JP4946845B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に係り、詳しくはインバータのように頻繁にスイッチングを行う複数のスイッチング素子（発熱素子）が金属ベース上に設けられた半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device in which a plurality of switching elements (heating elements) such as an inverter that are frequently switched are provided on a metal base.

交流モータの駆動回路、誘導加熱用電力発生装置、交流電源装置等に使用されるインバータ回路を構成する半導体装置は、複数個（３相交流では６個、単相交流では４個）のスイッチング素子が頻繁にスイッチングを行うため発熱が大きくなる。そのため、半導体装置を構成するスイッチング素子やダイオードが接続された半導体モジュールをアルミニウム製の放熱板（ヒートシンク）に密着させて放熱を行うようにしている。半導体モジュールを放熱板に密着させる方法として半導体モジュールをねじで放熱板に締め付け固定する方法が一般的である。例えば、インバータの上アーム又は下アームの一つを構成する半導体モジュールでは締め付けに４本のねじが必要となり、６個の半導体モジュールをねじで放熱板に固定する場合は２４本のねじが必要になる。また、インバータの１組の上アーム及び下アームを１個の半導体モジュールとした場合、締め付けに４本のねじが必要となり、３個の半導体モジュールをねじで放熱板に固定するためには、４×３＝１２本のねじが必要になる。   There are a plurality of switching devices (6 for three-phase AC and 4 for single-phase AC) that constitute an inverter circuit used in an AC motor drive circuit, an induction heating power generator, an AC power supply, and the like. However, since the switching is frequently performed, heat generation is increased. For this reason, a semiconductor module to which switching elements and diodes constituting the semiconductor device are connected is brought into close contact with an aluminum heat sink (heat sink) for heat dissipation. As a method for bringing the semiconductor module into close contact with the heat sink, a method of fastening the semiconductor module to the heat sink with screws is generally used. For example, a semiconductor module that constitutes one of the upper arm or lower arm of the inverter requires four screws for tightening, and 24 screws are required to fix six semiconductor modules to the heat sink with screws. Become. In addition, when the upper arm and the lower arm of one set of the inverter are one semiconductor module, four screws are required for tightening, and in order to fix the three semiconductor modules to the heatsink with screws, 4 X3 = 12 screws are required.

また、従来、感熱素子内蔵型半導体モジュールとして、図６に示すように、ヒートシンク４１上に３個の半導体モジュール４２及び感熱素子４３をそれぞれ４本のねじ４４で固定した構成が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、特許文献１には、図７に示すように、ベース板４５上に半導体チップ４６及び感熱素子４７を取り付け、そのベース板４５を、カバー４８を介してねじ４９でヒートシンク４１に締め付け固定した感熱素子内蔵型半導体モジュールも開示されている。この半導体モジュールでは、カバー４８が感熱素子４７の出力端子ＴＨの取り付け部となるため、カバー４８は、例えば、セラミック等の絶縁性及び放熱性に優れた材質からなる。
特開平１−２８６７８１号公報 Conventionally, as a semiconductor module with a built-in thermal element, a configuration in which three semiconductor modules 42 and a thermal element 43 are fixed on a heat sink 41 with four screws 44 as shown in FIG. For example, see Patent Document 1.) In Patent Document 1, as shown in FIG. 7, a semiconductor chip 46 and a thermal element 47 are attached on a base plate 45, and the base plate 45 is fastened and fixed to the heat sink 41 with a screw 49 through a cover 48. A semiconductor module with a built-in thermal element is also disclosed. In this semiconductor module, since the cover 48 serves as a mounting portion for the output terminal TH of the thermal element 47, the cover 48 is made of a material having excellent insulating properties and heat dissipation properties, such as ceramic.
Japanese Patent Laid-Open No. 1-286781

半導体装置（半導体モジュール）の発熱素子で発生した熱を効率良く放熱するためには、スイッチング素子やダイオード等の発熱素子が接続された半導体モジュールを放熱板に密着させる必要がある。インバータの上アームや下アームを構成する半導体モジュールを放熱板にねじで締め付ける構成では、ねじの本数が増え、半導体装置の体格が大きくなり、組み付け工数も多くなる。   In order to efficiently dissipate the heat generated in the heat generating element of the semiconductor device (semiconductor module), it is necessary to closely attach the semiconductor module to which the heat generating element such as a switching element or a diode is connected to the heat sink. In the configuration in which the semiconductor modules constituting the upper arm and lower arm of the inverter are fastened to the heat sink with screws, the number of screws increases, the size of the semiconductor device increases, and the number of assembly steps increases.

この問題を解決する方法として、例えば、インバータの上アーム及び下アームを構成する全てのスイッチング素子及びダイオード等の発熱素子を一つの金属ベースの上に実装し、その金属ベースを四隅においてねじにより放熱板に締め付け固定することが考えられる。しかし、その場合は、複数の半導体モジュールで一つのインバータを構成する場合に比較して、金属ベースの面積が大きくなる。スイッチング素子及びダイオード等の発熱素子は金属ベースに半田付けで実装されるため、半田付け時の熱応力により、発熱素子が実装された後の金属ベースは反った状態になることがある。この反った状態の金属ベースを四隅においてねじで放熱板に固定した場合、例えば、金属ベースが上に凸の状態に反っていた場合には、金属ベース全面が放熱板と接触するようにその反りが修正（矯正）されなくても、四隅がねじで締め付け固定される。また、金属ベースが下に凸の状態に反っていた場合には、金属ベースの四隅をねじで固定する際に、金属ベースが反転して上に凸の状態に反った状態になり、やはり、金属ベース全面が放熱板と接触するようにその反りが修正（矯正）されなくても、四隅がねじで締め付け固定される。   As a method for solving this problem, for example, all the switching elements and the heating elements such as diodes constituting the upper arm and lower arm of the inverter are mounted on one metal base, and the metal base is radiated by screws at the four corners. It is conceivable to tighten and fix the plate. However, in this case, the area of the metal base is increased as compared with the case where one inverter is constituted by a plurality of semiconductor modules. Since a heating element such as a switching element and a diode is mounted on a metal base by soldering, the metal base after the heating element is mounted may be warped due to thermal stress during soldering. When the warped metal base is fixed to the heat sink with screws at the four corners, for example, when the metal base is warped upward, the warp so that the entire surface of the metal base is in contact with the heat sink. Even if is not corrected (corrected), the four corners are fixed with screws. In addition, when the metal base is warped downward, when the four corners of the metal base are fixed with screws, the metal base is inverted and warped upward. Even if the warpage is not corrected (corrected) so that the entire surface of the metal base comes into contact with the heat sink, the four corners are fixed with screws.

特許文献１に開示された感熱素子内蔵型半導体モジュールでは、ベース板４５上に半導体チップ４６及び感熱素子４７が取り付けられ、そのベース板４５がカバー４８を介してヒートシンク４１に４本のねじ４９で締め付け固定された構成が開示されている。しかし、特許文献１の目的は、半導体モジュールの発熱量をリアルタイムに検出でき、熱破壊から半導体モジュールを保護することを可能にすることであり、カバー４８をセラミックスなどの絶縁材にしたのは、カバー４８が感熱素子４７の出力端子ＴＨの取り付け部になるからである。そして、特許文献１には、カバー４８を利用してベース板４５の反りを矯正する状態でヒートシンク４１にねじ４９により固定することに関しては何ら記載がない。   In the heat sensitive element built-in type semiconductor module disclosed in Patent Document 1, a semiconductor chip 46 and a heat sensitive element 47 are mounted on a base plate 45, and the base plate 45 is attached to the heat sink 41 with four screws 49 via a cover 48. A clamped configuration is disclosed. However, the purpose of Patent Document 1 is to detect the amount of heat generated in the semiconductor module in real time and to protect the semiconductor module from thermal destruction. The cover 48 is made of an insulating material such as ceramics. This is because the cover 48 becomes a mounting portion for the output terminal TH of the thermal element 47. And in patent document 1, there is no description about fixing to the heat sink 41 with the screw 49 in the state which correct | amends the curvature of the base board 45 using the cover 48. FIG.

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、複数の発熱素子が金属ベース上に設けられた半導体装置の放熱性を確保しつつ、体格を小型化できる半導体装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor that can be reduced in size while ensuring heat dissipation of a semiconductor device in which a plurality of heating elements are provided on a metal base. To provide an apparatus.

前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明は、複数の発熱素子が実装された金属ベースをヒートシンクに締結具により締め付け固定して、前記発熱素子から発生する熱を前記金属ベースを介して前記ヒートシンクに伝達する半導体装置である。そして、前記金属ベースは略矩形状に形成されるとともに、前記金属ベースの周縁の前記締結具が挿入される部分を除いた部分に沿って延びる側壁で形成された枠部を有するカバーを介して、かつ前記枠部が前記金属ベースに当接する状態で前記ヒートシンクに締結具で締め付け固定され、前記枠部の材質として剛性及び熱伝導性がアルミニウム系金属以上である金属が使用され、前記カバーは、前記金属ベースの周縁の前記締結具が挿入される部分に対応してフランジを形成し、該フランジに前記締結具が挿入されている。 In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, a metal base on which a plurality of heat generating elements are mounted is fastened and fixed to a heat sink by a fastener, and heat generated from the heat generating elements is passed through the metal base. A semiconductor device for transmitting to the heat sink. And the said metal base is formed in a substantially rectangular shape, and through the cover which has a frame part formed in the side wall extended along the part except the part in which the said fastener is inserted in the periphery of the said metal base and wherein the frame portion is clamped by the fastener to the heat sink in contact with the state on the metal base, the metal stiffness and thermal conductivity as the material of the frame part is aluminum-based metal or more is used, the cover A flange is formed corresponding to a portion of the peripheral edge of the metal base where the fastener is inserted, and the fastener is inserted into the flange .

この発明では、金属ベースはカバーを介して締結具によりヒートシンクに固定される。金属ベースが発熱素子の実装時における熱応力により、実装後に反った状態となっていても、金属ベースはその周縁部のほぼ全体がカバーの枠部により押圧されるため、反りが矯正されて金属ベースの全面がヒートシンクに密着する状態となる。その結果、金属ベースからヒートシンクへの熱伝達が効率良く行われる。また、カバーの熱伝達率がアルミニウム系金属以上で、金属ベースの周縁部がカバーに密着しているため、カバーからも放熱が良好に行われる。したがって、金属ベースをヒートシンクに固定する締結具の数を減らして半導体装置の体格を小型化しても、放熱性を確保することができる。   In the present invention, the metal base is fixed to the heat sink by the fastener through the cover. Even if the metal base is warped after mounting due to thermal stress at the time of mounting the heating element, the metal base is almost entirely pressed by the frame of the cover, so that the warp is corrected and the metal base is corrected. The entire surface of the base comes into close contact with the heat sink. As a result, heat transfer from the metal base to the heat sink is efficiently performed. Further, since the heat transfer coefficient of the cover is equal to or higher than that of the aluminum-based metal and the peripheral portion of the metal base is in close contact with the cover, heat can be radiated well from the cover. Therefore, even if the number of fasteners for fixing the metal base to the heat sink is reduced to reduce the size of the semiconductor device, heat dissipation can be ensured.

また、請求項１に記載の発明では、前記枠部の材質は金属である。剛性及び熱伝導性がアルミニウム系金属以上の材質としては、金属に限らず、セラミックスや複合材料もある。セラミックスの場合は機械的な衝撃に弱く、取り扱いに注意が必要である。しかし、この発明では枠部の材質は金属であるため、セラミックスに比較して機械的な衝撃に強く、取り扱いが容易になる。また、カバーを複合材料製とした場合に比較してカバーの形成が容易になる。 Further, in the invention according to claim 1, the material of the front Symbol frame part is a metal. The material having rigidity and thermal conductivity higher than that of the aluminum-based metal is not limited to metal, but includes ceramics and composite materials. In the case of ceramics, it is vulnerable to mechanical shock, and care must be taken in handling. However, in this invention, since the material of the frame portion is a metal, it is more resistant to mechanical impact than ceramics and is easy to handle. In addition, the cover can be formed more easily than when the cover is made of a composite material.

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記発熱素子はインバータ回路の各アームを構成するスイッチング素子及びダイオードである。インバータ回路は、単相交流を出力する構成では上アーム及び下アームの組が２組存在し、３相交流を出力する構成では上アーム及び下アームの組が３組存在する。したがって、昇圧回路や降圧回路に比較して発熱素子となるスイッチング素子やダイオードの数が多く、その分、金属ベースの面積が大きくなるため、金属ベースに発熱素子が実装された場合に金属ベースが反り易くなるが、反りが有効に抑制される。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the heating element is a switching element and a diode constituting each arm of the inverter circuit. The inverter circuit has two sets of upper and lower arms in a configuration that outputs single-phase alternating current, and three sets of upper and lower arms in a configuration that outputs three-phase alternating current. Therefore, the number of switching elements and diodes that are heat generating elements is larger than that of the booster circuit and the step-down circuit, and the area of the metal base is increased correspondingly. Therefore, when the heat generating element is mounted on the metal base, the metal base Although it becomes easy to warp, warpage is effectively suppressed.

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記各アームは、スイッチング素子及び前記スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードの組が複数並列に接続されて構成されている。この発明では、金属ベース上に実装される発熱素子の数が多くなるためその分、金属ベースの面積が大きくなり、金属ベースに発熱素子が実装された場合に金属ベースが反り易くなるが、反りが有効に抑制される。 The invention according to claim 3 is the invention according to claim 2 , wherein each of the arms is configured by connecting a plurality of sets of switching elements and diodes connected in antiparallel to the switching elements in parallel. . In this invention, since the number of heating elements mounted on the metal base increases, the area of the metal base increases correspondingly, and when the heating element is mounted on the metal base, the metal base tends to warp. Is effectively suppressed.

請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載の発明において、前記インバータ回路は、３相交流出力用である。したがって、この発明では、単相交流出力用に比較して発熱素子の数が多くなるため、カバーによる反り抑制効果が有効に寄与する。 According to a fourth aspect of the invention, in the invention of the second or third aspect , the inverter circuit is for three-phase AC output. Therefore, in this invention, since the number of heat generating elements is larger than that for single-phase AC output, the warp suppressing effect by the cover contributes effectively.

本発明によれば、複数の発熱素子が金属ベース上に設けられた半導体装置の放熱性を確保しつつ、体格を小型化できる半導体装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor device which can reduce a physique can be provided, ensuring the heat dissipation of the semiconductor device with which the several heat generating element was provided on the metal base.

以下、本発明を３相インバータ装置に具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１（ａ）に示すように、半導体装置としてのインバータ装置１１は、ヒートシンク１２に、複数の発熱素子が実装された金属ベース１３が、カバー１４を介して締結具としてのねじ１５により締め付け固定されている。ヒートシンク１２はアルミニウム系金属で略矩形状の平板状に形成され、四隅にボルト挿通用の孔１６が形成されている。また、ヒートシンク１２には、各孔１６の近くにねじ１５を螺合するねじ穴１２ａが形成されている。アルミニウム系金属とはアルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。 Hereinafter, an embodiment in which the present invention is embodied in a three-phase inverter device will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1A, in an inverter device 11 as a semiconductor device, a metal base 13 on which a plurality of heating elements are mounted on a heat sink 12 is fastened and fixed by screws 15 as fasteners via a cover 14. Has been. The heat sink 12 is made of an aluminum metal and is formed in a substantially rectangular flat plate shape, and bolt insertion holes 16 are formed at four corners. Further, the heat sink 12 is formed with screw holes 12 a for screwing screws 15 near the holes 16. An aluminum-based metal means aluminum or an aluminum alloy.

金属ベース１３は銅でヒートシンク１２より薄い平板状に形成され、外形はヒートシンク１２とほぼ同じに形成されるとともに、四隅が切り欠かれて、ヒートシンク１２を孔１６に挿通されるボルトで図示しない他の取り付け部へ固定する際に支障のないように形成されている。金属ベース１３には、四隅の切り欠きの近くでヒートシンク１２のねじ穴１２ａと対向する位置に、ねじ１５が貫通する挿通孔１７が形成されている。   The metal base 13 is made of copper and is formed in a flat plate shape that is thinner than the heat sink 12. The outer shape is substantially the same as that of the heat sink 12, and four corners are notched. It is formed so as not to interfere with the fixing to the mounting portion. An insertion hole 17 through which the screw 15 passes is formed in the metal base 13 at a position facing the screw hole 12a of the heat sink 12 near the notches at the four corners.

カバー１４はアルミニウム系金属で形成され、金属ベース１３と当接する側の外形が金属ベース１３と同じに形成されるとともに、四隅の切り欠きの近くにねじ１５や座金の配置スペースとなるフランジ１４ａを残して、金属ベース１３の周縁に沿って延びる側壁１８と、天板１９で略箱状に形成されている。側壁１８が枠部２０を構成する。フランジ１４ａには、金属ベース１３の挿通孔１７と対向する位置に挿通孔が形成されている。そして、ねじ１５が座金、カバー１４の挿通孔、挿通孔１７を貫通してねじ穴１２ａに螺合することで、金属ベース１３がカバー１４を介してヒートシンク１２にねじ１５により締め付け固定されている。   The cover 14 is made of an aluminum-based metal. The outer shape of the side that contacts the metal base 13 is the same as that of the metal base 13, and a flange 14 a serving as an arrangement space for the screws 15 and washers is provided near the notches at the four corners. The side wall 18 extending along the periphery of the metal base 13 and the top plate 19 are formed in a substantially box shape. The side wall 18 constitutes the frame portion 20. An insertion hole is formed in the flange 14 a at a position facing the insertion hole 17 of the metal base 13. Then, the screw 15 passes through the washer, the insertion hole of the cover 14 and the insertion hole 17 and is screwed into the screw hole 12a, whereby the metal base 13 is fastened and fixed to the heat sink 12 via the cover 14 with the screw 15. .

図２（ａ）はインバータ装置１１の回路図を示す。図２（ａ）に示すように、インバータ装置１１は、発熱素子としての６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６及びダイオードＤ１〜Ｄ６よりなるインバータ回路２１と、コンデンサＣとを備えている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、ＭＯＳＦＥＴが使用されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にはダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列に接続されている。インバータ回路２１は、第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、第３及び第４のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４、第５及び第６のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６がそれぞれ直列に接続されている。第１、第３及び第５のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５及び各第１、第３及び第５のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５に接続されたダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５の組はそれぞれ上アームと呼ばれる。また、第２、第４及び第６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６及び第２、第４及び第６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６に接続されたダイオードＤ２，Ｄ４，Ｄ６の組はそれぞれ下アームと呼ばれる。   FIG. 2A shows a circuit diagram of the inverter device 11. As shown in FIG. 2A, the inverter device 11 includes an inverter circuit 21 including six switching elements Q1 to Q6 and diodes D1 to D6 as heat generating elements, and a capacitor C. MOSFETs are used for the switching elements Q1 to Q6. Diodes D1 to D6 are connected in antiparallel to the switching elements Q1 to Q6. In the inverter circuit 21, first and second switching elements Q1 and Q2, third and fourth switching elements Q3 and Q4, and fifth and sixth switching elements Q5 and Q6 are connected in series, respectively. The first, third and fifth switching elements Q1, Q3 and Q5 and the diodes D1, D3 and D5 connected to the first, third and fifth switching elements Q1, Q3 and Q5 are respectively upper arms. Called. The second, fourth and sixth switching elements Q2, Q4 and Q6 and the diodes D2, D4 and D6 connected to the second, fourth and sixth switching elements Q2, Q4 and Q6 are respectively lower pairs. Called the arm.

第１、第３及び第５のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５のドレインがプラス入力端子２２に接続され、第２、第４及び第６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６のソースが、マイナス入力端子２３に接続されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の間の接合点はＵ相端子Ｕに、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の間の接合点はＶ相端子Ｖに、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の間の接合点はＷ相端子Ｗに、それぞれ接続されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートは駆動信号入力端子Ｇ１〜Ｇ６に接続されている。   The drains of the first, third, and fifth switching elements Q1, Q3, and Q5 are connected to the positive input terminal 22, and the sources of the second, fourth, and sixth switching elements Q2, Q4, and Q6 are the negative input terminal. 23. The junction between switching elements Q1 and Q2 is at U-phase terminal U, the junction between switching elements Q3 and Q4 is at V-phase terminal V, and the junction between switching elements Q5 and Q6 is at W-phase terminal W. , Each connected. The gates of the switching elements Q1 to Q6 are connected to the drive signal input terminals G1 to G6.

図２（ａ）には各上アーム及び各下アームがそれぞれ、１個のスイッチング素子及び１個のダイオードで構成されているが、各アームを流れる電流量が大きな場合は、各アームを図２（ｂ）に示すようにスイッチング素子ＱとダイオードＤの組が複数並列に接続された構成としても差し支えない。この実施形態では各アームはそれぞれ８組のスイッチング素子Ｑ及びダイオードＤで構成されている。   In FIG. 2A, each upper arm and each lower arm is composed of one switching element and one diode, but when the amount of current flowing through each arm is large, each arm is shown in FIG. As shown in (b), a plurality of pairs of switching elements Q and diodes D may be connected in parallel. In this embodiment, each arm is composed of eight sets of switching elements Q and diodes D.

図１（ｂ）は、金属ベース１３上に発熱素子が実装された状態を示す模式平面図である。金属ベース１３上には、１個スイッチング素子及び１個ダイオードが一つのデバイスとして組み込まれた発熱素子としての半導体チップ２４が、セラミック基板２５を介して実装されている。また、セラミック基板２５の一部を覆う状態で絶縁用ブラケット２６が金属ベース１３に接着されている。この実施形態では、図１（ｂ）において、上下方向に並んだ８個の半導体チップ２４がそれぞれ１つのアームを構成する。但し、一部の半導体チップ２４は絶縁用ブラケット２６の陰になって現れていない。   FIG. 1B is a schematic plan view showing a state where the heat generating element is mounted on the metal base 13. On the metal base 13, a semiconductor chip 24 as a heating element in which one switching element and one diode are incorporated as one device is mounted via a ceramic substrate 25. An insulating bracket 26 is bonded to the metal base 13 so as to cover a part of the ceramic substrate 25. In this embodiment, in FIG. 1B, eight semiconductor chips 24 arranged in the vertical direction each constitute one arm. However, some of the semiconductor chips 24 do not appear behind the insulating bracket 26.

半導体チップ２４は、図３に示すように、金属ベース１３に対してセラミック基板２５を介して半田付けで実装されている。セラミック基板２５は、表面に半導体チップ２４が接合される金属回路２７を有し、裏面にセラミック基板２５と金属ベース１３とを接合する接合層として機能する金属板２８を有する。金属回路２７及び金属板２８は、例えば、アルミニウムや銅等で形成されている。セラミック基板２５は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素等により形成されている。半導体チップ２４は半田Ｈで金属回路２７に接合され、金属板２８は半田Ｈで金属ベース１３に接合されている。   As shown in FIG. 3, the semiconductor chip 24 is mounted on the metal base 13 by soldering via a ceramic substrate 25. The ceramic substrate 25 has a metal circuit 27 to which the semiconductor chip 24 is bonded on the front surface, and a metal plate 28 that functions as a bonding layer for bonding the ceramic substrate 25 and the metal base 13 to the back surface. The metal circuit 27 and the metal plate 28 are made of, for example, aluminum or copper. The ceramic substrate 25 is made of, for example, aluminum nitride, alumina, silicon nitride, or the like. The semiconductor chip 24 is joined to the metal circuit 27 with solder H, and the metal plate 28 is joined to the metal base 13 with solder H.

次に前記のように構成されたインバータ装置１１の作用を説明する。インバータ装置１１は、プラス入力端子２２及びマイナス入力端子２３が直流電源２９に接続され、Ｕ相端子Ｕ、Ｖ相端子Ｖ及びＷ相端子Ｗが交流モータ３０に接続され、駆動信号入力端子Ｇ１〜Ｇ６が制御装置（図示せず）に接続されて使用される。インバータ装置１１が駆動されて各半導体チップ２４から熱が発生すると、その熱は、セラミック基板２５、金属ベース１３を介してヒートシンク１２に伝達され、ヒートシンク１２から放熱されて半導体チップ２４が冷却される。   Next, the operation of the inverter device 11 configured as described above will be described. In the inverter device 11, a plus input terminal 22 and a minus input terminal 23 are connected to a DC power supply 29, a U phase terminal U, a V phase terminal V and a W phase terminal W are connected to an AC motor 30, and drive signal input terminals G <b> 1 to G <b> 1. G6 is used by being connected to a control device (not shown). When the inverter device 11 is driven and heat is generated from each semiconductor chip 24, the heat is transmitted to the heat sink 12 through the ceramic substrate 25 and the metal base 13, and is dissipated from the heat sink 12 to cool the semiconductor chip 24. .

半導体チップ２４がセラミック基板２５を介して金属ベース１３に実装された状態では、セラミック基板２５を金属ベース１３に半田付けする場合、あるいは半導体チップ２４をセラミック基板２５上に半田付けする場合の残留熱応力により、図４（ａ）に示すように金属ベース１３が反った状態になる。下に凸となるように反った状態の金属ベース１３を、その四隅においてねじ１５によりヒートシンク１２に締め付け固定した場合、図４（ｂ）に示すように、金属ベース１３が上に凸となる状態で金属ベース１３に固定される場合がある。また、金属ベース１３が最初から上に凸の状態に反った場合は、反りが残った状態でヒートシンク１２に固定される。そのため、金属ベース１３とヒートシンク１２との間に隙間が生じ、金属ベース１３からヒートシンク１２への熱伝達が良好に行われない。なお、図４（ａ），（ｂ）は金属ベース１３の反りを強調して図示しており、実際の反りは僅かであり、隙間も微小である。   In a state where the semiconductor chip 24 is mounted on the metal base 13 via the ceramic substrate 25, the residual heat when the ceramic substrate 25 is soldered to the metal base 13 or when the semiconductor chip 24 is soldered onto the ceramic substrate 25. Due to the stress, the metal base 13 is warped as shown in FIG. When the metal base 13 warped so as to be convex downward is fastened and fixed to the heat sink 12 by screws 15 at the four corners, the metal base 13 is convex upward as shown in FIG. May be fixed to the metal base 13. When the metal base 13 is warped upward from the beginning, the metal base 13 is fixed to the heat sink 12 with the warp remaining. For this reason, a gap is generated between the metal base 13 and the heat sink 12, and heat transfer from the metal base 13 to the heat sink 12 is not performed well. 4A and 4B show the warp of the metal base 13 with emphasis, and the actual warp is slight and the gap is very small.

しかし、金属ベース１３はカバー１４を介してねじ１５によりヒートシンク１２に締め付け固定されており、カバー１４は側壁１８で形成された枠部２０の下端が金属ベース１３の周縁部に当接する状態で金属ベース１３を押圧する。枠部２０は金属ベース１３から反力を受けるが、枠部２０を構成する板の厚さ方向ではなく厚さ方向と直交する方向に反力を受けるため、撓むことが抑制される。そのため、金属ベース１３は反りが矯正されて、ほぼ全面がヒートシンク１２に密着する状態でヒートシンク１２に固定される。その結果、半導体チップ２４で発生した熱が金属ベース１３を介してヒートシンク１２に良好に伝達され、ヒートシンク１２から効率良く放熱される。   However, the metal base 13 is fastened and fixed to the heat sink 12 by screws 15 through the cover 14, and the cover 14 is made of metal in a state where the lower end of the frame portion 20 formed by the side wall 18 is in contact with the peripheral portion of the metal base 13. The base 13 is pressed. Although the frame part 20 receives reaction force from the metal base 13, since it receives reaction force in the direction orthogonal to the thickness direction instead of the thickness direction of the board which comprises the frame part 20, bending is suppressed. Therefore, the metal base 13 is fixed to the heat sink 12 in a state in which the warpage is corrected and almost the entire surface is in close contact with the heat sink 12. As a result, the heat generated in the semiconductor chip 24 is satisfactorily transmitted to the heat sink 12 via the metal base 13 and is efficiently radiated from the heat sink 12.

したがって、この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）インバータ装置１１は、複数の発熱素子（半導体チップ２４）が実装された金属ベース１３をヒートシンク１２にねじ１５により締め付け固定して、発熱素子から発生する熱を金属ベース１３を介してヒートシンク１２に伝達する。金属ベース１３は略矩形状に形成されるとともに、金属ベース１３の周縁のねじ１５が挿入される部分を除いた部分に沿って延びる側壁１８で形成された枠部２０を有するカバー１４を介して、かつ枠部２０が金属ベース１３に当接する状態でヒートシンク１２にねじ１５で締め付け固定されている。したがって、金属ベース１３が発熱素子の実装時における熱応力により、実装後に反った状態となっていても、金属ベース１３はその周縁部のほぼ全体がカバー１４の枠部２０により押圧されるため、反りが矯正されて金属ベース１３の全面がヒートシンク１２に密着する状態となる。その結果、金属ベース１３からヒートシンク１２への熱伝達が効率良く行われ、金属ベース１３をヒートシンク１２に固定するねじ１５の数を減らしてインバータ装置１１の体格を小型化しても、放熱性を確保することができる。 Therefore, according to this embodiment, the following effects can be obtained.
(1) In the inverter device 11, the metal base 13 on which a plurality of heat generating elements (semiconductor chips 24) are mounted is fastened and fixed to the heat sink 12 with screws 15, and the heat generated from the heat generating elements is transferred to the heat sink via the metal base 13. 12 is transmitted. The metal base 13 is formed in a substantially rectangular shape, and through a cover 14 having a frame portion 20 formed of a side wall 18 extending along a portion excluding a portion where the screw 15 on the periphery of the metal base 13 is inserted. In addition, the frame 20 is fastened and fixed to the heat sink 12 with screws 15 in a state where the frame 20 is in contact with the metal base 13. Therefore, even if the metal base 13 is warped after mounting due to thermal stress at the time of mounting the heat generating element, the metal base 13 is almost entirely pressed by the frame portion 20 of the cover 14, The warpage is corrected and the entire surface of the metal base 13 is brought into close contact with the heat sink 12. As a result, heat transfer from the metal base 13 to the heat sink 12 is efficiently performed, and heat dissipation is ensured even if the number of screws 15 for fixing the metal base 13 to the heat sink 12 is reduced and the size of the inverter device 11 is reduced. can do.

（２）カバー１４の材質として剛性及び熱伝導性がアルミニウム系金属以上のものが使用されている。したがって、カバー１４の枠部２０が金属ベース１３の周縁部ほぼ全体を押圧してヒートシンク１２に密着させた状態とするのに必要な剛性と、発熱素子（半導体チップ２４）で発生した熱が金属ベース１３からカバー１４に伝達されて、カバー１４からも効率良く放熱することができる。   (2) The cover 14 is made of a material having rigidity and thermal conductivity higher than that of an aluminum-based metal. Therefore, the rigidity necessary for the frame portion 20 of the cover 14 to press almost the entire peripheral edge portion of the metal base 13 so as to be in close contact with the heat sink 12 and the heat generated by the heating element (semiconductor chip 24) are metal. The heat is transmitted from the base 13 to the cover 14 and can be efficiently radiated from the cover 14.

（３）枠部２０の材質は金属（この実施形態ではアルミニウム系金属）である。剛性及び熱伝導性がアルミニウム系金属以上の材質としては、金属に限らず、セラミックスや複合材料もあるが、セラミックスの場合は機械的な衝撃に弱く、取り扱いに注意が必要である。しかし、枠部２０の材質は金属であるため、セラミックスに比較して機械的な衝撃に強く、取り扱いが容易になる。また、カバー１４を複合材料製とした場合に比較してカバー１４の形成が容易になる。   (3) The material of the frame portion 20 is a metal (in this embodiment, an aluminum-based metal). The material whose rigidity and thermal conductivity are higher than that of the aluminum-based metal is not limited to metal, but includes ceramics and composite materials. Ceramics are weak against mechanical shock and needs to be handled with care. However, since the material of the frame part 20 is a metal, it is more resistant to mechanical impact than ceramics and is easy to handle. Further, the cover 14 can be easily formed as compared with the case where the cover 14 is made of a composite material.

（４）発熱素子（半導体チップ２４）は３相交流を出力するインバータ回路２１の各アームを構成するスイッチング素子Ｑ及びダイオードＤである。インバータ回路２１が３相交流を出力する構成では上アーム及び下アームの組が３組存在し、昇圧回路や降圧回路に比較して発熱素子となるスイッチング素子ＱやダイオードＤの数が多く、その分、金属ベース１３の面積が大きくなるため、金属ベース１３に発熱素子が実装された場合に金属ベース１３が反り易くなる。しかし、金属ベース１３の周縁部ほぼ全体が枠部２０で押圧されて反りが有効に抑制される。   (4) The heating element (semiconductor chip 24) is a switching element Q and a diode D that constitute each arm of the inverter circuit 21 that outputs a three-phase alternating current. In the configuration in which the inverter circuit 21 outputs three-phase alternating current, there are three sets of upper arms and lower arms, and the number of switching elements Q and diodes D that serve as heating elements is larger than that of the booster circuit and the step-down circuit. Since the area of the metal base 13 is increased, the metal base 13 is likely to warp when a heat generating element is mounted on the metal base 13. However, almost the entire peripheral edge portion of the metal base 13 is pressed by the frame portion 20, and the warpage is effectively suppressed.

（５）各アームは、スイッチング素子Ｑ及びスイッチング素子Ｑに逆並列に接続されたダイオードＤの組が複数並列に接続されて構成されている。インバータ装置１１から出力される電流量即ち各アームに流れる電流量が大きい場合、アームを構成するスイッチング素子Ｑ及びダイオードＤの組が１組だと各素子として大容量のものが必要となり、入手が難しい。しかし、アームを構成するスイッチング素子Ｑ及びダイオードＤの組を複数設けることで、入手し易いスイッチング素子Ｑ及びダイオードＤでアームを構成することができる。金属ベース１３上に実装される発熱素子の数が多くなるためその分、金属ベース１３の面積が大きくなり、金属ベース１３に発熱素子が実装された場合に金属ベース１３が反り易くなるが、反りが枠部２０により有効に抑制される。   (5) Each arm is composed of a switching element Q and a plurality of pairs of diodes D connected in antiparallel to the switching element Q connected in parallel. When the amount of current output from the inverter device 11, that is, the amount of current flowing through each arm is large, if there is one set of the switching element Q and the diode D constituting the arm, each element requires a large capacity and is available. difficult. However, by providing a plurality of pairs of the switching element Q and the diode D that constitute the arm, the arm can be constituted by the easily available switching element Q and the diode D. Since the number of heat generating elements mounted on the metal base 13 increases, the area of the metal base 13 increases accordingly, and when the heat generating element is mounted on the metal base 13, the metal base 13 is likely to warp, Is effectively suppressed by the frame portion 20.

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ カバー１４は金属ベース１３の周縁のねじ１５が挿入される部分を除いた部分に沿って延びる側壁１８で形成された枠部２０を有する構成であればよく、カバー１４全体を金属製の箱状にする代わりに、例えば、図５（ａ），（ｂ）に示すように、枠部２０を金属製とし、枠部２０の上部が樹脂製の蓋体３２で覆われた構成としてもよい。 The embodiment is not limited to the above, and may be embodied as follows, for example.
The cover 14 only needs to have a frame portion 20 formed of a side wall 18 extending along a portion excluding a portion where the screw 15 on the periphery of the metal base 13 is inserted, and the entire cover 14 is made of a metal box. For example, as shown in FIGS. 5A and 5B, the frame portion 20 may be made of metal, and the upper portion of the frame portion 20 may be covered with a resin lid 32. .

○ 図５（ａ），（ｂ）に示すように、ヒートシンク１２の形状を孔１６が形成される部分３３が四隅から突出する形状とし、金属ベース１３の外径を矩形とする。カバー１４は枠部２０が金属ベース１３の周縁全体と対向するように形成する。そして、カバー１４の四隅にねじ１５が収容される収容部３４を形成し、収容部３４の底部にねじ１５が挿通される孔３５を形成する。この場合、カバー１４を介して金属ベース１３をねじ１５でヒートシンク１２に締め付け固定したとき、金属ベース１３をより強くヒートシンク１２に密着させることができる。   As shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), the shape of the heat sink 12 is made such that the portion 33 where the holes 16 are formed protrudes from the four corners, and the outer diameter of the metal base 13 is made rectangular. The cover 14 is formed so that the frame portion 20 faces the entire periphery of the metal base 13. And the accommodating part 34 in which the screw 15 is accommodated in the four corners of the cover 14 is formed, and the hole 35 in which the screw 15 is inserted is formed in the bottom part of the accommodating part 34. In this case, when the metal base 13 is fastened and fixed to the heat sink 12 with the screw 15 via the cover 14, the metal base 13 can be more closely attached to the heat sink 12.

○ 半導体チップ２４はセラミック基板２５を介して金属ベース１３に実装される構成に限らず、セラミック基板２５に代えて、例えば、アルミニウム基板の表面に絶縁層を形成し、絶縁層上に金属回路２７が形成されたものでもよい。   The semiconductor chip 24 is not limited to the structure mounted on the metal base 13 via the ceramic substrate 25. Instead of the ceramic substrate 25, for example, an insulating layer is formed on the surface of an aluminum substrate, and the metal circuit 27 is formed on the insulating layer. May be formed.

○ 枠部２０の材質は、剛性及び熱伝導性がアルミニウム系金属以上のものであればよく、他の金属（例えば、銅）、合金、セラミックス、複合材料であってもよい。しかし、枠部２０の材質は金属や合金の方がセラミックスに比較して機械的な衝撃に強く、取り扱いが容易になる。また、複合材料製とした場合に比較してカバー１４の形成が容易になる。   The material of the frame portion 20 is not limited as long as it has rigidity and thermal conductivity higher than that of an aluminum-based metal, and may be other metals (for example, copper), alloys, ceramics, and composite materials. However, the material of the frame part 20 is more resistant to mechanical impacts than metals and alloys compared to ceramics, and is easy to handle. Further, the cover 14 can be easily formed as compared with the case of using a composite material.

○ 締結具はねじに限らず、ボルトやボルトとナットの組み合わせでもよい。
○ スイッチング素子Ｑ，Ｑ１〜Ｑ６はＭＯＳＦＥＴに限らず、他のパワートランジスタ（例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ））やサイリスタを使用してもよい。 ○ Fasteners are not limited to screws, but may be bolts or a combination of bolts and nuts.
The switching elements Q, Q1 to Q6 are not limited to MOSFETs, and other power transistors (for example, IGBT (insulated gate bipolar transistor)) or thyristors may be used.

○ インバータ装置１１は、３相交流を出力する構成に限らず、単相交流を出力する構成としてもよい。単相交流を出力する構成では上アーム及び下アームの組が２組存在する。   (Circle) the inverter apparatus 11 is good also as a structure which outputs not only the structure which outputs 3 phase alternating current but single phase alternating current. In the configuration that outputs a single-phase alternating current, there are two sets of upper and lower arms.

○ 各アームを構成するスイッチング素子Ｑ及びダイオードＤの組は８組に限らず、各アームを流れる電流量の大きさによって７組以下でも９組以上でもよい。また、複数組に限らず、１組のスイッチング素子Ｑ及びダイオードＤの組で構成されてもよい。   The number of switching elements Q and diodes D constituting each arm is not limited to eight, and may be seven or less or nine or more depending on the amount of current flowing through each arm. Moreover, it is not limited to a plurality of sets, and may be configured by a set of a switching element Q and a diode D.

○ １組のスイッチング素子及びダイオードは、１個の半導体チップ２４としてパッケージ化される構成に限らず、スイッチング素子及びダイオードがそれぞれ金属回路上に接合されてもよい。   A pair of switching elements and diodes is not limited to a configuration packaged as one semiconductor chip 24, and the switching elements and diodes may be joined on a metal circuit.

○ 半導体装置は、複数の発熱素子が実装された金属ベース１３をヒートシンク１２にねじ１５により締め付け固定して、発熱素子から発生する熱を金属ベース１３を介してヒートシンク１２に伝達する構成であればよい。即ち、インバータ装置１１に限らず、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータに適用してもよい。   The semiconductor device has a configuration in which the metal base 13 on which a plurality of heat generating elements are mounted is fastened and fixed to the heat sink 12 with screws 15 and heat generated from the heat generating elements is transmitted to the heat sink 12 through the metal base 13. Good. That is, the present invention is not limited to the inverter device 11 and may be applied to, for example, a DC-DC converter.

（ａ）はインバータ装置の模式分解斜視図、（ｂ）は金属ベース上にチップ部品が実装された状態を示す模式平面図、（ｃ）はインバータ装置の模式斜視図。(A) is a schematic exploded perspective view of an inverter device, (b) is a schematic plan view showing a state where a chip component is mounted on a metal base, and (c) is a schematic perspective view of the inverter device. （ａ）はインバータ装置の回路図、（ｂ）はアームの詳細回路図。(A) is a circuit diagram of an inverter device, (b) is a detailed circuit diagram of an arm. 金属ベースにチップ部品が実装された状態の一部省略模式断面図。The partial omission schematic cross section of the state where the chip component was mounted in the metal base. （ａ）は金属ベースの反り状態を示す模式図、（ｂ）はねじのみで金属ベースを固定した場合の反り状態を示す模式図。(A) is a schematic diagram which shows the curvature state of a metal base, (b) is a schematic diagram which shows the curvature state at the time of fixing a metal base only with a screw. （ａ）は別の実施形態におけるインバータ装置の模式斜視図、（ｂ）は（ａ）の部分断面図。(A) is a model perspective view of the inverter apparatus in another embodiment, (b) is a fragmentary sectional view of (a). 従来技術の半導体モジュールの模式平面図。The schematic plan view of the semiconductor module of a prior art. 別の従来技術における半導体モジュールの断面図。Sectional drawing of the semiconductor module in another prior art.

符号の説明Explanation of symbols

Ｄ，Ｄ１〜Ｄ６…ダイオード、Ｑ，Ｑ１〜Ｑ６…スイッチング素子、１１…半導体装置としてのインバータ装置、１２…ヒートシンク、１３…金属ベース、１４…カバー、１５…締結具としてのねじ、１８…側壁、２０…枠部、２１…インバータ回路、２４…発熱素子としての半導体チップ。   D, D1 to D6 ... Diode, Q, Q1 to Q6 ... Switching element, 11 ... Inverter device as semiconductor device, 12 ... Heat sink, 13 ... Metal base, 14 ... Cover, 15 ... Screw as fastener, 18 ... Side wall , 20... Frame portion, 21... Inverter circuit, 24... Semiconductor chip as a heating element.

Claims (4)

複数の発熱素子が実装された金属ベースをヒートシンクに締結具により締め付け固定して、前記発熱素子から発生する熱を前記金属ベースを介して前記ヒートシンクに伝達する半導体装置であって、
前記金属ベースは略矩形状に形成されるとともに、前記金属ベースの周縁の前記締結具が挿入される部分を除いた部分に沿って延びる側壁で形成された枠部を有するカバーを介して、かつ前記枠部が前記金属ベースに当接する状態で前記ヒートシンクに締結具で締め付け固定され、前記枠部の材質として剛性及び熱伝導性がアルミニウム系金属以上である金属が使用され、前記カバーは、前記金属ベースの周縁の前記締結具が挿入される部分に対応してフランジを形成し、該フランジに前記締結具が挿入されている半導体装置。 A semiconductor device in which a metal base on which a plurality of heat generating elements are mounted is fastened and fixed to a heat sink by a fastener, and heat generated from the heat generating element is transmitted to the heat sink via the metal base,
The metal base is formed in a substantially rectangular shape, and through a cover having a frame portion formed of a side wall extending along a portion excluding the portion where the fastener is inserted at the periphery of the metal base, and The frame portion is fastened and fixed to the heat sink with a fastener in a state where the frame portion is in contact with the metal base, and a metal having rigidity and thermal conductivity equal to or higher than that of an aluminum-based metal is used as a material of the frame portion , A semiconductor device in which a flange is formed corresponding to a portion where the fastener is inserted on a peripheral edge of a metal base, and the fastener is inserted into the flange . 前記発熱素子はインバータ回路の各アームを構成するスイッチング素子及びダイオードである請求項１に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the heating element is a switching element and a diode constituting each arm of the inverter circuit. 前記各アームは、スイッチング素子及び前記スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードの組が複数並列に接続されて構成されている請求項２に記載の半導体装置。 Wherein each arm has a semiconductor device according to 請 Motomeko 2 sets of switching elements and the diodes connected in reverse parallel to the switching element has been configured are connected in parallel a plurality. 前記インバータ回路は、３相交流出力用である請求項２又は請求項３に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2 , wherein the inverter circuit is for three-phase AC output.
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