JP5083261B2

JP5083261B2 - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP5083261B2
Application number: JP2009077041A
Authority: JP
Inventors: 卓也白石
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: CN101847612A; US20100244237A1; JP2010232334A; US8338944B2; CN101847612B

Description

本発明は、半導体モジュールが放熱フィンに固定された構造を有する半導体装置及びその製造方法に関し、特に、半導体モジュールを放熱フィンに対しての正確な方向から１８０度回転した方向に向けたまま、放熱フィンに固定するのを防止できる半導体装置及びその製造方法、及び半導体モジュールの絶縁耐力の低下を防止できる半導体装置及びその製造方法に関するものである。

従来、半導体モジュールが放熱フィンに固定された構造を有する半導体装置として、半導体モジュールの放熱性を向上するため、半導体モジュールの接合面に凹凸構造が設けられたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この半導体装置では、放熱フィン側の接合面にも凹凸構造が設けられ、半導体モジュール側の凹凸構造が放熱フィン側の凹凸構造と嵌合するように、半導体モジュールが放熱フィンに接合され、固定されている。

実開平６−７２２４７号公報

上述した装置では、半導体モジュール側の接合面の凹凸構造は、半導体モジュールを放熱フィンに対しての正確な方向から１８０度回転した方向に向けた場合にも、放熱フィン側の接合面の凹凸構造に嵌合する。このため、半導体モジュールを放熱フィンに対しての正確な方向から１８０度回転した方向に向けたまま、放熱フィンに接合し、固定してしまうことがあった。

また、半導体モジュール側の接合面に凹構造を設けることにより、半導体モジュール内の半導体素子を取囲む絶縁層厚が小さくなる。これにより、半導体モジュールの絶縁耐力が低下する恐れがある。

本発明は上述した課題を解決するためになされ、半導体モジュールを放熱フィンに対しての正確な方向から１８０度回転した方向に向けたまま、放熱フィンに固定するのを防止できる半導体装置及びその製造方法、及び半導体モジュールの絶縁耐力の低下を防止できる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、第１の嵌合部及び第２の嵌合部が接合面に設けられた半導体モジュールと、第３の嵌合部及び第４の嵌合部が接合面に設けられた放熱フィンと、を備え、前記半導体モジュールは、前記第１の嵌合部及び前記第２の嵌合部が、前記第３の嵌合部及び前記第４の嵌合部にそれぞれ嵌合するように、前記放熱フィンに接合され、前記半導体モジュールは、前記第１の嵌合部と前記第３の嵌合部の接合面を貫通するネジ、及び前記第２の嵌合部と前記第４の嵌合部の接合面を貫通するネジが締められることにより、前記放熱フィンに固定されていることを特徴とするものである。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、第１の嵌合部及び第２の嵌合部を接合面に有する半導体モジュールを製造する工程と、第３の嵌合部及び第４の嵌合部を接合面に有する放熱フィンを製造する工程と、前記第１の嵌合部及び前記第２の嵌合部が、前記第３の嵌合部及び前記第４の嵌合部にそれぞれ嵌合するように、前記半導体モジュールを前記放熱フィンに接合する工程と、前記接合する工程後に、前記第１の嵌合部と前記第３の嵌合部の接合面を貫通するネジ、及び前記第２の嵌合部と前記第４の嵌合部の接合面を貫通するネジを締めることにより、前記半導体モジュールを前記放熱フィンに固定する工程と、を備えることを特徴とするものである。

本発明により、半導体モジュールを放熱フィンに対しての正確な方向から１８０度回転した方向に向けたまま、放熱フィンに固定するのを防止できる。また、本発明により、半導体モジュールの絶縁耐力の低下を防止できる。

実施の形態１に係る半導体装置を示す斜視図である。実施の形態１に係る半導体モジュール及び放熱フィンの接合面を示す平面図である。実施の形態１に係る半導体装置の半導体モジュール及び放熱フィンの嵌合部における断面図である。実施の形態１に係る半導体装置の製造方法の特徴を示す斜視図である。実施の形態２に係る半導体装置を示す斜視図である。実施の形態２に係る半導体モジュール及び放熱フィンの接合面を示す平面図である。実施の形態２に係る半導体装置の半導体モジュール及び放熱フィンの嵌合部における断面図である。比較例に係る半導体モジュールを、嵌合部を含むように示す断面図である。実施の形態３に係る半導体モジュールの及び放熱フィンの接合面を示す平面図である。実施の形態３に係る半導体装置の半導体モジュール及び放熱フィンの嵌合部における断面図である。実施の形態４に係る半導体モジュール及び放熱フィンの接合面を示す斜視図である。

実施の形態１．
以下に、実施の形態１に係る半導体装置の構成について説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置を示す斜視図である。図２は、実施の形態１に係る半導体モジュール及び放熱フィンの接合面を示す平面図である。図３は、実施の形態１に係る半導体装置の半導体モジュール及び放熱フィンの嵌合部における断面図である。

本実施形態に係る半導体装置は、半導体モジュール１０及び放熱フィン１２を備える。半導体モジュール１０の接合面１４には、凹型円柱形状の嵌合部（第１の嵌合部）１６及び凸型四角柱形状の嵌合部（第２の嵌合部）１８が設けられている。また、半導体モジュール１０の両端部にはネジ穴２０が設けられている。そして、半導体モジュール１０の両側面には複数のリード２２が設けられている。

一方、放熱フィン１２の接合面２４には、凸型円柱形状の嵌合部（第３の嵌合部）２６及び凹型四角柱形状の嵌合部（第４の嵌合部）２８が設けられている。凸型円柱形状の嵌合部２６は、半導体モジュール１０側の凹型円柱形状の嵌合部１６と嵌合し、半導体モジュール１０側の凸型四角柱形状の嵌合部１８とは嵌合しない形状を有する。凹型四角柱形状の嵌合部２８は、半導体モジュール１０側の凸型四角柱形状の嵌合部１８と嵌合し、半導体モジュール１０側の凹型円柱形状の嵌合部１６とは嵌合しない形状を有する。また、放熱フィン１２の両端部には、上述した半導体モジュール１０のネジ穴２０に対応するネジ穴３０が設けられている。

そして、本実施形態に係る半導体装置において、半導体モジュール１０側の凹型円柱形状の嵌合部１６及び凸型四角柱形状の嵌合部１８が、放熱フィン１２側の凸型円柱形状の嵌合部２６及び凹型四角柱形状の嵌合部２８にそれぞれ嵌合するように、半導体モジュール１０は放熱フィン１２に接合している。なお、放熱フィン１２の接合面２４にはシリコングリース（図示せず）が塗布され、半導体モジュール１０はシリコングリースを介して放熱フィン１２と密着している。

更に、半導体モジュール１０のネジ穴２０及び放熱フィン１２のネジ穴３０の両方を貫通するネジ３２が締められることにより、半導体モジュール１０は放熱フィン１２に固定されている。

以下に、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法について説明する。図４は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法の特徴を示す斜視図である。

まず、図２に示すように、凹型円柱形状の嵌合部（第１の嵌合部）１６及び凸型四角柱形状の嵌合部（第２の嵌合部）１８が接合面１４に設けられた半導体モジュール１０を製造する。そして、凸型円柱形状の嵌合部（第３の嵌合部）２６及び凹型四角柱形状の嵌合部（第４の嵌合部）２８が接合面２４に設けられた放熱フィン１２を製造する。

次に、放熱フィン１２の接合面２４にシリコングリース（図示せず）を塗布する。次に、図４に示すように、半導体モジュール１０側の凹型円柱形状の嵌合部１６及び凸型四角柱形状の嵌合部１８が、放熱フィン１２側の凸型円柱形状の嵌合部２６及び凹型四角柱形状の嵌合部２８にそれぞれ嵌合するように、半導体モジュール１０を放熱フィン１２に接合する。これにより、半導体モジュール１０は、シリコングリースを介して放熱フィン１２と密着する。

次に、半導体モジュール１０のネジ穴２０及び放熱フィン１２のネジ穴３０の両方を貫通するネジ３２を締める。これにより、半導体モジュール１０を放熱フィン１２に固定する。

以下に、本実施形態の効果について説明する。
半導体モジュール１０側の２つの嵌合部（凹型円柱形状の嵌合部１６及び凸型四角柱形状の嵌合部１８）は互いに形状が異なる。放熱フィン１２側の２つの嵌合部（凸型円柱形状の嵌合部２６及び凹型四角柱形状の嵌合部２８）も互いに形状が異なる。従って、半導体モジュール１０を放熱フィン１２に固定する際には、半導体モジュール１０側の凹型円柱形状の嵌合部１６は放熱フィン１２側の凸型円柱形状の嵌合部２６に嵌合させなければならず、半導体モジュール１０側の凸型四角柱形状の嵌合部１８は放熱フィン１２側の凹型四角柱形状の嵌合部２８に嵌合させなければならない。このため、半導体モジュール１０を放熱フィン１２に対しての正確な方向から１８０度回転した方向に向けたまま、放熱フィン１２に固定するのを防止できる。

また、半導体モジュール１０を放熱フィン１２に固定する際、半導体モジュール１０及び放熱フィン１２の嵌合部どうしを嵌合した状態で、ネジ３２を締める。このため、ネジ３２を締める力が半導体モジュール１０及び放熱フィン１２に加わったとしても、それらの嵌合部がストッパの役割を果たすことにより、放熱フィン１２に対する半導体モジュール１０の位置がずれるのを防止できる。

なお、本実施形態では、半導体モジュール１０側には凹型円柱形状の嵌合部１６及び凸型四角柱形状の嵌合部１８が設けられ、放熱フィン１２側には凸型円柱形状の嵌合部２６及び凹型四角柱形状の嵌合部２８が設けられている。しかし、半導体モジュール１０及び放熱フィン１２にそれぞれ設けられる嵌合部の形状は、これに限定されない。

半導体モジュール１０に設けられる２つの嵌合部は、互いの形状が異なっていること、放熱フィン１２側の嵌合部と嵌合することを条件として、所望の形状にして構わない。この場合にも、本実施形態と同様の効果が得られる。また、放熱フィン１２に設けられる２つの嵌合部は、互いの形状が異なっていること、半導体モジュール１０側の嵌合部と嵌合することを条件として、所望の形状にして構わない。この場合にも、本実施形態と同様の効果が得られる。

実施の形態２．
以下に、実施の形態２に係る半導体装置の構成について説明する。図５は、実施の形態２に係る半導体装置を示す斜視図である。図６は、実施の形態２に係る半導体モジュール及び放熱フィンの接合面を示す平面図である。図７は、実施の形態２に係る半導体装置の半導体モジュール及び放熱フィンの嵌合部における断面図である。

本実施形態に係る半導体装置は、半導体モジュール１０及び放熱フィン１２を備える。半導体モジュール１０の両端部にはネジ穴２０が設けられている。また、半導体モジュール１０の接合面１４には、第１の凹型嵌合部（第１の嵌合部）３４及び第２の凹型嵌合部（第２の嵌合部）３６が設けられている。第１の凹型嵌合部３４及び第２の凹型嵌合部３６はネジ穴２０よりも大きく、ネジ穴２０がそれらの凹部にくるように設けられている。そして、半導体モジュール１０の両側面には複数のリード２２が設けられている。

一方、放熱フィン１２の両端部には、上述した半導体モジュール１０のネジ穴２０に対応するネジ穴３０が設けられている。また、放熱フィン１２の接合面２４には、第１の凸型嵌合部（第３の嵌合部）３８及び第２の凸型嵌合部（第４の嵌合部）４０が設けられている。そして、第１の凸型嵌合部３８及び第２の凸型嵌合部４０はネジ穴３０よりも大きく、ネジ穴３０がそれらの凸部にくるように設けられている。

そして、本実施形態に係る半導体装置において、半導体モジュール１０側の第１の凹型嵌合部３４及び第２の凹型嵌合部３６が、放熱フィン１２側の第１の凸型嵌合部３８及び第２の凸型嵌合部４０にそれぞれ嵌合するように、半導体モジュール１０は放熱フィン１２に接合している。なお、放熱フィン１２の接合面２４にはシリコングリース（図示せず）が塗布され、半導体モジュール１０はシリコングリースを介して放熱フィン１２と密着している。

更に、第１の凹型嵌合部３４のネジ穴２０と第１の凸型嵌合部３８のネジ穴３０との両方を貫通するネジ３２及び、第２の凹型嵌合部３６のネジ穴２０と第２の凸型嵌合部４０のネジ穴３０との両方を貫通するネジ３２が締められることにより、半導体モジュール１０は放熱フィン１２に固定されている。

以下に、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法について説明する。
まず、図６に示すように、第１の凹型嵌合部（第１の嵌合部）３４及び第２の凹型嵌合部（第２の嵌合部）３６を接合面１４に有する半導体モジュール１０を製造する。そして、第１の凸型嵌合部（第３の嵌合部）３８及び第２の凸型嵌合部（第４の嵌合部）４０を接合面２４に有する放熱フィン１２を製造する。

次に、放熱フィン１２の接合面２４にシリコングリース（図示せず）を塗布する。次に、図７に示すように、第１の凹型嵌合部３４及び第２の凹型嵌合部３６が、第１の凸型嵌合部３８及び第２の凸型嵌合部４０にそれぞれ嵌合するように、半導体モジュール１０を放熱フィン１２に接合する。これにより、半導体モジュール１０は、シリコングリースを介して放熱フィン１２と密着する。

次に、第１の凹型嵌合部３４のネジ穴２０と第１の凸型嵌合部３８のネジ穴３０との両方を貫通するネジ３２、及び第２の凹型嵌合部３６のネジ穴２０と第２の凸型嵌合部４０のネジ穴３０との両方を貫通するネジ３２を締める。これにより、半導体モジュール１０を放熱フィン１２に固定する。

以下に、本実施形態の効果について比較例と比較しながら説明する。図８は、比較例に係る半導体モジュールを、嵌合部を含むように示す断面図である。

比較例に係る半導体モジュール１０の接合面１４おいては、半導体モジュール１０内部のフレーム４２上に設けられた半導体素子（ＩＧＢＴ（ＦＷＤ））４４の下に、凹形状の嵌合部４６が設けられている。このため、半導体モジュール１０の絶縁体層４８は、半導体素子４４の下で薄くなる。これにより、半導体モジュール１０の絶縁耐力は低下する。

一方、本実施形態に係る半導体モジュールでは、半導体モジュール１０を固定するのに必要とされるネジ穴２０の位置に、第１の凹型嵌合部３４及び第２の凹型嵌合部３６が設けられている。このため、半導体モジュール１０の絶縁体層４８が、半導体素子４４の下で薄くなることはない。これにより、半導体モジュール１０の絶縁耐力の低下を防止できる。

また、本実施形態においては、半導体モジュール１０を放熱フィン１２に固定する際、半導体モジュール１０及び放熱フィン１２の嵌合部どうしを嵌合した状態でネジ３２を締める。このため、実施の形態１と同様に、半導体モジュール１０を放熱フィン１２に固定する際に、放熱フィン１２に対する半導体モジュール１０の位置がずれるのを防止できる。

実施の形態３．
以下に、実施の形態３に係る半導体装置の構成について実施の形態２とは異なる点のみを説明する。図９は、実施の形態３に係る半導体モジュールの及び放熱フィンの接合面を示す平面図である。図１０は、実施の形態３に係る半導体装置の半導体モジュール及び放熱フィンの嵌合部における断面図である。

半導体モジュール１０の接合面１４には、凸型嵌合部（第１の嵌合部）５０及び凹型嵌合部（第２の嵌合部）５２が設けられている。一方、放熱フィン１２の接合面２４には、凹型嵌合部（第３の嵌合部）５４及び凸型嵌合部（第４の嵌合部）５６が設けられている。放熱フィン１２側の凹型嵌合部５４は、半導体モジュール１０側の凸型嵌合部５０と嵌合する形状を有し、半導体モジュール１０側の凹型嵌合部５２とは嵌合しない形状を有する。放熱フィン１２側の凸型嵌合部５６は、半導体モジュール１０側の凹型嵌合部５２と嵌合する形状を有し、半導体モジュール１０側の凸型嵌合部５０とは嵌合しない形状を有する。

従って、半導体モジュール１０を放熱フィン１２に固定する際には、半導体モジュール１０側の凸型嵌合部５０は放熱フィン１２側の凹型嵌合部５４に嵌合させなければならず、半導体モジュール１０側の凹型嵌合部５２は放熱フィン１２側の凸型嵌合部５６に嵌合させなければならない。このため、半導体モジュール１０を放熱フィン１２に対しての正確な方向から１８０度回転した方向に向けたまま、放熱フィン１２に固定するのを防止できる。

その他、実施の形態２と同様に、半導体モジュール１０の絶縁耐力の低下を防止できる。また、半導体モジュール１０を放熱フィン１２に固定する際に、放熱フィン１２に対する半導体モジュール１０の位置がずれるのを防止できる。

実施の形態４．
以下に、実施の形態４に係る半導体装置の構成について実施の形態１とは異なる点のみを説明する。図１１は、実施の形態４に係る半導体モジュール及び放熱フィンの接合面を示す斜視図である。図１１では、見易さのために、半導体モジュールの接合面を上向きに示した。

半導体モジュール１０の接合面１４には、接合面１４の一端から他端まで伸び、凸型で四角形の断面を有する第１のレール形状嵌合部（第１の嵌合部）５８及び、同様に接合面１４の一端から他端まで伸び、凹型で三角形の断面を有する第２のレール形状嵌合部（第２の嵌合部）６０が設けられている。

一方、放熱フィン１２の接合面２４には、接合面２４の一端から他端まで伸び、凹型で四角形の断面を有する第３のレール形状嵌合部（第３の嵌合部）６２及び、同様に接合面２４の一端から他端まで伸び、凸型で三角形の断面を有する第４のレール形状嵌合部（第４の嵌合部）６４が設けられている。第３のレール形状嵌合部６２は、半導体モジュール１０側の第１のレール形状嵌合部５８と嵌合する形状を有する。第４のレール形状嵌合部６４は、半導体モジュール１０側の第２のレール形状嵌合部６０と嵌合する形状を有する。

従って、半導体モジュール１０及び放熱フィン１２の双方の嵌合部は、実施の形態１と比較して、より広い面積で接触し合う。このため、半導体モジュール１０を放熱フィン１２に固定する際、放熱フィン１２に対する半導体モジュール１０の位置がずれるのを、実施の形態１と比較して、より確実に防止できる。

その他、実施の形態１と同様に、半導体モジュール１０を放熱フィン１２に対しての正確な方向から１８０度回転した方向に向けたまま、放熱フィン１２に固定するのを防止できる。また、半導体モジュール１０を放熱フィン１２に固定する際に、放熱フィン１２に対する半導体モジュール１０の位置がずれるのを防止できる。

１０半導体モジュール
１２放熱フィン
１６凹型円柱形状の嵌合部（第１の嵌合部）
１８凸型四角柱形状の嵌合部（第２の嵌合部）
２６凸型円柱形状の嵌合部（第３の嵌合部）
２８凹型四角柱形状の嵌合部（第４の嵌合部）
３２ネジ
３４第１の凹型嵌合部（第１の嵌合部）
３６第２の凹型嵌合部（第２の嵌合部）
３８第１の凸型嵌合部（第３の嵌合部）
４０第２の凸型嵌合部（第４の嵌合部）
５０凸型嵌合部（第１の嵌合部）
５２凹型嵌合部（第２の嵌合部）
５４凹型嵌合部（第３の嵌合部）
５６凸型嵌合部（第４の嵌合部）
５８第１のレール形状嵌合部（第１の嵌合部）
６０第２のレール形状嵌合部（第２の嵌合部）
６２第３のレール形状嵌合部（第３の嵌合部）
６４第４のレール形状嵌合部（第４の嵌合部）

Claims

第１の嵌合部及び第２の嵌合部が接合面に設けられた半導体モジュールと、
第３の嵌合部及び第４の嵌合部が接合面に設けられた放熱フィンと、
を備え、
前記半導体モジュールは、前記第１の嵌合部及び前記第２の嵌合部が、前記第３の嵌合部及び前記第４の嵌合部にそれぞれ嵌合するように、前記放熱フィンに接合され、
前記半導体モジュールは、前記第１の嵌合部と前記第３の嵌合部の接合面を貫通するネジ、及び前記第２の嵌合部と前記第４の嵌合部の接合面を貫通するネジが締められることにより、前記放熱フィンに固定されていることを特徴とする半導体装置。
前記第２の嵌合部は前記第１の嵌合部とは形状が異なり、前記第４の嵌合部は前記第３の嵌合部とは形状が異なり、前記第１の嵌合部は前記第４の嵌合部とは嵌合しない形状を有し、前記第２の嵌合部は前記第３の嵌合部とは嵌合しない形状を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記第１〜第４の嵌合部はレール形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
第１の嵌合部及び第２の嵌合部を接合面に有する半導体モジュールを製造する工程と、
第３の嵌合部及び第４の嵌合部を接合面に有する放熱フィンを製造する工程と、
前記第１の嵌合部及び前記第２の嵌合部が、前記第３の嵌合部及び前記第４の嵌合部にそれぞれ嵌合するように、前記半導体モジュールを前記放熱フィンに接合する工程と、
前記接合する工程後に、前記第１の嵌合部と前記第３の嵌合部の接合面を貫通するネジ、及び前記第２の嵌合部と前記第４の嵌合部の接合面を貫通するネジを締めることにより、前記半導体モジュールを前記放熱フィンに固定する工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第２の嵌合部を前記第１の嵌合部とは異なる形状とし、前記第４の嵌合部を前記第３の嵌合部とは異なる形状とし、前記第１の嵌合部を前記第４の嵌合部とは嵌合しない形状とし、前記第２の嵌合部を前記第３の嵌合部とは嵌合しない形状とすることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
前記第１〜第４の嵌合部をレール形状とすることを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体装置の製造方法。