特開 2024-165971 電子制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024165971

(43)【公開日】2024-11-28

(54)【発明の名称】電子制御装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/40 20060101AFI20241121BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20241121BHJP

【ＦＩ】

H01L23/40 A

H05K7/20 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023082606

(22)【出願日】2023-05-18

(71)【出願人】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立Ａｓｔｅｍｏ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002365

【氏名又は名称】弁理士法人サンネクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】勝部 勇作

(72)【発明者】

【氏名】寺西 美波

(72)【発明者】

【氏名】市川 英司

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA03

5E322AB01

5E322EA10

5E322EA11

5E322FA04

5F136BC03

5F136BC07

5F136DA27

5F136DA41

5F136EA12

5F136EA43

(57)【要約】      （修正有）

【課題】半導体モジュールの変更に伴い放熱性を可変する電子制御装置を提供する。
【解決手段】電子制御装置１は、冷却器７、半導体素子２、基板３、コネクタ４及び第１熱伝導部材５を備える半導体モジュールと冷却器とを、熱的に接続する熱伝導性のヒートスプレッダ８を備え、一方の面において、第１固定部１１を用いて半導体モジュールをヒートスプレッダに固定する第１突起部１３と、他方の面において、第２固定部１２を用いて冷却器をヒートスプレッダに固定する第２突起部１４と、半導体素子に対して第１熱伝導部材５を間に介して接する第１凸部９と、冷却器に対して第２熱伝導部材６を間に介して接する第２凸部１０とを有する。第１固定部は、基板と半導体素子の接触面から水平方向に離間した位置で、基板と第１突起部を着脱可能に固定し、第２固定部は、第２凸部と冷却器の接触面から水平方向に離間した位置で、冷却器と第２突起部を着脱可能に固定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板に半導体素子が配置された半導体モジュールと、
前記半導体モジュールを冷却する冷却器と、
前記半導体モジュールと前記冷却器とを熱的に接続する熱伝導性のヒートスプレッダと、を備え、
前記ヒートスプレッダは、一方の面において、第１固定部を用いて前記半導体モジュールを前記ヒートスプレッダに固定する第１突起部と、他方の面において、第２固定部を用いて前記冷却器を前記ヒートスプレッダに固定する第２突起部と、前記半導体素子に対して第１熱伝導部材を間に介して接する第１凸部と、前記冷却器に対して第２熱伝導部材を間に介して接する第２凸部と、を有し、
前記第１固定部は、前記基板と前記半導体素子との接触面から水平方向に離間した位置で、前記基板と前記第１突起部を着脱可能に固定し、
前記第２固定部は、前記第２凸部と前記冷却器との接触面から水平方向に離間した位置で、前記冷却器と前記第２突起部を着脱可能に固定する
電子制御装置。

【請求項2】

請求項１に記載の電子制御装置であって、
前記ヒートスプレッダは、前記第１凸部の周囲を囲うように形成される第１の壁と、前記第２凸部の周囲を囲うように形成される第２の壁を有し、
前記第１の壁の垂直方向の長さは、前記第１突起部の長さ以下であり、
前記第２の壁の垂直方向の長さは、前記第２突起部の長さ以下である
電子制御装置。

【請求項3】

請求項１に記載の電子制御装置であって、
前記冷却器は、前記第２固定部を挿通する複数の冷却器ネジ穴を有し、
前記第２凸部は、前記他方の面と平行な平面上において、前記複数の冷却器ネジ穴の形成位置とは重ならず、
前記複数の冷却器ネジ穴は、前記冷却器の前記平面上で放射形状に設けられる
電子制御装置。

【請求項4】

請求項１に記載の電子制御装置であって、
前記第１突起部は、前記第１固定部を挿通する複数の第１ボス部を有し、
前記半導体モジュールは、前記基板において、前記半導体素子と接触する面とは反対側の面にコネクタを有し、
前記第１ボス部の長さは、前記半導体素子の厚さと前記第１凸部の厚さを合計した厚さ以上の長さであり、
前記第１凸部は、前記半導体素子の平面部分に対向する平面部を有する
電子制御装置。

【請求項5】

請求項１に記載の電子制御装置であって、
前記第２突起部は、前記第２固定部を挿通する第２ボス部を有し、
前記第２ボス部の長さは、前記第２凸部の厚さ以上の長さであり、
前記第２凸部の面積は、前記第１凸部の面積より大きい
電子制御装置。

【請求項6】

請求項１に記載の電子制御装置であって、
前記第１突起部は、前記第１固定部を挿通する複数の第１ボス部を有し、
前記第１凸部は、前記一方の面において、前記複数の第１ボス部の位置に重ならず、
前記複数の第１ボス部は、前記一方の面において前記第１凸部から放射形状に設けられる
電子制御装置。

【請求項7】

請求項１に記載の電子制御装置であって、
前記基板は、板バネによって前記第１突起部に対して圧力固定され、
前記第１突起部は、前記ヒートスプレッダの平面上で放射形状を有し、
前記板バネは、前記基板において、前記第１突起部と接触する面とは反対側の面で前記基板を押さえる形状を有する
電子制御装置。

【請求項8】

請求項１に記載の電子制御装置であって、
前記第１突起部および前記第２突起部は、前記ヒートスプレッダと着脱可能なスペーサである
電子制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電子制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

車載の電子制御ユニットは、ハードウェアアップデート等の高性能化に伴い発熱量が増大するため、放熱性の向上が求められる。例えば、特許文献１には、ヒートスプレッダ４に溝４ｇを設け、そこにＯリング８を設置し放熱グリス９を保持し、また、Ｏリング８には切り欠き８ｎを持たせ、ネジ７締め付け時に通気口として機能させ、チップ２は樹脂５で封止することで、放熱性に優れた電力用半導体装置の構成について開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３－２５１４７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の技術では、ヒートスプレッダと基板ははんだや樹脂で固定されているため、アップデートに伴う半導体モジュールの変更が要求されても取り外せない課題が生じる。また、変更後の半導体モジュールのサイズや発熱量に合わせた冷却器も必要になる。これを鑑みて本発明は、冷却器を変更せずに半導体モジュールの変更に伴った放熱性の可変を実現する電子制御装置を提供することが目的である。

【課題を解決するための手段】

【0005】

電子制御装置は、基板に半導体素子が配置された半導体モジュールと、前記半導体モジュールを冷却する冷却器と、前記半導体モジュールと前記冷却器とを熱的に接続する熱伝導性のヒートスプレッダと、を備え、前記ヒートスプレッダは、一方の面において、第１固定部を用いて前記半導体モジュールを前記ヒートスプレッダに固定する第１突起部と、他方の面において、第２固定部を用いて前記冷却器を前記ヒートスプレッダに固定する第２突起部と、前記半導体素子に対して第１熱伝導部材を間に介して接する第１凸部と、前記冷却器に対して第２熱伝導部材を間に介して接する第２凸部と、を有し、前記第１固定部は、前記基板と前記半導体素子との接触面から水平方向に離間した位置で、前記基板と前記第１突起部を着脱可能に固定し、前記第２固定部は、前記第２凸部と前記冷却器との接触面から水平方向に離間した位置で、前記冷却器と前記第２突起部を着脱可能に固定する。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、冷却器を変更せずに半導体モジュールの変更に伴った放熱性の可変を実現する電子制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る、電子制御装置の断面図

【図2】本発明の第２の実施形態に係る、電子制御装置の断面図

【図3】本発明の第３の実施形態に係る、半導体モジュールの変更に伴った電子制御装置の平面図

【図4】本発明の第４の実施形態に係る、冷却器を示す図

【図5】本発明の第５の実施形態に係る、ヒートスプレッダを示す図

【図6】本発明の第６の実施形態に係る、電子制御装置の断面図

【図7】本発明の第７の実施形態に係る、電子制御装置の平面図

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

【0009】

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

【実施例0010】

図１は、本発明の第１の実施形態に係る、電子制御装置１の断面図である。電子制御装置１は、車両に搭載される制御装置であり、半導体モジュール、ヒートスプレッダ８、冷却器７を備える。半導体モジュールは、半導体素子２、基板３、コネクタ４、第１熱伝導部材５、を備える。半導体素子２は基板３上に配置されている。冷却器７はヒートスプレッダ８を介して半導体モジュールを冷却する。ヒートスプレッダ８は熱伝導性である。コネクタ４は、基板３において半導体素子２が配置される面とは反対側の面に配置されている。

【0011】

ヒートスプレッダ８は、第１突起部１３、第２突起部１４を有する。第１突起部１３は、半導体モジュールをヒートスプレッダ８に固定するため、ヒートスプレッダ８の一方の面において、ネジ等の締結部材である第１固定部１１を用いる。また第１突起部１３は、第１固定部１１を挿通するネジ穴等である第１ボス部１６を有する。第２突起部１４は、ヒートスプレッダ８を冷却器７に固定するため、ヒートスプレッダ８の他方の面に固定するため、ネジ等の締結部材である第２固定部１２を用いる。第２突起部１４は、第２固定部１２を挿通するネジ穴等である第２ボス部１４１を有する。

【0012】

また、ヒートスプレッダ８は、第１凸部９、第２凸部１０を備える。第１凸部９は、第１熱伝導部材５を間に介して半導体素子２と熱的に接続している。第２凸部１０は、第２熱伝導部材６を間に介して冷却器７と熱的に接続している。ヒートスプレッダ８は、このような構成を有することで、半導体モジュールと冷却器７とを熱的に接続し、半導体モジュールの熱を冷却器７に拡散している。第１凸部９は、ヒートスプレッダ８の半導体モジュールに対する積層方向の位置を調整する機能を有する。

【0013】

また、第１凸部９は、ヒートスプレッダ８と半導体モジュールとの間に介する第１熱伝導部材５の塗布面の面積を調整する機能を有する。第２凸部１０は、ヒートスプレッダ８の冷却器７に対する積層方向の位置を調整する機能を有する。また、第２凸部１０は、ヒートスプレッダ８と半導体モジュールとの間に介する第１熱伝導部材６の塗布面の面積を調整する機能を有する。

【0014】

基板３は、第１固定部１１を挿通するネジ穴を有している。冷却器７は、第２固定部１２を挿通するネジ穴等である冷却器ボス部を有している。第１固定部１１は、基板３と半導体素子２との接触面から水平方向に離間した位置で、基板３と第１突起部１３を着脱可能に固定している。また、第２固定部１２は、第２凸部１０と冷却器７との接触面から水平方向に離間した位置で、冷却器７と第２突起部１４を着脱可能に固定している。

【0015】

このような構成を有することで、変更後の半導体モジュールの寸法や発熱量が変更前の半導体モジュールと異なる場合であっても、ヒートスプレッダ８のみの変更で半導体モジュールを冷却器７に熱的に接続し固定できるため、半導体モジュールの変更前後で冷却器７の共有化が実現できる。

【0016】

第１熱伝導部材５は、第１凸部９に接触していることで、半導体モジュールに対しての厚さ調整が実現されている。また、第２熱伝導部材６は、第２凸部１０に接触していることで、冷却器７に対しての厚さ調整が実現されている。このようにすることで、熱抵抗を変更できる。そのため、冷却器７を変更することなく、変更後の異なるサイズの半導体モジュールに対応できる放熱性の変更を実現できる。また、第２凸部１０の面積を第１凸部９の面積より大きくすることで、ヒートスプレッダ８で拡散された半導体素子２の熱を、第１凸部９の面積より広い面積を有する第２凸部１０を介して冷却器７に放熱することができる。これにより、熱抵抗が下がり放熱性を向上させることが可能となる。

【0017】

また、第１凸部９は、半導体モジュールの半導体素子２に対して接触する第１熱伝導部材５の塗布面積を規定している。同様に、第２凸部１０は、冷却器７に対して接触する第２熱伝導部材６の塗布面積を規定している。これにより、第１熱伝導部材５は、第１凸部９によって半導体素子２に対しての放熱面積の調整がされている。また第２熱伝導部材６は、第２凸部１０によって冷却器７に対しての放熱面積の調整がされている。よって、半導体モジュールから冷却器７に対しての放熱の可変が実現できる。

【0018】

半導体モジュールへの接続に必要な第１熱伝導部材５の厚さ・面積と、冷却器７に接続する第２熱伝導部材６の厚さ・面積をそれぞれ独立に設定する。これにより、半導体モジュールが変更されても、変更後の半導体モジュールに合わせた第１熱伝導部材５および第２熱伝導部材６の塗布面積と厚さを調整して、放熱量を可変できるため、設計変更に対応できる。

【0019】

また、ヒートスプレッダ８が有する第１突起部１３、第２突起部１４により、ヒートスプレッダ８から半導体モジュールに対して、またヒートスプレッダ８から冷却器７に対して積層方向に高さ調節機能を有する。これにより、第１熱伝導部材５および第２熱伝導部材６の厚さを調節して熱抵抗を可変できるだけではなく、第１熱伝導部材５および第２熱伝導部材６に接触する構造体の熱や振動などの変形により、熱伝導部材の代わりに空気が入り込むことで放熱性能の低下につながるポンプアウトを抑制することができる。換言すると、ヒートスプレッダ８と半導体モジュールが互いに過度に接触することを防止できる。

【0020】

第１凸部９が第１熱伝導部材５を介して半導体素子２へ接続した状態で固定する際に、第１凸部９から半導体素子２へ大きな応力がかかると、半導体素子２が破損する可能性がある。そこで、第１固定部１１が挿通する第１ボス部１６の長さを、第１凸部９が半導体素子２に対して半導体素子２が破損しない程度の応力に長さを調整する。具体的には、第１ボス部１６の長さを、半導体素子２の厚さと第１凸部９の厚さを合計した厚さ以上の長さにする。このようにすることで、半導体モジュールの交換および実装時の信頼性が向上する。

【0021】

また第２突起部１４において第２ボス部１４１の長さは、第２凸部１０の厚さ以上の長さにする。第２凸部１０の面積は、第１凸部９の面積より大きくする。このようにすることで、同様に半導体モジュールの交換および実装時の信頼性向上が実現できる。

【0022】

また、第１凸部９は半導体素子２の平面部分に対向する平面部を有する。この構造により、半導体モジュールの変更時において、第１凸部９に塗布する接着剤が多ければ第１凸部９から水平方向に接着剤がはみ出るため、接着部分の接着剤の塗布面積と厚さを維持できる。すなわち、接着剤を適した量に調整でき、半導体モジュールの交換および実装時の第１熱伝導部材５の塗布面積と厚さを最適化できる。またこれにより、半導体モジュールの交換および実装時の信頼性向上を実現できる。

【実施例0023】

図２は、本発明の第２の実施形態に係る電子制御装置１の断面図である。実施例１から変更のある構成について以下に示す。ヒートスプレッダ８は、第１の壁１７、第２の壁１８を有する。第１の壁１７は、第１凸部９の周囲を囲うように立設し、半導体素子２から離間して形成される。第２の壁１８は、第２凸部１０の周囲を囲うように立設し、第２凸部から離間して形成される。第１の壁１７は、垂直方向において、第１突起部１３の長さ以下である。また、第２の壁は、垂直方向において、第２突起部１４の長さ以下である。

【0024】

このようにすることで、第１熱伝導部材５および第２熱伝導部材６について、以下のような作用効果を実現できる。

【0025】

熱によって第１熱伝導部材５が変形してしまい、第１熱伝導部材５が第１凸部９から水平方向に拡がる場合、第１の壁１７により水平方向への拡がりが阻まれるため、第１熱伝導部材５は半導体素子２と第１の壁１７との隙間に流れる。ここで、図２の鉛直下向きの方向が重力方向と仮定すると、熱により広がった熱伝導部材５は重力により元の位置に戻ろうとするため、空気が入り込むポンプアウトが発生することを抑制でき、放熱性能の低下を回避できる。

【0026】

また、熱によって第２熱伝導部材６が変形してしまい、第２熱伝導部材６が第２凸部１０から水平方向に拡がる場合、第２の壁１８により水平方向への拡がりが阻まれるため、第２熱伝導部材６は第２凸部１０と第２の壁１８の隙間に流れる。ここで、図２の鉛直下向きの方向が重力方向と仮定すると、熱により広がった熱伝導部材６は重力により元の位置に戻ろうとするため、空気が入り込むポンプアウトが発生することを抑制でき、放熱性能の低下を回避できる。