JP5634621B2

JP5634621B2 - 半導体装置、及び車載用電力変換装置

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Publication number: JP5634621B2
Application number: JP2013546893A
Authority: JP
Inventors: 小玉　勝久; 勝久小玉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: US9147634B2; US20140252587A1; EP2787529A4; JPWO2013080317A1; CN103975430A; WO2013080317A1; CN103975430B; EP2787529B1; EP2787529A1

Description

この発明は、半導体装置、並びにこの半導体装置が組み込まれた、プラグインハイブリッド車、電気自動車等に搭載され、ＡＣ入力電源を直流に変換し、高電圧バッテリに充電する充電器や、高電圧バッテリの電圧を、１２Ｖ系電圧に変換し、補機バッテリを充電するＤＣＤＣコンバータなどの車載用電力変換装置に関する。

従来から、発熱素子、特に、大電流をスイッチング制御するパワー素子では、発熱量が大きいため放熱部材上に配置されて固定されている。これにより、発熱素子の熱が放熱部材を介して冷却媒体に伝達され、発熱素子が冷却される。
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。

特開平９-１３４９８５号公報特開２００１-３３２６７０号公報特開２００２-１９８４７７号公報特開２０１１-８２３４４号公報

プラグインハイブリット車は、エンジンを搭載しており、車載用電力変換装置の車両レイアウトが困難であり、また電気自動車は、小型車であるために、車載用電力変換装置への小型化要求が極めて強い。車載用電力変換装置の小型化にあたっては、小型化にともなう熱容量の増加から、装置の冷却性能のさらなる向上が必要である。
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。

上記特許文献１〜３に記載されたもののように、押圧部材の弾性力によって発熱素子を放熱部材上に押圧するものでは、そもそも押圧力が小さいため、発熱素子と放熱部材間との接触熱抵抗が高くなる。
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。

この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、発熱素子の放熱性が向上するとともに、実装基板の実装面積が削減することができる半導体装置を得ることを目的とする。
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。

この発明に係る半導体装置は、実装基板と、この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いる。

また、この発明に係る車載用電力変換装置は、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、放熱部材の素子接触部位を有した前記冷却器に埋設されている。

この発明による半導体装置によれば、発熱素子は、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ており、実装基板の実装面積を削減することができる。
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。

この発明による車載用電力変換装置によれば、半導体装置は、放熱部材の素子接触部位を有した冷却器に埋設されているので、他部品への熱の干渉を抑制でき、装置全体は小型化される。

この発明の車載用電力変換装置を示す断面図である。この発明の実施の形態１の半導体装置を示す断面図である。図２のＺ部の拡大図である。この発明の実施の形態２の半導体装置の要部を示す断面図である。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である。図５のＶＩ-ＶＩ線に沿った矢視断面図である。図５のＶＩＩ-ＶＩＩ線に沿った矢視断面図である。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。（ａ）は従来の半導体装置の一例を示す要部断面図、（ｂ）は（ａ）の平面図、（ｃ）は（ａ）のｃ-ｃに沿った矢視断面図である。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において、同一または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
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。

半導体装置は、実装基板５に対して垂直方向に延びた端子１ａを介して接続された発熱素子１と、この発熱素子１の取付面１ｅに放熱シート７を介して面接触した素子接触部位２ａを有する放熱部材２と、発熱素子１に接触し発熱素子１を放熱部材２に押圧する押圧手段２０と、押圧手段２０に取付面１ｅに対して平行に形成された貫通孔３ｃを通じて押圧手段２０を放熱部材２に固定する締付手段である固定ネジ６とを備えている。
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。

実装基板５には、熱伝導率が高いアルミニウム材等で形成された放熱部材２が複数の固定ネジ１５（例えば、放熱部材２の四隅）で固定されている。
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。

凹部２ｃに埋設された押圧手段２０は、アルミニウム材等で形成された、第１の押圧部材３及び第２の押圧部材４を備えている。第１の押圧部材３には貫通孔３ｃが形成されており、この貫通孔３ｃを通る固定ネジ６で第１の押圧部材３は放熱部材２に固定されている。第１の押圧部材３は、凹部２ｃの底面に向かって、その両側面が接近する傾斜面３ａを有している。
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。

上記構成の半導体装置では、発熱素子１が実装基板面５ａに対して垂直方向に延びて配設されているので、実装基板５の部品実装面積を低減することができる。
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。

また、例えば、発熱素子１の固定に用いる固定ネジ６の径を、Ｍ３ネジに変えて、Ｍ４ネジ等の大径に変更することが可能となる。これにより、他部品の締結ネジと統一が図れ、組付作業性が向上する。
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[ｍ^２]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。

また、この実施の形態の半導体装置では、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の軸線に対して変えることで、発熱素子１の放熱部材２への押圧力を任意に設定することができる。
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。

また、素子接触部位２ａに対して、垂直に押圧する構造であるため、固定ネジ６の回転による回転ストレスが、発熱素子１、放熱シート７及び端子１ａに発生しない利点がある。
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。

また、第２の押圧部材４は、その突起４ｂが発熱素子１の取付穴１ｃに嵌着して、発熱素子１を放熱シート７を介して放熱部材２の素子接触部位２ａに押圧している。
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。

また、発熱素子１の端子１ａは、実装基板５に対して垂直方向に延びており、端子の曲げ加工が不要になるばかりでなく、この実施の形態１の固定ネジ６と発熱素子１との距離は、従来の電子部品の実装構造を示す、図１０のものと比較して大きく、次のような利点がある。
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。

また、１個の固定ネジ６で、２個の発熱素子１を放熱部材２に押圧し、固定できることから、発熱素子１の固定に必要な固定ネジ６の個数を半減することができるとともに、固定ネジ６の締結方向が、実装基板５や他の部品の締結方向と同一となるため、組付作業性が向上する。

実施の形態２．
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。

この実施の形態では、第１の押圧部材３の傾斜面３ａを第２の押圧部材４側に突出した曲面形状にすることで、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、曲面形状の傾斜面３ａで吸収され、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。
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。

実施の形態３．
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。

この実施の形態では、固定ネジ６の放熱部材２への締め込み量に応じて、第１の押圧部材３は、発熱素子１側に移動して発熱素子１を放熱部材２に押圧しており、実施の形態１，２の半導体装置と同様の効果を得ることができる。
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。

実施の形態４．
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。

この実施の形態では、固定ネジ６の放熱部材２への締め込み量に応じて、第１の押圧部材３は、発熱素子１側に移動して発熱素子１を放熱部材２に押圧しており、実施の形態１，２の半導体装置と同様の効果を得ることができる。
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。

実施の形態５．
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。

この実施の形態では、固定ネジ６の放熱部材２への締め込み量に応じて、第１の押圧部材３は、発熱素子１を下側方向に移動させつつ、放熱部材２に押圧することで、実施の形態１，２の半導体装置と同様の効果を得ることができる。
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。

なお、上記各実施の形態では、締付手段として固定ネジを用いたが、このものに限定されるものではなく、例えばリベットでもよい。
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。

１発熱素子、１ａ端子、１ｂパッケージ、１ｃ取付穴、１ｄ導体部分、１ｅ取付面、２放熱部材、２ａ素子接触部位、２ｂグリース、２ｃ凹部、２ｄ支持部位、３第１の押圧部材、３ａ傾斜面、３ｂ突起、３ｃ貫通孔、４第２の押圧部材、４ａ傾斜面、４ｂ突起、５実装基板、５ａ実装基板面、６固定ネジ（締付手段）、１５固定ネジ、７放熱シート、８冷却器、１０電子部品、１１コイル（大電流部品）、１２コンデンサ（大電流部品）、１３ケース、１４カバー、１６Ｏリング、２０押圧手段。

Claims

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。