JP7063224B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

本明細書に開示の技術は、半導体モジュールに関する。

特許文献１には、複数の半導体チップを積層した半導体モジュールが開示されている。

特開２００８－１０８９１２号公報

特許文献１の半導体モジュールを製造する際には、各半導体チップの位置ずれが問題となる。また、各半導体チップの放熱性の問題も生じる。本明細書では、複数の半導体チップを積層した半導体モジュールにおいて、半導体チップの位置ずれ抑制するとともに、半導体チップの放熱性を改善する技術を提案する。

本明細書が開示する半導体モジュールは、第１放熱器と、前記第１放熱器上に配置された第１半導体チップと、前記第１半導体チップ上に配置されているとともに前記第１半導体チップの上面に接続された接続部材と、前記接続部材上に配置されているとともに前記接続部材の上面に接続された第２半導体チップと、前記第２半導体チップ上に配置されている第２放熱器と、前記第１放熱器、前記第１半導体チップ、前記接続部材、前記第２半導体チップ、及び、前記第２放熱器の積層方向に沿って伸びており、前記第１放熱器、前記接続部材、及び、前記第２放熱器に接している複数のヒートパイプを有している。複数の前記ヒートパイプが、前記第１半導体チップの４隅において前記第１半導体チップの側面に接しているとともに、前記第２半導体チップの４隅において前記第２半導体チップの側面に接している。

この半導体モジュールでは、第１半導体チップの下側に第１放熱器が設けられているとともに、第１半導体チップの上面が接続部材とヒートパイプを介して第１放熱器及び第２放熱器に接続されている。したがって、第１半導体チップが上下の両面から冷却され、第１半導体チップを効率的に冷却できる。また、この半導体モジュールでは、第２半導体チップの上側に第２放熱器が設けられているとともに、第２半導体チップの下面が接続部材とヒートパイプを介して第１放熱器及び第２放熱器に接続されている。したがって、第２半導体チップが上下の両面から冷却され、第２半導体チップを効率的に冷却できる。また、この半導体モジュールでは、複数のヒートパイプが、第１半導体チップの４隅において第１半導体チップの側面に接しているとともに、第２半導体チップの４隅において第２半導体チップの側面に接している。このため、複数のヒートパイプによって、第１半導体チップと第２半導体チップが位置決めされ、第１半導体チップと第２半導体チップの位置ずれが抑制される。以上に説明したように、この半導体モジュールによれば、半導体チップの位置ずれを抑制するとともに、半導体チップの放熱性を改善することができる。

半導体モジュールの断面図（図３のＩ－Ｉ線における断面図）。 半導体モジュールの断面図（図３のＩＩ－ＩＩ線における断面図）。 半導体モジュールの平面図。 位置決め冶具とヒートパイプの平面図。 位置決め冶具とヒートパイプの断面図。 半導体モジュールの製造工程の説明図。 半導体モジュールの製造工程の説明図。

図１、２に示す実施形態の半導体モジュール１０は、絶縁樹脂５０によってパッケージされたパワーモジュール５２と、パワーモジュール５２に対して接続された放熱器１２、４４を有している。放熱器１２、４４は、内部に冷却液が流れる液冷式の放熱器である。放熱器１２は、パワーモジュール５２との絶縁のために、グリス１４、セラミック基板１６、及び、グリス１８を介してパワーモジュール５２の下面に接続されている。放熱器１２は、パワーモジュール５２を冷却する。放熱器４４は、パワーモジュール５２との絶縁のために、グリス３８、セラミック基板４０、及び、グリス４２を介してパワーモジュール５２の上面に接続されている。放熱器４４は、パワーモジュール５２を冷却する。

パワーモジュール５２は、リードフレーム２０、半導体チップ２４、接続部材２８、半導体チップ３２、及び、リードフレーム３６を積層した積層体１１０を備えている。

リードフレーム２０は、積層体１１０の最下部に配置されている。リードフレーム２０は、銅等の金属により構成されている。半導体チップ２４は、リードフレーム２０上に配置されている。半導体チップ２４は、その下面に下部電極２４ａと信号電極２４ｃを備えている。下部電極２４ａは、はんだ層２２を介してリードフレーム２０の上面に接続されている。半導体チップ２４は、その上面に上部電極２４ｂを有している。接続部材２８は、銅等の金属により構成されたブロックである。接続部材２８は、半導体チップ２４上に配置されている。接続部材２８の下面は、はんだ層２６を介して半導体チップ２４の上部電極２４ｂに接続されている。半導体チップ３２は、接続部材２８上に配置されている。半導体チップ３２は、その下面に下部電極３２ａと信号電極３２ｃを備えている。下部電極３２ａは、はんだ層３０を介して接続部材２８の上面に接続されている。半導体チップ３２は、その上面に上部電極３２ｂを有している。リードフレーム３６は、半導体チップ３２上に配置されている。リードフレーム３６は、パワーモジュール５２の積層体１１０の最上部に配置されている。リードフレーム３６は、銅等の金属により構成されている。リードフレーム３６の下面は、はんだ層３４を介して半導体チップ３２の上部電極３２ｂに接続されている。

半導体チップ２４は、スイッチング素子を内蔵している。半導体チップ３２は、スイッチング素子を内蔵している。半導体チップ２４、３２が内蔵するスイッチング素子は、昇圧コンバータ回路やインバータ回路で用いられるパワーＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）や、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）や、ＩＧＢＴとＦＷＤ（free wheelingdiode）の一体型素子であってもよい。

絶縁樹脂５０は、積層体１１０を封止している。リードフレーム２０の下面とリードフレーム３６の上面が絶縁樹脂５０から露出しており、積層体１１０のその他の表面は絶縁樹脂５０に覆われている。

リードフレーム２０の下面に、グリス１４、セラミック基板１６、及び、グリス１８を介して放熱器１２が接続されている。すなわち、放熱器１２は、グリス１４、セラミック基板１６、グリス１８、リードフレーム２０、及び、はんだ層２２を介して半導体チップ２４の下面（下部電極２４ａ）に熱的に接続されている。放熱器１２は、半導体チップ２４の下面から熱を逃がす。

リードフレーム３６の上面に、グリス３８、セラミック基板４０、及び、グリス４２を介して放熱器４４が接続されている。すなわち、放熱器４４は、グリス４２、セラミック基板４０、グリス３８、リードフレーム３６、及び、はんだ層３４を介して半導体チップ３２の上面（上部電極３２ｂ）に熱的に接続されている。放熱器４４は、半導体チップ３２の上面から熱を逃がす。

図１に示すように、パワーモジュール５２は、複数のヒートパイプ６０を有している。複数のヒートパイプ６０は、積層体１１０に隣接する位置に配置されている。各ヒートパイプ６０は内部空間を有しており、その内部空間に揮発性の液体が封入されている。各ヒートパイプ６０は、高効率で熱を移動させる。各ヒートパイプ６０の表面は、絶縁材で覆われている。各ヒートパイプ６０は、放熱器１２から放熱器４４に向かう方向に長く伸びている。図１、３に示すように、複数のヒートパイプ６０が、積層体１１０の周囲を取り囲むように配置されている。図３に示すように、複数のヒートパイプ６０は、半導体チップ２４、３２の４隅において、半導体チップ２４、３２の側面に接している。図１に示すように、各ヒートパイプ６０は、放熱器１２、放熱器４４、及び、接続部材２８に接している。各ヒートパイプ６０は、放熱器１２、放熱器４４、及び、接続部材２８を熱的に接続している。このため、半導体チップ２４の上面から接続部材２８とヒートパイプ６０を介して放熱器１２、４４へ効率的に熱が伝わるとともに、半導体チップ３２の下面から接続部材２８とヒートパイプ６０を介して放熱器１２、４４へ効率的に熱が伝わる。各ヒートパイプ６０は、絶縁樹脂５０によって封止されている。

図３に示すように、半導体モジュール１０は、主端子２０ａ、２８ａ、３６ａと、複数の信号端子５４、５６を有している。図２に示すように、主端子２８ａは、接続部材２８に接続されている。主端子２０ａは、図示しない断面においてリードフレーム２０に接続されている。主端子３６ａは、図示しない断面においてリードフレーム３６に接続されている。主端子２０ａ、２８ａ、３６ａの間に電圧を印加することで、半導体チップ２４、３２に電圧を印加することができる。複数の信号端子５４、５６は、ゲート端子、ケルビンエミッタ端子、電流センスエミッタ端子、温度センス端子等を有している。図２に示すように、信号端子５４は、半導体チップ３２の信号電極３２ｃに接続されている。なお、半導体チップ３２は複数の信号電極３２ｃを有しており、各信号電極３２ｃに対して対応する信号端子５４が接続されている。信号端子５４の１つ（ゲート端子）に印加する電圧によって、半導体チップ３２をスイッチングさせることができる。信号端子５６は、半導体チップ２４の信号電極２４ｃに接続されている。なお、半導体チップ２４は複数の信号電極２４ｃを有しており、各信号電極２４ｃに対して対応する信号端子５６が接続されている。信号端子５６の１つ（ゲート端子）に印加する電圧によって、半導体チップ２４をスイッチングさせることができる。

半導体チップ２４に電流を流すと、半導体チップ２４が発熱する。半導体チップ２４で生じた熱は、はんだ層２２、リードフレーム２０、グリス１８、セラミック基板１６、及び、グリス１４を介して放熱器１２へ至る経路によって放熱される。また、半導体チップ２４で生じた熱は、接続部材２８とヒートパイプ６０を介して放熱器１２、４４へ至る経路によっても放熱される。このように、半導体チップ２４が上面と下面の両側から冷却される。また、半導体チップ３２に電流を流すと、半導体チップ３２が発熱する。半導体チップ３２で生じた熱は、はんだ層３４、リードフレーム３６、グリス３８、セラミック基板４０、及び、グリス４２を介して放熱器４４へ至る経路によって放熱される。また、半導体チップ３２で生じた熱は、接続部材２８とヒートパイプ６０を介して放熱器１２、４４へ至る経路によっても放熱される。このように、半導体チップ３２が上面と下面の両側から冷却される。以上に説明したように、半導体チップ２４、３２が上面と下面の両側から冷却されるので、この半導体モジュール１０では、半導体チップ２４、３２の温度上昇を効果的に抑制することができる。

また、半導体モジュール１０では、半導体チップ２４、３２が積層されているので、半導体チップ２４と半導体チップ３２の間の配線の長さが短い。したがって、半導体チップ２４と半導体チップ３２の間の配線の寄生インダクタンスを低減することができる。これによって、半導体チップ２４、３２がスイッチングするときのスイッチングサージを低減することができる。また、スイッチング動作時のリンギングを低減でき、放射ノイズを低減できる。

次に、半導体モジュール１０の製造方法について説明する。まず、図４、５に示すように、位置決め冶具１００に対して、複数のヒートパイプ６０を立設する。次に、図６に示すように、位置決め冶具１００上に、はんだ層を介しながら、リードフレーム３６、半導体チップ３２、接続部材２８、半導体チップ２４、及び、リードフレーム２０を積層することによって、積層体１１０を形成する。ここでは、複数のヒートパイプ６０に囲まれた範囲内に、リードフレーム３６、半導体チップ３２、接続部材２８、半導体チップ２４、及び、リードフレーム２０を積層する。また、図示していないが、信号端子５４、５６のリードフレームを、信号電極２４ｃ、３２ｃに対向する位置に配置する。

次に、図７に示すように、各ヒートパイプ６０を、積層体１１０に向かって押し付ける。これによって、各ヒートパイプ６０を接続部材２８に密着させて、各ヒートパイプ６０と接続部材２８を熱的に接続する。また、各ヒートパイプ６０を積層体１１０に向かって押し付けると、半導体チップ２４、３２の４隅が複数のヒートパイプ６０によってガイドされ、半導体チップ２４、３２が位置決めされる。これによって、半導体チップ２４、３２の位置ずれが抑制される。

次に、各ヒートパイプ６０を積層体１１０に向かって押し付けた状態で積層体１１０をリフロー炉に通し、各部材をはんだ層によって接続する。

その後、積層体１１０と複数のヒートパイプ６０を絶縁樹脂５０で封止することで、パワーモジュール５２が得られる。さらに、パワーモジュール５２に対して図１に示すように放熱器１２、４４を接続することで、実施形態の半導体モジュール１０が完成する。

以上に説明したように、この製造方法では、ヒートパイプ６０によって半導体チップ２４、３２を位置決めするので、半導体チップ２４、３２の位置ずれを抑制することができる。また、この製造方法によれば、一度のリフロー工程で積層体１１０の全体を接続できるので、効率的に半導体モジュール１０を製造することができる。

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 ：放熱器
１６ ：セラミック基板
２０ ：リードフレーム
２４ ：半導体チップ
２８ ：接続部材
３２ ：半導体チップ
３６ ：リードフレーム
４０ ：セラミック基板
４４ ：放熱器
５０ ：絶縁樹脂
６０ ：ヒートパイプ

Claims (1)

1. 半導体モジュールであって、
   第１放熱器と、
   前記第１放熱器上に配置された第１半導体チップと、
   前記第１半導体チップ上に配置されており、前記第１半導体チップの上面に接続された接続部材と、
   前記接続部材上に配置されており、前記接続部材の上面に接続された第２半導体チップと、
   前記第２半導体チップ上に配置されている第２放熱器と、
   前記第１放熱器、前記第１半導体チップ、前記接続部材、前記第２半導体チップ、及び、前記第２放熱器の積層方向に沿って伸びており、前記第１放熱器、前記接続部材、及び、前記第２放熱器に接している複数のヒートパイプ、
   を有しており、
   複数の前記ヒートパイプが、前記第１半導体チップの４隅において前記第１半導体チップの側面に接しているとともに、前記第２半導体チップの４隅において前記第２半導体チップの側面に接している、
   半導体モジュール。

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