JP4685039B2 - Power semiconductor device - Google Patents
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Description
この発明は電力半導体装置に関するものであり、特に電力半導体装置がグリースを介してヒートシンクなどの放熱体に取り付けられる際の放熱構造の改良に関するものである。 The present invention relates to a power semiconductor device, and more particularly to improvement of a heat dissipation structure when the power semiconductor device is attached to a heat sink such as a heat sink via grease.
従来より電力半導体装置はそれを構成する素子の発熱が大きいため、ヒートシンクなどの放熱体を取り付けて放熱し、温度上昇の抑制を図っていた。そして電力半導体装置においては、ベース板とヒートシンクの間にグリースを介在させ、ねじによりベース板をヒートシンクに締め付けて固定していた。 Conventionally, a power semiconductor device generates a large amount of heat from elements constituting the power semiconductor device. Therefore, a heat radiator such as a heat sink is attached to dissipate heat to suppress an increase in temperature. In the power semiconductor device, grease is interposed between the base plate and the heat sink, and the base plate is fastened and fixed to the heat sink with screws.
ここでグリースの熱伝導性は金属の熱伝導性よりも2桁程度劣り、グリースの層が厚いと電力半導体装置とヒートシンクの間の熱抵抗が著しく大きくなってしまい、放熱性が劣ってしまうという問題点があった。 Here, the thermal conductivity of grease is inferior to that of metal by about two orders of magnitude. If the grease layer is thick, the thermal resistance between the power semiconductor device and the heat sink is significantly increased, resulting in poor heat dissipation. There was a problem.
このような問題点を解決するための従来装置として、ベース板底面側の外周部に突起を形成することにより、ベース板底面とヒートシンク上面間に隙間を形成し、突起よりもベース板内側においてねじで締め付けることによりヒートシンク側に向かってベース板が凸状になるように反らせる構造が存在していた。 As a conventional device for solving such problems, a protrusion is formed on the outer peripheral portion on the bottom surface side of the base plate, so that a gap is formed between the bottom surface of the base plate and the upper surface of the heat sink. There is a structure in which the base plate is warped so that the base plate becomes convex toward the heat sink side by tightening.
このような構造においては、ねじで締め付けていくに従って、ベース板の中央部付近が凸形状になるようにベース板が反るため、電力半導体装置をヒートシンクに取り付ける際、特に中央部にあるグリースを排斥することができる(特許文献1参照)。 In such a structure, as the base plate is warped so that the vicinity of the central portion of the base plate becomes convex as it is tightened with screws, when attaching the power semiconductor device to the heat sink, especially the grease in the central portion is used. It can be eliminated (see Patent Document 1).
従来の電力半導体装置は以上のように構成されているので、ねじが全長に亘ってねじ穴内に収まっていないため、クリープによる変形によってねじが緩んでしまうという問題点があった。 Since the conventional power semiconductor device is configured as described above, there is a problem in that the screw is loosened due to deformation due to creep because the screw does not fit in the screw hole over the entire length.
また、ねじの頭とケースとの接触面が少なくなるので、電力半導体装置とヒートシンクをねじで固定する際には、ねじにはモーメントが作用することになる。このモーメント力に対抗して、ねじの断面に生じる最大垂直応力を軽減するためにはねじの断面係数を大きくしなければならず、ねじの小型化を図ることができないという問題点があった。 In addition, since the contact surface between the screw head and the case is reduced, a moment acts on the screw when the power semiconductor device and the heat sink are fixed with the screw. In order to counteract this moment force and reduce the maximum normal stress generated in the cross section of the screw, the section modulus of the screw has to be increased, and there is a problem that the screw cannot be miniaturized.
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、ねじにより確実に電力半導体装置にヒートシンクを取り付けるとともに、電力半導体装置とヒートシンクとの間に介在するグリースの厚さを薄くすることを目的とするものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and securely attaches a heat sink to the power semiconductor device with screws, and reduces the thickness of the grease interposed between the power semiconductor device and the heat sink. It is for the purpose.
この発明に係る電力半導体装置は、ベース板とヒートシンクとの間にグリースを介在させ、ベース板に設けられた取り付け穴にねじを挿入することにより、ベース板をヒートシンクに固定したものであって、ベース板の角部近傍には取り付け穴が設けられた突出部を設けることによって他のベース板の底面よりも高くなるよう構成されるととともに、ベース板の角部の間の中央付近には突出部が設けられていない取り付け穴を設け、突出部が設けられていない取り付け穴内に挿入されたねじを締め付けることによって、ベース板をヒートシンク側に向かって凸形状になるように変形させたものである。 The power semiconductor device according to the present invention is such that grease is interposed between the base plate and the heat sink, and the base plate is fixed to the heat sink by inserting a screw into a mounting hole provided in the base plate, Protruding portions with mounting holes in the vicinity of the corners of the base plate are configured to be higher than the bottom surfaces of the other base plates, and projecting near the center between the corners of the base plate. The base plate is deformed so as to have a convex shape toward the heat sink side by tightening a screw inserted into the mounting hole not provided with the projecting portion and provided with the protruding portion. .
この発明に係る電力半導体装置によれば、ベース板とヒートシンクとの間にグリースを介在させ、ベース板に設けられた取り付け穴にねじを挿入することにより、ベース板をヒートシンクに固定したものであって、ベース板の角部近傍には取り付け穴が設けられた突出部を設けることによって他のベース板の底面よりも高くなるよう構成されるととともに、ベース板の角部の間の中央付近には突出部が設けられていない取り付け穴を設け、突出部が設けられていない取り付け穴内に挿入されたねじを締め付けることによって、ベース板をヒートシンク側に向かって凸形状になるように変形させたので、ねじの頭部の下面部と突出部の上面部とは平面状に接触するとともに、突出部の下面部とヒートシンクの上面部も平面状に接触することとなり、ねじを安定して取り付け穴内に固定することができる。 According to the power semiconductor device of the present invention, the base plate is fixed to the heat sink by inserting grease between the base plate and the heat sink and inserting screws into the mounting holes provided in the base plate. Te, along with a configured to be higher than the bottom surface of the other of the base plate by providing the projecting portion mounting holes provided in the vicinity of the corner portions of the base plate, in the vicinity of the center between the corners of the base plate Since the base plate was deformed so as to have a convex shape toward the heat sink by tightening the screw inserted in the mounting hole without the protrusion, and the mounting hole without the protrusion. The lower surface portion of the screw head and the upper surface portion of the projecting portion are in contact with each other in a planar manner, and the lower surface portion of the projecting portion and the upper surface portion of the heat sink are also in contact with each other in a planar shape. It can be fixed to the mounting hole screws stably.
またヒートシンクに向かってベース板が凸状になるようにねじを締め付けても、取り付け穴の周辺部においては、ねじが確実に着座するため、従来のようにねじ山に大きな軸力が加わってねじがクリープ変形するようなことがなく、長期間使用してもねじの緩みが発生しない。 Even if the base plate is tightened so that the base plate is convex toward the heat sink, the screw is securely seated in the periphery of the mounting hole. No creep deformation occurs and the screws do not loosen even after long-term use.
更に従来のように、大きなねじを使用しなくてもよいため、電力半導体装置の小型化を図ることができるとともに、コストダウンを図ることができる。 Furthermore, since it is not necessary to use a large screw as in the prior art, the power semiconductor device can be miniaturized and the cost can be reduced.
実施の形態1.
以下この発明の一実施形態を図に基づいて説明する。図1はこの発明の実施の形態1による電力半導体装置を示す分解斜視図である。電力半導体装置1は、ケース2及びベース板3を有しており、ケース2内には図示しない基板に搭載された半導体素子が内蔵され、ベース板3は銅やアルミニウム、およびこれらを含む合成材料から構成されている。
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 is an exploded perspective view showing a power semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention. The power semiconductor device 1 has a
更に通常、ベース板3の外周部には取り付け用の穴4が設けられており、電力半導体装置1はヒートシンク5に対してねじ6によって固定される。取り付け穴4aはベース板3の角部付近の4カ所に設けられるとともに、取り付け穴4bは角部の間の中央付近に4カ所設けられている。
Further, usually, a
本実施の形態においては、4角に位置している取り付け穴4aの周辺部は突出部7によって他のベース板3の底面よりも高くなるように構成されている。尚後に述べるように、突出部7はスペーサとしてベース板3とは別の構成部品で構成しても良いし、又ベース板3の突出部としてベース板3と一体的に構成するようにしても良い。又ベース板3とヒートシンク5の間には図示しないグリースが挿入されている。
In the present embodiment, the peripheral portion of the
図2(a)、(b)は図1におけるA−A線断面図であり、図2(a)は電力半導体装置1をヒートシンク5に取り付ける際に、取り付け穴4bにねじ6を挿入して、ねじ6を締め付ける前の状態を示す断面図であり、図2(b)は締め付けた後の状態を示す断面図である。尚図2においては、突出部7がベース板3に一体的に設けられている例を示している。
FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views taken along line AA in FIG. 1. FIG. 2A shows that when the power semiconductor device 1 is attached to the
図2(a)の状態から取り付け穴4bに挿入されたねじ6を締め付けていくと、突出部7の角を支点として両もち梁の要領でベース板3は図2(b)に示されるように湾曲する。ベース板3の全面において、図2(b)に示すような湾曲する力が働くため、ベース板3の中央部には、ベース面の法線方向にベース板3を変形させようとする曲げモーメント力が働く。
When the screw 6 inserted into the
この曲げモーメント力により、中央部にあるグリースは掃き出され、この部分のグリースの厚さを薄くすることができる。また、取り付け穴4aにおいては、ねじ6の頭部の下面部と突出部7の上面部とは平面状に接触するとともに、突出部7の下面部とヒートシンク5の上面部も平面状に接触しているので、ねじ6を安定して取り付け穴4a内に固定することができる。
Due to this bending moment force, the grease in the center is swept out, and the thickness of the grease in this portion can be reduced. Further, in the
更に取り付け穴4bにおいては、突出部7間の概ね中央部に設けられているので、支点となる突出部7の角部と取り付け穴4bとの距離が十分大きいため、適切なトルクでねじ6を締め付けることができるようになり、ねじ6を取り付け穴6b内に安定して固定することができる。
Further, since the
また取り付け穴4aが設けられた突出部7はベース板3の角部近傍に設けられているので、ベース板3の全体をヒートシンク5側に向かって凸状に変形させることができるようになり、より多くのグリースを排斥することができるようになる。
Moreover, since the
図3は従来装置におけるように、ベース板3の底面側の外周部に突起を形成することにより、ベース板3の底面とヒートシンク5の上面間に隙間を形成し、突起よりもベース板3の内側においてねじ6で締め付けることにより、ヒートシンク5側に向かってベース板3が凸状になるように反らせる構造を示す拡大断面図である。
In FIG. 3, as in the conventional apparatus, a protrusion is formed on the outer peripheral portion on the bottom surface side of the
このような構造では、Mで示すような力が働くので、ねじ6が全長に亘ってねじ穴内に収まらないため、クリープによる変形によってねじ6が緩んでしまうという問題点があったが、本発明においては、Mで示すような力は働かないので、このような問題は発生しにくくなるのである。 In such a structure, since a force as indicated by M works, the screw 6 does not fit in the screw hole over the entire length, and thus there is a problem that the screw 6 is loosened due to deformation due to creep. In this case, since the force indicated by M does not work, such a problem is less likely to occur.
以上のように本発明によれば、ヒートシンク5に向かってベース板3が凸状になるようにねじ6を締め付けても、取り付け穴4aの周辺部においては、ねじ6が確実に着座するため、従来のようにねじ山に大きな軸力が加わってねじ6がクリープ変形するようなことがなく、長期間使用してもねじの緩みが発生しない。
As described above, according to the present invention, even if the screw 6 is tightened so that the
また従来のように、大きなねじを使用しなくてもよいため、電力半導体装置の小型化を図ることができるとともに、コストダウンを図ることができる。 In addition, since it is not necessary to use a large screw as in the prior art, the power semiconductor device can be downsized and the cost can be reduced.
突出部7はめっきによってベース板3と一体的に形成することができる。この場合、突出部7が形成される取り付け穴4a周辺部以外のベース板3の底面部をレジストや金属板等でマスクし、取り付け穴4a周辺部のみにめっきを施すようにして突出部7を形成する。
The
めっきとしては、錫めっき、ニッケルめっき等が採用され、特にねじによる締め付けに対する強度が必要である場合には、ニッケルめっき及びリンを含有したニッケルめっきを施すのが好ましい。 As the plating, tin plating, nickel plating, or the like is adopted, and nickel plating containing nickel plating and phosphorus is preferably applied particularly when strength against tightening by screws is required.
また、突出部7はプレス加工により形成することもできる。この場合、ベース板3を形成する際に、同時に塑性加工することにより突出部7を形成することができ、特段に突出部7を形成する工程を要せずに、プレス加工工程において同時に突出部7を形成することができる。その他機械加工によっても突出部7を形成することもできる。
Moreover, the
実施の形態2.
図4はこの発明の実施の形態2による電力半導体装置におけるベース板3を底面方向から見た平面図である。上記実施の形態1においては、図1に示されるように、突出部7の形状が矩形状であるのに対して、本実施形態においては、ベース板3の中心側に面する部分が円弧状となっている突出部11を設けたものである。
FIG. 4 is a plan view of
このような形状に形成することによって、取り付け穴4bに挿入されたねじを締め付けていくと、実施の形態1の場合と比べて、よりベース板3の底面の中心部に向かってベース板3が変形して、ベース板3の底面とヒートシンク5の上面とが接触する部分が多くなり、ベース板3の底面中央部付近に存在するグリースがより多く排斥されるようになって、熱伝導性が良くなる。
By forming into such a shape, when the screw inserted into the mounting
突出部の形状は上記に挙げた形状に限らず、取り付け穴4aの周囲に亘ってねじ及びベース板3が確実に着座するように、ベース板3の底面に突出部を設けることができる。これにより、取り付け穴4bに挿入されたねじを締め付けて、ベース板3の底面をヒートシンク5の上面側に向かって反るようにすることができる。
The shape of the protruding portion is not limited to the above-described shape, and the protruding portion can be provided on the bottom surface of the
実施の形態3.
図5はこの発明の実施の形態3による電力半導体装置におけるヒートシンク5を示す斜視図である。上記実施形態においては、突出部をベース板3の裏面側に一体的に形成する場合について説明したが、図4に示すように、ヒートシンク5の上面側に突出部21を形成するようにしても良い。
5 is a perspective view showing a
この場合は、電力半導体装置を取り付けるねじ6を挿入するための取り付け穴22の周辺が盛り上がるように突出部21を形成するものである。以上のように構成することにより、実施の形態1の場合と同様の動作を行うことができるようになる。
In this case, the protruding
突出部21の形成方法としては、実施の形態1の場合と同様に、ヒートシンク5の上面側に、めっき加工、機械加工及びプレス加工等によって形成することができる。又ヒートシンク5をダイキャスト方法によって形成する場合には、ヒートシンク製造工程において突出部21も一括して形成するようにすることができる。これにより製造工程を増やすことなく、突出部21を形成することが可能となる。
As a method for forming the protruding
更には、ベース板3もダイキャスト方法によって製造すれば、突出部も同時に形成することができるようになる。
Furthermore, if the
実施の形態4.
上記実施の形態においては、突出部をベース板3及びヒートシンク5に一体的に形成する場合について説明したが、別部材としてスペーサをベース板3及びヒートシンク5の間に設置するようにしてもよい。
In the above embodiment, the case where the protruding portion is formed integrally with the
このように構成することにより、上記実施の形態の場合と同様に、ねじを安定して取り付け穴内に固定することができるとともに、ベース板3をヒートシンク5に向かって凸形状に反らせてグリースの排斥を促進することができるようになる。
With this configuration, as in the case of the above-described embodiment, the screw can be stably fixed in the mounting hole, and the
尚、別部材としてスペーサを設置するよりも、突出部をベース板3及びヒートシンク5に一体的に形成する方が部品点数を削減することができるので、効率性は良くなる。
In addition, since the number of parts can be reduced by forming the projecting portion integrally with the
1 電力半導体装置、3 ベース板、4a,4b 取り付け穴、5 ヒートシンク、
6 ねじ、7,21 突出部。
1 power semiconductor device, 3 base plate, 4a, 4b mounting hole, 5 heat sink,
6 Screw, 7,21 Protruding part.
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