(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース板と、
前記ベース板の一方の主面上に設けられ、絶縁基板、半導体素子及び外部端子を含む回路基板と、
前記回路基板を取り囲むように配置された筐体と、を備えた半導体装置であって、
前記ベース板はその他方の面が前記半導体装置の冷却面に露出し、
前記筐体には、その前記冷却面側に開口部を有し、側壁を有する取付け孔が設けられ、前記側壁面に開口部を有する溝が形成され、前記溝には弾性部材が収納されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記弾性部材は斜め巻コイルスプリングであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記取付け孔はさらに底面を有することを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記筐体は前記冷却面に露出しており、前記溝は前記冷却面にも開口部を有していることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワーモジュール等の半導体装置に係り、冷却フィンの取り付けを容易にする取り付け構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、内部に実装された電力半導体素子から発生する熱を外部に逃がすために、パワーモジュールはその樹脂筐体の一面（冷却面）に金属ベース板を露出させ、この冷却面を冷却フィンの取り付け面に固定して使用される。例えば特許文献１に開示されたパワーモジュールにおいては、固定部である樹脂筐体及びベース板の四隅に貫通孔を設け、これら貫通孔に金属のネジを貫通させ、筐体を冷却フィンの取り付け面に固定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−９７５８７号公報  （図６，図９）
【特許文献２】特開平５−８２６８８号公報  （図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような固定方法によれば、筐体の上面に露出したネジの頭と筐体上面に引き出された端子との間の絶縁距離を確保するため、パワーモジュールの外形が大きくなるという課題があった。また、上記固定部を樹脂のみとすると樹脂クリープによりネジが緩んでいくために、金属ベース板にも貫通孔を設け、ベース板を筐体と冷却フィンとの間に介在させ、ベース板ごとネジで固定するようにしているが、ベース板が大きくなりコストが増加するという課題が生じていた。さらに、ネジ締め加工が必要となることによる加工費の増大も課題であった。
【０００５】
また、特許文献２には半導体チップを封止するパッケージ本体の上面に、弾性部材によって放熱フィンを着脱自在に装着させた半導体集積回路装置が開示されているが、絶縁距離の確保とか小型化という課題の認識はない。
【０００６】
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、適正な絶縁距離を確保しつつ、小型化を図り、かつ冷却フィンの着脱が容易な半導体装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、この発明に係る半導体装置では、ベース板と、前記ベース板の一方の主面上に設けられ、絶縁基板、半導体素子及び外部端子を含む回路基板と、前記回路基板を取り囲むように配置された筐体と、を備えた半導体装置であって、前記ベース板はその他方の面が前記半導体装置の冷却面に露出し、前記筐体には、その前記冷却面側に開口部を有し、側壁を有する取付け孔が設けられ、前記側壁面に開口部を有する溝が形成され、前記溝には弾性部材が収納されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
上記のような構成としたため、本発明に係る半導体装置は、冷却フィンの着脱が容易であり、適正な絶縁距離を確保しつつ、その小型化を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの内部構造を示す断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】斜め巻コイルスプリングのばね力−たわみ率特性を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの変形例の内部構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜実施の形態＞
図１は本発明の実施の形態に係る半導体装置であるパワーモジュールの内部構造を示す断面図である。銅のような熱伝導性の良好な金属からなるベース板１の一方の主面上には、回路基板２が半田により固着されている。回路基板２は、銅のような導電性を有する金属からなる複数の回路パターン４が形成された絶縁基板３と、回路パターン４上に半田により固着されている複数の電力半導体素子５と、複数の電力半導体素子５間及び電力半導体素子５と他の回路パターン４との間を接続しているアルミニウムワイヤ６と、絶縁基板３の他の回路パターン４上に半田により接続されている外部端子７とから構成されている。絶縁基板３には、例えばアルミナ、窒化アルミニウム又は窒化珪素のようなセラミックスが用いられる。
【００１１】
回路基板２の周囲のベース板１上には、回路基板２を取り囲むように絶縁物である熱可塑性樹脂からなる筐体９が配置され、ベース板１と筐体９で規定される空間には、電力半導体素子５を保護するために、シリコーン樹脂又はエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を主剤とする封止剤８が充填されている。外部端子７は、外部との接続のために、その一端が封止剤８から露出している。
【００１２】
ベース板１の他方の主面は、パワーモジュールを冷却するための冷却面として外部に露出している。筐体９には、その上記冷却面側に円形の開口部を有する円筒形の取付け孔９ａが設けられている。取付け孔９ａに符合するように、ベース板１には円形の貫通孔が設けられている。取付け孔９ａには、その側壁面に開口部を有する溝９ｂが、円筒形の側壁面を取り囲むように形成されている。図２は図１のＡ−Ａ断面図を示しているが、図２に示されるように溝９ｂには弾性部材１０が収納されている。
【００１３】
冷却フィン１２はこのように構成されたパワーモジュールに取り付ける冷却器として最適である。すなわち、冷却フィン１２はその取付け面に２つの円柱形状の支柱１２ａが設けられており、その支柱１２ａと取付け孔９ａとが篏合するように、パワーモジュールを冷却フィン１２に取り付ける。支柱１２ａが取付け孔９ａに挿入されると、弾性部材１０の加圧力によりパワーモジュールは冷却フィン１２に固定される。なお、パワーモジュールのベース板１と冷却フィン１２との境界には、境界面での熱伝導性を改善するためにシリコーングリス１１を介在させている。
【００１４】
以上述べたように、本パワーモジュールでは、冷却フィン１２への固定にネジを使用していないので、パワーモジュールの冷却フィン１２への固定時におけるネジ締め工程が不要となり、製造工程の簡略化が図られている。また、支柱１２ａが取付け孔９ａに収容されているので、外部端子７と支柱１２ａとの間の絶縁距離が延長され、所定の絶縁性能を保持したまま、パワーモジュールの外形の小型化が可能となっている。
【００１５】
筐体９に設けられた取付け孔９ａは、図１に示されるように、底面９ｃを有していることが望ましい。底面９ｃが存在することにより支柱１２ａの上方の空間が筐体９により閉ざされ、外部端子７と支柱１２ａとの間の絶縁距離がさらに延長され、所定の絶縁性能を保持したまま、パワーモジュールの外形をさらに小型化できるからである。
【００１６】
弾性部材１０には、例えばバルシール社の斜め巻コイルスプリングが望ましい。図３は斜め巻コイルスプリングのばね力−たわみ率特性を示すグラフである。この斜め巻コイルスプリングは、通常のコイルスプリングと異なり、コイルを斜めに巻くことにより、コイルのスプリング反発方向を変え、例えば図３に示されるように予め設定された動作撓み範囲内でスプリング力が略一定の非線形特性を有するように、スプリング特性を変化させているので、樹脂クリープが生じても安定した加圧力を確保できる。また、多点接触によるスプリング特性の安定性を得ることができ、挿抜力の制御も容易にできる。
【００１７】
本実施の形態によれば、パワーモジュールの冷却フィンへの固定を、金属ネジによるネジ止めではなく、筐体９と冷却フィン１２の支柱１２ａとの間に印加される弾性部材１０の加圧力によることとしたため、パワーモジュールの冷却フィンへの着脱が容易で、かつ所定の絶縁性能を保持したままパワーモジュールの小型化・薄型化を図ることができる。
【００１８】
また、本実施の形態によれば、パワーモジュールの冷却フィンへの固定を、金属ネジによるネジ止めではなく、筐体９と冷却フィン１２の支柱１２ａとの間に印加される弾性部材１０の加圧力によることとしたため、樹脂クリープによるネジの緩みという問題から解放され、図４に示されるような構成をとることも可能である。図４は、本実施の形態に係るパワーモジュールの変形例の内部構造を示す断面図である。図１に示されたパワーモジュールとの相違点は、筐体９が冷却面に露出しており、ベース板１が筐体９内部に収容され、溝９ｂが冷却面にも開口部を有している点である。
【００１９】
すなわち、樹脂クリープによるネジの緩みという問題から解放されたため、ベース板１を筐体９と冷却フィン１２との間に介在させる必要がなくなる。したがって、ベース板１のサイズを縮小化が可能となり、コストの低減に寄与する。
【００２０】
また、ベース板１を筐体９内部に収容されるようにしたことにより、溝９ｂを冷却面にも開口部を有するように配設することが可能となったので、弾性部材１０の溝９ｂへの装着が容易となるという効果も奏する。
【００２１】
ベース板１の一方の主面上には、回路基板２が半田により固着されているが、銅のような金属からなるベース板１とセラミックスからなる絶縁基板３を主体とする回路基板２との線膨張係数の相違により発生する熱応力を緩和するために、回路基板２を固着したベース板１には通常反りが発生している。このようなベース板１を冷却フィン１２の平坦な取り付け面にネジにより固定すると、ベース板１の反りが矯正され、ベース板１と回路基板２との間の半田に印加される応力が増大し、ベース板１と回路基板２との間の接合の信頼性に悪影響を与える。
【００２２】
しかしながら、本実施の形態によれば、パワーモジュールの冷却フィンへの固定を、金属ネジによるベース板１のネジ止めではなく、筐体９と冷却フィン１２の支柱１２ａとの間に印加される弾性部材の加圧力によることとしたため、ベース板１の反りが矯正されることなく、ベース板１と回路基板２との間の接合の信頼性に与える悪影響は小さく、変形例のようにベース板１のサイズを縮小すると、ベース板１と回路基板２との間の接合の信頼性に与える悪影響はさらに小さくなる。
【００２３】
なお、実施の形態の説明においては、ベース板１材質は銅であったが、これに限るものではなく、熱伝導性の良好な材料、例えばアルミニウムのような他の金属、あるいはＡｌ−ＳｉＣなどのアルミニウムとセラミックスからなる複合材料であっても構わない。また、実施の形態の説明においては、半導体装置としてパワーモジュールを例にとって説明したが、パワーモジュール以外の樹脂筐体を有する半導体装置であっても、本発明の効果が発揮されることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
この発明に係る半導体装置は、交流から直流への変換、直流から交流への変換、あるいは周波数変換等の電力変換を行う機器に適用することにより、その機器の電力変換効率の向上に寄与することができる。
【符号の説明】
【００２５】
１  ベース板
２  回路基板
３  絶縁基板
４  回路パターン
５  電力半導体素子
６  アルミニウムワイヤ
７  外部端子
８  封止剤
９  筐体
９ａ  取付け孔
９ｂ  溝
９ｃ  底面
１０  弾性部材
１１  シリコーングリス
１２  冷却フィン
１２ａ 支柱
【図１】
0005541173.tif 000002
【図２】
0005541173.tif 000003
【図３】
0005541173.tif 000004
【図４】
0005541173.tif 000005