JP2014203892A

JP2014203892A - 半導体装置

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Publication number: JP2014203892A
Application number: JP2013077106A
Authority: JP
Inventors: 隆登佐藤; Takato Sato; 悠季生大西; Yukio Onishi; 高野　博之; Hiroyuki Takano; 博之高野; 洋明吉澤; Hiroaki Yoshizawa; 豊志夫渡; Toshio Watari; 宏美山崎; Hiromi Yamazaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2014-10-27
Anticipated expiration: 2033-04-02
Also published as: US8963324B2; US20140291833A1; JP5751273B2

Abstract

【課題】より高い冷却性と寸法精度を実現することができる半導体装置を提供すること。【解決手段】本発明による半導体装置１は、バネ部材２により半導体モジュール３が冷却器４に押圧されてなる半導体装置１であって、バネ部材２は冷却器４に固定された支柱５に接続された梁部材６により圧縮されるものであるとともに、冷却器４は半導体モジュール３が押圧される被押圧部４Ａと支柱５が固定される支柱固定部４Ｂとを有して、支柱固定部４Ｂは被押圧部４Ａよりも剛性が高いことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば乗用車、トラック、バス等の車両や家庭用機器又は産業用機器に適用されて好適な半導体装置に関する。

ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＩＰＭ（Intelligent Power Module）等の半導体装置は、半導体素子を含む半導体モジュールと冷却器を備えている。冷却性を高めるため半導体モジュールと冷却器との間の面には冷却用のグリスが塗布される。この面内においては平面度差が存在し、冷却性の観点からグリスを面内に均一に配置しかつなるべく薄くするため面内において所定の圧接力が要求される。

このため、下記の特許文献１には、複数のねじと対応する支柱によって固定された梁とバネを備えて、バネ荷重を利用した梁による押さえ力により半導体モジュールを冷却器に押し付ける構造が開示されている。

特開２００７−３２９１６７号公報

ところが上述した特許文献１に記載の従来技術では、半導体モジュールと冷却器との距離を縮めるべく押さえ力を増加させると、冷却器が追従変形して支柱が傾くことを招く。この支柱の傾きが発生することは、所定の圧接力が得られず冷却性の低下することを招き、装置としての高さや位置の精度等の寸法精度の低下も招く。

本発明は、上記問題に鑑み、より高い冷却性と寸法精度を実現することができる半導体装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明による半導体装置は、バネ部材により半導体モジュールが冷却器に押圧されてなる半導体装置であって、前記バネ部材は前記冷却器に固定された支柱に接続された梁部材により圧縮されるものであるとともに、前記冷却器は前記半導体モジュールが押圧される被押圧部と前記支柱が固定される支柱固定部とを有して、前記支柱固定部は前記被押圧部よりも剛性が高いことを特徴とする。ここで、前記冷却器は冷却フィンを含み、当該冷却フィンの寸法諸元に基づいて前記剛性が調節されることとしてもよい。

本発明は、冷却器の被押圧部の押圧に対する追従性を高めてグリスを冷却器と半導体モジュールとの間の面に均一かつより薄く配置してより高い冷却性を確保し、かつ、支柱が固定される支柱固定部の変形を防止して高い寸法精度を実現することができる。

本発明に係る実施例の半導体装置１の一実施形態における概略構成を示す模式図である。実施例の半導体装置１が含む冷却フィンの具体的態様を示す模式図である。実施例の半導体装置１における冷却器の支柱固定部と被押圧部の剛性を相違させる具体的手法を示す模式図である。実施例の半導体装置１の一実施形態の全体構成が含む構成要素を並列して示す模式図である。実施例の半導体装置１の一実施形態の全体構成を示す模式図である。実施例の半導体装置１の一実施形態の全体構成を示す断面の位置と断面内の構成要素を示す模式図である。従来の半導体装置５１を示す模式図である。本発明に係る実施例の半導体装置１の変形例を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について、上述した図１〜図８の添付図面を参照しながら説明する。なお、各構成要素の材質等の周知事項は適宜割愛して本発明に関連するものを主に説明する。

図１に示すように、本実施例の半導体装置１は、皿バネであるバネ２（バネ部材）と、平板状の半導体モジュール３と、冷却器４と、支柱５と、ボルト６と、梁部材７とを含む。冷却器４は上板４１と冷却フィン４２と下板４３を含んで構成される。

冷却器４は半導体モジュール３が載置されて図１中上から下に押圧される被押圧部４Ａと、半導体モジュール３が載置されないで支柱５が固定される支柱固定部４Ｂを有している。半導体モジュール３は図示しない半導体素子が合成樹脂によりモールドされてなるものである。詳細は図示しないがコレクタの下側に絶縁樹脂を挟んで金属箔又は金属プレートが載置され、その金属プレートが下面を構成する。

支柱５は半導体モジュール３が位置しない支柱固定部４Ｂつまり上板４１の上面に例えばカシメ等の手段により固定される。支柱５の上面にはボルト６の雄ネジに対応する雌ネジが穿設されている。

バネ２は面積が大きい側が半導体モジュール３の図１中の上面に対向され、面積の小さい側が梁部材７の下面に対向される。ボルト６を梁部材７の図示しないボルト穴に挿通して、支柱５の上面に位置する上述した雌ネジにボルト６をねじ込むことにより梁部材７は支柱５に接続され固定される。なおバネ２つまりバネ部材は弾性を示す部材であればどのような形態、材質のものでも良い。

梁部材７が支柱５に接続されるにあたって、梁部材７は冷却器４の上面４１に接近する方向に変位され、この変位に基づいてバネ２は圧縮されて押圧力Ｐを発生し、この押圧力Ｐにより、半導体モジュール３は上板４１に押圧される。半導体モジュール３の下面と上板４１との間にはグリス８が載置される。グリス８は例えば放熱性シリコンである放熱性グリスであり、半導体モジュール３の下面と上板４１との間の伝熱性を確保する機能を有している。

図１に示す支柱固定部４Ｂは被押圧部４Ａよりも剛性が高く設定される。図１に示した冷却フィン４２は例えば図２に示すような蛇腹状の形態を有する。本実施例では蛇腹状の冷却フィン４２の屈曲線の延びる方向が図１中奥行き方向であることから、支柱固定部３Ｂと被押圧部４Ａの境界線も奥行き方向視である図１中の幅方向において設定される領域である。

本実施例ではこの剛性を設定するに当たり、冷却フィン４２の寸法諸元を調節する。つまり、被押圧部４Ａに対応する領域に位置する冷却フィン４２Ａと、支柱固定部４Ｂに対応する領域に位置する冷却フィン４２Ｂの寸法を、図３に示す寸法諸元毎に異ならせる。図３は、冷却フィン４２の一ピッチ毎の形態を示している。

図３に示すパラメータは、Ｔ：フィン隙間＋フィン板厚、ｔ：フィン隙間、Ｈ：フィン高さ、ｈ：フィン高さ−フィン板厚、ｌ：フィン長さ、である。ここで、Ｅ：フィンのヤング率、Ｉ：断面二次モーメント、とすると、Ｉ∝ＴＨ^３−ｔｈ^３である。また、Ｐ：荷重（押圧力）、δ：変位、とすると、δ∝Ｐｌ^３／ＥＩ^２である。なお「∝」は「比例」を示す。

つまり冷却フィン４２Ｂにおいては冷却フィン４２Ａよりも、フィン長さｌについては長く設定し、ヤング率Ｅについては小さく設定する。ヤング率Ｅの設定にあたっては、材料の変更や又は焼き入れ等の調質などの適宜の手段を用いる。

さらに冷却フィン４２Ｂにおいては冷却フィン４２Ａよりも、断面二次モーメントＩを小さくするため、フィン隙間＋フィン板厚Ｔを小さくする。なお、本実施例では上板４１と下板４３の双方を平板状とするため、フィン高さＨ、フィン高さ−フィン板厚ｈについては調節しない。

なお上述した図１に示す半導体装置１の半導体モジュール３と支柱５の設置形態は一の半導体モジュール３に関連するものを例示的に示したものである。つまり、実装密度や梁部材７の構成のし易さ等を考慮して、図４に示すように、一の梁部材７に対して、半導体モジュール３を三つ並列して、半導体モジュール３の間と外側の合計四箇所に支柱５を配置することもできる。

この場合、一の梁部材７には四箇所の支柱５に対応する四つのボルト６を挿通するボルト穴７ａが形成される。また、バネ２は半導体モジュール３と梁部材７との間にそれぞれ配置される。

ここで雄ネジ６ａが螺合される雌ネジ５ａが支柱５の上側に穿設されている。また支柱５は上板４１の上面にカシメにより固定されてもよいし、予め一体成型されていてもよい。つまり支柱５は、上板４１の上面において半導体モジュール３が並列される方向に等間隔に四箇所配置される。

三つの半導体モジュール３を四つの支柱５の間に配置し、三つの半導体モジュール３の上面にバネ２の面積の大きい側の面を載置して、梁部材７を三つのバネ２の面積の小さい側の面に載置する。この後、梁部材７のボルト穴７ａに、ボルト６を挿通させ、ボルト６の雄ネジ６ａを支柱５の雌ネジ５ａに螺合することで、図５に示す半導体装置１が形成される。

図６（ａ）は図５に示した完成された半導体装置１の上面視であるが、この上面視におけるＡＡ断面を図６（ｂ）に示す。ここで半導体モジュール３は図示の便宜上モールドを構成する樹脂のみを示している。つまり四つのボルト６の雄ネジ６ａが支柱５の雌ネジ５ａに螺合されることによる軸力がバネ２に蓄積されて、半導体モジュール３を冷却器４の上板４１の上面に押圧する押圧力Ｐが発生される。

以上述べた本実施例の半導体装置１によれば以下の作用効果を得ることができる。つまりボルト６の雄ネジ６ａを支柱５の雌ネジ５ａに螺合して、梁部材７によりバネ２が圧縮されて半導体装置１が完成され押圧力Ｐが作用する状況で、まず半導体モジュール３の下面の下側に位置する被押圧部４Ａに属する冷却フィン４２Ａを図１中破線Ｑ１に示すように上板４１と冷却フィン４２との境界面を変形しやすくして追従性を確保できる。

ここで図１に示したように、半導体装置１が完成した状態では、冷却器４の上板４１の上面と半導体モジュール３の下面との間にはグリス８が介装されている。グリス８は、押圧力Ｐが作用される組立前においては、上板４１の上面の中央近傍に又はマトリクス状にドット配置されている。本実施例では、押圧力Ｐが冷却フィン４２Ａの追従性に基づいて面内に均一に作用することにより図１に示すように平板状かつ半導体モジュール３の下面の全体に均一かつ薄く分布される。これにより冷却性が高められる。

また本実施例では支柱５が位置する支柱固定部４Ｂに属する冷却フィン４２Ｂについては剛性を高く設定して図１中破線Ｑ１の両端に示すように変形しにくくしている。ここで図７は支柱５の下部に位置する冷却フィン４２も半導体モジュール３の下側に位置する冷却フィン４２と同等の剛性とする従来の半導体装置５１であるが、図７中の破線Ｑ２に示すように、この場合は、支柱５の下側の変形量が大きくなる。

このため、図１中Ｍ１で示す支柱５の傾きは、図７中Ｍ２で示す支柱５の傾きに比べて小さくできる。つまり本実施例では、半導体装置１の梁部材７及びボルト６の頭部により構成される上面の位置精度、高さ精度を確保することができる。

以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。

例えば、図４〜図５に示した本実施例の半導体装置１では支柱５の設置態様を上板４１の上面に一行四列配置としたが、図８に示すように二行四列配置とすることもできる。この場合、図８の梁部材７は図４に示した梁部材７よりも奥行き方向に長くする。

本発明は、半導体装置に関するものであり、冷却器の被押圧部の押圧に対する追従性を高めてグリスを冷却器と半導体モジュールとの間の面に均一かつより薄く配置してより高い冷却性を確保することができる。

また、本発明は、支柱が固定される支柱固定部の変形を防止して高い寸法精度を実現できる。このため、本発明は種々の半導体関連の装置に適用して有益なものである。もちろん、本発明は乗用車、トラック、バス等の様々な車両のインバータ等に適用される半導体装置に適用しても有益なものである。

１半導体装置
２バネ（皿バネ：バネ部材）
３半導体モジュール
４冷却器
４Ａ被押圧部
４Ｂ支柱固定部
４１上板
４２冷却フィン
４２Ａ冷却フィン（剛性大）
４２Ｂ冷却フィン（剛性小）
４３下板
５支柱
５ａ雌ネジ
６ボルト
６ａ雄ネジ
７梁部材
７ａボルト穴
８グリス

Claims

バネ部材により半導体モジュールが冷却器に押圧されてなる半導体装置であって、前記バネ部材は前記冷却器に固定された支柱に接続された梁部材により圧縮されるものであるとともに、前記冷却器は前記半導体モジュールが押圧される被押圧部と前記支柱が固定される支柱固定部とを有して、前記支柱固定部は前記被押圧部よりも剛性が高いことを特徴とする半導体装置。
前記冷却器は冷却フィンを含み、当該冷却フィンの寸法諸元に基づいて前記剛性が調節されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。