JP6123645B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、発熱素子と低耐熱素子が近接して実装された半導体装置に関する。

近年、電子機器の小型化が進んでいる。例えば、車両内に配置されてエンジンの駆動を制御するエンジンＥＣＵでは、各種センサへの電源供給や他ＥＣＵとの通信のための制御系の素子と、燃料圧送や噴射などの負荷を作動させるための動力系の素子と、を同一の基板に実装して、基板全体としての小型化を実現している。

ところで、制御系の回路を構成する素子には低耐熱性のものが多い一方で、動力系の回路を構成する素子には自己発熱量の大きいものが多く含まれる。このため、これらの素子を同一の基板に実装すると、発熱素子による低耐熱素子への熱干渉が生じる虞がある。すなわち、小型化と耐熱性はトレードオフの関係にある。

特許文献１には、放熱板上にプリント配線板を介して接続された発熱素子と小信号素子とを区切るように、放熱板より熱伝導率の低い部分である遮断孔を有する構成が提案されている。

特開平７−３２１４２３号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、発熱素子を遮断孔によって隔離するので、放熱先の体積が減少する。このため、発熱速度に放熱速度が追いつかず、発熱素子の温度が耐熱温度以上に達する虞がある。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、同一の機能を発揮するために並列動作する複数の発熱素子と、低耐熱素子と、を同一の基板に配置しつつ、耐熱性を向上することを目的とする。

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

上記目的を達成するために、本発明は、車両に搭載され、互いに並列に接続された複数の発熱素子（２０）と、発熱素子よりも耐熱温度の低い低耐熱素子（３０）と、発熱素子および低耐熱素子が共に実装された基板と、発熱素子の駆動を制御する制御手段（４０）と、を備える半導体装置であって、低耐熱素子および一部の発熱素子（２１）を有する第１素子群（Ａ）と、第１素子群に含まれる発熱素子を除く発熱素子（２２）を有する第２素子群（Ｂ）と、を熱的に隔てる断熱部（１０ｂ，３１０）と、発熱素子および低耐熱素子の温度を従属変数とする物理量を取得する取得手段（７００，８００）と、を備え、制御手段は、取得手段により取得された物理量に基づいて、発熱素子および低耐熱素子の温度がそれぞれの耐熱温度を超えないように、通電される発熱素子の組み合わせを切り替えることを特徴としている。

これによれば、基板上に実装された素子が、一部の発熱素子と低耐熱素子とを有する第１素子群と、残りの発熱素子を有する第２素子群とに分離され、熱的に遮断されている。このため、低耐熱素子に熱的に干渉する発熱素子の数を減少させることができる。

加えて、制御手段は、取得手段によって取得された発熱素子および低耐熱素子の温度に影響を与える物理量に応じて、通電させる発熱素子の組み合わせを切り替えるようになっている。つまり、周辺の温度や、低耐熱素子および発熱素子の温度に応じて、通電させる発熱素子が選択される。このため、低耐熱素子や発熱素子自身の温度が、それぞれの耐熱温度に達することがないようにできる。

第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す図であり、図２におけるＩ−Ｉ線に沿う断面斜視図である。 基板および基板に実装された素子の概略構成を示す上面図である。 半導体装置の回路構成を示す図である。 取得手段および制御部が実行する発熱素子の動作を示すフロー図である。 変形例１における発熱素子の動作を示すタイミングチャートである。 第２実施形態に係る半導体装置の回路構成を示す図である。 その他の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面斜視図である。 その他の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。

（第１実施形態）
最初に、図１〜図３を参照して、本実施形態に係る半導体装置の概略構成について説明する。

本実施形態に係る半導体装置は、例えば、車両のエンジンルーム内において、モータやアクチュエータを制御するエンジンＥＣＵである。

図１および図２に示すように、半導体装置１００は、基板１０と、駆動により発熱する２つの発熱素子２１，２２（合わせて発熱素子２０という）と、発熱素子２０よりも耐熱温度の低い低耐熱素子３０と、を有している。この半導体装置１００は、例えば、図３に示すように、一般的な昇圧チョークコンバータを含む回路であり、発熱素子２０の駆動を制御する制御部４０を有している。なお、この制御部４０が特許請求の範囲における制御手段に相当する。

基板１０は一般的に知られたプリント基板である。基板１０の一面１０ａには、発熱素子２０および低耐熱素子３０が実装されるとともに、チョークコイル２００も実装されている。加えて、基板１０には貫通孔１０ｂが形成されている。貫通孔１０ｂは、発熱素子２１と発熱素子２２とを熱的に隔てるように形成されている。これにより、各素子２１，２２，３０は、図１および図２に示すように、貫通孔１０ｂを隔てて、発熱素子２１および低耐熱素子３０を含む第１素子群Ａと、発熱素子２２およびチョークコイル２００を含む第２素子群Ｂと、に分けられる。

発熱素子２１，２２は、図３に示すように、チョークコイル２００に流れる電流を制御するスイッチング素子であり、ＭＯＳＦＥＴにより構成されている。発熱素子２１，２２は互いに同一の素子であり、互いに並列に接続されている。よって、発熱素子２１，２２の少なくとも一方が動作すれば、半導体装置１００は昇圧チョークコンバータとして機能する。発熱素子２１，２２がオンからオフに遷移すると、チョークコイル２００の自己誘導によって起電力を生じ、バッテリ４００の電圧に加えて、チョークコイル２００の起電力がキャパシタ５００に印加される。発熱素子２１，２２はオンオフをごく短い周期で繰り返すため、通電抵抗およびスイッチング損失に伴って自己発熱する。上記したように、本実施形態における発熱素子２１，２２は、貫通孔１０ｂを介して、互いに隣り合って配置されている。換言すれば、発熱素子２１と発熱素子２２は、貫通孔１０ｂによって熱的に隔てられている。図２に示すように、発熱素子２２は、チョークコイル２００とともに第２素子群Ｂを構成している。

低耐熱素子３０は、例えばＡＳＩＣやＦＰＧＡといった集積回路であり、他のＥＣＵや各種センサとの通信や制御を担っている。一般に、このような集積回路はスイッチング素子よりも耐熱温度が低い。すなわち、低耐熱素子３０は発熱素子２０に較べて耐熱温度が低い。本実施形態における低耐熱素子３０と発熱素子２１は互いに隣り合って基板１０に実装されている。低耐熱素子３０は、隣り合う発熱素子２１とともに第１素子群Ａを構成している。

制御部４０は、発熱素子２０としてのスイッチング素子のオンオフを制御している。本実施形態における制御部４０には、取得手段としての温度取得部７００および周波数取得部８００が接続されている。温度取得部７００は、物理量としてエンジンルームの内部温度を取得する取得手段である。また、周波数取得部８００は、物理量として、例えばアクセル開度を取得する取得手段である。周波数取得部８００は、アクセル開度を取得して走行に必要な燃料噴射周波数、ひいては発熱素子２０の駆動周波数を推定する。なお、発熱素子２０の駆動周波数が大きいほど発熱素子２０に発熱量は増大することになる。制御部４０は、取得手段７００，８００により取得されたエンジンルームの内部温度と、発熱素子の駆動周波数に基づいて、通電される発熱素子２１，２２の組み合わせを切り替える。このようにして、制御部４０は、発熱素子２０および低耐熱素子３０の温度がそれぞれの耐熱温度を超えないように、発熱素子２０を制御している。なお、制御部４０は上記した低耐熱素子３０に統合されていてもよい。

なお、図１に示すように、基板１０、および、基板１０に実装された発熱素子２０、低耐熱素子３０、および、チョークコイル２００は、筐体３００に収容されている。筐体３００は、基板１０の貫通孔１０ｂに対応する位置に空気が通過可能とされた通気孔３１０を有している。通気孔３１０は中空柱状を成し、その側壁３１０ａが、基板１０の貫通孔１０ｂを貫くように形成されている。本実施形態においては、この通気孔３１０と基板１０の貫通孔１０ｂが、特許請求の範囲に記載の断熱部に相当する。

次に、図４を参照して、制御部４０が発熱素子２０に対して実行する具体的な制御方法と作用効果について説明する。

まず、制御方法の概要を説明する。

最初に、図４に示すように、取得手段がステップＳ１を実行する。ステップＳ１は、温度取得部７００がエンジンルームの内部温度Ｔを取得するステップである。温度取得部７００はエンジンルーム内に設置された温度センサを含み、温度センサから信号を受けて内部温度Ｔを取得する。そして、温度取得部７００は、取得した内部温度Ｔを制御部４０に出力する。

次いで、取得手段がステップＳ２を実行する。ステップＳ２は、周波数取得部８００が発熱素子２０の必要とされる駆動周波数ｆを取得するステップである。周波数取得部８００は例えば回転角センサを含み、回転角センサからアクセル開度を取得して走行に必要な燃料噴射周波数を推定する。さらに、周波数取得部８００は、この燃料噴射周波数から発熱素子２０の駆動周波数を推定する。このように、周波数取得部８００は発熱素子２０の駆動周波数ｆを取得する。そして、周波数取得部８００は、取得した駆動周波数ｆを制御部４０に出力する。

次いで、制御部４０がステップＳ３を実行する。ステップＳ３は、制御部４０がエンジンルームの内部温度Ｔと、エンジンルーム内の許容温度τとを比較するステップである。許容温度τは予め設定された温度である。許容温度τは、エンジンルーム内の温度Ｔがこの温度τを超えると、低耐熱素子３０の温度が耐熱温度を超える虞が生じる温度として設定されている。

ステップＳ３により、エンジンルームの内部温度Ｔが許容温度τ以上である場合、すなわち、Ｔ≧τの場合はステップＳ４に進む。一方、Ｔ＜τの場合はステップＳ５に進む。

ステップＳ４およびＳ５は、いずれも、制御部４０が取得された発熱素子２０の駆動周波数ｆと、許容周波数νとを比較するステップである。許容周波数νは予め設定された周波数である。許容周波数νは、発熱素子２０の駆動周波数ｆがこの周波数νを超えると、発熱素子２０の温度が、発熱素子２０の自己発熱によって耐熱温度を超える虞が生じる周波数として設定されている。

Ｔ≧τかつｆ≧νの場合、すなわち、ステップＳ３でＹＥＳ判定となりステップＳ４でもＹＥＳ判定となった場合には、ステップＳ６に進む。Ｔ＜τかつｆ＜νの場合、すなわち、ステップＳ３でＮＯ判定となりステップＳ４でもＮＯ判定となった場合にも、ステップＳ６に進む。また、ステップＳ６は、制御部４０が発熱素子２１，２２をともに動作させるステップである。ステップＳ６における発熱素子２０の動作は、発熱素子２１，２２が並列に作動するものである。このため、それぞれの発熱素子２１，２２が単独で作動する場合に較べて、発熱素子２０の通電抵抗を小さくすることができる。したがって、ステップＳ６による動作では、発熱素子２０の自己発熱量がもっとも小さくすることができる。

Ｔ≧τかつｆ＜νの場合、すなわち、ステップＳ３でＹＥＳ判定となりステップＳ４でＮＯ判定となった場合には、ステップＳ７に進む。ステップＳ７は、制御部４０が発熱素子２１の動作を停止させ、発熱素子２２を作動させるステップである。ステップＳ７における発熱素子２０の動作は、発熱素子２２のみが作動するものである。このため、通気孔３１０および貫通孔１０ｂにより熱的に分離された素子群Ａ，Ｂのうち、第１素子群Ａの発熱量は、第２素子群Ｂの発熱量に較べて小さくなる。すなわち、ステップＳ７による動作は、低耐熱素子３０への熱干渉を抑制する動作である。

Ｔ＜τかつｆ≧νの場合、すなわち、ステップＳ３でＮＯ判定となりステップＳ４でＮＯ判定となった場合には、ステップＳ８に進む。ステップＳ８は、制御部４０が発熱素子２２の動作を停止させ、発熱素子２１を作動させるステップである。ステップＳ８における発熱素子２０の動作は、発熱素子２１のみが作動するものである。このため、通気孔３１０および貫通孔１０ｂにより熱的に分離された素子群Ａ，Ｂのうち、第２素子群Ｂの発熱量は、第１素子群Ａの発熱量に較べて小さくなる。すなわち、ステップＳ８による動作は、低耐熱素子３０への熱干渉よりも、発熱素子２２の温度が自己発熱によって耐熱温度を超えないようにすることを優先する動作である。換言すれば、低耐熱素子３０が十分冷却される状況において、発熱素子２０による発熱量の配分として、発熱素子２１の負担を発熱素子２２に較べて大きくする動作である。

次に、具体的な走行状態における動作について以下に例示する。

一例として、本実施形態に係る半導体装置１００を搭載した車両が市街地を走行する場合について説明する。

市街地における走行では、高速道路における走行等に比べてエンジンの出力は小さくてよい。このため、発熱素子２０の駆動周波数ｆは許容周波数νよりも小さくなる。一方で、車速は、高速道路における走行等に比べて小さいため、エンジンルーム内の空冷効果も小さくなる。よって、エンジンルームの内部温度Ｔが許容温度τ以上となることがある。このような場合、Ｔ≧τかつｆ＜νとなるから、ステップＳ３とステップＳ４を経由して、制御部４０は発熱素子２０に対して、ステップＳ７を実行するように指示する。ステップＳ７では、空冷効果を期待できない低耐熱素子３０に対して、発熱素子２０からの熱干渉を抑制することができる。したがって、低耐熱素子３０が耐熱温度に達することを抑制することができる。

なお、上記したようなステップＳ７を経る動作は、車両がアイドル状態の場合でも適用することができる。

他の一例として、本実施形態に係る半導体装置１００を搭載した車両が高速道路を走行する場合について説明する。

高速道路における走行では、市街地における走行等に比べて車速が大きい。このため、エンジンルーム内の空冷効果が十分に得られる状況であり、エンジンルームの内部温度Ｔは許容温度τよりも小さくなる。一方で、エンジンの出力は、市街地における走行等に比べて大きくなる。よって、発熱素子２０の駆動周波数ｆが許容周波数ν以上となることがある。このような場合、Ｔ＜τかつｆ≧νとなるから、ステップＳ３とステップＳ５を経由して、制御部４０は発熱素子２０に対してステップＳ８を実行するように指示する。ステップＳ８では、空冷効果が期待できる低耐熱素子３０とともに第１素子群Ａに所属する発熱素子２１の負担を大きくさせ、発熱素子２２が自己発熱によって耐熱温度に達することを抑制することができる。

なお、上記したようなステップＳ８を経る動作は、車両が登坂走行する場合でも適用することができる。

次に、断熱部、すなわち、筐体３００の通気孔３１０および基板１０の貫通孔１０ｂの作用効果について説明する。

上記したように、通気孔３１０は、基板１０に形成された貫通孔１０ｂを貫いて形成されている。基板１０に貫通孔１０ｂが形成されていることから、第１素子群Ａと第２素子群Ｂとの間の伝熱経路を、貫通孔１０ｂが形成されていない場合に較べて長くすることができる。また、通気孔３１０が第１素子群Ａと第２素子群Ｂとの間に介在しているため、第１素子群Ａと第２素子群Ｂとの間の伝導および輻射による伝熱も抑制することができる。

とくに、本実施形態では、通気孔３１０には、孔の内部に空気が流通し対流による伝熱が作用するため、孔の内部が筐体３００と同一の材料で充填されたような態様に較べて断熱性能を向上させることができる。

（変形例１）
第１実施形態では、ステップＳ６において、発熱素子２１，２２の双方が作動する例を示した。また、ステップＳ７もしくはステップＳ８において、発熱素子２１，２２のうち、片方が作動し、他方が停止する例について示した。図５は、発熱素子２１，２２の動作について時系列で示したタイミングチャートである。図５における時間領域Ｉでは、発熱素子２１，２２の双方が作動するステップＳ６を示している。時間領域ＩＩでは、発熱素子２１が停止し、発熱素子２２が作動するステップＳ７を示している。時間領域ＩＩＩでは、発熱素子２１が作動し、発熱素子２２が停止するステップＳ８を示している。

しかしながら、上記の時間領域ＩＩや時間領域ＩＩＩのように、一方の発熱素子２０が動作しているときに他方の発熱素子２０が完全に停止している必要はない。時間領域ＶＩに示すように、ステップＳ７において、停止させるべき発熱素子２１を発熱素子２２に比べて短い時間だけ作動させることもできる。または、時間領域Ｖに示すように、ステップＳ８において、停止させるべき発熱素子２２を発熱素子２１に比べて短い時間だけ作動させることもできる。

このように、第１実施形態において停止させていた発熱素子２０を、作動させている発熱素子２０よりも短い時間だけ作動させるようにできる。これにより、発熱素子２１，２２による自己発熱量のバランスを、より詳細に調整することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態および変形例１では、半導体装置１００が昇圧チョークコンバータを構成する例を示したが、この例に限定されるものではない。例えば、図６に示すように、燃料噴射インジェクタ等に用いられる定電流回路においても本発明を適用することができる。

本実施形態においても、発熱素子２０はスイッチング素子である。制御部４０は、発熱素子２０に対してパルス幅変調（ＰＷＭ）制御された信号を出力することによって、コイル９００に定電流を流す。この電流値に応じて、インジェクタによる燃料噴射量を調整する。

第１実施形態と同様に、この半導体装置１００は、発熱素子２０としてのスイッチング素子を２つ有し、これらが互いに並列に接続されている。そして、エンジンルームの内部温度や発熱素子２０の駆動周波数などの物理量に基づいて、通電される発熱素子２１，２２の組み合わせを適切に切り替えるようになっている。

これにより、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、発熱素子２０および低耐熱素子３０の温度がそれぞれの耐熱温度を超えないように、発熱素子２１，２２の発熱量のバランスを調整することができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

上記した各実施形態では、エンジンルームの内部温度Ｔを、温度センサを含む温度取得部７００によって取得する例を示したが、内部温度Ｔは、車速と内部温度Ｔの関係を予めデータベースとして持っておくことにより、車速から推定するようにしてもよい。

また、発熱素子２０の駆動周波数ｆを、周波数取得部８００により、アクセル開度から推定する例を示したが、駆動周波数ｆは、エンジン回転数から推定することもできる。

上記した各実施形態では、発熱素子２０である２つのスイッチング素子が同一の素子から構成される例を示したが、お互いが完全に同一である必要はなく、スイッチング素子としての機能を奏する素子であれば本発明を適用することができる。また、発熱素子２０の種類についても、スイッチング素子に限定するものではない。

また、上記した各実施形態では、発熱素子２０が、２つの発熱素子２１，２２から構成される例を示したが、３つ以上の発熱素子２０が互いに並列接続された構成であっても本発明を適用することができる。

また、上記した各実施形態では、図１に示すように、断熱部が基板１０の貫通孔１０ｂと中空柱状の通気孔３１０により構成される例を示したが、この例に限定されるものではない。例えば、図７に示すように、基板１０の貫通孔１０ｂに、筐体３００と一体的に形成された断熱壁３２０が貫く構成とすることもできる。このような構成では、第１実施形態の場合と同様に、基板１０に貫通孔１０ｂが形成されていることから、第１素子群Ａと第２素子群Ｂとの間の伝熱経路を、貫通孔１０ｂが形成されていない場合に較べて長くすることができる。また、断熱壁３２０が第１素子群Ａと第２素子群Ｂとの間に介在しているため、第１素子群Ａと第２素子群Ｂとの間の輻射による伝熱も抑制することができる。

その上で、第１実施形態と同様に、発熱素子２０および低耐熱素子３０の温度を従属変数とする物理量に基づいて、通電される発熱素子２１，２２の組み合わせを適切に切り替えるようになっている。これにより、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

また、図８に示すように、基板１０が貫通孔１０ｂを有さない構成において、筐体３００が基板１０に接触するように形成された断熱壁３３０を有する構成であってもよい。このような構成では、断熱壁３３０が第１素子群Ａと第２素子群Ｂとの間に介在しているため、第１素子群Ａと第２素子群Ｂとの間の輻射による伝熱も抑制することができる。

１００・・・半導体装置
１０・・・基板
１０ｂ・・・貫通孔
２０・・・発熱素子
３０・・・低耐熱素子
４０・・・制御部
２００・・・チョークコイル
３００・・・筐体
３１０・・・通気孔

Claims (6)

1. 車両に搭載され、
   互いに並列に接続された複数の発熱素子（２０）と、前記発熱素子よりも耐熱温度の低い低耐熱素子（３０）と、前記発熱素子および前記低耐熱素子が共に実装された基板（１０）と、前記発熱素子の駆動を制御する制御手段（４０）と、を備える半導体装置であって、
   前記低耐熱素子および一部の前記発熱素子（２１）を有する第１素子群（Ａ）と、前記第１素子群に含まれる前記発熱素子を除く前記発熱素子（２２）を有する第２素子群（Ｂ）と、を熱的に隔てる断熱部（１０ｂ，３１０）と、
   前記発熱素子および前記低耐熱素子の温度を従属変数とする物理量を取得する取得手段（７００，８００）と、を備え、
   前記制御手段は、前記取得手段により取得された前記物理量に基づいて、前記発熱素子および前記低耐熱素子の温度がそれぞれの耐熱温度を超えないように、通電される前記発熱素子の組み合わせを切り替えることを特徴とする半導体装置。
2. 前記発熱素子、前記低耐熱素子および前記基板は、前記車両のエンジンルームに配置され、
   前記取得手段は、前記物理量として、前記エンジンルームの内部温度Ｔと前記発熱素子の駆動周波数ｆを取得し、
   前記制御手段は、予め設定された、前記エンジンルームの許容温度τと、前記発熱素子の許容周波数νと、に対して、
   Ｔ≧τかつｆ≧ν、または、Ｔ＜τかつｆ＜νの場合に、前記第１素子群の前記発熱素子、および、前記第２素子群の前記発熱素子を共に動作させ、
   Ｔ≧τかつｆ＜νの場合に、前記第２素子群の前記発熱素子を動作させ、前記第１素子群の前記発熱素子を、前記第２素子群の前記発熱素子よりも短い時間だけ動作させる、あるいは、停止させ、
   Ｔ＜τかつｆ≧νの場合に、前記第１素子群の前記発熱素子を動作させ、前記第２素子群の前記発熱素子を、前記第１素子群の前記発熱素子よりも短い時間だけ動作させる、あるいは、停止させることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記エンジンルームの内部温度Ｔは、温度センサにより取得された値、もしくは、車速に基づいて推定された値であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記発熱素子の駆動周波数ｆは、エンジンの回転数、もしくは、アクセル開度に基づいて推定された値であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記断熱部は、前記基板を貫通して形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記断熱部は、中空柱状を成すことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。

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