(57)【要約】【課題】半導体装置が設置された放熱板を裏側の水冷構造で冷却するのに当たり、放熱板の変形に伴う応力が水冷構造に対する放熱板の結合部分に集中して加わるのを防止する。【解決手段】半導体モジュール１３ｕ，１３ｖ，１３ｗを半田１５ｕ，１５ｖ，１５ｗにより絶縁基板１１ｕ，１１ｖ，１１ｗに実装した電力変換装置１ｕ，１ｖ，１ｗを、接合材１７ｕ，１７ｖ，１７ｗを介して放熱板３１の表面３１ａの中央部に設置する。放熱板３１の裏面３１ｂの放熱フィン３１ｃを、放熱板３１に結合した筐体３３の冷却水路３３ｂに収容し、放熱板３１の裏面３１ｂにおける、接合材１７ｕ，１７ｖ，１７ｗや放熱フィン３１ｃの外側に、冷却水路３３ｂに露出する環状溝３１ｄを形成する。半導体モジュール１３ｕ，１３ｖ，１３ｗの発熱による表面３１ａと裏面３１ｂとの温度差で放熱板３１に生じた内部応力を、環状溝３１ｄの部分の変形により吸収する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置（１）が表面（３１ａ）に設置される放熱板（３１）と、
前記放熱板（３１）の裏面（３１ｂ）に結合され、該裏面（３１ｂ）と協働して密閉された冷却水路（３３ｂ）を内部に形成する筐体（３３）と、
前記裏面（３１ｂ）に形成され、前記表面（３１ａ）における前記半導体装置（１）の設置範囲よりも外側で、かつ、前記筐体（３３）の結合箇所よりも内側に配置された環状溝（３１ｄ）と、
を備える半導体ユニット。
【請求項２】
前記裏面（３１ｂ）には、該裏面（３１ｂ）に結合された前記筐体（３３）の前記冷却水路（３３ｂ）に挿入される複数の放熱フィン（３１ｃ）が突設されており、前記環状溝（３１ｄ）は、前記複数の放熱フィン（３１ｃ）の突設範囲よりも外側に配置されている請求項１記載の半導体ユニット。
【請求項３】
前記半導体装置（１）は、三相交流電動機の各相に対応した複数の電力変換装置（１ｕ，１ｖ，１ｗ）を有しており、前記環状溝（３１ｄ）は、前記表面（３１ａ）における前記各電力変換装置（１ｕ，１ｖ，１ｗ）の設置範囲の全体よりも外側に配置されている請求項１又は２記載の半導体ユニット。
【請求項４】
前記表面（３１ａ）に形成され、前記裏面（３１ｂ）における前記環状溝（３１ｄ）の配置箇所よりも内側で、かつ、前記各電力変換装置（１ｕ，１ｖ，１ｗ）の設置範囲の外側にそれぞれ配置された相別環状溝（３１ｕ，３１ｖ，３１ｗ）をさらに備える請求項３記載の半導体ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の冷却構造を有する半導体ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体パワーデバイス等の半導体を用いた半導体ユニットには、半導体を冷却してその動作を正常に保つための冷却構造が欠かせない。例えば、水冷ジャケット内を流れる冷却水により半導体を冷却する直接水冷構造の半導体ユニットでは、半導体が水冷ジャケットの金属製のベース板に固定され、ベース板の反対側から突設した放熱フィンが、ベース板に取り付けた水路カバー内に収容される。そして、半導体の熱がベース板を経て伝わった放熱フィンが、水路カバー内を流れる冷却水によって冷却される（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３４９３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した特許文献１の技術のように水冷構造を有する半導体ユニットでは、水冷ジャケットの水路カバーとベース板との結合部分における水密性を確保することが極めて重要である。このため、ベース板は水路カバーに強固に結合される。
【０００５】
したがって、半導体からの熱が伝わるベース板の一方の面と冷却フィンを介して冷却水により冷却されるベース板の他方の面との温度差によりベース板に反りが生じても、ベース板と水路カバーとの結合力によってベース板は元の形状に矯正され、水路カバーとベース板との結合部分における水密性が確保される。
【０００６】
但し、反りが生じたベース板を元の形状に矯正することで、水路カバーとベース板との結合部分には大きな応力がかかる可能性がある場合は、万一に備えて、結合部分に設けられる水密シール構造等の寿命にもマイナスの影響が及ぶことに対する対策を講じることが有用となる。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、半導体を含む半導体装置が設置された放熱板を裏側の水冷構造で冷却するのに当たり、放熱板の変形に伴う応力が水冷構造に対する放熱板の結合部分に集中して加わるのを防止することができる半導体ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の１つの態様による半導体ユニットは、
半導体装置が表面に設置される放熱板と、
前記放熱板の裏面に結合され、該裏面と協働して密閉された冷却水路を内部に形成する筐体と、
前記裏面に形成され、前記表面における前記半導体装置の設置範囲よりも外側で、かつ、前記筐体の結合箇所よりも内側に配置された環状溝と、
を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体を含む半導体装置が設置された放熱板を裏側の水冷構造で冷却するのに当たり、放熱板の変形に伴う応力が水冷構造に対する放熱板の結合部分に集中して加わるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体ユニットの平面図である。
【図２】図１の半導体ユニットの側方から見た断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る半導体ユニットの平面図である。
【図４】図３の半導体ユニットの側方から見た断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は本発明の第１実施形態に係る半導体ユニットの平面図、図２は図１の半導体ユニットの側方から見た断面図である。そして、図１に示す本実施形態の半導体ユニットは、半導体装置１と半導体装置１を冷却する冷却装置３とを備えている。
【００１３】
前記半導体装置１は、本実施形態では、不図示の直流電源からの直流電流を交流に変換して不図示の三相交流電動機に供給するインバータを構成する、三相交流電動機のＵ，Ｖ，Ｗの各相に対応する３つの電力変換装置１ｕ，１ｖ，１ｗを有している。
【００１４】
各電力変換装置１ｕ，１ｖ，１ｗは、絶縁基板１１ｕ，１１ｖ，１１ｗと半導体モジュール１３ｕ，１３ｖ，１３ｗとを有している。
【００１５】
各絶縁基板１１ｕ，１１ｖ，１１ｗは、図２に示すように、絶縁性の基材１１ａの表裏両面に導電パターン１１ｂ，１１ｃをそれぞれ形成して構成されている。両導電パターン１１ｂ，１１ｃ間は、不図示のスルーホール等によって熱的に接続されている。
【００１６】
各半導体モジュール１３ｕ，１３ｖ，１３ｗは、半田１５ｕ，１５ｖ，１５ｗによって対応する絶縁基板１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの導電パターン１１ｂ上に実装されている。各半導体モジュール１３ｕ，１３ｖ，１３ｗは、各相のインバータの上アーム及び下アームをそれぞれ構成するＩＧＢＴ等のパワースイッチング半導体と、各パワースイッチング半導体にそれぞれ並列接続された環流ダイオードとを有している。
【００１７】
冷却装置３は、放熱板３１と筐体３３とを有している。放熱板３１と筐体３３とは、熱伝導率の高い例えばアルミダイキャストによって形成されている。
【００１８】
放熱板３１の表面３１ａには、冷却装置３と各絶縁基板１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの導電パターン１１ｃとを接合する半田等の接合材１７ｕ，１７ｖ，１７ｗを介して、各電力変換装置１ｕ，１ｖ，１ｗが固定して設置されている。なお、各電力変換装置１ｕ，１ｖ，１ｗは、図１に示すように、放熱板３１の表面３１ａの中央部に、周囲に余白を残して配置されている。
【００１９】
図２に示すように、放熱板３１の裏面３１ｂには、複数の放熱フィン３１ｃが一体に突設されている。放熱フィン３１ｃの突設された範囲は、放熱板３１の表面３１ａの接合材１７ｕ，１７ｖ，１７ｗの範囲とほぼ一致している。これにより、各電力変換装置１ｕ，１ｖ，１ｗの半導体モジュール１３ｕ，１３ｖ，１３ｗで発生した熱が、絶縁基板１１ｕ，１１ｖ，１１ｗ及び接合材１７ｕ，１７ｖ，１７ｗを経て、放熱板３１の放熱フィン３１ｃに伝わりやすいようにしている。
【００２０】
筐体３３は、平面視したときの外形が放熱板３１と同じ開口面３３ａを有している。開口面３３ａには、周囲に余白を残して、有底状の冷却水路３３ｂが開口している。冷却水路３３ｂは、放熱板３１の放熱フィン３１ｃを収容できる大きさを有しており、かつ、放熱板３１の裏面３１ｂの放熱フィン３１ｃが突設された範囲よりも一回り大きい開口を有している。
【００２１】
筐体３３の開口面３３ａにおける冷却水路３３ｂの開口の周囲の部分には、ボルトやねじ等の不図示の締結具によって放熱板３１の裏面３１ｂが、互いの外形の位置を一致させて結合されている。筐体３３の開口面３３ａと放熱板３１の裏面３１ｂと結合することで閉塞空間となる冷却水路３３ｂには、不図示の冷却水循環経路が接続される。
【００２２】
裏面３３ｂに筐体３３を結合した放熱板３１の放熱フィン３１ｃは、筐体３３の冷却水路３３ｂ内に収容され、不図示の冷却水循環経路から供給されて冷却水路３３ｂ内を流れる不図示の冷却水と接触する。なお、放熱板３１の裏面３１ｂと筐体３３の開口面３３ａとの間の水密性は、放熱板３１と筐体３３とを強固に結合し、筐体３３の開口面３３ａに形成した枠状溝３３ｃに収容した環状のシール部材３５を放熱板３１の裏面３１ｂに強く圧接させることで確保される。
【００２３】
そして、本実施形態の半導体ユニットでは、放熱板３１の裏面３１ｂにおける放熱フィン３１ｃの突設範囲の外側で、かつ、筐体３３の冷却水路３３ｂに露出する部分に、環状溝３１ｄが形成されている。即ち、環状溝３１ｄは、放熱板３１の表面３１ａにおける半導体装置１の設置範囲よりも外側で、かつ、筐体３３の結合箇所よりも内側に配置されている。
【００２４】
このように構成された本実施形態の半導体ユニットでは、半導体モジュール１３ｕ，１３ｖ，１３ｗからの熱が伝わる放熱板３１の表面３１ａと、放熱フィン３１ｃを介して冷却水路３３ｂの冷却水により冷却される放熱板３１の裏面３１ｂとに温度差が生じる。そして、表面３１ａと裏面３１ｂとの温度差の大きさによっては、放熱板３１の反りの原因となる内部応力が、放熱板３１の表面３１ａの接合材１７ｕ，１７ｖ，１７ｗが接合される部分や、裏面３１ｂの放熱フィン３１ｃが突設された範囲に発生する。この内部応力は、放熱板３１内を中央側から筐体３３と結合された周縁側に伝わる。
【００２５】
その際、内部応力の伝達経路上に存在する放熱板３１の裏面３１ｂの環状溝３１ｄが、薄肉に形成されて容易に変形可能であることから、環状溝３１ｄを形成した部分で放熱板３１が変形して内部応力を吸収し、筐体３３と結合された放熱板３１の周縁側に内部応力が伝達されるのを阻止する。
【００２６】
したがって、表面３１ａと裏面３１ｂとの温度差により発生した内部応力が、筐体３３と強固に結合された放熱板３１の周縁部に伝わり、筐体３３との結合力によって放熱板３１が元の形状に矯正されることで放熱板３１の筐体３３との結合箇所に大きな応力がかかるのを、環状溝３１ｄにおける放熱板３１の変形によって防ぐことができる。これにより、放熱板３１の裏面３１ｂと筐体３３の開口面３３ａとの間の水密性を確保することができる。
【００２７】
また、環状溝３１ｄが、接合材１７ｕ，１７ｖ，１７ｗを介して各電力変換装置１ｕ，１ｖ，１ｗを表面３１ａに固定した放熱板３１の中央部分を避けてその外側に配置されているので、放熱板３１の環状溝３１ｄの部分が内部応力で変形しても、それが接合材１７ｕ，１７ｖ，１７ｗを介して各電力変換装置１ｕ，１ｖ，１ｗ側に伝わり難いようにすることができる。
【００２８】
よって、環状溝３１ｄの部分の変形によって各電力変換装置１ｕ，１ｖ，１ｗの絶縁基板１１ｕ，１１ｖ，１１ｗと半導体モジュール１３ｕ，１３ｖ，１３ｗとの半田１５ｕ，１５ｖ，１５ｗや接合材１７ｕ，１７ｖ，１７ｗに発生する応力を緩和することができる。したがって、両者の接合部分の寿命が短くなるのを防ぐことができる。
【００２９】
しかも、環状溝３１ｄを放熱板３１の裏面３１ｂに形成したので、半導体ユニットの製造時に、接合材１７ｕ，１７ｖ，１７ｗに対する絶縁基板１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの取り付けや、放熱板３１の表面３１ａに対する接合材１７ｕ，１７ｖ，１７ｗが、放熱板３１の表面３１ａ上に濡れ広がっても、濡れ広がった接合材１７ｕ，１７ｖ，１７ｗで環状溝３１ｄが埋まらない。このため、放熱板３１の環状溝３１ｄの部分を常に薄肉部の状態に維持し、上述した効果を常に発揮させ続けることができる。
【００３０】
なお、以上に説明した第１実施形態では、放熱板３１の表面３１ａには薄肉部としての環状溝を形成しなかったが、放熱板３１の表面３１ａにも環状溝を形成して放熱板３１の薄肉部を増やしても良い。
【００３１】
その場合は、図３の平面図に示す本発明の第２実施形態に係る半導体ユニットのように、放熱板３１の表面３１ａにおける、各電力変換装置１ｕ，１ｖ，１ｗの絶縁基板１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの周囲に、環状溝３１ｕ，３１ｖ，３１ｗをそれぞれ形成する。これらの環状溝３１ｕ，３１ｖ，３１ｗは、放熱板３１の裏面３１ｂの環状溝３１ｄよりも内側に配置する。
【００３２】
これにより、図４の断面図に示すように、放熱板３１の表面３１ａの接合材１７ｕ，１７ｖ，１７ｗが接触する部分や、裏面３１ｂの放熱フィン３１ｃが突設された範囲に内部応力が発生した場合、この内部応力が環状溝３１ｄよりも環状溝３１ｕ，３１ｖ，３１ｗに先に伝わる。
【００３３】
したがって、環状溝３１ｄよりも薄肉部としての配置及び距離が上回る環状溝３１ｕ，３１ｖ，３１ｗを内部応力により先に変形させるようにして、表面３１ａと裏面３１ｂとの温度差により発生した放熱板３１の内部応力を、より効率的に吸収させることができる。
【００３４】
なお、上述した各実施形態では、半導体装置１が３つの電力変換装置１ｕ，１ｖ，１ｗを有しており、半導体ユニットが実質的に３つの半導体装置を有しているものとしたが、半導体ユニットが有する半導体装置は単一でも３つ以外の複数であっても良い。
【００３５】
また、環状溝３１ｄを形成する放熱板３１の裏面３１ｂに突設された複数の放熱フィン３１ｃは、別の放熱構造物に変えても良く、省略しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、半導体の冷却構造を有する半導体ユニットにおいて利用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  半導体装置
１ｕ，１ｖ，１ｗ  電力変換装置
３  冷却装置
１１ｕ，１１ｖ，１１ｗ  絶縁基板
１３ｕ，１３ｖ，１３ｗ  半導体モジュール
１５ｕ，１５ｖ，１５ｗ  半田
１７ｕ，１７ｖ，１７ｗ  接合材
３１  放熱板
３１ａ  放熱板表面
３１ｂ  放熱板裏面
３１ｃ  放熱フィン
３１ｄ，３１ｕ，３１ｖ，３１ｗ  環状溝
３３  筐体
３３ａ  開口面
３３ｂ  冷却水路
３３ｃ  枠状溝
３５  シール部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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