CN103975430B - 半导体装置及车载用功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于获得一种能提高发热元件的散热性并能减小安装基板的安装面积的半导体装置。本发明的半导体装置包括：通过沿与安装基板(5)相垂直的方向延伸的端子(1a)进行连接的发热元件(1)；具有隔着散热片材(7)与该发热元件(1)的安装面(1e)进行面接触的元件接触部位(2a)的散热构件(2)；与发热元件(1)相接触，并将发热元件(1)按压至散热构件(2)的第一按压构件(3)及第二按压构件(4)；以及通过贯通孔(3c)将第一按压构件(3)固定到散热构件(2)的固定螺钉(6)，所述贯通孔(3c)以相对于安装面(1e)平行的方式形成于第一按压构件(3),第一按压构件(3)及第二按压构件(4)中形成有倾斜面，从而在与安装面(1e)相垂直的方向上产生固定螺钉(6)的拧紧力的轴向力的分力。

Description

半导体装置及车载用功率转换装置
技术领域
本发明涉及半导体装置，及组装于该半导体装置的车载用功率转换装置，该车载用功率转换装置安装于插电式混和动力汽车、电动汽车等，例如是将AC输入电源转换为直流来对高压电池进行充电的充电器、或将高压电池的电压转换为12V系统电压来对辅助电池进行充电的DCDC转换器等。
背景技术
一直以来，在发热元件，特别是在对大电流进行开关控制的功率元件中，由于发热量较大，因而将其固定配置在散热构件上。由此，发热元件发出的热量通过散热构件而传导至冷却介质，由此发热元件得以冷却。
在上述充电器、DCDC转换器等车载用功率转换装置的情况下，由于要考虑到搭载到车辆的搭载环境、动作环境等，因而要求装置具有较高的冷却性能。
例如专利文献1～4中记载了将发热元件安装到散热构件的安装结构。
专利文献1～3中记载了利用按压构件的弹力来将电学装置按压到散热构件上的结构。
另外，专利文献4中记载了在将发热元件紧固于散热构件时的、发热元件的旋转止动板的结构。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平9－134985号公报
专利文献2：日本专利特开2001－332670号公报
专利文献3：日本专利特开2002－198477号公报
专利文献4：日本专利特开2011－82344号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
插电式混和动力汽车中安装有发动机，因而不易在车辆中对车载用功率转换装置进行布局，另外，由于电动汽车是小型车，因而对车辆用功率转换装置的小型化要求极为强烈。在使车载用功率转换装置小型化时，伴随着小型化热容量也会增加，因而需要进一步提高装置的冷却性能。
但是，如现有技术那样，在利用紧固构件来将发热元件直接安装到散热构件的情况下，因发热元件的尺寸偏差等而导致施加到紧固构件上的按压力产生差异，因而无法获得稳定的散热性(低热阻)。
如上述专利文献1～3所记载的那样，在利用按压构件的弹力将发热元件按压到散热构件上的结构中，由于原本的按压力较小，因而发热元件与散热构件间的接触热阻升高。
另外，因热、振动而导致按压构件发生劣化，因此无法获得稳定的散热性(低热阻)。
另外，如专利文献4所记载的那样，在散热构件的底面配置有发热元件的情况下，存在元器件安装面积增大等问题。
本发明是以解决上述问题为目标而完成的，其目的在于获得一种半导体装置，该半导体装置中，能使发热元件的散热性得以提高，且能使安装基板的安装面积得以削减。
另外，本发明的目的在于获得一种能抑制与其他元器件之间的热干扰、能使装置整体小型化的车载用功率转换装置。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的半导体装置包括：安装基板；通过沿与该安装基板相垂直的方向延伸的端子进行连接的发热元件；具有与该发热元件的安装面进行直接面接触或间接面接触的元件接触部位的散热构件；与所述发热元件相接触，并将发热元件按压至所述散热构件的按压单元；以及通过贯通孔将所述按压单元固定到所述散热构件的拧紧单元，所述贯通孔以相对于所述安装面平行的方式形成于所述按压单元中，
所述按压单元中形成有倾斜面，从而在与所述安装面垂直的方向上产生所述拧紧单元的拧紧力的轴向力的分力。
另外，本发明的车载用功率转换装置包括半导体装置、及密封有制冷剂并对大电流元器件进行冷却的冷却器，所述半导体装置埋设在具有散热构件的元件接触部位的所述冷却器中。
发明效果
根据本发明的半导体装置，发热元件通过沿与安装基板相垂直的方向延伸的端子进行连接，因而能够减小安装基板的安装面积。
另外，在与发热元件相接触并将发热元件按压至散热构件的按压单元中形成有倾斜面，从而在与安装面相垂直的方向上产生拧紧单元的拧紧力的轴向力的分力，因此，利用拧紧单元的拧紧力使得按压单元施加到发热元件的按压力增大，发热元件与散热构件之间的接触热阻降低，因而发热元件的散热性得以提高。
根据本发明的车载用功率转换装置，半导体装置埋设于具有散热构件的元件接触部位的冷却器中，因此，能抑制与其他元器件之间的热干扰，能使装置整体小型化。
附图说明
图1是表示本发明的车载用功率转换装置的剖视图。
图2是表示本发明的实施方式1的半导体装置的剖视图。
图3是图2中的Z部分的放大图。
图4是表示本发明的实施方式2的半导体装置的主要部分的剖视图。
图5是表示本发明的实施方式3的半导体装置的主要部分的剖视图。
图6是沿图5的VI－VI线的向视剖视图。
图7是沿图5的VII－VII线的向视剖视图。
图8是表示本发明的实施方式4的半导体装置的主要部分的剖视图。
图9是表示本发明的实施方式5的半导体装置的主要部分的剖视图。
图10(a)是表示现有的半导体装置的一个例子的主要部分剖视图，图10(b)是图10(a)的俯视图，图10(c)是沿图10(a)的c-c的向视剖视图。
具体实施方式
下面，基于附图来说明本发明的各实施方式，对各图中相同或者相当的构件、部位，标注相同的标号来进行说明。
实施方式1
图1是表示本发明的车载用功率转换装置的简要剖视图，图2是表示图1的半导体装置的剖视图。
该车载用功率转换装置中，具有散热构件2及壳体13的冷却器8由罩盖14所覆盖。壳体13内配置有作为大电流元器件的线圈11及电容器12。另外，散热构件2的凹部2c中埋设有本发明的实施方式1的半导体装置。该冷却器8的上侧配置有安装于安装基板5上的多个电子元器件10。
半导体装置包括：通过沿与安装基板5相垂直的方向延伸的端子1a来与安装基板5进行连接的发热元件1；具有隔着散热片材7与该发热元件1的安装面1e进行面接触的元件接触部位2a的散热构件2；与发热元件1相接触，并将发热元件1按压至散热构件2的按压单元20；以及通过贯通孔3c将按压单元20固定到散热构件2的拧紧单元即固定螺钉6，该贯通孔3c以相对于安装面1e平行的方式形成于按压单元20中。
按压单元20中形成有倾斜面，从而在与发热元件1的安装面1e相垂直的方向上产生固定螺钉6的拧紧力的轴向力的分力。
发热元件1利用树脂模塑成形的封装1b覆盖裸芯片。封装1b中形成有安装孔1c。
安装基板5上，利用多个固定螺钉15(例如散热构件2的四个角)来固定由热传导率较高的铝材等形成的散热构件2。
在散热构件2的中央部形成有凹部2c。一对发热元件1分别隔着散热片材7而与该凹部2c的侧面即元件接触部位2a相对。该散热片材7由硅材料等形成，起到对发热元件1与散热构件2之间进行热传导并对电流进行绝缘的作用。
埋设于凹部2c的按压单元20具有由铝材等形成的第一按压构件3及第二按压构件4。第一按压构件3中形成有贯通孔3c，利用通过该贯通孔3c的固定螺钉6来将第一按压构件3固定到散热构件2。第一按压构件3具有倾斜面3a，随着朝向着凹部2c的底面该倾斜面3a的两侧面相互接近。
第二按压构件4分别配置在第一按压构件3的两侧，具有分别与倾斜面3a进行面接触的倾斜面4a。
该第二按压构件4在与倾斜面4a相反侧的面上形成有突起4b。该突起4b嵌入到发热元件1的安装孔1c中。
在凹部2c的空间部中填充有油脂2b。此外，也可以不填充油脂2b。
冷却器8中，散热构件2通过O形环16来密封壳体13内的一部分。在被密闭的壳体13内填充有例如水作为制冷剂。该水会在散热构件2与设置于外部的冷却单元(未图示)之间循环，由冷却单元进行冷却。
此外，制冷剂也可以是空气。
在上述结构的半导体装置中，发热元件1被设置为在与安装基板面5a相垂直的方向上延伸，因此能减少安装基板5的元器件安装面积。
另外，形成于第一按压构件3的贯通孔3c被设置为与散热构件2的元件接触部位2a相平行，第一按压构件3与第二按压构件4经由倾斜面3a、4a进行面接触。并且，如图3所示，倾斜面3a、4a以以下方式倾斜：即，使得固定螺钉6的轴向力Fv的分力Fh指向与元件接触部位2a相垂直的方向。
因而，利用拧紧该固定螺钉6时产生的该轴向力的分力Fh来将发热元件1用力地按压向元件接触部位2a，因此发热元件1与散热构件2之间的接触热阻减小，发热元件1的散热性得以提高。
由此，能抑制与其他元器件之间的热干扰，能使车载用功率转换装置整体小型化。
另外，例如，对于用于固定发热元件1的固定螺钉6的直径，可将M3螺钉改变为M4螺钉等大直径。由此，能力图与其他元器件的紧固螺钉相统一，能提高安装操作性。
即，在示出现有的电子元器件的安装结构的图10中，在使用发热元件1的安装孔1c并利用M3螺钉来将发热元件1固定到散热构件2的情况下，按压力是Fv＝740[Ｎ](＝M3螺钉的额定轴向力)。
另一方面，如本实施方式所示，使用第一按压构件3、第二按压构件4来将发热元件1固定到散热构件2的情况下，若以相对于固定螺钉6的轴线呈30°角的方式来形成第一按压构件3及第二按压构件4各自的倾斜面3a、4a，并以M4螺钉(轴向力Fv＝1290[Ｎ])来进行固定，则能获得与使用M3螺钉的图10的固定状态相同的按压力(Fh＝Fv×tan30°)。
在使用该M4螺钉的示例的情况下，发热元件1的按压面积为3×10-4m2]时，按压力为2.5[MPA]。该按压力的大小足以发挥散热片材7的导热性能。
另外，在该实施方式的半导体装置中，通过使第一按压构件3及第二按压构件4各自的倾斜面3a、4a相对于固定螺钉6的轴线进行改变，从而能任意地设定将发热元件1按压向散热构件2的按压力。
因而，能根据所按压的发热元件1的强度来调整角度以获得最佳按压力，因而设计自由度得以提高。
另外，采用相对于元件接触部位2a进行垂直按压的结构，因而具有以下优点，即在发热元件1、散热片材7、及端子1a上不会产生因固定螺钉6的旋转而发生的旋转力。
即，基于图10(c)可知，在现有技术中，随着固定螺钉6的旋转，所产生的旋转力会施加到发热元件1、及端子1a上，而在本实施方式的半导体装置中不会发生上述情况。
另外，第二按压构件4的突起4b嵌入到发热元件1的安装孔1c中，发热元件1隔着散热片材7而被按压至散热构件2的元件接触部位2a。
因而，第二按压构件4对发热元件1进行保持或定位，并在发热元件1的耐负荷较高的部分形成安装孔1c，通过根据安装孔1c的形状来形成突起4b，从而能防止因发热元件1的封装1b的负荷所引起的变形、破损。
此外，在不具有安装孔1c的封装1b的情况下，只要将突起4b按压到耐负荷较高的封装1b的部位即可。
另外，发热元件1的端子1a在与安装基板5相垂直的方向上延伸，因而不仅不需要对端子进行弯曲加工，而且在该实施方式1中的固定螺钉6与发热元件1之间的距离大于图10所示的现有电子元器件的安装结构中的固定螺钉6与发热元件1之间的距离，因而具有以下优点。
即，图10中，发热元件1的平面与散热构件2进行面接触，发热元件1利用通过发热元件1的安装孔1c的固定螺钉6的全部轴向力来按压散热构件2，但是固定螺钉6会通过发热元件1的导体部分1d,与此相对，在本实施方式中，在固定螺钉6与发热元件1的导体部分1d之间夹有第一按压构件3及第二按压构件4。
因此，能降低因将固定螺钉6拧入散热构件2时产生的碎屑而导致发热元件1短路的风险。
另外，由于能够利用一个固定螺钉6来将两个发热元件1按压到散热构件2并进行固定，因此能将固定发热元件1所需要的固定螺钉6的个数减半，并且能使固定螺钉6的紧固方向与安装基板5、其他构件的紧固方向相同，因而安装操作性得以提高。
实施方式2
图4是表示本发明的实施方式2的半导体装置的剖视图。
在本实施方式中，第一按压构件3的倾斜面3a是向第二按压构件4侧突出的曲面形状。
其他结构与实施方式1的半导体装置相同。
在本实施方式中，通过使第一按压构件3的倾斜面3a形成为向第二按压构件4侧突出的曲面形状，从而即使在第一按压构件3及第二按压构件4的平行度存在偏差的情况下，也能利用曲面形状的倾斜面3a进行吸收，并对发热元件1、散热片材7、及散热构件2彼此之间进行无间隙的可靠地压接。
由此，能将发热元件1与散热构件2之间的热阻抑制得较低，能获得稳定且高效的散热性能。
此外，将第二按压构件4的倾斜面4a形成为向第一按压构件3侧突出的曲面形状也能获得相同的效果。
实施方式3
图5是表示本发明的实施方式3的半导体装置的主要部分的剖视图，图6是沿图5的VI－VI线的向视剖视图，图7是沿图5的VII－VII线的向视剖视图。
在本实施方式中，散热构件2在其中心部并存地设置有截面为梯形的支承部位2d以及元件接触部位2a。
第一按压构件3的与发热元件1相反侧的截面形状为楔形，其在发热元件1一侧的截面形状为向发热元件1一侧突出的曲面。第一按压构件3的楔形侧的部位与散热构件2的支承部位2d进行面接触。第一按压构件3的曲面部位与第二按压构件4相抵接。
第一按压构件3的贯通孔3c是具有以下特征的长孔，即，该贯通孔3c在与元件接触部位2a相垂直的方向上的内径尺寸大于相对于该垂直方向呈直角的方向上的内径尺寸。该长孔在图7中示出为矩形，也可以为椭圆形。
在实施方式1、2中利用第一按压构件3来将两个发热元件1分别按压至散热构件2，与此相对，本实施方式的不同之处在于，利用第一按压构件3来将一个发热元件1按压至散热构件2。
其他结构与实施方式1的半导体装置相同。
在本实施方式中，根据固定螺钉6拧入到散热构件2中的拧入量，第一按压构件3向发热元件1一侧移动并将发热元件1向散热构件2进行按压，能获得与实施方式1、2的半导体装置相同的效果。
另外，由于与第二按压构件4相抵接的第一按压构件3的部位是曲面，因而与实施方式2相同，即使在第一按压构件3及第二按压构件4的平行度存在偏差的情况下，也能利用曲面来吸收偏差，从而能在发热元件1、散热片材7、及散热构件2彼此之间进行无间隙的可靠地压接。
实施方式4
图8是表示本发明的实施方式4的半导体装置的主要部分的剖视图。
在本实施方式中，第一按压构件3的与发热元件1相反侧的截面形状为楔形，第一按压元件3的发热元件1一侧的截面形状为矩形。第一按压构件3的楔形侧的部位与散热构件2的支承部位2d进行面接触。第一按压构件3的矩形侧的部位与第二按压构件4进行面接触。
在该第二按压构件4的发热元件1一侧形成有基部为曲面形状的突起4b。该突起4b的前端部宽松地插入到发热元件1的安装孔1c中。
另外，第一按压构件3的贯通孔3c与实施方式3的半导体装置相同，是具有以下特征的长孔，即，该贯通孔3c在与元件接触部位2a相垂直的方向上的内径尺寸大于相对于该垂直方向呈直角的方向上的内径尺寸。
本实施方式中的不同点在于，利用第一按压构件3来将一个发热元件1向散热构件2进行按压。
其他结构与实施方式1的半导体装置相同。
在本实施方式中，根据固定螺钉6拧入到散热构件2中的拧入量，第一按压构件3向发热元件1一侧移动并将发热元件1向散热构件2进行按压，能获得与实施方式1、2的半导体装置相同的效果。
另外，由于第二按压构件4的基部为曲面形状的突起4b宽松地插入到发热元件1的安装孔1c中，因而与实施方式2相同，即使在第一按压构件3及第二按压构件4的平行度存在偏差的情况下，也能利用突起4b的曲面形状的基部来吸收偏差，从而能在发热元件1、散热片材7、及散热构件2彼此之间进行无间隙的可靠地压接。
实施方式5
图9是表示本发明的实施方式5的半导体装置的主要部分的剖视图。
在本实施方式中，第一按压构件3的与发热元件1相反侧的截面形状为楔形，第一按压元件3的发热元件1一侧的截面形状为矩形。第一按压构件3的楔形侧的部位与散热构件2的支承部位2d进行面接触，该支承部位2d与散热构件2的元件接触部位2a相对。在第一按压构件3的矩形侧的部位上形成有嵌入到发热元件1的安装孔1c中的突起3b。
在该实施方式中，删除了夹在第一按压构件3与发热元件1之间的第二按压构件4。
其他结构与实施方式4相同。
在本实施方式中，根据固定螺钉6拧入到散热构件2中的拧入量，第一按压构件3使发热元件1向下侧方向移动并将发热元件1向散热构件2进行按压，从而能获得与实施方式1、2的半导体装置相同的效果。
另外，通过删除第二按压构件4，从而能进一步实现小型化。
此外，在上述各实施方式中，使用固定螺钉作为拧紧单元，但是并不限于此，例如也可以使用铆钉。
另外，发热元件1与散热构件2之间也可以不存在散热片材7，而使得发热元件1与散热构件2直接进行面接触。
标号说明
1 发热元件
1a 端子
1b 封装
1c 安装孔
1d 导体部分
1e 安装面
2 散热构件
2a 元件接触部位
2b 油脂
2c 凹部
2d 支承部位
3 第一按压构件
3a 倾斜面
3b 突起
3c 贯通孔
4 第二按压构件
4a 倾斜面
4b 突起部
5 安装基板
5a 安装基板面
6 固定螺钉(拧紧单元)
15 固定螺钉
7 散热片材
8 冷却器
10 电子元器件
11 线圈(大电流元器件)
12 电容器(大电流元器件)
13 壳体
14 罩盖
16 Ｏ形环
20 按压单元

Claims (10)

1.一种半导体装置，其特征在于，包括：
通过沿与安装基板相垂直的方向延伸的端子进行连接的发热元件；
具有与该发热元件的安装面进行直接面接触或间接面接触的元件接触部位的散热构件；
与所述发热元件相接触，并将发热元件按压至所述散热构件的按压单元；以及
通过贯通孔将所述按压单元固定到所述散热构件的拧紧单元，所述贯通孔以相对于所述安装面平行的方式形成于所述按压单元，
所述按压单元中形成有倾斜面，从而在与所述安装面相垂直的方向上产生所述拧紧单元的拧紧力的轴向力的分力，
所述按压单元中形成有与所述发热元件相接触并对发热元件进行按压的突起，
所述发热元件中形成有插入所述突起的安装孔。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述按压构件包括：具有所述贯通孔的第一按压构件；以及一个面与该第一按压构件相接触，另一个面与所述发热元件相接触的第二按压构件，
所述第一按压构件与所述第二按压构件通过所形成的所述倾斜面进行相互接触。
3.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，
所述第一按压构件及所述第二按压构件中的任一方的所述倾斜面是向另一方的所述倾斜面侧突出的曲面形状。
4.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述散热构件具有与所述元件接触部位相对的支承部位，
所述按压单元具有第一按压构件，该第一按压构件具备所述贯通孔、及与所述支承部位进行面接触的所述倾斜面。
5.如权利要求4所述的半导体装置，其特征在于，
所述按压单元还具有第二按压构件，该第二按压构件的一个面与所述第一按压构件相接触，另一个面与所述发热元件相接触。
6.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，
所述第一按压构件或所述第二按压构件具有向相接触的一侧突出的曲面。
7.如权利要求1至6的任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述贯通孔是具有以下特征的长孔：即，在与所述安装面相垂直的方向上的内径尺寸大于与该垂直方向呈直角的方向上的内径尺寸。
8.如权利要求1至6的任一项所述的半导体装置，其特征在于，
在所述发热元件与所述散热构件的所述元件接触部位之间设置有散热片材。
9.如权利要求1至6的任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述拧紧单元是固定螺钉。
10.一种车载用功率转换装置，其特征在于，
包括权利要求1至6的任一项所述的半导体装置、及密封有制冷剂以对大电流元器件进行冷却的冷却器，
所述半导体装置埋设于具有所述散热构件的所述元件接触部位的所述冷却器。
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