JP2022157728A - Semiconductor device and semiconductor system - Google Patents

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Abstract

To provide a semiconductor device capable of improving reliability by providing a function of effectively absorbing and dissipating heat.SOLUTION: In a semiconductor device including a stack having at least one semiconductor element disposed between a first substrate and a second substrate, a thermally conductive portion that is thermally connected to a third substrate different from a first substrate and the second substrate is provided near the semiconductor element and at substantially the same stacking direction height as the first substrate. The thermally conductive portion is electrically insulated from the semiconductor element, and the thermally conductive portion is arranged around the semiconductor element.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は半導体素子を搭載する半導体装置および半導体システムに関する。本発明は、特に、筐体内部の半導体素子等から発生する熱を筐体外部に効果的に導くことが可能な半導体装置および半導体システムに関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a semiconductor system on which semiconductor elements are mounted. More particularly, the present invention relates to a semiconductor device and a semiconductor system capable of effectively guiding heat generated from a semiconductor element or the like inside a housing to the outside of the housing.

半導体素子を搭載した回路基板を積層することで半導体装置を三次元的に高密度実装する、いわゆる電子部品内蔵モジュール化技術が知られている。特に、スイッチング機能を備えたIGBT(絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ:Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ:Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)などの半導体素子をモジュール化する場合には、半導体素子やその電気回路の構成部品が比較的大きな発熱量を持つ。そのため、この熱をいかにしてモジュール外部に放熱するかの検討が進められている。例えば、特許文献1に開示された半導体装置は、MOSFETからなる半導体素子(半導体デバイスQ10)の上面に、放熱経路を確立するためのポスト部35Tの基端が接続されることで、半導体素子の上面から発生する熱をモジュール上面の上部や下部に放熱する構成が開示されている。 2. Description of the Related Art A so-called electronic component built-in module technology is known, which three-dimensionally mounts a semiconductor device with high density by stacking circuit boards on which semiconductor elements are mounted. Especially when modularizing semiconductor elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors) with switching functions. However, semiconductor elements and their electrical circuit components generate a relatively large amount of heat. For this reason, studies are underway on how to dissipate this heat to the outside of the module. For example, in the semiconductor device disclosed in Patent Document 1, the base end of a post portion 35T for establishing a heat dissipation path is connected to the upper surface of a semiconductor element (semiconductor device Q10) made of a MOSFET, thereby increasing the temperature of the semiconductor element. A configuration is disclosed in which heat generated from the upper surface is dissipated to the upper and lower portions of the upper surface of the module.

WO2018/047485号公報WO2018/047485

特許文献1の構成では、半導体素子の上面から発生する熱を効果的にモジュール外部に放熱できる。しかし、モジュールの小型化や高密度化が進むと、半導体素子の局所的な放熱であってもその熱が素子全体を温度上昇させ、その熱は半導体素子全体から放熱される。したがって、半導体素子の特定の面だけに着目した放熱構造では、モジュール全体の温度上昇を抑制することが難しくなり、半導体装置の安定した動作を長期にわたって維持することが困難となる。
そこで本発明は、半導体素子の発熱を効果的に吸収し放熱する機能を設けることで信頼性の向上を図ることが可能な半導体装置の提供を目的とする。
In the configuration of Patent Document 1, heat generated from the upper surface of the semiconductor element can be effectively dissipated to the outside of the module. However, as modules become smaller and more dense, even if the heat is locally dissipated from the semiconductor element, the heat raises the temperature of the entire element, and the heat is dissipated from the entire semiconductor element. Therefore, in a heat dissipation structure that focuses only on a specific surface of a semiconductor element, it becomes difficult to suppress the temperature rise of the entire module, and it becomes difficult to maintain stable operation of the semiconductor device over a long period of time.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of improving reliability by providing a function of effectively absorbing and dissipating heat generated by a semiconductor element.

本発明者らは、以下に示す半導体装置が、上記した従来の課題を解決できることを見出した。
本発明の実施形態に係る半導体装置は、第1の基板と第2の基板との間に少なくとも1つの半導体素子が配置されている積層体を含む半導体装置であって、前記半導体素子の近傍で且つ前記第1の基板と略同じ積層方向高さの位置に、前記第1の基板および前記第2の基板とは異なる第3の基板に熱的に接続されている熱伝導部が設けられており、前記熱伝導部が、前記半導体素子とは電気的に絶縁されており、前記熱伝導部が前記半導体素子の周囲に配置されていることを特徴とする半導体装置である。
The present inventors have found that the semiconductor device described below can solve the conventional problems described above.
A semiconductor device according to an embodiment of the present invention is a semiconductor device including a laminate in which at least one semiconductor element is arranged between a first substrate and a second substrate, and in the vicinity of the semiconductor element and a thermally conductive portion thermally connected to a third substrate different from the first substrate and the second substrate is provided at a position of substantially the same stacking direction height as the first substrate. and the heat conducting portion is electrically insulated from the semiconductor element, and the heat conducting portion is arranged around the semiconductor element.

上記のように構成された本発明の実施形態によれば、半導体素子の周囲に配置された熱伝導部が半導体素子から発生する熱を吸収し放熱に供することができる。したがって、半導体装置の信頼性を向上させることができる。 According to the embodiment of the present invention configured as described above, the heat conducting portion disposed around the semiconductor element can absorb and dissipate heat generated from the semiconductor element. Therefore, reliability of the semiconductor device can be improved.

本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention; FIG. 本発明の第1の実施形態における熱伝導部の一例を示す斜視図である。It is a perspective view showing an example of a heat conduction part in a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態における熱伝導部の他の例を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing another example of the heat conducting portion according to the first embodiment of the present invention; 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment of the invention; 実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの一例を示すブロック構成図である。1 is a block configuration diagram showing an example of a control system employing a semiconductor device according to an embodiment; FIG. 本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの一例を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing an example of a control system employing a semiconductor device according to an embodiment of the invention; FIG. 本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示すブロック構成図である。FIG. 3 is a block configuration diagram showing another example of a control system employing the semiconductor device according to the embodiment of the invention; 本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram showing another example of a control system employing the semiconductor device according to the embodiment of the invention;

以下、本発明に係る幾つかの実施形態を図面を参照しながら説明する。なお、同一構成要素には同一符号を付すことで、重複する説明を省略する。 Several embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the overlapping description is abbreviate|omitted by attaching|subjecting the same code|symbol to the same component.

図1は本発明に係る半導体装置の第1実施形態を示す断面図である。図1に示すように半導体装置110は、回路基板1(第1の基板)上に設けられた第1および第2の半導体素子2,3を有する。本実施形態においては、第1の半導体素子2は、スイッチング機能を備えたIGBT(絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ:Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ:Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)等のスイッチング素子であり、また、第2の半導体素子3は、半導体部品であるSBD(Schottky Barrier Diode)やPiNダイオードなどのダイオードが挙げられるが、これに限定されるものではない。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention. As shown in FIG. 1, a semiconductor device 110 has first and second semiconductor elements 2 and 3 provided on a circuit board 1 (first board). In this embodiment, the first semiconductor element 2 is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) having a switching function. Examples of the second semiconductor element 3 include diodes such as SBDs (Schottky Barrier Diodes) and PiN diodes, which are semiconductor components, but are not limited to these.

回路基板1の下層には、第1の金属基板4と第2の金属基板5が互いに平行となるように積層配置されている。回路基板1と第1の金属基板4とはビア6で接続され、第1の金属基板4と第2の金属基板5とはビア7で接続されている。これらの構成によって、第1および第2の半導体素子2,3はその下面から回路基板1、第1の金属基板4、第2の金属基板5に至る経路で電気的接続および熱的接続を図っている。回路基板1の上層には、第3の金属基板(第2の基板)8が平行に積層されることで、第1および第2の半導体素子2,3はこれら回路基板1と第3の金属基板8の間に配置される関係となっている。回路基板1と第3の金属基板8との間はビア9,10で接続されている。これらの構成によって、第1および第2の半導体素子2,3はその上面から第3の金属基板8に対して電気的接続および熱的接続を図っている。
また、ここでは図示しないが、本発明の実施形態において、半導素子2は、半導体層、半導体層の第1の面上に設けられた第1の電極、半導体層の前記第1の面とは反対側の第2の面上に設けられた第2の電極を有する。半導体素子2は、いわゆる縦型デバイスである。また、本発明の実施形態において、前記第2の電極は、ビア9を介して第2の基板(第3の金属基板)8と電気的および熱的に接続されている。また、第2の金属基板5と第3の金属基板8とはスルーホール11によって電気的に接続されている。これらビア6,7,9,10やスルーホール11などによる電気的接続および熱的接続のために、主に銅(Cu)を主成分とする材料が用いられている。
Under the circuit board 1, a first metal board 4 and a second metal board 5 are laminated so as to be parallel to each other. The circuit board 1 and the first metal substrate 4 are connected by vias 6 , and the first metal substrate 4 and the second metal substrate 5 are connected by vias 7 . With these structures, the first and second semiconductor elements 2 and 3 are electrically connected and thermally connected from their lower surfaces to the circuit board 1, the first metal board 4 and the second metal board 5. ing. A third metal substrate (second substrate) 8 is laminated in parallel on the upper layer of the circuit board 1, so that the first and second semiconductor elements 2 and 3 are separated from the circuit board 1 and the third metal. It is arranged between the substrates 8 . The circuit board 1 and the third metal board 8 are connected by vias 9 and 10 . With these structures, the first and second semiconductor elements 2 and 3 are electrically and thermally connected to the third metal substrate 8 from their upper surfaces.
Although not shown here, in the embodiment of the present invention, the semiconductor element 2 includes a semiconductor layer, a first electrode provided on the first surface of the semiconductor layer, and the first surface of the semiconductor layer. has a second electrode provided on the opposite second surface. The semiconductor element 2 is a so-called vertical device. Moreover, in the embodiment of the present invention, the second electrode is electrically and thermally connected to a second substrate (third metal substrate) 8 through vias 9 . Also, the second metal substrate 5 and the third metal substrate 8 are electrically connected by through holes 11 . A material mainly containing copper (Cu) is used for electrical connection and thermal connection by these vias 6, 7, 9, 10 and through holes 11 and the like.

回路基板1の近傍には、所定の隙間12aを介して回路基板1を囲むように、外周基板(第3の基板)13が配置されている。外周基板13と回路基板1は図1の断面方向から見て、その積層方向にて略同一高さの位置に配置されている。外周基板13上には熱伝導部材(熱伝導部)14が配置されている。熱伝導部材14は、熱伝導率の大きな材料で、かつ、熱的に等方性を持つ材料から選定されるのが好ましい。熱伝導部材14は、例えば銅(Cu)を主成分とした材料で形成され、上下面での受放熱特性(熱伝導率)と側面での受放熱特性(熱伝導率)とが同じに設計されている。 In the vicinity of the circuit board 1, a peripheral board (third board) 13 is arranged so as to surround the circuit board 1 via a predetermined gap 12a. The peripheral board 13 and the circuit board 1 are arranged at substantially the same height in the stacking direction when viewed from the cross-sectional direction of FIG. A thermally conductive member (thermally conductive portion) 14 is arranged on the peripheral substrate 13 . The heat conducting member 14 is preferably selected from materials having high thermal conductivity and thermal isotropy. The heat conducting member 14 is made of a material mainly composed of copper (Cu), for example, and is designed to have the same heat receiving/radiating characteristics (thermal conductivity) on the upper and lower surfaces and the heat receiving/radiating characteristics (thermal conductivity) on the side surfaces. It is

第1の金属基板4と第2の金属基板5の周囲にも同様に、所定の隙間12b,12cを介して、外周基板15,16が設けられている。外周基板15,16の厚みや構成材料は、第1および第2の金属基板4,5と同じである。隙間12aの寸法と隙間12b,12cの寸法は同じであっても異なっていてもよいが、本発明においては、隙間12aの寸法が小さく設定されている方がより望ましい。 Similarly, peripheral substrates 15 and 16 are provided around the first metal substrate 4 and the second metal substrate 5 with predetermined gaps 12b and 12c interposed therebetween. The thickness and constituent materials of the peripheral substrates 15 and 16 are the same as those of the first and second metal substrates 4 and 5 . The dimension of the gap 12a and the dimensions of the gaps 12b and 12c may be the same or different, but in the present invention, it is more desirable that the size of the gap 12a is set small.

外周基板13と外周基板15とはビア17で接続され、また外周基板15と外周基板16とはビア18で接続されている。外周基板13、外周基板15、外周基板15、ビア17,18はそれぞれ、熱伝導率の大きな材料である銅(Cu)を主成分とする材料で形成されている。 The peripheral substrates 13 and 15 are connected by vias 17 , and the peripheral substrates 15 and 16 are connected by vias 18 . The outer substrate 13, the outer substrate 15, the outer substrate 15, and the vias 17 and 18 are each made of a material containing copper (Cu), which is a material with high thermal conductivity, as a main component.

第3の金属基板8の上部には、半導体装置110のモジュール外壁を構成する樹脂層19が積層されている。樹脂層19は電気絶縁性を備えた材料であり、半導体装置110のモジュール外部への電流の漏出を遮蔽し防止する。樹脂層19としては、例えばTIM(Thermal Interface Material)などの樹脂シートが用いられる。 A resin layer 19 forming the module outer wall of the semiconductor device 110 is laminated on the upper portion of the third metal substrate 8 . The resin layer 19 is made of an electrically insulating material, and shields and prevents leakage of electric current to the outside of the module of the semiconductor device 110 . As the resin layer 19, for example, a resin sheet such as TIM (Thermal Interface Material) is used.

また、モジュールの内部空間にも、電気絶縁性を備えた材料が充填されている。モジュールの内部空間に充填されている材料としては、例えばプリプレグなどの繊維含侵樹脂が用いられる。 The internal space of the module is also filled with an electrically insulating material. Fiber-impregnated resin such as prepreg is used as the material filling the internal space of the module.

図2は、本発明の実施形態に係る熱伝導部14とその近傍の構成を示した斜視図である。図2に示すように、回路基板1は矩形状をなし、回路基板1の外周に沿うように、外周基板13が配置されている。回路基板1と外周基板13とは所定の隙間12aを介して、非接触で近接した状態で配置されている。回路基板1には図示しない電気配線パターンが形成され、第1および第2の半導体素子2,3との電気的な導通を行うが、外周基板13には電気配線パターンは形成されていない。また、回路基板(第1の基板)1と外周基板(第3の基板)13との隙間12aにはプリプレグなどの電気絶縁材料が充填されているため、両者は電気的には絶縁され、熱的には接続している。 FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the heat conducting portion 14 and its vicinity according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the circuit board 1 has a rectangular shape, and a peripheral board 13 is arranged along the periphery of the circuit board 1 . The circuit board 1 and the peripheral board 13 are arranged in non-contact and close proximity to each other with a predetermined gap 12a interposed therebetween. An electric wiring pattern (not shown) is formed on the circuit board 1 for electrical conduction with the first and second semiconductor elements 2 and 3, but no electric wiring pattern is formed on the peripheral board 13. FIG. In addition, since the gap 12a between the circuit board (first board) 1 and the peripheral board (third board) 13 is filled with an electrically insulating material such as prepreg, the two are electrically insulated and heat are actually connected.

外周基板13の上面には熱伝導部材14が配置されている。本実施形態では、外周基板13と熱伝導部材14は共にロ字型の形状をなしている。熱伝導部材14の幅は、外周基板13の幅と同じか、やや小さく形成される。熱伝導部材14の厚みは、第1および第2の半導体素子2,3の厚みと同等でもよいが、空間的な余裕がある限りにおいては、第1および第2の半導体素子2,3の厚みよりも大きい方が好ましい。外周基板13が回路基板1を取り囲むように配置されることで、熱伝導部材14が第1および第2の半導体素子2,3を取り囲んでいる。 A heat conducting member 14 is arranged on the upper surface of the peripheral substrate 13 . In this embodiment, both the peripheral substrate 13 and the heat conducting member 14 are square-shaped. The width of the heat conducting member 14 is the same as or slightly smaller than the width of the peripheral substrate 13 . The thickness of the heat conducting member 14 may be the same as the thickness of the first and second semiconductor elements 2 and 3, but as long as there is room to spare, the thickness of the first and second semiconductor elements 2 and 3 may be the same. is preferably greater than By arranging the peripheral substrate 13 so as to surround the circuit board 1 , the heat conducting member 14 surrounds the first and second semiconductor elements 2 and 3 .

なお、熱伝導部材14を外周基板13上に形成する方法としては、接着やめっき、あるいは拡散接合などを利用することが可能である。 As a method for forming the heat conducting member 14 on the peripheral substrate 13, it is possible to use adhesion, plating, diffusion bonding, or the like.

以上のように構成された本発明の第1実施形態に係る半導体装置110の動作について詳しく説明する。 The operation of the semiconductor device 110 according to the first embodiment of the present invention configured as above will be described in detail.

図示しない制御対象に所定の電力を供給するために、第1の半導体素子2(例えばIGBT)のゲート電極に制御信号を与えることでエミッタから電流が出力される。また、エミッタからの出力を第2の半導体素子3(例えばSBD)を介してコレクタに還流することで、過剰キャリアを除去した安定なスイッチング動作が行われる。このスイッチングの切替タイミングを制御することで、制御対象に安定した電力を供給し、また状況に応じて電圧を変化させることで、制御対象に所望の動作を行わせる。これら一連の制御動作に係る制御信号や入出力電力は、半導体素子2,3の下面から回路基板1、ビア6、第1の金属基板4、ビア7を経由して第2の金属基板5に至る電気経路と、半導体素子2,3の上面からビア9、第3の金属基板8、スルーホール11を経由して第2の金属基板5に至る電気経路とを用いることにより行われる。すなわち、半導体装置110内部の積層体を構成する各基板を経由させることで、電力や制御信号の入出力が行われる。 In order to supply predetermined power to a controlled object (not shown), a current is output from the emitter by applying a control signal to the gate electrode of the first semiconductor element 2 (eg, IGBT). Further, by circulating the output from the emitter to the collector through the second semiconductor element 3 (for example, SBD), a stable switching operation is performed with excess carriers removed. By controlling the switching timing of this switching, stable power is supplied to the controlled object, and by changing the voltage according to the situation, the controlled object is caused to perform a desired operation. Control signals and input/output power related to these series of control operations are transmitted from the lower surfaces of the semiconductor elements 2 and 3 to the second metal substrate 5 via the circuit board 1, vias 6, first metal substrate 4, and vias 7. and an electrical path from the upper surfaces of the semiconductor elements 2 and 3 to the second metal substrate 5 via the vias 9, the third metal substrate 8, and the through holes 11. FIG. That is, input/output of power and control signals is performed by passing through each substrate that constitutes the stacked body inside the semiconductor device 110 .

スイッチング動作の継続により、半導体素子2,3は徐々に発熱する。半導体素子2,3の発熱量は電極付近が最も大きいため、半導体素子の電極面側に熱伝導率の高い材料を接続した上で、モジュール外部に熱を導くことで放熱する。そして、半導体素子がいわゆる縦型デバイスの場合には、半導体素子の両面に放熱構造を設ける。本実施形態の半導体素子2,3は共に縦型デバイスであるため、上述した2つの電気経路を利用して放熱を行う。すなわち、半導体素子2,3の下面からの熱を第2の金属基板5まで熱伝導することで、第2の金属基板5の下面に接続された図示しないヒートシンク等から放熱する。また、半導体素子2,3の上面からの熱を第3の金属基板8に熱伝導することで、樹脂層19の上面に接続された図示しない放熱フィン等から放熱する。すなわち、半導体装置110内部の積層体を構成する各基板を経由させることで、積層方向への伝熱経路を用いた放熱が行われる。 As the switching operation continues, the semiconductor elements 2 and 3 gradually generate heat. Since the amount of heat generated by the semiconductor elements 2 and 3 is the greatest in the vicinity of the electrodes, heat is dissipated by connecting a material with high thermal conductivity to the electrode surface side of the semiconductor elements and conducting heat to the outside of the module. When the semiconductor element is a so-called vertical device, heat dissipation structures are provided on both sides of the semiconductor element. Since both the semiconductor elements 2 and 3 of this embodiment are vertical devices, heat is radiated using the two electric paths described above. That is, by conducting heat from the lower surfaces of the semiconductor elements 2 and 3 to the second metal substrate 5 , the heat is radiated from a heat sink (not shown) or the like connected to the lower surface of the second metal substrate 5 . Further, by conducting heat from the upper surfaces of the semiconductor elements 2 and 3 to the third metal substrate 8 , the heat is dissipated from heat dissipating fins (not shown) connected to the upper surface of the resin layer 19 . That is, heat is radiated using a heat transfer path in the stacking direction by passing through each substrate constituting the stack inside the semiconductor device 110 .

本発明の実施形態では、半導体素子2,3の上面と下面に加えて、半導体素子2,3の側面方向へ放出される熱を吸収し放熱するための放熱構造を備えている。すなわち、図1における半導体素子2の左側面と、半導体素子3の右側面は、いずれも熱伝導部材14に対向配置する関係に構成されていることから、図1中に矢印で示すように、側面方向へ放出される熱を効果的に吸収することが可能となっている。また、図2に示すように、熱伝導部材14は半導体素子2,3の周囲を取り囲むように配置されているため、これら半導体素子2,3のいずれの側面からの放熱も確実に吸収することができる。特に、熱伝導部材14が途切れなく連続的に構成された環状の形状であることから、熱伝導部材14が全体的に均一温度となり易く、外周基板13との接触面全体を有効に利用した熱伝導が可能となる。 In the embodiment of the present invention, in addition to the upper and lower surfaces of the semiconductor elements 2 and 3, a heat dissipation structure is provided for absorbing and dissipating heat emitted in the side direction of the semiconductor elements 2 and 3. FIG. That is, the left side surface of the semiconductor element 2 and the right side surface of the semiconductor element 3 in FIG. It is possible to effectively absorb the heat emitted in the lateral direction. Further, as shown in FIG. 2, the heat conducting member 14 is arranged so as to surround the semiconductor elements 2 and 3, so that heat radiation from either side surface of the semiconductor elements 2 and 3 can be reliably absorbed. can be done. In particular, since the heat conducting member 14 has an annular shape that is continuously formed without interruption, the heat conducting member 14 tends to have a uniform temperature as a whole, and the entire contact surface with the outer peripheral substrate 13 is effectively used for heat generation. Conduction becomes possible.

そして、熱伝導部材14によって吸収された熱は、図1中に矢印で示すように、熱的に接続された外周基板13、ビア17、外周基板15、ビア18、外周基板16を経由して、外周基板16の下面に接続された図示しないヒートシンク等に到達することで、モジュール外部に放熱される。すなわち、熱伝導部材14を用いることで、熱伝導部材14の側面で受熱がなされ、受熱方向とは直交する方向である熱伝導部材14の下面から下方向に熱伝導することで放熱が行われる。受熱面と放熱面とが直交の関係にある放熱経路を実現するために、熱伝導部材14として熱伝導率に等方性を持つ材料で形成されることが望ましい。特に、熱伝導率が大きくかつ電気伝導率にも優れた銅(Cu)を主成分とする材料で形成することで、回路基板やビアとの接続性にも優れた熱伝導部材14が実現する。 The heat absorbed by the heat conducting member 14 passes through the peripheral substrate 13, vias 17, 15, 18, and 16 which are thermally connected, as indicated by arrows in FIG. , reaches a heat sink or the like (not shown) connected to the lower surface of the peripheral substrate 16, and is dissipated to the outside of the module. That is, by using the heat-conducting member 14, heat is received by the side surface of the heat-conducting member 14, and heat is dissipated by conducting heat downward from the lower surface of the heat-conducting member 14, which is the direction perpendicular to the heat receiving direction. . In order to realize a heat radiation path in which the heat receiving surface and the heat radiation surface are perpendicular to each other, it is desirable that the heat conducting member 14 be made of a material having isotropic thermal conductivity. In particular, by forming the material mainly composed of copper (Cu), which has high thermal conductivity and excellent electrical conductivity, the heat conductive member 14 having excellent connectivity with the circuit board and vias is realized. .

このような動作が行われる本発明の実施形態によれば、半導体素子の周囲に配置された熱伝導部材が半導体素子の側面方向へ放出される熱を効果的に吸収し放熱に供することができる。したがって、放熱性能が極めて良好となることから、半導体装置の信頼性を向上させることができる。また、本発明の実施形態によれば、第2の基板(第3の金属基板)13を電気的な導通のためには用いずに熱的な導通のみに用いている。したがって、上述した半導体素子の側面方向からの発熱についての放熱経路に関する設計の自由度をより高めることができる。本発明の実施形態によれば、第1の半導体素子2および第2の半導体素子3が搭載されている回路基板1の外周を囲って熱伝導部材が配置されている。そのため、第1の半導体素子2および第2の半導体素子3との電気的な接続に影響を与えることなく、それぞれの半導体素子の側面方向への放熱性を高めることができる。 According to the embodiment of the present invention in which such operation is performed, the heat conducting member arranged around the semiconductor element can effectively absorb the heat radiated in the lateral direction of the semiconductor element and provide heat dissipation. . Therefore, the heat radiation performance becomes extremely good, so that the reliability of the semiconductor device can be improved. Further, according to the embodiment of the present invention, the second substrate (third metal substrate) 13 is not used for electrical conduction, but used only for thermal conduction. Therefore, it is possible to further increase the degree of freedom in designing the heat dissipation path for the heat generated from the side surface of the semiconductor element. According to the embodiment of the present invention, a heat conducting member is arranged surrounding the outer circumference of the circuit board 1 on which the first semiconductor element 2 and the second semiconductor element 3 are mounted. Therefore, it is possible to improve the heat dissipation in the lateral direction of each semiconductor element without affecting the electrical connection with the first semiconductor element 2 and the second semiconductor element 3 .

また、本実施形態の半導体素子2,3は共に縦型デバイスであるため、その各電極に対応する回路基板1および第3の基板8には電気回路が形成される。電気回路を形成するためには、絶縁確保や配線設計の関係上、基板全体を銅などの熱伝導率の高い材料で製作することができない。したがって、横型デバイスを用いる場合に比べて各基板からの放熱量が少なくなる。しかし、本発明に係る熱伝導部14を用いることで、電気回路が形成された回路基板1および第3の基板8からの放熱に加えて、熱伝導部14を介した放熱が可能となることから、放熱効果を向上させることができるようになる。 Moreover, since both the semiconductor elements 2 and 3 of this embodiment are vertical devices, electric circuits are formed on the circuit board 1 and the third board 8 corresponding to the respective electrodes. In order to form an electric circuit, it is not possible to manufacture the entire substrate from a material with high thermal conductivity such as copper for reasons of insulation and wiring design. Therefore, the amount of heat radiation from each substrate is reduced as compared with the case of using a lateral device. However, by using the heat conducting portion 14 according to the present invention, heat can be radiated via the heat conducting portion 14 in addition to the heat dissipation from the circuit board 1 and the third substrate 8 on which the electric circuit is formed. Therefore, the heat dissipation effect can be improved.

図3は、本発明に係る半導体装置の第2実施形態を示す斜視図である。この第2実施形態では、第1実施形態の熱伝導部材14とは異なる熱伝導部材20が用いられている。すなわち、熱伝導部材20a~20dは独立した4つの部材からなり、外周基板13の四隅を除いた直線部分にそれぞれ断続的に配置されている。いずれの熱伝導部材20a~20dも、対向する半導体素子2,3の側面に沿った状態で半導体素子2,3の側面と平行に配置されている。また、熱伝導部材20a~20dの側面と半導体素子2,3の側面とはほぼ等距離に配置されている。熱伝導部材20aの長辺の長さは、対向する第2の半導体素子3の側面の長さ以上に設定され、熱伝導部材20cの長辺の長さは、対向する第1の半導体素子2の側面の長さ以上に設定されている。また、熱伝導部材20b,20dの長辺の長さは、並設された第1の半導体素子2と第2の半導体素子3の合計長以上に設定されている。上述した熱伝導部材14と同様に、熱伝導部材20a~20dも銅(Cu)を主成分とする材料から形成されている。 FIG. 3 is a perspective view showing a second embodiment of a semiconductor device according to the present invention. In this second embodiment, a heat conducting member 20 different from the heat conducting member 14 of the first embodiment is used. That is, the heat conducting members 20a to 20d are composed of four independent members, and are intermittently arranged on straight portions of the peripheral substrate 13 except for the four corners. All of the heat conducting members 20a to 20d are arranged parallel to the side surfaces of the semiconductor elements 2 and 3 along the side surfaces of the semiconductor elements 2 and 3 facing each other. Moreover, the side surfaces of the heat conducting members 20a to 20d and the side surfaces of the semiconductor elements 2 and 3 are arranged at approximately the same distance. The length of the long side of the heat conducting member 20a is set to be equal to or longer than the length of the side surface of the second semiconductor element 3 facing each other. is longer than the length of the side of the Moreover, the length of the long sides of the heat conducting members 20b and 20d is set to be equal to or longer than the total length of the first semiconductor element 2 and the second semiconductor element 3 arranged side by side. As with the heat-conducting member 14 described above, the heat-conducting members 20a to 20d are also made of a material containing copper (Cu) as a main component.

このように構成された熱伝導部材20a~20dは、少なくとも第1の半導体素子2と第2の半導体素子3のいずれかの側面に等距離で対向していることから、放熱側に最も近い位置に熱伝導部材を設けた効率的な構成である。また、それぞれの熱伝導部材20a~20dを矩形状の部材のみで構成することができるため、外周基板13上への製作も極めて容易である。 Since the heat conducting members 20a to 20d configured in this way face at least one of the side surfaces of the first semiconductor element 2 and the second semiconductor element 3 at the same distance, they are positioned closest to the heat radiation side. This is an efficient configuration in which a heat-conducting member is provided in the In addition, since each of the heat conducting members 20a to 20d can be composed only of rectangular members, it is extremely easy to manufacture them on the peripheral substrate 13. FIG.

図4は、本発明に係る半導体装置の第3実施形態を示す断面図である。本実施形態における半導体装置120は、第3の金属基板8の上部全体を遮蔽層21で覆うように構成されている。遮蔽層21は例えば銅(Cu)を主成分とする材料で形成されている。、遮蔽層21は、ビア22および第4の金属板23を介して熱伝導部材24と熱的に接続されている。図4中に矢印で示すように、半導体素子2,3からの発熱は、熱伝導部材24の側面で受熱され吸収される。そして、熱伝導部材24に伝わった熱は、熱伝導部材24の下面に熱的に接続された外周基板13、ビア17、外周基板15、ビア18、外周基板16を経由し、外周基板16の下面に接続された図示しないヒートシンク等に到達することで、モジュール外部に放熱される。さらに本実施形態では、熱伝導部材24の上面に熱的に接続されたビア22や第4の金属板23を経由して、樹脂層19の上面に接続された図示しない放熱フィン等からも放熱が行われる。すなわち、熱伝導部材24を用いることで、熱伝導部材24の側面で受熱がなされ、受熱方向とは直交する方向である熱伝導部材24の下面から下方向への熱伝導と、熱伝導部材24の上面から上方向への熱伝導とによる放熱が行われる。本実施形態の場合も、受熱面と放熱面とが直交の関係にある放熱経路を実現するために、熱伝導部材24として熱的に等方性を持つ材料で形成されることが望ましい。特に、熱伝導率が大きくかつ電気伝導率にも優れた銅(Cu)を主成分とする材料で形成することで、回路基板やビアとの接続性にも優れた熱伝導部材24が実現する。このような構成の半導体装置120によれば、上述した放熱効果に加えて、モジュール内部から発生する電磁ノイズがモジュール外部に放出されるのを遮断することが可能となる。 FIG. 4 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. The semiconductor device 120 in this embodiment is configured such that the entire upper portion of the third metal substrate 8 is covered with the shielding layer 21 . The shielding layer 21 is made of a material containing copper (Cu) as a main component, for example. , the shielding layer 21 is thermally connected to the heat-conducting member 24 through the via 22 and the fourth metal plate 23 . As indicated by the arrows in FIG. 4, the heat generated by the semiconductor elements 2 and 3 is received and absorbed by the side surfaces of the heat conducting member 24 . The heat transmitted to the heat conducting member 24 passes through the peripheral substrate 13, the vias 17, the peripheral substrate 15, the vias 18, and the peripheral substrate 16, which are thermally connected to the lower surface of the heat conducting member 24, and the peripheral substrate 16. By reaching a heat sink or the like (not shown) connected to the bottom surface, the heat is dissipated to the outside of the module. Further, in the present embodiment, heat is also dissipated from a heat dissipating fin (not shown) connected to the upper surface of the resin layer 19 via the vias 22 and the fourth metal plate 23 thermally connected to the upper surface of the heat conducting member 24. is done. That is, by using the heat-conducting member 24, the side surface of the heat-conducting member 24 receives heat. Heat is radiated by heat conduction upward from the upper surface of the . Also in this embodiment, it is desirable that the heat conducting member 24 be made of a thermally isotropic material in order to realize a heat radiation path in which the heat receiving surface and the heat radiation surface are orthogonal to each other. In particular, by forming the material mainly composed of copper (Cu), which has high thermal conductivity and excellent electrical conductivity, the heat conductive member 24 having excellent connectivity with the circuit board and vias is realized. . According to the semiconductor device 120 having such a configuration, in addition to the heat dissipation effect described above, it is possible to block electromagnetic noise generated inside the module from being emitted to the outside of the module.

本発明の実施形態に係る半導体装置は、パワー半導体の半導体材料として広く知られている炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga2O3)などが用いられた半導体素子を含む場合に有用である。特に、バンドギャップの高いコランダム構造の酸化ガリウム(α-Ga2O3)や、βガリア構造の酸化ガリウム(β-Ga2O3)が用いられた半導体素子を含む場合に極めて有用であり、半導体装置の高密度化のみならず信頼性向上にも貢献する。 A semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a semiconductor element using silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), gallium oxide (Ga2O3), etc., which are widely known as semiconductor materials for power semiconductors. Useful. In particular, it is extremely useful when including a semiconductor element using gallium oxide (α-GaO) with a corundum structure having a high bandgap or gallium oxide (β-GaO) with a β-gallia structure, increasing the density of the semiconductor device. It also contributes to reliability improvement.

なお、上述した本発明に係る複数の実施形態を組合わせたり、一部の構成要素を他の実施形態に適用することももちろん可能であり、そのようなものも本発明の実施形態に属する。
本発明の実施形態においては、第1の半導体素子1および第2の半導体素子に加えて、さらに他の半導体素子がさらに内蔵されていてもよい。また、他の受動部品(例えば、コンデンサ、コイルまたは抵抗等)が半導体装置にさらに内蔵されていてもよい。本発明の実施形態においては、上記した半導体装置をサブモジュールとした上で、これらサブモジュールを複数組み合わせてモジュールを形成して使用してもよい。
It is of course possible to combine multiple embodiments according to the present invention described above, or to apply some of the constituent elements to other embodiments, and such things also belong to the embodiments of the present invention.
In the embodiment of the present invention, in addition to the first semiconductor element 1 and the second semiconductor element, other semiconductor elements may be incorporated. Also, other passive components (for example, capacitors, coils, resistors, etc.) may be further incorporated in the semiconductor device. In the embodiment of the present invention, the semiconductor device described above may be used as a submodule, and a plurality of these submodules may be combined to form a module for use.

上述した本発明の実施形態に係る半導体装置は、上記した機能を発揮させるべく、インバータやコンバータなどの電力変換装置に適用することができる。図5は、本発明の実施形態に係る半導体装置を用いた制御システムの一例を示すブロック構成図、図6は同制御システムの回路図であり、特に電気自動車(Electric Vehicle)への搭載に適した制御システムである。 The semiconductor device according to the embodiment of the present invention described above can be applied to power converters such as inverters and converters in order to exhibit the functions described above. FIG. 5 is a block configuration diagram showing an example of a control system using a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a circuit diagram of the same control system, which is particularly suitable for mounting on an electric vehicle. control system.

図5に示すように、制御システム500はバッテリー(電源)501、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504、モータ(駆動対象)505、駆動制御部506を有し、これらは電気自動車に搭載されてなる。バッテリー501は例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの蓄電池からなり、給電ステーションでの充電あるいは減速時の回生エネルギーなどにより電力を貯蔵するとともに、電気自動車の走行系や電装系の動作に必要となる直流電圧を出力することができる。昇圧コンバータ502は例えばチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であり、バッテリー501から供給される例えば200Vの直流電圧を、チョッパ回路のスイッチング動作により例えば650Vに昇圧して、モータなどの走行系に出力することができる。降圧コンバータ503も同様にチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であるが、バッテリー501から供給される例えば200Vの直流電圧を、例えば12V程度に降圧することで、パワーウインドーやパワーステアリング、あるいは車載の電気機器などを含む電装系に出力することができる。 As shown in FIG. 5, the control system 500 has a battery (power source) 501, a step-up converter 502, a step-down converter 503, an inverter 504, a motor (to be driven) 505, and a drive control section 506, which are mounted on an electric vehicle. It becomes The battery 501 is composed of a storage battery such as a nickel-metal hydride battery or a lithium-ion battery, and stores electric power by charging at a power supply station or regenerative energy during deceleration, and is necessary for the operation of the running system and electrical system of the electric vehicle. DC voltage can be output. The boost converter 502 is a voltage conversion device equipped with a chopper circuit, for example, and boosts the DC voltage of, for example, 200 V supplied from the battery 501 to, for example, 650 V by switching operation of the chopper circuit, and outputs it to a running system such as a motor. be able to. The step-down converter 503 is also a voltage conversion device equipped with a chopper circuit. It can be output to the electrical system including

インバータ504は、昇圧コンバータ502から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ505に出力する。モータ505は電気自動車の走行系を構成する三相交流モータであり、インバータ504から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しないトランスミッション等を介して電気自動車の車輪に伝達する。 Inverter 504 converts the DC voltage supplied from boost converter 502 into a three-phase AC voltage by switching operation, and outputs the three-phase AC voltage to motor 505 . The motor 505 is a three-phase AC motor that constitutes the running system of the electric vehicle, and is rotationally driven by the three-phase AC voltage output from the inverter 504. The rotational driving force is transmitted to the wheels of the electric vehicle via a transmission or the like (not shown). to

一方、図示しない各種センサを用いて、走行中の電気自動車から車輪の回転数やトルク、アクセルペダルの踏み込み量(アクセル量)などの実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部506に入力される。また同時に、インバータ504の出力電圧値も駆動制御部506に入力される。駆動制御部506はCPU(Central Processing Unit)などの演算部やメモリなどのデータ保存部を備えたコントローラの機能を有するもので、入力された計測信号を用いて制御信号を生成してインバータ504にフィードバック信号として出力することで、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ504がモータ505に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、電気自動車の運転制御を正確に実行させることができ、電気自動車の安全・快適な動作が実現する。なお、駆動制御部506からのフィードバック信号を昇圧コンバータ502に与えることで、インバータ504への出力電圧を制御することも可能である。 On the other hand, various sensors (not shown) are used to measure actual values such as the number of revolutions and torque of the wheels and the amount of depression of the accelerator pedal (acceleration amount) from the running electric vehicle. is entered. At the same time, the output voltage value of inverter 504 is also input to drive control section 506 . The drive control unit 506 has the function of a controller that includes an arithmetic unit such as a CPU (Central Processing Unit) and a data storage unit such as a memory. By outputting it as a feedback signal, the switching operation of the switching element is controlled. As a result, the AC voltage applied to the motor 505 by the inverter 504 is corrected instantaneously, so that the operation control of the electric vehicle can be accurately executed, and safe and comfortable operation of the electric vehicle is realized. It is also possible to control the output voltage to inverter 504 by giving the feedback signal from drive control section 506 to boost converter 502 .

図6は、図5における降圧コンバータ503を除いた回路構成、すなわちモータ505を駆動するための構成のみを示した回路構成である。同図に示されるように、本発明の実施形態に係る半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとして昇圧コンバータ502およびインバータ504に採用されることでスイッチング制御に供される。昇圧コンバータ502においてはチョッパ回路に組み込まれてチョッパ制御を行い、またインバータ504においてはIGBTを含むスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、バッテリー501の出力にインダクタ(コイルなど)を介在させることで電流の安定化を図り、またバッテリー501、昇圧コンバータ502、インバータ504のそれぞれの間にキャパシタ(電解コンデンサなど)を介在させることで電圧の安定化を図っている。 FIG. 6 shows a circuit configuration excluding the step-down converter 503 in FIG. As shown in the figure, the semiconductor device according to the embodiment of the present invention is employed as a Schottky barrier diode in boost converter 502 and inverter 504 for switching control. Boost converter 502 is incorporated in a chopper circuit to perform chopper control, and inverter 504 is incorporated in a switching circuit including IGBTs to perform switching control. By interposing an inductor (such as a coil) in the output of the battery 501, the current is stabilized. It is stabilizing the voltage.

また、図6中に点線で示すように、駆動制御部506内にはCPU(Central Processing Unit)からなる演算部507と不揮発性メモリからなる記憶部508が設けられている。駆動制御部506に入力された信号は演算部507に与えられ、プログラムされた演算を必要に応じて行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部508は、演算部507による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部507に適宜出力する。演算部507や記憶部508は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。 Further, as indicated by a dotted line in FIG. 6, the drive control unit 506 is provided with an operation unit 507 made up of a CPU (Central Processing Unit) and a storage unit 508 made up of a non-volatile memory. The signal input to the drive control unit 506 is supplied to the calculation unit 507, and programmed calculation is performed as necessary to generate a feedback signal for each semiconductor element. Further, the storage unit 508 temporarily holds the calculation result by the calculation unit 507, accumulates physical constants and functions required for drive control in the form of a table, and outputs them to the calculation unit 507 as appropriate. The calculation unit 507 and the storage unit 508 can employ known configurations, and their processing capabilities can be arbitrarily selected.

図5や図6に示されるように、制御システム500においては、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504のスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、IGBT、MOSFET等が用いられる。これらの半導体素子に酸化ガリウム(Ga)、特にコランダム型酸化ガリウム(α-Ga)をその材料として用いることでスイッチング特性が大幅に向上する。さらに、本発明の実施形態に係る半導体装置を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム500の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは任意の二つ以上の組合せ、あるいは駆動制御部506も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。 As shown in FIGS. 5 and 6, in the control system 500, switching operations of the boost converter 502, the step-down converter 503, and the inverter 504 use diodes and switching elements such as thyristors, power transistors, IGBTs, MOSFETs, and the like. . By using gallium oxide (Ga 2 O 3 ), especially corundum-type gallium oxide (α-Ga 2 O 3 ), as the material for these semiconductor elements, the switching characteristics are greatly improved. Furthermore, by applying the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, extremely good switching characteristics can be expected, and further miniaturization and cost reduction of the control system 500 can be realized. That is, each of the boost converter 502, the step-down converter 503, and the inverter 504 can expect the effect of the present invention. The effect of the present invention can be expected in any of the above.

なお、上述の制御システム500は本発明の実施形態に係る半導体装置を電気自動車の制御システムに適用できるだけではなく、直流電源からの電力を昇圧・降圧したり、直流から交流へ電力変換するといったあらゆる用途の制御システムに適用することが可能である。また、バッテリーとして太陽電池などの電源を用いることも可能である。 Note that the above-described control system 500 can apply not only the semiconductor device according to the embodiment of the present invention to the control system of an electric vehicle, but also various devices such as stepping up and stepping down power from a DC power supply and converting power from DC to AC. It can be applied to the control system of the application. It is also possible to use a power source such as a solar cell as the battery.

図7は、本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示すブロック構成図、図8は同制御システムの回路図であり、交流電源からの電力で動作するインフラ機器や家電機器等への搭載に適した制御システムである。 FIG. 7 is a block configuration diagram showing another example of a control system employing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a circuit diagram of the same control system, showing infrastructure equipment that operates on power from an AC power supply. This control system is suitable for installation in home appliances, etc.

図7に示すように、制御システム600は、外部の例えば三相交流電源(電源)601から供給される電力を入力するもので、AC/DCコンバータ602、インバータ604、モータ(駆動対象)605、駆動制御部606を有し、これらは様々な機器(後述する)に搭載することができる。三相交流電源601は、例えば電力会社の発電施設(火力発電所、水力発電所、地熱発電所、原子力発電所など)であり、その出力は変電所を介して降圧されながら交流電圧として供給される。また、例えば自家発電機等の形態でビル内や近隣施設内に設置されて電力ケーブルで供給される。AC/DCコンバータ602は交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換装置であり、三相交流電源601から供給される100Vや200Vの交流電圧を所定の直流電圧に変換する。具体的には、電圧変換により3.3Vや5V、あるいは12Vといった、一般的に用いられる所望の直流電圧に変換される。駆動対象がモータである場合には12Vへの変換が行われる。なお、三相交流電源に代えて単相交流電源を採用することも可能であり、その場合にはAC/DCコンバータを単相入力のものとすれば同様のシステム構成とすることができる。 As shown in FIG. 7, the control system 600 receives power supplied from, for example, an external three-phase AC power source (power source) 601, and includes an AC/DC converter 602, an inverter 604, a motor (to be driven) 605, It has a drive control unit 606, which can be mounted on various devices (described later). The three-phase AC power supply 601 is, for example, a power generation facility of an electric power company (a thermal power plant, a hydroelectric power plant, a geothermal power plant, a nuclear power plant, etc.), and its output is stepped down via a substation and supplied as an AC voltage. be. In addition, for example, in the form of a private power generator or the like, it is installed in a building or in a nearby facility and supplied by a power cable. AC/DC converter 602 is a voltage conversion device that converts AC voltage to DC voltage, and converts AC voltage of 100V or 200V supplied from three-phase AC power supply 601 to a predetermined DC voltage. Specifically, the voltage is converted into a generally used desired DC voltage such as 3.3V, 5V, or 12V. If the object to be driven is a motor, conversion to 12V is performed. A single-phase AC power supply can be used instead of the three-phase AC power supply. In that case, the same system configuration can be achieved by using a single-phase input AC/DC converter.

インバータ604は、AC/DCコンバータ602から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ605に出力する。モータ604は、制御対象によりその形態が異なるが、制御対象が電車の場合には車輪を、工場設備の場合にはポンプや各種動力源を、家電機器の場合にはコンプレッサなどを駆動するための三相交流モータであり、インバータ604から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しない駆動対象に伝達する。 Inverter 604 converts the DC voltage supplied from AC/DC converter 602 into a three-phase AC voltage by switching operation, and outputs the three-phase AC voltage to motor 605 . The form of the motor 604 differs depending on the object to be controlled, but if the object to be controlled is a train, it drives the wheels; if it is factory equipment, it drives pumps and various power sources; It is a three-phase AC motor, and is rotationally driven by a three-phase AC voltage output from inverter 604, and transmits its rotational driving force to a drive target (not shown).

なお、例えば家電機器においてはAC/DCコンバータ602から出力される直流電圧をそのまま供給することが可能な駆動対象も多く(例えばパソコン、LED照明機器、映像機器、音響機器など)、その場合には制御システム600にインバータ604は不要となり、図7中に示すように、AC/DCコンバータ602から駆動対象に直流電圧を供給する。この場合、例えばパソコンなどには3.3Vの直流電圧が、LED照明機器などには5Vの直流電圧が供給される。 For example, in home appliances, there are many driven objects that can be directly supplied with the DC voltage output from the AC/DC converter 602 (for example, personal computers, LED lighting equipment, video equipment, audio equipment, etc.). Inverter 604 is no longer required in control system 600, and as shown in FIG. 7, DC voltage is supplied from AC/DC converter 602 to the driven object. In this case, for example, a personal computer is supplied with a DC voltage of 3.3V, and an LED lighting device is supplied with a DC voltage of 5V.

一方、図示しない各種センサを用いて、駆動対象の回転数やトルク、あるいは駆動対象の周辺環境の温度や流量などといった実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部606に入力される。また同時に、インバータ604の出力電圧値も駆動制御部606に入力される。これらの計測信号をもとに、駆動制御部606はインバータ604にフィードバック信号を与え、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ604がモータ605に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、駆動対象の運転制御を正確に実行させることができ、駆動対象の安定した動作が実現する。また、上述のように、駆動対象が直流電圧で駆動可能な場合には、インバータへのフィードバックに代えてAC/DCコンバータ602をフィードバック制御することも可能である。 On the other hand, various sensors (not shown) are used to measure actual values such as the rotational speed and torque of the object to be driven, or the temperature and flow rate of the surrounding environment of the object to be driven. At the same time, the output voltage value of inverter 604 is also input to drive control section 606 . Based on these measurement signals, drive control section 606 gives a feedback signal to inverter 604 to control the switching operation of the switching element. As a result, the AC voltage applied to the motor 605 by the inverter 604 is corrected instantaneously, so that the operation control of the object to be driven can be accurately executed, and stable operation of the object to be driven is realized. Further, as described above, when the object to be driven can be driven with a DC voltage, it is possible to feedback-control AC/DC converter 602 instead of feedback to the inverter.

図8は、図7の回路構成を示したものである。同図に示されるように、本発明の実施形態に係る半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとしてAC/DCコンバータ602およびインバータ604に採用されることでスイッチング制御に供される。AC/DCコンバータ602は、例えばショットキーバリアダイオードをブリッジ状に回路構成したものが用いられ、入力電圧の負電圧分を正電圧に変換整流することで直流変換を行う。またインバータ604においてはIGBTにおけるスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、AC/DCコンバータ602とインバータ604の間にキャパシタ(電解コンデンサなど)を介在させることで電圧の安定化を図っている。 FIG. 8 shows the circuit configuration of FIG. As shown in the figure, the semiconductor device according to the embodiment of the present invention is employed as a Schottky barrier diode in an AC/DC converter 602 and an inverter 604 for switching control. The AC/DC converter 602 uses, for example, a Schottky barrier diode circuit configured in a bridge shape, and performs DC conversion by converting and rectifying the negative voltage component of the input voltage into a positive voltage. Also, the inverter 604 is incorporated in the switching circuit in the IGBT and performs switching control. A capacitor (such as an electrolytic capacitor) is interposed between the AC/DC converter 602 and the inverter 604 to stabilize the voltage.

また、図8中に点線で示すように、駆動制御部606内にはCPUからなる演算部607と不揮発性メモリからなる記憶部608が設けられている。駆動制御部606に入力された信号は演算部607に与えられ、プログラムされた演算を必要に応じて行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部608は、演算部607による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部607に適宜出力する。演算部607や記憶部608は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。 Further, as indicated by the dotted line in FIG. 8, the driving control unit 606 is provided with an operation unit 607 made up of a CPU and a storage unit 608 made up of a non-volatile memory. The signal input to the drive control unit 606 is supplied to the calculation unit 607, and programmed calculation is performed as necessary to generate a feedback signal for each semiconductor element. Further, the storage unit 608 temporarily holds the result of calculation by the calculation unit 607, accumulates physical constants and functions required for drive control in the form of a table, and outputs them to the calculation unit 607 as appropriate. The calculation unit 607 and the storage unit 608 can employ known configurations, and their processing capabilities can be arbitrarily selected.

このような制御システム600においても、図5や図6に示した制御システム500と同様に、AC/DCコンバータ602やインバータ604の整流動作やスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、IGBT、MOSFET等が用いられる。これら半導体素子に酸化ガリウム(Ga)、特にコランダム型酸化ガリウム(α-Ga)をその材料として用いることでスイッチング特性が向上する。さらに、本発明の実施形態に係る半導体装置を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム600の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、AC/DCコンバータ602、インバータ604のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは組合せ、あるいは駆動制御部606も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。 In such a control system 600, as in the control system 500 shown in FIGS. 5 and 6, the rectifying operation and switching operation of the AC/DC converter 602 and the inverter 604 are performed by diodes, switching elements such as thyristors and power transistors. , IGBT, MOSFET, etc. are used. Switching characteristics are improved by using gallium oxide (Ga 2 O 3 ), particularly corundum type gallium oxide (α-Ga 2 O 3 ), as the material for these semiconductor elements. Furthermore, by applying the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, extremely good switching characteristics can be expected, and further miniaturization and cost reduction of the control system 600 can be realized. That is, AC/DC converter 602 and inverter 604 can each be expected to have the effect of the present invention. can be expected.

なお、図7および図8では駆動対象としてモータ605を例示したが、駆動対象は必ずしも機械的に動作するものに限られず、交流電圧を必要とする多くの機器を対象とすることができる。制御システム600においては、交流電源から電力を入力して駆動対象を駆動する限りにおいては適用が可能であり、インフラ機器(例えばビルや工場等の電力設備、通信設備、交通管制機器、上下水処理設備、システム機器、省力機器、電車など)や家電機器(例えば、冷蔵庫、洗濯機、パソコン、LED照明機器、映像機器、音響機器など)といった機器を対象とした駆動制御のために搭載することができる。 7 and 8 illustrate the motor 605 as an object to be driven, but the object to be driven is not necessarily limited to mechanically operating devices, and many devices requiring AC voltage can be targeted. In the control system 600, as long as the drive object is driven by inputting power from an AC power supply, it can be applied to infrastructure equipment (for example, power equipment such as buildings and factories, communication equipment, traffic control equipment, water and sewage treatment). Equipment, system equipment, labor-saving equipment, trains, etc.) and home appliances (e.g., refrigerators, washing machines, personal computers, LED lighting equipment, video equipment, audio equipment, etc.). can.

1 回路基板(第1の基板)
2, 3 半導体素子
4 第1の金属基板
5 第2の金属基板
6, 7, 9, 10, 17, 18, 22 ビア
8 第3の金属基板(第2の基板)
11 スルーホール
12a, 12b, 12c 隙間
13 外周基板(第3の基板)
14 熱伝導部材(熱伝導部)
15, 16 外周基板
16 ゲート抵抗
19 樹脂層
20a, 20b, 20c, 20d 熱伝導部材(熱伝導部)
21 遮蔽層
23 第4の金属板
24 熱伝導部材(熱伝導部)
110, 120 半導体装置
500 制御システム
501 バッテリー(電源)
502 昇圧コンバータ
503 降圧コンバータ
504 インバータ
505 モータ(駆動対象)
506 駆動制御部
507 演算部
508 記憶部
600 制御システム
601 三相交流電源(電源)
602 AC/DCコンバータ
604 インバータ
605 モータ(駆動対象)
606 駆動制御部
607 演算部
608 記憶部



1 circuit board (first board)
2, 3 Semiconductor device
4 First metal substrate
5 Second metal substrate
6, 7, 9, 10, 17, 18, 22 Via
8 Third metal substrate (second substrate)
11 through hole
12a, 12b, 12c Gap
13 Peripheral substrate (third substrate)
14 Heat conduction member (heat conduction part)
15, 16 Outer substrate
16 gate resistor
19 resin layer
20a, 20b, 20c, 20d Heat transfer member (heat transfer part)
21 shielding layer
23 Fourth metal plate
24 Heat conduction member (heat conduction part)
110, 120 Semiconductor equipment
500 control system
501 battery (power supply)
502 Boost Converter
503 Buck Converter
504 Inverter
505 motor (driven)
506 drive controller
507 Calculator
508 Memory
600 control system
601 Three-phase AC power supply (power supply)
602 AC/DC converter
604 Inverter
605 motor (driven)
606 drive controller
607 Calculator
608 memory



第1の金属基板4と第2の金属基板5の周囲にも同様に、所定の隙間12b,12cを介して、外周基板15(第4の基板),16が設けられている。外周基板15,16の厚みや構成材料は、第1および第2の金属基板4,5と同じである。隙間12aの寸法と隙間12b,12cの寸法は同じであっても異なっていてもよいが、本発明においては、隙間12aの寸法が小さく設定されている方がより望ましい。
Similarly, peripheral substrates 15 (fourth substrates) 16 are provided around the first metal substrate 4 and the second metal substrate 5 with predetermined gaps 12b and 12c interposed therebetween. The thickness and constituent materials of the peripheral substrates 15 and 16 are the same as those of the first and second metal substrates 4 and 5 . The dimension of the gap 12a and the dimensions of the gaps 12b and 12c may be the same or different, but in the present invention, it is more desirable that the size of the gap 12a is set small.

1 回路基板(第1の基板)
2, 3 半導体素子
4 第1の金属基板
5 第2の金属基板
6, 7, 9, 10, 17, 18, 22 ビア
8 第3の金属基板(第2の基板)
11 スルーホール
12a, 12b, 12c 隙間
13 外周基板(第3の基板)
14 熱伝導部材(熱伝導部)
15 外周基板(第4の基板)
16 外周基
19 樹脂層
20a, 20b, 20c, 20d 熱伝導部材(熱伝導部)
21 遮蔽層
23 第4の金属板
24 熱伝導部材(熱伝導部)
110, 120 半導体装置
500 制御システム
501 バッテリー(電源)
502 昇圧コンバータ
503 降圧コンバータ
504 インバータ
505 モータ(駆動対象)
506 駆動制御部
507 演算部
508 記憶部
600 制御システム
601 三相交流電源(電源)
602 AC/DCコンバータ
604 インバータ
605 モータ(駆動対象)
606 駆動制御部
607 演算部
608 記憶部
1 circuit board (first board)
2, 3 Semiconductor device
4 First metal substrate
5 Second metal substrate
6, 7, 9, 10, 17, 18, 22 Via
8 Third metal substrate (second substrate)
11 through hole
12a, 12b, 12c Gap
13 Peripheral substrate (third substrate)
14 Heat conduction member (heat conduction part)
15 Peripheral substrate (fourth substrate)
16 Outer substrate
1 9 Resin layer
20a, 20b, 20c, 20d Heat transfer member (heat transfer part)
21 shielding layer
23 Fourth metal plate
24 Heat conduction member (heat conduction part)
110, 120 Semiconductor equipment
500 control system
501 battery (power supply)
502 Boost Converter
503 Buck Converter
504 Inverter
505 motor (driven)
506 drive controller
507 Calculator
508 Memory
600 control system
601 Three-phase AC power supply (power supply)
602 AC/DC converter
604 Inverter
605 motor (driven)
606 drive controller
607 Calculator
608 memory

Claims (16)

第1の基板と第2の基板との間に少なくとも1つの半導体素子が配置されている積層体を含む半導体装置であって、
前記半導体素子の近傍で且つ前記第1の基板と略同じ積層方向高さの位置に、前記第1の基板および前記第2の基板とは異なる第3の基板に熱的に接続されている熱伝導部が設けられており、前記熱伝導部が、前記半導体素子とは電気的に絶縁されており、前記熱伝導部が前記半導体素子の周囲に配置されていることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device comprising a laminate having at least one semiconductor element disposed between a first substrate and a second substrate,
Thermally connected to a third substrate different from the first substrate and the second substrate in the vicinity of the semiconductor element and at substantially the same height in the stacking direction as the first substrate. A semiconductor device, comprising: a conductive portion; wherein the thermal conductive portion is electrically insulated from the semiconductor element; and the thermal conductive portion is arranged around the semiconductor element.
前記熱伝導部は前記半導体素子の周囲に連続的に配置されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said heat conducting portion is continuously arranged around said semiconductor element. 前記熱伝導部は前記半導体素子の周囲に断続的に配置されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said heat conducting portion is intermittently arranged around said semiconductor element. 前記熱伝導部は前記半導体素子の側面に沿って配置されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said heat conducting portion is arranged along a side surface of said semiconductor element. 前記熱伝導部の側面は前記半導体素子の側面とほぼ等距離に配置されていることを特徴とする請求項4記載の半導体装置。 5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the side surface of said heat conducting portion is arranged substantially equidistant from the side surface of said semiconductor element. 前記熱伝導部は側面で受熱した熱を当該側面と直交する面の方向に放熱することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the heat conducting portion radiates heat received at the side surface in a direction perpendicular to the side surface. 前記熱伝導部は熱的に等方性を持つ材料で形成されていることを特徴とする請求項6記載の半導体装置。 7. The semiconductor device according to claim 6, wherein said heat conducting portion is made of a thermally isotropic material. 前記熱伝導部は銅(Cu)を主成分とする材料で形成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said heat conducting portion is made of a material containing copper (Cu) as a main component. 前記半導体素子として、第1の半導体素子および第2の半導体素子が、前記第の基板と前記第2の基板との間に配置されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein as said semiconductor elements, a first semiconductor element and a second semiconductor element are arranged between said second substrate and said second substrate. 前記熱伝導部が、前記第1の半導体素子および前記第2の半導体素子の周囲を囲むように配置されていることを特徴とする請求項9記載の半導体装置。 10. The semiconductor device according to claim 9, wherein said heat conducting portion is arranged to surround said first semiconductor element and said second semiconductor element. 前記第3の基板が、前記第1の基板および前記第2の基板と電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said third substrate is electrically insulated from said first substrate and said second substrate. 前記半導体素子が、前記半導体層と、半導体層の第1の面に設けられている第1の電極と、前記半導体層の第1の面とは反対側の第2の面に設けられている第2の電極とを備え、前記第2の電極と前記第2の基板とがビアを介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor element is provided on the semiconductor layer, a first electrode provided on a first surface of the semiconductor layer, and a second surface opposite to the first surface of the semiconductor layer. 2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a second electrode, wherein said second electrode and said second substrate are electrically connected through vias. 前記熱伝導部と前記半導体素子の間には電気絶縁性材料が介在していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein an electrically insulating material is interposed between said heat conducting portion and said semiconductor element. 前記熱伝導部の熱は前記積層方向へ伝熱されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the heat of said heat conducting portion is transferred in said stacking direction. 請求項1記載の半導体装置を用いた電力変換装置。 A power converter using the semiconductor device according to claim 1 . 請求項1記載の半導体装置を用いた制御システム。


A control system using the semiconductor device according to claim 1 .


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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11176993A (en) * 1997-12-12 1999-07-02 Seiko Epson Corp Semiconductor device, manufacture thereof, circuit board, and electronic apparatus
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