JP2019021790A

JP2019021790A - 電子機器

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Publication number: JP2019021790A
Application number: JP2017139590A
Authority: JP
Inventors: 浩堂前; Hiroshi Domae; 弘宜土居; Hiroyoshi Doi; 千英山根; Yukihide Yamane
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2017-07-19
Filing date: 2017-07-19
Publication date: 2019-02-07
Anticipated expiration: 2037-07-19
Also published as: JP6989760B2

Abstract

【課題】発熱する半導体素子が封入された半導体モジュールを備えた電子機器において、半導体モジュールの放熱性を改善する。【解決手段】発熱する半導体素子が封入された半導体モジュール（10）と、半導体モジュール（10）を実装する基板（20）とを設ける。半導体モジュール（10）は、複数のピン（14）が周囲に沿って並んだ端子面（13）を有する。プリント基板（20）には、端子面（13）におけるピン（14）よりも内側の領域（A）に対向する部分に、通気用貫通孔（21）を形成する。【選択図】図４

Description

本発明は、半導体モジュールを有する電子機器に関するものである。

空気調和装置などには、モータ等に電力を供給するために、電力変換装置が設けられる。このような電力変換装置は、コンバータ回路やインバータ回路がパッケージ化された、いわゆるパワーモジュール（以下、半導体ジュールとも呼ぶ）を用いて構成されることが多い。この半導体モジュールは、稼働中に発熱するので種々の冷却構造が考案されている（例えば特許文献１を参照）。この文献では、パワーモジュール（半導体モジュール）のワイヤーの冷却構造が提案されている。

特開２０１３−１６６０６号公報

しかしながら、半導体モジュールは、実装されたプリント基板にも放熱するので、例えば半導体モジュールの容量を大きくしたい場合には、半導体モジュールの基板側も十分に放熱できるようにする必要がある。

本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、発熱する半導体素子が封入された半導体モジュールを備えた電子機器において、半導体モジュールの放熱性を改善することを目的としている。

前記の課題を解決するため、第１の態様は、
発熱する半導体素子が封入された半導体モジュール（10）と、
前記半導体モジュール（10）を実装する基板（20）とを備え、
前記半導体モジュール（10）は、複数のピン（14）が周囲に沿って並んだ端子面（13）を有し、
前記基板（20）は、前記端子面（13）における前記ピン（14）よりも内側の領域（A）に対向する部分に、通気用貫通孔（21）が形成されていることを特徴とする電子機器である。

この構成では、通気用貫通孔（21）によって、冷却用の空気が端子面（13）に導入される。

また、第２の態様は、第１の態様において、
前記基板（20）には、前記端子面（13）の一辺に対応して１又は複数の配線端子（T1,T2,T3）が設けられ、
前記通気用貫通孔（21）は、前記配線端子（T1,T2,T3）に対向する前記端子面（13）の一辺に隣接して形成されていることを特徴とする電子機器である。

この構成では、空気が流れにくい配線端子（T1,T2,T3）側に、冷却用の空気を効率的に導入することが可能になる。

また、第３の態様は、第１又は第２の態様において、
半導体モジュール（10）には、該半導体モジュール（10）を前記基板（20）にネジ止めするために、少なくとも１つのネジ用貫通孔（15）が前記端子面（13）の隅に形成され、
前記通気用貫通孔（21）は、前記ネジ用貫通孔（15）に隣接して形成されていることを特徴とする電子機器である。

一般的にネジ用貫通孔（15）の近傍は、ピン（14）が無いか若しくは少ない。すなわち、ネジ用貫通孔（15）の近傍は、端子面（13）に空気が流れ込み易い部分である。この構成では、ネジ用貫通孔（15）近傍における空気の流れ易さと相俟って、通気用貫通孔（21）による冷却効果が向上する。

また、第４の態様は、第１から第３の態様の何れかにおいて、
前記基板（20）には、前記端子面（13）に対向した部分に発熱部品（Rsh）が実装されていることを特徴とする電子機器である。

第１の態様によれば、発熱する半導体素子が封入された半導体モジュールを備えた電子機器において、半導体モジュールの放熱性を改善することが可能になる。

また、第２の態様によれば、空気が流れにくい配線端子（T1,T2,T3）を有する構成においても、半導体モジュールの放熱性を改善することが可能になる。

また、第３の態様によれば、より確実に半導体モジュールの放熱性を改善することが可能になる。

また、第４の態様によれば、このような発熱部品の配置により、電子機器をコンパクトに構成することが可能になる。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置を示す回路図である。図２は、半導体モジュールの概略形状を示す斜視図である。図３は、半導体モジュールの概略形状を示す斜視図である。図４は、半導体モジュール等のプリント基板への実装状態を模式的に示す平面図である。図５は、プリント基板の裏面における実装状態を模式的に示す。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態》
図１は、本実施形態に係る電力変換装置（1）を示す回路図である。電力変換装置（1）は、本発明の電子機器の一例であり、図１に示すように、コンバータ回路（2）、リアクトル（3）、平滑コンデンサ（4）、インバータ回路（5）、及びシャント抵抗器（Rsh）を備えている。

コンバータ回路（2）は、ブリッジ接続された４つのダイオード（D11〜D14）（すなわち半導体素子）を備え、交流電源（7）（例えば商用電源）から入力された交流を全波整流する。コンバータ回路（2）の出力端子間には、平滑コンデンサ（4）が接続されている。平滑コンデンサ（4）は、例えば、電解コンデンサやフィルムコンデンサによって形成される。なお、コンバータ回路（2）の正側の出力端子には、リアクトル（3）が接続されており、平滑コンデンサ（4）は、このリアクトル（3）を介してコンバータ回路（2）の正側出力端子に接続されている。

インバータ回路（5）は、複数のスイッチング素子（すなわち半導体素子）のスイッチング状態をそれぞれ変化させて、コンバータ回路（2）が出力した直流を交流に変換してモータ（6）に供給する。具体的には、インバータ回路（5）は、図１に示すように、ブリッジ接続された６つのスイッチング素子（S1〜S6）を有し、スイッチング素子（S1〜S6）のそれぞれには、還流ダイオード（D21〜D26）が接続されている。なお、電力変換装置（1）には、インバータ回路（5）のスイッチングを制御する制御装置が必要であるが、図１では記載を省略してある。

シャント抵抗器（Rsh）は、図１に示すように、インバータ回路（5）の負側の直流母線（N）の途中であって、平滑コンデンサ（4）とインバータ回路（5）の間に設けられている。また、この例では、シャント抵抗器（Rsh）の平滑コンデンサ（4）側の端子は、接地させられている。この構成では、シャント抵抗器（Rsh）にモータ（6）からの電流が流れると、シャント抵抗器（Rsh）の両端子には電圧差が生じ、この両端子間の電圧を検出することで、相電流（Iu,Iv,Iw）を算出することができる。このシャント抵抗器（Rsh）は、電力変換装置（1）の稼働によって電流が流れると発熱する。すなわち、シャント抵抗器（Rsh）は、本発明の発熱部品の一例である。

インバータ回路（5）とコンバータ回路（2）とは、樹脂のケーシング（11）に封入されて１つのモジュール（以下、半導体モジュール（10）と呼ぶ）として形成されている。すなわち、半導体モジュール（10）のケーシング（11）には、発熱する半導体素子（スイッチング素子（S1〜S6）等）が封入されている。

図２は、半導体モジュール（10）の概略形状を示す斜視図である。図２に示すように、半導体モジュール（10）のケーシング（11）は、複数のピン（14）が周囲に沿って並んだ面（端子面（13）と命名する）を有している。所定のピン（14）は、図１に示したノード（N1,N2,N3）と、ケーシング（11）内で結線されている。また、これらのピン（14）のうちの所定の２つには、シャント抵抗器（Rsh）が接続される。シャント抵抗器（Rsh）用のピン（14）は、ケーシング（11）内で、直流母線（N）の途中に設けられたノード（N4,N5）（図１参照）と結線されている。

次に、図３に、ケーシング（11）における、端子面（13）とは反対側の面を示す。図３に示すように、ケーシング（11）には、内部の半導体素子から放熱させるために、金属製の放熱部（12）が設けられている。放熱部（12）は、板状に形成されており、例えばヒートシンク（図示を省略）などが接続されて、内部の半導体素子の熱を例えば空気に放熱させる。

〈プリント基板（20）への実装〉
図４は、半導体モジュール（10）等のプリント基板（20）への実装状態を模式的に示す平面図である。以下では、説明の便宜のため、図４に示したプリント基板（20）の面を表面と呼ぶことにする。また、図５は、プリント基板（20）の裏面（図４に示した面とは反対側の面）における実装状態を模式的に示す。図４及び図５に示すように、電力変換装置（1）では、プリント基板（20）の両面に電子部品が実装されている。

プリント基板（20）に裏面には、半導体モジュール（10）が実装されている。この例では、ケーシング（11）には、半導体モジュール（10）をプリント基板（20）にネジ止めするために、４つのネジ用貫通孔（15）が、端子面（13）の四隅に形成されている。半導体モジュール（10）は、これらのネジ用貫通孔（15）に通されたネジ（図示は省略）によって、ケーシング（11）の端子面（13）がプリント基板（20）側となる向きで、プリント基板（20）に固定されている。本実施形態では、半導体モジュール（10）がプリント基板（20）に固定された状態で、端子面（13）とプリント基板（20）との間には、隙間（空気層）が形成されている。

また、半導体モジュール（10）の各ピン（14）は、プリント基板（20）に形成された端子孔を貫通して該プリント基板（20）の表面に露出している。各ピン（14）は、この端子孔部分でハンダ付けされ、プリント基板（20）に形成された配線パターン（22）に電気的に接続されている。なお、当然のことではあるが、ピン（14）がネジ用貫通孔（15）に通すネジと干渉しないように、ピン（14）とネジ用貫通孔（15）との間には所定のクリアランスが設けられている。

また、図４に示すように、プリント基板（20）の表面には、平滑コンデンサ（4）、リアクトル（3）、及びシャント抵抗器（Rsh）が実装されている。例えば、シャント抵抗器（Rsh）は、プリント基板（20）の表面であって、半導体モジュール（10）の端子面（13）に対向した部分に面実装されている。シャント抵抗器（Rsh）の各端子は、プリント基板（20）の表面に形成された配線パターン（22）を介して、半導体モジュール（10）のピン（14）（より詳しくはケーシング（11）内部でノード（N4,N5）に繋がるピン（14））に接続されている。

また、プリント基板（20）には、コンバータ回路（2）が出力した交流をモータ（6）に供給するための配線端子（T1,T2,T3）が設けられている。これらの配線端子（T1,T2,T3）は、半導体モジュール（10）の端子面（13）の一辺に隣接して形成されている。これを図４で見ると、半導体モジュール（10）の下側に３つの配線端子（T1,T2,T3）が位置している。これらの配線端子（T1,T2,T3）は、半導体モジュール（10）のピン（14）のうちのノード（N1,N2,N3）に繋がるものに、プリント基板（20）に形成されたパターンを介して接続されている。なお、図示は省略するが、表面には、マイクロコンピュータなどの、更に多くの電子部品が実装されている。

そして、プリント基板（20）には、通気用貫通孔（21）が形成されている。具体的には、図４に示すように、端子面（13）におけるピン（14）よりも内側の領域に対応する部分を領域（A）とすると、通気用貫通孔（21）は、プリント基板（20）において、領域（A）に対向する部分に形成されている。この例では、より詳しくは、通気用貫通孔（21）は、配線端子（T1,T2,T3）に対向した端子面（13）の一辺に隣接している。通気用貫通孔（21）の形態は、隣接した辺に沿った長孔（スリット）であり、ネジ用貫通孔（15）の近傍にまで伸びている。すなわち、通気用貫通孔（21）は、ネジ用貫通孔（15）に隣接している。

〈本実施形態における効果〉
コンバータ回路（2）に交流電源（7）から電力を供給しつつインバータ回路（5）を稼働させると、半導体モジュール（10）内の各スイッチング素子（S1〜S6）、ダイオード（D11〜D14）、及び還流ダイオード（D21〜D26）が発熱する。そうすると、放熱部（12）からはスイッチング素子（S1〜S6）等の熱が放熱される。また、各スイッチング素子（S1〜S6）、ダイオード（D11〜D14）、及び還流ダイオード（D21〜D26）の熱は、端子面（13）にも放熱する。端子面（13）の熱は、プリント基板（20）に放熱するとともに、プリント基板（20）とケーシング（11）の間の空気にも放熱する。

電力変換装置（1）では、プリント基板（20）に形成された通気用貫通孔（21）から、プリント基板（20）と端子面（13）との間に空気が流入する。そのため、通気用貫通孔（21）を備えていない半導体モジュール（説明の便宜のため従来の半導体モジュールと呼ぶ）と比べ、端子面（13）では、より効率的に空気との熱交換が行われる。すなわち、半導体モジュール（10）がより効率的に冷却される。故に、本実施形態では、半導体モジュールの放熱性を改善することが可能になり、延いては、より大きな容量の電力変換装置（1）を構成することが可能になる。

また、配線端子（T1,T2,T3）に配線（例えば被覆導線）が接続されると、ピン（14）の間から端子面（13）への空気の流れが邪魔されやすいが、本実施形態ではこの点も改善することができる。すなわち、本実施形態の通気用貫通孔（21）は、配線端子（T1,T2,T3）に対向する、端子面（13）の一辺に隣接して形成されている。そのため、配線によって空気の流れが邪魔されたとしても、通気用貫通孔（21）によって端子面（13）に空気が効率的に導入されるので、容易に半導体モジュール（10）を冷却することが可能になる。

また、前記のように半導体モジュールの放熱性が改善されると、電力変換装置（1）の容量（インバータ回路（5）等の容量）を大きくしても、シャント抵抗器（Rsh）等の発熱部品を、前記実施形態のように半導体モジュール（10）に対向する位置（図４参照）に実装することが容易になる。このような発熱部品の配置により、電子機器（ここでは電力変換装置（1））をコンパクトに構成することが可能になる。

《その他の実施形態》
なお、通気用貫通孔（21）の数や形状は例示である。更に多くの通気用貫通孔（21）を設けてもよい。また、長孔以外の形状であってもよい。

また、実施形態で説明した、プリント基板（20）上の部品配置は例示であり、この例示に限定されるものではない。

また、実施形態で説明した、半導体モジュールの冷却構造は、電力変換装置（1）以外の電子機器に対しても適用できる。

本発明は、半導体モジュールを有する電子機器として有用である。

１電力変換装置（電子機器）
１０半導体モジュール
１３端子面
１４ピン
１５ネジ用貫通孔
２０プリント基板（基板）
２１通気用貫通孔
Ｒｓｈシャント抵抗器（発熱部品）
Ｔ１〜Ｔ３配線端子

Claims

発熱する半導体素子が封入された半導体モジュール（10）と、
前記半導体モジュール（10）を実装する基板（20）とを備え、
前記半導体モジュール（10）は、複数のピン（14）が周囲に沿って並んだ端子面（13）を有し、
前記基板（20）は、前記端子面（13）における前記ピン（14）よりも内側の領域（A）に対向する部分に、通気用貫通孔（21）が形成されていることを特徴とする電子機器。
請求項１において、
前記基板（20）には、前記端子面（13）の一辺に対応して１又は複数の配線端子（T1,T2,T3）が設けられ、
前記通気用貫通孔（21）は、前記配線端子（T1,T2,T3）に対向する前記端子面（13）の一辺に隣接して形成されていることを特徴とする電子機器。
請求項１又は請求項２において、
半導体モジュール（10）には、該半導体モジュール（10）を前記基板（20）にネジ止めするために、少なくとも１つのネジ用貫通孔（15）が前記端子面（13）の隅に形成され、
前記通気用貫通孔（21）は、前記ネジ用貫通孔（15）に隣接して形成されていることを特徴とする電子機器。
請求項１から請求項３の何れかにおいて、
前記基板（20）には、前記端子面（13）に対向した部分に発熱部品（Rsh）が実装されていることを特徴とする電子機器。