JP2013110241A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールをヒートシンクに組み付けるときの位置決めが容易にでき、放熱特性に優れた半導体装置を得る。
【解決手段】半導体モジュール１の一面側に形成された放熱面１ａをヒートシンク３の面に当接させ、放熱面１ａの反対側の面から押さえ板４で押さえて保持し、押さえ板４をヒートシンクに固定して、半導体モジュール１をヒートシンク４に固定する半導体装置であって、半導体モジュール１の放熱面１ａとは反対側の面に、位置決のための突起部１ｂを有し、押さえ板４には係合穴４ｃが形成され、突起部１ｂと係合穴４ｃとが係合されて半導体モジュール１がヒートシンク３に位置決めされている。
【選択図】図１

Description

この発明は、パワー半導体素子が樹脂封止され、裏面に放熱用の金属面が露出した半導体モジュールがヒートシンクなどの冷却部材に結合されて構成された半導体装置に関するものである。

従来の半導体装置において、半導体モジュールを冷却部材に組み付ける構造としては、例えば、図３のような構成が知られている。半導体チップが樹脂封止され、中央部にネジ貫通穴１１ａが形成された半導体モジュール１１と、半導体モジュール１１の片側に配置された押さえ板兼用の板状ばね１２と、ヒートシンク１３とを備え、半導体モジュール１１は、板状ばね１２側から板状ばね１２の取付穴１２ａを介して挿入されたねじ１４により、板状ばね１２側とは反対側に配置されたヒートシンク１３に固定されて半導体装置が構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−８７５５２号公報（第３頁、図１）

特許文献１に示すような従来の半導体装置では、半導体モジュールは位置決めを兼ねたねじによりヒートシンクに固定されているので、半導体モジュール及びヒートシンクの接合面に取付用の穴が形成されているため、半導体モジュールの取付面に露出した放熱用の金属面の面積が小さくなる。又、ヒートシンク側も取付穴の分だけ放熱面積が減少して放熱特性が低下するという問題点があった。
また、半導体モジュールをヒートシンクに位置決めするために、ヒートシンクの取付面、あるいは半導体モジュールの放熱面に突起や凹部による係止部が形成される場合があるが、その場合は加工が必要となり、加工時間が増えてコストアップに繋がるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、半導体モジュールをヒートシンクに組み付けるときの位置決めが容易にでき、放熱特性に優れた半導体装置を得ることを目的とする。

この発明に係る半導体装置は、半導体モジュールの一面側に形成された放熱面をヒートシンクの面に当接させ、放熱面の反対側の面から押さえ板で押さえて保持し、押さえ板をヒートシンク固定して、半導体モジュールをヒートシンクに固定する半導体装置であって、半導体モジュールの放熱面とは反対側の面に位置決のための突起部または凹部を有し、押さえ板には係合穴または係合突部が形成され、突起部と係合穴又は凹部と係合突部とが係合されて半導体モジュールがヒートシンクに位置決めされているものである。

この発明の半導体装置によれば、半導体モジュールを押さえ板によってヒートシンクに固定し、半導体モジュールの放熱面とは反対側の面に形成した位置決のための突起部または凹部と、押さえ板に形成した係合穴または係合突部とを係合させて、半導体モジュールをヒートシンクに位置決めするようにしたので、半導体モジュールをヒートシンクに組み
付けるときの位置決めが容易にでき、また、半導体モジュールの放熱面に取付穴を設ける必要がないので放熱性能を低下させることがないため、放熱特性に優れた半導体装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１による半導体装置を示す分解斜視図である。 図１の半導体装置を構成する部品の一部の分解斜視図である。 従来の半導体装置を示す分解斜視図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による半導体装置の組立途中を示す分解斜視図である。図１の半導体装置では、冷却部材であるヒートシンクの両面に半導体モジュールを結合する構成のものを示しており、ヒートシンクの上面側は半導体モジュールを組み付けた状態を示し、下面側は、半導体モジュールの組み付け前の状態を示している。また、図２は、図１の上面側に組み付ける半導体モジュールの組み付け前の分解斜視図である。

図１，２において、半導体モジュール１は、パワー半導体素子が樹脂封止され、一方の面は放熱用の金属面が露出した放熱面１ａとなっており、側面からは電源接続端子，出力端子等の端子２が導出されている。また、放熱面１ａの反対側の面には、位置決め用の突起部１ｂを設けている。なお、以下の説明で、端子２が導出される方向を幅方向、それに直交する方向を長さ方向と呼ぶことにする。
半導体モジュール１と組み合わされてその熱を放熱させるヒートシンク３は、熱伝導率の高いアルミ等の金属材料からなり、取り付けられる半導体モジュール１の個数や放熱量によって大きさや形状が決められている。また、次に説明する押さえ板４を固定するためのねじ穴３ａが形成されている。

半導体モジュール１をヒートシンク３に位置決めして固定するための押さえ板４は、幅方向は半導体モジュール１の幅より僅かに狭い幅とし、長さ方向は組み付ける半導体モジュール１の個数の合計長さに合わせた長さとし、長さ方向の両端部側には、半導体モジュール１の厚さとほぼ同じ高さで段付状に折り曲げて形成された取付部４ａを有している。取付部４ａには取付穴４ｂが形成されている。
また、押さえ板４には、半導体モジュール１に設けた位置決め用の突起部１ｂに対応する位置に、係合穴４ｃが形成されている。
更に、押さえ板４の半導体モジュール１に対向する面は、ばね性を持たせるために、長さ方向を半導体モジュール１に向けて湾曲させてゆるい曲面に形成している。

次に、組立方法について説明する。
半導体モジュール１の放熱面１ａをヒートシンク３の一面側に合わせて半導体モジュール１をヒートシンク３に載置し、上方から押さえ板４を重ねる。このとき、半導体モジュール１の突起部１ｂに押さえ板４の係合穴４ｃを係合させる。そして、押さえ板４の取付部４ａに形成した取付穴４ｂをヒートシンク３側のねじ穴３ａに合わせて、ねじ５により固定することで、半導体モジュール１がヒートシンク３の所定位置に位置決めされて固定される。ヒートシンク３の他面側にも同様に半導体モジュール１を組み付ける。

このような構造を採用することによって、半導体モジュール１とヒートシンク３を組み付ける際に位置決め治具を用いる必要が無くなる。すなわち、押さえ板４は、半導体モジュール１の位置決め治具と固定具の役目を兼用し、更に、湾曲させてばね性を持たせているので押圧部材の役目も果たし、ヒートシンク３との結合を確実にしている。
また、半導体モジュール１の放熱面１ａに取付穴を設ける必要がないので放熱面積が縮
小されることがないため、放熱性能を低下させることがない。更に、半導体モジュール１とヒートシンク３の結合面に位置決めのため突起や凹部を設ける必要がなく、加工が容易となる。

半導体モジュール１の放熱面１ａとヒートシンク３の取付面の接合部の構成は種々の様態があり、接合材料で接着させたり、絶縁する必要がある場合には絶縁放熱シートを介装したり、また放熱グリースを用いたりする場合等がある。
通常は、放熱グリース等がよく使用されるが、より高い伝熱性能や耐ポンピングアウト性能を求めて、半導体モジュールとヒートシンクの結合に、例えば半田付け等の結合部材を用いて、加熱溶融させた後に凝固させて結合する場合がある。

このような場合、図１のようにヒートシンク３の両面に半導体モジュール１が組み付けられる構成では、ヒートシンク３の一面側に半導体モジュール１を加熱溶融により結合した後、他面側に半導体モジュール１を組み付けて加熱する際に、前工程において結合が完了していた一面側と半導体モジュール１との半田をも再溶融させてしまう虞がある。
本願発明では、もし再溶融により結合が外れた場合でも、半導体モジュール１は押さえ板４によりヒートシンク３に対して位置決めされて保持されているので、その状態を維持したまま他面側と半導体モジュール１の結合を完了させることが可能となる。
従って、半導体モジュール１がヒートシンク３の両面に配置されて半田付けにより固定される場合には、作業性を損なわずに容易に組み立を行える効果がある。

以上までの説明では、半導体モジュール１をヒートシンク３の両面に３個ずつ設けたもので説明したが、ヒートシンク３の片面のみに組み付ける場合にも同様に適用でき、また、半導体モジュール１の個数も３個に限定するものではなく、１個や４個以上でも良い。半導体モジュール１の形状も図に限定するものではない。
また、押さえ板４は、板面を湾曲させてばね性を有するものとしたが、半導体モジュール１の大きさや個数によっては、必ずしもばね性を有する必要はなく、湾曲させずに平面状のものであっても良い。
更に、位置決め部の形状は、係合関係を逆にし、半導体モジュール１側に凹部を設け、押さえ板４側に係合突部を設けて両者を係合させるようにしても良い。

また、押さえ板の材料としては、一般的な鉄系の金属材料とすれば、ばね性も容易に得られ、押さえ板で半導体モジュールを押さえて組立完了後に使用されるときに、押さえ板が電磁気シールドの効果を発揮するため、別途、電磁気シールド用の部材を使用する必要がなくなり、装置全体の部品点数が削減できる。

また、押さえ板の材料を、アルミニウム系の金属材料とした場合は、鉄系よりばね性や電磁気シールドの効果は劣るが、重量が軽くなるため、重量低減を優先させたい場合には有効である。

更にまた、押さえ板の材料を、樹脂材料で構成しても良い。半導体モジュールの大きさや形状により、特にばね性をあまり必要としない場合や、電磁気シールドの役目を持たさなくても良い場合などに使用すれば、金属材料の場合より更に軽量化できる。

以上のように、実施の形態１の半導体装置によれば、半導体モジュールの一面側に形成された放熱面をヒートシンクの面に当接させ、放熱面の反対側の面から押さえ板で押さえて保持し、押さえ板をヒートシンクに固定して、半導体モジュールをヒートシンクに固定する半導体装置であって、半導体モジュールの放熱面とは反対側の面に位置決のための突起部または凹部を有し、押さえ板には係合穴または係合突部が形成され、突起部と係合穴又は凹部と係合突部とが係合されて半導体モジュールがヒートシンクに位置決めされてい
るので、半導体モジュールをヒートシンクに組み付けるときの位置決めが容易にでき、また、半導体モジュールの放熱面に取付穴を設ける必要がないので放熱性能を低下させることがないため、放熱特性に優れた半導体装置を得ることができる。
更に、放熱面やヒートシンクの取付面に突起や凹部等の加工が無いために加工コストを低減できる。

また、押さえ板は、半導体モジュール側に湾曲させて形成されており、ヒートシンクに固定したときに半導体モジュールを押圧するようなばね性を有しているので、半導体モジュールをヒートシンクに押圧した状態で保持固定できるため、伝熱性に優れた半導体装置を提供できる。

また、半導体モジュールは、ヒートシンクの両面に配置されて、ヒートシンクに半田付けにより結合される場合は、半導体モジュールをヒートシンクに組み付ける際に、ヒートシンクの一面側に加熱溶融により結合させた後に、他面側に半導体モジュールを組み付けて加熱溶融するとき、前工程の半田がたとえ再溶融しても、押さえ板に保持されているので、作業性を損なわずに容易に組み立を行うことができる。

また、押さえ板の材料は、鉄系の金属材料としたので、上記の効果に加えて、押さえ板が電磁気シールドの効果を発揮するため、別途、電磁気シールド用の部材を使用する必要がなくなり、装置全体の部品点数が削減できる。
また、押さえ板の材料を、アルミニウム系の金属材料とした場合は、電磁気シールドの効果を有しながら軽量化できる。
更にまた、押さえ板の材料を、樹脂材料とした場合は、金属材料の押さえ板の場合より軽量化できる。

１ 半導体モジュール １ａ 放熱面
１ｂ 突起部 ２ 端子
３ ヒートシンク ３ａ ねじ穴
４ 押さえ板 ４ａ 取付部
４ｂ 取付穴 ４ｃ 係合穴
５ ねじ。

Claims (6)

1. 半導体モジュールの一面側に形成された放熱面をヒートシンクの面に当接させ、前記放熱面の反対側の面から押さえ板で押さえて保持し、前記押さえ板を前記ヒートシンクに固定して、前記半導体モジュールを前記ヒートシンクに固定する半導体装置であって、
   前記半導体モジュールの前記放熱面とは反対側の面に位置決のための突起部または凹部を有し、前記押さえ板には係合穴または係合突部が形成され、前記突起部と前記係合穴又は前記凹部と前記係合突部とが係合されて前記半導体モジュールが前記ヒートシンクに位置決めされていることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１記載の半導体装置において、前記押さえ板は、前記半導体モジュール側に湾曲させて形成されており、前記ヒートシンクに固定したときに前記半導体モジュールを押圧するようなばね性を有していることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の半導体装置において、前記半導体モジュールは、前記ヒートシンクの両面に配置されて、前記ヒートシンクに半田付けにより結合されていることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置において、前記押さえ板の材料は、鉄系の金属材料であることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置において、前記押さえ板の材料は、アルミニウム系の金属材料であることを特徴とする半導体装置。
6. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置において、前記押さえ板の材料は、樹脂材料であることを特徴とする半導体装置。

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