(57)【要約】【課題】冷媒の圧力損失の増大を抑制しつつ、冷却性能を効率的に向上させ、且つ単純な構造で製造コストの増大も抑え、さらに複数の電気素子を効率的に冷却させることもできる電気素子装置を提供する。【解決手段】冷却面３ａの近傍に冷媒が流通する流路１１が形成された冷却器３と、絶縁基板５の表面５ａ側に電気素子９を搭載した電気素子搭載基板１と、を具備し、前記冷却面３ａに前記絶縁基板５の裏面５ｂ側が当接するように配設された電気素子装置１３において、複数の冷媒緩流部１１ｂと、該冷媒緩流部１１ｂよりも流路断面積が狭い冷媒急流部１１ａとを、複数の前記冷媒緩流部１１ｂが前記冷媒急流部１１ａを介して連結するように配設して前記流路１１が形成されるとともに、前記冷媒急流部１１ａが前記冷媒緩流部１１ｂよりも前記絶縁基板５側の冷却器３の冷却面３ａの近傍に配設されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却面の近傍に冷媒が流通する流路が形成された冷却器と、絶縁基板の表面側に電気素子を搭載した電気素子搭載基板と、を具備し、前記冷却面に前記絶縁基板の裏面側が当接するように配設された電気素子装置において、前記流路は、複数の冷媒緩流部と、該冷媒緩流部よりも流路断面積が狭い冷媒急流部とを、複数の前記冷媒緩流部が前記冷媒急流部を介して連結するように配設して形成されているとともに、前記冷媒急流部が前記冷媒緩流部よりも前記冷却面側の近傍に配設されていることを特徴とする電気素子装置。
【請求項２】
前記電気素子と、前記冷媒急流部とが、前記絶縁基板を挟んで対向するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電気素子装置。
【請求項３】
前記冷却面に垂直に投影したときの前記冷媒急流部の長さが、該長さ方向における前記電気素子の長さ以下であることを特徴とする請求項２に記載の電気素子装置。
【請求項４】
複数の前記冷媒急流部が、それぞれ、前記冷媒緩流部に連通していることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の電気素子装置。
【請求項５】
前記電気素子が、前記絶縁基板に複数搭載されていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の電気素子装置。
【請求項６】
複数設けた前記冷媒急流部の冷却能力が、均一であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の電気素子装置。
【請求項７】
複数設けた前記冷媒急流部の冷却能力が、少なくとも一部で異なることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の電気素子装置。
【請求項８】
複数の前記電気素子搭載基板を具備していることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれかに記載の電気素子装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のうちいずれかに記載の電気素子装置と、該電気素子装置の前記流路に充填された冷媒と、該冷媒を前記流路に流通させる冷媒流通器と、を具備することを特徴とする電気素子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーエレクトロニクス分野で用いられる電気素子の冷却装置に関し、例えば電動系車両の半導体パワーモジュールに用いられる液体の冷媒を用いて素子を冷却する手段を具備した半導体素子の冷却装置、すなわち電気素子装置および電気素子モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、パワーエレクトロニクスで用いられる電気素子には更なる小型化や大容量化が、電子機器一般においても更なる電気素子の高集積化や動作の高速化が望まれており、電気素子の発熱密度は増大する傾向にある。さらに例えば車載用半導体パワーモジュール等の冷媒を駆動して電気素子を冷却する形態では、電気素子の発熱量の増大に加え冷媒駆動用ポンプのパワーにも制限があるため、より効率的な冷却手段が求められている。
【０００３】
これらの要求に対して、従来、電気素子を搭載した絶縁基板を冷媒流通路となる冷媒ジャケットの外面に接合し、電気素子の裏面の流路内面に複数の棒状の放熱フィンを略素子中心の長さが最大となり外側に向かうほど短くなるように設けた構造（例えば、特許文献１参照。）や、同様の構成で放熱フィンの断面形状を流線形とした構造（例えば、特許文献２参照。）の電気素子装置が提案されている。
【０００４】
また、冷媒ジャケット内を上下の空間に仕切り板で仕切り、該冷媒ジャケットの下空間の一方の側面に冷媒供給口を設け、該冷媒ジャケットの上空間の冷媒供給口に対向する側面に冷媒排出口を設け、粘性率１．０ｍＰａ以上の冷媒を供給し、該冷媒ジャケットの上面を構成する絶縁基板に搭載された複数の電気素子の裏面のそれぞれに冷媒が衝突するように該仕切り板に素子と同数の穴を開け、冷媒が衝突する素子裏面に良熱伝導性突起物を設けた構造（例えば、特許文献３参照。）の電気素子装置が提案されている。
【０００５】
さらに、電気素子を搭載したセラミックス基板の裏面にアルミニウムを主成分とする金属からなる放熱板を設け、流路断面積の小さい複数の冷媒流路が平行に形成された冷却ユニットと該セラミックス基板の放熱板側の面をアルミニウム系ロウ材で接合した構造（例えば、特許文献４参照。）の電気素子装置が提案されている。
【特許文献１】特開２００３−３２４１７３号公報
【特許文献２】特開２００２−１８５１７５号公報
【特許文献３】特開２００２−３１４２８０号公報
【特許文献４】特開２００２−０９３９６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術の電気素子装置は、放熱フィンの形状を工夫したり液体冷媒と組み合わせたり等をして、放熱効率を高めつつ冷媒の圧力損失も抑制しており、それぞれ有効な電気素子の冷却手段である。ところが、例えば半導体パワーモジュールの更なる小型化や大容量化の要求にみられるように放熱性能は更に高いものが望まれるようになっている。
【０００７】
この要求に対し、放熱フィンや良熱伝導性突起物の熱伝達面積を更に増す方法があるが、一般に形状が複雑になる傾向になり製造コストが高くなる。また熱伝達面積を増すと冷媒の圧力損失も一般に増大しこれを抑制する為に形状がより複雑となり製造コストは更に高くなる問題がある。また、例えば、特許文献４のような流路断面積の小さい複数の冷媒流路が平行に形成された電気素子装置では、冷媒の流速を高めて冷媒流路内の熱伝達率を高める方法があるが、このように単純な流路構造では流速を高めたことに伴う圧力損失の増大を抑制する手段が限られる為、流れ方向を一定として圧力損失を低減するような例えば直管構造が一般にとられ、流路断面積を変更することで放熱性と圧力損失のバランスを調整していた。しかし前記方法では放熱性の向上に限界があった。
【０００８】
本発明の目的は、パワーエレクトロニクスで用いられる電気素子、とくに車に搭載されるような冷媒駆動用ポンプのパワーが制限される半導体パワーモジュール等の小型化や大容量化に伴う更なる冷却性能向上の要求に対し、冷媒の圧力損失の増大を抑制しつつ、冷却性能を効率的に向上させ、且つ単純な構造で製造コストの増大も抑え、さらに複数の電気素子を効率的に冷却させることができる電気素子装置および電気素子モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電気素子装置は、冷却面の近傍に冷媒が流通する流路が形成された冷却器と、絶縁基板の表面側に電気素子を搭載した電気素子搭載基板と、を具備し、前記冷却面に前記絶縁基板の裏面側が当接するように配設された電気素子装置において、前記流路は、複数の冷媒緩流部と、該冷媒緩流部よりも流路断面積が狭い冷媒急流部とを、複数の前記冷媒緩流部が前記冷媒急流部を介して連結するように配設して形成されているとともに、前記冷媒急流部が前記冷媒緩流部よりも前記冷却面側の近傍に配設されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の電気素子装置は、前記電気素子と、前記冷媒急流部とが、前記絶縁基板を挟んで対向するように形成されていることが望ましい。
【００１１】
また、本発明の電気素子装置は、前記冷却面に垂直に投影したときの前記冷媒急流部の長さが、該長さ方向における前記電気素子の長さ以下であることが望ましい。
【００１２】
また、本発明の電気素子装置は、複数の前記冷媒急流部が、それぞれ、前記冷媒緩流部に連通していることが望ましい。
【００１３】
また、本発明の電気素子装置は、前記電気素子が、前記絶縁基板に複数搭載されていることが望ましい。
【００１４】
また、本発明の電気素子装置は、複数設けた前記冷媒急流部の冷却能力が、均一であることが望ましい。
【００１５】
また、本発明の電気素子装置は、複数設けた前記冷媒急流部の冷却能力が、少なくとも一部で異なることが望ましい。
【００１６】
また、本発明の電気素子装置は、複数の前記電気素子搭載基板を具備していることが望ましい。
【００１７】
本発明の電気素子モジュールは、以上説明した前記電気素子装置と、該電気素子装置の前記流路に充填された冷媒と、該冷媒を前記流路に流通させる冷媒流通器と、を具備することを特徴とする電気素子モジュール。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の電気素子装置によれば、冷媒緩流部と、該冷媒緩流部よりも流路断面積が狭い冷媒急流部とにより形成された流路が、複数の冷媒緩流部が冷媒急流部を介して連結されて形成されるとともに、冷媒急流部を冷媒緩流部よりも絶縁基板側の冷却器の冷却面の近傍に配設することで、冷媒急流部において流路を流通する冷媒の流速を冷媒緩流部よりも速くすることができ、しかも、冷媒が電気素子側に偏って流通するようになるため、特に電気素子近傍において冷却効果を向上させることができる。また、冷媒緩流部においては冷媒急流部よりも流路の断面積が大きくなるために電気素子装置としては圧力損失を小さくすることができるので効率のよい電気素子装置となる。
【００１９】
また、本発明の電気素子装置によれば、電気素子と冷媒急流部とを絶縁基板を介して対向するように配設することで電気素子と冷媒急流部との距離を小さくすることができ、冷却効率を向上させることができる。
【００２０】
また、本発明の電気素子装置によれば、冷却面に垂直に投影したときの冷媒急流部の長さを、対向する電気素子の長さ以下とすることで、流路の断面積が狭く、圧力損失が大きくなる原因となる冷媒急流部の長さを、必要な冷却面積を確保しつつ小さくすることができ、圧力損失が小さい電気素子装置となる。
【００２１】
また、本発明によれば、電気素子を絶縁基板に複数搭載することで、相対的に電気素子あたりの電気素子装置の大きさを小さくすることができる。
【００２２】
また、本発明の電気素子装置によれば、複数の流路を並列的に冷媒急流部として形成し、それぞれ、冷媒緩流部に連結することで、流路断面積が大きく圧力損失の小さい冷媒緩流部に挟まれるように、圧力損失の大きい複数の冷媒急流部が並列に形成されるため、複数の前記冷媒急流部にかかる圧力勾配をほぼ均一とすることができ、それぞれの冷媒急流部において流路断面積と流路長さを変えることで容易に冷媒の分配量を変えることができる。即ち、それぞれの冷媒急流部での冷却能力を容易に変えることができる。さらに、この冷媒急流部は、電気素子搭載基板の冷却面に対し電気素子の位置に合わせ離散的に配置でき、必要な冷却領域のみを選択的に冷却する事で、冷却効率を高めつつ冷媒の圧力損失を抑制できる。
【００２３】
また、本発明の電気素子装置によれば、複数設けた前記冷媒急流部の冷却能力を、均一とすることで、複数搭載された電気素子の発熱量が均一の場合に、全ての電気素子を均等の効率で冷却することができる。
【００２４】
また、本発明の電気素子装置によれば、複数設けた前記冷媒急流部の冷却能力を、少なくとも一部で異なるようにすることで、複数搭載された電気素子の発熱量が異なる場合でも、それぞれの電気素子の発熱量に応じた効率で冷却することができる。
【００２５】
また、電気素子装置が、複数の電気素子搭載基板を具備する場合にも同様に相対的に電気素子あたりの電気素子装置の大きさを小さくすることができる。
【００２６】
また、本発明の電気素子モジュールは、以上説明した電気素子の流路に冷媒を満たし、この冷媒を冷媒流通器により流通させるもので、圧力損失が小さく、高効率な電気素子モジュールとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の電気素子装置並びに電気素子モジュールの一実施形態を、例えば電気素子がＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である場合について説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれのみに限定するものではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２８】
本発明の電気素子装置は、例えば、図１に示すように、電気素子搭載基板１と、冷却器３とを具備するものである。
【００２９】
この電気素子搭載基板１は、Ｓｉ３Ｎ４などのセラミックスで形成された絶縁基板５の表面５ａ側に、順次、Ｃｕ製の配線パターン７ａと電気素子９が配設され、絶縁基板５の裏面５ｂ側に、Ｃｕ製の金属板７ｂが配設されて形成されている。
【００３０】
また、冷却器３には、冷媒（図示せず）が流通する流路１１が形成されている。
【００３１】
この電気素子搭載基板１の裏面５ｂ側と、冷却器３とを接触させて、本発明の電気素子装置１３が構成されている。図１の例では、電気素子搭載基板１と冷却器３とは、Ａｇ系のロウ材１０で接合されている。
【００３２】
この冷却器３は、流路１１に冷媒を流通させて、電気素子９より発生した熱を冷媒に伝達させ、電気素子９を冷却する機能を有するものである。そして、冷却器３の電気素子搭載基板１と接する側の表面の近傍に流路１１を形成することで、冷却器３の電気素子搭載基板１と接する側の表面を電気素子９を冷却する機能を有する冷却面３ａとすることができる。
【００３３】
この冷却器３に形成された流路１１は、電気素子９近傍、即ち絶縁基板５の近傍に形成される冷媒急流部１１ａと、この冷媒急流部１１ａよりも流路の断面積が大きい冷媒緩流部１１ｂとを連結させて形成されている。
【００３４】
この冷媒急流部１１ａにより複数の冷媒緩流部１１ｂ同士を連結することで、流路１１を流れる冷媒は、冷媒急流部１１ａでこそ圧力損失が大きくなるものの冷媒緩流部１１ｂにおいては圧力損失が非常に小さくなるため、本発明の電気素子装置１３を用いた電気素子モジュールではモジュール全体として圧力損失を小さくすることができる。
【００３５】
そして、冷媒急流部１１ａでは冷媒の流速が速いため、電気素子の近傍では高い冷却効率を実現することができる。
【００３６】
特に、冷媒急流部１１ａが冷媒緩流部１１ｂよりも前記絶縁基板５側の冷却器３の表面に近接するように冷媒緩流部１１ｂよりも冷媒急流部１１ａが冷却面３ａよりに偏るようにすることで、図２に示すように冷媒急流部１１ａの電気素子９側の流路壁面１２ａにおける冷媒の流速Ｖａ（以下、素子側流速Ｖａと略称する）を、この電気素子９側の流路壁面１２ａと対向する側の流路壁面１２ｂにおける冷媒の流速Ｖｂ（以下、対向流速Ｖｂと略称する）よりも大きくすることができる。
【００３７】
このように対向流速Ｖｂよりも、素子側流速Ｖａを大きくすることで、冷却器３の冷却能力をさらに向上させることができる。
【００３８】
すなわち、発熱する電気素子９の近傍に形成された電気素子９側の流路壁面１２ａにおける素子側流速Ｖａを大きくすることで、電気素子９からの熱を効率的に冷媒に伝達することが可能となる。
【００３９】
さらに、電気素子９と、冷媒急流部１１ａとを絶縁基板５を挟んで対向するように配設することで、電気素子９から冷媒への伝熱距離を小さくすることができ、電気素子装置１３の冷却能力を高くすることができる。
【００４０】
また、電気素子装置１３の圧力損失をできるだけ小さくするとともに、冷却効率を維持するためには、冷却面３ａに垂直に投影したときの冷媒急流部１１ａの長さＬ１１ａは、この冷媒急流部１１ａと対向して配設された電気素子９の長さＬ９以下であることが望ましい。
【００４１】
また、図３に示すように、冷媒急流部１１ａは、冷媒緩流部１１ｂに対して複数、並列的に連通させても良く、その場合には、冷媒急流部１１ａは、電気素子搭載基板１の冷却面に対し電気素子９の位置、すなわち図３において破線で示す電気素子搭載部９ａに合わせ離散的に配置でき、必要な冷却領域のみを選択的に冷却する事で、電気素子９の冷却効率を高めつつ冷媒の圧力損失を抑制できる。
【００４２】
なお、図３において破線で示した部分が電気素子９が搭載される電気素子搭載部９ａである。
【００４３】
また、並列に形成された複数の冷媒急流部１１ａは、図３に示すように、全ての冷媒急流部１１ａの断面積と長さを一定としても良く、この場合、全ての冷媒急流部１１ａに供給される冷媒流量は均一となる。即ち、全ての冷媒急流部の冷却能力を均一にできるので、発熱量が均一な複数の電気素子９を均等に冷却できる。
【００４４】
また、並列に形成された複数の冷媒急流部１１ａは、例えば図４に示すように、それぞれの冷媒急流部１１ａにおける流路の断面積を少なくとも一部で異なるようにしても良く、この場合、それぞれの冷媒急流部１１ａにかかる圧力勾配はほぼ均一なので、流路断面積の小さい冷媒急流部１１ｃには冷媒の分配量が少なくなって冷却能力も小さくなり、流路断面積の大きい冷媒急流部１１ａには冷媒の分配量が多くなって冷却能力も大きくなる。
【００４５】
また、図４に示すように、それぞれの電気素子９に対向する冷媒急流部１１ａの数を変えても良く、並列に形成された冷媒急流部１１ａの形成ピッチを変えても良い。この場合、電気素子９あたりの冷媒急流部１１ａの数が多いほど、そして冷媒急流部１１ａの形成ピッチが小さいほど、電気素子９あたりの冷却能力は高くなる。即ち、電気素子搭載基板１の冷却面の電気素子９の位置に合わせた離散的な複数の冷却領域に対し、冷却能力をそれぞれ異なるようにできるので、複数の電気素子９の発熱量が異なる場合でも、発熱量に応じた冷却能力で全ての電気素子９を効率的に冷却できる。
【００４６】
また、並列に形成された複数の冷媒急流部１１ａは、例えば図５に示すように、電気素子９に対向する１組の冷媒急流部１１ａの中で、流路断面積や冷媒急流部１１ａの形成ピッチを変えても良く、この場合、前記説明の通り、流路断面積の大きいほど、あるいは冷媒急流部の形成ピッチが小さいほど、冷媒急流部１１ａの冷却能力を大きくできるため、電気素子の高温部分ほど冷却能力を高くすることで効率的に冷却できる。
【００４７】
また、冷媒急流部１１ａと冷媒緩流部１１ｂとを複数直列に連通させても良い。
【００４８】
以下に、本発明の電気素子装置１３について、さらに具体的な形態を説明する。
【００４９】
本発明の電気素子装置１３は、例えば、図１に示すように、３５ｍｍ×９５ｍｍ×０．３ｍｍのＳｉ３Ｎ４製絶縁基板の一方の主面５ａに形成された厚み０．３ｍｍのＣｕ製の配線パターン上に１辺が約１０ｍｍの電気素子９をほぼ均等の間隔にて半田で４個搭載した電気素子搭載基板１を、冷媒流通路を形成したおよそ３５ｍｍ×９５ｍｍ×２５ｍｍのＣｕ製冷却器３の縦横寸法の合致する対向する２面にＡｇ系のロウ材でそれぞれ接合したものである。即ち、本例の電気素子装置１３では略直方体の対向する２面に計８個の電気素子９が搭載されている。
【００５０】
冷却器３に形成された冷媒急流部１１ａの長さは、対向する電気素子９の素子寸法１０ｍｍよりも小さくすることが望ましく、例えば４ｍｍの長さを有している。また、この冷媒急流部１１ａは縦２ｍｍ横２ｍｍの断面形状の流路を形成しており、冷媒急流部１１ａは冷却器３の冷却面３ａから０．３ｍｍの深さで配設されている。
【００５１】
そして、この冷媒急流部１１ａに連結される冷媒緩流部１１ｂは、流路の断面形状が１５ｍｍ×１５ｍｍで、冷媒急流部１１ａを両側から挟むように形成されている。
【００５２】
冷媒急流部１１ａは、この冷媒緩流部１１ｂよりも電気素子搭載基板１側の冷却器３の表面に近接するように形成される。そして、冷媒急流部１１ａは、電気素子９毎に２ｍｍピッチで計３本冷媒緩流部１１ｂ間に形成される。なお、中心の１本の冷媒急流部１１ａが電気素子９の略中心と重なるように形成している。
【００５３】
このような電気素子装置１３は、該電気素子装置１３外に別途設けられた冷媒流通器である冷媒駆動用ポンプを用い、例えば水等の液体の冷媒が先ず一方の冷媒緩流部１１ｂに供給され、次に各電気素子９の直下に設けられた複数の冷媒急流部１１ａに供給されて電気素子９を冷却し、最後にもう一方の冷媒緩流部１１ｂにて合流し電気素子装置１３外に排出される。
【００５４】
そして、以上説明したように本発明の電気素子装置１３の流路１１に冷媒を満たし、冷媒流通器により冷媒を流通させる本発明の電気素子モジュールは、冷却効率が高く、しかも圧力損失の小さな優れた電気素子モジュールとなる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の電気素子装置の断面図である。
【図２】本発明の電気素子装置の要部拡大図である。
【図３】本発明の冷却器の透過図である。
【図４】本発明の冷却器の透過図である。
【図５】本発明の冷却器の透過図である。
【符号の説明】
【００５６】
１・・・電気素子搭載基板
３・・・冷却器
５・・・絶縁基板
５ａ・・・電気素子搭載基板の表側
５ｂ・・・電気素子搭載基板の裏側
７・・・配線パターン
９・・・電気素子
９ａ・・・電気素子搭載部
１１・・・流路
１１ａ・・・冷媒急流部
１１ｂ・・・冷媒緩流部
１１ｃ・・・流路断面積の小さい冷媒急流部
１２ａ・・・電気素子側の流路壁面
１２ｂ・・・電気素子側の流路壁面と対向する側の流路壁面
１３・・・電気素子装置
Ｌ９・・・冷媒急流部と対向する電気素子の長さ
Ｌ１１ａ・・・電気素子と対向する冷媒急流部の長さ
【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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