JP2019192882A - Semiconductor module - Google Patents

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Nobuto Fujiwara
伸人 藤原
勇起 月成
Yuki Tsukinari
勇起 月成
大祐 平塚
Daisuke Hiratsuka
大祐 平塚
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Abstract

To provide a semiconductor module capable of downsizing a cooler even when driving a semiconductor element in an operation mode in which rapid temperature change is repeated.SOLUTION: According to one embodiment, a semiconductor module comprises a semiconductor element and a heat accumulator. The semiconductor element is provided on a substrate. The heat accumulator is installed near the semiconductor element, and includes a material which phase-changes while holding a solid state at an upper-limit temperature or lower of a preset semiconductor element.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明の実施形態は、半導体モジュールに関する。   Embodiments described herein relate generally to a semiconductor module.

一般に、コンバータやインバータ等に代表される電力変換装置には、複数の半導体素子を備える半導体モジュールが使用されている。また、このような電力変換装置には、上記半導体素子の温度上昇を抑制するために冷却器が取り付けられている。   Generally, a semiconductor module including a plurality of semiconductor elements is used in a power converter represented by a converter, an inverter, and the like. Moreover, in order to suppress the temperature rise of the said semiconductor element, the cooler is attached to such a power converter device.

また、所定温度で固体から液体に相変化する相変化材料を素材とする蓄熱器を半導体モジュール内に設置する技術が提案されている。この蓄熱器によれば、半導体素子の温度上昇を抑制できるので、冷却器を小型化することができる。   In addition, a technique has been proposed in which a heat accumulator made of a phase change material that changes phase from solid to liquid at a predetermined temperature is installed in a semiconductor module. According to this heat accumulator, since the temperature rise of a semiconductor element can be suppressed, a cooler can be reduced in size.

特開２００２−２７０７６５号公報JP 2002-270765 A 特開２００８−２２７３４２号公報JP 2008-227342 A 特許第５３９７３４０号公報Japanese Patent No. 5397340

固体から液体に相変化する相変化材料は、一旦相変化すると、元の状態に戻るまでにある程度の時間を要する。そのため、電力変換装置の用途が、急激な温度変化を繰り返す動作モードで半導体素子を駆動する場合、対処が困難になる。   A phase change material that changes from a solid to a liquid once takes a certain amount of time to return to its original state once the phase changes. For this reason, when the semiconductor device is driven in an operation mode in which the use of the power conversion device repeats a rapid temperature change, it is difficult to cope with it.

そこで、本実施形態は、急激な温度変化を繰り返す動作モードで半導体素子を駆動しても冷却器を小型化することが可能な半導体モジュールを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present embodiment is to provide a semiconductor module that can reduce the size of a cooler even when a semiconductor element is driven in an operation mode in which a rapid temperature change is repeated.

一実施形態に係る半導体モジュールは、半導体素子および蓄熱器を備える。半導体素子は、基板上に設けられている。蓄熱器は、半導体素子の近傍に設置され、予め設定された半導体素子の上限温度以下で固体状態を保持したまま相変化する素材を含む。   A semiconductor module according to an embodiment includes a semiconductor element and a heat accumulator. The semiconductor element is provided on the substrate. The heat accumulator is installed in the vicinity of the semiconductor element, and includes a material that changes phase while maintaining a solid state at a temperature lower than a preset upper limit temperature of the semiconductor element.

第１実施形態に係る半導体モジュールの一部を露出した外形図である。It is the external view which exposed a part of semiconductor module which concerns on 1st Embodiment. 図１に示す半導体モジュールの内部構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the internal structure of the semiconductor module shown in FIG. 第２実施形態に係る半導体モジュールの一部を露出した外形図である。It is the external view which exposed a part of semiconductor module which concerns on 2nd Embodiment. 図３に示す半導体モジュールの内部構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the internal structure of the semiconductor module shown in FIG. 第３実施形態に係る半導体モジュールの一部を露出した外形図である。It is the external view which exposed a part of semiconductor module which concerns on 3rd Embodiment. 図５に示す半導体モジュールの内部構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the internal structure of the semiconductor module shown in FIG.

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. This embodiment does not limit the present invention.

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体モジュールの一部を露出した外形図である。また、図２は、図１に示す半導体モジュールの内部構造を示す断面図である。図１および図２に示す半導体モジュール１は、複数の半導体素子１０と、基板２０と、放熱板３０と、蓄熱器４０と、伝熱部材５０と、ケース６０と、を備える。この半導体モジュール１は、例えば、鉄道車両の駆動に用いる電力変換装置内に設置されている。 (First embodiment)
FIG. 1 is an outline view in which a part of the semiconductor module according to the first embodiment is exposed. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the internal structure of the semiconductor module shown in FIG. A semiconductor module 1 shown in FIGS. 1 and 2 includes a plurality of semiconductor elements 10, a substrate 20, a radiator plate 30, a heat accumulator 40, a heat transfer member 50, and a case 60. The semiconductor module 1 is installed in, for example, a power converter used for driving a railway vehicle.

複数の半導体素子１０は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、サイリスタ等に代表されるパワー半導体素子である。   The plurality of semiconductor elements 10 are power semiconductor elements represented by, for example, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), thyristors, and the like.

基板２０は、金属基板２１と、絶縁基板２２と、金属基板２３と、を有する。金属基板２１は、絶縁基板２２の表面に設けられ、接合材７０によって各半導体素子１０に接合されている。金属基板２３は、絶縁基板２２の裏面に設けられ、接合材７１によって放熱板３０に接合されている。接合材７０および接合材７１は、例えばはんだである。   The substrate 20 includes a metal substrate 21, an insulating substrate 22, and a metal substrate 23. The metal substrate 21 is provided on the surface of the insulating substrate 22 and is bonded to each semiconductor element 10 by a bonding material 70. The metal substrate 23 is provided on the back surface of the insulating substrate 22 and is bonded to the heat sink 30 by a bonding material 71. The bonding material 70 and the bonding material 71 are, for example, solder.

金属基板２１および金属基板２３は、例えば銅（Ｃｕ）に代表される熱伝導性の高い金属を含んでいることが望ましい。また、絶縁基板２２は、金属基板２１と金属基板２３とを電気的に絶縁しつつ、半導体素子１０で発生した熱を高効率に逃がすために高熱伝導性の絶縁材料を含んでいることが望ましい。   It is desirable that the metal substrate 21 and the metal substrate 23 include a metal having high thermal conductivity, for example, copper (Cu). In addition, the insulating substrate 22 preferably includes a highly thermally conductive insulating material in order to release heat generated in the semiconductor element 10 with high efficiency while electrically insulating the metal substrate 21 and the metal substrate 23. .

放熱板３０は、熱伝導部材８０を介して冷却器１００と熱的に接続されている。放熱板３０は、例えば銅に代表される熱伝導性の高い金属を含んでいることが望ましい。冷却器１００は、例えば冷却フィンである。   The heat radiating plate 30 is thermally connected to the cooler 100 via the heat conducting member 80. It is desirable that the heat sink 30 contains a metal having high thermal conductivity, for example, copper. The cooler 100 is, for example, a cooling fin.

蓄熱器４０は、半導体素子１０に対向する位置に設置されている。なお、蓄熱器４０は、半導体素子１０で発生した熱をより多く吸収するため半導体素子１０の近傍に設置されていることが望ましい。さらに、蓄熱器４０は、半導体素子１０と接触していてもよい。   The heat accumulator 40 is installed at a position facing the semiconductor element 10. The heat accumulator 40 is desirably installed in the vicinity of the semiconductor element 10 in order to absorb more heat generated in the semiconductor element 10. Furthermore, the heat accumulator 40 may be in contact with the semiconductor element 10.

蓄熱器４０は、半導体素子１０の使用に関して予め設定された上限温度か、上限温度よりも少し低い温度で固体状態を保持したまま相変化する素材を含む。本実施形態では、蓄熱器４０の素材は、例えば５０℃〜２００℃の範囲内に保持温度を有するバナジウム酸化物である。このバナジウム酸化物の結晶構造は、上記温度以下で単斜晶から正方晶に変化する。なお、蓄熱器４０の素材は、バナジウム酸化物に限定されず、バナジウム酸化物の一部を、上記範囲内に保持温度を設定するための他の元素に置換した相変化材料であってもよい。   The heat accumulator 40 includes a material that changes phase while maintaining a solid state at an upper limit temperature set in advance for use of the semiconductor element 10 or at a temperature slightly lower than the upper limit temperature. In this embodiment, the raw material of the heat accumulator 40 is a vanadium oxide having a holding temperature in a range of 50 ° C. to 200 ° C., for example. The crystal structure of the vanadium oxide changes from monoclinic to tetragonal at the temperature or lower. The material of the heat accumulator 40 is not limited to vanadium oxide, but may be a phase change material in which a part of the vanadium oxide is replaced with another element for setting the holding temperature within the above range. .

伝熱部材５０は、半導体素子１０と蓄熱器４０との間に設けられている。伝熱部材５０は、半導体素子１０で発生した熱を蓄熱器４０に伝熱する。半導体素子１０が蓄熱器４０と電気的に絶縁する必要がある場合、伝熱部材５０は、絶縁部材で構成される。   The heat transfer member 50 is provided between the semiconductor element 10 and the heat accumulator 40. The heat transfer member 50 transfers heat generated in the semiconductor element 10 to the heat accumulator 40. When the semiconductor element 10 needs to be electrically insulated from the heat accumulator 40, the heat transfer member 50 is formed of an insulating member.

ケース６０は、半導体素子１０、基板２０、および蓄熱器４０を収容する。ケース６０内には、封止材９０が充填されている。   Case 60 accommodates semiconductor element 10, substrate 20, and heat accumulator 40. The case 60 is filled with a sealing material 90.

上記のように構成された半導体モジュール１では、半導体素子１０が通常の動作モードで駆動する場合、半導体素子１０で発生した熱は、基板２０および放熱板３０に順次に伝わり、その後、冷却器１００で放熱される。   In the semiconductor module 1 configured as described above, when the semiconductor element 10 is driven in a normal operation mode, the heat generated in the semiconductor element 10 is sequentially transferred to the substrate 20 and the heat sink 30, and then the cooler 100. The heat is dissipated.

一方、半導体素子１０が、急激な温度変化を繰り返す動作モードで駆動する場合、半導体素子１０で発生した熱は、伝熱部材５０を介して蓄熱器４０に吸熱される。蓄熱器４０の素材は、上述したように、半導体素子１０の上限温度以下で固体状態を保持したまま相変化する。そのため、固体から液体に相変化する素材に比べて体積や形状の変化量が小さくなるので、温度が低下するとすぐに元の状態に戻る。これにより、蓄熱器４０は、上限値を超えないように半導体素子１０の温度上昇を抑制できる。その結果、冷却器１００の冷却能力は、半導体素子１０の温度の急上昇を見込んで大きくする必要はなく、必要最低限であればよい。   On the other hand, when the semiconductor element 10 is driven in an operation mode in which a rapid temperature change is repeated, the heat generated in the semiconductor element 10 is absorbed by the heat accumulator 40 through the heat transfer member 50. As described above, the material of the heat accumulator 40 changes in phase while maintaining a solid state at a temperature lower than the upper limit temperature of the semiconductor element 10. Therefore, since the amount of change in volume and shape is smaller than that of a material that changes phase from solid to liquid, the original state is restored as soon as the temperature is lowered. Thereby, the heat accumulator 40 can suppress the temperature rise of the semiconductor element 10 so as not to exceed the upper limit value. As a result, the cooling capacity of the cooler 100 does not need to be increased in anticipation of a rapid increase in the temperature of the semiconductor element 10, and may be the minimum necessary.

したがって、本実施形態によれば、急激な温度変化を繰り返す動作モードで半導体素子を駆動しても冷却器を小型化することが可能となる。   Therefore, according to the present embodiment, the cooler can be downsized even when the semiconductor element is driven in an operation mode in which a rapid temperature change is repeated.

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る半導体モジュールの一部を露出した外形図である。また、図４は、図３に示す半導体モジュールの内部構造を示す断面図である。第１実施形態で説明した構成要素には、同じ符号を付し詳細な説明を省略する。図３および図４に示す半導体モジュール２は、第１実施形態に係る半導体モジュール１の構成要素に加えて、電子部品１１および蓄熱器４１をさらに備える。 (Second Embodiment)
FIG. 3 is an outline view in which a part of the semiconductor module according to the second embodiment is exposed. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the internal structure of the semiconductor module shown in FIG. Components described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. The semiconductor module 2 shown in FIGS. 3 and 4 further includes an electronic component 11 and a heat accumulator 41 in addition to the components of the semiconductor module 1 according to the first embodiment.

電子部品１１は、半導体素子１０と同様に、接合材７０で金属基板２１に接合されている。電子部品１１は、例えば、半導体素子１０と電気的に接続されるダイオードや抵抗素子である。   Similar to the semiconductor element 10, the electronic component 11 is bonded to the metal substrate 21 with a bonding material 70. The electronic component 11 is, for example, a diode or a resistance element that is electrically connected to the semiconductor element 10.

蓄熱器４１は、電子部品１１と対向する位置に設置されている。蓄熱器４１の素材は、蓄熱器４０と同様に、バナジウム酸化物、またはバナジウム酸化物の一部を他の元素に置換した相変化材料である。また、蓄熱器４１の保持温度は、電子部品１１の上限温度に基づいて設定されている。   The heat accumulator 41 is installed at a position facing the electronic component 11. The material of the heat accumulator 41 is a phase change material obtained by replacing vanadium oxide or a part of the vanadium oxide with another element, like the heat accumulator 40. The holding temperature of the heat accumulator 41 is set based on the upper limit temperature of the electronic component 11.

上記のように構成された半導体モジュール２では、半導体素子１０が急激な温度変化を繰り返す動作モードで駆動する場合、半導体素子１０で発生した熱は、蓄熱器４０に吸熱され、電子部品１１で発生した熱は蓄熱器４１に吸熱される。このとき、蓄熱器４０は、半導体素子１０の上限温度近傍で固体状態を保持したまま相変化する。一方、蓄熱器４１は、電子部品１１の上限温度近傍で固体状態を保持したまま相変化する。そのため、冷却器１００の冷却能力を大きくすることなく、半導体素子１０および電子部品１１の温度上昇を抑制できる。   In the semiconductor module 2 configured as described above, when the semiconductor element 10 is driven in an operation mode in which a rapid temperature change is repeated, the heat generated in the semiconductor element 10 is absorbed by the heat accumulator 40 and generated in the electronic component 11. The absorbed heat is absorbed by the heat accumulator 41. At this time, the heat accumulator 40 changes in phase while maintaining a solid state in the vicinity of the upper limit temperature of the semiconductor element 10. On the other hand, the heat accumulator 41 changes phase while maintaining a solid state in the vicinity of the upper limit temperature of the electronic component 11. Therefore, the temperature rise of the semiconductor element 10 and the electronic component 11 can be suppressed without increasing the cooling capacity of the cooler 100.

したがって、本実施形態も第１実施形態と同様に、急激な温度変化を繰り返す動作モードで半導体素子を駆動しても冷却器を小型化することが可能となる。さらに、本実施形態では、複数の蓄熱器が半導体素子１０および電子部品１１ごとに設けられている。また、各蓄熱器の保持温度が半導体素子１０および電子部品１１の上限温度に基づいて個別に設定されている。そのため、例えば電子部品１１の上限温度が半導体素子１０の上限温度よりも低くても、電子部品１１の温度上昇を抑制することができる。   Therefore, similarly to the first embodiment, this embodiment can reduce the size of the cooler even if the semiconductor element is driven in an operation mode in which a rapid temperature change is repeated. Further, in the present embodiment, a plurality of heat accumulators are provided for each semiconductor element 10 and electronic component 11. Further, the holding temperature of each regenerator is individually set based on the upper limit temperatures of the semiconductor element 10 and the electronic component 11. Therefore, for example, even if the upper limit temperature of the electronic component 11 is lower than the upper limit temperature of the semiconductor element 10, the temperature rise of the electronic component 11 can be suppressed.

(第３実施形態)
図５は、第３実施形態に係る半導体モジュールの一部を露出した外形図である。また、図６は、図４に示す半導体モジュールの内部構造を示す断面図である。第１実施形態で説明した構成要素には、同じ符号を付し詳細な説明を省略する。 (Third embodiment)
FIG. 5 is an outline view in which a part of the semiconductor module according to the third embodiment is exposed. FIG. 6 is a sectional view showing the internal structure of the semiconductor module shown in FIG. Components described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図４および図５に示す半導体モジュール３には、金属部材５１が伝熱部材５０の代わりに半導体素子１０と蓄熱器４０との間に設けられている。金属部材５１は、例えば銅、アルミニウム等の熱伝導性および電気伝導性の高い金属を含んでいる。また、金属部材５１は蓄熱器４０を支持している。   In the semiconductor module 3 shown in FIGS. 4 and 5, a metal member 51 is provided between the semiconductor element 10 and the heat accumulator 40 instead of the heat transfer member 50. The metal member 51 contains a metal having high thermal conductivity and high electrical conductivity such as copper and aluminum. Further, the metal member 51 supports the heat accumulator 40.

上記のように構成された半導体モジュール３では、半導体素子１０が急激な温度変化を繰り返す動作モードで駆動する場合、半導体素子１０で発生した熱は、蓄熱器４０に吸熱される。このとき、金属部材５１が半導体素子１０と蓄熱器４０との間に介在しているので、伝熱特性が向上する。これにより、半導体素子１０の温度上昇がさらに抑制される。   In the semiconductor module 3 configured as described above, when the semiconductor element 10 is driven in an operation mode in which a rapid temperature change is repeated, the heat generated in the semiconductor element 10 is absorbed by the heat accumulator 40. At this time, since the metal member 51 is interposed between the semiconductor element 10 and the heat accumulator 40, heat transfer characteristics are improved. Thereby, the temperature rise of the semiconductor element 10 is further suppressed.

また、蓄熱器４０は、半導体素子１０の上限温度近傍で固体状態を保持したまま相変化するので、冷却器１００の冷却能力を大きくすることなく、半導体素子１０の温度上昇を抑制できる。   Further, since the heat accumulator 40 changes in phase while maintaining a solid state in the vicinity of the upper limit temperature of the semiconductor element 10, the temperature increase of the semiconductor element 10 can be suppressed without increasing the cooling capacity of the cooler 100.

したがって、本実施形態も第１実施形態と同様に、急激な温度変化を繰り返す動作モードで半導体素子を駆動しても冷却器を小型化することが可能となる。さらに、本実施形態では、金属部材５１を配線として使用することもできる。   Therefore, similarly to the first embodiment, this embodiment can reduce the size of the cooler even if the semiconductor element is driven in an operation mode in which a rapid temperature change is repeated. Furthermore, in this embodiment, the metal member 51 can also be used as wiring.

なお、本実施形態に係る金属部材５１は、上述した第２実施形態に係る半導体モジュール２に設けられていてもよい。この場合、半導体素子１０から蓄熱器４０までの伝熱特性だけでなく、電子部品１１から蓄熱器４１までの伝熱特性も向上する。これにより、電子部品１１の温度上昇もさらに抑制することができる。   Note that the metal member 51 according to the present embodiment may be provided in the semiconductor module 2 according to the second embodiment described above. In this case, not only the heat transfer characteristics from the semiconductor element 10 to the heat accumulator 40 but also the heat transfer characteristics from the electronic component 11 to the heat accumulator 41 are improved. Thereby, the temperature rise of the electronic component 11 can further be suppressed.

以上本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。   Although several embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

１、２、３ 半導体モジュール、１０ 半導体素子、１１ 電子部品、２０ 基板、４０ 蓄熱器、５０ 伝熱部材、５１ 金属部材、６０ ケース 1, 2, 3 Semiconductor module, 10 Semiconductor element, 11 Electronic component, 20 Substrate, 40 Heat accumulator, 50 Heat transfer member, 51 Metal member, 60 Case

Claims (7)

基板上に設けられた半導体素子と、
前記半導体素子の近傍に設置され、予め設定された前記半導体素子の上限温度以下で固体状態を保持したまま相変化する素材を含む蓄熱器と、
を備える半導体モジュール。 A semiconductor element provided on a substrate;
A heat accumulator that is installed in the vicinity of the semiconductor element and includes a material that undergoes a phase change while maintaining a solid state at or below a preset upper limit temperature of the semiconductor element;
A semiconductor module comprising: 前記素材は、５０℃〜２００℃の範囲内に保持温度を有するバナジウム酸化物、または、前記バナジウム酸化物の一部を、前記保持温度を前記範囲内に設定するための他の元素に置換した相変化材料である、請求項１に記載の半導体モジュール。   The material is a vanadium oxide having a holding temperature in a range of 50 ° C. to 200 ° C., or a part of the vanadium oxide is replaced with another element for setting the holding temperature in the range. The semiconductor module according to claim 1, wherein the semiconductor module is a phase change material. 前記半導体素子および前記蓄熱器を収容するケースをさらに備え、
複数の前記蓄熱器が、前記ケース内に設置されている、請求項１または２に記載の半導体モジュール。 A case for accommodating the semiconductor element and the heat accumulator;
The semiconductor module according to claim 1, wherein a plurality of the heat accumulators are installed in the case. 前記ケース内で前記半導体素子と電気的に接続される電子部品をさらに備え、
前記複数の蓄熱器は、前記半導体素子および前記電子部品に対して個別に設置されている、請求項３に記載の半導体モジュール。 An electronic component electrically connected to the semiconductor element in the case;
The semiconductor module according to claim 3, wherein the plurality of heat accumulators are individually installed with respect to the semiconductor element and the electronic component. 前記複数の蓄熱器は、前記半導体素子および前記電子部品の各々の前記上限温度に基づいて、異なる前記保持温度に設定されている、請求項４に記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 4, wherein the plurality of heat accumulators are set to different holding temperatures based on the upper limit temperatures of the semiconductor element and the electronic component. 前記半導体素子と前記電子部品の少なくとも一方と前記蓄熱器との間に設けられた伝熱部材をさらに備える、請求項４または５に記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 4, further comprising a heat transfer member provided between the semiconductor element, at least one of the electronic components, and the heat accumulator. 前記半導体素子と前記電子部品の少なくとも一方と前記蓄熱器との間に設置された金属部材をさらに備える、請求項４または５に記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 4, further comprising a metal member installed between at least one of the semiconductor element, the electronic component, and the heat accumulator.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6088556U (en) * 1983-11-24 1985-06-18 日本無線株式会社 Electrical parts with cooler
JP2015029036A (en) * 2013-06-27 2015-02-12 ソニー株式会社 Electronic apparatus and control method of electronic apparatus
JP2015056562A (en) * 2013-09-12 2015-03-23 株式会社東芝 Semiconductor device and radiation device
JP2016079351A (en) * 2014-10-22 2016-05-16 株式会社デンソー Composite heat-storing material

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