JP2005142323A

JP2005142323A - 半導体モジュール

Info

Publication number: JP2005142323A
Application number: JP2003376666A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Mizojiri; 徹夫溝尻; Masuo Koga; 万寿夫古賀; Yukimasa Hayashida; 幸昌林田; Yoshiaki Takei; 良昭武井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-11-06
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2005-06-02

Abstract

【課題】温度差や熱膨張率に起因する放熱部材の変形を抑制しつつ、冷却フィンと放熱部材との密着性を向上させることができる半導体モジュールを提供する。
【解決手段】パワー半導体素子５が上面に配設された複数の絶縁基板４と、各絶縁基板４が上面に配設された複数の放熱部材３とを備えている。各放熱部材３は、保持板１の嵌入孔１ａに嵌入される。その嵌入状態において、パワー半導体素子５は、ケース２により囲繞されている。そして、保持板１は金属製であり、取付孔１ｂが穿設されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、半導体モジュールに係る発明であって、例えば、絶縁基板の個数単位で設けられている、複数の放熱部材を有する半導体モジュールに適用することができる。

複数のパワー半導体素子を樹脂ケースに組み込んだ半導体モジュールとして、次に示すような技術が存在している（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に係る従来の技術は、当該樹脂ケースの底面に開口部が穿設されている。また、当該従来の技術は、複数の放熱部材（金属ベース板）を有している。各放熱部材には、それぞれに一の絶縁基板が載置されている。ここで、各絶縁基板には、パワー半導体素子が載置されている。さらに、当該従来の技術では、絶縁基板を有する各放熱部材が、樹脂ケースの底面に穿設されている開口部に嵌入されている。

そして、複数のパワー半導体素子を樹脂ケースに組み込んだ状態において、当該半導体モジュールは、底面において冷却フィンと接合される。ここで、当該接合は、樹脂ケースの底面の４隅に穿設されているネジ孔と、冷却フィンの４隅に穿設されているネジ孔とに、ネジを螺合することにより行われる。

当該従来の技術のように、放熱部材を各絶縁基板毎に分割して設けることにより、製造途中で熱処理を施したとしても、温度差や熱膨張率に起因する放熱部材の変形を抑制する等の効果を奏することができていた。

特開平８−２１３５４７号公報（第１図、第３欄の第１１段落等）

しかし、上記従来の技術では、半導体モジュールに冷却フィンを接合する場合において、樹脂製のケースにネジ孔が穿設されていたために、ネジ孔の強度が弱く、ネジを強く締めることができなかった。したがって、冷却フィンと放熱部材との密着性が悪くなり、放熱効果が減退していた。

そこで、この発明は、放熱部材における温度差や熱膨張率に起因する当該放熱部材の変形を抑制しつつ、冷却フィンと放熱部材との密着性を向上させることができる、半導体モジュールを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載の半導体モジュールは、上面に半導体素子が配設された複数の絶縁基板と、上面に各前記絶縁基板が配設さえた複数の放熱部材と、各前記放熱部材が嵌入すべき複数の嵌入孔を有する保持板と、前記保持板の前記嵌入孔に前記放熱部材が嵌入されている状態において、前記保持板の外周縁部で前記半導体素子を囲繞するケースとを、備えており、前記保持板は金属製であり、取付孔が穿設されている。

本発明の請求項１に記載の半導体モジュールは、上面に半導体素子が配設された複数の絶縁基板と、上面に各前記絶縁基板が配設さえた複数の放熱部材と、各前記放熱部材が嵌入すべき複数の嵌入孔を有する保持板と、前記保持板の前記嵌入孔に前記放熱部材が嵌入されている状態において、前記保持板の外周縁部で前記半導体素子を囲繞するケースとを、備えており、前記保持板は金属製であり、取付孔が穿設されているので、例えば半導体モジュールと冷却フィンとを接合させるために、ネジ等を用いて強い力で締め付けることができる。よって、熱膨張率に起因する放熱部材の変形を抑制しつつ、冷却フィンと放熱部材との密着性を向上させることができる。また保持板は、放熱部材をより水平に保持する必要がある。これは、放熱部材が傾いて保持されると、冷却フィンとの接触が悪くなるからである。そこで、半導体モジュールの保持板は金属製であるので、プレス加工等を容易に行うことができる。よって、放熱部材の水平保持を考慮した、保持板の嵌入孔の精密な加工も可能となる。

以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。

＜実施の形態１＞
本実施の形態に係る半導体モジュールの上面を示す平面図を、図１に示す。また、図１のＡ−Ａ断面の断面図を、図２に示す。

図２に示すように、本実施の形態に係る半導体モジュールの外形は、半導体モジュールの底面を構成する保持板１と、半導体モジュールの上面及び側面を構成するケース２とで成立している。

ここで、保持板１とケース２とは、例えば接着材であるシール材９等を用いて保持板１の外周縁部で接続されている。また、保持板１は金属製の部材であり、ケース２は、樹脂製の部材である。さらに、保持板１には、複数の嵌入孔１ａが穿設されている。嵌入孔１ａは、外側が大径、内側が小径となる段階的に穿設されており、例えば図２から分かるように、２つの嵌入孔１ａ間に存する保持板１の断面形状は、Ｔ字状であり、嵌入孔１ａと保持板１の端部との間に存する保持板１の断面形状は、Ｌ字状となっている。

また、図１に示すように、ケース２には、周辺部において数箇所切欠き部２ａが設けられており、当該切欠き部２ａから露出している保持板１には、冷却フィンの取付孔であるネジ孔１ｂが設けられている。

また、図２に示しているように、本実施の形態に係る半導体モジュールは、金属ベース板である放熱部材３、絶縁基板４およびパワー半導体素子５等を有している。ここで、放熱部材３の側面は、嵌入孔１ａの段々に合わせた末広がりとなる階段形状となっている。また、放熱部材３は複数個であり、一の放熱部材３は、一の絶縁基板４を有しており、一の絶縁基板４には、複数のパワー半導体素子５が搭載されている。

具体的に、絶縁基板４上には、回路パターンである電極部６が形成されており、この電極部６を介して、複数のパワー半導体素子５が配置されている。ここで、パワー半導体素子５と電極部６とは、はんだ１０により接合されている。はんだ１０の厚さは、ヒートサイクル時の熱ストレスによる当該はんだ１０の熱耐性及び放熱性を考慮して、５０μｍ〜１００μｍ程度であることが望ましい。また、複数のパワー半導体素子５は、アルミ配線７等により電気的に接続されている。

絶縁基板４の下面には金属パターン８が形成されており、複数のパワー半導体素子５を有する絶縁基板４の下面は、金属パターン８を介して放熱部材３の上面に載置されている。ここで、放熱部材３と金属パターン８とは、はんだ１０により接合されている。はんだ１０の厚さは、ヒートサイクル時の熱ストレスによる当該はんだ１０の熱耐性を考慮して、１００μｍ〜３００μｍ程度であることが望ましい。

図２から分かるように、上記各部材（絶縁基板４やパワー半導体素子５等）が搭載された各放熱部材３は、その搭載側をケースの内側にして、保持板１に穿設されている各嵌入孔１ａに、各々嵌入されている。つまり、各パワー半導体素子５は、保持板１の外周縁部においてケース２により囲繞されている。

ここで、放熱部材３側面の階段部の上面が、段階的に穿設されている嵌入孔１ａ内の保持板１の下面で係り止められている。また、当該階段部の上面と当該嵌入孔１ａ内の保持板１の下面との間には、接着剤であるシール材９が充填されており、当該シール材９により、保持板１は放熱部材３を接着・保持している。さらに、放熱部材３が保持板１に保持されている状態において、放熱部材３の下面は、保持板１の下面よりも突出している。

以上のように、図２に示すように、保持板１がケース２と接合し、保持板１に穿設されている複数の嵌入孔１ａに、各部材４，５等を有する放熱部材３を各々嵌入させることにより、半導体モジュールは構成されている。なお、保持板１とケース２とで囲まれた空間には、シリコンゲル１１が充填されている。また、パワー半導体素子５等から構成されている回路から突出している電極部１２は、ケース２の内部を貫通しており、当該ケース２の上面において外部接続可能に配設されている。

上記構成を有する半導体モジュールは、ネジやボルト等を用いて、冷却フィンと接合される。

具体的に、図３に示すように、保持板１に穿設されているネジ孔１ｂに、ネジ１５を通し、冷却フィン１６に設けられているネジ孔に対して、ネジ１５を螺合するこで、当該螺合により、半導体モジュールは、冷却フィン１６と接合される。

本実施の形態に係る半導体モジュールでは、各絶縁基板４毎に放熱部材３を分割して設けているので、製造途中ではんだ付け等の熱処理を施したとしても、放熱部材３の各部所における温度差および当該放熱部材３の熱膨張率等に起因した、当該放熱部材３の変形を抑制することができる。

さらに、本実施の形態に係る半導体モジュールでは、保持板１は、剛性の高い金属製である。そして、当該金属製の保持板１には、複数のネジ孔１ｂが穿設されている。したがって、図３で示したように、半導体モジュールと冷却フィン１６とを接合させるために、ネジ等を用いて強い力で締め付けることができる。これにより、従来の樹脂製のケースに冷却フィンを取付けるときと比較して、半導体モジュールと冷却フィン１６との接触向上を図ることができる。

また、保持板１は、放熱部材３をより水平に保持する必要がある。これは、放熱部材３が傾いて保持されると、冷却フィン１６との接触が悪くなるからである。したがって、保持板１に段階的に穿設されている嵌入孔１ａの加工には、精密さが要求される。

本実施の形態に係る半導体モジュールの保持板１は、金属製であるので、プレス加工等を容易に行うことができる。よって、放熱部材３の水平保持を考慮した、保持板１の嵌入孔１ａの精密な加工も可能となる。

また、放熱部材３が保持板１に保持されている状態において、放熱部材３の下面は、保持板１の下面よりも突出しているので、ネジ１５の締付によってより確実に、放熱部材３を冷却フィン１６に接合することができ、より放熱効果を向上させることができる。

一方、図４に示すように、放熱部材３の上面の幅が、下面の幅よりも大きくなるように、放熱部材３の側面を階段形状に形成し、側面の当該階段形状の階段部の下面と保持板１の上面部とが接するように、放熱部材３を保持板１の嵌入孔１ａに嵌入してもよい。

しかし、図２で示したように、放熱部材３の側面を末広がりとなる階段形状とし、放熱部材３側面の階段部の上面が、段階的に穿設されている嵌入孔１ａ内の保持板１の下面で係り止められている構造を採用することにより、冷却フィン１６と接合する放熱部材３の面積が増大し、より放熱効果を向上させることができる。

また、放熱部材３が保持板１の嵌入孔１ａに嵌入されている状態において、保持板１の上面が、放熱部材３の上面より上となるように構成しても良い。しかし、図２に示しているように、放熱部材３が保持板１の嵌入孔１ａに嵌入されている状態において、保持板１の上面が、放熱部材３の上面以下の位置になるように構成することにより、ケース２と保持板１との間に存する空間が広く取れ、他の部品を配設するなど当該空間を有効活用することができる。

＜実施の形態２＞
本実施の形態に係る半導体モジュールの断面図を図５に示す。

本実施の形態に係る半導体モジュールは、実施の形態１に係る半導体モジュールとほぼ同じ構成であるが、以下の点において異なる。

つまり、図５に示している様に、本実施の形態に係る半導体モジュールの保持板１に穿設されている嵌入孔１ａは、外側も内側も同径であって段階的に形成されておらず、嵌入孔１ａと嵌入孔１ａとの間に存する保持板１の断面形状は平板形状であり、また、嵌入孔１ａと保持板１の端部との間に存する保持板１の断面形状も、平面形状である。

ここで、嵌入孔１ａと保持板１の端部との間に存する保持板１の断面形状は、実施の形態１と同様に、Ｌ字形状であってもよい。しかし、嵌入孔１ａと嵌入孔１ａとの間に存する保持板１の断面形状を平板形状とする場合には、嵌入孔１ａと保持板１の端部との間に存する保持板１の断面形状も平面形状とする方が、嵌入孔１ａを有する保持板１の加工を容易に行うことができる。

その他の部材の構成は、実施の形態１と同様であるので、ここでの説明は省略する。

以上のように、本実施の形態に係る半導体モジュールでは、嵌入孔１ａと嵌入孔１ａとの間に存する保持板１の断面形状が平板形状であるので、嵌入孔１ａと嵌入孔１ａとの間に存する保持板１の水平長さをより短く設定することができる。よって、保持板１に各部材４，５を搭載した放熱部材３を嵌入孔１ａに嵌入した状態において、実施の形態１よりも、放熱部材３同士を互いにより接近させることができる。よって、半導体モジュール全体の縮小化を図ることができる。

＜実施の形態３＞
本実施の形態に係る半導体モジュールの断面図を図６に示す。

つまり、図６に示している様に、本実施の形態に係る半導体モジュールの放熱部材３の側面は、２段からなる階段部を有する、末広がりの階段形状となっている。そして、放熱部材３の下面側から最初の階段部の上面が、段階的に穿設されている嵌入孔１ａ内の保持板１の下面で係り止められている。

そして、絶縁基板４の外周縁部は、放熱部材３の下面側から２段目の階段部の上面と対面している。つまり、絶縁基板４の外周縁部と対面する放熱部材３の上面は掘り下げられている。

以上のように、絶縁基板４の外周縁部と対面する放熱部材３の上面は掘り下げられているので、絶縁基板４の外周縁部と、これに対面する放熱部材３の上面との間の絶縁耐性を大きくすることができる。

実施の形態１に係る半導体モジュールの上面を示す平面図である。実施の形態１に係る半導体モジュールの断面を示す断面図である。半導体モジュールと冷却フィンとの接合の様子を示す上面斜視図である。実施の形態１に係る半導体モジュールの他の例を示す断面図である。実施の形態２に係る半導体モジュールの断面を示す断面図である。実施の形態３に係る半導体モジュールの断面を示す断面図である。

符号の説明

１保持板、１ａ嵌入孔、１ｂネジ孔、２ケース、２ａ切欠き部、３放熱部材、４絶縁基板、５パワー半導体素子、６，１２電極部、７アルミ配線、８導電部、９シール材、１０はんだ、１１シリコンゲル、１５ネジ、１６冷却フィン。

Claims

上面に半導体素子が配設された複数の絶縁基板と、
上面に各前記絶縁基板が配設さえた複数の放熱部材と、
各前記放熱部材が嵌入すべき複数の嵌入孔を有する保持板と、
前記保持板の外周縁部で支持されており、前記保持板の前記嵌入孔に前記放熱部材が嵌入されている状態において、前記半導体素子を囲繞するケースとを、備えており、
前記保持板は金属製であり、取付孔が穿設されている、
ことを特徴とする半導体モジュール。
前記嵌入孔間に存する前記保持板の断面形状は、平板形状である、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
前記放熱部材の側面は、末広がりとなる階段形状であり、
前記放熱部材の前記階段形状の階段部の上面が、前記保持板の下面で係り止めされている、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
前記放熱部材が前記保持板に嵌入されている状態において、
前記保持板の上面は、前記放熱部材の上面以下の位置に存する、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
前記放熱部材が前記保持板の前記嵌入孔に嵌入されている状態において、
前記放熱部材の下面は、前記保持板の下面よりも突出している、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。