(57)【要約】【課題】端部の冷却プレートに冷媒供給管と冷媒排出管が接続された半導体積層ユニットにおいて、振動による冷媒供給／排出管の付け根の劣化を抑制する。【解決手段】半導体積層ユニットは、積層構造体と、筐体と、供給側接続パイプ／排出側接続パイプを備える。積層構造体は複数の半導体モジュールと複数の冷却プレートが交互に積層しており、冷媒供給管と冷媒排出管が積層方向の一方の端部に配置された冷却プレートから積層方向に延びている。筐体は、積層構造体の他方の端部と接するストッパを有しており、積層構造体を支持する。供給側／排出側接続パイプは、一端が冷媒供給管／冷媒排出管に嵌合するとともに他端が冷媒供給チューブ／冷媒排出チューブと接続する。供給側／排出側接続パイプは筐体に固定されている。積層構造体は、供給側／排出側接続パイプストッパで挟持されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を収めた複数の半導体モジュールと複数の冷却プレートが交互に積層しており、冷媒供給管と冷媒排出管が積層方向の一方の端部に配置された冷却プレートから積層方向に延びている積層構造体と、
積層構造体を支持する筐体であって積層構造体の他方の端部と接するストッパを有している筐体と、
一端が冷媒供給管に嵌合するとともに他端が冷媒供給チューブと接続する供給側接続パイプと、
一端が冷媒排出管に嵌合するとともに他端が冷媒排出チューブと接続する排出側接続パイプと、
を備えており、
供給側接続パイプと排出側接続パイプが筐体に固定されており、
積層構造体が、供給側接続パイプ及び排出側接続パイプと、前記ストッパで挟持されていることを特徴とする半導体積層ユニット。
【請求項２】
供給側接続パイプの端部と排出側接続パイプの端部が積層構造体の端に配置された冷却プレートの端面を押圧していることを特徴とする請求項１に記載の半導体積層ユニット。
【請求項３】
供給側接続パイプと排出側接続パイプが連結していることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体積層ユニット。
【請求項４】
供給側接続パイプと排出側接続パイプは、前記積層方向に挿通されるボルトによって筐体に固定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体積層ユニット。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体積層ユニットの製造方法であり、
供給側接続パイプと排出側接続パイプをそれぞれ、冷媒供給管と冷媒排出管に嵌合させる嵌合工程と、
前記積層方向にボルトを挿通して、冷媒供給管と冷媒排出管を筐体に固定する固定工程と、を備えており、
前記固定工程において、ボルトをねじ込むことで、供給側接続パイプと排出側接続パイプを積層方向に移動させ、供給側接続パイプの端部と排出側接続パイプの端部によって積層構造体の端に配置された冷却プレートの端面を押圧する、
ことを備えることを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を収めた平板型の複数の半導体モジュールと冷却器が一体化した半導体積層ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧を昇圧したり降圧したりする電圧コンバータや誘導モータに交流電流を供給するインバータは多数の半導体素子を備える。使われる半導体素子の典型は、スイッチング素子として用いられるトランジスタである。スイッチング素子のトランジスタとしては、代表的には、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴが使われる。半導体素子は流れる電流の大きさに応じて発熱する。電気自動車の走行用モータは出力が大きく、それゆえ、電気自動車の駆動系に用いられる半導体素子は発熱量が大きい。
【０００３】
発熱量の大きい半導体素子を効率よく冷却する冷却装置であってコンパクトな冷却装置が特許文献１−４に開示されている。いずれも、半導体素子を平板型（カード型）の半導体モジュールに収め、複数の半導体モジュールと冷媒を流す平板型の複数の冷却プレートを交互に積層する構造を備えている。そのような積層体を本明細書では積層構造体と称する。また、筐体に支持された積層構造体を半導体積層ユニットと称することがある。半導体積層ユニットは、一例として、電気自動車のパワーコントロールユニットに搭載される。なお、「パワーコントロールユニット」とは、インバータ回路や電圧コンバータ、及び、モータ駆動に必要な他の周辺デバイスを含むコントローラを意味する。
【０００４】
特許文献に記載された半導体積層ユニットでは、隣接する冷却プレートが半導体モジュールをその両面から冷却する。冷却プレートは冷媒を通す導管であり、隣接する冷却プレート同士が２本の接続管で接続される。また、積層構造体の一方の端部に位置する冷却プレートには、その長手方向の両端付近に２本の管が接続されている。２本の管の一方は外部から冷媒を供給する冷媒供給管であり他方は各冷却プレートを通過した冷媒を排出する冷媒排出管である。冷媒供給管から供給された冷媒は接続管を通じて各冷却プレートに行きわたり、冷却プレート内を通過しつつ半導体モジュールを冷却し、その後、他方の接続管を通じ、さらに冷媒排出管からユニット外部へと排出される。
【０００５】
半導体モジュールを効率よく冷却するには、冷却プレートと半導体モジュールが密着している方がよく、そのため、積層構造体は、その積層方向に荷重を受けつつ支持される。特許文献２−４はいずれも、板バネを用いて、積層構造体をその積層方向に荷重する。
【０００６】
特許文献２−４はいずれも、板バネは、冷媒供給管／冷媒排出管が接続された冷却プレートとは反対側の端面に配置される。冷媒供給管／冷媒排出管を備える冷却プレートは筐体に立設する壁に接しており、冷媒供給管／冷媒排出管に、冷媒タンクから延びる外部のチューブが接続される。筐体に立設する壁は、典型的には筐体の側壁である。なお、特許文献４では、冷媒供給管／冷媒排出管をクランプして積層構造体を筐体に固定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−０９９７４８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２５９２０３号公報
【特許文献３】特開２０１１−１０３７２８号公報
【特許文献４】特開２０１２−０１６２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
積層構造体は積層方向に荷重を受けつつ筐体に固定され、冷媒供給管と冷媒排出管には別のデバイス（冷媒タンクなど）から延びるチューブが接続される。そのような半導体積層ユニットが車両に搭載されると、走行中の振動に起因してチューブが振動し、チューブを接続している冷媒供給管／冷媒排出管の付け根に繰り返し応力が作用し、劣化が促進される。本明細書は、上記課題に鑑みて創作された。本明細書は、複数の半導体モジュールと複数の冷却プレートが積層しており、積層構造体の一方の端部の冷却プレートに冷媒供給管と冷媒排出管が接続された半導体積層ユニットにおいて、冷媒供給管と冷媒排出管の付け根の劣化を抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書が開示する半導体積層ユニットの一態様は次の通りである。積層構造体は、前述したように、半導体素子を収めた平板型の複数の半導体モジュールと冷媒を流す平板型の複数の冷却プレートを交互に積層したものであり、冷媒供給管と冷媒排出管が積層構造体の一方の端部の冷却プレートから積層方向に延びている。筐体には、積層構造体の他方の端部と接するストッパが設けられている。ストッパは、筐体の底面から立設する壁であってもよいし、筐体の側壁であってもよい。半導体積層ユニットは、さらに、供給側接続パイプと排出側接続パイプを備えている。供給側接続パイプは、一端が冷媒供給管に嵌合するとともに他端が冷媒供給チューブと接続する。同様に、排出側接続パイプは、一端が冷媒排出管に嵌合するとともに他端が冷媒排出チューブと接続する。そして、供給側接続パイプと排出側接続パイプが筐体に固定されており、積層構造体が、供給側接続パイプ及び排出側接続パイプとストッパで挟持／支持されている。
【００１０】
上記の構造を有することによって、外部のチューブが接続される供給側／排出側接続パイプは、冷媒供給管と冷媒排出管と嵌合するものの、冷却プレートには直接は固定されない。車両振動によりチューブが振動しても、その揺れは供給側／排出側接続パイプが受け、冷却プレートへの影響が低減される。すなわち、チューブの振動（車両振動）に起因する冷媒供給管／冷媒排出管の付け根の劣化が抑制される。
【００１１】
本明細書が開示する半導体積層ユニットのさらなる改良として、供給側接続パイプ及び排出側接続パイプの端部が、平板を介して積層構造体の端に位置する冷却プレートの端面を押圧していると好適である。供給側接続パイプ及び排出側接続パイプが積層構造体に荷重を加えることによって、従来技術における板バネを廃止できる。
【００１２】
作業性を考慮すると、供給側接続パイプと排出側接続パイプが連結しているのがよく、また、供給側接続パイプと排出側接続パイプは、積層構造体の積層方向に挿通されるボルトによって筐体に固定されることが好ましい。
【００１３】
本明細書は、また、上記した新規な半導体積層ユニットの製造方法も提供する。その方法は、供給側接続パイプと排出側接続パイプをそれぞれ、冷媒供給管と冷媒排出管に嵌合させる嵌合工程と、積層方向にボルトを挿通して、冷媒供給管と冷媒排出管を筐体に固定する固定工程と、を備える。そして、固定工程において、ボルトをねじ込むことで、供給側接続パイプと排出側接続パイプを積層方向に移動させ、供給側接続パイプの端部と排出側接続パイプの端部によって積層構造体の端に配置された冷却プレートの端面を押圧する。そのような製造方法では、積層構造体の押圧と固定が一つの工程で実現できる。それゆえ、製造コストを抑制することができる。
【００１４】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例の半導体積層ユニットの分解斜視図である。
【図２】実施例の半導体積層ユニットの斜視図である。
【図３】半導体積層ユニットの製造工程を説明する平面図である（１）。
【図４】半導体積層ユニットの製造工程を説明する平面図である（２）。
【図５】半導体積層ユニットの製造工程を説明する平面図である（３）。
【図６】半導体積層ユニットの製造工程を説明する平面図である（４）。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図面を参照して実施例の半導体積層ユニット２を説明する。図１に半導体積層ユニット２の分解図斜視図を示し、図２に完成図を示す。実施例の半導体積層ユニット２は、電気自動車のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）に内蔵される部品であり、インバータ回路に使われる複数のスイッチング素子と、電圧コンバータに使われるスイッチング素子を集約して冷却する装置である。スイッチング素子は、半導体素子であり、典型的にはＩＧＢＴである。
【００１７】
半導体積層ユニット２は、主な部品として、筐体１５、積層構造体１０、加圧プレート１４、及び、パイプ継手９を備えている。
【００１８】
積層構造体１０は、複数の平板型の半導体モジュール１２と、複数の平板型の冷却プレート３ａ〜３ｇを交互に積層したものである。半導体モジュール１２は、１個のＩＧＢＴ（半導体素子）と１個のダイオードを樹脂でモールドしたものである。ダイオードは、ＩＧＢＴと逆並列に接続されている。ＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路をスイッチング回路と称することがある。良く知られているように、インバータ回路は、２個のスイッチング回路の直列接続の組を３セット並列に接続した回路構成を有する。積層構造体１０に含まれる複数の半導体モジュー１２が上記の３セットの回路を構成する。その他、積層構造体１０に含まれる別の半導体モジュール１２に内蔵されているスイッチング回路は、電圧を変える電圧コンバータにも使われる。なお、半導体モジュール１２は、内部の半導体素子に繋がる端子を備えているが、その図示は省略している。
【００１９】
冷却プレート３ａ〜３ｇは、内部が空洞であり、その長手方向の両端に貫通孔を有する。貫通孔には短い接続管１３が接続される。２個の接続管１３により、隣接する冷却プレートが接続される。積層構造体１０の一方の端部に位置する冷却プレート３ａには、冷媒供給管４と冷媒排出管５が接続される。積層構造体１０をその積層方向（図中のＸ軸方向）からみると、冷媒供給管４と、各冷却プレートの一方の接続管１３が重なって見え、冷媒排出管５と他方の接続管１３が重なって見える。すなわち、冷媒供給管４と冷媒排出管５は、ともに、積層構造体１０の積層方向に沿って延びている。
【００２０】
図２に示すように、冷媒供給管４と冷媒排出管５には、それぞれ、パイプ継手９を介して冷媒供給チューブ２６と冷媒排出チューブ２７が接続される。冷媒供給チューブ２６と冷媒排出チューブ２７は、不図示の冷媒タンクに接続されている。冷媒供給チューブ２６から供給される冷媒は、冷媒供給管４及びそれと一列に並ぶ接続管１３を介して全ての冷却プレートに行きわたる。冷媒は、冷却プレート３ａ〜３ｇをその一端から他端へと流れる間に接している半導体モジュール１２を冷却する。冷却プレート３ａ〜３ｇを通過した冷媒は、冷媒排出管５及びそれと一例に並ぶ接続管１３を通じ、さらに冷媒排出チューブを通って冷媒タンクへと戻される。
【００２１】
冷却プレート３ａ〜３ｇ、接続管１３、冷媒供給管４、冷媒排出管５は、熱伝導率の高いアルミニウムで作られている。冷却プレート３ａ〜３ｇの内部には、冷却能力を高めるためのフィンが内蔵される場合もある。加圧プレート１４は、加圧プレート１４は、その剛性が冷却器よりも高くなるように作られている。
【００２２】
積層構造体１０は、積層方向の端部の冷却プレート３ａに加圧プレート１４を当接して筐体１５に載置される。筐体１５には積層構造体１０の一方の端部を受け止めるストッパ１６が設けられている。ここで、「積層構造体１０の一方の端部」は、冷媒供給管／排出管とは反対側の端部に位置する冷却プレート３ｇに相当する。ストッパ１６は、筐体１５の底面から立設された壁である。また、筐体１５の一つの側壁には２つのＵ字溝１５ａが設けられており、積層構造体１０を載置すると、２つのＵ字溝１５ａのそれぞれに冷媒供給管４と冷媒排出管５が遊嵌する。２つのＵ字溝１５ａの間には、ボルト３１に螺合するネジ孔１５ｂが設けられている。なお、「筐体１５の一つの側壁」は、ストッパ１６と対向する側壁に相当する。また、筐体１５は、２つのＵ字溝１５ａの代わりに丸孔を有するものであってもよい。
【００２３】
パイプ継手９は、２本のパイプ６、７を板材８で接続したものである。２本のパイプは、供給側接続パイプ６と排出側接続パイプ７である。板材８には、ボルト３１を通す貫通孔８ａが設けられている。供給側接続パイプ６は、その一端６ａが冷媒供給管４に嵌合し、他端６ｂが冷媒供給チューブ２６と接続する。排出側接続パイプ７は、その一端７ａが冷媒排出管５に嵌合し、他端７ｂが冷媒排出チューブ２７と接続する。積層構造体１０を筐体１５に載置した後、積層構造体１０の積層方向に沿ってパイプ継手９を冷媒供給管４と冷媒排出管５に差し込み、ボルト３１を貫通孔８ａに通し、筐体のネジ孔１５ｂに螺合させる。ボルト３１を締め込んでいくと、パイプ継手９がストッパ１６に向かって前進し、パイプ継手９の先端、即ち、供給側接続パイプ６と排出側接続パイプ７の先端が加圧プレート１４を介して端部の冷却プレート３ａに積層方向の荷重を加える。加圧プレート１４は剛性が高いので、１本のボルト３１であっても積層構造体１０をその積層方向に均一の力で荷重することができる。積層構造体１０は、パイプ継手９とストッパ１６に挟持され、積層方向に荷重を受けつつ筐体１５に支持される。別言すれば、積層構造体１０は、「供給側接続パイプ６及び排出側接続パイプ７」と、ストッパ１６に挟持され、積層方向に荷重を受けつつ筐体１５に支持される。パイプ継手９は、供給側接続パイプ６、排出側接続パイプ７、及び、それらを連結する板材８で構成されており、供給側接続パイプ６と排出側接続パイプ７が、積層構造体１０の端部に直接に接するからである。
【００２４】
積層構造体１０は、ストッパ１６とパイプ継手９の間で積層方向の荷重を受けつつ支持される。それゆえ、各半導体モジュール１２はその両面で冷却プレート３ａ〜３ｇと密着する。半導体モジュール１２と冷却プレート３ａ〜３ｇが密着するので、半導体モジュール１２を効率よく冷却することができる。
【００２５】
パイプ継手９の利点を説明する。パイプ継手９の供給側接続パイプ６、排出側接続パイプ７、及び、板材８は、アルミニウムよりも剛性が高い金属、例えば、ステンレス鋼で作られている。半導体積層ユニット２は、電気自動車に搭載される。電気自動車が走行すると、走行振動によって冷媒供給チューブ２６、冷媒排出チューブ２７が揺れる。チューブは供給側接続パイプ６と排出側接続パイプ７の他端（６ｂ、７ｂ）に接続しているので、チューブの揺れは供給側接続パイプ６と排出側接続パイプ７が受ける。他方、積層構造体１０の端部の冷却プレート３ａに連なる冷媒供給管４と冷媒排出管５は、供給側接続パイプ６と排出側接続パイプ７の一端（６ａ、７ａ）に嵌合している。供給側接続パイプ６と排出側接続パイプ７を含むパイプ継手９は、冷却プレートの材料であるアルミニウムよりも剛性が高い金属（例えばステンレス）で作られているとともに、筐体１５に固定されている。それゆえ、チューブの振動はパイプ継手９と筐体１５が吸収し、冷媒供給管４及び冷媒排出管５と冷却プレート３ａとのつなぎ目に加わる応力が低減される。ここで、冷媒供給管４及び冷媒排出管５と冷却プレート３ａとのつなぎ目は、別言すれば、冷媒供給管４／冷媒排出管５の付け根である。
【００２６】
また、従来は、積層構造体をその積層方向に荷重するのに板バネを用いていたが、実施例の半導体積層ユニット２では板バネを使わずに積層構造体１０をその積層方向に荷重することができる。それゆえ、実施例の半導体積層ユニット２は、従来のものよりも組み立て性に優れており、また、コンパクトである。
【００２７】
次に、図３〜図６を参照して半導体積層ユニット２の組み立て方法（製造方法）を説明する。なお、図３〜図６では、図を見易くするために、筐体１５（ストッパ１６を含む）とパイプ継手９は断面で表し、ハッチングを施してある。まず、加圧プレート１４を積層構造体１０の冷媒供給管４と冷媒排出管５に嵌めて積層構造体１０を筐体１５に載置する（図３）。冷媒供給管４と冷媒排出管５は、筐体の一つの壁面に設けられたＵ字溝１５ａに嵌合する。また、積層構造体１０の一方の端面をストッパ１６に当接させる。積層構造体１０の一方の端面は、冷却プレート３ｇの端面に相当する。
【００２８】
次に、パイプ継手９の供給側接続パイプ６と排出側接続パイプ７を、積層構造体の冷媒供給管４と冷媒排出管５に嵌合させつつ、パイプ継手９を積層構造体１０の積層方向に沿って、ストッパ１６に向けて移動させる（図４）。次にボルト３１を、積層構造体の積層方向に沿って、貫通孔８ａに挿通し、筐体１５のネジ孔１５ｂに螺合させる（図５）。ボルト３１を締めていくと、パイプ継手９がストッパ１６に向けて前進する。そうすると、供給側接続パイプ６と排出側接続パイプ７の端面（図１における端部６ａ、７ａ）が加圧プレート１４を介して積層構造体１０をその積層方向に荷重する。別言すれば、積層構造体１０は、ストッパ１６とパイプ継手９（供給側接続パイプ６と排出側接続パイプ７）に挟持され、積層方向に荷重を受けつつ支持される。この工程が、嵌合工程と固定工程に相当する。最後に、冷媒供給チューブ２６を供給側接続パイプ６に連結し、冷媒排出チューブ２７を排出側接続パイプ７に連結して半導体積層ユニット２が完成する。固定工程では、ボルト３１を締め付けていくにつれて、積層構造体１０に荷重が加わる。ボルトを締め付けるという一つの作業で荷重と固定が同時に行われる。
【００２９】
なお、図５、図６では、理解を助けるために、供給側接続パイプ６の内面と冷媒供給管４の外面の間に隙間を描いてある。同様に、排出側接続パイプ７と冷媒排出管５の間にも隙間を描いてある。それらの隙間はなくてもよく、供給側接続パイプ６と冷媒供給管４、及び、排出側接続パイプ７と冷媒排出管５は、しっかりと嵌合するように作られていてもよい。また、供給側接続パイプ６と冷媒供給管４の間には、冷媒が漏れないようにシール材が配置されていてもよい。排出側接続パイプ７と冷媒排出管５の間でも同様である。
【００３０】
実施例で説明した技術の留意点を述べる。実施例では、パイプ継手９を１本のボルト３１で筐体１５に固定した。パイプ継手９を固定するボルトは何本でもよい。例えば、供給側接続パイプ６の周囲で２本、排出側接続パイプ７の周囲で２本のボルトを使ってパイプ継手９を固定してもよい。
【００３１】
積層構造体の一方を受けるストッパ１６は、筐体の底面から立設する独立した壁の代わりに筐体の壁面を利用してもよい。また、筐体とは、ストッパ１６とパイプ継手９を固定する部材を意味するので、必ずしも容器状でなくともよい。半導体積層ユニットがパワーコントロールユニットのケースなど、他のケースに収納される場合、半導体積層ユニットの筐体とは、ストッパ１６とパイプ継手９を固定する平板であってもよい。
【００３２】
実施例の半導体積層ユニットでは、隣接する冷却プレートの間に２個の半導体モジュールが横並びに配置されている。半導体積層ユニットは、隣接する冷却プレートの間に半導体モジュールを一つだけ配置し、実施例の半導体積層ユニットよりも積層数を倍増させた構造であってもよい。あるいは、半導体積層ユニットは、隣接する冷却プレートの間に３個以上の半導体モジュールを配置するものであってもよい。また、一つの半導体モジュールにモールドされる素子の数は、いくつであってもよい。
【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：半導体積層ユニット
３ａ〜３ｇ：冷却プレート
４：冷媒供給管
５：冷媒排出管
６：供給側接続パイプ
７：排出側接続パイプ
８：板材
８ａ：貫通孔
９：パイプ継手
１０：積層構造体
１２：半導体モジュール
１３：接続管
１４：加圧プレート
１５：筐体
１５ａ：Ｕ字溝
１６：ストッパ
２６：冷媒供給チューブ
２７：冷媒排出チューブ
３１：ボルト
【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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