JP4940777B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子からの電磁波を遮蔽するシールド板を備えた半導体装置に関し、特に、その放熱構造に関する。 The present invention relates to a semiconductor device including a shield plate that shields electromagnetic waves from a semiconductor element, and more particularly to a heat dissipation structure thereof.
半導体装置として、スイッチング動作を行うIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体素子と、半導体素子を制御する制御基板とを備え、直流電流を交流電流に変換するインバータ装置が知られている。この種のインバータ装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド車等の電動機(モータ)に駆動電流を供給する為に用いられる。車両に搭載されるインバータ装置としては、例えば、特許文献1において示されるように、モータと一体化したものが知られている。このインバータ装置では、小型化を図る為に、制御基板を半導体素子の上方へ分離して配置している。 As a semiconductor device, an inverter device that includes a semiconductor element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) that performs a switching operation and a control board that controls the semiconductor element and converts a direct current into an alternating current is known. This type of inverter device is used, for example, to supply a drive current to an electric motor (motor) such as an electric vehicle or a hybrid vehicle. As an inverter device mounted on a vehicle, for example, as shown in Patent Document 1, an inverter device integrated with a motor is known. In this inverter device, in order to reduce the size, the control board is arranged separately above the semiconductor element.
この種のインバータ装置は、スイッチング動作に伴って半導体素子および制御基板から熱が発生する。特に、半導体素子は大きな発熱を伴う為、放熱が重要となる。その為、特許文献1で示されるインバータ装置は、半導体素子の下側に冷却部を備えており、半導体素子から発生した熱を下側の冷却部で放散している。これに対し、制御基板からも、半導体素子程ではないものの熱が発生する為、放熱する必要がある。制御基板から発生した熱は、制御基板の端部を支持し、冷却部から延設された側壁部を介して放散される。制御基板は、半導体素子の上方に配置しており、冷却部から離れた状態にある。その為、制御基板から発生した熱を、直接的に冷却部へ伝導し、放散することが出来ず、やむを得ず制御基板の端部から側壁部を介し、冷却部で放熱している。 In this type of inverter device, heat is generated from the semiconductor element and the control board in accordance with the switching operation. In particular, since semiconductor elements generate a large amount of heat, heat dissipation is important. Therefore, the inverter device shown in Patent Document 1 includes a cooling unit below the semiconductor element, and dissipates heat generated from the semiconductor element in the lower cooling unit. On the other hand, since heat is generated from the control board, which is not as high as that of the semiconductor element, it is necessary to dissipate heat. The heat generated from the control board is dissipated through the side wall portion that supports the end of the control board and extends from the cooling section. The control board is disposed above the semiconductor element and is in a state separated from the cooling unit. For this reason, the heat generated from the control board cannot be directly conducted to the cooling unit and can be dissipated, and unavoidably radiated from the end of the control board through the side wall by the cooling unit.
なお、スイッチング動作に伴って半導体素子から電磁波(スイッチングノイズ)が発生する。発生した電磁波は、制御基板に誤作動等を引き起こす原因となる為、所定のシールド材によって遮蔽される。特許文献1においては、上記側壁部を利用して電磁波の遮蔽を行っている。 Note that an electromagnetic wave (switching noise) is generated from the semiconductor element along with the switching operation. The generated electromagnetic wave causes a malfunction or the like on the control board, and is shielded by a predetermined shield material. In Patent Document 1, electromagnetic waves are shielded using the side wall portion.
上記のように、制御基板を冷却部から離して配置すると、制御基板から発生した熱を効率良く冷却部へ伝導し、制御基板を冷却することが難しくなる。特に、半導体素子と制御基板との間に、板状のシールド材を介在させて、半導体素子から発生する電磁波を遮蔽するインバータ装置においては、更に、制御基板が冷却部から離れた個所に配置されることになり、制御基板の冷却が難しくなる。なお、車両に搭載されるインバータ装置においては、搭載スペースに限りがある為、冷却ファンや冷却板等の冷却装置を新たに設けることは困難である。 As described above, when the control board is arranged away from the cooling unit, it is difficult to efficiently transfer the heat generated from the control board to the cooling unit and cool the control board. In particular, in an inverter device that shields electromagnetic waves generated from a semiconductor element by interposing a plate-shaped shield material between the semiconductor element and the control board, the control board is further arranged at a location away from the cooling unit. As a result, it becomes difficult to cool the control board. In addition, in the inverter apparatus mounted in a vehicle, since a mounting space is limited, it is difficult to newly provide a cooling apparatus such as a cooling fan or a cooling plate.
本発明の目的は、シールド板を備えた半導体装置において、効果的に放熱することが可能な半導体装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of effectively radiating heat in a semiconductor device provided with a shield plate.
本実施形態に係る半導体装置は、モータと一体化され、内部に放熱用フィンを有する循環冷却水収納室を含む冷却部と、前記冷却部から延設された側壁部と側壁部の頂面に載置される蓋板を有するケースと、前記ケース内の前記冷却部上に設けられる半導体素子と、前記ケース内に配置され、前記半導体素子を制御する制御基板と、前記ケース内において、前記半導体素子と、前記制御基板との間に介在し、前記半導体素子が発する電磁波を遮蔽するシールド板と、を備える半導体装置において、前記シールド板は、熱伝導性材料からなり、端部が前記冷却部と接続して前記ケース内を常時冷却し、前記制御基板から発生した熱を前記冷却部へ移動させることを特徴とする。
The semiconductor device according to the present embodiment is integrated with a motor, and includes a cooling unit including a circulating cooling water storage chamber having a heat radiation fin inside, a side wall extending from the cooling unit, and a top surface of the side wall. A case having a lid plate placed thereon, a semiconductor element provided on the cooling unit in the case, a control board disposed in the case and controlling the semiconductor element, and the semiconductor in the case In a semiconductor device comprising an element and a shield plate interposed between the control board and shielding electromagnetic waves emitted from the semiconductor element, the shield plate is made of a heat conductive material, and an end portion is the cooling unit connect to cool the inside of the case at all times and, wherein the heat generated from the control board to move to the cooling unit.
上記半導体装置において、シールド板の端部は、冷却部上に凸設された支持部材と、制御基板との間に挟持、固定され、かつ、熱伝導部材を介して冷却部と接続される熱伝導路を有することが好ましい。 In the above semiconductor device, the end of the shield plate is sandwiched and fixed between the support member projecting on the cooling unit and the control board, and is connected to the cooling unit via the heat conducting member. It is preferable to have a conduction path.
上記半導体装置において、熱伝導部材は、シールド板の端部の熱伝導路を冷却部へ固定する為の金属製固定用ボルトであることが好ましい。 In the semiconductor device, the heat conducting member is preferably a metal fixing bolt for fixing the heat conducting path at the end of the shield plate to the cooling unit.
本発明によれば、シールド板を備えた半導体装置において、効果的に放熱することが可能な半導体装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor device which can be thermally radiated effectively in the semiconductor device provided with the shield board can be provided.
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、半導体装置である車両用インバータ装置10の概略構成を示す断面図である。車両用インバータ装置10(以下、単にインバータ装置と称する)は、電気自動車やハイブリッド自動車等のモータを原動機とする車両に搭載される。インバータ装置10は、車両に備えられるバッテリ等の電源の電力を、交流に変換してモータに電力を供給する装置である。このインバータ装置10から供給された電力によって、モータが駆動回転し、車両が走行する。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a
インバータ装置10は、駆動電流が流れるパワー回路(図示せず)を実装するパワー基板12と、パワー回路を制御する制御回路(図示せず)を実装する制御基板14と、パワー基板12と、制御基板14との間に配置し、電磁波を遮蔽するシールド板16とを備える。また、インバータ装置10は、発熱したパワー基板12等を冷却する為の冷却部18を備える。なお本実施形態のインバータ装置10は、モータ(図示せず)と一体化されており、冷却部18の下方に、モータ(図示せず)が配置されている。
The
パワー基板12は、冷却部18の上面20に、接触した状態で配置される。パワー基板12の上方には、シールド板16が配置され、更にシールド板16の上方には、制御基板14が配置される。インバータ装置10は、パワー基板12が下側に配置し、制御基板14がパワー基板12と離れて上側に配置する階層構造となっている。パワー基板12の上方に配置する制御基板14およびシールド板16は、冷却部18の上面20に凸設された樹脂製の支持部材22によって、支持され、固定されている。支持部材22は、制御基板14およびシールド板16の端部を、下面側から支持する。支持部材22は、所謂、樹脂モールドであり、冷却部18の上面20に固定される脚部24と、脚部24上に立設する立壁部26とからなる。支持部材22の立壁部26は、パワー基板12の周りを囲んだ状態にある。パワー基板12の上面は、樹脂28で封止されている。樹脂28は、冷却部18の上面16であって、パワー基板12を囲う支持部材22の立壁部26内に充填されている。支持部材22によって端部が支持、固定されたシールド板16の中央部分は、下側の配置するパワー基板12へ向けて凹んだ状態にある。凹んだシールド板16の中央部分の上面と制御基板14との間には、隙間30が形成される。また、凹んだシールド板16の中央部分の下面とパワー基板12との間には隙間32が形成される。
The
パワー基板12に実装されるパワー回路は、例えば、6個のスイッチング素子(半導体素子)34を有する三相ブリッジ回路を含む回路によって構成される。スイッチング素子34は、半導体スイッチング素子であり、例えば、IGBTからなる。スイッチング素子34は、制御基板14の有する制御回路からの指令に応じてスイッチング動作(オン/オフ)を行う。このスイッチング動作により、パワー回路は、バッテリからの直流電流を交流電流に変換し、駆動電流をモータに供給することが出来る。なお、スイッチング素子34のスイッチング動作に伴って熱が発生し、電磁波(スイッチングノイズ)が発生する。
The power circuit mounted on the
制御基板14は、パワー回路にスイッチング動作の指令を出す為の制御回路を実装する多層基板である。制御回路は、例えば、駆動IC、トランス等の発熱を伴う制御部品(図示せず)を含む。制御回路は、モータを制御する電子制御ユニット(Electronic Control Unit, ECU)または各種検出器からの信号に基づいて、パワー回路のスイッチング素子34に対して、スイッチング動作の指令を出す。なお制御基板14の制御回路と、パワー基板12のパワー回路とは、リードフレーム(図示せず)によって接続されている。
The
シールド板16は、パワー基板12上のスイッチング素子34から発生した電磁波を遮蔽し、制御基板14の制御回路の誤作動等を防止する。シールド板16は、アルミニウム等の遮蔽性に優れ、かつ熱伝導性に優れる材料からなる。シールド板16の端部は、支持部材22の立壁部26の頂面と、制御基板14の端部の裏面との間で、挟持、固定される。シールド板16の端部には、熱伝導路35が延設されている。熱伝導路35は、シールド板16の一部(端部の一部)であり、同様の材料からなる。図2は、シールド板16の平面図である。シールド板16は、略矩形状であり、その端部に短冊状の平板部材からなる熱伝導路35が設けられている。本実施形態において、熱伝導路35は冷却部18上の支持部材22へ固定する個所としての機能も兼備する。その為、熱伝導路35には、固定する際、利用される固定孔36が備えられている。
The
図1において示されるように、熱伝導路35は、支持部材22の脚部24上に固定される。短冊状の熱伝導路35は、所定形状に折り曲げられて脚部24上に固定される。熱伝導路35と脚部24との固定は、金属等の熱伝導性に優れる部材(熱伝導部材)からなる固定手段によって行われる。本実施形態においては、金属製固定用ボルト38(以下、単にボルトと称する)が用いられる。ボルト38は、熱伝導路35の固定孔36および脚部24の備える固定孔40内を貫通する。ボルト38の先端は、冷却部18まで達し、ボルト38と冷却部18は接触した状態にある。なおボルト38は、支持部材22を冷却部18へ固定する為のものでもある。
As shown in FIG. 1, the
冷却部18は、冷却水(図示せず)を収容する収容室42と、収容室42の天井に備えられる複数の冷却フィン44を有する。収容室42中には、所定のラジエーター(図示せず)内を循環し、冷却された冷却水が収容されている。収容室42内の冷却水は、冷却フィン44と接触している。冷却部18は、熱伝導性に優れた材料からなり、例えば、アルミニウム、マグネシウム、ステンレス等の金属材料からなる。
The cooling
インバータ装置10は、ケース46によって覆われている。ケース46は、冷却部18から延設された側壁部48と、側壁部48の頂面に載置され、固定される蓋板50からなる。インバータ装置10の有するパワー基板12および制御基板14は、このケース46内に収容されている。ケース46は、熱伝導性に優れた材料からなり、例えば、アルミニウム、マグネシウム、ステンレス等の金属材料からなる。このケース46は、上記冷却部18と一体として製造されてもよい。
The
ここで、インバータ装置10の放熱構造の機能について説明する。このインバータ装置10において、発熱する部品は、主として、パワー基板12上のスイッチング素子34と、制御基板14上の制御部品である。
Here, the function of the heat dissipation structure of the
スイッチング素子34等を含むパワー基板12から発せられた熱は、パワー基板12の下側に位置する冷却部18へ移動する。パワー基板12の上側は、熱伝導率が金属材料よりも劣る樹脂28によって封止されている為、パワー基板12から発せられた熱を、主として下側の金属材料からなる冷却部18へ移動させることが出来る。冷却部18へ移動した熱は、冷却フィン44から収容室42中の冷却水へ放散される。収容室42中の冷却水は、ラジエーターを介して循環し、冷却される。このようにして、パワー基板12から発せられた熱は、冷却部18へ移動し、冷却水へ放散される。
The heat generated from the
これに対し、制御部品等を含む制御基板14から発せられた熱は、シールド板16を介し、冷却部18において放散される。本実施形態においては、シールド板16の端部の一部であり、シールド板16を固定する個所である短冊状の平板部材を、熱伝導路35として用い、かつ、この熱伝導路35を、熱伝導部材からなる固定手段(ボルト38)を用いて冷却部18へ固定する為、シールド板16が冷却部18と熱的に接続することになる。その為、制御基板14から発せられた熱を、制御基板14の端部等からシールド板16へ移動し、更に、熱伝導路35およびボルト38を介して、冷却部18へ移動させることが出来る。なお、冷却部18へ移動した熱は、冷却フィン44から冷却水へ放散される。このようにして、制御基板14から発せられた熱は、シールド板16を介して冷却部18へ移動し、冷却部18において放散される。
On the other hand, heat generated from the
本実施形態において、シールド板16は、常時、冷却部18によって冷やされることになる。したがって、シールド板16を、電磁波を遮蔽する目的以外に、所謂、冷却装置として利用することが出来る。なお、シールド板16は、制御基板14のみならず、インバータ装置10内(ケース46内)を冷却するものでもある。本実施形態によれば、制御基板14等を冷却する為に、冷却ファン、冷却板等の冷却装置を新たに設ける必要がなく、簡易な構造によって冷却することが出来る。その為、インバータ装置10の小型化にも対応することが可能となる。
In the present embodiment, the
10 半導体装置(車両用インバータ装置)、12 パワー基板、14 制御基板、16 シールド板、18 冷却部、20 冷却部の上面、22 支持部材、24 脚部、26 立壁部、28 樹脂、30,32 隙間、34 半導体素子(スイッチング素子)、36 固定孔、38 熱伝導部材(金属製固定用ボルト)、40 固定孔、42 収容室、44 冷却フィン、46 ケース、48 側壁部、50 蓋板。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記冷却部から延設された側壁部と側壁部の頂面に載置される蓋板を有するケースと、
前記ケース内の前記冷却部上に設けられる半導体素子と、
前記ケース内に配置され、前記半導体素子を制御する制御基板と、
前記ケース内において、前記半導体素子と、前記制御基板との間に介在し、前記半導体素子が発する電磁波を遮蔽するシールド板と、
を備える半導体装置において、
前記シールド板は、熱伝導性材料からなり、端部が前記冷却部と接続して前記ケース内を常時冷却し、前記制御基板から発生した熱を前記冷却部へ移動させることを特徴とする半導体装置。 A cooling unit including a circulating cooling water storage chamber that is integrated with the motor and has heat dissipation fins therein ;
A case having a side wall extending from the cooling unit and a cover plate placed on the top surface of the side wall;
A semiconductor element provided on the cooling unit in the case ;
A control board disposed in the case and controlling the semiconductor element;
In said case, said semiconductor element, and a shield plate interposed between the control board, shielding electromagnetic waves, wherein the semiconductor device is emitted,
In a semiconductor device comprising:
The shield plate, a semiconductor made of a heat conductive material, the inside of the case at all times to cool the end portion is connected to the cooling unit, and wherein the heat generated from the control board to move to the cooling unit apparatus.
前記シールド板の端部は、前記冷却部上に凸設された支持部材と、前記制御基板との間に挟持、固定され、かつ、熱伝導部材を介して前記冷却部と接続される熱伝導路を有することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
End of the shield plate includes a support member which is protrudingly provided on said cooling portion, sandwiched between the control board, are fixed, and the thermal conductivity to be connected to the cooling unit via the heat conductive member A semiconductor device having a path.
前記熱伝導部材は、前記シールド板の端部の前記熱伝導路を前記冷却部へ固定する為の金属製固定用ボルトであることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
The heat conductive member, wherein a said heat conduction path of the end of the shield plate is a metallic fixing bolt for fixing to the cooling unit.
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