JP2001339020A - Semiconductor module - Google Patents

Semiconductor module

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JP2001339020A
JP2001339020A JP2000161116A JP2000161116A JP2001339020A JP 2001339020 A JP2001339020 A JP 2001339020A JP 2000161116 A JP2000161116 A JP 2000161116A JP 2000161116 A JP2000161116 A JP 2000161116A JP 2001339020 A JP2001339020 A JP 2001339020A
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Japan
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semiconductor module
cooling
substrate
heat
copper
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JP2000161116A
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Japanese (ja)
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Atsushi Suzuki
敦 鈴木
Yasuo Kondo
保夫 近藤
Kazutaka Okamoto
和孝 岡本
Toshiyuki Innami
敏之 印南
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321Disposition
    • H01L2224/32151Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor module of which cooling performance is improved by directly bringing a cooling fluid in contact with a semiconductor module substrate, and which is inexpensive and can meet a specification for cooling and fatigue durability by giving a controllability to the physical property of a heat radiating substrate. SOLUTION: This semiconductor module is provided with a plurality of semiconductor elements 102 joined with a heat radiating substrate 104 by means of an insulation substrate 103. The heat radiating substrate 104 is made of composite material of copper (Cu) and criprous oxide (Cu2O).

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば電力変換装
置やコンピュータに用いられる半導体モジュールに関す
るものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor module used for, for example, a power converter or a computer.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の半導体モジュールとしては、例え
ば特開平10−150124号公報に記載されているよ
うに、厚さ方向に複合層と金属層とを有し、複合層は高
熱伝導性の金属マトリックスに低熱膨張性の繊維状又は
粒子状分散材を分散させたものからなり、金属層は複合
層の金属マトリックスと同じ金属からなり、金属層の金
属と複合層の金属マトリックスとが連続しており、複合
層の外面側が発熱半導体デバイス又は発熱半導体デバイ
スを実装した低熱膨張性基板の搭載部となっているもの
が公知である。
2. Description of the Related Art A conventional semiconductor module has a composite layer and a metal layer in a thickness direction, as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-150124. It consists of a matrix in which a low thermal expansion fibrous or particulate dispersion material is dispersed, the metal layer is made of the same metal as the metal matrix of the composite layer, and the metal of the metal layer and the metal matrix of the composite layer are continuous. It is known that the outer surface side of the composite layer is a mounting portion for a heat-generating semiconductor device or a low thermal expansion substrate on which the heat-generating semiconductor device is mounted.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】かかる半導体モジュー
ルによれば、冷却性能を向上させるための配慮が為され
ていなかった。かかる半導体モジュールでは、冷却性能
を向上させるために金属層部分にフィンを形成する例が
開示されているが、金属層部分の材質としては銅(C
u)やアルミ(Al)が適当であるとしている。しか
し、Cuは熱伝導率が高いものの機械加工性に難点があ
り、例えばアスペクト比が5以上の平行を有する平板フ
ィンを機械加工することは非常に困難であった。またA
lはCuと比較して加工性に優れるものの、熱伝導率が
銅の約1/2であることから、Cuと比較して冷却性能
が劣るという問題があった。
According to such a semiconductor module, no consideration has been given to improving the cooling performance. In such a semiconductor module, an example in which fins are formed in a metal layer portion to improve cooling performance is disclosed, but copper (C) is used as a material of the metal layer portion.
u) and aluminum (Al) are suitable. However, although Cu has a high thermal conductivity, it has a problem in machinability, and for example, it is very difficult to machine flat fins having an aspect ratio of 5 or more in parallel. A
Although l is more excellent in workability than Cu, it has a problem that the cooling performance is inferior to Cu since the thermal conductivity is about の of that of copper.

【0004】本発明の目的は、上記課題を鑑み、モジュ
ール接合部の熱疲労寿命を維持しつつ冷却性能に優れ、
かつ低コスト化が可能な半導体モジュールを得ることに
ある。
[0004] In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an excellent cooling performance while maintaining the thermal fatigue life of a module joint,
Another object of the present invention is to obtain a semiconductor module that can be manufactured at low cost.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記目的は、複数の半導
体素子が絶縁基板を介して放熱基板に接合された半導体
モジュールにおいて、放熱基板の材質を銅(Cu)と第
一酸化銅(Cu2O)の複合材とすることにより達成され
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The above objects are achieved by a semiconductor module in which a plurality of semiconductor elements are bonded to the heat radiation substrate through an insulating substrate, a first copper oxide material of the heat radiation substrate and the copper (Cu) (Cu 2 O) is achieved by using a composite material.

【0006】また上記目的は、複数の半導体素子が絶縁
基板を介して放熱基板に接合された半導体モジュールに
おいて、放熱基板の材質を銅(Cu)と第一酸化銅(Cu
2O)の複合材とし、放熱基板の素子搭載面側からフィン
側に向って銅(Cu)と第一酸化銅(Cu2O)の配合比
を段階的に変えて第一酸化銅(Cu2O)の含有率を低く
することにより達成される。
Another object of the present invention is to provide a semiconductor module in which a plurality of semiconductor elements are joined to a heat radiating substrate via an insulating substrate, wherein the material of the heat radiating substrate is copper (Cu) or copper (Cu) oxide (Cu).
A composite of 2 O), copper from the element mounting surface of the radiating board toward the fin side (Cu) and the first oxide (Cu 2 O) stepwise varied first copper oxide compounding ratio of (Cu This is achieved by reducing the content of 2O).

【0007】また上記目的は、複数の半導体素子が絶縁
基板を介して放熱基板に接合された半導体モジュールに
おいて、放熱基板の材質を銅(Cu)と第一酸化銅(Cu
2O)の複合材とし、第一酸化銅(Cu2O)の結晶粒が棒
状でかつ放熱基板の素子搭載面に対してほぼ垂直となる
ように形成することにより達成される。
Another object of the present invention is to provide a semiconductor module in which a plurality of semiconductor elements are joined to a radiating substrate via an insulating substrate, wherein the material of the radiating substrate is copper (Cu) and copper (Cu) oxide.
This is achieved by forming a composite material of 2O) so that the crystal grains of cuprous oxide (Cu 2 O) are rod-shaped and substantially perpendicular to the element mounting surface of the heat dissipation substrate.

【0008】また上記目的は、複数の半導体素子が放熱
基板に接合された半導体モジュールにおいて、放熱基板
の材質が銅(Cu)と第一酸化銅(Cu2O)の複合材か
らなり、放熱基板内には第一酸化銅(Cu2O)のみから
なる絶縁層を素子搭載面に対して平行となるように形成
することにより達成される。
Another object of the present invention is to provide a semiconductor module in which a plurality of semiconductor elements are joined to a heat radiating substrate, wherein the heat radiating substrate is made of a composite material of copper (Cu) and cuprous oxide (Cu 2 O). This is achieved by forming an insulating layer made of only cuprous oxide (Cu 2 O) so as to be parallel to the element mounting surface.

【0009】なお上述した解決手段は、放熱基板の反素
子搭載面側に放熱フィンが形成されるか、あるいは放熱
基板内部に冷却流体を流すための流路が形成されること
により、一層の効果を得ることができる。
[0009] The above-mentioned solution can further improve the effect by forming radiating fins on the side opposite to the element mounting surface of the radiating substrate or by forming a flow path for flowing a cooling fluid inside the radiating substrate. Can be obtained.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】はじめに図1乃至図4を用いて、
本発明の半導体モジュールの第一実施形態を説明する。
ここでは、電力変換装置用の液冷式パワー半導体モジュ
ールおよびその実装冷却構造を示しており、図1は半導
体モジュールおよびその実装冷却構造を示す構成図、図
2は図1におけるA−A断面図、図3は図2におけるB
−B断面図、図4は、図2におけるC−C断面図であ
る。本実施形態はハイブリッド車両用の電力変換装置を
示しており、2つの回転電機を制御するために、それぞ
れ独立した2つのインバータ回路を搭載した場合の例を
示している。なお、これらの図では、主に半導体モジュ
ールとこれを冷却するためのヒートシンクを示してお
り、コンデンサやマイコン制御回路といった他の電気部
品や配線等の記載は省略されている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, referring to FIGS.
A first embodiment of the semiconductor module of the present invention will be described.
Here, a liquid-cooled power semiconductor module for a power conversion device and a mounting and cooling structure thereof are shown, FIG. 1 is a configuration diagram showing a semiconductor module and a mounting and cooling structure thereof, and FIG. , FIG. 3 shows B in FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. 2. The present embodiment shows a power converter for a hybrid vehicle, and shows an example in which two independent inverter circuits are mounted to control two rotating electric machines. In these drawings, a semiconductor module and a heat sink for cooling the semiconductor module are mainly shown, and other electric components such as a capacitor and a microcomputer control circuit, wiring, and the like are omitted.

【0011】最初に本実施形態の構成を説明する。半導
体モジュール101は、半導体素子102の裏面に絶縁
基板103を取り付け、さらにこの絶縁基板103の裏
面に材質が銅(Cu)と第一酸化銅(Cu2O)の複合材
からなる放熱基板104を取り付けて構成され、これら
の構成部品の接合には主に半田等の金属が用いられる。
放熱基板104の額縁部にはボルト締結用の穴が複数個
設けられており、この穴にボルト106を挿入すること
で、半導体モジュール101とヒートシンク1を後述す
るシールを介して締結している。
First, the configuration of the present embodiment will be described. In the semiconductor module 101, an insulating substrate 103 is attached to a back surface of a semiconductor element 102, and a heat radiation substrate 104 made of a composite material of copper (Cu) and cuprous oxide (Cu 2 O) is provided on the back surface of the insulating substrate 103. Metals such as solder are mainly used for joining these components.
A plurality of holes for fastening bolts are provided in the frame portion of the heat radiating substrate 104, and the semiconductor module 101 and the heat sink 1 are fastened by inserting bolts 106 into the holes via a seal described later.

【0012】放熱基板104には、冷却液との接触面積
を増大させ、冷却能力を向上させる放熱フィン105が
冷却液の流れ方向に対して平行となるように設けられて
いる。さらに半導体モジュール101と他の電気部品と
の接続に用いる電極107が、放熱基板の放熱面に対し
対向する側に設けられている。なお、本図において、内
部の半導体素子とこの電極との配線は省略している。
The radiating substrate 104 is provided with radiating fins 105 for increasing the contact area with the cooling liquid and improving the cooling capacity so as to be parallel to the flow direction of the cooling liquid. Further, an electrode 107 used for connecting the semiconductor module 101 to another electric component is provided on the side facing the heat dissipation surface of the heat dissipation board. In this drawing, wiring between the internal semiconductor element and this electrode is omitted.

【0013】ヒートシンク1には上述した半導体モジュ
ール101が2個搭載されており、各モジュールはそれ
ぞれ独立したインバータ回路の主回路を構成する。なお
このような形態は、例えば1つの大容量回転電機を制御
する場合で、2つのモジュールで1つのインバータ主回
路を構成する場合にも適用される。また、図示しない
が、本ヒートシンク上には例えばコンデンサといった他
の電気部品も実装される。
The heat sink 1 has two of the above-described semiconductor modules 101 mounted thereon, and each module constitutes a main circuit of an independent inverter circuit. Note that such a configuration is also applied to a case where one large-capacity rotating electric machine is controlled, for example, and a case where two modules constitute one inverter main circuit. Although not shown, other electric components such as a capacitor are mounted on the heat sink.

【0014】ヒートシンク1には、半導体モジュール1
01を冷却する冷却液を通すための冷却流路2が内部に
形成されており、その流路の両端部には、ヒートシンク
外部から冷却液を導入・排出するための入口3aと出口
3bが設けられている。このとき冷却流路の一部には、
半導体モジュール101の放熱基板104および放熱フ
ィン105に直接冷却液が接触するように開口部5を設
けている。この開口部は放熱基板104を開口部5上に
取り付けることで、冷却流路が塞がれるようにするた
め、その開口寸法は放熱基板の外寸法より小さく形成さ
れる。さらに開口部の外側には、半導体モジュール10
1を取り付けるための複数のボルト穴8が開口部を取り
囲むように配置される。
The heat sink 1 includes a semiconductor module 1
A cooling flow path 2 for passing a cooling liquid for cooling the cooling fluid 01 is formed inside, and an inlet 3a and an outlet 3b for introducing and discharging the cooling liquid from outside the heat sink are provided at both ends of the flow path. Have been. At this time, part of the cooling channel
The opening 5 is provided so that the cooling liquid directly contacts the heat dissipation board 104 and the heat dissipation fins 105 of the semiconductor module 101. This opening is formed to be smaller than the outer size of the heat radiating substrate in order to close the cooling channel by mounting the heat radiating substrate 104 on the opening 5. Further, outside the opening, the semiconductor module 10
A plurality of bolt holes 8 for mounting 1 are arranged so as to surround the opening.

【0015】さらに冷却流路の開口部5とボルト穴8に
挟まれる環状の領域に、冷却液が流れることができる程
度の寸法の溝6が設けられ、この溝の冷却流路に平行に
形成されている部分の底面には、この溝の底面からヒー
トシンク1の底面に通じる穴7が離散的に複数個設けら
れる。溝6により半導体モジュール101とヒートシン
ク1との接触領域は、開口部5と溝6の内周側に挟まれ
る領域と、溝の外周側から半導体モジュールの放熱基板
外周に挟まれる領域の2つに分割されて形成される。こ
の2つの環状の接触領域に対し、半導体モジュール10
1とヒートシンク1の液密性を保持するためのシールが
半導体モジュールとヒートシンク1の取り付け面の間に
それぞれ挿入される。
Further, a groove 6 is provided in an annular area between the opening 5 of the cooling channel and the bolt hole 8 so as to allow the coolant to flow, and is formed in parallel with the cooling channel of the groove. A plurality of holes 7 are discretely provided on the bottom surface of the portion where the groove is formed to communicate with the bottom surface of the heat sink 1 from the bottom surface of the groove. The contact region between the semiconductor module 101 and the heat sink 1 by the groove 6 is divided into two regions: a region sandwiched between the opening 5 and the inner periphery of the groove 6 and a region sandwiched from the outer periphery of the groove to the outer periphery of the heat dissipation board of the semiconductor module. It is divided and formed. For the two annular contact areas, the semiconductor module 10
A seal for maintaining the liquid tightness of the heat sink 1 and the heat sink 1 is inserted between the mounting surface of the semiconductor module and the heat sink 1.

【0016】以上に示したシール方法により、第1シー
ル部の耐久劣化やボルト緩みによる押し付け力低下によ
って、第1シール部9の外側に冷却液が漏れた場合で
も、冷却液は液排出溝6および液排出穴7を介してヒー
トシンクの外側へ排出され、半導体モジュール取り付け
面側に実装される高圧の電気部品が被水して絶縁不良を
起こすことを防止している。
According to the sealing method described above, even if the coolant leaks to the outside of the first seal portion 9 due to the deterioration of the durability of the first seal portion or the decrease in the pressing force due to the loosening of the bolt, the coolant is discharged to the liquid discharge groove 6. In addition, the high-voltage electrical components discharged to the outside of the heat sink through the liquid discharge holes 7 and mounted on the semiconductor module mounting surface side are prevented from being wetted and causing insulation failure.

【0017】つぎに本発明の作用効果として、半導体素
子の冷却について説明する。従来の電力用半導体モジュ
ールは、放熱基板裏面に熱伝導グリースや熱伝導シート
といった部材を介してヒートシンクに取り付けることで
冷却しており、このとき使用される熱伝導グリースや熱
伝導シートといった部材の熱伝導率はたかだか数W/
(m・K)のオーダーであった。これに対し本実施形態に
おける半導体素子102は絶縁基板103を介してフィ
ン付き放熱基板104に半田接合され、このときの半田
の熱伝導率は数十W/(m・K)のオーダーであること
から、本実施形態を採用することで大幅に冷却能力を向
上することができる。
Next, as an operation and effect of the present invention, cooling of a semiconductor element will be described. A conventional power semiconductor module is cooled by attaching it to a heat sink via a member such as a heat conductive grease or a heat conductive sheet on the back surface of the heat radiating board. The conductivity is at most a few W /
(mK). On the other hand, the semiconductor element 102 according to the present embodiment is solder-bonded to the finned heat-radiating substrate 104 via the insulating substrate 103, and the thermal conductivity of the solder at this time is on the order of several tens of W / (m · K). Therefore, by employing this embodiment, the cooling capacity can be significantly improved.

【0018】さらにフィン付き放熱基板は銅(Cu)と
第一酸化銅(Cu2O)の複合材から構成され、銅に対し
て第一酸化銅を適切な体積分率だけ含ませることで、電
力変換装置に求められる冷却性能ならびに半導体素子や
絶縁基板との間にある半田接合部の疲労寿命の両者を満
足する実装構造を実現することができる。
Further, the heat dissipating substrate with fins is composed of a composite material of copper (Cu) and copper (I) oxide (Cu 2 O), and contains copper (I) in an appropriate volume fraction with respect to copper. It is possible to realize a mounting structure that satisfies both the cooling performance required for the power conversion device and the fatigue life of the solder joint between the semiconductor element and the insulating substrate.

【0019】[0019]

【表1】 [Table 1]

【0020】表1に本発明に用いる銅(Cu)と第一酸
化銅(Cu2O)の代表的な配合比における線膨張係数と
熱伝導率を示す。
Table 1 shows the coefficient of linear expansion and the thermal conductivity at a typical compounding ratio of copper (Cu) and copper (I) oxide (Cu 2 O) used in the present invention.

【0021】半導体素子の材料の代表例であるSi及び
GaAsの線膨張係数は、それぞれ2.6×10-6〜3.
6×10-6/℃,5.7×10-6〜6.9×10-6/℃で
あり、絶縁基板の材料の代表例であるAlN及びAl2
3の線膨張係数は約5×10-6/℃である。これに対
し、従来の放熱基板材料であるCu及びAlの線膨張係
数は17×10-6〜23×10-6/℃である。そのため
放熱基板と半導体素子ならびに絶縁基板との線膨張係数
差が大きく、この差に起因して上記部材間を接合する半
田にひずみが発生し、その結果半田にクラックや剥離が
生じて半導体モジュールの放熱性を著しく低下させてい
た。
The linear expansion coefficients of Si and GaAs, which are typical examples of semiconductor device materials, are from 2.6 × 10 -6 to 3.
6 × 10 −6 / ° C., 5.7 × 10 −6 to 6.9 × 10 −6 / ° C., and AlN and Al 2 which are typical examples of the material of the insulating substrate.
O 3 has a coefficient of linear expansion of about 5 × 10 −6 / ° C. On the other hand, the coefficient of linear expansion of Cu and Al, which are conventional heat dissipation board materials, is 17 × 10 −6 to 23 × 10 −6 / ° C. Therefore, the difference in linear expansion coefficient between the heat dissipation substrate and the semiconductor element and the insulating substrate is large, and this difference causes distortion in the solder joining the above-mentioned members, and as a result, cracks and peeling occur in the solder, resulting in the semiconductor module. The heat radiation was significantly reduced.

【0022】これに対し半導体モジュールに必要とされ
る冷却性や耐久性を勘案して、表1から組成を適宜選択
して放熱基板として用いることで、放熱基板の線膨張係
数を、CuやAl単体金属で形成される放熱基板と比較
して小さくできることから、放熱基板上に半田接合され
る絶縁基板や半導体素子との線膨張係数の差を小さくす
ることができ、半田にクラックや剥離が生じにくい長寿
命な構造とすることができる。さらに表1に示した組成
において第一酸化銅(Cu2O)のヴィッカース硬さを3
00以下に抑えることで、放熱基板にフィンを形成する
際の機械加工性が向上し、アスペクト比の高いフィンを
短時間で加工することができる。
On the other hand, in consideration of the cooling performance and durability required for the semiconductor module, the composition is appropriately selected from Table 1 and used as a heat-radiating substrate. Since it can be made smaller than a heat-dissipating substrate made of a single metal, the difference in linear expansion coefficient between an insulating substrate and a semiconductor element soldered on the heat-dissipating substrate can be reduced, resulting in cracks and peeling of the solder. It is possible to have a hard and long life structure. Further, in the composition shown in Table 1, the Vickers hardness of cuprous oxide (Cu 2 O) was 3
By controlling the ratio to be equal to or less than 00, the machinability at the time of forming the fin on the heat dissipation substrate is improved, and the fin having a high aspect ratio can be processed in a short time.

【0023】さらに放熱基板104の材料構成につい
て、素子搭載面側からフィン側に向って銅(Cu)と第
一酸化銅(Cu2O)の配合比を段階的に変えて第一酸化
銅(Cu2O)の含有率を低くすることで、素子搭載面近
傍は線膨張係数を低く抑えて半導体素子または絶縁基板
との線膨張係数の差を小さくしつつ、放熱面近傍は熱伝
導率を高くして放熱性を高めるといった構成が実現し、
冷却性能ならびに半田接合部の疲労寿命の両者を満足す
る実装構造が可能になる。
Further, regarding the material composition of the heat dissipation board 104, the mixing ratio of copper (Cu) and copper oxide (Cu 2 O) is changed stepwise from the element mounting surface side to the fin side to change the material ratio of copper oxide (Cu 2 O). By lowering the content of Cu 2 O), the coefficient of linear expansion is kept low near the element mounting surface to reduce the difference in the coefficient of linear expansion between the semiconductor element and the insulating substrate, and the heat conductivity is reduced near the heat radiating surface. A configuration that increases the heat dissipation is realized,
A mounting structure that satisfies both the cooling performance and the fatigue life of the solder joint can be realized.

【0024】さらに放熱基板104の材料構成につい
て、第一酸化銅(Cu2O)の結晶粒が棒状で、かつ放熱
基板の素子搭載面に対してほぼ垂直となるように形成す
ることで、素子搭載面に平行な方向、即ち半田部に熱応
力を発生させる変形方向については線膨張係数を小さく
し、素子搭載面に垂直な方向、即ち主たる放熱性を決定
する方向については熱伝導率を大きくすることが可能と
なり、冷却性能ならびに半田接合部の疲労寿命の両者を
満足する実装構造が実現する。
Further, the material structure of the heat dissipation substrate 104 is such that the crystal grains of cuprous oxide (Cu 2 O) are formed in a rod shape and substantially perpendicular to the element mounting surface of the heat dissipation substrate. The coefficient of linear expansion is reduced in the direction parallel to the mounting surface, that is, the deformation direction that generates thermal stress in the solder part, and the thermal conductivity is increased in the direction perpendicular to the element mounting surface, that is, the direction that determines the main heat dissipation. And a mounting structure that satisfies both the cooling performance and the fatigue life of the solder joint is realized.

【0025】つぎに図5を用いて、本発明の半導体モジ
ュールの第二実施形態を説明する。ここでは、電力変換
装置用の空冷式パワー半導体モジュールおよびその実装
冷却構造を示している。空冷式の場合にも、冷却流体に
混じって塵埃がモジュールの実装されている筐体108
の内部に侵入しないようにシール10を施す必要があ
る。なお、空冷は液冷の場合と比較して熱伝達率が小さ
いため、液冷の場合と同様な冷却能力とするためにはフ
ィンのアスペクト比を液冷の場合よりもさらに大きくす
ることが必要であるが、前述した通り放熱基板を銅(C
u)と第一酸化銅(Cu2O)の複合材から構成すること
で、フィンを形成する際の機械加工性は向上し、アスペ
クト比の高いフィンを短時間で加工することができる。
Next, a second embodiment of the semiconductor module of the present invention will be described with reference to FIG. Here, an air-cooled power semiconductor module for a power converter and a mounted cooling structure thereof are shown. Even in the case of the air-cooled type, dust mixed with the cooling fluid may cause the housing 108 in which the module is mounted.
It is necessary to provide the seal 10 so as not to enter the inside of the device. Since the heat transfer rate of air cooling is smaller than that of liquid cooling, the aspect ratio of the fin needs to be even larger than that of liquid cooling in order to achieve the same cooling capacity as liquid cooling. However, as described above, the heat dissipation substrate is made of copper (C
By comprising a composite material of u) and cuprous oxide (Cu 2 O), the machinability at the time of forming the fin is improved, and the fin having a high aspect ratio can be processed in a short time.

【0026】つぎに図6を用いて、本発明の半導体モジ
ュールの第三実施形態を説明する。ここでは、電力変換
装置用の空冷式パワー半導体モジュールおよびその実装
冷却構造を示している。
Next, a third embodiment of the semiconductor module of the present invention will be described with reference to FIG. Here, an air-cooled power semiconductor module for a power converter and a mounted cooling structure thereof are shown.

【0027】本実施例における放熱基板104の材料構
成について、素子搭載面の表面には第一酸化銅(Cu
2O)のみで形成される絶縁層104aを配置し、この
絶縁層104a上に半導体素子102を直接接合した。
これにより、従来用いてきた絶縁基板を省略可能になる
とともに、素子搭載面近傍の線膨張係数を低く抑える構
成が実現することから、低コストで信頼性の高い半導体
モジュールとすることができる。
Regarding the material composition of the heat radiation substrate 104 in this embodiment, the surface of the element mounting surface has copper oxide (Cu).
The 2 O) only the insulating layer 104a is formed in place, a semiconductor element 102 was directly bonded on the insulating layer 104a.
This makes it possible to omit the conventionally used insulating substrate and to realize a configuration in which the coefficient of linear expansion near the element mounting surface is kept low, so that a semiconductor module with low cost and high reliability can be obtained.

【0028】つぎに図7を用いて、本発明の半導体モジ
ュールの第四実施形態を説明する。ここでは、電力変換
装置用の液冷式パワー半導体モジュールおよびその実装
冷却構造を示している。
Next, a fourth embodiment of the semiconductor module of the present invention will be described with reference to FIG. Here, a liquid-cooled power semiconductor module for a power converter and a mounted cooling structure thereof are shown.

【0029】本実施例では、放熱基板104の内部に多
数の冷却流路を形成している。即ち、第一実施例に示し
たヒートシンク1と放熱基板104が一体となったもの
である。この場合、ヒートシンクと放熱基板との間には
シール部分が不要となるため、本質的に漏水しない構造
となり、装置の信頼性が向上する。
In this embodiment, a number of cooling channels are formed inside the heat dissipation substrate 104. That is, the heat sink 1 and the heat dissipation board 104 shown in the first embodiment are integrated. In this case, no sealing portion is required between the heat sink and the heat radiating substrate, so that a structure that does not essentially leak water is provided, and the reliability of the device is improved.

【0030】以上までの実施例では、銅(Cu)と第一
酸化銅(Cu2O)の複合材を放熱基板としての機能に適
用した例を示したが、パワーモジュールの実装形態とし
ては、放熱基板の役割と電極の役割を両方備える場合も
ある。本発明は基本成分として導電性に優れた銅を用い
ていることから、このような電極兼放熱基板の機能に適
用しても、上述した実施例と同様な効果がある。
In the above embodiments, an example in which a composite material of copper (Cu) and copper (I) oxide (Cu 2 O) is applied to the function as a heat dissipation board has been described. In some cases, it has both the role of a heat dissipation board and the role of an electrode. Since the present invention uses copper having excellent conductivity as a basic component, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained even when the present invention is applied to such a function of an electrode and a heat dissipation substrate.

【0031】[0031]

【発明の効果】本発明の半導体モジュールによれば、半
導体モジュールの構成部品である放熱基板に直接冷却流
体を接触させることができると同時に、半導体モジュー
ルの線膨張係数ならびに熱伝導率を制御することが容易
に可能であることから、半導体モジュールの冷却および
疲労耐久性の仕様に応じて放熱基板の物性を制御し、低
コストで半導体モジュールの冷却性能ならびに半田接合
部の疲労寿命の両者を同時に向上させることができる。
According to the semiconductor module of the present invention, the cooling fluid can be brought into direct contact with the heat radiating substrate which is a component of the semiconductor module, and at the same time, the linear expansion coefficient and the thermal conductivity of the semiconductor module can be controlled. Control of the heat dissipation board according to the cooling and fatigue durability specifications of the semiconductor module, thereby simultaneously improving both the cooling performance of the semiconductor module and the fatigue life of the solder joint at low cost. Can be done.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第一実施形態における半導体モジュー
ル冷却部の構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a semiconductor module cooling unit according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1におけるA―A′面の断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA 'in FIG.

【図3】図2におけるB―B′面の断面図である。FIG. 3 is a sectional view taken along the line BB ′ in FIG. 2;

【図4】図2におけるC―C′面の断面図である。FIG. 4 is a sectional view taken along the line CC ′ in FIG. 2;

【図5】本発明の第二実施形態における半導体モジュー
ル冷却部の構成図である。
FIG. 5 is a configuration diagram of a semiconductor module cooling unit according to a second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第三実施形態における半導体モジュー
ル冷却部の構成図である。
FIG. 6 is a configuration diagram of a semiconductor module cooling unit according to a third embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第四実施形態における半導体モジュー
ル冷却部の構成図である。
FIG. 7 is a configuration diagram of a semiconductor module cooling unit according to a fourth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…ヒートシンク、2…冷却流路、3a…冷却液入口、
3b…冷却液出口、4…冷却流路側壁、5…冷却流路開
口部、6…液排出溝、7…液排出穴、8…ボルト穴、9
…第1シール、10…第2シール、11…漏水センサ、
12…ヒートシンクカバー、13…スペーサー、14…
乱れ促進体、101…パワーモジュール、102…半導
体素子、103…絶縁基板、104…放熱基板、104
a…放熱基板内絶縁層、105…放熱フィン、106…
ボルト、107…電極、108…筐体。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Heat sink, 2 ... Cooling channel, 3a ... Coolant inlet,
3b: Coolant outlet, 4: Cooling channel side wall, 5: Cooling channel opening, 6: Liquid discharge groove, 7: Liquid discharge hole, 8: Bolt hole, 9
... first seal, 10 ... second seal, 11 ... water leak sensor,
12 ... heat sink cover, 13 ... spacer, 14 ...
Disturbance promoter, 101: power module, 102: semiconductor element, 103: insulating substrate, 104: heat dissipation substrate, 104
a: insulating layer in the heat dissipation board, 105: heat dissipation fin, 106 ...
Bolt, 107: electrode, 108: housing.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡本 和孝 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 印南 敏之 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 Fターム(参考) 5F036 AA01 BA05 BB01 BD00 BD01 BD13  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Kazutaka Okamoto 7-1-1, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Inside Hitachi, Ltd.Hitachi Research Laboratory Co., Ltd. F-term in the Automotive Equipment Group of Hitachi, Ltd. (Reference) 5F036 AA01 BA05 BB01 BD00 BD01 BD13

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】複数の半導体素子が絶縁基板を介して放熱
基板に接合された半導体モジュールにおいて、前記放熱
基板の材質が銅(Cu)と第一酸化銅(Cu2O)の複合
材からなることを特徴とする半導体モジュール。
1. A semiconductor module in which a plurality of semiconductor elements are joined to a heat radiating substrate via an insulating substrate, wherein the material of the heat radiating substrate is made of a composite material of copper (Cu) and cuprous oxide (Cu 2 O). A semiconductor module characterized by the above-mentioned.
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