(57)【要約】  半導体モジュールを冷却器に固定する固定部の構造を変えて、小型化した半導体装置を提供する。外部導電端子３の第１貫通孔４と、樹脂枠５に形成した第２貫通孔６と天板９に形成した第３貫通孔１０にボルト１７を挿通し、該ボルト１７の先端を樹脂ナット１６にネジ止めする。外部配線２５、外部導電端子３、半導体モジュール１、冷却器２をボルト１７で締結することで、全体を固定する。
2016009725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体モジュールと冷却器とをボルトで接合した半導体装置において、
前記半導体モジュールには、第１貫通孔を有する外部導電端子と、前記第１貫通孔に連通して前記第１貫通孔の下方に配置された第２貫通孔とが設けられ、
前記冷却器は、前記第２貫通孔と連通する第３貫通孔を有しフィンが固着された天板と、前記フィンを収納し冷媒流路をなす凹部および該凹部を囲む側部を有する底板とを有し、
前記冷却器の前記側部には、前記第３貫通孔に整合する雌ネジのネジ穴が設けられ、
前記ボルトは、前記第１貫通孔よりも外径の大きい頭部と、該頭部より延出され、前記第１貫通孔、前記第２貫通孔および前記第３貫通孔に挿通されて、前記ネジ穴に螺合して締結される軸部とを有し、
前記外部端子は、前記ボルトを介して前記冷却器に導通しないように構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ボルトと、前記冷却器の天板と、前記冷却器の底板とが金属であり、
前記ネジ穴が、前記冷却器の側部に埋め込まれた絶縁材のナットに螺設されているネジ穴であり、
前記第３貫通孔の内面に絶縁層を有する、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ボルトが絶縁材であり、
前記冷却器の天板と底板が金属であり、
前記ネジ穴が、前記冷却器の側部に埋め込まれた絶縁材のナットに螺設されているネジ穴である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ボルトが絶縁材であり、
前記冷却器の天板と底板が金属であり、
前記ネジ穴が、前記冷却器の底板に直接螺設されているネジ穴である、請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体モジュールと冷却器とを有する半導体装置に関し、特に半導体装置を小型化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６〜図１０には、従来の半導体装置の一例が示されている。図６は要部上面図、図７は図６のＸ１−Ｘ１で切断した要部断面図、図８は図６のＸ２−Ｘ２で切断した要部断面図、図９は図６のＹ−Ｙで切断した要部断面図、図１０は半導体装置５００に外部配線７５を接続したときの要部断面図である。図６は、上部の蓋７２を外したときの要部上面図であり、半導体チップ７３の配線などは示されていない。【０００３】
この半導体装置５００は半導体モジュール５１と冷却器５２とを備える。半導体モジュール５１は、樹脂枠５５を有し、この樹脂枠５５には、第１固定用孔５４を持った外部導電端子５３と、この第１固定用孔５４の下部に配置され、ネジ穴を開口したナット部５７が装着されている。さらに、図７に示すように、樹脂枠５５の４隅には、冷却器５２との固定に用いられる第２固定用孔８３が形成されている。この第２固定用孔８３の上部内周には金属筒８２などが配置されている。金属筒８２の貫通孔８１は第２固定用孔８３の一部をなしている。冷却器５２は、この半導体モジュール５１の下部に配置される天板５９と、天板５９を固定するためのネジ部６６が形成された底板６３を備える。半導体モジュール５１と冷却器５２は、第２固定用孔８３に挿通されたボルト８４で固定される。天板５９の下面には、複数のフィン６２が配置され、天板５９と底板６３で囲われる空間は水などの冷媒を通流させる冷媒流路７０になっている。また、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板７４の下面は、半田を介して天板５９の上面に固着され、半導体チップ７３は、ＤＣＢ基板７４の上面に固着されている。そして、ゲルなどの保護部材７１が、樹脂枠５５の内側の空間に充填されている。【０００４】
尚、図中のＬｏは半導体装置５００を平面的に見たときの横の長さであり、Ｍｏは縦の長さである。また、半導体装置５００の上面には、外部導電端子５３として、図６の下方に示される、横一列に２つ並んだ直流電圧が入力されるＰ端子、Ｎ端子と、図６の上方に示される、横一列に３つ並んだ３相交流電圧が出力されるＡＣ端子とが配置されている。【０００５】
図１０に示されるように、外部配線７５と外部導電端子５３はボルト６７で固定される。【０００６】
一方、下記特許文献１には、半導体装置のパッケージ台座の内側から絶縁シートを介してヒートシンクにネジ締めする構造が開示されている。【０００７】
また、下記特許文献２や下記特許文献３には、半導体モジュールの外側に張り出した部分で冷却器とネジ止めされている半導体装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−６４２９１号公報
【特許文献２】特開２０１２−４２１８号公報
【特許文献３】特開２００７−２１４２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図６〜図１０に示されるような従来の半導体装置５００においては、第２固定用孔が配置された個所（４隅のボルト８４の設置個所）は、通電には活用できないデッドスペースとなる。そのため、このデットスペースをなくして半導体装置５００を小型化することが求められる。特許文献１に記載された半導体装置も、パッケージ台座の内側でネジ止めしているために、ケースの中にデッドスペースを有している。【００１０】
一方、特許文献２、３に記載された半導体装置では、ネジ止め箇所が半導体モジュール本体から張り出しているために、外形が大きくなっている。【００１１】
本発明の目的は、半導体モジュールを冷却器に固定する固定部の構造を変えて、小型化した半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するために、本発明の半導体装置は、半導体モジュールと冷却器とをボルトで接合した半導体装置において、前記半導体モジュールには、第１貫通孔を有する外部導電端子と、前記第１貫通孔に連通して前記第１貫通孔の下方に配置された第２貫通孔とが設けられ、前記冷却器は、前記第２貫通孔と連通する第３貫通孔を有しフィンが固着された天板と、前記フィンを収納し冷媒流路をなす凹部および該凹部を囲む側部を有する底板とを有し、前記冷却器の前記側部には、前記第３貫通孔に整合する雌ネジのネジ穴が設けられ、前記ボルトは、前記第１貫通孔よりも外径の大きい頭部と、該頭部より延出され、前記第１貫通孔、前記第２貫通孔および前記第３貫通孔に挿通されて、前記ネジ穴に螺合して締結される軸部とを有し、前記外部端子は、前記ボルトを介して前記冷却器に導通しないように構成されていることを特徴とする。【００１３】
本発明の半導体装置は、前記ボルトと、前記冷却器の天板と、前記冷却器の底板とが金属であり、前記ネジ穴が、前記冷却器の側部に埋め込まれた絶縁材のナットに螺設されているネジ穴であり、前記第３貫通孔の内面に絶縁層を有することが好ましい。【００１４】
または、本発明の半導体装置は、前記ボルトが絶縁材であり、前記冷却器の天板と底板が金属であり、前記ネジ穴が、前記冷却器の側部に埋め込まれた絶縁材のナットに螺設されているネジ穴であることが好ましい。【００１５】
または、本発明の半導体装置は、前記ボルトが絶縁材であり、前記冷却器の天板と底板が金属であり、前記ネジ穴が前記冷却器の底板に直接螺接されているネジ穴であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、外部導電端子に挿通されるボルトによって、半導体モジュールと冷却器とを固定するようにしたので、半導体モジュールと冷却器とを固定するための専用のボルトを配置する必要がなくなり、その分のスペースを節減して、半導体装置の小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の半導体装置に係る一実施形態をあらわす要部上面図である。
【図２】図１のＸ１−Ｘ１で切断した要部断面図である。
【図３】図１のＸ２−Ｘ２で切断した要部断面図である。
【図４】図１のＹ−Ｙで切断した要部断面図である。
【図５】図１の半導体装置に外部配線を接続したときの要部断面図である。
【図６】従来の半導体装置に係る要部上面図である。
【図７】図６のＸ１−Ｘ１で切断した要部断面図である。
【図８】図６のＸ２−Ｘ２で切断した要部断面図である。
【図９】図６のＹ−Ｙで切断した要部断面図である。
【図１０】図６の半導体装置に外部配線を接続したときの要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面にしたがい本発明の半導体装置の一実施形態について説明する。
【００１９】
図１〜図４は、本発明に係る一実施例の半導体装置１００の構成を表す図面である。図１は、上部の蓋２２を外して上方から眺めた要部上面図であり、冷却器２を固定するボルト１７および半導体チップ２３の配線などは示されていない。図２は、図１のＸ１−Ｘ１で切断した要部断面図である。図３は、図１のＸ２−Ｘ２で切断した要部断面図である。図４は、図１のＹ−Ｙで切断した要部断面図である。
【００２０】
半導体装置１００は、半導体モジュール１と、冷却器２と、外部導電端子３と、絶縁材（例えば高分子樹脂、フッ素樹脂、セラミックス等）のナット部１６と、ボルト１７とを備える。
【００２１】
半導体モジュール１は、半導体チップ２３と、半導体チップ２３が固着されたＤＣＢ基板２４と、ＤＣＢ基板２４を収納する樹脂枠５と、樹脂枠５に埋め込まれた金属のブロック７と、ＤＣＢ基板２４の上方に配置され樹脂枠５に嵌合する樹脂製の蓋２２と、樹脂枠５内に充填されるゲルなどの保護部材２１とを備える。ＤＣＢ基板２４の下面は、冷却器２の天板９の上面に固着されている。外部導電端子３は、第１貫通孔４を有し、樹脂枠５の上面の外縁に沿って配置されている。樹脂枠５には、第１貫通孔４に連通する第２貫通孔６が穿設されており、第２貫通孔６の上部は内径を拡げた貫通孔８になっており、金属のブロック７が埋め込まれている。金属のブロック７を樹脂枠５に埋め込むことで、ボルト１７で外部導電端子３が樹脂枠５に締め付けられるとき、外部導電端子３が樹脂枠５に食い込む不具合を防止できる。
【００２２】
冷却器２は、下面に複数のフィン１２が配置された天板９と、凹部１３ａおよび側部１３ｂを有する底板１３とを備えている。天板９と底板１３で囲われフィン１２が収納される空間は、水などの冷媒を通流させる冷媒流路２０になっている。天板９は、第２貫通孔６と連通し、内壁を絶縁層１１で被覆された第３貫通孔１０を備える。絶縁層１１は、第３貫通孔１０の内壁を被覆する絶縁材（例えば高分子樹脂、フッ素樹脂、セラミックス等）の皮膜であってもよいが、着脱可能な絶縁材のチューブであってもよい。また、底板１３の凹部１３ａを取り囲む側部１３ｂには、第３貫通孔１０に整合する雌ネジのネジ穴１６ａが螺設された絶縁材のナット部１６が埋め込まれている。冷却器２の天板９、フィン１２および底板１３の材質は、熱伝導性のよい材質ならば特に限定されず、例えばアルミニウムなどの金属を好適に用いることができる。
【００２３】
ボルト１７は、第１貫通孔４、第２貫通孔６、第３貫通孔１０に挿通され、絶縁材のナット部１６の雌ネジに螺合させて、外部導電端子３と樹脂枠５と天板９と底板１３とを締結する軸部１８と、該軸部１８と接続され第１貫通孔４よりも外径の大きい頭部１９を有する。ボルト１７の材質は、金属または絶縁材（例えば高分子樹脂、フッ素樹脂、セラミックス等）であってもよいが、ボルト１７が絶縁材の場合は、絶縁材のナット部１６や絶縁層１１を設けて絶縁性を確保する必要がなくなり、底板１３の側部１３ｂに雌ネジのネジ穴１６ａを直接螺設することができる。勿論、絶縁材のボルトを用いる場合であっても、金属又は絶縁材のナット部１６や、絶縁層１１を設けても構わない。
【００２４】
半導体モジュール１と冷却器２を前記ボルト１７に固定することで半導体装置１００が完成する。この半導体装置１００は、横の長さがＬであり、縦の長さはＭである。半導体装置１００の上面には、外部導電端子３として、横一列に２つ並んだ直流電圧が入力されるＰ端子、Ｎ端子と、横一列に３つ並んだ３相交流電圧が出力されるＡＣ端子が配置されている。図７に示されている従来の半導体装置５００で配置されていた第２固定用孔８３は、図１に示されている本発明の半導体装置１００では設けていないので、外形寸法である横寸法が、ＬｏからＬへ小さくできて、小型化を図ることができる。つまり、半導体装置１００の横寸法をＬｏ−Ｌ＝２ΔＬだけ縮めることができる。また、小型化することで部材が節約でき、コストを低減できる。
【００２５】
尚、メーカーから顧客にフィン１２が付いた天板９と半導体モジュール１を提供し、顧客側で準備した底板１３と組み合わせて半導体装置１００が完成する場合もある。あるいは、半導体モジュール１、天板９および底板１３をボルト１７で仮締め固定して出荷し、顧客側で、図５に示すように、外部配線２５、外部導電端子３、半導体モジュール１、冷却器２をこの順序で重ね、ボルト１７で締結して、外部配線２５を接続してから、半導体装置１００を使用してもよい。。
【００２６】
図５は、半導体装置１００に外部配線２５を接続したときの要部断面図である。このように、本発明によれば、ボルト１７によって、外部配線２５と、外部導電端子３とを固定すると共に、半導体モジュール１と冷却器２とを同時に固定することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１、５１  半導体モジュール
２、５２  冷却器
３、５３  外部導電端子
４    第１貫通孔
５、５５  樹脂枠
６    第２貫通孔
７    ブロック
８、８１  貫通孔
９、５９  天板
１０    第３貫通孔
１１    絶縁層
１２、６２  フィン
１３、６３  底板
１３ａ  凹部
１３ｂ  側部
１６  ナット部
１６ａ  ネジ穴
１７、６７、８４  ボルト
１８    軸部
１９    頭部
２０、７０  冷媒流路
２１、７１  保護部材
２２、７２  蓋
２３、７３  半導体チップ
２４、７４  ＤＣＢ基板
２５、７５  外部配線
５４    第１固定用孔
５７    ナット部
８２    金属筒
８３    第２固定用孔
１００、５００  半導体装置
Ｌ、Ｌｏ  横の長さ
Ｍ、Ｍｏ  縦の長さ
ΔＬ＝(Ｌｏ−Ｌ）／２
【図１】
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【図２】
2016009725.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2016009725.tif 000007
【図６】
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【図７】
2016009725.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2016009725.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成27年11月16日(2015.11.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体モジュールと冷却器とをボルトで接合した半導体装置において、
前記半導体モジュールには、第１貫通孔を有する外部導電端子と、前記第１貫通孔に連通して前記第１貫通孔の下方に配置された第２貫通孔とが設けられ、
前記冷却器は、前記第２貫通孔と連通する第３貫通孔を有しフィンが固着された天板と、前記フィンを収納し冷媒流路をなす凹部および該凹部を囲む側部を有する底板とを有し、
前記冷却器の前記側部には、前記第３貫通孔に整合する雌ネジのネジ穴が設けられ、
前記ボルトは、前記第１貫通孔よりも外径の大きい頭部と、該頭部より延出され、前記第１貫通孔、前記第２貫通孔および前記第３貫通孔に挿通されて、前記ネジ穴に螺合して締結される軸部とを有し、
前記外部端子は、前記ボルトを介して前記冷却器に導通しないように構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ボルトと、前記冷却器の天板と、前記冷却器の底板とが金属であり、
前記ネジ穴が、前記冷却器の側部に埋め込まれた絶縁材のナットに螺設されているネジ穴であり、
前記第３貫通孔の内面に絶縁層を有する、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ボルトが絶縁材であり、
前記冷却器の天板と底板が金属であり、
前記ネジ穴が、前記冷却器の側部に埋め込まれた絶縁材のナットに螺設されているネジ穴である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ボルトが絶縁材であり、
前記冷却器の天板と底板が金属であり、
前記ネジ穴が、前記冷却器の底板に直接螺設されているネジ穴である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２貫通孔は、前記半導体モジュールの外壁をなす樹脂枠に穿設されており、前記第２貫通孔の上部は内径を拡げた貫通孔になっており、金属ブロックが埋め込まれている請求項１〜４に記載の半導体装置。
【手続補正書】
【提出日】平成28年7月1日(2016.7.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体モジュールと冷却器とをボルトで接合した半導体装置において、
前記半導体モジュールには、第１貫通孔を有する外部導電端子と、前記第１貫通孔に連通して前記第１貫通孔の下方に配置された第２貫通孔とが設けられ、
前記冷却器は、前記第２貫通孔と連通する第３貫通孔を有しフィンが固着された天板と、前記フィンを収納し冷媒流路をなす凹部および該凹部を囲む側部を有する底板とを有し、
前記冷却器の前記側部には、前記第３貫通孔に整合する雌ネジのネジ穴が設けられ、
前記ボルトは、前記第１貫通孔よりも外径の大きい頭部と、該頭部より延出され、前記第１貫通孔、前記第２貫通孔および前記第３貫通孔に挿通されて、前記ネジ穴に螺合して締結される軸部とを有し、
前記外部導電端子は、前記ボルトを介して前記冷却器に導通しないように構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ボルトと、前記冷却器の天板と、前記冷却器の底板とが金属であり、
前記ネジ穴が、前記冷却器の側部に埋め込まれた絶縁材のナットに螺設されているネジ穴であり、
前記第３貫通孔の内面に絶縁層を有する、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ボルトが絶縁材であり、
前記冷却器の天板と底板が金属であり、
前記ネジ穴が、前記冷却器の側部に埋め込まれた絶縁材のナットに螺設されているネジ穴である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ボルトが絶縁材であり、
前記冷却器の天板と底板が金属であり、
前記ネジ穴が、前記冷却器の底板に直接螺設されているネジ穴である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２貫通孔は、前記半導体モジュールの外壁をなす樹脂枠に穿設されており、前記第２貫通孔の上部は内径を拡げた貫通孔になっており、金属ブロックが埋め込まれている請求項１〜４に記載の半導体装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
この半導体装置５００は半導体モジュール５１と冷却器５２とを備える。半導体モジュール５１は、樹脂枠５５を有し、この樹脂枠５５には、第１固定用孔５４を持った外部導電端子５３と、この第１固定用孔５４の下部に配置され、ネジ穴を開口したナット部５７が装着されている。さらに、図７に示すように、樹脂枠５５の４隅には、半導体モジュール５１と冷却器５２との固定に用いられる第２固定用孔８３が形成されている。この第２固定用孔８３の上部内周には金属筒８２などが配置されている。金属筒８２の貫通孔８１は第２固定用孔８３の一部をなしている。冷却器５２は、この半導体モジュール５１の下部に配置される天板５９と、天板５９を固定するためのネジ部６６が形成された底板６３を備える。半導体モジュール５１と冷却器５２は、第２固定用孔８３に挿通されたボルト８４で固定される。天板５９の下面には、複数のフィン６２が配置され、天板５９と底板６３で囲われる空間は水などの冷媒を通流させる冷媒流路７０になっている。また、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板７４の下面は、半田を介して天板５９の上面に固着され、半導体チップ７３は、ＤＣＢ基板７４の上面に固着されている。そして、ゲルなどの保護部材７１が、樹脂枠５５の内側の空間に充填されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
前記の目的を達成するために、本発明の半導体装置は、半導体モジュールと冷却器とをボルトで接合した半導体装置において、前記半導体モジュールには、第１貫通孔を有する外部導電端子と、前記第１貫通孔に連通して前記第１貫通孔の下方に配置された第２貫通孔とが設けられ、前記冷却器は、前記第２貫通孔と連通する第３貫通孔を有しフィンが固着された天板と、前記フィンを収納し冷媒流路をなす凹部および該凹部を囲む側部を有する底板とを有し、前記冷却器の前記側部には、前記第３貫通孔に整合する雌ネジのネジ穴が設けられ、前記ボルトは、前記第１貫通孔よりも外径の大きい頭部と、該頭部より延出され、前記第１貫通孔、前記第２貫通孔および前記第３貫通孔に挿通されて、前記ネジ穴に螺合して締結される軸部とを有し、前記外部導電端子は、前記ボルトを介して前記冷却器に導通しないように構成されていることを特徴とする。
【国際調査報告】
2016009725.tif 000013
2016009725.tif 000014
2016009725.tif 000015
2016009725.tif 000016