JP6459418B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。

図１３は、半導体モジュール５１、プリント基板５２およびヒートシンク５３を一体化した従来の半導体装置５００の側面図である。

この半導体装置５００は、半導体モジュール５１、プリント基板５２、ヒートシンク５３および接合部材である金属ネジ５４，５５を備える。第１の金属ネジ５４はプリント基板５２と半導体モジュール５１を固定し、第２の金属ネジ５５は半導体モジュール５１に設置した留め金５１ｂを用いて半導体モジュール５１とヒートシンク５３を固定する。また、半導体モジュール５１を構成する外部端子である金属ピン５１ａはプリント基板５２の図示しない回路配線にはんだなどで固定される。

特許文献１には、半導体モジュールの上面にプリント基板が、下面にヒートシンクが固定されている半導体装置が記載されている。この半導体装置において、円錐形状のプラスチックで構成された接合部材を半導体モジュールに設けたダボスを介して貫通させ、接合部材の下端を圧入することにより、プリント基板、半導体モジュールおよびヒートシンクをまとめて固定することが記載されている。

また、特許文献２には、半導体モジュールの上面にプリント基板が、下面にヒートシンクが固定されている半導体装置において、円錐形状の弾性体で構成された係着ピンをプリント基板に圧入してプリント基板と半導体モジュールを固定することが記載されている。

特開２０１１−２５４０６５号公報 実開昭６１−２０７０７２号公報

しかし、図１３の半導体装置５００では、第１の金属ネジ５４でプリント基板５２と半導体モジュール５１、第２の金属ネジ５５で半導体モジュール５１とヒートシンク５３を固定している。そのために、金属ネジの締め付けトルクや回転速度を管理する工程が必要になり、さらに、仮締めした後で本締めするなど組立工数が多い。

また、前記特許文献１では、ダボス部を介して接続部材により半導体モジュール、プリント基板、ヒートシンクの各構成部材を一体化させている。しかし、接続部材が円錐形をしているため、振動等の負荷が加わると接続部材がダボス部で弛み、接続部材が上方に抜けるなどの不具合が生じる場合がある。この場合、プリント基板、半導体モジュールおよびヒートシンクの各構成部材の接合が弛んで不安定になる可能性がある。

また、前記特許文献２には、プリント基板、半導体モジュールおよびヒートシンクを一括して接続することについては記載されていない。

この発明の目的は、前記の課題を解決して、振動等の負荷が加わっても半導体モジュール、プリント基板およびヒートシンクの各構成部材の接合が安定であり、さらに、組立工数を削減ができる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。

前記の目的を達成するために、第１の発明の態様によれば、一方の面から突出する外部端子を有する半導体モジュールと、該半導体モジュールの外部端子に電気的かつ機械的に接続されるプリント基板と、前記半導体モジュールの前記一方の面とは反対側の面に接するヒートシンクと、一端に錐台状の第１頭部を有し、他端に第２頭部を有する伸縮支持柱であり、前記第１頭部及び前記第２頭部により前記半導体モジュール、前記プリント基板および前記ヒートシンクを一体化させる接合部材と、を備え、
前記接合部材が、弾性体であり、
前記接合部材の硬度が、ＨＶ３０〜ＨＶ７０（ＪＩＳ Ｋ６５２３基準）である半導体装置。

第２の発明の態様において、一方の面から突出する外部端子を有する半導体モジュールと、プリント基板と、ヒートシンクと、一端に錐台状の第１頭部を有し、他端に錐台状の第２頭部を有する伸縮支持柱である接合部材とを準備する工程と、前記半導体モジュールの前記外部端子に前記プリント基板を電気的かつ機械的に接続する工程と、前記半導体モジュールの他方の面に前記ヒートシンクを当接する工程と、前記半導体モジュール、前記プリント基板、前記ヒートシンクにそれぞれ一直線上に配置された複数の貫通孔に前記接合部材を伸長させながら挿入する工程と、前記接合部材の圧縮力を用いて、前記接合部材の前記第１頭部および前記第２頭部で前記半導体モジュール、前記プリント基板、前記ヒートシンクを挟み込み固定する工程と、を有する半導体装置の製造方法にする。

この発明により、振動等の負荷が加わっても各構成部材の接合が安定であり、さらに、工数削減ができる半導体装置およびその製造方法を提供することができる。

第１の実施の形態の半導体装置１００の構成図である。 図１（ｂ）のＡ部の拡大図である。 接合部材４の構成図である。 第２の実施の形態の半導体装置１００の製造工程断面図である。 図４に続く、第２の実施の形態の半導体装置１００の製造工程断面図である。 図５に続く、第２の実施の形態の半導体装置１００の製造工程断面図である。 図６に続く、第２の実施の形態の半導体装置１００の製造工程断面図である。 図７に続く、第２の実施の形態の半導体装置１００の製造工程断面図である。 図８に続く、第２の実施の形態の半導体装置１００の製造工程断面図である。 図９に続く、第２の実施の形態の半導体装置１００の製造工程断面図である。 図１０に続く、第２の実施の形態の半導体装置１００の製造工程断面図である。 第２治具８の構成図である。 従来の半導体装置５００の側面図である。

（実施の形態１）
図１は、この発明に係る第１の実施の形態の半導体装置１００の構成図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図である。ここでは図１（ａ）は半導体装置１００を構成するプリント基板２を示した。

この半導体装置１００は、半導体モジュール１、プリント基板２、ヒートシンク３および伸縮支持柱である接合部材４を備える。

半導体モジュール１には貫通孔１ａが配置され、プリント基板２とヒートシンク３にもこの貫通孔１ａに対応する貫通孔２ａ，３ａが配置されている。半導体モジュール１の樹脂ケース１ｂの一方の面（図では上面）から突出した複数の外部端子１ｃは、対応する位置に配置されたプリント基板２の小孔２ｂに挿入される。そして、外部端子１ｃと小孔２ｂをはんだ接合することで、プリント基板２が半導体モジュール１に固定されるとともに、半導体モジュール１とプリント基板２が電気的に接続される。前記の貫通孔１ａは半導体モジュール１を構成する樹脂ケース１ｂの周辺部に配置される。柱状の接合部材４の両端には、第１頭部４ａおよび第２頭部４ｂが付いている。

そして、これらの貫通孔１ａ，２ａ，３ａに接合部材４が挿通され、接合部材４が圧縮することで、第１頭部４ａおよび第２頭部４ｂで挟まれた半導体モジュール１、プリント基板２およびヒートシンク３は一括で固定され、一体化される。

図２は、図１（ｂ）のＡ部の拡大図である。半導体モジュール１の樹脂ケース１ｂには図示しない半導体チップが収納され、樹脂ケース１ｂの例えば四隅には固定用の貫通孔１ａが配置されている。

プリント基板２には樹脂ケース１ｂの貫通孔１ａに対応する固定用の貫通孔２ａが配置されている。また、プリント基板２に配置された多数の小孔２ｂに外部端子１ｃを挿入しはんだ接合することで、プリント基板２の図示しない回路配線にこれらの外部端子１ｃは接続される。尚、図中の符号で２ｃはプリント基板２の上面、２ｄはプリント基板２の裏面を示す。

ヒートシンク３には樹脂ケース１ｂの貫通孔１ａに対応する固定用の貫通孔３ａが開いている。そして、半導体モジュール１の樹脂ケース１ｂの外部端子１ｃが突出する面の反対側の面（図では下面）に、ヒートシンク３を当接させる。この際、前記の貫通孔１ａ，２ｂ，３ｃの中心がほぼ一直線になるように配置する。次に、プリント基板２の貫通孔２ａ、半導体モジュール１の貫通孔１ａおよびヒートシンク３の貫通孔３ａに接合部材４を第１頭部４ａ側から伸長させながら挿入する。その後、接合部材４が圧縮力Ｆにより縮まることで、プリント基板２、半導体モジュール１およびヒートシンク３が接合部材４の第１頭部４ａ及び第２頭部４ｂで挟み込まれて固定される。なお、本実施形態においては、外部端子１ｃのプリント基板との接合部分に突起部１ｃａが設けられている。これにより、プリント基板２が機械的に支えられるため、前記の圧接力Ｆで外部端子１ｃとプリント基板２との間のはんだ接合が剥離することを効果的に防止することができる。

尚、図中の符号において、ｄ１は第１頭部４ａの先端４ｆの直径、ｄ２は第１頭部４ａの底面４ｄの直径、ｄ３はプリント基板２の貫通孔２ａの直径、ｄ４は接合部材４の棒状部４ｃの直径、ｄ５は半導体モジュール１の貫通孔１ａの直径、ｄ６はヒートシンク３の貫通孔３ａの直径、ｄ７は第２頭部４ｂの底面４ｅの直径、ｄ８はヒートシンク３の穴３ｂの直径である。

また、Ｌ１は取り付け前の接合部材４の棒状部４ｃの自由長、Ｌ２は取り付け後の接合部材４の棒状部４ｃの長さ、Ｌ３は取り付け前の接合部材４の自由長、Ｌ４は取り付け前のプリント基板２の上面２ｃからヒートシンク３の段差部３ｃまでの自由長である。なお、取り付け前の状態では、半導体モジュール１の裏面１ｄとヒートシンク３の上面３ｅには隙間５が形成されている。そして、Ｌ５は取り付け後のプリント基板２の上面２ｃからヒートシンク３の段差部３ｃまでの長さである。なお、取り付け後の状態では、半導体モジュール１の裏面１ｄとヒートシンク３の上面３ｅの間の隙間５は無くなり、裏面１ｄと上面３ｅは圧接されている。

図３は、伸縮支持柱である接合部材４の構成図であり、同図（ａ）は上面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図である。接合部材４は弾性体で構成され、棒状部４ｃ及び棒状部４ｃの一端に配置される錐台状の第１頭部４ａ、及び第２頭部４ｂを備えている。尚、図中の符号で４ｈは第１頭部４ａのテーパー部（錐体面）である。なお、本実施の形態においては、第２頭部４ｂも第１頭部４ａと同様の錐台状であるが、第２頭部４ｂは第１頭部４ａのように貫通孔１ａ，２ａ，３ａに挿通されないため、必ずしも錐台状である必要は無い。第２頭部４ｂは、底面の直径ｄ７が棒状部の直径ｄ４およびヒートシンク３の貫通孔３ａの直径ｄ６より大きく、かつヒートシンク３の穴３ｂに収納可能であれば、どのような形状でもよい。

また、本実施の形態においては、第１頭部４ａが円錐台の場合を示しているが、四角錐台であってもよい。その場合は貫通孔１ａ，２ａ，３ａの平面形状を円形ではなく四角形にするとよい。

接合部材４は、その硬度をＨＶ３０〜ＨＶ７０（ＪＩＳ Ｋ６５２３基準）の範囲にすると好ましい。ＨＶ３０未満では、柔らか過ぎて十分な圧縮力が得られず、またＨＶ７０超では、硬すぎて貫通孔２ａ，３ａに挿入し難く、接合が困難になるからである。また、接合部材４の材質としては、例えば、消しゴムより硬い材質で、タイヤより柔らかい材質が好ましい。この接合部材４は、例えば液状のゴムを金型に流して、固化することで形成することができる。

本実施の形態においては、各貫通孔１ａ，２ａ，３ａ、穴３ｂおよび接合部材４の各部の直径ｄ１〜ｄ８の関係をｄ８>ｄ７>ｄ６>ｄ２>ｄ３>ｄ４、ｄ５>ｄ２、ｄ３>ｄ１にする。また各長さＬ１〜Ｌ５の関係をＬ１>Ｌ２、Ｌ４>Ｌ３、Ｌ４>Ｌ５、Ｌ２＝Ｌ５にする。これにより、接合部材４に圧縮力Ｆが発生して、プリント基板２、半導体モジュール１およびヒートシンク３を確実に固定する。その結果、振動負荷を加えても、各構成部材の接合は弛むことない。また、金属ネジの代わりに接合部材４で一括で各部材を固定することで、組立工数の削減ができる。

尚、ｄ１とｄ４の大小関係は図３では等しい場合を示したが、どちらが大きくても構わない。

また、ヒートシンク３の裏面３ｄから接合部材４の第２頭部４ｂが突出せず、裏面３ｄを平坦に維持することができる。そのため、ヒートシンク３の裏面３ｄにさらなる冷却体などの部材を追加する場合に、追加された部材をヒートシンク３に確実に接合して配置することができる。
（実施の形態２）
図４〜図１１は、この発明に係る第２の実施の形態の半導体装置１００の製造方法であり、工程順に示した製造工程断面図である。

まず、図４において、半導体モジュール１の外部端子１ｃをプリント基板２の小孔２ｂに差し込んではんだなどで固定する。外部端子１ｃはプリント基板２の図示しない回路配線に接続する。また本実施形態においては、外部端子１ｃに突起部１ｃａが設けられている。これにより、外部端子１ｃの軸方向におけるプリント基板２の位置合わせを容易にすることが可能となる。

つぎに、図５において、ヒートシンク３の貫通孔３ａに接合部材４の第１頭部４ａを下から上方に向かって貫通させる。ヒートシンク３の裏面３ｄ側には穴３ｂが配置され、穴３ｂの中心部に穴３ｂの直径より小さく、上面３ｅまで貫通する貫通孔３ａが配置される。そして、穴３ｂと貫通孔３ａの接続部に段差部３ｃが形成される。この段差部３ｃに第２頭部４ｂの底面４ｅが接触するため、第２頭部４ｂは上方へは抜けない。また、穴３ｂの深さを第２頭部４ｂが埋没する深さにして、第２頭部４ｂが底面３ｄから突出しないようにする。

つぎに、図６において、支持台６にヒートシンク３と接合部材４を載置する。このとき第２頭部４ｂの先端４ｇは支持台６の凸部６ａの先端６ｂに接触し、接合部材４はほぼ垂直に配置される。

つぎに、図７において、プリント基板２が固定された半導体モジュール１を上方から被せて、半導体モジュール１の貫通孔１ａに接合部材４を挿入する。そして、プリント基板２の貫通孔２ａの外周に接合部材４の第１頭部４ａのテーパー部４ｈを接触させる。またこの際、半導体モジュール１の裏面１ｄとヒートシンク３の上面３ｅの間には隙間５が形成される。

つぎに、図８において、プリント基板２の上面２ｃに第１治具７を載置し、第２治具８の取っ手部８ａを支持台６に載置する。このとき第２治具８を、その半円筒部８ｂが接合部材４の棒状部４ｃの第１頭部４ａ近傍を包むように配置する。図１２は第２治具８の構成図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図である。第２治具８は取っ手部８ａと半円筒部８ｂで構成される。取っ手部８ａを介して半円筒部８ｂに接合部材４を伸ばす力が伝達される。

つぎに、図９において、第１治具７と第２治具８の間隔Ｔを狭めて、接合部材４の棒状部４ｃを上方へ伸長させ、第１頭部４ａをプリント基板２の貫通孔２ａに挿通させる。このとき、弾性体である第１頭部４ａは縮まり、貫通孔２ａを通過した後、膨張して元の形状に戻る。また、第２頭部４ｂの底面４ｅがヒートシンク３の段差部３ｃに接触し、ヒートシンク３は持ち上げられる。ヒートシンク３の裏面３ｄは支持台６から離れ、ヒートシンク３の上面３ｅと半導体モジュール１の裏面１ｄは密着する。ヒートシンク３と半導体モジュール１が密着した後も、接合部材４は半円筒部８ｂにより第１頭部４ａが貫通孔２ａを通過するまで上方へ伸ばされ、ヒートシンク３の上面３ｅと半導体モジュール１の裏面１ｄは圧接される。

つぎに、図１０において、第２治具８を元の位置に戻す。このとき、接合部材４は縮まり圧縮力Ｆが発生する。この圧縮力Ｆにより、プリント基板２、半導体モジュール１およびヒートシンク３は一体化され、弛むこと無く安定に固定される。なお、本実施の形態においては、外部端子１ｃに突起部１ｃａが設けられているため、圧縮力Ｆにより外部端子１ｃとプリント基板２との間の接合が剥離することは無い。

つぎに、図１１において、第１治具７をプリント基板２から外し、第２治具８を接合部材４から外して、プリント基板２、半導体モジュール１およびヒートシンク３が接合部材４で一体化された半導体装置１００が完成する。

この実施の形態２によれば、接合部材４の第１頭部４ａをプリント基板２およびヒートシンク３のそれぞれの貫通孔２ａに貫通させるだけで、プリント基板２、半導体モジュール１およびヒートシンク３を固定できる。そのため、ネジ方式に比べてトルク管理などが必要なく工程が単純になり工数の削減ができる。

１ 半導体モジュール
１ａ 貫通孔
１ｂ 樹脂ケース
１ｃ 外部端子
２ プリント基板
２ａ 貫通孔
２ｂ 小孔
３ ヒートシンク
３ａ 貫通孔
３ｂ 穴
３ｃ 段差部
４ 接合部材
４ａ 第１頭部
４ｂ 第２頭部
４ｃ 棒状部
５ 隙間
６ 支持台
６ａ 凸部
７ 第１治具
８ 第２治具
８ａ 取っ手部
８ｂ 半円筒部

Claims (3)

1. 一方の面から突出する外部端子を有する半導体モジュールと、
   前記半導体モジュールの前記外部端子に電気的かつ機械的に接続されるプリント基板と、前記半導体モジュールの前記一方の面とは反対側の面に当接するヒートシンクと、
   一端に錐台状の第１頭部を有し、他端に第２頭部を有する伸縮支持柱であり、前記第１頭部及び前記第２頭部により前記半導体モジュール、前記プリント基板および前記ヒートシンクを一体化させる接合部材と、を備え、
   前記接合部材が、弾性体であり、
   前記接合部材の硬度が、ＨＶ３０〜ＨＶ７０（ＪＩＳ Ｋ６５２３基準）である半導体装置。
2. 前記ヒートシンクの前記半導体モジュールと当接する面の反対側の面に、前記接合部材の前記第２頭部が埋没される穴が備わっている請求項１に記載の半導体装置。
3. 一方の面から突出する外部端子を有する半導体モジュールと、プリント基板と、ヒートシンクと、一端に錐台状の第１頭部を有し、他端に錐台状の第２頭部を有する伸縮支持柱である接合部材とを準備する工程と、
   前記半導体モジュールの前記外部端子に前記プリント基板を電気的かつ機械的に接続する工程と、
   前記半導体モジュールの他方の面に前記ヒートシンクを当接する工程と、
   前記半導体モジュール、前記プリント基板、前記ヒートシンクにそれぞれ一直線上に配置された複数の貫通孔に前記接合部材を伸長させながら挿入する工程と、
   前記接合部材の圧縮力を用いて、前記接合部材の前記第１頭部および前記第２頭部で前記半導体モジュール、前記プリント基板、前記ヒートシンクを挟み込み固定する工程と、
   を有する半導体装置の製造方法。