JP2007095875A - 半導体装置の取付構造 - Google Patents

Abstract

【課題】両面放熱型の半導体装置をチャック部材を用いて冷却器に取り付けてなる半導体装置の取付構造において、チャック部材と半導体装置との位置ずれを抑制し、冷却器への取付を確実に行えるようにする。
【解決手段】一面７ａと他面７ｂから金属板３、４の放熱面３ａ、４ａが露出する板状のモールド樹脂７を有する半導体装置１００を、チャック部材３００にて狭持して一対の冷却板２１の隙間２１ａに挿入してなる半導体装置の取付構造において、チャック部材３００の保持面３１にて挟まれるモールド樹脂７の側面７ｃは、山型に突出した形状を有し、その傾斜面７ｄのモールド樹脂７の板厚方向と平行な線Ｌに対する傾斜角度θが２５°以上である。
【選択図】図３

Description

本発明は、両面放熱型の半導体装置を冷却器に取り付けてなる半導体装置の取付構造に関する。

従来より、この種の半導体装置としては、一対の金属板の間に半導体素子を挟んだものを板状のモールド樹脂にて封止し、一対の金属板のうち一方の放熱面をモールド樹脂の一面に露出させ、他方の放熱面をモールド樹脂の他面に露出させてなるものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。このようなものは両面放熱型の半導体装置といわれている。

そして、この両面放熱型の半導体装置は、当該半導体装置が挿入される隙間を有して対向する一対の冷却板を有する冷却器に対して、当該一対の冷却板の隙間に挿入されることにより、各々の放熱面を各冷却板に熱的に接続した状態で取り付けられる。
特開２００５−１２３２３３号公報

この半導体装置を冷却器の隙間（スリット）に挿入するにあたっては、半導体装置におけるモールド樹脂の側面を挟んでこれを保持するチャック部材が用いられる。この挿入の様子を図１１に示す。

図１１（ａ）に示されるように、モールド樹脂７の一面７ａと他面７ｂとから露出する各放熱面３ａ、４ａに熱伝導グリス１０、絶縁基板１１を装着した状態とし、このものをモールド樹脂７における対向する側面７ｃを、外側からチャック部材３００で挟み、半導体装置１００をチャック部材３００で保持する。

ここで、モールド樹脂７における側面７ｃは、モールド樹脂の成型性や離型性を確保するために山型に突出した形状を有している。そして、チャック部材３００において上記側面７ｃに当てられる保持面３１は、当該側面７ｃの山型形状に対応した谷形状となっている。つまり、側面７ｃにおける傾斜面７ｄに対応した角度の傾斜面がチャック部材３００の保持面３１に形成されている。

そして、このチャック部材３００の保持面３１にてモールド樹脂７における対向する側面７ｃを挟んで保持した状態で、半導体装置１００を、一対の冷却板２１の隙間２１ａに挿入する。

ここで、図１１（ｂ）に示されるように、チャック部材３００の保持面３１から半導体装置１００がずれてしまい、半導体装置１００が傾いて冷却板２１に干渉して、冷却板２１の間の隙間２１ａに挿入できなくなる場合がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、両面放熱型の半導体装置をチャック部材を用いて冷却器に取り付けてなる半導体装置の取付構造において、チャック部材と半導体装置との位置ずれを抑制し、冷却器への取付を確実に行えるようにすることを目的とする。

本発明者は、従来では、上記したモールド樹脂の傾斜面の角度が小さい（たとえば５〜１０°）ため、上記したようなチャック部材と半導体装置との位置ずれが生じると考えた。

そして、この傾斜面の角度を大きくすれば、それに対応したチャック部材の保持面の傾斜面の角度も大きくなり、チャック部材でモールド樹脂を挟むときに、モールド樹脂の側面がチャック部材の保持面の傾斜勾配に倣いやすくなる、すなわち調芯効果が発揮されるため、両者の位置ずれが生じにくくなると考えた。

このような考えに基づいて、傾斜面の角度を変えて、実験的に検討した結果、ある角度以上ならば、調芯効果が発揮され、上記位置ずれを抑制し、挿入の失敗を回避できること見出した。

すなわち、本発明は、チャック部材（３００）の保持面（３１）にて挟まれるモールド樹脂（７）の側面（７ｃ）を、山型に突出した形状とし、この山型形状を構成する傾斜面（７ｄ）のモールド樹脂（７）の板厚方向と平行な線に対する傾斜角度（θ）を、２５°以上としたことを特徴とする。

それによれば、当該傾斜角度を２５°以上とすることにより、後述する図７に示されるように、チャック部材（３００）と半導体装置（１００）との位置ずれを抑制し、冷却器（２００）への取付を確実に行うことができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置１００の概略平面構成を示す図であり、図２は、図１中のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。なお、図１は、図２の上視図であるが、この図１においては、半導体装置１００におけるモールド樹脂７内の各部の平面配置構成をモールド樹脂７を透過して示している。

また、図３において、（ａ）は本半導体装置１００の平面外観図、（ｂ）は（ａ）中のＢ視側面図である。この半導体装置１００は、たとえば自動車などの車両に搭載され、車両用電子装置を駆動するための装置として適用されるものである。

図１、図２に示されるように、本半導体装置１００は、平面的に配置された２個の半導体素子１、２を備える。本例では、第１の半導体素子１はＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）１であり、第２の半導体素子２は、ＦＷＤ（フライホイールダイオード）２である。

そして、これら両半導体素子１、２の両面は、半導体素子１、２の電極および放熱部材として機能する一対の金属板３、４にて挟まれている。これら金属板３、４は、銅やアルミニウムなどの放熱性、導電性に優れた材料からなる。

ここで、一対の金属板３、４は、半導体素子１、２を挟むように対向して配置されているが、図２において、一対の金属板３、４のうち上側に位置する金属板３を、第１の金属板３とし、下側に位置する金属板４を、第２の金属板４とする。また、各金属板３、４において、互いに対向する面すなわち内面とは反対側の外面は、放熱面３ａ、４ａとして構成されている。

そして、両半導体素子１、２の一面と第１の金属板３の内面との間は、はんだや導電性接着剤などの導電性接合部材５によって電気的・熱的に接続されている。また、両半導体素子１、２の他面と第２の金属板４との間には、ブロック体６が介在している。

このブロック体６は、電気導電性、熱伝導性に優れた矩形ブロック状のもので、通常銅などからなる。そして、各半導体素子１、２とブロック体６との間、および、ブロック体６と第２の金属板４の内面との間は、導電性接合部材５によって電気的・熱的に接続されている。

そして、図１、図２に示されるように、本実施形態の半導体装置１００においては、一対の金属板３、４およびこれに挟み込まれた半導体素子１、２、ブロック体６が、モールド樹脂７にて封止されている。

このモールド樹脂７はエポキシ系樹脂などからなり、型成形によって形成された板状のものである。ここでは、モールド樹脂７は、板厚が数ｍｍ程度の矩形板状をなすものである。

また、図２、図３に示されるように、モールド樹脂７における一面７ａと他面７ｂとの間の側面は、全周に渡って山型に突出した形状となっている。ここで、図３（ｂ）にて、モールド樹脂７において左右方向に対向する側面７ｃは、後述するチャック部材３００の保持面３１によって挟み付けられる側面である。なお、図３（ｂ）中に、チャック部材３００は破線にて示してある。

つまり、この対向する側面７ｃは、チャック部材３００の保持面３１に挟まれて当該保持面３１に当たる側面である。そして、図３（ｂ）に示されるように、この対向する側面７ｃのそれぞれにおいて山型形状を構成する傾斜面７ｄについては、モールド樹脂７の板厚方向と平行な線Ｌに対する傾斜角度θが、２５°以上となっている。

ここでは、対向する側面７ｃにおいて、山型形状は２つの傾斜面７ｄにより構成されるが、これら傾斜面７ｄの両方の面、すなわち、図３（ｂ）中にて上向きの傾斜面７ｄと下向きの傾斜面７ｄとの両面の傾斜角度θが２５°以上であって同じ角度としている。

また、本実施形態では、対向する側面７ｃのそれぞれにおいて、側面７ｃの全体にわたって傾斜面７ｄの傾斜角度が２５°以上である。つまり、本例では矩形板状のモールド樹脂７における対向する２辺に位置する側面７ｃのそれぞれにおいて、当該辺の全体に渡って側面７ｃにおける傾斜角度θが２５°以上となっている。

また、図１に示されるように、一対の金属板３、４のそれぞれにおいて放熱面３ａ、４ａが、モールド樹脂７から露出している。具体的には、図１〜図３に示されるように、第１の金属板３の放熱面３ａがモールド樹脂７の一面７ａに露出し、第２の金属板４の放熱面４ａがモールド樹脂７の他面７ｂから露出している。

これにより、本半導体装置１００は、第１および第２の半導体素子１、２の両面のそれぞれにて、第１の金属板３、第２の金属板４を介した放熱が行われる両面放熱型の構成となっている。

また、一対の金属板３、４は、はんだ５やブロック体６を介して、両半導体素子１、２の各面の図示しない電極に電気的に接続されている。

ここで、図１、図２に示されるように、半導体装置１００においては、半導体素子１、２と電気的に接続された複数の端子３ｂ、４ｂ、８が設けられており、これら各端子３ｂ、４ｂ、８は、その一部がモールド樹脂７から露出するように、モールド樹脂７に封止されている。

各端子のうち金属板３、４に一体成形された端子３ｂ、４ｂは、ＩＧＢＴ１のコレクタ側の電極やエミッタ側の電極、および、ＦＷＤ２のカソード側の電極やアノード側の電極となるものである。また、上記各端子のうち金属板３、４とは別体のリードフレームからなる端子８は、モールド樹脂７の内部にて、ＩＧＢＴ１の周囲に設けられている制御端子８である。

この制御端子８は、ＩＧＢＴ１のゲート端子や各種の検査用端子などとして構成されるものである。そして、ＩＧＢＴ１は、図１に示されるように、ボンディングワイヤ９を介して、制御端子８と電気的に接続されている。

このような半導体装置１００は、半導体素子１、２をブロック体６を介して両金属板３、４で挟むとともに、制御端子８とＩＧＢＴ１とのワイヤボンディングを行ったものを、樹脂成形することにより製造される。そして、この半導体装置１００は、次の図４に示されるように、冷却器２００に取り付けられる。

図４は、本実施形態に係る半導体装置の取付構造を示す図である。また、図５は、冷却器２００の単体構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の上面図、（ｃ）は（ａ）の側面図である。

冷却器２００は、半導体装置１００が挿入される隙間を有して対向する一対の冷却板２１を有するものである。実際には、図５に示されるように、複数枚の冷却板２１が積層された一般的な水冷式の積層型冷却器２００であり、各冷却板２１間の隙間２１ａに、それぞれ半導体装置１００が挿入されるようになっている。

各冷却板２１は、アルミニウムなどからなる中空の板材であり、内部を冷却水が流通可能となっている。各冷却板２１は、アルミニウムなどからなる蛇腹構造の接続管２２によって気密に接続されている。また、一番上の冷却板２１には、冷却水が出入りする冷却水配管２３が気密に接続されている。

そして、この冷却器２００においては、冷却水は、一方の冷却水配管２３から導入され、各冷却板２１および接続管２２を通って、他方の冷却水配管２３から導出されるようになっている。

本実施形態の半導体装置１００は、図４に示されるように、対向する一対の冷却板２１の隙間２１ａに挿入されることにより取り付けられる。ここで、半導体装置１００において、モールド樹脂７の一面７ａと他面７ｂとから露出する各放熱面３ａ、４ａは、熱伝導グリス１０、絶縁基板１１、熱伝導グリス１０を介して、それぞれの冷却板２１と熱的に接続されている。

これにより、本取付構造においては、半導体装置１００の各放熱面３ａ、４ａから絶縁基板１１を介し、冷却板２１への放熱が可能となっている。

次に、半導体装置１００の冷却器２００への取付方法について、図６も参照して述べる。図６は、半導体装置１００のモールド樹脂７における上記対向する側面７ｃをチャック部材３００によって挟み付けた状態を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

上述したように、モールド樹脂７における側面７ｃは、山型に突出した形状を有しており、これを挟み付けるチャック部材３００の面すなわち上記側面７ｃに当たる面である保持面３１は、側面７ｃの山型形状に対応した谷形状となっており、側面７ｃにおける傾斜面７ｄに対応した角度の傾斜面を持つものとなっている。

そして、図６に示されるように、このチャック部材３００の保持面３１にて、半導体装置１００のモールド樹脂７における対向する側面７ｃを挟んで保持した状態で、半導体装置１００は拾い上げられ、一対の冷却板２１の隙間２１ａに挿入される。

そして、隙間２１ａに挿入された半導体装置１００をチャック部材３００に把持した状態にて、図５（ａ）中の冷却器２００の矢印Ｙ１、Ｙ２方向すなわち冷却板２１の積層方向から荷重を加える。

この荷重の印加は、図示しない荷重保持機構により持続して加える。なお、この荷重保持機構は、たとえばバネ部材や締結部材などである。すると、蛇腹構造の接続管２２が図５（ａ）中の上下方向すなわち冷却板２１の積層方向に沿って圧縮変形する。それにより、各冷却板２１の隙間２１ａ内の半導体装置１００が挟み付けられ、保持される。

その後は、チャック部材３００による挟み付けを解除し、半導体装置１００からチャック部材３００を取り外す。このようにして、半導体装置１００における各放熱面３ａ、４ａが絶縁基板１１を介して冷却板２１と熱的に接続され、本実施形態の半導体装置の取付構造が完成する。

この取付方法によれば、チャック部材３００によって、半導体装置１００を挟み付けるとき、なんらかの原因により半導体装置１００が傾いていた場合には、傾いた状態のまま半導体装置１００がチャック部材３００に狭持される。

そして、そのまま、冷却器２００の上記隙間２１ａに半導体装置１００を挿入しようとしても、上記図１１（ｂ）に示されるように、チャック部材３００の保持面３１から半導体装置１００がずれて傾いているため、冷却板２１に干渉して隙間２１ａに挿入できなくなる場合がある。

その点を考慮して、本実施形態の取付構造においては、上述したように、チャック部材３００の保持面３１にて挟まれるモールド樹脂７の側面７ｃを、山型に突出した形状とし、この山型形状を構成する傾斜面７ｄの上記傾斜角度θを、２５°以上としている。それによって、チャック部材３００と半導体装置１００との位置ずれを抑制し、冷却器２００への半導体装置１００の挿入の失敗を防止するようにしている。

この根拠について述べる。本発明者は、モールド樹脂７の山型の側面７ｃにおける傾斜面７ｄの傾斜角度θを変えて、チャック部材３００でモールド樹脂７を挟んだときの半導体装置１００の傾き量について、調査した。もちろん、このとき、それに合致するチャック部材３００の保持面３１の傾斜面の角度も、傾斜角度θと同じとした。

その結果を図７に示す。図７は、傾斜角度（°）と傾き量（ｍｍ）との関係を示すグラフである。ここで、傾き量は、平行に配置された一対の冷却板２１に平行な面から半導体装置１００が傾いたときの量である。

また、一対の冷却板２１の隙間２１ａの大きさは、熱伝導グリス１０、絶縁基板１１を装着した半導体装置１００の厚さよりもわずかに大きい程度のものであり、この傾き量が０．０２ｍｍよりも大きいと、当該半導体装置１００が冷却板２１に干渉して、隙間２１ａに挿入できなくなる。そこで、傾き量の許容値は０．０２ｍｍとした。

図７において、各点は、１０回の繰り返し測定を行なった時の平均値＋３σの傾き量を示す。結果として、傾斜角度θが２５度以上ならば、傾き量の許容値以内となっており、挿入の失敗を回避できる。

なお、図７に示されるように、傾斜角度θが３０°以上になると、傾き量の低減度合は飽和し始める傾向にあるため、望ましくは、傾斜角度θは３０°以上がよく、さらに安定した半導体装置１００の挿入が期待できる。

この結果については、上述したように、モールド樹脂７側の傾斜面７ｄの傾斜角度θを大きくすれば、チャック部材３００の保持面３１の傾斜面の角度も大きくなり、チャック部材３００でモールド樹脂７を挟むときに、多少、半導体装置１００が傾いていても、上記したような調芯効果が発揮され、半導体装置１００の傾きが矯正されるためと考えられる。

このような実験検討の結果に基づいて、本実施形態では上記傾斜角度を２５°以上としており、それによって、チャック部材３００と半導体装置１００との位置ずれを抑制し、冷却器２００への取付を確実に行えるようにしている。

また、上記図５に示されるように、本実施形態の冷却器２００においては、蛇腹構造を持つ接続管２２は、アルミニウムなどで形成されており、上記荷重による変形量が大きいと亀裂が入り冷却液が漏れるという不具合に至るため、その変形量を小さくする必要がある。

そして、この接続管２２の蛇腹部分の変形量を小さくするためには、冷却板２１間の隙間２１ａの寸法を極力小さく設計する必要がある。その点、本実施形態によれば、半導体装置１００をチャック部材３００にて狭持したときの上記傾き量を、小さく安定させることが可能となり、隙間２１ａの寸法を小さく設計でき、冷却器２００の小型化が期待できる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、チャック部材３００の保持面３１にて挟まれるモールド樹脂７の側面７ｃにおいて、山型形状を構成する傾斜面７ｄの両方の面の傾斜角度θが同じであるが、両傾斜面７ｄの傾斜角度θとが互いに異なるものであってもよい。そのような例としての半導体装置の側面図を図８に示す。

図８に示されるモールド樹脂７の側面７ｃにおいては、図中の上向きの傾斜面７ｄの傾斜角度θが２５°以上であり、下向きの傾斜面７ｄの傾斜角度θは９０°としている。この場合も、チャック部材３００の保持面３１を当該側面７ｃに合致する形状とすることで、上記実施形態と同様の効果が期待できる。

また、図９は、もう一つの他の実施形態としての半導体装置の側面図である。上記実施形態では、モールド樹脂７の側面７ｃにおいて、モールド樹脂７の板厚方向全体が山型形状であったが、図９に示されるように、側面７ｃのうち当該板厚方向の一部が山型形状となっていてもよい。

また、図１０は、さらなる他の実施形態としての半導体装置を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。上記実施形態では、チャック部材３００の保持面３１にて挟まれるモールド樹脂７の側面７ｃの全体において、傾斜面７ｄの傾斜角度θが２５°以上であった。

それに対して、図１０に示される例では、モールド樹脂７の側面７ｃの一部において、傾斜面７ｄの傾斜角度θが２５°以上となっている。つまり、本例では矩形板状のモールド樹脂７における対向する２辺に位置する側面７ｃのそれぞれにおいて、当該辺の中央部では、傾斜角度θは２５°未満と小さく、その両側の領域では傾斜角度θが２５°以上となっている。

また、両面放熱型の半導体装置において、一対の金属板３、４に挟まれる半導体素子としては、両面に配置される一対の金属板３、４を電極として用いることが可能なものであれば、上記したＩＧＢＴ１やＦＷＤ２でなくてもよい。また、半導体素子は１個でもよいし、３個以上でもよい。

また、冷却器としては、半導体装置１００が挿入される隙間を有して対向する一対の冷却板２１を有するものであれば、上記した積層型のものに限定されない。また、冷却器２００は上記実施形態のように水冷式でなくてもよく、たとえば、フィンなどを有する空冷式のものであってもよい。

本発明の実施形態に係る半導体装置の概略平面図である。 図１中のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。 （ａ）は図１に示される半導体装置の平面外観図、（ｂ）は（ａ）中のＡ視側面図である。 上記実施形態に係る半導体装置の取付構造を示す図である。 上記実施形態に係る冷却器の単体構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の上面図、（ｃ）は（ａ）の側面図である。 上記実施形態において半導体装置をチャック部材によって挟み付けた状態を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 傾斜角度と傾き量との関係を示すグラフである。 本発明の他の実施形態に係る半導体装置の側面図である。 本発明の他の実施形態に係る半導体装置の側面図である。 本発明の他の実施形態に係る半導体装置の側面図である。 従来の取付構造における半導体装置の冷却部材への挿入の様子を示す図である。

符号の説明

１…半導体素子としてのＩＧＢＴ、２…半導体素子としてのＦＷＤ、
３…第１の金属板、３ａ…第１の金属板の放熱面、
４…第２の金属板、４ａ…第２の金属板の放熱面、
７…モールド樹脂、７ａ…モールド樹脂の一面、７ｂ…モールド樹脂の他面、
７ｃ…チャック部材の保持面にて挟まれるモールド樹脂の側面、７ｄ…傾斜面、
２１…冷却部材、２１ａ…隙間、３１…チャック部材の保持面、
１００…半導体装置、２００…冷却器、３００…チャック部材、θ…傾斜角度。

Claims (6)

1. 一対の金属板（３、４）の間に半導体素子（１、２）を挟んだものを板状のモールド樹脂（７）にて封止し、前記一対の金属板（３、４）のうち一方の放熱面（３ａ、４ａ）を前記モールド樹脂（７）の一面（７ａ）に露出させ、他方の放熱面（４ａ）を前記モールド樹脂（７）の他面（７ｂ）に露出させてなる半導体装置（１００）と、
   前記半導体装置（１００）が挿入される隙間（２１ａ）を有して対向する一対の冷却板（２１）を有する冷却器（２００）とを備え、
   前記モールド樹脂（７）における対向する側面（７ｃ）を挟むための保持面（３１）を有するとともに当該保持面（３１）が前記側面（７ｃ）に合致する形状をなすチャック部材（３００）を用い、このチャック部材（３００）の前記保持面（３１）にて前記モールド樹脂（７）の前記側面（７ｃ）を挟んだ状態で、前記半導体装置（１００）を、前記一対の冷却板（２１）の前記隙間（２１ａ）に挿入することにより、各々の前記放熱面（３ａ、４ａ）を前記各冷却板（２１）に熱的に接続するようにした半導体装置の取付構造において、
   前記チャック部材（３００）の前記保持面（３１）にて挟まれる前記モールド樹脂（７）の前記側面（７ｃ）は、山型に突出した形状を有し、この山型形状を構成する傾斜面（７ｄ）の前記モールド樹脂（７）の板厚方向と平行な線に対する傾斜角度（θ）が、２５°以上であることを特徴とする半導体装置の取付構造。
2. 前記チャック部材（３００）の前記保持面（３１）にて挟まれる前記モールド樹脂（７）の前記側面（７ｃ）の全体において、前記傾斜面（７ｄ）の前記傾斜角度（θ）が２５°以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記チャック部材（３００）の前記保持面（３１）にて挟まれる前記モールド樹脂（７）の前記側面（７ｃ）の一部において、前記傾斜面（７ｄ）の前記傾斜角度（θ）が２５°以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記チャック部材（３００）の前記保持面（３１）にて挟まれる前記モールド樹脂（７）の前記側面（７ｃ）において、前記山型形状を構成する傾斜面（７ｄ）の両方の面の前記傾斜角度（θ）が同じであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の取付構造。
5. 前記チャック部材（３００）の前記保持面（３１）にて挟まれる前記モールド樹脂（７）の前記側面（７ｃ）において、前記山型形状をなす傾斜面（７ｄ）の両方の面の前記傾斜角度（θ）が異なることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の取付構造。
6. 前記傾斜角度（θ）は、３０°以上であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体装置。
   

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