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JP2011066281A - 発熱デバイス - Google Patents

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heat generating
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Masakata Kanbe
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Tokai Rika Co Ltd
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Abstract

【課題】放熱部材とヒートシンクとの間の熱伝導性を高めることができるとともに、コストの低廉化を図ることができる発熱デバイスを提供する。
【解決手段】発熱デバイス3は、半導体素子5と、半導体素子5からの発熱を受けて放熱し、パッケージ一部を外部に露出させて半導体素子5と共にパッケージ9によって封止されたヒートシンク6と、ヒートシンク6の外部露出部に溶接され、ヒートシンク6からの熱を受けて放熱する放熱部材7とを備えた。
【選択図】図3

Description

本発明は、発熱デバイスに関し、特にパッケージでチップ素子を封止してなるパワーモジュール等の発熱デバイスに関する。
従来の発熱デバイスには、例えば自動車等に搭載され、比較的大きな電力を必要とする電力用トランジスタを含むパワーモジュールがある(例えば特許文献1)。
この種の発熱デバイスは、シリコンチップ及び放熱板を有し、ヒートシンクに取り付けられている。
シリコンチップは、半導体集積回路を内蔵し、放熱板に半田によって接合されている。
放熱板は、ヒートシンクに放熱グリスを介して接合され、全体が一部に導電部材を含浸してなるセラミックスによって形成されている。
以上の構成により、シリコンチップで発生した熱が半田を介して放熱板に伝達され、さらに放熱板から放熱グリスを介してヒートシンクに伝達され、ヒートシンクから外部に放散される。
特開2001−135758号公報
しかし、従来の発熱デバイスによると、放熱板とヒートシンクとの間に放熱グリスを介在させるため、熱抵抗が増大し、放熱板とヒートシンクとの間の熱伝導性が低下するという問題があった。また、放熱グリスの存在によって部品点数が嵩み、コスト高になるという問題もあった。
従って、本発明の目的は、放熱部材とヒートシンクとの間の熱伝導性を高めることができるとともに、コストの低廉化を図ることができる発熱デバイスを提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するために、(1)〜(3)の発熱デバイスを提供する。
(1)発熱素子と、前記発熱素子からの発熱を受けて放熱し、一部を外部に露出させて前記発熱素子と共にパッケージによって封止されたヒートシンクと、前記ヒートシンクの外部露出部に溶接され、前記ヒートシンクからの熱を受けて放熱する放熱部材とを備えた発熱デバイス。
(2)上記(1)に記載の発熱デバイスにおいて、前記放熱部材は、前記ヒートシンクの外部露出部を開口面内に位置付ける貫通孔を有する。
(3)上記(2)に記載の発熱デバイスにおいて、前記放熱部材は、前記貫通孔のヒートシンク側開口周縁に沿って前記ヒートシンクに溶接されている。
本発明によると、放熱部材とヒートシンクとの間の熱伝導性を高めることができるとともに、コストの低廉化を図ることができる。
本発明の実施の形態に係る発熱デバイスが適用された発熱デバイス装置を説明するために示す斜視図。 図1のA−A断面図。 本発明の実施の形態に係る発熱デバイスを説明するために示す斜視図。 本発明の実施の形態に係る発熱デバイスを説明するために示す背面図。 (a)及び(b)は、図4の要部を示す背面図とB−B断面図。(a)は背面図を、また(b)はB−B断面図をそれぞれ示す。
〔実施の形態〕
(発熱デバイス装置の全体構成)
図1は発熱デバイス装置の全体を示す。図2は発熱デバイス装置の背面側を示す。図1に示すように、発熱デバイス装置1は、コネクタ2及び発熱デバイス3を備え、回路基板としてのプリント配線板4(図2に示す)上に実装されている。
(コネクタ2の構成)
コネクタ2は、図1に示すように、外部接続用のコネクタ端子20〜22、及びこれらコネクタ端子20〜22を保持するコネクタハウジング23を有している。
コネクタ端子20は、発熱デバイス3のコレクタ端子10(後述)に接続するコレクタ端子側接続部20a、及び外部接続端子(図示せず)に係脱可能に接続する外部接続部20bからなり、ハウジング23に一体化されている。コネクタ端子20の材料としては、例えば黄銅,りん青銅等の導電性材料が用いられる。
コネクタ端子21は、発熱デバイス3のベース端子11(後述)に接続するベース側接続部21a、及び外部接続端子(図示せず)に係脱可能に接続する外部接続部21bからなり、コネクタ端子20に並列してコネクタハウジング23に一体化されている。コネクタ端子21の材料としては、コネクタ端子20の材料と同一の材料が用いられる。
コネクタ端子22は、発熱デバイス3のエミッタ端子12(後述)に接続するエミッタ端子側接続部22a、及び外部接続端子(図示せず)に係脱可能に接続する外部接続部22bからなり、コネクタ端子20に並列してコネクタハウジング23に一体化されている。
コネクタハウジング23は、全体が例えばPBT(ポリブチレンテレフタレート)樹脂等のエンジニアリングプラスチックによって形成されている。コネクタハウジング23の一方側には、コネクタ端子20〜22の外部接続部20b〜22bを収容する第1収容空間23aが内部に設けられている。コネクタハウジング23の他方側には、発熱デバイス3を収容する第2収容空間23b、及びこの第2収容空間23aの一部を形成してコネクタ端子10の水平部10b(後述),コネクタ端子21のベース端子側接続部21a,コネクタ端子22のエミッタ端子側接続部22aを載置する端子台23cが設けられている。
プリント配線板4は、図2に示すように、回路パターン(図示せず)を有する基部材によって形成されている。プリント配線板4の基部材としては、例えばセラミックやエポキシ樹脂等の絶縁性部材が用いられる。
(発熱デバイス3の構成)
図3は発熱デバイスの全体を示す。図4は発熱デバイスの背面側を示す。図5(a)及び(b)は発熱デバイスの要部を示す。図3に示すように、発熱デバイス3は、半導体素子5,ヒートシンク6及び放熱部材7を有する例えばパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),パワートランジスタなど電力用半導体装置としてのパワーモジュールからなり、コネクタ2及びプリント配線板4(共に図2に示す)に接続され、かつコネクタハウジング23(図1に示す)の第2収容空間23bdに収容されている。また、発熱デバイス3は、インサート成形によってコネクタ端子20〜22(図1に示す)と共にコネクタハウジング23に一体化されている。
発熱デバイス3とコネクタハウジング23の一体化は、発熱デバイス3のコレクタ端子10,ベース端子11及びエミッタ端子12にそれぞれコネクタ2のコネクタ端子20〜22(図2に示す)を溶接し、これらを金型内に配置した後、コネクタハウジング形成用の例えばエポキシ樹脂を溶融した状態で注入して固化させることにより行われる。この際、端子等は、その接続箇所が溶接接合であるため、エポキシ樹脂の金型への注入によって溶融することはない。
半導体素子5は、図3及び図4に示すように、半導体集積回路(図示せず)を内蔵する発熱素子であり、コレクタ電極導体板8上に搭載され、かつパッケージ9によって封止されている。パッケージ9の材料としては、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を主成分とするモールド材が用いられる。
コレクタ電極導体板8は、複数の半導体素子5を搭載する搭載部8aを有し、パッケージ9によって封止され、全体が例えば黄銅等の銅系金属からなる材料によって形成されている。コレクタ電極導体板8には、外部接続用のコレクタ端子10がその一部を外部に露出させて一体に設けられている。コレクタ端子10の一方側にはベース端子11が、またその他方側にはエミッタ端子12がそれぞれ配置されている。
コレクタ端子10は、その表面から立ち上がる垂直部10a、及びコネクタハウジング23の端子台23c(図2に示す)に載置される水平部10bを有し、コネクタ端子20のコレクタ端子側接続部20aに溶接されている。
ベース端子11はコネクタハウジング23の端子台23c(図2に示す)に載置され、かつコネクタ端子21のベース端子側接続部21a(図2に示す)に溶接されている。また、ベース端子11は、半導体素子5にアルミニウム(Al)等のボンディングワイヤ13を介して接続されている。
エミッタ端子12は、コネクタハウジング23の端子台23c(図2に示す)に載置され、かつコネクタ端子22のエミッタ端子側接続部22a(図2に示す)に溶接されている。また、エミッタ端子12は、半導体素子5にボンディングワイヤ13を介して接続されている。
(ヒートシンク6の構成)
ヒートシンク6は、図4に示すように、放熱部6a及び連結部6bを有し、コレクタ電極導体板8に一体に設けられ、全体が平面略T字状の板部材によって形成されている。ヒートシンク6の厚さは、コレクタ電極導体板8の板厚よりも大きい寸法に設定されている。
放熱部6aは、外縁が放熱部材7に例えばレーザ光によって隅肉溶接されている。これにより、ヒートシンク6と放熱部材7との接合箇所において連続性が得られ、熱抵抗を低減することができる。また、従来のようにはヒートシンク6と放熱部材7との間に放熱グリス等が介在しないため、部品点数を削減することができる。隅肉溶接には例えばCOレーザやYAGレーザが用いられる。そして、放熱部3aは、複数の半導体素子5からの発熱を受けて放熱するとともに、複数の半導体5からの熱を放熱部材7に伝達するように構成されている。
連結部6bは、放熱部6aと同様に放熱機能及び熱伝達機能を有し、一部を外部に露出させてパッケージ9によって封止され、かつ放熱部6aに一体に形成されている。そして、連結部6は、ヒートシンク6をコレクタ電極導体板8に連結するように構成されている。
(放熱部材7の構成)
放熱部材7は、図4に示すように、ヒートシンク6の外部露出部としての放熱部6a及び連結部6bの一部を開口面内に位置付ける貫通孔7aを有し、ヒートシンク6の背面に接触して配置され、全体が例えば黄銅等の銅系金属からなる矩形板によって形成されている。また、放熱部材7は、図5(a)及び(b)に示すように、貫通孔7aのヒートシンク側開口周縁に沿ってレーザ光Lを照射し、ヒートシンク6に例えば隅肉溶接されている。これにより、ヒートシンク6と放熱部材7との接合箇所において連続性が得られ、熱抵抗を低減することができる。また、従来のようにはヒートシンク6と放熱部材7との間に放熱グリス等が介在しないため、部品点数を削減することができる。放熱部材7の厚さは、約0,6〜2mmの寸法に設定されている。なお、放熱部材7は、熱伝導経路(図示せず)に接続する構成とすることも可能である。
このように構成された発熱デバイス装置1においては、半導体素子5が使用によって発熱すると、この複数の半導体素子5からの熱がコレクタ電極導体板8を介してヒートシンク6に伝達される。この際、ヒートシンク6に伝達された熱の一部が放熱部6aから、また放熱部6a及び連結部6bから貫通孔4aを介してそれぞれ外部に放熱される。さらには、半導体素子5からの熱がヒートシンク6から放熱部材7に伝達され、放熱部材7から周囲に放熱される。
[実施の形態の効果]
以上説明した実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。
(1)ヒートシンク6と放熱部材7との間の熱抵抗を低減して熱伝導性を高めることができる。
(2)従来のようにはヒートシンク6と放熱部材7との間に放熱グリス等が介在しないため、発熱デバイス3の部品点数を削減することができ、コストの低廉化及びデバイス全体の小型化を図ることができる。
(3)コネクタ2と発熱デバイス3とが一体化されているため、発熱デバイス装置1の部品点数を削減することができ、装置全体の小型化を図ることができる。
(4)コネクタ2及び発熱デバイス3のプリント配線板4に対する組み付けが一挙に行えるため、部品組付時の組付工数を削減することができ、部品組付作業の簡素化を図ることができる。
以上、本発明の発熱デバイスを上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。
(1)上記実施の形態では、発熱デバイス3がパワーMOSFET,パワートランジスタからなるパワーモジュールである場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等からなる発熱デバイスであってもよい。
(2)上記実施の形態では、放熱部材7の貫通孔7aが単数である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、複数の貫通孔であってもよく、貫通孔の個数は放熱部材に対するヒートシンクの熱伝達面積や取付強度等を考慮して設定される。
1…発熱デバイス装置、2…コネクタ、20…コネクタ端子、20a…コレクタ端子側接続部、20b…外部接続部、21…コネクタ端子、21a…ベース端子側接続部、21b…外部接続部、22…コネクタ端子、22a…エミッタ端子側接続部、22b…外部接続部、23…コネクタハウジング、23a…第1収容空間、23b…第2収容空間、23c…端子台、3…発熱デバイス、4…プリント配線板、5…半導体素子、6…ヒートシンク、6a…放熱部、6b…連結部、7…放熱部材、7a…貫通孔、8…コレクタ電極導体板、9…パッケージ、10…コレクタ端子、10a…垂直部、10b…水平部、11…ベース端子、12…エミッタ端子

Claims (3)

  1. 発熱素子と、
    前記発熱素子からの発熱を受けて放熱し、一部を外部に露出させて前記発熱素子と共にパッケージによって封止されたヒートシンクと、
    前記ヒートシンクの外部露出部に溶接され、前記ヒートシンクからの熱を受けて放熱する放熱部材と
    を備えた発熱デバイス。
  2. 前記放熱部材は、前記ヒートシンクの外部露出部を開口面内に位置付ける貫通孔を有する請求項1に記載の発熱デバイス。
  3. 前記放熱部材は、前記貫通孔のヒートシンク側開口周縁に沿って前記ヒートシンクに溶接されている請求項2に記載の発熱デバイス。
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