(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体を含む素子モジュールと、
グリスを挟んで前記素子モジュールを複数の固定箇所にて固定している電子機器の鋳造製の筐体と、
前記筐体の壁を挟んで前記素子モジュールと対向するように前記筐体に固定されており、前記筐体と熱膨張率の異なる板部材と、
を備えており、
前記固定箇所は前記発熱体を囲むように設けられており、
前記素子モジュールに対向する筐体面の前記固定箇所で囲まれた領域に、前記グリスが入り込む複数の平行な線条溝が設けられているとともに、隣接する線条溝の間に線条溝幅よりも幅広の平坦面が設けられており、
複数の前記線条溝は、線条溝の並び方向の中央における溝間隔が並び方向の端における溝間隔よりも狭い、
ことを特徴とする放熱構造。
【請求項２】
前記線条溝が設けられている領域は、その周囲部分に比べて一段高いことを特徴とする請求項１に記載の放熱構造。
【請求項３】
前記平坦面の表面は、前記線条溝の溝内部の表面に比べて滑らかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱構造。
【請求項４】
前記線条溝は、前記筐体と前記素子モジュールとの積層方向から見て、前記発熱体と重なる位置に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の放熱構造。
【請求項５】
前記筐体は、アルミダイカスト製であり、前記線条溝が延びる方向が筐体鋳造時の湯流れ方向に一致していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の放熱構造。
【請求項６】
前記板部材は、鉄製であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の放熱構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、発熱体を有する電子機器の放熱構造であって、発熱体を収めた部材から筐体へ熱を伝達させる放熱構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
大出力のモータ用のインバータや電圧コンバータなどの電子機器では、スイッチング回路用のＩＧＢＴやダイオードなど、発熱量の大きい素子（発熱体）を数多く用いる。そのため、素子の放熱構造が重要となる。素子の放熱には、冷媒を流す冷却器を使う場合やそのような冷却器を使わない場合などがあるが、いずれの場合も筐体への伝熱効率を上げることは素子の冷却能力の向上に繋がる。
【０００３】
筐体への伝熱効率を向上させる技術として、例えば、特許文献１や特許文献２に開示される技術がある。いすれの文献の技術も、発熱体である半導体素子を収めた素子モジュールと筐体との間に伝熱性の高いグリスを介在させるが、グリスが不均一にならないように筐体における素子モジュールとの対向面にグリスが溜まるように溝を設ける。特許文献１の技術では、素子モジュールに設けられた固定用孔によって囲まれる領域内に、その領域の外周線に沿うように溝を設ける。特許文献１の技術は、素子モジュール締結時の力により素子モジュールが変形することによって生じるグリスの不均一を解消するものである。特許文献２の技術では、筐体における素子モジュールとの対向面に複数の溝を設ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９６５７６号公報
【特許文献２】特開２０１０−９２９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本明細書は、発熱体を収めた素子モジュールと筐体との間に塗布されたグリスの不均一を解消するためにさらに改良した技術を提供する。特に、筐体における素子モジュール固定面とは反対側の面に、筐体とは熱膨張率が異なる板部材が固定され、熱膨張率の違いにより筐体が変形し元に戻るような場合であっても、素子モジュールと筐体との間にグリス欠損領域が生じないようにするとともに、鋳造で作られる筐体の製造に適した技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示する放熱構造は、発熱体を収めた素子モジュールと、その素子モジュールを収める電子機器の筐体と、筐体に固定される板部材で構成される。素子モジュールは、グリスを挟んで複数の固定箇所にて筐体に固定される。板部材は、筐体と熱膨張率の異なる材料で作られており、筐体の壁を挟んで素子モジュールと対向するように筐体に固定されている。素子モジュールの固定箇所は、発熱体を囲むように設けられている。本明細書が開示する技術は、素子モジュールに対向する筐体面の上記固定箇所で囲まれた領域に、グリスが入り込む複数の平行な線条溝を設けるとともに、隣接する線条溝の間に線条溝幅よりも幅広の平坦面を設けている。そして、複数の線条溝は、線条溝の並び方向の中央における溝間隔（すなわち平坦面の幅）が並び方向の端における溝間隔よりも狭い。ここで、線条溝とは、端から端まで一直線に延びている溝を意味する。なお、以下では、線条溝と平坦面が設けられている領域を放熱部と称する場合がある。
【０００７】
発熱体は、ＩＧＢＴやダイオードなどの半導体素子、抵抗素子、コンデンサなどである。発熱体を含む素子モジュールは、半導体素子をモールドしたパッケージであってもよいし、パッケージと冷却器を一体化したユニットであってもよい。また板部材は、筐体を補強する鉄板であったり、筐体を別の装置に取り付けるためのブラケットであってもよい。筐体は、典型的には、アルミダイカストで作られ、板部材は鉄製のアンダーカバー（下部遮蔽板）である。
【０００８】
上記の放熱構造では、放熱部に、複数の線条溝とこれらの溝幅よりも幅広の平坦面とを設けている。そのような構造により、放熱部と冷却器との間に介在するグリスは複数の線条溝に溜められ、また幅広の平坦面により発熱体の熱が筐体に伝わりやすい。特に、筐体と板部材の熱膨張率の違いから発熱体の熱により筐体が素子モジュール側に向けて凸状（筐体が板部材側に向けて凹状）に変形して筐体と素子モジュールとの間の隙間が不均一になっても、線条溝にはグリスが残る。そのため、筐体の変形が元に戻ると、線条溝に残ったグリスが隙間に戻ることから、グリス欠損領域が発生することを防ぐ。そして、複数の線条溝で線条溝の並び方向の中央における溝間隔が並び方向の端における溝間隔よりも狭いことにより、熱が集中しやすい中央にグリスが溜まりやすくなる。
【０００９】
上記の放熱構造では、互いに平行な複数の線条溝を設けている。線条溝の延びる方向を、筐体の鋳造における溶湯流れの方向と一致させることによって、線条溝に溶湯が流れ易くなる。即ち、上記の放熱構造を採用した筐体は製造しやすい。本明細書の技術は、グリス欠損領域を防止する構造であって、かつ、鋳造し易い構造を提供する。本明細書が開示する技術は鋳造製の筐体に適しており、特に、ダイカスト製の筐体に適している。
【００１０】
上記の放熱構造では、線条溝が設けられている領域（放熱部）がその周囲部分に比べて一段高くなるように構成してもよい。これにより、放熱部は台座状になるため、発熱体による熱が集中するとともに集中した熱を効率的に筐体へ伝えることができる。また、放熱部が台座状であっても、放熱部に形成される複数の線条溝は、鋳造時に溶湯流れしやすいように平行に延びているので、筐体の製造が容易である。
【００１１】
上記の放熱構造では、平坦面の表面が線条溝の溝内部の表面に比べて滑らかであることが好ましい。滑らかな平坦面の表面によりグリスの厚みが薄くなることで筐体へ熱が伝わり易くなる。その一方で、平坦面の表面より粗い線条溝内の表面によりグリスを溝内に保持し易くなる。
【００１２】
上記の放熱構造では、線条溝は、筐体と素子モジュールとの積層方向から見て、発熱体と重なる位置に設けられていることが好ましい。発熱体の直下でグリスが欠損することを防止するためである。
【００１３】
本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】インバータの筐体の底部の平面図である。
【図２】半導体モジュールを外したインバータ筐体の底部の平面図である。
【図３】図１に示すIII−III線に沿った断面図である。
【図４】図２に示すIV−IV線に沿った断面図である。
【図５】溝部分の拡大断面図である。
【図６】筐体を作るダイカスト型の平面図である。
【図７】第２実施例の放熱構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図面を参照して実施例の放熱構造を説明する。実施例の放熱構造２が対象とする装置は、電気自動車のインバータ３である。図１にインバータ３の筐体５の底部の平面図を示す。筐体５の底部上面に、２つの半導体モジュール２０、３０が固定されている。筐体５は箱状であるが、以下では半導体モジュール２０、３０が固定される筐体底部について説明し、筐体全体については説明を省略する。
【００１６】
半導体モジュール２０は、その内部にＩＧＢＴなどの複数個の半導体素子を樹脂でモールドした半導体チップ２１ａ、２１ｂ、及び２１ｃを内蔵している。半導体モジュール３０は、その内部にＩＧＢＴ等の複数個の半導体素子を樹脂でモールドした半導体チップ３１を内蔵している。なお、図１では、半導体モジュールに内蔵された半導体チップはグレーで示してある。さらに、図１では、半導体素子の配線は図示を省略している。半導体モジュール２０、３０に収められたＩＧＢＴなどの半導体素子は、バッテリの電力をモータ駆動に適した交流電力に変換するためのコンバータ回路やインバータ回路におけるスイッチング回路を構成する素子である。半導体モジュール２０、３０に収められた素子には大電流が流れるため発熱量が大きい。インバータ３では、そのような発熱量の大きい素子を集積し、集中的に冷却する。
【００１７】
半導体モジュール２０は、４本のボルト２２で筐体５の底部に固定される。筐体５の底部表面であって半導体モジュール２０と対向する領域には６本の線条の溝８（線条溝）が形成されている。半導体モジュール３０は、４本のボルト３２で筐体５の底部に固定される。筐体５の底部表面であって半導体モジュール３０と対向する領域には、５本の線条の溝９（線条溝）が形成されている。「線条溝」とは、端から端まで一直線の溝を意味する。符号９が示す溝の一群は、相互に平行に延びている。符号８が示す溝の一群も相互に平行に延びている。複数の溝の全体的な配置は、図１の平面図でみて溝が半導体チップと重なる部分が多くなるように定められている。
【００１８】
半導体モジュール２０と筐体５の底部との間には熱伝導率の高いグリスが塗布されている。半導体モジュール３０と筐体５の底部との間にもグリスが塗布されている。グリスは、半導体モジュールから筐体５へと半導体素子の熱を良く拡散させるために塗られている。グリスは溝８と溝９にも溜まる。溝８と溝９については後に詳しく説明する。
【００１９】
インバータ３の底部外側（インバータ３の下面）には、アンダーカバー４が取り付けられている。インバータ３は車両のエンジンコンパートメントに固定されるが、アンダーカバー４は、路面から跳ね上がってくる小石などからインバータ３を保護することを一つの目的として取り付けられている。アンダーカバー４は、下からボルト６でインバータ３に固定される。筐体５はアルミダイカストで製造され、アンダーカバー４は鉄製である。筐体５とアンダーカバー４はボルト６によって相互に固定されており、筐体５とアンダーカバー４は熱膨張率が異なるため、温度が上昇すると、熱膨張率の差によって筐体５が変形する。筐体５が変形し、筐体５の底部表面が湾曲すると、底部表面と半導体モジュール２０、３０との間の隙間が不均一となり、隙間の狭い領域から広い領域へとグリスが押し出される。しかし、温度が下がり、変形が元に戻ったとき、溝８、溝９内に溜まったグリスが筐体表面に出てくるので、底部表面と半導体モジュール２０、３０との間にグリス欠損領域が生じ難い。次に、溝８、溝９の構造について詳しく説明する。
【００２０】
図２に、半導体モジュール２０と３０を外した状態のインバータ３の底部の平面図を示す。図３に、図１のIII−III線に沿った断面図を示す。図４に図２のIV−IV線に沿った断面図を示す。図４の断面図は、図３の断面図において半導体モジュール３０を外したものに相当する。なお、図３における符号Ｇはグリスを示している。
【００２１】
図１に示したように、半導体モジュール２０の下方に位置する一群の溝を「溝８」と総称するが、個別の溝を示す場合には、図２に示すように図の左側から溝８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆと称する。また、半導体モジュール３０の下方に位置する一群の溝は「溝９」と総称するが、個別の溝を示す場合には、図２の左側から溝９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅと称する。また、溝８ａと溝８ｂの間の平坦面を溝間平面１２ａと称する。同様に、溝８ｂと溝８ｃの間の平坦面を溝間平面１２ｂと称し、溝８ｃと溝８ｄの間の平坦面を溝間平面１２ｃと称し、溝８ｄと溝８ｅの間の平坦面を溝間平面１２ｄと称し、溝８ｅと溝８ｆの間の平坦面を溝間平面１２ｅと称する。同様に、溝９ａと溝９ｂの間の平坦面を溝間平面１３ａと称し、溝９ｂと溝９ｃの間の平坦面を溝間平面１３ｂと称し、溝９ｃと溝９ｄの間の平坦面を溝間平面１３ｃと称し、溝９ｄと溝９ｅの間の平坦面を溝間平面１３ｄと称する。溝間平面１２ａ−１２ｅは溝間平面１２と総称する場合があり、溝間平面１３ａ−１３ｄは、溝間平面１３と総称する場合がある。
【００２２】
前述したように、半導体モジュール２０は、４本のボルト２２でインバータ３の筐体５に固定される。筐体５の底部には、ボルトを通すための固定孔７ａが４箇所に設けられている。固定孔７ａは、半導体チップ２１ａ、２１ｂ、及び２１ｃ（半導体素子）を囲むように配置されている（図１も参照されたい）。６本の溝８は、４箇所の固定孔７ａで囲まれた領域（図２の破線１４で囲まれた領域）に形成されている。半導体モジュール３０の側でも同様であり、５本の溝９は、４箇所の固定孔７ｂで囲まれた領域（図２において破線１５で囲まれた領域）に形成されている。６本の溝８と溝間平面１２が形成された領域を放熱部１４と称する場合があり、５本の溝９と溝間平面１３が形成された領域を放熱部１５と称する場合がある。放熱部１４は、筐体５において半導体モジュール２０と当接する面に相当し、放熱部１５は、半導体モジュール３０と当接する面に相当する。
【００２３】
５本の溝９（線条溝）は相互に平行に延びている。図４に良く示されているように、溝の幅はＷ１で一定である。しかし、溝間平面１３の幅は、複数の溝９の並びの方向の中心で狭く、端で広くなっている。即ち、最も外側の溝間平面１３ａと１３ｄの幅Ｌｂは、中心に近い溝間平面１３ｂ、１３ｃの幅Ｌａよりも大きい。また、いずれの溝間平面の幅Ｌａ、Ｌｂも、溝幅Ｗ１よりは大きい。
【００２４】
６本の溝８についても同様である。６本の溝８は相互に平行に延びており、いずれの溝幅も溝間平面の幅よりも小さい。溝間平面１２の幅は、複数の溝８の並びの方向の外側から中心に近づくほど狭くなる。最も外側の溝間平面１２ａ、１２ｅの幅が最も広く、最も中心に近い溝間平面１２ｃの幅が最も狭い。その中間に位置する溝間平面１２ｂ、１２ｄの幅は、溝間平面１２ａの幅よりも小さく、溝間平面１２ｃの幅よりも大きい。
【００２５】
図３によく示されているように、半導体モジュール３０と筐体５の底部とアンダーカバー４は積層状態にあり、溝９は、積層方向からみたときに半導体モジュール３０内の半導体チップ３１（半導体素子）と重なるように設けられている（図１も参照されたい）。
【００２６】
また、図３に良く示されているように、筐体５の底部と半導体モジュール３０の間にはグリスＧが塗布されており、平行な線条の溝９にもグリスＧが入り込む。筐体５の底部が変形し半導体モジュール３０との間の隙間が不均一となったのち、隙間が元の状態に戻ったときには溝９内のグリスが筐体５と半導体モジュール３０の間に供給され、グリス欠損領域ができることが防止される。特に、溝９は半導体モジュール３０の中心に近づくほど溝の間隔が狭くなっているので（溝間平面の幅が狭くなっているので）、単位面積当たりの溝面積が増え、隙間が狭くなったときのグリスの退避場所が増える。そのようにして溝９は、グリス欠損領域の発生防止に寄与する。溝８についても同様の効果が期待できる。
【００２７】
図５に溝９ｃと９ｄ付近の拡大断面図を示す。図４ではグリスは図示を省略している。図５によく示されているように、溝の断面形状は概ねＵ字型に形成されており、グリスが流れ易くなっている。また、溝９の幅Ｗ１は、溝間平面１３ｃの幅Ｌａよりも小さい。図４に示すように、溝間平面１３ｃの幅Ｌａが放熱部１５において最も狭いから、溝９の幅Ｗ１は、放熱部１５において全ての溝間平面の幅よりも小さい。また、溝の深さＤ１は、筐体５の厚みＨ１の１／５以下である。溝の深さを深くしないことで、筐体５の強度低下を抑制している。溝８についても同様である。
【００２８】
さらに、溝間平面１３ｃの表面は、溝９の内部の表面よりも滑らかである。別言すれば、溝間平面１３ｃの表面の表面粗さは、溝９の内部の表面の表面粗さよりも細かい。溝間平面の表面粗さが細かいことで、グリス厚みが薄くなり、半導体チップから筐体へ熱が伝わり易くなる。一方、溝内の表面粗さが粗いことで、グリスを保持し易い。
【００２９】
溝８、９が相互に平行であることは、次の利点もある。筐体５は、ダイカストにて作られる。図６に筐体５を作るためのダイカスト型１０１の平面図を示す。図６のダイカスト型は、筐体５の内側底面を形成する型である。筐体５の底面内側とは、図２に示した形状に相当する。ダイカスト型１０１のキャビティ面１０５は、図２に示した底面の形状を左右逆にし、さらに凹凸を逆転した形状を有しており、溝８、９に相当する突条１０３、１０４が形成されている。即ち、図６において突条１０３、１０４の延びる方向が、溝８、９の延びる方向に相当する。ダイカスト型１０１には、キャビティに溶湯を流し込むゲート１０２が形成されている。ゲート１０２は、突条１０３、１０４を延長した方向に設けられている。ダイカスト型１０１で筐体５を鋳造する際、ゲート１０２からキャビティへと射出される溶湯は、溝８、９に相当する突条１０３、１０４に沿って流れる（図６の矢印Ａ参照）。底面に多数の溝を有する筐体５をダイキャストにて成形する場合、溶湯が突条１０３、１０４の長手方向と交差する方向に流れる場合、突条１０３、１０４が溶湯の流れを阻害するが、溶湯が突条１０３、１０４に沿って流れる場合、突条１０３、１０４が溶湯の流れを阻害しない。相互に平行な線条の溝８、９を有する筐体５は、溝に沿って溶湯が流れるようにダイカスト型を準備することによって、製造が容易となる。
【００３０】
上記の放熱構造２は、半導体モジュール２０（３０）に対向する筐体面において固定箇所７ａ（７ｂ）で囲まれた領域に設けられた線条溝８（９）で構成される。線条溝８（９）は、グリスＧが入り込む溝であり、相互に平行である。また、隣接する線条溝８（９）の間に、線条溝幅よりも幅広の平坦面（溝間平面１２、１３）が設けられている。この放熱構造２は、素子モジュールを挟んで筐体の外側に筐体とは熱膨張率の異なる部材が固定されている筐体に適している。
【００３１】
図７を参照して、放熱構造２の変形例（放熱構造２ａ）を説明する。この放熱構造２ａでは、筐体５は、半導体モジュール３０を取り付ける側の面に、周囲よりも一段高い段丘１１５を有している。この段丘１１５が、放熱部に相当し、平行な溝９ａ〜９ｅが設けられる。そしてこの段丘１１５の上面に半導体モジュール３０がボルト３２によって固定される。段丘をダイカストで製造するには、ダイカスト型に段丘に相当する窪みを形成する必要がある。さらにその窪みの中に、溝９に相当する突条が形成される。窪みの中に複数の突条を有するダイカスト型での成形は比較的に難しいが、突条（即ち筐体の溝）の延びる方向を湯流れ方向と一致させることで、湯流れ不良を起こし難くすることができる。
【００３２】
実施例の技術に関する留意点を述べる。実施例の半導体モジュール２０、３０が素子モジュールの一例に相当する。半導体チップ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、及び、３１が、発熱体の一例に相当する。発熱体は、半導体チップに限らず、例えば、抵抗器、コンデンサ、或いは、コイルなどの電子部品であればよい。即ち、素子モジュールとは、半導体チップをモールドしたパッケージに限られない。アンダーカバー４が板部材の一例に相当する。筐体５の底部が筐体の壁の一例に相当する。ボルト固定孔７ａ、７ｂが、固定箇所の一例に相当する。
【００３３】
実施例では、溝８は６本であり、溝９は５本であった。溝の数に制限はない。また、実施例では、半導体モジュール２０、３０を筐体５の底部に固定する例を示したが、半導体モジュール２０、３０（素子モジュール）を固定する場所は、筐体の側面や上面であってもよい。実施例ではインバータにおける放熱構造２を説明したが、本明細書が開示する技術はインバータ以外の電子機器に適用することもできる。
【００３４】
素子モジュールの一例である半導体モジュール２０、３０は、半導体チップを樹脂でモールドしたパッケージであった。素子モジュールは、内部に冷媒の流路を有する冷却器一体型であってもよい。
【００３５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３６】
２、２ａ：放熱構造
３：インバータ
４：アンダーカバー
５：筐体
６、２２、３２：ボルト
７ａ、７ｂ：固定孔
８、９：溝（線条溝）
１２，１３：溝間平面
１４、１５：放熱部
２０、３０：半導体モジュール
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、３１：半導体チップ
３２：ボルト
１０１：ダイカスト型
１０２：ゲート
１０３：突条
１０５：キャビティ面
１１５：段丘（放熱部）
Ｇ：グリス
【図１】
0005790531.tif 000002
【図２】
0005790531.tif 000003
【図３】
0005790531.tif 000004
【図４】
0005790531.tif 000005
【図５】
0005790531.tif 000006
【図６】
0005790531.tif 000007
【図７】
0005790531.tif 000008