KR101930391B1 - 전자기기 - Google Patents

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나오키 가토
히로시 유구치
요시타카 이와타
마사히코 가와베
유리 오토베
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가부시키가이샤 도요다 지도숏키
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Abstract

전자기기는, 방열 부재와, 방열 부재에 열적으로 결합되는 파워 소자와, 파워 소자가 전기적으로 접합된 제1 도전층을 구비한다. 또한 전자기기는, 파워 소자의 스위칭 동작을 제어하는 제어 소자와, 제어 소자가 전기적으로 접합된 제2 도전층과, 제1 도전층과 제2 도전층의 사이에 배치되어 파워 소자가 매입되는 수지층을 구비한다. 제1 도전층, 수지층 및 제2 도전층은, 방열 부재에 대하여 가까운 쪽으로부터 이 순서로 적층되어 있다.

Description

전자기기{ELECTRONIC DEVICE}
본 발명은, 전자기기에 관한 것이다.
일반적으로, 차량에는, 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같은 인버터 장치가 탑재되어 있다. 인버터 장치는, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 전자기기로서, 파워 소자가 실장된 제1 금속판(제1 도전층)과, 제어 소자가 실장된 제2 금속판(제2 도전층)을 갖는다. 제어 소자는, 파워 소자의 스위칭 동작을 제어한다.
일본공개특허공보 2010-73767호
파워 소자는, 제어 소자에 비해 발열량이 많기 때문에, 파워 소자를 효율 좋게 냉각하는 일이 요망된다. 또한, 이러한 전자기기에 있어서, 예를 들면, 제1 금속판과 제2 금속판이 일 평면 상에 나열하여 배치되어 있는 경우, 전자기기의 평면적인 크기가 커져, 차량으로의 탑재 스페이스의 제약상, 전자기기를 차량에 탑재하는 것이 곤란해져 버리는 일이 있다.
본 발명의 목적은, 파워 소자를 효율 좋게 냉각하면서도, 평면적인 크기를 작게 할 수 있는, 전자기기를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하는 전자기기는, 방열(放熱) 부재와, 상기 방열 부재에 열적으로 결합되는 파워 소자와, 상기 파워 소자가 전기적으로 접합된 제1 도전층과, 상기 파워 소자의 스위칭 동작을 제어하는 제어 소자와, 상기 제어 소자가 전기적으로 접합된 제2 도전층과, 상기 제1 도전층과 상기 제2 도전층의 사이에 배치되어 상기 파워 소자가 매입되는(embedded) 수지층을 갖고, 상기 제1 도전층, 상기 수지층 및 상기 제2 도전층은, 상기 방열 부재에 대하여 가까운 쪽으로부터 이 순서로 적층되어 있다.
도 1은 일 실시 형태에 있어서의 전자기기의 단면도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 전자기기(10)의 일 실시 형태를 도 1에 따라 설명한다. 본 실시 형태의 전자기기(10)는, 예를 들면, 차량 탑재용의 인버터 장치이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 전자기기(10)는, 방열 부재(20)와, 파워 소자(11a)와, 제1 도전층으로서의 제1 금속판(11)과, 2개의 제어 소자(12a, 12b)와, 제2 도전층으로서의 제2 금속판(12)을 구비하고 있다. 제1 금속판(11)에는 파워 소자(11a)가 전기적으로 접합되고, 제2 금속판(12)에는 제어 소자(12a, 12b)가 전기적으로 접합되어 있다. 파워 소자(11a)는 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)이고, 제1 금속판(11)에 대하여 베어 칩(bare chip) 실장되어 있다. 각 제어 소자(12a, 12b)는, 예를 들면 칩 저항기나 콘덴서 등이 있다. 방열 부재(20)는, 예를 들면, 내부에 냉각수가 흐르는 냉각수 유로를 갖는 알루미늄제의 케이스체이다. 제1 금속판(11) 및 제2 금속판(12)은, 평판 형상의 구리판이다. 제1 금속판(11)의 두께(H1)는, 제2 금속판(12)의 두께(H2)보다도 두꺼워져 있고, 제1 금속판(11)에는 제2 금속판(12)에 흐르는 전류보다도 큰 전류가 흐른다.
전자기기(10)는, 제1 금속판(11)과 제2 금속판(12)의 사이에 배치되어 파워 소자(11a)가 매입되는 수지층(13)을 구비하고 있다. 수지층(13)은, 유리 섬유 등의 열전도율이 양호한 필러를 포함하는 에폭시 수지로 이루어진다. 제1 금속판(11), 수지층(13) 및 제2 금속판(12)은, 방열 부재(20)에 대하여 가까운 쪽으로부터 이 순서로 적층되어 있다. 따라서, 제1 금속판(11)은, 제2 금속판(12)보다도 방열 부재(20) 쪽으로 배치되어 있다. 파워 소자(11a)는, 제1 금속판(11), 수지층(13) 및 제2 금속판(12)이 적층되는 방향(이하, 「적층 방향」이라고 함)에 있어서, 한쪽의 제어 소자(12a)와 부분적으로 겹쳐 있다. 파워 소자(11a)는, 수지층(13) 내에 매입되도록 하여 제1 금속판(11)과 수지층(13)의 사이에 배치되어 있다.
방열 부재(20)와 제1 금속판(11)의 사이에는, 고열전도 절연층(14)이 개재되어 있다. 고열전도 절연층(14)은, 유리 섬유 등의 열전도율이 양호한 필러를 포함하는 에폭시 수지로 이루어진다. 고열전도 절연층(14)을 형성하는 에폭시 수지에 혼입된 필러의 양은, 수지층(13)을 형성하는 에폭시 수지에 혼입된 필러의 양보다도 많다. 따라서, 고열전도 절연층(14)은, 수지층(13)보다도 열전도율이 높다.
파워 소자(11a)는, 판 형상의 2개의 도전 부재(15)에 의해 제2 금속판(12)과 전기적으로 접속되어 있다. 평판 형상의 각 도전 부재(15)는, 수지층(13)을 통과하도록, 파워 소자(11a)에 있어서의 제2 금속판(12)을 향하는 평면(111a)에 대하여 수직 방향으로 연장된다. 따라서, 각 도전 부재(15)는, 그 두께 방향이 파워 소자(11a)의 평면(111a)을 따르는 방향과 일치하도록 배치되어 있다. 각 도전 부재(15)는, 파워 소자(11a)와 제어 소자(12a, 12b)의 사이를 흐르는 전류의 경로를 형성하고 있다. 그리고, 각 제어 소자(12a, 12b)와 파워 소자(11a)의 사이에서, 제2 금속판(12) 및 각 도전 부재(15)를 통한 전류의 흐름이 발생함으로써, 파워 소자(11a)의 스위칭 동작이 행해진다. 따라서, 제어 소자(12a, 12b)는, 파워 소자(11a)의 스위칭 동작을 제어한다.
전자기기(10)는, 제어 소자(12a, 12b)보다도 발열량이 적은 발열 소자(16a)를 갖는 제3 금속판(16)을 구비하고 있다. 제3 금속판(16)은, 평판 형상의 구리판이다. 제3 금속판(16)은, 제2 금속판(12)을 사이에 두고 제1 금속판(11)과는 반대 측에 배치되어 있다. 제2 금속판(12)과 제3 금속판(16)의 사이에는 절연층(17)이 개재되어 있다. 즉, 제3 금속판(16)은 절연층(17) 상에 적층되어 있다. 절연층(17)은, 유리 섬유 등의 열전도율이 양호한 필러를 포함하는 에폭시 수지로 이루어진다. 수지층(13)의 열전도율은 절연층(17)의 열전도율과 동일하다. 제어 소자(12a, 12b)는, 절연층(17) 내에 매입되도록 하여 제2 금속판(12)과 절연층(17)의 사이에 배치되어 있다.
전자기기(10)에는, 제3 금속판(16), 절연층(17), 제2 금속판(12) 및, 수지층(13)을 관통하도록 적층 방향으로 연장되는 관통구멍(18)이 형성되어 있다. 관통구멍(18) 내에는, 제1 금속판(11)에 실장된 유도기기(19)(예를 들면 리액터)가 수용되어 있다. 유도기기(19)는, 제1 금속판(11)에 전기적으로 접합되는 코일(19a)(도 1에 있어서 이점쇄선으로 나타냄)과, 제1 금속판(11)에 열적으로 접합되는 코어(19b)(도 1에 대해 이점쇄선으로 나타냄)를 구비한다. 유도기기(19)는, 제3 금속판(16)의 상면(제3 금속판(16)에 있어서의 절연층(17)과는 반대측의 면)을 초과하여 연장되어 있지는 않는다.
다음으로, 본 실시 형태의 작용을 설명한다.
파워 소자(11a)는, 제어 소자(12a, 12b)에 비해 발열량이 많다. 제1 금속판(11)은, 제2 금속판(12)보다도 방열 부재(20) 쪽으로 배치되어 있기 때문에, 파워 소자(11a)로부터 발해지는 열은, 제어 소자(12a, 12b)로부터 발해지는 열보다도 우선적으로 방열 부재(20)에 의해 방열된다. 또한, 고열전도 절연층(14)은, 수지층(13)보다도 열전도율이 높기 때문에, 파워 소자(11a)로부터 발해지는 열은, 수지층(13)보다도 고열전도 절연층(14)으로 전달되기 쉽다. 따라서, 파워 소자(11a)로부터 발해지는 열은, 제1 금속판(11) 및 고열전도 절연층(14)을 통하여 방열 부재(20)로 전달되고, 방열 부재(20)에 의해 방열된다. 또한, 유도기기(19)의 코일(19a) 및 코어(19b)로부터 발해지는 열도, 제1 금속판(11) 및 고열전도 절연층(14)을 통하여 방열 부재(20)로 전달되고, 방열 부재(20)에 의해 방열된다.
상기 실시 형태에서는 이하의 효과를 얻을 수 있다.
(1) 제1 금속판(11), 수지층(13) 및 제2 금속판(12)이, 방열 부재(20)에 대하여 가까운 쪽으로부터 이 순서로 적층되어 있다. 이에 따르면, 제1 금속판(11)이, 제2 금속판(12)보다도 방열 부재(20) 쪽으로 배치되기 때문에, 파워 소자(11a)로부터 발해지는 열이, 제어 소자(12a, 12b)로부터 발해지는 열보다도 우선적으로 방열 부재(20)에 의해 방열된다. 또한, 제1 금속판(11), 수지층(13) 및 제2 금속판(12)이 적층되어 있기 때문에, 제1 금속판(11)과 제2 금속판(12)이 일 평면 상에 나열하여 배치되어 있는 경우에 비하면, 파워 소자(11a)를 효율 좋게 냉각하면서도, 전자기기(10)의 평면적인 크기를 작게 할 수 있다.
(2) 방열 부재(20)와 제1 금속판(11)의 사이에는, 수지층(13)보다도 열전도율이 높은 고열전도 절연층(14)이 개재되어 있다. 이에 따르면, 방열 부재(20)를 제1 금속판(11)으로부터 절연하지 않으면 안 되는 구성이라도, 방열 부재(20)와 제1 금속판(11)의 사이에 개재되는 고열전도 절연층(14)은, 수지층(13)보다도 열전도율이 높기 때문에, 파워 소자(11a)로부터 발해지는 열은, 수지층(13)보다도 고열전도 절연층(14)으로 전달되기 쉽다. 따라서, 고열전도 절연층(14)으로 전달된 열이 방열 부재(20)로 전달되고, 방열 부재(20)에 의해 방열되기 때문에, 방열 부재(20)를 제1 금속판(11)으로부터 절연하지 않으면 안 되는 구성이라도, 파워 소자(11a)를 효율 좋게 냉각할 수 있다.
(3) 파워 소자(11a)는 도전 부재(15)에 의해 제2 금속판(12)과 접속되어 있다. 도전 부재(15)는, 수지층(13)의 내부를 통과하도록, 파워 소자(11a)에 있어서의 제2 금속판(12)을 향하는 평면에 대하여 수직 방향으로 연장된다. 이에 따르면, 파워 소자(11a)와 제2 금속판(12)을 일 평면 상에 나열하여 배치하고, 파워 소자(11a)를 제2 금속판(12)과 와이어 본딩에 의해 접속하는 경우에 비하면, 전자기기(10)의 평면적인 크기를 작게 할 수 있다.
(4) 도전 부재(15)는 판 형상이다. 이에 따르면, 파워 소자(11a)를 스루홀(through-hole)에 의해 제2 금속판(12)과 전기적으로 접속하는 경우에 비하면, 파워 소자(11a)와 제2 금속판(12)의 전기적인 접속 상태를 양호한 것으로 할 수 있다.
(5) 파워 소자(11a)가 제어 소자(12a)와 적층 방향에 있어서 겹쳐 있다. 이에 따르면, 파워 소자(11a)가 제어 소자(12a)와 적층 방향에 있어서 겹쳐 있지 않은 경우에 비하면, 전자기기(10)의 평면적인 크기를 작게 할 수 있다.
(6) 제1 금속판(11)에는 코일(19a)이 전기적으로 접합됨과 함께 코어(19b)가 열적으로 접합되어 있다. 이에 따르면, 코일(19a) 및 코어(19b)로부터 발해지는 열이, 제1 금속판(11) 및 고열전도 절연층(14)을 통하여 방열 부재(20)로 전달되고, 방열 부재(20)에 의해 방열된다. 따라서, 발열량이 많은 코일(19a) 및 코어(19b)를 효율 좋게 냉각할 수 있다.
(7) 파워 소자(11a)는 MOSFET이고, 제1 금속판(11)에 대하여 베어 칩 실장되어 있다. 이에 따르면, 패키지된 파워 소자가 제1 금속판(11)에 대하여 실장되어 있는 경우에 비하면, 전자기기(10)를 소형화할 수 있다.
(8) 제1 금속판(11)의 두께(H1)는, 제2 금속판(12)의 두께(H2)보다도 크다. 이에 따르면, 제1 금속판(11)을 평면적으로 대형화시키는 경우에 비해, 전자기기(10)의 평면적인 크기를 작게 할 수 있다.
(9) 유도기기(19)는, 관통구멍(18) 내에 수용되어 있고, 제3 금속판(16)의 상면을 초과하여 연장되어 있지는 않다. 이에 따르면, 유도기기(19)가 제3 금속판(16)의 상면을 초과하여 연장되어 있는 있는 경우에 비하면, 전자기기(10)를 소형화할 수 있다.
(10) 파워 소자(11a)로부터 발해지는 열은, 제1 금속판(11) 및 고열전도 절연층(14)을 통하여 방열 부재(20)로 전달되고, 방열 부재(20)에 의해 방열되기 때문에, 파워 소자(11a)로부터 발해지는 열이, 도전 부재(15) 및 제2 금속판(12)을 통하여 제어 소자(12a, 12b)로 전달되어 버리는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태는 이하와 같이 변경해도 좋다.
○ 실시 형태에 있어서, 파워 소자(11a)가 제어 소자(12a)와 적층 방향에 있어서 겹쳐 있지 않아도 좋다.
○ 실시 형태에 있어서, 도전 부재(15)의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 핀 형상이라도 좋다.
○ 실시 형태에 있어서, 파워 소자(11a)가 스루홀에 의해 제2 금속판(12)과 전기적으로 접속되어 있어도 좋다.
○ 실시 형태에 있어서, 방열 부재(20)와 제1 금속판(11)의 사이에, 수지층(13)과 동일한 열전도율을 갖는 절연층이 개재되어 있어도 좋다.
○ 실시 형태에 있어서, 고열전도 절연층(14)은, 세라믹에 의해 형성되어 있어도 좋다.
○ 실시 형태에 있어서, 방열 부재(20)를 제1 금속판(11)으로부터 절연하지 않아도 좋은 구성이라면, 고열전도 절연층(14)을 생략해도 좋다. 그리고, 제1 금속판(11)을 방열 부재(20)에 접착해도 좋다.
○ 실시 형태에 있어서, 파워 소자(11a), 제어 소자(12a, 12b)의 수는 특별히 한정되는 것은 아니다.
○ 실시 형태에 있어서, 제1 금속판(11)의 두께(H1)가 제2 금속판(12)의 두께(H2)와 동일해도 좋다.
○ 실시 형태에 있어서, 고열전도 절연층(14)과 방열 부재(20)의 사이에 금속판이 개재되어 있어도 좋다.
○ 실시 형태에 있어서, 제3 금속판(16)과 절연층(17)의 사이에 새로운 금속판이 개재되어 있어도 좋다. 이 경우, 제3 금속판(16)을 새로운 금속판으로부터 절연하는 절연층을 추가할 필요가 있다.
○ 실시 형태에 있어서, 방열 부재(20)는, 예를 들면, 냉각을 위해서 내부에 공기가 흐르도록 구성된 케이스체라도 좋다.
○ 실시 형태에 있어서, 전자기기(10)는, 차량 탑재용 이외의 기기라도 좋다. 또한, 본 발명은, 인버터 장치에 한정되지 않고, DCDC 컨버터 장치에 적용해도 좋다.

Claims (7)

  1. 방열 부재와,
    상기 방열 부재에 열적으로 결합되는 파워 소자와,
    상기 파워 소자가 전기적으로 접합된 제1 도전층과,
    상기 파워 소자의 스위칭 동작을 제어하는 제어 소자와,
    상기 제어 소자가 전기적으로 접합된 제2 도전층과,
    상기 제1 도전층과 상기 제2 도전층의 사이에 배치되어 상기 파워 소자가 매입되는 수지층을 갖고,
    상기 제1 도전층, 상기 수지층 및 상기 제2 도전층은, 상기 방열 부재에 대하여 가까운 쪽으로부터 이 순서로 적층되어 있고,
    상기 수지층 및 상기 제2 도전층에는 관통구멍이 형성되어 있고,
    상기 관통구멍에는 코일 및 코어가 형성되고,
    상기 제1 도전층에는 상기 코일이 전기적으로 접합됨과 함께 상기 코어가 열적으로 접합되어 있는 전자기기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파워 소자를 상기 제2 도전층에 접속하기 위해, 상기 수지층을 통과하도록, 상기 파워 소자에 있어서의 상기 제2 도전층을 향하는 평면에 대하여 수직 방향으로 연장되는 복수의 도전 부재를 추가로 구비하는 전자기기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 도전 부재는 판 형상인 전자기기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파워 소자가, 상기 제1 도전층, 상기 수지층 및 상기 제2 도전층이 적층되는 방향인 적층 방향에 있어서 상기 제어 소자와 겹쳐 있는 전자기기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방열 부재와 상기 제1 도전층의 사이에는, 상기 수지층보다도 높은 열전도율을 갖는 고열전도 절연층이 개재되어 있는 전자기기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파워 소자는 MOSFET이고, 상기 제1 도전층에 대하여 베어 칩 실장되어 있는 전자기기.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 도전층의 두께는, 상기 제2 도전층의 두께보다도 큰 전자기기.


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