JPWO2019146524A1 - 回路装置および電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
実施の形態1.
まず本実施の形態の回路装置の構成について、図1〜図6を用いて説明する。図1は実施の形態1の第1例に係る回路装置の構成を示す概略断面図である。図2は実装部品および非中実金属スペーサの部分を中心に実施の形態1に係る回路装置の構成を示す概略斜視図である。図3〜図6は実施の形態1に係る非中実金属スペーサの構成の第1例〜第4例を示す概略斜視図である。なお図2では特に後述する本実施の形態の第1例の金属スペーサ5A,5Bが示される。
たとえば図1および図2に示すように、金属スペーサ5A,5Bは、外形が直方体状であり、プリント基板2と冷却器6A,6Bとの間に少なくとも1つの中空部分5Cを形成可能な形状を有している。すなわち金属スペーサ5A,5Bは、たとえば図1および図2の奥行き方向を貫通するように、柱状に延びる中空部分5Cを複数有している。中空部分5Cは図1の一方の主表面2Aに沿う方向に関して互いに間隔をあけて複数、形成されることが好ましい。図1および図2においては一例として5つの中空部分5Cが形成されるがこれに限らず、4つ以下または6つ以上の中空部分5Cが形成されてもよい。また中空部分5Cは図1、図2においては四角柱状となっているがこれに限らず、たとえば円柱状であってもよい。中空部分5C内には金属スペーサ5A、5Bを覆う樹脂層8の樹脂材料が進入することなく、空洞の状態が維持されている。
図7は実施の形態1の第2例に係る回路装置の構成を示す概略断面図である。図7を参照して、本実施の形態の第2例の回路装置1A2は、基本的に第1例の回路装置1A1(図1参照)と同様の構成を有するため、同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし回路装置1A2は、金属スペーサ5A,5Bのそれぞれの冷却器6A,6Bと対向する面の一部に、スペーサ貫通孔5Dが形成されている。この点において回路装置1A2は回路装置1A1と異なっている。スペーサ貫通孔5Dは、金属スペーサ5A,5Bのそれぞれの冷却器6A,6Bと対向する最表面から、中空部分5Cに達するように金属スペーサ5A,5Bの一方の主表面2Aに沿う金属壁の部分を貫通している孔部である。スペーサ貫通孔5Dは金属スペーサ5A,5Bのそれぞれに複数形成されている。より具体的には、金属スペーサ5A,5Bのそれぞれに形成された複数の中空部分5Cのそれぞれに対して1つ以上ずつ、形成されていることが好ましい。
まず本実施の形態の回路装置の構成について、図13〜図16を用いて説明する。図13は実施の形態2の第1例に係る回路装置の構成を示す概略断面図である。図14〜図16は実装部品および非中実金属スペーサの部分を中心に実施の形態2に係る回路装置の構成を示す概略斜視図である。図14の金属スペーサ5Aの態様は図13の金属スペーサ5Aの態様に対応する。図15および図16の金属スペーサ5Aは図14の金属スペーサ5Aに対する変形例を示し、これらは実施の形態1の図5および図6に概ね対応する。
本実施の形態の回路装置1B1〜1B3によれば、半導体部品3からの発熱が導体層21Aに伝わり、導体層21Aに接続された金属スペーサ5Aの分岐部分5A11の先端部から金属スペーサ5Aの全体に伝わる。当該熱はさらに金属スペーサ5Aから、樹脂層8を介して冷却器6Aに伝わる。このように本実施の形態の金属スペーサ5Aは、実施の形態1と同様に、プリント基板2の一方の主表面2A上でのヒートスプレッダ、および冷却器6Aとプリント基板2の間のサーマルブリッジとして機能する。また金属スペーサ5Aはプリント基板2の熱を一方の主表面2Aに沿う方向に広げる熱拡散板として機能させることができる。このためプリント基板2の熱が金属スペーサ5Aを介して効率的に冷却器6Aに伝わる。以上はプリント基板2の他方の主表面2B上の金属スペーサ5Bについても同様である。
まず本実施の形態の回路装置の構成について、図18を用いて説明する。図18は実施の形態3に係る回路装置の構成を示す概略断面図である。図18を参照して、本実施の形態の回路装置1Cは、基本的に実施の形態1の図1の回路装置1A1と同様の構成を有するため、同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし回路装置1Cにおいては、半導体部品3はたとえばTO220またはTO−3Pなどの汎用の挿入実装型ICパッケージに封止されている。半導体部品3を構成するベースプレート32の下側の表面が、金属スペーサ5Aの金属壁である上記第2の部分(一方の主表面2Aに交差する方向に延びる部分)の表面上にネジ止め等を用いて接続されている。このため回路装置1Cにおいては半導体部品3の全体が、回路装置1A1の半導体部品3に対して約90°回転するような態様となるように接合されている。すなわち回路装置1Cは、半導体部品3のベースプレート32がプリント基板2の厚み方向に沿うように延び拡がっている。この点において回路装置1Cは、ベースプレート32の下側の表面がプリント基板2の一方の主表面2A上に接続されている回路装置1A1と異なっている。
回路装置1Cにおいて、プリント基板2の熱が、半導体部品3のリードフレーム34から、リードフレーム34とプリント基板2とを接合するはんだ層7に伝わるために、はんだ層7の表面温度が上昇する場合がある。この場合においても、金属スペーサ5Aを用いてプリント基板2および半導体部品3を冷却することができる。したがって、プリント基板2のリードフレーム34が挿入された部品実装面側である一方の主表面2A側、およびその反対側の他方の主表面2B側のいずれの面からでも、金属スペーサ5A,5Bを用いてプリント基板2を冷却することができる。
まず本実施の形態の回路装置の構成について、図19および図20を用いて説明する。図19は実施の形態4に係る回路装置の構成を示す概略断面図である。図20は、図19の回路装置のうち冷却器以外の部分を中心に実施の形態4に係る回路装置の構成を示す概略斜視図である。図19および図20を参照して、本実施の形態の回路装置1Dは、基本的に実施の形態1の図1の回路装置1A1と同様の構成を有するため、同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし回路装置1Dにおいては、実装部品として上記各実施の形態における半導体部品3の代わりに、磁性部品9が用いられている。実装部品としての磁性部品9は、プリント基板2の一方の主表面2Aよりも図の上方の領域から、プリント基板2の他方の主表面2Bよりも図の下方の領域まで、図19の上下方向に延びている。ここでプリント基板2の一方の主表面2Aよりも図の上方の領域とは、樹脂層8が供給され一方の主表面2Aに沿って金属スペーサ5Aと並ぶ領域である。またプリント基板2の他方の主表面2Bよりも図の下方の領域とは、樹脂層8が供給され他方の主表面2Bに沿って金属スペーサ5Bと並ぶ領域である。すなわち磁性部品9は、樹脂層8が供給され一方の主表面2Aに沿って金属スペーサ5Aと並ぶ領域から、プリント基板2内を一方の主表面2Aから他方の主表面2Bまで延び、さらに樹脂層8が供給され一方の主表面2Aに沿って金属スペーサ5Aと並ぶ領域まで延びている。したがって磁性部品9は、一方の主表面2Aの上からプリント基板2内を貫通するように延びている。
本実施の形態の回路装置1Dによれば、プリント基板2に形成されているコイルパターン24等において発生した熱が、磁性部品9を経由して、冷却器6A,6Bに伝えられる。また当該熱は金属スペーサ5A,5Bを経由して、冷却器6A,6Bに伝えられる。このため回路装置1Dは、プリント基板2を大型化させることなく、効率的にプリント基板2を冷却することができる。
まず本実施の形態の回路装置の構成について、図21および図22を用いて説明する。図21は実施の形態5に係る回路装置の構成を示す概略断面図である。図22は実装部品および非中実金属スペーサの部分を中心に実施の形態5に係る回路装置の構成を示す概略斜視図である。図21および図22を参照して、本実施の形態の回路装置1Eは、基本的に実施の形態2の図13の回路装置1B1と同様の構成を有するため、同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし回路装置1Eにおいては、実装部品としての半導体部品3が、金属スペーサ5Aの中空部分5C内に配置されている。この点において回路装置1Eは、中空部分5Cの外側において一方の主表面2A上に半導体部品3が配置される実施の形態1〜4と構成上異なっている。
本実施の形態においては半導体部品3が金属スペーサ5Aの中空部分5C内に配置される。このため金属スペーサ5Aの外側には半導体部品3が配置されない。したがって、プリント基板2から冷却器6Aまでの図21の上下方向に関する全体を樹脂層8が埋める領域が、実施の形態1〜4に比べて大きくなる。このため本実施の形態においては、実施の形態1〜4に比べて広い面積である金属スペーサ8Aのベース部を用いて、プリント基板2の一方の主表面2Aから、樹脂層8を介して冷却器6Aと接続することが可能となる。このように回路装置1Eは、プリント基板2から冷却器6Aに効率的に熱を伝えることが可能となる。このためプリント基板2を大型化させることなく、出力電力の増大に耐えうる回路装置1Eを提供することができる。
まず本実施の形態の回路装置の構成について、図23および図24を用いて説明する。図23は実装部品および非中実金属スペーサの部分を中心に実施の形態6に係る回路装置の構成を示す概略斜視図である。図24は実施の形態6に係る回路装置の構成を示す概略断面図である。言い換えれば、図24は図23中のXXIV−XXIV線に沿う部分の回路装置の構成を、冷却器6A,6Bを含む全体について示すものである。
本実施の形態のように切り起こし部10を有する回路装置1Fにおいては、半導体部品3からプリント基板2に伝えられた熱が、切り起こし部10を介して金属スペーサ5Aに伝えられる。金属スペーサ5A内は中空部分5Cを形成するように閉じられた空間として有する領域と、図24における中空部分5Cの右側の領域のように金属壁に閉じられずに樹脂層8に埋設された領域とを有する。このため中空部分5Cを広がった熱は、金属壁に閉じられずに樹脂層8に埋設された領域の樹脂層8を介して冷却器6Aに伝えられる。このように回路装置1Fは、他の実施の形態に比べて平面視において樹脂層8が占める面積割合が大きい。したがって回路装置1Fは、樹脂層8の高い熱伝導性を利用して、プリント基板2から冷却器6Aに効率的に熱を伝えることが可能となる。このためプリント基板2を大型化させることなく、出力電力の増大に耐えうる回路装置1Fを提供することができる。
図25は、実施の形態7に係る回路装置の構成を示す概略断面図である。図26は、実装部品および非中実金属スペーサの部分を中心に実施の形態7に係る回路装置の構成を示す概略斜視図である。図25および図26を参照して、本実施の形態の回路装置1Gは、基本的に実施の形態1の回路装置1A1と同様の構成を有するため、同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし回路装置1Gにおいては、中空部分5Cが、半導体部品3に隣接する領域35から、プリント基板2の端面2Eに隣接する領域25まで、一方の主表面2Aに沿うように、図25、図26の左右方向に延びている。すなわち金属スペーサ5A,5Bは、図25および図26の左右方向を貫通するように、柱状に延びる中空部分5Cを複数有している。したがって中空部分5Cは図25および図26の奥行き方向に関して互いに間隔をあけて複数、形成される。
本実施の形態においては中空部分5Cが、実装部品に隣接する領域35から、プリント基板2の端面2Eに隣接する(冷却器接続部6Dに隣接する)25まで、一方の主表面2Aに沿うように延びている。ここで一般に、非中実金属スペーサ5A,5Bは、平面視にて中空部分5Cが延びる方向と直交する方向よりも、平面視にて中空部分5Cが延びる方向に高い熱伝導性を備える。すなわち非中実金属スペーサ5A,5Bは熱伝導異方性を有する。そのため本実施の形態のように領域35から領域25まで中空部分5Cが延在する回路装置1Gでは、半導体部品3の発熱を領域35から領域25まで、より高い効率で伝えることができる。このため回路装置1Gでは金属スペーサ5A,5Bから冷却器6A,6Bに効率よく熱を伝えることができる。したがって回路装置1Gでは、金属スペーサ5の温度分布の傾斜が少なくなる。
本実施の形態は、上述した実施の形態1〜7にかかる回路装置を電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態8として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
本実施の形態の回路装置は、プリント基板と、実装部品と、非中実金属スペーサと、冷却器と、樹脂層とを備える。実装部品はプリント基板の少なくとも一方の主表面上に少なくとも一部が配置される。非中実金属スペーサはプリント基板の少なくとも一方の主表面上に配置される。冷却器は非中実金属スペーサのプリント基板と反対側に配置される。樹脂層は非中実金属スペーサと冷却器との間に配置される。非中実金属スペーサはプリント基板と冷却器との間に少なくとも1つの中空部分を形成可能な形状を有する。
Claims (15)
- プリント基板と、
前記プリント基板の少なくとも一方の主表面上に少なくとも一部が配置される実装部品と、
前記プリント基板の少なくとも一方の主表面上に配置される非中実金属スペーサと、
前記非中実金属スペーサの前記プリント基板と反対側に配置される冷却器と、
前記非中実金属スペーサと前記冷却器との間に配置される樹脂層とを備え、
前記非中実金属スペーサは前記プリント基板と前記冷却器との間に少なくとも1つの中空部分を形成可能な形状を有する、回路装置。 - 前記非中実金属スペーサは、前記一方の主表面に交差する方向に関して、前記実装部品以上の厚みを有する、請求項1に記載の回路装置。
- 前記プリント基板は前記一方の主表面に沿う導体層を含み、
前記非中実金属スペーサは、前記導体層と、第1の接合材により接合されており、
前記第1の接合材の融点は、前記非中実金属スペーサを構成する金属材料の融点未満である、請求項1または2に記載の回路装置。 - 前記実装部品と、前記非中実金属スペーサとは、前記第1の接合材により接続される、請求項3に記載の回路装置。
- 前記非中実金属スペーサは、櫛形状を有する第1領域と、前記第1領域と平面的に重なる領域から前記実装部品と平面的に重なる領域まで延びる第2領域とを含み、
前記実装部品と、前記非中実金属スペーサの前記第2領域とは、第2の接合材により接続される、請求項3に記載の回路装置。 - 前記第2の接合材は前記第1の接合材とは異なる材料である、請求項5に記載の回路装置。
- 前記非中実金属スペーサは、前記一方の主表面に沿う方向に拡がる、互いに縦方向間隔をあけて対向する1対の第1の部分と、前記1対の第1の部分の間の領域を前記1対の第1の部分のそれぞれから前記一方の主表面に交差する方向に延び、前記一方の主表面に沿う方向に関して互いに幅方向間隔をあけて配置される複数の第2の部分とを含み、
前記非中実金属スペーサは、前記幅方向間隔により前記中空部分を形成し、
前記1対の第1の部分のいずれかは前記プリント基板に接合される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の回路装置。 - 前記非中実金属スペーサは、前記一方の主表面に沿う方向に拡がる第1の部分と、前記第1の部分から前記一方の主表面に交差する方向に延び、前記一方の主表面に沿う方向に関して互いに幅方向間隔をあけて配置される複数の第2の部分とを含み、
前記非中実金属スペーサは、前記幅方向間隔により前記中空部分を形成し、
前記複数の第2の部分は前記プリント基板に接合される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の回路装置。 - 前記中空部分内に前記実装部品が配置された、請求項8に記載の回路装置。
- 前記非中実金属スペーサの一部に、前記非中実金属スペーサが切り取られた切り起こし部が形成されており、
前記切り起こし部は前記非中実金属スペーサの一部が屈曲され前記プリント基板に接合されている、請求項8または9に記載の回路装置。 - 前記中空部分は、前記実装部品に隣接する領域から、前記プリント基板の端面に隣接する領域まで、前記一方の主表面に沿うように延びる、請求項1〜10のいずれか1項に記載の回路装置。
- 前記非中実金属スペーサは前記一方の主表面上の第1の非中実金属スペーサと、前記一方の主表面と反対側の他方の主表面上の第2の非中実金属スペーサとを含み、
前記冷却器は前記一方の主表面上の第1の冷却器と、前記他方の主表面上の第2の冷却器とを含む、請求項1〜11のいずれか1項に記載の回路装置。 - 前記冷却器は、前記第1の冷却器の端部と前記第2の冷却器の端部とを繋ぐように前記一方の主表面に交差する方向に延びる冷却器接続部をさらに含み、
前記中空部分は、前記実装部品に隣接する領域から、前記冷却器接続部に隣接する領域まで、前記一方の主表面に沿うように延びる、請求項12に記載の回路装置。 - 前記実装部品は磁性部品であり、
前記磁性部品は前記一方の主表面の上から前記プリント基板内を貫通するように延びている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の回路装置。 - 請求項1〜14のいずれか1項に記載の回路装置を含む電力変換装置であって、
前記回路装置に含まれる半導体モジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と備えた電力変換装置。
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