JP2005235992A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールとヒートシンク間の熱抵抗を低くし、安定化を図る。
【解決手段】半導体素子が樹脂封止され中央部にネジ貫通孔５が設けられた半導体モジュール１、半導体モジュール１の一側に配置される押え用板状バネ７１、押え用板状バネ７１を補強する補強梁９、半導体モジュール１の他側に配置されるヒートシンク２を備え、半導体モジュール１は補強梁９側から補強梁９と押え用板状バネ７１を介して半導体モジュール１のネジ貫通孔５に挿入されたネジ１１によりヒートシンク２に固定される半導体装置であって、押え用板状バネ７１にはその周縁部を分割するスリット１４が形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は車などの移動体に搭載されるパワーモジュールなどの半導体装置に関するものである。

従来からＩＧＢＴ、ダイオード、ＧＴＯ、トランジスタなどのパワー半導体素子を絶縁樹脂により封止したインバータなどのパワー半導体モジュールが知られている。パワー半導体モジュールは、動作中に発熱するために、ヒートシンクに、半導体モジュールに設けたネジ貫通孔にネジを通し締め付けることにより固定されている。

従来のようなネジによる半導体モジュールの直接締め付け方法では、ネジの近傍にのみ締め付け力が作用し、半導体モジュールを均一に押さえられないという問題がある。また、締め付け力が、封止樹脂に直接集中荷重として印加されるため、封止樹脂が破壊したり、封止樹脂のリラクセーションにより締め付け力が低下し、その結果、半導体モジュールとヒートシンクの間の熱抵抗が大きくなるため、半導体素子の温度上昇が大きくなり、半導体素子が破壊するなどの問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、半導体モジュールを所望の荷重で固定し、半導体モジュールとヒートシンク間の熱抵抗を低く安定させる半導体装置を得ることを目的とする。

この発明に係わる半導体装置は、半導体素子が樹脂封止され中央部にネジ貫通孔が設けられた半導体モジュール、上記半導体モジュールの一側に配置される押え用板状バネ、上記押え用板状バネを補強する補強梁、上記半導体モジュールの他側に配置されるヒートシンクを備え、上記半導体モジュールは上記補強梁側から上記補強梁と上記押え用板状バネを介して上記半導体モジュールのネジ貫通孔に挿入されたネジにより上記ヒートシンクに固定される半導体装置であって、上記押え用板状バネにはその周縁部を分割するスリットが形成されているものである。

また、半導体素子が樹脂封止され中央部にネジ貫通孔が設けられた半導体モジュール、上記半導体モジュールの一側に配置される押え用板状バネ、上記押え用板状バネを補強する補強梁、上記半導体モジュールの他側に配置されるヒートシンクを備え、上記半導体モジュールは上記補強梁側から上記補強梁と上記押え用板状バネを介して上記半導体モジュールのネジ貫通孔に挿入されたネジにより上記ヒートシンクに固定される半導体装置であって、上記補強梁には、その上記押え用板状バネ側に、ネジによる締め付け荷重を上記押え用板状バネの所望の位置に伝える突起を設けたものである。

この発明の半導体装置によれば、押え用板状バネにその周縁部を分割するスリットが形成されているので、ネジの締め付け力が半導体モジュールの各部に分散でき、半導体モジュールの製品ばらつきを吸収することができるため、半導体モジュールをヒートシンクに均一に安定して固定できる。その結果半導体モジュールとヒートシンク間の熱抵抗が低く安定的になり、半導体素子の温度上昇を小さくすることができる。温度上昇を抑えることができれば、ヒートシンクも小型化でき、より少スペースの半導体モジュールにも対応可能となる。

また、補強梁には、その押え用板状バネ側に、ネジによる締め付け荷重を押え用板状バネの所望の位置に伝える突起を設けたので、ネジの締め付け力が半導体モジュールの各部に分散でき、半導体モジュールの製品ばらつきを吸収することができるため、半導体モジュールをヒートシンクに均一に安定して固定できる。その結果半導体モジュールとヒートシンク間の熱抵抗が低く安定的になり、半導体素子の温度上昇を小さくすることができる。温度上昇を抑えることができれば、ヒートシンクも小型化でき、より少スペースの半導体モジュールにも対応可能となる。

図６は、同一出願人による出願（特願２００２―２４３１０２）の半導体装置を示す分解斜視図である。図６において、半導体素子が樹脂封止された半導体モジュール１の複数個がヒートシンク２上に並置される。各半導体モジュール１には電源接続用端子３と出力端子４と、中央部に設けたネジ貫通孔５が設けられている。ヒートシンク２には、各半導体モジュール１のネジ貫通孔５に対応した位置にネジ穴６が設けられている。各半導体モジュール１に共通にペントルーフ（pent roof）型断面形状の押え用板状バネ７が、各半導体モジュール１のヒートシンク２と反対側に設けられ、各半導体モジュール１のネジ貫通孔５と対応した位置にネジ貫通孔８が設けられている。押え用板状バネ７を補強する補強梁９は、押え用板状バネ７上に押え用板状バネ７の長手方向に沿う中央部に設けられている。補強梁９にも各半導体モジュール１のネジ貫通孔５と対応した位置にネジ貫通孔１０が設けられている。

これらの組み立ては、ヒートシンク２上に、各半導体モジュール１と押え用板状バネ７と補強梁９を、各ネジ穴６と各ネジ貫通孔５，８，１０を位置合わせして載置し、ネジ１１で所望の荷重に締め付けて、各半導体モジュール１をヒートシンク２に固定する。このときネジ１１の締め付け力が、押え用板状バネ７のたわみによって分散され、押え用板状バネ７が全圧縮するころには、各半導体モジュール１に所望の均一な荷重を印加することができる。これは、押え用板状バネ７の断面形状をペントルーフ型としたことによる効果である。さらに補強梁９を用いることにより、押え用板状バネ７の曲げ剛性を補い、押え用板状バネ７をより均一に各半導体モジュール１に押しつけることができる。

このように図６の構成により、各半導体モジュール１に所望の均一な荷重を印加することができ、半導体モジュール１とヒートシンク２間の熱抵抗を低くし安定化を図ることができる。
しかしながら、より厳密に検討してみると、さらなる均一な荷重の印加に係わる課題があることが判った。図７は図６で用いられた半導体モジュール１の底面図を示す。図６の
押え用板状バネ７と補強梁９を用いた場合、図７の領域１２は押さえ荷重が大きいが、領域１３は押さえ荷重が小さくなり、半導体モジュール１全体をより均一に押さえることができない。

さらに、半導体モジュール１が複数個の場合、各半導体モジュール１の高さ寸法のばらつきにより、押さえ荷重も各半導体モジュール１でばらつく。その結果、高さ寸法が小さい半導体モジュール１の押さえ荷重が低下し、半導体モジュール１とヒートシンク２間の熱抵抗が大きくなるため、半導体モジュール１内の半導体素子（チップ）の温度上昇が大きくなる。特に車載用インバータなどのパワー半導体モジュールでは、限られた少スペースでのモジュール化が求められており、さらなる半導体素子の温度上昇は避けられない。そこで放熱性を高めるには、より一層の均一かつ安定した押さえ荷重で各半導体モジュール１をヒートシンク２に密着固定させる必要がある。
この発明は、より一層、半導体モジュールを均一な荷重で固定し、半導体モジュールとヒートシンク間の熱抵抗を低くし、安定化を図るものである。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１である半導体装置を示す分解斜視図である。図２は図１に用いられる押え用板状バネの構成を説明する上面図である。なお、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。図２に示すように、押え用板状バネ７１には、半導体モジュール１同志の境界部に沿う位置に対応して、スリット１４が形成されている。このスリット１４は押え用板状バネ７１の周縁部を分割する裂目（切欠き）である。

押え用板状バネ７１に切り欠きスリット１４を設けると、半導体モジュール１が補強梁９１側から補強梁９１と押え用板状バネ７１を介して、半導体モジュール１のネジ貫通孔５に挿入されたネジ１１によりヒートシンク２に固定されるとき、ネジ１１の締め付け力は、各半導体モジュール１に分散される。これにより、押え用板状バネ７１は１つであっても、押さえ荷重は各半導体モジュール１で独立されているため、各半導体モジュール１の高さ寸法のばらつきがたとえあっても、これを吸収することができる。なお、半導体モジュール１が複数個で個別に分離されている場合はもちろんであるが、半導体モジュール１が分割されていない一体物であっても、押え用板状バネ７１に切り欠きスリット１４を設けることにより、ネジ１１の締め付け力は、半導体モジュール１の各部に分散され、荷重の均一化に相当の効果が期待できる。なおまた、補強梁９１は実施の形態２で詳述する

実施の形態２．
図３は実施の形態２における補強梁を示す底面側斜視図である。図３のように、補強梁９１の押え用板状バネ７側には、半導体モジュール１同志の境界部に荷重を発生させる（伝える）ために、半導体モジュール１同志の境界部に対応した位置に突起１５を設ける。突起１５はネジ貫通孔１０の両側に設けられている。押え用板状バネ７として、図６に用いたスリット１４のない押え用板状バネ７と共に用いた場合でも、補強梁９１に突起１５を設けることにより、半導体モジュール１の押さえ荷重が不足している図７の領域１３の荷重を補うことができる。

また、突起１５の高さ寸法、位置を最適化することにより、各半導体モジュール１の高さ寸法のばらつきを吸収することができる。これは、補強梁９１の所望位置に突起１５を付加したこと、および補強梁９１のバネ効果によるものである。なお、半導体モジュール１が複数個で個別に分離されている場合はもちろんであるが、半導体モジュール１が分割されていない一体物であっても、補強梁９１に所望位置に突起１５を付加することにより、ネジ１１の締め付け力は、半導体モジュール１の所望部に分散され、荷重の均一化に相当の効果が期待できる。さらに、実施の形態１における切り欠きスリット１４を設けた押え用板状バネ７１と共に、突起１５を設けた補強梁９１を用いることにより、半導体モジュール１の固定は、より安定したものとなる。

実施の形態３．
図４は実施の形態３における補強梁を示す正面図である。図４のように、補強梁９２は波形形状に形成している。実施の形態２の補強梁９１と比較すると、補強梁９１の突起１５に対応する位置に、突起１５に相当する補強梁９２の波形の膨らみ１６が形成されている。補強梁９１に換えて補強梁９２を使用しても同等の効果が期待できる。

実施の形態４．
図５は実施の形態４における補強梁を示す正面図である。図５のように、実施の形態２において、補強梁９１を半導体モジュール１同志の境界部に対応する位置で完全に分割して、補強梁９３を形成している。この補強梁９３とスリット１４付きの押え用板状バネ７１を使用してネジ１１で各半導体モジュール１をヒートシンク２に締め付け固定すると、ネジ１１の締め付け力は、各半導体モジュール１で完全に分離される。これにより、各半導体モジュール１の高さ寸法および各突起１５の高さ寸法のばらつきが原因で発生する各半導体モジュール１の押さえ荷重のばらつきを完全に解消することができる。なお、半導体モジュール１が複数個で個別に分離されている場合はもちろんであるが、半導体モジュール１が分割されていない一体物であっても、補強梁９３に所望位置に突起１５を付加することとあいまって、ネジ１１の締め付け力は、半導体モジュール１の所望部に分散され、荷重の均一化に相当の効果が期待できる。

この発明の実施の形態１である半導体装置を示す分解斜視図である。 図１に用いられる押え用板状バネの構成を説明する上面図である。 実施の形態２における補強梁を示す底面側斜視図である。 実施の形態３における補強梁を示す正面図である。 実施の形態４における補強梁を示す正面図である。 参考技術の半導体装置を示す分解斜視図である。 図６で用いられた半導体モジュールの底面図を示す。

符号の説明

１ 半導体モジュール ２ ヒートシンク
３ 電源接続用端子 ４ 出力端子
５ ネジ貫通孔 ６ ネジ穴
７ 押え用板状バネ ８ ネジ貫通孔
９ 補強梁 １０ ネジ貫通孔
１１ ネジ １２ 領域
１３ 領域 １４ スリット
１５ 突起 １６ 膨らみ
７１ 押え用板状バネ
９１ 補強梁 ９２ 補強梁
９３ 補強梁。

Claims (5)

1. 半導体素子が樹脂封止され中央部にネジ貫通孔が設けられた半導体モジュール、上記半導体モジュールの一側に配置される押え用板状バネ、上記押え用板状バネを補強する補強梁、上記半導体モジュールの他側に配置されるヒートシンクを備え、上記半導体モジュールは上記補強梁側から上記補強梁と上記押え用板状バネを介して上記半導体モジュールのネジ貫通孔に挿入されたネジにより上記ヒートシンクに固定される半導体装置であって、上記押え用板状バネにはその周縁部を分割するスリットが形成されていることを特徴とする半導体装置。
2. 上記補強梁には、その上記押え用板状バネ側に、ネジによる締め付け荷重を上記押え用板状バネの所望の位置に伝える突起を設けたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 上記補強梁は、複数に分割されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 半導体素子が樹脂封止され中央部にネジ貫通孔が設けられた半導体モジュール、上記半導体モジュールの一側に配置される押え用板状バネ、上記押え用板状バネを補強する補強梁、上記半導体モジュールの他側に配置されるヒートシンクを備え、上記半導体モジュールは上記補強梁側から上記補強梁と上記押え用板状バネを介して上記半導体モジュールのネジ貫通孔に挿入されたネジにより上記ヒートシンクに固定される半導体装置であって、上記補強梁には、その上記押え用板状バネ側に、ネジによる締め付け荷重を上記押え用板状バネの所望の位置に伝える突起を設けたことを特徴とする半導体装置。
5. 上記補強梁は、その断面形状が波形形状であることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。

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