JP2016018924A - 半導体遮断器の放熱構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】放熱性と小型化との両立を図ることが可能な半導体遮断器の放熱構造を提供する。【解決手段】半導体遮断器１０の放熱構造１は、オンオフにより所定の対象同士を遮断及び導通させる半導体遮断器１０にて発生する熱を放出する構造であって、半導体遮断器１０が搭載される金属製のバスバ２０と、バスバ２０に接触状態で設けられる金属製のヒートパイプ３０と、を備え、ヒートパイプ３０は、バスバ２０と接触する側の端部３０ａと反対側の端部側が放熱部材に接続されている。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体遮断器の放熱構造に関する。
従来、制御素子と、パワー素子と、これらを搭載する配線基板と、配線基板を搭載する鉄製の板からなるヒートシンクを備える半導体装置が提案されている（特許文献１参照）。この半導体装置は、ヒートシンクを鉄製とすることで熱容量を上げ、パワー素子で発生する熱を鉄製の板からなるヒートシンクに蓄熱させる。これにより、制御素子への伝熱を防ぐようにし、制御素子の破壊を防止することとしている。さらに、これら構成を樹脂にてモールドすると共に、樹脂のガラス転移点Ｔｇをパワー素子の動作可能な最高温度Ｔｊｍａｘよりも高いものにし、線膨張を抑えて剥離を防ぐようにしている。
また、パッケージングされた半導体素子をヒートシンク上に設置し、半導体素子からの熱をヒートシンク及びヒートシンクに接するハウジングから放出させることで、小型化、高出力化、及び高寿命化を可能とした電力制御装置が提案されている（特許文献２参照）。この電力制御装置では、ヒートシンクの表面にアルマイト処理を施して放射率を上げて放熱性を向上させている。また、板ばねで半導体素子をヒートシンクに押圧することで、半導体素子をヒートシンクに固定すると共に、半導体素子とヒートシンクとの間のグリスを薄く且つ均一にしている。
さらに、樹脂モールドされた半導体スイッチング素子を放熱板上に実装し、放熱板はその全面が外部に露出することで、放熱性を高めた電気接続箱が提案されている（特許文献３参照）。この電気接続箱は、半導体スイッチング素子の端子が接続される入力端子用バスバ及び出力端子用バスバの端部が放熱板側に折り曲げられて入力端子及び出力端子を構成しているため、大型化を抑えたコンパクトな構造となっている。
特開２００５−３２８０１５号公報 特開２０１２−２００１４１号公報 特開２００３−２２４９１９号公報
ここで、特許文献１〜３に記載の装置では、いずれも機械式リレーを用いておらず、半導体素子を用いていることから、機械式リレーを用いる場合と比較して、全体構成の小型化が図られている。一方で、半導体素子はその発熱量が多いことから、例えば特許文献１〜３に記載の放熱構造を採用する必要がある。
しかし、特許文献１〜３に記載の放熱構造では、いずれも板形状のヒートシンク（放熱板）を構成しているため、決してその放熱量が多いものではなく、素子の発熱量が更に大きくなった場合などには新たな放熱構造として、上記ヒートシンクにフィンを形成したり、上記ヒートシンクを大面積のものに変更したりする必要がある。
このように、従来では半導体素子を用いて小型化を図っているものの、放熱構造により大型化を招く結果となってしまい、放熱性と小型化との両立が困難となってしまう。
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、放熱性と小型化との両立を図ることが可能な半導体遮断器の放熱構造を提供することにある。
本発明の半導体遮断器の放熱構造は、オンオフすることにより所定の対象同士を遮断及び導通させる半導体遮断器にて発生する熱を放出する半導体遮断器の放熱構造であって、前記半導体遮断器が設けられる金属製のバスバと、前記バスバに接触状態で設けられる金属製のヒートパイプと、を備え、前記ヒートパイプは、前記バスバと接触する側の端部と反対側の端部側が放熱部材に接続されていることを特徴とする。
本発明の半導体遮断器の放熱構造によれば、半導体遮断器が設けられる金属製のバスバと、バスバに接触状態で設けられる金属製のヒートパイプと、を備え、ヒートパイプは、バスバと接触する側の端部と反対側の端部側が放熱部材に接続されている。このため、放熱部材を例えば電池パックカバーや車両ボディなどの他の部材とすることにより、放熱部材自体を備える必要が無い。しかも、ヒートパイプを大型の金属材（放熱部材）に接続することにより、半導体遮断器の発熱量が多くなったとしても、ヒートパイプを通じて放熱部材により放熱させることができ、放熱性と小型化との両立を図ることができる。
また、本発明の半導体遮断器の放熱構造において、前記半導体遮断器を挟んで前記バスバの反対面に設けられる金属製の第２バスバをさらに備えることが好ましい。
この半導体遮断器の放熱構造によれば、半導体遮断器を挟んでバスバの反対面に設けられる金属製の第２バスバをさらに備えるため、バスバからヒートパイプを通じた放熱の他、第２バスバからの放熱を行うことも可能となり、一層放熱性を高めることができる。
また、本発明の半導体遮断器の放熱構造において、前記半導体遮断器をオンオフ制御するための制御信号を前記半導体遮断器に送信する制御端子と、前記半導体遮断器の全体、並びに前記制御端子、前記バスバ、及び前記第２バスバのそれぞれの一部をモールドする樹脂部材と、をさらに備え、前記樹脂部材は、前記制御端子、及び前記第２バスバの残部を同一側で開放状態とし、且つ、前記バスバについては残部を前記同一側及び前記ヒートパイプとの接触部位で開放状態としていることが好ましい。
この半導体遮断器の放熱構造によれば、樹脂部材は、制御端子、及び第２バスバの残部を同一側で開放状態とし、且つ、バスバについては残部を同一側及びヒートパイプとの接触部位で開放状態としているため、制御端子、バスバ及び第２バスバは同一側で開放状態となっており、この同一側にこれらが集中したコネクタとして使用することができる。さらに、バスバは、ヒートパイプとの接触部位において開放された構造となっているため、ヒートパイプによる熱の移送に支障をきたすことを防止することができる。
本発明によれば、放熱性と小型化との両立を図ることが可能な半導体遮断器の放熱構造を提供することができる。
本発明の実施形態に係る半導体遮断器の放熱構造を示す斜視図である。 図１に示した放熱構造のＡ−Ａ断面図である。 図１に示した放熱構造のＢ−Ｂ断面図である。 コネクタ化された半導体遮断器の放熱構造を示す斜視図である。 図４に示す放熱構造を反対側から見たときの斜視図である。 図４及び図５に示したコネクタを燃料電池の状態を監視する監視ユニットに接続した状態を示す斜視図である。
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は以下の実施形態に限られるものではない。
図１は、本発明の実施形態に係る半導体遮断器の放熱構造を示す斜視図である。図２は、図１に示した放熱構造のＡ−Ａ断面図であり、図３は、図１に示した放熱構造のＢ−Ｂ断面図である。
図１〜図３に示すように本実施形態に係る半導体遮断器の放熱構造１は、複数の半導体遮断器１０にて発生する熱を効率良く放出するための構造である。半導体遮断器１０のそれぞれは、オンオフすることにより所定の対象同士を遮断及び導通させる半導体チップにより構成されており、主にパワーデバイスとなり、ＳｉやＳｉＣでチップ作製されたものである。
このような放熱構造１は、バスバ２０と、ヒートパイプ３０とを備えている。バスバ２０は、複数の半導体遮断器１０が搭載される金属製の板材であって、一方の板面にダイボンド材ａを介して複数の半導体遮断器１０が載置されている。このバスバ２０は、例えば銅などの金属によって構成され、本実施形態では図１に示すように平面視してＬ字状となる平板により構成されている。
ヒートパイプ３０は、バスバ２０に接触状態で設けられる金属製の長尺部材であって、バスバ２０の複数の半導体遮断器１０が載置されている面とは反対側の面に接触して設けられている。また、図示を省略しているが、ヒートパイプ３０は、バスバ２０と接触する側の端部３０ａと反対側の端部側が放熱部材に接続されている。
ここで、放熱部材とは放熱性がある程度高い様々な部材であり、例えば本実施形態に係る放熱構造１が電池関係の技術に用いられている場合、放熱部材には電池パックのカバーなどが採用され、本実施形態に係る放熱構造１が車両関係の技術に用いられている場合、放熱部材には車両ボディなどが採用される。
さらに、図１〜図３に示すように、放熱構造１は、第２バスバ４０と、複数のゲートバスバ（制御端子）５０とを備えている。第２バスバ４０は、半導体遮断器１０を挟んでバスバ２０の反対面に設けられる金属製の板材であって、ダイボンド材ａを介して複数の半導体遮断器１０上に載置されている。第２バスバ４０は、バスバ２０と同様に、例えば銅などの金属によって構成され、本実施形態では図１に示すように平面視してＬ字状となる平板により構成されている。
また、図１から明らかなように、バスバ２０及び第２バスバ４０は、互いに左右逆向きのＬ字となるように配置されており、それぞれのＬ字の底辺となる部位で半導体遮断器１０を挟むように配置されている。
複数のゲートバスバ５０は、複数の半導体遮断器１０をオンオフ制御するための制御信号を複数の半導体遮断器１０それぞれに送信するための制御端子となるものである。これら複数のゲートバスバ５０それぞれは、第２バスバ４０に形成された開口４１を介して、ボンディングワイヤ５１により各半導体遮断器１０に接続されている。
ここで、上記各部構成は、コネクタ化されることが望ましい。図４は、コネクタ化された半導体遮断器１０の放熱構造１を示す斜視図であり、図５は、図４に示す放熱構造１を反対側から見たときの平面図である。なお、図４については、説明の便宜上、内部構成が透視される状態で図示するものとする。また、図５については、図面の見やすさの観点から、ヒートパイプ３０を省略して図示するものとする。
図４及び図５に示すように、複数の半導体遮断器１０の全体、並びに複数のゲートバスバ５０、バスバ２０、及び第２バスバ４０のそれぞれの一部は、樹脂部材６０によってモールドされている。
詳細に説明すると、複数のゲートバスバ５０は、半導体遮断器１０が設けられる側である一端側が樹脂部材６０によってモールドされており、残部となる他端側がモールドされず開放状態となっている。また、第２バスバ４０についても、一端側（すなわちＬ字の底辺となる部位の側）が樹脂部材６０によってモールドされており、残部となる他端側がモールドされず開放状態となっている。
さらに、バスバ２０は、第２バスバ４０と同様に、一端側（すなわちＬ字の底辺となる部位の側）が樹脂部材６０によってモールドされているが、他端側がモールドされず開放状態となっている。加えて、図５に示すように、バスバ２０は、ヒートパイプ３０との接触部位（すなわち樹脂部材６０の裏面側の一部）においても開放状態となっている。
以上のように、複数のゲートバスバ５０、バスバ２０、及び第２バスバ４０は、他端側という同一側が開放状態となっているため、これらは端子として機能すると共に、同一側にこれらが集中したコネクタとして使用することができる。特に、図４及び図５に示すように、ゲートバスバ５０、バスバ２０、及び第２バスバ４０の他端側には、これらの周囲を覆うフード部７０が樹脂部材６０と一体に形成されており、ゲートバスバ５０、バスバ２０、及び第２バスバ４０の他端側を保護する役割を果たしている。
加えて、上記の如くコネクタ化しつつも放熱性が低下しないように、バスバ２０はヒートパイプ３０との接触部位において開放されており、ヒートパイプ３０による熱の移送に支障をきたすことがない構造となっている。
図６は、図４及び図５に示したコネクタを二次電池の状態を監視する監視ユニットに接続した状態を示す斜視図である。図６に示すように、監視ユニット１００には二次電池が異常状態であるか等を監視するための制御部が設けられており、この制御部からの信号を例えば複数のゲートバスバ５０に入力するように、コネクタ接続されている。このようにすることで、放熱構造１自体を監視ユニット１００に一体化することもできる。
次に、本実施形態に係る放熱構造１の作用を説明する。まず、半導体遮断器１０が発熱する。このとき、半導体遮断器１０からの熱は、ダイボンド材ａを通じてバスバ２０及び第２バスバ４０に至る。特に、バスバ２０に至った熱は、ヒートパイプ３０に至り、ヒートパイプ３０を通じて放熱部材まで伝達される。これにより、半導体遮断器１０にて発生する熱は、好適に放出されることとなる。
このようにして、本実施形態に係る半導体遮断器１０の放熱構造１によれば、半導体遮断器１０が設けられる金属製のバスバ２０と、バスバ２０に接触状態で設けられる金属製のヒートパイプ３０と、を備え、ヒートパイプ３０は、バスバ２０と接触する側の端部３０ａと反対側の端部側が放熱部材に接続されている。このため、放熱部材を例えば電池パックカバーや車両ボディなどの他の部材とすることにより、放熱部材自体を備える必要が無い。しかも、ヒートパイプ３０を大型の金属材（放熱部材）に接続することにより、半導体遮断器１０の発熱量が多くなったとしても、ヒートパイプ３０を通じて放熱部材により放熱させることができ、放熱性と小型化との両立を図ることができる。
また、半導体遮断器１０を挟んでバスバ２０の反対面に設けられる金属製の第２バスバ４０をさらに備えるため、バスバ２０からヒートパイプ３０を通じた放熱の他、第２バスバ４０からの放熱を行うことも可能となり、一層放熱性を高めることができる。
また、樹脂部材６０は、ゲートバスバ５０、及び第２バスバ４０の残部を同一側で開放状態とし、且つ、バスバ２０については残部を同一側及びヒートパイプ３０との接触部位で開放状態としているため、ゲートバスバ５０、バスバ２０及び第２バスバ４０は同一側で開放状態となっており、この同一側にこれらが集中したコネクタとして使用することができる。さらに、バスバ２０は、ヒートパイプ３０との接触部位において開放された構造となっているため、ヒートパイプ３０による熱の移送に支障をきたすことを防止することができる。
さらに、本実施形態に係る半導体遮断器１０の放熱構造１は、特許文献１の放熱構造と比較した場合、以下の利点がある。まず、特許文献１の放熱構造は、ヒートシンク材を鉄にて構成してヒートシンク材の熱容量を大きくしているため、瞬時の放熱を行うという観点からすると問題があるが、本実施形態に係る放熱構造１ではこのような問題が発生しない。さらに、特許文献１の放熱構造は、アルミナ基板を使用しているため、セラミック特有の熱伝導率の低さから熱抵抗が大きくなるが、本実施形態に係る放熱構造１ではセラミックを使用する必要がないことから、熱抵抗を大幅に小さくすることができる。
また、本実施形態に係る半導体遮断器１０の放熱構造１は、特許文献２の放熱構造と比較した場合、以下の利点がある。まず、特許文献２の放熱構造では、半導体素子からの熱をヒートシンク及びヒートシンクに接するハウジングから放出させており、ハウジングからの放熱は放熱面積が小さいため効率が悪いが、本実施形態に係る放熱構造１ではヒートパイプ３０を通じて放熱するため放熱効率の点で特許文献２の放熱構造よりも優れている。また、モールドされている半導体素子をヒートシンクに実装し、さらにその外側をハウジングで覆うため、半導体素子からは２重のカバー構造となり熱抵抗が大きいが、本実施形態に係る放熱構造１ではヒートパイプ３０を通じて放熱するため２重のカバー構造を採用する必要がない。加えて、特許文献２の放熱構造では板ばねで半導体素子をヒートシンクに固定するため部品が多くなるが、本実施形態のようにダイボンド材ａを介して接続することにより部品点数の増加を抑えることができる。
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。
例えば、本実施形態に係る半導体遮断器１０の放熱構造１は車載用に用いられることを想定しているが、これに限らず、定置式のものに用いられてもよい。さらに、低電圧源においても使用可能である。
さらに、本実施形態において半導体遮断器１０は、ガリウムナイトライドやシリコンカーバイトを利用した次世代パワー半導体素子を想定しているが、特にこれに限るものではない。
加えて、本実施形態に係る放熱構造１は、コネクタ化されることが望ましいが、特にコネクタ化される場合に限定されるものではない。さらに、用途によっては第２バスバ４０を備えなくともよい。
さらに、本実施形態に係る放熱構造１は、３つの半導体遮断器１０に対する放熱を行っているが、３つに限らず、１つ、２つ、又は４つ以上の半導体遮断器１０に対する放熱を行うものであってもよい。
１ ：放熱構造
１０ ：半導体遮断器
２０ ：バスバ
３０ ：ヒートパイプ
３０ａ ：端部
４０ ：第２バスバ
４１ ：開口
５０ ：ゲートバスバ（制御端子）
５１ ：ボンディングワイヤ
６０ ：樹脂部材
７０ ：フード部
１００ ：監視ユニット
ａ ：ダイボンド材

Claims (3)

  1. オンオフにより所定の対象同士を遮断及び導通させる半導体遮断器にて発生する熱を放出する半導体遮断器の放熱構造であって、
    前記半導体遮断器が設けられる金属製のバスバと、
    前記バスバに接触状態で設けられる金属製のヒートパイプと、を備え、
    前記ヒートパイプは、前記バスバと接触する側の端部と反対側の端部側が放熱部材に接続されている
    ことを特徴とする半導体遮断器の放熱構造。
  2. 前記半導体遮断器を挟んで前記バスバの反対面に設けられる金属製の第２バスバをさらに備える
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体遮断器の放熱構造。
  3. 前記半導体遮断器をオンオフ制御するための制御信号を前記半導体遮断器に送信する制御端子と、
    前記半導体遮断器の全体、並びに前記制御端子、前記バスバ、及び前記第２バスバのそれぞれの一部をモールドする樹脂部材と、をさらに備え、
    前記樹脂部材は、前記制御端子、及び前記第２バスバの残部を同一側で開放状態とし、且つ、前記バスバについては残部を前記同一側及び前記ヒートパイプとの接触部位で開放状態としている
    ことを特徴とする請求項２に記載の半導体遮断器の放熱構造。
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