JP2010251427A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】複数の半導体チップを積層した積層半導体の熱を効率よく排熱できる半導体モジュールを提供することを課題とする。
【解決手段】中継基板６に実装された積層半導体２の上面２Ｔｓに第１熱伝導性部材１４を介して接続される平板状の第１ヒートスプレッダ１３と、中継基板６に第２熱伝導性部材１５を介して接続される第２ヒートスプレッダ１２と、を備える半導体モジュール１とする。
中継基板６の基板面積は、積層半導体２の下面２Ｂｓの面積より広く、第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓは、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと略同一平面に形成される。そして、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓに第３熱伝導性部材１６を介してヒートシンク１７が接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールに関するものである。

シリコン基板に回路パターンが焼き付けられてなる半導体チップから形成される半導体素子を備える半導体モジュールは広く使用されているが、近年、半導体チップを積層して形成される積層半導体を半導体素子として備えた半導体モジュールが知られている（例えば、非特許文献１）。
積層半導体は、複数の半導体チップが上下方向（厚み方向）に３次元的に積層されてなり、ベースとなる中継基板に積層半導体が実装されて半導体モジュールを構成する。
また、個々の半導体チップは、回路パターンが形成されるデバイス層と、半導体チップを積層したときに互いの半導体チップ間で電気的接続を実現する接続層と、がシリコン基板に形成されてなる。

半導体チップを上下方向に積層する積層半導体において、デバイス層はシリコン基板の下方に形成されるとともに、デバイス層の下方には、下方に積層される他の半導体チップや最下部に配置される中継基板と電気的接続を実現するための接続層が、はんだバンプ等で形成される。
また、デバイス層から上方に延びる電極がシリコン基板を厚み方向に貫通してシリコン基板の上面に電気接点を形成し、上方に積層される半導体チップの接続層との電気的接続を実現する。

半導体チップは動作によって発熱するため、その熱を排熱するための構造が必要になり、例えば非特許文献２には、半導体チップを積層しないで単独で使用する場合に熱を外気に放熱する放熱構造が示されている。
例えば非特許文献２に示される放熱構造は、発熱量が大きい半導体チップや広い範囲で発熱する半導体チップに適用でき、シリコン基板の上方（デバイス層と反対の側）に、熱を拡散するためのヒートスプレッダが設けられ、半導体チップが発熱した熱を面方向に拡散する。そして、拡散した熱は、ヒートスプレッダのさらに上方に配設されるヒートシンクによって外気に放熱される。
ヒートスプレッダは、例えば下方が開口する凹型を呈し、凹部に半導体チップを収納するように中継基板に固定されて半導体チップを封止するように構成される。

また、特許文献１には、半導体チップの周囲に配置されるリング状部材に接着用テープ等で平板状のヒートスプレッダを固定し、リング状部材の中心部とヒートスプレッダによって形成される空間部に半導体チップを封止する構成が示されている。

非特許文献２、及び特許文献１に示されるヒートスプレッダは、半導体チップの上方の面を覆うように備わることから、個々の半導体チップにヒートスプレッダを備えた場合、半導体チップを積層することができないという問題がある。

例えば特許文献２には、積層する半導体チップの間を熱伝導性のアンダーフィルで充填して積層半導体の全体を放熱シートで覆って、さらに、その外側に配設されるヒートシンクによって外気に放熱する技術が開示されている。

特開２０００−３４９１７８号公報 特開２００６−２１０８９２号公報

Process integration of 3D Chip Stack with Vertical Interconnection, IEEE Electronic Components and Technology Conference 2004 (ECTC2004),2004, pp.601-609 Thermal Interface Material Technology Advancements and Challenges - an Overview, Proc. of IPACK2005,2005,pp.511-516

例えば、特許文献２に開示される放熱構造は、積層半導体の側面にヒートシンクを備えることで、積層半導体の側面からの放熱を促進できる。
しかしながら、半導体チップの電気的特性の向上等によって、例えば１００μｍ程度まで、積層半導体の厚みを薄くすることが可能になったため、厚みの薄い積層半導体では側面の面積が非常に小さくなって充分な放熱効果を得られないという問題がある。

また、積層半導体の上方にもヒートシンクを配設する構成とした場合、積層半導体の上方の面（上面）と側方の面（側面）の全てを同時にヒートシンクに接触させることは困難であり、積層半導体の上面と側面を同時にヒートシンクに接触させると半導体モジュールの各部に応力が発生する場合がある。
そして、応力の発生によって半導体モジュールの機械的強度に対する信頼性が低下するという問題がある。

また、アルミニウムや銅で形成されるヒートシンクは、シリコン基板より熱膨張係数が大きく、温度上昇による膨張でヒートシンクと積層半導体の接触が離れて放熱効果が低下するという問題がある。

例えば、非特許文献２、特許文献１に示されるヒートスプレッダで積層半導体の全体を覆って放熱構造を構成することは可能である。
このように構成すると、積層半導体の上面からヒートスプレッダに熱を伝熱する構成となるため、積層半導体の個々の半導体チップに発生する熱は、上方に積層される半導体チップを通過する必要がある。そのため、上方に積層される半導体チップが、下方の半導体チップに対する熱抵抗となって、下方の半導体チップが排熱しにくくなる。
したがって、積層半導体に、例えば、非特許文献２、特許文献１に示されるヒートスプレッダを備えた場合であっても、充分な排熱効果が得られないという問題がある。

そこで本発明は、複数の半導体チップを積層した積層半導体の熱を効率よく排熱できる半導体モジュールを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、複数の半導体チップが上下方向に積層された積層半導体の上面に第１ヒートスプレッダを接続するとともに積層半導体が実装される基板に第２ヒートスプレッダを接続し、さらに、第１ヒートスプレッダの上面と第２ヒートスプレッダの上面にヒートシンクを接続する半導体モジュールとする。

本発明によると、複数の半導体チップを積層した積層半導体の熱を効率よく排熱できる半導体モジュールを提供できる。

(ａ)は、本実施形態に係る半導体モジュールの断面図、（ｂ）は、積層半導体に積層される半導体チップの構成を示す図である。 （ａ）は、ヒートシンクの別の形態を示す図、（ｂ）は、接続層が形成される第１ヒートスプレッダを示す図である。 変形例１に係る半導体モジュールの断面図であって、（ａ）は、変形領域を有するヒートシンクを示す図、（ｂ）は、ヒートシンクの変形部が変形した状態を示す図である。 変形例２に係る半導体モジュールの断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。
図１の（ａ）に示すように、本実施形態に係る半導体モジュール１には、例えば６つの半導体チップ２ａ〜２ｆが積層された積層半導体２が、半導体素子として中継基板（基板）６に実装されている。
中継基板６は、半導体モジュール１を組み込む機器に備わる外部の基板ＰＷＢ（Printed Wiring Board）と半導体モジュール１を電気的に接続し、外部の基板ＰＷＢの電気信号を積層半導体２に中継する基板である。

半導体モジュール１の積層半導体２を構成する複数の半導体チップ２ａ〜２ｆは、上下方向に積層される。
以下、半導体チップ２ａ〜２ｆが積層する方向を上下方向とし、半導体チップ２ｆの側を上方、中継基板６の側を下方とする。そして、積層半導体２など、半導体モジュール１を構成する各要素については、上方の面を上面、下方の面を下面とし、上面と下面の間の面を側面とする。
また、上下方向を厚み方向と称する場合もある。

積層半導体２は、例えば矩形の平板状を呈する半導体チップ２ａ〜２ｆを積層して形成され、略直方体形状を呈している。
なお、図１の（ａ）に示す積層半導体２は、横方向（上下方向と直交する方向）に比べて上下方向（厚み方向）が拡大されて示されている。積層半導体２の実際の大きさは、例えば、上面２Ｔｓ（積層半導体の上面）が一辺数ｍｍ〜２０ｍｍ程度の矩形で、厚さが１００μｍ程度である。
また、図１の（ａ）には、６つの半導体チップ２ａ〜２ｆが積層された６層の積層半導体２が示されているが、積層半導体２を構成する半導体チップの数は限定されない。

図１の（ｂ）に示すように、半導体チップ２ａは、例えばシリコンウェハから切り出されてシリコンを素材とするシリコン基板２０に、図示しない回路パターンが形成されるデバイス層２１と、半導体チップ２ａを積層したときに他の半導体チップとの電気的接続を実現する接続層２２と、が形成されてなる。
デバイス層２１はシリコン基板２０の片側の面に形成され、接続層２２は、デバイス層２１と同じ側に、デバイス層２１に接して形成される。
また、デバイス層２１から、シリコン基板２０を厚み方向に貫通するように電極２３が配設され、シリコン基板２０の、デバイス層２１と反対側の面に図示しない電気接点を形成する。

なお、図１の（ａ）に示す半導体チップ２ｂ〜２ｆは、図１の（ｂ）に示す半導体チップ２ａと同様に、シリコン基板２０、デバイス層２１、接続層２２、及び電極２３を含んで構成される。

図１の（ａ）に示すように、半導体チップ２ａの上方に半導体チップ２ｂを積層する場合、下方の半導体チップ２ａのシリコン基板２０（図１の（ｂ）参照）に、上方の半導体チップ２ｂの接続層２２（図１の（ｂ）参照）が接するように積層する。
接続層２２は、例えば、はんだバンプで形成されて導電性を有し、上方に積層される半導体チップ２ｂの接続層２２が、下方の半導体チップ２ａの電極２３（図１の（ｂ）参照）で形成される図示しない電気接点と接するように構成することで、半導体チップ２ａと半導体チップ２ｂを電気的に接続することができる。

なお、最も下部に積層される半導体チップ２ａの接続層２２（図１の（ｂ）参照）は、中継基板６の図示しない電気接点と接して、半導体チップ２ａと中継基板６を電気的に接続する。

積層半導体２の最上部に積層される半導体チップ２ｆの上方には、第１熱伝導性部材１４を介して第１ヒートスプレッダ１３が接続される。すなわち、積層半導体２の上面２Ｔｓに第１ヒートスプレッダ１３が接続される。
第１ヒートスプレッダ１３は、例えば、薄い平板状に形成されて平面形状は矩形を呈する。そして、第１ヒートスプレッダ１３の平面の面積を、積層半導体２の上面２Ｔｓの面積より広く形成し、第１ヒートスプレッダ１３が積層半導体２の上面２Ｔｓを全面に亘って覆うように配設される構成が好適である。

なお、第１ヒートスプレッダ１３の平面形状は矩形に限定されず、他の形状（例えば円形）であってもよい。

また、積層半導体２の周囲を取り囲むように、第２ヒートスプレッダ１２が配設される。本実施形態においては、中継基板６の基板面積を、積層半導体２が中継基板６と接する下面２Ｂｓ（積層半導体の下面）の面積より広くして、積層半導体２の周囲に広がる中継基盤６に、第２熱伝導性部材１５を介して第２ヒートスプレッダ１２を接続する。
なお、本実施形態においては、最も下部に積層される半導体チップ２ａの接続層２２（図１の（ｂ）参照）が、積層半導体２の下面２Ｂｓになる。

第２ヒートスプレッダ１２は、積層半導体２の側面とわずかな隙間をもって積層半導体２の周囲に壁状に起立する。第２ヒートスプレッダ１２の上面（伝熱面１２Ｔｓ）は平面に形成され、上方は周囲に向って広がってフランジ部１２ｂが形成される。そしてフランジ部１２ｂの中央部分は伝熱面１２Ｔｓが凹んで、第１ヒートスプレッダ１３が嵌り込む凹部１２ａが形成される。
第１ヒートスプレッダ１３が第２ヒートスプレッダ１２の凹部１２ａに嵌り込むように構成することで、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓを略同一平面に構成できる。

後記するように、第２ヒートスプレッダ１２の上面はヒートシンク１７に熱を伝熱する伝熱面１２Ｔｓになる。そして、第２ヒートスプレッダ１２には、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと略同一平面の伝熱面１２Ｔｓが形成される。

また、第１ヒートスプレッダ１３と第２ヒートスプレッダ１２の間にはわずかな間隙が形成されて、第１ヒートスプレッダ１３と第２ヒートスプレッダ１２は非接触に配設される。
そして、第１ヒートスプレッダ１３の周囲には封止材１８が備わる。封止材１８は、第１ヒートスプレッダ１３と第２ヒートスプレッダ１２の間の間隙を封じ、第１ヒートスプレッダ１３と第２ヒートスプレッダ１２で形成される空間に封止される積層半導体２を外気から隔離する。

そして、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓの全面に亘り、第３熱伝導性部材１６を介しヒートシンク１７が接続され、ヒートシンク１７には、第１ヒートスプレッダ１３の熱が上面１３Ｔｓを介して伝熱されるとともに、第２ヒートスプレッダ１２の熱が伝熱面１２Ｔｓを介して伝熱される。
前記したように、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓは略同一平面に構成されることから、ヒートシンク１７の下面１７Ｂｓは平面に形成することができ、ヒートシンク１７の形状を単純にできる。ひいては、ヒートシンク１７の製造コストを下げることができる。

また、第１熱伝導性部材１４、第２熱伝導性部材１５、第３熱伝導性部材１６として、熱伝導率の高い、熱伝導グリース、熱伝導性樹脂、或いは、はんだ、錫、銀、インジウムなどの金属材料などの部材が使用されるが、例えば、第３熱伝導性部材１６として、柔軟性の高い部材を使用すると、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓに微小な段差が生じる場合であっても、微小な段差を第３熱伝導性部材１６の変形で吸収することができる。

また、第３熱伝導性部材１６として柔軟性の高い部材を使用することで、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓに微小な段差が生じる場合であっても、積層半導体２等、半導体モジュール１の各部に応力が発生することを抑制できる。
半導体モジュール１の各部に応力が発生すると、機械的強度に対する信頼性が低下することから、応力の発生を抑制することで、半導体モジュール１の信頼性を向上できる。

ヒートシンク１７の形状は限定するものではなく、例えば図示しない冷却ファンで、複数の放熱フィン１７ａに冷却空気を送風して、伝熱された熱を外気に放熱する構造であっればよい。

または、図２の（ａ）に示すように、流路１７０ａに冷却用冷媒１７０ｂが流通するヒートシンク１７０が備わる半導体モジュール１であってもよい。ヒートシンク１７０に伝熱された熱は、流路１７０ａを流通する冷却用冷媒１７０ｂによって図示しない放熱器まで運ばれて外気に放熱される。
冷却用冷媒１７０ｂは図示しないポンプ等によって、図示しない放熱器とヒートシンク１７０を循環し、ヒートシンク１７０に伝熱された熱を図示しない放熱器まで運び、外気に放熱する。
冷却用冷媒１７０ｂは限定するものではなく、絶縁性の高い不活性冷媒、水、ポリエチレングリコール等の不凍液などである。

図１の（ａ）に示すように、第１ヒートスプレッダ１３は、第１熱伝導性部材１４を介して積層半導体２（半導体チップ２ｆ）と接続し、積層半導体２に発生する熱は第１熱伝導性部材１４を介して第１ヒートスプレッダ１３に伝熱される。
第１ヒートスプレッダ１３の平面は、積層半導体２の上面２Ｔｓより広い面積に形成されることから、第１ヒートスプレッダ１３に伝熱された熱は面方向に拡散し、単位面積当たりの熱量が小さくなる。すなわち、熱流束（単位面積あたりの熱の通過量）が小さくなる。
この構成によって、積層半導体２から第１ヒートスプレッダ１３に伝熱される熱を、積層半導体２の上面２Ｔｓの面積より広い面積に拡散できる。

この効果を向上するため、第１ヒートスプレッダ１３は、熱が平面に拡散する方向の熱伝導率が高いことが好適である。
また、第１ヒートスプレッダ１３は、積層半導体２を構成する半導体チップ２ａ〜２ｆのシリコン基板２０（図１の（ｂ）参照）と近い熱膨張係数を有することが、さらに好適である。

半導体モジュール１が動作すると積層半導体２を構成する半導体チップ２ａ〜２ｆは発熱してシリコン基板２０（図１の（ｂ）参照）が膨張する。
このとき、第１ヒートスプレッダ１３の熱膨張係数と半導体チップ２ａ〜２ｆのシリコン基板２０の熱膨張係数に差があると、第１ヒートスプレッダ１３と積層半導体２の膨張量が異なる。

例えば、第１熱伝導性部材１４として柔軟性の高い部材を使用すると、第１ヒートスプレッダ１３と積層半導体２の膨張量の差を第１熱伝導性部材１４の変形で吸収できる。
また、第１熱伝導性部材１４として、はんだ、錫、銀、インジウムなど金属材料を使用した場合、５０Ｗ／ｍＫと高い熱伝導率を得ることができる。

半導体チップ２ａ〜２ｆのシリコン基板２０（図１の（ｂ）参照）と近い熱膨張係数の素材で第１ヒートスプレッダ１３を形成すると、熱による第１ヒートスプレッダ１３の膨張量を積層半導体２の膨張量と略同等にすることができる。したがって、第１熱伝導性部材１４の変形で、第１ヒートスプレッダ１３と積層半導体２の変形量の差を吸収する必要がなくなる。ひいては、第１熱伝導性部材１４として、金属材料など、剛性が高く熱伝導率の高い部材を使用することができる。

第１熱伝導性部材１４として金属材料を使用した場合、積層半導体２から第１ヒートスプレッダ１３への伝熱における熱抵抗を低減することができ、積層半導体２から第１ヒートスプレッダ１３へ効率よく伝熱できる。
したがって、積層半導体２に発生する熱を効率よく排熱できる。

なお、シリコン基板２０（図１の（ｂ）参照）と熱膨張係数が近く熱伝導率の高い素材として、ＳｉＣ（炭化けい素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、銅やアルミニウムとカーボン系素材（黒鉛など）の複合素材があり、これらの素材を使用して第１ヒートスプレッダ１３を形成すればよい。
また、シリコン基板２０と同じシリコンを素材として第１ヒートスプレッダ１３を形成してもよい。

中継基板６は、前記したように、外部の基板ＰＷＢと半導体モジュール１を電気的に接続して、基板ＰＷＢの電気信号を積層半導体２に中継する基板であるが、本実施形態においては、積層半導体２に発生する熱を面方向に拡散させるヒートスプレッダとしての機能も有する。
中継基板６の基板面積は積層半導体２の下面２Ｂｓの面積より大きく形成され、積層半導体２に発生した熱は、下面２Ｂｓから中継基板６に伝熱されて中継基板６の面方向に拡散する。この構成によって、第１ヒートスプレッダ１３と同様に熱流束を小さくできる。

この効果を向上するため、中継基板６は、外部の基板ＰＷＢの電気信号を積層半導体２に中継する電極を形成可能であることに加え、熱が平面に拡散する方向の熱伝導率が高いことが好適である。
さらに、中継基板６は、第１ヒートスプレッダ１３と同じ理由によって、半導体チップ２ａ〜２ｆのシリコン基板２０（図１の（ｂ）参照）の熱膨張係数と略同等の熱膨張係数を有することが好適である。

また、中継基板６の厚みを厚くすると、中継基板６を熱が拡散するときの抵抗を低減することができ、積層半導体２から伝熱された熱を効率よく拡散できる。したがって、中継基板６の厚みは、例えば半導体チップ２ａのシリコン基板２０（図１の（ｂ）参照）の厚みより厚いことが好適である。

さらに、中継基板６の厚みを厚くすると、中継基板６の機械的強度を高めることができる。したがって、第１ヒートスプレッダ１３と中継基板６で挟まれる積層半導体２の機械的強度を高めることができ、例えば、積層半導体２の反りの発生を好適に抑制できる。
積層半導体２に反りが発生すると、例えば、半導体チップ２ａ〜２ｆの電気的接続の信頼性が低下し、半導体モジュール１全体の信頼性が低下することから、積層半導体２の反りを抑制することで、半導体モジュール１の信頼性を向上できる。

以上のような性能を全て満たす中継基板６とするため、例えば、シリコン基板２０（図１の（ｂ）参照）と同じシリコンを中継基板６の素材とすればよい。
シリコンを素材とする中継基盤６は、電極の形成も容易であり熱伝導率も高い。また、中継基板６の熱膨張係数と半導体チップ２ａ（図１の（ａ）参照）のシリコン基板２０の熱膨張係数を同じにすることができ、膨張量の差を生じさせない。

さらに、中継基板６に形成する電極は、外部の基板ＰＷＢの電気信号を積層半導体２に中継する機能を有すればよく、半導体チップ２ａのシリコン基板２０（図１の（ｂ）参照）に形成する電極に比べ、その配線パターンを単純化できる。
シリコン基板２０に複雑な配線パターンの電極を配置する場合は厚みを薄くする必要があるが、単純な配線パターンの電極の中継基板６は厚みを厚くできる。

なお、中継基板６の素材をシリコンとする他、中継基板６として、ＡｌＮなどを素材とするセラミック基板を用いることもできる。

前記したように、第２ヒートスプレッダ１２は、積層半導体２の周囲に広がる中継基盤６に、第２熱伝導性部材１５を介して接続され、積層半導体２から中継基板６に伝熱されて拡散した熱を、伝熱面１２Ｔｓに接続するヒートシンク１７に、伝熱面１２Ｔｓを介して伝熱する。
また、第２ヒートスプレッダ１２は、中継基板６と略同等の熱膨張係数を有し、熱伝導率の高い素材で形成されることが好適である。
このように、中継基板６と略同等の熱膨張係数を有する素材で第２ヒートスプレッダ１２を形成すると、中継基板６と第２ヒートスプレッダ１２の熱による変形量を同等にすることができる。

すなわち、中継基板６と第２ヒートスプレッダ１２を接続する第２熱伝導性部材１５の変形で中継基板６と第２ヒートスプレッダ１２の変形量の差を吸収する必要がなくなり、例えば、第２熱伝導性部材１５として、金属材料のように剛性の高い部材を使用することができる。
第２熱伝導性部材１５として金属材料を使用した場合、中継基板６と第２ヒートスプレッダ１２の間の熱伝導率を高くすることができ、熱抵抗を低減できる。
したがって、中継基板６から第２ヒートスプレッダ１２へ効率よく伝熱できる。ひいては、積層半導体２から第２ヒートスプレッダ１２へ効率よく伝熱できることになり、積層半導体２に発生する熱を効率よく排熱できる。

中継基板６の素材をシリコンやＡｌＮとした場合、第２ヒートスプレッダ１２の素材として、ＳｉＣ、ＡｌＮ、銅やアルミニウムとカーボン系素材（黒鉛など）の複合素材が好適である。または、シリコンを素材とすることもできる。

また、第２ヒートスプレッダ１２は、中継基板６と接続する接続面１２Ｂｓの面積より、ヒートシンク１７と接続する伝熱面１２Ｔｓの面積が広くなる構成が好適である。
接続面１２Ｂｓから中継基板６を介して第２ヒートスプレッダ１２に伝熱された熱が、第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓに達したとき、伝熱面１２Ｔｓの面積が接続面１２Ｂｓの面積より広い場合は、熱が面方向に拡散するのと同じ効果を得ることができる。すなわち、伝熱面１２Ｔｓで熱流束を低減できる。そして、ヒートシンク１７と第２ヒートスプレッダ１２の間の熱抵抗を低減できる。

このため、図１の（ａ）に示すように、第２ヒートスプレッダ１２の上方に、周囲に広がるフランジ部１２ｂを形成して伝熱面１２Ｔｓの面積を広げる構成とする。
なお、図示はしないが、接続面１２Ｂｓから伝熱面１２Ｔｓに向って徐々に面積が広がるように、すなわち、側面がテーパ状に形成される第２ヒートスプレッダ１２であってもよい。

本実施形態に係る半導体モジュール１は、第１ヒートスプレッダ１３の平面の面積を積層半導体２の上面２Ｔｓの面積より大きく形成して、第１ヒートスプレッダ１３における熱流束を小さくするとともに、第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓの面積を接続面１２Ｂｓの面積より大きく形成して、第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓにおける熱流束を小さくした。
この構成によって、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓ及び第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓとヒートシンク１７を接続する第３熱伝導性部材１６の熱伝導率を小さくしても、第１ヒートスプレッダ１３及び第２ヒートスプレッダ１２からヒートシンク１７に効率よく伝熱できる。

例えば、熱伝導グリースは、はんだ等の金属より熱伝導率が小さいが柔軟性の高い熱伝導性部材になる。本実施形態に係る半導体モジュール１の積層半導体２は、第１ヒートスプレッダ１３及び第２ヒートスプレッダ１２とヒートシンク１７を接続する第３熱伝導性部材１６の熱伝導率が小さくてもヒートシンク１７に効率よく伝熱できることから、例えば、第３熱伝導性部材１６として熱伝導グリースを使用することができる。

そして、第３熱伝導性部材１６として、柔軟性の高い熱伝導グリースを使用することで、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓに段差が生じる場合であっても、積層半導体２等、半導体モジュール１の各部に応力を発生することなく、その段差を第３熱伝導性部材１６の変形で吸収できる。

また、第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓには、第３熱伝導性部材１６を介してヒートシンク１７が接続されることから、第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓまで伝熱した熱は、第３熱伝導性部材１６を介してヒートシンク１７に伝熱し、ヒートシンク１７から放熱される。
すなわち、積層半導体２の下面２Ｂｓから中継基板６に伝熱した熱は、第１ヒートスプレッダ１３を経由することなく、第２ヒートスプレッダ１２からヒートシンク１７に直接伝熱される。

この構成によると、第２ヒートスプレッダ１２から第１ヒートスプレッダ１３に熱が伝熱されなくても、第２ヒートスプレッダ１２からヒートシンク１７に伝熱できる。すなわち、第１ヒートスプレッダ１３と第２ヒートスプレッダ１２の間の間隙を封じている封止材１８を介して伝熱させる必要がなく、熱伝導率の高い素材で封止材１８を形成する必要がない。したがって、例えば樹脂系の素材で封止材１８を形成できる。

樹脂系の素材には柔軟性の高いものがあり、このように柔軟性の高い素材で封止材１８を形成することで、第１ヒートスプレッダ１３と第２ヒートスプレッダ１２に変形（位置ずれ）が発生しても、その変形を封止材１８の変形で吸収できる。
ひいては、第１ヒートスプレッダ１３と第１熱伝導性部材１４を介して接続する積層半導体２に、第１ヒートスプレッダ１３と第２ヒートスプレッダ１２の変形（位置ずれ）を伝達することを防止でき、半導体モジュール１の各部に応力が発生することを防止できる。

以上、本実施形態に係る半導体モジュール１は、図１の（ａ）に示すように、例えば６つの半導体チップ２ａ〜２ｆを積層した積層半導体２を中継基板６に実装する構成の半導体モジュール１とする。そして、中継基板６の基板面積を、積層半導体２の下面２Ｂｓの面積より大きくし、積層半導体２の周囲を取り囲むように備わる第２ヒートスプレッダ１２と中継基板６を第２熱伝導性部材１５を介して接続する。
また、積層半導体２の上方には、第１熱伝導性部材１４を介して第１ヒートスプレッダ１３を接続する。

そして、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓを略同一平面に構成し、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓの全面に亘り、第３熱伝導性部材１６を介してヒートシンク１７を接続する。

この構成によって、積層半導体２は上面２Ｔｓから第１熱伝導性部材１４を介して第１ヒートスプレッダ１３に熱を伝熱できるとともに、下面２Ｂｓから中継基板６と第２熱伝導性部材１５を介して第２ヒートスプレッダ１２に熱を伝熱できる。
そして、第１ヒートスプレッダ１３及び第２ヒートスプレッダ１２に伝熱した熱を、さらにヒートシンク１７に伝熱して外気に放熱できる。
すなわち、積層半導体２は、発生する熱を上面２Ｔｓと下面２Ｂｓの両面から排熱できることになり、積層半導体２の内部の温度上昇を好適に低減できるという優れた効果を奏する。

例えば、図１の（ｂ）に示すように構成される半導体チップ２ａが動作すると、主にデバイス層２１で発熱する。
単独の半導体チップ２ａからなる半導体素子の場合は、例えば、シリコン基板２０の、デバイス層２１と反対側の面に、図示しないヒートスプレッダと図示しないヒートシンクを接続し、デバイス層２１で発生した熱をシリコン基板２０を介してヒートスプレッダ及びヒートシンクに伝熱して放熱できる。

このように熱が伝熱する経路において、シリコン基板２０の熱伝導率は１００〜１５０Ｗ／ｍｋと比較的高く、図示しないヒートスプレッダ及び図示しないヒートシンクは熱伝導率の高い素材で形成されることから、シリコン基板２０、ヒートスプレッダ及びヒートシンクは熱抵抗にならず、半導体チップ２ａに発生する熱を効率よく排熱できる。

これに対し、図１の（ａ）に示すように、半導体チップ２ａ〜２ｆが積層してなる積層半導体２の場合、例えば、半導体チップ２ｂの下方に積層される半導体チップ２ａに発生する熱は、上方に積層される半導体チップ２ｂを通過して積層半導体２の上面２Ｔｓまで伝熱する。このとき、上方に積層される半導体チップ２ｂ（特に、デバイス層２１（図１の（ｂ）参照）や接続層２２（図１の（ｂ）参照））が熱抵抗になって、熱を上面２Ｔｓまで効率よく伝熱できず半導体チップ２ａの温度が上昇する。

接続層２２（図１の（ｂ）参照）は、通常微細なはんだバンプ、電極パッドから構成され、それぞれの材料の熱伝導率は比較的高い。しかしながら、はんだバンプや電極パッドは、半導体チップ２ａ（図１の（ｂ）参照）の面積に対して狭い領域にしか設けられないため、接続層２２の面積全体として考えた場合の有効な熱伝導率は、個々のはんだバンプ及び電極パッドの熱伝導率に比較して大幅に低下し、その結果として接続層２２は大きな熱抵抗となる。

デバイス層２１（図１の（ｂ）参照）は、図示しない多数の回路パターン、及び、各回路パターンを接続する内部配線が形成される図示しない配線層からなる。配線層は、回路パターンを互いに接続する内部配線及び半導体チップ（例えば半導体チップ２ａ、図１の（ｂ）参照）の信号を外部へ取り出すための配線パターンと、絶縁層と、が交互に複数積み重なった多層構造で形成されている。この絶縁層には、ＳｉＯ_２等の絶縁膜材料が用いられるが、絶縁膜材料の熱伝導率は非常に小さく、１Ｗ／ｍＫ前後の値である。さらに近年は、低誘電率の絶縁膜としてカーボンをドープしたＳｉＯ_２や、内部に空隙を備えた多孔質膜等の使用が進められており、絶縁膜の熱伝導率がさらに低下する傾向にある。従ってデバイス層２１が大きな熱抵抗となる。

このように、積層半導体２においては、上方に積層される半導体チップ（例えば、半導体チップ２ｂ）が、下方に積層される半導体チップ（例えば、半導体チップ２ａ）に対する熱抵抗になって下方に積層される半導体チップ（半導体チップ２ａ）の温度が上昇し、その結果、積層半導体２の内部の温度が上昇する。

例えば、積層半導体２の上面２Ｔｓにのみ第１ヒートスプレッダ１３とヒートシンク１７が備わる構成の半導体モジュール１の場合、下方に積層される半導体チップ（半導体チップ２ａ）に発生する熱は、上方に積層される半導体チップ２ｂ〜２ｆを伝熱して上面２Ｔｓに到達する必要がある。
しかしながら、熱が伝熱する経路は、半導体チップ２ｂ〜２ｆが熱抵抗となり、熱が効率よく伝熱しない。したがって、下方に積層される半導体チップ（半導体チップ２ａ）に発生する熱が効率よく排熱されず、積層半導体２の温度が上昇する。

本実施形態に係る半導体モジュール１は、前記したように、積層半導体２の上面２Ｔｓと下面２Ｂｓから排熱することができる。
すなわち、積層半導体２の下方に積層される半導体チップ（例えば、半導体チップ２ａ、半導体チップ２ｂ）に発生する熱も好適に排熱することができ、積層半導体２の内部の温度上昇を好適に低減できる。

また、本実施形態において、第１ヒートスプレッダ１３と第２ヒートスプレッダ１２は、それぞれ、ヒートシンク１７と直接接続される。したがって、積層半導体２から第１ヒートスプレッダ１３に伝熱した熱を直接ヒートシンク１７に伝熱できるとともに、積層半導体２から第２ヒートスプレッダ１２に伝熱した熱を直接ヒートシンク１７に伝熱できる。
複数の部材を介して伝熱する場合、部材と部材の接続点が熱抵抗になって伝熱の効率が低下するが、本実施形態においては、第１ヒートスプレッダ１３と第２ヒートスプレッダ１２が、それぞれ、ヒートシンク１７と直接接続することで熱抵抗を低減できる。

例えば、積層半導体２の熱が中継基板６、第２ヒートスプレッダ１２を伝熱する経路であっても熱抵抗を小さくすることができ、ヒートシンク１７に効率よく伝熱できる。したがって、積層半導体２の下面２Ｂｓからも効率よく排熱できる。
このように、積層半導体２の上面２Ｔｓから第１ヒートスプレッダ１３に伝熱した熱と積層半導体２の下面２Ｂｓから第２ヒートスプレッダ１２に伝熱した熱を効率よくヒートシンク１７に伝熱でき、積層半導体２に発生する熱を効率よく排熱できる。

また、第１ヒートスプレッダ１３は積層半導体２の上面２Ｔｓに第１熱伝導性部材１４を介して接続されるが、中継基板６に接続される第２ヒートスプレッダ１２は積層半導体２と直接接続されない構成である。したがって、例えば積層半導体２の上下方向の長さ（厚み）がばらついても、第２ヒートスプレッダ１２で押さえ込まれることがない。

例えば、積層半導体２が高くなる方向にばらつき、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓに段差が生じることがあっても、第２ヒートスプレッダ１２が積層半導体２を押さえ込むことがない。したがって、積層半導体２や第２ヒートスプレッダ１２に応力が発生しない。

また、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓに段差が生じる場合であっても、第１ヒートスプレッダ１３及び第２ヒートスプレッダ１２とヒートシンク１７を、熱伝導グリースなど柔軟性の高い第３熱伝導性部材１６で接続することで段差を吸収できる。この構成によって、積層半導体２等、半導体モジュール１の各部に応力を発生させることなく、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓに生じる段差を吸収できる。

さらに、第１ヒートスプレッダ１３と半導体チップ２ｆのシリコン基板２０（図１の（ｂ）参照）の熱膨張係数を略同等とすることで、積層半導体２と第１ヒートスプレッダ１３を接続する第１熱伝導性部材１４として、熱伝導率の高い金属材料を使用することができる。
したがって、積層半導体２に発生する熱を効率よく第１ヒートスプレッダ１３に伝熱できる。
また、中継基板６とシリコン基板２０の熱膨張係数を略同等とすることで、中継基板６と第２ヒートスプレッダ１２を接続する第２熱伝導性部材１５として、熱伝導率の高い金属材料を使用することができる。
したがって、中継基板６の熱を効率よく第２ヒートスプレッダ１２に伝熱でき、ひいては、積層半導体２に発生する熱を下面２Ｂｓから効率よく第２ヒートスプレッダ１２に伝熱できる。
このように、第１熱伝導性部材１４と第２熱伝導性部材１５として金属材料を使用することで、積層半導体２の排熱の効率を向上できる。

また、第１熱伝導性部材１４、第２熱伝導性部材１５として金属材料を使用するとともに、第３熱伝導性部材１６として、例えば熱伝導グリースを使用することで、第３熱伝導性部材１６は、第１熱伝導性部材１４、第２熱伝導性部材１５より柔軟性が高くなる。
そして、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓに生じる段差を第３熱伝導性部材１６の変形で吸収できる。

以上説明したように、本実施形態に係る半導体モジュール１の積層半導体２は、内部に発生する熱を効率よく排熱することができ、内部の温度の上昇を好適に抑制できるという優れた効果を奏する。

なお、図１の（ａ）に示す積層半導体２において、最上位に積層される半導体チップ２ｆのシリコン基板２０（図１の（ｂ）参照）の、デバイス層２１（図１の（ｂ）参照）と反対側の面に配線の引き回しが必要になる場合がある。
このような場合、図２の（ｂ）に示すように、半導体チップ２ｆの上面、すなわち積層半導体２の上面２Ｔｓに接続される第１ヒートスプレッダ１３の下面１３Ｂｓに、必要な配線パターンを有する接続層１３ａを形成すればよい。
この場合、第１ヒートスプレッダ１３は、シリコン基板２０と同様にシリコンを素材とすることが好適である。
そして、半導体チップ２ｆと第１ヒートスプレッダ１３は接続層１３ａを介して接続される。

このように、第１ヒートスプレッダ１３に接続層１３ａを形成すると、積層半導体２の最上位に積層される半導体チップ２ｆの配線を引き回すための基板や専用のチップが不要になる。したがって、接続層１３ａの部分に第１熱伝導性部材１４を備えない構成として熱抵抗を低減できる。

《変形例１》
本実施形態は、発明の趣旨を変えない範囲で設計変更することができる。
例えば、図３の（ａ）に示すように、第１ヒートスプレッダ１３の大きさに合わせた変形領域１７ｃと、その他の固定領域１７ｄが形成されるヒートシンク１７１が備わる半導体モジュール１ａであってもよい。

図３の（ａ）に示すように、変形例１の半導体モジュール１ａに備わるヒートシンク１７１は、例えば、第１ヒートスプレッダ１３の周囲に相当する部分に変形部１７ｂを形成し、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓに接続する部分を変形部１７ｂで囲って、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓの形状と同じ形状の変形領域１７ｃを形成する。そして、変形領域１７ｃの他の部分は固定領域１７ｄになる。

変形部１７ｂは、例えばヒートシンク１７１を肉薄に形成してなり、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓの形状が矩形の場合は、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓの辺に沿って肉薄の変形部１７ｂを形成する。変形部１７ｂで囲まれた矩形の領域が変形領域１７ｃになる。
そして、図３の（ａ）に示すように、変形部１７ｂが第１ヒートスプレッダ１３と第２ヒートスプレッダ１２の境界に沿って配置され、変形領域１７ｃが第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと接続するとともに、固定領域１７ｄが第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓと接続するように、ヒートシンク１７１を第１ヒートスプレッダ１３及び第２ヒートスプレッダ１２に接続する。

例えば、図３の（ｂ）に示すように、ばらつき等によって積層半導体２が厚く形成され、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓが第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓより上方向にずれて段差が生じる場合、ヒートシンク１７１の変形部１７ｂが段差に応じて変形し、変形領域１７ｃと第１ヒートスプレッダ１３の接続を維持するとともに固定領域１７ｄと第２ヒートスプレッダ１２の接続を維持する。
この構成によって、ヒートシンク１７１と、第１ヒートスプレッダ１３及び第２ヒートスプレッダ１２が接続された状態を維持することができ、第１ヒートスプレッダ１３及び第２ヒートスプレッダ１２からヒートシンク１７１に効率よく伝熱できる。そして、ヒートシンク１７１から放熱できる。

また、ヒートシンク１７１の変形部１７ｂが変形して第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓの段差を吸収できることから、第３熱伝導性部材１６の変形で第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓの段差を吸収する必要がない。
したがって、例えば第３熱伝導性部材１６として薄い金属材料を使用することができる。薄い金属は熱伝導率が高く熱抵抗が小さいことから、第１ヒートスプレッダ１３及び第２ヒートスプレッダ１２から効率よくヒートシンク１７１に伝熱できる。ひいては、積層半導体２に発生する熱を効率よく排熱でき、積層半導体２の温度上昇を効果的に抑制できる。

なお、変形例１に係る半導体モジュール１ａのヒートシンク１７１は、例えば変形領域１７ｃと固定領域１７ｄを別部材で構成し、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓに生じる段差に応じて変形する柔軟性の高い接続部材で接続して構成してもよい。この場合、変形領域１７ｃと固定領域１７ｄを接続する柔軟性の高い接続部材は、熱伝導率が高いことが好適であり、グラファイトシートや薄いアルミニウム板などとすればよい。

《変形例２》
また、図４に示すように、例えば１２の半導体チップ２ａ〜２ｌを積層した積層半導体２’を有する半導体モジュール１ｂの場合、６つの半導体チップ２ａ〜２ｆを積層した積層半導体上部２_Ａと、他の６つの半導体チップ２ｇ〜２ｌを積層した積層半導体下部２_Ｂとを形成する。
積層半導体上部２_Ａは上部中継基板６_Ａに実装され、積層半導体下部２_Ｂは下部中継基板６_Ｂに実装される。

積層半導体上部２_Ａの最上部に積層される半導体チップ２ｆの上方には、図１の（ａ）に示す半導体モジュール１と同様に、平板状を呈する第１ヒートスプレッダ１３が第１熱伝導性部材１４を介して接続され、積層半導体２’から伝熱される熱を、積層半導体２’の上面２Ｔｓ’の面積より広い面積に拡散する。

また、上部中継基板６_Ａの基板面積は、積層半導体上部２_Ａの下面２_ＡＢｓの面積より広く、上部中継基板６_Ａの積層半導体上部２_Ａの周囲に広がる部分には、上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａが、第２熱伝導性部材１５を介して接続される。
図１の（ａ）に示す第２ヒートスプレッダ１２と同様、上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａは、積層半導体上部２_Ａの周囲を取り囲むように備わり、伝熱面１２_ＡＴｓは平面に形成されて上方は周囲に広がってフランジ部１２_Ａｂが形成され、フランジ部１２_Ａｂの中央部は伝熱面１２_ＡＴｓが凹んで、第１ヒートスプレッダ１３が嵌り込む凹部１２_Ａａが形成される。この構成によって、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａの伝熱面１２_ＡＴｓを略同一平面に構成できる。

また、上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａの伝熱面１２_ＡＴｓの面積を、接続面１２_ＡＢｓの面積より広く形成してもよい。
この構成によって、伝熱面１２_ＡＴｓでの熱線束を小さくできる。

また、第１ヒートスプレッダ１３の周囲には封止材１８_Ａが備わり、第１ヒートスプレッダ１３、上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａ、及び上部中継基板６_Ａで囲まれる空間に封止される積層半導体上部２_Ａを外気から隔離している。

上部中継基板６_Ａは、積層半導体下部２_Ｂの最上部に積層される半導体チップ２ｌの上方に積み重ねられる。
すなわち、積層半導体（積層半導体上部２_Ａ、積層半導体下部２_Ｂ）が実装される２枚の中継基板６_Ａ，６_Ｂが、積層半導体下部２_Ｂを挟んで上下方向に積層された半導体モジュール１ｂが構成される。
上部中継基板６_Ａの下面６_ＡＢｓには、半導体チップ２ｌと電気的に接続可能な接続層６_Ａａが、例えば、はんだバンプで形成され、積層半導体上部２_Ａと積層半導体下部２_Ｂを電気的に接続する。

下部中継基板６_Ｂは、外部の基板ＰＷＢと半導体モジュール１ｂを電気的に接続して、基板ＰＷＢの電気信号を積層半導体下部２_Ｂに中継する基板であり、積層半導体下部２_Ｂに発生する熱を面方向に拡散させるヒートスプレッダとしての機能も有する。

下部中継基板６_Ｂの基板面積は、上部中継基板６_Ａの基板面積より広く、下部中継基板６_Ｂには、下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂが、第２熱伝導性部材１５を介して接続されて備わる。
前記したように、上部中継基板６_Ａには上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａが接続され、下部中継基板６_Ｂには下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂが接続されることから、複数の基板（上部中継基板６_Ａ、下部中継基板６_Ｂ）に１つづつ第２ヒートスプレッダ（上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａ、下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂ）が接続される。

下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂは、積層半導体下部２_Ｂ、上部中継基板６_Ａ、及び上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａの周囲を取り囲むように壁状に起立して備わる。下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂの伝熱面１２_ＢＴｓは平面に形成されて上部は周囲に広がってフランジ部１２_Ｂｂが形成され、フランジ部１２_Ｂｂの中央部は伝熱面１２_ＢＴｓが凹んで、上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａのフランジ部１２_Ａｂが嵌り込む凹部１２_Ｂａが形成される。

さらに、下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂの伝熱面１２_ＢＴｓと上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａの伝熱面１２_ＡＴｓが略同一平面になるように構成される。
この構成によって、下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂの伝熱面１２_ＢＴｓ、上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａの伝熱面１２_ＡＴｓ、及び第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓが略同一平面に構成される。

また、下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂの伝熱面１２_ＢＴｓの面積を、接続面１２_ＢＢｓの面積より広く形成してもよい。
この構成によって、伝熱面１２_ＢＴｓでの熱線束を小さくできる。

そして、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓ、上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａの伝熱面１２_ＡＴｓ、及び下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂの伝熱面１２_ＢＴｓの全面に亘って、第３熱伝導性部材１６を介してヒートシンク１７が接続される。
前記したように、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓ、上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａの伝熱面１２_ＡＴｓ、及び下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂの伝熱面１２_ＢＴｓは略同一平面に構成されることから、ヒートシンク１７の下面１７Ｂｓは平面に形成することができ、ヒートシンク１７の形状を単純にできる。ひいては、ヒートシンク１７の製造コストを下げることができる。

また、変形例２において、第１ヒートスプレッダ１３、上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａ、下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂは、それぞれ、ヒートシンク１７と第３熱伝導性部材１６のみを介して接続される。したがって、積層半導体２’の上面２Ｔｓ’（半導体チップ２ｆの上面）から第１ヒートスプレッダ１３に伝熱した熱と、積層半導体２’の下面２Ｂｓ’（半導体チップ２ｇの下面）から下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂに伝熱した熱と、積層半導体２’から上部中継基板６_Ａを介して上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａに伝熱した熱を効率よくヒートシンク１７に伝熱できる。
したがって、積層半導体２’の排熱の効率を向上できる。

さらに、下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂと上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａは、互いに非接触に備わる構成が好適である。そして、上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａのフランジ部１２_Ａｂの周囲に封止材１８_Ｂを備える。封止材１８_Ｂは、上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａと下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂの間の間隙を封じ、上部中継基板６_Ａ、下部中継基板６_Ｂ、及び下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂで囲まれる空間に封止される積層半導体下部２_Ｂを外気から隔離する。

図４に示すように構成される半導体モジュール１ｂの積層半導体上部２_Ａに発生する熱の一部は、第１熱伝導性部材１４を介して第１ヒートスプレッダ１３に伝熱され、さらに、第３熱伝導性部材１６を介してヒートシンク１７に伝熱されて外気に放熱される。
また、積層半導体上部２_Ａに発生する熱の一部は、上部中継基板６_Ａから第２熱伝導性部材１５を介して上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａに伝熱し、さらに、第３熱伝導性部材１６を介してヒートシンク１７に伝熱されて外気に放熱される。

積層半導体下部２_Ｂに発生する熱の一部は、下部中継基板６_Ｂから第２熱伝導性部材１５を介して下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂに伝熱し、さらに、第３熱伝導性部材１６を介してヒートシンク１７に伝熱されて外気に放熱される。
また、積層半導体下部２_Ｂに発生する熱の一部は、上部中継基板６_Ａから上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａに伝熱され、さらに、第３熱伝導性部材１６を介してヒートシンク１７に伝熱されて外気に放熱される。

このように、積層半導体上部２_Ａと積層半導体下部２_Ｂを、上部中継基板６_Ａを介して積層する構成の積層半導体２’を有する半導体モジュール１ｂであっても、上部中継基板６_Ａから上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａに伝熱する熱と下部中継基板６_Ｂから下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂに伝熱する熱を、ヒートシンク１７に直接伝熱できる。

したがって、下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂと上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａの間の伝熱を考慮する必要がない。
すなわち、下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂと上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａの間の間隙を封じている封止材１８_Ｂを、熱伝導率の高い素材で形成する必要がない。したがって、第１ヒートスプレッダ１３と上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａの間の間隙を封じている封止材１８_Ａと同様に、柔軟性の高い封止材１８_Ｂを使用することで、上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａと下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂの間に位置ずれが発生しても、封止材１８_Ｂの変形で位置ずれを吸収できる。ひいては、半導体モジュール１ｂの各部に応力が発生することを抑制できる。

また、積層半導体下部２_Ｂに発生する熱を半導体チップ２ｌの上面と半導体チップ２ｇの下面の両面から排熱できることになり、積層半導体下部２_Ｂの内部の温度上昇を好適に低減できる。

図４に示すように、積層半導体２’は上面２Ｔｓ’から第１ヒートスプレッダ１３を介してヒートシンク１７に伝熱し、下面２Ｂｓ’から下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂを介してヒートシンク１７に伝熱する。
しかしながら、例えば１２の半導体チップ２ａ〜２ｌを積層した積層半導体２’では、上下方向の中央部近傍に配置される半導体チップ（図４では、例えば、半導体チップ２ａ、半導体チップ２ｌ）は、積層半導体２’の上面２Ｔｓ’又は下面２Ｂｓ’まで伝熱するときの熱抵抗が大きくなり、積層半導体２’の上下方向の中央部近傍に発生する熱の排熱の効率が低下する。

図４に示すように、積層半導体２’の上下方向の中央部近傍に積層される半導体チップ２ａと半導体チップ２ｌの間に上部中継基板６_Ａを備え、さらに上部中継基板６_Ａに上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａを接続することで、半導体チップ２ａ、半導体チップ２ｌの熱を上部中継基板６_Ａを介して上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａに伝熱できる。さらに、上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａの伝熱面１２_ＡＴｓをヒートシンク１７に接続することで、上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａに伝熱した熱をヒートシンク１７から放熱できる。

したがって、積層半導体２’の上下方向の中央部近傍に発生する熱を上部中継基板６_Ａ、上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａを介してヒートシンク１７に伝熱して放熱でき、積層半導体２’の上下方向の中央部近傍に発生する熱の排熱の効率を向上できる。

このように、変形例２に係る半導体モジュール１ｂは、積層半導体２’に発生する熱を上面２Ｔｓ’、下面２Ｂｓ’、及び上下方向の中央部から排熱することができ、積層半導体２’内部の温度上昇を好適に抑制できるという優れた効果を奏する。

なお、図４には、上部中継基板６_Ａと下部中継基板６_Ｂの２つの中継基板が備わる構成を示しているが、２つ以上の中継基板を有する構成であってもよい。この場合、例えば図示しない下方の中継基板の基板面積を上方の中継基板の基板面積より大きくし、中継基板のそれぞれに、図示しない第２ヒートスプレッダが１つづつ接続される構成とすればよい。そして全ての第２ヒートスプレッダの上面（伝熱面）を同一平面に構成して、図示しないヒートシンクを全ての第２ヒートスプレッダの上面（伝熱面）に接続する構成とすればよい。

以上、図１に示すように、本実施形態に係る半導体モジュール１に備わる積層半導体２は、上面２Ｔｓから第１ヒートスプレッダ１３を介してヒートシンク１７に熱を伝熱するとともに、下面２Ｂｓから中継基板６及び第２ヒートスプレッダ１２を介してヒートシンク１７に熱を伝熱することで、半導体チップ２ａ〜２ｆに発生する熱を効率よく排熱できる。
また、第１ヒートスプレッダ１３及び第２ヒートスプレッダ１２は、それぞれ直接ヒートシンク１７と接続されることから、積層半導体２からヒートシンク１７に伝熱する経路の熱抵抗を軽減することができ、積層半導体２に発生する熱を効率よくヒートシンク１７に伝熱できる。

また、積層半導体２に接続される第１ヒートスプレッダ１３と、中継基板６に接続される第２ヒートスプレッダ１２は、柔軟性の高い封止材１８のみで接続される構成であり、第１ヒートスプレッダ１３と第２ヒートスプレッダ１２に位置ずれが発生した場合であっても、位置ずれを封止材１８の変形で吸収できる。
したがって、誤差や熱による変形によって第１ヒートスプレッダ１３と第２ヒートスプレッダ１２に位置ずれが発生した場合であっても、封止材１８が変形して位置ずれを吸収し、半導体モジュール１の各部に応力が発生することを抑制できる。

また、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓ及び第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓにおける熱線束を小さくする構成とすることで、第１ヒートスプレッダ１３及び第２ヒートスプレッダ１２からヒートシンク１７に伝熱するときの熱抵抗を低減できる。
したがって、第１ヒートスプレッダ１３及び第２ヒートスプレッダ１２とヒートシンク１７を接続する第３熱伝導性部材１６として、例えば柔軟性の高い熱伝導グリースを使用できる。
この構成によって、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓと第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓに段差が生じた場合であっても、段差を熱伝導グリースの変形で吸収でき、積層半導体２等、半導体モジュール１の各部に応力が発生することを抑制できる。

このように、複数の半導体チップ２ａ〜２ｆを積層した積層半導体２の熱を効率よく排熱できる半導体モジュール１を提供することができる。

また、図４に示すように、上部中継基板６_Ａ、及び下部中継基板６_Ｂを備え、上部中継基板６_Ａに上部第２ヒートスプレッダ１２_Ａを接続するとともに、下部中継基板６_Ｂに下部第２ヒートスプレッダ１２_Ｂを接続する構成であってもよい。

なお、本実施形態は、複数の半導体チップが積層された積層半導体を備える半導体モジュールを例にしたが、例えば、１つの半導体チップを備える半導体モジュールに本実施形態を適用することもできる。本実施形態を１つの半導体チップを備える半導体モジュールに適用した場合、半導体チップに発生する熱を、上面と下面の両面からヒートシンクに伝熱することができ、半導体チップの排熱の効率を向上できる。
また、１つの半導体チップが実装される中継基板を、半導体チップを介して積層してなる半導体モジュールに本実施形態の変形例２を適用することもできる。

また、図１に示すヒートシンク１７が備わらない半導体モジュール１であってもよい。この場合、積層半導体２に発生した熱が、第１ヒートスプレッダ１３に伝熱されるとともに、中継基板６を介して第２ヒートスプレッダ１２に伝熱されることで、積層半導体２の熱を好適に排熱できる。ひいては、積層半導体２の温度上昇を好適に抑制できる。
そして、例えば、半導体モジュール１を組み込む図示しない機器の筐体に、第１ヒートスプレッダ１３の上面１３Ｔｓ及び第２ヒートスプレッダ１２の伝熱面１２Ｔｓを接続する構成とすれば、第１ヒートスプレッダ１３及び第２ヒートスプレッダ１２に伝熱された熱を図示しない機器の筐体から放熱でき、積層半導体２の温度上昇を、さらに好適に抑制できる。

１，１ａ，１ｂ 半導体モジュール
２，２’ 積層半導体
２ａ〜２ｌ 半導体チップ
２Ｂｓ 下面（積層半導体の下面）
２Ｔｓ 上面（積層半導体の上面）
６ 中継基板（基板）
１２ 第２ヒートスプレッダ
１２Ｂｓ 接続面
１２Ｔｓ 伝熱面
１３ 第１ヒートスプレッダ
１３Ｔｓ 上面（第１ヒートスプレッダの上面）
１４ 第１熱伝導性部材
１５ 第２熱伝導性部材
１６ 第３熱伝導性部材
１７，１７１ ヒートシンク
１７ｂ 変形部
１７ｃ 変形領域
１７ｄ 固定領域

Claims (10)

1. 複数の半導体チップが上下方向に積層された積層半導体と、
   前記積層半導体が実装される基板と、
   前記積層半導体の上面に第１熱伝導性部材を介して接続され、前記積層半導体から伝熱される熱を前記積層半導体の上面の面積より広い面積に拡散する平板状の第１ヒートスプレッダと、
   前記基板と第２熱伝導性部材を介して接続される第２ヒートスプレッダと、を備える半導体モジュールであって、
   前記基板の基板面積は、前記積層半導体が前記基板に接する下面の面積よりも広く、
   前記第２ヒートスプレッダに、前記第１ヒートスプレッダの上面と略同一平面の伝熱面が形成され、
   前記第１ヒートスプレッダの上面と、前記第２ヒートスプレッダの前記伝熱面と、に第３熱伝導性部材を介してヒートシンクが接続されて、
   前記積層半導体の熱が、
   前記第１ヒートスプレッダを介して前記ヒートシンクに伝熱されるとともに、
   前記基板及び前記第２ヒートスプレッダを介して前記ヒートシンクに伝熱されることを特徴とする半導体モジュール。
2. 複数の半導体チップが上下方向に積層された積層半導体を実装し、前記積層半導体を挟んで上下方向に積層される複数の基板と、
   最上部の前記積層半導体の上面に第１熱伝導性部材を介して接続され、前記積層半導体から伝熱される熱を前記積層半導体の上面の面積より広い面積に拡散する平板状の第１ヒートスプレッダと、
   前記複数の基板に、第２熱伝導性部材を介して１つづつ接続される、前記基板と同数の第２ヒートスプレッダと、を備える半導体モジュールであって、
   前記基板の基板面積は、前記積層半導体が前記基板に接する下面の面積よりも広く、且つ、下方に積層される前記基板の基板面積は上方に積層される前記基板の基板面積より広く、
   全ての前記第２ヒートスプレッダに、前記第１ヒートスプレッダの上面と略同一平面の伝熱面が形成され、
   前記第１ヒートスプレッダの上面と、全ての前記第２ヒートスプレッダの前記伝熱面と、に第３熱伝導性部材を介してヒートシンクが接続されて、
   前記積層半導体の熱が、
   前記第１ヒートスプレッダを介して前記ヒートシンクに伝熱されるとともに、
   前記基板及び前記第２ヒートスプレッダを介して前記ヒートシンクに伝熱されることを特徴とする半導体モジュール。
3. 前記第３熱伝導性部材は、前記第１熱伝導性部材及び前記第２熱伝導性部材より柔軟性が高いことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記ヒートシンクは、
   前記第１ヒートスプレッダの上面と前記第３熱伝導性部材を介して接続される変形領域と、
   前記第２ヒートスプレッダの前記伝熱面と前記第３熱伝導性部材を介して接続される固定領域と、が変形部で接続されてなり、
   前記第１ヒートスプレッダの上面と前記第２ヒートスプレッダの前記伝熱面に段差が生じたとき、
   前記変形部が変形して、前記変形領域と前記第１ヒートスプレッダの上面の接続が維持されるとともに、前記固定領域と前記第２ヒートスプレッダの前記伝熱面の接続が維持されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
5. 前記変形部は、
   前記第１ヒートスプレッダの上面と前記第２ヒートスプレッダの前記伝熱面に生じる段差に対応して変形可能な接続部材で形成されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体モジュール。
6. 複数の半導体チップが上下方向に積層された積層半導体と、
   前記積層半導体が実装される基板と、
   前記積層半導体の上面に第１熱伝導性部材を介して接続され、前記積層半導体から伝熱される熱を前記積層半導体の上面の面積より広い面積に拡散する平板状の第１ヒートスプレッダと、
   前記基板と第２熱伝導性部材を介して接続される第２ヒートスプレッダと、を備える半導体モジュールであって、
   前記基板の基板面積は、前記積層半導体が前記基板に接する下面の面積よりも広く、
   前記第２ヒートスプレッダに、前記第１ヒートスプレッダの上面と略同一平面の伝熱面が形成されることを特徴とする半導体モジュール。
7. 複数の半導体チップが上下方向に積層された積層半導体を実装し、前記積層半導体を挟んで上下方向に積層される複数の基板と、
   最上部の前記積層半導体の上面に第１熱伝導性部材を介して接続され、前記積層半導体から伝熱される熱を前記積層半導体の上面の面積より広い面積に拡散する平板状の第１ヒートスプレッダと、
   前記複数の基板に、第２熱伝導性部材を介して１つづつ接続される、前記基板と同数の第２ヒートスプレッダと、を備える半導体モジュールであって、
   前記基板の基板面積は、前記積層半導体が前記基板に接する下面の面積よりも広く、且つ、下方に積層される前記基板の基板面積は上方に積層される前記基板の基板面積より広く、
   全ての前記第２ヒートスプレッダに、前記第１ヒートスプレッダの上面と略同一平面の伝熱面が形成されることを特徴とする半導体モジュール。
8. 前記第２ヒートスプレッダの前記伝熱面の面積は、前記基板と接続する前記第２ヒートスプレッダの接続面の面積より広いことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
9. 前記第１熱伝導性部材及び前記第２熱伝導性部材は、金属材料によって構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
10. 前記基板は、前記半導体チップの厚みよりも厚いシリコン基板で構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の半導体モジュール。

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