JP2020043129A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の半導体モジュールは、小型化すると、端子間の絶縁距離の必要性により細長い形状となる傾向にある。半導体装置において放熱器による半導体モジュールの冷却は十分ではなかった。【解決手段】放熱器と、裏面に放熱金属を有し、長辺方向の少なくとも２箇所においてネジによって裏面側が放熱器に面して固定される半導体モジュールと、半導体モジュールの長辺方向において２つのネジの間で、半導体モジュールを放熱器に向かって押さえつける固定具とを備える半導体装置を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。

従来、半導体装置は、放熱器に半導体モジュールを固定して、半導体モジュールの作動に伴って発生する熱を放熱している（例えば、特許文献１−３参照）。
特許文献１ 特開２００４−２８８９４９号公報
特許文献２ 特開平９−１９９６４５号公報
特許文献３ 特開２００４−８７５５２号公報

半導体モジュールにおいては、小型化に伴って、端子間の絶縁距離の必要性により細長い形状が採用される傾向がある。このような半導体モジュールをネジにより放熱器に固定した場合、発熱による半導体モジュールの膨張力とネジによる下方への力で半導体モジュールが変形し、半導体モジュールと放熱器との間に隙間が生じることがあった。特許文献１には、半導体モジュールと放熱器との間に中央部が厚いグラファイトシートを配置することで、隙間を埋めることが記載されている。しかし、このような半導体装置においては、厚いグラファイトシートシートを介して放熱しなければならなくなり、半導体モジュールの放熱は十分ではなかった。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、放熱器と、裏面に放熱金属を有し、長辺方向の少なくとも２箇所においてネジによって裏面側が放熱器に面して固定される半導体モジュールと、半導体モジュールの長辺方向において２つのネジの間で、半導体モジュールを放熱器に向かって押さえつける固定具とを備える半導体装置を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る半導体装置１００の第１の構成例を示す。 比較例の半導体装置２００における半導体モジュール１３０の固定の際の変形を説明するための側面図である。 第１の構成例の半導体装置１００における半導体モジュール１３０の固定を説明するための側面図である。 第１の構成例の半導体装置１００の別の例の固定具４００を示す。 本実施形態に係る半導体装置１００の第２の構成例の一部を示す側面図である。 本実施形態に係る半導体装置１００の第３の構成例の一部を示す側面図である。 本実施形態に係る半導体装置１００の第４の構成例の上面図である。 第４の構成例の半導体装置１００の一部を示す側面図である。 本実施形態に係る半導体装置１００の第５の構成例の上面図である。 本実施形態に係る半導体装置１００の第６の構成例の上面図である。 第６の構成例の半導体装置１００の一部を示す側面図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る半導体装置１００の第１の構成例を示す。半導体装置１００は、一例として、電力変換装置であってよい。半導体装置１００は、作動中に半導体モジュール１３０から生じる熱を、放熱器１１０を介して放熱する。半導体装置１００は、放熱器１１０と、伝熱部材１２０と、半導体モジュール１３０と、固定具１４０とを備える。

放熱器１１０は、一例として、ヒートシンクであってよい。放熱器１１０は、半導体モジュール１３０の熱を放熱する。放熱器１１０は、銅等の金属で形成されてよい。放熱器１１０は、一方側に、複数の突起を有する放熱フィンが形成され、他方側に半導体モジュール１３０と接触する平坦な表面を有してよい。放熱器１１０は、内部に冷却用流体を流す流路が形成されたものであってよい。

伝熱部材１２０は、一例として、グラファイト、シリコーン、またはセラミック等で形成された放熱シート、または、放熱グリスである。伝熱部材１２０は、半導体モジュール１３０と放熱器１１０との間に配置され、半導体モジュール１３０からの熱を放熱器１１０に伝熱する。伝熱部材１２０は、半導体モジュール１３０を固定するためのネジ１０により、半導体モジュール１３０とともに放熱器１１０に固定されてよい。伝熱部材１２０は、放熱器１１０の上面の半導体モジュール１３０が配置される範囲のみに配置されてよく、または、放熱器１１０の上面全体に配置されてよい。

半導体モジュール１３０は、一例として、基板上にＭＯＳＦＥＴおよびＩＧＢＴ等の少なくとも一つが形成されたパワー半導体素子であってよい。半導体モジュール１３０は、上面視で長方形であってよく、長辺方向の少なくとも２箇所においてネジ１０によって裏面側が放熱器１１０に面して固定される。半導体モジュール１３０は、長辺方向の両端でネジ１０により、放熱器１１０上に伝熱部材１２０を介して固定されてよい。半導体モジュール１３０は、ネジ１０と他の部品との絶縁距離を設けるために、ネジ１０の頭部を収容する凹部を有してよい。半導体モジュール１３０は、放熱器１１０に面する裏面に放熱金属１３５を有する。放熱金属１３５は、銅等の金属箔であってよい。放熱金属１３５は、半導体モジュール１３０で生じた熱を放熱器１１０に伝熱する。放熱金属１３５は、例えば、半導体モジュール１３０の基板の裏面の全体または一部に接合される。

固定具１４０は、半導体モジュール１３０の長辺方向において２つのネジ１０の間で、半導体モジュール１３０を放熱器１１０に向かって押さえつける。固定具１４０は、例えば、半導体モジュール１３０の上面の端部に面接触して、半導体モジュール１３０を下方の放熱器１１０に向かって押さえつけてよい。固定具１４０は、半導体モジュール１３０を放熱器１１０に向かって押さえつける絶縁部材１４１を有してよい。

絶縁部材１４１は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、またはポリカーボネート等の樹脂、またはセラミックであってよい。また、絶縁部材１４１は、ガラス繊維を含む強化樹脂であってもよい。絶縁部材１４１は、放熱器１１０にネジ２０により固定されてよい。絶縁部材１４１は、固定部１４２と、突出部１４４とを有する。

固定部１４２は、絶縁部材１４１を放熱器１１０に固定するための部分であり、半導体モジュール１３０の外側の箇所で下端が放熱器１１０に面してネジ２０により固定される。固定部１４２は、ネジ穴を有し、当該ネジ穴に上端側から下端側へネジ２０が挿入され、放熱器１１０の対応するネジ穴で固定される。固定部１４２は、直方体であってよい。

突出部１４４は、固定部１４２の側面から半導体モジュール１３０の方向に突出し、半導体モジュール１３０の上面に接触して放熱器１１０に向かって押さえつける。突出部１４４は、固定部１４２の上端における側面から突出し、当該突出部１４４の下面で半導体モジュール１３０の上面に接触してよい。また、突出部１４４は、固定部１４２の上端より下の側面から突出してもよい。突出部１４４は、半導体モジュール１３０の長辺方向の長さの２０〜４０％の幅を有してよい。突出部１４４は、直方体であってよい。突出部１４４の上面または下面は、半導体モジュール１３０の上面と平行であってよく、または、半導体モジュール１３０に向かって上方または下方に傾斜してよい。

図２は、比較例の半導体装置２００における半導体モジュール１３０の固定の際の変形を説明する側面図である。図２の（ａ）は、固定する前の半導体モジュール１３０を示す。図２の（ｂ）は、固定した後の半導体モジュール１３０を示す。図２に示す半導体装置２００は、図１に示す第１の構成例の半導体装置１００と同様の構成を有し、ただし、固定具１４０を備えていない。図１における第１の構成例の半導体装置１００と同様の構成については説明を省略する。

図２の（ａ）に示すように、固定前には、半導体モジュール１３０は、平坦であり、半導体モジュール１３０の裏面は、伝熱部材１２０を介して放熱器１１０に均一に接する。図２の（ｂ）に示すように、半導体モジュール１３０は、２つのネジ１０により両端で固定される。半導体モジュール１３０は、通電されると損失が発生し、温度が上昇する。温度が上昇した半導体モジュール１３０には熱膨張しようとするが、両端でのネジ１０の下方に向かう応力により変形し、中央部分に放熱器１１０との間の隙間が生じる。例えば、このような隙間を、中央部分を厚くした伝熱部材１２０により埋めた場合、伝熱部材１２０は厚い中央部分で熱伝導率が低下する。半導体モジュール１３０は、中央部分が最も熱が溜まるため、当該伝熱部材１２０の中央部分での熱伝導率の低下により、放熱の効率が悪くなる。

図３は、第１の構成例の半導体装置１００における半導体モジュール１３０の固定を説明する側面図である。図３の（ａ）は、固定する前の半導体モジュール１３０を示す。図３の（ｂ）は、固定した後の半導体モジュール１３０を示す。

図３に示すように、半導体モジュール１３０は２つのネジ１０により両端で固定され、さらに、長辺方向の中央部分で固定具１４０により押さえつけられる。図３の（ａ）に示すように、固定前には、半導体モジュール１３０は、平坦であり、半導体モジュール１３０の裏面は、伝熱部材１２０を介して放熱器１１０に均一に接する。図３の（ｂ）に示すように、固定後に温度上昇による熱膨張をしようとしても、半導体モジュール１３０は、両端でネジ１０により固定され、中央部分は固定具１４０により押さえつけられるため、隙間が無く、裏面全面が均一に放熱器１１０に接するように固定される。従って、半導体装置１００は、半導体モジュール１３０の作動中に生じた熱を放熱器１１０に効率的に伝熱することができる。

図４は、第１の構成例の半導体装置１００の別の例の固定具４００を示す。図４に示す固定具４００は、図１に示す第１の構成例の半導体装置１００の固定具１４０と同様の構成を有し、ただし、固定具４００の絶縁部材１４１の固定部１４２は凹部４１０を有する。図４の（ａ）は、固定する前の固定具４００を示す。図４の（ｂ）は、固定した後の固定具４００を示す。図１における第１の構成例の半導体装置１００の固定具１４０と同様の構成については説明を省略する。

固定部１４２は、固定部１４２の上端から凹んだ凹部４１０を有する。図４の（ａ）に示すように、凹部４１０は、底面にネジ穴４２０を有する。固定部１４２は、突出部１４４が形成された側面とは反対側の側面に、凹部４１０に沿った開口４１５を有してよい。図４の（ｂ）に示すように、凹部４１０は、半導体モジュール１３０の部材（例えば、配線または端子等）と金属のネジ２０との間に絶縁距離を設けるために、ネジ穴４２０にネジ２０が挿入されて固定部１４２が放熱器１１０に固定されると、固定したネジ２０の頭部を収容する。凹部４１０の底面から固定部１４２の上端までの深さは、ネジ２０の頭部の厚さより大きいことが好ましい。

図５は、本実施形態に係る半導体装置１００の第２の構成例の一部を示す。図５に示す半導体装置１００は、図１に示す第１の構成例の半導体装置１００と同様の構成を有し、ただし、２つの固定具５００および５１０により半導体モジュール１３０の一方側を固定する。図１における第１の構成例の半導体装置１００と同様の構成については説明を省略する。

２つの固定具５００および５１０は、それぞれ、第１の構成例の半導体装置１００の固定具１４０と同様であってよい。固定具５００、５１０は、半導体モジュール１３０の同じ側面の長辺方向に並んで固定される。２つの固定具５００および５１０は、半導体モジュール１３０の長辺方向の中心から同じ距離離れた位置に固定されてよい。固定具５００および５１０は、半導体モジュール１３０の長辺方向が特に長い、半導体モジュール１３０の材質が変形しやすい、または半導体モジュール１３０の長辺方向の中心位置の側面に端子等が形成されている場合等に、半導体モジュール１３０を確実に押さえつけることができる。なお、半導体モジュール１３０の固定具５００、５１０が配置された側とは反対側には、同様に２つの固定具が配置されてよく、または１つの固定具が配置されてもよい。

図６は、本実施形態に係る半導体装置１００の第３の構成例の一部を示す。図６に示す半導体装置１００は、図１に示す第１の構成例の半導体装置１００と同様の構成を有し、ただし、固定具６００は、放熱器１１０に複数のネジ２０により固定される。図１における第１の構成例の半導体装置１００と同様の構成については説明を省略する。

固定具６００は、第１の構成例の半導体装置１００の固定具１４０と同様であってよく、ただし、固定具６００の絶縁部材１４１の固定部１４２は、２つのネジ穴を有し、２つのネジ２０により固定される。絶縁部材１４１は、半導体モジュール１３０の長辺方向の中心位置に固定されてよく、固定部１４２は、半導体モジュール１３０の長辺方向の中心位置から同じ距離離れた位置に対応する位置に２つのネジ穴を有してよい。固定具６００は、突出部１４４の押さえつける力が半導体モジュール１３０により広い面積でかかるため、半導体モジュール１３０の変形を効率的に抑制できる。

図７は、本実施形態に係る半導体装置１００の第４の構成例を示す上面図である。図７に示す半導体装置１００は、図１に示す第１の構成例の半導体装置１００と同様の構成を有し、ただし、複数の半導体モジュール７００，７１０を備え、固定具７５５の形状が異なる。図１における第１の構成例の半導体装置１００と同様の構成については説明を省略する。

複数の半導体モジュール７００および７１０は、それぞれ、第１の構成例の半導体装置１００の半導体モジュール１３０と同様であってよい。複数の半導体モジュール７００，７１０は、異なる種類または形状のものを含んでよい。複数の半導体モジュール７００，７１０は、長辺方向に対して垂直方向に並列に放熱器１１０に固定される。半導体モジュール７００および７１０は、１つの固定具７５５により一方側をそれぞれ押さえつけられる。半導体モジュール７１０は、長辺方向に対して垂直方向の一方側のみを固定具７５５により押さえつけられる。

固定具７５０，７５５は、それぞれ、第１の構成例の半導体装置１００の固定具１４０と同様であってよい。ただし、固定具７５５は、複数の半導体モジュール７００および７１０を放熱器１１０に向かって押さえつける。固定具７５５は、図８を参照して、以下詳細に説明する。

図８は、第４の構成例の半導体装置１００の一部の側面図を示す。固定具７５５は、複数の半導体モジュール７００および７１０の間に配置される。固定具７５５の絶縁部材８００は、固定部８１０と複数の突出部８２０、８３０とを有する。固定部８１０は、複数の半導体モジュール７００および７１０の間に２つのネジ２０により固定されてよい。固定部８１０の下端は、半導体モジュール７００および７１０の長辺方向に対して垂直な方向の幅が、複数の半導体モジュール７００および７１０の間の距離以下であればよい。

複数の突出部８２０および８３０は、複数の半導体モジュール７００および７１０の上面にそれぞれ接触して放熱器１１０に向かって押さえつける。図８に示す例において、複数の突出部８２０および８３０は、固定部８１０の側面から互いに反対方向に突出して、対応する半導体モジュール７００、７１０の上面にそれぞれ接触して放熱器１１０に向かって押さえつける。このような固定具７５５は、半導体モジュール７００および７１０の間のスペースが小さい場合に効率的に固定されることができる。

図９は、本実施形態に係る半導体装置１００の第５の構成例を示す上面図である。図９に示す半導体装置１００は、図１に示す第１の構成例の半導体装置１００と同様の構成を有し、ただし、複数の半導体モジュール７２０，７３０を備える。図１における第１の構成例の半導体装置１００と同様の構成については説明を省略する。

複数の半導体モジュール７２０および７３０は、それぞれ、第１の構成例の半導体装置１００の半導体モジュール１３０と同様であってよい。ただし、半導体モジュール７２０は、複数の固定具７６０，７６５，７７０により押さえつけられ、複数の固定具７６０，７６５，７７０のうちの固定具７７０は、半導体モジュール７２０の一方側に配置され、複数の固定具７６０，７６５，７７０のうちの少なくとも２つの固定具７６０，７６５は、半導体モジュール７２０の他方側に配置される。また、半導体モジュール７３０は、４つのネジ１０で四隅が放熱器１１０に固定される。半導体モジュール７３０は、長辺方向に対して垂直方向の両側で、長辺方向に異なる位置で、固定具７７５および７８０により押さえつけられる。

固定具７６０，７６５，７７０、７７５、および７８０は、それぞれ、第１の構成例の半導体装置１００の固定具１４０と同様であってよい。固定具７７０および７７５は、異なる半導体モジュール７２０，７３０を押さえつけ、重ならないように長辺方向で異なる位置に配置される。固定具７８０は、半導体モジュール７３０における固定具７７５とは反対側であって長辺方向で異なる位置に配置される。このような第５の構成例の半導体装置１００における固定具７７０，７７５，７８０の配置であれば、半導体モジュール７２０，７３０同士の距離が短い場合にも、固定具７７０，７７５，７８０を適切に固定し、半導体モジュール７２０，７３０を効率的に押さえつけることができる。

図１０は、本実施形態に係る半導体装置１００の第６の構成例を示す上面図である。図１０に示す半導体装置１００は、図１に示す第１の構成例の半導体装置１００と同様の構成を有し、ただし、半導体モジュール７４０の両側が１つの固定具７８５により押さえつけられる。図１における第１の構成例の半導体装置１００と同様の構成については説明を省略する。

半導体モジュール７４０は、第１の構成例の半導体装置１００の半導体モジュール１３０と同様であってよい。固定具７８５は、第１の構成例の半導体装置１００の固定具１４０と同様であってよいが、形状が異なる。固定具７８５は、突出部７９０に開口部７９１を有し、半導体モジュール７４０の両側に固定されて、半導体モジュール７４０を押さえつける。固定具７８５は、図１１を参照して、以下詳細に説明する。

図１１は、第６の構成例の半導体装置１００の一部の側面図を示す。固定具７８５は、半導体モジュール７４０の両側を押さえつける。固定具７８５の絶縁部材９００は、２つの固定部９１０、９２０と、突出部７９０とを有する。２つの固定部９１０および９２０は、半導体モジュール７４０の長辺方向に対して垂直な方向の両側にそれぞれネジ２０により固定される。

突出部７９０は、２つの固定部９１０および９２０から突出して、当該２つの固定部９１０および９２０の上端の側面同士を接続する。突出部７９０は、長辺方向に対して垂直な方向にわたって半導体モジュール７４０の上面に接触し、半導体モジュール７４０を放熱器１１０に向かって押しつける。突出部７９０は、図１０に示すような、上面視で矩形の開口部７９１を有し、当該開口部７９１で半導体モジュール７４０の上面が露出する。固定具７８５は、開口部７９１で半導体モジュール７４０の上面に形成された端子、配線等に外部から接続することを可能にする。

なお、全ての構成例の半導体装置１００は、半導体モジュールの数、固定具の数、および固定具の配置は特に限定されず、より多くのまたはより少ない固定具で半導体モジュールを固定してもよい。

また、本実施形態の半導体装置１００の固定具は、ネジであってもよい。また、本実施形態の半導体装置１００の固定具は、ネジ２０ではなく接着剤等により、放熱器１１０に固定されてもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ ネジ
２０ ネジ
１００ 半導体装置
１１０ 放熱器
１２０ 伝熱部材
１３０ 半導体モジュール
１３５ 放熱金属
１４０ 固定具
１４１ 絶縁部材
１４２ 固定部
１４４ 突出部
２００ 半導体装置
４１０ 凹部
４１５ 開口
４２０ ネジ穴
５００ 固定具
５１０ 固定具
６００ 固定具
７００ 半導体モジュール
７１０ 半導体モジュール
７２０ 半導体モジュール
７３０ 半導体モジュール
７４０ 半導体モジュール
７５０ 固定具
７５５ 固定具
７６０ 固定具
７６５ 固定具
７７０ 固定具
７７５ 固定具
７８０ 固定具
７８５ 固定具
７９０ 突出部
７９１ 開口部
８００ 絶縁部材
８１０ 固定部
８２０ 突出部
８３０ 突出部
９００ 絶縁部材
９１０ 固定部
９２０ 固定部

Claims (9)

1. 放熱器と、
   裏面に放熱金属を有し、長辺方向の少なくとも２箇所においてネジによって裏面側が前記放熱器に面して固定される半導体モジュールと、
   前記半導体モジュールの長辺方向において２つの前記ネジの間で、前記半導体モジュールを前記放熱器に向かって押さえつける固定具と
   を備える半導体装置。
2. 前記固定具は、前記放熱器にネジにより固定され、前記半導体モジュールを前記放熱器に向かって押さえつける絶縁部材を有する
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記絶縁部材は、
   前記半導体モジュールの外側の箇所で下端が前記放熱器に面してネジにより固定される固定部と、
   前記固定部の側面から前記半導体モジュールの方向に突出し、前記半導体モジュールの上面に接触して前記放熱器に向かって押さえつける突出部とを有する
   請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記固定部は、固定した前記ネジの頭部を収容する、前記固定部の上端から凹んだ凹部を有する
   請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記絶縁部材は、複数の前記半導体モジュールの上面にそれぞれ接触して前記放熱器に向かって押さえつける複数の前記突出部を有する
   請求項３または４に記載の半導体装置。
6. 複数の前記半導体モジュールは、前記長辺方向に対して垂直方向に並列に固定され、
   前記固定具は、複数の前記半導体モジュールの間に配置され、複数の前記突出部は、互いに反対方向に突出して、対応する前記半導体モジュールの上面にそれぞれ接触して前記放熱器に向かって押さえつける
   請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記突出部は、前記半導体モジュールの長辺方向の長さの２０〜４０％の幅を有する
   請求項３から６のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 前記半導体モジュールは、複数の前記固定具により押さえつけられ、複数の前記固定具のうちの１つは、前記半導体モジュールの一方側に配置され、複数の前記固定具のうちの少なくとも２つは、前記半導体モジュールの他方側に配置される
   請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置。
9. 前記固定具は、前記放熱器に複数のネジにより固定される
   請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体装置。