JP2011049389A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップに対する通電を繰返した場合でも、冷却層によって金属層および半導体チップを十分に冷却することができるようにし、もって半導体チップの故障等を防止することができる半導体モジュールを提供する。
【解決手段】 半導体モジュール１は、放熱板１１およびアルミヒートシンク１４を備えており、放熱板１１とアルミヒートシンク１４との間には、絶縁樹脂シート１５が介在されている。アルミヒートシンク１４における放熱板１１との取付面である表面側には、嵌合孔１４Ａが形成され、嵌合孔１４Ａに放熱板１１が嵌め込まれている。嵌合孔１４Ａにおける角部が方向変化部となり、絶縁樹脂シート１５は、嵌合孔１４Ａの角部で屈曲して延在方向が変化させられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体モジュールに係り、特に、半導体チップを搭載した金属層と冷却層との間に絶縁シートが介在された半導体モジュールに関する。

半導体モジュールとして、従来、半導体チップを搭載した金属層を有するとともに、この金属層を冷却する冷却層を有するものが知られている。また、冷却層は、金属で製造されていることが多く、金属層と冷却層とを絶縁するために、金属層と冷却層との間に絶縁シートを介在させたインバータ装置がある（たとえば、特許文献１参照）。このインバータ装置は、金属層となる銅製の導体と、銅やアルミニウムからなる冷却器とを備えている。また、導体は、セラミックスを含有した絶縁樹脂シートを介して冷却器に接着されているというものである。

特開２００３−１５３５５４号公報

しかし、上記特許文献１に記載された半導体モジュールにおいて、半導体チップに通電を繰り返すと、導体に熱が伝達される。導体に熱が伝達されると、導体における熱履歴により、絶縁樹脂シートの端部が冷却器から剥離してくる。絶縁樹脂シートが冷却器から剥離すると、半導体チップの冷却効果が低下し、半導体チップを十分に冷却することができず、半導体チップの故障等につながるおそれがあるという問題があった。

そこで、本発明の課題は、半導体チップに対する通電を繰返した場合でも、冷却層によって金属層および半導体チップを十分に冷却することができるようにし、もって半導体チップの故障等を防止することができる半導体モジュールを提供することにある。

上記課題を解決した本発明に係る半導体モジュールは、半導体チップを搭載した金属層と、金属層を冷却する冷却層とを備え、金属層と冷却層とが絶縁シートを介して取り付けられている半導体モジュールであって、半導体チップ層における金属層との取付面および金属層における半導体チップ層との取付面のうちの少なくとも一方に絶縁シートの方向変化部が形成されていることを特徴とする。

金属層と冷却層との間に絶縁シートが介在されている半導体モジュールにおいて、絶縁シートが平面状となっていると、絶縁シートは、その端部を起点として金属層または冷却層から剥離し、その剥離は絶縁シートの中央部にまで及ぶ。この点、本発明に係る半導体モジュールにおいては、半導体チップ層における金属層との取付面および金属層における半導体チップ層との取付面のうちの少なくとも一方に方向変化部が形成されている。このため、たとえば半導体チップに対する通電を繰り返すことによって絶縁シートの端部が剥離し始めたとしても、方向変化部によって絶縁シートの剥離の進行が抑制される。したがって、絶縁シートの剥離が中央部にまでは及ばないようにすることができる。その結果、半導体チップに対する通電を繰返した場合でも、冷却層によって金属層および半導体チップを十分に冷却することができるようにし、もって半導体チップの故障等を防止することができる。

ここで、冷却層における金属層との取付面に冷却層側凹部が形成され、冷却層側凹部における屈曲部が方向変化部であり、金属層は、冷却層側凹部に嵌め込まれている態様とすることができる。

このように、冷却層における金属層との取付面に冷却層側凹部が形成され、金属層は、冷却層側凹部に嵌め込まれていることにより、端部からの絶縁シートの剥離の進行を抑制することができる。その結果、絶縁シートにおける中央部の剥離を好適に防止することができる。

また、金属層における冷却層との取付面に金属層側凹部が形成され、金属層側凹部における屈曲部が方向変化部であり、冷却層は、金属層側凹部に嵌め込まれている態様とすることができる。

このように、金属層における冷却層との取付面に金属層側凹部が形成され、冷却層は、金属層側凹部に嵌め込まれていることにより、端部からの絶縁シートの剥離の進行を抑制することができる。その結果、絶縁シートにおける中央部の剥離を好適に防止することができる。

本発明に係る半導体モジュールによれば、半導体チップに対する通電を繰返した場合でも、冷却層によって金属層および半導体チップを十分に冷却することができるようにし、もって半導体チップの故障等を防止することができる。
することができる。

本発明の第一の実施形態に係る半導体モジュールの側断面図である。 第二の実施形態に係る半導体モジュールの側断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致しない。

図１は、第一の実施形態に係る半導体モジュールの側断面図である。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は、本発明の金属層である放熱板１１を備えている。放熱板１１は、銅製であり、その線膨張率は１６ｐｐｍ／℃である。放熱板１１における表面側には、ダイオードやトランジスタなどの半導体素子１２が取り付けられている。半導体素子１２は、放熱板１１に対してはんだ１３によって接合されている。

さらに、放熱板１１における裏面側には、本発明の冷却層となるアルミヒートシンク１４が配設されている。アルミヒートシンク１４は、アルミニウム製であり、その線膨張率は２３ｐｐｍ／℃である。アルミヒートシンク１４の中央部には、嵌合孔１４Ａが形成されている。嵌合孔１４Ａの幅は、放熱板１１の横幅とほぼ同一とされており、嵌合孔１４Ａに放熱板１１が嵌め込まれている。アルミヒートシンク１４の表面は、放熱板１１との取付面とされている。

また、アルミヒートシンク１４における嵌合孔１４Ａに嵌め込まれた放熱板１１と嵌合孔１４Ａとの間には、絶縁樹脂シート１５が介在されている。放熱板１１とアルミヒートシンク１４とは、放熱板１１と嵌合孔１４Ａとの間で絶縁樹脂シート１５を介して熱圧着することによって接合されている。

絶縁樹脂シート１５は、樹脂製であり、セラミックスが混合されたものとすることもできる。絶縁樹脂シート１５は、放熱板１１と嵌合孔１４Ａとの間に介在されているため、嵌合孔１４Ａの角部において屈曲した状態で配設されている。嵌合孔１４Ａにおける角部が本発明の方向変化部となっている。嵌合孔１４Ａに放熱板１１が嵌め込まれていることにより、絶縁樹脂シート１５は、嵌合孔１４Ａの角部で屈曲して延在方向が変化させられている。

以上の構成を有する本実施形態に係る半導体モジュール１において、半導体素子１２に対して通電のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すと、放熱板１１およびアルミヒートシンク１４は温度の上昇および下降を繰り返す。ここで、放熱板１１とアルミヒートシンク１４とでは線膨張率が異なり、放熱板１１とアルミヒートシンク１４との間で変位量が相違する。この放熱板１１とアルミヒートシンク１４との変位量の相違により、絶縁樹脂シート１５には、繰返し応力が発生する。

このとき、放熱板１１とアルミヒートシンク１４との間に介在された絶縁樹脂シート１５は、嵌合孔１４Ａの角部において屈曲している。このため、放熱板１１とアルミヒートシンク１４とに挟まれた絶縁樹脂シート１５では、繰返し応力が絶縁樹脂シート１５の面に対して直交する方向に掛かることとなる。したがって、絶縁樹脂シート１５の界面に対して、水平方向に掛かる応力が非常に小さくなり、絶縁樹脂シート１５の剥離を抑制することができる。

また、図１において破線で示すように、絶縁樹脂シート１５の端部（図１における左側端部）が放熱板１１から剥離してしまうことが考えられる。このとき、絶縁樹脂シート１５の中央部は、放熱板１１とアルミヒートシンク１４との間に挟まれている。このため、絶縁樹脂シート１５における剥離部分が絶縁樹脂シート１５の中央部分方向に対して伸展することを抑制することができる。したがって、冷却層によって放熱板１１および半導体素子１２を十分に冷却することができ、もって半導体素子１２の故障等を防止することができる。

しかも、絶縁樹脂シート１５の端部が放熱板１１から剥離したとしても、放熱板１１の冷却効果に対する影響は小さい。このため、絶縁樹脂シート１５の剥離を端部のみで抑制することにより、さらに効果的にアルミヒートシンク１４による冷却効果を維持することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、第二の実施形態に係る半導体モジュールの側断面図である。図２に示すように、本実施形態に係る半導体モジュール２は、放熱板２１を備えている。放熱板２１は、上記第一の実施形態と同様、銅製である。また、放熱板２１の裏面側には、裏面側嵌合孔２１Ａが形成されている。

さらに、放熱板２１の表面側には、上記第一の実施形態と同様、半導体素子２２が取り付けられている。半導体素子２２は、はんだ２３によって放熱板２１に取り付けられている。

また、放熱板２１の裏面側には、アルミヒートシンク２４が配設されている。アルミヒートシンク２４は、側面視した形状が台形状をなしており、突起部２４Ａおよび基台部２４Ｂを備えている。アルミヒートシンク２４における突起部２４Ａは、放熱板２１に形成された裏面側嵌合孔２１Ａとほぼ同じ大きさをなしている。この突起部２４Ａは、裏面側嵌合孔２１Ａに嵌め込まれている。放熱板２１の裏面は、アルミヒートシンク２４との取付面とされている。

さらに、放熱板２１における裏面側嵌合孔２１Ａに嵌め込まれたアルミヒートシンク２４と突起部２４Ａと裏面側嵌合孔２１Ａとの間には、絶縁樹脂シート２５が介在されている。放熱板２１とアルミヒートシンク２４とは、裏面側嵌合孔２１Ａと突起部２４Ａとの間で絶縁樹脂シート２５を介して熱圧着することによって接合されている。

絶縁樹脂シート２５は、裏面側嵌合孔２１Ａと突起部２４Ａとの間介在されているため、裏面側嵌合孔２１Ａの角部において屈曲した状態で配設されている。さらに、絶縁樹脂シート２５は、アルミヒートシンク２４における基台部２４Ｂと突起部２４Ａとが隣接する角部において屈曲した状態で配置されている。裏面側嵌合孔２１Ａにおける角部が本発明の方向変化部となっている。放熱板２１の裏面側嵌合孔２１Ａにアルミヒートシンク２４の突起部２４Ａが嵌め込まれていることにより、絶縁樹脂シート２５は、裏面側嵌合孔２１Ａの角部で屈曲して延在方向が変化させられている。

以上の構成を有する本実施形態に係る半導体モジュール２においては、上記第一の実施形態と同様、半導体素子２２に対して通電のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すと、放熱板２１およびアルミヒートシンク２４は温度の上昇および下降を繰り返す。その結果、両者の線膨張率の相違から、絶縁樹脂シート２５に繰返し応力が発生する。ここで、本実施形態に係る半導体モジュール２においては、放熱板２１とアルミヒートシンク２４との間に介在された絶縁樹脂シート２５は、裏面側嵌合孔２１Ａの角部において屈曲している。このため、放熱板２１とアルミヒートシンク２４とに挟まれた絶縁樹脂シート２５では、繰返し応力が絶縁樹脂シート２５の面に対して直交する方向に掛かることとなる。したがって、絶縁樹脂シート２５の界面に対して、水平方向に掛かる応力が非常に小さくなり、絶縁樹脂シート２５の剥離を抑制することができる。

しかも、図２において破線で示すように、絶縁樹脂シート２５の端部（図２における左側端部）がアルミヒートシンク２４から剥離してしまったとしても、絶縁樹脂シート２５の中央部は、裏面側嵌合孔２１Ａと突起部２４Ａとの間に挟まれている。このため、絶縁樹脂シート２５の絶縁樹脂シート２５における剥離部分が絶縁樹脂シート２５の中央部分方向に対して伸展することを抑制することができる。したがって、冷却層によって放熱板２１および半導体素子２２を十分に冷却することができ、もって半導体素子２２の故障等を防止することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態では、放熱板またはアルミヒートシンクに嵌合孔を形成してこの嵌合孔にアルミヒートシンクまたは放熱板を嵌合させることによって方向変化部を形成しているが、他の態様とすることもできる。また、方向変化部は、略直角とされているが、他の鋭角や鈍角など角度とすることもできる。さらに、角部が形成される態様ではなく、湾曲形状などとすることもできる。

また、上記実施形態では、放熱板が銅製であるが、他の金属製材料とすることもできる。さらに、アルミヒートシンクについても、アルミニウム以外の金属材料その他の材料とした態様とすることもできる。

１，２…半導体モジュール、１１，２１…放熱板、２１Ａ…裏面側嵌合孔、１２…半導体素子、１３，２３…はんだ、１４，２４アルミヒートシンク、１４Ａ…嵌合孔、２４Ａ…基台部、２４Ｂ…突起部、１５，２５…絶縁樹脂シート。

Claims (3)

1. 半導体チップを搭載した金属層と、前記金属層を冷却する冷却層とを備え、前記金属層と前記冷却層とが絶縁シートを介して取り付けられている半導体モジュールであって、
   前記冷却層における前記金属層との取付面および前記金属層における前記冷却層との取付面のうちの少なくとも一方に前記絶縁シートの方向変化部が形成されていることを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記冷却層における前記金属層との取付面に冷却層側凹部が形成され、前記冷却層側凹部における屈曲部が前記方向変化部であり、
   前記金属層は、前記冷却層側凹部に嵌め込まれている請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記金属層における前記冷却層との取付面に金属層側凹部が形成され、前記金属層側凹部における屈曲部が前記方向変化部であり、
   前記冷却層は、前記金属層側凹部に嵌め込まれている請求項１に記載の半導体モジュール。

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