JP2005072249A - 半導体ディスクリート部品の固定方法及びディスクリート半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体ディスクリート部品が過熱することを抑え、小型化することが可能な半導体ディスクリート部品の固定方法及びディスクリート半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 ディスクリート半導体装置１は、ヒートシンク５２の端部に設けられる半導体ディスクリート部品５１の上面とほぼ同じ高さの凸部３に構造材２が架けられ、その構造材２とヒートシンク５２の凸部３とが金属性のネジ４により固定されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒートシンクに設けられる半導体ディスクリート部品の固定方法及びディスクリート半導体装置に関する。

一般に、トランスや電解コンデンサなどの電子部品は、発熱性の高い電子部品であり、その熱で自身や他の電子部品を破損させてしまうおそれがある。そのため、その熱が他の電子部品に影響を及ぼさないように電子部品で発生する熱を効率良く放出する必要がある。

電子部品で発生する熱を放出させる方法の１つとして、電子部品をヒートシンクと呼ばれる放熱性の高い部材に接触させ、電子部品で生じる熱をそのヒートシンクを介して放出させる方法がある。（例えば、特許文献１または２参照）そして、電子部品とヒートシンクとの接触面をできるだけ大きくさせることにより、電子部品で発生する熱を効率良く放出させることができる。

また、ダイオードやトランジスタなどの半導体ディスクリート部品においても大電流が流れるため、発熱性の高い電子部品となる。そして、このような半導体ディスクリート部品もトランスや電解コンデンサと同様に、効率良く熱を放出させることが必要である。
ところで、半導体ディスクリート部品は、ヒートシンク上に複数並べられて実装される場合がよくある。そして、複数の半導体ディスクリート部品をヒートシンクに固定させる方法として様々な方法が考えられている。

図５（ａ）は、半導体ディスクリート部品がヒートシンクに既存の固定方法で固定されたディスクリート半導体装置の一例を示す図である。
図５（ａ）に示すディスクリート半導体装置５０では、複数の半導体ディスクリート部品５１がそれぞれヒートシンク５２上にＭ３ネジ５３（φ３ｍｍ）により固定されている。なお、ディスクリート半導体装置５０は、ヒートシンク５２内に水路５４が設けられる水冷式の冷却部を備えている。また、半導体ディスクリート部品５１は、例えば、樹脂５５で覆われるトランジスタであって、そのトランジスタの金属ベース５６とヒートシンク５２との間に熱伝導率の高い絶縁伝熱シート５７が設けられている。

また、図５（ｂ）は、半導体ディスクリート部品がヒートシンクに既存の他の固定方法で固定されたディスクリート半導体装置の一例を示す図である。なお、図５（ａ）と同じ構成には同じ符号をつける。
図５（ｂ）に示すディスクリート半導体装置５８は、金属性のバネ板状のクリップ５９の極小部により半導体ディスクリート部品５１の上面の小スペース部分を押え、クリップ５９の両端に設けられるクランプ６０をヒートシンク５２の所定の座ぐり（クランプ６０が抜けないようにさせるためにクランプ６０の形状に対応した溝）に引っ掛けることにより、半導体ディスクリート部品５１をヒートシンク５２に固定させている。（例えば、特許文献３参照）
特開２００１−２５７４８５号 （第３〜４頁、第１図） 特開２００２−２９００８８号 （第５〜８頁、第１図） 特開２０００−２２３７０号 （第３頁、第１図）

しかしながら、図５（ａ）に示すディスクリート半導体装置５０は、半導体ディスクリート部品５１にＭ３ネジ５３を貫通させ、残りのＭ３ネジ５３の突出部分（雄ネジ部）とヒートシンク５２の所定のネジ穴（雌ネジ部）とを螺合させることにより、半導体ディスクリート部品５１をヒートシンク５２に固定させているので、そのネジ穴の長さを考慮してヒートシンク５２をある程度厚くする必要がある。そのため、ヒートシンク５２のネジ穴の長さを含めると、図５（ａ）に示す厚みＡが大きくなり、ディスクリート半導体装置５０の厚み方向の小型化が難しくなるという問題がある。

また、図５（ｂ）に示すディスクリート半導体装置５８では、クリップ５９の極小部により半導体ディスクリート部品５１の上面の小スペース部分しか押えられないため、半導体ディスクリート部品５１に均一な力が加わらない。そのため、半導体ディスクリート部品５１とヒートシンク５２とを十分に接触させることができなくなり、半導体ディスクリート部品５１が過熱するおそれがある。

また、半導体ディスクリート部品５１の金属ベース５６とクリップ５９とが短絡しないように、クリップ５９の留代を考慮して、半導体ディスクリート部品５１とクリップ５９との間をある程度開ける必要がある。そのため、図５（ｂ）に示す間隔Ｂが大きくなり、ディスクリート半導体装置５８の面積も大きくなり、小型化が難しくなるという問題がある。

また、ヒートシンク５２に座ぐりを設けるためにヒートシンク５２をある程度厚くする必要がある。そのため、ヒートシンク５２の座ぐりを含めると、図５（ｂ）に示す厚みＣが大きくなり、ディスクリート半導体装置５０の厚み方向の小型化が難しくなるという問題がある。

そこで、本発明では、上記問題点を考慮し、半導体ディスクリート部品が過熱することを抑え、装置全体を小型化することが可能な半導体ディスクリート部品の固定方法及びディスクリート半導体装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明では、以下のような構成を採用した。
すなわち、本発明の半導体ディスクリート部品の固定方法は、ヒートシンクの上方に絶縁伝熱シートを介して設けられる半導体ディスクリート部品の上面全体を構造材で押えると共に、固定部材により前記構造材の内部に設けられる金属カラーと前記ヒートシンクとを固定することを特徴とする。

このように、構造材により半導体ディスクリート部品の上面全体を押えているので、半導体ディスクリート部品をヒートシンクに密着させることができる。これより、半導体ディスクリート部品が過熱することを抑えることができる。
また、構造材とヒートシンクとを固定部材により固定しているので、複数の半導体ディスクリート部品を１つの構造材で固定することができる。これより、クリップで半導体ディスクリート部品を固定するよりも半導体ディスクリート部品間を近づけることができるので、ディスクリート半導体装置を小型化することができる。

また、上記半導体ディスクリート部品の固定方法において、前記構造材に、リブが設けられていてもよい。これより、構造材の強度を大きくすることができる。
また、上記半導体ディスクリート部品の固定方法において、前記構造材の内部に、金属板が設けられていてもよい。これより、構造材の強度を大きくすることができる。

また、上記半導体ディスクリート部品の固定方法において、前記金属板を前記半導体ディスクリート部品に電力を供給する配線として構成してもよい。これより、配線の配置スペースを設ける必要がなくなるので、その分ディスクリート半導体装置を小型化することができる。また、ディスクリート半導体装置の製造工程を容易にすることができる。

また、本発明の範囲は、ヒートシンクと、前記ヒートシンクの上方に設けられる半導体ディスクリート部品と、前記ヒートシンクと前記半導体ディスクリート部品との間に設けられ、前記半導体ディスクリート部品で生じる熱を前記ヒートシンクに伝えると共に、絶縁性物質で構成される絶縁伝熱シートと、前記半導体ディスクリート部品の上面全体を押え、前記半導体ディスクリート部品を前記絶縁伝熱シート上に固定させる構造材と、前記ヒートシンクと前記構造材とを固定させる固定部材と、前記構造材内部の前記ヒートシンクと前記固定部材との締結部に設けられる金属カラーとを備えることを特徴とするディスクリート半導体装置にまで及ぶ。

本発明によれば、半導体ディスクリート部品が過熱することを抑えることができる。
また、ディスクリート半導体装置を小型化することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態のディスクリート半導体装置を示す図である。なお、図５と同じ構成については同じ符号をつける。また、本発明の実施形態のディスクリート半導体装置１は、水、冷媒、または空気などの流体がヒートシンク５２内を通る構成とする。

図１に示すディスクリート半導体装置１は、少なくとも表面が樹脂（例えば、ガラスを含むＰＢＴ（ＰｏｌｙＢｕｔｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）など）で形成される構造材２（例えば、厚さ４〜５ｍｍ程度）により半導体ディスクリート部品５１の上面が押えられ、半導体ディスクリート部品５１がヒートシンク５２に固定されている。

すなわち、具体的には、上記ディスクリート半導体装置１は、ヒートシンク５２の端部に設けられる半導体ディスクリート部品５１の上面とほぼ同じ高さの凸部３に構造材２が架けられ、その構造材２とヒートシンク５２の凸部３とが金属性（例えば、黄銅など）のネジ４（固定部材）により固定されている。これより、半導体ディスクリート部品５１の上面を構造材２で押えることができ、半導体ディスクリート部品５１をヒートシンク５２に固定させることができる。

また、図１に示すように、半導体ディスクリート部品５１がトランジスタである場合は、半導体ディスクリート部品５１とヒートシンク５２との間にゲルやゴムなどの弾性の材質で形成され熱伝導率の高い絶縁伝熱シート５７を設けることにより、トランジスタの金属ベース５６間やヒートシンク５２とトランジスタの金属ベース５６との間を絶縁させることができる。また、絶縁伝熱シート５７を半導体ディスクリート部品５１とヒートシンク５２との間に設けることにより、半導体ディスクリート部品５１をヒートシンク５２に密着させることができ、放熱性を高めることができる。

また、構造材２は、ネジ４との締結部に、ネジ４（雄ネジ部）に対応する金属カラー（雌ネジ部）５を備える。このように、構造材２とネジ４の締結部に金属カラー５を設けることにより、構造材２とネジ４との熱膨張率の差により構造材２とネジ４との間に隙間ができることを防止することができる。

また、ヒートシンク５２の凸部３の上部には、ネジ４に対応するネジ穴（雌ネジ部）が設けられている。
また、半導体ディスクリート部品５１と構造材２とを接着剤６（例えば、エポキシなど）により接着させてもよい。そして、半導体ディスクリート部品５１の高さのばらつきが大きい場合は、各半導体ディスクリート部品５１に使用される接着剤６の量（厚さ）をそれぞれ調整することにより、接着剤６を含む半導体ディスクリート部品５１の高さ（図１に示す厚さＤ）を全て等しくすることができる。これより、全ての半導体ディスクリート部品５１の上面を構造材２により均一の力で押えることができる。なお、ヒートシンク５２に実装させた後の全ての半導体ディスクリート部品５１の高さがほぼ等しい場合は、接着材６を使用しなくてもよい。

このように、構造材２により各半導体ディスクリート部品５１の上面全体を均一の力で押えることができるので、全ての半導体ディスクリート部品５１をヒートシンク５２に密着させることができる。これより、何れの半導体ディスクリート部品５１も過熱することを抑えることができる。

また、構造材２とヒートシンク５２の端部に設けられる凸部３とを４つのネジ４で固定することで、複数の半導体ディスクリート部品５１を１つの構造材２で固定することができる。これより、半導体ディスクリート部品５１間を図５（ｂ）のディスクリート半導体装置５８に比べて近づけることができるので、ディスクリート半導体装置１を小型化することができる。

図２は、本発明の他の実施形態のディスクリート半導体装置を示す図である。なお、図１と同じ構成については同じ符号をつける。
図２に示すように、ディスクリート半導体装置７は、構造材２により複数の半導体ディスクリート部品５１を押えつけ、その複数の半導体ディスクリート部品５１をヒートシンク５２に固定させている。この構成は、図１に示すディスクリート半導体装置１と基本的に同じである。

図２に示すディスクリート半導体装置７の特徴とする点は、構造材２の下面にリブ８と構造材２の内部に金属板９が設けられている点である。
図３は、ディスクリート半導体装置７の構造材２の下面に設けられるリブ８を上から見た図である。なお、図２と同じ構成については同じ符号をつける。

図３に示すように、リブ８は、半導体ディスクリート部品５１に接触しないように、構造材２と同一平面の横方向と縦方向にそれぞれ伸びる形状で構造材２の下面に設けられている。なお、リブ８は、半導体ディスクリート部品５１の上面に設けられてもよい。
このように、構造材２にリブ８が設けられていることにより、構造材２の曲げ剛性を高くすることができ、強度を高めることができる。

また、図４は、ディスクリート半導体装置７の構造材２内の金属板９をバスバーとした場合のそのバスバーを上から見た図である。なお、図２と同じ構成については同じ符号をつける。
図４に示すバスバーは、例えば、３相モータのインバータを構成させるトランジスタを備えるディスクリート半導体装置７における金属板９であって、入力（−）バスバー１０、入力（＋）バスバー１１、Ｕ相バスバー１２、Ｖ相バスバー１３、及びＷ相バスバー１４で構成されている。なお、トランジスタの主電流端子１５（ソース・ドレインまたはエミッタ・コレクタ）と各バスバーとが接続され、トランジスタの制御端子１６（ゲートまたはベース）と制御回路基板とが接続されている。

このように、構造材２内に金属板９を設けることにより、構造材２の強度を上げることができる。また、その金属板９を半導体ディスクリート部品５１に電力を供給するための配線として使用することにより、配線のスペースを省略でき、その分ディスクリート半導体装置７を小型化することができる。また、配線を引き回す作業をなくすことができ、ディスクリート半導体装置７の製造工程を容易にすることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲において、種々の構成を採用可能である。例えば、以下のような構成変更も可能である。
（１）上記実施形態では、構造材２にリブ８と金属板９とが設けられる構成であるが、構造材２にリブ８のみを設ける構成としてもよいし、構造材２に金属板９のみを設ける構成としてもよい。

（２）上記実施形態では、構造材２の隅とヒートシンク５２の隅とが４つのネジ４により固定される構成であるが、ネジ４の取り付け位置やネジ４の個数はこの構成に限定されない。
（３）上記実施形態では、複数の半導体ディスクリート部品５１が１つの構造材２により固定されているが、複数の半導体ディスクリート部品５１を複数の構造材２により固定してもよい。

（４）上記実施形態では、構造材２とヒートシンク５２とをネジ４により固定させる構成であるが、構造材２とヒートシンク５２とを固定させる固定部材は、ネジ４に限らず、クリップやリベットなどでもよい。
（５）上記実施形態では、構造材２とネジ４との間に隙間ができることを防ぐため、構造材２とネジ４との締結部に金属カラー５を設ける構成としているが、金属カラー５を設ける代わりに構造材２とネジ４との締結部における構造材２の厚さを、例えば、１ｍｍ以下程度となるように薄く加工してもよい。これより、構造材２とネジ４との熱膨張率の差を小さくすることができるので、構造材２とネジ４との間に隙間ができることを防ぐことができる。

本発明の実施形態のディスクリート半導体装置を示す図である。 本発明の他の実施形態のディスクリート半導体装置を示す図である。 構造材に設けられるリブを上から見た図である。 構造材内のバスバーを上から見た図である。 既存のディスクリート半導体装置を示す図である。

符号の説明

１ ディスクリート半導体装置
２ 構造材
３ 凸部
４ ネジ
５ 金属カラー
６ 接着剤
７ ディスクリート半導体装置
８ リブ
９ 金属板
１０ 入力（−）バスバー
１１ 入力（＋）バスバー
１２ Ｕ相バスバー
１３ Ｖ相バスバー
１４ Ｗ相バスバー
１５ 主電流端子
１６ 制御端子
５０ ディスクリート半導体装置
５１ 半導体ディスクリート部品
５２ ヒートシンク
５３ Ｍ３ネジ
５４ 水路
５５ 樹脂
５６ 金属ベース
５７ 絶縁伝熱シート
５８ ディスクリート半導体装置
５９ クリップ
６０ クランプ

Claims (8)

1. ヒートシンクの上方に絶縁伝熱シートを介して設けられる半導体ディスクリート部品の上面全体を構造材で押えると共に、固定部材により前記構造材の内部に設けられる金属カラーと前記ヒートシンクとを固定することを特徴とする半導体ディスクリート部品の固定方法。
2. 請求項１に記載の半導体ディスクリート部品の固定方法であって、
   前記構造材にリブが設けられていることを特徴とする半導体ディスクリート部品の固定方法。
3. 請求項１に記載の半導体ディスクリート部品の固定方法であって、
   前記構造材の内部に金属板が設けられていることを特徴とする半導体ディスクリート部品の固定方法。
4. 請求項３に記載の半導体ディスクリート部品の固定方法であって、
   前記金属板は、前記半導体ディスクリート部品に電力を供給する配線とすることを特徴とする半導体ディスクリート部品の固定方法。
5. ヒートシンクと、
   前記ヒートシンクの上方に設けられる半導体ディスクリート部品と、
   前記ヒートシンクと前記半導体ディスクリート部品との間に設けられ、前記半導体ディスクリート部品で生じる熱を前記ヒートシンクに伝えると共に、絶縁性物質で構成される絶縁伝熱シートと、
   前記半導体ディスクリート部品の上面全体を押え、前記半導体ディスクリート部品を前記絶縁伝熱シート上に固定させる構造材と、
   前記ヒートシンクと前記構造材とを固定させる固定部材と、
   前記構造材内部の前記ヒートシンクと前記固定部材との締結部に設けられる金属カラーと、
   を備えることを特徴とするディスクリート半導体装置。
6. 請求項５に記載のディスクリート半導体装置であって、
   前記構造材にリブが設けられていることを特徴とするディスクリート半導体装置。
7. 請求項５に記載のディスクリート半導体装置であって、
   前記構造材の内部に金属板が設けられていることを特徴とするディスクリート半導体装置。
8. 請求項７に記載のディスクリート半導体装置であって、
   前記金属板は、前記半導体ディスクリート部品に電力を供給する配線とすることを特徴とするディスクリート半導体装置。
   
   

Images