特許 7675595 半導体モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-05-01

(45)【発行日】2025-05-13

(54)【発明の名称】半導体モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/28 20060101AFI20250502BHJP

   H01L 25/04 20230101ALI20250502BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20250502BHJP

   H01L 23/29 20060101ALI20250502BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20250502BHJP

   H05K 1/02 20060101ALI20250502BHJP

【ＦＩ】

H01L23/28 J

H01L25/04 Z

H01L23/36 A

H05K7/20 F

H05K7/20 D

H05K7/20 C

H05K1/02 C

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021133190

(22)【出願日】2021-08-18

(65)【公開番号】P2023027861

(43)【公開日】2023-03-03

【審査請求日】2023-09-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】山口 公輔

【審査官】ゆずりは 広行

(56)【参考文献】

【文献】特開平０５－１０９９４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０２３５９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１４６４０２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／２８

Ｈ０１Ｌ ２５／０４

Ｈ０１Ｌ ２３／２９

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｈ０５Ｋ １／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の主面と、前記第１の主面とは反対側の第２の主面とを有する基板と、
前記第１の主面に搭載された半導体装置と、
前記第２の主面に、熱伝導性を有する絶縁部材を介して取り付けられたヒートシンクと、を備え、
前記基板は、前記第１の主面から前記第２の主面を貫通する第１の貫通孔を有し、
前記半導体装置は、前記第１の主面に対向する面から露出する複数の電極と、複数の前記電極の間に形成されかつ前記第１の貫通孔を挿通する突起とを有し、
前記絶縁部材は、前記第１の貫通孔から突出する前記突起の先端部よりも前記基板の厚み方向の長さが短く形成され、
前記ヒートシンクにおける前記絶縁部材に対向する面には、前記絶縁部材を介して前記突起の前記先端部が収容される溝が形成された、半導体モジュール。

【請求項2】

前記ヒートシンクに代えて、前記ヒートシンクよりも前記基板の厚み方向の長さが短い放熱板を備えた、請求項１に記載の半導体モジュール。

【請求項3】

前記半導体モジュールを構成する部材の熱伝導率は、下記の大小関係を満たす、請求項１に記載の半導体モジュール。
ヒートシンク＞絶縁部材＞突起＞基板

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、半導体モジュールに関するものである。

【背景技術】

【0002】

表面実装用の半導体モジュールは、一般的にヒートシンクレスで使用される。その場合、パッケージ内部の半導体チップで発生する熱は、パッケージを構成する樹脂を通じてその表面から空気中に放熱される、または、パッケージの内部から外部に通じる電極を介して基板に放熱される（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１には、半導体装置の成形樹脂の表面を流れる沿面電流を抑制することを目的として、隣り合うリードフレーム（電極に相当する）の間の沿面距離を長くするために樹脂突起が成形樹脂に設けられ、樹脂突起が配線基板の貫通孔に嵌合する構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１４－２０７２７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の技術では、樹脂突起が成形樹脂に設けられることで隣り合うリードフレームの間の絶縁距離を確保することができるため、隣り合うリードフレームの間隔を狭くすること、つまり、リードフレームのサイズを大きくすることが可能となる。

【0006】

これにより、リードフレームにさらに大きな電流を流すことが可能となる。その結果、半導体モジュールの動作時に半導体モジュールの温度が上昇し、半導体モジュール内で使用されているはんだが劣化することで、半導体モジュールの耐久性が低下するという問題があった。

【0007】

半導体モジュールの放熱性能を向上させるために、配線基板にヒートシンクを取り付けることが考えられるが、特許文献１に記載の技術では、樹脂突起が配線基板の貫通孔に嵌合するため、リードフレームとヒートシンクとの間の絶縁距離が短くなるという問題があった。このように、特許文献１に記載の技術では、半導体モジュールにおいて放熱性と絶縁性との両立を図ることは難しかった。

【0008】

そこで、本開示は、放熱性と絶縁性との両立を図ることが可能な半導体モジュールを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示に係る半導体モジュールは、第１の主面と、前記第１の主面とは反対側の第２の主面とを有する基板と、前記第１の主面に搭載された半導体装置と、前記第２の主面に、熱伝導性を有する絶縁部材を介して取り付けられたヒートシンクと、を備え、前記基板は、前記第１の主面から前記第２の主面を貫通する第１の貫通孔を有し、前記半導体装置は、前記第１の主面に対向する面から露出する複数の電極と、複数の前記電極の間に形成されかつ前記第１の貫通孔を挿通する突起とを有し、前記絶縁部材は、前記第１の貫通孔から突出する前記突起の先端部よりも前記基板の厚み方向の長さが短く形成され、前記ヒートシンクにおける前記絶縁部材に対向する面には、前記絶縁部材を介して前記突起の前記先端部が収容される溝が形成されたものである。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、絶縁部材は、半導体装置が搭載された基板とヒートシンクとの間に配置されているため、複数の電極とヒートシンクとの間の絶縁距離を確保することができる。さらに、複数の電極で発生した熱は基板からだけでなく、突起の先端部からも絶縁部材を介してヒートシンクに伝熱され、ヒートシンクにより外部に放熱される。これにより、半導体モジュールにおいて放熱性と絶縁性との両立を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施の形態１に係る半導体モジュールの断面図である。

【図2】実施の形態２に係る半導体モジュールの断面図である。

【図3】実施の形態３に係る半導体モジュールの断面図である。

【図4】実施の形態４に係る半導体モジュールの断面図である。

【図5】実施の形態５に係る半導体モジュールの断面図である。

【図6】実施の形態６に係る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形態】

【0012】

＜実施の形態１＞
実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体モジュール１００の断面図である。

【0013】

図１において、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、互いに直交する。以下の図に示されるＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向も、互いに直交する。以下においては、Ｘ方向と、当該Ｘ方向の反対の方向である－Ｘ方向とを含む方向を「Ｘ軸方向」ともいう。また、以下においては、Ｙ方向と、当該Ｙ方向の反対の方向である－Ｙ方向とを含む方向を「Ｙ軸方向」ともいう。また、以下においては、Ｚ方向と、当該Ｚ方向の反対の方向である－Ｚ方向とを含む方向を「Ｚ軸方向」ともいう。

【0014】

図１に示すように、半導体モジュール１００は、基板１と、半導体装置３と、絶縁シート６（絶縁部材に相当する）と、複数のフィン部７ａを有するヒートシンク７とを備えている。

【0015】

基板１は、主面１ａ（第１の主面に相当する）と、主面１ａとは反対側の主面１ｂ（第２の主面に相当する）と、貫通孔１ｃ（第１の貫通孔に相当する）とを備えている。貫通孔１ｃは、主面１ａから主面１ｂを貫通し、Ｙ軸方向に延在している。基板１の主面１ａには、金属パターン２ａが設けられている。

【0016】

半導体装置３は、基板１の主面１ａに搭載されている。半導体装置３は、本体部４ａと、突起４ｂと、複数の電極４ｃとを備えている。本体部４ａは、Ｚ軸方向から視て矩形状に樹脂により形成されている。突起４ｂは、本体部４ａにおける複数の電極４ｃの間に樹脂を用いて形成され、基板１側（Ｚ方向）に突出すると共にＹ軸方向に延在している。突起４ｂは、基板１の貫通孔１ｃに挿通可能なように、貫通孔１ｃのＸ軸方向とＹ軸方向の長さよりも僅かに小さく形成されている。突起４ｂは、基板１の厚み方向（Ｚ軸方向）の長さよりも長いため、突起４ｂを基板１の貫通孔１ｃに挿通させた状態で、突起４ｂの先端部は基板１の主面１ｂから突出している。

【0017】

突起４ｂを基板１の貫通孔１ｃに挿通させた状態で、複数の電極４ｃと金属パターン２ａとが接合材５により接合されることで、半導体装置３は基板１に搭載される。接合材５は、はんだまたは導電性樹脂ペーストである。

【0018】

なお、突起４ｂは１つであってもよいし、複数であってもよい。突起４ｂが複数である場合は、Ｘ軸方向に間隔をあけて並んで設けられる。

【0019】

絶縁シート６は、熱伝導性を有するスポンジにより形成され、複数の電極４ｃとヒートシンク７との間の絶縁距離を確保するために、基板１の主面１ｂに配置されている。ヒートシンク７は、絶縁シート６を介して基板１の主面１ｂにねじにより固定されている。ヒートシンク７は、絶縁シート６を介して基板１および半導体装置３と共締めされていてもよい。

【0020】

絶縁シート６は、貫通孔１ｃから突出する突起４ｂの先端部よりも基板１の厚み方向（Ｚ軸方向）の長さが長く形成されている。また、絶縁シート６は、突起４ｂの先端部が絶縁シート６に当接する際に食い込むことが可能な程度の柔軟性を有している。これらにより、絶縁シート６が基板１に固定される際、突起４ｂの先端部は絶縁シート６に食い込むが、突起４ｂの先端部は絶縁シート６を介してヒートシンク７を押圧しない。

【0021】

突起４ｂの先端部が絶縁シート６に食い込むことで、複数の電極４ｃで発生した熱は基板１からだけでなく、突起４ｂの先端部からも絶縁シート６を介してヒートシンク７に伝熱され、ヒートシンク７により外部に放熱される。ここで、半導体モジュール１００を構成する部材の熱伝導率の大小関係は、ヒートシンク７＞絶縁シート６＞突起４ｂ＞基板１のようになる。そのため、半導体モジュール１００では、突起４ｂの先端部が絶縁シート６に食い込んでいない場合よりも、ヒートシンク７への伝熱が効果的に行われる。

【0022】

以上のように、実施の形態１に係る半導体モジュール１００は、主面１ａと、主面１ａとは反対側の主面１ｂとを有する基板１と、主面１ａに搭載された半導体装置３と、主面１ｂに、熱伝導性を有する絶縁シート６を介して取り付けられたヒートシンク７とを備え、基板１は、主面１ａから主面１ｂを貫通する貫通孔１ｃを有し、半導体装置３は、主面１ａに対向する面から露出する複数の電極４ｃと、複数の電極４ｃの間に形成されかつ貫通孔１ｃを挿通する突起４ｂとを有し、絶縁シート６は、貫通孔１ｃから突出する突起４ｂの先端部よりも基板１の厚み方向（Ｚ軸方向）の長さが長く形成されている。

【0023】

したがって、絶縁シート６は、半導体装置３が搭載された基板１とヒートシンク７との間に配置されているため、複数の電極４ｃとヒートシンク７との間の絶縁距離を確保することができる。さらに、複数の電極４ｃで発生した熱は基板１からだけでなく、突起４ｂの先端部からも絶縁シート６を介してヒートシンク７に伝熱され、ヒートシンク７により外部に放熱される。これにより、半導体モジュール１００において放熱性と絶縁性との両立を図ることができる。以上より、半導体モジュール１００の耐久性を向上させることが可能となる。

【0024】

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体モジュール１００Ａについて説明する。図２は、実施の形態２に係る半導体モジュール１００Ａの断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

【0025】

図２に示すように、実施の形態２では、半導体モジュール１００Ａは絶縁シート６に代えて、熱伝導性と絶縁性を有する接着剤１６を備えている。

【0026】

接着剤１６は、複数の電極４ｃとヒートシンク７との間の絶縁距離を確保するために、基板１の主面１ｂに塗布されている。基板１とヒートシンク７は接着剤１６により接合されている。また、接着剤１６は、貫通孔１ｃから突出する突起４ｂの先端部よりも基板１の厚み方向（Ｚ軸方向）の長さが長くなるように塗布されているため、突起４ｂの先端部は接着剤１６から露出しない。ここで、接着剤１６が絶縁部材に相当する。

【0027】

以上のように、実施の形態２に係る半導体モジュール１００Ａは、絶縁シート６に代えて、熱伝導性と絶縁性を有する接着剤１６を備えているため、実施の形態１の場合と同様の効果が得られる。

【0028】

＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係る半導体モジュール１００Ｂについて説明する。図３は、実施の形態３に係る半導体モジュール１００Ｂの断面図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

【0029】

実施の形態１の場合のように、絶縁シート６における基板１の厚み方向（Ｚ軸方向）の長さが長くなると、絶縁シート６からヒートシンク７への熱伝導性能が低下するため、絶縁シート６における基板１の厚み方向（Ｚ軸方向）の長さは短い方が好ましい。

【0030】

そのため、実施の形態３では、図３に示すように、絶縁シート６は、突起４ｂの先端部よりも基板１の厚み方向（Ｚ軸方向）の長さが短く形成され、ヒートシンク７における絶縁シート６に対向する面には、絶縁シート６を介して突起４ｂの先端部が収容される溝７ｂが形成されている。

【0031】

実施の形態３では、絶縁シート６における基板１の厚み方向（Ｚ軸方向）の長さは、実施の形態１の場合に対して約１／３である。溝７ｂにおける基板１の厚み方向（Ｚ軸方向）とＸ軸方向とＹ軸方向の長さは、絶縁シート６を介して突起４ｂの先端部が収容可能なように、突起４ｂの先端部における基板１の厚み方向（Ｚ軸方向）とＸ軸方向とＹ軸方向の長さよりもそれぞれ大きく形成されている。

【0032】

以上のように、実施の形態３に係る半導体モジュール１００Ｂでは、絶縁シート６は、突起４ｂの先端部よりも基板１の厚み方向（Ｚ軸方向）の長さが短く形成され、ヒートシンク７における絶縁シート６に対向する面には、絶縁シート６を介して突起４ｂの先端部が収容される溝７ｂが形成されている。

【0033】

したがって、半導体モジュール１００Ｂにおいて放熱性と絶縁性との両立を図ることができる。さらに、実施の形態１の場合よりも絶縁シート６からヒートシンク７への熱伝導性を向上させることができるため、実施の形態１の場合よりも半導体モジュール１００Ｂの放熱性能を向上させることが可能となる。

【0034】

また、ヒートシンク７が押出加工で形成される場合、溝７ｂの形成も同時に行うことができるため、実施の形態１の場合に対して半導体モジュール１００Ｂの製造コストは上昇しない。

【0035】

＜実施の形態４＞
次に、実施の形態４に係る半導体モジュール１００Ｃについて説明する。図４は、実施の形態４に係る半導体モジュール１００Ｃの断面図である。なお、実施の形態４において、実施の形態１～３で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

【0036】

実施の形態１では、半導体モジュール１００の放熱性能を向上させるためにヒートシンク７が設けられていたが、ヒートシンク７よりも放熱性能が低くてもよい場合は、図４に示すように、ヒートシンク７に代えて、ヒートシンク７よりも基板１の厚み方向（Ｚ軸方向）の長さが短いセラミック製の放熱板１７が設けられている。放熱板１７の取り付け方法は、ヒートシンク７の場合と同様である。なお、放熱板１７は、実施の形態２，３の半導体モジュール１００Ａ，１００Ｂに採用することも可能である。

【0037】

以上のように、実施の形態４に係る半導体モジュール１００Ｃでは、ヒートシンク７に代えて、ヒートシンク７よりも基板１の厚み方向（Ｚ軸方向）の長さが短い放熱板１７を備えている。

【0038】

放熱板１７はヒートシンク７よりも重量が軽いため、実施の形態１の場合よりも振動に強い半導体モジュール１００Ｃを実現できる。

【0039】

＜実施の形態５＞
次に、実施の形態５に係る半導体モジュール１００Ｄについて説明する。図５は、実施の形態５に係る半導体モジュール１００Ｄの断面図である。なお、実施の形態５において、実施の形態１～４で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

【0040】

図５に示すように、実施の形態５では、基板１には、貫通孔１ｃとは別に主面１ａから主面１ｂを貫通するスルーホール１ｄ（第２の貫通孔に相当する）が形成されている。主面１ａおよび主面１ｂには、スルーホール１ｄを覆う金属パターン２ａ，２ｂがそれぞれ設けられている。スルーホール１ｄの内壁には、金属パターン２ａ，２ｂを導通させるために導電性膜（図示省略）が設けられている。これにより、電流を基板１の両面である主面１ａと主面１ｂで流すことが可能となる。

【0041】

なお、スルーホール１ｄは１つであってもよいし複数であってもよい。また、スルーホール１ｄは、実施の形態２～４の半導体モジュール１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃに採用することも可能である。

【0042】

以上のように、実施の形態５に係る半導体モジュール１００Ｄでは、基板１には、貫通孔１ｃとは別に主面１ａから主面１ｂを貫通するスルーホール１ｄが形成され、主面１ａおよび主面１ｂには、スルーホール１ｄを覆う金属パターン２ａ，２ｂがそれぞれ設けられている。

【0043】

したがって、複数の電極４ｃで発生した熱は、金属パターン２ａからスルーホール１ｄを通って金属パターン２ｂに伝熱されるため、スルーホール１ｄが設けられていない場合よりも放熱性能が向上する。また、電流を基板１の両面である主面１ａと主面１ｂで流すことができるため、基板１の発熱を抑えることも可能となる。

【0044】

＜実施の形態６＞
次に、実施の形態６に係る半導体モジュール１００Ｅについて説明する。図６は、実施の形態６に係る半導体モジュール１００Ｅの断面図である。なお、実施の形態６において、実施の形態１～５で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

【0045】

図６に示すように、実施の形態６では、基板１のスルーホール１ｄに放熱性を有するグリース１１が充填されている。または、グリース１１に代えて、熱伝導性を有するゲルが充填されてもよい。また、スルーホール１ｄに放熱性を有するグリース１１または熱伝導性を有するゲルが充填される構造は、実施の形態２～４の半導体モジュール１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃに採用することも可能である。

【0046】

以上のように、実施の形態６に係る半導体モジュール１００Ｅでは、スルーホール１ｄには、放熱性を有するグリース１１または熱伝導性を有するゲルが充填されているため、実施の形態５の場合よりも放熱性能を向上させることができる。

【0047】

なお、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。

【符号の説明】

【0048】

１ 基板、１ａ，１ｂ 主面、１ｃ 貫通孔、１ｄ スルーホール、２ａ，２ｂ 金属パターン、３ 半導体装置、４ｂ 突起、４ｃ 電極、６ 絶縁シート、７ ヒートシンク、７ｂ 溝、１６ 接着剤、１７ 放熱板、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ 半導体モジュール。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】