JP2006147658A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】複数の半導体チップを搭載したパワーモジュールの放熱性を向上させ、かつそのコストダウンを図る。発熱する半導体チップとヒートシンクの接合に接着剤を用いると、接着の不均一等で熱伝達効率が下がり、放熱性が悪くなる。またコスト増加を招く。
【解決手段】半導体チップを搭載した電気配線基板を、ヒートシンクに設けた凹型部に落とし込み、該凹型部に充填された高熱伝導性樹脂によって、半導体チップ及び電気配線基板を埋設する。これにより、半導体チップで発生した熱が、高熱伝導性樹脂を介してヒートシンクに伝わり、効率よく放熱されるようにする。また、高熱伝導性樹脂の硬化作用により電気配線基板とヒートシンクの接合に接着剤を不要とし、放熱性を向上させるとともに、コストダウンを図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の半導体チップを搭載するパワーモジュールの冷却構造に関する。

従来のパワーモジュールとしては、例えば図４に断面図を示すような構造が提案されている。図４において、複数の半導体チップ１１２は、バンプ１１６を介して、第１の電気配線基板１１７の表面に、樹脂１１１によって固着されている。半導体チップ１１２は、バンプ１１６が介在する面と反対の面に、高熱伝導性接着剤１１３によって、ヒートシンク１１４が固着されている。因みに、半導体チップ１１２は、バンプ１１６によって第１の電気配線基板１１７と電気的に接続されており、第１の電気配線基板１１７は、第２の電気配線基板１１９に載置されて、接着剤１１８によって固着されている。また、第１の電気配線基板１１７と第２の電気配線基板１１９は、金属細線１１５によって電気的に接続されている。なお、１２０はリードであり、以上で構成されるパワーモジュールを、図示しないその他の電気配線基板などに、電気的に接続する。
つまり、従来のパワーモジュールにおいては、半導体チップ１１２から発熱する熱は、高熱伝導性接着剤１１３を介してヒートシンク１１４へ伝えられるか、樹脂１１１を介して第１の電気配線基板１１７に伝えられることで、放熱が行われていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２０６３２０号公報（図１）

ところが、従来のパワーモジュールは、ヒートシンクが高熱伝導性接着剤に対して、一面でしか接していないとともに、そもそもヒートシンクと半導体チップとの間に接着剤が介在しているため、放熱性が悪かった。
また、電気配線基板が大きい場合、すなわち半導体チップが電気配線基板上の広範囲にわたって搭載されているような場合は、高熱伝導性接着剤を塗布する面積が大きくなってしまい、高熱伝導性接着剤の使用量が多くなることから、高熱伝導性接着剤の硬化時間が長くなり、製造時間も長くなっていた。また、同じく製造コストも高くなっていた。また、高熱伝導性接着剤の塗布面積が大きいと、均一に塗布しにくくなり、半導体チップの上面と隙間無く固着することが困難で、ヒートシンクとの密着性が悪くなることから、放熱性が悪くなるという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、放熱性が良好で、安価なパワーモジュールを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、複数の半導体チップを搭載する電気配線基板と、前記半導体チップからの発熱を放熱させるヒートシンクとを備えてなるパワーモジュールにおいて、 前記ヒートシンクには、前記電気配線基板と前記半導体チップとを埋設させる凹型部が形成され、前記凹型部には、前記ヒートシンクと前記電気配線基板とを固着させる高熱伝導性樹脂が充填されたパワーモジュールとするものである。
請求項２に記載の発明は、前記ヒートシンクの凹型部の開口形状が、前記電気配線基板の平面形状に略合致されていることを特徴とするパワーモジュールとするものである。
請求項３に記載の発明は、前記高熱伝導性樹脂が、熱伝導性の高い微粒子（例えば、窒化アルミやアルミナ）を充填させたエポキシ系樹脂の材料からなるパワーモジュールとするものである。
請求項４に記載の発明は、前記電気配線基板に、前記高熱伝導性樹脂を注入させる注入口、および排出させる排出口が、少なくとも１箇所ずつ形成されているパワーモジュールとするものである。
請求項５に記載の発明は、前記ヒートシンクは、前記電気配線基板を固定する一つ以上の押さえ板が備えられたパワーモジュールとするものである。

以上の本発明によれば、次のような効果がある。
請求項１に記載の発明によると、電気配線基板上に搭載された半導体チップは、ヒートシンクの凹型部に充填された高熱伝導性樹脂に埋設されているため、前記半導体チップから発生する熱は、リード端子、バンプ、または前記半導体チップの全表面から、前記高熱伝導性樹脂を介して、前記ヒートシンク、あるいは前記電気配線基板へ伝わるため、効率よく放熱できる。加えて、前記凹型部によって、前記高熱伝導性樹脂と前記ヒートシンクが接触する面積が拡大されたことからも、前記ヒートシンクが吸収できる熱量が増加し、放熱性が向上した。
また、前記高熱伝導性樹脂の硬化作用によって、前記電気配線基板と前記ヒートシンクを固着するため、前記ヒートシンクの固定に、接着剤を使用することがない。これによって、接着剤の塗布面積、使用量、および接着性を問題にすることが無く、接着剤材料費の削減と接着剤塗布などの、接着剤使用時の作業時間の製造時間短縮が可能となり、パワーモジュールのコストダウンを図ることができる。
請求項２に記載の発明によると、電気配線基板の平面形状にあわせてヒートシンクの凹型部の開口が形成されているため、ヒートシンクは電気配線基板に合わせた必要最小形状とすることができるとともに、電気配線基板が凹型部に埋設されているため、従来のパワーモジュールのように電気配線基板が外観に露出することがなく、機械的に貧弱な電気配線基板を保護できる。
請求項３に記載の発明によると、高熱伝導性樹脂を、エポキシ系樹脂、またはエポキシ系樹脂に熱伝導性の高い微粒子（例えば、窒化アルミやアルミナ）を充填させて、より熱伝導性をより高めたものとしたため、本パワーモジュールはより効率よく放熱できる。
請求項４に記載の発明によると、電気配線基板において、高熱伝導性樹脂を注入するための注入口、および排出させるための排出口が形成されているため、前記電気配線基板とヒートシンクの凹型部とが形成する隙間の空間に対して、気泡を発生させること無く、前記高熱伝導性樹脂を充填させることができる。
これにより、半導体チップの周囲に気泡がなくなるため、半導体チップからの発熱は、前記高熱伝導性樹脂を介して、さらに効率よく放熱できる。
請求項５に記載の発明によると、電気配線基板をヒートシンクの凹型部内に固定するための、少なくとも一つ以上の押さえ板を備えたため、高熱伝導性樹脂を充填する際に、前記電気配線基板が浮き上がることを防げる。これにより、充填作業時の作業効率をあげることができるため、製造時間短縮が可能となり、パワーモジュールのコストダウンを図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例１のパワーモジュールの断面図である。図１において、複数の半導体チップ１は、リード端子５またはバンプ６を介して、電気配線基板２の表面に搭載され、電気的に接続されている。本実施例では、複数の半導体チップが、電気配線基板２の片面に搭載されている場合を示している。また、本パワーモジュールは、半導体チップが搭載されていない電気配線基板２の表面に設置されたコネクタ９によって、図示しないその他の電気配線基板などに、電気的に接続される。
本発明においては、ヒートシンク４の形状の一部を、電気配線基板２の形状にあわせた凹型とする。つまり、電気配線基板２の基板平面部の平面形状にあわせた開口を備えた凹型部１３とする。同時に、電気配線基板２からの半導体チップ１の高さと、電気配線基板２の厚みを考慮し、これらが凹型部１３に埋設してしまう程度の深さを備えた凹型部とする。また凹型部１３には、電気配線基板を落とし込んだ際に、半導体チップ１が凹型部底面に接触し、損傷することを避けるために、段差１２を設けておく。凹型部底面から段差１２までの高さは、電気配線基板２からの半導体チップ１の高さに略合わせた程度とする。また、ヒートシンク４の外観形状は、その一部に以上の凹型部が形成されており、放熱の機能が期待できるものであれば、特に指定されるものではない。
次に、電気配線基板２を段差１２まで落とし込むことによって、凹型部１３と電気配線基板２との間に形成される空間に、エポキシ系樹脂からなる高熱伝導性樹脂３を充填し、硬化させる。これにより空間に介在する半導体チップ１を、高熱伝導性樹脂３にて埋設すると同時に、ヒートシンク４と電気配線基板２の接合を行えばよい。
なお、高熱伝導性樹脂３は、エポキシ系樹脂に熱伝導性の高い微粒子（例えば、窒化アルミやアルミナ）を充填させて、より熱伝導性をより高めたものであってもよい。
また、電気配線基板２には予め、高熱伝導性樹脂３を注入するための注入口７と、排出するための排出口８を備えておく。注入口７は、注入する方法に合わせた穴形状とすればよい。すなわち、注入器を使用するならば、注入器に合わせた大きさの穴形状とすればよく、穴の形状、大きさおよび数は、特に指定されるものではない。
また排出口８は、高熱伝導性樹脂３を、空間に隙間無く充填させるため、十分に充填された後に、故意に溢れ出させ、高熱伝導性樹脂３を注入していく作業において、空間内に気泡が発生することを防ぐためのものである。

図２は、本発明の実施例２のパワーモジュールの断面図である。図２においては、図１と等価な部分には同一符号を付けてある。この実施例では、複数の半導体チップ１が、電気配線基板２の表裏両面に搭載された場合の構造を示している。
本実施例のように、半導体チップ１が電気配線基板２の両面に存在する場合においても、両面すべての半導体チップ１と電気配線基板２が、凹型部１３内に落とし込まれるようにヒートシンク４の凹型部を形成し、すべての半導体チップ１が高熱伝導樹脂３にて埋設され、同時に電気配線基板２を固着させればよい。
但しこのとき、コネクタ９は高熱伝導性樹脂３にて埋設されてしまわないようにする。
また、高熱伝導樹脂３は実施例１と同様、電気配線基板２に形成された注入口７から注入し、排出口８から故意に溢れ出させ、高熱伝導性樹脂３を注入していく最中に、電気配線基板２と凹型部１３で形成される空間内に気泡を発生させないように充填させる。
また、従来のパワーモジュールのように、電気配線基板が複数枚で構成され、重ね合わさった電気配線基板群でも、上記と同様に構成させればよい。

図３は、本発明の実施例３のパワーモジュールの断面図である。図３においては、図１と等価な部分には同一符号を付けてある。この実施例では、電気配線基板２を押さえるための押さえ板１０を設置している。
押さえ板１０は、取り付けネジ１１によりヒートシンク４に固定させ、電気配線基板２をヒートシンク４に対して押さえつけるように設置する。
この構造にすることで、高熱伝導性樹脂３を注入した際に、電気配線基板２がヒートシンク４から浮き上がることを抑制できる。すなわち、電気配線基板２を凹型部１３に落とし込んだ際に、電気配線基板２と凹型部１３の開口との嵌めあい時の隙間が大きく、高熱伝導性樹脂３の充填時に電気配線基板２が浮き上がってしまい、目的の位置に電気配線基板をうまく固定できない場合に有効である。よって、押さえ板１０は、電気配線基板２が、浮き上がらない構造のものであれば、形状、位置、および個数は問わない。
無論本構造は、半導体チップが電気配線基板の片面に存在する場合（実施例１の場合）でも、両面に存在する場合（実施例２の場合）でも有効であることは、記載するまでも無い。

本発明のパワーモジュールは、例えば一つの装置で多軸のモータドライブを実現させる、ロボット用サーボドライブアンプなどの基板に多数組み付けることによって、サーボドライバを構成することができる。

本発明の第１の実施例を示すパワーモジュールの断面図 本発明の第２の実施例を示すパワーモジュールの断面図 本発明の第３の実施例を示すパワーモジュールの断面図 従来のパワーモジュールの断面図

符号の説明

１ 半導体チップ
２ 電気配線基板
３ 高熱伝導性樹脂
４ ヒートシンク
５ リード端子
６ バンプ
７ 注入口
８ 排出口
９ コネクタ
１０ 押さえ板
１１ 取り付けネジ
１２ 段差
１３ 凹型部
１１１ 樹脂
１１２ 半導体チップ
１１３ 高熱伝導性接着剤
１１４ ヒートシンク
１１５ 金属細線
１１６ バンプ
１１７ 第１の電気配線基板
１１８ 接着剤
１１９ 第２の電気配線基板
１２０ リード

Claims (5)

1. 複数の半導体チップを搭載する電気配線基板と、前記半導体チップからの発熱を放熱させるヒートシンクとを備えてなるパワーモジュールにおいて、
   前記ヒートシンクには、前記電気配線基板と前記半導体チップとを埋設させる凹型部が形成され、
   前記凹型部には、前記ヒートシンクと前記電気配線基板とを固着させる高熱伝導性樹脂が充填されたことを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記ヒートシンクの凹型部の開口形状が、前記電気配線基板の平面形状に略合致されていることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
3. 前記高熱伝導性樹脂が、熱伝導性の高い微粒子を充填させたエポキシ系樹脂の材料からなることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
4. 前記電気配線基板に、前記高熱伝導性樹脂を注入させる注入口、および排出させる排出口が、少なくとも１箇所ずつ形成されていることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
5. 前記ヒートシンクは、前記電気配線基板を固定する一つ以上の押さえ板が備えられたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。

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