JP2006128259A - Semiconductor device and semiconductor device having cooler - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体装置および冷却器付半導体装置に関し、より特定的には冷却器が取付けられるパワー半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a semiconductor device with a cooler, and more particularly to a power semiconductor device to which a cooler is attached.
近年、電気自動車やハイブリッド自動車などが注目されているが、このような用途では、小型で効率がよく信頼性の高いパワー半導体素子が求められている。IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等のパワー半導体素子は、扱う電流が大きいので動作時の放熱が重要である。 In recent years, electric vehicles, hybrid vehicles, and the like have attracted attention. In such applications, there is a demand for power semiconductor elements that are small, efficient, and reliable. Power semiconductor elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) handle a large amount of current, so heat dissipation during operation is important.
通常、半導体チップは、板状の形状を有するので、チップの表と裏の両面から放熱を行なうことが理想的である。特開2001−308245号公報(特許文献1)には、このような両面放熱型のパワー半導体モジュールが開示されている。 Usually, since a semiconductor chip has a plate shape, it is ideal to radiate heat from both the front and back sides of the chip. Japanese Patent Laid-Open No. 2001-308245 (Patent Document 1) discloses such a double-sided heat radiation type power semiconductor module.
絶縁板、平銅板のヒートシンクマスおよび扁平な冷媒チューブがこの両面放熱型半導体モジュールの各両側に配置され、それらが両側からボルトおよびナットによって締結され、半導体モジュールは挟圧支持されている。
しかしながら、パワー半導体モジュールと両側に配置される絶縁板、平銅板のヒートシンクマスおよび扁平な冷媒チューブには、それぞれに製造誤差があるため、パワー半導体モジュールの放熱部分と冷却器の吸熱部分の密着性に改善の余地がある。 However, because there are manufacturing errors in the power semiconductor module and the insulating plate, the copper plate heat sink mass and the flat refrigerant tube arranged on both sides, there is a manufacturing error, so the adhesion between the heat dissipation part of the power semiconductor module and the heat absorption part of the cooler There is room for improvement.
密着性を改善するためにはグリース等を塗布することが行なわれるが、グリース等は塗布量が多すぎるとはみ出したり、また塗布面が水平でないとたれが生じ厚みが不均一になったりして、取り扱いに注意が必要であった。 In order to improve adhesion, grease or the like is applied. However, grease may protrude if the amount applied is too large, or if the coated surface is not horizontal, it will sag and the thickness may become uneven. , Handling was necessary.
また、パワー半導体モジュールの電極、基板などにも製造誤差があり、半導体モジュール内部の部品間の密着性にも改善の余地がある。 There are also manufacturing errors in the electrodes and substrates of the power semiconductor module, and there is room for improvement in the adhesion between components inside the semiconductor module.
この発明の目的は、放熱が良好で性能が向上した半導体装置および冷却器付半導体装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device with good heat dissipation and improved performance and a semiconductor device with a cooler.
この発明は、要約すると、半導体装置であって、平板状の半導体チップと、半導体チップの第1の主面に接続され、第1の放熱面を有する第1の伝熱部材と、半導体チップを収容し、第1の伝熱部材を支持する樹脂部とを含む。第1の放熱面は、樹脂部の表面よりも突出する。 In summary, the present invention is a semiconductor device comprising a flat semiconductor chip, a first heat transfer member connected to the first main surface of the semiconductor chip and having a first heat radiating surface, and the semiconductor chip. And a resin portion that supports and supports the first heat transfer member. The first heat radiating surface protrudes from the surface of the resin portion.
好ましくは、第1の放熱面にはめっき層が形成されている。 Preferably, a plating layer is formed on the first heat dissipation surface.
より好ましくは、第1の伝熱部材は、半導体チップに電気的に接続される電極と、電極とめっき層とを電気的に絶縁する絶縁層とを含む。 More preferably, the first heat transfer member includes an electrode that is electrically connected to the semiconductor chip, and an insulating layer that electrically insulates the electrode from the plating layer.
好ましくは、第1の放熱面には絶縁性を有する樹脂層が形成されている。 Preferably, a resin layer having an insulating property is formed on the first heat dissipation surface.
好ましくは、半導体チップの第2の主面に接続され、第2の放熱面を有する第2の伝熱部材をさらに備える。樹脂部は、第2の放熱面が樹脂部の表面よりも突出するように第2の伝熱部材をさらに支持する。 Preferably, the semiconductor chip further includes a second heat transfer member connected to the second main surface of the semiconductor chip and having a second heat radiating surface. The resin part further supports the second heat transfer member such that the second heat radiating surface protrudes from the surface of the resin part.
この発明の他の局面に従うと、冷却器付半導体装置であって、平板状の半導体チップと、半導体チップの第1の主面に接続され、第1の放熱面を有する第1の伝熱部材と、第1の放熱面に接合された冷却器と、半導体チップを収容し、第1の伝熱部材を支持する樹脂部とを含む。第1の放熱面は、樹脂部の表面よりも突出する。 According to another aspect of the present invention, a semiconductor device with a cooler, which is a flat semiconductor chip and a first heat transfer member connected to the first main surface of the semiconductor chip and having a first heat radiating surface. And a cooler joined to the first heat radiating surface, and a resin portion that houses the semiconductor chip and supports the first heat transfer member. The first heat radiating surface protrudes from the surface of the resin portion.
好ましくは、第1の放熱面に対する冷却器の接合面と第1の放熱面との少なくとも一方にはめっき層が形成されている。 Preferably, a plating layer is formed on at least one of the joint surface of the cooler with respect to the first heat dissipation surface and the first heat dissipation surface.
好ましくは、第1の伝熱部材は、半導体チップに電気的に接続される電極と、電極とめっき層とを電気的に絶縁する絶縁層とを含む。 Preferably, the first heat transfer member includes an electrode that is electrically connected to the semiconductor chip, and an insulating layer that electrically insulates the electrode and the plating layer.
好ましくは、第1の放熱面と冷却器とは、超音波接合または熱圧着接合されている。 Preferably, the first heat radiation surface and the cooler are ultrasonically bonded or thermocompression bonded.
好ましくは、第1の放熱面への冷却器の接合面と第1の放熱面との少なくとも一方には絶縁性を有する樹脂層が形成されている。 Preferably, a resin layer having an insulating property is formed on at least one of the joint surface of the cooler to the first heat radiation surface and the first heat radiation surface.
好ましくは、冷却器付半導体装置は、半導体チップの第2の主面に接続され、第2の放熱面を有する第2の伝熱部材をさらに備える。樹脂部は、第2の放熱面が樹脂部の表面よりも突出するように第2の伝熱部材をさらに支持する。冷却器は、第2の放熱面にさらに接合される。 Preferably, the semiconductor device with a cooler further includes a second heat transfer member connected to the second main surface of the semiconductor chip and having a second heat radiating surface. The resin part further supports the second heat transfer member such that the second heat radiating surface protrudes from the surface of the resin part. The cooler is further joined to the second heat radiating surface.
この発明のさらに他の局面に従うと、半導体装置であって、平板状の半導体チップと、ポーラス金属で形成され、半導体チップの第1の主面に接続される第1の伝熱部材とを備える。第1の伝熱部材は、半導体チップに加圧されることにより塑性変形した第1の接続面を有する。 According to still another aspect of the present invention, a semiconductor device includes a flat semiconductor chip and a first heat transfer member formed of a porous metal and connected to the first main surface of the semiconductor chip. . The first heat transfer member has a first connection surface that is plastically deformed by being pressed against the semiconductor chip.
好ましくは、半導体装置は、ポーラス金属で形成され、半導体チップの第2の主面に接続される第2の伝熱部材をさらに備える。第2の伝熱部材は、半導体チップに加圧されることにより塑性変形した第2の接続面を有する。 Preferably, the semiconductor device further includes a second heat transfer member formed of a porous metal and connected to the second main surface of the semiconductor chip. The second heat transfer member has a second connection surface that is plastically deformed by being pressed against the semiconductor chip.
好ましくは、第1の伝熱部材は、半導体チップを支持し放熱すると共に半導体チップと外部との間で高周波信号の授受を行なうためのバスバーである。 Preferably, the first heat transfer member is a bus bar for supporting the semiconductor chip to dissipate heat and for exchanging high-frequency signals between the semiconductor chip and the outside.
この発明のさらに他の局面に従うと、半導体装置であって、半導体素子と、ポーラス金属で形成され、半導体素子に電気的に接続され半導体チップと外部との間で高周波信号の授受を行なうためのバスバーとを備える。 According to still another aspect of the present invention, a semiconductor device is formed of a semiconductor element and a porous metal, and is electrically connected to the semiconductor element to exchange high-frequency signals between the semiconductor chip and the outside. And a bus bar.
本発明によれば、放熱経路の部品の密着性が向上し放熱性が改善された半導体装置および冷却器付半導体装置を実現することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor device and the semiconductor device with a cooler which improved the adhesiveness of the component of the thermal radiation path | route and improved heat dissipation are realizable.
また、高周波における電気的特性を改善することができる。 In addition, electrical characteristics at high frequencies can be improved.
以下、本発明について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付してその説明は繰返さない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
図1は、本発明の冷却器付半導体装置の全体形状を示した図である。 FIG. 1 is a diagram showing the overall shape of a semiconductor device with a cooler according to the present invention.
図1を参照して、冷却器付半導体装置100は、マイクロチャネル冷却器11〜18と、マイクロチャネル冷却器11〜18の間に挟持された半導体装置1〜7とを含む。
Referring to FIG. 1, a
マイクロチャネル冷却器11〜18は、たとえばアルミニウムや銅のような熱伝導性の良い金属で形成される。マイクロチャネル冷却器11〜18の各々の内部には、冷却水の流路が形成され、冷却水流路の内表面は細かいフィンが形成されている。 The microchannel coolers 11 to 18 are formed of a metal having good thermal conductivity such as aluminum or copper. A cooling water flow path is formed inside each of the microchannel coolers 11 to 18, and fine fins are formed on the inner surface of the cooling water flow path.
半導体装置1〜7は、両面冷却型の半導体装置である。各半導体装置は、マイクロチャネル冷却器に挟まれて冷却される。アルミニウムや銅のような金属は電気伝導性も良いので、マイクロチャネル冷却器11〜18と半導体装置1〜7の電極とは絶縁されていることが必要である。
The
[実施の形態1]
図2は、実施の形態1の冷却器付半導体装置100Aの構成を示す断面図である。
[Embodiment 1]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device with a
図2を参照して、冷却器付半導体装置100Aは、マイクロチャネル冷却器11A,12Aと半導体装置1Aとを含む。なお、図示しないが図1の半導体装置2〜7およびマイクロチャネル冷却器13〜18にも同様な構成が適用される。
Referring to FIG. 2,
半導体装置1Aは、半導体チップ34と、半導体チップ34の両主面にそれぞれはんだ層40,42によって電気的に接続された電極32,36と、一方の主面に形成されているゲート電極にワイヤ44によって接続されている電極38とを含む。電極32,36は主電流を授受するための主電極であり、電極38は制御電極である。
The semiconductor device 1A includes a
電極32,36は、たとえば、3相モータを駆動するインバータに使用されるパワー半導体素子であれば、P、N極や、U,V,W相出力が接続される。
If the
電極32は、放熱面を有し半導体チップ34の第1の主面に接続される「第1の伝熱部材」に該当する。また、電極36は、放熱面を有し半導体チップ34の第2の主面に接続される「第2の伝熱部材」に該当する。なお、伝熱部材が電極と兼用になっている場合を示したが、伝熱部材と電極とを別々に設けてもかまわない。
The
半導体装置1Aは、さらに、電極32,36を支持し、半導体チップ34を収容する樹脂部46と、電極32,36の各放熱面を被覆する電気絶縁性を有する無機硬質膜48,54とを含む。電極32,36の放熱面は、樹脂部46の表面から突出しており、樹脂部46によってマイクロチャネル冷却器11A,12Aと放熱面の密着が阻害されることがないので、放熱に有利である。
The
無機硬質膜48,54によって金属製のマイクロチャネル冷却器11A,12Aと電極32,36の間の絶縁性が確保される。したがって、従来は電極と冷却器との絶縁を確保するためにセラミック基板のような熱伝導性がよく絶縁性に優れた板を間に挟んでいたが、このような板が不要となる。したがってその分冷却器に半導体装置を近づけることができ、熱抵抗が下がり冷却に有利となる。また、冷却器付半導体装置全体を小さくすることができるので、車載用等のスペースの制限が厳しい場合には有利である。
The inorganic
無機硬質膜48,54の一例としては、DLC(Diamond Like Carbon)薄膜等を使用することができる。DLC薄膜は、低温化学蒸着で形成できる。また、無機硬質膜48,54の他の例としては、セラミックコーティングなども使用可能である。
As an example of the inorganic
半導体装置1Aは、さらに、電極32,36の各放熱面と無機硬質膜48,54との間にそれぞれ設けられる緩衝層50,56と、緩衝層50,56の外側表面にそれぞれ設けられためっき層52,58とを含む。
The semiconductor device 1A further includes buffer layers 50 and 56 provided between the heat radiation surfaces of the
緩衝層50,56としては、たとえばポリイミド等を使用することができる。緩衝層50,56は、電極32,36と無機硬質膜48,54との間の線膨張係数の差やヤング率の差を吸収し、無機硬質膜48,54にクラックが入るのを防ぐことができる。
As the buffer layers 50 and 56, for example, polyimide or the like can be used. The buffer layers 50 and 56 absorb the difference in linear expansion coefficient and the Young's modulus between the
マイクロチャネル冷却器11A,12Aの各々は、内部の冷却水流路にフィンが形成された金属製の冷却器本体20と、半導体装置の放熱面と接触する冷却器本体20の両面にそれぞれ形成されためっき層21,22とを含む。金属製の冷却器本体20は、たとえば熱伝導率の良いアルミニウムや銅などで作製される。
Each of the
めっき層21,22,52,58としては、銅等よりもやわらかいニッケルめっき等を使用できる。めっき層21,22,52,58によりマイクロチャネル冷却器11A,12Aと半導体装置1Aの接合時のなじみが良くなる。マイクロチャネル冷却器11A,12Aと半導体装置1Aの接合は、超音波接合や圧接で行なう。
As the plating layers 21, 22, 52, 58, nickel plating which is softer than copper or the like can be used. The plating layers 21, 22, 52, 58 improve the familiarity when the microchannel coolers 11 </ b> A, 12 </ b> A and the
従来、絶縁確保のためにセラミック板等を挟む場合には、密着性を高めて熱伝導性を良くするため、セラミック板と冷却器の間と、セラミック板と電極との間の2箇所にグリース等を塗布することが必要であった。しかし、本発明ではセラミック板が不要であり、超音波接合や圧接で接合を行なうのでグリース等を塗布する必要がなく熱伝導も良くなる。 Conventionally, when a ceramic plate or the like is sandwiched to ensure insulation, grease is provided at two locations between the ceramic plate and the cooler and between the ceramic plate and the electrode in order to improve adhesion and improve thermal conductivity. It was necessary to apply etc. However, in the present invention, the ceramic plate is unnecessary, and since the joining is performed by ultrasonic joining or pressure welding, it is not necessary to apply grease or the like, and heat conduction is improved.
なお、図2ではめっき層をマイクロチャネル冷却器11A,12Aと半導体装置1Aの両方の接合面に設けた場合を例として示したが、必ずしも両方に設ける必要はなく、どちらか一方に設けるのでもよい。
In FIG. 2, the case where the plating layer is provided on both the joint surfaces of the
以上説明したように、実施の形態1では、冷却器と半導体装置との間の熱抵抗を減らすことができ、放熱の効率が向上する。 As described above, in the first embodiment, the thermal resistance between the cooler and the semiconductor device can be reduced, and the efficiency of heat dissipation is improved.
[実施の形態2]
図3は、実施の形態2の冷却器付半導体装置100Bの構成を示す断面図である。
[Embodiment 2]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device with a cooler 100B of the second embodiment.
図3を参照して、冷却器付半導体装置100Bは、マイクロチャネル冷却器11B,12Bと半導体装置1Bとを含む。なお、図示しないが図1の半導体装置2〜7およびマイクロチャネル冷却器13〜18にも同様な構成が適用される。
Referring to FIG. 3,
半導体装置1Bは、図2における半導体装置1Aの構成において、無機硬質膜48,54、緩衝層50,56およびめっき層52,58に代えて絶縁層72,74とを含む。
Semiconductor device 1B includes insulating
マイクロチャネル冷却器11B,12Bの各々は、内部の冷却水流路にフィンが形成された金属製の冷却器本体20と、半導体装置の放熱面と接触する冷却器本体20の両面にそれぞれ形成された絶縁層61,62とを含む。金属製の冷却器本体20は、たとえば熱伝導率の良いアルミニウムや銅などで製作される。
Each of the
絶縁層61,62,72,74としては、たとえば絶縁性のある樹脂コート材や接着剤等を用いることができる。マイクロチャネル冷却器11B,12Bを半導体装置1Bに押し付けて超音波接合や熱圧着接合により接続する。これにより、グリースを使用しなくてもマイクロチャネル冷却器11B,12Bと半導体装置1Bとの間の密着性を高めることができる。
As the insulating
なお、セラミック板やセラミックコーティングを間に介在させて絶縁性を確保すれば、たとえば金属微粒子が配合された熱伝導率がよい導電性の接着剤でマイクロチャネル冷却器11B,12Bと半導体装置1Bを接着してもよい。
If insulating properties are ensured by interposing a ceramic plate or ceramic coating therebetween, for example, the
以上説明したように、実施の形態2でも実施の形態1と同様に、冷却器と半導体装置との間の熱抵抗を減らすことができ、放熱の効率が向上する。 As described above, in the second embodiment, as in the first embodiment, the thermal resistance between the cooler and the semiconductor device can be reduced, and the efficiency of heat dissipation is improved.
[実施の形態3]
図4は、実施の形態3の冷却器付半導体装置100Cの構成を示す断面図である。
[Embodiment 3]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a cooler-equipped
図4を参照して、冷却器付半導体装置100Cは、マイクロチャネル冷却器11C,12Cと半導体装置1Cとを含む。なお、図示しないが図1の半導体装置2〜7およびマイクロチャネル冷却器13〜18にも同様な構成が適用される。
Referring to FIG. 4, a
半導体装置1Cは、半導体チップ84と、半導体チップ84の両主面にそれぞれポーラス金属層90、92によって電気的に接続された電極82,86と、一方の主面に形成されているゲート電極にワイヤ94によって接続されている電極88とを含む。電極82,86は主電流を授受するための主電極であり、電極88は制御電極である。
The
電極82,86は、たとえば、3相モータを駆動するインバータに使用されるパワー半導体素子であれば、P、N極や、U,V,W相出力が接続される。
For example, if the
電極82は、放熱面を有し半導体チップ84の第1の主面に接続される「第1の伝熱部材」に該当する。電極82の放熱面にはポーラス金属層98が設けられる。また、電極86は、放熱面を有し半導体チップ84の第2の主面に接続される「第2の伝熱部材」に該当する。電極86の放熱面にはポーラス金属層99が設けられる。なお、伝熱部材が電極と兼用になっている場合を示したが、伝熱部材と電極とを別々に設けてもかまわない。
The
半導体装置1Cは、さらに、電極82,86を支持し、半導体チップ84を収容する樹脂部96を含む。電極82,86の放熱面に設けられたポーラス金属層98,99は、樹脂部96の表面から突出しており、樹脂部96によってマイクロチャネル冷却器11C,12Cと放熱面の密着が阻害されることがないので、放熱に有利である。
The
マイクロチャネル冷却器11C,12Cの各々は、内部の冷却水流路にフィンが形成された金属製の冷却器本体20と、半導体装置の放熱面と接触する冷却器本体20の両面にそれぞれ形成された絶縁層61,62とを含む。金属製の冷却器本体20は、たとえば熱伝導率の良いアルミニウムや銅などで製作される。
Each of the
絶縁層61,62によって金属製のマイクロチャネル冷却器11C,12Cと電極82,86の間の絶縁性が確保される。したがって、従来は電極と冷却器との絶縁を確保するためにセラミック基板のような熱伝導性がよく絶縁性に優れた板を間に挟んでいたが、このような板が不要となる。その分冷却器に半導体装置を近づけることができ、熱抵抗が下がり冷却に有利となる。また、冷却器付半導体装置全体を小さくすることができるので、車載用等のスペースの制限が厳しい場合には有利である。
The insulating layers 61 and 62 ensure insulation between the
絶縁層61,62の一例としては、DLC(Diamond Like Carbon)薄膜等を使用することができる。DLC薄膜は、低温化学蒸着で形成できる。また、絶縁層61,62の他の例としては、セラミックコーティングや絶縁樹脂によるコーティングなども使用可能である。
As an example of the insulating
ポーラス金属は、多孔質のスポンジのような金属であり孔の比率や大きさによって固さを調整することができる。ポーラス金属層98,99は、銅等よりもやわらかく調整してあり加圧して接合することでマイクロチャネル冷却器11C,12Cと半導体装置1Cの接合時のなじみが良くなる。
The porous metal is a metal such as a porous sponge, and the hardness can be adjusted by the ratio and size of the pores. The
実施の形態3においてもセラミック板が不要であり、圧接で接合を行なうのでグリース等を塗布する必要がなく熱伝導も良くなる。 Also in the third embodiment, the ceramic plate is unnecessary, and since the joining is performed by pressure welding, it is not necessary to apply grease or the like, and the heat conduction is improved.
図5〜図9は、図4における半導体装置1Cを製造する工程を説明するための図である。
5 to 9 are diagrams for explaining a process of manufacturing the
図5を参照して、電極82の半導体チップを搭載する部分にはポーラス金属層90が貼り付けられ、電極82の放熱面にはポーラス金属層98が貼り付けられる。
Referring to FIG. 5,
図6を参照して、ポーラス金属層90の上部に半導体チップ84が圧接される。ポーラス金属層90は、加圧により潰されるのであらかじめその分の厚みを余分に持たせておく。そうすることにより、加圧後でも電極82と電極86との間の絶縁距離を保つことができる。
With reference to FIG. 6, the
図7を参照して、ポーラス金属層90の上部に半導体チップ84が圧接された結果、ポーラス金属層90の厚さはd1からd2に変化し、ポーラス金属層90は塑性変形して厚さが薄くなる。その後電極88と半導体チップ上のゲート電極との間がワイヤ94で接続される。
Referring to FIG. 7, as a result of
図8を参照して、図5で説明したのと同様に電極86にもポーラス金属層92,99があらかじめ貼り付けられており、電極86を加圧して半導体チップ84とポーラス金属層92の密着を高める。ポーラス金属層92も加圧により、厚さが加圧前より薄くなる。ポーラス金属層92によって従来接合に使用していたはんだ層を設けなくても良くなる。
Referring to FIG. 8, the
図9を参照して、放熱面にあたるポーラス金属層98,99を表面から突出させた状態で、トランスファーモールド法による成型で樹脂部96が形成される。成型時にポーラス金属層90,92を加圧した状態に保ち、樹脂部96を形成する。樹脂部96が硬化すれば樹脂部96によりポーラス金属層を半導体チップに加圧した状態に保つことができる。
Referring to FIG. 9,
ポーラス金属層98,99は、図4で説明したようにマイクロチャネル冷却器11C,12Cに接続される放熱面であり、ポーラス金属層98,99が変形することによりマイクロチャネル冷却器11C,12Cの表面の寸法の製造公差を吸収して密着性を高めることができる。
The
[実施の形態4]
図10は、実施の形態4の冷却器付半導体装置で用いられる半導体装置1Dの構成を示す断面図である。
[Embodiment 4]
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device 1D used in the semiconductor device with a cooler of the fourth embodiment.
実施の形態4の冷却器付半導体装置は、図4で説明した冷却器付半導体装置100Cの半導体装置1Cに代えて半導体装置1Dを用いるものである。
The semiconductor device with a cooler of the fourth embodiment uses a semiconductor device 1D instead of the
図10を参照して、半導体装置1Dは、半導体チップ104と、半導体チップ104の両主面にそれぞれ電気的に接続されポーラス金属でできた電極106,102と、一方の主面に形成されているゲート電極にワイヤ110によって接続されている電極108とを含む。電極102,106は主電流を授受するための主電極であり、電極108は制御電極である。
Referring to FIG. 10, a semiconductor device 1D is formed on one main surface of a
電極102,106は、たとえば、3相モータを駆動するインバータに使用されるパワー半導体素子であれば、P、N極や、U,V,W相出力が接続される。
If the
電極102は、放熱面を有し半導体チップ104の第1の主面に接続される「第1の伝熱部材」に該当する。また、電極106は、放熱面を有し半導体チップ104の第2の主面に接続される「第2の伝熱部材」に該当する。なお、伝熱部材が電極と兼用になっている場合を示したが、伝熱部材と電極とを別々に設けてもかまわない。
The
半導体装置1Dは、さらに、電極102,106を支持し、半導体チップ104を収容する樹脂部112を含む。電極102,106の放熱面は、樹脂部112の表面から突出しており、樹脂部112によってマイクロチャネル冷却器と放熱面の密着が阻害されることがないので、放熱に有利である。
The
ポーラス金属を使用することにより、半導体チップ104に対する接続と、冷却器に対する密着については、図4に示した半導体装置1Cと同様な効果を奏する。
By using the porous metal, the connection to the
図11は、図10における電極106のバスバー部分の形状の説明をするための図である。
FIG. 11 is a diagram for explaining the shape of the bus bar portion of the
図11を参照して、電極106はポーラス金属で形成され、内部には多数の空孔120が形成されている。電極106には、たとえば三相モータのインバータに用いられるパワー半導体素子などではPWM制御により10KHzを超える高周波交流電流が流れる。高周波電流は、表皮効果により通常のバスバーでは表皮から数mmの深さまでしか電流が流れないことが知られている。したがって、従来は大電流を流すためにはバスバーを幅広の平たい形状にしたり、中空のパイプ状にしたりしていた。
Referring to FIG. 11,
しかし、ポーラス金属をバスバーに用いることで表皮から深い部分でも空孔によって表皮部分と同様に電流が流れるようになる。ポーラス金属をバスバーに用いれば、同じ電流を流す場合でも通常のバスバーよりも幅を狭くすることができる。また、ポーラス金属をバスバーに用いれば重量の軽量化を図ることもできる。特に自動車用の場合、軽量化は燃費に関係するので重要な要素である。 However, by using a porous metal for the bus bar, a current flows through a hole in the deep part from the skin as well as the skin part. If a porous metal is used for the bus bar, the width can be made narrower than that of a normal bus bar even when the same current flows. Further, if porous metal is used for the bus bar, the weight can be reduced. Especially for automobiles, weight reduction is an important factor because it relates to fuel consumption.
さらに、バスバーの先端は通常ボルトの締結をするために孔が設けられている。ポーラス金属をバスバーに用いれば、ボルトの締め付けに対し締め付け部分がボルトにくい込んでボルトのゆるみ止めの効果が得られ締結信頼性が向上する。 Further, the end of the bus bar is usually provided with a hole for fastening a bolt. If a porous metal is used for the bus bar, the tightening portion is difficult to tighten with respect to the tightening of the bolt, and an effect of preventing the bolt from loosening is obtained, and the fastening reliability is improved.
[実施の形態5]
図12は、実施の形態5の半導体装置の構成を示す断面図である。
[Embodiment 5]
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device of the fifth embodiment.
図12を参照して、実施の形態5の半導体装置は、熱伝導性の良いセラミック基板202と、セラミック基板202の下面にロウ付けされたアルミニウムまたは銅等の電極パターン210と、セラミック基板202の上面に設けられたポーラス金属層204と、ポーラス金属層204に圧接された半導体チップ206と、半導体チップ206の上面に圧接される上部ブロック電極208とを含む。
Referring to FIG. 12, the semiconductor device of the fifth embodiment includes a
セラミック基板202、電極パターン210、ポーラス金属層204は、従来のDBA(Direct Brazed Aluminum)またはDBC(Direct Brazed Copper)基板に相当する。
The
半導体チップ206は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やサイリスタ等のパワー半導体素子である。
The
セラミック基板上の電極パターンや上部ブロック電極にポーラス金属を使用する。これにより、半導体チップと圧接時に問題となる接合面の製造公差内の寸法ばらつきをポーラス金属が塑性変形し吸収してやることができる。 Porous metal is used for the electrode pattern on the ceramic substrate and the upper block electrode. Thereby, the porous metal plastically deforms and absorbs the dimensional variation within the manufacturing tolerance of the joint surface which becomes a problem at the time of press contact with the semiconductor chip.
また、圧接するので従来接合に必要であったはんだ層を設けなくても良くなる。 Further, since the pressure welding is performed, it is not necessary to provide a solder layer which has been necessary for conventional joining.
図12では、1つの半導体チップを搭載する例を示したが、たとえば複数の部品をセラミック基板上に搭載する場合には、間にポーラス金属層を介在させることで、圧接時に複数部品間の寸法ばらつきをポーラス金属層で吸収することもできる。 FIG. 12 shows an example in which one semiconductor chip is mounted. For example, when a plurality of components are mounted on a ceramic substrate, a dimension between the plurality of components at the time of pressure contact is obtained by interposing a porous metal layer therebetween. Variations can be absorbed by the porous metal layer.
また、放熱に関しても実施の形態1〜4と同様に密着性が良くなり基板や電極と半導体チップとの間の熱抵抗を減らすことができ、放熱の効率が向上する。 In addition, with respect to heat dissipation, as in the first to fourth embodiments, the adhesion is improved, the thermal resistance between the substrate or electrode and the semiconductor chip can be reduced, and the efficiency of heat dissipation is improved.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1〜7,1A〜1D 半導体装置、11〜18,11A〜11C,12A〜12C マイクロチャネル冷却器、20 冷却器本体、21,22,52,58 めっき層、32,36,38,82,86,88,102,106,108 電極、34,84,104,206 半導体チップ、40,42 はんだ層、44,94,110 ワイヤ、46,96,112 樹脂部、48,54 無機硬質膜、50,56 緩衝層、61,62,72,74 絶縁層、90,92,98,99,204 ポーラス金属層、100,100A〜100C 冷却器付半導体装置、120 空孔、202 セラミック基板、208 上部ブロック電極、210 電極パターン。
1-7, 1A-1D Semiconductor device, 11-18, 11A-11C, 12A-12C Microchannel cooler, 20 cooler body, 21, 22, 52, 58 plating layer, 32, 36, 38, 82, 86 , 88, 102, 106, 108 electrode, 34, 84, 104, 206 semiconductor chip, 40, 42 solder layer, 44, 94, 110 wire, 46, 96, 112 resin part, 48, 54 inorganic hard film, 50, 56 Buffer layer, 61, 62, 72, 74 Insulating layer, 90, 92, 98, 99, 204 Porous metal layer, 100, 100A to 100C Semiconductor device with cooler, 120 Air hole, 202 Ceramic substrate, 208
Claims (15)
前記半導体チップの第1の主面に接続され、第1の放熱面を有する第1の伝熱部材と、
前記半導体チップを収容し、前記第1の伝熱部材を支持する樹脂部とを含み、
前記第1の放熱面は、前記樹脂部の表面よりも突出する、半導体装置。 A flat semiconductor chip;
A first heat transfer member connected to the first main surface of the semiconductor chip and having a first heat dissipation surface;
A resin part that houses the semiconductor chip and supports the first heat transfer member;
The semiconductor device, wherein the first heat dissipation surface protrudes from the surface of the resin portion.
前記半導体チップに電気的に接続される電極と、
前記電極と前記めっき層とを電気的に絶縁する絶縁層とを含む、請求項2に記載の半導体装置。 The first heat transfer member is
An electrode electrically connected to the semiconductor chip;
The semiconductor device according to claim 2, further comprising an insulating layer that electrically insulates the electrode from the plating layer.
前記樹脂部は、前記第2の放熱面が前記樹脂部の表面よりも突出するように前記第2の伝熱部材をさらに支持する、請求項1に記載の半導体装置。 A second heat transfer member connected to the second main surface of the semiconductor chip and having a second heat dissipation surface;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the resin portion further supports the second heat transfer member such that the second heat radiating surface protrudes from a surface of the resin portion.
前記半導体チップの第1の主面に接続され、第1の放熱面を有する第1の伝熱部材と、
前記第1の放熱面に接合された冷却器と、
前記半導体チップを収容し、前記第1の伝熱部材を支持する樹脂部とを含み、
前記第1の放熱面は、前記樹脂部の表面よりも突出する、冷却器付半導体装置。 A flat semiconductor chip;
A first heat transfer member connected to the first main surface of the semiconductor chip and having a first heat dissipation surface;
A cooler joined to the first heat dissipation surface;
A resin part that houses the semiconductor chip and supports the first heat transfer member;
The semiconductor device with a cooler, wherein the first heat dissipation surface protrudes from the surface of the resin portion.
前記半導体チップに電気的に接続される電極と、
前記電極と前記めっき層とを電気的に絶縁する絶縁層とを含む、請求項7に記載の冷却器付半導体装置。 The first heat transfer member is
An electrode electrically connected to the semiconductor chip;
The semiconductor device with a cooler according to claim 7, comprising an insulating layer that electrically insulates the electrode from the plating layer.
前記樹脂部は、前記第2の放熱面が前記樹脂部の表面よりも突出するように前記第2の伝熱部材をさらに支持し、
前記冷却器は、前記第2の放熱面にさらに接合される、請求項7に記載の冷却器付半導体装置。 A second heat transfer member connected to the second main surface of the semiconductor chip and having a second heat dissipation surface;
The resin part further supports the second heat transfer member such that the second heat radiating surface protrudes from the surface of the resin part,
The semiconductor device with a cooler according to claim 7, wherein the cooler is further joined to the second heat radiation surface.
ポーラス金属で形成され、前記半導体チップの第1の主面に接続される第1の伝熱部材とを備え、
前記第1の伝熱部材は、前記半導体チップに加圧されることにより塑性変形した第1の接続面を有する、半導体装置。 A flat semiconductor chip;
A first heat transfer member formed of a porous metal and connected to the first main surface of the semiconductor chip;
The first heat transfer member has a first connection surface that is plastically deformed by being pressed against the semiconductor chip.
前記第2の伝熱部材は、前記半導体チップに加圧されることにより塑性変形した第2の接続面を有する、請求項12に記載の半導体装置。 A second heat transfer member formed of a porous metal and connected to the second main surface of the semiconductor chip;
The semiconductor device according to claim 12, wherein the second heat transfer member has a second connection surface that is plastically deformed by being pressed by the semiconductor chip.
ポーラス金属で形成され、前記半導体素子に電気的に接続され前記半導体チップと外部との間で高周波信号の授受を行なうためのバスバーとを備える、半導体装置。 A semiconductor element;
A semiconductor device comprising: a bus bar formed of a porous metal, electrically connected to the semiconductor element, and for transmitting and receiving a high-frequency signal between the semiconductor chip and the outside.
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US9059145B2 (en) | 2011-08-25 | 2015-06-16 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Power module, method for manufacturing power module, and molding die |
JP2017017228A (en) * | 2015-07-02 | 2017-01-19 | トヨタ自動車株式会社 | Semiconductor device |
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