(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力半導体素子と、
突起を備え、導電性材料から成り、前記電力半導体素子の発熱を放熱フィンに伝導するよう前記電力半導体素子と熱的に接続されたベース板と、
前記ベース板に固定されると共に前記ベース板と導通し、アースに接続された導電性部材とを備え、
前記ベース板に設けられた突起を、前記導電性部材に設けられた切欠きに嵌め合うと共に、前記突起を変形させることで、前記導電性部材が前記ベース板に固定され、導通が得られることを特徴とする電力半導体装置。
【請求項２】
電力半導体素子と、
突起を備え、導電性材料から成り、前記電力半導体素子の発熱を放熱フィンに伝導するよう前記電力半導体素子と熱的に接続されたベース板と、
前記ベース板に固定されると共に前記ベース板と導通し、アースに接続された導電性部材とを備え、
前記ベース板に設けられた突起を変形させることで、前記導電性部材の外周に前記突起が密着し、前記導電性部材が前記ベース板に固定され、導通が得られることを特徴とする電力半導体装置。
【請求項３】
前記ベース板は放熱フィンを支える凸部とこの凸部の周辺に平坦面を備え、
前記導電性部材は前記凸部を挿入する切除部を備え、
前記凸部を前記切除部に挿入し、前記導電性部材の裏面と前記平坦面が接することで、前記導電性部材を前記ベース板に位置決めすることを特徴とする請求項１または２に記載の電力半導体装置。
【請求項４】
前記突起は、前記ベース板と前記導電性部材と重ね合わせる方向に荷重をかけられることにより変形され、前記突起の形状は円柱形であることを特徴とする、請求項１または３に記載の電力半導体装置。
【請求項５】
前記突起は板状であり、導電性部材側に覆いかぶせるように荷重をかけられることにより変形され、前記突起の断面は、荷重により傾く方向の厚みよりも、荷重をかける方向に対し直行する辺が長いことを特徴とする、請求項１または３に記載の電力半導体装置。
【請求項６】
前記突起は中空状であることを特徴とする、請求項１または３に記載の電力半導体装置。
【請求項７】
前記突起は底面のみがベース板と一体化していることを特徴とする、請求項１または３に記載の電力半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＣＰＵ（central processing unit）やパワートランジスタなどの発熱の激しい電子部品（電力半導体素子）を冷却するためにヒートシンクを取り付ける際、両者の接合部の微細な隙間を埋めて熱伝導率を高めるために放熱グリースを塗布することが広く行われていた。放熱グリースの熱伝導率は、金属と比べて非常に低いことから、より放熱性能を高めるために、放熱グリースを使用せずに、放熱フィンと電力半導体装置の金属部ベース板とを一体化した放熱フィン一体型の電力半導体装置も実現されている。放熱フィン一体型の電力半導体装置では、ベース板に放熱フィン接合用の溝を設け、この溝が形成された部分を含むベース板の一部の表面を露出させた状態で樹脂モールドし、ベース板の溝に放熱フィンを挿入した上でかしめて固着することによって、ベース板と放熱フィンとを一体とし、放熱性能の向上を図っている。【０００３】
上記のようにして高放熱化を図った電力半導体装置において、ベース板に金属部材を重ね、電力半導体装置をアース電位に接続する役割をこの金属部材に持たせることにより、電力半導体素子からの放射ノイズや誤動作を抑制することが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−４９１６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
金属部材とベース板の表面には、大気中において酸化膜が形成されるが、酸化膜の電気的抵抗は、金属そのものの電気的抵抗に比べて大きい。上記従来の技術では、放熱フィンとベース板との間に金属部材を挟み込むことによって金属部材とベース板との間の電気的接触を実現している。つまり、金属部材とベース板の表面の酸化膜が互いの接触によって破壊されて、酸化していない新生面が露出する領域は微小であり、両者間の電気的接続は基本的にはそれぞれの表面に形成された酸化膜を通じてなされる。このため、金属部材やベース板に反りが生じておらず、金属部材とベース板とが面接触する場合であっても、酸化していない新生面同士の接触により導通できる部分の割合は小さく、金属部材とベース板との間の電気的抵抗が大きくなってしまうという問題があった。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力半導体素子からの放射ノイズを低減し、電力半導体素子の誤動作を抑制する効果に優れた電力半導体装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し目的を達成するために、本発明は、電力半導体素子と、導電性材料から成り電力半導体素子の発熱を放熱フィンに伝導するよう、電力半導体素子と熱的に接続されたベース板と、ベース板に固定されると共にベース板と導通し、アースに接続された導電性部材を備え、ベース板に設けられた突起を導電性部材に設けられた切欠きに嵌め合うと共に、突起を変形させることで導電性部材がベース板に固定され導通が得られることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明にかかる電力半導体装置は、ベース板の突起を変形させ導電性部材とベース板を固定することで、ベース板と導電性部材との間の酸化膜が破壊され、電気的な抵抗が微小な新生面が露出した状態でベース板と金属部材が接触することにより電気的抵抗を小さくでき、電力半導体素子からの放射ノイズが低減され、電力半導体素子の誤動作を抑制する効果を高め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】図１は、本発明の実施の形態１における電力半導体装置の構成を示す分解斜視図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１における電力半導体装置の断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１における電力半導体装置のモールド部の断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１における電力半導体装置の金属部材の平面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１における電力半導体装置の金属部材とベース板とが接触する部分の両者が接触する前の拡大断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態１における電力半導体装置の金属部材とベース板とが接触する部分の両者が接触した後の拡大断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態１における電力半導体装置の金属部材とベース板とが接触する部分の両者が接触した後の拡大断面図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態２における電力半導体装置の構成を示す分解斜視図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態２における金属部材をベース板に挿入し突起を変形させる前の中空円柱形の突起付近の拡大断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態２における金属部材をベース板に挿入し突起を変形させた後の中空円柱形の突起付近の拡大断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態２における金属部材を示す上面図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態３における電力半導体装置の構成を示す分解斜視図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態３における電力半導体装置の金属部材とベース板を組み立てた後の突起付近の拡大断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態４における電力半導体装置の構成を示す分解斜視図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施の形態４における金属部材を示す斜視図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施の形態５における電力半導体装置の構成を示す分解斜視図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態５における電力半導体装置のベース板の位置決め部の拡大図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施の形態５における金属部材をベース板に挿入し突起を変形させる前の突起付近の拡大断面図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施の形態５における金属部材をベース板に挿入し突起を変形させた後の突起付近の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明にかかる電力半導体装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電力半導体装置の構成を示す分解斜視図であり、図２は、本発明の実施の形態１における電力半導体装置の断面図である。実施の形態１における電力半導体装置１は、モールド部１０と、放熱フィン１１と、金属部材（導電性部材）１２とを有する。
【００１２】
図３は、本発明の実施の形態１における電力半導体装置の、放熱フィン１１と金属部材１２を取り付ける前のモールド部１０の断面図である。モールド部１０は、電力半導体素子２１と、一方の面に電力半導体素子２１を搭載するリードフレーム２４と、一方の面に高熱伝導絶縁層３４が形成され、リードフレーム２４の他方の面に配置されるベース板２２と、電力半導体素子２１を封止するモールド樹脂２３とを備えており、電力半導体素子２１を搭載したリードフレーム２４とベース板２２がモールド樹脂２３により一体成形して形成されている。電力半導体素子２１とリードフレーム２４は、はんだ２５によって接合されている。高熱伝導絶縁シート３４は、エポキシ樹脂と熱伝導性の高いフィラーからなり、リードフレーム２４とベース板２２を接着している。ベース板２２の高熱伝導絶縁層３４が形成される面と反対側の面には、凸部３１が形成されており、モールド樹脂２３から突出している。凸部３１には複数の溝３２が設けられている。また、凸部３１の周縁は平坦面３３となっている。ベース板２２は、金属部材１２よりも柔らかく熱伝導性の高い金属（アルミニウムなど）を材料として形成されている。このような構成を備えることにより、電力半導体素子２１からの発熱は、効率よくベース板２２に熱伝導されると共に、電力半導体素子２１とベース板２２は電気的に絶縁することができる。
【００１３】
図４は、本発明の実施の形態１における電力半導体装置の金属部材１２の平面図である。金属部材１２は、略矩形状の切除部４１が切り取られた板状であり、切除部４１にはベース板２２の凸部３１を挿入可能である。ここでの略矩形とは、角の部分への応力集中を防ぐための丸めが施されているような形状を含む。切除部４１の対向する２辺（ここでは両短辺）の縁に、切欠き４２が設けられている。ベース板２２の凸部３１の外周には、金属部材１２をベース板２２に装着する際に切欠き４２に対応する部分に突起３５が設けられている。なお、突起３５はベース板２２の凸部３１の側面および平坦面３３と一体に成型されている。
【００１４】
金属部材１２は、ベース板２２の材料よりも硬い金属で形成されており、例えば鋼板を適用可能である。なお、電力半導体装置１が使用される環境によっては、金属部材１２が酸化・腐食することが考えられるため、金属部材１２の材料としては、酸化・腐食しにくいステンレス鋼板や、亜鉛めっき鋼板を使用するのが望ましい。特に、亜鉛めっき鋼板は、ステンレス鋼板より安価であり、金属１２の材料として好適である。
【００１５】
放熱フィン１１は、薄板状であり、ベース板２２の凸部３１に設けられた複数の平行な溝３２の数と同じ枚数が用意され、各々は凸部３１の溝３２に挿入されて、左右から挟み込むようにかしめられてベース板２２に固定される。これにより、電力半導体素子２１からの発熱はベース板２２に熱伝導し、更に放熱フィン１１へと熱伝導し放熱されることで、電力半導体素子２１の温度上昇を抑えることができる。
【００１６】
図５〜図７は、図１のＡ−Ａ‘断面のうち突起３５付近を拡大した断面図である。図５は、切除部４１に凸部３１を挿入する前の状態、図６は、切除部４１に凸部３１を挿入した後の状態、図７は、切除部４１に凸部３１を挿入した後に、突起３５を変形させた後の状態を示す。
【００１７】
切除部４１にベース板２２の凸部３１を挿入し、ベース板２２の平坦面３３と金属部材１２の裏面が接することで、金属部材１２がベース板２２に略位置決めされ、金属部材１２の切欠き４２に突起３５が挿入された状態となる。さらに、その後、突起３５だけに金属部材１２の表面に垂直な方向の荷重を印加して、突起３５を押しつぶすように塑性変形させる。突起３５は、前記のように塑性変形されることによって塑性流動し、金属部材１２の突起３５側の面方向（平坦面３３と接した裏面とは反対の表面）に広がって、一部は切欠き４２の内側面に押し付けられる。その他の部分はさらに広がって、金属部材１２の突起３５側の面（平坦面３３と接した裏面とは反対の表面）に乗り上げるような状態となり、金属部材１２はベース板２２に機械的に固定される。ここで、金属部材１２はベース板２２よりも硬い金属で形成されているので、突起３５に荷重をかけても金属部材１２が破損しにくい。
【００１８】
また、突起３５は、塑性流動によって表面の酸化膜が破壊され、電気的な抵抗が微小な新生面が露出した状態で金属部材１２に接触する。
【００１９】
さらに、金属部材１２も、突起３５が塑性変形して金属部材１２に押し付けられる際の圧力や摩擦によって、その表面の酸化膜が破壊され、電気的抵抗が微小な新生面が露出した状態で突起３５に接触する。
【００２０】
したがって、変形された突起３５と金属部材１２の両者が接触する部分では、酸化膜が破壊され電気的抵抗が小さくなるため、ベース板２２と金属部材１２の間の電気的抵抗を小さくすることができる。そして、金属部材１２をアース電位と同電位とすることにより、電力半導体装置として安定したアース電位を得ることができ、電力半導体素子からの放射ノイズを低減し、電力半導体素子の誤動作を抑制する効果を高めることができる。なお、切除部４１の切欠き４２以外の箇所では、酸化膜を通してはいるが、金属部材１２はベース板２２と平坦面３３で接触することで導通に寄与する。
【００２１】
なお、本実施の形態では突起３５に荷重を印加することで塑性変形させたが、塑性変形の方法についてはこれに限られるものではなく、例えば突起３５を溶融することによって塑性変形させてもよい。この場合においても荷重を印加する場合と同様の効果を得ることができる。また、ベース板２２の製造方法は、溝３２を押し出し成型し、溝３２と平行となる短辺毎に切ったあと、突起および平坦面３３を削り出す。すなわち、溝３２が成形された後に突起３５を成形することとなり、突起３５をベース板２２の長辺側に設ける場合、溝３２の間の仕切りの幅以上に突起３５の幅を設定することは不可能となる。このため、突起３５の形状の自由度を考慮し、本実施の形態では突起３５をベース板の溝３２と平行となる短辺側に設けている。もちろん、突起３５の幅が溝３２の間の仕切りの幅以下でも問題無ければ、ベース板の長辺側に突起３５を設けてもよい。
また、突起３５の数をここではベース板２２の短辺側にそれぞれ２つとしたが、これに限定されるものではなく、１つの辺に１か所または３か所以上の複数か所に突起３５を設けてもよい。突起３５の数は、望ましくは、金属部材１２がベース板２２に十分に強固に固定され、ベース板２２と金属部材１２の間の電気的抵抗が十分に小さくなり得る必要最小限の数である。
なお、金属部材１２は切欠き４２がなく突起３５の幅分切除部を広げた構成であっても、突起３５を変形後金属部材が固定され、導通が確保でき、電力半導体素子からの放射ノイズを低減し、電力半導体素子の誤動作を抑制する効果を高めることができる。
【００２２】
実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２における電力半導体装置の構成を示す分解斜視図である。実施の形態１と異なる点は、突起３５の形状が、実施の形態１では半円柱形であったのが、実施の形態２では円柱形としたことである。突起３６を円柱形とした場合、ベース板２２の凸部３１の側面と一体となった面積が小さくなるため、突起３６を塑性変形させるために必要な荷重を減らすことができる。
【００２３】
突起３５の形状を変える理由を以下に述べる。切除部４１に凸部３１を挿入した後に、突起３５を塑性変形させるために必要な荷重は、突起３５の断面積やあるいは、ベース板２２の凸部３１の側面と一体化している面積が大きいほど大きくなり、さらに、突起３５の数が増えるほど大きくなる。しかし、突起３５を塑性変形する際に、電力半導体装置に過大な荷重が印加されると、電力半導体装置が故障する原因になることが懸念される。したがって、突起３５を変形させるための荷重が可能な限り小さくなるように突起の形状、突起の個数を工夫することは、電力半導体装置の故障を防止し、電力半導体装置の品質を安定させるために重要である。
【００２４】
突起３５を塑性変形させるために必要な荷重を抑制するためには、突起３５の数を、金属部材１２がベース板２２に十分に強固に固定され、ベース板２２と金属部材１２の間の電気的抵抗が十分に小さくなり得る必要最小限の数にすることが望ましい。
【００２５】
また、突起３６をより塑性変形しやすい形状にするため中空円柱状としてもよい。図９、及び図１０は、本発明の実施の形態２における金属部材１２をベース板２２に挿入し突起３６を変形させる前後の中空円柱形の突起３６付近の拡大断面図である。突起３６を中空円柱状とした場合、ベース板２２の凸部３１の側面と一体化している面積が小さくなることに加え、突起３６の断面積が減少することにより、より小さい荷重で突起３６を塑性変形させることができる。なお、突起３６をベース板１２の凸部３１の側面から完全に独立した形状とした場合に、金属部材１２の切欠き４３は図１１に示したように切除部４１から分離した穴でも良い。
【００２６】
実施の形態３．
図１２は、本発明の実施の形態３における電力半導体装置の構成を示す分解斜視図であり、図１３は、本発明の実施の形態３における金属部材１２とベース板２２を組み立てた後の突起３７付近の拡大断面図である。実施の形態３では、突起３７の形状を板状とする。図１３に示すように、この突起３７を金属部材１２の表面に倒すように塑性変形させる。つまり、他の実施の形態においては、突起３７を変形させるのに、ベース板２２の平坦面３３に垂直な荷重をかけていたが、本実施の形態においてはベース板２２の平坦面３３に略水平方向に荷重をかけることで突起３７を変形することができるので、ベース板２２の下方に配置される電力半導体装置に大きな荷重が加わることを抑制することができる。また、突起３７の断面は、荷重により傾く方向の厚みよりも、荷重をかける方向に対し直行する辺が長い。これにより突起３７を塑性変形させる際の荷重をより小さくでき、しかも金属部材１２がベース板２２に十分に強固に固定され、ベース板２２と金属部材１２の間の電気的抵抗が十分に小さくなり得る構成となる。上記構成とすることにより、突起３７を塑性変形させるための荷重による電力半導体装置への影響をより小さくすることができる。
【００２７】
実施の形態４．
図１４は、本発明の実施の形態４における電力半導体装置の構成を示す分解斜視図であり、図１５は金属部材１２の斜視図である。実施の形態１と異なる点は、金属部材１２が、実施の形態１では略矩形状の切除部４１によりベース板２２の凸部３１、及び複数の突起３５を挿入可能であったところ、実施の形態４では、図１５に示したように、円形でその中心に突起３５のみを嵌め合わせる切欠き４５（穴）があるワッシャ形状であり、一つの突起３５を１枚の金属部材１２で嵌め合わせる構成とした点である。図１４においては、２つの金属部材１２を２箇所の突起３５に嵌め合わせた場合の構成を図示しているが、一箇所でも三箇所以上でも良く、導通が十分確保できる個数を選択すれば良い。ワッシャ形状の金属部材１２を突起３５に嵌め合わせた後は、実施の形態１と同様に、突起３５を変形させベース板と金属部材１２とを固定し、金属部材１２をそれぞれアース接続する。これにより、実施の形態１と同様、電力半導体素子からの放射ノイズが低減され、電力半導体素子の誤動作を抑制することができる。なお、金属部材１２の形状はワッシャ形状に限定されるものでは無く、ベース板２２に設けられた突起３５に嵌め合う切欠き４５（穴の場合も含む）が設けられた形状であれば良い。また、突起の形状も他の実施の形態で説明した形状でも良い。
【００２８】
実施の形態５．
図１６は、本発明の実施の形態５における電力半導体装置の構成を示す分解斜視図である。実施の形態１と異なる点は、金属部材１２に凸部３１を挿入する切除部はあるが、切欠きがない点である。つまり、ベース板２２の突起が凸部３１の内側になるように形成されている。図１６のように、ベース板２２には実施の形態１の突起３５を設けていた箇所に、位置決め部５１が凸部３１を削り取って形成され、図示しない突起３８がベース板の位置決め部５１の内側に形成されている。金属部材１２の位置決め部５０は、実施の形態１の切欠き４２の箇所に設けられる。
【００２９】
ベース板の位置決め部５１の拡大図が図１７である。突起３８が、ベース板の位置決め部５１の内側に凸部３１より低い段差となった形状で設けられている。図１８、図１９は、本実施の形態における、金属部材をベース板に挿入し突起を変形させた前後の突起付近の拡大断面図である。突起３８を底面に向かって荷重を印加して塑性変形させ、塑性変形した突起３８がベース板の位置決め部５１と金属部材の位置決め部５０との隙間に広がり、金属部材１２に密着することでベース板２２と金属部材１２を固定する。この際、酸化膜の破壊も起こり導通も確保できる。本実施の形態においても、実施の形態１と同様、電力半導体素子からの放射ノイズが低減され、電力半導体素子の誤動作を抑制することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１  電力半導体装置
１１  放熱フィン
１２  金属部材（導電性部材）
２１  電力半導体素子
２２  ベース板
３１  凸部
３２  溝
３５、３６、３７、３８  突起
４１  切除部
４２、４３、４４、４５  切欠き
【図１】
0005996126.tif 000002
【図２】
0005996126.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0005996126.tif 000017
【図１７】
0005996126.tif 000018
【図１８】
0005996126.tif 000019
【図１９】
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