(57)【要約】【課題】  従来の半導体モジュールの冷却構造では、冷却器に余分な機能を付与していたため構造が複雑になっていた。また、半導体モジュールに冷却器を密着させるためにバネ等の余分な部材が必要となっており、部品点数が増加してコスト高となっていた。【解決手段】  冷却器１に形成したモジュール挿入用穴３に半導体モジュール１０を挿入して、半導体モジュール１０のモジュール挿入用穴３との当接面から放熱を行う半導体モジュールの冷却構造であって、半導体モジュール１０のモジュール挿入用穴３との当接面、およびモジュール挿入用穴３の半導体モジュール１０との当接面の、少なくとも一方に軟質性金属層１６をコーティングし、半導体モジュール１０からの発熱を、軟質性金属層１６を通じて冷却器へ放熱する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却器に形成したモジュール挿入用穴に半導体モジュールを挿入して、半導体モジュールのモジュール挿入用穴との当接面から放熱を行う半導体モジュールの冷却構造であって、
半導体モジュールのモジュール挿入用穴との当接面、およびモジュール挿入用穴の半導体モジュールとの当接面の、少なくとも一方に軟質性金属層をコーティングし、
半導体モジュールからの発熱を、軟質性金属層を通じて冷却器へ放熱することを特徴とする半導体モジュールの冷却構造。
【請求項２】
前記軟質性金属層の総厚み寸法が、軟質性金属層形成面における半導体モジュールとモジュール挿入用穴との間の総隙間寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュールの冷却構造。
【請求項３】
前記半導体モジュールを、モジュール挿入用穴へ挿入する際に、軟質性金属が塑性変形することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体モジュールの冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却器に形成したモジュール挿入用穴に半導体モジュールを挿入して、半導体モジュールのモジュール挿入用穴との当接面から放熱を行う半導体モジュールの冷却構造であって、簡単・安価な構成で、半導体モジュールのモジュール挿入用穴の壁面との密着性を増し、放熱性を向上させた半導体モジュールの冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、パワーモジュール素子等の半導体素子を備えた半導体モジュールは、動作時に発生する熱を放熱するために、半導体モジュールに冷却体を接触させる等の放熱構造を備えている。
例えば、図１２に示すように、半導体モジュール１１０の両面を冷却器１００に接触させて冷却を行うように構成し、半導体モジュール１１０の片面のみを冷却した場合に比べて冷却効果を高めた冷却構造がある。
【０００３】
具体的には、冷却器１００は、アルミの押し出し成形等により形成されるチューブ１０２と、該チューブ１０２がろう付けにより接合されるヘッダ部１０１とで構成され、チューブ１０２とチューブ１０２とで半導体モジュール１１０を挟み込む構成となっている。
ヘッダ部１０１とチューブ１０２との接合部は、断面視Ｕ字状に凹んだ変形可能な変形部１０３となっており、チューブ１０２がヘッダ部１０１に対して図１２における上下方向へ容易に移動できるように形成されている。
そして、冷却器１００の上方および下方からバネ等の付勢部材により加圧して、半導体モジュール１１０の上下面に冷却器１００のチューブ１０２を密着させて、良好な放熱特性を得るようにしている。
この場合、変形部１０３によりチューブ１０２を移動可能な構成としているため、チューブ１０２とチューブ１０２との間に位置する半導体モジュール１１０の厚みばらつきを吸収して、半導体モジュール１１０にチューブ１０２を密着させることが可能となっている。（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２６２１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のごとく、特許文献１に記載の技術では、半導体モジュール１１０の両面に冷却器１００を密着させることにより良好な放熱特性を得ているが、半導体モジュール１１０の厚みばらつきを吸収するために、厚み方向に変形可能な変形部１０３を冷却器１００に形成する等、冷却器１００に余分な機能を付与していたため構造が複雑になっていた。
また、半導体モジュール１１０に冷却器１００を密着させるためにバネ等の余分な部材が必要となっており、部品点数が増加してコスト高となっていた。
【０００６】
そこで、本発明においては、簡単・安価な構成で、半導体モジュールと冷却器の密着性密着性を増し、放熱性を向上させることができる半導体モジュールを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する半導体モジュールの冷却構造は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、冷却器に形成したモジュール挿入用穴に半導体モジュールを挿入して、半導体モジュールのモジュール挿入用穴との当接面から放熱を行う半導体モジュールの冷却構造であって、半導体モジュールのモジュール挿入用穴との当接面、およびモジュール挿入用穴の半導体モジュールとの当接面の、少なくとも一方に軟質性金属層をコーティングし、半導体モジュールからの発熱を、軟質性金属層を通じて冷却器へ放熱する。
これにより、半導体モジュールとモジュール挿入用穴の内壁面とをコーティングされた軟質性金属層を介して密着させることができ、半導体モジュールからの熱を効率よく冷却器へ伝達して放熱性を高めることができる。
また、この冷却構造は、半導体モジュールおよびモジュール挿入用穴の少なくとも一方に軟質性金属層をコーティングするとともに、冷却器にモジュール挿入用穴を形成して、このモジュール挿入用穴に半導体モジュールを挿入するだけの簡単な構成であるので、部品点数が増加することもなく、低コストで構成することができる。
【０００８】
また、請求項２記載の如く、前記軟質性金属層の総厚み寸法が、軟質性金属層形成面における半導体モジュールとモジュール挿入用穴との間の総隙間寸法よりも大きい。
これにより、軟質性金属層により、半導体モジュールの厚み寸法やモジュール挿入用穴の幅寸法等の、寸法のばらつきを吸収して、全ての半導体モジュールおよび冷却器に対して、半導体モジュールとモジュール挿入用穴との密着性を確保することができ、確実に良好な放熱特性を得ることが可能となる。
【０００９】
また、請求項３記載の如く、前記半導体モジュールを、モジュール挿入用穴へ挿入する際に、軟質性金属が塑性変形する。
これにより、半導体モジュールとモジュール挿入用穴との間に生じる残留応力を緩和することができ、半導体モジュールの半導体素子が受けるダメージを低減することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、半導体モジュールからの熱を効率よく冷却器へ伝達して放熱性を高めることができるとともに、部品点数が増加することもなく、低コストで冷却構造を構成することができる。
また、半導体モジュールとモジュール挿入用穴との間に生じる残留応力を緩和することができ、半導体モジュールの半導体素子が受けるダメージを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。
まず、半導体モジュール１０の構成について説明する。
図１に示す半導体モジュール１０は、パワー素子等の半導体素子１１と、半導体素子１１の下面とはんだ１８により接続されるコレクタ電極１２ａと、半導体素子１１の上面とはんだ１８により接続されるゲート電極１２ｂと、同じく半導体素子１１の上面とはんだ１８により接続されるエミッタ電極１２ｃと、コレクタ電極１２ａの下面、およびエミッタ電極１２ｃの上面に、それぞれはんだ１８で接続される絶縁板１５と、絶縁板１５と絶縁板１５との間に介装される複数のスペーサ１７・１７・・・とを備えている。
【００１２】
上下の絶縁板１５・１５の外側面（つまり、図１における上側の絶縁板１５の上面および下側の絶縁板１５の下面）には、それぞれ軟質性金属層１６がコーティングされている。
軟質性金属層１６には、錫や金等といった軟質性の金属が用いられており、後述するように、半導体モジュール１０を冷却器１のモジュール挿入用穴３（図２参照）へ挿入する際には、その挿入する力により軟質性金属層１６が容易に変形可能となっている。
【００１３】
次に、半導体モジュール１０の冷却構造について説明する。
図２、図３に示すように、冷却器１は、下方を開放した箱状の本体２と、開放された本体２の下面を塞ぐ蓋体４とを備えている。蓋体４はボルト等により本体２に取り付けられており、本体２と蓋体４との接合面は、ＦＩＰＧ（Ｆｏｒｍｅｄ  Ｉｎ  Ｐｌａｃｅ  Ｇａｓｋｅｔ：現場成形ガスケット）等のシール部材７により全周にわたってシールされている。
なお、本体２は、例えばアルミダイキャストにより成形され、蓋体４は、例えばアルミダイキャストまたはプレスにより成形される。
【００１４】
冷却器１の本体２にはモジュール挿入用穴３が形成されており、このモジュール挿入用穴３に半導体モジュール１０が挿入される。
モジュール挿入用穴３は、必要な半導体モジュール１０の数に応じた数だけ形成されており、本実施形態では６箇所に形成されている。
また、本体２内部の空間５には冷却水が充満している。冷却水は、本体２に形成される冷却水入口２ａから空間５内部に浸入し、冷却水出口２ｂから排出され、空間５内を循環している。
【００１５】
ここで、図４に示すように、半導体モジュール１０における、絶縁板１５・１５の外側面間の厚み寸法をＤ１とし、両絶縁板１５・１５の外側面にコーティングされた軟質性金属層１６・１６の外側面間の厚み寸法をＤ２とし、モジュール挿入用穴３における、半導体モジュール１０を挿入した際に半導体モジュール１０の外側面と対向する内壁面３ａ・３ａ間の寸法をＷとすると、寸法Ｄ１、寸法Ｄ２、および寸法Ｗは、寸法Ｄ２＞寸法Ｗ＞寸法Ｄ１の関係を満足するように設定されている。
【００１６】
軟質性金属層１６・１６を含んだ半導体モジュール１０全体の厚み寸法Ｄ２は、モジュール挿入用穴３の幅寸法Ｗよりも大きく形成されているが、半導体モジュール１０をモジュール挿入用穴３に圧力を加えながら挿入（圧入）していくと、半導体モジュール１０を挿入する力により、該軟質性金属層１６の厚み寸法が半導体モジュール１０の絶縁板１５とモジュール挿入用穴３の内壁面３ａとの間の隙間寸法と同じ寸法となるように、軟質性金属層１６が容易に塑性変形する。
【００１７】
従って、図５に示すように、半導体モジュール１０をモジュール挿入用穴３へ挿入し終えた状態では、両側の絶縁板１５と内壁面３ａとの間に、軟質性金属層１６が隙間なく充填された状態となる。
このように、軟質性金属層１６・１６をコーティングした半導体モジュール１０をモジュール挿入用穴３へ圧入することで、両側の絶縁板１５と内壁面３ａとを、軟質性金属層１６を介して密着させることができる。
【００１８】
そして、半導体モジュール１０の半導体素子１１から発生した熱を、半導体モジュール１０の両面から軟質性金属層１６を通じて冷却器１の本体２へ伝達し、空間５内の冷却水へ放熱する冷却構造を構成している。
この冷却構造においては、半導体モジュール１０の絶縁板１５と本体２側の内壁面３ａとが軟質性金属層１６を介して密着しているので、半導体モジュール１０からの熱を効率よく本体２へ伝達して放熱性を高めることができる。
また、この冷却構造は、半導体モジュール１０の両面に軟質性金属層１６をコーティングするとともに、冷却器１にモジュール挿入用穴３を形成して、このモジュール挿入用穴３に半導体モジュール１０を挿入するだけの簡単な構成であるので、部品点数が増加することもなく、低コストで構成することができる。
【００１９】
さらに、例えば、半導体モジュール１０に軟質性金属層１６をコーティングせずに、半導体モジュール１０の厚み寸法Ｄ１とモジュール挿入用穴３の幅寸法Ｗとを同じ寸法に形成して、半導体モジュール１０をモジュール挿入用穴３へ挿入した場合には、絶縁板１５および冷却器１の本体２は容易に塑性変形しないため、半導体モジュール１０とモジュール挿入用穴３との間には残留応力が発生する。
しかし、前述のように軟質性金属層１６をコーティングした半導体モジュール１０をモジュール挿入用穴３へ挿入した場合は、挿入時に軟質性金属層１６が塑性容易に変形するため、半導体モジュール１０とモジュール挿入用穴３との間の残留応力を緩和することができ、半導体モジュール１０の半導体素子１１が受けるダメージを低減することができる。
【００２０】
また、半導体モジュール１０に軟質性金属層１６をコーティングせずに、半導体モジュール１０の厚み寸法Ｄ１とモジュール挿入用穴３の幅寸法Ｗとを同じ寸法に形成した場合には、半導体モジュール１０の組立精度やモジュール挿入用穴３の加工精度等により、厚み寸法Ｄ１よりも幅寸法Ｗの方が大きくなって、半導体モジュール１０とモジュール挿入用穴３との間に隙間が生じて、良好な放熱性能が得られない場合がある。
しかし、軟質性金属層１６をコーティングした半導体モジュール１０の厚み寸法Ｄ２（軟質性金属層１６の厚みを含む厚み寸法）が公差により最小寸法となるとともに、モジュール挿入用穴３の幅寸法Ｗが公差により最大寸法となったときでも、寸法Ｄ２＞寸法Ｗ（且つ寸法Ｗ＞寸法Ｄ１）となるように設定しておけば、軟質性金属層１６により寸法のばらつきを吸収して、全ての半導体モジュール１０および冷却器１に対しても、半導体モジュール１０とモジュール挿入用穴３との密着性を確保することができ、確実に良好な放熱特性を得ることが可能となる。
【００２１】
なお、図６に示すように、軟質性金属層１６は、半導体モジュール１０に形成するだけでなく、モジュール挿入用穴３の内壁面３ａ・３ａにも加えて形成することができる。
この場合は、半導体モジュール１０の前記厚み寸法Ｄ１よりも、モジュール挿入用穴３の内壁面３ａ・３ａ間の幅寸法Ｗが大きくなるように形成するとともに、半導体モジュール１０の前記厚み寸法Ｄ２よりも、モジュール挿入用穴３に形成した軟質性金属層１６・１６間の幅寸法Ｗ１が小さくなるように形成する。
【００２２】
さらに、図７に示すように、半導体モジュール１０には軟質性金属層１６を形成せず、モジュール挿入用穴３の内壁面３ａ・３ａのみに軟質性金属層１６を形成することもできる。
この場合は、半導体モジュール１０の前記厚み寸法Ｄ１よりも、モジュール挿入用穴３の内壁面３ａ・３ａ間の幅寸法Ｗが大きくなるように形成するとともに、半導体モジュール１０の前記厚み寸法Ｄ１よりも、モジュール挿入用穴３に形成した軟質性金属層１６・１６間の幅寸法Ｗ１が小さくなるように形成する。
【００２３】
このように、軟質性金属層１６は、半導体モジュール１０側のみ、モジュール挿入用穴３側のみ、または半導体モジュール１０側とモジュール挿入用穴３側との両方に形成することができるが、
いずれの場合においても、軟質性金属層１６の総厚み寸法が、軟質性金属層１６形成面における半導体モジュール１０とモジュール挿入用穴３との間の総隙間寸法よりも大きくなっている。
【００２４】
例えば、図４のように、半導体モジュール１０側のみに軟質性金属層１６をコーティングした場合は、軟質性金属層１６の総厚み寸法である（Ｄ２−Ｄ１）が、絶縁板１５と内壁面３ａとの隙間寸法である（Ｗ−Ｄ１）よりも大きくなっている。
また、図６のように、半導体モジュール１０側とモジュール挿入用穴３側との両方に軟質性金属層１６をコーティングした場合は、軟質性金属層１６の総厚み寸法である（（Ｄ２−Ｄ１）+（Ｗ−Ｗ１））が、絶縁板１５と内壁面３ａとの隙間寸法である（Ｗ−Ｄ１）よりも大きくなっている。
さらに、図７のように、モジュール挿入用穴３側のみに軟質性金属層１６をコーティングした場合は、軟質性金属層１６の総厚み寸法である（Ｗ−Ｗ１）が、絶縁板１５と内壁面３ａとの隙間寸法である（Ｗ−Ｄ１）よりも大きくなっている。
【００２５】
次に、半導体モジュールの冷却構造の第二の実施形態について説明する。
本実施形態では、図８、図９に示すように、まず、両外側面にそれぞれ軟質性金属層１６をコーティングした半導体モジュール１０が、上方を開放した箱形状に形成される放熱ケース２５に挿入される。
放熱ケース２５は、アルミダイキャスト等により成形され、その両外側面には複数の放熱フィン２５ａ・２５ａ・・・が形成されている。
また、放熱ケース２５の上端縁部には、外側方向に突出するフランジ部２５ｂが形成されている。
【００２６】
半導体モジュール１０における、絶縁板１５・１５の外側面間の厚み寸法Ｄ１、軟質性金属層１６・１６の外側面間の厚み寸法Ｄ２、および放熱ケース２５における、挿入した半導体モジュール１０の外側面と対向する内壁面２５ｃ・２５ｃ間の寸法Ｗは、前述の第一の実施形態の場合と同様に、寸法Ｄ２＞寸法Ｗ＞寸法Ｄ１の関係を満足するように設定されている。
そして、放熱ケース２５に挿入された半導体モジュール１０の絶縁板１５・１５は、放熱ケース２５における放熱フィン２５ａ・２５ａ・・・の形成面と、軟質性金属層１６・１６を介して密着している。
【００２７】
図１０、図１１に示すように、半導体モジュール１０が挿入された放熱ケース２５は、冷却器２０の本体２１に形成された挿入孔２１ｃに上方から挿入されて組み付けられる。
放熱ケース２５の本体２１への組み付けは、放熱ケース２５のフランジ部２５ｂをボルトで本体２１の上面に締結する等して行われており、フランジ部２５ｂと本体２１の上面との間は、ＦＩＰＧ等のシール部材７により全周にわたってシールされている。
【００２８】
なお、シール部材７を、シール性を有する接着剤として、接着剤により放熱ケース２５の固定とシールとの両方を行うようにすることで、フランジ部２５ｂを締結するボルトを省くことができる。
また、本体２１はアルミダイキャスト等により成形され、本体２１内部の空間２３には冷却水が充満している。冷却水は、本体２１に形成される冷却水入口２１ａから空間２３内部に浸入し、冷却水出口２１ｂから排出され、空間５内を循環している。
【００２９】
このように、冷却器２０の本体２１とは別体に形成した放熱ケース２５に半導体モジュール１０を挿入して、半導体モジュール１０を挿入した放熱ケース２５を本体２１の挿入孔２１ｃに挿入することで、半導体モジュール１０の半導体素子１１から発生した熱を、半導体モジュール１０の両面から軟質性金属層１６を通じて放熱ケース２５へ伝達し、放熱ケース２５が浸漬されている空間２３内の冷却水への放熱を行う冷却構造を構成している。
【００３０】
この冷却構造においては、第一の実施形態の場合と同様に、半導体モジュール１０の絶縁板１５と放熱ケース２５の内壁面２５ｃとが軟質性金属層１６を介して密着しているので、半導体モジュール１０からの熱を効率よく放熱ケース２５へ伝達して放熱性を高めることができる。
さらに、放熱ケース２５と本体２１とが別体に形成されているので、冷却器２０の冷却水との熱交換部位である放熱ケース２５の両外側面に放熱フィン２５ａ・２５ａ・・・を形成することが可能となっている。このように放熱フィン２５ａ・２５ａ・・・を形成することで、半導体モジュール１０からの冷却水への放熱性能を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の冷却構造に用いられる半導体モジュールを示す側面断面図である。
【図２】本発明の冷却構造を構成する冷却器および冷却器にセットされる半導体モジュールを示す斜視図である。
【図３】図２におけるＣ−Ｃ側面断面図である。
【図４】半導体モジュールの厚み寸法とモジュール挿入用穴の幅寸法との関係を示す側面断面図である。
【図５】半導体モジュールがモジュール挿入用穴に挿入された状態を示す側面断面図である。
【図６】半導体モジュール側とモジュール挿入用穴側との両方に軟質性金属層をコーティングした場合の、半導体モジュールの厚み寸法とモジュール挿入用穴の幅寸法との関係を示す側面断面図である。
【図７】モジュール挿入用穴側のみに軟質性金属層をコーティングした場合の、半導体モジュールの厚み寸法とモジュール挿入用穴の幅寸法との関係を示す側面断面図である。
【図８】冷却構造の第二の実施形態を示す図であって、半導体モジュールが挿入される放熱ケースを示す斜視図である。
【図９】第二の実施形態における、半導体モジュールの厚み寸法と放熱ケースの幅寸法との関係を示す側面断面図である。
【図１０】第二の実施形態における、冷却構造を構成する冷却器および冷却器にセットされる半導体モジュールを示す斜視図である。
【図１１】図１０におけるＥ−Ｅ側面断面図である。
【図１２】従来の半導体モジュールの冷却構造を示す側面断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  冷却器
２  本体
３  モジュール挿入用穴
１０  半導体モジュール
１５  絶縁板
１６  軟質性金属層
【図１】
2005175163.tif 000003
【図２】
2005175163.tif 000004
【図３】
2005175163.tif 000005
【図４】
2005175163.tif 000006
【図５】
2005175163.tif 000007
【図６】
2005175163.tif 000008
【図７】
2005175163.tif 000009
【図８】
2005175163.tif 000010
【図９】
2005175163.tif 000011
【図１０】
2005175163.tif 000012
【図１１】
2005175163.tif 000013
【図１２】
2005175163.tif 000014