JP2008085112A - 電子回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバーター制御機器等に用いられるＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）等の半導体素子を回路基板上に実装し、絶縁性のポッティング材を充填してなる電子回路装置に関して、ポッティング材を充填するケースを不要とし、小型で且つ安価な電子回路装置を提供する。
【解決手段】放熱板５９の内側に、ＳＩＰ型半導体素子であるＩＰＭ５１と制御半導体素子であるマイコン６１ａを実装した縦型サブ基板５３と、ブッシング５７を収納して取付け、ブッシング５７によって区切られた放熱板５９の内側にポッティング材６４を充填するとともに、この縦型サブ基板５３と放熱板５９をメイン基板６７に実装することで、ポッティング材６４を充填するケースを不要とすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明はインバーター制御機器等に用いられるＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）等の半導体素子を回路基板上に実装し、絶縁性のポッティング材を充填してなる電子回路装置に関するものである。

近年、冷蔵庫等インバーター制御を使った機器が多く出ているが、これらのインバーター機器の電子回路装置においては、モータ等のインバーター駆動回路や、駆動回路の過電流に対する保護回路を１個のモジュールとして組み込んだＩＰＭ半導体素子が用いられるのが一般的である。

これらＩＰＭ半導体素子には、本体の両側に端子を出すＤＩＰ（デュアル・インライン・パッケージ）型の形状をしたものと、本体の片側に端子をだすＳＩＰ（シングル・インライン・パッケージ）型の形状をしたものがある。

これらのＩＰＭ半導体素子は高電圧を扱うため、それらのＩＰＭ半導体素子の端子間およびその端子に接続されるプリント基板上の配線は安全規格上一定以上の絶縁距離を確保しなければならない。

端子間の絶縁距離が確保されていない半導体素子を使用する場合は、故障時における安全要求事項を満足する必要があるが、絶縁距離が確保されていない部分を絶縁性のポッティング材で覆い、塵埃や湿気などが侵入しないようにするのが一般的である（たとえば特許文献１参照）。

以下、図面を参照しながら上記従来の電子回路装置を説明する。

図１０は特許文献１に記載された従来の電子回路装置の電気回路ブロック図、図１１は同従来の電子回路装置の側断面図である。

図１０および図１１において、電子回路装置１８は、ＩＰＭ１、メイン基板２、放熱板３、取付けネジ４、回転数制御回路５、電源回路６、コネクタ７、ケース１２、ポッティング材１４により構成されている。

図１１に示すように、駆動回路１ａおよび過電流保護回路１ｂを内部に形成したＤＩＰ型の半導体素子であるＩＰＭ１は、メイン基板２に実装されており、またＩＰＭ１には放熱板３が取付けネジ４により密着するように取付けられている。さらに、メイン基板２にはコネクタ７が取付けられており、ＩＰＭ１の出力はメイン基板２、コネクタ７を経由してモータ８に接続されている。

また、メイン基板２には、ＩＰＭ１を制御する回転数制御回路５および電源回路６が組み込まれており、回転数制御回路５はＩＰＭ１へ指令をだす制御半導体素子のマイコン５ａ、および三相のモータ８の回転子であるロータ（図示せず）の位置を検知する位置検知回路５ｂから構成されている。

電源回路６は、ＩＰＭ１用の駆動系電圧（たとえばＤＣ２８０Ｖ）を作るモータ駆動用電源回路６ａおよび回転数制御回路５用の制御系電圧（たとえばＤＣ５Ｖ）を作る制御用電源回路６ｂから構成されている。

これらＩＰＭ１などの部品は、これらを収納するのに充分な大きさのケース１２の中に収納され、ＩＰＭ１などの部品とケース１２との空間部にポッティング材１４が充填されており、高電圧で絶縁距離が近いＩＰＭ１とメイン基板２の電気接続部を覆い、この部分に塵埃や湿気が入らないようにすることにより電気絶縁に対する信頼性を高めている。

以上のように構成された電子回路装置について、以下その動作を説明する。

回転数制御回路５はモータ８からフィードバックされた三相の位置検知信号を入力し、位置検知回路５ｂにてモータ８の回転状況を検知するとともにマイコン５ａで演算処理を行い、モータ８が所定の回転数で回転するようにＩＰＭ１へ駆動信号を出力する。

ＩＰＭ１内部の駆動回路１ａは、回転数制御回路５のマイコン５ａからの駆動信号を基に、モータ８が所定の回転数で動作するよう三相の駆動電圧波形をモータ８へ出力することにより、モータ８が所定の回転数で運転される。

また、ＩＰＭ１の過電流保護回路１ｂは駆動回路１ａからモータ８へ出力される出力電流値を監視し、規定の電流値以上になるとモータ８への駆動出力を停止し、ＩＰＭ１およびモータ８を保護している。

さらに、モータ８が運転されるとＩＰＭ１が発熱するが、放熱板３によりＩＰＭ１の発熱を放熱することで、ＩＰＭ１の温度が極端に上昇することを防止し、ＩＰＭ１が過度の温度上昇により故障することを防止している。

また、電源回路６として、ＩＰＭ１の駆動用のために、モータ駆動用電源回路６ａが駆動回路１ａに駆動系電圧（たとえばＤＣ２８０Ｖ）を供給するとともに、制御用電源回路６ｂが回転数制御回路５に制御系電圧（たとえばＤＣ５Ｖ）を供給している。
特開平１１−３４０３８９号公報

しかしながら、上記従来の構成ではポッティング材１４を充填するケース１２が必要であり、またケース１２は装置全体を収納する大きなものにすることが必要であったため、電子回路装置１８全体が大型化してしまい、コストも高くなるという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、ポッティング材を充填するケースを不要とすると同時に、ＩＰＭ１の制御半導体素子などの温度上昇も抑えることができる、小型で且つ安価な信頼性の高い電子回路装置１８を提供することを目的とするものである。

上記従来の課題を解決するために、本発明の電子回路装置は、縦型サブ基板に実装されたＳＩＰ型半導体素子と制御半導体素子との間に、縦型サブ基板を挟んで放熱板の内側の空間を２つに仕切るように放熱板の内側にブッシングを配置し、ブッシングで仕切られたＳＩＰ型半導体素子側の放熱板の内側に、少なくとも縦型サブ基板とＳＩＰ型半導体素子の電気的接続部を覆うようにポッティング材を充填したもので、ポッティング材を充填するケースを放熱板が兼ねることで、ケースが不要となるという作用を有するとともに、制御半導体素子にポッティング材を介してＳＩＰ型半導体素子の発熱が熱伝導することを防ぐという作用を有する。

本発明の電子回路装置は、ポッティング材を充填するケースを不要とすることができるとともに、制御半導体素子の温度上昇を抑制することができるため、基板を小型化することができ、安価で信頼性の高い電子回路装置を提供することができる。

請求項１に記載の発明は、縦型サブ基板と、前記縦型サブ基板上に前記縦型サブ基板と平行に対面するように実装されたＳＩＰ（シングル・インライン・パッケージ）型半導体素子と、前記縦型サブ基板上に実装され、前記ＳＩＰ型半導体素子の駆動を制御する制御半導体素子と、前記縦型サブ基板および前記ＳＩＰ型半導体素子を囲うように成形された放熱板と、前記縦型サブ基板の端部に配置された基板端子によって電気的に接続されることで前記縦型サブ基板を実装したメイン基板と、前記ＳＩＰ型半導体素子と前記制御半導体素子との間に、前記縦型サブ基板を挟んで前記放熱板の内側の空間を２つに仕切るように前記放熱板の内側に配置されたブッシングと、前記ブッシングで仕切られた前記ＳＩＰ型半導体素子側の前記放熱板の内側に、少なくとも前記縦型サブ基板と前記ＳＩＰ型半導体素子の電気的接続部を覆うようにポッティング材を充填したもので、ポッティング材を充填するケースを放熱板が兼ねることで、ケースが不要となるとともに、制御半導体素子にポッティング材を介してＳＩＰ型半導体素子の発熱が熱伝導することを防ぐことができ、小型で安価な信頼性の高い電子回路装置を実現することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、制御半導体素子を、縦型サブ基板のＳＩＰ型半導体素子の実装面と反対側の実装面に実装したもので、ＳＩＰ型半導体素子から熱を受けて熱くなるケースである放熱板の側面と、制御半導体素子とが対向しないため、請求項１に記載の発明の効果に加えて、さらにＳＩＰ型半導体素子の温度上昇を抑制することができ、さらに信頼性の高い電子回路装置を実現することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、放熱板の制御半導体素子と近接対面する側面に切り欠き開口部を設けたもので、切り欠き開口部を介して外部と制御半導体素子周囲との間で空気の対流が促進されるため、請求項１または２に記載の発明の効果に加えて、制御半導体素子の温度上昇を抑制することができ、さらに信頼性の高い電子回路装置を実現することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、縦型サブ基板と放熱板の底面部との間に空隙を設けたもので、放熱板の内部空間が空隙により大きく連通するため、この空隙を介して放熱板の内部空間内の空気の対流が促進されるため、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明の効果に加えて、さらに制御半導体素子の温度上昇を抑制することができ、さらに信頼性の高い電子回路装置を実現することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、放熱板の制御半導体素子側の底面部に開口部を設けたもので、制御半導体素子近傍に設けられた切り欠き開口部を介して、外部と制御半導体素子周囲との間で空気の対流が促進されるため、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明の効果に加えて、さらに制御半導体素子の温度上昇を抑制することができ、さらに信頼性の高い電子回路装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における電子回路装置の電気回路ブロック図、図２は同実施の形態における電子回路装置の斜視図、図３は図２におけるＣ−Ｄ線の側断面図、図４は図２におけるＥ−Ｆ線の側断面図、図５は同実施の形態における電子回路装置のメイン基板側からの正面図、図６は同実施の形態におけるブッシングの斜視図、図７は同実施の形態におけるサイドキャップの斜視図、図８は同実施の形態における放熱板の折り曲げ加工前の斜視図、図９は同実施の形態における縦型サブ基板の斜視図である。

図１において、電子回路装置７１は電気回路として、ＳＩＰ型半導体素子のＩＰＭ５１へ指令を出す制御半導体素子であるマイコン６１ａと三相のモータ８のロータ位置を検出する位置検知回路６１ｂとを備えた回転数制御回路６１と、駆動回路５１ａおよび過電流保護回路５１ｂを内部に備えたＳＩＰ型半導体素子であるＩＰＭ５１と、ＩＰＭ５１用のモータ駆動用電源回路６９ａと回転数制御回路６１用の制御用電源回路６９ｂとを備えた電源回路６９を備えている。

また、図２ないし図９に示すように、電子回路装置７１は上記電気回路を構成するためにその他の部品として、コネクタ７、縦型サブ基板５３、取付けネジ５５、ブッシング５７、放熱板５９、ポッティング材６４、メイン基板６７、サイドキャップ８３などを備えている。

以下、電子回路装置の詳細な構成について説明する。

駆動回路５１ａおよび過電流保護回路５１ｂを内部に形成したＩＰＭ５１は、複数の素子端子５１ｃを備え、両面配線パターンの縦型サブ基板５３とＩＰＭ５１とが平行対面するように、素子端子５１ｃを縦型サブ基板５３にはんだ付けされることにより実装されている。

また、ＩＰＭ５１は、取付けネジ５５により、金属板をＵ字型に折り曲げ成形された放熱板５９の内壁に密着するように取付けられており、放熱板５９は縦型サブ基板５３およびＩＰＭ５１を囲うようになっている。

ここで、縦型サブ基板５３は放熱板５９のＵ字型に折り曲げ成形された底面との間に距離ｄの間隔を置いて配置され、放熱板５９の底面との間に空隙が設けられている。

また、縦型サブ基板５３には、ＩＰＭ５１を制御するマイコン６１ａがＩＰＭ５１の実装面と反対側の実装面に実装されている。

放熱板５９の内側には、ＩＰＭ５１とマイコン６１ａの間に縦型サブ基板５３を挟むようにブッシング５７が配置されている。ブッシングは、図６に示すように、スリット部５７ａを備えており、スリット部５７ａで縦型サブ基板５３を挟み込む。そして、ブッシングで挟み込まれることで、２つに区切られた縦型サブ基板のそれぞれの側に、ＩＰＭ５１とマイコン６１ａとが配置されることになっている。また、このブッシング５７は、放熱板５９と縦型サブ基板５３に隙間なく密着している。

また、放熱板５９のＩＰＭ５１側の端面には、開口部を塞ぐようにサイドキャップ８３が取付けられており、放熱板５９とブッシング５７およびサイドキャップ８３で仕切られた放熱板５９内側に、ウレタン樹脂のポッティング材６４が、少なくとも高電圧で絶縁距離が少ないＩＰＭ５１の素子端子５１ｃと縦型サブ基板５３との接続部を隙間なく覆うように充填されている。

Ｕ字型に折り曲げ成形された放熱板５９には、マイコン６１ａ近接対面する側面に切り欠き開口部５９ａが形成されているほか、ブッシング５７によって２つに仕切られた放熱板５９の内側の空間のうち、マイコン６１ａが配置された側の底面部には、開口部５９ｂが形成されている。

縦型サブ基板５３および放熱板５９はメイン基板６７上に実装されているが、縦型サブ基板５３のメイン基板６７側の端面には複数の基板端子６５が取付けられており、この基板端子６５により縦型サブ基板５３とメイン基板６７が電気接続されている。

また、メイン基板６７には電源回路６９が実装されており、電源回路６９はＩＰＭ５１用の駆動系電圧（たとえばＤＣ２８０Ｖ）を作るモータ駆動用電源回路６９ａおよび回転数制御回路用の制御系電圧（たとえばＤＣ５Ｖ）を作る制御用電源回路６９ｂから構成されている。また、メイン基板６７にはコネクタ７が取付けられており、ＩＰＭ５１の出力は縦型サブ基板５３、メイン基板６７、そしてコネクタ７を経由してモータ８に接続されている。

以上のように構成された電子回路装置について、以下その動作を説明する。

回転数制御回路６１は、モータ８からフィードバックされた三相の位置検知信号を入力し、位置検知回路６１ｂにてモータ８の回転状況を検知するとともにマイコン６１ａで演算処理を行い、モータ８が所定の回転数で回転するようにＩＰＭ５１へ駆動信号を出力する。

ＩＰＭ５１内部の駆動回路５１ａは回転数制御回路６１のマイコン６１ａからの駆動信号を基に、モータ８が所定の回転数で動作するよう三相の駆動電圧波形をモータ８へ出力することにより、モータ８が所定の回転数で運転される。

また、ＩＰＭ５１の過電流保護回路５１ｂは、駆動回路５１ａからモータ８へ出力される出力電流値を監視し、規定の電流値以上になるとモータ８への駆動出力を停止し、ＩＰＭ５１およびモータ８を保護している。

さらに、モータ８が運転されるとＩＰＭ５１が発熱するが、ＩＰＭ５１の発熱が放熱板５９に伝導し、その熱を放熱板５９から外部に放熱することで、ＩＰＭ５１の温度が極端に上昇することを防止し、ＩＰＭ５１が過度の温度上昇により故障することを防止している。

マイコン６１ａの動作耐熱温度は、一般的にパワー半導体素子であるＩＰＭ５１の動作耐熱温度よりも数十度以上低いため、マイコン６１ａの温度はＩＰＭ５１よりも低く維持されなければならない。

放熱板５９の内側全体にポッティング材６４が充填されており、マイコン６１ａもポッティング材６４の中に配置されていれば、ポッティング材６４を介して熱が伝導しマイコン６１ａの温度はＩＰＭ５１の温度とほぼ等しくなるが、ブッシング５７で２つに区切られた放熱板５９内の別々の空間にＩＰＭ５１とマイコン６１ａとが配置されているため、ＩＰＭ５１はポッティング材６４で覆われるものの、マイコン６１ａはポッティング材６４で覆われていないため、マイコン６１ａがポッティング材６４からの熱影響を直接受けることはない。

また、ＩＰＭ５１の発熱が直接伝導するために放熱板５９の最も温度が高くなる側面５９ｃに対して、放熱板５９底面部を経由した反対側の側面５９ｄは放熱が進み温度が低くなっている。そのため、縦型サブ基板５３のＩＰＭ５１の実装面５３ａと反対側の実装面５３ｂに実装されているマイコン６１ａは、対面する放熱板５９の側面５９ｄの温度がＩＰＭ５１の発熱が直接伝導し高温となった放熱板５９の側面５９ｃの温度より低いため、放熱板５９から受ける輻射熱が少なくなる。

さらに、放熱板５９のマイコン６１ａと近接対面する部分に切り欠き開口部５９ａが形成されているため、マイコン６１ａが放熱板５９からの輻射熱を受けることはなく、また外部との空気の対流が促進されるため、マイコン６１ａが外部空気によって冷却されるため、温度上昇を抑制することができる。その空気の対流を図３中にＡで表示している。

また、縦型サブ基板５３は放熱板５９のＵ字型に折り曲げ成形された底面との間に空隙７０が設けられているため、マイコン６１ａ周辺の空気対流が盛んになるとともに、外部空気が取り込まれやすくなり、温度上昇を抑制することができる。その空気の対流を図３中にＡで表示している。

また、ブッシング５７によって２つに仕切られた放熱板５９の内側の空間のうち、マイコン６１ａが配置された側の底面部には、開口部５９ｂが形成されており、開口部５９ｂを介して外部とマイコン６１ａ周辺の空間の間で空気の対流が促進されるため、マイコン６１ａ周辺の放熱板５９内部の温度上昇およびマイコン６１ａの温度上昇を抑制することができる。その空気の対流を図３中にＢで表示している。

以上のように、放熱板５９がＩＰＭ５１や縦型サブ基板５３を収納するケースを兼用し、放熱板５９の内側にポッティング材６４を充填するため、ポッティング材６４を充填する専用のケースを不要となり、ポッティング材６４の使用量も少なくすることができ、電子回路装置７１を安価なものとすることができるとともに、縦型サブ基板５３とメイン基板６７によって基板を構成し、縦型サブ基板５３を放熱板５９の中に収納することにより、電子回路装置７１を小型化することができる。

また、マイコン６１ａがポッティング材６４の中に配置されないため、マイコン６１ａがポッティング材６４からの熱伝導を受けることがなく、マイコン６１ａの温度はＩＰＭ５１の温度よりも低く維持することができる。

また、マイコン６１ａは縦型サブ基板５３のＩＰＭ５１の実装面と反対側の実装面に実装されており、放熱板５９から受ける輻射熱が少なく、マイコン６１ａの温度をより低く維持することができる。

また、放熱板５９のマイコン６１ａと対面する部分に切り欠き開口部５９ａが形成されているため、マイコン６１ａが放熱板５９からの輻射熱を受けることがなく、マイコン６１ａの温度をより低く維持することができる。

また、縦型サブ基板５３は放熱板５９の底面との間に空間ができるように配置されることにより、マイコン６１ａ周辺の空気対流が盛んになり、マイコン６１ａの温度をより低く維持することができる。

また、放熱板５９の底部に開口部５９ｂが形成されていることにより、放熱板５９内部の高温の空気が外に出るように対流することにより、マイコン６１ａの温度をより低く維持することができる。

以上のように、本発明にかかる電子回路装置は、ポッティング材を充填するケースを不用とし、小型で且つ安価にすることが可能となるとともに、制御半導体素子の温度を低くすることが可能となるので、インバーター制御機器だけではなく、半導体素子を用いた他の電子回路装置にも適用することができる。

本発明の実施の形態１における電子回路装置の電気回路ブロック図 同実施の形態における電子回路装置の斜視図 図２におけるＣ−Ｄ線の側断面図 図２におけるＥ−Ｆ線の側断面図 同実施の形態における電子回路装置のメイン基板側からの正面図 同実施の形態におけるブッシングの斜視図 同実施の形態におけるサイドキャップの斜視図 同実施の形態における放熱板の折り曲げ加工前の斜視図 同実施の形態における縦型サブ基板の斜視図 従来の電子回路装置の電気回路ブロック図 従来の電子回路装置の側断面図

符号の説明

５１ ＩＰＭ
５３ 縦型サブ基板
５７ ブッシング
５９ 放熱板
５９ａ 切り欠き開口部
５９ｂ 開口部
５９ｄ 側面
６１ａ マイコン
６４ ポッティング材
６５ 基板端子
６７ メイン基板
７０ 空隙

Claims (5)

1. 縦型サブ基板と、前記縦型サブ基板上に前記縦型サブ基板と平行に対面するように実装されたＳＩＰ（シングル・インライン・パッケージ）型半導体素子と、前記縦型サブ基板上に実装され、前記ＳＩＰ型半導体素子の駆動を制御する制御半導体素子と、前記縦型サブ基板および前記ＳＩＰ型半導体素子を囲うように成形された放熱板と、前記縦型サブ基板の端部に配置された基板端子によって電気的に接続されることで前記縦型サブ基板を実装したメイン基板と、前記ＳＩＰ型半導体素子と前記制御半導体素子との間に、前記縦型サブ基板を挟んで前記放熱板の内側の空間を２つに仕切るように前記放熱板の内側に配置されたブッシングと、前記ブッシングで仕切られた前記ＳＩＰ型半導体素子側の前記放熱板の内側に、少なくとも前記縦型サブ基板と前記ＳＩＰ型半導体素子の電気的接続部を覆うようにポッティング材を充填したことを特徴とする電子回路装置。
2. 制御半導体素子を、縦型サブ基板のＳＩＰ型半導体素子の実装面と反対側の実装面に実装した請求項１に記載の電子回路装置。
3. 放熱板の制御半導体素子と近接対面する側面に切り欠き開口部を設けた請求項１または２に記載の電子回路装置。
4. 縦型サブ基板と放熱板の底面部との間に空隙を設けた請求項１から３のいずれか一項に記載の電子回路装置。
5. 放熱板の制御半導体素子側の底面部に開口部を設けた請求項１から４のいずれか一項に記載の電子回路装置。

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