JP6780792B2 - 回路構成体及び電気接続箱 - Google Patents

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Description

本明細書では、回路構成体及び電気接続箱に関する技術を開示する。
従来、基板に実装された電子部品の熱を金属製の放熱部材から放熱する技術が知られている。特許文献１の電子装置における基板の面に配列された半導体パッケージは、チップと、チップの上下両面にはんだ層により接続されたリードフレームと、チップを覆うモールド樹脂とが一体的に形成されている。チップの上面に接続されたリードフレームの上面は、はんだ層により基板に接続され、チップの下面に接続されたリードフレームの上面は、リード端子に接続されている。また、チップの下面にはんだ層により接続されたリードフレームには、ヒートシンクが重ねられており、リードフレームとヒートシンクとの間には、放熱ゲルが挟まれている。基板に実装された半導体パッケージの熱は、放熱ゲルを介してヒートシンクから放熱される。
特開２０１５−５６４３号公報（図６）
ところで、特許文献１の構成では、半導体パッケージに対して基板とは反対側に設けたヒートシンクを介して放熱する構成であるため、例えば半導体パッケージに対して基板側にヒートシンクが重ねられる構成と比較して、基板とヒートシンクとが離間した配置になることで基板とヒートシンクとの間にスペースが生じるため、装置が大型化しやすいという問題がある。
本明細書に記載された技術は、上記のような事情に基づいて完成されたものであって、装置の大型化を抑制しつつ、半導体パッケージの熱を放熱部材から放熱させることが可能な回路構成体及び電気接続箱を提供することを目的とする。
本明細書に記載された回路構成体は、熱伝導性を有する伝熱部が板厚方向に貫通して形成され、かつ、導電路を有する基板と、チップと前記チップを覆う樹脂部と前記チップに接続されて前記樹脂部に対して前記基板側に露出する第１リード部と前記チップに接続されて前記樹脂部に対して前記基板側とは反対側に露出する第２リード部とを有し、前記基板に実装される半導体パッケージと、前記基板に対して前記半導体パッケージ側とは反対側に対向して配され、前記伝熱部に対して伝熱的に接続される放熱部材と、前記第２リード部と前記伝熱部とを接続する導電部材と、を備える。
本構成によれば、半導体パッケージにおけるチップの熱を、第２リード部、導電部材及び伝熱部を介して放熱部材から放熱することができる。これにより、必ずしも第２リード部側に放熱部材を設けなくてもチップから第２リード部に伝達された熱を放熱部材から放熱することができるため、装置の大型化を抑制しつつ、半導体パッケージの熱を放熱部材から放熱させることが可能となる。
本明細書に記載された技術の実施態様としては以下の態様が好ましい。
前記半導体パッケージは、複数の第３リード部を備え、前記複数の第３リード部は、制御端子と前記制御端子よりも通電電流が大きい電力端子とを有し、前記導電部材は、前記電力端子を覆うとともに、前記制御端子を覆わないように切り欠かれた切欠部を有する。
このようにすれば、導電部材が電力端子を覆うことにより導電部材の板面の面積を大きくして熱伝導性及び放熱性を良好にしつつ、切欠部により、制御端子と導電部材との間の絶縁性を確保することができる。
複数の前記半導体パッケージを備え、前記導電部材は、前記複数の半導体パッケージの各前記第２リード部と前記伝熱部との間を並列に接続している。
このようにすれば、並列に接続された導電部材により複数の半導体パッケージの熱を放熱することができるため、半導体パッケージに対して個別に導電部材を設ける構成と比較して製造コストを低減することができる。
軸部と前記軸部よりも径の大きい頭部とを有するリベットを備え、前記基板は、前記板厚方向に貫通する伝熱孔を有し、前記リベットの軸部は、前記伝熱孔に挿通されて前記伝熱部を構成し、前記リベットの頭部は、前記放熱部材に対して伝熱的に接続されている。
このようにすれば、一般に安価なリベットを伝熱部に用いることが可能になるため、製造コストを低減することができる。
前記回路構成体と、前記回路構成体を収容するケースとを備える電気接続箱とする。
本明細書に記載された技術によれば、装置の大型化を抑制しつつ、半導体パッケージの熱を放熱部材から放熱させることが可能となる。
実施形態１の回路構成体を示す平面図 図１の導電部材の近傍を拡大した図 図１のＡ−Ａの位置における電気接続箱の断面図 図３の導電部材の近傍を拡大した図 電気接続箱の分解斜視図 実施形態２の電気接続箱の断面図 図６の導電部材の近傍を拡大した断面図 導電部材の近傍を拡大した平面図 実施形態３の回路構成体を示す平面図 導電部材を示す平面図
＜実施形態１＞
実施形態１について、図１〜図５を参照しつつ説明する。
電気接続箱１０は、例えば車両のバッテリ等の電源と、ランプ、ワイパー等の車載電装品やモータ等からなる負荷との間の電力供給経路に配され、例えばＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等に用いることができる。電気接続箱１０は任意の向きで配置することができるが、以下では、説明上、図１のＸ方向を前方、図３のＹ方向を左方、Ｚ方向を上方として説明する。
（電気接続箱１０）
電気接続箱１０は、図３に示すように、回路構成体２０と、回路構成体２０を覆うケース１１とを備えている。ケース１１は、下方側が開口する箱形であって、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属製又は合成樹脂製とされている。
（回路構成体２０）
回路構成体２０は、基板２１と、基板２１に実装される半導体パッケージ３０と、基板２１の下側（基板２１に対して半導体パッケージ３０側とは反対側）に対向して配され、半導体パッケージ３０等から伝達された熱を外部に放熱する放熱部材４０と、半導体パッケージ３０の上面と基板２１の上面との間を接続する板状の導電部材５０とを備える。
（基板２１）
基板２１は、絶縁材料からなる絶縁板に銅箔等からなる導電路２２が絶縁板の上下両面にプリント配線技術により形成されている。基板２１には、一対（複数）の円形状の伝熱孔２４（貫通孔）と、４個（複数）の円形状のネジ孔２５とが上下方向（板厚方向）に貫通形成されている。ネジ孔２５は、ネジ５５の軸部が挿通される。伝熱孔２４は、図４に示すように、基板２１の中央部側に左右一対設けられてリベット２７の軸部２７Ａが挿通されており、伝熱孔２４の孔壁の全体には銅箔等からなる導電壁２３が密着している。導電壁２３は、基板２１の上下の導電路２２に連なっており、基板２１の上下の導電路２２間は、導電壁２３を介して電気的に接続されている。
リベット２７は、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、ステンレス鋼等の金属からなり、円柱状の軸部２７Ａと、軸部２７Ａの軸方向の一方側に設けられ、軸部２７Ａの径よりも大きい径を有する円柱状の頭部２７Ｂとを有する。軸部２７Ａは、伝熱孔２４の直径よりもわずかに小さい直径を有しており、伝熱孔２４に軸部２７Ａが挿通された状態で、軸部２７Ａの外周面と導電壁２３（伝熱孔２４の孔壁）との間の隙間、及び、軸部２７Ａの上端面と導電部材５０との間の隙間には、接合材として半田２８が配され、近接する部材間が半田２８により接合される。導電壁２３とリベット２７と半田２８とは、導電部材５０と放熱部材４０との間の熱伝導性を高める伝熱部２９とされる。
（半導体パッケージ３０）
半導体パッケージ３０は、通電による発熱の大きい電子部品であり、例えばＦＥＴ（Field effect transistor）とされる。半導体パッケージ３０は、集積回路としてのチップ３１と、チップ３１の下面に半田により接続された第１リード部３２と、チップ３１の上面に半田や接着剤等により接続された第２リード部３３と、チップ３１の全体を覆う樹脂部３５と、樹脂部３５内で第２リード部３３に電気的に接続され、樹脂部３５の側面から外方に並んで突出する複数の第３リード部３７とを備えている。なお、第３リード部３７等は樹脂部３５から突出させる構成としたが、これに限られず、第３リード部３７等を樹脂部３５の側面から突出させずに樹脂部３５から露出させる構成としてもよい。
第１リード部３２は、半導体パッケージ３０の下面に樹脂部３５に対して密着状態で設けられ、平坦なリード面３２Ａが樹脂部３５から露出している。第２リード部３３は、半導体パッケージ３０の上面に樹脂部３５に対して密着状態で設けられ、平坦なリード面３３Ａが樹脂部３５から露出している。第１リード部３２の側方側（図４の左方側）の端部は、樹脂部３５及び導電部材５０の外側の領域に配された４本（複数）の端子３２Ｂとされている。端子３２Ｂは、基板２１の上面の導電路２２に半田付け等により接続可能とされている。第３リード部３７は、図２に示すように、樹脂部３５の一方の側面に１本の制御端子３７Ａと制御端子３７Ａよりも通電電流が大きい３本（複数）の電力端子３７Ｂとが一列に並んでいる。樹脂部３５の他方の側面になお、制御端子３７Ａや電力端子３７Ｂの数は上記構成に限られず、例えば、樹脂部３５の一側面に、一つの電力端子を設けたり、複数の制御端子を設けてもよい。制御端子３７Ａは、第３リード部３７の並び方向の端部に配されている。電力端子３７Ｂは、樹脂部３５の内部で第２リード部３３と電気的に接続されている。本実施形態では、樹脂部３５に対して制御端子３７Ａ側に並んだ複数の電力端子３７Ｂは、ＦＥＴのソース電極とされ、第１リード部３２は、ドレイン電極とされ、制御端子３７Ａはゲート電極とされている。複数の第３リード部３７の下面は、互いに同一平面上に位置しており、基板２１の表面に形成された導電路２２としてのランドに半田付けされる。樹脂部３５は、絶縁性の合成樹脂からなり、例えば、金型内にチップ３１及び各リード部３２，３３，３７Ａ，３７Ｂを配した状態で、金型内に液状の樹脂を注入して固化させる（モールド成形）ことにより形成することができる。
（放熱部材４０）
放熱部材４０は、アルミニウム、アルミニウム合金等の熱伝導性が高い金属類製であって、図３に示すように、平坦な上面を有し、下面側に櫛刃状に並んで配された複数の放熱フィン４３を有している。放熱部材４０の上面における中央部側の伝熱部２９が配される領域には、一定の厚みで上方側に突出する台部４１が長方形状の領域に設けられている。また、放熱部材４０の上面における周縁部寄りには、上方に突出するボス部４２が形成されている。ボス部４２の上面には、ネジ５５をネジ留め可能なネジ孔４２Ａが形成されている。
リベット２７の頭部２７Ｂと放熱部材４０の上面との間には、放熱グリス４５が配されている。放熱グリス４５は、放熱部材４０の台部４１の領域の全体に重ねられており、例えば、シリコーングリスなどの熱伝導性が高く、絶縁性を有する材料が用いられている。導電部材５０から右方側のリベット２７に伝達された熱は放熱グリス４５を介して放熱部材４０に伝わり、放熱部材４０から外部に放熱される。
（導電部材５０）
導電部材５０は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の熱伝導性が高く、電気抵抗が小さい金属類製であって、図２，図４に示すように、半導体パッケージ３０に接続される第１接続部５１と、伝熱部２９に接続される第２接続部５２と、第１接続部５１と第２接続部５２とを連結する連結部５０Ａとを備える。第１接続部５１は、長方形の板状とされ、第２接続部５２は、第１接続部５１よりも前後方向の寸法が小さい長方形の板状とされている。第１接続部５１と第２接続部５２との間は、連結部５０Ａ及び第２接続部５２の後方側が段差状に切り欠かれた切欠部５３とされている。導電部材５０が半導体パッケージ３０の上面と伝熱部２９の上面とに接続される正規位置に配された状態では、第３リード部３７のうちの制御端子３７Ａ側に並んだ複数の電力端子３７Ｂの上方側が導電部材５０に覆われるとともに、切欠部５３により、第３リード部３７のうちの制御端子３７Ａの上方側が導電部材５０に覆われずに露出することで、導電部材５０と制御端子３７Ａとの絶縁性が確保されている。導電部材５０は、半田めっきされたものが用いられているが、これに限られず、例えば、導電部材に導電性接着剤が塗布されていてもよい。
本実施形態によれば、以下の作用、効果を奏する。
回路構成体２０は、熱伝導性を有する伝熱部２９が板厚方向に貫通形成され、かつ、導電路２２を有する基板２１と、チップ３１とチップ３１を覆う樹脂部３５とチップ３１に接続されて樹脂部３５に対して基板２１側に露出する第１リード部３２とチップ３１に接続されて樹脂部３５に対して基板２１側とは反対側に露出する第２リード部３３とを有し、基板２１に実装される半導体パッケージ３０と、基板２１に対して半導体パッケージ３０側とは反対側に対向して配され、伝熱部２９に対して伝熱的に接続される放熱部材４０と、第２リード部３３と伝熱部２９とを接続する導電部材５０と、を備える。
本実施形態によれば、半導体パッケージ３０におけるチップ３１の熱を、第２リード部３３、導電部材５０及び伝熱部２９を介して放熱部材４０から放熱することができる。これにより、必ずしも第２リード部３３側に放熱部材を設けなくてもチップ３１から第２リード部３３に伝達された熱を放熱部材４０から放熱することができるため、装置の大型化を抑制しつつ、半導体パッケージ３０の熱を放熱部材４０から放熱させることが可能となる。
また、半導体パッケージ３０は、外方に突出する複数の第３リード部３７を備え、複数の第３リード部３７は、制御端子３７Ａと制御端子３７Ａよりも通電電流が大きい電力端子３７Ｂとを有し、導電部材５０は、電力端子３７Ｂを覆うとともに、制御端子３７Ａを覆わないように切り欠かれた切欠部５３を有する。
このようにすれば、導電部材５０が電力端子３７Ｂを覆うことにより導電部材５０の板面の面積を大きくして熱伝導性及び放熱性を良好にしつつ、切欠部５３により、制御端子３７Ａと導電部材５０との間の絶縁性を確保することができる。
また、複数の半導体パッケージ３０を備え、導電部材５０は、複数の半導体パッケージ３０の各第２リード部３３と伝熱部２９との間を並列に接続している。
このようにすれば、並列に接続された導電部材５０により複数の半導体パッケージ３０の熱を放熱することができるため、半導体パッケージ３０に対して個別に導電部材５０を設ける構成と比較して製造コストを低減することができる。
また、軸部２７Ａと当該軸部２７Ａよりも径の大きい頭部２７Ｂとを有するリベット２７を備え、基板２１は、板厚方向に貫通する伝熱孔２４を有し、リベット２７の軸部２７Ａは、伝熱孔２４に挿通されて伝熱部２９を構成し、リベット２７の頭部２７Ｂは、放熱部材４０に対して伝熱的に接続されている。
このようにすれば、一般に安価なリベット２７を伝熱部２９に用いることが可能になるため、製造コストを低減することができる。
＜実施形態２＞
次に、実施形態２について、図６〜図８を参照しつつ説明する。
実施形態２の電気接続箱６０は、導電部材５０の第２接続部５２を基板６１のサーマルビア６２の上に接続したものである。以下では、実施形態１と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
図７，図８に示すように、サーマルビア６２は、基板２１を貫通する複数の伝熱孔６３が縦横に並んで設けられており、伝熱孔６３の孔壁には、銅箔等の金属からなる導電壁６４が密着している。伝熱孔６３（導電壁６４）内には、半田６５が充填されている。半田６５は、上端が導電部材５０の第２接続部５２に接続されるとともに、下端が放熱部材４０の上の放熱グリス４５に密着している。導電壁６４と半田６５とにより、導電部材５０と放熱部材４０との間の熱伝導性を高める伝熱部６６が形成される。
実施形態２によれば、基板６１のサーマルビア６２により、半導体パッケージ３０の熱の放熱性を向上させることができる。
＜実施形態３＞
次に、実施形態３について、図９，図１０を参照しつつ説明する。
実施形態３の回路構成体７０は、図９に示すように、複数の半導体パッケージ３０と伝熱部２９との間が導電部材７１により並列に接続されるものである。以下では、実施形態１と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
基板２１には、２個（複数）の半導体パッケージ３０が前後に並んで実装されている。導電部材７１は、図１０に示すように、２つ（複数）の半導体パッケージ３０に接続される第１接続部７２と、１つの伝熱部２９に接続される第２接続部７３と、複数の半導体パッケージ３０の各第２リード部３３と伝熱部２９との間を互いに並列に接続する第１導電部７４及び第２導電部７５とを有する。第１導電部７４と第２導電部７５とはほぼ同じ幅寸法で左右方向に延びており、第１導電部７４と第２導電部７５との間には、制御端子３７Ａを露出させるように切り欠いた切欠部７７，７８が貫通形成されている。切欠部７７は、長方形状の貫通孔であり、切欠部７８は、導電部材７１の外周縁に段差状に切り欠かれている。導電部材７１が複数の半導体パッケージ３０と伝熱部２９とに対して正規位置で接続された状態では、複数の電力端子３７Ｂの上方側が導電部材５０により覆われるとともに、切欠部７７，７８により、制御端子３７Ａについては、導電部材５０に覆われずに露出するため、導電部材５０と制御端子３７Ａとの絶縁性を確保することができる。
＜他の実施形態＞
本明細書に記載された技術は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本明細書に記載された技術の技術的範囲に含まれる。
（１）基板２１，６１は、絶縁基板からなる構成としたが、これに限られず、絶縁基板に銅等の金属板材からなるバスバーが重ねられていてもよい。また、基板２１は、単層基板に限られず、絶縁板に多層の導電路が形成された多層基板を用いてもよい。
（２）基板２１，６１の伝熱孔２４，６３に半田２８，６５が充填された伝熱部２９，６６を備える構成としたが、これに限られず、例えば、伝熱孔２４，６３内に半田２８，６５が充填されず、導電壁２３，６４のみを伝熱部として、導電部材５０，７１から放熱部材４０に熱を伝達する構成としてもよい。
（３）半導体パッケージ３０の数は、上記実施形態の数に限られず、適宜変更することができる。例えば、３個以上の半導体パッケージ３０の熱を並列に構成された導電部材により伝熱部に伝達する構成としてもよい。
（４）伝熱孔２４、軸部２７Ａ、導電壁２３，６４は円形状としたが、これに限られず、例えば長円形状や多角形状としてもよい。
（５）導電部材５０，７１は、切欠部５３，７７，７８を備える構成としたが、切欠部を備えない導電部材としてもよい。例えば、切欠部を有さない長方形状の導電部材としてもよい。
（６）導電部材５０，７１は、樹脂部３５に対して制御端子３７Ａ側に並んだ複数の電力端子３７Ｂを覆う構成としたが、これに限られず、導電部材が電力端子３７Ｂ（及び制御端子３７Ａ）を覆わず、電力端子３７Ｂ（及び制御端子３７Ａ）を露出させる構成としてもよい。例えば、導電部材を半導体パッケージに対して電力端子３７Ｂ（及び制御端子３７Ａ）を有さない側に延びる形状とし（例えば導電部材を水平面上で９０度回転）、導電部材が電力端子３７Ｂ及び制御端子３７Ａを覆わない構成としてもよい。
１０，６０： 電気接続箱
１１： ケース
２０，７０： 回路構成体
２１，６１： 基板
２２： 導電路
２３，６４： 導電壁
２４，６３： 伝熱孔
２７： リベット
２７Ａ： 軸部
２７Ｂ： 頭部
２８，６５： 半田
２９，６６： 伝熱部
３０： 半導体パッケージ
３１： チップ
３２： 第１リード部
３３： 第２リード部
３５： 樹脂部
３７： 第３リード部
３７Ａ： 制御端子
３７Ｂ： 電力端子
４０： 放熱部材
４５： 放熱グリス
５０，７１： 導電部材
５３，７７，７８： 切欠部

Claims (5)

  1. 熱伝導性を有する伝熱部が板厚方向に貫通して形成され、かつ、導電路を有する基板と、
    チップと前記チップを覆う樹脂部と前記チップに接続されて前記樹脂部に対して前記基板側に露出する第１リード部と前記チップに接続されて前記樹脂部に対して前記基板側とは反対側に露出する第２リード部とを有し、前記基板に実装される半導体パッケージと、
    前記基板に対して前記半導体パッケージ側とは反対側に対向して配され、前記伝熱部に対して伝熱的に接続される放熱部材と、
    前記第２リード部と前記伝熱部とを接続する導電部材と、を備える回路構成体。
  2. 前記半導体パッケージは、複数の第３リード部を備え、
    前記複数の第３リード部は、制御端子と前記制御端子よりも通電電流が大きい電力端子とを有し、
    前記導電部材は、前記電力端子を覆うとともに、前記制御端子を覆わないように切り欠かれた切欠部を有する請求項１に記載の回路構成体。
  3. 複数の前記半導体パッケージを備え、
    前記導電部材は、前記複数の半導体パッケージの各前記第２リード部と前記伝熱部との間を並列に接続している請求項１又は請求項２に記載の回路構成体。
  4. 軸部と前記軸部よりも径の大きい頭部とを有するリベットを備え、
    前記基板は、前記板厚方向に貫通する伝熱孔を有し、
    前記リベットの軸部は、前記伝熱孔に挿通されて前記伝熱部を構成し、前記リベットの頭部は、前記放熱部材に対して伝熱的に接続されている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回路構成体。
  5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回路構成体と、前記回路構成体を収容するケースとを備える電気接続箱。
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