(57)【要約】      （修正有）【課題】直接液冷式を採用する電力用半導体モジュールの実装構造において、冷却液の洩れを阻止する液洩れ防止構造の欠点を補償し、従来よりも液洩れ防止機能を高めたこの種構造物を提供する。【解決手段】少なくとも電流をスイッチングする電力用半導体素子をモジュールベース２０１に搭載し、冷却液が流れる液冷部材２０３の開口部を前記モジュールベースで被い、前記液冷部材とモジュールベース間の接合部に、前記開口部を囲むガスケット２０４を装着した直接液冷型電力用半導体モジュールにおいて、前記ガスケットの外周を、冷却液保持・導出用溝２０５で被い、前記冷却液保持・導出用溝に、この溝内に溜まった洩液を外部に放出する手段を接続する。【選択図】図２
2005032904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも電流をスイッチングする電力用半導体素子をモジュールベースに搭載し、冷却液が流れる液冷部材の開口部を前記モジュールベースで被い、前記液冷部材とモジュールベース間の接合部に、前記開口部を囲む一組のガスケットを装着した直接液冷型電力用半導体モジュールにおいて、
前記ガスケットの外周を、冷却液保持・導出用溝で被い、前記冷却液保持・導出用溝に、この溝内に溜まった洩液を外部に放出する手段を接続したことを特徴とする直接液冷型電力用半導体モジュール。
【請求項２】
少なくとも電流をスイッチングする電力用半導体素子をモジュールベースに搭載し、冷却液が流れる液冷部材の開口部を前記モジュールベースで被い、前記液冷部材とモジュールベース間の接合部に、前記開口部を囲む多重のガスケットを装着した直接液冷型電力用半導体モジュールにおいて、
前記多重のガスケットの最外周を、冷却液保持・導出用溝で被い、前記冷却液保持・導出用溝に、この溝内に溜まった洩液を外部に放出する手段を接続したことを特徴とする直接液冷型電力用半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１または２に記載の直接液冷型電力用半導体モジュールを備えたインバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＧＢＴ）等の電力用半導体素子を有する、直接液冷型電力用半導体モジュールに関する。
【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付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、水ある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】
液冷式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、冷却液容器にグリース等の熱伝導物質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。この構造はモジュールの取付けに液洩れ対策等、余分の技術を要しない点で利点があるが、モジュールの底面、すなわち、金属ベースから冷却液に至る経路の熱抵抗が大きく、冷却能力の点で限りがあることは否めない。
【０００４】
間接液冷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、特開平９−２４６４４３号公報あるいは特開２００１−２０３３０９号公報に代表的な構造が開示されている。すなわち、これらの開示例では、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金属ベースで塞いで冷却液の流路を完成させる構造であり、液洩れ防止のためにＯリングのようなガスケットを使用していることが共通している。
【０００５】
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等の理由により、液洩れを生ずることが考えられる。用途によっては、少々の液洩れは許される場合もあるが、例えば自動車用インバータでは、高圧大電流を扱う回路が近傍に存在するため、液洩れは許されない。
【０００６】
一方、特開２００１−３０８２４６号公報、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もある。万が一冷却液が洩れた場合、この冷却液を支障のない場所に導くという発想である。
【０００７】
しかし、この構造では、内外二重のガスケットの締付圧をそれぞれ独立して制御することが困難であり、冷却液が何等かの理由で外側のガスケットを突破した場合、液洩れの原因となる。
【０００８】
なお、特開平５−１０２３６２号公報、特開２００１−２２３３１０号公報には、モジュールの底面と液冷部材とを金属同士の一体結合とした技術が開示されている。
【０００９】
しかし、金属同士の結合は剛性が高いため、何等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い、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。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−２４６４４３号公報
【特許文献２】
特開２００１−２０３３０９号公報
【特許文献３】
特開２００１−３０８２４６号公報
【特許文献４】
特開２００１−３３９０２０号公報
【特許文献５】
特開平５−１０２３６２号公報
【特許文献６】
特開２００１−２２３３１０号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来技術において、間接液冷を採用した電力用半導体モジュールの実装構造は、モジュールの取付けに液洩れ対策等、余分の技術を要しない点で利点があるが、モジュールの底面、すなわち、金属ベースから冷却液に至る経路の熱抵抗が大きく、冷却能力の点で限りがある。
【００１２】
また、直接液冷を採用した電力用半導体モジュールの実装構造は、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等の理由により、液洩れを生ずることが考えられる。
【００１３】
さらに、直接液冷を採用した電力用半導体モジュールの実装構造のうち、二重のガスケットを使用するタイプのものは、内外二重のガスケットの締付圧をそれぞれ独立して制御することが困難であり、冷却液が何等かの理由で外側のガスケットを突破した場合、液洩れの原因となる。
【００１４】
一方、モジュールの底面と液冷部材とを金属同士の一体結合とした電力用半導体モジュールの実装構造は、何等かの外力や自分自身の熱膨張により金属疲労が生じやすく、また接合時の温度上昇により半導体モジュール内の部品に悪影響を与え、さらに前記温度上昇により接合部材の残留応力が開放されて歪を生じる。
【００１５】
本発明の目的は、直接液冷式を採用する電力用半導体モジュールの実装構造において、冷却液の洩れを阻止する液洩れ防止構造の欠点を補償し、従来よりも液洩れ防止機能を高めたこの種構造物を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記目的は、少なくとも電流をスイッチングする電力用半導体素子をモジュールベースに搭載し、冷却液が流れる液冷部材の開口部を前記モジュールベースで被い、前記液冷部材とモジュールベース間の接合部に、前記開口部を囲むガスケットを装着した直接液冷型電力用半導体モジュールにおいて、前記ガスケットの外周を、冷却液保持・導出用溝で被い、前記冷却液保持・導出用溝に、この溝内に溜まった洩液を外部に放出する手段を接続することによって達成される。
【００１７】
図２に、本発明による液洩れ防止補償構造の典型例を示す。なお、理解を容易にするため、図では補償構造の説明に直接必要ない部分を省略してある。
【００１８】
冷却液は、モジュールベース２０１と液冷部材２０３で囲まれる管路状の空間内を流れる。冷却液が外部に洩れ出さないように、ガスケット２０４による液洩れ防止構造が設けられている。なお、液洩れを防ぐためには、ガスケット２０４に加圧力を加えなければならないが、そのための構造については図では省略してある。また、モジュールベース２０１はモジュールケース（内部省略）２０２と一体化され、全体としてモジュールを構成している。
【００１９】
２０５は冷却液保持・導出用溝２０５である。モジュールベース２０１と液冷部材２０３で構成される冷却液の流路を密封するための液洩れ防止構造として、リング状に成型されたガスケット２０４が使用されている。このガスケット２０４に平行に、ガスケット２０４の外周に設けられているのが冷却液保持・導出用溝２０５である。図２で冷却液保持・導出用溝２０５は２本である。また、溝２０５の一部に、冷却液導出用穴２０６が１〜数個設けられている。
【００２０】
液洩れ防止構造であるガスケット２０４の冷却液遮断機能が損なわれた場合を想定する。
【００２１】
洩れ出した液は冷却液保持及び導出用溝２０５の毛細管現象により、冷却液保持・導出用溝２０５内に保持される。その際、冷却液保持・導出用溝２０５の存在する領域にモジュールベース２０１が被さっていることがポイントとなる。すなわち、冷却液保持・導出用溝２０５から溢れた冷却液が冷却液保持・導出用溝２０５とモジュールベース２０１との間に保持され、モジュールベース２０１の外部に流れ出ない。
【００２２】
このようにして、冷却液保持・導出用溝２０５に保持された、洩れ出した冷却液は、冷却液保持・導出用溝２０５に沿って流動する。その後、冷却液保持・導出用溝２０５に設けられた冷却液導出用穴２０６に達した冷却液は、冷却液導出用穴２０６内を流れて系外に放出される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、実施例によりさらに具体的に説明する。なお、本発明はこれら実施例に限定されない。
【００２４】
本発明の実施例１〜３を、図１、図３および図４に従って説明する。
（実施例１）
本発明の第１の実施例について、図１を参照して説明する。
【００２５】
図１は、本発明の第１の実施例によ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。
【００２６】
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の二つの部品から成っている。
【００２７】
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を塗布ある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、はんだある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。
【００２８】
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、本実施例の場合インバータ底蓋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、シール構造として樹脂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、補償構造が設けられている。すなわち、シール樹脂１０５の上部空間を利用して冷却液保持・導出用溝１１４が設けられており、図２の冷却液保持・導出用溝２０５と同様の機能を有する。図２では、ガスケット２０４による液洩れ防止構造と独立して冷却液保持・導出用溝２０５を設けてあるが、本実施例では、液洩れ防止構造の一部、すなわちでシール樹脂１０５の上部空間を利用して冷却液保持・導出用溝１１４が設けられており、図２と同様の機能を発揮する。さらに、図２で冷却液導出用穴２０６と同様の機能を有する冷却液導出用溝１１３が、一方の端を冷却液保持・導出用溝１１４に開孔する形で設けられている。冷却液導出用溝１１３の他方の端は外部に開放している。冷却液導出用溝１１３は、幅が０．５ｍｍ、深さが０．５ｍｍの矩形断面であり、毛細管現象が起こりやすいようになっている。万が一洩れ出した冷却液は、シール樹脂１０５上部の冷却液保持・導出用溝１１４に溜まると同時に毛細管現象によって全周に広がる。その後、冷却液保持・導出用溝１１４と交差するように設けられた冷却液導出用溝１１３に達し、毛細管現象によって冷却液が外部に放出される。
【００２９】
放出された冷却液を検知するセンサーを設けることで、液洩れを的確に把握することも可能である。
【００３０】
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も有効である。
（実施例２）
本発明の第２の実施例について、図３を参照して説明する。
【００３１】
本実施例では、パワー半導体であるＩＧＢＴチップ３０６が冷却液３１０の流れる方向（紙面に垂直）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の実施例と同じである。また、モジュール３００の損失（内部の半導体素子の損失が主）も、第１の実施例とほぼ同じである。異なる点は、モジュール３００が、図１のようにインバータ底蓋１０３を利用した冷却液流路に取り付けられることなく、専用の液冷部材３０３に取り付けられている点にある。モジュール３００内には、より熱抵抗が小さいアルミナセラミック基板３０７を用いている。その小さい熱抵抗を生かすため、モジュールベース３０１への接着には、はんだ３１３を用いている。はんだ付けのためにアルミナセラミック基板３０７表面に金属化を施す必要があるが、図では省略した。さらに、モジュールベース３０１の素材をアルミニウムではなく銅にすることで、熱抵抗の上昇を抑えることができる。
【００３２】
次に、液洩れ防止構造およびその補償構造について述べる。まず、液洩れ防止構造であるが、シール構造としてＯリング３０４を使用している。どのような構造にも長所短所があるが、ガスケットの一部であるＯリングは使用実績の上で群を抜いており、信頼性がある。ただし、液洩れが全くないわけではないので、本実施例による液洩れ防止補償構造を備えている。すなわち、Ｏリング３０４の外周に、これと平行に冷却液保持・導出用溝３０５が、液冷部材３０３側に設けられている。さらに、冷却液保持・導出用溝３０５内に保持された冷却液３１０を外部に導くための冷却液導出用穴３１１が設けられている。冷却液導出用穴３１１は、単に液冷部材３０３に穴を開けてあるだけではなく、冷却液導出用管壁３１２を備えてパイプ状とし、その先への冷却液３１０の導出に便利なようになっている。
（実施例３）
本発明の第３の実施例について、図４を参照して説明する。
【００３３】
モジュール４０１内の構成は、第１の実施例とほぼ同じである。すなわち、モジュールベース４０２はアルミニウムであり、樹脂による絶縁層である絶縁樹脂４１４を備えている。
【００３４】
本実施例の他の実施例との相違点は、液洩れ防止構造が多重、実施例では二重になっている点である。すなわち、通常の液洩れ防止構造である第一のＯリング４０５に加えて第二のＯリング４０６が設置されている。第一のＯリング４０５を冷却液４１３が通過した場合、第二のＯリング４０６で外への流出を防止すると同時に冷却液導出用溝４０７から冷却液導出用穴４０９を経由して外部に放出する。
【００３５】
本実施例では、何等かの理由で第二のＯリング４０６を突破した冷却液４１３を外部に導く構造を提供する。すなわち、第一、第二のＯリング４０５，４０６の最外周のＯリングである第二のＯリング４０６の外周に、これと平行に冷却液保持・導出用溝４１０を設け、冷却液保持・導出用溝４１０内に保持された冷却液４１３を外部に導くための冷却液導出用穴４１１が設けている。本構造により、さらに液洩れに対して安全性の高い直接液冷型モジュール構造体４００となっている。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、直接液冷式を採用する電力用半導体モジュールの実装構造において、冷却液の洩れを阻止する液洩れ防止構造の欠点を補償し、従来よりも液洩れ防止機能を高めたこの種構造物を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す断面図である。
【図２】本発明による液洩れ防止補償構造の典型例を示す一部断面斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１００…インバータ、１０１…モジュールベース、１０２…モジュールケース、１０３…インバータ底蓋、１０４…インバータ上蓋、１０５…シール樹脂、１０６…ＩＧＢＴチップ、１０７…絶縁樹脂、１０８…銅配線パターン、１０９…ボンディングワイヤ、１１０…冷却液、１１１…冷却液入口、１１２…冷却液出口、１１３…冷却液導出用溝、１１４…冷却液保持・導出用溝、２０１…モジュールベース、２０２…モジュールケース（内部省略）、２０３…液冷部材、２０４…ガスケット、２０５…冷却液保持・導出用溝、２０６…冷却液導出用穴、３００…モジュール、３０１…モジュールベース、３０２…モジュールケース、３０３…液冷部材、３０４…Ｏリング、３０５…冷却液保持・導出用溝、３０６…ＩＧＢＴチップ、３０７…アルミナセラミック基板、３０８…銅配線パターン、３０９…ボンディングワイヤ、３１０…冷却液、３１１…冷却液導出用穴、３１２…冷却液導出用管壁、３１３…はんだ、３１４…直接液冷モジュール構造体、４００…直接液冷型モジュール構造体、４０１…モジュール、４０２…モジュールベース、４０３…モジュールケース、４０４…液冷部材、４０５…第一のＯリング、４０６…第二のＯリング、４０７…冷却液導出用溝、４０８…冷却液導出用管壁、４０９…冷却液導出用穴、４１０…冷却液保持・導出用溝、４１１…冷却液導出用穴、４１２…冷却液導出用管壁、４１３…冷却液、４１４…絶縁樹脂、４１５…ＩＧＢＴチップ、４１６…銅配線パターン、４１７…ボンディングワイヤ。
【図１】
2005032904.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005032904.tif 000006