JP2017208436A - 半導体装置及びモータ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】各種ばらつきが原因でICチップとヒートシンクとの対向面が最接近したとしても、ICチップとヒートシンクとがショートすることを抑制できる半導体装置及びモータ装置を提供する。
【解決手段】モータ装置のコントローラは、各MOSFET15が実装されている基板14と、各MOSFET15から発生する熱を放熱するように各MOSFET15及び基板14と対向するように設けられるヒートシンク40とを備えている。各MOSFET15における対向面15bには絶縁部15aがそれぞれ設けられている。ヒートシンク40における対向面40aにはヒートシンク40から各MOSFET15における絶縁部15aに向けて突出する突出部42がそれぞれ設けられている。そして、各絶縁部15aと各突出部42との間には、上記第1の隙間44よりも小さい第2の隙間45を設けるようにしている。
【選択図】図4
【解決手段】モータ装置のコントローラは、各MOSFET15が実装されている基板14と、各MOSFET15から発生する熱を放熱するように各MOSFET15及び基板14と対向するように設けられるヒートシンク40とを備えている。各MOSFET15における対向面15bには絶縁部15aがそれぞれ設けられている。ヒートシンク40における対向面40aにはヒートシンク40から各MOSFET15における絶縁部15aに向けて突出する突出部42がそれぞれ設けられている。そして、各絶縁部15aと各突出部42との間には、上記第1の隙間44よりも小さい第2の隙間45を設けるようにしている。
【選択図】図4
Description
本発明は、半導体装置及びモータ装置に関する。
モータ装置のコントローラ等に用いられる半導体装置として、ICチップが実装された基板と、その基板におけるICチップ側の面と反対側の面に設けられたヒートシンクと、を備えたものが知られている。こうした半導体装置では、ICチップの熱が基板を経由してヒートシンクに伝達され、その後にヒートシンクから外気に放出される。
ところで、半導体装置では、大型化を招くことなくICチップの放熱性を高めることが要望されており、そうした要望に対応すべく基板におけるICチップ側の面にも同ICチップの熱を放出するためのヒートシンクを設けるようにしている(特許文献1参照)。このヒートシンクは、基板におけるICチップ側の面に接する接触部を備えており、基板上のICチップを覆うように設けられている。そして、ヒートシンクの上記接触部が基板に接した状態のもとで、そのヒートシンクとICチップとの対向面間には隙間が存在しており、その隙間を埋めるよう上記対向面に放熱材(放熱グリス等)が設けられている。
この場合、ICチップの熱は、基板におけるICチップ側の面と反対側の面に設けられたヒートシンクだけでなく、放熱材を介してICチップ側の面のヒートシンクにも伝達される。従って、ICチップの熱を基板の両面から放出することができ、それによってICチップの放熱性を高めることができる。
ところで、放熱材によって埋められたヒートシンクとICチップとの対向面間の上記隙間の大きさを小さくするほど、ICチップから放熱材を介してヒートシンクに熱を伝達する際の伝達効率が高くなるため、ICチップの放熱性を高める観点では、上記隙間を可能な限り小さくすることが好ましい。ちなみに、上記隙間の大きさ、すなわちICチップとヒートシンクとの対向面間の距離は、ICチップやヒートシンクの製造ばらつき、及びヒートシンクの熱膨張の大きさによって変わってくる。
上記隙間の大きさについては、製造ばらつき及び熱膨張の大きさの各種ばらつきが原因でICチップとヒートシンクとの対向面が最接近しても、それら対向面同士がショート(接触)しないと考えられる大きさに定めるようにしている。ただし、上述した各種ばらつきを考慮したとしても、上記隙間を小さくしすぎると、ICチップとヒートシンクとの対向面が最接近して対向面間の放熱グリスが流動した場合に、ICチップとヒートシンクとがショートする可能性がある。なお、こうした問題は、モータ装置のコントローラ以外に用いられる半導体装置においても、概ね共通したものとなっている。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、各種ばらつきが原因でICチップとヒートシンクとの対向面が最接近したとしても、ICチップとヒートシンクとがショートすることを抑制できる半導体装置及びモータ装置を提供することにある。
上記課題を解決する半導体装置は、ICチップが実装されている基板と、ICチップから発生する熱を放熱するように基板におけるICチップ及び基板と対向するように設けられるヒートシンクとを備えている。そして、ICチップにおけるヒートシンクと対向する面にはヒートシンクに対し絶縁状態となる絶縁部が設けられており、ヒートシンクにおけるICチップと対向する面にはヒートシンクから絶縁部に向けて突出する突出部が設けられており、突出部と絶縁部との間にはICチップとヒートシンクとの間の隙間よりも小さい隙間が設けられるようにしている。
上記構成によれば、ICチップとヒートシンクとの間の隙間の大きさが、ICチップやヒートシンクの製造ばらつき、及びヒートシンクの熱膨張の大きさといった各種ばらつきが原因で変わってくる。そして、上述した各種ばらつきが原因でICチップとヒートシンクとの対向面が接近した場合、ヒートシンクの突出部がICチップに設けられる絶縁部に接触することにより、ICチップとヒートシンクとがショートすることを抑制することができる。
上記半導体装置において、基板には、ICチップとして複数のICチップが実装されており、複数のICチップのうち少なくとも2つのICチップには、絶縁部がそれぞれ設けられており、突出部は、少なくとも2つのICチップのそれぞれの絶縁部に向けて突出する少なくとも2つの突出部を含むものであることが好ましい。
上記構成によれば、上述した各種ばらつきが原因で何れかのICチップとヒートシンクとの対向面が接近した場合であっても、少なくとも2つのICチップとヒートシンクとがショートすることを抑制することができ、基板に複数のICチップが実装されている場合の抑制効果を高めることができる。
また、上記半導体装置において、複数のICチップの全てには、絶縁部がそれぞれ設けられており、突出部は、複数のICチップのそれぞれの絶縁部に向けて突出する複数のICチップと同数の突出部を含むものであることが好ましい。
上記構成によれば、上述した各種ばらつきが原因で何れのICチップとヒートシンクとの対向面が接近した場合であっても、複数のICチップにそれぞれ対向して設けられる突出部が絶縁部に接触することにより、何れのICチップにおいてもヒートシンクとの間でショートすることを抑制することができる。
また、上記半導体装置において、基板におけるICチップ側の面と反対側の面には、ICチップの熱が基板を経由して伝達されるヒートシンクとは別のヒートシンクが設けられていることが好ましい。
上記構成によれば、ICチップから発生する熱を放熱するように基板におけるICチップ及び基板と対向するように設けられるヒートシンクは、半導体装置の大型化を抑制しつつICチップの放熱性を高めることを目的として設けられたものであって、そうしたヒートシンクにおいてICチップとのショートを回避することができる。
また、上記半導体装置は、半導体装置により駆動制御されることにより回転動作するモータと、半導体装置及びモータを収容するハウジングと、を備えてなるモータ装置にて具体化することができる。
上記構成によれば、上述した各種ばらつきが原因でICチップとヒートシンクとの対向面が接近した場合であっても、ICチップとヒートシンクとがショートすることを抑制することができるので、上述した各種ばらつきに対する耐性に優れたモータ装置を構築することができる。そして、このモータ装置では、モータの駆動制御を安定化させることができる。
本発明によれば、各種ばらつきが原因でICチップとヒートシンクとの対向面が最接近したとしても、ICチップとヒートシンクとがショートすることを抑制することができる。
以下、半導体装置及びモータ装置の一実施形態を説明する。
図1に示すように、本実施形態のモータ装置10は、モータ軸、ロータ、ステータ等を有するモータ20と、モータ20の回転動作を駆動制御するインバータ回路等を有する半導体装置(以下、「コントローラ」という)30とをユニット化したものである。なお、本実施形態のモータ装置10は、例えば、車両における電動パワーステアリング装置に搭載される。電動パワーステアリング装置は、モータ装置10を制御することによりユーザーのステアリング操作を補助するものである。
図1に示すように、本実施形態のモータ装置10は、モータ軸、ロータ、ステータ等を有するモータ20と、モータ20の回転動作を駆動制御するインバータ回路等を有する半導体装置(以下、「コントローラ」という)30とをユニット化したものである。なお、本実施形態のモータ装置10は、例えば、車両における電動パワーステアリング装置に搭載される。電動パワーステアリング装置は、モータ装置10を制御することによりユーザーのステアリング操作を補助するものである。
モータ装置10は、長方形状の開口部11aを有するアルミ等の金属材料からなるハウジング11を備えている。開口部11aには、当該開口部11aを塞ぐように合成樹脂等の樹脂材料からなるカバー12が取り付けられている。ハウジング11及びカバー12の内部には、モータ20及びコントローラ30が収容されることによりユニット化されている。
ハウジング11は、モータ20を収容する円筒状のモータ収容部11bと、コントローラ30を外部(例えば、車両の電源や制御装置)と電気的に接続する複数の円筒状のコネクタ部13を取り付けるための取付部11cとを有している。モータ収容部11bは、カバー12が取り付けられる側と反対側に延びている。取付部11cは、モータ収容部11bに対してハウジング11の長手方向側に隣接して設けられている。
ハウジング11の開口部11aには、モータ収容部11b及び取付部11cに跨る大きさの長方形状をなす基板14が、ねじ等の固定部材14aによりカバー12側から固定されている。
基板14には、ICチップとして、複数(本実施形態では9つ)の電界効果トランジスタ(以下、「MOSFET」という)15や、MOSFET15の動作を制御する複数(本実施形態では3つ)のCPU16が実装されている。また、基板14には、各MOSFET15及び各CPU16以外に例えば、コンデンサ等の複数の電子部品が実装されている。本実施形態において、基板14、当該基板14に実装されている各MOSFET15や各CPU16や複数の電子部品はコントローラ30を構成している。
各MOSFET15は、基板14における取付部11cに対向する側に寄った領域に固定されている。各CPU16は、基板14におけるモータ収容部11bに対向する側に寄った領域に固定されている。
基板14における各MOSFET15及び各CPU16の間の領域には、当該基板14とモータ20とを電気的に接続するモータバスバー17が挿入されている。基板14における各MOSFET15に対して各CPU16が設けられている領域と反対側の領域には、当該基板14と各コネクタ部13とを電気的に接続する接続端子18や電源バスバー19が挿入されている。なお、各MOSFET15、各CPU16、モータバスバー17、接続端子18、電源バスバー19等は、基板14上に設けられている銅板等の配線により電気的に接続されている。
基板14における各MOSFET15側(図1の上側)には、各MOSFET15から発生する熱を放熱するヒートシンク40が設けられている。ヒートシンク40は、アルミ等の金属材料からなる板状をなしている。また、ヒートシンク40は、各MOSFET15が設けられている領域を跨ぐように基板14の長辺間に橋渡しされている。これにより、各MOSFET15は、ヒートシンク40によりカバー12側から覆われて保護されている。
図1及び図2に示すように、ヒートシンク40における基板14、すなわち各MOSFET15に対向する対向面40aには、複数(本実施形態では3本)の円筒状の支柱部41が設けられている。各支柱部41は、ヒートシンク40における長手方向の両側に設けられており、対向面40aから各MOSFET15に向けて延びている。各支柱部41における軸方向の端面41aは、基板14における各MOSFET15側の面に当接している。各端面41aは、基板14における配線や電子部品が設けられていない部位に対し絶縁された状態で当接している。各支柱部41には、それぞれの端面41aから軸方向に貫通する貫通孔41bが設けられている。
特に図2に示すように、ヒートシンク40における対向面40aには、当該対向面40aから各支柱部41が延びる方向に突出する複数(本実施形態では、各MOSFET15と同数の9つ)の突出部42が設けられている。各突出部42は、ヒートシンク40の各支柱部41の端面41aが基板14に当接した状態において、各MOSFET15のうちそれぞれ異なるMOSFET15(図2の二点鎖線)に対応付けて配置されている。
図1の説明に戻り、基板14における各支柱部41が当接する部位には、各支柱部41における貫通孔41bに連通するとともに、基板14を厚み方向に貫通する貫通孔14bがそれぞれ設けられている。各貫通孔14bの径方向外側には、サーマルビアや銅インレイ等の熱逃がし部14cが設けられている。熱逃がし部14cは、基板14における各MOSFET15側の反対側の面において、ハウジング11に当接している。
ヒートシンク40は、互いに連通する一対の貫通孔41b,14bに対して、ねじ等の固定部材43がそれぞれ挿通されることにより、ハウジング11の開口部11aに対してカバー12側から基板14と共に固定されている。この場合、ヒートシンク40へと伝達される各MOSFET15から発生する熱は、各支柱部41から基板14の熱逃がし部14cを経由してハウジング11へと伝達され、その後にハウジング11から外気に放出される。
ここで、各MOSFET15から発生する熱を放熱する構成について詳しく説明する。
図3に示すように、各MOSFET15は、その全体が合成樹脂等の樹脂材料からなる絶縁部15aにより覆われている。各MOSFET15におけるヒートシンク40に対向する対向面15bには、放熱のために銅板15cが露出された状態で設けられている。銅板15cは、ヒートシンク40の対向面40aに対して離間した状態で設けられている。ヒートシンク40の対向面40aと、各MOSFET15の対向面15bに設けられる銅板15cとの間の隙間である第1の隙間44には、これらの間の隙間の一部を充填するように放熱グリス50が設けられている。この場合、放熱グリス50は、ヒートシンク40と銅板15cの両者の間を絶縁するとともに、当該両者の間で熱を伝達する。これにより、各MOSFET15から発生する熱は、銅板15cから放熱グリス50を経由してヒートシンク40へと伝達される。なお、放熱グリス50は、放熱材の一例である。
図3に示すように、各MOSFET15は、その全体が合成樹脂等の樹脂材料からなる絶縁部15aにより覆われている。各MOSFET15におけるヒートシンク40に対向する対向面15bには、放熱のために銅板15cが露出された状態で設けられている。銅板15cは、ヒートシンク40の対向面40aに対して離間した状態で設けられている。ヒートシンク40の対向面40aと、各MOSFET15の対向面15bに設けられる銅板15cとの間の隙間である第1の隙間44には、これらの間の隙間の一部を充填するように放熱グリス50が設けられている。この場合、放熱グリス50は、ヒートシンク40と銅板15cの両者の間を絶縁するとともに、当該両者の間で熱を伝達する。これにより、各MOSFET15から発生する熱は、銅板15cから放熱グリス50を経由してヒートシンク40へと伝達される。なお、放熱グリス50は、放熱材の一例である。
また、各MOSFET15における基板14側の面には、放熱のために銅板15dが基板14に対して当接した状態で設けられている。基板14における各MOSFET15側の面と反対側の面は、ハウジング11と離間している。そして、基板14における各MOSFET15側の面と反対側の面と、ハウジング11との間には、各MOSFET15が存在する位置の隙間の一部を充填するように放熱グリス51が設けられている。この場合、放熱グリス51は、ハウジング11と基板14の両者の間を絶縁するとともに、当該両者の間で熱を伝達する。これにより、各MOSFET15から発生する熱は、銅板15dから基板14及び放熱グリス50を経由してハウジング11へと伝達される。なお、放熱グリス51は、放熱グリス50同様、放熱材の一例である。
本実施形態において、基板14における各MOSFET15側の面と反対側の面に設けられているハウジング11は、各MOSFET15から発生する熱を放熱するヒートシンク40とは別のヒートシンクである。そして、ヒートシンク40は、ハウジング11だけでなくカバー側からも放熱することによりコントローラ30の大型化を招くことなく放熱性を高めることを目的として設けられたヒートシンクである。
各MOSFET15の放熱性を高めるためには、上記第1の隙間44を可能な限り小さくすることにより、各MOSFET15から放熱グリス50を介してヒートシンク40に伝達される熱の伝達効率を高めることが好ましい。ちなみに、第1の隙間44の大きさ、すなわち各MOSFET15とヒートシンク40との対向面の間の距離は、各MOSFET15とヒートシンク40との基板14の厚さ方向についての相対位置によって定められるはずである。しかし実際にこの相対位置は、各MOSFET15やヒートシンク40の製造ばらつき、及びヒートシンク40の熱膨張の大きさの各種ばらつきが原因で変わってくる。
図4に模式的に示すように、本実施形態では、基板14に対して各支柱部41を介してヒートシンク40を固定しているため、製造ばらつきとして次の(A)〜(D)の製造ばらつきを考慮すればよい。(A)ヒートシンク40における対向面40aの平面度の製造ばらつき。(B)基板14における各MOSFET15側の面の平面度の製造ばらつき。(C)基板14の厚さ方向についての各MOSFET15の高さの製造ばらつき。(D)基板14の厚さ方向についてのヒートシンク40における各支柱部41の高さの製造ばらつき。
上記第1の隙間44の大きさについては、上述した各種ばらつきが原因で各MOSFET15とヒートシンク40との対向面15b,40aが最接近しても、それら対向面同士が接触しないと考えられる大きさに定められる。ただし、上述した各種ばらつきを考慮したとしても、上記第1の隙間44を小さくしすぎると、各MOSFET15とヒートシンク40との対向面が最接近して対向面間の放熱グリス50が流動した場合に、各MOSFET15とヒートシンク40とがショート(接触)する可能性がある。
次に、こうした各MOSFET15とヒートシンク40との接触という問題を回避するための構造について説明する。
図4に模式的に示すように、ヒートシンク40の各突出部42は、対応するMOSFET15における絶縁部15aに対向するように配置されている。すなわち、各突出部42は、ヒートシンク40の対向面40aから対向するMOSFET15の絶縁部15aに向けて突出するように設けられている。
図4に模式的に示すように、ヒートシンク40の各突出部42は、対応するMOSFET15における絶縁部15aに対向するように配置されている。すなわち、各突出部42は、ヒートシンク40の対向面40aから対向するMOSFET15の絶縁部15aに向けて突出するように設けられている。
各突出部42の先端面42aと、各MOSFET15の対向面15bに設けられる絶縁部15aとの間には、上記第1の隙間44よりも小さい第2の隙間45が設けられている。すなわち、第1の隙間44における基板14の厚さ方向(図4の上下方向)の距離を「X1」とし、第2の隙間45における基板14の厚さ方向の距離を「X2」とする場合、「X2<X1」の関係が成り立つように第2の隙間45の大きさが設定されている。
以上に説明した本実施形態によれば、以下に示す作用及び効果を奏する。
(1)各MOSFET15とヒートシンク40との間の第1の隙間44の大きさが、各MOSFET15やヒートシンク40の製造ばらつき、及びヒートシンク40の熱膨張の大きさの各種ばらつきが原因で変わってくる。そして、上述した各種ばらつきが原因で各MOSFET15とヒートシンク40との対向面15b,40aが接近した場合、ヒートシンク40の各突出部42が各MOSFET15に設けられる絶縁部15aに接触することにより、各MOSFET15とヒートシンク40とがショートすることを回避することができる。
(1)各MOSFET15とヒートシンク40との間の第1の隙間44の大きさが、各MOSFET15やヒートシンク40の製造ばらつき、及びヒートシンク40の熱膨張の大きさの各種ばらつきが原因で変わってくる。そして、上述した各種ばらつきが原因で各MOSFET15とヒートシンク40との対向面15b,40aが接近した場合、ヒートシンク40の各突出部42が各MOSFET15に設けられる絶縁部15aに接触することにより、各MOSFET15とヒートシンク40とがショートすることを回避することができる。
(2)本実施形態によれば、各MOSFET15とヒートシンク40との対向面15b,40aに各突出部42及び各絶縁部15aが設けられている。この場合、各MOSFET15とヒートシンク40との対向面15b,40aから突出部が離間して設けられる場合と比較して、各MOSFET15とヒートシンク40とがショートすることをより好適に回避することができる。
(3)各MOSFET15には、絶縁部15aがそれぞれ設けられており、各突出部42は、各MOSFET15のそれぞれの絶縁部15aに向けて突出する各MOSFET15と同数が設けられるようにしている。
これにより、上述した各種ばらつきが原因で何れのMOSFET15とヒートシンク40との対向面15b,40aが接近した場合であっても、各MOSFET15にそれぞれ対向して設けられる突出部42が絶縁部15aに接触することにより、何れのMOSFET15においてもヒートシンク40との間でショートすることを回避することができる。
(4)ヒートシンク40は、コントローラ30の大型化を抑制しつつ各MOSFET15の放熱性を高めることを目的として設けられたものであって、そうしたヒートシンク40において各MOSFET15とのショートを回避することができる。
(5)本実施形態によれば、上述した各種ばらつきが原因で各MOSFET15とヒートシンク40との対向面15b,40aが接近した場合であっても、各MOSFET15とヒートシンク40とがショートすることを回避することができるので、上述した各種ばらつきに対する耐性に優れたモータ装置10を構築することができる。そして、このモータ装置10では、モータ20の駆動制御を安定化させることができる。
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・ハウジング11をヒートシンクとして機能させなくてもよく、各MOSFET15から発生する熱を放熱するヒートシンクとしては、ヒートシンク40のみとしてもよい。この場合、ヒートシンク40の一部をハウジング11やカバー12から露出させ、その露出させた部位から各MOSFET15から発生する熱を外気に放出させるように構成すればよい。
・ハウジング11をヒートシンクとして機能させなくてもよく、各MOSFET15から発生する熱を放熱するヒートシンクとしては、ヒートシンク40のみとしてもよい。この場合、ヒートシンク40の一部をハウジング11やカバー12から露出させ、その露出させた部位から各MOSFET15から発生する熱を外気に放出させるように構成すればよい。
・上記実施形態では、上述した各種ばらつきが原因で各MOSFET15とヒートシンク40との対向面15b,40aが接近した場合、各MOSFET15とヒートシンク40とがショートすることを抑制できていればよく、少なくとも何れかのMOSFET15においてヒートシンク40との間でショートすることを回避することができていればよい。すなわち、突出部42は、各MOSFET15よりも少ない数しか設けられていなくてもよい。例えば、上記実施形態において、突出部42は、単数であってもよいし、2〜8つの複数であってもよい。
・上記実施形態では、基板14に実装されるICチップとして電界効果トランジスタ(MOSFET)を例示したが、それ以外のICチップであってもよい。
・放熱材として放熱グリス50,51を例示したが、放熱性のある材料であればよい。
・放熱材として放熱グリス50,51を例示したが、放熱性のある材料であればよい。
・上記実施形態のコントローラ30は、モータ20のモータ軸の延出する方向に各コネクタ部13が延びるように設けるようにしたストレートタイプのモータ装置においても適用可能である。
・上記実施形態の半導体装置は、モータ装置10に適用する例について説明したが、これに限らず、9つ未満又は9つ以上のICチップが実装されるモータ装置や、ICチップが単数しか実装されないセンサ等、ICチップが実装されている基板を有するものにおいて適用可能である。
10…モータ装置、11…ハウジング、14…基板、15…MOSFET、15a…絶縁部、対向面…15b、20…モータ、30…コントローラ、40…ヒートシンク、40a…対向面、42…突出部、44…第1の隙間、45…第2の隙間。
Claims (5)
- ICチップが実装されている基板と、
前記ICチップから発生する熱を放熱するように前記基板における前記ICチップ及び前記基板と対向するように設けられるヒートシンクと、
を備える半導体装置において、
前記ICチップにおける前記ヒートシンクと対向する面には前記ヒートシンクに対し絶縁状態となる絶縁部が設けられており、
前記ヒートシンクにおける前記ICチップと対向する面には前記ヒートシンクから前記絶縁部に向けて突出する突出部が設けられており、
前記突出部と前記絶縁部との間には、前記ICチップと前記ヒートシンクとの間の隙間よりも小さい隙間が設けられている
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記基板には、前記ICチップとして複数のICチップが実装されており、
前記複数のICチップのうち少なくとも2つのICチップには、前記絶縁部がそれぞれ設けられており、
前記突出部は、前記少なくとも2つのICチップのそれぞれの前記絶縁部に向けて突出する少なくとも2つの突出部を含むものである請求項1に記載の半導体装置。 - 前記複数のICチップの全てには、前記絶縁部がそれぞれ設けられており、
前記突出部は、前記複数のICチップのそれぞれの前記絶縁部に向けて突出する前記複数のICチップと同数の突出部を含むものである請求項2に記載の半導体装置。 - 前記基板における前記ICチップ側の面と反対側の面には、前記ICチップの熱が前記基板を経由して伝達される前記ヒートシンクとは別のヒートシンクが取り付けられている請求項1〜請求項3のうちいずれか一項に記載の半導体装置。
- 請求項1〜請求項4のうちいずれか一項に記載の半導体装置と、
前記半導体装置により駆動制御されることにより回転動作するモータと、
前記半導体装置及び前記モータを収容するハウジングと、を備えてなるモータ装置。
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