JP2007329167A

JP2007329167A - 半導体装置

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Publication number: JP2007329167A
Application number: JP2006157271A
Authority: JP
Inventors: Susumu Kimura; 享木村; Atsushi Takechi; 篤武智; Naoki Honishi; 直紀保西; Takuya Michinaka; 拓也道中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-06-06
Filing date: 2006-06-06
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2026-06-06
Also published as: JP4129027B2

Abstract

【課題】半導体モジュールとヒートシンクまたは放熱板との圧接力を確保できる半導体装置を提供する。
【解決手段】ネジ１１によって半導体モジュール１をヒートシンク２側に締め付ける際に補強のために用いる補強梁９４は、ネジ１１による締め付け荷重を、押え用板状バネ７１を介して半導体モジュール１に伝達する。補強梁９４の裏面側には突起１５および１７が設けられる。補強梁９４の長手方向端部はネジ１１の外側になり、方持ち梁の状態となるが、補強梁９４の裏面側中央寄りに配置される突起１５よりも、方持ち梁となる長手方向端部に配置される突起１７の突出量を大きく構成することで、補強梁９４端部を積極的に曲げた状態とし、突起１７を介して締め付け荷重を半導体モジュール１側に伝える構造とした。
【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等の半導体装置に関するものである。

車載用半導体装置として、ヒートシンクの上面に配置された半導体モジュール上に、板バネを配置し、さらに板バネ上に板バネを補強するための補強梁を配置し、補強梁の裏面に、板バネに向って突出する突起を設け、ネジによって補強梁をヒートシンク側に締め付ける際の締め付け荷重を、補強梁から板バネの所望の位置に伝えるように構成する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００５−２３５９９２号公報

従来技術においては、補強梁裏面側に、ネジによる締め付け荷重を伝えるための複数の突起を設けていたが、その突起は一様な突出量であった。補強梁の長手方向両端部は、補強梁を固定するためのネジの外側において、片持ち梁の形態となってしまい、変形しやすく、締め付け荷重を十分に伝えることができず、補強梁による押え力が片持ち梁部分において不足するなどの問題があった。
また、薄型のヒートシンクや、放熱板上に半導体モジュールを配置する場合には、ヒートシンクまたは放熱板の剛性が低下するため、板バネおよび補強梁によって発生する押え力によってヒートシンクが変形し、半導体モジュールとヒートシンクとの圧接力が確保できなくなり、特に、最外側に配置された半導体モジュールを固定するネジよりも外側は、補強梁と同様に、ヒートシンクまたは放熱板も片持ち梁となるため、さらに変形しやすく、半導体モジュールとヒートシンクまたは放熱板との圧接力確保が困難となるという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、補強梁の長手方向両端部における、半導体モジュールとヒートシンクまたは放熱板との圧接力不足を改善することを目的としている。

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上面側に配置された押え用板状バネ、上記押え用板状バネ上に配置され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裏面側に配置されたヒートシンクまたは放熱板を備え、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って上記ヒートシンク側または上記放熱板側に固定され、上記補強梁は、上記押え用板状バネと接する裏面側に、上記ネジによる締め付け荷重を上記押え用板状バネ側に伝える複数の突起を有し、上記補強梁の長手方向端部に位置する上記突起は、上記補強梁の長手方向の中央寄りに配置される上記突起よりも突出量が大きいことを特徴とするものである。

また、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上面側に配置された押え用板状バネ、上記押え用板状バネ上に配置され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裏面側に配置されたヒートシンクまたは放熱板を備え、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って上記ヒートシンク側または上記放熱板側に固定され、上記補強梁の長手方向両端部を上記ヒートシンク側または上記放熱板側に締結したことを特徴とするものである。

この発明の半導体装置によれば、補強梁の長手方向端部の片持ち梁となる部分に配置される突起の突出量を、長手方向中央寄りに配置される突起より大きく構成したために、補強梁端部における半導体モジュールとヒートシンクまたは放熱板との圧接力確保が可能になるという効果がある。

また、この発明の半導体装置によれば、補強梁の長手方向端部をヒートシンク側または放熱板側にネジにより締め付け固定するため、補強梁の端部が片持ち梁とならず、半導体モジュールとヒートシンクまたは放熱板との圧接力確保が可能になるという効果がある。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す分解斜視図であり、図２は、この発明の実施の形態１に用いる補強梁９４を示す側面図である。この実施の形態１の半導体装置は、同一出願人による出願である特開２００５−２３５９９２号公報に示される半導体装置と基本的に同様の構造であるが、補強梁９４の形状が違っている。この実施の形態１による補強梁９４は、その片持ち梁となる補強梁長手方向端部（図２に示しているのは両端部）の裏面側（後述する押え用板状バネ７１側）に配置される突起１７が、補強梁９４の中央寄りに配置される突起１５よりも突出量が大きくなるように形成されている点に特徴がある。なお、図１および図２では、補強梁９４の長手方向両端部が片持ち梁となっているが、片側のみが片持ち梁となる場合もあることは言うまでもない。

まず、図１の半導体装置の基本構造について説明する。図１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（図１の例では３個。）がヒートシンク２上に並置されている。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。なお、図１中には記載していないが、後述する図３と同様に、半導体モジュール１の側面部から信号用端子が突出するような構成となっている。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（pentroof）型断面形状の押え用板状バネ７１が、各半導体モジュール１のヒートシンク２と反対側の面（半導体モジュール１の上面側）に重ねて配置され、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７１には、隣接する半導体モジュール１間の境界部に沿う位置に対応して、スリット（切り欠き）１４が形成されている。押え用板状バネ７１にスリット１４を設けると、半導体モジュール１が補強梁９４側から、補強梁９４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側に固定されるとき、ネジ１１の締め付け力は、各半導体モジュール１毎に分散される。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あったとしても、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。

押え用板状バネ７１を補強する補強梁９４は、押え用板状バネ７１上の押え用板状バネ７１の長手方向に沿う中央部に配置されている。補強梁９４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、さらに補強梁９４の押え用板状バネ７１側（裏面側）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、および補強梁両端部に配置される突起１７はネジ貫通孔１０の両側に設けられる。補強梁９４に突起１５および１７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部分の荷重を補うことができる。

また、突起１５および１７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９４の所望位置に突起１５および１７を付加したこと、および補強梁９４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９４に所望位置に突起１５および１７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におけるスリット１４を設けた押え用板状バネ７１と共に、突起１５、１７を設けた補強梁９４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。

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７１と補強梁９４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７１のたわみによって分散され、押え用板状バネ７１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７１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９４を用いることにより、押え用板状バネ７１の曲げ剛性を補い、押え用板状バネ７１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。

このように構成することにより、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。

さらに、上述したように、この実施の形態１による半導体装置の特徴として、図２のような突起１５、１７が補強梁９４に設けられている。補強梁９４のネジ１１による締め付けで片持ち梁となる長手方向両端部に設ける突起１７は、中央寄りに設ける突起１５よりも突出量が大きい。なお、図１および図２では、突起１５および１７は、円柱状の突出部であることを示唆しているが、この形状に限るものではなく、例えば、補強梁９４を部分的に屈曲させて、裏面側に突出部を形成し、その突出量を調節することで突起１５または１７を形成することも可能である。ネジ１１による締め付け荷重を、補強梁９４から押え用板状バネ７１側へ伝えることが可能な形状の突起であれば本発明に用いることができる。

従来の構造のように、補強梁の突起を全て同じ突出量とした場合には、補強梁の両端（最外側に配置された半導体モジュールを固定するネジよりも外側に位置する補強梁端部。）が片持ち梁の状態になるために変形しやすく、ネジによる締め付け荷重を均等に伝えることができないという問題があったが、この実施の形態１による半導体装置では、片持ち梁となる補強梁９４の両端部裏面側に配置する突起１７を、補強梁９４の中央寄りに配置される突起１５よりも突出させることで、ネジ１１による締め付け時に、積極的に補強梁９４両端部の変形量を大きくすることにより、片持ち梁ではない補強梁中央寄りに配置される他の突起１５と同等の押え力を伝達することが可能である。

このように、補強梁９４のネジ１１による締め付け荷重を、押え用板状バネ７１側に均等に伝えるように構成することで、半導体モジュール１とヒートシンク２との熱抵抗を低く安定させることできる。
なお、上記の例では、ヒートシンク２上に半導体モジュール１を載置した構成について示しているが、ヒートシンク２に代えて、同等の剛性を持つ放熱板を用いる構造にも、補強梁９４に突起１７を設ける構造を適用させることも可能である。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す分解斜視図である。図３に示すように、半導体モジュール１の側面部からは、電源接続用端子３および出力端子４が突出しており、さらに、信号用端子４１が複数本連続して突出する構造となっている。この実施の形態２による半導体装置は、同一出願人による出願である特開２００５−２３５９９２号公報に示された半導体装置と基本的に同様の構成であるが、半導体装置の小型化、薄型化、軽量化、低コスト化のために、ヒートシンク２に替わる部材として板状の放熱板２１を用いている点と、補強梁として両端部にネジ貫通孔３０が設けられた補強梁９５を用い、この補強梁９５を、スペーサ１９を介して、ネジ１８によって放熱板２１に設けられたネジ穴２２に締結する構造としている点が異なっている。また、図示していないが、半導体モジュール１と放熱板２１の間には、熱抵抗低減のために、熱伝導性を有するペースト状のグリスやシートなどの、柔軟性のある熱伝導部材を配置している。

熱抵抗低減のために、半導体モジュール１とヒートシンク２または放熱板２１の間に、熱伝導性を有するペースト状のグリスやシートなどの柔軟性のある熱伝導部材を配置する場合、半導体モジュール１とヒートシンク２または放熱板２１を相当の力で押付けて、熱伝導部材が極力薄くなるように構成する必要がある。

しかし、特開２００５−２３５９９２号公報に示される半導体装置のように、補強梁の両端がヒートシンクと締結されていない場合、小型化、薄型化、軽量化、低コスト化のために、ヒートシンク２に代えて板状の放熱板２１を使用すると、放熱板２１の曲げ剛性が低いために、半導体モジュール１を押える力によって放熱板２１が変形し、半導体モジュール１と放熱板２１の圧接力が確保できなくなるという問題があった。特に、放熱板２１は、最外側に配置された半導体モジュール１を固定するネジ１１よりも外側では、補強梁の長手方向両端部がネジ１１を支点とする片持ち梁の状態となり、変形しやすく、また、補強梁自体も変形しやすいため、半導体モジュール１と放熱板２１の圧接力確保が困難となっていた。この結果、半導体モジュール１と放熱板２１間の熱抵抗が高く不安定になってしまうという問題があった。

そこで、この実施の形態２では、補強梁９５として、その両端部にネジ貫通孔３０が設けられたものを使用した。補強梁９５を、スペーサ１９（このスペーサ１９の高さは、半導体モジュール１と押え用板状バネ７１の厚みにほぼ相当し、ネジ軸を通すための穴部が設けられた筒状の部材である。）を介して、ネジ１８によって放熱板２１に設けられたネジ穴２２に、間接的に締結する構造としている。ヒートシンク２に代えて配置される放熱板２１は、複数個並べて配置された半導体モジュール１の配置面形状よりも一回り大きめの平面形状のものを用い、ネジ穴２２は、補強梁９５の長手方向端部（図３では両端部）に設けられるネジ貫通孔３０に対応した位置となるよう、並置される半導体モジュール１の外側に設けられている。

このように、補強梁９５の長手方向両端部をネジ１８によって放熱板２１側に締結する構造とすることにより、放熱板２１の、最外側に配置された半導体モジュール１を固定するネジ１１よりも外側が、特開２００５−２３５９９２号公報に示される半導体装置のようにネジ１１を支点とする片持ち梁の状態にならず、また補強梁９５の両端部も片持ち梁の状態にならず、放熱板２１および補強梁９５の変形が抑制されるため、半導体モジュール１と放熱板２１の圧接力確保が容易となり、ひいては半導体モジュール１と放熱板２１間の熱抵抗が低く安定した状態を実現することができる。

なお、補強梁９５には、半導体モジュール１の端部を押えるための突起１５が裏面側に設けられており、例えばその突出量は、全ての突起において同じとする。
また、上述した実施の形態１のように、補強梁９４の長手方向両端部に設ける突起１７を、他の突起１５よりも突出させる構造とし、その突出量を調節した上で、この実施の形態２に適用させることも可能である。さらに、補強梁９５両端部での固定を、ネジ１８によって十分に行える場合、補強梁９５の長手方向中央部の浮きを押える目的で、補強梁９５中央寄りの突起の突出量を、両端部の突起よりも大きく構成するようにしても良い。突起の突出量については、用いる半導体モジュール１に応じて、適宜調節して用いることが可能である。なお、補強梁に設ける突起については、後述の実施の形態３、実施の形態４についても同様のことが言える。

また、ヒートシンク２を用いた半導体装置に対し、上述した補強梁９５を適用し、ヒートシンク２上に補強梁９５両端に配置されるネジ１８に対応するネジ穴を設けた上で、補強梁９５両端部をネジ１８によってヒートシンク２側に締め付け固定するような構造とすることで、補強梁両端部が片持ち梁となることに起因する問題を解決できることは言うまでもない。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す分解斜視図である。この実施の形態３は、図４に示すように、上述した実施の形態２に示される半導体装置と基本的に同様の構成であるが、スペーサ１９に替わる部材として、スペーサ３１を用いている点が異なる。上述したスペーサ１９が、ネジ軸を通すための筒状部材であったが、この実施の形態３によるスペーサ３１は、下部に突出したネジ部３２を、上部にネジ部３２を締めるためのネジ頭３３を有し、そのネジ頭３３の上部から、ネジ部３２と同軸となるように掘り込まれたネジ穴を有している。

ネジ部３２は、放熱板２１に設けられたネジ穴２２に締結され、ネジ頭３３側のネジ穴には、補強梁９５の端部を固定するネジ１８が締結される。これにより、補強梁９５の端部がスペーサ３１を介して間接的に放熱板２１に固定され、実施の形態２と同様に、放熱板２１の変形が抑制されるため、半導体モジュール１と放熱板２１の圧接力確保が容易となり、ひいては半導体モジュール１と放熱板２１間の熱抵抗が低く安定した状態を実現することができる。

この実施の形態３において、上記のような構成とする目的は、組立の自動化を容易にすることにある。実施の形態２の場合、スペーサ１９はネジ１８が締結されるまで位置が固定されないため、組立の自動化を行う際には、ネジ１８が締結されるまで、スペーサ１９を何らかの方法で位置決めするか、あるいは仮固定することが必要となっていた。

しかしながら、この実施の形態３のように下部がネジ部３２であるスペーサ３１を用いることで、下部に突出したネジ部３２を放熱板２１に設けられたネジ穴２２に嵌合させ、締め付け固定でき、補強梁９５を締め付けるためのネジ１８が締結されていない状態においても、スペーサ３１を位置決め、固定できるため、組立の自動化が容易となるという効果がある。

実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４に係る半導体装置を示す分解斜視図である。本実施の形態は、図５に示すように、実施の形態２および実施の形態３に示した半導体装置とほぼ同様の構成であるが、補強梁９５と放熱板２１の間にスペーサ１９または３１を設けず、両端部に曲げ加工を施した補強梁９６を用いて、ネジ１８によって補強梁９６を放熱板２１に直接固定する点が異なる。

この実施の形態４によれば、補強梁９６と放熱板２１の間にスペーサを設けず、両端部に曲げ加工を施して、スペーサに相当する高さを出した補強梁９６を用いて、補強梁９６を放熱板２１に直接固定するので、先に述べた実施の形態２および３と比較して部品点数が削減でき、低コスト化で同様の効果を得ることが可能となる。

また、この実施の形態２〜実施の形態４においては、補強梁に設ける突起の有無や突出量は、適宜最適化されていれば良く、例えば、補強梁の両端または一端に配置する突起をなくす構造とする場合もあることは言うまでもない。

この発明の実施の形態１による半導体装置の分解斜視図である。この発明の実施の形態１による補強梁の側面図である。この発明の実施の形態２による半導体装置の分解斜視図である。この発明の実施の形態３による半導体装置の分解斜視図である。この発明の実施の形態４による半導体装置の分解斜視図である。

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、８、１０、３０ネジ貫通孔６、２２ネジ穴
１１、１８ネジ１４スリット
１５、１７突起１９、３１スペーサ
２１放熱板３２ネジ部
３３ネジ頭４１信号用端子
７１押え用板状バネ９４、９５、９６補強梁。

Claims

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上面側に配置された押え用板状バネ、上記押え用板状バネ上に配置され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裏面側に配置されたヒートシンクまたは放熱板を備え、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って上記ヒートシンク側または上記放熱板側に固定され、上記補強梁は、上記押え用板状バネと接する裏面側に、上記ネジによる締め付け荷重を上記押え用板状バネ側に伝える複数の突起を有し、上記補強梁の長手方向端部に位置する上記突起は、上記補強梁の長手方向の中央寄りに配置される上記突起よりも突出量が大きいことを特徴とする半導体装置。
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上面側に配置された押え用板状バネ、上記押え用板状バネ上に配置され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裏面側に配置されたヒートシンクまたは放熱板を備え、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って上記ヒートシンク側または上記放熱板側に固定され、上記補強梁の長手方向両端部を上記ヒートシンク側または上記放熱板側に締結したことを特徴とする半導体装置。