JP2019021864A - Power module - Google Patents

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久人 道越
浩史 野津
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Abstract

To provide a power module using a semiconductor element, which releases heat successfully.SOLUTION: A power module has: a semiconductor element 10; a first insulating substrate 20 having one surface 20a connected to one surface 10a side of the semiconductor element 10; a second insulating substrate 30 having one surface 30a connected to the other surface 10b side of the semiconductor element 10; a first cooler 40 connected to the other surface 20b of the first insulating substrate 20; and a second cooler 50 connected to the other surface 30b of the second insulating substrate 30. The first coller 40 and the second cooler 50 are formed by any of graphite, Al-SiC and Mg-SiC.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、パワーモジュールに関するものである。   The present invention relates to a power module.

ハイブリッド車や電気自動車等には、大電流を流すことのできる半導体素子を有するパワーモジュールが複数設けられている。このようなパワーモジュールにおいては、半導体素子に大電流を流すことにより生じた熱を放熱するため、パワーモジュール間に冷却管が設けられている。一般に、冷却管はアルミニウムや銅等の熱伝導率の高い材料により形成されているが、アルミニウムや銅等は導電性を有しているため、パワーモジュールにおける半導体素子と冷却管との間には、絶縁性を有する絶縁材が設置されている。また、絶縁材と冷却管との間には、シリコーンオイル等からなるグリスが介在しており、半導体素子において生じた熱は、絶縁材、グリスを介して、冷却管に移動し放熱される。   A hybrid vehicle, an electric vehicle, or the like is provided with a plurality of power modules having semiconductor elements capable of flowing a large current. In such a power module, a cooling pipe is provided between the power modules in order to dissipate heat generated by flowing a large current through the semiconductor element. In general, the cooling pipe is made of a material having high thermal conductivity such as aluminum or copper. However, since aluminum, copper, or the like has conductivity, there is no gap between the semiconductor element and the cooling pipe in the power module. An insulating material having insulating properties is installed. Further, grease made of silicone oil or the like is interposed between the insulating material and the cooling pipe, and the heat generated in the semiconductor element moves to the cooling pipe and is radiated through the insulating material and grease.

特開２００７−１６５６２０号公報JP 2007-165620 A

ところで、上記のパワーモジュールの半導体素子において発生した熱は、絶縁材及びグリスを介し冷却管に移動するが、グリスの熱伝導率は極めて低いため、熱の移動がグリスにより阻まれ、半導体素子の冷却が十分になされない場合がある。このような傾向は、半導体素子を流れる電流が増えれば増えるほど、また、パワーモジュール全体の大きさが、小さくなればなるほど、顕著となる。   By the way, the heat generated in the semiconductor element of the power module moves to the cooling pipe through the insulating material and the grease. However, since the thermal conductivity of the grease is extremely low, the movement of the heat is blocked by the grease, Cooling may not be sufficient. Such a tendency becomes more prominent as the current flowing through the semiconductor element increases and as the size of the entire power module decreases.

このため、半導体素子を用いたパワーモジュールでは、放熱が良好なものが求められている。   For this reason, power modules using semiconductor elements are required to have good heat dissipation.

本実施形態の一観点によれば、パワーモジュールは、半導体素子と、半導体素子の一方の面の側に、一方の面が接続された第１の絶縁基板と、半導体素子の他方の面の側に、一方の面が接続された第２の絶縁基板と、を有する。更に、第１の絶縁基板の他方の面に接続された第１の冷却器と、第２の絶縁基板の他方の面に接続された第２の冷却器と、を有し、第１の冷却器及び第２の冷却器は、グラファイト、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｍｇ−ＳｉＣのいずれかにより形成されている。   According to one aspect of the present embodiment, a power module includes a semiconductor element, a first insulating substrate having one surface connected to one surface side of the semiconductor element, and the other surface side of the semiconductor element. And a second insulating substrate to which one surface is connected. And a first cooler connected to the other surface of the first insulating substrate, and a second cooler connected to the other surface of the second insulating substrate. The vessel and the second cooler are made of any of graphite, Al—SiC, and Mg—SiC.

本開示によれば、半導体素子を用いたパワーモジュールにおいて、放熱を良好にすることができる。   According to the present disclosure, heat dissipation can be improved in a power module using a semiconductor element.

パワーモジュールの構造図である。It is a structural diagram of a power module. 本開示の第１の実施形態のパワーモジュールの構造図である。FIG. 3 is a structural diagram of a power module according to the first embodiment of the present disclosure. 熱抵抗の比較のために用いたモデルの説明図である。It is explanatory drawing of the model used for the comparison of thermal resistance. 本開示の第２の実施形態のパワーモジュールの構造図である。FIG. 6 is a structural diagram of a power module according to a second embodiment of the present disclosure.

実施するための形態について、以下に説明する。   The form for implementing is demonstrated below.

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。 [Description of Embodiment of Present Disclosure]
First, embodiments of the present disclosure will be listed and described. In the following description, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals, and the same description is not repeated.

〔１〕 本開示の一態様に係るパワーモジュールは、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面の側に、一方の面が接続された第１の絶縁基板と、前記半導体素子の他方の面の側に、一方の面が接続された第２の絶縁基板と、前記第１の絶縁基板の他方の面に接続された第１の冷却器と、前記第２の絶縁基板の他方の面に接続された第２の冷却器と、を有し、前記第１の冷却器及び前記第２の冷却器は、グラファイト、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｍｇ−ＳｉＣのいずれかにより形成されている。   [1] A power module according to an aspect of the present disclosure includes a semiconductor element, a first insulating substrate having one surface connected to one surface side of the semiconductor element, and the other surface of the semiconductor element. A second insulating substrate having one surface connected to the first surface, a first cooler connected to the other surface of the first insulating substrate, and a second surface of the second insulating substrate. A second cooler connected to the first cooler, and the first cooler and the second cooler are made of graphite, Al—SiC, or Mg—SiC.

熱伝導率の高いアルミニウムや銅により形成されている冷却器は、絶縁基板を形成している絶縁体材料との線膨張係数の差が大きいため、冷却器と絶縁基板とを直接金属材料により接合した場合、温度が高くなると応力が発生し、不具合が生じるおそれがある。このため、本願発明者は、線膨張係数が絶縁基板を形成している絶縁体に近い材料、即ち、グラファイト、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｍｇ−ＳｉＣ等により冷却器を形成することにより、発生する応力を抑制できることを見出した。本願発明は、このように本願発明者により見出された知見に基づくものである。   A cooler made of aluminum or copper with high thermal conductivity has a large difference in linear expansion coefficient from the insulator material that forms the insulating substrate, so the cooler and the insulating substrate are directly joined with a metal material. In such a case, if the temperature rises, stress is generated, which may cause a problem. For this reason, the inventor of the present application reduces the stress generated by forming the cooler with a material whose linear expansion coefficient is close to that of the insulator forming the insulating substrate, that is, graphite, Al-SiC, Mg-SiC, or the like. It was found that it can be suppressed. The present invention is based on the knowledge thus found by the present inventors.

〔２〕 前記第１の冷却器及び前記第２の冷却器を形成している材料の線膨張係数は、７．５ｐｐｍ／Ｋ以下である。   [2] The linear expansion coefficient of the material forming the first cooler and the second cooler is 7.5 ppm / K or less.

〔３〕 前記第１の絶縁基板及び前記第２の絶縁基板を形成している材料の線膨張係数は、７．５ｐｐｍ／Ｋ以下である。   [3] The linear expansion coefficient of the material forming the first insulating substrate and the second insulating substrate is 7.5 ppm / K or less.

〔４〕 前記第１の冷却器及び前記第２の冷却器を形成している材料の線膨張係数は、前記半導体素子を形成している。   [4] The linear expansion coefficient of the material forming the first cooler and the second cooler forms the semiconductor element.

〔５〕 前記第１の絶縁基板と前記第１の冷却器は、金属材料を基材とする接合材により接合されており、前記第２の絶縁基板と前記第２の冷却器は、金属材料を基材とする接合材により接合されている。   [5] The first insulating substrate and the first cooler are bonded by a bonding material based on a metal material, and the second insulating substrate and the second cooler are formed of a metal material. It is joined by a joining material having a base material.

〔６〕 前記第１の絶縁基板と前記第１の冷却器とは、金属材料を基材とする接合材により接合されており、前記第２の絶縁基板と前記第２の冷却器とは、金属材料を基材とする接合材により接合されている。   [6] The first insulating substrate and the first cooler are bonded by a bonding material having a metal material as a base material, and the second insulating substrate and the second cooler are: It is joined by a joining material having a metal material as a base material.

〔７〕 前記半導体素子の他方の面と前記第２の絶縁基板の一方の面との間には、導電スペーサが設けられており、前記半導体素子と前記導電スペーサは、金属材料を基材とする接合材により接合されており、前記導電スペーサと前記第２の絶縁基板は、金属材料を基材とする接合材により接合されている。   [7] A conductive spacer is provided between the other surface of the semiconductor element and one surface of the second insulating substrate, and the semiconductor element and the conductive spacer include a metal material as a base material. The conductive spacer and the second insulating substrate are bonded by a bonding material having a metal material as a base material.

〔８〕 前記半導体素子は、ＳｉＣを含む材料により形成されている。   [8] The semiconductor element is made of a material containing SiC.

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の一実施形態について詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。 [Details of Embodiment of the Present Disclosure]
Hereinafter, although one embodiment of this indication is described in detail, this embodiment is not limited to these.

〔第１の実施形態〕
最初に、半導体素子を用いたパワーモジュールであって、グリスを用いたものについて、図１に基づき説明する。このようなパワーモジュールは、半導体モジュール９２０の両面の各々に絶縁基板９３０が設けられており、絶縁基板９３０の外側には、冷媒が流れる冷媒流路９４１が形成された冷却器９４０が各々設けられている。半導体モジュール９２０は、半導体素子９２１と、半導体素子９２１の両面に設けられた金属材料を基材とする放熱板９２２が樹脂材料９２３により固められた構造のものであり、外部接続端子９２４及び９２５が上下方向に設けられている。半導体モジュール９２０は、樹脂材料９２３により固められている状態においては、各々の放熱板９２２の面の一つは露出している。放熱板９２２はＣｕ（銅）等により形成されており、絶縁基板９３０は絶縁性を有するセラミックス基板により形成されており、冷却器９４０は、アルミニウム等により形成されている。 [First Embodiment]
First, a power module using semiconductor elements using grease will be described with reference to FIG. In such a power module, an insulating substrate 930 is provided on each of both surfaces of the semiconductor module 920, and coolers 940 each having a refrigerant flow path 941 through which a refrigerant flows are provided outside the insulating substrate 930. ing. The semiconductor module 920 has a structure in which a semiconductor element 921 and a heat dissipation plate 922 based on a metal material provided on both surfaces of the semiconductor element 921 are solidified by a resin material 923, and external connection terminals 924 and 925 are provided. It is provided in the vertical direction. In the state in which the semiconductor module 920 is solidified by the resin material 923, one of the surfaces of the heat radiating plates 922 is exposed. The heat radiating plate 922 is formed of Cu (copper) or the like, the insulating substrate 930 is formed of an insulating ceramic substrate, and the cooler 940 is formed of aluminum or the like.

このパワーモジュールでは、半導体モジュール９２０の放熱板９２２が露出している面と絶縁基板９３０との間には、シリコーングリス９５１が入れられており、また、絶縁基板９３０と冷却器９４０との間には、シリコーングリス９５２が入れられている。このように、シリコーングリス９５１及び９５２を用いることにより、半導体モジュール９２０の放熱板９２２と絶縁基板９３０との間、及び、絶縁基板９３０と冷却器９４０との間における隙間をなくすことができ、熱伝導性を高めている。   In this power module, silicone grease 951 is inserted between the surface of the semiconductor module 920 where the heat sink 922 is exposed and the insulating substrate 930, and between the insulating substrate 930 and the cooler 940. Is filled with silicone grease 952. Thus, by using the silicone greases 951 and 952, gaps between the heat sink 922 and the insulating substrate 930 of the semiconductor module 920 and between the insulating substrate 930 and the cooler 940 can be eliminated. Increases conductivity.

また、シリコーングリス９５１及び９５２は柔軟性を有しているため、放熱板９２２と絶縁基板９３０との間、絶縁基板９３０と冷却器９４０との間において、熱膨張係数に差があっても、相互間に発生する応力を緩和することができる。このため、半導体モジュール９２０において発熱した熱が、絶縁基板９３０や冷却器９４０に伝わっても、絶縁基板９３０や冷却器９４０に熱膨張起因での亀裂や破損が生じることはない。   Further, since the silicone greases 951 and 952 have flexibility, even if there is a difference in thermal expansion coefficient between the heat sink 922 and the insulating substrate 930, and between the insulating substrate 930 and the cooler 940, The stress generated between each other can be relaxed. For this reason, even if the heat generated in the semiconductor module 920 is transmitted to the insulating substrate 930 and the cooler 940, the insulating substrate 930 and the cooler 940 are not cracked or damaged due to thermal expansion.

しかしながら、シリコーングリス９５１及び９５２は、シリコーンオイル等を基材として用いており、熱伝導率が約１Ｗ／ｍ・Ｋであり、金属材料の熱伝導率と比較して２桁程度低い。このため、放熱板９２２から絶縁基板９３０への熱伝導、絶縁基板９３０から冷却器９４０への熱伝導が円滑にはなされず、半導体素子９２１を十分に冷却することができない場合がある。   However, silicone greases 951 and 952 use silicone oil or the like as a base material, and have a thermal conductivity of about 1 W / m · K, which is about two orders of magnitude lower than the thermal conductivity of metal materials. For this reason, heat conduction from the heat sink 922 to the insulating substrate 930 and heat conduction from the insulating substrate 930 to the cooler 940 are not smoothly performed, and the semiconductor element 921 may not be sufficiently cooled.

また、熱による膨張や収縮が繰り返されると、放熱板９２２と絶縁基板９３０との間のシリコーングリス９５１や、絶縁基板９３０と冷却器９４０との間のシリコーングリス９５２は流動性を有しているため、ポンプアウト現象により、徐々に外に押し出される。このようにポンプアウト現象により、外に押し出されたシリコーングリス９５１及び９５２は、元には戻らないため、放熱板９２２と絶縁基板９３０との間、また、絶縁基板９３０と冷却器９４０との間には空間が発生する。このような空間は、シリコーングリス９５１及び９５２よりも熱伝導が低いため、更に放熱がされにくくなる。   Further, when expansion and contraction due to heat are repeated, the silicone grease 951 between the heat dissipation plate 922 and the insulating substrate 930 and the silicone grease 952 between the insulating substrate 930 and the cooler 940 have fluidity. Therefore, it is gradually pushed out by the pump-out phenomenon. Since the silicone grease 951 and 952 pushed out by the pump-out phenomenon does not return to the original state, the gap between the heat radiating plate 922 and the insulating substrate 930 and between the insulating substrate 930 and the cooler 940 are reduced. There is a space. Since such a space has lower thermal conductivity than the silicone greases 951 and 952, it is more difficult to dissipate heat.

（パワーモジュール）
次に、第１の実施形態におけるパワーモジュールについて説明する。本実施形態におけるパワーモジュールは、図２に示されるように、半導体素子１０の両面には、第１の絶縁基板２０と第２の絶縁基板３０とが各々設けられており、半導体素子１０は、第１の絶縁基板２０と第２の絶縁基板３０により挟まれている。具体的には、半導体素子１０の一方の面１０ａには、第１の絶縁基板２０が設けられており、他方の面１０ｂに第２の絶縁基板３０が設けられている。 (Power module)
Next, the power module in the first embodiment will be described. As shown in FIG. 2, the power module in the present embodiment is provided with a first insulating substrate 20 and a second insulating substrate 30 on both surfaces of the semiconductor element 10. It is sandwiched between the first insulating substrate 20 and the second insulating substrate 30. Specifically, the first insulating substrate 20 is provided on one surface 10a of the semiconductor element 10, and the second insulating substrate 30 is provided on the other surface 10b.

第１の絶縁基板２０には、一方の面２０ａにＣｕ等により配線を形成するための金属層２１が形成されており、他方の面２０ｂに、Ｃｕ等により配線を形成するための金属層２２が形成されている。第２の絶縁基板３０には、一方の面３０ａにＣｕ等により配線を形成するための金属層３１が形成されており、他方の面３０ｂに、Ｃｕ等により配線を形成するための金属層３２が形成されている。   On the first insulating substrate 20, a metal layer 21 is formed on one surface 20a for forming a wiring with Cu or the like, and on the other surface 20b is a metal layer 22 for forming a wiring with Cu or the like. Is formed. The second insulating substrate 30 is provided with a metal layer 31 for forming a wiring with Cu or the like on one surface 30a, and a metal layer 32 for forming a wiring with Cu or the like on the other surface 30b. Is formed.

本実施形態においては、半導体素子１０の一方の面１０ａと第１の絶縁基板２０の一方の面２０ａに形成された金属層２１とを内側接合材６１により接合することにより、半導体素子１０と第１の絶縁基板２０とが接合されている。また、半導体素子１０の他方の面１０ｂと第２の絶縁基板３０の一方の面３０ａに形成された金属層３１とを内側接合材６２により接合することにより、半導体素子１０と第２の絶縁基板３０とが接合されている。   In this embodiment, the semiconductor element 10 and the first surface 10a of the semiconductor element 10 and the metal layer 21 formed on the one surface 20a of the first insulating substrate 20 are bonded together by the inner bonding material 61. 1 insulating substrate 20 is bonded. Further, the semiconductor element 10 and the second insulating substrate are joined by bonding the other surface 10b of the semiconductor element 10 and the metal layer 31 formed on the one surface 30a of the second insulating substrate 30 by the inner bonding material 62. 30 is joined.

このように、半導体素子１０の両面に第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０が接合されているものを樹脂材料７１により固めることにより、半導体モジュール７０が形成される。この半導体モジュール７０には、上下方向、即ち、第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０の面方向に沿った方向の両端には、外部接続端子７２及び７３が各々設けられている。   As described above, the semiconductor module 70 is formed by solidifying the first insulating substrate 20 and the second insulating substrate 30 bonded to both surfaces of the semiconductor element 10 with the resin material 71. The semiconductor module 70 is provided with external connection terminals 72 and 73 at both ends in the vertical direction, that is, in the direction along the surface direction of the first insulating substrate 20 and the second insulating substrate 30.

また、第１の絶縁基板２０の他方の面２０ｂの側には、第１の冷却器４０が設けられており、第２の絶縁基板３０の他方の面３０ｂの側には、第２の冷却器５０が設けられている。   A first cooler 40 is provided on the other surface 20 b side of the first insulating substrate 20, and a second cooling is provided on the other surface 30 b side of the second insulating substrate 30. A vessel 50 is provided.

具体的には、第１の絶縁基板２０の他方の面２０ｂに設けられた金属層２２と表面がメタライズされた第１の冷却器４０の一方の面４０ａとを外側接合材６３により接合することにより、第１の絶縁基板２０と第１の冷却器４０とが接合されている。また、第２の絶縁基板３０の他方の面３０ｂに設けられた金属層３２と表面がメタライズされた第２の冷却器５０の一方の面５０ａとを外側接合材６４により接合することにより、第２の絶縁基板３０と第２の冷却器５０とが接合されている。   Specifically, the metal layer 22 provided on the other surface 20 b of the first insulating substrate 20 and the one surface 40 a of the first cooler 40 whose surface is metallized are bonded by the outer bonding material 63. Thus, the first insulating substrate 20 and the first cooler 40 are joined. In addition, the metal layer 32 provided on the other surface 30b of the second insulating substrate 30 and the one surface 50a of the second cooler 50 whose surface is metallized are bonded by the outer bonding material 64, whereby the first The two insulating substrates 30 and the second cooler 50 are joined.

半導体素子１０は、大電流を流すことのできるパワートランジスタ、ＦＥＴ（Field effect transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体素子であり、ＳｉやＳｉＣ等の半導体材料により形成されている。尚、Ｓｉは、線膨張係数が約３．９ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率が約１５７Ｗ／ｍ・Ｋである。ＳｉＣは、線膨張係数が約３．７ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率が約４００Ｗ／ｍ・Ｋである。また、半導体素子１０の厚さは、約３５０μｍである。   The semiconductor element 10 is a power semiconductor element such as a power transistor, FET (Field effect transistor), and IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) capable of flowing a large current, and is formed of a semiconductor material such as Si or SiC. Si has a linear expansion coefficient of about 3.9 ppm / K and a thermal conductivity of about 157 W / m · K. SiC has a linear expansion coefficient of about 3.7 ppm / K and a thermal conductivity of about 400 W / m · K. The thickness of the semiconductor element 10 is about 350 μm.

第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０は、絶縁性を有するセラミックス材料、具体的には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等により形成されている。尚、ＡｌＮは、線膨張係数が約４．５ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率が約１７０Ｗ／ｍ・Ｋである。Ａｌ２Ｏ３は、線膨張係数が約７．２ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率が約３３Ｗ／ｍ・Ｋである。Ｓｉ３Ｎ４は、線膨張係数が約２．７ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率が約９０Ｗ／ｍ・Ｋである。また、第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０の厚さは、３００〜７００μｍである。 The first insulating substrate 20 and the second insulating substrate 30 are made of an insulating ceramic material, specifically, aluminum nitride (AlN), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ). Etc. are formed. AlN has a linear expansion coefficient of about 4.5 ppm / K and a thermal conductivity of about 170 W / m · K. Al 2 O 3 has a linear expansion coefficient of about 7.2 ppm / K and a thermal conductivity of about 33 W / m · K. Si 3 N 4 has a linear expansion coefficient of about 2.7 ppm / K and a thermal conductivity of about 90 W / m · K. Moreover, the thickness of the 1st insulating substrate 20 and the 2nd insulating substrate 30 is 300-700 micrometers.

第１の冷却器４０及び第２の冷却器５０は、グラファイト、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｍｇ−ＳｉＣ等の比較的線膨張係数が低い材料により形成されている。尚、グラファイトは、例えば、等方性黒鉛等であり、線膨張係数が約４．４〜５．５ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率が約１００Ｗ／ｍ・Ｋである。Ａｌ−ＳｉＣは、線膨張係数が約７．５ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率が約１８５Ｗ／ｍ・Ｋである。Ｍｇ−ＳｉＣは、線膨張係数が約７．５ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率が約２３０Ｗ／ｍ・Ｋである。   The first cooler 40 and the second cooler 50 are made of a material having a relatively low linear expansion coefficient, such as graphite, Al—SiC, or Mg—SiC. The graphite is, for example, isotropic graphite, has a linear expansion coefficient of about 4.4 to 5.5 ppm / K, and a thermal conductivity of about 100 W / m · K. Al-SiC has a linear expansion coefficient of about 7.5 ppm / K and a thermal conductivity of about 185 W / m · K. Mg-SiC has a linear expansion coefficient of about 7.5 ppm / K and a thermal conductivity of about 230 W / m · K.

内側接合材６１及び６２には、鉛フリーはんだや金属焼結体、例えば、Ｓｎ−Ｃｕはんだや焼結銅もしくは焼結銀等が用いられる。外側接合材６３及び６４には、鉛フリーはんだや金属焼結体、例えば、Ｓｎ−Ｃｕはんだや焼結銅もしくは焼結銀等が用いられる。本実施の形態においては、外側接合材６３、６４に代えて、グラファイトシートを用いることも可能である。グラファイトシートの熱伝導率は比較的高いが、第１の絶縁基板２０と第１の冷却器４０との間、第２の絶縁基板３０と第２の冷却器５０との間に密着するものではない。このため、直接的に接合することのできる外側接合材６３、６４を用いた方が放熱には効果的である。尚、銀の熱伝導率は約４２０Ｗ／ｍ・Ｋであり、銅の熱伝導率は約３９８Ｗ／ｍ・Ｋであり、Ｓｎ−Ｃｕはんだの熱伝導率は約６３Ｗ／ｍ・Ｋである。   For the inner bonding materials 61 and 62, lead-free solder or a metal sintered body, for example, Sn-Cu solder, sintered copper, or sintered silver is used. For the outer bonding materials 63 and 64, lead-free solder or a metal sintered body, for example, Sn-Cu solder, sintered copper, or sintered silver is used. In the present embodiment, a graphite sheet can be used in place of the outer bonding materials 63 and 64. Although the thermal conductivity of the graphite sheet is relatively high, the graphite sheet is in close contact between the first insulating substrate 20 and the first cooler 40 and between the second insulating substrate 30 and the second cooler 50. Absent. For this reason, it is more effective for heat dissipation to use the outer bonding materials 63 and 64 that can be directly bonded. In addition, the thermal conductivity of silver is about 420 W / m · K, the thermal conductivity of copper is about 398 W / m · K, and the thermal conductivity of Sn—Cu solder is about 63 W / m · K.

本実施形態におけるパワーモジュールでは、半導体素子１０を動作させることにより発生した熱は、一方の面１０ａより、第１の絶縁基板２０を介し第１の冷却器４０に移動し、他方の面１０ｂより、第２の絶縁基板３０を介し第２の冷却器５０に移動する。第１の冷却器４０には内部に冷媒が流れる冷媒流路４１が設けられており、冷媒流路４１に冷媒を流すことにより冷却される。また、第２の冷却器５０には内部に冷媒が流れる冷媒流路５１が設けられており、冷媒流路５１に冷媒を流すことにより冷却される。   In the power module according to the present embodiment, the heat generated by operating the semiconductor element 10 moves from the one surface 10a to the first cooler 40 via the first insulating substrate 20, and from the other surface 10b. Then, it moves to the second cooler 50 through the second insulating substrate 30. The first cooler 40 is provided with a refrigerant flow path 41 through which the refrigerant flows, and is cooled by flowing the refrigerant through the refrigerant flow path 41. The second cooler 50 is provided with a refrigerant flow path 51 through which a refrigerant flows, and is cooled by flowing the refrigerant through the refrigerant flow path 51.

本実施形態におけるパワーモジュールでは、半導体素子１０と第１の絶縁基板２０とは、内側接合材６１により接合されており、半導体素子１０と第２の絶縁基板３０とは、内側接合材６２により接合されている。また、第１の絶縁基板２０と第１の冷却器４０とは、外側接合材６３により接合されており、第２の絶縁基板３０と第２の冷却器５０とは、外側接合材６４により接合されている。   In the power module in the present embodiment, the semiconductor element 10 and the first insulating substrate 20 are bonded by the inner bonding material 61, and the semiconductor element 10 and the second insulating substrate 30 are bonded by the inner bonding material 62. Has been. Further, the first insulating substrate 20 and the first cooler 40 are bonded by the outer bonding material 63, and the second insulating substrate 30 and the second cooler 50 are bonded by the outer bonding material 64. Has been.

また、第１の冷却器４０及び第２の冷却器５０は線膨張係数の低い材料により形成されている。これにより、外側接合材６３による第１の絶縁基板２０と第１の冷却器４０との接合、外側接合材６４による第２の絶縁基板３０と第２の冷却器５０との接合が可能となる。即ち、第１の冷却器４０及び第２の冷却器５０は、一般的には、ＡｌやＣｕ等の熱伝導率の高い材料により形成されているが、ＡｌやＣｕの線膨張係数は、第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０と比較して高い。具体的には、Ａｌの線膨張係数は約２６．４ｐｐｍ／Ｋであり、Ｃｕの線膨張係数は約１７．８ｐｐｍ／Ｋであり、第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０を形成しているＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４の線膨張係数と比較すると極めて高い。このように線膨張係数の差が大きい２つの材料を外側接合材６３及び６４等のような金属材料により接合した場合、熱伝導の際に温度が高くなると、線膨張係数の差により、応力が発生したり、更には、ひびや剥がれ等が生じる場合がある。 The first cooler 40 and the second cooler 50 are made of a material having a low linear expansion coefficient. As a result, the first insulating substrate 20 and the first cooler 40 can be bonded by the outer bonding material 63, and the second insulating substrate 30 and the second cooler 50 can be bonded by the outer bonding material 64. . That is, the first cooler 40 and the second cooler 50 are generally formed of a material having high thermal conductivity such as Al or Cu, but the linear expansion coefficient of Al or Cu is It is higher than the first insulating substrate 20 and the second insulating substrate 30. Specifically, the linear expansion coefficient of Al is about 26.4 ppm / K, and the linear expansion coefficient of Cu is about 17.8 ppm / K, so that the first insulating substrate 20 and the second insulating substrate 30 are formed. Compared with the linear expansion coefficients of AlN, Al 2 O 3 , and Si 3 N 4 that are being used, it is extremely high. When two materials having a large difference in linear expansion coefficient are joined by a metal material such as the outer joining materials 63 and 64, when the temperature rises during heat conduction, the stress is increased due to the difference in the linear expansion coefficient. May occur, and cracks or peeling may occur.

本実施形態は、第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０を形成している材料の線膨張係数に近い値の材料により第１の冷却器４０及び第２の冷却器５０を形成することにより、２つの材料の線膨張係数の差を小さくし、金属材料等による接合を可能としている。このように、第１の絶縁基板２０と第１の冷却器４０とを外側接合材６３により接合し、第２の絶縁基板３０と第２の冷却器５０とを外側接合材６４により接合することにより、パワーモジュールの冷却性能を向上させることができる。   In the present embodiment, the first cooler 40 and the second cooler 50 are formed of a material having a value close to the linear expansion coefficient of the material forming the first insulating substrate 20 and the second insulating substrate 30. As a result, the difference between the linear expansion coefficients of the two materials is reduced, and bonding with a metal material or the like is possible. In this way, the first insulating substrate 20 and the first cooler 40 are bonded by the outer bonding material 63, and the second insulating substrate 30 and the second cooler 50 are bonded by the outer bonding material 64. Thus, the cooling performance of the power module can be improved.

また、金属材料等の外側接合材６３及び外側接合材６４を用いた接合では、第１の絶縁基板２０と第１の冷却器４０とが固定され、第２の絶縁基板３０と第２の冷却器５０とが固定される。このため、振動等が生じても揺らぐことはなく、パワーモジュールの信頼性を向上させることができる。   Further, in the bonding using the outer bonding material 63 and the outer bonding material 64 such as a metal material, the first insulating substrate 20 and the first cooler 40 are fixed, and the second insulating substrate 30 and the second cooling are fixed. The container 50 is fixed. For this reason, even if vibration etc. arise, it does not shake, and the reliability of a power module can be improved.

従って、本実施形態におけるパワーモジュールにおいては、内側接合材６１及び６２、外側接合材６３及び６４は、鉛フリーはんだ、金属焼結体等の金属材料が用いられており、熱伝導率の低いシリコーングリス等は用いられてはいない。よって、半導体素子１０において発生した熱は、第１の絶縁基板２０を介し第１の冷却器４０へ、また、第２の絶縁基板３０を介し第２の冷却器５０へと円滑に移動するため、半導体素子１０を効率よく冷却することができる。   Therefore, in the power module according to the present embodiment, the inner bonding materials 61 and 62 and the outer bonding materials 63 and 64 are made of a metal material such as lead-free solder or a metal sintered body, and have a low thermal conductivity. Grease etc. are not used. Therefore, heat generated in the semiconductor element 10 moves smoothly to the first cooler 40 through the first insulating substrate 20 and to the second cooler 50 through the second insulating substrate 30. The semiconductor element 10 can be efficiently cooled.

即ち、本実施形態においては、半導体素子１０と第１の絶縁基板２０との間は、熱伝導率の高い内側接合材６１により接合されており、第１の絶縁基板２０と第１の冷却器４０との間は、熱伝導率の高い外側接合材６３により接合されている。従って、半導体素子１０において発生した熱は、第１の絶縁基板２０を介し第１の冷却器４０へと効率よく移動させることができる。また、半導体素子１０と第２の絶縁基板３０との間は、熱伝導率の高い内側接合材６２により接合されており、第２の絶縁基板３０と第２の冷却器５０との間は、熱伝導率の高い外側接合材６４により接合されている。従って、半導体素子１０において発生した熱は、第２の絶縁基板３０を介し第２の冷却器５０へと効率よく移動させることができる。従って、本実施形態におけるパワーモジュールでは、半導体素子１０を効率よく冷却することができる。   That is, in the present embodiment, the semiconductor element 10 and the first insulating substrate 20 are bonded by the inner bonding material 61 having a high thermal conductivity, and the first insulating substrate 20 and the first cooler are bonded. 40 is bonded by an outer bonding material 63 having a high thermal conductivity. Therefore, the heat generated in the semiconductor element 10 can be efficiently transferred to the first cooler 40 through the first insulating substrate 20. Further, the semiconductor element 10 and the second insulating substrate 30 are bonded by an inner bonding material 62 having a high thermal conductivity, and the second insulating substrate 30 and the second cooler 50 are Bonded by the outer bonding material 64 having high thermal conductivity. Therefore, the heat generated in the semiconductor element 10 can be efficiently transferred to the second cooler 50 through the second insulating substrate 30. Therefore, in the power module in the present embodiment, the semiconductor element 10 can be efficiently cooled.

また、半導体素子１０は、Ｓｉにより形成されたものよりも、ＳｉＣにより形成されたものの方が、大電流を流すことができることから、ＳｉＣにより形成されたものは、Ｓｉにより形成されたものに比べて、発熱量が多く、また、小型化にすることが可能である。従って、本実施形態におけるパワーモジュールは、半導体素子１０がＳｉＣにより形成されているものに適用することにより、顕著な効果を得ることができる。   In addition, since the semiconductor element 10 made of SiC can pass a larger current than the element made of Si, the element made of SiC is more than the element made of Si. Therefore, it generates a large amount of heat and can be downsized. Therefore, the power module according to the present embodiment can obtain a remarkable effect when applied to the semiconductor element 10 formed of SiC.

本実施形態においては、第１の冷却器４０及び第２の冷却器５０は、グラファイト、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｍｇ−ＳｉＣのいずれかを含む材料により形成されている。また、第１の冷却器４０及び第２の冷却器５０を形成している材料の線膨張係数は、半導体素子１０を形成している半導体材料の線膨張係数以上、７．５ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましい。   In the present embodiment, the first cooler 40 and the second cooler 50 are made of a material containing any of graphite, Al—SiC, and Mg—SiC. The linear expansion coefficient of the material forming the first cooler 40 and the second cooler 50 is not less than the linear expansion coefficient of the semiconductor material forming the semiconductor element 10 and not more than 7.5 ppm / K. Preferably there is.

また、第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４のいずれかを含む材料により形成されている。第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０を形成している材料の線膨張係数は、半導体素子１０を形成している半導体材料の線膨張係数以上、７．５ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましい。更には、第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０を形成している材料の線膨張係数は、第１の冷却器４０及び第２の冷却器５０を形成している材料の線膨張係数以下であることが好ましい。 The first insulating substrate 20 and the second insulating substrate 30 are formed of a material containing any of AlN, Al 2 O 3 , and Si 3 N 4 . The linear expansion coefficient of the material forming the first insulating substrate 20 and the second insulating substrate 30 is not less than the linear expansion coefficient of the semiconductor material forming the semiconductor element 10 and not more than 7.5 ppm / K. Is preferred. Furthermore, the linear expansion coefficient of the material forming the first insulating substrate 20 and the second insulating substrate 30 is the linear expansion coefficient of the material forming the first cooler 40 and the second cooler 50. It is preferable that it is below a coefficient.

（熱抵抗の比較）
次に、本実施形態における効果について説明する。具体的には、図３（ａ）に示されるように、半導体素子１１０と冷却器１４０との間にシリコーングリス９７０が用いられているモデルと、図３（ｂ）に示されるように、シリコーングリス９７０が用いられていないモデルについて熱抵抗を算出して比較を行った。尚、図３（ｂ）に示される構造のモデルは、本実施形態におけるパワーモジュールに対応する。 (Comparison of thermal resistance)
Next, the effect in this embodiment is demonstrated. Specifically, as shown in FIG. 3A, a model in which silicone grease 970 is used between the semiconductor element 110 and the cooler 140, and as shown in FIG. Comparison was made by calculating the thermal resistance of a model in which grease 970 was not used. Note that the model of the structure shown in FIG. 3B corresponds to the power module in this embodiment.

図３（ａ）に示す構造のモデルは、発熱源となる半導体素子１１０の下に、Ｃｕ焼結接合材１６０、金属層１２１、ＳｉＮ基板１２０、金属層１２２、シリコーングリス９７０、冷却器１４０が順に設置されている構造のものである。図３（ｂ）に示す構造のモデルは、発熱源となる半導体素子１１０の下に、Ｃｕ焼結接合材１６０、金属層１２１、ＳｉＮ基板１２０、金属層１２２、Ｓｎ−Ｃｕはんだ１７０、冷却器１４０が順に設置されている構造のものである。尚、Ｃｕ焼結接合材１６０の厚さは０．０５ｍｍとし、熱伝導率は３００Ｗ／ｍＫとした。２層ある金属層１２１、１２２はいずれも厚さは０．３ｍｍとし、熱伝導率は３９８Ｗ／ｍＫとした。ＳｉＮ基板１２０の厚さは０．３２ｍｍとし、熱伝導率は９０Ｗ／ｍＫとした。シリコーングリス９７０の厚さは０．１５ｍｍとし、熱伝導率は１．０Ｗ／ｍＫとした。Ｓｎ−Ｃｕはんだ１７０の厚さは０．１５ｍｍとし、熱伝導率は６３Ｗ／ｍＫとした。   The model of the structure shown in FIG. 3A includes a Cu sintered bonding material 160, a metal layer 121, a SiN substrate 120, a metal layer 122, silicone grease 970, and a cooler 140 under the semiconductor element 110 serving as a heat source. It has a structure that is installed in order. The model of the structure shown in FIG. 3B includes a Cu sintered bonding material 160, a metal layer 121, a SiN substrate 120, a metal layer 122, a Sn—Cu solder 170, a cooler, under the semiconductor element 110 serving as a heat source. 140 has a structure in which 140 is sequentially installed. Note that the thickness of the Cu sintered bonding material 160 was 0.05 mm, and the thermal conductivity was 300 W / mK. The two metal layers 121 and 122 each have a thickness of 0.3 mm and a thermal conductivity of 398 W / mK. The thickness of the SiN substrate 120 was 0.32 mm, and the thermal conductivity was 90 W / mK. The thickness of the silicone grease 970 was 0.15 mm, and the thermal conductivity was 1.0 W / mK. The thickness of the Sn—Cu solder 170 was 0.15 mm, and the thermal conductivity was 63 W / mK.

表１は、図３（ａ）に示す構造のモデルにおいて、Ｃｕ焼結接合材１６０、金属層１２１、ＳｉＮ基板１２０、金属層１２２、シリコーングリス９７０の形状が、一辺の長さが１０ｍｍの正方形である場合について行った計算結果である。尚、熱は各層内において真下に拡散する前提で計算している。   Table 1 shows a model of the structure shown in FIG. 3A, in which the shape of the Cu sintered bonding material 160, the metal layer 121, the SiN substrate 120, the metal layer 122, and the silicone grease 970 is a square having a side length of 10 mm. It is the calculation result performed about the case where it is. The heat is calculated on the assumption that the heat diffuses directly under each layer.

Figure 2019021864
Figure 2019021864

この場合の半導体素子１１０において生じた熱が冷却器１４０に到達するまでの熱抵抗は、１．５５２Ｋ／Ｗである。   In this case, the thermal resistance until the heat generated in the semiconductor element 110 reaches the cooler 140 is 1.552 K / W.

ところで、上記のように、半導体素子１１０を形成する材料をＳｉからＳｉＣ等にすることにより、半導体素子１１０を小型化することができ、更には、パワーモジュールを小型化にすることができる。表２は、半導体素子１１０を小型にした場合のシミュレーション結果であり、Ｃｕ焼結接合材１６０、金属層１２１、ＳｉＮ基板１２０、金属層１２２、シリコーングリス９７０の形状が、一辺の長さが６ｍｍの正方形である場合について行った計算結果である。   By the way, by changing the material for forming the semiconductor element 110 from Si to SiC or the like as described above, the semiconductor element 110 can be reduced in size, and further, the power module can be reduced in size. Table 2 shows simulation results when the semiconductor element 110 is downsized. The shape of the Cu sintered bonding material 160, the metal layer 121, the SiN substrate 120, the metal layer 122, and the silicone grease 970 has a side length of 6 mm. It is the calculation result performed about the case where it is a square.

Figure 2019021864
Figure 2019021864

この場合の半導体素子１１０において生じた熱が冷却器１４０に到達するまでの熱抵抗は、４．３１２Ｋ／Ｗである。従って、半導体素子１１０をＳｉＣ等により形成し、小型にした場合には、更に、冷却器１４０までの熱抵抗が高くなり、半導体素子１１０の冷却を十分に行うことが困難となる。   In this case, the thermal resistance until the heat generated in the semiconductor element 110 reaches the cooler 140 is 4.312 K / W. Therefore, when the semiconductor element 110 is formed of SiC or the like and is reduced in size, the thermal resistance to the cooler 140 is further increased, and it is difficult to sufficiently cool the semiconductor element 110.

表３、表４は、本実施形態におけるパワーモジュールに対応するものであり、シリコーングリスが用いられていない図３（ｂ）の構造のモデルについての計算結果である。   Tables 3 and 4 correspond to the power module in the present embodiment, and are the calculation results for the model of the structure in FIG. 3B in which silicone grease is not used.

Figure 2019021864
Figure 2019021864

Figure 2019021864
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表３は、Ｃｕ焼結接合材１６０、金属層１２１、ＳｉＮ基板１２０、金属層１２２、Ｓｎ−Ｃｕはんだ１７０の形状が、一辺の長さが１０ｍｍの正方形である場合について行った計算結果である。この場合の半導体素子１１０において生じた熱が冷却器１４０に到達するまでの熱抵抗は、０．０７６Ｋ／Ｗである。従って、表１に示されるシリコーングリスを用いた場合と比較して、熱抵抗を１／２０以下にすることができる。   Table 3 shows the calculation results obtained when the shapes of the Cu sintered bonding material 160, the metal layer 121, the SiN substrate 120, the metal layer 122, and the Sn-Cu solder 170 are squares each having a length of 10 mm. . In this case, the heat resistance until the heat generated in the semiconductor element 110 reaches the cooler 140 is 0.076 K / W. Therefore, compared with the case where the silicone grease shown in Table 1 is used, the thermal resistance can be reduced to 1/20 or less.

表４は、Ｃｕ焼結接合材１６０、金属層１２１、ＳｉＮ基板１２０、金属層１２２、Ｓｎ−Ｃｕはんだ１７０の形状が、一辺の長さが６ｍｍの正方形である場合について行った計算結果である。この場合の半導体素子１１０において生じた熱が冷却器１４０に到達するまでの熱抵抗は、０．２１１Ｋ／Ｗである。以上のように、本実施の形態におけるパワーモジュールは、シリコーングリスを用いた場合と比較して、格段に熱抵抗を低くすることができる。   Table 4 shows the calculation results obtained when the shapes of the Cu sintered bonding material 160, the metal layer 121, the SiN substrate 120, the metal layer 122, and the Sn-Cu solder 170 are squares each having a length of 6 mm. . In this case, the thermal resistance until the heat generated in the semiconductor element 110 reaches the cooler 140 is 0.211 K / W. As described above, the power module according to the present embodiment can significantly reduce the thermal resistance as compared with the case where silicone grease is used.

尚、外側接合材６３及び６４に代えて、シリコーングリスを用いた場合には、第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０と第１の冷却器４０及び第２の冷却器５０との線膨張係数の差が小さいため、シリコーングリスのポンプアウト現象が抑制される効果はある。   When silicone grease is used instead of the outer bonding materials 63 and 64, the first insulating substrate 20 and the second insulating substrate 30, and the first cooler 40 and the second cooler 50 are used. Since the difference in linear expansion coefficient is small, there is an effect that the pump-out phenomenon of silicone grease is suppressed.

〔第２の実施形態〕
次に、第２の実施形態について説明する。本実施の形態におけるパワーモジュールは、図４に示すように、半導体素子１０の他方の面１０ｂと第２の絶縁基板３０の一方の面３０ａとの間に導電スペーサ８０を設けた構造のものである。導電スペーサ８０は、銅等の導電性を有する金属材料により形成されており、半導体素子１０の他方の面１０ｂに形成された電極と第２の絶縁基板３０の一方の面３０ａに形成された金属層３１とを電気的に接続するために設けられている。本実施形態においては、半導体素子１０の他方の面１０ｂと導電スペーサ８０の一方の面８０ａとは、内側接合材６５により接続されており、導電スペーサ８０の他方の面８０ｂと第２の絶縁基板３０の一方の面３０ａに形成された金属層３１とは、内側接合材６６により接続されている。内側接合材６５及び６６は、内側接合材６２等と同様の材料により形成されている。 [Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described. The power module in the present embodiment has a structure in which a conductive spacer 80 is provided between the other surface 10b of the semiconductor element 10 and one surface 30a of the second insulating substrate 30, as shown in FIG. is there. The conductive spacer 80 is formed of a conductive metal material such as copper, and the electrode formed on the other surface 10 b of the semiconductor element 10 and the metal formed on the one surface 30 a of the second insulating substrate 30. It is provided to electrically connect the layer 31. In the present embodiment, the other surface 10b of the semiconductor element 10 and one surface 80a of the conductive spacer 80 are connected by the inner bonding material 65, and the other surface 80b of the conductive spacer 80 and the second insulating substrate are connected. The metal layer 31 formed on the one surface 30 a of 30 is connected by an inner bonding material 66. The inner bonding materials 65 and 66 are made of the same material as the inner bonding material 62 and the like.

尚、上記以外の内容については、第１の実施形態と同様である。   The contents other than the above are the same as those in the first embodiment.

以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。   Although the embodiments have been described in detail above, the present invention is not limited to specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope described in the claims.

１０ 半導体素子
１０ａ 一方の面
１０ｂ 他方の面
２０ 第１の絶縁基板
２０ａ 一方の面
２０ｂ 他方の面
３０ 第２の絶縁基板
３０ａ 一方の面
３０ｂ 他方の面
４０ 第１の冷却器
５０ 第２の冷却器
６１ 内側接合材
６２ 内側接合材
６３ 外側接合材
６４ 外側接合材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor element 10a One surface 10b The other surface 20 The 1st insulating substrate 20a The one surface 20b The other surface 30 The 2nd insulating substrate 30a The one surface 30b The other surface 40 The 1st cooler 50 The 2nd cooling Device 61 inner bonding material 62 inner bonding material 63 outer bonding material 64 outer bonding material

Claims (8)

半導体素子と、
前記半導体素子の一方の面の側に、一方の面が接続された第１の絶縁基板と、
前記半導体素子の他方の面の側に、一方の面が接続された第２の絶縁基板と、
前記第１の絶縁基板の他方の面に接続された第１の冷却器と、
前記第２の絶縁基板の他方の面に接続された第２の冷却器と、
を有し、
前記第１の冷却器及び前記第２の冷却器は、グラファイト、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｍｇ−ＳｉＣのいずれかにより形成されているパワーモジュール。 A semiconductor element;
A first insulating substrate having one surface connected to one surface side of the semiconductor element;
A second insulating substrate having one surface connected to the other surface of the semiconductor element;
A first cooler connected to the other surface of the first insulating substrate;
A second cooler connected to the other surface of the second insulating substrate;
Have
The first cooler and the second cooler are power modules formed of any one of graphite, Al—SiC, and Mg—SiC. 前記第１の冷却器及び前記第２の冷却器を形成している材料の線膨張係数は、７．５ｐｐｍ／Ｋ以下である請求項１に記載のパワーモジュール。   2. The power module according to claim 1, wherein a coefficient of linear expansion of a material forming the first cooler and the second cooler is 7.5 ppm / K or less. 前記第１の絶縁基板及び前記第２の絶縁基板を形成している材料の線膨張係数は、７．５ｐｐｍ／Ｋ以下である請求項１または２に記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 1 or 2, wherein a linear expansion coefficient of a material forming the first insulating substrate and the second insulating substrate is 7.5 ppm / K or less. 前記第１の冷却器及び前記第２の冷却器を形成している材料の線膨張係数は、前記半導体素子を形成している材料の線膨張係数以上である請求項１から３のいずれかに記載のパワーモジュール。   The linear expansion coefficient of the material forming the first cooler and the second cooler is equal to or higher than the linear expansion coefficient of the material forming the semiconductor element. The listed power module. 前記半導体素子の一方の面の側に接合されている前記第１の絶縁基板は、金属材料を基材とする接合材により接合されており、
前記半導体素子の他方の面の側に接合されている前記第２の絶縁基板は、金属材料を基材とする接合材により接合されている請求項１から４のいずれかに記載のパワーモジュール。 The first insulating substrate bonded to one surface side of the semiconductor element is bonded by a bonding material based on a metal material,
The power module according to any one of claims 1 to 4, wherein the second insulating substrate joined to the other surface side of the semiconductor element is joined by a joining material having a metal material as a base material. 前記第１の絶縁基板と前記第１の冷却器とは、金属材料を基材とする接合材により接合されており、
前記第２の絶縁基板と前記第２の冷却器とは、金属材料を基材とする接合材により接合されている請求項１から５のいずれかに記載のパワーモジュール。 The first insulating substrate and the first cooler are bonded by a bonding material based on a metal material,
The power module according to any one of claims 1 to 5, wherein the second insulating substrate and the second cooler are bonded by a bonding material having a metal material as a base material. 前記半導体素子の他方の面と前記第２の絶縁基板の一方の面との間には、導電スペーサが設けられており、
前記半導体素子と前記導電スペーサは、金属材料を基材とする接合材により接合されており、
前記導電スペーサと前記第２の絶縁基板は、金属材料を基材とする接合材により接合されている請求項１から６のいずれかに記載のパワーモジュール。 A conductive spacer is provided between the other surface of the semiconductor element and one surface of the second insulating substrate,
The semiconductor element and the conductive spacer are bonded by a bonding material having a metal material as a base material,
The power module according to any one of claims 1 to 6, wherein the conductive spacer and the second insulating substrate are bonded by a bonding material having a metal material as a base material. 前記半導体素子は、ＳｉＣを含む材料により形成されている請求項１から７のいずれかに記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 1, wherein the semiconductor element is made of a material containing SiC.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020141056A (en) * 2019-02-28 2020-09-03 トヨタ自動車株式会社 Power conversion device
WO2021192424A1 (en) * 2020-03-23 2021-09-30 株式会社日立製作所 Power conversion device
WO2022264833A1 (en) * 2021-06-14 2022-12-22 ローム株式会社 Semiconductor device
WO2024070883A1 (en) * 2022-09-30 2024-04-04 ニデック株式会社 Semiconductor module and semiconductor module unit

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020141056A (en) * 2019-02-28 2020-09-03 トヨタ自動車株式会社 Power conversion device
WO2021192424A1 (en) * 2020-03-23 2021-09-30 株式会社日立製作所 Power conversion device
WO2022264833A1 (en) * 2021-06-14 2022-12-22 ローム株式会社 Semiconductor device
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