JP2019161129A - 回路モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ケースにクラックを発生させずにネジ留め固定することが可能な回路モジュールを提供する。【解決手段】回路モジュールは、ベース板３と、当該ベース板３の表面３ａに設置される回路基板と、当該回路基板を覆うケース４と、を備える。ケース４には、ベース板３の表面３ａのうちの回路基板の設置領域とは異なる領域に近接対向する台座４１が設けられている。又、台座４１及びベース板３には、ネジ留め用の貫通孔４１ｃ及び３ｃが形成されている。そして、台座４１には、ベース板３とは反対側の表面における貫通孔４１ｃの周囲の位置に、突起部４２が設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体モジュール等の回路モジュールに関し、特に当該回路モジュールを放熱部品等に固定する技術に関する。

回路モジュールには、半導体素子（発熱部品）等の電子部品で構成された回路基板を金属製のベース板の表面に設置すると共に、当該回路基板を樹脂製のケースで覆ったものが存在する（例えば、特許文献１参照）。この様な回路モジュールによれば、回路基板を他の部品（例えば、外部端子など）と共にモジュール化しつつ、回路基板で生じた熱を、ベース板を通じて当該ベース板の裏面（回路モジュールの底面）へ効率良く伝えることができる。従って、ヒートシンク等の放熱部品に、ベース板の裏面を接触させた状態で回路基板が固定されることにより、回路基板で生じた熱が、ベース板及び放熱部品を通じて外部へ効率良く放出される。

上記回路モジュールを放熱部品に固定するための具体的な構成として、ケースには、当該ケースの高さを部分的に低くすることで形成されたネジ留め用の台座が、ベース板の表面に近接対向した状態で設けられている。又、台座及びベース板には、同じ１つのネジ部材が通されるネジ留め用の貫通孔が形成されている。そして、その貫通孔に通されたネジ部材が放熱部品に捩じ込まれることにより、回路モジュールが、ベース板の裏面を放熱部品に接触させた状態で固定される。

特開２０１７−１９５４２１号公報

しかし、回路モジュールをネジ留め固定した場合、ネジ部材の捩じ込み量に応じた何らかの応力（曲げ応力等）がケースには生じる。ここで、ネジ留め用の台座は、ケースの高さを部分的に低くすることで形成されており、他の部分に比べて肉薄な部分になっている。このため、上記応力は、台座とその周囲の肉厚な部分とで形成された角部に集中し易く、従って、ネジ部材の捩じ込み時に過剰な応力がケースに生じると、角部やその周辺にクラックが発生する虞があった。

そこで本発明の目的は、ケースにクラックを発生させずにネジ留め固定することが可能な回路モジュールを提供することである。

本発明に係る回路モジュールは、ベース板と、当該ベース板の表面に設置される回路基板と、当該回路基板を覆うケースと、を備える。ケースには、ベース板の表面のうちの回路基板の設置領域とは異なる領域に近接対向する台座が設けられている。又、台座及びベース板には、ネジ留め用の貫通孔が形成されている。そして、台座には、ベース板とは反対側の表面における貫通孔の周囲の位置に、突起部が設けられている。

上記回路モジュールによれば、放熱部品にネジ留め固定する際に、突起部を潰しながらネジ部材を放熱部品に捩じ込むことが可能になる。従って、ケースに生じた曲げ応力は、ネジ部材の頭部が突起部の先端に接触した時点から徐々に大きくなっていく。即ち、ネジ部材の締付けが完了するまでの間に、曲げ応力が、突起部がない場合よりも緩やかな変化率で増加する。よって、曲げ応力の過剰な増加が突起部によって抑止される。

本発明によれば、回路モジュールを、ケースにクラックを発生させずにネジ留め固定することが可能になる。

（Ａ）本発明の実施形態に係る半導体モジュールを概念的に示した斜視図、及び（Ｂ）その半導体モジュールを、底面を上に向けて示した斜視図である。 半導体モジュールの縦断面図である。 （Ａ）図２に示されたIIIA領域の拡大図、及び（Ｂ）図３（Ａ）に示された台座をその表面側から見た平面図である。 （Ａ）（Ｂ）突起部及び溝部に関する２つの変形例を示した平面図である。

本発明を半導体モジュールに適用した実施形態について、具体的に説明する。図１（Ａ）は、半導体モジュールを概念的に示した斜視図である。図１（Ｂ）は、半導体モジュールを、底面を上に向けて示した斜視図である。又、図２は、当該半導体モジュールの縦断面図である。図１（Ａ）〜図２に示される様に、本実施形態の半導体モジュールは、回路基板１及び外部端子２を、金属製のベース板３と樹脂製のケース４とを用いてモジュール化したものである。

具体的には、ベース板３の表面３ａ（本実施形態では上面）に回路基板１が設置され、且つ、当該回路基板１に外部端子２が接続されている（図２参照）。ここで、回路基板１は、ダイオード等の半導体素子１１（発熱部品）と、当該半導体素子１１が搭載された絶縁基板１２と、から構成されている。又、外部端子２は、回路基板１に対する接続端子（入力端子や出力端子など）を半導体モジュールの外面に引き出すためのものである。尚、本実施形態では、ベース板３は矩形状の金属板である（図１（Ｂ）参照）。

ケース４には、ベース板３で塞がれる開口部４０が設けられている。本実施形態では、開口部４０は、ベース板３の形状に応じて矩形状に形成されており、開口部４０にベース板３を嵌めることで当該開口部４０が塞がれている。より具体的には、ベース板３の裏面３ｂ（本実施形態では下面）が半導体モジュールの底面となる様に、ケース４の開口部４０にベース板３が嵌められている。従って、ベース板３の表面３ａに設置されている回路基板１は、ケース４に覆われると共に、ベース板３とケース４とによって囲まれた空間Ｓ内に配されている。一方、外部端子２は、その一部がケース４の外面（本実施形態ではケース４の上面）に露出する様に、ケース４を貫通した状態で配されている。尚、ベース板３の形状は、矩形状に限らず、様々な形状に適宜変更することができる。又、ケース４の開口部４０の形状も、ベース板３の形状に応じて適宜変更することができる。

ここで、ケース４は、半導体モジュールの外装部品であるため、適度な硬さを備えた樹脂で構成されていることが好ましい。又、半導体モジュールの使用時の温度は１５０℃を超えることがあるため、ケース４は、適度な耐熱性を備えた樹脂で構成されていることが好ましい。そして、本実施形態では、その様な適度な硬さと耐熱性とを兼ね備えた樹脂として、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）が用いられている。尚、ケース４を構成する樹脂は、ＰＰＳに限らず、ケース４に必要とされる硬さや耐熱性に応じて適宜変更することができる。

そして、ケース４内の空間Ｓには封止材５（エポキシ樹脂等）が充填されており、これにより、ベース板３及びケース４が強固に一体化されると共に、回路基板１及び外部端子２がモジュール化されている。尚、封止材５は、軟化させた状態のものを例えばケース４に設けられた注入口（不図示）から注入することにより、ケース４内の空間Ｓに充填される。その後、封止材５を硬化させることにより、半導体モジュールが作製される。

この様な半導体モジュールによれば、回路基板１を外部端子２と共にモジュール化しつつ、回路基板１で生じた熱を、ベース板３を通じて当該ベース板３の裏面３ｂへ効率良く伝えることができる。従って、ヒートシンク等の放熱部品（不図示）に、ベース板３の裏面３ｂを接触させた状態で半導体モジュールを固定することにより、回路基板１で生じた熱を、ベース板３及び放熱部品を通じて外部へ効率良く放出することが可能になる。

本実施形態では、ベース板３の表面３ａの中央部に回路基板１が設置されている（図２参照）。従って、放熱部品に半導体モジュールを固定したときにベース板３から放熱部品に熱が効率良く伝わる様に、ベース板３の裏面３ｂの中央部が放熱部品に必ず接触することが好ましい。このため、図面には現れていないが、ベース板３は、その裏面３ｂが凸面となる様に湾曲している。具体的には、ベース板３は、その長手方向Ｄ１について縦断面（図２に示された縦断面）において裏面３ｂが凸面となる様に湾曲している。

そして、半導体モジュールは、長手方向Ｄ１についての両端部の２箇所で放熱部品にネジ留め固定される。具体的には、長手方向Ｄ１についてのケース４の両端部に、台座４１が１つずつ設けられている（図２参照）。ここで、台座４１は、ベース板３の表面３ａのうちの回路基板１の設置領域Ｒ１とは異なる端部領域Ｒ２に近接対向する様に、ケース４の高さを部分的に低くすることで形成されており、従って、他の部分に比べて肉薄な部分になっている。そして、各台座４１と、ベース板３のうちの当該台座４１に対向した部分とには、同じ１つのネジ部材６が通されるネジ留め用の貫通孔４１ｃ及び３ｃがそれぞれ形成されている。

一方、裏面３ｂが凸面となるようにベース板３が湾曲していると、長手方向Ｄ１についてのベース板３の両端部が放熱部品の表面から浮き上がる。このため、半導体モジュールの両端部をそれぞれネジ部材６で固定した場合、ネジ部材６の捩じ込み量に応じた曲げ応力がケース４に生じる。ここで、ネジ留め用の台座４１は、上述した様に他の部分に比べて肉薄な部分になっている。このため、ケース４に曲げ応力が生じた場合、その曲げ応力は、台座４１とその周囲の肉厚な部分とで形成された角部Ｐに集中し易い。従って、ネジ部材６の捩じ込み時に過剰な曲げ応力がケース４に生じると、角部Ｐやその周辺にクラックが発生する虞がある。

そこで、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示される様に、台座４１には、ベース板３とは反対側の表面４１ａにおける貫通孔４１ｃの周囲の位置に、突起部４２が設けられている。そして、本実施形態では、突起部４２は、貫通孔４１ｃを中心とした円環状を呈している。尚、図３（Ａ）は、図２に示されたIIIA領域の拡大図である。又、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示された台座４１をその表面４１ａ側から見た平面図である。

更に、台座４１の表面４１ａには、突起部４２に隣接する溝部４３が形成されている。本実施形態では、円環状の突起部４２の内周縁に隣接する円環状の溝部４３Ａと、その突起部４２の外周縁に隣接する円環状の溝部４３Ｂと、が台座４１の表面４１ａに形成されている。

突起部４２及び溝部４３は、ケース４の他の部分と共に、トランスファモールド等の樹脂成形によって形成される。よって、突起部４２は、同じ樹脂材料を用いてケース４の他の部分（台座４１を含む）と一体的に形成されている。

放熱部品に半導体モジュールをネジ留め固定する場合、そのネジ留めには、トルクドライバ等、所定のトルクでネジ部材６を締め付けることが可能な工具が用いられる。そして、もし貫通孔４１ｃの周囲に突起部４２がない場合、ケース４には、ネジ部材６の頭部６１が台座４１の表面４１ａに直接的に接触した時点から曲げ応力が生じる。このため、所定のトルクでのネジ部材６の締付けが完了するまでの間に曲げ応力が急激に増加し、それが原因で、曲げ応力が過剰に大きくなってしまい易い。

一方、本実施形態の様に貫通孔４１ｃの周囲に突起部４２が設けられることにより、半導体モジュールをネジ留め固定する際に、突起部４２を潰しながらネジ部材６を放熱部品に捩じ込むことが可能になる。本実施形態では、ケース４を構成する樹脂として、適度な硬さを備えた樹脂（具体的にはＰＰＳ）が用いられている。従って、ネジ部材６が捩じ込まれる過程で当該ネジ部材６の頭部６１が突起部４２に接触した後、当該突起部４２は、ネジ部材６の頭部６１から受ける押圧力や剪断力によって徐々に変形する。その結果、ケース４に生じる曲げ応力は、ネジ部材６の頭部６１が突起部４２の先端に接触した時点から、突起部４２の変形に伴って徐々に大きくなっていく。即ち、所定のトルクでのネジ部材６の締付けが完了するまでの間に、曲げ応力が、突起部４２がない場合よりも緩やかに（即ち小さな変化率で）増加する。よって、本実施形態の半導体モジュールによれば、曲げ応力の過剰な増加が突起部４２によって抑止され、その結果として、ケース４（主に角部Ｐやその周辺）にクラックを発生させずにネジ留め固定することができる。

又、本実施形態の半導体モジュールによれば、突起部４２に隣接して溝部４３が形成されているため、ネジ部材６が捩じ込まれる過程でネジ部材６の頭部６１が突起部４２の先端に接触した時点及びその直後においては、突起部４２が変形し易くなる。具体的には、突起部４２は、その高さが小さくなる様に潰れ易くなる。よって、ネジ部材６の頭部６１が突起部４２の先端に接触した時点及びその直後においては、突起部４２の変形によって曲げ応力が一旦吸収される。その後、突起部４２の変形が緩やかになることで、曲げ応力が緩やかに増加していく。よって、ネジ部材６の頭部６１が突起部４２の先端に接触した瞬間に曲げ応力が急激に増加することが防止され、その結果として、ケース４へのクラックの発生をより確実に防止することができる。

更に、本実施形態では、突起部４２は、貫通孔４１ｃを包囲する円環状を呈している。従って、ネジ部材６が捩じ込まれる途中で当該ネジ部材６の頭部６１が突起部４２に接触したときに、その頭部６１が、ネジ部材６の軸周りにおいて突起部４２によってバランス良く受け止められる。よって、突起部４２が原因でバランスを崩してネジ部材６が傾くといったことが生じ難い。ここで、ネジ部材６の頭部６１を突起部４２によってバランス良く受け止めるという観点からは、突起部４２は、円環状のものでなくても、後述する変形例（図４（Ａ）及び（Ｂ）参照）の様に貫通孔４１ｃの両側にそれぞれ位置する第１部分及び第２部分から構成されたものであればよい。尚、円環状の突起部４２についても、例えばこれを２つの半円環状の部分（第１部分及び第２部分）から構成されたものと把握することができる。

図４（Ａ）及び（Ｂ）は、突起部４２及び溝部４３に関する２つの変形例を示した平面図である。１つ目の変形例（図４（Ａ）参照）として、突起部４２は、貫通孔４１ｃの両側にそれぞれ位置する第１部分４２１及び第２部分４２２から構成され、当該第１部分４２１及び第２部分４２２が平行且つ直線的に延びていてもよい。又、台座４１の表面４１ａには、第１部分４２１に隣接した２つの直線状の溝部４３１Ａ及び４３１Ｂと、第２部分４２２に隣接した２つの直線状の溝部４３２Ａ及び４３２Ｂと、が形成されていてもよい。ここで、溝部４３１Ａ及び４３２Ａはそれぞれ、第１部分４２１及び第２部分４２２に対して貫通孔４１ｃ側に位置し、溝部４３１Ｂ及び４３２Ｂはそれぞれ、第１部分４２１及び第２部分４２２に対して貫通孔４１ｃとは反対側に位置する。

２つ目の変形例（図４（Ｂ）参照）として、突起部４２は、貫通孔４１ｃの周囲にて複数の錐状又は柱状に突出した複数の第３部分４２３から構成されていてもよい。又、台座４１の表面４１ａには、各第３部分４２３に隣接すると共に当該第３部分４２３を包囲する溝部４３３が形成されていてもよい。図４（Ｂ）の例では、突起部４２は、円錐状又は円柱状に突出した８つの第３部分４２３から構成されており、台座４１の表面４１ａには、各第３部分４２３を包囲する円環状の溝部４３３が形成されている。尚、図４（Ｂ）の例において、複数の第３部分４２３のうちの貫通孔４１ｃに対して互いに反対側に位置する２つ（又は２組）を、それぞれ突起部４２を構成する第１部分及び第２部分と把握してもよい。

これらの変形例によれば、上述した実施形態と同様、曲げ応力の過剰な増加が突起部４２によって抑止され、その結果として、ケース４（主に角部Ｐやその周辺）にクラックを発生させずにネジ留め固定することができる。又、突起部４２に隣接して溝部４３が形成されているため、ネジ部材６が捩じ込まれる過程でネジ部材６の頭部６１が突起部４２の先端に接触した時点及びその直後においては、突起部４２が変形し易くなる。よって、上述した実施形態と同様、ネジ部材６の頭部６１が突起部４２の先端に接触した瞬間に曲げ応力が急激に増加することが防止され、その結果として、ケース４へのクラックの発生をより確実に防止することができる。

更に、上述した突起部４２の第１部分及び第２部分により、ネジ部材６の頭部６１をバランス良く受け止めることができる。よって、上述した実施形態と同様、突起部４２が原因でバランスを崩してネジ部材６が傾くといったことが生じ難い。

尚、突起部４２及び溝部４３のそれぞれの構成は、上記実施形態や変形例で説明したもの限らず、突起部４２の潰れ易さをどの程度にするかなどを考慮して、適宜変形することができる。又、樹脂成形による突起部４２及び溝部４３の形成のし易さなどを考慮して、突起部４２及び溝部４３のそれぞれの構成が適宜変形されてもよい。

上記実施形態や変形例で説明した半導体モジュールにおいて、台座４１は１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。又、半導体モジュールは、台座４１の表面４１ａに溝部が形成されていない構成を有していてもよい。

更に、上記実施形態や変形例で説明した半導体モジュールにおいて、ベース板３は、その裏面３ｂが凸面となる様に湾曲したものに限らず、放熱部品の形状等に応じて、裏面３ｂが平坦なものや、凹面となる様に湾曲したものなどへ、適宜変更することができる。何れの場合であっても、ネジ留め固定時に、台座４１とその周囲の肉厚な部分とで形成された角部Ｐに何らかの応力が集中し易い場合には、上述した突起部４２や溝部の構成を適宜適用することにより、角部Ｐに過剰な応力がかかることを防ぐことができる。

又、上記実施形態や変形例で説明した半導体モジュールの各部構成は、半導体モジュールに限らず、半導体素子以外の電子部品を備えた様々な回路モジュールに適用することができる。

上述の実施形態（変形例を含む）の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。更に、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 回路基板
２ 外部端子
３ ベース板
３ａ 表面
３ｂ 裏面
３ｃ 貫通孔
４ ケース
５ 封止材
６ ネジ部材
１１ 半導体素子
１２ 絶縁基板
４０ 開口部
４１ 台座
４１ａ 表面
４１ｃ 貫通孔
４２ 突起部
４３、４３Ａ、４３Ｂ、４３１Ａ、４３１Ｂ、４３２Ａ、４３２Ｂ、４３３ 溝部
６１ 頭部
４２１ 第１部分
４２２ 第２部分
４２３ 第３部分
Ｄ１ 長手方向
Ｐ 角部
Ｒ１ 設置領域
Ｒ２ 端部領域
Ｓ 空間

Claims (5)

1. ベース板と、
   前記ベース板の表面に設置される回路基板と、
   前記回路基板を覆うケースと、
   を備え、
   前記ケースには、前記ベース板の前記表面のうちの前記回路基板の設置領域とは異なる領域に近接対向する台座が設けられ、当該台座及び前記ベース板には、ネジ留め用の貫通孔が形成されており、
   前記台座には、前記ベース板とは反対側の表面における前記貫通孔の周囲の位置に、突起部が設けられている、回路モジュール。
2. 前記突起部は、前記貫通孔の両側にそれぞれ位置する第１部分及び第２部分を含む、請求項１に記載の回路モジュール。
3. 前記突起部は、前記貫通孔を中心とした環状を呈する、請求項２に記載の回路モジュール。
4. 前記第１部分及び前記第２部分は、平行且つ直線的に延びている、請求項２に記載の回路モジュール。
5. 前記台座の前記表面には、前記突起部に隣接する溝部が形成されている、請求項１〜４の何れかに記載の回路モジュール。

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