(57)【要約】【課題】組付・分解時の作業性に優れたパワー素子放熱構造及びその製造方法を得ること。【解決手段】パワー素子５が発する熱を製品取付ヒートシンク８から天面に開口７ａが形成された製品筐体７に伝熱して放熱するパワー素子放熱構造であって、先端側が下がるように傾斜した状態で製品筐体７の内側面に設置された製品取付ヒートシンク８と、製品取付ヒートシンク８の上に配置された薄板材２と、樹脂封止された本体部分と、本体部分から伸びるリード端子とを有し、リード端子を斜め下に向けた状態で本体部分が薄板材２の上に固定されたパワー素子５と、リード端子がはんだ付けされて、パワー素子に被さらないように製品筐体７に収容されたプリント基板１と、製品取付ヒートシンク８上に配置された薄板材２を、薄板材２側から製品取付ヒートシンク８に共締め固定するパワー素子搭載基板固定ねじ９と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー素子が発する熱を放熱構造体から天面に開口が形成された製品筐体に伝熱して放熱するパワー素子放熱構造であって、
先端側が下がるように傾斜した状態で前記製品筐体の内側面に設置された前記放熱構造体と、
前記放熱構造体の上に配置された薄板材と、
樹脂封止された本体部分と、該本体部分から伸びるリード端子とを有し、該リード端子を斜め下に向けた状態で前記本体部分が前記薄板材の上に固定された前記パワー素子と、
前記リード端子がはんだ付けされて、前記パワー素子に被さらないように前記製品筐体に収容されたプリント基板と、
前記放熱構造体の上に配置された前記薄板材を、該薄板材側から前記放熱構造体に共締め固定する固定ねじと、
を備えることを特徴とするパワー素子放熱構造。
【請求項２】
前記パワー素子は、ＳｉＣパワー素子であり、
前記パワー素子と前記薄板材との間に、前記パワー素子の耐熱温度以上の温度での連続耐熱性を有する樹脂が配置されたことを特徴とする請求項１に記載のパワー素子放熱構造。
【請求項３】
パワー素子が発する熱を放熱構造体から天面に開口が形成された製品筐体に伝熱して放熱するパワー素子放熱構造であって、
先端側が下がるように傾斜した状態で前記製品筐体の内側面に設置された前記放熱構造体と、
樹脂封止された本体部分と、該本体部分から伸びるリード端子とを有し、該リード端子を斜め下に向けた状態で前記本体部分が前記放熱構造体の上に配置された前記パワー素子と、
前記リード端子がはんだ付けされて、前記パワー素子に被さらないように前記製品筐体に収容されたプリント基板と、
前記放熱構造体の上に配置された前記パワー素子の本体部分を、該パワー素子側から前記放熱構造体に共締め固定する固定ねじと、
を備えることを特徴とするパワー素子放熱構造。
【請求項４】
樹脂封止された本体部分及び該本体部分から伸びるリード端子を有するパワー素子が発する熱を放熱構造体から天面に開口が形成された製品筐体に伝熱して放熱するパワー素子放熱構造の製造方法であって、
前記製品筐体の内側面に、先端側が下がるように傾斜した状態で前記放熱構造体を設置する工程と、
プリント基板の上に薄板材を配置する工程と、
前記プリント基板の上に配置した前記薄板材に前記パワー素子の前記本体部分を固定する工程と、
前記本体部分を前記薄板材に固定した前記パワー素子の前記リード端子を、前記プリント基板にはんだ付けする工程と、
前記プリント基板に前記リード端子をはんだ付けした前記パワー素子とともに、前記薄板材を、前記放熱構造体と略同じ角度傾斜するように傾ける工程と、
前記放熱構造体と略同じ角度傾斜するように傾けた前記薄板材が前記放熱構造体の上に配置されるように、前記プリント基板を前記製品筐体に収容する工程と、
前記放熱構造体の上に配置された前記薄板材を、前記開口を通じてのねじ止め操作により前記薄板材側から前記放熱構造体に共締め固定する工程と、
を備えることを特徴とするパワー素子放熱構造の製造方法。
【請求項５】
樹脂封止された本体部分及び該本体部分から伸びるリード端子を有するパワー素子が発する熱を放熱構造体から天面に開口が形成された製品筐体に伝熱して放熱するパワー素子放熱構造の製造方法であって、
前記製品筐体の内側面に、先端側が下がるように傾斜した状態で前記放熱構造体を設置する工程と、
プリント基板の上に前記放熱構造体と略同じ角度傾斜させて薄板材を配置する工程と、
前記プリント基板の上に配置した前記薄板材に前記パワー素子の前記本体部分を、前記リード端子を斜め下に向けた状態で固定する工程と、
前記薄板材に前記本体部分を固定した前記パワー素子のリード端子を、前記プリント基板にはんだ付けする工程と、
前記プリント基板の前記薄板材が配置された部分を取り除く工程と、
前記薄板材が前記放熱構造体の上に配置されるように前記プリント基板を前記製品筐体に収容する工程と、
前記放熱構造体の上に配置された前記薄板材を、前記開口を通じてのねじ止め操作により前記薄板材側から前記放熱構造体に共締め固定する工程と、
を備えることを特徴とするパワー素子放熱構造の製造方法。
【請求項６】
樹脂封止された本体部分及び該本体部分から伸びるリード端子を有するパワー素子が発する熱を放熱構造体から天面に開口が形成された製品筐体に伝熱して放熱するパワー素子放熱構造の製造方法であって、
前記製品筐体の内側面に、先端側が下がるように傾斜した状態で前記放熱構造体を設置する工程と、
プリント基板の上に前記放熱構造体と略同じ角度傾斜した上面を有する治具を配置する工程と、
前記治具の上面に薄板材を配置する工程と、
前記治具の上に配置した前記薄板材に前記パワー素子の前記本体部分を、前記リード端子を斜め下に向けた状態で固定する工程と、
前記薄板材に前記本体部分を固定した前記パワー素子の前記リード端子を、前記プリント基板にはんだ付けする工程と、
前記プリント基板の前記治具が配置された部分を、該治具とともに取り除く工程と、
前記薄板材が、前記放熱構造体の上に配置されるように前記プリント基板を前記製品筐体に収容する工程と、
前記放熱構造体の上に配置された前記薄板材を、前記開口を通じてのねじ止め操作により前記薄板材側から前記放熱構造体に共締め固定する工程と、
を備えることを特徴とするパワー素子放熱構造の製造方法。
【請求項７】
樹脂封止された本体部分及び該本体部分から伸びるリード端子を有するパワー素子が発する熱を放熱構造体から天面に開口が形成された製品筐体に伝熱して放熱するパワー素子放熱構造の製造方法であって、
前記製品筐体の内側面に、先端側が下がるように傾斜した状態で前記放熱構造体を設置する工程と、
プリント基板上に、前記放熱構造体と略同じ角度傾斜した上面を有する治具を配置する工程と、
前記治具の上面に前記パワー素子の前記本体部分が当接するように、前記リード端子を斜め下に向けた状態で前記パワー素子を前記治具上に載置する工程と、
前記治具の上面に載置された前記パワー素子の前記リード端子を、前記プリント基板にはんだ付けする工程と、
前記プリント基板の前記治具が載置された部分を、該治具とともに取り除く工程と、
前記パワー素子の前記本体部分が、前記放熱構造体の上に配置されるように前記プリント基板を前記製品筐体に収容する工程と、
前記放熱構造体の上に配置された前記パワー素子の前記本体部分を、前記開口を通じてのねじ止め操作により前記パワー素子側から前記放熱構造体に共締め固定する工程と、
を備えることを特徴とするパワー素子放熱構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の回路ユニット、パワー素子やリアクトル、コイルを含む電機機器部品、放熱構造体から構成され、パワー素子が発する熱を放熱構造体に伝熱する構成の電機機器において、基板上のパワー素子から放熱構造体への伝熱を、製造及びサービス作業が容易かつ安価に実現したパワー素子放熱構造及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のパワー素子や、リアクトル等の電気発熱体から構成される電機機器においては、発熱部品を外気等で直接冷却すると、塵埃や湿度の影響を受けることになるため、筐体を構成する放熱構造体に伝熱し、間接的に放熱する構造が用いられている。
【０００３】
これらの構成において、インバータ等を構成するパワー素子は発熱量が大きく、また端子の使用電圧が高電圧であることから、外気冷却が可能な筐体ヒートシンクに取り付ける際には、伝熱性とともに絶縁性を考慮した伝熱構造を得る必要があった。
【０００４】
しかし、パワー素子はスイッチング利用されることから、パワーラインの配線長の最短化やゲート駆動回路の集積化が要求され、基板上に個別半導体パワー素子を安価に実装する方法が要望されてきた。また、パワー素子と筐体との間の伝熱材料として、伝熱性絶縁シートを用いる場合においては、市場でのパワー素子交換は、伝熱性絶縁シートの交換も必要であり、交換作業での容易性が必要とされてきた。
【０００５】
このような複数のパワー素子の製品筐体放熱部材への取付構造としては、例えばトランジスタ等の電子部品を搭載した基板を底面と平行に設置する構造において、パワー素子を筐体放熱面に固定取付後、基板の接続該当穴に貫通挿入し、基板とパワー素子端子とをはんだ付けすることなどが提案されている。
【０００６】
特許文献１には、複数のパワー素子を底面ヒートシンクに伝熱させる構成が示されている。特許文献１において、パワー素子は筐体放熱体の傾斜面にワッシャ付きネジにて固定され、リード端子は上方を向いて取り付けられる。そして、プリント基板をこれらの上方から、基板の貫通穴にリード端子が挿通するように組み付けた後、リード端子と基板とをはんだ付けする。特許文献１では、パワー素子を基板下面側に放熱する方法と、パワー素子を傾けて取り付けることでリード端子長を短くすることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３０９３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１に開示される構成では、組み付け作業は困難とはならないが、パワー素子や基板を交換するとなると、パワー素子のリード端子とプリント基板とのはんだ付けを解除しなければならないため、パワー素子や基板の交換は困難である。
【０００９】
本体筐体底面にパワー素子を取り付けることで放熱を行う構造では、製品組み付け工程におけるパワー素子取付時には、パワー素子のねじ止めに使用するドライバーを上方から操作することが可能であり、プリント基板へのパワー素子の端子はんだ付け時においても、基板上方からはんだ付け作業を行える利点があった。
【００１０】
しかしながら、複数のパワー素子を放熱する必要がある場合においては、基板と平行な製品底面を利用する方法では、基板を２枚重ねて筐体内に収容するような形態の製品においては上側の基板は製品底面から放熱させることができず放熱量不足となるため、プリント基板取付面と垂直な製品側面にも放熱面を設けることが要望されてきた。
【００１１】
従来の製品組み付け方法では、プリント基板面と製品筐体放熱面とが略垂直となるように取り付ける場合には、基板を地面に平行にした状態で製品側面への放熱面にパワー素子を取り付けるためには、パワー素子のねじ止めに使用するドライバーを水平に保持して操作する必要があることから、上方からの作業が困難であった。
【００１２】
このため、パワー素子搭載基板を分離させ、コネクタやリード線で他基板と接続する方法が用いられてきた。しかし、基板組み付け工程の最中にパワー素子搭載基板の組み付け行わねばならず、作業工程が煩雑である。また、スイッチング素子であるパワー素子のリード長が延長されることから、妨害波が増加するなど、作業性・性能面で課題があった。
【００１３】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、組付・分解時の作業性に優れたパワー素子放熱構造及びその製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、パワー素子が発する熱を放熱構造体から天面に開口が形成された製品筐体に伝熱して放熱するパワー素子放熱構造であって、先端側が下がるように傾斜した状態で製品筐体の内側面に設置された放熱構造体と、放熱構造体の上に配置された薄板材と、樹脂封止された本体部分と、本体部分から伸びるリード端子とを有し、リード端子を斜め下に向けた状態で本体部分が薄板材の上に固定されたパワー素子と、リード端子がはんだ付けされて、パワー素子に被さらないように製品筐体に収容されたプリント基板と、放熱構造体の上に配置された薄板材を、薄板材側から放熱構造体に共締め固定する固定ねじと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、組付時だけでなく分解時の作業性に優れたパワー素子放熱構造及びその製造方法を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明にかかるパワー素子放熱構造の実施の形態の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、パワー素子を搭載するプリント基板の構造を示す図である。
【図３】図３は、パワー素子搭載基板の構成を示す図である。
【図４】図４は、製品ヒートシンクへ組み付ける際のパワー素子搭載基板の状態を示す図である。
【図５】図５は、本発明にかかるパワー素子放熱構造の実施の形態２のプリント基板の構造を示す図である。
【図６】図６は、パワー素子搭載基板の構成を示す図である。
【図７】図７は、本発明にかかるパワー素子放熱構造の実施の形態３におけるパワー素子搭載基板の構成を示す図である。
【図８】図８は、本発明にかかるパワー素子放熱構造の実施の形態４におけるパワー素子搭載基板の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明にかかるパワー素子放熱構造及びその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
実施の形態１．
図１は、本発明にかかるパワー素子放熱構造の実施の形態の構成を示す断面図である。パワー素子放熱構造は、天面に開口７ａが形成された製品筐体７の側面に設置された製品取付ヒートシンク８に、パワー素子搭載基板２０をパワー素子搭載基板固定ねじ９により熱的に接続して放熱する構造となっており、図１では製品筐体７を切断して内部を可視化して示している。製品取付ヒートシンク８は、先端側が下がるように傾斜した片持ち状態で製品筐体７の側面に設置されている。プリント基板１は、パワー素子５に被さらない状態で製品筐体７に収容されている。放熱部品としてのパワー素子５から放熱構造体としての製品取付ヒートシンク８への伝熱構造において、パワー素子５と製品取付ヒートシンク８との間に、薄板材２を介在させている。薄板材２の材料としては、鉄やアルミニウムなどの金属材料の他、伝熱性樹脂を適用することも可能である。薄板材２は、パワー素子５を搭載するプリント基板１上に配置され、絶縁シート４を介してパワー素子５がパワー素子固定ねじ３で薄板材２にねじ止めされることにより、製品組付に先立ってパワー素子搭載基板２０として基板製造工程において予め組み立てられる。
【００１９】
図２は、パワー素子を搭載するプリント基板の構造を示す図である。プリント基板１は、プリント基板１を概ね横断するように設けられたスリット１ａによりパワー素子実装部１ｂと組付時除去部１ｃとに分けられており、パワー素子実装部１ｂと組付時除去部１ｃとは、切断部１ｄにおいて部分的に繋がっている。
【００２０】
図３は、パワー素子搭載基板の構成を示す図であり、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は側面図である。薄板材２はプリント基板１上に配置されている。プリント基板１上に配置された薄板材２には、絶縁シート４を介してパワー素子５がパワー素子固定ねじ３でねじ止めされている。複数のパワー素子５を基板穴に挿通させ、はんだ槽にて一括はんだ付けを実施する。ここではパワー素子５を二つ配置する構成を例としているが、これよりも多くのパワー素子５を配置する構成であっても良いことは言うまでもない。構造材としての薄板材２、絶縁シート４及びパワー素子５を一体化したパワー素子ユニット１５を予め作成しプリント基板１に取り付けることで、パワー素子搭載基板２０の組付作業を簡略化できる。
【００２１】
なお、パワー素子５を構成する封止樹脂及び足部の耐トラッキング性改善を目的に、パワー素子５の端子沿面と絶縁シート４との間に耐トラッキング改善剤を塗布し固定することも可能である。パワー素子５の端子沿面と絶縁シート４との間に耐トラッキング改善剤を塗布してからパワー素子ユニット１５をプリント基板１上に組み付けることで、耐トラッキング性が低い樹脂材料で封止されたパワー素子５の耐トラッキング性を改善し、かつパワー素子搭載基板２０の交換が容易な構造を実現することが可能である。なお、薄板材２下の組付時除去部１ｃを除去せずに、製品組み付け性の改善のみを図っても良いことは言うまでもない。
【００２２】
パワー素子５に予め端子整形を行い、薄板材２上に絶縁シート４を介してパワー素子固定ねじ３でねじ締めすることで、パワー素子ユニット１５を別工程にて組付することが容易であり、パワー素子５のリード端面側に必要に応じ耐トラッキング改善剤を塗布し、乾燥させることが可能となる。
【００２３】
図４は、製品ヒートシンクへ組み付ける際のパワー素子搭載基板の状態を示す図であり、図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は側面図である。組付が完了したパワー素子搭載基板２０を、製品取付ヒートシンク８に組み付ける際には、切断部１ｄで切り離すことによってパワー素子実装部１ｂと組付時除去部１ｃとを分離し、薄板材２下の組付時除去部１ｃを除去する。そして、薄板材２を製品取付ヒートシンク８と同じ傾斜角度となるように折り曲げ、製品筐体７に傾いた状態で設置された製品取付ヒートシンク８の放熱面にパワー素子搭載基板２０を組み付ける。これにより、基板運搬や製品組み付けが容易で、省投影面積での実装が可能となる。
【００２４】
薄板材２下の組付時除去部１ｃは、パワー素子搭載基板２０の組付時に熱抵抗の低減を目的として廃棄する。製品にパワー素子搭載基板２０を組み付ける際は、組付時除去部１ｃを除去し、斜めに設置してある製品取付ヒートシンク８にパワー素子搭載基板２０の薄板材２をパワー素子搭載基板固定ねじ９で取り付けることで、伝熱構造を得る（図１参照）。この製品組付工程において、ねじ締め面となる製品取付ヒートシンク８を傾斜させることにより、製品筐体７の上方からの開口７ａを通じてドライバーを操作する際の操作性を阻害することなく筐体７の側面へのパワー素子搭載基板２０の組み付けが可能となる。これにより、組付が容易であるとともに、保守交換においても特殊な工具を用いることなくパワー素子搭載基板２０の交換が可能な構造を実現できる。
【００２５】
また、高温使用可能なＳｉＣパワー素子をパワー素子５として用いることで、パワー素子５と製品取付ヒートシンク８との間に、パワー素子５の耐熱温度以上の温度での連続耐熱性を有する樹脂、例えばポリフェニレンスルファイド（PolyPhenyleneSulfide：ＰＰＳ）樹脂を配置して、絶縁シート４を省略することができる。ＰＰＳ樹脂のような熱抵抗は大きいが絶縁性の高い樹脂は、絶縁シート４の材料となる熱抵抗が小さく絶縁性の高い樹脂よりも安価であるため、パワー素子放熱構造の製造コストを低減できる。
【００２６】
本実施の形態によれば、基板実装工程でパワー素子５のリード接続工程が完了し、製品組付工程においては、ドライバーの操作性を阻害することが無く組付が可能となり、容易な組付性とともに保守交換においても特殊な工具を用いること無く修理が可能となる。
【００２７】
また、パワー素子５を薄板材２にねじ止めする際に、パワー素子５の位置ずれが発生せず、パワー素子搭載基板２０の製造後には外力等によるパワー素子５の足曲がりなども発生しにくいため、パワー素子搭載基板２０の管理が容易となる。また、パワー素子搭載基板２０の組付・交換の工程が簡素化されるため、組付及びサービスにおいて安定した品質が確保される。
【００２８】
実施の形態２．
図５は、本発明にかかるパワー素子放熱構造の実施の形態２のプリント基板の構造を示す図である。本実施の形態ではプリント基板１の組付時除去部１ｃには、薄板材位置決め穴１ｅが形成されている。
【００２９】
図６は、パワー素子搭載基板の構成を示す図であり、図６（ａ）は上面図、図６（ｂ）は側面図である。薄板材２は周縁部に取付脚２ａが設けられており、取付脚２ａを薄板材位置決め穴１ｅに挿入することによって、プリント基板１の基板面に対して傾いた状態で組付時除去部１ｃ上に配置されている。薄板材２の傾斜角度は、製品取付ヒートシンク８の傾斜角度と同じである。プリント基板１上に配置された薄板材２には、絶縁シート４を介してパワー素子５がパワー素子固定ねじ３でねじ止めされている。
【００３０】
製品取付ヒートシンク８にパワー素子搭載基板２０を取り付ける際には、切断部１ｄで切り離すことによってパワー素子実装部１ｂと組付時除去部１ｃとを分離し、薄板材２下の組付時除去部１ｃを除去する。そして、製品筐体７に傾いた状態で設置された製品取付ヒートシンク８の放熱面にパワー素子搭載基板２０を組み付ける。これにより、基板運搬や製品組み付けが容易で、省投影面積での実装が可能となる。
【００３１】
薄板材２下の組付時除去部１ｃは、パワー素子搭載基板２０の組付時に廃棄するが、通常の電子部品を配置するスペースとして利用しても良いことは言うまでもない。
【００３２】
本実施の形態によれば、製品組付工程において薄板材２をプリント基板１に対して傾斜させる作業が不要であるため、工数を省いて生産コストを低減できる。この他については実施の形態１と同様である。
【００３３】
実施の形態３．
図７は、本発明にかかるパワー素子放熱構造の実施の形態３におけるパワー素子搭載基板の構成を示す図であり、図７（ａ）は上面図、図７（ｂ）は側面図である。本実施の形態では、プリント基板１上に薄板材２を傾斜して設置できる治具１８を用い、薄板材２を平板状に（取付脚２ａを備えない形状に）形成し、製品組み付け時の薄板材２下の組付時除去部１ｃを削除する際に、治具１８が外れる構造としている。
【００３４】
製品取付ヒートシンク８への組み付け後のパワー素子搭載基板２０は、実施の形態１と同様である。
【００３５】
本実施の形態では、薄板材２に取付脚を形成する必要がないため、加工コストを低減できる。この他については実施の形態２と同様である。
【００３６】
実施の形態４．
図８は、本発明にかかるパワー素子放熱構造の実施の形態４におけるパワー素子搭載基板の構成を示す図であり、図８（ａ）は上面図、図８（ｂ）は側面図である。本実施の形態においては、治具１９上にパワー素子位置決め突起１９ｂを設け、薄板材を用いずに、パワー素子５のみを治具１９上に設置する。治具１９は、実施の形態２における薄板材２と同様の形状であり、取付脚１９ａを備えている。製品組み付けにおいては、製品取付ヒートシンク８に絶縁シート４等を設置し、パワー素子５を直接取り付ける。
【００３７】
実施の形態１〜３用いた薄板材２は、パワー素子５の位置決め材として用いるものであるため、本実施の形態の治具１９にて代用できる。治具１９は、製品組み付け時に取り外すことで、容易に再利用できる構成とし、パワー素子５を薄板材２ではなく製品取付ヒートシンク８に直接ねじ止めすることもできる。
【００３８】
本実施の形態においては、薄板材が不要であるため、部品点数を削減し、製造コストを低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上のように、本発明にかかるパワー素子放熱構造及びその製造方法は、パワーコンディショナーなどの電機機器を構成するパワー素子が発する熱を放熱構造体に伝熱する構造を、安価かつ組付・分解が容易に実現できる点で有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１  プリント基板
１ａ  スリット
１ｂ  パワー素子実装部
１ｃ  組付時除去部
１ｄ  切断部
１ｅ  薄板材位置決め穴
２  薄板材
２ａ、１９ａ  取付脚
３  パワー素子固定ねじ
４  絶縁シート
５  パワー素子
７  製品筐体
７ａ  開口
８  製品取付ヒートシンク
９  パワー素子搭載基板固定ねじ
１５  パワー素子ユニット
１８、１９  治具
２０  パワー素子搭載基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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