JP4434879B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力用半導体装置（パワーモジュール）に関する。本発明は、特に、モータ制御、エアコン等のインバータあるいはＮＣ制御等に用いられるパワーモジュールのように、銅又はアルミ等の金属製の放熱板と、表面に銅又はアルミ等の金属箔が張られたセラミックスからなる放熱用絶縁基板と、絶縁基板上に配置する半導体素子と、半導体素子を接続する端子及びワイヤを有する電力用半導体装置に関する。

従来技術における、パワーデバイス素子を搭載した２素子インバータ結線の電力用半導体装置は、概ね以下のように構成される。まず、銅又はアルミ等の金属製の放熱板の上に、表裏面に銅又はアルミ等の金属箔が張られたセラミックスからなる一対の（即ち、２枚の）放熱用絶縁基板が半田により接着される。該絶縁基板の各々の上にパワーデバイス素子（半導体素子）が、同じ積層構造を形成して備わる。パワーデバイス素子（半導体素子）の電気配線ではアルミ又は金のワイヤを使用している。それらの側面及び上面をケースで覆う。ケース内にはエポキシ系の樹脂が充填、もしくはシリコンのゲル状樹脂が封止されている。

上述のように、パワーデバイス用のＰＫＧ（パッケージ）構造では、金属製の放熱板上に、表裏面に金属箔が張られたセラミックスからなる絶縁基板を半田により接着している。このために、放熱板の線膨張係数と放熱用絶縁基板の線膨張係数の差によるバイメタル効果により、放熱板に僅かに反りが生じることがある。この放熱板の反りのために、放熱板と冷却フィンとの間に塗布したシリコン系のグリスの厚みよりも両者の間の隙間が大きくなってしまい空泡層が生じてしまうことがある。そうすると、半導体装置全体の熱抵抗が大きくなり、放熱の効率が悪化する。

特許文献１に示される半導体装置では、一対の半導体素体を含む積層体が、板ばね及びねじにより底板に押圧される。特許文献１に記載の発明は、該積層体の底板への恒久的な固定を目指すものであり、底板の線膨張係数と絶縁基板の線膨張係数の差によるバイメタル効果から生じる底板の反りの問題を解消するものでは無い。
特開昭５９−５８８５６号公報

上述のように従来技術の電力用半導体装置では、バイメタル効果により放熱板が反ることがある。本発明は、電力用半導体装置のアセンブリ後にこのような反りが生じても、その反りを簡単に矯正できるようにすることを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するために為されたものである。本発明に係る電力用半導体装置は、
互いに対向する第１の主面と第２の主面とを有し金属からなる放熱板、
互いに対向する表主面と裏主面とを有し、上記表主面に回路パターンが、上記裏主面に裏面パターンが形成され、上記裏面パターンが上記放熱板の上記第１の主面上に互いに間隔を置いて配置されて半田付けされた少なくとも一対の、上記放熱板と線膨張係数が異なる絶縁基板、
上記回路パターン上に半田付け実装された半導体素子、
一端の開口端縁が上記放熱板の上記第１の主面の周縁に固着され、上記絶縁基板及び上記半導体素子を囲繞すると共に、上記第１の主面に対する投影が上記一対の絶縁基板間に位置する梁部を有するケース、及び、
上記梁部を貫通し、その先端で上記放熱板に上記第１の主面側から押圧力を与え、上記放熱板を上記第２の主面側に反らし得る雄ねじ体
を備えた電力用半導体装置である。

本発明を利用することにより、簡単な構成で放熱板の反りを低減できるだけでなく、一対の絶縁基板の間、即ち、放熱板の中央部をねじ（雄ねじ体）で押すことで、上記放熱板の反り矯正のための上記ねじの押圧力を低減できるなどの効果を得られる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る好適な実施の形態を説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の正面図（１）と、断面図（２）である。実施の形態１に係る電力用半導体装置は、銅やアルミの金属からなる放熱板１０と、表面に銅やアルミの金属箔が張られたセラミックスからなる一対の（即ち、２枚の）放熱用絶縁基板１６と、該絶縁基板１６上に配置される半導体素子１４と、半導体素子１４を接続する端子及びワイヤ６とを有する。それらは、例えば樹脂製であるケース２内に配置される。ケース２内には、通常、エポキシ系の樹脂が充填されているか、もしくはシリコンのゲル状樹脂８が封止されている。

ケース２の上面には、ふた４が附される。ケースの上面の端部には、取出電極１８が設けられている。

本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置は、図面（図１（２））左方の放熱用絶縁基板１６及び半導体素子１４と図面右方の放熱用絶縁基板１６及び半導体素子１４との間に、且つ放熱板１０の上部表面に、ケースの梁部２２を有する。このケースの梁部２２は、内部にジャッキアップ構造を有する。具体的に言うと、梁部２２にねじ（雄ねじ体）２０を通すための孔２６が形成される（図２、図１参照）。孔２６は、一定の円断面を有し鉛直方向に伸展し、最下部２８にてその形状が少し大きくなる。その形状が大きくなる最下部２８には、インサートナット２４が挿入され固定される。つまり、最下部２８の形状は、挿入されるインサートナット２４を含んで動かさないものとなっている。このとき、孔２６の円断面は、挿入されるねじ２０の軸横断面より僅かに大きく、インサートナット２４の中空部の側壁には、挿入されるねじ２０と噛み合うねじ山が形成されている。更に、孔２６の円断面の中心軸とインサートナット２４の中心軸とは一致する。

かような孔２６にねじ２０が挿入される。ねじ２０はインサートナット２４と噛み合い回転しつつ下方に進む（図２参照）ことができる。

上記のように実施の形態１に係る電力用半導体装置のケース梁部２２に設ける孔２６、インサートナット２４、及びねじ２０が、ジャッキアップ機構を構成する。ねじ２０が孔２６及びインサートナット２４の下方に進むように締められる（即ち、回される）と、ねじ２０の先端部が放熱板１０のほぼ中央部を下方に押すことになる。

実施の形態１と比較対照のために、パワーデバイス素子を搭載した２素子インバータ結線の従来例の電力用半導体装置に係る図（断面図）を、図８（１）に示す。

図８に示される電力用半導体装置は、図１に示される実施の形態１に係る電力用半導体装置と略同様の構成であるが、ケースの梁部２３にジャッキアップ構造が備わらない。

実施の形態１の電力用半導体装置でも、従来技術の電力用半導体装置でも、金属製の放熱板１０上に、表裏面に金属箔が張られたセラミックスからなる絶縁基板１６を半田１２により接着させている。そうすると、放熱板１０の線膨張係数と放熱用絶縁基板１６の線膨張係数の差によるバイメタル効果により、放熱板１０に僅かに反りが生じようとすることがある（図８（２）参照）。この放熱板１０の反りが生じると、放熱板１０と冷却フィンとの間に塗布したシリコン系のグリスの厚みよりも両者の間の隙間が大きくなってしまい空泡層が生じてしまうことがある。そうすると、半導体装置全体の熱抵抗が大きくなり、放熱の効率が悪化する。

実施の形態１に係る電力用半導体装置では、放熱板１０の線膨張係数と放熱用絶縁基板１６の線膨張係数の差によるバイメタル効果によって放熱板に反りが生じたとしても、その反り（変形）を上記ジャッキアップ機構により適宜矯正することができる。即ち、電力用半導体装置をアセンブリした後であっても、バイメタル効果による放熱板１０の反りを平坦に戻すことが可能となる。従って、バイメタル効果による熱抵抗悪化が防止される。

ここで、ジャッキアップ機構は、複数あってもよい。つまり、梁部２２に設けられる孔２６とインサートナット２４、及びねじ２０が、複数組あってもよい。こうすると、放熱板１０の反りの均一化を容易に図ることができる。従って、放熱板１０の反りをより容易に平坦に戻すことができる。図３は、ケース２の壁と梁部２２との接合部の部分拡大斜視図である。図３に示される梁部２２には（少なくとも）２つの孔２６が形成され、（少なくとも）２本のねじ２０が配設される。

梁部２２の端部の両方ともが、ケース２の内壁と一体化しているのが好ましい。一体化していれば梁部２２の強度が増大し得るからである。また、組み立て上の便宜から、梁部２２の端部のうち一つがケース２の内壁と一体のものでなくてもよい。図３の部分拡大斜視図では、一体化して形成されたケース２の内壁と梁部２２とが示される。

また、図２に示すように、梁部２２にその長手方向に沿って金属からなる外部接続端子２５をインサートして、梁部２２を端子ブロックとしてもよい。こうすることで、殊更補強部材を用いなくとも梁部２２の強度を増大させ得る。図３に示される梁部２２にも長手方向に沿って外部接続端子２５がインサートされている。

これら外部接続端子２５の（他との）接続領域以外が、梁部２２内部に埋め込まれ露出していなくてもよい。こうすることで梁部の強度を更に増大できる。例えば、図３に示される梁部２２において、外部接続端子２５の上部２７や側部を梁部２２と同じ材料で覆い梁部２２（及びケース２の内壁）と一体化すれば、外部接続端子２５が梁部２２に埋め込まれ露出しないことになる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置のケースの梁部２２の断面図である。なお、実施の形態２に係る電力用半導体装置は、実施の形態１に係る電力用半導体装置と略同様のものである。従って、その差異、即ち梁部２２の構成を中心に説明する。また、以下の実施の形態に係る電力用半導体装置においても、ケース２内にエポキシ系の樹脂が充填されている、もしくはシリコンのゲル状樹脂が封止されているが、実施の形態を説明する図面では、便宜上それらゲル状樹脂を省いている。

図４に示すように、梁部２２には、ねじ２０を通すための孔２６が形成される。孔２６は、一定の円断面を有し鉛直方向に伸展し、梁部２２の中腹部と最下部にて、形状が大きくなる。形状が大きくなる中腹部には、実施の形態１と同様に、インサートナット２４が設定され固定される。孔２６の円断面の中心軸とインサートナット２４の中心軸とは一致するようにインサートナット２４が配置され、インサートナット２４の中空部の側壁には挿入されるねじ２０と噛み合うねじ山が形成される。

一方、孔２６の最下部３０は円筒形の空洞となっており、その円筒形の中心軸は孔２６の中心軸と一致する。この円筒形の空洞には、当該円筒形よりも僅かに小さい円柱形の樹脂（押圧補助体）３２が挿入される。

かような孔２６にねじ２０が挿入される。ねじ２０は、まずインサートナット２４と噛み合い回転しつつ下方に進む。そして、円柱形樹脂３２の上面部に到達し更に進む方向に回されると、ねじ２０の先端部は円柱形樹脂３２を下方に押すことになる。

従って、実施の形態２に係る電力用半導体装置の梁部２２に設ける孔２６、インサートナット２４、円柱形樹脂３２、及びねじ２０は、ジャッキアップ機構を構成する。しかも、実施の形態１に係るものと比べると、放熱板１０を上方から押す部分の面積が大きいため、より厚い放熱板やより面積の大きい放熱板であっても、反りを矯正できる。また、放熱板の面積や厚さが同じであれば、実施の形態１に係るものと比べると、反りの矯正をより均一化して行うことができる。

ねじ２０の先端部と接する円柱形樹脂３２上面の部位に、ねじ２０の先端部の一部分が
挿入・固定される凹部が予め形成され、ねじ２０の先端部が固定されてもよい。

実施の形態３．
図５（２）は、本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の断面図である。実施の形態３に係る電力用半導体装置は、実施の形態１に係る電力用半導体装置と略同様のものである。従って、同一の部位には同一の符号を付して説明を省略し、それらの差異を中心に説明する。

図５（１）に示す電力用半導体装置（の断面図）は、図１に示す実施の形態１に係る電力用半導体装置にふた３４’を被せたものである。図５（１）に示す電力用半導体装置では、中央部に位置する梁部２２のジャッキアップ機構と関わりなくふた３４’が設置されているが、図５（２）に示す実施の形態３に係る電力用半導体装置では、ふた３４がねじ２０によりケース２の梁部２２に締め付けられている。

つまり、実施の形態３に係る電力用半導体装置では、ふた３４の中央部が円筒形の凹みを形成しており、凹みの最下部にはインサートナット３６が（例えば溶接などにより）固定されている。インサートナット３６の中空部はふた３４の表面と裏面に通じており中心軸は鉛直方向を向いている。更に、ふた３４を設置したときに、インサートナット３６が梁部２２の上端に位置し、且つ、孔２６と中心軸が一致することになるように、ふた３４の凹みが形成される。

ここで、ふた３４の凹み、インサートナット３６、孔２６、及びインサートナット２４を貫くように、ねじ２０を進行させ回転させると、ジャッキアップ機構が機能するだけでなく、同時にふた３４が梁部２２に締め付けられることになる。

実施の形態１に係る電力用半導体装置では、アセンブリ後にふた３４’が設けられてしまうと、放熱板１０の反りの矯正が事実上できなくなってしまう。ところが、実施の形態３に係る電力用半導体装置では、ふた３４の外部からねじ２０を締め込んでいくことができるので、製品の最終形においても放熱板１０の反りを矯正できることになる。

また、実施の形態３に係る電力用半導体装置では、図５（２）に示すように、板状をなす別部品であるふた３４の外周を、ケース２の内壁に当接し回動を阻止することが好ましい。つまり、ふた３４の外周側部を当接させるようにケース２の内壁が形成されており、そこにふた３４の外周側部が当て嵌められ、その上でねじ２０が締められ、板状部品のふた３４の回動が阻止される。こうすることで、ふた３４及び電力用半導体装置本体の設定が安定する。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置の断面図である。実施の形態４に係る電力用半導体装置は、実施の形態３に係る電力用半導体装置と略同様のものである。従って、同一の部位には同一の符号を付して説明を省略し、それらの差異を中心に説明する。

実施の形態３に係る電力用半導体装置において放熱板１０に反りが生じた場合、ねじ２０を締め込んでねじ２０を下方に進行させれば、放熱板１０の反りは解消され得る。ところがその場合、逆にふた３４に下向きの反りが生じることも想定される。そうすると、ふた３４とケース２との間に隙間が生じてしまい、外見上も決して好ましくないものとなる。

このため、実施の形態４に係る電力用半導体装置では、ふた３４の中央部の凹みの最下部にインサートナットが備わらない。更に、ねじ２０の頭部と、ふた３４の凹みの最下部上面との間に、ばね（弾性体）３８が挟まれる。そうすると、ねじ２０の下方への進行によりジャッキアップ機構が実効化する一方で、このばね３８の弾力によりふた３４の下向きの反りが軽減・解消され得る。

実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５に係る電力用半導体装置の断面図である。実施の形態５に係る電力用半導体装置は、実施の形態３に係る電力用半導体装置と略同様のものである。従って、同一の部位には同一の符号を付して説明を省略し、それらの差異を中心に説明する。

実施の形態５に係る電力用半導体装置では、プリント基板４０とシールド板４２とが、梁部２２の上端部に設けられ、ふた３４に付属するインサートナット３６と梁部２２上端部に挟まれる。プリント基板４０とシールド板４２との、ふた３４に付属するインサートナット３６の中空部及び梁部２２の孔２６に挟まれる部位には、ねじ２０が通過できる程度の穴が開けられる。従って、ねじ２０が締められれば、ふた３４、プリント基板４０、シールド板４２、梁部２２、及びインサートナット２４を、相当程度に一体化して固定できる。

また、ねじ２０を導電体とし更に放熱板１０に接触するようにすれば、プリント基板４０とシールド板４２の電位をグラウンド（接地）に落とすことができる。

本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の正面図（１）と断面図（２）である。 本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の梁部の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る梁部とケース内壁との部分拡大斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の梁部の断面図である。 （１）は、図１に示す実施の形態１に係る電力用半導体装置にふたを被せたものの断面図である。（２）は、本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態５に係る電力用半導体装置の断面図である。 パワーデバイス素子を搭載した２素子インバータ結線の電力用半導体装置の従来例の１相分に関する図である。（１）は断面図、（２）は反りが生じたときの放熱板の断面図を示す。

符号の説明

２ ケース、 ６ ワイヤ、 ８ ゲル状樹脂、 １０ 放熱板、 １４ 半導体素子、 １６ 絶縁基板、 ２０ ねじ、 ２２ 梁部、 ２３ 梁部、 ２４ インサートナット、 ２５ 外部接続端子、 ２６ 孔、 ３２ 円柱樹脂、 ３４ ふた、 ３６ インサートナット、 ３８ ばね、 ４０ プリント基板、 ４２ シールド板。

Claims (9)

1. 互いに対向する第１の主面と第２の主面とを有し金属からなる放熱板、
   互いに対向する表主面と裏主面とを有し、上記表主面に回路パターンが、上記裏主面に裏面パターンが形成され、上記裏面パターンが上記放熱板の上記第１の主面上に互いに間隔を置いて配置されて半田付けされた少なくとも一対の、上記放熱板と線膨張係数が異なる絶縁基板、
   上記回路パターン上に半田付け実装された半導体素子、
   一端の開口端縁が上記放熱板の上記第１の主面の周縁に固着され、上記絶縁基板及び上記半導体素子を囲繞すると共に、上記第１の主面に対する投影が上記一対の絶縁基板間に位置する梁部を有するケース、
   上記梁部を貫通し、その先端で上記放熱板に上記第１の主面側から押圧力を与え、上記放熱板を上記第２の主面側に反らし得る雄ねじ体を備えた電力用半導体装置。
2. 梁部の両端をケースの内壁と一体化したことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
3. 梁部に、その長さ方向に沿って外部接続端子をインサートし、上記梁部を端子ブロックとしたことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の電力用半導体装置。
4. 上記外部接続端子は、他との接続領域外を上記梁部に埋め込み露出しないようにしたことを特徴とする請求項３に記載の電力用半導体装置。
5. 梁部の長手方向に沿って、上記雄ねじ体を複数本配設したことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
6. 上記雄ねじ体を梁部に螺着することで、別部品を固着したことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
7. 別部品が板状をなすものにおいては、その外周をケースの内壁に当接し、回動を阻止したことを特徴とする請求項６に記載の電力用半導体装置。
8. 上記雄ねじ体と上記別部品との間に上記別部品を上記雄ねじ体の軸方向に付勢する弾性体を配設したことを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置。
9. 雄ねじ体の先端に該先端より面積が大なる押圧補助体を設け、該押圧補助体を介し上記放熱板を押圧するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。

Images