JP5225215B2 - 半導体装置の取付構造 - Google Patents

Description

この発明は、例えば各種の電子部品を構成する半導体素子を収容配置した半導体パッケージ等の半導体装置の取付構造に関する。

一般に、半導体装置は、ベースプレート上に枠状のフレーム部材を設けて、このフレーム部材内に、電子部品である半導体素子が収容配置される。そして、このフレーム部材には、その周壁に外部接続用の接続端子が突設され、その開口側に蓋体が被着されて開口が閉塞される。

このような半導体装置は、その外部接続用接続端子が印刷配線基板の回路に電気的に接続されて使用に供される。この使用により、半導体装置は、その半導体素子が駆動されて、熱を発生して温度が上昇すると、その性能の低下を招くため、発生した熱を外部に排熱して、その温度を許容値に保つ方法が採られている。

そのため、半導体装置にあっては、ベースプレートにおけるフレーム部材の周囲の四隅に貫通孔を設けて、この貫通孔を利用してヒートシンク等の放熱体にネジ止め固定することで、放熱体への熱移送を実現するようにした取付構造が採用されている。

ところが、上記取付構造では、ベースプレートの四隅を、放熱体に圧接固定する構成のために、フレーム部材の取付側全面を均等な接触熱抵抗で圧接させることが困難で、十分な熱移送効率を得ることが困難であるという問題を有する。この接触熱抵抗は、パッケージ基体の反り量を含む製作精度を高めることで、均等化を図ることが可能であるが、その製作が非常に面倒となるという問題を有する。

そこで、このような取付構造には、例えば半導体素子の壁面を、Ｌ字形金具を用いて放熱板に圧接させて接触熱抵抗を小さくするように構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献２には、半導体装置のベースプレートを構成するパッケージ基体を、そのネジ止め部を例えば熱伝導効率の優れたグラファイトシートを介在して放熱体に載置し、その四隅に設けた貫通孔を利用して放熱体に圧接固定することにより、パッケージ基体の製作精度に影響を与えることなく、高効率な熱移送を実現するように構成したものが提案されている。

そして、上記グラファイトシートに代えて放熱用グリースをパッケージ基体と放熱体との間に塗布する構成のものもある。

実開平３−５９６８８号公報 特開２００４−２８８９４９号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される取付構造では、半導体素子構造及びＬ字形金具を用いる構成上、その取付作業が面倒なうえ、半導体素子の放熱板との熱接触面積に比べて設置面積が大形となるという問題を有する。そして、この取付構造では、固定するのが一箇所となるために、均等に押付けることが困難で、適正な力を加えることができず、接触抵抗の低減化を図ることが困難であるという問題も有する。

また、特許文献２に開示される取付構造では、引用文献１の構成に比して十分に広い熱接触面積を確保することが可能であるが、パッケージ基体の取付側全面にグラファイトシートを介在させたり、あるいは放熱用グリースを介在して組付け配置していることで、高効率な放熱が可能となるが、これらグラファイトシートや放熱用グリースが電気的な導通の障害となり、その電気性能が低下されるという問題を有する。このため、パッケージ自体を電極として用いる半導体装置への適用が困難であるという問題を有する。

さらに、これによると、部品点数が多くなるために、上記引用文献１と同様に組立製作が面倒であるという問題も有する。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、構成簡易にして、設計を含む製作性の向上を図ったうえで、高効率な放熱特性を実現し得、且つ、高精度な電気性能を確保し得るようにした半導体装置の取付構造を提供することを目的とする。

この発明は、半導体素子が取付ベース上に配置された枠状のフレーム部材内に収容されて、このフレーム部材の開口に蓋体が被着され、前記取付ベースが放熱体に熱的に結合される半導体装置と、前記フレーム部材及び蓋体が収容され、開口側が前記取付ベース上の前記フレーム部材を囲む周囲領域に当接される凹形状の収容部および、該収容部の少なくとも前記フレーム部材を挟んで対向する両端部に設けられ、該収容部の開口側が前記取付ベースのフレーム部材の周囲領域に当接された状態で、前記取付ベースを介在して前記放熱体に取付けられ、前記収容部の周囲で、前記フレーム部材の周囲領域を付勢して取付ベースを前記放熱体に圧接固定する取付部を有する固定具とを備えて半導体装置の取付構造を構成した。

上記構成によれば、固定具の収容部の周囲が半導体装置のフレーム部材の周囲における取付ベース上に当接されて、その取付部がフレーム部材の対向する両端部の取付ベース上に載置された状態で、該取付部が取付ベースを挟んで放熱体に固定されることにより、その収容部の周囲が取付ベースのフレーム部材の周囲を放熱体上に圧接して半導体装置を熱的に結合させて組付け配置する。

これにより、取付ベースは、そのフレーム部材の周囲が収容部の周囲により均一的に圧接固定されて、十分に広い熱接触面積を有して熱的に結合されて、放熱体との間の熱接触抵抗を小さく設定することが可能となり、高効率な放熱特性を実現したうえで、高精度な電気性能を確保することができる。そして、これにより、収容部の周囲により付与される押圧力が、フレーム部材に対して直接的に加わらないことで、素子収容部を構成するフレーム部材に材料的な制約がなくなり、その設計を含む製作性の向上を図ることが可能となる。

以上述べたように、この発明によれば、構成簡易にして、設計を含む製作性の向上を図ったうえで、高効率な放熱特性を実現し得、且つ、高精度な電気性能を確保し得るようにした半導体装置の取付構造を提供することができる。

この発明の一実施の形態に係る半導体装置の取付構造を説明するために示した斜視図である。 図１の要部を分解して示した分解斜視図である。 図１のＡ−Ａを断面して示した断面図である。 図１のＢ−Ｂを断面して示した断面図である。 図１のＣ−Ｃを断面して示した断面図である。 図１の固定具を取出して取付面側から見た状態を示した斜視図である。 図１の固定具の変形例を示した分解斜視図である。

以下、この発明の実施の形態に係る半導体装置の取付構造について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、この発明の一実施の形態を示すもので、半導体装置を構成する半導体パッケージ１０は、固定具１１を挟んで放熱体であるヒートシンク１２上に熱的に結合されて組付け配置される。

このうち半導体パッケージ１０は、図２に示すように熱伝導性に優れた銅合金等の金属材料製の取付ベースである矩形状のベースプレート１３が設けられ、このベースプレート１３上には、素子収容部を構成する枠状のフレーム部材１４の側壁が、その周囲から所定の寸法、後退して、該フレーム部材１４の周囲との間に、いわゆる間隙を有して設けられる。そして、ベースプレート１３には、そのフレーム部材１４を挟んで対向される両端部に、例えば凹状の取付用切欠き部１３１がそれぞれ延出されて設けられる。

また、上記フレーム部材１４内には、発熱体である半導体素子１５（図３乃至図５参照）が収容配置され、その上記ベースプレート１３の切欠き部１３１の存在しない対向する両側壁に凹部１３２が半導体素子１５の外部接続端子１５１に対応して設けられる。この凹部１３２には、上記外部接続端子１５１が、絶縁性材料、例えばセラミックス製の受け台１６を用いて外部接続可能に突設配置される。そして、このフレーム部材１４の開口側には、蓋体１７が被着されて、その開口が閉塞される。

上記固定具１１には、図６に示すようにその一方の面の中央部に押圧部を構成する凹状の収容部１１１がフレーム部材１４及び蓋体１７を覆うように設けられ、この収容部１１１を挟んだ両端部に凹状の切欠き部を有した取付部１１２が上記半導体パッケージ１０のベースプレート１３の切欠き部１３１に対応して設けられる。そして、固定具１１の取付部１１２の存在していない収容部１１１の両側壁には、凹部１１３が上記半導体素子１５の外部接続端子１５１に対応してそれぞれ設けられる。これにより、固定具１１は、その収容部１１１の凹部１１３に対して上記半導体パッケージ１０のフレーム部材１４から突出された半導体素子１５の外部接続端子１５１が挿通されて、その収容部１１１内にフレーム部材１４及び蓋体１７が収容される如く半導体パッケージ１０上に被着される。

ここで、固定具１１は、その収容部１１１の周囲領域Ｍ（図６中斜線で示す領域）が上記ベースプレート１３におけるフレーム部材１４の周囲に当接されて、その内壁がフレーム部材１４及び蓋体１７に対して接触しない程度の間隙を有して被着される。この状態で、固定具１１は、その取付部１１２が、ヒートシンク１２上に載置されたベースプレート１３の切欠き部１３１に対向されて載置される。

そして、この固定具１１は、その取付部１１２に対して固定部材である螺子部材１８が挿入され、該螺子部材１８がベースプレート１３の切欠き部１３１に挿通されて、ヒートシンク１２に設けられた螺子孔１２１（図１参照）に螺着されて締め付けられる。ここで、固定具１１は、その収容部１１１の周囲領域Ｍがベースプレート１３におけるフレーム部材１４の周囲をヒートシンク１２に押圧して圧接固定する。これにより、ベースプレート１３は、そのフレーム部材１４の周囲が固定具１１の取付面側における収容部１１１の周囲領域Ｍにより、ヒートシンク１２に対して均一的に圧接固定されて、ヒートシンク１２に対して十分に広い熱接触面積を有して熱的に結合され、相互間の熱接触抵抗が小さく保たれる。

この際、固定具１１の収容部１１１は、その内壁がフレーム部材１４及び蓋体１７との間に空隙があり、該フレーム部材１４及び蓋体１７に対して外力を付与することなく、その周囲領域Ｍのみがフレーム部材１４の周囲のベースプレート１３上に当接されて該ベースプレート１３におけるフレーム部材１４の周囲をヒートシンク１２に均一的に押圧して圧接させる。

このように固定具１１は、半導体パッケージ１０を構成するフレーム部材１４に対して直接的に外力を付与することがないことで、フレーム部材１４を、金属材料に比べて脆い、例えばセラミックス等を用いて形成しても、そのベースプレート１３とヒートシンク１２との高品質な熱結合を実現することができる。この結果、フレーム部材１４の材料の制約が軽減され、半導体パッケージ１０の設計を含む製造上における自由度の向上を図ることが可能となる。

なお、上記固定具１１は、例えば図７に示すように収容部１１１の底面に開口１１４を形成するようにしてもよい。これにより、固定具１１の軽量化が図れて、システムの軽量化を促進することが可能となる。この開口１１４としては、少なくとも固定具１１の収容部１１１の周囲領域Ｍによりフレーム部材１４を囲む周囲を均一的に押圧してベースプレート１３のフレーム部材１４の周囲を全面的にヒートシンク１２に対して均一的に押圧することを確保し得る限り、特に形状を限定するものでない。

上記構成により、半導体パッケージ１０をヒートシンク１２上に熱的に結合させて配置する場合には、例えばベースプレート１３の取付面がヒートシンク１２の螺子孔１２１に対応するように載置される。この状態で、半導体パッケージ１０上には、固定具１１が、その収容部１１１の凹部１１３に対してフレーム部材１４から突設された外部接続端子１５１を収容すると共に、その収容部１１１内にフレーム部材１４を内挿させて、その取付部１１２が、ヒートシンク１２上に載置されたベースプレート１３の切欠き部１３１に重なるように被される。

次に、この固定具１１は、その取付部１１２に対して螺子部材１８が挿入されて、ベースプレート１３の切欠き部１３１に挿通され、ヒートシンク１２に設けられた螺子孔１２１に螺着されて締め付けられる。すると、固定具１１は、その取付面側における収容部１１１の周囲領域Ｍがベースプレート１３におけるフレーム部材１４の周囲を押圧して、その取付面側をヒートシンク１２に圧接固定する。

これにより、半導体パッケージ１０のフレーム部材１４内の半導体素子１５で発生された熱量は、固定具１１の取付面側の周囲領域Ｍによりベースプレート１３におけるフレーム部材１４の周囲が均一に押されることで、ベースプレート１３に均一的に力が加わり、ベースプレート１３を全面的に押すことができるため、ヒートシンク１２に全面的に接触させることができて、効率よくヒートシンク１２に熱移送されて排熱され、半導体素子１５の高効率な熱制御が可能となる。

このように、上記半導体装置の固定具１１は、半導体パッケージ１０のフレーム部材１４及び蓋体１７上に被されて、その周囲領域Ｍが半導体パッケージ１０のフレーム部材１４の周囲におけるベースプレート１３上に当接される収容部１１を備えて、この収容部１１１をフレーム部材１４上に被せた状態で、その取付部１１２をベースプレート１３の切欠き部１３１を挟んでヒートシンク１２に固定することにより、その取付面側の収容部１１１の周囲領域Ｍが、ベースプレート１３のフレーム部材１４を囲んだ周囲をヒートシンク１２に圧接固定して熱的に結合させるように構成した。

これによれば、収容部１１１がベースプレート１２におけるフレーム部材１４の周囲に当接され、その取付部１１２が、ベースプレート１３を挟んでヒートシンク１２に固定されると、固定具１１の取付面側の周囲領域Ｍがフレーム部材１４の周囲のベースプレート１３上をヒートシンク１２に圧接固定されて組付け配置される。これにより、十分に広い熱接触面積を有して熱的に結合されて、ヒートシンク１２との間の熱接触抵抗を小さく設定することが可能となり、高効率な放熱特性を実現したうえで、高精度な電気性能を確保することができる。

また、これによれば、固定具１１により付与される押圧力が、ベースプレート１３に対して直接的に加わり、フレーム部材１４に加わらないことで、フレーム部材１４の製作に用いる材料に強度的な制約がなくなるため、例えば金属材料に代えて比較的脆いセラミックスを用いることが可能となり、その設計を含む製作性の向上を図ることができる。

さらに、これによれば、従来のような放熱用グラファイトシートや放熱用グリースなどの別部品を用いることなく、半導体パッケージ１０のベースプレート１３とヒートシンク１２との間の接触熱抵抗を小さく設定することができて、放熱特性の高効率化を図ることができる。従って、半導体パッケージ１０としての高品質な電気性能を確保することができ、しかも、簡便な製作組立作業が実現されると共に、その使用形態の多様化を図ることができる。

また、さらに、上記固定具１１は、その他の使用形態として、例えば既に使用されている、いわゆる既存の半導体パッケージのフレーム部材を囲む周囲におけるベースプレート上を、ヒートシンクに押圧して圧接固定し、相互間を熱的に結合させる使用も可能であり、同様の効果を得ることができる。

そして、上記半導体装置の取付構造は、ヒートシンク１２に載置した半導体パッケージ１０のフレーム部材１４及び蓋体１７上に固定具１１の収容部１１１を被せて、該固定具１１の収容部１１１の周囲領域Ｍを、フレーム部材１４の周囲のベースプレート１３上に当接させ、この収容部１１の取付部１１２をベースプレート１３の切欠き部１３１を挟んでヒートシンク１２に固定することにより、その取付面側の周囲領域Ｍが半導体パッケージ１０のベースプレート１３におけるフレーム部材１４を囲んだ周囲をヒートシンク１２に圧接固定するように構成した。

これによれば、固定具１１の収容部１１１が、半導体パッケージ１０のベースプレート１３におけるフレーム部材１４の周囲に当接され、その取付部１１２が、ベースプレート１３を挟んでヒートシンク１２に固定されると、固定具１１の取付面側の周囲領域Ｍがフレーム部材１４の周囲におけるベースプレート１３上をヒートシンク１２に圧接固定して組付けられる。これにより、固定具１１の取付面側の周囲領域Ｍによりベースプレート１３におけるフレーム部材１４の周囲が均一に押され、ベースプレート１３に対して均一的に力が加わり、ベースプレート１３を全面的に押すことができる。この結果、ベースプレート１３は、ヒートシンク１２に対して全面的に接触させることができて、ヒートシンク１２との間の熱接触抵抗を小さく設定することが可能となり、高効率な放熱特性を実現したうえで、高精度な電気性能を確保することができる。

また、これによれば、固定具１１により付与される押圧力が、ベースプレート１３に対して直接的に加わりフレーム部材１４に加わらないことで、フレーム部材１４の製作に材料的な制約がなくなり、例えば金属材料に代えて比較的脆いセラミックスを用いることが可能となるため、その設計を含む製作性の向上を図ることができる。

さらに、これによれば、従来のような放熱用グラファイトシートや放熱用グリースなどの別部品を用いることなく、半導体パッケージ１０のベースプレート１３とヒートシンク１２との間の接触熱抵抗を小さく設定することができて、放熱特性の高効率化を図ることができる。従って、半導体パッケージ１０としての高品質な電気性能を確保することができ、しかも、簡便な製作組立作業が実現されると共に、その使用形態の多様化を図ることができる。

この発明は、上記実施の形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。

例えば実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１０…半導体パッケージ、１１…固定具、１１１…収容部、１１２…取付部、１１３…凹部、１１４…開口、１２…ヒートシンク、１２１…螺子孔、１３…ベースプレート、１３１…切欠き部、１３２…凹部、１４…フレーム部材、１５…半導体素子、１５１…外部接続端子、１６…受け台、１７…蓋体、１８…螺子部材。

Claims (3)

1. 半導体素子が取付ベース上に配置された枠状のフレーム部材内に収容されて、このフレーム部材の開口に蓋体が被着され、前記取付ベースが放熱体に熱的に結合される半導体装置と、
   前記フレーム部材及び蓋体が収容され、開口側が前記取付ベース上の前記フレーム部材を囲む周囲領域に当接される凹形状の収容部および、該収容部の少なくとも前記フレーム部材を挟んで対向する両端部に設けられ、該収容部の開口側が前記取付ベースのフレーム部材の周囲領域に当接された状態で、前記取付ベースを介在して前記放熱体に取付けられ、前記収容部の周囲で、前記フレーム部材の周囲領域を付勢して取付ベースを前記放熱体に圧接固定する取付部を有する固定具と、
   を具備することを特徴とする半導体装置の取付構造。
2. 前記固定具の収容部の内壁面は、前記フレーム部材及び蓋体の外壁面に対して間隙を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の取付構造。
3. 前記フレーム部材及び蓋体は、セラミックスで形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置の取付構造。

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