４が挟まれている。絶縁板４は、セラミックス製である。また、冷却プレート２と半導体カード６の積層体は、ブラケット１２に挟まれて固定される。ブラケット１２の一端には板バネ１４が配置されており、その板バネ１４が、積層体をその積層方向に荷重する。板バネ１４により、冷却プレート２、絶縁板４、及び、半導体カード６が強く密着し、高い熱伝達効率が確保される。他方、セラミックス製の絶縁板４は、冷却プレート等と比較して脆弱であり、板バネ１４の荷重により割れる虞がある。
【００２１】
絶縁板４の破損を防止するため、冷却プレート２の表面には窪み２ａが設けられている。図２に、２枚の冷却プレート２と、それらに挟まれる絶縁板４と半導体カード６の分解斜視図を示す。図１に示したように、冷却プレート２と半導体カード６は何重にも積層されるが、理解し易くするために、図２では２枚の冷却プレート２とそれらの間に挟まれる１枚の半導体カード６と２枚の絶縁板４のみを示している。図３に、冷却プレート２と絶縁板４と半導体カード６（モールド体３）の位置関係を示す平面図（図３（Ａ））と側面図（図３（Ｂ））を示す。窪み２ａは、半導体カード６と対向する冷却プレート表面に、一面につき４箇所設けられている。窪み２ａは、積層ユニット１００の積層方向（図中の座標系におけるＹ方向）から見たときに、貫通孔よりも冷却プレート２の中心ＣＬ寄りに設けられている。また、窪み２ａは、冷却プレート２の側面（積層方向と交差する方向の側面）に向かって開いている。図３に良く示されているように、積層方向（図のＹ軸方向）から見たときに、窪み２ａの上をモールド体３の縁３ａと絶縁板４の縁４ａが通過するように、窪み２ａとモールド体３と絶縁板４の位置関係が規定されている。別言すれば、絶縁板４とモールド体３は、積層方向からみて、窪み２ａの周縁２ｂと重なるように配置される。さらに別言すれば、窪み２ａは、その上に、２つの交点、即ち、冷却プレート２の縁とモールド体３の縁３ａとが交差する点、及び、冷却プレート２の縁と絶縁板４の縁４ａとが交差する点、が位置するように配置される。冷却プレート２の縁とモールド体３の縁３ａ（絶縁板４の縁４ａ）とが交差する点は冷却プレート一面あたり４箇所あり、その４箇所のそれぞれに窪み２ａが設けられている。
【００２２】
なお、図３では、窪み２ａの周縁のうち、積層方向から見て冷却プレート２の中心ＣＬに近い側の周縁を符号２ｂで表し、中心ＣＬから遠い側を符号２ｃで表す。以下では、窪み周縁を中心ＣＬに近い側と遠い側で区別する場合には、内側周縁２ｂ、外側周縁２ｃと称する。単に「周縁２ｂ」と称する場合は、内側周縁と外側周縁を区別せずに示すことを意味する。図３の実施例では、モールド体３と絶縁板４は、積層方向から見て内側周縁２ｂと重なる位置関係にある。
【００２３】
冷却プレート２の内部構造を説明する。図４に、冷却プレート２の分解図を示す。冷却プレート２は、筐体に相当する外板２１、２３と、それらの間に挟まれる中板２２を有する。容器状の外板２１、２３は、アルミニウムの板をプレス加工して成形される。外板２１の内部には波板で構成されるフィン２４が配置され、中板２２がフィン２４を抑える。また、外板２３の内部にもフィン２４が配置され、これも中板２２が抑える。フィン２４は中板２２と外板２１、２３の双方に接触し、半導体カード６から伝わる熱を冷却プレート２の全体に拡散し易くしている。また、フィン２４は、冷却プレート２の内部を流れる冷媒との接触面積を増加させ、冷媒への熱伝達効率を向上させる。図４によく示されているように、外側から見たときの窪み２ａは、外板２１、２３の内側からみるとリブに相当し、外板２１、２３の剛性（曲げ剛性）を高める。特に、窪み周縁２ｂにおいて曲げ剛性が高められる。
【００２４】
モールド体３と絶縁板４と窪み２ａの上記の位置関係によって、以下の利点が得られる。窪み２ａの周縁２ｂでは曲げ剛性が高くなる。それゆえ、積層ユニット１００に積層方向の荷重が加わっても、周縁２ｂの付近は冷却プレート２の曲げ変形が小さい。しかし、周縁２ｂから離れるに従って、曲げ剛性は小さくなり、冷却プレート２が変形し得る。しかし、積層方向から見て半導体カード６のモールド体３が窪み２ａの周縁２ｂと重なっているため、冷却プレート２の全体をモールド体３が支えることになり、冷却プレート２の曲げ変形が抑制される。従って、冷却プレート２とモールド体３（半導体カード６）の積層体全体の曲げ変形が抑制される。それゆえ、冷却プレート２に密着している絶縁板４の曲げ変形も小さくて済むことになり、曲げにより絶縁板４の内部に発生する応力（曲げ応力）も小さくなり、絶縁板４が割れる可能性が低減される。
【００２５】
特に、図３（Ａ）に良く示されているように、冷却プレート２の一面に４個の窪み２ａが設けられており、それらの窪み２ａは、積層方向から見てモールド体３の四隅に対応する箇所に位置する。従って、モールド体３は矩形の四隅で冷却プレート２を支えることになる。このことは、モールド体３が均一に冷却プレート２を支えることを意味しており、この点も、絶縁板４が割れ難いことに貢献している。
【００２６】
他方、図３（Ａ）に良く示されているように、ヒートシンク５は、積層方向から見て、四箇所の窪み２ａが規定する四角形の内側に位置する。そして、積層方向から見てヒートシンク５を囲むモールド体３が四隅の窪み２ａの周縁２ｂと重なっている。ヒートシンク５は金属製であり、モールド体３は樹脂製である。樹脂の方が金属よりも圧縮方向の剛性が低い。それゆえ、絶縁板４は、冷却プレート２において剛性の高い窪み周縁２ｂと、同じく剛性の高いヒートシンク５とで挟まれるよりも、剛性の高い窪み周縁２ｂと、ヒートシンク５よりも圧縮剛性の低いモールド体３とで挟まれる方が、絶縁板４の内部に生じる圧縮応力は小さくなる。実施例の積層ユニット１００は、絶縁板４の内部に発生する圧縮応力に起因する破損の可能性も小さくすることができる。
【００２７】
積層ユニット１００の利点をまとめると、次の通りである。窪み周縁２ｂと半導体カード６の樹脂部分（モールド体３）が積層方向で重なっていることは、絶縁板４に生じる曲げ応力の緩和に貢献し、ヒートシンク５でなく樹脂のモールド体３が窪み周縁２ｂと重なっていることは、絶縁板４に生じる圧縮応力の緩和に貢献する。
【００２８】
図５を参照して、モールド体及び絶縁板と、窪み周縁２ｂとの位置関係の第１変形例を説明する。図５は、図３に対応する図であり、図５（Ａ）は、半導体カード１０６のモールド体１０３と絶縁板１０４に対する窪み周縁２ｂの位置関係の平面図を表し、図５（Ｂ）は側面図を表している。この変形例では、絶縁板１０４は、積層方向から見たときに窪み２ａの外側周縁２ｃと重なる大きさと位置であり、モールド体１０３は、積層方向から見たときに内側周縁２ｂには重なるが、外側周縁２ｃには重ならない位置と大きさである。
【００２９】
図６を参照して、モールド体及び絶縁板と、窪み周縁２ｂとの位置関係の第２変形例を説明する。図６は、図３に対応する図であり、図６（Ａ）は、半導体カード２０６のモールド体２０３と絶縁板２０４に対する窪み周縁２ｂの位置関係の平面図を表し、図５（Ｂ）は側面図を表している。この変形例では、絶縁板２０４とモールド体２０３の双方とも、積層方向から見たときに窪み２ａの外側周縁２ｃと重なる大きさと位置である。
【００３０】
図５と図６に示した第１及び第２変形例の位置関係も、図１〜図４で示した実施例の積層ユニット１００と同じ利点を有する。図６に示した第２変形例は、絶縁板２０４とモールド体２０３の双方とも、積層方向から見たときに窪み２ａの外側周縁２ｃと重なる大きさであるので、冷却プレート２の広い範囲をモールド体２０３が支えることになり、冷却プレート２の変形をより一層抑制することができる。
【００３１】
実施例の技術に関する留意点を述べる。積層体を付勢するバネは、板状のバネであってもよいし、コイルバネであってもよい。窪みの幅、深さ、及び、長さは、本明細書が開示する技術的思想の範囲内で個別の積層ユニットの特性に応じて適宜に選定すればよい。図２、図４に良く示されているように、実施例における窪みの底は平坦である。窪みの底は、湾曲していてもよい。さらには、窪み全体の形状も、本明細書が開示する技術的思想の範囲内で個別の積層ユニットの特性に応じて適宜に選定すればよい。
【００３２】
また、窪みを冷却プレートの短手方向中央（図におけるＺ軸方向の中央）まで延設し、絶縁板のより広い面積で応力を受けるようにしてもよい。また、窪みを浅くすることで、窪みの縁の剛性を低下させ、応力のピークを下げるようにしてもよい。さらには、窪みを冷却プレートの短手方向中央まで延設するとともに浅くすることも好適である。
【００３３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３４】
２：冷却プレート
２ａ：窪み
２ｂ：周縁（内側周縁）
２ｃ：外側周縁
３、１０３、２０３：モールド体
４、１０４、２０４：絶縁板
５：ヒートシンク
６：半導体カード
７：排出管
８：供給管
２１、２３：外板
２２：中板
２４：フィン
１００：積層ユニット
【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】
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【図６】
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