JP4930406B2

JP4930406B2 - パワー半導体装置及びこれを用いたインバータ装置

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Publication number: JP4930406B2
Application number: JP2008035529A
Authority: JP
Inventors: 徹也伊藤
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2028-02-18
Also published as: JP2009194273A

Description

本発明は、モータを駆動制御するインバータ装置に組み込まれるパワー半導体装置に係り、特に、そのパワー半導体装置の構造及び取付け構造に関するものである。

近年、モータを駆動制御するサーボアンプやインバータ装置の小形化の要求は益々厳しくなり、これらの市場の要求に応える開発を行っていくためには、小形化における高密度な実装基板の発熱密度の増大による放熱問題を解決することが必要となっている。また、小形化されたサーボアンプやインバータ装置では、複数のパワー半導体装置を一括して組み込み多軸のサーボアンプやインバータ装置を構成する要求も多くある。

図１５に示す従来例１のパワー半導体装置は、制御回路基板とパワー回路基板の２枚構成のプリント基板からなっている。パワー回路基板についてはＭＯＳＦＥＴやシャント抵抗など発熱部品が多く存在しており、従来例１のパワー半導体装置では、このパワー回路基板にアルミ基板などの金属基板を用いて発生した熱をヒートシンクなどの外部冷却器に伝えて冷却する方法が取られている（例えば、特許文献１参照）。
図１５において、制御基板３１を収納しコネクタ４３，４５を一側壁に備えた耐熱性収納ケース４１と、制御基板支持部５５−１〜５５−４と枠状嵌合部５４と外部取付け部５２とを一体的に形成したダイカスト製取付け台５１と、パワーモジュール６１が接着された金属基板６２とを備えている。ダイカスト製取付け台５１によって制御基板３１から発生する熱を外部冷却器に伝熱し、パワーモジュール６１から発生する熱は金属基板６２を介して外部に伝熱される。

また、図１６に示す従来例２のパワー半導体装置のように複数の装置を同時に組み込む場合もある。多軸のサーボアンプやインバータ装置の構成などにおいては、ブックタイプと呼ばれるパワー半導体装置を偏平な箱形に構成し、プラグインで本棚に本を並べるようにパワー半導体装置を取付ける構造が取られている（例えば、特許文献２参照）。
図１６において、パワー半導体素子及びその周辺の制御回路を組み込んだ偏平箱形ケースとしてなるブックタイプの樹脂パッケージ１に対して、その底面側にパワー素子のヒートシンクとして機能する放熱フィン５を一体に装着するとともに、パッケージの一側面にはプラグ形の入出力用主端子１４、及び制御回路から引出した制御端子１６を一括して導出し、相手側装置へ組み込むに際して、相手側に装備したコネクタへ主端子１４，制御端子１６をプラグイン式に差し込み接続する。
特開２００４−１３４４９１号公報特開平９−３１２３７６号公報

従来例１のパワー半導体装置においては、制御基板とパワーモジュールといった形でプリント基板が２枚構成となり、パワー半導体装置とするには、それぞれの基板を固定する部品と制御基板から発生する熱を冷却するための構造及び部品、及びパワーモジュ−ルのＭＯＳＦＥＴなどの高発熱部品を冷却するための高価な金属基板を使用する必要があった。

さらに、従来例２に示す複数のパワー半導体装置を同時に使用する場合には、パワー半導体装置を偏平な箱形ケースとしブックタイプで個々を取付け、複数のパワー半導体装置を構成する方法が取られている。しかし、単体ごとに取付け部品を必要とし、冷却については単体ごとのヒートシンクを構成する必要があり、パワー半導体装置が大きくなり小形化が困難である。また、複数のパワー半導体装置を同時に使用する場合には、ファンなどを用いた強制空冷などが必要となってくるが、複数のヒートシンクがパワー半導体装置の間に挟まれている構造になると空気の流れが妨げられ効率よく冷却できない問題もある。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、小形で簡便な取付け構造を有し、かつ、放熱性にもすぐれた安価なパワー半導体装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため，本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、一方の面には低発熱量の電子部品を実装し、他方の面には高発熱量の電子部品を実装してなるプリント基板と、該プリント基板の前記高発熱量の電子部品実装側とヒートスプレッダとの間に高熱伝導性樹脂を充填したパワー半導体装置において、
前記プリント基板と前記ヒートスプレッダと前記高熱伝導性樹脂より成る構造体の側面には凹部が形成されており、前記凹部は前記高熱伝導性樹脂で被った構造としたものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のパワー半導体装置において、前記凹部に嵌合する爪と、前記プリント基板面から前記ヒートスプレッダ側に加圧できるリブを有し、前記ヒートスプレッダ面をヒートシンクに取り付けるためのケースを備えたものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のパワー半導体装置において、前記ケースは、複数の前記パワー半導体装置を複数個並べたときに隣接する前記パワー半導体装置の前記凹部に嵌合する爪をさらに備えたものである。

請求項４に記載の発明によれば、請求項２または３に記載のパワー半導体装置において、前記ケースの材料は汎用プラスチックまたはエンジニアプラスチックを使用するものである。
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載のパワー半導体装置において、複数の前記パワー半導体装置を一括して冷却できるヒートシンクを有するものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のパワー半導体装置を用いたインバータ装置を構成するものである。

請求項１に記載の発明によると、プリント基板は１枚構成にて制御回路部とパワー回路部を備えており、従来の制御基板，パワーモジュールといった２枚構成のパワー半導体装置で必要となった取付け部品等を必要とせず部品を削減できる。
また、プリント基板の片面に高発熱量の部品を配置し、プリント基板とヒートスプレッダの間を高熱伝導性樹脂で充填し、接合，接着することで制御回路側から発生する熱及びパワー回路側から発生する熱を一括してヒートスプレッダに伝熱し外部冷却器等で冷却可能となる。
さらに、パワー半導体装置を取付ける際に必要な凹部をプリント基板とヒートスプレッダが露出しないように構成することにより、取付け時にプリント基板とヒートスプレッダの引剥がし方向に力が加わらない構造となる。
請求項２に記載の発明によると、パワー半導体装置を取付けるケースにおいて、パワー半導体装置とケースを固定する爪があり、これはプリント基板側より挿入可能であり、ケースのリブは、プリント基板の表面を押さえる構造となっている。従って、ケースを取付けた後、サーボアンプやインバータ装置に取付ける際に、パワー半導体装置のヒートスプレッダ面を確実に外部冷却器と密着させることが可能となり有効な冷却効果を発揮できる。
請求項３に記載の発明によると、パワー半導体装置を取付けるケースにおいて、パワー半導体装置とケースを固定する爪があり、これはプリント基板側より挿入可能であり、ケースのリブは、プリント基板の表面を押さえる構造となっている。従って、ケースを取付けた後、サーボアンプやインバータ装置に取付ける際に、パワー半導体装置のヒートスプレッダ面を確実に外部冷却器と密着させることが可能となり有効な冷却効果を発揮できる。
また、ケースに備えているパワー半導体装置を取付けるための爪を交互に位置を変えることで、パワー半導体装置を隙間無く取付け可能となり小形化が可能となる。
さらに、パワー半導体装置単体ごとにケースを持つよりも、取付け部品を削減することが可能となる。
請求項４に記載の発明によると、パワー半導体装置のプリント基板とヒートスプレッダ間を接合，接着した樹脂は、高熱伝導性樹脂のためフィラーを多く含み、材料的には硬くて脆くなりやすく、ケースなどの固定部材等の構造部品には不向きであり材料コストも高い。そのため、汎用プラスチックやエンジニアプラスチックをケースの材料とすることで強度面及びコスト面においても有利となる。
請求項５に記載の発明によると、パワー半導体装置のヒートスプレッダ面、すなわち、発熱面が１面に一様に構成される複数のパワー半導体装置を一括して冷却するヒートシンクを構成するものであり、これによりヒートシンクの高効率化及び低コスト、さらにファンなどで強制冷却する場合にも効率よく冷却可能となる。
請求項６に記載の発明によると、モータを駆動制御するインバータ装置において、より小形化した装置を製作することができる。また同様に、複数のインバータ装置を同時に使用する多軸構成の装置への適用が容易であり、小形化と低コスト化が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１〜図４は本発明における実施例１のパワー半導体装置の構成を示す図である。図１の（ａ）は、パワー半導体装置１００の平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。同図は、プリント基板１０１とヒートスプレッダ１０２の間を高熱伝導性樹脂１０３で充填して、接合，接着した三面図であり、プリント基板１０１の上側には低発熱量の電子部品１０４、プリント基板の下側には高発熱量の電子部品１０５を配置している。
図２はプリント基板１０１とヒートスプレッダ１０２と高熱伝導性樹脂１０３より成る構造体の凹部１０６の断面詳細図（図１のＡ−Ａ断面図）である。図３はパワー半導体装置１００の斜視図であり、図４は凹部１０６の詳細図である。プリント基板下側の高発熱量の電子部品１０５とヒートスプレッダ１０２の間に高熱伝導性樹脂１０３を充填することで、プリント基板１０１とヒートスプレッダ１０２を接合，接着する。これにより、プリント基板下側にある高発熱量の電子部品１０５からでる熱は、高熱伝導性樹脂１０３で熱拡散され、ヒートスプレッダ１０２に伝熱され冷却が可能となる。また、図２及び図４の凹部１０６は、プリント基板側面１０７とヒートスプレッダ側面１０８を被うことで、固定用の凹部を形成している。これにより、パワー半導体装置１００の固定の際に加わる力によって発生する、プリント基板１０１とヒートスプレッダ１０２の剥がれに対する強度が向上する。

図５〜図１０は本発明における実施例２を説明するための図である。本発明の実施例１で示したパワー半導体装置１００をケースで保持する構造や、ヒートシンクの取付け構造が示されている。図５はケース２０１にパワー半導体装置１００を取付けた斜視図である。図６は、図５の分解斜視図である。図７は、図５の平面図であり、図８はケース２０１の爪２０２がパワー半導体装置１００の凹部１０６に嵌合した断面詳細図である。図９は、図５にヒートシンク２０３を取付けた斜視図である。図１０は、図９の分解斜視図である。
図８において、ケースの爪２０２がパワー半導体装置１００の凹部１０６の部分に掛かりケース２０１でパワー半導体装置１００を保持する。また、図９においてケースのリブ２０４は、プリント基板１０１の上側からパワー半導体装置１００を押さえる構造となっているため、ヒートシンク２０３にパワー半導体装置１００を押さえつけることが可能となり、パワー半導体装置１００からの熱を効率よくヒートシンク２０３に伝えることが可能となる。

図１１，図１２は本発明における実施例３を説明するための図である。図１１は本発明の実施例１で示したパワー半導体装置１００を複数個ケース３０１に取付けた斜視図である。図１２は図１１の分解斜視図である。図１２において、左右方向にあるケースの爪３０２は、パワー半導体装置１００の左右方向の凹部３０３に嵌合し、また、上下方向にあるケースの爪３０４は、パワー半導体装置１００の上下方向の凹部３０５にそれぞれ嵌合することで、各パワー半導体装置１００の隙間を空けることなくケース３０１に取付けることが可能となる。
また、図１１において，複数個のパワー半導体装置１００を取付ける際の取付け穴は、単体のパワー半導体装置１００を並べる時よりも少なくすることが可能であり、これにより取付け部品の削減と、パワー半導体装置１００を取付けるサーボアンプなどの小形化が可能となる。

次に、本発明における実施例４について説明する。図５及び図１１において、ケース２０１及び３０１はそれぞれ爪２０２，３０２と３０４を供えている。高熱伝導性樹脂１０３はフィラーを多く含み、硬くて脆いため、高熱伝導性樹脂１０３による爪の形成は困難である。そのために、ケース２０１や３０１のような形状をとる場合には、汎用プラスチックまたはエンジニアプラスチックを用いることが望ましい。

図１３，図１４は本発明における実施例５を説明するための図である。図１３は実施例３で示したようにケース３０１にパワー半導体装置１００を取付け、さらにサーボアンプ等の装置のインターフェース基板４０１を取付けた後、ヒートシンク４０２を取付けた場合の斜視図である。図１４は、図１３の分解斜視図である。パワー半導体装置１００の発熱面が１面に一様に並ぶことで、ヒートシンク４０２を一体化することが可能となり、形状も簡素化でき、さらに低コストで製造可能になる。また、外部冷却器としてファン４０３を用いるときにも形状が簡単であるため，空気の流れがスムーズであり冷却効率のよい構造が可能となる。

このように、制御回路部とパワー回路部を一体化したプリント基板とヒートスプレッダの間を高熱伝導性樹脂で充填することにより、小形化及び高放熱構造が可能となる。また、パワー半導体装置の取付け部品であるケースを備えることで、取付け作業が容易となり、かつ、複数のパワー半導体装置も容易に取付けることが可能である。さらに、複数のパワー半導体装置を冷却する際の構造が簡便であり小形化と冷却効率の良い構造が可能である。

本発明のパワー半導体装置はモータを駆動制御するインバータ装置において、小形の装置や複数の装置を同時に使用する多軸構成の装置に適用が可能である。また、これらのインバータ装置はロボットやＮＣ工作機械、一般産業機械の各分野で幅広く利用される。

本発明における実施例１のパワー半導体装置１００の構成を示す三面図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。本発明における実施例１のパワー半導体装置１００の凹部１０６の断面詳細図本発明における実施例１のパワー半導体装置１００の斜視図本発明における実施例１のパワー半導体装置１００の凹部１０６の詳細図本発明における実施例２のケース２０１にパワー半導体装置１００を取付けた斜視図図５の分解斜視図図５の平面図本発明における実施例２のケース２０１の爪２０２がパワー半導体装置１００の凹部１０６に嵌合した断面詳細図である。図５にヒートシンク２０３を取付けた斜視図図９の分解斜視図本発明における実施例３のケース３０１にパワー半導体装置１００を複数取付けた斜視図図１１の分解斜視図本発明における実施例５のヒートシンク４０２とインターフェース基板４０１を図１１のケース３０１の両サイドに取付けた斜視図図１３の分解斜視図従来例１のパワー半導体装置を示す図従来例２のパワー半導体装置を示す図

符号の説明

１００パワー半導体装置
１０１プリント基板
１０２ヒートスプレッダ
１０３高熱伝導性樹脂
１０４低発熱量の電子部品
１０５高発熱量の電子部品
１０６凹部
１０７プリント基板側面
１０８ヒートスプレッダ側面
２０１ケース
２０２ケースの爪
２０３ヒートシンク
２０４ケースのリブ
３０１ケース
３０２左右方向のケースの爪
３０３左右方向のパワー半導体装置の凹部
３０４上下方向のケースの爪
３０５上下方向のパワー半導体装置の凹部
３０６ケースのリブ
４０１インターフェース基板
４０２ヒートシンク
４０３ファン

Claims

一方の面には低発熱量の電子部品を実装し、他方の面には高発熱量の電子部品を実装してなるプリント基板と、該プリント基板の前記高発熱量の電子部品実装側とヒートスプレッダとの間に高熱伝導性樹脂を充填したパワー半導体装置において、
前記プリント基板と前記ヒートスプレッダと前記高熱伝導性樹脂より成る構造体の側面には凹部が形成されており、前記凹部は前記高熱伝導性樹脂で被った構造であることを特徴とするパワー半導体装置。
前記凹部に嵌合する爪と、前記プリント基板面から前記ヒートスプレッダ側に加圧できるリブを有し、前記ヒートスプレッダ面をヒートシンクに取り付けるためのケースを備えたことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
前記ケースは、複数の前記パワー半導体装置を複数個並べたときに隣接する前記パワー半導体装置の前記凹部に嵌合する爪をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体装置。
前記ケースの材料は汎用プラスチックまたはエンジニアプラスチックを使用することを特徴とする請求項２または３に記載のパワー半導体装置。
複数の前記パワー半導体装置を一括して冷却できるヒートシンクを有することを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体装置。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のパワー半導体装置を用いたインバータ装置。