JP2015121196A - 電動圧縮機用の半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体装置の信頼性の向上を図ること
【解決手段】電動圧縮機１０の筐体１１に、当該筐体１１から突出した壁部１７によって囲まれている収容部２６を設ける。収容部２６には、半導体素子２１と当該半導体素子２１を実装する回路基板２２とを有する半導体モジュール２０などの電子部品１９を収容する。半導体モジュール２０は、回路基板２２を筐体１１に接合する。そして、収容部２６を、樹脂によって封止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動圧縮機に搭載され、当該電動圧縮機のモータ部を駆動させる半導体装置に関する。
圧縮部と当該圧縮部を駆動するモータ部とを備えた電動圧縮機には、モータ部を駆動させる駆動回路を構成する半導体装置が搭載されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１においてトランジスタモジュールは、樹脂絶縁シートを介して、電動圧縮機のハウジングにねじ固定されている。
特開２００３−３２２０８２号公報
ところで、半導体装置は、駆動に伴って熱を発生することから、その熱の影響を受けて、例えば半導体素子と回路基板との接合部などに熱応力が発生し、剥離などが生じ得る可能性がある。このため、半導体装置を電動圧縮機に搭載する場合において、電動圧縮機のモータ部の駆動を司る半導体装置の信頼性を向上させる必要がある。
この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、信頼性の向上を図ることができる電動圧縮機用の半導体装置を提供することになる。
上記課題を解決する電動圧縮機用の半導体装置は、圧縮部と、前記圧縮部を駆動するモータ部と、前記圧縮部及び前記モータ部を収容する筐体と、を備えた電動圧縮機に搭載され、前記モータ部を駆動させる電動圧縮機用の半導体装置であって、前記筐体から突出した壁部によって囲まれているとともに、前記壁部の先端が開放されている収容部と、半導体素子と当該半導体素子を実装する回路基板とを有し、前記回路基板が前記収容部において前記筐体に接合されている半導体モジュールと、前記半導体モジュールを含む電子部品が収容されている前記収容部を樹脂によって封止する樹脂封止部と、を備えている。
この構成によれば、半導体モジュールを含む電子部品の収容部を樹脂で封止していることにより、熱的な変形を抑制し得る。このため、半導体素子と回路基板との接合部や、回路基板と筐体との接合部が熱応力によって剥離などが生じ難く、半導体装置の信頼性の向上を図ることができる。
上記した電動圧縮機用の半導体装置において、前記回路基板は、当該回路基板と前記半導体素子との接合部、及び前記回路基板と前記筐体との接合部への応力を緩和する応力緩和部を有することが好ましい。この構成によれば、樹脂封止部に加えて、回路基板が応力緩和部を有することにより、上記各接合部の剥離などをさらに生じ難くすることができる。
上記した電動圧縮機用の半導体装置において、前記回路基板は、前記筐体にろう付けされていることが好ましい。この構成によれば、回路基板と筐体の密着性が高められ、その結果として半導体装置の放熱性を高めることができる。
本発明によれば、信頼性の向上を図ることができる。
電動圧縮機の外観を示す斜視図。 半導体装置の断面図。
以下、電動圧縮機用の半導体装置を具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
図１に示すように、電動圧縮機１０は、筐体１１を備えている。筐体１１には、冷媒を圧縮して吐出する圧縮部１２と、圧縮部１２を駆動するモータ部１３と、が収容されている。また、筐体１１には、筐体１１内に冷媒を流入させる流入口１４が形成されている。また、電動圧縮機１０は、モータ部１３を駆動するモータ駆動用の装置として半導体装置１５を備えている。半導体装置１５は、直流電力を交流電力に変換してモータ部１３に給電するインバータを構成する。
筐体１１の外面１６には、筐体１１から突出する壁部１７が形成されている。この実施形態において壁部１７は、筐体１１の外面１６のうち、端面に形成されている。壁部１７は、筐体１１に一体化されている。また、壁部１７は環状であり、その先端１８は開放されている。これにより、筐体１１の外面１６の一部には、壁部１７によって囲まれた内側に筐体１１の外面１６を底とする凹みが位置する。
図２に示すように、壁部１７によって囲まれた内側には、半導体装置１５を構成する電子部品１９が収容されている。電子部品１９には、半導体モジュール２０を含む。半導体モジュール２０は、半導体素子２１と、半導体素子２１を実装する回路基板２２とを有する。半導体素子２１は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）などのスイッチング素子やダイオードである。
回路基板２２は、絶縁層となるセラミック基板２３と、セラミック基板２３の第１面に接合されているとともに配線層となる第１の金属板２４と、セラミック基板２３の第１面とは反対側に位置する第２面に接合されているとともに接合層となる第２の金属板２５と、を有する。半導体素子２１は、第１の金属板２４に半田付けされている。一方、第２の金属板２５は、壁部１７によって囲まれた内側に位置する筐体１１の外面１６に直接、接合されている。第２の金属板２５は、筐体１１の外面１６にろう付けされている。セラミック基板２３には、例えば窒化アルミニウムを用いることができる。第１の金属板２４及び第２の金属板２５には、例えば純アルミニウム（例えば、工業用アルミニウムである１０００系アルミニウム）や銅を用いることができる。
この実施形態において第２の金属板２５は、回路基板２２と半導体素子２１との接合部、及び回路基板２２と筐体１１との接合部への応力を緩和する応力緩和部としての機能を有する。応力緩和部は、セラミック基板２３、第１の金属板２４、第２の金属板２５及び筐体１１の各部材の線熱膨張係数の相違に起因して発生する熱応力を分散させ、上記各接合部へ作用する熱応力を緩和させる。第２の金属板２５は、例えば段差、溝、凹陥部などを有し、これらの形成部位が筐体１１に対して非接合領域となり得ることで、熱応力を緩和させる。
上記のように、この実施形態の壁部１７は、半導体モジュール２０を含む電子部品１９を収容する収容部２６を構成する。換言すれば、壁部１７と、筐体１１の外面１６であって、壁部１７によって囲まれた部位は、半導体装置１５のケーシングを構成する。
そして、図２に示すように、収容部２６は、電子部品１９が収容されている状態で樹脂封止されている。この実施形態において収容部２６を封止する樹脂の部分が樹脂封止部２７となる。樹脂封止部２７の樹脂には、例えばエポキシ樹脂を用いることができる。
樹脂封止部２７の樹脂は、壁部１７によって囲まれた内側の空間を埋めており、壁部１７の先端１８に達している。これにより、収容部２６に収容されている電子部品１９は、その全体が樹脂によって覆われている。樹脂封止部２７は、壁部１７の先端１８が開放されていることにより、壁部１７の先端１８と同様に露出されている。つまり、収容部２６は、内側が樹脂によって封止されており、壁部１７の先端１８については蓋などが取り付けられておらず、開放されている。
次に、電動圧縮機用の半導体装置１５の作用を説明する。
収容部２６に収容された半導体モジュール２０は、電動圧縮機１０の筐体１１に流入する冷媒によって冷却される。そして、この本実施形態において半導体モジュール２０は、回路基板２２を筐体１１の外面１６に直接、ろう付けしていることにより、筐体１１内を流通する冷媒と熱交換し易い状態とされる。また、収容部２６は、樹脂封止部２７によって封止されていることにより、半導体素子２１と回路基板２２との接合部や、回路基板２２と筐体１１の接合部など、各接合部の熱的な変形が抑制される。
したがって、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）半導体モジュール２０を含む電子部品１９を収容した収容部２６を樹脂で封止していることにより、熱的な変形を抑制し得る。このため、半導体素子２１と回路基板２２との接合部や、回路基板２２と筐体１１との接合部が熱応力によって剥離などが生じ難く、半導体装置１５の信頼性の向上を図ることができる。
（２）また、収容部２６を樹脂で封止することにより、筐体１１と半導体モジュール２０の密着性を高めることができる。このため、半導体装置１５の放熱性を高めることができる。また、半導体素子２１と回路基板２２との接合部や、回路基板２２と筐体１１との接合部の信頼性が向上されるので、半導体装置１５としての性能（信頼性）を長期に亘って維持することができる。つまり、半導体装置１５の劣化を抑制することができる。
（３）半導体モジュール２０を筐体１１に直接、接合しているので、構造を簡素化することができ、半導体装置１５の小型化を図ることができる。
（４）筐体１１の壁部１７を収容部２６とすることで、収容部２６を樹脂で封止する際に壁部１７を樹脂の流動を規制する治具として機能させることができる。このため、樹脂で封止するための治具を別途、用意する必要がなく、容易に製造することができる。
（５）また、壁部１７を、半導体装置１５のケーシングとして利用できるので、電子部品１９を収容した半導体装置を別途、筐体１１に取り付ける構造に比べて、構造が簡素化され、半導体装置１５を装備したときの電動圧縮機１０の体格を小さくすることができる。
（６）壁部１７は、筐体１１を製造する際に一体的に形成することができるので、半導体装置１５のケーシングとしての強度を確保することができる。
（７）回路基板２２の第２の金属板２５を応力緩和部として機能させている。このため、樹脂封止部２７に加えて、応力緩和部をさらに有することで、各接合部の剥離などをさらに生じ難くすることができる。
（８）回路基板２２をろう付けによって筐体１１に接合することで、回路基板２２と筐体１１の密着性が高められ、その結果として半導体装置１５の放熱性を高めることができる。
なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 半導体モジュール２０と筐体１１とを接合する場合、その接合方法として、ねじによる締結や、圧接などを用いても良い。
○ 収容部２６の配置や個数を変更しても良い。例えば、筐体１１の外周面に配置しても良い。例えば、収容部２６を複数個、配置しても良い。
○ 壁部１７は、円環状に限らず、例えば四角環状でも良い。つまり、壁部１７は、樹脂成形時に樹脂の流動を規制する治具として機能すれば、その形状は任意に変更することができる。
○ 樹脂封止部２７は、収容部２６に収容されている半導体モジュール２０などの電子部品１９の全体を覆うことができれば、その形状は任意に変更することができる。
○ 第２の金属板２５を単なる板状の部材とし、接合層としての機能を持たせても良い。つまり、第２の金属板２５自体に熱応力を積極的に緩和させるための加工が行われていなくても良い。
１０…電動圧縮機、１１…筐体、１２…圧縮部、１３…モータ部、１５…半導体装置、１７…壁部、１８…先端、１９…電子部品、２０…半導体モジュール、２１…半導体素子、２２…回路基板、２３…セラミック基板、２４…第１の金属板、２５…第２の金属板、２６…収容部、２７…樹脂封止部。

Claims (3)

  1. 圧縮部と、前記圧縮部を駆動するモータ部と、前記圧縮部及び前記モータ部を収容する筐体と、を備えた電動圧縮機に搭載され、前記モータ部を駆動させる電動圧縮機用の半導体装置であって、
    前記筐体から突出した壁部によって囲まれているとともに、前記壁部の先端が開放されている収容部と、
    半導体素子と当該半導体素子を実装する回路基板とを有し、前記回路基板が前記収容部において前記筐体に接合されている半導体モジュールと、
    前記半導体モジュールを含む電子部品が収容されている前記収容部を樹脂によって封止する樹脂封止部と、を備えたことを特徴とする電動圧縮機用の半導体装置。
  2. 前記回路基板は、当該回路基板と前記半導体素子との接合部、及び前記回路基板と前記筐体との接合部への応力を緩和する応力緩和部を有する請求項１に記載の電動圧縮機用の半導体装置。
  3. 前記回路基板は、前記筐体にろう付けされている請求項１又は請求項２に記載の電動圧縮機用の半導体装置。
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