(57)【要約】【課題】パワー半導体デバイスの発熱量が増えてベースプレートの熱変形量が増えてもウォータージャケットとの間の水密性を十分に確保する。【解決手段】パワー半導体デバイス３３を搭載したパワー半導体モジュール３のベースプレート３１を、冷却水の水路５３の開口５４が形成されたウォータージャケット５の取付面５１に取り付ける。そして、取付面５１の開口５４の外周のＯリング７，９をベースプレート３１の裏面３９に弾接させる。さらに、Ｏリング７，９によって仕切られたベースプレート３１及びウォータージャケット５間の空間１５と、これに連通するウォータージャケット５の減圧溝５９とを、ウォータージャケット５の減圧通路６０及び減圧口６１を介して減圧させる。これにより、パワー半導体ユニット１の周囲の大気圧と減圧溝５９内の負圧との圧力差でベースプレート３１をウォータージャケット５に密着させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を通過する冷却水の水路（５３）が取付面（５１）に開口（５４）したウォータージャケット（５）と、
前記取付面（５１）の前記開口（５４）の外周部に互いに間隔をおいて二重に配置された環状の第１シール部材及び第２シール部材（７，９）と、
前記取付面に取り付けられて前記第１シール部材及び前記第２シール部材（７，９）に圧接されたベースプレート（３１）に、前記冷却水により冷却されるパワー半導体デバイス（３３）を搭載したパワー半導体モジュール（３）と、
前記ウォータージャケット（５）及び前記ベースプレート（３１）間に前記第１シール部材及び前記第２シール部材（７，９）によって仕切られて形成され、大気圧に対して減圧された負圧の閉鎖空間（１５，５９）と、
を備えるパワー半導体ユニット（１）。
【請求項２】
前記閉鎖空間（１５，５９）は、前記ウォータージャケット（５）に形成されて前記取付面（５１）の前記第１シール部材及び前記第２シール部材（７，９）の間に開口する環状溝（５９）を含んでいる請求項１記載のパワー半導体ユニット（１）。
【請求項３】
前記ウォータージャケット（５）に外部から挿入されて前記環状溝（５９）に配置され、前記閉鎖空間（１５，５９）の密閉状態を検出するセンサ（１３）をさらに備える請求項２記載のパワー半導体ユニット（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体デバイスを搭載したパワー半導体モジュールとパワー半導体デバイスの冷却装置とを有するパワー半導体ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
駆動に伴い発熱するパワー半導体デバイスをベースプレートに搭載したパワー半導体モジュールの冷却装置として、ウォータージャケットの開口をベースプレートで塞ぎ、ウォータージャケットを通過する冷却水によりベースプレートを介してパワー半導体デバイスを冷却するものが知られている。
【０００３】
この種の冷却装置においては、一般的に、ウォータージャケットの開口の周辺に配置したＯリングをベースプレートに弾接させて、パワー半導体モジュールとウォータージャケットとの隙間をシールする。このシールによって、パワー半導体デバイスからの熱によってベースプレートが変形した場合の、ウォータージャケットとベースプレートとの間の水密性を確保することができる（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−６４６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、パワー半導体デバイスの分野では、ＧａＮ（ガリウム・ナイトライド（窒化ガリウム））やＳｉＣ（シリコン・カーバイド（炭化珪素））等の化合物半導体材料が注目されている。この種のパワー半導体デバイスは、低損失かつ高出力を得ることができ、しかも、高温環境（例えば、２００°Ｃ以上）での動作が可能である。このため、特に高周波でのスイッチング動作が必要な場合に、今後、広く利用される可能性がある。
【０００６】
この種のパワー半導体デバイスを搭載したパワー半導体モジュールが高周波で駆動されると、半導体パワースイッチング素子の発熱量が増えてベースプレートがより高温化することが見込まれる。そうすると、ベースプレートの熱変形量が増し、上述した従来のシール構造ではウォータージャケットとの間の水密性を十分に確保することができなくなる可能性がある。
【０００７】
そこで、ベースプレートを従来の鋳造品から熱変形の少ない鍛造品に変えることも考えられるが、それによる製造コストの増加を考慮すると安易に採用できるものとは言い難い。
【０００８】
本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、パワー半導体デバイスの発熱量が増えてベースプレートの熱変形量が増えてもウォータージャケットとの間の水密性を十分に確保することができるパワー半導体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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様によるパワー半導体ユニットは、
内部を通過する冷却水の水路が取付面に開口したウォータージャケットと、
前記取付面の前記開口の外周部に互いに間隔をおいて二重に配置された環状の第１シール部材及び第２シール部材と、
前記取付面に取り付けられて前記第１シール部材及び前記第２シール部材に圧接されたベースプレートに、前記冷却水により冷却されるパワー半導体デバイスを搭載したパワー半導体モジュールと、
前記ウォータージャケット及び前記ベースプレート間に前記第１シール部材及び前記第２シール部材によって仕切られて形成され、大気圧に対して減圧された負圧の閉鎖空間と、
を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、パワー半導体デバイスの発熱量が増えてベースプレートの熱変形量が増えてもウォータージャケットとの間の水密性を十分に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係るパワー半導体ユニットを分解状態で示す平面図である。
【図２】図１のウォータージャケットのＩ−Ｉ線断面図である。
【図３】図１のウォータージャケットのＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図４】図２の減圧溝内を減圧通路を介して真空引きした状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。まず、本発明の一実施形態に係るパワー半導体ユニットについて、図１を参照して説明する。
【００１３】
図１は本発明の一実施形態に係るパワー半導体ユニットを分解状態で示す平面図である。図１に示す本実施形態のパワー半導体ユニット１は、例えば電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド車（ＨＥＶ）等の電動車両にインバータやＤＣＤＣコンバータとして搭載される。
【００１４】
そして、図１中引用符号１で示す本実施形態のパワー半導体ユニットは、パワー半導体モジュール３及びウォータージャケット５と、両者の間を二重にシールするゴム製の２つのＯリング７，９（請求項中の第１シール部材及び第２シール部材に相当）とを有している。
【００１５】
パワー半導体モジュール３は、ベースプレート３１と、ベースプレート３１上に搭載されたパワー半導体デバイス３３とを有している。
【００１６】
ベースプレート３１は、例えば、アルミニウム、銅、チタン、マグネシウムやそれらの合金等の熱伝導性が高い金属材料の鋳造品によって矩形の平板状に形成されている。ベースプレート３１の各長辺の縁部には、ベースプレート３１を貫通するねじ挿通孔３５が長辺方向に間隔をおいて複数形成されている。
【００１７】
パワー半導体デバイス３３は、例えば、ＧａＮ（ガリウム・ナイトライド（窒化ガリウム））やＳｉＣ（シリコン・カーバイド（炭化珪素））等の化合物半導体材料を用いたスイッチングデバイスである。
【００１８】
パワー半導体デバイス３３は、高周波（例えば、１ＭＨｚ以上）で駆動されてスイッチング動作する。その際、パワー半導体デバイス３３は例えば２００°Ｃ以上の高温となる。そこで、パワー半導体デバイス３３は、放熱のためにベースプレート３１の表面３７に当接するようにベースプレート３１に取り付けられている。
【００１９】
なお、ベースプレート３１の裏面３９（図２、図３参照）には、後述するウォータージャケット５の水路５３（図２、図３参照）内に配置される放熱フィン（図示せず）が突設されていてもよい。
【００２０】
ウォータージャケット５は、金属材料の鋳造品によって直方体状に形成されており、ベースプレート３１に対応する大きさの矩形状の取付面５１を有している。取付面５１の各長辺の縁部には、ねじ孔５２が長辺方向に間隔をおいて複数形成されている。各ねじ孔５２には、ベースプレート３１のねじ挿通孔３５に挿通された取付ねじ１１（図２、図３参照）が螺着される。
【００２１】
取付面５１には、ウォータージャケット５の内部に形成された水路５３の矩形状の開口５４が形成されている。水路５３には、ウォータージャケット５の一方の短辺側の側面に形成された給水口５５から冷却水（図示せず）が供給される。供給された冷却水は、水路５３を通過した後、ウォータージャケット５の他方の短辺側の側面に形成された排水口５６から排出される。水路５３を流れる冷却水は、ベースプレート３１を介してパワー半導体デバイス３３を冷却する。
【００２２】
また、取付面５１の開口５４の外周部には、互いに間隔をおいて内外二重に配置された矩形枠状のＯリング溝５７，５８が開口している。各Ｏリング溝５７，５８にはＯリング７，９がそれぞれ嵌め込まれている。図１のＩ−Ｉ線断面図である図２に示すように、Ｏリング７，９の一部はＯリング溝５７，５８から取付面５１の外側に突出している。
【００２３】
さらに、取付面５１のＯリング溝５７，５８の間には、図１に示すように、矩形枠状の減圧溝５９（請求項中の環状溝に相当）が開口している。図２に示すように、減圧溝５９のＯリング溝５７，５８よりも深い位置には、減圧通路６０が接続されている。減圧通路６０は、図１に示すように、ウォータージャケット５の鋳造時に一方の長辺側の側面に一体に形成した薄肉筒状の減圧口６１に連通している。
【００２４】
また、減圧溝５９には、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である図３に示すように、センサ通路６２が接続されている。センサ通路６２は、図１に示すように、ウォータージャケット５の減圧口６１が突設された側面に開口している。センサ通路６２には、ウォータージャケット５の側面から挿通されたセンサ１３の信号ケーブル１３１が密着している。即ち、センサ通路６２は信号ケーブル１３１によってシールされている。
【００２５】
図３に示すように、信号ケーブル１３１の先端のセンサ１３は、減圧溝５９内に配置されている。センサ１３は、減圧溝５９や減圧溝５９と連通する空間の密閉状態を検出する。なお、センサ１３としては、減圧溝５９や減圧溝５９と連通する空間に水路５３から浸入した冷却水を検出する液体センサや、同空間の圧力を検出する圧力センサ等を用いることができる。
【００２６】
本実施形態のパワー半導体ユニット１を組み付ける際には、パワー半導体モジュール３のベースプレート３１をウォータージャケット５の取付面５１に載置する。その際、ベースプレート３１は、裏面３９が取付面５１と対向する向きとし、ねじ挿通孔３５をウォータージャケット５のねじ孔５２の位置に合わせる。そして、ねじ挿通孔３５に挿通した取付ねじ１１をねじ孔５２螺着して、ベースプレート３１をウォータージャケット５に取り付ける。
【００２７】
すると、図２、図３に示すように、ウォータージャケット５の内外のＯリング溝５７，５８から取付面５１の外側に突出したＯリング７，９が、ベースプレート３１の裏面３９にそれぞれ弾接する。これにより、ベースプレート３１の裏面３９とウォータージャケット５の取付面５１との間に、Ｏリング７，９によって仕切られた環状の空間１５が形成される。空間１５は減圧溝５９と連通して、請求項中の閉鎖空間を構成する。
【００２８】
次に、図２に示す減圧口６１に減圧ポンプ（図示せず）を接続し、減圧通路６０を介して減圧溝５９及び空間１５の気体を減圧ポンプにより吸引して、減圧溝５９及び空間１５を真空引きする。
【００２９】
すると、減圧溝５９及び空間１５の減圧によりウォータージャケット５側に引き寄せられたベースプレート３１の裏面３９が、Ｏリング７，９をＯリング溝５７，５８内に押し込みながらウォータージャケット５の取付面５１に圧接する。
【００３０】
そして、真空引きにより減圧溝５９及び空間１５が目的の真空度まで減圧されたら、減圧通路６０から外気が流入するのを防ぐために、図４に示すように、減圧口６１をカシメて封止する。また、ベースプレート３１がウォータージャケット５に密着した分、緩んだ取付ねじ１１を増し締めする。
【００３１】
以上のようにして組み付けられたパワー半導体ユニット１では、ベースプレート３１の裏面３９とウォータージャケット５の取付面５１との間が二重のＯリング７，９により強固にシールされた状態となる。
【００３２】
そこで、以後は、センサ１３が検出する、例えば水路５３から漏れた冷却水の減圧溝５９への浸入の有無や、減圧溝５９の真空度の変化の有無から、ベースプレート３１及びウォータージャケット５間のシール漏れの有無を監視する。
【００３３】
このように、本実施形態のパワー半導体ユニット１では、パワー半導体デバイス３３を搭載したパワー半導体モジュール３のベースプレート３１を、冷却水の水路５３の開口５４が形成されたウォータージャケット５の取付面５１に取り付けた。そして、取付面５１の開口５４の外周のＯリング溝５７，５８に嵌め込んだＯリング７，９をベースプレート３１の裏面３９に弾接させた。
【００３４】
さらに、ベースプレート３１及びウォータージャケット５間のＯリング７，９によって仕切られた空間１５と、これに連通する、ウォータージャケット５の取付面５１のＯリング溝５７，５８間に開口した減圧溝５９とを、ウォータージャケット５の減圧通路６０及び減圧口６１を介して減圧させた。
【００３５】
このため、パワー半導体ユニット１の周囲の大気圧と減圧溝５９内の負圧との圧力差によって、ベースプレート３１をウォータージャケット５に密着させることができる。
【００３６】
したがって、高周波でスイッチング動作したパワー半導体デバイス３３が高温となって、ベースプレート３１が大きく熱変形する環境になっても、パワー半導体ユニット１の周囲と減圧溝５９内との圧力差や、増し締め後の取付ねじ１１の締結力によって、ベースプレート３１の熱変形が抑制される。
【００３７】
よって、ベースプレート３１を熱変形が少ない鍛造品でなく、熱変形が大きい代わりに加工の容易な鋳造品等で形成したとしても、ベースプレート３１及びウォータージャケット５間のＯリング７，９による水密シール状態を十分に確保することができる。
【００３８】
なお、減圧溝５９を省略して減圧通路６０を空間１５に直接連通させる構成としてもよい。しかし、本実施形態のように減圧溝５９を設ければ、不図示の減圧ポンプによる真空引きで図４に示すように空間１５の体積がなくなっても、大気圧との差圧でベースプレート３１をウォータージャケット５側に吸着させるための負圧をベースプレート３１（の裏面３９）に作用させる空間を、減圧溝５９内に確保することができる。
【００３９】
また、センサ１３を用いてベースプレート３１及びウォータージャケット５間のシール漏れを監視する構成は、省略してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、パワー半導体モジュールとそのパワー半導体デバイスを冷却する冷却装置とを有するパワー半導体ユニットにおいて利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１  パワー半導体ユニット
３  パワー半導体モジュール
５  ウォータージャケット
７，９  Ｏリング（第１シール部材、第２シール部材）
１３  センサ
１５  空間（閉鎖空間）
３１  ベースプレート
３３  パワー半導体デバイス
３５  ねじ挿通孔
３７  ベースプレート表面
３９  ベースプレート裏面
５１  ウォータージャケット取付面
５２  ねじ孔
５３  水路
５４  水路開口
５５  給水口
５６  排水口
５７，５８  Ｏリング溝
５９  減圧溝（閉鎖空間）
６０  減圧通路
６１  減圧口
６２  センサ通路
１３１  信号ケーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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