(57)【要約】【課題】  上下に並べて配設された回路基板の温度上昇を低減することができる半導体装置の提供。【解決手段】  上下に並べて配設された回路基板１ａ，１ｂの間に、熱遮蔽部材５を配設する。熱遮蔽部材５の下面は、下側回路基板１ａの半導体素子２ａと対向する領域Ａが突出した凸面形状となっている。半導体素子２ａの熱により暖められて上昇する空気は、領域Ａに衝突した後に流れが四方へと分散する。その結果、暖められた空気と熱遮蔽部材５との熱交換が領域Ａだけでなくより広い領域で行われるため、領域Ａが局部的に加熱されるのを防止し、温度分布の均一化が図られる。そのため、上側回路基板１ｂへの熱的な影響を低減することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの回路基板を上下方向に間隔を開けて配設した半導体装置において、
前記２つの回路基板の間に配設され、下側回路基板の高温部位と対向する領域が下方に突出し、かつ、その高温部位対向領域から遠ざかるにつれて前記下側回路基板から遠ざかるような凸面形状の下面を有する熱遮蔽部材を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記下側回路基板が２以上の高温部位を有する場合、前記熱遮蔽部材の下面の前記２以上の高温部位に対向する各領域をそれぞれ下方に突出させたことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記熱遮蔽部材は、金属の板材を前記下側回路基板に向けて凸形状に成形した部材であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記熱遮蔽部材を、前記高温部位対向領域が厚く、かつ、前記高温部位対向領域から遠ざかるにつれて板厚を薄くした金属板材で構成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置において、
前記熱遮蔽部材を冷却する冷却手段を設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置において、
前記熱遮蔽部材の前記高温部位と対向する面を前記高温部位と接触させたことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置において、
前記熱遮蔽部材の上側回路基板と対向する面に、前記熱遮蔽部材よりも熱伝導率の小さな低熱伝導性部材を配設したことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置において、
前記熱遮蔽部材の下面に、その下面から突出するフィンを設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置において、
前記フィンは略矩形断面を有する板状のフィンであって、断面長辺が前記下側回路基板と前記熱遮蔽板との間の空気の対流方向を向くように前記フィンをそれぞれ配置するとともに、前記対流方向に対して前後に配置された前記フィン同士を前記対流方向に直交する方向にずらして配置したことを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の半導体装置において、
前記フィンは円筒形状または円柱形状のフィンであって、前記下側回路基板と前記熱遮蔽板との間の空気の対流方向に対して前後に配置された前記フィン同士を、前記対流方向に直交する方向にずらして配置したことを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項８に記載の半導体装置において、
前記フィンは略矩形断面を有する板状のフィンであって、断面長辺が前記熱遮蔽部材の前記高温部位対向領域対して放射状となるように配置したことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの回路基板を上下に並べて配設した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置であるインバータのスイッチング素子等に用いられる半導体素子は、大きな電流が流れるため発熱量が大きい。そのため、素子温度上昇を抑えるために冷却装置付設する場合が多い。冷却装置の一例としては、半導体素子が取り付けられる平板状の放熱基板部と、放熱基板部の下面側に突設された多数の放熱フィンとを備えるものがある。半導体素子の熱は放熱基板部を介して放熱フィンへ伝達され、放熱フィンの表面から大気中へと放熱される（例えば、特許文献１参照）。また、放熱基板部から上方に伝わる熱を遮蔽する遮蔽板を設けている。
【０００３】
また、半導体素子が実装された回路基板が複数あった場合、スペースをコンパクトにするためにそれらの回路基板を重ねるように並べて配設することがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２２６４６６号公報
【特許文献２】特開２００３−６９２７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、遮蔽板は半導体素子の上面を覆っていないため、回路基板を上下に配置すると、下側の回路基板に実装された半導体素子から放出される熱により上側に設けられた回路基板の温度が高くなりやすい。特に、上側の回路基板上において下側回路基板の発熱の大きな半導体素子の真上に配置されている半導体素子は、他の半導体素子に比べて発熱の影響が大きく過熱状態になるおそれがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、２つの回路基板を上下方向に間隔を開けて配設した半導体装置に適用され、２つの回路基板の間には熱遮蔽部材が配設される。熱遮蔽部材の下面は下側回路基板の高温部位と対向する領域が下方に突出する凸面形状になっており、高温部位対向領域から遠ざかるにつれて下側回路基板から遠ざかる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、熱遮蔽板の下面は下側基板の高温部位と対向する領域が突出した凸面形状となっているため、高温部位で暖められた空気の対流は対向する領域から周囲領域に分散しやすくなる。その結果、対向する領域が高温となる局部的温度上昇を防止することができ、上側回路基板への熱影響を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による半導体装置の一実施の形態を示す図である。１ａ，１ｂは回路基板であり、回路基板１ａには半導体素子２ａが実装され、回路基板１ｂには半導体素子２ｂ，２ｃが実装されている。なお、図１に示す例では、半導体素子２ｂは半導体素子２ａのほぼ真上に配設されている。
【０００９】
回路基板１ａは支持部材３ａによって冷却部４上に支持され、回路基板１ｂは支持部材３ｂによって冷却部４上に支持されている。回路基板１ａ，１ｂは支持部材３ａ，３ｂにそれぞれねじ止めされている。冷却部４はペルチエ効果を用いた冷却装置や冷却水等により冷却しても良いし、金属製のヒートシンクで構成して空冷で冷却するようにしても良い。
【００１０】
例えば、インバータ回路であれば、冷却部４に近い回路基板１ａには発熱量の大きいＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどが実装され、回路基板１ｂには制御用ＩＣが実装される。一般的には、これらの回路基板１ａ，１ｂはケーシング（不図示）によって側方および上方を覆われている。なお、発熱量の大きな半導体素子２ａを、絶縁性の熱伝導シート等を介して冷却部４に直接実装する場合もある。
【００１１】
半導体素子２ａ〜２ｃは熱を発生し温度が上昇するが、回路基板１ａの熱は支持部材３ａを介して冷却部４へと伝達され、同様に回路基板１ｂの熱は支持部材３ｂを介して冷却部４へと伝達される。回路基板１ａと回路基板１ｂとの間には熱遮蔽板５が設けられており、その熱遮蔽板５は支持部材３ｂの中間部分に取り付けられている。熱遮蔽板５の支持部材３ｂへの取付は、ねじ止め、リベットによる接続、溶接接合などで行われる。熱遮蔽板５は回路基板１ａ側に凸形状となるような角錐面を形成している。熱遮蔽板５において、符号Ａで示した凸形状の最も低い部分は回路基板１ａの発熱部である半導体素子２ａの上方に位置しており、その部分から周辺にかけては斜め上方に傾いた斜面となっている。
【００１２】
半導体素子２ａの発熱によってその周囲の空気が暖められ上昇し、空気の対流が発生する。図２は、その対流の様子を模式的に示したものである。図２では、回路基板１ｂおよび冷却部４の図示を省略した。上述したように、熱遮蔽板５の下面は符号Ａの部分を中心とした斜め上方の斜面を形成しているため、半導体素子２ａにより暖められた空気は熱遮蔽板５の斜面に沿って周辺部分へと分散する。斜面に沿って周辺部へと流れた空気は、上側の回路基板１ｂの側方を通って上方へと逃げる。
【００１３】
熱遮蔽板５は半導体素子２ａの対向する領域Ａを中心として下に凸形状となっているので、半導体素子２ａによって暖められて上昇した空気は対向領域から四方へと分散するように周辺部へと流れる。そのため、熱遮蔽板５の領域Ａだけでなくより広い領域で熱交換が行われ、領域Ａが局部的に温度上昇するのを防止することができて温度上昇も低く抑えることができる。
【００１４】
また、温度上昇が比較的大きな領域Ａが回路基板１ｂから最も遠ざかるようになっているので、熱遮蔽板５の回路基板１ｂへの熱的影響を極力抑えることができる。さらに、熱遮蔽板５を支持部材３ｂを介して冷却部４に接続しているため、熱遮蔽板５から冷却部４へと効果的に熱が伝達され熱遮蔽板５の温度上昇が低く抑えられる。
【００１５】
一方、熱遮蔽板の下面を水平とした場合、半導体素子２ａで暖められて上昇した空気は上述した凸形状の場合のように効果的に四方へと分散されないため空気の流れに偏りが生じやすく、また、空気の流れの速さも凸形状の場合に比べて遅くなる。その結果、熱遮蔽板は半導体素子２ａの直上領域が局所的に高温となりやすく、回路基板１ｂにおいて半導体素子２ａの上方に配設された半導体素子２ｂは熱遮蔽板からの熱（対流熱および輻射熱）によって温度が大きく上昇するという欠点がある。しかしながら、上述したように本実施の形態の熱遮蔽板５においてはそのような問題が発生しない。
【００１６】
熱遮蔽板５の材料としては、空気の流れを促進して熱遮蔽板５全体に熱を分散することを主目的とする場合には、Ｆｅ系の金属板をプレス加工したものでも良い。また、支持部材３ｂを介して熱遮蔽板５を冷却部４により積極的に冷却するような場合には、熱伝導率の大きなアルミ系や銅系の板材を用いれば良い。それによって、回路基板１ｂへの熱の影響をより低減することができる。支持部材３ｂは回路基板１ｂのグランドを取るための部材としても機能するものであり、Ｆｅ系、アルミ系、銅系などの金属で形成されている。
【００１７】
図１，２では支持部材３ａ，３ｂの形状を円柱形としているが、円柱形に限らず種々の形状のものを用いることができる。支持部材３ａ，３ｂは冷却部４と一体で形成しても良いし、別々に形成してねじ止めや溶接等によって接続するようにしても良い。
【００１８】
図３は、熱遮蔽板５の第１の変形例を示したものである。図３に示す例では、下側の回路基板１ａには２つの半導体素子２ａ，２ｄが実装されている。そのため、熱遮蔽板１５は、２つの半導体素子２ａ，２ｂに対応するように２つの凸部を有している。すなわち、熱遮蔽板１５は、半導体素子２ａに対応して設けられた下に凸の角錐面１５ａと、半導体素子２ｄに対応して設けられた下に凸の角錐面１５ｂとから成る。なお、角錐面１５ａ，１５ｂとが接続している部分Ｂでは対流が合流するので、その合流部Ｂを熱遮蔽板１５の周辺部よりも低くして、合流部Ｂから周辺部へと対流が形成されるようにする。
【００１９】
図４は、熱遮蔽板５の第２の変形例を示したものである。図４に示す熱遮蔽板２５では、回路基板１ａと対向する下面にフィン２５１を複数形成した。暖められた空気は、熱遮蔽板２５の斜面に沿って流れる際にフィン２５１と衝突する。そのため、熱遮蔽板２５と空気との接触面積が増加し、空気から熱遮蔽板２５への熱伝達をより効率的に行うことができる。フィン２５１の材質は熱遮蔽板２５と同様にアルミ系や銅系の金属を用いれば良い。また、熱遮蔽板２５とフィン２５１とを鋳造で一体成型したものでも良い。
【００２０】
図５はフィン２５１の断面形状や配置を示したものであり、回路基板１ｂ側から見た図である。ここでは、図５（ａ）〜図５（ｃ）の３種類について示したが、いずれの場合にも、フィン２５１の形状および配置は、対流する空気をフィン２５１に効果的に当てて熱を吸収させるとともに対流を妨げないような構造とした。
【００２１】
図５（ａ）に示す第１の例では、フィン２５１Ａの断面形状は長方形であって、領域Ｓ１，Ｓ２に設けられたフィン２５１Ａは長手方向を図示上下方向に揃えて設けられており、領域Ｓ３，Ｓ４および中央に設けられたフィン２５１Ａは長手方向を図示左右方向に揃えて設けられている。このように配置すると、各フィン２５１Ａの断面長辺が中心方向に向くことになる。
【００２２】
また、中央部から見て前後（領域Ｓ３，Ｓ４）または左右（領域Ｓ１，Ｓ２）に並んだ列のフィン２５１Ａは互い違いに配設されている。例えば、領域Ｓ１の右から１列目のフィン２５１Ａと２列目のフィン２５１Ａとを比較すると、図示上下位置がずれていて互い違いになっている。このようなフィン構造とすることにより、空気の流れが妨げられずフィン２５１Ａとの熱交換が効率よく行われる。なお、各フィン２５１Ａの断面長辺が中心を向くように、各フィン２５１Ａを円形に配置しても良い。この場合にも、内側の列と外側の列のフィン２５１Ａを互い違いに配設して空気が周辺方向に流れやすくする。流線Ｌ１は空気の流れを示したものであり、左上領域における流線のみを示した。
【００２３】
図５（ｂ）に示す第２の例では、円柱状のフィン２５１Ｂが図示上下方向および左右方向に規則的に配設されている。この場合も、上下の列および左右の列を比較すると、フィン２５１Ｂは互い違いに配設されている。フィン２５１Ｂを円柱状とすることにより暖められた空気が周辺へと流れやすくなり、熱の分散が効果的に行われる。なお、フィン２５１Ｂの形状を円柱ではなく円筒としても良く、断面形状は楕円等でもかまわない。また、それらの配置を同心円状としても良い
【００２４】
図５（ｃ）に示す第３の例では、各フィン２５１Ｃは熱遮蔽板２５の領域Ａを中心として放射状に延在するように形成されており、対流する空気が流れやすい構造となっている。図５（ｃ）に示すフィン２５１Ｃの場合、フィン２５１Ｃの面積が大きく、鋳造で製造した場合に鋳型から空気が逃げやすい構造となり、鋳造における歩留まりの向上を図り易い。
【００２５】
なお、図５（ｂ）および図５（ｃ）においても図示左上の領域にのみ流線Ｌ１を示した。図５（ｂ）に示すフィン２５１Ｂの場合も図５（ａ）の場合と同様な流線Ｌ１となるが、図５（ｃ）の場合には、フィン２５１Ｃが放射状に形成されているので、暖められた空気は熱遮蔽板２５の領域Ａから放射状に流れる。このように、暖められた空気がフィン２５１の間を流れる間に、フィン２５１に熱が伝達されて空気が冷却される。フィン２５１に伝達された熱は、熱遮蔽板２５および支持部材３ｂ（図１参照）を介して冷却部４へと逃がされる。
【００２６】
なお、図４に示した熱遮蔽板２５では均一厚さの金属板を変形して下に凸の形状としたが、図６に示す熱遮蔽板３５のように半導体素子２ａと対向する部分の肉厚を大きくして、下に凸形状の下面を有する熱遮蔽板としても良い。なお、熱遮蔽板２５と同様に、下面にはフィン３５１が複数形成されている。このように中央部の厚さを大きくすると熱遮蔽板３５の熱容量が大きくなり、熱遮蔽板３５に吸収できる熱量が増大して熱遮蔽板３５の温度上昇を抑えることができる。その結果、回路基板１ｂの温度上昇も抑えられる。
【００２７】
さらに、図７に示すように、熱遮蔽板３５の上面にゴムシートのような低熱伝導性部材５６を配設するようにしても良い。例えば、半導体素子２ａの発熱量が大きい場合には熱遮蔽板３５の温度上昇が大きくなりやすく、熱遮蔽板３５の上面における対流熱や輻射熱が大きくなって回路基板１ｂの温度上昇を招く。しかし、図７に示すように低熱伝導性部材５６を設けることにより、回路基板１ｂへの熱の伝達を小さくすることができる。低熱伝導性部材５６の材料としてはゴム材の他に樹脂等を用いることができ、それらを熱遮蔽板３５の上面に貼り付ける。
【００２８】
図８は熱遮蔽板の第３の変形例を示す図である。図８（ａ）に示す熱遮蔽板４５の場合、凸形状となった熱遮蔽部材４５の凸形状部の下面を半導体素子２ａのパッケージ上面に接触させた。なお、パッケージ上面と凸形状部の下面との間には、熱接触を向上させるために熱伝導シート４６を介在させた。このように、熱遮蔽板４５の一部を発熱部品である半導体素子２ａに接触させることにより、半導体素子２ａの熱が直接熱遮蔽板４５へ伝達され、半導体素子２ａに対する放熱効果が向上する。
【００２９】
図８（ｂ）に示す熱遮蔽板５５の場合も下面に複数のフィン５５１が形成されており、その内の半導体素子２ａの直上に形成されたフィン５５１ａの長さを長くして、その下端を半導体素子２ａのパッケージ上面に接触させるようにした。この場合も、フィン５５１ａとパッケージ上面との間に熱伝導シート４６を介在させる。
【００３０】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、半導体素子２ａ，２ｄは高温部位を、領域Ａは高温部位対向領域を、冷却部４は冷却手段をそれぞれ構成する。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による半導体装置の一実施の形態を示す図である。
【図２】半導体素子２ａにより暖められた空気の対流の様子を模式的に示した図である。
【図３】熱遮蔽板５の第１の変形例を示す図である。
【図４】熱遮蔽板５の第２の変形例を示す図である。
【図５】フィン２５１の断面形状と配置形態とを示す図であり、（ａ）は第１の例、（ｂ）は第２の例、（ｃ）は第３の例である。
【図６】熱遮蔽板３５を説明する断面図である。
【図７】熱遮蔽板３５の上面に低熱伝導性部材５６を設けた場合の断面図である。
【図８】熱遮蔽板の第３の変形例を示す図であり、（ａ）は熱遮蔽板４５の一部を半導体素子２ａのパッケージに接触させた場合を、（ｂ）はフィン５５１ａを半導体素子２ａのパッケージに接触させた場合を示す。
【符号の説明】
【００３２】
１ａ，１ｂ  回路基板
２ａ〜２ｄ  半導体素子
３ａ，３ｂ  支持部材
４  冷却部
５，１５，２５，３５，４５，５５  熱遮蔽板
５６  低熱伝導性部材
２５１，２５１Ａ〜２５１Ｃ，３５１，５５１，５５１ａ  フィン
【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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