(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の平板型の冷却プレートと、
半導体素子を収めた複数の平板型の半導体カードと、
前記半導体カードを前記冷却プレートから絶縁する絶縁板と、
前記冷却プレートと前記半導体カードを交互に積層した積層体であり、前記冷却プレートと前記半導体カードの間に前記絶縁板を挟んだ積層体をその積層方向に付勢するバネと、
を備えており、
前記絶縁板と対向する冷却プレート表面であって当該冷却プレート表面の縁に窪みが設けられており、当該縁と交差する方向に沿って延びる前記半導体カードの縁と前記絶縁板の縁が当該窪みの上に位置している、ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記冷却プレートは内部に冷却媒体が流れる流路を有し、前記窪みは流路側に突出し、前記半導体カードの四隅近傍に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【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カードと冷却器が一体となった半導体モジュールに関する。
【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車輪駆動用のモータ（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半導体モジュールが提案されている。
【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）を平板型の筐体（半導体カード、あるいは半導体パッケージと呼ばれることがある）に収め、複数の半導体カードと扁平チューブ（内部を冷媒が流れる平板型の冷却プレート）を交互に積層した半導体モジュールが提案されている。その半導体モジュールは、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確保している。
【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に例示される積層型の半導体モジュールでは、その積層方向に付勢し、半導体カードと冷却プレートの密着性を高めている。特許文献１の半導体モジュールでは、積層体をその積層方向からみて両側に冷媒を通すタンク（冷媒流路）が接続されている。従って各冷却プレートは、その両側でタンクに支持されつつ、２本のタンクの間で積層方向に圧力を受け、撓む可能性がある。特許文献１には、冷却プレートが弓なりに変形すると半導体カードとの密着性が低下し冷却効率が低下してしまうことを避けるため、冷却プレートのタンク支持部の近傍にくびれを設けることが提案されている。
【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】
前述したように、半導体カードと冷却プレートを交互に積層した半導体モジュールでは、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に積層体をその積層方向に付勢する。他方、半導体カードと冷却プレートの間の絶縁を確保するため、半導体カードと冷却プレートの間に絶縁板を挟む場合がある。絶縁板は、絶縁性が高いことが望ましいので、セラミクス板（セラミクスを主成分とする板）が用いられる。他方、伝熱性の観点からは、絶縁板は薄い方が望ましい。ところがセラミクス板は柔軟性に乏しく割れ易い。半導体カードと冷却プレートの間にセラミクス製の絶縁体を挟んだ積層体をその積層方向に付勢すると、冷却プレートが撓んだりして絶縁体に応力集中が生じ、破損する虞がある。
【０００７】
本発明は、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を交互に積層し、その積層体を積層方向に付勢した半導体モジュールに関し、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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書が開示する半導体モジュールは、複数の平板型の冷却プレートと半導体素子を収めた複数の平板型の半導体カードを交互に積層したものである。その半導体モジュールは、半導体カードを冷却プレートから絶縁する絶縁板を、冷却プレートと半導体カードの間に挟んでいる。積層体は、バネによりその積層方向に付勢され、冷却プレート、絶縁板、半導体カードの密着が保たれている。さらに本明細書が開示する半導体モジュールでは、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、窪みは、その縁の少なくとも一部が、半導体カードの端部よりも内側に位置するように配置されている。
【０００９】
本明細書が開示する技術は、主に次の２点の工夫により絶縁板を破損から保護する。一つは、冷却プレートに窪みを設け、冷却プレート自体の剛性を高めることである。内部を冷媒が流れる冷却プレートは、内部がほとんど空洞の管であり、剛性が低い。さらに、加工性やコストの観点から冷却プレートはアルミや銅のプレス加工で製造されることがよくある。即ち、冷却プレートは、金属板をプレス加工して作られ、内部がほとんど空洞の筒状であることが多く、通常は剛性が高くはない。冷却プレートに設ける窪みは、冷却プレートの内側からみると「リブ」に相当し、冷却プレートの剛性を高める。即ち、窪みは、積層方向の荷重に対して冷却プレートの撓みを小さくする。冷却プレートの撓みは、絶縁板に偏荷重を加える要因となり、偏荷重は絶縁板を破損させる要因となる。窪みは冷却プレートの撓みを小さくし、それによって絶縁板を破損し難くする。
【００１０】
他の一つは、上記した窪みを、その縁の少なくとも一部が半導体カードの端部よりも内側に位置するように配置することである。窪みの縁は剛性が高くなるため、縁部分の圧縮応力が大きくなる。その縁部分の圧縮応力を絶縁板のみで受けずに、半導体素子で受けることによって、絶縁板に加わる圧縮応力を低減し、絶縁板を破損から保護する。また、上記した窪みは、絶縁板と対向する冷却プレート表面であって当該冷却プレート表面の縁に窪みが設けられている。さらに、冷却プレート表面の縁と交差する方向に沿って延びる半導体カードの縁と絶縁板の縁がこの窪みの上に位置している。絶縁板の半導体カードの縁が当接する部位は、当該縁から曲げ荷重を受ける。しかし、絶縁板の縁と半導体カードの縁は窪みの空間によって撓む余地があり、曲げ荷重による集中荷重を受けても撓むことで応力が分散する。絶縁板の縁の付近は、集中荷重を受けても応力が分散することで割れ難くなり、絶縁板は破損から保護される。
【００１１】
冷却プレートは、好ましくは、内部に冷却媒体が流れる流路を有しているのがよい。また、窪みは、好ましくは、流路側に突出し、半導体カードの四隅近傍に配置されているのがよい。窪みは、流路の幅を狭め、これによって半導体素子の中央部に集中的に冷媒が流れることになる。即ち、窪みは半導体素子の冷却能力の向上に貢献する。
【００１２】
本明細書が開示する半導体モジュールの詳細、及び、さらなる改良については発明の実施の形態において説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】半導体モジュールの斜視図である。
【図２】冷却プレートと半導体カードと絶縁板の位置関係を示す斜視図である。
【図３】冷却プレートと半導体カード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。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に、半導体モジュール１００の模式的斜視図を示す。半導体モジュール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ユニットである。半導体モジュール１００は、インバータやコンバータの電子回路のうち、発熱の特に大きな素子、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ユニットである。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。半導体モジュール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３）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３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、半導体モジュール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３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。他方、半導体カード３は、典型的には、樹脂モールドで半導体素子を封止したものである。なお、図示を省略しているが、半導体カード３の表面には、内部の半導体素子の熱を表面に移送する放熱板が備えられることもある。さらに、図示を省略しているが、内部の半導体素子から各半導体カード３の外部へと電極が伸びており、他の回路と接続される。
【００１５】
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５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５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３の熱を吸収し、半導体カード３を冷却する。冷却プレート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、例えばＬＬＣ（Ｌｏｎｇ  Ｌｉｆｅ  Ｃｏｏｌａｎｔ）である。
【００１６】
冷却プレート２と半導体カード３の間には、絶縁板４が挟まれている。絶縁板４は、セラミクス製である。また、冷却プレート２と半導体カード３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付勢する。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３が強く密着し、高い熱伝達効率が確保される。他方、セラミクス製の絶縁板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。
【００１７】
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３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３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３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３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、貫通孔よりも内側に設けられている。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、窪み２ａは、その上を半導体カード３の縁３ａと絶縁板４の縁４ａが通過するように配置されている。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の縁と半導体カード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の縁と半導体カード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。
【００１８】
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３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の剛性を高める。
【００１９】
窪み２ａの利点を説明する。冷却プレート２は、アルミニウムの板をプレス加工により容器状に成形したものである。そのため、剛性が低い。窪み２ａは、冷却プレート２の内部からみるとリブに相当し、冷却プレート２の剛性を高める役割を果たす。それゆえ、冷却プレート２は積層方向の荷重を受けても撓み難くなり、絶縁板４に大きな偏荷重が加わることを抑制し、絶縁板４を破損し難くする。
【００２０】
また、窪み２ａは、その上を絶縁板４の縁４ａと半導体カード３の縁３ａが通るように配置されている。特に、窪み２ａは、冷却プレート２の一表面の４箇所に設けられている。その４箇所のそれぞれは、冷却プレート２の縁と絶縁板４の縁４ａが交差する箇所、及び、冷却プレート２の縁と半導体カード３の縁３ａが交差する箇所である。剛性の高い窪み２ａの周囲と半導体カード３に挟まれる絶縁板４の部位は集中荷重を受け易くなる。特に、絶縁板４において、半導体カード３の縁３ａが当接する部位は、縁３ａから曲げ荷重を受ける。しかし、絶縁板４の縁４ａと半導体カード３の縁３ａは窪み２ａの空間によって撓む余地があり、集中荷重を受けても撓むことで応力が分散する。絶縁板４の縁４ａの付近は、冷却プレート２の窪み２ａの周辺で集中荷重が加わるが応力が分散するので割れ難くなる。窪み２ａは、主として、（１）冷却プレート２の剛性を高めること、及び、（２）絶縁板４に生じる応力を分散させること、の２点の効果により絶縁板４を破損から保護する。
【００２１】
窪み２ａの配置は、別言すれば、窪み２ａの少なくとも一部が、半導体３の端部よりも内側に位置しているということができる。また、冷却プレート２の内側から見れば、窪み２ａは、流路側に突出し、半導体カード３の四隅近傍に配置されていることになる。窪み２ａの縁は剛性が高くなるため、縁部分の圧縮応力が大きくなる。窪み２ａの少なくとも一部が、半導体３の端部よりも内側に位置するように窪み２ａを配置することによって、その縁部分の圧縮応力を絶縁板４のみで受けずに、半導体素子で受けることになり、絶縁板４に加わる圧縮応力が低減される。その結果、絶縁板４を破損から保護することになる。また、流路側に突出する窪みは、流路の幅を狭める役割を果たす。これによって半導体素子の中央部に集中的に冷媒が流れることになる。即ち、窪み２ａは、半導体素子の冷却能力の向上に貢献する。
【００２２】
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半導体モジュール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半導体モジュールの特性に応じて適宜に選定すればよい。
【００２３】
また、窪みを冷却プレートの中央まで延設し、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、応力を低下させるようにしてもよい。さらには、窪みを冷却プレートの中央まで延設するとともに浅くすることも好適である。
【００２４】
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】
【００２５】
２：冷却プレート
２ａ：窪み
３：半導体カード
４：絶縁板
５：接続管
７：排出管
８：供給管
２１、２３：外板
２２：中板
２４：フィン
１００：半導体モジュール
【図１】
0005838759.tif 000002
【図２】
0005838759.tif 000003
【図３】
0005838759.tif 000004
【図４】
0005838759.tif 000005