(57)【要約】本発明は、パワー半導体などの半導体デバイスを冷却するための半導体冷却装置に関する。半導体冷却装置は、ハウジング内のチャンバ内に配置された１つまたは複数の半導体組立品を含む。ハウジングは、冷却媒体を受け取り出力するための流入および流出ポートを含む。チャンバは、組立品を冷却するために冷却媒体が充填されている。組立品自体はそれぞれ、ヒートシンクと、ヒートシンクに熱的に結合された1つまたは複数の半導体パワーデバイスとを含む。ヒートシンクは、冷却媒体がヒートシンクから熱を逃がすために孔を通って流れるように、ヒートシンク内の一方の面から他方の面まで延在する複数の孔の形態の熱交換要素を備える。
2020507212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つまたは複数の半導体組立品であって、各々が、ヒートシンクと、前記ヒートシンクに熱的結合された１つまたは複数の半導体パワーデバイスとを含む、該半導体組立品と、
前記１つ以上の組立品をハウジング内のチャンバ内に収容するためのハウジングであって、冷却流体を受け取りおよび出力するために前記チャンバとそれぞれ流体連通する流入ポートおよび流出ポートを含み、前記チャンバは前記組立品を冷却するための冷却流体が充填されている、該ハウジングと
を備え、
前記ヒートシンクは、複数の孔の形態の熱交換要素を備え、該複数の孔は、前記冷却流体が前記ヒートシンクから熱を逃がすように該複数の孔を通って流れるように、前記１つまたは複数の半導体パワーデバイスが結合される前記ヒートシンクの前面から前記ヒートシンクを通じて前記前面とは反対側の前記ヒートシンクの後面まで延在することを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項２】
前記ヒートシンクは平坦な形状を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体冷却装置。
【請求項３】
前記孔は、前記ヒートシンクに結合された前記１つ以上の半導体パワーデバイスの各々の外周部を囲む単列の孔の形態で前記ヒートシンク内に配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体冷却装置。
【請求項４】
２つ以上の半導体パワーデバイスがある場合、隣接する半導体パワーデバイスの外周部を囲む単列の孔の間のヒートシンク内に孔がない領域があることを特徴とする請求項３に記載の半導体冷却装置。
【請求項５】
前記１つまたは複数の半導体パワーデバイスは前記ヒートシンクに電気的に結合され、前記ヒートシンクは、前記１つまたは複数の半導体パワーデバイスを互いに電気的に接続して前記１つまたは複数の半導体パワーデバイス間で電力を伝送するバスバーであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体冷却装置。
【請求項６】
前記１つまたは複数の半導体パワーデバイスは、ＩＧＢＴ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体スイッチデバイス、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、またはパワーダイオードを含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体冷却装置。
【請求項７】
前記１つまたは複数の半導体パワーデバイスは、前記ヒートシンクに機械的に接続されているかまたは前記ヒートシンクに接着されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の半導体冷却装置。
【請求項８】
１つまたは複数の半導体組立品がプリント回路基板（ＰＣＢ）に搭載され、前記ＰＣＢが前記１つまたは複数の半導体パワーデバイス間の電気的接続を提供することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の半導体冷却装置。
【請求項９】
前記ＰＣＢと、前記ＰＣＢ上に搭載された追加の低電力電気電子部品とは、前記チャンバ内に配置され、および前記冷却流体内に浸漬されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体冷却装置。
【請求項１０】
前記１つまたは複数の半導体パワーデバイスは、前記チャンバ内の同じ場所に配置され、前記低電力電気電子部品は前記チャンバの異なる領域内の同じ場所に配置されたことを特徴とする請求項９に記載の半導体冷却装置。
【請求項１１】
前記チャンバと流体連通している前記流入ポートは、前記１つまたは複数の半導体パワーデバイスによって占められている前記チャンバの領域内に冷却流体をより有利に流すように構成されたことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の半導体冷却装置。
【請求項１２】
前記チャンバと流体連通している前記流入およびポートは、前記１つまたは複数の半導体パワーデバイスによって占められている前記チャンバの領域内に前記冷却流体の５１％〜９９％を流すように構成されたことを特徴とする請求項１１に記載の半導体冷却装置。
【請求項１３】
前記チャンバ内に２つ以上の半導体組立品が配置されている場合、各隣接する組立品は、１つのヒートシンクの前記孔が次のヒートシンクの孔と位置ずれするように、および前記冷却流体が前記ヒートシンクの１つの前記孔を通って流れ、前記冷却流体の流路内の前記次のヒートシンクの表面に衝突するように、互いにオフセットされて配置されたことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の半導体冷却装置。
【請求項１４】
前記２つ以上の半導体組立品が互いに平行に配置されたことを特徴とする請求項１３に記載の半導体冷却装置。
【請求項１５】
前記１つまたは複数の組立品の１つまたは複数のヒートシンクは、前記冷却流体を分配するための冷却流体分配器を備えたことを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載の半導体冷却装置。
【請求項１６】
前記冷却流体分配器は、前記ヒートシンクの前記後面に装着された分配器の第１および第２の層を含み、前記ヒートシンクの前記後面は、前記半導体パワーデバイスが結合された面と反対側の前記ヒートシンクの面であり、前記第１の層は、外層を含み、および前記第１の層の前面と後面との間に延在する複数の孔を有し、前記孔は前記１つまたは複数の半導体パワーデバイスの位置に関連付けられた前記ヒートシンクの領域上に位置し、
前記第２の層は、前記ヒートシンクと前記第１の層との間に挟まれ、前記ヒートシンクに結合された前記半導体パワーデバイスの各々の外周部と等価な位置に配置された孔の列と、前記第２の層の前記孔の位置の内側に延在して前記第１の層の前記孔と前記第２の層の前記孔との間で前記冷却流体を案内する複数のガイドとを含むことを特徴とする請求項１５に記載の半導体冷却装置。
【請求項１７】
前記流入口と前記流出口との間の前記冷却流体の流路において前記ハウジング内に配置された１つまたは複数のバッフルプレートを含み、前記１つまたは複数のバッフルプレートは、前記バッフルプレートに複数の孔を含み、前記孔は前記冷却流体が前記孔を通って流れるように、前記バッフルプレートを通って前面と後面との間に延在することを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載の半導体冷却装置。
【請求項１８】
前記１つまたは複数のバッフルプレートの各々は、前記１つまたは複数の半導体組立品の各々のそれぞれ１つに隣接するように前記ハウジング内に配置され、および前記流入口と前記それぞれの半導体組立品との間の前記流路内に配置されたことを特徴とする請求項１７に記載の半導体冷却装置。
【請求項１９】
前記１つまたは複数のバッフルプレートの各々は、前記１つまたは複数の半導体組立品の各々のそれぞれ１つの１ｍｍから５ｍｍ、好ましくは２ｍｍ以内になるように前記ハウジング内に配置されたことを特徴とする請求項１８に記載の半導体冷却装置。
【請求項２０】
前記複数の孔は、各バッフルプレート内の複数の孔の１つまたは複数のグループを含み、複数の孔の各グループは、前記ヒートシンクに熱的に結合された前記１つまたは複数の半導体パワーデバイスの各々のそれぞれ１つと関連付けられ、および前記バッフルプレート内の前記複数の孔の前記グループの各々は、前記流入口と前記１つまたは複数の半導体パワーデバイスの前記各々のそれぞれ１つとの間の前記冷却流体の前記流路内に位置するように配置されたことを特徴とする請求項１８または１９に記載の半導体冷却装置。
【請求項２１】
複数の孔の前記１つまたは複数のグループの各々は、複数の孔のアレイを含むことを特徴とする請求項２０に記載の半導体冷却装置。
【請求項２２】
複数の孔の各アレイは、前記ヒートシンク上の前記１つまたは複数の半導体パワーデバイスの前記それぞれによって覆われる前記ヒートシンクの領域と同様の幅および高さになるように寸法決めされたことを特徴とする請求項２１に記載の半導体冷却装置。
【請求項２３】
前記孔は、前記冷却流体の乱流をもたらすように構成されたことを特徴とする請求項１ないし２２のいずれかに記載の半導体冷却装置。
【請求項２４】
前記孔は、円形、長方形、丸みを帯びた長方形、または星型の形状を有することを特徴とする請求項１ないし２３のいずれかに記載の半導体冷却装置。
【請求項２５】
前記孔の直径は、前記前面と前記後面との間で増加することを特徴とする請求項１ないし２４のいずれかに記載の半導体冷却装置。
【請求項２６】
前記冷却流体は、誘電性冷却流体であることを特徴とする請求項１ないし２５のいずれかに記載の半導体冷却装置。
【請求項２７】
前記冷却流体は、前記流入ポートと前記流出ポートとの間にポンプ圧で送られることを特徴とする請求項１ないし２６のいずれかに記載の半導体冷却装置。
【請求項２８】
前記流入ポートと前記流出ポートは、熱交換器を備える冷却回路に結合され、前記熱交換器は、前記冷却流体から熱を除去するためのものであることを特徴とする請求項１ないし２７のいずれかに記載の半導体冷却装置。
【請求項２９】
前記１つまたは複数の半導体組立品は、ＤＣとＡＣ間の変換を行うためのインバータを形成することを特徴とする請求項１ないし２８のいずれかに記載の半導体冷却装置。
【請求項３０】
前記インバータは、ＤＣをＡＣに変換するように構成されているとき、前記インバータは、１つまたは複数のＤＣ電圧を受け取るための１つまたは複数の電気入力と、１つまたは複数のＡＣ電圧を出力するための１つまたは複数の電気出力とを備えたことを特徴とする請求項２９に記載の半導体冷却装置。
【請求項３１】
前記インバータの出力は、電気モータに電力を供給することを特徴とする請求項３０に記載の半導体冷却装置。
【請求項３２】
前記インバータがＡＣをＤＣに変換するように構成されているとき、前記インバータは、１つまたは複数のＡＣ電圧を受け取るための１つまたは複数の電気入力と、１つまたは複数のＤＣ電圧を出力するための１つまたは複数の電気出力とを備えたことを特徴とする請求項２９に記載の半導体冷却装置。
【請求項３３】
前記インバータの前記出力は、バッテリまたは他の蓄電装置を充電することを特徴とする請求項３２に記載の半導体冷却装置。
【請求項３４】
前記インバータは、ＤＣをＡＣに、およびＡＣをＤＣに変換する双方向インバータであり、前記双方向インバータは、１つまたは複数のＤＣ電圧を受信または出力するための１つまたは複数のＤＣポートと、１つまたは複数のＡＣ電圧を入力または出力するための１つまたは複数のＡＣポートとを含むことを特徴とする請求項２９に記載の半導体冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体などの半導体デバイスを冷却するための半導体冷却装置に関する。そのような装置は、そのようなデバイスによって発生される高電力損失および関連する熱のためにインバータの分野において有利である。
【背景技術】
【０００２】
電気および電子部品は、使用中に副産物として発熱する。過熱は通常、性能と部品の寿命に影響を与えるため、電気部品、特に電子部品は通常、過熱を防止するために冷却される。
【０００３】
デバイスは、それらが効果的に作動し得る上限温度には限界があり、限界温度が突破されるとデバイスは効率が悪くなり故障することがある。ほとんどの場合、デバイスは過熱による故障から回復することができず、それらが一部であるシステム全体が使用不可能になり、修理を必要とするか、または多くの場合「焼損」したモジュール／システムが交換される。
【０００４】
転ばぬ先の杖（Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ  ｂｅｉｎｇ  ｂｅｔｔｅｒ  ｔｈａｎ  ｃｕｒｅ）のたとえもあり、システムをより堅牢にするための努力が継続されているが、修理の容易さもまた貴重である。
【０００５】
過熱の制限に対処するために、さまざまなアプローチが使用されている。その範囲は限定されているものの、デバイスの動作限界を拡大させることを求める人もいる一方で、大半の努力がデバイス、サブモジュール、およびシステムからの熱の除去に重点を置いている。多くのパワーエレクトロニクスアプリケーションでは、効率的な放熱が必要な場所でヒートシンクが使用されている。ヒートシンクは、熱接触によって電気部品から熱を吸収して放散する。例えば、廃熱が流入することができる大きな熱容量を提供することによって熱除去を改善するために、ヒートシンクをパワーエレクトロニクスデバイスにはんだ付け、接着、または他の方法で取り付けてよい。
【０００６】
大電力用途では、熱容量を改善するためにヒートシンクを大きくしてよい。しかしながら、ヒートシンクのサイズを大きくすると、電源モジュールの重量と体積が増加し、それに応じてコストも増加する。多くの場合、そのようなモジュール用、特に自動車用途に利用可能なスペースは、増大せずに、むしろ減少している。
【０００７】
中央処理装置（ＣＰＵ）がシリコンダイの表面上に集積された何百万もの半導体デバイスを有するコンピューティングシステムにおける電子部品の冷却にかなりの努力が払われてきた。任意の１つのデバイスからの熱損失はわずかだが、集積密度が総熱放散を増大させ、ＣＰＵの速度と寿命の厳しい制限となる。
【０００８】
コンピューティングシステム内の電子部品を冷却するためのいくつかの技術はまた、高出力単一または低レベル集積半導体スイッチデバイスの冷却にも適用されてきた。
【０００９】
米国特許出願公開第２０１１／１０３０１９号には、クーラントを冷却板に供給するための液体導管を有する冷却板が提案されている電子システムの液浸冷却を提供する液密エンクロージャが記載されており、冷却板は電気システムの電子部品および側壁の少なくとも１つの開いたポートに連結された底面を有する。特定の実施形態では、導管によって供給されたクーラントは冷却プレートの頂部に入り、部分的に側面ポートを通って流出することができ、一方残りのクーラントは高熱流束構成要素に向けられた噴流を介して流される。側面ポートの開口部および噴射口は、構成要素の冷却を最適化するような寸法にされる。
【００１０】
米国特許出願公開第２０１１／１０３０１９号は、特にコンピュータ内のＣＰＵの冷却を目的とし、基板上に搭載された高性能プロセッサチップの冷却について記載しており、基板はさらにプリント回路基板に搭載されたプロセッサモジュールに電気的かつ機械的に取り付けられている。
【００１１】
米国特許出願公開第２０１１／１０３０１９号の欠点は、基板を介した熱拡散が不十分であり、特にプリント回路基板との接続部を介した熱拡散が不十分であることである。
【００１２】
中電力変換装置モジュールについては、動作において数１００アンペアの電流と１０００Ｖ程度の電圧という、対処すべき別のオーダーの電力消費がある。中電力変換装置には半導体スイッチデバイスが使用され、米国特許出願公開第２０１１／０２４２７６０号は、相間の電気的絶縁を維持するように半導体スイッチデバイスが積層バスバー（ｂｕｓｂａｒ）に取り付けられる構成を教示している。米国特許出願公開第２０１１／０２４２７６０号より以前では、バスバー内への積層は温度制限機能であったが、米国特許出願公開第２０１１／０２４２７６０号は、ヒートシンクがバスバーから電気的に絶縁されている積層バスバーに液冷ヒートシンクを適用することを教示している。バスバーからのおよびその上に取り付けられた電気的に絶縁されたスイッチデバイスからの熱伝導による熱の除去は、温度上昇および絶縁層の熱的制限が再び制限要因となる前に、全体的な電力容量を改善する。
【００１３】
米国特許出願公開第２０１４／２０４５３２号は、衝突冷却を用いる放熱半導体デバイスを冷却する代替モードを提供し、ここでジェット冷却（空気または空気マトリックス中の液体）を適用することにより、冷却対象の半導体デバイスに熱的に接続される形状記憶合金から作られる熱変形可能ノズルによって局所的に制御される。このようにして、必要に応じてデバイスを冷却してよい。しかしながら、米国特許出願公開第２０１４／２０４５３２号は、フリップチップの裏側に集中された衝突噴流によるチップレベルの冷却を対象としている。米国特許出願公開第２０１４／２０４５３２号が教示するのは、空気中液体噴射であり、それによってその冷却能力が制限され、冷却はチップ規模であるため、ピン配置構成はそのような冷却装置の接続性をさらに制限する。
【００１４】
米国特許出願公開第２０１１／１４１６９０号は、高熱伝導性プリント回路基板を使用することについて述べており、その片面上に衝突クーラント流に乱流を促進する特徴部が表面に形成され、一方回路の反対面はパワー電子部品、例えば、自動車に使用する電力インバータモジュールの構成要素が搭載される電気回路を有するように構成されている。電気回路側は、乱流を促進するように構成された側から電気的に絶縁されている。
【００１５】
直接接合銅または直接接合アルミニウムのような、銅またはアルミニウム外層を有するセラミック（通常はアルミナ）サンドイッチを含む基板が提案されている。しかしながら、これらの直接接合基板は優れた熱伝導体であるが、それらはまた製造するには高価でありそして取り扱いおよび修理をするのが困難である。
【００１６】
パワー半導体デバイスの冷却を改善するための他の手法には、構成要素を誘電性流体に直接浸漬すること、およびクーラントチャネルを形成するための構成要素を設定すること、クーラント効果を高めるための相変化液体／気体クーラントシステムの使用が含まれる。
【００１７】
特にパワーエレクトロニクスシステムに対するこれらの方法と組み合わされていたのは、パワー半導体スイッチデバイスのスイッチング速度の最適化である。この理由としては、以下の通りである。スイッチ速度が速いほど、スイッチデバイスが抵抗モードで費やす時間が少なく、従ってデバイス内でのジュール熱損失が少ない。ただし、スイッチング速度が速いと誘導損失が増加し、これも電圧スパイクを引き起こす可能性があるため、インバータモジュールには大きな低インダクタンスのバスバー（ｂｕｓ  ｂａｒ）と対称位相脚部、および高価な過電圧仕様のコンデンサが必要になる。
【００１８】
妥協策は見つかっているが、これは必然的に半導体デバイススイッチのジュール熱損失を招く。最良の試みにもかかわらず、今日までの全ての冷却方法は冷却能力に欠けており、パワー半導体部品の冷却効率はパワー半導体スイッチデバイスひいては電力インバータの最大パワー処理および電力密度の制限的な特徴であった。
【００１９】
本発明は、廃熱の除去を著しく改善し、同時に半導体スイッチデバイスにおけるシステム全体のインダクタンスおよび対応するジュール加熱損失をさらに低減することによって、電力インバータおよび半導体スイッチデバイスの電力密度および最大パワー処理をそれぞれ増加させることを目的とする。
【００２０】
したがって、我々は改善された冷却装置の必要性を認識した。
【発明の概要】
【００２１】
したがって本発明は、１つまたは複数の半導体組立品であって、各々が、ヒートシンクと、ヒートシンクに熱的に結合された１つまたは複数の半導体パワーデバイスとを含む、該半導体組立品と、１つ以上の組立品をハウジング内のチャンバ内に収容するためのハウジングであって、冷却流体を受け取りおよび出力するためにチャンバとそれぞれ流体連通する流入ポートおよび流出ポートを含み、チャンバは組立品を冷却するための冷却流体が充填されている、ハウジングと、を備え、前記ヒートシンクは、複数の孔の形態の熱交換要素を備え、該複数の孔は、前記冷却流体が前記ヒートシンクから熱を逃がすように該複数の孔を通って流れるように、前記１つまたは複数の半導体パワーデバイスが結合される前記ヒートシンクの前面から前記ヒートシンクを通じて前記前面とは反対側の前記ヒートシンクの後面まで延在することを特徴とする半導体冷却装置を提供する。ヒートシンクは平坦な形状を有してもよいが、これは代わりに、フィンまたは冷却を補助するための他の構成などのように、成形されてもよく、またはその表面から突出した特徴部を有してもよい。
【００２２】
有利には、冷却流体に浸漬されているヒートシンクと、冷却流体が貫流する孔の存在との組み合わせが、優れた冷却特性を有する冷却装置を提供し、この冷却装置はインバータなどの用途に非常に適している。
【００２３】
孔は、ヒートシンクに結合された１つ以上の半導体パワーデバイスの各々の外周部を囲む単列の孔の形態でヒートシンク内に配置されてもよい。２つ以上の半導体パワーデバイスがある場合、隣接する半導体パワーデバイスの外周部を囲む単列の孔の間のヒートシンク内に孔がない領域があってもよい。この設計で、パワーデバイスから熱を逃がすヒートシンクの能力と、その熱を冷却流体に伝達するために使用される孔の数との間にバランスをもたらす。孔が多すぎても少なすぎても、ヒートシンクの冷却性能は最適にはならない。
【００２４】
半導体パワーデバイスは、ヒートシンクに電気的に結合されてよい。この構成において、ヒートシンクは、１つまたは複数の半導体パワーデバイスを互いに電気的に接続して１つまたは複数の半導体パワーデバイス間で電力を伝送するバスバーとして構成される。ヒートシンクによってパワーデバイスを互いに電気的に結合することも可能になるので、これによって設計をコンパクトにすることが可能になる。これはまた、構成要素間の誘導経路を有利に減少させ、ヒートシンクバスバーに装着された組立品の電気的性能を再度向上させる。
【００２５】
１つまたは複数の半導体パワーデバイスは、ＩＧＢＴ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体スイッチデバイス、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、またはパワーダイオードを含んでもよい。
【００２６】
１つまたは複数の半導体パワーデバイスは、ヒートシンクに機械的に接続されているかまたはヒートシンクに接着されてもよい。
【００２７】
１つまたは複数の半導体組立品がプリント回路基板（ＰＣＢ）に搭載されてもよく、ＰＣＢが１つまたは複数の半導体パワーデバイス間の電気的接続を提供する。ＰＣＢと、ＰＣＢ上に搭載された追加の低電力電気電子部品とが、チャンバ内に配置されて冷却流体内に浸漬されてもよい。
【００２８】
ＰＣＢのこの構成で、１つまたは複数の半導体パワーデバイスはチャンバ内の同じ場所に配置され、低電力電気電子部品はチャンバの異なる領域内の同じ場所に配置されてもよい。そのような構成は、より高電力デバイスが他の高電力デバイスとグループ化され、より低電力デバイスが他のより低電力デバイスとグループ化され、それがより良い冷却管理を可能にすることを意味する。
【００２９】
チャンバと流体連通している流入ポートは、１つまたは複数の半導体パワーデバイスによって占められているチャンバの領域内に冷却流体をより有利に流すように構成される。冷却流体の５１％〜９９％を半導体パワーデバイスによって占められているチャンバの領域内に流してよい。好ましくは、冷却流体の９５％が、チャンバ内で最大量の熱を発生するパワーデバイスである１つまたは複数の半導体パワーデバイスによって占められている領域内を流れる。この構成は有利には、それを最も必要とするそれらの領域に冷却流体を供給するために「ホットスポット」を対象とする。
【００３０】
チャンバ内に２つ以上の半導体組立品が配置されている場合、各組立品は、冷却流体がヒートシンクの１つの孔を通って流れ、冷却流体の流路内の次のヒートシンクの表面に衝突するように配置されてもよい。１つのヒートシンクからの冷却流体の流出を次のヒートシンクの表面に衝突させることにより、冷却流体がチャンバを蛇行して通り、ヒートシンクの孔を通って流れる前にヒートシンクのできるだけ多くの表面に接触することを余儀なくされるので、冷却装置を大幅に改善する。ヒートシンクを冷却し、さらに熱を除去する。
【００３１】
２つ以上の半導体組立品は、１つのヒートシンクの孔が次のヒートシンクの孔と位置合わせされないように互いにオフセットされるように配置されてもよい。改めて、これは、冷却流体が各組立品の孔を通ってまっすぐ流れるのではなく、チャンバ内を蛇行して、チャンバ内のヒートシンクのできるだけ多くの表面領域に接触するのを促進する。
【００３２】
２つ以上の半導体組立品が互いに平行に配置してよい。これらは代わりに、一部の実施形態では、相互に角度をもって配置されてもよい。
【００３３】
１つまたは複数のヒートシンクは、冷却流体を分配するための冷却流体分配器を備えてもよい。そのような冷却流体分配器は、ヒートシンクの冷却効率を増大し得る。この冷却流体分配器は、ヒートシンクの後面に装着された分配器の第１および第２の層を含んでもよく、ヒートシンクの後面は、半導体パワーデバイスが結合された面と反対側のヒートシンクの面である。第１の層は外層を含んでもよく、第１の層の前面と後面との間に延在する複数の孔を有し、孔は１つまたは複数の半導体パワーデバイスの位置に関連付けられたヒートシンクの領域上に位置する。第２の層は、ヒートシンクと第１の層との間に挟まれ、ヒートシンクに結合された半導体パワーデバイスの各々の外周部と等価な位置に配置された孔の列と、第２の層の孔の位置の内側に延在して第１の層の孔と第２の層の孔との間に冷却流体を案内する複数のガイドとを含んでもよい。
【００３４】
半導体冷却装置は、流入口と流出口との間の冷却流体の流路においてハウジング内に配置された１つまたは複数のバッフルプレート（ｂａｆｆｌｅ  ｐｌａｔｅｓ）を含んでもよく、１つまたは複数のバッフルプレートはバッフルプレートに複数の孔を含み、孔は冷却流体が孔を通って流れるように、バッフルプレートを通って前面と後面との間に延在する。そのような装置は有利には、冷却流体の衝突噴流を設定し、これが構成要素またはヒートシンクに衝突する。バッフルプレートはまた、冷却流体の乱流を提供してよい。
【００３５】
１つまたは複数のバッフルプレートの各々は、１つまたは複数の半導体組立品の各々のそれぞれ１つに隣接するようにハウジング内に配置され、流入口とそれぞれの半導体組立品との間の流路内に配置されてもよい。
【００３６】
１つまたは複数のバッフルプレートの各々は、１つまたは複数の半導体組立品の各々のそれぞれ１つの１ｍｍから５ｍｍ、好ましくは２ｍｍ以内になるようにハウジング内に配置されてもよい。バッフルプレートのそのような近接は、冷却流体の衝突噴流および／または冷却流体の乱流がヒートシンクに衝突することを可能にし、したがってヒートシンクからより効率的に熱を除去することを可能にする。
【００３７】
バッフルの複数の孔は、各バッフルプレート内の複数の孔の１つまたは複数のグループを含んでもよく、複数の孔の各グループは、ヒートシンクに熱的に結合された、１つまたは複数の半導体パワーデバイスの各々のそれぞれ１つと関連付けられ、バッフルプレート内の複数の孔のグループの各々は、流入口と１つまたは複数の半導体パワーデバイスの各々のそれぞれ１つとの間の冷却流体の流路内に位置するように配置される。
【００３８】
複数の孔の１つまたは複数のグループの各々は、複数の孔のアレイを含んでもよい。複数の孔の各アレイは、ヒートシンク上の１つまたは複数の半導体パワーデバイスのそれぞれによって覆われるヒートシンクの領域と同様の幅および高さになるように寸法決めされてもよい。
【００３９】
孔は、冷却流体の乱流をもたらすように整形されてもよい。
【００４０】
ヒートシンクおよび／またはバッフル（これには１つ存在する）の孔は、円形、長方形、丸みを帯びた長方形、または星型の形状を有してもよい。さらに、孔の直径は、前面と後面との間で増加する。これが、後面から見たときに孔に皿状の外観を与え、有利には、直線状の側面形状を有する孔と比較して冷却流体の流速に対する影響が減少した孔形状を提供する。
【００４１】
冷却流体は、誘電性冷却流体であってもよい。冷却流体は、流入ポートと流出ポートとの間に流体が流れるようにポンプ圧（ｐｕｍｐｅｄ）で送られてもよい。流入ポートと流出ポートは、熱交換器を備える冷却回路に結合されてもよく、熱交換器は、冷却流体から熱を除去するためのものである。
【００４２】
１つまたは複数の半導体組立品は、ＤＣとＡＣ間の変換を行うためのインバータを形成するように構成されてよい。
【００４３】
インバータがＤＣをＡＣに変換するように構成されている場合、インバータは、１つまたは複数のＤＣ電圧を受け取るための１つまたは複数の電気入力と、１つまたは複数のＡＣ電圧を出力するための１つまたは複数の電気出力とを備えてもよい。インバータの出力は、電気モータに電力を供給してもよい。
【００４４】
インバータがＡＣをＤＣに変換するように構成されている場合、インバータは、１つまたは複数のＡＣ電圧を受け取るための１つまたは複数の電気入力と、１つまたは複数のＤＣ電圧を出力するための１つまたは複数の電気出力とを備えてもよい。インバータの出力は、バッテリまたは他の蓄電装置を充電してもよい。
【００４５】
インバータは、ＤＣをＡＣに、およびＡＣをＤＣに変換する双方向インバータとして構成可能としてもよく、双方向インバータは、１つまたは複数のＤＣ電圧を受信または出力するための１つまたは複数のＤＣポートと、１つまたは複数のＡＣ電圧を入力または出力するための１つまたは複数のＡＣポートとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
ここで、単に一例を挙げ、添付図面を参照しながら、本発明を説明する。
【００４７】
【図１】図１は、従来技術による半導体デバイスの間接的な流体冷却の模式図を示す。
【図２】図２は、従来技術による半導体デバイスの直接的な流体浸漬冷却の模式図を示す。
【図３】図３は、従来技術によるベアチップ型半導体デバイスの直接的な流体浸漬冷却の模式図を示す。
【図４（ａ）】図４（ａ）は、本発明の半導体デバイス冷却装置の模式図を示す。
【図４（ｂ）】図４（ｂ）は、図４（ａ）の斜視詳細を示す。
【図５】図５は、本発明のケーシングを有する半導体デバイス冷却装置の斜視図を示す。
【図６】図６は、本発明のフィン付きおよび孔付きヒートシンク−バスバーの模式図を示す。
【図７（ａ）】図７（ａ）は、インバータサブモジュールの組立品の模式図を示す。
【図７（ｂ）】図７（ｂ）は、図７ａのインバータの等価回路図である。
【図８】図８は、一般的なクーラント媒体流の方向を示す、本発明のヒートシンク−バスバーインバータサブモジュールの構成の概略平面図を示す。
【図９（ａ）】図９（ａ）は、上孔付きクーラント媒体ノズルプレートの模式図を示す。
【図９（ｂ）】図９（ｂ）は、中間クーラント媒体分配プレートの模式図を示す。
【図９（ｃ）】図９（ｃ）は、ヒートシン−バスバーの模式図を示す。
【図９（ｄ）】図９（ｄ）は、上部、中間部、およびヒートシンク−バスバープレートの構成の概略斜視図を示す。
【図９（ｅ）】図９（ｅ）は、上部、中間部、およびヒートシンク−バスバープレートとの複合体の概略平面図を示す。
【図１０】図１０は、上部、中間部、およびヒートシンク−バスバープレートとの複合体の斜視図を示す。
【図１１】図１１は、中間部とヒートシンク−バスバープレートとの複合体の斜視図を示す。
【図１２】図１２は、バッフルを内蔵したケーシングを有する半導体デバイス冷却装置の斜視図を示す。
【図１３】図１３は、バッフルを内蔵した図８の装置の代替の概略平面図を示す。
【図１４（ａ）】図１４（ａ）は、異なる孔構成を有する半導体デバイス冷却装置を示す。
【図１４（ｂ）】図１４（ｂ）は、異なる孔構成を有する半導体デバイス冷却装置を示す。
【図１４（ｃ）】図１４（ｃ）は、半導体冷却装置の例示的星形孔構成を示す。
【図１５（ａ）】図１５（ａ）は、半導体冷却装置および／またはバッフルの孔構成を示す。
【図１５（ｂ）】図１５（ｂ）は、半導体冷却装置および／またはバッフルの孔構成を示す。
【図１６（ａ）】図１６（ａ）は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタスイッチ（ＩＧＢＴ）の構成図を示しす。
【図１６（ｂ）】図１６（ｂ）はＩＧＢＴのシンボルを示す。
【図１６（ｃ）】図１６（ｃ）は、機械的取り付け用の３ピンＩＧＢＴデバイスを示す。
【図１６（ｄ）】図１６（ｄ）は、はんだ付け用の３ピンＩＧＢＴデバイスを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
要約すると、本発明は、１つまたは複数の半導体組立品がハウジング内のチャンバ内に配置されている半導体冷却装置に関する。ハウジングは、冷却媒体を受け取りそして出力するための流入および流出ポートを含む。チャンバは、組立品を冷却するために冷却媒体が充填されている。組立品自体はそれぞれ、ヒートシンクと、ヒートシンクに熱的に結合された１つまたは複数の半導体パワーデバイスとを含む。ヒートシンクは、冷却媒体がヒートシンクから熱を逃がすために孔を通って流れるように、ヒートシンク内を一方の面から他方の面まで延在する複数の孔の形態の熱交換要素を備える。
【００４９】
図１および図２を参照すると、高熱流束構成要素に使用される冷却に対する典型的な従来技術の方法である半導体デバイス冷却装置１００、２００が概略図で示されている。図１には基板１６０に取り付けられた半導体デバイス１１０のグループ１００に対する間接的な熱除去手段が示されている。
【００５０】
半導体デバイス１１０は、電気絶縁性であるが熱伝導性のコラムまたは壁１７０によって基板１６０にも連結されている熱伝導および導電性のキャッピング材料１５０に熱的に接続されている。半導体デバイス１１０で放散された熱は、回路ボード／基板１６０へ、その後、コラム／壁１７０からキャッピング材料１５０までへの逃げ道を見つけ、半導体デバイス１１０からの熱は、熱伝導性だが電気的に絶縁性の媒体１４０を経由するキャッピング材料１５０へのより直接的なリンクを見つける。キャッピング材料１５０は、
ポート１３０を介してキャビティ１８０内に送り込まれ、ポート１２０を介して熱交換器（図示せず）に排出するクーラント流体により好ましいヒートシンクになる。クーラント流の方向は矢印で示されている。この間接的な冷却手法は、半導体デバイスの電気的絶縁を維持するが、電気絶縁インターポーザを使用することによってデバイスと最終的なヒートシンククーラント流体との間に熱抵抗を与える。
【００５１】
図２には、基板１６０に接合された同様のグループ２００の高熱流束半導体デバイス１１０が示されており、これらのデバイスは液密ケーシング１９０内に配置されている。半導体デバイス１１０および基板１６０の片側は、ポート１３０によって供給されたクーラント流体に浸漬され、ポート１２０によって出力するが、クーラントの流れ方向は矢印で示されている。
【００５２】
当業者には理解されるであろうが、図２に示す半導体デバイス２００の構成は、構成要素および基板がクーラント流体で浸潤され浸漬されることによって、クーラント流体とより密接に熱接触するようになっており、したがって図１に示す状況より熱除去がより効果的である。この液浸法は構成要素と基板の液浸の恩恵は受けるが、ディスクリートな構成要素の高実装密度や非液浸壁側からの廃熱の除去は可能にしない。
【００５３】
現在の従来技術をも示す浸漬冷却へのより精巧なアプローチが図３に示されており、通常はフリップチップ形式で、すなわち半導体デバイス３００の活性（拡散化）側３１０が電子回路ボード／基板に対向し、半導体デバイス３００の裏面３２０がクーラントの衝突噴流３３０に対向する形式で半導体デバイス３００に適用されている。クーラント流体は、プレナム３４０および入力ポート３５０によってジェットノズル３７０に供給され、ポート３６０を介して退出する。流体流の方向は矢印で示されている。クーラントの衝突噴流３３０は、それが必要とされる場所、すなわちチップ裏面３２０の表面上の乱流を確実にする。
【００５４】
この冷却方法はベアダイには効果的であるが、フリップチップ実装が必要で、高密度実装やデバイス間の高電流、低インダクタンスの相互接続をサポートするものではない。
【００５５】
図４（ａ）、図４（ｂ）および図５を参照すると、ヒートシンク４２０に熱的に結合されるように搭載または接着された半導体スイッチ構成要素１１０（任意の放熱構成要素が有益であるが）の構成が示されている。一部の実施形態では、半導体スイッチ構成要素１１０は、バスバー（Ｂｕｓｂａｒ）のように、２つの機能、すなわち構成要素１１０を冷却することおよびスイッチ構成要素１１０を互いに電気的に接続することを果たすヒートシンクを提供するためおよび構成要素間で電力を伝送するために、ヒートシンクに電気的に結合してよい。ヒートシンク−バスバー構成を使用するシステムについて説明するが、本発明を実施するためにヒートシンクをバスバーとして構成する必要はない、すなわち本発明は、その冷却機能を実行する上でバスバーとして機能するヒートシンクに依存しないことにも留意されたい。
【００５６】
結合されたヒートシンク−バスバー４２０は、クーラント媒体を通過させ、それによってヒートシンク−バスバー４２０から熱を除去することを可能にし、一方でヒートシンク−バスバー４２０上に装着された放熱半導体デバイス１１０の放熱に利用できるヒートシンク−バスバー４２０の熱拡散の潜在能力の損失を最小にするように穿孔された孔４３０を含む。その純粋な形態では、本発明は孔を有するヒートシンクに依存し、ここでは半導体モジュール（すなわち、スイッチ構成要素１１０およびヒートシンク４２０を含むモジュール）の一部としてのヒートシンクが冷却媒体に浸漬されている。冷却媒体は、モジュールの周囲および孔内を流れ、これらの孔は媒体が孔内を流れるとヒートシンクから熱を逃がすように構成されている。
【００５７】
モジュール式であるため、冷却媒体を含むチャンバ内に複数の組立品を収容して、すべての組立品が冷却されるようにすることが可能である。このような装置を図４（ａ）および図５に示す。半導体スイッチ構成要素１１０を並べて取り付けてサブモジュール４４０を形成し、１つのバスバーヒートシンク４２０の孔４３０が流体誘電性クーラント４５０を衝突噴流の形態で後続のサブモジュール４４０上に供給するようにサブモジュール４４０を積層する。そのようなサブモジュール４４０およびそれらのヒートシンク−バスバーの孔アレイ４３０ａは、隣接するサブモジュールの孔アレイ４３０ａによって形成される誘電性クーラント４５０の噴流４６０が次のサブモジュールの孔アレイと一致しないように互いにオフセットされることが好ましいが、むしろ噴流は半導体スイッチ構成要素１１０またはバスバーヒートシンク４７０の固体領域に衝突する。隣接するモジュールの孔アレイ間のオフセットは、孔アレイが一致しない限り、小さくても大きくてもよい。流体噴流の衝突は、表面からの熱除去を最大にする乱流を生成する。
【００５８】
ヒートシンクの孔と結合された半導体サブモジュールおよび半導体デバイススイッチの誘電流体浸漬および流体噴流衝突冷却の使用は、スイッチを冷却するのに特に有利である。
【００５９】
熱放散パワー半導体デバイス間の電気的配線としてヒートシンクを使用することは、インダクタンスを非常に低くし、すなわちデバイスがより激しく駆動され、より速く切り替えられることを可能とすることを意味するので、これもまた有利である。好ましくは、スイッチとヒートシンクとの間の電気抵抗および熱抵抗を低くするために、デバイスはヒートシンクバスバーにはんだ付けまたはそれと同等の手段で接合される。
【００６０】
これら利点の全ては、本発明の冷却装置を使用して、電力インバータのようなパワーデバイス用の電力処理能力に驚異的な改善を提供する。電力密度は、現在の最高クラスの電力インバータモジュールよりも大幅に向上している。本発明を利用するインバータは、同じ電力能力を有する従来技術のインバータの半分のサイズにすることができる。
【００６１】
図５では、半導体スイッチデバイス１１０は、サブモジュール４４０を形成するためにグループでヒートシンク−バスバー４２０に取り付けられている。ケーシング４８０は、サブモジュール４４０を規則的に配列するために使用してもよく、ここではサブモジュール４４０のピッチおよび配置がクーラント噴流の衝突を最適化し、冷却効果を最大にするようになっている。
【００６２】
入力ポート４９０は、クーラント流体をケーシング４８０内に供給し、第１のサブモジュール４４０ａは、貫通孔アレイ４３０ａ以外のクーラント流に対する障壁を提供し、これにより冷却媒体が孔を介して後続のサブモジュールに噴出してよい。デバイスを囲む孔４３０が多すぎる場合、または熱をデバイス１１０から拡散させる孔４３０間の間隙が小さすぎる場合、孔４３０の間隔／分布は半導体デバイス１１０の冷却に影響を及ぼす。孔４３０は、４３０ａに示すような単一アレイ、または２重またはそれ以上の同心アレイ（図示せず）であってもよい。
【００６３】
出力ポート（図示せず）は、半導体システムの外側に対するものであってもよく、別々に取り付けられた熱交換器およびポンプ（図示せず）対するものであってもよい。
【００６４】
図５はケーシング４８０の片側にある入力ポートを示しているが、入力ポートの配置は他の場所であってもよい。例えば、それらは、冷却媒体が上から下に供給されるようにケーシング（図示せず）の上面に配置されることが可能である。このシナリオでは、出力ポート（図示せず）は、ケーシング４８０の任意の側面に配置されることが可能である。もちろん、チャンバ全体に冷却媒体を適切に分配することを確実にするために他の構成も可能であろう。
【００６５】
入力ポートおよび出力ポートはまた、チャンバの所望の領域において冷却媒体の優先的な流れを提供するように構成されてよい。例えば、組立品は、（最も熱を発生する）パワー半導体デバイスが一緒にグループ化され、低電力構成要素（コンデンサおよび抵抗器など）がパワー半導体デバイスとは別にグループ化されるように構成されてもよい。このような構成では、入力および出力ポートは、パワー半導体構成要素への冷却媒体流をより多くしたり、より低電力構成要素への冷却媒体流を比較的少なくするように構成してよい。例えば、流れの５１％〜９９％は、より高電力の構成要素を保持するチャンバの面積に起因し、冷却媒体流の４９％〜１％は（それぞれ）、より低電力の電子機器に起因する。高電力デバイスの低電力デバイスに対する冷却媒体流の好ましい割合は、９５％／５％と考えられる。
【００６６】
これは、チャンバの異なる領域に冷却媒体を供給するように構成された別個の入力ポートを使用することによって達成することができ、より高電力のデバイスを保持するチャンバの領域に給電する入力ポートは、より低電力のデバイスを保持するチャンバの領域に給電する入力ポートよりも大きいボアを有する。
【００６７】
ヒートシンク−バスバー４２０は好ましくは、銅またはアルミニウムまたはそれらの合金などの電気的および熱的伝導材料、あるいは熱的および電気的伝導の両方を行い、半導体デバイス１１０間の電気的相互接続を提供し、かつ半導体デバイス内に分散された熱に対する熱経路を提供する任意の材料で形成される。本発明のヒートシンク−バスバーは電子機器の電気回路の不可欠な部分である。
【００６８】
半導体デバイス１１０をヒートシンク−バスバー４２０に結合／取り付け／装着する手段は、機械的なもの、例えば、ナットおよびボルトを介しても、あるいははんだ付けまたはろう付けによるもの、あるいは室温の液体金属を使用することによるもの、あるいは電気的および熱伝導性の接着剤によるもの、あるいは振動溶接または熱的およびオーミック電気接続を達成する方法によるものでもよい。
【００６９】
本発明のヒートシンク−バスバーは、図４（ａ）に示すように平面状であってもよく、あるいは押出しフィン付き６２０であってもよく、さらに図６に示すような孔アレイ４３０ａを有してもよく、図６はまた、構成要素のさらなる一体化のために、コンデンサ６７０、電気コネクタ６８０、およびプリント回路基板６９０を含む、インバータのような半導体パワーデバイスの他の構成要素を示している。
【００７０】
図７（ａ）および図７（ｂ）は、ホールアレイヒートシンク−バスバー４２０を有するインバータとして構成されたサブモジュール４４０の例示的な構成を示す。この特定の例は、クーラント流体噴流の通路および形成用の孔アレイ４３０ａを有するヒートシンク−バスバー４２０を有する３レベルＴ型インバータモジュール７００を示す。
【００７１】
三相は文字Ｕ、Ｖ、Ｗで示され、単相「Ｕ」モジュールは点線で示されている。コンデンサ７１１および７１２は、図７（ａ）に見られるようにＤＣ供給レール＋ｖｅおよび−ｖｅＤＣの分割を可能にし、位相出力７１７（Ｕ、Ｖ、Ｗ）は、ヒートシンク−バスバーがインバータモジュール７００の回路を完成する際に果たす重要な部分を示す。２レベルインバータのような他の構成もまた可能であり、上記のそれぞれの単相変種も同様である。
【００７２】
本発明の冷却装置の明らかに有利な冷却性能を考えると、そのようなインバータは、はるかに大きいインバータと同じ性能レベルでありながら著しく小さい設置面積を持つように構成することができる。
【００７３】
図８を参照すると、位相モジュールの対称性は、半導体デバイス１１０の高速スイッチングによって生じる電圧共振を最小にするためのツールである。電圧スパイクを減少させるための別のツールは、すべての３相モジュールにおいてインダクタンスを最小にし、本発明はヒートシンクをバスバーとして使用することにより対称性および低インダクタンスを可能にする。半導体デバイススイッチ１１０をヒートシンク４２０に直接装着し、ヒートシンク４２０をデバイス１１０間の電気的接続部として使用することによってデバイス１１０の格別の冷却を達成しながら、より高速のスイッチング速度を可能にし、かつ追加電力の半導体デバイス１１０内の通過を可能にすることができるのは電気的対称性および低インダクタンスによるものである。
【００７４】
ヒートシンク４２０に電気的に接続されている半導体デバイス１１０の熱抵抗は、デバイス１１０がヒートシンク４２０から非導電層によって電気的に絶縁されている場合よりもかなり低い。従来技術では、それらが取り付けられているヒートシンクから電気的に絶縁されている複数のデバイス間で同様の熱抵抗値を達成することは製造において困難であり、最も弱いリンク（最高熱抵抗）は消費電力に対する制限となる。ヒートシンク−バスバー４２０にはんだ付けされた半導体デバイス１１０の熱的および電気的接続の均一性は高く、製造において高い均一性が達成されることが可能である。
【００７５】
はんだ接続によって半導体デバイス１１０とヒートシンク−バスバー４２０との間で優れた熱接続が達成される場合、流れるクーラント流体にサブモジュール４４０を浸漬することによって得られるかなりの熱的利点、および搭載された半導体デバイス１１０の周辺アレイ内のヒートシンク−バスバーに孔４３０を穿孔または刻印することによって熱を除去するための局所表面積を増大することによって得られるかなりの熱的利点がある。
【００７６】
クーラント媒体は速度が遅く、固体表面に近い層で静止していることさえあり、この場合、熱は拡散によって伝達されるので、クーラント媒体の層流は、基板から熱を除去する効率が低い。対照的に、孔アレイ４３０ａを通るクーラント媒体流は、クーラント媒体の明らかに低い流量に対しても乱流を発生させ、乱流は、一般的なクーラントの流れ方向（矢印８００で示す）に直交する固体表面への衝突によってさらに増大され、このクーラント媒体は、アレイ間のオフセットにより、再び孔新しい部アレイ４３０ａを通って流される前に方向を変更する必要がある。
【００７７】
ヒートシンクの冷却能力を高め、乱流を確実にするための追加の手段が図９（ａ）〜図９（ｅ）に示されている。
２枚の連続するプレート９１０、９２０は、ヒートシンク−バスバー２４０に取り付けられた半導体デバイススイッチ１１０に冷却媒体を均等に分配し、第１のプレート９１０は、ヒートシンクに取り付けられた半導体デバイス１１０の位置に合う孔アレイ４３０ａがパターン形成され、バスバー２４０もその上に取り付けられた半導体デバイススイッチ１１０の外周部に孔アレイ４３０ａを有する。プレート９１０とヒートシンクバスバー２４０との間に挟まれているのは、孔アレイを有するプレート９１０を通ってヒートシンクバスバー２４０に取り付けられた半導体デバイス１１０上に衝突するクーラント流体をガイドするためのクーラントガイドプレート９２０であり、このガイドプレート９２０は、クーラント流体を半導体デバイス１１０の表面上を前記デバイス外周部にかつそこに位置する貫通孔９４０を通って一様に分配されるようにガイドするためのガイドフィンガ９３０を有する。
【００７８】
実施形態では、一連のプレート９１０、９２０、２４０は、図９（ｅ）ではサンドイッチ状にされて、最終シーケンスのヒートシンク−バスバー要素の温度がシステム電力処理性能における制御因子となるように数個のそのようなシーケンスのカスケードアレイを形成する。
【００７９】
図１０は、本発明の一連のプレート９１０、９２０、および２４０の斜視図を示し、理解を助けるために、図１１は、プレート９１０を取り外し、それによってヒートシンク−バスバープレート２４０に取り付けられた中間プレート９２０を示し、ガイドフィンガ９３０、プレート９２０の外周孔９４０および半導体デバイス１１０を示す。
【００８０】
ヒートシンク−バスバー２４０は電気的および熱的に伝導性であるが、絶縁性であってもそうでなくてもよく、有利にはポリマー射出成形または打ち抜き成形または他の方法で大量生産されてもよいプレート９１０および９２０についてはそのような要件はない。
【００８１】
ヒートシンクの冷却能力を高め、乱流を確実にするための別の方法を図１２と図１３に示す。
【００８２】
図１２は、１つまたは複数のバッフルプレート４４５を追加した、図５の構成と同様の構成を示す。バッフルプレートの目的は、ヒートシンク４２０および／または半導体パワーデバイス１１０の表面に衝突するクーラント媒体の噴流を生成することであり、好ましくはクーラント媒体の乱流を生成することである。
【００８３】
バッフルプレート４４５は、プレート内に貫通孔の１つまたは複数の領域４４６を含む。貫通孔４４６は、（図１２に示されるように）ヒートシンクの貫通孔と同様の形態で配置されてもよい。あるいは、そして好ましくは、複数の貫通孔４４６がアレイ状に設けられる。アレイは、半導体パワーデバイスによって占められるヒートシンクの表面と同様のサイズであってもよい。各アレイ４４６の位置は好ましくは、隣接するヒートシンク上のそれぞれの半導体パワーデバイスの位置に合わされる。
【００８４】
プレートは金属または誘電体で形成されてもよい。好ましくは、プレート４４５は誘電体で形成されるが、これによりプレート４４５が電圧の懸念なしにヒートシンクの非常に近接配置される、例えば約２ｍｍ以内に配置されることを可能にするからである。バッフルプレート４４５がヒートシンクに近接すると、乱流冷却媒体の冷却効果が高まる。さらに、バッフルプレートが誘電体材料から形成される場合、かつヒートシンクに近接して配置される場合、これによりバッフルプレートの誘電性のために隣接するヒートシンクを互いに近接配置し、ヒートシンク間に電気絶縁層を追加することが可能となる。
【００８５】
図１２はケーシング４８０内の１つのバッフルプレート４４５のみを示しているが、これは説明を簡単にするためだけのものである。好ましくは、バッフルプレート４４５は、冷却媒体の流路内にかつケーシング４８０内の各ヒートシンクに隣接して配置される。
【００８６】
図５に示されるデバイスと同様、図１２に示されるデバイスは、サブモジュール４４０を形成するために半導体スイッチデバイス１１０がヒートシンク−バスバー４２０にグループで取り付けられていることを示す。ケーシング４８０は、サブモジュール４４０を規則的なアレイで配置するために使用されてもよく、サブモジュール４４０のピッチおよび配置はクーラント噴流衝突を最適化し、冷却効果を最大化するようになっている。
【００８７】
入力ポート４９０は、クーラント流体をケーシング４８０内に供給する。バッフルプレート４４５は、貫通孔を通って後続のサブモジュール４４０ａに冷却媒体を噴射させる。各バッフルプレート４４５をそれぞれのヒートシンクに非常に近接させることが好ましいので、流入口４９０と第１のサブモジュール４４０ａとの間に２つのバッフルプレート４４５が配置されるのが好ましいことがある、すなわち、第１は流入口と第２のバッフルプレートとの間にあり、第２のバッフルプレートは第１のサブモジュール４４０ａに非常に近接している。
【００８８】
好ましくは、各サブモジュールヒートシンクは、冷却媒体の乱流を発生させるために、上述のようにそれぞれのバッフル４４５と同じ場所に近接配置される。
【００８９】
図１３は図８の変更例であり、図１２を参照して説明したように複数のバッフルプレート４４５を含む。
【００９０】
ヒートシンク内の孔の組み合わせは、上述のようなバッフルの使用と組み合わされて、効果的な冷却機構をもたらす。バッフルプレートは、ヒートシンクの背面への噴流衝突および乱流を引き起こし、それがヒートシンクの表面から冷却媒体への熱伝達を増大させる。ヒートシンクには、流体を通過させるための孔があり、ヒートシンクの前面に接合された半導体パワーデバイスを冷却する。ヒートシンクの孔は、パワーデバイスの周囲に配置され、ホットパワーデバイスの背面に近接する最大の表面積を得る。次に、流体は次のバッフルプレートを強制的に通り抜けさせられる前にパワーデバイスの前面周囲で混合し旋回する。次に、これが繰り返される。
【００９１】
パワーデバイスの前面周囲には多数の渦（乱流）があり、脚部によりパワーデバイスパッケージから最大３０％の熱が逃がされることが実証されている。
【００９２】
有利には、次のジェットのセットが平均温度を有するように流体が旋回している間に流体を混合することによりヒートシンクのラインに沿ったホットスポットの下降を回避する。
【００９３】
さらに、図１２および図１３に示されるように使用されるバッフルはまた、図９（ａ）〜図９（ｄ）で説明されるスキームと共に使用されてよい。
【００９４】
図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１４（ｃ）および図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、１つまたは複数が使用されるときに、ヒートシンク上および／またはバッフルプレート上で使用される孔の異なる構成および形状を示す。図１４（ａ）は円形の孔を示し、１４（ｂ）は長方形の孔を示し（これらは丸みを帯びたまたは四角形の縁部を備えていてもよい）、図１４（ｃ）は星型を示す。
【００９５】
図１５（ａ）および１５（ｂ）は、異なる深さの皿形の丸い形状の孔を示している。図１５（ａ）は、部分的な皿形の輪郭を有し、図１５（ｂ）は、孔が反対側の表面に対して皿形である輪郭を示す。例として、寸法は遠い面で直径２ｍｍから始まり、バッフルプレートの深さにわたって拡張する。それらは、孔間の距離に応じて、孔の広い方の端部で重なっても重ならなくてもよい。
【００９６】
例えばバッフルプレートに使用されるとき、孔はアレイ状に示されるが、そのような孔はヒートシンクに使用される構成で使用されてもよい、すなわち半導体パワーデバイスの外形を囲む一列の孔である。
【００９７】
図１６（ａ）は、本発明の電力インバータ組立品に使用される一種の半導体スイッチデバイスである絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の構造の概略図である。ＩＧＢＴは、電圧作動型デバイスであり、エミッタとコレクタ間の高電流の流れがゲートとエミッタとの間の電圧によって制御される。多数キャリアと少数キャリアの両方が電流の流れに利用されるので、ＩＧＢＴは比較的低い印加ゲート電圧に対して高電流能力を有する。本発明が冷却および損失の最小化において利点を発揮するのは、これらの大電流およびその切り替えにおいてである。代替のスイッチは、以下のリスト項目、すなわち、ＭＯＳＦＥＴ金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、パワーダイオード、バイポーラトランジスタおよびサイリスタ型によって特徴付けられる。
【００９８】
ＩＧＢＴに対して一般的に使用されている図１６（ｂ）に示すシンボルにおいて、Ｃはコレクタ（ドレイン）を表す。コレクタはしばしば図１６（ｃ）のデバイスのヒートシンクベースプレート９３５に電気的に取り付けられる。良好な熱的および電気的接続が達成される限り、取付け孔９５５を使用して、デバイス１１０を本発明のヒートシンク−バスバーにしっかりと固定し得る。しかしながら、錫メッキアルミニウムヒートシンク９４５を有するＩＧＢＴは、本発明の同様の錫被覆アルミニウムまたは裸銅ヒートシンク−バスバーに直接はんだ付けすることができ、それによってＩＧＢＴとヒートシンク−バスバーとの間に対応して低熱抵抗の薄い高熱伝導経路を提供する。
【００９９】
例えば電気モータに電力を供給するために、ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するように構成されたインバータを説明したが、代わりに、本インバータをＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するインバータとして構成することもできる。そのようなインバータは、電池または他の蓄電デバイスを充電するのに有用であり得る。さらに、本インバータは、代わりに、ＡＣ電圧からＤＣ電圧へおよびＤＣ電圧からＡＣ電圧へ変換し得る双方向インバータに構成してもよい。
【０１００】
本発明で使用されるクーラント媒体は、誘電性流体、例えばポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）、フルオロナート（商標）のようなフルオロカーボン流体であり、クーラント流体は単相または二相であり、冷却は液体熱容量または気化熱でもたらされ、そのようなクーラント媒体はよく知られており、電子部品およびシステム、例えば、組み立ててインバータやコントローラを形成する、半導体デバイス、コンデンサ、抵抗器、およびサブ組立品を冷却するのに有用である。前記クーラントはまた、電気機械、例えば、前記電子システムによって電力供給／制御され得るモータ／発電機を冷却するために使用されてもよい。
【０１０１】
上述の態様の例示的な用途では、半導体装置は、バスバーとして使用される、厚さ２ｍｍのアルミニウムヒートシンクにはんだ接合された標準のロバストパワー（パッケージ型）デバイスＩＧＢＴから構成され、ＩＧＢＴデバイスは、それぞれ２ｍｍ離れている２ｍｍ直径の孔で周囲を囲まれている。追加の制御および低熱放散デバイスおよび電力貯蔵コンデンサが通常の方法で標準的なプリント回路基板に取り付けられ、それらのピン脚部を介してＩＧＢＴデバイスと相互接続されている。全体のインバータ構成は誘電性流体に浸されており、冷却流体は好ましくは、バスバー装着構成要素を横切りヒートシンクの外周孔を通って流される。
【０１０２】
この例から１５０ｋＷのインバータ電力が得られるように、９０％の効率を有する１００ｋＷチャネル冷却電力インバータが同じ物理的範囲内で熱容量が５０％改善されることが分かる。さらに、誘電性流体中に浸漬された場合、異なる電位のパワーデバイスは、さらに高電力密度の可能性を提供する空気環境において可能であるよりもより近接して取り付けることができることがわかった。
【０１０３】
間違いなく他の多くの効果的な代替案が当業者には思い浮かぶであろう。本発明は説明された実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の範囲内にある当業者に明らかな変更例を包含することが理解されるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図５】
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【図６】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図８】
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【図９（ａ）】
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【図９（ｂ）】
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【図９（ｃ）】
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【図９（ｄ）】
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【図９（ｅ）】
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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（ａ）】
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【図１４（ｂ）】
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【図１４（ｃ）】
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【図１５（ａ）】
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【図１５（ｂ）】
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【図１６（ａ）】
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【図１６（ｂ）】
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【図１６（ｃ）】
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【図１６（ｄ）】
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【国際調査報告】
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