JP2009043812A - パワーエレクトロニクス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高さ寸法を小さくすることができる上に、半導体素子が高周波信号を扱っても特性に影響が生じない。
【解決手段】 プリント基板２にリード挿通孔２２を形成し、リード挿通孔２２に半導体素子１０のリード１４の一端が挿通されている。リード１４は、２基板に対して斜めに直線的に伸びて本体１２内に導入されている。本体１２に接触している接触部１８を放熱体１６が有し、接触部１８が基板２に対して傾斜している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば電力半導体素子のような半導体素子を使用したパワーエレクトロニクス装置に関し、特に半導体素子からの放熱に関する。

従来、上記のような半導体素子からの放熱は、例えば特許文献１に開示されているようにして行われるものがある。特許文献１では、プリント基板に対して垂直に板状体をプリント基板上に設けてある。板状体は、アルミニウムのような熱伝導性が良好な材料製である。この板状体に半導体素子が取り付けられている。即ち、半導体素子もプリント基板に対して垂直に設けられている。この半導体素子のリードがプリント基板に半田付けされている。

特開２００３―１５２１３９号公報

特許文献１の技術では、放熱用の板状体及び半導体素子がプリント基板に対して垂直に設けられているので、高さ寸法が大きくなり、パワーエレクトロニクス装置の小型化を図ることができない。例えば、高さ寸法を小さくするためには、例えばプリント基板と同一水平面上に位置するように、プリント基板とは別に放熱用の板状体を配置し、その板状体上に半導体素子を取り付け、半導体素子のリードに接続用のリード線を繋いで、このリード線をプリント基板の所定位置に半田付けすることも考えられる。しかし、これでは、接続用のリード線を使用するので、半導体素子が扱う信号が高周波信号の場合に、接続用のリード線のインダクタンスの影響を受け、所望の特性が得られない可能性がある。

本発明は、高さ寸法を小さくすることができる上に、半導体素子が高周波信号を扱っても特性に影響が生じないパワーエレクトロニクス装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様のパワーエレクトロニクス装置は、リード挿通孔が形成されている基板を有している。前記リード挿通孔に半導体素子のリードの一端が挿通されている。半導体素子のリードがその一端から記基板に対して斜めに直線的に伸びて半導体素子の本体内に導入されている。即ち、リードは折り曲げられることなく、半導体素子の本体からリード挿通孔に挿入されている。このリードは、リード挿通孔の周囲に形成されているパターンに半田付けされる。半導体素子としては、電力半導体素子を使用することができ、特に、高周波信号を処理する電力半導体素子を使用することができる。この半導体素子の前記本体に放熱体の接触部が接触している。この接触は、面接触とすることが望ましい。この接触部が前記基板に対して傾斜している。

このように構成されたパワーエレクトロニクス装置では、基板に対して傾斜している接触部上に半導体素子が接触しているので、半導体素子の本体も基板に対して傾斜しており、この本体から折り曲げられることなくリードが基板上のリード挿通孔に挿入されている。従って、基板に対して垂直に放熱板を設置した場合よりも高さ寸法を小さくすることできる。しかも、リードは、接続用のリードを使用せずに直接にリード挿通孔に挿入されているので、たとえ高周波信号を半導体素子が処理する場合でも、その特性に影響は生じない。さらに、ロードは折り曲げられることなく、リード挿通孔に挿通されているので、その機械的強度も大きい。

例えば放熱体を、ブロック状に形成してプリント基板とは別に設けることもできる。但し、この場合、プリント基板とは別にブロック状の放熱体を設ける必要があり、このようなパワーエレクトロニクス装置の製造が面倒である。これに対し、放熱体をプリント基板上に設ければ、予めプリント基板上に放熱体を設けておくことができるので、パワーエレクトロニクス装置の製造が容易になる。

更に、放熱体を板状体によって構成することもできる。このように構成すると、その板状体を折り曲げるだけなので、放熱体の加工が容易であり、コスト低減を実現できる。

プリント基板上の放熱体は、板状体をその中途で折り曲げて形成することができる。この場合、前記接触部と、この接触部に連なる支持部とが折り曲げによって形成される。この場合、支持部の前記基板への接触端部には、突部が形成される。この突部が前記基板に形成した突部挿通孔に挿入されて半田付けされる。

このように構成すると、予め半導体素子を接触部に取り付けて、支持部の突部を基板の突部挿入孔に挿入し、リードをリード挿通孔に挿通し、フロー半田槽にディップすることによって、全ての半田付けを行うことができる。特に、フロー半田槽においてプリント基板が上下方向に傾斜する場合でも、突部が設けられているので、支持部及び接触部のプリント基板上で移動することもない。

リード挿通孔を長孔に形成することができる。この場合、前記リードが前記長孔に対して斜めに挿通されて、半田付けされる。このように構成すると、リードのリード挿通孔内での半田との接触面積が大きくなり、強固に半田付けされる。

以上のように、本発明によるパワーエレクトロニクス装置は、その高さ寸法を短くすることができる上に、リードの機械的強度を向上させられ、かつ半導体素子の出力の特性がリードのインダクタンスの影響を受けることがない。

本発明の第１の実施形態のパワーエレクトロニクス装置は、図１に示すように、基板、例えばプリント基板２を有している。プリント基板２は、シャーシ４上にスペーサ６によって間隔をあけて支持されている。このプリント基板２上に多数の電子部品が配置され、これら電子部品がプリント基板２上に形成した配線パターンによって接続され、電子回路、例えばデジタルアンプを構成している。

使用されている電子部品中に、半導体素子、例えば電力半導体素子１０がある。電力半導体素子１０は、概略扁平な直方体状の本体１２を有し、その本体１２の１つの面から、この面に垂直に、複数、例えば３本のリード１４が伸延している。

この電力半導体素子１０の本体１２におけるリード１４が突出している面と垂直な面が放熱面とされ、放熱体１６に取り付けられている。放熱体１６は、熱伝導が良好な材料、例えばアルミニウム製のブロックで、プリント基板２に接近してシャーシ４上に取り付けられている。この放熱体１６は、プリント基板２側に向かって斜め下方に傾斜した接触部１８を有し、この接触部１８に電動半導体素子１０の放熱面が面接触し、ネジ２０によって固定されている。従って、電力半導体素子１０の本体１２もプリント基板２に対して斜めに傾斜しており、リード１４もプリント基板２に対して斜めの状態で、プリント基板２側に伸びている。

各リード１４の先端に対応するプリント基板２上には、リード挿通孔２２がそれぞれ形成されている。これらリード挿通孔２２は、図２に示すように貫通した長孔に形成されている。このリード挿通孔２２に挿通されたリードは、リード挿通孔２２の周囲に形成された配線パターンに半田付けされる。この際、リード挿通孔２２内に半田が充満するので、リード１４と半田との接触面積が、通常の円孔の場合よりも多い。その結果、強固に半田付けされる。

また、放熱体１６のプリント基板２とは反対側の面には、放熱用の多数のフィン２４が形成されている。

このように構成されたパワーエレクトロニクス装置では、電力用半導体素子１０がプリント基板２に対して斜めに配置されているので、電力用半導体素子１０をプリント基板２に対して垂直に立てた場合よりも高さ寸法を小さくすることができ、このパワーエレクトロニクス装置を小型化することが可能となる。更に、リード１４は、直接にリード挿通孔２２に挿通されており、別途に接続用のリード線を使用する必要がない。そのため、電力用半導体素子１０が、デジタルアンプ回路の出力回路であって、数百ｋＨｚ以上の高周波信号を処理していても、寄生インダクタンスの発生が殆ど無く、電力用半導体素子１０の出力特性に悪影響を与えることがない。しかも、リード１４は、リード挿通孔２２に折曲げることなく挿入されているので、折り曲げによる機械的強度の低下を生じることはない。

本発明の第２の実施形態のパワーエレクトロニクス装置を図３に示す。この実施形態のパワーエレクトロニクス装置は、放熱体１６ａが、シャーシ４上ではなく、プリント基板２上に設置されている点で、第１の実施形態のパワーエレクトロニクス装置と異なる。他の点は、第１の実施形態のパワーエレクトロニクス装置と同様である。同等部分には、同一符号を付して、その説明を省略する。

放熱体１６ａが傾斜した接触部１８ａを有し、その接触部１８ａ上に電力半導体素子１０の放熱面が取り付けられている点や、フィン２４ａを有する点は、第１の実施形態と同様である。放熱体１６ａは、プリント基板２上に配置しているので、半田付けが可能なものが望ましく、例えば銅製または鉄製のものを使用する。但し、アルミニウムでも、半田付け可能な処理を行うか、ネジ止めする場合には、使用可能である。

このように放熱体１６ａをプリント基板２上に配置しているので、シャーシ４に放熱体１６ａを固定する手間が省け、その組み立て作業が容易となる。

本発明の第３の実施形態のパワーエレクトロニクス装置を図４及び図５に示す。このパワーエレクトロニクス装置は、放熱体１６ｂを板状体を折曲げることによって形成した以外、第２の実施形態のパワーエレクトロニクス装置と同様に構成されている。同等部分には、同一符号を付して、その説明を省略する。

放熱体１６ｂは、熱伝導が良好な材料製、例えばアルミニウム製の板状体をその途中でくの字に折り曲げて、接触部１８ｂとこれに連なる支持部２６を形成してある。板状体の折り曲げによって放熱体１６ｂを構成することによって低コスト化と軽量化を図ることができる。支持部２６の下端部の両端には、図５に示すように突部２８が形成され、これら突部２８が、プリント基板２に形成した２つの突部挿通孔３０に挿通されている。また、接触部１８ｂの下端はプリント基板２に接触している。

このパワーエレクトロニクス装置では、接触部１８ｂ上に予め電力半導体素子１０の本体部１２をネジ止めし、支持部２６の突部２８をプリント基板２の突部挿通孔３０に挿通し、電力半導体素子１０のリードをリード挿通孔２２に挿通し、フロー半田槽でディップすることによって半田付けする。フロー半田槽において、プリント基板２が上下方向に傾斜しても、突部２８を突部挿通孔３０に挿通していることにより、放熱体１６ｂがプリント基板２上で移動することがない。また、板状体をくの字に折り曲げてあるので、接触部１８ｂのプリント基板２側の面での空気の流通が良好であり、放熱効果も高い。さらに、放熱体１６ｂは板状体を折り曲げて形成してあるので、放熱体１６ｂの加工が容易であり、コスト低減が実現できる。

本発明の第４の実施形態のパワーエレクトロニクス装置を図６に示す。このパワーエレクトロニクス装置は、第３の実施形態と同様に放熱体１６ｃが熱伝導が良好な板状体を折り曲げて形成されている。接触部１８ｃに連ねてプリント基板２と平行な中間部３２が形成され、この中間部３２に連ねてプリント基板２と垂直な支持部３４が形成されている。支持部３４の先端には、第３の実施形態と同様に突部３６が形成され、プリント基板２の突部挿通孔３８に挿通され、半田付けされている。接触部１８ｃ及び中間部３２のプリント基板２側の面に、別個に形成した複数のフィン４０がねじ止めされ、放熱効率を高めている。

上記の各実施形態では、放熱体１６、１６ａ乃至１６ｃには、１つの電力半導体素子１０を取り付ける場合を示したが、これに限ったものではなく、１つの放熱体１６、１６ａ乃至１６ｃに複数の電力半導体素子１０を取り付けることもできる。また、上記の各実施形態では、デジタルアンプに本発明のパワーエレクトロニクス装置を実施したが、これに限ったものではなく、スイッチング電源回路等にも本発明のパワーエレクトロニクス装置を実施することができる。

本発明の第１の実施形態のパワーエレクトロニクス装置の部分破断側面図である。 図１のパワーエレクトロニクス装置において使用されるプリント基板の部分省略斜視図である。 本発明の第２の実施形態のパワーエレクトロニクス装置の部分破断側面図である。 本発明の第３の実施形態のパワーエレクトロニクス装置の部分破断側面図である。 図４のパワーエレクトロニクス装置で使用する放熱体の斜視図である。 本発明の第４の実施形態のパワーエレクトロニクス装置の部分破断側面図である。

符号の説明

２ プリント基板
１０ 電力用半導体素子
１２ 本体部
１４ リード
１６ １６ａ乃至１６ｃ 放熱体
１８ １８ａ乃至１８ｃ 接触部
２２ リード挿通孔

Claims (5)

1. リード挿通孔を有する基板と、
   前記リード挿通孔にリードの一端が挿通され、前記リードがこの一端から前記基板に対して斜めに直線的に伸びて本体内に導入されている半導体素子と、
   この半導体素子の前記本体に接触している接触部を有し、この接触部が前記基板に対して傾斜している放熱体とを、
   具備するパワーエレクトロニクス装置。
2. 請求項１記載のパワーエレクトロニクス装置において、前記放熱体が、前記基板上に取り付けられているパワーエレクトロニクス装置。
3. 請求項１または２記載のパワーエレクトロニクス装置において、前記放熱体が、板状体によって構成されているパワーエレクトロニクス装置。
4. 請求項２記載のパワーエレクトロニクス装置において、前記放熱体が、板状体をその中途で折り曲げて形成した前記接触部と、この接触部に連なる支持部とを有し、この支持部の前記基板への接触端部には、突部が形成され、この突部が前記基板に形成した突部挿通孔に挿入されて半田付けされているパワーエレクトロニクス装置。
5. 請求項１乃至４いずれか記載のパワーエレクトロニクス装置において、前記リード挿通孔が長孔に形成され、前記リードが前記長孔に対して斜めに挿通されて、半田付けされているパワーエレクトロニクス装置。
   

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