JP2008021810A - 半導体モジュールおよび放熱板 - Google Patents

Abstract

【課題】動作時の発熱量が異なる半導体装置（素子）が搭載されている半導体モジュールにおいて効率的に熱放散させることを可能とし、発熱量の大きな半導体装置であっても容易に搭載可能とする半導体モジュールを提供する。
【解決手段】動作時の発熱量が異なる複数種の半導体装置１４，１６が混在して、基板１２に搭載されたモジュール本体１０に、前記半導体装置１４、１６の外面との間に熱伝導シート４１、４２を介装し、２個以上の半導体装置にわたり半導体装置の外面を覆って放熱板２０ａ、２０ｂが装着された半導体モジュールであって、前記半導体装置１４、１６のうち発熱量の大きな半導体装置１６については、該半導体装置１６よりも発熱量の小さな半導体装置１４に用いられる熱伝導シート４１にくらべて、熱伝導性の高い熱伝導シート４２が用いられていることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は半導体モジュールおよび放熱板に関し、より詳細には基板に搭載された半導体装置からの熱放散性を向上させた半導体モジュールおよびこの半導体モジュールに用いられる放熱板に関する。

基板に実装された半導体装置から熱放散させるために、半導体装置に放熱板を取り付け、あるいは半導体装置と放熱板との間に熱伝導性が良好な樹脂を介在させて熱放散させる方法は一般的になされている（特許文献１、２参照）。
図６は、メモリー素子が搭載された半導体モジュールの熱放散性を向上させる従来の放熱構造を示す（特許文献３）。図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、半導体モジュールの正面図、横断面図、縦断面図である。この半導体モジュールは、回路基板１００の両面に複数個のメモリ素子１０２が搭載され、メモリ素子１０２に接触させるように放熱板１０４ａ、１０４ｂを取り付けて構成されている。

放熱板１０４ａ、１０４ｂは一方の端縁がヒンジ１０８により係止され、回路基板１００を厚さ方向に挟むようにして装着され、開閉側をクリップ１１０により挟んで固定されている。メモリ素子１０２は放熱板１０４ａ、１０４ｂの内側面に当接して熱放散される。
特開平１１−１６３５６６号公報 特開２００２−１３４９７０号公報 特開２００１−１９６５１６号公報

図６に示した半導体モジュールは、回路基板１００に搭載したメモリ素子１０２から熱放散させるものであるが、最近の半導体モジュールでは、サーバ等で使用するための高速メモリーモジュールとして、AMB(Advanced Memory Buffer)と呼ばれるコントロール用の制御素子（半導体装置）を搭載した製品がある。このＡＭＢを搭載した半導体モジュールでは、メモリ素子からの発熱も問題となるが、AMBからの発熱がメモリ素子を大きく上回るため、このAMBから効率的に熱放散させることが求められる。AMBは規定温度を超えると正常に動作しなくなり、所要の特性が得られなくなるから、半導体モジュールの熱放散性を向上させることは、これらの製品にあってはきわめて重要である。

本発明は、このように、動作時の発熱量が異なる半導体装置（素子）が搭載されている半導体モジュールにおいて効率的に熱放散させることを可能とし、発熱量の大きな半導体装置であっても容易に搭載可能とする半導体モジュールおよびこれに用いる放熱板を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は次の構成を備える。
すなわち、動作時の発熱量が異なる複数種の半導体装置が混在して、基板に搭載されたモジュール本体に、前記半導体装置の外面との間に熱伝導シートを介装し、２個以上の半導体装置にわたり半導体装置の外面を覆って放熱板が装着された半導体モジュールであって、前記半導体装置のうち発熱量の大きな半導体装置については、該半導体装置よりも発熱量の小さな半導体装置に用いられる熱伝導シートにくらべて、熱伝導性の高い熱伝導シートが用いられていることを特徴とする。
なお、基板に搭載する半導体装置の形態はとくに限定されるものではなく、半導体素子を樹脂封止して形成した半導体装置、半導体素子をフリップチップ接続により搭載した半導体装置等が利用できる。

また、前記放熱板は、基板に搭載されている半導体装置のうちのいくつかにわたるように配置することもできるし、前記基板の平面領域を覆う平面形状に形成され、前記基板に搭載されたすべての半導体装置を覆って装着することもできる。基板の平面全体を覆うように設けることによって、放熱性の優れた半導体モジュールとすることができる。
また、前記モジュール本体と放熱板とが、側面形状がコの字形に弾性板材を折曲して形成したクリップにより厚さ方向に弾性的に挟圧して保持されていることにより、半導体モジュールの組み立てが容易になり、半導体モジュールの熱放散性を向上させることができる。
また、前記モジュール本体に搭載された半導体装置が、メモリ素子と該メモリ素子よりも動作時の発熱量が大きなメモリバッファ用の制御素子である製品については、とくに有効である。
また、前記メモリバッファ用の制御素子と放熱板との離間間隔を０．０５ｍｍ以下としたことにより、制御素子からの熱放散性をさらに向上させることができる。

また、動作時の発熱量が異なる半導体装置が搭載されたモジュール体に装着され、前記半導体装置の配置位置に合わせて熱伝導シートが貼着された放熱板であって、発熱量が大きな半導体装置については、該半導体装置よりも発熱量の小さな半導体装置に用いられる熱伝導シートにくらべて熱伝導性の高い熱伝導シートが貼着されているものは、半導体モジュール用の放熱板として効果的な熱放散作用を奏する。
また、前記放熱板は、半導体装置としてメモリ素子と、メモリバッファ用の制御素子が搭載されたモジュール本体に搭載して効果的に用いることができる。

本発明に係る半導体モジュールおよび放熱板によれば、動作時の発熱量が異なる半導体装置から効果的に熱放散させることができ、安定した特性を備えた半導体モジュールとして提供することができる。また、発熱量が大きな半導体装置であっても、半導体モジュールに容易に搭載することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について添付図面とともに詳細に説明する。
図１（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る半導体モジュールを構成するモジュール本体１０の一実施形態の構成を示す平面図および正面図である。モジュール本体１０は、長方形に形成された基板１２と、基板１２の両面に実装されたメモリ素子１４と、基板１２の一方の面に実装された制御素子１６とを備える。基板１２の長手方向に沿った一方の端縁には、コネクタ１３が設けられている。

本実施形態の半導体モジュールの制御素子１６は、メモリバッファ（AMB）として作用するものである。制御素子１６は回路基板１７に搭載され、回路基板１７が基板１２に接合される。このため、制御素子１６はメモリ素子１４にくらべて、基板面に対して高位となる。
なお、図１は、メモリバッファを備えた半導体モジュールの構成として最も一般的な構成である。製品によっては、メモリ素子１４が基板１２の長手方向に２列に配置されるといったものもある。

図２は、半導体モジュールの構成部品としての放熱板の構成を示す。図２（ａ）および（ｂ）は、基板１２の制御素子１６が搭載された面（一方の面）に装着される放熱板２０ａの平面図および正面図である。図２（ｃ）および（ｄ）は、基板１２の他方の面に装着される放熱板２０ｂの平面図および正面図である。
放熱板２０ａ、２０ｂは、基板１２の平面形状に合わせて、基板１２の平面領域を覆う大きさの長方形状に形成される。

基板１２の一方の面に装着される放熱板２０ａには、制御素子１６の配置位置に合わせて収納凹部２４が形成される。図２（ｂ）に示すように、収納凹部２４が形成された部位で放熱板２０ａは外方に突出し放熱板２０ａの外面に段差が形成される。収納凹部２４の内面２４ａは平坦面に形成される。
また、放熱板２０ａ、２０ｂの長手方向の両端には、放熱板２０ａ、２０ｂを基板面から浮かせて支持するための支持突起２６ａ、２６ｂが各々形成される。支持突起２６ａ、２６ｂは、放熱板２０ａ、２０ｂの短手方向の全長にわたって設けられる。
放熱板２０ａ、２０ｂに基板１２と位置合わせするための突起を設けたり、基板１２との面間隔を保持するためのスペーサ突起を設けたりしてもよい。位置合わせ用の突起は、たとえば、基板１２の端縁に形成された切欠あるいは貫通孔に位置合わせして形成することができる。

放熱板２０ａ、２０ｂは、熱伝導性および熱放散性に優れる素材であれば、銅、アルミニウムといった適宜材料によって形成される。本実施形態では、１ｍｍ厚のアルミニウム合金（アルミニウム含有率９９．５％）によって形成した。このアルミニウム合金の熱伝導度は、２３０（Ｗ／m・K)である。アルミニウム合金にアルマイト処理を施すことによって、高い放熱性を得ることができ、傷がつきやすいという問題を解消し、十分な強度を得ることができる。

図３は、モジュール本体１０に放熱板２０ａ、２０ｂを装着した状態の平面図を示す。本実施形態の半導体モジュールは、モジュール本体１０の両面に放熱板２０ａ、２０ｂを位置合わせし、クリップ３０ａ、３０ｂにより、放熱板２０ａ、２０ｂを両側から弾性的に挟圧して組み立てる。クリップ３０ａ、３０ｂは、弾性板を側面形状がコの字形に折曲して形成されている。モジュール本体１０の両面に放熱板２０ａ、２０ｂを当接させ、クリップ３０ａ、３０ｂの押さえ片の間にこれらの放熱板２０ａ、２０ｂとモジュール本体１０を挟み込むことによって、放熱板２０ａ、２０ｂ、モジュール本体１０が所定の挟圧力をもって一体的に支持される。

本実施形態の半導体モジュールにおいては、モジュール本体１０を放熱板２０ａ、２０ｂにより挟み込む際に、熱伝導性の良好なシート（熱伝導シート）をモジュール本体１０と放熱板２０ａ、２０ｂとの間に介装して組み立てる。
図４は、第１の熱伝導シート４１と第２の熱伝導シート４２をモジュール本体１０と放熱板２０ａ、２０ｂとの間に介装して組み立てた状態を正面方向から見た状態を示す。メモリ素子１４と放熱板２０ａ、２０ｂとの間に第１の熱伝導シート４１が介装され、制御素子１６と放熱板２０ａとの間に第２の熱伝導シート４２が介装され、クリップ３０ａ、３０ｂにより、放熱板２０ａ、２０ｂによりモジュール本体１０が挟圧されている。

図４（ｂ）に示すように、制御素子１６は放熱板２０ａに設けられた収納凹部２４内に収納され、制御素子１６の裏面が第２の熱伝導シート４２を介して収納凹部２４の内面２４ａに接触する。メモリ素子１４はその外面（樹脂封止部の外面）を第１の熱伝導シート４１に接触させ、第１の熱伝導シート４１を介して放熱板２０ａ、２０ｂの内面に接触する。
本実施形態の半導体モジュールでは、モジュール本体１０の両面に平板状に形成された放熱板２０ａ、２０ｂを被せた形態となっているから、半導体モジュールの幅方向の空間部分については幅方向に貫通する形態となる。すなわち、半導体モジュールは幅方向に気流が通流する形態で、これによって熱放散性を向上させている。

第１の熱伝導シート４１と第２の熱伝導シート４２はともに、メモリ素子１４および制御素子１６から放熱板２０ａ、２０ｂへの熱伝導を良好にするためにこれらの間に介装させるものであるが、本実施形態の半導体モジュールは、第１の熱伝導シート４１と第２の熱伝導シート４２として熱伝導性が異なる２種類の熱伝導シートを使用し、第２の熱伝導シート４２には第１の熱伝導シート４１にくらべて熱伝導性が良好な熱伝導材を使用することが特徴である。

図５に、放熱板２０ａ、２０ｂの内面に第１の熱伝導シート４１と第２の熱伝導シート４２を貼着した状態の平面図を示す。制御素子１６が搭載されている基板面に取り付けられる一方の放熱板２０ａには、制御素子１６の配置位置に合わせて第２の熱伝導シート４２が貼着され、メモリ素子１４の配置位置に合わせて第１の熱伝導シート４１が貼着されている。他方の放熱板２０ｂにはメモリ素子１４が搭載される位置に合わせて第１の熱伝導シート４１が貼着される。

このように、放熱板２０ａ、２０ｂに第１の熱伝導シート４１と第２の熱伝導シート４２とを貼着しておくことにより、モジュール本体１０に放熱板２０ａ、２０ｂを位置合わせしてクランプすることによって、第１の熱伝導シート４１および第２の熱伝導シート４２がモジュール本体１０と放熱板２０ａ、２０ｂとの間に介装されて組み立てられる。
放熱板２０ａ、２０ｂに設ける支持突起２６ａ、２６ｂ、および収納凹部２４の段差は、放熱板２０ａ、２０ｂを基板１２に取り付けた際に、メモリ素子１４および制御素子１６が第１の熱伝導シート４１と第２の熱伝導シートを介して接触するように高さ寸法が設定される。

本実施形態において、熱伝導性が異なる２種類の熱伝導シートを使用するのは、メモリ素子１４よりも動作時の発熱量の大きな制御素子１６から効率的に放熱板２０ａに熱伝導させて制御素子１６からの熱放散性を向上させることと、制御素子１６から放散された熱がメモリ素子１４の側に逆流しないようにするためである。
一般に、熱伝導シートを介して発熱体に放熱板を接触させ、発熱体から熱放散させる場合には、熱伝導シートとしてはなるべく熱伝導性が高い熱伝導材を使用することが効率的である。したがって、本実施形態においても、第１の熱伝導シート４１と第２の熱伝導シート４２として、できるだけ熱伝導性の高い熱伝導シートを使用することが効率的と考えられる。しかしながら、本実施形態における半導体モジュールのように、発熱量が異なる半導体装置（素子）が搭載されていて、これらに共通に放熱板を取り付ける場合には、動作時の発熱量の大きな半導体装置（素子）には熱伝導性の高い熱伝導シートを介装させ、発熱量が小さな半導体装置（素子）についてはそれよりも熱伝導性が劣る熱伝導シートを介装させることが実際には有効である。

本実施形態においては、第１の熱伝導シート４１として、熱伝導率約２．０（Ｗ／m/K）、第２の熱伝導シート４２として、熱伝導率約３．０（Ｗ／m/K）の熱伝導シートを使用した。
本実施形態の第１の熱伝導シート４１と第２の熱伝導シート４２として熱伝導性が異なる熱伝導シートを使用した場合と、第１の熱伝導シート４１と第２の熱伝導シート４２の双方に高熱伝導シート（熱伝導率約３．０（Ｗ／m/K）の熱伝導シート）を使用した比較例について、制御素子１６の動作温度を測定したところ、本実施形態の場合は比較例に対して、制御素子１６の温度上昇を３３％低減することができた。
このことは、第１の熱伝導シート４１と第２の熱伝導シート４２として熱伝導性の異なる熱伝導シートを使用し、発熱量が大きな制御素子１６については熱伝導性の高い熱伝導シートを使用することが有効であることを示す。

また、クリップ３０ａ、３０ｂによる作用を確かめるために、クリップ３０ａ、３０ｂの材厚を０．５ｍｍとした場合と、クリップ３０ａ、３０ｂの材厚を０．６ｍｍとした場合とで、制御素子１６の動作温度がどのように変化するかを測定したところ、クリップ３０ａ、３０ｂの材厚を０．６ｍｍとした場合には、制御素子１６の動作温度が１２％低減した。
このことは、放熱板２０ａ、２０ｂを一定圧力で挟圧することが制御素子１６の動作温度を低減させる上で大きく寄与することを示す。したがって、クリップ３０ａ、３０ｂを設計する際には、クリップ３０ａ、３０ｂによる挟圧位置、挟圧面積と、クリップ３０ａ、３０ｂの材厚、材質を選択することが有効となる。

また、放熱板２０ａと制御素子１６との間に介装される第２の熱伝導シート４２は、できるだけ薄厚であることが、制御素子１６から放熱板２０ａに熱伝導させる上では有効である。熱伝導シート４２としては種々の厚さのシートを利用することができるが、制御素子１６の裏面と収納凹部２４の内面２４ａとの間隔をできるだけ狭くするように収納凹部２４の段差を設計するのがよい。収納凹部２４の内面２４ａとの間隔としては０．０５ｍｍ程度とするのがよい。

なお、上記実施形態ではメモリ素子１４とAMBとして使用される制御素子１６が搭載された半導体モジュールについて説明したが、本発明はこの実施形態の構成に限定されるものではなく、発熱量が相違する半導体装置（素子）が搭載された半導体モジュールついて同様に適用することができる。この場合にも、発熱量の大きな半導体装置（素子）と発熱量が小さな半導体装置（素子）に対して熱伝導性が大小となる熱伝導シートを各々介装して放熱板を装着するようにすればよい。

本発明に係る半導体モジュールを構成するモジュール本体の平面図および正面図である。 放熱板の平面図および正面図である。 モジュール本体に放熱板を取り付けた半導体モジュールの平面図である。 モジュール本体に放熱板を取り付けた半導体モジュールの正面図である。 熱伝導シートを貼着した状態の放熱板の平面図である。 従来の放熱板が装着された半導体モジュールの構成を示す平面図および断面図である。

符号の説明

１０ モジュール本体
１２ 基板
１３ コネクタ
１４ メモリ素子
１６ 制御素子
１７ 回路基板
２０ａ、２０ｂ 放熱板
２４ 収納凹部
２４ａ 内面
２６ａ、２６ｂ 支持突起
３０ａ、３０ｂ クリップ
４１ 第１の熱伝導シート
４２ 第２の熱伝導シート

Claims (7)

1. 動作時の発熱量が異なる複数種の半導体装置が混在して、基板に搭載されたモジュール本体に、前記半導体装置の外面との間に熱伝導シートを介装し、２個以上の半導体装置にわたり半導体装置の外面を覆って放熱板が装着された半導体モジュールであって、
   前記半導体装置のうち発熱量の大きな半導体装置については、該半導体装置よりも発熱量の小さな半導体装置に用いられる熱伝導シートにくらべて、熱伝導性の高い熱伝導シートが用いられていることを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記放熱板は、前記基板の平面領域を覆う平面形状に形成され、前記基板に搭載されたすべての半導体装置を覆って装着されていることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
3. 前記モジュール本体と放熱板とが、側面形状がコの字形に弾性板材を折曲して形成したクリップにより厚さ方向に弾性的に挟圧して保持されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体モジュール。
4. 前記モジュール本体に搭載された半導体装置が、メモリ素子と該メモリ素子よりも動作時の発熱量が大きなメモリバッファ用の制御素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体モジュール。
5. 前記メモリバッファ用の制御素子と放熱板との離間間隔を０．０５ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項４記載の半導体モジュール。
6. 動作時の発熱量が異なる半導体装置が搭載されたモジュール体に装着され、前記半導体装置の配置位置に合わせて熱伝導シートが貼着された放熱板であって、
   発熱量が大きな半導体装置については、該半導体装置よりも発熱量の小さな半導体装置に用いられる熱伝導シートにくらべて熱伝導性の高い熱伝導シートが貼着されていることを特徴とする半導体モジュール用の放熱板。
7. 前記放熱板が、半導体装置としてメモリ素子と、メモリバッファ用の制御素子が搭載されたモジュール本体に搭載されるものであることを特徴とする請求項６記載の半導体モジュール用の放熱板。