半導體模塊用冷卻器以及半導體模塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種能夠有效地冷卻半導體元件的半導體模塊以及冷卻器。半導體模塊從外部向構成冷卻器的水套（2A）提供制冷劑，冷卻配置于翅片底座外面的電路元件部。該半導體模塊配置于與電路元件部熱連接的翅片（2C）和水套（2A）上，從制冷劑導入口（24）延伸設置，并且具備制冷劑導入流路（21），其具有為了向翅片（2C）的一個側面引導制冷劑而傾斜的引導部（21Si）。在G型中，向制冷劑導入流路（21）引導制冷劑的導入口部（21a）形成有錐形的截面，為了使制冷劑導入流路（21）的始端部的寬度（w2）窄于排出口（25）的寬度（w1）而變化其流路寬度。
【專利說明】半導體模塊用冷卻器以及半導體模塊
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種從外部向水套提供制冷劑、冷卻配置于其外面的半導體元件的半導體模塊用冷卻器、以及具備該冷卻器的半導體模塊。
【背景技術】
[0002]在以混合動力汽車與電動車等為代表的電力轉換裝置中，廣泛地利用著半導體模塊。在用來構成節(jié)能控制裝置的半導體模塊中，為了控制大電流而具備功率半導體元件。
[0003]這樣的功率半導體元件在控制大電流時，發(fā)熱量有增大的趨勢。特別是隨著功率半導體元件的小型化與高輸出化的進展，發(fā)熱量也變得非常大，因此在具備多個功率半導體元件的半導體模塊中，其冷卻方法成為大的問題。
[0004]在提高半導體模塊的冷卻效率方面，以往在半導體模塊上通常使用液冷式冷卻器(以下也稱為“冷卻裝置”。)。在使制冷劑循環(huán)的液冷式冷卻裝置中，為了提高其冷卻效率，采用了增加制冷劑流量，并使散熱用的翅片(冷卻體)制成具有良好的導熱率的形狀，或者提高構成翅片的材料的導熱率等各種各樣的方法。
[0005]但是，在向冷卻裝置增加制冷劑流量、或者采用具有良好的導熱率的翅片形狀的情況下，容易產(chǎn)生流經(jīng)裝置內(nèi)部的制冷劑的壓力損失增加等缺陷。特別是在使用多個散熱片冷卻多個功率半導體元件的冷卻裝置中，在串聯(lián)多個流路的曲折形狀的流路中，壓力損失的增加較為明顯。為了減小這樣的壓力損失，以較少的制冷劑流量提高冷卻效率的結構較為理想。為此，例如可以改善翅片材料的導熱率，也可以采用新型翅片材料，但這將會提高裝置整體的成本。
[0006]作為能夠保持冷卻性能并謀求對制冷劑的低壓力損失的冷卻裝置，可考慮使用于導入制冷劑的制冷劑導入流路和用于排出制冷劑的制冷劑排出流路相互平行地配置、并在它們之間大致垂直的制冷劑的流通方向上配置多個散熱片的方法(參照專利文獻I~7)。此時，如果散熱片構成為使制冷劑并列地流經(jīng)各翅片之間，則能夠提高單位壓力損失下的冷卻性能。另外，根據(jù)翅片與半導體元件的距離，使單位流路的壓力損失不同，以此可以減小整體流路內(nèi)的制冷劑的壓力損失并改善冷卻效率(參照專利文獻5)。
[0007]另外，在專利文獻6中，記載了外殼的后側壁的整體從右側壁側朝左側壁側向前側平緩地傾斜，進水頭部的流路截面積從冷卻液入口側向左側壁側逐漸變小的液冷式冷卻裝置(參照[0024]、[0031]段以及圖2)。
[0008]此外，在專利文獻3中，記載了導入并排出制冷劑的流路配置于模塊的同一側面，各個流路截面積不變地配置于與翅片垂直方向的液冷式冷卻裝置(參照圖1)。
[0009]【專利文獻I】日本專利文獻特開2001-35981號公報
[0010]【專利文獻2】日本專利文獻特開2007-12722號公報
[0011]【專利文獻3】日本專利文獻特開2008-205371號公報
[0012]【專利文獻4】日本專利文獻特開2008-251932號公報
[0013]【專利文獻5】日本專利文獻特開2006-80211號公報[0014]【專利文獻6】日本專利文獻特開2009-231677號公報
[0015] 【專利文獻7】日本專利文獻特開2006-295178號公報
【發(fā)明內(nèi)容】
[0016]但是，在以往的冷卻技術中，因散熱片與制冷劑流路的形狀、發(fā)熱元件的配置方法、或者制冷劑的導入口、排出口的形狀等，會產(chǎn)生制冷劑偏向流動的偏流分布。在傳統(tǒng)的冷卻裝置中，這樣的偏流分布會使冷卻性能出現(xiàn)偏向，因此在冷卻裝置整體上難以獲得均勻而穩(wěn)定的冷卻性能。而且，由于還會發(fā)生僅配置在與制冷劑排出口側相對的位置上的半導體元件的發(fā)熱溫度顯著上升等不良情況，因此存在元件壽命降低或者容易產(chǎn)生故障等問題。
[0017]另外，如專利文獻6、7所公開的冷卻裝置，如果進水頭部的流路截面積向延伸設置的方向逐漸縮小，雖然流量分布會有所改善，但并不能解決在制冷劑的導入口附近的溫度上升的問題。
[0018]本發(fā)明是鑒于這些問題而提出的，其目的在于提供一種半導體模塊用冷卻器，其能夠解決在制冷劑的流路上產(chǎn)生的偏流，有效地使配置于外面的半導體元件冷卻，能夠切實防止因半導體元件發(fā)熱而造成的誤操作及破壞。
[0019]另外，本發(fā)明的目的還在于提供一種在這種冷卻器的外面配置半導體元件的半導體模塊。
[0020]在本發(fā)明中，為了解決上述問題，提供一種從外部向水套提供制冷劑，使配置于其外面的半導體元件冷卻的半導體模塊用冷卻器。該半導體模塊用冷卻器的特征在于，包括:散熱片，與所述半導體元件熱連接；第一流路，在所述水套內(nèi)，從制冷劑導入口延伸設置，并且配置有引導部，該引導部具有用于向所述散熱片的一個側面引導所述制冷劑的傾斜面；第二流路，與所述第一流路并列而配置于所述水套內(nèi)，并向制冷劑排出口延伸，且形成有與所述散熱片的其他側面平行的側壁；第三流路，形成在連通所述水套內(nèi)的所述第一流路和所述第二流路的位置，所述制冷劑導入口和所述制冷劑排出口形成在所述水套的同一壁面上，所述散熱片配置于所述第三流路內(nèi)。
[0021]另外，本發(fā)明的半導體模塊，具有冷卻器，該冷卻器從外部向水套提供制冷劑，以冷卻配置于其外面的半導體元件，其特征在于，包括:散熱片，與所述半導體元件熱連接；第一流路，在所述水套內(nèi)，從制冷劑導入口延伸設置，并且配置有引導部，該引導部具有用于向所述散熱片的一個側面引導所述制冷劑的傾斜面；第二流路，與所述第一流路并列而配置于所述水套內(nèi)，并向制冷劑排出口延伸，且形成有與所述散熱片的其他側面平行的側壁；第三流路，形成在連通所述水套內(nèi)的所述第一流路和所述第二流路的位置，所述制冷劑導入口和所述制冷劑排出口形成在所述水套的同一壁面上，所述散熱片配置于所述第三流路內(nèi)。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的半導體模塊用冷卻器，為了使制冷劑向散熱片的一個側面流動，通過將導入通道的截面積設定為導入通道比排出通道小，可以提高制冷劑導入口附近的流速，解決其溫度上升的問題，與此同時，還能夠調(diào)整從第一流路向散熱片流入的制冷劑的流速。
[0023]另外，依據(jù)本發(fā)明的半導體模塊用冷卻器，在第一流路上設置有分割制冷劑流路的分離壁，既可以抑制因縮小導入通道的截面積而產(chǎn)生的壓力損失的上升，又可調(diào)整制冷劑的流速分布。因此，能夠有效地冷卻配置于冷卻器外面的半導體元件，從而能夠使半導體元件穩(wěn)定地工作。
[0024]本發(fā)明的上述以及其他目的、特征以及優(yōu)點，通過作為本發(fā)明的實例而表示優(yōu)選實施方式的附圖相關的以下說明將變得明確。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是示出本發(fā)明的半導體模塊的外觀的立體圖。
[0026]圖2是沿Ll-Ll向剖視圖1的半導體模塊的一例的模式圖。
[0027]圖3是示出冷卻器的水套的主要部分的結構的立體圖。
[0028]圖4是說明兩種翅片形狀的圖，(A)是示出板狀翅片的立體圖，⑶是示出波紋翅片的立體圖。
[0029]圖5是示出構成半導體模塊的電力轉換電路的一例的圖。
[0030]圖6是說明以往的半導體模塊的第一變形例的圖，(A)是示出電路元件的布置例的立體圖，(B)是示出冷卻器的水套的主要部分的結構的立體圖。
[0031]圖7是示出與圖6(B)的冷卻器不同類型的水套形狀的立體圖。
[0032]圖8是按照電路基板的位置分別示出圖6以及圖7的半導體模塊中制冷劑的流速的圖。
[0033]圖9是示出本發(fā)明的半導體模塊所使用的水套的引導部形狀的平面圖。
[0034]圖10是按照類型分別示出本發(fā)明的半導體模塊用冷卻器以及半導體模塊所使用的水套的引導部形狀以及流路寬度的圖。
[0035]圖11是對于本發(fā)明的半導體模塊用冷卻器，按照類型分別示出電路基板的各位置的制冷劑的流速分布的圖。
[0036]圖12是按照圖10的水套類型分別示出穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)熱溫度的圖。
[0037]圖13是按照類型分別示出本發(fā)明的半導體模塊中制冷劑的導入口和排出口的壓力差的圖。
[0038]圖14是示出本發(fā)明的半導體模塊所使用的水套的圖，(A)是示出水套的引導部形狀的平面圖，(B)是示出(A)的水套的立體圖。
[0039]圖15是示出與圖14的冷卻器不同類型的水套的引導部形狀的平面圖。
[0040]圖16是按照類型分別示出本發(fā)明的半導體模塊用冷卻器以及半導體模塊所使用的水套的引導部形狀以及流路寬度的說明圖。
[0041]圖17涉及圖16的各半導體模塊用冷卻器，(A)是示出電路基板的各位置的制冷劑的流速分布的圖，⑶是示出制冷劑的導入口和排出口的壓力差的圖。
[0042]圖18是按照圖16的水套類型分別示出穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)熱溫度的圖。
[0043]圖19是示出本發(fā)明的半導體模塊用冷卻器所使用的水套的圖，(A)是示出水套的引導部形狀的平面圖，(B)是示出(A)的水套的局部立體圖。
[0044]圖20是示出與圖19的冷卻器不同的N型的水套的導入通道形狀的部分平面圖。
[0045]圖21涉及圖15、圖19以及圖20的各半導體模塊用冷卻器，(A)是示出電路基板的各位置的制冷劑的流速分布的圖，(B)是示出制冷劑的導入口和排出口的壓力差的圖。[0046]圖22是按照類型分別示出圖15、圖19以及圖20的水套性能的說明圖。
[0047]符號說明
[0048]2冷卻器
[0049]2A水套
[0050]2B翅片底座
[0051]2C翅片
[0052]10U0A半導體模塊
[0053]21制冷劑導入流路
[0054]21a導入口部
[0055]21S1、22So引導部
[0056]22制冷劑排出流路
[0057]22a排出口部
[0058]23冷卻用流路
[0059]24導入口
[0060]25排出口
[0061]26基材
[0062]27分離壁
[0063]27a前端部
[0064]3A~31，31u、31d 電路元件部
[0065]31基板
[0066]31a絕緣基板
[0067]31b、31c導體圖案
[0068]32、33半導體元件
[0069]34-, 35接合層
[0070]40轉換電路
[0071]41三相交流電機
[0072]C間隙
[0073]BI ~B7位置
【具體實施方式】
[0074]圖1是示出本發(fā)明的半導體模塊的外觀的立體圖。圖2是沿Ll-Ll向剖視圖1的半導體模塊的一例的模式圖。圖3是示出冷卻器的水套的主要部分的結構的立體圖，箭頭表示制冷劑的流動方向。
[0075]如圖1以及圖2所示，半導體模塊10由冷卻器2以及配置于冷卻器2上的多個電路元件部3A~3C構成。該冷卻器2由作為翅片罩的水套2A和植入多根作為散熱片的翅片2C的翅片底座2B構成，將多個翅片2C收容于水套2A的內(nèi)部。
[0076]在以下的說明中，關于水套2A及收容于其內(nèi)部的翅片2C，在圖2中以翅片底座2B安裝的方向設定為“上側”，在圖3中以水套2A的上側為上的箭頭方向設定為“前側”，以其導入口 24以及排出口 25所形成的方向設定為“左側”等。另外，關于冷卻器2內(nèi)的制冷劑的流向，以靠近導入口 24的方向設定為“上游側”。
[0077]如圖3所示，冷卻器2的水套2A的外形呈大致長方體形狀。在其上側的主要面上，設置有制冷劑導入流路21、導入口部21a、制冷劑排出流路22、排出口部22a以及配置有翅片2C的冷卻用流路23。此外，在水套2A中，用于向其內(nèi)部導入制冷劑的導入口 24和用于向外部排出制冷劑排出口 25分別設置在其左側壁2Ab上和同一側面的左側壁2Ab上。這些制冷劑導入流路21等通過前側壁2Aa、左側壁2Ab、后側壁2Ac、右側壁2Ad以及底壁2Ae進行分界。此外，在該圖中，為了便于說明還畫出翅片2C。
[0078]作為第一流路，制冷劑導入流路21沿著制冷劑的流入方向從導入口 24經(jīng)過導入口部21a與水套2A的前側壁2Aa相平行地延伸設置到右側壁2Ad。另外，作為第二流路，制冷劑排出流路22向著制冷劑排出口 25方向，從右側壁2Ad與后側壁2Ac相平行地經(jīng)過排出口部22a而呈直線狀延伸設置到排出口 25。制冷劑導入流路21和制冷劑排出流路22大致平行地設置。在這里，在從導入口 24流入制冷劑導入流路21的制冷劑末端部、以及使制冷劑向排出口 25流出的制冷劑排出流路22的始端部，形成具有60°以下的傾斜的引導部 21S1、22So。
[0079]作為第三流路，冷卻用流路23設置于制冷劑導入流路21與制冷劑排出流路22之間，并形成為使制冷劑導入流路21以及制冷劑排出流路22連通。冷卻用流路23延伸設置在與制冷劑導入流路21的延伸設置方向以及制冷劑排出流路22的延伸設置方向分別垂直的方向上。界定冷卻用流路23的邊界的左側壁2Ab以及右側壁2Ad的內(nèi)面，分別與冷卻用流路23的底面以及后側壁2Ac的內(nèi)面形成垂直。
[0080]在冷卻用流路23中，配置有由多個翅片2C構成的散熱片，制冷劑流經(jīng)翅片2C所界定的流路。并且，從導入口 24導入的制冷劑在水套2A內(nèi)通過制冷劑導入流路21、冷卻用流路23、以及制冷劑排出流路22從排出口 25排出。散熱片的外形呈大致長方體，其左側側面、后側側面以及右側側面與左側壁2Ab、后側壁2Ac以及右側壁2Ad的內(nèi)面平行地設置于冷卻用流路23中。多個翅片2C設置為分別與左側壁2Ab或者右側壁2Ad的內(nèi)面平行。
[0081]具有這樣的結構的水套2A，可以使用例如鋁、鋁合金、銅、銅合金等金屬材料來形成。使用這樣的金屬材料形成水套2A時，例如可以通過壓鑄形成上述的制冷劑導入流路
21、制冷劑排出流路22、冷卻用流路23、導入口 24、以及排出口 25。除此之外，水套2A還可以使用含有碳填充劑的材料。另外，根據(jù)制冷劑的種類及流經(jīng)水套2A內(nèi)的制冷劑的溫度等，還可以使用陶瓷材料和樹脂材料等。
[0082]具有這樣的結構的水套2A，如圖1以及圖2所示，制冷劑導入流路21、制冷劑排出流路22以及多個冷卻用流路23的形成面?zhèn)?，除制冷劑的導入?24以及排出口 25以外均通過翅片底座2B進行密封。另外，在翅片底座2B上，例如向基材26中植入多個翅片2C。
[0083]以下，說明冷卻器2的翅片2C的形狀。
[0084]圖4是用于說明兩種翅片形狀的圖，(A)是示出板狀翅片的立體圖，(B)是示出波紋翅片的立體圖。
[0085]例如圖4(A)所示，冷卻器2的翅片2C可以由并列設置平板狀翅片的多個板狀翅片2Ca形成。板狀翅片2Ca配置于冷卻用流路23上，制冷劑向圖4(A)中用箭頭示出的方向流動。此時，這樣的板狀翅片2Ca在冷卻用流路23內(nèi)通過基材26以及翅片底座2B保持。
[0086]圖4(A)中給出了板狀翅片2Ca的示例，但也可以使用該圖⑶中示出的波紋翅片2Cb。
[0087]例如圖2所示，具有這樣的板狀翅片2Ca或者波紋翅片2Cb形狀的翅片2C與翅片底座2B —體化而面向翅片2C側的水套2A配置。翅片2C形成為在其前端與水套2A的底壁2Ae之間存在一定間隙C的尺寸(高度)。
[0088]在圖2中，基材26與翅片底座2B構成一體，在使翅片底座2B的翅片2C側面向水套2A進行配置時，翅片2C配置于水套2A的冷卻用流路23內(nèi)。此外，還可以將翅片2C通過壓鑄或焊接等與翅片底座2B本身形成一體，或者通過壓鑄從翅片底座2B起使翅片2C形成凸形狀之后，通過線切割法形成翅片形狀。
[0089]關于這種翅片2C的翅片形狀，可以使用以往的眾所周知的各種形狀。由于翅片2C將成為制冷劑流經(jīng)冷卻用流路23內(nèi)的阻力，因此優(yōu)選采用對制冷劑的壓力損失較小形狀。另外，翅片2C的形狀以及尺寸最好能夠考慮到制冷劑向冷卻器2的導入條件(即泵的性能等)、制冷劑的種類(粘性等)、作為目的的除熱量等適當?shù)卦O定。
[0090]另外，由翅片2C構成的散熱片的外形大致呈長方體，優(yōu)選為長方體，但在不影響到發(fā)明效果的范圍內(nèi)，也可以為倒角加工或變形的形狀。
[0091]翅片2C以及翅片底座2B與水套2A —樣，可以使用例如鋁、鋁合金、銅、銅合金等金屬材料來形成。翅片2C除上述板狀翅片2Ca與波紋翅片2Cb等以外，還可以通過將使用例如金屬材料形成的給定的銷和板體與金屬制的基材26相連接來形成。
[0092]這樣一來，接合有翅片2C的基材26就與金屬板等翅片底座2B的給定區(qū)域，即與圖2所示的冷卻用流路23所對應的區(qū)域相接合。如此，不僅能夠使預先接合翅片2C的基材26與翅片底座2B接合，還可以將多個翅片2C直接與翅片底座2B接合而構成散熱片。
[0093]在使用冷卻器2時，例如導入口 24與設置于其上游側的泵連接，排出口 25與設置于其下游側的熱交換器連接，從而構成包括這些冷卻器2、泵以及熱交換器的閉合回路的制冷劑流路。制冷劑在這樣的閉合回路內(nèi)通過泵被強制進行循環(huán)。
[0094]例如圖2所示，各電路元件部3A?3C均具有在基板31上分別安裝兩種半導體元件32、33各兩個共計4個的結構。例如圖2所示，基板31在絕緣基板31a的兩面形成有導體圖案31b、31c。
[0095]基板31的絕緣基板31a可以使用例如氮化鋁、氧化鋁等陶瓷基板。絕緣基板31a上的導體圖案31b、31c可以使用銅和鋁等金屬(例如銅箔)來形成。
[0096]半導體元件32、33使用焊料等接合層34與基板31的導體圖案31b側連接，與其導體圖案31b直接連接或通過導線(未圖示)進行電連接。安裝了半導體元件32、33的基板31在另一側的導體圖案31c側通過接合層35與冷卻器2的翅片底座2B連接。
[0097]如此，基板31和安裝在基板31上的半導體元件32、33變?yōu)榕c冷卻器2進行熱連接的狀態(tài)。此外，還可以在導體圖案31b、31c的露出表面以及半導體元件32、33與導體圖案31b進行電連接的導線表面通過鍍鎳等形成保護層，從而避免其表面受到污潰、腐蝕、夕卜力等的侵害。
[0098]圖5是示出構成為半導體模塊的電力轉換電路的一例的圖。
[0099]作為安裝在這樣的基板31上的半導體元件32、33，在這里使用功率半導體元件。作為一例，如圖5所示，一側的半導體元件32可以為續(xù)流二極管(Free WheelingDiode:FWD),另一側的半導體元件33可以為絕緣柵雙極型晶體管(Insulated GateBipolar Transistor:1GBT)。
[0100]半導體模塊10可以通過例如三個電路元件部3A?3C構成轉換電路40。
[0101]在圖5中，給出了將直流電流轉換為交流電流并提供給三相交流電機41的轉換電路40的示例。該轉換電路40的U相、V相、W相等三相分別具備作為IGBT的半導體元件33與作為FWD的半導體元件32的橋式電路。通過半導體元件33的切換控制，將直流電流轉換為交流電流，從而能夠驅(qū)動三相交流電機41。
[0102]在這里，具有上述結構的電路元件部3A?3C配置于冷卻器2的翅片底座2B的上方。這些電路元件部3A?3C可以連接為在例如冷卻器2上構成轉換電路。
[0103]那么，在這樣的電力轉換電路工作時，各電路元件部3A?3C所產(chǎn)生的熱量傳向與其連接的翅片底座2B，進而傳向其下方的翅片2C。如上所述，由于翅片2C配置于冷卻用流路23內(nèi)，通過制冷劑在該冷卻用流路23中流動，翅片2C被冷卻。發(fā)熱的電路元件部3A?3C就是這樣通過冷卻器2進行冷卻的。
[0104]在以上的說明中，給出了半導體模塊10的電路元件部3A?3C為三個的情況下的示例。但是，如下面的圖6所示的半導體模塊，電路元件部的個數(shù)并不限于三個。
[0105]圖6是說明以往的半導體模塊的第一變形例的圖，(A)是示出電路元件的配置例的立體圖，(B)是示出冷卻器的水套的主要部分的結構的立體圖。另外，圖7是示出與圖6(B)的冷卻器不同類型的水套的形狀的立體圖。
[0106]在圖6(A)所示的半導體模塊IOA中，在冷卻器2的長度方向的7列(BI?B7)、寬度方向的2行上，配置有共計14個電路元件部3D?31以及31u、31d。可以將這些電路元件部3D?31以及31u、31d進行適當?shù)慕M合，從而連接為構成多個例如圖5所示的轉換電路40。
[0107]在水套2A中，如圖6(B)所示，在一側的主要面?zhèn)仍O置有制冷劑導入流路21、制冷劑排出流路22以及冷卻用流路23，冷卻用流路23形成與翅片2C相對應的大小。例如圖2所示，該翅片2C與翅片底座2B —體化并面向翅片2C側的水套2A進行配置。并且，如圖1以及圖2所示，與翅片2C —體化的翅片底座2B最終配置于水套2A上。
[0108]翅片底座2B和水套2A使用例如適當?shù)拿芊獠牧?未圖示)進行接合。由此可以構成具備水套2A、翅片底座2B以及翅片2C的冷卻器2。在這里，從導入口 24流入制冷劑導入流路21的制冷劑末端部、以及使制冷劑向排出口 25流出的制冷劑排出流路22的始端部，形成具有60°以下的傾斜的引導部21S1、22So。在引導部21Si中，在與冷卻用流路23相對的整個區(qū)域內(nèi)具有相同的傾斜面。
[0109]在這里，給出了導入口 24以及排出口 25配置于左側壁2Ab的同一面?zhèn)?A型)的示例。但實際上，根據(jù)導入制冷劑的配管的連接問題，還可以考慮圖7(A)所示的導入口 24和排出口 25配置于相互面對的左右側壁2Ab、2Ad的相反位置的B型、或者該圖的(B)所示的導入口 24和排出口 25配置于右側壁2Ad的C型等多種形狀，在各種形狀中均需要對流路形狀進行優(yōu)化。
[0110]圖8是按照電路基板的位置分別示出圖6以及圖7的半導體模塊中的制冷劑的流速的說明圖。
[0111]作為一例，在圖8的圖表中，示出了將圖4(A)所示的板狀翅片2Ca配置于冷卻用流路23內(nèi)，且從導入口 24流出流量10L/min的制冷劑時，流經(jīng)板狀翅片2Ca之間的制冷劑流速。
[0112]從圖8所示的圖表可以看出，A、B、C各類型的水套按照其流路形狀分別具有流速分布不均勻的偏流特性。在導入口 24和排出口 25均配置于相同面?zhèn)鹊腁型或C型的水套中，在配管所連接的BI或B7側，各自的制冷劑流速較快，均達到0.15m/秒以上。如B型所示，在使導入口 24和排出口 25配置于對稱位置的水套中，在排出口 25側的位置B7上的制冷劑流速最快。這樣一來，冷卻用流路23內(nèi)的制冷劑，在制冷劑導入流路21與制冷劑排出流路22之間的形成板狀翅片2Ca的并列流路中，具有在排出口 25側的流速快的偏流特性。
[0113]另外，在圖6㈧所示的以往的半導體模塊IOA中，不同于2行6列12個電路元件部3D?31，在冷卻器2上的第7列中可以配置2個結構不同的電路元件部3Iu、31d。此時，可以通過使12個電路元件部3D?31進行適當?shù)慕M合，例如可以連接而構成多個圖5所示的轉換電路40。另外，電路元件部31u、31d可以構成為例如使用一定數(shù)量的IGBT和FWD的升壓轉換器電路。
[0114]此時，將例如升壓轉換器電路的電路元件部31u、31d與電池以及上述轉換電路40連接，通過電路元件部31u、31d使電池電壓進行升壓。還可構成為使升壓后的直流電流通過轉換電路40轉換為交流電流而提供給三相交流電機41的電路。
[0115]此外，為了新增加與這種電路元件部3D?31不同種類的電路元件部31u、31d，如果考慮到電路設計上或生產(chǎn)上的配線布局等，如圖6(A)所示，電路元件部31u、31d配置于半導體模塊IOA的端部是比較容易的。
[0116]在這樣的半導體模塊IOA中，沿著流經(jīng)冷卻器2的冷卻用流路23的制冷劑的流動方向，翅片2C內(nèi)部有2個發(fā)熱部位。并且，這些發(fā)熱部位相對于制冷劑的流動方向，分別位于上游側和下游側的位置上。其中，流經(jīng)下游側的制冷劑通過在上游側吸熱，其制冷劑溫度已經(jīng)上升。因此，配置于上游側的電路元件部的冷卻效率更高。
[0117]另外，流經(jīng)冷卻器2的冷卻用流路23的制冷劑，具有制冷劑的流速在排出口 25附近的位置上升的偏流特性。并且，越是制冷劑快速流經(jīng)冷卻用流路23的部位，翅片2C的冷卻效率越高。
[0118]此外，在電路元件部3D?31以及31u、31d驅(qū)動時產(chǎn)生的熱量并不相同，很多情況下是因其功能而異的。
[0119]考慮到這些情況，在電路元件部3D?31以及31u、31d中，其驅(qū)動時產(chǎn)生的熱量越高，如果配置于靠近排出口 25的制冷劑導入流路21側，則越能夠容易地進行冷卻。
[0120]但是，根據(jù)半導體模塊IOA的使用環(huán)境，有些情況下不能將產(chǎn)生損失最大的電路元件部配置于靠近排出口 25的位置，而不得不配置于遠離排出口 25的位置。另外，在半導體模塊IOA中，需要根據(jù)在電路元件部3D?31、31u、31d產(chǎn)生的熱量，使制冷劑以預定以上的流速進行流動。但是，為了使低流速部的流速升高，單單增加從導入口 24流出的制冷劑的流量，將造成在原本流速較快部分會流過必要以上的制冷劑的結果，而得不到期望的效果。為了使低流速部的流速升高，必須進一步向冷卻器增加提供制冷劑流量，需要高性能的栗。
[0121]因此，需要對冷卻器2的流路形狀進行改進，控制流速分布并改善偏流特性。為了模擬這種流路特性，需要進行包括制冷劑的流動及導熱、傳熱等物理現(xiàn)象的熱流體解析。另夕卜，因電路元件部3D?31、3Iu、31d上的發(fā)熱而引起的制冷劑的溫度升高，可以通過給出在穩(wěn)定運轉狀態(tài)下產(chǎn)生的發(fā)生損失進行分析來求得。
[0122]如果使用圖6(B)、圖7(A)、(B)所示的以往的A?C型水套2A對制冷劑的流速分布進行模擬，則從導入口 24向水套2A內(nèi)導入的制冷劑會流向靠近排出口 25的位置。因此，如圖8所示，流入冷卻用流路23的制冷劑特別是在靠近制冷劑排出口 25 —側比較快速地流動。
[0123]通常，在配置多個電路元件部3D?31、31u、31d下的流路中，要求根據(jù)半導體元件32,33的發(fā)生損失保持冷卻所需的制冷劑的流速。并且，根據(jù)上述偏流特性，制冷劑的流速分布如果變大，其冷卻性能也同樣變成偏向的分布。并且，在冷卻用流路23中流速快的排出口 25側，相對于流速的變化，冷卻性能的變化較小，而在流速容易變慢的導入口 24側，該變化較大。在圖8的示例中，在制冷劑的流速為0.05m/s以下的范圍內(nèi)，流速的變化對冷卻能力造成的影響較大，但如果超過于此則相對于流速變化的冷卻能力的變化較小。這種趨勢也適合于在以下的實施方式中說明的半導體模塊用冷卻器。
[0124]該模擬結果顯示，在排出口 25側產(chǎn)生出不利于提高冷卻性能的流速成分。因此，如果能夠改善這樣的偏流特性、提高遠離排出口 25的位置的流速，則不僅能夠獲得更穩(wěn)定的冷卻性能，還能夠提高整體的冷卻性能，從而無需使用大型泵就能實現(xiàn)各種電路元件部的配置。
[0125]另外，制冷劑的偏流特性是在夾在制冷劑導入流路21和制冷劑排出流路22之間的冷卻用流路23內(nèi)的并列流路中發(fā)生的現(xiàn)象。特別是當冷卻用流路23中配置的冷卻用翅片2C的間隔增大時，對于從制冷劑導入流路21向翅片2C流動的制冷劑阻力變小，制冷劑容易流入冷卻用流路23內(nèi)。因此，冷卻用流路23的翅片2C越形成間隔寬的形狀，偏流特性越大。此外，在如圖6、圖7所示的A?C型中，使電路元件部盡可能均勻而穩(wěn)定地冷卻的方法將因上述偏流特性以及配置于翅片底座2B的電路元件部的發(fā)生損失的分布而異。
[0126]以下的實施方式與圖6所示的以往的A型的水套2A —樣，為了對導入口 24、排出口 25配置于相同面?zhèn)鹊陌雽w模塊的流速分布進行調(diào)整而做出改進，以下對此進行說明。它們均基于通過模擬制冷劑本身的性質(zhì)(制冷劑特性)和冷卻性能進行驗證的結果。
[0127](第一實施方式)
[0128]在第一實施方式中，對為了調(diào)整半導體模塊中的偏流而縮小制冷劑導入流路21寬度的冷卻器2進行說明。
[0129]圖9是示出本發(fā)明的半導體模塊所使用的水套的引導部形狀的平面圖。在該圖(A)、⑶所示的2個水套2A中，與圖6(B)所示的以往的A型相同，導入口 24以及排出口25配置于其左側壁2Ab上。但是，從導入口 24向制冷劑導入流路21引導制冷劑的導入口部21a和用于使制冷劑從制冷劑排出流路22向排出口 25流出的排出口部22a，形成為比圖6(B)或圖3所示的更長。也就是說，導入口部21a和排出口部22a被形成為從同一左側壁2Ab上突出。
[0130]圖9(A)所示的D型的水套2A，導入口部21a和排出口部22a分別以與導入口 24和排出口 25相等的寬度形成，例如同樣為wl (=15_)。制冷劑導入流路21在與配置于冷卻用流路23的翅片2C的前側側面(制冷劑流入面)相對的前側壁2Aa的內(nèi)面?zhèn)染哂幸龑Р?1Si，通過該引導部21Si，使制冷劑導入流路21的寬度面向其終端方向變窄。D型的水套2A在這一點上也與前述圖6 (B)所示的A型相似。在這里，制冷劑導入流路21中配置的引導部21Si根據(jù)距離末端部的傾斜面長度X以及制冷劑導入流路21的末端部的引導部21Si與翅片2C之間的距離y來規(guī)定。
[0131]圖9(B)所示的G型的水套2A，在向制冷劑導入流路21中引導制冷劑的導入口部21a的截面形成為錐形，導入口部21a的流路寬度發(fā)生變化，以使制冷劑導入流路21的始端部的流路寬度w2比排出口 25的流路寬度wl窄。此外，在制冷劑導入流路21的末端部內(nèi)與翅片2C間的距離(S卩，距離y)也與D型相同。在這里，制冷劑排出流路22形成為同樣的流路寬度《1，另一方面，在制冷劑導入流路21的始端部，其流路寬度《2更窄，而且面向終端方向變小。因此，如果配置于制冷劑導入流路21的引導部21Si具有相應于整個區(qū)域的長度X的傾斜面，則其引導部21Si的傾斜角度變得比D型小。
[0132]在圖9(A)、⑶的各流路形狀中，引導部22So配置于使制冷劑向排出口 25流出的制冷劑排出流路22內(nèi)的始端部，相對于翅片2C的后側側面(制冷劑流出面)以大約45°的傾斜角實施了倒角加工。另外，面向制冷劑排出流路22的下游側，與翅片2C的后側側面相平行地形成有后側壁2Ac。也就是說，制冷劑排出流路22，其側壁幾乎貫穿于全長地與翅片2C的后側側面平行地形成。因此，在散熱片的下游側(翅片2C的制冷劑流出面)上能夠減小壓力損失，從而能夠取得通過引導部21Si進行流速調(diào)整的效果。
[0133]圖10是按照類型分別示出本發(fā)明的半導體模塊用冷卻器以及半導體模塊所使用的水套的引導部形狀以及流路寬度的說明圖。
[0134]在這里，除圖9所示的D型以及G型以外，對E型、Ea型、Eb型、F型、Ga型以及Gb型的水套的引導部形狀(傾斜面長度X、末端部的距離y)和流路寬度(wl、w2)進行說明。在D型的水套2A中，制冷劑導入流路21中配置的引導部21Si，其長度X為與制冷劑導入流路21相等的255mm，并且具有制冷劑導入流路21的末端部的流路寬度(距離y)為2mm的形狀。此外，導入口部21a和排出口部22a的流路寬度均相同，為wl (=15mm)。
[0135]在E型中，與D型相同，X、y分別為255mm、2mm，但在導入口部21a的流路寬度從15mm(wl)變窄為10mm(w2)這一點上與D型不同。另外，在Ea型的水套2A中，制冷劑導入流路21中配置的引導部21Si，其傾斜面長度X比制冷劑導入流路21短，為130mm，并且制冷劑導入流路21的末端部的流路寬度設為2mm。此外，Eb型的引導部21Si，在制冷劑導入流路21的末端部附近Smm(X)的范圍內(nèi)形成傾斜面，并且流路寬度為2mm。也就是說，制冷劑導入流路21的結構為，長度247mm、流路寬度10mm、僅在其末端部引導部21Si構成為45度的傾斜面。
[0136]在F型的水套2A中，傾斜面長度X和末端部的流路寬度(距離y)與D型、E型相同，分別為255mm、2mm，但導入口部21a的流路寬度變?yōu)閺?5mm(wl)向制冷劑導入流路21的始端部的流路寬度8mm(w2)減小。因此，在制冷劑導入流路21中以255mm的傾斜面長度X配置的引導部21Si的傾斜角度比D型小。
[0137]在G型的水套2A中，如圖9 (B)所示，制冷劑導入流路21中配置的引導部21Si，其傾斜面長度X為與制冷劑導入流路21相等的255mm，并且具有制冷劑導入流路21的末端部的流路寬度(距離y)為2mm的形狀。另外,通過呈錐形的導入口部21a,構成為制冷劑導入流路21的始端部的寬度為5mm(w2)，比F型更窄。另外，在Ga型中，使制冷劑導入流路21中配置的引導部21Si的傾斜面長度X設置為比制冷劑導入流路21短的130mm，并且具有制冷劑導入流路21的末端部的流路寬度(距離y)設置為2mm的形狀。此外，在Gb型中，弓丨導部21Si僅在制冷劑導入流路21的末端部附近3mm(x)的范圍內(nèi)形成，并且具有流路寬度(距離y)為2mm的形狀。也就是說，制冷劑導入流路21具有長度252mm和流路寬度5mm，在其末端部的引導部21Si構成為45度的傾斜面。
[0138]這樣一來，圖9、圖10所示的E?G型的流路形狀，均在制冷劑導入流路21的前段的導入口部21a上，使其流路寬度從wl變窄至w2。并且，如同E型、Ea型、Eb型、Ga型、Gb型，通過分別改變流路寬度(wl、w2)和引導部形狀U、y)加以組合，可以將在制冷劑導入流路21內(nèi)制冷劑向末端部的流速控制在適當?shù)某潭取Ａ硗?，即使導入?24的截面積相同，通過配置截面積向制冷劑的導入方向連續(xù)減小的導入口部21a，也可以改善冷卻用流路23的流速分布。關于這一點，通過以下的圖11至圖13進行說明。
[0139]下面，對以圖10所示的流路形狀的水套2A作為比較對象所實施的模擬結果進行說明。在這里，假設為冷卻用流路23形成于寬度255mm、長度117mm的區(qū)域，此處配置有厚度1.2mm、間距2.1mm、高度IOmm的板狀翅片2Ca，從導入口 24向制冷劑導入流路21以IOL/min的流量導入制冷劑的情形。另外，通過分別對不同的引導部21Si的形狀進行模擬，按照D?G型分別確認了引導部21Si的形狀差異對流速分布造成的影響。
[0140]圖11是對于本發(fā)明的半導體模塊用冷卻器，按照類型分別示出電路基板的各位置的制冷劑的流速分布的圖。
[0141]該圖中所示的流速分布,是對圖6中位置BI?B7表示的配置為7列的電路元件部3D?31、31u、31d的基板中央部正下方配置的翅片2C之間的流速進行模擬結果。在這里，從導入口 24側向制冷劑導入流路21的末端部，依次示出BI?B7的流速。
[0142]在流速分布的模擬中所使用的D?G型的制冷劑導入流路21，是圖10所示的引導部形狀以及流路寬度，翅片2C和引導部21Si之間的間隔的最小值(y)均為2mm。另外，導入口 24、排出口 25的流路寬度wl固定為15mm，制冷劑導入流路21的始端部的流路寬度w2在15mm?5mm的范圍內(nèi)變化。此外，制冷劑導入流路21的全長為255mm、其高度為10.5mm。
[0143]根據(jù)圖11所示的模擬結果，如E?G型的結果所示，在靠近導入口 24、排出口 25的位置BI側流速降低，在需要冷卻的位置B7側流速升高。另外，在本流路方式中，通過像G型那樣將制冷劑導入流路21的流路寬度w2設置為制冷劑排出通道的1/3，可以獲得幾乎均勻的偏流特性。也就是說，可以判明，通過使流路寬度w2變得更窄，可以改善依賴于排出口 25位置的流速分布。
[0144]如果按照類型分別分析距離導入口 24、排出口 25最遠位置B7部的流速，則D型為
0.040m/s、E型為0.053m/s、F型為0.059m/s，但G型為0.064m/s。這樣一來，僅在使制冷劑導入流路21的流路寬度最窄的G型水套中，位置B7處的流速超過了 0.06m/s。
[0145]根據(jù)以上內(nèi)容可以判明，即使將冷卻裝置的導入口 24、排出口 25配置在水套的相同面?zhèn)?，也能夠通過使其制冷劑導入流路21的流路寬度《2縮小至5mm而將偏流分布調(diào)整為均勻化，從而獲得冷卻效率更高的流速分布。通過這樣的模擬結果，對具有圖10所示的各類型的水套的引導部形狀以及流路寬度的流路，可以分別基于電路元件部3D?31、31u、31d的發(fā)生損失來確認功率半導體元件的發(fā)熱狀態(tài)。
[0146]圖12是按照圖10的水套類型分別示出穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)熱溫度的圖。它們均為根據(jù)上述方法進行模擬的結果的一例。
[0147]在模擬中，作為對電路元件部3D等造成的發(fā)生損失，如上述圖6 (A)所示，從導入口 24側開始，分成2組各3列，即電路元件部3D?3F的位置BI?B3和電路元件部3G?31的位置B4?B6，在同一組中設定為相同的大小。另外，對于第7列的電路元件部31u、31d，上游側的電路元件部31d與下游側的電路元件部31u設定互不相同的發(fā)生損失。圖12(A)、⑶中發(fā)熱溫度的比較對象分別為，在第一列(BI)的電路元件部3D、第4列(B4)的電路元件部3G的各自下游側配置的IGBT元件。另外，在該圖(C)中第7列(B7)的電路元件部31u、31d之中，將發(fā)生損失更大的上游側的IGBT元件作為比較對象。此外，根據(jù)電路元件部3D?31、31u、31d各自的發(fā)熱量設定的發(fā)生損失值，基于制冷劑流速和制冷劑溫度以及冷卻性能之間的關系，設定為3D〈 3G〈 31u〈 31d的關系。
[0148]如圖12(C)所示，電路元件部31d的接合點(junction )溫度Tj，在D型為142.6°C,相對于此在G型則為135.5°C，據(jù)此可以看到7.1°C的降低效果。在該圖(A)、⑶所示的其他電路元件部3D、3G中，伴隨流速分布的變化，接合點溫度Tj雖然也有所上升，但也低于發(fā)生損失最高的電路元件部31d，均保持在123°C以下。這說明，可以通過調(diào)整為與各個電路元件部3D?31、31u、31d的發(fā)生損失相當?shù)牧魉俜植?獲得穩(wěn)定的冷卻性能。
[0149]這樣一來，在本發(fā)明的半導體模塊所使用的水套中，通過改善寬度以及傾斜這一引導部的形狀，特別是損失值較高的電路元件部31d的基板中央部正下方(B7)的流速得到提高的效果顯著，可以降低功率半導體元件的接合點溫度。
[0150]圖13是按照類型分別示出本發(fā)明的半導體模塊中制冷劑的導入口和排出口的壓力差的圖。在這里，對于因使制冷劑導入流路21的流路寬度《2縮窄而產(chǎn)生的流路內(nèi)的壓力損失的變化進行確認。壓力損失可以作為導入口 24和排出口 25的制冷劑的壓力差進行測定。
[0151]根據(jù)圖13所示的模擬結果，如圖10所示的E?F型的制冷劑的流路寬度w2如果為8mm以上，則壓力損失將保持在6kPa以下，但如G、Ga、Gb型那樣，如果將流路寬度w2縮小到5mm，則上升至11.5kPa。因此，可以判明，當縮小制冷劑導入流路21的始端部的流路寬度《2時，需要通過與此相應的較大的泵提高制冷劑流速，以補償壓力損失。
[0152]通常，如果為10L/min的流量，并存在安裝有13kPa以上泵特性的泵的轉換器，則G型的形狀并非為不切實際的流路形狀。此外，根據(jù)電路元件部的發(fā)生損失，最好對泵性能和制冷劑(冷卻液)的溫度以及流路寬度《2進行優(yōu)化。
[0153]在本實施方式的水套2A中，由其底壁2Ae的內(nèi)面、引導部21Si的傾斜面和構成散熱片的翅片2C的前側側面界定出制冷劑導入流路21。并且，該制冷劑導入流路21的截面積從其導入口 24側向末端部以一定比例減小，或者形成為直到制冷劑導入流路21的中途為相同的截面積，且從該中途開始向末端部以一定比例減小。因此，通過適當調(diào)整制冷劑從制冷劑導入流路21流入翅片2C的的流速，消除制冷劑流路上產(chǎn)生的偏流，據(jù)此可以使半導體元件與以往相比更均勻而穩(wěn)定地進行冷卻，從而能夠切實地防止因半導體元件的發(fā)熱而造成的誤操作及破壞。
[0154]從以上的模擬結果來看，在第一實施方式中，在導入口 24以及排出口 25配置于水套的同一面上的情況下，可以構成用于獲得與電路元件部3D?31、31u、31d的不同的發(fā)生損失相對應的冷卻性能的流路。尤其是，制冷劑導入通道21越短偏流特性越容易調(diào)整。
[0155]此外，構成散熱片的翅片2C，其前側側面與從導入口 24流入的制冷劑的流入方向大致平行，并且為了不阻礙制冷劑在制冷劑導入流路21中的流動而配置于與導入口部21a的內(nèi)壁處于同一平面的位置。另外，規(guī)定制冷劑導入流路21的高度的、從水套2A的底壁2Ae至翅片底座2B之間的間隔是恒定的。
[0156](第二實施方式)
[0157]在第二實施方式中對如下的冷卻器進行說明，該冷卻器通過在制冷劑導入流路21內(nèi)設置分離壁，將制冷劑的流路分割成多個，如第一實施方式那樣將制冷劑導入流路21的流路寬度形成為較窄。
[0158]圖14是示出本發(fā)明的半導體模塊所使用的水套的說明圖，(A)是示出水套的引導部形狀的平面圖，⑶是示出㈧的水套的立體圖。
[0159]在圖14(A)所示的H型的水套2A中，導入口部21a和排出口部22a設定為分別在導入口 24側和排出口 25側具有相等的流路寬度wl (例如15mm)。將制冷劑從導入口 24向制冷劑導入流路21引導的導入口部21a、以及用于使制冷劑從制冷劑排出流路22向排出口 25流出的排出口部22a，均與圖9所示的D型、G型等相同，分別從同一左側壁2Ab突出。但是，在向制冷劑導入流路21導入制冷劑的導入口部21a中，相對于導入口 24的流路寬度wl，在制冷劑導入流路21的始端部變更為變窄的流路寬度《2時，僅在排出口 25側的內(nèi)面形成傾斜面這一點上，與圖9所示的D型、G型不同。也就是說，導入口部21a的截面呈大致正方形，其傾斜面僅在翅片2C側形成，為了向制冷劑導入流路21的側壁(前側壁2Aa)引導從導入口 24導入的制冷劑而傾斜。
[0160]另外，制冷劑導入流路21，從其始端部至下游方向的中間位置，通過長度x2的平坦的側壁面形成有相同的流路寬度w2，但進而在其下游側，通過長度X的引導部21Si向終端方向流路寬度變窄。引導部21Si配置于與冷卻用流路23內(nèi)的翅片2C的前側側面(制冷劑流入面)相對的前側壁2Aa的內(nèi)面?zhèn)?。并且，以與該引導部21Si的傾斜面長度X相對應的傾斜角使制冷劑導入流路21的流路寬度連續(xù)縮窄，從而提高制冷劑流速。此外，該引導部21Si的傾斜面延伸設置到右側壁2Ad，在制冷劑導入流路21的末端部與翅片2C之間保持距離I。
[0161]此外，如圖14⑶中的立體圖所示，在制冷劑導入流路21內(nèi)，高度IOmm的分離壁27從水套2A的底壁2Ae面垂直地形成。該分離壁27從制冷劑導入流路21的始端部向下游方向以長度x2進行配置，從該始端部至引導部21Si所形成的幾乎中間位置之間，將制冷劑導入流路21 —分為二。由此，制冷劑導入流路21在其始端部側，分別分離為與翅片2C之間的流路寬度《3、與水套2A的前側壁2Aa之間的流路寬度《4的流路。該分離壁27在制冷劑導入流路21內(nèi)傾斜配置，以使在下游側的端部上與翅片2C之間的間隔等于距離y。在這里，分離壁27比水套2A的前側壁2Aa的高度10.5mm略低，為10mm，壁面厚度為1.5mm,流路寬度w3為3.5mm,流路寬度《4為5mm。此外，在這里所謂的制冷劑導入流路21的始端部，是指導入口部21a向制冷劑導入流路21連接的入口區(qū)域，由前側壁2Aa和左側壁2Ab進行界定。
[0162]圖15是示出與圖14的冷卻器不同類型的水套的引導部形狀的平面圖。
[0163]圖15⑷所示的I型的水套2A，分離壁27的長度x2比H型(圖14)長，也就是說，形成為制冷劑導入流路21的長度的2分之I以上的長度，并且引導部21Si的傾斜面長度X縮短至制冷劑導入流路21的長度的一半以下。并且，制冷劑導入流路21內(nèi)的分離壁27具有與制冷劑導入流路21內(nèi)的平坦的內(nèi)壁面幾乎相同的長度x2。由此，向引導部21Si的上游側始端部方向流動的制冷劑，由于在制冷劑導入流路21的始端部被分割成2條流路，因此可以增加在制冷劑導入流路21的末端部側向翅片2C流入的制冷劑的流量。
[0164]在圖15⑶所示的K型的水套2A中，引導部21Si的長度比I型更短，并且引導部21Si與長度X的傾斜部分連接而在制冷劑導入流路21的末端部側具有長度x3的平坦部分。在該引導部21Si的平坦部分與翅片2C以距離y相對、以及制冷劑導入流路21內(nèi)所形成的分離壁27的長度x2比制冷劑導入流路21的平坦面的長度短這兩點上，K型與H型、I型不同。此外，圖15(A)、(B)所示的水套2A，在其他幾點均與圖14所示的H型相同。
[0165]圖16是按照類型分別示出本發(fā)明的半導體模塊用冷卻器以及半導體模塊所使用的水套的引導部形狀以及流路寬度的說明圖。
[0166]在這里，除圖14所示的H型、以及圖15(A)、⑶所示的I型、K型以外，就J型、L型的水套2A的引導部形狀和流路寬度進行說明。在J型的水套2A中，制冷劑導入流路21內(nèi)所形成的分離壁27，其長度x2比I型長，為215mm，從該分離壁27的端部位置至末端部的流路寬度，隨著引導部21Si向終端方向逐漸縮窄。另外，在L型中，分離壁27的長度x2形成為與K型相同的長度，引導部21Si的傾斜面的長度X更短，為8mm。
[0167]如上所述，流經(jīng)冷卻用流路23的制冷劑，流速分布依賴于排出口 25位置。在這里，形成分離壁27并且將制冷劑導入流路21的流路一分為二，通過控制從制冷劑導入流路21向冷卻用流路23的流量，能夠不必依賴于排出口 25的位置，對制冷劑的偏流特性進行調(diào)整。另外，在H?L型的水套2A中，通過使從導入口 24至制冷劑導入流路21的流路的減小寬度(=wl — w2)設定為例如5mm以內(nèi)，以此來抑制壓力損失的升高。此外，制冷劑導入流路21內(nèi)的分離壁27在將水套2A內(nèi)的制冷劑的流路一分為二的同時，還與設置為使制冷劑導入流路21的下游側的制冷劑流路變窄的引導部21Si聯(lián)動，在制冷劑導入流路21的末端部形成直接流通的流路。
[0168]圖17涉及圖16的各半導體模塊用冷卻器，(A)是示出電路基板的各個位置的制冷劑的流速分布的說明圖，⑶是示出制冷劑的導入口和排出口的壓力差的圖。
[0169]假設比較位置為圖6(A)所示的位置，對與流速相關的內(nèi)容在BI?B7的位置上進行比較，并假設壓力損失為導入口和排出口的壓力差，而關于接合點溫度，以第一列(BI)、第四列(B4)的電路元件部3D、3G的各自下游側上配置的IGBT元件和在第七列的電路元件部上產(chǎn)生的發(fā)生損失較大的電路元件部31d這3個部位為對象。
[0170]H型的半導體模塊用冷卻器，分離壁27—直配置到制冷劑導入流路21的長度方向的中央部分。根據(jù)對圖17(A)所示的H型的模擬結果可以判明，位置B5、B6處的流速比位置B7處的流速快。這說明，通過設置分離壁27，并調(diào)整其長度x2，可以調(diào)整適當?shù)牧魉佟Ｒ簿褪钦f，在僅要特別提高位置B5的冷卻效率時，可以如H型的水套2A那樣將分離壁27的長度x2延伸設置到位置B5前。
[0171]其次，在I型的半導體模塊用冷卻器中，分離壁27的長度x2形成為比H型長。因此，在對圖17(A)所示的I型的模擬結果中，與H型相比，位置B7處的流速為0.lOm/s，有所升高。此外，在分離壁27的長度x2較長的J型、K型中，位置B6處的流速較快，為0.07m/s，在位置B7處的流速，J型、K型要快0.02m/s左右。這樣一來，想要提高在遠離排出口 25的位置B7上配置的發(fā)生損失較高的電路元件部31d上的冷卻效率，最好將分離壁27的長度x2增長；想要特別地提高靠近排出口 25的位置B5處的冷卻效率，則最好將分離壁27延伸設置到位置B5的附近。也就是說，通過使分離壁27從制冷劑導入流路21的始端部一直延伸設置到特定的位置，可以控制制冷劑的流速分布，并能夠調(diào)整某特定位置的流速，從而提聞冷卻器的性能。
[0172]另外，關于引導部21Si形狀不同的J型和K型的半導體模塊，經(jīng)對位置B7處流速的差異進行比較，可以判明，在J型中為0.121m/s、在K型中為0.125m/s，雖然只少些許，但K型的壓力損失較小。因此，為了提高電路元件部31d的冷卻性能，最好如圖15(B)所示的K型那樣，使引導部21Si的形狀在長度X的范圍內(nèi)向散熱片傾斜，并在末端部的長度x3的范圍內(nèi)平行，縮小制冷劑導入流路21的截面積，提高制冷劑導入流路21的末端部的流速而向電路元件部31d流動。這樣的引導部21Si的形狀，特別是在冷卻器的生產(chǎn)方面，在散熱片和水套2A的右側壁2Ad之間產(chǎn)生間隙，在間隙不得不比翅片2C的間隔大的情況下，能夠有效地抑制位置B7處的流速降低。
[0173]分離壁27，由于其長度x2越長，在位置B7處的流速越高，因此能夠?qū)⒗鋮s用流路23中的流速分布改善為不依賴于排出口 25的偏流特性。另外，通過提高制冷劑向制冷劑導入流路21的末端部流動的流量，可以改善冷卻用流路23的偏流。也就是說，與改善冷卻器2的流速分布的分離壁27不同，如K型一樣，通過配置具有傾斜部分和平坦部分的引導部21Si，可以緩和在制冷劑導入流路21的末端部集中增加的流速。因此，作為圖6(A)所示的半導體模塊10A，特別是在配置有發(fā)生損失較高的電路元件部31d的情況下、以及配置有發(fā)生損失不同的電路元件部3D?31、31d、31u的情況下，也可以提高冷卻器2的冷卻性能。
[0174]此外，根據(jù)圖17(B)所示的壓力損失，無論任何類型，導入口 24和排出口 25的制冷劑的壓力差均在6kPa以下。因此，即使在制冷劑導入流路21的始端部處沒有將流路寬度w2縮小為如第一實施方式的冷卻器的程度，也可以通過將使制冷劑導入流路21的流路一分為二，實現(xiàn)低壓力損失并可調(diào)整流速的流路形狀。
[0175]由以上可知，在使冷卻裝置的導入口 24、排出口 25配置于相同面?zhèn)鹊那闆r下，使其制冷劑導入流路21的流路寬度《2相對于制冷劑排出流路22的流路寬度wl縮窄到某種程度的同時，通過在制冷劑導入流路21內(nèi)設置分離壁27以使制冷劑一分為二地流動，可以調(diào)整偏流分布，從而獲得冷卻效率更高的半導體模塊用冷卻器。
[0176]根據(jù)這樣的模擬結果，對具有圖16所示的按照類型的水套的引導部形狀以及流路寬度的流路，可以根據(jù)各自的電路元件部3D?31、31u、31d處的發(fā)生損失來確認功率半導體元件中的發(fā)熱狀態(tài)。
[0177]圖18是按照圖16的水套類型分別示出穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)熱溫度的圖。圖18(A)、(B)中的發(fā)熱溫度的比較對象是，圖6 (A)所示的半導體模塊的第一列(BI)的電路元件部3D、第4列(B4)的電路元件部3G的各自下游側上配置的IGBT元件。另外，在圖18(C)中第7列(B7)的電路元件部31u、31d中，將發(fā)生損失更大的上游側的IGBT元件作為比較對象。
[0178]在圖18(C)所示的發(fā)生損失較高的電路元件部31d中，按照類型分別比較接合點溫度Tj時，H型為138.3°C, I型為137.3°C，J型為136.7V, K型為136.5°C。也就是說，可以看出圖17(A)所示的流速分布的改善結果和圖18所示的接合點溫度的結果之間的相關性，可知在任何一個H?L型中都能夠?qū)崿F(xiàn)與位置B1、B4、B7處的發(fā)生損失相對應的所需的流速。因此，依賴于排出口 25的位置的流速分布能夠得到改善，從而能夠提高水套2A中配置的電路元件部3D?31、31u、31d的各自的冷卻性能。[0179]另外，通過這種模擬結果可以判明，在對制冷劑流速分布進行調(diào)整時，最好使用具有以下形狀的引導部21Si。其一為J、K型那樣，在從導入口 24向面對翅片2C的制冷劑導入流路21的長度方向上，將引導部21Si設置為使傾斜角的變化點(即平坦面和傾斜面所夾的角部)位于距離末端部側1/4以下的范圍內(nèi)。另外，在制冷劑導入流路21的末端部，將翅片2C和引導部21Si的間隔設定為Imm以上，且在制冷劑導入流路21的最大流路寬度的1/3以下。
[0180](第三實施方式)
[0181]下面，作為第三實施方式，對設置了沒有傾斜的分離壁27的水套2A進行說明。
[0182]在第二實施方式中，面向水套2A的翅片2C的前側壁2Aa的內(nèi)面?zhèn)壬显O置的引導部21Si，由于具有規(guī)定的傾斜面，因此分割制冷劑流路的分離壁27也設置有面向下游方向朝翅片2C側的傾斜角。但是，從水套的生產(chǎn)技術的容易性的觀點出發(fā)，最好使分離壁27與前側壁2Aa平行配置，以此提高制冷劑導入流路21的終端位置B7處的冷卻性能。
[0183]圖19是示出本發(fā)明的半導體模塊用冷卻器所使用的水套的圖，(A)是示出水套的引導部形狀的平面圖，(B)是示出(A)的水套的局部立體圖。
[0184]圖19(A)所示的M型的水套2A，具有與圖15(B)所示的K型相同的形狀，具有長度X (13mm)的傾斜部分和長度x3 (5mm)的平坦部分的引導部21Si配置于制冷劑導入流路21的末端部。但是，為了使流路從制冷劑導入流路21的始端部開始分成兩個部分而形成的分離壁27，在對于冷卻用流路23內(nèi)的翅片2C的制冷劑流入側的側面平行配置這一點上，與圖15所示的I型、K型的水套2A有所不同。
[0185]該M型的制冷劑導入流路21中配置的分離壁27，在制冷劑導入流路21內(nèi)全長為215mm，將在其IOmm寬度內(nèi)形成的流路設置為一分為二的兩條流路，即以在翅片2C側為
3.5mm，在前側壁2Aa側為5mm的寬度進行分割。另外，在分離壁27的下游側的末端部，保持分離壁27本身的厚度(1.5mm)，一直到與翅片2C之間的間隔變?yōu)?mm的位置上，形成以大約45°C的角度彎曲的前端部27a。此外，分離壁27的上游側的始端部位于制冷劑導入流路21的入口區(qū)域。
[0186]這樣一來，通過形成分離壁27的前部端27a，不僅能夠提高從導入口 24流入的制冷劑流速，還能夠增加制冷劑流入與該前端部27a相對的翅片2C的流量。因此，在提高制冷劑向制冷劑導入流路21內(nèi)的末端部的流速的同時，還能夠提高對配置于分離壁27的前端部27a位置的電路元件部的冷卻效果。
[0187]也就是說，能夠提高制冷劑向制冷劑導入流路21內(nèi)的末端部的流速，并且可以根據(jù)圖6(A)所示的半導體模塊IOA中配置的電路元件部3D?31、31u、31d的發(fā)生損失來適當提高冷卻器2的冷卻性能。
[0188]圖20是示出與圖19的冷卻器不同N型的水套的導入通道形狀的部分平面圖。
[0189]在具有圖20所示的N型的水套的半導體模塊用冷卻器中，配置有I塊平板狀的分離壁27，其從制冷劑導入流路21的始端部開始將流路一分為二。這里也與圖19的M型相同，分離壁27對于水套2A的前側壁2Aa平行配置。另外，該分離壁27在水套2A的前側壁2Aa側比翅片2C側的長度短，從其平面觀察時的截面形狀呈大致梯形。這是為了使向制冷劑導入流路21內(nèi)流入的制冷劑的流動趨于平緩、不使其產(chǎn)生不必要的渦流。
[0190]這樣一來，對于分離壁27，最好通過基于圖19所示的截面為長方體的形狀對其角部實施倒角，從而形成不會對制冷劑的流動產(chǎn)生不必要的阻力的形狀。
[0191]圖21是關于圖15、圖19以及圖20的各半導體模塊用冷卻器，㈧是示出電路基板的各個位置的制冷劑的流速分布的圖，（B)是示出制冷劑的導入口和排出口的壓力差的圖。
[0192]在該圖⑷中，以圖6⑷所示的電路基板位置BI?B7作為比較部位，示出制冷劑的流速分布。位置B7處的流速，M型為O. 123m/s，N型為O. 127m/s。也就是說，從M型和N型的流速分布來看，無需使最終位置B7處的流速降低，就能夠使電路基板位置B6處的流速比K型高。
[0193]另外，如圖21 (B)所示，導入口 24和排出口 25的壓力差，無論任何類型，都控制在6kPa以下的低壓力損失。因此，能夠降低對泵性能的負載并容易增大制冷劑流量，從而有望使冷卻性能進一步提聞。
[0194]根據(jù)圖21所示的模擬結果，通過在制冷劑導入流路21內(nèi)配置從翅片2C的一個側面分離并平行、從其始端部向制冷劑的下游方向延伸形成的分離壁，可以進一步改善在冷卻用流路23中的流速分布上排出口 25的位置側的流速變快的偏流特性，還能夠局部提高流經(jīng)發(fā)生損失較高的電路元件部31d的中央部正下方的翅片間的流速。也就是說，與在分離壁27中予以傾斜的H?L型相比，通過使分離壁27與翅片2C平行地配置，不僅在生產(chǎn)技術上容易實現(xiàn)，還能夠控制排出口 25側的位置BI?B4處制冷劑的流速，并提高位置B6處的流速。
[0195]在電路元件部31d、31u上發(fā)生損失較高的情況下，考慮到水套2A內(nèi)的熱量擴散，優(yōu)選加快位置B6處的流速，而在其他位置BI?B5上能夠幾乎均勻地保持O. 05m/s以上的流速。因此，能夠均勻而穩(wěn)定地冷卻半導體模塊的各半導體元件，而且能夠使冷卻效率得到改善。
[0196]接著，給出與電路元件部3D?3I、31u、31d相對應的的發(fā)生損失，通過模擬功率半導體元件的發(fā)熱狀態(tài)進行了確認。在這里，也以第一列（BI)、第四列（B4)的電路元件部3D、3G各自的下游側上配置的IGBT元件和第七列（B7)的電路元件部31u、31d中產(chǎn)生的較大發(fā)生損失的31d上配置的IGBT元件之間的接合點溫度作為評價對象。
[0197]圖22是按照類型分別示出圖15、圖19以及圖20的水套性能的圖。
[0198]在K、M、N型的半導體模塊用冷卻器中的電路元件部3D?31下的冷卻用流路23中，由于可以從其壓力損失的相關性獲得穩(wěn)定的流速，因此電路元件部3D?31中配置的半導體元件的接合點溫度保持為比電路元件部31d、31u中接合點溫度低的值。另一方面，圖22(C)所示的位置31d的接合點溫度，K型為136. 5°C，M型為135. 9°C，N型為135. 8°C，與K型相比，M、N型較低，通過將分離壁27與翅片2C的側壁平行配置而得到改善。該效果不依賴于M型分離壁27末端部的45°傾斜的前端部27a的存在與否。
[0199]這樣一來，在分離壁27與翅片2C平行配置的同時，對其形狀方面也無須使前端部27a折曲，而僅對其實施梯形或倒角等使其呈大致長方體，就可以調(diào)整流速分布并提高整體的冷卻性能。
[0200]此外，本發(fā)明并不限定于所述的實施方式，在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)可以進行各種變更。
[0201]上述內(nèi)容僅記述了本發(fā)明的原理。此外,本領域的技術人員可以進行多種變形、變更，本發(fā)明并不限于上述所示的、說明的正確的結構以及應用例，相應的所有的變形例以及等同物均可視為與隨附的權利要求及其等同物相關的本發(fā)明的范圍。
【權利要求】
1.一種半導體模塊用冷卻器，其從外部向水套提供制冷劑，冷卻配置于其外表面的半導體元件，其特征在于，包括: 散熱片，與所述半導體元件熱連接； 第一流路，在所述水套內(nèi)，從制冷劑導入口延伸設置，并且配置有引導部，該引導部具有用于向所述散熱片的一個側面引導所述制冷劑的傾斜面； 第二流路，與所述第一流路并列地配置于所述水套內(nèi)，并向制冷劑排出口延伸，且形成有與所述散熱片的其他側面平行的側壁； 第三流路，形成在連通所述水套內(nèi)的所述第一流路和所述第二流路的位置， 所述制冷劑導入口和所述制冷劑排出口形成在所述水套的同一壁面上，所述散熱片配置于所述第三流路內(nèi)。
2.根據(jù)權利要求1所述的半導體模塊用冷卻器，其特征在于， 所述第一流路的所述制冷劑導入口側的端部的截面積比所述第二流路的所述制冷劑排出口側的端部的截面積小，并且所述引導部被構成為，從所述制冷劑導入口到與所述散熱片的一個側面接觸為止使所述第一流路的截面積減小。
3.根據(jù)權利要求1所述的半導體模塊用冷卻器，其特征在于， 在所述第一流路內(nèi)，配置有與所述散熱片的一個側面分開，并從所述第一流路的起始端向所述制冷劑的下游方向延長而形成的分離壁。
4.根據(jù)權利要求1所述的半導體模塊用冷卻器，其特征在于， 所述第一流路被構成為，其流路寬度在所述制冷劑導入口側與所述第二流路的寬度相等，并且在所述第一流路內(nèi)的下游側其截面積連續(xù)性地減小。
5.根據(jù)權利要求1所述的半導體模塊用冷卻器，其特征在于，還包括: 導入口部，從所述制冷劑導入口向所述第一流路導入制冷劑； 排出口部，用于使制冷劑從所述第二流路向所述制冷劑排出口流出， 所述導入口部的所述散熱片側的壁具有用于向所述第一流路的側壁引導制冷劑的傾斜面。
6.根據(jù)權利要求3所述的半導體模塊用冷卻器，其特征在于， 所述分離壁，具有所述第一流路長度的2分之I以上的長度，并且具有以與所述引導部的傾斜角度不同的傾斜度而向所述散熱片的一個側面引導所述制冷劑的傾斜面。
7.根據(jù)權利要求3所述的半導體模塊用冷卻器，其特征在于， 所述分離壁，具有所述第一流路長度的2分之I以上的長度，并且與所述散熱片的一個側面平行地配置。
8.根據(jù)權利要求3所述的半導體模塊用冷卻器，其特征在于， 所述分離壁被配置為，從所述水套的底面相對于該流路的高度具有50%以上的高度。
9.根據(jù)權利要求3所述的半導體模塊用冷卻器，其特征在于， 所述引導部，包括向所述散熱片的一個側面傾斜的一個面、以及與該一個側面相連接的其他面。
10.根據(jù)權利要求9所述的半導體模塊用冷卻器，其特征在于， 所述引導部的所述其他面與所述散熱片的一個側面平行。
11.根據(jù)權利要求9所述的半導體模塊用冷卻器，其特征在于，所述引導部的所述其他面，以從所述制冷劑導入口至所述第一流路的末端部的流路長度的1/4以下的長度形成于該末端部側，并且所述其他面與所述散熱片的一個側面分開所述第一流路的最大流路寬度的1/3以下的距離。
12.根據(jù)權利要求1所述的半導體模塊用冷卻器，其特征在于， 所述半導體模塊用冷卻器，在其外面沿著所述制冷劑的導入方向配置有發(fā)熱特性不同的多個半導體元件， 在所述第一流路內(nèi)，從所述制冷劑導入口向下游方向一直到該發(fā)熱特性最高的半導體元件的配置區(qū)域配置有分離壁。
13.根據(jù)權利要求1所述的半導體模塊用冷卻器，其特征在于， 所述散熱片的外形為長方體。
14.根據(jù)權利要求1所述的半導體模塊用冷卻器，其特征在于， 所述散熱片與所述第三流路的底面分開設置。
15.根據(jù)權利要求1所述的半導體模塊用冷卻器，其特征在于， 所述水套，通過具有所述散熱片的翅片底座對所述制冷劑導入口以及所述制冷劑排出口以外進行密封。
16.一種半導體模塊，具有冷卻器，該冷卻器從外部向水套提供制冷劑，以冷卻配置于其外面的半導體元件，其特征在于，包括: 散熱片，與所述半導體元件熱連接； 第一流路，在所述水套內(nèi)，從制冷劑導入口延伸設置，并且配置有引導部，該引導部具有用于向所述散熱片的一個側面引導所述制冷劑的傾斜面； 第二流路，與所述第一流路并列地配置于所述水套內(nèi)，并向制冷劑排出口延伸，且形成有與所述散熱片的其他側面平行的側壁； 第三流路，形成在連通所述水套內(nèi)的所述第一流路和所述第二流路的位置， 所述制冷劑導入口和所述制冷劑排出口形成在所述水套的同一壁面上，所述散熱片配置于所述第三流路內(nèi)。
【文檔編號】H01L23/473GK103503131SQ201280018603
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年4月16日 優(yōu)先權日:2011年4月26日
【發(fā)明者】郷原広道, 両角朗, 市村武 申請人:富士電機株式會社