JP2010192717A - Cooling structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、極めて放熱性が高いパワーモジュール用放熱装置の冷却構造に関する。 The present invention relates to a cooling structure for a heat dissipating device for a power module having extremely high heat dissipation.
従来、複数のパワー素子（パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）をセラミック基板等の上に結線し、１つのパッケージに組み込んだパワーモジュールが知られている。パワーモジュールは、表面側にパワー素子が設けられ、主に裏面側から熱を逃がす構成となっている。パワーモジュールは、裏面に熱伝導性グリースを塗布され、この熱伝導性グリースを介して冷却器にネジで固定される（特許文献１）。また、発熱素子の両面から放熱することにより、冷却効率を高めた構造も発明されている（特許文献２）。しかし、これらの方法では、グリースの熱抵抗が大きいため、十分な冷却性能を得ることができなかった。 Conventionally, a power module in which a plurality of power elements (power MOSFET, IGBT, etc.) are connected on a ceramic substrate or the like and incorporated in one package is known. The power module is provided with a power element on the front surface side, and is configured to release heat mainly from the back surface side. The power module is coated with thermally conductive grease on the back surface, and is fixed to the cooler with screws through the thermally conductive grease (Patent Document 1). In addition, a structure in which cooling efficiency is improved by dissipating heat from both sides of the heating element has been invented (Patent Document 2). However, in these methods, since the thermal resistance of the grease is large, sufficient cooling performance cannot be obtained.
また、パワーモジュールを冷却器に固定する際には、冷却器と熱伝導性グリースとのなじみをよくするために加圧され、さらにネジで締め付け固定されるために、固定時に熱伝導性グリースが広がる。このため、熱伝導性グリースをパワーモジュールの裏面に塗布する際には、冷却器への固定時の広がりを考慮し、ネジ穴の周囲に熱伝導性グリースを塗布しない範囲が設けられる（特許文献１）。 Also, when fixing the power module to the cooler, it is pressurized to improve the familiarity between the cooler and the thermal conductive grease, and is further tightened and fixed with screws. spread. For this reason, when applying the thermal conductive grease to the back surface of the power module, a range in which the thermal conductive grease is not applied is provided around the screw hole in consideration of the spread when fixed to the cooler (Patent Document). 1).
ところが、パワーモジュールを冷却器に固定する際の加圧力が大きかったり、塗布したグリース厚が厚かったりすると、熱伝導性グリースがネジ穴に浸入する場合がある。熱伝導性グリースがネジ穴に浸入すると、ネジの締め付けトルクが経時的に減少してパワーモジュールと冷却器との間隔が広がり、放熱性が悪化するという問題がある。一方、ネジ穴周囲における熱伝導性グリースを塗布しない範囲を大きくしすぎると、熱伝導性グリースの未塗布範囲が大きくなり、やはり放熱性が悪化する。 However, if the pressure applied when fixing the power module to the cooler is large or the applied grease is thick, the thermally conductive grease may enter the screw holes. When the heat conductive grease enters the screw hole, there is a problem that the tightening torque of the screw decreases with time, the distance between the power module and the cooler is widened, and heat dissipation is deteriorated. On the other hand, if the range in which the thermal conductive grease is not applied around the screw hole is too large, the unapplied range of the thermal conductive grease is increased, and the heat dissipation is also deteriorated.
本発明は、上記点に鑑み、熱伝導性グリースの漏れ等による放熱性能の悪化を防止し、高い放熱性能を発現できる冷却構造を提供することを課題とする。 In view of the above points, it is an object of the present invention to provide a cooling structure that prevents deterioration of heat dissipation performance due to leakage of heat conductive grease and the like and can exhibit high heat dissipation performance.
本発明者は、放熱板の表面に高熱伝導性の髭状体からなる層を形成することにより、高い放熱性能が得られ、かつ熱伝導性グリースを使用した場合にもグリースの漏れ等による問題点が解消されることを見出し、本発明を完成させた。 The present inventor is able to obtain a high heat dissipation performance by forming a layer made of a highly heat conductive rod-like body on the surface of the heat sink, and even when a heat conductive grease is used, there is a problem due to grease leakage or the like. As a result, the present invention was completed.
本発明は下記の構成からなる。
（１）発熱素子と、該発熱素子の両面に配置された一対の放熱板とを備える半導体装置が、各々の前記放熱板の外側の面にて絶縁材を介して冷却器と接触している半導体装置の冷却構造において、放熱板の絶縁材側の面、又は絶縁材側及び発熱素子側の面に高熱伝導性の髭状体からなる層が形成されていることを特徴とする冷却構造。
（２）前記発熱素子が放熱ブロックを介して放熱板と接触していることを特徴とする上記（１）に記載の冷却構造。
（３）前記放熱ブロックの少なくともどちらかの面に高熱伝導性の髭状体からなる層が形成されていることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の冷却構造。
（４）前記髭状体は放熱板から外部空間に向かって伸びていることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の冷却構造。
The present invention has the following configuration.
(1) A semiconductor device including a heat generating element and a pair of heat dissipating plates disposed on both surfaces of the heat generating element is in contact with a cooler via an insulating material on the outer surface of each heat dissipating plate. A cooling structure of a semiconductor device, wherein a layer made of a highly heat conductive rod-like body is formed on a surface on an insulating material side of a heat sink or on a surface on an insulating material side and a heating element side.
(2) The cooling structure according to (1), wherein the heat generating element is in contact with a heat dissipation plate via a heat dissipation block.
(3) The cooling structure as described in (1) or (2) above, wherein a layer made of a highly heat-conductive bowl is formed on at least one surface of the heat dissipation block.
(4) The cooling structure according to any one of (1) to (3), wherein the bowl-shaped body extends from the heat sink toward the external space.
（５）前記髭状体からなる層に熱伝導補完成分が充填されていることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の冷却構造。
（６）前記熱伝導補完成分がグリース又ははんだであることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の冷却構造。
（７）前記髭状体がカーボンナノチューブ又は炭素繊維であることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の冷却構造。
（８）前記髭状体からなる層の厚さが５０〜２００μｍであることを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれかに記載の冷却構造。
（９）前記放熱板がＣu、Ｃu合金、Ａl、又はＡl合金であることを特徴とする上記（１）〜（８）のいずれかに記載の冷却構造。
(5) The cooling structure according to any one of (1) to (4), wherein the layer made of the rod-shaped body is filled with a heat conduction supplement component.
(6) The cooling structure according to any one of (1) to (5), wherein the heat conduction supplement component is grease or solder.
(7) The cooling structure according to any one of (1) to (6), wherein the rod-shaped body is a carbon nanotube or a carbon fiber.
(8) The cooling structure according to any one of (1) to (7) above, wherein a thickness of the layer made of the rod-shaped body is 50 to 200 μm.
(9) The cooling structure according to any one of (1) to (8), wherein the heat radiating plate is Cu, Cu alloy, Al, or Al alloy.
本発明品は、熱伝導率の高い髭状体が放熱板表面に層状に形成されているため、放熱板と絶縁板との間の熱抵抗が低く、パワーデバイス用放熱装置として高い放熱性能を発揮させることができる。 The product according to the present invention has a high thermal conductivity rod-like body layered on the surface of the heat sink, so the thermal resistance between the heat sink and the insulating plate is low, and high heat dissipation performance as a power device heat dissipation device. It can be demonstrated.
本発明は、少なくとも発熱素子と、一対の放熱板とを備える半導体装置の冷却構造に関するものである。かかる冷却構造において、放熱板は、発熱素子の両面側に設けられており、更に、発熱素子と接する面の逆側が絶縁材を介して冷却器と接触するように配置される。そして、当該放熱板の表面には高熱伝導性の髭状体からなる層が形成されている。髭状体からなる層は、放熱板の絶縁材側の面、又は絶縁材側及び発熱素子側の面に形成される。 The present invention relates to a cooling structure for a semiconductor device including at least a heat generating element and a pair of heat sinks. In such a cooling structure, the heat radiating plate is provided on both sides of the heat generating element, and is further disposed so that the opposite side of the surface in contact with the heat generating element is in contact with the cooler via an insulating material. And the layer which consists of a highly heat conductive bowl-like body is formed in the surface of the said heat sink. The layer made of the bowl-shaped body is formed on the surface on the insulating material side of the heat sink or the surfaces on the insulating material side and the heating element side.
放熱板に形成される髭状体からなる層は、放熱板と相手材（絶縁材等）との接触性を高める効果を有する。すなわち、高熱伝導性の髭状体の微細な先端部分が相手材表面の微小な凹凸にも隙間なく入り込むため、相手材との接触性が改善されるのである。このため、髭状体は放熱板の表面から外部空間にむかって伸びていることが好ましい。特に、放熱板の表面に対して垂直方向に向かって形成されていると、相手材表面に接しやすくなるため好ましい。しかし、必ずしも厳密に垂直方向を向いていなくても、上記効果が大きく損なわれることはない。 The layer formed of the bowl-shaped body formed on the heat sink has an effect of improving the contact between the heat sink and the counterpart material (insulating material or the like). That is, the minute tip portion of the highly heat-conductive rod-like body enters the minute irregularities on the surface of the counterpart material without any gap, so that the contact property with the counterpart material is improved. For this reason, it is preferable that the bowl-shaped body is extended toward the external space from the surface of the heat sink. In particular, it is preferable that the heat sink is formed in a direction perpendicular to the surface of the heat dissipation plate because it easily comes into contact with the surface of the counterpart material. However, the above-mentioned effect is not greatly impaired even if it is not necessarily strictly oriented in the vertical direction.
このように本発明に係る冷却構造は、高熱伝導性の髭状体からなる層によって、従来のように熱伝導性グリースを使用せずとも放熱板と相手材との間の接触熱抵抗を小さくすることが可能となる。また、熱伝導率の高い髭状体を用いることにより更に放熱性能を高めることができる。 Thus, the cooling structure according to the present invention reduces the contact thermal resistance between the heat radiating plate and the counterpart material by using a layer made of a highly heat conductive rod-like body without using a heat conductive grease as in the prior art. It becomes possible to do. Moreover, heat dissipation performance can be further enhanced by using a rod-shaped body having high thermal conductivity.
高熱伝導性の髭状体としては、例えば、カーボンナノチューブや炭素繊維が挙げられる。カーボンナノチューブや炭素繊維のような髭状体は、それ自体の熱伝導率が高く、かつ、柔軟でしなり性が高いため、相手材の表面形状に応じて自在に変形して高い接触性を発揮するために、熱抵抗を大きく低下させることができるため好ましい。 Examples of the highly heat conductive rod-shaped body include carbon nanotubes and carbon fibers. A rod-like body such as a carbon nanotube or carbon fiber has a high thermal conductivity, and is flexible and flexible, so that it can be freely deformed according to the surface shape of the counterpart material and has high contact properties. In order to exhibit, it is preferable because the thermal resistance can be greatly reduced.
更に、本発明の冷却構造においては、髭状体からなる層に熱伝導補完成分を充填することにより、更に放熱性能を高めることができる。髭状体からなる層は髭状体が密集して形成されているが、空隙を有する多孔質層である。このため、かかる空隙部に熱伝導率の高い成分を充填することにより、更に熱伝導率を高めることができるのである。本明細書においていう、熱伝導補完成分とは、髭状体からなる層の空隙部に充填されて、放熱板と相手材との熱伝導を高める効果のある成分をいうものとする。例えば、熱伝導補完成分としては、グリースやはんだを使用することができる。
髭状体からなる層は髭状体が密集して形成されているため、その空隙部に充填された熱伝導補完成分は表面張力によって髭状体からなる層に保持され、漏れ出すといった問題点が解決される。
Furthermore, in the cooling structure of the present invention, the heat dissipation performance can be further enhanced by filling the layer composed of the rod-shaped body with the heat conduction supplement component. The layer made of the rod-like body is formed of dense rod-like bodies, but is a porous layer having voids. For this reason, the thermal conductivity can be further increased by filling the void with a component having a high thermal conductivity. As used herein, the term “heat conduction supplement component” refers to a component that has an effect of increasing the heat conduction between the heat radiating plate and the counterpart material by being filled in the voids of the layer made of the bowl-shaped body. For example, grease or solder can be used as the heat conduction supplement component.
Since the rod-shaped layer is formed by densely packing the rod-shaped body, the heat conduction supplement component filled in the void is held by the layer composed of the rod-shaped body due to surface tension and leaks. Is resolved.
髭状体からなる層の厚さとしては、相手材との接触性及び熱伝導補完成分の充填性能の観点から、５０〜２００μｍであることが好ましい。
放熱板の素材としては高熱伝導率のものが好ましい。この観点から、Ｃu、Ｃu合金、Ａl、又はＡl合金のいずれかであることが好ましい。
The thickness of the layer made of the rod-shaped body is preferably 50 to 200 μm from the viewpoint of the contact property with the counterpart material and the filling performance of the heat conduction supplement component.
As a material for the heat sink, one having a high thermal conductivity is preferable. From this viewpoint, any of Cu, Cu alloy, Al, and Al alloy is preferable.
髭状体からなる層の形成方法としては、例えば、基板（放熱板）表面にＣＶＤ（化学気相成長）法によりカーボンナノチューブを形成する方法が挙げられる。また、めっき液にカーボンナノチューブ又は炭素繊維のような髭状体を混合させ、基板表面にめっき法により髭状体からなる層を形成してもよい。
また、基板によっては、ＳiＣを真空中で加熱してカーボンナノチューブを形成する、いわゆる昇華法で形成することもでき、その他の方法で形成しても構わない。
Examples of the method for forming the layer made of the rod-shaped body include a method of forming carbon nanotubes on the surface of the substrate (heat radiating plate) by a CVD (chemical vapor deposition) method. Alternatively, a rod-like body such as carbon nanotube or carbon fiber may be mixed in the plating solution, and a layer made of the rod-like body may be formed on the substrate surface by a plating method.
Depending on the substrate, SiC can be heated in vacuum to form carbon nanotubes, so-called sublimation, or other methods may be used.
また、本発明に係る冷却構造においては、前記放熱板と発熱素子との間に、放熱ブロックが介在されていてもよい。この場合は、放熱ブロックのいずれかの面に、前記の高熱伝導性の髭状体からなる層が形成されていることが好ましい。 In the cooling structure according to the present invention, a heat dissipation block may be interposed between the heat dissipation plate and the heat generating element. In this case, it is preferable that a layer made of the above-described highly heat-conductive bowl is formed on any surface of the heat dissipation block.
図１は、本発明の一つである両面放熱型半導体モジュールとしての半導体装置の両面を冷却器に接触させて冷却する半導体装置の冷却構造の概略を表す図である。
まず、本冷却構造における半導体装置について説明する。図１に示すように、本実施形態の半導体装置の冷却構造は、発熱素子として半導体チップを、放熱板として一対のヒートシンクを、放熱ブロックとしてヒートシンクブロックを備えている。そして、一対のヒートシンクの表面部分には髭状体からなる層が形成されている。この髭状体からなる層を介して、ヒートシンクと図示しない絶縁材とが接触する。髭状体からなる層は、図１のように絶縁材と接する側のみに設けられていても良いし、更に、発熱素子やヒートシンクブロックが設けられる側にも形成されていても良い。
FIG. 1 is a diagram showing an outline of a cooling structure of a semiconductor device that cools both surfaces of a semiconductor device as a double-sided heat radiation type semiconductor module which is one of the present invention by contacting a cooler.
First, the semiconductor device in this cooling structure will be described. As shown in FIG. 1, the semiconductor device cooling structure of the present embodiment includes a semiconductor chip as a heating element, a pair of heat sinks as a heat radiating plate, and a heat sink block as a heat radiating block. And the layer which consists of a hook-shaped body is formed in the surface part of a pair of heat sink. The heat sink and an insulating material (not shown) are in contact with each other through the layer made of the bowl-shaped body. As shown in FIG. 1, the layer made of the rod-shaped body may be provided only on the side in contact with the insulating material, or may be formed on the side where the heating element and the heat sink block are provided.
上記構成において、半導体チップの下面とその下側に備えられたヒートシンクの上面との間は、例えば、はんだ等からなる接合材によって接合されている。また、同様に、半導体チップの上面とその上側に備えられたヒートシンクブロックの下面との間、及びヒートシンクブロックの上面とその上側に備えられたヒートシンクの下面との間も、接合材によって接合されている。なお、接合材としては、はんだ以外にも、例えば導電性接着剤等であってもよい。 In the above configuration, the lower surface of the semiconductor chip and the upper surface of the heat sink provided below the semiconductor chip are bonded by, for example, a bonding material made of solder or the like. Similarly, the upper surface of the semiconductor chip and the lower surface of the heat sink block provided on the upper side thereof, and the upper surface of the heat sink block and the lower surface of the heat sink provided on the upper side thereof are also bonded by a bonding material. Yes. In addition to the solder, the bonding material may be, for example, a conductive adhesive.
これにより、半導体チップ（発熱素子）の上面側では、接合材、ヒートシンクブロック、接合材及びヒートシンクを介して放熱が行われる。また、半導体素子の下面側では、接合材とヒートシンクを介して放熱が行われる。 Thus, heat is radiated through the bonding material, the heat sink block, the bonding material, and the heat sink on the upper surface side of the semiconductor chip (heating element). In addition, on the lower surface side of the semiconductor element, heat is radiated through a bonding material and a heat sink.
なお、発熱素子としては、特に限定されるものではないが、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やサイリスタ等のパワー半導体素子から構成されている。この場合、半導体チップのデバイス構造を、トレンチゲートタイプとすることが好ましい。もちろん、他のタイプのデバイス構造を用いても良い。 The heating element is not particularly limited, and is composed of a power semiconductor element such as an IGBT (insulated gate bipolar transistor) or a thyristor. In this case, the device structure of the semiconductor chip is preferably a trench gate type. Of course, other types of device structures may be used.
上記半導体チップの形状は、例えば矩形状の薄板状とすることができる。また、ヒートシンク（放熱板）及びヒートシンクブロック（放熱ブロック）は、電極及び放熱体の機能を兼ねたものであり、例えば銅合金もしくはアルミ合金等の熱伝導性及び電気伝導性の良い金属で構成されている。また、ヒートシンクブロックとしては、一般的な鉄合金を用いてもよい。
この構成の場合、ヒートシンクは、半導体チップの各種電極（例えば、コレクタ電極やエミッタ電極等）に接合材を介して電気的にも接続されている。
The shape of the semiconductor chip can be, for example, a rectangular thin plate. The heat sink (heat radiating plate) and the heat sink block (heat radiating block) also function as an electrode and a heat radiating body, and are made of a metal having good thermal conductivity and electrical conductivity, such as copper alloy or aluminum alloy. ing. Moreover, you may use a general iron alloy as a heat sink block.
In this configuration, the heat sink is also electrically connected to various electrodes (for example, a collector electrode and an emitter electrode) of the semiconductor chip via a bonding material.
また、一対のヒートシンクは、例えば、全体としてほぼ長方形状の板材とすることができる。ヒートシンクに端子部が突設されていてもよい。また、ヒートシンクブロックは、例えば、半導体チップよりも１回り小さい程度の大きさの矩形状の板材とすることができる。 Moreover, a pair of heat sink can be made into the substantially rectangular-shaped board | plate material as a whole, for example. A terminal portion may protrude from the heat sink. The heat sink block can be a rectangular plate having a size that is slightly smaller than the semiconductor chip, for example.
この場合、ヒートシンクの端子部は、半導体チップの上記コレクタ電極やエミッタ電極と電気的に接続される。そして、それぞれの端子部は、例えばブスバーや回路基板等の外部配線部材との接続を行われる。 In this case, the terminal portion of the heat sink is electrically connected to the collector electrode and emitter electrode of the semiconductor chip. And each terminal part is connected with external wiring members, such as a bus bar and a circuit board, for example.
さらに一対のヒートシンクの隙間、並びに、半導体チップ及びヒートシンクブロックの周囲部分には、樹脂が充填封止される。樹脂は、例えばエポキシ樹脂等の通常のモールド材料を採用することができる。また、ヒートシンク等を樹脂でモールドするにあたっては、上下型からなる成形型（図示しない）を使用し、トランスファーモールド法によって容易に行うことができる。 Further, the gap between the pair of heat sinks and the peripheral portions of the semiconductor chip and the heat sink block are filled and sealed with resin. As the resin, for example, a normal mold material such as an epoxy resin can be adopted. In addition, when the heat sink or the like is molded with a resin, it can be easily performed by a transfer mold method using a molding die (not shown) composed of upper and lower molds.
また、樹脂内において、半導体素子の周囲には、リードフレーム等からなる端子部（制御用端子）が設けられる。そして、この端子部と半導体チップのゲート電極等とがワイヤによって結線され、電気的に接続される。ワイヤは、ワイヤボンディング等により形成され、金やアルミ等からなるものを用いることができる。 In the resin, a terminal portion (control terminal) made of a lead frame or the like is provided around the semiconductor element. And this terminal part and the gate electrode etc. of a semiconductor chip are connected by the wire, and are electrically connected. The wire is formed by wire bonding or the like, and can be made of gold, aluminum, or the like.
次に、上記した構成の半導体装置の製造方法を、図１を参照して説明する。ここでは、接合材として、はんだを用いた例を述べる。
まず、ヒートシンク（放熱板）の表面部分に髭状体からなる層を形成する。ここでは、前述のように板状のヒートシンクの両面側に髭状体からなる層を形成しても良いし、絶縁材と接する側にのみに形成してもよい。また、髭状体からなる層は、前記ＣＶＤ法で形成したカーボンナノチューブ層であっても良いし、めっき法により形成したカーボンナノチューブ層又は炭素繊維層であってもよい。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device having the above-described configuration will be described with reference to FIG. Here, an example in which solder is used as the bonding material will be described.
First, a layer made of a bowl-shaped body is formed on the surface portion of a heat sink (heat sink). Here, as described above, a layer made of a bowl-shaped body may be formed on both sides of the plate-shaped heat sink, or may be formed only on the side in contact with the insulating material. Further, the layer made of the rod-shaped body may be a carbon nanotube layer formed by the CVD method, or a carbon nanotube layer or a carbon fiber layer formed by a plating method.
続いて、下側のヒートシンク（放熱板）の上面に、半導体チップとヒートシンクブロックをはんだ付けする。下側のヒートシンクの上面に、例えば、はんだ箔を介して半導体チップを積層するとともに、この半導体チップ上にはんだ箔を介してヒートシンクブロックを積層する。この後、加熱装置（リフロー装置）によって上記はんだ箔を溶融させてから、硬化させる。 Subsequently, the semiconductor chip and the heat sink block are soldered to the upper surface of the lower heat sink (heat sink). On the upper surface of the lower heat sink, for example, a semiconductor chip is laminated via a solder foil, and a heat sink block is laminated on the semiconductor chip via a solder foil. Thereafter, the solder foil is melted by a heating device (reflow device) and then cured.
続いて、半導体チップの制御電極（例えばゲート電極等）と端子部とをワイヤボンディングする工程を実行する。これにより、上記ワイヤが形成され、このワイヤによって、半導体チップの制御電極と端子部とが結線され、電気的に接続される。 Subsequently, a process of wire bonding the control electrode (eg, gate electrode) of the semiconductor chip and the terminal portion is executed. Thereby, the said wire is formed, the control electrode and terminal part of a semiconductor chip are connected by this wire, and are electrically connected.
次いで、ヒートシンクブロックの上に上側のヒートシンクをはんだ付けする。この場合、ヒートシンクブロックの上にはんだ箔を介して上側ヒートシンクを載せる。そして、加熱装置によって上記はんだ箔を溶融させてから、硬化させる。こうして溶融したはんだ箔が硬化すれば、硬化したはんだが接合材を形成することになる。
以上の工程により、接合材を介して、下側のヒートシンク、半導体チップ、ヒートシンクブロック、及び上側のヒートシンク間の接合及び電気的・熱的接続が完了する。
The upper heat sink is then soldered onto the heat sink block. In this case, the upper heat sink is placed on the heat sink block via the solder foil. Then, the solder foil is melted by a heating device and then cured. When the molten solder foil is cured in this way, the cured solder forms a bonding material.
Through the above steps, the bonding and electrical / thermal connection between the lower heat sink, the semiconductor chip, the heat sink block, and the upper heat sink are completed via the bonding material.
最後に、成形型を使用して一対のヒートシンクの隙間及び外周部に樹脂を充填する（モールド）。これにより、図１に示されるように、ヒートシンクの隙間及び外周部等に、樹脂が充填され、装置のほぼ全体が樹脂によって封止される。そして、樹脂が硬化した後、成形型内から半導体装置を取り出せば、半導体装置が完成する。 Finally, a molding die is used to fill the gap and outer periphery of the pair of heat sinks (mold). As a result, as shown in FIG. 1, the resin is filled in the gaps and the outer periphery of the heat sink, and almost the entire apparatus is sealed with the resin. Then, after the resin is cured, the semiconductor device is completed by removing the semiconductor device from the mold.
なお、かかる半導体装置においては、下側のヒートシンクの下面、及び上側のヒートシンクの上面に髭状体からなる層が形成されており、それぞれの面が放熱面として露出するように樹脂モールドされているため、ヒートシンクの放熱性が確保される。 In such a semiconductor device, a layer made of a saddle-like body is formed on the lower surface of the lower heat sink and the upper surface of the upper heat sink, and resin molding is performed so that each surface is exposed as a heat dissipation surface. Therefore, the heat dissipation of the heat sink is ensured.
さらに、図２に示すように、一対のヒートシンクの露出面に設けられた髭状体からなる層には絶縁板を介して、冷却器が接触される。それにより、本実施形態の冷却構造が形成される。 Furthermore, as shown in FIG. 2, a cooler is brought into contact with the layer made of the hook-shaped body provided on the exposed surfaces of the pair of heat sinks via an insulating plate. Thereby, the cooling structure of this embodiment is formed.
絶縁板は、窒化アルミニウム（ＡlＮ）や窒化珪素（Ｓi3Ｎ4）のセラミック等からなる電気絶縁性を有する板を用いる。また、冷却器は、例えばアルミニウム（Ａl）等からなり、内部を冷却水が流れる水冷式やフィンを有する空冷式等のものでよい。 As the insulating plate, an electrically insulating plate made of ceramic such as aluminum nitride (AlN) or silicon nitride (Si 3 N 4 ) is used. The cooler is made of, for example, aluminum (Al) or the like, and may be a water-cooled type in which cooling water flows or an air-cooled type having fins.
本例では、冷却器は、内部に冷却水が流れる冷却水流路が設けられており、ヒートシンクからの熱はこの冷却水流路内の冷却水によって冷却され、熱交換が行われるようになっている。
また、図２に示す冷却器と絶縁板との間、及び絶縁板と各ヒートシンクとの間には、必要に応じて電気絶縁性及び伝熱性を有するグリースやゲル等の伝熱材を介在させる。
In this example, the cooler is provided with a cooling water passage through which cooling water flows, and heat from the heat sink is cooled by the cooling water in the cooling water passage and heat exchange is performed. .
In addition, a heat transfer material such as grease or gel having electrical insulating properties and heat transfer properties is interposed between the cooler and the insulating plate shown in FIG. 2 and between the insulating plate and each heat sink as necessary. .
従来の半導体装置では、髭状体を用いることなく伝熱材のみを用いており、この伝熱材の熱伝導率が低いために、冷却システム全体の放熱性能を高くすることができなかった。本発明では、下側のヒートシンクの下面、及び上側のヒートシンクの上面には、カーボンナノチューブや炭素繊維からなる高熱伝導性の髭状体からなる層が形成されており、伝熱材はこの髭状体の隙間に充填されていることになる。髭状体の高い熱伝導率と、伝熱材であるグリースの、相手材に対する高い接触性とが相まって、ヒートシンクから絶縁板への放熱は極めて促進され、本冷却構造自体の放熱性が飛躍的に高くなるのである。 In the conventional semiconductor device, only the heat transfer material is used without using the rod-like body, and the heat conductivity of the heat transfer material is low, so that the heat dissipation performance of the entire cooling system cannot be increased. In the present invention, on the lower surface of the lower heat sink and the upper surface of the upper heat sink, a layer made of a highly heat conductive rod-shaped body made of carbon nanotubes or carbon fibers is formed, and the heat transfer material is in the shape of the rib. It will be filled in the gap of the body. Combined with the high thermal conductivity of the rod-like body and the high contact of the grease, which is a heat transfer material, with the mating material, heat dissipation from the heat sink to the insulating plate is greatly accelerated, and the heat dissipation performance of the cooling structure itself is dramatically increased. It will be higher.
このように、図２に示される本実施形態の半導体装置の冷却構造においては、下側から、冷却器、絶縁材、半導体装置、絶縁材、冷却器という積層構成を有する冷却構造となっている。 As described above, the semiconductor device cooling structure of the present embodiment shown in FIG. 2 has a cooling structure having a stacked configuration of a cooler, an insulating material, a semiconductor device, an insulating material, and a cooler from the lower side. .
図２では、対向する冷却器の両外側には、挟圧部材が設けられている。この挟圧部材は、冷却器によって半導体装置を挟み付けるように荷重を印加することで、冷却器と半導体装置とを一体に保持するためのものである。
本実施形態の挟圧部材は、弾性体を介した締結力の作用により荷重の印加を行うものである。具体的には、挟圧部材は、半導体装置を隔てて対向する冷却器の両外側の一方から荷重を印加する固定部と、他方から荷重を印加する可動部とを有し、これら固定部と可動部とにより、上下の冷却器を挟み付けるようにしている。
In FIG. 2, pressing members are provided on both outer sides of the opposing coolers. The pinching member is for holding the cooler and the semiconductor device together by applying a load so that the semiconductor device is sandwiched by the cooler.
The pinching member of this embodiment applies a load by the action of a fastening force via an elastic body. Specifically, the pinching member has a fixed portion that applies a load from one of the two outer sides of the cooler that faces each other across the semiconductor device, and a movable portion that applies a load from the other. The upper and lower coolers are sandwiched between the movable parts.
図２に示されるように、挟圧部材において、固定部には雄ネジ（送りネジ）を持つボルトが連結されている。このボルトは、可動部に設けられた貫通穴に通されて、弾性体を介してナットで締結されている。弾性体としては、図示例ではコイルバネが示されているが、その他にも、ゴムチューブ、Ｏリング、バネワッシャ等が採用できる。
また、実際には、冷却器及び固定部、可動部は、図２中の紙面垂直方向に延びる板材であり、当該紙面垂直方向に沿って半導体装置は、複数個配列されたものとなっている。
As shown in FIG. 2, in the clamping member, a bolt having a male screw (feed screw) is connected to the fixed portion. The bolt is passed through a through hole provided in the movable part and fastened with a nut via an elastic body. As the elastic body, a coil spring is shown in the illustrated example, but a rubber tube, an O-ring, a spring washer, and the like can also be employed.
In practice, the cooler, the fixed part, and the movable part are plate members extending in the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 2, and a plurality of semiconductor devices are arranged along the direction perpendicular to the paper surface. .
そして、この冷却構造においては、挟圧部材のナットによるネジ締めを行っていくと、弾性体の弾性力を介した締結力の作用により、固定部に対して可動部が近づいていく。つまり、挟圧部材は、弾性体を介した締結力の作用により、冷却器によって半導体装置を挟み付けるように荷重を加えるものとなる。それにより、冷却器と半導体装置とが一体に保持されるようになっている。
しかし、挟厚部材自体の有無は本発明に直接関係するものではない。
In this cooling structure, when the screw of the clamping member is tightened with the nut, the movable portion approaches the fixed portion by the action of the fastening force via the elastic force of the elastic body. That is, the clamping member applies a load so that the semiconductor device is clamped by the cooler by the action of the fastening force via the elastic body. As a result, the cooler and the semiconductor device are held together.
However, the presence or absence of the sandwiching member itself is not directly related to the present invention.
図２に示す冷却構造を以下のようにして作製した。
まず、冷却器、絶縁板、前記の半導体装置、絶縁板、冷却器というように積層するとともに、絶縁板の両面に伝熱材を介在させた状態となるように組み付けた。
その後、挟圧部材を用いて、上下の冷却器によって半導体装置が挟み込まれるように締め付け固定した。弾性体及びナットが荷重調整機構となり、荷重の調整が行われる。こうして、本実施形態の半導体装置の冷却構造が形成される。
The cooling structure shown in FIG. 2 was produced as follows.
First, the layers were stacked such as a cooler, an insulating plate, the semiconductor device, the insulating plate, and the cooler, and assembled so that a heat transfer material was interposed on both surfaces of the insulating plate.
Thereafter, the clamping device was used to clamp and fix the semiconductor device so as to be sandwiched between upper and lower coolers. The elastic body and the nut serve as a load adjustment mechanism, and the load is adjusted. Thus, the cooling structure for the semiconductor device of this embodiment is formed.
なお、半導体装置は、各端子部を介して、ブスバーや回路基板に接続される。そして、半導体チップからの熱は、両面のヒートシンク、絶縁板、伝熱材を介して冷却器へ放熱される。そして、冷却器によりヒートシンクは冷却されることで、放熱特性を高めている。
なお、ヒートシンクの外面側には、後述のように、各種髭状体からなる層を各種厚さで形成しておいた。
The semiconductor device is connected to a bus bar or a circuit board through each terminal portion. The heat from the semiconductor chip is radiated to the cooler via the heat sinks, insulating plates, and heat transfer materials on both sides. The heat sink is cooled by the cooler, so that the heat dissipation characteristics are enhanced.
In addition, the layer which consists of various bowl-shaped bodies was formed in the various thickness as mentioned later on the outer surface side of the heat sink.
本実施例では、実用上、十分な放熱特性を得るために、半導体装置への冷却器の接触圧をＰ（単位：ＭＰa）、一対のヒートシンク（一対の放熱板）の外面同士の平行度をＨ（単位：μｍ）としたときの、接触圧Ｐと熱抵抗（単位：Ｋ／Ｗ）の関係を測定した。 In this embodiment, in order to obtain practically sufficient heat dissipation characteristics, the contact pressure of the cooler to the semiconductor device is P (unit: MPa), and the parallelism between the outer surfaces of a pair of heat sinks (a pair of heat sinks) is set. The relationship between contact pressure P and thermal resistance (unit: K / W) when H (unit: μm) was measured.
発熱素子である半導体チップは駆動により発熱する。発熱量は６５Ｗとした。絶縁板としては、窒化ケイ素（Ｓi3Ｎ4）からなる厚さ０．３５ｍｍの板材を用い、伝熱材はグリースを用いその厚さは変化させた。また、冷却器の冷却水流路を流れる冷却水の流量は、６リットル／min、当該冷却水の水温は４０℃とした。 A semiconductor chip which is a heat generating element generates heat when driven. The calorific value was 65W. As the insulating plate, a plate material made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) and having a thickness of 0.35 mm was used, and the heat transfer material was made of grease and its thickness was changed. The flow rate of the cooling water flowing through the cooling water flow path of the cooler was 6 liter / min, and the water temperature of the cooling water was 40 ° C.
熱抵抗は、半導体チップからそれぞれのヒートシンク、絶縁板を通って、冷却器の冷却水流路に至るまでの放熱経路における熱抵抗である。具体的には、半導体チップの温度をＴｃ、冷却水の温度をＴｗ、半導体チップの発熱量をＱとすると、熱抵抗は、（Ｔｃ−Ｔｗ）／Ｑ（単位：Ｋ／Ｗ（ケルビン／ワット））で表される。 The thermal resistance is a thermal resistance in a heat radiation path from the semiconductor chip through the respective heat sinks and insulating plates to the cooling water flow path of the cooler. Specifically, assuming that the temperature of the semiconductor chip is Tc, the temperature of the cooling water is Tw, and the calorific value of the semiconductor chip is Q, the thermal resistance is (Tc−Tw) / Q (unit: K / W (Kelvin / Watt). )).
そして、上述した検討条件にて、平行度Ｈ（単位：μｍ）を変えた場合における接触圧Ｐ（単位：ＭＰa）と熱抵抗（単位：Ｋ／Ｗ）との関係を調査した。
一部の試料の熱抵抗は一度測定した後、荷重を開放し、再度荷重を付加して測定した。
Then, the relationship between the contact pressure P (unit: MPa) and the thermal resistance (unit: K / W) when the parallelism H (unit: μm) was changed under the above-described examination conditions was investigated.
The thermal resistance of some samples was measured once, then the load was released and the load was applied again.
＜用いた放熱板＞
（１）ＣＶＤ法によるカーボンナノチューブ層の形成
Ｃu放熱板上に、スパッタリング法で触媒となるＦeをコーティングしてＦe微粒子を付着させた。次に、基板を炉内に設置し、エタノールガスを、アルゴンガスをキャリアガスとして、温度７７０℃、炉内圧力３８８torrで１２分反応させた。これにより、基板面にほぼ垂直に成長したカーボンナノチューブ層を形成した。
<Heatsink used>
(1) Formation of carbon nanotube layer by CVD method Fe fine particles were deposited on a Cu heat sink by coating Fe as a catalyst by a sputtering method. Next, the substrate was placed in a furnace, and ethanol gas was reacted for 12 minutes at a temperature of 770 ° C. and a furnace pressure of 388 torr using argon gas as a carrier gas. As a result, a carbon nanotube layer grown almost perpendicular to the substrate surface was formed.
（２）めっき法による炭素繊維層の形成
三菱樹脂製炭素繊維（６３７１Ｔ：直径１μｍ、長さ６ｍｍ）を切断処理して各種長さの炭素繊維を用意した。
Ｃuめっき液中に炭素繊維を分散させた。この際、界面活性剤（和光純薬工業株式会社、商品名：ＰＡ１０００）を、０．０５ｇ／Ｌになるように添加した。基板を電解脱脂、酸洗いした後、上記のめっき液に入れて複合めっきを行った。めっき後は、水洗、超音波洗浄、アルコール洗浄等を行った後に乾燥させた。
(2) Formation of carbon fiber layer by plating method Carbon fibers made of Mitsubishi resin (6371T: diameter 1 μm, length 6 mm) were cut to prepare carbon fibers of various lengths.
Carbon fibers were dispersed in the Cu plating solution. At this time, a surfactant (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., trade name: PA1000) was added at 0.05 g / L. The substrate was electrolytically degreased and pickled, and then placed in the above plating solution to perform composite plating. After plating, it was dried after washing with water, ultrasonic washing, alcohol washing and the like.
＜結果＞
結果を表１に示す。
本発明に係る冷却構造を使用することにより、伝熱材としてグリースを単独で用いた時よりも低い熱抵抗が得られた。髭状体の長さが長いと、接触圧Ｐが小さくても低い熱抵抗が得られることが分かった。
<Result>
The results are shown in Table 1.
By using the cooling structure according to the present invention, a lower thermal resistance was obtained than when grease was used alone as the heat transfer material. It has been found that when the length of the rod-like body is long, a low thermal resistance can be obtained even if the contact pressure P is small.
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