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Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen ein elektronisches Element, das auf einer Substratoberfläche montiert ist, und eine elektronische Vorrichtung, die das elektronische Element enthält.
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Herkömmlich kann eine elektronische Vorrichtung mit einem elektronischen Element, das auf einem Substrat als ein Halbleiterpackage bzw. -packet oder dergleichen oberflächenmontiert bzw. auf einer Oberfläche montiert ist, einen Kühlkörper (d. h. Kühler) auf einer gegenüberliegenden Seite des Substrats relativ zu dem elektronischen Element aufweisen. Der Kühlkörper kann als Trennung eines elektronischen Verbindungspfads dienen, der das elektronische Element, und das Substrat von einem Wärmeabführpfad zum Übertragen von Wärme zu dem Kühlkörper von einem Leiterteil auf einer hinteren Seite des elektronischen Elements verbindet. Ein Raum zwischen dem rückseitigen Leiterteil und dem Kühlkörper ist mit einem wärmeleitfähigen Material gefüllt, wie z. B. einem gelartigen Isolierwärmeableiter gemäß einer Offenbarung eines Patentdokuments 1 (d. h. veröffentlichtes japanisches Patent
JP-A-2002-50722 ).
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Ein bekannter Aufbau zum dazwischen Anordnen eines gewissen Spalts zwischen einem Substrat und einem Kühlkörper wird beispielsweise als eine Konfiguration realisiert, in der ein Kühlkörper mit einem daran angeordneten Trägerteil in einer hervorstehenden Form vorgesehen ist, an dem das Substrat mit einer Schraube mit dem Kühlkörper platziert und fixiert ist.
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Eine solche Konfiguration verringert einen Abstand (d. h. einen Isolierungsspalt) zwischen dem rückseitigen Leiterteil des elektronischen Elements und dem Kühlkörper, wenn sich das Substrat in Richtung einer Kühlkörperseite aufgrund einer Temperaturveränderung, eines Abstands/Intervalls zwischen zwei Trägerteilen, einer Dicke des Substrats oder anderer Gründe verzieht. Der verringerte Abstand oder der verringerte Betrag des Isolierungsspalts kann kleiner als ein Schwellenabstand, d. h. ein garantierter Isolierungsabstand des Isolierwärmeableiters sein, wodurch dies zu einem Bruch des elektronischen Elements durch einen Null-Isolierungsspalt, d. h. einem leitenden Kontakt oder einem Kurzschluss zwischen dem rückseitigen Leiterteil und dem Kühlkörper führt.
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Als Gegenmaßnahme des Vorstehenden kann ein Höhenmanagement des elektronischen Elements, ein Löthöhenmanagement, ein Verzugsmanagement eines Substrats oder dergleichen bei einem Herstellungsprozess ausgeführt werden, das zu erhöhten Managementkosten führt. Alternativ kann zum Sicherstellen eines ausreichenden Isolierungsspalts während eines Substratverziehzustands, ein größerer Abstand zwischen dem elektronischen Element und dem Kühlkörper zusammen mit einem größeren Dickenbetrag des Isolierwärmeableiters vorgesehen sein, was im Gegensatz die Wärmeableiteigenschaften des elektronischen Elements verschlechtert.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein oberflächenmontiertes elektronisches Element auf einer Oberfläche zu schaffen, das so konfiguriert ist, dass es Wärme von einem rückseitigen Leiterteil des elektronischen Elements zu einem Kühlkörper über einem Isolierwärmeableiter abführt und überträgt, der einen ”Verziehwiderstands”-Isolierspalt enthält, der sicherstellt, dass ein Spaltraum zwischen dem rückseitigen Leiterteil und dem Kühlkörper vorhanden ist, selbst wenn ein Substratverziehen aufgetreten ist.
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Bei der vorliegenden Offenbarung enthält ein oberflächenmontiertes bzw. auf einer Oberfläche montiertes elektronisches Element auf einem Substrat einen Chip und ein substratseitiges Leiterteil, das auf einer Substratseite des Chips in elektronischem Kontakt mit dem Substrat angeordnet ist. Das elektronische Element enthält auch ein rückseitiges Leiterteil, das an einer gegenüberliegenden Seite des Chips relativ zu dem substratseitigen Leiterteil angeordnet ist, und deren hinteren Oberfläche freiliegt, die dem substratseitigen Leiterteil gegenüberliegt. Zusätzlich enthält das elektronische Element ein geformtes Seitenteil, das eine Seitenfläche des Chips, das substratseitige Leiterteil und das rückseitige Leiterteil abdeckt. Ferner umfasst das elektronische Element ein Schenkelteil, das an einem peripheren Abschnitt des rückseitigen Leiterteils angeordnet ist und von der Peripherie des rückseitigen Leiterteils in eine Richtung entfernt von dem substratseitigen Leiterteil hervorsteht.
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Bei einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist das Schenkelteil aus Harz als ein einzelner Körper mit dem geformten Seitenteil integral geformt.
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Bei einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung sind die mehreren Schenkelteile periodisch entlang des peripheren Abschnitts des rückseitigen Leiterteils ausgebildet.
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Ferner ist bei einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung das Schenkelteil in einer Form einer kontinuierlichen Wand ausgebildet, die entlang des peripheren Abschnitts des rückseitigen Leiterteils angeordnet ist.
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Zudem enthält bei der vorliegenden Offenbarung eine elektronische Vorrichtung einen Kühlkörper mit einer Wärmeempfangsoberfläche und ein Substrat mit einer Montieroberfläche an einer Seite des Substrats, das der Wärmeaufnahmeoberfläche zugewandt ist, wobei das Substrat durch mehrere Träger derart abgestützt ist, dass eine Montieroberfläche bei einer vorbestimmten Höhe von der Wärmeaufnahmeoberfläche des Kühlkörpers positioniert ist. Die elektronische Vorrichtung umfasst wenigstens ein elektronisches Element, das auf der Substratoberfläche montiert ist. Das wenigstens eine elektronische Element enthält einen Chip und ein substratseitiges Leiterteil, das auf einer Substratseite des Chips in elektrischem Kontakt mit dem Substrat angeordnet ist. Die elektronische Vorrichtung umfasst auch ein rückseitiges Leiterteil, das an einer gegenüberliegenden Seite des Chips relativ zu dem substratseitigen Leiterteil angeordnet ist, und deren hinteren Oberfläche freiliegt, die dem substratseitigen Leiterteil gegenüberliegt. Zudem umfasst die elektronische Vorrichtung ein geformtes Seitenteil, das eine Seitenfläche des Chips, das substratseitige Leiterteil und das rückseitige Leiterteil abdeckt, und ein Schenkelteil, das an einem peripheren Abschnitt des rückseitigen Leiterteils angeordnet ist und von der Peripherie des rückseitigen Leiterteils in eine Richtung entfernt von dem substratseitigen Leiterteil hervorsteht. Das wenigstens eine elektronische Element ist auf dem Substrat mit dem substratseitigen Leiterteil oberflächenmontiert, das mit dem Substrat und der hinteren Oberfläche des rückseitigen Leiterteils verbunden ist, das der Wärmeaufnahmeoberfläche des Kühlkörpers zugewandt ist. Ferner enthält die Vorrichtung einen Isolierwärmeableiter, der in einem Raum zwischen dem rückseitigen Leiterteil und der Wärmeaufnahmeoberfläche des Kühlkörpers gefüllt ist und eine durch das elektronische Element erzeugte Wärme zu dem Kühlkörper überträgt.
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Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Motoransteuerschaltung installiert, die einen Motor ansteuert, der ein Lenkunterstützdrehmoment in einer elektronischen Leistungslenkvorrichtung eines Fahrzeugs ausgibt.
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Das elektronische Element der vorliegenden Offenbarung kann ein Schaltelement sein, wie z. B. ein MOSFET, usw., das beispielsweise für eine Leistungsschaltung verwendet wird. Wenn der MOSFET auf einer Substratoberfläche montiert ist, kann eine Wärmeableitkonfiguration zum Ableiten und Übertragen von Wärme von einem solchen wärmeerzeugenden elektronischen Element als ein Wärmeableitpfad von einem rückseitigen Leiterteil, wie z. B. Quellenelektrode oder dergleichen, zu einem Kühlkörper über einen Isolierwärmeableiter vorgesehen sein. Bei der vorliegenden Offenbarung wird ein solcher Wärmeableitpfad des elektronischen Elements durch ein Isolierschenkelteil getragen, das bei einem peripheren Abschnitt des rückseitigen Leiterteils angeordnet ist, das einen Träger zum Abstützen einer Wärmeempfangsoberfläche des Kühlkörpers bereitgestellt.
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Bei der elektronischen Vorrichtung, die ein solches elektronisches Element enthält, wird die Oberflächenhalterung des elektronischen Elements, das das Element auf einer Montieroberfläche des Substrats montiert, derart ausgeführt, dass eine freiliegende hintere Seite des rückseitigen Leiterteils der Wärmeaufnahmeoberfläche des Kühlkörpers zugewandt ist. Das Substrat wird durch mehrere Träger derart abgestützt, dass ein vorbestimmtes Intervall zwischen dem Substrat und der Wärmeaufnahmeoberfläche des Kühlkörpers dazwischen angeordnet ist. Ein Raum zwischen dem rückseitigen Leiterteil des elektronischen Elements und dem Kühlkörper wird mit einem Isolierwärmeableiter gefüllt, der Wärme zu dem Kühlkörper während einer Wärmeerzeugungszeit des elektronischen Elements übertragen kann, d. h. Wärme von dem durch Empfang einer elektronischen Leistung von einer Leistungsquelle verursachten elektronischen Element. Da das elektronische Element mit einem Schenkelteil vorgesehen ist, wenn ein Verziehen und Biegen des Substrats, das durch die Träger abgestützt wird, die als ein Drehpunkt eines solchen Verziehens und Biegens dienen, in Richtung einer Kühlkörperseite verursacht, stößt das Schenkelteil zunächst an die Wärmeaufnahmeoberfläche vor einem Anstoß auf dem rückseitigen Leiterteil an einer solchen Oberfläche an. Daher wird ein Isolierspalt zwischen dem rückseitigen Leiterteil und dem Kühlkörper sichergestellt, und ein Bruch des elektronischen Elements aufgrund eines Kurzschlusses wird verhindert.
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Die vorliegende Offenbarung kann als Package eines elektronischen Elements gemäß der vorstehend erwähnten Konfiguration vorgesehen sein, oder kann als elektronische Vorrichtung vorgesehen sein, die ein elektronisches Element, ein Substrat, einen Kühlkörper und einen Isolierwärmeableiter enthält.
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Als ein elektronisches Element der vorliegenden Offenbarung kann das Schenkelteil vorzugsweise als eine Einkörperstruktur eines Harzes vorgesehen sein, das zusammen mit dem geformten Seitenteil geformt ist. Auf eine solche Weise wird eine Produktionseffizienz des elektronischen Elements verbessert. Das Schenkelteil kann ”periodisch” als mehrere Teile ausgebildet sein, die das rückseitige Leiterteil umgeben, oder kann als eine kontinuierliche Wand herum ausgebildet sein. Bei einer ”periodischen” Konfiguration trägt der Isolierwärmeableiter zwischen den mehreren Schenkelteilen zu einer guten Wärmeableiteigenschaft bei. Bei einer kontinuierlichen Wandkonfiguration wird, da die Gegenkraft von dem Verziehen des Substrats über die gesamte Wand verteilt wird, die Verformung oder der Bruch des wandförmigen Schenkelteils verhindert.
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Das elektronische Element der vorliegenden Offenbarung wird geeignet an einer Motoransteuervorrichtung angewandt, die einen Motor ansteuert, der beispielsweise ein Lenkunterstützdrehmoment in einer elektronischen Leistungslenkvorrichtung von Fahrzeugen ausgibt. Solch eine Motoransteuerschaltung kann eine Wechselrichterschaltung enthalten, die einen dreiphasigen wechselstrom-bürstenlosen Motor, eine H-Brückenschaltung, die einen Gleichstrom-Motor mit einer Bürste ansteuert, oder dergleichen ansteuert.
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Eine allgemein in Fahrzeugen verwendete Ansteuerschaltung weist eine stark nachgefragte Volumenreduktionsanforderung zum Bewältigen einer Beschränkung des Vorrichtungsinstallationsraums auf, was den Gebrauch einer ausreichenden Anzahl von Trägern zum Abstützen des Kühlkörpers verhindert. Dadurch neigt der Abstand zwischen den Trägern länger als ein gewünschter Abstand zu werden, der für die Dicke des Substrats wünschenswert ist. Ferner erzeugt für eine Ausgabe eines höheren Leistungsdrehmoments die Ansteuerschaltung des Lenkunterstützmotors eine relativ große Wärmemenge von dessen Schaltelement, die als Motivation dazu dient, einen Abstand zwischen dem rückseitigen Leiterteil und dem Kühlkörper so viel wie möglich zur Verbesserung der Wärmeableiteigenschaft zu minimieren.
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Dadurch wird durch Anwenden des elektronischen Elements der vorliegenden Offenbarung auf eine Ansteuerschaltung des Lenkunterstützmotors in einer elektronischen Leistungslenkvorrichtung eine praktische Wirkung der vorliegenden Offenbarung erzielt, die eine Konfiguration ermöglicht, in der ein übermäßiger Abstand zwischen dem rückseitigen Leiterteil und dem Kühlkörper vermieden wird (d. h. ein übermäßig dicker Isolierwärmeableiter wird verhindert) und ein Isolierungsspalt zwischen dem Kühlkörper und einem verzogenen Substrat wird bewahrt, das in Richtung des Kühlkörpers verzogen wird.
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Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die begleitenden Figuren ersichtlicher, in denen zeigt:
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1A eine darstellende Querschnittsansicht eines elektronischen Elements bei einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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1B eine darstellende Ansicht von unten von dem elektronischen Element in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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2 ein darstellendes Diagramm einer elektronischen Leistungssteuervorrichtung, in der eine elektronische Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet wird;
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3 eine darstellende Querschnittsansicht der elektronischen Vorrichtung, die das elektronische Element bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält;
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4 eine darstellende Querschnittsansicht der elektronischen Vorrichtung von 3, in der ein Substrat sich in einem verzogenen Zustand befindet;
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5A eine Ansicht von unten von dem elektronischen Element bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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5B eine Ansicht von unten von dem elektronischen Element bei einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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6A eine darstellende Querschnittsansicht eines elektronischen Elements bei einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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6B eine darstellende Ansicht von unten eines elektronischen Elements bei der vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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7 eine darstellende Querschnittsansicht des elektronischen Elements bei einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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8 eine darstellende Querschnittsansicht des elektronischen Elements eines Vergleichsbeispiels;
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9 eine darstellende Querschnittsansicht des elektronischen Elements, das das elektronische Element des Vergleichsbeispiels enthält; und
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10 eine darstellende Querschnittsansicht der elektronischen Vorrichtung von 9, in dem sich ein Substrat in einem verzogenen Zustand befindet.
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Nachstehend werden ein elektronisches Element und eine elektronische Vorrichtung, die das elektronische Element enthält, als eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Als Start der Beschreibung wird eine elektronische Leistungslenkvorrichtung, an der das elektronische Element der vorliegenden Ausführungsform bei der vorliegenden Offenbarung angewendet wird, mit Bezug auf 2 beschrieben.
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Wie in 2 dargestellt, stellt eine elektrische Leistungslenkvorrichtung 1 an einer Lenkwelle 92 ein Lenkunterstützdrehmoment zum Unterstützen eines Lenkdrehmoments eines Fahrers bereit. Auf der mit dem Lenkrad 31 verbundenen Lenkwelle 92 wird ein Drehmomentsensor 94 zum Erfassen eines Drehmoments angewendet. An einer Spitze der Lenkwelle 92 ist ein Zahnradgetriebe angeordnet und das Zahnradgetriebe steht mit einer Zahnstange 97 in Eingriff. An beiden Enden der Zahnstange 97 ist ein Paar von Rädern 98 drehbar über eine Spurstange oder dergleichen verbunden. Eine drehende Bewegung der Lenkwelle 92 wird über eine gerade Bewegung der Zahnstange 97 durch das Zahnradgetriebe 96 umgewandelt und das Paar von Rädern 98 wird entsprechend eines Winkels gesteuert, der proportional zu der Bewegung der Zahnstange 97 ist.
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Die elektrische Leistungssteuervorrichtung 1 umfasst einen Lenkunterstützmotor 80, ein Drehzahluntersetzungsgetriebe 89, dass eine Drehzahl der Drehung des Motors 80 reduziert und die Drehung der Lenkwelle 92 überträgt, und eine elektronische Vorrichtung 10, die den Motor 80 ansteuert.
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Dadurch wird die elektronische Vorrichtung 10 als eine Motorsteuerschaltung implementiert, die den Lenkunterstützmotor 80 in der elektrischen Leistungssteuervorrichtung 1 ansteuert.
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Beispielsweise ist, wenn der Motor 80 ein Dreiphasigen-Wechselstrombürstenloser Motor ist, die elektronische Vorrichtung 10 eine Dreiphasen-Wechselrichterschaltung, und wenn der Motor 80 ein Gleichstrom-Motor mit einer Bürste ist, ist die elektronische Vorrichtung eine H-Brückenschaltung. Die Anzahl der Wechselrichterschaltungen oder der H-Brückenschaltungen können lediglich ein System sein, oder können zwei oder mehrere Systeme zur Redundanz sein, das eine Ausfallsicherheitseigenschaft für die elektronische Vorrichtung 10 zum Zeitpunkt des Vorrichtungsausfalls bereitstellt.
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Die vorstehend beschriebene Schaltung enthält ein Schaltelement, das eine Leistungsschaltung ein- und ausschaltet. Beispielsweise wird bei der Dreiphasen-Wechselrichterschaltung eine Brückenverbindung der sechs Schaltelemente pro einem System vorgesehen, und bei der H-Brückenschaltung wird eine Brückenverbindung der vier Schaltelemente pro einem System vorgesehen. Ferner kann das Schaltelement an einer Eingabeseite einer Schaltung als ein Leistungszufuhrrelais vorgesehen sein oder das Schaltelement kann an einer Seite des Motors 80 einer Schaltung als ein Motorrelais vorgesehen sein.
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Bei einer solchen Konfiguration leitet das Schaltelement, das in der Wechselrichterschaltung oder in der H-Brückenschaltung verwendet wird, eine größere Wärmemenge ab, so dass es erforderlich ist, dass die elektronische Vorrichtung, die ein solches elektronisches Element enthält, eine gute Wärmeableiteigenschaft aufweist. Als eine Implementierungskonfiguration zum Halten eines solchen elektronischen Elements auf einem Substrat werden zwei Konfigurationen hauptsächlich verwendet, d. h. (i) ein durchgangslochartiges Element ist an einem Kühlkörper unter Verwendung einer Schraube mit einem dazwischen angeordneten Isolierblech angebracht und (ii) ein oberflächenmontiertes Element ist auf einem Kühlkörper mit einem Substrat angebracht, der aus Epoxidglas oder Keramiken hergestellt ist, durch das die Wärme daran abgleitet wird.
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Die durchgangslochartige Konfiguration, in der ein durchgangslochartiges Element auf einem Kühlkörper angeordnet ist, beispielsweise in einer Patentveröffentlichung einer offengelegten japanischen Patentanmeldung, wie in der
JP-A-2012-244637 . Diese Konfiguration ist aus den nachstehenden zwei Punkten problematisch, d. h. (i) die Arbeitsstunden für eine Einfügearbeit zum Einfügen eines Leitanschlusses in ein Loch eines Substrats und (ii) eine Zunahme eines Seitenbereichs des Substrats für die Verbindung des Leitanschlusses daran.
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Andererseits ist die oberflächenmontierte Konfiguration, in der ein oberflächenmontiertes Element Wärme durch das Substrat zu dem Kühlkörper ableitet, auch problematisch, da bei einer solchen Konfiguration Wärmeableiteffekte nicht ausreichend sind.
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Daher verbessert, wie in dem vorstehend beschriebenen Patentdokument 1 offenbart, eine Wärmeableitkonfiguration, in der Wärme von dem oberflächenmontierten elektronischen Element von einem rückseitigen Leiterteil auf einer gegenüberliegenden Seite des Elements relativ zu dem Substrat über einem Isolierwärmeableiter zu einem Kühlkörper abgeleitet wird, wirksam die Wärmeableiteigenschaften und reduziert wirksam eine Volumengröße der elektronischen Vorrichtung. Daher wird durch das elektronische Element der vorliegenden Ausführungsform eine solche Konfiguration erhalten, in der ”ein übermäßiger Abstand zwischen dem rückseitigen Leiterteil und dem Kühlkörper vermieden wird” (d. h. ein übermäßig dicker Isolierwärmeableiter wird verhindert) und ein Isolierspalt wird zwischen dem Kühlkörper und einem Verziehsubstrat erhalten wird, das in Richtung des Kühlkörpers verzogen wird.
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Nachstehend werden verschiedene Ausführungsformen des elektronischen Elements gemäß der vorliegenden Offenbarung ausführlich beschrieben.
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(Erste Ausführungsform)
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Eine Konfiguration eines elektronischen Elements 301 bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird mit Bezug auf eine Darstellung einer Querschnittsansicht in 1A beschrieben und eine Ansicht von unten in 1B. 1A zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Linie IA in 1B. Ein quergestreifter Bereich bei der Ansicht von unten von 1B ist eine untere Endoberfläche eines Schenkelteils 41. Ferner werden bei Darstellung in 1B auf hervorstehende Teile wie z. B. ein Drainanschluss 35 und ein Sourceanschluss 37, die sonst bei der Ansicht von unten erscheinen würden, verzichtet. Der gleiche Verzicht gilt für die Ansicht jeder der 5A, 5B und 6B.
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Wie in 1A enthält das elektronische Element 301 einen Chip 31, einen Drainanschluss 35, der als ein ”substratseitiges Leiterteil” dient, eine hintere Elektrode 36, die als ”rückseitiges Leiterteil” dient, einen Sourceanschluss 37 und ein Einkörperformharz, das als eine Einkörperform eines geformten Seitenteils 48 und eines Schenkelteils 41 ausgebildet ist. Das bedeutet, dass das geformte Seitenteil 48 und das Schenkelteil 41 als ein einzelner Körper ausgebildet ist.
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Das elektronische Element 301 der vorliegenden Ausführungsform ist ein Harzformpaket des MOSFET (d. h. Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) der als ein Halbleiterschaltelement dient. Der Chip 31, der ein elektronisches Element selbst ist, steuert ein Einschalten und ein Ausschalten der elektrischen Leistung zwischen einer Source und einer Drain entsprechend einer Eingabe eines Steuersignals in ein Gate. In 1A ist der Drainanschluss 35 elektrisch mit einer Oberseite des Chips 31 verbunden und die hintere Elektrode 36 ist elektrisch mit einer Unterseite des Chips 31 verbunden.
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Der Sourceanschluss 37 ist mit der hinteren Elektrode 36 elektrisch verbunden. Daher kann die hintere Elektrode 36 auch als eine „Source-Elektrode 36” festgelegt werden.
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Eine gegenüberliegende Endoberfläche des Drainanschlusses 35, der dem Chip 31 gegenüberliegt, ist als eine Basisoberfläche 31 ausgestaltet und eine gegenüberliegende Endfläche der hinteren Elektrode 36, die dem Chip 31 gegenüberliegt ist als eine hintere Oberfläche 33 ausgestaltet. Das elektronische Element ist auf einer Halterungsoberfläche 23 eines Substrats 2, die durch eine punktiert-gestrichelte Linie gezeichnet ist, durch eine Seite einer Basisoberfläche des Elements 301 oberflächenmontiert. Das bedeutet, mit anderen Worten, der Drainanschluss 35 und der Sourceanschluss 37 in 1A werden elektrisch mit dem Substrat 2 durch Löten verbunden. Ferner ist die hintere Oberfläche 33 der hinteren Elektrode 36 als eine Metalloberfläche freigelegt.
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Das geformte Seitenteil 48 des Einkörperformharzes 401 ist ein Teil, das eine Seitenfläche des Chips 31, des Drainanschluss 35 und der hinteren Elektrode 36 zum Isolieren dieser Teile abdeckt. Das Schenkelteil 41, das als ein Körper mit dem geformten Seitenteil 48 geformt ist, steht von der hinteren Oberfläche 33 in einen peripheren Abschnitt der hinteren Elektrode 36 in Richtung einer gegenüberliegenden Richtung relativ zu dem Drainanschluss 35 hervor.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden bei dem peripheren Abschnitt einer quadratischen Form der hinteren Elektrode 36 ein Gesamtes der acht Schenkelteile 41 periodisch bei vier Ecken und um das Zentrum bzw. Mitte der hinteren Elektrode 36 ausgebildet. Zwischen den zwei benachbarten Schenkelteilen 41 ist ein konkaves Teil 46 vorgesehen, wie bei der Ansicht von unten zu sehen ist (von 1B). Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Anzahl der Schenkelteile 41 zum Bereitstellen einer ”ausgewogenen Anordnung der Schenkel” vorgesehen. Allerdings ist die Anzahl der Schenkelteile 41 nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt und das Schenkelteil 41 kann frei in der Anzahl, in der Form und dergleichen angebracht werden.
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Als Nächstes wird die Konfiguration des elektronischen Elements, das das elektronische Element 301 enthält, mit Bezug auf 4 beschrieben. Die in 4 gezeigte elektronische Vorrichtung 10 ist eine Vorrichtung, die eine Motoransteuerschaltung, wie z. B. eine Wechselrichterschaltung und eine H-Brückenschaltung, wie vorstehend erwähnt, bildet. Die elektronische Vorrichtung 10 ist mit einem Kühlkörper 6, dem Substrat 2, dem elektronischen Element 301 und einem Wärmeableitgel 5, das als ”ein Isolierwärmeableiter” dient, vorgesehen.
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Der Kühlkörper 6 besteht aus Aluminium und weist eine flache Wärmeaufnahmeoberfläche 63 in einem Bereich auf, der wenigstens dem elektronischen Element 301 zugewandt ist. Der Kühlkörper 6 weist mehrere säulenförmige Trägerteile 64 mit jeweils einer Trägeroberfläche 62 bei einer höheren Position auf, die höher als die Wärmeaufnahmeoberfläche 63 ist. Die Trägeroberfläche 62 auf jedem der Trägerteile 64 ist so angeordnet, dass sie die gleiche Höhe aufweisen und an jedem der Trägerteile 64 wird ein Schraubenloch 65 ausgebildet, in das eine Schraube 66 geschraubt wird.
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Das Substrat 2 wird auf dem Trägerteil 64 des Kühlkörpers 6 mit der Schraube 66 derart fixiert, dass die Halterungsoberfläche 23, die eine der zwei Seiten des Substrats 2 ist, der Wärmeaufnahmeoberfläche 63 des Kühlkörpers 6 bei einem vorbestimmten Abstand zugewandt ist. Die Seite der Basisoberfläche 32 des elektronischen Elements 301 wird mit der Halterungsoberfläche 23 des Substrats 2 verlötet. Daher ist die hintere Oberfläche 33 des elektronischen Elements 301 zwangsläufig der Wärmeaufnahmeoberfläche 63 des Kühlkörpers 6 zugewandt.
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Ein Raum zwischen der hinteren Oberfläche 33 der hinteren Elektrode 36 und der Wärmeaufnahmeoberfläche 63 des Kühlkörpers 6 wird mit dem Wärmeableitgel 5 gefüllt. Das Wärmeableitgel 5 ist ein wärmeleitfähiges Material, das beispielsweise Silikon als dessen Hauptbestandteil verwendet, und kann Wärme zu dem Kühlkörper 6 leiten, die durch das elektronische Element 301 zu dem Zeitpunkt des Empfangs der elektrischen Leistung erzeugt wird. Ferner wird auch das Wärmeableitgel 5 in einen Raum zwischen der Wärmeempfangsoberfläche 63 und der Endfläche des Schenkelteils 41 gefüllt, die in dem peripheren Abschnitt der hinteren Elektrode 36 angeordnet ist. Bei der Darstellung wird das Wärmeableitgel 5 als strukturiertes Muster dargestellt.
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Das Wärmeableitgel 5 einen relativ hohen elektrischen Widerstand aufweist, was bedeutet, dass es im Wesentlichen isoliert, jedoch leicht leitfähig ist. Daher weist das Gel 5 eine Dicke auf, die gleich oder größer als ein garantierter Isolierabstand (d. h. Schwellenabstand) in Abhängigkeit der erforderlichen Isolierspannung ist. Daher wird eine Beziehung zwischen der Höhe des elektronischen Elements 301 und der Höhe des Trägerteils 64 derart eingestellt, dass ein Isolierspalt Δ0, der ein Abstand zwischen der hinteren Oberfläche 33 der hinteren Elektrode 36 und der Wärmeaufnahmeoberfläche 63 des Kühlkörpers 6 ist, gleich oder größer als der garantierte Isolierabstand vorgesehen ist, wenn das Substrat 2 auf dem Trägerteil 64 angebracht ist.
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Wie in 3 dargestellt, ist, wenn das Substrat 2 an dem Trägerteil 64 angebracht ist, das Substrat 2 eine gerade flache Form und wird parallel zu der Wärmeaufnahmeoberfläche 63 abgestützt. Ein solcher Zustand wird als ein Normalzustand festgelegt. Das bedeutet, dass der vorstehend erwähnte Isolierspalt Δ0 ein ”Isolierspalt Δ0 bei dem Normalzustand” ist.
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Allerdings kann während eines Gebrauchs der elektronischen Vorrichtung 10 das Substrat 2 durch eine Temperaturveränderung, usw. verzogen werden. Die vorliegende Offenbarung fokussiert sich insbesondere auf ein Verziehen des Substrats 2 in Richtung einer Kühlkörperseite, d. h. in Richtung des Kühlkörpers 6. Die Wirkungen der vorliegenden Offenbarung werden ausführlicher in dem Nachstehenden beschrieben.
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(Wirkungen)
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Die Wirkungen des elektronischen Elements 301 der vorliegenden Ausführungsformen werden im Gegensatz zu dem elektronischen Element mit einem Vergleichsbeispiel beschrieben.
- (1) Wie das elektronische Element und die elektronische Vorrichtung der vorliegenden Offenbarung wirksamer als das elektronische Element und die elektronische Vorrichtung bei einem Vergleichsbeispiel in den 8 und 10 ist, wird in dem Nachstehenden beschrieben.
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Das bedeutet, dass, wie in 8 dargestellt, ein elektronisches Element 309 in dem Vergleichsbeispiel im Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie das elektronische Element 301 der vorliegenden Erfindung außer für einen Punkt aufweist, dass das Element 309 kein Schenkelteil 41 aufweist. Darüber hinaus ist, wie in 9 gezeigt, eine elektronische Vorrichtung 19, die ein elektronisches Element 309 enthält, so aufgebaut, dass sie ”einen Isolierspalt Δ0 bei dem Normalzustand” aufweist, der im Wesentlichen die gleiche Dimension wie der eine in 3 der vorliegenden Offenbarung aufweist, wenn das Substrat 2 bei einem gerad-flachen Zustand abgestützt wird. Der Isolierungsspalt Δ0 wird mit dem Wärmeableitgel 5 gefüllt, und die durch das elektronische Element 309 erzeugte Wärme ist zu dem Kühlkörper 6 übertragbar.
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Allerdings bewegt sich, wie in 10 gezeigt, wenn das Substrat 30 zu einer Seite verzieht und sich neu zu dem Kühlkörper 6 aufgrund einer Temperaturveränderung, usw. verändert, das elektronische Element 309 nach unten in Richtung des Kühlkörpers 6 und drückt das Fluidwärmeableitgel 5 weg, wodurch (i) ”ein Isolierspalt Δs bei einem Substratverziehzustand” verringert wird, und (ii) ermöglicht wird, dass die hintere Elektrode 36 die Wärmeaufnahmeoberfläche 63 kontaktiert, d. h. wenn der Spalt Δs null wird. Dadurch kann das elektronische Element 309 aufgrund des Bruchs der Isolierung dazwischen kurzgeschlossen werden.
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Andererseits ist das elektronische Element 301 der vorliegenden Offenbarung, wie in 4 dargestellt, isolierungssicher, wenn das Substrat 2 sich in Richtung des Kühlkörpers 6 verzieht, da das Schenkelteil 41 des elektronischen Elements 301 an der Wärmeaufnahmeoberfläche 63 anstößt bevor die hintere Elektrode 36 die Wärmeaufnahmeoberfläche 63 kontaktiert. Das bedeutet mit anderen Worten, dass das Schenkelteil 41 als ”eine Stütze” zwischen der hinteren Elektrode 36 und der Wärmeaufnahmeoberfläche 63 funktioniert. Dadurch wird ein Hervorstehbetrag des Schenkelteils 41 von der hinteren Oberfläche 33 der hinteren Elektrode 36, d. h. die Höhe des Schenkelteils 41 als ”ein Isolierspalt Δs bei einem Substratverziehzustand” sichergestellt. Daher wird durch Einstellen der Höhe des Schenkelteils 41, d. h. ”ein Isolierspalt Δs bei einem Substratverziehzustand”, gleich oder größer als der garantierte Isolierabstand (d. h. Schwellenabstand) des Wärmeableitgels 5 gute Isoliereigenschaften der elektronischen Vorrichtung 10 realisiert neben der Verhinderung des Kurzschlusses, der durch den Kontakt zwischen der hinteren Elektrode 36 und der Wärmeaufnahmeoberfläche 63 bewirkt wird.
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Ferner ist eine solche Konfiguration auch vorteilhaft und wirksam, da sie verhindert, dass das Wärmeableitgel 5 eine übermäßig dicke Dimension zum Zwecke des Sicherstellens eines hinreichenden Isolierspalts zu einem Zeitpunkts des Verziehens des Substrats 2, wodurch die Verschlechterung der Wärmeableiteigenschaften verhindert wird.
- (2) Da die Isolierung der elektronischen Vorrichtung 10 durch Anordnen des Schenkelteils 41, wie vorstehend erwähnt, befestigbar ist, besteht kein Bedarf zum Ausführen von verschiedenen Arten von striktem Management bei einem Herstellungsprozess, wie z. B. einem Höhenmanagement des elektronischen Elements 301, einem Löthöhenmanagement, einem Verziehmanagement des Substrats 2 oder dergleichen. Daher werden sowohl Managementkosten als auch Managementgegenstände reduziert.
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Ferner trägt der verringerte/minimierte Abstand zwischen dem elektronischen Element 301 und dem Kühlkörper 6 zu einer Volumenreduktion der elektronischen Vorrichtung 10 bei.
- (3) Durch Reduzieren der Dicke des Wärmeableitgels 5 auf ein Minimum wird die Menge des Wärmeableitgels 5 reduziert. Ferner und wichtiger ermöglicht die verringerte Dicke des Wärmeableitgels 5 eine Ersetzung eines hochwertigen Gels 5 mit einem nieder- oder mittelwertigen Gel 5, da das nieder-/mittelwertige Wärmeableitgel 5 und das hochwertige Gel 5 im Wesentlichen die gleichen Wirkungen bei einer verringerte Dicke bereitstellen. Das bedeutet, dass die Kosten des Gels 5 reduziert werden, und daher die Kosten der elektronischen Vorrichtung 10 reduziert werden.
- (4) Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das Schenkelteil 41 als ein Teil des Einkörperformteils 401 zusammen mit dem geformtem Seitenteil 48 realisiert. Daher wird ein zugehöriger Prozess lediglich zum Ausbilden des Schenkelteils 41 unnötig und die Produktionseffizienz wird verbessert.
- (5) Gemäß der vorliegenden Offenbarung werden mehrere Schenkelteile 41 ununterbrochen in einem peripheren Abschnitt der hinteren Elektrode 36 ausgebildet, wodurch das konkave Teil 46 zwischen zwei Teile 41 vorgesehen ist. Daher ist die Wärme des elektronischen Elements 301 immer noch zu dem Kühlkörper 6 über das Wärmeableitgel 5 übertragbar, das einen Raum zwischen den konkaven Teilen 46 füllt, selbst wenn das Substrat 2 sich in Richtung des Kühlkörpers 6 und zwischen dem Spaltraum zwischen dem Schenkelteil 41 und der Wärmeaufnahmeoberfläche 63 abnimmt. Daher werden gute Wärmeableiteigenschaften beibehalten, selbst wenn sich das Substrat verzieht.
- (6) Die elektronische Vorrichtung 10, die das elektronische Element 301 bei der vorliegenden Ausführungsform enthält, wird bei einer Ansteuerschaltung des Lenkunterstützmotors 80 bei der elektrischen Leistungssteuervorrichtung 1 verwendet.
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Im Allgemeinen muss die Ansteuervorrichtung in Fahrzeugen auf eine Größe aufgrund der Begrenzung des Vorrichtungsinstallationsraums begrenzt werden, der das Ausbilden einer ausreichenden Anzahl von Stützteilen 64 des Kühlelements 6 verhindert.
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Daher neigt der Abstand zwischen den Trägerteilen 64 dazu, dass er länger als der gewünschte Abstand wird, der durch die Dicke des Substrats 2 erwünscht ist. Ferner erzeugt für eine Ausgabe des höheren Drehmoments die Ansteuerschaltung des Lenkunterstützmotors 80 eine relativ große Wärmemenge von dessen Schaltelement, das einen Anreiz schafft, einen Abstand zwischen der hinteren Elektrode 36 und dem Kühlkörper 6 so viel wie möglich zu minimieren, für die Verbesserung der Wärmeableiteigenschaften.
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Daher wird ein Isolierspalt Δs durch das Abstützen des Schenkelteils 41 vorgesehen, wenn das Substrat in Richtung des Kühlkörpers 6 sich verzieht, während der Bedarf für den übermäßig großen Isolierspalt Δ0 zwischen der hinteren Elektrode 36 des elektronischen Elements 301 und des Kühlkörpers 6 vermieden wird, der an dem geradflach geformten Substrat 2 montiert ist.
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Bei dem Nachstehenden beschreiben die zweiten bis fünften Ausführungsformen eine Abweichung der Schenkelteilkonfigurationen der elektronischen Vorrichtung mit Bezug auf die 5 bis 7. Gleiche Teile bei den nachstehenden Ausführungsformen weisen gleiche Bezugszeichen wie in 1 auf, und auf eine redundante Beschreibung solcher Teile wird verzichtet.
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(Zweite Ausführungsform)
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Wie bei einer Ansicht von unten in 5A gezeigt, weist ein elektronisches Element 302 der zweiten Ausführungsform zwei Reihen von Schenkelteilen auf, wobei eines der zwei Schenkelteile 42 entlang einer rechten Seite der hinteren Elektrode 36 angebracht ist und das andere der zwei Schenkelteile 42 ist entlang deren linken Seite angebracht. Das Schenkelteil 42 ist als ein Teil des geformten Seitenteils 48 ähnlich der ersten Ausführungsform aus Harz geformt. Eine obere Seite und eine untere Seite der hinteren Elektrode 36, entlang der kein Schenkelteil 42 ausgebildet ist, sind an dem konkaven Teil 46 vorgesehen. Das bedeutet, dass die Anzahl der ”periodisch ausgebildeten Schenkelteile” ein Minimum von zwei sein kann. Gemäß der zweiten Ausführungsform werden die gleichen Effekte wie bei der ersten Ausführungsform erreicht.
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(Dritte Ausführungsform)
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Wie in der Ansicht von unten in 5B gezeigt, umfasst ein elektronisches Element 301 der dritten Ausführungsform ein Schenkelteil 43 bei einer ununterbrochenen Wandform, die sich entlang aller vier Seiten der hinteren Elektrode 36 ausbildet. Das Schenkelteil 43 ist als Einkörperharzform als ein Teil des geformten Seitenteils 48 ähnlich wie bei den ersten und zweiten Ausführungsformen ausgebildet.
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Falls das Substrat 2 sich mit einem Grad verzieht, bei dem das Schenkelteil 43 an der Wärmeaufnahmeoberfläche 63 des Kühlkörpers 6 bei der Konfiguration der dritten Ausführungsform anstößt, stößt eine untere Endoberfläche des rahmengeformten Schenkelteils 43 an der Wärmeaufnahmeoberfläche 62 an. Eine solche Struktur der dritten Ausführungsform ist vorteilhafter als die Konfiguration bei der ersten und zweiten Ausführungsform, in denen die Schenkelteile 41 und 42 als ein periodisches Teil vorgesehen sind, hinsichtlich einer verteilteren Aufnahme einer Gegenkraft des wandförmigen Schenkelteils 43 und zur Verhinderung des Bruchs/der Verformung des Schenkelteils 43.
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(Vierte Ausführungsform)
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Ein elektronisches Element 304 bei der vierten Ausführungsform, die in 6 dargestellt ist, weist ein rahmengeformtes Schenkelteil 44 auf, das entfernt, d. h. nach außen, von einer Peripherie der hinteren Elektrode 36 um einen bestimmten Abstand im Vergleich zu dem rahmengeformten Schenkelteil 43 positioniert ist. Durch Vorsehen einer bestimmten dimensionalen Spannweite wird beispielsweise eine Positionierungsgenauigkeit einer Einfügekomponente für das Harzformen eines Einkörperformteils 404 weniger anspruchsvoll hergestellt.
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Wie praktisch vorstehend gezeigt, kann ”ein peripherer Abschnitt eines rückseitigen Leiterteils” in den Ansprüchen nicht nur an oder innerhalb der Peripherie der hinteren Elektrode 36 interpretiert werden, sondern kann auch eine Position jenseits der Peripherie der Elektrode 36 (d. h. außerhalb der Grundfläche der hinteren Elektrode 36) enthalten, wie in den 6A und 6B dargestellt ist, die innerhalb eines angemessenen Schutzumfangs der direkt peripheren Position gemäß dem allgemeinen technischen Wissen liegt.
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(Fünfte Ausführungsform)
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Wie in 7 dargestellt, weist ein elektronisches Element 305 in der fünften Ausführungsform dessen Schenkelteile 45 auf, die als mehrere, periodische Schenkelteile 45 vorgesehen sind, in denen jedes der Schenkelteile 45 als separates Teil von dem geformten Seitenteil 48 ausgebildet ist. Mit anderen Worten, das elektronische Element 305 bei der fünften Ausführungsform ist als eine Kombination (i) des elektronischen Elements 309 des Vergleichsbeispiels in 8 und (ii) des separat ausgebildeten Schenkelteils 45 ausgebildet, das daran unter Verwendung eines Klebers 7 oder dergleichen geklebt ist.
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Wie in dem Vorstehenden praktisch dargelegt, kann das Schenkelteil irgendein Teil sein, das so konfiguriert ist, dass es zwischen dem geformten Seitenteil 48 und der Wärmeaufnahmeoberfläche 63 des Kühlkörpers 6 dazwischen angeordnet ist, das nicht nur ein Schenkelteil in einer Einkörperformstruktur mit dem geformten Seitenteil 48 ist, sondern auch andere Strukturen aufweist, solange die Struktur sicher einen Isolierspalt/abstand zwischen der hinteren Elektrode 36 und der Wärmeempfangsoberfläche 63 erhält.
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(Weitere Ausführungsformen)
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- (A) Bei der Beschreibung der vorstehend erwähnten Ausführungsform wurde zur Erleichterung des Verständnisses der Fokus der Beschreibung auf ein elektronisches Element 301 aus den anderen Elementen und Komponenten gelegt, die alle auf dem Substrat 2 der elektronischen Vorrichtung 10 oberflächenmontiert sind.
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Allerdings ist es für alle anderen Elemente und Komponenten notwendig die gleiche Schenkelteilstruktur der vorliegenden Ausführungsform aufzuweisen. Das bedeutet, dass zwei oder mehrere MOSFETs und andere Komponenten, die auf einem Substrat 2 oberflächenmontiert sind, nicht die in der vorliegenden Offenbarung gekennzeichnete Schenkelteilstruktur aufweisen müssen.
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Beispielsweise sind, wenn drei elektronische Elemente mit der gleichen Höhe in einer Reihe zwischen zwei Abstützteilen 64 des Kühlköpers 6 angebracht sind, die Wirkungen des Verziehens des Substrats 2 bei einem Mittelelement stärker als bei den zwei anderen Elementen, die näher an den entsprechenden Abschnittselementen 64 liegen. Dadurch kann das mittlere Element die Schenkelteilstruktur der vorliegenden Offenbarung aufweisen, und die anderen zwei Elemente können die konventionelle schenkellose Struktur aufweisen. Eine solche Anordnung der drei elektronischen Elemente in einer Reihe entspricht einer Rezitierung in den Ansprüchen ”das elektronische Element in einem der Ansprüche 1 bis x”.
- (B) Das elektronische Element der vorliegenden Offenbarung ist nicht lediglich ein MOSFET, sondern kann auch jedes oberflächenmontierbare Wärme erzeugende elektronische Element, wie z. B. IGBT, ein Halbleiterschaltelement, d. h. ein Transistor sowie ein Thyristor, IC; eine integrierte IC, d. h. ein Mikrocomputer, und dergleichen sein. Die Anspruchselemente, wie z. B. ”ein substratseitiges Leiterteil” und ”ein rückseitiges Leiterteil”, die dem Drainanschluss 35 und der Source-Elektrode 36 bei der vorstehenden Ausführungsform entsprechen, können unterschiedliche Namen bei den verschiedenen Halbleiterschaltvorrichtungen haben. Ferner kann auf ein Teil entsprechend dem Source-Element 37 bei der vorstehenden Ausführungsform verzichtet werden.
- (C) Ein ”Isolierwärmeableiter” kann neben dem Wärmeableitgel 5 beispielsweise ein ”Wärmeübertragungsfett”, das in der JP-A-2011-71550 oder dergleichen offenbart ist, enthalten.
- (D) Das Abstützteil, das das Substrat über der Wärmeempfangsoberfläche des Kühlkörpers bei einem vorbestimmten Abstand in einer gegenseitig zugewandten Weise abstützt, kann nicht nur ein integrales Teil sein, das in einer Vorsprungsform zum Hervorstehen von dem Kühlkörper 6 ausgebildet ist, sondern auch ein separates Teil, wie z. B. ein Abstandhalter oder dergleichen.
- (E) Das elektronische Element der vorliegenden Offenbarung kann nicht nur eine Ansteuervorrichtung eines Lenkunterstützmotors bei einer elektronischen Leistungssteuervorrichtung sein, sondern kann auch eine elektronische Vorrichtung sein, die (i) eine Wärmeableitstruktur zum Ableiten von Wärme von einem rückseitigen Leiterteil eines oberflächenmontierten elektronischen Elements zu einem Kühlkörper und (ii) ein Substrat, das anfällig gegenüber Verziehen ist, enthalten.
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Obwohl die vorliegende Offenbarung vollständig in Verbindung mit deren bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben wurde, soll beachtet werden, dass verschiedene Veränderungen und Abwandlungen dem Fachmann ersichtlich sind, und solche Veränderungen und Abwandlungen sollen so verstanden werden, dass sie innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung liegen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2002-50722 A [0002]
- JP 2012-244637 A [0041]
- JP 2011-71550 A [0077]
