JP2018098431A - Semiconductor module and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書が開示する技術は、半導体モジュールとその製造方法に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor module and a manufacturing method thereof.
特許文献１は、熱拡散板の両面にセラミック板を接合した絶縁基板を備える半導体モジュールを開示する。熱拡散板の材料には、高熱伝導率の銅又はアルミニウム等の金属が用いられている。熱拡散板の厚みを大きくすることで、熱拡散板において側方への熱拡散が促進され、半導体モジュールの熱抵抗が低下する。 Patent Document 1 discloses a semiconductor module including an insulating substrate in which ceramic plates are bonded to both surfaces of a heat diffusion plate. A metal such as copper or aluminum having high thermal conductivity is used as the material of the heat diffusion plate. By increasing the thickness of the thermal diffusion plate, lateral thermal diffusion is promoted in the thermal diffusion plate, and the thermal resistance of the semiconductor module is reduced.
特許文献１の半導体モジュールの絶縁基板では、熱拡散板とセラミック板の線膨張係数が大きく相違する。このため、線膨張係数の大きい熱拡散板の両面に線膨張係数の小さいセラミック板を接合させることで、熱拡散板の熱膨張を拘束する。しかしながら、このような構成の半導体モジュールは、熱拡散板とセラミック板の熱膨張差に起因する熱応力が大きく、信頼性という点で問題がある。 In the insulating substrate of the semiconductor module of Patent Document 1, the linear expansion coefficients of the heat diffusion plate and the ceramic plate are greatly different. For this reason, the thermal expansion of a thermal diffusion plate is restrained by joining a ceramic board with a small linear expansion coefficient to both surfaces of a thermal diffusion plate with a large linear expansion coefficient. However, the semiconductor module having such a configuration has a problem in terms of reliability due to a large thermal stress caused by a difference in thermal expansion between the thermal diffusion plate and the ceramic plate.
特許文献２は、ヒートシンク材の片面のみに絶縁層を設けた半導体モジュールを開示する。ヒートシンク材の材料には金属−ダイヤモンド複合材が用いられており、ダイヤモンドの含有率を調整することでヒートシンク材と絶縁層の線膨張係数が同等となるように調整されている。特許文献２の半導体モジュールでは、ヒートシンク材の材料に金属−ダイヤモンド複合材を用いることで、ヒートシンク材と絶縁層の間の熱膨張差に起因する熱応力が緩和され、高い信頼性を有することができる。 Patent Document 2 discloses a semiconductor module in which an insulating layer is provided only on one surface of a heat sink material. A metal-diamond composite material is used as the material of the heat sink material, and the linear expansion coefficient of the heat sink material and the insulating layer is adjusted to be equal by adjusting the diamond content. In the semiconductor module of Patent Document 2, by using a metal-diamond composite material as a material of the heat sink material, thermal stress due to the thermal expansion difference between the heat sink material and the insulating layer is relieved, and the semiconductor module has high reliability. it can.
金属−ダイヤモンド複合材は、金属の母材がダイヤモンド粒子を支持する複合材である。このような金属−ダイヤモンド複合材は、高温に曝されたときに、金属とダイヤモンド粒子の間に間隙が生じることがある。特許文献２の半導体モジュールでは、ヒートシンク材と絶縁層がろう材を介して接合されている。このため、ヒートシンク材と絶縁層を接合するときの熱プロセスにより、熔解したろう材の一部が金属とダイヤモンド粒子の間に間隙に侵入してダイヤモンド粒子の表面に炭化物を形成する。例えば、特許文献２の例では、ろう材に含まれるチタンが金属とダイヤモンド粒子の間に間隙に侵入してダイヤモンド粒子の表面に炭化チタンを形成する。このような炭化物が形成されると、金属−ダイヤモンド複合材の熱抵抗が増加し、金属−ダイヤモンド複合材の放熱特性が低下する。放熱層に金属−ダイヤモンド複合材を用いた半導体モジュールにおいて、高い放熱特性と高い信頼性を両立させる技術が必要とされている。 The metal-diamond composite material is a composite material in which a metal base material supports diamond particles. Such metal-diamond composites may have gaps between the metal and diamond particles when exposed to high temperatures. In the semiconductor module of Patent Document 2, the heat sink material and the insulating layer are joined via a brazing material. For this reason, a part of the melted brazing material enters the gap between the metal and the diamond particles by the thermal process when joining the heat sink material and the insulating layer, and forms carbides on the surface of the diamond particles. For example, in the example of Patent Document 2, titanium contained in the brazing material enters a gap between the metal and the diamond particles to form titanium carbide on the surface of the diamond particles. When such a carbide is formed, the thermal resistance of the metal-diamond composite increases, and the heat dissipation characteristics of the metal-diamond composite decrease. In a semiconductor module using a metal-diamond composite material for a heat dissipation layer, a technique for achieving both high heat dissipation characteristics and high reliability is required.
本明細書が開示する半導体モジュールは、冷却器上に設けられる放熱層と、放熱層上に接して設けられている絶縁層と、絶縁層上に設けられている配線層と、配線層上に設けられている半導体素子と、を備える。放熱層の厚みが、絶縁層の厚みよりも大きい。放熱層の材料が、金属−ダイヤモンド複合材である。 A semiconductor module disclosed in this specification includes a heat dissipation layer provided on a cooler, an insulating layer provided in contact with the heat dissipation layer, a wiring layer provided on the insulating layer, and a wiring layer. And a provided semiconductor element. The thickness of the heat dissipation layer is larger than the thickness of the insulating layer. The material of the heat dissipation layer is a metal-diamond composite material.
金属−ダイヤモンド複合材は、高い熱伝導率を有するダイヤモンドを含有する。このため、放熱層も、高い熱伝導率を有する。上記半導体モジュールでは、そのような高い熱伝導率を有する放熱層が厚く形成されているので、放熱層において側方への熱拡散が促進され、半導体モジュールの熱抵抗が低下する。さらに、金属−ダイヤモンド複合材は、ダイヤモンドの含有率に応じて線膨張係数が調整可能である。このため、金属−ダイヤモンド複合材は、絶縁層の線膨張係数に近づけることができるので、半導体モジュールに加わる熱応力が低下する。このため、上記半導体モジュールは、高い信頼性を有することができる。さらに、放熱層と絶縁層がろう材等の他の接合材を介さずに直接的に接している。このため、放熱層の金属−ダイヤモンド複合材に接合材の一部が侵入して炭化物を形成するような事態がなく、放熱層は高い放熱特性を維持することができる。このように、上記半導体モジュールは、高い放熱特性と高い信頼性を両立することができる。 The metal-diamond composite contains diamond having a high thermal conductivity. For this reason, the heat dissipation layer also has high thermal conductivity. In the semiconductor module, since the heat dissipation layer having such a high thermal conductivity is formed thick, thermal diffusion to the side in the heat dissipation layer is promoted, and the thermal resistance of the semiconductor module is lowered. Furthermore, the metal-diamond composite material can adjust the linear expansion coefficient according to the content rate of diamond. For this reason, since the metal-diamond composite material can be brought close to the linear expansion coefficient of the insulating layer, the thermal stress applied to the semiconductor module is reduced. Therefore, the semiconductor module can have high reliability. Further, the heat dissipation layer and the insulating layer are in direct contact with each other without any other bonding material such as a brazing material. For this reason, there is no situation in which a part of the bonding material enters the metal-diamond composite material of the heat dissipation layer to form carbides, and the heat dissipation layer can maintain high heat dissipation characteristics. Thus, the semiconductor module can achieve both high heat dissipation characteristics and high reliability.
以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。 The technical features disclosed in this specification will be summarized below. The technical elements described below are independent technical elements and exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. Absent.
本明細書が開示する半導体モジュールは、冷却器上に設けられる放熱層と、放熱層上に接して設けられている絶縁層と、絶縁層上に設けられている配線層と、配線層上に設けられている半導体素子と、を備えていてもよい。放熱層の材料が、金属−ダイヤモンド複合材である。金属−ダイヤモンド複合材は、金属の母材がダイヤモンド粒子を支持する複合材であってもよい。金属としては、銅又は銀が例示される。 A semiconductor module disclosed in this specification includes a heat dissipation layer provided on a cooler, an insulating layer provided in contact with the heat dissipation layer, a wiring layer provided on the insulating layer, and a wiring layer. And a provided semiconductor element. The material of the heat dissipation layer is a metal-diamond composite material. The metal-diamond composite material may be a composite material in which a metal base material supports diamond particles. Examples of the metal include copper or silver.
上記半導体モジュールでは、絶縁層の厚みが、０．１ｍｍ以下であってもよい。このような薄い絶縁層は、その熱抵抗が極めて小さいので、半導体モジュールの熱抵抗が低下する。 In the semiconductor module, the insulating layer may have a thickness of 0.1 mm or less. Such a thin insulating layer has a very low thermal resistance, so that the thermal resistance of the semiconductor module is lowered.
上記半導体モジュールでは、放熱層が、平面視したときに、半導体素子の面積に対して４倍の同心相似形となる領域よりも広範囲に広がっていてもよい。この半導体モジュールでは、放熱板において熱を側方に向けて拡散させることが可能になり、冷却器の実効面積を広げることができる。このため、この半導体モジュールは、高い放熱特性を有することができる。 In the semiconductor module, the heat radiation layer may extend over a wider area than a region having a concentric similarity four times the area of the semiconductor element when viewed in plan. In this semiconductor module, heat can be diffused sideways in the heat sink, and the effective area of the cooler can be increased. For this reason, this semiconductor module can have a high heat dissipation characteristic.
上記半導体モジュールでは、放熱層が、平面視したときに、半導体素子の面積に対して１０倍の同心相似形となる領域よりも広範囲に広がっていてもよい。この場合、放熱層の厚みは、２ｍｍ以上且つ４ｍｍ以下であってもよい。この半導体モジュールでは、極めて高い放熱特性を有することができる。 In the semiconductor module, the heat dissipation layer may extend over a wider area than a region having a concentric similarity of 10 times the area of the semiconductor element when viewed in plan. In this case, the thickness of the heat dissipation layer may be 2 mm or more and 4 mm or less. This semiconductor module can have extremely high heat dissipation characteristics.
配線層の材料は、銅又はアルミニウムであってもよい。この場合、配線層の厚みは、０．３ｍｍ以下であってもよい。このような配線層は、低い電気抵抗と冷熱サイクル時の応力緩和を両立することができる。 The material of the wiring layer may be copper or aluminum. In this case, the thickness of the wiring layer may be 0.3 mm or less. Such a wiring layer can achieve both low electrical resistance and stress relaxation during the cooling and heating cycle.
上記半導体モジュールの製造方法は、気相成長技術を利用して放熱層上に絶縁層を成膜する成膜工程を備えていてもよい。この製造方法によると、ろう材等の他の接合材を介さずに、絶縁層を放熱層上に直接的に成膜することができる。また、成膜工程では、スパッタ技術又は化学気相成長技術が用いられてもよい。 The manufacturing method of the semiconductor module may include a film forming step of forming an insulating layer on the heat dissipation layer using a vapor phase growth technique. According to this manufacturing method, the insulating layer can be directly formed on the heat dissipation layer without using another bonding material such as a brazing material. In the film forming process, a sputtering technique or a chemical vapor deposition technique may be used.
図１に示されるように、半導体モジュール１は、冷却器２上に設けられており、半導体素子４と絶縁基板１０を備える。冷却器２は、水冷式であり、冷却水が流動する複数の貫通孔を備える。半導体素子４は、炭化珪素基板を有するパワーデバイスである。半導体素子４は、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴである。なお、半導体素子４は、炭化珪素基板に代えて、窒化ガリウム、シリコン、ガリウムヒ素、ダイヤモンド、酸化ガリウムを用いて形成されてもよい。 As shown in FIG. 1, the semiconductor module 1 is provided on a cooler 2 and includes a semiconductor element 4 and an insulating substrate 10. The cooler 2 is a water-cooled type and includes a plurality of through holes through which the cooling water flows. Semiconductor element 4 is a power device having a silicon carbide substrate. The semiconductor element 4 is a MOSFET or an IGBT. The semiconductor element 4 may be formed using gallium nitride, silicon, gallium arsenide, diamond, or gallium oxide instead of the silicon carbide substrate.
絶縁基板１０は、冷却器２と半導体素子４の間に設けられており、放熱層１２と絶縁層１３と第１接合材１４と配線層１５を備える。 The insulating substrate 10 is provided between the cooler 2 and the semiconductor element 4 and includes a heat dissipation layer 12, an insulating layer 13, a first bonding material 14, and a wiring layer 15.
放熱層１２は、冷却器２上に設けられており、グリス２２を介して冷却器２に接する。放熱層１２は、半導体モジュール１を平面視したときに、半導体素子４に対して同心相似形の形態を有する（図２参照）。この例では、放熱層１２は、半導体素子４と同様に、正四角形状の形態を有する。放熱層１２の材料は、金属−ダイヤモンド複合材である。放熱層１２の材料は、例えば、銅の母材がダイヤモンド粒子を支持する銅−ダイヤモンド複合材である。あるいは、放熱層１２の材料は、銀の母材がダイヤモンド粒子を支持する銀−ダイヤモンド複合材である。このような放熱層１２は、ダイヤモンドを含んでいることから、高い熱伝導率を有することができる。放熱層１２の熱伝導率は、２００Ｗ/ｍＫ以上であり、好ましくは５００Ｗ/ｍＫ以上である。また、放熱層１２は、その線膨張係数が半導体素子４及び絶縁層１３の線膨張係数に近くなるように、ダイヤモンド粒子の含有率が調整されている。これにより、放熱層１２の線膨張係数は、１０ｐｐｍ/Ｋ以下に調整されており、半導体素子４及び絶縁層１３の線膨張係数との差が５ｐｐｍ/Ｋ以下である。放熱層１２の厚みＴ１２は、後述するように、１ｍｍ以上であり、好ましくは２ｍｍ以上且つ４ｍｍ以下である。 The heat dissipation layer 12 is provided on the cooler 2 and is in contact with the cooler 2 through the grease 22. The heat radiation layer 12 has a concentric similarity with the semiconductor element 4 when the semiconductor module 1 is viewed in plan (see FIG. 2). In this example, similarly to the semiconductor element 4, the heat dissipation layer 12 has a regular square shape. The material of the heat dissipation layer 12 is a metal-diamond composite material. The material of the heat dissipation layer 12 is, for example, a copper-diamond composite material in which a copper base material supports diamond particles. Alternatively, the material of the heat dissipation layer 12 is a silver-diamond composite material in which a silver base material supports diamond particles. Since such a heat dissipation layer 12 contains diamond, it can have high thermal conductivity. The heat conductivity of the heat dissipation layer 12 is 200 W / mK or more, preferably 500 W / mK or more. The heat dissipation layer 12 has the diamond particle content adjusted so that the linear expansion coefficient thereof is close to that of the semiconductor element 4 and the insulating layer 13. Thereby, the linear expansion coefficient of the heat dissipation layer 12 is adjusted to 10 ppm / K or less, and the difference from the linear expansion coefficients of the semiconductor element 4 and the insulating layer 13 is 5 ppm / K or less. As will be described later, the thickness T12 of the heat dissipation layer 12 is 1 mm or more, preferably 2 mm or more and 4 mm or less.
絶縁層１３は、放熱層１２と配線層１５の間に設けられており、放熱層１２に直接的に接合するとともに第１接合材１４を介して配線層１５に接合する。絶縁層１３は、気相成長技術を利用して放熱層１２上に成膜される。気相成長時の成膜温度は低く設定されており、５００℃以下である。絶縁層１３は、例えばスパッタ技術又はＣＶＤ技術を用いて放熱層１２上に成膜される。絶縁層１３の材料は、窒化シリコンである。このため、絶縁層１３は、高い靱性を有しており、冷熱サイクル時の放熱層１２の破損を抑えることができる。なお、絶縁層１３の材料は、窒化シリコンに代えて、ＺｒＯ2、３ＺｒＯ2・２Ｙ2Ｏ3であってもよい。絶縁層１３の厚みＴ１３は、耐圧を確保するのに必要な厚みに調整される。絶縁層１３が例えばＣＶＤ技術で成膜される場合は、絶縁層１３の厚みＴ１３は１ＫＶあたり０．００２ｍｍ以上となるように調整される。一方、絶縁層１３の厚みＴ１３は、熱抵抗を低下させるために、０．２ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下である。絶縁層１３の厚みＴ１３は、放熱層１２の厚みＴ１２の１０分の１以下であるのが望ましい。このような薄い絶縁層１３は、絶縁基板１０の熱抵抗に占める割合が小さくなり、その熱抵抗を無視できる。また、絶縁層１３の線膨張係数は１０ｐｐｍ/Ｋ以下であり、半導体素子４及び放熱層１２の線膨張係数との差が５ｐｐｍ/Ｋ以下である。第１接合材１４の材料は、例えば、銅合金の金属ろう材である。なお、絶縁層１３は、第１接合材１４を介さずに配線層１５に直接的に接合するようにしてもよい。 The insulating layer 13 is provided between the heat dissipation layer 12 and the wiring layer 15, and is directly bonded to the heat dissipation layer 12 and is bonded to the wiring layer 15 via the first bonding material 14. The insulating layer 13 is formed on the heat dissipation layer 12 using a vapor phase growth technique. The film formation temperature during vapor phase growth is set low and is 500 ° C. or lower. The insulating layer 13 is formed on the heat dissipation layer 12 by using, for example, a sputtering technique or a CVD technique. The material of the insulating layer 13 is silicon nitride. For this reason, the insulating layer 13 has high toughness, and can prevent the heat radiation layer 12 from being damaged during the cooling cycle. The material of the insulating layer 13 may be ZrO 2 , 3ZrO 2 .2Y 2 O 3 instead of silicon nitride. The thickness T13 of the insulating layer 13 is adjusted to a thickness necessary to ensure a withstand voltage. When the insulating layer 13 is formed by, for example, the CVD technique, the thickness T13 of the insulating layer 13 is adjusted to be 0.002 mm or more per 1 KV. On the other hand, the thickness T13 of the insulating layer 13 is 0.2 mm or less, preferably 0.1 mm or less in order to reduce the thermal resistance. The thickness T13 of the insulating layer 13 is preferably less than or equal to one-tenth of the thickness T12 of the heat dissipation layer 12. Such a thin insulating layer 13 has a small proportion of the thermal resistance of the insulating substrate 10, and the thermal resistance can be ignored. Moreover, the linear expansion coefficient of the insulating layer 13 is 10 ppm / K or less, and the difference from the linear expansion coefficients of the semiconductor element 4 and the heat dissipation layer 12 is 5 ppm / K or less. The material of the first bonding material 14 is, for example, a copper alloy metal brazing material. The insulating layer 13 may be directly bonded to the wiring layer 15 without using the first bonding material 14.
配線層１５は、絶縁層１３と半導体素子４の間に設けられている。配線層１５の材料は、金属であり、例えば、銅又はアルミニウムである。配線層１５の表面には、半導体素子４が第２接合材２４を介して接合する。配線層１５の厚みＴ１５は、電気抵抗を低下させるために、０．０５ｍｍ以上、好ましくは０．１ｍｍ以上である。一方、配線層１５は、半導体モジュール１を構成する他の構成要素（半導体素子４、絶縁層１３及び放熱層１２）に対して線膨張係数が高い。このため、配線層１５の厚みＴ１５は、冷熱サイクル時の応力を緩和するために、０．３ｍｍ以下、好ましくは０．２ｍｍ以下である。第２接合材２４の材料は、例えば、銅ナノ粒子又は銀ナノ粒子を含むペーストである。なお、配線層１５の材料は、銅又はアルミニウムに代えて、金、銀、ニッケルメッキであってもよい。また、配線層１５と半導体素子４が直接的に接合するように構成されてもよい。 The wiring layer 15 is provided between the insulating layer 13 and the semiconductor element 4. The material of the wiring layer 15 is a metal, for example, copper or aluminum. The semiconductor element 4 is bonded to the surface of the wiring layer 15 via the second bonding material 24. The thickness T15 of the wiring layer 15 is 0.05 mm or more, preferably 0.1 mm or more in order to reduce the electric resistance. On the other hand, the wiring layer 15 has a higher coefficient of linear expansion than other components (semiconductor element 4, insulating layer 13, and heat dissipation layer 12) constituting the semiconductor module 1. For this reason, the thickness T15 of the wiring layer 15 is 0.3 mm or less, preferably 0.2 mm or less, in order to relieve stress during the cooling / heating cycle. The material of the second bonding material 24 is, for example, a paste containing copper nanoparticles or silver nanoparticles. The material of the wiring layer 15 may be gold, silver, or nickel plating instead of copper or aluminum. Further, the wiring layer 15 and the semiconductor element 4 may be directly joined.
半導体モジュール１では、炭化珪素の半導体素子４の線膨張係数が約３．１ｐｐｍ／Ｋであり、窒化シリコンの絶縁層１３の線膨張係数が約３．０ｐｐｍ／Ｋであり、金属−ダイヤモンド複合材の放熱層１２の線膨張係数が約６〜８ｐｐｍ／Ｋである。このように、これらの線膨張係数の差が５ｐｐｍ／Ｋ以下である。このため、冷熱サイクル時に半導体モジュール１に加わる熱応力が緩和される。 In the semiconductor module 1, the linear expansion coefficient of the silicon carbide semiconductor element 4 is about 3.1 ppm / K, the linear expansion coefficient of the insulating layer 13 of silicon nitride is about 3.0 ppm / K, and the metal-diamond composite material The thermal expansion layer 12 has a linear expansion coefficient of about 6 to 8 ppm / K. Thus, the difference between these linear expansion coefficients is 5 ppm / K or less. For this reason, the thermal stress applied to the semiconductor module 1 during the cooling / heating cycle is relaxed.
また、半導体モジュール１は、放熱層１２の片面のみに絶縁層１３が設けられた簡素な構成であり、製造バラツキによる特性変動も小さい。上記したように、絶縁層１３は、気相成長技術を利用して放熱層１２上に成膜される。即ち、放熱層１２と絶縁層１３がろう材等の他の接合材を介さずに直接的に接している。このため、放熱層１２の金属−ダイヤモンド複合材に接合材の一部が侵入して金属炭化物を形成するような事態がなく、放熱層１２は高い放熱特性を維持することができる。特に、絶縁層１３が気相成長技術を利用して成膜されており、そのときの成膜温度が５００℃以下の低い温度に設定されている。このため、そもそも放熱層１２の金属とダイヤモンド粒子の間に間隙が生じることが抑えられており、放熱層１２はその形態を維持することができる。このため、半導体モジュール１は、放熱層１２が高い放熱特性を維持した状態で製造される。さらに、半導体モジュール１は、高温に曝されたとしても、放熱層１２内に金属炭化物が形成されるような事態が回避されているので、冷熱サイクル後であっても高い放熱特性を維持することができる。半導体モジュール１は、極めて高い信頼性を有することができる。 Further, the semiconductor module 1 has a simple configuration in which the insulating layer 13 is provided only on one side of the heat dissipation layer 12, and the characteristic fluctuation due to manufacturing variation is small. As described above, the insulating layer 13 is formed on the heat dissipation layer 12 using a vapor phase growth technique. That is, the heat dissipation layer 12 and the insulating layer 13 are in direct contact with each other without any other bonding material such as a brazing material. Therefore, there is no situation in which a part of the bonding material enters the metal-diamond composite material of the heat dissipation layer 12 to form metal carbide, and the heat dissipation layer 12 can maintain high heat dissipation characteristics. In particular, the insulating layer 13 is formed using a vapor phase growth technique, and the film formation temperature at that time is set to a low temperature of 500 ° C. or lower. For this reason, the gap between the metal of the heat dissipation layer 12 and the diamond particles is suppressed in the first place, and the heat dissipation layer 12 can maintain its form. For this reason, the semiconductor module 1 is manufactured in a state in which the heat dissipation layer 12 maintains high heat dissipation characteristics. Furthermore, even if the semiconductor module 1 is exposed to a high temperature, a situation in which metal carbide is formed in the heat dissipation layer 12 is avoided, so that high heat dissipation characteristics can be maintained even after a cooling cycle. Can do. The semiconductor module 1 can have extremely high reliability.
図３に、半導体モジュール１の定常熱抵抗と放熱層１２の厚みの関係を示す。放熱層１２以外の条件は、以下の通りである。半導体素子４は、５ｍｍ□、厚みが０．１ｍｍ、熱伝導率が４９０Ｗ/ｍＫである。第２接合材２４は、厚みが０．０４ｍｍ、熱伝導率が１００Ｗ/ｍＫである。配線層１５は、５ｍｍ□、厚みが０．２ｍｍ、熱伝導率が３９１Ｗ/ｍＫである。グリス２２は、厚みが０．０１ｍｍ、熱伝導率が２Ｗ/ｍＫである。冷却器２の等価熱伝達率が５０，０００Ｗ/ｍ2Ｋである。第１接合材１４及び絶縁層１３は、厚みが十分に薄いので考慮していない。なお、これらを考慮したとしても、同様の結果が得られる。 FIG. 3 shows the relationship between the steady thermal resistance of the semiconductor module 1 and the thickness of the heat dissipation layer 12. Conditions other than the heat dissipation layer 12 are as follows. The semiconductor element 4 has 5 mm □, a thickness of 0.1 mm, and a thermal conductivity of 490 W / mK. The second bonding material 24 has a thickness of 0.04 mm and a thermal conductivity of 100 W / mK. The wiring layer 15 has 5 mm □, a thickness of 0.2 mm, and a thermal conductivity of 391 W / mK. The grease 22 has a thickness of 0.01 mm and a thermal conductivity of 2 W / mK. The equivalent heat transfer coefficient of the cooler 2 is 50,000 W / m 2 K. The first bonding material 14 and the insulating layer 13 are not considered because the thickness is sufficiently thin. Even if these are taken into consideration, similar results can be obtained.
図３に示されるように、放熱層１２は、面積が２５ｍｍ２、５０ｍｍ２、８０ｍｍ２、１００ｍｍ２、２５０ｍｍ２の５種類を検討した。また、放熱層１２の熱伝導率は２００Ｗ/ｍＫである。上記したように、放熱層１２は、半導体モジュール１を平面視したときに、半導体素子４に対して同心相似形の形態を有する。ここで、面積が２５ｍｍ２の放熱層１２は、半導体素子４と同面積である。 As shown in FIG. 3, five types of heat dissipation layers 12 having an area of 25 mm 2 , 50 mm 2 , 80 mm 2 , 100 mm 2 , and 250 mm 2 were examined. The heat conductivity of the heat dissipation layer 12 is 200 W / mK. As described above, the heat dissipation layer 12 has a concentric similarity with the semiconductor element 4 when the semiconductor module 1 is viewed in plan. Here, the heat dissipation layer 12 having an area of 25 mm 2 has the same area as the semiconductor element 4.
放熱層１２の面積が２５ｍｍ２の場合、放熱層１２の厚みが増加すると半導体モジュール１の定常熱抵抗が増加する。これは、放熱層１２の厚みが増加したことにより、放熱層１２の熱抵抗が増加したからである。一方、放熱層１２の面積が１００ｍｍ２（半導体素子４に対して４倍）及び２５０ｍｍ２（半導体素子４に対して１０倍）の場合、放熱層１２の厚みが増加すると半導体モジュール１の定常熱抵抗が低下する。これは、放熱層１２の熱抵抗の増加以上に、放熱層１２において熱を側方に向けて拡散させることが可能になり、冷却器２の実効面積を広げることができたからである。このように、比較的に大面積で厚い放熱層１２を採用することにより、半導体モジュール１の定常熱抵抗を低下させることができる。なお、放熱層１２の熱伝導率を変更しても、同様に、放熱層１２の面積が１００ｍｍ２及び２５０ｍｍ２の場合に、半導体モジュール１の定常熱抵抗が下に凸となる。 When the area of the heat dissipation layer 12 is 25 mm 2 , the steady thermal resistance of the semiconductor module 1 increases as the thickness of the heat dissipation layer 12 increases. This is because the thermal resistance of the heat dissipation layer 12 is increased by increasing the thickness of the heat dissipation layer 12. On the other hand, when the area of the heat dissipation layer 12 is 100 mm 2 (4 times the semiconductor element 4) and 250 mm 2 (10 times the semiconductor element 4), the steady heat of the semiconductor module 1 increases as the thickness of the heat dissipation layer 12 increases. Resistance decreases. This is because heat can be diffused sideways in the heat dissipation layer 12 more than the increase in the thermal resistance of the heat dissipation layer 12, and the effective area of the cooler 2 can be expanded. Thus, the steady thermal resistance of the semiconductor module 1 can be reduced by employing the relatively large area and thick heat dissipation layer 12. Even if the thermal conductivity of the heat dissipation layer 12 is changed, the steady thermal resistance of the semiconductor module 1 is convex downward when the area of the heat dissipation layer 12 is 100 mm 2 and 250 mm 2 .
特に、放熱層１２の面積が１００ｍｍ２であり、放熱層１２の厚みが２ｍｍ以上且つ４ｍｍ以下の場合の定常熱抵抗は、放熱層１２の厚みが１ｍｍの場合の定常熱抵抗よりも低下する。この種の半導体モジュールで用いられる放熱層の多くが１ｍｍよりも薄いことから、上記半導体モジュール１は従来よりも低い定常熱抵抗を有している。 In particular, the steady heat resistance when the area of the heat dissipation layer 12 is 100 mm 2 and the thickness of the heat dissipation layer 12 is 2 mm or more and 4 mm or less is lower than the steady heat resistance when the thickness of the heat dissipation layer 12 is 1 mm. Since many of the heat radiation layers used in this type of semiconductor module are thinner than 1 mm, the semiconductor module 1 has a steady thermal resistance lower than that of the prior art.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。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し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention 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. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
１：半導体モジュール
２：冷却器
４：半導体素子
１０：絶縁基板
１２：放熱層
１３：絶縁層
１４：第１接合材
１５：配線層
２２：グリス
２４：第２接合材
1: Semiconductor module 2: Cooler 4: Semiconductor element 10: Insulating substrate 12: Heat radiation layer 13: Insulating layer 14: First bonding material 15: Wiring layer 22: Grease 24: Second bonding material
Claims (7)
冷却器上に設けられる放熱層と、
前記放熱層上に接して設けられている絶縁層と、
前記絶縁層上に設けられている配線層と、
前記配線層上に設けられている半導体素子と、を備えており、
放熱層の厚みが、絶縁層の厚みよりも大きく、
前記放熱層の材料が、金属−ダイヤモンド複合材である、半導体モジュール。 A semiconductor module,
A heat dissipation layer provided on the cooler;
An insulating layer provided on and in contact with the heat dissipation layer;
A wiring layer provided on the insulating layer;
A semiconductor element provided on the wiring layer,
The thickness of the heat dissipation layer is larger than the thickness of the insulating layer,
The semiconductor module whose material of the said thermal radiation layer is a metal-diamond composite material.
前記放熱層の厚みは、２ｍｍ以上且つ４ｍｍ以下である、請求項３に記載の半導体モジュール。 The heat-dissipating layer extends in a wider area than a region having a concentric similarity of 10 times the area of the semiconductor element when viewed in plan.
The semiconductor module according to claim 3, wherein a thickness of the heat dissipation layer is 2 mm or more and 4 mm or less.
前記配線層の厚みは、０．３ｍｍ以下である、請求項４に記載の半導体モジュール。 The material of the wiring layer is copper or aluminum,
The semiconductor module according to claim 4, wherein the wiring layer has a thickness of 0.3 mm or less.
気相成長技術を利用して前記放熱層上に前記絶縁層を成膜する成膜工程、を備える製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor module according to any one of claims 1 to 5,
A film forming step of forming the insulating layer on the heat dissipation layer using a vapor phase growth technique.
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