JP2012054262A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールが組み込まれて成る半導体装置の搭載容易性の向上を図る。
【解決手段】半導体装置１００は、筐体５内に配設された複数の半導体モジュール７と、トランスミッション２００のスタッドボルト１を貫通させるブッシュ１０とを備える。半導体モジュール７と筐体５の押さえ板６との間には、半導体装置１００の筐体５がトランスミッション２００に固定されたときに、半導体モジュール７をトランスミッション２００に圧着させるバネ８が配設される。
【選択図】図１

Description

本発明は、筐体内に半導体モジュールが組み込まれた構造を有する半導体装置に関する。

パワー半導体装置を高機能化したインテリジェント・パワー・モジュール（ＩＰＭ）として、パワー半導体素子を複数搭載したものが存在する。一般にそのようなＩＰＭは、パワー半導体素子の冷却のための放熱板（ベース板）を備えており（例えば下記の特許文献１）、実使用時にはベース板が外部の冷却器にネジで締め付け固定される。

また、個別にモールドされた複数の半導体モジュールを同一の放熱板に搭載させて一体化したＩＰＭもある（例えば下記の特許文献２）。さらに、ベース板を用いずに個別の半導体モジュール上に制御基板を実装させることにより、冷却フィンへの取り付け容易化を図ったＩＰＭも存在する（例えば下記の特許文献３）。

一方、例えば自動車の制御システムにおいては、システムの各要素をサブシステム化しての統合制御システムが検討されている（例えば下記の特許文献４）。またそのような統合制御システムでは、制御系（電装系）と制御対象（機構系）を一体化（モジュール化）する「機電一体化」が検討されている（例えば下記の特許文献５）。

特許第２５１３０７９号公報 特許第３９１４２０９号公報 特開２００６−１００３２７号公報 特開２００１−３２９９０３号公報 特開２００６−３２９２９４号公報

ＩＰＭが高い冷却性能を維持するためには、ベース板が冷却器に接する面（取り付け面）を平面化する必要がある。しかしＩＰＭが複数の半導体素子を搭載するなどして大型化すると、取り付け面の面積も大きくする必要があるため、平面化処理を必要とする面積が増すことによる加工の困難化や、取り付け可能な冷却器に制限が加わることによる取り付け自由度の低下が問題となる。

特許文献３のように、個々の半導体モジュール上に制御基板を実装すれば、その取り付け自由度は向上する。しかし複数の半導体モジュールを用いてＩＰＭを構成する場合には、複数の半導体モジュールを個々に冷却器にネジ止めする必要があり、組立工程数が増加する。特許文献３には、組み立て工程数（ネジの締め付け点数）の増加を抑えるために複数の半導体モジュールを結合させて一体化した例も示されているが、その場合はベース板を用いたＩＰＭと同様に、冷却器への取り付け面の面積が大きくなり、取り付け自由度を損なう結果となる。

また、自動車システムの機電一体化においては、インバータ等のパワー半導体装置をエンジンやトランスミッション等の機構系と一体化させることが検討されている。エンジンの冷却水やトランスミッションの冷却油の温度は、現状のパワー半導体装置の許容温度よりも高くなることも多く、その場合には冷却手段の共用化が困難である。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、半導体モジュールが組み込まれて成る半導体装置の搭載容易性の向上を図ることを目的としている。

本発明に係る半導体装置は、筐体内に配設された複数の半導体モジュールと、前記筐体を所定の外部装置に固定させるための固定部材と、前記固定部材から延在する押さえ部材と、前記押さえ部材と各前記半導体モジュールとの間に配設され、前記筐体が前記固定部材を介して前記外部装置に固定されて前記押さえ部材が位置決めされたときに、前記半導体モジュールのそれぞれを前記外部装置に圧着させる複数の荷重印加部材とを備えるものである。

本発明の半導体装置によれば、外部装置に固定されたときに、複数の半導体モジュールがそれぞれ荷重印加部材によって外部装置に圧着されるため、半導体モジュールの数が多い場合においても確実に半導体モジュールを外部装置に当接させることができる。つまり搭載容易性の高い半導体装置が得られる。これにより、半導体モジュールの熱を外部装置に効率よく放熱させることができ、半導体装置と外部装置とで冷却機構の共用化が容易になる。

本発明に係る半導体装置の構成、およびその取り付け構造を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置に搭載される半導体モジュールの構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置に搭載される半導体モジュールの構成を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体装置に搭載される半導体モジュールの構成を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る半導体装置に搭載される半導体モジュールの構成を示す図である。 本発明の実施の形態６に係る半導体装置における半導体モジュールの実装部分の構成を示す図である。 本発明の実施の形態７に係る半導体装置に搭載される半導体モジュールの構成を示す図である。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明に係る半導体装置１００の構成、並びに、それをトランスミッション２００に取り付ける場合の取り付け構造を示す図である。

図１に示すように、トランスミッション２００は、駆動部４およびその冷却機構である冷却油路３を備えており、冷却油路３および駆動部４はトランスミッションケース２内に配設されている。トランスミッションケース２の表面には、半導体装置１００を固定するためのスタッドボルト１が設けられている。

半導体装置１００は、複数の半導体モジュール７が筐体５内に実装された構成を有している。半導体モジュール７は、半導体装置１００がトランスミッション２００に装着されたときトランスミッションケース２に当接できるように、半導体装置１００の下面側に露出している。図示は省略するが、各半導体モジュール７の電極はそれぞれ筐体５が有するバスバー（電極板）に接続されている。また半導体装置１００内には、半導体モジュール７の制御基板も搭載されており、半導体モジュール７の電極はそれにも接続されている。

筐体５には、半導体装置１００をトランスミッション２００のトランスミッションケース２に対応する位置にブッシュ１０（固定部材）が一体形成されている。また筐体５は、ブッシュ１０から延在する押さえ板６を備えている。この押さえ板６は、半導体装置１００の筐体５がブッシュ１０を介してトランスミッション２００に固定されることで位置決めされ、半導体モジュール７をトランスミッションケース２側へ押し当てるように機能する。さらに、押さえ板６と各半導体モジュール７との間には、トランスミッションケース２に圧着させるための弾性部材８（荷重印加部材）が配設される。弾性部材８は、押さえ板６から半導体モジュール７に対して荷重を加えるものであればよいが、本実施の形態ではバネを用いる。

図１の如く、本実施の形態のトランスミッションケース２における半導体装置１００の取り付け面は、異なる向きの２つの平面を含んでいる。半導体装置１００の半導体モジュール７は、それぞれがトランスミッション２００の取り付け面に対して平行な姿勢で筐体５内に実装される。

半導体装置１００をトランスミッション２００に取り付けは、半導体装置１００の下面側からスタッドボルト１をブッシュ１０に通し、半導体装置１００の上面側に貫通したスタッドボルト１にナット１１を装着して、半導体装置１００の筐体５をトランスミッション２００にネジ止め固定することによって行われる。つまりトランスミッション２００のスタッドボルト１、半導体装置１００のブッシュ１０、およびナット１１は、それぞれ半導体装置１００の筐体５をトランスミッション２００に固定するための固定部材として機能する。

半導体装置１００がトランスミッション２００に装着された状態では、筐体５内の半導体モジュール７は、押さえ板６とバネ８によってトランスミッションケース２へと押し当てられる。

トランスミッションケース２の表面における半導体モジュール７と接する部分には、例えばシリコングリスなど、半導体モジュール７とトランスミッションケース２との隙間を埋めて放熱を補助する充填材９（熱伝導充填材）が予め塗布される。充填材９は、半導体モジュール７とトランスミッションケース２との間の隙間に均一に充填する観点から、流動性を有するものが好ましい。但し、沿面距離を必要とする領域に充填材９が進入して沿面距離が不充分になることが懸念される場合は、それを防止するために固化するものを用いてもよい。

本実施の形態に係る半導体装置１００は、冷却油路３を備えるトランスミッションケース２に固定されることにより、半導体モジュール７をトランスミッションケース２に圧着させることができる。従って、トランスミッション２００と半導体装置１００とでの冷却機構の共有化を図ることができ、システムの組立工程の削減および軽量化が可能になる。

特に、耐熱性および熱伝導率の高いワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体モジュール７を採用すれば、他の装置（本実施の形態ではトランスミッション２００）と冷却機構の供用化が容易になる。つまり冷却油路３の温度が比較的高くなっても、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体モジュール７であれば、信頼性の高い動作が可能であるので、システムの機電一体化が容易になる。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、ダイヤモンドなどがある。

また本実施の形態では、筐体５内の複数の半導体モジュール７が、それぞれ個別のバネ８によってトランスミッションケース２へ押し当てられるため、半導体装置１００が搭載する半導体モジュール７の個数が増えた場合でも、半導体モジュール７のそれぞれを確実にトランスミッションケース２に密着させることができる。

複数の半導体モジュール７は、同一のベース板に固定されるのではないので、それぞれを個別の姿勢（向き）で筐体５内に実装できる。よって半導体モジュール７ごとに取り付け面の高さや角度が異なる場合にも対応でき、高い取り付け自由度が得られる。また複数の半導体モジュール７が、同一の筐体５内に配設されることで一体化されているため、半導体モジュール７の数が増えても、組み立て工程数（ネジの締め付け点数）の増加は抑えられる。

ここで、半導体モジュール７の放熱性を確保するためには、半導体装置１００がトランスミッション２００に固定されたとき、半導体モジュール７が、押さえ板６およびバネ８から充分な荷重をもってトランスミッションケース２に圧着されることが重要である。そのためにはブッシュ１０の高さ（寸法）およびそれに応じて決定される押さえ板６の位置、並びにバネ８の長さを適切に設定する必要がある。

半導体装置１００がトランスミッション２００に装着されたときにバネ８が半導体モジュール７に与える荷重Ｆは、バネ８の自由長Ｘ₀、トランスミッション２００への取り付け後の長さＸ₁、バネ８のバネ係数Ｋより、
Ｆ＝Ｋ（Ｘ₀−Ｘ₁） …（１）
となる。この荷重Ｆが、想定される外乱（振動・熱変化）により半導体モジュール７がトランスミッションケース２から離れないための最低限必要な荷重Ｆ_MIN以上となるように、ブッシュ１０の高さおよびバネ８の長さが調整されていればよい。

なお、本実施の形態では、半導体装置１００の冷却機構としてトランスミッション２００の駆動部４の冷却油路３を利用する例を示したが、トランスミッションケース２内において、半導体装置１００の取り付け位置の近傍に、冷却油路３とは別の半導体装置１００用の冷却機構（例えば冷却水路）を設けてもよい。これにより冷却油路３の温度が高くなった場合でも、半導体装置１００を効率的に冷却することができる。また半導体装置１００の取り付け先は、トランスミッションに限らず、エンジンやその他の制御装置等であってもよい。

また本実施の形態では、半導体装置１００を、向きの異なる複数の面から成る取り付け面に固定する例を示したが、もちろん単一の平面から成る取り付け面に対しても容易に取り付け可能である。その場合、複数の半導体モジュール７は全て同じ姿勢で筐体５内に実装されていればよく、押さえ板６の形状も平坦でよい。

＜実施の形態２＞
以下の各実施の形態では、半導体装置１００に内蔵される半導体モジュール７の構造およびその周辺構造の好ましい実施例を示す。半導体装置１００の全体構成は実施の形態１（図１）と同様であるので、以下ではその説明は省略する。

図２は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置１００の半導体モジュール７の構成を示す図である。本実施の形態では、半導体モジュール７の電極１２に、電極１２の一部が複数回屈曲して成るベンド部１２ａを設ける。

半導体装置１００がトランスミッション２００に取り付けられ、半導体モジュール７にバネ８による荷重が印加されると、筐体５のバスバーまたは制御基板に接続した電極１２に応力が加わる。またトランスミッション２００への取り付け後に、外乱に起因する応力も電極１２に発生する可能性がある。電極１２のベンド部１２ａは、上記の応力を緩和することができる。

＜実施の形態３＞
図３は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置１００の半導体モジュール７の構成を示す図である。本実施の形態の半導体モジュール７の電極１２は、メス型コネクタ１３に挿入されることによって、バスバーあるいは制御基板との接続が成されている。

メス型コネクタ１３はその内側に設けられた凸部１３ａを用いたロック機構を有している。電極１２には貫通穴１２ｂが設けられており、電極１２がメス型コネクタ１３に挿入されたとき、ロック機構の凸部１３ａが電極１２の貫通穴１２ｂに入り込むことにより、電極１２がメス型コネクタ１３から抜け落ちることが防止される。貫通穴１２ｂにおいて、電極１２の長さ方向の径は、ロック機構の凸部１３ａよりも大きく形成されている。

半導体装置１００がトランスミッション２００に取り付けられ、半導体モジュール７にバネ８による荷重が印加されると、半導体モジュール７の位置がずれ、それによりバスバーまたは制御基板に接続した電極１２に応力が加わることが考えられる。また外乱に起因して半導体モジュール７の位置がずれる可能性もある。

本実施の形態のように、電極１２をメス型コネクタ１３に挿入することによって、電極１２とバスバーあるいは制御基板との接続を成す方法をとれば、半導体モジュール７の位置ずれが生じてもそれに応じて電極１２がメス型コネクタ１３内をスライドし、電極１２に大きな応力が加わることを防止できる。

また電極１２の貫通穴１２ｂにおいて、当該電極１２の長さ方向の径がロック機構の凸部１３ａより大きく形成されているため、電極１２は、ロック機構の凸部１３ａが貫通穴１２ｂ内に入り込んだ状態で、メス型コネクタ１３内をスライドできる。つまりメス型コネクタ１３のロック機構を機能させつつ、電極１２をメス型コネクタ１３内でスライドさせて応力を緩和することができる。

＜実施の形態４＞
図４は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置１００の半導体モジュール７の構成を示す図である。本実施の形態では、半導体モジュール７の側面の電極１２よりも低い位置（トランスミッション２００への対向面に近い位置）に、返り部７ａ（フランジ）を設けている。

半導体装置１００をトランスミッション２００に取り付ける際、電極１２が突出する半導体モジュール７の側面と筐体５との間に、半導体装置１００の取り付け面（トランスミッションケース２の表面）に塗布された充填材９が流入すると、電極１２と他の要素との沿面距離が小さくなって問題となる場合がある。半導体モジュール７が返り部７ａを有することにより、半導体モジュール７の側面と筐体５との間に充填材９が流入することが防止される。

＜実施の形態５＞
図５は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置１００の半導体モジュール７の構成を示す図である。本実施の形態では、半導体モジュール７の上面（バネ８が当接する面）に、バネ８を保持する返りを有するバネ保持部７ｂを設けている。

本実施の形態によれば、半導体モジュール７の上面に対するバネ８の位置ずれまたはバネ８の脱落を防止でき、バネ８から半導体モジュール７へ適正な荷重を確実に与えることが可能になる。

＜実施の形態６＞
図６は、本発明の実施の形態６に係る半導体装置１００における半導体モジュール７の実装部分の構成を示す図である。本実施の形態では、半導体モジュール７の上方の押さえ板６に、バネ８を保持する返りを有するバネ保持部７ｂを設けている。

本実施の形態によれば、押さえ板６に対するバネ８の位置ずれまたはバネ８の脱落を防止できるため、バネ８を半導体モジュール７の上面の適切な位置に確実に当接させ、バネ８から半導体モジュール７へ適正な荷重を与えることが可能になる。

＜実施の形態７＞
図７は、本発明の実施の形態７に係る半導体装置１００の半導体モジュール７の構成を示す図である。

本実施の形態では、半導体モジュール７に制御基板２０を固定可能な柱状の突起部７ｃ（基板保持部）を設けている。制御基板２０は、図７のように半導体モジュール７の突起部７ｃにネジ２１を用いて固定でき、このとき突起部７ｃは半導体モジュール７と制御基板２０との間隔を保つスペーサとしても機能する。また、複数の半導体モジュール７の制御基板２０間は、フレキシブルワイヤ２２を用いて接続させる。

なお図示は省略するが、バネ８は、図７の断面には現れない部分で、実施の形態１（図１）と同様に半導体モジュール７上に配設される。

本実施の形態によれば、半導体装置１００をトランスミッション２００に装着したときの応力および外乱により発生した応力が、半導体モジュール７と制御基板２０との間、および複数の制御基板２０間に加わることを抑制できる。

１００ 半導体装置、２００ トランスミッション、１ スタッドボルト、２ トランスミッションケース、３ 冷却油路、４ 駆動部、５ 筐体、６ 押さえ板、７ 半導体モジュール、７ａ 返り部、７ｂ バネ保持部、７ｃ 突起部、８ バネ、９ 充填材、１０ ブッシュ、１１ ナット、１２ 電極、１２ａ ベンド部、１２ｂ 貫通穴、１３ メス型コネクタ、１３ａ ロック機構、１６ バネ保持部、２０ 制御基板、２１ ネジ、２２ フレキシブルワイヤ。

Claims (18)

1. 筐体内に配設された複数の半導体モジュールと、
   前記筐体を所定の外部装置に固定させるための固定部材と、
   前記固定部材から延在する押さえ部材と、
   前記押さえ部材と各前記半導体モジュールとの間に配設され、前記筐体が前記固定部材を介して前記外部装置に固定されて前記押さえ部材が位置決めされたときに、前記半導体モジュールのそれぞれを前記外部装置に圧着させる複数の荷重印加部材とを備える
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記固定部材の寸法に応じて、前記押さえ部材の前記位置決めの位置が調整可能である
   請求項１記載の半導体装置。
3. 前記荷重印加部材は、弾性部材である
   請求項１または請求項２記載の半導体装置。
4. 前記弾性部材は、バネである
   請求項３記載の半導体装置。
5. 前記半導体モジュールは、当該半導体モジュールから突出した電極を有し、
   前記電極は、当該電極に加わった応力を緩和する応力緩和機構を備える
   請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の半導体装置。
6. 応力緩和機構は、前記電極が複数回屈曲して成るベンド部である
   請求項５記載の半導体装置。
7. 前記電極は、前記筐体内においてバスバーまたは前記半導体モジュールの制御基板に接続されている
   請求項５または請求項６記載の半導体装置。
8. 前記半導体モジュールは、当該半導体モジュールから突出した電極を有し、
   前記電極は、前記筐体内においてメス型コネクタに挿入されている
   請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の半導体装置。
9. 前記電極には貫通穴が形成されており、
   前記メス型コネクタは、前記貫通孔に入り込む凸部を有するロック機構を備え、
   前記凸部が前記貫通穴に入り込んだ状態で前記電極が前記メス型コネクタ内をスライド可能なように、前記貫通穴は前記凸部よりも大きい径に形成されている
   請求項８記載の半導体装置。
10. 前記電極は、前記メス型コネクタを介して、バスバーまたは前記半導体モジュールの制御基板に接続されている
    請求項８または請求項９記載の半導体装置。
11. 前記半導体モジュールは、
    当該半導体モジュールから突出した電極と、
    前記電極よりも前記外部装置への対向面に近い位置において当該半導体モジュールの側面から突出したフランジを備える
    請求項１から請求項１０のいずれか一つに記載の半導体装置。
12. 前記半導体モジュールは、
    前記荷重印加部材を保持する保持部を備える
    請求項１から請求項１１のいずれか一つに記載の半導体装置。
13. 前記押さえ部材は、
    前記荷重印加部材を保持する保持部を備える
    請求項１から請求項１１のいずれか一つに記載の半導体装置。
14. 前記半導体モジュールは、
    当該半導体モジュールの制御基板が搭載された基板保持部を備え、
    前記制御基板間が、柔軟性のある配線によって接続されている
    請求項１から請求項１３のいずれか一つに記載の半導体装置。
15. 前記半導体モジュールのうち少なくとも１つは、前記外部装置への対向面の向きが他の半導体モジュールと異なっている
    請求項１から請求項１４のいずれか一つに記載の半導体装置。
16. 前記筐体が前記外部装置に固定され、
    前記半導体モジュールと前記外部装置との間に、硬化した熱伝導充填材が介在している
    請求項１から請求項１５のいずれか一つに記載の半導体装置。
17. 前記筐体が前記外部装置に固定され、
    前記外部装置が、前記半導体モジュールの熱を放熱可能な冷却機構を有している
    請求項１から請求項１６のいずれか一つに記載の半導体装置。
18. 前記半導体モジュールが有する半導体チップが、ワイドバンドギャップ半導体を用いて形成されている
    請求項１から請求項１７のいずれか一つに記載の半導体装置。

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