JP4178787B2 - マルチチップモジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体モジュールに係り、特に、発熱量の異なる複数の半導体素子（チップともいう）を搭載したマルチチップモジュールなどの実装構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体モジュールで、例えば、車載用パワー系半導体装置として用いられるような、発熱量の異なる複数の発熱素子を搭載したマルチチップモジュールの実装構造は、発熱素子と、該発熱素子を搭載するリードフレームと、該発熱素子およびリードフレームを封止するレジンなどのモールド樹脂と、該モールド樹脂が接続される放熱部材などにより構成されている。
【０００３】
上記実装構造において、リードフレームは、発熱素子を搭載している領域であるタブ部（アイランド部ともいう）と、外部との信号のやり取りをするリード部とからなり、発熱素子とリード部は、それぞれ必要に応じボンディングワイヤにより電気的に接続されている。また、発熱素子ははんだ等のペレット付け材によりタブ部に接続されている。モールド樹脂と放熱部材の間は、絶縁層により電気的に絶縁されている場合もある。
【０００４】
上記従来のマルチチップモジュールでは、例えば信号遅延等の問題の回避や、ボンディングワイヤを長く引き回すことを回避するため、なるべく実装密度を高くしたいという要請があった。そのため、タブ部の面積は発熱素子の搭載が困難にならない程度まで小さくすると共に、材料の使用容積を削減して材料コストを低減することが一般的であった。
【０００５】
ところが、このように発熱素子を搭載するタブ部の面積を小さくすると、発熱素子で発生した熱が、発熱素子 → ペレット付け材 → タブ部というように、発熱素子の厚さ方向に流れる際の有効な断面積が拡大されていかないため、厚さ方向の熱流束が大きくなる。
【０００６】
この場合、モールド樹脂の熱伝導率は、発熱素子、ペレット付け材、タブ部等の構成材料の熱伝導率と比較して非常に小さいため、モールド樹脂を厚さ方向に通過する放熱経路の熱抵抗が著しく大きくなってしまうという問題が存在した。
【０００７】
また、通常はタブ部と同じ材料で形成されるリード部の熱伝導率も、モールド樹脂の熱伝導率と比較すると非常に大きいため、発熱素子で生じた熱は、放熱部材に逃げず、リード部が接続された配線基板に逃げてしまう割合が大きくなる。
【０００８】
そのため、放熱部材を介して外部に放熱すべき所定の熱が配線基板に流れてしまうので、発熱素子の発熱量が大きい場合は、配線基板の材質の劣化や断線、あるいは、配線基板上に搭載された他の半導体モジュールへの悪影響などが懸念されるという問題点が存在した。
【０００９】
さらに、例えば自動車のエンジン部近傍に配置されるようなマルチチップモジュールの場合、配線基板の温度が発熱素子の温度とほとんど変わらないか、あるいは高くなってしまうような場合、リードフレームを介して配線基板から放熱部材へ熱が流入してしまい、発熱素子で生じた熱を十分外部へ逃がすことができずに、発熱素子が破壊する恐れが生じるという問題点も存在した。
【００１０】
このような問題を解決するため、特開平３−２３８８５２号公報において開示された発明では、発熱素子を搭載した基板リードを折り返して直接外部放熱部材に接続する手法を採用している。本例は、発熱素子で発生した熱を、モールド樹脂を経由せずに外部放熱部材に逃がすことができるため、熱抵抗を小さくできるという特徴がある。
【００１１】
一方、特開平４−１７４５４７号公報には、発熱素子を搭載したリードフレームのアイランド部（タブ部）を厚くする構成が示されている。本例でも、発熱素子で発生した熱を、モールド樹脂を経由せずに外部放熱部材に逃がすことができるため、熱抵抗を小さくできるという特徴がある。
【００１２】
また、特開平５−２９５３９号公報には、小信号用ＩＣ搭載部とパワー素子搭載部とを搭載するリードフレームを、厚さの異なる部材で別々に構成して一体化するという構成が開示されている。本例では、発熱量の異なる複数の発熱素子からの放熱経路を適正化できるという特徴がある。
【００１３】
さらに、特開平１０−１０７１９７号公報には、リードフレームのタブ部を吊っているタブ吊り部の面積を大きくすることにより、タブ吊り部で熱を横に拡大して熱抵抗を小さくするという構成が開示されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術には、次のような問題点が存在する。まず、特開平３−２３８８５２号公報に開示された発明では、発熱素子で発生した熱をモールド樹脂を経由せずに外部放熱部材に逃がすことができるため、熱抵抗を小さくできるという特徴があるが、リード基板を折り返さなければならないために工程が複雑になる。
【００１５】
また本例は、基板リード（タブ部）の厚さを極端に厚くすることが困難であることから、基板リードと外部放熱部材の間に介在するモールド樹脂の厚さが十分薄い場合、熱抵抗を低減する効果があまり大きくないという問題点がある。
【００１６】
また、特開平４−１７４５４７号公報に開示されている発明も、リードフレームのアイランド部（タブ部）の厚さを厚くするために、工程や部品数を増やす必要があり、コスト的な問題がある。
【００１７】
また、特開平５−２９５３９号公報に開示されている発明も同様で、発熱量の異なる素子に別々のリードフレームを用いるため、工程や部品点数が増加し、コスト的にも問題がある。リードフレームの材質や厚さは均一のまま、熱抵抗を低減することにより、コストを上げずに課題を解決することがのぞましい。
【００１８】
また、特開平１０−１０７１９７号公報に開示されている発明では、タブ吊り部で熱が面方向に広がるため、タブ吊り部から放熱部への熱抵抗を小さくすることができるが、第一に、本例で図示されているような、タブ吊り部を挟む形で放熱部を配置できない場合が多い。
【００１９】
また、発熱素子から、一旦タブ部に熱を逃して、タブ吊り部に伝導で熱を伝え、それから放熱部に放熱するという構成は、タブ吊り部と放熱部が直接接続されている場合は熱抵抗を小さくできるが、放熱部とタブ吊り部が直接接続できない場合、例えば、放熱部とタブ吊り部を電気的に絶縁しなければならないような場合は、熱抵抗を低減する効果が小さくなってしまうという問題点がある。
【００２０】
本発明は、マルチチップモジュールのリードフレームを介して、配線基板と半導体素子との間で流出入する熱を抑えて半導体素子を保護することを課題とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のマルチチップモジュールは、放熱部材に直接もしくは絶縁材を介して設置されたリードフレームのタブ部に第一の発熱素子と第二の発熱素子とが搭載され、前記リードフレームのリード部は配線基板に接続され、前記発熱素子と前記タブ部及び前記リード部の一部がモールド樹脂によって封止されてなるマルチチップモジュールにおいて、前記モールド樹脂に接続された放熱部材を備え、前記タブ部は、第一のタブ部及びそれとは別の第二のタブ部を有し、前記第一の発熱素子は前記第一のタブ部に搭載され、前記第二の発熱素子は前記第二のタブ部に搭載され、前記第二の発熱素子は、前記第一の発熱素子よりも発熱量が大きく、前記第二の発熱素子を搭載したリードフレームのモールド樹脂により封止されたリード部に、その一部の断面積を小さくしたスロート部を備えたことを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、発熱素子で発生した熱は、熱抵抗の小さい熱経路を流れるため、リード部を経て配線基板に至る熱経路ではなく、それより熱抵抗の小さい、タブ部からモールド樹脂を厚さ方向に貫通して放熱部材に至る熱経路を流れることになる。そのため、発熱素子で発生した熱を本来の放熱経路である放熱部材から効率的に放熱できる。
【００２３】
特に、発熱量の大きい第二の発熱素子を搭載したリードフレームに、その一部の断面積を小さくしたスロート部を備えたことから、第二の発熱素子からリードフレームを介して配線基板に流出する熱を抑えることができ、配線基板を介してモジュールに組み込まれた第一の発熱素子に熱が伝わるのを低減できる。また、温度が高い環境で使用されるマルチチップモジュールの場合は、配線基板から熱が逆流して第二の発熱素子に流入することを抑えて、外部の熱による第二の発熱素子の故障を抑制できる。また、第一の発熱素子を搭載したリードフレームに、その一部の断面積を小さくしたスロート部を備えれば、外部から流入する熱による第一の発熱素子の故障を抑制できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。その基本構成は、マルチチップモジュールなどの半導体モジュールにおいて、半導体パッケージ内部の熱抵抗を低減するため、発熱素子４を搭載するタブ部３Ｂの面積および搭載面に平行な断面積を大きくして、モールド樹脂２を厚さ方向に貫通する熱経路の熱流束を小さくしたものである（図１参照）。
【００２５】
特に、本発明の特徴は、上記構成に加えて、配線基板８からの熱の逆流を防ぐために、リード部３Ａに断面積の小さいスロート部２０を設けた（図７参照）。
【００２６】
以下、本発明を、複数の発熱素子（発熱チップ）を搭載したマルチチップモジュールを例に説明する。図１は、本発明の基本構成のマルチチップモジュールのチップ搭載面を垂直に見た平面図である。本基本構成のマルチチップモジュールは、第一の発熱素子４Ａもしくは第二の発熱素子４Ｂ等の発熱素子４を搭載するリードフレーム３をモールド樹脂２により封止し、このモールド樹脂２は放熱部材１に接続されている。
【００２７】
上記実装構造において、リードフレーム３のうち、発熱素子４を搭載している領域をタブ部３Ｂ、外部との信号のやり取りをする部分をリード部３Ａとする。リード部３Ａは発熱素子４Ａ、４Ｂと、それぞれ必要に応じボンディングワイヤ５により電気的に接続されている。図１はモールド樹脂２を透過する形でモジュールを厚さ方向に見た図である。
【００２８】
図２は、本発明の比較例を示す図で、本例が図１に示した実施形態と相異する点は、発熱素子４を搭載するタブ部３Ｂの面積が、発熱素子の搭載が困難にならない程度まで小さいことである。これは、なるべく実装密度を高くしたいという要請と、材料の使用容積を削減して材料コストを低減するためである。
【００２９】
しかしながら、タブ部３Ｂの面積を小さくすると、発熱素子４で発生した熱が、発熱素子４ → ペレット付け材６（図３参照）→ タブ部３Ｂと、発熱素子４の厚さ方向に流れる際の有効な断面積が拡大されていかないため、放熱方向である厚さ方向の熱流束が大きくなる。
【００３０】
一方、モールド樹脂２の熱伝導率は、発熱素子４、ペレット付け材６、タブ部３Ｂ等の構成材料の熱伝導率と比較して非常に小さいため、モールド樹脂を厚さ方向に通過する放熱経路の熱抵抗が著しく大きくなってしまう。また、リード部３Ａ（タブ部３Ｂと通常は同じ材料）の熱伝導率も、モールド樹脂２の熱伝導率を比較すると非常に大きいため、発熱素子４で生じた熱は、放熱部材１に逃げず、リード部３Ａが接続された配線基板８に逃げてしまう割合が大きくなる。
【００３１】
図３は、図１のＡ−Ａ間の破線を通る線でモジュールを切った断面図である。発熱素子４は、はんだ等のペレット付け材６によりタブ部３Ｂに接続されている。また、場合によるが、本例では、モールド樹脂２と放熱部材１の間は、絶縁層７により電気的に絶縁されている。
【００３２】
図４は、図 1 のマルチチップモジュールの上下および側面方向の外観を示す図で、図４（ａ）は図３のＡ−Ａ矢視図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ矢視図、図４（ｃ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ矢視図、図４（ｄ）は図３のＤ−Ｄ矢視図である。
【００３３】
なお、図４（ｃ）において、リード部３Ａの先端は、モジュールの厚さ方向に伸びる形状で配線基板の端子用ソケットに挿入されるようになっているが、後述するように、リード部３Ａが面方向に折り返されて配線基板にはんだ等で実装されていてもよい。
【００３４】
図５および図６は、上記マルチチップモジュールを、配線基板８および外部放熱機構１０に接続する場合の構成を示す図で、図５はマルチチップモジュールを配線基板８の端子用ソケットに挿入する場合を示し、図６は、リード部３Ａが面方向に折り返されて、導電性のモジュール固定部材１２により配線基板に接続されている場合を示す図である。
【００３５】
図５では、外部放熱機構１０と放熱部材１との間はサーマルコンパウンド９を介して固定ネジ１１によりネジ止めされる場合を示したが、例えば接着剤などを用いて放熱部材１と外部放熱機構１０を接続させてもよく、その接続方法に本発明が限定されることはない。
【００３６】
また、放熱部材１が、外部放熱機構１０の役割を果たしている場合も当然考えられる。外部放熱機構１０の放熱形態としては、放熱フィンや、水冷モジュールなどが考えられるが、これも発熱素子４から生じる熱を効果的に放熱できるものであれば、どんな構成であっても構わない。
【００３７】
上述したように本基本構成は、モジュール内部に搭載された発熱素子４から、ペレット付け材６、タブ部３Ｂ、モールド樹脂２を通って、放熱部材１へとつながる放熱経路の熱抵抗を小さくするため、タブ部３Ｂの面積を大きくしたことに特徴がある。
【００３８】
ただし、タブを支持しているリード部３Ａの面積を広げると、一旦タブ部からリード部へ熱が面方向に伝わる分の熱抵抗が加算されてしまうので、熱抵抗が増大してしまう。このため、タブ部３Ｂの面積を直接拡大することがのぞましい。
【００３９】
リード部３Ａではなく、タブ部３Ｂの面積を十分大きくすることにより、発熱素子４で生じた熱をまずタブ部３Ｂで面方向に拡大できる。この結果、タブ部３Ｂの面積を拡大しない場合よりも、モールド樹脂２を厚さ方向に貫通する熱の流れの有効な断面積を大きくすることができるため、同じ発熱量であれば、モールド樹脂２を貫通する熱流束を小さくでき、熱抵抗を低減できる。
【００４０】
また、上記の厚さ方向の熱抵抗を、リード３Ａを介して配線基板８に至る熱抵抗より小さくできるように、タブ部３Ｂの面積を拡大し、さらに、タブ部３Ｂと放熱部材１の間にあるモールド樹脂２の厚さを薄くすることにより、放熱部１から外部に逃げる熱の量を、発熱素子４で発生した熱の支配的な放熱経路とすることができ、放熱経路を最適化することができる。
【００４１】
そして、マルチチップモジュール内に発熱量の異なる複数の発熱素子、例えば第一の発熱素子４Ａと第二の発熱素子４Ｂがあり、第一の発熱素子４Ａは、例えば制御用の小信号ＩＣで発熱量が小さく、第二の発熱素子４Ｂは、例えばパワー素子で発熱量が大きい場合は、その発熱量に応じて、各発熱素子４を搭載したタブ部３Ｂの面積を変化させる。
【００４２】
発熱量の大きい場合ほど、タブ部３Ｂの面積の拡大率を高くすることにより、モールド樹脂２を厚さ方向に貫通する熱抵抗を小さくすることができるので、本来の放熱径路を経て放熱板（放熱部材）から熱を効果的に逃がすことができる。特に、複数の発熱素子４がマルチチップモジュール内に混載されている場合、実際にはその発熱密度に応じてタブ部３Ｂの面積を変化させることがのぞましい。
【００４３】
例えば、発熱量が非常に大きい素子４であっても、その面積も十分大きければ、発熱密度が下がり、さらに厚さ方向に熱が通過する有効な断面積が大きくなるため、タブ部３Ｂの面積を素子４の面積と比べて、それほど大きくしなくても、モールド樹脂２を厚さ方向に貫通する熱流束を小さく保つことができる。
【００４４】
一方、発熱量が小さい素子４であっても、その面積も十分小さい場合、発熱密度が上がるため、厚さ方向に熱が通過する有効な断面積も小さくなるため、タブ部３Ｂの面積を発熱素子４の面積と比べて相当大きくしなければ、モールド樹脂２を厚さ方向に貫通する熱流束が大きくなってしまう。
【００４５】
マルチチップモジュールの支配的な放熱経路を、発熱素子４ → ペレット付け材６ → タブ部３Ｂ → モールド樹脂２ → 放熱部材１の厚さ方向の経路とする場合、モールド樹脂２を通過する際の熱伝導に起因する熱抵抗が最も大きくなるため、この部分を通過する熱流束を小さく保つことにより、目標とする熱抵抗の低減効果を得ることが可能となる。
【００４６】
また、リード部３Ａから配線基板８に至る放熱経路を、本来の主たる放熱径路に対して、予備的な放熱径路として確保できるというメリットもある。
【００４７】
次に、本発明の一実施形態を、図７を用いて説明する。図７は、図１と同様に、モールド樹脂２を透過する形でマルチチップモジュールを厚さ方向に見た図である。本実施形態においては、タブ部３Ｂの面積の拡大に加えて、リード部３Ａの断面積の一部を小さくしたスロート部２０を形成したことを特徴とする。
【００４８】
例えば、自動車に搭載されるマルチチップモジュールの場合、環境温度が非常に高いため、放熱部材１と配線基板８の間の熱抵抗が小さいと、配線基板８からリード部３Ａを介して熱が逆に流入し、放熱部材１や外部放熱フィン１０などから放熱されてしまう場合が考えられる。
【００４９】
装置寸法やコストの観点から、放熱部材１や外部放熱機構１０に、余分な放熱能力を持たせることは一般的には考えられないため、このような場合は、発熱素子４で生じた熱を十分外部に放熱できない。そのため、発熱素子の温度が上昇し過ぎて、例えば、バイポーラの場合、熱暴走して配線が溶けたり焼き切れたりして破壊する恐れがあり、また、発熱素子の能力が低下してしまう可能性も多分にある。
【００５０】
したがって、発熱素子の温度を所定温度以下に調整し保持する必要がある。本実施形態では、リード部の断面積の一部を小さくすることにより熱抵抗を大きくし、電気的な導通は保ちつつ、配線基板８からリード部３Ｂへの熱の逆流を防止し、発熱素子４から出る熱を、リード部からでなくタブ部からモールド樹脂を経由して放熱板１を介して効果的に放熱させることができる。
【００５１】
なお、図８に示す本発明の他の実施形態のように、タブ部３Ｂの面積の拡大が必要ない場合も、リード部３Ａに断面積の一部が小さいスロート部２０を設けることにより、配線基板８からタブ部３Ｂへの熱の逆流を防止する効果を得ることが可能である。
【００５２】
以上、本発明の各実施形態では、発熱量の異なる複数の発熱素子が搭載されたマルチチップモジュールの構成を用いて説明してきたが、タブ部の面積を拡大することにより、発熱素子、ペレット付け材（ハンダ、ペースト等）、タブ部、モールド樹脂（絶縁層）、放熱板に至る放熱径路を主たる放熱径路とし、発熱素子、ペレット付け材、タブ部、リード、配線基板に至る放熱径路を従たる放熱径路とする方法は、発熱素子が１つしか搭載されない場合や、全く同じ発熱素子が複数個搭載された場合も有効であり、半導体モジュール全体に適用できる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、マルチチップモジュールなどの半導体モジュールにおいて、発熱素子を搭載したタブ部の面積を拡大することにより、発熱素子で生じた熱について、モールド樹脂を厚さ方向に貫通する熱流束を低減できる。そのため、発熱素子から放熱部材に至る放熱経路の熱抵抗を低減することができる。
【００５４】
また、発熱量や発熱密度に応じて、タブ部の面積の拡大率を変化させたり、リード部にスロート部の熱抵抗を設けることにより、発熱量の異なる半導体素子の放熱経路の熱抵抗を適正化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマルチチップモジュールに係る基本構成を示す図。
【図２】マルチチップモジュールの参考例を示す図。
【図３】図１のＡ−Ａ線における断面図。
【図４】図１のマルチチップモジュールの外観を示す図。
【図５】本発明のマルチチップモジュールを外部放熱機構に取り付けた場合の構成の一例を示す図。
【図６】本発明のマルチチップモジュールを外部放熱機構に取り付けた場合の構成の他の一例を示す図。
【図７】本発明のマルチチップモジュールの一実施形態を示す図。
【図８】本発明のマルチチップモジュールの他の実施形態を示す図。
【符号の説明】
１ 放熱部材
２ モールド樹脂
３ リードフレーム
３Ａ リード部
３Ｂ タブ部
４ 発熱素子
４Ａ 第一の発熱素子
４Ｂ 第二の発熱素子
５ ボンディングワイヤ
６ ペレット付け材
７ 絶縁層
８ 配線基板
９ サーマルコンパウンド
１０ 外部放熱機構
１１ ネジ
１２ モジュール固定部材
２０ スロート部
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体モジュールに係り、特に、発熱量の異なる複数の半導体素子（チップともいう）を搭載したマルチチップモジュールなどの実装構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体モジュールで、例えば、車載用パワー系半導体装置として用いられるような、発熱量の異なる複数の発熱素子を搭載したマルチチップモジュールの実装構造は、発熱素子と、該発熱素子を搭載するリードフレームと、該発熱素子およびリードフレームを封止するレジンなどのモールド樹脂と、該モールド樹脂が接続される放熱部材などにより構成されている。
【０００３】
上記実装構造において、リードフレームは、発熱素子を搭載している領域であるタブ部（アイランド部ともいう）と、外部との信号のやり取りをするリード部とからなり、発熱素子とリード部は、それぞれ必要に応じボンディングワイヤにより電気的に接続されている。また、発熱素子ははんだ等のペレット付け材によりタブ部に接続されている。モールド樹脂と放熱部材の間は、絶縁層により電気的に絶縁されている場合もある。
【０００４】
上記従来のマルチチップモジュールでは、例えば信号遅延等の問題の回避や、ボンディングワイヤを長く引き回すことを回避するため、なるべく実装密度を高くしたいという要請があった。そのため、タブ部の面積は発熱素子の搭載が困難にならない程度まで小さくすると共に、材料の使用容積を削減して材料コストを低減することが一般的であった。
【０００５】
ところが、このように発熱素子を搭載するタブ部の面積を小さくすると、発熱素子で発生した熱が、発熱素子 → ペレット付け材 → タブ部というように、発熱素子の厚さ方向に流れる際の有効な断面積が拡大されていかないため、厚さ方向の熱流束が大きくなる。
【０００６】
この場合、モールド樹脂の熱伝導率は、発熱素子、ペレット付け材、タブ部等の構成材料の熱伝導率と比較して非常に小さいため、モールド樹脂を厚さ方向に通過する放熱経路の熱抵抗が著しく大きくなってしまうという問題が存在した。
【０００７】
また、通常はタブ部と同じ材料で形成されるリード部の熱伝導率も、モールド樹脂の熱伝導率と比較すると非常に大きいため、発熱素子で生じた熱は、放熱部材に逃げず、リード部が接続された配線基板に逃げてしまう割合が大きくなる。
【０００８】
そのため、放熱部材を介して外部に放熱すべき所定の熱が配線基板に流れてしまうので、発熱素子の発熱量が大きい場合は、配線基板の材質の劣化や断線、あるいは、配線基板上に搭載された他の半導体モジュールへの悪影響などが懸念されるという問題点が存在した。
【０００９】
さらに、例えば自動車のエンジン部近傍に配置されるようなマルチチップモジュールの場合、配線基板の温度が発熱素子の温度とほとんど変わらないか、あるいは高くなってしまうような場合、リードフレームを介して配線基板から放熱部材へ熱が流入してしまい、発熱素子で生じた熱を十分外部へ逃がすことができずに、発熱素子が破壊する恐れが生じるという問題点も存在した。
【００１０】
このような問題を解決するため、特開平３−２３８８５２号公報において開示された発明では、発熱素子を搭載した基板リードを折り返して直接外部放熱部材に接続する手法を採用している。本例は、発熱素子で発生した熱を、モールド樹脂を経由せずに外部放熱部材に逃がすことができるため、熱抵抗を小さくできるという特徴がある。
【００１１】
一方、特開平４−１７４５４７号公報には、発熱素子を搭載したリードフレームのアイランド部（タブ部）を厚くする構成が示されている。本例でも、発熱素子で発生した熱を、モールド樹脂を経由せずに外部放熱部材に逃がすことができるため、熱抵抗を小さくできるという特徴がある。
【００１２】
また、特開平５−２９５３９号公報には、小信号用ＩＣ搭載部とパワー素子搭載部とを搭載するリードフレームを、厚さの異なる部材で別々に構成して一体化するという構成が開示されている。本例では、発熱量の異なる複数の発熱素子からの放熱経路を適正化できるという特徴がある。
【００１３】
さらに、特開平１０−１０７１９７号公報には、リードフレームのタブ部を吊っているタブ吊り部の面積を大きくすることにより、タブ吊り部で熱を横に拡大して熱抵抗を小さくするという構成が開示されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術には、次のような問題点が存在する。まず、特開平３−２３８８５２号公報に開示された発明では、発熱素子で発生した熱をモールド樹脂を経由せずに外部放熱部材に逃がすことができるため、熱抵抗を小さくできるという特徴があるが、リード基板を折り返さなければならないために工程が複雑になる。
【００１５】
また本例は、基板リード（タブ部）の厚さを極端に厚くすることが困難であることから、基板リードと外部放熱部材の間に介在するモールド樹脂の厚さが十分薄い場合、熱抵抗を低減する効果があまり大きくないという問題点がある。
【００１６】
また、特開平４−１７４５４７号公報に開示されている発明も、リードフレームのアイランド部（タブ部）の厚さを厚くするために、工程や部品数を増やす必要があり、コスト的な問題がある。
【００１７】
また、特開平５−２９５３９号公報に開示されている発明も同様で、発熱量の異なる素子に別々のリードフレームを用いるため、工程や部品点数が増加し、コスト的にも問題がある。リードフレームの材質や厚さは均一のまま、熱抵抗を低減することにより、コストを上げずに課題を解決することがのぞましい。
【００１８】
また、特開平１０−１０７１９７号公報に開示されている発明では、タブ吊り部で熱が面方向に広がるため、タブ吊り部から放熱部への熱抵抗を小さくすることができるが、第一に、本例で図示されているような、タブ吊り部を挟む形で放熱部を配置できない場合が多い。
【００１９】
また、発熱素子から、一旦タブ部に熱を逃して、タブ吊り部に伝導で熱を伝え、それから放熱部に放熱するという構成は、タブ吊り部と放熱部が直接接続されている場合は熱抵抗を小さくできるが、放熱部とタブ吊り部が直接接続できない場合、例えば、放熱部とタブ吊り部を電気的に絶縁しなければならないような場合は、熱抵抗を低減する効果が小さくなってしまうという問題点がある。
【００２０】
本発明は、マルチチップモジュールのリードフレームを介して、配線基板と半導体素子との間で流出入する熱を抑えて半導体素子を保護することを課題とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のマルチチップモジュールは、放熱部材に直接もしくは絶縁材を介して設置されたリードフレームのタブ部に第一の発熱素子と第二の発熱素子とが搭載され、前記リードフレームのリード部は配線基板に接続され、前記発熱素子と前記タブ部及び前記リード部の一部がモールド樹脂によって封止されてなるマルチチップモジュールにおいて、前記モールド樹脂に接続された放熱部材を備え、前記タブ部は、第一のタブ部及びそれとは別の第二のタブ部を有し、前記第一の発熱素子は前記第一のタブ部に搭載され、前記第二の発熱素子は前記第二のタブ部に搭載され、前記第二の発熱素子は、前記第一の発熱素子よりも発熱量が大きく、前記第二の発熱素子を搭載したリードフレームのモールド樹脂により封止されたリード部に、その一部の断面積を小さくしたスロート部を備えたことを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、発熱素子で発生した熱は、熱抵抗の小さい熱経路を流れるため、リード部を経て配線基板に至る熱経路ではなく、それより熱抵抗の小さい、タブ部からモールド樹脂を厚さ方向に貫通して放熱部材に至る熱経路を流れることになる。そのため、発熱素子で発生した熱を本来の放熱経路である放熱部材から効率的に放熱できる。
【００２３】
特に、発熱量の大きい第二の発熱素子を搭載したリードフレームに、その一部の断面積を小さくしたスロート部を備えたことから、第二の発熱素子からリードフレームを介して配線基板に流出する熱を抑えることができ、配線基板を介してモジュールに組み込まれた第一の発熱素子に熱が伝わるのを低減できる。また、温度が高い環境で使用されるマルチチップモジュールの場合は、配線基板から熱が逆流して第二の発熱素子に流入することを抑えて、外部の熱による第二の発熱素子の故障を抑制できる。また、第一の発熱素子を搭載したリードフレームに、その一部の断面積を小さくしたスロート部を備えれば、外部から流入する熱による第一の発熱素子の故障を抑制できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。その基本構成は、マルチチップモジュールなどの半導体モジュールにおいて、半導体パッケージ内部の熱抵抗を低減するため、発熱素子４を搭載するタブ部３Ｂの面積および搭載面に平行な断面積を大きくして、モールド樹脂２を厚さ方向に貫通する熱経路の熱流束を小さくしたものである（図１参照）。
【００２５】
特に、本発明の特徴は、上記構成に加えて、配線基板８からの熱の逆流を防ぐために、リード部３Ａに断面積の小さいスロート部２０を設けた（図７参照）。
【００２６】
以下、本発明を、複数の発熱素子（発熱チップ）を搭載したマルチチップモジュールを例に説明する。図１は、本発明の基本構成のマルチチップモジュールのチップ搭載面を垂直に見た平面図である。本基本構成のマルチチップモジュールは、第一の発熱素子４Ａもしくは第二の発熱素子４Ｂ等の発熱素子４を搭載するリードフレーム３をモールド樹脂２により封止し、このモールド樹脂２は放熱部材１に接続されている。
【００２７】
上記実装構造において、リードフレーム３のうち、発熱素子４を搭載している領域をタブ部３Ｂ、外部との信号のやり取りをする部分をリード部３Ａとする。リード部３Ａは発熱素子４Ａ、４Ｂと、それぞれ必要に応じボンディングワイヤ５により電気的に接続されている。図１はモールド樹脂２を透過する形でモジュールを厚さ方向に見た図である。
【００２８】
図２は、本発明の比較例を示す図で、本例が図１に示した実施形態と相異する点は、発熱素子４を搭載するタブ部３Ｂの面積が、発熱素子の搭載が困難にならない程度まで小さいことである。これは、なるべく実装密度を高くしたいという要請と、材料の使用容積を削減して材料コストを低減するためである。
【００２９】
しかしながら、タブ部３Ｂの面積を小さくすると、発熱素子４で発生した熱が、発熱素子４ → ペレット付け材６（図３参照）→ タブ部３Ｂと、発熱素子４の厚さ方向に流れる際の有効な断面積が拡大されていかないため、放熱方向である厚さ方向の熱流束が大きくなる。
【００３０】
一方、モールド樹脂２の熱伝導率は、発熱素子４、ペレット付け材６、タブ部３Ｂ等の構成材料の熱伝導率と比較して非常に小さいため、モールド樹脂を厚さ方向に通過する放熱経路の熱抵抗が著しく大きくなってしまう。また、リード部３Ａ（タブ部３Ｂと通常は同じ材料）の熱伝導率も、モールド樹脂２の熱伝導率を比較すると非常に大きいため、発熱素子４で生じた熱は、放熱部材１に逃げず、リード部３Ａが接続された配線基板８に逃げてしまう割合が大きくなる。
【００３１】
図３は、図１のＡ−Ａ間の破線を通る線でモジュールを切った断面図である。発熱素子４は、はんだ等のペレット付け材６によりタブ部３Ｂに接続されている。また、場合によるが、本例では、モールド樹脂２と放熱部材１の間は、絶縁層７により電気的に絶縁されている。
【００３２】
図４は、図 1 のマルチチップモジュールの上下および側面方向の外観を示す図で、図４（ａ）は図３のＡ−Ａ矢視図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ矢視図、図４（ｃ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ矢視図、図４（ｄ）は図３のＤ−Ｄ矢視図である。
【００３３】
なお、図４（ｃ）において、リード部３Ａの先端は、モジュールの厚さ方向に伸びる形状で配線基板の端子用ソケットに挿入されるようになっているが、後述するように、リード部３Ａが面方向に折り返されて配線基板にはんだ等で実装されていてもよい。
【００３４】
図５および図６は、上記マルチチップモジュールを、配線基板８および外部放熱機構１０に接続する場合の構成を示す図で、図５はマルチチップモジュールを配線基板８の端子用ソケットに挿入する場合を示し、図６は、リード部３Ａが面方向に折り返されて、導電性のモジュール固定部材１２により配線基板に接続されている場合を示す図である。
【００３５】
図５では、外部放熱機構１０と放熱部材１との間はサーマルコンパウンド９を介して固定ネジ１１によりネジ止めされる場合を示したが、例えば接着剤などを用いて放熱部材１と外部放熱機構１０を接続させてもよく、その接続方法に本発明が限定されることはない。
【００３６】
また、放熱部材１が、外部放熱機構１０の役割を果たしている場合も当然考えられる。外部放熱機構１０の放熱形態としては、放熱フィンや、水冷モジュールなどが考えられるが、これも発熱素子４から生じる熱を効果的に放熱できるものであれば、どんな構成であっても構わない。
【００３７】
上述したように本基本構成は、モジュール内部に搭載された発熱素子４から、ペレット付け材６、タブ部３Ｂ、モールド樹脂２を通って、放熱部材１へとつながる放熱経路の熱抵抗を小さくするため、タブ部３Ｂの面積を大きくしたことに特徴がある。
【００３８】
ただし、タブを支持しているリード部３Ａの面積を広げると、一旦タブ部からリード部へ熱が面方向に伝わる分の熱抵抗が加算されてしまうので、熱抵抗が増大してしまう。このため、タブ部３Ｂの面積を直接拡大することがのぞましい。
【００３９】
リード部３Ａではなく、タブ部３Ｂの面積を十分大きくすることにより、発熱素子４で生じた熱をまずタブ部３Ｂで面方向に拡大できる。この結果、タブ部３Ｂの面積を拡大しない場合よりも、モールド樹脂２を厚さ方向に貫通する熱の流れの有効な断面積を大きくすることができるため、同じ発熱量であれば、モールド樹脂２を貫通する熱流束を小さくでき、熱抵抗を低減できる。
【００４０】
また、上記の厚さ方向の熱抵抗を、リード３Ａを介して配線基板８に至る熱抵抗より小さくできるように、タブ部３Ｂの面積を拡大し、さらに、タブ部３Ｂと放熱部材１の間にあるモールド樹脂２の厚さを薄くすることにより、放熱部１から外部に逃げる熱の量を、発熱素子４で発生した熱の支配的な放熱経路とすることができ、放熱経路を最適化することができる。
【００４１】
そして、マルチチップモジュール内に発熱量の異なる複数の発熱素子、例えば第一の発熱素子４Ａと第二の発熱素子４Ｂがあり、第一の発熱素子４Ａは、例えば制御用の小信号ＩＣで発熱量が小さく、第二の発熱素子４Ｂは、例えばパワー素子で発熱量が大きい場合は、その発熱量に応じて、各発熱素子４を搭載したタブ部３Ｂの面積を変化させる。
【００４２】
発熱量の大きい場合ほど、タブ部３Ｂの面積の拡大率を高くすることにより、モールド樹脂２を厚さ方向に貫通する熱抵抗を小さくすることができるので、本来の放熱径路を経て放熱板（放熱部材）から熱を効果的に逃がすことができる。特に、複数の発熱素子４がマルチチップモジュール内に混載されている場合、実際にはその発熱密度に応じてタブ部３Ｂの面積を変化させることがのぞましい。
【００４３】
例えば、発熱量が非常に大きい素子４であっても、その面積も十分大きければ、発熱密度が下がり、さらに厚さ方向に熱が通過する有効な断面積が大きくなるため、タブ部３Ｂの面積を素子４の面積と比べて、それほど大きくしなくても、モールド樹脂２を厚さ方向に貫通する熱流束を小さく保つことができる。
【００４４】
一方、発熱量が小さい素子４であっても、その面積も十分小さい場合、発熱密度が上がるため、厚さ方向に熱が通過する有効な断面積も小さくなるため、タブ部３Ｂの面積を発熱素子４の面積と比べて相当大きくしなければ、モールド樹脂２を厚さ方向に貫通する熱流束が大きくなってしまう。
【００４５】
マルチチップモジュールの支配的な放熱経路を、発熱素子４ → ペレット付け材６ → タブ部３Ｂ → モールド樹脂２ → 放熱部材１の厚さ方向の経路とする場合、モールド樹脂２を通過する際の熱伝導に起因する熱抵抗が最も大きくなるため、この部分を通過する熱流束を小さく保つことにより、目標とする熱抵抗の低減効果を得ることが可能となる。
【００４６】
また、リード部３Ａから配線基板８に至る放熱経路を、本来の主たる放熱径路に対して、予備的な放熱径路として確保できるというメリットもある。
【００４７】
次に、本発明の一実施形態を、図７を用いて説明する。図７は、図１と同様に、モールド樹脂２を透過する形でマルチチップモジュールを厚さ方向に見た図である。本実施形態においては、タブ部３Ｂの面積の拡大に加えて、リード部３Ａの断面積の一部を小さくしたスロート部２０を形成したことを特徴とする。
【００４８】
例えば、自動車に搭載されるマルチチップモジュールの場合、環境温度が非常に高いため、放熱部材１と配線基板８の間の熱抵抗が小さいと、配線基板８からリード部３Ａを介して熱が逆に流入し、放熱部材１や外部放熱フィン１０などから放熱されてしまう場合が考えられる。
【００４９】
装置寸法やコストの観点から、放熱部材１や外部放熱機構１０に、余分な放熱能力を持たせることは一般的には考えられないため、このような場合は、発熱素子４で生じた熱を十分外部に放熱できない。そのため、発熱素子の温度が上昇し過ぎて、例えば、バイポーラの場合、熱暴走して配線が溶けたり焼き切れたりして破壊する恐れがあり、また、発熱素子の能力が低下してしまう可能性も多分にある。
【００５０】
したがって、発熱素子の温度を所定温度以下に調整し保持する必要がある。本実施形態では、リード部の断面積の一部を小さくすることにより熱抵抗を大きくし、電気的な導通は保ちつつ、配線基板８からリード部３Ｂへの熱の逆流を防止し、発熱素子４から出る熱を、リード部からでなくタブ部からモールド樹脂を経由して放熱板１を介して効果的に放熱させることができる。
【００５１】
なお、図８に示す本発明の他の実施形態のように、タブ部３Ｂの面積の拡大が必要ない場合も、リード部３Ａに断面積の一部が小さいスロート部２０を設けることにより、配線基板８からタブ部３Ｂへの熱の逆流を防止する効果を得ることが可能である。
【００５２】
以上、本発明の各実施形態では、発熱量の異なる複数の発熱素子が搭載されたマルチチップモジュールの構成を用いて説明してきたが、タブ部の面積を拡大することにより、発熱素子、ペレット付け材（ハンダ、ペースト等）、タブ部、モールド樹脂（絶縁層）、放熱板に至る放熱径路を主たる放熱径路とし、発熱素子、ペレット付け材、タブ部、リード、配線基板に至る放熱径路を従たる放熱径路とする方法は、発熱素子が１つしか搭載されない場合や、全く同じ発熱素子が複数個搭載された場合も有効であり、半導体モジュール全体に適用できる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、マルチチップモジュールなどの半導体モジュールにおいて、発熱素子を搭載したタブ部の面積を拡大することにより、発熱素子で生じた熱について、モールド樹脂を厚さ方向に貫通する熱流束を低減できる。そのため、発熱素子から放熱部材に至る放熱経路の熱抵抗を低減することができる。
【００５４】
また、発熱量や発熱密度に応じて、タブ部の面積の拡大率を変化させたり、リード部にスロート部の熱抵抗を設けることにより、発熱量の異なる半導体素子の放熱経路の熱抵抗を適正化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマルチチップモジュールに係る基本構成を示す図。
【図２】マルチチップモジュールの参考例を示す図。
【図３】図１のＡ−Ａ線における断面図。
【図４】図１のマルチチップモジュールの外観を示す図。
【図５】本発明のマルチチップモジュールを外部放熱機構に取り付けた場合の構成の一例を示す図。
【図６】本発明のマルチチップモジュールを外部放熱機構に取り付けた場合の構成の他の一例を示す図。
【図７】本発明のマルチチップモジュールの一実施形態を示す図。
【図８】本発明のマルチチップモジュールの他の実施形態を示す図。
【符号の説明】
１ 放熱部材
２ モールド樹脂
３ リードフレーム
３Ａ リード部
３Ｂ タブ部
４ 発熱素子
４Ａ 第一の発熱素子
４Ｂ 第二の発熱素子
５ ボンディングワイヤ
６ ペレット付け材
７ 絶縁層
８ 配線基板
９ サーマルコンパウンド
１０ 外部放熱機構
１１ ネジ
１２ モジュール固定部材
２０ スロート部
Claims (5)
- 放熱部材に直接もしくは絶縁材を介して設置されたリードフレームのタブ部に第一の発熱素子と第二の発熱素子とが搭載され、前記リードフレームのリード部は配線基板に接続され、前記発熱素子と前記タブ部及び前記リード部の一部がモールド樹脂によって封止されてなるマルチチップモジュールにおいて、
前記モールド樹脂に接続された放熱部材を備え、
前記タブ部は、第一のタブ部及びそれとは別の第二のタブ部を有し、前記第一の発熱素子は前記第一のタブ部に搭載され、前記第二の発熱素子は前記第二のタブ部に搭載され、
前記第二の発熱素子は、前記第一の発熱素子よりも発熱量が大きく、
前記第二の発熱素子を搭載したリードフレームのモールド樹脂により封止されたリード部に、その一部の断面積を小さくしたスロート部を備えたことを特徴とするマルチチップモジュール。 - 請求項1において、
前記第一の発熱素子を搭載したリードフレームのモールド樹脂により封止されたリード部に、その一部の断面積を小さくしたスロート部を備えたことを特徴とするマルチチップモジュール。 - 放熱部材に直接もしくは絶縁材を介して設置されたリードフレームのタブ部に制御用素子とパワー素子とが搭載され、前記リードフレームのリード部は配線基板に接続され、前記制御用素子と前記パワー素子と前記タブ部及び前記リード部の一部がモールド樹脂によって封止されてなるマルチチップモジュールにおいて、
前記モールド樹脂に接続された放熱部材を備え、
前記タブ部は、第一のタブ部及びそれとは別の第二のタブ部を有し、前記制御用素子は前記第一のタブ部に搭載され、前記パワー素子は前記第二のタブ部に搭載され、
前記パワー素子を搭載したリードフレームのモールド樹脂により封止されたリード部に、その一部の断面積を小さくしたスロート部を備えたことを特徴とするマルチチップモジュール。 - 請求項3において、
前記制御用素子を搭載したリードフレームのモールド樹脂により封止されたリード部に、その一部の断面積を小さくしたスロート部を備えたことを特徴とするマルチチップモジュール。 - 請求項1乃至4のいずれかにおいて、
前記タブ部の面積を拡大することにより、前記タブ部からモールド樹脂を通って放熱部材に至る放熱経路の抵抗を小さくしたことを特徴とするマルチチップモジュール。
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