JP3858834B2 - 半導体素子の放熱器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気・電子回路に使用される半導体素子の放熱器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気・電子回路に使用される半導体素子においては、その半導体素子での電力損失を原因として発熱が生じる。これらの半導体素子の発熱による破壊を防止するために、一般的には放熱器が設けられる。音声信号等の小電力信号を大電力信号に増幅するリニア型の電力増幅器においては、半導体素子での電力損失による発熱が多くなり、放熱器には表面積ならびに体積の大きなものが必要となる。半導体素子と密着して設置される放熱器は、多くの場合にはアルミニウム等の金属から構成され、発生した熱を放熱する。
【０００３】
パルス幅変調された小電力信号を半導体スイッチング素子（代表的には、トランジスタ、または、ＭＯＳＦＥＴ）により電力増幅する増幅器においては、上記の電力増幅器に比べると発熱は少ないものの、特に、出力が大きな電力増幅器の場合には、これらスイッチング動作を行う半導体素子には大きな電流が流れるので、半導体素子での電力損失による発熱が多くなり、放熱器が必要になる。
【０００４】
密着して設置される半導体素子と上記金属からなる放熱器との間には、容量結合が生じる。半導体素子が高い周波数でスイッチング動作を行う結果、大きな電流により生じる高周波ノイズは、上記の結合容量を介して放熱器にノイズ電流として流れ、大きな表面積ならびに体積を有する放熱器をアンテナとして放射される。放射される高周波ノイズは、他の電子機器に悪影響を与えるため、低減することが求められる。
【０００５】
従来には、放熱器から放射される高周波ノイズを低減するために、半導体素子と放熱器との間に熱伝導性を有するスペーサーを設け、半導体素子と放熱器との距離を大きくすることにより容量結合を減少させて、高周波ノイズの放射低減を図っている。ただし、この場合には放熱効果が悪化するため、スペーサーによって半導体素子と放熱器との間に距離を大きくするには限界がある。
【０００６】
さらに従来には、放熱器と電子機器の筐体（シャーシ）を電気的に接続することにより、放熱器に流れたノイズ電流を接地されたシャーシに流すことで、高周波ノイズの放射低減を図っている。また、他には、半導体素子（ＣＰＵ）と放熱器の間に誘電材料を介し、放熱器と電子機器の筐体との間を導電性の接続線で接続している。誘電材料を介することにより、半導体素子と放熱器を積極的に容量結合させ、放熱器に流れる高周波のノイズ電流をシャーシに流している（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２８５３６１８号公報 （第１−３頁、第１図）
【０００８】
しかし、上記の放熱器においては、半導体素子に流れる電流が大きくなるにつれて、放熱器およびシャーシに流れる高周波のノイズ電流も大きくなる。その結果、放熱器から接続線を介してシャーシに流れるノイズ電流は、接続線およびシャーシを通じて機構的に大きなループを構成するため、実際には大きな高周波ノイズを放射する。つまり、従来の放熱器ならびに放熱構造においては、放熱器が放射する高周波ノイズを十分に低減することができない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来の技術が有する問題を解決するためになされたものであり、その目的は、電気・電子回路に使用される半導体素子の放熱器であって、半導体素子に流れる電流が大きい場合であっても、高周波ノイズの放射が少なく、さらに、放熱効果に優れた放熱器を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１１】
本発明の半導体素子の放熱器は、半導体素子と密着して設置される第１放熱器と、第１放熱器と密着して設置される第２放熱器とを備え、第１放熱器および第２放熱器が、それぞれ第１接続手段および第２接続手段により、半導体素子への電源供給回路に接続されている。
【００１２】
好ましい実施形態においては、上記の第１放熱器を構成する金属材料の電気抵抗率が、第２放熱器を構成する金属材料の電気抵抗率よりも小さく設定される。
【００１３】
好ましい実施形態においては、上記の第１放熱器を構成する金属材料の熱伝導率が、第２放熱器を構成する金属材料の熱伝導率よりも大きく設定される。
【００１４】
さらに好ましい実施形態においては、第１放熱器を構成する金属材料が銅を含有し、第２放熱器を構成する金属材料がアルミニウムまたはマグネシウムを含有する。
【００１５】
さらに好ましい実施形態においては、第１放熱器および第１接続手段が、一体に構成されている。
【００１６】
さらに好ましい実施形態においては、半導体素子と第１放熱器、または、第１放熱器と第２放熱器が、絶縁性および熱伝導性を有する介在部材を介して密着する。
【００１７】
以下、本発明の作用について説明する。
【００１８】
本発明の半導体素子の放熱器は、半導体素子と密着して設置される第１放熱器と、第１放熱器と密着して設置される第２放熱器とを備える。半導体素子と密着する第１放熱器には容量結合が発生し、その結果、半導体素子で大きな電流により生じる高周波ノイズは、第１放熱器にノイズ電流を生じ、同様に、第２放熱器にもノイズ電流を生じる。本発明の第１放熱器および第２放熱器は、それぞれ第１接続手段および第２接続手段により、半導体素子への電源供給回路に接続されている。半導体素子への電源供給回路とは、例えば、スイッチング増幅器におけるＭＯＳＦＥＴ等に代表される半導体スイッチング素子がＯＮ／ＯＦＦを行う電源を意味し、グランドと直流電位を有し、さらに、これらの間に接続されて高周波をバイパスしてスイッチング動作の基準点を構成するコンデンサを有する。このコンデンサは、半導体スイッチング素子の近傍に設置される。さらに、このコンデンサは、電源供給回路の２つの直流電位の間に接続される場合もある。従って、本発明においては、第１放熱器および第２放熱器に流れるノイズ電流をそれぞれ第１接続手段および第２接続手段を介して半導体素子への電源供給回路のコンデンサでバイパスすることで、ノイズ電流のループを最短にすることができるので、高周波ノイズの放射を少なくすることができる。
【００１９】
本発明の半導体素子の放熱器は、半導体素子から第２放熱器への距離を大きくすることができるので、半導体素子に密着している第１放熱器に生じるノイズ電流よりも、第２放熱器に生じるノイズ電流を小さくすることができる。加えて、好ましくは、第１放熱器を構成する金属材料の電気抵抗率が、第２放熱器を構成する金属材料の電気抵抗率よりも小さく設定されている。従って、第２放熱器に生じるノイズ電流をさらに小さくすることができる。
【００２０】
さらに、好ましくは、本発明の第１放熱器を構成する金属材料の熱伝導率が、第２放熱器を構成する金属材料の熱伝導率よりも大きく設定されている。従って、第１放熱器は、半導体素子で発生した熱を、放熱のために第１放熱器よりも表面積ならびに体積が大きい第２放熱器に良好に伝達することができる。
【００２１】
代表的には、本発明の第１放熱器を構成する金属材料は、銅を含有し、第２放熱器を構成する金属材料は、アルミニウムまたはマグネシウムを含有する。その結果、放熱のために第１放熱器よりも表面積ならびに体積が大きいことにより高周波ノイズを放射しやすい第２放熱器からの高周波ノイズの放射を少なくすることができる。
【００２２】
さらに、好ましくは、本発明の第１放熱器および第１接続手段は、一体に構成されている。代表的には、本発明の第１放熱器を構成する金属材料が銅を含有する場合には、第１接続手段は、銅を含有する金属板を延設して折曲げ加工することにより構成され、半導体素子への電源供給回路に接続される。本発明の第１放熱器および第１接続手段が一体に成形される結果、電気的なインピーダンスが低下するので、さらに第１放熱器にノイズ電流が流れやすくなり、第２放熱器にノイズ電流を流れにくくすることができ、さらに第２放熱器からの高周波ノイズの放射を少なくすることができる。
【００２３】
さらに、好ましくは、半導体素子と第１放熱器、または、第１放熱器と第２放熱器が、絶縁性および熱伝導性を有する介在部材を介して密着する。半導体素子が、ドレイン基板が露出した構造を有するＭＯＳＦＥＴである場合などでは、半導体素子と金属から構成される放熱器は、絶縁性および熱伝導性を有するシート等の介在部材を介して密着することで、半導体素子と第1放熱器は絶縁を保つことができ、半導体素子で生じた熱を第1放熱器へ良好に伝達することができる。加えて、上記の介在部材を設けることは、適切に半導体素子と第１放熱器との距離、または、第１放熱器と第２放熱器との距離を大きくすることによって結合容量を低減することになるため、さらに高周波ノイズの放射を少なくすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態による半導体素子の放熱器について説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。
【００２５】
図１は、本発明の好ましい実施形態による半導体素子の放熱器を説明する斜視図である。半導体素子１０ａおよび１０ｂは、回路基板１に取付けられて電気回路と接続しており、回路基板１には、半導体素子への電源供給回路のコンデンサ２が半導体素子１０ａおよび１０ｂの近傍に設けられている。半導体素子１０ａおよび１０ｂには、第１放熱器１１が密着して取付けられ、第１放熱器１１には、第２放熱器１２が密着して取付けられている。
【００２６】
なお、説明のために、図においては、回路基板１とコンデンサ２を透明に表示し、回路基板１の裏面に設けられる銅箔パターン３および第１放熱器１１とコンデンサ２を接続する第１接続手段２１を点線で描いている。また、上記の放熱器の取付けは、代表的には、半導体素子１０ａおよび１０ｂに設けられた貫通穴にネジを通し、半導体素子と第１放熱器１１および第２放熱器１２とをネジ止めするが、図においては、上記のネジは省略している。
【００２７】
代表的には、半導体素子１０ａおよび１０ｂは、電気・電子回路に使用される半導体素子であって、特に、電力増幅器、電源回路、またはモーター駆動回路に使用されるスイッチング素子、あるいは、電子回路に使用される演算素子である。以下、これらの半導体素子が、スイッチング増幅器におけるＭＯＳＦＥＴである場合について説明する。なお、本発明の半導体素子の放熱器は、図のように２個の半導体素子を使用する場合に限られるものではなく、１個である場合ならびに３個以上の場合でもよく、半導体素子の個数に制限されない。
【００２８】
図１のＭＯＳＦＥＴ１０ａおよび１０ｂは、樹脂材料によりモールド被覆されて、ＭＯＳＦＥＴのドレイン基板および電極とは絶縁されている。ＭＯＳＦＥＴ１０ａおよび１０ｂと密着する第１放熱器１１を構成する金属材料は、第２放熱器１２を構成する金属材料と同一のものでよいが、異なっていてもよい。好ましくは、第１放熱器を構成する金属材料の電気抵抗率は、前記第２放熱器を構成する金属材料の電気抵抗率よりも小さく設定される。また、好ましくは、第１放熱器を構成する金属材料の熱伝導率は、前記第２放熱器を構成する金属材料の熱伝導率よりも大きく設定される。
【００２９】
ここで電気抵抗率とは、単位体積あたりの電気インピーダンスを意味し、電気抵抗率が小さいほど電流が流れやすいことを表す。また、熱伝導率とは、物質内部を移動する熱量に対する温度変化を意味し、大きいほど熱が伝わりやすいことを表す。電気抵抗率ならびに熱伝導率がこのような関係を満足する限りにおいて、第１放熱器を構成する金属材料および第２放熱器を構成する金属材料は、特に限定されない。代表的には、第１放熱器１１を構成する金属材料は、銅を含有していればよく、純銅または銅合金である。また、代表的には、第２放熱器１２を構成する金属材料は、アルミニウムまたはマグネシウムを含有していればよく、純金属または合金である。
【００３０】
ＭＯＳＦＥＴ１０ａおよび１０ｂに密着する第１放熱器１１は、ＭＯＳＦＥＴで発生した熱を第２放熱器１２に良好に伝達する。そして、第１放熱器１１よりも表面積ならびに体積が大きい第２放熱器１２から放熱され、その結果、大きな電流が流れて電力損失ならびに発熱が大きい場合であっても、ＭＯＳＦＥＴの破壊を防止することができる。
【００３１】
第１放熱器１１および第２放熱器１２は、それぞれ第１接続手段２１および第２接続手段により、ＭＯＳＦＥＴ１０ａおよび１０ｂへの電源供給回路に接続されている。ここで、第１放熱器１１および第１接続手段２１は、一体に構成されている。例えば、第１放熱器１１および第１接続手段２１は、銅を含有する厚み０．１〜５．０ｍｍ、好ましくは０．５〜２．０ｍｍの銅板を方形に成形し、さらに一部を延設して折曲げ加工して第１接続手段２１を構成する。さらに好ましくは、銅板の厚みは、入手並びに加工が容易な１．０ｍｍであればよい。この第１接続手段２１は、ＭＯＳＦＥＴの近傍に設けられるＭＯＳＦＥＴへの電源供給回路のコンデンサ２に接続されている。また、例えば、アルミニウムを含有する金属材料から構成される第２放熱器１２からは、基板１への取付部２２が折曲げ加工され、銅箔パターン３を介してＭＯＳＦＥＴへの電源供給回路のコンデンサ２に接続されており、取付部２２と銅箔パターン３とが第２接続手段を構成している。ＭＯＳＦＥＴへの電源供給回路のコンデンサ２は、ＭＯＳＦＥＴ１０ａおよび１０ｂがスイッチング動作を行う電源供給回路のグランドと直流電位の間、もしくは２つの直流電位の間に接続されており、高周波をバイパスする。
【００３２】
ＭＯＳＦＥＴ１０ａおよび１０ｂと、第１放熱器１１および第２放熱器１２との間には、容量結合が生じる。この結合容量を介し、ＭＯＳＦＥＴ１０ａおよび１０ｂでスイッチング動作される大きな電流に起因して、第１放熱器１１には高周波のノイズ電流が生じ、同様に、第２放熱器１２にもノイズ電流を生じる。本発明の放熱器は、第１放熱器１１および第２放熱器１２に流れるノイズ電流を、それぞれ第１接続手段２１および第２接続手段を介し、ＭＯＳＦＥＴ１０ａおよび１０ｂの近傍に設けられるＭＯＳＦＥＴへの電源供給回路のコンデンサ２でバイパスすることで、ノイズ電流のループを最短にすることができる。従って、第１放熱器１１および第２放熱器１２からの高周波ノイズの放射を少なくすることができる。
【００３３】
さらに、図１の実施形態のように第１放熱器１１および第２放熱器１２を設けることによって、ＭＯＳＦＥＴ１０ａおよび１０ｂに密着している第１放熱器１１に生じるノイズ電流よりも、ＭＯＳＦＥＴからの距離が大きい第２放熱器１２に生じるノイズ電流を小さくすることができる。従って、表面積ならびに体積が大きいことにより高周波ノイズを放射しやすい第２放熱器からの高周波ノイズの放射を少なくすることができる。
【００３４】
図１の実施形態においては、第１接続手段２１ならびに取付部２２と銅箔パターン３から構成される第２接続手段と、ＭＯＳＦＥＴへの電源供給回路とは、基板１の裏面側で接続されている。ＭＯＳＦＥＴへの電源供給回路のコンデンサ２は、グランドと直流電位の間、もしくは２つの直流電位の間に接続され、高周波ノイズをバイパスし、スイッチング動作の基準点を構成する。従って、上記の第１接続手段２１ならびに第２接続手段は、コンデンサ２のグランド側もしくは直流電位側のいずれかに接続されていればよい。本発明の実施形態においては、コンデンサ２は、ＭＯＳＦＥＴの近傍に設置され、第１接続手段２１ならびに第２接続手段で接続されるので、ノイズ電流のループを最短にでき、高周波ノイズの放射が減少する。
【００３５】
図２は、本発明の他の好ましい実施形態による半導体素子の放熱器を説明する斜視図である。図１の実施形態の場合と異なり、半導体素子１５ａおよび１５ｂは、例えば、樹脂材料によりモールド被覆が一部でなされていないためにドレイン基板が露出した構造を有するＭＯＳＦＥＴである。これらのＭＯＳＦＥＴのドレイン基板が異なる電位を有する場合には、ＭＯＳＦＥＴ１５ａおよび１５ｂと、金属から構成される第１放熱器１１は、絶縁のために介在部材１３ａおよび１３ｂを介して密着されている。介在部材１３ａおよび１３ｂは、例えば、シリコンゴム、樹脂、もしくはセラミックスを含有する材料から構成されるシートまたはスペーサーであり、厚みが０．１〜５．０ｍｍで、絶縁性および熱伝導性を有していればよい。ＭＯＳＦＥＴ１５ａおよび１５ｂと第１放熱器１１とが絶縁を保つことによりＭＯＳＦＥＴの破壊を防止することができ、さらに、ＭＯＳＦＥＴの発熱を第１放熱器１１に伝達することができる。加えて、介在部材１３ａおよび１３ｂを設けることは、適切にＭＯＳＦＥＴ１５ａおよび１５ｂと第１放熱器１１との距離を大きくすることによって結合容量を低減することができ、第１放熱器１１に流れるノイズ電流を少なくすることができる。
【００３６】
さらに、図２の実施形態においては、第１放熱器１１と第２放熱器１２とが、絶縁性および熱伝導性を有する介在部材１４を介して密着されている。介在部材１４は、上記の介在部材１３ａおよび１３ｂと同様のものでよい。介在部材１４を設けることにより、第１放熱器１１と第２放熱器１２との距離を大きくすることによって結合容量を低減することにより、第２放熱器１２に流れるノイズ電流を少なくすることができる結果、さらに高周波ノイズの放射を少なくすることができる。もちろん、介在部材１３ａ、１３ｂおよび介在部材１４は、いずれかの一方だけ設けても良い。
【００３７】
本発明の半導体素子の放熱器は、上記実施形態に限定されるものではない。第１放熱器は、図１または図２のような方形の板を折曲げ加工した形状のみに限られない。また、第２放熱器も、図１または図２のような放熱フィンを有するものに限られず、電子機器の筐体の一部を兼ねて使用してもよい。本発明の半導体素子の放熱器は、使用される電気回路・電子回路の基板ならびに半導体素子の形態に合わせて、適切に形状を選択すればよい。
【００３８】
また、第１放熱器とＭＯＳＦＥＴへの電源供給回路を接続する第１接続手段、および、第２放熱器とＭＯＳＦＥＴへの電源供給回路を接続する第２接続手段は、上記実施形態のような放熱器と一体に成形されたものや、取付部と銅箔パターンから構成されるものに限られない。第１接続手段および第２接続手段は、電気抵抗率の小さい電線、または、太く設けた基板銅箔パターン、あるいは、導電性の金属部品等でよく、電気的に低いインピーダンスで第１放熱器および第２放熱器とＭＯＳＦＥＴへの電源供給回路を接続する手段であればよい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の半導体素子の放熱器は、電気・電子回路に使用される半導体素子に流れる電流が大きい場合であっても、高周波ノイズの放射を少なくすることができ、さらに、放熱効果にも優れ、半導体素子の発熱が大きい場合であっても、半導体素子の破壊を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施形態による半導体素子の放熱器を説明する斜視図である。
【図２】本発明の他の好ましい実施形態による半導体素子の放熱器を説明する斜視図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ コンデンサ
３ 銅箔パターン
１０ａ ＭＯＳＦＥＴ
１０ｂ ＭＯＳＦＥＴ
１１ 第１放熱器
１２ 第２放熱器
１３ａ 介在部材
１３ｂ 介在部材
１４ 介在部材
１５ａ ＭＯＳＦＥＴ
１５ｂ ＭＯＳＦＥＴ
２１ 第１接続手段
２２ 取付部
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気・電子回路に使用される半導体素子の放熱器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気・電子回路に使用される半導体素子においては、その半導体素子での電力損失を原因として発熱が生じる。これらの半導体素子の発熱による破壊を防止するために、一般的には放熱器が設けられる。音声信号等の小電力信号を大電力信号に増幅するリニア型の電力増幅器においては、半導体素子での電力損失による発熱が多くなり、放熱器には表面積ならびに体積の大きなものが必要となる。半導体素子と密着して設置される放熱器は、多くの場合にはアルミニウム等の金属から構成され、発生した熱を放熱する。
【０００３】
パルス幅変調された小電力信号を半導体スイッチング素子（代表的には、トランジスタ、または、ＭＯＳＦＥＴ）により電力増幅する増幅器においては、上記の電力増幅器に比べると発熱は少ないものの、特に、出力が大きな電力増幅器の場合には、これらスイッチング動作を行う半導体素子には大きな電流が流れるので、半導体素子での電力損失による発熱が多くなり、放熱器が必要になる。
【０００４】
密着して設置される半導体素子と上記金属からなる放熱器との間には、容量結合が生じる。半導体素子が高い周波数でスイッチング動作を行う結果、大きな電流により生じる高周波ノイズは、上記の結合容量を介して放熱器にノイズ電流として流れ、大きな表面積ならびに体積を有する放熱器をアンテナとして放射される。放射される高周波ノイズは、他の電子機器に悪影響を与えるため、低減することが求められる。
【０００５】
従来には、放熱器から放射される高周波ノイズを低減するために、半導体素子と放熱器との間に熱伝導性を有するスペーサーを設け、半導体素子と放熱器との距離を大きくすることにより容量結合を減少させて、高周波ノイズの放射低減を図っている。ただし、この場合には放熱効果が悪化するため、スペーサーによって半導体素子と放熱器との間に距離を大きくするには限界がある。
【０００６】
さらに従来には、放熱器と電子機器の筐体（シャーシ）を電気的に接続することにより、放熱器に流れたノイズ電流を接地されたシャーシに流すことで、高周波ノイズの放射低減を図っている。また、他には、半導体素子（ＣＰＵ）と放熱器の間に誘電材料を介し、放熱器と電子機器の筐体との間を導電性の接続線で接続している。誘電材料を介することにより、半導体素子と放熱器を積極的に容量結合させ、放熱器に流れる高周波のノイズ電流をシャーシに流している（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２８５３６１８号公報 （第１−３頁、第１図）
【０００８】
しかし、上記の放熱器においては、半導体素子に流れる電流が大きくなるにつれて、放熱器およびシャーシに流れる高周波のノイズ電流も大きくなる。その結果、放熱器から接続線を介してシャーシに流れるノイズ電流は、接続線およびシャーシを通じて機構的に大きなループを構成するため、実際には大きな高周波ノイズを放射する。つまり、従来の放熱器ならびに放熱構造においては、放熱器が放射する高周波ノイズを十分に低減することができない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来の技術が有する問題を解決するためになされたものであり、その目的は、電気・電子回路に使用される半導体素子の放熱器であって、半導体素子に流れる電流が大きい場合であっても、高周波ノイズの放射が少なく、さらに、放熱効果に優れた放熱器を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１１】
本発明の半導体素子の放熱器は、半導体素子と密着して設置される第１放熱器と、第１放熱器と密着して設置される第２放熱器とを備え、第１放熱器および第２放熱器が、それぞれ第１接続手段および第２接続手段により、半導体素子への電源供給回路に接続されている。
【００１２】
好ましい実施形態においては、上記の第１放熱器を構成する金属材料の電気抵抗率が、第２放熱器を構成する金属材料の電気抵抗率よりも小さく設定される。
【００１３】
好ましい実施形態においては、上記の第１放熱器を構成する金属材料の熱伝導率が、第２放熱器を構成する金属材料の熱伝導率よりも大きく設定される。
【００１４】
さらに好ましい実施形態においては、第１放熱器を構成する金属材料が銅を含有し、第２放熱器を構成する金属材料がアルミニウムまたはマグネシウムを含有する。
【００１５】
さらに好ましい実施形態においては、第１放熱器および第１接続手段が、一体に構成されている。
【００１６】
さらに好ましい実施形態においては、半導体素子と第１放熱器、または、第１放熱器と第２放熱器が、絶縁性および熱伝導性を有する介在部材を介して密着する。
【００１７】
以下、本発明の作用について説明する。
【００１８】
本発明の半導体素子の放熱器は、半導体素子と密着して設置される第１放熱器と、第１放熱器と密着して設置される第２放熱器とを備える。半導体素子と密着する第１放熱器には容量結合が発生し、その結果、半導体素子で大きな電流により生じる高周波ノイズは、第１放熱器にノイズ電流を生じ、同様に、第２放熱器にもノイズ電流を生じる。本発明の第１放熱器および第２放熱器は、それぞれ第１接続手段および第２接続手段により、半導体素子への電源供給回路に接続されている。半導体素子への電源供給回路とは、例えば、スイッチング増幅器におけるＭＯＳＦＥＴ等に代表される半導体スイッチング素子がＯＮ／ＯＦＦを行う電源を意味し、グランドと直流電位を有し、さらに、これらの間に接続されて高周波をバイパスしてスイッチング動作の基準点を構成するコンデンサを有する。このコンデンサは、半導体スイッチング素子の近傍に設置される。さらに、このコンデンサは、電源供給回路の２つの直流電位の間に接続される場合もある。従って、本発明においては、第１放熱器および第２放熱器に流れるノイズ電流をそれぞれ第１接続手段および第２接続手段を介して半導体素子への電源供給回路のコンデンサでバイパスすることで、ノイズ電流のループを最短にすることができるので、高周波ノイズの放射を少なくすることができる。
【００１９】
本発明の半導体素子の放熱器は、半導体素子から第２放熱器への距離を大きくすることができるので、半導体素子に密着している第１放熱器に生じるノイズ電流よりも、第２放熱器に生じるノイズ電流を小さくすることができる。加えて、好ましくは、第１放熱器を構成する金属材料の電気抵抗率が、第２放熱器を構成する金属材料の電気抵抗率よりも小さく設定されている。従って、第２放熱器に生じるノイズ電流をさらに小さくすることができる。
【００２０】
さらに、好ましくは、本発明の第１放熱器を構成する金属材料の熱伝導率が、第２放熱器を構成する金属材料の熱伝導率よりも大きく設定されている。従って、第１放熱器は、半導体素子で発生した熱を、放熱のために第１放熱器よりも表面積ならびに体積が大きい第２放熱器に良好に伝達することができる。
【００２１】
代表的には、本発明の第１放熱器を構成する金属材料は、銅を含有し、第２放熱器を構成する金属材料は、アルミニウムまたはマグネシウムを含有する。その結果、放熱のために第１放熱器よりも表面積ならびに体積が大きいことにより高周波ノイズを放射しやすい第２放熱器からの高周波ノイズの放射を少なくすることができる。
【００２２】
さらに、好ましくは、本発明の第１放熱器および第１接続手段は、一体に構成されている。代表的には、本発明の第１放熱器を構成する金属材料が銅を含有する場合には、第１接続手段は、銅を含有する金属板を延設して折曲げ加工することにより構成され、半導体素子への電源供給回路に接続される。本発明の第１放熱器および第１接続手段が一体に成形される結果、電気的なインピーダンスが低下するので、さらに第１放熱器にノイズ電流が流れやすくなり、第２放熱器にノイズ電流を流れにくくすることができ、さらに第２放熱器からの高周波ノイズの放射を少なくすることができる。
【００２３】
さらに、好ましくは、半導体素子と第１放熱器、または、第１放熱器と第２放熱器が、絶縁性および熱伝導性を有する介在部材を介して密着する。半導体素子が、ドレイン基板が露出した構造を有するＭＯＳＦＥＴである場合などでは、半導体素子と金属から構成される放熱器は、絶縁性および熱伝導性を有するシート等の介在部材を介して密着することで、半導体素子と第1放熱器は絶縁を保つことができ、半導体素子で生じた熱を第1放熱器へ良好に伝達することができる。加えて、上記の介在部材を設けることは、適切に半導体素子と第１放熱器との距離、または、第１放熱器と第２放熱器との距離を大きくすることによって結合容量を低減することになるため、さらに高周波ノイズの放射を少なくすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態による半導体素子の放熱器について説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。
【００２５】
図１は、本発明の好ましい実施形態による半導体素子の放熱器を説明する斜視図である。半導体素子１０ａおよび１０ｂは、回路基板１に取付けられて電気回路と接続しており、回路基板１には、半導体素子への電源供給回路のコンデンサ２が半導体素子１０ａおよび１０ｂの近傍に設けられている。半導体素子１０ａおよび１０ｂには、第１放熱器１１が密着して取付けられ、第１放熱器１１には、第２放熱器１２が密着して取付けられている。
【００２６】
なお、説明のために、図においては、回路基板１とコンデンサ２を透明に表示し、回路基板１の裏面に設けられる銅箔パターン３および第１放熱器１１とコンデンサ２を接続する第１接続手段２１を点線で描いている。また、上記の放熱器の取付けは、代表的には、半導体素子１０ａおよび１０ｂに設けられた貫通穴にネジを通し、半導体素子と第１放熱器１１および第２放熱器１２とをネジ止めするが、図においては、上記のネジは省略している。
【００２７】
代表的には、半導体素子１０ａおよび１０ｂは、電気・電子回路に使用される半導体素子であって、特に、電力増幅器、電源回路、またはモーター駆動回路に使用されるスイッチング素子、あるいは、電子回路に使用される演算素子である。以下、これらの半導体素子が、スイッチング増幅器におけるＭＯＳＦＥＴである場合について説明する。なお、本発明の半導体素子の放熱器は、図のように２個の半導体素子を使用する場合に限られるものではなく、１個である場合ならびに３個以上の場合でもよく、半導体素子の個数に制限されない。
【００２８】
図１のＭＯＳＦＥＴ１０ａおよび１０ｂは、樹脂材料によりモールド被覆されて、ＭＯＳＦＥＴのドレイン基板および電極とは絶縁されている。ＭＯＳＦＥＴ１０ａおよび１０ｂと密着する第１放熱器１１を構成する金属材料は、第２放熱器１２を構成する金属材料と同一のものでよいが、異なっていてもよい。好ましくは、第１放熱器を構成する金属材料の電気抵抗率は、前記第２放熱器を構成する金属材料の電気抵抗率よりも小さく設定される。また、好ましくは、第１放熱器を構成する金属材料の熱伝導率は、前記第２放熱器を構成する金属材料の熱伝導率よりも大きく設定される。
【００２９】
ここで電気抵抗率とは、単位体積あたりの電気インピーダンスを意味し、電気抵抗率が小さいほど電流が流れやすいことを表す。また、熱伝導率とは、物質内部を移動する熱量に対する温度変化を意味し、大きいほど熱が伝わりやすいことを表す。電気抵抗率ならびに熱伝導率がこのような関係を満足する限りにおいて、第１放熱器を構成する金属材料および第２放熱器を構成する金属材料は、特に限定されない。代表的には、第１放熱器１１を構成する金属材料は、銅を含有していればよく、純銅または銅合金である。また、代表的には、第２放熱器１２を構成する金属材料は、アルミニウムまたはマグネシウムを含有していればよく、純金属または合金である。
【００３０】
ＭＯＳＦＥＴ１０ａおよび１０ｂに密着する第１放熱器１１は、ＭＯＳＦＥＴで発生した熱を第２放熱器１２に良好に伝達する。そして、第１放熱器１１よりも表面積ならびに体積が大きい第２放熱器１２から放熱され、その結果、大きな電流が流れて電力損失ならびに発熱が大きい場合であっても、ＭＯＳＦＥＴの破壊を防止することができる。
【００３１】
第１放熱器１１および第２放熱器１２は、それぞれ第１接続手段２１および第２接続手段により、ＭＯＳＦＥＴ１０ａおよび１０ｂへの電源供給回路に接続されている。ここで、第１放熱器１１および第１接続手段２１は、一体に構成されている。例えば、第１放熱器１１および第１接続手段２１は、銅を含有する厚み０．１〜５．０ｍｍ、好ましくは０．５〜２．０ｍｍの銅板を方形に成形し、さらに一部を延設して折曲げ加工して第１接続手段２１を構成する。さらに好ましくは、銅板の厚みは、入手並びに加工が容易な１．０ｍｍであればよい。この第１接続手段２１は、ＭＯＳＦＥＴの近傍に設けられるＭＯＳＦＥＴへの電源供給回路のコンデンサ２に接続されている。また、例えば、アルミニウムを含有する金属材料から構成される第２放熱器１２からは、基板１への取付部２２が折曲げ加工され、銅箔パターン３を介してＭＯＳＦＥＴへの電源供給回路のコンデンサ２に接続されており、取付部２２と銅箔パターン３とが第２接続手段を構成している。ＭＯＳＦＥＴへの電源供給回路のコンデンサ２は、ＭＯＳＦＥＴ１０ａおよび１０ｂがスイッチング動作を行う電源供給回路のグランドと直流電位の間、もしくは２つの直流電位の間に接続されており、高周波をバイパスする。
【００３２】
ＭＯＳＦＥＴ１０ａおよび１０ｂと、第１放熱器１１および第２放熱器１２との間には、容量結合が生じる。この結合容量を介し、ＭＯＳＦＥＴ１０ａおよび１０ｂでスイッチング動作される大きな電流に起因して、第１放熱器１１には高周波のノイズ電流が生じ、同様に、第２放熱器１２にもノイズ電流を生じる。本発明の放熱器は、第１放熱器１１および第２放熱器１２に流れるノイズ電流を、それぞれ第１接続手段２１および第２接続手段を介し、ＭＯＳＦＥＴ１０ａおよび１０ｂの近傍に設けられるＭＯＳＦＥＴへの電源供給回路のコンデンサ２でバイパスすることで、ノイズ電流のループを最短にすることができる。従って、第１放熱器１１および第２放熱器１２からの高周波ノイズの放射を少なくすることができる。
【００３３】
さらに、図１の実施形態のように第１放熱器１１および第２放熱器１２を設けることによって、ＭＯＳＦＥＴ１０ａおよび１０ｂに密着している第１放熱器１１に生じるノイズ電流よりも、ＭＯＳＦＥＴからの距離が大きい第２放熱器１２に生じるノイズ電流を小さくすることができる。従って、表面積ならびに体積が大きいことにより高周波ノイズを放射しやすい第２放熱器からの高周波ノイズの放射を少なくすることができる。
【００３４】
図１の実施形態においては、第１接続手段２１ならびに取付部２２と銅箔パターン３から構成される第２接続手段と、ＭＯＳＦＥＴへの電源供給回路とは、基板１の裏面側で接続されている。ＭＯＳＦＥＴへの電源供給回路のコンデンサ２は、グランドと直流電位の間、もしくは２つの直流電位の間に接続され、高周波ノイズをバイパスし、スイッチング動作の基準点を構成する。従って、上記の第１接続手段２１ならびに第２接続手段は、コンデンサ２のグランド側もしくは直流電位側のいずれかに接続されていればよい。本発明の実施形態においては、コンデンサ２は、ＭＯＳＦＥＴの近傍に設置され、第１接続手段２１ならびに第２接続手段で接続されるので、ノイズ電流のループを最短にでき、高周波ノイズの放射が減少する。
【００３５】
図２は、本発明の他の好ましい実施形態による半導体素子の放熱器を説明する斜視図である。図１の実施形態の場合と異なり、半導体素子１５ａおよび１５ｂは、例えば、樹脂材料によりモールド被覆が一部でなされていないためにドレイン基板が露出した構造を有するＭＯＳＦＥＴである。これらのＭＯＳＦＥＴのドレイン基板が異なる電位を有する場合には、ＭＯＳＦＥＴ１５ａおよび１５ｂと、金属から構成される第１放熱器１１は、絶縁のために介在部材１３ａおよび１３ｂを介して密着されている。介在部材１３ａおよび１３ｂは、例えば、シリコンゴム、樹脂、もしくはセラミックスを含有する材料から構成されるシートまたはスペーサーであり、厚みが０．１〜５．０ｍｍで、絶縁性および熱伝導性を有していればよい。ＭＯＳＦＥＴ１５ａおよび１５ｂと第１放熱器１１とが絶縁を保つことによりＭＯＳＦＥＴの破壊を防止することができ、さらに、ＭＯＳＦＥＴの発熱を第１放熱器１１に伝達することができる。加えて、介在部材１３ａおよび１３ｂを設けることは、適切にＭＯＳＦＥＴ１５ａおよび１５ｂと第１放熱器１１との距離を大きくすることによって結合容量を低減することができ、第１放熱器１１に流れるノイズ電流を少なくすることができる。
【００３６】
さらに、図２の実施形態においては、第１放熱器１１と第２放熱器１２とが、絶縁性および熱伝導性を有する介在部材１４を介して密着されている。介在部材１４は、上記の介在部材１３ａおよび１３ｂと同様のものでよい。介在部材１４を設けることにより、第１放熱器１１と第２放熱器１２との距離を大きくすることによって結合容量を低減することにより、第２放熱器１２に流れるノイズ電流を少なくすることができる結果、さらに高周波ノイズの放射を少なくすることができる。もちろん、介在部材１３ａ、１３ｂおよび介在部材１４は、いずれかの一方だけ設けても良い。
【００３７】
本発明の半導体素子の放熱器は、上記実施形態に限定されるものではない。第１放熱器は、図１または図２のような方形の板を折曲げ加工した形状のみに限られない。また、第２放熱器も、図１または図２のような放熱フィンを有するものに限られず、電子機器の筐体の一部を兼ねて使用してもよい。本発明の半導体素子の放熱器は、使用される電気回路・電子回路の基板ならびに半導体素子の形態に合わせて、適切に形状を選択すればよい。
【００３８】
また、第１放熱器とＭＯＳＦＥＴへの電源供給回路を接続する第１接続手段、および、第２放熱器とＭＯＳＦＥＴへの電源供給回路を接続する第２接続手段は、上記実施形態のような放熱器と一体に成形されたものや、取付部と銅箔パターンから構成されるものに限られない。第１接続手段および第２接続手段は、電気抵抗率の小さい電線、または、太く設けた基板銅箔パターン、あるいは、導電性の金属部品等でよく、電気的に低いインピーダンスで第１放熱器および第２放熱器とＭＯＳＦＥＴへの電源供給回路を接続する手段であればよい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の半導体素子の放熱器は、電気・電子回路に使用される半導体素子に流れる電流が大きい場合であっても、高周波ノイズの放射を少なくすることができ、さらに、放熱効果にも優れ、半導体素子の発熱が大きい場合であっても、半導体素子の破壊を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施形態による半導体素子の放熱器を説明する斜視図である。
【図２】本発明の他の好ましい実施形態による半導体素子の放熱器を説明する斜視図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ コンデンサ
３ 銅箔パターン
１０ａ ＭＯＳＦＥＴ
１０ｂ ＭＯＳＦＥＴ
１１ 第１放熱器
１２ 第２放熱器
１３ａ 介在部材
１３ｂ 介在部材
１４ 介在部材
１５ａ ＭＯＳＦＥＴ
１５ｂ ＭＯＳＦＥＴ
２１ 第１接続手段
２２ 取付部
Claims (5)
- 半導体素子に取付けられる放熱器であって、
該半導体素子と密着して設置される第１放熱器と、
該第１放熱器と密着して設置される第２放熱器とを備え、
該第１放熱器および該第２放熱器が、それぞれ第１接続手段および第２接続手段により、該半導体素子への電源供給回路に接続され、
該第１放熱器を構成する金属材料の電気抵抗率が、該第２放熱器を構成する金属材料の電気抵抗率よりも小さく設定される、
放熱器。 - 前記第１放熱器を構成する金属材料の熱伝導率が、前記第２放熱器を構成する金属材料の熱伝導率よりも大きく設定される、
請求項１に記載の放熱器。 - 前記第１放熱器を構成する金属材料が銅を含有し、前記第２放熱器を構成する金属材料がアルミニウムまたはマグネシウムを含有する、
請求項１または２に記載の放熱器。 - 前記第１放熱器および前記第１接続手段が、一体に構成されている、
請求項１から３のいずれかに記載の放熱器。 - 前記半導体素子と前記第１放熱器、または、該第１放熱器と前記第２放熱器が、絶縁性および熱伝導性を有する介在部材を介して密着する、
請求項 1 から４のいずれかに記載の放熱器。
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