WO2007145303A1 - 半導体モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

放熱効率の向上した半導体モジュールを提供する。半導体モジュール（１００）は、半導体素子（１１）と、半導体素子（１１）を挟む１対のＣｕ放熱板（９，１０９）と、Ｃｕ放熱板（９，１０９）を挟む絶縁・放熱板（８，１０８）と、絶縁・放熱板（８，１０８）を挟む放熱フィン（１０，１１０）と、Ｃｕ放熱板（９，１０９）と絶縁・放熱板（８，１０８）との間、および、絶縁・放熱板（８，１０８）と放熱フィン（１０，１１０）との間に塗布されたはんだ（３，４，１０３，１０４）とを備える。

Description

明細書 半導体モジュールぉよびその製造方法 技術分野

この発明は、 半導体モジュールに関し、 特に半導体素子の両面を冷却する両面 冷却型の半導体モジュールに闋するものである。

背景技術

従来、 半導体モジュールは、 たとえば特開 2001— 352023号公報、 特 開平: L 0— 2238 10号公報、 特開 2004— 221 547号公報、 特開 20 05-259748号公報、 特開 2004— 2351 75号公報に開示されてい る。 発明の開示

特開 2001— 352023号公報では、 半導体モジュールを、 扁平でつづら 折り形状の冷媒チューブで挟むことにより、 単一の冷媒チューブで 1個または必 要な個数の両面放熱性半導体モジュールの両面を均等かつ良好に冷却する技術が 開示されている。

特開平 10— 223810号公報では、 絶縁基板は、 その上下においてはんだ によりそれぞれ電力用半導体素子および放熱板に接続される技術が開示されてい る。

特開 2004—221 547号公報では、 絶縁基板と、 絶縁基板の一方の面に 積層される回路層と、 絶縁基板の他方の面に積層される金属層と、 回路層にはん だを介して搭載される半導体チップと、 金属層に接合される放熱体とを備える基 板が開示されている。

特開 2005— 259748号公報では、 パワー半導体素子が搭載され、 底面 に金属ベースを有する第一および第二のパヮ一半導体モジュールが開示されてい る。 第一および第二のパワー半導体モジュールは、 冷却媒体流路の両面に搭载さ れる。

特開 2 0 0 4— 2 3 5 1 7 5号公報では、 金属ベースの絶縁基板接着面の対向 面には、 絶縁基板下の領域に直線型のフィンを有し、 かつ絶縁基板の形状は、 該 直線型フィンのストライプ方向の長さが、 垂直方向の長さ以下であるパワー半導 体モジュールが開示されている。

しかしながら、 従来の技術、 たとえば特開 2 0 0 1— 3 5 2 0 2 3号公報では、 金属板と冷却板との間の熱抵抗が大きく冷却性能が低レ、という問題があつた。 そこで、 この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、 冷却性能の高い半導体モジュールを提供することを目的とする。

この発明に従った半導体モジュールは半導体素子と、 半導体素子を挟む金属板 と、 金属板を挟む絶縁板と、 絶縁板を挟む冷却装置と、 金属板と絶縁板との間お よび絶縁板と冷却装置との間にそれぞれ塗布されたはんだとを備える。

このように構成された半導体モジュールでは、 金属板と絶縁板の間、 および、 絶縁板と金属板との間にそれぞれはんだを塗布しているため、 はんだを介した熱 の移動が多くなる。 その結果、 冷却効率を向上させることができる。

なお、 本明細書において 「はんだ」 とは、 金属板、 絶縁板および冷却装置より も融点の低い金属材料であって、 溶融されてこれらの間に介在し、 凝固すること でこれらを接続する材料をいう。 そのため、 はんだとしての錫と鉛の合金に限ら れず、 鉛のない、 いわゆる鉛フリーのはんだでもよい。

好ましくは、 冷却装置は放熱フィンである。

好ましくは、 半導体モジュールは、 半導体素子をモールドする樹脂をさらに備 える。

好ましくは、 半導体モジュールは、 金属板と半導体素子との間に介在して半導 体素子の熱を金属板に伝達するはんだをさらに備える。

なお、 上述の各構成の中の少なくとも 2つの構成を適宜組み合わせるようにし てもよい。

この発明に従った半導体モジュールの製造方法は、 半導体素子を 1対の金属板 で挟む工程と、 金属板を 1対の絶縁板で挟む工程と、 絶縁板を 1対の冷却装置で 挟む工程とを備え、 1対の絶縁板で挟む工程は絶縁板と金属板との間にはんだを 介在させることを含み、 1対の冷却装置で挟む工程は冷却装置と絶縁板との間に はんだを介在させることを含む。

上記構成の 2つ以上を組み合わせて発明を構成してもよい。

この発明に従えば、 冷却効率が向上した半導体モジュールを提供することがで さる。 図面の簡単な説明

図 1は、 この発明の実施の形態に従った半導体モジュールの断面図である。 発明を実施するための最良の形態 . 以下、 この発明の実施の形態について、 図面を参照して説明する。 なお、 以下 の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、 そ の説明については繰返さない。

図 1は、 この発明の実施の形態に従った半導体モジュールの断面図である。 図 1を参照して、 この発明の実施の形態に従った半導体モジュール 1 0 0は、 半導 体素子 1 1を有する。 半導体素子 1 1は第一主表面 1 0 1と第二主表面 1 0 2と を有する。 第一主表面 1 0 1および第二主表面 1 0 2ははんだ 5， 6と接触して いる。 はんだ 5， 6は半導体素子 1 1へ電気信号を送る回路の一部を構成してい る。 また、 はんだ 5， 6は半導体素子 1 1から発生する熱を外部へ放出する熱の 経路の働きもしている。

半導体素子 1 1は、 インバータゃコンバータなどを構成する素子であり、 電気 的な信号の処理を行なう。 半導体素子 1 1内を電流が流れ、 その電流により半導 体素子 1 1で熱が発生する。

はんだ 5には金属ブロックで構成されるヒートブロック 7が接触している。 ヒ ートブロック 7はヒートシンクとして作用する。

ヒートプロック 7は C u放熱板 9と接触している。 C u放熱板 9は銅により構 成され、 ヒートシンクおよびヒートスプレッダとしての役割を果たす。 すなわち、 銅は熱伝導性がよいため、 ヒートプロック 7から伝達された熱が C u放熱板 9の 全体に広がり、 放熱能力を向上させる。 C u放熱板 9にはリード 1が接続されて いる。 リード 1は電気信号の入出力をするための金属端子であり、 リード 1から 入力された電気信号は、 Cu放熱板 9、 ヒートブロック 7、 はんだ 5を経由して 半導体素子 1 1に送られる。

はんだ 6は Cu放熱板 109と接触している。 Cu放熱板 109にはリード 2 が接続されており、 リード 2からは電気信号が入出力される。 リード 2カゝら送ら れた電気信号は、 Cu放熱板 9、 はんだ 6を介して半導体素子 1 1へ伝えられる。

Cu放熱板 9, 109、 ヒートプロック 7、 はんだ 5, 6および半導体素子 1 1はモーノレド樹脂 131で覆われる。 モーノレド樹脂 131は半導体素子 1 1を覆 うことで、 半導体素子 1 1に外部から応力が加わるのを防止する。 また、 半導体 素子 1 1の化学変化などを防止する保護部材としての役割を果たしている。

C u放熱板 9 , 109は内側に位置する第一主表面 91, 191と、 外側に位 置する第二主表面 92, 192とを有する。

C u放熱板 9の第二主表面 92にはんだ 3が接触している。 はんだ 3は絶縁 - 放熱板 8と接続されている。 絶縁■放熱板 8ははんだ 4により放熱フィン 10お よび冷却器 1 2と接触している。 冷却器 1 2の穴 13に放熱フィン 10が嵌め合 わせられている。 絶縁 ·放熱板 8の第一主表面 8 1がはんだ 3に接続され、 第二 主表面 82がはんだ 4に接続されている。

放熱フィン 10は平板上に、 厚み方向に延びる複数の羽根部材が形成された形 状であり、 表面積を大きくすることで放熱効率を向上させている。 冷却器 12は 放熱フィン 10を取囲んで放熱フィン 10を保護する形状とされている。 なお、 冷却器 1 2内に空気などを強制的に流すことで放熱フィン 10による冷却効率を さらに高めてもよい。

C u放熱板 109の第二主表面 192にはんだ 103が接触している。 はんだ 103は絶縁 ·放熱板 108と接続されている。 絶縁■放熱板 108ははんだ 1 04により放熱フィン 1 10および冷却器 1 12と接触している。 冷却器 1 1 2 の穴 1 1 3に放熱フィン 1 10が嵌め合わせられている。 絶縁 ·放熱板 108の 第一主表面 181がはんだ 103に接続され、 第二主表面 182がはんだ 104 に接続されている。

放熱フィン 10は平板上に、 厚み方向に延びる複数の羽根部材が形成された形 状であり、 表面積を大きくすることで放熱効率を向上させている。 冷却器 12は 放熱フィン 10を取囲んで放熱フィン 10を保護する形状とされている。 なお、 冷却器 12内に空気などを強制的に流すことで放熱フィン 10による冷却効率を さらに高めてもよい。

すなわち、 この発明に従った両面冷却型の半導体モジュール 100は、 半導体 素子 1 1と、 半導体素子 1 1を挟む 1対の金属板としての C u放熱板 9 , 109 と、 C u放熱板 9， 109を挟む絶縁板としての絶縁■放熱板 8， 108と、 絶 縁-放熱板 8， 108を挾む冷却装置としての放熱フィン 10， 1 10と、 じ 1 放熱板 9， 109と絶縁 ·放熱板 8 , 108との間、 および、 絶縁 ·放熱板 8 , 108と放熱フィン 10との間にそれぞれ塗布されるはんだ 3， 4， 103， 1 04とを備える。

半導体モジュール 100は、 半導体素子 1 1をモールドするモールド榭脂 1 3 1をさらに備える。 半導体モジュール 100は、 Cu放熱板 9, 109と半導体 素子 1 1との間に介在して半導体素子 1 1の熱を C u放熱板 9， 109に伝達す るはんだ 5， 6をさらに備える。

C u放熱板 9 , 109は、 必ずしも銅製である必要はなく、 少なくとも電気的 な導通を確保することができればよい。 より好ましくは、 熱伝導性に優れている 材料であることが好ましい。 たとえば、 銅以外にアルミニウムなどを用いること ができる。

絶縁■放熱板 8 , 108は電気的な絶縁物で、 かつ熱伝達率が大きいことが好 ましい。

本発明では、 両面モールドの C u放熱板 9， 109にはんだ付けで放熱フィン 10， 1 10を装着している。 冷却器 12, 1 12に穴 13, 1 13を開け、 両 面モールドの C u放熱板 9， 109にはんだ付けすることでシール性を確保して いる。

このように構成された半導体モジュ^"ルでは、 接続部においてはんだが用いら れるため、 はんだを介しての熱の移動量が大きくなり、 冷却効率を高めることが できる。

すなわち、 両面モールド用パワーカードの C u面にはんだ付けにより絶縁 ·放 熱板 8, 108および冷却フィンとしての放熱フィン 10, 1 10を併せ持つ構 造を採用する。 これにより、 両面モールドで、 かつ放熱グリスレスを達成するこ とができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であつて制限的なものではない と考えられるべきである。 本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲に よって示され、 請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれ ることが意図される。

Claims

請求の範囲

1. 半導体素子 （1 1) と、

前記半導体素子を挾む金属板 （9， 109) と、

前記金属板を挟む絶縁板 （8， 108) と、

前記絶縁板を挟む冷却装置 （10, 1 10) と、

前記金属板と前記絶縁板との間および前記絶縁板と前記冷却装置との間にそれ ぞれ塗布されたはんだ （3, 4, 103, 104) とを備えた、 半導体モジユー ノレ。

2. 前記冷却装置は放熱フィンである、 請求の範囲第 1項に記載の半導体モジュ -~ノレ。

3. 前記半導体素子をモールドする樹脂 （1 3 1) をさらに備えた、 請求の範囲 第 1項に記載の半導体モジユーノレ。

4. 前記金属板と前記半導体素子との間に介在して前記半導体素子の熱を前記金 属板に伝達するはんだ （5, 6) をさらに備えた、 請求の範囲第 1項に記載の半 導体モジュール。 ·

5. 半導体素子 （1 1) を 1対の金属板 （9， 109) で挟む工程と、

前記金属板を 1対の絶縁板 （ 8 , 108) で挟む工程と、

前記絶縁板を 1対の冷却装置 （10, 1 10) で挟む工程とを備え、 前記 1対の絶縁板で挟む工程は前記絶縁板と前記金属板との間にはんだ （ 3， 103) を介在させることを含み、

前記 1対の冷却装置で挟む工程は前記冷却装置と前記絶縁板との間にはんだ (4， 104) を介在させることを含む、 半導体モジュールの製造方法。