JP4743536B2 - 半導体実装構造 - Google Patents

Description

本発明は、半導体チップや半導体モジュールなどの半導体部品の実装構造（半導体実装構造と略称する）及びその実装方法の改良に関する。

車両エンジンルームなどの高温環境で半導体部品を用いる場合、およびモータなどを駆動するような高電力が必要な半導体部品を用いる場合、優れた放熱性をもつ実装構造が要求される。

従来の半導体実装構造の一つとして、内部に半導体チップを有する半導体モジュールを電気絶縁シートを介して冷却用金属基板又はそれに相当する金属部材にねじで締結する方法が知られている。この半導体モジュールの裏面（冷却用金属基板側の面）には金属板が配置されており、この金属板には半導体チップが搭載されている。半導体チップの熱は、金属板、電気絶縁シートを介して冷却用金属基板に放散される。半導体モジュールは、外部配線に接続されるリード端子をもつ。

従来の半導体実装構造の他の一つとして、内部に半導体チップを有する半導体モジュールを配線基板（絶縁金属基板とも言う）にはんだ接合し、この配線基板をねじにより冷却用金属基板又はそれに相当する金属部材に締結する方法が知られている。好適には、配線基板は、裏面が冷却用金属基板に密着する金属板と、この金属板の表面に電気絶縁層を介してパターニングされた銅箔配線パターンとをもつ。半導体モジュールのリード端子は銅箔配線にはんだ付けされる。この種の半導体実装構造が、下記の特許文献１に記載されている。
特表２００５−５１２３４５号公報

しかしながら、上記した従来の半導体実装構造において、上記半導体モジュールや配線基板と同様に冷却用金属基板上に多数のバスバーを締結することが考えられる。これにより、配線損失の低減とバスバーを通じての半導体モジュールの良好な冷却が期待される。

しかし、この場合には多数のバスバーを冷却用金属基板に電気絶縁を確保しつついちいちねじにより締結する必要が更に生じるため、実装作業が非常に面倒となる。

この問題を解決するには、各バスバーを冷却用金属基板に接着するということも考えられる。ただし、この場合には、粘着層がバスバーと冷却用金属基板との間の熱伝導率を増大させるという問題を派生させる。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、実装作業の煩雑化を抑止しつつ半導体部品をバスバー及び冷却用金属基板に実装可能な半導体実装構造を提供することをその目的としている。

上記課題を解決する本発明は、半導体素子を有する半導体部品と、前記半導体部品が接続されるとともに所定パターンで平面配列された複数のバスバーと、電気絶縁可能かつ熱伝導良好に前記バスバー群の反素子搭載面に密着する冷却用金属基板と、前記各バスバーと前記冷却用金属基板との間に介設される面状の第１の電気絶縁部材と、前記第１の電気絶縁部材を貫通して前記各バスバーを前記冷却用金属基板に機械的に結合するとともに第２の電気絶縁部材により前記バスバーから電気絶縁されている固定部材と、を備え、前記固定部材は、前記バスバーを貫通して前記冷却用金属基板に押しつけられる複数の脚部と、前記バスバーに搭載された前記半導体部品を前記バスバーに押さえつけるとともに前記複数の脚部を連結する連結板部とを有する門形部材と、前記門形部材を前記冷却用金属基板に押圧付勢する押圧付勢部材と、を有するものであって、前記門形部材は、前記複数の脚部の先端側に前記バスバーを前記冷却用金属基板に押圧するための段部が形成されるとともに、前記押圧付勢部材により押圧されることによって前記半導体部品と前記各バスバーとを同時に前記冷却用金属基板に固定することをその特徴としている。

すなわち、この発明によれば、固定部材は、各バスバーを冷却用金属基板へ押しつける脚部と、半導体部品をバスバーを介して冷却用金属基板へ押しつける板部とが一体化されてなる門形部材を、押圧付勢部材により冷却用金属基板に押しつけている。このため、低電気抵抗をもち配線損失が少ないバスバーに半導体部品を接続できるとともに、各バスバーの固定が従来のねじ締結に比べて格段に容易となる。また、半導体部品が発生する熱も良好に冷却用金属基板に放熱することができる。押圧付勢部材としては、冷却用金属基板に固定された弾性体（クリップなど）や、冷却用金属基板が固定された筐体の蓋板又はそれに固定された弾性材料などを用いることができる。なお、これらの弾性は、各部の寸法公差を吸収するためである。更に、門形部材は、複数の脚部の先端側に段部が形成されるとともに、押圧付勢部材により押圧されることによって半導体部品と複数のバスバーとを同時に冷却用金属基板に固定することができる。

本発明の好適な実施形態を以下に説明する。

（実施形態１）
実施形態１の半導体実装構造を図１を参照して説明する。図１は、この半導体実装構造を示す断面図である。

この半導体実装構造は、半導体素子を内蔵する半導体部品１と、半導体部品１が接続されるとともに所定パターンで平面配列された複数のバスバー２、３と、電気絶縁可能かつ熱伝導良好にバスバー２、３の反素子搭載面に密着する冷却用金属基板４と、バスバー２、３と冷却用金属基板４との間に介設される電気絶縁シート（面状の第１の電気絶縁部材）５と、電気絶縁シート５を貫通してバスバー２、３を冷却用金属基板４に変形作用により機械的に結合するとともに樹脂輪板（第２の電気絶縁部材）６によりバスバー２、３から電気絶縁されている２本のブラインドリベット（固定部材）７とを有している。

なお、この実施例としては、電気絶縁シート５として薄い良熱伝導性シートを採用したが、冷却用金属基板４の上面に樹脂膜を形成したり、バスバー２、３の表面に樹脂膜を形成するなどの公知の代替方法を採用しても良い。

この実施形態では、半導体部品１は、図示したリード端子１１、１２を含む必要数のリード端子を有してバスバー２にはんだにより接合乃至接着剤により接着された半導体モジュールからなるが、これに限定されるものではない。たとえばバスバー２上に樹脂モールドされた半導体チップでもよい。また、両面に電極をなす金属板が露出したカード状の半導体モジュールでもよい。リード端子１１はバスバー２に、リード端子１２はバスバー３にはんだ接合されている。

バスバー２、３、電気絶縁シート５、冷却用金属基板４には貫通孔が２セット形成され、ブラインドリベット７が２セットの貫通孔にそれぞれ嵌挿されてかしめられている。更に詳しく説明すると、７０はブラインドリベット７の頭部、７１はブラインドリベット７の先端部である。ブラインドリベット７の頭部７０は、樹脂輪板６を介してバスバー２、３の表面（半導体モジュール側）に接している。この状態でブラインドリベット７に軸方向力を与えてその先端部７１をかしめることにより、バスバー２、３は冷却用金属基板４に強固に固定される。

なお、ブラインドリベット７の外周面と、それに対面するバスバー２、３の貫通孔との間には図示省略したが、リベット周壁絶縁用の電気絶縁性樹脂材（第２の電気絶縁部材）が介設されている。このリベット周壁絶縁用の電気絶縁性樹脂材は、樹脂スリーブでもよく、貫通孔にあらかじめ注入され、リベットかしめ後に固化した液状樹脂とすることができる。その他、バスバー２、３の貫通孔の表面に予め塗布された樹脂膜や、ブラインドリベット７の外周面にあらかじめ塗布された樹脂膜としてもよい。その他、ブラインドリベット７を樹脂により構成してもよく、この場合には上記した第２の電気絶縁部材を省略することができる。

（実施形態２）
実施形態２の半導体実装構造を図２を参照して説明する。図２は、この半導体実装構造を示す断面図である。

この半導体実装構造は、図１において樹脂輪板６及びブラインドリベット７の代わりに、樹脂製の釘状体８を用いた点が異なっている。なお、冷却用金属基板４には貫通孔の代わりに底付き穴４１が凹設されているが、貫通孔としてもよい。ただし、この冷却用金属基板４の底付き穴４１の内径は、この樹脂製の釘状体８の外径より僅かに小さくされている。樹脂製の釘状体８は、バスバー２、３の貫通孔及び電気絶縁シート５の貫通孔を通じて冷却用金属基板４の底付き穴４１に圧入される。この圧入による樹脂製の釘状体８の先端部の塑性変形によりバスバー２、３は良好に冷却用金属基板４に十分良好に固定される。この樹脂製の釘状体８は、本発明で言う第２の電気絶縁部材を兼ねている。なお、樹脂製の釘状体８は、金属芯を有していても良く、あるいは、金属製の釘状体８を実施形態１と同様の方法でバスバー２、３から電気絶縁してもよい。

（実施形態３）
実施形態３の半導体実装構造を図３を参照して説明する。図３は、この半導体実装構造を示す断面図である。

この半導体実装構造は、図２において樹脂製の釘状体８を溶融固化した棒状樹脂部材９に変更した点が異なっている。この棒状樹脂部材９は、バスバー２、３の貫通孔及び電気絶縁シート５の貫通孔を通じて冷却用金属基板４の底付き穴４１に溶融樹脂液を注入し、固化させてバスバー２、３を冷却用金属基板に固定したものである。このようにしても実施形態２と同様の効果を奏することができる。なお、棒状樹脂部材９は、バスバー２、３の貫通孔及び電気絶縁シート５の貫通孔を通じて冷却用金属基板４の底付き穴４１にあらかじめ押し込んだ棒状樹脂部材９を熱により軟化させて行ってもよい。

（実施形態４）
実施形態４の半導体実装構造を図４を参照して説明する。図４は、この半導体実装構造を示す断面図である。

この半導体実装構造は、図１においてブラインドリベット７を省略し、その代わりに冷却用金属基板４の上面から突出する棒状突起４２と、この棒状突起４２に樹脂輪板（第２の電気絶縁部材）６を介して易変形製の金属リング１０を嵌め、この金属リング１０を塑性変形させてバスバー２、３を冷却用金属基板４に固定したものである。金属リング１０としては種々の形態が可能であるが、たとえば王冠状に形成して棒状突起４２に被せても良い。なお、この実施形態においても、バスバー２、３の貫通孔の内周面と棒状突起４２の外周面とは既述の方法により電気絶縁される。この実施形態においても、バスバー２、３を冷却用金属基板４に良好に固定することができる。

（実施形態５）
実施形態５の半導体実装構造を図５を参照して説明する。図５は、この半導体実装構造を示す断面図である。

この半導体実装構造は、図４において易変形製の金属リング１０を省略し、棒状突起４２を略直角に曲げてその先端部によりバスバー２、３を押さえつけることにより、バスバー２、３を冷却用金属基板４に固定している。なお、図５では、棒状突起４２は、冷却用金属基板４の端部に形成されているが、冷却用金属基板４の中央部に設けても良い。また、図５では、棒状突起４２はバスバー２、３の端部に配置されているが、バスバー２、３の貫通孔に嵌め込まれても良いことはもちろんである。この実施形態でも、図４に示す樹脂輪板６と同様の樹脂部材６１が、棒状突起４２とバスバー２、３との間に介設されている。この樹脂部材６１としては、フランジ形状に形成されてその筒部が棒状突起４２に嵌着されることが好適である。このようにすれば、棒状突起４２の先端部を曲げるだけでバスバー２、３を冷却用金属基板４に簡単に固定することができる。

（実施形態６）
実施形態６の半導体実装構造を図６を参照して説明する。図６は、この半導体実装構造を示す断面図である。

この半導体実装構造は、図１において冷却用金属基板４の貫通孔を省略し、更にブラインドリベット７の代わりに樹脂製の門形部材１０１と、この門形部材１０１を押圧付勢する押圧付勢部材１０２を採用した点にその特徴がある。

門形部材１０１は、一対の脚部１０１a、１０１bと、これら脚部１０１a、１０１bと一体に形成されて冷却用金属基板４の上面と平行に延在する連結板部１０１cとを有して門形に形成されている。門形部材１０１が押圧付勢部材１０２により冷却用金属基板４に向けて押圧付勢されているため、門形部材１０１の脚部１０１ａ、１０１ｂの先端部はバスバー２、３の貫通孔に挿入され、電気絶縁シート５を通じて冷却用金属基板４を押圧している。脚部１０１ａ、１０１ｂの先端部をバスバー２、３の貫通孔に挿入することは必須ではなく、バスバー２、３の貫通孔を底付き穴としてもよい。

押圧付勢部材１０２は、たとえば一端部が門形部材１０１を押圧付勢し、他端部が冷却用金属基板４の裏面を押圧付勢するコ字状のクリップとしてもよい。その代わりに、この半導体実装構造が収容される筐体の蓋板又はその蓋板の裏面に設けられた弾性板により押圧付勢部材を構成してもよい。

（実装方法）
上記した各実施形態において、専用の降下押圧治具を用いて各バスバー２、３の固定は一括して行われる。このようにすれば、各バスバー２、３を一々締結することに比べて格段に実装作業時間を短縮することができる。また、冷却用金属基板４の挿入穴に、ねじ山が必要なくなるため、加工費も低減できる。

実施形態１の半導体実装構造を示す縦断面図である。 実施形態２の半導体実装構造を示す縦断面図である。 実施形態３の半導体実装構造を示す縦断面図である。 実施形態４の半導体実装構造を示す縦断面図である。 実施形態５の半導体実装構造を示す縦断面図である。 実施形態６の半導体実装構造を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 半導体部品
２ バスバー
３ バスバー
４ 冷却用金属基板
５ 電気絶縁シート
６ 樹脂輪板
７ ブラインドリベット
８ 釘状体
９ 棒状樹脂部材
１０ 金属リング
１１ リード端子
１２ リード端子
４１ 底付き穴
４２ 棒状突起
６１ 樹脂部材
７０ 頭部
７１ 先端部
１０１ 門形部材
１０１a 脚部
１０１b 脚部
１０１c 連結板部
１０２ 押圧付勢部材

Claims (1)

1. 半導体素子を有する半導体部品と、
   前記半導体部品が接続されるとともに所定パターンで平面配列された複数のバスバーと、
   電気絶縁可能かつ熱伝導良好に前記バスバー群の反素子搭載面に密着する冷却用金属基板と、
   前記各バスバーと前記冷却用金属基板との間に介設される面状の第１の電気絶縁部材と、
   前記第１の電気絶縁部材を貫通して前記各バスバーを前記冷却用金属基板に機械的に結合するとともに第２の電気絶縁部材により前記バスバーから電気絶縁されている固定部材と、
   を備え、
   前記固定部材は、
   前記バスバーを貫通して前記冷却用金属基板に押しつけられる複数の脚部と、前記バスバーに搭載された前記半導体部品を前記バスバーに押さえつけるとともに前記複数の脚部を連結する連結板部とを有する門形部材と、
   前記門形部材を前記冷却用金属基板に押圧付勢する押圧付勢部材と、
   を有するものであって、
   前記門形部材は、前記複数の脚部の先端側に前記バスバーを前記冷却用金属基板に押圧するための段部が形成されるとともに、前記押圧付勢部材により押圧されることによって前記半導体部品と前記各バスバーとを同時に前記冷却用金属基板に固定することを特徴とする半導体実装構造。

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