(57)【要約】【課題】放熱性を確保しつつ、接合部に生じる応力が低減された半導体モジュールを提供する。【解決手段】半導体モジュール１０は、樹脂モールド１４内で半導体チップ１２の裏面１２ａに接合された第１放熱板１６と、樹脂モールド１４内で半導体チップ１２の表面１２ｂにヒートシンクブロック２０を介して接合された第２放熱板１８とを備える。ヒートシンクブロック２０は、第１金属板２２と第２金属板２４とそれらの間に位置するセラミック板２６との積層構造を有する。セラミック板２６には貫通孔２６ｈが形成され、その貫通孔２６ｈには熱伝導率の高い導電性材料が配設されている。半導体チップ１２は、表面１２ｂ側に温度センス部１２ｃを有し、セラミック板２６の貫通孔２６ｈを半導体チップ１２の表面１２ｂへ最短距離で投影したときに、その投影範囲Ａの外側に温度センス部１２ｃの少なくとも一部が位置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、
前記半導体チップが封止された樹脂モールドと、
前記モールド内で前記半導体チップの裏面に接合されているとともに、前記樹脂モールドの裏面に露出する第１放熱板と、
前記樹脂モールド内で前記半導体チップの表面にヒートシンクブロックを介して接合されているとともに、前記樹脂モールドの表面に露出する第２放熱板と、
を備え、
前記ヒートシンクブロックは、前記半導体チップに接合された第１金属板と、前記第２放熱板に接合された第２金属板と、前記第１金属板と前記第２金属板との間に位置するセラミック板とが積層された構造を有し、
前記セラミック板には、前記第１金属板から前記第２金属板まで伸びる少なくとも一つの貫通孔が形成されており、
前記セラミック板の貫通孔には、前記第１金属板及び前記第２金属板よりも熱伝導率の高い導電性材料が配設されており、
前記半導体チップは、前記表面側に温度センス部を有しており、前記セラミック板の前記貫通孔を前記半導体チップの前記表面へ最短距離で投影したときに、その投影範囲の外側に前記温度センス部の少なくとも一部が位置する、
半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールは、半導体チップと、半導体チップが封止された樹脂モールドと、樹脂モールド内で半導体チップの裏面に接合された第１放熱板と、樹脂モールド内で半導体チップの表面にヒートシンクブロックを介して接合された第２放熱板とを備える。第１放熱板は樹脂モールドの裏面に露出しており、第２放熱板は樹脂モールドの表面に露出している。このような構成により、動作時に半導体チップで発生する熱は、第１放熱板へ伝導し、あるいは、ヒートシンクブロックを介して第２放熱板へ伝導して、半導体モジュールの外部に放出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２２９４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体チップの過熱を防止するためには、ヒートシンクブロックを熱伝導率の高い金属材料で形成することが好ましい。しかしながら、熱伝導率の高い金属材料（例えば銅）は、半導体チップを構成する主材料（例えばシリコン等の半導体材料）に対して、比較的に大きな線膨張係数を有する。このような材料をヒートシンクブロックに採用すると、半導体モジュールが高温になったときに、ヒートシンクブロックと半導体チップとの間の接合部（例えばはんだ層）に大きな応力（歪み）が生じ得る。近年、半導体モジュールの小型化により、半導体モジュールが経験し得る温度範囲も上昇している。従って、接合部の耐久性を維持するために、接合部に生じる応力（歪み）を低減する技術が必要とされている。
【０００５】
接合部に生じる応力（歪み）を低減するためには、ヒートシンクブロックを構成する材料に、線膨張係数が比較的に小さい材料を採用することが考えられる。線膨張係数が比較的に小さい材料としては、銅モリブデン（ＣｕＭｏ）や銅タングステン（ＣｕＷ）等が考えられる。しかしながら、銅の熱伝導率が３９３Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるのに対して、銅モリブデンの熱伝導率は１６０−３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、銅タングステンの熱伝導率は１５０−２０５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、これらの材料を採用した場合、半導体モジュールの放熱性が悪化するという問題が生じる。
【０００６】
上記の問題を鑑み、本明細書は、半導体モジュールの放熱性を確保しつつ、ヒートシンクブロックと半導体チップとの間の接合部に生じる応力（歪み）を低減し得る技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示する半導体モジュールは、半導体チップと、半導体チップが封止された樹脂モールドと、樹脂モールド内で半導体チップの裏面に接合されているとともに、樹脂モールドの裏面に露出する第１放熱板と、樹脂モールド内で半導体チップの表面にヒートシンクブロックを介して接合されているとともに、樹脂モールドの表面に露出する第２放熱板とを備える。ヒートシンクブロックは、半導体チップに接合された第１金属板と、第２放熱板に接合された第２金属板と、第１金属板と第２金属板との間に位置するセラミック板とが積層された構造を有する。セラミック板には、第１金属板から第２金属板まで伸びる少なくとも一つの貫通孔が形成されており、その貫通孔には、第１金属板及び第２金属板よりも熱伝導率の高い導電性材料が配設されている。半導体チップは、その表面側に温度センス部を有しており、セラミック板の貫通孔を半導体チップの表面へ最短距離で投影したときに、その投影範囲の外側に温度センス部の少なくとも一部が位置する。
【０００８】
上記した半導体モジュールでは、ヒートシンクブロックが、二つの金属板の間にセラミック板を介在させた積層構造を有している。セラミック板は二つの金属板よりも線膨張係数が低いことから、セラミック板を介在させることで、ヒートシンクブロック全体としての線膨張係数（即ち、ヒートシンクブロックの見かけの線膨張係数）を低くすることができる。その一方で、セラミック板は二つの金属板よりも低い熱伝導率を有するので、セラミック板を介在させることで、半導体チップからヒートシンクブロックを通って第２放熱板に至る径路の熱抵抗が上昇し得る。この点に関して、セラミック板には貫通孔が形成されており、その貫通孔には、第１金属板及び第２金属板よりも熱伝導率の高い導電性材料が配設されている。これにより、ヒートシンクブロックの導電性が確保されるとともに、セラミック板に起因する熱抵抗の上昇を少なくとも部分的に相殺することができる。
【０００９】
上記したセラミック板では、貫通孔が形成された範囲で熱抵抗が低くなり、それ以外の範囲で熱抵抗が高くなる。従って、動作時における半導体チップの表面では、セラミック板に形成された貫通孔の位置に対応して、不均一な温度分布が生じ得る。具体的には、セラミック板の貫通孔を半導体チップの表面へ最短距離で（即ち、当該表面に対して垂直に）投影したときに、その投影範囲内では表面温度が比較的に低くなり、その投影範囲外では表面温度が比較的に高くなり得る。このような状況において、半導体チップの表面側に設けられた温度センス部の全体が、仮に上記した貫通孔の投影範囲内（即ち、比較的に温度が低い範囲）に位置しているとする。この場合、半導体チップの温度が実際よりも低めに検出され、半導体チップの過熱が看過されるおそれが生じる。この問題に関して、上記した半導体モジュールでは、温度センス部の少なくとも一部が、上記した貫通孔の投影範囲外に位置するように構成されている。これにより、半導体チップの温度が過小に検出されることが防止され、半導体チップの過熱が看過されるといった問題を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例の半導体モジュール１０の要部断面図。
【図２】半導体チップ１２及びヒートシンクブロック２０を拡大して示す図。
【図３】セラミック板の平面図。
【図４】セラミック板の変形例を示す平面図。
【図５】ヒートシンクブロックの変形例を示す図。
【図６】ヒートシンクブロックの変形例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面を参照して実施例の半導体モジュール１０を説明する。図１に示すように、半導体モジュール１０は、半導体チップ１２と、半導体チップ１２が封止された樹脂モールド１４とを備える。半導体チップ１２は、半導体素子を有する。一例であるが、この半導体素子は、パワートランジスタ又はパワーダイオードといったパワー半導体素子である。半導体チップ１２の裏面１２ａ及び表面１２ｂには主電極が設けられており、裏面１２ａと表面１２ｂとの間で主電流が流れるように構成されている。但し、半導体チップ１２の具体的な構成は特に限定されない。なお、図１では一つの半導体チップ１２のみが図示されているが、半導体モジュール１０は、一つ又は複数の半導体チップ１２を備えることができる。樹脂モールド１４は、樹脂材料で構成されている。樹脂モールド１４を構成する樹脂材料は特に限定されず、例えばパワーモジュール用封止材に適した樹脂材料を採用することができる。
【００１２】
半導体モジュール１０はさらに、第１放熱板１６と、第２放熱板１８と、ヒートシンクブロック２０とを備える。第１放熱板１６は、樹脂モールド１４内で半導体チップ１２の裏面１２ａに接合されている。第１放熱板１６と半導体チップ１２の裏面１２ａとの間は、はんだ層３１によって接合されており、両者は電気的に接続されている。一方、第２放熱板１８は、樹脂モールド１４内で半導体チップ１２の表面１２ｂにヒートシンクブロック２０を介して接合されている。半導体チップ１２の表面１２ｂとヒートシンクブロック２０との間は、はんだ層３２によって接合されており、両者は電気的に接続されている。ヒートシンクブロック２０と第２放熱板１８との間についても、はんだ層３３によって接合されており、両者は電気的に接続されている。図示省略するが、第１放熱板１６と第２放熱板１８の各々には、樹脂モールド１４の外部へ伸びるリード（又はバスバー）が接続されている。即ち、第１放熱板１６、第２放熱板１８及びヒートシンクブロック２０は、半導体チップ１２を外部の機器と電気的に接続する導電経路の少なくとも一部を構成する。
【００１３】
半導体モジュール１０では、第１放熱板１６が樹脂モールド１４の裏面１４ａに露出しており、第２放熱板１８が樹脂モールド１４の表面１４ｂに露出している。これにより、動作時に半導体チップ１２で発生する熱は、第１放熱板１６へ伝導し、あるいは、ヒートシンクブロック２０を介して第２放熱板１８へ伝導して、半導体モジュール１０の外部に放出される。即ち、半導体モジュール１０は、両面冷却型のモジュール構造を有する。通常、半導体モジュール１０は、樹脂モールド１４の裏面１４ａ及び表面１４ｂが冷却器に接触するように配置される。即ち、第１放熱板１６、第２放熱板１８及びヒートシンクブロック２０は、半導体チップ１２の熱を外部へ放出する放熱経路の少なくとも一部を構成する。
【００１４】
上述した機能を考慮すると、第１放熱板１６及び第２放熱板１８は、導電性と熱伝導性の両者に優れた材料で構成することが好ましい。一例ではあるが、本実施例における第１放熱板１６及び第２放熱板１８は、金属材料で形成されており、詳しくは銅で形成されている。但し、第１放熱板１６及び第２放熱板１８を構成する材料は、特に限定されない。なお、第１放熱板１６及び第２放熱板１８には、はんだとの親和性を高めるために、ニッケル等のめっきを施してもよい。第１放熱板１６及び第２放熱板１８は、概して板状の部材であるが、その具体的な形状は特に限定されない。
【００１５】
ヒートシンクブロック２０は、第１金属板２２と第２金属板２４とセラミック板２６が積層された構造を有する。第１金属板２２は、はんだ層３２を介して半導体チップ１２に接合されており、第２金属板２４は、はんだ層３３を介して第２放熱板１８に接合されている。第１金属板２２及び第２金属板２４には、はんだとの親和性を高めるために、ニッケル等のめっきを施してもよい。セラミック板２６は、第１金属板２２と第２金属板２４との間に位置している。第１金属板２２とセラミック板２６との間、及び、第２金属板２４とセラミック板２６との間は、例えばろう材を用いてそれぞれ接合されている。
【００１６】
第１金属板２２と第２金属板２４は、金属材料で構成されている。ヒートシンクブロック２０は、第１放熱板１６及び第２放熱板１８と同じく、導電性と熱伝導性の両者に優れることが好ましい。そのことから、第１金属板２２及び第２金属板２４を構成する材料には、第１放熱板１６及び第２放熱板１８と同じ金属材料（ここでは銅）を採用することができる。但し、第１金属板２２及び第２金属板２４を構成する金属材料は、特に限定されない。なお、第１金属板２２及び第２金属板２４は、互いに同じ材料で構成されてもよいし、互いに異なる材料で構成されてもよい。また、第１金属板２２と第２金属板２４は、同じ厚みであってもよいし、互いに異なる厚みであってもよい。
【００１７】
ここで、銅その他の金属材料は、半導体チップ１２を構成する主材料（例えばシリコン等の半導体材料）に対して、線膨張係数が比較的に大きい。このような材料をヒートシンクブロック２０に採用すると、半導体モジュール１０が高温になったときに、ヒートシンクブロック２０と半導体チップ１２との間の接合部（即ち、はんだ層３２）に大きな応力（歪み）が生じ、例えばクラックが発生するといった問題が想定される。この問題に対して、ヒートシンクブロック２０を構成する材料に、線膨張係数が比較的に小さい材料を採用することが考えられる。しかしながら、前述したように、そのような材料を採用した場合、半導体モジュール１０の放熱性が悪化するという新たな問題が生じてしまう。
【００１８】
上記の問題に対して、本実施例におけるヒートシンクブロック２０は、第１金属板２２と第２金属板２４の間にセラミック板２６を介在させた積層構造を有している。セラミック板２６はセラミック材料で構成されており、第１金属板２２及び第２金属板２４よりも低い線膨張係数を有する。従って、ヒートシンクブロック２０内にセラミック板２６を介在させることで、ヒートシンクブロック２０全体としての線膨張係数（即ち、ヒートシンクブロック２０の見かけの線膨張係数）を低くすることができる。ここで、セラミック板２６を構成し得るセラミック材料としては、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ（強化アルミナを含む）、炭化ケイ素、窒化ホウ素等が挙げられる。セラミック材料は、導電性を有してもよいし、有さなくてもよい。本実施例におけるセラミック板２６は、第１金属板２２及び第２金属板２４のいずれよりも薄い。但し、セラミック板２６は、第１金属板２２及び第２金属板２４の少なくとも一方より厚くてもよい。
【００１９】
その一方で、セラミック板２６は、第１金属板２２及び第２金属板２４よりも低い熱伝導率を有する。従って、ヒートシンクブロック２０内にセラミック板２６を介在させると、半導体チップ１２からヒートシンクブロック２０を通って第２放熱板１８に至る径路の熱抵抗が上昇する。この点に関して、図１−図３に示すように、本実施例ではセラミック板２６に貫通孔２６ｈが形成されており、その貫通孔２６ｈには、第１金属板２２及び第２金属板２４よりも熱伝導率の高い導電性材料２８が配設されている。貫通孔２６ｈは、第１金属板２２から第２金属板２４まで伸びており、貫通孔２６ｈ内の導電性材料２８は、第１金属板２２及び第２金属板２４の両者に接触している。このような構成によると、セラミック板２６に起因する熱抵抗の上昇を抑制することができる。また、第１金属板２２と第２金属板２４との間で、高い導電性を確保することもできる。一例ではあるが、第１金属板２２及び第２金属板２４が銅で構成されている場合、貫通孔２６ｈに配設する導電性材料２８には銀を採用することができる。
【００２０】
上記した構造のセラミック板２６では、貫通孔２６ｈが形成された範囲では熱抵抗が低くなり、それ以外の範囲では熱抵抗が高くなる。従って、動作時における半導体チップ１２の表面１２ｂでは、セラミック板２６に形成された貫通孔２６ｈの位置に対応して、不均一な温度分布が生じ得る。即ち、貫通孔２６ｈに近い範囲では、放熱が進みやすいので、その温度が比較的に低くなり、貫通孔２６ｈから遠い範囲では、放熱が進みにくいので、その温度が比較的に高くなる。従って、図２に示すように、セラミック板２６の貫通孔２６ｈを半導体チップ１２の表面１２ｂへ最短距離で（即ち、当該表面１２ｂに対して垂直に）投影したときに、その投影範囲Ａ内では表面１２ｂの温度が比較的に低くなり得る。一方、その投影範囲Ａ外では、表面１２ｂの温度が比較的に高くなり得る。
【００２１】
ここで、本実施例における半導体チップ１２には、その表面１２ｂ側に温度センス部１２ｃが設けられている。温度センス部１２ｃは、半導体チップ１２の温度を検出する部分であり、温度に応じて出力が変化する素子（例えばサーミスタ）を有する。通常、半導体モジュール１０の使用時には、例えば半導体チップ１２の過熱を防止するために、温度センス部１２ｃの検出温度によって半導体チップ１２の温度が監視される。この温度センス部１２ｃに関して、仮に温度センス部１２ｃの全体が、前述した貫通孔２６ｈの投影範囲Ａ内（即ち、比較的に温度が低い範囲）に位置していると、半導体チップ１２の温度が実際よりも低く検出されてしまう。この場合、例えば半導体チップ１２が実際には過熱していても、それが看過されてしまうおそれがある。
【００２２】
上記の問題に関して、本実施例では、図２に示すように、温度センス部１２ｃの少なくとも一部が、前述した貫通孔２６ｈの投影範囲Ａの外側に位置するように構成されている。言い換えると、温度センス部１２ｃの少なくとも一部から、第２放熱板１８に至る最短経路上に、セラミック板２６を構成するセラミック材料が介在する。これにより、半導体チップ１２の温度が過小に検出されることが防止され、半導体チップ１２の過熱が看過されるような事態を避けることができる。なお、半導体チップ１２の過熱をより確実に防止するためには、温度センス部１２ｃの全体が上述した投影範囲Ａの外側に位置するように、貫通孔２６ｈの数、位置、大きさ、形状等を設計するとよい。
【００２３】
本実施例におけるヒートシンクブロック２０は、第１金属板２２が半導体チップ１２に接合され、半導体チップ１２とセラミック板２６との間に第１金属板２２が介在するように構成されている。第１金属板２２は、比較的に高い熱伝導率を、全体に亘って均一に有する。そのことから、半導体チップ１２とセラミック板２６との間に第１金属板２２が介在することで、前述した半導体チップ１２の表面１２ｂに生じ得る不均一な温度分布を緩和することができる。
【００２４】
本実施例におけるヒートシンクブロック２０は、第２金属板２４が第２放熱板１８に接合され、第２放熱板１８とセラミック板２６との間に第２金属板２４が介在するように構成されている。第２金属板２４は、第２放熱板１８と同一又は比較的に近い線膨張係数を有する。そのことから、第２放熱板１８とセラミック板２６との間に第２金属板２４が介在することで、第２放熱板１８とヒートシンクブロック２０との間の接合部（ここでは、はんだ層３３）に生じる応力（歪み）を低減することができる。
【００２５】
本実施例におけるヒートシンクブロック２０は、図２に示すように、半導体チップ１２のアクティブ部１２ｄの面積よりも、セラミック板２６に形成された貫通孔２６ｈの総面積の方が、大きくなるように設計されている。このような構成によると、半導体チップ１２の発熱箇所から全体的に放熱させることができ、半導体チップ１２の過熱を効果的に抑制することができる。なお、ここでいうアクティブ部１２ｄとは、半導体チップ１２において主電流（電力系の電流）が流れる部分であって、主に発熱する部分を意味する。そして、アクティブ部１２ｄの面積とは、アクティブ部１２ｄを半導体チップ１２の表面１２ｂへ投影した面積を意味する。
【００２６】
以上、本技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。
【００２７】
例えば、セラミック板２６に形成する貫通孔２６ｈ（即ち、導電性材料２８を配設する範囲）の数、開口形状、大きさ及び配列は特に限定されない。貫通孔２６ｈの数は、一つであってもよいし、複数であってもよい。また、貫通孔２６ｈの開口形状は、円形であってもよいし、多角形であってもよい。例えば図４に示すように、セラミック板２６には、比較的に小さい円形の貫通孔２６ｈを全体に亘って多数設けてもよい。セラミック板２６及びその貫通孔２６ｈは、ヒートシンクブロック２０に必要とされる見かけの線膨張係数及び熱抵抗に応じて、適宜設計することができる。この場合、セラミック板２６の貫通孔２６ｈを半導体チップ１２の表面１２ｂへ最短距離で投影したときに、その投影範囲Ａの外側に温度センス部１２ｃの少なくとも一部が位置するように、セラミック板２６及びその貫通孔２６ｈを設計するとよい。
【００２８】
あるいは、図５に示すように、セラミック板２６の外形を、第１金属板２２及び第２金属板２４の外形よりも大きくしてもよい。このような構成によると、半導体モジュール１０を製造する際に、ヒートシンクブロック２０と第２放熱板１８との間のはんだ層３３から溢れたはんだを、セラミック板２６によって堰き止めることができる。それにより、半導体チップ１２に無用なはんだが付着することを防止することができる。同様の観点から、図６に示すように、第２金属板２４の外形を、第１金属板２２及びセラミック板２６の外形よりも小さくしてもよい。このような構造でも、はんだ層３３から溢れたはんだを、セラミック板２６によって堰き止めることができる。即ち、セラミック板２６の外形が、少なくとも第２金属板２４の外形よりも大きければ、同様の効果を奏することができる。なお、ここでいうセラミック板２６の外形とは、ヒートシンクブロック２０における積層方向に対して垂直な断面の輪郭形状を意味する。第１金属板２２及び第２金属板２４の外形についても同様である。
【００２９】
本明細書又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、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、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】
【００３０】
１０：半導体モジュール
１２：半導体チップ
１２ａ：半導体チップの裏面
１２ｂ：半導体チップの表面
１２ｃ：半導体チップの温度センス部
１４：樹脂モールド
１４ａ：樹脂モールドの裏面
１４ｂ：樹脂モールドの表面
１６：第１放熱板
１８：第２放熱板
２０：ヒートシンクブロック
２２：ヒートシンクブロックの第１金属板
２４：ヒートシンクブロックの第２金属板
２６：ヒートシンクブロックのセラミック板
２６ｈ：セラミック板の貫通孔
２８：導電性材料
３１、３２、３３：はんだ層
Ａ：セラミック板の貫通孔を半導体チップの表面に最短距離で投影した投影範囲
【図１】
2017059566.tif 000003
【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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