JP2016149431A - Semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書で開示する技術は、半導体モジュールに関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor module.
特許文献1は、半導体チップの熱を冷却器まで伝熱する伝熱部材を備える半導体モジュールを開示する。伝熱部材は、中間層を介して接合されている1組のシート部材を有する。シート部材の各々は、熱伝導異方性の複数のシートが積層して構成されている。シート部材を構成するシートは、そのシート面の面内方向に高い熱伝導率を有する。シート部材では、複数のシートの積層方向が半導体チップと冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置される。これにより、シート部材を構成するシートのシート面が半導体チップと冷却器を結ぶ方向に対して平行となるので、伝熱部材は、半導体チップの熱を効率的に冷却器まで伝熱することができる。 Patent Document 1 discloses a semiconductor module including a heat transfer member that transfers heat of a semiconductor chip to a cooler. The heat transfer member has a set of sheet members joined via an intermediate layer. Each of the sheet members is configured by laminating a plurality of sheets having thermal conductivity anisotropy. The sheet | seat which comprises a sheet | seat member has high heat conductivity in the surface direction of the sheet | seat surface. In the sheet member, the stacking direction of the plurality of sheets is arranged so as to be orthogonal to the direction connecting the semiconductor chip and the cooler. Thereby, since the sheet surface of the sheet constituting the sheet member is parallel to the direction connecting the semiconductor chip and the cooler, the heat transfer member can efficiently transfer the heat of the semiconductor chip to the cooler. it can.
特許文献1の伝熱部材では、中間層を介して接合されている1組のシート部材において、一方のシート部材を構成する複数のシートの積層方向と他方のシート部材を構成する複数のシートの積層方向が直交するように配置される。これにより、伝熱部材を全体で観測したときに、伝熱部材を伝熱する熱は、半導体チップと冷却器を結ぶ方向に対して直交する面内にも広がることができるので、半導体チップの熱が効率的に冷却器まで伝熱される。 In the heat transfer member of Patent Document 1, in a set of sheet members joined via an intermediate layer, a stacking direction of a plurality of sheets constituting one sheet member and a plurality of sheets constituting the other sheet member It arrange | positions so that a lamination direction may be orthogonal. Thereby, when the heat transfer member is observed as a whole, the heat transferred to the heat transfer member can be spread in a plane perpendicular to the direction connecting the semiconductor chip and the cooler. Heat is efficiently transferred to the cooler.
熱伝導異方性のシートは、線膨張率にも異方性を有する。例えば、シートがグラファイトの場合、シート面の面内方向の線膨張係数が、厚み方向(シート面に直交する方向)の線膨張係数よりも小さい。このため、特許文献1の伝熱部材では、中間層を介して接合されている1組のシート部材において、一方のシート部材の線熱膨張係数が大きい方向と他方のシート部材の線熱膨張係数が大きい方向が非平行となる。換言すると、一方のシート部材の線熱膨張係数が大きい方向と他方のシート部材の線熱膨張係数が小さい方向が平行となる。このため、特許文献1の伝熱部材では、一方の伝熱部材が他方の伝熱部材を機械的に拘束し、高い熱応力が加わる。これにより、伝熱部材が湾曲するように熱変形する。このような湾曲が発生すると、伝熱部材が他部材と接する接合面に空間が形成され、伝熱効率が大幅に低下する。本明細書で開示する技術は、伝熱部材が湾曲するように熱変形することを抑える技術を提供する。 A sheet having thermal conductivity anisotropy also has anisotropy in linear expansion coefficient. For example, when the sheet is graphite, the linear expansion coefficient in the in-plane direction of the sheet surface is smaller than the linear expansion coefficient in the thickness direction (direction perpendicular to the sheet surface). For this reason, in the heat transfer member of Patent Document 1, in one set of sheet members joined via an intermediate layer, the direction in which one sheet member has a large linear thermal expansion coefficient and the linear thermal expansion coefficient of the other sheet member The direction with large is non-parallel. In other words, the direction in which the linear thermal expansion coefficient of one sheet member is large and the direction in which the linear thermal expansion coefficient of the other sheet member is small are parallel. For this reason, in the heat transfer member of patent document 1, one heat transfer member mechanically restrains the other heat transfer member, and a high thermal stress is added. Accordingly, the heat transfer member is thermally deformed so as to be curved. When such a curvature occurs, a space is formed on the joint surface where the heat transfer member is in contact with the other member, and the heat transfer efficiency is greatly reduced. The technique disclosed in the present specification provides a technique for suppressing heat deformation of a heat transfer member so as to be bent.
本明細書で開示する半導体モジュールの一実施形態は、発熱体、冷却器、及び、発熱体と冷却器の間に設けられている伝熱部材を備える。伝熱部材は、中間層、第1シート層及び第2シート層を備える。中間層は、熱伝導等方性である。第1シート層は、中間層の発熱体側の面に接しており、熱伝導異方性の複数の第1シートが積層して構成されている。第1シート層では、複数の第1シートの積層方向が、発熱体と冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている。第2シート層は、中間層の冷却器側の面に接しており、熱伝導異方性の複数の第2シートが積層して構成されている。第2シート層では、複数の第2シートの積層方向が、発熱体と冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている。複数の第1シートの積層方向と複数の第2シートの積層方向が、平行となるように配置されている。 One embodiment of a semiconductor module disclosed in the present specification includes a heating element, a cooler, and a heat transfer member provided between the heating element and the cooler. The heat transfer member includes an intermediate layer, a first sheet layer, and a second sheet layer. The intermediate layer is thermally conductive isotropic. The first sheet layer is in contact with the surface of the intermediate layer on the heating element side, and is configured by laminating a plurality of first sheets having thermal conductivity anisotropy. In the first sheet layer, the stacking direction of the plurality of first sheets is arranged so as to be orthogonal to the direction connecting the heating element and the cooler. The second sheet layer is in contact with the cooler side surface of the intermediate layer, and is configured by laminating a plurality of second sheets having thermal conductivity anisotropy. In the second sheet layer, the stacking direction of the plurality of second sheets is arranged so as to be orthogonal to the direction connecting the heating element and the cooler. The stacking direction of the plurality of first sheets and the stacking direction of the plurality of second sheets are arranged in parallel.
本明細書で開示する半導体モジュールの伝熱部材では、中間層を介して隣り合う第1シート層及び第2シート層において、第1シート層を構成する複数の第1シートの積層方向と第2シート層を構成する複数の第2シートの積層方向が、平行となるように配置されている。このため、第1シート層の線膨張係数の大きい方向と第2シート層の線膨張係数の大きい方向が平行となる。これにより、第1シート層と第2シート層が相互に機械的に拘束することが抑えられ、熱応力が緩和され、伝熱部材が湾曲するように熱変形することが抑えられる。 In the heat transfer member of the semiconductor module disclosed in this specification, in the first sheet layer and the second sheet layer that are adjacent to each other via the intermediate layer, the stacking direction of the plurality of first sheets constituting the first sheet layer and the second sheet layer It arrange | positions so that the lamination direction of the some 2nd sheet | seat which comprises a sheet | seat layer may become parallel. For this reason, the direction in which the linear expansion coefficient of the first sheet layer is large and the direction in which the linear expansion coefficient of the second sheet layer is large are parallel. Thereby, it is suppressed that the first sheet layer and the second sheet layer are mechanically constrained to each other, the thermal stress is relaxed, and the heat transfer member is suppressed from being deformed so as to be bent.
以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。 The technical features disclosed in this specification will be summarized below. The items described below have technical usefulness independently.
本明細書で開示する半導体モジュールの一実施形態は、発熱体、冷却器、及び、発熱体と冷却器の間に設けられている伝熱部材を備えていてもよい。発熱体の種類は、熱を発熱する限りにおいて、特に限定されるものではない。例えば、発熱体は、電子素子であってもよい。典型的には、発熱体は、パワー半導体素子であり、その一例としてIGBT、MOSFET、ダイオードが例示される。冷却器の種類は、冷媒との間で熱交換可能に構成されている限りにおいて、特に限定されるものではない。伝熱部材は、中間層、第1シート層及び第2シート層を有していてもよい。中間層の材料は、熱伝導等方性の特性を有する限りにおいて、特に限定されるものではない。例えば、中間層の材料は、セラミック又は金属であってもよい。セラミックとしては、窒化シリコン、窒化アルミニウム及び酸化アルミニウムが例示される。金属としては、銅及びアルミニウムが例示される。なお、中間層の材料は、セラミックであるのが望ましい。この場合、伝熱部材が絶縁基板として機能することができる。第1シート層は、中間層の発熱体側の面に接しており、熱伝導異方性の複数の第1シートが積層して構成されている。第1シートは、シート面の面内方向の熱伝導率が厚み方向(シート面に直交する方向)の熱伝導率よりも高い材料である。例えば、第1シートの材料としては、グラファイト、グラフェン、炭素繊維に金属を含浸させた複合材及び金属含浸グラファイト複合材が例示される。第1シート層では、複数の第1シートの積層方向が、発熱体と冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている。第2シート層は、中間層の冷却器側の面に接しており、熱伝導異方性の複数の第2シートが積層して構成されている。第2シートも、シート面の面内方向の熱伝導率が厚み方向(シート面に直交する方向)の熱伝導率よりも高い材料である。例えば、第2シートの材料としては、グラファイト、グラフェン、炭素繊維に金属を含浸させた複合材及び金属含浸グラファイト複合材が例示される。第1シートと第2シートは、同一の材料であるのが望ましい。第2シート層では、複数の第2シートの積層方向が、発熱体と冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている。複数の第1シートの積層方向と複数の第2シートの積層方向が、平行となるように配置されている。 One embodiment of the semiconductor module disclosed in the present specification may include a heating element, a cooler, and a heat transfer member provided between the heating element and the cooler. The type of the heating element is not particularly limited as long as it generates heat. For example, the heating element may be an electronic element. Typically, the heating element is a power semiconductor element, and an IGBT, a MOSFET, and a diode are exemplified as an example. The type of the cooler is not particularly limited as long as it is configured to be able to exchange heat with the refrigerant. The heat transfer member may have an intermediate layer, a first sheet layer, and a second sheet layer. The material for the intermediate layer is not particularly limited as long as it has thermal conductivity isotropic characteristics. For example, the material of the intermediate layer may be ceramic or metal. Examples of the ceramic include silicon nitride, aluminum nitride, and aluminum oxide. Examples of the metal include copper and aluminum. Note that the material of the intermediate layer is preferably ceramic. In this case, the heat transfer member can function as an insulating substrate. The first sheet layer is in contact with the surface of the intermediate layer on the heating element side, and is configured by laminating a plurality of first sheets having thermal conductivity anisotropy. The first sheet is a material whose thermal conductivity in the in-plane direction of the sheet surface is higher than the thermal conductivity in the thickness direction (direction orthogonal to the sheet surface). For example, examples of the material of the first sheet include graphite, graphene, a composite material in which carbon fiber is impregnated with metal, and a metal-impregnated graphite composite material. In the first sheet layer, the stacking direction of the plurality of first sheets is arranged so as to be orthogonal to the direction connecting the heating element and the cooler. The second sheet layer is in contact with the cooler side surface of the intermediate layer, and is configured by laminating a plurality of second sheets having thermal conductivity anisotropy. The second sheet is also a material having a higher thermal conductivity in the in-plane direction of the sheet surface than in the thickness direction (a direction orthogonal to the sheet surface). For example, examples of the material for the second sheet include graphite, graphene, a composite material in which carbon fiber is impregnated with metal, and a metal-impregnated graphite composite material. The first sheet and the second sheet are preferably made of the same material. In the second sheet layer, the stacking direction of the plurality of second sheets is arranged so as to be orthogonal to the direction connecting the heating element and the cooler. The stacking direction of the plurality of first sheets and the stacking direction of the plurality of second sheets are arranged in parallel.
本明細書で開示する伝熱部材は、第3シート層及び第4シート層をさらに有していてもよい。第3シート層は、第1シート層を介して中間層に対向するように設けられており、熱伝導異方性の複数の第3シートが積層して構成されている。第3シートは、シート面の面内方向の熱伝導率が厚み方向(シート面に直交する方向)の熱伝導率よりも高い材料である。例えば、第3シートの材料としては、グラファイト、グラフェン、炭素繊維に金属を含浸させた複合材及び金属含浸グラファイト複合材が例示される。第3シート層では、複数の第3シートの積層方向が、発熱体と冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている。第4シート層は、第2シート層を介して中間層に対向するように設けられており、熱伝導異方性の複数の第4シートが積層して構成されている。第4シートも、シート面の面内方向の熱伝導率が厚み方向(シート面に直交する方向)の熱伝導率よりも高い材料である。例えば、第4シートの材料としては、グラファイト、グラフェン、炭素繊維に金属を含浸させた複合材及び金属含浸グラファイト複合材が例示される。第3シートと第4シートは、同一の材料であるのが望ましい。第4シート層では、複数の第4シートの積層方向が、発熱体と冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている。複数の第3シートの積層方向と複数の第4シートの積層方向が、平行となるように配置されている。複数の第1シートの積層方向と複数の第3シートの積層方向が、交差するように配置されている。なお、複数の第1シートの積層方向と複数の第3シートの積層方向が、直交するように配置されているのが望ましい。複数の第2シートの積層方向と複数の第4シートの積層方向が、交差するように配置されている。なお、複数の第2シートの積層方向と複数の第4シートの積層方向が、直交するように配置されているのが望ましい。この形態の半導体モジュールによると、伝熱部材を全体で観測したときに、伝熱部材を伝熱する熱は、発熱体と冷却器を結ぶ方向に対して直交する面内にも広がることができるので、発熱体の熱が効率的に冷却器まで伝熱される。 The heat transfer member disclosed in the present specification may further include a third sheet layer and a fourth sheet layer. The third sheet layer is provided so as to face the intermediate layer with the first sheet layer interposed therebetween, and is configured by laminating a plurality of third sheets having thermal conductivity anisotropy. The third sheet is a material whose thermal conductivity in the in-plane direction of the sheet surface is higher than the thermal conductivity in the thickness direction (direction orthogonal to the sheet surface). For example, examples of the material of the third sheet include graphite, graphene, a composite material in which carbon fiber is impregnated with metal, and a metal-impregnated graphite composite material. In the third sheet layer, the stacking direction of the plurality of third sheets is arranged so as to be orthogonal to the direction connecting the heating element and the cooler. The fourth sheet layer is provided so as to face the intermediate layer with the second sheet layer interposed therebetween, and is configured by laminating a plurality of fourth sheets having thermal conductivity anisotropy. The fourth sheet is also a material having a thermal conductivity in the in-plane direction of the sheet surface that is higher than the thermal conductivity in the thickness direction (direction perpendicular to the sheet surface). For example, examples of the material for the fourth sheet include graphite, graphene, a composite material in which carbon fiber is impregnated with metal, and a metal-impregnated graphite composite material. The third sheet and the fourth sheet are desirably made of the same material. In the fourth sheet layer, the stacking direction of the plurality of fourth sheets is arranged so as to be orthogonal to the direction connecting the heating element and the cooler. The stacking direction of the plurality of third sheets and the stacking direction of the plurality of fourth sheets are arranged in parallel. The stacking direction of the plurality of first sheets and the stacking direction of the plurality of third sheets are arranged to intersect each other. Note that it is desirable that the stacking direction of the plurality of first sheets and the stacking direction of the plurality of third sheets are orthogonal to each other. The stacking direction of the plurality of second sheets and the stacking direction of the plurality of fourth sheets are arranged so as to intersect each other. In addition, it is desirable that the stacking direction of the plurality of second sheets and the stacking direction of the plurality of fourth sheets are arranged to be orthogonal to each other. According to the semiconductor module of this embodiment, when the heat transfer member is observed as a whole, the heat transferred to the heat transfer member can also spread in a plane orthogonal to the direction connecting the heating element and the cooler. Therefore, the heat of the heating element is efficiently transferred to the cooler.
本明細書で開示する伝熱部材は、第1接合層及び第2接合層をさらに有していてもよい。第1接合層は、第1シート層と第3シート層の間に設けられており、双方に接する。第2接合層は、第2シート層と第4シート層の間に設けられており、双方に接する。第1接合層及び第2接合層の材料は、熱伝導等方性の特性を有する限りにおいて、特に限定されるものではない。例えば、第1接合層及び第2接合層は、セラミック又は金属であってもよい。セラミックとしては、窒化シリコン、窒化アルミニウム及び酸化アルミニウムが例示される。金属としては、銅及びアルミニウムが例示される。第1接合層と第2接合層は、同一の材料であるのが望ましい。 The heat transfer member disclosed in the present specification may further include a first bonding layer and a second bonding layer. The first bonding layer is provided between the first sheet layer and the third sheet layer and is in contact with both. The second bonding layer is provided between the second sheet layer and the fourth sheet layer and is in contact with both. The materials of the first bonding layer and the second bonding layer are not particularly limited as long as they have thermal conductivity isotropic characteristics. For example, the first bonding layer and the second bonding layer may be ceramic or metal. Examples of the ceramic include silicon nitride, aluminum nitride, and aluminum oxide. Examples of the metal include copper and aluminum. The first bonding layer and the second bonding layer are preferably made of the same material.
図1に示されるように、半導体モジュール10は、両面冷却型の半導体モジュールであり、一対の半導体チップ20,30、一対の金属ブロック24,34、複数の伝熱部材22,26,32,36、複数の電極板28,42,44、一対の絶縁層52,54及び一対の冷却器62,64を備える。一対の冷却器62,64が、一対の半導体チップ20,30、一対の金属ブロック24,34、複数の伝熱部材22,26,32,36及び一対の絶縁層52,54を加圧して密着するように構成されている。半導体モジュール10は、3相インバータの下側アームを構成する3つの半導体素子の1つとして用いられる。
As shown in FIG. 1, the
半導体チップ20は、IGBTである。半導体チップ20の下面のコレクタ電極は、はんだを介して伝熱部材22の上面に接合されている。伝熱部材22の下面は、絶縁層52を介して冷却器62に密着する。絶縁層52の上下面には、グリースが塗布されている。伝熱部材22は、半導体チップ20と冷却器62の間に設けられており、半導体チップ20の熱を冷却器62に伝熱する。半導体チップ20の上面のエミッタ電極は、はんだにより金属ブロック24の下面に接合されている。金属ブロック24の材料には、銅が用いられている。金属ブロック24の上面は、はんだを介して伝熱部材26の下面に接合されている。伝熱部材26の上面は、絶縁層54を介して冷却器64に密着する。絶縁層54の上下面には、グリースが塗布されている。伝熱部材26は、半導体チップ20と冷却器64の間に設けられており、半導体チップ20の熱を冷却器64に伝熱する。また、半導体チップ20の上面のゲート電極は、ワイヤーを介して制御電極板28に電気的に接続されている。
The
半導体チップ30は、ダイオードである。半導体チップ30の下面のカソード電極は、はんだを介して伝熱部材32の上面に接合されている。伝熱部材32の下面は、絶縁層52を介して冷却器62に密着する。伝熱部材32は、半導体チップ30と冷却器62の間に設けられており、半導体チップ30の熱を冷却器62に伝熱する。半導体チップ30の上面のアノード電極は、はんだを介して金属ブロック34の下面に接合されている。金属ブロック34の材料には、銅が用いられている。金属ブロック34の上面は、はんだを介して伝熱部材36の下面に接合されている。伝熱部材36の上面は、絶縁層54を介して冷却器64に密着する。伝熱部材36は、半導体チップ30と冷却器64の間に設けられており、半導体チップ30の熱を冷却器64に伝熱する。
The
伝熱部材22と伝熱部材32は、実際には、1つの伝熱部材として一体で構成されている。伝熱部材22と伝熱部材32の上面には、後述するように、金属層が露出しており、その金属層が出力電極板42に電気的に接続されている。即ち、半導体チップ20の下面のコレクタ電極と半導体チップ30の下面のカソード電極は、伝熱部材22,32を介して出力電極板42に電気的に接続されている。
The
伝熱部材26と伝熱部材36も、実際には、1つの伝熱部材として一体で構成されている。伝熱部材26と伝熱部材36の下面には、金属層が露出しており、その金属層が入力電極板44に電気的に接続されている。即ち、半導体チップ20の上面のエミッタ電極と半導体チップ30の上面のアノード電極は、金属ブロック24、34及び伝熱部材26,36を介して入力電極板44に電気的に接続されている。
Actually, the
一対の半導体チップ20,30、一対の金属ブロック24,34及び複数の伝熱部材22,26,32,36は、絶縁樹脂56に覆われている。電極板28,42,44の一部は、絶縁樹脂56から露出する。
The pair of
伝熱部材22,26,32,36は、同一の構成を有する。以下では、図2及び図3を参照して、伝熱部材22について詳細に説明し、他の伝熱部材26,32,36についての説明を省略する。
The
図2及び図3に示されるように、伝熱部材22は、中間層70、複数のグラファイト層71,72,73,74及び複数の金属層81,82,83,84を有する。複数のグラファイト層71,72,73,74は、第1グラファイト層71、第2グラファイト層72、第3グラファイト層73及び第4グラファイト層74を含む。グラファイト層71,72,73,74は、特許請求の範囲に記載のシート層の一例である。複数の金属層81,82,83,84は、第1金属層81、第2金属層82、第3金属層83及び第4金属層84を含む。第1金属層81及び第2金属層82は、特許請求の範囲に記載の接合層の一例である。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
中間層70は、伝熱部材22の積層方向(z軸方向)の中心に配置されている。中間層70の材料には、熱伝導等方性の金属が用いられており、この例では銅が用いられている。
The
第1グラファイト層71は、中間層70の半導体チップ20側の面に接合する。第1グラファイト層71は、複数の配向性グラファイトシートがx軸方向に積層した積層体として構成されている。第1グラファイト層71を構成する配向性グラファイトシートは、yz面に平行なシート面の面内方向の熱伝導率が厚み方向(シート面に直交する方向であり、x軸方向)の熱伝導率よりも高く、熱伝導異方性を有する。第1グラファイト層71を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向(x軸方向)は、半導体チップ20と冷却器62を結ぶ方向(z軸方向)に対して直交するように配置されている。換言すると、第1グラファイト層71を構成する配向性グラファイトシートのシート面(yz面)が、半導体チップ20と冷却器62を結ぶ方向(z軸方向)に対して平行となるように配置されている。
The
第2グラファイト層72は、中間層70の冷却器62側の面に接合する。第2グラファイト層72は、複数の配向性グラファイトシートがx軸方向に積層した積層体として構成されている。第2グラファイト層72を構成する配向性グラファイトシートは、yz面に平行なシート面の面内方向の熱伝導率が厚み方向(シート面に直交する方向であり、x軸方向)の熱伝導率よりも高く、熱伝導異方性を有する。第2グラファイト層72を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向(x軸方向)は、半導体チップ20と冷却器62を結ぶ方向(z軸方向)に対して直交するように配置されている。換言すると、第2グラファイト層72を構成する配向性グラファイトシートのシート面(yz面)が、半導体チップ20と冷却器62を結ぶ方向(z軸方向)に対して平行となるように配置されている。
The
第3グラファイト層73は、第1金属層81及び第1グラファイト層71を介して中間層70に対向するように配置されている。第3グラファイト層73は、複数の配向性グラファイトシートがy軸方向に積層した積層体として構成されている。第3グラファイト層73を構成する配向性グラファイトシートは、xz面に平行なシート面の面内方向の熱伝導率が厚み方向(シート面に直交する方向であり、y軸方向)の熱伝導率よりも高く、熱伝導異方性を有する。第3グラファイト層73を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向(y軸方向)は、半導体チップ20と冷却器62を結ぶ方向(z軸方向)に対して直交するように配置されている。換言すると、第3グラファイト層73を構成する配向性グラファイトシートのシート面(xz面)が、半導体チップ20と冷却器62を結ぶ方向(z軸方向)に対して平行となるように配置されている。さらに、第3グラファイト層73を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向(y軸方向)が、第1グラファイト層71を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向(x軸方向)に対して直交するように配置されている。
The
第4グラファイト層74は、第2金属層82及び第2グラファイト層72を介して中間層70に対向するように配置されている。第4グラファイト層74は、複数の配向性グラファイトシートがy軸方向に積層した積層体として構成されている。第4グラファイト層74を構成する配向性グラファイトシートは、xz面に平行なシート面の面内方向の熱伝導率が厚み方向(シート面に直交する方向であり、y軸方向)の熱伝導率よりも高く、熱伝導異方性を有する。第4グラファイト層74を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向(y軸方向)は、半導体チップ20と冷却器62を結ぶ方向(z軸方向)に対して直交するように配置されている。換言すると、第4グラファイト層74を構成する配向性グラファイトシートのシート面(xz面)が、半導体チップ20と冷却器62を結ぶ方向(z軸方向)に対して平行となるように配置されている。さらに、第4グラファイト層74を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向(y軸方向)が、第2グラファイト層72を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向(x軸方向)に対して直交するように配置されている。
The
複数の金属層81,82,83,84の材料には、熱伝導等方性の金属が用いられており、この例では銅が用いられている。第1金属層81は、第1グラファイト層71と第3グラファイト層73の間に配置されており、第1グラファイト層71と第3グラファイト層73を接合する。第2金属層82は、第2グラファイト層72と第4グラファイト層74の間に配置されており、第2グラファイト層72と第4グラファイト層74を接合する。第3金属層83は、第3グラファイト層73に接合するとともに、はんだを介して半導体チップ20に接合する。第4金属層84は、第4グラファイト層74に接合するとともに、絶縁層52を介して冷却器62に密着する。これら金属層81,82,83,84は、接合層として用いられる。特に、第1金属層81及び第2金属層82は、グラファイト層間を強固に接合するとともに、グラファイト層間の伝熱効率を向上させる。
The material of the plurality of
伝熱部材22は、中間層70に対して上下対称な形態を有する。即ち、第1グラファイト層71と第2グラファイト層72が中間層70に対して対称な形態を有するように構成されており、第1金属層81と第2金属層82が中間層70に対して対称な形態を有するように構成されており、第3グラファイト層73と第4グラファイト層74が中間層70に対して対称な形態を有するように構成されており、第3金属層83と第4金属層84が中間層70に対して対称な形態を有するように構成されている。このため、第1グラファイト層71を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向(x軸方向)と第2グラファイト層72を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向(x軸方向)が平行であり、第3グラファイト層73を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向(y軸方向)と第4グラファイト層74を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向(y軸方向)が平行である。
The
配向性グラファイトシートは、シート面の面内方向の線膨張係数が約1ppm/Kであり、厚み方向(シート面に直交する方向)の線膨張係数が約25ppm/Kである。このため、第1グラファイト層71及び第2グラファイト層72は、x軸方向に大きな線膨張係数を有する。しかしながら、第1グラファイト層71と第2グラファイト層72は、中間層70に対して対称な形態を有するように構成されているので、これらのx軸方向の線膨張係数は同一である。このため、第1グラファイト層71と第2グラファイト層72が相互に機械的に拘束することが抑えられるので、熱応力が緩和される。また、第3グラファイト層73及び第4グラファイト層74は、y軸方向に大きな線膨張係数を有する。しかしながら、第3グラファイト層73及び第4グラファイト層74は、中間層70に対して対称な形態を有するように構成されているので、これらのy軸方向の線膨張係数は同一である。このため、第3グラファイト層73及び第4グラファイト層74が相互に機械的に拘束することが抑えられるので、熱応力が緩和される。この結果、伝熱部材22は、湾曲するように熱変形することが抑えられる。
The oriented graphite sheet has a linear expansion coefficient in the in-plane direction of the sheet surface of about 1 ppm / K, and a linear expansion coefficient in the thickness direction (direction perpendicular to the sheet surface) of about 25 ppm / K. For this reason, the
上記したように、伝熱部材22では、複数のグラファイト層71,72,73,74のシート面が、半導体チップ20と冷却器62を結ぶ方向に対して平行となるように配置されている。さらに、中間層70及び複数の金属層81,82,83,84は熱伝導等方性である。このため、伝熱部材22は、半導体チップ20の熱を効率的に冷却器62に伝熱することができる。
As described above, in the
さらに、伝熱部材22では、第1グラファイト層71を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向(x軸方向)と第3グラファイト層73を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向(y軸方向)が直交するように配置されており、第2グラファイト層72を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向(x軸方向)と第4グラファイト層74を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向(y軸方向)が直交するように配置されている。これにより、伝熱部材22を全体で観測したときに、伝熱部材22を伝熱する熱は、xy面内にも広がることができるので、半導体チップ20の熱が効率的に冷却器62まで伝熱される。
Further, in the
また、伝熱部材22では、中間層70が絶縁体のセラミックで形成されていてもよい。中間層70の材料が絶縁体であると、伝熱部材22が絶縁基板としても機能することができる。このような伝熱部材22(他の伝熱部材26,32,36も同様)が用いられると、図4に示されるように、伝熱部材22,26,32,36と冷却器62,64の間の絶縁層52,54(図1参照)が不要となる。上記したように、このような絶縁層52,54が不要となるので、絶縁層52,54の上下面に塗布されているグリースも不要となる。このため、中間層70が絶縁体のセラミックで形成されている伝熱部材22,26,32,36を用いると、グリースレスの半導体モジュール10を構築することができる。この結果、半導体モジュール10は、極めて高い冷却能を有することができる。
In the
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの1つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。 The embodiments have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of them.
10:半導体モジュール
20,30:半導体チップ
22,26,32,36:伝熱部材
24,34:金属ブロック
28,42,44:電極板
56:絶縁樹脂
62,64:冷却器
70:中間層
71:第1グラファイト層
72:第2グラファイト層
73:第3グラファイト層
74:第4グラファイト層
81,82,83,84:金属層
10:
Claims (7)
冷却器と、
前記発熱体と前記冷却器の間に設けられている伝熱部材と、を備え、
前記伝熱部材は、
熱伝導等方性の中間層と、
前記中間層の前記発熱体側の面に接しており、熱伝導異方性の複数の第1シートが積層して構成されており、前記複数の第1シートの積層方向が前記発熱体と前記冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている第1シート層と、
前記中間層の前記冷却器側の面に接しており、熱伝導異方性の複数の第2シートが積層して構成されており、前記複数の第2シートの積層方向が前記発熱体と前記冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている第2シート層と、を有し、
前記複数の第1シートの積層方向と前記複数の第2シートの積層方向が、平行となるように配置されている、半導体モジュール。 A heating element;
A cooler,
A heat transfer member provided between the heating element and the cooler,
The heat transfer member is
A thermally conductive isotropic intermediate layer;
The intermediate layer is in contact with the surface on the heating element side and is configured by laminating a plurality of first sheets having thermal conductivity anisotropy, and the laminating direction of the plurality of first sheets is the heating element and the cooling. A first sheet layer disposed so as to be orthogonal to the direction of connecting the containers;
The intermediate layer is in contact with the surface on the cooler side, and is configured by laminating a plurality of second sheets having thermal conductivity anisotropy, and the laminating direction of the plurality of second sheets is the heating element and the A second sheet layer disposed so as to be orthogonal to the direction connecting the coolers,
A semiconductor module, wherein the stacking direction of the plurality of first sheets and the stacking direction of the plurality of second sheets are arranged in parallel.
前記第1シート層を介して前記中間層に対向するように設けられており、熱伝導異方性の複数の第3シートが積層して構成されており、前記複数の第3シートの積層方向が前記発熱体と前記冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている第3シート層と、
前記第2シート層を介して前記中間層に対向するように設けられており、熱伝導異方性の複数の第4シートが積層して構成されており、前記複数の第4シートの積層方向が前記発熱体と前記冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている第4シート層と、をさらに有し、
前記複数の第3シートの積層方向と前記複数の第4シートの積層方向が、平行となるように配置されており、
前記複数の第1シートの積層方向と前記複数の第3シートの積層方向が、交差するように配置されており、
前記複数の第2シートの積層方向と前記複数の第4シートの積層方向が、交差するように配置されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体モジュール。 The heat transfer member is
It is provided so as to face the intermediate layer via the first sheet layer, and is formed by laminating a plurality of third sheets having thermal conductivity anisotropy, and the stacking direction of the plurality of third sheets A third sheet layer disposed so as to be orthogonal to the direction connecting the heating element and the cooler;
It is provided so as to face the intermediate layer via the second sheet layer, and is configured by laminating a plurality of fourth sheets having thermal conductivity anisotropy, and the stacking direction of the plurality of fourth sheets A fourth sheet layer disposed so as to be orthogonal to the direction connecting the heating element and the cooler,
The stacking direction of the plurality of third sheets and the stacking direction of the plurality of fourth sheets are arranged in parallel,
The stacking direction of the plurality of first sheets and the stacking direction of the plurality of third sheets are arranged to intersect,
The semiconductor module as described in any one of Claims 1-3 arrange | positioned so that the lamination direction of these 2nd sheet | seats and the lamination direction of these 4th sheet | seats may cross | intersect.
前記第1シート層と前記第3シート層の間に設けられており、双方に接しており、熱伝導等方性の第1接合層と、
前記第2シート層と前記第4シート層の間に設けられており、双方に接しており、熱伝導等方性の第2接合層と、をさらに有する、請求項4又は5に記載の半導体モジュール。 The heat transfer member is
Provided between the first sheet layer and the third sheet layer, in contact with both, a thermally conductive isotropic first bonding layer;
The semiconductor according to claim 4, further comprising: a second bonding layer that is provided between the second sheet layer and the fourth sheet layer, is in contact with both, and is thermally conductive and isotropic. module.
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Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017112334A (en) * | 2015-12-18 | 2017-06-22 | 株式会社サーモグラフィティクス | Heat conduction structure, manufacturing method of the same, cooling device, and semiconductor module |
JP2018152408A (en) * | 2017-03-10 | 2018-09-27 | 東芝電波プロダクツ株式会社 | Heat Spreader |
JPWO2018117232A1 (en) * | 2016-12-22 | 2019-11-07 | 京セラ株式会社 | Electronic device mounting substrate, electronic device and electronic module |
WO2020116116A1 (en) * | 2018-12-03 | 2020-06-11 | ローム株式会社 | Semiconductor device |
CN111739883A (en) * | 2019-03-25 | 2020-10-02 | 丰田自动车株式会社 | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
JP2021136363A (en) * | 2020-02-28 | 2021-09-13 | 三菱電機株式会社 | Power semiconductor module |
DE102020207342A1 (en) | 2020-06-15 | 2021-12-16 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Power module |
WO2024135352A1 (en) * | 2022-12-21 | 2024-06-27 | 国立大学法人京都大学 | Surface-emitting laser device |
US12107029B2 (en) | 2019-08-09 | 2024-10-01 | Rohm Co., Ltd. | Power module with graphite plate |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008093808A1 (en) * | 2007-01-31 | 2008-08-07 | Ngk Insulators, Ltd. | Heat spreader module, method for manufacturing the heat spreader module, and heat sink |
JP2011258755A (en) * | 2010-06-09 | 2011-12-22 | Denso Corp | Heat spreader and cooling device for heating element |
JP2014148094A (en) * | 2013-02-01 | 2014-08-21 | Sumitomo Bakelite Co Ltd | Thermal conductive sheet and production method of thermal conductive sheet |
-
2015
- 2015-02-12 JP JP2015025146A patent/JP6423731B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008093808A1 (en) * | 2007-01-31 | 2008-08-07 | Ngk Insulators, Ltd. | Heat spreader module, method for manufacturing the heat spreader module, and heat sink |
JP2011258755A (en) * | 2010-06-09 | 2011-12-22 | Denso Corp | Heat spreader and cooling device for heating element |
JP2014148094A (en) * | 2013-02-01 | 2014-08-21 | Sumitomo Bakelite Co Ltd | Thermal conductive sheet and production method of thermal conductive sheet |
Cited By (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017112334A (en) * | 2015-12-18 | 2017-06-22 | 株式会社サーモグラフィティクス | Heat conduction structure, manufacturing method of the same, cooling device, and semiconductor module |
US11114365B2 (en) | 2016-12-22 | 2021-09-07 | Kyocera Corporation | Electronic element mounting substrate, electronic device, and electronic module |
JPWO2018117232A1 (en) * | 2016-12-22 | 2019-11-07 | 京セラ株式会社 | Electronic device mounting substrate, electronic device and electronic module |
JP2018152408A (en) * | 2017-03-10 | 2018-09-27 | 東芝電波プロダクツ株式会社 | Heat Spreader |
CN113169144B (en) * | 2018-12-03 | 2023-11-10 | 罗姆股份有限公司 | Semiconductor device with a semiconductor device having a plurality of semiconductor chips |
CN113169144A (en) * | 2018-12-03 | 2021-07-23 | 罗姆股份有限公司 | Semiconductor device with a plurality of semiconductor chips |
JPWO2020116116A1 (en) * | 2018-12-03 | 2021-10-21 | ローム株式会社 | Semiconductor device |
JP7204779B2 (en) | 2018-12-03 | 2023-01-16 | ローム株式会社 | semiconductor equipment |
WO2020116116A1 (en) * | 2018-12-03 | 2020-06-11 | ローム株式会社 | Semiconductor device |
US11972997B2 (en) | 2018-12-03 | 2024-04-30 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor device |
CN111739883A (en) * | 2019-03-25 | 2020-10-02 | 丰田自动车株式会社 | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
US12107029B2 (en) | 2019-08-09 | 2024-10-01 | Rohm Co., Ltd. | Power module with graphite plate |
JP2021136363A (en) * | 2020-02-28 | 2021-09-13 | 三菱電機株式会社 | Power semiconductor module |
JP7016375B2 (en) | 2020-02-28 | 2022-02-04 | 三菱電機株式会社 | Power semiconductor module |
DE102020207342A1 (en) | 2020-06-15 | 2021-12-16 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Power module |
WO2024135352A1 (en) * | 2022-12-21 | 2024-06-27 | 国立大学法人京都大学 | Surface-emitting laser device |
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