JP2021022592A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性が高い半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１は、冷却器１０と、冷却器１０の上方に位置する放熱シート２０と、放熱シート２０の上方に位置する回路基板３０と、回路基板３０に実装される半導体素子５０と、冷却器１０に固定される枠体６０とを備え、枠体６０は、回路基板３０を囲む枠形状を有する外枠部６１と、外枠部６１における開口領域６１１を横切るように回路基板３０の上方に位置する梁部６２と、梁部６２に設けられ、回路基板３０に向けて突出し、回路基板３０を冷却器１０に向けて押圧する突出部６３とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置に関する。

半導体装置において、放熱性の向上は、重要である。半導体素子が駆動することにより、半導体素子が発する熱は、半導体装置外へ放つことができなければ、半導体素子の破壊につながるためである。

特許文献１には、放熱性を向上させた半導体装置が開示されている。特許文献１に開示された半導体装置は、冷却器と、半導体素子を搭載した絶縁基板と、半導体素子を囲んで絶縁基板の周辺に載置された枠体と、枠体の開口部を塞ぐ蓋体と、蓋体と冷却器とを固定する固定用ボルトとを備える。また、枠体の中央部は、山形状の凸部となっている。この半導体装置においては、固定用ボルトをねじ込むことで、蓋体がたわみ、蓋体と接触する枠体から絶縁基板に力が加わる。その結果、絶縁基板と冷却器との密着性が向上して、半導体装置の放熱性を向上させている。

特開２００９−９４４２３号公報

一方で、特許文献１に開示されるような、絶縁基板の周辺を押し付けることで、絶縁基板と冷却器とを密着させる方法では、絶縁基板全体に均一な圧力を与えることができない。その結果、絶縁基板と冷却器とにおける、良好な密着状態を得ることが困難である。このため、冷却器からの放熱が十分に行われず、特許文献１に開示される半導体装置は、放熱性に課題がある。

そこで本発明は、放熱性が高い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、本発明の一態様に係る半導体装置は、冷却器と、前記冷却器の上方に位置する放熱シートと、前記放熱シートの上方に位置する回路基板と、前記回路基板に実装される半導体素子と、前記冷却器に固定される枠体とを備え、前記枠体は、前記回路基板を囲む枠形状を有する外枠部と、前記外枠部における開口領域を横切るように前記回路基板の上方に位置する梁部と、前記梁部に設けられ、前記回路基板に向けて突出し、前記回路基板を前記冷却器に向けて押圧する突出部とを有する。

本発明によれば、放熱性が高い半導体装置を提供することができる。

図１は、実施の形態に係る半導体装置の平面図である。 図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線での断面図である。 図３は、変形例１に係る半導体装置の断面図である。 図４は、変形例２に係る半導体装置の断面図である。

以下では、本発明の実施の形態に係る半導体装置について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。従って、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。従って、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

また、本明細書において、平行又は直交などの要素間の関係性を示す用語及び正方形又は長方形などの要素の形状を示す用語、並びに、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。

また、本明細書及び図面において、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、三次元直交座標系の三軸を示している。なお、各図において、放熱シートが設けられる冷却器の一面と平行な面がｘｙ平面であって、ｘ軸方向及びｙ軸方向は互いに直交する方向である。また、ｚ軸方向は、ｘ軸及びｙ軸に対し垂直な方向である。本明細書においては、ｚ軸正側を上方側、ｚ軸負側を下方側として説明することがある。また、本明細書においては、「平面視したとき」とは、「ｚ軸負方向に半導体装置を見たとき」という意味である。

また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構造における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。なお、「上方」及び「下方」などの用語は、あくまでも部材間の相互の配置を指定するために用いており、半導体装置の使用時における姿勢を限定する意図ではない。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔を空けて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに密着して配置されて２つの構成要素が接触する場合にも適用される。

（実施の形態）
［構成］
まず、本実施の形態に係る半導体装置１の構成について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体装置１の平面図である。図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線での断面図である。なお、図２においては、図が煩雑になるのを避けるため、本実施の形態に係る半導体装置１が備えるバスバー９０は、図示されない。

図１及び図２に示されるように、半導体装置１は、冷却器１０と、放熱シート２０と、回路基板３０と、半導体素子５０と、枠体６０と、バスバー９０とを備える。本実施の形態に係る半導体装置１は、パワー半導体装置として利用することができる。例えば、半導体装置１が備える半導体素子５０がＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ））である。この場合、半導体装置１は、直流を交流へ変換するインバータ装置の一部として利用することができる。また、例えば、本実施の形態に係る半導体装置１が３つ接続された装置は、３相インバータ装置として利用することができる。続いて、本実施の形態に係る半導体装置１が備える各要素について説明する。

はじめに、冷却器１０について、説明する。

冷却器１０は、半導体素子５０が発する熱を放熱するための部材である。すなわち、冷却器１０は、半導体素子５０が発する熱を半導体装置１の外部へ放つための部材である。本実施の形態に係る冷却器１０は、フィン形状を有するヒートシンクである。また、冷却器１０は、送風機を備えたヒートシンクであってもよい。本実施の形態に係る冷却器１０は、銅、アルミニウム又は鉄などの熱伝導率が高い材料により構成される。

冷却器１０は、フィン形状を有する面と反対側に、放熱シート２０が設けられる一面を有する。また、この一面には、半導体装置１が備えるその他の構成要素が設けられる。すなわち、冷却器１０は、図２に示されるように、半導体装置１の支持台としての役割を果たす。冷却器１０は、リジッドな性質をもつため、冷却器１０に対し力が与えられても、変形量が非常に小さい。

本実施の形態に係る冷却器１０には、冷却器１０をｚ軸方向に貫通するネジ孔が設けられている。当該ネジ孔は、冷却器１０と枠体６０とを固定するネジ１１が挿通される。当該ネジ孔は、後述する枠体６０と冷却器１０とが接する箇所に設けられている。

次に、放熱シート２０について、説明する。

放熱シート２０は、冷却器１０の上方に位置するシートである。本実施の形態においては、放熱シート２０は、冷却器１０が有する一面に接触している。

放熱シート２０は、半導体素子５０が発する熱を冷却器１０へ伝導する。本実施の形態に係る放熱シート２０は、グラファイトシートである。より具体的には、本実施の形態に係る放熱シート２０は、高い柔軟性を有するグラファイトシートである。本実施の形態に係る放熱シート２０の形状は、平面視したときに、長方形形状となる。また、放熱シート２０が半導体素子５０が発する熱を伝導することができれば、放熱シート２０の材料及び形状は、上記に限定されない。

本実施の形態に係る放熱シート２０は、高い柔軟性を有する。そのため、放熱シート２０に対し、圧力が与えられると、放熱シート２０は変形する。なお、放熱シート２０は、放熱グリスと、同時に使用されてもよい。

続いて、回路基板３０について説明する。

回路基板３０は、放熱シート２０の上方に位置する基板であり、回路基板３０は、半導体素子５０を実装するための基板である。また、回路基板３０は、半導体素子５０が発する熱を放熱シート２０へ伝導する。図１に示されるように、本実施の形態に係る回路基板３０の形状は、平面視したときに、長方形形状である。回路基板３０は、例えば、ｘ軸方向に４０ミリメートル、ｙ軸方向に５０ミリメートの大きさである。回路基板３０は、放熱シート２０と接する面に導電層を有する。より具体的には、本実施の形態に係る回路基板３０は、絶縁基板３３と、第１導電層３１と、第２導電層３２とを有する。第１導電層３１と、絶縁基板３３と、第２導電層３２とは、放熱シート２０から離れる方向に、すなわち上方に向けて、この順で積層されている。また、放熱シート２０と第１導電層３１とは、接している。すなわち、本実施の形態においては、上述の回路基板３０が放熱シート２０と接する面に有する導電層とは、第１導電層３１である。なお、図１においては、第２導電層３２は、密度の高いドットが付された領域で示されている。第２導電層３２は、半導体素子５０を実装する配線パターン形状に形成されている。また、図１においては、第１導電層３１は、絶縁基板３３の背面に位置するため、図示されないが、第１導電層３１の形状は、平面視したときに、長方形形状である。

第１導電層３１は、絶縁基板３３の下方の一面に、第２導電層３２は、絶縁基板３３の上方の一面に位置している。第１導電層３１及び第２導電層３２は、電気伝導率が高く、かつ、熱伝導率が高い材料で構成される。本実施の形態に係る第１導電層３１及び第２導電層３２は、銅により構成されるが、第１導電層３１及び第２導電層３２を構成する材料は、電気伝導率が高く、かつ、熱伝導率が高い材料であれば、銅に限らない。第１導電層３１及び第２導電層３２を構成する材料は、例えば、アルミニウムなどである。このように、絶縁基板３３の両面に、２つの導電層が設けられることで、絶縁基板３３の反りを抑制することができる。なお、絶縁基板３３の両面に設けられる２つの導電層が同一の材料により構成されることで、絶縁基板３３の反りをより抑制することができる。

また、回路基板３０が放熱シート２０と接する面に有する導電層は、平面視したときに、当該導電層の全ての領域が放熱シート２０と重なる。すなわち、本実施の形態に係る第１導電層３１は、平面視したときに、第１導電層３１の全ての領域が放熱シート２０と重なる。本実施の形態においては、平面視したときに、放熱シート２０及び第１導電層３１の形状は、長方形形状である。第１導電層３１の全ての領域が放熱シート２０と重なるため、放熱シート２０の形状は、第１導電層３１の形状よりも大きい長方形形状である。これにより、第１導電層３１の下方の面の全ての領域が放熱シート２０と接触する。すなわち、半導体素子５０が発する熱は、第１導電層３１から放熱シート２０に向けて容易に移動する。

絶縁基板３３は、電気抵抗率が高く、かつ、熱伝導率が高い材料で構成される。絶縁基板３３は、例えば、アルミナ又はジルコニアなどを含むセラミック基板を用いることができる。また、絶縁基板３３は、例えば、フェノール又はエポキシなどを含む樹脂基板を用いることができる。本実施の形態に係る絶縁基板３３は、エポキシ樹脂基板であるが、絶縁基板３３の材料は、電気抵抗率が高く、かつ、熱伝導率が高い材料であれば、上記材料に限らない。さらに、絶縁基板３３は、リジッドな性質をもつ。そのため、絶縁基板３３に対し力が与えられても、絶縁基板３３の変形量は、非常に小さい。すなわち、回路基板３０は、リジッドな性質をもち、回路基板３０に対し力が与えられても、回路基板３０の変形量は、非常に小さい。

次に、半導体素子５０について説明する。

半導体素子５０は、回路基板３０に実装される。より具体的には、半導体素子５０は、図２に示されるように、回路基板３０が有する第２導電層３２と、はんだ層４０を介して接合される。本実施の形態においては、２つの半導体素子５０が第２導電層３２の上方に設けられる。本実施の形態に係る半導体素子５０は、ＩＧＢＴであるが、半導体素子５０は、これに限らない。半導体素子５０が駆動することで、熱を発する。

さらに、バスバー９０について説明する。なお、図１においては、バスバー９０は、密度の低いドットが付された領域で示されている。

バスバー９０は、第２導電層３２と半導体素子５０とを電気的に接続する電気伝導率が高い部材である。バスバー９０は、第２導電層３２の一部と、当該一部とは異なる第２導電層３２の一部とを電気的に接続してもよい。本実施の形態においては、バスバー９０は、銅により構成され、バスバー９０の形状は、平板形状である。このため、バスバー９０は、大電流を流すことができる。しかしながら、バスバー９０の材料及び形状は、高い電気伝導率を有する材料及び高い導電性を有する形状であれば、上記に限らない。

続いて、枠体６０について説明する。なお、図１においては、枠体６０は、斜線が付された領域で示されている。

枠体６０は、冷却器１０に固定される部材である。なお、枠体６０は、樹脂、金属又はセラミックスなどの材料により構成される。本実施の形態に係る枠体６０は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）系樹脂により構成されるが、枠体６０の材料は、エポキシ系樹脂又はＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）系樹脂等を用いることができる。また、枠体６０の材料は、上記に限られず、耐熱性が高く、成型性に優れた材料であれば、その他の樹脂材料を用いることができる。

枠体６０は、外枠部６１と、梁部６２と、突出部６３とを有する。

外枠部６１は、回路基板３０を囲む枠形状を有する部材である。本実施の形態において、枠形状とは、回路基板３０の全周囲を完全に囲う形状だが、これに限らない。枠形状とは、例えば、平面視したときにＣ字型のように回路基板３０の周囲を完全に囲わない形状でもよい。本実施の形態に係る外枠部６１は、冷却器１０の上方に設けられ、放熱シート２０と同じく、冷却器１０が有する一面に接している。なお、外枠部６１と冷却器１０との間には、接着層などの介在層が存在してもよい。また、外枠部６１は、冷却器１０の側面に位置してもよい。つまり、外枠部６１は、回路基板３０と冷却器１０とを囲む枠形状を有してもよい。

本実施の形態においては、外枠部６１は、平面視したときに、矩形の枠形状である。また、外枠部６１における開口領域６１１は、外枠部６１が有する枠形状にって囲まれる３次元の空間である。なお、開口領域６１１は、図１及び２において、矩形の点線で囲まれた領域である。開口領域６１１は、放熱シート２０、回路基板３０、はんだ層４０、半導体素子５０及びバスバー９０を内包する。

上述のように、枠体６０は、冷却器１０に固定されるが、より厳密には、枠体６０が有する外枠部６１が冷却器１０に固定される。外枠部６１には、外枠部６１をｚ軸方向に延び、外枠部６１を貫通しないネジ孔が設けられている。

ネジ１１は、冷却器１０に設けられたネジ孔と外枠部６１に設けられたネジ孔とに挿通され、冷却器１０と外枠部６１とを締結する。これにより、外枠部６１は、冷却器１０に押し付けられるように固定される。すなわち、枠体６０の全体が冷却器１０に押し付けられるように固定される。

梁部６２は、外枠部６１における開口領域６１１を横切るように回路基板３０の上方に位置する部材である。梁部６２が外枠部６１における開口領域６１１を横切るように、とは、梁部６２が外枠部６１の一箇所から開口領域６１１のいずれかの領域を経由して当該外枠部６１の一箇所とは異なる外枠部６１の一箇所へと接続されることを指す。例えば、本実施の形態においては、梁部６２は、矩形である外枠部６１の一辺と当該外枠部６１の一辺と正対する一辺とに接続される。

本実施の形態に係る梁部６２の形状は、四角柱形状であるが、梁部６２の形状は、これに限らない。例えば、梁部６２の形状は、角柱形状、円柱形状又は平板形状であってもよい。梁部６２の形状が角柱形状又は円柱形状である場合、梁部６２の形状は、直線状又は曲線状のいずれであってもよい。梁部６２は、例えば、ｘ軸方向に５ミリメートル、ｚ軸方向に５ミリメートルの大きさの四角柱形状である。また、梁部６２は、蓋形状であってもよい。蓋形状とは、平面視したときの外枠部６１における開口領域６１１を全て覆う形状である。また、梁部６２は、回路基板３０とは接触せずに、上方に位置する。

突出部６３は、梁部６２に設けられ、回路基板３０に向けて突出する部材である。より具体的には、突出部６３は、四角柱形状である梁部６２の下方の面から、回路基板３０に向けて、すなわち、下方に向けて、突出する部材である。本実施の形態に係る突出部６３の形状は、円柱形状であるが、突出部６３の形状は、これに限らない。例えば、突出部６３の形状は、角柱又は円柱であってもよい。また、突出部６３は、回路基板３０に接触する。より具体的には、突出部６３は、第２導電層３２及び／又は絶縁基板３３に接触する。言い換えると、突出部６３は、はんだ層４０及び半導体素子５０には、接触しない。

さらに、突出部６３は、回路基板３０を冷却器１０に向けて押圧する。すなわち、図２においては、突出部６３は、回路基板３０をｚ軸負方向に向けて押圧する。上述のように、枠体６０は、冷却器１０に押し付けられるように固定されており、かつ、突出部６３は、回路基板３０に接触する。以上のように、枠体６０全体が冷却器１０に押し付けられるため、枠体６０が有する突出部６３は、回路基板３０を冷却器１０に向けて押圧することができる。

また、突出部６３は、梁部６２の下方の面であれば、どの位置に設けられてもよい。すなわち、突出部６３は、梁部６２の直下方向であれば、回路基板３０の任意の場所を押圧することができる。本実施の形態においては、突出部６３は、梁部６２の中央に設けられるため、突出部６３は、回路基板３０の中央部を押圧することができる。そのため、突出部６３は、回路基板３０を冷却器１０に向けて、回路基板３０の全体を均一に押圧することができる。

なお、回路基板３０の中央部とは、回路基板３０の中央付近の部分を意味し、厳密に解釈されるものではない。例えば、回路基板３０の中央部とは、以下のように決定される。図１において回路基板３０を平面視したときに、回路基板３０のｘ軸方向の長さを三等分してｘ軸正方向に並ぶ順に左部、中部及び右部とし、回路基板３０のｙ軸方向の長さを三等分してｙ軸正方向に並ぶ順に下部、中部及び上部とする。このとき、回路基板３０の中央部とは、ｘ軸方向及びｙ軸方向の両方において、中部である領域である。しかしながら、これに限らない。

さらに、枠体６０は、複数のばね部材７０を有する。

複数のばね部材７０は、弾性変形する部材である。そのため、複数のばね部材７０は、圧力が与えられることで複数のばね部材７０自身の形状を変化させ、圧力が取り除かれることで元の複数のばね部材７０自身の形状に復元する性質をもつ。

また、複数のばね部材７０のそれぞれは、回路基板３０の向かい合う縁辺部のそれぞれを冷却器１０に向けて押圧する。図２において、複数のばね部材７０のそれぞれは、回路基板３０を下方に向けて押圧する。縁辺部とは、回路基板３０の周縁部である。例えば、長方形形状における向かい合う縁辺部とは、向かい合う二辺の周囲である。本実施の形態においては、平面視したときに、回路基板３０の形状は、長方形形状である。よって、回路基板３０の向かい合う縁辺部とは、回路基板３０の向かい合う二辺の周囲である。また、複数のばね部材７０のそれぞれは、回路基板３０の向かい合う縁辺部のそれぞれと接触する。

上述のように、枠体６０は、冷却器１０に押し付けられるように固定されている。さらに、枠体６０が有する複数のばね部材７０は、弾性変形し、かつ、複数のばね部材７０のそれぞれは、回路基板３０の向かい合う縁辺部のそれぞれと接触する。これにより、枠体６０全体が冷却器１０に押し付けられるため、枠体６０が有する複数のばね部材７０は、弾性変形を利用して、回路基板３０の向かい合う縁辺部のそれぞれを冷却器１０に向けて押圧することができる。複数のばね部材７０は、突出部６３と組み合わせることで、回路基板３０の全体をより均一に押圧することができる。例えば、回路基板３０に反りがある場合でも、突出部６３が回路基板３０の中央部を、複数のばね部材７０が回路基板３０の向かい合う縁辺部を押圧することで、回路基板３０の全体をより均一に押圧することができる。

また、複数のばね部材７０は、外枠部６１によって支持される複数の第１ばね部材７１を含む。本実施の形態においては、複数のばね部材７０の全てが複数の第１ばね部材７１である。複数の第１ばね部材７１の一端が外枠部６１の中に埋め込まれることで、複数の第１ばね部材７１は、外枠部６１によって支持されている。本実施の形態に係る複数の第１ばね部材７１は、板ばねにより構成されるが、複数の第１ばね部材７１は、他の種類のばね部材により構成されてもよい。

なお、本実施の形態においては、図１に示すように、複数の第１ばね部材７１は、半導体装置１のｙ軸軸正側に２つ、ｙ軸負側に１つ設けられるが、これに限らない。複数の第１ばね部材７１が適切な場所に配置されることで、回路基板３０の全体をより均一に押圧することができる。すなわち、複数の第１ばね部材７１は、外枠部６１の任意の場所に設けることができ、複数の第１ばね部材７１を適切な場所に配置することで、複数の第１ばね部材７１は、回路基板３０の全体をより均一に押圧することができる。

本実施の形態においては、枠体６０及び複数の第１ばね部材７１は、インサート成型を用いて製造される。すなわち、複数の第１ばね部材７１が金型内に設置され、さらに、枠体６０を構成する材料（ＰＰＳ）が金型内に注入されることで、枠体６０及び複数の第１ばね部材７１が一体となって成型される。しかしながら、枠体６０及び複数の第１ばね部材７１を製造する方法は、上記に限られない。

また、複数の第１ばね部材７１の少なくとも１つの第１ばね部材７１は、導電性を有する導電性ばね端子７１１である。本実施の形態においては、複数の第１ばね部材７１の全てが導電性ばね端子７１１である。図１に示すように、半導体装置１には、３つの導電性ばね端子７１１が設けられている。よって、本実施の形態においては、複数のばね部材７０の全ては、複数の第１ばね部材７１であって、３つの導電性ばね端子７１１である。導電性ばね端子７１１は、電気伝導率が高い材料であれば、どのような材料で構成されてもよい。例えば、導電性ばね端子７１１は、銅、アルミニウム、鉄、銅又はインバー（登録商標）などを含む材料により構成される。また、例えば、導電性ばね端子７１１は、銅、アルミニウム、鉄、銅又はインバーなどを含む材料が積層された構成であってもよい。なお、インバー（登録商標）とは、合金であり、鉄とニッケルとマンガンと炭素とを含む。本実施の形態においては、３つの導電性ばね端子７１１は、銅を含む材料により構成される。

さらに、導電性ばね端子７１１の一端は、回路基板３０と電気的に接続される。上述のように、複数のばね部材７０のそれぞれ、すなわち、３つの導電性ばね端子７１１は、回路基板３０の向かい合う縁辺部のそれぞれと接触する。回路基板３０の向かい合う縁辺部のそれぞれにおいて、３つの導電性ばね端子７１１の一端は、回路基板３０と電気的に接続される。つまり、本実施の形態においては、３つの導電性ばね端子７１１の一端は、回路基板３０が有する第２導電層３２と電気的に接続する。

一方で、導電性ばね端子７１１の他端は、外枠部６１の上面に露出する。外枠部６１の上面とは、外枠部６１の上方側の面であって、図１において、平面視したときに視認できる面である。また、図１及び２において、外枠部６１の上面は、ｚ軸正側の面でもある。導電性ばね端子７１１の他端が露出することで、導電性ばね端子７１１の他端は、半導体装置１の外部と電気的な接点となりうる。以上から、導電性ばね端子７１１は、回路基板３０の電極として利用することができる。

ここで、突出部６３及び複数のばね部材７０が回路基板３０を押圧する点に着目する。このときに発生する押圧する力１００について、説明する。

［押圧する力１００の作用］
上述のように、突出部６３は、回路基板３０を冷却器１０に向けて、回路基板３０の全体を均一に押圧することができる。さらに、複数のばね部材７０は、突出部６３と組み合わせることで、回路基板３０の全体をより均一に押圧することができる。

このように、突出部６３及び複数のばね部材７０が回路基板３０を押圧することによって、押圧する力１００が発生する。押圧する力１００は、半導体装置１において、以下のように作用する。

まず、回路基板３０は、押圧する力１００によって、冷却器１０に向けて、すなわち、下方に向けて押圧される。回路基板３０及び冷却器１０は、リジッドな性質をもつため、回路基板３０及び冷却器１０が変形することはない。一方で、回路基板３０と冷却器１０とに挟まれる放熱シート２０は、柔軟性を有する。そのため、押圧する力１００が発生すると、放熱シート２０は、圧縮され、変形する。ここで、放熱シート２０に接する冷却器１０の表面に着目する。例えば、この冷却器１０の表面に、微小サイズの凹凸があるとしても、放熱シート２０が変形することで、放熱シート２０が当該凹凸に入り込む。これにより、放熱シート２０と冷却器１０との密着性が向上する。さらに、放熱シート２０に接する回路基板３０の表面、厳密には、第１導電層３１の表面にも、同様の現象がおこる。放熱シート２０に接する第１導電層３１の表面に、微小サイズの凹凸があるとしても、放熱シート２０が変形することで、放熱シート２０が当該凹凸に入り込む。これにより、回路基板３０と放熱シート２０との密着性が向上する。それぞれの密着性が向上することにより、放熱シート２０と冷却器１０との接触熱抵抗及び放熱シート２０と回路基板３０との接触熱抵抗が低下する。よって、半導体素子５０が発する熱は、はんだ層４０と、回路基板３０と、放熱シート２０と、冷却器１０とを順に、効率よく伝わって、冷却器１０によって、半導体装置１の外部へ放たれる。すなわち、放熱性が高い半導体装置１が実現される。

［効果など］
以上のように、本実施の形態に係る半導体装置１は、冷却器１０と、冷却器１０の上方に位置する放熱シート２０と、放熱シート２０の上方に位置する回路基板３０と、回路基板３０に実装される半導体素子５０と、冷却器１０に固定される枠体６０とを備える。枠体６０は、回路基板３０を囲む枠形状を有する外枠部６１を有する。また、枠体６０は、外枠部６１における開口領域６１１を横切るように回路基板３０の上方に位置する梁部６２を有する。また、枠体６０は、梁部６２に設けられ、回路基板３０に向けて突出し、回路基板３０を冷却器１０に向けて押圧する突出部６３とを有する。

これにより、本実施の形態においては、突出部６３は、回路基板３０の中央部を押圧する。そのため、突出部６３は、回路基板３０の全体を均一に押圧することができる。押圧する力１００が発生すると、放熱シート２０が圧縮され、変形する。その結果、放熱シート２０と冷却器１０との密着性及び回路基板３０と放熱シート２０との密着性が向上する。それぞれの密着性が向上することにより、放熱シート２０と冷却器１０との接触熱抵抗及び放熱シート２０と回路基板３０との接触熱抵抗が低下する。そのため、半導体素子５０が発する熱は、はんだ層４０と、回路基板３０と、放熱シート２０と、冷却器１０とを順に、効率よく伝わって、冷却器１０によって、半導体装置１の外部へ放たれる。すなわち、放熱性が高い半導体装置１が実現される。

また、本実施の形態に係る半導体装置１において、枠体６０は、さらに、弾性変形する複数のばね部材７０を有し、複数のばね部材７０のそれぞれは、回路基板３０の向かい合う縁辺部のそれぞれを冷却器１０に向けて押圧する。

これにより、本実施の形態においては、複数のばね部材７０は、回路基板３０の向かい合う縁辺部のそれぞれを押圧する。複数のばね部材７０は、突出部６３と組み合わせることで、回路基板３０の全体をより均一に押圧することができる。例えば、回路基板３０に反りがある場合でも、突出部６３が回路基板３０の中央部を、複数のばね部材７０が回路基板３０の向かい合う縁辺部を押圧するすることで、回路基板３０の全体をより均一に押圧することができる。押圧する力１００が発生すると、放熱シート２０が圧縮され、変形する。その結果、放熱シート２０と冷却器１０との密着性及び回路基板３０と放熱シート２０との密着性が向上する。それぞれの密着性が向上することにより、放熱シート２０と冷却器１０との接触熱抵抗及び放熱シート２０と回路基板３０との接触熱抵抗が低下する。そのため、半導体素子５０が発する熱は、はんだ層４０と、回路基板３０と、放熱シート２０と、冷却器１０とを順に、効率よく伝わって、冷却器１０によって、半導体装置１の外部へ放たれる。すなわち、放熱性がより高い半導体装置１が実現される。

また、本実施の形態に係る半導体装置１において、複数のばね部材７０は、外枠部６１によって支持される複数の第１ばね部材７１を含む。

これにより、複数の第１ばね部材７１は、外枠部６１の任意の場所に設けることができ、複数の第１ばね部材７１を適切な場所に配置することで、複数の第１ばね部材７１は、回路基板３０の全体をより均一に押圧することができる。

また、本実施の形態に係る半導体装置１において、複数の第１ばね部材７１の少なくとも１つの第１ばね部材７１は、導電性を有する導電性ばね端子７１１である。導電性ばね端子７１１の一端は、回路基板３０と電気的に接続され、導電性ばね端子７１１の他端は、外枠部６１の上面に露出する。

これにより、導電性ばね端子７１１は、回路基板３０の電極として利用することができる。

また、本実施の形態に係る半導体装置１において、回路基板３０は、放熱シート２０と接する面に導電層を有し、導電層は、平面視したときに、導電層の全ての領域が放熱シート２０と重なる。

これにより、第１導電層３１の下方の面の全ての領域が放熱シート２０と接触する。すなわち、半導体素子５０が発する熱は、第１導電層３１から放熱シート２０に向けて容易に移動する。そのため、半導体素子５０が発する熱は、はんだ層４０と、回路基板３０と、放熱シート２０と、冷却器１０とを順に、効率よく伝わって、冷却器１０によって、半導体装置１の外部へ放たれる。すなわち、放熱性がより高い半導体装置１が実現される。

（変形例１）
実施の形態においては、複数の第１ばね部材７１の全てが導電性ばね端子７１１であるが、これに限らない。図３は、本変形例に係る半導体装置１ａの断面図である。本変形例においては、複数の第１ばね部材７１のうち２つの第１ばね部材７１は、導電性を有する導電性ばね端子７１１であり、複数の第１ばね部材７１のうち１つの第１ばね部材７１ａは、導電性を有さない点が実施の形態とは異なる。

このように、複数の第１ばね部材７１は、導電性を有する２つの導電性ばね端子７１１と、導電性を有さない１つの第１ばね部材７１ａとの組み合わせであってもよい。また、導電性を有さない１つの第１ばね部材７１ａの一端は、外枠部６１の上面に露出しなくてもよい。

なお、本変形例では、実施の形態と共通の構成要素については、同一の符号を付しており、重複する説明は省略する。

（変形例２）
実施の形態においては、複数のばね部材７０の全てが、複数の第１ばね部材７１であるが、これに限らない。本変形例においては、複数のばね部材７０は、梁部６２によって支持される複数の第２ばね部材７２ｂを含む点が実施の形態とは異なる。より具体的には、複数のばね部材７０の全ては、複数の第２ばね部材７２ｂである。なお、本変形例では、実施の形態と共通の構成要素については、その詳細な説明を省略する。

［構成］
図４は、本変形例に係る半導体装置１ｂの断面図である。本変形例に係る半導体装置１ｂが備える枠体６０は、実施の形態と同じく梁部６２を有する。

本変形例に係る複数のばね部材７０は、実施の形態と同じく、弾性変形し、複数のばね部材７０のそれぞれは、回路基板３０の向かい合う縁辺部のそれぞれを冷却器１０に向けて押圧する。さらに、上述のように、複数のばね部材７０の全ては、梁部６２によって支持される複数の第２ばね部材７２ｂである。

複数の第２ばね部材７２ｂは、四角柱形状である梁部６２の下方の面から回路基板３０に向けて、すなわち、下方に向けて設けられる部材である。本変形例の複数の第２ばね部材７２ｂは、コイルばねであるが、複数の第２ばね部材７２ｂは、これに限らない。例えば、複数の第２ばね部材７２ｂは、他の種類のばね部材であってもよい。また、複数の第２ばね部材７２ｂは、回路基板３０に接触する。すなわち、複数の第２ばね部材７２ｂは、第２導電層３２及び／又は絶縁基板３３に接触する。言い換えると、複数の第２ばね部材７２ｂは、はんだ層４０及び半導体素子５０には、接触しない。

本変形例においては、図４に示すように、複数の第２ばね部材７２ｂは、突出部６３よりｙ軸軸正側に１つ、突出部６３よりｙ軸負側に１つ設けられるが、これに限らない。複数の第２ばね部材７２ｂが適切な場所に配置することで、回路基板３０の全体をより均一に押圧することができる。すなわち、複数の第２ばね部材７２ｂは、梁部６２の任意の場所に設けることができ、複数の第２ばね部材７２ｂを適切な場所に配置することで、複数の第２ばね部材７２ｂは、回路基板３０の全体をより均一に押圧することができる。

［効果など］
本変形例に係る半導体装置１ｂにおいて、複数のばね部材７０は、梁部６２によって支持される複数の第２ばね部材７２ｂを含む。

これにより、複数の第２ばね部材７２ｂは、梁部６２の任意の場所に設けることができ、複数の第２ばね部材７２ｂを適切な場所に配置することで、複数の第２ばね部材７２ｂは、回路基板３０の全体をより均一に押圧することができる。

（その他）
以上、実施の形態に係る半導体装置について説明したが、本発明は、上記実施の形態及び変形例に限定されるものではない。

実施の形態においては、枠体６０と冷却器１０とは、ネジ１１により固定されたが、これに限らない。枠体６０と冷却器１０とは、その他の方法により固定されてもよい。例えば、枠体６０と冷却器１０とを挟持するジグにより、枠体６０と冷却器１０とが固定されてもよい。この場合、当該ジグは、枠体６０をｚ軸負向きに、冷却器１０をｚ軸正向きに押し付けるように挟持する。また、例えば、枠体６０と冷却器１０との間に挿入される接着剤により、枠体６０と冷却器１０とが固定されてもよい。この場合、枠体６０と冷却器１０とが固定される際に、枠体６０と冷却器１０とが互いに押し付けられるように固定される。いずれも例においても、枠体６０が冷却器１０に押し付けられるように固定されることで、枠体６０が有する突出部６３は、回路基板３０を押圧することができる。

また、半導体装置１、１ａ及び１ｂは、封止樹脂部材を備えていてもよい。封止樹脂部材は、エポキシ系樹脂などにより構成される。封止樹脂部材は、外枠部６１における開口領域６１１に充填される。封止部樹脂部材は、放熱シート２０、回路基板３０、はんだ層４０、半導体素子５０及びバスバー９０の周囲を覆う。これにより、放熱シート２０、回路基板３０、はんだ層４０、半導体素子５０及びバスバー９０が湿気などから保護され、半導体装置１の耐久性が向上する。

なお、実施の形態においては、梁部６２は、矩形である外枠部６１の一辺と当該外枠部６１の一辺と正対する一辺とに接続されるがこれに限らない。例えば、梁部６２は、矩形である外枠部６１の隣り合う二辺どうしに接続されてもよい。

また、実施の形態においては、梁部６２は、１本設けられたが、これに限らない。梁部６２は、複数設けられてもよい。また、実施の形態においては、突出部６３は、１本設けられたが、これに限らない。突出部６３は、複数設けられてもよい。これにより、複数の突出部６３は、回路基板３０を冷却器１０に向けて、回路基板３０の全体をより均一に押圧することができる。

実施の形態においては、枠体６０及び複数の第１ばね部材７１は、インサート成型を用いて製造されるが、これに限らない。例えば、枠体６０が複数に分けて製造されてもよい。具体的には、まず、図２における複数の第１ばね部材７１より下方側の枠体６０と、複数の第１ばね部材７１より上方側の枠体６０とがそれぞれ製造される。次に、当該下方側の枠体６０と、当該上方側の枠体６０とによって、複数の第１ばね部材７１が挟まれるように固定されることで、枠体６０及び複数の第１ばね部材７１が製造されてもよい。

また、複数の第１ばね部材７１が枠体６０内に内包されず、複数の第１ばね部材７１の全てが枠体６０外に露出していてもよい。この場合は、複数の第１ばね部材７１は、接着剤又はネジなどにより枠体６０に固定される。

なお、実施の形態においては、３つの導電性ばね端子７１１の一端は、第２導電層３２と電気的に接続したが、このとき、３つの導電性ばね端子７１１と第２導電層３２との間に介在層が存在してもよい。介在層は、例えば、はんだ材料などを用いることができる。これにより、３つの導電性ばね端子７１１と第２導電層３２とは、容易に電気的に接続することができる。

また、実施の形態においては、縁辺部とは、回路基板３０の周縁部であるとしたが、例えば、以下のようであってもよい。縁辺部は、回路基板３０を平面視したときの回路基板３０の一辺の長さをＬとした場合に、回路基板３０の端からの長さが０．３Ｌ以下である領域であってもよい。

その他、上記実施の形態及び変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態又は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

本開示に係る半導体装置は、産業機器の駆動制御機器、モータを備えた家電の駆動制御機器、電気自動車、又は、ハイブリッド自動車向けの車載制御機器等の様々な用途の半導体装置として利用可能である。

１、１ａ、１ｂ 半導体装置
１０ 冷却器
１１ ネジ
２０ 放熱シート
３０ 回路基板
３１ 第１導電層
３２ 第２導電層
３３ 絶縁基板
４０ はんだ層
５０ 半導体素子
６０ 枠体
６１ 外枠部
６２ 梁部
６３ 突出部
７０ ばね部材
７１、７１ａ 第１ばね部材
７１１ 導電性ばね端子
７２ｂ 第２ばね部材
９０ バスバー
１００ 押圧する力
Ｌ 回路基板の一辺の長さ

Claims (6)

1. 冷却器と、
   前記冷却器の上方に位置する放熱シートと、
   前記放熱シートの上方に位置する回路基板と、
   前記回路基板に実装される半導体素子と、
   前記冷却器に固定される枠体とを備え、
   前記枠体は、
   前記回路基板を囲む枠形状を有する外枠部と、
   前記外枠部における開口領域を横切るように前記回路基板の上方に位置する梁部と、
   前記梁部に設けられ、前記回路基板に向けて突出し、前記回路基板を前記冷却器に向けて押圧する突出部とを有する
   半導体装置。
2. さらに、前記枠体は、弾性変形する複数のばね部材を有し、
   前記複数のばね部材のそれぞれは、前記回路基板の向かい合う縁辺部のそれぞれを前記冷却器に向けて押圧する
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記複数のばね部材は、前記外枠部によって支持される複数の第１ばね部材を含む
   請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記複数の第１ばね部材の少なくとも１つの第１ばね部材は、導電性を有する導電性ばね端子であって、
   前記導電性ばね端子の一端は、前記回路基板と電気的に接続され、
   前記導電性ばね端子の他端は、前記外枠部の上面に露出する
   請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記複数のばね部材は、前記梁部によって支持される複数の第２ばね部材を含む
   請求項２から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記回路基板は、前記放熱シートと接する面に導電層を有し、
   前記導電層は、平面視したときに、前記導電層の全ての領域が前記放熱シートと重なる
   請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置。

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