JP2015141934A - Cooling plate and semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷却プレートおよびこの冷却プレートの金属層上に半導体素子を搭載してなる半導体モジュールに関する。 The present invention relates to a cooling plate and a semiconductor module in which a semiconductor element is mounted on a metal layer of the cooling plate.
近年、半導体素子は、大電力かつ高速のスイッチングに用いられ、このような用途において発熱して高温になると、スイッチング機能に影響を及ぼす可能性がある。そのため、このような半導体素子の搭載にあたっては、流体を流すことによって半導体素子を冷却可能な流路を有する流路部材の主面に金属層を形成した冷却プレートが用いられている。 In recent years, semiconductor devices have been used for high-power and high-speed switching, and when they generate heat and become high temperature in such applications, they may affect the switching function. Therefore, when mounting such a semiconductor element, a cooling plate in which a metal layer is formed on the main surface of a flow path member having a flow path capable of cooling the semiconductor element by flowing a fluid is used.
このような冷却プレートとして、例えば、特許文献1には、半導体部品が実装される回路の下部に冷媒流路となる空隙部が形成され、前記回路から前記空隙部までの基板厚さ方向の距離tが0.5mm≦t≦5mmの条件を満たし、該距離tと前記空隙部の幅YとがY
≦20tの関係にある構造の冷却プレートが提案されている。
As such a cooling plate, for example, in
A cooling plate having a structure of ≦ 20 t has been proposed.
特許文献1の図1に記載のように、流路部材の主面おける流路上に金属層の端部が位置しているときには、半導体素子と流路部材との材料自体の熱膨張に差があり、半導体素子から生じた熱を受けた金属層の端部が膨張するとき、流路部材は冷媒によって冷却されているため、金属層の端部に位置する端部領域には、熱応力が掛かることとなる。そして、この熱応力が繰り返し掛かったとき、金属層の端部が剥離してしまい、放熱特性を低下させたり、冷却プレートの信頼性を低下させたりすることとなる。また、熱応力が繰り返し掛かる、若しくは掛かる熱応力が大きいときには、上述した端部領域が損傷するおそれがあり、端部領域の剥離を含めて寿命が短くなるという問題があった。そのため、今般においては、放熱特性や信頼性を低下させることなく、長期にわたって大電力かつ高速のスイッチングを可能にする冷却プレートが求められている。
As shown in FIG. 1 of
本発明は、上記要求を満たすべく案出されたものであり、放熱特性や信頼性を低下させることなく、長期にわたって大電力かつ高速のスイッチングを可能にする冷却プレートおよびこの冷却プレートの金属層上に半導体素子を搭載してなる半導体モジュールを提供するものである。 The present invention has been devised to satisfy the above-described requirements, and provides a cooling plate that enables high-power and high-speed switching over a long period of time without deteriorating heat dissipation characteristics and reliability, and a metal layer on the cooling plate. A semiconductor module having a semiconductor element mounted thereon is provided.
本発明の冷却プレートは、隔壁に囲まれた空間が流路とされている流路部材と、該流路部材の主面に金属層とを備え、該金属層を介して半導体素子が搭載される冷却プレートであって、前記金属層の端部が位置する端部領域の少なくとも一部における前記隔壁の厚みが、前記半導体素子が搭載される位置である搭載領域における前記隔壁の厚みより厚いことを特徴とするものである。 The cooling plate of the present invention includes a flow path member having a space surrounded by a partition wall as a flow path, and a metal layer on a main surface of the flow path member, and a semiconductor element is mounted via the metal layer. The thickness of the partition in at least a part of the end region where the end of the metal layer is located is thicker than the thickness of the partition in the mounting region where the semiconductor element is mounted. It is characterized by.
また、本発明の半導体モジュールは、上記構成の本発明の冷却プレートの前記金属層上に半導体素子を搭載してなることを特徴とするものである。 The semiconductor module of the present invention is characterized in that a semiconductor element is mounted on the metal layer of the cooling plate of the present invention having the above-described configuration.
本発明の冷却プレートによれば、大電力かつ高速のスイッチングにおいても、放熱特性や信頼性を低下させることなく、長期にわたって使用することができる。 The cooling plate of the present invention can be used over a long period of time without degrading heat dissipation characteristics and reliability even in high-power and high-speed switching.
また、本発明の半導体モジュールによれば、上記構成の本発明の冷却プレートの金属層上に半導体素子を搭載してなることから、更なる大電力かつ高速のスイッチングが可能となる。 Further, according to the semiconductor module of the present invention, since the semiconductor element is mounted on the metal layer of the cooling plate of the present invention having the above-described configuration, further high power and high speed switching can be performed.
以下、本実施形態の一例について図面を参照しながら説明する。図1は、本実施形態の冷却プレートの一例を示す、(a)は上面図であり、(b)は(a)におけるW−W’線での断面図である。なお、以降の図において同一の部材については、同一の番号を付するものとする。 Hereinafter, an example of this embodiment will be described with reference to the drawings. 1A and 1B show an example of a cooling plate according to the present embodiment, in which FIG. 1A is a top view and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line W-W ′ in FIG. In the following drawings, the same numbers are assigned to the same members.
図1に示すように、本実施形態の冷却プレート10は、流路部材1と、流路部材1の主面1sに金属層2とを備え、流路部材1を構成する隔壁に囲まれた空間が流路1aとされて
いる。そして、流路部材1の主面1sにおいて、金属層2の端部が位置する領域を端部領域A、半導体素子が搭載される領域を搭載領域Bとしたとき、本実施形態の冷却プレート10は、端部領域Aの少なくとも一部における隔壁の厚みAtが、搭載領域Bにおける隔壁の厚みBtよりも厚いものである。なお、金属層2の端部領域Aとは、金属層2の端部から半導体素子の搭載領域Bの中心までの距離の20%までのことをいう。
As shown in FIG. 1, the
本実施形態の冷却プレート10は、端部領域Aの少なくとも一部における隔壁の厚みAtが、搭載領域Bにおける隔壁の厚みBtよりも厚いことにより、金属層2の端部の全てが、搭載領域Bにおける隔壁の厚みBtと同じ厚みの隔壁上に位置しているときよりも、大電力かつ高速でのスイッチングによって端部領域Aに繰り返し熱応力が掛かったり、大きな熱応力が掛かったりした際の金属層2の端部の剥離や隔壁の損傷を抑制することができる。なお、半導体素子の搭載領域Bにおいては、端部領域Aよりも隔壁の厚みBtが薄いものであることから、大電力かつ高速のスイッチングによって半導体素子が発熱し高温になったとしても、流路1aを流れる冷媒によって冷却することができるため、半導体素子が有するスイッチング機能を十分に発揮することができる。
In the
このように、本実施形態の冷却プレート10は、放熱特性や信頼性を低下させることなく、長期にわたって大電力かつ高速のスイッチングを行なうことができる。なお、図1においては、端部領域Aのうち、流路方向に沿った部分の厚みが厚い例を示したが、流路方向に垂直な部分(流路方向の手前部分や奥部分)についても、搭載領域Bよりも隔壁の厚みを厚くしてもよく、特に流路方向の手前部分について、搭載領域Bよりも隔壁の厚みを厚くすることが好適である。
Thus, the
次に、図2,3は、本実施形態の冷却プレートの他の例を示す、(a)は断面図であり、(b)はそれぞれの(a)におけるX−X’線、Y−Y’線での断面図である。 Next, FIGS. 2 and 3 show other examples of the cooling plate of the present embodiment, (a) is a cross-sectional view, (b) is an XX ′ line in each (a), YY It is sectional drawing in a line.
端部領域Aの少なくとも一部における隔壁の厚みAtが、搭載領域Bにおける隔壁の厚みBtよりも厚いものの他の形態としては、図2に示す冷却プレート20のように、流路部材1の主面1sにおいて、隔壁のうちの側壁上にあたる領域に端部領域Aが位置するものであったり、図3に示す冷却プレート30のように、リブ上にあたる領域に端部領域Aが位置するものであったりしてもよい。
As another form in which the partition wall thickness At in at least a part of the end region A is thicker than the partition wall thickness Bt in the mounting region B, a main part of the
このような構成であるときには、端部領域Aにおける厚みAtは、流路部材1の高さと同じ厚みを有しており、図1の構成よりもさらに端部領域Aにおける厚みAtが厚いものであることから、大電力かつ高速でのスイッチングによって端部領域Aに繰り返し熱応力が掛かったり、大きな熱応力が掛かったりしたとしても、金属層2の端部の剥離や隔壁の損傷をさらに抑制することができる。
In such a configuration, the thickness At in the end region A has the same thickness as the height of the
次に、図4は、本実施形態の冷却プレートの他の例を示す、(a)は上面図であり、(b)は(a)におけるZ−Z’線での断面図であり、(c)は(b)における熱膨張時の状態図である。なお、以降の図においては、端部領域Aの表示を省略する。 Next, FIG. 4 shows another example of the cooling plate of this embodiment, (a) is a top view, (b) is a sectional view taken along line ZZ ′ in (a), ( (c) is a state diagram at the time of thermal expansion in (b). In the following drawings, the display of the end region A is omitted.
図4(a)においては、金属層2が半導体素子の搭載領域Bを囲繞する囲繞スリット3を有している冷却プレート40を示している。このように、金属層2が、半導体素子の搭載領域Bを囲繞する囲繞スリット3を有しているときには、半導体素子から生じた熱を受けて金属層2が膨張するときの膨張可能領域があることから、端部領域Aにおける剥離や隔壁に掛かる熱応力を緩和することができる。
FIG. 4A shows a
そして、この囲繞スリット3がテーパー状であり、熱を受ける前の状態が図4(b)に示す状態であり、熱を受けて膨張した際が図4(c)に示す状態であれば、熱膨張時にテーパー部分同士が引っ付くことにより、熱伝導効率が低下することはないことから、膨張可能領域を有していながら、放熱特性に優れた冷却プレート40とすることができる。このように、囲繞スリット3の開放部分は、熱膨張時に引っ付く程度の距離とすることが好適である。
And when this
また、図5は、本実施形態の冷却プレートの他の例を示す上面図である。図5においては、囲繞スリット3を3本備え、上面視における形状が四角形状であり、3本の囲繞スリット3の角部にわたるコーナースリット4を有している冷却プレート50を示している。
FIG. 5 is a top view showing another example of the cooling plate of the present embodiment. FIG. 5 shows a
このように、囲繞スリット3を複数備え、上面視における形状が多角形状であり、複数の囲繞スリット3の角部にわたるコーナースリット4を有しているときには、熱膨張時に囲繞スリット3の角部に掛かる熱応力を緩和することができる。なお、囲繞スリット3の上面視における多角形状としては、図5で示した四角形状以外に、例えば六角形状や八角形状等が挙げられる。また、多角形状とは、多角形の角部がR形状のものも含む。
As described above, when a plurality of the surrounding
また、囲繞スリット3やコーナースリット4としては、例えば、金属層2の厚みが250
〜1500μmであるとき、幅は1〜100μmであり、深さは金属層2の厚みの20〜80%であ
る。
Moreover, as the
When it is ˜1500 μm, the width is 1-100 μm and the depth is 20-80% of the thickness of the
また、囲繞スリット3を複数備える場合、搭載領域Bに近い方の囲繞スリット3の開放部分の幅を狭くし、搭載領域Bから遠い方の囲繞スリット3の開放部分の幅を広い構成とすれば、半導体素子から生じる熱の更なる高温化に耐え得る冷却プレート50とすることが
できる。
Further, when a plurality of go-
また、本実施形態の冷却プレートにおいて、端部領域Aに位置している金属層2の厚みが、搭載領域Bに近い部分よりも搭載領域Bから遠い部分の方が薄いときには、搭載領域Bから遠い部分にあたる端部領域Aに掛かる熱応力は小さくなることから、金属層2の端部の剥離や隔壁の損傷をさらに抑制することができる。特に、端部領域Aに位置している金属層2の厚みは、搭載領域Bに近い部分から、搭載領域Bから遠い部分へ向かって漸減していることが好適である。
Further, in the cooling plate of the present embodiment, when the thickness of the
そして、本実施形態の半導体モジュールは、図示していないが、例えば、図1〜図5に示した冷却プレート10〜50の金属層2上に半導体素子を搭載してなるものであり、本実施形態の冷却プレート10〜50が、放熱特性および信頼性に優れているとともに、寿命の長いものであることから、更なる大電力かつ高速のスイッチングが可能となる。なお、ここでいう金属層2上とは、金属層2の上に電極パッドを介して半導体素子を搭載する場合等も含むものである。
The semiconductor module according to the present embodiment is not illustrated, but includes, for example, a semiconductor element mounted on the
次に、本実施形態の冷却モジュールの作製方法の一例として、流路部材がセラミックスからなり、金属層が銅からなる例を説明する。 Next, an example in which the flow path member is made of ceramics and the metal layer is made of copper will be described as an example of the method for manufacturing the cooling module of the present embodiment.
ここで、セラミックスからなる流路部材としては、酸化アルミニウム質焼結体、酸化ジルコニウム質焼結体、酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムの複合焼結体、窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体等を用いることができる。 Here, the flow path member made of ceramic includes an aluminum oxide sintered body, a zirconium oxide sintered body, a composite sintered body of aluminum oxide and zirconium oxide, a silicon nitride sintered body, and an aluminum nitride sintered body. Etc. can be used.
まず、それぞれの焼結体の主成分となる原料粉末、焼結助剤、バインダ、溶媒等を用いてスラリーを作製する。次に、このスラリーを用いてドクターブレード法によりグリーンシートを作製する。そして、得られたグリーンシートを金型で打ち抜く若しくはレーザー加工により、所定形状の複数のシートを得る。次に、得られたシートを積層して加圧することにより、積層体である成形体を得て、これを使用した原料粉末に応じた焼成温度で焼成することにより、流路部材を得ることができる。 First, a slurry is prepared using raw material powder, a sintering aid, a binder, a solvent, and the like as the main components of each sintered body. Next, a green sheet is produced using this slurry by a doctor blade method. Then, the obtained green sheet is punched out with a mold or laser processed to obtain a plurality of sheets having a predetermined shape. Next, the obtained sheet is laminated and pressed to obtain a molded body which is a laminated body, and a flow path member can be obtained by firing at a firing temperature corresponding to the raw material powder using this. it can.
また、他の成形体の作製方法としては、原料粉末、焼結助剤、バインダ、溶媒等を用いて坏土を作製し、押出成形法により成形体を得てもよいし、スラリーを噴霧乾燥することによって造粒した顆粒を用いて、粉末プレス法で成形したり、冷間静水圧加圧成形(CIP)法で成形した後、所定形状に切削加工したりしてもよい。さらに、顆粒を圧延したグリーンシートを金型で打ち抜く若しくはレーザー加工により所定形状とした後、積層して加圧することにより成形体を得てもよい。 In addition, as another method for producing a molded body, a clay may be produced using raw material powder, a sintering aid, a binder, a solvent, etc., and a molded body may be obtained by an extrusion molding method, or a slurry is spray-dried. Then, the granulated granule may be molded by a powder press method, or may be molded by a cold isostatic pressing (CIP) method and then cut into a predetermined shape. Further, the green sheet obtained by rolling the granules may be punched out with a mold or made into a predetermined shape by laser processing, and then laminated and pressed to obtain a molded body.
また、押出成形法、粉末プレス法、CIP法で得られる成形体は、一体化したものである必要はなく、例えば、上壁、下壁、側壁を個別に作製してもよい。そして、個別に作製された成形体は、接合剤を用いて焼成時に接合したり、焼成後に接着剤で接着したりすれば流路部材とすることができる。 Moreover, the molded body obtained by the extrusion molding method, the powder pressing method, and the CIP method does not need to be integrated, and for example, the upper wall, the lower wall, and the side wall may be individually manufactured. And the molded object produced separately can be made into a channel member if it joins at the time of baking using a bonding agent, or if it adheres with an adhesive after baking.
次に、金属層については、例えば、銅または銀などの導電性粉末と、ガラス粉末と、有機ビヒクルとを用いてペーストを作製する。そして、公知のスクリーン印刷法により、流路部材の主面上に印刷し、乾燥の後、導電性粉末に合わせた雰囲気で焼成することにより金属層を形成することができる。また、他の金属層の作製方法としては、電解めっき法または無電解めっき法を用いて銅または銀などの金属層を形成してもよい。 Next, for the metal layer, for example, a paste is prepared using a conductive powder such as copper or silver, a glass powder, and an organic vehicle. And a metal layer can be formed by printing on the main surface of a flow-path member by a well-known screen printing method, and baking in the atmosphere match | combined with the electroconductive powder after drying. Further, as another method for producing the metal layer, a metal layer such as copper or silver may be formed by using an electrolytic plating method or an electroless plating method.
以上のような作製方法で金属層を形成することにより、本実施形態の冷却プレートを得ることができる。 By forming the metal layer by the manufacturing method as described above, the cooling plate of this embodiment can be obtained.
そして、囲繞スリット、コーナースリットを設けるときには、金属層の表面にレーザー加工を施せばよく、出力を調整することによってスリットの断面形状をテーパー状にすることができる。 Then, when the surrounding slit and the corner slit are provided, laser processing may be performed on the surface of the metal layer, and the sectional shape of the slit can be tapered by adjusting the output.
また、端部領域に位置している金属層の厚みが、搭載領域に近い部分よりも搭載領域から遠い部分の方を薄くするには、例えば、所望形状の印刷マスクを用いたり、金属層の成分に合わせてエッチングを行なったりすればよい。 In addition, in order to make the thickness of the metal layer located in the end region thinner in the portion far from the mounting region than in the portion close to the mounting region, for example, using a printing mask of a desired shape, Etching may be performed according to the components.
そして、上述した方法によって得られた冷却プレートの金属層2上に半導体素子を搭載することにより、本実施形態の半導体モジュールを得ることができる。
And the semiconductor module of this embodiment can be obtained by mounting a semiconductor element on the
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。 Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.
1:流路部材
1s:主面
1a流路
2:金属層
3:囲繞スリット
4:コーナースリット
A:(金属層の)端部領域
B:(半導体素子の)搭載領域
10,20,30,40,50:冷却プレート
1:
10, 20, 30, 40, 50: Cooling plate
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