JP2019075415A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性を高めることが可能な半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子２１ａを含む複数の電子部品２１を具備した半導体装置１において、密閉された空間Ｓを形成する筐体１０と、筐体１０内に配置され、電子部品２１が実装された第１基板２０と、筐体１０内の熱を空間Ｓの外部に放出するヒートシンク３０と、第１基板２０をヒートシンク３０に固定する複数のネジ４０と、筐体１０内に配置され、ネジ４０に接触する金属板５０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。

従来の半導体装置として、例えば特許文献１に記載されている技術が知られている。特許文献１に記載の半導体装置は、基板と、基板に実装され、半導体素子を含む複数の電子部品と、基板の板厚方向の一方に設けられたヒートシンクと、基板の板厚方向の他方に設けられたカバーと、ヒートシンクに接続された複数のねじと、複数のねじのそれぞれに接続されたナットと、を備えている。

特開２０１６−１９７６８４号公報

特許文献１に記載の半導体装置では、電子部品で発生した熱は、ねじ等を介してヒートシンク及びナットに放熱される。しかしながら、このような構成では放熱性が不十分となる場合があり、半導体装置の放熱性を更に高めることが求められている。

本発明は、放熱性を高めることが可能な半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る半導体装置は、半導体素子を含む複数の電子部品を具備した半導体装置において、密閉された空間を形成する筐体と、筐体内に配置され、電子部品が実装された基板と、筐体内の熱を空間の外部に放出するヒートシンクと、基板をヒートシンクに固定する複数のネジと、筐体内に配置され、ネジに接触する金属板と、を備える。

この半導体装置では、複数のネジによって基板がヒートシンクに固定されている。また、この半導体装置は、ネジに接触する金属板を備えている。これにより、筐体内の気体の熱が金属板及びネジを介してヒートシンクに伝導される。このように、筐体内の気体の熱がヒートシンクに伝導されるので、半導体装置の放熱性を高めることが可能である。

半導体装置は、基板と金属板との間に配置された放熱部材を更に備えてもよい。この構成によれば、基板に実装された電子部品から発生した熱は、放熱部材を介して基板から金属板に伝導される。金属板に伝導された熱は、ネジを介してヒートシンクに伝導される。これにより、電子部品から発生した熱をヒートシンクに効率よく伝導することができるので、半導体装置の放熱性を更に高めることが可能である。

金属板は、フィン構造を有していてもよい。この構成によれば、フィン構造によって筐体内の気体の熱が金属板に効率よく伝導されるので、半導体装置の放熱性を更に高めることが可能である。

半導体装置は、筐体内に配置され、電子部品が実装された他の基板を更に備え、密閉された空間は、筐体とヒートシンクとによって画成され、基板とヒートシンクとは互いに離間し、他の基板はヒートシンクに接触していてもよい。このように、他の基板がヒートシンクに接触しているので、他の基板に実装された電子部品から発生した熱をヒートシンクに効率よく伝導することができる。したがって、半導体装置の放熱性を更に高めることが可能である。

本発明の他の側面に係る半導体装置は、半導体素子を含む複数の電子部品を具備した半導体装置において、電子部品が実装された基板と、電子部品の熱を放出するヒートシンクと、基板をヒートシンクに固定する複数のネジと、ネジに接触する金属板と、基板と金属板との間に配置された放熱部材と、を備える。

この半導体装置では、複数のネジによって基板がヒートシンクに固定されている。また、この半導体装置は、ネジに接触する金属板と、基板と金属板との間に配置された放熱部材とを備えている。これにより、基板に実装された電子部品から発生した熱は、放熱部材を介して基板から金属板に伝導される。金属板に伝導された熱は、ネジを介してヒートシンクに伝導される。このように、電子部品から発生した熱が放熱部材、金属板、及びネジを介してヒートシンクに伝導されるので、半導体装置の放熱性を高めることが可能である。

本発明によれば、放熱性を高めることが可能な半導体装置が提供される。

本発明の一実施形態に係る半導体装置を概略的に示す断面図である。 図１に示される半導体装置の変形例を概略的に示す断面図である。 図１に示される半導体装置の他の変形例を概略的に示す断面図である。

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１を参照して、本実施形態に係る半導体装置について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置を概略的に示す断面図である。図１に示される半導体装置は半導体素子を含む複数の電子部品を具備しており、例えば電気自動車又は産業車両等のインバータとして用いられ得る。図１に示されるように、半導体装置１は、筐体１０と、第１基板（基板）２０と、ヒートシンク３０と、複数のネジ４０と、金属板５０と、放熱部材６０と、第２基板（他の基板）７０と、を備えている。

筐体１０は、開口１０ａを有する矩形の箱状である。筐体１０の開口１０ａはヒートシンク３０によって塞がれている。これにより、筐体１０とヒートシンク３０とによって密閉された空間Ｓが画成されている。筐体１０は、例えば金属材料等によって形成される。

第１基板２０は、例えば矩形状の基板である。第１基板２０は、筐体１０内（筐体１０及びヒートシンク３０によって画成された空間Ｓ内）においてヒートシンク３０と離間して配置され、ＸＹ平面に沿って延在している。第１基板２０は、電子部品２１が実装されるヒートシンク３０側の実装面２０ａと、実装面２０ａとは反対側（金属板５０側）の非実装面２０ｂとを有している。電子部品２１には、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の半導体素子２１ａ等が含まれる。第１基板２０には複数の貫通孔２２が設けられており、それぞれの貫通孔２２にはネジ４０が挿通されている。これにより、第１基板２０は複数のネジ４０によってヒートシンク３０に固定されている。第１基板２０とネジ４０とは互いに離間しており、電気的に絶縁されている。

ヒートシンク３０は、筐体１０の開口１０ａを塞ぐベース部３１と、筐体１０内の熱を空間Ｓの外部に効率よく放出するための放熱フィン３２と、を有している。ベース部３１は、ＸＹ平面に沿って延在する板状を呈している。ベース部３１の空間Ｓ側の一面には、第２基板７０が接触している。放熱フィン３２は、第２基板７０が接触するベース部３１の一面とは反対側に設けられている。ベース部３１と放熱フィン３２とは一体化されている。ヒートシンク３０は、例えばアルミニウム等の金属によって構成される。

複数のネジ４０は、第１基板２０、金属板５０、及び第２基板７０をヒートシンク３０に固定している。それぞれのネジ４０は、ＸＹ平面に垂直なＺ軸方向に第１基板２０、金属板５０、及び第２基板７０を貫通している。本実施形態において、ネジ４０は第１基板２０のＸ軸方向両端側及び中央部をそれぞれ貫通している。それぞれのネジ４０の先端部は、ヒートシンク３０のベース部３１に固定されている。ネジ４０は、金属によって構成されている。ネジ４０の熱伝導率は、例えば１０〜５０Ｗ／ｍＫ程度である。なお、ここで「ネジ」とはボルト等も含むものとする。

金属板５０は、筐体１０内に配置されている。金属板５０は、ＸＹ平面に沿って延在する平板状を呈している。すなわち、金属板５０は、第１基板２０に対して略平行に配置されている。金属板５０は、複数のネジ４０によって第１基板２０と一緒にヒートシンク３０に固定されている。それぞれのネジ４０は金属板５０を貫通しており、金属板５０は複数のネジ４０の頭部に接触している。金属板５０は、例えばアルミニウム又は銅等、高い熱伝導率を有する金属材料によって構成されている。金属板５０の熱伝導率は、例えば１００〜３００Ｗ／ｍＫ程度である。

放熱部材６０は、第１基板２０と金属板５０との間に配置されている。放熱部材６０は、第１基板２０の非実装面２０ｂ及び金属板５０に接触しており、第１基板２０に実装された電子部品２１で発生した熱を金属板５０に伝導する。金属板５０に伝導された熱は、複数のネジ４０を介してヒートシンク３０に伝導され、半導体装置１の外部に放出される。放熱部材６０は、例えば、電気的絶縁性及び高い熱伝導率を有するゲル状又はゴム状の材料によって構成される。放熱部材６０の熱伝導率は、例えば１Ｗ／ｍＫ以上である。なお、放熱部材６０を構成する材料は高い熱伝導率を有していればよく、ゲル状又はゴム状でなくてもよい。

また、第１基板２０と金属板５０との間には、複数のスペーサ８０が配置されている。それぞれのスペーサ８０には、ネジ４０が貫通している。これにより、第１基板２０と金属板５０とは互いに離間した状態となっている。スペーサ８０は、例えば、放熱部材６０を構成する材料より高い硬度を有する絶縁性樹脂材料によって構成される。スペーサ８０の熱伝導率は放熱部材６０の熱伝導率より低く、例えば０．１Ｗ／ｍＫ程度である。

第２基板７０は、例えば矩形の基板である。第２基板７０は、筐体１０内に配置され、ＸＹ平面に沿って延在している。第２基板７０は、第１基板２０と同様に、電子部品７１が実装される第１基板２０側の実装面７０ａと、実装面７０ａとは反対側（ヒートシンク３０側）の非実装面７０ｂと、を有している。実装面７０ａに実装される電子部品７１には、例えばコントローラ及びコンデンサ等が含まれる。なお、電子部品７１には、半導体素子が含まれていてもよい。第２基板７０の非実装面７０ｂは、ヒートシンク３０のベース部３１に接触している。第２基板７０に実装された電子部品７１で発生した熱は、第２基板７０を介してヒートシンク３０に伝導され、半導体装置１の外部に放出される。第２基板７０には複数の貫通孔７２が設けられており、それぞれの貫通孔７２にはネジ４０が挿通されている。これにより、第２基板７０は、複数のネジ４０によって第１基板２０及び金属板５０と一緒にヒートシンク３０のベース部３１に固定されている。第２基板７０とネジ４０とは互いに離間しており、電気的に絶縁されている。

第１基板２０と第２基板７０との間には、第１基板２０と第２基板７０とを接続する複数の接続部材９０が配置されている。それぞれ接続部材９０は、例えば貫通孔９１を有する円筒状を呈している。接続部材９０の貫通孔９１にはネジ４０が挿通されている。これにより、第１基板２０と第２基板７０とは互いに離間した状態となっている。接続部材９０は、例えば導電性を有する材料によって構成されており、第１基板２０の実装面２０ａと第２基板７０の実装面７０ａとを電気的に接続している。なお、接続部材９０は、電気的絶縁性を有する材料によって構成されていてもよい。この場合、第１基板２０と第２基板７０とは接続部材９０によって物理的に接続される。

以上説明したように、本実施形態に係る半導体装置１では、複数のネジ４０によって第１基板２０がヒートシンク３０に固定されている。また、この半導体装置１は、ネジ４０に接触する金属板５０と、第１基板２０と金属板５０との間に配置された放熱部材６０とを備えている。第１基板２０と金属板５０との間に配置されたスペーサ８０は、第１基板２０と金属板５０とを確実に離間させる観点から、高い硬度を有する材料によって構成されている必要がある。このため、高い熱伝導率を有する材料によってスペーサ８０を構成することが困難である。

これに対し、スペーサ８０より高い熱伝導率を有する放熱部材６０を第１基板２０と金属板５０との間に配置することにより、第１基板２０と金属板５０との熱的な接触面積を増やすことができる。第１基板２０に実装された電子部品２１から発生した熱は、放熱部材６０を介して第１基板２０から金属板５０に伝導される。金属板５０に伝導された熱は、ネジ４０を介してヒートシンク３０に伝導される。これにより、電子部品２１から発生した熱をヒートシンク３０に効率よく伝導することができるので、半導体装置１の放熱性を高めることが可能である。また、第１基板２０を固定する既存のネジ４０を利用して熱を伝導することができるので、熱をヒートシンク３０に伝導するための部材を新たに設ける必要がない。したがって、半導体装置１の部品点数が増加することを抑制できる。

また、半導体装置１は、筐体１０内に配置され、電子部品７１が実装された第２基板７０を更に備え、密閉された空間Ｓは、筐体１０とヒートシンク３０とによって画成され、第１基板２０とヒートシンク３０とは互いに離間し、第２基板７０はヒートシンク３０に接触している。このように、第２基板７０がヒートシンク３０に接触しているので、第２基板７０に実装された電子部品７１から発生した熱をヒートシンク３０に効率よく伝導することができる。また、第１基板２０とヒートシンク３０とが互いに離間していても、第１基板２０に実装された電子部品２１から発生した熱を放熱部材６０、金属板５０、及びネジ４０を介してヒートシンク３０に伝導することができる。したがって、半導体装置１の放熱性を更に高めることが可能である。

さらに、半導体装置１は、複数のネジ４０によって第１基板２０がヒートシンク３０に固定されている。また、この半導体装置１は、ネジ４０に接触する金属板５０を備えている。これにより、筐体１０内（空間Ｓ内）の気体の熱が金属板５０及びネジ４０を介してヒートシンク３０に伝導される。このように、筐体１０内の気体の熱がヒートシンク３０に伝導されるので、半導体装置１の放熱性を更に高めることが可能である。

次に、図２を参照して半導体装置の変形例について説明する。図２は、図１に示される半導体装置の変形例を概略的に示す断面図である。図２に示されるように、変形例に係る半導体装置２は、半導体装置１と同様に、筐体１０と、第１基板２０と、ヒートシンク３０と、複数のネジ４０と、金属板５０と、放熱部材６０と、第２基板７０と、を備えている。半導体装置２が半導体装置１と相違する点は、金属板５０がフィン構造５１を有する点である。第１基板２０と金属板５０との間にはスペーサ８０が配置されており、第１基板２０と金属板５０とは互いに離間している。なお、図２では、電子部品２１，７１は省略している。

半導体装置２の金属板５０は、フィン構造５１を有している。これにより、フィン構造５１によって筐体１０内の気体の熱が金属板５０に効率よく伝導されるので、半導体装置２の放熱性を更に高めることが可能である。

次に、図３を参照して半導体装置の他の変形例について説明する。図３は、図１に示される半導体装置の他の変形例を概略的に示す断面図である。図３に示されるように、他の変形例に係る半導体装置３は、半導体装置２と同様に、筐体１０と、第１基板２０と、ヒートシンク３０と、複数のネジ４０と、金属板５０と、第２基板７０と、を備えている。半導体装置３が半導体装置２と相違する点は、第１基板２０と金属板５０との間に放熱部材６０が配置されていない点である。半導体装置３では、半導体素子等の発熱しやすい電子部品（不図示）が第２基板７０のみに実装され、第１基板２０には発熱しやすい電子部品は実装されていない。したがって、半導体装置３では、第１基板２０からヒートシンク３０に熱を伝導する必要がないため、放熱部材６０が不要である。

このような半導体装置３でも、半導体装置２と同様に、金属板５０のフィン構造５１によって筐体１０内の気体の熱が金属板５０に効率よく伝導されるので、半導体装置３の放熱性を十分に高めることが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記の実施形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。例えば、上記の実施形態では、半導体装置１が２つの基板（第１基板２０及び第２基板７０）を備える場合について説明したが、半導体装置１は３つ以上の基板を備えていてもよい。例えば、半導体装置１がヒートシンク３０と離間した第３基板を更に備える場合、第１基板２０と第３基板との間に金属板５０を配置し、第３基板と金属板５０との間にも放熱部材６０を配置してもよい。これにより、第３基板に実装された電子部品で発生した熱もヒートシンク３０に伝導することができる。また、第３基板に実装された電子部品の熱をネジ４０に伝導するための新たな金属板を更に設けてもよい。

また、半導体装置１は、１つのみの基板（第２基板７０）を備えていてもよい。この場合、金属板５０と第２基板７０との間に放熱部材６０を配置してもよい。このとき、放熱部材６０は、例えば第２基板７０の実装面７０ａに実装された電子部品７１間に配置される。これにより、第２基板７０に実装された電子部品７１から発生した熱は、放熱部材６０、金属板５０、及びネジ４０を介してヒートシンク３０に伝導される。また、第２基板７０はヒートシンク３０に接触しているので、電子部品７１から発生した熱をヒートシンク３０に直接伝導することができる。このように、複数の経路を介して電子部品７１から発生した熱がヒートシンク３０に伝導されるので、半導体装置１の放熱性を更に高めることができる。

また、上記の実施形態では、筐体１０及びヒートシンク３０によって密閉された空間Ｓが画成される例について説明したが、筐体１０のみによって密閉された空間Ｓが画成されていてもよい。この場合、第２基板７０は筐体１０を挟んでヒートシンク３０と対向して配置される。第２基板７０に実装された電子部品の熱は、例えばネジ４０を介してヒートシンク３０に伝導される。

また、上記の実施形態では、密閉された空間Ｓが画成されている例について説明したが、空間Ｓは密閉されていなくてもよい。また、半導体装置１は、筐体１０を有していなくてもよい。

また、上記の実施形態では、放熱部材６０が第１基板２０の非実装面２０ｂに接触する例について説明したが、放熱部材６０は第１基板２０の実装面２０ａに接触していてもよい。すなわち、第１基板２０の実装面２０ａが金属板５０側に位置し、非実装面２０ｂがヒートシンク３０側に位置するように配置されていてもよい。

１，２，３…半導体装置、１０…筐体、２０…第１基板（基板）、３０…ヒートシンク、４０…ネジ、５０…金属板、５１…フィン構造、６０…放熱部材、７０…第２基板（他の基板）、Ｓ…空間。

Claims (5)

1. 半導体素子を含む複数の電子部品を具備した半導体装置において、
   密閉された空間を形成する筐体と、
   前記筐体内に配置され、前記電子部品が実装された基板と、
   前記筐体内の熱を前記空間の外部に放出するヒートシンクと、
   前記基板を前記ヒートシンクに固定する複数のネジと、
   前記筐体内に配置され、前記ネジに接触する金属板と、を備える、半導体装置。
2. 前記基板と前記金属板との間に配置された放熱部材を更に備える、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記金属板は、フィン構造を有する、請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記筐体内に配置され、前記電子部品が実装された他の基板を更に備え、
   前記密閉された空間は、前記筐体と前記ヒートシンクとによって画成され、
   前記基板と前記ヒートシンクとは互いに離間し、
   前記他の基板は前記ヒートシンクに接触する、請求項１〜３の何れか一項に記載の半導体装置。
5. 半導体素子を含む複数の電子部品を具備した半導体装置において、
   前記電子部品が実装された基板と、
   前記電子部品の熱を放出するヒートシンクと、
   前記基板を前記ヒートシンクに固定する複数のネジと、
   前記ネジに接触する金属板と、
   前記基板と前記金属板との間に配置された放熱部材と、を備える、半導体装置。

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