(57)【要約】【課題】  半導体チップとその発熱を放熱する放熱板との間にて絶縁基板が半田により接着される半導体モジュールにて、放熱板の変形を防ぎ、更に、冷却器と半導体モジュールとの間に隙間が発生するのを防ぐ。【解決手段】  半導体チップとそこからの発熱を放熱する放熱板との間に絶縁基板が半田によって接続され、絶縁基板及び半導体チップ全体は、筐体で覆われ、該筐体は放熱板に固定される半導体モジュールにおいて、絶縁基板が半田によって接続される側の面が略平面であり、且つ、筐体の外側の面が外に向かって脹らむ形状であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップとそこからの発熱を放熱する放熱板との間に絶縁基板が半田によって接続され、絶縁基板及び半導体チップ全体は、筐体で覆われ、該筐体は放熱板に固定される半導体モジュールにおいて、
絶縁基板が半田によって接続される側の面が略平面であり、且つ、筐体の外側の面が外に向かって脹らむ形状であることを特徴とする放熱板。
【請求項２】
絶縁基板の下部の放熱板の部位が、絶縁基板に向かって凸形状部を成していることを特徴とする、
請求項１に記載の放熱板。
【請求項３】
絶縁基板の端部に対向する位置の放熱板へ、突起部が設けられることを特徴とする、
請求項２に記載の放熱板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップとその発熱を放熱する放熱板との間に絶縁基板が半田によって接着された構造の半導体モジュールの放熱板形状に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップとその発熱を放熱する放熱板との間に、絶縁基板が半田によって接着される構造の半導体モジュールがある。特に、このような半導体モジュールが半導体チップや絶縁基板を複数搭載するような場合、即ち筐体が大型になる場合には、半田が接着される箇所とされない箇所との間に引っ張り応力が発生し、放熱板が変形しやすい。ここでの放熱板の主な材料は、銅、モリブデン、アルミニウム、又はそれらの合金である。
【０００３】
上記の引っ張り応力、更には放熱板の変形の発生のため、冷却器上の半導体モジュールを設置する部分にて、冷却器と半導体モジュールとの間に隙間が生じることがある。そうすると、接触熱抵抗の悪化やばらつき、またその影響によるチップ間の温度ばらつきが生じてしまう。
【０００４】
また、接触熱抵抗を改善するために、平面形状である放熱板を予め機械的に押下する等して、外部に対して凸形状にすることも考えられ得る。しかしながら、そうすると半導体チップが配置される絶縁基板側の放熱板形状が凹形状になってしまうため、絶縁基板と放熱板との間の半田厚みが均一になりにくい。よって熱ストレスによる半田熱疲労寿命に影響する。
【０００５】
なお、絶縁基板と放熱板との間の半田の設定において、引用文献１及び引用文献２に記載の発明では、（立体）形状に工夫が施されている。引用文献３に記載の発明では、絶縁基板の縁の形状に工夫が施されている。更に、引用文献４に記載の発明では、半導体ペレットの周辺部直下の半田厚さがペレット中央部直下より厚くなるようにヘッダ表面の形状に変化を持たせている。
【０００６】
【特許文献１】特開昭５９−５２８５３号公報
【特許文献２】特開２００２−５７２８０公報
【特許文献３】特開平０６−１５２０９４号公報
【特許文献４】特開平０６−３７１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、半導体チップとその発熱を放熱する放熱板との間にて絶縁基板が半田により接着される半導体モジュールにおいて、放熱板の変形を防ぎ、更に、冷却器と半導体モジュールとの間に隙間が発生するのを防ぐことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の目的を達成するために為されたものである。本発明に係る放熱板は、半導体チップとそこからの発熱を放熱する放熱板との間に絶縁基板が半田によって接続され、絶縁基板及び半導体チップ全体は、筐体で覆われ、該筐体は放熱板に固定される半導体モジュールにおいて、
絶縁基板が半田によって接続される側の面が略平面であり、且つ、筐体の外側の面が外に向かって脹らむ形状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明を利用することにより、以下のような効果を奏することができる。
【００１０】
放熱板の絶縁基板を接続する面を略平面とすることにより、半田厚みを均一化し不完全な接続による半田劣化の早期進行を防止することができ、更に、放熱のばらつきを抑えることができる。
【００１１】
放熱板の冷却器側を凸形状にすると、熱伝導グリースを介して放熱板と冷却器とを確実に接触させることができる。そうすると接触熱抵抗を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下において、図面を参照しつつ本発明に係る好適な実施の形態を説明する。
【００１３】
実施の形態１
図１は、本発明に係る実施の形態１の半導体モジュールの断面概略図を示す。放熱板２の上面に絶縁基板４が設置され、その絶縁基板４の上面に半導体チップ６が設置される。絶縁基板４と放熱板２の間は半田８により固定され、半導体チップ６と絶縁基板４との間も半田８により固定される。絶縁基板４及び半導体チップ６全体は、筐体１０で覆われ、該筐体１０は放熱板２に複数個のネジにより固定される。筐体１０を載せた放熱板２は、冷却器１２上に設定される。放熱板２と冷却器１２との間の隙間には熱伝導グリース１４が塗布される。
【００１４】
本発明の実施の形態１では、放熱板２は、絶縁基板４側の形状が略平面にされ、且つ、筐体１０の外側（冷却器１２側)の形状が凸形状されている。その理由を以下に述べる。
【００１５】
半導体モジュールを動作させると、半導体チップ６から電力損失による熱が発生する。その熱は絶縁基板４を介して放熱板２より冷却器１２へと放熱される。半導体モジュールの動作が断続的に繰り返される場合、半導体チップ６からの発熱も断続的となって半田８に熱ストレスが加えられる。その熱ストレスによって、徐々に半田８にクラックが発生し進行するおそれが生じる。クラックが発生・進行すると、熱抵抗増大などの特性悪化を招いてしまう。
【００１６】
上記の半田８の熱ストレスによるクラックは、端部より進行していくため、絶縁基板４が不均衡な平面上に接続された場合にはクラックの進行を早める場合がある。よって、放熱板２の絶縁基板４を接続する面を略平面とすることにより、半田厚みを均一化し不完全な接続による半田劣化の早期進行を防止することができ、更に、放熱のばらつきを抑えることができる。
【００１７】
放熱板２の絶縁基板４を接続する面を、全部平面にしてもよいし、絶縁基板４を接続する周辺部分のみ平面にしてもよい。いずれであっても半田厚みを均一化することができる。
【００１８】
一方、放熱板２と冷却器１２の間には、接触熱抵抗を低減するために、通常、熱伝導グリース１４や熱伝導シートが介在させられる。但し、放熱板２の形状によっては、冷却器１２との間に不必要な隙間が生じ接触熱抵抗が増加して、半導体チップ６の温度上昇や放熱のばらつきが招かれてしまう。そこで、放熱板２の冷却器側を凸形状にすると、熱伝導グリース１４を介して放熱板２と冷却器１２とを確実に接触させることができる。そうすると接触熱抵抗を低減することができる。
【００１９】
放熱板２の冷却器側の面を、全部凸形状にしてもよいし、絶縁基板４が接続される部分の真下部分及び真下部分周辺部のみ、凸形状にしてもよい（図５）。図５の場合には、凸形状部分にのみ熱伝導グリース１４が塗布されてもよい。
【００２０】
実施の形態２
図２は、本発明に係る実施の形態２の半導体モジュールの断面概略図を示す。図２の実施の形態２の半導体モジュールは、実施の形態１のそれと略同様である。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略し、両者の差異を中心に述べる。
【００２１】
本発明の実施の形態２では、絶縁基板４が半田８により固定される放熱板２上の領域の、絶縁基板４の周辺部に溝１６が設けられる。一般に半田クラックは半田の厚みに依存し、厚くされればクラックの発生・進行は遅れる。実施の形態２の半導体モジュールを利用することで、絶縁基板４周辺部の半田厚みを厚く構成でき、通常端部から進行していく半田クラックの進行度を遅らせることができる。
【００２２】
ところで、図２では、絶縁基板４の縁と溝１６の中心とが鉛直方向に略一致するように溝１６が形成されているが、溝１６の位置はそれに限定されるものではない。例えば、図６に示すように、溝１６が、絶縁基板４の縁よりも略内側にくるように形成されてもよい。
【００２３】
溝１６の断面形状は、矩形の他に、三角形、半円、半楕円などでもよい。
【００２４】
実施の形態３ 
図３は、本発明に係る実施の形態３の半導体モジュールの断面概略図を示す。図３の実施の形態３の半導体モジュールは、実施の形態２のそれと略同様である。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略し、実施の形態３の備える差異を端的に述べる。
【００２５】
本発明の実施の形態３では、放熱板２上の領域の絶縁基板４の周辺部に溝１６が設けられることに加えて、絶縁基板４の下部の放熱板２の部位が絶縁基板４に向かって凸形状部１８を成している。このことにより、通常端部から進行していく半田クラックの進行度を遅らせ得ると共に、半導体チップ６及び絶縁基板４から放熱板２への放熱をより効率よく行うことができる。絶縁基板４の中心部直下においては、半田８ができるだけ薄くなるように凸形状部１８が形成されるのが好ましい。
【００２６】
実施の形態３の凸形状部１８は、図３のような曲面に限定されるものではない。例えば、図７に示すように、平面で構成されるボックス形状（の一部）であってもよい。このような形状であっても、半導体チップ６及び絶縁基板４から放熱板２への放熱は効率よく行われ得る。
【００２７】
実施の形態４
図４は、本発明に係る実施の形態４の半導体モジュールの断面概略図を示す。図４の実施の形態４の半導体モジュールは、実施の形態３のそれと略同様である。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略し、実施の形態４の備える差異を端的に述べる。
【００２８】
図３に示す実施の形態３においては、絶縁基板４の直下の放熱板２（の部分）が曲面であることと、絶縁基板４の縁の直下の放熱板２（の部分）には溝１６が形成されていることから、絶縁基板４を放熱板２に傾き無く平行に接続するのは必ずしも容易ではない。傾いて接続されると、放熱作用に位置によるばらつきが生じ、よって半田クラック発生・進行にもばらつきが生じ得る。
【００２９】
そこで、図４の実施の形態４の半導体モジュールでは、絶縁基板４の端部に対向する位置の放熱板２へ、突起部２０が設けられる。放熱板２の溝１６の深さを一様にし、且つ突起部２０の高さを一様にすれば、絶縁基板４を放熱板２に対して傾くことなく安定して接続することができる。また、突起部２の高さを変化させれば半田厚さも調整できる。
【００３０】
突起部２０は、絶縁基板４の端部の方に設けられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る実施の形態１の半導体モジュールの断面概略図である。
【図２】本発明に係る実施の形態２の半導体モジュールの断面概略図である。
【図３】本発明に係る実施の形態３の半導体モジュールの断面概略図である。
【図４】本発明に係る実施の形態４の半導体モジュールの断面概略図である。
【図５】本発明に係る実施の形態１の半導体モジュールの断面概略図である。
【図６】本発明に係る実施の形態２の半導体モジュールの断面概略図である。
【図７】本発明に係る実施の形態３の半導体モジュールの断面概略図である。
【符号の説明】
【００３２】
２  放熱板、  ４  絶縁基板、  ６  半導体チップ、  ８  半田、  １０  筐体、  １２  冷却器、  １４  熱伝導グリース、  １６  溝、  １８  凸形状部、  ２０  突起部。
【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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