JP4643703B2 - 半導体装置の固定具及びその取付構造 - Google Patents

Description

この発明は、例えば各種の電子部品を構成する半導体素子を収容配置した半導体パッケージ等の半導体装置の固定具及びその取付構造に関する。

一般に、この種の半導体装置は、ベースプレート上に枠状のフレーム部材を設けて、このフレーム部材内に、電子部品である半導体素子が収容配置される。そして、このフレーム部材には、その周壁に外部接続用の接続端子が突設され、その開口側に蓋体が被着されて開口が閉塞される。

このような半導体装置は、その外部接続用接続端子が印刷配線基板の回路に電気的に接続されて使用に供される。この使用により、半導体装置は、その半導体素子が駆動されて、熱を発生して温度が上昇すると、その性能の低下を招くため、発生した熱を外部に排熱して、その温度を許容値に保つ方法が採られている。

そのため、半導体装置にあっては、ベースプレートにおけるフレーム部材の周囲の四隅に貫通孔を設けて、この貫通孔を利用してヒートシンク等の放熱体にネジ止め固定することで、放熱体への熱移送を実現するようにした取付構造が採用されている。

ところが、上記取付構造では、ベースプレートの四隅を、放熱体に圧接固定する構成のために、フレーム部材の取付側全面を均等な接触熱抵抗で圧接させることが困難で、十分な熱移送効率を得ることが困難であるという問題を有する。この接触熱抵抗は、パッケージ基体の反り量を含む製作精度を高めることで、均等化を図ることが可能であるが、その加工製作が非常に面倒となるという問題を有する。

そこで、このような取付構造には、例えば半導体素子の壁面を、Ｌ字形金具を用いて放熱板に圧接させて接触熱抵抗を小さくするように構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献２には、半導体装置のベースプレートを構成するパッケージ基体を、そのネジ止め部を例えば熱伝導効率の優れたグラファイトシートを介在して放熱体に載置し、その四隅に設けた貫通孔を利用して放熱体に圧接固定することにより、パッケージ基体の製作精度に影響を受けることなく、高効率な熱移送を実現するように構成したものが提案されている。

そして、上記グラファイトシートに代えて放熱用グリースをパッケージ基体と放熱体との間に塗布する構成のものもある。
実開平３−５９６８８号公報 特開２００４−２８８９４９号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される取付構造では、半導体素子構造及びＬ字形金具を用いる構成上、その取付作業が面倒なうえ、半導体素子の放熱板との熱接触面積に比べて設置面積が大形となるという問題を有する。

また、特許文献２に開示される取付構造では、引用文献１の構成に比して十分な熱接触面積を確保することが可能であるが、パッケージ基体の取付側全面にグラファイトシートを介在させたり、あるいは放熱用グリースを介在して組付け配置していることで、高効率な放熱が可能となるが、これらグラファイトシートや放熱用グリースが電気的な導通の障害となり、その電気性能が低下されるという問題を有する。このため、パッケージ自体を電極として用いる半導体装置への適用が困難であるという問題を有する。

また、これによると、部品点数が多くなるために、上記引用文献１と同様に組立製作が面倒であるという問題も有する。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、構成簡易にして、簡便な加工製作を実現したうえで、高効率な放熱特性を実現し得、且つ、高精度な電気性能を確保し得るようにした半導体装置の固定具及びその取付構造を提供することを目的とする。

この発明は、取付ベース上に枠状のフレーム部材が配置され、フレーム部材内に半導体素子が収容されてフレーム部材上に蓋体が被着された半導体装置を、その取付ベースを放熱体上に載置して相互間を固定部材を用いて圧接固定して、熱的に結合させるために使用されるものであって、前記半導体装置の蓋体またはフレーム部材に係合されて蓋体上に載置される押圧部と、この押圧部の両端部に連設され、前記半導体装置の取付ベース上に載置されて前記固定部材の基端部が係止されることにより前記取付ベースを前記放熱体に押圧する固定部と、前記押圧部と前記固定部との間に穿設され、前記半導体装置のフレーム部材の壁面を開放する前記固定部材の基端部の一部が位置される開放口を有し、前記固定部材の先端部が挿入されて前記半導体装置の取付ベースを挿通して前記放熱体への固定を許容する開口部とを備えて半導体装置の固定具を構成した。

上記構成によれば、半導体装置は、その蓋体またはフレーム部材上に押圧部が被されて、そのフレーム部材の対向する両端部の取付ベース上に固定部が載置された状態で、その開口部に例えば固定部材が挿通されて、その先端部が取付ベースに挿通されて放熱体に固定されることにより、該放熱体上に組付け配置される。

ここで、上記固定部材の基端部が開口部に沿ってフレーム部材の壁部に近接されて、固定部に係止され、該固定部が、フレーム部材の対向する両端部の取付ベースを押圧して、押圧部によりフレーム部材で囲まれた領域を含む取付ベースの取付面の全面を放熱体に対して均等的に圧接固定させ、取付ベースと放熱体との間の接触熱抵抗が小さく設定される。これにより、組立作業を含む簡便にして容易な加工製作を実現したうえで、高効率な放熱特性及び高精度な電気性能を確保することが可能となる。

また、この発明は、取付ベース上に枠状のフレーム部材が配置され、フレーム部材内に半導体素子が収容されてフレーム部材上に蓋体が被着された半導体装置と、この半導体装置の取付ベースが載置されて熱的に結合される放熱体と、前記半導体装置の蓋体またはフレーム部材に係合されて蓋体上に載置される押圧部を有し、該押圧部の両端部に前記半導体装置の取付ベース上に載置される固定部が連設されると共に、前記押圧部と前記固定部との間に前記半導体装置のフレーム部材の壁面を開放する開放口を有した開口部が穿設され、該開口部に対して固定部材が挿入されて、その基端部が、一部が前記開口部の開放口に位置された状態で、前記固定部に係止され、その先端部が前取付ベースに挿通されて前記放熱体に固定され、前記固定部が前記取付ベースに押圧されて該取付ベースを前記放熱体に圧接固定する固定具とを備えて半導体装置の取付構造を構成した。

上記構成によれば、固定具は、その押圧部が半導体装置の蓋体上に被されて、固定部がフレーム部材の対向する両端部の取付ベース上に載置された状態で、その開口部に固定部材が挿通されて、その先端部が放熱体に固定されることにより、半導体装置を放熱体上に組付け配置する。

ここで、固定部材は、その基端部が固定具の開口部に沿ってフレーム部材の壁部に近接されて、固定具の固定部に係止され、該固定部がフレーム部材の対向する両端部の取付ベースを押圧して、その押圧部によりフレーム部材で囲まれた領域を含む取付ベースの取付面の全面を放熱体に対して均等的に圧接固定させ、取付ベースと放熱体との間の接触熱抵抗が小さく設定される。これにより、組立作業を含む簡便にして容易な加工製作を実現したうえで、高効率な放熱特性及び高精度な電気性能を確保することが可能となる。

以上述べたように、この発明によれば、構成簡易にして、簡便な加工製作を実現したうえで、高効率な放熱特性を実現し得、且つ、高精度な電気性能を確保し得るようにした半導体装置の固定具及びその取付構造を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態に係る半導体装置の固定具及びその取付構造について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、この発明の一実施の形態を示すもので、半導体装置を構成する半導体パッケージ１０は、固定具１１を介して放熱体であるヒートシンク１２上に熱的に結合されて組付け配置される。

このうち半導体パッケージ１０は、図２及び図３に示すように熱伝導性に優れた銅合金等の金属材料製の取付ベースである矩形状のベースプレート１３上に素子収容部を構成する枠状のフレーム部材１４が一体的に設けられる。そして、このベースプレート１３には、一対の取付用凹部１３１が、上記フレーム部材１４を挟んで対向される両端部に設けられている。

上記フレーム部材１４内には、発熱体である半導体素子１５（図３（ｃ）参照）が収容配置され、その上記ベースプレート１３の取付用凹部１３１の存在しない対向する両側壁に、半導体素子１５に電気的に接続された外部接続端子１５１がそれぞれ突設されている。そして、このフレーム部材１４の開口側には、例えば金属材料製の蓋体１６が被着されて、その開口が閉塞される。

また、上記固定具１１は、例えば熱伝導性の優れた金属材料で比較的剛性が高く形成され、図４及び図５に示すように押圧部１１１が、例えば半導体パッケージ１０の蓋体１６に係合するように設けられている。この押圧部１１１は、上記蓋体１６上に積重する如く載置され、その対向する両端部には、脚状の固定部１１２が、上記フレーム部材１４を挟んで対向されたベースプレート１３の両端部上に載置されるように設けられている。

固定具１１には、上記押圧部１１１及び固定部１１２に跨って開口部１１３が形成されている。この開口部１１３は、押圧部１１１が半導体パッケージ１０のフレーム部材１４上の蓋体１６に被されて固定部１１２がベースプレート１３上に載置された状態で、該ベースプレート１３の取付用凹部１３１に対向される挿通口１１３ａと、上記フレーム部材１４の壁部を開放する開放口１１３ｂとが連設されて形成されている。

これにより、固定具１１は、半導体パッケージ１０上に被せられた状態で、その開口部１１３の挿通口１１３ａに固定部材である螺子部材１７が挿入されて、ベースプレート１３の取付用凹部１３１に挿通された後、ヒートシンク１２に設けられる螺子孔（図の都合上、図示せず）に螺着されることで、その固定部１１２がベース方向に押圧され、その押圧部１１１で半導体パッケージ１０のベースプレート１３の取付面全面を均等的にヒートシンク１２に圧接固定する。

ここで、螺子部材１７は、その基端側である頭部１７１が固定具１１の開口部１１３の開放口１１３ａを通り、フレーム部材１４の壁面に近接配置された状態で挿通口１１３ｂの周囲の固定部１１２上に係止される。この結果、螺子部材１７は、その締め付け力がフレーム部材１４に対して伝え易い、該フレーム部材１４の壁部に近接されて組付け配置され、その締め付け力を、固定部１１２を経由して効率よく半導体パッケージ１０の蓋体１６及びフレーム部材１４の両端部に付与し、ベースプレート１３の放熱面を構成する取付面全面を押圧してヒートシンク１２に対して均等的に圧接固定させることができる。

なお、上記固定具１１は、例えばその押圧部１１１の一部に、フレーム部材１４と当たる部位を除いて透孔や切欠き部等を形成することにより、所望の剛性を確保したうえで、軽量化することが可能となり、システムの軽量化の促進が図れ、しかも、フレーム部材１４をさらに良好に押圧することができる。言い換えると、この押圧部１１１としては、その他、少なくとも固定部１１２に対応するフレーム部材１４の対向する両端部をベース方向に押圧可能な各種の形状に形成することで、同様にベースプレート１３の取付面の全面に押圧力を均等的に付与するように構成することが可能である。

上記構成により、半導体パッケージ１１をヒートシンク１２上に熱的に結合させて配置する場合には、例えばベースプレート１３の取付面がヒートシンク１２上に載置され、その蓋体１６上に固定具１１の押圧部１１１が対向されて被されると共に、該固定具１１の固定部１１２がベースプレート１１２のフレーム部材１４を挟んで対向する両端部に載置される。ここで、固定具１１は、その開口部１１３の挿通口１１３ａがベースプレート１３の取付用凹部１３１に対向され、その開放口１１３ｂがフレーム部材１４の側壁を開放した状態で、半導体パッケージ１０上に配置される。

次に、固定具１１の開口部１１３には、その挿通口１１３ａから螺子部材１７が挿入されてベースプレート１３の取付用凹部１３１に挿通され、ヒートシンク１２に螺着される。ここで、螺子部材１７は、その頭部１７１が固定具１１の開口部１１３の開放口１１３ｂを通りフレーム部材１４の壁面に当接するまで、該フレーム部材１４に近付けられた状態で、ヒートシンク１２に螺着される。これにより、螺子部材１７は、その締め付け力をフレーム部材１４の両端部の固定具１１の固定部１１２に付与して、ベースプレート１３の取付面全面を均等的にヒートシンク１２に圧接固定させ、小さな接触熱抵抗を有して相互間を熱結合させる。

そして、半導体パッケージ１０は、そのフレーム部材１４の壁面から突設された外部接続端子１５１が図示しない印刷配線基板の接続端に電気的に接続される。ここで、半導体パッケージ１０は、そのベースプレート１３がヒートシンク１２に対して小さな接触熱抵抗を有して熱結合されると共に、ヒートシンク１３に対する高品質な電気的導通が得られ、所望の電気性能が得られる。これにより、半導体パッケージ１０は、フレーム部材１４内の半導体素子１５が駆動されて発熱されると、該フレーム部材１４で囲まれた領域を含むベースプレート１３の取付面全面からヒートシンク１２に効率よく熱移送されて排熱され、熱制御される。

このように、上記半導体装置の固定具は、半導体パッケージ１０のフレーム部材１４の蓋体１６上に押圧部１１１を被せて、この押圧部１１１のフレーム部材１４を挟んで対向する両端部に半導体パッケージ１０のベースプレート１３上に載置される固定部１１２を設けると共に、この押圧部１１１と固定部１１２とに跨って挿通口１１３ａ及び開放口１１３ｂが連設された開口部１１３を設け、この開口部１１３の挿通口１１３ａを通して螺子部材１７を挿入して、その頭部１７１を固定部１１２に係止させると共に、先端部を上記ベースプレート１３の取付用凹部１３１に挿通させてヒートシンク１２に螺着して、上記固定部１１２をベース方向に押圧し、半導体パッケージ１０のベースプレート１３をヒートシンク１２に圧接固定させて相互間を熱的に結合させて組付け配置するように構成した。

これによれば、螺子部材１７は、その頭部１７１が開口部１１３の開放口１１３ｂによりフレーム部材１４の壁面に近接されて固定部１１２に係止され、該固定部１１２が半導体パッケージ１０の半導体素子１５を挟んで対向するフレーム部材１４の両端部における壁部の近傍をベース方向に押圧する。ここで、固定具１１は、その押圧部１１１で、フレーム部材１４の両端部を押圧して、該フレーム部材１４で囲まれた領域を含むベースプレート１３の取付面の全面をヒートシンク１２に対して均等的に圧接させて熱結合させる。これにより、ベースプレート１３とヒートシンク１２との間の接触熱抵抗を小さく設定することができて、放熱特性の高効率化を実現することが可能となると共に、パッケージ製作上における加工精度の緩和が可能となり、組立作業を含む加工製作の容易化を図ることが可能となる。

また、これによれば、従来のような放熱用グラファイトシートや放熱用グリースなどの別部品を用いることなく、ベースプレート１３とヒートシンク１２との間の接触熱抵抗を小さく設定することができて、放熱特性の高効率化を図ることができるため、半導体パッケージ１０の高品質な電気性能が確保されると共に、簡便な製作組立作業が実現され、しかも、その使用形態の多様化を図ることができる。

さらに、これによれば、既存の半導体パッケージに対しても、容易に追加することで、その接触抵抗を小さくすることもできる。

そして、上記半導体装置の取付構造は、半導体パッケージ１０のフレーム部材１４上の蓋体１６に被される押圧部１１１を有し、該押圧部１１１の上記フレーム部材１４の対向する両端部に半導体パッケージ１０のベースプレート１３上に載置される固定部１１２が設けられると共に、上記押圧部１１１と固定部１１２とに跨って挿通口１１３ａ及び開放口１１３ｂが連設された開口部１１３が設けられ、該開口部１１３に対して螺子部材１７が挿入されて、その頭部１７１が固定部１１１に係止されると共に、その先端部がベースプレート１３の取付用凹部１３１に挿通されてヒートシンク１２に螺着され、その固定部１１２でベースプレート１３をベース方向に押圧してヒートシンク１２に圧接固定する固定具１１を用いて相互間を熱的に結合させて組付け配置するように構成した。

これによれば、螺子部材１７は、その頭部１７１が固定具１１の開口部１１３の開放口１１３ｂによりフレーム部材１４の壁部に近接配置された状態で、固定具１１の固定部１１２に係止される。ここで、螺子部材１７は、その頭部１７１で、固定具１１の固定部１１２をベースプレート１３に押圧して、その押圧部１１１によりフレーム部材１４の両端部を押圧し、フレーム部材１４で囲まれた領域を含むベースプレート１３の取付面の全面をヒートシンク１２に対して均等的に圧接させて熱結合させる。これにより、ベースプレート１３とヒートシンク１２との間の接触熱抵抗を小さく設定することができて、放熱特性の高効率化を実現することが可能となると共に、パッケージ製作上における加工精度の緩和が可能となり、組立作業を含む加工製作の容易化を図ることができる。

また、これによれば、従来のような放熱用グラファイトシートや放熱用グリースなどの別部品を用いることなく、ベースプレート１３とヒートシンク１２との間の接触熱抵抗の軽減化を図ることができて、放熱特性の高効率化を図ることができるため、半導体パッケージ１０の高品質な電気性能が確保されると共に、簡便な製作組立作業が実現され、しかも、その使用形態の多様化を図ることが可能となる。

なお、この発明は、上記実施の形態に限ることなく、その他、図６乃至図８、図９に示すように構成することも可能で、同様に有効な効果が期待される。但し、この図６及び図７に示す実施の形態では、上記図１乃至図５に示す実地の形態と同一部分について、同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。

即ち、図６乃至図８に示す実施の形態は、上記固定具１１の押圧部１１１と上記半導体パッケージ１０の蓋体１６との間に、弾性体として、例えばシリコンゴム等による板状のクッション材１８を介在して、押圧部１１１の押圧力を、このクッション材１８を介して半導体パッケージ１０の蓋体１６に付与し、ベースプレート１３をヒートシンク１２に圧接固定させるように構成した。この実施の形態においては、固定具１１の押圧部１１１のベース方向の押圧力が、クッション材１８の作用により半導体パッケージ１０の蓋体１６の全面に亘って均等に付与することが可能となり、さらに良好な効果が期待される。

このクッション材１８は、固定具１１の押圧部１１と半導体パッケージ１０の蓋体１６との間に配置する場合、その弾性力を、フレーム部材１４上に付与するように配置構成することが好ましい。

また、弾性体としては、上記クッション材１８に代えて図示しない板バネ等のバネ材を用いて、このバネ材を半導体パッケージ１０の蓋体１６と、固定具１１の押圧部１１１との間に介在するように構成してもよく、同様に有効な効果が期待される。

また、図９に示す実施の形態は、例えば上記フレーム部材１４の開口の内周に段部１４１を形成して、この段部１４１に蓋体１６を落とし込む如く内装して半導体パッケージ１０が形成される。

上記半導体パッケージ１０は、上記ヒートシンク１２の所定の位置に載置した状態で、そのフレーム部材１４に上記固定具１１の押圧部１１１が被される。ここで、固定具１１は、その押圧部１１１の内面側にフレーム部材１４の段部１４１の先端が当接されると共に、その固定部１１２がベースプレート１３上に載置される。そして、この固定具１１の開口部１１３の挿通口１１３ａには、螺子部材１７が挿入されて、該螺子部材１７がベースプレート１３の取付用凹部１３１に挿通された後、ヒートシンク１２に螺着される。

ここで、螺子部材１７は、その頭部１７１の基端側が固定具１１の開放口１１３ｂを通りフレーム部材１４の壁面に当接するまで、該フレーム部材１４に近付けられた状態で、ヒートシンク１２に螺着される。これにより、螺子部材１７は、その締め付け力をフレーム部材１４の両端部の固定具１１の固定部１１２に付与して、半導体パッケージ１０のベースプレート１３の取付面全面を均等的にヒートシンク１２に圧接固定させ、小さな接触熱抵抗を有して相互間を熱結合させる。

なお、この図９の実施の形態においても、上述した図６乃至図８の実施の形態と同様のクッション材１８や板バネ等のバネ材を用いて構成することも可能である。

さらに、上記各実施の形態では、剛性の高い固定具１１を用いて構成した場合について説明したが、これに限ることなく、その他、例えば上記固定具１１の押圧部１１１を、それ自体、例えば弾性材料を用いて弾性変形自在に形成し、この押圧部１１１の弾性力を利用して半導体パッケージ１０のフレーム部材１４の蓋体１６をベース方向に均等に押圧するように構成することも可能である。

この発明は、上記実施の形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。

例えば実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

この発明の一実施の形態に係る半導体装置の固定具及びその取付構造を説明するために示した斜視図である。 図１の固定具を半導体パッケージから離脱させた状態を示した分解斜視図である。 図１の詳細を示したもので、図（ａ）は、上面から見た状態を示した平面図、図（ｂ）は、側面から見た状態を示した平面図、図（ｃ）は、図（ａ）のＡ−Ａ断面を示した断面図である。 図１の固定具を取出して上面側を示した斜視図である。 図１の固定具を取出して背面側を示した斜視図である。 この発明の他の実施の形態に係る半導体装置の固定具及びその取付構造を説明するために示した斜視図である。 図６の固定具を半導体パッケージから分離させた状態を示した分解斜視図である 図６の詳細を示したもので、図（ａ）は、上面から見た状態を示した平面図、図（ｂ）は、側面から見た状態を示した平面図、図（ｃ）は、図（ａ）のＡ−Ａ断面を示した断面図である。 この発明の他の実施の形態に係る半導体装置の固定具及びその取付構造を説明するために示した断面図である。

符号の説明

１０…半導体パッケージ、１１…固定具、１１１…押圧部、１１２…固定部、１１３…開口部、１１３ａ…挿通口、１１３ｂ…開放口、１２…ヒートシンク、１３…ベースプレート、１３１…取付用凹部、１４…フレーム部材、１４１…段部、１５…半導体素子、１５１…外部接続端子、１６…蓋体、１７…螺子部材、１７１…頭部、１８…クッション材。

Claims (6)

1. 取付ベース上に枠状のフレーム部材が配置され、フレーム部材内に半導体素子が収容されてフレーム部材上に蓋体が被着された半導体装置を、その取付ベースを放熱体上に載置して相互間を固定部材を用いて圧接固定して、熱的に結合させるために使用されるものであって、
   前記半導体装置の蓋体またはフレーム部材に係合されて蓋体上に載置される押圧部と、
   この押圧部の両端部に連設され、前記半導体装置の取付ベース上に載置されて前記固定部材の基端部が係止されることにより前記取付ベースを前記放熱体に押圧する固定部と、
   前記押圧部と前記固定部との間に穿設され、前記半導体装置のフレーム部材の壁面を開放する前記固定部材の基端部の一部が位置される開放口を有し、前記固定部材の先端部が挿入されて前記半導体装置の取付ベースを挿通して前記放熱体への固定を許容する開口部と、
   を具備することを特徴とする半導体装置の固定具。
2. 前記押圧部は、前記取付ベース方向に弾性を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の固定具。
3. 前記押圧部と前記半導体装置の蓋体との間に弾性体が介在されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の固定具。
4. 取付ベース上に枠状のフレーム部材が配置され、フレーム部材内に半導体素子が収容されてフレーム部材上に蓋体が被着された半導体装置と、
   この半導体装置の取付ベースが載置されて熱的に結合される放熱体と、
   前記半導体装置の蓋体またはフレーム部材に係合されて蓋体上に載置される押圧部を有し、該押圧部の両端部に前記半導体装置の取付ベース上に載置される固定部が連設されると共に、前記押圧部と前記固定部との間に前記半導体装置のフレーム部材の壁面を開放する開放口を有した開口部が穿設され、該開口部に対して固定部材が挿入されて、その基端部が、一部が前記開口部の開放口に位置された状態で、前記固定部に係止され、その先端部が前取付ベースに挿通されて前記放熱体に固定され、前記固定部が前記取付ベースに押圧されて該取付ベースを前記放熱体に圧接固定する固定具と、
   を具備することを特徴とする半導体装置の取付構造。
5. 前記固定具の押圧部は、前記取付ベース方向に弾性を有することを特徴とする請求項４記載の半導体装置の取付構造。
6. 前記固定具の押圧部と前記半導体装置の蓋体との間に弾性体が介在されることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の取付構造。

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