JP2015153932A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体基板に熱応力が加わり難い半導体モジュールを提供する。
【解決手段】 収容室３６と収容室３６の隔壁の一部を構成するプレート部３２を有するリードフレーム３０と、プレート部３２の収容室３６とは反対側の表面に実装された半導体基板２０ａ、２０ｂと、収容室３６内に収容された放熱材料４０と気体層５０を有する半導体モジュール１０。気体層５０が容易に膨張・収縮するため、プレート部３２が撓みやすい。これによって、半導体基板２０ａ、２０ｂに生じる熱応力が緩和される。
【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、半導体モジュールに関する。

特許文献１には、カップ状の底板と、底板上に配置された天板と、天板上に実装された半導体の基盤を有するモジュールが開示されている。底板と天板の間には、流路が形成されている。流路内には、冷却媒体が充填されている。流路内を流れる冷却媒体によって、半導体の基盤が冷却される。

特開２０１３−１１５０５２号公報

特許文献１のモジュールにおいては、基盤で発熱が生じると、基盤が熱膨張する。このとき、天板が歪み難いため、基盤に高い熱応力が加わるという問題があった。

本明細書が開示する半導体モジュールは、収容室と前記収容室の隔壁の一部を構成するプレート部を有するリードフレームと、前記プレート部の前記収容室とは反対側の表面に実装された半導体基板と、前記収容室内に収容された放熱材料と気体層を有する。

この半導体モジュールでは、収容室内に放熱材料だけでなく気体層が収容されていることによって、プレート部の歪みが許容される。このため、発熱により半導体基板が熱膨張する際に、半導体基板に追随してプレート部が歪む。これによって、半導体基板に生じる熱応力が緩和される。

半導体モジュール１０の縦断面図。

図１に示す半導体モジュール１０は、リードフレーム３０と、リードフレーム３０に実装された半導体基板２０ａ、２０ｂを有する。

リードフレーム３０は、導電性及び熱伝導性の高い金属により構成されている。リードフレーム３０は、底板３４と、側壁３５と、プレート部３２を有している。底板３４及び側壁３５は、厚い板厚を有している。側壁３５は、底板３４に立設されており、底板３４の外周端に沿って伸びている。すなわち、底板３４及び側壁３５によって、カップ形状が形成されている。プレート部３２は、薄い板厚を有している。プレート部３２は、平板状に形成されている。プレート部３２は、底板３４から間隔を開けて、底板３４の上方に配置されている。プレート部３２は、側壁３５に接続されている。プレート部３２は、底板３４と側壁３５に囲まれた冷媒室３６の上部を閉塞している。側壁３５の一部は、プレート部３２よりも上側に突出して凸部３８を形成している。

半導体基板２０ａ、２０ｂの下面には、下部電極（図示省略）が形成されている。各半導体基板２０ａ、２０ｂの下部電極は、ろう材２２（例えば、はんだ）によってプレート部３２の上面に接合されている。すなわち、半導体基板２０ａ、２０ｂが、プレート部３２上に実装されている。また、半導体基板２０ａ、２０ｂの上面に形成された上部電極（図示省略）は、図示しない端子に電気的に接続されている。これによって、半導体基板２０ａ、２０ｂに通電することが可能とされている。

冷媒室３６の内部には、冷却液４０が収容されている。但し、冷媒室３６の容積は、冷却液４０の体積よりも大きい。したがって、冷媒室３６内には、気体層５０（例えば、空気層）が形成されている。気体層５０は、冷却液４０とプレート部３２の間に位置している。冷媒室３６は、図示しない循環流路の一部を構成している。冷却液４０は、循環流路内を流れることができる。循環流路内を流れる際には、冷却液４０は、図１の紙面に対して垂直な方向に流れる。

半導体基板２０ａ、２０ｂに通電する際には、冷却液４０を循環流路内に循環させる。半導体基板２０ａ、２０ｂに通電すると、半導体基板２０ａ、２０ｂが発熱する。しかしながら、半導体基板２０ａ、２０ｂは、冷媒室３６内を流れる冷却液４０によって冷却される。これによって、半導体基板２０ａ、２０ｂの昇温が抑制される。

また、半導体モジュール１０では、リードフレーム３０に凸部３８が形成されていることによって、リードフレーム３０の熱容量の増大が図られている。これによって、放熱性が向上し、半導体基板２０ａ、２０ｂの昇温がより抑制される。

半導体基板２０ａ、２０ｂの昇温が抑制されるものの、半導体基板２０ａ、２０ｂではある程度の昇温が生じる。半導体基板２０ａ、２０ｂが昇温すると、半導体基板２０ａ、２０ｂ、ろう材２２及びプレート部３２が高温となり、これらが熱膨張する。ここで、ろう材２２の膨張量がプレート部３２の膨張量よりも大きいと、プレート部３２は上側に撓む（すなわち、上側に凸となるように歪む）。このとき、冷媒室３６内の気体層５０が膨張する。気体層５０は容易に膨張するため、プレート部３２は容易に上側に撓むことができる。このように、プレート部３２が半導体基板２０ａ、２０ｂ及びろう材２２に追従して撓むため、半導体基板２０ａ、２０ｂ及びろう材２２に高い熱応力が生じない。したがって、この半導体モジュール１０は、信頼性が高い。

また、ろう材２２の膨張量がプレート部３２の膨張量よりも小さい場合には、プレート部３２は下側に撓む（すなわち、下側に凸となるように歪む）。このとき、冷媒室３６内の気体層５０が圧縮される。気体層５０は容易に収縮するため、プレート部３２は容易に下側に撓むことができる。このように、プレート部３２が半導体基板２０ａ、２０ｂ及びろう材２２に追従して撓むため、半導体基板２０ａ、２０ｂ及びろう材２２に高い熱応力が生じない。したがって、この半導体モジュール１０は、信頼性が高い。

なお、仮に、冷媒室３６内に隙間なく冷却液４０が充填されており、気体層５０が形成されていない場合には、プレート部３２の歪みが阻害される。すなわち、この場合、プレート部３２が上側に撓もうとすると、冷媒室３６内の冷却液４０がほとんど膨張しないため、プレート部３２はほとんど撓むことができない。また、プレート部３２が下側に撓もうとすると、冷媒室３６内の冷却液４０がほとんど圧縮されないため、プレート部３２はほとんど撓むことができない。このように、気体層５０が存在しない場合には、いずれの場合にもプレート部３２が撓みがたいため、半導体基板２０ａ、２０ｂ及びろう材２２の熱膨張が阻害される。その結果、半導体基板２０ａ、２０ｂ及びろう材２２で高い熱応力が生じることとなり、信頼性の低下を招く。これに対し、気体層５０を有する本実施例の半導体モジュール１０では、気体層５０が容易に膨張・収縮するため、プレート部３２が容易に歪むことができる。これによって、半導体モジュール１０の高い信頼性が実現される。

なお、上述した実施例では、冷媒室３６内に冷却液４０が収容されていたが、冷却液４０に代えて、金属粉体を放熱材料として冷媒室３６内に収容してもよい。この場合、金属粉体は冷媒室３６内を流れなくてもよい。このように金属粉体を冷媒室３６内に収容すると、リードフレーム３０の熱容量が増大し、半導体基板２０ａ、２０ｂの放熱性が向上する。また、この場合にも、冷媒室３６内に気体層５０を形成することで、プレート部３２の可撓性を確保することができる。これによって、半導体基板２０ａ、２０ｂ及びろう材２２に高い熱応力が生じることを抑制することができる。

なお、上述した実施例では気体層５０が冷却液４０とプレート部３２の間に配置されていたが、気体層５０が冷媒室３６内の何れの位置に配置されていてもよい。例えば、半導体モジュール１０を上下逆さにして使用してもよい。この場合、気体層５０が底板３４側に配置されるが、このような構成でもプレート部３２の可撓性を確保することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：半導体モジュール
２０ａ、２０ｂ：半導体基板
２２：ろう材
３０：リードフレーム
３２：プレート部
３４：底板
３５：側壁
３６：冷媒室
３８：凸部
４０：冷却液
５０：気体層

Claims (1)

1. 収容室と、前記収容室の隔壁の一部を構成するプレート部を有するリードフレームと、
   前記プレート部の前記収容室とは反対側の表面に実装された半導体基板と、
   前記収容室内に収容された放熱材料と気体層、
   を有する半導体モジュール。

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