(57)【要約】【課題】半導体チップの高さに変動があっても、所定距離だけ離れている２枚の板状部材の間に半導体チップと伝熱部材を積層した状態で密着させる。【解決手段】板状部材１０に左右対称な傾斜面１０ａ，１０ｂを設け、伝熱部材８を２個に分割し、一方の伝熱部材８Ａには左傾斜面に平行な傾斜面を設け、他方の伝熱部材８ｂには右傾斜面に平行な傾斜面を設け、一対の伝熱部材８Ａ，８Ｂの間を距離が可変な部材で接続しておく。半導体チップ６の高さに応じて伝熱部材８Ａ，８Ｂが左右方向にスライドして高さを調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の板状部材の間に半導体チップと伝熱部材が積層されており、
前記伝熱部材に接する側の前記板状部材の内面に、板状部材側第１傾斜面と板状部材側第２傾斜面が形成されており、
前記伝熱部材は少なくとも第１伝熱部材と第２伝熱部材に分割されており、
前記第１伝熱部材が前記板状部材に接触する面に、前記板状部材側第１傾斜面と平行に延びる伝熱部材側第１傾斜面が形成されており、
前記第２伝熱部材が前記板状部材に接触する面に、前記板状部材側第２傾斜面と平行に延びる伝熱部材側第２傾斜面が形成されていることを特徴とする半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書では、所定の間隔で離れている２枚の板状部材の間に、半導体チップと伝熱部材を積層した状態で収容した半導体モジュールに関する。すなわち、半導体チップ側板状部材と、半導体チップと、伝熱部材と、伝熱部材側板状部材の順に積層して一体化した半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップの中には動作すると発熱するものがあり、冷却を必要とするものがある。そこで、２枚の板状部材の間に半導体チップを挟み込み、半導体チップで発生した熱を板状部材に伝熱して冷却する技術が開発されている。
２枚の板状部材の間に、半導体チップと伝熱部材を積層した状態で収容する技術も知られている。伝熱部材を用いると、例えば、半導体チップに接続されているワイヤボンディングが延びる空間を確保することができる。あるいは、厚い半導体チップには薄い伝熱部材を積層し、薄い半導体チップには厚い伝熱部材を積層することができ、厚みが相違する２種類の半導体チップを２枚の板状部材の間に収容することができる。半導体チップの製造公差によって、半導体チップの厚みが変化する場合がある、伝熱部材を積層することで半導体チップの厚みの変化に抗して２枚の板状部材間の距離を所定値に維持することも可能となる。
【０００３】
圧縮すると薄くなる伝熱部材が特許文献１に開示されている。その伝熱部材は、図５に示すように、板状部分１４ａから立ち上がる多数のフィン１４ｂを備えている。図５では２枚の板状部材２，１０の間に、半導体チップ６と伝熱部材１４が積層された状態で収容されている様子を示している。参照番号４は、半導体チップ６を半導体チップ側板状部材２に固定しているはんだ層を示し、参照番号１２は、樹脂モールドを示している。
図５（ａ）は半導体チップ６が薄い場合を示しており、図５（ｂ）は半導体チップ６が厚い場合を示している。半導体チップ６が薄い場合にはフィン１４ｂが垂直に近い姿勢となり、半導体チップ６が厚い場合にはフィン１４ｂが水平に近い姿勢となる。圧縮すると薄くなる伝熱部材１４を利用すると、半導体チップ６の厚みの変化に抗して半導体チップ側板状部材２と伝熱部材側板状部材１０の間隔を所定値に維持することができる。すなわち、半導体モジュールの出来上がり寸法を所定値とすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１２１６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の伝熱部材１４によると、半導体チップ６の厚みの変化には対応することができるものの、伝熱部材側板状部材１０に対する半導体チップ６の左右方向の位置が不安定となる。図５（ｃ）はその一例を示しており、図５（ａ）に示す場合に比して半導体チップ６が左方に変位している場合を例示している。
本明細書では、半導体チップの厚みの変化に抗して、間隔が予め定められている２枚の板状部材の間に半導体チップと伝熱部材を積層した状態で収容でき、しかも、伝熱部材側板状部材に対する半導体チップの左右方向の位置決め精度を低下させることがない技術を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書で開示する半導体モジュールでは、２枚の板状部材の間に半導体チップと伝熱部材が積層された状態で収容されており、半導体チップ側板状部材と半導体チップが密着し、半導体チップと伝熱部材が密着し、伝熱部材と伝熱部材側板状部材が密着している。ここでいう密着は、直接的に密着している場合と、例えばはんだ層等の接続層を介して密着している場合をいい、空間が残っていないことをいう。
伝熱部材に接する側の板状部材（以下では、伝熱部材側板状部材という）の内面には、２つの傾斜面が形成されている（以下では、板状部材側第１傾斜面と板状部材側第２傾斜面という）。伝熱部材は少なくとも２個に分割されている（以下では、第１伝熱部材と第２伝熱部材という）。第１伝熱部材が伝熱部材側板状部材に接触する面には、板状部材側第１傾斜面と平行に延びる伝熱部材側第１傾斜面が形成されている。同様に、第２伝熱部材が伝熱部材側板状部材に接触する面に、板状部材側第２傾斜面と平行に延びる伝熱部材側第２傾斜面が形成されている。
【０００７】
板状部材側第１傾斜面の最大傾斜方向を例えば左方に向け、板状部材側第２傾斜面の最大傾斜方向を例えば右方向に向けた場合、伝熱部材側板状部材に対する伝熱部材の左右方向の位置を調整することで、伝熱部材側板状部材の内面から伝熱部材の下面までの距離を変えることができる。伝熱部材側板状部材に対する伝熱部材の左右方向の位置を調整することで、半導体チップの厚みの変化に抗して、間隔が予め定められている２枚の板状部材の間に半導体チップと伝熱部材を積層した状態で密着させることができる。
また、板状部材側第１傾斜面と第２傾斜面が交わる線によって、位置基準が得られ、それを基準にして半導体チップの左右方向位置を位置決めすることができる。
上記構成を備えていると、半導体チップの厚みの変化に抗して、間隔が予め決められている２枚の板状部材の間に半導体チップと伝熱部材を積層した状態で密着させることができ、しかも、伝熱部材側板状部材に対する半導体チップの左右方向の位置決め精度を低下させることがない。
【０００８】
板状部材側第１傾斜面の最大傾斜方向と、板状部材側第２傾斜面の最大傾斜方向が反対向きを向いていることが好ましい。例えば、図１に例示するように、板状部材側第１傾斜面１０ａは右下がりであり、板状部材側第２傾斜面１０ｂは右上がりであることが好ましい。この場合は、板状部材側第１傾斜面１０ａと板状部材側第２傾斜面１０ｂによって下方に凸な凸部が形成される。あるいは、図３に例示するように、板状部材側第１傾斜面１０ｃは右上がりであり、板状部材側第２傾斜面１０ｄは右下がりであってもよい。この場合は、板状部材側第１傾斜面１０ｃと板状部材側第２傾斜面１０ｄによって上方に凸な凹部が形成される。
【０００９】
板状部材側第１傾斜面の最大傾斜角度と、板状部材側第２傾斜面の最大傾斜角度が等しいことが好ましい。すなわち、板状部材側第１傾斜面と板状部材側第２傾斜面が交わる線を対称軸とする左右対称形状であることが好ましい。
また第１伝熱部材と第２伝熱部材の間は、両者間の間隔を変えるのに必要な柔軟性を備えた弾性部材で接続されていることが好ましい。
【００１０】
本明細書で開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明を実施するための形態、及び実施例にて詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施例の半導体モジュールの断面図を示す。
【図２】伝熱部材の平面図を示す。
【図３】第２実施例の半導体モジュールの断面図を示す。
【図４】第３実施例の半導体モジュールの断面図を示す。
【図５】従来の半導体モジュールの断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に説明する実施例の主要な特徴を下記に列記する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれが独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。
（特徴１）板状部材側に形成されている２個の傾斜面のうちの左側を第１傾斜面とし、右側を第２傾斜面としたときに、第１傾斜面は右下がりであり、第２傾斜面は右上がりであり、両者によって下方に凸な凸部が形成されている。一対の伝熱部材が接近すると一対の板状部材間の距離が離れ、一対の伝熱部材が離反すると一対の板状部材間の距離が接近する。
（特徴２）板状部材に形成されている第１傾斜面の最大傾斜方向と第２傾斜面の最大傾斜方向が反対向きであって、両者の最大傾斜角が等しい。板状部材側第１傾斜面と板状部材側第２傾斜面が、左右対称形状となっている。
（特徴３）第１伝熱部材と第２伝熱部材の間は、両者を接近させる弾性部材で接続されている。弾性部材の弾性力によって、半導体モジュールの構成部材同志の密着性が改善される。
（特徴４）第１傾斜面と第２傾斜面の間に非傾斜面（平坦面あるいは円弧面）が形成されている。一対の伝熱部材が大きく離反し、一対の伝熱部材の間隔で半導体チップと伝熱部材側板状部材が直接に接触する場合には、平坦面あるいは円弧面が半導体チップに接触する。半導体チップの損傷が防止される。伝熱部材の厚みを薄くすることができる。
（特徴５）板状部材側に形成されている２個の傾斜面のうちの左側を第１傾斜面とし、右側を第２傾斜面としたときに、第１傾斜面は右上がりであり、第２傾斜面は右下がりであり、両者によって上方に凸な凹部が形成されている。一対の伝熱部材が離反すると一対の板状部材間の距離が離れ、一対の伝熱部材が接近すると一対の板状部材間の距離が接近する。
（特徴６）第１伝熱部材と第２伝熱部材の間が、両者を離反させる弾性部材で接続されている。弾性部材の弾性力によって、半導体モジュールの構成部材同志の密着性が改善される。
【実施例】
【００１３】
図１は、第１実施例の半導体モジュールの断面図を示している。参照番号２は、半導体チップ側板状部材であり、本実施例ではヒートシンクとして機能する。参照番号６は半導体チップであり、はんだ層４で半導体チップ側板状部材２に固定されている。参照番号８は、伝熱部材であり、第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂに分割されている。参照番号１０は、伝熱部材側板状部材であり、ヒートシンクとして機能する。
図１は、傾斜面１０ａ，１０ｂが形成されている板状部材１０が上になる姿勢における半導体モジュールの断面を説明している。半導体モジュールが実際に使用される場合には種々の姿勢で用いられることがある。
【００１４】
半導体チップ６は動作すると発熱する。半導体チップ６が発生した熱は、はんだ層４を介して半導体チップ側板状部材２に伝熱し、第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂを介して伝熱部材側板状部材１０に伝熱し、いずれもヒートシンクとして機能する半導体チップ側板状部材２と伝熱部材側板状部材１０から放熱される。
【００１５】
半導体チップ群を観察すると、製造公差によって、薄い半導体チップも存在するし、厚い半導体チップも存在する。図１（ａ）は半導体チップ６が薄い場合を示し、図１（ｂ）は半導体チップ６が厚い場合を示している。
半導体チップ６が薄くても厚くても、半導体モジュールの出来上がり寸法が一定であることが好ましい。すなわち導体チップ側板状部材２と伝熱部材側板状部材１０の間隔は予め定められている所定値であることが好ましい。
半導体モジュールでは、半導体チップ側板状部材２にはんだ層４を介して半導体チップ６が密着し、半導体チップ６に第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂが密着し、第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂに伝熱部材側板状部材１０が密着している必要ある。
半導体チップ６が薄くても厚くても、間隔が所定値に調整されている半導体チップ側板状部材２と伝熱部材側板状部材１０の間に、半導体チップ６と第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂを前記の密着条件を満たすように収容しなければならない。本実施例では、そのために、楔状の傾斜面を活用する。
【００１６】
伝熱部材側板状部材１０の下面（内面）に、２個の傾斜面１０ａ，１０ｂが形成されている。図１では、第１傾斜面１０ａが左側となり、第２傾斜面１０ｂが右側となる向きにおいて半導体モジュールを断面視した状態を示す。
第１傾斜面１０ａは右下がりであり、第２傾斜面１０ｂは右上がりであり、両者によって下方に凸な凸部が形成されている。第１傾斜面１０ａの最大傾斜方向と第２傾斜面１０ｂの最大傾斜方向が反対向きであって、両者の最大傾斜角は等しい。第１傾斜面１０ａと第２傾斜面１０ｂは、左右対称形状となっている。
【００１７】
伝熱部材８は、第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂに分割されている。第１伝熱部材８Ａは第１傾斜面１０ａに接する。第１伝熱部材８Ａが第１傾斜面１０ａに接する面には、第１傾斜面１０ａと平行に延びる伝熱部材側第１傾斜面８ａが形成されている。第２伝熱部材８Ｂは第２傾斜面１０ｂに接する。第２伝熱部材８Ｂが第２傾斜面１０ｂに接する面には、第２傾斜面１０ｂと平行に延びる伝熱部材側第２傾斜面８ｂが形成されている。
図２の平面図に示すように、第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂの間は、両者を接近させる向きに付勢されている弾性部材８Ｊで接続されている。弾性部材８Ｊは、アルミ細線で形成されており、第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂの間隔が広げられると、両者を接近させる弾性力を発揮する。
【００１８】
半導体モジュールの組み付け時には、はんだ層４によって板状部材２に固定された半導体チップ６の上面に第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂを載置し、その上に伝熱部材側板状部材１０を載置する。すると、板状部材側第１傾斜面１０ａに伝熱部材側第１傾斜面８ａが密着し、板状部材側第２傾斜面１０ｂに伝熱部材側第２傾斜面８ｂが密着する。
弾性部材８Ｊが自然形状にあって第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂの間隔が狭い場合、第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂは、第１傾斜面１０ａと第２傾斜面１０ｂの低い位置で、第１傾斜面１０ａと第２傾斜面１０ｂに密着する。製造公差内にある最も薄い半導体チップで半導体モジュールを形成する場合でも、弾性部材８Ｊが自然形状にあって第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂの間隔が狭い場合には、板状部材２と板状部材１０の間の間隔が、予め定められている所定値よりも大きくなる関係に設定されている。
【００１９】
上記のようにして、板状部材２とはんだ層４と半導体チップ６と第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂと板状部材１０が積層されたら、板状部材２と板状部材１０の間隔に溶融樹脂を充填する型内に収容する。前記したように、板状部材２と板状部材１０の間隔が所定値よりも大きな状態で型内に置くために、型を閉じる際に板状部材２と板状部材１０の間隔が所定値に狭められる。その際に、第１伝熱部材８Ａは左方にスライドし、第２伝熱部材８Ｂは右方にスライドする。左右対称にスライドする。第１伝熱部材８Ａが左方にスライドして第２伝熱部材８Ｂが右方にスライドすると、第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂは、第１傾斜面１０ａと第２傾斜面１０ｂの高い位置に密着することになる。これによって、板状部材２と板状部材１０の間隔が狭められることに対応する。第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂは、板状部材２と板状部材１０の間隔が所定値に狭められるまでスライドする。その結果、半導体チップ６が薄くても厚くても、半導体チップ側板状部材２と伝熱部材側板状部材１０の間隔が予め定められている所定値に調整され、しかも、半導体チップ側板状部材２と半導体チップ６がはんだ層４を介して密着し、半導体チップ６と第１伝熱部材８Ａが密着し、半導体チップ６と第２伝熱部材８Ｂが密着し、第１伝熱部材８Ａと伝熱部材側板状部材１０が密着し、第２伝熱部材８Ｂと伝熱部材側板状部材１０が密着する関係が得られる。この状態で、板状部材２と板状部材１０の間隔に溶融樹脂を充填して半導体モジュールを製造する。製造された半導体モジュールの出来上がり寸法は、半導体チップ６の厚みに変動があっても、所定寸法となる。参照番号１２は、充填された樹脂が硬化することで形成された樹脂モールドを示している。
【００２０】
上記では、第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂを弾性部材８Ｊで接続しておく。しかしながら、接続しておく必要は必ずしもない。接続しておかなくても、溶融樹脂を充填する型内にセットする際に第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂを接近させておけば、板状部材１０は所定高さよりも高くなる。板状部材１０を所定の高さまで下降させる際に、第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂが離反する。第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂが離反しすぎることを防止するために、溶融樹脂を充填する型内に第１伝熱部材８Ａに右向きの力を加え、第２伝熱部材８Ｂに左向きの力を加える機構を加えてもよい。その力に抗して、板状部材１０を所定の高さまで下降させれば、第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂが離反しすぎることがない。第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂは左右対称にスライドする。第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂを弾性部材８Ｊで接続しておかなくても意図した結果を得ることができる。
第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂを弾性部材８Ｊで接続しておくと、それらの取り扱いが容易化される。また、第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂを弾性部材８Ｊで接続しておくと、溶融樹脂の充填時に、溶融樹脂の流動によって第１伝熱部材８Ａと第２伝熱部材８Ｂが変位するといったことを防止できる。
上記では、板状部材１０自体に傾斜面を形成するが、断面が２等辺三角形である柱状の部材を板状部材１０の下面に接続して傾斜面１０ａ，１０ｂを形成してもよい。あるいは板状部材１０となる平板を折り曲げて傾斜面１０ａ，１０ｂを形成してもよい。
【００２１】
（第２実施例）
図３は、板状部材に形成する傾斜面１０ｃ，１０ｄが上に凸な凹所を形成する向きに形成されている実施例を例示している。この実施例によっても、半導体チップ６の厚みのばらつきを吸収して出来上がり寸法が一定な半導体モジュールを量産することができる。
この実施例の場合には、図３の（ａ）に示すように、第１伝熱部材８Ｃと第２伝熱部材８Ｄを離れた状態で型内にセットする。第１伝熱部材８Ｃと第２伝熱部材８Ｄが離れた状態にあると、第１伝熱部材８Ｃは傾斜面１０ｃの低い位置に当接し、第２伝熱部材８Ｄも傾斜面１０ｄの低い位置に当接し、板状部材１０は所定の高さよりも高い位置におかれる。製造公差内で最も薄い半導体チップ６の場合でも、板状部材１０は所定の高さよりも高い位置となるように調整されている。溶融樹脂を充填する型内で板状部材１０を所定の高さまで下降させてゆく。第１伝熱部材８Ｃと第２伝熱部材８Ｄが接近するように移動し、板状部材１０の下降を許容する。図３（ｂ）に示すように、半導体チップ６の厚みが厚くても、板状部材１０を所定の高さまで下降させてゆくことができる。
【００２２】
（第３実施例）
第１・第２実施例では、２枚の板状部材の間に１個の半導体チップを収容する。半導体チップの厚みにばらつきがあっても、出来上がり寸法が一定な半導体モジュールを量産するために、本明細書に記載の技術を利用する。
これに代えて、本明細書に記載の技術を、厚みが異なる複数個の半導体チップを平行に延びる２枚の板状部材の間に収容するために利用することもできる。図４に示すように、薄い半導体チップ６ａと厚い半導体チップ６ｂを収容する場合、今までは、薄い半導体チップ６ａのための伝熱部材と厚い半導体チップ６ｂのための伝熱部材を別々に用意するか、あるいは圧縮すると薄くなる伝熱部材を必要としていた。本技術によると、一対の伝熱部材が、その間隔を変えることで半導体チップの厚みの不均質性を吸収するために、上記の問題がない。
【００２３】
以上、本明細書が開示する技術の実施例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様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合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、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２４】
２：半導体チップ側板状部材（ヒートシンク）
４：はんだ層
６：半導体チップ
６ａ：薄い半導体チップ
６ｂ：厚い半導体チップ
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ：伝熱部材
８Ｊ：弾性部材
８ｃ，８ｂ，８ｃ，８ｄ：傾斜面
１０：伝熱部材側板状部材（ヒートシンク）
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ：傾斜面
１２：樹脂モールド
【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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