JP2014013880A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】組付性に優れた半導体装置および半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】センターブラケット２０における上面において半導体モジュール４０，４１，４２、第１の板バネ５０、第１のバネ押え部材６０が配置され、第１の半導体モジュール４０，４１，４２が冷却器３０に圧接されると共に冷却器３０が挟持されるように締結される。センターブラケット２０の下面において第２の半導体モジュール８０，８１，８２、板バネ９０、バネ押え部材１００が配置され、第２の半導体モジュール８０，８１，８２が冷却器３０に圧接されるように締結される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子と冷却器を備えた半導体装置および半導体装置の製造方法に関するものである。

特許文献１に開示の沸騰冷却装置においては、冷媒槽の冷媒室に発熱体の発する熱で気化する冷媒が収容され、冷媒室と連通する放熱器において冷媒室で気化した気相冷媒が凝縮液化し、冷媒槽は、押し出し成形された押出材を使用して構成されている。冷媒槽の表面に発熱体としてのＩＧＢＴモジュールがネジ止めされている。

特開平９−１６７８１８号公報

ところで、冷却器としての冷媒槽に半導体素子をネジ止めするためには、半導体素子にはネジ止め用貫通孔を設ける必要があるとともに冷却器としての冷媒槽にもネジ止めするためのネジ孔等が必要となる。

本発明の目的は、組付性に優れた半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、少なくとも一方の面が冷却器の配置面となっている取付用フレーム部材と、前記取付用フレーム部材における第１の面に配置される冷却器と、前記取付用フレーム部材における第１の面側に前記冷却器と接触するように配置される第１の半導体素子と、前記取付用フレーム部材における第１の面側において前記第１の半導体素子の上に配置される第１の弾性体と、前記取付用フレーム部材における第１の面側において配置される第１の弾性体押え部材と、前記第１の弾性体押え部材を前記取付用フレーム部材に前記第１の半導体素子が前記冷却器に圧接されると共に前記冷却器が挟持されるように締結する第１の締結部材と、を備えたことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、取付用フレーム部材における第１の面に冷却器が配置されるとともに、取付用フレーム部材における第１の面側に第１の半導体素子、第１の弾性体、第１の弾性体押え部材が配置され、第１の締結部材により第１の弾性体押え部材が取付用フレーム部材に第１の半導体素子が冷却器に圧接されると共に冷却器が挟持されるように締結される。よって、組付性が向上する。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の半導体装置において、前記取付用フレーム部材における第２の面側に前記冷却器と接触するように配置される第２の半導体素子と、前記取付用フレーム部材における第２の面側において前記第２の半導体素子の上に配置される第２の弾性体と、前記取付用フレーム部材における第２の面側において配置される第２の弾性体押え部材と、前記第２の弾性体押え部材を前記取付用フレーム部材に前記第２の半導体素子が前記冷却器に圧接されるように締結する第２の締結部材と、を備えたことを要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、取付用フレーム部材における第２の面側に第２の半導体素子、第２の弾性体、第２の弾性体押え部材が配置され、第２の締結部材により第２の弾性体押え部材が取付用フレーム部材に第２の半導体素子が冷却器に圧接されるように締結される。よって、冷却器の両面にそれぞれ半導体素子を配置して、冷却器の両側から同じ荷重を加えて半導体素子を圧接することが可能となり、部品の変形を防止することが可能となる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の半導体装置において、前記取付用フレーム部材は、冷却器変形防止用梁を有することを要旨とする。
請求項３に記載の発明によれば、冷却器変形防止用梁により冷却器の変形を防止することができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置において、前記取付用フレーム部材は、基板取付部が一体形成され、当該基板取付部に基板が取り付けられることを要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、基板が、取付用フレーム部材に一体形成された基板取付部に取り付けられるので、基板の位置決めが高精度となる。
請求項５に記載のように、請求項４に記載の半導体装置において、前記基板が前記冷却器の第１の面に対し交差するように配置されるとよい。

請求項６に記載の発明では、取付用フレーム部材における第１の面に、冷却器、前記冷却器と接触する第１の半導体素子、前記第１の半導体素子を前記冷却器に圧接する第１の弾性体、前記第１の弾性体を押える第１の弾性体押え部材を配置する第１の工程と、前記第１の弾性体押え部材を前記取付用フレーム部材に対し前記第１の弾性体を挟んで前記冷却器を挟持するように締結する第２の工程と、を有することを要旨とする。

請求項６に記載の発明によれば、容易に請求項１に記載の半導体装置を製造することができる。
請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の半導体装置の製造方法において、前記第２の工程の後に、前記取付用フレーム部材に一体形成された基板取付部に対し基板を取り付ける工程を更に有することを要旨とする。

請求項７に記載の発明によれば、基板を高精度に位置決めすることができる。
請求項８に記載の発明では、請求項６に記載の半導体装置の製造方法において、前記取付用フレーム部材における第２の面に、前記冷却器と接触する第２の半導体素子、前記第２の半導体素子を前記冷却器に圧接する第２の弾性体、前記第２の弾性体を押える第２の弾性体押え部材を配置する第３の工程と、前記第２の弾性体押え部材を前記取付用フレーム部材に対し前記第２の弾性体を挟んで締結する第４の工程と、を有することを要旨とする。

請求項８に記載の発明によれば、容易に請求項２に記載の半導体装置を製造することができる。
請求項９に記載の発明では、請求項８に記載の半導体装置の製造方法において、前記第４の工程の後に、前記取付用フレーム部材に一体形成された基板取付部に対し基板を取り付ける工程を更に有することを要旨とする。

請求項９に記載の発明によれば、基板を高精度に位置決めすることができる。
請求項１０に記載の発明では、請求項８または９に記載の半導体装置の製造方法において、前記取付用フレーム部材は、前記第２の面に、冷却器変形防止用梁を有することを要旨とする。

請求項１０に記載の発明によれば、冷却器変形防止用梁により冷却器の変形を防止することができる。

本発明によれば、組付性に優れたものとすることができる。

（ａ）は第１の実施形態における半導体装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図、（ｃ）は半導体装置の正面図、（ｄ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での縦断面図、（ｅ）は半導体装置の右側面図。 （ａ）はセンターブラケットの斜視図、（ｂ）はインサート電極の斜視図。 センターブラットと冷却器の分解斜視図。 センターブラケットに冷却器を配置した状態での斜視図。 半導体モジュールの斜視図。 センターブラケットに冷却器および上面側の半導体モジュールを配置した状態での斜視図。 （ａ）は板バネとバネ押え部材の分解斜視図、（ｂ）は板バネとバネ押え部材の斜視図。 センターブラケットの上側の部品を配置した状態での斜視図。 センターブラケットの上側の部品を締結した状態での斜視図。 上側の半導体モジュールの端子をセンターブラケットに締結した状態での斜視図。 図１０の状態から反転した状態での斜視図。 下面側の半導体モジュールを配置した状態での斜視図。 センターブラケットの下側の部品を配置した状態での斜視図。 センターブラケットの下側の部品を締結した状態での斜視図。 下側の半導体モジュールの端子をセンターブラケットに締結した状態での斜視図。 半導体装置の電気的構成を示す回路図。 （ａ）は第２の実施形態の半導体装置の平面図、（ｂ）は半導体装置の正面図、（ｃ）は半導体装置の右側面図。 第２の実施形態のセンターブラケットの斜視図。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、半導体装置（インバータ）１０は、取付用フレーム部材としてのセンターブラケット２０と、センターブラケット２０に装着される冷却器３０を備えている。冷却器３０は、上下方向が薄い扁平な四角箱型をなしている。さらに、冷却器３０の上面側に、第１の半導体モジュール４０，４１，４２と、第１の弾性体としての第１の板バネ５０と、第１の弾性体押え部材としての第１のバネ押え部材６０と、第１の締結部材としてのボルト７０を備える。また、冷却器３０の下面側に、第２の半導体モジュール８０，８１，８２と、第２の弾性体としての第２の板バネ９０と、第２の弾性体押え部材としての第２のバネ押え部材１００と、第２の締結部材としてのボルト１１０とを備える。

図１６に示すように、半導体装置（インバータ）１０は、直流を入力して三相交流にして出力する。半導体装置（インバータ）１０は、第１の半導体モジュール４０，４１，４２と第２の半導体モジュール８０，８１，８２を備えている。半導体モジュール４０，８０によりＵ相における上下のアームを構成している。また、半導体モジュール４１，８１によりＶ相における上下のアームを構成している。さらに、半導体モジュール４２，８２によりＷ相における上下のアームを構成している。

各半導体モジュール４０，４１，４２は、２つのパワートランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑ１，Ｑ２を備えている。また、各半導体モジュール８０，８１，８２は、２つのパワートランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑ３，Ｑ４を備えている。各半導体モジュール４０，４１，４２の内部において、２つのパワートランジスタＱ１，Ｑ２が直列接続されている。また、各半導体モジュール８０，８１，８２の内部において、２つのパワートランジスタＱ３，Ｑ４が直列接続されている。各パワートランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４にはダイオードＤが並列に接続されている。

半導体モジュール４０において並列接続された２つのパワートランジスタＱ１，Ｑ２の間の接続点と、半導体モジュール８０において並列接続された２つのパワートランジスタＱ３，Ｑ４の間の接続点とはＵ相出力端子に接続される。同様に、半導体モジュール４１において並列接続された２つのパワートランジスタＱ１，Ｑ２の間の接続点と、半導体モジュール８１において並列接続された２つのパワートランジスタＱ３，Ｑ４の間の接続点とはＶ相出力端子に接続される。また、半導体モジュール４２において並列接続された２つのパワートランジスタＱ１，Ｑ２の間の接続点と、半導体モジュール８２において並列接続された２つのパワートランジスタＱ３，Ｑ４の間の接続点とはＷ相出力端子に接続される。

また、半導体モジュール４０でのパワートランジスタＱ１，Ｑ２の直列回路の一端と、半導体モジュール８０でのパワートランジスタＱ３，Ｑ４の直列回路の一端とは＋入力端子に接続されるとともに、半導体モジュール４０でのパワートランジスタＱ１，Ｑ２の直列回路の他端と、半導体モジュール８０でのパワートランジスタＱ３，Ｑ４の直列回路の他端とは−入力端子に接続される。同様に、半導体モジュール４１でのパワートランジスタＱ１，Ｑ２の直列回路の一端と、半導体モジュール８１でのパワートランジスタＱ３，Ｑ４の直列回路の一端とは＋入力端子に接続されるとともに、半導体モジュール４１でのパワートランジスタＱ１，Ｑ２の直列回路の他端と、半導体モジュール８１でのパワートランジスタＱ３，Ｑ４の直列回路の他端とは−入力端子に接続される。また、半導体モジュール４２でのパワートランジスタＱ１，Ｑ２の直列回路の一端と、半導体モジュール８２でのパワートランジスタＱ３，Ｑ４の直列回路の一端とは＋入力端子に接続されるとともに、半導体モジュール４２でのパワートランジスタＱ１，Ｑ２の直列回路の他端と、半導体モジュール８２でのパワートランジスタＱ３，Ｑ４の直列回路の他端とは−入力端子に接続される。

図３に示すように、冷却器３０は、水平方向に延びるように配置され、上面での一方の端部には冷却水の入口パイプ３１が設けられているとともに、他方の端部には冷却水の出口パイプ３２が設けられている。また、冷却器３０の内部にはフィンＦ（図１参照）が配置されている。また、冷却器３０は上面には、水平方向に延びる鍔部３０ａが全周にわたり形成されている。そして、冷却水が入口パイプ３１から冷却器３０の内部に供給されて冷却器３０の内部を通って出口パイプ３２から排出される。また、長方形状の冷却器３０の四隅には取付プレート部３３が突設され、取付プレート部３３にはボルトが通る貫通孔３４が形成されている。

図２（ａ）に示すように、センターブラケット２０は、全体として長方形の四角枠状をなしている。詳しくは、平行な一対の長辺部２０ａ，２０ｂと、平行な一対の短辺部２０ｃ，２０ｄを有する。センターブラケット２０は、樹脂よりなる。そして、四角枠状のセンターブラケット２０の上側に冷却器３０が配置される。このとき、冷却器３０の鍔部３０ａがセンターブラケット２０の長辺部２０ａ，２０ｂの上面に接触する。

また、センターブラケット２０は端子台としても機能する。つまり、長方形の四角枠状をなすセンターブラケット２０における一方の長辺部２０ｂにはインサート電極（バスバー）２１が９個埋設されている。即ち、四角枠部における一方の長辺となる部位には９個の電極２１がインサート成形にて埋設されている。

インサート電極２１は、図２（ｂ）に示すように、四角柱状をなす立設部２１ａと、立設部２１ａの上下方向の中央部から水平方向に延びる水平板部２１ｂとからなる。インサート電極２１の立設部２１ａにはボルトが螺入されるネジ孔２２が立設部２１ａを貫通するように形成されている。インサート電極２１の水平板部２１ｂには貫通孔２３が形成され、外部機器と接続できるようになっている。

また、取付用フレーム部材としてのセンターブラケット２０は、平行な一対の長辺部２０ａ，２０ｂを架設するように冷却器変形防止用梁２４ａ，２４ｂが形成されている。詳しくは、一対の長辺部２０ａ，２０ｂにおける下面には冷却器変形防止用梁２４ａ，２４ｂが等間隔に、かつ、短辺部２０ｃ，２０ｄと平行に形成されている。このように、センターブラケット２０での四角枠部における枠内において２本の梁２４ａ，２４ｂが形成され、２本の梁２４ａ，２４ｂがバネ荷重による冷却器３０の変形を防止する梁として機能する。即ち、図１０に示すように、センターブラケット２０の上面に板バネ５０およびバネ押え部材６０を配置してボルト７０でバネ押え部材６０をセンターブラケット２０に締結した状態においては板バネ５０によるバネ荷重が冷却器３０に加わるが、このとき、冷却器変形防止用梁２４ａ，２４ｂによりバネ荷重による冷却器３０の変形を防止することができる。

また、図２（ａ）において、長方形の四角枠状をなすセンターブラケット２０における四隅部には、ボルトが螺入されるネジ孔２５が形成されている。
取付用フレーム部材としてのセンターブラケット２０は、一方の面（上面）が冷却器３０の配置面となっている。冷却器３０は、図３，４に示すように、センターブラケット２０における上面（第１の面）に配置される。

図６に示すように、第１の半導体素子としての半導体モジュール４０，４１，４２は、センターブラケット２０における上面（第１の面）側に冷却器３０と接触するように配置される。図５に示すように、半導体モジュール４０，４１，４２は、上下に薄い偏平なる四角形状をなし、センターブラケット２０の長手方向に並べて配置される。各半導体モジュール４０，４１，４２における一側面には３つの端子４５が形成され、３つの端子４５は、エミッタ端子、コレクタ端子およびアーム間接続端子である。各端子４５は長方形の板材よりなり、水平方向に延び、かつ、水平方向に並べて配置されている。また、各端子４５にはボルトが通る貫通孔４６が形成されている。

図５に示すように、各半導体モジュール４０，４１，４２の並設した端子４５における両側に位置する端子の一側面には凸部４５ａが形成されている。凸部４５ａは、図６に示すように、センターブラケット２０の凹部２６と係合するようになっており、これによりセンターブラケット２０に対し半導体モジュール４０，４１，４２が位置決めされる。

図１（ｄ）および図１０に示すように、９個のボルト１２０が半導体モジュール４０，４１，４２の端子４５を貫通してセンターブラケット２０のインサート電極２１のネジ孔２２に螺入され、半導体モジュール４０，４１，４２の端子４５が固定されている。これにより、半導体モジュール４０，４１，４２の各端子４５とセンターブラケット２０の各インサート電極２１とが電気的に接続されている。

図７（ａ）に示す第１の板バネ５０は、センターブラケット２０における上面（第１の面）側において半導体モジュール４０，４１，４２の上に配置される。板バネ５０は、ばね鋼板よりなる。板バネ５０は、水平な中央部５１の両側部５２を斜め下方に広がるように曲げて構成される本体部５３を３つ有する。そして、各本体部５３には、水平な連結部５４が並設されている。各本体部５３は、板バネ５０を半導体モジュール４０，４１，４２の上部に配置した際に、各半導体モジュール４０，４１，４２の中央部付近に押圧力を付与するように所定の間隔をあけて設けられている。

第１のバネ押え部材６０は、センターブラケット２０における上面（第１の面）側において板バネ５０の上部に配置される。バネ押え部材６０は、アルミ等の金属製板材よりなる。図７（ａ），（ｂ）に示すように、バネ押え部材６０は、平面視長方形の板状をなす本体部６１を有し、本体部６１の四隅には斜め外方に突出する取付部６２が形成されている。各取付部６２にはボルトが通る貫通孔６３が形成されている。バネ押え部材６０は、センターブラケット２０のネジ孔２５（図２参照）に取付部６２の貫通孔６３を通してボルト７０を螺入することにより締結固定される。

また、バネ押え部材６０の裏面には、図７（ａ）に示すように、板バネ５０の保持部６４が形成されている。保持部６４は、各半導体モジュール４０，４１，４２の上部に板バネ５０を配置した状態で、それぞれの本体部５３と対応する位置に本体部５３を収納可能な３つの凹部６０ａを有する。また、保持部６４は、板バネ５０を配置した状態で、それぞれの連結部５４と対応する位置に連結部５４と接触する水平な接触部６０ｂを有する。接触部６０ｂは凹状に形成されており、その深さは凹部６０ａよりも浅く形成されている。板バネ５０の連結部５４とバネ押え部材６０の接触部６０ｂとは、図７（ａ）における各接触部６０ｂのエッジ部Ｅで接触して板バネ５０が各接触部６０ｂのエッジ部Ｅ（６箇所）にて押し付けられる。

このようなバネ押え部材６０の構成によれば、半導体モジュール４０，４１，４２の上部に載置される板バネ５０は、バネ押え部材６０の裏面に形成した保持部６４によって保持される。このとき、板バネ５０は、バネ押え部材６０がセンターブラケット２０に締結固定されることにより、上方から押し付けられ、変形させられる。これにより、各半導体モジュール４０，４１，４２および冷却器３０は、板バネ５０における下方への付勢力によって下方に押し付けられる。

ボルト７０は、図１および図９に示すように、第１のバネ押え部材６０をセンターブラケット２０に第１の半導体モジュール４０，４１，４２が冷却器３０に圧接されると共に冷却器３０を挟持するように締結する。詳しくは、４つのボルト７０がバネ押え部材６０の四隅部の貫通孔６３、冷却器３０の四隅の取付プレート部３３の貫通孔３４を貫通してセンターブラケット２０の四隅部のネジ孔２５に螺入されている。これによって、バネ押え部材６０にて冷却器３０、半導体モジュール４０，４１，４２および板バネ５０がセンターブラケット２０に押し付けられる。

図１１は図１０に示す半導体装置を反転した状態を示し、この状態で図１２に示すように第２の半導体素子としての半導体モジュール８０，８１，８２は、センターブラケット２０における下面（第２の面）側に冷却器３０と接触するように配置される。半導体モジュール８０，８１，８２は半導体モジュール４０，４１，４２と同一の構成をなしているが、本実施形態では対向する半導体モジュール同士（端子４５同士）が並列接続されるので、向かい合う端子４５同士が、＋入力端子と−入力端子と各相出力端子のうちで、同じ端子になる様に構成されている。図５を用いて説明したように、各半導体モジュール８０，８１，８２は長方形の板材よりなる端子４５を有し、端子４５の一側面には凸部４５ａが形成されている。凸部４５ａはセンターブラケット２０の凹部と係合するようになっており、これによりセンターブラケット２０に対し半導体モジュール８０，８１，８２が位置決めされる。

図１の第２の板バネ９０は第１の板バネ５０と同一の構成をなしている（図７（ａ）参照）。図７（ａ）に示す第２の板バネ９０は、図１２に示すセンターブラケット２０における下面（第２の面）側において第２の半導体モジュール８０，８１，８２の上に配置される。第２の板バネ９０における各本体部５３は、板バネ９０を半導体モジュール８０，８１，８２の上部に配置した際に、各半導体モジュール８０，８１，８２の中央部付近に押圧力を付与するように所定の間隔をあけて設けられている。

図１の第２のバネ押え部材１００は第１のバネ押え部材６０と同一の構成をなしている（図７参照）。第２のバネ押え部材１００は、図１３に示すように、センターブラケット２０における下面（第２の面）側において配置される。バネ押え部材１００により、半導体モジュール８０，８１，８２の上部に載置される板バネ９０は、バネ押え部材１００の裏面に形成した保持部６４によって保持される。このとき、板バネ９０は、バネ押え部材１００がセンターブラケット２０に締結固定されることにより、押し付けられ、変形させられる。これにより、各半導体モジュール８０，８１，８２は、板バネ９０における付勢力によって下方に押し付けられる。

ボルト１１０は、図１および図１４に示すように、第２のバネ押え部材１００をセンターブラケット２０に第２の半導体モジュール８０，８１，８２が冷却器３０に圧接されるように締結する。詳しくは、図１４に示すように、４つのボルト１１０がバネ押え部材１００の四隅部の貫通孔６３を貫通してセンターブラケット２０の四隅部のネジ孔２５に螺入されている。これによって、バネ押え部材１００にて半導体モジュール８０，８１，８２および板バネ９０がセンターブラケット２０に押し付けられる。

図１（ｄ）および図１５に示すように、９個のボルト１３０が半導体モジュール８０，８１，８２の端子４５を貫通してセンターブラケット２０のインサート電極２１のネジ孔２２に螺入され、半導体モジュール８０，８１，８２の端子４５が固定されている。これにより、半導体モジュール８０，８１，８２の各端子４５とセンターブラケット２０の各インサート電極２１とが電気的に接続されている。

次に、半導体装置１０の作用について説明する。
インバータの駆動に伴い、各相での上下のアームを構成する第１の半導体モジュール４０，４１，４２のパワートランジスタＱ１，Ｑ２および第２の半導体モジュール８０，８１，８２のパワートランジスタＱ３，Ｑ４がスイッチングされる。このスイッチング動作に伴い、第１の半導体モジュール４０，４１，４２のパワートランジスタＱ１，Ｑ２および第２の半導体モジュール８０，８１，８２のパワートランジスタＱ３，Ｑ４が発熱する。

図１において、冷却器３０の上面において第１の半導体モジュール４０，４１，４２が板バネ５０により圧接されている。また、冷却器３０の下面において第２の半導体モジュール８０，８１，８２が板バネ９０により圧接されている。

第１の半導体モジュール４０，４１，４２のパワートランジスタＱ１，Ｑ２において生じた熱は冷却器３０に伝達し、冷却器３０において内部を流れる冷却液と熱交換される。同様に、第２の半導体モジュール８０，８１，８２のパワートランジスタＱ３，Ｑ４において生じた熱は冷却器３０に伝達し、冷却器３０において内部を流れる冷却液と熱交換される。

次に、半導体装置１０の製造方法（組み付け工程）について説明する。
まず、図２に示すセンターブラケット２０において、四角枠部における枠内において２本の梁２４ａ，２４ｂが形成され、２本の梁２４ａ，２４ｂがバネ荷重による冷却器３０の変形を防止する梁として機能する。また、四角枠部における一方の長辺となる部位には９個のインサート電極２１がインサート成形にて埋設されている。

図２に示すセンターブラケット２０に対し、図３に示すように、センターブラケット２０の上側から冷却器３０を配置して、図４に示すように、センターブラケット２０における一方の面において冷却器３０を所定の位置に配置する。このとき、冷却器３０の下側にセンターブラケット２０の梁２４ａ，２４ｂが位置している。

なお、このとき、センターブラケット２０と冷却器３０のうちの一方にピンを設けるとともに他方にピンが係合する貫通孔を設けてセンターブラケット２０と冷却器３０とを位置決めするようにしてもよい。

さらに、図５に示す半導体モジュール４０，４１，４２を用意する。この半導体モジュール４０，４１，４２の端子４５には凸部４５ａが形成され、当該凸部４５ａがセンターブラケット２０の凹部２６と係合してセンターブラケット２０に対し半導体モジュール４０，４１，４２を位置決めできるようになっている。そして、図６に示すように、冷却器３０における片面側、即ち、上面側において、３個の半導体モジュール４０，４１，４２を配置する。このとき、半導体モジュール４０，４１，４２は凸部４５ａによりセンターブラケット２０に対し位置決めされる。

図７に示すようにバネ押え部材６０と板バネ５０とは、バネ押え部材６０における凹部６０ａおよび接触部６０ｂに板バネ５０が係合する。このとき、バネ押え部材６０にピンを設け、板バネ５０にそのピンが係合する貫通孔を設けることでバネ押え部材６０と板バネ５０とを位置決めするとよい。

そして、図８に示すように、半導体モジュール４０，４１，４２の上において板バネ５０を所定の位置に配置するとともにその上においてバネ押え部材６０を所定の位置に配置する。

なお、このとき、センターブラケット２０とバネ押え部材６０のうちの一方にピンを設けるとともに他方にピンが係合する貫通孔を設けてセンターブラケット２０とバネ押え部材６０とを位置決めするようにしてもよい。

そして、図９に示すように、第１のバネ押え部材６０をボルト７０にてセンターブラケット２０に対し第１の板バネ５０を挟んで冷却器３０を挟持するように締結する。詳しくは、４つのボルト７０を、バネ押え部材６０の四隅部の貫通孔６３および冷却器３０の四隅部の貫通孔３４を貫通してセンターブラケット２０の四隅部のネジ孔２５に螺入して、４箇所においてバネ押え部材６０にて冷却器３０、半導体モジュール４０，４１，４２および板バネ５０をまとめてセンターブラケット２０に押し付けて固定する。つまり、バネ押え部材６０と冷却器３０をセンターブラケット２０に対しボルト７０にて共締めする。

さらに、図１０に示すように、９個のボルト１２０を、半導体モジュール４０，４１，４２の端子４５の貫通孔４６を貫通してセンターブラケット２０のインサート電極２１のネジ孔２２に螺入して半導体モジュール４０，４１，４２の端子４５を固定する。これにより、半導体モジュール４０，４１，４２の各端子４５とセンターブラケット２０の各インサート電極２１とが電気的に接続される。

引き続き、図１０に示す状態から、上面と下面とを反転して、図１０における下面を図１１に示すごとく上面にする。
さらに、図５に示す半導体モジュール８０，８１，８２を用意する。この半導体モジュール８０，８１，８２の端子４５には凸部４５ａが形成され、当該凸部４５ａがセンターブラケット２０の凹部と係合してセンターブラケット２０に対し半導体モジュール８０，８１，８２を位置決めできるようになっている。そして、図１２に示すように、冷却器３０におけるもう片側（図１における下側となる面）に、３個の半導体モジュール８０，８１，８２を配置する。このとき、半導体モジュール８０，８１，８２は凸部４５ａによりセンターブラケット２０に対し位置決めされる。

図７に示すようにバネ押え部材１００と板バネ９０とは、バネ押え部材１００における凹部６０ａおよび接触部６０ｂに板バネ９０が係合する。このとき、バネ押え部材１００にピンを設け、板バネ９０にそのピンが係合する貫通孔を設けることでバネ押え部材１００と板バネ９０とを位置決めするとよい。

そして、図１３に示すように、半導体モジュール８０，８１，８２の上において板バネ９０を所定の位置に配置するとともにその上においてバネ押え部材１００を所定の位置に配置する。そして、図１４に示すように、第２のバネ押え部材１００をボルト１１０にてセンターブラケット２０に対し第２の板バネ９０を挟んで締結する。詳しくは、４つのボルト１１０を、バネ押え部材１００の四隅部の貫通孔６３を貫通してセンターブラケット２０の四隅部のネジ孔２５に螺入して、４箇所においてバネ押え部材１００にて半導体モジュール８０，８１，８２および板バネ９０をセンターブラケット２０に押し付けて固定する。

さらに、図１５に示すように、９個のボルト１３０を、半導体モジュール８０，８１，８２の端子４５の貫通孔４６を貫通してセンターブラケット２０のインサート電極２１のネジ孔２２に螺入して半導体モジュール８０，８１，８２の端子４５を固定する。これにより、半導体モジュール８０，８１，８２の各端子４５とセンターブラケット２０の各インサート電極２１とが電気的に接続される。

なお、半導体モジュール４０，４１，４２，８０，８１，８２とセンターブラケット２０の電気的接続は片側毎に行ったが、両側まとめて行ってもよい。
このようにして、図１に示す半導体装置１０が製造される。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）半導体装置（インバータ）１０は、センターブラケット２０と冷却器３０と第１の半導体モジュール４０，４１，４２と第１の板バネ５０と第１のバネ押え部材６０とボルト７０とを備える。そして、ボルト７０により第１のバネ押え部材６０をセンターブラケット２０に第１の半導体モジュール４０，４１，４２が冷却器３０に圧接されると共に冷却器３０が挟持されるように締結した。よって、組付性が向上する。

広義には、取付用フレーム部材としてのセンターブラケット２０は、少なくとも一方の面が冷却器の配置面となっている。そして、センターブラケット２０における第１の面としての上面に冷却器３０を配置するとともにセンターブラケット２０における上面側に第１の半導体モジュール４０，４１，４２と第１の板バネ５０と第１のバネ押え部材６０を配置しボルト７０で締結した。よって、センターブラケット２０の上面側において組付性が向上する。

（２）さらに、半導体装置（インバータ）１０は、第２の半導体モジュール８０，８１，８２と第２の板バネ９０と第２のバネ押え部材１００とボルト１１０とを備える。そして、冷却器３０の両面にそれぞれ半導体モジュール４０，４１，４２，８０，８１，８２を配置して、冷却器３０の両側から同じバネ荷重を加えて半導体モジュール４０，４１，４２，８０，８１，８２を圧接することが可能となり、部品の変形を防止することが可能となる。

（３）半導体装置の構造として、冷却器３０の両側に半導体モジュール４０，４１，４２，８０，８１，８２を配置したので、冷却器３０の有効利用による装置の小型化およびコストダウンを図ることができる。即ち、１つの冷却器３０の一方の面に半導体モジュール４０，４１，４２を配するとともに他方に半導体モジュール８０，８１，８２を配する構成とすることにより、半導体モジュール毎に冷却器を圧接する方式に比べ小型化およびコストダウンを図ることができる。

また、半導体モジュールの放熱面を冷却器に圧接する方式として、バネでセンターブラケットに対し挟持する方式を採用したことにより半導体モジュールを冷却器に容易に圧接することができる。

（４）冷却器３０両側から同じ力（バネ荷重）で半導体モジュール４０，４１，４２，８０，８１，８２を圧接するので、力がつり合い、部品の変形を防ぐことが可能となる。
（５）板バネ５０，９０およびバネ押え部材６０，１００は、両側共通部品にすることが可能となり、これにより、コストダウンを図ることができる。

（６）センターブラケット２０は、冷却器変形防止用梁２４ａ，２４ｂを有するので、冷却器変形防止用梁２４ａ，２４ｂによりバネ荷重による冷却器３０の変形を防止することができる。

（７）半導体モジュール４０，４１，４２，８０，８１，８２は冷却器３０に対しネジ止めされていないので、半導体モジュール毎のネジ止め部を不要にでき、小型化が可能である。

（８）センターブラケット２０に対し、冷却器３０、半導体モジュール４０，４１，４２，８０，８１，８２、板バネ５０，９０およびバネ押え部材６０，１００を位置決めして固定することにより、組付け性を向上させることができる。

（９）半導体装置の製造方法として、第１の工程と、第２の工程とを有する。第１の工程においては、取付用フレーム部材としてのセンターブラケット２０における第１の面に、冷却器３０、冷却器３０と接触する第１の半導体モジュール４０，４１，４２、第１の半導体モジュール４０，４１，４２を冷却器３０に圧接する第１の弾性体としての第１の板バネ５０、第１の板バネ５０を押える第１の弾性体押え部材としての第１のバネ押え部材６０を配置する。第２の工程においては、第１のバネ押え部材６０をボルト７０にてセンターブラケット２０に対し第１の板バネ５０を挟んで冷却器３０を挟持するように締結する。これにより、（１）の半導体装置１０を容易に製造することができる。

（１０）さらに、半導体装置の製造方法として、第３の工程と、第４の工程とを有する。第３の工程においては、センターブラケット２０における第２の面に、冷却器３０と接触する第２の半導体モジュール８０，８１，８２、第２の半導体モジュール８０，８１，８２を冷却器３０に圧接する第２の弾性体としての第２の板バネ９０、第２の板バネ９０を押える第２の弾性体押え部材としての第２のバネ押え部材１００を配置する。第４の工程においては、第２のバネ押え部材１００をボルト１１０にてセンターブラケット２０に対し第２の板バネ９０を挟んで締結する。これにより、（２）の半導体装置１０を容易に製造することができる。

（１１）半導体装置１０の製造方法として、取付用フレーム部材としてのセンターブラケット２０は、第２の面に、冷却器変形防止用梁２４ａ，２４ｂを有するので、冷却器３０の変形を防止することができる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

本実施形態では、図１、図２（ａ）に代わり、図１７，１８に示す構成としている。
図１７，１８において、センターブラケット２０には基板取付部１４０が一体形成され、センターブラケット２０から延設された基板取付部１４０に基板１５０が取り付けられている。基板１５０には、半導体モジュール（ＩＢＧＴ）４０〜４２，８０〜８２を駆動するためのドライブ回路（駆動回路）が搭載される。なお、ドライブ回路を介して半導体モジュール（ＩＢＧＴ）４０〜４２，８０〜８２を制御する部品は基板１５０に搭載してもよいし、あるいは、基板１５０に重ねられるように配置した別の基板に搭載してもよい。また、基板取付部１４０には位置決めピン（突起）１４３が２箇所にわたり設けられ、位置決めピン１４３が基板１５０を貫通している。半導体モジュール（ＩＢＧＴ）４０〜４２，８０〜８２の信号ピン（ゲート信号ピン等）Ｐｓが基板１５０を貫通している。

以下、詳しく説明する。
図１８に示すように、本実施形態ではセンターブラケット２０はアルミよりなり、端子台２７が、アルミ製本体部２８に対し別体であり、ネジ２９により端子台２７がアルミ製本体部２８に締結されている。端子台２７は、樹脂で図２（ｂ）に示したインサート電極２１をインサート成形したものである。アルミ製の基板取付部１４０は、コ字状の支柱（フレーム）１４１と、５つのボス１４２と、２つの位置決めピン１４３を有する。

図１８に示すようにコ字状の支柱１４１は、四角形状の基板１５０の外形よりも若干小さく形成されている（図１７（ｂ）参照）。支柱１４１は、立設部１４１ａ，１４１ｂと、立設部１４１ａ，１４１ｂの先端同士を繋ぐ架設部１４１ｃからなり、立設部１４１ａ，１４１ｂの基端が、水平方向に延びるアルミ製本体部２８における一側面において立設されている。つまり、支柱１４１の立設部１４１ａ，１４１ｂは上下方向に延びるように配置されている。支柱１４１にはボス１４２が５箇所にわたり配置されている。詳しくは、架設部１４１ｃの両端部および中央部、立設部１４１ａ，１４１ｂの基端部にボス１４２が形成されている。各ボス１４２は円筒状をなし、ネジ１６０が螺入できるようになっている。図１７に示すように、ネジ１６０が基板１５０を貫通してボス１４２に螺入され、基板１５０がセンターブラケット２０（基板取付部１４０）に固定されている。このとき、基板１５０が冷却器３０の上下面に対し直交（広義には交差）するように配置される。

図１８に示すように、位置決めピン１４３は四角形状の基板１５０の対角となる角部に対応する位置に形成されている。詳しくは、立設部１４１ａの基端部および立設部１４１ｂの先端部に形成されている。位置決めピン１４３は断面円形の柱状をなしている。

次に、半導体装置１０の製造方法（組み付け工程）について説明する。
製造の際には、図１８に示すように、アルミ製の本体部２８に対しネジ２９により端子台２７を組み付ける。そして、センターブラケット２０に対し冷却器３０を配するとともに冷却器３０の上面側の半導体モジュール４０，４１，４２、板バネ５０、バネ押え部材６０を配する。このとき、半導体モジュール４０，４１，４２は端子台２７を介してセンターブラケット２０に位置決めされる。そして、ボルト７０で締結する。また、ボルト１２０を螺入して半導体モジュール４０〜４２の端子４５を固定する。

その後、冷却器３０の下面側の半導体モジュール８０，８１，８２、板バネ９０、バネ押え部材１００を配する。このとき、半導体モジュール８０，８１，８２は端子台２７を介してセンターブラケット２０に位置決めされる。そして、ボルト１１０で締結する。また、ボルト１３０を螺入して半導体モジュール８０〜８２の端子４５を固定する。

その後において、センターブラケット２０に一体形成された基板取付部１４０に対し、位置決めピン１４３に基板１５０を挿入するとともに半導体モジュール４０，４１，４２，８０，８１，８２の信号ピンＰｓに基板１５０を挿入し、この状態でネジ１６０にて基板１５０を基板取付部１４０（センターブラケット２０）に固定する。

なお、冷却器３０の片面のみに半導体モジュール４０，４１，４２を配置する場合には次のようにする。本体部２８に対しネジ２９により端子台２７を組み付けた後、センターブラケット２０に対し冷却器３０、半導体モジュール４０，４１，４２、板バネ５０、バネ押え部材６０を配し、ボルト７０で締結する。また、ボルト１２０を螺入して半導体モジュール４０〜４２の端子４５を固定する。その後において、センターブラケット２０に一体形成された基板取付部１４０に対し、位置決めピン１４３に基板１５０を挿入するとともに半導体モジュール４０，４１，４２の信号ピンＰｓに基板１５０を挿入し、この状態でネジ１６０にて基板１５０を基板取付部１４０（センターブラケット２０）に固定する。

本実施形態によれば、第１の実施形態での（１）〜（１１）に加えて以下のような効果を得ることができる。
（１２）半導体装置の構成として、取付用フレーム部材としてのセンターブラケット２０は、基板取付部１４０が一体形成され、基板取付部１４０に基板１５０が取り付けられる。よって、センターブラケット２０とは別体の基板取付部品を用意する場合には、センターブラケット２０に対し基板取付部品を組付けてから基板取付部品に対し基板を取り付けることになる。この場合にはセンターブラケットと基板取付部品との間の取付公差が生じ、さらに基板取付部品と基板との間に取付公差が生じ、センターブラケットと基板との取付公差が大きくなってしまう。よって、センターブラケットに対して位置決めされる半導体モジュールの信号ピンと基板との接続が困難になる。

これに対し本実施形態ではセンターブラケット２０に基板取付部１４０が一体形成されており（基板取付部をセンターブラケットに一体にしており）、介在する部品が少ないので半導体モジュール４０，４１，４２，８０，８１，８２の信号ピンＰｓと基板１５０の位置精度が向上する（組付け精度が向上する）。このようにして基板１５０が、センターブラケット２０に一体形成された基板取付部１４０に取り付けられるので、位置決めが高精度となる。また、基板１５０が冷却器３０の第１の面としての上面に対し交差するように配置されるので、基板１５０をコンパクトに配置できる。さらに、基板取付部１４０をセンターブラケット２０に一体にすることにより、組付け工数を低減でき、コストダウンを図ることができる。

（１３）半導体装置の製造方法として、第１の実施形態での上記（１０）における第４の工程の後に、センターブラケット２０に一体形成された基板取付部１４０に対し基板１５０を取り付ける（固定する）工程を更に有するので、基板１５０を高精度に位置決めすることができる。

あるいは、第１の実施形態での上記（９）における第２の工程の後に、センターブラケット２０に一体形成された基板取付部１４０に対し基板１５０を取り付ける（固定する）工程を更に有するとしてもよい。この場合にも基板１５０を高精度に位置決めすることができる。

なお、基板１５０の固定のためのネジ１６０の数は「５」であったが、「５」に限るものではない。また、基板１５０の固定はネジ止めに限らず適宜変更してもよく、例えばクリップ等で固定してもよい。また、半導体モジュール４０〜４２，８０〜８２を水平に配置するとともに基板１５０を垂直に配置したが（半導体モジュールと直角に基板１５０を配置したが）、基板１５０を水平に配置してもよい。つまり、基板１５０を冷却器３０の第１の面に対し交差する方向（垂直）に固定したが、基板１５０を冷却器３０の第１の面に対し平行に固定してもよい。この場合半導体モジュールの信号ピンＰｓを適宜曲げれば、信号ピンＰｓと基板１５０を接続することが可能である。また、図１７においてアルミ製のセンターブラケットを用いてアルミ製の基板取付部１４０を一体形成する場合について説明したが、図２（ｂ）のように樹脂製のセンターブラケットを用いて樹脂製の基板取付部を一体形成してもよい。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・前述の実施形態における半導体モジュール４０，４１，４２，８０，８１，８２の数については、用途に応じて適宜変更することができる。

・前述の実施形態における冷却器３０は水冷構造になっているが，空冷構造でもよい。
・前述の実施形態におけるバネは、板バネとしているが、皿バネ等でもよい。
・前述の実施形態における冷却器３０は、片側のバネ押え部材６０と、ボルト７０にて共締めしているが共締めでなくてもよい。つまり、バネ押え部材６０および冷却器３０をセンターブラケット２０に対して共締めしたが、必ずしも共締めする必要はない。

・前述の実施形態におけるセンターブラケット２０には冷却器変形防止用の梁２４ａ，２４ｂが設けられているが，冷却器３０の変形が無ければ不要としてもよい。
・前述の実施形態における各部品の形状については，用途に応じて適宜変更すればよい。

・締結はネジ止め以外、例えば、カシメでもよい。
・半導体モジュールの端子４５とインサート電極２１との電気的接続は溶接等でもよい。

・各半導体モジュール４０，４１，４２，８０，８１，８２のパワートランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、ＩＧＢＴ以外にも、例えば、ＭＯＳＦＥＴ等でもよい。
・半導体モジュール４０と半導体モジュール８０、半導体モジュール４１と半導体モジュール８１、半導体モジュール４２と半導体モジュール８２は、それぞれ並列接続して、全体として１つの３相インバータを形成したが、半導体モジュール４０〜４２と半導体モジュール８０〜８２で２つの３相インバータを形成しても良い。この場合インサート電極２１は不要となるが、端子４５に他のバスバー等が接続可能にセンターブラケット２０と一体的に端子台を設けると良い。

１０…半導体装置、２０…センターブラケット、２４ａ，２４ｂ…冷却器変形防止用梁、３０…冷却器、４０，４１，４２…第１の半導体モジュール、５０…第１の板バネ、６０…第１のバネ押え部材、７０…ボルト、８０，８１，８２…第２の半導体モジュール、９０…第２の板バネ、１００…第２のバネ押え部材、１１０…ボルト、１４０…基板取付部、１５０…基板。

Claims (10)

1. 少なくとも一方の面が冷却器の配置面となっている取付用フレーム部材と、
   前記取付用フレーム部材における第１の面に配置される冷却器と、
   前記取付用フレーム部材における第１の面側に前記冷却器と接触するように配置される第１の半導体素子と、
   前記取付用フレーム部材における第１の面側において前記第１の半導体素子の上に配置される第１の弾性体と、
   前記取付用フレーム部材における第１の面側において配置される第１の弾性体押え部材と、
   前記第１の弾性体押え部材を前記取付用フレーム部材に前記第１の半導体素子が前記冷却器に圧接されると共に前記冷却器が挟持されるように締結する第１の締結部材と、
   を備えたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記取付用フレーム部材における第２の面側に前記冷却器と接触するように配置される第２の半導体素子と、
   前記取付用フレーム部材における第２の面側において前記第２の半導体素子の上に配置される第２の弾性体と、
   前記取付用フレーム部材における第２の面側において配置される第２の弾性体押え部材と、
   前記第２の弾性体押え部材を前記取付用フレーム部材に前記第２の半導体素子が前記冷却器に圧接されるように締結する第２の締結部材と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記取付用フレーム部材は、冷却器変形防止用梁を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記取付用フレーム部材は、基板取付部が一体形成され、当該基板取付部に基板が取り付けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記基板が前記冷却器の第１の面に対し交差するように配置されることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 取付用フレーム部材における第１の面に、冷却器、前記冷却器と接触する第１の半導体素子、前記第１の半導体素子を前記冷却器に圧接する第１の弾性体、前記第１の弾性体を押える第１の弾性体押え部材を配置する第１の工程と、
   前記第１の弾性体押え部材を前記取付用フレーム部材に対し前記第１の弾性体を挟んで前記冷却器を挟持するように締結する第２の工程と、
   を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 前記第２の工程の後に、前記取付用フレーム部材に一体形成された基板取付部に対し基板を取り付ける工程を更に有することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記取付用フレーム部材における第２の面に、前記冷却器と接触する第２の半導体素子、前記第２の半導体素子を前記冷却器に圧接する第２の弾性体、前記第２の弾性体を押える第２の弾性体押え部材を配置する第３の工程と、
   前記第２の弾性体押え部材を前記取付用フレーム部材に対し前記第２の弾性体を挟んで締結する第４の工程と、
   を有することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記第４の工程の後に、前記取付用フレーム部材に一体形成された基板取付部に対し基板を取り付ける工程を更に有することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記取付用フレーム部材は、前記第２の面に、冷却器変形防止用梁を有することを特徴とする請求項８または９に記載の半導体装置の製造方法。