JP2002325468A - パワー変換装置 - Google Patents

パワー変換装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型で放熱特性に優れたパワー変換装置を提
供することを目的とする。 【解決手段】 一方の面で電気的に接続する手段をも
ち、もう一方の面から熱伝導性絶縁材料１５でもって絶
縁しながら熱を伝達する構造をもったパワーデバイス１
を、電気的に接続する面からプリント基板２に実装し、
さらに絶縁しながら熱を伝達する面を放熱器３に直接接
触させることにより、非常に小型で、放熱特性に優れる
パワー変換装置を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、パワーデバイスを
搭載したインバータ装置や電源装置などのパワー変換装
置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、インバータ装置や電源装置等のパ
ワー変換装置は、さらなる小型化、高効率化が求められ
ている。
【０００３】インバータ装置を例にとって説明すると、
電力をモータに伝達するためにＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ
などのパワーデバイスが使用されている。商用電源で動
作するインバータ装置においては、入力電力の約５〜１
０％もの損失が、これらのパワーデバイスで生じるた
め、その放熱を如何にするかが大きな課題であった。
【０００４】ここで従来のパワーデバイスの実装構成の
例について簡単に説明する。図１は従来のパワーデバイ
スの実装構成の１例である。
【０００５】パワーデバイス１は半導体チップ１１、ア
ルミワイヤー１２、封止材料１３、ヒートスプレッダ１
４から成る。パワーデバイス１は電気的接続および放熱
をヒートスプレッダ１４から行うために、放熱と電気接
続および絶縁を同時に行える手段としての金属基板２１
が必要であった。
【０００６】パワーデバイス１は金属基板２１上に実装
されており、放熱は金属基板２１を介して放熱グリース
５を経て放熱器３に行っている。
【０００７】放熱グリースは熱を伝えたいもの同士との
間に空気の層ができてしまい、熱を伝えにくくなってし
まうのを防止するためによく使用されるものである。
【０００８】またプリント基板２に電気的接続を行うた
め、金属基板２１上のパターン２２を経てコネクタ４を
介して接続されている。このような構造はプリント基板
２と金属基板２１との間にデッドスペースができ、小型
化を進めるのに大きな阻害要因であった。
【０００９】図２にもうひとつの従来構成例を示す。こ
れは金属基板の代わりにリードフレーム２３および熱伝
導性絶縁材料１５を用いてパワーデバイスを一体化した
ものであるが、リードフレーム２３によってプリント基
板との電気的接続を得る構成は同じであり、プリント基
板との間にデッドスペースが残ってしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】このように、パワーデ
バイスとプリント基板を電気的接続するための構造が小
型化への障害となっていた。
【００１１】また小型化したとしても、機器全体で発生
する損失が同じであれば、通常機器を小型化した分だけ
放熱面積が減少し、放熱効率は悪くなるため、機器を小
型化すればするほどより良い放熱効率が必要になってし
まう。
【００１２】本発明は上記課題を解決するもので、小型
でかつ高熱伝導なパワー変換装置を提供することを目的
とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明は、一方の面に半導体チップを電気的に接続
する電極部を備え、反対の面に前記半導体チップで発生
した熱を絶縁しながら伝達する熱伝導性絶縁部をもった
パワーデバイスをプリント基板に実装して電極部を接続
し、パワーデバイスの熱伝導性絶縁部を放熱器に直接接
触させて放熱させることにより、非常に小型で、高熱伝
導なパワー変換装置を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照しながら説明する。
【００１５】（第１実施形態）図３は本発明の第１実施
形態における断面図を示すものである。
【００１６】図３において、４０がパワーデバイスを示
し、そのパワーデバイスは以下の構成要素から成る。４
１が半導体チップ、４２が半導体チップ電極をプリント
基板２に接続するための電極、４３が半導体チップで発
生した熱を拡散するヒートスプレッダ、４４が電極を兼
ねた突起、４５が熱伝導性絶縁材料、４６は半導体チッ
プを保護する封止材料である。４７はサポートでパワー
デバイス４０を実装したプリント基板２を放熱器３に固
定し、かつパワーデバイス４０を放熱器３に密着させる
ための支持である。５は放熱グリースでパワーデバイス
４０と放熱器３との間に空気の層ができてしまい、熱を
伝えにくくするのを防止する。７は絶縁封止材料で、プ
リント基板上の絶縁確保のためプリント基板を覆うよう
に設置される。
【００１７】半導体チップ４１は熱的に強く結合させる
ためにヒートスプレッダ４３に通常鑞づけされている。
そのため半導体チップ４１が縦型半導体の場合、半導体
チップの背面に電極があるためこれをヒートスプレッダ
４３と突起４４を介してプリント基板２に電気的に接続
することができる。もちろん縦型半導体ではない場合、
これを電極として使用しなくてもよい。さらに突起４４
の出っ張り長さを規定することによってパワーデバイス
４０をプリント基板２に実装する際のパワーデバイスの
厚み精度を確保することができ、パワーデバイスを数個
並べて配置してもバラツキなくしっかり放熱器３と接触
できるように設置できる。
【００１８】また突起４４はヒートスプレッダ４３に突
起を接続して作成してもよいが、ヒートスプレッダ４３
からプレスで作成するなど一体構造で作成すれば精度良
くかつ低コストで突起を作成することができる。
【００１９】電極４２は半導体チップ４１の電極をパワ
ーデバイス４０の上面からプリント基板の電極２３に接
続する役割をもつが、従来の構成に比べ、きわめて電気
的接続の距離が短いことがわかる。電極４２と半導体チ
ップ４１との接続は通常固層拡散接合で接合されるが、
鑞づけ等の他の手段であってもよい。
【００２０】下面から半導体チップ４１の発熱を放熱器
３に電気的に絶縁しながら伝える、熱伝導性絶縁材料４
５は絶縁性と熱伝導を兼ね備えた材料が必要となる。絶
縁性と熱伝導率は相反する物性のため両方の特性が優れ
ているものは高価な材料となってしまうが、材料特性と
して絶縁耐圧１５ｋＶ／ｍｍ、熱伝導率２Ｗ／ｍＫ程度
の特別に優れていない材料であってもこの構造を活かし
小型で高熱伝導のパワー変換装置を得ることができる。
また熱伝導性絶縁材料４５を放熱器側だけでなく、ヒー
トスプレッダの全体を覆うように側面にも充填すると、
隣接するパワーデバイス同士の絶縁を取ることができ
る。
【００２１】また封止材料４６に熱伝導の悪い断熱材料
を使用すれば、パワーデバイス４０の発熱をプリント基
板２には伝えにくく、選択的に放熱器３の方に放熱させ
ることもできる。
【００２２】（第２実施形態）図４は本発明の第２実施
形態における断面図を示す。
【００２３】第１実施形態における電極４２は、半導体
チップに直接接していて熱的ストレスを受けやすい構造
であるため、電極を柔らかいバネ構造にすることによ
り、さらなるストレス耐量を実現するものである。
【００２４】バネ電極４２ａだけではプリント基板の支
持が難しいため、突起４４で構造的な強度をもたせつ
つ、ストレス回避できうる構造とする。
【００２５】またバネ電極４２ａはワイヤーでバネ構造
を実現しているため構造が簡易である。さらにバネ構造
によるストレス回避能力を低下させないために絶縁封止
材料７はシリーコーンゴムのような弾性を備えた材料と
するのがよい。
【００２６】（第３実施形態）図５は本発明の第３実施
形態における断面図を示す。
【００２７】第２実施形態における電極４２ａをバネ状
成型電極４２ｂとしたものである。ワイヤーでバネ構造
を実現する場合に比べ電極の位置精度を良くすることが
できる。
【００２８】（第４実施形態）図６は第２実施形態にお
ける電極４２ａをフィルム配線基板４２ｃとしたもので
ある。フィルム配線基板の基材は耐熱性や信頼性の高い
ボリイミドなどがよい。フィルム配線基板によってさら
に柔軟性を得られ、ストレス耐量を大きくできる。また
一つの配線基板で２つ以上の電極、たとえばゲート電極
とエミッタ電極を同時に配線することもでき、プリント
基板への実装を容易にすることができる。
【００２９】（第５実施形態）図７は第１実施形態にお
いてパワーデバイス４０と放熱器３の間に弾力性があり
かつ熱伝導率がよいシート６を放熱グリースの代わりに
挿入したものである。シートの弾力性により、外力や振
動や熱によるより大きなストレスを回避することができ
る。挿入するものはシートでなくても、弾力性があり熱
伝導がよいものであればよい。
【００３０】（第６実施形態）図８は第１実施形態にお
ける熱伝導性絶縁材料４５をパワーデバイス４０側では
なく、放熱器３側に設置したものである。このような構
造にすることにより、パワーデバイス個々に絶縁材料で
覆う必要がないため、製造コスト低減に寄与できる。
【００３１】（第７実施形態）図９は第６実施形態にお
ける熱伝導性絶縁材料４５を放熱器３に埋め込む構造と
したものである。このような構造にすることにより、熱
伝導性絶縁材料４５を形成する際に、放熱器そのものを
金型として利用することができると同時に、熱伝導性絶
縁材料４５の厚みを放熱器の厚みの中に取り込むことが
でき、さらなるパワー変換装置の小型化に寄与する。
【００３２】（第８実施形態）図１０は第６実施形態に
おける絶縁封止材料７の代わりに熱伝導性絶縁材料４５
で基板を覆う構造としたものである。このような構造に
することにより、絶縁封止材料７を廃止できるため、工
程を削減でき、製造コスト低減に寄与できる。
【００３３】なお、各実施の形態で説明したパワー変換
装置により駆動するインバータ装置を有するモータ駆動
装置で、エアコンディショナーのコンプレッサモータ
や、エアコンディショナーのファンモータや、洗濯機の
洗濯脱水槽あるいは洗濯脱水槽に取り付けられた回転翼
を回転させるモータや、冷蔵庫のコンプレッサモータ
や、冷蔵装置のファンモータや、掃除機のファンモータ
を駆動するとよい。また、これらのパワー変換装置を用
いて電源装置を構成してもよく、この電源装置をマグネ
トロンを駆動する電子レンジ、蛍光管を駆動する照明装
置、インダクションヒーターを駆動する電磁調理器具、
ディスプレイを駆動するディスプレイ装置に用いるとよ
い。また、これらのパワー変換装置をプラズマディスプ
レイパネルを駆動するディスプレイ装置に用いてもよ
い。
【００３４】
【発明の効果】以上のように、本発明はパワーデバイス
の一方の面に電気的接続、反対の面に熱的接続というよ
うに電気的接続と放熱を分離した構造により電気的にも
熱的にもそれぞれ最短で接続できるため、非常に小型で
かつ高熱伝導なパワー変換装置を提供できる。
【００３５】またさらにパワーデバイスからプリント基
板への電気的接合の距離を従来の場合と比べ大幅に削減
することができるため、回路上の浮遊容量・自己インダ
クタンスを激減し、ノイズ発生量の低減やスイッチング
のリンギングによるスイッチング損失を低減することが
できる。また、電気的接合の距離を削減することにより
電気抵抗を著しく低減させることができるため、電気抵
抗と電流によるジュール熱による損失を大幅に削減で
き、電気機器の効率改善に大きく寄与するものである。
【００３６】さらに本発明は高価な金属基板や、巨額の
金型費を投じなければ製造できないリードフレームを利
用することなく、安価に、非常に小型でかつ高熱伝導で
低抵抗なパワー変換装置を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のパワーデバイスの実装構成の１例を示す
図
【図２】従来のパワーデバイスの実装構成の１例を示す
図
【図３】本発明の第１実施形態における断面図
【図４】本発明の第２実施形態における断面図
【図５】本発明の第３実施形態における断面図
【図６】本発明の第４実施形態における断面図
【図７】本発明の第５実施形態における断面図
【図８】本発明の第６実施形態における断面図
【図９】本発明の第７実施形態における断面図
【図１０】本発明の第８実施形態における断面図
【符号の説明】
１ パワーデバイス ２ プリント基板 ３ 放熱器 １１ 半導体チップ １５ 熱伝導性絶縁材料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２５Ｄ 29/00 Ｆ２５Ｄ 29/00 Ｚ ５Ｆ０３６ Ｈ０１Ｌ 23/34 Ｈ０１Ｌ 23/34 Ａ ５Ｈ００７ 23/48 23/48 Ｊ Ｌ Ｈ０５Ｂ 6/12 ３０４ Ｈ０５Ｂ 6/12 ３０４ 6/66 6/66 Ａ (72)発明者 登 一博 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 池田 敏 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 山下 裕平 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 3B057 DA01 3B155 AA10 BB18 HB10 HC05 HC07 LC15 MA02 3K051 AA04 AD03 AD35 3K086 AA06 AA08 DB03 FA04 3L045 AA05 NA01 NA03 5F036 AA01 BB01 BB08 BB21 BC17 5H007 AA06 BB06 CA01 CA02 HA00 HA03 HA04 HA05

Claims (37)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一方の面に半導体チップを電気的に接続
    する電極部をもち、反対の面に前記半導体チップで発生
    した熱を絶縁状態で伝導する熱伝導性絶縁部を有するパ
    ワーデバイスを備えたパワー変換装置。
  2. 【請求項２】 構造的な支持を行うと同時に厚み精度を
    確保する突起部をヒートスプレッダ上に設けたパワーデ
    バイスを有する請求項１記載のパワー変換装置。
  3. 【請求項３】 突起部を電極としても利用するパワーデ
    バイスを備えた請求項２記載のパワー変換装置。
  4. 【請求項４】 突起部をヒートスプレッダの一部として
    一体形成したパワーデバイスを備えた請求項２記載のパ
    ワー変換装置。
  5. 【請求項５】 半導体チップから電気的接続を行う電極
    にバネ性をもたせたパワーデバイスを備えた請求項２記
    載のパワー変換装置。
  6. 【請求項６】 電極にワイヤーを使用する請求項５記載
    のパワー変換装置。
  7. 【請求項７】 電極にバネ状成型電極を使用する請求項
    ５記載のパワー変換装置。
  8. 【請求項８】 電極にフィルム配線基板を使用する請求
    項５記載のパワー変換装置。
  9. 【請求項９】 電極部側の面に断熱材料を備えた請求項
    １記載のパワー変換装置。
  10. 【請求項１０】 パワーデバイスと電気的に接続するプ
    リント基板と、前記パワーデバイスの熱伝導性絶縁部と
    接する放熱器と、放熱器と連結しプリント基板を支持す
    るサポートを備えた請求項２記載のパワー変換装置。
  11. 【請求項１１】 突起部を電極としても利用するパワー
    デバイスを備えた請求項１０記載のパワー変換装置。
  12. 【請求項１２】 突起部をヒートスプレッダの一部とし
    て一体形成したパワーデバイスを備えた請求項１０記載
    のパワー変換装置。
  13. 【請求項１３】 半導体チップから電気的接続を行う電
    極にバネ性をもたせたパワーデバイスを備えた請求項１
    ０記載のパワー変換装置。
  14. 【請求項１４】 電極にワイヤーを使用する請求項１３
    記載のパワー変換装置。
  15. 【請求項１５】 電極にバネ状成型電極を使用する請求
    項１３記載のパワー変換装置。
  16. 【請求項１６】 電極にフィルム配線基板を使用する請
    求項１３記載のパワー変換装置。
  17. 【請求項１７】 電極部側の面に断熱材料を備えた請求
    項１０記載のパワー変換装置。
  18. 【請求項１８】 請求項１０記載のパワー変換装置であ
    って、パワーデバイスと放熱器の間に弾力性がある熱伝
    導材料を備えたパワー変換装置。
  19. 【請求項１９】 弾力性熱伝導材料の熱伝導率を１Ｗ／
    ｍＫ以上にした請求項１８記載のパワー変換装置。
  20. 【請求項２０】 熱伝導性絶縁部の材料特性として絶縁
    耐圧１５ｋＶ／ｍｍ以上、熱伝導率２Ｗ／ｍＫ以上にし
    た請求項１記載のパワー変換装置。
  21. 【請求項２１】 一方の面で半導体チップを電気的に接
    続する電極部をもち、反対の面に前記半導体チップで発
    生した熱を伝導する熱伝導部を有するパワーデバイスを
    備え、前記パワーデバイスと電気的に接続するプリント
    基板と、放熱器と連結しプリント基板を支持するサポー
    トを有し、前記パワーデバイスの熱伝導部と接する放熱
    器の接触面に熱伝導性絶縁部を備えたパワー変換装置。
  22. 【請求項２２】 熱伝導性絶縁部を放熱器に埋め込んだ
    請求項２１記載のパワー変換装置。
  23. 【請求項２３】 一方の面で半導体チップを電気的に接
    続する電極部をもち、反対の面に前記半導体チップで発
    生した熱を伝導する熱伝導部を有するパワーデバイスを
    備え、前記パワーデバイスと電気的に接続するプリント
    基板と、放熱器と連結しプリント基板を支持するサポー
    トを有し、前記プリント基板と前記パワーデバイス全体
    を熱伝導性絶縁材料で覆ったパワー変換装置。
  24. 【請求項２４】 請求項１、請求項２１、請求項２３記
    載のパワー装置を有するインバータ装置。
  25. 【請求項２５】 請求項２４記載のインバータ装置を備
    え、このインバータ装置によりモータを駆動するモータ
    駆動装置。
  26. 【請求項２６】 請求項１、請求項２１、請求項２３記
    載のいづれかのパワー変換装置を備えた電源装置。
  27. 【請求項２７】 請求項２５記載のモータ駆動装置を備
    え、このモータ駆動装置によりコンプレッサモータを駆
    動するエアコンディショナー。
  28. 【請求項２８】 請求項２５記載のモータ駆動装置を備
    え、このモータ駆動装置によりファンモータを駆動する
    エアコンディショナー。
  29. 【請求項２９】 請求項２５記載のモータ駆動装置を備
    え、このモータ駆動装置により洗濯脱水槽あるいは洗濯
    脱水槽に取り付けられた回転翼を回転させるモータを駆
    動する洗濯機。
  30. 【請求項３０】 請求項２５記載のモータ駆動装置を備
    え、このモータ駆動装置によりコンプレッサモータを駆
    動する冷蔵装置。
  31. 【請求項３１】 請求項２５記載のモータ駆動装置を備
    え、このモータ駆動装置によりファンモータを駆動する
    冷蔵装置。
  32. 【請求項３２】 請求項２５記載のモータ駆動装置を備
    え、このモータ駆動装置によりファンモータを駆動する
    掃除機。
  33. 【請求項３３】 請求項２６記載の電源装置を備え、こ
    の電源装置によりマグネトロンを駆動する電子レンジ。
  34. 【請求項３４】 請求項２６記載の電源装置を備え、こ
    の電源装置により蛍光管を駆動する照明装置。
  35. 【請求項３５】 請求項２６記載の電源装置を備え、こ
    の電源装置によりインダクションヒーターを駆動する電
    磁調理器具。
  36. 【請求項３６】 請求項２６記載の電源装置を備え、こ
    の電源装置によりディスプレイを駆動するディスプレイ
    装置。
  37. 【請求項３７】 請求項１、請求項２１、請求項２３記
    載のパワー変換装置を備え、、このパワー変換装置によ
    りプラズマディスプレイパネルを駆動するディスプレイ
    装置。
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