JP2008199721A - 電源モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子とトランスとを一体化したモジュールにおいて、半導体素子からコイル部への熱伝導を抑制し、コイル部の温度上昇を低減することを目的とする。
【解決手段】上記目的を達成するため本発明は、第１の放熱板８と、この第１の放熱板８に接合されたトランス９および半導体素子１０、１１と、トランス９に熱的に接合された第２の放熱板１７とを備え、トランス９は、コア部１２と、このコア部１２を軸に磁界を発生させるコイル部１３とを有し、第１の放熱板８は、コア部１２と面接合されるとともに、第２の放熱板１７は、コイル部１３と熱的に面接合されているものとした。これにより本発明は、半導体素子１０、１１とトランス９とを一体化したモジュールにおいて、半導体素子１０、１１からコイル部１３への熱伝導を抑制し、コイル部１３の温度上昇を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、トランスと半導体素子とを一体化した電源モジュールに関する。

図２に示す電源装置のコンバータ部１は、変圧するためのトランス２と、このトランス２の一次側３（入力回路側）、二次側４（出力回路側）にそれぞれ配置された半導体素子５、６とを備え、トランス２は、コア部２Ａと、このコア部２Ａを軸に磁界を発生させるコイル部２Ｂとを有している。

また一次側の半導体素子５としてはＦＥＴ、二次側の半導体素子６としてはダイオードが配置されることが多く、これらは回路におけるスイッチとしての役割を果たす。

そして近年、トランス２と半導体素子５、６とを一体にし、標準化モジュールを構築することが求められている。これにより、個々の部品毎に実装したり、回路配置等を設計したりする必要がなくなり、設計工数が減少し、生産性向上にも大きく寄与するためである。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００５−８０３８２号公報

上述のように、近年の標準化モジュールの要請に応えるため、トランス２と半導体素子５、６とを一体化すると、コイル部２Ｂの温度が過剰に上昇することがあった。

それは、トランス２と半導体素子５、６とを一体化すると、発熱体である半導体素子５、６からの熱がコイル部２Ｂの方へ伝わるためである。そしてコイル部２Ｂの温度が上昇すると、コイル部２Ｂにおける電気抵抗が増大し、この損失によりさらにコイル部２Ｂの温度が上昇してしまうという悪循環を招いていた。

そこで本発明は、半導体素子からコイル部への熱伝導を抑制し、コイル部の温度上昇を低減することを目的とする。

この目的を達成するため本発明は、第１の放熱板と、この第１の放熱板に接合されたトランスおよび半導体素子と、トランスに熱的に接合された第２の放熱板とを備え、トランスは、コア部と、このコア部を軸に磁界を発生させるコイル部とを有し、第１の放熱板は、コア部と面接合されるとともに、第２の放熱板は、コイル部と熱的に面接合されているものとした。

これにより本発明は、半導体素子とトランスとを一体化したモジュールにおいて、半導体素子からコイル部への熱伝導を抑制し、コイル部の温度上昇を低減することができる。

それは、半導体素子およびコア部を第１の放熱板と接合することで半導体素子とトランスとを一体化するとともに、第２の放熱板はコイル部と面接合させているためである。

すなわち、コア部は一般に熱伝導性が低いため、このコア部を介することで半導体素子とコイル部間の熱伝導を抑制でき、第１の放熱板で半導体素子からの熱を放出することができる。さらに第２の放熱板は、第１の放熱板と接触しないように、コイル部と面接合させていることから、コイル部の熱を第２の放熱板から効率よく放出することができる。

したがって、半導体素子とトランスとを一体化したモジュールにおいて、半導体素子からコイル部への熱伝導を抑制し、コイル部の温度上昇を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態におけるトランスと半導体素子とが一体化された電源モジュールについて説明する。

（実施の形態１）
はじめに、本実施の形態における構造を説明する。

図１に示す電源モジュール７は、第１の放熱板８と、この第１の放熱板８に接合された、トランス９およびＦＥＴ１０（半導体素子）、ダイオード１１（半導体素子）とを備え、トランス９は、コア部１２Ａ、１２Ｂ（以下まとめてコア部１２とする。）と、コイル部１３とを有している。

なお、本実施の形態では、コア部１２は、中脚１４Ａ、１４Ｂ（以下まとめて中脚１４とする。）と、この中脚１４に略垂直となるように、中脚１４の上下の両端にそれぞれ形成された背脚１５Ａ、１５Ｂ（以下まとめて背脚１５とする）とを有している。コイル部１３は、中脚１４を軸に磁界を発生させるものであり、この中脚１４の外周であって上下の背脚１５間に配置されているものである。なお、図１では、コイル部１３の外側面にコア部１２は配置されておらず、開放系となっているが、中脚１４と略平行に、このコイル部１３の外側面を覆う外脚（図示せず）を設ければ、磁束をよりスムーズに流すことができる。

また本実施の形態では、コア部１２として中脚１４の両端に背脚１５が形成されたものを用いたため、磁束が閉路状をなすコア部１２を形成することができる。そして背脚１５はコイル部１３の上方、下方を覆うように形成している。さらに本実施の形態のコア部１２は、上下に分割したものを用いている。

以下、コア部１２の上方をコア部１２Ａとし、下方をコア部１２Ｂとして詳細に説明すると、本実施の形態の上方のコア部１２Ａは中脚１４Ａと、この中脚１４Ａの上端部に中脚１４Ａと略垂直な背脚１５Ａとを有し、下方のコア部１２Ｂも同様に、中脚１４Ｂと、この中脚１４Ｂの下端部に中脚１４Ｂと略垂直な背脚１５Ｂとを有し、中脚１４Ａと中脚１４Ｂとは磁気的に接合されたものである。このようにコア部１２を分割すると、コイル部１３の挿入が容易となる。また本実施の形態では、コイル部１３としては巻線コイルを用い、この巻線コイルはボビン１６内で巻き回している。

そして上述のコア部１２の下方の背脚１５Ｂ下面と第１の放熱板８の上面とが接合されることで、この第１の放熱板８とトランス９とが接合されている。またコイル部１３の上面には、第１の放熱板８と接触しないように第２の放熱板１７が配置されている。この第２の放熱板１７は図１では折り曲げ、伸ばしが可能である。

また本実施の形態では、第１の放熱板８の中央にトランス９が接合されており、その外周にはＦＥＴ１０やダイオード１１などの半導体素子などが実装されている。なおこれらのＦＥＴ１０やダイオード１１は、第１の接着層１８を介して第１の放熱板８上に形成されたリードフレーム１９上に半田付けされ、実装されている。

またコア部１２とコイル部１３との間は、第２の接着層２０で接着されている。さらにコア部１２Ｂの背脚１５Ｂと第１の放熱板８との間は、第３の接着層２１で接着され、第２の接着層２０は第１の接着層１８および第３の接着層２１よりも弾性率が小さい（軟らかい）ものとした。

そして本実施の形態では、第１の接着層１８は第２の接着層２０よりも熱伝導率が高いものとした。

また本実施の形態では、第１の放熱板８と、この第１の放熱板８と対面する下方の背脚１５Ｂとは第３の接着層２１で接着したが、第２の放熱板１７と、この第２の放熱板１７と対面する上方の背脚１５Ａとの間は、接着層を形成せず、空間を設け、熱伝導率を小さくしている。

このように形成された電源モジュール７は、上方に配置されたメイン基板２３にリードフレーム１９を挿入し、このメイン基板２３に設けられた貫通孔２４にトランス９を配置することで実装される。そしてこのトランス９は、コイル部１３の１次巻線（一次側の回路と導通している巻線）に電流が流されると、コア部１２に磁束を誘起し、その磁束の変化をコイル部１３の２次巻線（二次側の回路と導通している巻線）で受けて電圧に変えている。

以下に本実施の形態で用いた部材の材料について説明する。

第１の放熱板８および第２の放熱板１７としては、厚みが１．０ｍｍ〜５．０ｍｍ程度のアルミ板または銅板などを用いた。またコイル部１３の巻線としては銅線に絶縁層を被覆したものを用い、コア部１２（１２Ａおよび１２Ｂ）は鉄、マンガン、亜鉛などの金属酸化物を焼結させた軟磁性のフェライトを用いた。

またリードフレーム１９を形成するための金属板としては、厚みが０．５ｍｍのタフピッチ銅を用いた。なお、この金属板の厚みは、リードフレーム１９からの熱拡散性および放熱性を十分大きくするためには０．１ｍｍ以上が好ましい。

また、第１の接着層１８としては、エポキシ樹脂にＡｌ₂Ｏ₃からなるフィラを７０〜９５重量％充填させたものを用いた。エポキシ樹脂を用いたのは、耐熱性や電気絶縁性に優れているためである。エポキシ樹脂以外では、フェノール樹脂やシアネート樹脂などの絶縁性を有する熱硬化性樹脂を用いてもよい。また高熱伝導性の液晶ポリマーやＰＰＳなどの熱可塑性樹脂を用いても良い。

また本実施の形態では、このフィラ入りエポキシ樹脂に予め熱可塑性樹脂粉末からなるプレゲル材を添加した。このプレゲル材は、未硬化の熱硬化性樹脂の液状成分を吸収して膨張し、素早くゲル化させるため、第１の接着層１８のエポキシ樹脂が重合する前段階で固体化することができ、金型から容易に取り出すことが出来る。

そしてフィラとしては、Ａｌ₂Ｏ₃の他に、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂、ＢＮ及びＡｌＮの少なくとも何れか一つからなる無機粉末や、金属酸化物からなる粉末を充填させたものを用いてもよい。これらのフィラによって熱伝導率を高めることができる。また特にＭｇＯを用いると線熱膨張係数を大きくすることができ、ＢＮを用いると線熱膨張係数を小さくできる。このように、充填するフィラの種類で樹脂の熱膨張係数を調整することによって、リードフレーム１９や第１の放熱板８に用いる金属と第１の接着層１８との熱膨張係数を近似させ、モジュール全体の熱信頼性を向上させることが出来る。

また本実施の形態で用いたＡｌ₂Ｏ₃からなるフィラは、平均粒径３ミクロンと平均粒径１２ミクロンの２種類のＡｌ₂Ｏ₃を混合したものである。この大小２種類の粒径のＡｌ₂Ｏ₃を用いることによって、大きな粒径のＡｌ₂Ｏ₃の隙間に小さな粒径のＡｌ₂Ｏ₃を充填でき、Ａｌ₂Ｏ₃を９５重量％程度にまで高濃度に充填できる。この結果、第１の接着層１８の熱伝導率は５Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度となる。

そして、このフィラは、直径が０．１〜１００μｍの範囲のできるだけ小さいものを用い、７０〜９５重量％程度に高濃度に充填すれば、熱伝導率を上げることができる。なお、フィラの充填率が９５重量％を超えると成形し難くなり、第１の接着層１８とリードフレーム１９や第１の放熱板８となる金属板との接着性も低下するため、９５重量％以下に抑える方がよい。

また本実施の形態では、この第１の接着層１８の厚さは、絶縁耐圧と熱抵抗を考慮し、最大０．６ｍｍとなるように形成した。

また本実施の形態では、第３の接着層２１は第１の接着層１８よりもフィラの含有率を小さくして弾性率が小さく（軟らかく）なる構成とし、第２の接着層２０は、第３の接着層２１よりも更に弾性率が小さくなる構成とした。

また第２の接着層２０は第１の接着層１８および第３の接着層２１よりも熱伝導率が小さいものとした。

そして本実施の形態におけるシャーシ２２は、厚み２．０ｍｍ程度のアルミ板を用いた。このシャーシ２２のかわりにフィンを配置すれば、表面積が広がり、より放熱性を高めることができる。

次に、本実施の形態における電源モジュール７の製造方法について説明する。

まずフィラ入り樹脂の塊を、中央が凸になるように丸型（あるいは蒲鉾型、台形、円柱、球状）にまとめ、図１に示す第１の放熱板８の両脇上に置く。そしてこのフィラ入り樹脂を加熱プレス、あるいは真空加熱プレス等によってシート状となるように延伸する。

次にこの第１の放熱板８を１００℃で１〜２分間加熱し、第１の接着層１８を固体化させ、金型から取り外す。そしてその後２００℃の炉に数時間入れ、第１の接着層１８のエポキシ樹脂を重合させて本硬化させる。本実施の形態では、この第１の接着層１８を硬化させる前に、第１の接着層１８上に予めリードフレーム１９を配置し、一体化させてから硬化させた。ここでリードフレーム１９にパターンを形成している場合、リードフレーム１９を第１の接着層１８と略面一となるまで埋め込むと、パターン間にもフィラ入り樹脂が入り込み、電気的絶縁性を向上させることができるとともに、リードフレーム１９上に電子部品が実装しやすくなる。なお、リードフレーム１９は、第１の接着層１８を硬化させた後、高熱伝導性の接着剤などで第１の接着層１８上に配置してもよい。

またリードフレーム１９の上面には、電気メッキで半田層あるいは錫層（図示せず）を形成してもよい。このようにして、放熱板の中央部分を除き、第１の接着層１８を形成することができる。

その後、トランス９のコア部１２の中脚１４Ｂの外周に、ボビン１６内で巻き回したコイル部１３を配置する。ここで、このボビン１６の下側には切欠き部２５を設けておき、この切欠き部２５から露出させたコイル部１３とコア部１２とを第２の接着層２０により接着させる。

次にこのコイル部１３の上面に第２の放熱板１７を接着剤などで接着する。このとき、第２の放熱板１７は折り曲げておく。

その後、第１の放熱板８上に、下側のコア部１２Ｂの中脚１４Ｂを配置し、第３の接着層２１で接着させる。そして、下側のコア部１２Ｂと対向するように上側のコア部１２Ａを配置する。最後に、リードフレーム１９上にＦＥＴ１０やダイオード１１などの半導体部品を実装し、リードフレーム１９の外側部分を折り曲げる。

そして上記のように形成された電源モジュール７は、リードフレーム１９をメイン基板２３に挿入することで実装される。

なお、このメイン基板２３には、トランス９部分に貫通孔２４を設けておき、この貫通孔２４部分にトランス９をはめ込む。このようにはめ込むことで、モジュール全体の低背化につながる。なお、この時、第２の放熱板１７は、放熱面積を大きくすると、貫通孔２４を通らない場合がある。この場合は図１に示すように、第２の放熱板１７を予め折り曲げておくと、メイン基板２３の貫通孔２４にトランス９をはめ込みやすくなる。この第２の放熱板１７は、低背化のため、メイン基板２３を配置した後伸ばしてもよい。

なお、リードフレーム１９の一端をコイル部１３の引出端子と電気的に接続し、他端をメイン基板２３に挿入すれば、コイル部１３の電極を実装基板表面まで引き出すことができる。

本実施の形態における効果を以下に説明する。

トランス９と半導体素子（ＦＥＴ１０、ダイオード１１）とを一体化したモジュールにおいて、半導体素子からコイル部１３への熱伝導を抑制し、コイル部１３の温度上昇を低減することができる。

それは、ＦＥＴ１０、ダイオード１１およびトランス９のコア部１２を第１の放熱板８と接合することでＦＥＴ１０、ダイオード１１とトランス９とを一体化するとともに、第２の放熱板１７はコイル部１３と熱的に面接合させているためである。

すなわち、半導体素子（ＦＥＴ１０、ダイオード１１）の発熱量は大きく、またコイル部１３の熱伝導は高いため、従来の電源（スイッチング電源）装置では、半導体素子（ＦＥＴ１０、ダイオード１１）からコイル部１３へと熱が伝わるのを抑制するため、トランス９と半導体素子（ＦＥＴ１０、ダイオード１１）とは出来るだけ離して別々に実装されていた。

しかし本実施の形態では、コイル部１３と第１の放熱板８との間には、一般にコイル部１３よりも熱伝導性が低いコア部１２を介在させているため、半導体素子（ＦＥＴ１０、ダイオード１１）からコイル部１３へと熱が伝わるのを抑制でき、また第１の放熱板８でＦＥＴ１０、ダイオード１１からの熱を放出することができる。さらに第２の放熱板１７は、第１の放熱板８と接触しないようにコイル部１３と熱的に面接合させていることから、コイル部１３の熱を第２の放熱板１７から効率よく放出することができる。したがって、ＦＥＴ１０、ダイオード１１とトランス９とを一体化したモジュールにおいて、ＦＥＴ１０、ダイオード１１からコイル部１３への熱伝導を抑制し、コイル部１３の温度上昇を低減することができる。

またコイル部１３も自己発熱するが、この熱は第２の放熱板１７から効率よく放出できるため、ＦＥＴ１０、ダイオード１１に伝わるのを抑えることができる。これにより、ＦＥＴ１０、ダイオード１１の熱による破損を抑制することができる。

さらに本実施の形態では、トランス９とＦＥＴ１０やダイオード１１とを第１の放熱板８を共有することで一体化しているため、第１の放熱板８の面積を大きくとることができ、ＦＥＴ１０やダイオード１１からの熱を効率よく放出させることができる。

なお、本実施の形態では、ＦＥＴ１０やダイオード１１は一般にプラスチック素材でパッケージングされるため、素子の上面、側面では熱伝導率が低下するが、本実施の形態では、素子下面の外部電極（図示せず）部分とリードフレーム１９とを接続しているため、熱伝導性に優れている。

また一般に銅を主成分とするコイル部１３（巻線）は熱伝導率が高いため、コイル部１３上面に配置された第２の放熱板１７では、コイル部１３の熱が速やかに伝わり、効率よく放熱させることができる。

また本実施の形態では、第２の接着層２０は、第３の接着層２１よりもフィラの含有率を小さくして弾性率が小さくなる（軟らかくなる）構成としたことにより、コイル部１３が振動しても第２の接着層２０を弾性変形させることにより応力を吸収することができる。

また第３の接着層２１は第１の接着層１８よりも弾性率が小さくすることにより、放熱板８へ振動が伝わるのを抑制し、電源モジュール７全体の振動に対する信頼性を向上させることができる。

なお、フィラの含有率を減らすことで弾性率を小さく（軟らかく）すると、一般的に熱伝導率も小さくなるため、本実施の形態では、第１の接着層１８の方が第２の接着層２０よりも熱伝導率が大きくなる。ここで、ＦＥＴ１０やダイオード１１などの半導体素子は、熱により破損しやすくなるため、ＦＥＴ１０やダイオード１１などの半導体素子からの熱はリードフレーム１９および第１の接着層１８を介して出来るだけ速やかに第１の放熱板８へと放出するとともに、コイル部１３からの熱はＦＥＴ１０やダイオード１１などの半導体素子に伝わりにくくする必要がある。

したがって本実施の形態のように第１の接着層１８の熱伝導率を第２の接着層２０の熱伝導率よりも大きくすることは非常に有効である。すなわち、本実施の形態では、半導体素子（ＦＥＴ１０、ダイオード１１）とコイル部１３における熱抵抗を大きくし、ＦＥＴ１０、ダイオード１１の放熱経路と、コイル部１３の放熱経路とをできるだけ分離することによって、半導体素子（ＦＥＴ１０、ダイオード１１）とトランス９とにおける熱の相互干渉を低減することができるのである。

そして本実施の形態では、第１の放熱板８とトランス９とを一体化させるため、この第１の放熱板８と背脚１５Ｂとの間は第３の接着層２１で接着しているが、第２の放熱板１７と、この第２の放熱板１７と対面する背脚１５Ａとの間は空間を設けている。これにより第２の放熱板１７の熱がコア部１２へと伝わるのを抑制し、電源モジュール７外部へと効率よく放熱させることができる。なお、第２の放熱板１７は背脚１５Ａと接着剤で接着しても良いが、熱の伝導を抑制するため、できるだけ熱伝導率の低い接着剤を用いることが望ましい。

なお、本実施の形態では、コイル部１３には巻線コイルを用いたが、コイル部１３と第２の放熱板とを熱的に接合させるものであれば、偏平形でもコア部に組み込まれる形態でもよいものとする。またコア部１２の形状も、いわゆるＥ型とＥ型とを組み合わせた分割型（ＥＥ型）、ＥＩ型、ＵＵ型でもよく、非分割型のいわゆるトロイダルコアでもよいものとする。

本発明はトランスと半導体素子とを一体化した電源モジュールであって、コイル部の温度上昇を低減することができるため、ＰＤＰ用や車載用など、大電流対応の電源モジュールに大いに利用できる。

本発明の一実施の形態における電源モジュールの断面図 従来の電源装置の斜視図

符号の説明

７ 電源モジュール
８ 第１の放熱板
９ トランス
１０ ＦＥＴ（半導体素子）
１１ ダイオード（半導体素子）
１２、１２Ａ、１２Ｂ コア部
１３ コイル部
１４、１４Ａ、１４Ｂ 中脚
１５、１５Ａ、１５Ｂ 背脚
１６ ボビン
１７ 第２の放熱板
１８ 第１の接着層
１９ リードフレーム
２０ 第２の接着層
２１ 第３の接着層
２２ シャーシ
２３ メイン基板
２４ 貫通孔
２５ 切欠き部

Claims (5)

1. 第１の放熱板と、
   この第１の放熱板に接合されたトランスおよび半導体素子と、
   前記トランスに熱的に接合された第２の放熱板とを備え、
   前記トランスは、
   コア部と、
   このコア部を軸に磁界を発生させるコイル部とを有し、
   前記第１の放熱板は、前記コア部と面接合されるとともに、
   前記第２の放熱板は、前記コイル部と熱的に面接合されている電源モジュール。
2. 前記コア部は、
   中脚と、
   この中脚の両端に、それぞれこの中脚と略垂直方向に形成された背脚とを有し、
   前記コイル部は、
   前記中脚の外周であって前記背脚間に配置され、
   前記第１の放熱板は、
   前記背脚の一方と面接合されるとともに、
   前記第２の放熱板は、
   前記背脚の他方と前記コイル部との間で、このコイル部と熱的に面接合されている請求項１に記載の電源モジュール。
3. 前記半導体素子と前記第１の放熱板の間には第１の接着層が形成され、
   前記コア部と前記第１の放熱板の間には第３の接着層が形成され、
   この第３の接着層は、前記第１の接着層よりも弾性率が小さいものとした請求項１または２に記載の電源モジュール。
4. 前記半導体素子と前記第１の放熱板の間には第１の接着層が形成され、
   前記コア部と前記コイル部の間には第２の接着層が形成され、
   前記第１の接着層は、前記第２の接着層よりも熱伝導率が高いものとした請求項１から３のいずれか一つに記載の電源モジュール。
5. 前記第１の放熱板と、この第１の放熱板と面接合される背脚との間の熱伝導率よりも、
   前記第２の放熱板と、この第２の放熱板と対面する背脚との間の熱伝導率の方が低いものとした請求項２から４のいずれか一つに記載の電源モジュール。

Images