JP2013165093A - 半導体積層ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】冷却プレートと半導体モジュールを交互に積層した半導体積層ユニットにおいて、冷媒流路の圧力損失を低減する。
【解決手段】半導体積層ユニット１００は、複数の平板型の冷却プレート２と、半導体素子を収めた平板型の複数の半導体モジュール３を交互に積層した構造を有している。冷却プレート２には、半導体モジュール３との当接領域の両側に貫通孔が形成されており、冷却プレートの内部に一方の貫通孔から他方の貫通孔へと冷媒が通る流路が形成されている。また、隣接する冷却プレートの貫通孔同士が接続管５によって接続されている。さらに、半導体積層ユニット１００の積層方向の一方の端に位置する冷却プレート２ａの２つの貫通孔の夫々に、冷媒を供給する供給管８と冷媒を排出する排出管７が接続されている。排出管７の内径が供給管８の内径よりも大きく、供給管８の内径が接続管５の内径と略同一である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を収めた平板型の複数の半導体モジュールと平板型の冷却プレートが交互に積層された半導体積層ユニットに関する。

インバータや電圧コンバータで用いられるＩＧＢＴや還流ダイオードなどの半導体素子は、発熱量が大きい。それらの素子は、パワー半導体素子、あるいは単にパワー素子などと呼ばれることがある。発熱量は、流れる電流の大きさに依存する。大きな出力トルクが要求される車輪駆動用のモータ（ハイブリッド車を含む電気自動車用の走行用モータ）に電力を供給するインバータや電圧コンバータは、発熱量の大きいパワー素子を多数用いる。他方、車両搭載機器にはコンパクト性も求められる。そこで、電気自動車用に、パワー素子を収めた平板型の半導体モジュールと平板型の冷却プレートを交互に積層した半導体積層ユニットが提案されている。

特許文献１に、そのような半導体積層ユニットの一例が開示されている。その半導体積層ユニットは、発熱量の異なる半導体モジュールを、冷却プレートを用いて温度のばらつきがないように冷却して、半導体モジュールや冷却プレートの耐久性を向上させる。なお、本明細書における「冷却プレート」、「半導体積層ユニット」は、それぞれ特許文献１における「チューブ」、「冷却器」に対応する。

特開２００６−０９３２９３号公報

上記の半導体積層ユニットは、次の構造を有する。即ち、冷却プレートには、半導体モジュールの当接領域の両側に貫通孔が形成されているとともに、その内部に一方の貫通孔から他方の貫通孔へと冷媒が通る流路が形成されている。隣接する冷却プレートの貫通孔同士が接続されている。また、半導体積層ユニットの積層方向の一方の端に位置する冷却プレート（以下、「最外冷却プレート」と称する場合もある）の２つの貫通孔の夫々に、冷媒を供給する供給管と冷媒を排出する排出管が接続されている。以下、隣り合う冷却プレートの貫通孔同士を接続する部分を接続管と称する。供給管から最外冷却プレートへと流入した冷媒は、最外冷却プレート内へ向かう流れと、接続管を通じて下流の冷却プレートへと向かう流れに分かれる。次の冷却プレート内でも同様に分流し、順次下流の冷却プレートへと冷媒が流れる。冷媒は、複数の冷却プレートを平行に流れ、他方の貫通孔と接続管を通じて合流し、最終的に排出管から出ていく。

上記のとおり、冷媒は、幾通りにも分流し、冷却プレートを通過した後に合流する。流路が幾通りにも分かれるので圧力損失が大きい。本明細書は、上記構造の半導体積層ユニットにおいて、構造上の簡易な変更により圧力損失を低減する技術を提供する。

特許文献１に開示された半導体積層ユニットでは、供給管と排出管の内径は同じであった。これは、供給管を通じた冷媒流入量と排出管を通じた冷媒排出量が同じであるから、供給管と排出管は同径でよいものと単純に考えられてきたからであると推定される。しかしながら、出口に近い箇所で流れをスムーズにすれば、全体の圧力損失を下げることができる。一方、上記の構造の半導体積層ユニットは、供給管と排出管の間には半導体モジュールは配置されず、空間にゆとりがある。

本明細書が開示する新規な半導体積層ユニットは、供給管と排出管の間の空間を利用し、排出管の内径を、供給管の内径よりも大きくする。排出管と最外冷却プレートとの接続部分は、冷媒の合流地点として最も流量が多い箇所であるから、そのような箇所にて冷媒を流れ易くすることによって（即ち、流路抵抗を低減することによって）、上流側での冷媒の流れもスムーズになる。即ち、半導体積層ユニット全体の圧力損失が下がる。他方、供給管の内径は、接続管の内径と略同じとする。供給管の内径を接続管の内径よりも大きくしてしまうと、最外冷却プレートにおける流量が、他の冷却プレートにおける流量よりも大きくなってしまう。異なる冷却プレートで冷媒の流量が異なってしまうのは、半導体積層ユニットの冷却能力が不均一となってしまうので好ましくない。そこで、本明細書が開示する半導体積層ユニットでは、供給管の内径は接続管の内径と略同一として、最外冷却プレートにおける流量が他の冷却プレートと同等となるようにする。本明細書が開示する新規な半導体積層ユニットは、複数の冷却プレート間の冷媒の流れを不均一にすることなく、冷媒流路の圧力損失を低減することができる。なお、排出管の断面が楕円の場合、排出管の長軸に対応する内径を供給管の内径よりも大きくすればよい。

本明細書が開示する半導体積層ユニットの詳細、及び、さらなる改良については発明の実施の形態において説明する。

半導体積層ユニットの模式的斜視図である。 冷却プレートの分解斜視図である。 最外冷却プレートの分解斜視図である。 図１のIV−IV方向に見たときの半導体積層ユニット（ただし半導体モジュールは除く）の断面図である。

図１に、半導体積層ユニット１００の模式的斜視図を示す。半導体積層ユニット１００は、電気自動車のモータに交流電力を供給するインバータの一部である。半導体積層ユニット１００は、インバータの電子回路のうち、特に発熱の大きな素子、具体的には交流を発生するスイッチング素子（例えばＩＧＢＴなど）を集積したものである。半導体積層ユニット１００は、ＩＧＢＴなどの半導体素子を封止した複数のモジュール（半導体モジュール３）と冷却プレート２を交互に積層した構造を有している。半導体モジュール３も冷却プレート２も共に平板型に形成されている。別言すれば、半導体積層ユニット１００は、複数の冷却プレート２が平行に配置され、隣接する冷却プレート２の間に、半導体モジュール３が挟まれた構造を有している。本実施例の半導体積層ユニット１００では、隣接する冷却プレート２の間に、２個の半導体モジュール３が挟まれる。なお、半導体モジュール３と冷却プレート２の間には、絶縁シート４が挿入される。また、図示を省略しているが、各半導体モジュール３からは電極が伸びており、他の回路と接続される。半導体積層ユニット１００は、バネなどにより積層方向の両側から圧縮荷重を受け、積層構造を維持する。説明の都合上、冷媒の供給管８と排出管７（後述）が接続される冷却プレートを符号２ａで表し、冷却プレート２ａに近い方から遠い方へ向かって符号２ｂ〜２ｇを付す。特定の冷却プレートを指定しない場合は、「冷却プレート２」と表記する。

冷却プレート２の内部空間が流路に相当する。流路を冷媒が流れ、冷却プレート２に接する半導体モジュール３を冷却する。冷却プレート２の表面の長手方向の中央には、絶縁シート４を介して半導体モジュール３が当接する当接領域が規定されている。但し、積層方向の一方の端に位置する冷却プレート２ａ（最外冷却プレート２ａ）の外側の表面及び積層方向の他方の端に位置する冷却プレート２ｇの外側の表面は半導体モジュール３と当接しないため、当接領域は既定されていない。冷却プレート２ｂ〜２ｆには、半導体モジュール３の当接領域の両側に貫通孔（後述）が設けられており、隣接する冷却プレート２の貫通孔同士が接続管５で接続される。冷却プレート２ａの外側の貫通孔（後述）の開口（積層体の最外側面の貫通孔開口）には、冷媒を供給する供給管８と冷媒を排出する排出管７が接続される。また、他方の冷却プレート２ｇの外側の貫通孔は塞がれる（後述）。全ての冷却プレート２の内部空間（流路）は接続管５によって相互に連通している。供給管８から供給される冷媒は、一方の貫通孔と接続管を通じて各冷却プレート２の流路に流入し、冷却プレート２の内部を横断し、他方の貫通孔と接続管を通じて排出管７へ至る。なお、冷媒は液体であり、例えばＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。

図１は冷却プレート２を簡略化して表している。図２に、冷却プレート単体の分解斜視図を示す。図２は、冷却プレート２ｂの分解斜視図である。冷却プレート２ｂの筐体は、２枚の対向する外板２１、２７で構成される。外板２１、２７は、フランジ付の浅い容器状の形状を有しており、中板２３を挟んでフランジを向かい合わせて接合することにより、内部に冷媒流路３１、３２を有する冷却プレート２ｂが形成される。なお、外板のフランジ同士は、ロウ付けにより接合される。

一方の外板２１には、その長手方向（図のＸ方向）の両側に２個の開口部２１ａ、２１ｂが形成されている。開口部は、外板２１の表面から突出している。以下、そのような開口部を突出開口部と称する場合がある。中板２３にも、外板の開口部と対向する位置に開口部２３ａ、２３ｂが形成されている。他方の外板２７にも突出開口部２７ａと２７ｂが形成されている。開口部２１ａ、２３ａ、及び２７ａは、冷却プレートの積層方向（図中のＹ方向）から見て重なるように設けられており、それらの開口部は冷却プレート２ｂを貫通する貫通孔を構成する。同様に、開口部２１ｂ、２３ｂ、及び、２７ｂも貫通孔を構成する。冷却プレート２ｂの２個の貫通孔は、半導体モジュールの当接領域１８の両側に設けられている。

中板２３は、冷却プレート２ｂの内部空間を２つに隔てる。図２において、下側の外板２７の開口部２７ａに、後述する最外冷却プレート２ａの突出開口部２１ａが接続するから、図２において下側が、冷媒上流に相当する。中板２３は、冷却プレート２ｂの内部の流路を、上流側流路３１と下流側流路３２に区分する。

上流側流路３１と下流側流路３２にはそれぞれ、流路の流れ方向に沿って延びる放熱フィン２２が配置される。放熱フィン２２は、外板２１、２７の熱を冷媒に伝え易くするために備えられており、冷却プレート２ｂの冷却能力を高める。放熱フィン２２は波板であり、波の一つひとつが「フィン」に相当する。冷却プレート２ｃ〜２ｆは、冷却プレート２ｂと同様の構造を有する。

図３に、最外冷却プレート２ａの分解斜視図を示す。図３に示されるように、最外冷却プレート２ａは、冷却プレート２ｂの外板２７が外板２５に変更される以外は、冷却プレート２ｂと同様の構造を有する。外板２５には、その長手方向（図のＸ方向）の両側に、突出開口部２５ａと２５ｂが形成されている。突出開口部２５ａには供給管８が接続され、突出開口部２５ｂには排出管７が接続される。図３に示すように、突出開口部２５ｂは、楕円形であり、その長軸の直径が突出開口部２５ａの直径よりも大きい。別言すると、突出開口部２５ｂは、突出開口部２５ａより大きい開口を有する。従って、排出管７の長軸に対応する内径は、供給管８の内径よりも大きい（後述）。開口部２１ａ、２３ａ、及び２５ａは、冷却プレートの積層方向（図中のＹ方向）から見て重なるように設けられており、それらの開口部は最外冷却プレート２ａを貫通する貫通孔を構成する。一方、開口部２１ｂ、２３ｂ、及び２５ｂも貫通孔を構成する。但し、突出開口部２５ｂは、２５ａと比べてその長手方向の内側（中心側）にその開口が拡張されているため、厳密には開口部２１ｂ、２３ｂ、及び２５ｂは積層方向から見て一部が重なるが完全に一致はしない。本明細書では説明の都合上、それらの開口部によって構成される孔も貫通孔と称する。

次に、積層方向の他方の端に位置する冷却プレート２ｇについて説明する。図示は省略するが、冷却プレート２ｇは、冷却プレート２ｂの外板２１の突出開口部２１ａと２１ｂが塞がれている以外は、冷却プレート２ｂと同様の構造を有する。開口部２１ａと２１ｂが塞がれた外板２１を、外板２９と称する。

冷却プレート２についてまとめると、各冷却プレート２の筐体は、外板の組み合わせによって３種類の形状をとる。最外冷却プレート２ａの筐体は、外板２１と２５によって構成される。冷却プレート２ｂ〜２ｇの筐体は、外板２１と２７によって構成される。冷却プレート２ｇの筐体は外板２７と２９によって構成される。即ち、本実施例の冷却プレートは、冷却プレートの数に関わらず、４種類の外板２１、２５、２７、２９で構成することができる。積層方向における両端の冷却プレート以外は冷却プレート毎に外板の形状を変える必要がないため、同一工程で製造できる。製造コスト上昇を抑制できる。

図４に図１のIV−IV線に沿って見た断面図（図中のＸＹ断面）を示す。なお、図４は、半導体モジュール３、絶縁シート４、及び放熱フィン２２の図示を省略しており、主に冷却に関する部品を示している。上記部材を除外した図４の構造を冷却器９０と称する。冷却器９０は、７枚の冷却プレート２ａ〜２ｇを備えており、供給管８に近い側が上流側に相当し、供給管８から遠い側が下流側に相当する。また、積層している７枚の冷却プレートのうち、積層体の積層方向の上流側に位置する冷却プレート（冷却プレート２ａ）が最外冷却プレートに相当する。

隣接する２つの冷却プレートにおいて、一方の冷却プレートの突出開口部２１ａ（２１ｂ）と、これに対向する他方の冷却プレートの突出開口部２７ａ（２７ｂ）が嵌合し、前述した接続管５を形成する。突出開口部２１ａ（２１ｂ）と突出開口部２７ａ（２７ｂ）も、ロウ付けなどで接合される。また、最外冷却プレートにおいて、突出開口部２５ａには供給管８が、突出開口部２５ｂには排出管７が、それぞれロウ付けなどで接合される。

図４に良く示されているように、各冷却プレートの内部構造は全て同じである。但し、上流側の最外冷却プレート２ａの突出開口部２５ｂは、突出開口部２５ａと比べて大きな開口を有する。従って、排出管７の内径Ｄ１は、供給管８の内径Ｄ２よりも大きい。また、図４に示されるように、接続管５の内径Ｄ３は、接合した突出開口部２１ａと２７ａのうち、内側に位置する突出開口部２１ａの内径である。接続管５の内径Ｄ３は、供給管８の内径Ｄ２と略同じである。なお、ここで、断面が楕円である排出管７の内径Ｄ１は、楕円断面の長軸に相当する内径である。

図４に示した流路内の矢印は、冷媒の流れを示している。矢印が示すように、供給管８から冷却器９０（半導体積層ユニット１００）に供給される冷媒は、各冷却プレートを平行に流れ、排出管７から出ていく。具体的には、供給管８から供給される冷媒は、その一部が冷却プレート２ａの流路に流れ込み、残りは接続管５を通って冷却プレート２ｂに流れ込む。冷却プレート２ａの流路は、中板２３によって上流側流路３１と下流側流路３２に分かれており、各流路には放熱フィン２２が設けられている（図２、図３参照）。冷媒はほぼ等量ずつ、上流側流路３１と下流側流路３２に流れ込み、放熱フィン２２を流れて貫通孔を通過し、排出管７から出ていく。一方、冷却プレート２ｂに流れ込んだ冷媒は、その一部が冷却プレート２ｂの流路に流れ込み、残りは接続管５を通って冷却プレート２ｃに流れ込む。冷媒が冷却プレート２ｂの流路内を流れる様子は冷却プレート２ａの場合と同様であるので説明を省略する。冷却プレート２ｂの流路を流れた冷媒は、貫通孔と接続管５を通って、冷却プレート２ａを通過した冷媒と合流し、排出管７から出ていく。こうして各冷却プレートの流路を通過した冷媒は、貫通孔と接続管５を通過して、最終的に排出管７から出ていく。

半導体モジュール３は、最外冷却プレート２ａとこれに隣接する冷却プレート２ｂとの間の空間３４ａに配置される。同様に、隣接する冷却プレート間の空間３４ｂ〜３４ｆに、半導体モジュール３が配置される。前述したように、複数の冷却プレート２と複数の半導体モジュール３の積層体は、その積層方向に圧縮荷重を受け、互いに密着する。半導体モジュール３の熱は、冷却プレート２の外板２１、２７、及び放熱フィン２２を介して冷媒に吸収され、半導体モジュール３が冷却される。

半導体積層ユニット１００に関する利点を述べる。各冷却プレートを流れた冷媒は、排出管７と最外冷却プレート２ａの接続部分（別言すれば、突出開口部２５ｂ）で合流するため、冷媒の流量はこの箇所において最も多くなる。前述したように、最外冷却プレート２ａの外板２５側には、半導体モジュール３を設置しない。そのため、供給管８と排出管７の間に空間ができる。その空間を利用して排出管７の内径Ｄ１を供給管８の内径Ｄ２よりも大きくする。楕円断面の長軸に相当するＤ１は、例えばＤ２の１．５倍であるが、これに限られない。そうすることで、冷媒の流量が最も多い箇所である、排出管７と最外冷却プレート２ａの接続部分において、冷媒が流れ易くなる。別言すれば、排出管７と最外冷却プレート２ａの接続部分の流路抵抗が低減する。これにより、下流側だけでなく、上流側においても冷媒が流れ易くなる。結果として、半導体積層ユニット１００の冷却器９０の圧力損失を下げることができる。また、排出管７は、冷却プレート２ａの長手方向における外側に向かって大きくするのではなく、中心側（即ち、冷却プレートの長手方向における内側）に向かって大きくするため、半導体積層ユニット１００全体の大きさが大きくなることはない。半導体積層ユニット１００の大きさを変えることなく、冷却器９０の圧力損失を下げることができる。

半導体積層ユニット１００に関する留意点を述べる。冷却器９０内の冷媒の流れを向上するために、供給管８の内径Ｄ２を接続管５の内径Ｄ３よりも大きくする場合（特に、半導体積層ユニット１００の大きさを変えずに済むように、内径Ｄ２を冷却プレート２の長手方向において中心側に延長する場合）を考える。冷媒流量の多い供給管８と最外冷却プレート２ａの接続部分（別言すれば、突出開口部２５ａ）を大きくすることで冷媒は流れ易くなるが、一方において、Ｄ２は前述した方向に延長されるために、供給管８から供給される冷媒は最外冷却プレート２ａに流れ込み易くなる。即ち、最外冷却プレート２ａを流れる流量が、他の冷却プレートを流れる流量よりも多くなる。各冷却プレートを流れる量に差があると、半導体モジュール３は均一に冷却されない。そこで、本明細書が開示する半導体積層ユニット１００は、供給管８の内径Ｄ２を接続管５の内径Ｄ３と略同一にする。そうすることで、供給管８から供給される冷媒は、各冷却プレートをほぼ等量ずつ流れる。従って、３４ａ〜３４ｆに設置された半導体モジュール３は均一に冷却され得る。また、排出管７の内径Ｄ１を大きくしたことで上流側の冷媒も流れ易くなるため、供給管８の内径Ｄ２が接続管５の内径Ｄ３と略同一であっても、供給管８と最外冷却プレート２ａの接続部分において冷媒はスムーズに流れる。さらに、排出管７は、供給管８と異なり、その内径を大きくしても各冷却プレートを流れる冷媒の流量に影響を及ぼさない。従って、本明細書が開示する半導体積層ユニット１００は、供給管８と排出管７の間の空間を利用して、排出管７の内径Ｄ１を供給管８の内径Ｄ２よりも大きくするとともに、供給管８の内径Ｄ２を接続管５の内径Ｄ３と略同一にすることによって、複数の冷却プレート間の冷媒の流れを不均一にすることなく、冷媒の流れを向上できる。結果として、冷媒流路の圧力損失を低減することができる。

図４では接続管５の内径Ｄ３は突出開口部２１ａの内径として描かれているが、接続管５の内径Ｄ３は、接合した突出開口部２１ａと２７ａのうち、外側に位置する突出開口部２７ａの内径であってもよい。冷却プレートはアルミなどの薄板により形成されるため、突出開口部２１ａの内径と、突出開口部２７ａの内径はほぼ同一である。従って、接続管５の内径Ｄ３を突出開口部２７ａの内径としても、供給管８の内径Ｄ２と接続管５の内径Ｄ３が略同じであるという関係は維持される。

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。

２：冷却プレート
２ａ：最外冷却プレート
２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇ：冷却プレート
３：半導体モジュール
４：絶縁シート
５：接続管
７：排出管
８：供給管
１８：当接領域
２１：外板
２１ａ、２１ｂ：突出開口部
２２：放熱フィン
２３：中板
２３ａ、２３ｂ：開口部
２５：外板
２５ａ、２５ｂ：突出開口部
２７：外板
２７ａ、２７ｂ：突出開口部
２９：外板
３１：上流側流路
３２：下流側流路

Claims (1)

1. 複数の平板型の冷却プレートと、半導体素子を収めた平板型の複数の半導体モジュールを交互に積層した半導体積層ユニットであり、
   冷却プレートの半導体モジュール当接領域の両側に貫通孔が形成されているとともに、冷却プレートの内部に一方の貫通孔から他方の貫通孔へと冷媒が通る流路が形成されており、
   隣接する冷却プレートの貫通孔同士が接続管によって接続されており、
   半導体積層ユニットの積層方向の一方の端に位置する冷却プレートの２つの貫通孔の夫々に、冷媒を供給する供給管と冷媒を排出する排出管が接続されており、
   排出管の内径が供給管の内径よりも大きく、供給管の内径が接続管の内径と略同一であることを特徴とする半導体積層ユニット。

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