(57)【要約】【課題】冷却液の洩れを有効に防ぐシール部構造を備える液冷型電力用半導体モジュールを提供すること。【解決手段】液冷型電力用半導体モジュールにおいて、半導体モジュールのベースと液冷部材である第１部材との接触部分に液漏れ防止剤を充填し、且つ、該ベースを前記第１の部材と押え部材である前記第２の部材で挟み込むように構成する。好ましくは、前記液漏れ防止剤は、液状または粘土状の液漏れ防止剤であって、充填後硬化させるようにする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体モジュールのベースと第１の部材との間に液路を形成すると共に、該半導体モジュールを第２の部材で覆うよう構成される液冷型電力用半導体モジュールであって、
該ベースと前記第１部材との接触部分に液漏れ防止剤を充填し、且つ、該ベースを前記第１の部材と第２の部材で挟み込むように構成したことを特徴とする液冷型電力用半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の液冷型電力用半導体モジュールにおいて、前記液漏れ防止剤は、液状または粘土状の液漏れ防止剤であって、充填後硬化させるようにしたことを特徴とする液冷型電力用半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載の液冷型電力用半導体モジュールにおいて、前記第１の部材は前記ベースより剛性が大きい部材であり、前記第２の部材は前記ベースより剛性の大きい部材であることを特徴とする液冷型電力用半導体モジュール。
【請求項４】
請求項３に記載の液冷型電力用半導体モジュールにおいて、前記ベースより剛性が大きい部材は、少なくとも、該ベースより板厚が大きい部材か、該ベースより材質が固い部材であることを特徴とする液冷型電力用半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１に記載の液冷型電力用半導体モジュールにおいて、前記第２の部材が金属であることを特徴とする液冷型電力用半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１に記載の液冷型電力用半導体モジュールにおいて、前記ベースは、前記液路に面する面の対向面に、銅或いはアルミニウムの配線層を形成したセラミック基板が配置されていることを特徴とする液冷型電力用半導体モジュール。
【請求項７】
請求項１に記載の液冷型電力用半導体モジュールにおいて、前記ベースと前記第２の部材との間に、ゴム製のガスケットを挟むようにしたことを特徴とする液冷型電力用半導体モジュール。
【請求項８】
液冷型電力用半導体モジュールを包含したインバータであって、前記液冷型電力用半導体モジュールは、半導体モジュールのベースと第１の部材との間に液路を形成すると共に、該半導体モジュールを第２の部材で覆うよう構成される液冷型電力用半導体モジュールであって、
該ベースと前記第１部材との接触部分に液漏れ防止剤を充填し、且つ、該ベースを前記第１の部材と前記第２の部材で挟み込むように構成したことを特徴とする液冷型電力用半導体モジュールを包含したインバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液冷型電力用半導体モジュール及びそれを包含するインバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
モーター駆動用インバータ、とりわけ電気自動車やハイブリッド自動車のモーターを駆動するインバータでは、数百ボルト、かつ数百アンペアという大電力を扱うため、スイッチングを行う電力用半導体素子の消費電力が大きい。しかも、自動車内であるため取り付け部が狭いという制約もある。そのため、インバータに使用する電力用半導体素子を組み込んだ電力用半導体モジュールでは、水或いは水に防錆剤等を混入した冷却液を使用する液冷構造を採用することが多い。
【０００３】
液冷構造を採用した電力用半導体モジュールの実装構造としては、冷却液容器に熱伝導グリース等を介して電力用半導体モジュールを取り付ける、いわゆる間接液冷が一般的である。
【０００４】
間接液冷構造に相対する構造として、モジュールの金属ベースを直接冷却液で冷却する、いわゆる直接液冷構造があり、例えば特開平９−２４６４４３号公報に構造が開示されている。しかしながら、この構造では、ガスケットの加圧力の不均一，金属ベースや液冷部材の加工精度不良，ガスケットの経年劣化などにより、液洩れを生ずる恐れがある。
【０００５】
液洩れ防止を目的とするものとして、例えば、特開２００１−３３９０２０号公報に開示されているように、二重のガスケットを使用し、ガスケットとガスケットの間に液抜き構造を設けるという対策がある。しかしながら、構造が複雑で大きくなること、また、２個所のシール部の締め付け圧を独立して制御することが困難であり、締め付け構造及び締め付け工程が複雑になるという問題点がある。
【０００６】
また、例えば、特開平５−１０２３６２号公報に開示されているように、金属同士の一体結合構造が挙げられる。ところが、金属同士の結合は剛性が高いため、何らかの外力や自分自身の熱膨張に伴う応力を吸収する能力に乏しい。そのため、金属疲労が生じやすく、破壊する場合がある。さらに、金属結合を実現するにはある程度の高温が必要で、接合時に温度上昇を伴う。温度そのものにより半導体モジュール内の耐熱性の劣る部品に悪影響を与える場合がある。また、温度上昇により接合部材の残留応力が開放されるために歪を生じ、そのために半導体モジュール内の部品を破壊することも懸念される。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−２４６４４３号公報
【特許文献２】
特開２００１−３３９０２０号公報
【特許文献３】
特開平５−１０２３６２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、冷却液の洩れを確実に防止する構造に関するものはない。
【０００９】
本発明の目的は、冷却液の洩れを有効に阻止することができる液冷型電力用半導体モジュール及びそれを包含するインバータを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明では、半導体モジュールのベースと第１の部材との間に液路を形成すると共に、該半導体モジュールを第２の部材で覆うよう構成される液冷型電力用半導体モジュールにおいて、該ベースと前記第１部材との接触部分に液漏れ防止剤を充填し、且つ、該ベースを前記第１の部材と前記第２の部材で挟み込むように構成するものである。
【００１１】
ここで、前記第１の部材は、具体的には液冷部材であり、前記第２の部材は、具体的には押え部材である。
【００１２】
そして、本発明では、液状または粘土状の液洩れ防止剤を充填し、その後硬化させるようにしているので、硬化前の接合部の形状に合わせて液洩れ防止剤が接合部に染み込むため接合部の圧力バランスに優れ、しかも液洩れ防止剤が空気を押し出すために少々の負圧にも耐える。したがって、メンテ，部品交換時に加圧力を無くしても、不用意に外れることも少ない。さらに、液洩れ防止剤の硬化後はゴム状になり、弾力を持つので、熱膨張や外部からの振動等による変形応力を吸収する。
【００１３】
ただし、ゴム状に硬化した後は流動性がないため、接合部の相対的距離を接合時から維持する方が信頼性に優れており、そのためには接合部材の剛性が高いことが望ましい。
【００１４】
剛性を高くするということは、剛性が高く、扱いやすい金属を例に取って考えると、不純物を増して硬度を上げるか、肉厚を増すかである。いずれの対策も部材の熱的性能面から見ると、熱を通しにくくする。一方、本発明は、液路を構成する液冷部材に設けた開口部をモジュールのベースで塞いで冷却液の流路を完成させるように構成しているため、モジュールのベースには、モジュール内の熱を効果的に外に放出することが求められるので、モジュールのベースは熱伝導の良い純金属に近い柔らかい材料で構成されており、しかも薄いことが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の実施の形態の基本構成を示す。液冷部材４０１と押さえ部材４０２でモジュールベース４０３を挟む。熱伝導を良好にするため比較的薄くて柔らかい材料で構成されているモジュールベース４０３を上下から剛性の高い液冷部材４０１と押さえ部材４０２で挟むため、シール部４０４及びシール部４０５の安定性が良い。シール部４０４及びシール部４０５には、液状ガスケット或いは耐水性のある接着剤を使用し、シール部４０４及びシール部４０５のギャップに馴染むと共に比較的広い面積でギャップを充填するようにする。
【００１６】
図１は、異なる２種類の締め付け構造を示している。図１の左半分は、締め付けボルト４０９がモジュールベース４０３と液冷部材４０１を貫通しない。この構造は、補助的な部材として締め付け用部材４１１が必要であり、構造が複雑になるが、万が一の液洩れ時にモジュールの半導体素子搭載面に冷却液が侵入しにくい点で信頼性が高い。
【００１７】
図１の右半分は、締め付けボルト４１２がモジュールベース４０３と液冷部材４０１を貫通する。構造は簡単であるが、ボルト穴４１４を通じて冷却液４１５が半導体チップ４０８搭載面側に回り込みやすい欠点を有する。
【００１８】
本発明による構造の利点は、モジュールのベースとしての制約がないことである。経済性の観点からもっとも実現性の高いのは、アルミニウムの薄板の片面に絶縁樹脂を塗布し、銅或いはアルミニウムの配線を形成した、いわゆるＡｌ絶縁基板である。また、高電圧，大電流を扱う用途では、セラミック基板が使える。通常、セラミック基板を金属のベースにはんだ付けしてモジュールを構成するが、本発明の構造では、ベースに外力がほとんどかからないので、セラミック基板をそのままベースとして流用でき、熱抵抗の小さいモジュール構造が得られる。
【００１９】
図２（ａ），（ｂ）は、図１から締め付け部分（締め付けボルト４０９，締め付けナット４１０，締め付け用部材４１１，締め付けボルト４１２，締め付けナット４１３）を省略した全体像である。（ａ）は、図１と同じもので、押さえ部材４０２が内部の半導体モジュールを覆う容器の蓋のようになっている。そのため、モジュールケース４０６が見えない。
【００２０】
これに対して、（ｂ）では、押さえ部材５０１が押さえに必要な周囲のみのリング状になってるため、内部のモジュールケース４０６が見える。本発明の目的を達するには、どちらの構造でも差し支えない。ただし、剛性を確保することが重要であり、そのためには、押さえ部材４０２でも、押さえ部材５０１でも、図のように一体構造であることが望ましい。
【００２１】
次に、本発明の実施の形態をより具体的に説明する。
【００２２】
図３は、本発明の第１の実施の形態である液冷型電力用半導体モジュール、すなわちモジュールベース１０１とモジュールケース１０２の結合体を構成要素とするインバータ１００の断面図である。
【００２３】
液冷型電力用半導体モジュールには、電力用半導体であるＩＧＢＴチップ１０６を６個搭載している。損失は、１個あたり３００Ｗ、モジュール全体では１．８ｋＷである。６個のＩＧＢＴチップ１０６はモジュール内で２列に並んでいる。モジュールは、長手方向１５０ｍｍ，短手方向７０ｍｍの矩形である。液冷型電力用半導体モジュールの外形は、大きく分けて、中の回路を外部から遮蔽するための蓋にあたるモジュールケース１０２と、土台にあたるモジュールベース１０１から成っている。
【００２４】
モジュールベース１０１は、アルミニウムの厚さ１．５ｍｍ  の板である。熱伝導を良くするため、材質として純粋なアルミニウムに近い工業用純アルミニウムを使用している。モジュールベース１０１は、単なる板ではなく、モジュール内部では配線板の一構成要素としても機能している。すなわち、モジュールベース１０１に絶縁樹脂１０７を塗布或いは張り付けることで絶縁層を形成し、その上に銅箔を張り付けてエッチングすることにより銅配線パターン１０８を形成している。ＩＧＢＴチップ１０６を始めとする部品は、銅配線パターン１０８に、はんだ或いは導電性接着剤で固定され、必要に応じてボンディングワイヤ１０９で配線してある。
【００２５】
冷却液１１０の流路は、冷却液入口１１１から冷却液出口１１２に至る、ほぼ直線状である。流路の壁面を構成する部材は、主にインバータ底蓋１０３である。インバータ底蓋１０３は蓋のない容器の形状であり、モジュールベース１０１がインバータ底蓋１０３に開けられた開口部を塞ぐことで流路を完成させる構造になっている。モジュールベース１０１がインバータ底蓋１０３の開口部を塞ぐ構造であることは、同時に、液冷型電力用半導体モジュール内で発生する熱をモジュールベース１０１から直接冷却液１１０に伝える構造になっていることを意味している。冷却液１１０が洩れないように、シール樹脂１０５が使われている。これは、液状ガスケットと呼ばれているもので、当初液状であるが、硬化してゴム状になる。シール部の形状に馴染むため、シール性に優れている。本実施例では、万が一シール樹脂１０５を通過して冷却液１１０が洩れても、液冷型電力用半導体モジュール内部のＩＧＢＴチップ１０６に代表される半導体部品、その他の部品に冷却液１１０が触れないよう、Ｏリング１１３を設けている。
【００２６】
ここで、本発明の主要構造である剛性確保について述べる。さきほども述べたように、モジュールベース１０１は純粋に近いアルミニウムで、しかも板厚が
１．５ｍｍ  と薄いため、剛性が小さい。シール樹脂１０５は、シール部の形状に馴染むが、硬化後はゴム状になるので、シール部の形状が硬化前と同じであることが望ましい。したがって、剛性に乏しいモジュールベース１０１を直接インバータ底蓋１０３に締め付ける構造はモジュールベース１０１の変形を喚起するため好ましくない。そこで、本実施例では、モジュールベース１０１をインバータ底蓋１０３とインバータ上蓋１０４で挟み込む形態を採っている。インバータ底蓋１０３は、複雑な形状をしていること、インバータ１００の外壁を構成することから、アルミニウム鋳物の剛性の高いものである。また、インバータ上蓋１０４もインバータ底蓋１０３と同じくアルミニウムの鋳物で構成され、剛性の高いものである。これらがモジュールベース１０１を挟むことで、モジュールベース１０１とインバータ底蓋１０３との隙間であるシール部の形状を安定に保つことができる。
【００２７】
本実施の形態では、さらにインバータ上蓋１０４が液冷型電力用半導体モジュールを含むインバータ１００の上部半分の外壁を構成している。単なるシール部の形状維持のための補助的部材ではなく、筐体の一部にもなっている点が特徴である。なお、インバータ底蓋１０３とインバータ上蓋１０４の締め付け構造は図１では見えないが、図１の右側の構造、すなわち、インバータ底蓋１０３及びインバータ上蓋１０４に穴を開けてボルトとナットで締め付ける形態である。なお、具体的には、図４で記述するものと同一である。
【００２８】
モジュールの熱抵抗をさらに下げたい場合、モジュールベース１０１の材質を銅にすることが有効である。さらに、モジュールベース１０１にフィンを付けることも有効な手段である。この第２の実施の形態は、図４及び図５を用いて説明する。
【００２９】
本実施の形態では、パワー半導体であるＩＧＢＴチップ２０９が冷却水（冷却液２１２）の流れる方向（図４では紙面に垂直、図５では紙面に平行で横方向）に対して２列、流れ方向に３個並び、トータル６個使用しているという点では、第１の実施の形態と同じである。また、モジュールの損失（内部の半導体素子の損失が主）も、第１の実施の形態とほぼ同じである。違う点は、使用環境である。第１の実施例より冷却液２１２の温度が高い。そのため、主な発熱源である
ＩＧＢＴチップ２０９から冷却液２１２に至る熱抵抗を第１の実施の形態より小さく抑える必要がある。
【００３０】
まず、ＩＧＢＴチップ２０９を搭載する配線基板がセラミック配線基板２１０である。第１の実施例では、絶縁樹脂１０７で電気的な絶縁を確保したが、樹脂は熱伝導率が小さい。セラミックスは樹脂に比べて一桁程度熱伝導率が高いため、ＩＧＢＴチップ２０９で発生した熱を小さい温度差でモジュールベース２０１に導くことができる。つぎに、モジュールベース２０１の材質である。第１の実施の形態ではアルミニウムであったが、本実施の形態では銅を使用している。しかも、熱伝導率の高い純銅に近い材質を選んでいる。また、構造面では、モジュールベース２０１と一体のモジュールフィン２０２が形成されている。ＩＧＢＴチップ２０９から冷却液２１２に至る経路でもっとも温度差の大きいところは、モジュールフィン２０２と冷却液２１２の界面である。この界面の面積を大きくすることでＩＧＢＴチップ２０９から冷却液２１２に至る経路の熱抵抗を下げることができる。モジュールフィン２０２はそのための構造である。ここで、本実施例てはモジュールベース２０１とモジュールフィン２０２を一体成型しているため、熱抵抗を小さくする効果が大であるが、はんだ付け，ろう付け等で接着した場合、効果がかなり阻害される。
【００３１】
本実施の形態でも、第１の実施の形態と同じく、インバータ上蓋２０５がインバータ２００の筐体の一部を構成している。ここで、締め付け構造に触れる。第１の実施の形態と共通である。図４に示しているが、締め付けボルト２０７と締め付けナット２０８で締め付けている。その際、締め付けるのはインバータ底蓋２０４とインバータ上蓋２０５である。モジュールベース２０１は、締め付け部には存在しない。モジュールベース２０１に穴を開けると冷却液２１２が洩れやすくなるためである。冷却液２１２の洩れを防ぐ構造として、シール部、すなわちシール樹脂２０６の形状を複雑にしている。図４及び図５に示すように数カ所の折れ曲がりを備えることで洩れの経路を長くし、さらに液状ガスケットの馴染みを良くしている。そのため、本実施の形態では、図３を用いてＯリング１１３のような補助的なシール構造を採用していない。
【００３２】
本発明の第３の実施の形態について、図６を参照して説明する。図６の上はインバータ上蓋６０６を輪切りにした上方からの断面図、図６の下は液冷型電力用半導体モジュール６０３を輪切りにした前方からの断面図である。ただし、モジュールケース６０２内部の描画は省略した。本実施の形態では、インバータ６００に比べて液冷型電力用半導体モジュール６０３のサイズが小さい。そのため、第１や第２の実施例のようにインバータ上蓋６０６でシール部の押さえを兼ねることができない。そこで、独立したリング状の押さえ部材６０４を使用した。押さえ部材６０４とインバータ底蓋６０５の締め付けにはモジュール固定用ボルト６０７及びモジュール固定用ナット６０８を使用した。また、締め付け箇所は冷却液６１３の流路の妨げにならないように、若干外にはみ出す形態とした。締め付け部をシール樹脂６１４から外し、シール樹脂６１４に穴を開けないようにしてある。その結果、冷却液６１３の洩れが少なくなる。
【００３３】
この構造は、液冷型電力用半導体モジュール６０３のインバータ６００内での位置に自由度が高いため、設計の制約が少ない。その半面、組み立ての工数が増える欠点を有している。
【００３４】
本発明の第４の実施の形態について、図７を参照して説明する。図７の上はインバータ上蓋７０７を輪切りにした上方からの断面図、図７の下は液冷型電力用半導体モジュール７０３を輪切りにした前方からの断面図である。ただし、モジュールケース７０２内部の描画は省略した。本実施の形態でも、第３の実施例と同じく、インバータ７００に比べて液冷型電力用半導体モジュール７０３のサイズが小さい。
【００３５】
本実施例では、独立した押さえ部材を使用するのではなく、インバータ上蓋７０７と一体の押さえ部材７０４を採用した。押さえ部材７０４とインバータ上蓋７０７とを連結する部材として、押さえ部材とインバータ上蓋との繋ぎ部材７０５を使用した。
【００３６】
本実施の形態の構造では、押さえ部材７０４のみならず、押さえ部材とインバータ上蓋との繋ぎ部材７０５も充分な剛性を有することが必須である。
【００３７】
この構造は、押さえ部材とインバータ上蓋との繋ぎ部材７０５が、インバータ７００内の回路の引き回しに影響するため、液冷型電力用半導体モジュール７０３のインバータ７００内での位置に制約が生ずる欠点がある。その半面、組み立ての工数は第３の実施例より少ない。
【００３８】
本発明の第５の実施の形態について、図８を参照して説明する。図８の上は平面図、図８の下は液冷型電力用半導体モジュール８０３を輪切りにした前方からの断面図である。ただし、モジュールケース８０２内部の描画は省略した。本実施の形態でも、第３，第４の実施の形態と同じく、インバータ８００に比べて液冷型電力用半導体モジュール８０３のサイズが小さい。
【００３９】
本実施の形態では、いままでのどの実施の形態とも異なり、モジュールベース８０１のモジュールケース８０２側の面を利用して冷却液８０９のシールを行っている。その結果、インバータ底蓋８０４に広いスペースを確保でき、液冷型電力用半導体モジュール８０３以外のインバータ８００の構成部材を高い自由度で配置することが可能である。また、インバータ底蓋８０４，モジュールベース８０１、そして液冷部材８１１で囲まれた複雑な形状のシール部にシール樹脂８１０が充填されるため、冷却液８０９が洩れにくい構造になっている。
【００４０】
液冷部材取り付け用ボルト８０５及び液冷部材取り付け用ナット８０６の位置の自由度は高い。もちろんインバータ底蓋８０４の内部のほとんどの場所に設置可能であり、さらに、インバータ底蓋８０４内部でなく外部に設けても良い。
【００４１】
ただし、本実施の形態の構造では、インバータ上蓋（図示せず）を取り付けるための構造がさらに必要であり、組立工数も多くなる欠点を有している。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却液の洩れを有効に防ぐシール部構造を備えた液冷型電力用半導体モジュール及びそれを包含するインバータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の基本構成を示す断面図。
【図２】（ａ），（ｂ）は、図１から締め付け部分を省略した全体像を示す断面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態を示す断面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示す断面図。
【図５】本発明の第２の実施の形態を示す断面図。
【図６】本発明の第３の実施の形態を示す断面図。
【図７】本発明の第４の実施の形態を示す断面図。
【図８】本発明の第５の実施の形態を示す断面図。
【符号の説明】
１００，２００，６００，７００，８００…インバータ、１０１，２０１，４０３，６０１，７０１，８０１…モジュールベース、１０２，２０３，４０６，６０２，７０２，８０２…モジュールケース、１０３，２０４，６０５，７０６，８０４…インバータ底蓋、１０４，２０５，６０６，７０７…インバータ上蓋、１０５，７１３…シール樹脂、１０６，２０９…ＩＧＢＴチップ、１０７…絶縁樹脂、１０８…銅配線パターン、１０９，２１１…ボンディングワイヤ、１１０，６１３，７１２…冷却液、１１１，２１３，６１１，７１０，８０７…冷却液入口、１１２，２１４，６１２，７１１，８０８…冷却液出口、１１３…Ｏリング、２０２…モジュールフィン、２０６，６１４，８１０…シール樹脂、２０７，４０９，４１２…締め付けボルト、２０８，４１０，４１３…締め付けナット、２１０…セラミック配線基板、２１２，４１５，８０９…冷却液、４０１，８１１…液冷部材、４０２，５０１，６０４，７０４…押さえ部材、４０４，４０５…シール部、４０７…配線基板、４０８…半導体チップ、４１１…締め付け用部材、４１４…ボルト穴、６０３，７０３，８０３…液冷型電力用半導体モジュール、６０７…モジュール固定用ボルト、６０８…モジュール固定用ナット、６０９，７０８…インバータ蓋取り付け用ボルト、６１０，７０９…インバータ蓋取り付け用ナット、７０５…押さえ部材とインバータ上蓋との繋ぎ部材、８０５…液冷部材取り付け用ボルト、８０６…液冷部材取り付け用ナット。
【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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【図７】
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【図８】
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