JP5971190B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の半導体モジュールと冷却器を備えた半導体装置に関するものである。

バネにて素子を冷却器に押圧する構造が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示のパワー素子を放熱フィンに固定する方法においては、放熱フィンの突起に絶縁シートの切欠を合わせて載せる。また、予め基板に固定されたパワー素子を絶縁シート上に載せ、予め押えバネが固定された押え金具部組をパワー素子の上側の反絶縁シート側より押えバネの切り起しがパワー素子を押え込むようにしている。

特開平６−３４２９８９号公報

ところで、複数の半導体モジュールを板バネで押える場合、板バネをバネ押えブラケットの全面で押えると、半導体モジュール毎の荷重が不均一になってしまう。
本発明の目的は、半導体モジュール毎の荷重アンバランスを解消することができる半導体装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、冷却器と、前記冷却器の上に配置される複数の半導体モジュールと、前記複数の半導体モジュールの上に配置され、前記複数の半導体モジュールを前記冷却器に圧接するための板バネと、前記板バネの上に配置されるバネ押えブラケットと、を備え、前記板バネは、前記半導体モジュール毎に、厚さ方向への変形のための支点となる変形支点形成部を有し、前記バネ押えブラケットは、前記半導体モジュール毎の前記板バネとの接触部を有し、当該接触部が前記半導体モジュール毎の前記板バネでの前記厚さ方向への変形に伴う前記半導体モジュールに荷重を加える作用点となり、当該接触部と前記板バネの変形支点形成部との距離を調整して前記各半導体モジュールへの荷重を調整してなることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、冷却器の上に複数の半導体モジュールが配置され、複数の半導体モジュールの上に複数の半導体モジュールを冷却器に圧接するための板バネが配置され、板バネの上にバネ押えブラケットが配置される。

ここで、板バネは、半導体モジュール毎に、厚さ方向への変形のための支点となる変形支点形成部を有する。また、バネ押えブラケットは、半導体モジュール毎の板バネとの接触部が半導体モジュール毎の板バネでの厚さ方向への変形に伴う半導体モジュールに荷重を加える作用点となる。そして、バネ押えブラケットの接触部と板バネの変形支点形成部との距離を調整することにより半導体モジュール毎の荷重アンバランスを解消することができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の半導体装置において、前記板バネは、前記変形支点形成部から互いに離間する方向に延び前記半導体モジュールに接する部位を有する構成とするとよい。

請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の半導体装置において、前記バネ押えブラケットを前記冷却器に締結手段により固定するとよい。
請求項４に記載のように、請求項３に記載の半導体装置において、前記バネ押えブラケットに形成した締結用ボスを貫通する締結手段を前記冷却器に締結することにより前記バネ押えブラケットを前記冷却器に固定すると、組み付け性が向上する。

請求項５に記載のように、請求項４に記載の半導体装置において、前記冷却器における前記半導体モジュールの載置面と前記締結用ボスの着座面とを同一平面に形成すると、一斉加工することができる。

請求項６に記載のように、請求項５に記載の半導体装置において、前記複数の半導体モジュールの並設方向における前記半導体モジュールの両側に前記締結用ボスおよび前記着座面を配置すると、バネ押えブラケットが変形しにくくなる。

請求項７に記載のように、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置において、前記半導体モジュールの一方に導電性部材に締結される入出力端子が延び、前記半導体モジュールの中央より反入出力端子側に前記板バネが配置されるように形成されたバネ押えブラケットを設けてなるとよい。

請求項７に記載の発明によれば、半導体モジュールの一方に延びる入出力端子が導電性部材に締結された状態において、半導体モジュールの中央より反入出力端子側に板バネが配置されており、半導体モジュールと冷却器との密着度が向上して半導体モジュールを安定して放熱することができる。

本発明によれば、半導体モジュール毎の荷重アンバランスを解消することができる。

第１の実施形態における半導体装置の平面図。 半導体装置の一部縦断面図。 半導体装置の締結前の状態での一部縦断面図。 半導体装置におけるバネ押えブラケットを取り外した状態での平面図。 半導体装置におけるバネ押えブラケットおよび板バネを取り外した状態での平面図。 冷却器の平面図。 （ａ）は板バネの平面図、（ｂ）は板バネの正面図、（ｃ）は板バネの右側面図。 （ａ）はバネ押えブラケットの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。 半導体装置の締結前の状態での一部縦断面図。 （ａ）は第２の実施形態における半導体装置の平面図、（ｂ）は半導体装置の左側面図、（ｃ）は半導体装置の正面図。 （ａ）は図１０（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ部での拡大図。 制御用回路基板を取り外した状態での半導体装置の平面図。 制御用回路基板およびバネ押えブラケットを取り外した状態での半導体装置の平面図。 半導体装置の分解斜視図。 （ａ）は第３の実施形態における半導体装置の平面図、（ｂ）は半導体装置の左側面図、（ｃ）は半導体装置の正面図。 変形例の半導体装置の側面図。 比較のための半導体装置の側面図。 比較のための半導体装置の側面図。 比較のための半導体装置の側面図。 比較のための半導体装置の側面図。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
なお、図面において、水平面を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、上下方向をＺ方向で規定している。

図１，２に示すように、半導体装置（インバータ）１０は、冷却器２０と、複数の半導体モジュール３０，３１，３２と、板バネ４０と、バネ押えブラケット５０を備えている。半導体モジュール３０，３１，３２は、冷却器２０の上に配置される。板バネ４０は、半導体モジュール３０，３１，３２の上に配置され、半導体モジュール３０，３１，３２を冷却器２０に圧接するためのものである。バネ押えブラケット５０は、板バネ４０の上に配置される。

バネ押えブラケット５０は、図３に示す状態から冷却器２０に締結手段としてのネジ７０により図２に示す状態に締結固定される。これによりバネ荷重が発生する。
冷却器２０は、図６に示すように、平面視において長方形状をなし、その長辺が水平方向でのＸ方向に延びるとともに短辺が水平方向でのＹ方向に延びている。冷却器２０は、図３に示すように、上下方向（Ｚ方向）において薄く形成され、扁平型をなしている。図６に示すように、冷却器２０の上面におけるＸ方向での両端部に冷却水入口パイプ２１と冷却水出口パイプ２２が取り付けられている。

Ｘ方向における冷却水入口パイプ２１の付け根部位と冷却水出口パイプ２２の付け根部位の間の長さが、２００ｍｍ〜２５０ｍｍに設定されている。また、冷却器２０は、Ｙ方向の長さ（幅）が、５０〜７０ｍｍに設定されている。冷却器２０は、厚さが、６〜１５ｍｍに設定されている。なお、冷却器２０の内部にはフィン部材が配置されており、このフィン部材によって冷媒流路が形成されている。

図６に示すように、冷却器２０の四隅にはブラケット取付部２３が形成され、各ブラケット取付部２３の上面にはボス（突起）２４が形成されている。各ボス２４にはネジ孔２４ａが形成されている。

冷却器２０の上部には、図５に示すように、３個の半導体モジュール３０，３１，３２が、冷却器２０の長さ方向（Ｘ方向）に並べて配置される。各半導体モジュール３０，３１，３２は、シリコーングリース３３を介して冷却器２０上に載置される。各半導体モジュール３０，３１，３２は、Ｘ方向での長さが、４０ｍｍ〜６０ｍｍに設定されている。また、各半導体モジュール３０，３１，３２は、Ｙ方向での長さ（幅）が、５０〜７０ｍｍに設定されている。各半導体モジュール３０，３１，３２の載置面を有する冷却器２０の寸法は、載置する半導体モジュール３０，３１，３２の寸法および個数に応じて設定される。つまり、冷却器２０の寸法は、冷却器２０の上部に全ての半導体モジュール３０，３１，３２を平面的に搭載した時の領域（搭載領域）の寸法を基準に設定される。

半導体モジュール３０には、Ｕ相における上アーム構成用パワートランジスタと下アーム構成用パワートランジスタが内蔵（樹脂封止）されている。半導体モジュール３１には、Ｖ相における上アーム構成用パワートランジスタと下アーム構成用パワートランジスタが内蔵（樹脂封止）されている。半導体モジュール３２には、Ｗ相における上アーム構成用パワートランジスタと下アーム構成用パワートランジスタが内蔵（樹脂封止）されている。パワートランジスタは、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等である。各半導体モジュール３０，３１，３２において上アーム構成用パワートランジスタと下アーム構成用パワートランジスタとは直列に接続（結線）され、直列回路の一端（正極入力）と他端（負極入力）と両パワートランジスタ間（出力）が外部に接続されることになる。

各半導体モジュール３０，３１，３２は、板状の正極端子３４と、板状の負極端子３５と、板状の出力端子３６を備えている。また、各半導体モジュール３０，３１，３２は、制御信号用ピン３７を備えている。制御信号用ピン３７は、正極端子３４、負極端子３５および出力端子３６が配設される半導体モジュール３０，３１，３２の端部と対向する端部に配設されている。

これにより、半導体装置１０では、電源ライン側の端子３４，３５，３６が片方に集約配置される一方で、電源ライン側の端子と対向した状態で反対側の片方に制御信号用ピン３７が集約配置されることになる。

各半導体モジュール３０，３１，３２の上部には、図４に示すように、板バネ４０が配置される。板バネ４０は、バネ鋼板よりなり、全体形状として平面視においてＸ方向に延びている。板バネ４０は、図７に示すように、半導体モジュール３０，３１，３２毎の本体部４３ａ，４３ｂ，４３ｃを有する。つまり、３つの本体部４３ａ，４３ｂ，４３ｃは、平面視においてＸ方向に並べて配置されている。各本体部４３ａ，４３ｂ，４３ｃは、水平な中央部４１から両側部４２が延び、両側部４２は斜め下方に曲げて構成されている。両側部４２は中央部４１からＹ方向に延びており、板バネ４０は、中央部４１から互いに離間する方向に延び半導体モジュールに接する部位としての両側部４２を有する。

各本体部４３ａ，４３ｂ，４３ｃには、水平な連結部４４，４５，４６，４７が並設されている。各本体部４３ａ，４３ｂ，４３ｃは、板バネ４０を半導体モジュール３０，３１，３２の上部に配置した際に、各半導体モジュール３０，３１，３２の中央部付近に押圧力を付与するように所定の間隔をあけて設けられている。また、板バネ４０におけるＸ方向での両端部には取付用貫通孔４８が形成されている。

板バネ４０の上部には、図３に示すように、バネ押えブラケット５０が配置される。バネ押えブラケット５０は、アルミ等の金属製板材よりなる。バネ押えブラケット５０は、図８に示すように、平面視においてＸ方向に延びる長方形の板状をなす本体部５１を有し、本体部５１の四隅には斜め外方に突出する取付部５２が形成されている。各取付部５２には貫通孔５２ａが形成されている。バネ押えブラケット５０は、冷却器２０のボス２４のネジ孔２４ａに対しネジ７０を螺入することによりバネ押えブラケット５０が冷却器２０に締結固定される。

また、バネ押えブラケット５０の裏面には、図８に示すように、板バネ４０の保持部５３が形成されている。保持部５３は、各半導体モジュール３０，３１，３２の上部に板バネ４０を配置した状態で、それぞれの本体部４３ａ，４３ｂ，４３ｃと対応する位置に本体部４３ａ，４３ｂ，４３ｃを収納可能な３つの凹部５４，５５，５６を有する。また、保持部５３は、板バネ４０を配置した状態で、それぞれの連結部４４，４５，４６，４７と対応する位置に連結部４４，４５，４６，４７と接触する水平な接触部（突起）５７，５８，５９，６０を有する。接触部５７，５８，５９，６０は凹状に形成されており、その深さは凹部５４，５５，５６よりも浅く形成されている。接触部５７，５８，５９，６０は、Ｘ方向の長さ（幅）が、それぞれＷ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４となっている。

板バネ４０の連結部４４，４５，４６，４７とバネ押えブラケット５０の接触部（突起）５７，５８，５９，６０とは、図８に示すごとく接触部（突起）５７，５８，５９，６０におけるＸ方向でのエッジ部Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６で接触して板バネ４０が各接触部（突起）５７，５８，５９，６０のエッジ部Ｅ１〜Ｅ６に押し付けられる。詳しくは、接触部５７のエッジ部Ｅ１が連結部４４に、接触部５８の一方のエッジ部Ｅ２が連結部４５にそれぞれ接触する。また、接触部５８の他方のエッジ部Ｅ３が連結部４５に、接触部５９の一方のエッジ部Ｅ４が連結部４６にそれぞれ接触する。さらに、接触部５９の他方のエッジ部Ｅ５が連結部４６に、接触部６０のエッジ部Ｅ６が連結部４７にそれぞれ接触する。このように、バネ押えブラケット５０は、半導体モジュール３０，３１，３２毎の板バネとの接触部５７，５８，５９，６０を有する。

バネ押えブラケット５０の裏面においてＸ方向での両端部には板バネ４０の取付ピン６２が形成されている。そして、バネ押えブラケット５０のピン６２に板バネ４０の取付用貫通孔４８が挿入されて板バネ４０が位置決めされる。

このようなバネ押えブラケット５０の構成によれば、半導体モジュール３０，３１，３２の上部に載置される板バネ４０は、バネ押えブラケット５０の裏面に形成した保持部５３によって保持される。このとき、板バネ４０は、バネ押えブラケット５０が冷却器２０に締結固定されることにより、上方から押し付けられ、変形させられる。これにより、各半導体モジュール３０，３１，３２は、板バネ４０における下方への付勢力によって下方に押し付けられることで、固定される。

板バネ４０における半導体モジュール３０，３１，３２毎の中央部４１は、半導体モジュール毎に、厚さ方向への変形のための支点となる。つまり、板バネ４０は、半導体モジュール３０，３１，３２毎に、変形支点形成部としての中央部４１を有する。また、バネ押えブラケット５０において、接触部５７のエッジ部Ｅ１と、板バネ４０の半導体モジュール３０用の中央部４１の中心との距離がＬ１となっている。以下同様に、接触部５８の一方のエッジ部Ｅ２と、板バネ４０の半導体モジュール３０用の中央部４１の中心との距離がＬ２となっている。接触部５８の他方のエッジ部Ｅ３と、板バネ４０の半導体モジュール３１用の中央部４１の中心との距離がＬ３となっている。接触部５９の一方のエッジ部Ｅ４と、板バネ４０の半導体モジュール３１用の中央部４１の中心との距離がＬ４となっている。接触部５９の他方のエッジ部Ｅ５と、板バネ４０の半導体モジュール３２用の中央部４１の中心との距離がＬ５となっている。接触部６０のエッジ部Ｅ６と、板バネ４０の半導体モジュール３２用の中央部４１の中心との距離がＬ６となっている。

バネ押えブラケット５０の上部には、図２に示すように、制御用回路基板８０が配置される。図１，２に示すように、バネ押えブラケット５０の上面には複数の柱部６１が形成され、複数の柱部６１の上に制御用回路基板８０が載置される。制御用回路基板８０を貫通するネジ９０（図３参照）をバネ押えブラケット５０の柱部６１に螺入することにより制御用回路基板８０がバネ押えブラケット５０に締結固定される。

バネ押えブラケット５０は、各半導体モジュール３０，３１，３２に対して板バネ４０を介して押圧力を付与するから、その寸法は冷却器２０と同様に、半導体モジュール３０，３１，３２の寸法および個数に応じて設定される。バネ押えブラケット５０の寸法は、長さおよび幅によって規定される寸法であり、この寸法は半導体モジュール３０，３１，３２の上部に搭載したときに半導体モジュール３０，３１，３２に対向する面の寸法となる。

また、制御用回路基板８０は、各半導体モジュール３０，３１，３２の制御信号用ピン３７と電気的に接続される。制御用回路基板８０と半導体モジュール３０，３１，３２との間にはアルミ等の金属製板材よりなるバネ押えブラケット５０が位置しており、バネ押えブラケット５０がシールド材として機能する。即ち、バネ押えブラケット５０は、シールド材を兼ねている。

半導体装置１０は、冷却器２０、３個の半導体モジュール３０，３１，３２、板バネ４０、バネ押えブラケット５０、および制御用回路基板８０の順に積層するように組み付けられる。そして、半導体装置１０は、板バネ４０とバネ押えブラケット５０の作用により、各半導体モジュール３０，３１，３２が冷却器２０の上面に圧接された状態で固定される。また、半導体装置１０では、冷却器２０の作用により、各半導体モジュール３０，３１，３２が冷却される。

バネ押えブラケット５０の接触部５７，５８，５９，６０が半導体モジュール３０，３１，３２毎の板バネ４０での厚さ方向への変形に伴う半導体モジュール３０，３１，３２に荷重を加える作用点となる。この接触部５７，５８，５９，６０のエッジ部Ｅ１〜Ｅ６（図８参照）と板バネ４０の変形支点形成部としての中央部４１の中心との距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６を調整して、各半導体モジュール３０，３１，３２への荷重が調整されている。

次に、このように構成した半導体装置１０の作用を説明する。
板バネ４０は、半導体モジュール３０，３１，３２の上面に配置され、バネ押えブラケット締結用ネジ７０により、バネ押えブラケット５０が冷却器２０に締結されることで、荷重が発生する。バネ押えブラケット５０において、接触部５７，５８，５９，６０のエッジ部Ｅ１〜Ｅ６と板バネ４０の半導体モジュール３０，３１，３２毎の中央部４１の中心との距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６が調整され、各半導体モジュール３０，３１，３２への荷重が調整される。

具体的に説明する。
図３に示すようにバネ押えブラケットの厚さｄ１が、バネ荷重の反力の影響を受けない程、十分に厚い場合には、バネ押えブラケットが剛体として機能する。この場合、片持ち梁となる板バネ４０の長手方向（Ｘ方向）における両端部の連結部４４および連結部４７の荷重は、両持ち梁となる連結部４５および連結部４６より小さくなる。この場合には図１，２のＬ１，Ｌ２，Ｌ５，Ｌ６寸法を他のＬ３，Ｌ４寸法よりも小さくして、片持ち梁となることによる板バネ４０の両端部の荷重減少を補うことで、荷重アンバランスがなくなる。

一方、図９に示すバネ押えブラケットのように、その厚さｄ２が、バネ荷重の反力の影響を受ける程、薄い場合には、バネ押えブラケットがＸ方向の中央部分において上に凸となるように反る。この反りの影響による中央部のバネ荷重の減少を考慮して、Ｌ３，Ｌ４寸法を他のＬ１，Ｌ２，Ｌ５，Ｌ６寸法よりも小さくすることで、各半導体モジュールにかかる荷重が均一になる。

このように、バネ押えブラケット５０のバネ押え位置の幅、即ち、接触部５７，５８，５９，６０のＸ方向の長さ（幅）Ｗ１〜Ｗ４を変えることで、発生バネ荷重を簡便に調整できる。つまり、バネ押えブラケット５０の接触部５７，５８，５９，６０のＸ方向の長さ（幅）Ｗ１〜Ｗ４を変えることにより接触部５７，５８，５９，６０のエッジ部Ｅ１〜Ｅ６と板バネ４０の中央部４１の中心との距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６を調整する。このようにして板バネ押え位置を半導体モジュール３０，３１，３２毎に設定することで、荷重アンバランスを防止し、また簡便に発生荷重が制御可能となる。

また、バネ押えブラケット５０は冷却器２０に形成したボス２４に対し固定されるため、半導体モジュール３０，３１，３２に制約（貫通孔等）がない。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）バネ押えブラケット５０は、半導体モジュール３０，３１，３２毎の板バネとの接触部５７，５８，５９，６０を有し、接触部５７，５８，５９，６０が半導体モジュール３０，３１，３２毎の板バネ４０での厚さ方向への変形に伴う半導体モジュール３０，３１，３２に荷重を加える作用点となる。この接触部５７，５８，５９，６０（のエッジ部）と板バネ４０の変形支点形成部としての中央部４１（の中心）との距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６を調整して各半導体モジュール３０，３１，３２への荷重が調整されている。これにより、バネ押えブラケット５０における接触部５７，５８，５９，６０と板バネ４０の変形支点形成部としての中央部４１との距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６を調整することにより半導体モジュール毎の荷重アンバランスを解消することができる。

（２）板バネ４０は、変形支点形成部としての中央部４１から互いに離間する方向に延び半導体モジュールに接する部位としての両側部４２を有するので、半導体モジュールの上面において両側部４２により広範囲にわたり圧接することができる。

（３）バネ押えブラケット５０を冷却器２０に締結手段としてのネジ７０により固定した。よって、バネ押えブラケット５０を冷却器２０に容易に固定することができる。
なお、水冷式の冷却器２０に代わり、空冷式のヒートシンクや放熱板（ブロック）等を用いてもよい。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

図１４に示すように、本実施形態では冷却器としてヒートシンク１００を使用している。図１２に示すように、バネ押えブラケット５０には締結用ボス（円筒状突起）１２０ａ〜１２０ｆが形成されている。図１４に示すように、締結用ボス１２０ａ〜１２０ｆを貫通するネジ１１０がヒートシンク１００に螺入され、これによりバネ押えブラケット５０がヒートシンク１００に固定されている。また、図１１（ｂ）に示すように、ヒートシンク１００における半導体モジュールの載置面１０４と締結用ボス１２０ａ〜１２０ｆの着座面１０６とが同一平面に形成されている。半導体モジュール３０，３１，３２の並設方向であるＸ方向において半導体モジュール３０，３１，３２の両側に締結用ボス１２０ａ〜１２０ｆおよび着座面１０６が配置されている。なお図示は省略するが、バネ押えブラケット５０の板バネ４０側の面には第１の実施形態と同様に、凹部５４〜５６や接触部５７〜６０が形成され、距離Ｌ１〜Ｌ６を調整することにより半導体モジュール毎の荷重アンバランスを解消することができる。

以下、詳しく説明する。
図１０，１４に示すように、アルミ製のヒートシンク１００は、四角板状の本体部１０１を備え、本体部１０１の下面から板状のフィン部１０２が複数枚並べた状態で突設されている。

バネ押えブラケット５０の下面において締結用ボス１２０ａ〜１２０ｆが一体形成されている。詳しくは、長方形の板状をなすバネ押えブラケット５０は長辺がＸ方向に延び、半導体モジュール３０，３１，３２がＸ方向に並べられるが、一端側の半導体モジュール３０に対応する部位よりも外側に締結用ボス１２０ａが突設されているとともに他端側の半導体モジュール３２に対応する部位よりも外側に締結用ボス１２０ｂが突設されている。さらに、バネ押えブラケット５０の下面において半導体モジュール３０に対応する部位と半導体モジュール３１に対応する部位との間に締結用ボス１２０ｃ，１２０ｄがＹ方向に離間して突設されている。また、バネ押えブラケット５０の下面において半導体モジュール３１に対応する部位と半導体モジュール３２に対応する部位との間に締結用ボス１２０ｅ，１２０ｆがＹ方向に離間して突設されている。各締結用ボス１２０ａ〜１２０ｆは円筒状をなし、各締結用ボス１２０ａ〜１２０ｆの先端はヒートシンク１００に接触する。

図１１に示すように、ヒートシンク１００の四角板状の本体部１０１の上面に半導体モジュール３０，３１，３２毎の載置部１０３ａ〜１０３ｃが突設され、載置部１０３ａ〜１０３ｃの上面が半導体モジュール３０，３１，３２の載置面１０４（図１１（ｂ）参照）となっている。各載置面１０４の上にはシリコーングリース３３を介して半導体モジュール３０，３１，３２が載置されている。半導体モジュール３０，３１，３２の上面に板バネ４０が配置され、板バネ４０の上にバネ押えブラケット５０が配置されている。そして、ネジ１１０が締結用ボス１２０ａ〜１２０ｆを貫通してヒートシンク１００に螺入されることによりバネ押えブラケット５０がヒートシンク１００に締結され、荷重が発生する。

図１３に示すように、ヒートシンク１００の本体部１０１の上面においてバネ押えブラケット５０の各締結用ボス１２０ａ〜１２０ｆに対応する部位には、締結用ボス１２０ａ〜１２０ｆが着座する着座部１０５ａ〜１０５ｆが突設されている。つまり、半導体モジュール３０，３１，３２の並設方向であるＸ方向における一端側の半導体モジュール３０の載置部１０３ａよりも外側に着座部１０５ａが形成されているとともに他端側の半導体モジュール３２の載置部１０３ｂよりも外側に着座部１０５ｂが形成されている。さらに、本体部１０１の上面において半導体モジュール３０の載置部１０３ａと半導体モジュール３１の載置部１０３ｂとの間に着座部１０５ｃ，１０５ｄがＹ方向に離間して形成されている。また、本体部１０１の上面において半導体モジュール３１の載置部１０３ｂと半導体モジュール３２の載置部１０３ｃとの間に着座部１０５ｅ，１０５ｆがＹ方向に離間して形成されている。着座部１０５ａ〜１０５ｆの上面が着座面１０６（図１１（ｂ）参照）となっている。

ここで、図１１（ｂ）に示すように、ヒートシンク１００における半導体モジュール３０，３１，３２の載置面１０４と、締結用ボス１２０ａ〜１２０ｆが着座する着座面１０６とが、同一平面に形成されている。

このようにバネ押えブラケット５０においてヒートシンク１００側へ締結用ボス１２０ａ〜１２０ｆを突設するとともに、ヒートシンク１００での半導体モジュールの載置面１０４と締結用ボスの着座面１０６とが面一（同一平面）となっている。半導体モジュールの載置面１０４および締結用ボスの着座面１０６を同一平面に形成することにより、半導体モジュールの載置面１０４の表面と締結用ボスの着座面１０６の表面を平坦化すべく半導体モジュールの載置面１０４と締結用ボスの着座面１０６との表面加工（機械加工）を一斉に行うことができる（一斉に表面加工することができる）。その結果、ヒートシンク１００の製造コストの低減が図られる。また、半導体モジュールの載置面１０４と締結用ボスの着座面１０６とを別々に表面加工する場合に比べて、半導体モジュールの載置面１０４と締結用ボスの着座面１０６とを一斉に表面加工することにより、半導体モジュールの載置面１０４と締結用ボスの着座面１０６の高さの公差がほとんど無くすことができる。つまり、板バネ４０は半導体モジュールの上面に配置され、図２，３を用いて説明したようにネジ１１０によりバネ押えブラケット５０が締結されることで荷重が発生するが（ネジ１１０の締結が行われて板バネ４０が潰されて使用されるが）、この際の板バネ４０の潰し量の公差が少なくできる。これにより、半導体モジュールに加わる荷重のばらつきを少なくすることができる。このようにして板バネの潰し量のばらつきの低減が図られる。

また、複数の半導体モジュールの並設方向であるＸ方向における半導体モジュール３０，３１，３２の両側に締結用ボス１２０ａ〜１２０ｆが配置され、バネ押えブラケット５０の固定点は各半導体モジュール３０，３１，３２の両端部に設けられている。よって、複数の半導体モジュールの並設方向（Ｘ方向）における両端部のみをバネ押えブラケット５０の固定点とする場合に比べ、複数の半導体モジュールの並設方向（Ｘ方向）における両端部の間の部位においてもバネ押えブラケット５０の固定点が存在することにより、板バネ４０のバネ反力によるバネ押えブラケット５０の変形が抑えられる。これにより、バネ押えブラケット５０の小型化や軽量化や低コスト化が図られる。

さらに、片持ち梁となる板バネ４０の長手方向（Ｘ方向）における両端部の連結部４４および連結部４７の荷重は、両持ち梁となる連結部４５および連結部４６より小さくなる。このことを考慮して、Ｘ方向の両側には１つの締結用ボス１２０ａ，１２０ｂを設け、半導体モジュール３０，３１間には２つの締結用ボス１２０ｃ，１２０ｄを設け、半導体モジュール３１，３２間には２つの締結用ボス１２０ｅ，１２０ｆを設けた。これにより、１つの締結用ボスに加わるバネ反力を均等化することができる。

また本実施形態においてもバネ押えブラケット５０の上面に設けられた柱部（ボス）６１に制御用回路基板８０が載置され、ネジ９０により制御用回路基板８０がバネ押えブラケット５０に固定されている。制御用回路基板８０には半導体モジュール３０，３１，３２を駆動や制御するための部品等が搭載される。半導体モジュール３０，３１，３２でのスイッチング動作に伴い大きな電流が流れてノイズが発生するがバネ押えブラケット５０がシールド材となり、制御用回路基板８０に対しノイズが遮蔽される。

なお、ヒートシンク１００を使用しているが放熱板（ブロック）、ケース一体型フィン等でもよいし、空冷式のヒートシンク１００に代わり水冷式の冷却器を用いてもよい。
本実施形態によれば、第１の実施形態での上記（１）〜（３）の効果に加えて以下のような効果を得ることができる。

（４）バネ押えブラケット５０に形成した締結用ボス１２０ａ〜１２０ｆを貫通する締結手段としてのネジ１１０をヒートシンク１００に螺入（締結）することによりバネ押えブラケット５０をヒートシンク１００に固定した。これにより、ヒートシンク１００の上面側を平坦化でき、これにより組み付け性が向上する。

（５）ヒートシンク１００における半導体モジュールの載置面１０４と締結用ボス１２０ａ〜１２０ｆの着座面１０６とを同一平面に形成した。これにより、一斉加工することができる。

（６）複数の半導体モジュールの並設方向における半導体モジュール３０，３１，３２の両側に締結用ボス１２０ａ〜１２０ｆおよび着座面１０６を配置した。これにより、バネ押えブラケット５０が変形しにくくなる。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態を、第１，２の実施形態との相違点を中心に説明する。

図１５に示すように、半導体モジュール２００，２０１，２０２の一方（Ｙ方向での一方の側面）には、板状の入出力端子２１０，２１１，２１２が水平方向に延びている。入出力端子２１０は正極入力用であり、入出力端子２１１が負極入力用であり、入出力端子２１２が出力用である。入出力端子２１０，２１１，２１２は導電性部材に締結されることになる。具体的には、入出力端子２１０，２１１が導電性部材としてのコンデンサの配線材２５１，２５２に接続され、入出力端子２１２が導電性部材としての出力用バスバー（図示略）に接続される。

また、半導体モジュール２００，２０１，２０２の他方（Ｙ方向での他方の側面）に信号端子２１３が延びている。信号端子２１３は制御信号用ピンであり、水平方向から先端側が上方に屈曲形成されている。

半導体モジュール２００，２０１，２０２の上には板バネ２２０が配置され、その上にバネ押えブラケット２３０が配置される。冷却器２４０の上面に半導体モジュール２００，２０１，２０２が配置される。四角箱状をなすコンデンサ２５０は、３つの正極用の配線材（バスバー）２５１および３つの負極用の配線材（バスバー）２５２を有する。コンデンサ２５０の上面に冷却器２４０が配置されている。そして、四角板状のバネ押えブラケット２３０の四隅に設けた取付部５２を貫通するネジ７０を冷却器２４０に設けたボス２４に螺入することによりバネ押えブラケット２３０が水冷式冷却器２４０に固定されている。また、コンデンサ２５０の上面には端子台２６０が設けられている。

コンデンサ２５０の３つの正極用の配線材２５１が端子台２６０の上面まで延設されているとともにコンデンサ２５０の３つの負極用の配線材２５２が端子台２６０の上面まで延設されている。端子台２６０の上面においてコンデンサ２５０の配線材２５１と半導体モジュール２００，２０１，２０２の入出力端子２１０とが重ねられた状態で配置され、ボルトＢをナットＮに螺入することにより締結されている。同様に、端子台２６０の上面においてコンデンサ２５０の配線材２５２と半導体モジュール２００，２０１，２０２の入出力端子２１１とが重ねられた状態で配置され、ボルトＢをナットＮに螺入することにより締結されている。

Ｙ方向において半導体モジュール２００，２０１，２０２の中心Ｌｃ２と板バネ２２０の中心Ｌｃ１とは、所定量ΔＬだけ半導体モジュール２００，２０１，２０２の中心Ｌｃ２から板バネ２２０の中心Ｌｃ１が入出力端子２１０，２１１，２１２とは反対側（反入出力端子側）に離れている。つまり、半導体モジュール２００，２０１，２０２の中央より反入出力端子側に板バネ２２０が配置されるように形成されたバネ押えブラケット２３０を設けている。

なお図示は省略するが、バネ押えブラケット２３０の板バネ２２０側の面には第１の実施形態と同様に、凹部５４〜５６や接触部５７〜６０が形成され、距離Ｌ１〜Ｌ６を調整することにより半導体モジュール毎の荷重アンバランスを解消することができる。また、図１５において冷却器２４０の冷却水入口パイプと冷却水出口パイプは省略している。さらに、図１５（ｂ）においてはバネ押えブラケット２３０における端子台２６０側の取付構造の図示は省略している。

図１７に示すように、比較例として、一般的に、半導体モジュール３００の裏面の放熱面を均一に冷却器３０１に押し付けるため板バネの配置が半導体モジュール３００の中心にあり、半導体モジュール３００の押え荷重位置も対称になっている。図１７において半導体モジュール３００の入出力端子３０２は片側配置になっており、端子台３０３に締結する構造になっている。ここで、入出力端子３０２が端子台３０３に乗り上げないように、寸法的に端子台３０３側が低く設計されている。

図１８に示すように、図１７に示す状態から、ボルトＢをナットＮに螺入することにより端子台３０３で半導体モジュール３００の入出力端子３０２とコンデンサ３０５の配線材３０６を締結する。すると、半導体モジュール３００の端子台３０３側が下に引っ張られる。そのため、ボルトＢのネジ部を力点として冷却器３０１における入出力端子３０２側の半導体モジュール３００との接触点を支点として半導体モジュール３００の反対側（信号端子３０７側）にモーメントが作用する。このモーメントにより半導体モジュール３００の反対側（信号端子３０７側）において持ち上がろうとする力が働く。特にインバータの１つの相の上下の各アームがダイオードと発熱の大きい素子（ＩＧＢＴ）から構成され、上下アームの構成部品がパッケージングされて半導体モジュールを形成している場合、信号端子３０７に近い側にスイッチング制御されるＩＧＢＴが配置される。そうすると発熱の大きい素子（ＩＧＢＴ）は信号端子３０７側にあり、押え荷重がモーメントにより減ると、押え荷重が不足する。即ち、締結箇所とは逆側の信号端子３０７側においては押えバネ力が締結による反力で弱くなり、放熱が不安定になる可能性がある。また、全体にバネ荷重を上げようとすると、材料強度、締結計算成立上、大型化が必要となる。

これに対し、本実施形態においては、図１５に示すように、締結箇所とは逆側の信号端子２１３側の押えバネ力が大きくなるように（半導体モジュール２００，２０１，２０２の締結による反力が大きくなるのでそれに逆らう力を付与すべく）板バネ２２０をずらして配置する。これにより、締結の影響を小さくして、半導体モジュール２００，２０１，２０２における素子（ＩＧＢＴ）の放熱を安定させることができる。

具体的には、図１５に示すように、板バネ２２０の押え位置を信号端子２１３に近づく側にシフトさせて締結に伴うモーメントの支点からバネ押え位置を遠くすることによりモーメントの影響を受けにくくする。このことにより、半導体モジュール２００〜２０２の入出力端子２１０，２１１，２１２を締結した状態で、半導体モジュール２００〜２０２の放熱面の密着度が向上する。そのため、車載用半導体装置（インバータ）とした場合の振動や冷熱が繰り返されるなどの環境でも半導体モジュール２００〜２０２の放熱を安定して行うことができる。

本実施形態によれば、上記（１）〜（６）の効果に加えて以下のような効果を得ることができる。
（７）板バネ２２０の中央の位置（Ｌｃ１）と半導体モジュール２００，２０１，２０２の中央の位置（Ｌｃ２）との関係として、板バネ２２０の中央の位置を所定量ΔＬだけ反入出力端子側にずらす。即ち、半導体モジュール２００，２０１，２０２の一方に延びる入出力端子２１０，２１１，２１２が導電性部材としての配線材２５１，２５２等に締結された状態において、半導体モジュール２００，２０１，２０２の中央より反入出力端子側に板バネ２２０が配置されている。よって、半導体モジュール２００，２０１，２０２と冷却器２４０との密着度が向上して半導体モジュール２００，２０１，２０２を安定して放熱することができる。

図１６に示すように、図１５に代わり、冷却器２７０の両面に半導体モジュール２００ａ，２００ｂを配置するとともに半導体モジュール２００ａの入出力端子２１０と半導体モジュール２００ｂの入出力端子２１０とを連結端子台２８０にネジＳｃ１，Ｓｃ２で締結する場合も同様に適用してもよい。連結端子台２８０は導電性を有し、板状の端子部２８０ａを有する。

図１９，２０に示すように、比較例として図１９に示す状態から比較例としての図２０に示すようにネジＳｃ１，Ｓｃ２を連結端子台３１０に螺入することにより締結すると、半導体モジュール３００ａ，３００ｂの信号端子３１１側が持ち上がる。即ち、連結端子台３１０が変形しないため、締結による半導体モジュール３００ａ，３００ｂを浮き上がらせようとする反力は強くなる。

このような冷却器の両面に半導体モジュールを配置する構造でも、図１６に示すように、半導体モジュール２００ａの一方に導電性部材としての連結端子台２８０に締結される入出力端子２１０が延び、半導体モジュール２００ａの中央より反入出力端子側に板バネ２２０ａが配置されるように形成されたバネ押えブラケット２３０ａを設ける。また、半導体モジュール２００ｂの一方に導電性部材としての連結端子台２８０に締結される入出力端子２１０が延び、半導体モジュール２００ｂの中央より反入出力端子側に板バネ２２０ｂが配置されるように形成されたバネ押えブラケット２３０ｂを設ける。つまり、Ｙ方向において半導体モジュール２００ａ，２００ｂの中心Ｌｃ２と板バネ２２０ａ，２２０ｂの中心Ｌｃ１とは、所定量ΔＬだけ半導体モジュール２００ａ，２００ｂの中心Ｌｃ２から板バネ２２０ａ，２２０ｂの中心Ｌｃ１が反入出力端子側に離れている。

このように半導体モジュール２００ａ，２００ｂの一方に延びる入出力端子２１０が導電性部材としての連結端子台２８０等に締結された状態において、半導体モジュール２００ａ，２００ｂの中央より反入出力端子側に板バネ２２０ａ，２２０ｂが配置されている。よって、半導体モジュール２００ａ，２００ｂと冷却器２７０との密着度が向上して半導体モジュール２００ａ，２００ｂを安定して放熱することができる。

なお図示は省略するが、バネ押えブラケット２３０ａ，２３０ｂの板バネ２２０ａ，２２０ｂ側の面には第１の実施形態と同様に、凹部５４〜５６や接触部５７〜６０が形成され、距離Ｌ１〜Ｌ６を調整することにより半導体モジュール毎の荷重アンバランスを解消することができる。また、図１６においてはバネ押えブラケット２３０ａ，２３０ｂにおける連結端子台２８０側の取付構造の図示は省略している。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・前述の実施形態では、半導体モジュールは３個用いたが、その数量については限定されず半導体装置の仕様（用途）に応じて適宜変更するものとする。板バネ４０についても同様であり、半導体モジュールの数に応じた数の本体部４３ａ，４３ｂ，４３ｃが形成されていればよい。

・前述の実施形態では，半導体モジュール３０，３１，３２と冷却器２０間にシリコーングリース３３を用いているが、放熱シート等の他の熱伝導部材でもよい。
・バネ押えブラケット５０は冷却器２０に締結固定したが、これに限るものではない。例えば、冷却器をケースに固定し、当該ケースにバネ押えブラケット５０を固定してもよい。

・バネ押えブラケット５０の固定方法としてネジ止めしたが、カシメ等により固定してもよい。
・接触部５７〜６０はそれぞれ全面が板バネ４０の連結部４４〜４７に接触するようにしたが、例えば接触部５７をＸ方向に分割するなど、全面に接触しなくてもよい。この場合も各接触部のエッジ部Ｅ１〜Ｅ６と中央部との距離Ｌ１〜Ｌ６（即ちＷ１〜Ｗ４）を調整することで荷重アンバランスを防止し、また簡便に発生荷重が制御可能となる。

・その他、前述の実施形態における構成部品の材質、形状等については、半導体装置の仕様（用途）に応じて適宜変更するものとする。また、前述の実施形態における半導体装置の全体構成は、半導体装置の仕様（用途）に応じて適宜変更するものとする。

１０…半導体装置、２０…冷却器、３０…半導体モジュール、３１…半導体モジュール、３２…半導体モジュール、４０…板バネ、４１…中央部、５０…バネ押えブラケット、５７…接触部、５８…接触部、５９…接触部、６０…接触部、７０…ネジ、１００…ヒートシンク、１２０ａ〜１２０ｆ…締結用ボス、１１０…ネジ、１０４…載置面、１０６…着座面、２００…半導体モジュール、２００ａ…半導体モジュール、２００ｂ…半導体モジュール、２０１…半導体モジュール、２０２…半導体モジュール、２１０，２１１，２１２…入出力端子、２２０…板バネ、２２０ａ…板バネ、２２０ｂ…板バネ、２３０…バネ押えブラケット、２３０ａ…バネ押えブラケット、２３０ｂ…バネ押えブラケット、２５１，２５２…配線材、２８０…連結端子台、Ｌ１…距離、Ｌ２…距離、Ｌ３…距離、Ｌ４…距離、Ｌ５…距離、Ｌ６…距離。

Claims (7)

1. 冷却器と、
   前記冷却器の上に配置される複数の半導体モジュールと、
   前記複数の半導体モジュールの上に配置され、前記複数の半導体モジュールを前記冷却器に圧接するための板バネと、
   前記板バネの上に配置されるバネ押えブラケットと、
   を備え、
   前記板バネは、前記半導体モジュール毎に、厚さ方向への変形のための支点となる変形支点形成部を有し、
   前記バネ押えブラケットは、前記半導体モジュール毎の前記板バネとの接触部を有し、当該接触部が前記半導体モジュール毎の前記板バネでの前記厚さ方向への変形に伴う前記半導体モジュールに荷重を加える作用点となり、当該接触部と前記板バネの変形支点形成部との距離を調整して前記各半導体モジュールへの荷重を調整してなる
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記板バネは、前記変形支点形成部から互いに離間する方向に延び前記半導体モジュールに接する部位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。
3. 前記バネ押えブラケットを前記冷却器に締結手段により固定したことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記バネ押えブラケットに形成した締結用ボスを貫通する締結手段を前記冷却器に締結することにより前記バネ押えブラケットを前記冷却器に固定したことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記冷却器における前記半導体モジュールの載置面と前記締結用ボスの着座面とを同一平面に形成したことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記複数の半導体モジュールの並設方向における前記半導体モジュールの両側に前記締結用ボスおよび前記着座面を配置したことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記半導体モジュールの一方に導電性部材に締結される入出力端子が延び、前記半導体モジュールの中央より反入出力端子側に前記板バネが配置されるように形成されたバネ押えブラケットを設けてなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。