JP2008042020A - Semiconductor module - Google Patents

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幸夫 宮地
Nobutada Ono
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve cooling characteristics of a semiconductor module and reliability to a cold cycle from a low temperature to a high temperature. <P>SOLUTION: The semiconductor module comprises an Mo board 11; a GaN element 13; an AlN sheet 12 for electrically insulating the GaN element 13 and the Mo board; and a cooler 20 formed on the side not provided with the GaN element 13 of the Mo board 11 and provided with a flow path 21 where cooling water is distributed, and an Al board 22 to be reversibly deformed by thermal stress is housed. The Mo board 11 forms the path wall of the flow path 21 of the cooler 20. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体モジュールに関し、詳しくは、発熱性のパワー半導体素子を備えた半導体モジュールに関する。   The present invention relates to a semiconductor module, and more particularly to a semiconductor module including a heat-generating power semiconductor element.

従来、放熱部材と共に用いられる回路基板は、個々に用意された金属回路板、セラミックス基板、べタ形状の金属板などが積層された構造になっており、それぞれの熱応力が不均衡である場合には、回路基板に反りが発生したり、放熱部材で冷却される際に発生する熱応力で互いの接合界面で剥離やクラックが発生する。   Conventionally, circuit boards used with heat radiating members have a structure in which individually prepared metal circuit boards, ceramic boards, solid metal boards, etc. are laminated, and their thermal stresses are unbalanced. In this case, the circuit board is warped, or peeling or cracking occurs at the joint interface due to thermal stress generated when the circuit board is cooled by the heat radiating member.

このような現象は、組み合わされる材料間の熱膨張係数の違いによるところが大きく、高温になるほど熱応力も大きくなり、反りや剥離、クラックの程度も悪化する。   Such a phenomenon is largely due to the difference in thermal expansion coefficient between the combined materials. The higher the temperature, the greater the thermal stress, and the degree of warpage, delamination and cracking worsens.

特に、次世代のパワー半導体素子であるGaNやSiCは、200℃以上での動作が可能である。しかしながら、これらの熱膨張係数は3〜4ppm/Kと小さいため、冷却器などの冷却部材に一般に用いられるアルミニウム(Al;熱膨張係数23ppm/K)や銅(Cu;熱膨張係数17ppm/K)などに比べると差が大きく、これらを組み合わせて例えば層状に接合したパワーモジュールでは、低温(例えば0℃以下)〜高温(例えば200℃以上)間の冷熱サイクルにより、各接合部分に大きな熱応力や歪みが生じ、短時間のうちに反りが発生し、あるいは剥離やクラックなどを伴なって破壊に至る。
なお、線膨張係数は、温度が1℃変化した時の単位長さ当たりの寸法変化である。
In particular, GaN and SiC, which are next-generation power semiconductor elements, can operate at 200 ° C. or higher. However, since these thermal expansion coefficients are as small as 3 to 4 ppm / K, aluminum (Al; thermal expansion coefficient 23 ppm / K) or copper (Cu; thermal expansion coefficient 17 ppm / K) generally used for cooling members such as coolers is used. For example, in a power module in which these are combined and bonded in a layered manner, a large thermal stress or a large stress is applied to each bonded portion by a cooling cycle between a low temperature (eg, 0 ° C. or lower) and a high temperature (eg, 200 ° C. or higher). Distortion occurs, warping occurs in a short time, or destruction is accompanied by peeling or cracking.
The linear expansion coefficient is a dimensional change per unit length when the temperature changes by 1 ° C.

上記に関連する技術として、インバータ用パワーモジュールの構造において、パワー半導体素子と冷却器との間の熱膨張係数差に伴なう熱応力を緩和する層を設けるために、伝熱グリスを用いることが記載されている(例えば、非特許文献1参照)。   As a technique related to the above, in the structure of the inverter power module, heat transfer grease is used to provide a layer for relaxing the thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the power semiconductor element and the cooler. Is described (for example, see Non-Patent Document 1).

また、窒化アルミニウム(AlN)や酸化アルミニウム(Al)等の絶縁基板がCu板に直接接合され、また、冷却器には部分的に孔の開いたCuを貼り合わせて冷却水を流す構造の冷却器一体型のモジュールが開示されている(例えば、特許文献1参照)。 Also, an insulating substrate such as aluminum nitride (AlN) or aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is directly bonded to the Cu plate, and the cooling water is allowed to flow through the cooler by bonding partially perforated Cu. A cooler-integrated module having a structure is disclosed (for example, see Patent Document 1).

上記以外にも、金属回路板の隙間を絶縁体で埋めて、熱に伴なう反りの発生を回避する技術などが知られている。
特開平10−261886号公報 「HVインバータ品質確保の取組み」、馬場陽一郎(平成17年度秋季全国大会フォーラム、「エレクトロニクス実装技術動向と今後の展開−環境配慮型車載用電子実装から次世代パワーエレクトロニクス実装の展開まで−」、座長:高橋康夫等)
In addition to the above, a technique is known in which the gap between the metal circuit boards is filled with an insulator to avoid the occurrence of warp due to heat.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-261886 “Efforts to ensure the quality of HV inverters”, Yoichiro Baba (2005 Fall National Convention Forum, “Electronics Packaging Technology Trends and Future Developments—From Environmentally Friendly Automotive Electronics Packaging to Next-Generation Power Electronics Packaging Development”, Chair : Yasuo Takahashi etc.)

しかしながら、上記のように熱応力を緩和するためにグリスを用いると、グリスは高温時に粘性が小さく液状に近づくために容易に変形し、また、冷熱サイクルに伴なう熱応力を緩和する効果は得られるものの、グリスの熱伝導率が1W/mK以下と極めて低いためにグリス部分、すなわちパワー半導体素子と冷却器との間の熱抵抗が高くなり、全体として冷却特性が悪化する。さらに、200℃以上の高温時は、グリスが顕著に液状化して粘性が大幅に低下するため、周囲に染み出しやすくなり、その結果本来グリスが充填されている部分に空隙などができて、部分的に熱抵抗が高くなってしまう不具合も生じる。   However, when grease is used to relieve the thermal stress as described above, the grease is easily deformed because it has a low viscosity and approaches a liquid state at a high temperature, and the effect of relieving the thermal stress accompanying the cooling cycle is not effective. Although obtained, the thermal conductivity of the grease is as low as 1 W / mK or less, so that the thermal resistance between the grease portion, that is, the power semiconductor element and the cooler is increased, and the cooling characteristics are deteriorated as a whole. Furthermore, when the temperature is higher than 200 ° C., the grease is liquefied remarkably and the viscosity is greatly reduced, so that it easily oozes out to the surroundings. This also causes a problem that the thermal resistance becomes high.

また、上記した冷却器一体型のモジュールでは、絶縁材料であるAlNまたはAlとCuが直接接合されるが、AlNまたはAlとCuとの間の熱膨張係数差が大きいため、高温側において200℃を超える冷熱サイクルで大きな熱応力あるいは歪みを生じ、短時間で絶縁材料にクラックなどの不具合を生じてしまう。また同様に、この構造の半導体近傍は低熱膨張である一方、冷却器は高熱膨張に構成されているため、冷熱サイクル時に反りを生じ、更には絶縁材料等の脆性な部分にクラックなどの破壊を生じる。 In the above-described cooler-integrated module, AlN or Al 2 O 3 which is an insulating material and Cu are directly joined, but the difference in thermal expansion coefficient between AlN or Al 2 O 3 and Cu is large. On the high temperature side, a large thermal stress or strain is generated in a cooling cycle exceeding 200 ° C., and defects such as cracks are generated in the insulating material in a short time. Similarly, the vicinity of the semiconductor of this structure has low thermal expansion, while the cooler is configured with high thermal expansion, causing warpage during the cooling / heating cycle, and further causing breakage such as cracks in brittle parts such as insulating materials. Arise.

パワーモジュールなど冷却を要する半導体モジュールについては、従来から冷却効率等の冷却特性をはじめ種々の検討がなされているものの、上記のように低〜高温間の温度変化で生ずる熱応力を緩和しようとすると冷却特性が保持できず、熱伝導性(冷却特性)を確保しようとするとクラック等による破壊が発生してしまうといった、冷却特性の維持とクラック等の発生防止(信頼性の確保)との相反する技術的要素を含むことから、冷却特性を維持しつつ、温度差の大きい冷熱サイクルに耐える信頼性をも確保した半導体モジュールの提供が期待されている。   For semiconductor modules that require cooling, such as power modules, various studies have been made including cooling characteristics such as cooling efficiency. However, as described above, it is intended to relieve the thermal stress caused by temperature changes between low and high temperatures. There is a conflict between maintaining the cooling characteristics and preventing the occurrence of cracks (ensuring reliability), in which the cooling characteristics cannot be maintained and the thermal conductivity (cooling characteristics) is to be secured, resulting in breakage due to cracks. Since it includes technical elements, it is expected to provide a semiconductor module that maintains the cooling characteristics and also ensures the reliability to withstand a thermal cycle with a large temperature difference.

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、冷却効率が高く冷却特性に優れると共に、低温から高温に至る冷熱サイクルに対する信頼性の高い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 of the present invention is to provide a semiconductor module having high cooling efficiency and excellent cooling characteristics and having high reliability for a cooling cycle from low temperature to high temperature. This is the issue.

上記目的を達成するために、本発明の半導体モジュールは、パワー半導体素子と、パワー半導体素子との間の熱膨張係数の差が±5ppm/Kの範囲内であって、熱伝導率が50W/mK以上である低熱膨張基材と、低熱膨張基材の前記パワー半導体素子が設けられる側と反対側に形成されており、冷媒が流通し、熱応力に対して(好ましくは可逆的に)変形可能な熱伝導性材料が収容された流路を有し、前記冷媒との熱交換により少なくとも前記パワー半導体素子を冷却する冷却器と、前記パワー半導体素子と前記低熱膨張基材との間に配され、前記パワー半導体素子および前記冷却器を電気的に絶縁する絶縁部材とを設け、低熱膨張基材で冷却器の器壁の一部が形成されるように構成したものである。   In order to achieve the above object, the semiconductor module of the present invention has a thermal expansion coefficient difference of ± 5 ppm / K between a power semiconductor element and a power semiconductor element, and a thermal conductivity of 50 W / It is formed on the opposite side of the low thermal expansion substrate on which the power semiconductor element is provided, and the refrigerant flows and deforms (preferably reversibly) against thermal stress. And a cooler that cools at least the power semiconductor element by heat exchange with the refrigerant, and is disposed between the power semiconductor element and the low thermal expansion substrate. In addition, an insulating member that electrically insulates the power semiconductor element and the cooler is provided, and a part of the cooler wall is formed of a low thermal expansion base material.

本発明におけるパワー半導体素子は、整流素子やインバータ素子などに代表される電気エネルギーを制御するため半導体であり、例えば、窒化ガリウム(GaN)や炭化珪素(SiC)などの半導体が含まれる。   The power semiconductor element in the present invention is a semiconductor for controlling electric energy typified by a rectifier element and an inverter element, and includes, for example, a semiconductor such as gallium nitride (GaN) or silicon carbide (SiC).

本発明の半導体モジュールは、低熱膨張基材を中心に、該低熱膨張基材の一方の側に少なくともパワー半導体および絶縁部材が接合されて素子実装部が形成され、他方の側に器壁の一部(好ましくは、冷却器の流路の路壁の一部)が該低熱膨張基材で構成された冷却器が少なくとも形成されてなる一体構造となっており、低熱膨張基材は熱伝導率が50W/mK以上で高く、しかも素子実装部をグリスなどを介さずに接合状態にすると共に、低熱膨張基材の素子実装部非形成面に直接冷却器を構成することで、パワー半導体および冷却器間の熱抵抗を下げて熱伝導性が確保されるので、冷却効率が向上し、冷却特性を高めることができる。   In the semiconductor module of the present invention, an element mounting portion is formed by joining at least a power semiconductor and an insulating member on one side of the low thermal expansion base material, with the low thermal expansion base material as a center, and one side of the instrument wall on the other side. Part (preferably, a part of the wall of the flow path of the cooler) has an integral structure in which a cooler composed of the low thermal expansion substrate is formed, and the low thermal expansion substrate has a thermal conductivity. Power semiconductor and cooling by making the element mounting part in a joined state without using grease, etc., and configuring the cooler directly on the surface where the element mounting part is not formed on the low thermal expansion substrate. Since thermal conductivity is ensured by reducing the thermal resistance between the vessels, the cooling efficiency can be improved and the cooling characteristics can be improved.

さらに、パワー半導体素子と冷却器とを画する低熱膨張基材の熱膨張係数を、比較的熱膨張係数の小さいパワー半導体素子の熱膨張係数との差が±5ppm/Kとなる範囲内とし、冷却器の流路内を流通する冷媒と接触して熱交換可能な位置に熱伝導性で熱応力に対して(好ましくは可逆的に)変形可能な材料を配することで、冷却器の見かけの熱膨張係数が小さくなり重量やコストを抑え得ると共に冷却効率が向上し、低温(例えば0℃以下)〜高温(例えば200℃以上)間の冷熱サイクルにより生ずる熱応力や歪みを解消することができるので、モジュールの反りや剥離、クラックなどによる破壊を効果的に防止することができる。   Furthermore, the thermal expansion coefficient of the low thermal expansion base material that defines the power semiconductor element and the cooler is set within a range in which the difference from the thermal expansion coefficient of the power semiconductor element having a relatively small thermal expansion coefficient is ± 5 ppm / K, The appearance of the cooler is arranged by disposing a material that is thermally conductive and deformable (preferably reversibly) against heat stress in a position where it can contact and exchange heat with the refrigerant flowing in the flow path of the cooler. The thermal expansion coefficient can be reduced, the weight and cost can be reduced, the cooling efficiency can be improved, and the thermal stress and strain caused by the cooling cycle between low temperature (for example, 0 ° C. or lower) and high temperature (for example, 200 ° C. or higher) can be eliminated. Therefore, the module can be effectively prevented from being warped, peeled off, or cracked.

以上のように、本発明の半導体モジュールは、冷却効率が高く冷却特性に優れると同時に、冷熱サイクルによる破壊が防止され、高い信頼性をも具えている。   As described above, the semiconductor module of the present invention has high cooling efficiency and excellent cooling characteristics, and at the same time, is prevented from being destroyed by a cooling cycle and has high reliability.

本発明の半導体モジュールを構成する低熱膨張基材は、熱膨張係数が7ppm/K以下であって、熱伝導率が100W/mK以上である基材を用いて構成することができる。   The low thermal expansion base material constituting the semiconductor module of the present invention can be configured using a base material having a thermal expansion coefficient of 7 ppm / K or less and a thermal conductivity of 100 W / mK or more.

熱膨張係数が7ppm/K以下であると、パワー半導体素子との間の熱膨張係数の差が小さく、冷熱サイクルで生ずる熱応力や歪み、ひいては破壊の発生が抑えられ、信頼性が高まる。また、熱伝導率が100W/mK以上であると、パワー半導体素子および冷却器間の熱伝達特性が高まる。   When the thermal expansion coefficient is 7 ppm / K or less, the difference in thermal expansion coefficient with the power semiconductor element is small, the occurrence of thermal stress and distortion, and consequently breakdown, generated in the cooling / heating cycle is suppressed, and the reliability is improved. Further, when the thermal conductivity is 100 W / mK or more, heat transfer characteristics between the power semiconductor element and the cooler are enhanced.

この低熱膨張基材としては、特にモリブデン基材、またはモリブデンを含有する基材であることが好ましい。モリブデンは、上記のように熱膨張係数がパワー半導体素子に近いほか、ヤング率が高く薄厚にできるので、熱抵抗を小さくすることが可能で冷却効率の向上に有利である。   The low thermal expansion substrate is particularly preferably a molybdenum substrate or a substrate containing molybdenum. Molybdenum has a thermal expansion coefficient close to that of the power semiconductor element as described above, and has a high Young's modulus and can be made thin. Therefore, it is possible to reduce the thermal resistance, which is advantageous for improving the cooling efficiency.

本発明の半導体モジュールを構成する冷却器の流路に収容される「熱応力に対して(好ましくは可逆的に)変形可能な熱伝導性材料」には、銅、アルミニウム、あるいは銅およびアルミニウムの少なくとも一方を含有する金属材料が好ましい。   The “thermally conductive material that can be deformed (preferably reversibly) against thermal stress” accommodated in the flow path of the cooler constituting the semiconductor module of the present invention includes copper, aluminum, or copper and aluminum. A metal material containing at least one is preferable.

この熱伝導性材料には、重量やコストが比較的小さく、しかも流路内を流通する冷媒と熱交換するための材料であるから熱伝導性を有し、モジュール構造に変形を与えない材料が望ましく、かかる観点からは銅、アルミニウムを用いた材料が好適である。   This heat conductive material has a relatively small weight and cost, and is a material for exchanging heat with the refrigerant flowing in the flow path, so that it has heat conductivity and does not deform the module structure. Desirably, from such a viewpoint, a material using copper or aluminum is preferable.

銅やアルミニウムは、熱伝導性の高い金属であり、また、比較的柔らかく、冷熱サイクルで熱応力や歪みが生じても自己変形するので、冷却効率を確保すると同時にモジュール構造の破壊を防止するのに有効である。   Copper and aluminum are metals with high thermal conductivity, are relatively soft, and self-deform even if thermal stress or distortion occurs in the thermal cycle, ensuring cooling efficiency and preventing destruction of the module structure. It is effective for.

また、冷却器の器壁の一部(例えば流路のパワー半導体素子と対向する路壁)は上記した低熱膨張基材で構成されるが、この器壁の一部を除く器壁の少なくとも一部は熱膨張係数7ppm/K以下の材料で形成することができる。   Further, a part of the cooler wall (for example, the wall facing the power semiconductor element of the flow path) is composed of the above-described low thermal expansion base material, but at least one of the wall walls excluding a part of the cooler wall. The part can be formed of a material having a thermal expansion coefficient of 7 ppm / K or less.

低熱膨張基材で構成された路壁以外の他の路壁の全部またはその一部(例えば、冷却器が上記の低熱膨張基材で1面が形成された6面体の形状に構成されている場合、この1面(低熱膨張基材)以外の他の5面の全部またはその一部)を熱膨張係数7ppm/K以下の材料で形成すると、パワー半導体素子との間の熱膨張係数の差が小さくなり、冷熱サイクルで生ずる熱応力や歪み、ひいては破壊の発生がより効果的に抑えられるので、信頼性をより高めることができる。   All or a part of the road wall other than the road wall constituted by the low thermal expansion base material (for example, the cooler is configured in the shape of a hexahedron in which one surface is formed by the low thermal expansion base material. In this case, if one surface (all or a part of the other five surfaces other than the low thermal expansion substrate) is formed of a material having a thermal expansion coefficient of 7 ppm / K or less, the difference in thermal expansion coefficient from the power semiconductor element Therefore, the occurrence of thermal stress and strain, and consequently destruction, caused by the cooling and heating cycle can be suppressed more effectively, so that the reliability can be further improved.

この熱膨張係数7ppm/K以下の材料としては、特に、モリブデン、FeNi合金、あるいはモリブデンおよびFeNi合金の少なくとも一方を含有する金属材料が好ましい。   As the material having a coefficient of thermal expansion of 7 ppm / K or less, a metal material containing at least one of molybdenum, FeNi alloy, or molybdenum and FeNi alloy is particularly preferable.

本発明の半導体モジュール中の絶縁部材のパワー半導体素子が設けられる側には、熱伝導率が50W/m・K以上であって電気抵抗率が10×10−6Ωcm以下である配線用金属板を更に設けることができ、この配線用金属板にパワー半導体素子が配された構成とすることができる。この配線用金属板は、熱伝導性が良好で電気抵抗が低いので、パワー半導体素子および冷却器間の冷却特性を損なうことなく、パワー半導体素子への電力供給を良好に行なうことができる。 The metal plate for wiring having a thermal conductivity of 50 W / m · K or more and an electric resistivity of 10 × 10 −6 Ωcm or less on the side where the power semiconductor element of the insulating member in the semiconductor module of the present invention is provided. The power semiconductor element can be arranged on the wiring metal plate. Since this wiring metal plate has good thermal conductivity and low electrical resistance, it is possible to satisfactorily supply power to the power semiconductor element without impairing the cooling characteristics between the power semiconductor element and the cooler.

本発明におけるパワー半導体素子としては、GaNまたはSiCを用いた半導体素子であることが効果の点で望ましい。これらの半導体素子は、発熱が高温にまで達し、冷熱サイクルでモジュール構造に熱応力や歪みが生じやすいことから、冷却特性と共に信頼性を確保する本発明の効果をより効果的に発揮することができる。   The power semiconductor element in the present invention is desirably a semiconductor element using GaN or SiC in view of the effect. Since these semiconductor elements generate heat up to a high temperature and are susceptible to thermal stress and distortion in the module structure during the cooling and heating cycle, the effects of the present invention for ensuring reliability as well as cooling characteristics can be exhibited more effectively. it can.

本発明の半導体モジュールは、次世代のパワーエレクトロニクス分野において、GaNやSiCなどのパワー半導体素子を用いた200℃以上での動作に対して、高い冷熱サイクル信頼性と冷却特性とを兼ね備えたシステムを構築することができる。   The semiconductor module of the present invention is a system that combines high thermal cycle reliability and cooling characteristics for operation at 200 ° C. or higher using power semiconductor elements such as GaN and SiC in the next-generation power electronics field. Can be built.

本発明によれば、冷却特性に優れると共に、低温から高温に至る冷熱サイクルに対する信頼性の高い半導体モジュールを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being excellent in a cooling characteristic, the reliable semiconductor module with respect to the thermal cycle from low temperature to high temperature can be provided.

以下、図面を参照して、本発明の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。   Embodiments of a semiconductor module of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments.

本実施形態の半導体モジュールは、モリブデン(Mo)板の一方の側にGaNパワーデバイスを設け、他方の側には、このMo板を1面とする方形(6面体)の冷却器を形成すると共に、冷却器の流路内に比較的軟性の薄膜状のアルミニウム(Al)板を複数配し、この流路に冷却水を流してAl板との間で熱交換可能なように構成したものである。   In the semiconductor module of the present embodiment, a GaN power device is provided on one side of a molybdenum (Mo) plate, and on the other side, a square (hexahedron) cooler with this Mo plate as one surface is formed. A plurality of relatively thin thin film aluminum (Al) plates are arranged in the flow path of the cooler, and cooling water is passed through the flow path so that heat can be exchanged with the Al plate. is there.

本実施形態の半導体モジュールは、図1に示すように、低熱膨張基材であるモリブデン(Mo)板11と、Mo板11の一方の側に接合して積層された絶縁膜(絶縁部材)である窒化アルミニウム(AlN)シート12およびパワー半導体素子であるGaNパワーデバイス(以下、「GaN素子」ということがある。)13と、Mo板11の他方の側にMo板に接合して形成された冷却器20とを備えている。   As shown in FIG. 1, the semiconductor module of the present embodiment includes a molybdenum (Mo) plate 11 that is a low thermal expansion base material and an insulating film (insulating member) that is laminated on one side of the Mo plate 11. An aluminum nitride (AlN) sheet 12 and a GaN power device (hereinafter also referred to as “GaN element”) 13 which is a power semiconductor element, and the Mo plate 11 are joined to the Mo plate on the other side. And a cooler 20.

モリブデン(Mo)板11は、長さ40mm×幅50mm×厚み3mmのモリブデン製の板材であり、熱膨張係数は4ppm/Kであり、熱伝導率は140W/mKである。   The molybdenum (Mo) plate 11 is a molybdenum plate member having a length of 40 mm, a width of 50 mm, and a thickness of 3 mm, a thermal expansion coefficient of 4 ppm / K, and a thermal conductivity of 140 W / mK.

低熱膨張基材は、パワー半導体素子との間の熱膨張係数差が小さく(≦7ppm/K;より好ましくは、パワー半導体素子の熱膨張係数との差が±5ppm/K以内)、熱的に良導性(熱伝導率≧100W/mK)の基材から目的等に応じて適宜選択することができる。例えば、モリブデン基材のほか、モリブデンと他の金属(例えばCu)との混合材料からなる基材、およびこれらの積層材などを用いることができる。   The low thermal expansion base material has a small difference in thermal expansion coefficient from the power semiconductor element (≦ 7 ppm / K; more preferably, the difference from the thermal expansion coefficient of the power semiconductor element is within ± 5 ppm / K), and is thermally It can be appropriately selected depending on the purpose or the like from a substrate having good conductivity (thermal conductivity ≧ 100 W / mK). For example, in addition to a molybdenum base material, a base material made of a mixed material of molybdenum and another metal (for example, Cu), a laminated material of these, and the like can be used.

Mo板(低熱膨張基材)11の厚みについては、モジュールの熱による反りの防止や熱伝導性(冷却効率)を考慮して選択され、上記の厚みのほか、好ましくは0.5〜8mmの範囲から選択できる。薄厚の点では、Moは好ましい。   The thickness of the Mo plate (low thermal expansion substrate) 11 is selected in consideration of module warpage prevention and thermal conductivity (cooling efficiency), and in addition to the above thickness, preferably 0.5 to 8 mm. You can select from a range. From the viewpoint of thinness, Mo is preferable.

AlNシート12は、長さ30mm×幅40mm×厚み0.6mmの、電気抵抗率が1014Ωcm以上(焼成後)の絶縁性を有する窒化アルミニウムの絶縁膜であり、GaN素子13とMo板11との間に配されて、GaN素子13(具体的にはGaN素子が接合されている図1中のAl配線板14)と冷却器20とが電気的に絶縁されるようになっている。 The AlN sheet 12 is an insulating film of aluminum nitride having an insulating property of 30 mm long × 40 mm wide × 0.6 mm thick and having an electrical resistivity of 10 14 Ωcm or more (after firing). The GaN element 13 (specifically, the Al wiring board 14 in FIG. 1 to which the GaN element is bonded) and the cooler 20 are electrically insulated from each other.

AlNシート12の厚みは、材質や絶縁性能、強度などを考慮して、0.2〜3mmの範囲で選択することができる。   The thickness of the AlN sheet 12 can be selected in the range of 0.2 to 3 mm in consideration of the material, insulation performance, strength, and the like.

AlNシート12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0.6mm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、プレス等の型抜きを行なうことにより成形し、さらに乾燥、脱脂、焼成を行なうことにより作製できる。
なお、AlNシート12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 AlN sheet 12 is made 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. After the sheet was formed so as to have a thickness and the thickness after firing was 0.6 mm, the sheet was cut and molded by performing die cutting such as a press, Furthermore, it can produce by performing drying, degreasing | defatting, and baking.
Since the AlN sheet 12 shrinks in size by 10 to 20% by drying, degreasing, and firing, it is desirable that the AlN sheet 12 be formed thicker than a desired thickness in advance.

AlNシート以外には、絶縁部材として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(Al)、窒化シリコン(Si)、酸化シリコン、酸化ベリリウム、シリコ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。 Other than the AlN sheet, the insulating member can be suitably selected from ceramic materials having high thermal conductivity and a small linear expansion coefficient. Examples of the ceramic material include aluminum nitride, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon nitride (Si 2 N 4 ), silicon oxide, beryllium oxide, silicon carbide, and the like. Alternatively, two or more types can be selected and used.

本実施形態のAlNシート12には、GaN素子13が設けられる素子側表面に0.4mm厚のアルミニウム(Al)板からなるAl配線板14が貼り合わされている。また、この素子側表面と反対側の表面には、図示しない0.4mm厚のアルミニウム膜が貼り合わされている。   In the AlN sheet 12 of this embodiment, an Al wiring board 14 made of an aluminum (Al) plate having a thickness of 0.4 mm is bonded to the element side surface on which the GaN element 13 is provided. Further, an aluminum film (not shown) having a thickness of 0.4 mm is bonded to the surface opposite to the element side surface.

Al配線板14は、半導体素子が配される配線用金属板であり、本実施形態ではその表面にGaN素子(パワー半導体素子;熱膨張係数3〜4ppm/K)13が接合されると共に、外部電源と導通されて、GaN素子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。GaN素子13は、図1に示すように、はんだ15を挟んでAl板に接合されている。   The Al wiring board 14 is a wiring metal plate on which a semiconductor element is arranged. In this embodiment, a GaN element (power semiconductor element; coefficient of thermal expansion: 3 to 4 ppm / K) 13 is bonded to the surface of the Al wiring board 14 and externally. The GaN element 13 can be operated by being electrically connected to the power source. As shown in FIG. 1, the GaN element 13 is bonded to an Al plate with solder 15 interposed therebetween.

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、アルミニウム板以外に、例えば、銅、タングステン、モリブデン、インバー(Fe−Ni合金)、およびこれらの積層材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, in addition to the aluminum plate, for example, copper, tungsten, molybdenum, invar (Fe-Ni alloy) ), And laminated materials thereof.

前記配線用金属板としては、好ましくは熱伝導率が50W/m・K以上の金属材料であり、伝熱効率を確保し、GaN素子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、電気抵抗率が10×10−6Ωcm以下の金属材料が好ましく、電気伝導性を確保し、素子の動作性能を良好に保つ点で、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適である。 The metal plate for wiring is preferably a metal material having a thermal conductivity of 50 W / m · K or more in terms of ensuring heat transfer efficiency, increasing the cooling efficiency of the GaN element 13, and avoiding warpage due to thermal stress. Copper, aluminum, tungsten, molybdenum and the like are preferable. In addition, a metal material having an electric resistivity of 10 × 10 −6 Ωcm or less is preferable, and copper, aluminum, tungsten, molybdenum, and the like are preferable from the viewpoint of ensuring electric conductivity and maintaining the operation performance of the element. .

Al配線板(配線用金属板)の厚みとしては、特に制限はないが、通常0.1〜1mm程度であり、熱応力および配線抵抗の点で、0.2〜0.7mm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。   The thickness of the Al wiring board (wiring metal plate) is not particularly limited, but is usually about 0.1 to 1 mm, and 0.2 to 0.7 mm is preferable in terms of thermal stress and wiring resistance. is there. 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Al配線板14の上には、図1に示すように、GaN素子1個と図示しないダイオード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 Al wiring board 14, as shown in FIG. 1, one GaN element and one diode (not shown) are provided, and a unit which is a minimum unit necessary for forming an inverter is configured. ing.

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2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。   For example, in the case of a three-phase inverter used in a hybrid vehicle or the like, as shown in FIG. 2, three sets (arms) of two units in series (or multiples thereof) are combined in parallel.

冷却器20は、図1に示すように、断面矩形の直方体に構成されており、その6面のうち広幅な1面がMo板11で形成されている。すなわち、GaN素子13と冷却器20とはMo板11を介して互いに異なる側に画されると同時に、GaN素子13が冷却器上(具体的には、冷媒である冷却水が流通する流路の路壁表面)にAlNシート等を介して直接設けられた構造になっており、冷却が効率良く行なえる構成となっている。   As shown in FIG. 1, the cooler 20 is configured as a rectangular parallelepiped having a rectangular cross section, and one of the six surfaces is formed of a Mo plate 11. That is, the GaN element 13 and the cooler 20 are demarcated on different sides via the Mo plate 11, and at the same time, the GaN element 13 is on the cooler (specifically, a flow path through which cooling water as a coolant flows). The road wall surface) is directly provided via an AlN sheet or the like, so that the cooling can be performed efficiently.

冷却器20は、器壁(流路壁)をなすMo板11のAlNシート12が接合された側と反対側に冷媒である冷却水が流通する流路21と、この流路21の一部をなすMo板11の流路内表面に接合された、可逆的に変形可能な熱伝導性材料である薄板状の複数のアルミニウム(Al)板22とを設けて構成されている。   The cooler 20 includes a flow channel 21 through which coolant, which is a coolant, circulates on the opposite side of the Mo plate 11 forming the device wall (flow channel wall) to which the AlN sheet 12 is joined, and a part of the flow channel 21. And a plurality of thin aluminum (Al) plates 22 that are reversibly deformable heat conductive materials joined to the inner surface of the flow path of the Mo plate 11.

流路21は、4つの側壁23aとMo板11と同サイズの底壁23bとからなる外形を有する凹状部材(底壁と対向する面が開口している)23を、その各側壁を図1−(c)のようにMo板11の外周面(厚み分の面)に接合して、Mo板11に固定することによって形成されている。この凹状部材は、厚み5mmのFeNi合金の板材からなる側壁23aおよび底壁23bを用いて作製されたものである。   The flow path 21 includes a concave member 23 having an outer shape composed of four side walls 23a and a bottom wall 23b of the same size as the Mo plate 11 (the surface facing the bottom wall is open), and each side wall of FIG. -It is formed by joining to the outer peripheral surface (surface for thickness) of Mo board 11, and fixing to Mo board 11 like (c). This concave member is manufactured using the side wall 23a and the bottom wall 23b which consist of a board | plate material of a 5-mm-thick FeNi alloy.

この凹状部材23の4つの側壁23aのうち、互いに対向する一対の2壁には、図1に示すように、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25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26とが形成されており、流入口25から供給された冷却水が路内を流れて流出口26から外部に排出されることで、冷却水と熱交換してGaN素子およびダイオードの冷却が行なえるようになっている。   Of the four side walls 23a of the concave member 23, a pair of two walls facing each other are each provided with a taper screw joint, as shown in FIG. 1, and an inlet for supplying cooling water to the inside. 25 and an outlet 26 for discharging the heat-warmed cooling water to the outside, and the cooling water supplied from the inlet 25 flows through the passage and is discharged from the outlet 26 to the outside. Thus, the GaN element and the diode can be cooled by exchanging heat with the cooling water.

冷却器20を構成する凹状部材23に用いる材料としては、FeNi合金などの熱膨張係数7ppm/K以下(より好ましくは、パワー半導体素子の熱膨張係数との差が±5ppm/K以内)の材料がGaN素子(パワー半導体素子)との間の熱膨張係数差が小さくできる点で好ましく、FeNi合金以外には、例えば、モリブデン、あるいはモリブデンまたはFeNi合金のいずれか一方もしくは両方と他の金属(例えばCu)との混合材料からなる材料などを用いることができる。   The material used for the concave member 23 constituting the cooler 20 is a material having a thermal expansion coefficient of 7 ppm / K or less (more preferably, the difference from the thermal expansion coefficient of the power semiconductor element is within ± 5 ppm / K) such as FeNi alloy. Is preferable in that the difference in coefficient of thermal expansion between the GaN element (power semiconductor element) can be reduced. In addition to the FeNi alloy, for example, molybdenum, or one or both of molybdenum and FeNi alloy, and other metals (for example, A material made of a mixed material with Cu) can be used.

流路21内のAl板22は、0.2mm厚の薄板状のアルミニウム板(純度99.99%)をワイヤーカットでカットして、10mm×20mmのサイズに成形されたものであり、その端部がMo板11の流路内表面にロウ材で接合されて、複数のアルミニウム板が約1mmピッチで3次元的に配置された状態で収容されている。   The Al plate 22 in the flow channel 21 is formed by cutting a thin aluminum plate having a thickness of 0.2 mm (purity 99.99%) by wire cutting into a size of 10 mm × 20 mm. The parts are joined to the inner surface of the flow path of the Mo plate 11 with a brazing material, and a plurality of aluminum plates are accommodated in a three-dimensionally arranged state with a pitch of about 1 mm.

このAl板22は、一般に熱交換用部材として用いられるいわゆるフィンや柱材などと同様に、流路21内を流通する冷却水と接触して熱交換するものであるが、Al板22は純度が高く比較的柔らかい性状を有するために、熱応力を受けても自ら変形して熱応力や歪みを吸収し、モジュール構造中の剥離やクラック等による破壊を回避しながら、GaN素子13およびダイオードの冷却を効率良く行なえる構成となっている。   The Al plate 22 is for heat exchange in contact with cooling water flowing through the flow channel 21 in the same manner as so-called fins and pillars generally used as heat exchange members. Because of its high and relatively soft properties, it deforms itself even when subjected to thermal stress, absorbs thermal stress and strain, and avoids breakage due to peeling or cracks in the module structure, while preventing damage to the GaN element 13 and the diode. The cooling can be performed efficiently.

熱伝導性材料には、Al板以外に、上記の低熱膨張基材や冷却器の凹状部材などの構造骨格部よりも剛性が低く熱伝導性(好ましくは熱伝導率が150W/mK以上)のものを選択でき、好ましくは、銅、あるいは銅またはアルミニウムのいずれか一方または両方と他の金属との混合材料からなる材料などを用いることができる。   In addition to the Al plate, the thermally conductive material has a lower thermal rigidity and a thermal conductivity (preferably a thermal conductivity of 150 W / mK or more) than the structural skeleton such as the low thermal expansion base material and the concave member of the cooler. A material made of a mixed material of copper, or any one or both of copper and aluminum and another metal can be preferably used.

このAl板22は、複数のAl板をタングステン製のスリットに狭持させた状態にして、AlNシート12の流路内表面に接触させた後、700℃〜1000℃の温度領域に加熱することにより直接接合してもよい。   The Al plate 22 is heated in a temperature range of 700 ° C. to 1000 ° C. after a plurality of Al plates are sandwiched between tungsten slits and brought into contact with the flow channel inner surface of the AlN sheet 12. May be joined directly.

以下、本実施形態の半導体モジュールの作製方法を一例を挙げて詳細に説明する。
パワー半導体素子(GaN素子)、Mo板(長さ40mm×幅50mm×厚み3mm)、AlNシート(一方に0.4mm厚のAl膜を、他方に0.1mm厚のAl膜を貼り合わせたもの)、および0.2mm厚の薄板状のAl板(純度99.99%)を用意した。ここで、AlNシートには、Al配線板とした0.4mm厚のAl膜に対して、フォトリソグラフィー法によりマスクを形成し、Al配線板の表面のみが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したことにより、Al配線板に配線パターン(回路)を形成した。
Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor module of the present embodiment will be described in detail with an example.
Power semiconductor element (GaN element), Mo plate (length 40 mm x width 50 mm x thickness 3 mm), AlN sheet (0.4 mm thick Al film on one side and 0.1 mm thick Al film on the other) ), And a thin plate-like Al plate (purity 99.99%) having a thickness of 0.2 mm. Here, on the AlN sheet, a mask is formed by photolithography on an Al film having a thickness of 0.4 mm, which is an Al wiring board, and is arranged so that only the surface of the Al wiring board is immersed in the etching solution. The wiring pattern (circuit) was formed on the Al wiring board by etching.

次に、厚み5mmのFeNi合金の板材を用いて、図1−(c)のように、4つの側壁23aとMo板11と同サイズの底壁23bとからなる外形を有した凹型箱材(底壁と対向した面が開口している)23を作製した。作製した凹型箱材23の互いに向き合う側壁のうち対をなす2つの側壁にそれぞれ貫通孔を設け、図1−(a)に示すように、設けられた2ヶ所の貫通孔にテーパねじ継ぎ手を装着したことにより、冷却水の流入口25と流出口26とを形成した。   Next, using a FeNi alloy plate material having a thickness of 5 mm, as shown in FIG. 1- (c), a concave box material having an outer shape composed of four side walls 23a and a Mo wall 11 and a bottom wall 23b of the same size ( The surface facing the bottom wall is open). A through hole is provided in each of two paired side walls of the manufactured concave box material 23, and taper screw joints are attached to the two through holes provided as shown in FIG. 1- (a). As a result, the cooling water inlet 25 and the outlet 26 were formed.

そして、まず薄板状のAl板の端部を、Mo板の一方の表面にロウ付けして接合した。続いて、Mo板のAl板接合面が凹型箱材の凹部に入り込むようにMo板を配置し、凹型箱材の側壁とMo板の外周面(厚み分の面)とを溶接して接合した。続いて、そのMo板のAl板が接合されていない側の表面にAlNシートを0.4mm厚のAl膜の膜面にてロウ付けして接合した。その後、AlNシートの配線パターンが形成されているAl配線板(0.4mm厚のAl膜)の表面に、GaN素子をリフロー炉を用いてはんだ接合し、パワーモジュールとした。   First, the end of the thin Al plate was brazed to one surface of the Mo plate and joined. Subsequently, the Mo plate is arranged so that the Al plate joining surface of the Mo plate enters the concave portion of the concave box material, and the side wall of the concave box material and the outer peripheral surface (surface corresponding to the thickness) of the Mo plate are welded and joined. . Subsequently, an AlN sheet was brazed to the surface of the Mo plate on which the Al plate was not joined, with a 0.4 mm thick Al film surface, and joined. Thereafter, a GaN element was soldered to the surface of an Al wiring board (0.4 mm thick Al film) on which an AlN sheet wiring pattern was formed using a reflow furnace to obtain a power module.

次に、本実施形態の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20に設けられた流入口25および流出口26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ーターとポンプの役割を担うものである。
Next, the performance of the semiconductor module of this embodiment will be described.
(1) Measurement of thermal resistance The inlet 25 and outlet 26 provided in the cooler 20 constituting the semiconductor module of the present invention and the circulating nozzle of the cooling water / warm water circulating device are connected by a hose, and the temperature is 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、GaN素子は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、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、GaN素子において、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。絶縁型のシース熱電対をエミッタ電極(GaN素子の上面)に接触させ、GaN素子の表面温度を測定し、測定された値をGaN素子のジャンクション温度(以下、「Tj」と略記する)とする。GaN素子と冷却水との温度差ΔTは、ΔT=Tj−Twである。
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。
Next, a voltage (hereinafter abbreviated as “Vge”) is applied between the gate electrode and the emitter electrode. At this time, when a Vge exceeding a threshold value (Vge (th); usually 4V to 8V) is applied, the GaN element 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 2 V, but when it exceeds about 1 to 2 V, Ice increases as Vce increases. At this time, in the GaN element, heat Q corresponding to power loss represented by the product of Vce and Ice is generated. An insulated sheath thermocouple is brought into contact with the emitter electrode (the upper surface of the GaN element), the surface temperature of the GaN element is measured, and the measured value is defined as the junction temperature of the GaN element (hereinafter abbreviated as “Tj”). . The temperature difference ΔT between the GaN element and the cooling water is ΔT = Tj−Tw.
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6L/minとし、GaN素子13に電流を流し、Rthを測定したところ、約0.3K/Wが得られた。この値は、従来の市販のGaNパワーモジュールの熱抵抗(素子とケースの間)が0.6K/W程度であるのに比較し、水冷式に構成された本実施形態の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した。   Based on the above, when the flow rate of the cooling water was 6 L / min, a current was passed through the GaN element 13 and Rth was measured, about 0.3 K / W was obtained. This value is compared with the thermal resistance of the conventional commercially available GaN power module (between the element and the case) of about 0.6 K / W, compared with the thermal resistance of the semiconductor module of the present embodiment configured in a water-cooled type. (Rth is the element and case plus the thermal resistance of the cooler), indicating that it is very small and good.

(2)信頼性試験
下記方法により冷熱サイクル試験を行ない、信頼性を評価した。
具体的には、半導体モジュールを気相冷熱サイクル試験装置に設置し、大気下、低温雰囲気(−40℃)と高温雰囲気(+200℃)との間で冷熱サイクルを1000回繰り返して行なった。
(2) Reliability test A thermal cycle test was conducted by the following method to evaluate the reliability.
Specifically, the semiconductor module was installed in a gas-phase cooling / heating cycle test apparatus, and the cooling / heating cycle was repeated 1000 times in the air between a low temperature atmosphere (−40 ° C.) and a high temperature atmosphere (+ 200 ° C.).

本実施形態の半導体モジュールでは、上記の冷熱サイクルの後の各部を観察したところ、AlNシートに貼り合わされたAl膜に若干の変形がみられたものの、クラックや剥離などの構造上の不具合は認められず、良好な状態を保つことができた。   In the semiconductor module of this embodiment, when each part after the above cooling cycle was observed, the Al film bonded to the AlN sheet was slightly deformed, but structural defects such as cracks and peeling were recognized. It was not possible to keep it in good condition.

ここで、本実施形態の半導体モジュールに対する比較として、(a)図3に示すように、GaNパワーデバイスが設けられたCu−Mo合金基板と冷却器との間にグリスを用いた構造に構成した比較モジュールと、(b)図4に示すように、GaNパワーデバイスが接合されたCu板と部分的に孔の開いたCuを貼り合わせた冷却器との間にAlN絶縁基板が設けられた構造に構成した比較モジュールとを作製し、本実施形態の半導体モジュールに対して行なった方法と同様にして、熱抵抗の測定および信頼性試験を行なった。   Here, as a comparison with the semiconductor module of the present embodiment, (a) as shown in FIG. 3, a structure using grease was formed between the Cu—Mo alloy substrate provided with the GaN power device and the cooler. A structure in which an AlN insulating substrate is provided between a comparison module and (b) a Cu plate to which a GaN power device is bonded and a cooler in which partially perforated Cu is bonded, as shown in FIG. The comparison module configured as described above was manufactured, and the thermal resistance was measured and the reliability test was performed in the same manner as the method performed on the semiconductor module of the present embodiment.

その結果、比較モジュール(a)では、GaN素子から冷却水までの熱抵抗Rthは0.6K/Wであった。また、冷熱サイクルを行なったところ、AlN絶縁基板とヒートシンクとの間のはんだ層に顕著なクラックと空隙が観察された。さらに、グリスが周辺にしみ出してしまう不具合も認められた。
また、比較モジュール(b)では、熱抵抗Rthが0.2K/Wであったものの、冷熱サイクルを行なったところ、AlN絶縁基板に顕著なクラックが認められた。
As a result, in the comparison module (a), the thermal resistance Rth from the GaN element to the cooling water was 0.6 K / W. Further, when the thermal cycle was performed, remarkable cracks and voids were observed in the solder layer between the AlN insulating substrate and the heat sink. In addition, there was a problem that grease oozes out to the periphery.
Further, in the comparative module (b), although the thermal resistance Rth was 0.2 K / W, a remarkable crack was observed in the AlN insulating substrate when the thermal cycle was performed.

上記の実施形態では、パワー半導体素子としてGaNパワーデバイスを用いた場合を中心に説明したが、GaNで構成した場合に限られず、SiCを用いた半導体素子などで構成した場合も同様である。   In the above embodiment, the case where a GaN power device is used as the power semiconductor element has been mainly described. However, the present invention is not limited to the case where the power semiconductor element is made of GaN, and the same applies to the case where the semiconductor element is made of SiC.

(a)は本発明の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 embodiment of this invention, (b) is a side view when the semiconductor module which concerns on embodiment of this invention of (a) is seen from the side surface, (C) is the sectional view on the AA 'line of (a). 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. 従来の半導体モジュールのグリスを用いた構成例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structural example using the grease of the conventional semiconductor module. 従来の半導体モジュールの他の構成例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other structural example of the conventional semiconductor module.

符号の説明Explanation of symbols

11…モリブデン(Mo)板
12…AlNシート
13…GaNパワーデバイス(GaN素子)
20…冷却器
21…流路
22…薄板状のAl板(可逆的に変形可能な熱伝導性材料)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Molybdenum (Mo) board 12 ... AlN sheet 13 ... GaN power device (GaN element)
20 ... cooler 21 ... flow path 22 ... thin plate-like Al plate (heat conductive material that can be reversibly deformed)

Claims (8)

パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子との間の熱膨張係数の差が±5ppm/Kの範囲内であって、熱伝導率が50W/mK以上である低熱膨張基材と、
前記低熱膨張基材の前記パワー半導体素子が設けられる側と反対側に形成されており、冷媒が流通し、熱応力に対して変形可能な熱伝導性材料が収容された流路を有し、前記冷媒との熱交換により少なくとも前記パワー半導体素子を冷却する冷却器と、
前記パワー半導体素子と前記低熱膨張基材との間に配され、前記パワー半導体素子および前記冷却器を電気的に絶縁する絶縁部材と、
を備え、前記低熱膨張基材が前記冷却器の器壁の一部を形成する半導体モジュール。
A power semiconductor element;
A low thermal expansion base material having a difference in thermal expansion coefficient between the power semiconductor elements within a range of ± 5 ppm / K and a thermal conductivity of 50 W / mK or more;
Formed on the side of the low thermal expansion substrate opposite to the side on which the power semiconductor element is provided, has a flow path in which a refrigerant flows and contains a thermally conductive material that is deformable against thermal stress, A cooler that cools at least the power semiconductor element by heat exchange with the refrigerant;
An insulating member disposed between the power semiconductor element and the low thermal expansion base material to electrically insulate the power semiconductor element and the cooler;
And the low thermal expansion substrate forms part of the cooler wall.
前記低熱膨張基材は、熱膨張係数が7ppm/K以下であり、熱伝導率が100W/mK以上であることを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュール。   2. The semiconductor module according to claim 1, wherein the low thermal expansion base material has a thermal expansion coefficient of 7 ppm / K or less and a thermal conductivity of 100 W / mK or more. 前記低熱膨張基材は、モリブデン基材またはモリブデンを含有する基材であることを特徴とする請求項2に記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 2, wherein the low thermal expansion base material is a molybdenum base material or a base material containing molybdenum. 前記熱伝導性材料は、銅、アルミニウム、並びに銅およびアルミニウムの少なくとも一方を含有する金属材料のいずれかであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 1, wherein the thermally conductive material is any one of copper, aluminum, and a metal material containing at least one of copper and aluminum. 前記冷却器は、前記低熱膨張基材で形成された前記器壁の一部以外の器壁の少なくとも一部が熱膨張係数7ppm/K以下の材料で形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体モジュール。   The cooler is characterized in that at least a part of the vessel wall other than a part of the vessel wall formed of the low thermal expansion base material is formed of a material having a thermal expansion coefficient of 7 ppm / K or less. The semiconductor module of any one of 1-4. 前記熱膨張係数7ppm/K以下の材料が、モリブデン、FeNi合金、並びにモリブデンおよびFeNi合金の少なくとも一方を含有する金属材料のいずれかであることを特徴とする請求項5に記載の半導体モジュール。   6. The semiconductor module according to claim 5, wherein the material having a thermal expansion coefficient of 7 ppm / K or less is any one of molybdenum, FeNi alloy, and a metal material containing at least one of molybdenum and FeNi alloy. 前記絶縁部材の前記パワー半導体素子が設けられる側に、熱伝導率が50W/m・K以上であって電気抵抗率が10×10−6Ωcm以下である配線用金属板を更に備え、前記パワー半導体素子が前記配線用金属板に配されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体モジュール。 A wiring metal plate having a thermal conductivity of 50 W / m · K or more and an electrical resistivity of 10 × 10 −6 Ωcm or less is further provided on the side of the insulating member where the power semiconductor element is provided, The semiconductor module according to claim 1, wherein a semiconductor element is disposed on the wiring metal plate. 前記パワー半導体素子が、GaNまたはSiCを用いた半導体素子であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 1, wherein the power semiconductor element is a semiconductor element using GaN or SiC.
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