JP5986854B2

JP5986854B2 - 半導体素子の絶縁取付け構造

Info

Publication number: JP5986854B2
Application number: JP2012197285A
Authority: JP
Inventors: 孝生青木; 純次森川
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2016-09-06
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: JP2014053468A

Description

本発明は、高電圧・大電流が印加されるパワートランジスタ等の半導体素子を、一定の空間距離または沿面距離を確保して取付ける半導体素子の絶縁取付け構造に関するものである。

高電圧・大電流が印加されるパワートランジスタ等の半導体素子の取付けに際しては、ＪＩＳ等の各種規格に対応した絶縁取付け構造が必要となる。これら規格を満たす絶縁取付け構造として、例えば、特許文献１には、半導体素子と放熱フィンとの間に、ＡＩＮ焼結体等で構成される絶縁部材を挟んで固体絶縁したものが開示されている。また、特許文献２には、半導体素子の電極端子を覆うキャップを取付け、該キャップで固体絶縁するもの、あるいは放熱フィンに凸型加工を施し、電極端子から放熱フィンまでの空間距離あるいは沿面距離を確保して絶縁するようにしたもの等が開示されている。

さらに、特許文献３には、モールド樹脂部に凸部、凹部、端子包囲部、階段状段差部等を設けることにより、沿面距離を確保して絶縁するようにしたものが開示され、特許文献４には、半導体素子が固定設置されている放熱フィンを、アースされている板金シャーシに対して、絶縁シート、絶縁スペーサおよび絶縁ワッシャを介してネジにより締め付け固定し、放熱フィンを絶縁支持したものが開示されている。

特許第２５９８２３６号公報特許第４６８８７５１号公報特開平８−９７３３３号公報特公平７−４５９５６号公報

しかしながら、半導体素子と放熱フィンとの間に、絶縁部材を挟んで固体絶縁したものでは、半導体素子側から放熱フィン側への熱伝導の低下が避けられないため、放熱性能が悪化する等の課題があった。更に、放熱フィンを特殊形状としたものや、半導体素子側のモールド樹脂部に特殊加工を施したものでは、加工工数の増加や製造コストの増加が避けられない等の課題があった。

また、特許文献４に開示されたものでは、絶縁シートと、絶縁スペーサおよび絶縁ワッシャと、ネジが必要なため、部品数が多くなるとともに、放熱フィンと板金製シャーシとの間および板金シャーシとネジとの間の２箇所に、それぞれ空間距離を確保しなければならないため、設置スペースが大きくなり、小型コンパクト化や構成の簡素化の阻害要因となる等の課題を有していた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、放熱性能を悪化させずに規格を満たす絶縁性能が得られ、しかもコストや加工工数の増加を抑え、構成の簡素化とコンパクト化を実現できる半導体素子の絶縁取付け構造を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明の半導体素子の絶縁取付け構造は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる半導体素子の絶縁取付け構造は、半導体素子が直に設置される放熱フィンと、該放熱フィンが取付けられる板金製部品と、該板金製部品が取付けられるとともに、自身が電気的に接地されている板金製シャーシとを備え、前記板金製部品と前記板金製シャーシとが、双方の間に一定の空間距離を確保するとともに、その一方に自らを固体絶縁部として取付けられる樹脂製絶縁部材を介して互いに結合されていることを特徴とする。

本発明によれば、半導体素子を直に放熱フィンに設置するとともに、放熱フィンが取付けられている板金製部品を、自身が電気的に接地されている板金製シャーシに対して双方の間に一定の空間距離を確保するとともに、その一方に自らを固体絶縁部として取付けられる樹脂製絶縁部材を介して結合した構成としているため、高電圧・大電流が印加されることにより発熱するパワートランジスタ等の半導体素子からの熱を直に放熱フィンに伝達して放熱できることから、半導体素子の放熱性能を一切損なうことがなく、また、半導体素子や放熱フィン自体に規格に対応した絶縁性能を満たす空間距離や沿面距離を確保する特別な工夫や構成を施すことなく、放熱フィンが取付けられている板金製部品を電気的に接地（アース）されている板金製シャーシに対して、樹脂製絶縁部材を介して一定の空間距離を確保するとともに、固体絶縁して絶縁支持することができる。従って、放熱性能を十分確保しながら、各種規格を満たす絶縁構造を提供することができる。しかも半導体素子や放熱フィン自体に構造変更や特別な工夫を施す必要がなく、製造コストや加工工数の増加を抑制することができる。また、放熱フィンが取付けられる板金製部品を放熱フィンとして機能させ、放熱性能を高めることによって、放熱フィン等の小型化を図ることができる。更には、樹脂モールド等により基礎絶縁されている半導体素子の電極端子と放熱フィンとの間が、何らかの原因で絶縁破壊されたとしても、板金製部品と板金製シャーシとの間の絶縁により、二重の絶縁構造とされることから、感電等に対する保護機能を略２倍に高めることができる。

さらに、本発明の半導体素子の絶縁取付け構造は、上記の半導体素子の絶縁取付け構造において、前記放熱フィンは、前記板金製部品に対してネジを介して直接結合されていることを特徴とする。

本発明によれば、放熱フィンが、板金製部品に対してネジを介して直接結合されているため、半導体素子から放熱フィンに伝達された熱を、放熱フィンだけでなく、それにネジを介して直接結合されている面積の大きい板金製部品からも放熱させることができる。従って、半導体素子の放熱性能を向上させ、ひいては放熱フィンの小型化、それらを含む回路基板および制御ボックスの小型コンパクト化を図ることができる。

さらに、本発明の半導体素子の絶縁取付け構造は、上述のいずれかの半導体素子の絶縁取付け構造において、前記板金製部品は、前記半導体素子を備えた回路基板を収容設置する制御ボックスとされていることを特徴とする。

本発明によれば、板金製部品が、半導体素子を備えた回路基板を収容設置する制御ボックスとされているため、板金製部品として特別な部品を追加することなく、半導体素子を備えた回路基板を収容設置する制御ボックスを利用し、上述の絶縁取付け構造を実現することができる。従って、部品数やコスト等の増加を招くことなく、高い絶縁性能および放熱性能を有する簡素で安価な半導体素子の絶縁取付け構造を提供することができる。

さらに、本発明の半導体素子の絶縁取付け構造は、上述のいずれかの半導体素子の絶縁取付け構造において、前記樹脂製絶縁部材は、前記板金製部品と前記板金製シャーシとの間に一定の空間距離を確保するスペーサ部と、前記板金製部品または前記板金製シャーシの一方に設けられた取付け穴に抜け止め部を介して嵌着されるとともに、前記板金製部品または前記板金製シャーシの他方および前記スペーサ部を貫通するネジが締め付け固定されるネジ結合部とを一体に樹脂成形した構成とされていることを特徴とする。

本発明によれば、樹脂製絶縁部材が、板金製部品と板金製シャーシとの間に一定の空間距離を確保するスペーサ部と、板金製部品または板金製シャーシの一方に設けられた取付け穴に抜け止め部を介して嵌着されるとともに、板金製部品または板金製シャーシの他方およびスペーサ部を貫通するネジが締め付け固定されるネジ結合部とを一体に樹脂成形した構成とされているため、この樹脂製絶縁部材を板金製部品と板金製シャーシとの間に介在して板金製部品と板金製シャーシとを互いに結合することにより、半導体素子および放熱フィンが設置されている板金製部品を、一定の空間距離を確保するとともに、固体絶縁部を介して板金製シャーシにより絶縁支持することができる。従って、単一の樹脂製絶縁部材を介して一定の空間距離を確保して板金製部品を板金製シャーシで絶縁支持することができ、余計なスペースを確保することなく、簡素でコンパクトな構成の半導体素子の絶縁取付け構造を得ることができる。

さらに、本発明の半導体素子の絶縁取付け構造は、上記の半導体素子の絶縁取付け構造において、前記樹脂製絶縁部材の前記ネジ結合部は、該ネジ結合部が嵌着される前記板金製部品または前記板金製シャーシの一方と、該ネジ結合部に締め付け固定されるネジとの間を絶縁する前記固体絶縁部を備えた構成とされていることを特徴とする。

本発明によれば、樹脂製絶縁部材のネジ結合部が、該ネジ結合部が嵌着される板金製部品または板金製シャーシの一方と、該ネジ結合部に締め付け固定されるネジとの間を絶縁する固体絶縁部を備えた構成とされているため、樹脂製絶縁部材のスペーサ部を介して板金製部品と板金製シャーシとの間に、一定の空間距離を確保できるとともに、ネジ結合部の固体絶縁部を介して、該ネジ結合部が嵌着される板金製部品または板金製シャーシの一方と、その他方を樹脂製絶縁部材に締め付け固定するネジとの間を固体絶縁することができる。従って、放熱フィンが取付けられる板金製部品と、該板金製部品が取付けられる板金製シャーシとの間を、樹脂製絶縁部材を介して確実に絶縁することができる。

本発明によると、高電圧・大電流が印加されることにより発熱するパワートランジスタ等の半導体素子からの熱を直に放熱フィンに伝達して放熱できることから、半導体素子の放熱性能を一切損なうことがなく、また、半導体素子や放熱フィン自体に規格に対応した絶縁性能を満たす空間距離や沿面距離を確保する特別な工夫や構成を施すことなく、放熱フィンが取付けられている板金製部品を電気的に接地（アース）されている板金製シャーシに対して、樹脂製絶縁部材を介して一定の空間距離を確保するとともに、固体絶縁して絶縁支持することができるため、放熱性能を十分確保しながら、各種規格を満たす絶縁構造を提供することができる。しかも半導体素子や放熱フィン自体に構造変更や特別な工夫を施す必要がなく、製造コストや加工工数の増加を抑制することができる。また、放熱フィンが取付けられる板金製部品を放熱フィンとして機能させ、放熱性能を高めることによって、放熱フィン等の小型化を図ることができる。更には、樹脂モールド等により基礎絶縁されている半導体素子の電極端子と放熱フィンとの間が、何らかの原因で絶縁破壊されたとしても、板金製部品と板金製シャーシとの間の絶縁により、二重の絶縁構造とされることから、感電等に対する保護機能を略２倍に高めることができる。

本発明の一実施形態に係る半導体素子の絶縁取付け構造を示す概略構成図である。図１中におけるＡ部の拡大図である。

以下に、本発明の一実施形態について、図１および図２を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態に係る半導体素子の絶縁取付け構造の概略構成図が示されており、図２には、そのＡ部の拡大図が示されている。
例えば、空気調和機のファンモータを駆動するファンモータドライバーには、高電圧が印加されるパワートランジスタ等の半導体素子１が組み込まれている。ここでの半導体素子１は、樹脂モールドされたものであり、その両端側から電極端子２がＬ字状に上方に延長されている。

上記の半導体素子１は、その複数の電極端子２が制御ボックスを構成する板金製部品３内に設置されている回路基板４に接続され、ファンモータの駆動回路を構成している。板金製部品（制御ボックス）３は、所定の深さを有する矩形状のボックス体であり、ファンモータの駆動回路を構成する半導体素子１および回路基板４等が収容設置される大きさとされたものである。

板金製部品（制御ボックス）３の底面には、開口部５が設けられ、この開口部５を覆うように、その外側面に、アルミ合金製の放熱フィン６がネジ７を介して直に締め付け固定されている。この放熱フィン６の基部面の表面には、半導体素子１の一面が接触配置されており、高電圧・大電流の印加により半導体素子１で発生した熱が直に放熱フィン６に熱伝導され、該放熱フィン６および放熱フィン６が直接結合されている板金製部品３を介して外気に放熱されるようになっている。

また、板金製部品（制御ボックス）３は、その周縁に設けられたフランジ部８が、複数箇所（例えば、４箇所）で樹脂製絶縁部材１０を介して板金製シャーシ９に、ネジ１１により締め付け固定されている。この板金製シャーシ９は、空気調和機の筐体等を構成するものであり、電気的に接地（アース）された構成とされている。

樹脂製絶縁部材１０は、図２に示されるように、板金製部品（制御ボックス）３と板金製シャーシ９との間に介在され、両者間に一定の空間距離Ｓを確保するスペーサ部１０Ａと、このスペーサ部１０Ａの一面から延出され、板金製部品３または板金製シャーシ９の一方（本実施形態では、板金製シャーシ９側）に設けられている取付け穴１２に抜け止め部１０Ｃを介して嵌着されるネジ結合部１０Ｂとを一体に樹脂成形したものである。

樹脂製絶縁部材１０は、例えば、ＰＰＳ樹脂製とすることができ、スペーサ部１０Ａの他面側からネジ結合部１０Ｂに向ってネジ穴１０Ｄが穿設され、ネジ１１が螺着可能な構成とされている。このネジ穴１０Ｄとネジ結合部１０Ｂの外周との間に一定の厚さＴを有する固体絶縁部１０Ｅが形成され、該固体絶縁部１０Ｅでネジ１１と板金製シャーシ９との間が固体絶縁されるように構成されている。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
モータに流れる電流を高速で遮断するために用いられるパワートランジスタ等の半導体素子１は、その時の電力ロスで発熱し、それによる過熱を防止するため、冷却する必要がある。この冷却には、一般にパワートランジスタを放熱フィン上に設置し、発熱を放熱フィンに伝熱して放熱するようにしているが、本実施形態では、半導体素子１を直に放熱フィン６上に設置するとともに、放熱フィン６が取付けられている板金製部品（制御ボックス）３を、自身が電気的に接地されている板金製シャーシ９に対して、双方の間に一定の空間距離Ｓを確保するとともに、その一方に自らを固体絶縁部１０Ｅとして取付けられる樹脂製絶縁部材１０を介して結合し、絶縁支持した構成としている。

このため、半導体素子１で発生された熱を直に放熱フィン６に伝達して放熱できることから、半導体素子１の放熱性能を一切損なうことがなく、また、半導体素子１や放熱フィン６自体に規格に対応した絶縁性能を満たす空間距離や沿面距離を確保する特別な工夫や構成を施すことなく、放熱フィン６が取付けられている板金製部品（制御ボックス）３を電気的に接地（アース）されている板金製シャーシ９に対して、樹脂製絶縁部材１０を介して一定の空間距離Ｓを確保するとともに、固体絶縁部１０Ｅを介して確実に絶縁支持することができる。

従って、放熱性能を十分に確保しながら、各種規格を満たすことができる絶縁構造をすることができる。しかも、半導体素子１や放熱フィン６自体に構造変更や特別な工夫を施す必要がなく、製造コストや加工工数の増加を抑えることができる。また、放熱フィン６が取付けられる板金製部品（制御ボックス）３を放熱フィンとして機能させ、放熱性能を高めることにより、放熱フィン６等の小型化を図ることができる。更に、樹脂モールド等により基礎絶縁されている半導体素子１の電極端子２と放熱フィン６との間が、何らかの原因で絶縁破壊されたとしても、板金製部品（制御ボックス）３と板金製シャーシ９との間の絶縁により、二重の絶縁構造とされることから、感電等に対する保護機能を略２倍に高めることができる。

また、上記放熱フィン６は、板金製部品（制御ボックス）３に対してネジ７を介して直接結合されている。このため、半導体素子１から放熱フィン６に伝達された熱を、放熱フィン６だけでなく、それにネジ７を介して直接結合されている面積の大きい板金製部品３からも放熱させることができる。これにより、半導体素子１の放熱性能を向上させ、ひいては放熱フィン６の小型化、それらを含む回路基板４および制御ボックス３の小型コンパクト化を図ることができる。

また、本実施形態において、板金製部品３は、上記の如く、半導体素子１を備えた回路基板４を収容設置する制御ボックスとされているため、板金製部品３として特別な部品を追加することなく、半導体素子１を備えた回路基板４を収容設置する制御ボックスを利用して上述の絶縁取付け構造を実現することができる。従って、部品数やコスト等の増加を招くことなく、高い絶縁性能および放熱性能を有する簡素で安価な半導体素子１の絶縁取付け構造を提供することができる。

さらに、上記樹脂製絶縁部材１０は、板金製部品（制御ボックス）３と板金製シャーシ９との間に一定の空間距離Ｓを確保するスペーサ部１０Ａと、板金製部品３または板金製シャーシ９の一方（ここでは、板金製シャーシ９）に設けられた取付け穴１２に抜け止め部１０Ｃを介して嵌着されるとともに、板金製部品３または板金製シャーシ９の他方およびスペーサ部１０Ａを貫通するネジ１１が締め付け固定されるネジ結合部１０Ｂとを一体に樹脂成形した構成とされている。

このため、樹脂製絶縁部材１０を板金製部品３と板金製シャーシ９との間に介在して板金製部品３と板金製シャーシ９とを互いに結合することにより、半導体素子１および放熱フィン６が設置されている板金製部品３を、一定の空間距離Ｓを確保するとともに、固体絶縁部１０Ｅを介して板金製シャーシ９により絶縁支持することができる。従って、単一の樹脂製絶縁部材１０を介して一定の空間距離Ｓを確保して板金製部品３を板金製シャーシ９で絶縁支持することができ、余計なスペースを確保することなく、簡素でコンパクトな構成の半導体素子１の絶縁取付け構造を得ることができる。

また、上記樹脂製絶縁部材１０のネジ結合部１０Ｂは、ネジ結合部１０Ｂが嵌着される板金製部品３または板金製シャーシ９の一方（ここでは、板金製シャーシ９）と、ネジ結合部１０Ｂに締め付け固定されるネジ１１との間を絶縁する固体絶縁部１０Ｅを備えた構成とされている。

このため、樹脂製絶縁部材１０のスペーサ部１０Ａを介して板金製部品３と板金製シャーシ９との間に、一定の空間距離Ｓを確保することができるとともに、ネジ結合部１０Ｂの固体絶縁部１０Ｅを介して、ネジ結合部１０Ｂが嵌着される板金製部品３または板金製シャーシ９の一方と、その他方を樹脂製絶縁部材１０に締め付け固定するネジ１１との間を固体絶縁することができ、従って、放熱フィン６が取付けられる板金製部品３と、板金製部品３が取付けられる板金製シャーシ９との間を、樹脂製絶縁部材１０を介して確実に絶縁することができる。

なお、本発明は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では、樹脂製絶縁部材１０を板金製シャーシ９側の取付け穴１２に嵌着し、スペーサ部１０Ａを介在して板金製部品（制御ボックス）３をネジ１１により樹脂製絶縁部材１０に締め付け固定しているが、逆に板金製部品（制御ボックス）３側に樹脂製絶縁部材１０を嵌着し、板金製シャーシ９側からネジ１１で締め付け固定するようにしてもよい。なお、この場合は、板金製部品３側に樹脂製絶縁部材１０の取付け穴１２が設けられることになる。

また、樹脂製絶縁部材１０は、ＰＰＳに限らず、他の樹脂材を用いてもよく、更にスペーサ部１０Ａおよびネジ結合部１０Ｂの断面形状については、円形断面に限らず、角形断面形状としてもよい等、様々な形状を選択することができる。

１半導体素子
３板金製部品（制御ボックス）
４回路基板
６放熱フィン
７ネジ
９板金製シャーシ
１０樹脂製絶縁部材
１０Ａスペーサ部
１０Ｂネジ結合部
１０Ｃ抜け止め部
１０Ｅ固体絶縁部
１１ネジ
１２取付け穴
Ｓ空間距離

Claims

半導体素子が直に設置される放熱フィンと、
該放熱フィンが取付けられる板金製部品と、
該板金製部品が取付けられるとともに、自身が電気的に接地されている板金製シャーシとを備え、
前記板金製部品と前記板金製シャーシとが、双方の間に一定の空間距離を確保するとともに、その一方に自らを固体絶縁部として取付けられる樹脂製絶縁部材を介して互いに結合されていることを特徴とする半導体素子の絶縁取付け構造。
前記放熱フィンは、前記板金製部品に対してネジを介して直接結合されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の絶縁取付け構造。
前記板金製部品は、前記半導体素子を備えた回路基板を収容設置する制御ボックスとされていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子の絶縁取付け構造。
前記樹脂製絶縁部材は、前記板金製部品と前記板金製シャーシとの間に一定の空間距離を確保するスペーサ部と、前記板金製部品または前記板金製シャーシの一方に設けられた取付け穴に抜け止め部を介して嵌着されるとともに、前記板金製部品または前記板金製シャーシの他方および前記スペーサ部を貫通するネジが締め付け固定されるネジ結合部とを一体に樹脂成形した構成とされていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体素子の絶縁取付け構造。
前記樹脂製絶縁部材の前記ネジ結合部は、該ネジ結合部が嵌着される前記板金製部品または前記板金製シャーシの一方と、該ネジ結合部に締め付け固定されるネジとの間を絶縁する前記固体絶縁部を備えた構成とされていることを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の絶縁取付け構造。