JP2004087612A - 放熱部材及びこの放熱部材を用いた半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】この発明は、半導体素子等の発熱体との間に発生する熱応力を緩和することができる放熱部材を提供することを課題とする。
【解決手段】Cuからなる平板状の板部7にCu線からなる複数の柱部8が立設されており、それぞれの柱部8は所定の間隔を隔てて配置されている。熱膨張時には、放熱部材6の板部7及び基板1等の幅方向の熱変形量が半導体素子4の幅方向の熱変形量よりも大きくなるが、放熱部材6の複数の柱部8が撓むことにより、半導体素子4と放熱部材6との間に発生する熱応力が吸収されて緩和される。
【選択図】 図3
【解決手段】Cuからなる平板状の板部7にCu線からなる複数の柱部8が立設されており、それぞれの柱部8は所定の間隔を隔てて配置されている。熱膨張時には、放熱部材6の板部7及び基板1等の幅方向の熱変形量が半導体素子4の幅方向の熱変形量よりも大きくなるが、放熱部材6の複数の柱部8が撓むことにより、半導体素子4と放熱部材6との間に発生する熱応力が吸収されて緩和される。
【選択図】 図3
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、放熱部材に係り、特に半導体装置のヒートスプレッダ等として利用される放熱部材に関する。
また、この発明は、このような放熱部材を用いた半導体装置にも関している。
【0002】
【従来の技術】
従来の半導体装置の構成を図6に示す。Alから形成された基板1の表面上に絶縁層2が形成され、この絶縁層2の表面に形成された図示しない配線層の上にはんだ3を介して半導体素子4が接合されている。
基板1は熱伝導率の優れたAlから形成されているため、半導体素子4で発生した熱は絶縁層2を経て基板1へ伝わった後、この基板1から効率よく外部へ放散される。
【0003】
ところが、半導体素子4に使用されているSi等の半導体材料が小さな熱膨張係数を有しているのに対して、基板1を形成するAlは熱膨張係数が大きく、このため温度変化に対して基板1と半導体素子4との間に熱応力が発生することが知られている。熱応力が大きくなると、半導体素子4に反りが発生したり、半導体素子4を接合するはんだ3に亀裂を生じる虞がある。
そこで、図7に示されるように、半導体素子4を構成しているSi等の半導体材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する板状のヒートスプレッダ5を半導体素子4と絶縁層2との間に組み付けることにより熱応力の緩和を図ることが行われている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなヒートスプレッダ5を用いても、例えば自動車等、特に温度差が激しい環境で使用すると、半導体素子4とヒートスプレッダ5との熱膨張差が大きくなって半導体素子4とヒートスプレッダ5との間に熱応力が発生することがある。その場合、半導体素子4に反りが発生したり、半導体素子4とヒートスプレッダ5とを接合しているはんだ3に亀裂発生の虞が生じてしまう。
【0005】
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、半導体素子等の発熱体との間に発生する熱応力を緩和することができる放熱部材を提供することを目的とする。
また、この発明は、このような放熱部材を用いた半導体装置を提供することも目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る放熱部材は、板部と、それぞれ板部に立設されると共にその先端で発熱体を支持するための複数の柱部とを備え、板部は伝熱材料からなり、柱部は板部と同じまたは異なる伝熱材料からなるものである。
なお、板部の伝熱材料と柱部の伝熱材料はCuまたはAlから構成することが好ましい。
【0007】
また、この発明に係る半導体装置は、上記の放熱部材と、放熱部材の複数の柱部の先端に接合された半導体素子とを備えるものである。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図1に実施の形態に係る放熱部材6の側面を示す。Cuからなる平板状の板部7にCu線からなる複数の柱部8が立設されており、それぞれの柱部8は所定の間隔を隔てて配置されている。
【0009】
このような構造の放熱部材6をヒートスプレッダとして使用した半導体装置の構成を図2に示す。Alから形成された基板1の表面上に絶縁層2が形成され、この絶縁層2の表面に形成された図示しない配線層の上にはんだ3を介して放熱部材6の板部7の下面が接合されている。さらに、放熱部材6の複数の柱部8の先端にはんだ3を介して半導体素子4が接合されている。なお、放熱部材6の複数の柱部8の強度は、はんだ3の強度よりも小さく設定されている。
【0010】
放熱部材6を構成するCu及び基板1を構成するAlは半導体素子4を構成しているSi等の半導体材料に比べて大きな熱膨張係数を有しているため、昇温時には、放熱部材6の板部7及び基板1等の幅方向の熱変形量が半導体素子4の幅方向の熱変形量よりも大きくなる。このとき、放熱部材6の複数の柱部8の強度がはんだ3の強度よりも小さく設定されているため、図3に示されるように、複数の柱部8が撓んだ状態で半導体素子4が支持される。このため、半導体素子4と放熱部材6との間には熱応力がほとんど発生せず、熱応力に起因した半導体素子4の反りの発生や、半導体素子4と複数の柱部8とを接合しているはんだ3の亀裂の発生が未然に防止される。
【0011】
また、放熱部材6の板部7及び複数の柱部8を構成しているCuは優れた熱伝導率を有しているので、半導体素子4で発生した熱は、はんだ3を介して半導体素子4に接合されている複数の柱部8に伝わると共に板部7に伝わり、さらに板部7にはんだ3を介して接合されている絶縁層2を通って基板1へと伝わる。基板1も熱伝導率の優れたAlから形成されているため、この基板1から効率よく外部へ放熱される。加えて、Cuは優れた導電性を有しているので、放熱部材6を介して効率よく電気を流すことができる。
【0012】
また、本発明の放熱部材6は複数の柱部8を有するため、従来の板状のヒートスプレッダに比べて表面積が大きくなり、その結果、半導体素子4において発生した熱をこれら複数の柱部8において効率よく放熱することができる。
さらに、半導体素子4と放熱部材6とが複数の柱部8を介して接合されていることから、熱膨張時に半導体素子4と複数の柱部8との間のはんだ付け部位に生じるはんだひずみ量を低減させることが可能となり、信頼性の高いはんだ付けを実現することができる。
また、半導体素子4は放熱部材6の複数の柱部8で支持されているので、熱膨張時にたとえ半導体素子4に反りが発生しても、半導体素子4と放熱部材6との間に厚み方向のせん断応力が発生せず、これにより半導体素子4と複数の柱部8との間のはんだ3の信頼性が向上する。
【0013】
なお、図4に示されるように、例えば半導体素子4の下面が7mm×7mmの正方形で、放熱部材6の複数の柱部8を構成しているCu線の直径が1mmの場合、この柱部8を半導体素子4の下面に接するように最密に並べると、52本の柱部8を配置することが可能である。ここで、Cuの熱伝導率が394W/m・Kであるので、例えば、複数の柱部8の先端面が半導体素子4に接する面積率が51%以上であれば、熱伝導率200W/m・K以上を確保することができることとなる。面積率を51%以上にするためには、1本のCu線の先端面積が0.78mm2であるので、面積49mm2の半導体素子4の下面に対して柱部8を32本以上並べればよい。すなわち、半導体素子4が7mm×7mmの正方形でそれぞれの柱部8の直径が1mmの場合、半導体素子4の下部に並べる柱部8の本数を32本から52本の間で選択することができる。
【0014】
次に、このような放熱部材6の製造方法について説明する。図5(a)に示されるように、予め板部7に所定の間隔を隔てて複数の貫通孔9を形成しておく。次に、図5(b)に示されるように、これら複数の貫通孔9にそれぞれ同一長さのCu線10を通し、これらCu線10の下端を板部7の貫通孔9の周縁部11にはんだ等により接合する。これにより、図1に示したように、板部7とこの板部7に立設された複数の柱部8とを有する放熱部材6が製造される。
また、放熱部材6は、複数の貫通孔9が形成されたCu製の板部7にCuを押し出し加工することにより複数の柱部8を同時に形成して製造することもできる。
このように、放熱部材6は常温で成形が可能であると共に、その製造は流れ作業により連続して行うことができる。
【0015】
なお、上記の実施の形態では、本発明に係る放熱部材を半導体装置のヒートスプレッダとして利用していたが、その代わりに、この放熱部材を半導体装置の基板として利用することもできる。
また、放熱部材6の板部7及び複数の柱部8を構成している伝熱材料は、Cuに限られないが、半導体装置のヒートスプレッダや基板として利用する場合には、優れた熱伝導率を有する伝熱材料であることが好ましく、例えばAl材を使用することもできる。さらに、これら板部7と複数の柱部8とを互いに異なる伝熱材料から構成することもできる。
また、放熱部材6の柱部8、及び板部7の貫通孔9の断面形状は円形に限らない。
【0016】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る放熱部材は、板部と、それぞれ板部に立設されると共にその先端で発熱体を支持するための複数の柱部とを備え、板部は伝熱材料からなり、柱部は板部と同じまたは異なる伝熱材料からなるので、温度変化に対して放熱部材の複数の柱部が撓むことにより発熱体と放熱部材との間に発生する熱応力を緩和することができる。
また、この発明に係る半導体装置は、上記の放熱部材と、放熱部材の複数の柱部の先端に接合された半導体素子とを備えるものであるため、発熱体と放熱部材との間に発生する熱応力が緩和され、接合のためのはんだに亀裂を生じる虞がなくなるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態に係る放熱部材の構成を示す側面図である。
【図2】実施の形態に係る放熱部材を用いた半導体装置の構成を示す断面図である。
【図3】実施の形態に係る放熱部材の昇温時の様子を示す断面図である。
【図4】半導体素子に対して放熱部材の柱部を最密に並べた状態を示す図である。
【図5】実施の形態に係る放熱部材の製造方法を工程順に示す図である。
【図6】従来の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図7】従来の他の半導体装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
1 基板、2 絶縁層、3 はんだ、4 半導体素子、6 放熱部材、7 板部、8 柱部、9 貫通孔、10 Cu線,11 周縁部。
【発明の属する技術分野】
この発明は、放熱部材に係り、特に半導体装置のヒートスプレッダ等として利用される放熱部材に関する。
また、この発明は、このような放熱部材を用いた半導体装置にも関している。
【0002】
【従来の技術】
従来の半導体装置の構成を図6に示す。Alから形成された基板1の表面上に絶縁層2が形成され、この絶縁層2の表面に形成された図示しない配線層の上にはんだ3を介して半導体素子4が接合されている。
基板1は熱伝導率の優れたAlから形成されているため、半導体素子4で発生した熱は絶縁層2を経て基板1へ伝わった後、この基板1から効率よく外部へ放散される。
【0003】
ところが、半導体素子4に使用されているSi等の半導体材料が小さな熱膨張係数を有しているのに対して、基板1を形成するAlは熱膨張係数が大きく、このため温度変化に対して基板1と半導体素子4との間に熱応力が発生することが知られている。熱応力が大きくなると、半導体素子4に反りが発生したり、半導体素子4を接合するはんだ3に亀裂を生じる虞がある。
そこで、図7に示されるように、半導体素子4を構成しているSi等の半導体材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する板状のヒートスプレッダ5を半導体素子4と絶縁層2との間に組み付けることにより熱応力の緩和を図ることが行われている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなヒートスプレッダ5を用いても、例えば自動車等、特に温度差が激しい環境で使用すると、半導体素子4とヒートスプレッダ5との熱膨張差が大きくなって半導体素子4とヒートスプレッダ5との間に熱応力が発生することがある。その場合、半導体素子4に反りが発生したり、半導体素子4とヒートスプレッダ5とを接合しているはんだ3に亀裂発生の虞が生じてしまう。
【0005】
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、半導体素子等の発熱体との間に発生する熱応力を緩和することができる放熱部材を提供することを目的とする。
また、この発明は、このような放熱部材を用いた半導体装置を提供することも目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る放熱部材は、板部と、それぞれ板部に立設されると共にその先端で発熱体を支持するための複数の柱部とを備え、板部は伝熱材料からなり、柱部は板部と同じまたは異なる伝熱材料からなるものである。
なお、板部の伝熱材料と柱部の伝熱材料はCuまたはAlから構成することが好ましい。
【0007】
また、この発明に係る半導体装置は、上記の放熱部材と、放熱部材の複数の柱部の先端に接合された半導体素子とを備えるものである。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図1に実施の形態に係る放熱部材6の側面を示す。Cuからなる平板状の板部7にCu線からなる複数の柱部8が立設されており、それぞれの柱部8は所定の間隔を隔てて配置されている。
【0009】
このような構造の放熱部材6をヒートスプレッダとして使用した半導体装置の構成を図2に示す。Alから形成された基板1の表面上に絶縁層2が形成され、この絶縁層2の表面に形成された図示しない配線層の上にはんだ3を介して放熱部材6の板部7の下面が接合されている。さらに、放熱部材6の複数の柱部8の先端にはんだ3を介して半導体素子4が接合されている。なお、放熱部材6の複数の柱部8の強度は、はんだ3の強度よりも小さく設定されている。
【0010】
放熱部材6を構成するCu及び基板1を構成するAlは半導体素子4を構成しているSi等の半導体材料に比べて大きな熱膨張係数を有しているため、昇温時には、放熱部材6の板部7及び基板1等の幅方向の熱変形量が半導体素子4の幅方向の熱変形量よりも大きくなる。このとき、放熱部材6の複数の柱部8の強度がはんだ3の強度よりも小さく設定されているため、図3に示されるように、複数の柱部8が撓んだ状態で半導体素子4が支持される。このため、半導体素子4と放熱部材6との間には熱応力がほとんど発生せず、熱応力に起因した半導体素子4の反りの発生や、半導体素子4と複数の柱部8とを接合しているはんだ3の亀裂の発生が未然に防止される。
【0011】
また、放熱部材6の板部7及び複数の柱部8を構成しているCuは優れた熱伝導率を有しているので、半導体素子4で発生した熱は、はんだ3を介して半導体素子4に接合されている複数の柱部8に伝わると共に板部7に伝わり、さらに板部7にはんだ3を介して接合されている絶縁層2を通って基板1へと伝わる。基板1も熱伝導率の優れたAlから形成されているため、この基板1から効率よく外部へ放熱される。加えて、Cuは優れた導電性を有しているので、放熱部材6を介して効率よく電気を流すことができる。
【0012】
また、本発明の放熱部材6は複数の柱部8を有するため、従来の板状のヒートスプレッダに比べて表面積が大きくなり、その結果、半導体素子4において発生した熱をこれら複数の柱部8において効率よく放熱することができる。
さらに、半導体素子4と放熱部材6とが複数の柱部8を介して接合されていることから、熱膨張時に半導体素子4と複数の柱部8との間のはんだ付け部位に生じるはんだひずみ量を低減させることが可能となり、信頼性の高いはんだ付けを実現することができる。
また、半導体素子4は放熱部材6の複数の柱部8で支持されているので、熱膨張時にたとえ半導体素子4に反りが発生しても、半導体素子4と放熱部材6との間に厚み方向のせん断応力が発生せず、これにより半導体素子4と複数の柱部8との間のはんだ3の信頼性が向上する。
【0013】
なお、図4に示されるように、例えば半導体素子4の下面が7mm×7mmの正方形で、放熱部材6の複数の柱部8を構成しているCu線の直径が1mmの場合、この柱部8を半導体素子4の下面に接するように最密に並べると、52本の柱部8を配置することが可能である。ここで、Cuの熱伝導率が394W/m・Kであるので、例えば、複数の柱部8の先端面が半導体素子4に接する面積率が51%以上であれば、熱伝導率200W/m・K以上を確保することができることとなる。面積率を51%以上にするためには、1本のCu線の先端面積が0.78mm2であるので、面積49mm2の半導体素子4の下面に対して柱部8を32本以上並べればよい。すなわち、半導体素子4が7mm×7mmの正方形でそれぞれの柱部8の直径が1mmの場合、半導体素子4の下部に並べる柱部8の本数を32本から52本の間で選択することができる。
【0014】
次に、このような放熱部材6の製造方法について説明する。図5(a)に示されるように、予め板部7に所定の間隔を隔てて複数の貫通孔9を形成しておく。次に、図5(b)に示されるように、これら複数の貫通孔9にそれぞれ同一長さのCu線10を通し、これらCu線10の下端を板部7の貫通孔9の周縁部11にはんだ等により接合する。これにより、図1に示したように、板部7とこの板部7に立設された複数の柱部8とを有する放熱部材6が製造される。
また、放熱部材6は、複数の貫通孔9が形成されたCu製の板部7にCuを押し出し加工することにより複数の柱部8を同時に形成して製造することもできる。
このように、放熱部材6は常温で成形が可能であると共に、その製造は流れ作業により連続して行うことができる。
【0015】
なお、上記の実施の形態では、本発明に係る放熱部材を半導体装置のヒートスプレッダとして利用していたが、その代わりに、この放熱部材を半導体装置の基板として利用することもできる。
また、放熱部材6の板部7及び複数の柱部8を構成している伝熱材料は、Cuに限られないが、半導体装置のヒートスプレッダや基板として利用する場合には、優れた熱伝導率を有する伝熱材料であることが好ましく、例えばAl材を使用することもできる。さらに、これら板部7と複数の柱部8とを互いに異なる伝熱材料から構成することもできる。
また、放熱部材6の柱部8、及び板部7の貫通孔9の断面形状は円形に限らない。
【0016】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る放熱部材は、板部と、それぞれ板部に立設されると共にその先端で発熱体を支持するための複数の柱部とを備え、板部は伝熱材料からなり、柱部は板部と同じまたは異なる伝熱材料からなるので、温度変化に対して放熱部材の複数の柱部が撓むことにより発熱体と放熱部材との間に発生する熱応力を緩和することができる。
また、この発明に係る半導体装置は、上記の放熱部材と、放熱部材の複数の柱部の先端に接合された半導体素子とを備えるものであるため、発熱体と放熱部材との間に発生する熱応力が緩和され、接合のためのはんだに亀裂を生じる虞がなくなるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態に係る放熱部材の構成を示す側面図である。
【図2】実施の形態に係る放熱部材を用いた半導体装置の構成を示す断面図である。
【図3】実施の形態に係る放熱部材の昇温時の様子を示す断面図である。
【図4】半導体素子に対して放熱部材の柱部を最密に並べた状態を示す図である。
【図5】実施の形態に係る放熱部材の製造方法を工程順に示す図である。
【図6】従来の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図7】従来の他の半導体装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
1 基板、2 絶縁層、3 はんだ、4 半導体素子、6 放熱部材、7 板部、8 柱部、9 貫通孔、10 Cu線,11 周縁部。
Claims (3)
- 板部と、
それぞれ前記板部に立設されると共にその先端で発熱体を支持するための複数の柱部と
を備え、
前記板部は伝熱材料からなり、前記柱部は前記板部と同じまたは異なる伝熱材料からなることを特徴とする放熱部材。 - 前記板部の伝熱材料と前記柱部の伝熱材料はCuまたはAlからなる請求項1に記載の放熱部材。
- 請求項1または2に記載の放熱部材と、
前記放熱部材の複数の柱部の先端に接合された半導体素子と
を備えることを特徴とする半導体装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002244027A JP2004087612A (ja) | 2002-08-23 | 2002-08-23 | 放熱部材及びこの放熱部材を用いた半導体装置 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2002244027A JP2004087612A (ja) | 2002-08-23 | 2002-08-23 | 放熱部材及びこの放熱部材を用いた半導体装置 |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004087612A true JP2004087612A (ja) | 2004-03-18 |
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ID=32052639
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2002244027A Withdrawn JP2004087612A (ja) | 2002-08-23 | 2002-08-23 | 放熱部材及びこの放熱部材を用いた半導体装置 |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2004087612A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007007602A1 (ja) * | 2005-07-07 | 2007-01-18 | Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki | 放熱装置およびパワーモジュール |
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WO2012023236A1 (ja) | 2010-08-20 | 2012-02-23 | パナソニック株式会社 | 半導体装置及びその製造方法 |
-
2002
- 2002-08-23 JP JP2002244027A patent/JP2004087612A/ja not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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