JP2017022336A - 発熱素子の放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱素子のリード端子と基板のスルーホールとを接続している半田部に応力を発生させず、冷却効率を高めることが可能な発熱素子の放熱構造を提供する。
【解決手段】発熱素子Ｄは、素子本体Ｄａと、この素子本体から外方に突出するリード端子Ｄｂとを有している。発熱素子の放熱構造は、冷却面４に素子本体が固定され、且つ、リード端子の先端が基板５に設けたスルーホール５ａに挿通され、且つ、基板が冷却面の上方位置で固定された状態で、スルーホール及びリード端子の先端側の間を半田付けして半田部１２を設けている。
【選択図】図２

Description

本発明は、基板に実装された発熱素子の放熱構造に関する。

ハイブリッド自動車や燃料自動車などの電動車両においては、バッテリから供給される直流電力をインバータ装置によって交流電力に変換し、これにより交流モータを回転させて駆動力を生成する。
インバータ装置を構成するスイッチング素子として、ＩＧＢＴや還流ダイオードと呼ばれるダイオードが制御基板に実装されている。これらの素子には大電流が流れるため、電気抵抗は小さいものの発熱量が大きい。ここで、発熱量が大きい素子を発熱素子と称する。

発熱素子の放熱構造として、インバータ装置の筐体をヒートシンクとし、制御基板に実装されている発熱素子をヒートシンクの冷却面に固定することで、発熱素子で発生した熱をヒートシンクに逃がす構造が知られている（例えば特許文献１）。
この特許文献１は、発熱素子の素子本体から伸びたリード端子が制御基板のスルーホールに挿通され半田付けで接続され、素子本体が制御基板から浮き上がった状態で実装されている。
そして、ヒートシンクである筐体の側面にヒートシンク部材を一体化し、このヒートシンク部材に素子本体を載せて固定した状態で、筐体の内部に制御基板が配置されている。これにより、発熱素子としての素子本体で発生した熱は、ヒートシンク部材を介して筐体に伝熱され、放熱されていく。

特開２０１４−７３６２号公報

ところで、特許文献１は、素子本体が筐体に一体化されたヒートシンク部材に固定される前には、制御基板のスルーホールとリード端子とを接続する半田付けの部位に応力が集中しやすく、その半田付けの部位にクラックが発生しやすい。
そこで、本発明は、発熱素子のリード端子と基板のスルーホールとを接続している半田部に応力を発生させず、冷却効率を高めることで高品質の構造とすることができる発熱素子の放熱構造を得ることを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る発熱素子の放熱構造は、基板に実装した発熱素子をヒートシンクの冷却面に伝熱して放熱する発熱素子の放熱構造であって、発熱素子は、素子本体と、この素子本体から外方に突出するリード端子とを有し、冷却面に素子本体が固定され、且つ、リード端子の先端が前記基板に設けたスルーホールに挿通され、且つ、前記基板が前記冷却面の上方位置で固定された状態で、前記スルーホール及び前記リード端子の先端側の間を半田付けして半田部を設けた。

上述のように、発熱素子の放熱構造によると、冷却面に固定された素子本体及び冷却面の上方位置で固定された基板は相対移動しないので半田部には応力が発生せず、半田部のクラック発生を防止することができる。また、素子本体は冷却面に固定されているので、冷却効率を高めることができる。

本発明に係る第１実施形態の発熱素子の放熱構造を示す平面図である。 図１のII−II線矢視図である。 本発明に係る第１実施形態において発熱素子の素子本体を冷却面に固定した後に、発熱素子のリード端子がスルーホールに挿通するように基板を冷却面側に移動している状態を示した図である。 本発明に係る第２実施形態の発熱素子の放熱構造を示す平面図である。 図４のV−V線矢視図である。 本発明に係る第２実施形態において発熱素子の素子本体を冷却面に仮固定した後に、発熱素子のリード端子がスルーホールに挿通するように基板を冷却面側に移動している状態を示した図である。 本発明に係る第３実施形態の発熱素子の放熱構造を示す平面図である。 図７のVIII−VIII線矢視図である。 本発明に係る第３実施形態において発熱素子の素子本体を冷却面に仮固定した後に、発熱素子のリード端子がスルーホールに挿通するように基板を冷却面側に移動している状態を示した図である。

以下、本発明の一態様に係る発熱素子の放熱構造について、図面を適宜参照しつつ説明する。
［第１実施形態］
図１から図３は、本発明に係る第１実施形態の発熱素子の放熱構造を示すものである。
図１は、電動車両に搭載されているインバータ装置１の要部を示しており、筐体の内部に、直流電力を交流電力に変換する電力変換制御ユニットが配置されている。

筐体は、有底箱形状のケース２と、ケース２の上部開口２ａを閉塞する蓋体（不図示）とを備えており、ケース２は側壁３と底部４とで構成されている。
ケース２の底部４は、冷却空気や冷却水など冷却流体との接触により冷却が促進されるヒートシンクとされている。
ケース２の内部には、電力変換装置ユニットを構成する制御基板５及びＩＧＢＴや還流ダイオードなどの半導体デバイスＤが収納されている。この半導体デバイスＤが、本発明の発熱素子に対応している。

半導体デバイスＤは、半導体チップ（不図示）が埋め込まれている外観が直方体形状の樹脂パッケージＤａと、樹脂パッケージＤａの側面から突出している複数本のリード端子Ｄｂと、を備えている。リード端子Ｄｂは、樹脂パッケージＤａから底部４に沿って延在している水平端子部Ｄｂ１と、水平端子部Ｄｂ１の先端から底部４から離間する方向に立ち上がっている立ち上がり端子部Ｄｂ２とで構成されている。
この半導体デバイスＤは、樹脂パッケージＤａがデバイス押圧固定部６で底部４に固定されている。

デバイス押圧固定部６は板状の金属部材であり、図２に示すように、デバイス固定ねじ８のねじ部が通過する挿通孔９ａを形成した固定部９と、この固定部９の一側から屈曲して形成された弾性変形部１０と、この弾性変形部１０の先端に形成された当接部１１とを備えている。
弾性変形部１０は、固定部９が底部４に固定されているときに、固定部９の一側から第１屈曲部１０ａを介して立ち上がっている立ち上がり部１０ｂと、立ち上がり部１０ｂの上端から第２屈曲部１０ｃを介して斜め下方に延在している傾斜部１０ｄと、を備えている。

当接部１１は、弾性変形部１０の傾斜部１０ｄの先端側を直線状に上側に折り曲げることで形成され、樹脂パッケージＤａの上面に当接するようになっている。
そして、デバイス押圧固定部６の固定部９が、デバイス固定ねじ８によりケース２の底部４に固定されることで、デバイス押圧固定部６の弾性変形部１０が半導体デバイスＤの樹脂パッケージＤａに対して底部４に向けて弾性復元力を作用し、樹脂パッケージＤａを底部４側に押圧した状態で固定されている。

制御基板５は、デバイス押圧固定部６で底部４に固定された半導体デバイスＤを上方から覆いながら、ケース２の底部４から突出している基板支持部４ａ及び底部４の他の箇所に設けた基板支持部（不図示）に載せられ、底部４と平行に配置されている。
この制御基板５は、基板支持部４ａ及び他の基板支持部にねじ込まれた基板固定ねじ７で底部４に固定されている。
そして、ケース２の底部４に固定された半導体デバイスＤのリード端子Ｄｂの立ち上がり端子部Ｄｂ２が、制御基板５のランドを有する複数のスルーホール５ａに挿通され、立ち上がり端子部Ｄｂ２及びスルーホール５ａの間を半田付けすることで半田部１２が設けられている。

次に、第１実施形態の発熱素子の放熱構造において、半導体デバイスＤをケース２の底部４に固定し、半導体デバイスＤを制御基板５に実装する手順について説明する。
先ず、半導体デバイスＤの樹脂パッケージＤａを底部４上の所定位置に載置する。
次に、底部４に形成したねじ孔４ｂに、デバイス押圧固定部６の固定部９を対応させ、上方から固定部９の挿通孔９ａに挿通したデバイス固定ねじ８のねじ部をねじ孔４ｂに本締めする。これにより、弾性変形部１０が半導体デバイスＤの樹脂パッケージＤａに弾性復元力を作用するので、デバイス押圧固定部６は、樹脂パッケージＤａを底部４に押圧した状態で固定する。

次に、図３に示すように、制御基板５を、ケース２の開口部２ａの上方から底部４に向けて下ろしていき、半導体デバイスＤの開口部２ａに向けて立ち上がっている複数の立ち上がり端子部Ｄｂ２を制御基板５の複数のスルーホール５ａに挿通しながら、基礎支持部４ａ上及び他の基礎支持部上に制御基板５を載せる。
次に、基板固定ねじ７を、制御基板５を通過して基板支持部４ａ及び他の基板支持部にねじ込むことで、制御基板５を底部４に固定する。

最後に、ケース２の開口部２ａ側から制御基板５の各スルーホール５ａから半導体デバイスＤの複数の立ち上がり端子部Ｄｂ２が突出しているのが見えるので、開口部２ａ側から、スルーホール５ａと立ち上がり端子部Ｄｂ２との間を半田付けすることで半田部１２を設ける（図２参照）。
ここで、本発明に係る発熱素子が半導体デバイスＤに対応し、本発明に係る素子本体が樹脂パッケージＤａに対応し、本発明に係る基板が制御基板５に対応し、本発明に係る押圧固定部がデバイス押圧固定部６に対応し、本発明に係る第１固定ねじがデバイス固定ねじ８に対応し、本発明に係る固定板部が固定部９に対応し、本発明に係る弾性変形板部が弾性変形部１０に対応し、本発明に係る当接板部が当接部１１に対応している。

次に、第１実施形態の作用効果について説明する。
第１実施形態は、ケース２の底板４に半導体デバイスＤの樹脂パッケージＤａが固定され、且つ、半導体デバイスＤの複数の立ち上がり端子部Ｄｂ２が制御基板５のスルーホール５ａに挿通され、且つ、制御基板５が底板４から突出する基板支持部４ａに載って底部４と平行に固定された状態で、スルーホール５ａ及び立ち上がり端子部Ｄｂ２の間に半田部１２が設けられており、ケース２内で半田付けされたデバイスＤ及び制御基板５は相対移動しないので半田部１２には応力が発生せず、半田部１２のクラック発生を防止することができる。

また、半導体デバイスＤは、樹脂パッケージＤａが底部４に面接触状態で載置され、デバイス押圧固定部６の弾性変形部１０が樹脂パッケージＤａに弾性復元力を作用することで、樹脂パッケージＤａが底部４に押圧されており、樹脂パッケージＤａ及び底部４の接触面積を大きくして密接するので、樹脂パッケージＤａの冷却効果を十分に高めることができる。
したがって、半田部１２のクラック発生を防止しつつ、樹脂パッケージＤａの冷却効果を十分に高めることができる第１実施形態は、高品質の発熱素子の放熱構造とすることができる。
そして、第１実施形態では、ヒートシンクとされたケース２の底部４に樹脂パッケージＤａを面接触状態で固定しただけの簡便な構造であり、放熱を促す部品などが不要なので、部品コストの低減化も図ることができる。

また、制御基板５のスルーホール５ａを通過した半導体デバイスＤの立ち上がり端子部Ｄｂ２は、ケース２の開口部２ａに向って延在しているので、スルーホール５ａ及び立ち上がり端子部Ｄｂ２の間の半田付けの作業性を良好とすることができる。
さらに、デバイス押圧固定部６は、固定部９から当接部１１までの長さが長く設定されており、半導体デバイスＤの樹脂パッケージＤａに設けられている金属部（不図示）と、固定部９を底部４に固定するデバイス固定ねじ８との間の絶縁距離を十分に確保することができる。
さらにまた、第１実施形態の制御基板５は、半導体デバイスＤ全体を上方から覆った状態で配置されており、ケース２内の小さなスペースであっても、制御基板５を有効に配置することができる。

［第２実施形態］
図４から図６は、本発明に係る第２実施形態の発熱素子の放熱構造を示すものである。
なお、図１から図３で示した構成と同一構成部分には、同一符号を付してその説明は省略する。
第２実施形態も、デバイス押圧固定部６により半導体デバイスＤが底部４に固定されている。
第２実施形態の制御基板１５は、底部４から突出する基板支持部４ｃ及び底部４の他の箇所に設けた基板支持部（不図示）に載って底部４と平行に固定されている。そして、この制御基板１５は、デバイス押圧固定部６を上方から覆わず、樹脂パッケージＤａのリード端子Ｄｂ側の一部のみを覆っている。
そして、ケース２の底部４に固定された半導体デバイスＤのリード端子Ｄｂの立ち上がり端子部Ｄｂ２が、制御基板１５のランドを有する複数のスルーホール１５ａに挿通され、立ち上がり端子部Ｄｂ２及びスルーホール１５ａの間を半田付けすることで半田部１６が設けられている。

次に、第２実施形態の発熱素子の放熱構造において、半導体デバイスＤをケース２の底部４に固定し、半導体デバイスＤを制御基板１５に実装する手順について説明する。
先ず、底部４に形成したねじ孔４ｄに、デバイス押圧固定部６の固定部９を対応させ、上方から固定部９の挿通孔９ａに挿通したデバイス固定ねじ８のねじ部をねじ孔４ｂに仮締めする。
次に、半導体デバイスＤの樹脂パッケージＤａを底部４上の所定位置に面接触状態で載置し、デバイス押圧固定部６の弾性変形部１０を上方に持ち上げ、弾性変形部１０の当接部１１を樹脂パッケージＤａの上面に接触させることで、樹脂パッケージＤａを仮固定する。

次に、図６に示すように、制御基板１５を、ケース２の開口部２ａの上方から底部４に向けて下ろしていき、開口部２ａに向けて立ち上がっている半導体デバイスＤの複数の立ち上がり端子部Ｄｂ２を制御基板１５の複数のスルーホール１５ａに挿通しながら、基板支持部４ｃ上及び他の基礎支持部上に制御基板５を載せる。
この際、底部４上で仮固定されている樹脂パッケージＤａを図６の矢印Ａ方向、或いは底部４に沿って矢印Ａ方向に直交する方向などに移動することで、複数の立ち上がり端子部Ｄｂ２及びスルーホール１５ａの位置合わせを行なう。

そして、デバイス固定ねじ８をねじ孔４ｄにねじ込むことで本締めする。これにより、弾性変形部１０が半導体デバイスＤの樹脂パッケージＤａに弾性復元力を作用するので、デバイス押圧固定部６は、樹脂パッケージＤａを底部４に押圧した状態で固定する。
次に、基板固定ねじ７を、制御基板１５を通過して基板支持部４ｃ及び他の基板支持部にねじ込むことで、制御基板１５を底部４に固定する。
最後に、ケース２の開口部２ａ側から、スルーホール１５ａと立ち上がり端子部Ｄｂ２との間を半田付けすることで半田部１６を設ける（図４，図５参照）。

次に、第２実施形態の作用効果について説明する。
第２実施形態も、ケース２の底板４に半導体デバイスＤが固定され、且つ、底板４から突出する基板支持部４ｃに載った制御基板１５が底部４に平行に配置されているとともに、半導体デバイスＤの複数の立ち上がり端子部Ｄｂ２が制御基板１５のスルーホール１５ａに挿通された状態で、スルーホール１５ａ及び立ち上がり端子部Ｄｂ２の間に半田部１６が設けられており、ケース２内で半田付けされたデバイスＤ及び制御基板１５は相対移動しないので半田部１６には応力が発生せず、半田部１６のクラック発生を防止することができる。

また、第２実施形態の発熱素子の放熱構造も、第１実施形態と同様に、半田部１６のクラック発生を防止しつつ、樹脂パッケージＤａの冷却効果を十分に高めることができ、放熱を促す部品などが不要なので、部品コストの低減化も図ることができるとともに、固定部９から当接部１１までの長さを長く設定したデバイス押圧固定部６を使用することで、樹脂パッケージＤａに設けられている金属部（不図示）と、固定部９を底部４に固定するデバイス固定ねじ８との間の絶縁距離を十分に確保することができる。
さらに、第２実施形態は、樹脂パッケージＤａの複数の立ち上がり端子部Ｄｂ２を制御基板１５の複数のスルーホール１５ａに挿通する際には、底部４上で仮固定されている樹脂パッケージＤａを底部４に沿って移動することができるので、スルーホール１５ａへの立ち上がり端子部Ｄｂ２の挿通作業を容易に行なうことができる。

［第３実施形態］
図７から図９は、本発明に係る第３実施形態の発熱素子の放熱構造を示すものである。
第３実施形態は、図８に示すように、半導体デバイスＤの樹脂パッケージＤａの中央部に上下に連通する挿通孔２０が形成され、上方から挿通孔２０を通過したデバイス固定ねじ２１が底部４に形成したねじ孔４ｅにねじ込まれることで、半導体デバイスＤが底部４に固定されている。
第３実施形態の制御基板１５も、第２実施形態と同様の部材であり、底部４から突出する基板支持部４ｃ及び底部４の他の箇所に設けた基板支持部（不図示）に載って底部４と平行に固定され、樹脂パッケージＤａのリード端子Ｄｂ側の一部のみを覆っている。
そして、ケース２の底部４に固定された半導体デバイスＤのリード端子Ｄｂの立ち上がり端子部Ｄｂ２が、制御基板１５のランドを有する複数のスルーホール１５ａに挿通され、立ち上がり端子部Ｄｂ２及びスルーホール１５ａの間を半田付けすることで半田部１７が設けられている。

次に、第３実施形態の発熱素子の放熱構造において、半導体デバイスＤをケース２の底部４に固定し、半導体デバイスＤを制御基板１５に実装する手順について説明する。
先ず、図９に示すように、底部４に形成したねじ孔４ｅに、デバイス押圧固定部６の固定部９を対応させ、上方から固定部９の挿通孔９ａに挿通したデバイス固定ねじ２１のねじ部をねじ孔４ｅに仮締めする。
次に、半導体デバイスＤの樹脂パッケージＤａを底部４上の所定位置に面接触状態で載置する。
次に、制御基板１５を、ケース２の開口部２ａの上方から底部４に向けて下ろしていき、開口部２ａに向けて立ち上がっている半導体デバイスＤの複数の立ち上がり端子部Ｄｂ２を制御基板１５の複数のスルーホール１５ａに挿通しながら、基板支持部４ｃ上及び他の基礎支持部上に制御基板５を載せる。

この際、底部４上で仮固定されている樹脂パッケージＤａを図９の矢印Ａ方向、或いは底部４に沿って矢印Ａ方向に直交する方向などに移動することで、複数の立ち上がり端子部Ｄｂ２及びスルーホール１５ａの位置合わせを行なう。
そして、デバイス固定ねじ２１をねじ孔４ｅにねじ込むことで本締めする。
次に、基板固定ねじ７を、制御基板１５を通過して基板支持部４ｃ及び他の基板支持部にねじ込むことで、制御基板１５を底部４に固定する。
最後に、ケース２の開口部２ａ側から、スルーホール１５ａと立ち上がり端子部Ｄｂ２との間を半田付けすることで半田部１７を設ける（図７，図８参照）。
ここで、本発明に係る第２固定ねじがデバイス固定ねじ２１に対応している。

次に、第３実施形態の作用効果について説明する。
第３実施形態も、ケース２の底板４に半導体デバイスＤが固定され、且つ、底板４から突出する基板支持部４ｃに載った制御基板１５が底部４に平行に配置されているとともに、半導体デバイスＤの複数の立ち上がり端子部Ｄｂ２が制御基板１５のスルーホール１５ａに挿通された状態で、スルーホール１５ａ及び立ち上がり端子部Ｄｂ２の間に半田部１７が設けられており、ケース２内で半田付けされたデバイスＤ及び制御基板１５は相対移動しないので半田部１７には応力が発生せず、半田部１７のクラック発生を防止することができる。

また、第２実施形態の発熱素子の放熱構造も、第１実施形態と同様に、半田部１７のクラック発生を防止しつつ、樹脂パッケージＤａの冷却効果を十分に高めることができ、放熱を促す部品などが不要なので、部品コストの低減化も図ることができる。
さらに、第３実施形態は、樹脂パッケージＤａの複数の立ち上がり端子部Ｄｂ２を制御基板１５の複数のスルーホール１５ａに挿通する際には、底部４上で仮固定されている樹脂パッケージＤａを底部４に沿って移動することができるので、スルーホール１５ａへの立ち上がり端子部Ｄｂ２の挿通作業を容易に行なうことができる。
さらにまた、第３実施形態は、半導体デバイスＤの樹脂パッケージＤａの中央部に形成した挿通孔２０にデバイス固定ねじ２１を通過し、このデバイス固定ねじ２１を底部４のねじ孔４ｅにねじ込む簡便な構造としたので、製造コストの低減化を図ることができる。

１ インバータ装置
２ ケース
２ａ ケースの開口部
３ 側壁
４ 底部
４ａ，４ｃ 基板支持部
４ｂ，４ｄ，４ｅ ねじ孔
５，１５ 制御基板
５ａ，１５ａ スルーホール
６ デバイス押圧固定部
７ 基板固定ねじ
８ デバイス固定ねじ
９ 固定部
９ａ 挿通孔
１０ 弾性変形部
１０ａ 第１屈曲部
１０ｂ 立ち上がり部
１０ｃ 第２屈曲部
１０ｄ 傾斜部
１１ 当接部
１２，１６，１７ 半田部
２０ 挿通孔
２１ デバイス固定ねじ
Ｄ 半導体デバイス
Ｄａ 樹脂パッケージ
Ｄｂ リード端子
Ｄｂ１ 水平端子部
Ｄｂ２ 立ち上がり端子部

Claims (7)

1. 基板に実装した発熱素子をヒートシンクの冷却面に伝熱して放熱する発熱素子の放熱構造であって、
   前記発熱素子は、素子本体と、この素子本体から外方に突出するリード端子とを有し、
   前記冷却面に前記素子本体が固定され、且つ、前記リード端子の先端が前記基板に設けたスルーホールに挿通され、且つ、前記基板が前記冷却面の上方位置で固定された状態で、
   前記スルーホール及び前記リード端子の先端側の間を半田付けして半田部を設けたことを特徴とする発熱素子の放熱構造。
2. 前記素子本体は、前記冷却面に面接触状態で当接していることを特徴とする請求項１記載の発熱素子の放熱構造。
3. 前記ヒートシンクの前記冷却面を有底箱形状のケースの底面とし、前記素子本体は前記底面に固定され、前記素子本体から突出する前記リード端子の先端側は、前記ケースの開口部に向って延在していることを特徴とする請求項１記載の発熱素子の放熱構造。
4. 前記素子本体は、押圧固定部により前記冷却面に向けて押圧固定されており、
   前記押圧固定部は、第１固定ねじで前記冷却面に固定される固定板部と、この固定板部から屈曲して形成された弾性変形板部と、この弾性変形板部の先端に形成されて前記素子本体に当接する当接板部と、を備え、前記固定板部が前記冷却面に固定されたときに、前記弾性変形板部が、前記当接板部を介して前記素子本体に弾性復元力を作用することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の発熱素子の放熱構造。
5. 前記基板は、前記押圧固定部及び当該押圧固定部に固定された前記素子本体を上方から覆った状態で固定されていることを特徴とする請求項４記載の発熱素子の放熱構造。
6. 前記基板は、前記押圧固定部を上方から覆わない位置で固定されており、前記リード端子の先端を前記基板に設けた前記スルーホールに挿通する際に、前記第１固定ねじを前記冷却面に仮締めすることを特徴とする請求項４記載の発熱素子の放熱構造。
7. 前記素子本体は、自身に第２固定ねじを通過させて前記冷却面に固定する構造とし、
   前記基板は、前記第２固定ねじを上方から覆わない位置で固定されており、前記リード端子の先端を前記基板に設けた前記スルーホールに挿通する際に、前記第２固定ねじを前記冷却面に仮締めすることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の発熱素子の放熱構造。

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