JP6941989B2 - 半導体取付構造と充電器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、充電器の充電回路に取り付けられているパワー半導体等の半導体を取り付ける半導体取付構造と充電器に係り、特に、構成の簡略化と取付作業の容易化を図ることができるとともに、ケースが温度変化により膨張と収縮を繰り返しても、半導体の半田付け部位に負荷が掛かることがなく、半田付け部位におけるクラックの発生、それに起因する導通不良、導通不良に起因する出力停止や発火を防止することができるように工夫したものに関する。

従来の半導体取付構造を開示するものとして、例えば、特許文献１乃至特許文献３がある。
特許文献１に記載された実装構造では、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ 電界効果トランジスタ）が弾性部材と放熱シートを介して基板とヒートシンクの間に挟持・固定されている。上記ヒートシンクは上記基板に固定部材を介して取り付けられている。上記固定部材は、上記基板と上記ヒートシンクの間に介挿される柱状体と、上記基板とヒートシンクを貫通し上記柱状体の両端に螺合される２つのねじと、から構成されている。
また、上記ＭＯＳＦＥＴのリード端子は上記基板に形成されたスルーホールに挿し込まれた状態で半田付けされている。

また、特許文献２に記載された電子部品の固定方法及び電子機器の製造方法では、パワー素子がネジ部材によってケースの素子固定面に固定されている。上記パワー素子と上記素子固定面の間には絶縁シートが介挿されている。また、上記パワー素子の接続端子は、上記パワー素子が上記素子固定面に固定された後、基板に挿し込まれた状態で半田付けされている。

また、特許文献３に記載された実装基板、および実装用部品においては、配線基板に放熱板が立設されていて、この放熱板に電子部品が固定されている。この電子部品のリード部は、接合連結部品によって配線基板に固定されている。上記接合連結部品は、導電性を有する応力緩和部材と、この応力緩和部材が充填された円筒形の容器である保持部と、上記保持部の底部から突出され上記配線基板のスルーホールに挿し込まれた棒部と、から構成されている。上記棒部は上記配線基板に半田付けされている。上記応力緩和部材は導電性を有する可撓性又は高粘性の材料若しくはゲル状の材料である。上記電子部品のリード部の先端は上記応力緩和部材に浸漬されており、これにより上記電子部品のリード部と上記接合連結部品の棒部ひいては上記配線基板の基板配線が導通されている。

特開２０１４−２２０３１９号公報 特開２００７−３１１５３８号公報 特開２００３−２２９１８７号公報

上記従来の構成によると、次のような問題があった。
特許文献１に示す構成では、ＭＯＳＦＥＴが弾性部材と放熱シートに挟持された状態で基板とヒートシンクの間に固定される構成になっており、ＭＯＳＦＥＴを取り付けるための構成が複雑であるとともに多くの部品を要してしまい、取付作業も面倒であるという問題があった。
また、ＭＯＳＦＥＴのリード端子を基板に固定している半田に負荷が掛かりクラックが発生し、これにより導通不良や、導通不良に起因する出力停止や発火が起こってしまう恐れがあった。これは、基板、ねじ、ヒートシンク経由の熱膨張係数と基板、半田、ＭＯＳＦＥＴ、放熱シート、ヒートシンク経由の熱膨張係数が異なることに起因する。
また、特許文献２に示す構成の場合にも、パワー素子はねじ部材によって放熱シート、素子固定面を介してケースに固定される構成になっており、パワー素子を固定するための構成が複雑であって多くの部品を要してしまうという問題があった。
また、パワー素子を絶縁シートを介して素子固定面に固定した後、その接続端子を基板に半田付けするようにしており、その際、接続端子の基板に対する位置決めは位置決め治具を用いて行うことになり、取付作業が面倒であるとともに、上記位置決め治具を取り付けた状態では半田付け作業が行いにくく、品質が安定しないという問題もあった。
さらに、特許文献３に示す構成の場合も、電子部品を基板に実装するために複雑な構成をなす接合連結部品を使用する構成になっており、やはり、電子部品を取り付けるための構成が複雑であるとともに多くの部品を要してしまうとともに、取付作業が面倒であるという問題があった。

本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、構成の簡略化と取付作業の容易化を図ることができるとともに、ケースが温度変化により膨張と収縮を繰り返しても、半導体の半田付け部位に負荷が掛かることがなく、半田付け部位におけるクラックの発生、それに起因する導通不良、導通不良に起因する出力停止や発火を防止することができる半導体取付構造とその半導体取付構造を採用した充電器を提供することにある。

上記課題を解決するべく本願発明の請求項１による半導体取付構造は、ケースと、上記ケースに設置された基板と、上記基板に両面テープを介して接着・固定されそのリード端子が上記基板に設けられたスルーホールに挿入されて貫通し上記基板に半田付けされた半導体と、を具備し、上記基板は上記ケースに突設された複数個の凸部を介して上記ケースに設置されていて、上記複数個の凸部は上記半導体の上記基板に対する接着・固定部位に設けられた放熱用凸部と基板固定用凸部であり、上記基板と上記放熱用凸部の間には放熱部が設けられていて、上記両面テープは上記半導体の面積に対して上記半導体と上記スルーホールを結ぶ方向に沿って拡張して設けられていて、上記放熱部は上記放熱用凸部の平坦部の面積に対して上記半導体と上記スルーホールを結ぶ方向に沿って拡張して設けられていることを特徴とするものである。又、請求項２による半導体取付構造は、請求項１記載の半導体取付構造において、上記基板の上記接着・固定部位には放熱用のスルーホールが設けられていることを特徴とするものである。又、請求項３による半導体取付構造は、請求項２記載の半導体取付構造において、上記スルーホール内には伝熱性材料が充填されていることを特徴とするものである。又、請求項４による半導体取付構造は、請求項３記載の半導体取付構造において、上記伝熱性材料は銅であることを特徴とするものである。又、請求項５による半導体取付構造は、請求項１〜請求項４の何れかに記載の半導体取付構造において、上記放熱部は放熱シート又はシリコングリスであることを特徴とするものである。又、請求項６による半導体取付構造は、請求項１〜請求項５の何れかに記載の半導体取付構造において、半導体取付部位にポッティング剤を充填したことを特徴とするものである。又、請求項７による充電器は、請求項１〜請求項６の何れかに記載の半導体取付構造を採用したことを特徴とするものである。

以上述べたように本願発明の請求項１による半導体取付構造によると、ケースと、上記ケースに設置された基板と、上記基板に接着・固定されそのリード端子が上記基板に半田付けされた半導体と、を具備した構成になっているので、構成の簡略化と取付作業の容易化を図ることができる。又、半導体はリード端子の半田付け部位を含んで全て基板に設置されているので、ケースの熱膨張・収縮時にも基板とともにその全体が変位することになり、よって、半田付け部位に負荷が掛かることはなく、半田付け部位におけるクラックの発生、それに起因する導通不良、導通不良に起因する出力停止や発火を防止することができる。
又、請求項２による半導体取付構造によると、請求項１記載の半導体取付構造において、上記基板は上記ケースに突設された複数個の凸部を介して上記ケースに設置されており、ケースの熱膨張・収縮時にはそれら複数の凸部を介して基板が変位し、基板に設置されている半導体及び半田付けされたリード端子も基板とともに変位することになり、上記効果を奏することとができる。
又、請求項３による半導体取付構造によると、請求項２記載の半導体取付構造において、上記複数個の凸部は上記半導体の上記基板に対する接着・固定部位に設けられた放熱用凸部と基板固定用凸部であり、ケースの熱膨張・収縮時にはそれら放熱用凸部と基板固定用凸部を介して基板が変位し、基板に設置されている半導体及び半田付けされたリード端子も基板とともに変位することになり、上記効果を奏することとができる。
又、請求項４による半導体取付構造によると、請求項１〜請求項３の何れかに記載の半導体取付構造において、上記接着・固定は両面テープ又はシリコングリス又は接着剤によりなされる構成になっており、何れの場合もその構成は簡単であり組立も容易である。
又、請求項５による半導体取付構造によると、請求項１〜請求項４の何れかに記載の半導体取付構造において、上記基板の上記接着・固定部位には放熱用のスルーホールが設けられているので、効率よく放熱を行うことができる。
又、請求項６による半導体取付構造によると、請求項５記載の半導体取付構造において、上記スルーホール内には伝熱性材料が充填されているので、更に効率よく放熱を行うことができる。
又、請求項７による半導体取付構造によると、請求項６記載の半導体取付構造において、上記伝熱性材料は銅であるので、更に効率よく放熱を行うことができる。
又、請求項８による半導体取付構造によると、請求項１〜請求項７の何れかに記載の半導体取付構造において、上記基板と上記ケースとの間には放熱部が設けられているので、更に効率よく放熱を行うことができる。
又、請求項９による半導体取付構造によると、請求項８記載の半導体取付構造において、上記放熱部は放熱シート又はシリコングリスであり、何れの場合も効率良く放熱を行なうことができる。
又、請求項１０による半導体取付構造によると、請求項１〜請求項９の何れかに記載の半導体取付構造において、半導体取付部位にポッティング剤を充填したので、半導体の固定をより確実なものとすることができるとともに、防湿機能を得ることができる。
又、請求項１１による充電器によると、請求項１〜請求項１０の何れかに記載の半導体取付構造を採用したので、簡易な構成により容易に半導体を取り付けることができる。

本発明の一実施の形態を示す図で、充電器の充電回路の一部を示す平面図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、パワー半導体を取り付ける前の基板の一部を示す平面図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、パワー半導体を取り付ける手順を示す図であり、図４（ａ）は基板の表側にパワー半導体を両面テープで固定した状態を示す断面図、図４（ｂ）はパワー半導体のリード線に上記基板の表側と裏側から半田付けを行った状態を示す断面図、図４（ｃ）は基板の裏側に放熱シートを貼り付けた状態を示す断面図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、温度変化による膨張・収縮によってケース側から基板に加わる力を矢印で示した図である。

以下、図１乃至図５を参照して本発明の一実施の形態について説明する。図１は本実施の形態による充電器の充電回路の一部を示す平面図であり、まず、ケース１がある。このケース１は放熱器としても機能するものであり、図２に示すように、放熱用凸部３が突出・形成されているとともに、複数個（図では２個のみ示す）の基板固定用凸部５が突出・形成されている。これら基板固定用凸部５は、後述するパワー半導体のリード端子が半田付けされる部位を囲む複数箇所に形成されている。上記基板固定用凸部５には雌ネジ部７が形成されている。

上記放熱用凸部３と基板固定用凸部５の上には基板９が設置されている。図１、図３に示すように、上記基板９の表面（図１、図３の表側の面）には、銅箔による配線パターン１１が形成されている。上記基板９の裏面（図１、図３の裏側の面）にも同様に図示しない配線パターンが形成されている。また、上記基板９には、スルーホール１３、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１７ａ、１７ｂが形成されている。

また、上記基板９の表面（図１、図３の表側の面）には銅箔による放熱パッド１９ａが形成されており、上記基板９の裏面（図１、図３の裏側の面）にも銅箔による放熱パッド１９ｂが形成されている。上記放熱パッド１９ａ、１９ｂを連絡するように、複数の放熱用スルーホール２１が形成されており、これら放熱用スルーホール２１内も銅箔で被覆されている。また、上記放熱用スルーホール２１内には伝熱性材料としての銅２３が充填されている。
また、上記基板９には複数個（図では２個のみ示す）の取付用貫通孔２５が形成されている。上記基板９は、基板固定用ネジ２７を上記取付用貫通孔２５を通して上記固定用凸部５の雌ネジ部７に螺合することによって上記ケース１に固定されている。また、上記ケース１の放熱用凸部３と上記基板９の上記放熱パッド１９ｂの間には、放熱部としての放熱シート２９が介挿されている。また、上記基板９の上記パワー半導体３１を取り付けた部位には、図示しないポッティング剤が充填されている。

図１、図２に示すように、上記基板９には２個のパワー半導体３１、３１が両面テープ３３を介して接着・固定されている。図１中上側のパワー半導体３１は、内部に図示しない半導体チップを収納した耐熱樹脂製のパッケージ３５と、上記パッケージ３５の基板９側に設置された放熱板３７と、上記パッケージ３５の外部に突出された３本のリード端子３９ａ、３９ｂ、３９ｃと、から構成されている。また、図１中下側のパワー半導体３１も、同様に、内部に図示しない半導体チップを収納した耐熱樹脂製のパッケージ３５と、上記パッケージ３５の基板９側に設置された放熱板３７と、２本のリード端子３９ａ、３９ｂと、から構成されている。
図１中下側の上記パワー半導体３１の上記リード端子３９ａは上記スルーホール１７ａに挿入され、上記リード端子３９ｂは上記スルーホール１７ｂに挿入されている。また、図１中上側の上記パワー半導体３１の上記リード端子３９ａは上記スルーホール１５ａに挿入され、上記リード端子３９ｂは上記スルーホール１５ｂに挿入され、上記リード端子３９ｃは上記スルーホール１５ｃに挿入されている。

図１中下側のパワー半導体３１のリード端子３９ａの上記基板９を貫通する箇所の表面側（図１中上側）は、図２に示すように、半田４０ａによって固定されており、上記パワー半導体３１のリード端子３９ａの上記基板９を貫通する箇所の裏面側（図１中下側）は半田４０ｂによって固定されている。上記パワー半導体３１のリード端子３９ｂも同様に図示しない半田によって固定されている。
図１中上側のパワー半導体３１のリード端子３９ａ、３９ｂ、３９ｃも同様の構成で半田付けされている。

以上の構成を基にその作用を説明する。
まず、図４を参照しながら、上記パワー半導体３１のケース１への取付手順について説明する。
まず、図４（ａ）に示すように、上記基板９の放熱パッド１９ａに両面テープ３３によってパワー半導体３１、３１を接着・固定する。
次に、図４（ｂ）に示すように、上記パワー半導体３１、３１のリード端子３９ａ〜３９ｃ、３９ａ、３９ｂを半田４０ａ、４０ｂによって半田付けする。
次に、図４（ｃ）に示すように、上記基板９の裏面側の放熱パッド１９ｂに、放熱シート２９を貼り付ける。
次に、図１に示すように、固定用ネジ２７を上記基板９の取付用貫通孔２５を通して固定用凸部５の雌ネジ部７に螺合することにより上記基板９を上記ケース１に取付・固定する。

次に、上記パワー半導体３１からの放熱について説明する。
上記パワー半導体３１から発せられる熱は、放熱板３７、両面テープ３３を介して基板９の放熱パッド１９ａに伝達される。上記放熱パッド１９ａに伝達された熱は放熱用スルーホール２１、銅２３を介して上記基板９の裏面側の放熱パッド１９ｂに伝達される。上記放熱パッド１９ｂに伝達された熱は、放熱シート２９を介してケース１の放熱用凸部３に伝達され、上記ケース１を介して外部に放出される。

次に、図５を参照して熱による膨張・収縮について説明する。上記ケース１が熱膨張・収縮すると、基板９は、放熱用凸部３、複数個の基板固定用凸部５を介して変位する。その際、基板９に接着・固定されているパワー半導体３１、３１は、半田付けされたリード端子３９ａ〜３９ｃ、３９ａ、３９ｂとともに、上記基板と一体的に変位する。したがって、リード端子３９ａ〜３９ｃ、３９ａ、３９ｂの半田付け部位に大きな負荷が掛かることはない。

以上、この一実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、パワー半導体３１を両面テープ３３によって基板９に接着・固定しているため、半導体取付構造３の構成の簡略化と上記パワー半導体３１の取付作業の容易化を図ることができる。
また、上記ケース１が熱膨張・収縮すると、基板９は、放熱用凸部３、複数個の基板固定用凸部５を介して変位し、その際、基板９に接着・固定されているパワー半導体３１、３１は、半田付けされたリード端子３９ａ〜３９ｃ、３９ａ、３９ｂとともに、上記基板と一体的に変位する。したがって、リード端子３９ａ〜３９ｃ、３９ａ、３９ｂの半田付け部位に大きな負荷が掛かることはなく、半田付け部位におけるクラックの発生、それに起因した導通不良、導通不良に起因した出力停止や発火を防止することができる。

また、上記基板９には放熱用スルーホール２１が設けられているため、効率よく放熱を行うことができる。また、上記放熱用スルーホール２１内には銅２３が充填されているので、更に効率よく放熱を行うことができる。
また、上記基板９は放熱器としてのケース１に取付・固定されているので、更に効率よく放熱を行うことができる。
また、上記ケース１には放熱用凸部３が設けられていて、この放熱用凸部３と上記基板９の上記放熱パッド１９ｂの間には、放熱部としての放熱シート２９が介挿されているので、更に効率よく放熱を行うことができる。

また、上記基板９の上記パワー半導体３１を取り付けた部位には、図示しないポッティング剤が充填されているので、耐振動性が向上するとともに放熱性の向上をも図ることができる。

尚、本発明は前記一実施の形態に限定されるものではない。
まず、前記一実施の形態の場合には、パワー半導体の固定を両面テープを使用して行ったが、それに限定されるものではなく、シリコングリスや接着剤を使用することも考えられる。
また、前記一実施の形態の場合には、放熱部として放熱シートを使用したが、それに限定されるものではなく、シリコングリスを用いる場合も考えられる。
また、前記一実施の形態の場合には、半導体の例としてパワー半導体を例に挙げて説明したが、それに限定されるものではない。
また、スルーホールに充填される伝熱性材料としては、銅の他にも、アルミ、等、様々な場合が考えられる。また、上記伝熱性材料としては、ポリマに銅やアルミ等の金属粉を混合したものも考えられる。
その他、図示した構成はあくまで一例でありそれに限定されるものではない。

本発明は、例えば、電源部に用いられる半導体取付構造と充電器に係り、特に、構成の簡略化と取付作業の容易化を図ることができ、ケースが温度変化により膨張と収縮を繰り返しても、半導体の半田付け部位に対して負荷が掛かることがなく、半田付け部位におけるクラックの発生、それに起因する導通不良、導通不良に起因する出力停止や発火を防止することができるように工夫したものに関し、例えば、電気自動車の充電器に好適である。

１ ケース
９ 基板
２１ 放熱用スルーホール
２３ 銅（伝熱性材料）
２９ 放熱シート（放熱部）
３１ パワー半導体（半導体）
３３ 両面テープ

Claims (7)

1. ケースと、 上記ケースに設置された基板と、 上記基板に両面テープを介して接着・固定されそのリード端子が上記基板に設けられたスルーホールに挿入されて貫通し上記基板に半田付けされた半導体と、 を具備し、 上記基板は上記ケースに突設された複数個の凸部を介して上記ケースに設置されていて、 上記複数個の凸部は上記半導体の上記基板に対する接着・固定部位に設けられた放熱用凸部と基板固定用凸部であり、 上記基板と上記放熱用凸部の間には放熱部が設けられていて、 上記両面テープは上記半導体の面積に対して上記半導体と上記スルーホールを結ぶ方向に沿って拡張して設けられていて、 上記放熱部は上記放熱用凸部の平坦部の面積に対して上記半導体と上記スルーホールを結ぶ方向に沿って拡張して設けられていることを特徴とする半導体取付構造。
2. 請求項１記載の半導体取付構造において、 上記基板の上記接着・固定部位には放熱用のスルーホールが設けられていることを特徴とする半導体取付構造。
3. 請求項２記載の半導体取付構造において、 上記スルーホール内には伝熱性材料が充填されていることを特徴とする半導体取付構造。
4. 請求項３記載の半導体取付構造において、 上記伝熱性材料は銅であることを特徴とする半導体取付構造。
5. 請求項１〜請求項４の何れかに記載の半導体取付構造において、 上記放熱部は放熱シート又はシリコングリスであることを特徴とする半導体取付構造。
6. 請求項１〜請求項５の何れかに記載の半導体取付構造において、 半導体取付部位にポッティング剤を充填したことを特徴とする半導体取付構造。
7. 請求項１〜請求項６の何れかに記載の半導体取付構造を採用したことを特徴とする充電器。

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