JP5754528B2

JP5754528B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP5754528B2
Application number: JP2014055988A
Authority: JP
Inventors: 中島　泰; 泰中島; 吉松　直樹; 直樹吉松
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2029-08-04
Also published as: JP2014112737A

Description

本発明は、半導体モジュールを冷却装置にバネで押さえ付けながらネジで固定する半導体装置に関し、特に半導体モジュールに対するバネ加圧力の制御性を向上できる半導体装置に関する。

電気モータにより駆動される電気自動車やハイブリッド自動車などでインバータ装置が用いられている。インバータ装置は、パワー半導体素子を複合化した半導体モジュール、冷却装置、平滑コンデンサ、配線電極、及び外構ケースなどを備えている。

半導体モジュールのブロック状の筐体を冷却装置に固定する際に、通常は半導体モジュールの筐体と冷却装置の間に熱伝導グリスを介在させる。しかし、熱伝導グリスの熱伝導率は、通常１Ｗ／ｍＫ〜５Ｗ／ｍＫ程度であり、Ｃｕの４００Ｗ／ｍＫやＡｌの２００Ｗ／ｍＫに比べ非常に小さい。従って、熱伝導グリスが厚いまま残っていると、パワー半導体素子から冷却装置までの熱抵抗が大きくなってしまう。そこで、熱伝導グリスが部分的に厚くなるのを防ぐために、半導体モジュールを冷却装置の搭載面に対して均一に押し付ける必要がある。

半導体モジュールの中央部の貫通穴に通したネジにより、半導体モジュールが冷却装置に固定される。しかし、半導体モジュールは底面が完全に平坦ではなく、樹脂封止型の筐体は剛性が不均一である。このため、ネジ周辺にのみ押し付け力がかかり、ネジから遠くなるに従って半導体モジュールが浮き上がってしまう。この対策として、ネジの加圧力を周辺に伝達するペントルーフ型の板バネを用いる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

インバータ装置を自動車などの移動体に利用する場合には、温度変化や振動などによりネジが緩みやすいため、ネジを強く締め込む必要がある。しかし、ペントルーフ型のバネの場合、ネジを強く締め込んだ状態でバネのどこがどのように半導体モジュールに接するかが不明であり、半導体モジュールにバネ加圧力を均一に印加できるバネ形状の設計が非常に困難であった。

この対策として、円錐台型の板バネ（皿バネ）を用いる技術が提案されている。皿バネは回転対称体であるため、半導体モジュールにバネ加圧力を均一に印加できる。しかし、皿バネは、その形状により反転する恐れがある。これを防ぐために、皿バネの中央頂部と半導体モジュールの間にスペーサを介在させている（例えば、特許文献２の図４参照）。

特許第３７２５１０３号公報特開２００８−１９８６４４号公報

しかし、従来の半導体装置の場合、ネジを締め込むと皿バネの中央頂部が圧縮されて変形する。この皿バネの変形により半導体モジュールに対するバネ加圧力が変化するため、バネ加圧力の制御性が悪かった。さらに、ネジの締め込みトルクが大きいと、皿バネが反転する場合もあった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、半導体モジュールに対するバネ加圧力の制御性を向上できる半導体装置を得るものである。

本発明に係る半導体装置は、半導体素子が樹脂封止され、中央部に第１貫通穴を有する半導体モジュールと、第２貫通穴を有し、前記半導体モジュールの上面側に配置されたバネと、ネジ穴を有し、前記半導体モジュールの下面側に配置された冷却装置と、頭部を有し、前記半導体モジュールの前記第１貫通穴を通って前記冷却装置の前記ネジ穴に螺合され、前記半導体モジュールを前記冷却装置に固定するネジとを備え、
前記半導体モジュールは、前記上面から突出した凸部を有し、前記第１貫通穴は前記凸部を貫通し、前記凸部は前記バネの前記第２貫通穴に挿入され、前記頭部は、前記凸部の上端から外側に延び、前記凸部に支持されて前記半導体モジュールの前記上面に対して一定の間隔を保ち、前記半導体モジュールの前記上面との間に前記バネを挟むことを特徴とする。

本発明により、半導体モジュールに対するバネ加圧力の制御性を向上できる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す斜視断面図である。半導体モジュールの内部構造を示す断面図である。比較例に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態５に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態６に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態７に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態８に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態９に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態１０に係る半導体装置を示す断面図である。図１３の半導体装置に取り付ける前のバネを示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す斜視断面図である。この半導体装置は、自動車などの移動体に用いられるインバータ装置である。

半導体モジュール１０の中央部に第１貫通穴１２が設けられている。半導体モジュール１０の上面側にバネ１４が配置されている。バネ１４に第２貫通穴１６が設けられている。半導体モジュール１０の下面側に冷却装置１８が配置されている。冷却装置１８の上面にネジ穴２０が設けられている。

半導体モジュール１０の上面側にバネ押さえ２２が配置されている。バネ押さえ２２は筒状の直立部２４とバネ接触部２６とを有する。直立部２４はバネ１４の第２貫通穴１６に挿入されている。直立部２４の底面は半導体モジュール１０の上面に接している。バネ接触部２６は、直立部２４の上端から外側に延び、直立部２４に支持されて半導体モジュール１０の上面に対して一定の間隔を保っている。半導体モジュール１０の上面とバネ接触部２６の間にバネ１４が挟まれている。

半導体モジュール１０の第１貫通穴１２及び直立部２４内を通ってネジ２８が冷却装置１８のネジ穴２０に螺合されている。これにより半導体モジュール１０及びバネ押さえ２２が冷却装置１８に固定される。

バネ１４は、半導体モジュール１０の上面の各辺より小さい直径を持つ円錐台型の板バネであり、バネ接触部２６との接触部分よりも半導体モジュール１０の上面との接触部分の方が外側に広がっている。

図３は、半導体モジュールの内部構造を示す断面図である。厚み０．５〜３ｍｍのＣｕ又はＣｕ合金などからなる電極材３０上に、パワー半導体素子３２が半田付けされている。パワー半導体素子３２の表面電極がワイヤ３４により出力端子３６に電気的に接続されている。これらのパワー半導体素子３２及びワイヤ３４はエポキシなどの樹脂３８で封止されている。なお、装置全体を小型化するために、複数の電位を内在した絶縁樹脂層を底面に設けてもよい。

このように半導体モジュール１０が複数のパワー半導体素子３２を有する場合、電極材３０は複数個に分割され、樹脂３８内部は電極材３０及びパワー半導体素子３２が存在する領域と、これらが存在しない領域に分けられる。樹脂３８の弾性率は金属に比べ低いため、樹脂３８は複合体として挙動する。従って、半導体モジュール１０の中央部をネジ２８で押さえ付けると、電極材３０及びパワー半導体素子３２が存在しない領域が優先的に屈曲する。このため、ネジ２８だけでは半導体モジュール１０の全面を均等に押さえることができない。そこで、バネ１４を用いて半導体モジュール１０の複数箇所を加圧することで、より安定的に半導体モジュール１０を冷却装置１８に密着させることができる。

ＳｉＣ製の素子はＳｉ製の素子に比べて高温動作が可能であり、瞬時の温度上昇が問題となる。これに対し、樹脂封止型の半導体モジュール１０は、温度サイクル耐久性が高く、特にパワーサイクル寿命と呼ばれる、瞬時の温度上昇に対する熱サイクル疲労に対する耐久性が高い。従って、パワー半導体素子３２がＳｉＣ製の場合に樹脂封止型の半導体モジュール１０が特に有効である。

本実施の形態の効果について、比較例と比較しながら説明する。図４は、比較例に係る半導体装置を示す断面図である。バネ１４の反転を防ぐために、バネ１４の中央頂部と半導体モジュール１０の間にスペーサ４０を介在させている。温度変化や振動などによりネジ２８が緩みやすい環境では、ネジ２８を強く締め込む必要がある。しかし、ネジ２８を締め込むとバネ１４の中央頂部は圧縮されて変形する。このバネ１４の変形により半導体モジュール１０に対するバネ加圧力が変化するため、比較例ではバネ加圧力の制御性が悪い。

これに対して、本実施の形態では、バネ押さえ２２のバネ接触部２６は、ネジ２８を強く締め込んだ状態でも直立部２４に支持されて半導体モジュール１０の上面に対して一定の間隔を保っている。そして、半導体モジュール１０を冷却装置１８に固定した状態のバネ１４の長さ（最大圧縮量）は、半導体モジュール１０の上面とバネ接触部２６の間隔に規定される。従って、バネ１４のバネ乗数や直立部２４の長さなどにより、バネ加圧力を所定量に設計することができる。また、皿バネが反転することもない。よって、半導体モジュール１０に対するバネ加圧力の制御性を向上できる。

また、バネ１４は、バネ接触部２６との接触部よりも半導体モジュール１０の上面との接触部のほうが外側に広がっている。これにより、バネ押さえ２２を小型化しながら、半導体モジュール１０の広い領域にバネ加圧力を作用させることができる。また、バネ押さえ２２の小型化により軽量化が図れる。このような数ｇ又は数十ｇ単位の軽量化を積み上げることで、インバータ装置全体でｋｇ単位の重量削減が可能となる。これに伴ってインバータ装置の取り付け部の剛性や空間を小さくできるので、自動車全体で数十ｋｇ単位の重量削減が可能となり、燃費改善に繋がる。

また、バネ１４は、半導体モジュール１０の上面の各辺より小さい直径を持つ円錐台型の板バネである。これにより、バネ１４が半導体モジュール１０の周辺から出っ張ることが無いため、回転方向の位置決めを考慮しなくてもバネ加圧力が働く領域を規定できる。

また、円錐台型のバネ１４は皿バネと呼ばれ、例えば乗用車のクラッチなどに用いられている。皿バネの反力は圧縮高さの変化に対してリニアではなく、非線形である。このような非線形性を利用して、数十年の装置の使用による樹脂３８の厚み変化や直立部２４の撓みなどによるバネ１４のクリアランス変化に対して、バネ加圧力の変化量を抑制することができる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。この半導体装置は、実施の形態１のバネ１４をコイルバネ４２に置き換えたものである。本実施の形態でも、実施の形態１と同様に、半導体モジュール１０に対するバネ加圧力の制御性を向上できる。

なお、コイルバネ４２と半導体モジュール１０の上面との間にリング状の押さえ板を介在させるのが好ましい。これにより、コイルバネ４２の底面の片当たりを防止し、バネ加圧力が作用する領域を任意に設定でき、設計性が増す。また、コイルバネ４２を複数本にすれば、バネ加圧力が作用する領域の設計性が更に増す。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。バネ押さえ２２の直立部２４とバネ接触部２６は別体である。バネ接触部２６は中央に貫通穴が開いた円板型である。その他の構成は実施の形態１と同様である。

直立部２４とバネ接触部２６が一体のバネ押さえ２２を製造する場合、円筒の削り出しでは製造コストが高くなる。一方、薄板の塑性加工では、製造コストは低くなるが、直立部２４やバネ接触部２６の肉厚を大きくすることができない。そこで、直立部２４とバネ接触部２６を別体とすることで、所望の肉厚のバネ押さえ２２を低コストで製造できる。その他、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図である。バネ押さえ２２の直立部２４は、半導体モジュール１０の第１貫通穴１２を通って冷却装置１８に接している。その他の構成は実施の形態１と同様である。

直立部２４の底面とバネ接触部２６の間隔から半導体モジュール１０の厚みを引いた長さにより、半導体モジュール１０を冷却装置１８に固定した状態のバネ１４の高さ（最大圧縮量）を規定できる。従って、実施の形態１と同様に、半導体モジュール１０に対するバネ加圧力の制御性を向上できる。

また、ネジ２８を締め付けた際の軸力が半導体モジュール１０に直接かからないため、半導体モジュール１０の樹脂３８として強度が低く比重が小さいものを選択できる。

実施の形態５．
図８は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置を示す断面図である。実施の形態１と比べて、バネ押さえ２２が無く、ネジ２８の構造が異なる。実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。

ネジ４４は頭部４６とネジ部４８を有する。ネジ部４８は、半導体モジュール１０の第１貫通穴１２を通って冷却装置１８のネジ穴２０に螺合される。これにより、半導体モジュール１０は冷却装置１８に固定される。

頭部４６は直立部５０とバネ接触部５２とを有する。直立部５０は、バネ１４の第２貫通穴１６に挿入されている。直立部５０の底面は半導体モジュール１０の第１貫通穴１２よりも大きく、直立部５０の底面の一部は半導体モジュール１０の上面に接している。バネ接触部５２は、直立部５０の上端から外側に延び、直立部２４に支持されて半導体モジュール１０の上面に対して一定の間隔を保っている。半導体モジュール１０の上面とバネ接触部５２の間にバネ１４が挟まれている。

本実施の形態でも、実施の形態１と同様に、半導体モジュール１０に対するバネ加圧力の制御性を向上できる。さらに、実施の形態１に比べてバネ押さえ２２を省略できるため、部品点数を減らすことができる。

実施の形態６．
図９は、本発明の実施の形態６に係る半導体装置を示す断面図である。ネジ４４の頭部４６の直立部５０は、半導体モジュール１０の第１貫通穴１２を通って冷却装置１８に接している。その他の構成は実施の形態５と同様である。

直立部５０の底面とバネ接触部５２の間隔から半導体モジュール１０の厚みを引いた長さにより、半導体モジュール１０を冷却装置１８に固定した状態のバネ１４の高さ（最大圧縮量）を規定できる。従って、実施の形態５と同様に、半導体モジュール１０に対するバネ加圧力の制御性を向上できる。

また、ネジ４４を締め付けた際の軸力が半導体モジュール１０に直接かからないため、半導体モジュール１０の樹脂３８として強度が低く比重が小さいものを選択できる。

実施の形態７．
図１０は、本発明の実施の形態７に係る半導体装置を示す断面図である。実施の形態１と比べて、バネ押さえ２２が無く、半導体モジュール１０及びネジ２８の構造が異なる。実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。

ネジ５４は頭部５６とネジ部５８を有する。ネジ部５８は、半導体モジュール１０の第１貫通穴１２を通って冷却装置１８のネジ穴２０に螺合される。これにより、半導体モジュール１０は冷却装置１８に固定される。

半導体モジュール１０の上面から樹脂製の凸部６０が突出している。第１貫通穴１２は凸部６０を貫通している。凸部６０はバネ１４の第２貫通穴１６に挿入されている。ネジ５４の頭部５６は、凸部６０の上端から外側に延び、凸部６０に支持されて半導体モジュール１０の上面に対して一定の間隔を保っている。半導体モジュール１０の上面とネジ５４の頭部５６の間にバネ１４が挟まれている。

凸部６０の高さにより、半導体モジュール１０を冷却装置１８に固定した状態のバネ１４の高さ（最大圧縮量）を規定できる。従って、実施の形態１と同様に、半導体モジュール１０に対するバネ加圧力の制御性を向上できる。さらに、実施の形態１に比べてバネ押さえ２２を省略できるため、部品点数を減らすことができる。

なお、本実施の形態では、ネジ５４の頭部５６がバネ１４の第２貫通穴１６より大きい場合について説明した。これに限らず、別体のバネ押さえを用いても良い。この場合、バネ押さえは単純なドーナツ型で良いため、抜き加工で簡単に製造できる。

実施の形態８．
図１１は、本発明の実施の形態８に係る半導体装置を示す断面図である。実施の形態７の樹脂製の凸部６０の代わりに金属筒６２が設けられている。金属筒６２は半導体モジュール１０の第１貫通穴１２を通って冷却装置１８に接する。この金属筒６２の半導体モジュール１０の上面から出た一部が実施の形態７の凸部６０と同様に作用するため、実施の形態７と同様の効果を得ることができる。

また、ネジ５４を締め付けた際の軸力が半導体モジュール１０に直接かからないため、半導体モジュール１０の樹脂３８として強度が低く比重が小さいものを選択できる。また、モータ一体型、エンジン一体型、トランスミッション一体型などのインバータ装置では振動環境が厳しいが、このような用途において本実施の形態の構造は特に効果を発揮する。

実施の形態９．
図１２は、本発明の実施の形態９に係る半導体装置を示す断面図である。実施の形態１とは、バネ押さえ２２の構造が異なる。実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。

バネ押さえ６４は、第３貫通穴６６を有する底部６８と、底部６８の外周から立ち上がる直立部７０と、直立部７０の上端から外側に延びるバネ接触部７２とを有する。直立部７０は、バネ１４の第２貫通穴１６に挿入されている。ネジ２８が第１及び第３貫通穴１２，６６を通って冷却装置１８のネジ穴２０に螺合されている。これにより、半導体モジュール１０及びバネ押さえ６４が冷却装置１８に固定される。

バネ接触部７２は、直立部７０に支持されて半導体モジュール１０の上面に対して一定の間隔を保っている。半導体モジュール１０の上面とバネ接触部７２の間にバネ１４が挟まれている。従って、実施の形態１と同様に、半導体モジュール１０に対するバネ加圧力の制御性を向上できる。

また、実施の形態１では、ネジ２８を強く締め付けると円筒状の直立部２４に圧縮力が働き、直立部２４が座屈したり、水平方向に引き裂かれたりする場合がある。これに対して本実施の形態では、リング状の底部６８で局所的な圧縮力が分散され、かつリング状の底部６８が裂けない限り直立部７０も裂けないため、耐久性が大幅に増大する。そして、バネ押さえ６４は薄い板材で構成できる。

実施の形態１０．
図１３は、本発明の実施の形態１０に係る半導体装置を示す断面図である。実施の形態１と比べて、バネ押さえ２２が無く、バネ１４の構造が異なる。実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。

バネ７４は、第２貫通穴７６を有する底部７８と、底部７８の外周から立ち上がる直立部８０と、直立部８０の上端から外側に延びて半導体モジュール１０の上面を押す加圧部８２とを有する。ネジ２８が第１及び第２貫通穴７６を通って冷却装置１８のネジ穴２０に螺合される。これにより、半導体モジュール１０及びバネ７４が冷却装置１８に固定される。

図１４は、図１３の半導体装置に取り付ける前のバネを示す断面図である。バネ７４の加圧部８２は底部７８よりも下側に突出している。このため、図１３の装置において、ネジ２８を緩めると、バネ７４の加圧部８２は底部７８よりも半導体モジュール１０側に突出することになる。従って、ネジ２８を締めた場合にバネ７４の底部７８及び加圧部８２により半導体モジュール１０の上面が加圧される。

加圧部８２の底部７８に対する突出量Ｗを調整することにより、バネ加圧力を所定量に設計することができる。よって、半導体モジュール１０に対するバネ加圧力の制御性を向上できる。さらに、実施の形態１に比べてバネ押さえ２２を省略できるため、部品点数を減らすことができる。また、このようなバネ７４は円板を塑性加工することで製造でき経済的であり、かつ重量も軽減できる。

１０半導体モジュール、１２第１貫通穴、１４，７４バネ、１６，７６第２貫通穴、１８冷却装置、２０ネジ穴、２２バネ押さえ、２４，５０，７０，８０直立部、２６，５２，７２バネ接触部、２８，４４，５４ネジ、３２パワー半導体素子（半導体素子）、３８樹脂、４２コイルバネ（バネ）、４６，５６頭部、６０凸部、６２金属筒、６６第３貫通穴、６８，７８底部、８２加圧部

Claims

半導体素子が樹脂封止され、中央部に第１貫通穴を有する半導体モジュールと、
第２貫通穴を有し、前記半導体モジュールの上面側に配置されたバネと、
ネジ穴を有し、前記半導体モジュールの下面側に配置された冷却装置と、
頭部を有し、前記半導体モジュールの前記第１貫通穴を通って前記冷却装置の前記ネジ穴に螺合され、前記半導体モジュールを前記冷却装置に固定するネジとを備え、
前記半導体モジュールは、前記上面から突出した凸部を有し、
前記第１貫通穴は前記凸部を貫通し、
前記凸部は前記バネの前記第２貫通穴に挿入され、
前記頭部は、前記凸部の上端から外側に延び、前記凸部に支持されて前記半導体モジュールの前記上面に対して一定の間隔を保ち、前記半導体モジュールの前記上面との間に前記バネを挟むことを特徴とする半導体装置。
前記凸部は、前記半導体モジュールの前記第１貫通穴を通って前記冷却装置に接する金属筒の一部であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
半導体素子が樹脂封止され、中央部に第１貫通穴を有する半導体モジュールと、
第２貫通穴を有し、前記半導体モジュールの上面側に配置されたバネと、
ネジ穴を有し、前記半導体モジュールの下面側に配置された冷却装置と、
第３貫通穴を有する底部と、前記底部の外周から立ち上がり前記バネの前記第２貫通穴に挿入された直立部と、前記直立部の上端から外側に延び、前記直立部に支持されて前記半導体モジュールの前記上面に対して一定の間隔を保ち、前記半導体モジュールの前記上面との間に前記バネを挟むバネ接触部とを有するバネ押さえと、
前記第１及び第３貫通穴を通って前記冷却装置の前記ネジ穴に螺合され、前記半導体モジュール及び前記バネ押さえを前記冷却装置に固定するネジとを備えることを特徴とする半導体装置。