(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ベース上面に設けられた半導体素子と、その半導体素子の上方に設けられ少なくとも当該半導体素子の幅よりも大きな幅を有する放熱部材と、その放熱部材と前記半導体素子との間に充填された封止ゲルと、前記半導体素子と前記金属ベース上面に設けられた導電層とを結ぶボンディングワイヤとを備え、そのボンディングワイヤと前記半導体素子との接合角度が、当該ボンディングワイヤと前記導電層との接合角度よりも小さい半導体モジュール。
【請求項２】
前記封止ゲルの熱伝導率が２Ｗ／ｍＫ以上である請求項１記載の半導体モジュール。
【請求項３】
半導体モジュール内部に複数の半導体素子を持ち、すべての半導体素子の上部に前記放熱部材が配置されている請求項１記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体モジュールは、一般消費者の省エネルギーやランニングコスト低減への意識が高まるにつれ、従来用いられてきた鉄道車両用などの用途だけでなく、家電製品などへと使用用途が広がっている。
【０００３】
この使用用途の広がりによって、半導体モジュールにはより一層の小型化や高付加価値化への要求が高まっている。
【０００４】
小型化としては、高密度な半導体素子の開発や、高効率な冷却構造の開発による放熱面積の縮小などが行われている。モジュール冷却の従来技術として、例えば特開平９−３０７０４０号公報や、特開２０００−１７４１８０号公報などがある。
【０００５】
高付加価値化としては、従来の半導体モジュールに対して、インテリジェントパワーモジュール（Intelligent Power module）と呼ばれるドライバ回路や保護回路を内蔵した半導体モジュールが実用化されており、今後も更なる高付加価値化が要求されている。なお、高付加価値を目的とした半導体モジュールの従来技術として、例えば特開平１１−２０４７００号公報がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
半導体モジュールを小型化した場合、半導体素子の発熱密度の上昇や放熱面積の減少などにより、半導体素子の温度上昇が顕著となる。その結果、熱による半導体素子の故障や熱疲労によるはんだ接合部の寿命低下などにより、半導体モジュールの信頼性が低下する。そこで、半導体モジュールの冷却を高効率で行うために、例えば特開平９−３０７０４０号公報の様にモジュール下部にある金属板内部に冷却水を通して冷却を行う構造が従来技術にある。しかし、この構造では半導体素子を下面からのみ冷却し、上面からの冷却は行えない。上面と下面両方から冷却を行う方法としては、例えば特開２０００−１７４１８０号公報の様に半導体素子の上下面に冷却板を接続する従来技術がある。しかし、この構造では、半導体素子が剛性の高い上下の放熱板に接しているため、半導体モジュールの温度変化によって半導体素子や接合部に生じる熱応力が大きくなり、その熱応力によって半導体素子の破壊や接合部の寿命低下などが起きる。また、半導体素子の上面にワイヤをボンディングして半導体素子と回路基板の電気的導通をとることができないといった制約が生じる。
【０００７】
ところで、半導体モジュールの高付加価値化のためには、モジュール内部にマイコン等を搭載することが有効である。しかし、マイコンは熱に弱く、半導体素子の発熱によってマイコンの温度が上昇すると、故障や誤作動を起こすことがある。
【０００８】
本発明の目的は、上記の従来技術における状況に鑑み、半導体素子を上下両面から冷却し、熱応力による影響を軽減可能な半導体モジュールを得ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、半導体モジュールの封止ゲル内部に放熱部材を設け、放熱部材とボンディングワイヤが接触することなく放熱部材と半導体素子の距離を短くできるワイヤ形状とすることで、従来主に金属ベース下面からのみ放出していた熱を、半導体素子を上面からも放出することで解決される。また、封止ゲルには熱伝導率２Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導の材料を用いることで解決される。を形成することで解決される。また、半導体素子とマイコンの間に放熱部材を設け、半導体素子の熱がマイコンに伝わるのを防止することで解決される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例である半導体モジュールを、図を参照して説明する。図１（ａ）は、本発明の第1の実施例である半導体モジュールの断面図である。図１（ｂ）は、第1の実施例の半導体モジュールの平面図である。
【００１１】
図１（ａ）において、半導体モジュール１は、半導体素子１１と絶縁セラミック基板１４の表面に設けられている導電層１３、さらに金属ベース１５をはんだ１２で接合することで、半導体素子１１と金属ベース１５の絶縁がとられている。導電層と金属ベースにはそれぞれＣｕを用い、絶縁セラミック基板には窒化アルミやアルミナを用いている。また、半導体素子１１と導電層１３はボンディングワイヤ２１によって導通が取られている。ボンディングワイヤ２１は可撓性が大きく半導体モジュール稼動時の温度変化によって生じる熱変形を吸収することができるので、半導体素子や絶縁セラミック基板に大きな熱応力が加わることを防ぐことができる。導電層１３には端子２０が接続され、マイコン１９などを搭載する制御基板１８との導通が取られている。この制御基板１８によって、半導体素子１１の動作を制御することで、半導体モジュール１はモジュール単体でインバータとしての機能を果たすことができる。
【００１２】
放熱部材１６は半導体素子１１の上部なおかつ制御基板１８の下部に配置されている。金属ベース１５には樹脂製のケース２２と蓋２３が付き、ケース内部には高熱伝導な封止ゲル１７を充填することで半導体素子１１、ボンディングワイヤ２１、導電層１３、放熱部材１６の絶縁がとられている。
【００１３】
半導体モジュールの動作時には、半導体素子１１が発熱する。半導体素子１１で生じた熱は、一部は下面の金属ベース板下面から放出され、残りは封止ゲル１７を介して放熱部材１６において放出される。なお、本実施例では、放熱部材１６にＣｕ製の中空のパイプを用い、パイプ内部に冷却水を通すことで冷却を行なった。
【００１４】
従来用いられていた封止ゲルの熱伝導率は０．２Ｗ／ｍＫ程度であった。一方、本実施例では従来よりも熱伝導率が１桁以上大きい高熱伝導な封止ゲルを用い、発熱体である半導体素子から放熱部材への熱の流れを大きくすることで冷却能力を上げることが可能となる。熱伝導率の大きい封止ゲルを用いた場合、半導体素子で発生した熱が封止ゲルを介してマイコンに大きく伝わるため、マイコンの温度が上昇して誤作動を起こすことが考えられる。しかし、本実施例では半導体素子とマイコンの間に放熱部材を配置することで半導体素子の熱がマイコンに伝わることを防ぎ、マイコンの温度上昇を抑えている。
【００１５】
放熱部材１６に用いている水冷パイプの断面形状は垂直方向に対して水平方向を長くして、半導体素子１１の発熱を効率よく冷却できる形状としている。また、本実施例ではパイプの材料にＣｕを用いたが、他の材料を用いることも可能である。
【００１６】
放熱部材１６とボンディングワイヤ２１が接触すると、電気的な短絡が生じる。これを避けるためには、放熱部材１６を半導体素子１１から５ｍｍ程度離して配置する必要がある。従来の熱伝導率０．２Ｗ／ｍＫの封止ゲルを用いた場合、放熱部材１６と半導体素子１１の間に５ｍｍの封止ゲルがあることで熱の流れは非常に悪くなり、放熱部材の効果は小さい。図２に、半導体素子１１と放熱部材１６が５ｍｍ離れているときの、封止ゲルの熱伝導率と半導体素子の温度上昇量の関係を示す。従来用いていた封止ゲルの熱伝導率０．２Ｗ／ｍＫでは、半導体素子の温度上昇量は放熱部材１６が無い場合とほぼ同じである。しかし、封止ゲルの熱伝導率が２Ｗ／ｍＫのときの半導体素子の温度上昇量は放熱部材１６が無いときの約半分となり、放熱部材が効果的に作用していることが分かる。さらに、熱伝導率が２Ｗ／ｍＫ以上のときは半導体素子の温度上昇量はより減少する。そこで、本実施例では熱伝導率が２Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率のゲルを用いた。
【００１７】
さらに、本実施例では半導体素子１１と放熱部材１６の距離を小さくするため、ボンディングワイヤ２１を、図３に示すように半導体素子１１と接合する角度θ１に対して導電層と接合する角度θ２が大きくなるように形成している。これによって、放熱部材１６をボンディングワイヤに接することなく半導体素子１１と放熱部材１６の距離Ｌ１を５ｍｍ以下に小さくすることができるので放熱部材の効果がさらに上がる。
【００１８】
ところで、半導体モジュール１には動作時に温度変化が生じ、熱変形によってボンディングワイヤの両端の距離Ｌ２が変化する。ボンディングワイヤの両端の接合角度θ１、θ２が共に小さい場合、距離Ｌ２の長さ変化によってワイヤに生じるひずみが大きく、ワイヤが断線するといった問題が考えられる。そこで、本実施例では半導体素子とボンディングワイヤの接合角度θ１は小さくする一方、他方の接合角度θ２を大きくすることで距離Ｌ２の長さ変化による断線を防止している。
【００１９】
なお、水冷パイプの材料に絶縁材料を用いた場合、水冷パイプとボンディングワイヤの接触が許されるため、半導体素子１１と放熱部材１６の距離Ｌ１をさらに小さくすることが可能である。
【００２０】
図１（ｂ）は、本発明の第1の実施例である半導体モジュールの平面図である。図１（ｂ）では蓋２３、制御基板１８、マイコン１９、端子２０は省略した。
【００２１】
本実施例では、放熱部材１６に水冷パイプを用いており、ケース２２に接着材で固定されている。水冷パイプは半導体モジュール１の内部に継手を持たないため、モジュール内部で冷却水が漏れる可能性が小さい。
【００２２】
半導体モジュール１は、モジュール内部に６個の半導体素子を持つ。ここで、放熱部材は端子やボンディングワイヤに接触しない範囲で面積を大きくすることができる。そこで、放熱部材１６の幅ｔ３を発熱個所である半導体素子１１の１辺長ｔ４よりも大きくし、なおかつ放熱部材１６が６個の半導体素子１１全体を覆う様に配置することで放熱部材の効果を上げている。
【００２３】
また、放熱部材１６が固定されるケース２２は、水冷パイプを固定する辺の厚さｔ１を他の辺ｔ２よりも厚くすることで、剛性を上げている。
【００２４】
なお、放熱部材１６と半導体素子１１の間には柔らかい封止ゲル１７があるため、半導体モジュールの温度変化によってモジュール全体が変形をした場合であっても放熱部材１６から半導体素子１１に大きな荷重は加わらず、半導体素子の破壊や接続部であるはんだ１２の寿命低下を避けることができる。
【００２５】
図４に、本実施例の半導体モジュール１を実装した状態を示す。図４（ａ）は実装状態を側面から示した図であり、図４（ｂ）は実装状態を上面から示した図である。半導体モジュール１が実装される放熱板３２は、内部に冷却水を循環させることで冷却されており、半導体モジュール１が接続する面に、内部の冷却水の経路につながるパイプ３３が２本設置されている。
【００２６】
半導体モジュール１を放熱板３２に実装する場合、はじめに金属ベース１５の下面に熱伝導グリース３１を塗布し、放熱板３２にボルト止めする。次に、放熱板から出ているパイプ３３と半導体モジュール１から出ているパイプ１６を、それぞれ１本ずつ接続部材３４を用いて接続する。ここで、接続部材３４には例えばゴムなどの弾性体のパイプを用いている。また、接続部材３４とパイプとの継ぎ目からの冷却水漏れを防ぐため、ベルト３５を用いて継ぎ目の隙間を塞いでいる。
【００２７】
この様に放熱板から出ているパイプ３３と半導体モジュール１から出ているパイプ１６を接続することで、放熱板３２の内部を循環している冷却水はパイプ３３の内の１本と接続部材３４を通って半導体モジュール１の水冷パイプ１６内を通過して半導体モジュール１を冷却し、その後他方のパイプ３３を通って再び放熱板３２内を循環させることができる。
【００２８】
冷却パイプ１６を流れる冷却水と放熱板３２内部を循環する冷却水と共通とすることで、冷却水の経路を共通化することができ、冷却パイプ１６を流れる冷却水のための専用経路を設ける必要がなくなる。なお、本実施例では、放熱部材１６内部の冷却媒体に水を用いたが、他の液体や気体でも良い。
【００２９】
図５に、放熱板３２が空冷フィンなどで内部に冷却水経路を持たない場合の実装形態の１例を示す。半導体モジュール１は熱伝導グリース１を介して放熱板３２にボルト止めされる。半導体素子１の上面には冷却フィン５１が配置され、放熱部材１６は接続部材３４を用いて放熱フィン５１に接続される。放熱部材内部に液体を入れて内圧を小さくすることで、放熱部材１６と放熱フィン５１はヒートパイプとして働き、半導体モジュール１の冷却を行う。なお、冷却フィン５１は半導体モジュール１の上部に配置する必要はなく、図６の様に半導体モジュール１の横側に配置することもできる。
【００３０】
図７は、本発明の第２の実施例である半導体モジュールの断面図である。本実施例では、半導体素子１１と金属ベース１５の絶縁を絶縁セラミック基板ではなく、金属ベース１５の表面に貼られた絶縁樹脂シート７１によって行っている。この様な構造の半導体モジュールにおいても、本発明を実施することで実施例１と同様に、半導体素子１１やマイコン１９の温度上昇を抑えることができる。
【００３１】
図８は、本発明の第３の実施例である半導体モジュールの断面図である。本実施例では、放熱部材１６は封止ゲル１７に完全には埋まっていない。この状態であっても、放熱部材１６と半導体素子１１の間に封止ゲルが満たされているので、半導体素子１１から放熱部材１６へ熱は流れ、放熱部材の効果は大きい。また、本実施例では制御基板１８は封止ゲル１７と接しておらず、間に空間が設けられている。したがって、制御基板１８上に配置されているマイコン１９に半導体素子１１から伝わる熱は、制御基板１８と封止ゲル１７が接している構造よりも小さくなる。
【００３２】
図９は、本発明の第４の実施例である半導体モジュールの断面図である。本実施例では、放熱部材１６は中空構造でなく、Ｃｕなどの熱伝導率の高い材料をムクの形状で用いている。
【００３３】
図１０は、本発明の第５の実施例である半導体モジュールの断面図である。半導体素子１１の上部に制御基板１８を持たない半導体モジュールの場合、蓋２３と放熱部材１６を一体化させ、蓋２３に放熱部材の働きをさせることができる。このとき、蓋２３を、半導体素子の上部に位置する個所だけが半導体素子に近づく形状とすることで、蓋２３と封止ゲル１７の間には空間７２ができる。封止ゲルは線膨張係数が他の部材と比べて大きいので、半導体モジュールの作動時の温度変化による体積変化が大きい。しかし、本実施例では蓋２３と封止ゲル１７の間の空間によって、この体積変化を吸収することができる。蓋２３にはＣｕなどの熱伝導率の高い材料を用いる。
【００３４】
図１１は、本発明の第６の実施例である半導体モジュールの断面図である。実施例５と同様に蓋２３に放熱部材の効果を持たせた構造であるが、封止ゲル１７を硬化させる時に半導体モジュールを９０°傾けることで、蓋２３と封止ゲル１７の間の空間７２はモジュールの上部にできる。このため、実装例５と比較して蓋２３のより広い面積が封止ゲルと接しており、放熱効果を高めることができる。
【００３５】
半導体モジュールの製造工程では、封止ゲルの充填は最後の工程となる。そして、本実施例の半導体モジュールの製造工程では、ゲルを充填する直前にＵ型の放熱部材１６をケースに挿入して固定すれば良く、それ以前の工程は放熱部材を持たない従来構造の半導体モジュールと同じである。したがって、構造、製造工程ともに従来の放熱部材を持たない半導体モジュールに対して大きな変更しなくてもモジュールを製造することができる。
【００３６】
以上、本発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体素子やマイコンの温度上昇による故障や誤作動を防いだ信頼性の高い半導体モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を備えた半導体モジュールの第一の実施例を説明する図である。
【図２】本発明の効果を説明するグラフ図である。
【図３】本発明を備えた半導体モジュールの第一の実施例を説明する図である。
【図４】本発明を備えた半導体モジュールの第一の実装状態を説明する図である。
【図５】本発明を備えた半導体モジュールの第二の実装状態を説明する図である。
【図６】本発明を備えた半導体モジュールの第三の実装状態を説明する図である。
【図７】本発明を備えた半導体モジュールの第二の実施例を説明する図である。
【図８】本発明を備えた半導体モジュールの第三の実施例を説明する図である。
【図９】本発明を備えた半導体モジュールの第四の実施例を説明する図である。
【図１０】本発明を備えた半導体モジュールの第五の実施例を説明する図である。
【図１１】本発明を備えた半導体モジュールの第六の実施例を説明する図である。
【符号の説明】
１…半導体モジュール、１１…半導体素子、１２…はんだ、１３…導電層、１４…絶縁セラミック基板、１５…金属ベース、１６…放熱部材、１７…封止ゲル、１８…制御基板、１９…マイコン、２０…端子、２１…ボンディングワイヤ、２２…ケース、２３…蓋、３１…熱伝導グリース、３２…放熱板、３３…冷却水パイプ、３４…接続部材、３５…ベルト、３６…冷却水の流れ方向、５１…冷却フィン、７１…絶縁樹脂シート、７２…蓋と封止ゲルの隙間。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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