JP2014154648A

JP2014154648A - 半導体装置および電子回路装置、圧縮機

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Publication number: JP2014154648A
Application number: JP2013021888A
Authority: JP
Inventors: Shigeomi Tokunaga; 成臣徳永
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2014-08-25
Anticipated expiration: 2033-02-07
Also published as: JP6082985B2

Abstract

【課題】複数の発熱半導体素子をプリント基板に実装し、発熱半導体素子を放熱ケースに接触させて発熱半導体素子の発熱を放熱する場合、半導体の実装バラツキにより半導体と放熱ケースの接触不良が発生し、信頼性が低下する可能性がある。
【解決手段】第１の半導体素子１と放熱プレート７の間に第２の半導体素子を挟み、固定手段にて第１の半導体素子と第２の半導体素子と放熱プレートを一体構造とした半導体装置とすることにより、第１の半導体素子と第２の半導体素子の放熱を確実に行い、半導体装置の熱による悪影響を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ等の負荷を駆動する半導体素子を用いた半導体装置に関するものである。

従来、半導体素子を用いた電子回路装置において、半導体素子を実装したプリント基板は、収納ケース内に収納されるとともに、収納ケースの外郭を形成する金属板と半導体素子が面接触し、半導体素子の発熱を金属板に熱伝導させて放熱させる構成となっている（例えば特許文献１参照）。

以下、図面を参照しながら上記従来の固定方法を説明する。

図１１は特許文献１に記載された従来の半導体素子を用いた電子回路装置を外部放熱体に取り付けた状態における概略構造を示した断面図である。

図１１において、１００はプリント基板であり、モータ駆動用のＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）等である第１の半導体素子１０２が端子１０２ａをはんだ付け等することによって実装されている他、交流電源を交流に変換するためのダイオード等である第２の半導体素子１０３が端子１０３ａをはんだ付け等することによって実装されている。

また、第１の半導体素子１０２の放熱面１０２ｂと第２の半導体素子１０３の放熱面１０３ｂが金属板１０５に接するように配置されている。

１０８は収納ケースであり、この収納ケース１０８にプリント基板１００が螺子１１１によって固定されているとともに、金属板１０５が収納ケース１０８の開口部を覆うように配置されている。
金属板１０５の外側面と収納ケース１０８の取り付け面は同一平面を形成するようになっており、この同一平面が外部放熱体に接するように螺子１１４にて取り付けられている。

１１７はカバーであり、プリント基板１００を覆っている。

以上のように構成された半導体を用いた電子回路装置について、以下その動作を説明する。

電子回路装置が動作すると第１の半導体素子１０２および第２の半導体素子１０３が通電動作により発熱するが、その発熱は第１の半導体素子１０２および第２の半導体素子１０３と密着している金属板１０５へと熱伝導する。

金属板１０５は外部放熱体に密着するように取り付けられているため、金属板１０５へ熱伝導した第１の半導体素子１０２および第２の半導体素子１０３の発熱はさらに外部放熱体へ熱伝導することにより、第１の半導体素子１０２および第２の半導体素子１０３の温度が必要以上に上昇することがないため、第１の半導体素子１０２および第２の半導体素子１０３の熱による悪影響を防止し、電子回路装置は信頼性が保たれながら動作することができる。

特開２００４−１３４４９１号公報

しかしながら、上記従来の構成では、第１の半導体素子１０２の放熱面１０２ｂと第２の半導体素子１０３の放熱面１０３ｂがともに金属板１０５と密着するようにするためには、第１の半導体素子１０２の放熱面１０２ｂと第２の半導体素子１０３の放熱面１０３ｂのプリント基板１００からの高さを正確に揃えてプリント基板１００に実装するという手間のかかる難しい組立てをしなければならないという課題を有していた。

また、プリント基板１００は、第１の半導体素子１０２と第２の半導体素子１０３の両方を実装するため面積が大きくなってしまうという課題を有していた。
また、金属板１０５が外部放熱体に密着し、外部の空気に晒されていないこともあり、圧縮機等、高温となるものに取り付けたい場合は、放熱効果がなくなってしまうという課題を有していた。

取り付け方向を逆にして、カバー１１７側を取り付け面側にし、金属板１０５が外部の空気に触れるようにすれば、金属板１０５の熱が外部の空気に放熱されるが、この場合、金属板１０５が露出するため使用者の手が触れるような構造になっている場合においては、もし第１の半導体素子１０２または第２の半導体素子１０３が故障により絶縁破壊した場合、金属板１０５が充電部になってしまうため、安全が確保されないという課題があった。

また、周囲の温度が変化した場合、収納ケース１０８と第１の半導体素子１０２および第２の半導体素子１０３の線膨張係数の違いにより、第１の半導体素子１０２および第２の半導体素子１０３と金属板１０５との間に隙間が発生し、熱伝導が阻害されることや、逆に端子１０２ａおよび端子１０３ａとプリント基板１００との接合部に応力が加わり、電気接続が破壊されるという課題も有していた。

また、この電子回路装置を圧縮機等の振動するものに取り付けする場合においては、振動がプリント基板１００の螺子１１１による取り付け部や端子１０２ａに加わり、機械的な破壊を起こすという課題も有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、絶縁に対する信頼性を向上しながら、周囲温度が変化した場合においても、安定した半導体素子の放熱を確保し、温度変化や振動に対する信頼性も向上させるとともに、組み立て性も良い半導体装置を提供することを目的としている。

上記従来の課題を解決するために、本発明の半導体装置は、本体部に複数の固定用の取付け部を持つ第１の半導体素子と、前記第１の半導体素子よりも本体の長さが短い第２の半導体素子と、複数の固定部を持つ放熱プレートと、固定手段とを備え、前記第１の半導体素子と前記放熱プレートの間に前記第２の半導体素子を挟み込むとともに前記固定手段にて第１の半導体素子と第２の半導体素子と放熱プレートを固定したものであり、第１の半導体素子と第２の半導体素子の発熱が確実に放熱プレートに熱伝導され放熱されることで、プリント基板に複数の半導体素子が実装された場合においても、それぞれの半導体素子の発熱を放熱プレートに集約して熱伝導させることができ、放熱機構の組立てを簡単にするとともに、半導体装置の熱による悪影響を防止して信頼性を向上させることができる。

本発明の半導体装置は、熱による悪影響を防止することができるので、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１における半導体装置の分解斜視図同実施の形態の側面図同実施の形態における第１の半導体素子の斜視図同実施の形態における第２の半導体素子の斜視図同実施の形態における放熱プレートの３方向図図５におけるＡ−Ａ線での断面図同実施の形態における半導体装置を用いた電子回路装置の分解斜視図同実施の形態における半導体装置を用いた電子回路装置におけるゴムブッシュの斜視図図８におけるＢ−Ｂ線での断面図同実施の形態における半導体装置を用いた電子回路装置を電動圧縮機に取付けた状態の側面図同従来の電子回路装置の概略構造を示した断面図

第１の発明は、本体部に複数の固定用の取付け部を持つ第１の半導体素子と、前記第１の半導体素子よりも本体の長さが小さいプレート形状の第２の半導体素子と、複数の固定部を持つ放熱プレートと、複数の固定手段を備え、第１の半導体素子と放熱プレートの間に第２の半導体素子を挟み込むと伴に固定手段にて第１の半導体素子と第２の半導体素子と放熱プレートを固定したもので、第１の半導体素子と第２の半導体素子と放熱プレートを一体構造とすることができ、組み立て性を良くしながら、第１の半導体素子と第２の半導体素子の両方の発熱を放熱プレートへ確実に熱伝達でき、さらに放熱プレートと他の平面放熱体と面接触させるとことにより、第１の半導体素子と第２の半導体素子の両方の温度上昇を抑え、第１の半導体素子および第２の半導体素子の熱による悪影響を防止し信頼性を向上させることが出来る。

第２の発明は、放熱プレートはプレス加工等により成型された突起部を持ち、この突起部が第２の半導体素子の本体と勘合することにより、第２の半導体素子と放熱プレートおよび第１の半導体素子の相互の位置が決められるようにしたものであるから、組み立て工程が容易な半導体装置を提供することができる。

第３の発明は、第１の半導体素子と第２の半導体素子の間、または第２の半導体素子と放熱プレートの間に熱伝導性のコンパウンドを塗布したものであるから、第１の半導体素子と第２の半導体素子および放熱プレート相互間の熱抵抗を低くして第１の半導体素子と第２の半導体素子の発熱を効率良く放熱プレートに伝えることができ、放熱効率の良い半導体装置を提供することができる。

第４の発明は、部品実装面とは反対側のはんだ面側に実装したプリント基板と、前記プリント基板を収納し、少なくとも一方の面に開口部を備える収納ケースと、前記収納ケースの内部に配設され前記プリント基板を反開口部側から支持する複数のゴムブッシュと、前記収納ケースの開口部を閉口するように取り付けられたアルミ板と、前記半導体装置と前記アルミ板の間に挟まれて密着固定された絶縁シートとを備え、アルミ板を収納ケースに取り付けることによって、前記プリント基板がゴムブッシュを圧縮し、半導体装置とアルミ板が圧接して、半導体装置の発熱がアルミ板に伝導するように構成された電子回路装
置である。

これによって、第１の半導体素子と第２の半導体素子の発熱を効率良く放熱プレートを経由してアルミ板に伝え、そして外部に放熱することができ、信頼性の高い電子回路装置を提供することができる。

第５の発明は、電子回路装置を用いた電動圧縮機であるから、電子回路装置の放熱効率が良く、信頼性の高い電動圧縮機を提供することができる。

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における半導体装置の分解斜視図、図２は同実施の形態の側面図、図３は同実施の形態における第１の半導体素子の斜視図、図４は同実施の形態における第２の半導体素子の斜視図、図５は同実施の形態における放熱プレートの３方向図、図６は図５におけるＡ−Ａ線での断面図、図７は同実施の形態における半導体装置を用いた電子回路装置の分解斜視図、図８は同実施の形態における半導体装置を用いた電子回路装置におけるゴムブッシュの斜視図、図９は図８におけるＢ−Ｂ線での断面図、図１０は同実施の形態における半導体装置を用いた電子回路装置を電動圧縮機に取付けた状態の側面図である。

図１から図６において、第１の半導体素子１は、モータを駆動するためのスイッチング動作を行うが、本体の端部２箇所に固定用の取付け部１ａを持っているとともに、取付け部１ａの無い両側の端部に端子１ｂを持っている。

また、本体の上部は平たんな放熱面１ｃを形成しており、この面に熱伝導の良いコンパウンド８が塗布されている。

プレート形状をした第２の半導体素子４は、交流電源を直流に変換する整流動作を行うが、本体の中央部に固定用穴の取付け部４ａを持っており、端部に端子４ｂを持っているが、この端子４ｂは９０度の角度に曲げ加工されている。

また、本体の上部は平たんな放熱面４ｃを形成しており、この面に熱伝導と良いコンパウンド８が塗布されている。

金属プレートを加工した放熱プレート７は、２箇所に固定部であるネジ穴７ａを有するとともに、中央部にプレス加工による突起部７ｂを有している。

固定手段として固定ネジ１０を用いている。

第２の半導体素子４は第１の半導体素子１と放熱プレート７でサンドイッチ状態に挟み込まれており、この状態で固定ネジ１０により第１の半導体素子１の取付け部１ａおよび放熱プレート７のネジ穴７ａを固定することにより一体構造の半導体装置１３を成している。

このとき、固定ネジ１０の長さは先端が放熱プレート７から飛び出ない長さに選定されており、これにより放熱プレート７が他の平面構造体と面接触可能なようになっている。

また、放熱プレート７の突起部７ｂは第２の半導体素子４の取付け部４ａに勘合して嵌
るようになっており、このことにより容易に第１の半導体素子１と第２の半導体素子４および放熱プレート７相互間の位置決めが成され、組立作業が容易にできるようになっている。

この状態において第１の半導体素子１と第２の半導体素子４の間および、第２の半導体素子４と放熱プレート７の間には夫々コンパウンド８が塗布されているため、第１の半導体素子１と第２の半導体素子４および放熱プレート７は相互に熱伝導が良好に行われ、第１の半導体素子１と第２の半導体素子４の発熱は放熱プレート７に速やかに熱伝導する。

図７から図９において、変性ポリフェニレンエーテル樹脂等の樹脂により射出成形された収納ケース５１には、内部にプリント基板５５が収納できるように、プリント基板５５の大きさに対して若干大きい開口部５９を有しており、本電子回路装置取付けの為の孔が設けられた複数の取付け脚５１ｃおよび５１ｄが設けられている。

プリント基板５５は、ガラス布やガラス不織布エポキシ樹脂からなり、コネクタ６３が実装されており、４箇所の角部には複数の基板取り付け穴５５ａが設けられている。

収納ケース５１にはコネクタ６３に対向する位置が開口し、コード引出部６７を形成している。

収納ケース５１の内部４箇所には開口部に向かって突出した突出部５１ａが一体成型されて設けられており、この突出部５１ａには空洞部を備えた筒状のゴムブッシュ６９が突出部５１ａをゴムブッシュ６９の空洞部６９ａに嵌め込むようにそれぞれ取り付けられている。

突出部５１ａの高さはゴムブッシュ６９の高さよりも高く、先端がゴムブッシュ６９より突出するようになっており、この突出した部分がプリント基板５５の基板取り付け穴５５ａに嵌るようになっている。また、このゴムブッシュ６９はプリント基板５５を収納ケース５１に収納取付けた状態で、収納ケース５１とプリント基板５５によって挟み込まれ圧縮されている。

また、基板取り付け穴５５ａの穴径は突出部５１ａが挿入された時に適度なクリアランスがあるように設計されている（たとえば突出部５１ａの径が３ｍｍであれば基板取り付け穴５５ａの穴径は４ｍｍ）。

収納ケース５１の開口部５９の角部には取付け穴５１ｂが開けられているほか、プレス加工されたアルミ合金製のアルミ板７１の角部には孔７１ａが開けられており、アルミ板固定ネジ７５にてアルミ板７１を収納ケース５１に固定して、開口部５９を閉口できるようになっている。

アルミ板７１の内側面に密着して絶縁シート７９が（たとえば２枚重ねられて）絶縁シート絶縁シート固定ネジ８１にて取り付けられているが、この絶縁シート７９は安全規格を満足する電気絶縁性能（たとえば１７５０Ｖ、１分間の絶縁耐力試験に耐える）を持っている。

また、アルミ板７１の内側面には複数の突起部７１ｂがプレス加工等によって形成されており、絶縁シート７９はこの突起部７１ｂで囲まれた内側に、突起部７１ｂにて位置規制され取り付けられている。
また、絶縁シート７９には予め熱伝導の良いコンパウンド８５が塗布されており、絶縁シート７９とアルミ板７１の密着を良くすることで、絶縁シート７９とアルミ板７１の熱伝
導を向上させている。

プリント基板５５には半導体装置１３が実装されているが、半導体装置１３だけはコネクタ６３等の他の部品とは反対側のアルミ板７１と対向するはんだ面５５ｂに実装されている。

半導体装置１３は絶縁シート７９が取り付けられたアルミ板７１と放熱プレート７が密着しており、アルミ板７１を収納ケース５１に取付けることによってプリント基板５５がゴムブッシュ６９を圧縮状態にしている。

密閉型の電動圧縮機９７は、その外郭にブラケット９７ａが溶接等により取付けられている。
本実施例の電子回路装置９５は電動圧縮機９７を駆動するために用いられており、収納ケース５１の取付け脚５１ｃを取付けネジ９９によってブラケット９７ａに固定されることによって、電子回路装置９５が電動圧縮機９７に取り付けられている。

以上のように構成された半導体装置１３を組み込んだ電子回路装置９５について、以下その動作、作用を説明する。

まず、電子回路装置９５の組み立ては、収納ケース５１の突出部５１ａにゴムブッシュ６９を挿入する。次に、半導体装置１３等を実装したプリント基板５５を、コネクタ６３が収納ケース５１のコード引出部６７に対向させて、外部と電気接続が可能となるように、収納ケース５１の開口部５９から挿入されるが、この際収納ケース５１の突出部５１ａがプリント基板５５の基板取り付け穴５５ａに嵌るようにプリント基板５５を収納ケース５１内に設置する。

一方，アルミ板７１に絶縁シート７９を取り付ける作業においては、アルミ板７１の内側面において突起部７１ｂで囲まれた範囲に絶縁シート７９を絶縁シート固定ネジ８１にて取り付けるが、絶縁シート固定ネジ８１を締付ける際に絶縁シート７９は絶縁シート固定ネジ８１を中心として絶縁シート固定ネジ８１の回転方向と同じ方向に回転しようとするも、突起部７１ｂによって回転が防止されるため、絶縁シート７９は正しい位置でアルミ板７１に取り付けられる。尚、絶縁シート７９のアルミ板７１と接する面には予めコンパウンド８５を塗布しておく。

次に絶縁シート７９が取り付けられたアルミ板７１を収納ケース５１の開口部５９にアルミ板固定ネジ７５にて取り付けるが、このとき半導体装置１３の上面（放熱プレート７）は開口部５９よりも少し（たとえば２ｍｍ程）垂直方向に飛び出た寸法となっているため、半導体装置１３はアルミ板７１にて押され、プリント基板５５によりゴムブッシュ６９は圧縮された状態となる。

以上のようにして組み立てられた半導体装置１３および電子回路装置９５においては、通電されて圧縮機等を駆動した際に第１の半導体素子１および第２の半導体素子４が発熱するが、その発熱は密着している放熱プレート７を介してアルミ板７１へ熱伝達し、収納ケース５１の外部へと放熱される。

以上のように本実施の形態においては、第１の半導体素子１と第２の半導体素子４および放熱プレート７が一体構造の半導体装置１３を形成することにより、組み立て性を良くしながら、第１の半導体素子１と第２の半導体素子４の両方の発熱をアルミ板７１へ確実に熱伝達できるとともに、半導体装置１３のプリント基板５５への実装高さのバラツキがあったとしてもゴムブッシュ６９の圧縮代による調整機能により、放熱プレート７は確実
にアルミ板７１と面接触をすることができるため、組立てバラツキに左右されず、第１の半導体素子１と第２の半導体素子４の発熱を確実に収納ケース５１の外へ放出することができ、第１の半導体素子１と第２の半導体素子４の熱による悪影響を防止でき、信頼性を向上することができる。

また、第１の半導体素子１と第２の半導体素子４が２段にプリント基板５５へ実装できるため、プリント基板５５の部品実装面積を小さくすることができ、電子回路装置９５を小型化することができる。

また、アルミ板７１と半導体装置１３の間には絶縁シート７９が取り付けられているため、もし半導体装置１３が故障し、半導体装置１３の絶縁が破壊した場合においてもアルミ板７１の絶縁を確保することができ、アルミ板７１に手が触るような環境に電子回路装置９５を設置された場合においても、より安全な電子回路装置を提供することができる。

また、電子回路装置９５の温度が変化すると、収納ケース５１が熱膨張収縮をするが、圧縮されたゴムブッシュ６９が、収納ケース５１の寸法変化代を吸収してくれるため、プリント基板５５とアルミ板７１との間隔が一定に保たれ、半導体装置１３とアルミ板７１及び絶縁シート７９との密着が確保されることにより、半導体装置１３の過度な温度上昇を防止でき、半導体装置１３および電子回路装置９５の信頼性を向上することができる。

また、プリント基板５５は収納ケース５１に対してネジ等によって強固定されておらず、ゴムブッシュ６９よってフレキシブルに保持されているため、電子回路装置９５を電動圧縮機等の振動するものに取付けられた場合おいても、ゴムブッシュ６９が振動を吸収してくれるため、プリント基板５５およびプリント基板５５に実装された部品の破損を防止でき、半導体装置１３および電子回路装置９５の信頼性を向上することができる。

また、半導体装置１３はプリント基板５５のその他の部品とは反対側の実装面に実装されているため、半導体装置１３の端子を長くする等して、プリント基板５５からの実装高さが、その他の部品よりも高くなるようにする必要がないため、半導体装置１３の実装を容易にし、組み立て作業の良い安価な電子回路装置を提供することができる。

以上のように、本発明にかかる半導体装置および電子回路装置は、複数の半導体素子の発熱を確実に熱伝導させて放熱させることができるので、半導体素子を使用した他の装置にも適用することができる。

１第１の半導体素子
１ａ取付け部
４第２の半導体素子
７放熱プレート
７ａネジ穴
７ｂ，７１ｂ突起部
８，８５コンパウンド
１０固定ネジ
１３半導体装置
５１収納ケース
５５プリント基板
５５ｂはんだ面
７１アルミ板
６９ゴムブッシュ
７９絶縁シート
９７電動圧縮機

Claims

本体部に複数の固定用の取付け部を持つ第１の半導体素子と、前記第１の半導体素子よりも本体の長さが短い第２の半導体素子と、複数の固定部を持つ放熱プレートと、固定手段とを備え、前記第１の半導体素子と前記放熱プレートの間に前記第２の半導体素子を挟み込むとともに前記固定手段にて第１の半導体素子と第２の半導体素子と放熱プレートを固定した半導体装置。
前記放熱プレートは突起部を持ち、前記突起部が前記第２の半導体素子の本体と勘合する請求項１に記載の半導体装置。
前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子との間、または前記第２の半導体素子と前記放熱プレートとの間に熱伝導性のコンパウンドを塗布したことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置を部品実装面と反対側に位置するはんだ面側に実装したプリント基板と、前記プリント基板を収納し、少なくとも一方の面に開口部を備える収納ケースと、前記収納ケースの内部に配設され前記プリント基板を反開口部側から支持する複数のゴムブッシュと、前記収納ケースの開口部を閉口するように取り付けられたアルミ板と、前記半導体装置と前記アルミ板の間に挟まれて密着固定された絶縁シートとを備え、アルミ板を収納ケースに取り付けることによって、前記プリント基板がゴムブッシュを圧縮し、半導体装置とアルミ板が圧接するように構成された電子回路装置。
請求項４に記載の電子回路装置を用いた電動圧縮機。