JP3914209B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
この発明は車などの移動体に搭載されるパワーモジュールなどの半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device such as a power module mounted on a moving body such as a car.
従来からIGBT、ダイオード、GTO、トランジスタなどのパワー半導体素子を絶縁樹脂により封止したインバータなどのパワー半導体モジュールが知られている。パワー半導体モジュールは、動作中に発熱するために、ヒートシンクに、半導体モジュールに設けたネジ貫通孔にネジを通し締め付けることにより固定されている。 Conventionally, power semiconductor modules such as inverters in which power semiconductor elements such as IGBTs, diodes, GTOs, and transistors are sealed with an insulating resin are known. In order to generate heat during operation, the power semiconductor module is fixed to the heat sink by tightening a screw through a screw through hole provided in the semiconductor module.
従来のようなネジによる半導体モジュールの直接締め付け方法では、ネジの近傍にのみ締め付け力が作用し、半導体モジュールを均一に押さえられないという問題がある。また、締め付け力が、封止樹脂に直接集中荷重として印加されるため、封止樹脂が破壊したり、封止樹脂のリラクセーションにより締め付け力が低下し、その結果、半導体モジュールとヒートシンクの間の熱抵抗が大きくなるため、半導体素子の温度上昇が大きくなり、半導体素子が破壊するなどの問題があった。 In the conventional method of directly tightening a semiconductor module with a screw, there is a problem that a tightening force acts only near the screw and the semiconductor module cannot be pressed uniformly. In addition, since the clamping force is directly applied to the sealing resin as a concentrated load, the sealing resin is destroyed or the clamping force is reduced due to relaxation of the sealing resin. As a result, the heat between the semiconductor module and the heat sink Since the resistance increases, there is a problem that the temperature rise of the semiconductor element increases and the semiconductor element breaks down.
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、半導体モジュールを所望の荷重で固定し、半導体モジュールとヒートシンク間の熱抵抗を低く安定させる半導体装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain a semiconductor device in which a semiconductor module is fixed with a desired load and the thermal resistance between the semiconductor module and the heat sink is stabilized to be low. To do.
この発明に係わる半導体装置は、半導体素子が樹脂封止され中央部にネジ貫通孔が設けられた半導体モジュール、上記半導体モジュールの一側に配置される押え用板状バネ、上記押え用板状バネを補強する補強梁、上記半導体モジュールの他側に配置されるヒートシンクを備え、上記半導体モジュールは上記補強梁側から上記補強梁と上記押え用板状バネを介して上記半導体モジュールのネジ貫通孔に挿入されたネジにより上記ヒートシンクに固定される半導体装置であって、上記押え用板状バネにはその周縁部を分割するスリットが形成されているものである。 The semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor module in which a semiconductor element is resin-sealed and a screw through hole is provided at a central portion, a pressing plate spring disposed on one side of the semiconductor module, and the pressing plate spring And a heat sink disposed on the other side of the semiconductor module, and the semiconductor module passes from the reinforcing beam side to the screw through hole of the semiconductor module via the reinforcing beam and the pressing plate spring. The semiconductor device is fixed to the heat sink by an inserted screw, and a slit for dividing the peripheral edge portion is formed in the pressing plate spring.
また、半導体素子が樹脂封止され中央部にネジ貫通孔が設けられた半導体モジュール、上記半導体モジュールの一側に配置される押え用板状バネ、上記押え用板状バネを補強する補強梁、上記半導体モジュールの他側に配置されるヒートシンクを備え、上記半導体モジュールは上記補強梁側から上記補強梁と上記押え用板状バネを介して上記半導体モジュールのネジ貫通孔に挿入されたネジにより上記ヒートシンクに固定される半導体装置であって、上記補強梁には、その上記押え用板状バネ側に、ネジによる締め付け荷重を上記押え用板状バネの所望の位置に伝える突起を設けたものである。 Further, a semiconductor module in which a semiconductor element is resin-sealed and a screw through hole is provided in the central portion, a plate spring for pressing disposed on one side of the semiconductor module, a reinforcing beam for reinforcing the plate spring for pressing, A heat sink disposed on the other side of the semiconductor module, wherein the semiconductor module is inserted into a screw through hole of the semiconductor module from the side of the reinforcing beam via the reinforcing beam and the pressing plate spring; A semiconductor device fixed to a heat sink, wherein the reinforcing beam is provided with a protrusion that transmits a tightening load by a screw to a desired position of the pressing plate spring on the pressing plate spring side. is there.
この発明の半導体装置によれば、押え用板状バネにその周縁部を分割するスリットが形成されているので、ネジの締め付け力が半導体モジュールの各部に分散でき、半導体モジュールの製品ばらつきを吸収することができるため、半導体モジュールをヒートシンクに均一に安定して固定できる。その結果半導体モジュールとヒートシンク間の熱抵抗が低く安定的になり、半導体素子の温度上昇を小さくすることができる。温度上昇を抑えることができれば、ヒートシンクも小型化でき、より少スペースの半導体モジュールにも対応可能となる。 According to the semiconductor device of the present invention, since the slit for dividing the peripheral edge portion is formed in the presser plate-like spring, the tightening force of the screw can be distributed to each part of the semiconductor module, and the product variation of the semiconductor module is absorbed Therefore, the semiconductor module can be uniformly and stably fixed to the heat sink. As a result, the thermal resistance between the semiconductor module and the heat sink becomes low and stable, and the temperature rise of the semiconductor element can be reduced. If the temperature rise can be suppressed, the heat sink can be reduced in size, and a semiconductor module with a smaller space can be accommodated.
また、補強梁には、その押え用板状バネ側に、ネジによる締め付け荷重を押え用板状バネの所望の位置に伝える突起を設けたので、ネジの締め付け力が半導体モジュールの各部に分散でき、半導体モジュールの製品ばらつきを吸収することができるため、半導体モジュールをヒートシンクに均一に安定して固定できる。その結果半導体モジュールとヒートシンク間の熱抵抗が低く安定的になり、半導体素子の温度上昇を小さくすることができる。温度上昇を抑えることができれば、ヒートシンクも小型化でき、より少スペースの半導体モジュールにも対応可能となる。 In addition, the reinforcement beam is provided with a protrusion on the side of the holding plate spring that transmits the tightening load of the screw to the desired position of the holding plate spring, so that the screw tightening force can be distributed to each part of the semiconductor module. Since product variations of the semiconductor module can be absorbed, the semiconductor module can be uniformly and stably fixed to the heat sink. As a result, the thermal resistance between the semiconductor module and the heat sink becomes low and stable, and the temperature rise of the semiconductor element can be reduced. If the temperature rise can be suppressed, the heat sink can be reduced in size, and a semiconductor module with a smaller space can be accommodated.
図6は、同一出願人による出願(特願2002―243102)の半導体装置を示す分解斜視図である。図6において、半導体素子が樹脂封止された半導体モジュール1の複数個がヒートシンク2上に並置される。各半導体モジュール1には電源接続用端子3と出力端子4と、中央部に設けたネジ貫通孔5が設けられている。ヒートシンク2には、各半導体モジュール1のネジ貫通孔5に対応した位置にネジ穴6が設けられている。各半導体モジュール1に共通にペントルーフ(pent roof)型断面形状の押え用板状バネ7が、各半導体モジュール1のヒートシンク2と反対側に設けられ、各半導体モジュール1のネジ貫通孔5と対応した位置にネジ貫通孔8が設けられている。押え用板状バネ7を補強する補強梁9は、押え用板状バネ7上に押え用板状バネ7の長手方向に沿う中央部に設けられている。補強梁9にも各半導体モジュール1のネジ貫通孔5と対応した位置にネジ貫通孔10が設けられている。
FIG. 6 is an exploded perspective view showing a semiconductor device of an application (Japanese Patent Application No. 2002-243102) filed by the same applicant. In FIG. 6, a plurality of
これらの組み立ては、ヒートシンク2上に、各半導体モジュール1と押え用板状バネ7と補強梁9を、各ネジ穴6と各ネジ貫通孔5,8,10を位置合わせして載置し、ネジ11で所望の荷重に締め付けて、各半導体モジュール1をヒートシンク2に固定する。このときネジ11の締め付け力が、押え用板状バネ7のたわみによって分散され、押え用板状バネ7が全圧縮するころには、各半導体モジュール1に所望の均一な荷重を印加することができる。これは、押え用板状バネ7の断面形状をペントルーフ型としたことによる効果である。さらに補強梁9を用いることにより、押え用板状バネ7の曲げ剛性を補い、押え用板状バネ7をより均一に各半導体モジュール1に押しつけることができる。
These assemblies are carried on the
このように図6の構成により、各半導体モジュール1に所望の均一な荷重を印加することができ、半導体モジュール1とヒートシンク2間の熱抵抗を低くし安定化を図ることができる。
しかしながら、より厳密に検討してみると、さらなる均一な荷重の印加に係わる課題があることが判った。図7は図6で用いられた半導体モジュール1の底面図を示す。図6の
押え用板状バネ7と補強梁9を用いた場合、図7の領域12は押さえ荷重が大きいが、領域13は押さえ荷重が小さくなり、半導体モジュール1全体をより均一に押さえることができない。
As described above, with the configuration of FIG. 6, a desired uniform load can be applied to each
However, a more rigorous study revealed that there are problems associated with applying a more uniform load. FIG. 7 is a bottom view of the
さらに、半導体モジュール1が複数個の場合、各半導体モジュール1の高さ寸法のばらつきにより、押さえ荷重も各半導体モジュール1でばらつく。その結果、高さ寸法が小さい半導体モジュール1の押さえ荷重が低下し、半導体モジュール1とヒートシンク2間の熱抵抗が大きくなるため、半導体モジュール1内の半導体素子(チップ)の温度上昇が大きくなる。特に車載用インバータなどのパワー半導体モジュールでは、限られた少スペースでのモジュール化が求められており、さらなる半導体素子の温度上昇は避けられない。そこで放熱性を高めるには、より一層の均一かつ安定した押さえ荷重で各半導体モジュール1をヒートシンク2に密着固定させる必要がある。
この発明は、より一層、半導体モジュールを均一な荷重で固定し、半導体モジュールとヒートシンク間の熱抵抗を低くし、安定化を図るものである。
Furthermore, when there are a plurality of
The present invention further stabilizes the semiconductor module by fixing the semiconductor module with a uniform load, lowering the thermal resistance between the semiconductor module and the heat sink.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1である半導体装置を示す分解斜視図である。図2は図1に用いられる押え用板状バネの構成を説明する上面図である。なお、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。図2に示すように、押え用板状バネ71には、半導体モジュール1同志の境界部に沿う位置に対応して、スリット14が形成されている。このスリット14は押え用板状バネ71の周縁部を分割する裂目(切欠き)である。
1 is an exploded perspective view showing a semiconductor device according to
押え用板状バネ71に切り欠きスリット14を設けると、半導体モジュール1が補強梁91側から補強梁91と押え用板状バネ71を介して、半導体モジュール1のネジ貫通孔5に挿入されたネジ11によりヒートシンク2に固定されるとき、ネジ11の締め付け力は、各半導体モジュール1に分散される。これにより、押え用板状バネ71は1つであっても、押さえ荷重は各半導体モジュール1で独立されているため、各半導体モジュール1の高さ寸法のばらつきがたとえあっても、これを吸収することができる。なお、半導体モジュール1が複数個で個別に分離されている場合はもちろんであるが、半導体モジュール1が分割されていない一体物であっても、押え用板状バネ71に切り欠きスリット14を設けることにより、ネジ11の締め付け力は、半導体モジュール1の各部に分散され、荷重の均一化に相当の効果が期待できる。なおまた、補強梁91は実施の形態2で詳述する
When the
実施の形態2.
図3は実施の形態2における補強梁を示す底面側斜視図である。図3のように、補強梁91の押え用板状バネ7側には、半導体モジュール1同志の境界部に荷重を発生させる(伝える)ために、半導体モジュール1同志の境界部に対応した位置に突起15を設ける。突起15はネジ貫通孔10の両側に設けられている。押え用板状バネ7として、図6に用いたスリット14のない押え用板状バネ7と共に用いた場合でも、補強梁91に突起15を設けることにより、半導体モジュール1の押さえ荷重が不足している図7の領域13の荷重を補うことができる。
FIG. 3 is a bottom perspective view showing the reinforcing beam in the second embodiment. As shown in FIG. 3, on the side of the
また、突起15の高さ寸法、位置を最適化することにより、各半導体モジュール1の高さ寸法のばらつきを吸収することができる。これは、補強梁91の所望位置に突起15を付加したこと、および補強梁91のバネ効果によるものである。なお、半導体モジュール1が複数個で個別に分離されている場合はもちろんであるが、半導体モジュール1が分割されていない一体物であっても、補強梁91に所望位置に突起15を付加することにより、ネジ11の締め付け力は、半導体モジュール1の所望部に分散され、荷重の均一化に相当の効果が期待できる。さらに、実施の形態1における切り欠きスリット14を設けた押え用板状バネ71と共に、突起15を設けた補強梁91を用いることにより、半導体モジュール1の固定は、より安定したものとなる。
Further, by optimizing the height dimension and position of the
実施の形態3.
図4は実施の形態3における補強梁を示す正面図である。図4のように、補強梁92は波形形状に形成している。実施の形態2の補強梁91と比較すると、補強梁91の突起15に対応する位置に、突起15に相当する補強梁92の波形の膨らみ16が形成されている。補強梁91に換えて補強梁92を使用しても同等の効果が期待できる。
FIG. 4 is a front view showing a reinforcing beam in the third embodiment. As shown in FIG. 4, the reinforcing
実施の形態4.
図5は実施の形態4における補強梁を示す正面図である。図5のように、実施の形態2において、補強梁91を半導体モジュール1同志の境界部に対応する位置で完全に分割して、補強梁93を形成している。この補強梁93とスリット14付きの押え用板状バネ71を使用してネジ11で各半導体モジュール1をヒートシンク2に締め付け固定すると、ネジ11の締め付け力は、各半導体モジュール1で完全に分離される。これにより、各半導体モジュール1の高さ寸法および各突起15の高さ寸法のばらつきが原因で発生する各半導体モジュール1の押さえ荷重のばらつきを完全に解消することができる。なお、半導体モジュール1が複数個で個別に分離されている場合はもちろんであるが、半導体モジュール1が分割されていない一体物であっても、補強梁93に所望位置に突起15を付加することとあいまって、ネジ11の締め付け力は、半導体モジュール1の所望部に分散され、荷重の均一化に相当の効果が期待できる。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 5 is a front view showing a reinforcing beam in the fourth embodiment. As shown in FIG. 5, in the second embodiment, the reinforcing beam 91 is completely divided at a position corresponding to the boundary between the
1 半導体モジュール 2 ヒートシンク
3 電源接続用端子 4 出力端子
5 ネジ貫通孔 6 ネジ穴
7 押え用板状バネ 8 ネジ貫通孔
9 補強梁 10 ネジ貫通孔
11 ネジ 12 領域
13 領域 14 スリット
15 突起 16 膨らみ
71 押え用板状バネ
91 補強梁 92 補強梁
93 補強梁。
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