JP2005039081A - Heat insulating board for semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体チップとその発熱を放熱する放熱板との間に絶縁基板が半田によって接着された構造の半導体モジュールの放熱板形状に関する。 The present invention relates to a heat dissipation plate shape of a semiconductor module having a structure in which an insulating substrate is bonded by solder between a semiconductor chip and a heat dissipation plate that dissipates heat.
半導体チップとその発熱を放熱する放熱板との間に、絶縁基板が半田によって接着される構造の半導体モジュールがある。特に、このような半導体モジュールが半導体チップや絶縁基板を複数搭載するような場合、即ち筐体が大型になる場合には、半田が接着される箇所とされない箇所との間に引っ張り応力が発生し、放熱板が変形しやすい。ここでの放熱板の主な材料は、銅、モリブデン、アルミニウム、又はそれらの合金である。 There is a semiconductor module having a structure in which an insulating substrate is bonded by solder between a semiconductor chip and a heat radiating plate that dissipates heat. In particular, when such a semiconductor module is mounted with a plurality of semiconductor chips and insulating substrates, that is, when the housing is large, a tensile stress is generated between the location where the solder is bonded and the location where the solder is not bonded. The heat sink is easily deformed. The main material of the heat sink here is copper, molybdenum, aluminum, or an alloy thereof.
上記の引っ張り応力、更には放熱板の変形の発生のため、冷却器上の半導体モジュールを設置する部分にて、冷却器と半導体モジュールとの間に隙間が生じることがある。そうすると、接触熱抵抗の悪化やばらつき、またその影響によるチップ間の温度ばらつきが生じてしまう。 Due to the above-described tensile stress and further the deformation of the heat sink, there may be a gap between the cooler and the semiconductor module at the portion where the semiconductor module is installed on the cooler. As a result, the contact thermal resistance deteriorates and varies, and the temperature varies between chips due to the influence.
また、接触熱抵抗を改善するために、平面形状である放熱板を予め機械的に押下する等して、外部に対して凸形状にすることも考えられ得る。しかしながら、そうすると半導体チップが配置される絶縁基板側の放熱板形状が凹形状になってしまうため、絶縁基板と放熱板との間の半田厚みが均一になりにくい。よって熱ストレスによる半田熱疲労寿命に影響する。 Further, in order to improve the contact thermal resistance, it can be considered to form a convex shape with respect to the outside by, for example, mechanically pressing a heat sink having a planar shape in advance. However, in this case, the shape of the heat sink on the side of the insulating substrate on which the semiconductor chip is disposed becomes concave, so that the solder thickness between the insulating substrate and the heat sink is difficult to be uniform. Therefore, it affects the solder thermal fatigue life due to thermal stress.
なお、絶縁基板と放熱板との間の半田の設定において、引用文献1及び引用文献2に記載の発明では、(立体)形状に工夫が施されている。引用文献3に記載の発明では、絶縁基板の縁の形状に工夫が施されている。更に、引用文献4に記載の発明では、半導体ペレットの周辺部直下の半田厚さがペレット中央部直下より厚くなるようにヘッダ表面の形状に変化を持たせている。
In setting the solder between the insulating substrate and the heat sink, the invention described in the cited document 1 and the cited
本発明は、半導体チップとその発熱を放熱する放熱板との間にて絶縁基板が半田により接着される半導体モジュールにおいて、放熱板の変形を防ぎ、更に、冷却器と半導体モジュールとの間に隙間が発生するのを防ぐことを目的とする。 The present invention provides a semiconductor module in which an insulating substrate is bonded by solder between a semiconductor chip and a heat radiating plate that radiates heat generated from the semiconductor chip, and prevents the heat radiating plate from being deformed, and further, a gap is provided between the cooler and the semiconductor module. The purpose is to prevent the occurrence of.
本発明は、上記の目的を達成するために為されたものである。本発明に係る放熱板は、半導体チップとそこからの発熱を放熱する放熱板との間に絶縁基板が半田によって接続され、絶縁基板及び半導体チップ全体は、筐体で覆われ、該筐体は放熱板に固定される半導体モジュールにおいて、
絶縁基板が半田によって接続される側の面が略平面であり、且つ、筐体の外側の面が外に向かって脹らむ形状であることを特徴とする。
The present invention has been made to achieve the above object. In the heat sink according to the present invention, an insulating substrate is connected by solder between a semiconductor chip and a heat sink that dissipates heat from the semiconductor chip, and the entire insulating substrate and the semiconductor chip are covered with a casing, In the semiconductor module fixed to the heat sink,
The surface on the side to which the insulating substrate is connected by solder is substantially flat, and the outer surface of the housing is shaped to expand outward.
本発明を利用することにより、以下のような効果を奏することができる。 By using the present invention, the following effects can be obtained.
放熱板の絶縁基板を接続する面を略平面とすることにより、半田厚みを均一化し不完全な接続による半田劣化の早期進行を防止することができ、更に、放熱のばらつきを抑えることができる。 By making the surface of the heat radiating plate connected to the insulating substrate substantially flat, it is possible to make the solder thickness uniform, prevent early deterioration of solder due to incomplete connection, and further suppress variations in heat dissipation.
放熱板の冷却器側を凸形状にすると、熱伝導グリースを介して放熱板と冷却器とを確実に接触させることができる。そうすると接触熱抵抗を低減することができる。 If the cooler side of the heat sink is convex, the heat sink and the cooler can be reliably brought into contact with each other via the heat conductive grease. If it does so, contact thermal resistance can be reduced.
以下において、図面を参照しつつ本発明に係る好適な実施の形態を説明する。 Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings.
実施の形態1
図1は、本発明に係る実施の形態1の半導体モジュールの断面概略図を示す。放熱板2の上面に絶縁基板4が設置され、その絶縁基板4の上面に半導体チップ6が設置される。絶縁基板4と放熱板2の間は半田8により固定され、半導体チップ6と絶縁基板4との間も半田8により固定される。絶縁基板4及び半導体チップ6全体は、筐体10で覆われ、該筐体10は放熱板2に複数個のネジにより固定される。筐体10を載せた放熱板2は、冷却器12上に設定される。放熱板2と冷却器12との間の隙間には熱伝導グリース14が塗布される。
Embodiment 1
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor module according to Embodiment 1 of the present invention. An
本発明の実施の形態1では、放熱板2は、絶縁基板4側の形状が略平面にされ、且つ、筐体10の外側(冷却器12側)の形状が凸形状されている。その理由を以下に述べる。
In Embodiment 1 of the present invention, the
半導体モジュールを動作させると、半導体チップ6から電力損失による熱が発生する。その熱は絶縁基板4を介して放熱板2より冷却器12へと放熱される。半導体モジュールの動作が断続的に繰り返される場合、半導体チップ6からの発熱も断続的となって半田8に熱ストレスが加えられる。その熱ストレスによって、徐々に半田8にクラックが発生し進行するおそれが生じる。クラックが発生・進行すると、熱抵抗増大などの特性悪化を招いてしまう。
When the semiconductor module is operated, heat due to power loss is generated from the
上記の半田8の熱ストレスによるクラックは、端部より進行していくため、絶縁基板4が不均衡な平面上に接続された場合にはクラックの進行を早める場合がある。よって、放熱板2の絶縁基板4を接続する面を略平面とすることにより、半田厚みを均一化し不完全な接続による半田劣化の早期進行を防止することができ、更に、放熱のばらつきを抑えることができる。
Since the crack due to the thermal stress of the
放熱板2の絶縁基板4を接続する面を、全部平面にしてもよいし、絶縁基板4を接続する周辺部分のみ平面にしてもよい。いずれであっても半田厚みを均一化することができる。
The entire surface of the
一方、放熱板2と冷却器12の間には、接触熱抵抗を低減するために、通常、熱伝導グリース14や熱伝導シートが介在させられる。但し、放熱板2の形状によっては、冷却器12との間に不必要な隙間が生じ接触熱抵抗が増加して、半導体チップ6の温度上昇や放熱のばらつきが招かれてしまう。そこで、放熱板2の冷却器側を凸形状にすると、熱伝導グリース14を介して放熱板2と冷却器12とを確実に接触させることができる。そうすると接触熱抵抗を低減することができる。
On the other hand, in order to reduce the contact thermal resistance, a
放熱板2の冷却器側の面を、全部凸形状にしてもよいし、絶縁基板4が接続される部分の真下部分及び真下部分周辺部のみ、凸形状にしてもよい(図5)。図5の場合には、凸形状部分にのみ熱伝導グリース14が塗布されてもよい。
The surface of the
実施の形態2
図2は、本発明に係る実施の形態2の半導体モジュールの断面概略図を示す。図2の実施の形態2の半導体モジュールは、実施の形態1のそれと略同様である。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略し、両者の差異を中心に述べる。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor module according to the second embodiment of the present invention. The semiconductor module of the second embodiment shown in FIG. 2 is substantially the same as that of the first embodiment. Accordingly, the same portions are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and differences between the two are mainly described.
本発明の実施の形態2では、絶縁基板4が半田8により固定される放熱板2上の領域の、絶縁基板4の周辺部に溝16が設けられる。一般に半田クラックは半田の厚みに依存し、厚くされればクラックの発生・進行は遅れる。実施の形態2の半導体モジュールを利用することで、絶縁基板4周辺部の半田厚みを厚く構成でき、通常端部から進行していく半田クラックの進行度を遅らせることができる。
In the second embodiment of the present invention, the
ところで、図2では、絶縁基板4の縁と溝16の中心とが鉛直方向に略一致するように溝16が形成されているが、溝16の位置はそれに限定されるものではない。例えば、図6に示すように、溝16が、絶縁基板4の縁よりも略内側にくるように形成されてもよい。
In FIG. 2, the
溝16の断面形状は、矩形の他に、三角形、半円、半楕円などでもよい。
The cross-sectional shape of the
実施の形態3
図3は、本発明に係る実施の形態3の半導体モジュールの断面概略図を示す。図3の実施の形態3の半導体モジュールは、実施の形態2のそれと略同様である。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略し、実施の形態3の備える差異を端的に述べる。
Embodiment 3
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor module according to Embodiment 3 of the present invention. The semiconductor module of the third embodiment shown in FIG. 3 is substantially the same as that of the second embodiment. Accordingly, the same parts are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and differences provided in the third embodiment are briefly described.
本発明の実施の形態3では、放熱板2上の領域の絶縁基板4の周辺部に溝16が設けられることに加えて、絶縁基板4の下部の放熱板2の部位が絶縁基板4に向かって凸形状部18を成している。このことにより、通常端部から進行していく半田クラックの進行度を遅らせ得ると共に、半導体チップ6及び絶縁基板4から放熱板2への放熱をより効率よく行うことができる。絶縁基板4の中心部直下においては、半田8ができるだけ薄くなるように凸形状部18が形成されるのが好ましい。
In the third embodiment of the present invention, the
実施の形態3の凸形状部18は、図3のような曲面に限定されるものではない。例えば、図7に示すように、平面で構成されるボックス形状(の一部)であってもよい。このような形状であっても、半導体チップ6及び絶縁基板4から放熱板2への放熱は効率よく行われ得る。
The convex-shaped
実施の形態4
図4は、本発明に係る実施の形態4の半導体モジュールの断面概略図を示す。図4の実施の形態4の半導体モジュールは、実施の形態3のそれと略同様である。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略し、実施の形態4の備える差異を端的に述べる。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor module according to
図3に示す実施の形態3においては、絶縁基板4の直下の放熱板2(の部分)が曲面であることと、絶縁基板4の縁の直下の放熱板2(の部分)には溝16が形成されていることから、絶縁基板4を放熱板2に傾き無く平行に接続するのは必ずしも容易ではない。傾いて接続されると、放熱作用に位置によるばらつきが生じ、よって半田クラック発生・進行にもばらつきが生じ得る。
In the third embodiment shown in FIG. 3, the heat sink 2 (part) immediately below the insulating
そこで、図4の実施の形態4の半導体モジュールでは、絶縁基板4の端部に対向する位置の放熱板2へ、突起部20が設けられる。放熱板2の溝16の深さを一様にし、且つ突起部20の高さを一様にすれば、絶縁基板4を放熱板2に対して傾くことなく安定して接続することができる。また、突起部2の高さを変化させれば半田厚さも調整できる。
Therefore, in the semiconductor module according to the fourth embodiment shown in FIG. 4, the
突起部20は、絶縁基板4の端部の方に設けられてもよい。
The
2 放熱板、 4 絶縁基板、 6 半導体チップ、 8 半田、 10 筐体、 12 冷却器、 14 熱伝導グリース、 16 溝、 18 凸形状部、 20 突起部。
2 heat sink, 4 insulating substrate, 6 semiconductor chip, 8 solder, 10 housing, 12 cooler, 14 thermal grease, 16 groove, 18 convex shape part, 20 protrusion part.
Claims (3)
絶縁基板が半田によって接続される側の面が略平面であり、且つ、筐体の外側の面が外に向かって脹らむ形状であることを特徴とする放熱板。 A semiconductor module in which an insulating substrate is connected by solder between a semiconductor chip and a heat radiating plate that dissipates heat from the semiconductor chip, and the entire insulating substrate and the semiconductor chip are covered with a housing, and the housing is fixed to the heat radiating plate In
A heat radiating plate characterized in that the surface on the side to which the insulating substrate is connected by solder is substantially flat, and the outer surface of the housing expands outward.
請求項1に記載の放熱板。 The part of the heat sink at the lower part of the insulating substrate is characterized by forming a convex portion toward the insulating substrate,
The heat sink according to claim 1.
請求項2に記載の放熱板。
Protruding portions are provided on the heat sink at a position facing the end of the insulating substrate,
The heat radiating plate according to claim 2.
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