JP5988882B2

JP5988882B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP5988882B2
Application number: JP2013005945A
Authority: JP
Inventors: 井本　裕児; 裕児井本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-01-17
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2033-01-17
Also published as: JP2014138080A

Description

この発明は、ボルトの締め付けによる軸力を受けるカラーを有する半導体装置に関する。

産業機器や民生機器、電気自動車や電車等のモータを制御するインバータや発電、回生用のコンバータ等に使用する半導体装置は、半導体素子からの発熱を放出するため、半導体素子が搭載された放熱部材を一般的に備えている。それらは半導体素子の搭載面や裏面の放熱面をボルト等を用いて支持基体となる冷却器などに圧接固定する。ボルトを用いてケースと基部とを固定した半導体装置として例えば特許文献１に開示された半導体装置がある。

上記のような半導体装置には大きく分けて、半導体素子をトランスファモールド樹脂で封止されたトランスファモールド型と、樹脂成形された中空ケースを筐体として内部に搭載するケース型とに分類される。放熱部材としてトランスファモールド型においては金属等のヒートスプレッダが用いられ、ケース型においては金属等のベース板が用いられる。

いずれの型においても、支持基体である冷却器に固定する際、外装部となる成形樹脂を直接ボルト等で締結すると、ボルト頭部の接触面が樹脂クリープなどでへたり、接触状態が悪くなるため、成形樹脂内に金属製のカラーを挿入したり、樹脂接触面に皿ばね座金などを使用したりして、上述した樹脂クリープを抑制し、放熱面の接触状態を悪化させにくいような構造が一般的に採用されている。

また、上記カラーを成形樹脂にインサート成形する場合、金型とカラーを接触させてカラーの内部に成形樹脂が入らないようにする方法が一般的である。

特開２０１２−２１９９２３号公報

上述したように、ボルト締結部の樹脂クリープおよび破損を防止するため、成形樹脂内に筒形状の金属性のカラーをインサート成形する構造が一般的であり、このカラーはボルト締結部と樹脂接触面の接触圧を緩和することを目的としている。

しかし、このカラーのみではボルトの頭部との接触面積が狭く、ボルトの頭部の締結面の大半がカラーの周辺領域となる樹脂面に接触しているため、樹脂クリープが発生する可能性が少なからず存在する。

そこで特殊なブッシュを使用して接触面積を大きくとる第１の方法、または皿ばね座金などを使用して、ボルトの緩み防止と接触面積の拡大を兼ねて、樹脂クリープを防ぐ第２の方法が採られる。しかし、前者（第１の方法）は部品重量が大きくなることに加え、専用形状となり汎用性がなくなること、後者（第２の方法）は部品点数が多くなることに加え、締結間の高さ方向のばらつきによる荷重変動が大きく、支持基体となる冷却器への安定した接触状態を確保することが難しいという問題があった。

また、このカラーをインサート成形する場合、成形（用の）金型とカラー端面を接触させて内部に樹脂が進入しないようにするが、成形金型とのカラーとの接触面積が小さいことに加えて、カラーの長さ寸法ばらつきがあるため、カラーの形成長が短く成形金型との接触状態が安定的に確保できない場合は、樹脂充填時に成形樹脂がカラー内部に進入して成形される結果、ボルトによる締結時に樹脂バリが発生する原因となる。逆にカラーが長い場合は、金型との接触面の磨耗やカラーが破損する可能性がある。

また樹脂成形後にカラーを圧入する方法（アウトサート）もあるが、樹脂面に締結部が接触しないよう、樹脂面を研削したり、カラーの高さを調整したりする必要があった。

この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、ボルトの締め付けによる軸力を受けるカラーを有する構造において、支持基体上に放熱板が安定性良く圧接固定可能な半導体装置を得ることを目的とする。

この発明に係る請求項１記載の半導体装置は、支持基体と、前記支持基体上に設けられる放熱板と、前記放熱板上に設けられる半導体素子と、前記支持基体上に形成される成形樹脂部と、前記成形樹脂部の一部を貫通して前記支持基体に到達するように設けられた貫通穴と、前記貫通穴の内部に設けられるカラーとを備え、前記カラー内にボルトの軸部を挿入して前記支持基体に前記ボルトを取り付けることができ、前記カラーは、内部が中空で第１の直径を有し、前記放熱板上に設けられる筒状の大径部と、前記大径部の上方に位置し、内部が中空で前記第１の直径より短い第２の直径を有する筒状の小径部と、前記大径部の上端と前記小径部の下端とを接続し、水平方向に延びて形成され平面視円環状の接続部とを備え、前記接続部の形成距離は前記大径部の膜厚以上である。

請求項１記載の本願発明の半導体装置において用いるカラーは、大径部及び小径部の順で直径が短くなる立設状態において正面視凸形状を呈している。このような構造のカラーの小径部内にボルトの軸部を挿入しボルトの頭部が小径部の上端に接触した状態で、ボルトの軸方向への締結力であるボルト軸力を付与してボルトの軸部を支持基体に固定するボルト取付作業が行える。

この際、成形樹脂部と小径部との間には、大径部と小径部の半径の差に相当する水平方向に延びて形成される接続部の形成距離が設けられるため、ボルトの頭部の成形樹脂部の上面への接触を回避しつつ上記ボルト取付作業が行える。

その結果、上記ボルト取付作業後において、樹脂政経部からの樹脂クリープの発生を抑制した品質の良い半導体装置を得るとともに、ボルトによる押圧によりカラーから放熱板を加圧することができるため、支持基体上に放熱板が安定性良く圧接固定し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であるトランスファモールド型の半導体装置の構造を示す断面図である。実施の形態１の半導体装置で用いられるカラーの全体構造を示す説明図である。実施の形態１のカラーの他の態様を示す斜視図である。実施の形態１の他の態様を示す断面図である。実施の形態１のカラーのアウトサート成形状況を模式的に示す説明図である。実施の形態１の半導体装置におけるボルト取付作業の状況を示す説明図（その１）である。実施の形態１の半導体装置におけるボルト取付作業の状況を示す説明図（その２）である。実施の形態１の半導体装置におけるボルト取付作業の状況を示す説明図（その３）である。実施の形態１のカラーに施された抜け止め、ならびに回り止めの構造を示す説明図である。図９(a) で示した成形樹脂の形成後のカラーの断面構造を示す断面図である。実施の形態２であるトランスファモールド型の半導体装置の構造を示す断面図である。実施の形態２による半導体装置におけるボルト取付作業の状況を示す説明図である。一体成形されたトランスファモールド型、およびケース型の半導体装置の複数個所にボルトによる締結を実施する場合の半導体装置の断面構造を示す断面図である。実施の形態３の半導体装置におけるボルト取付作業の状況を示す説明図である。本実施の形態における、成形樹脂による樹脂封止工程を示す説明図である。実施の形態の製造方法による効果説明用の説明図である。従来のトランスファモールド型の半導体装置を示す断面図である。従来のケース型の半導体装置を示す断面図である。

＜前提技術＞
図１７は従来のトランスファモールド型の半導体装置を示す断面図である。同図に示すように、支持基体である冷却器５上に放熱部材２である２つのヒートスプレッダ６が選択的に形成されている。そして、各ヒートスプレッダ６上に半導体素子１がそれぞれ配置され、各半導体素子１は成形樹脂８（成型樹脂部）により樹脂封止される。成形樹脂８，８間に貫通穴１１が設けられ、この貫通穴１１を介して軸方向への締結力であるボルト軸力を付与してボルトを冷却器５に固定することができる。なお、図１７で示す半導体装置では、ボルト４の頭部と各成形樹脂８の表面との間には皿ばね座金１０が設けられる。

図１８は従来のケース型の半導体装置を示す断面図である。同図に示すように、冷却器５上に放熱部材２であるベース板７が形成されている。そして、ベース板７上に２つの半導体素子１が絶縁体３０を介して配置され、２つの半導体素子１は絶縁体３０と共に中空のケース３１内に収容される。ケース３１の左右両端部に隣接して成形樹脂２８，２８が設けられ、各成形樹脂２８を貫通して２つの貫通穴１１が冷却器５に到達するように設けられる。そして、各貫通穴１１内にカラー２９が設けられ、各カラー２９を介してボルト軸力を付与してボルト４を冷却器５に固定することができる。

図１７で示したトランスファモールド型の半導体装置では、皿ばね座金１０を用いて、ボルト４の緩み防止と接触面積の拡大を兼ねているが、この場合は皿ばね座金１０を余分に設ける分、部品点数が多くなることに加え、ボルト４の頭部，冷却器５の上面の締結間の高さ方向のバラツキによる皿ばね座金１０の荷重変動が大きく、冷却器５への安定した接触状態を確保することが難しいという問題があった。

一方、図１８で示したケース型半導体装置では、カラー２９をインサート成形する場合、成形金型とカラー端面を接触させて内部に樹脂が進入しないようにするが、成形金型とのカラー上端部のとの接触面積が極めて小さい。さらに、複数個設けるカラー２９の長さ寸法にバラツキが発生する場合、複数のカラー２９間において、形成長が設計段階より短く成形金型との接触状態が安定的に確保できない場合は、樹脂封止時に成形樹脂８の一部がカラー内部に進入して成形される結果、ボルトによる締結時に樹脂バリが発生する原因となる。逆にカラー２９が設計段階より長い場合は、金型との接触面でカラー２９が強く接すため、の磨耗やカラーが破損する可能性があるという問題点があった。

以下で述べる実施の形態では、ボルトの締め付けによる軸力を受けるカラーを有する構造の半導体装置において、上記問題点の解決を図ったものである。

＜実施の形態１＞
（構成）
図１はこの発明の実施の形態１であるトランスファモールド型の半導体装置の構造を示す断面図である。

同図に示すように、支持基体である冷却器５上に放熱部材２（放熱板）である２つのヒートスプレッダ６が選択的に形成されている。この際、各ヒートスプレッダ６の放熱面６ｓが冷却器５の表面上に圧接固定される。そして、各ヒートスプレッダ６上に半導体素子１がそれぞれ配置され、各半導体素子１は成形樹脂８により樹脂封止される。成形樹脂８，８間に貫通穴１１が冷却器５に達する態様で設けられる。なお、実際には冷却器５，ヒートスプレッダ６間は放熱性の高い絶縁シート等を介して絶縁されているが、以下では、説明の都合上、絶縁シート等の存在を省略して説明する。

この貫通穴１１内に立設状態の断面構造が凸状のカラー９が設けられる。このカラー９の下端は絶縁体１２を介して対応するヒートスプレッダ６上に設けられる。このカラー９内において軸方向への締結力であるボルト軸力を付与してボルトを冷却器５に固定することができる。なお、絶縁体１２はセラミック等で構成される。

図２は実施の形態１の半導体装置で用いられるカラー９の全体構造を示す説明図である。同図(a)は斜視図、同図(b) は断面図である。

これらの図に示すように、カラー９は小径部１３、大径部１４及びダイヤフラム部１５により構成される。

大径部１４は、内部が中空の垂直方向に延びる膜厚ｔの筒状を呈し、大径部外径φＬ（第１の直径）を有する平面視円状に形成され、絶縁体１２を介してヒートスプレッダ６上に設けられる。

小径部１３は大径部１４の上方に位置し、内部が中空の垂直方向に延びる膜厚ｔの筒状を呈し、小径部外径φＳ（第２の直径：φＳ＜φＬ）を有する平面視円状に形成されている。

ダイヤフラム部１５は大径部１４の上端と小径部１３の下端とを接続し、膜厚ｔで水平方向に延びて平面視円環状に形成され、小径部１３，大径部１４間の接続部として機能する。

ダイヤフラム部１５は小径部１３，大径部１４に比べ、水平方向に延びて形成される構造により、カラー９を小径部１３の上部から押圧する際、小径部１３及び大径部１４に先がけて変形し易い特性を有している。そして、カラー９（小径部１３、大径部１４及びダイヤフラム部１５）の形成用材質として、例えばアルミ材（材質記号：A1050,A5052）が使用される。アルミ材を使用すると、鉄や黄銅材と比較して、ダイヤフラム部１５が容易に変形し易くなる点で望ましい。

図２に示すように、カラー９は、小径部１３，大径部１４の中心部を一致させた状態で、高さ方向に大径部１４、小径部１３の順で重ねて構成されており、カラー９は立設状態時における断面構造が図２(b) に示すように凸状に形成される。この際、大径部１４の大径部外径φＬと小径部１３の小径部外径φＳとの関係は、「φL＞φS＋２ｔ」の関係となっている。

このような構成の実施の形態１の半導体装置は、半導体素子１からの発熱を放熱させるため、ヒートスプレッダ６における半導体素子１の搭載面やその裏面の放熱面６ｓを、冷却器５の上面に接するように圧接固定される。

なお、図２で示した構成では、小径部１３、大径部１４及びダイヤフラム部１５の膜厚ｔを同一にした構造を示したがこれに限定されず、例えば、小径部１３、大径部１４及びダイヤフラム部１５間で膜厚を変えても良い。

図３はカラー９の他の態様を示す斜視図である。同図に示すように、接続部となるダイヤフラム部１５を複数箇所（ダイヤフラム部１５ａ，１５ｂ）で組み合わせることによって、３段以上の構成でカラー９を形成していも良い。図３では、大径部１４の上部に小径部２２（大径部外径φＬより短い直径）を配置し、小径部２２の上部にさらに小径部２３（小径部２２より小さい直径），大径部１４，小径部２２間をダイヤフラム部１５ａによって接続し、小径部２２，小径部２３間をダイヤフラム部１５ｂによって接続している。

なお、図１で示した実施の形態１の構造では、カラー９に接触するヒートスプレッダ６を、絶縁体１２を介することにより、カラー９，ヒートスプレッダ６間の絶縁構造を例にあげたが、他の絶縁構造を採用しても良い。

図４は実施の形態１の他の態様を示す断面図である。同図に示すように、各ヒートスプレッダ６上に窒化アルミニウムやセラミック等の絶縁体２４を介して各半導体素子１を配置することにより、ヒートスプレッダ６，カラー９間の絶縁を不要にする構造を採用してもよい。

図５はカラー９のアウトサート成形状況を模式的に示す説明図である。一般的には、カラー９は成形樹脂８が成形されるときに同時に組み込むインサート成形で形成することが考えられる。しかしながら、図４に示すように、成形樹脂８の形成後にカラー９を挿入する方法（アウトサート成形）でも同様な構造を得ることができる。

すなわち、カラー９の大径部１４の平面視形状と貫通穴１１の平面視形状とが互いに合致した形状で形成することにより、成形樹脂８の形成後に貫通穴１１の上方からカラー９を挿入するアウトサー処理を採用しても、カラー内蔵の実施の形態１の半導体装置を製造することができる。

この際、図５に示すように、カラー加圧方向をＤ９とすることにより、カラー９の大径部１４を中心に加圧することで、ダイヤフラム部１５の変形を最小限に抑えることができる。

（動作・作用、効果）
図６〜図８は実施の形態１の半導体装置におけるボルト取付作業の状況を示す説明図である。図６〜図８では、カラー９の小径部１３の内面に沿ってボルト４の軸部４ｂを挿入しボルト４の頭部４ａが小径部１３の上端に接触した状態で、ボルト４の軸方向への締結力であるボルト軸力を付与してボルト４の軸部４ｂを冷却器５に固定するボルト取付作業の状況を示している。

これらの図に示すように、ボルト取付作業実施時において、ボルト４の頭部４ａが小径部１３の上端に接触しているため、ボルト４を締結していくと、ボルト軸力がカラー９と絶縁体１２を介して、ヒートスプレッダ６に伝達され、ヒートスプレッダ６の冷却器５に対する圧接固定力が作用する。この状態で成形樹脂８にはボルト軸力が伝達されていないため、成形樹脂８は樹脂クリープとなる影響を受けずに冷却器５への固定が可能となる。

上記状態から更にボルト軸力による締結力を増加すると、カラー９の小径部１３が押し下げられるに伴い、ダイヤフラム部１５に変形を生じる。このボルト軸力がダイヤフラム部１５に復元力が残存するカラー９の座屈強度以下であれば、ボルト４の締結高さバラツキ等が問題となる場合の高さ調整が可能である。

図７に示すように、さらに締結力を増加し、変形後のダイヤフラム部１５の復元が不可能なカラー９の座屈強度以上になると、ダイヤフラム部１５が大きく塑性変形することにより完全に小径部１３が大径部１４の内部に埋没し、ボルト４の頭部４ａが大径部１４とも接触する。これにより、ボルト４の頭部４ａとカラー９との接触部の接触面積が増加して安定的なボルト軸力が主として大径部１４に伝達され、ヒートスプレッダ６の放熱面６ｓを冷却器５に確実に圧接固定することができる。

このとき、図８に示すように、ヒートスプレッダ６にある貫通穴１１を中心として、冷却器５の接触面となる上面に対し、各ヒートスプレッダ６が上方向に少し浮いており形状のものを使用すると、ボルト４の締結により放熱面６ｓが、冷却器５の上面に均一に接触させることができる。

図７や図８で示す状態でも、ボルト４の頭部４ａの座面は成形樹脂８に積極的に接触しないため、樹脂クリープによる軸力の減少を防止することができる。

上述したように、実施の形態１の半導体装置において用いているカラー９は、大径部１４及び小径部１３順で直径が短くなる立設状態において正面視凸形状を呈している。このような構造のカラー９の小径部１３内にボルト４の軸部４ｂを挿入しボルト４の頭部４ａが小径部１３の上端に接触した状態で、ボルト４の軸方向への締結力であるボルト軸力を付与してボルト４の軸部Ｒｂを支持基体である冷却器５に固定するボルト取付作業が行える。

この際、成形樹脂８と小径部１３との間には、大径部１４と小径部１３の半径の差に相当するダイヤフラム部１５が水平方向に延びる形成距離が設けられるため、ボルト４の頭部４ａの成形樹脂８の上面への接触を回避しつつ上記ボルト取付作業が行える。

その結果、上記ボルト取付作業後において、成形樹脂８からの樹脂クリープの発生を抑制した品質の良い半導体装置を得るとともに、ボルト４による押圧によりカラー９から放熱板であるヒートスプレッダ６を加圧することができるため、冷却器５上にヒートスプレッダ６が安定性良く圧接固定した半導体装置を得ることができる。したがって、実施の形態１の半導体装置は半導体素子１からの放熱を効率的に行うことができるため、半導体素子１の長寿命化を図ることができる。

また、従来のように、皿ばね座金１０を設ける必要は無く、図８に示す様なヒートスプレッダ６，６構造に対して１箇所のボルト４により締結により半導体装置を得ることができるため、半導体装置全体の小型化を図ることができる。

さらに、カラー９は、冷却器５へのボルト４による固定時にダイヤフラム部１５が小径部１３内に埋め込まれる態様で塑性変形する座屈可能な特性を有している。

例えば、カラー９がアルミ材（A1050）で形成されている場合、その耐力は２０Ｎ／ｍｍ^２であるため、上記ボルト取付作業時におけるボルト軸力で発生してダイヤフラム部１５にかかる応力を１００Ｎ／ｍｍ^２と想定すれば、カラー９は上記ボルト取付作業時に座屈する。

したがって、上記ボルト取付作業時において、上記ボルト軸力の増大に伴い、ボルト４の頭部４ａによる小径部１３への押圧力が増大すると、ダイヤフラム部１５が大径部１４に埋没するように塑性変形して、ボルト４の頭部４ａとの接触領域として大径部１４の上部も加わる。その結果、ボルト４の頭部４ａとカラー９との接触面積が増大するため、より安定した状態でヒートスプレッダ６を冷却器５に固定することができる。

加えて、成形樹脂８の形成高さに変動があっても、上記ボルト取付作業時における上述したダイヤフラム部１５の塑性変形によってカラー９の形成高さを変更することにより、高さ調整することができる。

（カラー９の抜け止め構造）
図９はカラー９に施された抜け止め、ならびに回り止めの構造を示す説明図である。同図(a) に示すカラー９Ａは、カラー９の大径部１４に代えて、大径部１４Ａを設けた点で異なっている。大径部１４Ａは、下部において外周面から外部に突出したアンダーカット形状部１６をさらに有している点が大径部１４と異なっている。

図１０は成形樹脂８の形成後のカラー９Ａの断面構造を示す断面図である。同図に示すように、成形樹脂８内にアンダーカット形状部１６の一部が埋め込まれるため、装置完成後におけるカラー９Ａの貫通穴１１からの脱落や上記ボルト取付作業時におけるカラー９Ａの空転を確実に回避することができる。なお、アンダーカット形状部１６の形状は図９(a) 及び図１０で示した構造に限らず、突起や溝等により、カラー９が貫通穴１１から抜け出にくい構造を採用することにより代用可能である。

図９(b)で示すカラー９Ｂは、カラー９の大径部１４に代えて、大径部１４Ｂを設けた点が異なっている。大径部１４Ｂの外周部側面にローレット形状を呈していることを特徴としている。このような構造のカラー９Ｂは、大径部１４Ｂにおけるローレット形状の外周面によって、装置完成後におけるカラー９Ｂが貫通穴１１からの脱落やボルト取付作業時におけるカラー９Ｂの空転を回避することができる。

図９(c)で示すカラー９Ｃは、カラー９の大径部１４に代えて、大径部１４Ｃを設けた点が異なっている。大径部１４Ｃの外周部側面に垂直方向に沿ってスプライン形状を呈していることを特徴としている。このような構造のカラー９Ｃは、大径部１４Ｃにおけるスプライン形状の外周面によって、装置完成後におけるカラー９Ｃが貫通穴１１からの脱落やボルト取付作業時におけるカラー９Ｃの空転を回避することができる。

なお、実施の形態１の半導体装置は、トランスファモールド型半導体装置の例であったが、全く同様にして、図１７で示したケース型の半導体装置の放熱部材２であるベース板７に適用しても良い。すなわち、図１７のカラー２９に代えてカラー９（あるいは９Ａ〜９Ｃ，図３で示した構造）を設けて実施の形態１と同等な半導体装置を構成しても良い。

このように、図９及び図１０で示すカラー９Ａ〜９Ｃは、その大径部１４Ａ〜１４Ｃは、貫通穴１１からの抜け出しを禁止あるいは抑制する抜き止め部分（アンダーカット形状部１６，ローレット形状の外周面，あるいはスプライン形状の外周面）を有している。このため、カラー９Ａ〜９Ｃの貫通穴１１への挿入後における貫通穴１１からカラー９Ａ〜９Ｃが抜け出す現象、あるいは上記ボルト取付時におけるカラー９Ａ〜９Ｃが貫通穴１１で空転する現象を効果的に防止することができる。

＜実施の形態２＞
（構成）
図１１は実施の形態２であるトランスファモールド型の半導体装置の構造を示す断面図である。同図に示すように、冷却器５の表面とヒートスプレッダ６の放熱面６ｓとの接触状態を良好にするため、熱伝導性の高い潤滑剤であるサーマルグリス１７を塗布して、半導体装置を固定している。

そして、実施の形態２の半導体装置には、実施の形態１のカラー９に代えて、カラー９Ｘを用いたことを特徴としている。ヒートスプレッダ６上に絶縁体１２を介して形成されるカラー９Ｘを座屈強度の強い材質、例えば、ばね類記号「SUS301/304−CSP」のばね用ステンレス鋼帯を使用していることを特徴としている。

例えば、カラー９がステンレス材（SUS304）で形成されている場合、その耐力は２０５Ｎ／ｍｍ^２であるため、上記ボルト取付作業時におけるボルト軸力で発生してダイヤフラム部１５にかかる応力を１００Ｎ／ｍｍ^２と想定すれば、カラー９Ｘは上記ボルト取付作業時に座屈することはない。

なお、他の構成は、図１及び図２で示した実施の形態１と同様であるため、適宜、同一符号を付して説明を省略する。

（動作・作用、効果）
実施の形態１で用いたカラー９は、ダイヤフラム部１５は容易に変形することによる座屈が可能な構造であったが、上述したように、カラー９Ｘを屈曲強度の強い材質で形成することにより、ダイヤフラム部１５が変形しても弾性変形に留まり、その弾性力により復元性（ばね性）を有する。すなわち、カラー９Ｘが完全に座屈するまでの変形領域を広げて使用することが可能となり、上記ボルト取付作業時においてもカラー９Ｘは座屈しないように構成される。

実施の形態２のトランスファモールド型半導体装置において、ヒートスプレッダ６下にサーマルグリス１７を塗布し、カラー９Ｘを貫通したボルト４を用いて実施の形態１と同様にボルト取付作業を実施することにより、ヒートスプレッダ６の放熱面６ｓが冷却器５の上面に圧接される。このとき、粘性の高いサーマルグリス１７を使用した場合、この状態でサーマルグリス１７が経時変化によりなじんだ場合、ボルト４の頭部４ａ，冷却器５間の締結間距離が長くなることで、ボルト４の軸力が低下することも考えられる。

図１２は実施の形態２による半導体装置におけるボルト取付作業の状況を示す説明図である。

実施の形態２おいて、カラー９Ｘの座屈強度を実施の形態１のカラー９に比べて上げることにより、上記ボルト取付作業時においてもダイヤフラム部１５の反力を維持することができ、サーマルグリス１７になじみが発生した場合でも、ダイヤフラム部１５の復元力である反力Ｆ９によりボルト４の軸力による押圧力Ｆ１７との均衡が確保され、ボルト４の頭部４ａ，冷却器５間の締結間距離を一定にして、図１２に示すような安定的な固定状態とすることができる。

このように、実施の形態２の半導体装置は、カラー９Ｘの材質を座屈強度の高い座屈しない構造にすることにより、ダイヤフラム部１５の変形を永久的な塑性変形でなく、復元変形に留めることができる。その結果、ボルト軸力と反対方向にカラー９Ｘのダイヤフラム部１５による復元力を生じさせることにより、ボルト４の頭部４ａとの接触面となる座面のへたり等をなくすことにより、安定した状態で放熱板，支持基体間の固定状態が維持できる。

なお、実施の形態２の半導体装置は、トランスファモールド型半導体装置の例であったが、全く同様にして、図１７で示したケース型の半導体装置の放熱部材２であるベース板７に適用しても良い。すなわち、図１７のカラー２９に代えてカラー９Ｘを設けて実施の形態２と同等な半導体装置を構成しても良い。

＜実施の形態３＞
（構成）
図１３は一体成形されたトランスファモールド型、およびケース型の半導体装置の複数個所にボルト４による締結を実施する場合の半導体装置の断面構造を示す断面図である。実施の形態３の半導体装置は、複数の貫通穴１１、及び複数の貫通穴１１に対応する複数のカラー９が存在し、複数のカラー９に対応する複数のボルト４が上記ボルト取付作業によって取り付けられる点を除き、実施の形態１の半導体装置と同様である。

トランスファー型半導体装置において、半導体素子１が搭載された、複数のヒートスプレッダ６に設けられた複数の貫通穴１１に対応して複数のカラー９が設けられており、複数のカラー９が成形樹脂８によって封止されている。図１３に示すように、成形後の成形樹脂８の樹脂収縮などによって、成形樹脂８において複数のカラー９の周辺領域である複数の締結部周辺領域間で形成高さが変動している場合や、意図的に複数の締結部周辺領域間の厚みを変更している場合がある。

（動作・作用、効果）
図１３に示すように、成形樹脂８における複数の締結部周辺領域間で形成高さが変動している場合、カラー９をボルト４で締結する上述したボルト取付作業を実行すると、複数の締結部周辺領域間の形成高さ違いは、ダイヤフラム部１５が変形することにより、カラー９の高さ調整により吸収されるため、複数の締結部周辺領域間で形成高さ調整のための切削処理や、複数の締結部周辺領域の形成高さに合わせて形成高さが異なる複数のカラー９を準備する必要がない。

図１４は実施の形態３の半導体装置におけるボルト取付作業の状況を示す説明図である。図１４に示すように、複数のカラー９にそれぞれにおける大径部１４の大径部外径φＬ（複数のカラー９間で同一）をボルト４の頭部４ａの径（頭径）（複数のボルト４間で同一）より長くすることにより、ダイヤフラム部１５を永久変形させカラー９を完全に座屈させたときに、ボルト４の頭部４ａが貫通穴１１内に収まるため、ボルト４の成形樹脂８に干渉させることなく上記ボルト取付作業が可能となり、更に良好な締結状態とすることができる。

実施の形態３の半導体装置において、複数のカラー９それぞれの大径部１４の大径部外径φＬはそれぞれ複数のボルト４の頭部４ａの直径（第３の直径）より長く設定されている。

したがって、実施の形態３の半導体装置において、上記ボルト取付作業を複数のカラー０（複数の貫通穴１１）に対して行う際、成形樹脂８において複数の貫通穴１の周辺領域である複数の締結部周辺領域間に厚み（形成高さ）にバラツキが生じた場合に、複数のカラーのそれぞれのダイヤフラム部１５の変形によって上記複数の締結部周辺領域間の厚みのバラツキを吸収することができ、かつ、ボルト４の頭部４ａが貫通穴１１の内部に埋没しても、ボルト４の軸部４ｂの回転が可能なため、各々が同一長さの複数のカラー９を使用しても確実に上記ボルト取付作業が行える。

なお、実施の形態３の半導体装置は、トランスファモールド型半導体装置の例であったが、全く同様にして、図１７で示したケース型の半導体装置の放熱部材２であるベース板７に適用しても良い。すなわち、図１７の単一のベース板７に設けられた複数の貫通穴１１に対応する複数のカラー２９に代えて複数のカラー９を設けて実施の形態３と同等な半導体装置を構成しても良い。

＜実施の形態４＞
（構成）
半導体素子１として、シリコンカーバイトを主とする半導体素子を用いたのが実施の形態４の半導体装置である。なお、半導体素子１を除く半導体装置の構造自体は実施の形態１〜実施の形態３のいずれであっても良い。

（動作・作用、効果）
シリコンカーバイトを主とする半導体素子１を有する半導体装置は、より高温での作動が可能であることを特徴としている。すなわち、実施の形態１〜実施の形態３の構造を有する半導体装置を用いれば、高温動作する半導体素子１を設けた場合においても、樹脂クリープを低減し安定した固定状態を確保することができるので、より信頼性の優れた半導体装置を得ることができる。

＜製造方法の説明＞
半導体装置の樹脂ケース筐体の成形、ならびにトランスファーによる樹脂封止をする際にインサート成形によりカラーを同時に組込むことが可能である。後者のトランスファー型の半導体装置の成形方法を中心に説明する。

図１５は成形樹脂８を設ける樹脂封止工程を示す説明図である。以下、同図を参照して、実施の形態１の半導体装置における成形樹脂８の形成方法を代表して説明する。

（第１の工程）
半導体素子１が搭載されたヒートスプレッダ６に設けられた貫通穴１１の中心にカラー９の大径部１４が位置するように、下金型であるキャビティプレート１８側のガイドピン１９を用いてカラー９が位置決め配置される。

（第２の工程）
上金型となるコアプレート２０が移動しキャビティプレート１８の上面とカラー２９の下面とが接触するとき、カラー９のダイヤフラム部１５がコアプレート２０の下面に接触する。このとき、ヒートスプレッダ６とカラー９は金型（キャビティプレート１８，コアプレート２０）の型締めにより圧縮され、絶縁体１２を介して密着状態となる。

（第３の工程）
成形樹脂８用の封止樹脂がキャビティプレート１８，ガイドピン１９間に形成されるキャビティＲ８内に注入充填され、封止樹脂を硬化させることにより成形樹脂８が得られる。

（第４の工程）
コアプレート２０が上部へ移動し、キャビティＲ８内の半導体装置が、エジェクタピン２１により突き出されて、取り出されることにより成形樹脂８の成形工程が完了する。

（第５の工程）
その後、モールド樹脂を完全硬化させるための過熱工程を経て、冷却器５を設け、タイバーなどのフレームの余分な部分を切断、バリの削除、端子成形、製品テストを実施して製品としての実施の形態１の半導体装置が完成する。

なお、実施の形態２〜実施の形態４の半導体装置も、上述した第１〜第５の工程を経て製造することができる。

（動作・作用、効果の説明）
上記、第２の工程において、ヒートスプレッダ６の厚みやカラー９の形成長にバラツキが発生する可能性がある。

図１６は実施の形態の効果説明用の説明図であり、カラー９に代えて同一直径の円筒形カラー９０を設けた場合の仮想の樹脂封止工程を示す説明図である。同図に示すように、カラー９０とコアプレート２０の下面との接触面積が小さいため、完全な密封状態をつくる時は、カラー９の接触面を変形させることを前提としてカラー９０を圧接する必要がある。この場合、部品であるカラー９０の破損やコアプレート２０の磨耗などが発生しやすくなる。

一方、図１５に示すように、本実施の形態の構造のカラー９を使用することにより、カラー９とコアプレート２０の下面が接触する際に、水平方向に延びるダイヤフラム部１５が接触する分、接触面積を広げ、かつ接触時に変形してカラー９の高さやヒートスプレッダ６の厚みのバラツキを吸収することが可能となり、安定した密封状態が得られる。

このように、本実施の形態（実施の形態１〜実施の形態４）の半導体装置をカラー９（９Ａ〜９Ｃ，９Ｘ）は、ダイヤフラム部１５の表面には成形樹脂８が形成されていない構造を呈している。

したがって、本実施の形態の半導体装置の製造工程時において、カラー９を配置後に、成形樹脂８を形成するインサート成形の際、ダイヤフラム部１５の表面上に樹脂封止用の金型であるコアプレート２０に接触させてキャビティＲ８を設けた後、キャビティＲ８内に樹脂を充填することにより、成形樹脂８を得ることができる。

すなわち、キャビティＲ８への樹脂の充填時におけるカラー９内部への樹脂流入防止処理を、カラー９においてダイヤフラム部１５の表面上に接触させたコアプレート２０を用いて行うことができるため、コアプレート２０を接触面積が小さいカラー９０の端部で接触させる場合と異なり、コアプレート２０とカラー９との間で比較的広い接触面積が確保できる。

その結果、成形樹脂８の形成時にカラー９内部に樹脂の侵入を効果的に抑制することができる効果を奏する。この際、樹脂封止用の金型であるコアプレート２０とダイヤフラム部１５の表面との接触面に多少の高さ変動があっても、ダイヤフラム部１５が変形することにより吸収することができる。

さらに、ガイドピン１９の上部によって、カラー９の小径部１３の位置決めを行い、ガイドピン１９の下部によってヒートスプレッダ６の位置決めを行うことにより、ガイドピン１９によって、ヒートスプレッダ６とカラー９の小径部１３とを同時に位置決めできるため、成形後の位置ずれがより小さくできる効果を奏する。

これらの効果により、成形後のカラー９への樹脂バリを防止することができ、後工程の作業低減にも有効であり、作業簡略化に伴い生産工程自体の環境負荷低減を図ることができる。

なお、上述した製造方法は、トランスファモールド型半導体装置の例であったが、全く同様にして、図１７で示したケース型の半導体装置の製造方法でも同様に行われ、同様な効果を奏する。例えば、実施の形態１の半導体装置を製造する場合、図１７のカラー２９に代えてカラー９（あるいは９Ａ〜９Ｃ，図３で示した構造）を設けた実施の形態１と同等なケース型の半導体装置を構成しても良い。ケース型半導体装置は一般的に複数点箇所の締結が多い点から、本製造方法は有効である。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１半導体素子、４ボルト、６ヒートスプレッダ、８成形樹脂、９，９Ａ〜９Ｃ，９Ｘカラー、１３小径部、１４大径部、１５ダイヤフラム部、１７サーマルグリス。

Claims

支持基体と、
前記支持基体上に設けられる放熱板と、
前記放熱板上に設けられる半導体素子と、
前記支持基体上に形成される成形樹脂部と、
前記成形樹脂部の一部を貫通して前記支持基体に到達するように設けられた貫通穴と、
前記貫通穴の内部に設けられるカラーとを備え、前記カラー内にボルトの軸部を挿入して前記支持基体に前記ボルトを取り付けることができ、
前記カラーは、
内部が中空で第１の直径を有し、前記放熱板上に設けられる筒状の大径部と、
前記大径部の上方に位置し、内部が中空で前記第１の直径より短い第２の直径を有する筒状の小径部と、
前記大径部の上端と前記小径部の下端とを接続し、水平方向に延びて形成され平面視円環状の接続部とを備え、前記接続部の形成距離は前記大径部の膜厚以上である、
半導体装置。
請求項１記載の半導体装置であって、
前記カラーは、前記支持基体への前記ボルトによる固定時に前記接続部が大径部内に埋没する態様で塑性変形することを特徴とする、
半導体装置。
請求項１または請求項２記載の半導体装置であって、
前記カラーの大径部は前記貫通穴からの抜け出しを禁止あるいは抑制する抜き止め部分を一部に有することを特徴とする、
半導体装置。
請求項１または請求項３記載の半導体装置であって、
前記カラーは、前記支持基体への前記ボルトによる固定時に前記接続部が弾性変形することを特徴とする、
半導体装置。
請求項２から請求項４のうち、いずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記貫通穴は複数の貫通穴を有し、
前記カラーは前記複数の貫通穴に対応する複数のカラーを有し、
前記ボルトは前記複数のカラーに対応する複数のボルトを有し、
前記複数のカラーの大径部それぞれの前記第１の直径はそれぞれ前記複数のボルトの頭部それぞれの直径である第３の直径より長いことを特徴とする、
半導体装置。
請求項１から請求項５のうち、いずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記接続部の表面には前記成形樹脂部が形成されていないことを特徴とする、
半導体装置。
請求項１から請求項６のうち、いずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記カラーの大径部の平面視形状と
前記貫通穴の平面視形状とが互いに合致した形状で形成される、
半導体装置。
請求項１から請求項７のうち、いずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記半導体素子はシリコンカーバイトを主たる成分として含む、
半導体装置。