JP5236127B1 - 電力半導体装置 - Google Patents
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Abstract
電力半導体素子と、一方の面に電力半導体素子が載置され、複数の溝を有する凸部が他方の面に形成されたベース板と、凸部が露出するように電力半導体素子を封止するモールド樹脂とを有するモールド部（１）と、複数の溝の各々に挿入されてかしめによりベース板に固着された複数の放熱フィン（２）と、凸部が挿入される開口を有し、開口に凸部を挿入してモールド部と複数の放熱フィンとの間に配置される金属板（３）とを備えた電力半導体装置であって、金属板（３）は、開口の縁から突出し、凸部を開口に挿入した際に凸部の側面に食い込む突起を有する。
Description
本発明は、電力半導体装置に関する。
従来、ＣＰＵ（central processing unit）やパワートランジスタなどの発熱の激しい電子部品（電力半導体素子）を冷却するためにヒートシンクを取り付ける際、両者の接触面の微細な隙間を埋めて放熱性能を高めるために放熱グリースを塗布することが広く行われていた。
放熱グリースの熱伝導率は、金属と比べて非常に低いことから、より放熱性能を高めるために、放熱グリースを使用せずに、放熱フィンと電力半導体装置の金属部ベース板とを一体化した放熱フィン一体型の電力半導体装置も実現されている。放熱フィン一体型の電力半導体装置では、ベース板に放熱フィン接合用の溝を設け、この溝が形成された部分を含むベース板の一部の表面を露出させた状態で樹脂モールドし、ベース板の溝に放熱フィンを挿入した上でかしめて固着することによって、ベース板と放熱フィンとを一体とし、放熱性能の向上を図っている。
上記のようにして高放熱化を図った電力半導体装置において、放熱フィンとベース板との間に金属板を挿入し、電力半導体装置をアース電位に接続する役割をこの金属板に持たせることにより、電力半導体素子からの放射ノイズや誤動作を抑制することが知られている（特許文献１参照）。
しかしながら、上記従来の技術では、電力半導体素子を樹脂封止する際の加熱・冷却によって、電力半導体装置のモジュールが反った状態で仕上がってしまうことがあったり、挿入する金属板そのものに反りが生じていることがあったりする。これらのために、上記従来の技術では、金属板とベース板との間に隙間が生じ、両者間の電気的抵抗が大きくなってしまうという問題があった。また、金属であるベース板の表面には大気中において酸化膜が形成されるが、金属の酸化膜の電気的抵抗は金属そのものと比べて大きい。上記従来の技術では、放熱フィンとベース板との間に金属板を挟み込むことによって金属板とベース板との電気的接触を実現しているため、ベース板の表面の酸化膜が金属板とベース板との接触によって破壊されて金属が露出した微小領域を除いては、両者間の電気的接続はベース板表面に形成された酸化膜を通じてなされる。このため、金属板やベース板に反りが生じておらず、ベース板と金属板とが面接触する場合であっても、金属同士の接触により導通する部分の割合は小さく、ベース板と金属板との間の電気的抵抗が大きくなってしまうという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力半導体素子からの放射ノイズや誤動作を抑制する効果に優れた電力半導体装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電力半導体素子と、一方の面に電力半導体素子が載置され、複数の溝を有する凸部が他方の面に形成されたベース板と、凸部が露出するように電力半導体素子を封止するモールド樹脂とを有するモールド部と、複数の溝の各々に挿入されてかしめによりベース板に固着された複数の放熱フィンと、凸部が挿入される切除部を有し、切除部に凸部を挿入してモルド部と複数の放熱フィンとの間に配置される金属板とを備えた電力半導体装置であって、金属板は、切除部の縁から突出し、凸部を切除部に挿入した際に凸部の側面に食い込む突起を有することを特徴とする。
本発明にかかる電力半導体装置は、ベース板と金属板との間の電気的抵抗を小さくし、電力半導体素子からの放射ノイズや誤動作を抑制する効果を高めることができるという効果を奏する。
以下に、本発明にかかる電力半導体装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
図１は、本発明にかかる電力半導体装置の実施の形態１の構成を示す分解斜視図である。図２は、実施の形態１にかかる電力半導体装置の断面図である。実施の形態１にかかる電力半導体装置１００は、モールド部１と、放熱フィン２と、金属板３とを有する。
図１は、本発明にかかる電力半導体装置の実施の形態１の構成を示す分解斜視図である。図２は、実施の形態１にかかる電力半導体装置の断面図である。実施の形態１にかかる電力半導体装置１００は、モールド部１と、放熱フィン２と、金属板３とを有する。
図３は、実施の形態１にかかる電力半導体装置のモールド部の断面図である。モールド部１は、電力半導体素子１１と、一方の面に電力半導体素子１１を搭載するベース板１２と、電力半導体素子１１を封止するモールド樹脂１３とを備えており、電力半導体素子１１を搭載したベース板１２とモールド樹脂１３とを一体成形して形成されている。ベース板１２の電力半導体素子１１を搭載する面と反対側の面には、凸部１２１が形成されており、モールド樹脂１３から突出している。凸部１２１には複数の溝１２２が設けられている。また、凸部１２１の周縁は平坦面１２３となっている。ベース板１２は、金属板３よりも柔らかく熱伝導性の高い金属（アルミニウムなど）を材料として形成されている。
図４は、実施の形態１にかかる電力半導体装置の金属板の平面図である。金属板３は、略矩形状の開口３１が切除部として切り取られており、開口３１には凸部１２１を挿入可能である。ここでの略矩形とは、角の部分への応力集中を防ぐための丸めが施されているような形状を含む。開口３１の対向する２辺（ここでは両短辺）の縁に、突起３２が設けられている。突起３２の先端同士の間隔Ｌ２は、ベース板１２の凸部の幅Ｌ１よりも小さくなっている。金属板３は、ベース板１２の材料よりも硬い金属で形成されており、例えば鋼板を適用可能である。
放熱フィン２は、薄板状であり、凸部１２１に設けられた複数の溝１２２の数と同じ枚数が用意され、各々は凸部１２１の溝１２２に挿入されて、左右から挟み込むようにかしめられてベース板１２に固定される。
図５、図６は、金属板とベース板とが接触する部分の拡大断面図であり、図５は、開口３１に凸部１２１を挿入する前の状態、図６は、開口３１に凸部１２１を挿入した後の状態を示す。突起３２の先端同士の間隔Ｌ２がベース板１２の凸部１２１の幅Ｌ１よりも小さいため、ベース板１２の凸部１２１を開口３１に挿入する際に、突起３２が凸部１２１の側面１２４を削り、突起３２が凸部１２１の側面１２４に食い込んだ状態で凸部１２１が開口３１に嵌合する。この際、ベース板１２の表面の酸化膜が破壊され、内部の酸化していない金属が露出して、金属板３とベース板１２との電気的接続が実現される。突起３２が全体的に金属同士が接触する部分となることにより、金属板３とベース板１２との間の電気的抵抗を小さくすることができる。
ここで、突起３２が小さすぎると、金属板３とベース板１２との間で金属同士の接触によって導通する部分の面積を十分に確保することが難しくなる。一方、突起３２が大きすぎると、金属板３とベース板１２との隙間が大きくなって電力半導体装置１００の小型化の妨げとなる。突起３２の大きさを０．５〜１．５ｍｍ程度とすれば、電力半導体装置１００を大型化することなく金属板３とベース板１２との間で金属同士の接触によって導通する部分の面積を確保できるが、この範囲はあくまでも一例であり、本発明はこの範囲に限定されることはない。
なお、ここでは開口３１の両短辺の縁のみに突起３２を設けた形状の金属板３を例としたが、突起３２は、開口３１の長辺の縁のみに設けられていても良いし、短辺及び長辺の双方に設けられていても良い。また、突起３２は開口３１の対向する２辺の一方の縁のみに設けられていても良い。開口３１の対向する２辺の一方の縁のみに突起３２を設けた場合、突起３２を設けていない辺の方では金属板３の側面が凸部１２１の側面１２４に押し付けられるため、平坦面１２３で導通を図る従来の構造と比較して両者間の電気的抵抗を小さくすることができる。また、開口３１の各辺の縁に設ける突起３２の数は２個に限ることはなく、これ以上であってもこれ以下であっても良い。さらに、開口３１の各辺の縁で突起３２の数は異なっていても良い。
また、上記の説明においては、凸部１２１が挿入される開口３１を切除部として金属板３から切り取るとしたが、開口３１の代わりに切り欠き３３を切除部として切りとって、金属板３を略コの字形としても良い。図７は、切除部として切り欠きを切り取った金属板の一例を示す図である。切除部として、凸部１２１が挿入される切り欠き３３を切り取る場合には、開放された辺を挟む対向する２辺に突起３２を形成することにより、凸部１２１を切り欠き３３に挿入する際に突起３２が凸部１２１の側面１２４を削るようにすることができる。凸部１２１を挿入可能な切除部を切り欠き状に設けることにより、金属板３の材料使用量を減らすことができる。
実施の形態１にかかる電力半導体装置は、ベース板と金属板との間の電気的抵抗を小さくし、電力半導体素子からの放射ノイズや誤動作を抑制する効果を高めることができることができる。
実施の形態２．
実施の形態２にかかる電力半導体装置は、実施の形態１と同様であり、図１、図２に示したようにモールド部１と、放熱フィン２と、金属板３とを有する。モールド部１は、図３に示したように、電力半導体素子１１と、電力半導体素子１１を搭載するベース板１２と、電力半導体素子１１を封止するモールド樹脂１３とを備えている。図８は、本発明にかかる電力半導体装置の実施の形態２の金属板の平面図である。金属板３は、開口３１が切除部として切り取られており、開口３１には凸部１２１を挿入可能である。開口３１の四辺の縁には、金属箔３４が貼り付けられている。金属箔３４としては、銅箔やアルミ箔などの展性に優れ、金属板３よりも軟質の金属を材料とした箔を適用可能である。
実施の形態２にかかる電力半導体装置は、実施の形態１と同様であり、図１、図２に示したようにモールド部１と、放熱フィン２と、金属板３とを有する。モールド部１は、図３に示したように、電力半導体素子１１と、電力半導体素子１１を搭載するベース板１２と、電力半導体素子１１を封止するモールド樹脂１３とを備えている。図８は、本発明にかかる電力半導体装置の実施の形態２の金属板の平面図である。金属板３は、開口３１が切除部として切り取られており、開口３１には凸部１２１を挿入可能である。開口３１の四辺の縁には、金属箔３４が貼り付けられている。金属箔３４としては、銅箔やアルミ箔などの展性に優れ、金属板３よりも軟質の金属を材料とした箔を適用可能である。
図９、図１０は、金属板とベース板とが接触する部分の拡大断面図であり、図９は、開口３１に凸部１２１を挿入する前の状態、図１０は、開口３１に凸部１２１を挿入した後の状態を示す。ベース板１２の凸部１２１を開口３１に挿入する際に、ベース板１２と金属板３との隙間の形状に合わせて金属箔３４が変形する。金属箔３４がベース板１２と金属板３との隙間を埋めることにより、金属板３とベース板１２との接触面積を増大させ、両者の間の電気的抵抗を小さくすることができる。
ここで、金属箔３４が薄すぎると、ベース板１２と金属板３との隙間を十分に埋めることができなくなって金属板３とベース板１２との接触面積を十分に確保することが難しくなる。一方、金属箔３４が厚すぎると、金属箔３４が変形しにくくなって金属板３とベース板１２との接触面積を十分に確保することが難しくなる。金属箔３４の厚さを０．１〜０．３ｍｍ程度とすれば、金属板３とベース板１２との接触面積を確保しやすくなるが、この範囲はあくまでも一例であり、本発明はこの範囲に限定されることはない。
上記の説明においては、開口３１の四辺の縁に金属箔３４を貼り付けた金属板３を用いる構成を例としたが、金属箔３４は、開口３１の少なくとも１辺の縁に貼り付けられていれば良い。ただし、ベース板１２と金属板３との接触面積を大きくする観点では、開口３１の全ての辺の縁に金属箔３４を配置することが望ましい。また、実施の形態１と同様に、金属板３は、開口３１の代わりに切り欠き３３を切除部として切り取っても良い。
実施の形態１と同様に、実施の形態２にかかる電力半導体装置も、ベース板と金属板と間の電気的抵抗を小さくし、電力半導体素子からの放射ノイズや誤動作を抑制する効果を高めることができることができる。
以上のように、本発明にかかる電力半導体装置は、電力半導体素子からの放射ノイズや誤動作を抑制する効果を高めることができる点で有用である。
１ モールド部、２ 放熱フィン、３ 金属板、１１ 電力半導体素子、１２ ベース板、１３ モールド樹脂、３１ 開口、３２ 突起、３３ 切り欠き、３４ 金属箔、１００ 電力半導体装置、１２１ 凸部、１２２ 溝、１２３ 平坦面、１２４ 側面。
Claims (3)
- 電力半導体素子と、一方の面に前記電力半導体素子が載置され、複数の溝を有する凸部が他方の面に形成されたベース板と、前記凸部が露出するように前記電力半導体素子を封止するモールド樹脂とを有するモールド部と、
前記複数の溝の各々に挿入されてかしめにより前記ベース板に固着された複数の放熱フィンと、
前記凸部が挿入される切除部を有し、該切除部に前記凸部を挿入して前記モールド部と前記複数の放熱フィンとの間に配置される金属板とを備えた電力半導体装置であって、
前記金属板は、前記切除部の縁から突出し、前記凸部を前記切除部に挿入した際に前記凸部の側面に食い込む突起を有することを特徴とする電力半導体装置。 - 前記切除部は、矩形状であり、前記突起は、前記切除部の対向する２辺の縁に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
- 電力半導体素子と、一方の面に前記電力半導体素子が載置され、複数の溝を有する凸部が他方の面に形成されたベース板と、前記凸部が露出するように前記電力半導体素子を封止するモールド樹脂とを有するモールド部と、
前記複数の溝の各々に挿入されてかしめにより前記ベース板に固着された複数の放熱フィンと、
前記凸部が挿入される切除部を有し、該切除部に前記凸部を挿入して前記モールド部と前記複数の放熱フィンとの間に配置される金属板とを備えた電力半導体装置であって、
前記金属板は、前記切除部の縁に配置され、前記凸部を前記切除部に挿入した際に、前記凸部と前記切除部との間に挟持される金属箔を有することを特徴とする電力半導体装置。
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