JP2021177517A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device.
近年、産業機械や車両(例えば、自動車、鉄道車両)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と小型化とが要求されている。それに伴い、パワーモジュールや半導体装置に対して、大電力化、且つ、小型化の要求が強まっている。 In recent years, the electrification and electronic control of power sources for industrial machines and vehicles (for example, automobiles and railroad vehicles) have been progressing more and more in recent years, and the power sources are required to have high output and miniaturization. Along with this, there is an increasing demand for higher power and smaller size for power modules and semiconductor devices.
半導体装置の大電力化に伴い運転時の発熱量が増大することから、半導体装置を構成する半導体素子の発熱を効率的に放熱・冷却する必要がある。半導体素子の放熱・冷却方法としては、従来、半導体素子の近傍にヒートシンクなどの放熱部材を配設し、該放熱部材を冷媒に接触させて放熱・冷却する方法が一般的であった。冷媒としては、水や油が挙げられる。 Since the amount of heat generated during operation increases as the power of the semiconductor device increases, it is necessary to efficiently dissipate and cool the heat generated by the semiconductor elements constituting the semiconductor device. As a method for radiating and cooling a semiconductor element, conventionally, a method in which a heat radiating member such as a heat sink is arranged in the vicinity of the semiconductor element and the radiating member is brought into contact with a refrigerant to radiate and cool the semiconductor element has been generally used. Examples of the refrigerant include water and oil.
また、動力源機構全体の小型化要求に伴い、動力源と半導体装置との近接配置が求められている。近接配置の例として、一体化が挙げられる。動力源と半導体装置の一体化により、半導体装置はより厳しい温度環境下におかれる。そこで、高熱対策および電気絶縁性を満たすために、半導体装置と動力源本体の冷却機構を油冷機構とすることが考えられる。油は絶縁性を持たせることが可能であり、油冷機構とすることにより、発熱部位を直接冷却することができるためである。 Further, with the demand for miniaturization of the entire power source mechanism, close arrangement of the power source and the semiconductor device is required. An example of close placement is integration. The integration of the power source and the semiconductor device puts the semiconductor device in a more severe temperature environment. Therefore, in order to satisfy high heat countermeasures and electrical insulation, it is conceivable to use an oil cooling mechanism for the cooling mechanism of the semiconductor device and the power source main body. This is because the oil can have an insulating property, and the heat generating portion can be directly cooled by using the oil cooling mechanism.
上述したとおり、動力源機構全体の小型化要求及び大電力化を満たすために、熱を効率良く放出させなければならない。電子機器の発熱源の熱を効率よく放出させる手段として波長選択性熱放射材料を用いることが知られている。 As described above, heat must be efficiently released in order to meet the demand for miniaturization and high power consumption of the entire power source mechanism. It is known that a wavelength-selective heat radiant material is used as a means for efficiently releasing heat from a heat source of an electronic device.
特許文献1には、発熱源が特定の赤外線透過波長域を有する樹脂部材で覆われている電子機器において、周期的な表面微細凹凸パターンを形成する多数のマイクロキャビティが二次元配列された熱放射面を有する波長選択性熱放射材料を発熱源と樹脂部材との間に配置することが開示されている。
In
また、特許文献2には、ヒートシンクは、筐体の開口を防ぐベース部と、筐体内の熱を空間の外部に効率よく放出するための放熱フィンが開示されている。
Further,
特許文献1には、電子機器の放熱効率を向上させるために、波長選択性熱放射材料を電子機器に用いている。しかしながら、熱対流などの他の放熱形態は考慮されておらず、さらなる放熱性向上が望まれている。
In
特許文献2では、基板に実装された電子部品から発生した熱を、放熱部材を介して基板から金属板に伝導し、金属板に伝導された熱を、ネジを介してヒートシンクに伝導することにより、熱を逃がしている。しかしながら、熱放射などの他の放熱形態は考慮されておらず、さらなる放熱性向上が望まれている。
In
特許文献1及び特許文献2において、さらに放熱性を向上させるためには、冷媒を用いて、放熱体を直接冷却することが考えられる。しかしながら、Cuなどの放熱基材に使用される材料は、油や水などの冷媒に直接触れさせ続けると、基材表面の酸化、油に含まれる水等の不純物によって腐食が生じる。基材が腐食すると、腐食により生成した析出物が冷媒に混入し、粘度等の冷媒の流動性が変化する。その結果、放熱性が低下するおそれがある。
In
したがって、本発明の目的は、放熱性が向上した半導体装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device having improved heat dissipation.
上記課題を解決するための本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、半導体素子を有する回路層と、回路層が設置された絶縁基板と、絶縁基板の回路層が設置された面と反対側の面にされた放熱層と、放熱層に設けられたフィンと、フィンと放熱層の接合部を覆う樹脂と、を備え、放熱層は、熱を電磁波として放射する熱放射層を有し、フィンは冷媒に浸漬していることを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention for solving the above problems is a semiconductor element, a circuit layer having the semiconductor element, an insulating substrate on which the circuit layer is installed, and a side opposite to the surface on which the circuit layer of the insulating substrate is installed. The heat-dissipating layer includes a heat-dissipating layer, fins provided on the heat-dissipating layer, and a resin that covers a joint between the fins and the heat-dissipating layer. The fins are characterized in that they are immersed in a refrigerant.
本発明によれば、放熱性が向上した半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having improved heat dissipation.
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係る回路体100の模式図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic view of the
図1に示すように、回路体100は、半導体素子121と、半導体素子121を有する回路層112と、回路層112が設置された絶縁基板111と、回路層112を介して半導体素子121と電気的に接続した第1入出力端子131と、回路層112と半導体素子を電気的に接続する導電ワイヤ134と、導電ワイヤ134と回路層112を介して半導体素子121と電気的に接続した第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の制御のためのゲート信号を送信するゲート信号端子133と、を有する。
As shown in FIG. 1, the
半導体素子121は、従前の半導体素子を適用すれば良い。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。
As the
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を満たせれば良く、セラミックス基板、樹脂基板などの従前の絶縁基板を適宜利用できる。耐電圧性、比誘電率、機械的強度の観点から絶縁基板を選択することが好ましい。また、絶縁基板111の厚さは、例えば0.1mm以上5mm以下の範囲内で適宜選定できる。
The
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 the ceramic substrate include an alumina (Al 2 O 3 ) substrate, an alumina zirconia (Al 2 O 3 / ZrO 2 ) substrate, an aluminum nitride (AlN) substrate, a silicon nitride (SiN) substrate, 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.
また、絶縁基板111上への回路層112および放熱層113の形成方法は、従前の方法を適宜利用できる。例えば、金属ペーストなどの接合材261を介した貼付接合、溶湯接合により一体化することができる。
Further, as a method for forming the
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を満たせれば良い。導電性、通電電流量、コスト等の観点から、回路層の構成を選択する。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0.01mm以上3mm以下の範囲内で適宜選定することが好ましい。また、回路層112と導電部品との接合性の観点から、回路層112の表面の一部に接合金属層をめっき形成してもよい。導電部品としては、半導体素子、入出力端子、ゲート信号端子などが挙げられる。また、接合金属層としては、金(Au)層、銀(Ag)層、ニッケル(Ni)層が挙げられる。
The
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を満たせれば良い。導電性、通電電流量、コストの観点から、導電ワイヤ134の材質を選択する。例えば、Alワイヤ、Cuワイヤを適宜利用できる。
The
図2は、図1の回路体を用いた半導体装置150の断面を示す模式図である。 FIG. 2 is a schematic view showing a cross section of the semiconductor device 150 using the circuit body of FIG.
図2に示すように、半導体装置150は、図1に記載された回路体100と、回路体の絶縁基板111に設けられた放熱層113と、放熱層113に接合されたフィン115と、放熱層113とフィン115との接合部を覆っている樹脂層114と、フィンを浸している冷媒162と、半導体素子121、及び半導体素子121と回路層112の接合部と、を封止している電気絶縁材141と、該電気絶縁材141を覆う封止ケース142と、を有する。放熱層113は、絶縁基板111の回路層が形成された面と反対の面に設けられている。また、放熱層113は、放熱基材113aと、放熱基材113aの表面に形成された熱放射層113bと、を有する。
As shown in FIG. 2, the semiconductor device 150 dissipates heat from the
本実施形態の冷媒162は、例えば、油、水である。油は電気絶縁性を持たせることができ、放熱部を直接冷却できるという利点がある。冷媒として用いることができる油の性質としては、電気絶縁性、耐熱性、難燃性、耐酸化性等の電気機器・電子機器に対する使用で必要とされる性状を満たせれば良い。具体的には、鉱物油、アルキルベンゼン、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、シリコーン油が挙げられる。
The
上述のように、放熱層113とフィン115との接合部を、樹脂層114で覆うことにより、冷媒との接触による放熱基材113a、熱放射層113bの酸化や腐食を抑制できる。また、樹脂層による放熱層とフィンの接合部の保護は、放熱基材113aとフィン115との接合部で起こりやすいクラックを抑制する効果もある。
As described above, by covering the joint portion between the
樹脂層114を構成する材料としては、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、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリエステルイミド樹脂、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。耐熱性、耐油性の観点からは、樹脂層を構成する材料としては、エポキシ樹脂、ポリアミドイミド樹脂などが好ましい。
Examples of the material constituting the
放熱板の腐食防止とクラック抑制の観点から、樹脂層の厚さは、1μm以上100μm以下であることが好ましく、5μm以上50μm以下であることがより好ましい。 From the viewpoint of preventing corrosion of the heat radiating plate and suppressing cracks, the thickness of the resin layer is preferably 1 μm or more and 100 μm or less, and more preferably 5 μm or more and 50 μm or less.
しかしながら、樹脂層114は、放熱基材113aやフィン115を構成する金属材料よりも熱伝導率が低いため、樹脂層114を設けることにより酸化や腐食、クラックの発生を抑制できても、放熱性を低下させるおそれがある。
However, since the
そこで、本発明の一実施形態に係る半導体装置では、樹脂層114を透過する電磁波として熱を放射する熱放射層113bを有する放熱層113を回路体100の表面に設けた。
Therefore, in the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, a
放熱基材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と同様の材料を好適に利用できる。例えば、Al、Cu、Cu合金が好ましい。回路体の反りを抑制するのに重要なパラメータである放熱基材113aの厚さは、回路層の厚さと同じかそれ以上であることが好ましく、0.01以上3mm以下の範囲内であることが好ましい。例えば、回路層の厚さが0.2mmのとき、放熱基材113aの厚さは0.3mmにすると良い。
It is important that the heat
図3は、放熱層113を示した斜視図である。また、図4は、熱放射層113bのミクロ凹凸構造116を示した図である。図3に示すように、放熱基材113aの表面に、所定のミクロ凹凸構造116を有する熱放射層113bが形成されている。図4に示すミクロ凹凸構造116のピッチ118(凸部の長さと凹部の長さを合わせた長さ)とギャップ119(凸部の高さ又は凹部の深さ)を調整することにより、放射される電磁波の波長域を制御することができる。熱放射層113bの表面から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。凹部が円柱状キャビティの場合は、円柱の直径117を調整しても良い。
FIG. 3 is a perspective view showing the
樹脂層114は波長1μm以上8μm以下の赤外線を透過しやすいため、本実施形態に係る熱放射層は、波長1μm以上8μm以下の赤外線を放射することが好ましい。図5に、本発明の一実施形態に係る熱放射層の各波長における赤外線の吸収スペクトルを示す。図5に示すように、熱放射層は波長1μm以上8μm以下の赤外線を吸収していることが分かる。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ため、図5より熱放射層は、波長1μm以上8μm以下の赤外線を放射することが分かる。
Since the
熱放射層のミクロ凹凸構造のピッチは0.5μm以上10μm以下、ギャップ119は0.25μm以上10μm以下の範囲内にあることが好ましい。ミクロ凹凸構造のピッチを0.5μm以下10μm以下、ミクロ凹凸構造のギャップを0.25μm以上10μm以下とすることにより、熱エネルギーを波長1μm以上8μm以下の赤外線に変換して放射することができる。熱放射層は、熱エネルギーを波長2μm以上6μm以下の赤外線に変換して放射することがより望ましい。
The pitch of the microconcavo-convex structure of the thermal radiation layer is preferably 0.5 μm or more and 10 μm or less, and the
なお、ミクロ凹凸構造が円柱状である場合、円柱の直径117は、ギャップよりも小さく形成することが好ましい。また、直径117は、0.2μm以上4μm以下の範囲内にあることが好ましい。
When the microconcavo-convex structure is cylindrical, the
ミクロ凹凸構造116としては、例えば、円柱状又は角柱の凸部又は凹部を有する構造が挙げられる。凸部や凹部の上部は丸みを帯びた形状でもよい。具体的には、凹部を有する構造としては、金属体表面にキャビティを加工した構造、凸部を有する構造としては、ワイヤを接合した後に、接合部以外の面にピラー等の凸構造を形成したものがある。
Examples of the microconcavo-
放熱性の観点から、ミクロ凹凸構造116は、熱放射層113b表面全体の7割以上に形成されていることが好ましく、熱放射層113b表面全面に形成されていることがより好ましい。
From the viewpoint of heat dissipation, the microconcavo-
熱放射層に波長1μm以上8μm以下の赤外線を照射したときの放射スペクトル積分量は、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以上であることが好ましい。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以上であることにより、波長1μm以上8μm以下の赤外線を選択的に放射することができる。その結果、熱が電磁波として樹脂層をより透過することができ、半導体装置の放熱性をさらに向上することができる。また、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する波長1μm以上8μm以下の赤外線の放射スペクトル積分量は、0.6以上であることがより好ましく、0.8以上であることが特に好ましい。 When the thermal radiation zone is irradiated with infrared rays having a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less, the radiation spectrum integrated amount is preferably 0.4 or more with respect to the radiation spectrum integrated amount of infrared rays having a wavelength of 1 μm or more and 20 μm or less. Since the infrared radiation spectrum integrated amount of infrared rays having a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less is 0.4 or more with respect to the radiation spectrum integrated amount of infrared rays having a wavelength of 1 μm or more and 20 μm or less, infrared rays having a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less are selectively emitted. can do. As a result, heat can be more transmitted through the resin layer as electromagnetic waves, and the heat dissipation of the semiconductor device can be further improved. Further, the integrated amount of infrared radiation spectrum with a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less with respect to the integrated amount of infrared radiation spectrum with a wavelength of 1 μm or more and 20 μm or less is more preferably 0.6 or more, and particularly preferably 0.8 or more. ..
例えば、スペクトル選択機能をもたない黒体の場合、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0.35、スペクトル選択機能をもたない樹脂の場合、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0.2程度である。そのため、電磁波が樹脂層114を透過しにくくなっており、半導体装置150に熱が滞留してしまう。
For example, in the case of a blackbody that does not have a spectrum selection function, the integrated amount of infrared radiation spectrum with a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less is 0.35 with respect to the integrated amount of infrared radiation with a wavelength of 1 μm or more and 20 μm or less, and the spectrum selection function. In the case of a resin having no such effect, the integrated amount of infrared radiation spectrum with a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less is about 0.2 with respect to the integrated amount of infrared radiation spectrum with a wavelength of 1 μm or more and 20 μm or less. Therefore, it is difficult for electromagnetic waves to pass through the
発熱体表面からの全放射エネルギーは、放射スペクトルの積分で求めることができる。この放射スペクトル分布は、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り測定された物質の表面における電磁波の放射率や吸収率から、算出することができる。 The total radiant energy from the heating element surface can be determined by integrating the emission spectrum. This radiation spectrum distribution can be calculated from the emissivity and absorption rate of electromagnetic waves on the surface of a substance measured by a simulation by an electromagnetic field analysis method or a Fourier transform infrared spectrophotometer or the like.
赤外線放射スペクトルは、例えば、以下の方法により測定することができる。フーリエ変換赤外分光光度計(FT−IR)により熱放射層に対して電磁波を入射した時の各波長の透過率と反射率を測定する。得られた透過率と反射率から、キルヒホッフの法則に基づく(式1)により、各波長の放射率を算出する。 The infrared emission spectrum can be measured by, for example, the following method. The transmittance and reflectance of each wavelength when an electromagnetic wave is incident on the thermal radiant zone are measured by a Fourier transform infrared spectrophotometer (FT-IR). From the obtained transmittance and reflectance, the emissivity of each wavelength is calculated according to Kirchhoff's law (Equation 1).
放射率=吸収率=1−透過率−反射率・・・(式1)
算出した放射率から放射スペクトル積分量を算出する。
Emissivity = Absorption rate = 1-Transmittance-Reflectance ... (Equation 1)
The amount of integrated radiation spectrum is calculated from the calculated emissivity.
熱放射層113bは、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、銀、金等の材料を用いることができる。半導体における微細加工のしやすさの観点から、熱放射層は、金属の中でも特に、銅、アルミニウム、ニッケルで構成されていることが好ましい。
For the
熱放射層113bの形成方法は、従来の方法を適宜利用できる。例えば、放熱基材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116を熱放射層として形成しても良い。また、蒸着などの気相成膜法によってミクロ凹凸構造116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116を形成してもよい。
As a method for forming the
また、放熱性を向上させるために、放熱基材113aにフィン115が接合されている。フィン115を設けることにより、放熱部材の表面積を増加させて、放熱効率を向上させるだけでなく、冷媒の乱流発生を促し、放熱効率を向上させることができる。
Further, in order to improve heat dissipation,
放熱層113にフィン115を接合する方法としては、ミクロ凹凸構造116形成後に、フィン115を接合する方法、放熱基材113aにフィン115を接合した後、ミクロ凹凸構造を形成する方法等がある。
As a method of joining the
フィン115の放熱層への接合方法としては、超音波金属接合、はんだ接合等が挙げられる。回路体100を構成後に室温で接合可能な超音波接合法が好ましい。
Examples of the method for joining the
フィン115の材料としては、例えば、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、またはAlやCu含む合金等が利用できる。フィン115の形状は、例えば直径0.1mm以上1mm以下のワイヤ、または幅0.5mm以上5mm以下かつ厚さ0.1mm以上0.5mm以下のリボンが好ましい。ワイヤとリボンは、超音波接合より接合されることが一般的である。超音波接合により接合する場合、クラックの発生が課題となるため、ワイヤやリボン形状のフィンを用いたときに、フィン接合部を樹脂層で被覆することの効果が大きくなる。
As the material of the
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を満たせれば良い。電気絶縁性、耐電圧性、耐アーク放電性、耐熱性の観点から、従前の電気絶縁材を適宜利用できる。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、電気絶縁ガスなどが挙げられる。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。これにより、回路層112と半導体素子121とをはんだ接合等で接合した部分の電気絶縁性を保つだけでなく、接合部の補強と冷媒の流入を防ぐという効果も有する。
The electric
[第2実施形態]
図6は、第2実施形態に係る回路体200の模式図である。図7は、図6のパワーモジュールを用いた半導体装置の断面を示す模式図である。
[Second Embodiment]
FIG. 6 is a schematic view of the
図6に示すように、回路体200は、半導体素子221と、半導体素子221の一方の表面と電気的に接続している第1入出力端子231と、半導体素子221の他方の表面と電気的に接続している第2入出力端子232と、を有している。なお、半導体素子221の一方の表面と第1入出力端子231との接合部及び半導体素子221の他方の表面と第2入出力端子232との接合部は、接合材261で接着している。
As shown in FIG. 6, the
回路体に搭載された半導体素子221には、導電ワイヤ234を介してゲート信号端子233が電気的に接続されている。
A
図7に示すように、半導体装置250は、図6の示した回路体200と、第1入出力端子231と第2入出力端子232と設けられた熱放射層213bと、熱放射層に接合されたフィン215と、フィンの接合部を覆う樹脂層214と、フィンが浸漬している冷媒262と、半導体素子221、導電ワイヤ234、ゲート信号端子233を封止する電気絶縁材241と、を備える。熱放射層213bは、第1入力端子と第2入力端子の半導体素子が搭載された面とは反対の面に設けられている。
As shown in FIG. 7, the
第1実施形態と異なる構造として、第1入出力端子231と第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ている点が挙げられる。第1入力端子と第2入力端子は、第1実施形態に係る放熱基材としても機能している。
As a structure different from the first embodiment, the first input /
接合材261としては、はんだ、金属ペーストが好ましい。接合方法に応じて、適する材料を選定すればよい。
As the
第2実施形態の回路体200および半導体装置250の各構成部材は、第1実施形態のパワーモジュール100および半導体装置150と同様のものを利用できる。
As the constituent members of the
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。
[実験1]
放熱基材312および、放熱基材312とフィン315の接合部を物理的に保護するために設けた樹脂層の効果を評価するため、2種類の放熱体サンプル300を作成した。図8は、放熱体サンプルの一例を示す模式図であり、図9は、図8の放熱体サンプルのAA’で切断したときの断面図である。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by various experiments.
[Experiment 1]
Two types of
放熱体サンプル300は、絶縁基板311として、縦32mm×横22mm×厚さ0.635mmのSiN基板を用い、一方の表面上に、JIS C1020、縦30mm×横20mm×厚さ0.3mmのCu製金属板312を貼り付け、他方の表面上に、JIS C1020、縦30mm×横22mm×厚さ0.3mmのCu製金属板313を貼り付けたものである。Cu製金属板312上には、直径0.4mmのAl製ワイヤで、P1=2mm、P2=2mm、H=3mmのフィン315を、超音波接合法で形成した。
The
作製した放熱体サンプルの、Cu製金属板312および、Cu製金属板312とフィン315の接合部に、ポリアミドイミド樹脂で樹脂層314を形成したものをサンプルAとした。サンプルAでは最大厚さが50μmとなるように樹脂層314を形成した。また、作成した放熱体サンプルのCu製金属板312および、Cu製金属板312とフィン315の接合部に樹脂層314を形成しないものをサンプルBとした。
Sample A was prepared by forming a
作製した2種類のサンプルA、Bを、2種類の試験に用いた。試験1では、温度150℃の油中に2種類のサンプルA、Bを240時間浸漬した。試験2では、サンプルA、Bを−40℃×15分〜175℃×15分の温度サイクル槽に5000サイクル投入した。各試験終了後、Cu製金属板312および樹脂層314表面の外観観察、およびワイヤの引張強度試験を実施した。ワイヤの引張強度試験では、任意に接合部を10ヶ所選択し、ワイヤをロードセルで引っ張り上げて、破断したときの荷重を読み取った。
The prepared two types of samples A and B were used for two types of tests. In
試験結果を表1に示す。 The test results are shown in Table 1.
樹脂層を形成したサンプルAについて、樹脂層を通してCu板表面を観察したところ、試験1の油中浸漬試験前後でCu板表面の変色は観察されなかった。また、ワイヤ引張強度試験においても、試験前のワイヤそのものの引張強度と同等の強度が得られ、破断箇所もワイヤ途中であった。一方、樹脂層を形成していないサンプルBにおいては、試験1の油中浸漬試験後のCu板表面は酸化し、黒ずんでいた。また、ワイヤ引張強度試験では、Cu板とワイヤの接合部で破断し、引張強度も低下した。
When the surface of the Cu plate was observed through the resin layer of the sample A on which the resin layer was formed, no discoloration of the surface of the Cu plate was observed before and after the immersion test in oil of
試験2の温度サイクル試験では、サンプルAは外観変化が生じず、かつ引張強度も試験投入前と同等を維持した。一方、サンプルBは、Cu板表面がやや黒ずんでおり、引張強度も低下した。
In the temperature cycle test of
以上の結果より、金属板および、金属板とフィンの接合部を樹脂で覆うことで、金属板の酸化、腐食を抑制し、かつフィン接合部の破断を抑制することができた。 From the above results, by covering the metal plate and the joint portion between the metal plate and the fin with a resin, it was possible to suppress oxidation and corrosion of the metal plate and suppress breakage of the fin joint portion.
図2に示すような第1実施形態に係る半導体装置を作製した。絶縁基板として、縦50mm×横50mm×厚さ0.635mmのAIN基板を用いた。絶縁基板の一方の表面上に、JISC 1020、縦48mm×横48mm×厚さ0.3mmのCu板を貼り付け、他方の表面上に放熱基材として、JISC 1020、縦48mm×横48mm×厚さ0.2mmのCu板を貼り付けたものを用意した。 A semiconductor device according to the first embodiment as shown in FIG. 2 was manufactured. As the insulating substrate, an AIN substrate having a length of 50 mm, a width of 50 mm, and a thickness of 0.635 mm was used. A Cu plate of JISC 1020, length 48 mm x width 48 mm x thickness 0.3 mm is attached on one surface of the insulating substrate, and JISC 1020, length 48 mm x width 48 mm x thickness is used as a heat dissipation base material on the other surface. A 0.2 mm Cu plate was prepared.
Cu板の表面には、フォトリソグラフィ法を用いて、凹部を円柱状に形成したミクロ凹凸構造116を有する熱放射層113bを形成した。ミクロ凹凸構造116の大きさとしては、直径2μm×ギャップ2μm、円柱状凹部の面内方向ピッチ4.2μmである。形成した放熱層から放射される放射スペクトルを、RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis)法で算出したところ、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0.6であった。
On the surface of the Cu plate, a
放射スペクトルの計算には、市販のシミュレーションソフトであるRSOFT社のDiffractMODを使用した。入力データには、入射波の条件、上記構造上のプロファイル、材料の光学定数の状態、メッシュ幅を入力した。具体的には、入射波の設定は、面内に対して垂直方向に平面波を与えることを設定した。光学定数は、シミュレーションソフトに組み込まれているデータベースを使用し、面内方向のメッシュ幅を0.05μmとして計算した。円形開口部の直径が2μmであるため、径方向に40分割されている。 For the calculation of the emission spectrum, DiffractMOD of RSOFT, which is a commercially available simulation software, was used. For the input data, the conditions of the incident wave, the structural profile, the state of the optical constants of the material, and the mesh width were input. Specifically, the setting of the incident wave was set to give a plane wave in the direction perpendicular to the in-plane. The optical constants were calculated using the database built into the simulation software, assuming that the mesh width in the in-plane direction was 0.05 μm. Since the diameter of the circular opening is 2 μm, it is divided into 40 in the radial direction.
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112の上に接合した。導電ワイヤ314としては、直径0.4mmのAlワイヤを用いた。半導体素子121と導電ワイヤ314と回路層112との接合は、超音波接合法により行った。その後、樹脂ケースを装着し、ケース内を市販のシリコーンゲルで封止した。
IGBTs and diode elements were prepared as semiconductor elements, and they were bonded onto the
放熱層を形成したCu板表面に、直径0.4mmのAl合金ワイヤでフィン115を形成した。フィン115の配置は、図8、9で定義した記号を用い、P1=2mm、P2=2mm、H=2mmのフィンを、超音波接合法で形成した。
フィン115形成後、放熱基材113a、熱放射層113b、およびワイヤ接合部をポリアミドイミド樹脂で、最厚部が50μmとなるように、コーティングした樹脂層114を形成し、半導体装置を作製した。
After forming the
作製した半導体装置を、図示しない市販のエステル系の油を充填した温調機器上に装着し、半導体装置の動作試験を行った。油の温度が60±5℃となるように温度調節しながら油を2L/分の流量で循環させた。そして、模擬半導体素子の温度が150±1℃となるように投入電力を調整した。 The manufactured semiconductor device was mounted on a temperature control device filled with a commercially available ester-based oil (not shown), and an operation test of the semiconductor device was performed. The oil was circulated at a flow rate of 2 L / min while adjusting the temperature so that the temperature of the oil was 60 ± 5 ° C. Then, the input power was adjusted so that the temperature of the simulated semiconductor element was 150 ± 1 ° C.
実施例1で作製した半導体装置150と比較するため、放熱基材表面に熱放射層を形成していない半導体装置を作製した。そして、実施例1と同じ動作試験を行った。 In order to compare with the semiconductor device 150 manufactured in Example 1, a semiconductor device in which a heat radiating layer is not formed on the surface of the heat radiating base material was manufactured. Then, the same operation test as in Example 1 was performed.
動作試験の放熱性向上効果を半導体電力量に置き換えて表記する。その結果、比較例の半導体装置の投入電力量に対して、実施例1のパワー半導体電力量は約1.3倍になった。パワー半導体電力量の放射基材表面に形成した放熱層から波長1μm以上8μm以下の赤外線を放射したことから、放射した電磁波エネルギーが樹脂コーティング層を透過することで放熱性が向上し、電力量を増加させることができた。 The effect of improving heat dissipation in the operation test is described by replacing it with the amount of semiconductor power. As a result, the power semiconductor power amount of Example 1 was about 1.3 times the power input amount of the semiconductor device of the comparative example. Since infrared rays with a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less are radiated from the heat radiating layer formed on the surface of the radiation base material of the power semiconductor electric energy, the radiated electromagnetic wave energy is transmitted through the resin coating layer to improve the heat radiating property and reduce the electric energy. I was able to increase it.
第2実施形態に係るパワーモジュールおよび半導体装置250(図6、図7参照)を作製した。半導体素子221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231および第2入出力端子232として、JISC 1020のCu板を用意した。Cu板の大きさは、縦が80mm、横が40mm、厚さが1mm〜1.5mmである。ゲート信号端子233としてJISC 1020のCu板を用意した。Cu板の大きさは、縦が35mm、横が5mm、厚さが0.5mmである。導電ワイヤ234としてJISA 1050、直径0.3mmのAlワイヤを用意した。
The power module and the semiconductor device 250 (see FIGS. 6 and 7) according to the second embodiment were manufactured. An IGBT and a diode element were prepared as the
Cu板の外側の表面領域に、実施例1と同様にミクロ凹凸構造116を有する熱放射層213bを形成した。形成したミクロ凹凸構造116は円柱状の凹部を有しており、直径117が1.5μm、ギャップ119が1.5μm、ピッチ118が3μmの大きさであった。形成した熱放熱層213bから放射される放射スペクトルを、RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis)法で算出したところ、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0.8であった。放射ススペクトルは、構造上のプロファイルを上述したものに変更したこと以外、実施例1と同様に計算した。
A thermal
第1入出力端子231および第2入出力端子232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231の熱放射層213bを形成していない面と半導体素子221との接合方法、および第2入出力端子232の熱放射層213bを形成していない面と半導体素子221との接合方法は、焼結型Cu接合ペーストを用いて行った。半導体素子221と導電ワイヤ234とゲート信号端子233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 /
その後、第1入出力端子231と、半導体素子221と、導電ワイヤ234と、ゲート信号端子233と、第2入出力端子232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231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面の表面は、樹脂封止せずにCu板が露出するようにした。
After that, the first input /
熱放射層213bを形成した第1入出力端子231及び第2入出力端子232の樹脂封止していないCu板表面に、直径0.4mmのAl合金ワイヤでフィン215を形成した。フィン215の配置は、図8、9で定義した記号を用い、P1=2mm、P2=2mm、H=2mmのフィンを、超音波接合法で形成した。
フィン215形成後、第1入出力端子231及び第2入出力端子232の樹脂封止していないCu板、熱放射層213b、およびワイヤ接合部をポリアミドイミド樹脂でコーティング(最厚部50μm)した樹脂層214を形成し、半導体装置250を作製した。
After forming the
つぎに、作製した半導体装置250を、図示しない市販のエステル系の油を充填した容器上に装着し、半導体装置の動作試験を行った。油の温度が60±5℃となるように温度調節しながら油を2L/分の流量で循環させ、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を計測した。
Next, the manufactured
実施例2で作製した半導体装置250と比較するため、第1入出力端子231及び第2入出力端子232の樹脂封止していないCu板表面に熱放射層を形成していない半導体装置を作製した。そして、実施例1と同じ動作試験を行った。
In order to compare with the
動作試験の放熱性向上効果を半導体電力量に置き換えて表記する。その結果、比較例の半導体装置の投入電力量に対して、実施例1の半導体電力量は約1.5倍になった。放射基材表面に形成した熱放射層から波長1μm以上8μm以下の赤外線を放射したことにより、放射した電磁波エネルギーが樹脂コーティング層を透過することで放熱性が向上し、電力量を増加させることができた。 The effect of improving heat dissipation in the operation test is described by replacing it with the amount of semiconductor power. As a result, the amount of semiconductor power of Example 1 was about 1.5 times that of the amount of power input of the semiconductor device of Comparative Example. By radiating infrared rays with a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less from the thermal radiation layer formed on the surface of the radiant base material, the radiated electromagnetic wave energy is transmitted through the resin coating layer, which improves heat dissipation and increases the amount of power. did it.
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 The present invention is not limited to the above-described examples, and includes various modifications. The above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the described configurations. Further, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add / delete / replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.
100、200・・・回路体
111、311・・・絶縁基板
112・・・回路層
113・・・放熱層
113a、312・・・放熱基材
113b、213b・・・熱放射層
114、214、314・・・樹脂層
115、215、315・・・フィン
116・・・ミクロ凹凸構造
117・・・直径
118・・・ピッチ
119・・・ギャップ
121、221・・・半導体素子
131、231・・・第1入出力端子
132、232・・・第2入出力端子
133、233・・・ゲート信号端子
134、234・・・導電ワイヤ
141・・・電気絶縁材
142・・・封止ケース
150、250・・・半導体装置
261・・・接合材
162、262・・・冷媒
300・・・放熱体サンプル
100, 200 ...
Claims (6)
前記半導体素子を有する回路層と、
前記回路層が設置された絶縁基板と、
前記絶縁基板の前記回路層が設置された面と反対側の面に設置された放熱層と、
前記放熱層に設けられたフィンと、
前記フィンと前記放熱層の接合部を覆う樹脂と、を備え、
前記放熱層は、熱を電磁波として放射する熱放射層を有し、
前記フィンは、冷媒に浸漬していることを特徴とする半導体装置。 With semiconductor elements
The circuit layer having the semiconductor element and
The insulating substrate on which the circuit layer is installed and
A heat radiating layer installed on a surface of the insulating substrate opposite to the surface on which the circuit layer is installed,
The fins provided on the heat dissipation layer and
A resin that covers the joint portion between the fin and the heat radiation layer is provided.
The heat radiation layer has a heat radiation layer that radiates heat as electromagnetic waves.
The fin is a semiconductor device characterized in that it is immersed in a refrigerant.
前記熱放射層は波長1μm以上8μm以下の赤外線を放射することを特徴とする半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
The heat radiation layer is a semiconductor device characterized in that it emits infrared rays having a wavelength of 1 μm or more and 8 μm or less.
前記熱放射層は、表面に凹構造を有し、
前記凹構造のピッチは0.5μm以上10μm以下、かつ、前記凹構造のギャップは0.25μm以上10μm以下であることを特徴とする半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1 or 2.
The thermal radiant zone has a concave structure on the surface and has a concave structure.
A semiconductor device characterized in that the pitch of the concave structure is 0.5 μm or more and 10 μm or less, and the gap of the concave structure is 0.25 μm or more and 10 μm or less.
前記熱放射層は、表面に凸構造を有し、
前記凸構造のピッチは0.5μm以上10μm以下、かつ、前記凸構造のギャップが0.25μm以上10μm以下であることを特徴とする半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1 or 2.
The thermal radiant zone has a convex structure on the surface and has a convex structure.
A semiconductor device characterized in that the pitch of the convex structure is 0.5 μm or more and 10 μm or less, and the gap of the convex structure is 0.25 μm or more and 10 μm or less.
前記冷媒は、油であることを特徴とする半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device characterized in that the refrigerant is oil.
前記半導体素子と、
前記半導体素子と前記回路層との接合部と、を封止する電気絶縁材を備えることを特徴とする半導体装置。 In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 5.
With the semiconductor element
A semiconductor device comprising an electrical insulating material that seals a joint portion between the semiconductor element and the circuit layer.
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