JP6048481B2 - 電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、電子機器に関する。
一般的に、車両には、特許文献１に開示されているような、直流電圧を交流電圧に変換する電子機器であるインバータ装置が搭載されている。インバータ装置は、パワー素子が実装された第１金属板（第１導電層）と、制御素子が実装された第２金属板（第２導電層）とを有する。制御素子は、パワー素子のスイッチング動作を制御する。
特開２０１０−７３７６７号公報
ところで、パワー素子は、制御素子に比べて発熱量が多いため、パワー素子を効率良く冷却することが望まれる。また、このような電子機器において、例えば、第１金属板と第２金属板とが互いに平面的に配置されていると、車両への搭載スペースの制約上、電子機器を車両に搭載することが困難となってしまう場合がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、パワー素子を効率良く冷却しつつも、平面的な体格の小型化を図ることができる電子機器を提供することにある。
上記課題を解決する電子機器は、放熱部材と、前記放熱部材に熱的に結合されるパワー素子が電気的に接合された第１導電層と、前記パワー素子のスイッチング動作を制御する制御素子が電気的に接合された第２導電層と、前記第１導電層と前記第２導電層との間において前記パワー素子が埋め込まれる樹脂層と、を有し、前記第１導電層、前記樹脂層及び前記第２導電層は、前記放熱部材に対して近い方からこの順序で積層され、前記樹脂層及び前記第２導電層には貫通孔が形成されており、前記貫通孔にはコイル及びコアが設けられ、前記第１導電層には前記コイルが電気的に接合されるとともに前記コアが熱的に接合されている。
これによれば、第１導電層が、第２導電層よりも放熱部材寄りに配置されるため、パワー素子から発せられる熱が、制御素子から発せられる熱よりも優先的に放熱部材により放熱される。さらに、第１導電層、樹脂層及び第２導電層が積層されているため、第１導電層と第２導電層とが互いに平面的に配置されている場合に比べると、パワー素子を効率良く冷却しつつも、電子機器の平面的な体格の小型化を図ることができる。
また、これによれば、発熱量が多いコイル及びコアを効率良く冷却することができる。
上記電子機器において、前記パワー素子と前記第２導電層とは、前記樹脂層を通過し、前記パワー素子における前記第２導電層側の平面に対して垂直方向に延びる複数の導電部材によって接続されていることが好ましい。
これによれば、パワー素子と第２導電層とを互いに平面的に配置して、パワー素子と第２導電層とをワイヤボンディングにより接続する場合に比べると、電子機器の平面的な体格の小型化を図ることができる。
上記電子機器において、前記導電部材は板状であることが好ましい。これによれば、パワー素子と第２導電層とをスルーホールにより電気的に接続する場合に比べると、パワー素子と第２導電層との電気的な接続状態を良好なものとすることができる。
上記電子機器において、前記パワー素子と前記制御素子とが、前記第１導電層、前記樹脂層及び前記第２導電層が積層される積層方向において重なっていることが好ましい。
これによれば、パワー素子と制御素子とが積層方向において重なっていない場合に比べると、電子機器の平面的な体格の小型化を図ることができる。
上記電子機器において、前記パワー素子はＭＯＳＦＥＴであり、前記第１導電層に対してベアチップ実装されていることが好ましい。これによれば、パッケージされたパワー素子が第１導電層に対して実装されている場合に比べると、電子機器を小型化することができる。
上記電子機器において、前記第１導電層の厚さは、前記第２導電層の厚さよりも厚いことが好ましい。
これによれば、第１導電層を平面的に大型化させる場合に比べて、電子機器の平面的な体格の小型化を図ることができる。
この発明によれば、パワー素子を効率良く冷却しつつも、電子機器の平面的な体格の小型化を図ることができる。
実施形態における電子機器の断面図。
以下、電子機器を具体化した一実施形態を図１にしたがって説明する。本実施形態の電子機器は、例えば、車載用のインバータ装置である。
図１に示すように、電子機器１０は、放熱部材２０と、パワー素子１１ａが電気的に接合された第１導電層としての第１金属板１１と、二つの制御素子１２ａ，１２ｂが電気的に接合された第２導電層としての第２金属板１２とを備えている。パワー素子１１ａはＭＯＳＦＥＴであり、第１金属板１１に対してベアチップ実装されている。各制御素子１２ａ，１２ｂは、例えばチップ抵抗やコンデンサ等である。放熱部材２０は、例えば、内部に冷却水が流れる冷却水流路を有するアルミニウム製の筐体である。第１金属板１１及び第２金属板１２は、平板状の銅板である。第１金属板１１の厚さＨ１は、第２金属板１２の厚さＨ２よりも厚くなっており、第１金属板１１は第２金属板１２よりも大電流が流れる。
電子機器１０は、第１金属板１１と第２金属板１２との間においてパワー素子１１ａが埋め込まれる樹脂層１３を備えている。樹脂層１３は、ガラス繊維等の熱伝導率の良好なフィラーを含むエポキシ樹脂からなる。第１金属板１１、樹脂層１３及び第２金属板１２は、放熱部材２０に対して近い方からこの順序で積層されている。よって、第１金属板１１は、第２金属板１２よりも放熱部材２０寄りに配置されている。パワー素子１１ａと一方の制御素子１２ａとは、第１金属板１１、樹脂層１３及び第２金属板１２が積層される積層方向において、その一部分が重なっている。パワー素子１１ａは、樹脂層１３に埋め込まれるようにして第１金属板１１と樹脂層１３との間に配置されている。
放熱部材２０と第１金属板１１との間には、高熱伝導絶縁層１４が介在されている。高熱伝導絶縁層１４は、ガラス繊維等の熱伝導率の良好なフィラーを含むエポキシ樹脂からなる。高熱伝導絶縁層１４を形成するエポキシ樹脂に混入されたフィラーの量は、樹脂層１３を形成するエポキシ樹脂に混入されたフィラーの量よりも多くなっている。よって、高熱伝導絶縁層１４は、樹脂層１３よりも熱伝導率が高くなっている。
パワー素子１１ａと第２金属板１２とは、板状の二つの導電部材１５によって電気的に接続されている。各導電部材１５は、樹脂層１３の内部を通過し、パワー素子１１ａにおける第２金属板１２側の平面１１１ａに対して垂直方向に立設して延びる平板状である。よって、各導電部材１５は、その厚み方向がパワー素子１１ａの平面１１１ａに沿う方向となるように配置されている。各導電部材１５は、パワー素子１１ａと制御素子１２ａ，１２ｂとの間を流れる電流経路を形成している。そして、各制御素子１２ａ，１２ｂとパワー素子１１ａとの間で、第２金属板１２及び各導電部材１５を介した電流の流れが生じることで、パワー素子１１ａのスイッチング動作が行われる。よって、制御素子１２ａ，１２ｂは、パワー素子１１ａのスイッチング動作を制御する。
電子機器１０は、制御素子１２ａ，１２ｂよりも発熱量の少ない発熱素子１６ａを有する第３金属板１６を備えている。第３金属板１６は、平板状の銅板である。第３金属板１６は、第２金属板１２における第１金属板１１とは反対側に積層されている。第２金属板１２と第３金属板１６との間には絶縁層１７が介在されている。絶縁層１７は、ガラス繊維等の熱伝導率の良好なフィラーを含むエポキシ樹脂からなる。樹脂層１３及び絶縁層１７の熱伝導率は同じである。制御素子１２ａ，１２ｂは、絶縁層１７に埋め込まれるようにして第２金属板１２と絶縁層１７との間に配置されている。
電子機器１０は、第３金属板１６、絶縁層１７、第２金属板１２及び樹脂層１３を積層方向に沿って貫通する貫通孔１８を有する。貫通孔１８内には、第１金属板１１に実装された誘導機器１９（例えばリアクトル）が収容されている。誘導機器１９は、第１金属板１１に電気的に接合されるコイル１９ａ（図１において二点鎖線で示す）と、第１金属板１１に熱的に接合されるコア１９ｂ（図１において二点鎖線で示す）とを備える。誘導機器１９は、第３金属板１６の上面（第３金属板１６における絶縁層１７とは反対側の面）よりも突出していない。
次に、本実施形態の作用を説明する。
パワー素子１１ａは、制御素子１２ａ，１２ｂに比べて発熱量が多い。第１金属板１１は、第２金属板１２よりも放熱部材２０寄りに配置されているため、パワー素子１１ａから発せられる熱は、制御素子１２ａ，１２ｂから発せられる熱よりも優先的に放熱部材２０により放熱される。また、高熱伝導絶縁層１４は、樹脂層１３よりも熱伝導率が高いため、パワー素子１１ａから発せられる熱は、樹脂層１３よりも高熱伝導絶縁層１４に伝達され易い。よって、パワー素子１１ａから発せられる熱は、第１金属板１１及び高熱伝導絶縁層１４を介して放熱部材２０に伝達されて、放熱部材２０によって放熱される。さらに、誘導機器１９のコイル１９ａ及びコア１９ｂから発せられる熱も、第１金属板１１及び高熱伝導絶縁層１４を介して放熱部材２０に伝達されて、放熱部材２０によって放熱される。
上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）第１金属板１１、樹脂層１３及び第２金属板１２が、放熱部材２０に対して近い方からこの順序で積層されている。これによれば、第１金属板１１が、第２金属板１２よりも放熱部材２０寄りに配置されるため、パワー素子１１ａから発せられる熱が、制御素子１２ａ，１２ｂから発せられる熱よりも優先的に放熱部材２０により放熱される。さらに、第１金属板１１、樹脂層１３及び第２金属板１２が積層されているため、第１金属板１１と第２金属板１２とが互いに平面的に配置されている場合に比べると、パワー素子１１ａを効率良く冷却しつつも、電子機器１０の平面的な体格の小型化を図ることができる。
（２）放熱部材２０と第１金属板１１との間には、樹脂層１３よりも熱伝導率の高い高熱伝導絶縁層１４が介在されている。これによれば、放熱部材２０と第１金属板１１との間を絶縁しなければならない構成であっても、放熱部材２０と第１金属板１１との間に介在される高熱伝導絶縁層１４は、樹脂層１３よりも熱伝導率が高いため、パワー素子１１ａから発せられる熱は、樹脂層１３よりも高熱伝導絶縁層１４に伝達され易い。よって、高熱伝導絶縁層１４に伝達された熱が放熱部材２０に伝達されて、放熱部材２０によって放熱されるため、放熱部材２０と第１金属板１１との間を絶縁しなければならない構成であっても、パワー素子１１ａを効率良く冷却することができる。
（３）パワー素子１１ａと第２金属板１２とは、樹脂層１３の内部を通過し、パワー素子１１ａにおける第２金属板１２側の平面に対して垂直方向に延びる導電部材１５によって接続されている。これによれば、パワー素子１１ａと第２金属板１２とを互いに平面的に配置して、パワー素子１１ａと第２金属板１２とをワイヤボンディングにより接続する場合に比べると、電子機器１０の平面的な体格の小型化を図ることができる。
（４）導電部材１５は板状である。これによれば、パワー素子１１ａと第２金属板１２とをスルーホールにより電気的に接続する場合に比べると、パワー素子１１ａと第２金属板１２との電気的な接続状態を良好なものとすることができる。
（５）パワー素子１１ａと制御素子１２ａとが積層方向において重なっている。これによれば、パワー素子１１ａと制御素子１２ａとが積層方向において重なっていない場合に比べると、電子機器１０の平面的な体格の小型化を図ることができる。
（６）第１金属板１１にはコイル１９ａが電気的に接合されるとともにコア１９ｂが熱的に接合されている。これによれば、コイル１９ａ及びコア１９ｂから発せられる熱が、第１金属板１１及び高熱伝導絶縁層１４を介して放熱部材２０に伝達されて、放熱部材２０によって放熱される。よって、発熱量が多いコイル１９ａ及びコア１９ｂを効率良く冷却することができる。
（７）パワー素子１１ａはＭＯＳＦＥＴであり、第１金属板１１に対してベアチップ実装されている。これによれば、パッケージされたパワー素子が第１金属板１１に対して実装されている場合に比べると、電子機器１０を小型化することができる。
（８）第１金属板１１の厚さＨ１は、第２金属板１２の厚さＨ２よりも厚い。これによれば、第１金属板１１を平面的に大型化させる場合に比べて、電子機器１０の平面的な体格の小型化を図ることができる。
（９）誘導機器１９は、貫通孔１８内に収容されており、第３金属板１６の上面よりも突出していない。これによれば、誘導機器１９が第３金属板１６の上面よりも突出している場合に比べると、電子機器１０を小型化することができる。
（１０）パワー素子１１ａから発せられる熱は、第１金属板１１及び高熱伝導絶縁層１４を介して放熱部材２０に伝達されて、放熱部材２０によって放熱されるため、パワー素子１１ａから発せられる熱が、各導電部材１５及び第２金属板１２を介して制御素子１２ａ，１２ｂに伝達してしまうことを抑制することができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態において、パワー素子１１ａと制御素子１２ａとが積層方向において重なっていなくてもよい。
○ 実施形態において、導電部材１５の形状は特に限定されるものではなく、例えば、ピン状であってもよい。
○ 実施形態において、パワー素子１１ａと第２金属板１２とがスルーホールにより電気的に接続されていてもよい。
○ 実施形態において、放熱部材２０と第１金属板１１との間に、樹脂層１３と同じ熱伝導率である絶縁層が介在されていてもよい。
○ 実施形態において、高熱伝導絶縁層１４は、セラミックにより形成されていてもよい。
○ 実施形態において、放熱部材２０と第１金属板１１との間を絶縁しなくてもよい構成であれば、高熱伝導絶縁層１４を削除してもよい。そして、第１金属板１１を放熱部材２０に接着してもよい。
○ 実施形態において、パワー素子１１ａ、制御素子１２ａ，１２ｂの数は特に限定されるものではない。
○ 実施形態において、第１金属板１１の厚さＨ１と第２金属板１２の厚さＨ２とが同じ厚さであってもよい。
○ 実施形態において、高熱伝導絶縁層１４と放熱部材２０との間に金属板が介在されていてもよい。
○ 実施形態において、第３金属板１６と絶縁層１７との間に新たな金属板が介在されていてもよい。この場合、新たな金属板と第３金属板１６との間を絶縁する絶縁層を介在する必要がある。
○ 実施形態において、放熱部材２０は、例えば、内部に冷却風が流れる筐体であってもよい。
○ 実施形態において、電子機器１０は、車載用以外のものであってもよい。また、インバータに限らず、ＤＣＤＣコンバータに適用してもよい。
１０…電子機器、１１…第１導電層としての第１金属板、１１ａ…パワー素子、１２…第２導電層としての第２金属板、１２ａ，１２ｂ…制御素子、１３…樹脂層、１４…高熱伝導絶縁層、１５…導電部材、１８…貫通孔、１９ａ…コイル、１９ｂ…コア、２０…放熱部材、１１１ａ…平面。

Claims (6)

  1. 放熱部材と、
    前記放熱部材に熱的に結合されるパワー素子が電気的に接合された第１導電層と、
    前記パワー素子のスイッチング動作を制御する制御素子が電気的に接合された第２導電層と、
    前記第１導電層と前記第２導電層との間において前記パワー素子が埋め込まれる樹脂層と、を有し、
    前記第１導電層、前記樹脂層及び前記第２導電層は、前記放熱部材に対して近い方からこの順序で積層され、
    前記樹脂層及び前記第２導電層には貫通孔が形成されており、
    前記貫通孔にはコイル及びコアが設けられ、
    前記第１導電層には前記コイルが電気的に接合されるとともに前記コアが熱的に接合されていることを特徴とする電子機器。
  2. 前記パワー素子と前記第２導電層とは、前記樹脂層を通過し、前記パワー素子における前記第２導電層側の平面に対して垂直方向に延びる複数の導電部材によって接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
  3. 前記導電部材は板状であることを特徴とする請求項２に記載の電子機器。
  4. 前記パワー素子と前記制御素子とが、前記第１導電層、前記樹脂層及び前記第２導電層が積層される積層方向において重なっていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の電子機器。
  5. 前記パワー素子はＭＯＳＦＥＴであり、前記第１導電層に対してベアチップ実装されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の電子機器。
  6. 前記第１導電層の厚さは、前記第２導電層の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の電子機器。
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