JP2002136104A - 電力コンバータアセンブリ - Google Patents

電力コンバータアセンブリ

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JP2002136104A
JP2002136104A JP2001250618A JP2001250618A JP2002136104A JP 2002136104 A JP2002136104 A JP 2002136104A JP 2001250618 A JP2001250618 A JP 2001250618A JP 2001250618 A JP2001250618 A JP 2001250618A JP 2002136104 A JP2002136104 A JP 2002136104A
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sink plate
gap
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John R Saxelby Jr
アール．サクサルビィ ジュニア． ジョン
Michael D Evans
ディー． エヴァンズ マイケル
Patrizio Vinciarelli
ヴィンチアレッリ パトリツィオ
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】電力コンバータのアセンブリにおいて、アセン
ブリの熱放散を改善し小型高信頼性を実現する。 【解決手段】ヒートシンク板と、前記ヒートシンク板の
表面に対向する面を有し且つ前記面に近い前記ヒートシ
ンク板からはギャップ２３０によって離間されている回
路ボード２１０構造と、相対的に薄く且つ高熱密度の放
散半導体コンポーネント２２６であって前記面にマウン
トされた放散半導体コンポーネント２２６と、前記ギャ
ップ２３０を埋める封入材２１８と、相対的に高く且つ
低熱密度のコンポーネントであって前記回路ボードの他
方の面にマウントされたコンポーネントと、を含む電力
コンバータアセンブリであって、ギャップ２３０が１℃
−６．４５ｃｍ2／Ｗ（ｉｎ2／Ｗ）より小なる平均熱抵
抗を有していることを特徴とする電力コンバータアセン
ブリ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【従来技術】本発明は、電力コンバータアセンブリに関
する。典型的なＤＣ−ＤＣ電力コンバータアセンブリ
は、例えば、トランジスタ、シリコン制御整流器（ＳＣ
Ｒ）、整流器等の電力消費半導体コンポーネントと、変
圧器等の磁気エネルギ蓄電素子と、１以上の巻線によっ
て囲繞された磁気コアを有する出力フィルタコイルと、
入力及び出力フィルタコンデンサ等の電気エネルギ蓄電
素子と、を含んでいる。
【０００２】ＤＣ−ＤＣ電力コンバータは、しばしば図
１に示す如き、方形の“レンガ”形にパッケージされ
る。コンバータ１００内のコンポーネントにより放散さ
れた熱は、基板に属する金属表面１０２を通じて導出さ
れている。コンバータとの電気的接続は、ピン１０４を
通じて実施される。図２に示す如き、既知の種類の電力
コンバータアセンブリにおいて、基板１０３は、絶縁層
１０６と接合した金属板１０２を含んでいる。変圧器１
１０及び抵抗器１１２の如き絶縁層１０６の表面１０８
の上のコンポーネントは、表面１０８上の導電線１１３
によって相互に接続されている。電力消費コンポーネン
ト（例えば電力半導体１１４）は、絶縁媒体の最上面に
直接マウントされている。その結果、放散された熱は、
基板を通じて除去されている。プリント回路ボードアセ
ンブリ１１６は、調整電子部品及び他のコンポーネント
（例えば集積回路１１８）を相互に接続する導電線１１
７を有するものであって、基板１０３上に隔離碍子１１
９を介してマウントされている。プリント回路ボードア
センブリ１１６と基板１０３の上側表面のコンポーネン
ト及び配線との間の電気的接続は、ピン１２０及びコン
ポーネント導線（例えば電力半導体１１４の導線１２
２）を介して実施されている。（ここで使用される如き
単語の“コンポーネント”及び“回路素子”は、電気又
はエネルギ蓄電コンポーネント（例えば半導体、抵抗
器、コンデンサ、磁気装置）を指し、相互に接続する装
置（例えば成端ピン、コネクタ）及びパッケージ及びア
センブリ素子（例えば隔離碍子、ケース）は除かれ
る。） 他の既知の種類の電力コンバータアセンブリは、図３に
示す如き、基板アセンブリ１２４とプリント回路ボード
アセンブリ１２６とを有している。電力消費装置１２８
は、基板アセンブリにマウントされている。プリント回
路ボードアセンブリは、プリント回路ボード１２７にマ
ウントされた変圧器１３０及び出力コイル１３２等のコ
ンポーネントを含んでいる。非伝導性ケース１２９を基
板１２４に取付け、プリント回路ボードアセンブリ１２
６を囲んでいる。電力コンバータアセンブリ１００は、
封入物質により充填されている（表示無し）。
【０００３】図４に示し且つ米国特許第５，７２２，５
０８号の“電気回路のパッケージング（Ｐａｃｋａｇｉ
ｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）”
（本出願及び文献として組み入れた出願との同一譲受人
に譲渡した）に記載の如き、基板アセンブリ１２４は、
絶縁シート１４４により金属板１０２からは分離された
金属熱拡散板１４２を含み得る。電力消費コンポーネン
ト１２８は、絶縁基板１３８の表面上の導体パッド１３
６にマウントされ且つ導体パッド１３６と接続された半
導体角片１３４を含んでいる。基板１３８は、ハンダ１
４０によって熱拡散板１４２に結合されている。プリン
ト回路ボード１２７上の導電線１４６は、ハンダ１４８
を介して電力消費装置１２８上の導電パッド１３６と接
続されている。
【０００４】第３の既知の種類の電力コンバータアセン
ブリにおいて、図５及び図６に示す如く、プリント回路
ボードアセンブリ１５０は、プリント回路ボード１５２
の両面にマウントされたコンポーネント１６０ａ、１６
０ｂを含んでいる。回路ボードアセンブリの“プリント
回路変圧器”は、磁気コア１５４を含み、該プリント回
路ボードの穴１５６ａ、１５６ｂを貫通している。巻線
（表示無し）は、プリント回路ボードの１又はそれ以上
の層の表面上に伝導エッチ（ｅｔｃｈ）として形成さ
れ、穴１５６ａ、１５６ｂ及びコアを囲繞している。プ
リント回路ボード１５２の上側及び下側に伸長するコア
１５４の距離は、ほぼ同じになっている。電力消費半導
体１５８及び異なる高さである他のコンポーネント１６
０ｂは、金属ケース１６４の内側表面１６２に対向する
プリント回路ボードの面にマウントされている。封入材
１６６が、プリント回路ボードアセンブリ１５０と金属
ケースとの間の空間を充填している。電力消費コンポー
ネント１５８からの熱は、封入材１６６を介して且つ金
属ケース１６４へと伝導している。
【０００５】
【発明の概要】概して、本発明の実施例の１つは、ヒー
トシンク板と、前記ヒートシンク板の表面に対向する面
を有し且つ前記面に近い前記ヒートシンク板からはギャ
ップによって離間されている回路ボード構造と、前記面
にマウントされた電力消費半導体コンポーネントと、前
記ギャップを充填する封入物質と、からなる電力コンバ
ータアセンブリであって、前記ギャップが３℃−６．４
５ｃｍ2／Ｗ（ｉｎ2／Ｗ）より小なる平均熱抵抗を有し
ていることを特徴とする。
【０００６】本発明の実施例は、１又はそれ以上の次の
特徴を含み得る。ヒートシンク板は、平坦になり得る。
回路ボード構造は、電力コンバータ回路の電力変換素子
を保持する平面回路ボードを含み得る。電力変換素子
は、複数のコアを有し且つギャップにはコアのいずれも
が存在しない変圧器を含み得る。電力変換素子は、半導
体コンポーネントを含んでいる。半導体コンポーネント
は、ＭＯＳＦＥＴ又はダイオードを含み得る。平均熱抵
抗は、２℃−６．４５ｃｍ2／Ｗ（ｉｎ2／Ｗ）より小さ
くなり得る。平均熱抵抗は、１℃−６．４５ｃｍ2／Ｗ
（ｉｎ2／Ｗ）より小さくなり得る。
【０００７】概して、本発明の他の実施例において、回
路ボード構造のコンポーネントは、電源から電力を受け
取ることが可能な電力変換回路と負荷側に電力を伝送す
ることが可能な電力変換回路とを含み、該コンポーネン
トは、ヒートシンク板の表面に対向する回路ボードの面
にマウントされた半導体コンポーネントを含むコンポー
ネントを含んでいる。回路ボードは、アセンブリによっ
て占有された全容積を回路ボードと基板の間のギャップ
容積と残りの容積に分割し、ギャップ容積は全容積の２
５％より小である。
【０００８】本発明の実施例は、１又はそれ以上の次の
特徴を含み得る。電力変換素子は、複数のコアを有し且
つギャップにはコアのいずれもが存在しない変圧器を含
み得る。ギャップ容積は、全容積の１５％より小であ
り、好ましくは全容積の１０％より小にし得る。概し
て、本発明の他の実施例において、ギャップは、ヒート
シンク板の表面（ａ）と、ヒートシンク板の表面に対向
する回路ボードの面（ｂ）と、（ａ）と（ｂ）との周囲
を接続し且つヒートシンク板の表面から垂直に且つ上側
に向かって伸長する周囲面（ｃ）と、によって囲まれて
いるギャップ容積を有している。上側容積は、ヒートシ
ンク板の表面（ａ）と、ヒートシンク板の表面に対向し
ない回路ボードの面に平行で且つ上方に離間した仮想的
な平面であって、他のコンポーネントを横切ることなく
コンポーネントの最上面と接する平面（ｂ）と、周囲面
（ｃ）と、によって囲まれている。ギャップ容積は、前
記上側容積の２５％より小である。
【０００９】概して、本発明の他の実施例において、磁
気電力変換コンポーネントの透過性コア部分はヒートシ
ンク板の表面に対向する回路ボードの前記面には対向し
ていない。本発明の長所は、電力コンバータ内のコンポ
ーネントの内部温度上昇を小さく維持し得ることであ
る。また同時に、電力コンバータの回路ボード及び基板
は、基板が回路ボードアセンブリに貼りつけられる前に
熱放散装置が基板に直接マウントされる場合よりも、低
価格で、より簡単に、かつ高収率で作成可能である。多
数の小さな電力消費半導体装置を使用することが可能で
ある。何となればアセンブリ技術が従来品と比較して相
対的に許容されていて且つ収率損失はそれでもなお許容
レベル内にあるからである。よって、スイッチ開閉装置
をボード上に配置することを許容する。ボード上のスイ
ッチ開閉装置は、スイッチ開閉装置と接続し且つ封入材
が低温の基板へ熱移動を可能とするよう熱を拡散する回
路の一部に近くなる。
【００１０】他の利点と特徴を以下の詳細な説明及び特
許請求の範囲から明確にする。
【００１１】
【発明の実施の形態】図７に示す如き、電力コンバータ
アセンブリ２００は、金属であって露出された外側表面
２０４を有する熱放散平坦基板２０２を含んでいる。基
板の内側表面２０６は、プリント回路ボードアセンブリ
２１０の底面２０８に対向している。電力コンバータ回
路のコンポーネント２１２、２２６が回路ボードの両面
にマウントされている。フタ２１４は、コンバータアセ
ンブリの周囲を囲む縁２１６に嵌合され、封入材２１８
がパッケージ内の残スペースを充填している。電極２２
０は、外部からコンバータ回路への接続を可能としてい
る。パッケージ技術についての更なる情報であって、フ
タを基板に嵌合し、封入材によって内部空間を充填し、
回路ボードと電極を接続し、ヒートシンクを形成するこ
とが可能な技術は、米国特許第５，３６５，４０３号及
び米国特許第５，７２０，３２４号にて公開されてい
て、文献を援用とする。
【００１２】図７に示す実施例において、回路ボードの
底面にマウントされた唯一のコンポーネントは、半導体
電力消費コンポーネント２２６（１個のみを示したが、
２個またはそれ以上を置くことも可能である）であっ
て、例えばＭＯＳＦＥＴスイッチ又は整流ダイオード等
の熱を放散するものである。コンポーネント２２６は、
チップスケールの半導体パッケージに含むことが可能で
あり、故にコンポーネントの全厚みＴは、例えば０．１
５ｃｍ（０．０６０インチ）又はそれ以下である。ＭＬ
Ｐパッケージ（半導体が略幅０．５１ｃｍ（０．２イン
チ）ｘ長さ０．５１ｃｍ（０．２インチ）ｘ厚さ０．０
８９ｃｍ（０．０３５インチ）にパッケージされ、パッ
ケージ表面の１面に露出し且つ本質的に同一平面の成端
を有している。カーセム社，イポー、西マレーシア）の
応用は、公称厚さが０．０８９ｃｍ（０．０３５イン
チ）の電力半導体の製造を可能としている。薄いパッケ
ージを達成することが可能であっても、例えば剥き出し
の電力半導体チップは伝導性“バンプ”により終結させ
ることが可能であり且つバンプを介してボード上のパッ
ドにマウントさせることが可能である。薄いチップパッ
ケージは、より完全に本発明の利点を利用する。何とな
れば、ボード裏面と基板の間の小なるギャップと低い熱
抵抗を結果として生じるからである。
【００１３】コンポーネント２２６の各々は、導線２２
８によって回路ボードの底面の導電線（表示なし）に接
続されている。小なるギャップ（例えば０．０３８ｃｍ
（０．０１５インチ）又はそれ以下の厚さ）は、コンポ
ーネント２２６の外部表面２２７と基板の内側面２０６
との間で規定され、コンポーネントにダメージを与える
ことなく簡単なアセンブリを許容する。何となれば、コ
ンポーネントは相対的に薄い故に、回路ボードの底と基
板の上面との間のギャップ２３０を相対的に小さくし得
るからである。ギャップは、電気的絶縁及び空隙が発生
しない封入の要求を満たす間は可能な限り小さくし得
る。
【００１４】回路ボードの上側面は他のコンポーネント
２１２を保持している。コンポーネント２１２は回路ボ
ードとコンポーネント２２６と協同して完全な電力コン
バータ回路を構成し、外部電源から電力を受け取り、変
換し、外部負荷に導電することが可能である。コンポー
ネント２１２は、コア（表示無し）を含む変圧器２３４
等のエネルギ蓄電コンポーネントを含んでいる。幾つか
の実施例においては、回路ボードの上側のエネルギ蓄電
コンポーネントに対応したコアは、回路ボードの下側の
空間に突出している部分には存在しない。
【００１５】熱は、ボードの各サイドの特定のコンポー
ネントによって放散させられている。例えば、コンポー
ネント２２６（例えばＭＯＳＦＥＴスイッチ開閉トラン
ジスタにし得る）及び変圧器２３４は同等量の熱を放散
し得る。しかしながら一般的な電力コンバータにおい
て、個々の電力ＭＯＳＦＥＴ等の半導体装置は変圧器と
比較して非常に小さい容積を占めている。故に、ＭＯＳ
ＦＥＴの相対的な熱放散密度（つまりコンポーネントに
より放散された熱をコンポーネントが占める容積で割っ
た値）は、変圧器よりも大であり、ＭＯＳＦＥＴからの
熱除去の仕事はより困難にし得る。前述とは別の点にお
いて、２つの部品の相対的な表面積は、変圧器の温度上
昇に比べてＭＯＳＦＥＴの温度上昇を制限することをよ
り困難にさせている。
【００１６】本発明は、相対的に薄くて高い熱密度の放
散器の配置によって熱密度の差を活用している。電力半
導体コンポーネント等の相対的に薄い高熱密度放散器を
基板の内側表面２０６に対向するボードの面２０８に置
き、基板に非常に近接させている。その結果コンポーネ
ント群と基板との間を強固に熱結合させている。他のコ
ンポーネントであってエネルギ蓄電コンポーネント及び
他のコンポーネント等の相対的に高くて低熱密度のコン
ポーネントはボードの上側面に配置されていて、コンポ
ーネントの熱は回路ボードを通過し、（又はボードの開
放部分を通過して）、エポキシ封入材を通過させること
より、基板へと放散されている。
【００１７】先行技術において既知の如き、コンポーネ
ント中の温度上昇は、プリント回路ボードの裏側の伝導
特性を利用して、大なる領域に亘って放散された熱を拡
散させることにより、最小にすることが可能である。図
９中にて矢印２８０として示される如き、高密度放散コ
ンポーネント２２６により放散される熱の一部は、コン
ポーネントの表面２２７から、封入材２１８を介して基
板２０２に流れる。しかしながら、熱は、矢印２１８と
して図示する如き、コンポーネント２２６から熱伝導性
のエッチ（ｅｔｃｈ）２１９にも流れ、相対的に広い領
域に亘ってエッチ（ｅｔｃｈ）により伝導されている。
矢印２８２により示す如き、熱はエッチ（ｅｔｃｈ）２
１９から封入材２１８を介して基板２０２へと流れてい
る。広面積は、コンポーネント２２６と基板２１０の間
の熱抵抗を全体的に減少させる。熱拡散器としての熱伝
導性のエッチ（ｅｔｃｈ）２１９の利用は、温度上昇の
削減において重要な因子である。
【００１８】矢印２８によって示す如き、プリント回路
ボード２１０の上の低密度コンポーネント（例えば変圧
器２３４）からの熱の一部は、直接ボードを通過し、封
入材２１８を通過して、基板２０２に伝導する。矢印２
８５及び２８６に示す如く、熱はエッチ（ｅｔｃｈ）２
１９によっても拡散させられ、前述の如き、コンポーネ
ント２３４において低温度の上昇となる。プリント回路
ボードの上に伝導性のエッチ（ｅｔｃｈ）を使用するこ
と（表示なし）又は多層ボードの内層に伝導性のエッチ
（ｅｔｃｈ）を使用すること（表示なし）は、熱拡散に
おける更なる改善とボード上のコンポーネントの温度上
昇の更なる削減を提供する。
【００１９】温度上昇は、エッチ（ｅｔｃｈ）２１９の
厚み及び適用範囲が増加するに従い減少する。図１０及
び図１１は、変圧器が隔離されたシングルエンド型電力
コンバータのプリント回路ボードアセンブリ３００の上
面及び底面の外観を各々示している。コンバータは、完
成品の場合、全体が長さ５．５８ｃｍ（２．２イン
チ）、幅４．０６ｃｍ（１．６インチ）、及び高さ１．
２７ｃｍ（０．５インチ）（高さには、ここに示してい
ないが、基板の厚さを含んでいる）の大きさを有し、３
００ワットを伝導している。図１１の底面図は、プリン
ト回路ボードアセンブリの表面を示している。プリント
回路ボードアセンブリは、電力放散半導体を含んでい
る。全部で１２個の電力消費半導体が使用され、３つの
ＭＯＳＦＥＴ３２６と９つのショットキ整流ダイオード
３２８を含んでいる。半導体装置における全放散は、略
２５ワットから３０ワットである。追加の略１０ワット
は、他のコンポーネント（例えば図１０における変圧器
３３４、コンデンサ３３６、コイル３４０及び３４２）
において放散されている。プリント回路ボードの底側表
面（図１１）と基板の内側表面（表示無し）との間のギ
ャップは、公称０．１２７ｃｍ（０．０５０インチ）で
ある。全ての電力消費半導体３２６及び３２８は、０．
０８８９ｃｍ（０．０３５インチ）の公称厚さを有する
ＭＬＰパッケージ中にある。プリント回路ボード３０８
の裏面３０８の６０％より多くは、熱拡散用の８５．０
５グラム（３オンス）の銅エッチ（ｅｔｃｈ）により覆
われている。
【００２０】上記記載の電力コンバータに対して、封入
材は、ギャップ中を相対的に低熱抵抗にしなけらばなら
ない。この目的に対する良い材料は、Ｘ−３２−２０２
０であって米国信越シリコーン社によって製造され１．
９Ｗ／ｍ−°Ｋの体積熱伝導率と１００，０００センチ
ポイズの粘性を有しているものと、ダウ−コーニング社
の１−４１７３であって１．９Ｗ／ｍＫの体積熱伝導率
と５８，０００センチポイズの粘性を有しているもの
と、を含んでいる。回路ボードと基板の間の小なるギャ
ップを、１００，０００センチポイズの物質で、米国特
許第５，７２０，３２４号に記載されたスピン充填技術
を用いて首尾良く充填することが可能である。図１０及
び図１１に示したコンバータに前述の充填材を使用する
ことは、ボードの底側面（図１１）と基板内部表面の間
において略０．３℃／Ｗ（又は単位面積当りの平均熱抵
抗は略１℃−６．４５ｃｍ2／Ｗ（ｉｎ2／Ｗ））の熱抵
抗を生じる結果となり、３５ワットの全放散において平
均温度は１０℃上昇する結果となる。
【００２１】もし体積熱伝導率が１．９Ｗ／ｍ−°Ｋ以
上有しているのであれば、他の封入材を使用しても良
い。好ましくは２．５から４．０Ｗ／ｍ−°Ｋの範囲で
ある。封入材の選択は、熱特性と（充填中において望ま
しくない空隙の形成に影響する）粘性とコストとの間で
交換条件となる。本発明の充填において、最も好ましい
体積熱伝導率は２．５Ｗ／ｍ−°Ｋである。０．１２７
ｃｍ（０．０５０インチ）のギャップと組合わせて、
２．５Ｗ／ｍ−°Ｋの体積熱伝導率は、１℃−６．４５
ｃｍ2／Ｗ（ｉｎ2／Ｗ）より小なる単位面積当りの熱抵
抗を導く。
【００２２】ボードの底部に非常に薄いスイッチ開閉コ
ンポーネントを使用し且つギャップ中に高熱伝導率封入
材をスピン充填することにより、所望の結果の組合わせ
を達成することが出来る。ギャップの高さと全容積は小
さくすることが可能である。熱は低い温度の上昇によっ
て放散されることが可能である。アセンブリのパッケー
ジは、簡素に製造されることが可能であり、アセンブリ
の前に半導体装置が基板にマウントされたアセンブリの
機構と比較して収率が良くなる。
【００２３】少なくとも上記の利点の一部については、
図８に示す如き限定された容積と高さとの間の関係の結
果として達成されている。ギャップ容積２４０は、基板
の上側表面２０６とプリント回路ボードの底側面２０８
と基板の周囲を含む垂直周辺面２４２とによって囲まれ
た容積として定義することが可能である。同様に、コン
ポーネント容積２５０は、回路ボードの上側表面２０９
と周囲表面２４２と基板に平行であって且つコンポーネ
ント２１２の最上点２５４に接触する平面２５２とによ
って囲まれた容積として定義することが可能である。ア
センブリの全容積は、本質的にギャップ容積とコンポー
ネント容積（プリント回路ボードによって占められる容
積は無視する）とを加えたものと解釈することが出来
る。ギャップ容積と全容積との比は２５％より小であ
り、好ましくは１５％より小であり、最も好ましくは１
０％より小である。ギャップ高さ２５６と最も高いコン
ポーネント２６０の高さ２５８との比は２５％より小で
あり、好ましくは１５％より小であり、最も好ましくは
１０％より小である。
【００２４】他の実施例も、特許請求の範囲の中に含ま
れている。例えば、本発明は電源以外のパッケージされ
た電気的アセンブリにも利用することが可能である。例
えば電気的モジュールは、マイクロプロセッサ等の高熱
密度の熱発生コンポーネントと１又はそれ以上の低熱密
度コンポーネントであって例えばパッケージされたＤＣ
−ＤＣコンバータやフィルタ蓄電器等を含み得る。上記
の装置において、マイクロプロセッサはプリント回路ボ
ードであって金属基板に対向し且つ非常に近接している
面に載置され、ギャップは熱伝導性の封入材によって充
填されている。低熱密度コンポーネントは、ボードの他
方の面に載置されている。他の実施例において、基板は
平坦ではなく、階段状又は溝等の幾何学的特徴を有し得
る。故に、ここで規定した熱伝導率は、基板に関係した
領域に亘って平均的な値である。プリント回路ボードは
適当な基板にし得る。例えばガラス繊維、セラミック、
紙等を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電力コンバータアセンブリの斜視図である。
【図２】 電力コンバータアセンブリの拡大斜視図であ
る。
【図３】 他の形態の電力コンバータアセンブリの拡大
斜視図である。
【図４】 図３の電力コンバータアセンブリの詳細図で
ある。
【図５】 他の形態の電力コンバータアセンブリの拡大
斜視図である。
【図６】 図５の電力コンバータアセンブリの断面図で
ある。
【図７】 電力コンバータアセンブリの切断断面図であ
る。
【図８】 特定容積関係を示す電力コンバータアセンブ
リの斜視図である。
【図９】 本発明における電力コンバータ中で放散され
た熱の流れを示す断面図である。
【図１０】 変圧器が隔離されたシングルエンド型電力
コンバータのプリント回路ボードアセンブリ３００の上
面及び底面を各々示した外観図である。
【図１１】 変圧器が隔離されたシングルエンド型電力
コンバータのプリント回路ボードアセンブリ３００の上
面及び底面を各々示した外観図である。
【符号の説明】
２０２ 基板 ２１０ プリント回路ボード ２１８ 封入材 ２２６ 熱放散半導体コンポーネント ２３０ ギャップ ２３４ 変圧器 ３２６ ＭＯＳＦＥＴ ３２８ ショットキ整流ダイオード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル ディー． エヴァンズ アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 02173 レキシントン キャロルレイン １ (72)発明者 パトリツィオ ヴィンチアレッリ アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 02114 ボストン ビーコンストリート 294 Ｆターム(参考） 5H730 AA15 DD04 ZZ01 ZZ04 ZZ07 ZZ11

Claims (55)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ヒートシンク板と、 前記ヒートシンク板の表面に対向する面を有し且つ前記
    面に近い前記ヒートシンク板からはギャップによって離
    間されている回路ボード構造と、 前記面にマウントされた電力消費半導体コンポーネント
    と、 前記ギャップを充填する封入物質と、からなる電力コン
    バータアセンブリであって、 前記ギャップが３℃−６．４５ｃｍ2／Ｗ（ｉｎ2／Ｗ）
    より小なる平均熱抵抗を有することを特徴とする電力コ
    ンバータアセンブリ。
  2. 【請求項２】 前記ヒートシンク板は、平坦であること
    を特徴とする請求項１記載の電力コンバータアセンブ
    リ。
  3. 【請求項３】 前記回路ボード構造は、電力コンバータ
    回路の複数の電力変換素子を保持する平坦な回路ボード
    を含むことを特徴とする請求項１記載の電力コンバータ
    アセンブリ。
  4. 【請求項４】 前記電力変換素子は、複数のコアを有す
    る変圧器であって且つ前記ギャップには前記コアのいず
    れもが存在しないことを特徴とする請求項３記載の電力
    コンバータアセンブリ。
  5. 【請求項５】 前記電力変換素子は、半導体コンポーネ
    ントを含むことを特徴とする請求項３記載の電力コンバ
    ータアセンブリ。
  6. 【請求項６】 前記半導体コンポーネントは、ＭＯＳＦ
    ＥＴを含むことを特徴とする請求項１又は請求項５記載
    の電力コンバータアセンブリ。
  7. 【請求項７】 前記半導体コンポーネントは、ダイオー
    ドを含むことを特徴とする請求項１又は請求項５記載の
    電力コンバータアセンブリ。
  8. 【請求項８】 前記平均熱抵抗は、２℃−６．４５ｃｍ
    2／Ｗ（ｉｎ2／Ｗ）より小であることを特徴とする請求
    項１記載の電力コンバータアセンブリ。
  9. 【請求項９】 前記平均熱抵抗は、１℃−６．４５ｃｍ
    2／Ｗ（ｉｎ2／Ｗ）より小であることを特徴とする請求
    項１記載の電力コンバータアセンブリ。
  10. 【請求項１０】 ヒートシンク板と、 前記ヒートシンク板の表面に対向する面を有し且つ前記
    面に近い前記ヒートシンク板からはギャップによって離
    間されている回路ボード構造と、 前記回路ボード構造のコンポーネントと、を含む電力コ
    ンバータアセンブリであって、 前記コンポーネントは電源から電力を受け取ることが可
    能な電力変換回路と負荷側に電力を伝送することが可能
    な電力変換回路とを共に含み、且つ前記コンポーネント
    は前記ヒートシンク板の前記表面に対向する前記回路ボ
    ードの前記面にマウントされた半導体コンポーネントを
    含み、 前記回路ボードは、前記アセンブリによって占有された
    全容積を前記回路ボードと前記ヒートシンク板の間のギ
    ャップ容積と残りの容積とに分割し、前記ギャップ容積
    は前記全容積の２５％より小である、 ことを特徴とする電力コンバータアセンブリ。
  11. 【請求項１１】 前記ヒートシンク板は、平坦であるこ
    とを特徴とする請求項１０記載の電力コンバータアセン
    ブリ。
  12. 【請求項１２】 前記コンポーネントは、電力コンバー
    タ回路の電力変換素子を含むことを特徴とする請求項１
    ０記載の電力コンバータアセンブリ。
  13. 【請求項１３】 前記電力変換素子は、複数のコアを有
    する変圧器であって且つ前記ギャップには前記コアのい
    ずれもが存在しないことを特徴とする請求項１２記載の
    電力コンバータアセンブリ。
  14. 【請求項１４】 前記電力変換素子は、前記半導体コン
    ポーネントを含むことを特徴とする請求項１２記載の電
    力コンバータアセンブリ。
  15. 【請求項１５】 前記半導体コンポーネントは、ＭＯＳ
    ＦＥＴを含むことを特徴とする請求項１０又は請求項１
    ４記載の電力コンバータアセンブリ。
  16. 【請求項１６】 前記半導体コンポーネントはダイオー
    ドを含むことを特徴とする請求項１０又は請求項１４記
    載の電力コンバータアセンブリ。
  17. 【請求項１７】 前記ギャップ容積は、前記全容積の１
    ５％より小であることを特徴とする請求項１０記載の電
    力コンバータアセンブリ。
  18. 【請求項１８】 前記ギャップ容積は、前記全容積の１
    ０％より小であることを特徴とする請求項１０記載の電
    力コンバータアセンブリ。
  19. 【請求項１９】 ヒートシンク板と、 前記ヒートシンク板の表面に対向する面を有し且つ前記
    面に近い前記ヒートシンク板からはギャップによって離
    間されている回路ボード構造と、 前記回路ボード構造のコンポーネントと、を含む電力コ
    ンバータアセンブリであって、 前記コンポーネントは電源から電力を受け取ることが可
    能な電力変換回路と負荷側に電力を伝送することが可能
    な電力変換回路とを共に含み、且つ前記コンポーネント
    は前記ヒートシンク板の前記表面に対向する前記回路ボ
    ードの前記面にマウントされた熱放散半導体コンポーネ
    ントを含み、 前記ギャップは、前記ヒートシンク板の前記表面（ａ）
    と、前記ヒートシンク板の前記表面に対向する前記回路
    ボードの前記面（ｂ）と、（ａ）と（ｂ）の周囲を接続
    し且つ前記ヒートシンク板の前記表面から垂直にかつ上
    側に向かって伸長する周囲面（ｃ）と、によって囲まれ
    ているギャップ容積を有し、 前記上側容積は、前記ヒートシンク板の前記表面（ａ）
    と、前記ヒートシンク板の前記表面に対向しない回路ボ
    ードの面に平行で且つ上方に離間された仮想的な平面で
    あって、他のコンポーネントを横切ることなくコンポー
    ネントの最上面と接する平面（ｂ）と、周囲面（ｃ）
    と、によって囲まれ、 前記ギャップ容積は、前記上側容積の２５％より小であ
    る、 ことを特徴とする電力コンバータアセンブリ。
  20. 【請求項２０】 前記ヒートシンク板は平坦であること
    を特徴とする請求項１９記載の電力コンバータアセンブ
    リ。
  21. 【請求項２１】 前記コンポーネントは、電力コンバー
    タ回路の電力変換素子を含むことを特徴とする請求項１
    ９記載の電力コンバータアセンブリ。
  22. 【請求項２２】 前記電力変換素子は、複数のコアを有
    する変圧器であって且つ前記ギャップには前記コアのい
    ずれもが存在しないことを特徴とする請求項２１記載の
    電力コンバータアセンブリ。
  23. 【請求項２３】 前記電力変換素子は、前記半導体コン
    ポーネントを含むことを特徴とする請求項２１記載の電
    力コンバータアセンブリ。
  24. 【請求項２４】 前記半導体コンポーネントは、ＭＯＳ
    ＦＥＴを含むことを特徴とする請求項１８または請求項
    ２３記載の電力コンバータアセンブリ。
  25. 【請求項２５】 前記半導体コンポーネントは、ダイオ
    ードを含むことを特徴とする請求項１８又は請求項２３
    記載の電力コンバータアセンブリ。
  26. 【請求項２６】 前記ギャップ容積は、前記上側容積の
    １５％より小であることを特徴とする請求項１９記載の
    電力コンバータアセンブリ。
  27. 【請求項２７】 前記ギャップ容積は、前記上側容積の
    １０％より小であることを特徴とする請求項１９記載の
    電力コンバータアセンブリ。
  28. 【請求項２８】 ヒートシンク板と、 前記ヒートシンク板の表面に対向する面を有し且つ前記
    面に近い前記ヒートシンク板からはギャップによって離
    間されている回路ボード構造と、 前記回路ボードのコンポーネントと、を含む電力コンバ
    ータアセンブリであって、 前記コンポーネントは電源から電力を受け取ることが可
    能な電力変換回路と負荷側に電力を伝送することが可能
    な電力変換回路とを共に含み、且つ前記コンポーネント
    は前記ヒートシンク板の前記表面に対向する前記回路ボ
    ードの前記面にマウントされた熱放散半導体コンポーネ
    ントを含み、 仮想容積は、 前記ヒートシンク板の前記表面の一部（ａ）と、前記ヒ
    ートシンク板の前記表面に対向する前記回路ボードの前
    記面（ｂ）と、前記ヒートシンク板の前記表面の一部の
    周囲から上側に伸長し且つ前記ヒートシンク板の前記表
    面と垂直になっている一部周囲表面（ｃ）と、によって
    囲まれている部分的なギャップ容積と、 前記ヒートシンク板の前記表面の一部（ａ）と、前記ヒ
    ートシンク板の前記表面に対向しない回路ボードの面に
    平行で且つ上方に離間された仮想的な平面であって、他
    のコンポーネントを横切ることなくコンポーネントの最
    上面と接する平面（ｂ）と、前記周囲面の一部（ｃ）
    と、によって囲まれている部分的な上側容積と、を含ん
    でいて、 前記部分的なギャップ容積は、前記部分的な上側容積の
    ２５％より小である、 ことを特徴とする電力コンバータアセンブリ。
  29. 【請求項２９】 前記ヒートシンク板は、平坦であるこ
    とを特徴とする請求項２８記載の電力コンバータアセン
    ブリ。
  30. 【請求項３０】 前記コンポーネントは、電力コンバー
    タ回路の電力変換素子を含むことを特徴とする請求項２
    ８記載の電力コンバータアセンブリ。
  31. 【請求項３１】 前記電力変換素子は、複数のコアを有
    する変圧器であって且つ前記ギャップには前記コアのい
    ずれもが存在しないことを特徴とする請求項３０記載の
    電力コンバータアセンブリ。
  32. 【請求項３２】 前記電力変換素子は、前記半導体コン
    ポーネントを含むことを特徴とする請求項３０記載の電
    力コンバータアセンブリ。
  33. 【請求項３３】 前記半導体コンポーネントは、ＭＯＳ
    ＦＥＴを含むことを特徴とする請求項２８又は請求項３
    ２記載の電力コンバータアセンブリ。
  34. 【請求項３４】 前記半導体コンポーネントは、ダイオ
    ードを含むことを特徴とする請求項２８又は請求項３２
    記載の電力コンバータアセンブリ。
  35. 【請求項３５】 前記ギャップ容積は、前記上側容積の
    １５％より小であることを特徴とする請求項２８記載の
    電力コンバータアセンブリ。
  36. 【請求項３６】 前記ギャップ容積は、前記上側容積の
    １０％より小であることを特徴とする請求項２８記載の
    電力コンバータアセンブリ。
  37. 【請求項３７】 ヒートシンク板と、 前記ヒートシンク板の表面に対向する面を有し且つ前記
    面に近い前記ヒートシンク板からはギャップによって離
    間されている回路ボード構造と、 前記回路ボードのコンポーネントと、を含む電力コンバ
    ータアセンブリであって、 前記コンポーネントは、電源から電力を受け取ることが
    可能な電力変換回路と負荷側に電力を伝送することが可
    能な電力変換回路とを共に含み、且つ前記コンポーネン
    トは、前記ヒートシンク板の前記表面に対向する前記回
    路ボードの前記面にマウントされた熱放散半導体コンポ
    ーネントと透過性コアを有する磁気電力変換コンポーネ
    ントとを含み且つ前記ヒートシンク板の前記表面に対向
    する前記回路ボードの前記面には前記透過性コアのいず
    れもが向き合わないことを特徴とする電力コンバータア
    センブリ。
  38. 【請求項３８】 前記ヒートシンク板は平坦であること
    を特徴とする請求項３７記載の電力コンバータアセンブ
    リ。
  39. 【請求項３９】 前記コンポーネントは電力コンバータ
    回路の電力変換素子を含むことを特徴とする請求項３７
    記載の電力コンバータアセンブリ。
  40. 【請求項４０】 前記電力変換素子は、複数のコアを有
    する変圧器であって且つ前記ギャップには前記コアのい
    ずれもが存在しないことを特徴とする請求項３９記載の
    電力コンバータアセンブリ。
  41. 【請求項４１】 前記電力変換素子は、前記半導体コン
    ポーネントを含むことを特徴とする請求項３９記載の電
    力コンバータアセンブリ。
  42. 【請求項４２】 前記半導体コンポーネントは、ＭＯＳ
    ＦＥＴを含むことを特徴とする請求項３７及び請求項４
    １記載の電力コンバータアセンブリ。
  43. 【請求項４３】 前記半導体コンポーネントは、ダイオ
    ードを含むことを特徴とする請求項３７及び請求項４１
    記載の電力コンバータアセンブリ。
  44. 【請求項４４】 前記ギャップ容積は前記上側容積の２
    ５％より小であることを特徴とする請求項３７記載の電
    力コンバータアセンブリ。
  45. 【請求項４５】 前記ギャップ容積は前記上側容積の１
    ５％より小であることを特徴とする請求項３７記載の電
    力コンバータアセンブリ。
  46. 【請求項４６】 前記ギャップ容積は前記上側容積の１
    ０％より小であることを特徴とする請求項３７記載の電
    力コンバータアセンブリ。
  47. 【請求項４７】 ヒートシンク板と、 前記ヒートシンク板の表面に対向する面を有し且つ前記
    面に近い前記ヒートシンク板からはギャップによって離
    間されている回路ボード構造と、 前記ヒートシンク板から離れている前記回路ボードの他
    の面のコンポーネントと、を含む電力コンバータアセン
    ブリであって、 前記コンポーネントは電源から電力を受け取ることが可
    能な電力変換回路と負荷側に電力を伝送することが可能
    な電力変換回路とを共に含み、且つ前記コンポーネント
    は熱放散電力変換回路素子を含み、 前記回路ボードは、前記アセンブリによって占有された
    全高さを、ギャップ高さと残りの高さとに分割し、 前記ギャップ高さは、前記回路ボードの領域に亘って、
    前記ヒートシンク板の前記表面と前記ヒートシンク板の
    前記表面に対向する前記回路ボードの前記面との間の平
    均距離であり、 前記残りの高さは、前記ヒートシンク板の前記表面に対
    向しない前記回路ボードの面と前記ヒートシンク板の前
    記表面に対向しない前記回路ボードの面に平行で且つ上
    方に離間された仮想平面との間の距離であって、前記平
    面は他のコンポーネントと交差することなくコンポーネ
    ントの上側と接触し、 前記ギャップ高さは前記全高さの２５％より小である、
    ことを特徴とする電力コンバータアセンブリ。
  48. 【請求項４８】 前記ギャップ高さは、前記全高さの１
    ５％より小であることを特徴とする請求項４７記載の電
    力コンバータアセンブリ。
  49. 【請求項４９】 前記ギャップ高さは、前記全高さの１
    ０％より小であることを特徴とする請求項４７記載の電
    力コンバータアセンブリ。
  50. 【請求項５０】 表面を有するヒートシンク板と、 前記ヒートシンク板の表面に対向する面を有し且つ前記
    面に近い前記ヒートシンク板からはギャップによって離
    間されている回路ボード構造と、 電源から電力を受け取ることが可能な電力変換回路と負
    荷側に電力を伝送することが可能な電力変換回路とを共
    に含む前記回路ボードのコンポーネントと、を含む電力
    コンバータアセンブリであって、 前記コンポーネントは熱放散電力変換回路素子を含み、
    少なくとも前記コンポーネントの一部は前記ヒートシン
    ク板の前記表面に対向する前記面から離れた回路ボード
    構造の他の面の上の容積を占め、 前記ギャップは前記ヒートシンク板の前記表面と前記ヒ
    ートシンク板の前記表面に対向する前記回路ボードの前
    記面との間のギャップ高さを有し、 全高さは前記ヒートシンク板の前記表面と前記ヒートシ
    ンク板の前記表面に平行であって且つ前記ヒートシンク
    板の前記表面から最も遠く離れたコンポーネントの場所
    に接触する仮想表面との間の距離で定義され、 前記ギャップ高さは前記全高さの２５％より小である、 ことを特徴とする電力コンバータアセンブリ。
  51. 【請求項５１】 前記ギャップ高さは、前記全高さの１
    ５％より小であることを特徴とする請求項４７記載の電
    力コンバータアセンブリ。
  52. 【請求項５２】 前記ギャップ高さは、前記全高さの１
    ０％より小であることを特徴とする請求項４７記載の電
    力コンバータアセンブリ。
  53. 【請求項５３】 相対的に熱密度は高く且つ高さが低い
    熱発生コンポーネント（ａ）と相対的に熱密度は低く且
    つ高さが高い熱発生コンポーネント（ｂ）とを含む電気
    的コンポーネントと、 金属基板と、 前記金属基板に近い回路ボードであって、前記電気的コ
    ンポーネントは前記回路ボード上にマウントされ、少な
    くとも一部の高い熱密度で且つ高さが低いコンポーネン
    トは前記金属基板に対向する前記回路ボードの面にマウ
    ントされ、低い熱密度で且つ高さが高いコンポーネント
    の全部は前記金属基板から離間して対向している前記回
    路ボードの他の面にマウントされている回路ボードと、 前記回路ボードと前記基板の間のギャップ中の封入材
    と、からなる電気回路アセンブリであって、 前記封入材は前記ギャップに亘って３℃−６．４５ｃｍ
    2／Ｗ（ｉｎ2／Ｗ）より小の平均熱抵抗を提供し、 前記回路ボードは前記アセンブリによって占められる全
    容積を前記回路ボードと前記ヒートシンク板との間のギ
    ャップ容積と残りの容積とに分割し、前記ギャップ容積
    は前記全容積の２５％より小になる、 ことを特徴とする電気回路アセンブリ。
  54. 【請求項５４】 前記平均熱抵抗は前記ギャップに亘っ
    て２℃−６．４５ｃｍ2／Ｗ（ｉｎ2／Ｗ）より小である
    ことを特徴とする請求項５３記載の電力コンバータ。
  55. 【請求項５５】 前記平均熱抵抗は前記ギャップに亘っ
    て１℃−６．４５ｃｍ2／Ｗ（ｉｎ2／Ｗ）より小である
    ことを特徴とする請求項５３記載の電力コンバータ。
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