JP5787435B2 - 半導体放熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワートランジスタ等の発熱量の大きな半導体素子に装着する放熱装置に関し、特に、半導体素子の発熱を効率的に安定して放熱するための放熱部材の取り付け構造を特徴とする半導体放熱装置に関する。

従来、パワートランジスタに代表される電力用の半導体素子は、プラスチック製のパッケージ内部に放熱効果のある金属板を設け、この金属板に半導体を載置してリード端子に接続しているが、通電による半導体の発熱を効率よく放熱させるために、パッケージ外部に放熱板等の放熱装置（ヒートシンク）を装着して使用するのが一般的である。

このような半導体素子は、図８に示す半導体素子１のように、発熱体である半導体２を収納している収納部３と、ネジ止め用の貫通孔４を有する固定部５とで構成されたパッケージ６から、複数のリード端子７が引き出された構造となっており、パッケージ６の背面８が放熱面として形成され、一般的には、放熱装置にパッケージ６の背面８を接触させ、貫通孔４にネジを通して締結し圧着させている。

このように半導体素子を放熱装置にネジ止めする場合、締め付けトルクが適正値より大きいとパッケージが変形し、また、締め付けトルクが適正値より小さいとパッケージと放熱装置との密着性が悪くなり、所定の放熱性能を得ることができないという問題が発生する。従って、配線基板の実装工程においては、半導体素子を放熱装置に取り付ける際のネジの締め付けトルクを厳密に管理しなければならない。

特開２００５−１８３６４４号公報

しかしながら、現実には、ネジの不適切な締め付けトルクによる放熱効率の低下や、ネジの過大な締め付けトルクによる半導体素子の破損等のトラブルが頻繁に発生し、特に、半導体素子を交換するような修理時においては、半導体素子を放熱装置に取り付ける際のネジの締め付けトルクが管理されない場合が多い。

図９は、従来の半導体放熱装置の実施例及びその問題点を示す断面図であり、図９（Ａ）は、放熱板に半導体素子を取り付けて配線基板に実装した状態、図９（Ｂ）は、ネジの不適切な締め付けトルクによって、半導体素子が浮き上がった状態を示している。

図９（Ａ）（Ｂ）において、半導体放熱装置１３０の放熱板１３１は、半導体素子１をネジ１３８によって取り付けた状態で、配線基板１４０にネジ１４２で取り付けてあり、また、半導体素子１のリード端子７は、配線基板１４０のスルーホール１４１に挿入されハンダ付けされている。

図９（Ａ）では、ネジ１３８を適切なトルクで締め付けているため、半導体素子１の背面（放熱面）８は、放熱板１３１に密着しているが、図９（Ｂ）では、ネジ１３８の締め付けトルクが過大であるため、半導体素子１の固定部５が変形し、背面８が放熱板１３１の接触面１３３から浮き上がっている。このような状態では、半導体放熱装置１３０は、所定の放熱性能を得ることができず、また、固定部５にクラックが発生しやすくなる。

すなわち、図９に示すような、従来の半導体放熱装置においては、半導体素子を取り付ける際のネジの不適切な締め付けトルクによって、放熱効率の低下や半導体素子の破損が発生するという問題がある。

この問題を解決するために、例えば、特許文献１の技術が提案されている。特許文献１に記載された放熱装置（電気回路モジュール）は、半導体素子を放熱部材に直接ネジ止めするのではなく、放熱部材にネジ止めした固定部材が、半導体素子を放熱部材に圧着して固定する構成となっている。

しかし、この構成においても、後で詳細に説明するように、半導体素子の形状的なばらつきによる放熱部材への圧着不足で、半導体素子と放熱部材との熱抵抗が増加したり半導体素子の固定が不十分であったり等の問題が発生する。また、このような固定部材は、構造が複雑であるため高価であり、更に、放熱装置を小型化する弊害にもなっていた。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、半導体素子の発熱を効率的に安定して放熱するための半導体放熱装置を安価に製造して提供することを目的とする。

この目的を達成するため本発明は次のように構成する。まず本発明は、半導体を収納した収納部及び貫通孔を有する固定部で構成され、収納部及び固定部の同一側に形成される第１放熱面と、収納部の第１放熱面の反対側に形成される第２放熱面とを有する半導体素子に装着される半導体放熱装置において、半導体素子の第１放熱面に接触する第１放熱部材と、第１放熱部材との接合部を支点として半導体素子の固定部に接触せずに第２放熱面に弾性的に接触する第２放熱部材と、半導体素子の貫通孔に挿通して第１放熱部材及び第２放熱部材に係合し、第１放熱部材と第２放熱部材とで半導体素子を挟持させる固定部材とを備え、第２放熱部材は、第１放熱部材より熱伝導率が高い材質であることを特徴とする。

ここで、第１放熱部材は、半導体素子の第１放熱面の実質的に全面に接触する第１接触面と、固定部材を挿通する第１取付孔とを有し、第２放熱部材は、半導体素子の第２放熱面の一部又は全面に接触する第２接触面と、固定部材を挿通する第２取付孔とを有し、固定部材は、第１取付孔、貫通孔、第２取付孔に挿通し、接合部を支点、第２取付孔を力点、第２接触面を作用点として第２放熱面を押圧する。更に、第１放熱部材は、配線基板に固定する基板取付部を有する。

また、この半導体放熱装置は、第１接触面に複数の半導体素子を配線基板に実装する方向に並べて配置し、第１放熱部材と第２放熱部材とでこの複数の半導体素子を挟持して固定する構成としてもよい。

このように、複数の半導体素子を挟持して固定する構成の場合、第２放熱部材は、複数の半導体素子の配置位置間にスリットを形成し、スリットにより分離された第２接触面の各々が、複数の半導体素子の第２放熱面に個別に接触する。

ここで、第１放熱部材及び第２放熱部材の少なくとも何れか一方は、第１放熱部材の基板取付部を配線基板に固定した状態で、配線基板とは反対側に、配線基板の略平行方向に屈曲した形状の屈曲部を有する。

また、第１放熱部材及び第２放熱部材は、板金加工したアルミニウム又はアルミニウム合金とする。

本発明によれば、半導体素子を放熱装置に取り付ける際に、半導体素子を２枚の放熱板で弾性的に挟持して固定するようにしたことで、従来の放熱板に半導体素子の固定部を直接ネジ止めする方法で問題になる、ネジの不適切な締め付けトルクによる半導体素子の浮き上がりや破損等を防止できる。

また、本発明によれば、半導体素子を弾性的に挟持することで、従来の固定治具を用いて半導体素子を放熱板に固定する方法で問題になる、半導体素子の形状的なばらつきによる放熱板への圧着不足で、半導体素子と放熱板との熱抵抗が増加したり半導体素子の固定が不十分であったり等のトラブルを防止することができる。

また、本発明によれば、２枚の放熱板を組み合わせて使用することで、半導体素子の両面から効率的に放熱させることができ、従来の１枚の放熱板で半導体素子の片面から放熱させる半導体放熱装置に比べて放熱効率が向上する。

更に、本発明によれば、２枚の放熱板としてアルミニウム材を板金加工したものを使用することで、複雑な形状にすることなく表面積を増やすことができ、所定の放熱性能を備えた半導体放熱装置を安価に製造することができる。

本発明による半導体放熱装置の実施形態を示す断面図 図１に示す半導体素子を複数の半導体素子に適用した場合の外観図 図２に示す半導体素子の分解図 従来の半導体放熱装置の実施例と図１に示す実施形態とを対比する断面図 本発明による半導体放熱装置の他の実施形態を示す説明図 本発明による半導体放熱装置の他の実施形態を示す説明図 本発明による半導体放熱装置の他の実施形態を示す断面図 本発明が対象とするパワートランジスタに代表される半導体素子を示す外観図 従来の半導体放熱装置の実施例及びその問題点を示す断面図

図１は、本発明による半導体放熱装置の実施形態を示す断面図であり、上記の半導体素子に対して本発明を適用した場合の半導体放熱装置について説明する。

図１に示すように、半導体放熱装置１０は、熱伝導性に優れたアルミニウムやアルミニウム合金等の板材を板金加工した、第１放熱板（第１放熱部材）１１と第２放熱板２１（第２放熱部材）、及びネジ（固定部材）２８で構成されている。

第１放熱板１１は、半導体素子１の背面８（第１放熱面）に接触する第１接触面１３と第１取付孔１４を有する半導体取付部１２、及び配線基板１４０に固定する基板取付部１５を形成し、第２放熱板２１は、半導体素子１の表面９（第２放熱面）に接触する第２接触面２３と第２取付孔２４を有する押圧部２２、第１放熱板１１に当接する接合部２５、屈曲部２６、及び段曲部２７を形成している。

第２放熱板２１の段曲部２７は、半導体素子１の背面８から表面９までの厚さに実質的に等しい段差を有し、屈曲部２６は、半導体放熱装置１０の基板取付部１５を配線基板１４０に固定した状態で、接合部２５から配線基板１４０の略平行方向に屈曲した形状となっている。

屈曲部２６は、半導体放熱装置１０が所定の放熱性能を発揮するのに必要な第２放熱板２１の表面積を確保しながら、半導体放熱装置１０の配線基板１４０からの高さを所定の寸法内に抑えるために形成しており、その形状は図１に示す形態に限らず、また、第１放熱板１１側に設けてもよく、更に、第１放熱板１１と第２放熱板２１の両方に設けることも可能である。

第１放熱板１１の第１取付孔１４は、ネジ２８に螺合する雌ネジとなっており、第２放熱板２１の第２取付孔２４は、内径がネジ２８の外径よりも大径となっている。また、ネジ２８は、外径が半導体素子１の貫通孔４の内径よりも小径となっている。

なお、第１取付孔１４の雌ネジは、半導体放熱装置１０を組み立てる以前に、予めネジ切り作業を施して形成する方法と、予めネジ切りを行わずにネジ２８としてセルフタップネジを使用し、ネジ込み時に形成する方法の何れでも構わない。

半導体放熱装置１０に半導体素子１を取り付けるには、第１放熱板１１、半導体素子１、第２放熱板２１を各々の第１取付孔１４、貫通孔４、第２取付孔２４の位置が概ね一致するように重ね合わせ、第１放熱板１１の第１接触面１３と半導体素子１の背面８、第２放熱板２１の第２接触面２３と半導体素子１の表面９が接触した状態で、ネジ２８を第２取付孔２４、貫通孔４に通し、第１取付孔１４にネジ止めする。

ここで、半導体素子１の固定部５と第２放熱板２１の押圧部２２との間には空間があるため、ネジ２８を締め込むことで、第２放熱板２１の接合部２５を支点、第２取付孔２４とネジ２８の頭部との係合部を力点、第２接触面２３を作用点として、第２放熱板２１の弾性によって押圧部２２が半導体素子１の収納部３を押圧する。

半導体素子１は、この押圧部２２の押圧によって、第１放熱板１１と第２放熱板２１とで挟持されるように保持される。その後、半導体素子１のリード端子７を配線基板１４０のスルーホール１４１に通しておいて、第１放熱板１の基板取付部１５をネジ１４２で配線基板１４０に固定し、リード端子７をハンダ付けすることで、半導体素子１と半導体放熱装置１０は、配線基板１４０に固定される。

半導体素子１の背面８と第１放熱板１１の第１接触面１３、半導体素子１の表面９と第２放熱板２１の第２接触面２３が圧着しているため、半導体素子１は、通電された際の半導体２の発熱を第１放熱板１１を介して放熱するだけではなく、第２放熱板２１からも放熱することができる。

また、半導体素子１が発熱した際の表面９の温度は、通常、背面８の温度より低い。このように熱勾配が背面８よりも小さな状態で、背面８と同様に放熱させるためには、第２放熱板２１を第１放熱板１１より熱伝導率が高い材質で形成すればよく、このように構成することで更に効率的に放熱させることが可能となる。

図２は、図１に示す半導体放熱装置を複数の半導体素子に適用した場合の外観図であり、配線基板に実装する以前の状態である。図２に示すように、半導体放熱装置１０は、３個の半導体素子１を並べて配置し、３本のネジ２８を締め付けて第１放熱板１１と第２放熱板２１とで３個の半導体素子１を挟持して固定している。

本実施形態においては、３個の半導体素子１を並べているが、半導体素子１の数はこれに限定されず、２個でも４個以上でも構わない。

図３は、図２に示す半導体放熱装置の分解図であり、ネジ２８を省略している。図３に示すように、半導体放熱装置１０を組み立てる際には、３個の半導体素子１を、各々の貫通孔４と対応する第１放熱板１１の第１取付孔１４と第２放熱板２１の第２取付孔２４の位置が概ね一線上にあるように配置し、ネジ２８を第２取付孔２４、貫通孔４に通し、第１取付孔１４にネジ止めする。

なお、半導体放熱装置１０を組み立てる際に、半導体素子１の配線基板１４０に対する取り付け角度がずれないようにするには、半導体素子１の向きを規制する組立治具を使用する等の周知の方法を適宜選択し、位置ずれを防止すればよい。

図４は、従来の半導体放熱装置の実施例と図１に示す実施形態とを対比する断面図で、図４（Ａ）は、特許文献１に記載された技術を図１に示す実施形態に対応させて示し、図４（Ｂ）は、図１に示す実施形態を示している。

図４（Ａ）に示すように、従来の半導体放熱装置１１０は、放熱板１１１と樹脂等を金型により成形して形成した固定部材１２１とで構成され、固定部材１２１をネジ１２８によって放熱板１１１に取り付け、本来は、固定部材１２１の固定部１２２で半導体素子１を放熱板１１１に押さえ込むようになっている。

しかし、図４（Ａ）においては、半導体素子１の背面８から表面９までの厚みが所定値より小さいか、または段差部１２７の段差が所定値より大きい場合、あるいはその両方が複合した場合を示しており、固定部１２２と半導体素子１の表面９との間には隙間ができている。

このような状態は、半導体放熱装置１１０を組み立てた時点で発生していなくとも、特に、固定部材１２１が樹脂である場合は、経時変化で起こることがある。この状態では、半導体素子１の背面８は放熱板１１１に接触していても圧着不足となっており、半導体素子１の背面８と放熱板１１１の接触面１１３との熱抵抗が増加して放熱効率が低下したり、半導体素子１の固定が不十分であったり等のトラブルが発生する。

しかし、図４（Ｂ）に示す本発明の半導体放熱装置１０においては、半導体素子１の厚みが所定値より小さい場合や、第２放熱板２１の段曲部２７の段差が所定値より大きい場合でも、ネジ２８を締め込むことで、第２放熱板２１の弾性によって押圧部２２が半導体素子１の収納部３を適切に押圧することができる。

従って、図４（Ｂ）に示す本発明の構造は、図４（Ａ）に示す従来の構造に比べて、半導体素子１の発熱を効率的に安定して放熱することができ、また、第２放熱板２１が複雑な形状でないため、板材を板金加工したものを使用することができ、半導体放熱装置を安価に製造することができる。

図５は、本発明による半導体放熱装置の他の実施形態を示す説明図であり、図５（Ａ）は半導体放熱装置の断面図、図５（Ｂ）は第２放熱板の外観図である。本実施形態は、複数の半導体素子１を配置する場合に適用し、第２放熱板４１の半導体素子１の配置位置間にスリットを形成している。

図５（Ａ）に示すように、半導体放熱装置３０は、第１放熱板３１と第２放熱板４１、及び固定部材となるネジ４８とナット４９で構成されている。図１に示す実施形態において、第２放熱板２１に形成されていた屈曲部２６が、本実施形態では、第１放熱板３１に屈曲部３６として設けてある。

また、図１に示す実施形態では、第１取付孔１４は雌ネジとなっていたが、本実施形態では、第１取付孔３４は第２取付孔４４と同様に、ネジ４８の外径よりも大径となっており、第２取付孔４４、半導体素子１の貫通孔４、第１取付孔３４に通したネジ４８をナット４９で締めこみ、第２放熱板４１の押圧部４２が半導体素子１の収納部３を押圧するようになっている。

本実施形態においては、第２放熱板４１側にネジ４８のネジ頭、第１放熱板３１側にナット４９となるように配置されているが、この形態に限らず逆向きの配置でもよく、ネジ４８を通す方向は組み立て易さ等を考慮して適宜選択される。また、第１放熱板３１の基板取付部３５も、ネジ１４３とナット１４４で配線基板１４０に固定しているが、これもこの形態に限らず、他の方法で固定してもよい。

なお、図１に示す実施形態においても、第２放熱板２１の第２取付孔２４を雌ネジとして、ネジ２８を第１放熱板１１側から通すようにしてもよく、これ以降に説明する他の実施形態においても同様である。

また、図５（Ｂ）に示すように、第２放熱板４１は、半導体素子１の配置位置間にスリット４６を形成している。スリット４６は、押圧部４２の先端側から段曲部４７まで形成されているため、ネジ４８とナット４９を締め込むことで、スリット４６で分離された押圧部４２の各々が、半導体素子１の収納部３を個別に押圧することが可能となる。

従って、本実施形態においては、複数の半導体素子１の背面８から表面９までの厚さがばらついていたとしても、ネジ４８の各々の締め付けトルクを個別に管理することで、全ての半導体素子１の第１放熱板３１と第２放熱板４１との圧着の程度を適切にすることができる。

図６は、本発明による半導体放熱装置の他の実施形態を示す説明図であり、図６（Ａ）は半導体放熱装置の断面図、図６（Ｂ）は第２放熱板の外観図である。本実施形態は、半導体１５２の収納部１５３と貫通孔１５４を有する固定部１５５とに段差がない形状の半導体素子１５１を配置する場合に適用する。

図６（Ａ）に示すように、半導体放熱装置５０は、第１放熱板５１と第２放熱板６１、及び固定部材となるネジ６８で構成され、第２放熱板６１は、押圧部６２と半導体素子１５１の固定部１５５との間に空間を確保するように、段曲部６７と押圧部６２を形成している。

従って、ネジ６８を締め込むことで、第２放熱板６１の接合部６５を支点、第２取付孔６４とネジ６８の頭部との係合部を力点、第２接触面６３を作用点として、第２放熱板６１の弾性によって押圧部６２が半導体素子１の収納部３を押圧することができる。

本実施形態においては、ネジ６８をバネ座金６９を介して第１放熱板５１の第１取付孔５４にネジ止めしているが、第２放熱板６１の弾性がバネ座金と同様な効果を発揮するため、バネ座金６９は必須というわけではなく、他の実施形態と同様に、バネ座金６９を介さずにネジ６８のみでネジ止めしても構わない。

また、図１に示す実施形態において、第２放熱板２１のみに形成されていた屈曲部２６が、本実施形態では、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、第２放熱板６１の屈曲部６６だけではなく第１放熱板５１にも屈曲部５６として設けてある。このように、第１放熱板５１と第２放熱板６１の両方に屈曲部５６、６６を設けることで、半導体放熱装置５０の放熱面積が増加し、放熱効率を更に上げることができる。

図７は、本発明による半導体放熱装置の他の実施形態を示す断面図である。本実施形態は、図１、５、６の実施形態では第２放熱板に設けられていた段曲部を第１放熱板側に設けた形態であり、図７（Ａ）は、収納部３と固定部５に段差がある半導体素子１を配置する場合、図７（Ｂ）は、収納部１５３と固定部１５５に段差がない半導体素子１５１を配置する場合に適用する。

図７（Ａ）に示すように、半導体放熱装置７０は、第１放熱板７１と第２放熱板８１、及び固定部材となるネジ８８で構成されており、第１放熱板７１に段差部７７、第２放熱板８１に屈曲部８６を設けている。

また、図７（Ｂ）に示すように、半導体放熱装置９０は、第１放熱板９１と第２放熱板１０１、及び固定部材となるネジ１０８で構成されており、第１放熱板９１に段差部９７と屈曲部９６を設けている。

図７（Ａ）（Ｂ）に示すような、段曲部７７、９７を第１放熱板側に設けた形態であっても、図１、５、６に示すような、段曲部２７、４７、６７を第２放熱板側に設けた形態と同様な作用及び効果を有するため、段曲部を第１放熱板と第２放熱板の何れに設けるかは設計的事項であり、設計時の都合によって適宜選択することができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本考案は上記の実施形態に限定されず、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に上記の実施形態に示した数値等による限定は受けない。

１、１５１：半導体素子
２：半導体
３、１５３：収納部
４、１５４：貫通孔
５、１５５：固定部
６：パッケージ
７：リード端子
８：背面（第１放熱面）
９：表面（第２放熱面）
１０、３０、５０、７０、９０：半導体放熱装置
１１、３１、５１、７１、９１：第１放熱板（第１放熱部材）
１２、３２、５２：半導体取付部
１３、３３、５３：第１接触面
１４、３４、５４：第１取付孔
１５、３５、５５：基板取付部
３６、５６、９６：屈曲部
７７、９７：段曲部
２１、４１、６１、８１、１０１：第２放熱板（第２放熱部材）
２２、４２、６２：押圧部
２３、４３、６３：第２接触面
２４、４４、６４：第２取付孔
２５、４５、６５：接合部
２６、６６、８６、：屈曲部
２７、４７、６７、１０７：段曲部
２８、４８、６８、８８、１０８：ネジ（固定部材）
４６：スリット
４９：ナット
６９：バネ座金
１１０、１３０：半導体放熱装置
１１１、１３１：放熱板
１１３、１３３：接触面
１２１：固定部材
１２２：固定部
１２７：段差部
１２８、１３８、１４２、１４３：ネジ
１４０：配線基板
１４１：スルーホール
１４４：ナット

Claims (7)

1. 半導体を収納した収納部及び貫通孔を有した固定部で構成され、前記収納部及び固定部の同一側に形成される第１放熱面と、前記収納部の前記第１放熱面の反対側に形成される第２放熱面とを設けた半導体素子に装着される半導体放熱装置に於いて、
   前記第１放熱面に接触する第１放熱部材と、
   前記第１放熱部材との接合部を支点として前記固定部に接触せずに前記第２放熱面に弾性的に接触する第２放熱部材と、
   前記貫通孔に挿通して前記第１放熱部材及び第２放熱部材に係合し、前記第１放熱部材と前記第２放熱部材とで前記半導体素子を挟持させる固定部材と、
   を備え、
   前記第２放熱部材は、前記第１放熱部材より熱伝導率が高い材質であることを特徴とする半導体放熱装置。
   
2. 請求項１記載の半導体放熱装置に於いて、
   前記第１放熱部材は、
   前記第１放熱面の実質的に全面に接触する第１接触面と、
   前記固定部材を挿通する第１取付孔と、
   を有し、
   前記第２放熱部材は、
   前記第２放熱面の一部又は全面に接触する第２接触面と、
   前記固定部材を挿通する第２取付孔と、
   を有し、
   前記固定部材は、
   前記第１取付孔、前記貫通孔、前記第２取付孔に挿通し、前記接合部を支点、前記第２取付孔を力点、前記第２接触面を作用点として前記第２放熱面を押圧することを特徴とする半導体放熱装置。
   
3. 請求項２記載の半導体放熱装置に於いて、前記第１放熱部材は、配線基板に固定する基板取付部を有することを特徴とする半導体放熱装置。
   
4. 請求項３記載の半導体放熱装置に於いて、前記第１接触面に複数の前記半導体素子を前記配線基板に実装する方向に並べて配置し、前記第１放熱部材と前記第２放熱部材とで前記複数の半導体素子を挟持して固定することを特徴とする半導体放熱装置。
   
5. 請求項４記載の半導体放熱装置に於いて、前記第２放熱部材は、前記複数の半導体素子の配置位置間にスリットを形成し、前記スリットにより分離された前記第２接触面の各々が、前記複数の半導体素子の前記第２放熱面に個別に接触することを特徴とする半導体放熱装置。
   
6. 請求項３乃至５の何れかに記載の半導体放熱装置に於いて、前記第１放熱部材及び第２放熱部材の少なくとも何れか一方は、前記基板取付部を前記配線基板に固定した状態で、前記配線基板とは反対側に、前記配線基板の略平行方向に屈曲した形状の屈曲部を有することを特徴とする半導体放熱装置。
   
7. 請求項１乃至６の何れかに記載の半導体放熱装置に於いて、前記第１放熱部材及び第２放熱部材は、板金加工したアルミニウム又はアルミニウム合金であることを特徴とする半導体放熱装置。
   
   

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