JP2014086434A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールと冷却装置間の熱抵抗増加を防止できる半導体装置を得る。
【解決手段】半導体素子１が樹脂封止され、中央部に第１貫通穴３を有する半導体モジュール３と、第２貫通穴４を有し、半導体モジュール２の上面側に配置された板バネ５と、ネジ穴９を有し、半導体モジュール２の下面側に配置された冷却装置８を備え、半導体モジュール２は、板バネ５側から第１貫通穴３及び第２貫通穴４に挿入されたネジ１０をネジ穴９に螺合することにより、冷却装置８に固定される半導体装置であって、板バネ５の座面に配置した補強材６を介して、半導体モジュール２を冷却装置８に固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、半導体モジュールを板バネで加圧しながら冷却装置にネジ締め固定する半導体装置に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車等の移動体には、パワー半導体素子を複合化した半導体モジュールを冷却装置に固定した半導体装置が搭載されている。このような半導体装置において、半導体モジュールのブロック状の筐体を冷却装置に固定する際には、通常は、半導体モジュールと冷却装置の間に熱伝導グリスを介在させている。
しかし、熱伝導グリスの熱伝導率は、通常１Ｗ／ｍＫ〜５Ｗ／ｍＫ程度であり、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）の熱伝導率（各々４００Ｗ／ｍＫ、２００Ｗ／ｍＫ）に比べて非常に小さい。
このため、熱伝導グリスが半導体モジュールと冷却装置の間に部分的に厚い状態で残っていると、半導体モジュールと冷却装置の間の熱抵抗が増加し好ましくない。

半導体モジュールは、その中央部に設けられた貫通穴にネジを挿入することにより冷却装置に固定されるが、熱伝導グリスが部分的に厚くなるのを防ぐためには、半導体モジュールを冷却装置の搭載面に対して均一に押し付ける必要がある。
しかし、半導体モジュールの底面は完全に平坦ではない上、樹脂封止型の筐体は剛性が不均一であるため、搭載面に対して均一に押し付けることが難しい。その結果、ネジ周辺にのみ押し付け力がかかり、ネジから遠くなるに従って半導体モジュールが浮き上がり、半導体モジュール全体が冷却装置の搭載面に密着しないという問題があった。

例えば、特許第３７２５１０３号公報（特許文献１）に提示された半導体装置では、半導体モジュールをほぼ被うように配置されたペントルーフ（pent roof）型の板バネを介してネジを挿入することにより、ネジの加圧力を半導体モジュールの周辺に伝達するようにしている。
しかし、ペントルーフ型の板バネでは、半導体モジュールにバネ加圧力を均一に印加することはできない。

そこで近年、回転対称体である円錐台型の加圧部を有する板バネ（皿バネ）を用い、半導体モジュールにバネ加圧力を均一に印加する技術が提案されている。
例えば、特開２０１１−３５２６５号公報（特許文献２）では、ネジ貫通穴を有する底部と底部の外周から立ち上がる直立部と、直立部の上端から外側に円錐台型に延びて半導体モジュールの上面を押す加圧部を備えた板バネにより、バネの変形や反転を抑制し、バネ加圧力の制御性を向上した半導体装置が提示されている。
図６は、上記した特許文献２に示されている半導体装置そのものの構造を表した図ではないが、本発明と比較しやすいように、特許文献２の半導体装置と同様の従来の半導体装置の構造を概念的に示した断面図である。
なお、図６において、２は半導体モジュール、５は板バネ、８は冷却装置、１０はネジ、１１は座面、１６は加圧部である。

特許第３７２５１０３号公報 特開２０１１−３５２６５号公報

しかしながら、従来の半導体装置の場合、一般的には薄板をプレス加工で製作したバネであるため、ネジを締めこむとバネの底部（座面）に設けられた貫通穴周りに荷重が集中し、バネの座面が変形することでネジ頭とバネの座面が不均一に接触することとなる。
そのため、ネジ頭の座面とバネ座面との摩擦が大きくなり、ネジの締め付けトルクが摩擦抵抗により失われ、ネジの軸力が不足し、バネ座面が半導体モジュールの中央部に着座しない。そのため、半導体モジュールの中央部と外周部に印加されるバネの加圧力のバランスが崩れる。
その結果、半導体モジュールと冷却装置との密着性が低下し、熱抵抗が増加するものと考えられる。

上記課題の対策として、「バネの板厚を上げてバネ座面の強度を上げること」や、「ネジの締め付けトルクを上げてネジの軸力を上げること」が考えられる。
しかし、「バネの板厚を上げるとコストが高くなってしまうこと」や、「冷却装置のネジ穴の強度が不足しておりネジの締め付けトルクを上げることができないこと」などから、現実的には対策は困難である。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、半導体モジュールを板バネで加圧しながら冷却装置に固定する半導体装置において、バネの座面に補強材を配置することによってバネ座面が変形してネジ頭とバネの座面が不均一に接触することを防止し、コストを抑えつつ、半導体モジュールの中央部と外周部に印加されるバネ加圧力を意図的に調整することで、半導体モジュールと冷却装置の間の熱抵抗の増加を防止することが可能な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、中央部に第１貫通穴を有する半導体モジュールと、第２貫通穴を有し、前記半導体モジュールの一側に配置された板バネと、ネジ穴を有し、前記半導体モジュールの他側に配置された冷却装置を備え、
前記半導体モジュールは、前記板バネ側から前記第１及び第２貫通穴に挿入されたネジを前記ネジ穴に螺合することで、前記冷却装置に固定される半導体装置であって、
前記板バネの座面に配置した補強材を介して、前記半導体モジュールを前記冷却装置に固定することを特徴するものである。

この発明によれば、半導体モジュールと冷却装置の間の熱抵抗の増加を防止することが可能な半導体装置を提供できる。

実施の形態１に係る半導体装置を示す展開斜視図である。 半導体モジュールの内部構造を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態３に係る半導体装置を示す展開斜視図である。 実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。 従来の半導体装置を示す断面図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る半導体装置について、図面に基づいて説明する。
図１は、実施の形態１に係る半導体装置を示す展開斜視図、図２は、半導体モジュールの内部構造を示す断面図である。
また、図３は、実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。
なお、図中、同一部分には同一符号を付している。
実施の形態１に係る半導体装置は、電気自動車やハイブリッド自動車等の移動体に用いられる半導体装置であり、図１に示すように、半導体モジュール２、板バネ５、補強材６、冷却装置８及びネジ１０を備えている。

半導体モジュール２は、図２に示すように、その中央部に第１貫通穴３を有している。
半導体モジュール２に搭載された複数の半導体素子１は、ヒートスプレッダ（heat spreader）１２上に載置され、はんだ付けされている。
ヒートスプレッダ１２は、複数の半導体素子１の熱抵抗変化を分散させる。半導体素子１の表面電極（図示せず）は、電源接続用端子１３と出力端子１４に、直接またはワイヤ１５を介して接続される。
これらの半導体素子１、ヒートスプレッダ１２及びワイヤ１５は、樹脂（例えばエポキシ樹脂）で封止される。

板バネ５は、半導体モジュール２の一側（上面側）に配置され、座面１１の中央部に第２貫通穴４を有している。
また、板バネ５は、座面１１の外周から立ち上がる直立部と、直立部の上端から外側に円錐台型に延びて半導体モジュール２の上面を押す加圧部１６を有している。加圧部１６の加圧力は、直立部の長さやバネ定数により所定量に設計される。
また、加圧部１６の外周は、半導体モジュール２の上面の各辺よりも小さい直径を有するように設計される。

補強材６は、板バネ５の座面１１の上面側に配置され、その中央部に第３貫通穴７を有している。また補強材６は、ネジ締めによる摩擦抵抗をできるだけ小さくするために表面処理などを施している。
半導体モジュール２の他側（下面側）に配置される冷却装置８は、その上面中央部にネジ穴９を有する。ネジ１０は、補強材６の第３貫通穴７、板バネ５の第２貫通穴４及び半導体モジュール２の第１貫通穴３を通って冷却装置８のネジ穴９に螺合され、半導体モジュール２を冷却装置８に固定する。

本実施の形態においては、板バネ５の座面１１に配置した補強材６を介してネジ締めが行われる。
補強材６の直径はネジ１０のネジ頭の直径より大きく、ネジ締め付けにより変形しないよう設計されているため、座面１１に設けられた第２貫通穴４の周りに集中する荷重が緩和される。
これにより、ネジ締めによる座面１１の変形が緩和され、ネジ頭と座面１１が均一に接触することとなり、摩擦抵抗により失われるネジの締め付けトルクが小さくなる。
従って、ネジ１０の軸力は板バネ５に過不足なく伝達され、座面１１が半導体モジュール２の中央部に着座するようになり、ネジ１０の締め付けトルクを調整することで、半導体モジュール２の中央部と外周部に印加されるバネ加圧力を意図的に調整できる。
その結果、半導体モジュール２と冷却装置８の間の熱抵抗の増加を防止することが可能となる。
また、補強材６は、薄板をプレス加工で製作したものであるため、コストを抑えることができる。

以上説明したように、本実施の形態における半導体装置は、半導体素子１が樹脂封止され、中央部に第１貫通穴３を有する半導体モジュール３と、第２貫通穴４を有し、半導体モジュール２の一側（上面側）に配置された板バネ５と、ネジ穴９を有し、半導体モジュ
ール２の他側（下面側）に配置された冷却装置８を備え、半導体モジュール２は、板バネ５側から第１貫通穴３及び第２貫通穴４に挿入されたネジ１０をネジ穴９に螺合することで、冷却装置８に固定される半導体装置であって、板バネ５の座面に配置した補強材６を介して、半導体モジュール２を冷却装置８に固定する。

実施の形態２．
以下に、本発明の実施の形態２に係る半導体装置について説明する。
実施の形態２によれば、実施の形態１における補強材６に平座金やばね座金を用いて半導体装置を構成することで、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、ばね座金を用いることで、ネジ１０のゆるみ止め効果も期待できる。
さらに、市販の平座金やばね座金を用いることで、コストを抑えることができる。

実施の形態３．
以下に、本発明の実施の形態３に係る半導体装置について、図面に基づいて説明する。図４は、本実施の形態３に係る半導体装置を示す展開斜視図、図５は、本実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。
なお、図中、同一部分には同一符号を付している。
補強材１７は、外周に直立部１８を有している。また、補強材１７は、ネジ締めによる摩擦抵抗をできるだけ小さくするために表面処理などを施している。

板バネ５の座面１１に補強材１７を介してネジ締めが行われると、直立部１８が補強材１７によって補強されるため、補強材１７は変形しにくくなる。
また、直立部１８の内径が座面１１に設けられた第２貫通穴４の直径より大きいため、第２貫通穴４の周りに集中する荷重が緩和される。
また補強材１７は、直立部１８の下面が座面１１と接触するため、接触面が小さく、摩擦が小さい。そのため、ネジ締めによる座面１１の変形が緩和され、摩擦抵抗により失われるネジの締め付けトルクが小さくなる。

従って、ネジ１０の軸力は板バネ５に過不足なく伝達され、座面１１が半導体モジュール２の中央部に着座するようになり、ネジ１０の締め付けトルクを調整することで、半導体モジュールの中央部と外周部に印加されるバネ加圧力を意図的に調整することが可能となる。
また、補強材１７は、薄板をプレス加工で製作したものであるため、コストを抑えることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形省略することが可能である。

本発明は、半導体モジュールと冷却装置の間の熱抵抗の増加を防止することが可能な半導体装置の実現に有用である。

１ 半導体素子、２ 半導体モジュール、３ 第１貫通穴、４ 第２貫通穴、５ 板バネ、６ 補強材、７ 第３貫通穴、８ 冷却装置、９ ネジ穴、
１０ ネジ、１１ 座面、１２ ヒートスプレッダ、１３ 電源接続用端子、 １４ 出力端子、１５ ワイヤ、１６ 加圧部、１７ 補強材、１８ 直立部

Claims (5)

1. 半導体素子が樹脂封止され、中央部に第１貫通穴を有する半導体モジュールと、
   第２貫通穴を有し、前記半導体モジュールの一側に配置された板バネと、
   ネジ穴を有し、前記半導体モジュールの他側に配置された冷却装置を備え、
   前記半導体モジュールは、前記板バネ側から前記第１及び第２貫通穴に挿入されたネジを前記ネジ穴に螺合することで、前記冷却装置に固定される半導体装置であって、
   前記板バネの座面に配置した補強材を介して、前記半導体モジュールを前記冷却装置に固定することを特徴とする半導体装置。
2. 前記補強材の直径は、前記ネジのネジ頭の直径より大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記補強材に、平座金あるいはばね座金を用いていることを特徴とする請求項1または２記載の半導体装置。
4. 前記補強材が、外周に直立部を有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
5. 前記直立部の内径は、前記第２貫通穴の直径より大きいことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。