(57)【要約】【課題】放熱効率に優れ、高い形状精度を有する優れた半導体冷却ユニットを提供すること。【解決手段】半導体冷却ユニット１は、電力用の半導体素子１１と冷媒を流動させる一対の冷媒流路２１とを有してなり、一対の冷媒流路２１の間に半導体素子１１を配置してなるユニットである。半導体素子１１は、半導体素子１１を挟むように配置した一対の平板状の電極板１５１、１５２を有している。冷媒流路２１は、その内壁面の少なくとも一部を電極板１５の表面により構成してある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用の半導体素子と冷媒を流動させる一対の冷媒流路とを有してなり、該一対の冷媒流路の間に上記半導体素子を配置してなる半導体冷却ユニットにおいて、
上記半導体素子は、該半導体素子を挟むように配置した一対の平板状の電極板を有しており、
かつ、上記冷媒流路は、その内壁面の少なくとも一部を上記電極板の表面により構成してあることを特徴とする半導体冷却ユニット。
【請求項２】
請求項１において、上記冷媒流路は、上記各電極板の内部に形成した流路であることを特徴とする半導体冷却ユニット。
【請求項３】
請求項１において、一対の上記電極板と上記半導体素子とは、モールド樹脂により一体的に覆ってあり、上記各冷媒流路は、上記モールド樹脂の内部において、上記電極板に面して形成してあることを特徴とする半導体冷却ユニット。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において、上記半導体冷却ユニットは、冷媒の供給及び排出を行う一対のヘッダ部を有してなり、該一対のヘッダ部には、上記半導体素子を挟持した上記一対の冷媒流路を複数、並列して接続してあることを特徴とする半導体冷却ユニット。
【請求項５】
電力用の半導体素子を含む半導体モジュールと、冷媒を流動させる冷媒配管とを有してなる半導体冷却ユニットにおいて、
上記半導体モジュールは、上記半導体素子を挟むように相互に対面する平板状の２枚の電極板を有してなると共に、上記冷媒配管の内部に配置してあることを特徴とする半導体冷却ユニット。
【請求項６】
請求項５において、上記半導体冷却ユニットは、冷媒の供給及び排出を行う一対のヘッダ部を有してなり、該一対のヘッダ部には、上記半導体モジュールを配置した上記冷媒配管を複数、並列して接続してあることを特徴とする半導体冷却ユニット。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項において、上記冷媒は、電気的な絶縁性を有する冷媒であることを特徴とする半導体冷却ユニット。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項において、上記冷媒に接触する上記電極板の表面には、電気的な絶縁性を有する絶縁被膜を形成してあることを特徴とする半導体冷却ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールを有してなり、該半導体モジュールの冷却手段を備えた半導体冷却ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路やインバータ回路等の電力変換回路は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流を生成するのに用いられることがある。
一般に、電気自動車やハイブリッド自動車等では、交流モータから大きな駆動トルクを得る必要があるため、駆動電流として大電流が必要となる。
そしてそのため、その交流モータ向けの駆動電流を生成する上記電力変換回路においては、該電力変換回路を構成するＩＧＢＴ等の電力用半導体素子を含む半導体モジュールからの発熱が大きくなる傾向にある。
【０００３】
そこで、電力変換回路を構成する複数の半導体モジュールを均一性高く冷却できるように、冷却用媒体（冷媒）の供給及び排出を担う一対のヘッダの間に多数の扁平冷却チューブを配置し、該扁平冷却チューブの間に半導体モジュールを挟持した冷却チューブ並列型の電力変換装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
この電力変換装置では、冷却チューブと半導体モジュールとの間の熱伝達効率を向上するべく、両者間に当接荷重を作用して、その接触面積を広く確保している。
【０００４】
しかしながら、上記従来の電力変換装置では、次のような問題がある。すなわち、上記冷却チューブと上記半導体モジュールとの間に当接荷重を作用するための機構或いは部材が必要となるため、構造が複雑化すると共に、体格が大型化するおそれがある。
さらに、荷重の作用方向において、寸法変化を生じるため、その形状精度を高く維持することが難しいという問題がある。
【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】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、放熱効率に優れ、高い形状精度を有する優れた半導体冷却ユニットを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、電力用の半導体素子と冷媒を流動させる一対の冷媒流路とを有してなり、該一対の冷媒流路の間に上記半導体素子を配置してなる半導体冷却ユニットにおいて、
上記半導体素子は、該半導体素子を挟むように配置した一対の平板状の電極板を有しており、
かつ、上記冷媒流路は、その内壁面の少なくとも一部を上記電極板の表面により構成してあることを特徴とする半導体冷却ユニットにある（請求項１）。
【０００７】
上記第１の発明の半導体冷却ユニットは、内壁面の少なくとも一部として上記電極板の表面を利用した上記冷媒流路を有している。
そのため、上記電極板によれば、上記冷媒流路を流動する冷媒に対して、直接的かつ効率的に、上記半導体素子の発熱を放熱することができる。
【０００８】
また、上記半導体冷却ユニットでは、上記冷媒流路を形成する冷媒配管等の部材を、上記電極板に対して押し付ける必要がない。
そのため、上記第１の発明の上記半導体冷却ユニットは、当接荷重を作用させるための機構や構造等が必要でないため、その構造が簡単であり、かつ、当接荷重による寸法変化を生じるおそれがなく、形状精度に優れている。
【０００９】
以上のように、上記第１の発明の半導体冷却ユニットは、放熱効率に優れ、高い形状精度を有するユニットである。
【００１０】
第２の発明は、電力用の半導体素子を含む半導体モジュールと、冷媒を流動させる冷媒配管とを有してなる半導体冷却ユニットにおいて、
上記半導体モジュールは、上記半導体素子を挟むように相互に対面する平板状の２枚の電極板を有してなると共に、上記冷媒配管の内部に配置してあることを特徴とする半導体冷却ユニットにある（請求項５）。
【００１１】
上記第２の発明の半導体冷却ユニットでは、上記半導体モジュールは、上記冷媒配管の内部に配置してある。すなわち、上記半導体モジュールは、上記冷媒流路を流動する冷媒中に浸漬してある。
そのため、上記半導体冷却ユニットは、上記冷媒により直接的に冷却することができ、冷却性能に優れている。
【００１２】
また、上記第２の発明の半導体冷却ユニットによれば、上記第１の発明と同様、上記電極板に当接荷重を作用させる必要がない。
そのため、上記第２の発明の上記半導体冷却ユニットは、当接荷重を作用させるための機構や構造等が必要でないため、その構造が簡単であり、かつ、当接荷重による寸法変化を生じるおそれがなく、形状精度に優れている。
【００１３】
以上のように、上記第１の発明の半導体冷却ユニットは、放熱効率に優れ、高い形状精度を有するユニットである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
上記第１の発明においては、上記冷媒流路は、上記各電極板の内部に形成した流路であることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記冷媒流路を流動する上記冷媒と、上記電極板との接触面積を広く確保でき、両者間の熱伝達効率を向上することができる。
さらに、上記電極板のみにより上記冷媒流路を形成できるため、該冷媒流路の形成に伴って部品点数を増加させるおそれがない。また、上記冷媒流路の内壁面に、部品の接合箇所が表れないため、冷媒の漏れ等のおそれを抑制できる。
【００１５】
また、一対の上記電極板と上記半導体素子とは、モールド樹脂により一体的に覆ってあり、上記各冷媒流路は、上記モールド樹脂の内部において、上記電極板に面して形成してあることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記モールド樹脂により成形した上記冷媒流路を流動する上記冷媒を、上記電極板の表面に接触させて、両者間の熱伝達効率を向上することができる。
【００１６】
また、上記半導体冷却ユニットは、冷媒の供給及び排出を行う一対のヘッダ部を有してなり、該一対のヘッダ部には、上記半導体素子を挟持した上記一対の冷媒流路を複数、並列して接続してあることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記一対の冷媒流路を有する複数の上記半導体冷却ユニットをコンパクトに構成することができる。
【００１７】
上記第２の発明においては、上記半導体冷却ユニットは、冷媒の供給及び排出を行う一対のヘッダ部を有してなり、該一対のヘッダ部には、上記半導体モジュールを配置した上記冷媒配管を複数、並列して接続してあることが好ましい（請求項６）。
この場合には、上記冷媒配管を有する複数の上記半導体冷却ユニットをコンパクトに構成することができる。
【００１８】
上記第１及び上記第２の発明においては、上記冷媒は、電気的な絶縁性を有する冷媒であることが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記冷媒を介して電気的な短絡が生じるおそれを抑制して、上記半導体冷却ユニットの電気的な信頼性を向上できる。
【００１９】
また、上記冷媒に接触する上記電極板の表面には、電気的な絶縁性を有する絶縁被膜を形成してあることが好ましい（請求項８）。
この場合には、上記冷媒を介して電気的な短絡を生じるおそれを抑制できる。
そして、上記冷媒と上記電極板との間に上記絶縁被膜を配置してあるため、上記冷媒としては、導電性を有する冷媒を採用することができる。
【実施例】
【００２０】
（実施例１）
本例の半導体冷却ユニット１について、図１〜図５を用いて説明する。
本例の半導体冷却ユニット１は、図１及び図２に示すごとく、電力用の半導体素子１１と冷媒を流動させる一対の冷媒流路２１とを有してなり、該一対の冷媒流路２１の間に半導体素子１１を配置してなるユニットである。
上記半導体素子１１は、該半導体素子１１を挟むように配置した一対の平板状の電極板１５１、１５２を有している。
上記冷媒流路２１は、その内壁面の少なくとも一部を電極板１５の表面により構成してある。
以下に、この内容について詳しく説明する。
【００２１】
本例の半導体冷却ユニット１は、例えば、電気自動車用の走行モータに通電する駆動電流を生成する電力変換装置（図示略）の一部をなす。
そして、この半導体冷却ユニット１は、図１に示すごとく、電力用の半導体素子１１としてのＩＧＢＴ素子（以下、ＩＧＢＴ素子１１と記載。）を収容してなり、該ＩＧＢＴ素子１１を挟むように一対の電極板１５１、１５２を配置してなるユニットである。
そして、上記ＩＧＢＴ素子１１が、上記電力変換装置のインバータ回路或いは、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を構成している。
【００２２】
本例の半導体冷却ユニット１では、図１に示すごとく、ＩＧＢＴ素子１１の両面に、電極板１５１、１５２をハンダ接合してなる。すなわち、ＩＧＢＴ素子１１と電極板１５１、１５２との間には、ハンダ接合層１１１を形成してある。
そして、本例の半導体冷却ユニット１は、図１及び図２に示すごとく、ハンダ接合したＩＧＢＴ素子１１と一対の電極板１５１、１５２とを、モールド樹脂１００により一体的に覆ってなる。
【００２３】
上記半導体冷却ユニット１では、上記一対の電極板１５１、１５２の間に、図２に示すごとく、上記ＩＧＢＴ素子１１と、モータの回転を滑らかにするために必要なフライホイールダイオード素子１２とを配置してある。
この半導体冷却ユニット１は、図１及び図２に示すごとく、電力信号用の端子であって上記各電極板１５１、１５２と一体をなす電力端子１５０と、制御信号用の端子であってモールド樹脂中に保持した制御端子１６０とを有してなる。
そして、電力端子１５０と制御端子１６０とは、上記電極板１５に平行な面内において対向配置されている。
【００２４】
また、上記電極板１５１、１５２は、図１に示すごとく、内部に冷媒を流動させる中空部２１を形成した扁平形状の部材である。本例では、９７％のアルミを含有したアルミ合金より、上記冷却チューブを形成した。
中空部２１を流動する冷媒によれば、ＩＧＢＴ素子１１等から発生し、電極板１５１、１５２に伝達された熱を効率良く吸熱することができる。
【００２５】
なお、ＩＧＢＴ素子１１の一方の面の端部には、制御端子１６０との接続信号線であるボンディングワイヤ１１６を接続するボンディング部１１５を形成してある。
そこで、該ボンディング部１１５を避けて電極板１５２を接合できるよう、該電極板１５２は、冷媒の流動方向に直交する方向における幅を他方の電極板１５１よりも狭くしてある。
【００２６】
本例の半導体冷却ユニット１を使用するに当たっては、例えば、図３に示すごとく、ガラス繊維入り６６ナイロンよりなるタンク形状をなし、冷媒の供給及び排出を行う一対のヘッダ部４１、４２に対して、複数の半導体冷却ユニット１を並列的に接続して構成することができる。
すなわち、各半導体冷却ユニット１の電極板１５１、１５２の冷媒流動方向の両端部を、ヘッダ部４１及び４２に接続してある。
ここで、電気的な絶縁性を有するガラス繊維入り６６ナイロンよりなるヘッダ部４１、４２によれば、各電極板１５１、１５２相互間の電気的な絶縁を確保して、各素子１１、１２の電気的な短絡を防止することができる。
【００２７】
併せて、本例の半導体冷却ユニット１では、電気的な絶縁性を有する冷媒を上記中空部２１に流動させるように構成してある。
そのため、上記冷媒を介して、上記各素子１１、１２が電気的に短絡するおそれが少ない。
なお、上記各電極板１５１、１５２の中空部２１の内壁面に絶縁塗膜を形成すれば、導電性を有する冷媒を採用することも可能になる。
【００２８】
さらになお、上記のガラス繊維入り６６ナイロンよりなるヘッダ部４１、４２に代えて、導電性を有する素材、例えば、アルミ合金等によりヘッダ部４１、４２を形成する一方、ヘッダ部４１、４２と電極板１５との間に絶縁性の高い部材を介設して、両者を絶縁状態で接続することもできる。
さらに、本例では、複数の半導体冷却ユニット１を並列させて構成したが、これに代えて、一対のヘッダ部４１、４１に対して、１個の半導体冷却ユニット１を接続することもできる。
【００２９】
また、本例では、ＩＧＢＴ素子１１に接合した電極板１５１と電極板１５２とを別部品として半導体冷却ユニット１を構成したが、図４に示すごとく、電極板１５１を共通化することもできる。
各電極板１５０についての電極端子１５０の先端位置にズレを生じるが、電極端子１５０と組み合わせるソケット側で、ズレを吸収できれば問題は生じない。
【００３０】
さらに、電極板１５５の中空部２１を、図５に示すごとく、リブ２１０によって区画することもできる。この場合には、冷媒に接触する電極板１５５の表面積を広く確保して、両者間の熱伝達効率を向上することができる。
さらにまた、図６に示すごとく、中空部２１を形成した部分を、電極端子１５０と比べて板厚に形成することもできる。この場合には、中空部２１を流動する冷媒の流量を増やして、ＩＧＢＴ素子１１の冷却性能を向上することができる。
【００３１】
なお、同図の半導体冷却ユニット１では、ＩＧＢＴ素子１１の一方の面側に、熱伝導性が良い銅よりなるプレート状のブロック１１０を介設して電極端子１５０を接合してある。プレート状のブロック１１０を介設すれば、電極端子１５０とボンディングワイヤ１１６との干渉を回避することができる。
そのため、この場合には、ＩＧＢＴ素子１１の両面において、略同一形状の電極端子１５０を素子表面に沿ってずらすことなく配設することができる。
【００３２】
（実施例２）
本例は、実施例１を基にして、上記電極板の構成を変更した例である。この例の内容について、図７〜図１１を用いて説明する。
本例の電極板１７は、図７に示すごとく、端子部１７１と冷媒流路部１７２との２分割構造を呈している。そして、両者は、予め、ろう付けにより一体に接合してあり、実施例１の電極板と略同形状に形成してある。
【００３３】
また、図８及び図９に示すごとく、端子部１８１、１９１と冷媒流路部１８２、１９２とを重ね合わせて接合し、一体の電極板１８、１９とすることもできる。
ここで、端子部１８１、１９１と冷媒流路部１８２、１９２との位置関係については、図８に示すごとく、端子部１８１とＩＧＢＴ素子１１との間に冷媒流路部１８２を配置しても良く、図９に示すごとく、端子部１９１の外側に冷媒流路部１９２を配置することもできる。
なお、上記ろう付け接合に代えて、はんだ接合とすることもできる。さらに、端子部１８１、１９１と、冷媒流路部１８２、１９２との間に熱伝導性グリスを介設したうえ、モールド樹脂１００により一体的に覆って両者を接合することもできる。
【００３４】
さらに、図８に示した半導体冷却ユニット１を基にして、中空部２１の形状を変更することもできる。すなわち、図１０に示すごとく、中空部２１をリブ２１０により区画した冷媒流路部１８３を用いることができる。
なお、同図の半導体冷却ユニット１では、ＩＧＢＴ素子１１の一方の面側に、熱伝導性が良い銅よりなるプレート状のブロック１１０を介設して冷媒流路部１８３を接合してある。プレート状のブロック１１０を介設すれば、冷媒流路部１８３とボンディングワイヤ１１６との干渉を回避することができる。
そのため、この場合には、ＩＧＢＴ素子１１の両面において、略同一形状の冷媒流路部１８３を素子表面に沿ってずらすことなく配設することができる。
【００３５】
また、同様に、図９に示した半導体冷却ユニット１を基にして、中空部２１の形状を変更することもできる。
すなわち、図１１に示すごとく、中空部２１をリブ２１０により区画した冷媒流路部１９３を用いることができる。
なお、その他の構成及び作用効果については実施例１と同様である。
【００３６】
（実施例３）
本例は、実施例１を基にして、上記冷媒流路の構成を変更した例である。この内容について、図１２を用いて説明する。
本例の半導体冷却ユニット１は、一対の電極板１５によりＩＧＢＴ素子１１を挟持したうえ、モールド樹脂１００により一体的に覆ってある。
【００３７】
そして、半導体冷却ユニット１を覆うモールド樹脂１００の内部には、各電極板１５の表面に沿って冷媒流路２１１を形成してある。
すなわち、本例の冷媒流路２１１は、その内周壁が、モールド樹脂１００の表面と電極板１５の表面とにより形成されてなる流路である。
そのため、この冷媒流路２１１を流動する冷媒は、電極板１５の表面に接触し、該電極板１５との間で直接的に熱交換することができる。
【００３８】
なお、上記冷媒流路２１１に流動させる冷媒としては、電気的な絶縁性を有する冷媒を使用する必要がある。
一方、電極板１５の表面に絶縁被膜を形成する場合には、導電性を有する冷媒を適用することもできる。
なお、その他の構成及び作用効果については、実施例１と同様である。
【００３９】
（実施例４）
本例は、実施例１を基にして、上記半導体冷却ユニットの構成を変更した例である。この内容について、図１３及び図１４を用いて説明する。
本例の半導体冷却ユニット１は、図１３に示すごとく、ＩＧＢＴ素子１１等を収容した半導体モジュール２を、冷媒を流動させる冷媒配管４の内部に配置してなるユニットである。
【００４０】
上記半導体モジュール２は、一対の電極板１５の間にＩＧＢＴ素子１１を配置したうえ、電極板１５の表面が露出する状態でモールド樹脂１００により一体成形してなる。
そして、この半導体モジュール２は、電気的な絶縁性を備えた冷媒を流動させた冷媒配管４の内部に配置してある。
本例の半導体冷却ユニット１では、冷媒中に半導体モジュール２を浸漬してあるため、その内部のＩＧＢＴ素子１１を冷却する性能が高い。
【００４１】
なお、図１４に示すごとく、電極板１５の表面に、伝熱フィン１５９を形成することも有効である。この場合には、冷媒と電極板１５との接触面積を拡大して、熱伝達効率をさらに向上することができる。
また、半導体モジュール２の外表面のうち冷媒と接触する部分に、電気的な絶縁性を有する絶縁被膜を形成することもできる。この場合には、導電性を有する冷媒中に、半導体モジュール２を浸漬することができる。
【００４２】
なお、その他の構成及び作用効果については、実施例１と同様である。
さらになお、上記冷媒配管４に代えて、冷媒の流入及び流出がない冷媒タンク中に半導体モジュール２を浸漬することもできる。
この場合には、タンク中の冷媒の自然対流を利用して半導体モジュール２を冷却することができる。
【００４３】
（実施例５）
本例は、実施例１を基にして、上記半導体冷却ユニットの冷媒流路の接続構造を変更した例である。この例の内容について、図１５〜１９を用いて説明する。
本例の半導体冷却ユニット１では、電極板１５１、１５２の端部の位置を変更してある。
【００４４】
本例の半導体冷却ユニット１は、中空部を形成した一対の電極板１５の間にＩＧＢＴ素子１１等を挟持した上、モールド樹脂１００により一体的に覆ってなるユニットである。
図１５に示す半導体冷却ユニット１では、電極板１５の両端部は、半導体冷却ユニット１の端面に位置しており、該端面には中空部が開口している。
図１６に示す半導体冷却ユニット１では、電極板１５の両端部は、半導体冷却ユニット１をなすモールド樹脂１００の内部に位置している。
図１７に示す半導体冷却ユニット１では、電極板１５の一方の端部は、モールド樹脂１００から突出しており、他方の端部はモールド樹脂１００の内部にある。
【００４５】
なお、図１６及び図１７に示す半導体冷却ユニット１の場合において、電極板１５の端部をモールド樹脂１００の内部に配置する場合、各中空部に連通する開口形状としては、各中空部ごとに開口部１０５（図１８）を設けても良く、各中空部を集合した単一の開口部１０６（図１９）を設けても良い。
なお、その他の構成及び作用効果については実施例１と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施例１における、半導体冷却ユニットの断面構造を示す断面図。
【図２】実施例１における、半導体冷却ユニットを示す上面図。
【図３】実施例１における、半導体冷却ユニットの接続構造を示す断面図。
【図４】実施例１における、その他の半導体冷却ユニットの断面構造を示す断面図。
【図５】実施例１における、その他の半導体冷却ユニットの断面構造を示す断面図。
【図６】実施例１における、その他の半導体冷却ユニットの断面構造を示す断面図。
【図７】実施例２における、半導体冷却ユニットの断面構造を示す断面図。
【図８】実施例２における、その他の半導体冷却ユニットの断面構造を示す断面図。
【図９】実施例２における、その他の半導体冷却ユニットの断面構造を示す断面図。
【図１０】実施例２における、その他の半導体冷却ユニットの断面構造を示す断面図。
【図１１】実施例２における、その他の半導体冷却ユニットの断面構造を示す断面図。
【図１２】実施例３における、半導体冷却ユニットの断面構造を示す断面図。
【図１３】実施例４における、半導体冷却ユニットの断面構造を示す断面図。
【図１４】実施例４における、その他の半導体冷却ユニットの断面構造を示す断面図。
【図１５】実施例５における、半導体冷却ユニットその１を示す上面図。
【図１６】実施例５における、半導体冷却ユニットその２を示す上面図。
【図１７】実施例５における、半導体冷却ユニットその３を示す上面図。
【図１８】実施例５における、半導体冷却ユニットその２（その３）を示す側面図。
【図１９】実施例５における、その他の半導体冷却ユニットその２（その３）を示す側面図。
【符号の説明】
【００４７】
１  半導体冷却ユニット
１００  モールド樹脂
１１  ＩＧＢＴ素子
１１０  熱緩衝板
１５０  電力端子
１６０  制御端子
１５１、１５２、１７、１８、１９  電極板
１７１、１８１、１９１  端子部
１７２、１８２、１９２  冷媒流路部
２  半導体モジュール
２１、２１１  中空部
【図１】
2005057130.tif 000003
【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】
2005057130.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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