JP2008262974A - Semiconductor device - Google Patents

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Takeshi Ariyoshi
剛 有吉
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having a heat-dissipating function using a heat pipe. <P>SOLUTION: A chip unit 10 has semiconductor chips 11, metallic wirings 23 supporting the semiconductor chips, wiring supporting substrates 22 supporting the metallic wirings 23 and a heat pipe 40 connected to the wiring supporting substrates 22 in a thermally conductible manner. The chip unit 10 further has a heat sink member 21 connected to the wiring supporting substrates 22 and the heat pipe 40 in the thermally conductible manner and exposed in a region making an external heat exchanging medium flow. The heat sink member 21 and the wiring supporting substrates 22 are composed of a material having the small difference of a coefficient of thermal expansion with the semiconductor chips 11 and having a thermal conductivity higher than the semiconductor chips 11. The heat pipe 40 is extended up to a region protruded from a natural heat-dissipating region, and cooled by the central section 21A and side sections 21B of the heat sink member 21. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、ヒートパイプを実装してなる半導体装置に係り、特にパワーデバイスに適したものに関する。   The present invention relates to a semiconductor device in which a heat pipe is mounted, and particularly to a device suitable for a power device.

近年、電気自動車やハイブリッド車、燃料電池など、モータ駆動用のスイッチング素子を備えたパワーデバイス(半導体装置)として、IGBTやFETを用いたモジュールが用いられている。特に、車載用の半導体装置においては、小型化の要求のために、小面積で放熱機能の大きい冷却構造が必要となっている。   In recent years, modules using IGBTs or FETs have been used as power devices (semiconductor devices) including motor-driven switching elements such as electric vehicles, hybrid vehicles, and fuel cells. In particular, in-vehicle semiconductor devices require a cooling structure with a small area and a large heat dissipation function because of the demand for miniaturization.

小面積で放熱機能の大きい冷却構造として、特許文献1には、半導体パッケージのリッドにヒートパイプを埋設して、半導体パッケージのリッドを通る熱流束の側方の流れに対する熱抵抗を減少させようとする構造が開示されている。また、特許文献2には、ヒートパイプに直接フィンを取り付けることにより、ヒートパイプによる冷却効率を高めようとする構造が開示されている。   As a cooling structure with a small area and a large heat dissipation function, Patent Document 1 discloses that a heat pipe is embedded in the lid of the semiconductor package to reduce the thermal resistance to the lateral flow of the heat flux passing through the lid of the semiconductor package. A structure is disclosed. Patent Document 2 discloses a structure that attempts to increase the cooling efficiency of the heat pipe by directly attaching fins to the heat pipe.

特開平11−233698号公報JP-A-11-233698 特開平06−268123号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-268123

しかしながら、特許文献1,2の技術では、SiCデバイスなどを用いた車載用半導体装置に要求される小型化,大電力化に対応できる放熱量を確保することが困難である。たとえば、特許文献1の技術は、半導体チップの片面のみに電極を有する場合の構造であり、適用範囲を車載用のパワーデバイスまで拡大することは困難である。また、特許文献2の技術では、フィンとヒートパイプとの接触面積が小さくなり、十分な放熱量を得ることができない。   However, with the technologies of Patent Documents 1 and 2, it is difficult to secure a heat radiation amount that can cope with the reduction in size and the increase in power required for an in-vehicle semiconductor device using an SiC device or the like. For example, the technique of Patent Document 1 is a structure in which an electrode is provided only on one surface of a semiconductor chip, and it is difficult to expand the application range to an in-vehicle power device. Moreover, with the technique of patent document 2, the contact area of a fin and a heat pipe becomes small, and sufficient heat dissipation cannot be obtained.

本発明の目的は、ヒートパイプの放熱機能を有効に活用して、高い冷却効果を発揮しうる半導体装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can exhibit a high cooling effect by effectively utilizing the heat dissipation function of a heat pipe.

本発明の半導体装置は、半導体チップの配線支持基板にヒートパイプを熱伝導可能に連結し、配線支持基板およびヒートパイプにヒートシンク部材を熱伝導可能に連結したものである。   In the semiconductor device of the present invention, a heat pipe is connected to a wiring support substrate of a semiconductor chip so as to be able to conduct heat, and a heat sink member is connected to the wiring support substrate and the heat pipe so as to be able to conduct heat.

これにより、配線支持基板−ヒートパイプ間、ヒートシンク部材−ヒートパイプ間、ヒートシンク部材−配線支持基板間において、熱伝導が可能な連結構造になっているので、全体として、半導体チップ−熱交換媒体間の熱抵抗が小さくなり、放熱機能の向上を図ることができる。   Thereby, since it has a connection structure capable of heat conduction between the wiring support substrate and the heat pipe, between the heat sink member and the heat pipe, and between the heat sink member and the wiring support substrate, as a whole, between the semiconductor chip and the heat exchange medium. Therefore, the heat dissipation function can be improved.

ヒートパイプが、半導体チップの自然放熱領域からはみ出た領域まで延びていることにより、ヒートパイプを介して、半導体チップで発生した熱が放出される領域を、自然放熱領域よりも広い領域まで拡大させることができるので、放熱機能が向上する。   By extending the heat pipe to the area that protrudes from the natural heat dissipation area of the semiconductor chip, the area where the heat generated in the semiconductor chip is released via the heat pipe is expanded to an area wider than the natural heat dissipation area. Therefore, the heat dissipation function is improved.

ヒートパイプの一部が、外部熱交換媒体が流れる領域の側に曲げられていることにより、外部熱交換媒体が流れる流路を効率的に利用して、放熱機能を維持しつつ、半導体装置の小型化を図ることができる。   Since a part of the heat pipe is bent toward the region through which the external heat exchange medium flows, the flow path through which the external heat exchange medium flows can be efficiently used to maintain the heat dissipation function and Miniaturization can be achieved.

ヒートシンク部材が、複数の部分に分割されていることにより、製造の容易化を図ることができる。   Since the heat sink member is divided into a plurality of portions, manufacturing can be facilitated.

半導体装置に形成されている半導体素子が、ワイドバンドギャップ半導体を用いたパワーデバイスであることにより、チップの使用温度範囲が拡大しても、熱応力をできるだけ小さくして接続部の信頼性を維持しつつ、高い放熱機能により、パワーデバイスの過剰な温度上昇を防止することができる。   As the semiconductor element formed in the semiconductor device is a power device using a wide band gap semiconductor, even if the operating temperature range of the chip is expanded, the thermal stress is minimized and the reliability of the connection is maintained. However, an excessive temperature rise of the power device can be prevented by the high heat dissipation function.

本発明の半導体装置によると、ヒートパイプを用いた,放熱機能の高い半導体装置が得られる。   According to the semiconductor device of the present invention, a semiconductor device having a high heat dissipation function using a heat pipe can be obtained.

図1は、実施の形態における半導体装置(パワーモジュール)の構造を概略的に示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態の半導体装置は、放熱器50の上にチップユニット10を接合して構成されている。放熱器50は、天板50aと天板50aに接合された容器50bとからなり、天板50aには、チップユニット10を組み込むための多数の矩形状貫通穴が設けられている。本実施形態においては、矩形状貫通穴が多数設けられているが、1つだけでもよい。放熱器50を構成する天板50aと容器50bとは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、ダイキャスト,押し出し,鍛造,鋳造,機械加工等によって製造することができる。また、図1には図示されていないが、天板50aの上に樹脂ケース(図3参照)が取り付けられている。   FIG. 1 is a perspective view schematically showing a structure of a semiconductor device (power module) in an embodiment. As shown in the figure, the semiconductor device of this embodiment is configured by joining a chip unit 10 on a radiator 50. The radiator 50 includes a top plate 50a and a container 50b joined to the top plate 50a. The top plate 50a is provided with a number of rectangular through holes for incorporating the chip unit 10 therein. In the present embodiment, a large number of rectangular through holes are provided, but only one may be provided. The top plate 50a and the container 50b constituting the radiator 50 are made of aluminum or an aluminum alloy, and can be manufactured by die casting, extrusion, forging, casting, machining, or the like. Although not shown in FIG. 1, a resin case (see FIG. 3) is attached on the top plate 50a.

本実施の形態の組み立て工程においては、放熱器50の天板50aにチップユニット10が実装された後、天板50aが容器50bに接合される。この接合は、機械かしめ等によって行われてもよい。また、本実施の形態では、放熱器50は天板50aと容器50bを個別に形成してから両者を接合しているが、天板と容器とを一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストにより放熱器を形成することができる。そして、その後、天板50aの上に樹脂ケースがネジ止めなどによって取り付けられる。   In the assembly process of the present embodiment, after the chip unit 10 is mounted on the top plate 50a of the radiator 50, the top plate 50a is joined to the container 50b. This joining may be performed by mechanical caulking or the like. Further, in the present embodiment, the radiator 50 is formed by individually forming the top plate 50a and the container 50b and then joining them together, but the top plate and the container may be integrally formed. In that case, the radiator can be formed, for example, by die casting using an integral type. Thereafter, a resin case is attached to the top plate 50a by screwing or the like.

図2は、実施の形態に係る半導体装置の平面図である。図3は、実施の形態の半導体装置の図2に示すIII-III線における断面図である。図4は、実施の形態の半導体装置の図2に示すIV-IV線における断面図である。ただし、図2〜図4において、配線構造および樹脂ケースの図示は省略されている。また、はんだ層やメタライズ層など、本件発明の本質的要素でない部材は、見やすくするために図示を省略している。以下、図2〜図4を参照しながら、半導体装置の構造について説明する。   FIG. 2 is a plan view of the semiconductor device according to the embodiment. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the embodiment taken along line III-III shown in FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV shown in FIG. 2 of the semiconductor device of the embodiment. However, in FIGS. 2 to 4, the wiring structure and the resin case are not shown. Also, illustration of members that are not essential elements of the present invention, such as solder layers and metallized layers, is omitted for the sake of clarity. Hereinafter, the structure of the semiconductor device will be described with reference to FIGS.

本実施の形態の半導体装置において、放熱器50の天板50aと容器50bとの間の流路51には、熱交換媒体としての冷却水が図2の破線矢印に示す方向に流れている。チップユニット10は、主要部材として、ダイオード,IGBTなどの半導体素子が形成された半導体チップ11と、半導体チップ11で発生した熱を外方に放出するためのヒートシンク部材21と、半導体チップ11の裏面電極14にはんだ層(図示せず)を介して接合され、Cu,Alなどの金属板から形成される金属配線23と、主面および裏面に形成されたメタライズ層(図示せず)およびはんだ層を介して金属配線23に接合された、AlNからなる配線支持基板22と、配線支持基板22に熱伝導可能に連結されたヒートパイプ40と、配線支持基板22およびヒートパイプ40に熱伝導可能に連結されたヒートシンク部材21とを備えている。本実施形態においては、半導体チップ11には、ダイオードとIGBT(またはMOSFET)とが形成されており、半導体チップ11の裏面電極14は、ダイオード,IGBTなどの半導体素子の活性領域に接続されている。また、半導体チップ11の主面にも、制御信号用電極や上面電極が設けられているが、図示が省略されている。   In the semiconductor device of the present embodiment, cooling water as a heat exchange medium flows in the flow path 51 between the top plate 50a and the container 50b of the radiator 50 in the direction indicated by the broken line arrow in FIG. The chip unit 10 includes, as main members, a semiconductor chip 11 in which semiconductor elements such as diodes and IGBTs are formed, a heat sink member 21 for releasing heat generated in the semiconductor chip 11 to the outside, and a back surface of the semiconductor chip 11. Metal wiring 23 joined to the electrode 14 via a solder layer (not shown) and formed from a metal plate such as Cu or Al, a metallized layer (not shown) and a solder layer formed on the main surface and the back surface A wiring support substrate 22 made of AlN, joined to the metal wiring 23 via the heat sink 40, a heat pipe 40 connected to the wiring support substrate 22 so as to be thermally conductive, and capable of conducting heat to the wiring support substrate 22 and the heat pipe 40. And a heat sink member 21 connected thereto. In the present embodiment, the semiconductor chip 11 is formed with a diode and an IGBT (or MOSFET), and the back electrode 14 of the semiconductor chip 11 is connected to an active region of a semiconductor element such as a diode or IGBT. . Further, the main surface of the semiconductor chip 11 is provided with a control signal electrode and an upper surface electrode, which are not shown.

図4の一部拡大図に示すように、ヒートシンク部材21A,21Bには、溝部が形成されており、ヒートパイプ40は、溝部に埋め込まれて、ろう材層41によってヒートシンク部材21A,21Bの平板部21aに接合されている。また、配線支持基板22は、ヒートシンク部材21A,21Bの平板部21aおよびヒートパイプ40にろう材層41によって接合されている。この構造により、配線支持基板22とヒートパイプ40とが互いに熱伝導可能に連結され、ヒートシンク部材21A,21Bが、配線支持基板22およびヒートパイプ40に熱伝導可能に連結されている。ここで、「熱伝導可能に連結されている」とは、熱伝導率が低い樹脂などの部材(たとえば1(W/m・K)未満の樹脂で、フィラー混入による熱伝導を高めた樹脂を除く)が介在している場合を除く意味であり、特に、はんだ層、ろう材層、メタライズ層などだけが介在していることにより、熱抵抗をできるだけ低減することができる。   As shown in the partially enlarged view of FIG. 4, the heat sink members 21 </ b> A and 21 </ b> B have grooves, and the heat pipes 40 are embedded in the grooves and the flat plate of the heat sink members 21 </ b> A and 21 </ b> B by the brazing material layer 41. It is joined to the part 21a. Further, the wiring support substrate 22 is joined to the flat plate portion 21a of the heat sink members 21A and 21B and the heat pipe 40 by a brazing material layer 41. With this structure, the wiring support substrate 22 and the heat pipe 40 are connected to each other so as to be able to conduct heat, and the heat sink members 21A and 21B are connected to the wiring support substrate 22 and the heat pipe 40 so as to be able to conduct heat. Here, “connected so that heat conduction is possible” means a member such as a resin having a low thermal conductivity (for example, a resin having a thermal conductivity of less than 1 (W / m · K) and increased heat conduction due to filler mixing. This means that the thermal resistance can be reduced as much as possible by interposing only the solder layer, the brazing material layer, the metallized layer, and the like.

ヒートパイプ40は、内部に市販されているものでよく、たとえば特許文献1に記載されているものでもよい。一般に、ヒートパイプ40の内部には、毛管現象を利用して内部熱交換媒体(たとえば、アルコール類,水,ナフタレンなど)の循環を促進するためのウィックが設けられている。内部熱交換媒体は、使用温度範囲,冷却能などを考慮して、適宜選択することができる。図5に示すように、ウィックには、ヒートパイプの内壁に設けられたメッシュからなるメッシュ状ウィック、ヒートパイプの内壁に微細な溝を形成してなる溝状ウィック、両者を組み合わせた複合ウィック、などがあり、いずれを用いてもよい。   The heat pipe 40 may be commercially available inside, for example, one described in Patent Document 1. Generally, a wick for promoting the circulation of an internal heat exchange medium (for example, alcohols, water, naphthalene, etc.) is provided inside the heat pipe 40 using capillary action. The internal heat exchange medium can be appropriately selected in consideration of the operating temperature range, cooling capacity, and the like. As shown in FIG. 5, the wick includes a mesh-like wick made of a mesh provided on the inner wall of the heat pipe, a groove-like wick formed by forming fine grooves on the inner wall of the heat pipe, a composite wick in which both are combined, Any of these may be used.

本実施の形態において、ヒートシンク部材21は、中央部21Aと、その両側の2つの側方部21Bとの3分割部材を互いに接合して形成されている。中央部21Aは、半導体チップ11から外部熱交換媒体(たとえば水,グリコール類)の流れる領域である流路51まで45°の傾斜角で拡大する領域(以下、「自然放熱領域」という)を含んでおり、Si−SiC,AlNなどの比較的高価で低熱膨張係数および高熱伝導率を有する材料により構成されている。側方部21Bは、自然放熱領域を含んでおらず、Cu,Alなどの比較的安価な材料により構成されている。また、ヒートシンク部材21の中央部21A,側方部21B共に、平板部21aと、平板部21aの裏面側から外部熱交換媒体が流れる領域に突出するフィン部21bとを有している。そして、ヒートシンク部材21は、アルミニウム−シリコン系ろう材からなるろう材層25により天板50aに接合されている。   In the present embodiment, the heat sink member 21 is formed by joining three divided members of a central portion 21A and two side portions 21B on both sides thereof. The central portion 21A includes a region (hereinafter referred to as “natural heat dissipation region”) that expands at an inclination angle of 45 ° from the semiconductor chip 11 to the flow path 51 that is a region through which an external heat exchange medium (for example, water or glycols) flows. In other words, it is made of a relatively expensive material such as Si—SiC or AlN, which has a low thermal expansion coefficient and high thermal conductivity. The side portion 21B does not include a natural heat dissipation region and is made of a relatively inexpensive material such as Cu or Al. Further, both the central portion 21A and the side portion 21B of the heat sink member 21 have a flat plate portion 21a and a fin portion 21b protruding from the back surface side of the flat plate portion 21a to a region where the external heat exchange medium flows. The heat sink member 21 is joined to the top plate 50a by a brazing material layer 25 made of an aluminum-silicon based brazing material.

本実施の形態によると、ヒートパイプ40の内部において、半導体チップ11で発生した熱が金属配線23−配線支持基板22−ヒートパイプ40の管壁を経て、内部熱交換媒体に放出されて、内部熱交換媒体が蒸発する。この気化熱によって、大きな冷却作用が得られる。そして、蒸発した内部熱交換媒体は、ヒートパイプ40内を側方に移動し、凝縮されて液化する。その後、液化した内部熱交換媒体は、ウィックなどを経て蒸発した領域まで戻る。本実施の形態では、ヒートパイプ40が配線支持基板22に熱伝導可能に連結され、ヒートシンク部材21A,21Bが、配線支持基板22およびヒートパイプ40に熱伝導可能に連結されているので、半導体チップ11−金属配線23−配線支持基板22と伝わってきた熱が、ヒートパイプ40からヒートシンク部材21に流れる放熱路と、直接ヒートシンク部材21に流れる放熱路とに分岐する。このように、放熱路がより広く拡大するように構成されているので、全体として半導体装置の放熱機能が向上する。   According to the present embodiment, the heat generated in the semiconductor chip 11 inside the heat pipe 40 is released to the internal heat exchange medium through the pipe wall of the metal wiring 23 -the wiring support substrate 22 -the heat pipe 40, The heat exchange medium evaporates. A large cooling action is obtained by this heat of vaporization. The evaporated internal heat exchange medium moves to the side in the heat pipe 40 and is condensed and liquefied. Thereafter, the liquefied internal heat exchange medium returns to the evaporated region through a wick or the like. In the present embodiment, the heat pipe 40 is connected to the wiring support substrate 22 so as to be able to conduct heat, and the heat sink members 21A and 21B are connected to the wiring support substrate 22 and the heat pipe 40 so as to be able to conduct heat. The heat transmitted to the 11-metal wiring 23-wiring support substrate 22 branches into a heat radiation path flowing from the heat pipe 40 to the heat sink member 21 and a heat radiation path flowing directly to the heat sink member 21. Thus, since the heat dissipation path is configured to expand more widely, the overall heat dissipation function of the semiconductor device is improved.

ヒートパイプ40がない場合には、ヒートシンク部材21のうち、半導体チップ11から外部熱交換媒体の流れる領域まで45°の傾斜角で拡大する領域から外れた領域における外部熱交換媒体への放熱は、ほとんど半導体チップ11の冷却に寄与しない。そこで、本明細書においては、「半導体チップから外部熱交換媒体の流れる領域まで45°の傾斜角で拡大する領域」を、「自然放熱領域」と定義する。   When there is no heat pipe 40, heat dissipation to the external heat exchange medium in the heat sink member 21 in the area outside the area that expands at an inclination angle of 45 ° from the semiconductor chip 11 to the area through which the external heat exchange medium flows, Almost does not contribute to cooling of the semiconductor chip 11. Therefore, in this specification, the “region that expands at an inclination angle of 45 ° from the semiconductor chip to the region through which the external heat exchange medium flows” is defined as “natural heat dissipation region”.

ところが、本実施の形態では、ヒートパイプ40が、外部熱交換媒体の流れに直交する方向に、上記自然放熱領域から大きく外れた側方まで延びている。したがって、ヒートパイプ40の内部において、半導体チップ直下方の領域で蒸発した内部熱交換媒体が、ヒートパイプ40の側方領域でヒートシンク21(特に、側方部21B)との熱交換によって凝縮されて液化する。その後、液化した内部熱交換媒体は、ウィックなどを経て半導体チップ直下方の領域まで戻る。つまり、ヒートパイプ40の内部において、半導体チップ直下方の領域と、その側方に位置する領域との間で熱が運ばれることになる。したがって、ヒートパイプ40からヒートシンク部材21に流れる放熱路は、自然放熱領域だけでなく、その側方の領域までを含むように拡大していることになる。この放熱領域の拡大により、冷却機能の向上を図ることができる。その場合、ヒートパイプ40が、外部熱交換媒体の流れに交差する方向(本実施の形態では、直交する方向)に延びていることにより、容器50bの流路51内の各部位における熱交換量を均一に分布させることができ、大幅な冷却機能の向上を図ることができる。   However, in the present embodiment, the heat pipe 40 extends in a direction orthogonal to the flow of the external heat exchange medium to a side that is far from the natural heat dissipation region. Therefore, the internal heat exchange medium evaporated in the region immediately below the semiconductor chip inside the heat pipe 40 is condensed in the side region of the heat pipe 40 by heat exchange with the heat sink 21 (particularly, the side portion 21B). Liquefaction. Thereafter, the liquefied internal heat exchange medium returns to a region directly below the semiconductor chip through a wick or the like. That is, in the heat pipe 40, heat is carried between a region directly below the semiconductor chip and a region located on the side thereof. Therefore, the heat radiation path flowing from the heat pipe 40 to the heat sink member 21 is expanded to include not only the natural heat radiation region but also the side region thereof. The expansion of the heat radiation area can improve the cooling function. In that case, the heat pipe 40 extends in the direction intersecting the flow of the external heat exchange medium (in the present embodiment, the direction orthogonal), whereby the heat exchange amount in each part in the flow path 51 of the container 50b. Can be distributed uniformly, and the cooling function can be greatly improved.

本実施の形態では、ヒートシンク部材21の中央部21Aの材料は、AlN,BN,SiN,GaNなどの窒化物セラミックス、あるいは,SiC,WCなどの炭化物セラミックス、あるいは、Si−SiC,Al−SiCなどの複合セラミックスにより構成されている。これらの材料に、限定されるものではないが、以下の理由により、これらの材料に限定することが好ましい。たとえば、AlNの熱膨張係数αは約4.5(ppm/K),熱伝導率は約200(W/m・K)であり、Si−SiCの熱膨張係数αは約2.3〜3(ppm/K),熱伝導率は約200(W/m・K)であり、SiCの熱膨張係数αは約3(ppm/K),熱伝導率は約210(W/m・K)であり、GaNの熱膨張係数αは約3.2または5.6(ppm/K),熱伝導率は約130(W/m・K)である。したがって、これらの放熱用材料は、アルミナ等の汎用セラミックスの熱伝導率よりもはるかに大きく、アルミニウム(熱伝導率約240(W/m・K)に近い熱伝導率を有しながら、熱膨張係数αはアルミニウム(α≒23(ppm/K))よりもはるかに小さく半導体チップの熱膨張係数α(Si単結晶で約3(ppm/K)、SiC単結晶で約4(ppm/K))に近い。したがって、ヒートシンク部材21の中央部21Aを、上記窒化物セラミックス,炭化物セラミックス,または複合セラミックスにより構成することによって、大きな熱伝達量を維持しつつ、熱応力をできるだけ小さくすることができる。   In the present embodiment, the material of the central portion 21A of the heat sink member 21 is nitride ceramics such as AlN, BN, SiN, GaN, carbide ceramics such as SiC, WC, Si-SiC, Al-SiC, or the like. It is comprised by the composite ceramics. Although not limited to these materials, it is preferable to limit to these materials for the following reasons. For example, the thermal expansion coefficient α of AlN is about 4.5 (ppm / K), the thermal conductivity is about 200 (W / m · K), and the thermal expansion coefficient α of Si—SiC is about 2.3-3. (Ppm / K), thermal conductivity is about 200 (W / m · K), thermal expansion coefficient α of SiC is about 3 (ppm / K), and thermal conductivity is about 210 (W / m · K). The thermal expansion coefficient α of GaN is about 3.2 or 5.6 (ppm / K), and the thermal conductivity is about 130 (W / m · K). Therefore, these heat-dissipating materials are much larger than the thermal conductivity of general-purpose ceramics such as alumina, and have a thermal conductivity close to that of aluminum (thermal conductivity of about 240 (W / m · K), while being thermally expanded. The coefficient α is much smaller than aluminum (α≈23 (ppm / K)), and the thermal expansion coefficient α of the semiconductor chip (approximately 3 (ppm / K) for Si single crystal, approximately 4 (ppm / K) for SiC single crystal. Therefore, by configuring the central portion 21A of the heat sink member 21 with the nitride ceramics, carbide ceramics, or composite ceramics, it is possible to minimize the thermal stress while maintaining a large heat transfer amount. .

一方、ヒートシンク部材21の側方部21Bは、半導体チップ11の直下方には位置していないので、半導体チップ11との熱膨張係数差が大きくても、それほど大きな熱応力を生じさせるものではない。そこで、側方部21Bは、比較的安価な材料であるAl,Cuにより構成して、製造コストの低減を図ることができる。特に、Cuは熱伝導率が393(W/m・K)であり、側方部21BをCuにより構成することにより、製造コストの低減と、ヒートパイプ40の側方における熱交換効率の向上とを併せて実現することができる。ただし、ヒートシンク部材21を分割する必要は必ずしもなく、同じ材料で一体的に形成してもよい。   On the other hand, since the side portion 21B of the heat sink member 21 is not located directly below the semiconductor chip 11, even if the difference in thermal expansion coefficient from the semiconductor chip 11 is large, it does not cause so much thermal stress. . Therefore, the side portion 21B can be made of Al and Cu, which are relatively inexpensive materials, and the manufacturing cost can be reduced. In particular, Cu has a thermal conductivity of 393 (W / m · K), and the side portion 21B is made of Cu, thereby reducing the manufacturing cost and improving the heat exchange efficiency at the side of the heat pipe 40. Can also be realized. However, it is not always necessary to divide the heat sink member 21, and the heat sink member 21 may be integrally formed of the same material.

なお、ヒートシンク部材21の一部または全体を、AlN,SiN,GaN,BN,SiC,WC,Si−SiC,Al−SiCなどにより構成する場合には、他の部材との接合を行う領域に、メタライズ層を形成しておくことにより、はんだ付けやろう付けを容易に行うことができる。   In the case where a part or the whole of the heat sink member 21 is made of AlN, SiN, GaN, BN, SiC, WC, Si—SiC, Al—SiC, or the like, in a region for joining with other members, By forming the metallized layer, soldering and brazing can be easily performed.

金属配線23の材料は、CuやAlに限定されるものではない。たとえば、Cu−Mo,CuWなどの金属を用いてもよい。Cu−Moの熱膨張係数αは約6.5〜8(ppm/K),熱伝導率は約200(W/m・K)であり、Cu−Wの熱膨張係数αは約6.5〜7(ppm/K),熱伝導率は180〜200(W/m・K)である。これらの複合材料の熱伝導率は、Cuの熱伝導率(約400(W/m・K))に比べるとかなり低いものの、アルミニウム(Al)に近い値であり、一方、熱膨張係数αは、Cuの熱膨張係数α(≒17)よりもはるかに小さく半導体チップの熱膨張係数α(Siで約3(ppm/K)、SiCで約4(ppm/K))に近い。したがって、金属配線23を、Cu−MoまたはCu−Wより構成することによって、大きな熱伝達量を維持しつつ、熱応力をできるだけ小さくすることができる。   The material of the metal wiring 23 is not limited to Cu or Al. For example, you may use metals, such as Cu-Mo and CuW. The thermal expansion coefficient α of Cu—Mo is about 6.5 to 8 (ppm / K), the thermal conductivity is about 200 (W / m · K), and the thermal expansion coefficient α of Cu—W is about 6.5. -7 (ppm / K), thermal conductivity is 180-200 (W / m · K). The thermal conductivity of these composite materials is much lower than that of Cu (about 400 (W / m · K)), but is close to that of aluminum (Al), while the thermal expansion coefficient α is , Much smaller than the thermal expansion coefficient α (≈17) of Cu and close to the thermal expansion coefficient α of the semiconductor chip (about 3 (ppm / K) for Si and about 4 (ppm / K) for SiC). Therefore, by configuring the metal wiring 23 from Cu—Mo or Cu—W, it is possible to reduce the thermal stress as much as possible while maintaining a large heat transfer amount.

ヒートシンク部材21との熱交換を行う外部熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、水であることが好ましい。ただし、水に代えて、ヘリウム,アルゴン,窒素,空気などの気体であってもよい。   The external heat exchange medium that exchanges heat with the heat sink member 21 is preferably water in consideration of cooling ability and cost. However, instead of water, a gas such as helium, argon, nitrogen, or air may be used.

(変形例)
図6は、実施の形態の変形例に係る半導体装置の断面図である(図2に示すIII-III線における断面に相当)。本変形例では、ヒートパイプ40が両側において、容器50bに沿って直角に曲げられている。ヒートシンク部材21は、中央部21Aと、2つの側方部21Bとに分割されており、中央部21Aのフィン部21bは縦方向に延びているが、側方部21Bのフィン部21bは、横方向に延びている。その他の部材の構成は、図2〜図5に示すとおりであり、同じ符号を付して説明を省略する。
(Modification)
6 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a modification of the embodiment (corresponding to a cross section taken along line III-III shown in FIG. 2). In this modification, the heat pipe 40 is bent at right angles along the container 50b on both sides. The heat sink member 21 is divided into a central part 21A and two side parts 21B. The fin part 21b of the central part 21A extends in the vertical direction, but the fin part 21b of the side part 21B Extending in the direction. The structure of other members is as shown in FIGS. 2 to 5, and the same reference numerals are given and description thereof is omitted.

本変形例によると、ヒートパイプ40を曲げるとともに、ヒートシンク部材21Bのフィン部21bを横方向に延びる構造とすることにより、外部熱交換媒体が流れる領域である流路51を最大限活用して、熱交換効率を高めることができるので、半導体装置の小型化を図りつつ、放熱機能の向上を図ることができる。なお、ヒートパイプ40の2つの半導体チップ11の中間に位置する部分から下方にも、ヒートパイプを分岐させてもよい。   According to this modification, the heat pipe 40 is bent, and the fin portion 21b of the heat sink member 21B is configured to extend in the lateral direction, so that the flow path 51, which is the region through which the external heat exchange medium flows, is utilized to the maximum extent. Since the heat exchange efficiency can be increased, the heat dissipation function can be improved while downsizing the semiconductor device. It should be noted that the heat pipe may be branched downward from a portion located in the middle of the two semiconductor chips 11 of the heat pipe 40.

(他の実施の形態)
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
(Other embodiments)
The structure of the embodiment of the present invention disclosed above is merely an example, and the scope of the present invention is not limited to the scope of these descriptions. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

上記実施の形態では、フィン部材21A,21Bがいずれも平板部21aとフィン部21bとを有している構造としたが、ヒートシンク部材21Aおよび21Bの双方、あるいはいずれか1つが、フィン部を有しておらず、平板部だけであってもよい。   In the above embodiment, the fin members 21A and 21B both have the flat plate portion 21a and the fin portion 21b. However, both or one of the heat sink members 21A and 21B has the fin portion. It may not be only a flat plate part.

上記実施の形態では、ヒートパイプ40をヒートシンク部材21に形成された溝に嵌め込む構造を採用したが、必ずしもこの構造に限定する必要はない。ヒートパイプ40とヒートシンク部材21との連結構造、配線支持基板22とヒートパイプ40との連結構造、配線支持基板22とヒートシンク部材21との連結構造は、熱伝導可能に連結されていれば、上記実施形態以外の連結構造を採用することができる。   In the above-described embodiment, a structure in which the heat pipe 40 is fitted into the groove formed in the heat sink member 21 is adopted, but it is not necessarily limited to this structure. If the connection structure between the heat pipe 40 and the heat sink member 21, the connection structure between the wiring support substrate 22 and the heat pipe 40, and the connection structure between the wiring support substrate 22 and the heat sink member 21 are connected so as to be capable of heat conduction, A connection structure other than the embodiment can be employed.

上記実施の形態では、ヒートパイプ40の上方に2つの半導体チップ11が搭載されている構造を採用したが、ヒートパイプ40の上方に搭載される半導体チップの個数は、1つでもよいし、3つ以上でもよい。   In the above embodiment, the structure in which the two semiconductor chips 11 are mounted above the heat pipe 40 is employed. However, the number of semiconductor chips mounted above the heat pipe 40 may be one, or 3 There may be more than one.

本発明の半導体装置は、ワイドバンドギャップ半導体(SiC,GaNなど)を用いたパワーデバイスを有するものに適用することにより、Siデバイスの動作温度以上でスイッチング動作などが行なわれ、チップ温度が150°C以上に達しても、熱応力をできるだけ小さくして接続部の信頼性を維持しつつ、高い放熱機能により、パワーデバイスの過剰な温度上昇を防止することができ、著効を奏することができる。   When the semiconductor device of the present invention is applied to a device having a power device using a wide band gap semiconductor (SiC, GaN, etc.), a switching operation or the like is performed at a temperature higher than the operating temperature of the Si device, and the chip temperature is 150 °. Even when the temperature reaches C or more, an excessive temperature rise of the power device can be prevented by a high heat radiation function while maintaining the reliability of the connection portion by reducing the thermal stress as much as possible, and the effect can be obtained. .

上記実施の形態では、半導体チップ11に、ダイオードとIGBTとが形成されているが、ダイオードに加えて、MOSFET,JFETなどが形成された半導体チップを用いてもよい。また、ダイオードと、IGBT,MOSFETまたはJFETとを個別のチップに形成してもよい。   In the above embodiment, the diode and the IGBT are formed on the semiconductor chip 11. However, in addition to the diode, a semiconductor chip on which a MOSFET, a JFET, or the like is formed may be used. Moreover, you may form a diode and IGBT, MOSFET, or JFET in a separate chip | tip.

本発明の半導体装置は、MOSFET,IGBT,ダイオード,JFET等を搭載した各種機器に利用することができる。   The semiconductor device of the present invention can be used in various devices equipped with MOSFETs, IGBTs, diodes, JFETs and the like.

実施の形態における半導体装置の構造を示す斜視図である。1 is a perspective view illustrating a structure of a semiconductor device in an embodiment. 実施の形態に係る半導体装置の平面図である。It is a top view of the semiconductor device concerning an embodiment. 実施の形態に係る半導体装置のIII-III線における断面図である。It is sectional drawing in the III-III line | wire of the semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る半導体装置のIV-IV線における断面図である。It is sectional drawing in the IV-IV line of the semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態のヒートパイプ内のウィックの例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of the wick in the heat pipe of embodiment. 変形例に係る半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device which concerns on a modification.

符号の説明Explanation of symbols

10 チップユニット
11 半導体チップ
14 裏面電極
21 ヒートシンク部材
21A 中央部
21B 側方部
21a 平板部
21b フィン部
22 配線支持基板
23 金属配線
24 ヒートシンク部材
25 ろう材層
40 ヒートパイプ
41 ろう材層
50 放熱器
50a 天板
50b 容器
51 流路
53 樹脂ケース
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Chip unit 11 Semiconductor chip 14 Back surface electrode 21 Heat sink member 21A Center part 21B Side part 21a Flat plate part 21b Fin part 22 Wiring support substrate 23 Metal wiring 24 Heat sink member 25 Brazing material layer 40 Heat pipe 41 Brazing material layer 50 Radiator 50a Top plate 50b Container 51 Flow path 53 Resin case

Claims (5)

半導体素子が形成された半導体チップと、
前記半導体チップの一部に接続された配線部材と、
前記配線部材を支持する配線支持基板と、
前記配線支持基板に熱伝導可能に連結されたヒートパイプと、
を備えている半導体装置。
A semiconductor chip on which a semiconductor element is formed;
A wiring member connected to a part of the semiconductor chip;
A wiring support substrate for supporting the wiring member;
A heat pipe connected to the wiring support substrate so as to allow heat conduction;
A semiconductor device comprising:
請求項1記載の半導体装置において、
前記ヒートパイプは、外部熱交換媒体の流れに交差する方向に、前記半導体チップの自然放熱領域からはみ出た領域まで延びている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The said heat pipe is a semiconductor device extended to the area | region which protruded from the natural thermal radiation area | region of the said semiconductor chip in the direction which cross | intersects the flow of an external heat exchange medium.
請求項1または2記載の半導体装置において、
前記ヒートパイプの一部は、外部熱交換媒体が流れる領域の側に曲げられている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2,
A part of the heat pipe is a semiconductor device bent toward a region where an external heat exchange medium flows.
請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置において、
前記ヒートシンクは、前記半導体チップの自然放熱領域を含む部分と、該自然放熱路を含まない部分とに分割されている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the heat sink is divided into a part including a natural heat dissipation region of the semiconductor chip and a part not including the natural heat dissipation path.
請求項1〜4のいずれかに記載の半導体装置において、
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたパワーデバイスである、半導体装置。
In the semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device is a power device using a wide band gap semiconductor.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI482244B (en) * 2012-11-19 2015-04-21 Ind Tech Res Inst Heat exchanger and semiconductor module
WO2022025260A1 (en) * 2020-07-31 2022-02-03 日本電産株式会社 Thermal conductive unit and cooling device
WO2022180909A1 (en) * 2021-02-24 2022-09-01 日立Astemo株式会社 On-vehicle electronic device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI482244B (en) * 2012-11-19 2015-04-21 Ind Tech Res Inst Heat exchanger and semiconductor module
WO2022025260A1 (en) * 2020-07-31 2022-02-03 日本電産株式会社 Thermal conductive unit and cooling device
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