(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体装置を、冷却ＦＩＮまたはヒートシンクに取付ける際の放熱コンパウンドの塗布作業において、半導体装置と冷却ＦＩＮまたはヒートシンクとの間に隙間が生じない手段を提供する。【解決手段】半導体装置２と冷却ＦＩＮまたはヒートシンク５うちの少なくとも一方に重ねられる形状の基体１からなり、当該基体には複数の穴部３が形成され、当該穴部は、前記半導体装置と冷却用基体との少なくとも一方に放熱コンパウンド４を塗布するに際し、前記穴部に適量の放熱コンパウンドが注入される穴部であることを特徴とする半導体装置の取り付け用冶具と当該冶具を用いた半導体装置の取り付け方法。【選択図】図１
2014135356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置と冷却用基体との少なくとも一方に放熱コンパウンドを塗布し、前記半導体装置と前記冷却用基体とを圧着して固定することにより、前記半導体装置を前記冷却用基体に取り付けるときに用いる放熱コンパウンド塗布用冶具であって、前記半導体装置と冷却用基体のうちの少なくとも一方に重ねられる形状の基体からなり、当該基体には複数の穴部が形成され、当該穴部は、前記半導体装置と前記冷却用基体との少なくとも一方に放熱コンパウンドを塗布するに際し、当該放熱コンパウンド塗布用冶具が、前記半導体装置と冷却用基体のうちの少なくとも一方に重ねられ、前記穴部に適量の放熱コンパウンドが注入される穴部であることを特徴とする半導体装置の取り付け用冶具。
【請求項２】
請求項１において、前記冷却用基体は、冷却フィンまたはヒートシンクであることを特徴とする半導体装置の取り付け用冶具。
【請求項３】
請求項１または２において、前記放熱コンパウンド塗布用冶具の前記複数の穴部は、同一形状で同一面積であることを特徴とする半導体装置の取り付け用冶具。
【請求項４】
請求項１または２において、前記放熱コンパウンド塗布用冶具の前記複数の穴部は、中央部の穴部の面積が、周辺部の穴部の面積よりも大きいことを特徴とする半導体装置の取り付け用冶具。
【請求項５】
請求項３または４において、前記放熱コンパウンド塗布用冶具の縁部に、当該放熱コンパウンド塗布用冶具を前記半導体装置と前記冷却用基体との少なくとも一方に位置合わせするための穴を有することを特徴とする半導体装置の取り付け用冶具。
【請求項６】
請求項１において、放熱コンパウンド塗布用冶具の前記複数の穴部に注入される放熱コンパウンドの合計体積量（Ｖ）は、前記半導体装置と前記冷却用基体との間に介在される放熱コンパウンドの厚みを0.1mm〜0.2mmとしたとき、
（半導体装置のベース面積）×0.1mm ≦ Ｖ ≦ （半導体装置のベース面積）×0.2mm
であることを特徴とする半導体装置の取り付け用冶具。
【請求項７】
請求項６において、前記放熱コンパウンド塗布用冶具の前記複数の穴部は同一形状、同一面積の穴部であり、前記複数の穴部の一つの穴部の面積（S）と厚さ（T）と穴部の数（N)は、下記の式、
前記放熱コンパウンドの合計体積量（Ｖ）
＝（放熱コンパウンド塗布冶具の穴部の面積S）×（穴部の厚さT）×（穴部の数N）、
を満たすことを特徴とする半導体装置の取り付け用冶具。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかにおいて、前記放熱コンパウンド塗布用冶具は、鉄、アルミニウム、アクリルの内のいずれかの板であり、板厚が２〜３mmであることを特徴とする半導体装置の取り付け用冶具。
【請求項９】
半導体装置を冷却用基体に取り付ける方法であって、
前記半導体装置と前記冷却用基体のうちの少なくとも一方に重ねられる形状の基体からなり、当該基体には複数の穴部を有する放熱コンパウンド塗布用冶具を、前記半導体装置と前記冷却用基体のうちの少なくとも一方に重ねる工程、
前記半導体装置と前記冷却用基体のうちの少なくとも一方に重ねられた放熱コンパウンド塗布用冶具の穴部に、放熱コンパウンドを注入する工程、
前記半導体装置と前記冷却用基体のうちの少なくとも一方に重ねられた放熱コンパウンド塗布用冶具を取り外す工程、
前記半導体装置と前記冷却用基体とを圧着し、前記放熱コンパウンドを前記半導体装置と前記冷却用基体との間に広げる工程、
前記半導体装置を前記冷却用基体に固着する工程とを有し、
前記半導体装置と前記冷却用基体との少なくとも一方に、前記放熱コンパウンド塗布用冶具を用いて放熱コンパウンドを塗布し、前記半導体装置を前記冷却用基体に取り付けることを特徴とする半導体装置の取り付け方法。
【請求項１０】
請求項９において、前記冷却用基体は、冷却フィンまたはヒートシンクであることを特徴とする半導体装置の取り付け方法。
【請求項１１】
請求項９または１０において、放熱コンパウンド塗布用冶具の前記複数の穴部に注入される放熱コンパウンドの合計体積量（V）は、前記半導体装置と前記冷却用基体との間に介在される放熱コンパウンドの厚みを0.1mm〜0.2mmとしたとき、
（半導体装置のベース面積）×0.1mm ≦ Ｖ ≦ （半導体装置のベース面積）×0.2mm
であることを特徴とする半導体装置の取り付け方法。
【請求項１２】
請求項１１において、前記放熱コンパウンド塗布用冶具の前記複数の穴部は同一形状、同一面積の穴部であり、前記複数の穴部の一つの穴部の面積（S）と厚さ（T）は、下記の式、
前記放熱コンパウンドの合計体積量（Ｖ）
＝（放熱コンパウンド塗布冶具の穴部の面積S）×（穴部の厚さT）×（穴部の数N）、
を満たすことを特徴とする半導体装置の取り付け方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高耐圧FET、TRS、IPM、IGBT等の半導体素子または半導体モジュールを、冷却フィンまたはヒートシンク等の冷却用基体へ取り付ける際に用いる取り付け用冶具と、当該冶具を用いた取り付け方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エレベータ制御盤等の各種の制御装置の主回路部において、高耐圧FET（Field Fffect Transistor）、TRS（Triodic Rectifier Switch）、IPM（ Intelligence Power Module）、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子または半導体モジュール（以下、半導体装置と総称する）は、回路動作中の発熱量が大きいため、その放熱のために冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体に取り付けられて制御盤に実装されている。
【０００３】
また、半導体装置を、冷却フィンやヒートシンク等の冷却基体取付ける際に、下記の特許文献１に記載される様に、半導体装置と冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体との接触熱抵抗を低減するために、半導体装置のベース(基板)と冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体の少なくとも一方に、放熱コンパウンド（サーマルコンパウンド、サーマルグリース、熱伝導性グリースと呼ばれることもある。以下においては、放熱コンパウンドと総称する）を塗布し、他方を圧着して適正なトルクでねじ締めをすることにより、均一な放熱コンパウンド層を形成して接触熱抵抗を小さくすることができる。
【０００４】
放熱コンパウンドは半導体装置の発熱を冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体に効率よく熱伝導させ、放熱を促進させるものである。放熱コンパウンドは、厚く塗りすぎると熱伝導が妨げられ、半導体装置の放熱が上手くいかずに温度上昇を招き、半導体装置が破損する可能性がある。他方、放熱コンパウンドの塗布量が薄すぎると、半導体装置のベース（基板）と冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体との間に隙間ができて非接合部が生じ、接触抵抗が大きくなり、半導体装置の放熱が上手くいかずに温度上昇を招き、半導体装置の損傷の可能性がある。
すなわち、放熱コンパウンドは半導体装置と冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体との間に適切な量を均一に塗布する必要がある。
【０００５】
放熱コンパウンドを半導体装置と冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体との間に適切な量を均一に塗布する方法として、ローラーによる塗布やマスク印刷による方法がある。しかし、ローラーによる塗布やマスク印刷による塗布方法は、制御装置の主回路の製造時に、主に、工場の生産現場で行われる塗布方法であり、最初に放熱コンパウンドの塗布量を決めておけば、再現性良く適量の放熱コンパウンドを、半導体装置と冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体との間に塗布できる。
【０００６】
一方、エレベータ制御盤等の各種の制御装置が設置されて機器が動作した後、何らかの原因により制御装置の主回路に実装された半導体装置が故障した場合、又は性能低下が発見された場合、制御装置の設置現場での半導体装置の取り換えの保守作業が発生する。この場合、冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体から半導体装置を取り外して、新しい半導体装置を再度とりつけることになり、放熱コンパウンドの塗布も機器の保守現場で行われることになる。
【０００７】
従来行われていた保守作業において、半導体装置を冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体に取付ける際に、放熱コンパウンドを塗布する場合、作業者の判断による量のコンパウンドを半導体装置側または冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体側に抽出して延ばし、半導体装置の取り付け作業を行っていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−９７９８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
制御装置の製造現場での手作業による製造作業や、制御装置の設置場所での保守作業において、半導体装置を冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体に取付ける際に、放熱コンパウンドを塗布する作業においては、作業者により放熱コンパウンドの量が一定でないため、放熱コンパウンドの過不足が発生する可能性がある。また、塗布の仕方が決まっていないため、半導体装置を取付けた際に、半導体装置と冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体の間の冷却コンパウンドが均一とならず、隙間すなわち放熱コンパウンドが無い箇所が生ずる可能性がある。
【００１０】
放熱コンパウンドの量が過多の場合、上述したように熱伝導が阻害され、また半導体装置と冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体の間から溢れたコンパウンドが他の主回路装置に付着し、故障の原因となり得る。
【００１１】
また、放熱コンパウンドの量が不足の場合、または、不均一に塗布され隙間が生じた場合、エレベータ等の機器の運転時に、半導体装置から発する熱が冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体に十分伝わらず、あるいは均等に伝わらず、半導体装置が本来の設計寿命以前に故障する可能性がある。さらには、不適切な放熱コンパウンドの塗布によって半導体装置の放熱が悪化し半導体装置が破壊されてしまう可能性もある。
【００１２】
以上の様に、本来、保守作業によりエレベータ装置等の制御装置の延命を図るはずが、早期故障の原因を内在させる恐れがあるといった課題がある。
そこで、本発明の目的は、制御装置の製造現場での手作業による製造作業や制御装置の設置場所での保守作業において、半導体装置を冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体に取付けるとき、放熱コンパウンドを塗布する作業において、半導体装置と冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体との間に放熱コンパウンドを均一に過不足なく塗布するための半導体装置の取り付け用冶具と取り付け方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
複数の観点から本発明を把握することができるが、一つの観点から捉えた代表的な本発明の半導体装置の取り付け用冶具と取り付け方法は、以下の通りである。また、その他の観点から捉えた本発明の半導体装置の取り付け用冶具と取り付け方法は、以下に述べる発明を実施する形態の説明等で明らかになる。
【００１４】
すなわち、本発明の半導体装置の取り付け用冶具は、半導体装置と冷却用基体との少なくとも一方に放熱コンパウンドを塗布し、前記半導体装置と前記冷却用基体とを圧着して固定することにより、前記半導体装置を前記冷却用基体に取り付けるときに用いる放熱コンパウンド塗布用冶具であって、前記半導体装置と冷却用基体のうちの少なくとも一方に重ねられる形状の基体からなり、当該基体には複数の穴部が形成され、当該穴部は、前記半導体装置と冷却用基体との少なくとも一方に放熱コンパウンドを塗布するに際し、当該放熱コンパウンド塗布用冶具が、前記半導体装置と冷却用基体のうちの少なくとも一方に重ねられ、前記穴部に適量の放熱コンパウンドが注入される穴部であることを特徴とする半導体装置の取り付け用冶具である。
【００１５】
また、本発明の半導体装置の取り付け方法は、半導体装置を冷却用基体に取り付ける方法であって、
前記半導体装置と前記冷却用基体のうちの少なくとも一方に重ねられる形状の基体からなり、当該基体には複数の穴部を有する放熱コンパウンド塗布用冶具を、前記半導体装置と前記冷却用基体のうちの少なくとも一方に重ねる工程、
前記半導体装置と前記冷却用基体のうちの少なくとも一方に重ねられた前記放熱コンパウンド塗布用冶具の穴部に、放熱コンパウンドを注入する工程、
前記半導体装置と前記冷却用基体のうちの少なくとも一方に重ねられた前記放熱コンパウンド塗布用冶具を取り外す工程、
前記半導体装置と前記冷却用基体とを圧着し、前記放熱コンパウンドを前記半導体装置と前記冷却用基体との間に広げる工程、
前記半導体装置と前記冷却用基体とを固定する工程とを有し、
前記半導体装置と前記冷却用基体との少なくとも一方に、前記放熱コンパウンド塗布用冶具を用いて放熱コンパウンドを塗布し、前記半導体装置を前記冷却用基体に取り付けることを特徴とする半導体装置の取り付け方法である。
【発明の効果】
【００１６】
以上の本発明の様に、半導体装置を冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体に取り付ける際に、本発明の放熱コンパウンド塗布用冶具と当該冶具を用いた方法によって、半導体装置と冷却フィン、ヒートシンク等の冷却用基体との少なくとも一方に放熱コンパウンドを塗布することにより、作業者の熟練度によらず、放熱コンパウンドを適量、かつ隙間無く均一に塗布することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例での半導体装置の取り付け用冶具を用いた半導体装置の取り付け方法の概略を説明するための図である。
【図２】本発明の第一の実施例の放熱コンパウンド塗布冶具の概略を示す平面図である。
【図３】本発明の第二の実施例の放熱コンパウンド塗布冶具の概略を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について実施例を用いて説明する。
以下の実施例は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの実施例に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、実施例を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略することがある。
【００１９】
本発明の実施形態での半導体装置の取り付け用冶具と取り付け方法は、放熱コンパウンドを塗布する作業を、作業者の熟練度によらず均一にするために好適な半導体装置の取り付け用冶具であり、この放熱コンパウンド塗布用冶具を使用して、半導体装置と冷却フィン、ヒートシンク等の冷却用基体との少なくとも一方に放熱コンパウンドを塗布する方法である。以下、本発明の実施例を説明する。
【００２０】
（実施例  １）
図１は、本発明の実施例での半導体装置の取り付け用冶具と取り付け方法の概略構成を説明するための図であり、図２は、放熱コンパウンド塗布冶具の概略を示す平面図である。
以下においては、半導体装置のベース側に放熱コンパウンドを塗布する例により本発明の実施例の半導体装置の取り付け用冶具と取り付け方法を説明するが、冷却フィン、ヒートシンク等の冷却用基体側に放熱コンパウンドを塗布する場合も同様である。
【００２１】
放熱コンパウンドを塗布する際に、図１（A）に示す様に、本発明の板状の放熱コンパウンド塗布冶具１を半導体装置２のベース側に重ねる。放熱コンパウンド塗布冶具１は、変形しないで丈夫という観点で鉄板、またはアクリルやアルミニウム等の軽くて安い材料の板が使用可能である。保守作業現場で使用することを想定すると、軽くて安いアクリル板が一回限りの使い切りの冶具として便利である。
【００２２】
この板状の放熱コンパウンド塗布冶具１には、図２に示す様に、例えば円形状の穴部３が複数個（図２では５個）開けてある。穴部の形状は円形状でなくとも、四角形や、六角形等の角形でも良いし、それぞれの穴部の大きさが異なっても良いし、またその数も塗布された放熱コンパウンドが均一に広がる数と位置となるように適正に設計することができる。
【００２３】
この円形状の穴部３の面積（S）と厚さ（T)と穴部の数（N)は、予め、半導体装置２のベース面積から適量の放熱コンパウンドの量を計算し、円形状の穴部３の体積の総量が、半導体装置と前記冷却用基体との間に介在させる放熱コンパウンドの塗布厚さが推奨厚さとなる放熱コンパウンドの量となる様に、次に示す式を満足する設計をする。また、円形状の穴部３の配置を、放熱コンパウンドが塗布された半導体装置のベースに冷却フィン、ヒートシンク等の冷却用基体を圧着した際に、放熱コンパウンドが隙間無く均等に広がるように調整する。
《放熱コンパウンドの合計体積量の計算式》
（放熱コンパウンドの合計体積量Ｖ)
＝（半導体装置２のベース面積）×（放熱コンパウンドの塗布厚さ、例えば0.15mm）
＝（放熱コンパウンド塗布冶具の円形状の穴部の面積S)×（穴部の厚さT)×（穴部の数N）
（ただし、円形状の穴部の面積が同一の場合。面積が異なる場合は合計面積を使用する）
前記半導体装置と前記冷却用基体との間に介在させる放熱コンパウンドの塗布厚さは、通常、0.1mm〜0.2mmの間が適正と推奨されるため、上記の式では、放熱コンパウンドの推奨（標準）厚さを、例えば0.15mmとしているが、±0.05mmの範囲内での調整ができる。また、放熱コンパウンド塗布冶具１の円形状の穴部の厚さは、２〜３mmが良い。
【００２４】
したがって、放熱コンパウンド塗布用冶具の複数の穴部に注入される放熱コンパウンドの合計体積量（Ｖ）は、半導体装置と冷却用基体との間に介在される放熱コンパウンドの厚みを0.1mm〜0.2mmとしたとき、
（半導体装置のベース面積）×0.1mm ≦ Ｖ ≦ （半導体装置のベース面積）×0.2mm
である。
【００２５】
また、放熱コンパウンド塗布用冶具の複数の穴部は同一形状、同一面積の穴部である場合、当該複数の穴部の一つの穴部の面積（S）と厚さ（T）と穴部の数（N)は、上記の式を満たすようにするが、複数の穴部の面積が異なる場合は（穴部の合計面積ΣS）×（穴部の厚さT）で計算する。
【００２６】
次に、図１（B）の様に、半導体装置２に重ねられた放熱コンパウンド塗布冶具１の円形状の穴部に放熱コンパウンド４を注入し、溢れた分を削ぎ落とす。次に、図１（C）の様に、放熱コンパウンド塗布冶具を外す。次に、放熱コンパウンド４を広げないままで、半導体装置２に冷却フィン、ヒートシンク等の冷却用基体５を設置してネジ止めする。図１（D）の様に、この際に、トルクドライバ等で規定のトルクでネジを対角線でのクロス締め固定することで、放熱コンパウンドが、半導体装置２と冷却フィン、ヒートシンク等の冷却用基体４との間に隙間無く広がる。
【００２７】
以上に説明した様に、本発明の放熱コンパウンド塗布冶具を用いて、放熱コンパウンドを適量で均一に塗布することができ、半導体装置と冷却フィンやヒートシンク等の冷却用基体とを、その間に適正量の放熱コンパウンドを介して取り付けることができ、熱伝導性の良い実装を行うことができる。
【００２８】
（実施例  ２）
図３は、本発明の第二の実施例の放熱コンパウンド塗布冶具の概略を示す平面図である。
図３の放熱コンパウンド塗布冶具６は、縦１４０mm、横１１０mmの大きさで、縦１３０mm、横１１０mmの半導体装置のベースに重ねられる大きさを有し、厚さは２mmのアクリル板である。図３の放熱コンパウンド塗布冶具６の縦方向の下部は冶具の把手として少し長くしてある。図３の放熱コンパウンド塗布冶具６も、図２の放熱コンパウンド塗布冶具と同様に、５個の円形状の穴部を有しているが、中央の穴部６１の大きさ（直径）が、２２mmであり、周りの穴部６２の大きさ（直径）の１６mmよりも大きく形成されている。中央の穴部の大きさ（直径）を、周りの穴部の大きさ（直径）よりも大きく形成することにより、放熱コンパウンドが周辺部に溢れ出すことを抑え、内部で均一に広がるように塗布することができる。
【００２９】
図３の放熱コンパウンド塗布冶具６において、６３は半導体装置のベースまたは冷却フィン、ヒートシンク等の冷却用基体と放熱コンパウンド塗布冶具とを位置合わせ固定するねじ穴であり、放熱コンパウンド塗布冶具にずれが生じないような状態で、放熱コンパウンドを放熱コンパウンド塗布冶具の穴部に入れるための固定用ねじ穴である。なお、ねじ止めしなくとも、位置合わせの棒や凸部の嵌合穴であっても良い。
【００３０】
以上の実施例で説明した様に、本発明によれば、放熱コンパウンド塗布用冶具を使用して、半導体装置と冷却フィン、ヒートシンク等の冷却用基体との少なくとも一方に放熱コンパウンドを塗布し、半導体装置と冷却フィン、ヒートシンク等の冷却用基体とを圧着することにより、放熱コンパウンドを塗布する作業を、作業者の熟練度によらず均一にすることができ、接触熱抵抗を小さくして半導体装置を冷却フィン、ヒートシンク等の冷却用基体に取り付けることができる。
【００３１】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記で説明した実施例の構成に他の構成を加えることも可能である。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１、６…放熱コンパウンド塗布冶具、２…半導体装置、３…円形状の穴部、４…冷却フィン、ヒートシンク等の冷却用基体、６１…大きい円形状の穴部、６２…小さい円形状の穴部、６３…放熱コンパウンド塗布冶具を固定するための穴
【図１】
2014135356.tif 000003
【図２】
2014135356.tif 000004
【図３】
2014135356.tif 000005