JP4685039B2 - 電力半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は電力半導体装置に関するものであり、特に電力半導体装置がグリースを介してヒートシンクなどの放熱体に取り付けられる際の放熱構造の改良に関するものである。

従来より電力半導体装置はそれを構成する素子の発熱が大きいため、ヒートシンクなどの放熱体を取り付けて放熱し、温度上昇の抑制を図っていた。そして電力半導体装置においては、ベース板とヒートシンクの間にグリースを介在させ、ねじによりベース板をヒートシンクに締め付けて固定していた。

ここでグリースの熱伝導性は金属の熱伝導性よりも２桁程度劣り、グリースの層が厚いと電力半導体装置とヒートシンクの間の熱抵抗が著しく大きくなってしまい、放熱性が劣ってしまうという問題点があった。

このような問題点を解決するための従来装置として、ベース板底面側の外周部に突起を形成することにより、ベース板底面とヒートシンク上面間に隙間を形成し、突起よりもベース板内側においてねじで締め付けることによりヒートシンク側に向かってベース板が凸状になるように反らせる構造が存在していた。

このような構造においては、ねじで締め付けていくに従って、ベース板の中央部付近が凸形状になるようにベース板が反るため、電力半導体装置をヒートシンクに取り付ける際、特に中央部にあるグリースを排斥することができる（特許文献１参照）。

特開２０００−５８７２７号公報

従来の電力半導体装置は以上のように構成されているので、ねじが全長に亘ってねじ穴内に収まっていないため、クリープによる変形によってねじが緩んでしまうという問題点があった。

また、ねじの頭とケースとの接触面が少なくなるので、電力半導体装置とヒートシンクをねじで固定する際には、ねじにはモーメントが作用することになる。このモーメント力に対抗して、ねじの断面に生じる最大垂直応力を軽減するためにはねじの断面係数を大きくしなければならず、ねじの小型化を図ることができないという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、ねじにより確実に電力半導体装置にヒートシンクを取り付けるとともに、電力半導体装置とヒートシンクとの間に介在するグリースの厚さを薄くすることを目的とするものである。

この発明に係る電力半導体装置は、ベース板とヒートシンクとの間にグリースを介在させ、ベース板に設けられた取り付け穴にねじを挿入することにより、ベース板をヒートシンクに固定したものであって、ベース板の角部近傍には取り付け穴が設けられた突出部を設けることによって他のベース板の底面よりも高くなるよう構成されるととともに、ベース板の角部の間の中央付近には突出部が設けられていない取り付け穴を設け、突出部が設けられていない取り付け穴内に挿入されたねじを締め付けることによって、ベース板をヒートシンク側に向かって凸形状になるように変形させたものである。

この発明に係る電力半導体装置によれば、ベース板とヒートシンクとの間にグリースを介在させ、ベース板に設けられた取り付け穴にねじを挿入することにより、ベース板をヒートシンクに固定したものであって、ベース板の角部近傍には取り付け穴が設けられた突出部を設けることによって他のベース板の底面よりも高くなるよう構成されるととともに、ベース板の角部の間の中央付近には突出部が設けられていない取り付け穴を設け、突出部が設けられていない取り付け穴内に挿入されたねじを締め付けることによって、ベース板をヒートシンク側に向かって凸形状になるように変形させたので、ねじの頭部の下面部と突出部の上面部とは平面状に接触するとともに、突出部の下面部とヒートシンクの上面部も平面状に接触することとなり、ねじを安定して取り付け穴内に固定することができる。

またヒートシンクに向かってベース板が凸状になるようにねじを締め付けても、取り付け穴の周辺部においては、ねじが確実に着座するため、従来のようにねじ山に大きな軸力が加わってねじがクリープ変形するようなことがなく、長期間使用してもねじの緩みが発生しない。

更に従来のように、大きなねじを使用しなくてもよいため、電力半導体装置の小型化を図ることができるとともに、コストダウンを図ることができる。

実施の形態１．
以下この発明の一実施形態を図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１による電力半導体装置を示す分解斜視図である。電力半導体装置１は、ケース２及びベース板３を有しており、ケース２内には図示しない基板に搭載された半導体素子が内蔵され、ベース板３は銅やアルミニウム、およびこれらを含む合成材料から構成されている。

更に通常、ベース板３の外周部には取り付け用の穴４が設けられており、電力半導体装置１はヒートシンク５に対してねじ６によって固定される。取り付け穴４ａはベース板３の角部付近の４カ所に設けられるとともに、取り付け穴４ｂは角部の間の中央付近に４カ所設けられている。

本実施の形態においては、４角に位置している取り付け穴４ａの周辺部は突出部７によって他のベース板３の底面よりも高くなるように構成されている。尚後に述べるように、突出部７はスペーサとしてベース板３とは別の構成部品で構成しても良いし、又ベース板３の突出部としてベース板３と一体的に構成するようにしても良い。又ベース板３とヒートシンク５の間には図示しないグリースが挿入されている。

図２（ａ）、（ｂ）は図１におけるＡ−Ａ線断面図であり、図２（ａ）は電力半導体装置１をヒートシンク５に取り付ける際に、取り付け穴４ｂにねじ６を挿入して、ねじ６を締め付ける前の状態を示す断面図であり、図２（ｂ）は締め付けた後の状態を示す断面図である。尚図２においては、突出部７がベース板３に一体的に設けられている例を示している。

図２（ａ）の状態から取り付け穴４ｂに挿入されたねじ６を締め付けていくと、突出部７の角を支点として両もち梁の要領でベース板３は図２（ｂ）に示されるように湾曲する。ベース板３の全面において、図２（ｂ）に示すような湾曲する力が働くため、ベース板３の中央部には、ベース面の法線方向にベース板３を変形させようとする曲げモーメント力が働く。

この曲げモーメント力により、中央部にあるグリースは掃き出され、この部分のグリースの厚さを薄くすることができる。また、取り付け穴４ａにおいては、ねじ６の頭部の下面部と突出部７の上面部とは平面状に接触するとともに、突出部７の下面部とヒートシンク５の上面部も平面状に接触しているので、ねじ６を安定して取り付け穴４ａ内に固定することができる。

更に取り付け穴４ｂにおいては、突出部７間の概ね中央部に設けられているので、支点となる突出部７の角部と取り付け穴４ｂとの距離が十分大きいため、適切なトルクでねじ６を締め付けることができるようになり、ねじ６を取り付け穴６ｂ内に安定して固定することができる。

また取り付け穴４ａが設けられた突出部７はベース板３の角部近傍に設けられているので、ベース板３の全体をヒートシンク５側に向かって凸状に変形させることができるようになり、より多くのグリースを排斥することができるようになる。

図３は従来装置におけるように、ベース板３の底面側の外周部に突起を形成することにより、ベース板３の底面とヒートシンク５の上面間に隙間を形成し、突起よりもベース板３の内側においてねじ６で締め付けることにより、ヒートシンク５側に向かってベース板３が凸状になるように反らせる構造を示す拡大断面図である。

このような構造では、Ｍで示すような力が働くので、ねじ６が全長に亘ってねじ穴内に収まらないため、クリープによる変形によってねじ６が緩んでしまうという問題点があったが、本発明においては、Ｍで示すような力は働かないので、このような問題は発生しにくくなるのである。

以上のように本発明によれば、ヒートシンク５に向かってベース板３が凸状になるようにねじ６を締め付けても、取り付け穴４ａの周辺部においては、ねじ６が確実に着座するため、従来のようにねじ山に大きな軸力が加わってねじ６がクリープ変形するようなことがなく、長期間使用してもねじの緩みが発生しない。

また従来のように、大きなねじを使用しなくてもよいため、電力半導体装置の小型化を図ることができるとともに、コストダウンを図ることができる。

突出部７はめっきによってベース板３と一体的に形成することができる。この場合、突出部７が形成される取り付け穴４ａ周辺部以外のベース板３の底面部をレジストや金属板等でマスクし、取り付け穴４ａ周辺部のみにめっきを施すようにして突出部７を形成する。

めっきとしては、錫めっき、ニッケルめっき等が採用され、特にねじによる締め付けに対する強度が必要である場合には、ニッケルめっき及びリンを含有したニッケルめっきを施すのが好ましい。

また、突出部７はプレス加工により形成することもできる。この場合、ベース板３を形成する際に、同時に塑性加工することにより突出部７を形成することができ、特段に突出部７を形成する工程を要せずに、プレス加工工程において同時に突出部７を形成することができる。その他機械加工によっても突出部７を形成することもできる。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２による電力半導体装置におけるベース板３を底面方向から見た平面図である。上記実施の形態１においては、図１に示されるように、突出部７の形状が矩形状であるのに対して、本実施形態においては、ベース板３の中心側に面する部分が円弧状となっている突出部１１を設けたものである。

このような形状に形成することによって、取り付け穴４ｂに挿入されたねじを締め付けていくと、実施の形態１の場合と比べて、よりベース板３の底面の中心部に向かってベース板３が変形して、ベース板３の底面とヒートシンク５の上面とが接触する部分が多くなり、ベース板３の底面中央部付近に存在するグリースがより多く排斥されるようになって、熱伝導性が良くなる。

突出部の形状は上記に挙げた形状に限らず、取り付け穴４ａの周囲に亘ってねじ及びベース板３が確実に着座するように、ベース板３の底面に突出部を設けることができる。これにより、取り付け穴４ｂに挿入されたねじを締め付けて、ベース板３の底面をヒートシンク５の上面側に向かって反るようにすることができる。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３による電力半導体装置におけるヒートシンク５を示す斜視図である。上記実施形態においては、突出部をベース板３の裏面側に一体的に形成する場合について説明したが、図４に示すように、ヒートシンク５の上面側に突出部２１を形成するようにしても良い。

この場合は、電力半導体装置を取り付けるねじ６を挿入するための取り付け穴２２の周辺が盛り上がるように突出部２１を形成するものである。以上のように構成することにより、実施の形態１の場合と同様の動作を行うことができるようになる。

突出部２１の形成方法としては、実施の形態１の場合と同様に、ヒートシンク５の上面側に、めっき加工、機械加工及びプレス加工等によって形成することができる。又ヒートシンク５をダイキャスト方法によって形成する場合には、ヒートシンク製造工程において突出部２１も一括して形成するようにすることができる。これにより製造工程を増やすことなく、突出部２１を形成することが可能となる。

更には、ベース板３もダイキャスト方法によって製造すれば、突出部も同時に形成することができるようになる。

実施の形態４．
上記実施の形態においては、突出部をベース板３及びヒートシンク５に一体的に形成する場合について説明したが、別部材としてスペーサをベース板３及びヒートシンク５の間に設置するようにしてもよい。

このように構成することにより、上記実施の形態の場合と同様に、ねじを安定して取り付け穴内に固定することができるとともに、ベース板３をヒートシンク５に向かって凸形状に反らせてグリースの排斥を促進することができるようになる。

尚、別部材としてスペーサを設置するよりも、突出部をベース板３及びヒートシンク５に一体的に形成する方が部品点数を削減することができるので、効率性は良くなる。

この発明の実施の形態１による電力半導体装置を示す分解斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 従来の電力半導体装置を示す一部拡大断面図である。 この発明の実施の形態２による電力半導体装置におけるベース板３を底面方向から見た平面図である。 この発明の実施の形態３による電力半導体装置におけるヒートシンク５を示す斜視図である。

符号の説明

１ 電力半導体装置、３ ベース板、４ａ，４ｂ 取り付け穴、５ ヒートシンク、
６ ねじ、７，２１ 突出部。

Claims (4)

1. ベース板とヒートシンクとの間にグリースを介在させ、上記ベース板に設けられた取り付け穴にねじを挿入することにより、上記ベース板を上記ヒートシンクに固定した電力半導体装置であって、上記ベース板の角部近傍には取り付け穴が設けられた突出部を設けることによって他の上記ベース板の底面よりも高くなるよう構成されるととともに、上記ベース板の角部の間の中央付近には突出部が設けられていない取り付け穴を設け、上記突出部が設けられていない上記取り付け穴内に挿入された上記ねじを締め付けることによって、上記ベース板を上記ヒートシンク側に向かって凸形状になるように変形させたことを特徴とする電力半導体装置。
2. 上記突出部は上記ベース板に一体的に形成されたことを特徴とする請求項１記載の電力半導体装置。
3. 上記突出部は上記ヒートシンクに一体的に形成されたことを特徴とする請求項１記載の電力半導体装置。
4. 上記突出部のうち上記ベース板の中心側に面する部分は円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力半導体装置。

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