JP5748577B2 - 半導体モジュール取付構造及び空気調和装置の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュール取付構造及びこの取付構造を備えた空気調和装置の制御装置に関するものである。

従来より、パワー素子等の発熱素子が搭載された半導体モジュールの取付構造では、半導体モジュールに放熱板をネジ留めして固定し、半導体モジュールから発生する熱を放熱板から放熱するようにした構成が一般的である（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２３２５２７号公報（図１）

上記特許文献１では、半導体モジュールから発生する熱の放熱については考慮されているものの、半導体モジュールから発生する電磁ノイズについては考慮されておらず、電磁ノイズによる周辺電子部品の誤動作等が問題となっていた。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、半導体モジュールから発生する熱と電磁ノイズの拡散を抑制することができる半導体モジュール取付構造及びその半導体モジュール取付構造を備えた空気調和装置の制御装置を得ることを目的とする。

本発明に係る半導体モジュール取付構造は、放熱面に放熱板が密着固定された半導体モジュールを電磁ノイズ遮蔽カバーで覆い、電磁ノイズ遮蔽カバーは、半導体モジュールの樹脂成形部を収容する凹部と、凹部の底面に形成され、半導体モジュールのリードピンを挿通する挿通孔とを有し、挿通孔に半導体モジュールのリードピンを挿通して樹脂成形部を凹部内に収容した状態で電磁ノイズ遮蔽カバー、半導体モジュール及び放熱板がこの順で一体的に固定されているものである。

本発明によれば、半導体モジュールから発生する熱と電磁ノイズの拡散を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体モジュール取付構造を示す分解斜視図である。 図１の断面図である。 図１の電磁ノイズ遮蔽カバーの斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体モジュール取付構造の断面図である。 図４の電磁ノイズ遮蔽カバーと金属プレート部分の分解斜視図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュール取付構造を示す分解斜視図である。図２は図１の断面図である。図３は、図１の電磁ノイズ遮蔽カバーの斜視図である。図１、図２及び後述の図において、同一の符号を付したものは、同一の又はこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。

半導体モジュール取付構造は、半導体モジュール１０の放熱面１０ａに放熱板３０を密着固定すると共に、半導体モジュール１０を、電磁ノイズ遮蔽効果を有する電磁ノイズ遮蔽カバー２０で覆った構造を有している。

半導体モジュール１０は、例えばＩＧＢＴやワイドバンドギャップ半導体により形成されたスイッチング素子等の発熱素子であるパワー素子を備えている。ワイドバンドギャップ半導体とは、シリコン（Ｓｉ）素子と比較して、バンドギャップが大きい半導体素子の総称であり、炭化ケイ素（ＳｉＣ）素子の他、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド素子等が挙げられる。ワイドバンドギャップ半導体は、耐熱温度が高く（約４００℃）、高温動作や高速スイッチング動作が可能であるといった特徴がある。

半導体モジュール１０は、樹脂成形部１１の両側面から複数のリードピン１２が突出した構成を有し、樹脂成形部１１には半導体モジュール１０を放熱板３０に取付けるための取付穴１３が形成されている。

電磁ノイズ遮蔽カバー２０は、半導体モジュール１０を内部に収容するための凹部２１と凹部２１の開口から外方に延びるフランジ２１ａとを有している。凹部２１には半導体モジュール１０のリードピン１２を挿通するためのリードピン挿通穴２２と、半導体モジュール１０の取付穴１３に対応して取付穴２３とが形成されている。フランジ２１ａには放熱板３０との取付に用いられる取付穴２４が形成されている。

電磁ノイズ遮蔽カバー２０は、半導体モジュール１０から発生する電磁ノイズの拡散を抑制するための電磁ノイズ遮蔽効果を有している。この電磁ノイズ遮蔽効果は、基材材質に電磁波吸収特性を有するフェライト系の磁性体粉末を混入又は塗布するようにすればよい。また、電磁ノイズ遮蔽カバー２０の内面に銅、ニッケル、クロム等の金属系材料によるメッキ処理を施す方法も有効である。

また、電磁ノイズ遮蔽カバー２０は、半導体モジュール１０から発生する多量の熱がプリント基板４０に伝わるのを抑制するため、耐熱性及び断熱性を有する材質で形成されることが好ましく、ここではフェノール系の樹脂により形成されている。また、電磁ノイズ遮蔽カバー２０は半導体モジュール１０のリードピン１２への接触が想定されるため、トラッキングを起こし難い、CTI（Comparative Tracking Index）値が大きい素材を用いて構成することが望ましい。また、電磁ノイズ遮蔽カバー２０はネジ留めされる際に破断したり変形したりすることの無いように十分な強度を確保する必要がある。

放熱板３０は、例えばアルミ等の熱伝導率が良好な金属製で形成され、半導体モジュール１０の取付箇所には、半導体モジュール１０の取付穴１３に対応するネジ穴３１と、電磁ノイズ遮蔽カバー２０の取付穴２４に対応するネジ穴３２が形成されている。なお、放熱板３０の形状は図１の形状に限定されるものではない。

プリント基板４０は、電磁ノイズ遮蔽カバー２０の取付穴２３及び取付穴２４に対応して取付作業用開孔４１及び取付作業用開孔４２が形成されている。

次に、半導体モジュール取付構造の取付手順について説明する。
まず、電磁ノイズ遮蔽カバー２０の凹部２１に半導体モジュール１０を収容する。この際、半導体モジュール１０のリードピン１２を電磁ノイズ遮蔽カバー２０のリードピン挿通穴２２に挿通して突出させる。そして、電磁ノイズ遮蔽カバー２０から突出したリードピン１２を、プリント基板４０上に形成されている電極部（図示せず）に挿入してはんだ付けする。ついで、プリント基板４０に設けた取付作業用開孔４１を通じて電磁ノイズ遮蔽カバー２０の取付穴２３及び半導体モジュール１０の取付穴１３にネジ５１を通し、放熱板３０のネジ穴３１に螺合することで３者を一体的に固定する。そして更に、プリント基板４０に設けた取付作業用開孔４２を通じて電磁ノイズ遮蔽カバー２０の取付穴２４にネジ５２を通し、放熱板３０のネジ穴３２に螺合することで電磁ノイズ遮蔽カバー２０と放熱板３０とを更に一体に固定する。以上により半導体モジュール１０が放熱板３０に密着した状態で固定される。

このように構成された半導体モジュール取付構造では、半導体モジュール１０の樹脂成形部１１が電磁ノイズ遮蔽カバー２０の凹部２１によって覆われているため、半導体モジュール１０から発生した電磁ノイズが電磁ノイズ遮蔽カバー２０により遮蔽され、プリント基板４０側に拡散することが抑制される。また、半導体モジュール１０から発生した熱は、放熱板３０に伝達されて放熱される。なお、半導体モジュール１０の放熱板３０側と反対側は電磁ノイズ遮蔽カバー２０にて覆われており、電磁ノイズ遮蔽カバー２０が断熱性を有することから、半導体モジュール１０の熱はプリント基板４０側へは伝達されず、電磁ノイズ遮蔽カバー２０と放熱板３０との間に封じ込められ、放熱板３０側へ集中して熱が伝達されて放熱される。

以上説明したように本実施の形態１によれば、電磁ノイズの発生源である半導体モジュール１０を電磁ノイズ遮蔽カバー２０で覆うようにしたので、電磁ノイズの拡散を抑制でき、電磁ノイズによる周辺電子部品の動作不良を抑制できる。また、半導体モジュール１０を電磁ノイズ遮蔽カバー２０にて覆って半導体モジュール１０からの発生熱を封じ込めるようにしたので、放熱板３０からの放熱効果を高めることができる。なお、電磁ノイズ遮蔽カバー２０は断熱性を有するため、熱の封じ込め効果が高く、放熱板３０からの放熱効果を十分に高いものとすることができる。これにより、プリント基板４０やその周囲部品における熱ストレスを軽減できる。これらの結果、部品寿命の延命を図ることができ、引いてはプリント基板４０やこの半導体モジュール１０の取付構造が組み込まれる機器の品質向上を図ることができる。

また、半導体モジュール１０を、ワイドバンドギャップ半導体を備えた構成とし、高温状態及び高速スイッチング動作にて使用する場合は、熱及び電磁ノイズの拡散抑制効果が特に大きく、他の部品への熱ストレスの軽減が可能で、設計制約の緩和に繋がる効果が期待できる。

実施の形態２．
実施の形態２は、図１に示した実施の形態１に更に放熱促進用の金属プレートを設けたものである。以下、実施の形態２が実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。

図４は、本発明の実施の形態２に係る半導体モジュール取付構造の断面図である。図４の矢印は、半導体モジュールから発生した熱の流れを示している。図５は、図４の電磁ノイズ遮蔽カバーと金属プレート部分の分解斜視図である。実施の形態２の半導体モジュール取付構造において、金属プレート６０以外の構成は図１に示した実施の形態１と同様である。
金属プレート６０は、電磁ノイズ遮蔽カバー２０の内側に装着される形状となっており、電磁ノイズ遮蔽カバー２０の凹部２１内に嵌る嵌合部６１と嵌合部６１の両端から外方に延びるフランジ６１ａとを有している。金属プレート６０の形状はこの形状に限られず、電磁ノイズ遮蔽カバー２０の内側全体に沿う形状としてもよい。嵌合部６１には、電磁ノイズ遮蔽カバー２０と同様に半導体モジュール１０のリードピン１２と対応する部分に、リードピン１２が挿通するリードピン挿通用の切欠き６２が設けられている。また、嵌合部６１には電磁ノイズ遮蔽カバー２０の取付穴２３に対応して取付穴６３が設けられ、フランジ６１ａには電磁ノイズ遮蔽カバー２０の取付穴２４に対応して取付穴６４が設けられている。

金属プレート６０は、電磁ノイズ遮蔽カバー２０よりも熱伝導性が高く形成され、材質としては熱伝導性の高い例えば銅を使用する。また、金属プレート６０にも電磁ノイズ遮蔽効果を付与することが望ましく、この場合、ニッケル、クロム等のメッキ処理を施せばよい。

金属プレート６０は電磁ノイズ遮蔽カバー２０の内側に装着されて電磁ノイズ遮蔽カバー２０と一体に扱われ、実施の形態１と同様にして固定される。この固定状態において金属プレート６０の嵌合部６１の底部は半導体モジュール１０の放熱板３０と反対側の面に密着し、フランジ６１ａが放熱板３０に密着した状態となっている。

このように構成された半導体モジュール取付構造において、半導体モジュール１０から発生した熱は、半導体モジュール１０の放熱面１０ａから直接放熱板３０に伝わる他、金属プレート６０の嵌合部６１にも伝わる。嵌合部６１に伝わった熱は、図４の矢印で示すようにフランジ６１ａへと伝達されて最終的に放熱板３０に伝わり、空気中に放熱される。

以上説明したように本実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果が得られると共に、金属プレート６０を設けて半導体モジュール１０において放熱板３０と接触していない面側の熱も放熱板３０に導くようにしたので、放熱特性を向上させることができる。

上記実施の形態１及び実施の形態２における半導体モジュール取付構造は、例えば空気調和装置の制御装置に適用され、送風機等のモータを駆動する３相インバータ回路が形成された半導体モジュール取付構造として用いられる。

１０ 半導体モジュール、１０ａ 放熱面、１１ 樹脂成形部、１２ リードピン、１３ 取付穴、２０ 電磁ノイズ遮蔽カバー、２１ 凹部、２１ａ フランジ、２２ リードピン挿通穴、２３ 取付穴、２４ 取付穴、３０ 放熱板、３１ ネジ穴、３２ ネジ穴、４０ プリント基板、４１ 取付作業用開孔、４２ 取付作業用開孔、５１ ネジ、５２ ネジ、６０ 金属プレート、６１ 嵌合部、６１ａ フランジ、６２ 切欠き、６３ 取付穴、６４ 取付穴。

Claims (7)

1. 放熱面に放熱板が密着固定された半導体モジュールを電磁ノイズ遮蔽カバーで覆い、
   前記電磁ノイズ遮蔽カバーは、前記半導体モジュールの樹脂成形部を収容する凹部と、前記凹部の底面に形成され、前記半導体モジュールのリードピンを挿通する挿通孔とを有し、
   前記挿通孔に前記半導体モジュールのリードピンを挿通して前記樹脂成形部を前記凹部内に収容した状態で前記電磁ノイズ遮蔽カバー、前記半導体モジュール及び前記放熱板がこの順で一体的に固定されていることを特徴とする半導体モジュール取付構造。
2. 前記電磁ノイズ遮蔽カバーと前記半導体モジュールとの間に、前記半導体モジュール及び前記放熱板の両方に密着するように前記電磁ノイズ遮蔽カバーよりも熱伝導性が高い金属プレートを配置したことを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール取付構造。
3. 放熱面に放熱板が密着固定された半導体モジュールを電磁ノイズ遮蔽カバーで覆い、
   前記電磁ノイズ遮蔽カバーと前記半導体モジュールとの間に、前記半導体モジュール及び前記放熱板の両方に密着するように前記電磁ノイズ遮蔽カバーよりも熱伝導性が高い金属プレートを配置したことを特徴とする半導体モジュール取付構造。
4. 前記電磁ノイズ遮蔽カバーは断熱性を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の半導体モジュール取付構造。
5. 前記半導体モジュールはワイドバンドギャップ半導体により形成されたパワー素子を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の半導体モジュール取付構造。
6. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、ＳｉＣ、ＧａＮ又はダイヤモンドの何れかであることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の半導体モジュール取付構造。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の半導体モジュール取付構造を備えたことを特徴とする空気調和装置の制御装置。

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