JP2007335663A

JP2007335663A - 半導体モジュール

Info

Publication number: JP2007335663A
Application number: JP2006166222A
Authority: JP
Inventors: Akio Kitami; 明朗北見
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2006-06-15
Publication date: 2007-12-27
Also published as: WO2007145303A1; US20090194862A1

Abstract

【課題】放熱効率の向上した半導体モジュールを提供する。
【解決手段】半導体モジュール１００は、半導体素子１１と、半導体素子１１を挟む１対のＣｕ放熱板９，１０９と、Ｃｕ放熱板９，１０９を挟む絶縁・放熱板８，１０８と、絶縁・放熱板８，１０８を挟む放熱フィン１０，１１０と、Ｃｕ放熱板９，１０９と絶縁・放熱板８，１０８との間、および、絶縁・放熱板８，１０８と放熱フィン１０，１１０との間に塗布されたはんだ３，４，１０３，１０４とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体モジュールに関し、特に半導体素子の両面を冷却する両面冷却型の半導体モジュールに関するものである。

従来、半導体モジュールは、たとえば特開２００１−３５２０２３号公報（特許文献１）、特開平１０−２２３８１０号公報（特許文献２）、特開２００４−２２１５４７号公報（特許文献３）、特開２００５−２５９７４８号公報（特許文献４）、特開２００４−２３５１７５号公報（特許文献５）に開示されている。
特開２００１−３５２０２３号公報特開平１０−２２３８１０号公報特開２００４−２２１５４７号公報特開２００５−２５９７４８号公報特開２００４−２３５１７５号公報

特許文献１では、半導体モジュールを、扁平でつづら折り形状の冷媒チューブで挟むことにより、単一の冷媒チューブで１個または必要な個数の両面放熱性半導体モジュールの両面を均等かつ良好に冷却する技術が開示されている。

特許文献２では、絶縁基板は、その上下においてはんだによりそれぞれ電力用半導体素子および放熱板に接続される技術が開示されている。

特許文献３では、絶縁基板と、絶縁基板の一方の面に積層される回路層と、絶縁基板の他方の面に積層される金属層と、回路層にはんだを介して搭載される半導体チップと、金属層に接合される放熱体とを備える基板が開示されている。

特許文献４では、パワー半導体素子が搭載され、底面に金属ベースを有する第一および第二のパワー半導体モジュールが開示されている。第一および第二のパワー半導体モジュールは、冷却媒体流路の両面に搭載される。

特許文献５では、金属ベースの絶縁基板接着面の対向面には、絶縁基板下の領域に直線型のフィンを有し、かつ絶縁基板の形状は、該直線型フィンのストライプ方向の長さが、垂直方向の長さ以下であるパワー半導体モジュールが開示されている。

しかしながら、従来の技術、たとえば特許文献１では、金属板と冷却板との間の熱抵抗が大きく冷却性能が低いという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、冷却性能の高い半導体モジュールを提供することを目的とする。

この発明に従った半導体モジュールは半導体素子と、半導体素子を挟む金属板と、金属板を挟む絶縁板と、絶縁板を挟む冷却装置と、金属板と絶縁板との間および絶縁板と冷却装置との間にそれぞれ塗布されたはんだとを備える。

このように構成された半導体モジュールでは、金属板と絶縁板の間、および、絶縁板と金属板との間にそれぞれはんだを塗布しているため、はんだを介した熱の移動が多くなる。その結果、冷却効率を向上させることができる。

なお、本明細書において「はんだ」とは、金属板、絶縁板および冷却装置よりも融点の低い金属材料であって、溶融されてこれらの間に介在し、凝固することでこれらを接続する材料をいう。そのため、はんだとしての錫と鉛の合金に限られず、鉛のない、いわゆる鉛フリーのはんだでもよい。

好ましくは、冷却装置は放熱フィンである。
好ましくは、半導体モジュールは、半導体素子をモールドする樹脂をさらに備える。

好ましくは、半導体モジュールは、金属板と半導体素子との間に介在して半導体素子の熱を金属板に伝達するはんだをさらに備える。

この発明に従えば、冷却効率が向上した半導体モジュールを提供することができる。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態に従った半導体モジュールの断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態に従った半導体モジュール１００は、半導体素子１１を有する。半導体素子１１は第一主表面１０１と第二主表面１０２とを有する。第一主表面１０１および第二主表面１０２ははんだ５，６と接触している。はんだ５，６は半導体素子１１へ電気信号を送る回路の一部を構成している。また、はんだ５，６は半導体素子１１から発生する熱を外部へ放出する熱の経路の働きもしている。

半導体素子１１は、インバータやコンバータなどを構成する素子であり、電気的な信号の処理を行なう。半導体素子１１内を電流が流れ、その電流により半導体素子１１で熱が発生する。

はんだ５には金属ブロックで構成されるヒートブロック７が接触している。ヒートブロック７はヒートシンクとして作用する。

ヒートブロック７はＣｕ放熱板９と接触している。Ｃｕ放熱板９は銅により構成され、ヒートシンクおよびヒートスプレッダとしての役割を果たす。すなわち、銅は熱伝導性がよいため、ヒートブロック７から伝達された熱がＣｕ放熱板９の全体に広がり、放熱能力を向上させる。Ｃｕ放熱板９にはリード１が接続されている。リード１は電気信号の入出力をするための金属端子であり、リード１から入力された電気信号は、Ｃｕ放熱板９、ヒートブロック７、はんだ５を経由して半導体素子１１に送られる。

はんだ６はＣｕ放熱板１０９と接触している。Ｃｕ放熱板１０９にはリード２が接続されており、リード２からは電気信号が入出力される。リード２から送られた電気信号は、Ｃｕ放熱板９、はんだ６を介して半導体素子１１へ伝えられる。

Ｃｕ放熱板９，１０９、ヒートブロック７、はんだ５，６および半導体素子１１はモールド樹脂１３１で覆われる。モールド樹脂１３１は半導体素子１１を覆うことで、半導体素子１１に外部から応力が加わるのを防止する。また、半導体素子１１の化学変化などを防止する保護部材としての役割を果たしている。

Ｃｕ放熱板９，１０９は内側に位置する第一主表面９１，１９１と、外側に位置する第二主表面９２，１９２とを有する。

Ｃｕ放熱板９の第二主表面９２にはんだ３が接触している。はんだ３は絶縁・放熱板８と接続されている。絶縁・放熱板８ははんだ４により放熱フィン１０および冷却器１２と接触している。冷却器１２の穴１３に放熱フィン１０が嵌め合わせられている。絶縁・放熱板８の第一主表面８１がはんだ３に接続され、第二主表面８２がはんだ４に接続されている。

放熱フィン１０は平板上に、厚み方向に延びる複数の羽根部材が形成された形状であり、表面積を大きくすることで放熱効率を向上させている。冷却器１２は放熱フィン１０を取囲んで放熱フィン１０を保護する形状とされている。なお、冷却器１２内に空気などを強制的に流すことで放熱フィン１０による冷却効率をさらに高めてもよい。

Ｃｕ放熱板１０９の第二主表面１９２にはんだ１０３が接触している。はんだ１０３は絶縁・放熱板１０８と接続されている。絶縁・放熱板１０８ははんだ１０４により放熱フィン１１０および冷却器１１２と接触している。冷却器１１２の穴１１３に放熱フィン１１０が嵌め合わせられている。絶縁・放熱板１０８の第一主表面１８１がはんだ１０３に接続され、第二主表面１８２がはんだ１０４に接続されている。

すなわち、この発明に従った両面冷却型の半導体モジュール１００は、半導体素子１１と、半導体素子１１を挟む１対の金属板としてのＣｕ放熱板９，１０９と、Ｃｕ放熱板９，１０９を挟む絶縁板としての絶縁・放熱板８，１０８と、絶縁・放熱板８，１０８を挟む冷却装置としての放熱フィン１０，１１０と、Ｃｕ放熱板９，１０９と絶縁・放熱板８，１０８との間、および、絶縁・放熱板８，１０８と放熱フィン１０との間にそれぞれ塗布されるはんだ３，４，１０３，１０４とを備える。

半導体モジュール１００は、半導体素子１１をモールドするモールド樹脂１３１をさらに備える。半導体モジュール１００は、Ｃｕ放熱板９，１０９と半導体素子１１との間に介在して半導体素子１１の熱をＣｕ放熱板９，１０９に伝達するはんだ５，６をさらに備える。

Ｃｕ放熱板９，１０９は、必ずしも銅製である必要はなく、少なくとも電気的な導通を確保することができればよい。より好ましくは、熱伝導性に優れている材料であることが好ましい。たとえば、銅以外にアルミニウムなどを用いることができる。

絶縁・放熱板８，１０８は電気的な絶縁物で、かつ熱伝達率が大きいことが好ましい。
本発明では、両面モールドのＣｕ放熱板９，１０９にはんだ付けで放熱フィン１０，１１０を装着している。冷却器１２，１１２に穴１３，１１３を開け、両面モールドのＣｕ放熱板９，１０９にはんだ付けすることでシール性を確保している。

このように構成された半導体モジュールでは、接続部においてはんだが用いられるため、はんだを介しての熱の移動量が大きくなり、冷却効率を高めることができる。

すなわち、両面モールド用パワーカードのＣｕ面にはんだ付けにより絶縁・放熱板８，１０８および冷却フィンとしての放熱フィン１０，１１０を併せ持つ構造を採用する。これにより、両面モールドで、かつ放熱グリスレスを達成することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態に従った半導体モジュールの断面図である。

符号の説明

１，２リード、３，４，１０３，１０４はんだ、７ヒートブロック、８，１０８絶縁・放熱板、９，１０９Ｃｕ放熱板、１０，１１０放熱フィン、１１半導体素子、１２，１１２冷却器、１００半導体モジュール。

Claims

半導体素子と、
前記半導体素子を挟む金属板と、
前記金属板を挟む絶縁板と、
前記絶縁板を挟む冷却装置と、
前記金属板と前記絶縁板との間および前記絶縁板と前記冷却装置との間にそれぞれ塗布されたはんだとを備えた、半導体モジュール。
前記冷却装置は放熱フィンである、請求項１に記載の半導体モジュール。
前記半導体素子をモールドする樹脂をさらに備えた、請求項１または２に記載の半導体モジュール。
前記金属板と前記半導体素子との間に介在して前記半導体素子の熱を前記金属板に伝達するはんだをさらに備えた、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。