JP2012222069A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却器の冷却性能を向上して半導体モジュールの発熱を効率よく放熱し、且つより低背化した半導体装置を得る。
【解決手段】半導体素子が樹脂封止された半導体モジュール、この半導体モジュールを塔載する塔載部を有すると共に内部に冷媒が通る流路と冷媒に熱を伝えるための冷却フィンを有する冷却器、この冷却器の搭載部に根元部を植え込むと共にネジ部を植立させた固定用ボルト、及び半導体モジュールに載置され塔載部に向かって半導体モジュールを押圧する押えバネを備え、搭載部と半導体モジュールと押えバネには、それぞれ貫通孔を設け、これらの貫通孔に固定用ボルトを貫挿し、この固定用ボルトとそのネジ部に螺入したナットによって半導体モジュールを冷却器に装着する。
【選択図】図２

Description

この発明は、半導体モジュールを冷却器に固定する半導体装置に関するものである。

近年の半導体装置、特に車載用の半導体装置においては、小型化のため低背で且つ放熱機能の大きい冷却構造が求められている。
従来の半導体装置は、半導体素子が樹脂封止された半導体モジュール、発熱体である半導体モジュールの動作熱を冷却する冷却器、半導体モジュールを制御する制御基板などから構成されており、半導体モジュールはIGBT、Di等のパワー半導体素子を接続して樹脂封止によりモジュール化されている。
冷却器は、一般的に半導体モジュールを固定するメネジが設けられたベース部と、ベース部から伝わる熱を空冷もしくは液冷により外部に拡散させるフィン部から構成される。

例えば、図４（分解斜視図）と図５（断面図）に示した従来の半導体装置では、半導体装置への半導体モジュールの取付けは、半導体モジュール１のネジ貫通孔１１と押えバネ７のネジ貫通孔７１に挿入されたネジ８を、冷却器２に設けられたメネジ部２６に締付けることにより固定されている。

また、図６（分解斜視図）と図７（断面図）に示した従来の半導体装置では、冷却器ベース２２（半導体モジュールの塔載部）を薄くしてメネジ部を設けず、冷却器枠２１内に冷却フィン２３とブッシュ１０を設置して、冷却器枠２１と冷却器ベース２２をロウ付けすることにより封止されている。図６に示す半導体装置への半導体モジュール１の取付けは、ネジ８を半導体モジュール１や冷却器２、押えバネ７の各ネジ貫通孔１１、２４、７１及び却器内部のブッシュ１０を通し、半導体モジュール１が冷却器２と押えバネ７に挟まれナット９で締付けられることで固定される構造である。

特開２００４−８７５５２号公報 特開２０１１−４５２０号公報

図４、５に示した、メネジ部２６が設けられた冷却器２に半導体モジュール１を固定する従来の構造では、メネジを設けるために冷却器２に一定以上の厚みを要し、低背化には限界がある。また、図５に示すように冷却器にメネジ部２６を設けたことで冷却フィンに袋箇所２５が必要となり、冷却流路が妨げられるため冷却性能が低下する要因となっている。

図６、７に示した従来の構造では、冷却器内部にネジ８を通さなければならず、冷却流路が妨げられてしまうため冷却性能を悪化させる要因となっている。
また、両従来の半導体装置とも、半導体モジュール１の設置のため、位置決めを行うための構造を検討しなければならず、生産性が悪化する。
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、冷却器の冷却性能を向上して半導体モジュールの発熱を効率よく放熱し、且つより低背化した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た半導体モジュール、この半導体モジュールを塔載する塔載部を有すると共に内部に冷媒が通る流路と冷媒に熱を伝えるための冷却フィンを有する冷却器、この冷却器の搭載部に根元部を植え込むと共にネジ部を植立させた固定用ボルト、及び上記半導体モジュールに載置され上記塔載部に向かって上記半導体モジュールを押圧する押えバネを備え、上記搭載部と上記半導体モジュールと上記押えバネには、それぞれ貫通孔を設け、これらの貫通孔に上記固定用ボルトを貫挿し、この固定用ボルトとそのネジ部に螺入したナットによって上記半導体モジュールを上記冷却器に装着したものである。

この発明の半導体装置によれば、冷却器の半導体モジュール側に植込みタイプの固定用ボルトを設けることで、オネジが冷却器外部にあるため図４に示す冷却器のような冷却器内部へのメネジ設置が不要となり、冷却器の低背化が可能となる。加えて、図６の内部にネジを通した冷却器と比較して冷媒の流路が拡大されるため、冷却性能が向上し半導体素子の温度上昇を小さくすることができる。半導体素子の温度上昇を抑えることができれば冷却器全体の小型化が可能となり、より小スペースの半導体モジュールにも対応可能となる。

さらに、図６に示すようなネジとナットにより半導体モジュールを冷却器の両面に固定する構造では、半導体モジュールを冷却器の両側から同時に固定しなければならず組付け性が悪いが、この発明の半導体装置によれば、半導体モジュールを冷却器の片側から順に組付けることが可能なため、組付け性が向上する。

この発明の実施の形態１におけ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における半導体装置（図１）の断面図である。 (ａ)は、この発明の実施の形態１における固定用ボルトとアルミブロック部の斜視図、(ｂ)は、固定用ボルトとこの固定用ボルトにインサート成形されたアルミブロック部を簡略化して示した断面図、(ｃ)は、固定用ボルトの変形例を示し、固定用ボルトとこの固定用ボルトに圧入されたアルミカラーで形成したアルミブロック部を簡略化して示した断面図である。 従来の半導体装置を示す分解斜視図である。 図４に示した半導体装置の断面図である。 他の従来の半導体装置で、ベース部（半導体モジュールの塔載部）とフィンが別部品である冷却器を用いた半導体装置を示す分解斜視図である。 図６に示した半導体装置の断面図である。

以下、図面に基づいて、この発明の各実施の形態を説明する。
なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。

実施の形態１．
この実施の形態１は、半導体モジュールを冷却器に固定する半導体装置で、主に三相交流モータを駆動するインバータ装置に採用されるものである。
図１は、実施の形態１における半導体装置を示す分解斜視図である。
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は、後述する冷却器２の上下塔載面上にそれぞれ複数個並置される。
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、中央部に固定用ボルト６を貫挿する貫通孔１ａが設けられている。

冷却器２は、内部に冷媒が通る流路２３ｂと冷媒に熱を伝えるための冷却フィン２３、これらを囲む冷却器枠２１、この冷却器枠２１に被せられる上下の冷却器ベース２２などで構成され、パイプ５を通して冷媒が内部に流れる構造になっていて、各部はアルミ材で形成され且つ冷却器枠２１の両面を冷却器ベース２２で挟みロウ付けにより封止されている。
また、上下の冷却器ベース２２は、半導体モジュール１の塔載部を兼用すると共にその塔載面には固定用ボルト６を貫挿する貫通孔２２ａが半導体モジュール１の並置数に応じて設けられている。

固定用ボルト６は、先端部にオネジ部６３ａを有し、貫通孔２２ａに貫挿された根元の植込部６３ｂが冷却器ベース２２に植え込まれると共にオネジ部６３ａを植立させた状態で後述のようにして冷却器ベース２２に固定される。
各半導体モジュール１には、各半導体モジュール１の冷却器２に対して反対側に設けられ、上記塔載部に向かって上記半導体モジュールを押圧する皿状の押えバネ７が載置され、この押えバネ７の、各半導体モジュール１の貫通孔１ａに対応した位置には、固定用ボルト６を貫挿する貫通孔７ａが設けられている。
また、固定用ボルト６は、図３（ａ）（ｂ）に示すように植込部６３ｂからオネジ部６３ａの近くまでアルミブロック部６１で覆われ、このアルミブロック部をアルミ製冷却器ベース２２にロウ付けすることにより固定用ボルト６は固定されている。
このように固定用ボルトの植込み部６３ｂは、ロウ付け可能なアルミ材のブロックで覆われているため、鉄製の固定用ボルトとアルミ製の冷却器を間接的にロウ付けすることが可能となる。
なお、アルミブロック部６１は、アルミダイカスト６１ａによるインサート成形により形成される。

これらの組立ては、まず、半導体モジュール１の貫通孔１ａと押えバネ７の貫通孔７ａを位置合わせし、これらの貫通孔１ａ、７ａに固定用ボルト６を貫挿しながら、各半導体モジュール１、押えバネ７を冷却器ベース２２の搭載面に載置し、押えバネ７の貫通孔７ａから突き出た固定用ボルト６のオネジ部６３ａにナット９を螺入し、このナット９の締め付けにより各半導体モジュール１を冷却器２に固定することにより行われる。このとき、固定用ボルト６の植込部６３ｂは、アルミブロック部６１と共に冷却フィン２３に設けた凹部２３ａに嵌装された状態となる。なお、凹部２３は、冷却器内部の冷媒流路を妨げることがないように冷却器表層部に設けられている。

アルミブロック部６１は、図３（ａ）（ｂ）に示すように半導体モジュールの貫通孔１ａと搭載部の貫通孔２２ａに貫挿される貫挿部６２の横断面が四角形になされ、これに適応するため貫通孔１ａ、２２ａも四角形になされて半導体モジュールの位置決め機構を構成している。
このように貫通孔１ａ、２２ａの横断面とアルミブロック部の貫挿部の横断面との形状を同一多角形とすることによって、半導体モジュールの位置決めを可能にしている。これにより、位置決め用のピンや溝等が不要となるため、生産性が向上する。

次に図３(ｃ)により固定用ボルト６の変形例について説明する。
図３(ｃ)は、固定用ボルトとこの固定用ボルトに圧入されたアルミカラーで形成したアルミブロック部を簡略化して示した断面図である。
図３(ｃ)に示した固定用ボルト６のアルミブロック部６１は、固定用ボルトにアルミカラー６１ｂを矢印Ａ方向から圧入することにより製作することができる。なお、この変形例において貫挿部６２を設ける場合は、例えばアルミ材またはその他の別部材からなる貫挿部６２を、アルミカラー６１ｂの圧入後に適宜の方法でアルミカラー６１ｂまたは固定
用ボルト６の本体に固着することにより製作できるし、その他の方法でも製作可能である。なおまた、アルミブロック部６１（６１ａ、６１ｂ）には、ロウ付け可能な、例えばＡＣ１ＡやＡ５０５２Ｐ等のアルミ材が使用されている。

１ 半導体モジュール
２ 冷却器
３ 電源接続用端子
４ 出力端子
５ パイプ
６ 固定用ボルト
７ 押えバネ
８ ネジ
９ ナット
１０ ブッシュ
１ａ、１１、７ａ、７１、２２ａ、２４、 ネジ貫通孔
２１ 冷却器枠
２２ 半導体モジュールの塔載部（冷却器ベース）
２３ 冷却フィン
２３ａ 冷却フィン２３の凹部
２５ 袋箇所
２６ メネジ部
６１ アルミブロック部
６１ａ アルミダイカストによるアルミブロック
６１ｂ アルミカラーの圧入によるアルミブロック
６２ アルミブロック部の貫挿部（多角形横断面部）
６３ａ オネジ部
６３ｂ 植込部。

Claims (7)

1. 半導体素子が樹脂封止された半導体モジュール、この半導体モジュールを塔載する塔載部を有すると共に内部に冷媒が通る流路と冷媒に熱を伝えるための冷却フィンを有する冷却器、この冷却器の搭載部に根元部を植え込むと共にネジ部を植立させた固定用ボルト、及び上記半導体モジュールに載置され上記塔載部に向かって上記半導体モジュールを押圧する押えバネを備え、上記搭載部と上記半導体モジュールと上記押えバネには、それぞれ貫通孔を設け、これらの貫通孔に上記固定用ボルトを貫挿し、この固定用ボルトとそのネジ部に螺入したナットによって上記半導体モジュールを上記冷却器に装着したことを特徴とする半導体装置。
2. 上記塔載部は、アルミ材で構成したことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 上記固定用ボルトの植込み部は、アルミブロック部で覆われ、このアルミブロック部を上記搭載部にロウ付けすることにより上記固定用ボルトを固着したことを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
4. 上記アルミブロック部は、アルミダイカストによるインサート成形により形成したことを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
5. 上記アルミブロック部は、上記固定用ボルトに圧入されたアルミカラーにより形成したことを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
6. 上記アルミブロック部は、上記冷却フィンに設けた凹部に嵌装されたことを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 上記アルミブロック部は、上記半導体モジュールと上記搭載部との貫通孔に貫挿され、この両貫通孔の横断面と上記アルミブロック部の貫挿部の横断面との形状を同一多角形とすることによって、半導体モジュールの位置決め機構としたことを特徴とする請求項２〜請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。

Images