JP5832215B2 - 半導体制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動体の半導体制御装置に関する。

車両などの移動体は、半導体素子を有する半導体モジュールを用いて制御されている。半導体モジュールは、データ処理に伴って発熱するので、冷却することが好ましい。半導体モジュールの冷却方法としては、例えば、半導体モジュールにヒートシンクを取り付け、ヒートシンクを通して半導体モジュールの熱を放熱することがあげられる。ここで、ヒートシンクから効率的に放熱するために、従来の半導体制御装置では、半導体モジュールをヒートシンクに板状のバネ部材によって押さえ付けてからネジ止めしている。これによって、半導体モジュールがヒートシンクに密着して両者の間の熱抵抗が減少されるので、半導体モジュールの熱が放出され易くなる。

従来のバネ部材は、中央部分にヒートシンクに固定するときに使うネジ孔が等間隔に複数形成されており、半導体モジュールに押し当てられる周縁部は、スリットによって複数に分割されている。さらに、バネ部材を用いて半導体モジュールをヒートシンクに固定するときは、バネ部材の中央部分に補強梁を添えてから板バネを補強する。補強梁には、貫通孔が設けられており、補強梁と板状バネを重ねた状態で、半導体モジュールがヒートシンクにネジ止めされる。

特開２００５−２３５９９２号公報

しかしながら、従来では、バネ部材とは別体の補強梁が必要であるために、部品点数が多かった。また、補強梁を添える部分をバネ部材に設ける必要があったので、部品の構成が複雑であった。さらに、半導体モジュールの取り付け時には板状バネのネジ孔と補強梁の貫通孔を位置合わせする必要があるので、組み立て工数が増加していた。
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、半導体モジュールを固定するバネの構造を簡略化することを目的とする。

本願の一観点によれば、複数の半導体モジュールを冷却部材に押さえ付けるバネ部材を有する半導体制御装置において、前記バネ部材は、前記冷却部材に固定する固定具を通す挿通部が両端に形成された基部と、前記挿通部を挟んで前記基部に形成されたリブと、前記基部の前記リブが形成された両側部のそれぞれから延び、前記基部に沿って複数配列され、前記半導体モジュールを１つずつ付勢することで、複数の前記半導体モジュールを前記冷却部材に押さえ付けるアーム部と、を含み、前記基部に対して複数配列された前記アーム部のうち、中央の前記アーム部は両隣の他の前記アームより大きい角度で前記基部に対して折り曲げられていることを特徴とする半導体制御装置が提供される。

本発明の別の観点によれば、前記リブを複数列配列させたことを特徴とする請求項１に記載の半導体制御装置が提供される。

本発明の別の観点によれば、前記基部には、一方の前記挿通部から他方の前記挿通部に至るまでの間に中央リブが設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体制御装置が提供される。

本発明の別の観点によれば、前記アーム部に切り欠きを設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体制御装置が提供される。

本発明の別の観点によれば、前記アーム部に貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体制御装置が提供される。

本発明の別の観点によれば、前記アーム部の先端部分が前記半導体モジュールと反対側に折り曲げられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体制御装置が提供される。

本発明の別の観点によれば、前記アーム部は、前記基部から前記半導体モジュールと反対側に折り曲げられた後、前記半導体モジュール側に折り返されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体制御装置が提供される。

本発明によれば、補強梁を設ける必要がなくなり、部品点数を削減できる。アーム部によって複数の半導体モジュールが押さえ付けられるので、半導体モジュールを確実に固定できる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体制御装置の分解斜視図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体制御装置の一部を拡大した斜視図である。 図３は、（ａ）が図１の一部を拡大した図であり、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図４は、（ａ）が第２の実施の形態に係るバネ部材の斜視図であり、（ｂ）が第３の実施の形態に係るバネ部材の斜視図、（ｃ）が第４の実施の形態に係るバネ部材の斜視図である。

（第１の実施の形態）
本発明を実施するための形態について以下に詳細に説明する。
図１に本実施形態の半導体制御装置の分解斜視図を示す。また、図２に半導体制御装置を上方からみた斜視図を示す。
半導体制御装置１は、冷却部材（ヒートシンク）２を有する。冷却部材２の上面（一方の面）は平面であり、下面（他方の面）には放熱フィン２Ａが多数配列されている。冷却部材２の上面には、絶縁シート３を介して３つの半導体モジュール４が載置される。絶縁シート３には、例えばシリコーンゴム系の樹脂が用いられる。半導体モジュール４は、半導体モジュール４の周囲を覆うフレーム５と共に冷却部材２にネジで固定される。さらに、半導体モジュール４は、バネ部材６によって冷却部材２に押し付けられつつ、固定される。

半導体モジュール４は、不図示の半導体素子や半導体回路が樹脂でパッケージされ、信
号や電流を入出力する端子４Ａが複数設けられている。端子４Ａは、不図示の制御基板の回路に電気的に接続される。この実施の形態において、半導体モジュール４は、３相モータのスイッチング素子として使用可能であり、３相のそれぞれに対応して３つ設けられている。各半導体モジュール４には、電流供給用の端子４Ｂが２つずつ設けられている。半導体モジュール４の形状や数は、図１に限定されない。

フレーム５は、３つの半導体モジュール４を囲む枠体５Ａを有し、枠体５Ａには３つの半導体モジュール４を仕切る梁５Ｂが枠体５Ａを横断するように２つ形成されている。なお、フレーム５には、不図示の部材を位置決めして固定する位置決めピン５Ｃが２つ上向きに突出している。位置決めピン５Ｃは、フレーム５に必須の構成要素ではない。

図１、図２及び図３（ａ）と、図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である図３（ｂ）に示すように、バネ部材６は、細長の基部１０を有する。基部１０は、矢印Ｘに示す長辺方向の両端部分にネジ（固定具）を通す貫通孔（挿通部）１２が１つずつ形成されている。挿通部は、貫通孔１２の代わりに切り欠きを用いても良い。さらに、基部１０には、長辺方向に沿って２つのリブ１３が貫通孔１２を挟んで１つずつ形成されている。リブ１３は、バネ部材６の板材を上向きに凸となるようにＵ字形に曲げ加工して形成されている。これらリブ１３は、基部１０の強度を高める役割を担うと共に、バネ部材６の全体のバネ定数を調整する役割も担っている。

リブ１３が形成された基部１０の両方の側端部のそれぞれから、アーム部１１が３つずつ延びている。即ち、基部１０からは、６つのアーム部１１が一体に延びている。各アーム部１１は、Ｘ方向において半導体モジュール４の配置間隔に合わせて、この実施の形態では等間隔に配置されている。基部１０を挟んで延びる一対のアーム部１１は、基部１０の中心線に対して対称に配置されている。なお、基部１０及びアーム部１１は、弾性変形可能な材料から製造されている。

図３（ａ）に示すように、各アーム部１１は、リブ１３の側面から矢印Ｘと直交する矢印Ｙに延びている。さらに、図３（ｂ）に示すように、先端部分が基部１０より下側に配置されるように曲げられている。ここで、下側とは、半導体モジュール４に向かう方向であり、半導体モジュール４の押し付け方向と略一致する。Ｘ方向に配列された３つのアーム部１１の中で、中央のアーム部１１Ａの曲げ角度が、他の２つのアーム部１１の曲げ角度より大きい。このために、中央のアーム部１１Ａの先端部分が、他の２つのアーム部１１の先端部分より下方に配置されている。

各アーム部１１の先端部分は、半導体モジュール４の上面に押し当てられる当接部１５になる。当接部１５は、上向き、即ち半導体モジュール４の反対側に折り返されており、半導体モジュール４の上面に線接触するようになっている。この実施の形態では、基部１０を挟む一対のアーム部１１によって、１つの半導体モジュール４が冷却部材２に押し付けられる。このために、バネ部材６の押さ付け力を半導体モジュール４に均等に作用させ易い。なお、アーム部１１の数や配置は、図１に限定されない。

次に、半導体制御装置１の組み立て方向について説明する。
最初に冷却部材２上の所定位置に絶縁シート３を載置する。さらに、絶縁シート３の上に、３つの半導体モジュール４を端子４Ａが上向きになるように並んで配置する。その上から、フレーム５を配置し、フレーム５の枠体５Ａと梁５Ｂで区切られた空間に、半導体モジュール４を１つずつ配置する。半導体モジュール４及びフレーム５は、バネ部材６をネジ１７でフレーム５及び冷却部材２に固定する際に、バネ部材６とネジ１７によって冷却部材２に固定される。

バネ部材６は、２つのネジ１７でフレーム５に、３つの半導体モジュール４を横断するように位置決めして固定される。このとき、Ｘ方向に配列された３対のアーム部１１が、３つの半導体モジュール４に一対ずつ当接する。アーム部１１が撓んで変形する一方で、アーム部１１の復元力によって半導体モジュール４を冷却部材２側に付勢する。これによって、ネジ１７の締め付け力がアーム部１１によって各半導体モジュール４に与えられ、半導体モジュール４が冷却部材２に押し付けられる。これは、バネ部材６をフレーム部５に固定したときの絶縁シート３から基部１０までの高さが、半導体モジュール４の高さとアーム部１１の高さの合計より小さいためである。

各半導体モジュール４は、一対のアーム部１１によって冷却部材２に押さえ付けられる。１つのアーム部１１は、１つの半導体モジュール４のみに当接している。このために、各半導体モジュール４は、バネ部材６によって、他の半導体モジュール４の影響を受けずに冷却部材２に押さえ付けられる。さらに、バネ部材６は、半導体モジュール４の製品ごとのばらつきを吸収しながら、確実な押さえ付けを実現できる。
また、アーム部１１は、半導体モジュール４の両端部の近傍に一箇所ずつ当接する。従って、１つの半導体モジュール４に対してバネ部材６からの押し付け力が均等に作用する。これらのことから、半導体モジュール４を冷却部材２に確実に押し付けることができ、半導体モジュール４で発生した熱を冷却部材２に確実に伝達できる。従って、半導体モジュール４を効率良く冷却できる。

また、バネ部材６は、貫通孔１２が基部１０の両端部に１つずつ形成されているので、ネジ固定時に発生する締め付けトルクがアーム部１１による半導体モジュール４の押し付けに影響を与え難くなる。さらに、従来のように、ネジを３つ以上使用する場合や、補強梁を使用する場合に比べて、部品点数を削減でき、組み立て工数の削減が図れる。
また、配列方向の中央のアーム部１１Ａは、両端の２つのアーム部１１より下方に折り曲げられている。従って、バネ部材６のネジ止め箇所から離れた中央部分の半導体モジュール４の浮き上がりを防止し、中央の半導体モジュール４を確実に冷却部材２に固定できる。
さらに、各アーム部１１の先端部分を跳ね上げ形状にしたので、半導体モジュール４の表面を傷付けることはない。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態について図面を参照して説明する。第１の実施の形態と同じ構成要素は同一の符号を付している。また、第１の実施の形態と重複する説明は省略する。
図４（ａ）に示すように、バネ部材２１は、基部１０の側端部から弾性変形可能な３対のアーム部３２が延びている。さらに、２つのリブ１３の間には、中央リブ２２が形成されている。中央リブ２２は、一方の貫通孔１２から他方の貫通孔１２に至るまでの間に形成されており、その長さは２つの貫通孔１２の間の距離より小さい。中央リブ２２は、例えばプレス加工によって一体に形成される。
中央リブ２２を設けることによって基部１０の変形や浮き上がりが防止されるので、半導体モジュール４を確実に固定できる。バネ部材２１を有する半導体制御装置１の作用及び効果は、第１の実施の形態と同様である。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態について図面を参照して説明する。第１の実施の形態と同じ構成要素は同一の符号を付している。また、第１の実施の形態と重複する説明は省略する。
図４（ｂ）に示すように、バネ部材３１は、基部１０の側端部から弾性変形可能な３対のアーム部３２が延びている。３列に配置されたアーム部３２のうち、中央のアーム部３２Ａは図３（ｂ）と同様に他のアーム部３２より下方に折り曲げられている。

ここで、各アーム部３２の両側面には、切り欠き部３３が１つずつ形成されている。切り欠き部３３は、アーム部３２の平面視における面積を、先端の当接部１５を除いて減少させる。さらに、各アーム部３２の略中央には、貫通孔３４が１つずつ形成されている。切り欠き部３３及び貫通孔３４は、アーム部３２の一部が例えばプレス加工によって打ち抜かれることによって形成される。

切り欠き部３３と貫通孔３４によって、アーム部３２の面積が減少するので、アーム部３２のバネ定数を調整、即ち減少させることができる。アーム部３２が変形し易くなるので、半導体モジュール４をより確実に押さえ付けることができる。ここで、切り欠き部３３と貫通孔３４は、どちらか一方のみを形成しても良い。
また、切り欠き部３３は、当接部１５の面積は減少させないので、半導体モジュール４とアーム部３２との接触面積は十分に確保できる。バネ部材２１を有する半導体制御装置１のその他作用及び効果は、第１の実施の形態と同様である。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態について図面を参照して説明する。第１の実施の形態と同じ構成要素は同一の符号を付している。また、第１の実施の形態と重複する説明は省略する。
図４（ｃ）に示すように、バネ部材４１は、基部１０にリブ１３が２列ずつ平行に形成されている。基部１０の側面、即ちリブ１３が設けられた側端部からは、アーム部４２が３つずつ一体に延びている。各アーム部４２は、弾性変形可能な材料から製造されている。各アーム部４２は、基部１０から所定の角度で上側、即ち半導体モジュール４から離れる方向に折り曲げられている。３列に配置されたアーム部４２のうち、中央のアーム部４２Ａの曲げ角度は、他の２つのアーム部４２Ａの曲げ角度より小さい。このために、中央のアーム部４２Ａの先端部分は、図３（ｂ）と同様に他のアーム部４２の先端部分より下方に配置されている。

ここで、３対のアーム部４２は、それぞれの先端部分が反対側、即ち下側に折り返された当接部４３を有する。半導体モジュール４に接する当接部４３が折り返された部分によって形成されるので、図３（ｂ）に示すケースに比べて基部１０から当接部４３までの距離が長くなる。このように、基部１０から当接部４３までの距離が長くなることによって、バネ定数を変化させられる。つまり、アーム部４２のバネ定数の調整、例えばバネ定数を減少できるので、アーム部４２が変形し易くなって、半導体モジュール４を確実に押さえ付けることが可能になる。ここで、当接部４３が折り返して形成されているので、半導体モジュール４を傷付けることはない。

また、リブ１３が貫通孔１２を挟んで基部１０の両側に２列ずつ形成されているので、リブ１３の面積が増えて強度が上昇する。このために、バネ部材４１のバネ定数を調整、例えば減少させられる。これらリブ１３は、基部１０の強度を高める役割を担うと共に、バネ部材６の全体のバネ定数を調整する役割も担っている。なお、バネ部材４１は、リブ１３が一列ずつ配列されても良い。バネ部材４１を有する半導体制御装置１のその他の作用及び効果は、第１の実施の形態と同様である。

本発明は、前記の各実施の形態に限定されずに広く応用することができる。
例えば、バネ部材２１，４１に中央リブ２１を設けても良い。バネ部材６，３１のリブ１３を２列ずつ配置しても良い。リブ１３は３列以上配列させても良い。バネ部材４１のアーム部４２に切り欠き部３３を設けたり、貫通孔３４を形成したりしても良い。アーム部１１，３２，４２の数は、３つずつに限定されない。２つずつ配列しても良いし、４つ以上配列しても良い。

１ 半導体制御装置
２ 冷却部材
４ 半導体モジュール
６，２１，３１，４１ バネ部材
１０ 基部
１１，３２，４２ アーム部
１２ 貫通孔（挿通部）
１３ リブ
１５ 当接部

Claims (7)

1. 複数の半導体モジュールを冷却部材に押さえ付けるバネ部材を有する半導体制御装置において、
   前記バネ部材は、前記冷却部材に固定する固定具を通す挿通部が両端に形成された基部と、
   前記挿通部を挟んで前記基部に形成されたリブと、
   前記基部の前記リブが形成された両側部のそれぞれから延び、前記基部に沿って複数配列され、前記半導体モジュールを１つずつ付勢することで、複数の前記半導体モジュールを前記冷却部材に押さえ付けるアーム部と、を含み、前記基部に対して複数配列された前記アーム部のうち、中央の前記アーム部は両隣の他の前記アームより大きい角度で前記基部に対して折り曲げられていることを特徴とする半導体制御装置。
2. 前記リブを複数列配列させたことを特徴とする請求項１に記載の半導体制御装置。
3. 前記基部には、一方の前記挿通部から他方の前記挿通部に至るまでの間に中央リブが設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体制御装置。
4. 前記アーム部に切り欠きを設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体制御装置。
5. 前記アーム部に貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体制御装置。
6. 前記アーム部の先端部分が前記半導体モジュールと反対側に折り曲げられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体制御装置。
7. 前記アーム部は、前記基部から前記半導体モジュールと反対側に折り曲げられた後、前記半導体モジュール側に折り返されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体制御装置。
   

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