JP2006180597A - 回転電機における半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て方法および回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却を要する半導体半導体スイッチング素子の放熱性を向上し、限られた空間内にサイズを小さくしてヒートシンクを配設することし、限られた空間内に配設される回転電機に求められている小型化を図る。
【解決手段】ヒートシンク５０上に半導体半導体スイッチング素子４１のベアチップ４１Ｂを良熱伝導接合材２００で接合する第１の工程と、ベアチップ４１Ｂを配線部３０１，３０２にワイヤボンディング４００する第２の工程と、ベアチップ４１Ｂおよび配線部３０１，３０２を封止する樹脂５００を、配線部３０１，３０２の出力端子部3011,3021およびヒートシンク５０のフィン５０Ｆが樹脂５００の外に露出させて、ヒートシンク５０に跨って施す第３の工程と、を有する回転電機における半導体半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て方法。
【選択図】図６

Description

この発明は、電気自動車、ハイブリッド車、アイドリングストップ車、他、限られた空間に搭載される回転電機における半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て方法および回転電機に関するものである。

近年、地球温暖化防止を背景にCO2の排出量削減が求められている。特に車両停止時のアイドリングストップ、減速走行中のエネルギー回生、加速走行中のトルクアシストにより、燃費性能の向上を図り、電気自動車、ハイブリッド車およびアイドリングストップ車に開発、実用化が進められている。

特開平８−２８９５０５号公報（特許文献１）に記載されているように、半導体スイッチング素子を備えた制御装置一体型モータにおける制御装置構造は、半導体スイッチング素子が、回路パターンが形成され、絶縁層が備えられた放熱性の高い金属をベースとした基板に実装されている。
そして上記基板は、冷却性能を向上させるため、グリスを介してヒートシンクにネジ止等により取り付けられている。

一般的に、制御装置内は、図１１に示すように、パッケージ化された半導体スイッチング素子４１Ｐが、Al等による金属ベース板、銅等によるパターン600a、絶縁層600b、金属ベース板600cから構成される金属基板６００に、はんだ５２接合される。前記半導体スイッチング素子４１Ｐの形態は、チップがヒートスプレッダに接続され、個々に樹脂にてパッケージ化されている。前記パッケージ化された半導体スイッチング素子４１Ｐが実装された金属基板６００は、グリス６０１を介してヒートシンク５０にネジ止めされ接続されている。

特開平８−２８９５０５号公報（図１〜５及びその説明）

例えば、自動車用の制御装置一体型の電動発電機の場合について例示すれば、以下のような各種の解決しいていくべき課題がある。

モータ制御装置と電動発電機を接続するにあたり、制御装置と電動発電機間が別離、特に遠く離れてしまうと配線長が大きくなり、それにより配線抵抗が大きくなり、電圧降下が大きくなるので、所望のトルク特性、回転数を得ることが難しくなる。

また、配線長大により、重量アップ、コストアップという問題にもつながる。

エンジンルーム内という限られた設置空間においては、電動発電機を設置するスペースの確保は非常に困難であると同時に、電動発電機内に制御装置を内蔵させるためには、制御装置全体構造の小型化を図る必要がある。

制御装置内においては、特に主回路用のパワー半導体スイッチング素子等の発熱量の大きい半導体素子は、冷却する必要があり、その半導体素子を冷却するためのヒートシンク（放熱器）のサイズが大きくなってしまい制御装置の体積の大部分を占めるまでになっている。今後、予想される高出力仕様に対応するためには、ヒートシンクサイズが大きくなり、電動発電機内に納めることが出来ない。

従来、半導体素子を金属基板に実装し、次にこの基板をグリスを介してヒートシンクに取り付けている。基板内において熱伝導率が小さい絶縁層が介在するため、熱抵抗が大きくなり、放熱性が極度に低下するため、ヒートシンクを大きくしなければならなく、電動発電機内に収めることは困難であった。

また、電動発電機で用いられる半導体素子は、特に損失量が大きく、熱容量を要す。この金属基板は、絶縁材の一部に、フィラーとしてシリカが入っており、また他に高級な材料を使用しているため、高コストとなっていた。

また、基板をヒートシンクに取付けるため、グリス塗布工程、ネジ止等が必要となり、生産効率が好ましくなかった。

半導体素子をヒートシンクに直付けすると、ヒートシンクは電極を有してしまい、各電極に対し絶縁性を確保するのが難しくなっていた。

また周囲の部品接続部に対して、接続・配線が複雑となり困難であった。

生産性を向上させる必要があり、また、低コスト化を追求する必要がある。

この発明は、前述のような実情に鑑みてなされたもので、回転電機部、この回転電機部の通電制御を行うスイッチング回路部、及びこのスイッチング回路部を構成する半導体半導体スイッチング素子を冷却するヒートシンクを備え、前記スイッチング回路部および前記ヒートシンクが前記回転電機部に搭載された回転電機において、冷却を要する半導体半導体スイッチング素子の放熱性を向上し、限られた空間内にサイズを小さくしてヒートシンクを配設することし、限られた空間内に配設される回転電機に求められている小型化を図ることを目的とするものである。

この発明に係る回転電機における半導体半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て方法は、回転電機部、この回転電機部の通電制御を行うスイッチング回路部、及びこのスイッチング回路部を構成する半導体半導体スイッチング素子を冷却するヒートシンクを備え、前記スイッチング回路部および前記ヒートシンクが前記回転電機部に搭載された回転電機における半導体半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て方法であって、前記ヒートシンク上に前記半導体半導体スイッチング素子のベアチップを良熱伝導接合材で接合する第１の工程と、前記ベアチップを配線部にワイヤボンディングする第２の工程と、前記ベアチップおよび前記配線部を封止する樹脂を、前記配線部の出力端子部および前記ヒートシンクのフィンが前記樹脂の外に露出させて、前記ヒートシンクに跨って施す第３の工程と、を有するものである。

この発明による回転電機における半導体半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て方法は、回転電機部、この回転電機部の通電制御を行うスイッチング回路部、及びこのスイッチング回路部を構成する半導体半導体スイッチング素子を冷却するヒートシンクを備え、前記スイッチング回路部および前記ヒートシンクが前記回転電機部に搭載された回転電機における半導体半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て方法であって、前記ヒートシンク上に前記半導体半導体スイッチング素子のベアチップを良熱伝導接合材で接合する第１の工程と、前記ベアチップを配線部にワイヤボンディングする第２の工程と、前記ベアチップおよび前記配線部を封止する樹脂を、前記配線部の出力端子部および前記ヒートシンクのフィンが前記樹脂の外に露出させて、前記ヒートシンクに跨って施す第３の工程と、を有しているので、ヒートスプレッダが不要となり、半導体半導体スイッチング素子を回路パターンや絶縁層を備えた金属基板を介さずヒートシンクに良熱伝導接合材で接合することから銅や絶縁層分の熱抵抗がなくなり、よって、冷却を要する半導体半導体スイッチング素子の放熱性が向上し、限られた空間内にサイズを小さくしてヒートシンクを配設することが可能となり、限られた空間内に配設される回転電機に求められている小型化を図ることができる。

実施の形態１．
以下この発明の実施の形態１を図１〜図５により説明する。図１は回転電機の構造の事例を示す縦断側面図、図２は回転電機の動作を説明するための概略回路の事例を示す図、図３は回転電機のヒートシンクの配置例を示す平面図、図４は回転電機のリヤ側からみた事例を示す平面図、図５は半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て後の構造の事例を断面で示す縦断側面図、図６は半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て後の構造の事例を断面で示す縮小横断平面図である。なお、各図中、同一符合は同一部分を示す。

図１、図３および図４において、回転電機部２は、フロントブラケット１０およびリヤブラケット１１からなるケース１００と、該ケースに支持用ベアリング１２を介して回転自在に配設されている回転軸１３と、ブラシ１４と、該回転軸１３に固定され前記ブラシ１４を介して給電される界磁巻線２１を有する回転子１５と、前記ケース１００に固定されて前記回転子１５を囲むように配設されると共に電機子巻線２４を有する固定子１６と、前記回転子１５の軸方向の両端面に固定された遠心ファンからなるファン１７と、前記回転軸１３のフロント側に固着されたプーリ１８を備えている。そして、この回転電機部２は前記プーリ１８およびベルト（図示省略）を介してエンジンの回転軸（図示省略）に連結されている。

本実施の形態では、前記回転電機部２に一体的あるいは近接してパワー素子ユニットからなるスイッチング回路部４が設置されている。前記リヤブラケット１１のリヤ側には、前記スイッチング回路部４を構成する複数の半導体スイッチング素子４１と、各半導体スイッチング素子４１が取り付けられたヒートシンク５０ＵＩ、５０ＵＯ、５０ＶＩ、５０ＶＯ、５０ＷＩ、５０ＷＯが設置されている。これらヒートシンク５０ＵＩ、５０ＵＯ、５０ＶＩ、５０ＶＯ、５０ＷＩ、５０ＷＯが放熱装置５０を構成する。なお、符号５０ＵＩ、５０ＵＯ、５０ＶＩ、５０ＶＯ、５０ＷＩ、５０ＷＯにおけるＵ，Ｖ，Ｗは、後述の３相交流におけるＵ相、Ｖ相、Ｗ相を意味し、Ｉは前記回転軸１３の径方向内側を、Ｏは前記回転軸１３の径方向外側を、それぞれ意味する。

前記ヒートシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩの各々の、前記径方向の外側の直線状基部５０Ｂの平面に複数個の前記半導体スイッチング素子４１が装着され、前記径方向の内側には、自己の半導体スイッチング素子４１の発熱を伝導し冷却風に放熱するための熱伝達面を形成する多数のフィンからなる放熱部５０ＦＩが形成されている。なお、前記放熱部５０ＦＩの多数のフィンは、前記回転軸１３の長手方向（軸線の延在方向）即ち冷却風が流れる方向、及び前記径方向に平行に延在し、また、各フィンの前記回転軸１３側の端面と前記回転軸１３の外周面との間の間隔は同じ間隔としてある。

前記ヒートシンク５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯの各々の、前記径方向の内側の直線状基部５０Ｂの平面に複数個の前記半導体スイッチング素子４１が装着され、前記径方向の外側には、自己の半導体スイッチング素子４１の発熱を伝導し冷却風に放熱するための熱伝達面を形成する多数のフィンからなる放熱部５０ＦＯが形成されている。なお、前記放熱部５０ＦＩの多数のフィンは、前記回転軸１３の長手方向（軸線の延在方向）即ち冷却風が流れる方向、及び前記径方向に平行に延在し、また、各フィンの、後述のインサートケース１９の内周面側の端面と前記インサートケース１９の内周面との間の間隔は同じ間隔としてある。

なお、前記ヒートシンク５０ＵＩ、５０ＵＯは、何れもＵ相用のヒートシンクであり、各ヒートシンクの複数の半導体スイッチング素子４１は、後述の図２におけるＵ相用の半導体スイッチング素子である。同様に、前記ヒートシンク５０ＶＩ、５０ＶＯは、何れもＶ相用のヒートシンクであり、各ヒートシンクの複数の半導体スイッチング素子４１は、後述の図２におけるＶ相用の半導体スイッチング素子である。同様に、前記ヒートシンク５０ＷＩ、５０ＷＯは、何れもＷ相用のヒートシンクであり、各ヒートシンクの複数の半導体スイッチング素子４１は、後述の図２におけるＷ相用の半導体スイッチング素子である。

前記スイッチング回路部４のリヤ側には、スイッチング回路部４の各半導体スイッチング素子をスイッチング制御して前記回転電機部への通電制御を司る制御回路４４が組み込まれた制御回路基板４４aを搭載するインサートケース１９、およびこのインサートケース１９のリヤ側の開口を覆うカバー２０が配設されている。

前記インサートケース１９は、前記回転軸１３と同軸状の円筒状の外周壁部１９１と、前記回転軸１３と前記外周壁部１９１とに跨って前記径方向に延在する仕切り壁部１９２とで構成され、前記リヤブラケット１１その他に固定される。

前記外周壁部１９１は、前記ヒートシンク５０ＵＩ、５０ＵＯ、５０ＶＩ、５０ＶＯ、５０ＷＩ、５０ＷＯ、前記ブラシ１４、および前記電機子巻線２４の口出し線２４１Ｕ，２４１Ｖ，２４１Ｗを囲繞している。つまり、前記ヒートシンク５０ＵＩ、５０ＵＯ、５０ＶＩ、５０ＶＯ、５０ＷＩ、５０ＷＯおよび前記ブラシ１４は、前記外周壁部１９１と前記回転軸１３との間の空間における前記径方向の共通平面内に位置するように配設されている。

前記制御回路４４は、前記外周壁部１９１と仕切り壁部１９２と前記カバー２０とから囲まれる空間内に配設され外部環境から遮蔽されている。

前記カバー２０には、図４に示すように、前記ヒートシンク５０ＵＩ、５０ＵＯ、５０ＶＩ、５０ＶＯ、５０ＷＩ、５０ＷＯの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＩ，５０ＦＩ，５０ＦＯ，５０ＦＯ，５０ＦＯの各々に、前記回転軸１３の長手方向に直接対向する冷却風吸入口２０１が設けられている。前記仕切り壁部１９２にも、前記冷却風吸入口２０１と前記回転軸１３の長手方向に重なる通風孔１９２１が、前記ヒートシンク５０ＵＩ，５０ＵＯ，５０ＶＩ，５０ＶＯ，５０ＷＩ，５０ＷＯの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＩ，５０ＦＩ，５０ＦＯ，５０ＦＯ，５０ＦＯの各々に、前記回転軸１３の長手方向に直接対向するように設けられている。

また、図４に点線で示すように、前記リヤブラケット１１には、前記ヒートシンク５０ＵＩ，５０ＵＯに対応する通風孔１１１Ｕ、前記ヒートシンク５０ＶＩ，５０ＶＯに対応する通風孔１１１Ｖ、前記ヒートシンク５０ＷＩ，５０ＷＯに対応する通風孔１１１Ｗが設けられている。

回転電機は、前記回転電機部２と、この回転電機部２の通電制御を行うスイッチング回路部４（図２により後述する）と、このスイッチング回路部４を構成する複数個の半導体スイッチング素子４１を冷却する放熱装置５０を備えており、前記放熱装置５０が、前記回転電機部２の回転軸１３を囲む共通面内に前記回転軸１３の周方向に前記回転軸１３を囲むように並設され夫々前記複数個の半導体スイッチング素子４１が分散して装着された複数個のヒ−トシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩ（５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯ）で構成されている。換言すれば、前記ヒ−トシンクが周方向に複数個（５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩ（５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯ））に分割され、略周方向全体に配設されている。従って、冷却風を通風させる際の圧力損失を低減させ冷却風量の低下を抑えることができ，半導体スイッチング素子４１の冷却性が向上する。また、通風抵抗に伴う風騒音も抑制できる。

前記回転軸１３の周方向に相隣るヒ−トシンク間（５０ＵＩと５０ＶＩとの間、５０ＶＩと５０ＷＩとの間、５０ＷＩと５０ＵＩとの間（５０ＵＯと５０ＶＯとの間、５０ＶＯと５０ＷＯとの間、５０ＷＯと５０ＵＯとの間））に空間SPACEが形成され、この空間SPACE内に前記回転電機部２の口出し線２４１が配設されている。従って、回転軸１３の周りの空間を有効に活用でき、径方向の小型化を図れる。

前記回転電機部２の回転子１５へ給電するブラシ１４と前記複数個のヒ−トシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩ（５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯ）とが、前記回転電機部２の回転軸１３を囲む共通面内に前記回転軸１３の周方向に前記回転軸１３を囲んで並設されている。従って、回転軸１３の周りの空間を有効に活用でき、径方向の小型化を図れる。

前記回転軸１３の周方向に前記回転軸１３を囲むように並設され夫々前記複数個の半導体スイッチング素子４１が分散して装着された複数個のヒ−トシンクが、前記回転軸の径方向に並設（５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩと５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯ）されている。換言すれば、前記ヒートシンクが径方向に複数個（５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩと５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯ）に分割され，略径方向全体に配設されている。従って、冷却風を通風させる際の圧力損失を低減させ冷却風量の低下を抑えることができ、半導体スイッチング素子４１の冷却性が向上する。また、通風抵抗に伴う風騒音も抑制できる。

前記回転軸１３の周方向に並設の各ヒ−トシンク（５０ＵＩと５０ＶＩと５０ＷＩ、５０ＵＯと５０ＶＯと５０ＷＯ）の形状は合同あるいは相似であり、前記回転軸１３の径方向に並設の各ヒ−トシンク（５０ＵＩと５０ＵＯ、５０ＶＩと５０ＶＯ、５０ＷＩと５０ＷＯ）の形状は非合同および非相似である。従って、周方向には半導体スイッチング素子４１の冷却性が均一となり、径方向には風路構造に応じてヒートシンク形状を変えることにより冷却性を均一にすることができる．さらに、冷却風を通風させる際の圧力損失も均一となり風量低下や風騒音の悪化を抑えることができる。

前記回転軸１３の径方向に相隣るヒ−トシンク間（５０ＵＩと５０ＵＯとの間、５０ＶＩと５０ＶＯとの間、５０ＷＩと５０ＷＯとの間）に空間SPACEが形成され、この空間SPACE内に該相隣る各ヒ−トシンクに装着の前記半導体スイッチング素子４１が配設されている。従って、各ヒ−トシンク５０ＵＩ，５０ＵＯ，５０ＶＩ，５０ＶＯ，５０ＷＩ，５０ＷＯの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯの冷却風量が増加し、半導体スイッチング素子４１の冷却性が向上する。

前記ヒ−トシンク５０ＵＩ，５０ＵＯ，５０ＶＩ，５０ＶＯ，５０ＷＩ，５０ＷＯを冷却する冷却風の風路が各ヒ−トシンク毎に対応して設けられ、各風路内に対応ヒ−トシンクの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯが位置している。従って、冷却風路もヒートシンクに合わせて前記周方向に並設され、冷却風を通風させる際の圧力損失を低減させ、冷却風量の低下を抑えることができ、半導体スイッチング素子の冷却性が向上する。また、通風抵抗に伴う風騒音も抑制できる。

前記ヒ−トシンクの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯが位置している風路の冷却風通風抵抗より、前記回転軸１３の周方向に相隣るヒ−トシンク間の空間SPACEの冷却風通風抵抗は大きくしてある。従って、前記回転軸１３の周方向に相隣るヒ−トシンク間の冷却に寄与しない空間SPACEに冷却風が流れ込みヒートシンクの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯに流れる冷却風量が低下するのを防ぐことができ、その分、ヒートシンクの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯに流れる冷却風量が多くなり、半導体スイッチング素子の冷却性が向上する。

前記ヒ−トシンクの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯが位置している風路の冷却風通風抵抗より、前記回転軸１３の径方向に相隣るヒ−トシンク間の空間SPACEの冷却風通風抵抗は大きくしてある。従って、前記回転軸１３の径方向に相隣るヒ−トシンク間の冷却に寄与しない空間SPACEに冷却風が流れ込みヒートシンクの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯに流れる冷却風量が低下するのを防ぐことができ、その分、ヒートシンクの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯに流れる冷却風量が多くなり、半導体スイッチング素子の冷却性が向上する。

前記各ヒ−トシンク５０ＵＩ，５０ＵＯ，５０ＶＩ，５０ＶＯ，５０ＷＩ，５０ＷＯは、前記回転軸１３の回転中心を回転中心とする遠心ファン１７が生起する冷却風によって冷却され、前記径方向外側のヒ−トシンク５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯを冷却する前記冷却風の冷却風通風抵抗より、前記径方向内側のヒ−トシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩを冷却する前記冷却風の冷却風通風抵抗を大きくしてある。従って、ファン１７が遠心ファンであれば径方向に中心側の風圧は大きいが、径方向に内側（中心側）のヒートシンクの放熱部５０ＦＩの通風量と、径方向に外側（反中心側）のヒートシンクの放熱部５０ＦＯの通風量とバランスさせることができ、放熱性能を均一にすることができる。

前記各ヒ−トシンク５０ＵＩ，５０ＵＯ，５０ＶＩ，５０ＶＯ，５０ＷＩ，５０ＷＯは、前記回転軸１３の回転中心を回転中心とする遠心ファン１７が生起する冷却風によって冷却され、前記径方向外側のヒ−トシンク５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯの冷却風への熱伝達面積より、前記径方向内側のヒ−トシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩの冷却風への熱伝達面積を小さくしてある。従って、ファン１７が遠心ファンであれば径方向に中心側の風圧は大きいが、径方向に内側（中心側）のヒートシンクの放熱部５０ＦＩの放熱量と、径方向に外側（反中心側）のヒートシンクの放熱部５０ＦＯの放熱量とバランスさせることができ、温度分布を均一にすることができ、結果的に最大温度を抑制できる。

前記ヒ−トシンクを冷却する冷却風の吸入口２０１が、前記ヒ−トシンクの冷却風流入側に近接して配設されている。従って、冷却風の吸入口２０１からヒートシンクの冷却風流入側までの通風に伴う圧力損失を低減することができ、その分、冷却風量が多くなり、半導体スイッチング素子の冷却性が向上する。

前記通電制御がＵＶＷ３相の通電制御であり、前記回転軸１３の周方向に前記回転軸１３を囲むように並設され夫々前記複数個の半導体スイッチング素子４１が分散して装着された複数個のヒ−トシンクが、Ｕ相の半導体スイッチング素子４１が装着されたＵ相用のヒ−トシンク５０ＵＩ，５０ＵＯ、Ｖ相の半導体スイッチング素子４１が装着されたＶ相用のヒ−トシンク５０ＶＩ，５０ＶＯ、及びＷ相の半導体スイッチング素子４１が装着されたＷ相用のヒ−トシンク５０ＷＩ，５０ＷＯである。Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ヒートシンクの半導体スイッチング素子の発熱量は均等であり、さらに周方向に３分割して並設されたヒートシンクの冷却能力も均等であるので、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相で偏った温度分布となることもなく、効率の良い冷却構成とすることができる。

各相用のヒ−トシンク５０ＵＩ，５０ＵＯ，５０ＶＩ，５０ＶＯ，５０ＷＩ，５０ＷＯが、前記回転軸１３の周方向に前記回転軸１３を囲むように略三角形状に並設（５０ＵＩと５０ＶＩと５０ＷＩ（５０ＵＯと５０ＶＯと５０ＷＯ））されている。従って、前記回転軸１３を周方向から囲むように、かつ、周方向全体に広い範囲でヒートシンク５０ＵＩ，５０ＵＯ，５０ＶＩ，５０ＶＯ，５０ＷＩ，５０ＷＯをレイアウトできるので、ヒートシンク５０ＵＩ，５０ＵＯ，５０ＶＩ，５０ＶＯ，５０ＷＩ，５０ＷＯのレイアウト性が向上し、各半導体スイッチング素子４１およびヒートシンク５０ＵＩ，５０ＵＯ，５０ＶＩ，５０ＶＯ，５０ＷＩ，５０ＷＯが占有する容積を最小限にすることができ、回転電機の大型化を防ぐことができる。

前記複数個の半導体スイッチング素子４１および前記ヒートシンク５０ＵＩ，５０ＵＯ，５０ＶＩ，５０ＶＯ，５０ＷＩ，５０ＷＯが、前記回転電機部２に、前記回転軸１３の長手方向に隣接して配設され、これら半導体スイッチング素子４１およびヒートシンク５０ＵＩ，５０ＵＯ，５０ＶＩ，５０ＶＯ，５０ＷＩ，５０ＷＯの前記回転軸の径方向の占有面積は、前記回転電機部２の径方向の占有面積以内にしてある。従って、回転電機の径方向の大型化を防ぐことができる。

次に、スイッチング回路部４を備えた回転電機部２の動作を説明するための概略回路図である図２において、回転電機部２は、固定子１６の電機子巻線２４と、回転子１５の界磁巻線２１を備え、前述の図１のように、回転子１５に連結されたプーリ１８が、エンジン（図示省略）の回転軸とベルト（図示省略）により連結されている。ここで、電機子巻線２４は、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイルをＹ結線して構成されている。スイッチング回路部（パワー素子ユニット）４は、高速オンオフ（ＯＮ／ＯＦＦ）可能な半導体スイッチング素子（パワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）４１と各半導体スイッチング素子４１に並列に接続されたダイオード４２とからなるインバータモジュール４０と、このインバータモジュール４０に並列に接続された平滑コンデンサ４３とを備えている。

前記インバータモジュール４０において、それぞれの半導体スイッチング素子４１のスイッチング動作は、制御回路４４の指令により制御される。また、制御回路４４は、界磁電流制御回路４５を制御して回転子の界磁巻線２１に流す界磁電流も制御する。

前記スイッチング回路部４を備えた回転電機部２において、エンジン始動時には、バッテリ５から直流配線８を介して直流電力が前記スイッチング回路部４に供給される。そして、前記制御回路４４が前記インバータモジュール４０の各半導体スイッチング素子４１をＯＮ／ＯＦＦ制御し、直流電力が三相交流電力に変換される。そして、この三相交流電力が交流配線９を介して回転電機部２の電機子巻線２４に供給される。前記回転子１５の界磁巻線２１の周囲には、前記界磁電流制御回路４５により供給されている界磁電流により回転磁界が発生し、それにより前記回転子１５が回転駆動され、回転電機用プーリ、ベルト、クランクプーリ、クラッチを介してエンジンが始動される。

一方、エンジンが始動すると、エンジンの回転力が、クランクプーリ、ベルト、回転電機用プーリを介して回転電機部２に伝達される。これにより、前記回転子１５が回転駆動されて前記電機子巻線２４に三相交流電圧が誘起される。ここで、前記制御回路４４により各半導体スイッチング素子４１がＯＮ／ＯＦＦ制御され、前記電機子巻線２４に誘起された三相交流電力が直流電力に変換され、前記バッテリ５が充電される。

なお、図２における前記コンデンサ４３は、電圧の跳ね上がり等を平滑する役割を担う平滑コンデンサであり、セラミックコンデンサを適用してある。従来、この平滑コンデンサにはアルミ電解コンデンサ等を用いており、前記スイッチング回路部４内の大部分の体積を占め、スイッチング回路部全体サイズが大きくならざるを得なかった。ところが、本実施の形態１では、平滑コンデンサ４３としてセラミックコンデンサを使用することによって、コンデンサ単体の体積が大幅に小型化できるので、スイッチング回路部全体サイズの小型化を成し遂げることができ、車載用回転電機のように限られた空間内に回転電機の一部として搭載する場合に好都合である。

また、前記インバータモジュール４０は、図示のように、それぞれ前記半導体スイッチング素子４１と前記ダイオード４２とから構成されたＵ相上アーム４６と、Ｕ相下アーム４７と、Ｖ相上アーム４８と、Ｖ相下アーム４９と、Ｗ相上アーム５６と、Ｗ相下アーム５７とから構成されている。

また、前記各アーム４６，４７，４８，４９，５６，５７の各半導体スイッチング素子４１は、本実施の形態においては４個のベアチップを対応ヒートシンク上で並列接続して構成されている。前記各アーム４６，４７，４８，４９，５６，５７と、前記Ｕ相用のヒートシンク５０ＵＩ，５０ＵＯ、Ｖ相用のヒートシンク５０ＶＩ，５０ＶＯ、Ｗ相用のヒートシンク５０ＷＩ，５０ＷＯとの対応関係は次のとおりである。即ち、内側のＵ相用のヒートシンク５０ＵＩには、Ｕ相に対応する上アーム４６の半導体スイッチング素子４１（図示白抜き）が４個接続されている。また、外側のＵ相用のヒートシンク５０ＵＯには、Ｕ相に対応する下アーム４７の半導体スイッチング素子４１（図示白抜き）が４個接続されている。以下同様に、内側のＶ相用のヒートシンク５０ＶＩにはＶ相に対応する上アーム４８の半導体スイッチング素子４１（図示白抜き）が４個接続され、外側のＶ相用のヒートシンク５０ＶＯにはＶ相に対応する下アーム４９の半導体スイッチング素子４１（図示白抜き）が４個接続され、内側のＷ相用のヒートシンク５０ＷＩにはＷ相に対応する上アーム５６の半導体スイッチング素子４１（図示白抜き）が４個接続され、外側のＷ相用のヒートシンク５０ＷＯにはＶ相に対応する下アーム５７の半導体スイッチング素子４１（図示白抜き）が４個接続されている。

このように複数個の半導体スイッチング素子４１を並列接続することで１個の半導体スイッチング素子当たりの通電容量を小さくすることができ、安価に構成できる。また、１個の半導体スイッチング素子４１が小型化できるので、横一列に配置、対称に配置するというように配置の自由度が向上し、電動発電機などの回転電機内などの限られたコンパクトな空間でのレイアウトに好都合となる。

また、前記Ｕ相用のヒートシンク５０ＵＩ，５０ＵＯ、Ｖ相用のヒートシンク５０ＶＩ，５０ＶＯ、Ｗ相用のヒートシンク５０ＷＩ，５０ＷＯの各々には、半導体スイッチング素子４１が、並列に同数ずつ接続されている構成であるので、並列数は、容易に変更することができ、よって、各種回転電機の出力仕様に容易に対応することができる。

また、前記Ｕ相用のヒートシンク５０ＵＩ，５０ＵＯ、Ｖ相用のヒートシンク５０ＶＩ，５０ＶＯ、Ｗ相用のヒートシンク５０ＷＩ，５０ＷＯは、何れも、例えば銅、アルミニウム等の良熱伝導性金属で形成してあり、図示のように冷却風の流れに沿うような形状にしてあるので、発熱する半導体スイッチング素子４１を効率よく冷却することができる。

また、前記上アーム４６，４８，５６に対応する前記ヒートシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩの各直線状基部５０Ｂは、その一端（高電位側）が前記半導体スイッチング素子４１を介してバッテリ５のプラス側に、他端（低電位側）が電機子巻線２４にそれぞれ接続されている。前記下アーム４７，４９，５７に対応する前記ヒートシンク５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯの各直線状基部５０Ｂは、その一端（低電位側）が前記半導体スイッチング素子４１を介してバッテリ５のマイナス側に、他端（高電位側）が電機子巻線２４にそれぞれ接続されている。つまり、前記ヒートシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩ，５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯは、電機子電流が流れる電路の一部をなしている。

図１の回転電機部２において、前記半導体スイッチング素子４１の冷却は、前記回転子１５に固定された前記ファン１７により生成された冷却風を、前記半導体スイッチング素子４１に取り付けられた前記ヒートシンク５０ＵＩ，５０ＵＯ，５０ＶＩ，５０ＶＯ，５０ＷＩ，５０ＷＯ５０に通風させることにより行われる。前記ファン１７により生成された冷却風は、リヤ側の吸入口２０１から吸入され、前記仕切り壁部１９２の通風孔１９２１を経由して前記ヒートシンク５０ＵＩ，５０ＵＯ，５０ＶＩ，５０ＶＯ，５０ＷＩ，５０ＷＯの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯを通り、前記リヤブラケット１１の通風孔１１１Ｕ，１１１Ｖ，１１１Ｗを経て、前記ファン１７により、該ファン１７の回転中心部から前記回転子１５の径方向外側に向けて放射状に吐き出される。

図３は、図１の回転電機２において、前記インサートケース１９および前記カバー２０を取り外した状態で、リヤ側からみた平面図であり、この図３に明示されているように、夫々複数個の半導体スイッチング素子４１が装着された複数個のヒ−トシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩ（５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯ）が、前記回転電機部２の回転軸１３を囲む共通面内に前記回転軸１３の周方向に前記回転軸１３を囲むように並設されている。各相単位でユニット化された複数の半導体スイッチング素子４１およびヒートシンク５０は、回転電機２の回転軸に対して略周方向に複数個配設されている。換言すれば、前記ヒ−トシンクが周方向に複数個（５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩ（５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯ））に分割され、略周方向全体に配設されている。また、ヒートシンク５０のこのような構成に合わせて、冷却風路も周方向に複数個に分割されている。

ヒートシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩ（５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯ）および冷却風路は、ファン１７で冷却風を通風させる際の圧力損失の原因となるため、通風抵抗をできるだけ低減し、ヒートシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩ（５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯ）の放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯへの風量を大きくすることが、効率的な冷却の面から重要である。ヒートシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩ（５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯ）および冷却風路をファン１７に対して並列に設置することにより、通風抵抗が分散され、全体の圧力損失が低減する。それにより、ヒートシンクの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯに流れる風量が増加し冷却性が向上するので、冷却性を確保するために、ヒートシンクの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯの熱伝達面の面積を大きくする、あるいはファン１７のサイズを大きくする等の対策を最小限に抑えることができるため、回転電機２全体の大型化を防ぐことができる。また、ヒートシンクヒートシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩ（５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯ）および冷却風路を周方向に分散して配置することは、風が流れることにより生じる騒音の発生源を分散させることになり、回転電機２全体の騒音を低減させる効果を生む。

また、半導体スイッチング素子４１およびヒートシンク（５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩと５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯ）は略径方向に分割して並設され、冷却風路も分割されている。そうすることにより、圧力損失が径方向にも分散され、冷却風量の低下を抑えることができる。また、一つのヒートシンクに取り付けられる半導体スイッチング素子４１の数が少なくなり、半導体スイッチング素子４１同士の熱干渉が抑制され冷却の面から有利である。さらに、図３に示してあるように、径方向内側のヒートシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩと径方向外側のヒートシンク５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯの半導体スイッチング素子４１が取り付けられている面をお互い向かい合わせることにより、半導体スイッチング素子４１の電気配線を短くするなどの合理化が図れる。

周方向に分割して並設されたヒートシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩ（５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯ）の周方向に相隣るヒートシンク間の空間SPACEには、固定子１６の口出し線２４１や電流センサ２４１１等の部品が設置されており、また、前記リヤブラケット１１や前記インサ−トケ−ス１９、前記カバ−２０の、前記空間SPACEに回転軸長手方向に対向する部位には通風孔を設けてなく、前記リヤブラケット１１や前記インサ−トケ−ス１９、前記カバ−２０により前記空間SPACEを回転軸長手方向に封鎖するように構成することにより、前記空間SPACEを通る冷却風の通風抵抗は、前記ヒートシンクの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯを通る冷却風の通風抵抗と比較して大きい、あるいは無限大に近くなるようにしてある。これにより、冷却風がヒートシンクの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯの熱伝達面以外に流れ込むことによる前記放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯの冷却風量の低下を抑えることができ、ヒートシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩ（５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯ）による放熱が効率的に行われる。同様の理由で、径方向に分割して並設されたヒートシンク（５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩと５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯ）の径方向間部に半導体スイッチング素子４１を設置することにより、当該半導体スイッチング素子４１部分の空間SPACEにおける冷却風の通風抵抗は、前記放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯを通る冷却風の通風抵抗と比較して大きい、あるいは無限大に近くなるようにしてある。

周方向および径方向に分割して並設された各ヒートシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩ，５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯは、前記周方向並設の関係にある各ヒートシンクは略合同あるいは相似の形状となっている。これにより、各ヒートシンクの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯの熱伝達面の通風抵抗を周方向に均一にすることができ、冷却性の不均一に起因する半導体スイッチング素子４１の温度のばらつきを抑えることができる。また、前記径方向並設の関係にある各ヒートシンクは非合同および非相似の形状となっていて、冷却風路の形状等に応じて、前記径方向並設の関係にある各ヒートシンクの形状を変えることができる。これにより、ヒートシンクの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯを流れる冷却風量や熱伝達面からの放熱量を調節することができ、前記径方向並設の関係にある各ヒートシンクの冷却性を均一化することができる。

本実施の形態において、ファン１７は遠心ファンが用いられている。一般に、遠心ファンは、ファン中心側と比較して反中心側では風量が小さい（静圧上昇が小さい）ので、ヒートシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩおよび５０ＵＯ，５０ＶＯ，５０ＷＯを径方向に分割して並設した場合、中心側（前記径方向の内側）の放熱部５０ＦＩと比較して、反中心側（前記径方向の外側）のヒートシンクの放熱部５０ＦＯを流れる冷却風の風量が小さくなる。そこで、本実施の形態では、中心側のヒートシンクの放熱部５０ＦＩの通風抵抗は反中心側のヒートシンクの放熱部５０ＦＯと比較して大きくなっており、これにより、径方向並設の関係にある各ヒートシンクの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯの冷却風量が均一となり、冷却性も均一化される。また、中心側のヒートシンクの放熱部５０ＦＩのフィン面積は、反中心側のヒートシンクの放熱部５０ＦＯのフィン面積と比較して小さくなっており、中心側のヒートシンクの放熱部５０ＦＩの熱伝達面からの放熱量が、反中心側のヒートシンクの放熱部５０ＦＯの熱伝達面からの放熱量より小さくなり、径方向並設の関係にある各ヒートシンクの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯの冷却性の均一化を図ることができる。

前記ヒートシンク５０ＵＩ、５０ＵＯ、５０ＶＩ、５０ＶＯ、５０ＷＩ、５０ＷＯは周方向に３分割され、それぞれにＵ，Ｖ，Ｗ各相の電極部が設けられている。Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の半導体スイッチング素子４１の発熱を周方向に３分割して並設されたヒートシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩ（５０ＶＯ，５０ＵＯ，５０ＷＯ）により放熱することで、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の半導体スイッチング素子４１を均等に冷却することができ、各半導体スイッチング素子４１の温度のばらつきを抑えるという観点から有利である。

また、３分割して並設されたヒートシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩ（５０ＶＯ，５０ＵＯ，５０ＷＯ）は、周方向に略三角形状に配設されることにより、当該ヒートシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩ（５０ＶＯ，５０ＵＯ，５０ＷＯ）のレイアウト性が向上し、回転電機部２においてヒートシンク５０ＵＩ，５０ＶＩ，５０ＷＩ（５０ＶＯ，５０ＵＯ，５０ＷＯ）が占有する容積を最小限に抑えることができ、回転電機２の大型化を防ぐことができる。

図４は、図１の回転電機２を、前記インサートケース１９、前記カバー２０が取り付けられた状態で、リヤ側から観た平面図であり、図示のように、前記インサートケース１９とそれを覆うカバー２０には、冷却風を吸入するための通風孔１９２１、吸入口２０１が設けられている。そして、これら通風孔１９２１、吸入口２０１は、各ヒートシンク５０ＵＩ，５０ＵＯ，５０ＶＩ，５０ＶＯ，５０ＷＩ，５０ＷＯの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯに近接かつ前記回転軸長手方向に直接対向するように設置されている。それにより、これら通風孔１９２１、吸入口２０１から各ヒートシンクの放熱部５０ＦＩ，５０ＦＯまでの冷却風路が簡素化され、風流の曲がり等による圧力損失を低減することができ、風量の低下が抑えられ冷却に効果的である。

次に、図５および図６によって、Ｕ相を代表例として、半導体スイッチング素子４１のベアチップ４１ＢとＵ相用の外側のヒートシンク５０ＵＯとの組み立て方法、および組み立て後の構造の事例について説明する。

図５および図６において、４個のベアチップ４１Ｂが、ヒートシンク５０ＵＯの直線状基部５０Ｂ上の平面に、はんだ等の良熱伝導接合材２００によって接合する（第１の工程）。

この接合後に、前記各ベアチップ４１Ｂを、前記ヒートシンクの直線状基部５０Ｂ上の平面にはんだ等の良熱伝導接合材で接合された配線部３０１，３０２にワイヤボンディング４００して、前記各ベアチップ４１Ｂと前記配線部３００とを接続する（第２の工程）。

このワイヤボンディング後に、前記各ベアチップ４１Ｂおよび前記配線部３０１を、一括して封止する樹脂５００を、前記配線部３０１，３０２の出力端子部3011，3021および前記ヒートシンク５０ＵＯのフィン５０ＦＯを前記樹脂５００の外に露出させて、前記ヒートシンク５０ＵＯに跨って施す（第３の工程）。

従来では、図１１に示すように、フィラーとしてシリカ等高級な材料から成り立つ絶縁層600ｂを有する金属基板６００に、半導体素子４１をはんだ付けし、この金属基板６００をグリス６０１を介してヒートシンク５０にネジ止めしている。これに対し、この発明の実施の形態１では、半導体スイッチング素子４１のベアチップ４１Ｂをヒートシンク５０に直に接続することにより、高価な金属基板２００を撤廃でき、大幅な材料コスト削減することができる。

また生産工程においても、従来における半導体素子４１の金属基板６００への実装工程、グリス６０１を塗布し前記金属基板６００とヒートシンク５０とをねじ止する組立工程を削減することができ、生産性向上を図ることができる。

また、従来のような絶縁層を有し熱伝導率が好ましくない金属基板６００を介さずに、ベアチップ４１Ｂを、Al（アルミ）等の熱伝導率の高い金属から成るヒートシンク５０ＵＯに直接接合することで、冷却を要する半導体スイッチング素子４１（ベアチップ４１Ｂ）に対する放熱性が向上する。よって、スイッチング回路部４の大部分の体積を占めるヒートシンク５０ＵＯのサイズを小さくすることができ、限られたスペースである例えば車載用回転電機内に収納することが可能となる。

各種回転電機の仕様出力に応じて対処するため、ヒートシンク５０ＵＯ上における半導体スイッチング素子４１のベアチップ４１Ｂの個数の変更が可能であり、多品種への対応が容易にできる。また多品種の製品に対し、低コストな製品を提供することができる。

通常、MOSFETやIGBTといった電力変換するため半導体素子は、ベアチップを、例えば銅といった金属から成るヒートスプレッダにはんだ接続している。このヒートスプレッダ不要とし、半導体スイッチング素子４１のベアチップ４１Ｂを直接ヒートシンクとに接合することにより、熱抵抗は小さくなり、更に、ベアチップ４１Ｂ（半導体スイッチング素子４１）に対する放熱性を向上することができ、十分な熱容量を確保することができ、ベアチップ４１Ｂ（半導体スイッチング素子４１）の温度上昇を抑えることができる。

また、従来では半導体素子はパッケージ品を使用しているが、パッケージ品はその接続端子位置が固定されているので、限られた空間内での接続の場合は、接続端子位置が固定であればその制約を受けることに接続困難な場合が生じるが、この発明の実施の形態１では、各ベアチップ４１Ｂを、前記ヒートシンクの直線状基部５０Ｂ上の平面にはんだ等の良熱伝導接合材で接合された配線部３０１，３０２にワイヤボンディング４００して、前記各ベアチップ４１Ｂと前記配線部３００，３０２とを接続するので、出力端子部3011，3021を予め接続しやすい位置とした配線部３００を使用することが可能となる。

ヒートシンク１個に対し、ベアチップ４１Ｂは１チップではなく、複数個のベアチップを接続することにより、ヒートシンク５０ＵＯ上におけるベアチップ４１Ｂの配置を、対称、並列といった分散配置とし、効率よい熱拡散が得られ、放熱性が向上する。よって、一層のヒートシンクサイズの小型化ができる。各ベアチップ４１Ｂを一定以上間隔を保ちながら配置することにより、各ベアチップ４１Ｂ間の熱の干渉が緩和され、各ベアチップ４１Ｂの温度上昇を低下させることができる。

ベアチップ４１Ｂとヒートシンク５０ＵＯ間における接合、ベアチップ４１Ｂと配線部３０１，３０２におけるワイヤボンディングに使用するはんだ材は、環境負荷を考慮しPb（鉛）フリーはんだ材を使用することもできる。

図５および図６に示すように、各ベアチップ４１Ｂ、配線部３０１，３０２の一部、およびヒートシンク５０ＵＯの一部を一括封止する樹脂５００は、熱硬化性の樹脂を用い、例えば、エポキシ系樹脂を用い、トランスファー成形機により、各ベアチップ４１Ｂをヒートシンク５０ＵＯごと一括成形し製造する。または、シリコンゴム等の樹脂を用いて、各ベアチップ４１Ｂ、配線部３００の一部、およびヒートシンク５０ＵＯの一部の全体をポッティングして前記封止をすることもできる。

各ベアチップ４１Ｂ、ヒートシンクト５０ＵＯ共々トランスファモールドすることで、量産性に最適であり、また絶縁性の確保、耐振動性の向上、外気との遮断をすることができる。

また、樹脂５００で各ベアチップ４１Ｂおよびヒートシンク５０ＵＯの全体が固定されることによって、良熱伝導接合材２００による各接合部における信頼性をさらに向上させる効果がある。

高い放熱性を要求されるヒートシンク５０ＵＯの放熱部（フィン）５０ＦＯは、樹脂５００外に露出し、この露出した放熱部（フィン）５０ＦＯが、回転軸１３に取り付けられた冷却ファン１７により生起され放熱部（フィン）５０Ｆに対応した吸入口２０１、および通風孔１１１Ｕを通る冷却風によって、強制空冷され更に冷却性能を上げている。

前記樹脂５００外に露出した放熱部５０ＦＯは、複数のフィンから構成され、これら複数のフィンの向きと前記冷却ファン１７により生じる風路とが一致するような構造としている。また複数からなるフィンの長さは同一でなくてもよい。

前述のように、この発明の実施の形態１は、回転電機部２、この回転電機部２の通電制御を行うスイッチング回路部４、及びこのスイッチング回路部４を構成する半導体半導体スイッチング素子４１を冷却するヒートシンク５０を備え、前記スイッチング回路部４および前記ヒートシンク４が前記回転電機部２に搭載された回転電機における半導体半導体スイッチング素子４１とヒートシンク５０との組み立て方法であって、前記ヒートシンク５０上に前記半導体半導体スイッチング素子４１のベアチップ４１Ｂを良熱伝導接合材２００で接合する第１の工程と、前記ベアチップ４１Ｂを配線部３０１，３０２にワイヤボンディング４００する第２の工程と、前記ベアチップ４１Ｂおよび前記配線部３０１，３０２を封止する樹脂５００を、前記配線部３０１，３０２の出力端子部3011,3021および前記ヒートシンク５０のフィン５０Ｆが前記樹脂５００の外に露出させて、前記ヒートシンク５０に跨って施す第３の工程と、を有するものであり、また、回転電機部２、この回転電機部２の通電制御を行うスイッチング回路部４、及びこのスイッチング回路部４を構成する半導体半導体スイッチング素子４１を冷却するヒートシンク５０を備え、前記スイッチング回路部４および前記ヒートシンク５０が前記回転電機部２に搭載された回転電機において、前記半導体スイッチング素子４１のベアチップ４１Ｂが良熱伝導接合材２００で前記ヒートシンク５０に接合されている回転電機である。従って、従来のようなパッケージタイプの半導体素子にみられるチップ下に存在するヒートスプレッダを排除することができ、熱拡散が向上し、発熱する素子の放熱性が向上させることができ、ヒートシンクサイズを小さくすることができる。また、インバータ機能を持った電動発電機等の回転電機においては、従来では、半導体素子は高価な金属基板等に実装しているが、ヒートシンク５０に電位を持たせ、半導体スイッチング素子４１のベアチップ４１Ｂを当該ヒートシンク５０に直付けすることにより、従来における金属基板（銅パターン、絶縁層、ベース金属）が不要となるので、熱抵抗を大幅に小さくすることができ、ヒートシンクサイズの小型化、基板材料コストの削減を図ることができる。また、従来のようなヒートシンクと金属基板との間へのグリス塗布工程およびネジ止工程も不要となり、生産性が向上する。また、半導体スイッチング素子４１が従来のパッケージ品であれば、その接続端子位置が固定されていたため、配線・接続が困難であったが、半導体スイッチング素子４１のベアチップ４１Ｂとその配線部３０１，３０２とを独自にワイヤボンド接合することができるので、半導体スイッチング素子４１から周囲への配線・接続構造を合理化することができ配線・接続の作業性が向上する。

また、この発明の実施の形態１は、前記半導体半導体スイッチング素子のベアチップが前記ヒートシンクに複数個並設されているので、従来のようにサイズの大きいチップ配置構造ではなく、半導体スイッチング素子４１のベアチップ４１Ｂの数を、複数個とし、分散させることにより、放熱性を高め、ヒートシンクの小型化につながる。またベアチップ４１Ｂの数が変更可能であり、多仕様に柔軟に対応するができる。また各種の製品に対し、低コスト製品を提供することが可能である。

また、この発明の実施の形態１は、前記複数個のベアチップ４１Ｂが間隔を隔てて並設されているので、ベアチップ４１Ｂの配置位置を対称・並列配置することによって、発熱源を分散させ効率的な熱拡散、放熱性が向上し、従来大きいサイズとなってしまっているヒートシンク５０およびスイッチング回路部４の小型化が可能となる。また、半導体素子間の熱の干渉が緩和され、 全体の温度上昇を低下させることができ、素子の耐熱性を十分満足させることができる。

また、この発明の実施の形態１は、複数個のベアチップ４１Ｂ間の間隔が均一間隔であるので、一定以上の間隔を置くことによって、各ベアチップ４１Ｂ相互間の受熱干渉を避け熱拡散性を保つことができる。

また、この発明の実施の形態１は、前記ヒートシンク５０上に前記ベアチップ４１Ｂとワイヤボンディング４００された配線部３０１，３０２が設けられ、前記ワイヤボンディング４００後に前記ベアチップ４１Ｂおよび前記配線部３０１，３０２を封止する樹脂５００が前記ヒートシンク５０に跨って施され、前記配線部３０１，３０２の出力端子部3011，3021および前記ヒートシンク５０のフィン５０Ｆが前記樹脂５００の外に露出している構造としたので、ベアチップ４１Ｂおよびヒートシンク５０共々樹脂５００で一括封止することにより、ベアチップ４１Ｂの各電極に対し容易に絶縁性を確保できる上、ベアチップ４１Ｂとヒートシンク５０との間の接合部のおよびベアチップ４１Ｂのワイヤボンディング４００部の接合部の信頼性が向上し、しかも耐振動性が容易に得られる。また、ヒートトシンクの放熱部（フィン）５０ＦＩ，５０ＦＯは樹脂５００外に露出部しており、冷却風により効率よく冷却される。

また、この発明の実施の形態１は、複数のベアチップ４１Ｂが共通の前記配線部３０１，３０２にワイヤボンディング４００されているので、各ベアチップ４１Ｂからの電極を配線部３０１，３０２に接続し、配線を合理化し1つの出力端子としてまとめ、その出力端子を外部に露出し出すことによって、他のヒートシンクとの接続を容易に、簡略化することができる。また、樹脂封止されているので、各ベアチップ４１Ｂの各電極において絶縁性も容易に確保できている。

また、この発明の実施の形態１は、ヒートシンクが各相毎に設けられ、これら各相のヒートシンクで前記回転電機部の回転軸の周方向に前記回転軸を囲んでいるので、小型化と相俟って更に専用スペースを少なくすることができ、限られた空間に搭載する場合に更に好都合となる。

実施の形態２．
以下この発明の実施の形態２を、図７により説明する。図７は半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て後の構造の事例を断面で示す横断平面図であり、前述の図５および図６と同一または相当部分には同一符号を付してある。なお、以下のこの発明の実施の形態２の説明は、前述の実施の形態１と異なる部分を主に説明し、他の説明は割愛する。

前述の図６においては、配線部３０１，３０２が各ベアチップ４１Ｂの両側に配設され、配線部３０１，３０２の出力端子部3011,3021が同じ側に露出し同方向に延在している場合の事例を示してあるが、本実施の形態２を示す図７では、配線部３０１，３０２が各ベアチップ４１Ｂの同じ側に配設され、配線部３０１，３０２の出力端子部3011,3021が異なる側に露出し異なる方向に延在している。

実施の形態３．
以下この発明の実施の形態３を、図８により説明する。図８は半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て後の構造の事例を断面で示す横断平面図であり、前述の図５〜図７と同一または相当部分には同一符号を付してある。なお、以下のこの発明の実施の形態３の説明は、前述の実施の形態１〜２と異なる部分を主に説明し、他の説明は割愛する。

前述の図６においては、配線部３０１，３０２が各ベアチップ４１Ｂの両側に配設され、配線部３０１，３０２の出力端子部3011,3021が同じ側に露出し同方向に延在している場合の事例を示してあるが、本実施の形態３を示す図８では、配線部３０１，３０２が各ベアチップ４１Ｂの同じ側に配設されている。配線部３０１，３０２の出力端子部3011,3021は、前述の図６と同様に、同じ側に露出し同方向に延在している。

半導体スイッチング素子４１をベアチップ４１Ｂとし、このベアチップ４１Ｂを、ヒートシンク５０上に良熱伝導接合材２００で接合すると共に、配線部３０１，３０２にワイヤボンディング４００するようにしたので、配線部３０１，３０２の位置、および配線部３０１，３０２の出力端子部3011,3021の位置を、前述の図６〜図８のように必要に応じて任意に選定できるので、例えば自動車のエンジンルーム内、回転電機部内など、限られた空間内の限られた場所に設置する場合に設置位置の自由度が増す。

実施の形態４．
以下この発明の実施の形態４を、図９により説明する。図９は半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て後の構造の事例を断面で示す縦断側面図であり、前述の図５〜図８と同一または相当部分には同一符号を付してある。なお、以下のこの発明の実施の形態４の説明は、前述の実施の形態１〜３と異なる部分を主に説明し、他の説明は割愛する。

この発明の実施の形態４は、図９に示すように、ヒートシンク５０ＵＯの放熱部５０ＦＯである複数のフィンの延在方向に見た複数のフィンの全体の先端部形状を曲線状としたものである。このように放熱部５０ＦＯである複数のフィンの延在方向に見た複数のフィンの全体の先端部形状を曲線状とすることにより、例えば、前述の図３に例示してあるように、回転電機部２のケ−ス１００の周面や図１におけるインサートケース１９の内周面に沿った曲線状とすることにより、冷却風を、放熱部５０ＦＯである複数のフィンに集中して通すことが可能になる上、回転電機に搭載されるヒートシンク５０ＵＯの占有面積を小さくすることができ、回転電機部２、この回転電機部の通電制御を行うスイッチング回路部４、及びこのスイッチング回路部を構成する半導体半導体スイッチング素子を冷却するヒートシンク５０を備えた回転電機の小型化の実現が可能となる。

実施の形態５．
以下この発明の実施の形態５を、図１０により説明する。図１０は半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て後の構造の事例を断面で示す横断平面図であり、前述の図５〜図９と同一または相当部分には同一符号を付してある。なお、以下のこの発明の実施の形態５の説明は、前述の実施の形態１〜４と異なる部分を主に説明し、他の説明は割愛する。

この発明の実施の形態５は、図１０に示すように、複数個のベアチップ４１Ｂをヒートシンク５０ＵＯに接合する際、各ベアチップ４１Ｂを一列に配置するのではなく、多並列、対称配置とすることにより、熱拡散性、放熱性が向上し、ヒートシンクサイズの小型化を実現するものである。

なお、前述の実施の形態１〜５の何れの場合も、Ｕ相を代表例として、半導体スイッチング素子４１のベアチップ４１ＢとＵ相用の外側のヒートシンク５０ＵＯとの組み立て方法、組み立て後の構造の事例について説明したが、Ｕ相の内側のヒートシンク５０ＵＩ、他のＶ相、Ｗ相の外側および内側の各ヒートシンク５０ＶＯ，５０ＶＩ，５０ＷＯ，５０ＷＩと、それらの対応半導体スイッチング素子４１のベアチップ４１Ｂととの組み立て方法、組み立て後の構造についても、前述のＵ相用の外側のヒートシンク５０ＵＯにおける組み立て方法、組み立て後の構造と同じにしてあり、前述のＵ相用の外側のヒートシンク５０ＵＯにおける組み立て方法、組み立て後の構造の場合と同じ効果が生じるようにしてある。

この発明の実施の形態１を示す図で、回転電機の構造の事例を示す縦断側面図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、回転電機の動作を説明するための概略回路の事例を示す図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、回転電機のヒートシンクの配置例を示す平面図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、回転電機のリヤ側からみた事例を示す平面図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て後の構造の事例を断面で示す縦断側面図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て後の構造の事例を断面で示す縮小横断平面図である。 この発明の実施の形態２を示す図で、半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て後の構造の事例を断面で示す横断平面図である。 この発明の実施の形態３を示す図で、半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て後の構造の事例を断面で示す横断平面図である この発明の実施の形態４を示す図で、半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て後の構造の事例を断面で示す縦断側面図である。 この発明の実施の形態５を示す図で、半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て後の構造の事例を断面で示す横断平面図である。 従来の回転電機における半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て後の構造の事例を断面で示す縦断側面図である。

符号の説明

２ 回転電機部、
４ スイッチング回路部（パワー素子ユニット）、
４０ インバータモジュール、
４１ 半導体スイッチング素子、
４１Ｂ 半導体スイッチング素子のベアチップ、
４２ ダイオード、
４３ コンデンサ、
４４ 制御回路、
４４a 制御基板、
４５ 界磁電流制御回路、
５ バッテリ、
８ 直流配線、
９ 交流配線、
１０ フロントブラケット、
１００ ケ−ス、
１１ リヤブラケット、
１１１ 吸入口、
１１１Ｕ，１１１Ｖ，１１１Ｗ 通風孔、
１２ 支持用ベアリング、
１３ 回転軸、
１４ ブラシ、
１５ 回転子、
１６ 固定子、
１７ ファン、
１８ プーリ、
１９ インサートケース、
１９１ 外周壁部、
１９２ 仕切り壁部、
１９２１ 通風孔、
２０ カバー、
２００ 良熱伝導接合材、
２０１ 吸入口、
２１ 界磁巻線、
２４ 電機子巻線、
２４１，２４１Ｕ，２４１Ｖ，２４１Ｗ 口出し線、
２４１１ 電流センサ、
２５ 支持板兼通風孔形成板、
２５１ 通風孔、
３０１，３０２ 配線部、
3011，3021出力端子部、
４００ ワイヤボンディング、
５０ 放熱装置、
５０Ｂ 直線状基部、
５０ＦＩ，５０ＦＯ 放熱部、
５０ＵＩ，５０ＵＯ Ｕ相用のヒートシンク、
５０ＶＩ，５０ＶＯ Ｖ相用のヒートシンク、
５０ＷＩ，５０ＷＯ Ｗ相用のヒートシンク、
５００ 樹脂、
SPACE 相隣るヒートシンク間の空間。

Claims (10)

1. 回転電機部、この回転電機部の通電制御を行うスイッチング回路部、及びこのスイッチング回路部を構成する半導体スイッチング素子を冷却するヒートシンクを備え、前記スイッチング回路部および前記ヒートシンクが前記回転電機部に搭載された回転電機における半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て方法であって、
   前記ヒートシンク上に前記半導体スイッチング素子のベアチップを良熱伝導接合材で接合する第１の工程と、
   前記ベアチップを配線部にワイヤボンディングする第２の工程と、
   前記ベアチップおよび前記配線部を封止する樹脂を、前記配線部の出力端子部および前記ヒートシンクのフィンが前記樹脂の外に露出させて、前記ヒートシンクに跨って施す第３の工程と、
   を有する回転電機における半導体スイッチング素子とヒートシンクとの組み立て方法。
2. 回転電機部、この回転電機部の通電制御を行うスイッチング回路部、及びこのスイッチング回路部を構成する半導体スイッチング素子を冷却するヒートシンクを備え、前記スイッチング回路部および前記ヒートシンクが前記回転電機部に搭載された回転電機において、前記半導体スイッチング素子のベアチップが良熱伝導接合材で前記ヒートシンクに接合されていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機において、前記半導体スイッチング素子のベアチップが前記ヒートシンクに複数個並設されていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項３に記載の回転電機において、前記複数個のベアチップが間隔を隔てて並設されていることを特徴とする回転電機。
5. 請求項４に記載の回転電機において、前記複数個のベアチップ間の間隔が均一間隔であることを特徴とする回転電機。
6. 請求項２〜５の何れか一に記載の回転電機において、前記ヒートシンクが複数のフィンを有しており、当該フィンの延在方向に見た複数のフィンの全体の先端部形状が曲線状であることを特徴とする回転電機。
7. 請求項６に記載の回転電機において、前記複数のフィンの全体の先端部形状が、前記回転電機部のケ−スの内周面に沿って曲線状であることを特徴とする回転電機。
8. 請求項２〜７の何れか一に記載の回転電機において、前記ヒートシンク上に前記ベアチップとワイヤボンディングされた配線部が設けられ、前記ワイヤボンディング後に前記ベアチップおよび前記配線部を封止する樹脂が前記ヒートシンクに跨って施され、前記配線部の出力端子部および前記ヒートシンクのフィンが前記樹脂の外に露出していることを特徴とする回転電機。
9. 請求項８に記載の回転電機において、複数のベアチップが共通の前記配線部にワイヤボンディングされていることを特徴とする回転電機。
10. 請求項２〜９の何れか一に記載の回転電機において、前記ヒートシンクが各相毎に設けられ、これら各相のヒートシンクで前記回転電機部の回転軸の周方向に前記回転軸を囲んでいることを特徴とする回転電機。

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