特開 2022-171638 熱を放散させるための冷却構造体を備える冷却モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022171638

(43)【公開日】2022-11-11

(54)【発明の名称】熱を放散させるための冷却構造体を備える冷却モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20221104BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20221104BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20221104BHJP

【ＦＩ】

H01L23/46 Z

H01L23/36 Z

H05K7/20 N

【審査請求】未請求

【請求項の数】18

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022075249

(22)【出願日】2022-04-28

(31)【優先権主張番号】2104497

(32)【優先日】2021-04-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(71)【出願人】

【識別番号】518100258

【氏名又は名称】ヴァレオ シーメンス イーオートモーティブ フランス エスアーエス

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100106655

【弁理士】

【氏名又は名称】森 秀行

(72)【発明者】

【氏名】ルーロフ、ベルホーフ

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA05

5E322DA04

5E322EA10

5E322EA11

5F136BA30

5F136CB06

5F136CB27

5F136DA27

5F136FA02

5F136FA03

(57)【要約】      （修正有）

【課題】熱衝撃、高温、湿度、及び高圧に対して優れた耐性を有する冷却構造体を提供する。
【解決手段】電気自動車又はハイブリッド自動車の電気アセンブリに組み込まれるように設計された電子モジュール１０であって、基板２の上面２１に載置された少なくとも１つの電子部品４０から発生する熱を放散する胞状冷却構造体３は、基板２の下面２２と接触している。胞状冷却構造体３は、そのセルエッジが胞状冷却構造体３と冷却液との間の全接触面を増加させるセルと、セルによって画定される、胞状冷却構造体３の体積内に分布する細孔とを備え、冷却液が、細孔を通って及び／又は細孔間の空間を通って、循環する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板（２）の上面（２１）に載置された少なくとも１つの電子部品（４０）から発生した熱を放散するように構成された、前記基板（２）の内面（２２）と接触している胞状冷却構造体（３）であって、
セルであって、そのセルエッジが胞状冷却構造体（３）と冷却液との間の全面接触面を増加させる、セルと、
前記セルによって画定され、前記胞状冷却構造体（３）の体積内に分布する細孔であって、前記細孔を通って及び／又は前記細孔間の空間を通って前記冷却液が循環する、細孔と
を備えることを特徴とする、胞状冷却構造体（３）。

【請求項2】

３Ｄプリントによって製造される、請求項１に記載の胞状冷却構造体（３）。

【請求項3】

前記セルがオープンタイプ及び／又はクローズドタイプであり、
前記細孔が相互接続タイプ及び／又は密閉タイプである、
請求項１又は２に記載の胞状冷却構造体（３）。

【請求項4】

前記下面（２２）の接触領域（７）と接触しているとともに、前記冷却液に浸漬される、請求項１から３のいずれか一項に記載の胞状冷却構造体（３）。

【請求項5】

前記下面（２２）の前記接触領域（７）に分布する接触領域（７３ａ，７１ｂ）及び／又は接点（７１ａ～７１ｅ）にそれぞれ結合される部分（３１～３４，３６，３７，３８）を備える、請求項４に記載の胞状冷却構造体（３）。

【請求項6】

前記胞状冷却構造体（３）が前記部分（３６，３７，３８）を備える単一部品である、又は、
前記部分（３１～３４）が互いに独立している、
請求項５に記載の胞状冷却構造体（３）。

【請求項7】

パイプコイルの形態をしている、請求項１から６のいずれか一項に記載の胞状冷却構造体（３）。

【請求項8】

前記胞状冷却構造体（３）の体積の７５％～９５％の空孔率を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の胞状冷却構造体（３）。

【請求項9】

前記冷却液の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料で構成された、請求項１から８のいずれか一項に記載の胞状冷却構造体（３）。

【請求項10】

焼結、溶接、接着によって又は圧縮によって、前記下面（２２）の前記接触領域（７）に結合される、請求項４から９のいずれか一項に記載の胞状冷却構造体（３）。

【請求項11】

３Ｄプリントによって前記基板（２）と共に形成される、請求項１から９のいずれか一項に記載の胞状冷却構造体（３）。

【請求項12】

特に電気自動車又はハイブリッド自動車用の電子モジュール（１０）のための、前記電子モジュール（１０）から発生した熱を放散するように構成された冷却モジュール（５）において、請求項１から１１のいずれか一項に記載の少なくとも１つの胞状冷却構造体（３）を備え、前記少なくとも１つの胞状冷却構造体（３）が前記電子モジュール（１０）の少なくとも１つの基板（２）と接触していることを特徴とする、冷却モジュール（５）。

【請求項13】

冷却液と少なくとも１つの胞状冷却構造体（３）とを収容するように構成された少なくとも１つのチャンバ（５１）を備える、請求項１２に記載の冷却モジュール（５）。

【請求項14】

前記冷却液を備える、請求項１２又は１３に記載の冷却モジュール（５）。

【請求項15】

電気自動車又はハイブリッド自動車の電気アセンブリに組み込まれるように設計された電子モジュール（１０）において、
上面（２１）及び下面（２２）を備える少なくとも１つの基板（２）と、
前記少なくとも１つの基板（２）の前記上面（２１）に載置された少なくとも１つの電子部品（４０）と、
前記少なくとも１つの基板（２）の前記下面（２２）と接触している少なくとも１つの胞状冷却構造体（３）を備える、前記少なくとも１つの基板（２）の前記下面（２２）と接触している請求項１２から１４のうちのいずれか一項に記載の冷却モジュール（５）と、
を備えることを特徴とする、電子モジュール（１０）。

【請求項16】

電子パワーモジュールであり、前記少なくとも１つの電子部品（４０）が半導体パワーチップである、請求項１５に記載の電子モジュール（１０）。

【請求項17】

請求項１５又は１６に記載の電子モジュール（１０）を備える、電気自動車又はハイブリッド自動車用の電気アセンブリ。

【請求項18】

インバータ又は直流－直流電圧コンバータである、請求項１７に記載の電気アセンブリ（１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、特に車両用、特に電気自動車（ＥＶ）又はハイブリッド車（ＨＥＶ）用の電気機器の分野に関する。

【0002】

より詳細には、本発明は、冷却モジュールに使用される冷却構造体に関し、冷却構造体は、電子モジュールの電子部品から発生する熱を効率的に放散するように構成される。

【背景技術】

【0003】

電気自動車又はハイブリッド車の電子モジュール、例えば電子パワーモジュール、は一般に電子モジュールの基板上に載置された電子部品を備える。電子モジュールの動作中、電子部品が熱を発生するが、動作可能であるために電子部品は冷却されなければならない。電子部品の効率的な冷却により、特に電子部品の寿命を延ばすことができる。したがって、電子モジュールは、これらの電子部品が発生した熱を放散するために冷却モジュールを備える。

【0004】

一般に、基板は、電子部品が載置される上面と、冷却液（例えば水）が循環する冷却モジュールと接触する下面とを備える。電子部品から発生する熱は、基板から冷却モジュールに伝達された後、循環する冷却液によって排出される。

【0005】

さらに、冷却モジュールは、冷却液に浸漬される冷却スピンドルを備えることができる。冷却スピンドルは、一般に金属製であり、したがって熱の交換及び熱の放散を容易にする。しかしながら、このタイプの冷却モジュールによって提供される熱の放散の効率は、さらに改善されなければならない。

【発明の概要】

【0006】

したがって、熱衝撃、高温、湿度、及び高圧に対して優れた耐性を有する冷却構造体によって、電子モジュールの電子部品の冷却を改善する必要がある。

【0007】

本発明は、基板の上面に載置された少なくとも１つの電子部品から発生する熱を放散するように構成された胞状（alveolar）冷却構造体に関し、胞状冷却構造体は基板の内面と接触している。胞状冷却構造体は、そのセルエッジが胞状冷却構造体と冷却液との間の全接触面を増加させるセルと、セルによって画定される、胞状冷却構造体の体積内に分布する細孔とを備え、冷却液が、細孔を通って及び／又は細孔間の空間を通って、循環する。

【0008】

有利には、胞状冷却構造体は３Ｄプリントによって製造される。

【0009】

有利には、セルがオープンタイプ及び／又はクローズドタイプであり、細孔が相互接続タイプ及び／又は密閉タイプである。

【0010】

好ましくは、胞状冷却構造体が上記下面の接触領域と接触しているとともに、冷却液に浸漬される。

【0011】

好ましくは、胞状冷却構造体が、上記下面の接触領域に分布する接触領域及び／又は接点にそれぞれ結合される部分を備える。

【0012】

有利には、胞状冷却構造体が上記部分を備える単一部品である、又は、胞状冷却構造体の上記部分が互いに独立している。

【0013】

有利には、胞状冷却構造体がパイプコイルの形態をしている。

【0014】

好ましくは、胞状冷却構造体が胞状冷却構造体の体積の７５％～９５％の空孔率を有する。

【0015】

好ましくは、胞状冷却構造体が冷却液の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料で構成される。

【0016】

有利には、胞状冷却構造体は、焼結、溶接、接着によって又は圧縮によって、上記下面の接触領域に結合される。

【0017】

有利には、胞状冷却構造体は３Ｄプリントによって基板と共に形成される。

【0018】

本発明はまた、特に電気自動車又はハイブリッド自動車用の電子モジュールのための、電子モジュールから発生した熱を放散するように構成された冷却モジュールに関する。冷却モジュールは、上述の少なくとも１つの胞状冷却構造体を備え、この少なくとも１つの胞状冷却構造体は電子モジュールの少なくとも１つの基板と接触している

【0019】

有利には、冷却モジュールは、冷却液と少なくとも１つの胞状冷却構造体とを収容するように構成された少なくとも１つのチャンバを備える。

【0020】

有利には、冷却モジュールは冷却液を備える。

【0021】

本発明はまた、電気自動車又はハイブリッド自動車の電気アセンブリに組み込まれるように設計された電子モジュールに関する。この電子モジュールは、上面及び下面を備える少なくとも１つの基板と、少なくとも１つの基板の上面に載置された少なくとも１つの電子部品と、少なくとも１つの基板の前記下面と接触している少なくとも１つの胞状冷却構造体を備える、少なくとも１つの基板の下面と接触している上述の冷却モジュールと、を備える。

【0022】

電子モジュールは、例えば、電子パワーモジュールであり、少なくとも１つの電子部品は半導体パワーチップである。

【0023】

本発明は、上述の電子モジュールを備える、電気自動車又はハイブリッド自動車用の電気アセンブリに関する。

【0024】

電子モジュールは、例えば、インバータ又は直流－直流電圧コンバータである。

【0025】

本発明は、同様の対象には同一の参照符号が与えられる、非限定的な例として提供される以下の図を参照して、例として提供される以下の説明を読むことによってよりよく理解される。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の一実施形態による、胞状冷却構造体を備える冷却モジュールを備えた電子モジュールの横断面図を示す。

【図2】本発明による様々な形態の構造体を備えた電子モジュールを示す図である。

【図3】本発明による様々な形態の構造体を備えた電子モジュールを示す図である。

【図4】本発明による、電子モジュールの基板の接点に結合された胞状冷却構造体を示す図である。

【図5】本発明による、電子モジュールの基板の接点に結合された胞状冷却構造体を示す図である。

【図6】本発明の一実施形態による、互いに独立した部分を備える胞状冷却構造体を示す図である。

【図7】冷却モジュールのチャンバの底部と接触していない、本発明の一実施形態による胞状冷却構造体を示す図である。

【図8】本発明の一実施形態による、２つの基板に載置された電子部品を冷却するために使用される単一の胞状冷却構造体を備える冷却モジュールを示す。

【図9】前記胞状冷却構造体の間に配置された少なくとも１つの電子部品を冷却するために使用される２つの胞状冷却構造体を備える冷却モジュールを示す。

【発明を実施するための形態】

【0027】

図面は、本発明を実施するために本発明を詳細に説明するものであり、必要に応じて本発明をより良く定義するのに前記図面が役立ち得ることを理解されたい。

【0028】

そこで、本発明は、一般に、電子モジュール１０の少なくとも１つの電子部品４０から発生する熱を放散するために電子モジュール１０の冷却モジュール５内に配置されるように設計された胞状冷却構造体３に関する。

【0029】

図１は、本発明の一実施形態による、少なくとも１つの胞状冷却構造体３を有する冷却モジュール５を備えた電子モジュール１０の横断面図を示す。

【0030】

電子モジュール１０は、少なくとも１つの電子部品４０と、少なくとも１つの電子部品４０が載置された少なくとも１つの基板２と、冷却モジュール５とを備える。電子モジュール１０は、好ましくは電子パワーモジュールである。電子モジュール１０は、特に、電気自動車又はハイブリッド自動車に搭載された電気アセンブリに組み込まれるように設計されている。電気アセンブリは、例えば、インバータ又は直流－直流電圧コンバータである。

【0031】

少なくとも１つの電子部品４０は、特に半導体パワーチップである。ほとんどの場合、電子モジュール１０は複数の電子部品４０を備える。しかしながら、本文の解釈を容易にするために、以下に示す実施形態のほとんどで、電子モジュール１０は単一の基板２と単一の電子部品４０とを備える。

【0032】

基板２は多層構造であることが好ましい。一実施形態によれば、基板２は金属層を備える。本発明は、基板２の層の数又は層の材料のいずれにも限定されない。好ましくは、基板２は３Ｄ（３次元）プリントによって製造される。

【0033】

基板２は上面２１と下面２２とを有する。２つの面２１及び２２は平坦である。少なくとも１つの電子部品４０が上面２１に載置され、下面２２が冷却モジュール５と接触している。

【0034】

冷却モジュール５は、冷却液と少なくとも１つの胞状冷却構造体３とを収容するように構成された少なくとも１つのチャンバ５１を備える。以下に示される実施形態の大部分において、冷却モジュール５は、単一のチャンバ５１と単一の胞状冷却構造体３とを備える。

【0035】

好ましくは、冷却液は、チャンバ５１を通って循環する。特に、基板２を冷却モジュール５に封止状態に取り付けた後、胞状冷却構造体３がチャンバ５１内に配置される。冷却液は、例えば、水又は液体グリコールである。

【0036】

胞状冷却構造体３はチャンバ５１内に配置され、冷却液に浸漬される。胞状冷却構造体３は、例えば、図１に示すように、チャンバ５１の底部と接触している。あるいは、胞状冷却構造体３は、図５及び図７に示すように、チャンバ５１の底部と接触していない。

【0037】

胞状冷却構造体３は、アルミニウム、鋼、銅、マグネシウム、ニッケル、及びチタンなどの金属材料、又は１つ以上の上述の金属を含む合金によって構成される。特に、胞状冷却構造体３の材料は、冷却液の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する。

【0038】

胞状冷却構造体３は、セルと、セルによって画定される細孔とを備える。セル及び細孔は、胞状冷却構造体３の体積内に分布している。好ましくは、セル及び細孔は前記体積内に規則的に分布している。胞状冷却構造体３は、前記体積の７５％～９５％の空孔率を有することが有利である。細孔のサイズ及び胞状冷却構造体３の空孔率は製造要件に適合される。

【0039】

細孔は冷却液で充填されるように設計されている。セルはオープンタイプ及び／又はクローズドタイプとすることができる。すなわち、胞状冷却構造体３は、オープンセルとクローズドセルとの組み合わせ、あるいはオープンセルのみ、又は、クローズドセルのみ、を備え得る。したがって、細孔は、相互接続タイプ及び／又は密閉タイプである。胞状冷却構造体３は、相互接続細孔と密閉細孔との組み合わせ、あるいは、（オープンセルによって画定された開放細孔である）相互接続細孔のみ、又は（クローズドセルによって画定された）密閉細孔のみを備え得る。

【0040】

有利な実施形態（不図示）によれば、胞状冷却構造体３は、交差する複数の孔によって穿孔された金属又は合金のブロックである。細孔は、前記ブロックの３つの孔が一点で交差するように形成される。

【0041】

胞状冷却構造体３は、少なくとも１つの電子部品４０から発生した熱の放散の効率を高めるために、基板２の下面２２の接触領域７と接触していることが好ましい。発生した熱は、基板２から胞状冷却構造体３に接触領域７を介して伝達され、循環する冷却液によって排出される。

【0042】

好ましくは、胞状冷却構造体３は、３Ｄプリントによって製造される。

【0043】

胞状冷却構造体３のセルのエッジが、熱交換面を著しく増加させる。熱交換面は、胞状冷却構造体３と冷却液との間の全面接触面である。また、冷却液は、密閉細孔間の空間を通って、及び／又は、より有利には相互接続細孔を通って循環し、結果として、これによって冷却液透過性が増加する。熱交換面及び冷却液透過性の増大により、結果として、熱伝導率ならびに熱の放散を改善することが可能となる。

【0044】

胞状冷却構造体３は、例えば、焼結、溶接、接着によって又は圧縮によって、下面２２の接触領域７と結合可能である。一実施形態によれば、胞状冷却構造体３は、製造要件（例えば、チャンバ５１の形態及び／又はサイズ、接触領域７の位置、形態、及び／又はサイズ）に適合するように、その体積を減少させるために（特に、その体積を３０％減少させるために）圧縮できる。

【0045】

少なくとも１つの基板２と少なくとも１つの胞状冷却構造体３でアセンブリを形成することが有利である。このアセンブリは３Ｄプリントによって製造されることが好ましい。前記アセンブリ、特に３Ｄプリントによって製造されたアセンブリ、は胞状冷却構造体３と基板２との（前記接触領域７に位置する）接合の問題を防止し、したがって、これにより冷却効率が改善される。

【0046】

図２～図７は、本発明による様々な形態及び構成の胞状冷却構造体３を備えた電子モジュール１０を示す。図２～図６に記載の構造体３、特に図３に示されるパイプコイルの形態のものは、それぞれ、図１に記載の胞状冷却構造体３の熱交換面よりも大きい熱交換面を有する。

【0047】

一実施形態によれば、胞状冷却構造体３は、図１～図４，図７，及び図８に記載されるように、所定の形態を有する単一部品である。あるいは、胞状冷却構造体３は、図５及び図６に記載されるように、互いに独立した複数の部分を備える。図５の胞状冷却構造体３は、接触領域７に分布する接点７１ａ，７１ｂにおいて基板２の下面２２とそれぞれ接触している独立部分３１，３２を有する。図６の胞状冷却構造体３は、接触領域７を構成する接触領域７３ａ，７３ｂにおいて基板２の下面２２とそれぞれ接触している独立部分３３，３４を有する。本発明は、胞状冷却構造体３の部分の数若しくは形態、又は接触部の数若しくは形態、又は接点の数に限定されない。

【0048】

胞状冷却構造体３が冷却モジュール５のチャンバ５１の全てを占める一実施形態（不図示）によれば、冷却液は、胞状冷却構造体３のみを通って循環する。あるいは、図１～図９に記載されるように、冷却液の一部は胞状冷却構造体３を通って循環するが、冷却液の残りの部分は、例えば、胞状冷却構造体３とチャンバ５１の内壁との間の空間を通って、及び／又は、胞状冷却構造体３と下面２２との間の空間を通って、及び／又は、胞状冷却構造体３の異なる部分間の空間を通って、胞状冷却構造体３の周りを循環する。

【0049】

上述したように、図５は、接触領域７に分布する接点７１ａ，７１ｂに結合された独立部分３３，３４を備える胞状冷却構造体３を示す。好ましくは、胞状冷却構造体３は、電子部品４０が載置された基板の下面２２の接触領域７に分布する接点に結合（例えば、溶接）される。好ましくは湾曲したストリップの形態の部分３３及び３４は、それぞれ厚さを有する。好ましくは、これらの接点は、熱の放散の効率を高めるために、より高い温度を有する領域の近傍、例えば電子部品４０のうちの１つの下、にそれぞれ位置する。さらに、別の実施形態によれば、図４に示すように、胞状冷却構造体３は、接触領域７全体と接触するのではなく、接触領域７に分布する１つ以上の接点７１ｃ，７１ｄ、７１ｅにそれぞれ結合された部分３６，３７，３８を備える単一部品である。

【0050】

有利な実施形態（不図示）によれば、胞状冷却構造体３は、第１の部分と、第１の部分から独立した第２の部分とを備える。第１の部分は、接触部において下面２２と接触している。第２の部分は、１つ以上の接点にそれぞれに結合された副部分（独立している、又は、独立していない）を備える。接点と接触部が接触領域７を構成する。

【0051】

図８は、電子モジュール１０が２つの基板２と２つの基板２に載置された電子部品４０とを備える、本発明の一実施形態を示す。２つの基板２の間に位置する冷却モジュール５は、１つの胞状冷却構造体３を備える。冷却モジュール５は、冷却モジュール５の両側にそれぞれ配置された２つの基板２に載置された電子部品４０を冷却するために用いられる。胞状冷却構造体３は、前記基板２の接触領域７と接触している。有利には、２つの基板２及び胞状冷却構造体３が、３Ｄプリントによって製造されることが好ましいアセンブリを形成する。

【0052】

図９は、電子モジュール１０が２つの基板２と、少なくとも１つの電子部品４０と、２つのチャンバ５１及び２つの胞状冷却構造体３を備える冷却モジュール５とを備える、別の実施形態を示す。少なくとも１つの電子部品４０は、前記基板２の上面２１載置され、また、２つの基板２の間に配置される。前記基板２の内面２２と接触している胞状冷却構造体３は、少なくとも１つの電子部品４０から発生した熱を放散するように構成される。本実施形態の冷却効率は、図１～図８に示す実施形態と比較して改善される。

【0053】

好ましくは、上述の接合の問題を回避し、電子モジュール１０の構成要素のアセンブリを簡素にするために、少なくとも１つの電子部品４０が、２つの胞状冷却構造体３の一方及び２つの基板２の一方をそれぞれが備える２つのアセンブリ間に、該２つのアセンブリと接触した状態で配置される。前記アセンブリは、３Ｄプリントによって製造されることが好ましい。

【0054】

本発明はまた、上記の実施形態のうちの２つ以上の組み合わせである他の実施形態にも関する。

【0055】

従来の（例えば、冷却スピンドルの有無にかかわらず、冷却液の存在下の）冷却機構と比較して、本発明による胞状冷却構造体３は、熱交換面及び冷却液透過性を増大することができ、これにより熱伝導率ならびに熱の放散が改善される。また、胞状冷却構造体３は、強力で、機械加工が容易であり、熱衝撃、高温、湿度、及び高圧に対して優れた耐性を有する。特に、胞状冷却構造体３は、「発泡体」、例えば金属発泡体、とも呼ばれる。

【0056】

本発明は、前述の実施形態に限定されず、その趣旨に合致する任意の実施形態に及ぶ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【外国語明細書】