JP2010219095A - Method of manufacturing semiconductor cooling device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体冷却装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor cooling device.
例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)の半導体を使用したパワーモジュールにおいては、半導体で発生した熱を効率よく放熱して、半導体の温度を所定温度以下に保つ半導体冷却装置が知られている。 For example, in a power module using an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) semiconductor, there is known a semiconductor cooling device that efficiently dissipates heat generated in the semiconductor and keeps the temperature of the semiconductor below a predetermined temperature.
従来の半導体冷却装置の概略構成について図4を用いて説明する。半導体冷却装置110は、複数の構成部品を有する。具体的には、発熱体である半導体(図示せず)が搭載されるおもて面112aを有する絶縁基板112と、絶縁基板112の裏面112bに、熱伝導性が優れた熱伝導部材114を介して設けられた冷却器116と、冷却器116を配置する底板118とを有する。絶縁基板112と熱伝導部材114と冷却器116と底板118とは、それぞれろう付けにより接合されている。
A schematic configuration of a conventional semiconductor cooling apparatus will be described with reference to FIG. The
冷却器116は、熱伝導部材114に熱的に接続される上部板116aと、上部板116aとの間に冷却液の流路120を形成する下部板116bとを有する。上部板116aと下部板116bとは、冷却器116の側壁の中間位置でかしめられ、そのかしめられた部位がろう付けにより接合されている。
The
流路120には、上部板116aと下部板116bとを結ぶようにフィン122が設けられている。フィン122を設けることにより、流路120を流れる冷却液と冷却器116との接触面積が増加するので、放熱性能が向上する。
Fins 122 are provided in the
このように構成される半導体冷却装置110においては、半導体で生じた熱を、絶縁基板112と熱伝導部材114を介して、冷却器116の流路120を流れる冷却液に効率よく放熱することができる。
In the
次に、半導体冷却装置110の製造方法について図5及び6を用いて説明する。図5は、半導体冷却装置110の仮組みを行う仮組み治具130の概略構成を示す断面図であり、図6は、仮組みした半導体冷却装置110のろう付けを行うろう付け治具136の概略構成を示す断面図である。
Next, a method for manufacturing the
仮組み治具130は、下部治具132と、下部治具132に立設された仮組み支柱134とを有する。下部治具132には、絶縁基板112と熱伝導部材114とを嵌め込むことができる凹部132aが形成されている。仮組み治具130により、半導体冷却装置110は、天地(上下)が逆になるようにして組み立てられる。すなわち、凹部132aに、絶縁基板112と熱伝導部材114を順に積層して配置する。そして、冷却部116に形成された貫通孔124に仮組み支柱134を通すようにして、熱伝導部材114の上に冷却部116を配置する。このとき、熱伝導部材114と下部治具132の表面は一致しているので、冷却器116は下部治具132の上に配置された状態になる。そして、底板118に形成された貫通孔126に仮組み支柱134を通すようにして、冷却部116の上に底板118を配置する。このような治具を用いることにより、半導体冷却装置110の各構成部品は、半導体冷却装置110の積層方向に直交する平面上における位置ずれが規制され、各構成部品の位置が決定される。ここで、半導体冷却装置110の各構成部品の接合部には、仮組みを行う前に、接着剤が塗布されている。よって、接着剤により各構成部品の接合部が接着することにより、仮組み治具130から半導体冷却装置110を一体にして取り出すことができる。
The
ろう付け治具136は、ろう付け治具本体138と、これの下面を形成する下部治具140と、ろう付け治具本体138の上面を形成する上部治具142とを有する。上部治具142には、バネ146を介して押圧部材144が設けられている。このように構成されるろう付け治具136に、仮組み治具130により仮組みされた半導体冷却装置110を収容する。このとき、押圧部材144を絶縁基板112に当接させる。押圧部材144は、バネ146の復元力により、絶縁基板112を下方に押圧する。これにより、半導体冷却装置110の各構成部品の接合部を確実に密着させることができる。この状態のまま、半導体冷却装置110を炉に入れて、炉内を高温(例えば650℃)にすることにより、半導体冷却装置110の各構成部品の接合部はろう付けにより接合される。
The
下記特許文献1には、半導体チップを実装するおもて面を有するセラミック系基板と、セラミック系基板の裏面に、熱伝導性の良い金属基板を介して設けられた液冷ヒートシンクとを有するインバータ装置が開示されている。 The following Patent Document 1 discloses an inverter having a ceramic substrate having a front surface on which a semiconductor chip is mounted, and a liquid-cooled heat sink provided on the back surface of the ceramic substrate via a metal substrate having good thermal conductivity. An apparatus is disclosed.
下記特許文献2には、ヒートシンクの製造方法であって、仮固定治具により、プレート基板上にフィンを配置した状態で、フィンの位置決めと仮固定を行った後に、プレート基板とフィンをろう付けにより接合する方法が開示されている。 Patent Document 2 below describes a heat sink manufacturing method in which fins are positioned and temporarily fixed in a state where fins are arranged on a plate substrate by a temporary fixing jig, and then the plate substrate and the fins are brazed. The method of joining by this is disclosed.
従来技術の半導体冷却装置110の製造方法においては、仮組み治具130とろう付け治具136という2種の治具を使用するため、工数が多くなってしまうという問題がある。仮に、ろう付け治具136を使用せずに、仮組み治具130に半導体冷却装置110を装着した状態で炉に入れたとしても、高温により半導体冷却装置110が膨張変形するため、ろう付け工程後に仮組み支柱134を、冷却器116と底板118から取り外すことができなくなるという問題がある。
In the conventional method of manufacturing the
また、従来技術の半導体冷却装置110の製造方法においては、仮組み時に、各構成部品の接合部に接着剤を塗布している。この接着剤がろう付け時に昇華することにより、各構成部品が動いてしまうという問題がある。また、ろう付け時に接着剤の一部が昇華せずに残留してしまうと、熱抵抗が増加してしまい、半導体冷却装置110の放熱性能が低下してしまうという問題がある。
Moreover, in the manufacturing method of the conventional
本発明の目的は、簡易な治具を用い、ろう付け時の不良の発生を防止することができる半導体冷却装置の製造方法を提供することにある。 The objective of this invention is providing the manufacturing method of the semiconductor cooling device which can prevent generation | occurrence | production of the defect at the time of brazing using a simple jig | tool.
本発明は、発熱体である半導体が搭載されるおもて面を有する絶縁基板と、絶縁基板の裏面に、熱伝導性が優れた熱伝導部材を介して設けられ、前記半導体の熱を放熱する冷却器と、冷却器を配置する底板と、を有する半導体冷却装置の製造方法において、ベース治具に、底板と冷却器と熱伝導部材と絶縁基板とを順に積層して配置するとともに、積層される構成部品を位置決め治具に接触させることで、当該構成部品の位置を決定する位置決めステップと、押圧部材により絶縁基板を下方に押圧して、前記構成部品の位置を拘束する位置拘束ステップと、前記構成部品から位置決め治具を離隔し、当該構成部品の各接合部をろう付けするろう付けステップと、を有することを特徴とする。 The present invention provides an insulating substrate having a front surface on which a semiconductor, which is a heating element, is mounted, and a back surface of the insulating substrate via a heat conductive member having excellent heat conductivity, and dissipates heat of the semiconductor. In the manufacturing method of the semiconductor cooling device having the cooler to be placed and the bottom plate on which the cooler is disposed, the bottom plate, the cooler, the heat conducting member, and the insulating substrate are sequentially laminated on the base jig and stacked. A positioning step for determining the position of the component by bringing the component to be brought into contact with the positioning jig, and a position restraining step for restraining the position of the component by pressing the insulating substrate downward by the pressing member; And a brazing step of separating a positioning jig from the component and brazing each joint of the component.
本発明の半導体冷却装置の製造方法によれば、簡易な治具を用い、ろう付け時の不良の発生を防止することができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor cooling device of the present invention, it is possible to prevent the occurrence of defects during brazing using a simple jig.
以下、本発明に係る半導体冷却装置の製造方法の実施形態について、図面に従って説明する。本実施形態においては、一例として、自動車を駆動するモータに電力を供給するパワーモジュールを挙げ、これを冷却する半導体冷却装置の製造方法について説明する。 Embodiments of a method for manufacturing a semiconductor cooling device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the present embodiment, as an example, a power module that supplies electric power to a motor that drives an automobile will be described, and a method for manufacturing a semiconductor cooling device that cools the power module will be described.
図1は、半導体冷却装置10の構成部品の位置を決定する製造工程の治具の概略構成を示す断面図であり、図2は、半導体冷却装置10の構成部品の位置を拘束する製造工程の治具の概略構成を示す断面図であり、図3は、半導体冷却装置10のろう付けを行う製造工程の治具の概略構成を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a jig in a manufacturing process for determining the position of a component of the
まず、半導体冷却装置10の構成について説明する。半導体冷却装置10は、おもて面に半導体(図示せず)を搭載する絶縁基板12と、絶縁基板12の裏面に、熱伝導性が優れた熱伝導部材14を介して設けられた冷却器16と、冷却器を配置する底板18とを有する。絶縁基板12と熱伝導部材14と冷却器16と底板18とは、それぞれろう付けにより接合される。
First, the configuration of the
絶縁基板12に搭載される半導体は、インバータや昇圧コンバータに用いられるスイッチング素子であり、IGBT、パワートランジスタ、サイリスタ等などで構成される。スイッチング素子は、駆動により発熱する。
A semiconductor mounted on the
絶縁基板12は、図に示さないが、第一のアルミニウム層とセラミック層と第二のセラミック層とを順に積層して構成される。
Although not shown in the drawing, the
第一のアルミニウム層には、電気回路が形成され、この電気回路上に半導体がはんだ付けにより電気的に接続される。第一のアルミニウム層は、導電性に優れたアルミニウムにより形成されるが、導電性に優れた材質であれば、例えば銅で形成されてもよい。しかし、電気伝導率が高く、変形能が高く、しかも半導体とのはんだ付けが良好である純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好適である。セラミック層は、絶縁性能が高く、熱伝導率が高く、そして機械的強度が高いセラミックから形成されている。セラミックは、例えば酸化アルミニウムや窒素アルミニウムである。第二のアルミニウム層には、熱伝導部材14がろう付けにより接合される。第二のアルミニウム層は、熱伝導性に優れたアルミニウムにより形成されるが、熱伝導性に優れた材質であれば、例えば銅で形成されてもよい。しかし、熱伝導率が高く、変形能が高く、しかも溶融したろう材との濡れ性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好適である。
An electrical circuit is formed on the first aluminum layer, and a semiconductor is electrically connected to the electrical circuit by soldering. The first aluminum layer is formed of aluminum having excellent conductivity, but may be formed of, for example, copper as long as the material has excellent conductivity. However, it is preferably formed of pure aluminum having high electrical conductivity, high deformability, and good soldering with a semiconductor. The ceramic layer is formed of a ceramic having high insulation performance, high thermal conductivity, and high mechanical strength. The ceramic is, for example, aluminum oxide or aluminum nitrogen. The heat
熱伝導部材14は、熱伝導性に優れたアルミニウムにより形成されるが、熱伝導性に優れた材質であれば、例えば銅で形成されてもよい。しかし、熱伝導率が高く、変形能が高く、しかも溶融したろう材との濡れ性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好適である。熱伝導部材14は応力吸収空間を有することもできる。応力吸収空間は、熱伝導部材14を積層方向に貫通する貫通孔であり、この貫通孔が変形することにより応力を吸収することができる。
The heat
冷却器16は、熱伝導性に優れるとともに、軽量であるアルミニウムにより形成される。冷却器16と底板18には、後述する第一位置決め治具54が貫通可能な貫通孔24,26がそれぞれ形成されている。冷却器16は、絶縁基板12に搭載される半導体で生じた熱を、絶縁基板12と熱伝導部材14を介して、冷却器16に形成される流路を流れる冷却液に効率よく放熱することができる。
The cooler 16 is made of aluminum which is excellent in thermal conductivity and lightweight. The cooler 16 and the
次に、本実施形態の半導体冷却装置10の製造方法について具体的に説明する。まず、半導体冷却装置10の製造に用いられる製造治具50の構成について、図1から3を用いて説明する。
Next, the manufacturing method of the
製造治具50は、製造治具本体66と、これの下面を形成するベース治具52と、製造治具本体66の上面を形成する上部治具60とを有する。
The
上部治具60とベース治具52とを結ぶように第一位置決め治具54が上下方向に延在して複数設けられている。第一位置決め治具54は、円柱形状である。第一位置決め治具54は、ベース治具52に着脱可能に立設され、上部治具60に上下方向にスライド可能に支持される。第一位置決め治具54には、板状の第二位置決め治具56が着脱可能に支持されている。第二位置決め治具56には、これを上下方向に貫通する貫通孔56aが所定の位置に形成されている。貫通孔56aは、これに絶縁基板12と熱伝導部材14とが嵌り合うことができるように形成されている。
A plurality of first positioning jigs 54 are provided extending in the vertical direction so as to connect the
上部治具60の下面には、弾性部材であるバネ64を介して押圧部材62が設けられている。押圧部材62は、製造治具50に収容された半導体冷却装置10を、バネ64の復元力により下方に押圧することができる。押圧部材62は、上下方向に直交する面において貫通孔56aと同じ位置にあり、貫通孔56aより小さく形成される。なお、本実施形態においては、押圧部材62にバネ64が接続される場合について説明したが、この構成に限定されず、押圧部材62を下方に付勢することができる構成であれば、例えば、他の弾性部材やソレノイドを採用することもできる。
A pressing
次に、半導体冷却装置10の構成部品の位置を決定する製造工程について図1を用いて説明する。この製造工程においては、ベース治具52に第一位置決め治具54が立設された状態である。底板18に形成された貫通孔26に第一位置決め治具54を通すようにして、ベース治具52上に底板18を配置する。そして、冷却器16に形成された貫通孔24に第一位置決め治具54を通すようにして、底板18上に冷却器16を配置する。底板18と冷却器16は、これらの貫通孔24,26に第一位置決め治具54が嵌り合うことにより、上下方向に直交する平面における位置ずれが規制される。すなわち、第一位置決め治具54により、底板18と冷却器16の位置が決定される。次に、第一位置決め治具54に第二位置決め治具56を取り付け、これを冷却器16上に配置する。第二位置決め治具56に形成された貫通孔56aに熱伝導部材14を嵌めるようにして、冷却器16上に熱伝導部材14を配置する。そして、第二位置決め治具に形成された貫通孔56aに絶縁基板12を嵌めるようにして、熱伝導部材14上に絶縁基板12を配置する。熱伝導部材14と絶縁基板12は、これらが第二位置決め治具56の貫通孔56aに嵌り合うことにより、上下方向に直交する平面における位置ずれが規制される。すなわち、第一位置決め治具56により、熱伝導部材14と絶縁基板12の位置が決定される。なお、この製造工程は、ベース治具52が製造治具本体66に取り付けられた状態でも実施することができる。
Next, a manufacturing process for determining the positions of the components of the
続いて、半導体冷却装置10の構成部品の位置を拘束する製造工程について図2を用いて説明する。ベース治具52と上部治具60を製造治具本体66に取り付ける。このとき、上部治具60に、第一位置決め治具54をスライド可能に支持させ、上部治具60に設けられた押圧部材62を、絶縁基板12に当接させる。押圧部材62は、バネ64の復元力により、絶縁基板12を下方に押圧する。これにより、半導体冷却装置10の位置が拘束される。また、半導体冷却装置10の各構成部品が互いに接触する接合部が確実に密着させることができる。
Next, a manufacturing process for restricting the positions of the components of the
そして、半導体冷却装置10のろう付けを行う製造工程について図3を用いて説明する。上部治具60が第一位置決め治具54を上方にスライドさせる。これに伴い、第一位置決め治具54に支持された第二位置決め治具56も上方に移動する。この動作により、冷却器16の貫通孔24と底板18の貫通孔26を貫通していた第一位置決め治具54がこれらの貫通孔24,26から外れ、第二位置決め治具56がこれの貫通孔56aに嵌っていた絶縁基板12と熱伝導部材14から離れる。この結果、第一及び第二位置決め治具54,56による、上下方向に直交する平面における半導体冷却装置10の位置ずれの規制が解除される。しかし、押圧部材62により、半導体冷却装置10の位置が拘束されているので、位置決めされた半導体冷却装置10の位置がずれることはない。その後、この状態のまま、半導体冷却装置10を炉に入れて、炉内を高温(例えば650℃)にすることにより、半導体冷却装置10の各構成部品の接合部はろう付けにより接合される。
And the manufacturing process which brazes the
本実施形態の半導体冷却装置10の製造方法によれば、従来の製造方法のように、仮組み治具とろう付け治具という2種の治具を使用せず、1つの簡易な治具を使用するだけなので、工数の削減を図ることができる。また、本実施形態の半導体冷却装置10の製造方法によれば、炉内において半導体冷却装置10は位置ずれの規制する治具に接触していないので、高温で半導体冷却装置10が膨張変形しても不具合の発生を防止することができる。また、本実施形態の半導体冷却装置10の製造方法によれば、従来の製造方法のように、半導体冷却装置10の各構成部品の接合部に接着剤を塗布していないので、ろう付け時において各構成部品が動いてしまうことはなく、接合部の熱抵抗の増加による半導体冷却装置10の放熱性能の低下を防止することができる。
According to the manufacturing method of the
本実施形態においては、第一位置決め治具54が、冷却器16の貫通孔24と底板18の貫通孔26を貫通することにより、冷却器16と底板18の位置が決められる場合について説明したが、この構成に限定されない。例えば、第一位置決め治具54が壁状部材であり、これが冷却器16と底板18の外周の一部と接触することにより、冷却器16と底板18の位置が決められることもできる。
In the present embodiment, the case where the positions of the cooler 16 and the
10,110 半導体冷却装置、12,112 絶縁基板、14,114 熱伝導部材、16,116 冷却器、18,118 底板、24,26,124,126 貫通孔、50 製造治具、52 ベース治具、54 第一位置決め治具、56 第二位置決め治具、60 上部治具、62 押圧部材、64 バネ。
10,110 Semiconductor cooling device, 12,112 Insulating substrate, 14,114 Heat conduction member, 16,116 Cooler, 18, 118 Bottom plate, 24, 26, 124, 126 Through hole, 50 Manufacturing jig, 52
Claims (1)
絶縁基板の裏面に、熱伝導性が優れた熱伝導部材を介して設けられ、前記半導体の熱を放熱する冷却器と、
冷却器を配置する底板と、
を有する半導体冷却装置の製造方法において、
ベース治具に、底板と冷却器と熱伝導部材と絶縁基板とを順に積層して配置するとともに、積層される構成部品を位置決め治具に接触させることで、当該構成部品の位置を決定する位置決めステップと、
押圧部材により絶縁基板を下方に押圧して、前記構成部品の位置を拘束する位置拘束ステップと、
前記構成部品から位置決め治具を離隔し、当該構成部品の各接合部をろう付けするろう付けステップと、
を有することを特徴とする半導体冷却装置の製造方法。 An insulating substrate having a front surface on which a semiconductor as a heating element is mounted;
A cooler for dissipating heat of the semiconductor, provided on the back surface of the insulating substrate via a heat conductive member having excellent heat conductivity;
A bottom plate on which a cooler is placed;
In the manufacturing method of the semiconductor cooling device having
Positioning that determines the position of the component by placing the base plate, the cooler, the heat conduction member, and the insulating substrate in order on the base jig and bringing the laminated component into contact with the positioning jig. Steps,
A position restraining step of restraining the position of the component by pressing the insulating substrate downward by a pressing member;
A brazing step of separating a positioning jig from the component and brazing each joint of the component;
A method for manufacturing a semiconductor cooling device, comprising:
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JP2016066690A (en) * | 2014-09-24 | 2016-04-28 | 株式会社デンソー | Laminated cooler |
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2009
- 2009-03-13 JP JP2009060769A patent/JP2010219095A/en active Pending
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