JP4129027B2 - 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等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.
車載用半導体装置として、ヒートシンクの上面に配置された半導体モジュール上に、板バネを配置し、さらに板バネ上に板バネを補強するための補強梁を配置し、補強梁の裏面に、板バネに向って突出する突起を設け、ネジによって補強梁をヒートシンク側に締め付ける際の締め付け荷重を、補強梁から板バネの所望の位置に伝えるように構成する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。 As an in-vehicle semiconductor device, a leaf spring is disposed on a semiconductor module disposed on the upper surface of a heat sink, and a reinforcing beam for reinforcing the leaf spring is disposed on the leaf spring, and a leaf spring is disposed on the back surface of the reinforcing beam. A technique is disclosed in which a protrusion that protrudes toward the heat sink is provided, and a tightening load when the reinforcing beam is tightened to the heat sink side with a screw is transmitted from the reinforcing beam to a desired position of the leaf spring (for example, Patent Documents). 1).
従来技術においては、補強梁裏面側に、ネジによる締め付け荷重を伝えるための複数の突起を設けていたが、その突起は一様な突出量であった。補強梁の長手方向両端部は、補強梁を固定するためのネジの外側において、片持ち梁の形態となってしまい、変形しやすく、締め付け荷重を十分に伝えることができず、補強梁による押え力が片持ち梁部分において不足するなどの問題があった。
また、薄型のヒートシンクや、放熱板上に半導体モジュールを配置する場合には、ヒートシンクまたは放熱板の剛性が低下するため、板バネおよび補強梁によって発生する押え力によってヒートシンクが変形し、半導体モジュールとヒートシンクとの圧接力が確保できなくなり、特に、最外側に配置された半導体モジュールを固定するネジよりも外側は、補強梁と同様に、ヒートシンクまたは放熱板も片持ち梁となるため、さらに変形しやすく、半導体モジュールとヒートシンクまたは放熱板との圧接力確保が困難となるという問題があった。
In the prior art, a plurality of protrusions for transmitting a tightening load by a screw are provided on the back side of the reinforcing beam, but the protrusions have a uniform protrusion amount. Both ends in the longitudinal direction of the reinforcing beam are in the form of cantilever beams outside the screws for fixing the reinforcing beam, are easily deformed, and cannot transmit the tightening load sufficiently. There was a problem that the force was insufficient in the cantilever part.
In addition, when a semiconductor module is placed on a thin heat sink or heat sink, the rigidity of the heat sink or heat sink decreases, so the heat sink is deformed by the pressing force generated by the leaf spring and the reinforcing beam, and the semiconductor module The pressure contact with the heat sink cannot be secured. Especially, the outside of the screw that fixes the semiconductor module arranged on the outermost side is a cantilever as well as the reinforcing beam. There is a problem that it is difficult to secure the pressure contact force between the semiconductor module and the heat sink or the heat sink.
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、補強梁の長手方向両端部における、半導体モジュールとヒートシンクまたは放熱板との圧接力不足を改善することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and aims to improve the lack of pressure contact between the semiconductor module and the heat sink or the heat sink at both longitudinal ends of the reinforcing beam. .
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上面側に配置された押え用板状バネ、上記押え用板状バネ上に配置され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裏面側に配置されたヒートシンクまたは放熱板を備え、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って上記ヒートシンク側または上記放熱板側に固定され、上記補強梁は、上記押え用板状バネと接する裏面側に、上記ネジによる締め付け荷重を上記押え用板状バネ側に伝える複数の突起を有し、上記補強梁の長手方向端部に位置する上記突起は、上記補強梁の長手方向の中央寄りに配置される上記突起よりも突出量が大きいことを特徴とするものである。 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 the center, a pressing plate spring disposed on the upper surface side of the semiconductor module, and the pressing plate shape A reinforcing beam arranged on a spring to reinforce the holding plate spring; a heat sink or a heat sink arranged on the back side of the semiconductor module; and the semiconductor module includes the reinforcing beam and the presser from the reinforcing beam side. It is fixed to the heat sink side or the heat radiating plate side by a screw inserted into the screw through hole of the semiconductor module through a plate spring for use, and the reinforcing beam is arranged on the back side in contact with the plate spring for holding A plurality of protrusions for transmitting a tightening load by a screw to the presser plate spring, and the protrusions positioned at the longitudinal ends of the reinforcing beams are Is located near the center of the direction is characterized in that the projecting amount than the projection is large.
また、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上面側に配置された押え用板状バネ、上記押え用板状バネ上に配置され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裏面側に配置されたヒートシンクまたは放熱板を備え、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って上記ヒートシンク側または上記放熱板側に固定され、上記補強梁の長手方向両端部を上記ヒートシンク側または上記放熱板側に締結したことを特徴とするものである。 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 in the center, a plate spring for pressing disposed on the upper surface side of the semiconductor module, and the pressing A reinforcing beam disposed on the plate spring to reinforce the pressing plate spring; a heat sink or a heat sink disposed on the back side of the semiconductor module; and the semiconductor module includes the reinforcing beam from the reinforcing beam side. It is fixed to the heat sink side or the heat radiating plate side by a screw inserted into the screw through hole of the semiconductor module via the pressing plate spring, and both longitudinal ends of the reinforcing beam are connected to the heat sink side or the heat radiating plate. It is characterized by being fastened to the side.
この発明の半導体装置によれば、補強梁の長手方向端部の片持ち梁となる部分に配置される突起の突出量を、長手方向中央寄りに配置される突起より大きく構成したために、補強梁端部における半導体モジュールとヒートシンクまたは放熱板との圧接力確保が可能になるという効果がある。 According to the semiconductor device of the present invention, since the protrusion amount of the protrusion disposed at the portion that becomes the cantilever at the longitudinal end portion of the reinforcing beam is configured to be larger than the protrusion disposed closer to the center in the longitudinal direction, There is an effect that it is possible to secure the pressure contact force between the semiconductor module and the heat sink or the heat sink at the end.
また、この発明の半導体装置によれば、補強梁の長手方向端部をヒートシンク側または放熱板側にネジにより締め付け固定するため、補強梁の端部が片持ち梁とならず、半導体モジュールとヒートシンクまたは放熱板との圧接力確保が可能になるという効果がある。 Also, according to the semiconductor device of the present invention, the end of the reinforcing beam in the longitudinal direction is fastened and fixed to the heat sink side or the heat sink by screws, so the end of the reinforcing beam does not become a cantilever, but the semiconductor module and the heat sink Alternatively, there is an effect that it is possible to ensure the pressure contact force with the heat sink.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す分解斜視図であり、図2は、この発明の実施の形態1に用いる補強梁94を示す側面図である。この実施の形態1の半導体装置は、同一出願人による出願である特開2005−235992号公報に示される半導体装置と基本的に同様の構造であるが、補強梁94の形状が違っている。この実施の形態1による補強梁94は、その片持ち梁となる補強梁長手方向端部(図2に示しているのは両端部)の裏面側(後述する押え用板状バネ71側)に配置される突起17が、補強梁94の中央寄りに配置される突起15よりも突出量が大きくなるように形成されている点に特徴がある。なお、図1および図2では、補強梁94の長手方向両端部が片持ち梁となっているが、片側のみが片持ち梁となる場合もあることは言うまでもない。
1 is an exploded perspective view showing a semiconductor device according to
まず、図1の半導体装置の基本構造について説明する。図1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(図1の例では3個。)がヒートシンク2上に並置されている。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。なお、図1中には記載していないが、後述する図3と同様に、半導体モジュール1の側面部から信号用端子が突出するような構成となっている。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。
First, the basic structure of the semiconductor device in FIG. 1 will be described. In FIG. 1, a plurality of
各半導体モジュール1に共通にペントルーフ(pentroof)型断面形状の押え用板状バネ71が、各半導体モジュール1のヒートシンク2と反対側の面(半導体モジュール1の上面側)に重ねて配置され、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71には、隣接する半導体モジュール1間の境界部に沿う位置に対応して、スリット(切り欠き)14が形成されている。押え用板状バネ71にスリット14を設けると、半導体モジュール1が補強梁94側から、補強梁94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側に固定されるとき、ネジ11の締め付け力は、各半導体モジュール1毎に分散される。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あったとしても、これを吸収することができる。
A
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。
Needless to say, a plurality of
押え用板状バネ71を補強する補強梁94は、押え用板状バネ71上の押え用板状バネ71の長手方向に沿う中央部に配置されている。補強梁94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、さらに補強梁94の押え用板状バネ71側(裏面側)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、および補強梁両端部に配置される突起17はネジ貫通孔10の両側に設けられる。補強梁94に突起15および17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部分の荷重を補うことができる。
The reinforcing
また、突起15および17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94の所望位置に突起15および17を付加したこと、および補強梁94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94に所望位置に突起15および17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におけるスリット14を設けた押え用板状バネ71と共に、突起15、17を設けた補強梁94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
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71と補強梁94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71のたわみによって分散され、押え用板状バネ71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71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94を用いることにより、押え用板状バネ71の曲げ剛性を補い、押え用板状バネ71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 performed by placing each
このように構成することにより、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。
With such a configuration, a desired uniform load can be applied to each
さらに、上述したように、この実施の形態1による半導体装置の特徴として、図2のような突起15、17が補強梁94に設けられている。補強梁94のネジ11による締め付けで片持ち梁となる長手方向両端部に設ける突起17は、中央寄りに設ける突起15よりも突出量が大きい。なお、図1および図2では、突起15および17は、円柱状の突出部であることを示唆しているが、この形状に限るものではなく、例えば、補強梁94を部分的に屈曲させて、裏面側に突出部を形成し、その突出量を調節することで突起15または17を形成することも可能である。ネジ11による締め付け荷重を、補強梁94から押え用板状バネ71側へ伝えることが可能な形状の突起であれば本発明に用いることができる。
Furthermore, as described above, as a feature of the semiconductor device according to the first embodiment, the
従来の構造のように、補強梁の突起を全て同じ突出量とした場合には、補強梁の両端(最外側に配置された半導体モジュールを固定するネジよりも外側に位置する補強梁端部。)が片持ち梁の状態になるために変形しやすく、ネジによる締め付け荷重を均等に伝えることができないという問題があったが、この実施の形態1による半導体装置では、片持ち梁となる補強梁94の両端部裏面側に配置する突起17を、補強梁94の中央寄りに配置される突起15よりも突出させることで、ネジ11による締め付け時に、積極的に補強梁94両端部の変形量を大きくすることにより、片持ち梁ではない補強梁中央寄りに配置される他の突起15と同等の押え力を伝達することが可能である。
When all the protrusions of the reinforcing beam have the same protruding amount as in the conventional structure, both ends of the reinforcing beam (the ends of the reinforcing beam positioned outside the screws for fixing the semiconductor module disposed on the outermost side). However, in the semiconductor device according to the first embodiment, the reinforcing beam to be a cantilever is easily deformed because it is in a cantilever state. By projecting the
このように、補強梁94のネジ11による締め付け荷重を、押え用板状バネ71側に均等に伝えるように構成することで、半導体モジュール1とヒートシンク2との熱抵抗を低く安定させることできる。
なお、上記の例では、ヒートシンク2上に半導体モジュール1を載置した構成について示しているが、ヒートシンク2に代えて、同等の剛性を持つ放熱板を用いる構造にも、補強梁94に突起17を設ける構造を適用させることも可能である。
As described above, the heat resistance between the
In the above example, the configuration in which the
実施の形態2.
図3はこの発明の実施の形態2に係る半導体装置を示す分解斜視図である。図3に示すように、半導体モジュール1の側面部からは、電源接続用端子3および出力端子4が突出しており、さらに、信号用端子41が複数本連続して突出する構造となっている。この実施の形態2による半導体装置は、同一出願人による出願である特開2005−235992号公報に示された半導体装置と基本的に同様の構成であるが、半導体装置の小型化、薄型化、軽量化、低コスト化のために、ヒートシンク2に替わる部材として板状の放熱板21を用いている点と、補強梁として両端部にネジ貫通孔30が設けられた補強梁95を用い、この補強梁95を、スペーサ19を介して、ネジ18によって放熱板21に設けられたネジ穴22に締結する構造としている点が異なっている。また、図示していないが、半導体モジュール1と放熱板21の間には、熱抵抗低減のために、熱伝導性を有するペースト状のグリスやシートなどの、柔軟性のある熱伝導部材を配置している。
3 is an exploded perspective view showing a semiconductor device according to
熱抵抗低減のために、半導体モジュール1とヒートシンク2または放熱板21の間に、熱伝導性を有するペースト状のグリスやシートなどの柔軟性のある熱伝導部材を配置する場合、半導体モジュール1とヒートシンク2または放熱板21を相当の力で押付けて、熱伝導部材が極力薄くなるように構成する必要がある。
In order to reduce the thermal resistance, when a flexible heat conductive member such as paste grease or sheet having heat conductivity is disposed between the
しかし、特開2005−235992号公報に示される半導体装置のように、補強梁の両端がヒートシンクと締結されていない場合、小型化、薄型化、軽量化、低コスト化のために、ヒートシンク2に代えて板状の放熱板21を使用すると、放熱板21の曲げ剛性が低いために、半導体モジュール1を押える力によって放熱板21が変形し、半導体モジュール1と放熱板21の圧接力が確保できなくなるという問題があった。特に、放熱板21は、最外側に配置された半導体モジュール1を固定するネジ11よりも外側では、補強梁の長手方向両端部がネジ11を支点とする片持ち梁の状態となり、変形しやすく、また、補強梁自体も変形しやすいため、半導体モジュール1と放熱板21の圧接力確保が困難となっていた。この結果、半導体モジュール1と放熱板21間の熱抵抗が高く不安定になってしまうという問題があった。
However, in the case where both ends of the reinforcing beam are not fastened to the heat sink as in the semiconductor device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2005-23592, the
そこで、この実施の形態2では、補強梁95として、その両端部にネジ貫通孔30が設けられたものを使用した。補強梁95を、スペーサ19(このスペーサ19の高さは、半導体モジュール1と押え用板状バネ71の厚みにほぼ相当し、ネジ軸を通すための穴部が設けられた筒状の部材である。)を介して、ネジ18によって放熱板21に設けられたネジ穴22に、間接的に締結する構造としている。ヒートシンク2に代えて配置される放熱板21は、複数個並べて配置された半導体モジュール1の配置面形状よりも一回り大きめの平面形状のものを用い、ネジ穴22は、補強梁95の長手方向端部(図3では両端部)に設けられるネジ貫通孔30に対応した位置となるよう、並置される半導体モジュール1の外側に設けられている。
Therefore, in the second embodiment, a reinforcing
このように、補強梁95の長手方向両端部をネジ18によって放熱板21側に締結する構造とすることにより、放熱板21の、最外側に配置された半導体モジュール1を固定するネジ11よりも外側が、特開2005−235992号公報に示される半導体装置のようにネジ11を支点とする片持ち梁の状態にならず、また補強梁95の両端部も片持ち梁の状態にならず、放熱板21および補強梁95の変形が抑制されるため、半導体モジュール1と放熱板21の圧接力確保が容易となり、ひいては半導体モジュール1と放熱板21間の熱抵抗が低く安定した状態を実現することができる。
In this way, by adopting a structure in which both ends in the longitudinal direction of the reinforcing
なお、補強梁95には、半導体モジュール1の端部を押えるための突起15が裏面側に設けられており、例えばその突出量は、全ての突起において同じとする。
また、上述した実施の形態1のように、補強梁94の長手方向両端部に設ける突起17を、他の突起15よりも突出させる構造とし、その突出量を調節した上で、この実施の形態2に適用させることも可能である。さらに、補強梁95両端部での固定を、ネジ18によって十分に行える場合、補強梁95の長手方向中央部の浮きを押える目的で、補強梁95中央寄りの突起の突出量を、両端部の突起よりも大きく構成するようにしても良い。突起の突出量については、用いる半導体モジュール1に応じて、適宜調節して用いることが可能である。なお、補強梁に設ける突起については、後述の実施の形態3、実施の形態4についても同様のことが言える。
The reinforcing
Further, as in the first embodiment described above, the
また、ヒートシンク2を用いた半導体装置に対し、上述した補強梁95を適用し、ヒートシンク2上に補強梁95両端に配置されるネジ18に対応するネジ穴を設けた上で、補強梁95両端部をネジ18によってヒートシンク2側に締め付け固定するような構造とすることで、補強梁両端部が片持ち梁となることに起因する問題を解決できることは言うまでもない。
Further, the above-described reinforcing
実施の形態3.
図4はこの発明の実施の形態3に係る半導体装置を示す分解斜視図である。この実施の形態3は、図4に示すように、上述した実施の形態2に示される半導体装置と基本的に同様の構成であるが、スペーサ19に替わる部材として、スペーサ31を用いている点が異なる。上述したスペーサ19が、ネジ軸を通すための筒状部材であったが、この実施の形態3によるスペーサ31は、下部に突出したネジ部32を、上部にネジ部32を締めるためのネジ頭33を有し、そのネジ頭33の上部から、ネジ部32と同軸となるように掘り込まれたネジ穴を有している。
4 is an exploded perspective view showing a semiconductor device according to
ネジ部32は、放熱板21に設けられたネジ穴22に締結され、ネジ頭33側のネジ穴には、補強梁95の端部を固定するネジ18が締結される。これにより、補強梁95の端部がスペーサ31を介して間接的に放熱板21に固定され、実施の形態2と同様に、放熱板21の変形が抑制されるため、半導体モジュール1と放熱板21の圧接力確保が容易となり、ひいては半導体モジュール1と放熱板21間の熱抵抗が低く安定した状態を実現することができる。
The
この実施の形態3において、上記のような構成とする目的は、組立の自動化を容易にすることにある。実施の形態2の場合、スペーサ19はネジ18が締結されるまで位置が固定されないため、組立の自動化を行う際には、ネジ18が締結されるまで、スペーサ19を何らかの方法で位置決めするか、あるいは仮固定することが必要となっていた。
In the third embodiment, the purpose of the above configuration is to facilitate the automation of assembly. In the case of the second embodiment, since the position of the
しかしながら、この実施の形態3のように下部がネジ部32であるスペーサ31を用いることで、下部に突出したネジ部32を放熱板21に設けられたネジ穴22に嵌合させ、締め付け固定でき、補強梁95を締め付けるためのネジ18が締結されていない状態においても、スペーサ31を位置決め、固定できるため、組立の自動化が容易となるという効果がある。
However, by using the
実施の形態4.
図5はこの発明の実施の形態4に係る半導体装置を示す分解斜視図である。本実施の形態は、図5に示すように、実施の形態2および実施の形態3に示した半導体装置とほぼ同様の構成であるが、補強梁95と放熱板21の間にスペーサ19または31を設けず、両端部に曲げ加工を施した補強梁96を用いて、ネジ18によって補強梁96を放熱板21に直接固定する点が異なる。
5 is an exploded perspective view showing a semiconductor device according to
この実施の形態4によれば、補強梁96と放熱板21の間にスペーサを設けず、両端部に曲げ加工を施して、スペーサに相当する高さを出した補強梁96を用いて、補強梁96を放熱板21に直接固定するので、先に述べた実施の形態2および3と比較して部品点数が削減でき、低コスト化で同様の効果を得ることが可能となる。
According to the fourth embodiment, a spacer is not provided between the reinforcing
また、この実施の形態2〜実施の形態4においては、補強梁に設ける突起の有無や突出量は、適宜最適化されていれば良く、例えば、補強梁の両端または一端に配置する突起をなくす構造とする場合もあることは言うまでもない。 In the second to fourth embodiments, the presence / absence of protrusions and the amount of protrusion provided on the reinforcing beam may be optimized as appropriate. For example, the protrusions disposed at both ends or one end of the reinforcing beam are eliminated. Needless to say, the structure may be used.
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、8、10、30 ネジ貫通孔 6、22 ネジ穴
11、18 ネジ 14 スリット
15、17 突起 19、31 スペーサ
21 放熱板 32 ネジ部
33 ネジ頭 41 信号用端子
71 押え用板状バネ 94、95、96 補強梁。
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