JP5634621B2 - 半導体装置、及び車載用電力変換装置 - Google Patents
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Description
上記充電器やDCDCコンバータなどの車載用電力変換装置の場合、車両への搭載環境、動作環境などから装置の冷却に高い性能が要求される。
発熱素子の放熱部材への取付構造としては、例えば特許文献1〜4に記載されている。
特許文献1〜3には、押圧部材の弾性力によって、電気装置を放熱部材上に押圧する構造が記載されている。
また、特許文献4には、発熱素子を放熱部材に締結する際の、発熱素子の周り止め板の構造が記載されている。
しかし、従来技術のように、発熱素子を締結部材により、直接放熱部材に取り付けるものでは、発熱素子の寸法ばらつき等により、締結部材の押圧力に差が生じ、安定した放熱性(低熱抵抗)を得ることができない。
また、熱や振動による押圧部材の劣化により、安定した放熱性(低熱抵抗)を得ることができない。
また、特許文献4に記載されたもののように、放熱部材の底面に発熱素子を配置した場合、部品実装面積が増大するなどの問題点がある。
また、他部品への熱の干渉を抑制することができ、装置全体を小型化することができる車載用電力変換装置を得ることを目的とする。
前記押圧手段には、前記締付手段の締付力の軸力の分力が前記取付面に対して垂直方向に生じる傾斜面が形成されている。
また、発熱素子に接触し発熱素子を放熱部材に押圧する押圧手段には、締付手段の締付力の軸力の分力が取付面に対して垂直方向に生じる傾斜面が形成されているので、締付手段の締付力で押圧手段による発熱素子に対する押圧力が増大し、発熱素子と放熱部材間との接触熱抵抗が低減して発熱素子の放熱性が向上する。
図1はこの発明の車載用電力変換装置を示す概略断面図、図2は図1の半導体装置を示す断面図である。
この車載用電力変換装置では、放熱部材2及びケース13を有する冷却器8は、カバー14で覆われている。ケース13内には、大電流部品である、コイル11及びコンデンサ12が配設されている。また、放熱部材2の凹部2cには、この発明の実施の形態1の半導体装置が埋設されている。この冷却器8の上側には、実装基板5上に実装された複数の電子部品10が配設されている。
押圧手段20には、固定ネジ6の締付力の軸力の分力が発熱素子1の取付面1eに対して垂直方向に生じる傾斜面が形成されている。
発熱素子1は、樹脂モールドしたパッケージ1bでベアチップを覆っている。パッケージ1bには取付穴1cが形成されている。
放熱部材2の中間部には凹部2cが形成されている。この凹部2cは、その側面である素子接触部位2aに一対の発熱素子1がそれぞれ放熱シート7を介して対面している。この放熱シート7は、シリコン材等で形成され、発熱素子1と放熱部材2との間の伝熱と、電流の絶縁を担っている。
第2の押圧部材4は、第1の押圧部材3の両側にそれぞれ配設され、それぞれ傾斜面3aと面接触した傾斜面4aを有している。
この第2の押圧部材4は、傾斜面4aと反対側の面に突起4bが形成されている。この突起4bは、発熱素子1の取付穴1cに嵌着されている。
凹部2cの空間部には、グリース2bが充填されている。なお、グリース2bは無くてもよい。
冷却器8では、放熱部材2がOリング16を介してケース13内の一部を密閉している。密閉されたケース13内には、冷媒として例えば水が充填されている。この水は、放熱部材2と外部に設けられた冷却手段(図示せず)との間で循環し、冷却手段で冷却される。
なお、冷媒は空気であってもよい。
また、第1の押圧部材3に形成された貫通孔3cは、放熱部材2の素子接触部位2aと平行に設けられており、第1の押圧部材3と第2の押圧部材4とは、傾斜面3a,4aを介して面接触している。そして、傾斜面3a、4aは、図3に示すように、固定ネジ6の軸力Fvの分力Fhが素子接触部位2aに対して垂直方向に指向するように傾斜している。
従って、固定ネジ6を締付けることで生じた、その軸力の分力Fhで発熱素子1を素子接触部位2aに強く押圧するので、発熱素子1と放熱部材2との間の接触熱抵抗が低減して発熱素子1の放熱性が向上する。
これにより、他部品への熱の干渉を抑制でき、車載用電力変換装置全体の小型化が可能となる。
即ち、従来の電子部品の実装構造を示す、図10のものでは、発熱素子1の取付穴1cを用いて、M3ネジで発熱素子1を放熱部材2に固定する場合、押付力は、Fv=740[N](=M3ネジの定格軸力)である。
一方、この実施の形態のように、第1の押圧部材3、第2の押圧部材4を用いて、発熱素子1を放熱部材2に固定する場合、第1の押圧部材3及び第2の押圧部材4のそれぞれの傾斜面3a,4aを、固定ネジ6の軸線に対して30°で形成し、M4ネジ(軸力Fv=1290[N])で固定すれば、M3ネジを用いた、図10の固定状態と同等の押付力が得られる(Fh=Fv×tan30°)。
このM4ネジを用いた例の場合、発熱素子1の押圧面積が、3×10-4[m2]のものでは、押圧力は2.5[MPA]となる。この力は、放熱シート7の伝熱性能を発揮するのに充分な値である。
従って、押圧される発熱素子1の強度に応じて、最適な押付力となるように角度を調整できることから、設計自由度が向上する。
即ち、図10(c)から分かるように、従来のものでは、固定ネジ6の回転に伴い、発熱素子1、端子1aには回転ストレスが作用するが、この実施の形態の半導体装置では、このようなことはない。
従って、第2の押圧部材4は、発熱素子1を保持し、また位置決めしているとともに、発熱素子1の耐荷重が高い個所に取付穴1cを形成し、取付穴1cに合わせて突起4bを形成することで、発熱素子1のパッケージ1bの荷重による変形や破損を防ぐことができる。
なお、取付穴1cが無いパッケージ1bの場合には、突起4bを耐荷重が高いパッケージ1bの部位に押圧すればよい。
即ち、図10のものは、発熱素子1の平面と放熱部材2とが面接触しており、発熱素子1の取付穴1cを通る固定ネジ6の全軸力で発熱素子1が放熱部材2を押圧するものの、固定ネジ6は、発熱素子1の導体部分1dを通っているのに対して、この実施の形態では、固定ネジ6と、発熱素子1の導体部分1dとの間には、第1の押圧部材3及び第2の押圧部材4が介在している。
このため、固定ネジ6を放熱部材2にねじ込む時に発生する切粉により、発熱素子1が短絡するリスクが低減する。
図4はこの発明の実施の形態2の半導体装置を示す断面図である。
この実施の形態では、第1の押圧部材3は、傾斜面3aが第2の押圧部材4側に突出した曲面形状である。
他の構成は、実施の形態1の半導体装置と同じである。
このことにより、発熱素子1と放熱部材2との間の熱抵抗が低く抑えられ、安定して効率のよい放熱性能が得られる。
なお、第2の押圧部材4の傾斜面4aを第1の押圧部材3側に突出した曲面形状にするようにしても同様の効果を得ることができる。
図5はこの発明の実施の形態3の半導体装置の要部を示す断面図、図6は図5のVI-VI線に沿った矢視断面図、図7は図5のVII-VII線に沿った矢視断面図である。
この実施の形態では、放熱部材2は、その中心部に断面台形状の支持部位2dが素子接触部位2aと並立して設けられている。
第1の押圧部材3は、発熱素子1と反対側の断面形状が楔形状で、発熱素子1側の断面形状が発熱素子1側に突出した曲面である。第1の押圧部材3の楔形状側の部位は、放熱部材2の支持部位2dと面接触している。第1の押圧部材3の曲面の部位は、第2の押圧部材4に当接している。
第1の押圧部材3の貫通孔3cは、素子接触部位2aに対して垂直方向の内径寸法が、この垂直方向に対して直角方向の内径寸法よりも大きい長孔である。この長孔は、図7では矩形状であるが、楕円形状であってよい。
実施の形態1,2では、第1の押圧部材3により、二個の発熱素子1をそれぞれ放熱部材2に押圧していたのに対して、この実施の形態では、第1の押圧部材3により、1個の発熱素子1を放熱部材2に押圧している点で異なる。
他の構成は、実施の形態1の半導体装置と同じである。
また、第2の押圧部材4に当接した第1の押圧部材3の部位は、曲面であるので、実施の形態2と同様に、第1の押圧部材3及び第2の押圧部材4の平行度がばらついた場合でも、曲面でそのばらつきは吸収され、発熱素子1、放熱シート7及び放熱部材2の各間は、隙間なく確実に圧接される。
図8はこの発明の実施の形態4の半導体装置の要部を示す断面図である。
この実施の形態では、第1の押圧部材3の発熱素子1と反対側の断面形状が楔形状であり、第1の押圧部材3の発熱素子1側の断面形状が、矩形状である。第1の押圧部材3の楔形状側の部位は、放熱部材2の支持部位2dと面接触している。第1の押圧部材3の矩形状側の部位は、第2の押圧部材4と面接触している。
この第2の押圧部材4の発熱素子1側には、基部が曲面形状の突起4bが形成されている。この突起4bの先端部は、発熱素子1の取付穴1cに遊挿されている。
また、第1の押圧部材3の貫通孔3cは、実施の形態3の半導体装置と同様に、素子接触部位2aに対して垂直方向の内径寸法が、この垂直方向に対して直角方向の内径寸法よりも大きい長孔である。
この実施の形態では、第1の押圧部材3により、一個の発熱素子1を放熱部材2に押圧している点で異なる。
他の構成は、実施の形態1の半導体装置と同じである。
また、第2の押圧部材4は、基部が曲面形状の突起4bが発熱素子1の取付穴1cに遊挿されており、実施の形態2と同様に、第1の押圧部材3及び第2の押圧部材4の平行度がばらついた場合でも、突起4bの曲面形状の基部で、そのばらつきが吸収され、発熱素子1、放熱シート7及び放熱部材2の各間は、隙間なく確実に圧接される。
図9はこの発明の実施の形態5の半導体装置の要部を示す断面図である。
この実施の形態では、第1の押圧部材3の発熱素子1と反対側の断面形状が楔形状であり、第1の押圧部材3の発熱素子1側の断面形状が、矩形状である。第1の押圧部材3の楔形状側の部位は、放熱部材2の素子接触部位2aと対向した支持部位2dと面接触している。第1の押圧部材3の矩形状側の部位には、発熱素子1の取付穴1cに嵌着した突起3bが形成されている。
この実施の形態では、第1の押圧部材3と発熱素子1との間に介在した第2の押圧部材4が削除されている。
他の構成は、実施の形態4と同じである。
また、第2の押圧部材4が削除された分だけ、より小型化を図ることができる。
また、発熱素子1と放熱部材2との間には放熱シート7を介在せず、発熱素子1と放熱部材2とが直接面接触したものでもよい。
Claims (10)
- 実装基板に対して垂直方向に延びた端子を介して接続された発熱素子と、
この発熱素子の取付面に直接または間接的に面接触した素子接触部位を有する放熱部材と、
前記発熱素子に接触し発熱素子を前記放熱部材に押圧する押圧手段と、
この押圧手段に前記取付面に対して平行に形成された貫通孔を通じて前記押圧手段を前記放熱部材に固定する締付手段とを備え、
前記押圧手段には、前記締付手段の締付力の軸力の分力が前記取付面に対して垂直方向に生じる傾斜面が形成されており、
前記押圧手段には、前記発熱素子に接触して発熱素子を押圧する突起が形成されており、
前記発熱素子には、前記突起が挿入される取付穴が形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記押圧手段は、前記貫通孔を有する第1の押圧部材と、この第1の押圧部材に一方の面が接触し、他方の面が前記発熱素子に接触した第2の押圧部材とを備えており、
前記第1の押圧部材と前記第2の押圧部材とは、互いに形成された前記傾斜面で接触していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第1の押圧部材及び前記第2の押圧部材の何れか一方の前記傾斜面は、他方の前記傾斜面側に突出した曲面形状であることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 前記放熱部材は、前記素子接触部位と対向した支持部位を有しており、
前記押圧手段は、前記貫通孔、及び前記支持部位に面接触した前記傾斜面を有する第1の押圧部材を備えていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - さらに、前記押圧手段は、前記第1の押圧部材に一方の面が接触し、他方の面が前記発熱素子に接触した第2の押圧部材を備えていることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
- 前記第1の押圧部材または前記第2の押圧部材は、接触する側に突出した曲面を有していることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
- 前記貫通孔は、前記取付面に対して垂直方向の内径寸法が、この垂直方向に対して直角方向の内径寸法よりも大きい長孔であることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の半導体装置。
- 前記発熱素子と前記放熱部材の前記素子接触部位との間には放熱シートが設けられていることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の半導体装置。
- 前記締付手段は、固定ネジであることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の半導体装置。
- 請求項1〜9の何れか1項に記載の半導体装置と、冷媒が密閉され大電流部品を冷却する冷却器とを備え、
前記半導体装置は、前記放熱部材の前記素子接触部位を有した前記冷却器に埋設されていることを特徴とする車載用電力変換装置。
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