JP2021068838A - Power module and power semiconductor device using the same - Google Patents

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Abstract

To provide a power module having a heat dissipation structure allowing enough heat dissipation even when an oil coolant is used under a severe heat environment, and a power semiconductor device which uses the power module and includes an oil-cooling mechanism.SOLUTION: A power semiconductor device uses a power module. The power module comprises a semiconductor element, a first input and output terminal electrically connected to one surface of the semiconductor element, and a second input and output terminal electrically connected to the other surface of the semiconductor element. The semiconductor element, the first input and output terminal, and the second input and output terminal are sealed by an electric insulation material. A surface of the power module in contact with the coolant has a heat dissipation metal layer including a prescribed micro uneven structure. The power semiconductor device further includes a cooling channel for circulating the coolant in contact with the heat dissipation metal layer. A cooling channel wall constituting the cooling channel is composed of a dielectric transmitting an infrared ray of a wavelength longer than or equal to 1 μm and shorter than or equal to 8 μm.SELECTED DRAWING: Figure 1B

Description

本発明は、半導体モジュールの技術に関し、特に大電力の制御を行うためのパワーモジュールおよび該パワーモジュールを用いたパワー半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor module technique, and more particularly to a power module for controlling a large amount of electric power and a power semiconductor device using the power module.

近年、産業機械や車両(例えば、自動車、鉄道車両)において、省エネルギーや精密な運転制御の観点から動力源の電動化および電子制御化が急速に進展しており、それに伴って、動力源(例えば、回転電機)の電力制御を行うためのパワーモジュールや該パワーモジュールを用いたパワー半導体装置(例えば、電力変換装置)の重要性が非常に高まっている。 In recent years, in industrial machines and vehicles (for example, automobiles and railroad vehicles), electrification and electronic control of power sources have been rapidly progressing from the viewpoint of energy saving and precise operation control, and along with this, power sources (for example, for example) have been rapidly advanced. , A power module for power control of a rotary electric machine) and a power semiconductor device (for example, a power conversion device) using the power module are becoming very important.

動力源に対する高出力化要求から、動力源の電力制御を担うパワーモジュールも大電力化が必要になってきている。ただし、パワーモジュールの大電力化は、運転時の発熱量の増大と直結することから、パワーモジュールを構成する半導体素子(パワー半導体素子とも言う)の熱暴走を防止するため、効率的な熱対策(例えば、放熱や冷却)が必要になる。 Due to the demand for higher output for power sources, it is becoming necessary to increase the power of power modules that control the power of power sources. However, since increasing the power of the power module is directly linked to the increase in heat generation during operation, efficient thermal measures are taken to prevent thermal runaway of the semiconductor elements (also called power semiconductor elements) that make up the power module. (For example, heat dissipation and cooling) are required.

これまで、半導体素子の放熱・冷却方法としては、半導体素子の近傍に放熱部材(例えば、ヒートシンク)を配設し、該放熱部材を冷媒(例えば、空気、水)に接触させて放熱・冷却する方法が一般的である。半導体素子から放熱部材への熱抵抗の低減や、放熱部材から冷媒への熱伝達の向上がポイントとなる。 Until now, as a method of radiating and cooling a semiconductor element, a heat radiating member (for example, a heat sink) has been arranged in the vicinity of the semiconductor element, and the radiating member is brought into contact with a refrigerant (for example, air or water) to radiate and cool the semiconductor element. The method is common. The key points are reducing the thermal resistance from the semiconductor element to the heat radiating member and improving the heat transfer from the heat radiating member to the refrigerant.

例えば、特許文献1(特開2016-72281)には、半導体素子と、前記半導体素子が実装されたセラミックス回路基板とを備え、前記セラミックス回路基板は、互いに対向する一方面と他方面とを有するセラミックス基板と、前記セラミックス基板の前記一方面に接合され、かつ前記半導体素子に電気的に接続された金属回路板と、前記セラミックス基板の前記他方面に接合された金属放熱板とを含み、前記金属回路板の厚さは、前記金属放熱板の厚さよりも大きく、前記金属放熱板の前記セラミックス基板と反対側の面の表面積は、前記金属回路板の前記セラミックス基板と反対側の面の表面積よりも大きく、前記金属放熱板に所定のグリースを介して取り付けられたヒートシンクを更に備える半導体装置、が開示されている。 For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2016-72281) includes a semiconductor element and a ceramics circuit board on which the semiconductor element is mounted, and the ceramics circuit board has one side and the other side facing each other. A ceramic substrate, a metal circuit board bonded to the one surface of the ceramic substrate and electrically connected to the semiconductor element, and a metal heat sink bonded to the other surface of the ceramic substrate are included. The thickness of the metal circuit board is larger than the thickness of the metal heat sink, and the surface area of the metal heat sink opposite to the ceramic substrate is the surface area of the metal circuit board opposite to the ceramic substrate. A semiconductor device, which is larger than the above and further includes a heat sink attached to the metal heat sink via a predetermined grease, is disclosed.

また、特許文献2(特開2017-212286)には、放熱装置と、前記放熱装置上の装着面上に配置された取り付けフレームと、前記取り付けフレームに基づいて装着され、半導体デバイスを封止したパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュール上に断熱シートを介して搭載され、前記パワー半導体モジュールを駆動する駆動回路部とを備え、前記放熱装置が内部に水冷式の冷却器または外部に空冷式の冷却器を備えるインテリジェントパワーモジュール、が開示されている。 Further, in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2017-212286), a heat radiating device, a mounting frame arranged on a mounting surface on the heat radiating device, and a mounting frame are mounted based on the mounting frame to seal a semiconductor device. A power semiconductor module and a drive circuit unit mounted on the power semiconductor module via a heat insulating sheet to drive the power semiconductor module are provided, and the heat radiating device is internally a water-cooled cooler or externally air-cooled. An intelligent power module, which comprises a cooler, is disclosed.

特開2016−72281号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-722281 特開2017−212286号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-212286

前述したように、産業機械や車両の動力源の電動化および電子制御化が近年ますます進展しており、動力源には高出力化に加えて小型化も要求されている。その結果、パワーモジュールやパワー半導体装置に対しても小型化要求が強まっており、半導体素子の高密度実装化が検討されている。さらに、動力源機構全体としての小型化の観点から、動力源とパワー半導体装置との近接配置(例えば、一体化)が求められている。 As mentioned above, the electrification and electronic control of power sources for industrial machines and vehicles have been progressing in recent years, and the power sources are required to be miniaturized in addition to high output. As a result, there is an increasing demand for miniaturization of power modules and power semiconductor devices, and high-density mounting of semiconductor elements is being studied. Further, from the viewpoint of miniaturization of the power source mechanism as a whole, close arrangement (for example, integration) of the power source and the power semiconductor device is required.

これらの要求は、すべて運転時における発熱の体積密度の増大につながるため、従来以上に効率的な熱対策が必要になる。また、高出力化(すなわち大電力化)および小型化は、電気絶縁性を確保するための対策も重要になる。 All of these requirements lead to an increase in the volume density of heat generated during operation, so more efficient heat countermeasures than before are required. In addition, measures to ensure electrical insulation are also important for high output (that is, high power consumption) and miniaturization.

動力源本体においては、高出力化・小型化要求に伴う熱対策と電気絶縁性とを満たすため、電気絶縁油の流通による冷却および電気絶縁性確保の両立が検討されている。一方、パワー半導体装置に関しては、パワーモジュールの大電力化や高密度実装化による発熱量の増大に加えて、動力源に近接配置することによる動力源からの伝熱も考慮する必要があり、熱環境は従来よりも大変厳しいものになる。 In the main body of the power source, in order to satisfy the heat countermeasures and the electric insulation property due to the demand for high output and miniaturization, it is considered to achieve both cooling and ensuring the electric insulation property by the distribution of the electric insulating oil. On the other hand, with regard to power semiconductor devices, in addition to increasing the amount of heat generated by increasing the power of the power module and mounting it at high density, it is necessary to consider heat transfer from the power source by arranging it close to the power source. The environment will be much harsher than before.

ここで、パワー半導体装置の熱対策として熱伝達性が高い水冷機構の配設が考えられるが、動力源本体の油冷機構とパワー半導体装置の水冷機構との併設は、動力源機構全体の小型化に反することから好ましくない。そこで、パワー半導体装置の冷却を動力源本体の油冷機構と共通化するというアイデアが考えられる。 Here, as a measure against heat of the power semiconductor device, a water cooling mechanism having high heat transferability can be considered. However, the oil cooling mechanism of the power source main body and the water cooling mechanism of the power semiconductor device are installed side by side in a small size of the entire power source mechanism. It is not preferable because it goes against the conversion. Therefore, the idea of sharing the cooling of the power semiconductor device with the oil cooling mechanism of the power source body can be considered.

しかしながら、油への熱伝達性は、水への熱伝達性と比較して1/4〜1/5レベルに低下するため、水冷機構の冷却能を想定して油冷機構を利用すると、熱対策として不十分になる可能性がある。言い換えると、油冷機構を使用しても十分な放熱性を可能にする放熱構造の開発が求められる。 However, the heat transfer property to oil is reduced to 1/4 to 1/5 level compared to the heat transfer property to water. Therefore, if the oil cooling mechanism is used assuming the cooling capacity of the water cooling mechanism, heat is generated. It may be insufficient as a countermeasure. In other words, it is required to develop a heat dissipation structure that enables sufficient heat dissipation even if an oil cooling mechanism is used.

したがって、本発明の目的は、厳しい熱環境に対応すべく、油冷媒を使用しても十分な放熱性を可能にする放熱構造を有するパワーモジュール、および該パワーモジュールを用いかつ油冷機構を具備するパワー半導体装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a power module having a heat dissipation structure that enables sufficient heat dissipation even when an oil refrigerant is used, and an oil cooling mechanism using the power module in order to cope with a severe thermal environment. The purpose is to provide a power semiconductor device.

本発明の一態様は、冷媒に接触させて冷却するパワーモジュールであって、
半導体素子と、
前記半導体素子の一方の表面と電気的接続した第1入出力端子と、
前記半導体素子の他方の表面と電気的接続した第2入出力端子とを有し、
前記半導体素子、前記第1入出力端子および前記第2入出力端子が、電気絶縁材で封止されており、
前記冷媒と接触する前記パワーモジュールの表面に、所定のミクロ凹凸構造を有する熱放射金属層を有することを特徴とするパワーモジュール、を提供するものである。
なお、本発明において、ミクロ凹凸構造とは凹凸のギャップ(凹凸の高低差)が100μm未満(0.1 mm未満)の場合と定義する。
One aspect of the present invention is a power module that is brought into contact with a refrigerant to be cooled.
With semiconductor elements
A first input / output terminal electrically connected to one surface of the semiconductor element,
It has a second input / output terminal that is electrically connected to the other surface of the semiconductor element.
The semiconductor element, the first input / output terminal, and the second input / output terminal are sealed with an electric insulating material.
Provided is a power module characterized by having a thermal radiation metal layer having a predetermined microconcavo-convex structure on the surface of the power module in contact with the refrigerant.
In the present invention, the micro-concavo-convex structure is defined as the case where the concavo-convex gap (height difference of the concavo-convex) is less than 100 μm (less than 0.1 mm).

(II)本発明の他の一態様は、パワーモジュールを用いたパワー半導体装置であって、
前記パワーモジュールは、上記のパワーモジュールであり、
前記熱放射金属層と接触する前記冷媒を流通させる冷却チャネルを具備し、
前記冷却チャネルを構成する冷却チャネル壁が波長1μm以上8μm以下の赤外線を透過する誘電体からなることを特徴とするパワー半導体装置、を提供するものである。
(II) Another aspect of the present invention is a power semiconductor device using a power module.
The power module is the power module described above.
A cooling channel for circulating the refrigerant in contact with the thermal radiation metal layer is provided.
Provided is a power semiconductor device, characterized in that the cooling channel wall constituting the cooling channel is made of a dielectric material that transmits infrared rays having a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less.

本発明によれば、厳しい熱環境下にあって油冷媒を使用しても十分な放熱性を可能にする放熱構造を有するパワーモジュール、および該パワーモジュールを用いかつ油冷機構を具備するパワー半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, a power module having a heat dissipation structure that enables sufficient heat dissipation even when an oil refrigerant is used in a harsh thermal environment, and a power semiconductor using the power module and having an oil cooling mechanism. Equipment can be provided.

第1実施形態に係るパワーモジュールの一例を示す斜視模式図である。It is a perspective schematic diagram which shows an example of the power module which concerns on 1st Embodiment. 図1Aのパワーモジュールを用いたパワー半導体装置の一例を示す断面模式図である。It is sectional drawing which shows an example of the power semiconductor device using the power module of FIG. 1A. 第2実施形態に係るパワーモジュールの一例を示す斜視分解模式図である。It is a perspective exploded schematic diagram which shows an example of the power module which concerns on 2nd Embodiment. 図2Aのパワーモジュールを用いたパワー半導体装置の一例を示す断面模式図である。It is sectional drawing which shows an example of the power semiconductor device using the power module of FIG. 2A.

本発明は、上述したパワーモジュール(I)において、以下のような改良や変更を加えることができる。
(i)前記冷媒が電気絶縁油である。
(ii)絶縁基板を更に有し、前記絶縁基板の一方の表面上に前記半導体素子が配設され、前記絶縁基板の他方の表面上に放熱層が配設され、前記放熱層の表面領域に前記熱放射金属層が形成されている。
(iii)前記第1入出力端子および前記第2入出力端子が、前記半導体素子を両面から挟み込むように接合され、前記第1入出力端子における前記半導体素子と接合した面と反対側の面の一部、および前記第2入出力端子における前記半導体素子と接合した面と反対側の面の一部が、共に前記冷媒と接触する表面である。
(iv)前記所定のミクロ凹凸構造は、該凹凸のピッチが0.5μm以上10μm以下の範囲内にあり、該凹凸のギャップが0.25μm以上10μm以下の範囲内にある。
(v)前記熱放射金属層の表面上に保護層が形成され、前記保護層が波長1μm以上8μm以下の赤外線を透過する誘電体からなる。
The present invention can make the following improvements and changes in the power module (I) described above.
(I) The refrigerant is an electrically insulating oil.
(Ii) Further having an insulating substrate, the semiconductor element is disposed on one surface of the insulating substrate, a heat radiating layer is disposed on the other surface of the insulating substrate, and the surface region of the heat radiating layer is provided. The thermal radiation metal layer is formed.
(Iii) The first input / output terminal and the second input / output terminal are joined so as to sandwich the semiconductor element from both sides, and the surface of the first input / output terminal opposite to the surface joined to the semiconductor element. A part and a part of the surface of the second input / output terminal opposite to the surface joined to the semiconductor element are both surfaces that come into contact with the refrigerant.
(Iv) In the predetermined microconcavo-convex structure, the pitch of the concavo-convex is within the range of 0.5 μm or more and 10 μm or less, and the gap of the concavo-convex is within the range of 0.25 μm or more and 10 μm or less.
(V) A protective layer is formed on the surface of the thermal radiation metal layer, and the protective layer is made of a dielectric material that transmits infrared rays having a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less.

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながらより具体的に説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、公知技術と適宜組み合わせたり公知技術に基づいて改良したりすることが可能である。また、同義の部材に同じ符号を付して、重複する説明を省略することがある。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments taken up here, and can be appropriately combined with a known technique or improved based on the known technique without departing from the technical idea of the invention. .. In addition, the same reference numerals may be given to members having the same meaning, and duplicate description may be omitted.

[第1実施形態]
図1Aは、第1実施形態に係るパワーモジュールの一例を示す斜視模式図であり、図1Bは、図1Aのパワーモジュールを用いたパワー半導体装置の一例を示す断面模式図である。
[First Embodiment]
FIG. 1A is a schematic perspective view showing an example of a power module according to the first embodiment, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view showing an example of a power semiconductor device using the power module of FIG. 1A.

なお、図1Aにおいては、パワーモジュールの内部構成が分かり易くなるように、電気絶縁材による封止の図示を省略している。また、図1A、図1Bでは三端子のパワーモジュールを図示しているが、本発明はそれに限定されるものではなく、例えば二端子のパワーモジュールであってもよい。 In FIG. 1A, the illustration of sealing with an electric insulating material is omitted so that the internal configuration of the power module can be easily understood. Further, although FIGS. 1A and 1B show a three-terminal power module, the present invention is not limited thereto, and may be, for example, a two-terminal power module.

図1Aに示したように、パワーモジュール100は、一方の表面上に回路層112が形成され他方の表面上に放熱層113が形成された絶縁基板111と、回路層112の上に配設された半導体素子121と、回路層112を介して半導体素子121の一方の表面と電気的接続した第1入出力端子131と、導電ワイヤ134および回路層112を介して半導体素子121の他方の表面と電気的接続した第2入出力端子132と、導電ワイヤ134および回路層112を介して半導体素子121を制御するゲート信号を送信するゲート信号端子133を有する。 As shown in FIG. 1A, the power module 100 is arranged on an insulating substrate 111 having a circuit layer 112 formed on one surface and a heat dissipation layer 113 formed on the other surface, and a circuit layer 112. The semiconductor element 121, the first input / output terminal 131 electrically connected to one surface of the semiconductor element 121 via the circuit layer 112, and the other surface of the semiconductor element 121 via the conductive wire 134 and the circuit layer 112. It has a second input / output terminal 132 that is electrically connected, and a gate signal terminal 133 that transmits a gate signal that controls the semiconductor element 121 via the conductive wire 134 and the circuit layer 112.

パワーモジュール100は、放熱層113を冷媒に接触させて冷却するパワーモジュールであり、放熱層113は、放熱層基材113aの表面領域に、所定のミクロ凹凸構造を有する熱放射金属層113bが形成された構造を有する。 The power module 100 is a power module that cools the heat radiating layer 113 by contacting it with a refrigerant. The heat radiating layer 113 has a heat radiating metal layer 113b having a predetermined microconcavo-convex structure formed on the surface region of the heat radiating layer base material 113a. Has a structure that has been modified.

図1Aでは図示していないが、電気絶縁性の観点から、半導体素子121、導電ワイヤ134、回路層112、第1入出力端子131、第2入出力端子132およびゲート信号端子133は、電気絶縁材141(図1B参照)で封止されることが好ましい。 Although not shown in FIG. 1A, from the viewpoint of electrical insulation, the semiconductor element 121, the conductive wire 134, the circuit layer 112, the first input / output terminal 131, the second input / output terminal 132, and the gate signal terminal 133 are electrically insulated. It is preferably sealed with material 141 (see FIG. 1B).

また、図1Bに示したように、パワー半導体装置150は、図1Aのパワーモジュール100を用いたパワー半導体装置であり、放熱層113と接触する冷媒162を流通させる冷却チャネル161を具備する。冷却チャネル161は、その冷却チャネル壁163が波長1μm以上8μm以下の赤外線を透過する誘電体からなることが好ましい。なお、本発明において、赤外線を透過するとは、波長1μm以上8μm以下の帯域に透過率が50%以上となる帯域が含まれることを意味するものとする。 Further, as shown in FIG. 1B, the power semiconductor device 150 is a power semiconductor device using the power module 100 of FIG. 1A, and includes a cooling channel 161 for circulating a refrigerant 162 in contact with the heat radiation layer 113. The cooling channel 161 preferably has a cooling channel wall 163 made of a dielectric material that transmits infrared rays having a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less. In the present invention, transmitting infrared rays means that a band having a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less includes a band having a transmittance of 50% or more.

パワー半導体装置150において、封止ケース142は必須の構成ではなく、電気絶縁材141の材料に合わせて封止ケース142を配設してもよいし配設しなくてもよい。 In the power semiconductor device 150, the sealing case 142 is not an indispensable configuration, and the sealing case 142 may or may not be arranged according to the material of the electrical insulating material 141.

つぎに、パワーモジュール100およびパワー半導体装置150の各構成部材について、より詳細に説明する。 Next, each component of the power module 100 and the power semiconductor device 150 will be described in more detail.

半導体素子121は、電力制御用パワーモジュールで必要とされる機能を発揮するかぎり特段の限定はなく、従前の半導体素子、例えば、整流ダイオード、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、パワーMOSFET(Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、MOSGTOサイリスタ(MOS Gate Turn-Off thyristor)などを適宜利用できる。 The semiconductor element 121 is not particularly limited as long as it exhibits the functions required for the power module for power control, and the conventional semiconductor elements such as a rectifying diode, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), and a power MOSFET (Power Metal Oxide) are used. Semiconductor Field Effect Transistor), MOSGTO thyristor (MOS Gate Turn-Off thyristor), etc. can be used as appropriate.

絶縁基板111は、電力制御用パワーモジュールで必要とされる性状(例えば、耐電圧性、比誘電率、機械的強度)を満たすかぎり特段の限定はなく、従前の絶縁基板(例えば、セラミックス基板、樹脂基板)を適宜利用できる。また、絶縁基板111の厚さは、例えば0.1 mm以上5 mm以下の範囲内で適宜選定できる。 The insulating substrate 111 is not particularly limited as long as it satisfies the properties required for the power module for power control (for example, withstand voltage, relative permittivity, mechanical strength), and the conventional insulating substrate (for example, ceramic substrate, etc.) Resin substrate) can be used as appropriate. Further, the thickness of the insulating substrate 111 can be appropriately selected within the range of, for example, 0.1 mm or more and 5 mm or less.

セラミックス基板の例としては、アルミナ(Al2O3)基板、アルミナジルコニア(Al2O3/ZrO2)基板、窒化アルミニウム(AlN)基板、窒化ケイ素(SiN)基板、ステアタイト(MgO-SiO2)基板などが挙げられる。樹脂基板の例としては、紙やガラス布や複合材を基材とした上で、フェノール樹脂基板、エポキシ樹脂基板、ポリイミド樹脂基板、フッ素樹脂基板、ビスマレイミドトリアジン樹脂基板などが挙げられる。 Examples of ceramic substrates include alumina (Al 2 O 3 ) substrate, alumina zirconia (Al 2 O 3 / ZrO 2 ) substrate, aluminum nitride (AlN) substrate, silicon nitride (SiN) substrate, and steatite (MgO-SiO 2). ) Substrates and the like. Examples of the resin substrate include a phenol resin substrate, an epoxy resin substrate, a polyimide resin substrate, a fluororesin substrate, a bismaleimide triazine resin substrate, and the like on a paper, glass cloth, or composite material as a base material.

回路層112も、電力制御用パワーモジュールで必要とされる性状(例えば、導電性、通電電流量、コスト)を満たすかぎり特段の限定はなく、従前の回路層(例えば、アルミニウム(Al)回路層、銅(Cu)回路層、Cu合金回路層)を適宜利用できる。回路層112の厚さは、例えば0.01 mm以上3 mm以下の範囲内で適宜選定できる。また、回路層112と導電部品(例えば、半導体素子、入出力端子、ゲート信号端子)との接合性の観点から、回路層11の表面の一部に接合金属層(例えば、金(Au)層、銀(Ag)層、ニッケル(Ni)層)をめっき形成してもよい。 The circuit layer 112 is also not particularly limited as long as it satisfies the properties (for example, conductivity, energization current amount, cost) required for the power module for power control, and the conventional circuit layer (for example, aluminum (Al) circuit layer). , Copper (Cu) circuit layer, Cu alloy circuit layer) can be used as appropriate. The thickness of the circuit layer 112 can be appropriately selected within the range of, for example, 0.01 mm or more and 3 mm or less. Further, from the viewpoint of bondability between the circuit layer 112 and the conductive component (for example, a semiconductor element, an input / output terminal, a gate signal terminal), a bonded metal layer (for example, a gold (Au) layer) is formed on a part of the surface of the circuit layer 11. , Silver (Ag) layer, Nickel (Ni) layer) may be plated.

導電ワイヤ134も、電力制御用パワーモジュールで必要とされる性状(例えば、導電性、通電電流量、コスト)を満たすかぎり特段の限定はなく、従前の導電ワイヤ(例えば、Alワイヤ、Cuワイヤ)を適宜利用できる。 The conductive wire 134 is also not particularly limited as long as it satisfies the properties required for the power module for power control (for example, conductivity, energization current amount, cost), and the conventional conductive wire (for example, Al wire, Cu wire). Can be used as appropriate.

放熱層113は、放熱層基材113aと、その表面領域に形成された熱放射金属層113bとからなる。放熱層基材113aは、良好な熱伝導性を有することが重要であり、回路層112と同様の材料(例えば、Al、Cu、Cu合金)を好適に利用できる。放熱層基材113aの厚さに特段の限定はなく、例えば0.01〜3 mmの範囲内で適宜選定できる。放熱層基材113aの厚さと回路層112の厚さとの間に関連性はなく、異なっていてもよいし同じでもよい。 The heat radiating layer 113 is composed of a heat radiating layer base material 113a and a thermal radiation metal layer 113b formed in a surface region thereof. It is important that the heat radiating layer base material 113a has good thermal conductivity, and a material similar to that of the circuit layer 112 (for example, Al, Cu, Cu alloy) can be preferably used. The thickness of the heat radiating layer base material 113a is not particularly limited and can be appropriately selected within the range of, for example, 0.01 to 3 mm. There is no relationship between the thickness of the heat dissipation layer base material 113a and the thickness of the circuit layer 112, and they may be different or the same.

絶縁基板111上への回路層112および放熱層113の形成方法に特段の限定はなく、従前の方法を適宜利用できる。例えば、接合材(はんだ、金属ペーストなど)を介した貼付接合により一体化することができる。 The method of forming the circuit layer 112 and the heat radiating layer 113 on the insulating substrate 111 is not particularly limited, and the conventional method can be appropriately used. For example, it can be integrated by sticking and joining via a bonding material (solder, metal paste, etc.).

本実施形態においては、放熱層基材113aの表面領域に、所定のミクロ凹凸構造を有する熱放射金属層113bが形成されている点に大きな特徴がある。当該ミクロ凹凸構造は、凹凸のピッチ(熱放射金属層113bの面内方向のピッチ)が0.5μm以上10μm以下の範囲内にあり、凹凸のギャップ(熱放射金属層113bの厚さ方向のギャップ)が0.25μm以上10μm以下の範囲内にあることが好ましい。 A major feature of this embodiment is that a thermal radiation metal layer 113b having a predetermined microconcavo-convex structure is formed in the surface region of the heat radiation layer base material 113a. In the micro-concavo-convex structure, the uneven pitch (in-plane pitch of the thermal radiation metal layer 113b) is within the range of 0.5 μm or more and 10 μm or less, and the uneven gap (gap in the thickness direction of the thermal radiation metal layer 113b). Is preferably in the range of 0.25 μm or more and 10 μm or less.

熱放射金属層113bのミクロ凹凸構造をそのような範囲内に制御することにより、熱放射金属層113bの表面から波長1μm以上8μm以下の赤外線が選択的に放射される。これは、金属体の表面に周期的なミクロ凹凸構造を形成すると、表面プラズモンが特定の周波数で共鳴して当該特定の周波数(すなわち、特定の波長)の電磁波を放射するようになるためである。具体的には、波長1μm以上8μm以下の赤外線の放射スペクトル積分量が、波長1μm以上20μm以下の赤外線の放射スペクトル積分量に対して0.4以上の比率を占めるようになる。 By controlling the microconcavo-convex structure of the thermal radiation metal layer 113b within such a range, infrared rays having a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less are selectively emitted from the surface of the thermal radiation metal layer 113b. This is because when a periodic microconcavo-convex structure is formed on the surface of a metal body, the surface plasmon resonates at a specific frequency and emits an electromagnetic wave of the specific frequency (that is, a specific wavelength). .. Specifically, the integrated amount of infrared radiation spectrum with a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less occupies a ratio of 0.4 or more with the integrated amount of infrared radiation spectrum with a wavelength of 1 μm or more and 20 μm or less.

熱放射金属層113bの形成方法に特段の限定はなく、従前の方法を適宜利用できる。例えば、放熱層基材113aの表面に対して、フォトリソグラフィ法によってミクロ凹凸構造を形成してもよいし、蒸着などの気相成膜法によってミクロ凹凸構造を形成してもよいし、平均粒径1〜4μmの金属粒子を付着させてミクロ凹凸構造を形成してもよい。 The method for forming the thermal radiation metal layer 113b is not particularly limited, and the conventional method can be appropriately used. For example, a microconcavo-convex structure may be formed on the surface of the heat radiating layer base material 113a by a photolithography method, a microconcavo-convex structure may be formed by a vapor phase film forming method such as thin film deposition, or average grains. Metal particles having a diameter of 1 to 4 μm may be adhered to form a microconcavo-convex structure.

なお、物質の面における電磁波の放射率や吸収率は、電磁界解析手法によるシミュレーションやフーリエ変換赤外分光光度計等による測定で得ることができる。また、キルヒホッフの法則により、局所熱平衡状態では電磁波の放射率と吸収率とは等しいとされている。そこで、熱放射面に対して電磁波を入射したときの、各波長の透過率と反射率とを測定すると、
関係式「放射率=吸収率=1−透過率−反射率」
により放射率を算出することができる。
The emissivity and absorption rate of electromagnetic waves on the surface of a substance can be obtained by simulation by an electromagnetic field analysis method or measurement by a Fourier transform infrared spectrophotometer or the like. In addition, according to Kirchhoff's law, the emissivity and absorption rate of electromagnetic waves are equal to each other in the local thermal equilibrium state. Therefore, when the transmittance and reflectance of each wavelength when an electromagnetic wave is incident on the thermal radiation surface are measured,
Relational expression "emissivity = absorption rate = 1-transmittance-reflectivity"
The emissivity can be calculated by

図1A、図1Bには図示していないが、熱放射金属層113bのミクロ凹凸構造を物理的に保護するために、その表面上に保護層が形成されていてもよい。このとき、保護層は、波長1μm以上8μm以下の赤外線を透過する誘電体(例えば、樹脂材、セラミックス材)からなることが好ましい。そのような誘電体は、熱放射金属層113bから放射される赤外線にとって透明と見なせるためである。 Although not shown in FIGS. 1A and 1B, a protective layer may be formed on the surface of the thermal radiation metal layer 113b in order to physically protect the microconcavo-convex structure. At this time, the protective layer is preferably made of a dielectric material (for example, a resin material or a ceramic material) that transmits infrared rays having a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less. This is because such a dielectric can be considered transparent to the infrared rays emitted from the thermal radiation metal layer 113b.

保護層となる樹脂材の例としては、フェノール樹脂、アルキド樹脂、アミノアルキド樹脂、ユリア樹脂、シリコーン樹脂、メラミン尿素樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、酢酸ビニル樹脂、アクリル樹脂、塩化ゴム系樹脂、塩化ビニル樹脂、フッ素樹脂などが挙げられる。これらの樹脂材を二種以上組み合わせたものでもよい。また、耐熱性の観点からは、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂などが好ましい。 Examples of resin materials that serve as protective layers include phenol resin, alkyd resin, aminoalkyd resin, urea resin, silicone resin, melamine urea resin, epoxy resin, polyurethane resin, unsaturated polyester resin, vinyl acetate resin, acrylic resin, and chloride. Examples include rubber-based resins, vinyl chloride resins, and fluororesins. A combination of two or more of these resin materials may be used. From the viewpoint of heat resistance, acrylic resin, unsaturated polyester resin, epoxy resin and the like are preferable.

保護層となるセラミックス材の例としては、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化リチウム、二酸化ケイ素などが挙げられる。これらのセラミックス材を二種以上組み合わせたものでもよい。また、上記の樹脂材と複合したものでもよい。 Examples of the ceramic material serving as the protective layer include boron nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, magnesium oxide, titanium oxide, zirconium oxide, iron oxide, copper oxide, nickel oxide, cobalt oxide, lithium oxide, silicon dioxide and the like. .. A combination of two or more of these ceramic materials may be used. Further, it may be a composite with the above resin material.

電気絶縁材141は、電力制御用パワーモジュールで必要とされる性状(例えば、電気絶縁性、耐電圧性、耐アーク放電性、耐熱性)を満たすかぎり特段の限定はなく、従前の電気絶縁材(例えば、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーンゲル、電気絶縁ガス)を適宜利用できる。なお、電気絶縁材141の流動性が高い場合は、封止ケース142を配設した方がよい。 The electric insulating material 141 is not particularly limited as long as it satisfies the properties required for the power module for power control (for example, electric insulating property, withstand voltage resistance, arc discharge resistance, heat resistance), and the conventional electric insulating material is not limited. (For example, acrylic resin, unsaturated polyester resin, epoxy resin, silicone gel, electrically insulating gas) can be appropriately used. When the electrical insulating material 141 has high fluidity, it is better to dispose the sealing case 142.

前述したように、本発明のパワーモジュールおよびパワー半導体装置は、油冷機構による冷却・放熱を前提としていることから、冷媒162として電気絶縁油を用いることが好ましい。電気機器・電子機器に対する使用で必要とされる性状(例えば、電気絶縁性、耐熱性、難燃性、耐酸化性)を満たすかぎり特段の限定はなく、従前の電気絶縁油(例えば、鉱物油、アルキベンゼン、ポリブデン、アルキルナフタレン、アルキルジフェニルアルカン、エステル油、シリコーン油、植物油脂)を適宜利用できる。 As described above, since the power module and the power semiconductor device of the present invention are premised on cooling and heat dissipation by the oil cooling mechanism, it is preferable to use electrically insulating oil as the refrigerant 162. As long as it meets the properties required for use in electrical and electronic equipment (eg, electrical insulation, heat resistance, flame retardancy, oxidation resistance), there are no particular restrictions, and conventional electrical insulating oil (eg, mineral oil). , Alkibenzene, polybuden, alkylnaphthalene, alkyldiphenylalkane, ester oil, silicone oil, vegetable oil) can be appropriately used.

[第2実施形態]
図2Aは、第2実施形態に係るパワーモジュールの一例を示す斜視分解模式図であり、図2Bは、図2Aのパワーモジュールを用いたパワー半導体装置の一例を示す断面模式図である。
[Second Embodiment]
FIG. 2A is a perspective exploded schematic view showing an example of a power module according to the second embodiment, and FIG. 2B is a sectional schematic view showing an example of a power semiconductor device using the power module of FIG. 2A.

なお、図2Aにおいては、パワーモジュールの内部構成が分かり易くなるように、電気絶縁材による封止の図示を省略している。また、図2A、図2Bでは三端子のパワーモジュールを図示しているが、本発明はそれに限定されるものではなく、例えば二端子のパワーモジュールであってもよい。 In FIG. 2A, the illustration of the sealing with the electric insulating material is omitted so that the internal configuration of the power module can be easily understood. Further, although FIGS. 2A and 2B show a three-terminal power module, the present invention is not limited thereto, and may be, for example, a two-terminal power module.

図2Aに示したように、パワーモジュール200は、第1入出力端子231が接合材(例えば、はんだ、金属ペースト)を介して半導体素子221の一方の表面と電気的接続し、第2入出力端子232が接合材を介して半導体素子221の他方の表面と電気的接続し、ゲート信号端子233が導電ワイヤ234を介して半導体素子221の一方の表面と電気的接続する。すなわち、第1入出力端子231および第2入出力端子232が、半導体素子221を両面から挟み込むように接合される。 As shown in FIG. 2A, in the power module 200, the first input / output terminal 231 is electrically connected to one surface of the semiconductor element 221 via a bonding material (for example, solder or metal paste), and the second input / output terminal 231 is second input / output. The terminal 232 is electrically connected to the other surface of the semiconductor element 221 via a bonding material, and the gate signal terminal 233 is electrically connected to one surface of the semiconductor element 221 via the conductive wire 234. That is, the first input / output terminal 231 and the second input / output terminal 232 are joined so as to sandwich the semiconductor element 221 from both sides.

パワーモジュール200も、冷媒に接触させて冷却するパワーモジュールであり、第1入出力端子231における半導体素子221と接合した面と反対側の表面の一部、および第2入出力端子232における半導体素子221と接合した面と反対側の表面の一部に、冷媒と接触する熱放射金属層213bが形成されている。前述したパワーモジュール100と比較すると、パワーモジュール200の第1入出力端子231および第2入出力端子232は、パワーモジュール100の放熱層基材113aを兼ねていると見なすことができる。 The power module 200 is also a power module that cools by contacting with a refrigerant, and is a part of the surface of the first input / output terminal 231 opposite to the surface joined to the semiconductor element 221 and the semiconductor element of the second input / output terminal 232. A thermal radiation metal layer 213b that comes into contact with the refrigerant is formed on a part of the surface opposite to the surface bonded to the 221. Compared with the power module 100 described above, the first input / output terminal 231 and the second input / output terminal 232 of the power module 200 can be considered to also serve as the heat dissipation layer base material 113a of the power module 100.

図2Aでは図示していないが、電気絶縁性および機械的安定性の観点から、半導体素子221、導電ワイヤ234、第1入出力端子231、第2入出力端子232およびゲート信号端子233は、電気絶縁材241(図2B参照)で封止されることが好ましい。 Although not shown in FIG. 2A, from the viewpoint of electrical insulation and mechanical stability, the semiconductor element 221, the conductive wire 234, the first input / output terminal 231, the second input / output terminal 232, and the gate signal terminal 233 are electrically connected. It is preferably sealed with insulating material 241 (see FIG. 2B).

また、図2Bに示したように、パワー半導体装置250は、図2Aのパワーモジュール200を用いたパワー半導体装置であり、熱放射金属層213bと接触する冷媒262を流通させる冷却チャネル261を具備する。冷却チャネル261は、その冷却チャネル壁263が波長1μm以上8μm以下の赤外線を透過する誘電体からなることが好ましい。 Further, as shown in FIG. 2B, the power semiconductor device 250 is a power semiconductor device using the power module 200 of FIG. 2A, and includes a cooling channel 261 for circulating a refrigerant 262 in contact with the thermal radiation metal layer 213b. .. The cooling channel 261 is preferably made of a dielectric whose cooling channel wall 263 transmits infrared rays having a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less.

第2実施形態のパワーモジュール200およびパワー半導体装置250の各構成部材は、第1実施形態のパワーモジュール100およびパワー半導体装置150と同様のものを利用できる。また、第1実施形態と同様に、熱放射金属層213bのミクロ凹凸構造を物理的に保護するために、その表面上に保護層が形成されていてもよい。 As the constituent members of the power module 200 and the power semiconductor device 250 of the second embodiment, the same components as those of the power module 100 and the power semiconductor device 150 of the first embodiment can be used. Further, as in the first embodiment, in order to physically protect the microconcavo-convex structure of the thermal radiation metal layer 213b, a protective layer may be formed on the surface thereof.

以下、種々の実験により本発明をさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実験に記載された構成・構造に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by various experiments. However, the present invention is not limited to the configurations and structures described in these experiments.

[実験1]
(実施例1−1〜1−2および比較例1の模擬パワーモジュールの作製)
放熱層の構造による放熱特性の変化を試験評価するため、3種類の模擬パワーモジュールを作製した。まず、絶縁基板としてSiN基板(縦50 mm×横50 mm×厚さ0.635 mm)を用い、一方の表面上に回路層としてCu板(JIS C1020、縦48 mm×横48 mm×厚さ1.3 mm)を貼り付け、他方の表面上に放熱層としてCu板(JIS C1020、縦48 mm×横48 mm×厚さ1.0 mm)を貼り付けたものを用意した。
[Experiment 1]
(Manufacturing of simulated power modules of Examples 1-1 to 1-2 and Comparative Example 1)
Three types of simulated power modules were manufactured in order to test-evaluate changes in heat dissipation characteristics due to the structure of the heat dissipation layer. First, a SiN substrate (length 50 mm x width 50 mm x thickness 0.635 mm) is used as an insulating substrate, and a Cu plate (JIS C1020, length 48 mm x width 48 mm x thickness 1.3 mm) is used as a circuit layer on one surface. ) Was pasted, and a Cu plate (JIS C1020, length 48 mm x width 48 mm x thickness 1.0 mm) was pasted on the other surface as a heat dissipation layer.

つぎに、第1実施形態(図1A、図1B参照)を模する模擬パワーモジュール用として、放熱層のCu板の表面領域に、フォトリソグラフィ法を用いてミクロ凹凸構造(円柱状凹部:直径2μm×深さ2μm、円柱状凹部の面内方向ピッチ4.2μm)を有する熱放射金属層を形成した。また、第1実施形態を模する他の模擬パワーモジュール用として、放熱層のCu板の表面領域に、Cu粉末(平均粒径2μm)を付着接合して粒子状のミクロ凹凸構造を有する熱放射金属層を形成した。一方、比較例の模擬パワーモジュール用として、放熱層の表面領域にミクロ凹凸構造を形成しない(熱放射金属層を有しない)ものも用意した。 Next, for a simulated power module that imitates the first embodiment (see FIGS. 1A and 1B), a microconcavo-convex structure (cylindrical recess: diameter 2 μm) is applied to the surface region of the Cu plate of the heat dissipation layer by a photolithography method. A thermal radiation metal layer having a depth of 2 μm and an in-plane pitch of columnar recesses of 4.2 μm) was formed. Further, for another simulated power module that imitates the first embodiment, Cu powder (average particle size 2 μm) is adhered and bonded to the surface region of the Cu plate of the heat radiation layer to have a particle-like microconcavo-convex structure. A metal layer was formed. On the other hand, for the simulated power module of the comparative example, a module that does not form a microconcavo-convex structure in the surface region of the heat radiation layer (has no thermal radiation metal layer) was also prepared.

ミクロ凹凸構造を形成した放熱層の赤外線放射量とミクロ凹凸構造を形成していない放熱層の赤外線放射量とを、フーリエ変換赤外分光光度計により計測した。その結果、円柱状凹部のミクロ凹凸構造を形成した放熱層における、波長1〜8μmの赤外線の放射スペクトル積分量は、波長1〜20μmの赤外線の放射スペクトル積分量に対して0.6以上であった。粒子状のミクロ凹凸構造を形成した放熱層における、波長1〜8μmの赤外線の放射スペクトル積分量は、波長1〜20μmの赤外線の放射スペクトル積分量に対して0.5以上であった。一方、ミクロ凹凸構造を形成していない放熱層における、波長1〜8μmの赤外線の放射スペクトル積分量は、波長1〜20μmの赤外線の放射スペクトル積分量に対して0.2程度であった。 The infrared radiation amount of the heat radiation layer having the microconcavo-convex structure and the infrared radiation amount of the heat radiation layer not forming the microconcavo-convex structure were measured by a Fourier transform infrared spectrophotometer. As a result, the integral amount of the infrared emission spectrum of infrared rays having a wavelength of 1 to 8 μm in the heat radiating layer having the microconcave structure of the columnar recess was 0.6 or more with respect to the integral amount of the infrared emission spectrum of infrared rays having a wavelength of 1 to 20 μm. The integral amount of the infrared emission spectrum of infrared rays having a wavelength of 1 to 8 μm in the heat radiating layer having a particulate microconcave structure was 0.5 or more with respect to the integral amount of the infrared emission spectrum of infrared rays having a wavelength of 1 to 20 μm. On the other hand, the integral amount of the infrared emission spectrum of infrared rays having a wavelength of 1 to 8 μm in the heat radiating layer not forming the microconcavo-convex structure was about 0.2 with respect to the integral amount of the infrared emission spectrum of infrared rays having a wavelength of 1 to 20 μm.

発熱源となる半導体素子の代用としては、市販のポリイミド製のフィルムヒータ(縦12 mm×横12 mm×厚さ0.2 mm)の両面にCu板(JIS C1020、縦12 mm×横12 mm×厚さ1 mm)を貼り付けた模擬半導体素子を用意した。 As a substitute for the semiconductor element that is the heat generation source, Cu plates (JIS C1020, length 12 mm x width 12 mm x thickness) on both sides of a commercially available polyimide film heater (length 12 mm x width 12 mm x thickness 0.2 mm) A simulated semiconductor device with a 1 mm) attached was prepared.

つぎに、用意した模擬半導体素子を回路層のCu板上にはんだ接合し、その後、模擬半導体素子と回路層とを市販のシリコーンゲルで被覆封止した(放熱層は露出している)。これにより、放熱層表面に円柱状凹部のミクロ凹凸構造を有する実施例1−1、放熱層表面に粒子状のミクロ凹凸構造を有する実施例1−2、および放熱層表面にミクロ凹凸構造を有しない比較例1の模擬パワーモジュールを作製した。 Next, the prepared simulated semiconductor element was solder-bonded onto the Cu plate of the circuit layer, and then the simulated semiconductor element and the circuit layer were coated and sealed with a commercially available silicone gel (the heat dissipation layer was exposed). As a result, Example 1-1 has a micro-concavo-convex structure of columnar recesses on the surface of the heat-dissipating layer, Example 1-2 has a micro-concave structure of particles on the surface of the heat-dissipating layer, and the surface of the heat-dissipating layer has a micro-concave structure. A simulated power module of Comparative Example 1 was produced.

(実施例1−1〜1−2および比較例1の模擬パワー半導体装置の作製および放熱特性試験)
樹脂製の容器(冷却チャネル壁に相当)内に市販のエステル系電気絶縁油(冷媒に相当)を満たして冷却チャネルを用意し、上記で用意した模擬パワーモジュールの放熱層を冷媒に浸すように配置して実施例1−1〜1−2および比較例1の模擬パワー半導体装置を作製した。
(Manufacture of simulated power semiconductor device of Examples 1-1 to 1-2 and Comparative Example 1 and heat dissipation characteristic test)
Fill a resin container (corresponding to the cooling channel wall) with commercially available ester-based electrical insulating oil (corresponding to the refrigerant) to prepare a cooling channel, and immerse the heat dissipation layer of the simulated power module prepared above in the refrigerant. Arranged to produce simulated power semiconductor devices of Examples 1-1 to 1-2 and Comparative Example 1.

なお、使用した樹脂製容器およびエステル系電気絶縁油の赤外線透過率を別途測定したところ、いずれも波長1〜8μmの赤外線の透過率が90%以上であった。すなわち、使用した樹脂製容器およびエステル系電気絶縁油は、当該赤外線に対してほぼ透明であると見なせる。 When the infrared transmittances of the resin container and the ester-based electrical insulating oil used were separately measured, the infrared transmittances of infrared rays having a wavelength of 1 to 8 μm were 90% or more. That is, the resin container and ester-based electrically insulating oil used can be regarded as being substantially transparent to the infrared rays.

つぎに、模擬パワー半導体装置の放熱特性試験を行った。冷媒の温度が60±1℃となるように温度調節しながら冷媒を循環させ、模擬半導体素子の温度が150±1℃となるように調整しながら投入電力P(単位:W)を計測した。なお、模擬パワー半導体装置は、模擬パワーモジュールの放熱層が室温環境の机の天板面と対面するように設置した。 Next, a heat dissipation characteristic test of a simulated power semiconductor device was performed. The refrigerant was circulated while adjusting the temperature so that the temperature of the refrigerant was 60 ± 1 ° C, and the input power P (unit: W) was measured while adjusting the temperature of the simulated semiconductor element to 150 ± 1 ° C. The simulated power semiconductor device was installed so that the heat dissipation layer of the simulated power module faces the top plate surface of the desk in a room temperature environment.

模擬パワー半導体装置の放熱特性は、模擬パワーモジュールから設置環境への実効熱伝達性he(単位:W/(m2・K))と考えることができる。すなわち、模擬半導体素子への投入電力P(単位:W)、模擬半導体素子の温度Ts(150℃=423 K)、冷媒の温度Tc(60℃=333 K)、模擬半導体素子の面積A(12 mm×12 mm=1.44×10-4 m2)から、
関係式「he=P/A(Ts−Tc)」
により求めることができる。
Heat dissipation characteristics of the simulated power semiconductor device, the effective heat transfer property h e (Unit: W / (m 2 · K )) from the simulated power module to the installation environment and can be considered. That is, the input power P (unit: W) to the simulated semiconductor element, the temperature T s (150 ° C = 423 K) of the simulated semiconductor element, the temperature T c (60 ° C = 333 K) of the refrigerant, and the area A of the simulated semiconductor element. From (12 mm x 12 mm = 1.44 x 10 -4 m 2 )
Relational expression "h e = P / A (T s − T c )"
Can be obtained by.

比較例1(放熱層表面にミクロ凹凸構造なし)の模擬パワー半導体装置における放熱特性を基準として、実施例1−1(放熱層表面に円柱状凹部のミクロ凹凸構造あり)の模擬パワー半導体装置および実施例1−2(放熱層表面に粒子状のミクロ凹凸構造あり)の模擬パワー半導体装置における放熱特性の比率を求めた。結果を表1に示す。表1から明らかなように、実施例1−1および実施例1−2の模擬パワー半導体装置は、それぞれ比較例1のそれよりも約2.4倍および約2.1倍の放熱特性を示すことが確認された。 Based on the heat dissipation characteristics of the simulated power semiconductor device of Comparative Example 1 (no micro-concavo-convex structure on the surface of the heat-dissipating layer), the simulated power semiconductor device of Example 1-1 (having a micro-concavo-convex structure of cylindrical recesses on the surface of the heat-dissipating layer) and The ratio of heat dissipation characteristics in the simulated power semiconductor device of Example 1-2 (having a particle-like microconcavo-convex structure on the surface of the heat dissipation layer) was determined. The results are shown in Table 1. As is clear from Table 1, it was confirmed that the simulated power semiconductor devices of Example 1-1 and Example 1-2 exhibit heat dissipation characteristics of about 2.4 times and about 2.1 times that of Comparative Example 1, respectively. It was.

Figure 2021068838
Figure 2021068838

[実験2]
(実施例2および比較例2のパワー半導体装置の作製および通電試験)
第1実施形態に係るパワー半導体装置(図1B参照)を作製した。まず、絶縁基板としてAlN基板(縦50 mm×横50 mm×厚さ0.635 mm)を用い、一方の表面上に回路層としてCu板(JIS C1020、縦48 mm×横48 mm×厚さ0.3 mm)を貼り付け、他方の表面上に放熱層としてCu板(JIS C1020、縦48 mm×横48 mm×厚さ0.2 mm)を貼り付けたものを用意した。
[Experiment 2]
(Manufacturing and energization test of power semiconductor devices of Example 2 and Comparative Example 2)
A power semiconductor device (see FIG. 1B) according to the first embodiment was manufactured. First, an AlN substrate (length 50 mm x width 50 mm x thickness 0.635 mm) is used as an insulating substrate, and a Cu plate (JIS C1020, length 48 mm x width 48 mm x thickness 0.3 mm) is used as a circuit layer on one surface. ) Was pasted, and a Cu plate (JIS C1020, length 48 mm x width 48 mm x thickness 0.2 mm) was pasted on the other surface as a heat dissipation layer.

つぎに、実施例2のパワーモジュール用として、放熱層のCu板の表面領域に、実験1と同様にミクロ凹凸構造(円柱状凹部:直径2μm×深さ2μm、円柱状凹部の面内方向ピッチ4.2μm)を有する熱放射金属層を形成した。一方、比較例2のパワーモジュール用として、放熱層の表面領域にミクロ凹凸構造を形成しない(熱放射金属層を有しない)ものも用意した。 Next, for the power module of Example 2, the surface region of the Cu plate of the heat dissipation layer has a microconcavo-convex structure (cylindrical recess: diameter 2 μm × depth 2 μm, in-plane pitch of the columnar recess) as in Experiment 1. A thermal radiation metal layer having 4.2 μm) was formed. On the other hand, for the power module of Comparative Example 2, a module that does not form a microconcavo-convex structure in the surface region of the heat radiation layer (has no thermal radiation metal layer) was also prepared.

半導体素子としてIGBTおよびダイオード素子を用意し、それらを焼結型Cu接合ペーストを用いて回路層の上に接合した。導電ワイヤとしてAlワイヤ(JIS A1050、直径0.3 mm)を用意し、半導体素子と導電ワイヤと回路層との接合は、超音波接合法により行った。その後、半導体素子と回路層と導電ワイヤとを市販のシリコーンゲルで被覆封止した(放熱層は露出している)。これにより、実施例2および比較例2のパワーモジュールを作製した。 IGBTs and diode elements were prepared as semiconductor elements, and they were bonded onto the circuit layer using a sintered Cu bonding paste. An Al wire (JIS A1050, diameter 0.3 mm) was prepared as the conductive wire, and the semiconductor element, the conductive wire, and the circuit layer were bonded by an ultrasonic bonding method. Then, the semiconductor element, the circuit layer, and the conductive wire were coated and sealed with a commercially available silicone gel (the heat radiation layer was exposed). As a result, the power modules of Example 2 and Comparative Example 2 were produced.

つぎに、実験1と同様にして、冷却チャネルと組み合わせて実施例2および比較例2のパワー半導体装置を作製した。 Next, in the same manner as in Experiment 1, power semiconductor devices of Example 2 and Comparative Example 2 were produced in combination with a cooling channel.

作製した実施例2および比較例2のパワー半導体装置に対して、実験1と同様に冷媒の温度が60±1℃となるように温度調節しながら冷媒を循環させ、IGBTの温度が150±1℃となるように調整しながら投入電流量を計測した。その結果、実施例2のパワー半導体装置は、比較例2のそれに比して約1.5倍の電流量を投入できることが確認された。これは、実施例2のパワー半導体装置の放熱特性が比較例2よりも高いことに起因すると考えられる。 In the power semiconductor devices of Example 2 and Comparative Example 2 produced, the refrigerant was circulated while adjusting the temperature so that the temperature of the refrigerant was 60 ± 1 ° C as in Experiment 1, and the temperature of the IGBT was 150 ± 1. The input current amount was measured while adjusting the temperature to ℃. As a result, it was confirmed that the power semiconductor device of Example 2 can input a current amount about 1.5 times that of that of Comparative Example 2. It is considered that this is because the heat dissipation characteristic of the power semiconductor device of Example 2 is higher than that of Comparative Example 2.

[実験3]
(実施例3のパワー半導体装置の作製および通電試験)
まず、実施例2と同じ回路層/絶縁基板/放熱層の積層基板を用意した。つぎに、実施例3のパワーモジュール用として、放熱層のCu板の表面領域に、ミクロ凹凸構造(円柱状凹部:直径1.5μm×深さ1.5μm、円柱状凹部の面内方向ピッチ3μm)を有する熱放射金属層を形成した。
[Experiment 3]
(Manufacturing of Power Semiconductor Device of Example 3 and Energization Test)
First, the same circuit layer / insulating substrate / heat dissipation layer laminated substrate as in Example 2 was prepared. Next, for the power module of Example 3, a microconcavo-convex structure (cylindrical recess: diameter 1.5 μm × depth 1.5 μm, in-plane pitch of the columnar recess 3 μm) is formed in the surface region of the Cu plate of the heat dissipation layer. A thermal radiation metal layer having was formed.

上記のミクロ凹凸構造を形成した放熱層の赤外線放射量を、フーリエ変換赤外分光光度計により計測した。その結果、波長1〜8μmの赤外線の放射スペクトル積分量は、波長1〜20μmの赤外線の放射スペクトル積分量に対して0.4以上であった。 The amount of infrared radiation of the heat radiating layer having the above-mentioned microconcavo-convex structure was measured by a Fourier transform infrared spectrophotometer. As a result, the integrated amount of infrared radiation spectrum with a wavelength of 1 to 8 μm was 0.4 or more with respect to the integrated amount of infrared radiation with a wavelength of 1 to 20 μm.

つぎに、実施例2と同様に、IGBTおよびダイオード素子を、焼結型Cu接合ペーストを用いて回路層の上に接合した。半導体素子と導電ワイヤと回路層との接合は、超音波接合法により行った。その後、半導体素子と回路層と導電ワイヤとを市販のシリコーンゲルで被覆封止し(放熱層は露出している)、熱放射金属層のミクロ凹凸構造を物理的に保護するために、その表面上にアクリル樹脂の保護層(厚さ50μm)を形成した。これにより、実施例3のパワーモジュールを作製した。 Next, in the same manner as in Example 2, the IGBT and the diode element were bonded onto the circuit layer using a sintered Cu bonding paste. The semiconductor element, the conductive wire, and the circuit layer were joined by an ultrasonic joining method. After that, the semiconductor element, the circuit layer, and the conductive wire are coated and sealed with a commercially available silicone gel (the heat radiation layer is exposed), and the surface thereof is used to physically protect the microconcavo-convex structure of the thermal radiation metal layer. A protective layer of acrylic resin (thickness 50 μm) was formed on the top. As a result, the power module of Example 3 was produced.

作製した実施例3のパワー半導体装置に対し、実験2と同じ通電試験を行った。その結果、実施例3のパワー半導体装置は、実施例2のそれと同等の電流量(すなわち、比較例2のそれに比して約1.5倍の電流量)を投入できることが確認された。これは、熱放射金属層のミクロ凹凸構造の上に形成した保護層は、放熱特性に悪影響を及ぼさないことを意味する。 The same energization test as in Experiment 2 was performed on the produced power semiconductor device of Example 3. As a result, it was confirmed that the power semiconductor device of Example 3 can input a current amount equivalent to that of Example 2 (that is, a current amount about 1.5 times that of Comparative Example 2). This means that the protective layer formed on the microconcavo-convex structure of the thermal radiation metal layer does not adversely affect the heat dissipation characteristics.

[実験4]
(実施例4および比較例4のパワー半導体装置の作製および通電試験)
第2実施形態に係るパワーモジュールおよびパワー半導体装置(図2A、図2B参照)を作製した。半導体素子としてIGBTおよびダイオード素子を用意し、第1入出力端子および第2入出力端子としてCu板(JIS C1020、縦80 mm×横40 mm(最長部)×厚さ1 mm(最薄部)〜1.5 mm(最厚部))を用意し、ゲート信号端子としてCu板(JIS C1020、縦35 mm×横5 mm×厚さ0.5 mm)を用意し、導電ワイヤとしてAlワイヤ(JIS A1050、直径0.3 mm)を用意した。
[Experiment 4]
(Manufacturing and energization test of power semiconductor devices of Example 4 and Comparative Example 4)
A power module and a power semiconductor device (see FIGS. 2A and 2B) according to the second embodiment were manufactured. An IGBT and a diode element are prepared as semiconductor elements, and a Cu plate (JIS C1020, length 80 mm x width 40 mm (longest part) x thickness 1 mm (thinnest part)) is prepared as the first input / output terminal and the second input / output terminal. ~ 1.5 mm (thickest part)) is prepared, a Cu plate (JIS C1020, length 35 mm x width 5 mm x thickness 0.5 mm) is prepared as a gate signal terminal, and an Al wire (JIS A1050, diameter) is prepared as a conductive wire. 0.3 mm) was prepared.

実施例4のパワーモジュール用として、第1入出力端子および第2入出力端子のCu板の外側の表面領域に(第1入出力端子および第2入出力端子において半導体素子と接合する面と反対側の面の表面領域に)、実験3と同様にミクロ凹凸構造(円柱状凹部:直径1.5μm×深さ1.5μm、円柱状凹部の面内方向ピッチ3μm)を有する熱放射金属層を形成した。一方、比較例4のパワーモジュール用として、第1入出力端子および第2入出力端子の外側の表面領域にミクロ凹凸構造を形成しない(熱放射金属層を有しない)ものも用意した。 For the power module of the fourth embodiment, in the outer surface region of the Cu plate of the first input / output terminal and the second input / output terminal (opposite the surface of the first input / output terminal and the second input / output terminal to be joined to the semiconductor element). In the surface region of the side surface), a thermal radiation metal layer having a microconcavo-convex structure (cylindrical recess: diameter 1.5 μm × depth 1.5 μm, columnar recess in-plane pitch 3 μm) was formed as in Experiment 3. .. On the other hand, for the power module of Comparative Example 4, a module that does not form a microconcavo-convex structure (does not have a thermal radiation metal layer) is also prepared in the outer surface region of the first input / output terminal and the second input / output terminal.

第1入出力端子および第2入出力端子で半導体素子を両面から挟み込むように接合する際に、第1入出力端子の熱放射金属層を形成していない面と半導体素子との接合、および第2入出力端子の熱放射金属層を形成していない面と半導体素子との接合は、焼結型Cu接合ペーストを用いて行った。半導体素子と導電ワイヤとゲート信号端子との接合は、超音波接合法により行った。 When the semiconductor element is sandwiched between the first input / output terminal and the second input / output terminal so as to be sandwiched from both sides, the surface of the first input / output terminal on which the thermal radiation metal layer is not formed is bonded to the semiconductor element, and the first 2. The surface of the input / output terminal on which the thermal radiation metal layer was not formed was bonded to the semiconductor element using a sintered Cu bonding paste. The semiconductor element, the conductive wire, and the gate signal terminal were joined by an ultrasonic joining method.

その後、第1入出力端子と半導体素子と導電ワイヤとゲート信号端子と第2入出力端子とをトランスファーモールド法によりエポキシ系樹脂で封止した。このとき、第1入出力端子および第2入出力端子における半導体素子と接合した面と反対側の面の表面は、樹脂封止せずにCu板が露出するようにした。これにより、実施例4および比較例4のパワーモジュールを作製した。 Then, the first input / output terminal, the semiconductor element, the conductive wire, the gate signal terminal, and the second input / output terminal were sealed with an epoxy resin by a transfer molding method. At this time, the Cu plate was exposed on the surface of the first input / output terminal and the second input / output terminal on the side opposite to the surface joined to the semiconductor element without resin sealing. As a result, the power modules of Example 4 and Comparative Example 4 were produced.

つぎに、樹脂製の容器(冷却チャネル壁に相当)内に市販のエステル系電気絶縁油を満たして冷却チャネルを用意し、上記で用意したパワーモジュールを電気絶縁油に浸すように配置して実施例4および比較例4の模擬パワー半導体装置を作製した。 Next, a commercially available ester-based electric insulating oil is filled in a resin container (corresponding to the cooling channel wall) to prepare a cooling channel, and the power module prepared above is arranged so as to be immersed in the electric insulating oil. The simulated power semiconductor devices of Example 4 and Comparative Example 4 were produced.

作製した実施例2および比較例2のパワー半導体装置に対して、実験1と同様に電気絶縁油の温度が60±1℃となるように温度調節しながら冷媒を循環させ、IGBTの温度が150±1℃となるように調整しながら投入電流量を計測した。その結果、実施例4のパワー半導体装置は、比較例4のそれに比して約1.4倍の電流量を投入できることが確認された。これは、実施例4のパワー半導体装置の放熱特性が比較例4よりも高いことに起因すると考えられる。 The refrigerant was circulated in the produced power semiconductor devices of Example 2 and Comparative Example 2 while adjusting the temperature so that the temperature of the electrically insulating oil was 60 ± 1 ° C. as in Experiment 1, and the temperature of the IGBT was 150. The input current amount was measured while adjusting the temperature to ± 1 ° C. As a result, it was confirmed that the power semiconductor device of Example 4 can input a current amount about 1.4 times that of that of Comparative Example 4. It is considered that this is because the heat dissipation characteristic of the power semiconductor device of Example 4 is higher than that of Comparative Example 4.

上述した実施形態や実験例は、本発明の理解を助けるために説明したものであり、本発明は、記載した具体的な構成のみに限定されるものではない。例えば、実施形態の構成の一部を当業者の技術常識の構成に置き換えることが可能であり、また、実施形態の構成に当業者の技術常識の構成を加えることも可能である。すなわち、本発明は、本明細書の実施形態や実験例の構成の一部について、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。 The above-described embodiments and experimental examples have been described for the purpose of assisting the understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the specific configurations described. For example, it is possible to replace a part of the configuration of the embodiment with the configuration of common general technical knowledge of those skilled in the art, and it is also possible to add the configuration of common general technical knowledge of those skilled in the art to the configuration of the embodiment. That is, the present invention may delete, replace with another configuration, or add another configuration to a part of the configurations of the embodiments and experimental examples of the present specification without departing from the technical idea of the invention. It is possible.

100…パワーモジュール、
111…絶縁基板、112…回路層、
113…放熱層、113a…放熱層基材、113b…熱放射金属層、121…半導体素子、
131…第1入出力端子、132…第2入出力端子、133…ゲート信号端子、
134…導電ワイヤ、141…電気絶縁材、142…封止ケース、
150…パワー半導体装置、
161…冷却チャネル、162…冷媒、163…冷却チャネル壁、
200…パワーモジュール、
213b…熱放射金属層、221…半導体素子、
231…第1入出力端子、232…第2入出力端子、233…ゲート信号端子、
234…導電ワイヤ、241…電気絶縁材、
250…パワー半導体装置、
261…冷却チャネル、262…冷媒、263…冷却チャネル壁。
100 ... Power module,
111 ... Insulation board, 112 ... Circuit layer,
113 ... Heat dissipation layer, 113a ... Heat dissipation layer base material, 113b ... Thermal radiation metal layer, 121 ... Semiconductor element,
131 ... 1st input / output terminal, 132 ... 2nd input / output terminal, 133 ... gate signal terminal,
134 ... Conductive wire, 141 ... Electrical insulation, 142 ... Sealing case,
150 ... Power semiconductor devices,
161 ... Cooling channel, 162 ... Refrigerant, 163 ... Cooling channel wall,
200 ... Power module,
213b ... Thermal radiation metal layer, 221 ... Semiconductor element,
231 ... 1st input / output terminal, 232 ... 2nd input / output terminal, 233 ... gate signal terminal,
234 ... Conductive wire, 241 ... Electrical insulation,
250 ... Power semiconductor devices,
261 ... Cooling channel, 262 ... Refrigerant, 263 ... Cooling channel wall.

Claims (7)

冷媒に接触させて冷却するパワーモジュールであって、
半導体素子と、
前記半導体素子の一方の表面と電気的接続した第1入出力端子と、
前記半導体素子の他方の表面と電気的接続した第2入出力端子とを有し、
前記半導体素子、前記第1入出力端子および前記第2入出力端子が、電気絶縁材で封止されており、
前記冷媒と接触する前記パワーモジュールの表面に、所定のミクロ凹凸構造を有する熱放射金属層を有することを特徴とするパワーモジュール。
A power module that cools by contacting with a refrigerant.
With semiconductor elements
A first input / output terminal electrically connected to one surface of the semiconductor element,
It has a second input / output terminal that is electrically connected to the other surface of the semiconductor element.
The semiconductor element, the first input / output terminal, and the second input / output terminal are sealed with an electric insulating material.
A power module characterized by having a thermal radiation metal layer having a predetermined microconcavo-convex structure on the surface of the power module in contact with the refrigerant.
請求項1に記載のパワーモジュールにおいて、
前記冷媒が電気絶縁油であることを特徴とするパワーモジュール。
In the power module according to claim 1,
A power module characterized in that the refrigerant is an electrically insulating oil.
請求項1又は請求項2に記載のパワーモジュールにおいて、
絶縁基板を更に有し、
前記絶縁基板の一方の表面上に前記半導体素子が配設され、
前記絶縁基板の他方の表面上に放熱層が配設され、
前記放熱層の表面領域に前記熱放射金属層が形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
In the power module according to claim 1 or 2.
It also has an insulating substrate,
The semiconductor element is arranged on one surface of the insulating substrate, and the semiconductor element is arranged.
A heat dissipation layer is provided on the other surface of the insulating substrate.
A power module characterized in that the thermal radiation metal layer is formed in a surface region of the heat radiation layer.
請求項1又は請求項2に記載のパワーモジュールにおいて、
前記第1入出力端子および前記第2入出力端子が、前記半導体素子を両面から挟み込むように接合され、
前記第1入出力端子における前記半導体素子と接合した面と反対側の面の一部、および前記第2入出力端子における前記半導体素子と接合した面と反対側の面の一部が、共に前記冷媒と接触する表面であることを特徴とするパワーモジュール。
In the power module according to claim 1 or 2.
The first input / output terminal and the second input / output terminal are joined so as to sandwich the semiconductor element from both sides.
A part of the surface of the first input / output terminal opposite to the surface bonded to the semiconductor element and a part of the surface of the second input / output terminal opposite to the surface bonded to the semiconductor element are both described above. A power module characterized by having a surface that comes into contact with a refrigerant.
請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載のパワーモジュールにおいて、
前記所定のミクロ凹凸構造は、該凹凸のピッチが0.5μm以上10μm以下の範囲内にあり、該凹凸のギャップが0.25μm以上10μm以下の範囲内にあることを特徴とするパワーモジュール。
In the power module according to any one of claims 1 to 4.
The predetermined microconcavo-convex structure is a power module characterized in that the pitch of the concavo-convex is within a range of 0.5 μm or more and 10 μm or less, and the gap of the concavo-convex is within a range of 0.25 μm or more and 10 μm or less.
請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載のパワーモジュールにおいて、
前記熱放射金属層の表面上に保護層が形成され、
前記保護層が波長1μm以上8μm以下の赤外線を透過する誘電体からなることを特徴とするパワーモジュール。
In the power module according to any one of claims 1 to 5.
A protective layer is formed on the surface of the thermal radiation metal layer,
A power module characterized in that the protective layer is made of a dielectric material that transmits infrared rays having a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less.
パワーモジュールを用いたパワー半導体装置であって、
前記パワーモジュールは、請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載のパワーモジュールであり、
前記熱放射金属層と接触する前記冷媒を流通させる冷却チャネルを具備し、
前記冷却チャネルを構成する冷却チャネル壁が波長1μm以上8μm以下の赤外線を透過する誘電体からなることを特徴とするパワー半導体装置。
A power semiconductor device that uses a power module.
The power module is the power module according to any one of claims 1 to 6.
A cooling channel for circulating the refrigerant in contact with the thermal radiation metal layer is provided.
A power semiconductor device characterized in that the cooling channel wall constituting the cooling channel is made of a dielectric material that transmits infrared rays having a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less.
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