JP3834254B2 - 半導体装置およびその固定構造ならびに半導体装置の固定方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱部材を介して半導体素子の発熱を冷却装置に伝える半導体装置および該半導体装置の冷却装置への固定構造ならびに半導体装置の冷却装置への固定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、放熱板を介して半導体素子の発熱を冷却装置に伝える方法として、放熱板と冷却装置間に熱伝導性を有するゲル状のグリースあるいはシート状の部材を塗布または挿入し、半導体装置を固定ねじで冷却装置に固定する方法があった。このような半導体装置および固定方法は、例えば特開平4−233752号公報に示されている。
【0003】
放熱板と冷却装置の密着性を高くするために、半導体装置は多数のねじで固定されるが、放熱板に撓みがある場合や、冷却装置の半導体装置の取り付け面に反りがある場合、ねじ固定にともなう放熱板の撓み変形により、放熱板に固着されている絶縁部材や半導体素子が破損することが懸念される。
【0004】
また、温度変動が生じた場合、半導体装置の熱変形がねじ固定によって拘束されるため、半導体装置における放熱板へのはんだ接合部の熱応力(ひずみ)が非固定の状態に比較して増大し、その結果、温度サイクルに対する半導体装置の寿命が低下するという問題があった。
【0005】
他方、半導体装置のねじ固定部近傍に溝を加工して、ねじ固定にともなう半導体素子への作用力を緩和する半導体デバイスが、たとえば特開昭63−31144号公報に示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
この半導体デバイスにおいては、ねじ固定部近傍に溝部を設けて低剛性とすることにより、ねじ固定にともなう半導体素子への応力を緩和させている。
【0007】
しかし、半導体装置の熱変形(撓み)については拘束された状態となるため、放熱板はんだ接合部の熱応力(ひずみ)が非固定の状態に比較して増加する。その結果、温度サイクルに対する半導体装置の寿命(信頼性)が低下するという問題があった。
【0008】
また、半導体装置が厳しい振動環境下で使用される場合、十分なねじ締め力が必要となるが、従来の方法では、ねじ締付力を増加させるほど半導体装置の撓みに対する拘束力が大きくなるため、信頼性の観点から、必要十分な締付力を付与できず、振動環境下でねじの緩みの懸念があった。
【0009】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、温度サイクルに対する半導体装置の寿命短縮を抑制でき、厳しい振動環境下で使用可能な半導体装置、冷却装置への半導体装置の固定構造および固定方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、冷却装置に固定される半導体装置であって、半導体素子と、該半導体素子を搭載し、半導体素子で発生した熱を放散する放熱板と、該放熱板と冷却装置との間であって放熱板の中央部に間隙を形成し、冷却装置への固定用ねじを受け入れる(挿通する)穴を有する凸部とを備え、該間隙によって形成される、該放熱板と冷却装置との間の面間隔は、温度変動にともなう放熱板の撓み量を超える。該凸部は、放熱板の一部を突出させて形成してもよく、別部材を放熱板に固定して設けてもよい。また、穴の周囲に凸部を形成してもよい。
【0011】
上記のように凸部を設けることにより、半導体装置の動作時における半導体素子の発熱や、半導体装置の使用環境の温度変動にともなう放熱板の撓みによる放熱板裏面と冷却装置表面の干渉を防ぐことができる。また、凸部にねじを受け入れる穴を設けることにより、冷却装置へのねじ固定による半導体装置の拘束の程度を従来よりも格段に軽減することができる。
【0012】
本発明に係る半導体装置の固定構造は、放熱板を有する半導体装置の冷却装置への固定構造であって、冷却装置と放熱板の少なくとも一方に、放熱板と冷却装置との間であって放熱板の中央部に間隙を形成するとともに冷却装置への固定用ねじを受け入れる穴を有する凸部を設け、前記間隙によって形成される、前記放熱板と前記冷却装置との間の面間隔は、温度変動にともなう放熱板の撓み量を超え、上記穴を通して冷却装置に固定ねじを螺着することにより半導体装置を冷却装置に固定する。なお、上記凸部は、冷却装置と放熱板の少なくとも一方の一部で形成してもよいが、冷却装置および放熱板とは別部材で形成してもよい。また、穴の周囲に凸部を形成してもよい。
【0013】
冷却装置と放熱板の少なくとも一方に上記のような凸部を設け、該凸部に固定ねじを挿通して半導体装置を冷却装置に固定することにより、放熱板と冷却装置との間に間隙を形成するとともに固定ねじによる半導体装置の拘束の程度を軽減することができる。
【0014】
本発明に係る半導体装置の固定方法は、1つの局面では、放熱板を有する半導体装置を冷却装置に固定する方法であって、放熱板と冷却装置との間であって放熱板の中央部に間隙を形成する凸部を設け、前記間隙によって形成される、前記放熱板と前記冷却装置との間の面間隔は、温度変動にともなう放熱板の撓み量を超え、該凸部を挿通するように冷却装置に固定ねじを螺着することにより、半導体装置を冷却装置に固定する。なお、上記凸部は、冷却装置と放熱板の少なくとも一方の一部で形成してもよいが、冷却装置および放熱板とは別部材で形成してもよい。
【0015】
本発明に係る半導体装置の固定方法は、他の局面では、放熱板と冷却装置との間であって、放熱板の中央部に間隙を形成する間隙形成部材を設置し、前記間隙によって形成される、前記放熱板と前記冷却装置との間の面間隔は、温度変動にともなう放熱板の撓み量を超え、該間隙形成部材を挿通して冷却装置に固定ねじを螺着することにより、半導体装置を冷却装置に固定する。なお、間隙形成部材としては、たとえばワッシャ、円形断面を有するワイヤー環、矩形断面を有するワイヤー環等を使用することができる。
【0016】
上記のいずれの局面の場合も、凸部を通して冷却装置に固定ねじを螺着して半導体装置を冷却装置に固定するので、放熱板と冷却装置との間に間隙を形成するとともに固定ねじによる半導体装置の拘束の程度を軽減することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図1〜図14を用いて説明する。
【0018】
(実施の形態1)
図1および図2に示すように、本発明の半導体装置1は、放熱板2と、筐体30と、半導体素子33とを有し、固定ねじ9により冷却装置4に固定される。
【0019】
放熱板2は凸部7aを有し、該凸部7aに固定ねじ9を挿通する。凸部7aの内側には間隙が形成され、この間隙内にグリース15を塗布する。放熱板2上に放熱板はんだ接合部11を介して絶縁部材12を実装する。絶縁部材12は、表裏面に金属パターン34を有し、表面側の金属パターン34上に素子はんだ接合部35を介して半導体素子33を実装する。
【0020】
筐体30内には複数の絶縁部材12および半導体素子33が収容され、図2の例では半導体素子33間を導線32で接続している。また、筐体30上には電極端子31の一部が延在する。
【0021】
本実施の形態1では、上記のように半導体装置1の放熱板2に凸部7aを設け、放熱板2における冷却装置4への取付面の固定ねじ9の周辺部を凸状としたことを重要な特徴とする。より詳細には、図3および図4に示すように、放熱板2の固定ねじを受け入れる通し穴3の周辺を凸状にし、通し穴3を凸部7aで囲んでいる。通し穴3は複数設けられ、各通し穴3ごとに凸部7aを設けている。なお、図3および図4に示す例では凸部7aは環状であるが、凸部7aを通し穴3の周囲に断続的に形成してもよい。
【0022】
本実施の形態1によれば、半導体装置1は、固定ねじ9により冷却装置4に放熱板2の凸部7aの部分で固定される。このとき、放熱板2の中央部と冷却装置4の間には、グリース15が塗布され、半導体装置1の熱を冷却装置4に伝える。ねじ固定時のグリース15の厚みは凸部7aの高さで決定され、絶縁部材12の実装位置直下では、放熱板2は冷却装置4の表面と干渉していない。
【0023】
なお、上記のグリース15の代わりに、たとえば弾性変形により放熱板2の変形量を吸収可能で伝熱特性に優れた弾性部材等を使用することができる。
【0024】
半導体装置1は、半導体素子33の発熱のほか、使用環境の温度変動によって熱変形を生じる。一般に、放熱板1には熱伝導率の大きい銅やアルミニウム材が用いられ、絶縁部材12にはセラミックスが用いられる。銅およびアルミニウムの線膨張係数(α)は各々17×10-6(/℃)および23×10-6(/℃)程度であり、絶縁部材12のそれは、3〜10×10-6(/℃)であって、相互の線膨張係数の不整合のために、図13に示すように、放熱板2には撓みが生じる。
【0025】
その際、放熱板2と冷却装置4の間にはグリース15が塗布されているが、凸部7aの高さ相当の間隔が存在するため、放熱板2が撓んだ場合、面間隔Dが撓みで減少するものの放熱板2の撓みは妨げられない。
【0026】
図14に面間隔Dの条件に対する放熱板はんだ接合部11の発生ひずみの関係を有限要素解析を用いて計算した結果を示す。面間隔Dが0の場合に比較して、面間隔Dの存在する条件では、ひずみは大幅に低減することがわかる。このため、放熱板はんだ接合部11や絶縁部材12および半導体素子33に対するねじ固定の影響を最小限に抑えることができる。
【0027】
また、冷却装置4との固定が凸部7aの部分で行われるため、ねじ固定による半導体装置1の拘束の程度を軽減することができ、使用ねじに対する規定トルクでねじを締め付けることができる。したがって、半導体装置1が厳しい振動環境に置かれてもねじ部の緩みは生じない。
【0028】
放熱板2の裏面からの凸部7aの高さは、グリース15の層の熱抵抗を抑える必要から、低い方が望ましい。例えば、0.01mm以上0.2mm以下の高さが、放熱板2の撓み量およびグリース15の層の熱抵抗の点から最適である。
【0029】
以上より、冷却装置4へのねじ固定時に、温度変動にともなう放熱板2の熱変形(撓み)が生じても、放熱板2の熱変形が妨げられることがなくなるため、放熱板はんだ接合部11や絶縁部材12および半導体素子33の熱応力が増加することなく、放熱板はんだ接合部11の熱疲労寿命の低下や、半導体素子33および絶縁部材12の破損を防止できる。
【0030】
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2について、図5を用いて説明する。図1〜図4の例においては放熱板2の凸部7aは円形状に通し穴3ごとに独立して突出しているが、図5に示すように放熱板2の中央部の撓みを妨げなければ放熱板2の凸部7bを直線形状としてもよい。すなわち、放熱板2の中央部の両側に複数の通し穴3を囲むように一組の直線状の凸部7aを形成してもよい。本例の場合には、実施の形態1と同様の効果が得られることに加え、実施の形態1よりも凸部7aの加工が容易になる。
【0031】
(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3について、図6を用いて説明する。図6に示すように、放熱板2の中央部領域を囲むように放熱板2に凸部7cを設けてもよい。この場合にも、実施の形態1と同様の効果が得られるのみならず、実施の形態1よりも凸部7aの加工は容易となる。それに加え、グリース15が放熱板2の外部へはみ出すことを防ぐことができる。
【0032】
(実施の形態4)
次に、本発明の実施の形態4について、図7を用いて説明する。図1の構造においては、放熱板2に凸部7aを加工して設けたが、図7に示すように、放熱板2とは別製のワッシャ20aをねじ固定部の放熱板2と冷却装置4の間に設置してもよい。
【0033】
それにより、実施の形態1と同様の効果が得られる上、凸部7aの加工を省略することができ、放熱板2のコストを抑えることができる。
【0034】
ワッシャ20aの平面形状の例を図8(a)〜(c)に示す。図8(a)に示すように、ワッシャ20aの平面形状は、典型的には完全なリング状であるが、矩形等の任意形状とすることができる。また、図8(b)に示すようにリングの一部を切断した形状のワッシャ20bや、図8(c)に示すようにリングを複数に分割した形状のワッシャ20cを採用することもできる。
【0035】
なお、固定ねじ9を受け入れることができ、かつ放熱板2と冷却装置4との間に間隙を形成することができる部材(間隙形成部材)であれば、上記のワッシャ20a以外の任意の部材を採用することができる。
【0036】
(実施の形態5)
次に、本発明の実施の形態5について、図9および図10を用いて説明する。図1の構造においては半導体装置1の放熱板2に凸部7aを設けているが、図9および図10に示すように、冷却装置4における半導体装置1の取付面に凸部8aを設けてもよい。該凸部8aは、固定ねじ9が螺着される各ねじ穴6を囲むように設けられる。この場合にも、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。なお、図10において、13は冷媒通路を示し、14はフィンを示す。
【0037】
(実施の形態6)
次に、本発明の実施の形態6について、図11を用いて説明する。図9の構造では、冷却装置4の凸部8aを各ねじ穴6ごとに設け、円形状に突出した形状としている。しかし、図11に示すように、放熱板2の外周部に対応した位置であれば、複数のねじ穴6に対し一体の凸部8bを設けてもよい。
【0038】
なお、図11の例では直線状の1組の凸部8bを設けているが、図6に示す場合と同様に凸部8bを環状としてもよい。本実施の形態の場合も、実施の形態5と同様の効果を得ることができる。
【0039】
(実施の形態7)
次に、本発明の実施の形態7について、図12を用いて説明する。図7および図8に示したワッシャ20aでは平板形状のワッシャを示したが、図12(a)に示すように、円形断面のワイヤー環21aとしてもよい。
【0040】
しかし、ワイヤー環21aの断面形状は、これに限らず矩形等任意形状であってもよい。また、ワイヤー環21aの平面形状は、完全なリング状でなくてもよく、図12(b)に示すように一部を切断した形状のワイヤー環21bや、図12(c)に示すようにリングを複数に分割した形状のワイヤー環21を採用可能である。この場合にも、実施の形態4と同様の効果を得ることができる。
【0041】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【0042】
【発明の効果】
本発明の半導体装置によれば、半導体装置の動作時における半導体素子の発熱等にともなう放熱板の撓みによる放熱板裏面と冷却装置表面の干渉を防ぐことができるため、半導体素子と放熱板間の接合部における熱応力の増加を抑制することができる。それにより、温度サイクルに対する半導体装置の熱疲労寿命を延長することができる。また、ねじ固定による半導体装置の拘束の程度を従来よりも軽減することができるので、固定ねじによる十分な締付力で半導体装置を冷却装置に固着することができる。したがって、半導体装置を厳しい振動環境下で使用した場合でも、ねじの緩みを抑制することができる。
【0043】
本発明の半導体装置の固定構造によれば、放熱板と冷却装置との間に間隙を形成するとともに固定ねじによる半導体装置の拘束の程度を軽減することができるので、温度サイクルに対する半導体装置の熱疲労寿命を延長することができ、また半導体装置を厳しい振動環境下で使用した場合でも、ねじの緩みを抑制することができる。
【0044】
本発明の半導体装置の固定方法によれば、放熱板と冷却装置との間に間隙を形成するとともに固定ねじによる半導体装置の拘束の程度を軽減することができるので、温度サイクルに対する半導体装置の熱疲労寿命を延長することができ、また半導体装置を厳しい振動環境下で使用した場合でも、ねじの緩みを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1における半導体装置の部分断面側面図である。
【図2】 図1の半導体装置の断面図である。
【図3】 本発明の放熱板の平面図である。
【図4】 図3のA−A線断面図である。
【図5】 本発明の実施の形態2における放熱板の平面図である。
【図6】 本発明の実施の形態3における放熱板の平面図である。
【図7】 本発明の実施の形態4における半導体装置の部分断面図である。
【図8】 (a)〜(c)は本発明の実施の形態4におけるワッシャの平面図である。
【図9】 本発明の実施の形態5における冷却装置の平面図である。
【図10】 図9のB−B線断面図である。
【図11】 本発明の実施の形態6における冷却装置の平面図。
【図12】 (a)〜(c)は本発明の実施の形態7におけるワイヤー環の平面図および断面図である。
【図13】 本発明の実施の形態1における放熱板の撓み状況を示す半導体装置の断面図である。
【図14】 面間隔Dの条件の違いによる放熱板はんだ接合部への影響を有限要素解析で計算した結果を示す図である。
【符号の説明】
1 半導体装置、2 放熱板、3 通し穴、4 冷却装置、6 ねじ穴、7a、7b、7c、8a、8b 凸部、9 固定ねじ、11 放熱板はんだ接合部、12 絶縁部材、13 冷媒通路、14 フィン、15 グリース、20a、20b、20c ワッシャ、21a、21b、21c ワイヤー環、30 筐体、31 電極端子、32 導線、33 半導体素子、34 金属パターン、35 素子はんだ接合部。
Claims (10)
- 冷却装置に固定される半導体装置であって、
半導体素子と、
前記冷却装置に接合し、この接合面の裏面側に前記半導体素子を搭載し、前記半導体素子で発生した熱を放散する放熱板と、
前記放熱板と前記冷却装置との間であって前記放熱板の中央部に間隙を形成するとともに前記冷却装置への固定用ねじを受け入れる穴を有する凸部と、
を備え、
前記間隙によって形成される、前記放熱板と前記冷却装置との間の面間隔は、温度変動にともなう放熱板の撓み量を超える半導体装置。 - 前記半導体素子と放熱板との間に絶縁部材を備え、
前記絶縁部材の線膨張係数は、前記放熱板の線膨張係数より低い請求項1に記載の半導体装置。 - 前記間隙には、グリースを配置した、請求項1または2に記載の半導体装置。
- 放熱板を有する半導体装置の冷却装置への固定構造であって、
前記冷却装置と前記放熱板の少なくとも一方に、前記放熱板と前記冷却装置との間であって前記放熱板の中央部に間隙を形成するとともに前記冷却装置への固定用ねじを受け入れる穴を有する凸部を設け、
前記間隙によって形成される、前記放熱板と前記冷却装置との間の面間隔は、温度変動にともなう放熱板の撓み量を超え、
前記穴を通して前記冷却装置に固定ねじを螺着することにより、前記半導体装置を前記冷却装置に固定した、半導体装置の固定構造。 - 前記半導体素子と放熱板との間に絶縁部材を備え、
前記絶縁部材の線膨張係数は、前記放熱板の線膨張係数より低い請求項4に記載の半導体装置の固定構造。 - 前記間隙には、グリースを配置した、請求項4または5に記載の半導体装置の固定構造。
- 放熱板を有する半導体装置を冷却装置に固定する方法であって、
前記放熱板と前記冷却装置との間であって前記放熱板の中央部に間隙を形成する凸部を設け、該凸部を挿通するように前記冷却装置に固定ねじを螺着することにより、前記半導体装置を前記冷却装置に固定し、
前記間隙によって形成される、前記放熱板と前記冷却装置との間の面間隔は、温度変動にともなう放熱板の撓み量を超える半導体装置の固定方法。 - 放熱板を有する半導体装置を冷却装置に固定する方法であって、
前記放熱板と前記冷却装置との間であって前記放熱板の中央部に間隙を形成する間隙形成部材を設置し、該間隙形成部材を挿通して前記冷却装置に固定ねじを螺着することにより、前記半導体装置を前記冷却装置に固定し、
前記間隙によって形成される、前記放熱板と前記冷却装置との間の面間隔は、温度変動にともなう放熱板の撓み量を超える半導体装置の固定方法。 - 前記半導体素子を搭載するとともに放熱板に接合された絶縁部材を備え、
前記絶縁部材の線膨張係数は、前記放熱板の線膨張係数より低い請求項7または8に記載の半導体装置の固定方法。 - 前記間隙には、グリースを配置した、請求項7から9のいずれか1項に記載の半導体装置の固定方法。
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