(57)【要約】【課題】パワー半導体素子の温度を低く保ち空冷ヒートシンク体積を小型にでき、安価で信頼性の高いパワー半導体素子の冷却装置を提供することである。【解決手段】パワー半導体モジュール１の発熱を空冷ヒートシンク８で放熱するパワー半導体素子２の冷却装置であり、複数のパワー半導体モジュール１と複数の空冷ヒートシンク８とを積み重ねて形成され、空冷ヒートシンク８に冷却風を送風するファン９を有し、空冷ヒートシンク８の放熱フィン７は薄肉かつ狭ピッチに形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体モジュールの発熱を空冷ヒートシンクで放熱するパワー半導体素子の冷却装置において、複数のパワー半導体モジュールと複数の空冷ヒートシンクとを積み重ねて形成され前記空冷ヒートシンクに冷却風を送風するファンを有し、前記空冷ヒートシンクの放熱フィンは薄肉かつ狭ピッチに形成されたことを特徴とするパワー半導体素子の冷却装置。
【請求項２】
前記ファンに対面する奥行き方向の前記空冷ヒートシンクの長さを６０ｍｍ以下、かつ積み重ね方向の前記空冷ヒートシンクの高さを５ｍｍ以上で１５ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１記載のパワー半導体素子の冷却装置。
【請求項３】
前記放熱フィンの厚さを０．０５ｍｍ以上で０．３ｍｍ以下とし、放熱フィンのピッチを０．６ｍｍ以上で１．６ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１または２記載のパワー半導体素子の冷却装置。
【請求項４】
前記ファンは、前記空冷ヒートシンクの個数より少なくしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載のパワー半導体素子の冷却装置
【請求項５】
一つの空冷ヒートシンクに複数のパワー半導体モジュールを接続したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の冷却装置。
【請求項６】
一つのパワー半導体モジュールに複数の空冷ヒートシンクを接続したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の冷却装置。
【請求項７】
前記空冷ヒートシンクと前記パワー半導体モジュールとの積層体に前記ファンからの冷却風を案内するダクトと、前記空冷ヒートシンクの放熱フィン間以外の間隙を埋める充填材とを設けたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項記載のパワー半導体素子の冷却装置。
【請求項８】
前記ダクトは絶縁材で形成されたことを特徴とする請求項７記載のパワー半導体素子の冷却装置。
【請求項９】
前記空冷ヒートシンクを構成する材料はシリコンであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の冷却装置。
【請求項１０】
前記空冷ヒートシンクを構成する材料は、銅またはアルミニウムであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の冷却装置。
【請求項１１】
前記空冷ヒートシンクを、前記パワー半導体モジュールの電極端子の一部としたことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の冷却装置。
【請求項１２】
複数の空冷ヒートシンクを並列接続または直列接続して、前記パワー半導体モジュールの電極端子の一部としたことを特徴とする請求項１１に記載のパワー半導体素子の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体素子を冷却するためのパワー半導体素子の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、パワー半導体素子の冷却装置は、パワー半導体素子モジュールを空冷ヒートシンクに取り付けて自然冷却またはファンで強制冷却するように構成されている。図９は、従来のパワー半導体素子の冷却装置の説明図である。パワー半導体モジュール１はサーマルインターフェースマテリアル５を介して、例えばボルト締めによる加圧接触などで空冷ヒートシンク８に接続される。
【０００３】
パワー半導体モジュール１は、パワー半導体素子２、絶縁板３、電極端子４から構成され、空冷ヒートシンク８にサーマルインターフェースマテリアル５を介して接続される。サーマルインターフェースマテリアル５は、グリース、弾性パッド、サーマルテープ、フェーズチェンジマテリアル、ゲル、熱伝導性接着材、ハンダなどである。また、空冷ヒートシンク８は受熱ブロック６及び放熱フィン７とから構成され、放熱フィン７はファン９からの強制風で冷却される。
【０００４】
パワー半導体素子２で構成される電力変換装置の運転時において、パワー半導体素子２で発生する熱は、パワー半導体モジュール１から、接触境界であるサーマルインターフェースマテリアル５、空冷ヒートシンク８の受熱ブロック６、空冷ヒートシンク８の放熱フィン７を通過して、周囲環境（大気）へ放熱される。
【０００５】
強制空冷の場合、パワー半導体素子２の発熱密度（数十Ｗ／ｃｍ２）に対して、空冷ヒートシンク８の放熱フィン７の熱伝達率（数十Ｗ／ｍ２Ｋ）が低く、許容する温度差（数十℃）から、放熱面積は発熱面積の数百倍に拡大する必要がある。自然空冷では、熱伝達率はより低い（数Ｗ／ｍ２Ｋ）ので、さらに拡大する必要がある。
【０００６】
この拡大過程において、熱伝導抵抗（固体熱伝導による熱抵抗）、接触熱抵抗（固体と固体の接触による熱抵抗）、広がり熱抵抗（発熱部品からの熱が４５°の角度で広がりながら空冷ヒートシンクまで伝わることの熱抵抗）、フィン効率（フィン全体の温度が一様でないことの補正）、空冷ヒートシンク効率（入風温度と出風温度が一様でないことの補正）などの冷却を妨げる要因があるため、パワー半導体モジュール１の体積に比べて、空冷ヒートシンク８の体積は非常に大きくなる。  実際には、強制空冷の場合、電力変換装置のパワー半導体素子２をディレーティング（負担軽減）して使うことで、空冷ヒートシンク８の体積を実用的な範囲まで抑えて使用する。
【０００７】
従来の具体例として、大型IGBTモジュールと冷却装置で構成した電力変換装置について述べる。周囲温度４０℃でジャンクション温度１２５℃までとすれば、空冷ヒートシンクは幅３３０ｍｍ×長さ３００ｍｍ×高さ１１０ｍｍ−フィンピッチ４ｍｍ−フィン厚さ０．８ｍｍで、ファンの大きさは１２０ｍｍファン×３並列で強制冷却するのが妥当な一例となる。
【０００８】
この場合、大型IGBTモジュールの熱抵抗は約０．０１３Ｋ／Ｗ（接触含む）、冷却装置の熱抵抗は０．０２８Ｋ／Ｗで、許容可能な発熱損失は約２０００Ｗとなる。空冷ヒートシンク体積１０８９０ｃｍ３で重量８．５ｋｇなので、重量熱抵抗（空冷ヒートシンクの性能指数の１つ）は０．２４ｋｇＫ／Ｗである。
【０００９】
ここで、空冷ヒートシンク体積を小型化して、パワー半導体素子２をディレーティングせずに使うためには、発生する熱を効率良く逃がすための冷却手段が必要である。その１つの手段は、ヒートパイプ式や沸騰式などの冷媒の蒸発凝縮による潜熱と移動を利用して熱輸送を行う冷却器で、空冷ヒートシンク体積を約１／２〜１／３にすることが可能であり、この空冷ヒートシンクは電気車両用の冷却装置としてもよく用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
もう1つの手段は、水冷式などのポンプで冷媒を強制循環して熱輸送を行う冷却器である。近年では、ＩＣチップやパワー半導体素子２の高発熱密度化に伴って、発熱部品の直近にマイクロチャネルを構成することで熱伝導抵抗を減らし、放熱面積を増大して冷媒への熱伝達抵抗を減らす。これにより、冷却可能な熱流速を増大して、高発熱密度の発熱部品の冷却を可能にしているものもある（例えば、特許文献２参照）。また、衝突噴流を用いて、熱伝達抵抗を減らし、同様な効果を得るものもある。
【特許文献１】特開２０００−６０１０６号公報
【特許文献２】特開平６−３２６２２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来のパワー半導体素子の冷却装置では、パワー半導体素子２をディレーティング（負担軽減）する必要はなくなるが、冷媒の循環による熱輸送機構が必要なため、受熱ブロック、熱輸送機構、放熱フィンを含めた空冷ヒートシンク全体のコストは増大する。すなわち、受熱ブロックは小型化できるが、周囲環境（大気）へ放熱するには、別に気液式熱交換器が必要であり、さらに周辺部品（駆動ポンプやチューブ）を含めれば、水冷式冷却器全体の体積は、ヒートパイプ式や沸騰式冷却器と同等以上となる。
【００１２】
また、受熱ブロックと放熱フィンとが分離できるので、レイアウトの自由度は高いが、受熱ブロック、熱輸送機構、放熱フィンを含めた空冷ヒートシンク全体の体積は、それほど小さくならない（約１／２〜１／３）。さらに冷媒の凍結や液漏れに対する対策が必要となる。
【００１３】
本発明の目的は、パワー半導体素子の温度を低く保ち空冷ヒートシンク体積を小型にでき、安価で信頼性の高いパワー半導体素子の冷却装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のパワー半導体素子の冷却装置は、パワー半導体モジュールの発熱を空冷ヒートシンクで放熱するパワー半導体素子の冷却装置において、複数のパワー半導体モジュールと複数の空冷ヒートシンクとを積み重ねて形成され前記空冷ヒートシンクに冷却風を送風するファンを有し、前記空冷ヒートシンクの放熱フィンは薄肉かつ狭ピッチに形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、パワー半導体素子の温度を低く保ち空冷ヒートシンク体積を小型にでき、安価で信頼性の高いパワー半導体素子の冷却装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図である。図１において、パワー半導体モジュール１と空冷ヒートシンク８とは、積み重ねられ、これより、空冷ヒートシンク８は複数に分割される。すなわち、パワー半導体素子２は、ハンダや導電性接着剤などの接合材あるいは加圧接触にて電極端子４に接続され、パワー半導体モジュール１が構成される。空冷ヒートシンク８を構成する材料としては、シリコン、銅またはアルミが用いられる。
【００１７】
パワー半導体モジュール１は、空冷ヒートシンク８の受熱ブロック６にサーマルインターフェースマテリアル５を介してボルト締めなどによる加圧接触などで接続される。これにより、パワー半導体素子２の冷却装置が構成される。
【００１８】
パワー半導体モジュール１で構成される電力変換装置の運転時には、パワー半導体素子２で発生する熱は、電極端子４、サーマルインターフェースマテリアル５、受熱ブロック６、放熱フィン７を通って大気へ放散される。
【００１９】
このように、パワー半導体モジュール１と空冷ヒートシンク８とを複数にわけて、従来の平面状から立体状の配置にすることで以下の効果が得られる。まず、１つは放熱経路が従来の１面のみから、２、４、６面のような複数面になることで経路断面積が増加し、熱伝導抵抗、接触熱抵抗、広がり熱抵抗を大幅に減少できる。また、もう1つは空冷ヒートシンク８の長さが短く、かつ空冷ヒートシンク８単体の高さが低くなることで、最適なフィン形状として放熱フィンが薄く狭ピッチなものとなり、重量熱抵抗を大幅に減少できる。
【００２０】
例えば、分散配置のIGBTモジュールと冷却装置とで構成した電力変換装置の場合においては、周囲温度４０℃でジャンクション温度１２５℃までとすれば、空冷ヒートシンク８全体は幅１２０ｍｍ×長さ４０ｍｍ×高さ１２０ｍｍ−フィンピッチ１ｍｍ−フィン厚さ０．１ｍｍで、ファンの大きさ１２０ｍｍで強制冷却することが可能である。
【００２１】
この場合、IGBTモジュールと空冷ヒートシンク８との熱抵抗は０．０４０Ｋ／Ｗ（接触含む）で、許容可能な発熱損失は約２０００Ｗとなる。空冷ヒートシンク８の体積５７６ｃｍ３で重量０．６５ｋｇなので、重量熱抵抗は０．０２６ｋｇＫ／Ｗである。
【００２２】
このように分散配置することで得られる効果により、空冷ヒートシンク８の体積を大幅に減少することが可能である。また循環する冷媒による熱輸送機構がないため安価で信頼性が高い。パワー半導体素子２は、取り扱いの簡易なディスクリート型半導体素子を用いてもよいし、ヒータのような一般的な発熱体でもよい。その際、両面冷却が可能なパッケージであれば、より良好な冷却性能が得られる。
【００２３】
また、ファンパワー（ＰＱ特性）と空冷ヒートシンク８の外形（長さ、高さ）を適切に選択すれば、最適な薄く狭ピッチのフィン形状は決定する。いま、高風量高静圧ファンの使用を考えて、単位面積当りのファンパワーＰ（Ｐ＝１２５［Ｗ／ｍ２］）を選定したとする。その場合のフィン長さＬｆ（ｍｍ）とフィン高さＨｆ（ｍｍ）をパラメータに最適フィン形状を選択したときの熱抵抗Θ（Ｋ／Ｗ）を図２に示す。
【００２４】
図２において、特性曲線Ｓ１はフィン高さＨｆ（Ｈｆ＝２．５ｍｍ）のときの熱抵抗Θ、特性曲線Ｓ２はフィン高さＨｆ（Ｈｆ＝５ｍｍ）のときの熱抵抗Θ、特性曲線Ｓ３はフィン高さＨｆ（Ｈｆ＝１０ｍｍ）のときの熱抵抗Θ、特性曲線Ｓ４はフィン高さＨｆ（Ｈｆ＝１５ｍｍ）のときの熱抵抗Θ、特性曲線Ｓ５はフィン高さＨｆ（Ｈｆ＝２０ｍｍ）のときの熱抵抗Θである。図２から分かるように、放熱フィン７を薄く狭ピッチとする場合、フィン長さＬｆの増大による熱抵抗Θの減少は少なく、フィン長さ６０ｍｍ以上では、冷却能力の向上はほとんど期待できないことが分かる。
【００２５】
次に、同条件における重量熱抵抗Θ・Ｍ（kgＫ／Ｗ）とフィン長さとの関係を図３に示す。特性曲線Ｓ１〜Ｓ５はフィン高さＨｆがＨｆ＝２．５ｍｍ、Ｈｆ＝５ｍｍ、Ｈｆ＝１０ｍｍ、Ｈｆ＝１５ｍｍ、Ｈｆ＝２０ｍｍのときの特性曲線である。図３に示すように、フィン高さＨｆに対する重量熱抵抗Θ・Ｍはバスタブ状曲線を描き、フィン高さ５ｍｍ〜１５ｍｍで最小値を示す。
【００２６】
次に、重量熱抵抗Θ・Ｍが最小条件である場合おける最適フィン形状について検討する。図４は、最適フィン厚さをパラメータとしたときの最適フィンピッチとフィン長さとの関係を示す特性図である。特性曲線Ｓ１’〜Ｓ５’はフィン厚さＷがＷ＝０．０５ｍｍ、Ｗ＝０．１ｍｍ、Ｗ＝０．１５ｍｍ、Ｗ＝０．２ｍｍ、Ｗ＝０．３ｍｍのときの特性曲線である。図４から分かるように、０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍで、最適フィンピッチは０．６ｍｍ〜１．６ｍｍであることがわかる。
【００２７】
ここで、第１の実施の形態のように形成した分散タイプの空冷ヒートシンク８では、高さが低く体積が小さいため、空冷ヒートシンク８の個数とファン９の個数とを１対１に対応させると、ファン特性は悪化しコストが増大する。そこで、複数の空冷ヒートシンク８に対して１つにファン９を使用するようにする。
【００２８】
第１の実施の形態によれば、パワー半導体モジュール１と空冷ヒートシンク８とを複数にわけて、平面状から立体状の配置したので、放熱経路が複数面になり経路断面積が増加し、熱伝導抵抗、接触熱抵抗、広がり熱抵抗を大幅に減少できる。また、空冷ヒートシンクの長さが短く、かつ空冷ヒートシンク単体の高さが低くなることで、最適なフィン形状として、放熱フィンが薄く狭ピッチなものとなり、重量熱抵抗を大幅に減少できる。
【００２９】
（第２の実施の形態）
図５は本発明の第２の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図である。この第２の実施の形態は、一つの空冷ヒートシンク８に複数のパワー半導体モジュール１を接続したものである。図５では、一つの空冷ヒートシンク８に２つのパワー半導体モジュール１を接続したものを示している。
【００３０】
図５において、２つ（複数）のパワー半導体モジュール１を一つの空冷ヒートシンク８に接続する。これは、パワー半導体モジュール１と空冷ヒートシンク８とのサイズが必ずしも一致しないためであり、空冷ヒートシンク８がパワー半導体モジュール１より大きい場合には、一つの空冷ヒートシンク８に複数のパワー半導体モジュール１を接続する。これにより、広がり熱抵抗などで冷却能力を悪化させないようにしている。
【００３１】
（第３の実施の形態）
図６は本発明の第３の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図である。この第３の実施の形態は、一つのパワー半導体モジュール１に複数の空冷ヒートシンク８を接続したものである。これは、パワー半導体モジュール１と空冷ヒートシンク８とのサイズが必ずしも一致しないためであり、空冷ヒートシンク８がパワー半導体モジュール１より小さい場合には、一つのパワー半導体モジュール１に複数の空冷ヒートシンク８を接続する。これにより、放熱面積の減少による冷却能力の悪化をさけるようにしている。
【００３２】
（第４の実施の形態）
図７は本発明の第４の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図である。この第４の実施の形態は、図６に示した第３の実施の形態に対し、空冷ヒートシンク８とパワー半導体モジュール１との積層体にファン９からの冷却風を案内するダクト１１と、空冷ヒートシンク８の放熱フィン７間以外の間隙を埋める充填材１２とを設けたものである。
【００３３】
図７において、パワー半導体素子１の冷却装置はダクト１１で覆われている。空冷ヒートシンク８の圧力損失が大きいため、ファン９からの冷却風（冷媒）は空冷ヒートシンク８を通過しにくい。そこで、放熱フィン７間のギャップにファン９からの冷却風を案内するダクト１１を設け、放熱フィン７間のギャップを通過する風量を増加させる。その場合、単に、ダクト１１を使用した場合には放熱フィン７以外のギャップ（間隙）を冷却風が通過するので、放熱フィン７間のギャップ以外のギャップ（間隙）を充填材１２で埋める。これにより、ファン９からの冷却風（冷媒）は空冷ヒートシンク８の放熱フィン７に流れるようにする。
【００３４】
ここで、ダクト１１としては絶縁材料を用いる。例えば、樹脂などの絶縁物を用いる。これは、ダクト１１が導電材料であるとすると、電極端子４との絶縁が別途必要となるためである。
【００３５】
第４の実施の形態によれば、放熱フィン７間のギャップにファン９からの冷却風を案内するダクト１１を設けるとともに、放熱フィン７間のギャップ以外のギャップ（間隙）を充填材１２で埋めるので、放熱フィン７間のギャップを通過する風量を増加させることができる。これにより、冷却を効率的に行うことができる。
【００３６】
（第５の実施の形態）
図８は本発明の第５の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図である。この第５の実施の形態は、空冷ヒートシンク８を、パワー半導体モジュール１の電極端子４の一部としたものである。
【００３７】
図８において、正極電極端子１３は空冷ヒートシンク８ａ、８ｂに接続されている。空冷ヒートシンク８ａはパワー半導体素子１ａの電極端子４ａを介して空冷ヒートシンク８ｃに接続され、空冷ヒートシンク８ｂはパワー半導体素子１ｂの電極端子４ｂを介して空冷ヒートシンク８ｃに接続されている。
【００３８】
一方、負極電極端子１５は空冷ヒートシンク８ｄ、８ｅに接続されている。空冷ヒートシンク８ｄはパワー半導体素子１ｃの電極端子を介して空冷ヒートシンク８ｆに接続され、空冷ヒートシンク８ｅはパワー半導体素子１ｄの電極端子を介して空冷ヒートシンク８ｆに接続されている。そして、空冷ヒートシンク８ｃ、８ｆは接続電極端子１４で接続されている。
【００３９】
従って、正極電極端子１３から負極電極端子１５に向けて、図８の矢印に示すような回路が形成される。つまり、複数の空冷ヒートシンク８を接続して電極端子の一部として利用している。この部分は絶縁物を介さないため、熱伝導抵抗を小さくでき、冷却能力を向上できる。この場合、空冷ヒートシンク８ａ、８ｅとの間に、回路構成上、絶縁スペーサ１６が必要となる。このように、複数の空冷ヒートシンク８ａ〜８ｆを並列接続または直列接続して、パワー半導体モジュール１ａ〜１ｄの電極端子の一部としている。図８は一例であり、回路構成に合わせて、色々なバリエーションが考えられる。例えば、奥行き方向に空冷ヒートシンク８を分割して、電極端子とすることも可能である。
【００４０】
第５の実施の形態によれば、複数の空冷ヒートシンク８を並列接続または直列接続して、パワー半導体モジュール１の電極端子４の一部としたので、必要に応じて適切な回路構成を構築できる。
【００４１】
以上の各実施の形態において、回路構成の構築にあたっては、パワー半導体モジュール１の電極端子４と空冷ヒートシンク８との間に絶縁スペーサを設けるようにしてもよい。また、絶縁スペーサ１６としては、例えば熱伝導率の良好なセラミクスや熱伝導性の良好な絶縁樹脂の薄膜を用いることが望ましい。
【００４２】
また、以上の説明では、パワー半導体モジュール１について説明したが、ディスクリート型パワー半導体素子や発熱体、さらには両面冷却可能なパッケージとすることも可能であり、これらの冷却にも使用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態における空冷ヒートシンクのフィン高さＨｆをパラメータとしたときのフィン長さＬｆと熱抵抗Θ（Ｋ／Ｗ）との一例を示す特性図。
【図３】本発明の第１の実施の形態における空冷ヒートシンクのフィン高さＨｆをパラメータとしたときのフィン長さＬｆと重量熱抵抗Θ・Ｍ（Ｋ／Ｗ）との一例を示す特性図。
【図４】本発明の第１の実施の形態における最適フィン厚さをパラメータとしたときの最適フィンピッチとフィン長さとの関係を示す特性図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図。
【図９】従来のパワー半導体素子の冷却装置の説明図。
【符号の説明】
【００４４】
１…パワー半導体モジュール、２…パワー半導体素子、３…絶縁板、４…電極端子、５…サーマルインターフェースマテリアル、６…受熱ブロック、７…放熱フィン、８…空冷ヒートシンク、９…ファン、１１…ダクト、１２…充填材、１３…正極電極端子、１４…接続電極端子、１５…負極電極端子、１６…絶縁スペーサ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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