JP2009094423A - 半導体モジュールおよび半導体モジュール用パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】冷却器に、周辺部で固定しても基板中央部と冷却器との熱的接触が優れ、基板に搭載された半導体素子に応力を加えない半導体モジュールを得ることである。
【解決手段】半導体素子を搭載した絶縁基板と、半導体素子を囲んで絶縁基板に載置された枠体と、枠体の絶縁基板と接触する面と対向する面に設けられた蓋体と、蓋体の一方の対向する２辺の近傍内側の各々に設けられた孔を挿通する固定用ボルトとを備えた半導体モジュールであって、蓋体の他方の２辺に沿った枠体の各壁部における蓋体と接する面の中央部が山形状の凸部とし、蓋体の孔を挿通させた固定ボルトを冷却器の雌ねじ部に捩じ込み、蓋体に荷重をかけて冷却器に取り付けられるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールとこれに用いられる半導体モジュール用パッケージに関し、特に、半導体素子からの発熱を十分に放熱できる半導体モジュールとこれに用いられる半導体モジュール用パッケージに関するものである。

電力変換回路等で使用される半導体モジュールは、その電力変換動作中に半導体素子から熱を発生するが、この熱が十分に放熱されないと、半導体モジュール内の半導体素子の温度が上昇して、半導体素子の動作不良を生じたり、破壊に至ることがある。
そこで、半導体モジュールは、ヒートシンクあるいは放熱フィン等の冷却器に接合され、半導体素子からの熱を冷却器に伝導し、放熱している。そのため半導体モジュールの発熱部と冷却器との接触が重要である。

半導体モジュールの冷却器への固定方法は様々あるが、ねじで固定する方法が一般的であり、特に、ねじを用いて半導体モジュールの周辺部を冷却器に固定する場合が多い。
しかし、ねじを用いて半導体モジュールの周辺部を冷却器に固定すると、半導体モジュールの周辺部は冷却器と密着するが、半導体素子が搭載される半導体モジュールの中央部の押付力が弱く、この部分と冷却器との熱的な接触が悪くなる。
半導体モジュールの中央部付近の熱接触の改善するものとして、中央部をねじで冷却器に固定する方法がある。しかし、この方法では、半導体モジュールの中央部付近に半導体素子を配置することが不可能になる。すなわち、半導体モジュールは、半導体素子の実装数が少なくなり、中央部に固定ねじを設けない同サイズのものより定格電流が減少する。また、中央部に固定ねじを設けないものと同等の定格電流を得るには、半導体モジュールのサイズを大きくする必要がある。

半導体モジュール等の半導体装置において、半導体装置の中央部付近に固定ねじを設けない周辺部の固定であっても、半導体装置中央部の冷却器への熱的接触を改善し半導体素子の温度上昇を防止するものが提案されている。
そのようなものとして、半導体素子を搭載した高熱伝導性絶縁基板の放熱部であるヒートシンクと接触する面を、中央部がヒートシンク方向に向かって凸形状となる曲面としたパワーＩＣ等の半導体装置、および、ヒートシンクの絶縁基板と接触する面を、中央部が絶縁基板の方向に向かって凸形状となる曲面としたパワーＩＣ等の半導体装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、ヒートシンクの一方の面に、高周波半導体素子を収納する枠体と外部接続端子と蓋体とが設けられ、ヒートシンクの他方の面が、放熱部である基台に接して取り付けられる高周波用パッケージであって、ヒートシンクの基台と接触する面が凸状曲面である高周波用パッケージが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
また、半導体素子が搭載された基体と、この基体と接合される放熱部である外部基板との間に中央部が厚いグラファイトシートを設けた半導体装置が開示されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２０００−２００８６５号公報 特開２００４−３６３５２０号公報 特開２００４−２８８９４９号公報

特許文献１のパワーＩＣの半導体装置では、絶縁基板の中央部が放熱部であるヒートシンク方向に凸形状となる曲面、あるいは、ヒートシンクの中央部が絶縁基板方向に凸形状となる曲面となっている。
従って、絶縁基板の周辺部をヒートシンクに固定した場合、絶縁基板の変形により絶縁基板の中央部に搭載された半導体素子に大きな応力が加わる。このような状態で、半導体装置の電力変換動作による熱サイクルが加わると、半導体素子と絶縁基板との接合部に剥離が生じやすくなるとの問題があった。
また、特許文献２の高周波用パッケージにおいても、高周波半導体素子が搭載されるヒートシンクの基台と接触する面が凸状曲面となっているので、ヒートシンクの周辺部を基台に固定した場合に、搭載された高周波半導体素子に大きな応力が加わり、特許文献１の半導体装置と同様な問題があった。
また、特許文献３の半導体装置も、半導体素子が搭載された基体と外部基板の間に中央部が厚いグラファイトを設けているので、基体周辺部を外部基板に固定した場合、半導体素子に大きな応力が加わり、特許文献１の半導体装置と同様な問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、放熱部であるヒートシンクあるいは放熱フィン等の冷却器に半導体素子を搭載した基板を、その周辺部で固定しても、基板中央部と冷却器との熱的接触が優れ、基板に搭載された半導体素子に応力が加わらない半導体モジュール、および、これに用いられる半導体モジュール用パッケージを提供することである。

本発明に係わる半導体モジュールは、半導体素子を搭載した絶縁基板と、半導体素子を囲んで絶縁基板に載置された枠体と、枠体の絶縁基板と接触する面と対向する面に設けられ、且つ枠体の開口部を塞ぐ蓋体と、蓋体の一方の対向する２辺の近傍内側の各々に設けられた孔を挿通する固定用ボルトとを備えた半導体モジュールであって、蓋体の他方の２辺に沿った枠体の各壁部における蓋体と接する面の中央部が山形状の凸部となっており、蓋体の孔を挿通させた固定ボルトを冷却器の雌ねじ部に捩じ込み、蓋体に荷重をかけて冷却器に取り付けられるものである。

本発明に係わる半導体モジュールは、半導体素子を搭載した絶縁基板と、半導体素子を囲んで絶縁基板に載置された枠体と、枠体の絶縁基板と接触する面と対向する面に設けられ、且つ枠体の開口部を塞ぐ蓋体と、蓋体の一方の対向する２辺の近傍内側の各々に設けられた孔を挿通する固定用ボルトとを備えた半導体モジュールであって、蓋体の他方の２辺に沿った枠体の各壁部における蓋体と接する面の中央部が山形状の凸部となっており、蓋体の孔を挿通させた固定ボルトを冷却器の雌ねじ部に捩じ込み、蓋体に荷重をかけて冷却器に取り付けられるものであり、高放熱性であるとともに、搭載された半導体素子に応力を加えることがなく高い信頼性を有し、且つ、半導体素子を高実装密度できるとの効果が得られる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係わる半導体モジュールが冷却器に接合された状態を示す上面模式図（ａ）と、この上面模式図のＡ−Ａ断面模式図（ｂ）とである。
図１に示すように、本実施の形態の半導体モジュール１００は、一方の表面に配線パターン（図示せず）でなる半導体素子搭載部が設けられた絶縁基板２と、絶縁基板２の半導体素子搭載部と同じ面に、半導体素子搭載部を囲むようにして設けられた枠体３と、枠体３の絶縁基板２と接する面と対向する面に設けられ、枠体３の開口部を塞ぐ蓋体４と、半導体モジュール１００を冷却器２０に固定するボルト５とを備えた半導体モジュール用パッケージの半導体素子搭載部に、半導体素子１を搭載したものである。

絶縁基板２は、いずれか１組の対向する２辺に凹状の切り欠き部６が設けられている。
枠体３は、その壁部の外周が絶縁基板２の外周に沿った形状である。特に、絶縁基板２の凹状の切り欠き部６が設けられた辺に沿った枠体３の壁部３１は凹状にへこんだ部位を有している。
また、絶縁基板２の切り欠き部６が設けられていない２辺に位置する枠体３の壁部３２は、蓋体４と接する部位が、長手方向の中央が最も高い山形の凸部９となっている。すなわち、枠体３は、対向する１組の凹状にへこんだ部位を有する壁部３１と、対向する１組の凸部を有する壁部３２とで形成されている。
蓋体４は、矩形状の板であり、絶縁基板２の切り欠き部６と対向する部位にボルト孔が設けられている。そして、このボルト孔を挿通させたボルト５を、冷却器２０に設けられた雌ねじ部８に捩じ込み、蓋体４を枠体３に密着させるとともに、半導体モジュール１００を冷却器２０に接合する。このとき、ボルト５は、枠体３の壁部３１の凹状にへこんだ部位と絶縁基板２の切り欠き部６とを通過している。

本実施の形態では、絶縁基板２の冷却器２０と接する面には何も設けていないが、銅等の薄い金属層を全面に設けても良い。また、絶縁基板２の対向する１組の２辺に凹状の切り欠き部６を設けているが、ボルト５が貫通する孔であっても良い。
本実施の形態では、絶縁基板２には、例えば、アルミナや窒化アルミニウム等の無機基板、あるいは、ガラス繊維強化樹脂の積層基板が用いられる。そして、絶縁基板２の配線パターンには、銅が用いられる。
また、枠体３には、セラミックやポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の硬質プラスチックが用いられるが、特に、加工性が優れているので、ＰＰＳ等の硬質プラスチックが好ましい。
また、蓋体４にも、セラミックやポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の硬質プラスチックが用いられるが、特に、弾性率が高く、後述するように絶縁基板２を冷却器２０に強く押し付けることができるので、セラミックが好ましい。

本実施の形態の半導体モジュール用パッケージを用いた半導体モジュール１００が、その周辺部の２箇所で冷却器２０に固定されているにもかかわらず、半導体素子１が搭載される絶縁基板２の中央部と冷却器２０との密着性が優れている機構を説明する。
本実施の形態では、半導体モジュール用パッケージとこの半導体モジュール用パッケージに半導体素子１を搭載した半導体モジュール１００とは同様な効果を有するので、半導体モジュール１００について説明する。
図１に示すように、半導体モジュール１００において、蓋体４のボルト孔を通したボルト５の雄ねじ部を冷却器２０の雌ねじ部８に捩じ込み、蓋体４に荷重をかけて枠体３に密着させると、枠体３の壁部３２における中央の最も高い山形となった凸部９（この後、枠体の凸部と記す）が支点となって蓋体４が撓むため、蓋体４からの反力により支点となった部位が加圧される。すなわち、２箇所の枠体の凸部９が加圧された枠体３から絶縁基板２に力が加わることにより、絶縁基板２の中央部の２箇所が加圧され、絶縁基板２と冷却器２０との密着性が向上する。

次に、実施例を用いて、絶縁基板２を冷却器２０に押し付ける加圧力を例示する。本実施の形態において、蓋体４を枠体３に押し付けるのは、枠体の凸部９に荷重をかけて蓋体４を曲げる３点曲げ試験に相当するので、蓋体４の曲げ荷重は、ＪＩＳ―Ｋ７０７４の３点曲げ試験のＪＩＳ規格に記載された下記の（１）式から求められる。
Ｅ＝（Ｌ^３Ｆ）／（４ｂｈ^３Ｙ） （１）
ただし、Ｅ：曲げ弾性率（Ｎ／ｍｍ^２）
Ｆ：曲げ荷重（Ｎ）
Ｌ：支点間距離（ｍｍ）
ｂ：試験片の幅（ｍｍ）
ｈ：試験片の厚さ（ｍｍ）
Ｙ：試験片のたわみ（ｍｍ）
すなわち、（１）式から曲げ荷重Ｆは下記の（２）式で示される。
Ｆ＝（４ｂｈ^３ＹＥ）／Ｌ^３ （２）

本実施例では、曲げ弾性率Ｅは蓋体４の曲げ弾性率、支点間距離Ｌは蓋体４の２個のボルト孔の距離、試験片の幅ｂは蓋体４の幅、試験片の厚さｈは蓋体４の厚さ、試験片のたわみＹは枠体３の山形の凸部９の高さ、に相当する。
本実施例では、蓋体４に表１に示す寸法と弾性率とのセラミックを用い、枠体３の山形の凸部９の高さも表１に示すものとした。この表１に示す各値を（２）式にあてはめて計算すると、蓋体４の曲げ荷重Ｆは１４０（Ｎ）となる。そして、枠体の凸部９には、蓋体４の曲げ荷重と同じ反力の加圧荷重が加わる。しかし、枠体の凸部９は２箇所あるので、各凸部あたりの加圧荷重Ｆｒは７０（Ｎ）である。

そして、枠体の凸部を有する壁部３２の厚さｈｇ＝２（ｍｍ）、枠体の凸部９の蓋体４との接触幅Ｗｇ＝１（ｍｍ）とすると、枠体３の凸部９に加わる圧力Ｆｐは３５（Ｎ／ｍｍ^２）となる。

図２は比較例である半導体モジュール２００の上面模式図（ａ）と側面模式図（ｂ）とである。
図２から明らかなように、比較例である半導体モジュール２００は、枠体１３の蓋体１４と接する部分はフラットで同一平面状にある。そして、この半導体モジュール２００は、絶縁基板１２の周辺部の対向する２辺の近傍内側部分に設けられた孔部を挿通させたボルト１５を、冷却器２０の雌ねじ部８に捩じ込み、冷却器２０に固定される。
例えば、ボルト１５にＭ５のボルトを用い、２本のボルト１５の各々を３（Ｎｍ）のトルクで締め付けると、半導体モジュール２００の底に加えられる平均圧力は１７（Ｎ／ｍｍ^２）となる。

すなわち、本実施の形態の半導体モジュール１００、および、この半導体モジュールに用いる半導体モジュール用パッケージでは、その枠体３の壁部３２の凸部には、比較例の半導体モジュール２００の底に加えられる平均圧力である１７（Ｎ／ｍｍ^２）の約２倍である３５（Ｎ／ｍｍ^２）の圧力が加わっている。本実施の形態では、比較例の約２倍の圧力で、絶縁基板２、すなわち半導体モジュール１００の底面を冷却器２０に押し付けることができ、半導体モジュール１００の中央部近傍の絶縁基板２と冷却器２０との密着性を向上させることができる。
すなわち、本実施の形態の半導体モジュール用パッケージ、および、このパッケージに半導体素子を搭載した半導体モジュールは、高放熱性であるとともに、搭載される半導体素子に応力を加えることがなく高い信頼性を有し、且つ、半導体素子を高密度実装できる半導体モジュールを実現できる。

本実施の形態の半導体モジュール１００では、半導体モジュール１００への平均印加圧力のほぼ２倍以上の圧力で密着性の向上が要求される箇所へ押し付けることができれば十分であるので、上記実施例に限定されず、半導体モジュールの蓋体４と枠体３の凸部９の設計パラメータが以下の（３）式の範囲で設計されれば良い。
（Ｅｈ^３Ｙ／Ｓ）≧（Ｌ^２Ｐａ／２ｂ^２） （３）
ただし、Ｅ：蓋体の曲げ弾性率（Ｎ／ｍｍ^２）
Ｌ：蓋体の２個のボルト孔の距離（ｍｍ）
ｂ：蓋体の試験片の幅（ｍｍ）
ｈ：蓋体の試験片の厚さ（ｍｍ）
Ｙ：枠体の山形の凸部の高さ（ｍｍ）
Ｓ：枠体の凸部と蓋体との接触面積
Ｐａ：ねじ締めによる半導体モジュールへの平均印加圧力

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係わる半導体モジュールが冷却器に接合された状態を示す側面模式図（ａ）と、断面模式図（ｂ）とである。
図３に示すように、本実施の形態の半導体モジュール３００は、蓋体２４と接する枠体２３の部位が平坦で、枠体２３と接する側に蓋体２４が凸部の有すること以外、実施の形態１の半導体モジュールと同様である。このような構成によっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

枠体２３は、その壁部の外周が絶縁基板２の外周に沿った形状である。特に、絶縁基板２の凹状の切り欠き部６が設けられた辺に沿った枠体２３の壁部は凹状にへこんだ部位を有している。また、枠体２３は、蓋体２４と接する部位が、平坦となっている。
蓋体２４には、一方の対向する２辺の近傍内側に、絶縁基板２の切り欠き部６と対向する部位にボルト孔が設けられている。また、枠体２３と接する蓋体２４の他方の２辺の中央部が山形状の凸部の有する形状となっている。
そして、このボルト孔を挿通させたボルト５を、冷却器２０に設けられた雌ねじ部８に捩じ込み、蓋体２４を枠体２３に密着させるとともに、半導体モジュール３００を冷却器２０に接合する。このとき、ボルト５は、枠体２３の凹状にへこんだ部位と絶縁基板２の切り欠き部６とを通過している。
図４は、本発明の実施の形態２に係わる半導体モジュールの蓋体に凸部を設ける方法を示す図である。
図４に示すように、蓋体２４に凸部を設ける方法としては、板状の蓋体部材２５に、凸部の主構造となる銅板２６を接合する。例えば、蓋体部材２５がセラミック板の場合は、ロウ付けにより銅板２６を接合し、蓋体部材２５が硬質プラスチックの場合は、接着により銅板２６を接合する。

凸部を有しない枠体２３に凸部を有する蓋体２４がボルト５で締め付けられることにより、蓋体２４の凸部が支点となって蓋体２４が撓むため、支点となった部位が蓋体２４の応力により加圧され、枠体２３から絶縁基板２に力が加わることにより、絶縁基板２の中央部の２箇所が加圧され、絶縁基板２と冷却器２０との密着性が向上する。このため、冷却器２０と熱接触する部分でのモジュール構造を変更せずに、搭載される半導体素子に応力を加えることがなく高い信頼性を有し、且つ、半導体素子を高密度実装できる半導体モジュールを実現できる。

実施の形態１と同様に、比較例の約２倍の圧力で、絶縁基板２、すなわち半導体モジュール３００の底面を冷却器２０に押し付けることができ、半導体モジュール３００の中央部近傍の絶縁基板２と冷却器２０との密着性を向上させることができれば十分なので、蓋体２４の凸部と枠体２３の設計パラメータが（２）式を満足するように設計されれば良い。ここで、（２）式のＳは、は蓋体２４の凸部と枠体２３との接触面積に読み替える。

本発明に係わる半導体モジュールおよびこれに用いられる半導体モジュール用パッケージは、半導体素子を搭載した絶縁基板の中央部と冷却器との密着性が向上しているので、高放熱性と高信頼性が要求される半導体モジュールに用いることができる。

本発明の実施の形態１に係わる半導体モジュールが冷却器に接合された状態を示す上面模式図（ａ）と、この上面模式図のＡ−Ａ断面模式図（ｂ）とである。 比較例である半導体モジュールの上面模式図（ａ）と側面模式図（ｂ）とである。 本発明の実施の形態２に係わる半導体モジュールが冷却器に接合された状態を示す側面模式図（ａ）と、断面模式図（ｂ）とである。 本発明の実施の形態２に係わる半導体モジュールの蓋体に凸部を設ける方法を示す図である。

符号の説明

１ 半導体素子、２ 絶縁基板、３ 枠体、４ 蓋体、５ ボルト、
６ 切り欠き部、８ 雌ねじ部、９ 凸部、１３ 枠体、１４ 蓋体、
１５ ボルト、２０ 冷却器、２３ 枠体、２４ 蓋体、２５ 蓋体部材、
２６ 銅板、３１ 凹状にへこんだ部位を有する壁部、３２ 凸部を有する壁部、
１００，２００，３００ 半導体モジュール。

Claims (4)

1. 半導体素子を搭載した絶縁基板と、上記半導体素子を囲んで上記絶縁基板に載置された枠体と、上記枠体の上記絶縁基板と接触する面と対向する面に設けられ、且つ上記枠体の開口部を塞ぐ蓋体と、上記蓋体の一方の対向する２辺の近傍内側の各々に設けられた孔を挿通する固定用ボルトとを備えた半導体モジュールであって、上記蓋体の他方の２辺に沿った上記枠体の各壁部における上記蓋体と接する面の中央部が山形状の凸部となっており、上記蓋体の孔を挿通させた固定ボルトを冷却器の雌ねじ部に捩じ込み、上記蓋体に荷重をかけて上記冷却器に取り付けられることを特徴とする半導体モジュール。
2. 半導体素子を搭載した絶縁基板と、上記半導体素子を囲んで上記絶縁基板に載置された枠体と、上記枠体の上記絶縁基板と接触する面と対向する面に設けられ、且つ上記枠体の開口部を塞ぐ蓋体と、上記蓋体の一方の対向する２辺の近傍内側の各々に設けられた孔を挿通する固定用ボルトとを備えた半導体モジュールであって、上記枠体と接する上記蓋体の他方の２辺の中央部が山形状の凸部となっており、上記蓋体の孔を挿通させた固定ボルトを冷却器の雌ねじ部に捩じ込み、上記蓋体に荷重をかけて上記冷却器に取り付けられることを特徴とする半導体モジュール。
3. 半導体素子搭載部を備えた絶縁基板と、上記半導体素子搭載部を囲んで上記絶縁基板に載置された枠体と、上記枠体の上記絶縁基板と接触する面と対向する面に設けられ、上記枠体の開口部を塞ぐ蓋体と、上記蓋体の一方の対向する２辺の近傍内側の各々に設けられた孔を挿通する固定用ボルトとを備えた半導体モジュール用パッケージであって、上記蓋体の他方の２辺に沿った上記枠体の各壁部における上記蓋体と接する面の中央部が山形状の凸部となっており、上記蓋体の孔を挿通させた固定ボルトを冷却器の雌ねじ部に捩じ込み、上記蓋体に荷重をかけて上記冷却器に取り付けられることを特徴とする半導体モジュール用パッケージ。
4. 半導体素子搭載部を備えた絶縁基板と、上記半導体素子搭載部を囲んで上記絶縁基板に載置された枠体と、上記枠体の上記絶縁基板と接触する面と対向する面に設けられ、上記枠体の開口部を塞ぐ蓋体と、上記蓋体の一方の対向する２辺の近傍内側の各々に設けられた孔を挿通する固定用ボルトとを備えた半導体モジュール用パッケージであって、上記枠体と接する上記蓋体の他方の２辺の中央部が山形状の凸部となっており、上記蓋体の孔を挿通させた固定ボルトを冷却器の雌ねじ部に捩じ込み、上記蓋体に荷重をかけて上記冷却器に取り付けられることを特徴とする半導体モジュール用パッケージ。

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