JP2024021339A - モジュールの放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体パッケージおよびモジュール筐体間の接触熱抵抗、ならびに、モジュール筐体の熱抵抗を削減し、高周波モジュールの放熱性を向上させる。【解決手段】半導体素子２０を取り付ける半導体素子搭載面４１ａ及び前記半導体素子搭載面４１ａの裏面側で、前記半導体素子搭載面４１ａより表面積の大きい放熱面４１ｂを有するベース部４１を含む半導体パッケージ４０と、底部に下方が広く形成された開口部５１を有し、前記開口部５１に前記ベース部４１がねじ締結可能なモジュール筐体５０と、前記モジュール筐体底部下面５３及び前記放熱面４１ｂと、前記モジュール筐体５０を搭載するモジュール搭載用構造体７０との間に配置され、弾性を有する熱伝導シート６０と、を備える【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体パッケージを内蔵するモジュールの放熱構造に関するものである。

従来のモジュール構造として、特許文献１には、外側に皿とり穴を有するモジュール筐体に、高発熱部品を実装するパッケージを、パッケージ底面下側から雌ねじを設けて取り付け、高発熱部品直下及び周辺の接触熱抵抗を低減するものが開示されている。

特開２０１０－２１２６０２

上記した従来のモジュール構造では、モジュール筐体の底面を、冷却板に熱的に接触させて放熱するが、この場合、パッケージおよびモジュール筐体間の接触熱抵抗の低減には限界があり少なからず残存する。また、モジュール筐体の熱抵抗低減に寄与するとは限らず、モジュール筐体の熱抵抗が残存するという課題があった。

本開示は上記した問題点を解決するためになされたものであり、半導体パッケージおよびモジュール筐体間の接触熱抵抗、ならびに、モジュール筐体の熱抵抗を削減し、モジュールの放熱性を向上させることを目的とする。

本開示に係るモジュールの放熱構造は、半導体素子を取り付ける半導体素子搭載面及び半導体素子搭載面の裏面側に半導体素子搭載面より表面積の大きい放熱面を有するベース部を含む半導体パッケージと、底部に下方が広く形成された開口部を有し、開口部にベース部がねじ締結可能なモジュール筐体と、モジュール筐体の底部下面及び半導体パッケージの放熱面と、モジュール筐体を搭載するモジュール搭載用構造体との間に配置され、弾性を有する熱伝導シートと、を備える。

本開示のモジュールの放熱構造は、半導体パッケージおよびモジュール筐体間の接触熱抵抗、ならびに、モジュール筐体の熱抵抗を削減し、モジュールの放熱性を向上する。

実施の形態１におけるモジュール構造のカバーを取り外した状態の平面図である。 実施の形態１におけるモジュール構造の正面図である。 図１おけるモジュール構造のＡ―Ａ線における断面図である。

以下、本開示の実施の形態について、図を用いて説明する。なお、以下の説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称および機能も同一または同様のものとする。よって、それらについての詳細な説明を省略する場合がある。

実施の形態１.
実施の形態１におけるモジュール構造について図１、図２及び図３を用いて説明する。図１は、実施の形態１におけるモジュール構造のカバー１０を取り外した状態の平面図である。図２は、実施の形態１におけるモジュール構造の正面図である。また、図３は図１におけるモジュール構造のＡ―Ａ線における断面図である。実施の形態１におけるモジュール構造は、カバー１０と、ＲＦコネクタ１１と、ＤＣコネクタ１２と、ＰＣＡ１３と、デバイス１４ａ、１４ｂと、デバイス１４ａ、１４ｂに含まれる半導体素子２０、接合材３０、半導体パッケージ４０、及びＲＦパターン４７が印字された基板４６と、半導体パッケージ４０に含まれるベース部４１、シールリング４４、及びパッケージカバー４５と、ワイヤ４３と、リボン線４８と、モジュール筐体５０と、熱伝導シート６０と、モジュール搭載用構造体７０と、半導体パッケージ締結ねじ８０と、モジュール締結ボルト９０と、ボルト穴９１と、ＥＭＩガスケット１００とを備える。モジュール筐体５０は、デバイス１４ａ、１４ｂを収納するモジュールケースである。実施の形態１におけるモジュールの放熱構造は、少なくとも、半導体パッケージ４０と、モジュール筐体５０と、モジュール筐体５０およびモジュール搭載用構造体７０との間に配置される熱伝導シート６０とを備える。また、ＥＭＩガスケット１００を備えていてもよい。

図１及び図２に示すように、モジュール筐体５０は、内部にＰＣＡ１３及び１つまたは複数のデバイス１４ａ、１４ｂが配置され、カバー１０によって上部を覆われる。また、モジュール筐体５０は側壁にＲＦコネクタ１１及びＤＣコネクタ１２を有する。さらに、モジュール筐体５０は周縁にモジュール締結ボルト９０を挿入するボルト穴９１を有し、モジュール締結ボルト９０によって、後述する熱伝導シート６０を介してモジュール搭載用構造体７０に締結される。この際、カバー１０は、モジュール筐体５０の上面に配置され、モジュール締結ボルト９０によって締結され、固定される。また、ボルト穴９１は、図１に示すように、８箇所締結するのが好ましい。しかし、図１に示したボルト穴９１の数及び間隔は図示した形態に限定するものではない。

また、カバー１０とモジュール筐体５０の接触面には電磁波シールドとなるガスケットが取り付けられていてもよい。ここで、モジュール搭載用構造体７０は、例えば、衛星の筐体パネルや、移動体に搭載されるのレーダ装置である。モジュール搭載用構造体７０は、ヒートパイプ等の冷却手段を備えていても、備えていなくても良い。

デバイス１４ａ、１４ｂは、半導体素子２０、接合材３０、半導体パッケージ４０及びＲＦパターン４７が印字された基板４６を含む。ここで、半導体素子２０は、例えばＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などのベアチップである。デバイス１４ａの半導体素子２０は、例えば高発熱性の高出力増幅器を構成する。デバイス１４ｂは、例えば高出力増幅器よりも低出力の多段増幅器を構成する。基板４６は、シールリング４４に形成された貫通穴に嵌め込まれ、半導体パッケージ４０の内外で気密性を保持した状態でマイクロ波、ミリ波等の高周波のＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を伝送する信号伝送基板である。また、基板４６の素材は、例えばセラミックである。

図３に示すように、デバイス１４ａの半導体パッケージ４０は、ベース部４１、シールリング４４及びパッケージカバー４５を含む。ベース部４１の上面に、半導体素子２０及び基板４６が配置される。この際、半導体部素子２０は接合材３０を介してベース部４１に取り付けられる。

半導体素子２０と基板４６とは金製のワイヤ４３によって接続され、さらに複数のデバイスを搭載する場合には、それぞれの基板が金製のリボン線４８によって接続される。また、半導体素子２０と基板４６の一部とは、枠型形状のシールリング４４と、シールリング４４の上部に取り付けられる平板のパッケージカバー４５とによって覆われる。この際、パッケージカバー４５はシールリング４４の上面に気密を保持した状態で接合される。

本実施の形態では、ベース部４１は、凸型断面形状を有する。ベース部４１の、半導体素子２０が取り付けられる面を、半導体素子搭載面４１ａとする。また、半導体素子搭載面４１ａの裏面側を放熱面４１ｂとする。ベース部４１の下部は、上部に比べて突出した鍔部４２を有する。鍔部４２は、後述するモジュール筐体５０の開口部５１に嵌め込み、ねじ締結可能な大きさとする。

また、ベース部４１は半導体素子２０および基板４６に用いられる素材と線膨張率が近い素材を用いる。素材は、例えば銅とタングステン若しくは銅とモリブデンの複合材である。また、シールリング４４及びパッケージカバー４５の素材は同質のものであり、例えばセラミックに線膨張係数の近い素材である鉄ニッケルコバルト合金で形成される。

モジュール筐体５０は、底部に下方が広く形成された開口部５１を有する。開口部５１には、半導体パッケージ４０が、半導体パッケージ締結ねじ８０によってねじ締結される。この際、半導体パッケージ４０の放熱面４１ｂは、モジュール筐体底部下面５３より突出するように取り付けられる。

本実施の形態では、開口部５１は、半導体パッケージ４０のベース部４１が嵌め込み可能な凸型断面形状を有している。凸型断面形状の開口部５１の上部を形成する張出部５２は、開口部５１の空間に面した段差面を形成する。張出部５２の内側に位置する開口部５１の開口穴には、ベース部４１の上部が嵌め込まれる。また、張出部５２の下方に位置する開口部５１の開口穴に、ベース部４１の鍔部４２が嵌め込まれ、張出部５２の下面に鍔部４２がねじ締結されている。

本実施の形態では、半導体パッケージ締結ねじ８０は、半導体パッケージ４０側からモジュール筐体５０へ向かう向きで取り付けられている。なお、半導体パッケージ締結ねじ８０は、モジュール筐体５０側から、半導体パッケージ４０に向けて取り付けられていてもよい。

モジュール筐体５０の開口部５１と、半導体パッケージ４０との間には、導電性繊維、導電性粒子等を含有したＥＭＩ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）ガスケット１００が取り付けられていてもよい。半導体パッケージ４０とモジュール筐体５０とが半導体パッケージ締結ねじ８０によってねじ締結されると、ＥＭＩガスケット１００は半導体パッケージ４０に押し付けられる。

モジュール筐体底部下面５３及び半導体パッケージ４０の放熱面４１ｂは、弾性を有する熱伝導シート６０を介してモジュール搭載用構造体７０と接する。この際、熱伝導シート６０は、放熱性の高い素材であればよく、特段の定めはないが、例えば、高周波モジュールのようにＧＮＤとの導通を図りたい場合は導電性のあるグラファイト素材、導電性が要求されない場合はシリコーン系の素材が用いられる。また、モジュール筐体底部下面５３および半導体パッケージ４０の放熱面４１ｂの段差を吸収できれば厚みの制限はないが、通常０．５～２ｍｍである。

次に、このように構成されたモジュール構造における動作について説明する。半導体素子２０が動作すると、半導体素子２０において発生した熱は接合材３０、半導体パッケージ４０のベース部４１、並びに半導体パッケージ４０のベース部４１および熱伝導シート６０間の接触層を経由し、熱伝導シート６０に伝わる。熱伝導シート６０に伝わった熱がモジュール搭載用構造体７０に伝わり、放熱される。これにより、半導体素子２０で発生した熱は、半導体パッケージ４０とモジュール筐体５０との接触層およびモジュール筐体５０を介さずに放熱される。

このように、半導体素子２０を取り付ける半導体素子搭載面４１ａ及び半導体素子搭載面４１ａの裏面側に半導体素子搭載面４１ａより表面積の大きい放熱面４１ｂを有するベース部４１を含む半導体パッケージ４０と、底部に下方が広く形成された開口部５１を有し、開口部５１にベース部４１がねじ締結可能なモジュール筐体５０と、モジュール筐体５０の底部下面５３及び半導体パッケージ４０の放熱面４１ｂとモジュール筐体５０を搭載するモジュール搭載用構造体７０との間に配置され、弾性を有する熱伝導シート６０と、を備えたモジュール構造にあっては、半導体パッケージ４０内で発生した熱が、半導体パッケージ４０とモジュール筐体５０との接触層、およびモジュール筐体５０を介さずにモジュール搭載用構造体７０に放熱される。そのため、モジュール筐体５０の熱抵抗による放熱性の低下を防ぐ効果を奏する。

デバイス１４ａをモジュール筐体５０へ取り付ける際には、モジュール筐体５０を表裏反転させ、モジュール筐体裏面からデバイス１４ａを開口部５１に嵌め込むようにして、組み付けることができる。

半導体パッケージ締結ねじ８０を取り外せば、半導体パッケージ４０は容易に取り外し可能である。このため、ＩＧＢＴモジュール等に見られる樹脂封止型のモジュール構造に比べて、デバイス単位での部品交換等、リワークやメンテナンス性に優れる構造である。

また、モジュール筐体底部下面５３及び半導体パッケージ４０の放熱面４１ｂと、モジュール搭載用構造体７０との間に弾性の熱伝導シート６０を配置することで、モジュール筐体５０とモジュール搭載用構造体７０とがモジュール締結ボルト９０によってとめられた際、押圧力によって熱伝導シート６０が変形する。その結果、熱伝導シート６０が、モジュール筐体底部下面５３と半導体パッケージ４０の放熱面４１ｂとの段差を吸収することができる。また、半導体パッケージ４０及び熱伝導シート６０、並びに熱伝導シート６０及びモジュール搭載用構造体７０が押し付けられ、接触した状態を保持することができる。その結果、半導体パッケージ４０から熱伝導シート６０に、ひいては半導体パッケージ４０からモジュール搭載用構造体７０へ、効率的に放熱することができる。

そのほか、モジュール筐体５０の開口部５１と、半導体パッケージ４０との間にＥＭＩガスケット１００を備えるモジュール構造にあっては、モジュール筐体５０および半導体パッケージ４０間の電磁シールドが可能となる。

また、半導体パッケージ４０のベース部４１に、半導体素子２０の素材、及び基板４６のセラミック等の素材と線膨張率が近い素材を用いることで、半導体素子２０が発する熱によってベース部４１及び基板４６が変形し、基板４６が損壊することを防ぐことができる。

なお、本明細書で説明した上記の各実施の形態では、各構成要素の材質、材料、寸法、形状、相対的配置関係または実施の条件等について記載している場合があるが、これらは全ての局面において例示であって、各実施の形態が記載されたものに限られることはない。よって、例示されていない無数の変形例が、各実施の形態の範囲内において想定される。例えば、任意の構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの実施形態における少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれる。即ち、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

また、矛盾が生じない限り、上記各実施形態において「１つ」備えられるものとして記載された構成要素は、「１つ以上」備えられていても良い。さらに、各構成要素は概念的な単位であって、１つの構成要素が複数の構造物で構成される場合、および１つの構成要素がある構造物の一部に対応する場合を含む。

本開示に係るモジュールの放熱構造を用いれば、半導体パッケージ及びモジュール筐体間の接触熱抵抗、並びに、モジュール筐体の熱抵抗を削減することが可能となる。半導体パッケージは、モジュール筐体を介さずに放熱させることができ、モジュールの放熱性を向上させることが可能である。高周波モジュールにおいて、高周波送信信号の連続送信動作を行う場合、もしくは単位時間当たりの送信信号の送信時間を長くするＨｉｇｈ Ｄｕｔｙで動作させ半導体の発熱量が多く見込まれる場合や、ディレーティングの観点から半導体の動作温度を抑えたい場合に好適な放熱構造である。

１０ カバー、１１ ＲＦコネクタ、１２ ＤＣコネクタ、１３ ＰＣＡ、１４ デバイス、２０ 半導体素子、３０ 接合材、４０ 半導体パッケージ、４１ ベース部、
４１ａ 半導体素子搭載面、４１ｂ 放熱面、４２ 鍔部、４３ ワイヤ、４４ シールリング、４５ パッケージカバー、４６ 基板、４７ ＲＦパターン、
４８ リボン線、５０ モジュール筐体、５１ モジュール筐体 開口部、５２ モジュール筐体 張出部、５３ モジュール筐体底部下面、６０ 熱伝導シート、７０ モジュール搭載用構造体、８０ 半導体パッケージ締結ねじ、９０ モジュール締結ボルト、９１ ボルト穴、１００ ＥＭＩガスケット

Claims (4)

1. 半導体素子を取り付ける半導体素子搭載面及び前記半導体素子搭載面の裏面側に前記半導体素子搭載面より表面積の大きい放熱面を有するベース部を含む半導体パッケージと、
   底部に下方が広く形成された開口部を有し、前記開口部に前記ベース部がねじ締結可能なモジュール筐体と、
   前記モジュール筐体の底部下面及び前記放熱面と前記モジュール筐体を搭載するモジュール搭載用構造体との間に配置され、弾性を有する熱伝導シートと、
   を備えるモジュールの放熱構造。
2. 前記放熱面が、前記モジュール筐体底部下面から突出するように取り付けられた、請求項１に記載のモジュールの放熱構造。
3. 前記モジュール筐体の底部下面と前記半導体パッケージの前記放熱面との間にＥＭＩガスケットを有する請求項１または２のいずれか１項に記載のモジュールの放熱構造。
4. 前記半導体パッケージは、前記ベース部が、銅とタングステンあるいは銅とモリブデンの複合材から成り、前記放熱面が前記熱伝導シートに接する請求項１に記載のモジュールの放熱構造。