JP2004349673A - 半導体素子モジュール及びその放熱ベース基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 絶縁性樹脂材料の硬化過程でのベース基板の反りを抑制するとともに、従来品と同程度の設置面積で約２倍の容量増加を図ること。
【解決手段】 金属製のベース基板１の内部には、冷媒流路１１が設けられ、この冷媒流路１１内には、冷媒液１２が通流されていて、半導体素子３ａ，３ｂの損失熱量を外部に放出するように構成されている。ベース基板１の両表面上には、絶縁層２ａ，２ｂが設けられていて、金属板リードフレーム５ａ−１〜５ｂ−２が、各絶縁層２ａ，２ｂ上に密着固定されている。半導体素子３ａ，３ｂは、一方の面電極が、金属板リードフレーム５ａ−１，５ｂ−１に導電性接合材で密着固定されていて、他方の電極は、白金線６ａ，６ｂで他の金属板リードフレーム５ａ−２，５ｂ−２と接続されている。両面の半導体素子３ａ，３ｂの周りは、絶縁性樹脂９で一体モールド成形されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子モジュール及びその放熱ベース基板に関し、より詳細には、複数個の半導体素子を１パッケージ化した半導体素子モジュール及びその放熱ベース基板のパッケージ構造及びその冷却機構に関する。

図１１は、従来の電力用半導体素子モジュールを示す縦断面図で、図中符号５１はベース基板、５２は絶縁層、５３は半導体素子、５４は配線パターン、５５は金属板リードフレーム、５６は白金線（ボンディングワイヤー）、５７は外枠、５８は上蓋、５９は絶縁性樹脂材料、６０は放熱器を示している。

このような従来の電力用半導体素子モジュールのパッケージ構造は、ベース基板５１の片面にのみ金属板リードフレーム５５、あるいは金属箔帯の導体を密着固定して半導体素子５３の電極への配線パターン５４とし、半導体素子５３及び配線パターン５４が配設されている部品実装面側のみが絶縁性樹脂材料５９で成形封止されていて、ベース基板５１の他方の面は外部に露出させて、半導体素子５３の損失熱を外部に導く伝導放熱面としている。この伝導放熱面を放熱器６０あるいは冷媒が通流する冷却体に接触・固定させて半導体素子５３の損失熱量を外部に放出させている（例えば、特許文献１参照）。

図１２は、従来の片面配置された半導体素子モジュールの断面図と放熱器取付け状態を示す図で、図中符号６１はベース基板、６２は絶縁膜、６３は配線（回路）パターン（銅箔あるいは金属板）、６４は電極、６５は樹脂ケース、６６は絶縁樹脂封止材、６７は半導体素子、６８は配線（ワイヤー）、６９は放熱器を示している。

このような、従来の半導体素子モジュールは、ベース基板６１の一方の面に絶縁膜６２を設け、その上に銅箔やリードフレームで回路パターン６３を形成して半導体素子６７を配置し、ベース基板６１の他方の面を放熱面として放熱器６９／冷却体に圧接して半導体素子６７に生じる損失熱量を外部に除去するように構成されている。

特開２０００−１８３２７８号公報

しかしながら、上述したような従来構造の電力用半導体素子モジュールには、以下のような問題点がある。
１）従来構造の半導体素子モジュールを多数個用いて大容量の装置を構成する場合、半導体素子モジュールを放熱器に平面配置するため、主回路の施設面積が大きくならざるを得ない。また、半導体素子モジュール間の配線経路も長く複雑になる。
２）ベース基板の片面のみを樹脂成形封止するために、硬化過程の樹脂収縮によりベース基板に反りが発生する。半導体素子モジュールは、放熱器／冷却体にネジ固定するが、ベース基板の反り量が大きいと半導体素子モジュールの伝導放熱面と放熱器との接触部の熱抵抗増大や、ベース基板や半導体素子への応力集中の割れ等の不具合が生じる。

そこで、仕上がり後の反り量を見込んで予め逆方向の反りを仕込んだベース基板を使用して樹脂成形封止を実施している。しかしながら、仕上がり後のベース基板の反り量をゼロにすることは極めて困難であるので、一定の反り量以下であれば正常品としている。

また、ベース基板の一方の面に半導体素子を配し、絶縁樹脂で封止する従来の構成の半導体素子モジュールでは、多数個の半導体素子モジュールを使用して多直列・多並列のスタックを構成する場合、放熱器上に複数個の半導体素子モジュールを平面配置することになり、施設面積が大きくなってしまう。また、半導体素子モジュールの製造工程でベース基板の反りが発生し易いために、半導体素子モジュールを放熱器に取付ける際にベース基板と放熱器との間に隙間が生じて両者間の熱抵抗が増大するという問題がある。

これらの問題を解決する手段として、ベース基板の両面に半導体素子を配置し、基板両面ともに絶縁性樹脂で封止する構成を採用することで、製造工程でのベース基板反りの発生を少なくすることが可能になり、また、平形素子パッケージ同様の縦列配置がモジュールタイプの半導体素子パッケージでも可能になるために施設面積の小型化が可能になる。

しかしながら、この半導体素子の両面配置モジュール構造では、半導体素子に発生する損失熱量を除去・冷却方法が解決すべき課題として存在している。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、絶縁性樹脂材料の硬化過程でのベース基板の反りを抑制するとともに、従来品と同程度の設置面積で約２倍の容量増加を図るようにした半導体素子モジュール及びその放熱ベース基板を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、ベース基板上に半導体素子への配線パターンを成す導体が密着固定され、該導体が前記半導体素子の電極と電気的に接合され、該半導体素子の周囲が絶縁性樹脂で成形封止されている絶縁性樹脂成形体を有する半導体素子モジュールにおいて、前記絶縁性樹脂成形体からその一部が外部に露出しているベース基板と、前記ベース基板の両面に密着固定された配線パターンを成す複数の導体と、該導体のそれぞれの面に、少なくとも１個以上設けられた半導体素子と、前記ベース基板の内部に設けられ、面方向に熱を移動させる熱移動機構とを備えたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記導体は、金属板のリードフレームであることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記導体は金属箔であり、外部接続端子が前記金属箔に電気的に接着固定されていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記ベース基板は金属製であり、該ベース基板と配線パターンとの間に絶縁層を設けてあることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記絶縁層は、絶縁性樹脂材料であることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記絶縁層は、絶縁性樹脂材料に高熱伝導率の固体絶縁材料の微細粉を混合してあることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記ベース基板は、絶縁性材料で構成される板材であり、前記導体が、前記ベース基板に直接接合してあることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７いずれかに記載の発明において、前記熱移動機構は、冷媒流路内に冷媒液を通流させたものであることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、ベース基板上に半導体素子への配線パターンを成す導体が密着固定され、該導体が前記半導体素子の電極と電気的に接合され、該半導体素子の周囲が絶縁性樹脂で成形封止されている絶縁性樹脂成形体を有し、前記絶縁性樹脂成形体からその一部が外部に露出しているベース基板と、前記ベース基板の両面に密着固定された配線パターンを成す複数の導体と、該導体のそれぞれの面に、少なくとも１個以上設けられた半導体素子とを備えた半導体素子モジュールの放熱ベース基板であって、前記ベース基板の内部に、面方向に熱を移動させる熱移動機構を設けたことを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、前記熱移動機構は、前記ベース基板の内部に複数本の冷媒流路が設けられ、該冷媒流路の端部には流体の入出口及び外部との連結機構が設けられていることを特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、前記冷媒流路が全て並列流路を構成していることを特徴とする。

また、請求項１２に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、前記冷媒流路が直並列流路を構成していることを特徴とする。

また、請求項１３に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、前記熱移動機構は、前記ベース基板の内部に複数個の閉じた環状冷媒流路が設けられ、該環状冷媒流路内には気液平衡状態の単一成分の作動流体が適量封入され、該封入口が気密封止してあることを特徴とする。

また、請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載の発明において、前記環状冷媒流路によって異なる作動流体を封入していることを特徴とする。

また、請求項１５に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、前記熱移動機構は、前記ベース基板の内部に複数個のＵ字形冷媒流路が設けられ、該Ｕ字形冷媒流路の上端部分が全て連通され、該Ｕ字形冷媒流路内には気液平衡状態の単一成分の作動流体が適量封入され、該封入口が気密封止してあることを特徴とする。

つまり、本発明は、ベース基板の両面に配線パターンを成す導体を密着固定し、両面に少なくとも１個以上の半導体素子を配置して、半導体素子と導体とを電気的接続した後に、ベース基板の両面の半導体素子の周囲を包むように絶縁性樹脂で成形封止して半導体素子モジュールを構成した。

また、上述した構成で、ベース基板の両面に配した半導体素子の損失熱量をモジュール外に移動・放熱させるために、ベース基板の内部には面方向の熱移動機構を設けてあり、ベース基板の一部を絶縁性樹脂成形体から露出させて外部に放熱する機構とを連結させた。

また、ベース基板の内部に面方向に熱移動機構を構成し、この熱移動機構によって半導体素子に生じる損失熱をベース基板内で移動させて移動先で外部に放熱する構成とする。さらに、ベース基板の内部に構成する熱移動機構の具体的な方法としては、以下の２方式を提案している。
１）ベース基板内に冷媒の流路を構成して外部から冷媒を導入して半導体素子の損失熱量を受熱・除去し、冷媒の排出先で外部空間に放熱する。
２）ベース基板内に閉空間の流路を形成し、内部に単一材料で気液平衡状態の流体を封入してヒートパイプ様の構成として、流体の蒸発現象で熱を移動させて除去し、移動先であるベース基板の端部で凝縮させて顕熱として外界に放熱する。

以上説明したように、本発明によれば、絶縁性樹脂成形体からその一部が外部に露出しているベース基板と、ベース基板の両面に密着固定された配線パターンを成す複数の導体と、導体のそれぞれの面に、少なくとも１個以上設けられた半導体素子と、ベース基板の内部に設けられ、面方向に熱を移動させる機構とを備えたので、ベース基板の両面に金属板リードフレームあるいは金属箔による配線パターンを密着固定して、各面の配線パターン上に半導体素子を配して電気的接続を構成した後に、半導体素子周囲を絶縁性樹脂材料で成形封止して半導体素子モジュールを形成することで、（１）絶縁性樹脂材料の硬化過程でのベース基板の反り抑制、（２）従来品と同程度の設置面積で約２倍の容量増加、（３）半導体素子モジュールの多数個接続配線の簡素化、（４）平形素子スタック様の縦列配置、スタック配置面積の減少が可能となる。

また、ベース基板の内部に熱移動機構を設けることで、ベース基板の両面に半導体素子を配して絶縁性樹脂封止する両面配置半導体素子モジュールを構成することが出来る。このことにより、１）縦列配置の素子スタックをモジュールタイプの半導体素子パッケージで実現でき、多直列・多並列装置の設置面積・寸法を小さく出来る。２）ベース基板の反りを防止でき、半導体素子の割れなどを防止できる。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の半導体素子モジュールの実施例１を説明するための断面図で、図中符号１はベース基板、２ａ，２ｂは絶縁層、３ａ，３ｂは半導体素子、４ａ−１〜４ｂ−２は配線パターン、５ａ−１，５ａ−２，５ｂ−１，５ｂ−２は金属板リードフレーム、６ａ，６ｂは白金線（ボンディングワイヤー）、９は絶縁性樹脂、１１は冷媒流路、１２は冷媒液を示している。

ベース基板１は金属製で、その内部には、冷媒流路１１が設けられている、この冷媒流路１１内には、冷媒液１２が通流されていて半導体素子３ａ，３ｂの損失熱量を外部に放出するように構成されている。

ベース基板１の両面には、それぞれ絶縁層２ａ，２ｂが設けられていて、金属板リードフレーム５ａ−１〜５ｂ−２が、各絶縁層２ａ，２ｂ上に密着固定されている。この絶縁層２ａ，２ｂは、絶縁性樹脂材料に高熱伝導率の固体絶縁材料の微細粉を混合してある。

半導体素子３ａ，３ｂ（以下、実施例における半導体素子は縦型構造素子である）は、一方の面電極が、配線パターン４ａ−１，４ｂ−１を成す導体である金属板リードフレーム５ａ−１，５ｂ−１に導電性接合材で密着固定されていて、他方の電極は、白金線６ａ，６ｂで他の配線パターン４ａ−２，４ｂ−２を成す導体である金属板リードフレーム５ａ−２，５ｂ−２と接続されている。

この半導体素子３ａ，３ｂの配線は、ベース基板１の両面に構成されており、両面の半導体素子３ａ，３ｂの周りは、絶縁性樹脂９で一体モールド成形されている。

半導体素子３ａ，３ｂに生じる損失熱量は、金属板リードフレーム５ａ−１〜５ｂ−２、絶縁層２ａ，２ｂを通過してベース基板１に達し、このベース基板１内に構成される面方向の熱移動機構によりモジュールの外部に移動する。本実施例におけるベース基板１の内部の熱移動機構は、ベース基板１の内部に冷媒流路１１を有していて、外部から冷媒液１２を通流させて半導体素子３ａ，３ｂに生じる損失熱量を排出させるように構成されている。

図２は、本発明の半導体素子モジュールの実施例２を説明するための断面図で、図中符号２１は絶縁性セラミックスからなる板材のベース基板で、金属板リードフレームが直接接合してある。なお、図１と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。

上述した実施例１においては、ベース基板１の両面には、絶縁層２ａ，２ｂが設けられていて、金属板リードフレーム５ａ−１〜５ｂ−２が、各絶縁層２ａ，２ｂ上に密着固定されているのに対して、この実施例２においては、ベース基板２１が絶縁性セラミックスでできていて、金属板リードフレーム５ａ−１〜５ｂ−２が、絶縁層を介することなく直接接合されている。

なお、半導体素子３ａ，３ｂと金属板リードフレーム５ａ−１〜５ｂ−２の電気的接続は、上述した実施例１と同様であり、半導体素子３ａ，３ｂの周りも樹脂モールド成形されている。

本実施例２では、金属板リードフレーム５ａ−１〜５ｂ−２が、ベース基板２１に直接接合されているので、半導体素子３ａ，３ｂと冷却液１２間との接触面を減らしているため、相対的に熱抵抗を小さくすることができる。特にセラミックス材として窒化アルミのような高熱伝導性の材料を適用すると良好な熱抵抗を実現可能である。なお、この実施例２でのベース基板２１内の熱移動機構は、実施例１と同様である。

図３は、本発明の半導体素子モジュールの実施例３を説明するための断面図で、図中符号７ａ，７ｂは外枠、８ａ，８ｂは上蓋、９ａ，９ｂは封止材（絶縁性ゲル）、１５ａ−１〜１５ｂ−２は外部接続端子を示しており、図１と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。

この実施例３は、ゲル材封止絶縁構造の半導体素子モジュールであり、半導体素子３ａ，３ｂへの配線パターン４ａ−１〜４ｂ−２は、金属箔で構成されている。金属製ベース基板１の両面には、絶縁層２ａ，２ｂが施設されており、この絶縁層２ａ，２ｂの上には、金属箔の配線パターン４ａ−１〜４ｂ−２が構成されている。

半導体素子モジュール内に配置される半導体素子３ａ，３ｂは、一方の電極面が、一方の配線パターン４ａ−１，４ｂ−１を成す金属箔上に導電性接合材で密着固定されていて、他の電極は他方の配線パターン４ａ−２，４ｂ−２を成す金属箔に白金線６ａ，６ｂで接続されている。また、この金属箔には外部接続端子１５ａ−１〜１５ｂ−２が接合されている。

ベース基板１上で半導体素子３ａ，３ｂが配置されている領域の周囲は、外枠７ａ，７ｂで囲われ、その内側に絶縁性ゲル９ａ，９ｂが充填されている。この外枠９ａ，９ｂには、それぞれ上蓋８ａ，８ｂが設置される。本実施例３のベース基板１内には、冷媒液の蒸発気化・凝縮現象を伴う熱移動機構が構成されていて、絶縁樹脂成形構造外に露出したベース基板１には、例えば、放熱フィンや液冷熱交換器のような外部と熱交換を行う機構（冷却風１０を発生する機構）を形成して半導体素子３ａ，３ｂに生じた損失熱量を外部に排出している。

なお、図示していないが、ベース基板１の一方の面に主動作回路を形成し、他方の面には主動作回路の制御回路を構成することもできるので、主動作回路と制御回路を同一のモジュール内に配置する場合でも、従来のモジュールと同程度のモジュール面積であっても主動作回路の大容量化が可能である。

また、熱移動機構内蔵型の半導体素子モジュールであるので、従来品のように冷却体形状に支配されることが少なく、平形素子のような縦列配置を採用することができる。

図４は、本発明の半導体素子モジュールの放熱ベース基板の実施例１を説明するための構成図で、図中符号２１はベース基板、３０は冷媒流路、３１は冷媒導入側ヘッダ、３２は冷媒導出側ヘッダ、３３は導入口、３４は導出口を示している。

ベース基板２１の内部には、冷媒導入部ヘッダ３１と冷媒導出ヘッダ３２が異なる２端辺に設けられていて、冷媒導入部ヘッダ３１には導入口３３が、冷媒導出ヘッダ３２には導出口３４が設けてある。両ヘッダ間には複数本の冷媒流路３０が並列流路を構成して連通してある。

つまり、ベース基板２１の内部に、面方向に熱を移動させる熱移動機構が設けられ、この熱移動機構は、ベース基板２１の内部に複数本の冷媒流路３０が設けられ、この冷媒流路３０の端部には流体の導入出口３３，３４及び外部との連結機構が設けられている。また、冷媒流路３０が全て並列流路を構成している。

図５は、本発明の半導体素子モジュールの放熱ベース基板の実施例２を説明するための構成図で、図中符号３５は中間ヘッダで、その他、図４と同じ機能を有する構成要素については同一の符号を付してある。

同一の端辺に冷媒導入部ヘッダ３２と冷媒導出部ヘッダ３３を設け、それぞれに導入口３３、導出口３４を設けてある。対向する端辺には中間ヘッダ３５を設け、冷媒導入側ヘッダ３１、冷媒導出側ヘッダ３２との間を複数本の冷媒流路３０で連通させて、直並列流路を構成してある。

つまり、ベース基板２１の内部に複数本の冷媒流路３０が設けられ、この冷媒流路３０の端部には流体の導入出口３３，３４及び外部との連結機構が設けられている。

図６は、図４及び図５に示した放熱ベース基板（実施例１，２）を適用した両面配置半導体素子パッケージの構成図で、図７は、図６に示した半導体素子パッケージの冷却系の概念図である。図中符号２２は絶縁膜、２３は配線パターン（銅箔あるいは金属板）、２４は電極、２５は樹脂ケース、２６は絶縁樹脂封止材、２７は半導体素子、２８は配線（ワイヤー）、３８は冷媒液、３９は冷媒液溜め、４０はポンプ、４１は熱交換器、４３はファンで、その他、図４及び図５と同じ機能を有する構成要素については同一の符号を付してある。

本発明の放熱ベース基板は、ベース基板２１上に半導体素子２７への配線パターン２３を成す導体が密着固定され、この導体が半導体素子２７の電極２４と電気的に接合され、半導体素子２７の周囲が絶縁性樹脂２６で成形封止されている絶縁性樹脂成形体を有し、絶縁性樹脂成形体からその一部が外部に露出しているベース基板２１と、このベース基板２１の両面に密着固定された配線パターン２３を成す複数の導体と、この導体のそれぞれの面に、少なくとも１個以上設けられた半導体素子２７とを備えた半導体素子モジュールにおける放熱ベース基板である。

以下に半導体素子の冷却動作について、図７を参照して説明する。
冷媒液溜め３９中の冷媒液３８はポンプ４０により、導入口３３からベース基板２１内の冷媒導入側ヘッダ３１に入り、冷媒流路３０を通流しながら半導体素子群が発する損失熱を受熱し、冷媒導出側ヘッダ３２を経て、導出口３４からベース基板２１を出る。半導体素子２７の損失熱を受熱して温度が上昇した冷媒液は、熱交換器４１で外部の大気に損失熱を放熱して初期の温度に戻し、冷媒液溜め３９に還流される。

図８は、本発明の半導体素子モジュールの放熱ベース基板の実施例３を説明するための構成図で、図中符号３６は閉空間、３６ａは環状冷媒流路で、その他、図５及び図７と同じ機能を有する構成要素については同一の符号を付してある。

ベース基板２１の内部に複数のループ状の閉空間３６を形成し、各ループ状の閉空間３６内部には、作動流体として気液平衡状態にある冷媒液３８を注入してベース基板２１の内部に複数の細管ループヒートパイプ様構造を形成している。

つまり、ベース基板２１の内部に複数個の閉じた環状冷媒流路３６ａが設けられ、この環状冷媒流路３６ａ内には気液平衡状態の作動流体が適量封入され、封入口が気密封止してある。

放熱ベース基板の実施例４は、上述した実施例３の変形である。
各ループ状閉空間３６に注入する作動流体が全て同一の冷媒液ではなく、場所により異なる作動流体を注入して封止する構成である。すなわち、半導体素子モジュール内の発熱分布に合せて熱移動特性を変えたベース基板２１を構成する。つまり、環状冷媒流路３６ａにより異なる作動流体を封入している。

図９は、本発明の半導体素子モジュールの放熱ベース基板の実施例５を説明するための構成図で、図中符号３６ｂはＵ字形冷媒流路、３７は閉空間連通部で、その他、図８と同じ機能を有する構成要素については同一の符号を付してある。

この実施例９は、図８（実施例３）で示した流路構成の変形であり、ループ状の閉空間同士を一方の端部で閉空間連通部３７により相互に連結する流路構成である。この構成により閉空間連通部３７側に発熱量の多い半導体素子を配置することで冷媒液３８の液枯れなどによる熱輸送動作障害を回避することができる。

つまり、ベース基板２１の内部に複数個のＵ字形冷媒流路３６ｂが設けられ、このＵ字形冷媒流路３６ｂの上端部分が全て閉空間連通部３７により連通され、Ｕ字形冷媒流路３６ｂ内には気液平衡状態の単一成分の作動流体が適量封入され、封入口が気密封止してある。

図１０は、図８及び図９に示した放熱ベース基板（実施例３〜５）を適用した両面配置半導体素子パッケージの構成図で、図中符号４２は放熱器で、その他、図６と同じ機能を有する構成要素については同一の符号を付してある。

以下に、この両面配置半導体素子パッケージの動作について説明する。
半導体素子２７に生じた損失熱は、ベース基板２１の内部の閉空間３６に注入してある平衡状態の冷媒液３８に達して、潜熱に変わる。潜熱を得た冷媒は当初の気液平衡状態が崩れて、細管ヒートパイプと同様の気液二相振動流が発生して、これにより潜熱をより低温度な領域に移動させる。図１０では左端に放熱器４２があるので、ここに向かって閉空間３６内を熱が移動する。放熱部４２がある閉空間３６内部では、冷媒液３８の潜熱が顕熱化して放熱部４２に伝わり、外気に放熱されることになる。

この細管ヒートパイプ様の動作をさせる実施例３〜５では、ベース基板２１の平面内の温度分布が均等化する効果もあり、温度差が原因で熱膨張が異なることによるベース基板の応力集中なども発生しにくい。

本発明は、複数個の半導体素子を１パッケージ化した半導体素子モジュール及びその放熱ベース基板のパッケージ構造及びその冷却機構に関し、絶縁性樹脂材料の硬化過程でのベース基板の反りを抑制するとともに、従来品と同程度の設置面積で約２倍の容量増加を図るようにした半導体素子モジュール及びその放熱ベース基板を提供することができる。

本発明の半導体素子モジュールの実施例１を説明するための断面図である。 本発明の半導体素子モジュールの実施例２を説明するための断面図である。 本発明の半導体素子モジュールの実施例３を説明するための断面図である。 本発明の半導体素子モジュールの放熱ベース基板の実施例１を説明するための構成図である。 本発明の半導体素子モジュールの放熱ベース基板の実施例２を説明するための構成図である。 図４及び図５に示した放熱ベース基板（実施例１，２）を適用した両面配置半導体素子パッケージの構成図である。 図６に示した半導体素子パッケージの冷却系の概念図である。 本発明の半導体素子モジュールの放熱ベース基板の実施例３を説明するための構成図である。 本発明の半導体素子モジュールの放熱ベース基板の実施例５を説明するための構成図である。 図８及び図９に示した放熱ベース基板（実施例３〜５）を適用した両面配置半導体素子パッケージの構成図である。 従来の電力用半導体素子モジュールを示す縦断面図である。 従来の片面配置された半導体素子モジュールの断面図と放熱器取付け状態を示す図である。

符号の説明

１，２１ ベース基板
２ａ，２ｂ 絶縁層
３ａ，３ｂ 半導体素子
４ａ−１〜４ｂ−２ 配線パターン
５ａ−１〜５ｂ−２ 金属板リードフレーム
６ａ，６ｂ 白金線（ボンディングワイヤー）
７ａ，７ｂ 外枠
８ａ，８ｂ 上蓋
９ 絶縁性樹脂
９ａ，９ｂ 封止材（絶縁性ゲル）
１１ 冷媒流路
１２ 冷媒液
１５ａ−１〜１５ｂ−２ 外部接続端子
２２ 絶縁膜
２３ 配線パターン（銅箔あるいは金属板）
２４ 電極
２５ 中間ヘッダ
２５ 樹脂ケース
２６ 絶縁樹脂封止材
２７ 半導体素子
２８ 配線（ワイヤー）
３０ 冷媒流路
３１ 冷媒導入側ヘッダ
３２ 冷媒導出側ヘッダ
３３ 導入口
３４ 導出口
３６ 閉空間
３６ａ 環状冷媒流路
３６ｂ Ｕ字形冷媒流路
３７ 閉空間連通部
３８ 冷媒液
３９ 冷媒液溜め
４０ ポンプ
４１ 熱交換器
４２ 放熱器
４３ ファン

Claims (15)

1. ベース基板上に半導体素子への配線パターンを成す導体が密着固定され、該導体が前記半導体素子の電極と電気的に接合され、該半導体素子の周囲が絶縁性樹脂で成形封止されている絶縁性樹脂成形体を有する半導体素子モジュールにおいて、
   前記絶縁性樹脂成形体からその一部が外部に露出しているベース基板と、前記ベース基板の両面に密着固定された配線パターンを成す複数の導体と、該導体のそれぞれの面に、少なくとも１個以上設けられた半導体素子と、前記ベース基板の内部に設けられ、面方向に熱を移動させる熱移動機構とを備えたことを特徴とする半導体素子モジュール。
2. 前記導体は、金属板のリードフレームであることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子モジュール。
3. 前記導体は金属箔であり、外部接続端子が前記金属箔に電気的に接着固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子モジュール。
4. 前記ベース基板は金属製であり、該ベース基板と配線パターンとの間に絶縁層を設けてあることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の半導体素子モジュール。
5. 前記絶縁層は、絶縁性樹脂材料であることを特徴とする請求項４に記載の半導体素子モジュール。
6. 前記絶縁層は、絶縁性樹脂材料に高熱伝導率の固体絶縁材料の微細粉を混合してあることを特徴とする請求項４に記載の半導体素子モジュール。
7. 前記ベース基板は、絶縁性材料で構成される板材であり、前記導体が、前記ベース基板に直接接合してあることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の半導体素子モジュール。
8. 前記熱移動機構は、冷媒流路内に冷媒液を通流させたものであることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の半導体素子モジュール。
9. ベース基板上に半導体素子への配線パターンを成す導体が密着固定され、該導体が前記半導体素子の電極と電気的に接合され、該半導体素子の周囲が絶縁性樹脂で成形封止されている絶縁性樹脂成形体を有し、
   前記絶縁性樹脂成形体からその一部が外部に露出しているベース基板と、前記ベース基板の両面に密着固定された配線パターンを成す複数の導体と、該導体のそれぞれの面に、少なくとも１個以上設けられた半導体素子とを備えた半導体素子モジュールの放熱ベース基板であって、
   前記ベース基板の内部に、面方向に熱を移動させる熱移動機構を設けたことを特徴とする放熱ベース基板。
10. 前記熱移動機構は、前記ベース基板の内部に複数本の冷媒流路が設けられ、該冷媒流路の端部には流体の入出口及び外部との連結機構が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の放熱ベース基板。
11. 前記冷媒流路が全て並列流路を構成していることを特徴とする請求項１０に記載の放熱ベース基板。
12. 前記冷媒流路が直並列流路を構成していることを特徴とする請求項１０に記載の放熱ベース基板。
13. 前記熱移動機構は、前記ベース基板の内部に複数個の閉じた環状冷媒流路が設けられ、該環状冷媒流路内には気液平衡状態の単一成分の作動流体が適量封入され、該封入口が気密封止してあることを特徴とする請求項９に記載の放熱ベース基板。
14. 前記環状冷媒流路によって異なる作動流体を封入していることを特徴とする請求項１３に記載の放熱ベース基板。
15. 前記熱移動機構は、前記ベース基板の内部に複数個のＵ字形冷媒流路が設けられ、該Ｕ字形冷媒流路の上端部分が全て連通され、該Ｕ字形冷媒流路内には気液平衡状態の単一成分の作動流体が適量封入され、該封入口が気密封止してあることを特徴とする請求項９に記載の放熱ベース基板。
    

Images