特許 6363513 冷却装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6363513

(24)【登録日】2018年7月6日

(45)【発行日】2018年7月25日

(54)【発明の名称】冷却装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20180712BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/36 D

【請求項の数】1

【全頁数】7

(21)【出願番号】特願2015-3567(P2015-3567)

(22)【出願日】2015年1月9日

(65)【公開番号】特開2016-129209(P2016-129209A)

(43)【公開日】2016年7月14日

【審査請求日】2017年6月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】特許業務法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】内山 和典

(72)【発明者】

【氏名】袴田 尚樹

(72)【発明者】

【氏名】出口 昌孝

(72)【発明者】

【氏名】北見 明朗

(72)【発明者】

【氏名】吉田 忠史

【審査官】 多賀 和宏

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−３２０００５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０２８５６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２５２５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０６２２８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／３４−２３／４７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パワー素子が封止されたパワーカードを冷却する冷却器と、前記パワーカードと前記冷却器との間に配置された絶縁板と、を備える冷却装置であって、
前記冷却器の前記絶縁板側の表面および前記絶縁板の前記冷却器側の表面のうちの少なくとも一方の面に、軟質金属により形成された軟質金属層
を備え、
前記軟質金属層の表面に、基油と固体添加剤とを含む放熱グリスが塗布されており、
前記軟質金属層は、厚さが前記固体添加剤の平均粒子径より大きくなるよう形成されている、
冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷却装置に関し、詳しくは、パワー素子が封止されたパワーカードを冷却する冷却器と、パワーカードと冷却器との間に配置された絶縁板と、を備える冷却装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の冷却装置としては、筐体と、アンダーカバーとを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。筐体には、表面にグリスを介して半導体モジュールが取り付けられている。グリスは、熱伝導性の高い材料により形成されている。半導体モジュールは、発熱する半導体チップを内蔵している。アンダーカバーは、筐体の裏面に取り付けられている。冷却装置は、半導体モジュールの熱をグリスを介して筐体やアンダーカバーに放熱することにより、半導体モジュールを冷却している。この装置では、筐体の表面の、半導体モジュールに内蔵された半導体チップと重なる位置に、半導体チップを囲む形状の溝を形成する。半導体チップの発熱で筐体とアンダーカバーの温度が上昇すると、筐体とアンダーカバーの熱膨張率の違いから、筐体が変形する。筐体が変形すると、半導体モジュールと筐体との間の隙間が不均一となり、グリスが押し出されて溝に溜まる。そして、筐体とアンダーカバーの温度が下がり、変形が元に戻ると、溝内に溜まったグリスが筐体表面に出てくる。これにより、筐体と半導体モジュールとの間に空隙が生じて、熱抵抗が増加するのを抑制している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３−１３８１１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述の冷却装置では、筐体に熱的負荷が繰り返し印加されると、次第にグリスが外に抜けてしまい、筐体と半導体モジュールとの間に空隙が生じてしまう。空隙が生じると、半導体モジュールと筐体との間の熱抵抗が増加し、半導体チップの熱が筐体で放熱しづらくなり、冷却性能が低下してしまう。

【0005】

本発明の冷却装置は、パワーカードに熱的負荷が繰り返し印加されたときにおける熱抵抗の増加を抑制することを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の冷却装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

【0007】

本発明の冷却装置は、
パワー素子が封止されたパワーカードを冷却する冷却器と、前記パワーカードと前記冷却器との間に配置された絶縁板と、を備える冷却装置であって、
前記冷却器の前記絶縁板側の表面および前記絶縁板の前記冷却器側の表面のうちの少なくとも一方の面に、軟質金属により形成された軟質金属層
を備え、
前記軟質金属層の表面に、基油と固体添加剤とを含む放熱グリスが塗布されている、
ことを要旨とする。

【0008】

この本発明の冷却装置では、冷却器の絶縁板側の表面および絶縁板の冷却器側の表面のうちの少なくとも一方の面に、軟質金属により形成された軟質金属層が設けられている。軟質金属層の表面には、基油と固体添加剤とを含む放熱グリスが塗布されている。パワー素子の発熱とその後の冷却により、パワーカードが変形と元の形状に戻ることとを繰り返すと、放熱グリスの基油が排出されて放熱グリスの厚さが低下する。放熱グリスの厚さが低下し冷却器と絶縁板との距離が短くなると、残留している固体添加剤が軟質金属層に進入するから、冷却器と絶縁板との距離をより短くすることができる。したがって、基油が排出される代わりに空隙が発生するものと比較すると、パワーカードに熱的負荷が繰り返し印加されたときにおける熱抵抗の増加を抑制することができる。

【0009】

こうした本発明の冷却装置において、前記パワーカードの両面に前記絶縁板と前記冷却器とが積層されている、ものとしてもよい。

【0010】

また、本発明の冷却装置において、軟質金属層は、厚さが固体添加剤の平均粒子径より大きくなるよう形成されている、ものとしてもよい。こうすれば、固体添加剤を軟質金属層に埋没させることができるから、冷却器とパワーカードとの距離をより近づけることができ、熱抵抗の増加をより抑制することができる。ここで、「平均粒子径」は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値５０％での粒径とする。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施例として冷却装置を備えるパワーコントロールユニット２０の構成の概略を示す外観図である。

【図2】ＰＣＵ２０の要部２１の断面を示す断面概略図である。

【図3】放熱グリス３８の構成の一例を説明する説明図である。

【図4】軟質金属層３６ａ，３６ｂを備えていない比較例のＰＣＵ２０に熱的負荷が繰り返し印加された後の様子を示す説明図である。

【図5】実施例のＰＣＵ２０に熱的負荷が繰り返し印加された後の様子を示す説明図である。

【図6】変形例のＰＣＵの要部１２１の断面を示す断面概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

【実施例】

【0013】

図１は、本発明の一実施例として冷却装置を備えるパワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」という）２０の構成の概略を示す外観図であり、図２は、ＰＣＵ２０の要部２１の断面を示す断面概略図である。図１における太線黒矢印は、冷却水の流れる方向を表している。ＰＣＵ２０は、図１，図２に示すように、複数のパワーカード２２と、パワーカード冷却装置３０と、を備えている。ＰＣＵ２０は、図示しない一対の押圧部材により図１における上下方向から荷重をかけられて押圧されている。

【0014】

パワーカード２２は、図１，図２に示すように、パワー素子と熱拡散板とを有するパワーチップ２２ａを内蔵している。パワー素子は、昇圧コンバータ，インバータなどを構成するダイオードやＩＧＢＴなどである。熱拡散板は、パワー素子からの熱をパワーカード冷却装置３０に拡散させている。

【0015】

パワーカード冷却装置３０は、図１，図２に示すように、複数の冷却器チューブ３２と、複数の絶縁板３４と、複数の軟質金属層３６ａ，３６ｂと、を備えている。

【0016】

複数の冷却器チューブ３２は、熱伝導性の良好な材料（例えば、アルミニウム（Ａｌ）など）により形成され、各パワーカード２２の両面側に配置されている。冷却器チューブ３２内には、冷却水が流通している。冷却器チューブ３２内には、伝熱効率を上げるために図示しないフィンが取り付けられている。

【0017】

複数の絶縁板３４は、熱伝導性が良好な絶縁材料（例えば、セラミックなど）により形成され、各パワーカード２２と各冷却器チューブ３２との間に配置されている。

【0018】

軟質金属層３６ａは、熱伝導率の比較的高い軟質金属（例えば、スズ（Ｓｎ）、リチウム（Ｌｉ）、インジウム（Ｉｎ）など）により、冷却器チューブ３２の絶縁板３４側の表面に形成されている。軟質金属層３６ｂは、軟質金属層３６ａと同様に、軟質金属（例えば、スズ（Ｓｎ）、リチウム（Ｌｉ）、インジウム（Ｉｎ）など）により、絶縁板３４の冷却器チューブ３２側の表面に形成されている。軟質金属層３６ａ，３６ｂは、１μｍ以上２００μｍ以下の厚さ、好ましくは、１０μｍ以上５０μｍ以下の厚さとなるよう形成するものとした。

【0019】

放熱グリス３８は、軟質金属層３６ａと軟質金属層３６ｂとの間および絶縁板３４とパワーカード２２との間に塗布されている。図３は、放熱グリス３８の構成の一例を説明する説明図である。放熱グリス３８は、シリコン系グリスとして構成されており、シリコンオイルから形成される基油３８ａと、熱伝導性が良好な固体金属粒子（例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ），アルミナなど）から形成される固体添加剤３８ｂと、を含んでいる。固体添加剤３８ｂは、平均粒子径が０．２μｍ以上１０μｍ以下、好ましくは、１．０μｍ以上５．０μｍ以下となるよう形成するものとした。ここで、「平均粒子径」は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値５０％での粒径とした。放熱グリス３８は、１μｍ以上１００μｍ以下の厚さ、好ましくは、１０μｍ以上２０μｍ以下の厚さとなるよう形成するものとした。

【0020】

こうして構成されたＰＣＵ２０では、軟質金属層３６ａ，放熱グリス３８，軟質金属層３６ｂ，絶縁板３４，放熱グリス３８を介して冷却器チューブ３２でパワーカード２２を冷却している。

【0021】

ＰＣＵ２０では、パワーカード２２が通電すると、パワーカード２２に内蔵されたパワー素子の温度が上昇し、熱拡散板の発熱と膨張とによりパワーカード２２が変形する。パワーカード２２が変形すると、放熱グリス３８の基油３８ａが押し出されて排出される。パワーカード２２の通電がオフされると、熱拡散板の温度低下と収縮によりパワーカード２２が元の形状に戻ろうとする。再びパワーカード２２が通電すると、パワーカード２２の変形により、放熱グリス３８の基油３８ａが排出される。このようにパワーカード２２の通電に伴って、パワーカード２２に熱的負荷が繰り返し印加されると、放熱グリス３８の基油３８ａが排出され、放熱グリス３８の厚さが低下していく。

【0022】

図４は軟質金属層３６ａ，３６ｂを備えていない比較例のＰＣＵに熱的負荷が繰り返し印加された後の様子を示す説明図であり、図５は実施例のＰＣＵ２０に熱的負荷が繰り返し印加された後の様子を示す説明図である。比較例のＰＣＵ２０では、熱的負荷がパワーカード２２に繰り返し印加されて放熱グリス３８の厚さが低下し、固体添加剤３８ｂの粒子径程度の厚さになると、図４に示すように、固体添加剤３８ｂにより冷却器チューブ３２と絶縁板３４とがそれ以上近づくことができなくなる。更に、パワーカード２２に熱的負荷が加わると、基油３８ａが更に排出され、冷却器チューブ３２と絶縁板３４との間に空気等が混入して微少な空隙１４０が発生し、冷却器チューブ３２と絶縁板３４との間の熱抵抗が増加してしまう。実施例のＰＣＵ２０では、冷却器チューブ３２の表面と絶縁板３４の表面に軟質金属層３６ａ，３６ｂを形成し、軟質金属層３６ａ，３６ｂの間に放熱グリス３８を塗布したから、図５に示すように、放熱グリス３８の基油３８ａが排出されて放熱グリス３８の厚さが低下して冷却器チューブ３２と絶縁板３４との距離が短くなっていくと、放熱グリス３８の固体添加剤３８ｂが軟質金属層３６ａ，３６ｂに進入していく。そのため、放熱グリス３８の厚さを固体添加剤３８ｂの粒子径より薄くすることができ、空隙の発生が抑制される。これにより、熱抵抗の増加を抑制することができる。

【0023】

以上説明した実施例のＰＣＵ２０では、冷却器チューブ３２の絶縁板３４側の表面および絶縁板３４の冷却器チューブ３２側の表面に軟質金属層３６ａ，３６ｂを形成し、軟質金属層３６ａ，３６ｂの表面に放熱グリス３８を塗布したから、パワーカード２２に熱的負荷が繰り返し印加されたときにおける放熱グリス抜けによる熱抵抗の増加を抑制することができる。

【0024】

実施例のＰＣＵ２０では、ＰＣＵ２０を使用している途中で放熱グリス３８の厚さが低下し、固体添加剤３８ｂが軟質金属層３６ａ，３６ｂに進入していくものとしたが、使用前に、予め、パワーカード２２と放熱グリス３８と絶縁板３４と軟質金属層３６ｂと放熱グリス３８と軟質金属層３６ａと冷却器チューブ３２とを積層させた状態で荷重をかけて加圧し、加圧により放熱グリス３８の基油３８ａをある程度排出させると共に固体添加剤３８ｂを軟質金属層３６ｂに進入させて放熱グリス３８の厚さを低下させてから、使用するものとしてもよい。こうすれば、使用時にパワーカード２２に熱的負荷が繰り返し印加されたときにおける放熱グリス３８の厚さの変化が小さくなり、性能の変化が抑制される。これにより、信頼性を向上させることができる。

【0025】

実施例のＰＣＵ２０では、冷却器チューブ３２の絶縁板３４側の表面および絶縁板３４の冷却器チューブ３２側の表面に軟質金属層３６ａ，３６ｂを形成したが、冷却器チューブ３２の絶縁板３４側の表面および絶縁板３４の冷却器チューブ３２側の表面のうちのいずれか一方の面のみに軟質金属層を設けるものとしてもよい。

【0026】

実施例のＰＣＵ２０では、パワーカード２２の両面に冷却器チューブ３２や絶縁板３４、放熱グリス３８、軟質金属層３６ａ，３６ｂが配置されているものとしたが、パワーカード２２の片面のみに冷却器チューブ３２や絶縁板３４、放熱グリス３８、軟質金属層３６ａ，３６ｂが配置されているものとしても構わない。

【0027】

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、冷却器チューブ３２が「冷却器」に相当し、絶縁板３４が「絶縁板」に相当し、放熱グリス３８が「放熱グリス」に相当し、軟質金属層３６ａ，３６ｂが「軟質金属層」に相当する。

【0028】

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

【0029】

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

【産業上の利用可能性】

【0030】

本発明は、冷却装置の製造産業などに利用可能である。

【符号の説明】

【0031】

２０ パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）、２２ パワーカード、２２ａ パワーチップ、３２ 冷却器チューブ、３４ 絶縁板、３６ａ，３６ｂ 軟質金属層、３８ 放熱グリス、３８ａ 基油、３８ｂ 固体添加剤、１４０ 空隙。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】