(57)【要約】【課題】発熱部材と放熱部材との間の熱伝導性を経時的に悪化させない。【解決手段】発熱部材である半導体デバイス２は、熱伝導シート４を介して放熱部材であるヒートシンク３に固定されている。熱伝導シート４は熱伝導性及び弾性を有して圧縮可能な部材である。熱伝導シート４のシート貫通穴１２の内周側には、金属製で円筒状のカラー１３が配置されている。カラー１３は、ねじ５が挿入されるものである。カラー１３は、熱伝導シート４よりも薄くなるよう設定されている。これによって、カラー１３による熱伝導シート４の過度の締め付けが抑制され、熱伝導シート４にクリープ現象が生じることを抑制することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱性のある発熱部材と、
上記発熱部材が取り付けられる放熱部材と、
上記発熱部材と上記放熱部材に挟み込まれる熱伝導シートと、
上記発熱部材を上記放熱部材に固定するねじ部材と、
上記ねじ部材が挿入される金属製のカラーと、を有し、
上記カラーは、上記熱伝導シートの厚さよりも薄くなるよう設定され、上記ねじ部材が貫通する上記熱伝導シートの貫通穴の内周側に配置されることを特徴とする発熱部材の取り付け構造。
【請求項２】
上記カラーは、円錐台形状を呈し、該カラーの相対的に大径となる底面の外径が上記貫通穴の直径と同一径となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の発熱部材の取り付け構造。
【請求項３】
上記底面の外径及び上記貫通穴の直径の寸法公差は、上記底面の外径の寸法が少なくとも上記貫通穴の直径の寸法以上となるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の発熱部材の取り付け構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱部材の放熱部材への取り付け構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体等の発熱部材は、ヒートシンク等の放熱部材に取り付けて放熱する。ここで、放熱部材が十分な冷却能力を発揮するためには、発熱部材と放熱部材とを密接させる必要がある。しかし、発熱部材の放熱部材への取付面や、発熱部材が取り付けられる放熱部材の取付面は、平坦でない場合や表面粗さによる凹凸がある場合がある。
【０００３】
例えば、この特許文献１では、発熱体であるＬＥＤ（発光ダイオード）を実装した配線基板と放熱部材であるヒートシンクとの間に熱伝導性のある樹脂シートを介在させ、ねじで配線基板と樹脂シートとヒートシンクを一体的に締め付け固定している。これにより、樹脂シートは、ねじによる締め付けにより配線基板とヒートシンクとの間で圧縮され、配線基板のヒートシンクへの取付面や配線基板が取り付けられるヒートシンクの取付面の凹凸形状等に追従して変形する。
【０００４】
つまり、特許文献１では、樹脂シートを圧縮して変形させることで、配線基板とヒートシンクとの間を樹脂シートで隙間無く埋めることで、樹脂シートを介して配線基板とヒートシンクとを実質的に密接させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−２５１０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、樹脂シートを長時間に亙って過度に圧縮し続けると、徐々に塑性変形して弾性力を失うクリープ現象が発生する虞がある。そのため、特許文献１のような構成では、樹脂シートがクリープ現象により弾性力を失った際に、樹脂シートと配線基板との間や、樹脂シートとヒートシンクとの間に隙間が生じやすくなり、配線基板とヒートシンクとの間の熱伝導性が悪化する虞がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発熱部材の取り付け構造は、発熱性のある発熱部材と、上記発熱部材が取り付けられる放熱部材と、上記発熱部材と上記放熱部材に挟み込まれる熱伝導シートと、上記発熱部材を上記放熱部材に固定するねじ部材と、上記ねじ部材が挿入される金属製のカラーと、を有し、上記カラーは、上記熱伝導シートの厚さよりも薄くなるよう設定され、上記ねじ部材が貫通する上記熱伝導シートの貫通穴の内周側に配置されることを特徴としている。
【０００８】
上記カラーは、円錐台形状を呈し、該カラーの相対的に大径となる底面の外径が上記貫通穴の直径と同一径となるように設定してもよい。
【０００９】
また、上記底面の外径及び上記貫通穴の直径の寸法公差は、上記カラーの底面の外径の寸法が少なくとも上記貫通穴の直径の寸法以上となるように設定してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、カラーによって熱伝導シートの過度の締め付けが抑制され、熱伝導シートにクリープ現象が生じることを抑制することができる。そのため、クリープ現象により熱伝導シートと発熱部材との間や、熱伝導シートと放熱部材との間に隙間が生じてしまうことが抑制される。つまり、発熱部材と放熱部材との間の熱伝導性が経時的に悪化してしまうことを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施例が適用された電力変換装置の平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図３】本発明の第１実施例が適用された電力変換装置の要部を拡大して模式的に示した説明図。
【図４】比較例の断面図。
【図５】比較例の要部を拡大して模式的に示した説明図。
【図６】本発明の第２実施例が適用された電力変換装置の断面図。
【図７】本発明の第２実施例が適用された電力変換装置の要部を拡大して模式的に示した説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１〜図３を用いて、本発明の第１実施例における発熱部材（後述する半導体デバイス２）の取り付け構造について説明する。
【００１４】
図１は、本発明の第１実施例が適用された電力変換装置１の平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図３は、本発明の第１実施例が適用された電力変換装置１の要部を拡大して模式的に示した説明図である。
【００１５】
電力変換装置１は、箱形状の半導体デバイス２が熱伝導シート４を介してヒートシンク３にねじ部材としてのねじ５で固定されたものである。
【００１６】
電力変換装置１は、例えば、直流電力を交流電力に変換するインバータや、交流電力を直流電力に変換するコンバータ等である。
【００１７】
半導体デバイス２は、発熱性を有する発熱部材であり、例えばＩＧＢＴ素子（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＦＥＴ（電解効果トランジスタ）等の半導体スイッチング素子である。
【００１８】
半導体デバイス２は、図１〜図３に示すように、ねじ５が挿入されるねじ穴６が貫通形成されたねじ挿入部７を有している。
【００１９】
半導体デバイス２は、図２、図３に示すように、ヒートシンク３に対向する底面８がヒートシンク３への取付面（ヒートシンク取付面）となっている。
【００２０】
ヒートシンク３は、複数の放熱フィン９を有する放熱部材であり、例えば、銅やアルミニウム等の金属材料からなっている。
【００２１】
ヒートシンク３は、図２、図３に示すように、半導体デバイス２の底面８と対向する上面１０が半導体デバイス２を取り付ける半導体デバイス取付面となっている。放熱フィン９は、図２に示すように、上面１０の反対側に突出形成されている。また、ヒートシンク３には、ねじ５が螺合するねじ固定穴１１が形成されている。ねじ固定穴１１の内周面には、ねじ５の雄ねじ部分と螺合する雌ねじが形成されている。
【００２２】
熱伝導シート４は、例えば、熱伝導性及び弾性を有して圧縮可能な樹脂材料またはゴム材料からなるシート状あるいは薄板状の部材である。熱伝導シート４は、自然状態、換言すれば圧縮されていない初期状態における厚さが所定の厚さｔ１となるよう設定されている。熱伝導シート４は、図２、図３に示すように、半導体デバイス２とヒートシンク３に挟み込まれている。熱伝導シート４には、ねじ５が貫通する直径ｄ１のシート貫通穴１２が形成されている。熱伝導シート４は、半導体デバイス２の底面８の面積と略同じ大きさとなっている。
【００２３】
熱伝導シート４のシート貫通穴１２の内周側には、図２、図３に示すように、円筒状のカラー１３が配置されている。カラー１３は、ねじ５が挿入されるものであって、例えば、鉄、ステンレス、真鍮、銅、アルミニウム等の金属材料からなっている。なお、カラー１３は、上記以外の金属製とすることも可能である。
【００２４】
カラー１３は、熱伝導シート４よりも薄く、かつシート貫通穴１２よりも小さくなるよう設定されている。カラー１３は、厚さがｔ２、外径がｄ２となるよう設定されている。つまり、ｔ１＞ｔ２、かつｄ１＞ｄ２、となるようにカラー１３と熱伝導シート４及びシート貫通穴１２との関係が設定されている。
【００２５】
図４及び図５は、上述した第１実施例における発熱部材（半導体デバイス２）の取り付け構造において、カラー１３を省略した比較例を示している。図４は、図１のＡ−Ａ線に沿った位置に相当する断面図である。図５は、図４の要部を拡大して模式的に示した説明図である。
【００２６】
例えば、図４、図５に示す比較例のような構成では、ねじ５の締め付けにより熱伝導シート４に過度の圧縮力が長時間作用すると、熱伝導シート４が徐々に塑性変形して弾性力を失うクリープ現象が発生する虞がある。
【００２７】
熱伝導シート４が弾性力を失うと、図４に示すように、半導体デバイス２とヒートシンク３との間に隙間が生じやすくなる。具体的には、半導体デバイス２の底面８と熱伝導シート４との間や、熱伝導シート４とヒートシンク３の上面１０との間に隙間が生じやすくなる。図４の例では、半導体デバイス２の底面８と熱伝導シート４との間に隙間が生じている。このような隙間ができると、半導体デバイス２とヒートシンク３との間の熱伝導性が悪化し、半導体デバイス２の十分な冷却が行われず、過熱による半導体デバイスの故障要因になる虞がある。
【００２８】
しかしながら、上述した第１実施例のように、シート貫通穴１２の内周側にカラー１３を配置することで、ねじ５により半導体デバイス２をヒートシンク３に取り付ける際に、熱伝導シート４の過度の圧縮が抑制される。つまり、ねじ５によりある程度締め付けられると、図２に示すように、カラー１３によって半導体デバイス２がヒートシンク３に支持され、半導体デバイス２とヒートシンク３との隙間がカラー１３の厚さｔ２以下とはならない。
【００２９】
そのため、熱伝導シート４は、カラー１３の厚さに応じて圧縮されるものの、カラー１３の厚さｔ２を適正に設定すれば過度に圧縮されることはない。
【００３０】
つまり、カラー１３の厚さｔ２と熱伝導シート４の厚さｔ１との比率を適正に設定すれば、熱伝導シート４が過度に圧縮されることなく、熱伝導シート４を半導体デバイス２の底面８及びヒートシンク３の上面１０と密接させることができる。換言すれば、カラー１３を用いることで、熱伝導シート４が徐々に塑性変形して弾性力を失うクリープ現象の発生を抑制できるとともに、熱伝導シート４で半導体デバイス２とヒートシンク３との間を長期間に亘って隙間無く埋めることが可能となる。
【００３１】
従って、半導体デバイス２からヒートシンク３への熱伝導が経時的に悪化してしまうことを抑制することができる。
【００３２】
また、半導体デバイス２の底面８やヒートシンク３の上面１０の平坦度や表面粗さ等に依存することなく、半導体デバイス２からヒートシンク３に効率良く放熱することができる。
【００３３】
熱伝導シート４は、クリープ現象が抑制できれば、弾性力を失う経年劣化を抑制でき、半導体デバイス２及びヒートシンク３に対する密接状態を長期間保つことができる。
【００３４】
なお、熱伝導シート４にクリープ現象が発生することがなく、かつ熱伝導シート４を半導体デバイス２の底面８及びヒートシンク３の上面１０に密接させるためには、例えば、熱伝導シート４の圧縮率を、８０％を中央値とし７０％〜９０％の範囲とするのがよい。
【００３５】
第１実施例においては、熱伝導シート４の圧縮率が８０％となるように、熱伝導シート４の厚さｔ１とカラー１３の厚さｔ２の比が１：０．８となるよう設定している。
【００３６】
次に、図６及び図７を用いて、本発明の第２実施例について説明する。なお、上述した第１実施例と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３７】
図６は、図１のＡ−Ａ線に沿った位置に相当する本発明の第２実施例が適用された電力変換装置２１の断面図である。図７は、本発明の第２実施例が適用された電力変換装置２１の要部を拡大して模式的に示した説明図である。
【００３８】
第２実施例における発熱部材（半導体デバイス２）の取り付け構造は、上述した第１実施例と略同一構成となっているが、カラー２２の形状及びカラー２２の外径とシート貫通穴１２の直径との寸法関係が異なっている。
【００３９】
第２実施例におけるカラー２２は、図６、図７に示すように、円錐台形状を呈し、熱伝導シート４のシート貫通穴１２の内周側に配置されている。
【００４０】
カラー２２は、ねじ５が挿入されるものであって、上述したカラー１３と同様に、例えば、鉄、ステンレス、真鍮、銅、アルミニウム等の金属材料からなっている。なお、カラー２２は、上記以外の金属製とすることも可能である。
【００４１】
カラー２２は、底面となる下底２３がヒートシンク３側に位置している。
【００４２】
カラー２２は、下底２３の外径ｄ３がシート貫通穴１２の直径ｄ１と等しくなるよう設定されている。換言すると、カラー２２は、半導体デバイス２側の上底２４よりも大径となる下底２３の外径ｄ３がシート貫通穴１２の直径ｄ１と同径となるよう設定されている。
【００４３】
また、カラー２２は熱伝導シート４よりも薄くなるよう設定されている。すなわち、カラー２２は、その厚さをｔ３とすれば、ｔ１＞ｔ３となるよう設定されている。
【００４４】
つまり、第２実施例においては、ｔ１＞ｔ３、かつｄ１＝ｄ３、となるようにカラー２２と熱伝導シート４及びシート貫通穴１２との関係が設定されている。
【００４５】
また、第２実施例においても、熱伝導シート４の圧縮率が８０％となるように、熱伝導シート４の厚さｔ１とカラー２２の厚さｔ３の比が１：０．８となるよう設定している。
【００４６】
この第２実施例においては、熱伝導シート４が半導体デバイス２とヒートシンク３との間に挟み込まれ、ねじ５の締め付けにより圧縮されると、図６に示すように、カラー２２の外周面がシート貫通穴１２の内周面に密接する。
【００４７】
このような第２実施例においても、上述した第１実施例と同様の作用効果を奏することができる。
【００４８】
また、この第２実施例において、カラー２２の下底２３の外径ｄ３及びシート貫通穴１２の直径ｄ１の寸法公差は、外径ｄ３の寸法が少なくとも直径ｄ１の寸法以上となるように設定されている。詳述すると、シート貫通穴１２の直径ｄ１の寸法公差は、例えば、上の寸法許容差が０ｍｍ、下の寸法許容差が−０．１ｍｍとなっている。また、カラー２２の下底２３の外径ｄ３の寸法公差は、例えば、上の寸法許容差が＋０．１ｍｍ、下の寸法許容差が０ｍｍとなっている。換言すると、カラー２２は、下底２３の外径ｄ３の最大許容寸法が、シート貫通穴１２の直径ｄ１の最大許容寸法よりも大きくなり、下底２３の外径ｄ３の最小許容寸法がシート貫通穴１２の直径ｄ１の最小許容寸法よりも大きくなるよう設定されている。
【００４９】
そのため、カラー２２は、熱伝導シート４のシート貫通穴１２に確実に密接し、摩擦力によりシート貫通穴１２より脱落しにくくなっている。
【００５０】
従って、このような第２実施例では、例えば、半導体デバイス２とヒートシンク３との取り付け面が鉛直方向に沿っているような場合であっても、半導体デバイス２の交換などの取り外しの際にカラー２２が脱落してしまうことを抑制できる。換言すれば、ねじ５の軸方向が鉛直方向に対して直交しているような場合であっても、半導体デバイス２の交換などの取り外しの際にカラー２２が脱落してしまうことを抑制できる。
【００５１】
なお、上述した各実施例においては、熱伝導シート４の厚さｔ１とカラー１３、２２の厚さｔ２、ｔ３の比を１：０．８に設定しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、熱伝導シート４にクリープ現象が発生しない範囲内で適宜変更可能である。
【００５２】
また、金属製のカラーの形状は、上述した第１、第２実施例の円筒及び円錐台に限定されるものではなく、例えば角形や角錐台とすることも可能である。
【００５３】
また、上述した第１実施例において、カラー１３の外径を熱伝導シート４のシート貫通穴１２の内径と等しくなるよう形成することも可能である。この場合、カラー１３は、熱伝導シート４のシート貫通穴１２に密接し、摩擦力によりシート貫通穴１２より脱落しにくくなる。
【００５４】
上述した各実施例においては、ねじ５により半導体デバイス２がヒートシンク３に固定されているが、ボルトにより半導体デバイス２をヒートシンク３に固定するようにしてもよい。つまり、ねじ部材としてボルトを用いることも可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１…電力変換装置
２…半導体デバイス
３…ヒートシンク
４…熱伝導シート
５…ねじ
６…ねじ穴
７…ねじ挿入部
８…底面
９…放熱フィン
１０…上面
１１…ねじ固定穴
１２…シート貫通穴
１３…カラー
２１…電力変換装置
２２…カラー
２３…下底
２４…上底
【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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