JP2016076640A - 半導体冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】リードフレームと冷却器との間の位置ズレを防止して、樹脂の漏れや回り込みなどの成形不良を無くすと共に、位置ズレによる冷却効率の低下を抑制することができるようにする。【解決手段】半導体素子１を実装したリードフレーム２と冷却器３とを型５に入れて樹脂材料６を注入することにより、上記リードフレーム２と上記冷却器３との周囲を一体に包持する樹脂パッケージ部７を形成した半導体冷却構造に関する。上記リードフレーム２と上記冷却器３とが、位置規定部３１によって位置規定された状態で樹脂パッケージ部７によって一体化されたものとされる。【選択図】図３

Description

この発明は、半導体冷却構造に関するものである。

自動車などの分野では、ガソリン車から、ハイブリッド車や、電気自動車や、燃料電池車などへの移行が徐々に進められている。これに伴って、車両には、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）などのパワー半導体が多く使用されるようになっている。そして、このようなパワー半導体は、発熱量が大きいため、熱暴走が生じないように冷却する必要があり、例えば、特許文献１に示すような半導体冷却構造が開発されている。

このような半導体冷却構造には、半導体素子を実装したリードフレームと冷却器とを型に入れて樹脂材料を注入することによって、リードフレームと冷却器との周囲を一体に包持する樹脂パッケージ部を形成するようにしたものなどが開発されている。

特開２０１０−６２５１１号公報

しかしながら、上記半導体冷却構造では、型内にセットされたリードフレームと冷却器との間を位置決めする手段が特に設けられていなかったため、樹脂パッケージ部を形成する際に、リードフレームと冷却器との間に位置ズレが発生するおそれがあった。このように、リードフレームと冷却器との間に位置ズレが発生すると、樹脂パッケージ部の成形中に樹脂の漏れや回り込みなどの成形不良が発生したり、リードフレームと冷却器との位置ズレによる冷却効率の低下が発生したりするなどの問題が生じることになる。

そこで、本発明は、上記した問題点を解決することを、主な目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、
半導体素子を実装したリードフレームと冷却器とを型に入れて樹脂材料を注入することにより、前記リードフレームと前記冷却器との周囲を一体に包持する樹脂パッケージ部を形成した半導体冷却構造であって、
前記リードフレームと前記冷却器とが、位置規定部によって位置規定された状態で樹脂パッケージ部によって一体化されたものであることを特徴としている。

本発明によれば、上記構成によって、リードフレームと冷却器との間の位置ズレを防止して、樹脂の漏れや回り込みなどの成形不良を無くすと共に、位置ズレによる冷却効率の低下を抑制することができる。

本実施の形態の実施例にかかる半導体冷却構造を構成するリードフレームの斜視図である。このうち、（ａ）は半導体素子の搭載前の状態、（ｂ）は半導体素子の搭載後の状態である。 本実施の形態の実施例にかかる半導体冷却構造を構成する冷却器の斜視図である。このうち、（ａ）は組立前の状態、（ｂ）は組立後の状態である。 図１のリードフレームを図２の冷却器の上部に載置した状態を示す斜視図である。 半導体冷却構造を成形する型の状態を示す斜視図である。 図４を型開きした状態を示す斜視図である。 成形された半導体冷却構造を示す斜視図である。 外部にハミ出た連結枠を切除した半導体冷却構造を示す斜視図である。 型締方向位置規定部を示す下型の斜視図である。 型締方向位置規定部の他の例を示す下型の斜視図である。 型位置規定部を示す冷却器の斜視図である。このうち、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は給排側端面の端面図である。 型位置規定部の他の実施例を示す冷却器の斜視図である。このうち、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は給排側端面の端面図である。 型位置規定部を示す冷却器の横断面図である。 型位置規定部を示す冷却器の縦断面図である。 リードフレームと冷却器との間に生じた位置ズレを示す図３と同様の斜視図である。

以下、本実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。
図１〜図１４は、この実施の形態を説明するためのものである。

＜構成＞以下、この実施例の構成について説明する。

自動車などの分野では、ガソリン車から、ハイブリッド車や、電気自動車や、燃料電池車などへの移行が徐々に進められている。これに伴って、車両には、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）などのパワー半導体が多く使用されることになる。そして、このようなパワー半導体は、スイッチング動作を行う時などに大電流が流れることから、発熱量が大きいものとなっているため、熱暴走を起こさないように冷却する必要があり、半導体冷却構造が用いられる。

そこで、このような半導体冷却構造を、図１（ｂ）に示すような、半導体素子１を実装したリードフレーム２と、図２（ｂ）に示すような、冷却器３とを、図３に示すように、上下に重ねて、図４に示すように、型５に入れて、（型５内に）樹脂材料６を注入することにより、図５、図６に示すように、上記リードフレーム２と上記冷却器３との周囲を一体に包持する樹脂パッケージ部７を形成したものとする。

ここで、半導体素子１は上記したパワー半導体のような発熱量が大きいものとされる。リードフレーム２は、図１に示すように、複数の端子電極部１１〜１３の間を連結枠部１４（またはタイバー）で一体に連結したようなものとされる。図１（ｂ）では、端子電極部１２，１３間に半導体素子１が設置された後で、半導体素子１の上に上部電極１５が載置されている。なお、リードフレーム２に対する半導体素子１の実装状態については単なる例示であり、これに限るものではない。また、パワー半導体などの半導体素子１をリードフレーム２に実装して樹脂でパッケージ化したものは、パワーカードなどと呼ばれている。

冷却器３は、図２に示すように、冷却液１６を流通できるようにした有底容器状の冷却ジャケット部１７と、この冷却ジャケット部１７の上面側に形成された開口部を塞ぐ蓋部１８と、冷却ジャケット部１７の対向する端面（給排側端面１９）に形成された取付孔部に対してそれぞれ差し込み固定される一対の筒状をした冷却液給排部２１と、を有する液冷式のものなどとされる。蓋部１８の表面側は、上記したリードフレーム２を当接配置可能な平坦な当接面２２とされている。また、蓋部１８の裏面側には、冷却ジャケット部１７内を流れる冷却液１６に対する伝熱面積を増大させるためのフィン２３が、冷却液１６の流れ方向に沿って複数本、互いに間隔を有して突出形成されており、これによってヒートシンクを構成している。なお、この実施例では、半導体素子１が実装されたリードフレーム２の下部に冷却器３を設置するようにしているが、リードフレーム２の上下に冷却器３を挟み込むように設置することも可能である。

樹脂パッケージ部７を成形する型５は、この場合、図４に示すように、上型２５と下型２６とを有する金型装置とされる。上型２５と下型２６との間には、冷却器３の給排側端面１９を除いて、冷却器３およびリードフレーム２の周囲を包囲する成形空間２７（図５参照）が形成されている。この場合、型５は、樹脂パッケージ部７をトランスファー成形するためのものとされている。トランスファー成形とは、要するに、一回分の樹脂材料６を供給しつつバッチ式に成形を行うようにしたものである。但し、成形の方式については、トランスファー成形に限るものではない。上型２５と下型２６とには、樹脂材料６を供給するためのゲート２８（図４参照）が適宜設けられる。

樹脂パッケージ部７は、給排側端面１９の少なくとも一部が開放されたほぼ角筒型のものとされる。なお、樹脂パッケージ部７が形成された状態では、図６に示すように、リードフレーム２の連結枠部１４の全部または一部が、樹脂パッケージ部７の外側へハミ出すこととなるので、連結枠部１４の樹脂パッケージ部７からハミ出した不要な部分については、後工程で切断除去して、図７のようなパワーカード一体型冷却器２９にする。

以上のような基本的な構成に対し、この実施例では、以下のような構成を備えるようにしている。

（１）上記リードフレーム２と上記冷却器３とが、位置規定部３１によって位置規定された状態で樹脂パッケージ部７によって一体化されたものとされる。

（２）より具体的には、図１、図２などに示すように、上記位置規定部３１が、上記半導体素子１の上記リードフレーム２に対する実装面方向の位置規定が可能な面方向位置規定部３５とされる。
この面方向位置規定部３５が、上記リードフレーム２と上記冷却器３との一方に形成された位置規定用凹部３６、および、他方に形成された位置規定用凸部３７を有するものとされる。

ここで、実装面方向は、リードフレーム２の面方向、または、冷却器３の当接面２２（図中上面）の面方向のことである。この場合、位置規定用凹部３６は、連結枠部１４における型５の外側へ出た部分の内周面側に、切欠状に形成されている。位置規定用凹部３６は、冷却器３の給排側端面１９の上縁部分に、位置規定用凹部３６へ嵌合し得るように突出形成されている。

（３）または、図８、図９などに示すように、上記位置規定部３１が、上記型５の型締方向４１の位置規定が可能な型締方向位置規定部４２とされる。
この型締方向位置規定部４２が、上記リードフレーム２と、上記冷却器３と、上記型５とのうちの少なくとも１つに形成されて、上記型５の型締圧によって上記リードフレーム２と上記冷却器３とを型締方向４１へ押圧保持させる位置規定用突部４３とされる。

ここで、型締方向４１は、例えば、図中上下方向などとされる。位置規定用突部４３は、型５におけるリードフレーム２の連結枠部１４と接する部分（図８参照）、または、リードフレーム２の連結枠部１４における型５と接する部分（リードフレーム２の下面、不図示）に設けることができる。図では、位置規定用突部４３は、下型２６の上面側（上型２５との合わせ面側）における成形空間２７の周囲の部分に設けられている。但し、同様の位置規定用突部４３は、上型２５の下面側（下型２６との合わせ面側）における成形空間２７の周囲の部分や、リードフレーム２における連結枠部１４の上面などに対して設けることができる。

また、位置規定用突部４３は、型５における冷却器３と接する部分（図９参照）、または、冷却器３における型５と接する部分（不図示）に設けることができる。図では、位置規定用突部４３は、下型２６における給排側端面１９（の後述する位置規定用嵌合突部５３）の下部となる位置などに設けられている。但し、同様の位置規定用突部４３は、冷却器３の給排側端面１９周辺の下縁部に対して設けることができる。

（４）更に、図５に示すように、上記位置規定部３１が、上記型５に対する上記冷却器３の位置規定が可能な型位置規定部５１とされる。
この型位置規定部５１が、上記冷却器３に設けられて、上記型５に形成された位置規定用受部５２に対して嵌合可能な位置規定用嵌合突部５３とされる。

ここで、位置規定用受部５２は、下型２６における給排側端面１９が覗く部分に切欠状に形成される。また、位置規定用嵌合突部５３は、冷却器３における給排側端面１９に対し、一体に突出形成された外方突出部などとされる。位置規定用受部５２および位置規定用嵌合突部５３には、嵌合によって図中左右方向に対する正確な位置規定ができるようにするために、その両側部に、図中下側（下型２６に対する冷却器３のセット方向）へ進むに従って幅が狭くなる楔状の斜面５５を形成することができる。これにより、位置規定用受部５２と位置規定用嵌合突部５３とを楔嵌めすることで位置規定を行わせることが可能となる。

（５）加えて、図１０（〜図１３）に示すように、上記位置規定用嵌合突部５３の外周部の少なくとも一部に沿って、位置規定用嵌合突部５３の外周部を弾性変形し易くする弾性変形許容部６１を形成することができる。

ここで、弾性変形許容部６１は、図１０に示すように、位置規定用嵌合突部５３の左右の縁部や、上下の縁部や（不図示）、図１１に示すように、全周部分などに対して、適宜設けることができる。弾性変形許容部６１は、図１３に示すように、型５の肉厚よりも深い溝部、或いは、型５によって保持される範囲よりも奥側へ延びる溝部などとされる。

＜作用効果＞この実施例によれば、以下のような作用効果を得ることができる。

半導体素子１を実装したリードフレーム２と、冷却器３とを、上下に重ね、型５に入れて樹脂材料６を注入することにより、上記リードフレーム２と上記冷却器３との周囲を一体に包持する樹脂パッケージ部７を形成する。これにより、パワー半導体などの半導体素子１を一体化された専用の冷却器３を用いて強力に冷却することができる半導体冷却構造（パワーカード一体型冷却器２９）を得ることができる。

（１）リードフレーム２と冷却器３とが、位置規定部３１によって位置規定された状態で樹脂パッケージ部７によって一体化されたものとなっている。これにより、例えば、図１４に示すような、リードフレーム２と冷却器３との間の位置ズレを防止して、成形中の樹脂の漏れや回り込みなどの成形不良を無くすと共に、位置ズレ（を原因として、例えば、リードフレーム２と冷却器３との間にエアギャップが発生することなど）による冷却効率の低下を抑制することができる。なお、図３が位置ズレのない状態であり、図１４のものでは、リードフレーム２は、冷却器３に対して、図中右側へ大きく位置ズレしている。

（２）位置規定部３１を面方向位置規定部３５とした。これにより、リードフレーム２と冷却器３との実装面方向の位置規定を行うことができる。この際、面方向位置規定部３５を、互いに嵌合合致可能な位置規定用凹部３６および位置規定用凸部３７とした。これにより、位置規定用凹部３６と位置規定用凸部３７とを嵌め合わせた状態でリードフレーム２と冷却器３とを型５にセットすることで、確実にリードフレーム２と冷却器３とを実装面方向に位置規定することが可能となる。なお、実装面方向の位置規定が行われたものかどうかは、位置規定用凸部３７の有無などによって知ることができる。

（３）位置規定部３１を型締方向位置規定部４２とした。これにより、リードフレーム２と冷却器３との型締方向４１の位置規定を行うことができる。この際、型締方向位置規定部４２を位置規定用突部４３とした。これにより、型締圧によってリードフレーム２と冷却器３とが型締方向４１へ押圧保持されるので、確実にリードフレーム２と冷却器３とを型締方向４１に位置規定することが可能となる。なお、型締方向位置規定部４２による位置規定が行われたものかどうかは、型締圧による位置規定用突部４３の押圧痕（食い込みや潰れなど）の有無などによって知ることができる。

（４）位置規定部３１を型位置規定部５１とした。これにより、型５に対する冷却器３の位置規定を行うことができる。この際、型位置規定部５１を位置規定用嵌合突部５３とした。これにより、型５に形成された位置規定用受部５２に対して位置規定用嵌合突部５３を嵌合させることで、冷却器３を型５に対して自動的且つ確実に位置規定することが可能となる。なお、型５に対する位置規定が行われたものであるかどうかは、位置規定用嵌合突部５３の有無などによって知ることができる。

（５）位置規定用嵌合突部５３の外周部の少なくとも一部に弾性変形許容部６１を形成した。これにより、位置規定用嵌合突部５３の外周部が弾性変形し易くなるので、型締時に、位置規定用嵌合突部５３を、型５に形成された位置規定用受部５２に対し、寸法公差（特に、型締方向４１に対する寸法公差）の影響を吸収しつつ最適状態で嵌合させることができ、以って、冷却器３を型５に対して正確に位置規定させることができる。その結果、成形中の樹脂の漏れや回り込みなどの成形不良を無くすことができると共に、位置ズレによる冷却効率の低下を抑制することができる。また、冷却器３を型５に対して容易にセットすることが可能となる。

以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、実施例はこの発明の例示にしか過ぎないものである。よって、この発明は実施例の構成にのみ限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれることは勿論である。また、例えば、各実施例に複数の構成が含まれている場合には、特に記載がなくとも、これらの構成の可能な組合せが含まれることは勿論である。また、複数の実施例や変形例がこの発明のものとして開示されている場合には、特に記載がなくとも、これらに跨がった構成の組合せのうちの可能なものが含まれることは勿論である。また、図面に描かれている構成については、特に記載がなくとも、含まれることは勿論である。更に、「等」の用語がある場合には、同等のものを含むという意味で用いられている。また、「ほぼ」「約」「程度」などの用語がある場合には、常識的に認められる範囲や精度のものを含むという意味で用いられている。

１ 半導体素子
２ リードフレーム
３ 冷却器
５ 型
６ 樹脂材料
７ 樹脂パッケージ部
３１ 位置規定部
３５ 面方向位置規定部
３６ 位置規定用凹部
３７ 位置規定用凸部
４１ 型締方向
４２ 型締方向位置規定部
４３ 位置規定用突部
５１ 型位置規定部
５２ 位置規定用受部
５３ 位置規定用嵌合突部
６１ 弾性変形許容部

Claims (5)

1. 半導体素子を実装したリードフレームと冷却器とを型に入れて樹脂材料を注入することにより、前記リードフレームと前記冷却器との周囲を一体に包持する樹脂パッケージ部を形成した半導体冷却構造であって、
   前記リードフレームと前記冷却器とが、位置規定部によって位置規定された状態で樹脂パッケージ部によって一体化されたものであることを特徴とする半導体冷却構造。
2. 請求項１に記載の半導体冷却構造であって、
   前記位置規定部が、前記半導体素子の前記リードフレームに対する実装面方向の位置規定が可能な面方向位置規定部であり、
   該面方向位置規定部が、前記リードフレームと前記冷却器との一方に形成された位置規定用凹部、および、他方に形成された位置規定用凸部を有することを特徴とする半導体冷却構造。
3. 請求項１または請求項２に記載の半導体冷却構造であって、
   前記位置規定部が、前記型の型締方向の位置規定が可能な型締方向位置規定部であり、
   該型締方向位置規定部が、前記リードフレームと、前記冷却器と、前記型とのうちの少なくとも１つに形成されて、前記型の型締圧によって前記リードフレームと前記冷却器とを型締方向へ押圧保持させる位置規定用突部であることを特徴とする半導体冷却構造。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体冷却構造であって、
   前記位置規定部が、前記型に対する前記冷却器の位置規定が可能な型位置規定部であり、
   該型位置規定部が、前記冷却器に設けられて、前記型に形成された位置規定用受部に対して嵌合可能な位置規定用嵌合突部であることを特徴とする半導体冷却構造。
5. 請求項４に記載の半導体冷却構造であって、
   前記位置規定用嵌合突部の外周部の少なくとも一部に沿って、位置規定用嵌合突部の外周部を弾性変形し易くする弾性変形許容部を形成したことを特徴とする半導体冷却構造。