JP6815347B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールに関する。

従来、例えば、レーザーダイオードなどの半導体素子の背面側にヒートシンクを配置する半導体モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−８４９３９号公報

しかし、上記技術では、半導体素子とヒートシンクとの間で熱接触する面積が小さく、半導体素子からヒートシンクへ十分に熱を伝えることができず、半導体素子の温度が高くなるおそれがある。

本発明は、上記を課題の一例とするものであり、半導体素子の温度上昇を抑制する半導体モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る半導体モジュールは、半導体素子を含む素子部と、素子部側へ突出する凸部を有し、凸部の頂面で素子部と熱接触し、半導体素子で発生した熱を発散させるヒートシンクと、半導体素子の端子に電気的に接続する配線パターンを有する基板とヒートシンクとの間に設けられ、凸部の側面で凸部に熱接触し、端子を介して伝わった熱をヒートシンクに伝える熱伝導部材とを備える。

本発明の一態様によれば、半導体素子の温度上昇を抑制する半導体モジュールを提供できる。

図１は、半導体モジュールの斜視図である。 図２は、半導体モジュールの一部を示す概略断面図である。 図３は、半導体モジュールの断面の一部を示す概略拡大図である。 図４Ａは、本実施形態に係る半導体モジュールの温度分布を示す図である。 図４Ｂは、比較例に係る半導体モジュールの温度分布を示す図である。

以下、図面を参照して、実施形態に係る半導体モジュールについて説明する。なお、以下の説明で参照する各図面において、各要素の寸法の関係や比率等は実物と異なる場合がある。また、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、各図面において、同一の役割を果たす構成要素には同一の符号が付されている。

実施形態に係る半導体モジュール１について図１〜図３を参照し説明する。図１は、半導体モジュール１の斜視図である。図２は、半導体モジュール１の一部を示す概略断面図である。図３は、半導体モジュール１の断面の一部を示す概略拡大図である。

半導体モジュール１は、ヒートシンク２と、素子部３と、ファン４と、プリント基板５と、熱伝導部材６とを備える。

ヒートシンク２は、複数のフィン１０と、ベース部１１と、凸部１２とを備える。複数のフィン１０は、ベース部１１から突出し、一方向に並んで配置される。すなわち、複数のフィン１０は、櫛歯状に形成される。各フィン１０は、一方向と直交する他方向に向けて延設される。

また、凸部１２は、ベース部１１から、複数のフィン１０とは逆側に向けて突出する。凸部１２は、フィン１０の延設方向である他方向の中央付近に形成される。凸部１２は、複数のフィン１０が並ぶ一方向に沿って延設される。

凸部１２の頂面１２ａには、素子部３が載置され、凸部１２は、素子部３に熱接触する。また、一方向に沿って形成される凸部１２の側面１２ｂには、熱伝導部材６が当接し、凸部１２は、熱伝導部材６に熱接触する。

素子部３は、ヒートシンク２の凸部１２に載置される。素子部３は、例えば、熱伝導率が高い部材を介して凸部１２に載置される。素子部３は、複数の半導体素子（不図示）を備える。例えば、半導体素子は、レーザーダイオードや、発光ダイオードである。

半導体素子の端子３ａは、素子部３の両端から複数突出する。半導体素子の端子３ａは、フィン１０の延設方向である他方向に沿って突出する。

ファン４は、ヒートシンク２の側方に配置され、ヒートシンク２の複数のフィン１０に向けて送風する。ファン４は、フィン１０の延設方向である他方向に向けて送風する。なお、ファン４は、複数のフィン１０を挟んでベース部１１と向かい合うように配置され、複数のフィン１０の先端側から送風してもよい。ファン４は、送風部を構成する。

プリント基板５は、素子部３の両端、具体的には、他方向における素子部３の両端に配置される。プリント基板５は、凸部１２の側面１２ｂと向かい合うように配置される。プリント基板５の表面には、半導体素子に電力を供給するための配線パターン２０が形成される。プリント基板５の配線パターン２０は、半導体素子の端子３ａと半田付けされる。プリント基板５は、基板を構成する。

なお、ここでは、プリント基板５において、凸部１２の側面１２ｂと向かう合う面を裏面とし、裏面とは逆側の面を表面とする。

プリント基板５には、半導体素子の端子３ａが挿入される第１端子挿入孔２１が形成される。なお、プリント基板５は、両面基板や多層基板であってもよく、第１端子挿入孔２１は、スルーホールであってもよい。

また、プリント基板５には、第１端子挿入孔２１とは異なる複数の孔２２が形成される。

プリント基板５の表面には、配線パターン２０と電気的に接続される第１伝熱パターン２３ａが形成される。第１伝熱パターン２３ａには、半導体素子の端子３ａ、および配線パターン２０を介して、半導体素子から熱が伝わる。第１伝熱パターン２３ａは、第１熱伝導部を構成する。なお、プリント基板５の表面には、絶縁層２４が形成されている。

プリント基板５の裏面には、熱伝導部材６と熱接触する第２伝熱パターン２３ｂが形成される。また、複数の孔２２には、第１伝熱パターン２３ａから第２伝熱パターン２３ｂに熱を伝える伝熱部２３ｃが形成される。第２伝熱パターン２３ｂは、第２熱伝導部を構成する。伝熱部２３ｃは、第３熱伝導部を構成する。

第１伝熱パターン２３ａ、第２伝熱パターン２３ｂおよび伝熱部２３ｃは、熱伝導率が高い銅箔で構成される。なお、第１伝熱パターン２３ａ、第２伝熱パターン２３ｂおよび伝熱部２３ｃは、銅箔に限られることはなく、プリント基板５の板よりも熱伝導率が高い部材で構成され、半導体素子の端子３ａから伝わった熱をプリント基板５の裏面まで伝えることができればよい。また、伝熱部２３ｃは、孔２２を埋めるように形成されてもよい。

熱伝導部材６は、プリント基板５とヒートシンク２の凸部１２の側面１２ｂとの間に配置される。具体的には、熱伝導部材６は、プリント基板５の裏面と向かい合うように配置される。熱伝導部材６は、凸部１２の側面１２ｂと当接し、ヒートシンク２に熱接触する。

また、熱伝導部材６は、絶縁層８を介してプリント基板５、具体的にはプリント基板５の第２伝熱パターン２３ｂに熱接触する。なお、絶縁層８は、プリント基板５に形成されてもよい。熱伝導部材６は、熱伝導率が高い部材、例えば、アルミニウムや、銅によって構成される。熱伝導部材６は、第２伝熱パターン２３ｂから伝わった熱をヒートシンク２に伝える。

熱伝導部材６には、半導体素子の端子３ａが挿入される第２端子挿入孔３０が形成される。第２端子挿入孔３０は、第１端子挿入孔２１よりも径が大きく、半導体素子の端子３ａと熱伝導部材６とが接触しないように形成される。これにより、熱伝導部材６と半導体素子の端子３ａとが短絡することが防止することができる。

なお、熱伝導部材６と、ヒートシンク２のベース部１１との間には、隙間４０が形成される。隙間４０は、熱伝導部材６とヒートシンク２のベース部１１と寸法誤差により、熱伝導部材６とヒートシンクのベース部１１とが接触しないように形成される。

次に、本実施形態に係る半導体モジュール１における作用について説明する。

半導体素子に電力が供給され、半導体素子が動作することで、半導体素子では熱が発生する。発生した熱は、素子部３と熱接触する凸部１２の頂面１２ａを介して凸部１２に伝えられる。このように、半導体モジュール１は、素子部３から凸部１２の頂面１２ａへの第１熱伝導経路（図２中、矢印Ａ）によって、凸部１２へ熱を伝える。

また、発生した熱は、半導体素子の端子３ａから、配線パターン２０、第１伝熱パターン２３ａ、伝熱部２３ｃ、第２伝熱パターン２３ｂ、熱伝導部材６、凸部１２の側面１２ｂを介して凸部１２に伝えられる。このように、半導体モジュール１は、半導体素子の端子３ａから凸部１２の側面１２ｂへの第２熱伝導経路（図２中、矢印Ｂ）によって、凸部１２へ熱を伝える。

プリント基板５には、複数の孔２２が形成され、複数の孔２２に伝熱部２３ｃが形成される。これにより、複数の伝熱部２３ｃによって第１伝熱パターン２３ａから第２伝熱パターン２３ｂへ熱を伝えることができる。そのため、第２熱伝導経路における熱伝導量を大きくすることができる。

このように、半導体素子で発生した熱が第２熱伝導経路を介して凸部１２に伝えられるため、半導体素子の温度上昇を抑制することができる。

凸部１２に伝えられた熱は、フィン１０を介して発散される。凸部１２は、フィン１０の配置方向である一方向に沿って延設されており、凸部１２から各フィン１０に熱を伝えることができる。

ここで、実施形態に係る半導体モジュール１と、第２熱伝導経路を有さない比較例に係る半導体モジュール５０とにおける素子部３の温度分布について、図４Ａおよび図４Ｂを参照し説明する。図４Ａは、実施形態に係る半導体モジュール１の素子部３の温度分布を示す図である。図４Ｂは、比較例に係る半導体モジュール５０の素子部５１の温度分布を示す図である。図４Ａおよび図４Ｂでは、温度が高くなるにつれてグラデーションが濃くなる。

比較例に係る半導体モジュール５０は、第１熱伝導経路のみによって熱が伝えられるため、素子部５１から凸部５２への熱伝導量が小さく、素子部５１の温度が高くなる。

これに対し、実施形態に係る半導体モジュール１は、第１熱伝導経路に加えて、第２熱伝導経路によって凸部１２に熱が伝えられるため、素子部３から凸部１２への熱伝導量が大きくなり、素子部３の温度が、比較例に係る半導体モジュール５０よりも低くなる。

半導体モジュール１は、素子部３をヒートシンク２の凸部１２の頂面１２ａに熱接触させる。また、半導体モジュール１は、半導体素子の端子３ａと電気的に接続する配線パターン２０を有するプリント基板５と、ヒートシンク２との間に熱伝導部材６を備え、熱伝導部材６を、ヒートシンク２の凸部１２の側面１２ｂに熱接触させる。

これにより、半導体モジュール１は、半導体素子の端子３ａを介して伝わった熱を、熱伝導部材６を介してヒートシンク２に伝えることができる。すなわち、半導体モジュール１は、異なる熱伝導経路から凸部１２に熱を伝えることができる。そのため、半導体素子の温度上昇を抑制することができる。

半導体モジュール１は、凸部１２を、複数のフィン１０の配置方向である一方向に沿って延設する。これにより、各フィン１０に凸部１２から熱を伝えることができ、例えば、一方向の両端側のフィン１０における放熱量を大きくすることができる。そのため、半導体素子の温度上昇を抑制することができる。

半導体モジュール１は、ファン４によって複数のフィン１０に送風する。これにより、各フィン１０における放熱量を大きくすることができ、半導体素子の温度上昇を抑制することができる。

半導体モジュール１は、プリント基板５の表面に形成され、半導体素子の端子３ａと電気的に接続する第１伝熱パターン２３ａと、プリント基板５の裏面に形成され、熱伝導部材６と熱接触する第２伝熱パターン２３ｂとを備える。また、半導体モジュール１は、プリント基板５の孔２２に形成され、第１伝熱パターン２３ａから第２伝熱パターン２３ｂに熱を伝える伝熱部２３ｃを備える。

これにより、半導体素子の端子３ａを介して伝えられた熱を、第１伝熱パターン２３ａ、伝熱部２３ｃ、第２伝熱パターン２３ｂを介して熱伝導部材６に伝えることができ、半導体素子の温度上昇を抑制することができる。

半導体モジュール１では、プリント基板５に形成される第１端子挿入孔２１よりも径が大きい第２端子挿入孔３０が熱伝導部材６に形成される。

これにより、半導体モジュール１は、半導体素子の端子３ａと熱伝導部材６とが短絡することを防止することができる。

半導体モジュール１では、熱伝導部材６と、ヒートシンク２のベース部１１との間に隙間４０が形成される。

これにより、熱伝導部材６をヒートシンク２に取り付けた場合に、寸法誤差などにより、熱伝導部材６とベース部１１とが接触することを防止し、熱伝導部材６と凸部１２の側面１２ｂとの間に隙間が生じることを防止することができる。

なお、上記実施形態に係る半導体モジュール１は、半導体素子の両端子３ａ側に熱伝導部材６を設け、２つの第２熱伝導経路を形成したが、これに限られることはない。半導体モジュール１は、半導体素子の一方の端子３ａ側にのみ、熱伝導部材６を設けてもよい。

また、上記実施形態に係る半導体モジュール１は、凸部１２を複数のフィン１０の配置方向に沿って延設したが、これに限られることはない。半導体モジュール１は、凸部１２を複数のフィン１０の配置方向に交差する方向、例えば、フィン１０の延設方向に沿って延設してもよい。

また、上記実施形態に係る半導体モジュール１は、半導体素子の端子３ａから、第１伝熱パターン２３ａ、伝熱部２３ｃ、第２伝熱パターン２３ｂの順に熱が伝わる第２熱伝導経路を形成したが、これに限られることはない。半導体モジュール１は、半導体素子の端子３ａから、プリント基板５の裏面側に形成した伝熱パターンに熱が直接伝わるように第２熱伝導経路を形成してもよい。

すなわち、半導体モジュール１は、第１伝熱パターン２３ａ、および伝熱部２３ｃを設けずに、プリント基板５の裏面で、半導体素子の端子３ａと第２伝熱パターン２３ｂとを電気的に接続して第２熱伝導経路を形成してもよい。

このような構成によっても、半導体モジュール１は、第２熱伝導経路によって凸部１２に熱を伝えることができ、半導体素子の温度上昇を抑制することができる。

また、半導体モジュール１は、プリント基板５と熱伝導部材６とを一体化させた基板を備えてもよい。

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１ 半導体モジュール、２ ヒートシンク、３ 素子部、３ａ 端子、４ ファン、５ プリント基板（基板）、６ 熱伝導部材、１０ フィン、１２ 凸部、１２ａ 頂面、１２ｂ 側面、２０ 配線パターン、２１ 第１端子挿入孔、２２ 孔、２３ａ 第１伝熱パターン（第１熱伝導部）、２３ｂ 第２伝熱パターン（第２熱伝導部）、２３ｃ 伝熱部（第３熱伝導部）、３０ 第２端子挿入孔

Claims (6)

1. 半導体素子を含む素子部と、
   前記素子部側へ突出する凸部を有し、前記凸部の頂面で前記素子部と熱接触し、前記半導体素子で発生した熱を発散させるヒートシンクと、
   前記半導体素子の端子に電気的に接続する配線パターンを有する基板と前記ヒートシンクとの間に設けられ、前記凸部の側面で前記凸部に熱接触し、前記端子を介して伝わった熱を前記ヒートシンクに伝える熱伝導部材と
   を備え、
   前記ヒートシンクは、
   一方向に並んで配置された複数のフィンを備え、
   前記凸部は、前記一方向に沿って延設される
   半導体モジュール。
2. 前記フィンに向けて送風する送風部
   を備える請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記基板は、
   前記熱伝導部材と向かい合う面に、前記端子から熱が伝わり、前記熱伝導部材と熱接触する熱伝導部を備える
   請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
4. 前記基板は、
   前記熱伝導部材と向かい合う面とは逆側の面に形成され、前記端子と電気的に接続する第１熱伝導部と、
   前記熱伝導部材と向かい合う面に形成され、前記熱伝導部材に熱接触する第２熱伝導部と、
   前記基板の孔に形成され、前記第１熱伝導部から前記第２熱伝導部へ熱を伝える第３熱伝導部と
   を備える請求項３に記載の半導体モジュール。
5. 前記基板には、
   前記端子が挿入される第１端子挿入孔が形成され、
   前記熱伝導部材には、
   前記第１端子挿入孔よりも径が大きく、前記端子が挿入される第２端子挿入孔が形成される
   請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体モジュール。
6. 前記熱伝導部材と、前記凸部が突出する前記ヒートシンクのベース部との間には、隙間が形成される
   請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体モジュール。

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