(57)【要約】【課題】半導体モジュールと冷却装置の間の熱抵抗の増加を防止することが可能な半導体装置を得る。【解決手段】半導体モジュール１０を板バネ２０で加圧しながら冷却装置３０に固定する半導体装置において、半導体素子１２の上面の面積の少なくとも半分以上が板バネ２０の加圧部２４の外周２４ａ内に入るように配置し、半導体モジュール１０の上面１０ａから、熱抵抗変化への影響が大きい半導体素子１２上を重点的に加圧するようにした。これにより、半導体素子１２直下における半導体モジュール１０の変位を抑制することができ、半導体モジュール１０を冷却装置３０に安定して密着させることができる。その結果、半導体モジュール１０と冷却装置３０の間の熱抵抗の増加を防止することが可能である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が樹脂封止され、中央部に第１貫通穴を有する半導体モジュールと、前記半導体モジュールの上面側に配置され、中央部に第２貫通穴を有する円錐台型の板バネと、前記半導体モジュールの下面側に配置され、中央部にネジ穴を有する冷却装置と、前記第１貫通穴及び前記第２貫通穴を通って前記ネジ穴に螺合され、前記半導体モジュール及び前記板バネを前記冷却装置に固定するネジを備え、
前記板バネは、前記第２貫通穴を有する底部と、前記底部の外周から立ち上がる直立部と、前記直立部の上端から外側に円錐台型に延びて前記半導体モジュール上面を押す加圧部を有し、前記半導体素子の上面の面積の半分以上が前記加圧部の外周内に入るように配置され、前記半導体モジュール上面から加圧されることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体モジュールにおいて、前記半導体素子はヒートスプレッダ上に載置され、前記ヒートスプレッダの上面の面積の半分以上が前記加圧部の前記外周内に入るように配置されてい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】
ヒートスプレッダ上に載置された半導体素子が樹脂封止され、中央部に第１貫通穴を有する半導体モジュールと、前記半導体モジュールの上面側に配置され、中央部に第２貫通穴を有する円錐台型の板バネと、前記半導体モジュールの下面側に配置され、中央部にネジ穴を有する冷却装置と、前記第１貫通穴及び前記第２貫通穴を通って前記ネジ穴に螺合され、前記半導体モジュール及び前記板バネを前記冷却装置に固定するネジを備え、
前記板バネは、前記第２貫通穴を有する底部と、前記底部の外周から立ち上がる直立部と、前記直立部の上端から外側に円錐台型に延びて前記半導体モジュール上面を押す加圧部を有し、前記ヒートスプレッダの上面の面積の半分以上が前記加圧部の外周内に入るように配置され、前記半導体モジュール上面から加圧されることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に、半導体モジュールを板バネで加圧しながら冷却装置にネジ締め固定する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッド自動車等の移動体には、パワー半導体素子を複合化した半導体モジュールを冷却装置に固定した半導体装置が搭載されている。このような半導体装置において、半導体モジュールのブロック状の筐体を冷却装置に固定する際には、通常、半導体モジュールと冷却装置の間に熱伝導グリスを介在させている。
【０００３】
しかし、熱伝導グリスの熱伝導率は、通常１Ｗ／ｍＫ〜５Ｗ／ｍＫ程度であり、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）の熱伝導率（各々４００Ｗ／ｍＫ、２００Ｗ／ｍＫ）に比べて非常に小さい。このため、熱伝導グリスが半導体モジュールと冷却装置の間に部分的に厚い状態で残っていると、半導体モジュールと冷却装置の間の熱抵抗が増加し好ましくない。
【０００４】
半導体モジュールは、その中央部に設けられた貫通穴にネジを挿入することにより冷却装置に固定されるが、熱伝導グリスが部分的に厚くなるのを防ぐためには、半導体モジュールを冷却装置の搭載面に対して均一に押し付ける必要がある。しかし、半導体モジュールの底面は完全に平坦ではない上、樹脂封止型の筐体は剛性が不均一であるため、搭載面に対して均一に押し付けることが難しい。その結果、ネジ周辺にのみ押し付け力がかかり、ネジから遠くなるに従って半導体モジュールが浮き上がり、半導体モジュール全体が冷却装置の搭載面に密着しないという問題があった。
【０００５】
例えば特許文献１に提示された半導体装置では、半導体モジュールをほぼ被うように配置されたペントルーフ型の板バネを介してネジを挿入することにより、ネジの加圧力を半導体モジュールの周辺に伝達するようにしている。しかし、ペントルーフ型の板バネでは、半導体モジュールにバネ加圧力を均一に印加することはできない。
【０００６】
そこで近年、回転対称体である円錐台型の加圧部を有する板バネ（皿バネ）を用い、半導体モジュールにバネ加圧力を均一に印加する技術が提案されている。例えば特許文献２では、円錐台型の加圧部を有する板バネと、半導体モジュールの上面に対して一定の間隔を保つバネ接触部を有するバネ押さえを備え、このバネ押さえにより板バネの反転を抑制し、バネ加圧力の制御性を向上した半導体装置が提示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３７２５１０３号公報
【特許文献２】特開２０１１−３５２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、加圧部が円錐台型の板バネを用いた場合、ブロック状である半導体モジュールの四隅にはバネ加圧力を印加できず、半導体モジュールの四隅を冷却装置の搭載面に密着させることが難しい。そのため、高温環境下において、半導体モジュールの四隅は、バネで加圧されている部分に比べて熱による変形が大きくなる。特に、四隅付近に半導体素子が配置されている場合、その直下において半導体モジュールの変位が大きくなり、半導体モジュールと冷却装置との密着性が低下し、熱抵抗が増加するという問題があった。さらに、半導体モジュールの変位が繰り返し発生することで、熱伝導グリスのポンピングアウト現象が顕著になり、温度サイクルに対する耐久性が低下するという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、半導体モジュールを板バネで加圧しながら冷却装置に固定する半導体装置において、熱抵抗変化への影響が大きい半導体素子上を重点的に加圧することができ、半導体モジュールと冷却装置の間の熱抵抗の増加を防止することが可能な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】
【００１０】
本発明の請求項１に係る半導体装置は、半導体素子が樹脂封止され、中央部に第１貫通穴を有する半導体モジュールと、半導体モジュールの上面側に配置され、中央部に第２貫通穴を有する円錐台型の板バネと、半導体モジュールの下面側に配置され、中央部にネジ穴を有する冷却装置と、第１貫通穴及び第２貫通穴を通ってネジ穴に螺合され、半導体モジュール及び板バネを冷却装置に固定するネジを備えている。板バネは、第２貫通穴を有する底部と、底部の外周から立ち上がる直立部と、直立部の上端から外側に円錐台型に延びて半導体モジュール上面を押す加圧部を有し、半導体素子の上面の面積の半分以上が加圧部の外周内に入るように配置され、半導体モジュール上面から加圧されるものである。
【００１１】
また、本発明の請求項３に係る半導体装置は、ヒートスプレッダ上に載置された半導体素子が樹脂封止され、中央部に第１貫通穴を有する半導体モジュールと、半導体モジュールの上面側に配置され、中央部に第２貫通穴を有する円錐台型の板バネと、半導体モジュールの下面側に配置され、中央部にネジ穴を有する冷却装置と、第１貫通穴及び第２貫通穴を通ってネジ穴に螺合され、半導体モジュール及び板バネを冷却装置に固定するネジを備えている。板バネは、第２貫通穴を有する底部と、底部の外周から立ち上がる直立部と、直立部の上端から外側に円錐台型に延びて半導体モジュール上面を押す加圧部を有し、ヒートスプレッダの上面の面積の半分以上が加圧部の外周内に入るように配置され、半導体モジュール上面から加圧されるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の請求項１に係る半導体装置によれば、半導体素子の上面の面積の半分以上が板バネの加圧部の外周内に入るように配置されているので、熱抵抗変化への影響が大きい半導体素子上を重点的に加圧することができ、半導体素子直下における半導体モジュールの変位を抑制することができる。これにより、半導体モジュールを冷却装置に安定して密着させることができ、半導体モジュールと冷却装置の間の熱抵抗の増加を防止することが可能である。
【００１３】
本発明の請求項３に係る半導体装置によれば、半導体素子が載置されたヒートスプレッダの上面の面積の半分以上が板バネの加圧部の外周内に入るように配置されているので、加圧位置を半導体素子上に限定できない場合でも、複数個の半導体素子を一括して加圧することができ、半導体素子直下における半導体モジュールの変位を抑制することができる。これにより、半導体モジュールを冷却装置に安定して密着させることができ、半導体モジュールと冷却装置の間の熱抵抗の増加を防止することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの内部構造の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る半導体装置における半導体素子と板バネの加圧部の位置関係を示す上面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る半導体装置における半導体素子と板バネの加圧部の位置関係を示す上面図である。
【図５】本発明の比較例である半導体装置における半導体素子と板バネの加圧部の位置関係を示す上面図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１に係る半導体装置について、図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図、図２は、本実施の形態１に係る半導体モジュールの内部構造の一例を示す断面図である。なお、図中、同一部分には同一符号を付している。本実施の形態１に係る半導体装置１００は、電気自動車やハイブリッド自動車等の移動体に用いられる半導体装置であり、図１に示すように、半導体モジュール１０、板バネ２０、冷却装置３０、及びネジ４０を備えている。
【００１６】
半導体モジュール１０は、図２に示すように、その中央部に第１貫通穴１１を有している。半導体モジュール１０に搭載された複数の半導体素子１２は、ヒートスプレッダ１３上に載置され、はんだ付けされている。ヒートスプレッダ１３は、複数の半導体素子１２の熱抵抗変化を分散させる。半導体素子１２の表面電極（図示せず）は、電源接続用端子１４と出力端子１６に、直接またはワイヤ１５を介して接続される。これらの半導体素子１２、ヒートスプレッダ１３及びワイヤ１５等は、樹脂（例えばエポキシ樹脂）１７で封止される。
【００１７】
円錐台型の板バネ２０は、半導体モジュール１０の上面１０ａ側に配置され、その底部２２の中央部に第２貫通穴２１を有している。また、板バネ２０は、底部２２の外周から立ち上がる直立部２３と、直立部２３の上端から外側に円錐台型に延びて半導体モジュール１０の上面１０ａを押す加圧部２４を有している。加圧部２４の加圧力は、直立部２３の長さやバネ定数により所定量に設計される。また、加圧部２４の外周２４ａは、半導体モジュール１０の上面１０ａの各辺よりも小さい直径を有するように設計される。
【００１８】
半導体モジュール１０の下面側に配置される冷却装置３０は、その上面中央部にネジ穴３１を有する。ネジ４０は、板バネ２０の第２貫通穴２１及び半導体モジュール１０の第１貫通穴１１を通って冷却装置３０のネジ穴３１に螺合され、半導体モジュール１０及び板バネ２０を冷却装置３０に固定する。なお、半導体モジュール１０と冷却装置３０の間には、熱伝導グリス（図示せず）が配置されている。
【００１９】
以上のように構成された半導体装置１００において、板バネ２０の加圧部２４は、半導体モジュール１０の上面１０ａを、実験的に求められた最低必要荷重で加圧する。荷重の強さは板バネ２０のたわみ量で調整され、所定のたわみ量が得られるようにネジ締めが行われる。これにより、ネジ４０の加圧力を周辺に伝達し、半導体モジュール１０の上面１０ａに均一で適正な加圧力を印加するものである。
【００２０】
次に、本実施の形態１に係る半導体装置における半導体素子と板バネの加圧部の位置関係について、図３及び図４を用いて説明する。図３に示す半導体装置１００の例では、複数の半導体素子１２はいずれも、その上面の面積の半分以上が板バネ２０の加圧部２４の外周２４ａ内に入るように配置されている。
【００２１】
また、図４（ａ）に示す半導体装置１００ａの例では、上面の面積の半分以上が加圧部２４の外周２４ａ内に入っている半導体素子１２ａと、上面の面積全部が加圧部２４の外
周２４ａ内に入っている半導体素子１２ｂが混在している。また、図４（ｂ）に示す半導体装置１００ｂの例では、４つの半導体素子１２ｃの上面の面積全部が加圧部２４の外周２４ａ内に入るように配置されている。
【００２２】
次に、比較例として、従来の半導体装置における半導体素子と板バネの加圧部の位置関係について、図５を用いて説明する。比較例の半導体装置１００ｃでは、板バネ２０による加圧力が印加されない半導体モジュール１０の四隅付近に、半導体素子１２ｄが配置されている。このため、半導体素子１２ｄの上面の面積の半分以上が、加圧部２４の外周２４ａの外側に配置されている。このような位置関係では、熱抵抗変化への影響が大きい半導体素子１２ｄ上を十分に加圧することができない。
【００２３】
その結果、高温環境化において、四隅付近に配置された半導体素子１２ｄ直下における半導体モジュール１０の変位が大きくなり、半導体モジュール１０と冷却装置３０との密着性が低下し、熱抵抗が増加するという問題が発生する。さらに、半導体モジュール１０の変位が繰り返し発生することで、熱伝導グリスのポンピングアウト現象が顕著になり、温度サイクルに対する耐久性が低下する。
【００２４】
この比較例に対し、本実施の形態１では、図３及び図４に示すように、半導体素子１２（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）を、その上面の面積の少なくとも半分以上が板バネ２０の加圧部２４の外周２４ａ内に入るように配置し、半導体モジュール１０の上面１０ａから、熱抵抗変化への影響が大きい半導体素子１２上を重点的に加圧するようにしたものである。
【００２５】
従って、本実施の形態１によれば、半導体素子１２直下における半導体モジュール１０の変位を抑制することができ、半導体モジュール１０を冷却装置３０に安定して密着させることができる。その結果、半導体モジュール１０と冷却装置３０の間の熱抵抗の増加を防止することができ、熱抵抗が低い状態で安定させることができる。
【００２６】
また、半導体素子１２直下における半導体モジュール１０の変位を小さくすることができるため、その部分に塗布された熱伝導グリスのポンピングアウト現象を抑制することができる。その結果、長期に亘り安定した熱伝導性能を確保することができ、温度サイクルに対する耐久性の低下を防ぐことができる。
【００２７】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す上面図である。なお、図６中、図３と同一部分には同一符号を付し、説明を省略する。また、図６において、半導体素子の図示を省略しているが、本実施の形態２に係る半導体装置１００ｄは、ヒートスプレッダ１３上に半導体素子を搭載している。
【００２８】
上記実施の形態１では、半導体素子１２の上面の面積の半分以上が板バネ２０の加圧部２４の外周２４ａ内に入るように配置することにより、半導体モジュール１０の上面１０ａから半導体素子１２上を重点的に加圧するようにした。しかし、半導体モジュール１０には、複数個の半導体素子を複合化したものが存在するため、加圧部２４による加圧位置を半導体素子上に限定することが難しい場合がある。
【００２９】
そこで、本実施の形態２では、半導体素子が載置されたヒートスプレッダ１３上面の面積の半分以上（望ましくは全部）が、板バネ２０の加圧部２４の外周２４ａ内に入るように配置し、半導体モジュール１０の上面から加圧するようにしたものである。以上のように構成された半導体装置１００ｄにおいて、板バネ２０の加圧部２４は、半導体モジュール１０の上面を、実験的に求められた最低必要荷重で加圧する。これにより、ネジ４０の
加圧力を周辺に伝達し、半導体モジュール１０の上面に均一で適正な加圧力を印加するものである。
【００３０】
本実施の形態２によれば、複数個の半導体素子が載置されたヒートスプレッダ１３の面積の半分以上を加圧することにより、加圧位置を半導体素子上に限定できないような場合でも、複数個の半導体素子を一括して加圧することができる。これにより、半導体モジュール１０の変位を抑制することができ、半導体モジュール１０を冷却装置３０に安定して密着させることができるため、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００３１】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。例えば上記実施の形態１と本実施の形態２を組み合わせて、半導体素子１２の上面の面積の半分以上、且つヒートスプレッダ１３の面積の半分以上が、板バネ２０の加圧部２４の外周２４ａ内に入るように配置してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車等の移動体に用いられる半導体装置として利用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１０  半導体モジュール、１０ａ  上面、１１  第１貫通穴、
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ  半導体素子、１３  ヒートスプレッダ、
１４  電源接続用端子、１５  ワイヤ、１６  出力端子、１７  樹脂、２０  板バネ、
２１  第２貫通穴、２２  底部、２３  直立部、２４  加圧部、２４ａ  外周、
３０  冷却装置、３１  ネジ穴、４０  ネジ、
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ  半導体装置。
【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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