JP2009152505A - 半導体モジュールの実装構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体素子21を内蔵すると共に厚み方向の両面に電極22を露出させた半導体モジュール2を配線基板3に実装した、半導体モジュールの実装構造1。配線基板3は、接地電位となる接地配線31を、接地配線31の少なくとも一部が半導体モジュール2を搭載する搭載面301とは反対側の裏側面302に露出するように配設してなる。裏側面302へ露出した接地配線31の露出面311は、放熱体4に熱的に接触固定されている。半導体モジュール2は、配線基板3と対向する対向面201に露出した電極22sを、配線基板3に設けたスルーホール32を介して、接地配線31と接続している。
【選択図】図1
Description
従来より、かかる半導体素子は、一方の面に配された電極を放熱板に半田によって接合すると共に、他方の面を覆うような樹脂によって端子と共にモールドされた、半導体モジュールの状態で装置内に組み付けられるものがある(非特許文献1のp.165、図1参照)。このとき、放熱板を、熱伝導性を有する接着剤等によって放熱部材に密着配置することにより、半導体素子の放熱を行っている。
そこで、半導体素子の両面から放熱を可能とすべく、両面に電極を露出させた半導体モジュールが開発されている(非特許文献1のp.167、図5参照)。
上記配線基板は、接地電位となる接地配線を、該接地配線の少なくとも一部が上記半導体モジュールを搭載する搭載面とは反対側の裏側面に露出するように配設してなり、また、上記裏側面へ露出した上記接地配線の露出面は、放熱体に熱的に接触固定されており、
上記半導体モジュールは、上記配線基板と対向する対向面に露出した電極を、上記配線基板に設けたスルーホールを介して、上記接地配線と接続していることを特徴とする半導体モジュールの実装構造にある(請求項1)。
上記半導体モジュールは、厚み方向の両面に電極を露出させている。そして、上記対向面に露出した電極を、上記接地配線に接続し、該接地配線は上記配線基板の裏側面に配された放熱体に熱的に接触している。そのため、上記半導体モジュールは、上記対向面側からは、上記接地配線及び放熱体を介して放熱することができる。また、上記対向面とは反対側の背面側には、配線基板が配設されているわけではないので、そのまま空気中に放熱することもできるし、例えば、放熱部材を接触させて放熱することも可能となる。
このように、本発明の半導体モジュールの実装構造は、上記半導体モジュールの両面からの放熱を可能とし、放熱効率を向上させることができる。
この場合には、上記負極側電極を上記接地配線に接続することとなる。これにより、上記半導体モジュールが一部を構成する電気回路の安定性を確保することができる。
また、負側電極を接地配線に直接接続できるので、接地配線と放熱体との間に、一般に熱抵抗が大きい絶縁部材を介在させる必要がなく、接地配線と放熱体との間の熱抵抗を大幅に低減でき放熱効率を格段に改善することができる。
この場合には、上記半導体モジュールの熱を、上記接地配線を介して、一層効率的に放出することができる。
この場合には、断面積の大きい上記接地配線を容易に上記配線基板の裏側面に配置することができると共に、上記スルーホールにおける電気的導通手段を容易に形成することができる。
この場合にも、断面積の大きい上記接地配線を容易に上記配線基板の裏側面に配置することができる。
この場合には、上記半導体モジュールにおける背面に露出した電極を、上記配線パターンに容易に接続することができる。
この場合には、上記ソース端子を上記接地配線に接続することとなり、電気的安定性を確保することができる。
また、ソース端子を接地配線に直接接続できるので、接地配線と放熱体との間に、一般に熱抵抗が大きい絶縁部材を介在させる必要がなく、接地配線と放熱体との間の熱抵抗を大幅に低減でき放熱効率を格段に改善することができる。
この場合には、上記配線基板における高密度配線を可能とし、配線基板の小型化を図ることができる。
この場合には、上記配線基板を積層配線板とする必要がないため、製造が容易となる。また、フィルム状の絶縁基板を用いて上記配線基板を構成することが可能となる。
この場合には、上記半導体モジュールの背面に露出した電極からも、上記半導体モジュールを効率的に放熱することができるため、一層放熱効率に優れた実装構造を得ることができる。
この場合には、上記弾性部材によって上記搭載面と上記背面放熱板との間の空間を弾性的に確保し、上記背面放熱体と上記半導体モジュールの背面との間の接触を確保しつつ、半導体モジュールに過大な荷重がかかることを抑制することができる。
この場合には、上記半導体モジュールの背面に露出した電極と上記筐体との間の電気的絶縁を図りつつ、筐体の内部に上記半導体モジュールを安定して保持することができる。
この場合には、上記弾性部材による緩衝作用によって、上記半導体モジュールに過大な荷重がかかることを防ぐことができる。
この場合には、本発明の効果を充分に発揮することができる。特に、半導体モジュールの負極側電極を上記対向面に露出させる構成とすることにより、電力変換回路における負極ラインに接続される電極の放熱性を向上させることができ、また、この負極ラインを接地しやすい構成とすることができる。
この場合には、上記DC−DCコンバータにおいて高温となりやすい半導体モジュールの放熱を効率的に行うことができる。
この場合には、上記インバータにおいて高温となりやすい半導体モジュールの放熱を効率的に行うことができる。
この場合には、本発明の効果を充分に発揮することができる。
すなわち、上記の構成のモータ駆動回路においては、負側にオフセットされた電流が流れるため、インバータにおけるローサイド側のスイッチング素子に、より大きい電流が流れることとなる。そのため、ローサイド側のスイッチング素子を構成する半導体モジュールを本発明の実装構造とすることにより、特に本発明の効果を発揮することができる。
本発明の実施例に係る半導体モジュールの実装構造につき、図1〜図7を用いて説明する。
本例の半導体モジュールの実装構造1は、図1〜図4に示すごとく、半導体素子21を内蔵すると共に厚み方向の両面に電極22を露出させた半導体モジュール2を配線基板3に実装した構造である。
配線基板3の裏側面302は、その全面が、接地配線31の露出面311によって構成されている。
上記導体板310(接地配線31)は、例えば、1〜2mmの厚みを有する。
より具体的には、半導体素子21は、電界効果トランジスタであって、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)からなる。そして、図4に示すごとく、半導体モジュール2の対向面201に露出した電極22sは半導体素子21のソース端子であり、その反対側の背面202に露出した電極22dは半導体素子21のドレイン端子に接続されている。また、半導体モジュール2の対向面201には、半導体素子21のゲート端子となる電極22gも露出している。すなわち、図3、図4に示すごとく、半導体モジュール2に内蔵された半導体素子21は、厚み方向の一方の面(対向面201)に、ソース端子となる電極22sと、ゲート端子となる電極22gとを有する。
このように構成された半導体素子21、導通部材23、及び半田24によって、一つの半導体モジュール2が構成されている。
第1配線パターン34及び第2配線パターン35は、例えば銅メッキにより形成してなる。
そして、これらのソース用パッド部314、ゲート用パッド部351、ドレイン用パッド部341に、それぞれ、ソース端子の電極22s、ゲート端子の電極22g、ドレイン端子の電極22dを半田14にて接合して、半導体モジュール2を配線基板3に実装している。
上記半導体モジュール2は、厚み方向の両面に電極22を露出させている。そして、対向面201に露出した電極22sを、接地配線31に接続し、接地配線31は配線基板3の裏側面302に配された放熱体4に熱的に接触している。そのため、半導体モジュール2は、対向面201側からは、接地配線31及び放熱体4を介して放熱することができる。また、対向面201とは反対側の背面202側には、配線基板3が配設されているわけではないので、そのまま空気中に放熱することもできるし、例えば、放熱部材を接触させて放熱することも可能となる。
このように、本発明の半導体モジュールの実装構造1は、半導体モジュール2の両面からの放熱を可能とし、放熱効率を向上させることができる。
また、接地配線31は、図6(A)に示すごとく、一方の面313に凸部312が形成された導体板310によって構成されており、絶縁基板33に設けたスルーホール32に凸部312を嵌入させると共に、絶縁基板33の裏側面332に導体板310の一方の面313を接合することにより、配線基板3を構成してある。これにより、断面積の大きい接地配線31を容易に配線基板3の裏側面302に配置することができると共に、スルーホール32における電気的導通手段を容易に形成することができる。
また、配線基板3は、搭載面301に、ドレイン端子(電極22d)に接続される第1配線パターン34を形成してなり、絶縁基板33の内部に、スルーホール320を介してゲート端子(電極22g)に接続される第2配線パターン35が形成されている。これにより、配線基板3における高密度配線を可能とし、配線基板3の小型化を図ることができる。
本例は、図8、図9に示すごとく、搭載面301に第1配線パターン34及び第2配線パターン35を形成してなると共にスルーホール32を設けたフィルム状の絶縁基板33を用いて配線基板3を構成した例である。
また、配線基板3は、導体板310の表面に接着すると共に、スルーホール32内における導体321を導体板310に接続してなる。
その他は、実施例1と同様である。
また、本例の場合には、配線基板3を積層配線板とする必要がないため、製造が容易となる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
本例は、図10に示すごとく、半導体モジュール2の背面202に露出した電極22dが、放熱フィン41を設けた背面放熱体40に熱的に接触配置されている例である。
背面放熱体40は、例えば、アルミニウム又はその合金等からなり、半導体モジュール2の背面202との接触面と反対側の面に、凹凸状の放熱フィン41を設けてなる。
その他は、実施例2と同様である。
その他、実施例2と同様の作用効果を有する。
本例は、図11に示すごとく、配線基板3の搭載面301と背面放熱体40との間に弾性スペーサ42が介在している例である。
弾性スペーサ42は、銅やアルミニウム等の金属板を、図11に示すごとく、断面Z字状に形成することにより、搭載面301と直交する方向に弾性変形可能なバネ体としたものである。すなわち、弾性スペーサ42は、互いに平行に配置される脚部421及び支承部422と、これらに対して傾斜した状態で脚部421と支承部422とを連結する連結部423とからなる。
また、弾性スペーサ42は、配線基板3と背面放熱体40との間を広げる方向へ付勢された状態で、両者の間に介在している。
その他は、実施例3と同様である。
その他、実施例3と同様の作用効果を有する。
本例は、図12に示すごとく、半導体モジュール2の背面202とインバータの筐体55の内側面551との間に絶縁部材13を介在させ、半導体モジュール2が絶縁部材13を介して配線基板3へ向かって押圧されている例である。
絶縁部材13は、例えばシリコンの薄膜シート等の熱伝導性に優れた弾性部材からなる。
また、筐体55は、アルミニウム等の金属からなる。
その他は、実施例2と同様である。
その他、実施例2と同様の作用効果を有する。
本例は、図13に示すごとく、半導体モジュール2の背面202と筐体55との間に、絶縁部材130と弾性部材43とを介在させた例である。
すなわち、筐体55の内側面551に、セラミック板からなる絶縁部材130を密着配置し、該絶縁部材130における筐体55とは反対側の面と、半導体モジュール2の背面202との間に、断面略Z字状の弾性部材43を介在させている。そして、弾性部材43は、絶縁部材130と半導体モジュール2との間を広げる方向へ付勢されている。
絶縁部材130を構成するセラミック板は、例えばアルミナ等の熱伝導性に優れたものからなる。また、弾性部材43は、アルミニウムや銅などの金属からなる。
その他は、実施例5と同様である。
その他、実施例5と同様の作用効果を有する。
本例は、図14に示すインバータ5のスイッチング素子52の搭載構造に適用した例である。
上記インバータ5は、ブラシレスモータ51における星型結線された複数の固定子巻線51u、51v、51wの中性点512に、直流電源53の正極を接続し、該直流電源53の負極をインバータ5の負極ライン54Nに接続した構成のモータ駆動回路50に組み込まれている。また、正極ライン54Pと負極ライン54Nとの間には、コンデンサ56が接続され、コンデンサ56は、ブラシレスモータ51の固定子巻線51u、51v、51wの何れかと共に、昇圧回路の一部を構成する。
かかる構成のインバータは、例えば特開平10−337047号公報に開示されている。
その他は、実施例1と同様である。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
本例は、図15に示すインバータ5のスイッチング素子52の搭載構造に適用した例である。
上記インバータ5は、直流電源53との間に配される昇圧部6を有するモータ駆動回路500に組み込まれている。昇圧部6は、直流電源53の正極とインバータ5の正極ライン54Pとの間に第1コイル611を接続し、直流電源53の負極とインバータ5の負極ライン54Nとの間に第2コイル612を接続している。そして、第1コイル611における直流電源53側の端子と第2コイル612におけるインバータ5側の端子との間に第1コンデンサ621を接続し、第1コイル611におけるインバータ5側の端子と第2コイル612における直流電源53側の端子との間に第2コンデンサ622を接続している。
また、直流電源53の正極と第1コイル611との間には、電流の逆流を防ぐべくダイオード57が接続されている。
その他は、実施例1と同様である。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
また、上記実施例1〜8においては、半導体素子21として、MOSFETを用いる例を示したが、半導体素子21として、例えば、IGBT等のバイポーラトランジスタを用いることもできる。かかる場合には、エミッタ端子が半導体モジュール2における対向面201に露出し、コレクタ端子が背面202に露出する構成とすることが好ましい。
2 半導体モジュール
201 対向面
202 背面
21 半導体素子
22、22s、22d、22g 電極
3 配線基板
301 搭載面
302 裏側面
31 接地配線
311 露出面
32 スルーホール
4 放熱体
Claims (18)
- 半導体素子を内蔵すると共に厚み方向の両面に電極を露出させた半導体モジュールを配線基板に実装した構造であって、
上記配線基板は、接地電位となる接地配線を、該接地配線の少なくとも一部が上記半導体モジュールを搭載する搭載面とは反対側の裏側面に露出するように配設してなり、また、上記裏側面へ露出した上記接地配線の露出面は、放熱体に熱的に接触固定されており、
上記半導体モジュールは、上記配線基板と対向する対向面に露出した電極を、上記配線基板に設けたスルーホールを介して、上記接地配線と接続していることを特徴とする半導体モジュールの実装構造。 - 請求項1において、上記半導体モジュールの上記対向面に露出した電極は、負極側電極であることを特徴とする半導体モジュールの実装構造。
- 請求項1又は2において、上記配線基板の裏側面は、その全面が、上記接地配線の上記露出面によって構成されていることを特徴とする半導体モジュールの実装構造。
- 請求項1〜3のいずれか一項において、上記接地配線は、導体板によって構成されており、該導体板における一方の面には凸部が形成されており、上記配線基板を構成する絶縁基板に設けた上記スルーホールに上記凸部を嵌入させると共に、上記絶縁基板の裏側面に上記導体板の上記一方の面を接合することにより、上記配線基板を構成してあることを特徴とする半導体モジュールの実装構造。
- 請求項1〜3のいずれか一項において、上記配線基板は、上記搭載面に配線パターンを形成してなると共にスルーホールを設けたフィルム状の絶縁基板を、導体板の表面に接着すると共に、上記スルーホール内における導体を上記導体板に接続してなることを特徴とする半導体モジュールの実装構造。
- 請求項1〜5のいずれか一項において、上記半導体モジュールにおける上記対向面と反対側の背面に露出した電極は、導通部材を介して上記配線基板に設けた非接地の配線パターンに接続されていることを特徴とする半導体モジュールの実装構造。
- 請求項1〜6のいずれか一項において、上記半導体素子は、電界効果トランジスタであって、上記対向面に露出した電極はソース端子であり、その反対側の背面に露出した電極はドレイン端子であることを特徴とする半導体モジュールの実装構造。
- 請求項7において、上記配線基板は、上記搭載面に、上記ドレイン端子に接続される第1配線パターンを形成してなり、上記配線基板を構成する絶縁基板の内部に、スルーホールを介してゲート端子に接続される第2配線パターンが形成されていることを特徴とする半導体モジュールの実装構造。
- 請求項7において、上記配線基板は、上記搭載面に、上記ドレイン端子に接続される第1配線パターンと、ゲート端子に接続される第2配線パターンとが形成されていることを特徴とする半導体モジュールの実装構造。
- 請求項1〜9のいずれか一項において、上記半導体モジュールの上記対向面と反対側の背面に露出した電極は、放熱フィンを設けた背面放熱体に熱的に接触配置されていることを特徴とする半導体モジュールの実装構造。
- 請求項10において、上記配線基板の上記搭載面と、上記背面放熱体との間には、弾性スペーサが介在していることを特徴とする半導体モジュールの実装構造。
- 請求項1〜9のいずれか一項において、上記半導体モジュールの上記対向面と反対側の背面と、上記半導体モジュールを搭載した上記配線基板を構成要素として有する装置の筐体の内側面との間には絶縁部材が介在し、上記半導体モジュールは上記絶縁部材を介して上記配線基板へ向かって押圧されていることを特徴とする半導体モジュールの実装構造。
- 請求項12において、上記半導体モジュールの上記背面と、上記絶縁部材との間には、弾性部材が介在していることを特徴とする半導体モジュールの実装構造。
- 請求項1〜13のいずれか一項において、上記半導体素子は、電力変換装置のスイッチング素子であって、電力変換回路におけるローサイド側に配線されるものであることを特徴とする半導体モジュールの実装構造。
- 請求項14において、上記電力変換装置は、自動車の補機の電力を供給するためのDC−DCコンバータであることを特徴とする半導体モジュールの実装構造。
- 請求項14において、上記電力変換装置は、ブラシレスモータを駆動するためのインバータであることを特徴とする半導体モジュールの実装構造。
- 請求項16において、上記インバータは、上記ブラシレスモータにおける星型結線された複数の固定子巻線の中性点に、直流電源の正極を接続し、該直流電源の負極を上記インバータの負極ラインに接続した構成のモータ駆動回路に組み込まれていることを特徴とする半導体モジュールの実装構造。
- 請求項16において、上記インバータは、該インバータと直流電源との間に配される昇圧部を有するモータ駆動回路に組み込まれ、上記昇圧部は、上記直流電源の正極と上記インバータの正極ラインとの間に第1コイルを接続し、上記直流電源の負極と上記インバータの負極ラインとの間に第2コイルを接続し、上記第1コイルにおける上記直流電源側の端子と上記第2コイルにおける上記インバータ側の端子との間に第1コンデンサを接続し、上記第1コイルにおける上記インバータ側の端子と上記第2コイルにおける上記直流電源側の端子との間に第2コンデンサを接続してなることを特徴とする半導体モジュールの実装構造。
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