CN101106126A - 半导体模块和散热板 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半导体模块，在该半导体模块中，混合存在多种工作时具有不同发热量的半导体器件，导热片置于安装在基板上的模块主体与所述半导体器件的外表面之间，并且散热板通过在两块或更多所述半导体器件上覆盖所述半导体器件的外表面而安装在所述导热片上，其中，热导率高的导热片用于所述半导体器件中发热量大的半导体器件，热导率低的导热片用于所述半导体器件中发热量小的半导体器件。

Description

半导体模块和散热板

技术领域

本发明涉及半导体模块和散热板，更具体地说，涉及提升安装在基板上的半导体器件的散热性能的半导体模块以及用于该半导体模块的散热板。

背景技术

为了散发来自安装在基板上的半导体器件的热量，一般通过以下方法进行散热：将散热板连接在半导体器件上，或者将导热性优良的树脂置于半导体器件与散热板之间(参见未经审查的日本专利公开文献No.11-163566和未经审查的日本专利公开文献No.2002-134970)。

图6A、图6B和图6C示出了现有技术的散热结构，该结构用于提升装有存储元件的半导体模块的散热性能(参见未经审查的日本专利公开文献No.2001-196516)。图6A、图6B和图6C为半导体模块的正视图、横截面图和俯视剖视图。该半导体模块通过以下方式构成：将多块存储元件102安装在电路板100的两个面上，并且安装散热板104a和104b并使其与存储元件102接触。

散热板104a和104b在其一侧的末端边缘处用铰链108锁定，安装成沿厚度方向将电路板100夹入其间，然后通过用夹子110收紧其打开/关闭侧而固定。存储元件102与散热板104a和104b的内侧表面接触，以便进行散热。

虽然根据图6A、图6B和图6C所示的半导体模块可以从安装在电路板100上的存储元件102发散热量，但是，在最近的半导体模块中，存在这样的产品，其安装有称为AMB(Advanced Memory Buffer)的用于控制的控制元件(半导体器件)，该控制元件作为用于服务器等装置中的高速存储模块。根据安装有AMB的半导体模块，尽管从存储元件产生的热量也造成问题，但是从AMB产生的热量大大超过存储元件产生的热量，因此，要求有效地散发来自AMB的热量。当AMB超过校正温度(rectified temperature)时，AMB将不能正常工作，无法获得必要特性，因此，提升半导体模块的散热性能对产品来说是极其重要的。

发明内容

本发明的示例性实施例提供了一种半导体模块和用于该半导体模块的散热板，这种半导体模块能够在安装有工作时具有不同发热量的半导体器件(元件)的半导体模块中有效散热，并且能够容易地安装甚至具有发热量大的半导体器件。

根据本发明一个或多个示例性实施例的一个方面，提供了一种半导体模块，其特征在于，在该半导体模块中混合存在多种工作时具有不同发热量的半导体器件，导热片置于安装在基板上的模块主体与所述半导体器件的外表面之间，并且散热板安装成在两块或更多所述半导体器件上覆盖所述半导体器件的外表面，其中，用于所述半导体器件中发热量大的半导体器件的导热片的热导率比用于所述半导体器件中发热量小的半导体器件的导热片的热导率高此外，虽然可以利用通过用树脂密封半导体元件而形成半导体器件以及利用通过倒装芯片连接法安装有半导体元件而形成半导体器件，但对半导体器件安装在基板上的形式没有特别限制。

此外，散热板可以设置成覆盖安装在所述基板上的多个半导体器件，或者散热板也可以形成为覆盖所述基板的平面区域的平面形状，以安装成覆盖安装在所述基板上的所有半导体器件。通过提供用于覆盖基板的整个平面的散热板，可以构成散热性能优良的半导体模块。

此外，夹子通过沿厚度方向进行弹性挤压来固定所述模块主体和所述散热板，从而易于结合所述半导体模块，并且可以提升所述半导体模块的散热性能，所述夹子通过折叠并弯曲弹性板部件使其侧面形状呈“C”形形状而形成。

此外，本发明对于这样的产品来说是特别有效的，其中，安装在所述模块主体上的半导体器件为存储元件和用于存储缓冲器的控制元件，并且所述控制元件在工作时的发热量大于所述存储元件在工作时的发热量。

此外，通过将分隔用于存储缓冲器的所述控制元件与所述散热板之间的间隔构造为等于或小于0.05mm，可以进一步提升控制元件的散热性能。

此外，以下这种散热板作为用于所述半导体模块的散热板，可以获得有效的散热作用：这种散热板安装在模块部件上，所述模块部件安装有在工作时具有不同发热量的半导体器件，并且这种散热板粘贴有与设置半导体器件的位置对应的导热片，在所粘贴的导热片中，用于所述半导体器件中发热量大的半导体器件的导热片的热导率比用于所述半导体器件中发热量小的半导体器件的导热片的热导率高。

此外，通过将散热板安装在模块主体上可以有效地利用所述散热板，其中，所述模块主体安装有存储元件和用于存储缓冲器的控制元件，所述存储元件和所述控制元件作为半导体器件。

本发明的一个或多个示例性实施例可以包括下面的一个或多个优点。例如，根据本发明的半导体模块和散热板，可以有效地从工作时具有不同发热量的半导体器件散发热量，从而可以使半导体模块具有稳定的性能。此外，即使具有发热量大的半导体器件也可以容易地安装在半导体模块上。

从下面的详细说明书、附图和权利要求书中可以清楚其它特征和优点。

附图说明

图1A示出了构成根据本发明的半导体模块的模块主体的平面图。

图1B示出了构成根据本发明的半导体模块的模块主体的正视图。

图2A至图2D分别示出了散热板的平面图和正视图。

图3是将散热板安装在模块主体上的半导体模块的平面图。

图4A和图4B示出了将散热板安装在模块主体上的半导体模块的正视图。

图5A和图5B是粘贴有导热片的状态下的散热板的平面图。

图6A至图6C分别是平面图和剖视图，示出了安装有现有技术的散热板的半导体模块的构造。

具体实施方式

参照附图，详细说明本发明的优选实施例如下：

图1A和图1B分别是平面图和正视图，示出了构成根据本发明的半导体模块的模块主体10的实施例的构造。模块主体10包括：基板12，其形成为矩形形状；存储元件14，其安装在基板12的两个面上；以及控制元件16，其安装在基板12一侧的表面上。连接器13沿着基板12的纵向设置在一侧的末端边缘。

本示例性实施例的半导体模块的控制元件16用于存储缓冲器(AMB)。控制元件16安装在电路板17上，而电路板17结合在基板12上。因此，控制元件16布置在相对于基板表面高于存储元件14的位置。

此外，图1A示出了具有存储缓冲器的半导体模块的构造的最一般结构。两行存储元件14设置在基板12的纵向上，根据产品不同而不同。

图2A至图2D示出了作为半导体模块构成部分的散热板的构造。图2A和图2B分别是安装在基板12的表面(一侧的表面)上的散热板20a的平面图和正视图，其中该基板安装有控制元件16。图2C和图2D分别是安装在基板12另一侧的表面上的散热板20b的平面图和正视图。

散热板20a和20b形成为具有一定尺寸的矩形形状，该尺寸保证覆盖与基板12的平面形状对应的基板12的平面区域。

安装在基板12一侧的表面上的散热板20a形成有与设置控制元件16的位置对应的容纳凹进部分24。如图2B所示，散热板20a在其形成有容纳凹进部分24的部分向外侧凸出，从而在散热板20a的外表面上形成阶差(台阶差)。容纳凹进部分24的内表面24a形成为平面。

此外，散热板20a和20b的纵向上的两端分别形成有支撑凸出部26a和26b，该支撑凸出部用于支撑散热板20a和20b以使其从基板表面浮起。支撑凸出部26a和26b分别设置在散热板20a和20b的短边方向的整个长度上。

散热板20a和20b可以设置有用于以基板12进行定位的凸出部，或者可以设置有用于与基板12保持表面间隔的隔离凸出部。用于定位的凸出部可以通过定位在形成于基板12的末端边缘的凹槽或通孔中而形成。

散热板20a和20b由铜或铝等适当材料形成，只要该材料是导热性和散热性能优良的材料。根据本示例性实施例，材料由厚度1mm的铝合金(铝含量99.5％)形成。铝合金的热导率为230(W/m·K)。通过对铝合金进行防蚀铝处理(alumite treatment)，从而可以获得较高散热性能，并且通过解决易于受到损伤的问题，可以获得足够强度。

图3示出了将散热板20a和20b安装在模块主体10上的状态下的平面图。根据本示例性实施例的半导体模块通过以下方式结合，即：将散热板20a和20b定位在模块主体10的两个面上，然后用夹子30a和30b从两侧弹性挤压散热板20a和20b。夹子30a和30b通过折叠并弯曲弹性板使其侧面形状呈“C”形形状而形成。通过使散热板20a和20b与模块主体10的两个面接触并且将散热板20a和20b和模块主体10置于作为固定件的夹子30a和30b之间，散热板20a和20b和模块主体10利用预定挤压力而得到整体支撑。

根据本示例性实施例的半导体模块，当模块主体10由散热板20a和20b夹入其间时，半导体模块通过将具有优良导热性的薄片(导热片)置于模块主体10与散热板20a和20b之间来组装。

图4A和图4B示出了从前方看到的通过以下方式结合半导体模块的状态，即：分别将第一导热片41和第二导热片42置于模块主体10与散热板20a和20b之间以及模块主体10与散热板20a之间。第一导热片41置于存储元件14与散热板20a以及存储元件14与散热板20b之间，第二导热片42置于控制元件16与散热板20a之间，并且夹子30a和30b通过散热板20a和20b挤压模块主体10。

如图4B所示，控制元件16包含在设置于散热板20a上的容纳凹进部分24的内侧，并且控制元件16的背面借助于第二导热片42与容纳凹进部分24的内表面24a接触。存储元件14在其外表面(树脂密封部分的外表面)与第一导热片41接触，并且借助于第一导热片41与散热板20a和20b的内表面接触。

根据本示例性实施例的半导体模块，构成在模块主体10的两个面上覆盖形成为平板形状的散热板20a和20b的形式，因而构成沿宽度方向穿透半导体模块的宽度方向上的空间部分的形式。也就是说，半导体模块构成使气流在宽度方向上流动的形式，因而提升了散热性能。

尽管第一导热片41和第二导热片42分别置于存储元件14与散热板20a和20b之间以及控制元件16与散热板20a之间以改进从存储元件14向散热板20a和20b以及从控制元件16向散热板20a的热传导，但是本示例性实施例的半导体模块的特征在于：使用具有不同热导率的两种导热片作为第一导热片41和第二导热片42，并且将热导率优于第一导热片41的导热材料用于第二导热片42。

图5A和图5B示出了分别将第一导热片41和第二导热片42粘贴在散热板20a和20b的内表面上以及散热板20a的内表面上的状态下的平面图。在一侧安装在装有控制元件16的基板表面上的散热板20a粘贴有与设置控制元件16的位置对应的第二导热片42，并粘贴有与设置存储元件14的位置对应的第一导热片41。在另一侧的散热板20b粘贴有与装有存储元件14的位置对应的第一导热片41。

通过以这种方式分别将第一导热片41和第二导热片42粘贴在散热板20a和20b上以及散热板20a上，分别将第一导热片41和第二导热片42置于模块主体10与散热板20a和20b之间以及置于模块主体10与散热板20a之间，从而通过将散热板20a和20b定位并夹紧在模块主体10上来结合成为一体。

分别设置在散热板20a和20b上的支撑凸出部26a和26b的高度尺寸和容纳凹进部分24的阶差的高度尺寸这样设定，即：使得当散热板20a和20b安装在基板12上时，存储元件14和控制元件16分别借助于第一导热片41与散热板20a和20b接触以及借助于第二导热片42与散热板20a接触。此外，容纳凹进部分24的阶差设定为小于控制元件16与存储元件14之间的高度差。

根据本示例性实施例，使用具有不同热导率的两种导热片来提升控制元件16的散热性能并防止从控制元件16散发的热量回流到存储元件14一侧，其中提升散热性能是通过将热量从工作时发热量大于存储元件14的控制元件16有效传导至散热板20a来实现的。

一般来说，当散热板借助于导热片与发热部件接触以散发来自该发热部件的热量时，使用热导率尽可能高的导热材料作为导热片是高效的。因此，同样根据本示例性实施例，似乎使用热导率尽可能高的导热片作为第一导热片41和第二导热片42是高效的。然而，如同根据本示例性实施例的半导体模块中那样，当安装有具有不同发热量的半导体器件(元件)并且通常在其上安装有散热板时，将热导率较高的导热片插入在工作时具有较大发热量的半导体器件(元件)并将热导率相对较低的导热片插入发热量较小的半导体器件(元件)实际上是高效的。

根据本示例性实施例，使用热导率约2.0(W/m·K)的导热片作为第一导热片41，并且使用热导率约3.0(W/m·K)的导热片作为第二导热片42。

当对于本示例性实施例的使用具有不同热导率的导热片作为第一导热片41和第二导热片42的情况以及对于第一导热片41和第二导热片42均使用高热导率的导热片(热导率约3.0(W/m·K)的导热片)的比较例的情况测量控制元件16的工作温度时，与该比较例相比，在本示例性实施例的情况下，控制元件16的温度升高可以减少33％。

事实表明，使用具有不同热导率的导热片作为第一导热片41和第二导热片42并且将热导率较高的导热片用于发热量较大的控制元件16是高效的。

此外，为了证实夹子30a和30b的作用，测量如何通过构成材料厚度为0.5mm的夹子30a和30b的情况和构成材料厚度为0.6mm的夹子30a和30b的情况来改变控制元件16的工作温度，当进行这样的测量时，在构成材料厚度为0.6mm的夹子30a和30b的情况下，控制元件16的工作温度降低12％。

事实表明，用恒定压力挤压散热板20a和20b明显有助于降低控制元件16的工作温度。因此，在选定夹子30a和30b时，选择利用夹子30a和30b的挤压位置、挤压面积以及夹子30a和30b的材料厚度和材质是有效的。

此外，对于将控制元件16的热量传导到散热板20a，使置于散热板20a与控制元件16之间的导热片42的厚度尽可能薄是有效的。尽管可以使用具有各种厚度的薄片作为导热片42，但是优选这样设计容纳凹进部分24的阶差，即：使控制元件16的背面与容纳凹进部分24的内表面24a之间的间隔尽可能窄。控制元件16的背面与容纳凹进部分24的内表面24a之间的间隔可以是约0.05mm。

此外，尽管已经根据本示例性实施例说明了装有存储元件14和用作AMB的控制元件16的半导体模块，但是本发明不限于此示例性实施例的构造，而是可类似地应用于装有具有不同发热量的半导体器件(元件)的半导体模块。同样在这种情况下，通过分别插入具有较大和较小热导率的导热片，可以将散热板安装在具有较大发热量的半导体器件(元件)和具有较小发热量的半导体器件(元件)上。

此外，尽管已经根据本示例性实施例说明了设置有具有不同热导率的导热片的半导体模块，但是本发明不限于此示例性实施例的构造，而是可类似地应用于设置有变相带(phase change tape)和非变相带的半导体模块，其中，变相带适用于具有较大发热量的半导体器件，而非变相带适用于具有较小发热量的半导体器件。具有这种构造的半导体模块可以具有与本示例性实施例的半导体模块相同的效果。

同样在这种情况下，通过分别插入具有较大和较小热导率的导热片，可以将散热板安装在具有较大发热量的半导体器件(元件)和具有较小发热量的半导体器件(元件)上。

尽管已经结合有限数量的实施例描述了本发明，但是，从本公开内容中受益的所属领域的技术人员将会认识到，可以设计出不会背离在此所披露的本发明保护范围的其它实施例。因此，本发明的保护范围应当仅由所附权利要求书限定。

本申请要求2006年7月13日向日本特许厅提交的日本专利申请No.2006-192264的优先权。该优先权申请通过引用整体并入本文。

Claims (9)

1.一种半导体模块，包括：

模块主体，其具有基板和安装在所述基板上的多种半导体器件，所述多种半导体器件在工作时具有不同的发热量；

散热板，其安装成在两块或更多所述半导体器件上覆盖所述半导体器件的外表面；以及

导热片，其置于所述模块主体和各个所述散热板之间，

其中，在所述导热片中，用于所述半导体器件中发热量大的半导体器件的导热片的热导率比用于所述半导体器件中发热量小的半导体器件的导热片的热导率高。

2.根据权利要求1所述的半导体模块，其中，

所述散热板形成为覆盖所述基板的平面区域的平面形状，并且安装成覆盖安装在所述基板上的所有所述半导体器件。

3.根据权利要求1或2所述的半导体模块，还包括：

夹子，其通过折叠并弯曲弹性板部件使其侧面形状呈“C”形形状而形成，

其中，所述夹子通过沿厚度方向进行弹性挤压来固定所述模块主体和所述散热板。

4.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其中，

安装在所述模块主体上的所述半导体器件为存储元件和用于存储缓冲器的控制元件，所述控制元件在工作时的发热量大于所述存储元件在工作时的发热量。

5.根据权利要求4所述的半导体模块，其中，

分隔用于所述存储缓冲器的所述控制元件与所述散热板的间隔构造为等于或小于0.05mm。

6.一种用于半导体模块的散热板，所述半导体模块具有模块主体，所述模块主体安装有在工作时具有不同发热量的半导体器件，所述散热板包括：

导热片，其具有不同的热导率并粘贴在所述散热板上。

7.根据权利要求6所述的用于半导体模块的散热板，其中，

在所述导热片中，热导率高的导热片与设置所述半导体器件中发热量大的半导体器件的位置对应，粘贴在所述散热板上，并且热导率低的导热片与设置所述半导体器件中发热量小的半导体器件的位置对应，粘贴在所述散热板上。

8.根据权利要求6所述的用于半导体模块的散热板，其中，

所述散热板安装在所述模块主体上，所述模块主体安装有存储元件和用于存储缓冲器的控制元件，所述存储元件和所述控制元件作为所述半导体器件。

9.一种半导体模块，包括：

模块主体，其具有基板和安装在所述基板上的多种半导体器件，所述多种半导体器件在工作时具有不同的发热量；

散热板，其安装成在两块或更多所述半导体器件上覆盖所述半导体器件的外表面；

变相带，其置于所述散热板与所述半导体器件中发热量大的半导体器件之间；以及

非变相带，其置于所述散热板与所述半导体器件中发热量小的半导体器件之间。

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