JP6551182B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールに関する。

従来、半導体チップを収納したパッケージの側面に、パッケージをヒートシンク等に固定する留め具を設けた構造が知られている（例えば特許文献１参照）。留め具をねじ等でヒートシンクに固定することで、パッケージがヒートシンクに固定される。
関連する先行技術文献として、下記の特許文献がある。
特許文献１ 米国特許出願公開第２０１０／２５２９２２号明細書
特許文献２ 特許第４６８５０３９号明細書

留め具は、ヒートシンク等に固定するときに印加される外力で破損しにくい構造を有しつつ、パッケージをヒートシンク等に対して十分な面圧で押圧できることが好ましい。

本発明のひとつの態様においては、半導体装置を収納するケース部と、ケース部に一端が接続された留め具部とを備える半導体モジュールを提供する。留め具部は、ケース部に一端が接続され、ケース部から離れる方向に延伸して設けられた第１延伸部と、第１延伸部に一端が接続され、ケース部に近づく方向に延伸して設けられ、外力に応じて第１延伸部に対する傾きが変化可能な第２延伸部とを有してよい。第２延伸部は、第２延伸部のおもて面からうら面まで貫通する貫通孔を有してよい。第２延伸部は、貫通孔よりもケース部側においてうら面に設けられた突起部を有してよい。

ケース部の対向する側面のそれぞれに、留め具部が設けられてよい。貫通孔と突起部とは離間して設けられてよい。第２延伸部の最もケース部に近いケース側端部は自由端であってよい。突起部は、第２延伸部のケース側端部に設けられてよい。

留め具部は、第２延伸部の両側に第１延伸部をそれぞれ備えてよい。第２延伸部の最もケース部から遠い外側端部は、両側の第１延伸部の外側端部と接続されてよい。

留め具部は、第１延伸部および第２延伸部の接続部において、他の部分よりも厚みの大きい補強部を更に有してよい。補強部は、第１延伸部の外側端部の少なくとも一部の領域に設けられてよい。補強部は、第２延伸部の外側端部の少なくとも一部の領域には設けられなくてよい。

留め具部のうら面は、ケース部のおもて面およびうら面の間の位置に配置されてよい。突起部の先端は、ケース部のおもて面およびうら面の間の位置に配置されてよい。

第１延伸部のほうが、第２延伸部よりも幅が広くてよい。第１延伸部のほうが、第２延伸部よりも厚みが大きくてよい。

半導体モジュールは、ケース部を載置するヒートシンクと、第２延伸部の貫通孔を通過して設けられ、第２延伸部をヒートシンクに固定する固定材とを更に備えてよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の構造例を示す図である。 ヒートシンク１１０および固定材１２０を更に備える半導体モジュール１００を示す側面図である。 図３は、留め具部３０の構造例を示す図である。 固定材１２０が貫通孔３４に挿入された留め具部３０を示す側面図である。 外力が印加されていない状態の、留め具部３０と、ケース部１０との位置関係を説明する側面図である。 第１延伸部４０および第２延伸部５０の幅を説明する図である。 留め具部３０の他の構造例を示す側面図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の構造例を示す図である。図１において（ａ）は半導体モジュール１００のおもて面を示し、（ｂ）は半導体モジュール１００の側面を示す。

半導体モジュール１００は、ケース部１０、１以上の端子１４および１以上の留め具部３０を備える。ケース部１０は、半導体チップ等の半導体装置を収納する。本例においてケース部１０の少なくとも一部は樹脂等の絶縁材料で形成される。ケース部１０は、おもて面１２、うら面１８および複数の側面２０を有する。

本例のケース部１０は、概ね直方体形状を有する。ただし、ケース部１０は、直方体形状の角部およびいずれかの面において、曲線形状または切欠き形状等を有してよい。また、ケース部１０のおもて面の角部には、孔部１６が設けられてよい。孔部１６には、例えばケース部１０が箱部と蓋部とに分離している場合に、箱部と蓋部を固定するねじが挿入される。

本例のケース部１０のおもて面１２には、複数の端子１４が設けられる。複数の端子１４は、ケース部１０に収納された半導体装置と電気的に接続される。半導体装置には、半導体チップ、電極パッド、配線等が含まれる。複数の端子１４は、ケース部１０に収納した半導体装置の配置に応じて、ケース部１０のおもて面１２に所定の配列で設けられる。複数の端子１４は、ケース部１０のおもて面１２に一様に配列された端子孔の少なくとも一部に挿入されてよい。

本例のケース部１０の内部には、半導体装置を載置する絶縁性基板が設けられる。絶縁性基板の両面には導電層が形成される。おもて面側の導電層は、所定の形状にパターニングされて、電気的な配線として機能する。うら面側の導電層は、ケース部１０のうら面に露出してよい。当該導電層は、ヒートシンク等と熱的に結合されてよい。また、ケース部１０の内部には、半導体装置を封止するゲル等の封止材が形成されてもよい。

留め具部３０は、ケース部１０に一端が接続される。留め具部３０は、導電材料で形成されてよく、絶縁材料で形成されてよく、導電材料および絶縁材料で形成されてもよい。留め具部３０が導電材料で形成されている場合、留め具部３０は、ケース部１０に収納された配線等と電気的に接続して、接地端子として機能してもよい。本例の留め具部３０は、ケース部１０において対向する２つの側面２０に設けられる。留め具部３０は、少なくとも一部の領域におけるケース部１０の側面２０に対する傾きが、外力に応じて変化可能である。

本例の留め具部３０は、高さ方向において湾曲可能である。なお本例において高さ方向とは、ケース部１０のおもて面１２およびうら面１８を結ぶ方向を指し、重力方向とは必ずしも一致しない。留め具部３０は、ケース部１０の側面２０と垂直な方向に延伸して設けられた板状金属であってよい。留め具部３０は、ケース部１０の側面２０に固定された固定端と、高さ方向に変位可能な自由端とを有してよい。

留め具部３０は、おもて面からうら面まで貫通する貫通孔３４を有する。貫通孔３４にねじ等の固定材が挿入されることで、留め具部３０がヒートシンク等に固定される。留め具部３０の少なくとも一部の領域は、ねじによる押圧力等の外力に応じて湾曲する。留め具部３０は、外力が無くなった場合に当該湾曲が元にもどる弾性を有してよい。

留め具部３０が外力に応じて湾曲することで、留め具部３０とケース部１０との接続部分に係る力を低減することができる。このため、留め具部３０に大きな外力が加わった場合でも、留め具部３０とケース部１０との接続部分が破損することを抑制できる。

また、本例の留め具部３０は、ケース部１０の側面２０に固定された固定端とは逆側の端部に、補強部３２を有してよい。補強部３２は、留め具部３０における他の部分よりも、高さ方向における厚みが大きい。また、留め具部３０は、後述する第１延伸部および第２延伸部を分離する分離孔３６を有する。

図２は、ヒートシンク１１０および固定材１２０を更に備える半導体モジュール１００を示す側面図である。上述したように、固定材１２０は、留め具部３０に設けられた貫通孔３４に挿入される。本例の固定材１２０はねじである。

固定材１２０は、ヒートシンク１１０に締結される。固定材１２０は、回転運動等により、ヒートシンク１１０に設けられたねじ穴に締結され、留め具部３０をヒートシンク１１０に押し付ける。なお、半導体モジュール１００およびヒートシンク１１０の間には、放熱性を向上させるサーマルコンパウンドが設けられてもよい。

留め具部３０は、ばね性を有することが好ましい。これにより、留め具部３０は、ヒートシンク１１０に対して締め付けられるときに、応力の集中を緩和して破損を抑制できる。一方で、留め具部３０がばね性を有すると、ケース部１０をヒートシンク１１０に押し付ける面圧が低下する場合がある。当該面圧が低下すると、ケース部１０とヒートシンク１１０の接続面におけるサーマルコンパウンドの濡れ性が低下して、放熱性が低下してしまう。

図３は、留め具部３０の構造例を示す図である。（ａ）は留め具部３０のおもて面を示し、（ｂ）は側面を示す。留め具部３０は、第１延伸部４０、第２延伸部５０、ケース側接続部４１および外側接続部３８を有する。第１延伸部４０、第２延伸部５０、ケース側接続部４１および外側接続部３８は一体に形成されてよい。それぞれの延伸部は、ケース側端部および外側端部を有する。ケース側端部は、それぞれの延伸部において最もケース部１０に近い端部を指し、外側端部は、それぞれの延伸部において最もケース部１０から遠い端部を指す。

第１延伸部４０のケース側端部４２は、ケース部１０に接続される。第１延伸部４０は、ケース部１０から離れる方向に、ケース側端部４２から延伸して設けられる。第１延伸部４０は、ケース側端部４２とは逆側に、外側端部４４を有する。第１延伸部４０は、ケース側端部４２から外側端部４４まで延伸する板形状を有してよい。外力が印加されていない状態で、第１延伸部４０のおもて面は、ケース部１０のおもて面１２と平行であってよい。

本例の留め具部３０は、同一の高さ位置において平行に設けられた２つの第１延伸部４０を有する。２つの第１延伸部４０のケース側端部４２は、ケース部１０の側面に沿って設けられたケース側接続部４１により互いに接続される。ケース側接続部４１は、ケース部１０の側面に固定されてよい。第２延伸部５０は一組の第１延伸部４０の間に配置される。

第２延伸部５０の外側端部５４は、両側の第１延伸部４０の外側端部４４に接続される。本例では、外側接続部３８が、第２延伸部５０の外側端部５４と、第１延伸部４０の外側端部４４とを接続する。第２延伸部５０は、外側端部５４からケース部１０に近づく方向に延伸して設けられる。ケース部１０に向かって外側接続部３８よりも突出する第２延伸部５０の領域は、分離孔３６で囲まれている。第２延伸部５０は、外力が印加されていない状態で、第１延伸部４０と平行な面内に設けられて、第１延伸部４０に対して傾きを有して設けられてもよい。

第２延伸部５０は、おもて面からうら面まで貫通する貫通孔３４を有する。貫通孔３４は、円形であってよく、他の形状であってもよい。第２延伸部５０は、貫通孔３４に挿入された固定材１２０により印加される外力に応じて、第１延伸部４０に対する傾きが変化可能に設けられる。当該傾きは、図３の（ｂ）に示すように、留め具部３０の側面から見た、第１延伸部４０のおもて面と、第２延伸部５０のおもて面の傾きを指す。

本例の第２延伸部５０の外側端部５４は、第１延伸部４０に接続される。また、第２延伸部５０のケース側端部５２は、第１延伸部４０およびケース側接続部４１のいずれにも接続されない自由端になっている。つまり第２延伸部５０は、おもて面からうら面に向けて印加される外力に応じて、ケース側接続部４１側の高さが変動する。

第２延伸部５０は、貫通孔３４よりもケース部１０側において、うら面に設けられた突起部５６を有する。突起部５６は、貫通孔３４とは離間して設けられることが好ましい。より好ましくは、突起部５６は、貫通孔３４とできるだけ離れて設けられる。本例の突起部５６は、第２延伸部５０のケース側端部５２に設けられる。

突起部５６は、外力が印加されていない状態で、第１延伸部４０のうら面よりも突出してよい。また、突起部５６は、外力が印加されていない状態で、第１延伸部４０のうら面よりも突出していなくともよい。ただし、第２延伸部５０は、少なくとも外力が印加された状態では、突起部５６が第１延伸部４０の裏面よりも突出するように、外力に応じて傾きが変化可能である。

また、補強部３２は、少なくとも一部が外側接続部３８に設けられる。これにより、第２延伸部５０の傾きが変化するときに負担のかかる外側接続部３８の破損を防ぐことができる。本例の補強部３２は、留め具部３０の外側端部において、留め具部３０のおもて面から突出して形成される。

補強部３２は、第２延伸部５０の両側におけるそれぞれの外側接続部３８に対応して設けられる。それぞれの外側接続部３８は分離していることが好ましい。本例では、それぞれの補強部３２は、第１延伸部４０の外側端部４４の全体、外側接続部３８の外側端部の全体、および、第２延伸部５０の外側端部５４の一部に形成される。

第２延伸部５０の外側端部５４のうち、貫通孔３４に対向する領域の少なくとも一部には、補強部３２が形成されなくてよい。このような構造により、外側接続部３８を補強することができる。また、第２延伸部５０からの力によって外側接続部３８が湾曲することを抑制し、第２延伸部５０に印加された外力を第１延伸部４０に効率よく伝達することができる。

図４は、固定材１２０が貫通孔３４に挿入された留め具部３０を示す側面図である。（ａ）は第２延伸部５０を示し、（ｂ）は第１延伸部４０を示す。第２延伸部５０は、固定材１２０により押圧されると、ヒートシンク１１０のおもて面に向かって移動する。ただし、ケース側端部５２の近傍には突起部５６が設けられているので、突起部５６がヒートシンク１１０のおもて面に接した段階で、ケース側端部５２は停止する。

突起部５６がヒートシンク１１０に接した状態で、第２延伸部５０が固定材１２０により更に押圧されると、外側端部５４は更にヒートシンク１１０のおもて面に向かって移動しようとする。このとき、第２延伸部５０は下に凸に湾曲する程度に弾性を有することが好ましい。例えば第２延伸部５０は、外側接続部３８よりもケース部１０側に突出している領域が、外力に応じて湾曲可能である。

第２延伸部５０の外側端部５４が下向きに押圧されるので、外側端部５４に接続されている第１延伸部４０の外側端部４４にも下向きに力が加わる。このため、第１延伸部４０はケース部１０をヒートシンク１１０に押し付ける。

本例の留め具部３０によれば、貫通孔３４よりも第２延伸部５０の先端側に突起部５６を設けている。このため、力点となる貫通孔３４近傍に印加された外力を、突起部５６が支点となってケース部１０に効率よく伝えることができる。このため、留め具部３０がばね性を有する場合であっても、ケース部１０とヒートシンク１１０との間の面圧を維持することができ、サーマルコンパウンドの濡れ性を維持することで、放熱性を維持することができる。

また、第２延伸部５０が第１延伸部４０に対して折り返す方向に形成される。このため、第２延伸部５０の先端に形成した突起部５６（てこにおける支点として機能する）と、ケース部１０（作用点として機能する）との延伸部上の距離を増大させつつ、小型の留め具部３０を実現できる。

図５は、外力が印加されていない状態の、留め具部３０と、ケース部１０との位置関係を説明する側面図である。留め具部３０のうら面は、ケース部１０のおもて面１２およびうら面１８の間の位置に配置される。なお、第１延伸部４０のうら面全体と、第２延伸部５０のうら面全体が、ケース部１０のおもて面１２およびうら面１８の間の位置に設けられてよい。

外力が印加されていない状態で突起部５６の先端がケース部１０のうら面よりも突出していると、ケース部１０をヒートシンク１１０上に載置したときに、突起部５６が上方に押し上げられるので、ケース部１０を浮き上がらせる方向の力が生じる場合も考えられる。このため、突起部５６の先端も、ケース部１０のおもて面およびうら面の間の位置に配置されてよい。また、突起部５６の先端は、ケース部１０のうら面と同一の位置に配置されてもよい。

図６は、第１延伸部４０および第２延伸部５０の幅を説明する図である。一つの第１延伸部４０の幅をＷ１、第２延伸部５０の幅をＷ２とする。本例において第２延伸部５０の幅は、貫通孔３４の端部から、第２延伸部５０の端部までの距離を指す。つまり、貫通孔３４の両側に、幅Ｗ２の第２延伸部５０が形成されている。

第１延伸部４０の幅Ｗ１は、第２延伸部５０の幅Ｗ２よりも大きくてよい。これにより、第１延伸部４０は湾曲しにくくなり、外側端部４４に印加された力を、ケース側端部４２に効率よく伝達することができる。第１延伸部４０の幅Ｗ１は、第２延伸部５０の幅Ｗ２の２倍以上であってもよい。また、貫通孔３４の直径Ｄは、第２延伸部５０の幅Ｗ２の２倍より大きくてよい。

図７は、留め具部３０の他の構造例を示す側面図である。本例では、第１延伸部４０の厚みＴ１は、第２延伸部５０の厚みＴ２よりも大きい。第２延伸部５０は、厚みがＴ１からＴ２に徐々に変化する遷移部を有してよい。このような構成によっても、第１延伸部４０は湾曲しにくくなり、外側端部４４に印加された力を、ケース側端部４２に効率よく伝達することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０・・・ケース部、１２・・・おもて面、１４・・・端子、１６・・・孔部、１８・・・うら面、２０・・・側面、３０・・・留め具部、３２・・・補強部、３４・・・貫通孔、３６・・・分離孔、３８・・・外側接続部、４０・・・第１延伸部、４１・・・ケース側接続部、４２・・・ケース側端部、４４・・・外側端部、５０・・・第２延伸部、５２・・・ケース側端部、５４・・・外側端部、５６・・・突起部、１００・・・半導体モジュール、１１０・・・ヒートシンク、１２０・・・固定材

Claims (12)

1. 半導体装置を収納するケース部と、
   前記ケース部に一端が接続された留め具部と
   を備え、
   前記留め具部は、
   前記ケース部に一端が接続され、前記ケース部から離れる方向に延伸して設けられた第１延伸部と、
   前記第１延伸部に一端が接続され、前記ケース部に近づく方向に延伸して設けられ、外力に応じて前記第１延伸部に対する傾きが変化可能な第２延伸部と
   を有し、
   前記第２延伸部は、
   前記第２延伸部のおもて面からうら面まで貫通する貫通孔と、
   前記貫通孔よりも前記ケース部側においてうら面に設けられた突起部と
   を含む半導体モジュール。
2. 前記ケース部の対向する側面のそれぞれに、前記留め具部が設けられた
   請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記貫通孔と前記突起部とは離間して設けられる
   請求項１または２に記載の半導体モジュール。
4. 前記第２延伸部の最も前記ケース部に近いケース側端部は自由端であり、
   前記突起部は、前記第２延伸部のケース側端部に設けられる
   請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
5. 前記留め具部は、前記第２延伸部の両側に前記第１延伸部をそれぞれ備え、
   前記第２延伸部の最も前記ケース部から遠い外側端部は、両側の前記第１延伸部の外側端部と接続される
   請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
6. 前記留め具部は、前記第１延伸部および前記第２延伸部の接続部において、他の部分よりも厚みの大きい補強部を更に有する
   請求項５に記載の半導体モジュール。
7. 前記補強部は、前記第１延伸部の外側端部の少なくとも一部の領域に設けられ、前記第２延伸部の外側端部の少なくとも一部の領域には設けられない
   請求項６に記載の半導体モジュール。
8. 前記留め具部のうら面は、前記ケース部のおもて面およびうら面の間の位置に配置される
   請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
9. 前記突起部の先端は、前記ケース部のおもて面およびうら面の間の位置に配置される
   請求項８に記載の半導体モジュール。
10. 前記第１延伸部のほうが、前記第２延伸部よりも幅が広い
    請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
11. 前記第１延伸部のほうが、前記第２延伸部よりも厚みが大きい
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
12. 前記ケース部を載置するヒートシンクと、
    前記第２延伸部の前記貫通孔を通過して設けられ、前記第２延伸部を前記ヒートシンクに固定する固定材と
    を更に備える請求項１から１１のいずれか１項に記載の半導体モジュール。

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