JP2011066281A

JP2011066281A - 発熱デバイス

Info

Publication number: JP2011066281A
Application number: JP2009216840A
Authority: JP
Inventors: Masakata Kanbe; 正方神戸
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2011-03-31

Abstract

【課題】放熱部材とヒートシンクとの間の熱伝導性を高めることができるとともに、コストの低廉化を図ることができる発熱デバイスを提供する。
【解決手段】発熱デバイス３は、半導体素子５と、半導体素子５からの発熱を受けて放熱し、パッケージ一部を外部に露出させて半導体素子５と共にパッケージ９によって封止されたヒートシンク６と、ヒートシンク６の外部露出部に溶接され、ヒートシンク６からの熱を受けて放熱する放熱部材７とを備えた。
【選択図】図３

Description

本発明は、発熱デバイスに関し、特にパッケージでチップ素子を封止してなるパワーモジュール等の発熱デバイスに関する。

従来の発熱デバイスには、例えば自動車等に搭載され、比較的大きな電力を必要とする電力用トランジスタを含むパワーモジュールがある（例えば特許文献１）。

この種の発熱デバイスは、シリコンチップ及び放熱板を有し、ヒートシンクに取り付けられている。

シリコンチップは、半導体集積回路を内蔵し、放熱板に半田によって接合されている。

放熱板は、ヒートシンクに放熱グリスを介して接合され、全体が一部に導電部材を含浸してなるセラミックスによって形成されている。

以上の構成により、シリコンチップで発生した熱が半田を介して放熱板に伝達され、さらに放熱板から放熱グリスを介してヒートシンクに伝達され、ヒートシンクから外部に放散される。

特開２００１−１３５７５８号公報

しかし、従来の発熱デバイスによると、放熱板とヒートシンクとの間に放熱グリスを介在させるため、熱抵抗が増大し、放熱板とヒートシンクとの間の熱伝導性が低下するという問題があった。また、放熱グリスの存在によって部品点数が嵩み、コスト高になるという問題もあった。

従って、本発明の目的は、放熱部材とヒートシンクとの間の熱伝導性を高めることができるとともに、コストの低廉化を図ることができる発熱デバイスを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、（１）〜（３）の発熱デバイスを提供する。

（１）発熱素子と、前記発熱素子からの発熱を受けて放熱し、一部を外部に露出させて前記発熱素子と共にパッケージによって封止されたヒートシンクと、前記ヒートシンクの外部露出部に溶接され、前記ヒートシンクからの熱を受けて放熱する放熱部材とを備えた発熱デバイス。

（２）上記（１）に記載の発熱デバイスにおいて、前記放熱部材は、前記ヒートシンクの外部露出部を開口面内に位置付ける貫通孔を有する。

（３）上記（２）に記載の発熱デバイスにおいて、前記放熱部材は、前記貫通孔のヒートシンク側開口周縁に沿って前記ヒートシンクに溶接されている。

本発明によると、放熱部材とヒートシンクとの間の熱伝導性を高めることができるとともに、コストの低廉化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る発熱デバイスが適用された発熱デバイス装置を説明するために示す斜視図。図１のＡ−Ａ断面図。本発明の実施の形態に係る発熱デバイスを説明するために示す斜視図。本発明の実施の形態に係る発熱デバイスを説明するために示す背面図。（ａ）及び（ｂ）は、図４の要部を示す背面図とＢ−Ｂ断面図。（ａ）は背面図を、また（ｂ）はＢ−Ｂ断面図をそれぞれ示す。

〔実施の形態〕
（発熱デバイス装置の全体構成）
図１は発熱デバイス装置の全体を示す。図２は発熱デバイス装置の背面側を示す。図１に示すように、発熱デバイス装置１は、コネクタ２及び発熱デバイス３を備え、回路基板としてのプリント配線板４（図２に示す）上に実装されている。

（コネクタ２の構成）
コネクタ２は、図１に示すように、外部接続用のコネクタ端子２０〜２２、及びこれらコネクタ端子２０〜２２を保持するコネクタハウジング２３を有している。

コネクタ端子２０は、発熱デバイス３のコレクタ端子１０（後述）に接続するコレクタ端子側接続部２０ａ、及び外部接続端子（図示せず）に係脱可能に接続する外部接続部２０ｂからなり、ハウジング２３に一体化されている。コネクタ端子２０の材料としては、例えば黄銅，りん青銅等の導電性材料が用いられる。

コネクタ端子２１は、発熱デバイス３のベース端子１１（後述）に接続するベース側接続部２１ａ、及び外部接続端子（図示せず）に係脱可能に接続する外部接続部２１ｂからなり、コネクタ端子２０に並列してコネクタハウジング２３に一体化されている。コネクタ端子２１の材料としては、コネクタ端子２０の材料と同一の材料が用いられる。

コネクタ端子２２は、発熱デバイス３のエミッタ端子１２（後述）に接続するエミッタ端子側接続部２２ａ、及び外部接続端子（図示せず）に係脱可能に接続する外部接続部２２ｂからなり、コネクタ端子２０に並列してコネクタハウジング２３に一体化されている。

コネクタハウジング２３は、全体が例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）樹脂等のエンジニアリングプラスチックによって形成されている。コネクタハウジング２３の一方側には、コネクタ端子２０〜２２の外部接続部２０ｂ〜２２ｂを収容する第１収容空間２３ａが内部に設けられている。コネクタハウジング２３の他方側には、発熱デバイス３を収容する第２収容空間２３ｂ、及びこの第２収容空間２３ａの一部を形成してコネクタ端子１０の水平部１０ｂ（後述），コネクタ端子２１のベース端子側接続部２１ａ，コネクタ端子２２のエミッタ端子側接続部２２ａを載置する端子台２３ｃが設けられている。

プリント配線板４は、図２に示すように、回路パターン（図示せず）を有する基部材によって形成されている。プリント配線板４の基部材としては、例えばセラミックやエポキシ樹脂等の絶縁性部材が用いられる。

（発熱デバイス３の構成）
図３は発熱デバイスの全体を示す。図４は発熱デバイスの背面側を示す。図５（ａ）及び（ｂ）は発熱デバイスの要部を示す。図３に示すように、発熱デバイス３は、半導体素子５，ヒートシンク６及び放熱部材７を有する例えばパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor），パワートランジスタなど電力用半導体装置としてのパワーモジュールからなり、コネクタ２及びプリント配線板４（共に図２に示す）に接続され、かつコネクタハウジング２３（図１に示す）の第２収容空間２３ｂｄに収容されている。また、発熱デバイス３は、インサート成形によってコネクタ端子２０〜２２（図１に示す）と共にコネクタハウジング２３に一体化されている。

発熱デバイス３とコネクタハウジング２３の一体化は、発熱デバイス３のコレクタ端子１０，ベース端子１１及びエミッタ端子１２にそれぞれコネクタ２のコネクタ端子２０〜２２（図２に示す）を溶接し、これらを金型内に配置した後、コネクタハウジング形成用の例えばエポキシ樹脂を溶融した状態で注入して固化させることにより行われる。この際、端子等は、その接続箇所が溶接接合であるため、エポキシ樹脂の金型への注入によって溶融することはない。

半導体素子５は、図３及び図４に示すように、半導体集積回路（図示せず）を内蔵する発熱素子であり、コレクタ電極導体板８上に搭載され、かつパッケージ９によって封止されている。パッケージ９の材料としては、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を主成分とするモールド材が用いられる。

コレクタ電極導体板８は、複数の半導体素子５を搭載する搭載部８ａを有し、パッケージ９によって封止され、全体が例えば黄銅等の銅系金属からなる材料によって形成されている。コレクタ電極導体板８には、外部接続用のコレクタ端子１０がその一部を外部に露出させて一体に設けられている。コレクタ端子１０の一方側にはベース端子１１が、またその他方側にはエミッタ端子１２がそれぞれ配置されている。

コレクタ端子１０は、その表面から立ち上がる垂直部１０ａ、及びコネクタハウジング２３の端子台２３ｃ（図２に示す）に載置される水平部１０ｂを有し、コネクタ端子２０のコレクタ端子側接続部２０ａに溶接されている。

ベース端子１１はコネクタハウジング２３の端子台２３ｃ（図２に示す）に載置され、かつコネクタ端子２１のベース端子側接続部２１ａ（図２に示す）に溶接されている。また、ベース端子１１は、半導体素子５にアルミニウム（Ａｌ）等のボンディングワイヤ１３を介して接続されている。

エミッタ端子１２は、コネクタハウジング２３の端子台２３ｃ（図２に示す）に載置され、かつコネクタ端子２２のエミッタ端子側接続部２２ａ（図２に示す）に溶接されている。また、エミッタ端子１２は、半導体素子５にボンディングワイヤ１３を介して接続されている。

（ヒートシンク６の構成）
ヒートシンク６は、図４に示すように、放熱部６ａ及び連結部６ｂを有し、コレクタ電極導体板８に一体に設けられ、全体が平面略Ｔ字状の板部材によって形成されている。ヒートシンク６の厚さは、コレクタ電極導体板８の板厚よりも大きい寸法に設定されている。

放熱部６ａは、外縁が放熱部材７に例えばレーザ光によって隅肉溶接されている。これにより、ヒートシンク６と放熱部材７との接合箇所において連続性が得られ、熱抵抗を低減することができる。また、従来のようにはヒートシンク６と放熱部材７との間に放熱グリス等が介在しないため、部品点数を削減することができる。隅肉溶接には例えばＣＯ_２レーザやＹＡＧレーザが用いられる。そして、放熱部３ａは、複数の半導体素子５からの発熱を受けて放熱するとともに、複数の半導体５からの熱を放熱部材７に伝達するように構成されている。

連結部６ｂは、放熱部６ａと同様に放熱機能及び熱伝達機能を有し、一部を外部に露出させてパッケージ９によって封止され、かつ放熱部６ａに一体に形成されている。そして、連結部６は、ヒートシンク６をコレクタ電極導体板８に連結するように構成されている。

（放熱部材７の構成）
放熱部材７は、図４に示すように、ヒートシンク６の外部露出部としての放熱部６ａ及び連結部６ｂの一部を開口面内に位置付ける貫通孔７ａを有し、ヒートシンク６の背面に接触して配置され、全体が例えば黄銅等の銅系金属からなる矩形板によって形成されている。また、放熱部材７は、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、貫通孔７ａのヒートシンク側開口周縁に沿ってレーザ光Ｌを照射し、ヒートシンク６に例えば隅肉溶接されている。これにより、ヒートシンク６と放熱部材７との接合箇所において連続性が得られ、熱抵抗を低減することができる。また、従来のようにはヒートシンク６と放熱部材７との間に放熱グリス等が介在しないため、部品点数を削減することができる。放熱部材７の厚さは、約０，６〜２ｍｍの寸法に設定されている。なお、放熱部材７は、熱伝導経路（図示せず）に接続する構成とすることも可能である。

このように構成された発熱デバイス装置１においては、半導体素子５が使用によって発熱すると、この複数の半導体素子５からの熱がコレクタ電極導体板８を介してヒートシンク６に伝達される。この際、ヒートシンク６に伝達された熱の一部が放熱部６ａから、また放熱部６ａ及び連結部６ｂから貫通孔４ａを介してそれぞれ外部に放熱される。さらには、半導体素子５からの熱がヒートシンク６から放熱部材７に伝達され、放熱部材７から周囲に放熱される。

[実施の形態の効果]
以上説明した実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。

（１）ヒートシンク６と放熱部材７との間の熱抵抗を低減して熱伝導性を高めることができる。

（２）従来のようにはヒートシンク６と放熱部材７との間に放熱グリス等が介在しないため、発熱デバイス３の部品点数を削減することができ、コストの低廉化及びデバイス全体の小型化を図ることができる。

（３）コネクタ２と発熱デバイス３とが一体化されているため、発熱デバイス装置１の部品点数を削減することができ、装置全体の小型化を図ることができる。

（４）コネクタ２及び発熱デバイス３のプリント配線板４に対する組み付けが一挙に行えるため、部品組付時の組付工数を削減することができ、部品組付作業の簡素化を図ることができる。

以上、本発明の発熱デバイスを上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。

（１）上記実施の形態では、発熱デバイス３がパワーＭＯＳＦＥＴ，パワートランジスタからなるパワーモジュールである場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等からなる発熱デバイスであってもよい。

（２）上記実施の形態では、放熱部材７の貫通孔７ａが単数である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、複数の貫通孔であってもよく、貫通孔の個数は放熱部材に対するヒートシンクの熱伝達面積や取付強度等を考慮して設定される。

１…発熱デバイス装置、２…コネクタ、２０…コネクタ端子、２０ａ…コレクタ端子側接続部、２０ｂ…外部接続部、２１…コネクタ端子、２１ａ…ベース端子側接続部、２１ｂ…外部接続部、２２…コネクタ端子、２２ａ…エミッタ端子側接続部、２２ｂ…外部接続部、２３…コネクタハウジング、２３ａ…第１収容空間、２３ｂ…第２収容空間、２３ｃ…端子台、３…発熱デバイス、４…プリント配線板、５…半導体素子、６…ヒートシンク、６ａ…放熱部、６ｂ…連結部、７…放熱部材、７ａ…貫通孔、８…コレクタ電極導体板、９…パッケージ、１０…コレクタ端子、１０ａ…垂直部、１０ｂ…水平部、１１…ベース端子、１２…エミッタ端子

Claims

発熱素子と、
前記発熱素子からの発熱を受けて放熱し、一部を外部に露出させて前記発熱素子と共にパッケージによって封止されたヒートシンクと、
前記ヒートシンクの外部露出部に溶接され、前記ヒートシンクからの熱を受けて放熱する放熱部材と
を備えた発熱デバイス。
前記放熱部材は、前記ヒートシンクの外部露出部を開口面内に位置付ける貫通孔を有する請求項１に記載の発熱デバイス。
前記放熱部材は、前記貫通孔のヒートシンク側開口周縁に沿って前記ヒートシンクに溶接されている請求項２に記載の発熱デバイス。