JP2014220319A - 実装構造 - Google Patents

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Norimasa Kitamori
宣匡 北森
恭治 俊成
Kyoji Toshinari
恭治 俊成
笹畑 昭弘
Akihiro Sasahata
昭弘 笹畑
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Abstract

【課題】基板とヒートシンクとの間に半導体装置を安定して固定配置することができ、コンパクトな構成の実装構造を提供する。
【解決手段】MOSFET4と基板2との間に弾性部材6を配置することにより、MOSFET4をヒートシンク3に対して弾性部材6により直上から押圧することができるので、基板2とヒートシンク3との間に弾性部材6の弾性力によりMOSFET4を安定して固定配置することができると共に、実装構造のコンパクト化を図ることができる。したがって、その間隔が固定部材5により固定された基板2とヒートシンク3との間にMOSFET4を安定して固定配置することができ、コンパクトな構成の実装構造を提供することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、ヒートシンクに伝熱可能に配置された半導体装置を基板とヒートシンクとの間に固定配置して基板に実装する実装構造に関する。
従来、パワーMOSFET等の発熱を伴う半導体チップ500aが樹脂でモールドされたパッケージとして構成されている半導体装置500は、例えば図3に示すようにして基板(図示省略)に実装される(例えば特許文献1参照)。すなわち、半導体装置500は、銅やアルミ、鉄等の熱伝導性に優れた材料から成るヒートシンク501の一面にねじ502を用いて固定配置されている。また、半導体装置500から導出されたリード端子503は、半導体装置500の上方に配置された基板のスルーホールに挿通されてはんだにより接続されている。
また、半導体装置500とヒートシンク501との間には、熱伝導性に優れたグリスやシート材等の介在部材504が配置されている。したがって、半導体チップ500aから発生する熱は介在部材504を伝ってヒートシンク501から外部へ放熱される。なお、図3は従来の実装構造を示す図である。
ところで、図3の実装構造では、半導体装置500がねじ502によりヒートシンク501に固定される位置が、半導体装置500を直上からヒートシンク501に押さえつける位置からずれているため、次のような問題が生じるおそれがある。すなわち、ねじ502が締め付けられたときに半導体装置500がヒートシンク501から浮いてしまいヒートシンク501による放熱効率が低下するおそれがある。また、ねじ501が緩むことにより半導体装置500が位置ずれするおそれもある。また、ヒートサイクル時にねじが緩み、半導体装置とヒートシンクとの間の熱抵抗が大きくなって放熱性が悪くなり、半導体装置500の内部温度が耐熱温度を超えて半導体装置500が破損するおそれもある。
そこで、特許文献1では、ねじ502を用いずに、半導体装置500を板状のばね部材の弾性力によりヒートシンク501に対して直上から押圧することにより、半導体装置500をヒートシンク501に固定配置する実装構造が提案されている。
特開2001−332670号公報(段落0002〜0007,0020〜0023、図1,3など)
ところが、ばね部材により半導体装置500がヒートシンク501に固定配置される場合、ばね部材を支持するための構造をヒートシンク501に形成する必要があり、ヒートシンク501が大型化するという問題があった。
この発明は、上記した課題に鑑みてなされたものであり、基板とヒートシンクとの間に半導体装置を安定して固定配置することができ、コンパクトな構成の実装構造を提供することを目的とする。
上記した目的を達成するために、本発明の実装構造は、ヒートシンクに伝熱可能に配置された半導体装置を基板と前記ヒートシンクとの間に固定配置して前記基板に実装する実装構造において、前記半導体装置が配置された面が前記基板に対向配置された前記ヒートシンクと前記基板とを所定間隔をあけて固定する固定部と、前記基板と前記半導体装置との間に圧縮された状態で配置され、前記半導体装置をその弾性力により前記ヒートシンク側に押圧して固定する弾性部材とを備えることを特徴としている。
このように構成された発明では、伝熱可能に半導体装置が配置された面が基板に対向配置されたヒートシンクと基板とが固定部により所定間隔をあけて固定される。また、固定部により所定間隔をあけて固定配置されたヒートシンクと基板との間に配置された半導体装置と基板との間に弾性部材が圧縮された状態で配置され、弾性部材の弾性力により半導体装置がヒートシンク側に押圧されて固定される。
したがって、従来のねじを用いた実装構造と比較すると、ねじの締め付けによる半導体装置のヒートシンクからの浮きや、ねじの緩みによる半導体装置の位置ずれ等が生じるおそれがなく、半導体装置をヒートシンクに対して弾性部材により直上から押圧することができるので、基板とヒートシンクとの間に弾性部材の弾性力により半導体装置を安定して固定配置することができる。そのため、半導体装置とヒートシンクとの間の熱抵抗が増大するのを抑制することができるので、放熱特性が良好な放熱構造を実現することができる。
また、従来のばね部材を用いた実装構造と比較すると、ばね部材を支持する構造をヒートシンクに形成する必要がなく、半導体装置と基板との間に弾性部材を配置するだけで半導体装置を固定することができるので、実装構造のコンパクト化を図ることができる。したがって、基板とヒートシンクとの間に半導体装置を安定して固定配置することができ、コンパクトな構成の実装構造を提供することができる。
また、前記半導体装置の前記基板との対向面の全面に渡って前記弾性部材が配置されているとよい。
このようにすれば、半導体装置の基板との対向面を全面に渡って弾性部材の弾性力によりヒートシンクに対して押圧することができるので、良好な放熱構造を実現しつつ半導体装置を確実にヒートシンクに対して固定することができる。なお、この場合、弾性部材のサイズを、半導体装置の平面視形状とほぼ同一の大きさとすることにより、良好な放熱構造を保ちつつ実装構造が大型化するのを抑制することができる。
また、前記半導体装置と前記ヒートシンクとの間に弾性を有する放熱シートが配置されていてもよい。
このように構成すると、基板側に配置される弾性部材と、ヒートシンク側に配置される弾性を有する放熱シートとにより半導体装置を挟持して確実に固定することができる。したがって、半導体装置のヒートシンクからの放熱性を放熱シートにより担保しつつ、さらに安定して半導体装置を基板およびヒートシンク間に固定配置することができる。
また、前記弾性部材は放熱材料により形成されていてもよい。
このようにすると、ヒートシンクによる放熱に加え、放熱材料により形成された弾性部材により基板側からも放熱可能になるので、半導体装置のジャンクション温度をより低減させることができ、半導体装置の寿命向上を図ることができる。この場合、半導体装置の基板との対向面の全面に渡って放熱材料により形成された弾性部材が配置されることにより、さらに良好な放熱特性を有する放熱構造を実現することができる。
また、前記弾性部材は断熱材料により形成されていてもよい。
このように構成すると、半導体装置の輻射熱により基板が加熱されるのを断熱材料により形成された弾性部材により抑制することができるので、半導体装置の輻射熱が基板に搭載された他の部品等に影響を与えるのを抑制することができ、基板を備える電源モジュール等の信頼性の向上を図ることができる。
また、前記弾性部材が粘着性を有しているとよい。
このようにすれば、弾性部材を基板や半導体装置に貼り付けることができるので、組み立ての際に弾性部材を基板や半導体装置に貼り付けることにより、実装構造の組み立てを容易に行うことができる。
また、前記半導体装置の側面から導出され前記基板に向かう方向に屈曲するリード端子が前記基板のスルーホールに挿通されてはんだにより接続されていてもよい。
ところで、図3に示す従来の実装構造では、半導体装置500と基板とは、リード端子503が基板のスルーホールに挿通されてはんだで固定されているだけである。したがって、リード端子503と基板とのはんだによる接続部分に大きな熱応力が生じることで、はんだにクラック等の不具合が生じるおそれがあり、半導体装置500と基板との接続信頼性が低いという問題がある。
しかしながら、リード端子が基板のスルーホールに挿通されてはんだにより接続される場合には、本発明によれば、はんだによるリード端子と基板との接続部分に生じる熱応力が弾性部材により緩和されるので、半導体装置と基板との接続信頼性を向上することができる。
また、図3の実装構造では、半導体装置500がまずヒートシンク501にねじ502により固定された後に、半導体装置500のリード端子503が基板のスルーホールに挿通されてはんだにより固定される。したがって、半導体装置500にヒートシンク501が取り付けられた状態でリード端子503を基板のスルーホールに挿通する作業に手間がかかるので、製造コストが増大するという問題がある。
また、半導体装置500がばね部材によりヒートシンク501に固定される従来の実装構造では、半導体装置500のリード端子503が基板のスルーホールに挿通された状態で、ヒートシンク501に支持されたばね部材により半導体装置500を固定する必要があるので、特に複数の半導体装置500が隣接配置されている場合に組み立てづらいという問題がある。
しかしながら、リード端子が基板のスルーホールに挿通されてはんだにより接続される場合には、本発明によれば、基板と半導体装置との間に弾性部材が介在した状態で、基板のスルーホールにリード端子を挿通した後に、ヒートシンクで基板との間に半導体装置を挟み込んで固定部で基板およびヒートシンクを所定間隔あけて固定するだけで半導体装置を固定することができる。したがって、組み立てが容易であり、製造工数や製造コストの低減を図ることができる。
また、前記基板は、前記ヒートシンクとの対向面に立設して実装された中継基板を備え、前記半導体装置の側面から導出されたリード端子が前記中継基板のスルーホールに挿通されてはんだにより接続されていてもよい。
このように構成しても、上記した効果と同様の効果を奏することができる実用的な構成の実装構造を提供することができる。
本発明によれば、固定部により基板およびヒートシンクが所定間隔に固定されていることを利用し、半導体装置をヒートシンクに対して弾性部材により直上から押圧することができるので、基板とヒートシンクとの間に弾性部材の弾性力により半導体装置を安定して固定配置することができる。また、半導体装置と基板との間に弾性部材を配置するだけで半導体装置を固定することができるので、実装構造のコンパクト化を図ることができる。したがって、基板とヒートシンクとの間に半導体装置を安定して固定配置することができ、コンパクトな構成の実装構造を提供することができる。
本発明の一実施形態にかかる実装構造を備える電源モジュールを示す図である。 本発明の他の実施形態にかかる実装構造を備える電源モジュールを示す図である。 従来の実装構造を示す図である。
<一実施形態>
本発明の一実施形態について図1を参照して説明する。図1は本発明の一実施形態にかかる実装構造を備える電源モジュールを示す図である。
図1に示すように、電源モジュール1は、プリント基板等の複合基板や樹脂基板、アルミナ基板などの一般的な基板により構成される基板2と、銅やアルミ、鉄等の熱伝導性に優れた材料により形成されたヒートシンク3と、ヒートシンク3に伝熱可能に配置されたパワーMOSFET4(電界効果トランジスタ)(本発明の「半導体装置」に相当)とを備えている。なお、MOSFET4は、基板2とヒートシンク3との間に固定配置されている。また、MOSFET4は、電界効果トランジスタを形成する半導体素子(半導体チップ)が樹脂によりパッケージされて形成されている。
また、ヒートシンク3は、MOSFET4が配置された面が基板2に対向配置されており、基板2とヒートシンク3とは固定部5により所定間隔をあけて固定されている。固定部5は、例えば金属により形成された六角柱等の柱状体5aと、柱状体5aを基板2およびヒートシンク3に固定するねじ5bとを備えている。柱状体5aは、基板2およびヒートシンク3間に配置され、柱状体5aの長さにより基板2とヒートシンク3との間隔が決定される。また、基板2およびヒートシンク3それぞれを貫通するねじ5bが、柱状体5aの両端面にその軸方向に形成されているねじ穴5cに螺合することにより、柱状体5aが基板2とヒートシンク3との間に固定配置される。
なお、柱状体5aは、ねじ5bに替えて例えば溶接により基板2とヒートシンク3との間に固定配置されていてもよい。また、固定部5の構成は上記した構成に限定されるものではなく、基板2とヒートシンク3とを所定間隔あけて固定できる構成であれば、固定部5はどのように構成されていてもよい。
また、基板2とMOSFET4との間に弾性部材6が、MOSFET4の基板2との対向面の全面に渡って配置されている。基板2とヒートシンク3とが所定間隔あけて固定部5により固定されているので、弾性部材6は、基板2とMOSFET4との間に圧縮された状態で配置される。したがって、MOSFET4は、弾性部材6の弾性力によりヒートシンク3側に押圧されて固定される。また、図1に示すように、この実施形態では、MOSFET4の基板2との対向面には段差が形成されており、弾性部材6のMOSFET4との対向面には、MOSFET4の段差に係合可能に同様の形状の段差が設けられている。但し、弾性部材6の段差形状は必須ではなく、段差のない弾性部材6を用いることができる。すなわち、弾性部材6は弾性体であり、弾性部材6を押しつぶして使用することができるので、弾性部材6に段差を設けていなくても、弾性部材6を押しつぶすことによりMOSFET4の段差に沿って弾性部材6を配置させることも可能である。換言すると、弾性部材6の弾性力を利用して、弾性部材6を押しつぶすことにより弾性部材6をMOSFET4の段差に係合させることも可能である。
なお、弾性限界を超えない範囲で圧縮された状態で基板2とMOSFET4との間に弾性部材6が配置されるように、弾性部材6の厚みが決定され、基板2とヒートシンク4との間隔が固定部5により決定されている。
また、弾性部材6が、シリコンゴムやグラファイトを含有するゴムなどの放熱材料により形成されていると次のような効果を奏することができる。
すなわち、ヒートシンク3によるMOSFET4の放熱に加え、放熱材料により形成された弾性部材6により基板2側からも放熱可能になるので、MOSFET4のジャンクション温度をより低減させることができ、MOSFET4の寿命向上を図ることができる。この場合、MOSFET4の基板2との対向面の全面に渡って放熱材料により形成された弾性部材6が配置されることにより、良好な放熱特性を有する放熱構造を実現することができる。
また、弾性部材6が、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ウレタン系の断熱性を有する樹脂材料により形成されていると次のような効果を奏することができる。
すなわち、MOSFET4の輻射熱により基板2が加熱されるのを断熱材料により形成された弾性部材6により抑制することができるので、MOSFET4の輻射熱が基板2に搭載された他の部品等に影響を与えるのを抑制することができ、基板2を備える電源モジュール1の信頼性の向上を図ることができる。
また、弾性部材が粘着性を有していると次のような効果を奏することができる。
すなわち、弾性部材6を基板2やMOSFET4に貼り付けることができるので、組み立ての際に弾性部材6を基板2やMOSFET4に貼り付けることにより、電源モジュール1の組み立てを容易に行うことができる。
また、MOSFET4とヒートシンク3との間に弾性を有する絶縁性の放熱シート7が配置されている。MOSFET4は放熱シート7を介してヒートシンク3に伝熱可能に配置されている。なお、放熱シート7は、シリコンゴムやグラファイトを含有するゴムなどの放熱材料により形成されている。また、絶縁性の放熱シート7によりMOSFET4と金属性のヒートシンク3とが絶縁されている。
基板2には、MOSFET4との接続用に、その内周面に導体8aが設けられたスルーホール8が形成されている。そして、MOSFET4の側面から導出され基板2に向う方向に屈曲するリード端子4aが、基板2のスルーホール8に挿通されてはんだHにより接続されている。
以上のように、この実施形態では、伝熱可能にMOSFET4が配置された面が基板2に対向配置されたヒートシンク3と基板2とが固定部5により所定間隔をあけて固定される。また、固定部5により所定間隔をあけて固定配置されたヒートシンク3と基板2との間に配置されたMOSFET4と基板2との間に弾性部材6が圧縮された状態で配置され、弾性部材6の弾性力によりMOSFET4がヒートシンク3側に押圧されて固定される。
したがって、図3に示す従来のねじを用いた実装構造と比較すると、ねじの締め付けによるMOSFET4のヒートシンク3からの浮きや、ねじの緩みによるMOSFET4の位置ずれ、ヒートサイクル時にねじが緩むことによる、熱抵抗増大、放熱性の悪化、さらには耐熱温度を超えることによるMOSFET4の破損等が生じるおそれがなく、MOSFET4をヒートシンク3に対して弾性部材6により直上から押圧することができるので、基板2とヒートシンク3との間に弾性部材6の弾性力によりMOSFET4を安定して固定配置することができる。そのため、MOSFET4がヒートシンク3から浮き上がるのが防止されて、MOSFET4とヒートシンク3との間の熱抵抗が増大するのを抑制することができるので、放熱特性が良好な放熱構造を実現することができる。
また、従来のばね部材を用いた実装構造と比較すると、ばね部材を支持する構造をヒートシンク3に形成する必要がなく、MOSFET4と基板2との間に弾性部材6を配置するだけでMOSFET4を固定することができるので、実装構造のコンパクト化を図ることができる。したがって、基板2とヒートシンク3との間にMOSFET4を安定して固定配置することができ、コンパクトな構成の実装構造を備える電源モジュール1を提供することができる。
また、MOSFET4の基板2との対向面の全面に渡って弾性部材6が配置されているので、MOSFET4の基板2との対向面を全面に渡って弾性部材6の弾性力によりヒートシンク3に対して押圧することができる。したがって、良好な放熱構造を実現しつつMOSFET4を確実にヒートシンク3に対して固定することができる。なお、この場合、弾性部材6のサイズを、MOSFET4の平面視形状とほぼ同一の大きさとすることにより、良好な放熱構造を保ちつつ実装構造が大型化するのを抑制することができる。
また、MOSFET4とヒートシンク3との間に弾性を有する放熱シート7が配置されているので、基板2側に配置される弾性部材6と、ヒートシンク3側に配置される弾性を有する放熱シート7とによりMOSFET4を挟持して確実に固定することができる。したがって、MOSFET4のヒートシンク3からの放熱性を放熱シート7により担保しつつ、さらに安定してMOSFET4を基板2とヒートシンク3との間に固定配置することができる。
また、MOSFET4の側面から導出され基板2に向かう方向に屈曲するリード端子4aが基板2のスルーホール8に挿通されてはんだHにより接続されているが、はんだHによるリード端子4aと基板2との接続部分に生じる熱応力が弾性部材6により緩和されるので、MOSFET4と基板2との接続信頼性を向上することができる。
また、例えば弾性部材6を基板2やMOSFET4に貼り付けることにより、基板2とMOSFET4との間に弾性部材6が介在した状態で、基板2のスルーホール8にリード端子4aを挿通した後に、ヒートシンク3で基板2との間にMOSFET4を挟み込んで固定部5で基板2およびヒートシンク3を固定間隔あけて固定するだけでMOSFET4を固定することができる。したがって、電源モジュール1の組み立てが容易であり、製造工数や製造コストの低減を図ることができる。
<他の実施形態>
本発明の他の実施形態について図2を参照して説明する。図2は本発明の他の実施形態にかかる実装構造を備える電源モジュールを示す図である。この実施形態が上記した実施形態と異なる点は、基板2が、ヒートシンク3との対向面に実装された中継基板10を備える点である。基板2にはコネクタ9が設けられており、中継基板10は、コネクタ9に嵌挿されることにより基板2のヒートシンク3との対向面に立設して実装される。
また、中継基板10には、MOSFET4との接続用に、その内周面に導体11aが設けられたスルーホール11が形成されている。そして、MOSFET4の側面から導出されたリード端子4aが、中継基板10のスルーホール11に挿通されてはんだHにより接続されている。その他の構成は上記した実施形態と同様の構成であるため、その構成の説明は同一符号を付すことにより省略する。
この実施形態でも、上記した実施形態と同様の効果を奏することができ、実用的な構成の実装構造を備える電源モジュール1を提供することができる。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、上記したもの以外に種々の変更を行なうことが可能であり、例えば、本発明の半導体装置を構成する半導体素子は上記した例に限らず、パワーMOSFETやバイポーラトランジスタ等の半導体素子が樹脂によりパッケージされて形成される三端子レギュレータ、整流ダイオード、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ(GTO)、トライアック等、発熱を伴う所謂パワー半導体素子により半導体装置が形成されていればよい。
また、半導体装置(MOSFET4)の形状は上記した例に限らず、基板との対向面に段差が形成されていなくてもよい。また、弾性部材は、少なくとも半導体装置を形成する半導体素子が内蔵された部分を押圧できるように、基板と半導体装置との間に配置されていればよく、弾性部材のサイズおよび形状は、少なくとも当該部分を押圧できるように構成すればよい。
また、半導体装置はヒートシンクに直接接触配置されてもよいが、上記したように、間に絶縁性の放熱シート等を介在させることにより、ヒートシンクと半導体装置とが絶縁されているのが望ましい。
また、ヒートシンクの形状は上記した例に限らず、ヒートシンクの半導体装置が配置された側と反対側の面が、板状または棒状のフィンが形成された剣山状や蛇腹状に形成されていてもよい。このようにすると、ヒートシンクによる放熱効果をさらに向上することができる。
そして、ヒートシンクに伝熱可能に配置された半導体装置を基板とヒートシンクとの間に固定配置して基板に実装する実装構造に本発明を広く適用することができる。
2 基板
3 ヒートシンク
4 MOSFET(半導体装置)
4a リード端子
5 固定部
6 弾性部材
7 放熱シート
8,11 スルーホール
10 中継基板
H はんだ

Claims (8)

  1. ヒートシンクに伝熱可能に配置された半導体装置を基板と前記ヒートシンクとの間に固定配置して前記基板に実装する実装構造において、
    前記半導体装置が配置された面が前記基板に対向配置された前記ヒートシンクと前記基板とを所定間隔をあけて固定する固定部と、
    前記基板と前記半導体装置との間に圧縮された状態で配置され、前記半導体装置をその弾性力により前記ヒートシンク側に押圧して固定する弾性部材と
    を備えることを特徴とする実装構造。
  2. 前記半導体装置の前記基板との対向面の全面に渡って前記弾性部材が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の実装構造。
  3. 前記半導体装置と前記ヒートシンクとの間に弾性を有する放熱シートが配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の実装構造。
  4. 前記弾性部材は放熱材料により形成されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の実装構造。
  5. 前記弾性部材は断熱材料により形成されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の実装構造。
  6. 前記弾性部材が粘着性を有していることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の実装構造。
  7. 前記半導体装置の側面から導出され前記基板に向かう方向に屈曲するリード端子が前記基板のスルーホールに挿通されてはんだにより接続されていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の実装構造。
  8. 前記基板は、前記ヒートシンクとの対向面に立設して実装された中継基板を備え、
    前記半導体装置の側面から導出されたリード端子が前記中継基板のスルーホールに挿通されてはんだにより接続されていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の実装構造。
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