(57)【要約】【課題】弾性部材の縮小量を小さくすることなく、ボルトの先端部の半導体モジュールからの飛び出しを抑え、半導体モジュールと制御基板との距離を接近可能にし、半導体装置の小型化を可能にした、半導体装置の半導体モジュールの固定方法を得る。【解決手段】この発明の半導体装置の半導体モジュールの固定方法は、予め、治具１６，１７を用いて皿ばね１０，１１を縮小し、この状態で通しボルト４及びナット５を用いて半導体モジュール２，３を冷却器１に固定する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボルト貫通孔を有する冷却器と、
この冷却器に面接触した、ボルト貫通孔を有する半導体モジュールと、
前記冷却器と反対側の前記半導体モジュールの面に配置されボルト貫通孔を有する弾性部材と、
各前記ボルト貫通孔を貫通したボルトと、
このボルト端部に螺着され、ボルトと協同して前記弾性部材を縮小し、縮小して生じた弾性力で前記半導体モジュールを前記冷却器に押圧させるナットと、
前記半導体モジュールと対向して設けられているとともに、半導体モジュールの端子を通じて半導体モジュールと電気的に接続された制御基板と
を備えた半導体装置の半導体モジュールの固定方法であって、
予め、治具を用いて前記弾性部材を縮小し、この状態で前記ボルト及び前記ナットを用いて前記半導体モジュールを前記冷却器に固定することを特徴とする半導体装置の半導体モジュールの固定方法。
【請求項２】
前記弾性部材は、円錐形状の皿ばねであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の半導体モジュールの固定方法。
【請求項３】
前記皿ばねは、中央部に窪み部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の半導体モジュールの固定方法。
【請求項４】
前記ボルトは、通しボルトであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置の半導体モジュールの固定方法。
【請求項５】
前記冷却器の両面にそれぞれ前記半導体モジュールが面接触して配置されていることを
特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体装置の半導体モジュールの固定方法。
【請求項６】
前記治具は、筒形状であって、この径は、前記通しボルトの頭部の径よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の半導体モジュールの固定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば車両に搭載される電力変換装置である半導体装置の半導体モジュールの固定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置等に用いられる半導体モジュールは、発熱体であるため冷却する必要がある。
このため、半導体モジュールを冷却器に面接触させて半導体モジュールを冷却させた半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この半導体装置は、中央部にねじ貫通孔を有する半導体モジュールと、この半導体モジュールの一方の面に配置されたねじ貫通孔を有する板ばねと、半導体モジュールの他方の面に配置され、板ばねのねじ貫通孔と半導体モジュールのねじ貫通孔を貫通してねじ込まれたねじで半導体モジュールを固定する冷却器とを備えている。
この半導体装置では、ねじを締め付けることで板ばねは弾性変形し、この弾性変形したときに生じる弾性力により、半導体モジュールは、冷却器に押圧されて冷却器に密接している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４３３６７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この半導体装置では、半導体モジュールを冷却器にねじを用いて固定するときには、円錐形状の板ばねは、この軸線方向の長さが最大であって、この点を始点としてねじの締め付けが開始される。
従って、このように板ばねの弾性力を利用して、半導体モジュールを冷却器に密接しようとしたものとして、例えば、冷却器の両面に半導体モジュールを配置し、それぞれの半導体モジュールをそれぞれ板ばねを用いて冷却器に押圧し、冷却器、半導体モジュール、板ばねの各ボルト貫通孔を貫通したボルト、及びボルトの端部に螺着されたナットにより、半導体モジュールを冷却器に固定した場合、ボルトの先端部が余分に突出してしまう。
この結果、半導体モジュールと対向して制御基板を有する半導体装置の場合、半導体モジュールと制御基板との間の絶縁距離を確保すべく、両者間の距離を短縮することができず、半導体装置の小型化の妨げになるという問題点があった。
【０００５】
また、ボルトの先端部の突出を抑制するには、板ばねの撓み代を小さくすればよいが、このようにした場合には、それだけを板ばねの弾性力が小さくなり、半導体モジュールを冷却器に十分に押圧することができず、冷却器と半導体モジュールとの間での熱抵抗が大きくなり、半導体モジュールの冷却効率が低下してしまう。
【０００６】
この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものあって、弾性部材の縮小量を小さくすることなく、ボルトの先端部の半導体モジュールからの飛び出しを抑え、半導体モジュールと制御基板との距離を接近可能にすることで、半導体装置の小型化を可能にした、半導体装置の半導体モジュールの固定方法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】
【０００７】
この発明に係る半導体装置の半導体モジュールの固定方法は、
ボルト貫通孔を有する冷却器と、
この冷却器に面接触した、ボルト貫通孔を有する半導体モジュールと、
前記冷却器と反対側の前記半導体モジュールの面に配置されボルト貫通孔を有する弾性部材と、
各前記ボルト貫通孔を貫通したボルトと、
このボルト端部に螺着され、ボルトと協同して前記弾性部材を縮小し、縮小して生じた弾性力で前記半導体モジュールを前記冷却器に押圧させるナットと、
前記半導体モジュールと対向して設けられているとともに、半導体モジュールの端子を通じて半導体モジュールと電気的に接続された制御基板と
を備えた半導体装置の半導体モジュールの固定方法であって、
予め、治具を用いて前記弾性部材を縮小し、この状態で前記ボルト及び前記ナットを用いて前記半導体モジュールを前記冷却器に固定する。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係る半導体装置の半導体モジュールの固定方法によれば、予め治具を用いて弾性部材を縮小し、この状態でボルト及びナットを用いて半導体モジュールを冷却器に固定するので、弾性部材の縮小量を小さくすることなく、ボルトの先端部の半導体モジュールからの飛び出しを抑え、半導体モジュールと制御基板との距離を接近可能にすることで、半導体装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１の電力変換装置の要部を示す分解斜視図である。
【図２】図１の正面図である。
【図３】図２の平面図である。
【図４】図２の側面図である。
【図５】図１の第１の皿ばねを示す平面図である。
【図６】図５のＶＩ-ＶＩ線に沿った矢視断面図である。
【図７】図１の半導体モジュールを冷却器に固定する過程を示す要部切り欠き正面図である。
【図８】図１の半導体モジュールを冷却器に固定したときの要部切り欠き正面図である。
【図９】図７のものとの比較例を示す図である。
【図１０】図８のものとの比較例を示す図である。
【図１１】図７のものとの別の比較例を示す図である。
【図１２】図８のものとの別の比較例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
【００１１】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の半導体装置である電力変換装置の要部を示す分解斜視図、図２は図１の正面図、図３は図２の平面図、図４は図２の側面図である。
この実施の形態１の電力変換装置では、ボルト貫通孔１３を有し、内部に冷却水が流通する冷却器１の両面には、それぞれ樹脂により封止された半導体素子で構成された、第１の半導体モジュール２及び第２の半導体モジュール３が面接触している。第１の半導体モジュール２及び第２の半導体モジュール３には、ボルト貫通孔１３と同心のボルト貫通孔１２，２０（図７参照）が形成されている。
【００１２】
第１の半導体モジュール２の上面には、図５及び図６に示すように、ボルト貫通孔１３と同心のボルト貫通孔１９を有する弾性部材である円錐形状の第１の皿ばね１０が配置されている。
同様に、第２の半導体モジュール３の下面には、ボルト貫通孔１３と同心のボルト貫通孔２１を有する弾性部材である円錐形状の第２の皿ばね１１（図７参照）が配置されている。
各ボルト貫通孔１２，１３，１９，２０，２１には、通しボルト４が貫通している。第１の皿ばね１０は、通しボルト４の頭部１８と第１の半導体モジュール２との間に挟まれている。第２の皿ばね１１は、通しボルト４の先端部に螺着されたナット５と第２の半導体モジュール３との間に挟まれている。
【００１３】
第１の半導体モジュール２の上側には、対向して第１の制御基板８が配置されている。この第１の制御基板８は、第１の半導体モジュール２から延びた複数の第１の端子６を通じて第１の半導体モジュール２と電気的に接続されている。
第２の半導体モジュール２の下側には、対向して第２の制御基板９が配置されている。この第２の制御基板９は、第２の半導体モジュール３から延びた複数の第２の端子７を通じて第２の半導体モジュール３と電気的に接続されている。
【００１４】
次に、通しボルト４及びナット５を用いて第１の半導体モジュール２及び第２の半導体モジュール３を冷却器１に固定する手順について説明する。
先ず、冷却器１、第１の半導体モジュール２及び第２の半導体モジュール３、第１の皿ばね１０及び第２の皿ばね１１を各ボルト貫通孔１２，１３，１９，２０，２１が一致するように重ね合わせる。
【００１５】
次に、図７に示すように、第１の半導体モジュール２側では、第１の皿ばね１０の窪み部１４に円筒形状の第１の治具１６の端面を押し当て、また第２の半導体モジュール３側では、第２の皿ばね１１の窪み部１５に円筒形状の第２の治具１７の端面を押し当て、第１の皿ばね１０及び第２の皿ばね１１の軸線方向の長さを圧縮させる。
この後、図８に示すように、この状態を維持したまま、各ボルト貫通孔１２，１３，１９，２０，２１に通しボルト４を挿入した後、通しボルト４の先端部にナット５を螺着して、第１の半導体モジュール２及び第２の半導体モジュール３を冷却器１に固定する。
【００１６】
この結果、第１の皿ばね１０及び第２の皿ばね１１が圧縮されたことによる生じた弾性力がそのまま第１の半導体モジュール２及び第２の半導体モジュール３をそれぞれ冷却器１に押圧させる。
従って、第１の半導体モジュール２及び第２の半導体モジュール３と、冷却器１とは、それぞれ強固に密接し、両者間の熱抵抗が低減される。
【００１７】
次に、この実施の形態の比較例として、予め皿ばね１０，１１を縮小しないで、通しボルト４Ａ及びナット５を用いて半導体モジュール２，３を冷却器１に固定する例について説明する。
この場合、図９に示すように、通しボルト４Ａの頭部１８から下の長さは、冷却器１の厚み＋半導体モジュール２，３のそれぞれの厚み＋それぞれの皿ばね１０,１１の板厚＋皿ばね１０,１１のそれぞれの撓み代Ｔ１が必要で、これ未満の長さでは、通しボルト４Ａがナット５に届かず、半導体モジュール２，３を冷却器１に固定することができない。
【００１８】
従って、通しボルト４Ａの長さを図９に示した長さに設定し、半導体モジュール２，３を冷却器１に固定したときには、図１０に示すように、上記撓み代Ｔ１×２分、即ちナット５から通しボルト４Ａの端部が長さＨ１だけ飛び出してしまう。
このように、通しボルト４Ａの端部が飛出してしまうと、通しボルト４Ａの先端と第２の制御基板９との間で電気的な絶縁距離を確保するために、その分だけ第２の半導体モジュール３と第２の制御基板９との間の距離を離さなければならないために、電力変換装置の小型化の弊害となる。
【００１９】
一方、通しボルト４Ａの撓み代Ｔ１を小さくすることで、通しボルト４Ａの端部の飛び出し長さを抑えることが可能だが、撓み代Ｔ１を小さくすることは、皿ばね１０,１１の弾発力を低減させることになり、それだけ半導体モジュール２，３の冷却器１に対する押圧力を低減させることになる。
この結果、冷却器１と、半導体モジュール２,３との間での熱抵抗が大きくなり、半導体モジュール２，３の熱が冷却器１に円滑に伝達されず、半導体モジュール２，３の冷却効率が低下する。
【００２０】
このように、この実施の形態の半導体モジュール２，３の固定方法によれば、予め治具１６，１７を用いて皿ばね１０，１１を撓ませ、この状態で通しボルト４及びナット５を用いて半導体モジュール２，３を冷却器１に固定するので、皿ばね１０，１１の撓ませ量を小さくすることなく、通しボルト４の先端部の半導体モジュール３からの飛び出しを抑えることができる。
この結果、半導体モジュール３と制御基板９との距離を短縮することができ、電力変換装置を小型化することができる。
【００２１】
また、図１１に示すように、冷却器１の片側のみに半導体モジュール２を固定した電力変換装置では、植込みボルト４Ｂ（頭部１８を有する通しボルト４と異なり、両端部にねじが切られている。）の下端部が冷却器１にねじ止めされており、上端部にナット５が螺着されている。このナット５は、撓み代Ｔ２の皿ばね１０を係止している。
そして、この電力変換装置では、この皿ばね１０の圧縮し、皿ばね１０の弾性力で半導体モジュール２を冷却器１に押圧した状態で冷却器１に半導体モジュール２が固定されているが図１２に示すように、植込みボルト４Ｂの端部は、ナット５からＨ２だけ飛び出しており、電力変換装置の小型化の弊害となる。
【００２２】
この場合にも、予め治具１６を用いて、皿ばね１０を撓み変形させ、この状態で植込みボルト４Ｂ及びナット５を用いて半導体モジュール２を冷却器１に固定することで、植込みボルト４Ｂのナット５からの飛び出しを抑えることができる。
この結果、冷却器１の両面に半導体モジュール２，３が配設された電力変換装置と同様に、冷却器１の片側のみに半導体モジュール２を配置した電力変換装置の場合にも、半導体モジュール２と制御基板８間の距離を短縮することができ、電力変換装置を小型化することができる。
【００２３】
また、弾性部材は、円錐形状の皿ばね１０，１１であるので、半導体モジュール２，３は、冷却器１に対して周方向において偏ることなく均等に押圧し、半導体モジュール２，３は、均等に冷却される。
【００２４】
また、皿ばね１０，１１は、中央部に窪み部１４，１５が形成されているので、治具１６，１７を用いて皿ばね１０，１１を押圧する際に、皿ばね１０，１１の周縁部が半導体モジュール２，３から離れる方向に変形する、所謂反転の発生を防止することができる。
【００２５】
また、冷却器１の両面にそれぞれ半導体モジュール２，３が面接触して配置されているので、半導体モジュール２，３は、コンパクトに効率よく冷却される。
【００２６】
また、治具１６，１７は、円筒形状であって、この径は、通しボルト４の頭部１８の径よりも大きいので、治具１６，１７の端面を窪み部１４，１５に押圧して、皿ばね１０，１１を簡単に圧縮することができる。
【００２７】
なお、上記実施の形態では、弾性部材として皿ばね１０，１１を用いて説明したが、皿ばね１０，１１に限定されるものではなく、例えばコイルばねであってもよい。
また、治具１６，１７は、円筒形状に限定されるものではなく、要は弾性部材を軸線方向に縮小し、冷却器に半導体モジュールを固定する作業中に弾性部材の縮小状態が確保されるものであればよい。
また、半導体装置として車両に搭載される電力変換装置の場合について説明したが、このものに限定されないのは勿論である。
【符号の説明】
【００２８】
１  冷却器、２  第１の半導体モジュール、３  第２の半導体モジュール、４、４Ａ  通しボルト、４Ｂ  植え込みボルト、５  ナット、６  第１の端子、７  第２の端子、８  第１の制御基板、９  第２の制御基板、１０  第１の皿ばね（弾性部材）、１１  第２の皿ばね（弾性部材）、１２，１３，１９，２０，２１  ボルト貫通孔、１４，１５  窪み部、１６  第１の治具、１７  第２の治具、１８  頭部。
【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】
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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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