(57)【要約】【課題】本明細書は、シール部材を挟んで相手方の部材に押し付け、積層方向の荷重により水密性を確保する積層体を含む半導体装置に関し、積層体全体の耐振動特性を向上するための技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置は、複数の冷却器と複数のパワーカードが積層されている積層体１０と、積層体１０を積層方向に荷重する板バネを備えている。隣り合う冷却器２ａ、２ｂの間にパワーカード３ｂが挟まれている。冷却器２ｂは、冷却器２ａへ延びているとともに冷却器２ａ、２ｂの冷媒流路を連通する筒状の連結部１２ｂを備えている。連結部１２ｂの先端面１６ｂがテーパ状に突出しており、先端面１６ｂと当接する冷却器２ａの当接面１４ａがテーパ状に窪んでおり、先端面１６ｂと当接面１４ａの間にシール部材６０ａが挟まれている。そして、板バネの荷重により、先端面１６ｂと当接面１４ａの間の封止が確保されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷媒流路を備えた冷却器とパワーカードが交互に並ぶように複数の前記冷却器と複数の前記パワーカードが積層されている積層体と、
前記積層体をその積層方向に荷重する荷重部材と、
を備えており、
前記パワーカードを挟んで隣り合う２個の前記冷却器のうちの一方の冷却器は、前記パワーカードの側方を通過するように他方の冷却器へ延びているとともに隣り合う２個の前記冷却器の前記冷媒流路を連通する筒状の連結部を備えており、
前記連結部の先端面と当該先端面が当接する前記他方の冷却器の当接面のうちの一方がテーパ状に突出しており他方がテーパ状に窪んでおり、テーパ状の前記先端面と前記当接面の間にシール部材が挟まれており、
前記荷重部材の荷重によって前記連結部の前記先端面と前記他方の冷却器の前記当接面の間を封止が確保されている、
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、冷却器とパワーカードが交互に並ぶように複数の冷却器と複数のパワーカードが積層されている積層体を備える半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発熱する半導体素子を封止した複数のパワーカードを冷却するのに好適な構造を備えた半導体装置が知られている。例えば、特許文献１には、冷却プレート（本願の冷却器に相当）と半導体パッケージ（本願のパワーカードに相当）が交互に並ぶように複数の冷却プレートと複数の半導体パッケージが積層されている積層体を備えた電力変換装置（半導体装置）が開示されている。各冷却プレートは内部が冷媒流路になっているとともに、冷却プレートと半導体パッケージの積層方向に延びている一対の連結管を有している。隣り合う冷却プレートの連結管同士が連結され、夫々の冷却プレートの流路が連通する。特許文献１の電力変換装置の積層体では、一方の連結管の外径と他方の連結管の内径がほぼ同じであり、一方の連結管が他方の連結管に挿入されている。なお、特許文献２には、連結管を冷却器に設けられている開口に挿通し、連結管と冷却器との間をいわゆる軸シールにて封止する構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−０９８４６１号公報
【特許文献２】特開２０１１−１９８８０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の半導体装置の積層体では、連結管として薄肉のパイプが用いられており、一方のパイプ（連結管）に他方のパイプ（連結管）が挿入され、両者の水密性が確保されている。連結管が肉厚の場合、あるいは、一方の冷却器から延びている連結管を他方の冷却器の表面に連結する場合などは、挿入ではなく、連結管の先端面を、シール部材を挟んで相手方の部材に押し付け、積層方向の荷重により水密性を確保したい場合がある。複数の冷却器と複数のパワーカードを積層し、連結管の先端面を、シール部材を挟んで隣接する冷却器に押し付ける構造では、積層体全体の耐振動特性（特に積層方向に直交する方向の耐振動特性）が低くなってしまう。本明細書は、複数の冷却器と複数のパワーカードが積層されており、パワーカードを挟んで隣り合う冷却器がシール部材を挟んで連結されている積層体を備えた半導体装置に関し、その耐振動特性を高める技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体装置は、内部に冷媒流路を備えた冷却器とパワーカードが交互に並ぶように複数の冷却器と複数のパワーカードが積層されている積層体と、積層体をその積層方向に荷重する荷重部材を備えている。パワーカードを挟んで隣り合う２個の冷却器のうちの一方の冷却器は、パワーカードの側方を通過するように他方の冷却器へ延びているとともに隣り合う２個の冷却器の冷媒流路を連通する筒状の連結部を備えている。連結部の先端面と、先端面が当接する他方の冷却器の当接面のうちの一方がテーパ状に突出しており他方がテーパ状に窪んでおり、テーパ状の先端面と当接面の間にシール部材が挟まれている。半導体装置の積層体は、上記した荷重部材の荷重によって、連結部の先端面と他方の冷却器の当接面の間を封止が確保されている。
【０００６】
この構成によれば、一方の冷却器の連結部と他方の冷却器の間は、シール部材と荷重部材により封止される。ここで、シール部材は、テーパ状に突出した先端面とテーパ状に窪んだ当接面の間に挟まれている。これにより、積層体が振動しても、特に、積層方向に直交する方向に振動しても、先端面が当接面に対してずれ難くなる。即ち、積層体の耐振動特性が向上する。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例の電力変換器の平面図である。
【図２】積層ユニットの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。実施例の半導体装置は、積層ユニット１０を備える電力変換器１００である。図１に電力変換器１００の平面図を示す。電力変換器１００の積層ユニット１０は、ケース５３に収容されている。電力変換器１００は、電気自動車に搭載される。電力変換器１００は、電圧コンバータ回路とインバータ回路を含む。電力変換器１００は、昇圧コンバータ回路により車載電源から供給される直流電力を昇圧し、インバータ回路により昇圧後の直流電力を走行用のモータの駆動に適した交流電力に変換する。なお、電気自動車の制動時、走行用のモータは、回生エネルギを電気エネルギに変換する発電機として機能する。この場合、電力変換器１００は、インバータ回路によりモータから供給される交流電力を直流電力に変換し、電圧コンバータ回路により変換後の直流電力を電源電圧の充電に適した電圧まで降圧する。即ち、電圧コンバータ回路は、いわゆる、双方向コンバータ回路である。電圧コンバータ回路は２個の半導体素子を含み、インバータ回路は６個の半導体素子を含む。夫々の半導体素子は、大きな電流を導通／遮断するので発熱量が大きい。なお、電圧コンバータ回路及びインバータ回路の回路構成は、よく知られているので、説明は省略する。また、半導体素子の数は、車両の種類（電力変換器の種類）によって異なってもよい。
【０００９】
積層ユニット１０は、上記した８個の半導体素子を集約して集中的に冷却するユニットである。積層ユニット１０は、パワーカードと冷却器が交互に並ぶように４個のパワーカード３ａ−３ｄと５個の冷却器２ａ−２ｅが積層されたユニットである。即ち、隣り合う２つの冷却器（例えば、冷却器２ａ、２ｂ）の間に１つのパワーカード（例えば、パワーカード３ｂ）が挟まれている。図中のＸ軸方向が、パワーカード３ａ−３ｄと冷却器２ａ−２ｅが積層されている方向（以下、積層方向）に相当する。なお、パワーカードの数及び冷却器の数は、半導体素子の数によって、異なってもよい。
【００１０】
パワーカード３ａ−３ｄは同じ構造を有している。代表して、パワーカード３ａの構造を説明する。パワーカード３ａは、２個の半導体素子を樹脂でモールドしたパッケージである。パワーカード３ａの内部で２個の半導体素子が直列に接続されている。パワーカード３ａからは３本の端子が伸びている。３本の端子の夫々は、半導体素子の直列回路の高電位側端子、低電位側端子、直列回路の中点の端子に相当する。また、パワーカード３ａからは、上記３本の端子のほか、半導体素子（トランジスタ）のゲートに通じる端子（ゲート端子（不図示））が、端子が伸びている側面とは反対側の側面から伸びている。
【００１１】
パワーカード３ａ−３ｃに含まれている半導体素子により、上記のインバータ回路が構成される。パワーカード３ａ−３ｃの高電圧端子が積層方向に延びる１つのバスバ（不図示）に接続され、パワーカード３ａ−３ｃの低電圧端子が同じく積層方向に延びる他のバスバ（不図示）に接続される。また、パワーカード３ｄに含まれている半導体素子とケース５３に収容されるリアクトル５５により、上記の電圧コンバータ回路が構成される。リアクトル５５は、電源電圧の高電圧側の端子とパワーカード３ｄの中点の端子の間に接続される。なお、リアクトル５５は、ケース５３内で積層ユニット１０に対して積層方向に隣接して配置されている。
【００１２】
冷却器２ａ−２ｃは、同じ構造を有している。冷却器２ｄと２ｅは、冷却器２ａ−２ｃとは若干構造が異なる。これら、冷却器２ａ−２ｅの内側を液体の冷媒が通る。冷媒の典型は水、あるいは、ＬＬＣ（Long Life Coolantの略）である。先ず、冷却器２ａ−２ｃの代表として冷却器２ａの構造を説明する。冷却器２ａは、樹脂製である。冷却器２ａは、Ｙ軸方向に延びる中央部２０ａと、中央部２０ａのＹ軸方向の両端に設けられている一対の連結部１２ａ、１３ａと、を備える。中央部２０ａの内側には、Ｙ軸方向に延びる流路が設けられている。一対の連結部１２ａ、１３ａは筒状であり、積層方向（即ち、Ｘ軸方向）に沿って延びている。一対の連結部１２ａ、１３ａと中央部２０ａの流路は連通している。
【００１３】
冷却器２ａの中央部２０ａの積層方向（即ち、Ｘ軸方向）の両面は、開口しており、両面の各開口は、中央部２０ａの内側の流路と連通している。中央部２０ａのＸ軸負方向側の側面に設けられている開口は、金属板４ａにより塞がれており、反対側の側面に設けられている開口は、金属板４ｄにより塞がれている。金属板４ａは、絶縁板５ａを介してパワーカード３ｂに接しており、金属板４ｄは、絶縁板５ｄを介してパワーカード３ａに接している。金属板の材料は、熱伝導率が高い金属、例えば、アルミニウムである。パワーカードの発熱は、熱伝導率が高い金属板を介することで、効率よく冷却器の内部を通過する冷媒に伝達する。絶縁板も、金属板と同じく熱伝導率が高い材料、例えば、高熱伝導のセラミックである。
【００１４】
冷却器２ｄは、Ｘ軸正方向の側面の構造が、冷却器２ａと異なる。具体的には、冷却器２ｄの中央部２０ｄのＸ軸正方向の側面は、開口していない。そして、冷却器２ｄの一対の筒状の連結部１２ｄ、１３ｄのそれぞれには、Ｘ軸正方向側にて排出管５２、供給管５１が設けられており、連結部１２ｄ、１３ｄのそれぞれは、排出管５２、供給管５１と連通している。図１に示すように、冷却器２ｄは、積層冷却ユニット１０のＸ軸正方向の端部に配置される。また、冷却器２ｅは、Ｘ軸負方向の側面の構造が、冷却器２ａと異なる。具体的には、冷却器２ｄの中央部２０ｄ及び一対の連結部１２ｅ、１３ｅのそれぞれのＸ軸負方向の側面は、開口していない。図１に示すように、冷却器２ｅは、積層ユニット１０のＸ軸負方向の端部に配置される。
【００１５】
冷却器２ａ−２ｅが積層することにより、冷却器２ａ−２ｅの連結部１２ａ−１２ｅが連結し、積層ユニット１０のＹ軸負方向の端部にて積層方向に延びる冷媒の流路が形成される。同様に、冷却器２ａ−２ｅの連結部１３ａ−１３ｅが連結し、積層ユニット１０のＹ軸正方向の端部にて積層方向に延びるもう一つの冷媒の流路が形成される。これら冷媒の流路は、冷却器２ａ−２ｅの中央部２０ａ−２０ｅの内側の流路と連通する。
【００１６】
積層ユニット１０は、ケース５３に設けられた支持壁５３ａと、一方の側壁５３ｂとの間に配置される。側壁５３ｂには、積層ユニット１０の排出管５２及び供給管５１のそれぞれが通過する２つの貫通孔が設けられている。積層ユニット１０のＸ軸正方向の端部、即ち、冷却器２ｄは、側壁５３ｄに当接する。また、積層ユニット１０のＸ軸負方向の端部、即ち、冷却器２ｅと、支持壁５３ａとの間に、板バネ５４が挿入される。積層ユニット１０には、板バネ５４により、積層方向の圧力が加えられる。板バネ５４による圧力の総計は、数キロニュートンにも及ぶ。この圧力により、金属板と絶縁板、及び、絶縁板とパワーカードが密着し、金属板とパワーカードの間の伝熱性が向上する。また、詳しくは後述するが、各冷却器の中央部の開口と金属板の間、及び、隣接する２つの冷却器の連結部同士の間は、板バネ５４の圧力により、水密性が確保される。
【００１７】
図２を参照して、各冷却器の中央部の開口と金属板の間、及び、隣接する２つの冷却器の連結部の間の構造について説明する。図２は、積層冷却ユニット１０の冷却器２ａ−２ｃが積層している部分を、各冷却器の内側の流路を通過するＸＹ平面に沿って切断した部分断面図である。なお、図２では、Ｙ軸方向の図示を一部で省略している。
【００１８】
各冷却器の中央部の開口と金属板の間の構造は、冷却器２ａ−２ｃで同じである。代表して、冷却器２ａの中央部２０ａのＸ軸負方向の開口２２ａと金属板４ａの間の構造について説明する。中央部２０ａの開口２２ａの周囲の側面と金属板４ａの間には、シール部材３０ａが配置されている。シール部材３０ａは、例えば、ゴム製のＯリングである。シール部材３０ａは、上記の板バネ５４の圧力により、開口２２ａの周囲の側面と金属板４ａの間で圧縮され、当該側面と金属板４ａの双方に密着する。これにより、開口２２ａと金属板４ａの間の水密性が確保される。なお、金属板４ａの開口２２ａ側の側面には、フィン４０ａが設けられている。これにより、金属板４ａと冷媒との接触面積が拡がり、金属板４ａの伝熱性が向上する。中央部２０ａのＸ軸正方向の開口と金属板４ｄ（図１参照）の間の構造は、上述の構造と同様である。なお、冷却器２ｄ、２ｅの中央部の開口と金属板の間の構造も、上記の構造と同じである。
【００１９】
パワーカードを挟んで隣り合う２つの冷却器の連結部の間の構造は、冷却器２ａ−２ｃで同じである。代表して、冷却器２ａの一対の連結部１２ａ、１３ａと冷却器２ｂの一対の連結部１２ｂ、１３ｂとの間の構造について説明する。冷却器２ｂの筒状の連結部１２ｂは、隣接する冷却器２ａへ延びている。連結部１２ｂの先端面１６ｂは、隣接する冷却器２ａの連結部１２ａの後端面１４ａに当接している。先端面１６ｂは、テーパ状に突出しており、後端面１４ａは、テーパ状に窪んでいる。先端面１６ｂと後端面１４ａは、互いに平行である。先端面１６ｂと後端面１４ａの間には、シール部材６０ａが挟まれている。後端面１４ａには、溝１８ａが設けられており、シール部材６０ａは、当該溝１８ａに嵌合している。溝１８ａにより、シール部材６０ａの後端面１４ａに沿った移動が規制される。シール部材６０ａは、例えば、ゴム製のＯリングである。シール部材６０ａは、上記の板バネ５４の圧力により、先端面１６ｂと後端面１４ａの間で圧縮され、先端面１６ｂと後端面１４ａの双方に密着する。これにより、連結部１２ａと連結部１２ｂの間の水密性が確保される。また、冷却器２ａのもう一つの連結部１３ａと、冷却器２ｂのもう一つの連結部１３ｂの間の構造は、連結部１２ａと連結部１２ｂの間の構造と同じである。
【００２０】
図示は省略するが、冷却器２ａの一対の連結部１２ａ、１３ａと冷却器２ｄの一対の連結部１２ｄ、１３ｄとの間の構造は、上述の構造と同じである。同様に、冷却器２ｃの一対の連結部１２ｃ、１３ｃと冷却器２ｅの一対の連結部１２ｅ、１３ｅとの間の構造も、上述の構造と同じである。
【００２１】
図２に示す太線矢印は、冷却器２ａ−２ｃの内側を通過する冷媒の流れを示す。供給管５１から供給された冷媒は、冷却器２ａ−２ｅの連結部１２ａ−１２ｅが連結することにより形成された流路Ｐ１に流れ込む。流路Ｐ１に流れ込んだ冷媒は、各連結管から各冷却器の中央部の流路Ｐ３に分配される。流路Ｐ３を通過する間に、冷媒は、中央部の開口を塞いでいる金属板に接触し、金属板に接しているパワーカードから熱を吸収する。各冷却器の各流路Ｐ３を通過した冷媒は、冷却器２ａ−２ｅの連結部１３ａ−１３ｅが連結することにより形成された流路Ｐ２に集約される。流路Ｐ２に集約された冷媒は、排出管５２から排出される。
【００２２】
本実施例の効果を説明する。上述したように、積層ユニット１０を備える電力変換器１００は、電気自動車に搭載される。そのため、積層ユニット１０には、電気自動車の走行中に発生する振動が作用する。上述の構成によれば、シール部材６０ａは、連結部１２ｂの先端面１６ｂと連結部１２ａの後端面１４ａの間に挟まれ、板バネ５４の圧力により、先端面１６ｂと後端面１４ａの間で圧縮されている。即ち、連結部１２ｂと連結部１２ａの間は、シール部材６０ａによるいわゆる面シールにより、水密性が確保される。そして、連結部１２ｂのテーパ状に突出した先端面１６ｂは、連結部１２ａのテーパ状に窪んだ後端面１４ａに嵌っている。これにより、積層ユニット１０が振動しても、特に、積層方向と直交する方向（即ち、Ｙ軸方向）に振動しても、先端面１６ｂが後端面１４ａに対して移動し難くなり、この結果、冷却器２ｂが冷却器２ａに対して移動し難くなる。この効果は、冷却器２ａ−２ｅのうちの他の隣接する２つの冷却器についても同様である。よって、積層ユニット１０全体の耐振動特性を向上することができる。
【００２３】
また、テーパ状に突出した先端面１６ｂが、テーパ状に窪んだ後端面１４ａに嵌り、先端面１６ｂが後端面１４ａに対して移動し難くなることにより、先端面１６ｂと後端面１４ａの間に挟まれるシール部材６０ａも移動し難くなる。よって、積層ユニット１０が振動しても、特に、積層方向と直交する方向に振動しても、シール部材６０ａが移動することによるシール性能の低下を防止することができる。
【００２４】
以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。冷却器２ｂ、冷却器２ａが、それぞれ、請求項の「一方の冷却器」、「他方の冷却器」の一例である。積層ユニット１０が請求項の「積層体」の一例である。電力変換器１００が請求項の「半導体装置」の一例である。
【００２５】
後端面１４ａに設けられている溝１８ａは、先端面１６ｂに設けられてもよい。また、溝１８ａは、後端面１４ａに設けられてもよいし、設けられなくてもよい。また、シール部材６０ａは、後端面１４ａに配置されるように、射出成型により、冷却器２ａと一体に成型されてもよいし、先端面１６ｂに配置されるように、射出成型により、冷却器２ｂと一体に成型されてもよい。一体成型により、シール部材が振動により移動することをさらに防止することができる。
【００２６】
板バネ５４が「荷重部材」の一例である。例えば、積層ユニット１０は、積層冷却ユニット１０の積層方向の両端面を積層方向に挟むブラケットにより、積層方向に圧縮されてもよい。この場合、ブラケットが請求項の「荷重部材」の一例である。
【００２７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２８】
２：ケース
２ａ−２ｅ：冷却器
３ａ−３ｄ：パワーカード
４ａ−４ｄ：金属板
５ａ−５ｄ：絶縁板
１０：積層ユニット
１２ａ−１２ｅ：連結部
１３ａ−１３ｅ：連結部
１４ａ：後端面
１６ｂ：先端面
１８ａ：溝
３０ａ：シール部材
４０ａ：フィン
５１：冷媒供給管
５２：冷媒排出管
５３：ケース
５３ａ：支持壁
５３ｂ：側壁
５４：板バネ
５５：リアクトル
６０ａ：シール部材
１００：電力変換器
【図１】
2017112278.tif 000003
【図２】
2017112278.tif 000004