JP2008205081A - 半導体モジュール及び半導体モジュール用放熱板 - Google Patents

Abstract

【課題】熱軟化性の熱伝導シートを用いずともＡＭＢにおける十分な熱放散性能を有する半導体モジュール及び半導体モジュール用放熱板を提供する。
【解決手段】発熱量が最も大きな高発熱半導体素子１６が少なくとも１つと、高発熱半導体素子１６よりも低発熱量の複数の非高発熱半導体素子１４とを含む複数種の半導体素子が混在して基板１２に搭載されたモジュール本体１０に、基板１２に搭載された全ての半導体素子１４，１６の外面が覆われるように、放熱板２０ａ、２０ｂが装着されている半導体モジュール４０であって、各非高発熱半導体素子１４の外面と放熱板２０ａ、２０ｂとの間には、熱伝導シート４１が介在するように設けられ、高発熱半導体素子１６の外面は、放熱板２０ａに直接接触するように設けられている。
【選択図】図５

Description

本発明は半導体モジュール及び半導体モジュール用放熱板に関し、更に詳細には動作時の発熱量が異なる複数種の半導体素子が混在して基板に搭載されたモジュール本体に、前記基板に搭載された全ての半導体素子の全外面が覆われるように、放熱板が装着されている半導体モジュール及び半導体モジュール用放熱板に関する。

半導体素子が基板に搭載された半導体装置から熱放散させるために、半導体素子の外面に放熱板を取り付け、或いは半導体素子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（例えば下記特許文献１、２参照）。
また、下記特許文献３には、図７に示す半導体モジュールが提案されている。図７に示す半導体モジュールは、搭載されたメモリー素子の熱放散性を向上させるべく、メモリー素子の外面に放熱板が装着された半導体モジュールである。
この図７（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の外面に接触させるように放熱板１０４ａ、１０４ｂを取り付けている。
かかる放熱板１０４ａ、１０４ｂは、その端縁の一方がヒンジ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の外面は放熱板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

ところで、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モジュールとして、ＡＭＢ（Advanced Memory Buffer)と称されるコントロール用の制御素子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からの発熱量がメモリ素子の発熱量を大きく上回るため、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である。

そこで、本発明者は、放熱板のＡＭＢに接触する部分の厚みを他の部分よりも厚くし、且つＡＭＢと放熱板との間に熱伝導シートを介在させることにより、ＡＭＢによる熱放散を高める構成を、すでに提案している（特願２００６−２８６０４３号）。

なお、熱伝導シートとしては、熱が加えられることにより軟化する性質を有する熱軟化性のものとそうでないもの（熱軟化剤を混入させているものと、混入させていないもの）とが存在する。そこで、ＡＭＢと放熱板との間に介在させる熱伝導シートとしては、ＡＭＢと放熱板との密着性をより高めるべく、熱軟化性のものを採用することが望ましいと考えられていた。

しかし、熱軟化性の熱伝導シートは高価であり、しかも熱伝導シートを部品として用いる場合の温度管理も大変であるため、このような熱伝導シートを採用した半導体モジュールは、他の部品を低廉のものを採用したとしても全体としてコスト高となってしまうという課題がある。
さらに、熱伝導シートが軟化した場合、ＡＭＢと放熱板との間から流れ出てしまうおそれもあるという課題もある。

一方で、熱伝導シートを介在させない方が放熱性能が向上するという実験結果が得られている。このため、放熱板に半導体素子が確実に接触していれば熱伝導シートを用いない方が良い場合もあり得る。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、熱軟化性の熱伝導シートを用いずともＡＭＢにおける十分な熱放散性能を有する半導体モジュール及び半導体モジュール用放熱板を提供することにある。

すなわち、本発明にかかる半導体モジュールによれば、発熱量が最も大きな高発熱半導体素子が少なくとも１つと、該高発熱半導体素子よりも低発熱量の複数の非高発熱半導体素子とを含む複数種の半導体素子が混在して基板に搭載されたモジュール本体に、前記基板に搭載された全ての半導体素子の外面が覆われるように、放熱板が装着されている半導体モジュールであって、各前記非高発熱半導体素子の外面と前記放熱板との間には、熱伝導シートが介在するように設けられ、前記高発熱半導体素子の外面は、放熱板に直接接触するように設けられていることを特徴としている。
この構成を採用することによって、複数の非高発熱半導体素子については、熱伝導シートを介して放熱板に接触する。つまり、非高発熱半導体素子の各外面は同一平面上に配置されるとは限らないので、非高発熱半導体素子の発熱量では軟化しない熱伝導シートを介在させることで、全ての非高発熱半導体素子が放熱板に確実に接触させるようにできる。高発熱半導体素子については、放熱板に直接接触させるので、高価な軟化性を有する熱伝導シートを用いることなく、放熱させることができる。また、高発熱半導体素子に熱伝導シートを介在させない事により、より放熱性能が高まる。

また、前記高発熱半導体素子は、その外面が前記非高発熱半導体素子の外面に前記熱伝導シートを載置させた場合の該熱伝導シートの外面よりも、前記基板から離間する方向に突出した位置となるように搭載され、前記放熱板の記高発熱半導体素子の外面と接触する部分には、前記非高発熱半導体素子の熱伝導シートの外面と接触する部分よりも、前記基板から離間する方向に突出する突出部が形成され、該突出部の一部には、前記基板に向かう方向に凹む凹部が形成され、該凹部の底面が前記高発熱半導体素子の外面と接触するように設けられていることを特徴としてもよい。
これによると、高発熱半導体素子と、熱伝導シートを外面に載置した非高発熱半導体素子とでは、基板の搭載時にその外面の高さが異なるので、突出部を設けることで放熱板の位置が高発熱半導体素子の外面に対応した位置となる。そして、突出部から高発熱半導体素子側へ凹む凹部によって放熱板と高発熱半導体素子とが確実に接触することができる。

さらに、前記放熱板と前記モジュール本体とを挟み込んで保持する挟圧手段により、放熱板とモジュール本体とが一体化されて成り、該挟圧手段によって挟圧された際に、前記高発熱半導体素子表面に接触する凹部が変形して高発熱半導体素子表面に密着するように設けられていることを特徴としてもよい。
これによれば、挟圧手段の挟圧力により熱伝導シートが圧縮変形して非高発熱半導体素子の放熱板に対する接触面積を確実に増やすことができ、高発熱半導体素子に対しては凹部が挟圧手段の挟圧力によって変形して高発熱半導体素子の外面に密着し、放熱板に対する接触面積を確実に増やすことができる。

本発明にかかる半導体モジュール用放熱板によれば、動作時の発熱量が異なる複数種の半導体素子が混在して基板に搭載されたモジュール本体に、前記基板に搭載された全ての半導体素子の外面が覆われるように装着される放熱板であって、発熱量が最も大きな高発熱半導体素子を覆う部分に、他の部分よりも前記基板から離間する方向に突出する突出部が形成され、該突出部の一部には、前記基板に向かう方向に凹む凹部が形成され、該凹部の底面が前記高発熱半導体素子の外面と接触するように設けられていることを特徴としている。

本発明にかかる半導体モジュール及び半導体モジュールによれば、高価な熱軟化性の熱伝導シートを用いなくとも高発熱半導体素子と放熱板との接触を確実に行うことができ、また熱伝導シートの貼り付けの手間や熱伝導シートの管理費等を削減できるので、コストダウンと共に放熱性能の向上を図ることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
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一例を図１（ａ）及び（ｂ）に示す。図１（ａ）及び（ｂ）は、モジュール本体１０の平面図及び正面図である。
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の両面に搭載されたメモリ素子１４，１４・・と、基板１２の基板面の一方に搭載された制御素子１６とを備える。基板１２の長手方向に沿った端縁の一方には、コネクタ１３が設けられている。

基板１２の基板面の一方に搭載された制御素子１６は、メモリバッファ（ＡＭＢ）として作用するものであって、メモリ素子１４に比較して動作時の発熱量が大きい高発熱半導体素子である。
この制御素子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の上面は、基板１２の基板面の一方に直接搭載されたメモリ素子１４，１４・・の上面に比較して高くなる。
本実施形態におけるモジュール本体１０は、制御素子１６が１つだけ設けられ、一方の基板面の長手方向の中心に配置されている。基板１２の一方の基板面においては、制御素子１６の両側にそれぞれ同数のメモリ素子１４が配置されている。

基板１２の他方の基板面には、同一のメモリ素子１４が複数搭載されており、基板１２の他方の基板面に搭載されたメモリ素子１４，１４・・の上面の高さ位置はほぼ揃っている。
かかる図１に示すモジュール本体１０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列に配置される場合もある。

モジュール本体１０に装着する放熱板を図２及び図３に示す。
図２の（ａ）及び（ｂ）は、基板１２の制御素子１６が搭載された面（基板面の一方）に装着される放熱板２０ａの平面図及び正面図である。
図３（ａ）及び（ｂ）は、基板１２の他方の基板面に装着される放熱板２０ｂの平面図及び正面図である。
かかる放熱板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、ほぼ長方形状に形成されている。

基板１２の基板面の一方に装着される放熱板２０ａには、制御素子１６が接触する部分である突出部２４と、メモリ素子１４（後述するメモリ素子１４の外面に載置される熱伝導シート４１）が接触する平坦部２２とが形成されている。突出部２４は、基板１２に対して離間する方向に突出するように設けられている。
突出部２４は、制御素子１６の配置位置に合わせて形成されており、具体的には放熱板２０ａの長手方向の中心に形成されている。突出部２４の幅方向の両側には、平坦部２２が形成されている。平坦部２２と突出部２４との間には段差２３が形成されている。

突出部２４の中心には、基板１２方向に凹む凹部２５が形成されている。凹部２５は、制御素子１６の外面に接触する部位であり、凹部２５の面積は、制御素子１６の外面の面積と同一かそれよりも大きい面積となる。

基板１２の他方の基板面に装着される図３（ａ）及び（ｂ）に示す放熱板２０ｂは、放熱板２０ａに形成された突出部２４が形成されておらず、全体が平坦な平坦部２２に形成されている。放熱板２０ｂが装着される、基板１２の他方の基板面に搭載されたメモリ素子１４，１４・・の上面の高さ位置が、図１（ｂ）に示されているようにほぼ揃っているからである。

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としては、例えば基板１２の端縁に形成された切欠或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、アルミニウムを材料として好適に用いることができるが、熱伝導性および熱放散性に優れる素材であれば、銅などであってもよい。
図２及び図３に示す放熱板は、１ｍｍ厚のアルミニウム合金（アルミニウム含有率９９．５％）から成る板状体を用いて形成した。アルミニウム合金の熱伝導度は、２３０（Ｗ／m・K)である。かか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、傷が付き易いという問題を解消して、十分な強度を得ることができる。
この様なアルミニウム合金から成る板状体に通常のプレス加工を施すことによって、突出部２４及び凹部２５を形成することができる。

モジュール本体１０に放熱板２０ａ，２０ｂを装着して形成した、半導体モジュールの平面図を図４に、縦断面図を図５に示す。
半導体モジュール４０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によって、放熱板２０ａ、２０ｂを両側から弾性的に挟圧して、放熱板２０ａ、２０ｂ及びモジュール本体１０を所定の挟圧力で一体的に支持している。クリップ３０ａ、３０ｂが特許請求の範囲で言う挟圧手段に該当する。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。

メモリ素子１４と放熱板２０ａ及び放熱板２０ｂとの間には、熱伝導シート４１を介在させる。
熱伝導シート４１は、複数のメモリ素子１４に跨るように幅広に形成されており、各メモリ素子１４の上面の高さ位置の違いを吸収して全てのメモリ素子１４が確実に放熱板２０ａ及び２０ｂの平坦部２２に接触できるようにする。
ここで用いられる熱伝導シート４１としては、メモリ素子１４の最高発熱温度では熱軟化しないもの、すなわち熱軟化剤を混入させていない熱伝導シート４１を用いる。熱軟化剤を混入させていない熱伝導シート４１は熱軟化剤を混入させたものと比較して低廉であり、且つ温度管理の必要も無いので管理費等も発生せず、好適である。また、メモリ素子１４は発熱温度が制御素子１６と比較して低く、そもそも熱軟化剤を混入させたものを用いたとしても発熱による熱軟化は期待できないので、熱軟化性を有しない熱伝導シート４１を用いることで十分である。

また、メモリ素子１４の外面上に熱伝導シート４１を載置した場合、熱伝導シート４１の外面と、制御素子１６の外面との高さ位置を比較すると制御素子１６の外面の方が高い位置となる。
そこで、クリップ３０ａ、３０ｂによって放熱板２０ａ、２０ｂを挟圧すると、まず熱伝導シート４１は挟圧力によって圧縮変形してメモリ素子１４と放熱板２０ａ、２０ｂの平坦部２２とを確実に密着させることができる。そして、放熱板２０ａに形成された突出部２４が挟圧力によって制御素子１６方向に変位し、突出部２４に形成された凹部２５が確実に制御素子１６の外面に接触する。なお、挟圧することにより、または挟圧する前から、凹部２５の制御素子１６への接触面が制御素子１６の外面よりも基板１２側に位置していることも考えられる。このような場合、凹部２５が制御素子１６へ接触したときに突出部２４全体がばね性によって突出方向に変形するので、制御素子１６はさらに凹部２５に密着できる。

なお、突出部２４の突出長及び凹部２５の凹み量については、基板１２に搭載するメモリ素子１４、制御素子１６及び回路基板１７のそれぞれの高さの関係によって決定されるものである。具体的な凹部２５の凹み量としては、突出部２４の外面から０．１ｍｍ程度の凹みを想定している。
また、凹部２５と制御素子１６との接触状態の調整は、熱伝導シート４１の厚さを変更することで行うことができる。

続いて、図６に凹部２５の形状の他の実施形態について示す。
以下に説明する凹部２５は、接触前は制御素子１６との接触面積が小さく形成されており、接触後に変形して制御素子１６との接触面積が大きくなるように形成されているものである。
図６の左側の図では、凹部２５と制御素子１６が接触する前の状態を示している。ここで示す凹部２５は、凹部２５の凹み方向の先端の径が徐々に小さくなるような形状に形成されている。
図６の右側の図では、左側の図において放熱板２０ａに挟圧力を加えたときに、凹部２５が制御素子１６の外面に当接して変形したところを示している。このように、凹部２５と制御素子１６との間の接触状態を、最初は点接触の状態にしておき、変形により徐々に接触面積を広げていくようにすることで凹部２５と制御素子１６との間の密着性をより高めることができる。

また、図１〜図６では、複数のメモリ素子１４とＡＭＢとして使用される制御素子１６が１つ搭載された半導体モジュールについて説明したが、制御素子１６の搭載数は１つに限定されるものではない。かかる場合、制御素子１６に接触させる凹部２５を、制御素子１６の数に合わせて設けるとよい。

以上本発明につき好適な実施例を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。

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一例を説明する平面図及び正面図である。 モジュール本体の一方の面に装着される放熱板の一例を説明する平面図及び正面図である。 モジュール本体の他方の面に装着される放熱板の一例を説明する平面図及び正面図である。 半導体モジュールの平面図である。 半導体モジュールの縦断面図である。 放熱板に形成した凹部の他の形態を説明する説明図である。 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及び断面図である。

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
２０ 放熱板
２２ 平坦部
２３ 段差
２４ 突出部
２５ 凹部
３０ クリップ
４０ 半導体モジュール
４１ 熱伝導シート

Claims (4)

1. 発熱量が最も大きな高発熱半導体素子が少なくとも１つと、該高発熱半導体素子よりも低発熱量の複数の非高発熱半導体素子とを含む複数種の半導体素子が混在して基板に搭載されたモジュール本体に、前記基板に搭載された全ての半導体素子の外面が覆われるように、放熱板が装着されている半導体モジュールであって、
   各前記非高発熱半導体素子の外面と前記放熱板との間には、熱伝導シートが介在するように設けられ、
   前記高発熱半導体素子の外面は、放熱板に直接接触するように設けられていることを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記高発熱半導体素子は、その外面が前記非高発熱半導体素子の外面に前記熱伝導シートを載置させた場合の該熱伝導シートの外面よりも、前記基板から離間する方向に突出した位置となるように搭載され、
   前記放熱板の記高発熱半導体素子の外面と接触する部分には、前記非高発熱半導体素子の熱伝導シートの外面と接触する部分よりも、前記基板から離間する方向に突出する突出部が形成され、
   該突出部の一部には、前記基板に向かう方向に凹む凹部が形成され、
   該凹部の底面が前記高発熱半導体素子の外面と接触するように設けら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. 前記放熱板と前記モジュール本体とを挟み込んで保持する挟圧手段により、放熱板とモジュール本体とが一体化されて成り、
   該挟圧手段によって挟圧された際に、前記高発熱半導体素子表面に接触する凹部が変形して高発熱半導体素子表面に密着するように設けられていることを特徴とする請求項２記載の半導体モジュール。
4. 動作時の発熱量が異なる複数種の半導体素子が混在して基板に搭載されたモジュール本体に、前記基板に搭載された全ての半導体素子の外面が覆われるように装着される放熱板であって、
   発熱量が最も大きな高発熱半導体素子を覆う部分に、他の部分よりも前記基板から離間する方向に突出する突出部が形成され、
   該突出部の一部には、前記基板に向かう方向に凹む凹部が形成され、
   該凹部の底面が前記高発熱半導体素子の外面と接触するように設けられていることを特徴とする半導体モジュール用放熱板。