JP7204886B2

JP7204886B2 - 半導体装置、及び冷却用部材付き半導体装置

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Publication number: JP7204886B2
Application number: JP2021506786A
Authority: JP
Inventors: 貴彦村上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2023-01-16
Anticipated expiration: 2039-03-15
Also published as: US20220068762A1; DE112019007029T5; JPWO2020188617A1; WO2020188617A1; CN113557602A; US12074088B2

Description

本発明は、半導体装置、及び冷却用部材付き半導体装置に関する。

産業用、電気鉄道用、車載用等の半導体装置は、半導体素子を備える。当該半導体装置は、半導体素子が発する熱を放出するために、冷却フィン、冷却ジャケット等の冷却用部材に固定される。半導体装置が冷却用部材に固定される際には、多くの場合は、半導体装置及び冷却用部材が、ボルト等により締結される。

半導体装置は、多くの場合は、金属からなるベース板、及び樹脂からなるケースを備える。半導体装置及び冷却用部材がボルトにより締結される場合にボルトがケースに接触したときは、ケースの、ボルトに接触するボルト接触面がクリープし、半導体装置の放熱性が低下する。このため、多くの場合は、金属からなるカラーがケースに取り付けられ、半導体装置及び冷却用部材がカラーを介してボルトにより締結される。

カラーの中には、ケースからの引き抜き耐力を向上するために、フランジを備えるものがある。フランジは、多くの場合は、ベース板とカラーとの接触面積を増やすために、ベース板が配置される側にある端部に備えられる。

特許文献１に記載された半導体装置においては、樹脂ケースの樹脂にＳ字型金属円筒が埋め込まれる（段落０００７）。Ｓ字型金属円筒の金属ベースと接する面は、樹脂面から突出している（段落０００７）。Ｓ字型金属円筒の空洞部と金属ベースの貫通孔は、ネジで外部機器へ取り付けるための取り付け孔となる（段落０００７）。このＳ字型構造とすることで、樹脂との密着性が上がる（段落０００８）。Ｓ字加工は連続した絞り加工でできるため、製作コストが安価で、大量生産ができる（段落０００８）。Ｓ字型金属円筒の先端部を樹脂ケースより突出させることで、樹脂ケースと金属ベースを接着剤で接着する場合に接着剤の厚さを面内で一定に保ち、接着強度を高めることができ、ネジ締めの力をＳ字型金属円筒で支えるため、樹脂ケースにはヒビ割れは発生しない（段落０００８）。

特開平９－１２９８２３号公報

しかし、上述した半導体装置は、ベース板から離れる方向にケースがカラーから離脱しやすいという問題を有する。この問題は、温度サイクル試験等により熱応力が半導体装置に加わった場合等に顕著になる。

本発明は、これらの問題を解決するためになされた。本発明が解決しようとする課題は、ベース板から離れる方向にケースがカラーから離脱することを抑制することができる半導体装置を提供することである。

半導体装置は、ベース板、ケース及びカラーを備える。

ベース板は、金属又は合金からなる。ベース板は、第１のボルト孔を有する。

ケースは、樹脂からなる。ケースは、第１の主面及び第２の主面を有する。第２の主面は、第１の主面がある側とは反対の側にあり、ベース板に接触する。ケースは、貫通孔を有する。貫通孔は、第１の主面から第２の主面に至る。

カラーは、金属又は合金からなる。カラーは、貫通孔の内部に配置される。カラーは、第１の端部及び第２の端部を備える。第１の端部は、第１の主面が配置される側に配置される。第２の端部は、第２の主面が配置される側に配置される。カラーは、第２のボルト孔を有する。第２のボルト孔は、第１の端部から第２の端部に至り、第１のボルト孔につながる。

第１の端部は、フランジを備える。又は、カラーは、外周面を有する。外周面は、第１の端部から第２の端部に至る。外周面は、平目ローレットを有する。

本発明によれば、ベース板から離れる方向にケースを動かすことがフランジ又はローレット溝により阻害される。このため、ベース板から離れる方向にケースがカラーから離脱することを抑制することができる。

本発明の目的、特徴、局面及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

実施の形態１の冷却用部材付き半導体装置を模式的に図示する断面図である。実施の形態１の冷却用部材付き半導体装置を模式的に図示する拡大断面図である。実施の形態１の第１変形例の冷却用部材付き半導体装置を模式的に図示する断面図である。実施の形態１の第１変形例の冷却用部材付き半導体装置に備えられるカラーを模式的に図示する図である。実施の形態１の第２変形例の冷却用部材付き半導体装置を模式的に図示する断面図である。実施の形態１の第３変形例の冷却用部材付き半導体装置を模式的に図示する断面図である。実施の形態１の第４変形例の冷却用部材付き半導体装置を模式的に図示する断面図である。実施の形態２の冷却用部材付き半導体装置を模式的に図示する断面図である。

１実施の形態１
１．１冷却用部材付き半導体装置
図１は、実施の形態１の冷却用部材付き半導体装置を模式的に図示する断面図である。

図１に図示される冷却用部材付き半導体装置１は、半導体装置１０、冷却用部材１１及びボルト１２を備える。

半導体装置１０は、半導体モジュール、半導体ディスクリート部品等であり、望ましくはパワー半導体モジュール、パワー半導体ディスクリート部品等である。半導体装置１０は、ボルト孔１０ｈを有する。

冷却用部材１１は、冷却フィン、冷却ジャケット等である。冷却用部材１１は、ボルト孔１１ｈを有する。

ボルト１２は、軸１１０及び頭１１１を備える。軸１１０は、ボルト孔１０ｈを通り、ボルト孔１１ｈに螺合する。頭１１１は、冷却用部材１１に向かう方向の軸力を半導体装置１０に加える。これにより、半導体装置１０及び冷却用部材１１がボルト１２により締結される。また、半導体装置１０が冷却用部材１１に固定される。

半導体装置１０は、動作時に熱を発する。発せられた熱は、冷却用部材１１に伝わる。冷却用部材１１は、伝わってきた熱を放つ。これにより、半導体装置１０が冷却される。

１．２半導体装置
図２は、実施の形態１の冷却用部材付き半導体装置を模式的に図示する拡大断面図である。図２は、実施の形態１の冷却用部材付き半導体装置に備えられるカラーの周辺を拡大して図示する。

半導体装置１０は、図１及び図２に図示されるように、ベース板１００、ケース１０１及びカラー１０２を備える。また、半導体装置１０は、図１に図示されるように、絶縁部材１０３、半導体チップ１０４、電極１０５及び封止材１０６を備える。カラー１０２は、ブッシュ等とも呼ばれる。

ベース板１００は、金属又は合金からなる。ベース板１００は、図２に図示されるように、第１のボルト孔１００ｈを有する。

ケース１０１は、樹脂からなる。ケース１０１は、ベース板１００上に配置される。ケース１０１は、図２に図示されるように、第１の主面１０１ａ及び第２の主面１０１ｂを有する。第２の主面１０１ｂは、第１の主面１０１ａがある側とは反対の側にある。第２の主面１０１ｂは、ベース板１００に接触する。また、ケース１０１は、図２に図示されるように、貫通孔１０１ｈを有する。貫通孔１０１ｈは、第１の主面１０１ａから第２の主面１０１ｂに至る。ケース１０１は、枠状の形状を有する。このため、ベース板１００及びケース１０１は、図１に図示されるように、ベース板１００上にありケース１０１に囲まれる空間１１Ｏを定義する。空間１１Ｏの内部には、絶縁部材１０３、半導体チップ１０４、電極１０５の主要部及び封止材１０６が配置される。ケース１０１は、電極１０５を保持する。

カラー１０２は、金属又は合金からなる。カラー１０２は、ケース１０１に装着され、貫通孔１０１ｈの内部に配置される。カラー１０２は、図２に図示されるように、第１の端部１３１及び第２の端部１３２を備える。第１の端部１３１は、ケース１０１の第１の主面１０１ａが配置される側に配置される。第２の端部１３２は、ケース１０１の第２の主面１０１ｂが配置される側に配置される。カラー１０２は、図２に図示されるように、第２のボルト孔１０２ｈを有する。第２のボルト孔１０２ｈは、第１の端部１３１から第２の端部１３２に至り、第１のボルト孔１００ｈにつながる。第１の端部１３１は、図２に図示されるように、フランジ１４０を備える。また、カラー１０２は、図２に図示されるように、外周面１０２ｐを有する。外周面１０２ｐは、第１の端部１３１から第２の端部１３２に至る。

絶縁部材１０３は、ベース板１００上に配置され、ベース板１００に接合される。

半導体チップ１０４は、望ましくはパワー半導体チップである。半導体チップ１０４は、絶縁部材１０３上に配置され、絶縁部材１０３に接合される。これにより、半導体チップ１０４が、絶縁部材１０３によりベース板１００から隔てられ、絶縁部材１０３によりベース板１００から電気的に絶縁される。

電極１０５は、半導体チップ１０４に接合される。これにより、電極１０５は、半導体チップ１０４に電気的に接続される。

封止材１０６は、ゲル、ポッティング樹脂等からなる。封止材１０６は、空間１１Ｏに充填され、半導体チップ１０４を封止する。

実施の形態１の冷却用部材付き半導体装置１によれば、ベース板１００から離れる方向にケース１０１を動かすことがフランジ１４０により阻害される。このため、温度サイクル試験等により熱応力が冷却用部材付き半導体装置１に加わった場合等に、ベース板１００から離れる方向にケース１０１がカラー１０２から離脱することを抑制することができる。すなわち、ベース板１００から離れる方向への引き抜き耐力を向上することができる。

カラー１０２は、望ましくは、鍛造品又は切削品であり、鍛造成形又は切削加工により製造される。

特許文献１に記載されているようにカラー１０２が絞り加工により製造される場合は、カラー１０２が円筒状の形状を有し薄肉になる。このため、カラー１０２とベース板１００との接触面積が小さくなり、半導体装置１０及び冷却用部材１１がボルト１２により締結された場合にベース板１００に加わる軸力の面圧が高くなり、ベース板１００に座屈が発生する場合がある。また、カラー１０２の内部に空洞が形成され、カラー１０２の剛性が低下し、カラー１０２が変形する場合がある。

これに対して、カラー１０２が鍛造成形又は切削加工により製造される場合は、カラー１０２の、ベース板１００に対向する面は、第１のボルト孔１００ｈを除いて座面となっている。このため、カラー１０２とベース板１００との接触面積が大きくなり、半導体装置１０及び冷却用部材１１がボルト１２により締結された場合にベース板１００に加わる軸力の面圧が低くなり、ベース板１００に座屈が発生しにくい。また、カラー１０２の剛性が向上し、カラー１０２が変形しにくい。

カラー１０２の第２の端部１３２及びケース１０１の第２の主面１０１ｂは、同一平面を構成し、段差を形成しない。

特許文献１に記載されているようにカラー１０２の第２の端部１３２がケース１０１の第２の主面１０１ｂから突出する場合は、ケース１０１とベース板１００との接触面積が小さくなり、熱応力によるベース板１００の変形をケース１０１により抑制することが困難になり、半導体装置１０及び冷却用部材１１がボルト１２により締結された状態で温度サイクル試験が行われた場合にベース板１００が変形して冷却用部材付き半導体装置１の信頼性が低下する場合がある。例えば、冷却用部材付き半導体装置１に水漏れが発生する場合がある。

これに対して、カラー１０２の第２の端部１３２及びケース１０１の第２の主面１０１ｂが同一平面を構成する場合は、ベース板１００がほぼ全面にわたってケース１０１に接触しケース１０１により保持され、熱応力によるベース板１００の変形をケース１０１により抑制することができる。

ケース１０１及びカラー１０２は、望ましくは、一体成型品であり、インサート成型により製造される。これにより、ケース１０１とカラー１０２との密着力を向上することができ、引き抜き耐力をさらに向上することができる。

実施の形態１の冷却用部材付き半導体装置１においては、ボルト１２の軸１１０が、第１のボルト孔１００ｈ及び第２のボルト孔１０２ｈを通り、第３のボルト孔１１ｈに螺合する。また、ボルト１２の頭１１１が、カラー１０２に軸力を加える。また、ボルト１２の頭１１１が、座面１１１ｓを有する。また、カラー１０２の第１の端部１３１が座面１１１ｓの全体に接触する。

図３は、実施の形態１の第１変形例の冷却用部材付き半導体装置を模式的に図示する断面図である。図４は、実施の形態１の第１変形例の冷却用部材付き半導体装置に備えられるカラーを模式的に図示する図である。図４（ａ）は、上面図である。図４（ｂ）は、側面図である。

図３及び図４に図示されるカラー１０２は、主に下記の相違点で図１及び図２に図示されるカラー１０２と相違する。

図１及び図２に図示されるカラー１０２においては、カラー１０２の第１の端部１３１が、フランジ１４０を備える。これに対して、図３及び図４に図示されるカラー１０２においては、カラー１０２の第１の端部１３１が、フランジ１４０を備えない。また、カラー１０２の外周面１０２ｐが、平目ローレット１０２ｋを有する。平目ローレット１０２ｋは、ローレット溝を有する。ローレット溝は、望ましくは０．５ｍｍ以上の深さを有する。

実施の形態１の第１変形例の冷却用部材付き半導体装置１によれば、ベース板１００から離れる方向にケース１０１を動かすことがローレット溝により阻害される。このため、温度サイクル試験等により熱応力が冷却用部材付き半導体装置１に加わった場合等に、ベース板１００から離れる方向にケース１０１がカラー１０２から離脱することを抑制することができる。すなわち、ベース板１００から離れる方向への引き抜き耐力を向上することができる。

また、実施の形態１の第１変形例の冷却用部材付き半導体装置１によれば、カラー１０２が周方向に回転することが平目ローレット１０２ｋにより阻害される。このため、カラー１０２が周方向に回転することを抑制することができる。

図５は、実施の形態１の第２変形例の冷却用部材付き半導体装置を模式的に図示する断面図である。

図５に図示されるカラー１０２は、主に下記の相違点で図１及び図２に図示されるカラー１０２と相違する。

図１及び図２に図示されるカラー１０２においては、カラー１０２の第１の端部１３１が、フランジ１４０を備える。これに対して、図５に図示されるカラー１０２においては、カラー１０２の第１の端部１３１が、第１のフランジ１４０を備える。また、カラー１０２の第２の端部１３２が、第２のフランジ１４１を備える。

実施の形態１の第３変形例の冷却用部材付き半導体装置１によれば、実施の形態１の冷却用部材付き半導体装置１と同様に、ベース板１００から離れる方向にケース１０１がカラー１０２から離脱することを抑制することができる。

加えて、実施の形態１の第３変形例の冷却用部材付き半導体装置１によれば、ベース板１００に近づく方向にケース１０１がカラー１０２から離脱することを抑制することができる。すなわち、ベース板１００に近づく方向への引き抜き耐力を向上することができる。

図６は、実施の形態１の第３変形例の冷却用部材付き半導体装置を模式的に図示する断面図である。

図６に図示されるカラー１０２は、主に下記の相違点で図１及び図２に図示されるカラー１０２と相違する。

図１及び図２に図示されるカラー１０２は、外周面１０２ｐに突起を備えない。これに対して、図６に図示されるカラー１０２は、外周面１０２ｐに突起１５０を備える。

加えて、実施の形態１の第３変形例の冷却用部材付き半導体装置１によれば、カラー１０２が周方向に回転することが突起１５０により阻害される。このため、カラー１０２が周方向に回転することを抑制することができる。

図７は、実施の形態１の第４変形例の冷却用部材付き半導体装置を模式的に図示する断面図である。

図７に図示されるケース１０１は、主に下記の相違点で図１及び図２に図示されるケース１０１と相違する。

図１及び図２に図示されるケース１０１においては、貫通孔１０１ｈが、概ね一定の径を有する。これに対して、図７に図示されるケース１０１においては、貫通孔１０１ｈが、ザグリ孔１６０及び収容孔１６１を有する。ザグリ孔１６０は、ケース１０１の第１の主面１０１ａの側に配置される。収容孔１６１は、ケース１０１の第２の主面１０１ｂの側に配置される。収容孔１６１は、ザグリ孔１６０につながる。収容孔１６１は、カラー１０２を収容する。

実施の形態１の第４変形例の冷却用部材付き半導体装置１によれば、実施の形態１の冷却用部材付き半導体装置１と同様に、ベース板１００から離れる方向にケース１０１がカラー１０２から離脱することを抑制することができる。

加えて、実施の形態１の第４変形例の冷却用部材付き半導体装置１によれば、ケース１０１の肉厚を厚くすることができ、ケース１０１の剛性を向上することができる。

２実施の形態２
図８は、実施の形態２の冷却用部材付き半導体装置を模式的に図示する断面図である。

図８に図示される実施の形態２の冷却用部材付き半導体装置２は、主に下記の相違点で図１及び図２に図示される実施の形態１の冷却用部材付き半導体装置１と相違する。

実施の形態１の冷却用部材付き半導体装置においては、ボルト１２の軸１１０が、第１のボルト孔１００ｈ及び第２のボルト孔１０２ｈを通り、第３のボルト孔１１ｈに螺合する。また、ボルト１２の頭１１１が、カラー１０２に軸力を加える。また、ボルト１２の頭１１１が、座面１１１ｓを有する。また、カラー１０２の第１の端部１３１が座面１１１ｓの全体に接触する。

これに対して、実施の形態２の冷却用部材付き半導体装置２においては、スタッドボルト２２が、第１のボルト孔１００ｈ及び第２のボルト孔１０２ｈを通り、第３のボルト孔１１ｈに螺合する。また、スタッドボルト２２に螺合されるナット２３が、カラー１０２に軸力を加える。また、ナット２３が、座面２３ｓを有する。また、カラー１０２の第１の端部１３１が座面２３ｓの全体に接触する。

実施の形態２の冷却用部材付き半導体装置２によれば、実施の形態１の冷却用部材付き半導体装置１と同様に、ベース板１００から離れる方向にケース１０１がカラー１０２から離脱することを抑制することができる。

加えて、実施の形態２の冷却用部材付き半導体装置２によれば、冷却用部材付き半導体装置２が組み立てられる際に、位置決めを容易に行うことができる。

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、省略することが可能である。

この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

１，２冷却用部材付き半導体装置、１０半導体装置、１１冷却用部材、１２ボルト、２２スタッドボルト、２３ナット、１００ベース板、１０１ケース、１０２カラー、１０２ｋ平目ローレット、１４０フランジ（第１のフランジ）、１４１第２のフランジ、１５０突起。

Claims

金属又は合金からなり、第１のボルト孔を有するベース板と、
樹脂からなり、第１の主面と前記第１の主面がある側とは反対の側にあり前記ベース板に接触する第２の主面とを有し、前記第１の主面から前記第２の主面に至る貫通孔を有するケースと、
金属又は合金からなり、前記貫通孔の内部に配置され、前記第１の主面が配置される側に配置される第１の端部と前記第２の主面が配置される側に配置される第２の端部とを備え、前記第１の端部から前記第２の端部に至り前記第１のボルト孔につながる第２のボルト孔を有し、前記第１の端部がフランジを備えるカラーと、
を備え、
前記カラーは、
前記貫通孔内に、前記ケースの前記第１の主面と、前記カラーの前記第１の端部とが同一平面を構成し、
前記フランジは、第１のフランジであり、
前記第２の端部は、第２のフランジを備える半導体装置。
前記カラーは、鍛造品又は切削品である
請求項１の半導体装置。
前記第２の端部及び前記第２の主面は、同一平面を構成する
請求項１の半導体装置。
前記ケース及び前記カラーは、一体成型品である
請求項１の半導体装置。
前記カラーは、前記第１の端部から前記第２の端部に至る外周面を有し、前記外周面に突起を備える
請求項１の半導体装置。
請求項１の半導体装置と、
第３のボルト孔を有する冷却用部材と、
前記第１のボルト孔及び前記第２のボルト孔を通り前記第３のボルト孔に螺合する軸と前記カラーに軸力を加える頭とを備えるボルトと、
を備える冷却用部材付き半導体装置。
前記頭は、座面を有し、
前記第１の端部は、前記座面の全体に接触する
請求項６の冷却用部材付き半導体装置。
請求項１の半導体装置と、
第３のボルト孔を有する冷却用部材と、
前記第１のボルト孔及び前記第２のボルト孔を通り前記第３のボルト孔に螺合するスタッドボルトと、
前記スタッドボルトに螺合され前記カラーに軸力を加えるナットと、
を備える冷却用部材付き半導体装置。
前記ナットは、座面を有し、
前記第１の端部は、前記座面の全体に接触する
請求項８の冷却用部材付き半導体装置。