JP2007324351A - Pressure-contact semiconductor module - Google Patents

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JP2007324351A JP2006152406A JP2006152406A JP2007324351A JP 2007324351 A JP2007324351 A JP 2007324351A JP 2006152406 A JP2006152406 A JP 2006152406A JP 2006152406 A JP2006152406 A JP 2006152406A JP 2007324351 A JP2007324351 A JP 2007324351A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve reliability in cooling/heating cycles and resistance to pressure, while enhancing cooling efficiency. <P>SOLUTION: A cooling fin 17 is formed into a columnar structure whose cross section has a perfect_circle shape with a diameter D, and whose column length is 5 mm. The coolings fin are arranged in a grid form at a fin pitch of 1.25D, 1.5D, 2D or 3D, in a channel 20 circulating cooling water of a cooler 16 so as to cool an IGBT 12 and a diode 13 by heat exchanging between the cooling fins 17 and the cooling water. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、発熱性のIGBT等の半導体素子が外部の加圧装置による圧接により実装された圧接型の半導体モジュールに関する。   The present invention relates to a pressure contact type semiconductor module in which a semiconductor element such as an exothermic IGBT is mounted by pressure contact with an external pressure device.

従来、外部の加圧装置により圧接してIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体素子が実装された圧接型の半導体装置としては、半導体素子の両側に冷却用部材として導電面を兼ねた伝熱面を備えた半導体装置が知られており、この半導体装置では、伝熱面の一方は平形半導体素子に、他方は平形半導体素子もしくは支持具の一部分である絶縁部材に当接するように積層して組み合わされている(例えば、特許文献1参照)。この積層された冷却用部材はフレオンなどの低沸点有機冷媒中に浸漬され、冷媒の沸騰によって冷却されるようになっている。   Conventionally, as a pressure contact type semiconductor device in which a semiconductor element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is mounted by pressure contact with an external pressure device, heat transfer that also serves as a conductive surface as a cooling member on both sides of the semiconductor element A semiconductor device having a surface is known. In this semiconductor device, one of the heat transfer surfaces is laminated to a flat semiconductor element, and the other is laminated to a flat semiconductor element or an insulating member that is a part of a support. They are combined (see, for example, Patent Document 1). The laminated cooling members are immersed in a low-boiling organic refrigerant such as Freon and cooled by boiling of the refrigerant.

近年は、環境問題が重要視されるようになり、環境負荷物質(オゾン層破壊物質)であるフレオンの使用が規制されることとなり、冷媒中に浸漬される圧接型の半導体装置の使用も見直される傾向にある。そのため、圧接型の半導体装置として、冷媒中に浸漬する方式から、ヒートパイプを用いて冷却する方式への転換が図られてきている(例えば、特許文献2参照)。従来の、ヒートパイプを用いて冷却する方式では、ヒートパイプの熱輸送力を利用して廃熱を行なっている。   In recent years, environmental issues have become more important and the use of Freon, an environmentally hazardous substance (ozone-depleting substance), has been regulated, and the use of pressure-contact type semiconductor devices immersed in refrigerant has also been reviewed. It tends to be. For this reason, as a pressure-contact type semiconductor device, a conversion from a method of immersing in a refrigerant to a method of cooling using a heat pipe has been attempted (for example, see Patent Document 2). In the conventional method of cooling using a heat pipe, waste heat is performed using the heat transporting power of the heat pipe.

一方、パワーモジュールをはじめとする半導体装置は、自動車に広く用いられている。半導体装置を車載する場合、半導体装置はエンジンルームに搭載されるのが一般的である。また、その搭載位置は例えば、大出力を有するTHS(トヨタハイブリッドシステム)等においては、エンジンの横に並んで併設されたインバータケースの内部が一般的である。   On the other hand, semiconductor devices including power modules are widely used in automobiles. When mounting a semiconductor device on a vehicle, the semiconductor device is generally mounted in an engine room. For example, in a THS (Toyota Hybrid System) having a large output, the mounting position is generally inside an inverter case arranged side by side next to the engine.

しかしながら、将来的にはパワーモジュールの小型化やモーターに近い位置あるいはモーター・ハウジングへの搭載などにより、ワイヤーハーネス等の削減、省スペース化などと共に、低コスト化を図る方向に移行していくことが考えられる。すなわち、エンジンルーム内でも、現行の最も外気を取り入れることができて熱の排出に適した位置であるラジエターに近い位置から、よりモーターに近くむしろラジエターから遠い位置に半導体装置の装着位置が変わってくることが考えられる。このように、半導体装置の装着位置がモーターに近い位置になると、途中にエンジン本体のほか、多数の部品が入り組んで配置されているため、その経路は曲がりくねった構造となる。そのため、曲がりくねった経路を使って車載しようとすると、ヒートパイプを曲げる必要がある。
特公昭51−47576号公報 特公平7−27996号公報
However, in the future, by reducing the size of the power module, mounting it near the motor or mounting it in the motor / housing, etc., we will move toward reducing costs while reducing wire harnesses, saving space, etc. Can be considered. In other words, even in the engine room, the mounting position of the semiconductor device has changed from a position close to the radiator, which is the most suitable position for exhausting heat and being close to the motor, to a position farther from the radiator than the motor. It is possible to come. As described above, when the mounting position of the semiconductor device is close to the motor, a large number of parts are arranged in addition to the engine body on the way, so that the path has a winding structure. Therefore, when trying to mount a vehicle using a winding path, it is necessary to bend the heat pipe.
Japanese Patent Publication No. 51-47576 Japanese Patent Publication No. 7-27996

ヒートパイプは、自由に曲げることが可能な反面、屈曲回数と共に熱輸送力が低下することが知られている。ヒートパイプの熱輸送力は、内部に封入された作動液および内部のウイック(ヒートパイプの溝または金属繊維で、毛細管現象を利用して作動液の循環を行なう)形状並びに、ヒートパイプの径に依存する。ところが、作動液は、目的とする使用温度に対して適切な系(室温付近では水またはアンモニア、高温ではナフタリン等)が選択されるべきものであり、したがってその目的や環境温度によって決定されるため選択の余地は少なく、ウイック等もまた、現在工業的に充分に検討されたものが採用されており、性能およびコストを勘案すると変更の余地は少ないのが実状である。   It is known that the heat pipe can be bent freely, but the heat transport force decreases with the number of bendings. The heat transport capacity of the heat pipe depends on the shape of the working fluid enclosed in the inside and the wick inside (circulating the working fluid using capillarity using heat pipe grooves or metal fibers) and the diameter of the heat pipe. Dependent. However, for the hydraulic fluid, an appropriate system (water or ammonia near room temperature, naphthalene at high temperature, etc.) should be selected for the intended use temperature, and is therefore determined by its purpose and environmental temperature. There is little room for selection, and wicks, etc., that have been well studied industrially are currently used, and there is little room for change in consideration of performance and cost.

したがって、屈曲に伴なう熱輸送力の低下を補うためには、ヒートパイプの径を大きくする以外ないが、省スペース化や低コスト化に逆行することとなり望ましくない。しかも、作動液がウイック内を還流するためには、毛細管圧力(界面張力)のみならず、重力の影響も受けるため、発熱源が冷却部より下にあることが一般的には望ましい。
しかし、上記のように車載する場合のヒートパイプの屈曲は複雑になることを想定すると、特に途中の経路の屈曲部位において必ずしも上下関係を保った構造を確保することはできず、熱輸送力の低下をさらに増長する可能性がある。
Therefore, in order to compensate for the decrease in heat transport force accompanying bending, the diameter of the heat pipe must be increased, but this is not desirable because it goes against space saving and cost reduction. Moreover, in order for the hydraulic fluid to recirculate in the wick, not only the capillary pressure (interfacial tension) but also the influence of gravity is exerted. Therefore, it is generally desirable that the heat generating source is below the cooling section.
However, assuming that the bending of the heat pipe in the case of being mounted on the vehicle as described above is complicated, it is not always possible to secure a structure in which the vertical relationship is maintained at the bent portion of the route in the middle, and the heat transport force There is a possibility of further increasing the decline.

上記に対して、水冷方式の構造では、屈曲部位において圧力損失が発生する可能性はあるものの、ポンプ能力を高めることにより、冷却水配管の径を大きくすることなく、圧力損失に相当する分を補償することが可能である。   On the other hand, in the water-cooled structure, there is a possibility that pressure loss may occur at the bent part, but by increasing the pump capacity, the amount corresponding to the pressure loss can be reduced without increasing the diameter of the cooling water pipe. It is possible to compensate.

したがって、水冷の圧接型半導体モジュールに構成した場合には、圧接型構造特有の高信頼性や部品交換性を取り入れることが可能になり、自動車に搭載する場合の省スペース化、低コスト化に対する大幅な改善が期待される。   Therefore, when it is configured as a water-cooled pressure-contact type semiconductor module, it is possible to incorporate the high reliability and parts replacement characteristic unique to the pressure-contact type structure, which greatly reduces the space and cost when mounted on an automobile. Improvement is expected.

また、圧接型の半導体モジュールでは、冷却構造が圧接時における圧力に耐える構造であることが重要であり、構造上耐圧性能の向上も求められている。   In addition, in a pressure-contact type semiconductor module, it is important that the cooling structure is a structure that can withstand the pressure during pressure contact, and an improvement in pressure resistance performance is also required for the structure.

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、冷却効率が高く、冷熱サイクルの信頼性および耐圧性に優れた圧接型半導体モジュールを提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a pressure contact type semiconductor module having high cooling efficiency and excellent reliability and pressure resistance of a thermal cycle, and to achieve the object. To do.

上記目的を達成するために、本発明の圧接型半導体モジュールは、半導体素子が配線用金属板の上に圧接により実装されたものであり、半導体素子と、前記半導体素子が配され、前記半導体素子に電力供給する配線用金属板と、下記条件(1)〜(3)のいずれかを満たす柱状構造の熱伝導フィンを有し、前記熱伝導フィンでの熱交換により少なくとも前記半導体素子を冷却する冷却器と、前記配線用金属板と前記冷却器との間に配され、前記半導体素子及び前記冷却器を電気的に絶縁する絶縁部材とを備えている。
《条件》
(1)0.1mm≦最大径D≦1.0mm、かつD≦フィンピッチS≦1.25D
(2)0.2mm≦最大径D≦0.5mm、かつ1.25D<フィンピッチS≦1.5D
(3)0.2mm≦最大径D<0.3mm、かつ1.5D<フィンピッチS≦2.0D
In order to achieve the above object, a pressure contact type semiconductor module according to the present invention includes a semiconductor element mounted on a wiring metal plate by pressure contact, the semiconductor element and the semiconductor element arranged, and the semiconductor element A metal plate for wiring for supplying power to the substrate and a heat conductive fin having a columnar structure satisfying any of the following conditions (1) to (3), and at least the semiconductor element is cooled by heat exchange with the heat conductive fin: A cooler, and an insulating member that is disposed between the wiring metal plate and the cooler and electrically insulates the semiconductor element and the cooler.
"conditions"
(1) 0.1 mm ≦ maximum diameter D ≦ 1.0 mm and D ≦ fin pitch S ≦ 1.25D
(2) 0.2 mm ≦ maximum diameter D ≦ 0.5 mm and 1.25D <fin pitch S ≦ 1.5D
(3) 0.2 mm ≦ maximum diameter D <0.3 mm and 1.5 D <fin pitch S ≦ 2.0 D

ここで、最大径Dは、柱状構造のフィンの柱の長さ方向を垂線とする断面の最大長さ(例えば、断面真円の円柱構造の場合は円形断面の直径、断面楕円の円柱構造の場合は楕円形断面の最大直径、断面正三角形の三角柱もしくは断面正方形の四角柱等の角柱構造の場合は各々最大辺の長さもしくは対角線の長さ)である。また、フィンピッチSは、柱状構造の各フィンの、柱の長さ方向を垂線とする断面の中心を通る中心線と中心線との間の最短距離である。   Here, the maximum diameter D is the maximum length of a cross section perpendicular to the length direction of the pillars of the fins of the columnar structure (for example, in the case of a cylindrical structure with a perfectly circular section, the diameter of the circular section, In the case of a prismatic structure such as a triangular column having a regular triangular section or a square column having a square section, the maximum side length or diagonal length in each case. The fin pitch S is the shortest distance between the center line and the center line passing through the center of the cross section of each fin of the columnar structure with the length direction of the column as a perpendicular.

本発明の圧接型半導体モジュールにおいては、熱交換のためのフィンとして、前記条件(1)〜(3)に示すフィンの径(例えば、円柱では直径、楕円柱では最大直径)および配置(フィンの配置間隔)を満たす柱状構造の熱伝導フィンを設けることで、フィンを微細にして例えば冷媒を流通する流路、小さい動力で循環可能な循環容易さを確保し、熱伝達が高められるので、フィンでの熱交換効率を高く保持でき、半導体素子の冷却能力が向上すると共に、例えば冷媒の流量が少なく熱交換し難い場合でも、高効率に冷却が行なえ、冷熱サイクルの信頼性が高められる。また、前記条件のフィンの直径および配置(配置間隔)を満たす柱状構造に構成されるので、半導体素子を外部から加圧して圧接する際の外圧による変形を抑え得る耐圧性能をも有する。
また、本発明の圧接型半導体モジュールでは、構成上、部品点数も低減できる。
In the pressure-contact type semiconductor module of the present invention, the fin diameter (for example, the diameter for a cylinder, the maximum diameter for an elliptical cylinder) and the arrangement (fins of fins) shown in the above conditions (1) to (3) are used as fins for heat exchange. By providing columnar-structured heat conduction fins that satisfy the arrangement interval), the fins are made finer, for example, a flow path for circulating the refrigerant, a circulation ease that can be circulated with a small power, and heat transfer are enhanced. The heat exchange efficiency of the semiconductor device can be kept high, and the cooling capacity of the semiconductor element can be improved. For example, even when the flow rate of the refrigerant is small and heat exchange is difficult, cooling can be performed with high efficiency and the reliability of the cooling cycle can be improved. Further, since it is configured in a columnar structure that satisfies the fin diameter and arrangement (arrangement interval) of the above conditions, it also has a pressure resistance performance that can suppress deformation due to external pressure when the semiconductor element is pressed from outside.
Moreover, in the press-contact type semiconductor module of the present invention, the number of parts can be reduced due to the configuration.

なお、本発明の圧接型半導体モジュールは、半導体素子が外圧を加えて圧接して実装されたものであるので、電極をはじめとする半導体素子と接するモジュール部材の線膨張と半導体素子の線膨張との差をすべりにより緩和することが可能であり、冷熱サイクルにおける信頼性に優れている。   In addition, since the pressure contact type semiconductor module of the present invention is a semiconductor element mounted with pressure applied by applying external pressure, the linear expansion of the module member in contact with the semiconductor element including the electrode and the linear expansion of the semiconductor element This difference can be mitigated by slipping, and is excellent in reliability in the thermal cycle.

本発明の圧接型半導体モジュールは、前記冷却器を冷媒が流通する中空部を設けて構成し、この中空部に熱伝導フィンを配設して、中空部を流通する冷媒との間で熱交換すると共に、冷却器の形状を保持可能なように構成することができる。   In the press-contact type semiconductor module of the present invention, the cooler is configured by providing a hollow portion through which a refrigerant flows, and heat conduction fins are provided in the hollow portion to exchange heat with the refrigerant flowing through the hollow portion. In addition, the shape of the cooler can be maintained.

冷却器の中空部に前記条件のフィンの径および配置を満たす柱状構造の熱伝導フィンが設けられることで、小さい動力でも冷媒の流通、循環を良好に行なえ、半導体素子の冷却を高効率に行なうことができる。また、中空部形状、ひいてはモジュール形状の圧接による圧力変形を防止できる。   By providing heat conductive fins with columnar structures that satisfy the fin diameter and arrangement of the above conditions in the hollow part of the cooler, the refrigerant can be circulated and circulated satisfactorily even with small power, and the semiconductor element can be cooled with high efficiency. be able to. Further, it is possible to prevent pressure deformation due to the press-contact of the hollow portion shape, and thus the module shape.

熱伝導フィンは、円柱構造及び/又は角柱構造に構成された形態が望ましい。円柱構造には、真円、楕円が含まれ、角柱構造には、三角柱、四角柱、六角柱等の多角柱が含まれる。前記熱伝導フィンを円柱や角柱構造に構成すると、作製が容易であると共に、熱交換効率(すなわち半導体素子の冷却効率)を高く保持しながら、モジュールの外圧に対する耐圧強度を高度に確保することができる。   The heat conductive fins are preferably configured in a cylindrical structure and / or a prismatic structure. The cylindrical structure includes a perfect circle and an ellipse, and the prismatic structure includes a polygonal column such as a triangular column, a quadrangular column, and a hexagonal column. If the heat conducting fins are formed in a cylindrical or prismatic structure, it is easy to manufacture, and while maintaining high heat exchange efficiency (that is, cooling efficiency of the semiconductor element), it is possible to secure a high pressure strength against the external pressure of the module. it can.

また、熱伝導フィンは、冷却能力に対するフィン効率の点で、柱の長さ方向(柱長方向)の長さを0.1〜20mmの範囲(より好ましくは0.3〜10mmの範囲)とすることが好ましい。特に好ましくは、2D〜4Dである。   In addition, the heat conduction fin has a length in the column length direction (column length direction) in the range of 0.1 to 20 mm (more preferably in the range of 0.3 to 10 mm) in terms of fin efficiency with respect to the cooling capacity. It is preferable to do. Especially preferably, it is 2D-4D.

本発明の圧接型半導体モジュールを構成する絶縁部材は、熱伝導性が高く線膨張係数の小さい、具体的には、線膨張係数が3×10−6/Kないし1×10−5/K、より好ましくは3×10−6/Kないし7×10−6/Kであるセラミックスを用いて構成することができる。このセラミックスを用いると、発熱する半導体素子との間の熱膨張係数を小さくすることができ、伝熱効率の向上と熱変形防止が可能であるので、半導体素子の冷却効率を高めると共に、熱応力による反りの抑制に効果的であり、モジュールの信頼性を向上できる。 The insulating member constituting the pressure contact type semiconductor module of the present invention has a high thermal conductivity and a small coefficient of linear expansion. Specifically, the coefficient of linear expansion is 3 × 10 −6 / K to 1 × 10 −5 / K, More preferably, it can be formed using ceramics of 3 × 10 −6 / K to 7 × 10 −6 / K. When this ceramic is used, the coefficient of thermal expansion between the semiconductor element that generates heat can be reduced, and the heat transfer efficiency can be improved and thermal deformation can be prevented. This is effective in suppressing warpage and can improve the reliability of the module.

前記セラミックスの中でも、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化シリコーン、酸化シリコーン、酸化ベリリウム、及びシリコーンカーバイドから選択される一種もしくは二種以上を用いて構成されることが好ましい。   Among the ceramics, it is preferable to use one or two or more kinds selected from aluminum nitride, aluminum oxide, silicone nitride, silicone oxide, beryllium oxide, and silicone carbide.

また、本発明の圧接型半導体モジュールを構成する配線用金属板は、熱伝導率が17W/m・K以上であって比抵抗が1×10−5Ω・cm以下である金属を用いて構成されることが好ましい。半導体素子が配設される配線用基板は、半導体素子の発熱で直接的に温度上昇しやすいが、伝熱効率と電気伝導性とを確保できるので、半導体素子の冷却効率を高め、熱応力による反りを抑えると同時に、素子の動作性能を良好に保ち得る点で有効である。 The wiring metal plate constituting the pressure contact type semiconductor module of the present invention is made of a metal having a thermal conductivity of 17 W / m · K or more and a specific resistance of 1 × 10 −5 Ω · cm or less. It is preferred that The wiring board on which the semiconductor element is disposed is likely to rise in temperature directly due to the heat generated by the semiconductor element, but since heat transfer efficiency and electrical conductivity can be ensured, the cooling efficiency of the semiconductor element is improved and the warp due to thermal stress At the same time, it is effective in that the operation performance of the element can be kept good.

上記のような金属中でも、配線用金属板は、銅、アルミニウム、タングステン、及びモリブデンから選択される少なくとも一種を用いて構成されることが好ましい。   Among the above metals, the wiring metal plate is preferably configured using at least one selected from copper, aluminum, tungsten, and molybdenum.

本発明によれば、冷却効率が高く、冷熱サイクルの信頼性および耐圧性に優れた圧接型半導体モジュールを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a pressure contact type semiconductor module that has high cooling efficiency and is excellent in the reliability and pressure resistance of a cooling cycle.

以下、図面を参照して、本発明の圧接型半導体モジュールの実施形態を説明する。但し、本発明においてはこれら実施形態に制限されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the pressure contact type semiconductor module of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments.

本実施形態の圧接型半導体モジュールは、絶縁膜の素子が設けられている側と反対側に所定間隔で円柱構造のフィンを設けると共に、冷却水を流してフィンとの間で熱交換して素子の冷却が可能なように構成されたものである。   The pressure contact type semiconductor module according to the present embodiment is provided with fins having a cylindrical structure at a predetermined interval on the side opposite to the side where the elements of the insulating film are provided, and by flowing cooling water to exchange heat with the fins. It is configured to be capable of cooling.

本実施形態の半導体モジュールは、図1に示すように、配線用金属板であるCu配線板11と、このCu配線板11に圧接して配置された半導体素子であるIGBT12およびダイオード13と、Cu配線板11の半導体素子が配置されていない側に当接された絶縁膜(絶縁部材)であるグリーンシート14と、グリーンシート14のCu配線板11と当接しない側に形成された冷却器16とを備えている。   As shown in FIG. 1, the semiconductor module of this embodiment includes a Cu wiring board 11 that is a wiring metal plate, IGBTs 12 and diodes 13 that are semiconductor elements placed in pressure contact with the Cu wiring board 11, Cu A green sheet 14 that is an insulating film (insulating member) that is in contact with the side of the wiring board 11 where the semiconductor element is not disposed, and a cooler 16 that is formed on the side of the green sheet 14 that does not contact the Cu wiring board 11. And.

Cu配線板11は、長さ30mm×幅15mm×厚み0.3mmの銅板からなり、この銅板の表面にIGBT12およびダイオード13(半導体素子)が圧接されると共に、外部電源と導通されて、IGBT12およびダイオード13に電流を供給し作動させることができるようになっている。   The Cu wiring board 11 is made of a copper plate having a length of 30 mm, a width of 15 mm and a thickness of 0.3 mm. The IGBT 12 and the diode 13 (semiconductor element) are pressed against the surface of the copper plate, and are electrically connected to an external power source. The diode 13 can be operated by supplying a current.

配線用金属板は、電気的に良導性の金属材料から目的等に応じて適宜選択して構成することができ、銅板以外に、例えば、アルミニウム、タングステン、モリブデン、銅およびタングステンまたはモリブデンからなる複合材料などを用いることができる。   The wiring metal plate can be appropriately selected and configured from an electrically conductive metal material according to the purpose and the like, and includes, for example, aluminum, tungsten, molybdenum, copper and tungsten or molybdenum in addition to the copper plate. A composite material or the like can be used.

好ましくは、熱伝導率が17W/m・K以上の金属材料であり、伝熱効率を確保し、IGBT12およびダイオード13の冷却効率を高め、熱応力による反りを回避する点で、銅やアルミニウム、タングステン、及びモリブデンなどが好ましい。また、比抵抗が1×10−5Ω・cm以下の金属材料が好ましく、熱伝導率と電気伝導性を確保し、素子の動作性能を良好に保つ点でも、銅、アルミニウム、タングステン、及びモリブデンがより好ましく、特に好ましくは銅、アルミニウムである。 Preferably, it is a metal material having a thermal conductivity of 17 W / m · K or more, ensuring heat transfer efficiency, increasing the cooling efficiency of the IGBT 12 and the diode 13, and avoiding warping due to thermal stress, such as copper, aluminum, tungsten And molybdenum are preferred. In addition, a metal material having a specific resistance of 1 × 10 −5 Ω · cm or less is preferable, and copper, aluminum, tungsten, and molybdenum are also used from the viewpoint of ensuring thermal conductivity and electrical conductivity and maintaining the operation performance of the element. Are more preferable, and copper and aluminum are particularly preferable.

Cu配線板の板厚としては、特に制限はないが、通常0.1〜0.5mm程度であり、配線抵抗および熱応力の点で0.2〜0.4mmが好ましい範囲である。なお、Cu配線板の厚み以外のサイズについては、目的等に応じて適宜選択すればよい。   Although there is no restriction | limiting in particular as board | plate thickness of Cu wiring board, Usually, it is about 0.1-0.5 mm, and 0.2-0.4 mm is a preferable range at the point of wiring resistance and a thermal stress. In addition, what is necessary is just to select suitably about sizes other than the thickness of Cu wiring board according to the objective.

このCu配線板11の上には、図1に示すように、IGBT1個とダイオード1個とが設けられており、インバータを形成するために必要な最小単位であるユニットが構成されている。   On this Cu wiring board 11, as shown in FIG. 1, one IGBT and one diode are provided, and a unit which is a minimum unit necessary for forming an inverter is configured.

IGBTおよびダイオードは、市販のものを適宜選択して用いることができる。
また、例えばハイブリッド車等に用いる三相インバータの場合には、図4に示すように、このユニット2個を直列したもの(アーム)3組(またはその倍数)を並列に組んで構成されている。
A commercially available IGBT and diode can be appropriately selected and used.
Further, for example, in the case of a three-phase inverter used for a hybrid vehicle or the like, as shown in FIG. 4, the unit is composed of three units (arms) in series (or multiples thereof) in parallel. .

グリーンシート14は、焼成後において比抵抗が1×1012Ω・cm以上の絶縁性を有する絶縁膜であり、長さ35mm×幅20mm×厚み0.6mmのサイズに構成されている。このグリーンシートによって、IGBTおよびダイオードが配設されたCu配線板11と冷却器16とが電気的に絶縁されるようになっている。 The green sheet 14 is an insulating film having an insulating property of a specific resistance of 1 × 10 12 Ω · cm or more after firing, and is configured to have a size of length 35 mm × width 20 mm × thickness 0.6 mm. By this green sheet, the Cu wiring board 11 provided with the IGBT and the diode and the cooler 16 are electrically insulated.

グリーンシート14の厚みは、材質や絶縁性能、強度などを考慮して0.3〜1.0mmの範囲で選択することができる。   The thickness of the green sheet 14 can be selected in the range of 0.3 to 1.0 mm in consideration of the material, insulation performance, strength, and the like.

グリーンシート14は、窒化アルミニウムの粉末、ポリビニルブチラール等の有機結合剤、ジブチルフタレート等の可塑剤、およびトルエン等の有機溶剤等を混合して混錬し、得られた泥漿をドクターブレードによって均一な厚さになるように板状に延ばし、焼成後の厚みが0.635mmとなる厚みに形成されたシートを作製した後、このシートを裁断し、型を用いてプレス等の型抜きを行なうことによりシート状に成形して作製することができる。
なお、グリーンシートは、乾燥・脱脂・焼成により、10〜20%寸法が収縮するため、予め所望の厚さより厚く形成しておくことが望ましい。
The green sheet 14 is obtained by mixing and kneading an aluminum nitride powder, an organic binder such as polyvinyl butyral, a plasticizer such as dibutyl phthalate, and an organic solvent such as toluene, and the obtained slurry is uniformly mixed with a doctor blade. The sheet is formed so as to have a thickness and the sheet is formed to a thickness of 0.635 mm after firing, and then the sheet is cut and die-cut such as a press is performed using a mold. Can be formed into a sheet shape.
In addition, since a green sheet shrink | contracts 10 to 20% by drying, degreasing, and baking, it is desirable to form thicker than desired thickness beforehand.

本実施形態のグリーンシート14は、上記のようにして予めシート状に成形したグリーンシートを、まず温度900℃以下の温度で加熱して乾燥、脱脂を行ない、続いて1600〜1900℃の温度領域で5時間焼成を行なうことによって作製されたものである。その後は、表面を酸素雰囲気下、1200℃以下の温度で酸化し、酸化アルミニウムの被膜が形成される。   The green sheet 14 of the present embodiment is a green sheet previously formed into a sheet shape as described above, first heated at a temperature of 900 ° C. or less, dried and degreased, and subsequently in a temperature range of 1600 to 1900 ° C. It was produced by baking for 5 hours. Thereafter, the surface is oxidized in an oxygen atmosphere at a temperature of 1200 ° C. or lower to form an aluminum oxide film.

グリーンシート(絶縁部材)には、上記の窒化アルミニウム以外に、熱伝導性が高く線膨張係数の小さいセラミックス材の中から選択して好適に用いることができる。前記セラミックス材としては、窒化アルミニウムのほか、例えば、酸化アルミニウム、窒化シリコーン、酸化シリコーン、酸化ベリリウム、シリコーンカーバイドなどが挙げられ、目的等に応じて一種もしくは二種以上を選択して用いることができる。   For the green sheet (insulating member), in addition to the above aluminum nitride, it can be suitably selected from ceramic materials having high thermal conductivity and a small linear expansion coefficient. As the ceramic material, in addition to aluminum nitride, for example, aluminum oxide, silicone nitride, silicone oxide, beryllium oxide, silicone carbide and the like can be used, and one or more kinds can be selected and used depending on the purpose and the like. .

グリーンシート14のCu配線板11と当接しない素子非形成面側には、図1に示すようにグリーンシート14と後記の冷却フィン17との間に介在するようにして、グリーンシートおよび冷却フィンを良好に接合し、あるいは線膨張係数のバランス(Cu配線板の対称面として)をとるための補正金属板15が設けられている。   As shown in FIG. 1, the green sheet 14 and the cooling fin 17 are interposed between the green sheet 14 and a cooling fin 17 described later on the element non-formation surface side of the green sheet 14 that does not contact the Cu wiring board 11. Are provided, or a correction metal plate 15 is provided to balance the linear expansion coefficient (as a symmetry plane of the Cu wiring board).

この補正金属板15は、長さ35mm×幅20mm×厚み0.3mmの銅板からなるものである。また、補正金属板は、銅板以外に、配線用金属板(ここではCu配線板)と同一または線膨張係数の近い金属板を用いて形成することが可能である。   The correction metal plate 15 is made of a copper plate having a length of 35 mm, a width of 20 mm, and a thickness of 0.3 mm. Further, the correction metal plate can be formed using a metal plate having the same coefficient of linear expansion as the metal plate for wiring (here, Cu wiring plate) in addition to the copper plate.

冷却器16は、補正金属板15のグリーンシート14と接しない側に、熱交換によりIGBTおよびダイオードを冷却するための冷却水が流通する流路20と、この流路20内に補正金属板15の表面と直角(90°)をなして碁盤目状に配設された複数本の冷却フィン17とを設けて構成したものである。ランダムに配設するようにしてもよい。   The cooler 16 has a flow path 20 through which cooling water for cooling the IGBT and the diode by heat exchange flows on the side of the correction metal plate 15 that does not contact the green sheet 14, and the correction metal plate 15 in the flow path 20. And a plurality of cooling fins 17 arranged in a grid pattern at right angles (90 °) to the surface of the substrate. You may make it arrange | position at random.

冷却フィン17の補正金属板の表面に対する配設角度については、必ずしも90°である必要はなく、フィン形状や流量その他目的等に応じて選択すればよいが、圧接時の圧力(応力)に耐え得る耐圧性を得る観点からは、補正金属板等の冷却フィンの接合面と冷却フィンの柱の長さ方向とのなす角度が90°±2°の範囲であることが好ましい。   The arrangement angle of the cooling fin 17 with respect to the surface of the correction metal plate does not necessarily need to be 90 °, and may be selected according to the fin shape, flow rate, and other purposes, but can withstand the pressure (stress) at the time of press contact. From the viewpoint of obtaining the pressure resistance to be obtained, it is preferable that the angle formed between the joint surface of the cooling fin such as the correction metal plate and the length direction of the column of the cooling fin is in the range of 90 ° ± 2 °.

流路20は、補正金属板15にその外周に沿うようにして、厚み5mmの銅板を用いて長さ35mm×幅20mmの4面からなる無端の矩形形状に形成された枠18を、厚み分の面で接合し、さらにこの接合面側と反対側の面に、厚さ1.0mmの銅板19を、パッキンを介して配置、固定することにより形成されたものである。
流路を形成する枠は、耐熱性の樹脂材料を用いて所定のサイズに成形して形成するようにしてもよい。耐熱性の樹脂材料には、例えば、ポリフェニレンサルファイドなどの熱可塑性樹脂を用いることができる。
The flow path 20 has a frame 18 formed in an endless rectangular shape consisting of four surfaces of 35 mm in length and 20 mm in width using a copper plate having a thickness of 5 mm so as to follow the outer periphery of the correction metal plate 15. In addition, the copper plate 19 having a thickness of 1.0 mm is disposed and fixed on the surface opposite to the bonding surface side via a packing.
The frame that forms the flow path may be formed by forming a predetermined size using a heat-resistant resin material. As the heat-resistant resin material, for example, a thermoplastic resin such as polyphenylene sulfide can be used.

図1に示すように、この枠18の互いに対向する2面には、それぞれテーパねじ継ぎ手が装着されており、冷却水を内部に供給するための流入口21と、熱交換して暖まった冷却水を外部に排出するための流出口22とが形成されており、流入口21から供給された冷却水が路内を流れて流出口22から外部に排出されることで、冷却水と熱交換してIGBTおよびダイオードの冷却が行なえるようになっている。   As shown in FIG. 1, taper screw joints are attached to the two opposite surfaces of the frame 18, respectively, and an inlet 21 for supplying cooling water to the inside and heat-cooled and warmed cooling. An outlet 22 for discharging water to the outside is formed, and the cooling water supplied from the inlet 21 flows through the passage and is discharged to the outside from the outlet 22 to exchange heat with the cooling water. Thus, the IGBT and the diode can be cooled.

冷却フィン17は、断面円形の銅線を長さ5mmに揃えて切断することにより、図2−(a)に示すように、断面が直径D(mm;本実施形態では0.1mm、0.2mm,0.3mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、5mm)の8種を作製した;下記表1参照)の真円形状で柱の長さLが5mmである円柱構造に成形されたものであり、補正金属板15の表面に、図3に示すように碁盤目状に、フィンピッチSが直径Dのn倍(nD;本実施形態では1.25倍(1.25D)、1.5倍(1.5D)、2倍(2D)、3倍(3D)の4種を作製した;下記表1参照)となるピッチ(Sn)で配置されている。   The cooling fin 17 is formed by aligning a copper wire having a circular cross section so as to have a length of 5 mm, and as shown in FIG. 8 mm (2 mm, 0.3 mm, 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 5 mm) were produced; see Table 1 below) and formed into a cylindrical structure with a column length L of 5 mm. As shown in FIG. 3, the fin pitch S is n times the diameter D (nD; 1.25 times (1.25D) in this embodiment) on the surface of the correction metal plate 15 as shown in FIG. Four types of 5 times (1.5D), 2 times (2D), and 3 times (3D) were prepared (see Table 1 below), and arranged at a pitch (Sn).

冷却フィンの直径Dについては、0.1〜1.0mmの範囲が好適であり、前記条件(1)〜(3)のいずれかを満たすように選択することができる。好ましくは、0.2〜0.5mmの範囲である。
また、冷却フィンの柱の長さ(柱長)は、0.1〜20mmが好ましく、0.2〜10mm(更には0.3〜10mm)がより好ましい。特に好ましくは、2D〜4Dである。
また、フィンピッチSは、1.5D以下が好ましく、1.25D以下がより好ましい。フィンピッチSの下限値はDである。
上記の条件(1)〜(3)の中でも、条件(1)または条件(2)、あるいは条件(1)を満たすことが好ましい。
About the diameter D of a cooling fin, the range of 0.1-1.0 mm is suitable, and it can select so that either of the said conditions (1)-(3) may be satisfy | filled. Preferably, it is the range of 0.2-0.5 mm.
Moreover, 0.1-20 mm is preferable and, as for the length (column length) of the column of a cooling fin, 0.2-10 mm (further 0.3-10 mm) is more preferable. Especially preferably, it is 2D-4D.
Further, the fin pitch S is preferably 1.5 D or less, and more preferably 1.25 D or less. The lower limit value of the fin pitch S is D.
Among the above conditions (1) to (3), it is preferable that the condition (1) or the condition (2) or the condition (1) is satisfied.

この冷却フィン17は、各冷却フィンの切断面(及び/又は補正金属板15及び/又は銅板19)にロウ材(例えば、銀ロウなど)等を塗布等して付与し、冷却フィンのロウ材等が付与された切断面を補正金属板15、銅板19と当接して、不活性雰囲気下、温度700℃以上の炉内でロウ付けにより接合することによって形成することができる。   The cooling fin 17 is applied by applying a brazing material (for example, silver brazing) or the like to the cut surface (and / or the correction metal plate 15 and / or the copper plate 19) of each cooling fin, and brazing the cooling fin. It is possible to form by cutting the cut surface provided with etc. into contact with the correction metal plate 15 and the copper plate 19 and joining by brazing in a furnace having a temperature of 700 ° C. or more in an inert atmosphere.

冷却フィンは、本実施形態のように断面真円の円柱構造に構成するほか、断面形状が、(i)楕円形や、(ii)正三角形(図2−(c)参照)、二等辺三角形、直角三角形などの三角形状、正方形(図2−(b)参照)、長方形、台形などの四角形、その他六角形、八角形など任意の多角形状から適宜選択して形成することができる。
また、冷却フィンは、同一形状のみで構成されてもよいし、複数の形状及び/又は径(断面円形のときは直径、断面が楕円形、多角形のときは最大長さ)のものを混在させて構成されてもよい。
The cooling fin has a cylindrical structure with a perfect cross section as in this embodiment, and the cross-sectional shape is (i) an ellipse, (ii) an equilateral triangle (see FIG. 2- (c)), or an isosceles triangle. In addition, a triangular shape such as a right triangle, a square (see FIG. 2B), a rectangle such as a rectangle and a trapezoid, and other polygonal shapes such as a hexagon and an octagon can be selected as appropriate.
In addition, the cooling fins may be configured only by the same shape, and a plurality of shapes and / or diameters (diameter when the cross section is circular, elliptical when the cross section is the maximum length when the polygon is a polygon) are mixed. May be configured.

冷却器16の流路20に流通する冷却水(冷媒)の流通速度については、特に制限はなく、通常は0.1〜10L/minが好ましい。前記条件(1)〜(3)を満たす場合には、前記範囲内であれば良好な冷却効率が得られる。   There is no restriction | limiting in particular about the distribution | circulation speed of the cooling water (refrigerant) which distribute | circulates the flow path 20 of the cooler 16, Usually, 0.1-10 L / min is preferable. When the conditions (1) to (3) are satisfied, good cooling efficiency can be obtained within the above range.

本実施形態の圧接型半導体モジュールは、以下のようにして作製することができる。
補正金属板15として用意した銅板(長さ35mm×幅20mm×厚み0.3mm)の表面に上記のように作製されたグリーンシート(絶縁板)14を、更にこのグリーンシート14の上にCu配線板11を重ねて平坦に置き、補正金属板側とCu配線板側とからタングステン製の枠で挟み、1060〜1070℃の銅−銅酸化物の共晶点において直接接合を行ない、積層基板を作製する。
The press contact type semiconductor module of this embodiment can be manufactured as follows.
A green sheet (insulating plate) 14 prepared as described above is formed on the surface of a copper plate (length 35 mm × width 20 mm × thickness 0.3 mm) prepared as the correction metal plate 15, and Cu wiring is further formed on the green sheet 14. The plate 11 is stacked and placed flat, sandwiched between a correction metal plate side and a Cu wiring board side by a tungsten frame, and directly bonded at a copper-copper oxide eutectic point of 1060 to 1070 ° C. Make it.

ここで、積層基板のCu配線板11に対して、フォトリソグラフィー法によりマスクを形成し、Cu配線板の表面のみが塩化第2鉄を主成分とするエッチング溶液に浸漬されるように配置してエッチングを行なうことにより、Cu配線板11に配線パターン(回路)を形成する。なお、エッチングの際には、補正金属板15のフィンが形成される側がエッチング液に浸漬されないように位置調整を行なうようにすることが重要である。   Here, a mask is formed on the Cu wiring board 11 of the multilayer substrate by photolithography, and only the surface of the Cu wiring board is disposed so as to be immersed in an etching solution mainly containing ferric chloride. By performing the etching, a wiring pattern (circuit) is formed on the Cu wiring board 11. In the etching, it is important to adjust the position so that the side of the correction metal plate 15 on which the fin is formed is not immersed in the etching solution.

次いで、円柱構造のフィンとして、直径が異なる8種(0.1mm、0.2mm,0.3mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、5mm)の銅線を用意し、それぞれを長さ5mmに揃えて切断する。このとき、切断した銅線の切断面を研磨して平滑な面とすることが、補正金属板等との接合に対して有効である。   Next, 8 types of copper wires with different diameters (0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm, 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 5 mm) are prepared as cylindrical fins, and each has a length of 5 mm. Cut to align. At this time, polishing the cut surface of the cut copper wire to make it a smooth surface is effective for joining with the correction metal plate or the like.

次いで、厚さ5mmの銅板を用意し、この銅板をワイヤーカットで切り取って冷却器16の側壁を構成する枠18を作製する。そして、枠の側面に、冷却水の出入口となるテーパねじ継ぎ手を接続するための2箇所(3箇所以上でもよい)の貫通孔を、旋盤を用いて開ける。   Next, a copper plate having a thickness of 5 mm is prepared, and the copper plate is cut by wire cutting to produce a frame 18 constituting the side wall of the cooler 16. And the through-hole of two places (it may be three or more places) for connecting the taper screw joint used as the inlet / outlet of a cooling water is opened on the side surface of a frame using a lathe.

次に、カーボン治具(配列される冷却フィンの配列(碁盤目状の配列位置;図3参照)に対応した複数の円形穴を空けてある)に、切断した各銅線を直径ごとに分けて挿入する。また、カーボン治具の外側には、銅板で作製した枠18を配置する。続いて、各銅線の切断面および枠の厚み分の面にロウ材a〔例えば銀ロウ(銀に銅などの金属を添加した接合材)〕を塗布し、この塗布面に上記の積層基板を補正金属板15の表面で接するようにして重ね、これを不活性雰囲気の炉に設置する。そして、700℃以上の温度で加熱してロウ付けを行ない接合する。カーボン治具を外した後、各銅線(冷却フィン)および枠の積層基板と接合された接合面と反対側の切断面、厚み分の面に更に、上記で用いたロウ材aと組成が異なりロウ材aより融点の低いロウ材b(銀ロウの場合、組成の違いにより、その固相線(融点)が600〜800℃の範囲内に散在している)を塗布し、この塗布面に、蓋となる厚さ1.0mmの銅板19を重ねて置く。この状態で再び不活性雰囲気の炉内に配置し、600〜700℃の温度で加熱してロウ付けを行ない接合する。   Next, each cut copper wire is divided into diameters in a carbon jig (having a plurality of circular holes corresponding to the arrangement of cooling fins arranged (a grid-like arrangement position; see FIG. 3)). Insert. A frame 18 made of a copper plate is disposed outside the carbon jig. Subsequently, a brazing material a [for example, silver brazing (a bonding material in which a metal such as copper is added to silver)] is applied to the cut surface of each copper wire and the surface corresponding to the thickness of the frame. Are placed in contact with each other on the surface of the correction metal plate 15 and placed in a furnace in an inert atmosphere. Then, brazing is performed by heating at a temperature of 700 ° C. or higher and bonding is performed. After removing the carbon jig, the brazing material a and the composition used above were further applied to the cut surface opposite to the bonding surface bonded to each copper wire (cooling fin) and the laminated substrate of the frame, and the surface for the thickness. Differently, a brazing material b having a melting point lower than that of the brazing material a (in the case of silver brazing, the solidus line (melting point) is scattered within the range of 600 to 800 ° C. due to the difference in composition) is applied, and this coated surface A copper plate 19 having a thickness of 1.0 mm serving as a lid is placed on top of the other. In this state, it is again placed in an inert atmosphere furnace, heated at a temperature of 600 to 700 ° C., brazed, and joined.

その後、図1−(a)に示すように、枠18に設けられた2ヶ所の貫通孔に、テーパねじ継ぎ手を装着することにより、冷却水の流入口21と流出口22とを形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 1- (a), the inlet 21 and the outlet 22 of the cooling water are formed by attaching tapered screw joints to the two through holes provided in the frame 18.

さらに、上記のようにしてグリーンシート14上に設けられたCu配線板11の配線パターン(回路)が形成されている側に、IGBT(自動車用として、5mm角〜約1cm角のものが多い)12およびダイオード13を載置し、IGBT等の位置ズレが生じないようにするため、樹脂等でできた枠でIGBT等の周囲を取り囲む。この状態のまま、IGBT12およびダイオード13を、IGBT12のコレクター電極とダイオード13のカソード電極とを介して高い熱伝導性を有する2枚の放熱板(CuMo板)で挟んで10MPaにて加圧することによってCu配線板11に圧接する。このとき、半導体素子をボルトとナットを用いて押圧するように固定することができる。なお、通常は半導体素子の下側の面が、IGBTではコレクター電極、ダイオードではカソード電極となることが多い。圧接時の圧力としては、1〜100MPaの範囲内が一般的である。
そして、IGBT12のエミッタ電極およびゲート電極並びにダイオード13のアノード電極とCu配線板11のパッドに、直径100〜300μmのアルミニウム製の細線を用いてワイヤーボンドを施し、外部電力および制御回路との電気的な接続を行なう。
Further, on the side where the wiring pattern (circuit) of the Cu wiring board 11 provided on the green sheet 14 is formed as described above, an IGBT (many 5 mm square to about 1 cm square for automobiles) is provided. 12 and the diode 13 are placed, and the periphery of the IGBT or the like is surrounded by a frame made of resin or the like in order to prevent a positional shift of the IGBT or the like. In this state, the IGBT 12 and the diode 13 are sandwiched between two heat radiating plates (CuMo plates) having high thermal conductivity through the collector electrode of the IGBT 12 and the cathode electrode of the diode 13 and pressurized at 10 MPa. Press contact with the Cu wiring board 11. At this time, the semiconductor element can be fixed so as to be pressed using a bolt and a nut. Usually, the lower surface of the semiconductor element is often a collector electrode in the IGBT and a cathode electrode in the diode. The pressure at the time of pressure contact is generally in the range of 1 to 100 MPa.
The emitter electrode and gate electrode of the IGBT 12 and the anode electrode of the diode 13 and the pad of the Cu wiring board 11 are wire-bonded using a thin aluminum wire having a diameter of 100 to 300 μm to electrically connect the external power and the control circuit. Make a good connection.

以上のようにして、本実施形態では下記表1に示すように、8種(直径D=0.1mm、0.2mm,0.3mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、5mm)の冷却フィンを、4種(フィンピッチS=1.25D、1.5D、2D、3D)のピッチ(Sn)にて碁盤目状に配列してなる圧接型半導体モジュールを作製した。   As described above, in this embodiment, as shown in Table 1 below, eight types of cooling (diameter D = 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm, 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 5 mm) are provided. A pressure-contact type semiconductor module in which fins are arranged in a grid pattern at four pitches (fin pitch S = 1.25D, 1.5D, 2D, 3D) is prepared.

次に、本実施形態の各圧接型半導体モジュールの性能について述べる。
(1)熱抵抗の測定
本発明の半導体モジュールを構成する冷却器16に設けられた流入口21および流出口22と冷却水・温水循環装置の循環ノズルとをホースにより連通して、温度65℃(以下、水温を「Tw」と略記する)の温水を一定の流量で循環させる。この冷却水・温水循環装置は、例えば自動車に搭載されているラジエターとポンプの役割を担うものである。
Next, the performance of each pressure contact type semiconductor module of this embodiment will be described.
(1) Measurement of thermal resistance The inlet 21 and outlet 22 provided in the cooler 16 constituting the semiconductor module of the present invention and the circulating nozzle of the cooling water / warm water circulating device are communicated by a hose to a temperature of 65 ° C. Hot water (hereinafter abbreviated as “Tw”) is circulated at a constant flow rate. This cooling water / warm water circulation device plays a role of, for example, a radiator and a pump mounted in an automobile.

次に、ゲート電極とエミッタ電極との間に電圧(以下、「Vge」と略記する)を印加する。このとき、しきい値(Vge(th);通常、4V〜8V)を越えるVgeが印加されると、IGBTはON状態になる。本実施形態では、Vgeとして15Vを印加するものとする。
また、コレクター電極とエミッタ電極との間に電圧(以下、「Vce」と略記する)を印加すると、コレクター電極とエミッタ電極との間に電流(以下、「Ice」と略記する)が流れ始める。飽和状態においては、Vceが約2Vまでは電流が流れにくいが(IGBTがPN接合を有しているため)、約1〜2Vを超えるとVceの上昇と共にIceも増大する。このとき、IGBTにおいて、VceとIceとの積で表される電力損失に相当する熱Qが発生する。
Next, a voltage (hereinafter abbreviated as “Vge”) is applied between the gate electrode and the emitter electrode. At this time, when Vge exceeding a threshold value (Vge (th); usually 4V to 8V) is applied, the IGBT is turned on. In this embodiment, 15 V is applied as Vge.
When a voltage (hereinafter abbreviated as “Vce”) is applied between the collector electrode and the emitter electrode, a current (hereinafter abbreviated as “Ice”) starts to flow between the collector electrode and the emitter electrode. In the saturated state, current hardly flows until Vce is about 2V (since the IGBT has a PN junction), but when it exceeds about 1 to 2V, Ice increases as Vce increases. At this time, heat Q corresponding to the power loss represented by the product of Vce and Ice is generated in the IGBT.

絶縁型のシース熱電対をエミッタ電極(IGBTの上面)に接触させ、IGBTの表面温度を測定し、測定された値をIGBTのジャンクション温度(以下、「Tj」と略記する)とする。IGBTと冷却水との温度差ΔTは、ΔT=Tj−Twである。   An insulated sheath thermocouple is brought into contact with the emitter electrode (the upper surface of the IGBT), the surface temperature of the IGBT is measured, and the measured value is taken as the junction temperature of the IGBT (hereinafter abbreviated as “Tj”). The temperature difference ΔT between the IGBT and the cooling water is ΔT = Tj−Tw.

以上から、半導体素子から冷却水に至る熱抵抗(以下、「Rth」と略記する)は、Rth=ΔT/Qで計算される。   From the above, the thermal resistance from the semiconductor element to the cooling water (hereinafter abbreviated as “Rth”) is calculated as Rth = ΔT / Q.

上記に基づいて、冷却水の流量を12L/min(高速流)とし、IGBT12に電流を流し、Rthを測定したところ、本発明の圧接型半導体モジュールでの測定値は0.4K/W未満であった。この値は、従来の市販のIGBTパワーモジュールの熱抵抗(素子とケースの間)が0.4〜0.6K/Wであるのに比較し、水冷式に構成された本実施形態の圧接型半導体モジュールの熱抵抗(Rthは、素子とケースに加え冷却器の熱抵抗が加算される)は、極めて小さく良好なことを示す。   Based on the above, the flow rate of the cooling water was 12 L / min (high-speed flow), current was passed through the IGBT 12, and Rth was measured. The measured value with the pressure contact type semiconductor module of the present invention was less than 0.4 K / W. there were. This value is compared with the conventional commercially available IGBT power module having a thermal resistance (between the element and the case) of 0.4 to 0.6 K / W, and the pressure contact type of the present embodiment configured in a water-cooled type. The thermal resistance of the semiconductor module (Rth is the addition of the thermal resistance of the cooler in addition to the element and the case) is extremely small and good.

また、各圧接型半導体モジュールについて、下記の評価基準にしたがって評価した。評価結果は下記表1に示す。
〈評価基準〉
○:圧接による変形がなく、Rthの値が0.4K/W未満で低い熱抵抗を示し、流量が低下した場合(0.6L/min)においても優れた冷却効果を示した。
△:冷却効果が不充分であるか、或いは、熱抵抗が低く冷却効率は良好なものの、圧接時の圧力によってフィン形状が変形して構造を維持できなかった。
×:圧接時の圧力によってフィン形状が変形して構造を維持できず、Rthの値が0.4K/W以上であり、冷却効果に劣っていた。
Each pressure contact type semiconductor module was evaluated according to the following evaluation criteria. The evaluation results are shown in Table 1 below.
<Evaluation criteria>
○: No deformation due to pressure contact, Rth value less than 0.4 K / W, low thermal resistance, and excellent cooling effect even when the flow rate was reduced (0.6 L / min).
Δ: The cooling effect was insufficient, or the heat resistance was low and the cooling efficiency was good, but the fin shape was deformed by the pressure during pressure welding, and the structure could not be maintained.
X: The fin shape was deformed by the pressure at the time of pressure contact and the structure could not be maintained, the value of Rth was 0.4 K / W or more, and the cooling effect was inferior.

Figure 2007324351
Figure 2007324351

冷却能力は、冷却フィンの直径Dが小さく、フィンピッチSnが狭いものほど、高かった。しかし、定量的には熱流体計算によって算出されるフィンと冷却水との間の局所熱伝達から予測されるものとは異なり、冷却フィンの配置間隔にやや強く依存する傾向が見られた。これは、冷却水から半導体素子に至る経路に存在する冷却フィン、補正金属板、および配線用金属板を構成する金属、並びに絶縁板の熱伝導率(熱抵抗)等の影響によるものと考えられる。
前記表1に示すように、本発明における既述の条件(1)〜(3)を満たす冷却フィンを備えた圧接型半導体モジュールでは、冷却効率が良好であると共に、圧接時の加圧による変形をも効果的に防止することができた。
The cooling capacity was higher as the cooling fin diameter D was smaller and the fin pitch Sn was narrower. However, in contrast to what is predicted from the local heat transfer between the fin and the cooling water, which is calculated quantitatively by thermofluid calculation, there is a tendency to be somewhat dependent on the arrangement interval of the cooling fins. This is considered to be due to the influence of the heat conductivity (thermal resistance) of the cooling fin, the correction metal plate, the metal constituting the wiring metal plate, and the insulating plate existing in the path from the cooling water to the semiconductor element. .
As shown in Table 1, in the press contact type semiconductor module including the cooling fins that satisfy the above-described conditions (1) to (3) in the present invention, the cooling efficiency is good and the deformation due to the pressurization during the press contact is performed. Could also be effectively prevented.

(第2実施形態)
本発明の半導体モジュールの第2実施形態を図1〜図2及び図5を参照して説明する。本実施形態は、図1−(c)に示すように構成された冷却器16の流路20に設ける冷却フィンの配設位置を千鳥配列にした構成としたものである。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the semiconductor module of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, the cooling fins disposed in the flow path 20 of the cooler 16 configured as shown in FIG. 1- (c) are arranged in a staggered arrangement.

本実施形態においても、グリーンシート上のCu配線板ごとに半導体素子としてIGBT1個とダイオード1個とが設けられ、インバータを形成するために必要な最小単位であるユニットが構成されている。また、第1実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。   Also in the present embodiment, one IGBT and one diode are provided as semiconductor elements for each Cu wiring board on the green sheet, and a unit that is a minimum unit necessary for forming an inverter is configured. Moreover, the same reference numerals are given to the same components as those in the first embodiment, and the detailed description thereof is omitted.

本実施形態の半導体モジュールにおいては、図2−(a)に示すように、断面が直径Dの真円形状の円柱構造(柱の長さL=5mm)に成形された冷却フィン17が、図5に示す千鳥状に配列して配設されている。
各冷却フィンの直径DおよびフィンピッチSnについては、第1実施形態と同様にした。
In the semiconductor module of the present embodiment, as shown in FIG. 2- (a), the cooling fin 17 formed into a perfect circular columnar structure (column length L = 5 mm) having a cross section of a diameter D is shown in FIG. 5 are arranged in a zigzag pattern shown in FIG.
About the diameter D and fin pitch Sn of each cooling fin, it was made to be the same as that of 1st Embodiment.

本実施形態でも、第1実施形態と同様にして圧接型半導体モジュールを作製し、同様の評価を行なった。その結果、第1実施形態と同様の結果が得られた。具体的には、前記表1に示す通りである。   Also in this embodiment, a pressure contact type semiconductor module was produced in the same manner as in the first embodiment, and the same evaluation was performed. As a result, the same result as in the first embodiment was obtained. Specifically, it is as shown in Table 1 above.

なお、本実施形態では、冷却フィンを千鳥状に配置し、冷却水の流通が高流速であると第1実施形態の碁盤目状とした場合とほぼ同等の熱抵抗が得られたが、低流速にするときには熱抵抗の点で千鳥状配置の方が有効であった。   In this embodiment, the cooling fins are arranged in a zigzag pattern, and when the flow rate of the cooling water is high, a thermal resistance almost equal to that of the grid pattern of the first embodiment is obtained. The staggered arrangement was more effective in terms of thermal resistance when making the flow velocity.

(第3実施形態)
本発明の半導体モジュールの第3実施形態を図1〜図2を参照して説明する。本実施形態は、図1−(c)に示すように構成された冷却器16の流路20に四角柱構造の冷却フィンを設けて構成したものである。
(Third embodiment)
A third embodiment of the semiconductor module of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, a cooling fin having a quadrangular prism structure is provided in the flow path 20 of the cooler 16 configured as shown in FIG. 1- (c).

本実施形態においても、グリーンシート上のCu配線板ごとに半導体素子としてIGBT1個とダイオード1個とが設けられ、インバータを形成するために必要な最小単位であるユニットが構成されている。また、第1実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。   Also in the present embodiment, one IGBT and one diode are provided as semiconductor elements for each Cu wiring board on the green sheet, and a unit that is a minimum unit necessary for forming an inverter is configured. Moreover, the same reference numerals are given to the same components as those in the first embodiment, and the detailed description thereof is omitted.

本実施形態の半導体モジュールにおいては、冷却フィンは、断面四角形の一辺の長さに相当する厚みの銅板をその辺の幅に相当する間隔で長さ5mmに揃えて切断することにより、図2−(b)に示すように、断面が対角線D(最大径[mm];本実施形態では0.1mm、0.2mm,0.3mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、5mm)の8種を作製した;前記表1参照)の正方形状で柱の長さLが5mmである四角柱構造に成形されたものである。   In the semiconductor module of the present embodiment, the cooling fin is cut by aligning a copper plate having a thickness corresponding to the length of one side of the quadrangular section to a length of 5 mm at intervals corresponding to the width of the side. As shown in (b), the cross-section is a diagonal D (maximum diameter [mm]; in this embodiment, 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm, 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 5 mm) A square column structure in which the column length L is 5 mm (see Table 1 above).

この冷却フィンは、補正金属板15の表面に、図3に示すように碁盤目状に、フィンピッチが対角線Dのn倍(nD;本実施形態では1.25倍(1.25D)、1.5倍(1.5D)、2倍(2D)、3倍(3D)の4種を作製した;前記表1参照)となるピッチ(Sn)で配置されている。   As shown in FIG. 3, the cooling fins are arranged in a grid pattern on the surface of the correction metal plate 15, and the fin pitch is n times the diagonal D (nD; 1.25 times (1.25D) in this embodiment). Four types of 5 times (1.5D), 2 times (2D), and 3 times (3D) were prepared (see Table 1), and they are arranged at a pitch (Sn).

本実施形態でも、第1実施形態と同様にして圧接型半導体モジュールを作製し、同様の評価を行なった。その結果、第1実施形態と同様の結果が得られた。具体的には、前記表1に示す通りである。   Also in this embodiment, a pressure contact type semiconductor module was produced in the same manner as in the first embodiment, and the same evaluation was performed. As a result, the same result as in the first embodiment was obtained. Specifically, it is as shown in Table 1 above.

上記では、冷却フィンの断面形状を真円形状、正方形状とした場合を中心に説明したが、これら以外の既述の他の断面形状に構成した場合も同様の効果を得ることができる。また、圧接時の耐圧性の観点からは、三角形、四角形等の多角形の断面形状に構成されていることが望ましい。   In the above description, the case where the cross-sectional shape of the cooling fin is a perfect circle shape or a square shape has been mainly described, but the same effect can be obtained even when the cross-sectional shape is other than those described above. In addition, from the viewpoint of pressure resistance during pressure contact, it is desirable to have a polygonal cross-sectional shape such as a triangle or a quadrangle.

上記した実施形態では、冷却水を冷媒として通過させて冷却を行なう冷却器を用いた構成を中心に説明したが、必ずしも流路を形成せずに、エアなどによって冷却する空冷式に構成されてもよい。   In the above-described embodiment, the configuration using a cooler that performs cooling by passing cooling water as a refrigerant has been mainly described. However, the cooling system is configured not to necessarily form a flow path but to be cooled by air or the like. Also good.

また、冷却器に用いる冷媒には、冷却水以外に、オイルその他LLC(ロングライフクーラント(長期間使用可能な冷却液)などの液体を用いることができる。   In addition to the cooling water, a liquid such as oil or other LLC (long life coolant (coolant that can be used for a long time)) can be used as the refrigerant used in the cooler.

また、本発明の圧接型半導体モジュールにおいては、上記の各実施形態のように蓋となる銅板19を、補正金属板15上にグリーンシート(絶縁板)14およびCu配線板11を重ねて接合した積層基板に代え、この積層基板の補正金属板の表面を冷却フィンと接合することによって、冷却フィンを中心として(つまり冷却器を中央に配して)、冷却フィンの両端に積層基板を設けた対称構造とすることも可能であり、信頼性を高め得ると共に、半導体素子を高密度に搭載することが可能である。また、かかる構成では、熱応力が打ち消され、反りの発生を抑制する効果も得られる。
この対象構造の構成は、上記した各実施形態において適用することができる。
In the pressure contact type semiconductor module of the present invention, the copper plate 19 serving as a lid is joined to the correction metal plate 15 with the green sheet (insulating plate) 14 and the Cu wiring board 11 overlapped as in the above embodiments. Instead of the multilayer substrate, the surface of the correction metal plate of the multilayer substrate is joined to the cooling fin, and the multilayer substrate is provided at both ends of the cooling fin with the cooling fin as the center (that is, the cooler is arranged in the center). It is also possible to have a symmetric structure, so that reliability can be improved and semiconductor elements can be mounted at high density. Further, in such a configuration, the thermal stress is canceled and the effect of suppressing the occurrence of warpage can be obtained.
The configuration of the target structure can be applied in each of the above-described embodiments.

本発明においては、冷却フィンが既述の条件(1)〜(3)のいずれかを満たすように構成することにより、種々の設計要件(例えば、製造方法、金属材料、これらに伴なう製造コスト)に応じて、冷却フィン(熱伝導フィン)の径、形状、および配列などを任意に選択することができ、かつ従来の半導体モジュールに比して優れた冷却効率、耐圧性、および冷熱サイクルの信頼性を確保することが可能である。   In the present invention, by configuring the cooling fin so as to satisfy any of the above-mentioned conditions (1) to (3), various design requirements (for example, manufacturing method, metal material, manufacturing accompanying these) Depending on the cost, the diameter, shape, and arrangement of the cooling fins (heat conduction fins) can be arbitrarily selected, and the cooling efficiency, pressure resistance, and cooling cycle are superior to those of conventional semiconductor modules. It is possible to ensure reliability.

上記のように、冷却フィンが既述の条件(1)〜(3)のいずれかを満たす構成とすることにより、良好な冷却性能が得られるので、他の設計要件として、例えばポンプ動力について技術的に上限がある場合やポンプのコストに制限がある場合は、ポンプ動力に関連する冷却水の流量および圧力損失等を任意に選択することができる。この場合の選択方法は次の指針による。
つまり、流通する冷却水の流量が同じ場合、熱伝導フィンの最大径DおよびフィンピッチSがともに小さいときには圧力損失は大きくなる傾向にあり、逆に最大径DおよびフィンピッチSがともに大きいときには圧力損失は小さくなる傾向にある。したがって、同じ動力性能(性能:揚程×吐出量またはモータ容量)のポンプを用いて流量制御する場合、冷却水の流量を少なくして設計する場合には、熱伝導フィンの最大径DおよびフィンピッチSがともに小さくなるように、冷却水の流量を増やして設計する場合(冷却水温度が高かったり、用いる冷媒の温度が沸点に近い場合など)には、熱伝導フィンの最大径DおよびフィンピッチSがともに大きなるように、最大径およびフィンピッチを各々選択するようにすることにより、同一動力で必要な冷却性能を得ることが可能である。このように選択することで、ポンプ効率が最大となる条件に冷却水の流量等の設計要件を設定することができる。
As described above, since the cooling fins are configured to satisfy any of the above-described conditions (1) to (3), good cooling performance can be obtained. When there is an upper limit or when the cost of the pump is limited, it is possible to arbitrarily select the flow rate of cooling water and the pressure loss associated with the pump power. The selection method in this case is based on the following guidelines.
That is, when the flow rate of circulating coolant is the same, the pressure loss tends to increase when both the maximum diameter D and the fin pitch S of the heat conducting fins are small, and conversely, when both the maximum diameter D and the fin pitch S are large, the pressure Loss tends to be small. Therefore, when flow control is performed using a pump having the same power performance (performance: lift x discharge amount or motor capacity), when designing with a reduced cooling water flow rate, the maximum diameter D and fin pitch of the heat conduction fins When designing with an increased flow rate of cooling water such that S is reduced (when the cooling water temperature is high or the temperature of the refrigerant used is close to the boiling point, etc.), the maximum diameter D and fin pitch of the heat conducting fins By selecting the maximum diameter and the fin pitch so that both S are large, it is possible to obtain the required cooling performance with the same power. By selecting in this way, design requirements such as the flow rate of cooling water can be set to the conditions that maximize the pump efficiency.

(a)は本発明の第1実施形態に係る半導体モジュールの構成を示す平面図であり、(b)は(a)の本発明の第1実施形態に係る半導体モジュールを側面からみたときの側面図であり、(c)は(a)のA−A´線断面図である。(A) is a top view which shows the structure of the semiconductor module which concerns on 1st Embodiment of this invention, (b) is the side surface when the semiconductor module which concerns on 1st Embodiment of this invention of (a) is seen from the side surface It is a figure, (c) is the AA 'sectional view taken on the line of (a). (a)は本発明の第1実施形態に係る半導体モジュールを構成する円柱構造の冷却フィンを示す斜視図であり、(b)は本発明の第3実施形態に係る半導体モジュールを構成する四角柱構造の冷却フィンを示す斜視図であり、(c)は三角柱構造の熱伝導フィンの例を示す斜視図である。(A) is a perspective view which shows the cooling fin of the cylindrical structure which comprises the semiconductor module which concerns on 1st Embodiment of this invention, (b) is the square pillar which comprises the semiconductor module which concerns on 3rd Embodiment of this invention. It is a perspective view which shows the cooling fin of a structure, (c) is a perspective view which shows the example of the heat conductive fin of a triangular prism structure. 冷却フィンを碁盤目状に配列した状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the state which arranged the cooling fin in the grid pattern shape. 三相インバータの回路の構成例を略説するための説明図である。It is explanatory drawing for briefly explaining the structural example of the circuit of a three-phase inverter. 冷却フィンを千鳥状に配列した状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the state which arranged the cooling fin in zigzag form.

符号の説明Explanation of symbols

11…Cu電極板
12…IGBT
13…ダイオード
14…グリーンシート(絶縁部材)
16…冷却器
17…冷却フィン
11 ... Cu electrode plate 12 ... IGBT
13 ... Diode 14 ... Green sheet (insulating member)
16 ... Cooler 17 ... Cooling fin

Claims (8)

半導体素子と、
前記半導体素子が配され、前記半導体素子に電力供給する配線用金属板と、
下記(1)〜(3)のいずれかを満たす柱状構造の熱伝導フィンを有し、前記熱伝導フィンでの熱交換により少なくとも前記半導体素子を冷却する冷却器と、
(1)0.1mm≦最大径D≦1.0mm、かつD≦フィンピッチS≦1.25D
(2)0.2mm≦最大径D≦0.5mm、かつ1.25D<フィンピッチS≦1.5D
(3)0.2mm≦最大径D<0.3mm、かつ1.5D<フィンピッチS≦2.0D
前記配線用金属板と前記冷却器との間に配され、前記半導体素子及び前記冷却器を電気的に絶縁する絶縁部材と、
を備え、前記半導体素子が前記配線用金属板の上に圧接により実装された圧接型半導体モジュール。
A semiconductor element;
A wiring metal plate on which the semiconductor element is arranged and supplies power to the semiconductor element;
A heat conductive fin having a columnar structure satisfying any of the following (1) to (3), and a cooler for cooling at least the semiconductor element by heat exchange with the heat conductive fin;
(1) 0.1 mm ≦ maximum diameter D ≦ 1.0 mm and D ≦ fin pitch S ≦ 1.25D
(2) 0.2 mm ≦ maximum diameter D ≦ 0.5 mm and 1.25D <fin pitch S ≦ 1.5D
(3) 0.2 mm ≦ maximum diameter D <0.3 mm and 1.5 D <fin pitch S ≦ 2.0 D
An insulating member disposed between the wiring metal plate and the cooler to electrically insulate the semiconductor element and the cooler;
A pressure contact type semiconductor module in which the semiconductor element is mounted on the wiring metal plate by pressure contact.
前記冷却器は冷媒を流通する中空部を有し、前記熱伝導フィンは、前記中空部に配設されて、前記中空部を流通する前記冷媒と熱交換しかつ前記冷却器の形状を保持することを特徴とする請求項1に記載の圧接型半導体モジュール。   The cooler has a hollow portion that circulates a refrigerant, and the heat conducting fins are disposed in the hollow portion, exchange heat with the refrigerant that circulates through the hollow portion, and maintain the shape of the cooler. The press-contact type semiconductor module according to claim 1. 前記熱伝導フィンは、円柱構造及び/又は角柱構造であることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧接型半導体モジュール。   The pressure contact type semiconductor module according to claim 1, wherein the heat conducting fin has a cylindrical structure and / or a prismatic structure. 前記熱伝導フィンは、柱状構造の柱長方向の長さが0.1〜20mmであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧接型半導体モジュール。   4. The press-contact type semiconductor module according to claim 1, wherein the heat conductive fin has a length in a column length direction of a columnar structure of 0.1 to 20 mm. 5. 前記絶縁部材が、線膨張係数が3×10−6/Kないし1×10−5/Kであるセラミックスを用いてなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧接型半導体モジュール。 5. The press contact according to claim 1, wherein the insulating member is made of ceramics having a linear expansion coefficient of 3 × 10 −6 / K to 1 × 10 −5 / K. Type semiconductor module. 前記絶縁部材が、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化シリコーン、酸化シリコーン、酸化ベリリウム、及びシリコーンカーバイドから選択される少なくとも一種を用いてなることを特徴とする請求項5に記載の圧接型半導体モジュール。   6. The pressure contact type semiconductor module according to claim 5, wherein the insulating member is made of at least one selected from aluminum nitride, aluminum oxide, silicone nitride, silicone oxide, beryllium oxide, and silicone carbide. 前記配線用金属板が、熱伝導率が17W/m・K以上であって比抵抗が1×10−5Ω・cm以下である金属を用いてなることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の圧接型半導体モジュール。 The metal plate for wiring is made of a metal having a thermal conductivity of 17 W / m · K or more and a specific resistance of 1 × 10 −5 Ω · cm or less. The press contact type semiconductor module of any one of Claims. 前記配線用金属板が、銅、アルミニウム、タングステン、及びモリブデンから選択される少なくとも一種を用いてなることを特徴とする請求項7に記載の圧接型半導体モジュール。   8. The press contact type semiconductor module according to claim 7, wherein the wiring metal plate is made of at least one selected from copper, aluminum, tungsten, and molybdenum.
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