JP2016149449A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】放熱フィンの長手方向における温度分布を従来よりも均一化し、半導体チップの冷却効率をより向上させる技術を提供する。【解決手段】 半導体モジュールが提供される。この半導体モジュールは、半導体チップと、前記半導体チップに接続されている熱拡散部材と、前記熱拡散部材に接続されており、前記熱拡散部材が接続されている表面と反対側の表面に複数の放熱フィンを有する放熱板と、前記複数の放熱フィンの間に冷媒を流す冷却器を有する。前記熱拡散部材が、前記熱拡散部材と前記放熱板の積層方向及び前記積層方向に対して直交する第１方向において、前記積層方向及び前記第１方向に対して直交する第２方向よりも高い熱伝導率を有する。前記積層方向に沿って見たときに、前記熱拡散部材と前記複数のフィンが重複する範囲において、前記第１方向が、前記放熱フィンに沿って伸びている。【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、半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールは、半導体チップと、半導体チップに接続された放熱板と、冷却器を有している。放熱板の半導体チップが接続された表面と反対側の表面に、放熱フィンが形成されている。冷却器は、放熱フィンの間に冷媒を流す。半導体チップで発生した熱は、放熱板に伝わる。放熱板は、冷媒によって冷却される。したがって、この半導体モジュールでは、半導体チップを効率的に冷却することができる。

特開２０１１−１６６１１３号公報

特許文献１の半導体モジュールでは、放熱フィンの長手方向において、高い温度差が生じる。すなわち、半導体チップの直下の位置では放熱フィンが高温となる一方で、半導体チップから離れた位置では放熱フィンが低温となる。このため、半導体チップから離れた位置では、放熱フィンと冷媒の温度差が小さく、放熱フィンから冷媒に多くの熱を伝えることができない。したがって、半導体チップから離れた位置の放熱フィンが半導体チップの冷却にあまり寄与しなかった。したがって、本明細書では、放熱フィンの長手方向における温度分布を従来よりも均一化し、半導体チップの冷却効率をより向上させる技術を提供する。

本明細書が開示する半導体モジュールは、半導体チップと、前記半導体チップに接続されている熱拡散部材と、前記熱拡散部材に接続されており、前記熱拡散部材が接続されている表面と反対側の表面に複数の放熱フィンを有する放熱板と、前記複数の放熱フィンの間に冷媒を流す冷却器を有している。前記熱拡散部材が、前記熱拡散部材と前記放熱板の積層方向及び前記積層方向に対して直交する第１方向において、前記積層方向及び前記第１方向に対して直交する第２方向よりも高い熱伝導率を有している。前記積層方向に沿って見たときに、前記熱拡散部材と前記複数のフィンが重複する範囲において、前記第１方向が前記放熱フィンに沿って伸びている。

なお、上記の「前記第１方向が、前記放熱フィンに沿って伸びている」は、第１方向と放熱フィンの中心軸との間の角度が４５°以下であることを意味する。

この半導体モジュールでは、熱拡散部材が、積層方向と第１方向において高い熱伝導率を有する。また、積層方向に沿って見たときに、第１方向が放熱フィンに沿って伸びている。したがって、半導体チップで発生した熱は、熱拡散部材によって第１方向（すなわち、放熱フィンの長手方向）に拡散されながら放熱板に伝えられる。このため、放熱フィンの長手方向における温度分布が、従来よりも均一化される。したがって、半導体チップから離れた位置でも、放熱フィンが従来よりも高温となり、放熱フィンから冷媒に多くの熱を伝えることができる。このため、半導体チップを従来よりも効率的に冷却することができる。

実施例１の半導体モジュール１０の縦断面図（図２のＩ−Ｉ線の位置における縦断面図）。 実施例１の半導体モジュール１０をｚ方向に沿って見た図であり、半導体チップ１２と放熱フィン１６ａと開口２４の位置関係を示す図。 実施例１の半導体モジュール１０の縦断面図（図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線の位置における縦断面図）。 二次元熱拡散部材３０の配向性グラファイト層６０の向きと放熱フィン１６ａの向きを示す斜視図。 放熱フィン１６ａの長手方向における温度分布を示す図。 実施例２の半導体モジュールの縦断面図（図７のＶＩ−ＶＩ線の位置における縦断面図）。 実施例２の放熱板１６をｚ方向に沿って見た図であり、放熱フィン１６ａと凸部１６ｃの配置を示す図。 実施例２の放熱ブロック１４のｚ方向に直交する断面を示す図であり、半導体チップ１２、二次元熱拡散部材３０ａ〜３０ｄ、放熱フィン１６ａ及び開口２４のｚ方向に沿って見たときの位置関係を示す図。

図１に示すように、実施例１に係る半導体モジュール１０は、半導体チップ１２と、放熱ブロック１４と、放熱板１６をｚ方向に積層した積層構造を有している。

放熱板１６は、金属製の部材である。放熱板１６の上面は、略平坦である。放熱板１６は、下面に複数の放熱フィン１６ａを有している。複数の放熱フィン１６ａは、ｚ方向に直交するｘ方向（すなわち、放熱板１６の上面に平行な一方向）に間隔を開けて配列されている。また、各放熱フィン１６ａは、ｚ方向及びｘ方向に直交するｙ方向（すなわち、放熱板１６の上面に平行であり、ｘ方向に直交する方向）に長く伸びている。

放熱ブロック１４は、放熱板１６の上面に固定されている。放熱ブロック１４は、二次元熱拡散部材３０と、二次元熱拡散部材３０の表面を覆っている金属層３２を有している。図４に示すように、二次元熱拡散部材３０は、配向性グラファイト層６０が多数積層された積層体である。配向性グラファイト層６０は、ｘ方向に積層されている。各配向性グラファイト層６０は、二次元状（すなわち、平面状）に伸びている。より詳細には、各配向性グラファイト層６０は、ｙ方向とｚ方向により確定される平面に沿って二次元状に伸びている。各配向性グラファイト層６０は、ｙ方向及びｚ方向において極めて高い熱伝導率を有している。他方、各配向性グラファイト層６０の間の界面では熱伝導が阻害されるため、配向性グラファイト層６０の間の熱伝導率はあまり高くない。したがって、二次元熱拡散部材３０は、ｘ方向の熱伝導率があまり高くない。すなわち、二次元熱拡散部材３０のｙ方向及びｚ方向の熱伝導率は、ｘ方向の熱伝導率よりも高い。二次元熱拡散部材３０の表面全体は、金属層３２によって覆われている。このような構造を有するので、放熱ブロック１４のｙ方向及びｚ方向の熱伝導率は、ｘ方向の熱伝導率よりも高い。

半導体チップ１２は、放熱ブロック１４の上面に固定されている。図示していないが、半導体チップ１２は、上面及び下面に電極を有している。半導体チップ１２の下面の電極は、放熱ブロック１４に接続されている。図示していないが、半導体チップ１２の上面の電極は、外部の端子に接続されている。

放熱板１６の下面には、冷却器１８が接続されている。冷却器１８は、冷媒が流れる流路ユニット２０と、図示しないポンプを有している。流路ユニット２０は、冷媒が流れる流路２２を内部に有している。ポンプを作動させることで、流路２２内に冷媒を流すことができる。流路ユニット２０は、放熱板１６の下側に配置されている。図１、３に示すように、各放熱フィン１６ａの下端は、流路ユニット２０の上面に密着している。流路ユニット２０には、放熱板１６と重なる位置に開口２４が形成されている。開口２４は、流路２２の上側の隔壁に形成されている。図１に示すように、開口２４のｘ方向の幅は、放熱板１６の両端の放熱フィン１６ａの間の間隔と略等しい。各放熱フィン１６ａの間の空間は、冷媒が流れる流路１６ｂを構成している。流路ユニット２０内の流路２２内を流れる冷媒は、開口２４を通って各流路１６ｂ内に流入することができる。

次に、半導体モジュール１０の動作について説明する。半導体チップ１２に通電する際には、冷却器１８のポンプが作動される。半導体チップ１２に通電すると、半導体チップ１２が発熱する。すると、半導体チップ１２で発生した熱が、放熱ブロック１４を通って放熱板１６に伝わる。また、冷却器１８のポンプが作動すると、図１の矢印８０に示すように流路２２内を冷媒が流れる。冷媒は、図１の矢印８２に示すように開口２４を通って各流路１６ｂ内に流入する。各流路１６ｂ内に流入した冷媒は、図２、３の矢印８４に示すように流路１６ｂ内を流れて各放熱フィン１６ａの長手方向（ｙ方向）の端部まで流れる。放熱フィン１６ａの端部まで流れた冷媒は、放熱板１６の外部の図示しない流路を通ってポンプに戻る。冷媒が流路１６ｂ内を流れる際に、冷媒と放熱フィン１６ａとの間で熱交換が行われる。これによって、放熱フィン１６ａが冷却される。

また、上記の通り、放熱板１６の放熱フィン１６ａは、ｙ方向に長く伸びている。さらに、上記の通り、放熱ブロック１４は、ｙ方向に高い熱伝導率を有している。したがって、半導体チップ１２で発生した熱は、放熱ブロック１４によってｙ方向に分散されながら、放熱板１６に伝えられる。このため、放熱フィン１６ａの長手方向（ｙ方向）における温度分布が、従来に比べて均一化される。例えば、図５は、従来の半導体モジュール（すなわち、放熱ブロック１４の代わりに、等方的に熱を伝える伝熱部材が配置されている場合）と実施例１の半導体モジュール１０における放熱フィン１６ａの長手方向（ｙ方向）における温度分布を比較して表している。図５に示すように、実施例１の半導体モジュール１０では、従来の半導体モジュールに比べて放熱フィン１６ａの長手方向における温度分布を均一化することができる。実施例１の半導体モジュール１０では、放熱フィン１６ａの長手方向における温度分布が従来よりも均一化されるので、放熱フィン１６ａの長手方向全体で放熱フィン１６ａと冷媒との熱交換が効率的に行われる。例えば、従来の半導体モジュールでは、放熱フィン１６ａの長手方向の端部近傍の温度が低いため、この位置では放熱フィン１６ａと冷媒との間で交換される熱が少ない。これに対し、実施例１の半導体モジュールでは、放熱ブロック１４によって半導体チップ１２で発生した熱が放熱フィン１６ａの長手方向の端部近傍まで効果的に伝えられる。したがって、放熱フィン１６ａの長手方向の端部近傍の温度が従来よりも高く、この位置でも放熱フィン１６ａと冷媒との間で多くの熱が交換される。このため、実施例１の半導体モジュール１０では、半導体チップ１２の温度上昇を従来よりも効果的に抑制することができる。

なお、上述した実施例では、ｚ方向に沿って見たときに放熱ブロック１４の熱伝導率が高い方向（すなわち、配向性グラファイト層６０の長手方向）と放熱フィン１６ａの長手方向が共にｙ方向であり、これらが互いに平行であった。しかしながら、これらの間に４５°以下の角度が設けられていてもよい。これらの間の角度が４５°以下であれば、放熱ブロック１４によって放熱フィン１６ａの長手方向に効率的に熱を拡散させることができる。

図６に示すように、実施例２の半導体モジュールも、半導体チップ１２と、放熱ブロック１４と、放熱板１６をｚ方向に積層した積層構造を有している。

実施例２の半導体モジュールでは、放熱板１６の下面の中央に、凸部１６ｃが形成されている。また、図７に示すように、放熱板１６の下面の放熱フィン１６ａが、凸部１６ｃからその周囲に放射状に伸びるように配置されている。凸部１６ｃと各放熱フィン１６ａの間には隙間が形成されている。また、実施例２の半導体モジュールでは、開口２４が凸部１６ｃに対向する部分に形成されている。開口２４の直径は、凸部１６ｃの直径よりも大きい。図６の矢印８６に示すように流路２２から放熱フィン１６ａの間の流路１６ｂに流入した冷媒は、図７の矢印８８に示すように凸部１６ｃから放射状に外周部まで流れる。放熱フィン１６ａの外周側の端部まで流れた冷媒は、図示しない流路を通ってポンプに戻される。

また、図８に示すように、実施例２の半導体モジュールでは、放熱ブロック１４が、４つの二次元熱拡散部材３０ａ〜３０ｄを有している。二次元熱拡散部材３０ａ〜３０ｄの表面は、金属層３２に覆われている。各二次元熱拡散部材３０ａ〜３０ｄは、ｚ方向に沿って見たときに二等辺直角三角形である板状の形状を有する。各二次元熱拡散部材３０ａ〜３０ｄは、他の２つの二次元熱拡散部材に隣接し、直角の角部が一致するように配列されている。各二次元熱拡散部材３０ａ〜３０ｄは、配向性グラファイト層６０がｚ方向に伸びるように配置されている。また、各二次元熱拡散部材３０ａ〜３０ｄは、ｚ方向に沿って見たときに、直角の角部からその角部に対向する辺に向かう方向に配向性グラファイト層６０が伸びるように配置されている。したがって、ｚ方向に沿って見たときに、二次元熱拡散部材３０ａ、３０ｃの配向性グラファイト層６０はｘ方向に沿って伸びている。また、ｚ方向に沿って見たときに、二次元熱拡散部材３０ｂ、３０ｄの配向性グラファイト層６０はｙ方向に沿って伸びている。したがって、二次元熱拡散部材３０ａ〜３０ｄの配向性グラファイト層６０は、放熱ブロック１４の中心３４から放射状に伸びている。ｚ方向に沿って見たときに、中心３４は、放熱板１６の凸部１６ｃと重なる位置に配置されている。したがって、中心３４から放射状に伸びる各配向性グラファイト層６０は、凸部１６ｃから放射状に伸びる放熱フィン１６ａに沿って伸びている。より詳細には、ｚ方向に沿って見たときに、何れの位置においても、配向性グラファイト層６０の長手方向と放熱フィン１６ａの長手方向（中心軸）とが成す角度θが４５°以下となっている。

図８に示すように、半導体チップ１２は、ｚ方向に沿って見たときに、放熱ブロック１４の中心３４及び放熱板１６の凸部１６ｃと重なる位置に配置されている。すなわち、半導体チップ１２は、ｚ方向に沿って見たときに、二次元熱拡散部材３０ａ〜３０ｄに重なる位置に配置されている。したがって、二次元熱拡散部材３０ａ〜３０ｄの配向性グラファイト層６０は、ｚ方向に沿って見たときに、半導体チップ１２から放射状に伸びている。

実施例２の半導体モジュールを動作させると、半導体チップ１２で発生した熱が、放熱ブロック１４によって放射状に拡散されながら放熱板１６に伝えられる。また、放熱板１６では、放熱フィン１６ａが、放熱ブロック１４の配向性グラファイト層６０の長手方向に沿って伸びている。したがって、実施例１と同様に、放熱フィン１６ａの長手方向における温度分布が均一化され、流路１６ｂを流れる冷媒と放熱フィン１６ａとの間で効率的に熱が交換される。したがって、実施例２の半導体モジュールでも、好適に半導体チップ１２の温度上昇を抑制することができる。また、実施例２のように半導体チップ１２で発生した熱を放射状に拡散することで、半導体チップ１２の温度上昇をより抑制することができる。

以下に、本明細書が開示する半導体モジュールの構成を説明する。本明細書に開示の技術の一例では、熱拡散部材を少なくとも３個有している。複数の放熱フィンが、熱拡散部材と放熱板の積層方向に沿って見たときに、半導体チップから放射状に伸びている。少なくとも３個の熱拡散部材が、前記積層方向に直交する断面において隣接している。半導体チップが、前記積層方向に沿ってみたときに、前記少なくとも３個の熱拡散部材と重なる。この構成によれば、半導体チップの温度上昇をより抑制することができる。

以上、実施形態について詳細に説明したが、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、単独あるいは各種の組み合わせによって技術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１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０ ：半導体モジュール
１２ ：半導体チップ
１４ ：放熱ブロック
１６ ：放熱板
１６ａ ：放熱フィン
１６ｂ ：流路
１６ｃ ：凸部
１８ ：冷却器
２０ ：流路ユニット
２２ ：流路
２４ ：開口
３０ ：二次元熱拡散部材
３２ ：金属層
６０ ：配向性グラファイト層

Claims (2)

1. 半導体モジュールであって、
   半導体チップと、
   前記半導体チップに接続されている熱拡散部材と、
   前記熱拡散部材に接続されており、前記熱拡散部材が接続されている表面と反対側の表面に複数の放熱フィンを有する放熱板と、
   前記複数の放熱フィンの間に冷媒を流す冷却器、
   を有し、
   前記熱拡散部材が、前記熱拡散部材と前記放熱板の積層方向及び前記積層方向に対して直交する第１方向において、前記積層方向及び前記第１方向に対して直交する第２方向よりも高い熱伝導率を有し、
   前記積層方向に沿って見たときに、前記熱拡散部材と前記複数のフィンが重複する範囲において、前記第１方向が前記放熱フィンに沿って伸びている、
   半導体モジュール。
2. 前記熱拡散部材を少なくとも３個有しており、
   前記複数の放熱フィンが、前記積層方向に沿って見たときに、前記半導体チップから放射状に伸びており、
   前記少なくとも３個の熱拡散部材が、前記積層方向に直交する断面において隣接しており、
   前記半導体チップが、前記積層方向に沿って見たときに、前記少なくとも３個の熱拡散部材と重なる、
   請求項１の半導体モジュール。

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