JP7325316B2

JP7325316B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP7325316B2
Application number: JP2019226088A
Authority: JP
Inventors: 琢郎森; 勝古川; 敬雅小田; 聖司佐伯
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2023-08-14
Anticipated expiration: 2039-12-16
Also published as: DE102020128596A1; JP2021097092A; CN112992820B; US20210183736A1; US11876033B2; CN112992820A

Description

本開示は、半導体素子を収容する樹脂ケースと、樹脂ケースが固定される放熱部品とを備えた半導体装置に関するものである。

ヒートシンクなどの放熱部材に、ベース板の裏面を接触させた状態で、半導体素子が収容された樹脂ケースが固定されることにより、半導体素子で生じた熱がベース板および放熱部品を通じて外部へ効率良く放出される。

樹脂ケースを放熱部品に固定するために行われるボルトの締結時に、過剰な応力が樹脂ケースに生じると、樹脂ケースの取付用穴の周辺にクラックが発生するという問題があった。

このような問題を解消するために、例えば特許文献１には、樹脂ケースにおけるネジ留め台座の貫通孔（取付用穴に相当）周辺に突起部を設けた構成が提案されている。放熱部品に樹脂ケースをネジ留めする際に、突起部を潰しながらネジ部材を放熱部材にねじ込むことで、曲げ応力の過剰な増加が抑制される。これにより、樹脂ケースの取付用穴の周辺にクラックが発生することを抑制できる。

特開２０１９－１６１１２９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、樹脂ケースは突起部の高さ分しか変形しないため応力の緩和が不十分である。そのため、樹脂ケースの取付用穴の周辺に応力が集中し樹脂ケースが割れる可能性がある。

そこで、本開示は、半導体素子が収容された樹脂ケースをボルトで放熱部品に固定する際に、樹脂ケースの取付用穴の周辺に発生する応力を緩和することが可能な技術を提供することを目的とする。

本開示に係る半導体装置は、ベース板と、前記ベース板の下面に配置された放熱部品と、前記ベース板の上面に配置され、半導体素子を収容する平面視にて矩形状の樹脂ケースとを備え、前記樹脂ケースは、前記ベース板を介して前記放熱部品に配置された状態で、前記放熱部品にボルトで取り付けられ、前記樹脂ケースは、角部に形成されかつ前記ボルトの頭部が収容される凹部と、前記凹部の下側に形成されかつ前記ボルトの軸部が挿通される取付用穴と、前記凹部を形成する内周側の壁部と前記取付用穴との間であって、平面視にて前記ボルトの頭部の外周端と前記壁部との間に形成された少なくとも１つの溝部とを備え、前記溝部の一端は前記樹脂ケースの外周端に達している。

本開示によれば、半導体素子が収容された樹脂ケースをボルトで放熱部品に固定する際に、樹脂ケースの溝部を起点に樹脂ケースの角部が下方に撓みやすくなるため、樹脂ケースの取付用穴の周辺に発生する応力を緩和することができる。

実施の形態１に係る半導体装置が備える樹脂ケースとベース板が放熱部品に取り付けられる前の状態を示す平面図である。図１のＡ－Ａ線断面図である。実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。実施の形態１の変形例に係る半導体装置が備える樹脂ケースとベース板が放熱部品に取り付けられる前の状態を示す平面図である。図４のＢ－Ｂ線断面図である。実施の形態２に係る半導体装置が備える樹脂ケースとベース板が放熱部品に取り付けられる前の状態を示す平面図である。図６のＣ－Ｃ線断面図である。実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。ボルト締結前後における溝部周辺の拡大断面図である。実施の形態３に係る半導体装置が備える樹脂ケースとベース板が放熱部品に取り付けられる前の状態を示す平面図である。図１０のＤ－Ｄ線断面図である。実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。ボルト締結前後における溝部周辺の拡大断面図である。実施の形態４に係る半導体装置が備える樹脂ケースとベース板が放熱部品に取り付けられる前の状態を示す平面図である。図１４のＥ－Ｅ線断面図である。

＜実施の形態１＞
実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置１００が備える樹脂ケース２とベース板１が放熱部品１３に取り付けられる前の状態を示す平面図である。図２は、図１のＡ－Ａ線断面図である。図３は、半導体装置１００の断面図である。

図１～図３に示すように、半導体装置１００は、ベース板１、および樹脂ケース２、および放熱部品１３を備えている。

ベース板１は平面視にて矩形状の金属板である。放熱部品１３は、ベース板１の下面に配置された金属製のヒートシンクである。放熱部品１３は、平面視にて矩形状でありかつ厚板状に形成されている。

樹脂ケース２は、ベース板１の上面に配置され、半導体素子を収容している。具体的には、ベース板１の上面に回路パターンを有する絶縁基板が配置され、回路パターンの上面に半導体素子が搭載され、これらの搭載部品が例えばエポキシ樹脂などの封止材により封止されることで、平面視にて矩形状の樹脂ケース２が形成される。半導体素子と回路パターンとの間、および回路パターンと樹脂ケース２の上面に設けられた端子電極１１との間はワイヤで接続されている。

樹脂ケース２は、ベース板１を介して放熱部品１３に配置された状態で、放熱部品１３にボルト１０で取り付けられる。

次に、樹脂ケース２の詳細について説明する。図１～図３に示すように、樹脂ケース２は、凹部３、取付用穴４、および溝部６を備えている。凹部３は樹脂ケース２の４つの角部に形成され、凹部３にはボルト１０の頭部が収容される。具体的には、凹部３は、樹脂ケース２における４つの角部の表面側をくり抜いた形状であり、内周側の壁部５と、壁部５の下端と連なる底部５ａとで形成されている。ここで、壁部５は平面視にて円弧状である。

取付用穴４は、凹部３における中央部の下側に凹部３と連通するように形成され、ボルト１０の軸部が挿通される。実施の形態１では、ベース板１、樹脂ケース２、および放熱部品１３の平面視輪郭は同じであるため、ベース板１の４つの角部に取付用穴４と連通する穴部１２が形成され、放熱部品１３の４つの角部に穴部１２と連通する穴部（図示省略）が形成されている。これにより、樹脂ケース２は、ベース板１を介して放熱部品１３にボルト１０で取り付けられる。

溝部６は、樹脂ケース２の上面側、すなわち、壁部５と取付用穴４との間の部分に形成されている。具体的には、溝部６は底部５ａにおいて壁部５に沿うように平面視にて円弧状に形成されており、溝部６の両端は樹脂ケース２の外周端に達している。また、溝部６は、樹脂ケース２の上面側から下面側に凹むＲ溝または角溝である。これにより、ボルト１０で樹脂ケース２を放熱部品１３に固定する際に、溝部６が広がることで溝部６を起点に樹脂ケース２の角部が下方に撓みやすくなり、樹脂ケース２の取付用穴４の周辺に発生する応力が緩和される。また、曲げモーメントの関係から、力点であるボルト１０の締結箇所と支点である溝部６との距離を短くすることで応力が小さくなる。

なお、上記では、溝部６の両端が樹脂ケース２の外周部に達していると説明したが、溝部６の少なくとも一端が樹脂ケース２の外周部に達することで、ボルト１０で樹脂ケース２を放熱部品１３に固定する際に、溝部６が広がることから、溝部６を起点に樹脂ケース２の角部が下方に撓みやすくなる。

また、溝部６は、樹脂ケース２の下面側、すなわち、樹脂ケース２の下面における壁部５と取付用穴４との間の部分に、樹脂ケース２の下面側から上面側に凹む形状に形成されていてもよい。これにより、ボルト１０で樹脂ケース２を放熱部品１３に固定する際に、溝部６が狭まることで樹脂ケース２の角部が溝部６を起点に下方に撓みやすくなり、樹脂ケース２の取付用穴４の周辺に発生する応力が緩和される。または、溝部６は、樹脂ケース２の上面側と下面側に形成されていてもよい。

また、図４と図５に示すように、溝部６は、樹脂ケース２の４つの角部において上面側に２つずつ形成されていてもよい。または、樹脂ケース２の４つの角部において下面側に２つずつ形成されていてもよいし、樹脂ケース２の４つの角部において上面側と下面側に２つずつ形成されていてもよい。これにより、溝部６が１つずつ形成されている場合と比べて樹脂ケース２の角部がさらに撓みやすくなる。図４は、実施の形態１の変形例に係る半導体装置が備える樹脂ケース２とベース板１が放熱部品１３に取り付けられる前の状態を示す平面図である。図５は、図４のＢ－Ｂ線断面図である。

以上のように、実施の形態１に係る半導体装置１００は、ベース板１と、ベース板１の下面に配置された放熱部品１３と、ベース板１の上面に配置され、半導体素子を収容する平面視にて矩形状の樹脂ケース２とを備え、樹脂ケース２は、ベース板１を介して放熱部品１３に配置された状態で、放熱部品１３にボルト１０で取り付けられ、樹脂ケース２は、角部に形成されかつボルト１０の頭部が収容される凹部３と、凹部３の下側に形成されかつボルト１０の軸部が挿通される取付用穴４と、凹部３を形成する内周側の壁部５と取付用穴４との間に形成された少なくとも１つの溝部６とを備え、溝部６の一端は樹脂ケース２の外周端に達している。

したがって、半導体素子が収容された樹脂ケース２をボルト１０で放熱部品１３に固定する際に、樹脂ケース２の溝部６を起点に樹脂ケース２の角部が下方に撓みやすくなるため、樹脂ケース２の取付用穴４の周辺に発生する応力を緩和することができる。

図４と図５に示すように、半導体装置は、樹脂ケース２の少なくとも一方の面側に形成された溝部６を２つ備えたため、溝部６が１つずつ形成されている場合と比べて樹脂ケース２の角部がさらに撓みやすくなる。これにより、樹脂ケース２の取付用穴４の周辺に発生する応力が一層緩和される。

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体装置１００Ａについて説明する。図６は、実施の形態２に係る半導体装置１００Ａが備える樹脂ケース２Ａとベース板１Ａが放熱部品１３Ａに取り付けられる前の状態を示す平面図である。図７は、図６のＣ－Ｃ線断面図である。図８は、半導体装置１００Ａの断面図である。図９（ａ）は、ボルト１０の締結前における溝部６周辺の拡大断面図である。図９（ｂ）は、ボルト１０の締結後における溝部６周辺の拡大断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図６～図８に示すように、実施の形態２では、放熱部品１３Ａは上面が円弧状に膨出した形状であり、上面が円弧状の放熱部品１３Ａに樹脂ケース２Ａが固定されている。

ベース板１Ａの平面視輪郭は樹脂ケース２Ａの平面視輪郭よりも小さく形成されており、樹脂ケース２Ａの角部はベース板１Ａから外周側に突出している。そのため、樹脂ケース２Ａの角部はベース板１Ａを介さずに放熱部品１３Ａに直接固定される。

図９（ａ）に示すように、溝部６は、樹脂ケース２Ａの上面側から下面側に凹むＲ溝である。図８と図９（ｂ）に示すように、ボルト１０で樹脂ケース２Ａを放熱部品１３Ａに固定する際に、溝部６が広がることで溝部６を起点に樹脂ケース２Ａの角部が下方に屈曲するため、放熱部品１３Ａの上面の形状に沿って樹脂ケース２Ａを固定することが可能となる。

以上のように、実施の形態２に係る半導体装置１００Ａでは、放熱部品１３Ａは、上面が円弧状に膨出した形状であり、溝部６は、樹脂ケース２Ａの上面側から下面側に凹むＲ溝であり、樹脂ケース２Ａの角部は、ベース板１Ａから外周側に突出し、溝部６が広がった状態で、樹脂ケース２Ａの角部は下方に屈曲している。

したがって、樹脂ケース２Ａの角部の裏側にベース板１Ａが配置されないため、樹脂ケース２をボルト１０で放熱部品１３に固定する際に、樹脂ケース２の角部が下方に撓みやすくなり、樹脂ケース２Ａの取付用穴４の周辺に発生する応力を一層緩和することができる。このとき、溝部６が広がることで樹脂ケース２Ａの角部が下方に屈曲するため、放熱部品１３Ａの上面の形状に沿って樹脂ケース２Ａを固定することが可能となる。

＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係る半導体装置１００Ｂについて説明する。図１０は、半導体装置１００Ｂが備える樹脂ケース２Ｂとベース板１Ａが放熱部品１３Ａに取り付けられる前の状態を示す平面図である。図１１は、図１０のＤ－Ｄ線断面図である。図１２は、半導体装置１００Ｂの断面図である。図１３（ａ）は、ボルト１０の締結前における溝部６周辺の拡大断面図である。図１３（ｂ）は、ボルト１０の締結後における溝部６周辺の拡大断面図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図１０～図１２に示すように、実施の形態３では、実施の形態２に対して溝部６が形成される位置が異なっている。

図１３（ａ）に示すように、溝部６は、樹脂ケース２Ｂの下面側から上面側に凹むＲ溝である。図１２と図１３（ｂ）に示すように、ボルト１０で樹脂ケース２Ｂを放熱部品１３Ａに固定する際に、溝部６が狭まることで溝部６を起点に樹脂ケース２Ｂの角部が下方に屈曲するため、放熱部品１３Ａの上面の形状に沿って樹脂ケース２Ｂを固定することが可能となる。

以上のように、実施の形態３に係る半導体装置１００Ｂでは、放熱部品１３Ａは、上面が円弧状に膨出した形状であり、溝部６は、樹脂ケース２Ｂの下面側から上面側に凹むＲ溝であり、樹脂ケース２Ｂの角部は、ベース板１Ａから外周側に突出し、溝部６が狭まった状態で、樹脂ケース２Ｂの角部は下方に屈曲している。

したがって、樹脂ケース２Ｂの角部の裏側にベース板１Ａが配置されないため、樹脂ケース２Ｂをボルト１０で放熱部品１３に固定する際に、樹脂ケース２Ｂの角部が下方に撓みやすくなり、樹脂ケース２Ｂの取付用穴４の周辺に発生する応力を一層緩和することができる。このとき、溝部６が狭まることで樹脂ケース２Ｂの角部が下方に屈曲するため、放熱部品１３Ａの上面の形状に沿って樹脂ケース２Ｂを固定することが可能となる。また、図１３（ｂ）に示すように、ボルト１０の締結後は溝部６が狭まった状態であるため樹脂ケース２Ｂの角部がさらに下方へ屈曲することを抑制できる。

＜実施の形態４＞
次に、実施の形態４に係る半導体装置について説明する。図１４は、実施の形態４に係る半導体装置が備える樹脂ケース２Ｃとベース板１Ａが放熱部品１３Ａに取り付けられる前の状態を示す平面図である。図１５は、図１４のＥ－Ｅ線断面図である。なお、実施の形態４において、実施の形態１～３で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図１４と図１５に示すように、実施の形態４では、溝部６は上側溝部６ａと下側溝部６ｂとで構成されており、上側溝部６ａと下側溝部６ｂは樹脂ケース２Ｃの上面側と下面側にそれぞれ形成されている。具体的には、上側溝部６ａは、実施の形態２の場合と同様に樹脂ケース２Ｃの上面側から下面側に凹むＲ溝である。また下側溝部６ｂは、実施の形態３の場合と同様に樹脂ケース２Ｃの下面側から上面側に凹むＲ溝である。

実施の形態２，３の場合と同様に、ボルト１０で樹脂ケース２Ｃを放熱部品１３Ａに固定する場合を考える。このとき、上側溝部６ａが広がるとともに下側溝部６ｂが狭まることで上側溝部６ａと下側溝部６ｂを起点に樹脂ケース２Ｃの角部が下方に屈曲するため、放熱部品１３Ａの上面の形状に沿って樹脂ケース２Ｃを固定することが可能となる。

なお、上側溝部６ａと下側溝部６ｂにおける横方向の位置は一致させてもよいし、一致させなくてもよい。上側溝部６ａと下側溝部６ｂにおける横方向の位置を一致させた場合は、樹脂ケース２Ｃの角部をさらに屈曲させやすくなる。

以上のように、実施の形態４に係る半導体装置では、放熱部品１３Ａは、上面が円弧状に膨出した形状であり、上側溝部６ａは樹脂ケース２Ｃの上面側から下面側に凹むＲ溝であり、下側溝部６ｂは樹脂ケース２Ｃの下面側から上面側に凹むＲ溝であり、樹脂ケース２Ｃの角部は、ベース板１Ａから外周側に突出し、樹脂ケース２Ｃの上面側から下面側に凹む上側溝部６ａが広がるとともに樹脂ケース２Ｃの下面側から上面側に凹む下側溝部６ｂが狭まった状態で、樹脂ケース２Ｃの角部は下方に屈曲している。

したがって、樹脂ケース２Ｃの角部の裏側にベース板１Ａが配置されないため、樹脂ケース２Ｃをボルト１０で放熱部品１３Ａに固定する際に、樹脂ケース２Ｃの角部が下方に撓みやすくなるため、樹脂ケース２Ｃの取付用穴４の周辺に発生する応力を一層緩和することができる。このとき、上側溝部６ａが広がるとともに下側溝部６ｂが狭まることで樹脂ケース２Ｃの角部が下方に屈曲するため、樹脂ケース２Ｃの角部の曲がり量を調整することができる。これにより、放熱部品の形状に関係なく、放熱部品の上面の形状に沿って樹脂ケース２Ｃを固定することが可能となる。

＜その他の変形例＞
溝部６は、樹脂ケースにおける４つの角部に形成された取付用穴４の周辺にそれぞれ形成されていることが望ましいが、一部の取付用穴４の周辺に溝部６が形成されていなくてもよい。例えば、放熱部品１３Ａのような上面が円弧状に膨出した形状を有する放熱部品が取り付けられる場合、樹脂ケースにおける平面視にて１つの辺側にある取付用穴４の周辺に溝部６を設け、それに対向する辺側にある取付用穴４の周辺に溝部６を設けない場合でも各実施の形態と同様の効果が得られる。

また、放熱部品１３Ａの膨出度合いが比較的小さい場合など樹脂ケースをあまり屈曲させる必要がない場合は、少なくとも１つの取付用穴４の周辺のみに溝部６を設けることで、各実施の形態と同様の効果が得られる。

また、実施の形態２～４においても、溝部６は２つずつ形成されていてもよい。溝部６が１つずつ形成されている場合と比べて樹脂ケースの角部がさらに撓みやすくなる。これにより、樹脂ケースの取付用穴４の周辺に発生する応力が一層緩和される。

なお、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。

１，１Ａベース板、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ樹脂ケース、３凹部、４取付用穴、５壁部、６溝部、６ａ上側溝部、６ｂ下側溝部、１０ボルト、１３，１３Ａ放熱部品、１００，１００Ａ，１００Ｂ半導体装置。

Claims

ベース板と、
前記ベース板の下面に配置された放熱部品と、
前記ベース板の上面に配置され、半導体素子を収容する平面視にて矩形状の樹脂ケースと、を備え、
前記樹脂ケースは、前記ベース板を介して前記放熱部品に配置された状態で、前記放熱部品にボルトで取り付けられ、
前記樹脂ケースは、角部に形成されかつ前記ボルトの頭部が収容される凹部と、前記凹部の下側に形成されかつ前記ボルトの軸部が挿通される取付用穴と、前記凹部を形成する内周側の壁部と前記取付用穴との間であって、平面視にて前記ボルトの頭部の外周端と前記壁部との間に形成された少なくとも１つの溝部とを備え、
前記溝部の一端は前記樹脂ケースの外周端に達している、半導体装置。
前記放熱部品は、上面が円弧状に膨出した形状であり、
前記溝部は、前記樹脂ケースの上面側から下面側に凹むＲ溝であり、
前記樹脂ケースの前記角部は、前記ベース板から外周側に突出し、
前記溝部が広がった状態で、前記樹脂ケースの前記角部は下方に屈曲している、請求項１に記載の半導体装置。
前記放熱部品は、上面が円弧状に膨出した形状であり、
前記溝部は、前記樹脂ケースの下面側から上面側に凹むＲ溝であり、
前記樹脂ケースの前記角部は、前記ベース板から外周側に突出し、
前記溝部が狭まった状態で、前記樹脂ケースの前記角部は下方に屈曲している、請求項１に記載の半導体装置。
前記放熱部品は、上面が円弧状に膨出した形状であり、
前記溝部は、前記樹脂ケースの上面側から下面側に凹むＲ溝と、前記樹脂ケースの下面側から上面側に凹むＲ溝であり、
前記樹脂ケースの前記角部は、前記ベース板から外周側に突出し、
前記樹脂ケースの上面側から下面側に凹む前記溝部が広がるとともに前記樹脂ケースの下面側から上面側に凹む前記溝部が狭まった状態で、前記樹脂ケースの前記角部は下方に屈曲している、請求項１に記載の半導体装置。
前記樹脂ケースの少なくとも一方の面側に形成された前記溝部を２つ備えた、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。