特許 6032914 半導体モジュールの固定構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6032914

(24)【登録日】2016年11月4日

(45)【発行日】2016年11月30日

(54)【発明の名称】半導体モジュールの固定構造

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/40 20060101AFI20161121BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/40 E

   H01L23/40 C

【請求項の数】2

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2012-76838(P2012-76838)

(22)【出願日】2012年3月29日

(65)【公開番号】特開2013-207199(P2013-207199A)

(43)【公開日】2013年10月7日

【審査請求日】2015年3月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000141901

【氏名又は名称】株式会社ケーヒン

(74)【代理人】

【識別番号】100153349

【弁理士】

【氏名又は名称】武山 茂

(74)【代理人】

【識別番号】100145023

【弁理士】

【氏名又は名称】川本 学

(72)【発明者】

【氏名】真弓 俊郎

【審査官】 原田 貴志

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−３２１２６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６３−０８０８５３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開平０７−０１４６８４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０１１−１９９０４４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体素子が絶縁樹脂で封入された半導体モジュールを載置する冷却部材の載置面に設けられた嵌合溝と、前記嵌合溝の側壁から延びる爪部が形成された第１の嵌合部と、
前記半導体モジュールを前記冷却部材に押さえ付けるアーム部を備えた押さえバネに弾性変形可能に設けられ、前記爪部によって係止される係止片を有する第２の嵌合部と、を含み、
前記第１の嵌合部と前記第２の嵌合部は、前記アーム部と前記半導体モジュールの両側を挟むように複数設けられ、前記第１の嵌合部の高さは、前記押さえバネを組み付けたときの前記アーム部の高さより高く設けられており、
前記アーム部及び前記係止片は、前記押さえバネのベース部から湾曲しつつ延びており、前記アーム部の屈曲形状は前記係止片の屈曲形状と一致することを特徴とする半導体モジュールの固定構造。

【請求項2】

前記爪部には、前記第１の嵌合部に前記第２の嵌合部を嵌合させる方向において、前記係止片の幅を減少させる傾斜面を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュールの固定構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体モジュールの固定構造に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体を用いた半導体制御装置には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）や、ダイオード、ＧＴＯ（Gate Turn Off Thirstier）トランジスタなどの半導体素子を絶縁樹脂によって封止した半導体モジュールが使用されている。半導体モジュールは、動作時の発熱を放出するために、ヒートシンクに熱的に密着させて使用される。

【0003】

ここで、従来の半導体制御装置では、半導体モジュールをヒートシンクに板バネを用いて押さえ付けた状態でネジ止めしている。半導体モジュールをヒートシンクに密着させることによって、両者の間の熱抵抗が減少するので、半導体モジュールの熱を放出し易くなる。板バネは、中央部分にヒートシンクに固定するときに使うネジ孔が等間隔に複数形成されている。板バネの周縁部は、スリットで複数に分割されることによって複数のアーム部が形成されている。

【0004】

板バネを用いて半導体モジュールをヒートシンクに固定するときは、板バネの中央部分に補強梁を添えて、板バネの捩れを防止する。補強梁には、貫通孔が設けられており、補強梁と板バネを重ねた状態でヒートシンクにネジ止めする。これによって、複数のアーム部によって、半導体モジュールがヒートシンクに向けて押さえ付けられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００１−２２８１９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、従来の板バネでは、半導体モジュールを固定するときに別体の補強梁を添える必要があるので、部品点数が多かった。また、半導体モジュールの取り付け時には板バネのネジ孔と補強梁の貫通孔を位置合わせする必要があるので、組み立て時の工数を少なくすることが困難であった。
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、半導体モジュールを簡単な構成で確実に固定することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明によれば、半導体素子が絶縁樹脂で封入された半導体モジュールを載置する冷却部材の載置面に設けられた嵌合溝と、前記嵌合溝の側壁から延びる爪部が形成された第１の嵌合部と、記半導体モジュールを前記冷却部材に押さえ付けるアーム部を備えた押さえバネに弾性変形可能に設けられ、前記爪部によって係止される係止片を有する第２の嵌合部と、を含み、前記第１の嵌合部と前記第２の嵌合部は、前記アーム部と前記半導体モジュールの両側を挟むように複数設けられ、前記第１の嵌合部の高さは、前記押さえバネを組み付けたときの前記アーム部の高さより高く設けられており、前記アーム部及び前記係止片は、前記押さえバネのベース部から湾曲しつつ延びており、前記アーム部の屈曲形状は前記係止片の屈曲形状と一致することを特徴とする半導体モジュールの固定構造が提供される。

【0009】

また、本発明の別の観点によれば、前記爪部には、前記第１の嵌合部に前記第２の嵌合部を嵌合させる方向において、前記係止片の幅を減少させる傾斜面を有することを特徴と
する請求項１に記載の半導体モジュールの固定構造が提供される。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、第１の嵌合部に第２の嵌合部を嵌合させるだけで半導体モジュールを冷却部材に固定できる。補強梁やネジが不要になるので、部品点数を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本発明の実施の形態に係る半導体モジュールの固定構造を含む半導体制御装置の概略構成を示す斜視図である。

【図2】図２は、本発明の実施の形態に係る半導体モジュールの固定構造の一部を拡大して示す斜視図である。

【図3】図３は、本発明の実施の形態に係る半導体モジュールの固定構造を含む半導体制御装置の概略構成を示す側面図である。

【図4】図４は、本発明の実施の形態に係る押さえバネを示し、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＩ―Ｉ線に沿った断面図である。

【発明を実施するための最良の形態】

【0014】

本発明を実施するための形態について以下に詳細に説明する。
半導体制御装置１は、冷却部材であるヒートシンク２を有する。ヒートシンク２の下面には、放熱フィン２Ａが多数配列されている。ヒートシンク２の上面は、３つの半導体モジュール５，６，７を載置する載置面２Ｂになっている。載置面２Ｂは、平面からなり、半導体モジュールの固定構造のヒートシンク２側の嵌合部となる複数の第１の嵌合部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄが所定の間隔で突設されている。さらに、３つの半導体モジュール５〜７は、押さえバネ１０によってヒートシンク２に押し付けられ、固定されている。

【0015】

半導体モジュール５〜７は、不図示の半導体素子や半導体回路が絶縁樹脂でパッケージされている。各半導体モジュール５〜７には、電流を入出力するための端子５Ａ，６Ａ，７Ａが複数設けられている。また、半導体モジュール５〜７に信号を入出力する不図示の端子が設けられている。不図示の端子は、制御基板に電気的に接続される。この実施の形態において、半導体モジュール５〜７は、３相モータのスイッチング素子として使用可能であり、モータの３相のそれぞれに対応して３つ設けられている。なお、半導体モジュール５〜７の形状や数は、図１に限定されない。

【0016】

図１と、図２の拡大図、図３の側面図に示すように、ヒートシンク２の載置面２Ｂには、４つの第１の嵌合部１１Ａ〜１１Ｄが平行に形成されている。各第１の嵌合部１１Ａ〜１１Ｄの上部の中央には、押さえバネ１０を嵌合させる溝１２が１つずつ形成されている
。溝１２は、略Ｕ字形の底部１２Ａと、底部１２Ａから段差を形成しつつ幅を拡張させることによって形成された一対の側壁１２Ｂとを有する。また、溝１２の側壁１２Ｂのそれぞれの上端部分には、爪部１３が１つずつ設けられている。爪部１３は、内側に向かって突出すると共に、上面が先端に向かって下方に傾斜するテーパ面１３Ａ（傾斜面）になっている。

【0017】

第１の嵌合部１１Ａ〜１１Ｄの配置間隔は、半導体モジュール５〜７のサイズに一致させてあり、隣り合う２つの第１の嵌合部１１Ａ〜１１Ｄによって半導体モジュール５〜７が１つずつ位置決めされる。

【0018】

図１から図４に示すように、押さえバネ１０は、細長の基部２１を有する。基部２１の長さは、ヒートシンク２に形成されている最も離れた２つの第１の嵌合部１１Ａ，１１Ｄの間の距離以上である。基部２１からは、半導体モジュールの固定構造のバネ部材１０側の嵌合部となる４つの第２の嵌合部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄと、３対のアーム部２３，２４，２５とが交互に延びている。具体的には、基部２１の長手方向の一方の端部から順番に、第２の嵌合部２２Ａ、アーム部２３、第２の嵌合部２２Ｂ、アーム部２４、バネ嵌合部２２Ｃ、アーム部２５、第２の嵌合部２２Ｄが形成されている。基部２１を挟んで延びる３対のアーム部２３〜２５は、基部２１の中心線に対して対称に配置されている。なお、押さえバネ１０は、弾性変形可能な材料を例えばプレス加工して製造される。

【0019】

各第２の嵌合部２２Ａ〜２２Ｄは、基部２１の両側から一体に延びる一対の係止片３１を有する。図２及び図３に示すように、係止片３１は、基部２１から上側にカーブを描きつつ曲げられることで曲部３１Ａが形成され、垂直上向きに延びた後、先端部３１Ｂが外側に向けて折り返されており、全体として弾性変形可能に形成されている。基部２１及び係止片３１の曲部３１Ａの形状は、第１の嵌合部１１Ａ〜１１Ｄの底部１２Ａの形状に略一致している。また、外力が作用していない状態における係止片３１の先端部３１Ｂの外端面間の距離Ｗ１は、第１の嵌合部１１Ａ〜１１Ｄの一対の側壁１２Ｂ間の距離に略等しい。さらに、係止片３１の外端面間の距離Ｗ１は、第１の嵌合部１１Ａ〜１１Ｄの爪部１３の内端間の距離Ｗ２より長い。

【0020】

また、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、各アーム部２３〜２５は、基部２１の両側を滑らかなカーブを形成しつつ上方に曲げることによって曲部２６，２７，２８を形成し、垂直上向きに延びた後、外側、かつ基部２１と略平行に折り返されている。さらに、アーム部２３の両端部は、下側に折り返されており、これによって半導体モジュール５，６，７に面接触する押圧部２３Ａ，２４Ａ，２５Ａが形成されている。ここで、各アーム部２３〜２５の形状は等しく、基部２１の長手方向に平行な方向からみたときの各曲部２６〜２８の形状は、第２の嵌合部２２Ａ〜２２Ｄの曲部３１Ａの形状と同一になっている。

【0021】

次に、半導体制御装置１の製造工程の一部を構成する半導体モジュール５〜７をヒートシンク２に対して固定する工程について説明する。
まず、ヒートシンク２に３つの半導体モジュール５〜７を固定するときは、最初にヒートシンク２の載置面２Ｂの所定位置に半導体モジュール５〜７を１つずつ配置する。各半導体モジュール５〜７は、隣り合う２つの第１の嵌合部１１Ａ〜１１Ｄの間に１つずつ配置される。続いて、図２に示すように、上方から押さえバネ１０を半導体モジュール５〜７の上に重ねてから、押さえバネ１０を矢印ＡＲ１に示す下方向に押し込んで、ヒートシンク２に設けられた第１の嵌合部１１Ａ〜１１Ｄと、押さえバネ１０に設けられた第２の嵌合部２２Ａ〜２２Ｄとを嵌合させる。

【0022】

具体的には、第１の嵌合部１１Ａ〜１１Ｄに第２の嵌合部２２Ａ〜２２Ｄを押し込んで
両者を嵌合させる。ここで、第２の嵌合部２２Ａ〜２２Ｄの係止片３１の外端面間の距離Ｗ１は、第１の嵌合部１１Ａ〜１１Ｄの爪部１３の先端間の距離Ｗ２より長い。しかしながら、爪部１３の上面には、テーパ面１３Ａが係止片３１を内側にガイドするように傾斜しているので、押さえバネ１０を矢印ＡＲ１に示す嵌合方向に押し込むと、係止片３１がテーパ面１３Ａにガイドされながら、一対の先端部３１Ｂの外端面間の距離を減少させるように弾性変形する。係止片３１の先端部３１Ｂの外端面間の距離が爪部１３の先端間の距離Ｗ２よりも近くなると、係止片３１が爪部１３を越えて下方に移動する。これによって、押さえバネ１０の基部２１が溝１２の底部１２Ａに向かって移動する。

【0023】

これに伴い、係止片３１は、爪部１３の間を通り抜けて、爪部１３の下方に移動する。その結果、爪部１３によって係止片３１に与えられていた外力がなくなるので、係止片３１が弾性力によって元の形状に戻る。その結果、嵌合部１１Ａ〜１１Ｄ，２２Ａ〜２２Ｄの嵌合を解消させる方向にバネ部材１０を移動させるようとすると、第２の嵌合部２２Ａ〜２２Ｄの係止片３１Ａの先端部３１Ｂの上面が溝１２の爪部１３の下面に密着して係止される。従って、バネ部材１０がヒートシンク２から簡単に外れることはない。また、一対の係止片３１のそれぞれの先端部３１Ｂの外端面間の距離Ｗ１は、溝１２の一対の側壁１２Ｂ間の距離に略等しいので、係止片３１の先端部３１Ｂがそれぞれ対向する側壁１２に当接する。これによって、押さえバネ１０の上下方向の移動と、左右方向の移動が規制される。

【0024】

さらに、第１の嵌合部１１Ａ〜１１Ｄの高さは、押さえバネ１０を組み付けたときのアーム部２３〜２５の高さより高い。このために、押さえバネ１０の基部２１の長手方向の移動は、第１の嵌合部１１Ａ〜１１Ｄによって規制される。これらのことから、押さえバネ１０が全体として、位置決めしてヒートシンク２に固定される。

【0025】

第１の嵌合部１１Ａ〜１１Ｄに第２の嵌合部２２Ａ〜２２Ｄを嵌合させたときの押さえバネ１０の基部２１の高さは、半導体モジュール５〜７の高さに略等しくなる。このために、半導体モジュール５〜７は、押さえバネ１０の基部２１によってヒートシンク２に押さえ付けられる。嵌合部１１Ａ〜１１Ｄ，２２Ａ〜２２Ｄは、各半導体モジュール５〜７を挟むように複数配置されているので、基部２１は撓むことなく、各半導体モジュール５〜７をヒートシンク２に押さえ付ける。

【0026】

なお、バネ部材１０をヒートシンク２に固定した状態では、バネ部材１０の基部２１は、第１の嵌合部１１Ａ〜１１Ｄの溝１２からわずかに浮いている。溝１２は、バネ部材１０の押し込み過ぎを防止するためのリミッターとして機能している。従って、溝１２にバネ部材１０の底部２１を密着させても良いし、図１及び図３に示すように隙間４１を形成しても良い。

【0027】

さらに、押さえバネ１０の基部２１からは複数のアーム部２３〜２５が延びており、これらアーム部２３〜２５によっても各半導体モジュール５〜７がヒートシンク２に押さえ付けられる。例えば、一対のアーム部２３は、基部２１を介して２組の嵌合部１１Ａ，２２Ａ，１１Ｂ，２２Ｂによって支持され、それぞれの押圧部２３Ａによって半導体モジュール５をヒートシンク２に押さえ付ける。同様に、一対のアーム部２４のそれぞれの押圧部２４Ａは、基部２１を介して２組の嵌合部１１Ｂ，２２Ｂ，１１Ｃ，２２Ｃによって支持され、半導体モジュール６をヒートシンク２に押さえ付ける。さらに、一対のアーム部２５のそれぞれの押圧部２５Ａは、基部２１を介して２組の嵌合部１１Ｃ，２２Ｃ，１１Ｄ，２２Ｄによって支持され、半導体モジュール７をヒートシンク２に押さえ付ける。

【0028】

この実施の形態では、基部２１を挟む一対のアーム部２３〜２５によって、１つの半導体モジュール５〜７をヒートシンク２に押し付けるので、押さえバネ１０の押さ付け力を
各半導体モジュール５〜７に均等に作用させ易い。なお、アーム部２３〜２５の数や配置は、図１に限定されない

【0029】

また、一対のアーム部２３〜２５は、１つの半導体モジュール５〜７のみに当接している。このために、各半導体モジュール５〜７は、押さえバネ１０によって、他の半導体モジュール５〜７の影響を受けずにヒートシンク２に押さえ付けられる。また、一対のアーム部２３〜２５で半導体モジュール５〜７を１つずつ押圧するので、半導体モジュール５〜７の製品ごとのばらつきを吸収できる。

【0030】

さらに、アーム部２３〜２５は、半導体モジュール５〜７の両端部の近傍に一箇所ずつ当接する。従って、１つの半導体モジュール５〜７に対して押さえバネ１０からの押し付け力が均等に作用する。このために、半導体モジュール５〜７で発生した熱をヒートシンク２に確実に伝達できる。従って、半導体モジュール４を効率良く冷却できる。
さらに、各アーム部２３〜２５の押圧部２３Ａ〜２５Ａは、半導体モジュール５〜７に面接触するので、半導体モジュール５〜７の表面を傷付けることはない。

【0031】

以上、説明したように、この実施の形態ではヒートシンク２に第１の嵌合部１１Ａ〜１１Ｄを複数設け、押さえバネ１０に第２の嵌合部２２Ａ〜２２Ｄを複数設け、これら嵌合部１１Ａ〜１１Ｄ，２２Ａ〜２２Ｄを用いて複数個所で押さえバネ１０をヒートシンク２に固定するようにしたので、ねじを用いることなく、半導体モジュール５〜７をヒートシンク２に押さえ付けられる。嵌合部１１Ａ〜１１Ｄ，２２Ａ〜２２Ｄは、半導体モジュール５〜７を挟むように配置したので、半導体モジュール５〜７の移動を規制できる。これに伴って、基部２１の浮き上がりや捩れを防止できるので、補強梁が不要になると共に、一対のアーム部２３〜２５ごとの押圧力を均一にできる。

【0032】

また、第１の嵌合部１１Ａ〜１１Ｄに溝１２と爪部１３を設け、第２の嵌合部２２Ａ〜２２Ｄに弾性変形可能な係止片３１を設けたスナップフィット構造としたので、押さえバネ１０を押し込むだけで、押さえバネ１０で半導体モジュール５〜７をヒートシンク２に押し付けながら固定できる。爪部１３にテーパ面１３Ａを形成することによって、押さえバネ１０を押し付けるときに係止片３１を変形させ易くなるので、組み付け作業が容易になる。

【0033】

第２の嵌合部２２Ａ〜２２Ｄの係止片３１の曲部３１Ａの形状と、アーム部２３〜２５の曲部２６〜２８の形状を同形状にしたので、一回の成型工程で曲部３１Ａ，２６〜２８を同時に形成することができ、作業効率が向上する。

【0034】

なお、本発明は、実施の形態に限定されずに広く応用できる。
例えば、実施形態における上下方向を反対にしても良い。半導体制御装置１は、ヒートシンク２に押さえバネ１０で固定した半導体モジュール５〜７を上下に対向して配置しても良い。

【符号の説明】

【0035】

２ ヒートシンク
２Ｂ 載置面
５，６，７ 半導体モジュール
１０ 押さえバネ
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ 第１の嵌合部
１２ 溝（嵌合溝）
１２Ｂ 側壁
１３ 爪部
１３Ａ テーパ面（傾斜面）
２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ 第２の嵌合部
２３，２４，２５ アーム部
２６，２７，２８ 曲部
３１ 係止片
３１Ａ 曲部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】