JP2011054732A

JP2011054732A - 半導体モジュール

Info

Publication number: JP2011054732A
Application number: JP2009201884A
Authority: JP
Inventors: Tomokiyo Suzuki; 智清鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2009-09-01
Publication date: 2011-03-17

Abstract

【課題】はんだクラックの発生を抑制しながら、放熱効率を向上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、半導体素子３と、半導体素子３の熱を放熱するヒートシンク５と、半導体素子３とヒートシンク５との間に位置し配線層１３，１５を両面に有する絶縁基板１０と、を備えた半導体モジュールであって、絶縁基板１０の一方の配線層１３には、はんだを介して半導体素子３が接合されており、絶縁基板１０の他方の配線層１５には、はんだを介してヒートシンク５が接合されており、一方の配線層１３と、他方の配線層１５と、が、絶縁基板１０の中央部に対応する部分において周囲よりも厚く形成された厚板部１３ａ，１５ａを有する。
【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。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の半導体モジュールが知られている。この半導体モジュールでは、半導体チップの中心に向かって凸状になる放熱部材を、半導体チップの上部にはんだを介して設置することで、熱伝導率を高めると共に、熱応力によるせん断歪みを減少させはんだクラックを抑制する試みがなされている。このモジュールでは、はんだ層は、中央部に近いほど薄く外側に行くほど厚くなっている。

特開２０００−２３６０５１号公報特開２００６−２４０９５５号公報特開平１０−１６３３９０号公報

しかしながら、このモジュールでは、半導体チップと放熱部材との間ではんだの四隅に応力集中することは低減できるが、絶縁部材と半導体チップとの間での応力については何ら考慮されておらず、クラックを効率よく抑制できるとは言い難い。また、放熱部材が熱を吸収できる面積が小さくなるため、熱吸収効率が悪いという問題もある。

そこで、本発明は、はんだクラックの発生を抑制しながら、放熱効率を向上することができる半導体モジュールを提供することを目的とする。

本発明の半導体モジュールは、半導体素子と、半導体素子の熱を放熱する放熱体と、半導体素子と放熱体との間に位置し配線層を両面に有する絶縁基板と、を備えた半導体モジュールであって、絶縁基板の一方の配線層には、はんだを介して半導体素子が接合されており、絶縁基板の他方の配線層には、はんだを介して放熱体が接合されており、一方の配線層と、他方の配線層と、が、絶縁基板の中央部に対応する部分において周囲よりも厚く形成された厚板部を有することを特徴とする。

この半導体モジュールでは、半導体素子と絶縁基板との間にはんだ層が形成され、放熱体と絶縁基板との間にもはんだ層が形成される。絶縁基板の両面の配線層は上記のような厚板部を有することから、各はんだ層の厚みは中央部が薄く周囲部が厚くなる。このように、各はんだ層の周囲部の厚みが厚くされることから、はんだクラックの起点となる四隅の厚みが厚く、はんだフィレットを十分に形成することができ、その結果、各はんだ層におけるはんだクラック発生の可能性を低減することができる。その一方、各はんだ層の中央部の厚みが薄いことから、絶縁基板の中央部におけるはんだの熱抵抗を小さくすることができ、その結果、半導体素子から放熱体への放熱効率を高めることができる。

また、各配線層が有する各厚板部は、放熱体に近いものほど、厚み方向から見た面積が大きいことが好ましい。この構成によれば、厚板部による主たる熱伝導路の断面積が、半導体素子から放熱体に近づくほど大きくなるので、半導体素子の熱が更に効率よく放熱体に吸収されることとなり、放熱効率を更に高めることができる。

また、本発明の半導体モジュールは、半導体素子と、半導体素子の熱を放熱する放熱体と、半導体素子と放熱体との間に位置し配線層を両面に有する絶縁基板と、を備えた半導体モジュールであって、絶縁基板の一方の配線層には、はんだを介して半導体素子が接合されており、絶縁基板の他方の配線層には、はんだを介して放熱体が接合されており、一方の配線層は、絶縁基板の中央部に対応する部分において周囲よりも厚く形成された厚板部を有し、放熱体は、絶縁基板の中央部に対応する部分において周囲よりも高く絶縁基板側に向かって盛り上がる突出部を有することを特徴とする。

この半導体モジュールでは、半導体素子と絶縁基板との間にはんだ層が形成され、放熱体と絶縁基板との間にもはんだ層が形成される。絶縁基板の一方の配線層は上記のような厚板部を有しており、放熱体は上記のような突出部を有することから、各はんだ層の厚みは中央部が薄く周囲部が厚くなる。このように、各はんだ層の周囲部の厚みが厚くされることから、はんだクラックの起点となる四隅の厚みが厚く、はんだフィレットを十分に形成することができ、その結果、各はんだ層におけるはんだクラック発生の可能性を低減することができる。その一方、各はんだ層の中央部の厚みが薄いことから、絶縁基板の中央部におけるはんだの熱抵抗を小さくすることができ、その結果、半導体素子から放熱体への放熱効率を高めることができる。

また、突出部は、厚板部と比較して、厚み方向から見た面積が大きいことが好ましい。この構成によれば、厚板部と突出部とによる主たる熱伝導路の断面積が、半導体素子から放熱体に近づくほど大きくなるので、半導体素子の熱が更に効率よく放熱体に吸収されることとなり、放熱効率を更に高めることができる。

本発明の半導体モジュールによれば、はんだクラックの発生を抑制しながら、放熱効率を向上することができる。

本発明に係る半導体モジュールの第１の実施形態を示す断面図である。本発明に係る半導体モジュールの第２の実施形態を示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る半導体モジュールの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、図１の状態における半導体モジュール１の上下方向を基準として、「上」、「下」なる語を用いるものとする。

（第１実施形態）
図１に示す半導体モジュール１は、絶縁基板１０と、半導体素子３と、ヒートシンク（放熱体）５と、を備えている。絶縁基板１０の絶縁基材部１０ａの上下両面には、それぞれ配線層１３，１５が形成されている。そして、絶縁基板１０の上面側の配線層１３（以下、「上面配線層１３」と言う）に、半導体素子３がはんだ付けされており、絶縁基板１０の下面側の配線層１５（以下、「下面配線層１５」と言う）に、ヒートシンク５がはんだ付けされている。半導体素子３と上面配線層１３との間には、はんだが充填されて成るはんだ層２３（以下、「上面はんだ層２３」と言う）が形成される。また、ヒートシンク５と下面配線層１５との間にも同様に、はんだが充填されて成るはんだ層２５（以下、「下面はんだ層２５」と言う）が形成される。このような構成の半導体モジュール１は、例えば、自動車のパワーモジュールに使用される。

なお、ここでは、絶縁基板１０、上面配線層１３、下面配線層１５、半導体素子３、及びヒートシンク５は、図１における上から見て（絶縁基板１０等の厚み方向から見て）すべて長方形をなし、その各長方形の中心点はすべて共通するものとする。また、上から見て、ヒートシンク５は半導体素子３よりも大きく、ヒートシンク５の輪郭が半導体素子３を包囲している。

ヒートシンク５は、半導体素子３の駆動により発生する熱を放熱させる機能を有する。すなわち、半導体素子３の駆動により発生する熱は、上面はんだ層２３、上面配線層１３、絶縁基材部１０ａ、下面配線層１５、下面はんだ層２５、ヒートシンク５の順に伝導され、ヒートシンク５によってモジュール１外に放散される。上面配線層１３、下面配線層１５の材料としては、銅、アルミニウム等が好適に採用される。これらの材料の熱伝導率は、下に示す通り、はんだに比較して格段に高い。従って、半導体モジュール１の放熱性を向上させる観点から、これらの材料を採用することは好ましい。
銅の熱伝導率：３９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）
アルミニウムの熱伝導率：２３６Ｗ／（ｍ・Ｋ）
はんだの熱伝導率：４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）

半導体素子３及びヒートシンク５は、一様の厚みの平板状をなしている。また、絶縁基板１０の絶縁基材部１０ａも、一様の厚みの平板状をなしている。これに対し、上面配線層１３は、中央部がその周囲よりも一段高く半導体素子３側に盛り上がる形状を成している。すなわち、上面配線層１３は、基板の延在方向（図１の水平方向）における絶縁基板１０の中央部に対応する位置に、周囲よりも厚く形成された厚板部１３ａを有している。厚板部１３ａは、平坦な上端面をもち、上から見て半導体素子３と中心点を共通する長方形をなす。また同様に、下面配線層１５は、中央部がその周囲よりも一段高くヒートシンク５側に盛り上がる形状を成している。すなわち、下面配線層１５は、絶縁基板１０の中央部に対応する位置に、周囲よりも厚く形成された厚板部１５ａを有している。厚板部１５ａは、平坦な下端面をもち、上から見て半導体素子３と中心点を共通する長方形をなす。２つの厚板部１３ａ，１５ａのうち、ヒートシンク５により近い厚板部１５ａは、厚板部１３ａに比べ、上から見た（絶縁基板１０等の厚み方向から見た）面積が大きくなっている。なお、以下では、上面配線層１３において厚板部１３ａ周囲の薄い部分を薄板部１３ｂと呼び、下面配線層１５において厚板部１５ａ周囲の薄い部分を薄板部１５ｂと呼ぶ。

ここで、この種の半導体モジュールでは、半導体素子の通電ＯＮ／ＯＦＦを繰り返すと、はんだ層に発生する熱応力に起因して、はんだ層の四隅を起点としてはんだクラックが生じるおそれがある。このはんだクラックへの対策として、はんだ厚みを厚くしフィレットを十分に形成することも考えられる。ところが、この対策では、はんだクラックを抑制することはできるが、はんだ厚みが厚くなると、放熱効率が悪化し、半導体素子の温度が上昇してしまう。すなわち、はんだクラックの抑制と放熱効率の向上とを両立させることは従来困難であった。

これに対して、半導体モジュール１では、前述の厚板部１３ａの存在によって、上面はんだ層２３は、中央部２３ａが薄く周囲部２３ｂが厚くなる形状をなす。このように、上面はんだ層２３の周囲部２３ｂの厚みが厚くされていることから、はんだクラックの起点となる四隅の厚みが厚く、はんだフィレットを十分に形成することができ、その結果、上面はんだ層２３におけるはんだクラック発生の可能性を低減することができる。その一方、上面はんだ層２３の中央部２３ａの厚みが薄いことから、熱伝導率の良い上面配線層１３（上面配線層１３は銅等で構成されているため、上面はんだ層２３よりも熱伝導率が良い）が、上面はんだ層２３よりも厚くなることにより、半導体モジュール１中央部での熱伝導率が向上する。従って、半導体素子３の直下におけるはんだの熱抵抗を小さくすることができ、その結果、半導体素子３から上面はんだ層２３への放熱効率が向上する。

同様に、前述の厚板部１５ａの存在によって、下面はんだ層２５は、中央部２５ａが薄く周囲部２５ｂが厚くなる形状をなす。このように、下面はんだ層２５の周囲部２５ｂの厚みが厚くされていることから、はんだクラックの起点となる四隅の厚みが厚く、はんだフィレットを十分に形成することができ、その結果、下面はんだ層２５におけるはんだクラック発生の可能性を低減することができる。その一方、下面はんだ層２５の中央部２５ａの厚みが薄いことから、熱伝導率の良い下面配線層１５（下面配線層１５は銅等で構成されているため、下面はんだ層２５よりも熱伝導率が良い）が、下面はんだ層２５よりも厚くなることにより、半導体モジュール１中央部での熱伝導率が向上する。従って、ヒートシンク５の直上におけるはんだの熱抵抗を小さくすることができ、その結果、下面はんだ層２５からヒートシンク５への放熱効率が向上する。

以上のように、半導体モジュール１によれば、はんだ層２３，２５におけるはんだクラックの抑制と、半導体素子３からヒートシンク５への放熱効率の向上と、を両立することができる。

更に、前述のとおり、上から見た厚板部１５ａの面積が厚板部１３ａの面積よりも大きくされている。この構成によれば、厚板部１３ａ，１５ａで構成される主たる熱伝導路の断面積が、半導体素子３からヒートシンク５に近づくほど大きくなる。従って、半導体素子３よりも大きいヒートシンク５全体に満遍なく熱を吸収させることができる。すなわち、半導体素子３の熱が更に効率よくヒートシンク５に吸収されることとなり、放熱効率を更に高めることができる。

（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態に係る半導体モジュール１０１について図２を参照し説明する。この半導体モジュール１０１において、前述の半導体モジュール１と同一又は同等の構成部分には、図面で半導体モジュール１と同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

半導体モジュール１０１において、絶縁基板１１０の下面配線層１１５は、前述の下面配線層１５とは異なり、一様の厚みの平板状をなしている。また、ヒートシンク１０５は、絶縁基板１０の対応する部分において、周囲よりも絶縁基板１０側に向かって一段高く盛り上がり、平坦な上端面をもつ台状の突出部１０５ａを有している。このような半導体モジュール１０１の構成によっても、突出部１０５ａの存在によって、下面はんだ層１２５は、中央部１２５ａが薄く周囲部１２５ｂが厚くなる形状をなす。また、上から見た突出部１０５ａの面積が厚板部１３ａの面積よりも大きくされている。従って、この半導体モジュール１０１は、半導体モジュール１と同様の作用によって同様の効果を奏する。

１，１０１…半導体モジュール、３…半導体素子、５…ヒートシンク（放熱体）、１０，１１０…絶縁基板、１３…上面配線層（一方の配線層）、１３ａ…厚板部、１５…下面配線層（他方の配線層）、１５ａ…厚板部、１０５…ヒートシンク（放熱体）、１０５ａ…突出部。

Claims

半導体素子と、前記半導体素子の熱を放熱する放熱体と、前記半導体素子と前記放熱体との間に位置し配線層を両面に有する絶縁基板と、を備えた半導体モジュールであって、
前記絶縁基板の一方の前記配線層には、はんだを介して前記半導体素子が接合されており、
前記絶縁基板の他方の前記配線層には、はんだを介して前記放熱体が接合されており、
前記一方の前記配線層と、前記他方の前記配線層と、が、
前記絶縁基板の中央部に対応する部分において周囲よりも厚く形成された厚板部を有することを特徴とする半導体モジュール。
各前記配線層が有する各前記厚板部は、
前記放熱体に近いものほど、厚み方向から見た面積が大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
半導体素子と、前記半導体素子の熱を放熱する放熱体と、前記半導体素子と前記放熱体との間に位置し配線層を両面に有する絶縁基板と、を備えた半導体モジュールであって、
前記絶縁基板の一方の前記配線層には、はんだを介して前記半導体素子が接合されており、
前記絶縁基板の他方の前記配線層には、はんだを介して前記放熱体が接合されており、
前記一方の前記配線層は、
前記絶縁基板の中央部に対応する部分において周囲よりも厚く形成された厚板部を有し、
前記放熱体は、
前記絶縁基板の中央部に対応する部分において周囲よりも高く前記絶縁基板側に向かって盛り上がる突出部を有することを特徴とする半導体モジュール。
前記突出部は、前記厚板部と比較して、厚み方向から見た面積が大きいことを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。