JP2015225940A

JP2015225940A - 半導体装置

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Publication number: JP2015225940A
Application number: JP2014109634A
Authority: JP
Inventors: 佳子高橋; Yoshiko Takahashi; 笹岡　達雄; Tatsuo Sasaoka; 達雄笹岡
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2015-12-14

Abstract

【課題】少ない部品点数で、容易に半導体モジュールを放熱板に固定し、効率的に放熱することを目的とする。
【解決手段】ガルウイングタイプのバネ１２で半導体モジュール３０を押圧し、バネ１２の突出部１６を放熱板２１の切り欠き部１３に差込んで、バネ１２で半導体モジュール３０を放熱板２１に押圧固定することにより、容易に半導体モジュール３０を放熱板２１に固定し、効率的に放熱することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、放熱板を有する半導体装置に関するものである。

パワー半導体素子を絶縁樹脂により封止したパワー半導体モジュールは、動作中の発熱量が多く、放熱板に固定して使用されることがある。
以下、図１０を用いて、従来の、パワー半導体モジュールが放熱板に固定された半導体装置の構成を説明する。

図１０は従来のパワー半導体モジュールが放熱板に固定された半導体装置の構成を示す斜視図である。
図１０に示すように、従来の半導体装置は、次のような構成を有していた。あらかじめ、パワー半導体モジュール９に貫通孔９ａ設け、放熱板８にも孔８ａを設ける。また、押さえ用板状バネ１０にも貫通孔１０ａを設けておく。そして、貫通孔１０ａ，貫通孔９ａ，孔８ａの位置を揃えて、下から放熱板８，パワー半導体モジュール９，押さえ用板状バネ１０の順で重ね合わせ、貫通孔１０ａ，貫通孔９ａ，孔８ａに固定用ネジ１１をねじ込むことで、放熱板８，パワー半導体モジュール９，押さえ用板状バネ１０を固定している。このように、押さえ用板状バネ１０で、パワー半導体モジュール９を放熱板８に押圧することにより、パワー半導体モジュール９で発生する熱を放熱板８に伝え、放出している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−８７５５２号公報

しかしながら、前記従来の半導体装置では、パワー半導体モジュール９の貫通孔９ａが必要となるため、貫通孔９ａを形成できないパワー半導体モジュールには利用できない。また、押さえ用板状バネ１０と放熱板８は直接接触しないため、パワー半導体モジュール９から押さえ用板状バネ１０に伝熱された熱は十分に放熱されず、パワー半導体モジュールの放熱の効率が悪くなる可能性がある。

本発明は、上記問題点を解決するために、貫通孔を形成できないパワー半導体モジュールを放熱板に固定することも可能であると共に、効率的な放熱が可能な半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、放熱板上に搭載された半導体モジュールを１つの板状のバネで前記放熱板に固定してなる半導体装置であって、前記バネが、ネジ固定部と、前記半導体モジュールの方向に突出して湾曲する接触部と、突出部と、前記接触部から傾斜しながら前記突出部に接続する傾斜部と、を有し、前記放熱板が、その内壁において内部方向に突出すると共に斜面を有する突起が形成された溝状の切り欠き部を有し、前記バネは、前記ネジ固定部においてネジにより前記放熱板に固定され、前記バネの前記傾斜部が前記切り欠き部の前記斜面と接することを特徴とする。

以上のように、本発明の半導体装置によれば、貫通孔を形成できないパワー半導体モジュールを放熱板に固定することも可能であると共に、効率的な放熱が可能な半導体装置を提供することができる。

実施の形態１における半導体装置の構成を示す斜視図実施の形態１におけるバネの構成を示す断面図実施の形態１におけるバネの構成を示す断面図実施の形態１の半導体装置の別形態の構成例を示す断面図実施の形態１の半導体装置の別形態の構成例を示す断面図実施の形態２における半導体装置の構成を示す斜視図実施の形態２におけるバネの構成を示す断面図実施の形態３における半導体装置の構成を示す斜視図実施の形態３におけるバネの構成を示す断面図従来のパワー半導体モジュールが放熱板に固定された半導体装置の構成を示す斜視図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付けて、適宜説明を省略している。
（実施の形態１）
図１は実施の形態１における半導体装置の構成を示す斜視図であり、実施の形態１の半導体装置における、ガルウイングタイプのバネと放熱板の構成を説明する斜視図である。図２は実施の形態１におけるバネの構成を示す断面図であり、放熱板の切り欠き部にバネを固定する工程を示す図である。図３は実施の形態１におけるバネの構成を示す断面図であり、放熱板の切り欠き部にバネが固定された状態を示す図である。

図１、図２、図３において、２１は放熱板であり、３０はパワー半導体素子を絶縁樹脂により封止したパワー半導体モジュールである。パワー半導体モジュール３０は、放熱板２１の上に配置される。１２はパワー半導体モジュール３０を放熱板２１に固定するガルウイングタイプの板状のバネで、１６はバネ中央部の突出部である。１１はバネ１２と放熱板２１とを固定するネジである。また、放熱板２１には２段階に形状の異なる溝状の切り欠き部１３が設けられている。切り欠き部１３は、溝部１５と、その内壁において内部に突出するように形成された突起１４からなる。突起１４は、放熱板２１におけるパワー半導体モジュール３０の搭載面から溝部１５に向かって傾斜する斜面１４ｂを有しており、斜面１４ｂと放熱板２１の搭載面のなす角度を１４ａとする。

ガルウイングタイプのバネ１２は、中央のくぼみ状の突出部１６を中心として、傾斜部１２ｆを介して左右に伸びた接触部１２ａとネジ固定部１２ｃとを有する。接触部１２ａは、固定時に半導体モジュール３０側（突出部１６側）に向けて突出した湾曲部を有する。突出部１６において傾斜部１２ｆから連続する上部には平坦部があり、この平坦部はバネ１２の中央部からそれぞれの接触部１２ａの向きに突出している。バネ１２を放熱板２１に装着した際、この突出部１６の平坦部が、放熱板２１の切り欠き部１３の突起１４に噛み合わされる。また、突出部１６は、図２に示すように、全体として断面が平坦部分を含む半円形等の形状になる。ただし、放熱板２１の突起１４とバネ１２の突出部１６が十分に噛み合う形状であれば、突出部１６の平坦部の形状はゆるやかな曲面であっても良い。

バネ１２は、ＳＵＳなどの鋼や、りん青銅、銅などの縦弾性係数１００ＧＰａ以上かつ２００ＧＰａ以下程度、熱伝導率１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の弾性を有する金属で一体的に形成される。放熱板２１に差し込み使用する前のバネ１２の形状は、図２に示すように、バネ１２の２つの傾斜部１２ｆがなす角度１６ｂが９０°より小さい。また、バネ１２の中央の突出部１６の最大幅１６ａは、放熱板２１の切り欠き部１３に挿入可能なように、放熱板２１の２つの突起１４間の幅１３ａよりも小さく形成されている。さらに、左右対称であるバネ１２の突出部１６の中央には、レーザー等で溝１７が形成されている。この溝１７により、バネ１２を放熱板２１の切り欠き部１３に差込んでパワー半導体モジュール３０を固定する際に、バネ１２が溝１７から左右均等に広がることが可能であり、バネ１２の固定が容易である。

バネ１２は、図２，図３に示すように、中央のくぼみ状の突出部１６を放熱板２１の切り欠き部１３に挿入した状態で、バネ１２の傾斜部１２ｆが放熱板２１の切り欠き部１３の上側の斜面１４ｂと接するまで左右均等に広げられ、この状態で、ネジ１１により放熱板２１に固定される。バネ１２の接触部１２ａはパワー半導体モジュール３０の幅よりも長い。バネ成分を持たせるために、無加重時のバネ１２の接触部１２ａの湾曲部最下点１２ｄからネジ固定部１２ｃの延長線上に垂直に降ろした距離１２ｅは、パワー半導体モジュール３０の厚みよりも短い。また、バネ１２の側部１２ｂの長さは、パワー半導体モジュール３０の厚みよりも長い。つまり、バネ１２の固定部１２ａは、パワー半導体モジュール３０側に突出する弓なり形状である。距離１２ｅをパワー半導体モジュール３０の厚みよりも短くすることにより、バネ１２でパワー半導体モジュール３０を放熱板２１に装着したときに、バネ１２の弾性力で、パワー半導体モジュール３０を放熱板２１に押圧することができ、放熱効率を向上させることができる。

また、バネ１２を固定する際、ガルウイングタイプのバネ１２は、放熱板２１の切り欠き部１３の斜面１４ｂに傾斜部１２ｆが接触するまで広げられた状態で、ネジ１１で放熱板２１に固定される。この時、ガルウイングタイプのバネ１２は、中央の突出部１６が広げられ、放熱板２１の切り欠き部１３の突起１４に引っかかり固定される。このとき、バネ１２，パワー半導体モジュール３０および放熱板２１のそれぞれの接触部においては、パワー半導体モジュール３０の熱をバネ１２を通して放熱板２１に伝熱させるために、バネ１２の接触面１２ｄ’（図３参照）とパワー半導体モジュール３０、バネ１２の傾斜部１２ｆと放熱板２１の切り欠き部１４の斜面１４ｂ、バネ１２のネジ固定部１２ｃと放熱板２１、がそれぞれ接触していればよい。

ガルウイングタイプのバネ１２と放熱板２１の切り欠き部１３の接触面積は、パワー半導体モジュール３０の上面から放射される熱を、放熱板２１の斜面１４ｂおよびネジ固定部１２ｃの２面へ温度勾配を付けて熱輸送できるように、パワー半導体モジュール３０とガルウイングタイプのバネ１２の接触面積の半分以上になるのが好ましい。そのため、本実施の形態では、切り欠き部１３の角度１４ａを、４５°以下としている。

さらに、切り欠き部１３の突起１４の斜面１４ｂは、ガルウイングタイプのバネ１２の厚み以上の距離を有することが好ましい。バネ１２と放熱板２１の切り欠き部１３の接触面積を、パワー半導体モジュール３０とガルウイングタイプのバネ１２の接触面積の半分以上とすることにより、バネ１２の接触面１２ｄ’でパワー半導体モジュール３０から吸熱した熱を、バネ１２と放熱板２１の切り欠き部１３の斜面１４ｂへ放熱することが可能になる。

このように構成された半導体装置では、パワー半導体モジュール３０の熱は、上面からガルウイングタイプのバネ１２を伝って放熱板２１へと輸送されるため、効率よく冷却することが可能となる。また、ガルウイングタイプのバネ１２の中央部の突出部１６を放熱板２１の切り欠き部１３に差し込み、突起１４に突出部１６を引っ掛けて固定するため、少ない部品点数で、容易に複数のパワー半導体モジュール３０を固定可能である。

（実施の形態１の別形態）
さらに、バネ１２による冷却効果をより高める構成を図４、５に示す。
図４、５は、実施の形態１の半導体装置の別形態の構成例を示す断面図であり、図３の斜面１４ｂの変形例を示す接触部の断面図である。

図４、５に示す構成が図３の構成と異なる点は、バネ１２の傾斜部１２ｆと放熱板２１の切り欠き部１３の斜面１４ｂとの接触部分である。具体的には、切り欠き部１３の突起１４の斜面１４ｂに、屈曲する、くの字部１４ｃまたは湾曲するアール部１４ｄが形成されており、バネ１２の傾斜部１２ｆも、放熱板２１の切り欠き部１３の形状に合わせて、くの字状やアール状に曲げ加工される点である。このような構成にすることで、固定時におけるバネ１２と放熱板２１の接触面積が増えるので、放熱効果がより顕著になる。すなわち、パワー半導体モジュール３０の冷却効果が高くなる。

（実施の形態２）
図６は、実施の形態２における半導体装置の構成を示す斜視図であり、実施の形態２の半導体装置におけるバネと放熱板の構成を説明する斜視図である。図６では、３つのパワー半導体モジュールと３つの接触部からなる板状のバネと放熱板からなる半導体装置を例示している。図７は実施の形態２におけるバネの構成を示す断面図であり、放熱板の切り欠き部にバネが固定された状態を示す図である。

図６，図７に示すように、実施の形態２における半導体装置は、３つのパワー半導体モジュール３０と、３つの接触部１８ａからなる板状のバネ１８と、放熱板２５と、固定用ネジ１１からなる。図６，図７に示す放熱板２５では、２箇所の切り欠き部として、切り欠き部１３および切り欠き部１９とが設けられる。バネ１８が放熱板２５から外れることを防止するため、切り欠き部１３は実施の形態１と同様に２つの突起１４を備え、切り欠き部１９は２つの突起２６，２７を備える。

なお、ここで、バネ１８をより確実に固定するために、ネジ１１によるネジ固定部から遠い側の突起（切り欠き部１９では突起２７側）の傾斜角度２０ａを、ネジ１１によるネジ固定部に近い側の突起（切り欠き部１９では、突起２６側）の傾斜角度より大きくして、左右非対称の形状とすることが望ましい。ただし、この場合も傾斜角度２０ａは４５°以下とする必要がある。これにより、中央の半導体モジュールにかかるバネの力点が、切り欠き部１３、１９で、それぞれネジ１１によるネジ固定部に近い側に偏り、バネ１８が放熱板２５から外れる可能性を軽減することができる。なお、この場合、３つの接触部１８ａからなる板状のバネ１８も、切り欠き部１３、１９と同様の形状に折り曲げ加工されている。

（実施の形態３）
図８は実施の形態３における半導体装置の構成を示す斜視図であり、実施の形態３の半導体装置における、バネと放熱板の構成を説明する斜視図である。図９は実施の形態３におけるバネの構成を示す断面図であり、放熱板の切り欠き部にバネが固定された状態を示す図である。

図８，図９に示すように、実施の形態３における半導体装置は、１つのパワー半導体モジュール３０と、１つの接触部２２ａからなる板状のバネ２２と、放熱板２８と、固定用ネジ１１からなる。実施の形態３の放熱板２８には、かぎ針状の切り欠き部２３が設けられている。切り欠き部２３は、パワー半導体モジュール３０の搭載領域から傾斜する斜面２９を備える突起２３ａを有する形状であり、少なくともバネ２２を引掛ける側が、かぎ針状になっている。また、突起２３ａは切り欠き部２３の側壁に向かい合わせて２つ形成されても良く、この場合、切り欠き部２３は左右対称の形状となる。また、バネ２２の引掛け部３１は折り曲げ加工やアール加工を施し、放熱板２８の切り欠き部２３の突起２３ａに引掛けて固定できる形状とする。バネ２２の傾斜部３２が放熱板２８の斜面２９に接触するように、バネ２２を放熱板２８にネジ１１で固定する。切り欠き部２３の傾斜角度である切り欠き角度２６ａは、実施の形態１と同様に４５°以下の角度にする。また、バネ２２の傾斜部３２と放熱板２８の切り欠き部２３の斜面２９の接触面積が、バネ２２とパワー半導体モジュール３０の接触面３３の面積の半分以上となるようにする。これにより、パワー半導体モジュール３０の熱を、斜面２９とバネ２２のネジ固定部２２ｃの２面で熱輸送可能となる。

さらに、切り欠き部２３とバネ２２の斜面２９との接続部については、実施の形態１の別形態と同様にすることで、接触面積を増やし、パワー半導体モジュール３０の冷却効果を高めることができ、容易に少ない部品点数で固定を行うことが可能となり、両サイドでネジ止めする構成よりも、取付けやすくなる。

なお、本発明は、車載用半導体装置や、パワーコンディショナーなどの大電流用途の電力変換装置等に、特に有用である。ただし、以上の説明では、パワー半導体モジュールを搭載する半導体装置について説明したが、搭載する半導体モジュールはパワー半導体モジュールに限らず、種々の半導体モジュールを搭載する半導体装置に適用可能である。

また、放熱板は、半導体モジュールを冷却する装置であり、単に熱伝導性の高い材質からなる放熱板であっても良い。

本発明は、少ない部品点数で、容易にパワー半導体モジュールを放熱板に固定し、効率的に放熱することができ、半導体モジュールが放熱板に搭載される半導体装置等に有用である。

８放熱板
８ａ、９ａ、１０ａ貫通孔
９、３０パワー半導体モジュール
１０押さえ用板状バネ
１１ネジ
１２、１８、２２バネ
１２ａ、１８ａ、２２ａ接触部
１２ｂ側部
１２ｃネジ固定部
１２ｄ最下点
１２ｄ’、３３接触面
１２ｆ、３２傾斜部
１３、１９、２３切り欠き部
１３ａ、１６ａ幅
１４、２３ａ、２６、２７突起
１４ａ、１６ｂ、２０ａ、２６ａ角度
１４ｂ、２９斜面
１４ｃくの字部
１４ｄアール部
１５溝部
１６突出部
１７溝
２１、２５、２８放熱板
３１引掛け部

Claims

放熱板上に搭載された半導体モジュールを１つの板状のバネで前記放熱板に固定してなる半導体装置であって、
前記バネが、ネジ固定部と、前記半導体モジュールの方向に突出して湾曲する接触部と、突出部と、前記接触部から傾斜しながら前記突出部に接続する傾斜部と、を有し、
前記放熱板が、その内壁において内部方向に突出すると共に斜面を有する突起が形成された溝状の切り欠き部を有し、
前記バネは、前記ネジ固定部においてネジにより前記放熱板に固定され、
前記バネの前記傾斜部が前記切り欠き部の前記斜面と接する、
半導体装置。
前記放熱板には前記半導体モジュールが複数搭載され、
前記切り欠き部の前記突起は、前記切り欠き部において向かい合って２つ形成される、
請求項１記載の半導体装置。
前記放熱板には前記半導体モジュールが３つ搭載され、
前記バネには、前記突出部が２つ設けられ、
前記切り欠き部は、前記バネの２つの前記突出部に対応する位置に２つ形成され、
前記切り欠き部における前記突起は、前記ネジ固定部に遠い側の突起の傾斜角度が、前記ネジ固定部に近い側の突起の傾斜角度よりも大きい、
請求項２記載の半導体装置。
前記切り欠き部の前記突起の前記斜面は、屈曲して突出している、
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記切り欠き部の前記突起の前記斜面は、湾曲して突出している、
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。