(57)【要約】【課題】半導体モジュールの面方向の熱膨張収縮が拘束されると、高さ方向の熱応力によって反りが発生し、グリースが塗布位置から流出する可能性がある。【解決手段】半導体装置１００は、平板状の冷却器２と、冷却器２上にグリースを介して載置された、半導体チップを樹脂モールドした半導体モジュール１と、平板状の冷却器の面方向において、半導体モジュールの温度変化に応じた寸法変化を許容するとともに、半導体モジュールの位置を位置決めする位置決め部材３とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の冷却器と、
前記冷却器上にグリースを介して載置された、半導体チップを樹脂モールドした半導体モジュールと、
前記平板状の冷却器の面方向において、前記半導体モジュールの温度変化に応じた寸法変化を許容するとともに、前記半導体モジュールの位置を位置決めする位置決め部材と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記位置決め部材は、前記冷却器の面方向において、熱膨張収縮する前記半導体モジュールを弾性的に支持する、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記位置決め部材は、前記半導体モジュールの周囲に当接する弾性体である、
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記位置決め部材は、前記冷却器に固定された、外形が方形の枠状体であり、
前記半導体モジュールは、外形が前記枠状体の内周部よりも小さい略方形で前記枠状体内に載置され、外周の四辺に設けられた凹部を有しており、
前記位置決め部材は、前記半導体モジュールの凹部に勘合する凸部であって、前記枠状体の四辺から前記半導体モジュールに向かって延びる、前記半導体モジュールの凹部の幅寸法と同等の幅寸法で形成された凸部を有し、該凸部の先端は前記凹部の底面に対して離間している、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記位置決め部材は、前記冷却器に固定されて、外形が方形の枠状体であり、
前記半導体モジュールは、外形が前記枠状体の内周部よりも小さい略方形で前記枠状体内に載置され、外周の四辺から外側に向かって延びる凸部を有しており、
前記位置決め部材は、前記半導体モジュールの凸部に勘合する、前記枠状体の四辺に設けられた前記半導体モジュールの凸部の幅寸法と同等の幅寸法を有する凹部を有し、該凹部の底面が前記半導体モジュールの凸部の先端に対して離間している、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱伝導性グリースを介して半導体モジュールを冷却器上に配置し、半導体モジュールを冷却器にボルト締結して位置決め固定した半導体装置が知られている。特許文献１では、パワーモジュールまたは冷却器に凹部または凸部を設けて、パワーモジュールと冷却器との間から流出するグリースを凹部に貯める、または、凸部で止める技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１６８７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の方法では、半導体モジュールを冷却器にボルト締結するので、半導体モジュールの面方向の熱膨張収縮が拘束される。従って、環境温度変化によって、半導体モジュールの高さ方向に熱応力が発生すると、半導体モジュールの反りが発生し、グリースが塗布位置から流出する可能性がある。
【０００５】
本発明は、半導体モジュールの面方向の熱膨張収縮を拘束せず、半導体モジュールを位置決め固定することができる半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による半導体装置は、平板状の冷却器と、冷却器上にグリースを介して載置された、半導体チップを樹脂モールドした半導体モジュールと、半導体モジュールの位置を位置決めする位置決め部材とを備える。位置決め部材は、平板状の冷却器の面方向において、半導体モジュールの温度変化に応じた寸法変化を許容する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、位置決め部材は、半導体モジュールの位置を位置決めするが、半導体モジュールの温度変化に応じた寸法変化を許容するので、半導体モジュールの面方向の熱膨張収縮を拘束することなく、半導体モジュールを位置決め固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は、第１の実施形態における半導体装置の外観構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す半導体装置を半分に割った状態を示す図である。
【図２】図２は、第１の実施形態における半導体装置の上面図である。
【図３】図３は、第１の実施形態における半導体装置の断面図である。
【図４】図４は、第１の実施形態の変形例１における半導体装置の上面図である。
【図５】図５は、第１の実施形態の変形例２における半導体装置の上面図である。
【図６】図６は、第２の実施形態における半導体装置の外観構成を示す斜視図である。
【図７】図７は、第２の実施形態における半導体装置の上面図である。
【図８】図８は、第２の実施形態における半導体装置の断面図である。
【図９】図９は、第３の実施形態における半導体装置の上面図である。
【図１０】図１０（ａ）は、第４の実施形態における半導体装置の外観構成を示す斜視図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す半導体装置を半分に割った状態を示す図である。
【図１１】図１１は、第４の実施形態における半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜第１の実施形態＞
図１（ａ）は、第１の実施形態における半導体装置１００の外観構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す半導体装置１００を半分に割った状態を示す図である。図２は、第１の実施形態における半導体装置１００の上面図である。図３は、第１の実施形態における半導体装置１００の断面図であり、図１（ｂ）の矢印Ｙ１の方向から見た図である。
【００１０】
第１の実施形態における半導体装置１００は、平板状の冷却器２と、グリース５を介して冷却器２上に載置された半導体モジュール１と、半導体モジュール１を位置決めするための位置決め部材３とを備える。位置決め部材３は、４本のボルト４で冷却器２に取り付けられている。
【００１１】
半導体モジュール１は、バスバー１１の上に半導体チップ１０を載置し、バスバー１１の露出面および半導体チップ１０をＰＰＳやエポキシ樹脂等の絶縁性のモールド樹脂で樹脂モールドすることによって構成されている。バスバー１１と冷却器２との間には、グリース５が塗布されている。なお、図３では、１つの半導体チップ１０しか示していないが、半導体モジュール１は、複数の半導体チップ１０を含むことができる。
【００１２】
位置決め部材３は、半導体モジュール１の外周を取り囲む枠状の形状であり、シリコーンゴム等の、半導体モジュール１を構成するモールド樹脂よりも剛性が低い弾性材で成形されている。枠状の位置決め部材３の各辺には、内側に向かって、すなわち、内部に載置されている半導体モジュール１に向かって突出する半円形状の凸部３Ａが設けられている。また、半導体モジュール１の外周の四辺にはそれぞれ、位置決め部材３の凸部３Ａと嵌合する、半円形状の凹部１Ａが設けられている。すなわち、位置決め部材３の凸部３Ａは、半導体モジュール１の外周に設けられている凹部１Ａと嵌合することによって、半導体モジュール１を位置決め固定する。位置決め部材３の凸部３Ａと半導体モジュール１の凹部１Ａとを嵌合させる構造であるため、載置されている半導体モジュール１に位置決め部材３を取り付ける際に、容易に位置決めすることができる。また、位置決め部材３を冷却器２に固定する構造としているため、初期の塗布範囲にグリース５を留めておくことができる。
【００１３】
図３に示すように、半導体モジュール１の凹部１Ａは、半導体モジュール１の上面から底面まで設けられているわけではなく、上面から底面に向かう途中まで設けられている。同様に、位置決め部材３の凸部３Ａは、位置決め部材３の上面から底面まで設けられているわけではなく、上面から底面に向かう途中まで設けられている。従って、位置決め部材３の凸部３Ａが半導体モジュール１の凹部１Ａと嵌合している状態では、凸部３Ａの下側は空白ではなく、半導体モジュール１が存在する。これにより、振動等によって半導体モジュール１に上方向の力が加わっても、凸部３Ａによって半導体モジュール１が上方向に抜けるのを防ぐことができる。
【００１４】
上述したように、位置決め部材３は、弾性材で成形されているので、環境温度変化等に起因して半導体モジュール１が膨張・収縮しても、半導体モジュール１の動きに応じて、位置決め部材３も弾性変形するので、半導体モジュール１の面方向の動きが拘束されない。すなわち、半導体モジュール１の面方向の熱膨張収縮が拘束されないので、面方向の熱応力が発生せず、半導体モジュール１の反りの発生を防止することができる。これにより、グリース５の流出を防ぐことができる。なお、面方向とは、平板状の冷却器２の平面に沿った方向、すなわち、冷却器２および半導体モジュール１の積層方向と垂直な平面に沿った方向である。
【００１５】
以上、第１の実施形態における半導体装置１００は、平板状の冷却器２と、冷却器２上にグリース５を介して載置された半導体チップ１０を樹脂モールドした半導体モジュール１と、平板状の冷却器２の面方向において、半導体モジュール１の温度変化に応じた寸法変化を許容するとともに、半導体モジュールの位置を位置決めする位置決め部材３とを備える。このような構成としたことにより、位置決め部材３は、半導体モジュール１の位置を位置決めするが、半導体モジュール１の温度変化に応じた寸法変化を許容するので、半導体モジュール１の面方向の熱膨張収縮を拘束することなく、半導体モジュール１を位置決め固定することができる。
【００１６】
特に、位置決め部材３は、冷却器２の面方向において、熱膨張収縮する半導体モジュール１を弾性的に支持するので、半導体モジュール１の熱膨張収縮を拘束することなく、半導体モジュール１を位置決め固定することができる。
【００１７】
また、位置決め部材３は、半導体モジュール１の周囲に当接する弾性体であるので、半導体モジュール１の周囲に当接することによって、容易に半導体モジュール１を位置決めしつつ、半導体モジュール１の熱膨張収縮を吸収することができる。
【００１８】
＜第１の実施形態の変形例１＞
図４は、第１の実施形態の変形例１における半導体装置１００Ａの上面図である。この半導体装置１００Ａでは、位置決め部材３の四辺全てではなく、隣り合う二辺にだけ、凸部３Ａが設けられている。また、半導体モジュール１の外周の四辺のうちの二辺に、凸部３Ａと嵌合する凹部１Ａが設けられている。従って、半導体モジュール１の外周の四辺のうち、凹部１Ａが設けられていない辺は、位置決め部材３の内周面と当接している。
【００１９】
第１の実施形態の変形例１における半導体装置１００Ａでも、位置決め部材３は、半導体モジュール１の位置を位置決めするが、半導体モジュール１の温度変化に応じた寸法変化を許容するので、半導体モジュール１の面方向の熱膨張収縮を拘束することなく、半導体モジュール１を位置決め固定することができる。
【００２０】
＜第１の実施形態の変形例２＞
図５は、第１の実施形態の変形例２における半導体装置１００Ｂの上面図である。この半導体装置１００Ｂでは、位置決め部材３に凸部３Ａが設けられていない。同様に、半導体モジュール１の外周にも、凹部１Ａが設けられていない。すなわち、矩形形状の半導体モジュール１の周囲は、矩形枠状の位置決め部材３と当接した状態で取り囲まれている。
【００２１】
第１の実施形態の変形例２における半導体装置１００Ｂでも、弾性体の位置決め部材３は、半導体モジュール１の位置を位置決めするが、半導体モジュール１の温度変化に応じた寸法変化を許容するので、半導体モジュール１の面方向の熱膨張収縮を拘束することなく、半導体モジュール１を位置決め固定することができる。但し本変形例２においては、半導体モジュール１の正確な位置決めを行うためには、半導体モジュール１の外周面と位置決め部材３の内周面との面精度が要求されるため、上述のように半導体モジュール１と位置決め部材３とは凹部と凸部で勘合する形状とすることが望ましい。
【００２２】
＜第２の実施形態＞
図６は、第２の実施形態における半導体装置２００の外観構成を示す斜視図である。図７は、第２の実施形態における半導体装置２００の上面図であり、図８は、図７のＡ−Ａ’面で切断した場合の第２の実施形態における半導体装置２００の断面図である。
【００２３】
第２の実施形態における半導体装置２００では、位置決め部材３の凸部３Ｂの形状が第１の実施形態における位置決め部材３の凸部３Ａの形状と異なる。すなわち、位置決め部材３の凸部３Ｂは、矩形形状である。また、半導体モジュール１は、位置決め部材３の凸部３Ｂの形状に応じた、矩形の凹部１Ｂを有する。
【００２４】
位置決め部材３の凸部３Ｂの長さ寸法は、半導体モジュール１の凹部１Ｂの深さ寸法よりも短い。また、位置決め部材３の凸部３Ｂの幅寸法は半導体モジュール１の凹部１Ｂの幅寸法と同等である。すなわち、凸部３Ｂの突出方向先端は、凹部１Ｂの底面に対して離間しており、半導体モジュール１と位置決め部材３との間には、わずかな隙間が存在する。また、凸部３Ｂの幅方向端面は凹部１Ｂの内周面に当接している。これにより、半導体モジュール１の面方向の動きは拘束されるが、半導体モジュール１の面方向の熱膨張収縮は拘束されない。すなわち、半導体モジュール１の面方向の熱膨張および収縮は、半導体モジュール１の中心を基点とした、半導体モジュール１の外周方向への寸法変化であり、これに対しては凸部３Ｂの突出方向先端と凹部１Ｂの底面とが離間していることから拘束されることは無い。一方で、凸部３Ｂの幅方向両端面は凹部１Ｂの内周面に当接しているため、半導体モジュール１自体の面方向の動きは拘束されて位置決めされる。
【００２５】
上述の通り、半導体モジュール１の面方向の熱膨張収縮が拘束されないので、面方向の熱応力が発生せず、半導体モジュール１の反りの発生を防止することができる。これにより、グリース５の流出を防ぐことができる。また、位置決め部材３の凸部３Ｂの幅寸法と、半導体モジュール１の凹部１Ｂの幅寸法が同等であるため、凸部３Ｂの幅方向両端面は凹部１Ｂの内周面に当接し、半導体モジュール１の位置を位置決めすることができる。
【００２６】
なお、位置決め部材３の凸部３Ｂの長さ寸法と、半導体モジュール１の凹部１Ｂの深さ寸法、すなわち凸部３Ｂの突出方向先端と凹部１Ｂの底面との隙間は、半導体モジュール１の熱膨張収縮の大きさを考慮して、適切な値に設定すればよい。また、凸部３Ｂの幅方向両端面と凹部１Ｂの内周面とを接触させるために両者の幅寸法を同等としているが、設計的な寸法誤差は許容される。
【００２７】
また、第２の実施形態における位置決め部材３の素材は、弾性材に限定されず、例えば、金属のような剛性材でもよい。
【００２８】
さらにまた、第２の実施形態における凸部３Ｂの先端形状と凹部１Ｂの底面形状は、第１の実施形態とは異なり矩形状としているが、これは上述の通り、本第２の実施形態においては、凸部３Ｂの幅方向両端面と凹部１Ｂの内周面とが当接することによって半導体モジュール１の位置決めを行っているためであり、凸部３Ｂの先端形状と凹部１Ｂの底面形状は半導体モジュール１の位置決めに寄与しないためである。従って、凸部３Ｂの幅方向両端面と凹部１Ｂの内周面とが当接し、且つ凸部３Ｂの先端と凹部１Ｂの底面との間に隙間が設けられていれば、凸部３Ｂの先端形状と凹部１Ｂの底面形状はどのような形状であっても良い。
【００２９】
なお上述の通り、半導体モジュール１の面方向の熱膨張および収縮は、半導体モジュール１の中心を基点とした、半導体モジュール１の外周方向への寸法変化であるため、半導体モジュール１の凹部１Ｂは、半導体モジュール１の各外周辺の中心に設けることが好ましい。
【００３０】
以上、第２の実施形態における半導体装置２００では、位置決め部材３は、冷却器２に固定されて外形が方形の枠状体であり、半導体モジュール１は、外形が枠状体の内周部よりも小さい略方形で枠状体内に載置され、外周の四辺に設けられた凹部１Ｂを有している。位置決め部材３は、半導体モジュール１の凹部１Ａと対応する位置であって、枠状体の四辺から半導体モジュール１に向かって延びる凸部３Ｂを有し、凸部３Ｂの先端は凹部１Ａの底面に対して離間するとともに、凸部３Ｂの幅方向両端面は凹部１Ａの内周面に対して当接している。このような構成とすることにより、位置決め部材３は、半導体モジュール１の位置を位置決めするが、半導体モジュール１の温度変化に応じた寸法変化を許容するので、半導体モジュール１の面方向の熱膨張収縮を拘束することなく、半導体モジュール１を位置決め固定することができる。
【００３１】
＜第３の実施形態＞
図９は、第３の実施形態における半導体装置３００の上面図である。第２の実施形態における半導体装置２００では、位置決め部材３に凸部３Ｂが設けられ、半導体モジュール１に凹部１Ｂが設けられていたが、第３の実施形態における半導体装置３００では、位置決め部材３に凹部３Ｃが設けられ、半導体モジュール１に凸部１Ｃが設けられている。
【００３２】
半導体モジュール１の凸部１Ｃの長さ寸法は、位置決め部材３の凹部３Ｃの深さ寸法よりも短い。また、半導体モジュール１の凸部１Ｃの幅寸法は位置決め部材３の凹部３Ｃの幅寸法と同等である。すなわち、凸部１Ｃの突出方向先端は、凹部３Ｃの底面に対して離間しており、半導体モジュール１と位置決め部材３との間には、わずかな隙間が存在する。また、凸部１Ｃの幅方向端面は凹部３Ｃの内周面に当接している。これにより、半導体モジュール１の面方向の動きは拘束されるが、半導体モジュール１の面方向の熱膨張収縮が拘束されない。すなわち、半導体モジュール１の面方向の熱膨張および収縮は、半導体モジュール１の中心を基点とした、半導体モジュール１の外周方向への寸法変化であり、これに対しては凸部１Ｃの突出方向先端と凹部３Ｃの底面とが離間していることから拘束されることは無い。一方で、凸部１Ｃの幅方向両端面は凹部３Ｃの内周面に当接しているため、半導体モジュール１自体の面方向の動きは拘束されて位置決めされる。
【００３３】
上述の通り、半導体モジュール１の面方向の熱膨張収縮が拘束されないので、面方向の熱応力が発生せず、半導体モジュール１の反りの発生を防止することができる。これにより、グリース５の流出を防ぐことができる。また、位置決め部材３の凹部３Ｃの幅寸法と、半導体モジュール１の凸部１Ｃの幅寸法とが同等であるため、凸部１Ｃの幅方向両端面は凹部３Ｃの内周面に当接し、半導体モジュール１の位置を位置決めすることができる。
【００３４】
なお、第２の実施形態と同様に、半導体モジュール１の凸部１Ｃの長さ寸法と、位置決め部材３の凹部３Ｃの深さ寸法、すなわち凸部１Ｃの突出方向先端と凹部３Ｃの底面との隙間は、半導体モジュール１の熱膨張収縮の大きさを考慮して、適切な値に設定すればよい。また、凸部１Ｃの幅方向両端面と凹部３Ｃの内周面とを接触させるために両者の幅寸法を同等としているが、設計的な寸法誤差は許容される。
【００３５】
また、第２の実施形態と同様に、位置決め部材３の素材は、弾性材に限定されず、例えば、金属のような剛性材でもよい。
【００３６】
さらにまた、第２の実施形態と同様に、凸部１Ｃの先端形状と凹部３Ｃの底面形状はどのような形状であっても良い。
【００３７】
また、第２の実施形態と同様に、半導体モジュール１の面方向の熱膨張および収縮は、半導体モジュール１の中心を基点とした、半導体モジュール１の外周方向への寸法変化であるため、半導体モジュール１の凸部１Ｃは半導体モジュール１の各外周辺の中心に設けることが好ましい。
【００３８】
＜第４の実施形態＞
図１０（ａ）は、第４の実施形態における半導体装置４００の外観構成を示す斜視図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す半導体装置４００を半分に割った状態を示す図である。第１の実施形態における半導体装置１００では、半導体モジュール１の片面だけに冷却器２が設けられていたが、第４の実施形態における半導体装置４００では、半導体モジュール１の両面に冷却器２が設けられている。
【００３９】
図１１は、第４の実施形態における半導体装置４００の断面図であり、図１０（ｂ）の矢印Ｙ２の方向から見た図である。半導体チップ１０の両面はバスバー１１と当接しており、それぞれのバスバー１１は、グリース５を介して、冷却器２と接している。すなわち、半導体モジュール１は、２つの冷却器２によって挟み込まれる構造となっている。また、２つの冷却器２は、４本のボルト１５で固定されている。
【００４０】
半導体モジュール１を２つの冷却器２によって挟み込んだ第４の実施形態における半導体装置４００において、半導体モジュール１の位置決め構造は、第１の実施形態における半導体装置１００と同じである。すなわち、位置決め部材３の凸部３Ａが半導体モジュール１の凹部１Ａと嵌合することによって、半導体モジュール１を位置決め固定する。
【００４１】
以上、第４の実施形態における半導体装置４００によれば、半導体モジュール１の両面に冷却器２を配置する構造においても、第１の実施形態における半導体装置１００と同様に、半導体モジュール１の面方向の熱膨張収縮を拘束することなく、半導体モジュール１を位置決め固定することができる。
【００４２】
本発明は、上述した第１〜第４の実施形態に限定されることはない。例えば、第１および第４の実施形態では、位置決め部材３の凸部３Ａの形状、および、半導体モジュール１の凹部１Ａの形状を半円形状としたが、半円形状に限定されることはない。また、第２の実施形態において、位置決め部材３の凸部３Ｂの形状、および、半導体モジュール１の凹部１Ｂの形状を矩形形状としたが、矩形形状に限定されることはない。同様に、第３の実施形態において、位置決め部材３の凹部３Ｃの形状と、半導体モジュール１の凸部１Ｃの形状も矩形形状に限定されることはない。
【００４３】
第２および第３の実施形態では、半導体モジュール１の片面だけに冷却器２を設ける例を挙げて説明したが、第４の実施形態と同様に、半導体モジュール１の両面に冷却器２を設けることもできる。
【符号の説明】
【００４４】
１…半導体モジュール
１Ａ、１Ｂ、３Ｃ…凹部
２…冷却器
３…位置決め部材
３Ａ、３Ｂ、１Ｃ…凸部
５…グリース
【図１】
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【図２】
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【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】
2013089636.tif 000009
【図８】
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【図９】
2013089636.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2013089636.tif 000013