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技術 電子電気機器

出願人 富士電機株式会社
発明者 藤田美和子新谷貴範
出願日 2018年12月25日 (1年3ヶ月経過) 出願番号 2018-241278
公開日 2019年4月18日 (11ヶ月経過) 公開番号 2019-062234
状態 特許登録済
技術分野 電場又は磁場に対する装置又は部品の遮蔽 電気装置の冷却等 半導体または固体装置の冷却等
主要キーワード 抵抗値成分 モジュール配線 ノイズ放射源 放射ノイズ抑制 シールド筐体 浮遊容量成分 浮遊容量値 ノイズピーク
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図面 (11)

課題

半導体素子ヒートシンク筐体の配置を含む電子電気機器から発生する放射ノイズを低減するとともに冷却性能をさらに向上させ得る電子電気機器を提供する。

解決手段

半導体素子10と、半導体素子10の発熱放熱するヒートシンク22、24と、導電体からなる筐体30とを具備する。上記ヒートシンクは、導電体からなるベース部22と、ベース部22に設けられた少なくとも二以上のフィンにより構成されるフィン部24とを備える。フィン部24と筐体30との間に、冷媒通風経路ガイドする非導電性材料62が配置される。

概要

背景

近年、電子電気機器に搭載する半導体高速化などにより、電子電気機器からの放射ノイズによる他の電子電気機器への影響が問題になっている。この放射ノイズによる他の電子電気機器への影響はEMI(Electro Magnetic Interference)と呼ばれ、主に無線機器通信機器受信障害や、電子電気機器の誤動作を引き起こす。そのため、各国では30MHz〜1GHz、あるいは使用する周波数によっては、それ以上の周波数帯域において、電子電気機器から発生する放射ノイズの規制を行っている。

電子電気機器から発生する放射ノイズを抑制するために、電子電気機器内の回路基板モジュール配線ヒートシンクなどのノイズ放射源を、金属、導電性樹脂メッキされた樹脂などのシールド筐体で覆う方法が広く用いられる。しかしながら、ノイズ放射源をシールド筐体で覆いシールドする方法は、冷却性能との両立性が課題となる。

これに対して、以下に示す特許文献1においては、筐体の外周に放熱性能を向上させるためにフィン構造を形成し、冷却性能を向上させる方法を提示している。

放射ノイズは、ノイズ放射源における共振定在波が発生する周波数において高レベルとなる。このような特性に対する放射ノイズ抑制法として、以下に示す特許文献2においては、ヒートシンクから発生する放射ノイズの低減法が示されている。

図7に示されるように、一般に、半導体素子スイッチング素子)100によって発生したノイズとヒートシンク200とが静電容量などを介して電気的に結合すると、導体であるヒートシンク200は放射ノイズを発生するアンテナとして作用する。そして、ヒートシンク200の寸法が波長の1/2となる周波数では、ヒートシンク200に定在波400が発生し、放射ノイズの放射効率は高まる。

このようにして発生する放射ノイズへの対策として、ノイズ放射源をシールド筐体で覆うのでなく、ヒートシンクのベース部に定在波が発生しないように、ヒートシンクの導電経路長を設計することで、放射ノイズの放射効率自体を低減する方法が提案されている。

また以下に示す特許文献3においては、半導体パワースイッチング素子ヒートシンク間の浮遊容量を低減し、あるいはヒートシンクとインバータの筐体との間の電気抵抗を高くして、高い電圧変化による漏れ電流を抑制し、放射ノイズを低減する方法を提示している。

図8は、従来の電子電気機器を構成する、半導体素子、ヒートシンク、筐体間の配置における電磁結合の発生の様子を示す図である。また図9は、図8に示した従来構成例における放射電界強度観測例を示す図である。

図8および図9において、半導体素子100のスイッチングにより発生したノイズ成分は、浮遊容量を介してヒートシンク200に伝搬する。このとき、ヒートシンク近傍の金属筐体との電磁結合330により、ヒートシンク200と筐体300の間に共振が発生する。するとこの共振周波数において、ヒートシンク200に伝搬したノイズ成分は大きな電界振動を発生し、高レベルの放射ノイズとして外部で観測される。図9は、その様子を示すもので、120MHzにおけるピークが、上述した共振に起因する電界成分として観測される。

図10(a)及び図10(b)は、半導体素子と、該半導体素子の発熱放熱するヒートシンクと、導電性材料からなる筐体を具備する従来の電子電気機器における通風の様子を示す図である。

すなわち図10(a)においては、ファン350から排気される、開口部から吸い込まれた冷媒となる外気が、通風抵抗の小さいヒートシンク200の側部を通ることで、半導体素子100を冷やすためのヒートシンク200中を十分に外気(冷気)が流れていない様子が示されている。

また図10(b)においては、ファン350から排気される、開口部から吸い込まれた冷媒となる外気が、通風抵抗の小さいヒートシンク200の下部を通ることで、半導体素子100を冷やすためのヒートシンク200中を十分に外気(冷気)が流れていない様子が示されている。

概要

半導体素子、ヒートシンク、筐体の配置を含む電子電気機器から発生する放射ノイズを低減するとともに冷却性能をさらに向上させ得る電子電気機器を提供する。半導体素子10と、半導体素子10の発熱を放熱するヒートシンク22、24と、導電体からなる筐体30とを具備する。上記ヒートシンクは、導電体からなるベース部22と、ベース部22に設けられた少なくとも二以上のフィンにより構成されるフィン部24とを備える。フィン部24と筐体30との間に、冷媒の通風経路ガイドする非導電性材料62が配置される。

目的

本発明は、半導体素子、ヒートシンク、筐体の配置を含む電子電気機器から発生する放射ノイズを低減するとともに冷却性能をさらに向上させることができる電子電気機器を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

半導体素子と、前記半導体素子の発熱放熱するヒートシンクと、導電体からなる筐体とを具備する電子電気機器において、前記ヒートシンクは、導電体からなるベース部と、該ベース部に立設又は該ベース部の嵌合用凹部に装着された少なくとも二以上のフィンにより構成されるフィン部とを備え、該フィン部と前記筐体との間に、冷媒通風経路ガイドする非導電性材料を配置したことを特徴とする電子電気機器。

請求項2

前記非導電性材料が、前記フィン部の底面と前記筐体との間の全面に配置されることを特徴とする請求項1に記載の電子電気機器。

請求項3

前記ヒートシンクと前記筐体間の浮遊容量や寄生インダクタンスに起因する共振が発生する周波数において、前記非導電性材料の誘電正接に伴って生じる前記ヒートシンクと前記筐体間の抵抗値が、ヒートシンク固有の抵抗値よりも大きくなるように前記非導電性材料の形状や誘電率および誘電正接を選択することを特徴とする請求項1又は2に記載の電子電気機器。

技術分野

0001

本発明は、電子電気機器から発生する放射ノイズを少なくとも低減することが可能な電子電気機器に関する。

背景技術

0002

近年、電子電気機器に搭載する半導体高速化などにより、電子電気機器からの放射ノイズによる他の電子電気機器への影響が問題になっている。この放射ノイズによる他の電子電気機器への影響はEMI(Electro Magnetic Interference)と呼ばれ、主に無線機器通信機器受信障害や、電子電気機器の誤動作を引き起こす。そのため、各国では30MHz〜1GHz、あるいは使用する周波数によっては、それ以上の周波数帯域において、電子電気機器から発生する放射ノイズの規制を行っている。

0003

電子電気機器から発生する放射ノイズを抑制するために、電子電気機器内の回路基板モジュール配線ヒートシンクなどのノイズ放射源を、金属、導電性樹脂メッキされた樹脂などのシールド筐体で覆う方法が広く用いられる。しかしながら、ノイズ放射源をシールド筐体で覆いシールドする方法は、冷却性能との両立性が課題となる。

0004

これに対して、以下に示す特許文献1においては、筐体の外周に放熱性能を向上させるためにフィン構造を形成し、冷却性能を向上させる方法を提示している。

0005

放射ノイズは、ノイズ放射源における共振定在波が発生する周波数において高レベルとなる。このような特性に対する放射ノイズ抑制法として、以下に示す特許文献2においては、ヒートシンクから発生する放射ノイズの低減法が示されている。

0006

図7に示されるように、一般に、半導体素子スイッチング素子)100によって発生したノイズとヒートシンク200とが静電容量などを介して電気的に結合すると、導体であるヒートシンク200は放射ノイズを発生するアンテナとして作用する。そして、ヒートシンク200の寸法が波長の1/2となる周波数では、ヒートシンク200に定在波400が発生し、放射ノイズの放射効率は高まる。

0007

このようにして発生する放射ノイズへの対策として、ノイズ放射源をシールド筐体で覆うのでなく、ヒートシンクのベース部に定在波が発生しないように、ヒートシンクの導電経路長を設計することで、放射ノイズの放射効率自体を低減する方法が提案されている。

0008

また以下に示す特許文献3においては、半導体パワースイッチング素子ヒートシンク間の浮遊容量を低減し、あるいはヒートシンクとインバータの筐体との間の電気抵抗を高くして、高い電圧変化による漏れ電流を抑制し、放射ノイズを低減する方法を提示している。

0009

図8は、従来の電子電気機器を構成する、半導体素子、ヒートシンク、筐体間の配置における電磁結合の発生の様子を示す図である。また図9は、図8に示した従来構成例における放射電界強度観測例を示す図である。

0010

図8および図9において、半導体素子100のスイッチングにより発生したノイズ成分は、浮遊容量を介してヒートシンク200に伝搬する。このとき、ヒートシンク近傍の金属筐体との電磁結合330により、ヒートシンク200と筐体300の間に共振が発生する。するとこの共振周波数において、ヒートシンク200に伝搬したノイズ成分は大きな電界振動を発生し、高レベルの放射ノイズとして外部で観測される。図9は、その様子を示すもので、120MHzにおけるピークが、上述した共振に起因する電界成分として観測される。

0011

図10(a)及び図10(b)は、半導体素子と、該半導体素子の発熱放熱するヒートシンクと、導電性材料からなる筐体を具備する従来の電子電気機器における通風の様子を示す図である。

0012

すなわち図10(a)においては、ファン350から排気される、開口部から吸い込まれた冷媒となる外気が、通風抵抗の小さいヒートシンク200の側部を通ることで、半導体素子100を冷やすためのヒートシンク200中を十分に外気(冷気)が流れていない様子が示されている。

0013

また図10(b)においては、ファン350から排気される、開口部から吸い込まれた冷媒となる外気が、通風抵抗の小さいヒートシンク200の下部を通ることで、半導体素子100を冷やすためのヒートシンク200中を十分に外気(冷気)が流れていない様子が示されている。

先行技術

0014

特開2006−049555号公報
特開2008−103458号公報
特許第3649259号公報

発明が解決しようとする課題

0015

シールド筐体で回路を完全に覆うことにより放射ノイズを低減する方法は、前述した冷却性能との両立性の他にも、機器の重量化、高コスト化などで問題がある。

0016

一方、特許文献2に示されるような手法によってノイズ放射効率を低減する方法は、ヒートシンク構造の複雑化やそれに伴う高コスト化などの問題がある。また特許文献2におけるその他の問題として、前述したヒートシンク単体のみならず、ヒートシンクと周囲の筐体構造の共振に起因する放射ノイズのピークが発生するため、特許文献2が提示する方策のみでは、放射ノイズ対策として十分な効果が得られないことがある。

0017

またヒートシンクと周囲の筐体構造に関わる問題として、ヒートシンク上に配置された半導体素子が十分に冷却されないという問題がある。すなわち図10(a)、(b)に示されるように、ファン350から排気される、開口部から吸い込まれた冷媒となる外気が、通風抵抗の小さいヒートシンクの側部や下部を通ることで、ヒートシンク200中を十分に外気(冷気)が流れなくなるため、ヒートシンク200で十分に放熱されずに、半導体素子100の冷却が不十分となる。

0018

そこで本発明は、半導体素子、ヒートシンク、筐体の配置を含む電子電気機器から発生する放射ノイズを低減するとともに冷却性能をさらに向上させることができる電子電気機器を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0019

上記課題を解決するために本発明の電子電気機器は、半導体素子と、該半導体素子の発熱を放熱するヒートシンクと、導電性材料からなる筐体とを具備し、上記ヒートシンクは、導電体からなるベース部と、該ベース部に立設又は該ベース部の嵌合用凹部に装着された少なくとも二以上のフィンより構成されるフィン部とを備え、該フィン部と上記筐体との間に、冷媒の通風経路ガイドする非導電性材料を配置したことを特徴とする。

発明の効果

0020

本発明によれば、熱及び電磁波の発生源たる半導体素子を取り巻くヒートシンクや筐体構造に関わる放射ノイズを、簡素かつ効果的に低減し得るとともに、冷媒となる外気をガイドすることでヒートシンクが十分に冷却されることで半導体素子が冷却されることが可能となる。

0021

特に、冷媒の通風経路をガイドするために非導電性部材をヒートシンクと筐体間に配置するようにしているので、ヒートシンクと筐体間の共振を抑制しつつ、冷却性能を向上させることができる。

図面の簡単な説明

0022

本発明の実施形態1に係る電子電気機器の半導体素子、ヒートシンク、および筐体の配置関係の例を示す図である。
本発明の実施形態2に係る電子電気機器の半導体素子、ヒートシンク、および筐体の配置関係の例を示す図である。
本発明の実施形態3に係る電子電気機器の半導体素子、ヒートシンク、筐体、およびノイズ低減用導体の配置関係の例を示す図である。
本発明の実施形態4に係る電子電気機器のファン、半導体素子、ヒートシンク、筐体、およびノイズ低減用導体の配置関係の例を示す図である。
本発明の実施形態5に係る電子電気機器のファン、半導体素子、ヒートシンク、筐体、および共振ピーク抑制用非導電性材料の配置関係の例を示す図である。
本発明の第3ないし第5の実施形態に係る電子電気機器における放射電界強度の低減効果を示す図である。
従来の電子電気機器を構成する、半導体素子、ヒートシンク、筐体間の配置におけるヒートシンクに発生する定在波の様子を示す図である。
従来の電子電気機器を構成する、半導体素子、ヒートシンク、筐体間の配置における電磁結合の発生の様子を示す図である。
図8に示す従来構成例における放射電界強度の観測例を示す図である。
半導体素子と、該半導体素子の発熱を放熱するヒートシンクと、導電性材料からなる筐体を具備する従来の電子電気機器における通風の様子を示す図である。

実施例

0023

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

0024

[実施形態1]
図1は、本発明の実施形態1に係る電子電気機器の半導体素子、ヒートシンク、および筐体の配置関係の例を示す図である。

0025

すなわち、図1は、ヒートシンク20のフィン部底面23と筐体30を面接触させた構造とすることで、ヒートシンク20と筐体30を電気的に導通させ、非所望の共振を抑制している。すなわち、半導体素子10と最も離れたフィンを長くして筐体30と直接接触させることにより、ノイズを低減させるとともに、半導体素子10付近のフィンは相対的にフィンが短くなり、冷媒となる外気(冷気)が通りやすくなるようにガイドするため、冷却性能を向上させることができる。

0026

なお、構成は図示したものに限らず、冷却効果ノイズ低減効果両立させる構造であれば他の構造であっても良い。

0027

[実施形態2]
図2は、本発明の実施形態2に係る電子電気機器の半導体素子、ヒートシンク、および筐体の配置関係の例を示す図である。

0028

すなわち図2は、ヒートシンク20のフィンの一部(例.最外部)に折り曲げ(例.L字型)部25を形成し、折り曲げ部25の筐体と並行する部位を筐体30と面接触させる構造とすることで、ヒートシンク20と筐体30を電気的に導通させ、非所望の共振を抑制している。

0029

折り曲げ(例.L字型)部25と筐体30とが接触する部位を、必要に応じてネジ接着剤導電性テープ、および導電性ペースト等を用いて固着できるようにしても良い。なお図2においては、折り曲げ(例.L字型)部25を直角に曲げているが、これに限定されず、折り曲げ部25に適度の曲率(r)を持たせる構造であっても良い。

0030

[実施形態3]
図3は、本発明の実施形態3に係る電子電気機器の半導体素子、ヒートシンク、筐体、およびノイズ低減用導体の配置関係の例を示す図である。

0031

すなわち図3(a)〜図3(c)は、ヒートシンク20のフィン部24の側面と筐体30を面接触させることで電気的に導通させ、非所望の共振を抑制している。

0032

さらに本実施形態においては、筐体側面部32からヒートシンク20のフィン部24の側面に渡ってノイズ低減用導体40を配置して、ファン50から排気される外気によってヒートシンク20が効率良く冷却するように通風経路をガイドする。

0033

このように構成することによって図3(a)に示すような、ヒートシンク20のフィン部24の側面への外気集中を緩和し、ヒートシンク20や冷却ファン50の大型化を伴うことなくヒートシンクの放熱効率を上げ、半導体素子を十分に冷却することができる。

0034

また、ヒートシンクの冷媒を吸気する開口部を設けた筐体側面部(図3(c)参照)が非導電体の場合は、図3(b−1)の様に金属筐体の平板面35に接触させることにより、ノイズ低減効果を持たせることができる。

0035

その一方、ヒートシンクの冷媒を吸気する開口部を設けた筐体側面部(図3(c)参照)が導電体の場合は、図3(b−2)の様に開口部を有する金属筐体部のみにノイズ低減用導体40を接触させても良い。 さらに、ノイズ低減用導体40はヒートシンク20のフィン部24の側面全長に渡って密着しなくても、同等の冷却効果が得られることから、図3(b−3)や図3(b−4)に示すような形状としても良い。

0036

また、図3(b−1)や図3(b−2)では、ノイズ低減用導体40を垂直に折り曲げている例を示しているが、図3(b−3)や図3(b−4)に示す様に、折り曲げ部に適度の曲率(r)を持たせる構造であっても良い。

0037

[実施形態4]
図4は、本発明の実施形態4に係る電子電気機器のファン、半導体素子、ヒートシンク、筐体、およびノイズ低減用導体の配置関係の例を示す図である。

0038

すなわち図4(a)、図4(b)は、ヒートシンク20のフィン部底面23と筐体底面部34を面接触させることで電気的に導通させ、非所望の共振を抑制している。

0039

さらに本実施形態は、筐体底面部34とヒートシンクの間の隙間に、ファン50から排気される外気を通風させないように湾曲凸部を有するノイズ低減用導体42を配置して、ヒートシンク22を効率良く冷却するような通風経路をガイドする。

0040

これによって図10(b)に示すような、ヒートシンク20と筐体底面部34間の隙間への外気の集中を緩和し、ヒートシンク20や冷却ファン50の大型化を伴うことなくヒートシンクの放熱効率を上げ、半導体素子を十分に冷却することができる。

0041

[実施形態5]
図5は、本発明の実施形態5に係る電子電気機器のファン、半導体素子、ヒートシンク、筐体、および共振ピーク抑制用非導電性材料の配置関係の例を示す図である。

0042

すなわち図5に示すように、ヒートシンク20のフィン部底面23と筐体30間に共振ピーク抑制用非導電性材料62を配置すると、ヒートシンク20と筐体30間の浮遊容量値抵抗値(浮遊容量中の損失成分)に影響を及ぼす。つまり図5に示すような共振ピーク抑制用非導電性材料62を備えていない場合に比べ、浮遊容量値は、共振ピーク抑制用非導電性材料の比誘電率に応じて増加する。一方で抵抗値成分は、共振ピーク抑制用非導電性材料の比誘電率と誘電正接に応じて増加する。

0043

このため、共振ピーク抑制用非導電性材料62を備えさせることによって、非所望の共振発生要因となる浮遊容量成分の値を大きくし、共振発生周波数コントロールすることができる。一例として共振周波数をノイズ源ベルの小さい周波数付近に設定するようにして、発生するノイズレベルを低減することができる。

0044

また共振ピーク抑制用非導電性材料62を備えさせることによって、共振のQ値が低減し共振に起因するノイズピークレベルを低減させることができる。共振ピーク抑制用非導電性材料62は誘電正接が大きいほどそのQ値の低減効果、すなわち共振ピークの抑制効果は高いため、誘電正接の大きい材料、例えばビニル系材料(ポリ塩化ビニル等)やエポキシ樹脂やその複合材料などを採用することが望ましい。

0045

もしくは前述した共振周波数において、共振に関わる抵抗値の主要成分である、ヒートシンク固有の抵抗値、すなわちヒートシンク20の半導体素子接合部(不図示)からヒートシンク20の筐体近接部(図5においてはフィン底面部23)間の抵抗値よりも、共振ピーク抑制用非導電性材料62の誘電正接によって生じる抵抗値の方が大きくなるよう、共振ピーク抑制用非導電性材料の形状や誘電率および誘電正接を選択・決定する。これによって有意な共振ピーク抑制効果を実現することができる。

0046

さらに、本非導電性材料は、筐体底面部(フィン底面部23)とヒートシンク20の間の隙間に、ファン50により排気される外気を通風させないように配置しているため、ヒートシンクが効率良く冷却するような通風経路をガイドすることができる。

0047

これによって図10(b)に示すような、ヒートシンクと筐体間の隙間への外気の集中を緩和し、ヒートシンク20や冷却ファン50の大型化を伴うことなくヒートシンクの放熱効率を上げ、半導体素子を十分に冷却することができる。

0048

図6は、上記した本発明の第3ないし第5の実施形態による放射ノイズの抑制効果を従来構成との比較により示しており、従来構成における外部放射電界強度を表す図9で生じている120MHzのピーク成分が本発明の第3ないし第5の実施形態を適用することにより低減することがわかる。

0049

10半導体素子
20ヒートシンク
22 ヒートシンク(ベース部)
23フィン部底面
24 ヒートシンク(フィン部)
25 フィン折り曲げ部
30、37筐体
32筐体側面部
34筐体底面部
35平板面
40、42ノイズ低減用導体
50ファン
62非導電性材料(共振ピーク抑制用)
80 ネジ

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