JP2008193017A - 半導体素子の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートシンクの体積の増大を抑制しながら、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合も当該発熱を吸収することが可能な半導体素子の冷却構造を提供する。
【解決手段】半導体素子の冷却構造は、半導体素子１と、半導体素子１が搭載されるヒートシンク２と、半導体素子１に対してヒートシンク２の反対側に位置するように半導体素子１に取付けられ、ケース３１および潜熱蓄熱材３２を含む蓄熱部材３とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子の冷却構造に関し、特に、潜熱蓄熱材を用いた半導体素子の冷却構造に関する。

物質の相変化に伴なう熱量の吸収を利用して蓄熱を行なう潜熱蓄熱材を用いた冷却構造が従来から知られている。

たとえば、特開２００６−２４０５０１号公報（特許文献１）においては、ハイブリッド車両用の冷却システムにおいて、モータおよびインバータの冷却目標温度で相変化する潜熱蓄熱材を含む粒子と、エンジンを含む内燃機関系の冷却目標温度で相変化する潜熱蓄熱材を含む粒子とを冷媒に混入させることが記載されている。

また、特開２０００−１１６５０５号公報（特許文献２）においては、調理器の発熱素子の冷却に潜熱蓄熱材を用いることが記載されている。

また、特開平６−１１２８６号公報（特許文献３）においては、インバータの熱を蓄熱材により吸収し、その熱を暖房に利用することが記載されている。

また、特許第３６８７１６９号公報（特許文献４）においては、炊飯器の主回路の発熱を放熱フィンに注入された蓄熱材によって吸収することが記載されている。

また、特公昭６３−６７８３６号公報（特許文献５）においては、潜熱蓄熱材の具体例が記載されている。
特開２００６−２４０５０１号公報 特開２０００−１１６５０５号公報 特開平６−１１２８６号公報 特許第３６８７１６９号公報 特公昭６３−６７８３６号公報

半導体素子をヒートシンク上に搭載した冷却構造においては、定常的な状態での冷却は、ヒートシンクにより行なわれる。しかしながら、半導体素子の発熱量は、短時間で急激に増大する場合があり、この大きな発熱をヒートシンクのみを用いて吸収しようとすると、ヒートシンクの体積が増大し、熱抵抗が増加するため、定常的な冷却性能が低下するという問題がある。そこで、ヒートシンクの体積の増大を抑制しながら短時間で増大する発熱を吸収可能な構造が求められる。

他方、潜熱蓄熱材は、主に物質の相変化に伴なう熱量の吸収を利用するものであり、たとえば固相の蓄熱材が融解して液相となった場合、該蓄熱材は、再度固相に戻るまでは潜熱による熱量の吸収を行なうことができない。したがって、潜熱蓄熱材は、ヒートシンクと比較して、定常的な冷却に適さない傾向にある。

特許文献１〜５においては、上記の課題を十分に解決可能な構成は開示されていない。たとえば、特許文献１では、冷媒中に潜熱蓄熱材を混入させているだけであり、定常的な発熱を吸収する部分と短時間での急激な発熱を吸収する部分とを別々に設けることは記載されていない。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ヒートシンクの体積の増大を抑制しながら、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合も当該発熱を吸収することが可能な半導体素子の冷却構造を提供することにある。

本発明に係る半導体素子の冷却構造は、半導体素子と、半導体素子が搭載されるヒートシンクと、半導体素子に対してヒートシンクの反対側に位置するように半導体素子に取付けられた潜熱蓄熱材を含む蓄熱部材とを備える。

上記構成によれば、ヒートシンクによって半導体素子の定常的な冷却を行ないながら、該半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、潜熱蓄熱材の相変化により当該熱量を吸収することができる。この結果、ヒートシンクの体積の増大を抑制しながら半導体素子の冷却性能を向上させることができる。

好ましくは、上記半導体素子の冷却構造において、蓄熱部材は、導電性の外殻体と、該外殻体内に貯留された潜熱蓄熱材とを含み、外殻体を介して半導体素子と他の部品とが電気的に接続される。

このようにすることで、蓄熱部材の外殻体を利用して半導体素子への電気的接続を実現することができる。したがって、蓄熱部材を避けるように配線を取り回す必要がなく、蓄熱部材の面積を大きく取ることができるので、半導体素子の冷却性能をさらに向上させることができる。

好ましくは、上記半導体素子の冷却構造において、蓄熱部材は、空気よりも熱伝導率の高い伝熱部材を介して他の部品と接続される。

このようにすることで、伝熱部材を介して蓄熱部材からの放熱を促進することができる。この結果、蓄熱部材の冷却を速やかに行なうことが可能になり、連続的な短時間の高負荷にも対応することが可能になる。

好ましくは、上記半導体素子の冷却構造において、半導体素子に固定された蓄熱部材に生じる応力を緩和することが可能な応力吸収部が蓄熱部材に形成される。

このようにすることで、潜熱蓄熱材の相変化に伴なう体積変化や蓄熱部材と半導体素子との線膨張係数の差に起因して生じる応力の増大を抑制することができる。

１つの例として、上記半導体素子の冷却構造において、半導体素子は、車両を駆動する回転電機を制御する制御装置に含まれる。

本発明によれば、ヒートシンクの体積の増大を抑制しながら、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合も当該発熱を吸収することができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。

図１は、本発明の１つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造が適用されるＰＣＵの主要部の構成を示す回路図である。なお、図１に示されるＰＣＵ１００は、「車両を駆動する回転電機の制御装置」である。

図１を参照して、ＰＣＵ１００は、コンバータ１１０と、インバータ１２０，１３０と、制御装置１４０と、コンデンサＣ１，Ｃ２とを含んで構成される。コンバータ１１０は、バッテリＢとインバータ１２０，１３０との間に接続され、インバータ１２０，１３０は、それぞれ、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と接続される。

コンバータ１１０は、パワートランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、リアクトルＬとを含む。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は直列に接続され、制御装置１４０からの制御信号をベースに受ける。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれパワートランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。リアクトルＬは、バッテリＢの正極と接続される電源ラインＰＬ１に一端が接続され、パワートランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に他端が接続される。

このコンバータ１１０は、リアクトルＬを用いてバッテリＢから受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。また、コンバータ１１０は、インバータ１２０，１３０から受ける直流電圧を降圧してバッテリＢを充電する。

インバータ１２０，１３０は、それぞれ、Ｕ相アーム１２１Ｕ，１３１Ｕ、Ｖ相アーム１２１Ｖ，１３１ＶおよびＷ相アーム１２１Ｗ，１３１Ｗを含む。Ｕ相アーム１２１Ｕ、Ｖ相アーム１２１ＶおよびＷ相アーム１２１Ｗは、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。同様に、Ｕ相アーム１３１Ｕ、Ｖ相アーム１３１ＶおよびＷ相アーム１３１Ｗは、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。

Ｕ相アーム１２１Ｕは、直列接続された２つのパワートランジスタＱ３，Ｑ４を含む。同様に、Ｕ相アーム１３１Ｕ、Ｖ相アーム１２１Ｖ，１３１ＶおよびＷ相アーム１２１Ｗ，１３１Ｗは、それぞれ、直列接続された２つのパワートランジスタＱ５〜Ｑ１４を含む。また、各パワートランジスタＱ３〜Ｑ１４のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ１４がそれぞれ接続されている。

インバータ１２０，１３０の各相アームの中間点は、それぞれ、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各相コイルの各相端に接続されている。そして、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２においては、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成される。

コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１の電圧レベルを平滑化する。また、コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ２の電圧レベルを平滑化する。

インバータ１２０，１３０は、制御装置１４０からの駆動信号に基づいて、コンデンサＣ２からの直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を駆動する。

制御装置１４０は、モータトルク指令値、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各相電流値、およびインバータ１２０，１３０の入力電圧に基づいてモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ３〜Ｑ１４をオン／オフするＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成してインバータ１２０，１３０へ出力する。

また、制御装置１４０は、上述したモータトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ１２０，１３０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ１１０へ出力する。

さらに、制御装置１４０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリＢを充電するため、コンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ１４のスイッチング動作を制御する。

ＰＣＵ１００の動作時において、コンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０を構成するパワートランジスタＱ１〜Ｑ１４およびダイオードＤ１〜Ｄ１４は発熱する。したがって、これらの半導体素子の冷却を促進するための冷却構造を設ける必要がある。

図２は、本実施の形態に係る半導体素子の冷却構造を示す断面図である。図２を参照して、本実施の形態に係る半導体素子の冷却構造は、半導体素子１と、半導体素子１が搭載されるヒートシンク２とを含んで構成される。

半導体素子１は、たとえば図１におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ１４およびダイオードＤ１〜Ｄ１４である。半導体素子１は、搭載構造１Ａを介してヒートシンク２上に搭載される。ヒートシンク２は、たとえば銅やアルミニウムなどの熱伝導率の比較的高い金属により構成される。また、ヒートシンク２内には、冷媒流路２０が形成されている。冷媒流路２０内に冷媒が流されることにより、半導体素子１の定常的な冷却が行なわれる。

半導体素子１におけるヒートシンク２の反対側の面（以下「上面」という。）には、蓄熱部材３が固定されている。蓄熱部材３は、ケース３１と、ケース３１内に潜熱蓄熱材３２とを含んで構成される。ケース３１は、たとえば銅などの比較的熱伝導率が高く、導電性の良好な金属により構成され得る。また、潜熱蓄熱材３２を構成する素材は、適宜変更が可能であるが、たとえばＳｎ／Ｚｎ（融点：１９９℃）や溶解塩ＮａＯＨ−ＫＯＨ（融点：１７０℃）などを採用することが可能である。また、蓄熱部材３の厚みは、たとえば４ｍｍ〜５ｍｍ程度である。

図３は、潜熱蓄熱材３２の温度とその吸収する熱量との関係を説明するグラフである。図３に示すように、潜熱蓄熱材３２が熱量を吸収するにつれて、その温度が上昇する。しかしながら、潜熱蓄熱材３２の相が変化（ここでは、固相状態から液相状態へと変化）する際（すなわち、潜熱蓄熱材３２が融解する際）に、潜熱蓄熱材３２の融解熱により、温度が一定のまま吸熱（熱量：ΔＱ）が行なわれる状態が生じる。本実施の形態では、潜熱蓄熱材３２の融点Ｔを、半導体素子１の定常時の温度よりも高く、かつ、半導体素子１の非定常的な昇温時の冷却目標温度よりも低く設定する。このようにすることで、定常時には、主にヒートシンク２によって半導体素子１の冷却を行ない、非定常的な昇温時には、潜熱蓄熱材３２の融解熱を利用して、蓄熱部材３の温度を一定に保ったまま、半導体素子１の発熱を吸収することができる。この結果、半導体素子１の昇温レベルを低減することが可能になる。

次に、図４,図５を用いて、上記冷却構造の変形例について説明する。
図４に示す変形例では、蓄熱部材３のケース３１の表面にディンプル３３が形成されている。半導体素子１が発熱した際、蓄熱部材３と半導体素子１との線膨張係数の差により、蓄熱部材３に応力が生じる場合がある。また、潜熱蓄熱材３２が相変化する際、その体積が変化することにより蓄熱部材３に応力が生じる場合がある。これに対し、上記のようにディンプル３３が設けられることにより、蓄熱部材３に生じた応力が緩和される。

また、図４に示す変形例では、たとえば銅などの比較的熱伝導率の高い金属により構成された伝熱シート４により、蓄熱部材３とヒートシンク２とが接続されている。このようにすることで、伝熱シート４を介して蓄熱部材３の熱をヒートシンク２に逃がすことができるので、蓄熱部材３の冷却を速やかに行なうことが可能になり、連続的な短時間の高負荷にも対応することが可能になる。

なお、伝熱シート４は、金属製のものに限定されず、空気よりも熱伝導率の高い任意の素材で伝熱シート４を構成することが可能である。

図５に示す変形例では、導電性のケース３１および伝熱シート４を介して半導体素子１とバスバー５とを電気的に接続している。図５の例においては、２つの半導体素子１が設けられ、一方の半導体素子１の上面に蓄熱部材３Ａが設けられ、他方の半導体素子１の上面に蓄熱部材３Ｂが設けられる。そして、蓄熱部材３Ａ，３Ｂとバスバー５とが伝熱シート４により接続される。ここで、２つの半導体素子１は、たとえば、Ｕ相アーム１２１Ｕに含まれるパワートランジスタＱ３およびダイオードＤ３である。図５に示す構成によれば、伝熱シート４を用いてバスバー５と半導体素子１との電気的接続を行なうに際し、半導体素子１の上面において蓄熱部材３を避けるように配線を取り回す必要がなく、蓄熱部材３の面積を大きく取ることができるので、半導体素子１の冷却性能をさらに向上させることができる。

図６は、上述した冷却構造を構成するヒートシンクを示す斜視図である。また、図７は、図６に示すヒートシンクに半導体素子を搭載した状態の一例を示す上面図である。図６，図７を参照して、ヒートシンク２は、半導体素子１が搭載される搭載面２Ａを有する。図７に示すように、コンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０に含まれる半導体素子１（パワートランジスタＱ１〜Ｑ１４およびダイオードＤ１〜Ｄ１４）が搭載面２Ａ上に搭載される。ヒートシンク２は、入口部６および出口部７を有する。ラジエータ（図示せず）において冷却された冷媒は、入口部６からヒートシンク２内に流入し、ヒートシンク２内に形成された冷媒流路２０を流れる。冷媒流路２０を流れた冷媒は、出口部７から流出し、ラジエータに導かれ、再び冷却される。このようにして、半導体素子１の冷却が促進される。

上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る半導体素子の冷却構造は、半導体素子１と、半導体素子１が搭載されるヒートシンク２と、半導体素子１に対してヒートシンク２の反対側に位置するように半導体素子１に取付けられ、「外殻体」としてのケース３１および潜熱蓄熱材３２を含む蓄熱部材３とを備える。

図４の変形例では、蓄熱部材３は、「伝熱部材」としての伝熱シート４を介して「他の部品」としてのヒートシンク２と接続される。

また、図４の変形例では、半導体素子１に固定された蓄熱部材３に生じる応力を緩和することが可能な「応力吸収部」としてのディンプル３３が蓄熱部材３に形成されている。

図５の変形例では、導電性のケース３１を介して半導体素子１と「他の部品」としてのバスバー５とが電気的に接続される。

本実施の形態に係る半導体素子の冷却構造によれば、上述したように、ヒートシンク２によって半導体素子１の定常的な冷却を行ないながら、該半導体素子１の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、潜熱蓄熱材３の相変化により当該熱量を吸収することができる。したがって、ヒートシンク２が過度に大型化することを抑制しながら半導体素子１の冷却性能を向上させることが可能になる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の１つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造が適用されるＰＣＵの主要部の構成を示す回路図である。 本発明の１つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造を示す断面図である。 潜熱蓄熱材の温度とその吸収する熱量との関係を説明するグラフである。 本発明の１つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造の変形例を示す断面図である。 本発明の１つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造の他の変形例を示す断面図である。 本発明の１つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造を構成するヒートシンクを示す斜視図である。 図６に示されるヒートシンクに半導体素子を搭載した状態の一例を示す上面図である。

符号の説明

１ 半導体素子、１Ａ 搭載構造、２ ヒートシンク、２Ａ 搭載面、３，３Ａ，３Ｂ 蓄熱部材、４ 伝熱シート、５ バスバー、６ 入口部、７ 出口部、２０ 冷媒流路、３１ ケース、３２ 潜熱蓄熱材、１００ ＰＣＵ、１１０ コンバータ、１２０，１３０ インバータ、１２１Ｕ，１３１Ｕ Ｕ相アーム、１２１Ｖ，１３１Ｖ Ｖ相アーム、１２１Ｗ，１３１Ｗ Ｗ相アーム、１４０ 制御装置、Ｂ バッテリ、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ１４ ダイオード、Ｌ リアクトル、ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３ 電源ライン、Ｑ１〜Ｑ１４ パワートランジスタ。

Claims (5)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子が搭載されるヒートシンクと、
   前記半導体素子に対して前記ヒートシンクの反対側に位置するように前記半導体素子に取付けられた潜熱蓄熱材を含む蓄熱部材とを備えた、半導体素子の冷却構造。
2. 前記蓄熱部材は、導電性の外殻体と、該外殻体内に貯留された潜熱蓄熱材とを含み、
   前記外殻体を介して前記半導体素子と他の部品とが電気的に接続される、請求項１に記載の半導体素子の冷却構造。
3. 前記蓄熱部材は、空気よりも熱伝導率の高い伝熱部材を介して他の部品と接続される、請求項１または請求項２に記載の半導体素子の冷却構造。
4. 前記半導体素子に固定された前記蓄熱部材に生じる応力を緩和することが可能な応力吸収部が蓄熱部材に形成される、請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体素子の冷却構造。
5. 前記半導体素子は、車両を駆動する回転電機を制御する制御装置に含まれる、請求項１から請求項４のいずれかに記載の半導体素子の冷却構造。

Images