JP4826426B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷却構造を有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a cooling structure.
電力用スイッチング素子であるパワー素子あるいはパワー半導体素子は、各種電力デバイスに広く用いられている。近年、電気モーターを動力源の一つとするハイブリッド電気自動車(HEV)が実用化され、これまで以上に多くの大電力のパワー素子が使用されている。 A power element or a power semiconductor element, which is a power switching element, is widely used in various power devices. In recent years, a hybrid electric vehicle (HEV) using an electric motor as one of the power sources has been put into practical use, and more high-power power elements are used than ever.
ハイブリッド車用のパワー素子部品として、パワーカードあるいはパワーモールドが知られている。パワーモールドは、負荷電流のオン・オフのためのトランジスタであるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)と、負荷電流を転流させるためのFWD(Free Wheeling Diode)と、負荷電流の入出力のための一対のリードフレームとを、樹脂によりモールドして構成する(特許文献1、2参照)。 A power card or a power mold is known as a power element component for a hybrid vehicle. The power mold consists of an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) which is a transistor for turning on and off the load current, a FWD (Free Wheeling Diode) for commutating the load current, and a pair for input and output of the load current. The lead frame is molded by resin (see Patent Documents 1 and 2).
IGBTのようなパワー素子は、スイッチングロスあるいは導通ロスによる発熱量が大きい。したがって、パワー素子と接続する一対のリードフレームが、パワー素子の放熱あるいは冷却のためのヒートシンクを兼用し、リードフレームの外面がモールド樹脂から露出している。リードフレームの露出面を使用して放熱させるために、リードフレームの露出面を、絶縁基板を介して、放熱用金属部材に接触させる。このように一対のリードフレームの露出面から冷却することにより、パワー素子が効率よく冷却される。しかし、リードフレームと絶縁基板と放熱用金属部材とは、グリスを介して接触しているので、放熱経路の熱抵抗が大きいという問題点があった。 A power element such as an IGBT generates a large amount of heat due to switching loss or conduction loss. Therefore, the pair of lead frames connected to the power element also serves as a heat sink for heat dissipation or cooling of the power element, and the outer surface of the lead frame is exposed from the mold resin. In order to dissipate heat using the exposed surface of the lead frame, the exposed surface of the lead frame is brought into contact with the heat radiating metal member via the insulating substrate. Thus, the power element is efficiently cooled by cooling from the exposed surfaces of the pair of lead frames. However, since the lead frame, the insulating substrate, and the metal member for heat dissipation are in contact with each other through grease, there is a problem that the thermal resistance of the heat dissipation path is large.
図8を参照して、従来の大電力を制御する半導体装置の冷却構造を具体的に説明する。図8は、従来の半導体装置の冷却構造を示す概略断面図である。半導体装置500は、パワーモールド50とその両側に配置されたアルミ製の冷却器72、76からなる。
With reference to FIG. 8, a conventional cooling structure of a semiconductor device for controlling high power will be described in detail. FIG. 8 is a schematic sectional view showing a cooling structure of a conventional semiconductor device. The
パワーモールド50は、パワー素子であるトランジスタ51などの構成部材が、エポキシ樹脂57によりモールドされて構成される。パワーモールド50は、トランジスタ51とこのトランジスタに並列に接続されたダイオード(図示せず)とを備える。トランジスタ51の一方の端子は、はんだ61によりコレクタ側リードフレーム52に接続される。トランジスタ51の他方の端子は、はんだ62、銅(Cu)ブロック55、はんだ63を介して、エミッタ側リードフレーム53に接続される。さらに、トランジスタの信号端子は、ワイヤボンディング56により信号線54と接続される。
The
一対のリードフレーム52、53のトランジスタ51の端子に接続される側とは反対の面、すなわち外面は、モールドされた樹脂から露出している。したがって、コレクタ側リードフレーム52は、コレクタ側のヒートシンクとして動作する。コレクタ側リードフレーム52の外面は、グリス66を介して絶縁基板71に接着される。絶縁基板71には、グリス65を介してアルミ製の冷却器72に接着される。冷却器72には、冷却水が流れる冷却水路73が形成されている。
The opposite surface, that is, the outer surface, of the pair of
また、エミッタ側リードフレーム53は、エミッタ側のヒートシンクとして動作する。エミッタ側リードフレーム53の外面は、グリス67を介して絶縁基板75に接触している。絶縁基板75には、グリス68を介してアルミ製の冷却器76が接触している。冷却器76には、冷媒が流れる冷却水路77が形成されている。
The emitter-
なお、アルミ製の冷却器72、76が絶縁基板71、75を介してヒートシンクであるリードフレーム52、53に接着されているのは、電気的端子であるリードフレームをアルミ製の冷却器と絶縁する必要があることによる。
The
従来の半導体装置500は、トランジスタ51の冷却を両面から行うもので、トランジスタ51の熱は、リードフレーム52、53から、それぞれ冷却器72、76に流れて放熱される。しかしながら、リードフレーム52、53から冷却器72、76までの経路には、絶縁基板71、75と2層のグリス65,66、67、68が介在して、熱抵抗を大きくしている。
The
なお、冷却水路を有するセラミックに回路素子を結合して回路素子の冷却を行うことが知られているが、セラミックに形成される水路の肉厚が厚く、さらに従来のものは片面放熱構造のため、熱抵抗が大きい(特許文献3参照)。 In addition, it is known that a circuit element is coupled to a ceramic having a cooling water channel to cool the circuit element, but the thickness of the water channel formed in the ceramic is thick, and the conventional one has a single-sided heat dissipation structure. The thermal resistance is large (see Patent Document 3).
本発明は、上記問題点に鑑み、放熱経路の熱抵抗を小さくして、冷却効率の高い冷却構造を有する半導体装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a cooling structure with high cooling efficiency by reducing the thermal resistance of a heat dissipation path.
本発明の請求項1に記載の半導体装置は、少なくとも1つの半導体素子(11、16)と、該半導体素子(11、16)を挟む一対のリードフレーム(12、13)とを有し、該リードフレーム(12、13)の外側表面を露出して、樹脂(18)によりモールドされた半導体コンポーネント(10)と、前記一対のリードフレーム(12、13)の外側表面にそれぞれ接合用金属(25、26)で接合された、冷媒通路(23、24)を有するセラミックチューブ(21、22)とを備え、前記セラミックチューブ(21、22)の前記リードフレーム(12、13)に接合される側の前記冷媒通路(23,24)の第1の壁(21a、22a)の肉厚は、前記第1の壁に対向する前記冷媒通路(23,24)の第2の壁(21b、22b)の肉厚より小であることを特徴とする。 The semiconductor device according to claim 1 of the present invention includes at least one semiconductor element (11, 16) and a pair of lead frames (12, 13) sandwiching the semiconductor element (11, 16). The outer surface of the lead frame (12, 13) is exposed, the semiconductor component (10) molded with the resin (18), and the bonding metal (25) on the outer surface of the pair of lead frames (12, 13), respectively. 26) and ceramic tubes (21, 22) having refrigerant passages (23, 24) joined to each other, and the sides of the ceramic tubes (21, 22) joined to the lead frames (12, 13). The thickness of the first wall (21a, 22a) of the refrigerant passage (23, 24) is the second wall (21b, 22b) of the refrigerant passage (23, 24) facing the first wall. Characterized in that the thickness of than is small.
請求項1に記載の発明においては、冷却のためのセラミックチューブをリードフレームに接合用金属により接合させるので、熱抵抗を下げることができる。また、セラミックチューブの冷媒通路の肉厚の厚い第2の壁を外側表面にすることで、セラミックチューブの機械的強度を保持し、同時にセラミックチューブの冷媒通路は、肉厚の薄い第1の壁を介して、リードフレームに接合しているので、より熱抵抗を小さくできる。このように、冷却効率を上げることができるので、使用する半導体素子の数を削減することも可能になる。 In the first aspect of the invention, since the ceramic tube for cooling is joined to the lead frame by the joining metal, the thermal resistance can be lowered. Further, the second wall having a large thickness of the refrigerant passage of the ceramic tube is used as the outer surface, so that the mechanical strength of the ceramic tube is maintained, and at the same time, the refrigerant passage of the ceramic tube is the first wall having a small thickness. Since it is joined to the lead frame via the thermal resistance, the thermal resistance can be further reduced. Thus, since the cooling efficiency can be increased, the number of semiconductor elements to be used can be reduced.
本発明の請求項2に記載の半導体装置では、前記セラミックチューブ(21、22)の前記第1の壁(21a,22a)の肉厚は、0.5mm未満であり、前記第2の壁の肉厚(21b,22b)は、0.5mm以上3mm以下であることを特徴とする。この壁の肉厚の条件により、冷却効率を上げるとともに、機械的強度を保持することができる。 In the semiconductor device according to claim 2 of the present invention, the thickness of the first wall (21a, 22a) of the ceramic tube (21, 22) is less than 0.5 mm, and the thickness of the second wall The thickness (21b, 22b) is 0.5 mm or more and 3 mm or less. Depending on the wall thickness condition, the cooling efficiency can be increased and the mechanical strength can be maintained.
本発明の請求項3に記載の半導体装置は、前記セラミックチューブ(21、22)の前記第1の壁(21a,22a)の肉厚は、0.2mm以下であり、前記第2の壁(21b,22b)の肉厚は、0.3mm以上3mm以下であることを特徴とする。この壁の肉厚の条件により、より一層冷却効率を高めることができる。
In the semiconductor device according to
本発明の請求項4に記載の半導体装置では、前記セラミックチューブ(21、22)は、窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム、又は炭化珪素のうち少なくとも1つを主成分とする。これにより、冷却効率および機械的強度が高いセラミックチューブを得ることができる。 In the semiconductor device according to a fourth aspect of the present invention, the ceramic tube (21, 22) contains at least one of silicon nitride, aluminum oxide, zirconium oxide, aluminum nitride, or silicon carbide as a main component. Thereby, a ceramic tube with high cooling efficiency and mechanical strength can be obtained.
本発明の請求項5に記載の半導体装置では、前記セラミックチューブ(21、22)の前記リードフレームに接合される面にはメタライズ処理がされている。これにより、セラミックチューブとリードフレームの接合がより強固になる。 In the semiconductor device according to the fifth aspect of the present invention, the surface of the ceramic tube (21, 22) to be joined to the lead frame is metallized. Thereby, joining of a ceramic tube and a lead frame becomes stronger.
本発明の請求項6に記載の半導体装置では、前記接合用金属(25、26)として、Agの焼結体を主成分とするものを用いる。これにより、熱抵抗の低い接合を得ることができる。 In the semiconductor device according to claim 6 of the present invention, a material mainly composed of a sintered body of Ag is used as the bonding metal (25, 26). Thereby, joining with low thermal resistance can be obtained.
本発明の請求項8に記載の半導体装置では、前記リードフレーム(12、13)の厚さをdとし、前記半導体素子(15)の辺の長さをLとするとき、該半導体素子(15)の辺と平行な前記リードフレーム(12、13)の辺の長さは、(L+d)以上である。これにより、リードフレームを通過する熱が拡散して、セラミックチューブに伝わるようにできる。 In the semiconductor device according to an eighth aspect of the present invention, when the thickness of the lead frame (12, 13) is d and the side length of the semiconductor element (15) is L, the semiconductor element (15 The length of the side of the lead frame (12, 13) parallel to the side of () is not less than (L + d). Thereby, the heat passing through the lead frame can be diffused and transmitted to the ceramic tube.
本発明の請求項9に記載の半導体装置では、前記半導体素子(15)の辺と平行な前記リードフレーム(12、13)の辺の長さは、(L+2d)以上である。これにより、熱の拡散経路を確保し、さらにセラミックチューブによる冷却効率を高めることができる。 In the semiconductor device according to claim 9 of the present invention, the length of the side of the lead frame (12, 13) parallel to the side of the semiconductor element (15) is not less than (L + 2d). As a result, a heat diffusion path can be secured, and the cooling efficiency by the ceramic tube can be increased.
本発明の請求項10に記載の半導体装置では、前記リードフレーム(12、13)は、銅からなり、前記リードフレーム(12、13)の厚さdは、3mm≦d≦5mmである。これにより、銅のリードフレームの熱抵抗をほぼ最小値とすることができる。 In the semiconductor device according to the tenth aspect of the present invention, the lead frame (12, 13) is made of copper, and the thickness d of the lead frame (12, 13) is 3 mm ≦ d ≦ 5 mm. As a result, the thermal resistance of the copper lead frame can be set to a minimum value.
本発明の請求項11に記載の半導体装置では、前記セラミックチューブ(21、22)は、その周囲にメタライズ処理部(28)を有し、該メタライズ処理部(28)に、冷媒の熱を排出する熱交換器との接続部が連結されている。これにより、セラミックチューブと熱交換器のパイプとを強固に結合させることができる。
In the semiconductor device according to
本発明の請求項12に記載の半導体装置では、前記セラミックチューブ(21、22)の少なくともメタライズ処理部の外形が丸みを帯びている。これにより、熱交換器に接続するパイプとのろう付けの耐久信頼性を向上させることができる。 In a semiconductor device according to a twelfth aspect of the present invention, at least the outer shape of the metallized portion of the ceramic tube (21, 22) is rounded. Thereby, durability reliability of brazing with the pipe connected to a heat exchanger can be improved.
本発明の請求項13に記載の半導体装置は、前記セラミックチューブ(21、22)の流路(23、24)の最小断面積は1mm2以上である。これにより、流路による圧力損失を高めることのないようにできる。 In the semiconductor device according to claim 13 of the present invention, the minimum cross-sectional area of the flow path (23, 24) of the ceramic tube (21, 22) is 1 mm 2 or more. Thereby, it can avoid that the pressure loss by a flow path is raised.
本発明の請求項14に記載の半導体装置は、前記セラミックチューブ(21、22)は、前記半導体素子(11、16)に対応する流路部分に、乱流を形成する突起部を有する。これにより、さらに半導体素子に対する冷却効果を高めることができる。 In a semiconductor device according to a fourteenth aspect of the present invention, the ceramic tubes (21, 22) have a protrusion that forms a turbulent flow in a flow path portion corresponding to the semiconductor element (11, 16). Thereby, the cooling effect with respect to a semiconductor element can be heightened further.
本発明の請求項15に記載の半導体装置は、前記セラミックチューブ(21、22)の冷媒通路(23、24)は、前記リードフレーム(12、13)の露出表面より広い範囲にわたって配置される。これにより、ヒートシンクであるリードフレームをさらに効率よく冷却させることができる。 In the semiconductor device according to the fifteenth aspect of the present invention, the refrigerant passages (23, 24) of the ceramic tubes (21, 22) are arranged over a wider range than the exposed surfaces of the lead frames (12, 13). Thereby, the lead frame which is a heat sink can be cooled more efficiently.
本発明の請求項16に記載の半導体装置は、前記半導体素子(11、16)を複数個備え、該複数個の半導体素子のうち発熱量の大きい半導体素子を、前記セラミックチューブ(21、22)の冷媒通路(23,24)を流れる冷媒の上流側に配置する。これにより、発熱量の大きい半導体素子をより低温の冷媒で冷却することができ、冷却効率を高めることができる。 A semiconductor device according to a sixteenth aspect of the present invention includes a plurality of the semiconductor elements (11, 16), and a semiconductor element having a large calorific value among the plurality of semiconductor elements is connected to the ceramic tube (21, 22). It arrange | positions in the upstream of the refrigerant | coolant which flows through the refrigerant path (23, 24). Thereby, a semiconductor element with a large calorific value can be cooled with a cooler refrigerant, and cooling efficiency can be improved.
本発明の請求項17に記載の半導体装置は、前記リードフレーム(12、13)の側面は、前記モールド樹脂(18)より露出して、前記セラミックチューブ(21、22)は、前記リードフレーム(12、13)を埋め込む凹部を有する。これにより、セラミックチューブによるリードフレームの冷却効果をより高めることができる。 In the semiconductor device according to claim 17 of the present invention, the side surfaces of the lead frames (12, 13) are exposed from the mold resin (18), and the ceramic tubes (21, 22) are connected to the lead frame ( 12, 13). Thereby, the cooling effect of the lead frame by the ceramic tube can be further enhanced.
なお、上記各構成要素に付したカッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。 In addition, the code | symbol in the parenthesis attached | subjected to each said component is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、図1〜図7を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の一実施形態である半導体装置の概略断面図を示し、図2(a)は、本発明の実施形態に使用するパワーモールドの構成部品の組み立て工程を説明する図であり、図2(b)は、樹脂モールドされたパワーモールドの斜視図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2A is a view for explaining an assembly process of power mold components used in the embodiment of the present invention. FIG. 2 (b) is a perspective view of a resin-molded power mold.
図1に示す、本発明の一実施形態である半導体装置100は、パワー素子をエポキシ樹脂18によりモールドしたパワーモールド10と、その両面に配置された冷却用セラミックチューブ21、22からなる。
A
パワーモールド10のパワー素子であるトランジスタ11(IGBT)のコレクタは、接合用金属であるAg焼結体31を介して、必要に応じてAuメッキを施したCuからなるリードフレーム12に接合されている。トランジスタ11のエミッタは、Ag焼結体32を介して必要に応じてAuメッキを施したCuブロック15に接合され、さらにAg焼結体33を介して、必要に応じてAuメッキを施したCuからなるリードフレーム13に接合される。
The collector of the transistor 11 (IGBT) which is a power element of the
図1には示されてないが、パワーモールド10には、トランジスタ11に並列にダイオード16(図2(a))が接続されており、ダイオード16の端子も、トランジスタ11と同様に、リードフレーム12、13に接合されている。
Although not shown in FIG. 1, a diode 16 (FIG. 2A) is connected to the
また、トランジスタ11のゲートは、ワイヤボンディング19により、信号線14に接続される。Cuブロック15は、ワイヤボンディング19がトランジスタ11と接続可能なように、その接続部上部に空間を確保するよう構成されている。Ag焼結体31、32、33は、Agの焼結体を主成分とする接合用金属であり、低温で接合ができるので、トランジスタ11、ダイオード16等の半導体素子に悪影響を与える可能性は少ない。リードフレーム12、13の外面は、エポキシ樹脂18から露出して、リードフレーム12,13がヒートシンクとしても機能するようになっている。
The gate of the
ここで、図2(a)(b)を参照して、パワーモールドの構造をさらに説明する。図2(a)には、リードフレーム12上に、トランジスタ11とダイオード(FWD)16とが載置されている状態が示されている。トランジスタ11上には、ワイヤボンディングのための空間を確保するようCuブロック15が載置される。ダイオード16は、2端子素子であるので、ワイヤボンディングにより接続する必要はないが、パワーモールド10の厚みを等しくするために、ダイオード16上にもCuブロック17が載置される。さらに、リードフレーム13が載置される。
Here, the structure of the power mold will be further described with reference to FIGS. FIG. 2A shows a state where the
最終的には、エポキシ樹脂18を用いてモールドされ、図2(b)に示すパワーモールドが完成する。もちろん、樹脂モールドされる前に、リードフレーム12から延びる信号端子14は切り離され、さらに図1に見られるように、トランジスタ11のゲートとワイヤボンディング19によって電気的接続が行われる。
Finally, molding is performed using the
完成したパワーモールド10は、エポキシ樹脂18によりモールドされているが、リードフレーム12、13の外表面は大きく露出して、ヒートシンクとして機能する。
The completed
図1に示すように、エポキシ樹脂18より露出するリードフレーム12の外表面には、冷媒通路23が形成されたセラミックチューブ21が、Ag焼結体25を介して接合される。同様にエポキシ樹脂18より露出するリードフレーム13の外表面には、冷媒通路24が形成されたセラミックチューブ22が、Ag焼結体26を介して接合される。セラミックチューブ21、22のAg焼結体と接する面を、あらかじめNi、Agなどを用いるメッキによりメタライズ処理をしておけば、さらにリードフレーム12、13とセラミックチューブ21、22との接合が確実に行える。また、Ag焼結体25、26に含まれるAgの持つやわらかいという特性により、セラミックチューブ21,22との接合部に加わる応力を緩和でき耐久信頼性を高めることができる。
As shown in FIG. 1, a
本実施形態では、セラミックチューブ21、22の主成分は、窒化珪素である。窒化珪素は、機械的な強度があり、熱伝導度、化学的な安定度も高い。ただし、窒化珪素に代えて、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素のうちの少なくとも1つを主成分とするものを使用することもできる。
In the present embodiment, the main component of the
セラミックチューブ21、22の、リードフレーム12、13に接合する側の冷媒通路21、22の壁21a、22aの肉厚は、その反対側であるリードフレーム12、13の外面側の冷媒通路21、22の壁21b、22bの肉厚より薄く形成されている。これにより、リードフレーム12、13からの熱をできるだけ速やかに伝達することができる。また、リードフレーム12、13の外面側の壁21b、22bの肉厚は十分大きくすることにより、セラミックチューブ21、22の強度を確保することができる。
The thickness of the
セラミックチューブ21、22の冷媒通路23、24は、セラミックチューブ21,22の強度と信頼性を確保するために、複数の通路で構成される。冷媒通路23、24の断面形状は、必ずしも矩形状とする必要はなく、円、楕円等の曲線形状でもよいが、本実施形態では、冷媒通路23、24の製造の容易性を考慮して矩形状としている。冷媒通路23、24は、冷媒を循環させるポンプ(図示せず)に接続されるとともに、温められた冷媒の熱を放熱するための熱交換器のパイプ(図示せず)と接続される。
The
本実施形態のパワーモールド10は、トランジスタ(IGBT)11とダイオード16を有するが、トランジスタ11の発熱が、ダイオード16の発熱より大きいので、冷媒通路23、24の上流側に発熱の大きなトランジスタ11を配置し、下流側に発熱の小さなダイオード16を配置するほうが好ましい。
The
本実施形態では、冷媒としては、水を使用する。ただし、半導体装置を車両に搭載する場合は、エンジンの冷却のための、例えばロング・ライフ・クーラント(LLC)などの不凍液を混合した冷却水を、冷媒として用いることもできる。さらに、空調用冷媒を用いることもできる。また、冷媒通路23、24に接続される熱交換器として、エンジン冷却水の熱を放熱するためのラジエータを用いることもできる。
In this embodiment, water is used as the refrigerant. However, when the semiconductor device is mounted on a vehicle, cooling water mixed with an antifreeze such as a long life coolant (LLC) for cooling the engine can be used as the refrigerant. Furthermore, a refrigerant for air conditioning can also be used. Further, as a heat exchanger connected to the
本実施形態のセラミックチューブ25,26内の流路23、24の断面積は、1mm2程度に形成されている。しかし、流路断面積は、1mm2程度に限定されない。ただし、圧力損失が大きくならないようにするために、最小断面積0.1mm2以上の流路で構成するのがよい。
The cross-sectional areas of the
図3に、セラミックチューブの外形の一例を示す。図2に示すセラミックチューブ21は、リードフレーム12に接合されるもので、上述のように、リードフレーム12に接する部分の冷媒通路の壁21aの肉厚t1は、その反対側の壁22bの肉厚t2より薄く形成される。肉厚t1、t2の具体的な値としては、使用される冷媒の圧力、使用環境あるいは設計上の要請等の条件から決定される。例えば、自動車内に搭載される場合、肉厚t1は0.5mm未満であり、肉厚t2を0.5mmから3mmの範囲とするのがよい。肉厚t1は可能な限り薄いほうがよいので、肉厚t1を0.2mm以下とし、t2を0.3mmから3mmの範囲としてもよい。
FIG. 3 shows an example of the outer shape of the ceramic tube. The
セラミックチューブ22についても、リードフレーム13に接する部分の冷媒通路の壁の肉厚t1と、その反対側の肉厚t2に関しても、t1<t2とし、セラミックチューブ21と同様の条件とするのがよい。
Regarding the
なお、肉厚t1が0.2mm以下のセラミックチューブを得るためには、例えば0.3mmの肉厚のセラミックチューブを形成し、このセラミックチューブのリードフレームに接する面を切削することによっても製造できる。 In order to obtain a ceramic tube having a wall thickness t1 of 0.2 mm or less, for example, a ceramic tube having a wall thickness of 0.3 mm can be formed and the surface of the ceramic tube in contact with the lead frame can be cut. .
セラミックチューブ21、22の下流端部の近傍には、例えばニッケルなどによりセラミックをメタライズしてなるメタライズ部28を有している。メタライズ部28を用いて、冷媒の熱を放熱するための熱交換器の金属パイプとろう付けされる。
In the vicinity of the downstream end of the
この場合、図4の分解斜視図に示すように、セラミックチューブ21のメタライズ部28と、熱交換器の金属パイプ45との間に金属ヘッダ41のような部材を介在させるようにしてもよい。図4に示す金属ヘッダ41は、一端から他端へ冷媒を通過させる中空の金属パイプとして構成されている。金属ヘッダ41の一端側は、セラミックチューブ21の端部が挿入されると、金属ヘッダの内壁が、セラミックチューブ21のメタライズ部28と接触するように構成されている。そして、金属ヘッダ41の他端側には、熱交換器の金属パイプ45に挿入される挿入部42が形成されている。挿入部42の外周にはバルジ加工による突部43が形成され、挿入部42と金属パイプ45とをシールするOリングを支持できるようになっている。
In this case, as shown in the exploded perspective view of FIG. 4, a member such as a
セラミックチューブ21と、熱交換器の金属パイプ45とを接続するためには、まずセラミックチューブ21の端部が、金属ヘッダ41の一端側に挿入され、セラミックチューブ21の端部に設けられたメタライズ部28が、金属ヘッダ41の内周面と接触し、ろう付けされる。次に、金属ヘッダ41の他端の挿入部42は、その外周にOリング44を配置して、熱交換器の金属パイプ45に挿入される。Oリング44は、挿入部42の突部43に押し付けられて、挿入部42とパイプ45とが確実にシールされるようになる。このように、セラミックチューブ21と、熱交換器の金属パイプ45とを連結する金属ヘッダ41を用いると、設計の自由度を増すことができる。
In order to connect the
なお、メタライズ部によるろう付けの耐久性および信頼性を向上させるために、直方体の外形をもつセラミックチューブの角を丸くしてある。もちろん、セラミックチューブ全体にわたって角を丸くすることなく、メタライズ部のみの角を丸くすることもできる。 In order to improve the durability and reliability of brazing by the metallized portion, the corners of the ceramic tube having a rectangular parallelepiped shape are rounded. Of course, only the corners of the metallized portion can be rounded without rounding the corners throughout the ceramic tube.
図5(a)〜(c)は、セラミックチューブの冷媒通路の構造の一例を示す説明図である。図5(b)は、図5(a)のA−A断面の概略を示し、図5(c)は、図5(b)とは異なる他の例を示す。なお、図5(a)〜(c)は、冷媒通路23の構造を説明するものであるので、冷媒通路23以外は簡略化して記載している。
FIGS. 5A to 5C are explanatory views showing an example of the structure of the refrigerant passage of the ceramic tube. FIG. 5B shows an outline of the AA cross section of FIG. 5A, and FIG. 5C shows another example different from FIG. 5B. 5A to 5C are for explaining the structure of the
図5(a)は、セラミックチューブ21が、リードフレーム12を介して、トランジスタ11とダイオード16とを冷却する様子を示している。図示の矢印は、冷媒の流れの方向を示している。発熱量の大きなトランジスタ11が、ダイオード16より上流側に配置されている。図に見られるように、トランジスタ11およびダイオード16に対応する冷媒通路の部分には、冷媒の流れを乱すための突起28が、多数形成されている。この多数の突起は、冷媒に乱流を生ぜしめ、発熱する半導体素子(トランジスタ11、ダイオード16等)から発生する熱を、より速やかに放熱させる役割を果たしている。
FIG. 5A shows how the
また、発熱素子に対応する部分以外に突起を設けていないのは、冷媒の圧力損失が大きくなることを防ぐためである。乱流発生用の多数の突起は、図5(b)に示すように、整列して形成してもよく、また、図5(c)に示すように、突起の形成位置を冷媒通路の幅方向にずらすようにしてもよい。乱流を形成するためには、図5(c)に示す突起の位置のオフセットを行うほうが、図5(b)に示すものより効果的である。 Further, the reason why the protrusions are not provided other than the portion corresponding to the heating element is to prevent the pressure loss of the refrigerant from increasing. Many projections for generating turbulent flow may be formed in alignment as shown in FIG. 5 (b). Also, as shown in FIG. You may make it shift to a direction. In order to form a turbulent flow, it is more effective to offset the position of the protrusion shown in FIG. 5C than that shown in FIG.
多数の突起を形成した冷媒通路を有するセラミックチューブを得るためには、例えば、底面に突起を形成した、断面凹状の多数の通路をもつ2つのセラミック部材を、冷媒通路を形成するように組み合わせる方法などがある。 In order to obtain a ceramic tube having a refrigerant passage in which a large number of protrusions are formed, for example, a method of combining two ceramic members having a plurality of concave passages formed on the bottom surface so as to form a refrigerant passage. and so on.
次に、本実施形態の熱伝達経路について説明する。トランジスタ11で発生した熱は、一方で、Ag焼結体31、リードフレーム12、Ag焼結体25、およびセラミックチューブ21の経路で、放熱する。また、他方、トランジスタ11で発生した熱は、Ag焼結体32、Cuブロック15、Ag焼結体33、リードフレーム13、Ag焼結体26、およびセラミックチューブ22の経路で、放熱する。
Next, the heat transfer path of this embodiment will be described. On the other hand, the heat generated in the
トランジスタ11と、リードフレーム12と、セラミックチューブ21とはそれぞれAg焼結体31、25を介して接合され、また、トランジスタ11と、Cuブロック15と、リードフレーム13と、セラミックチューブ22とは、同様にそれぞれAg焼結体32、33、26を介して接合されている。したがって、接合部の熱抵抗を小さくすることができ、トランジスタ11から発生した熱の伝達経路の熱抵抗を減少させることができる。また、Ag焼結体による接合は、低温で接合できるので、素子に対する悪影響を避けることができるので好適である。なお、Agの焼結体31、25、26、32、33に代えて、Agのナノ粒子自体を使用することもできる。
The
また、接合用金属としては、各種金属を使用することができる。例えば、金属繊維、金属細線、金属箔などの熱伝導性の高い材料の集合体を使用してもよい。また、金属繊維、金属細線又は金属箔からなる集合体の空隙部に樹脂をマトリックスとして充填したものを使用してもよい。また、一般に金属の不織布焼結体を用いることもでき、スポンジ状金属シートあるいはスポンジ状焼成金属板を用いることもできる。なお、接合用金属として、一般的なはんだあるいは各種ろう材を用いることもできる。 Various metals can be used as the bonding metal. For example, you may use the aggregate | assembly of materials with high heat conductivity, such as a metal fiber, a metal fine wire, and metal foil. Moreover, you may use what filled the resin into the space | gap part of the aggregate | assembly which consists of metal fiber, a metal fine wire, or metal foil as a matrix. Moreover, generally a metal nonwoven fabric sintered body can also be used, and a sponge-like metal sheet or a sponge-like fired metal plate can also be used. In addition, a general solder or various brazing materials can be used as the joining metal.
以上のように、従来例では、リードフレームと金属冷却器との間に、グリスを介して絶縁基板を挿入していたが、本実施形態では、絶縁体で冷却器を形成し、リードフレームと絶縁体の冷却器とを金属接合体により接合することにより、低熱抵抗を実現している。この結果、冷却効率を上げることができ、使用するパワー素子の数を減らしてコストダウンを図る可能性が高くなる。 As described above, in the conventional example, the insulating substrate is inserted between the lead frame and the metal cooler via grease, but in this embodiment, the cooler is formed of an insulator, Low thermal resistance is realized by joining an insulator cooler with a metal joint. As a result, the cooling efficiency can be increased, and the possibility of reducing the cost by reducing the number of power elements to be used increases.
図6(a)〜(c)は、熱を発生する素子、この素子に接して発生する熱を運ぶCuからなるヒートシンクと、ヒートシンクに接する熱交換器との関係を説明する図である。図6(a)に示す、熱を発生する素子81、銅製ヒートシンク83、熱交換器85は、本実施形態の、トランジスタ11と、リードフレーム12、セラミックチューブ21に対応している。熱の経路は、素子81から熱交換器85へ向かう経路で、ヒートシンク83の厚み方向にある。
6A to 6C are diagrams for explaining the relationship between an element that generates heat, a heat sink made of Cu that carries heat generated in contact with the element, and a heat exchanger that is in contact with the heat sink. A
素子81の形状は、辺の長さをL1、L2とする矩形であり、ヒートシンク83は厚みdをもっている。後に説明するが、ヒートシンク83の辺の長さ(L1+2d)、(L2+2d)は、素子81の辺の長さとヒートシンク83の厚みから導かれる。
The shape of the
図6(b)は、図6(a)の素子81とヒートシンク83の上面図である。図6(c)は、ヒートシンクとして用いられるCuの厚みと熱抵抗との関係を示すグラフである。図6(c)のグラフによると、ヒートシンクとして用いられるCuの熱抵抗は、Cuの厚みdの関数であり、Cuの厚みdが約3〜5mmの範囲に最小値をとる。これは、Cuの厚みdが3mmより小さいと、Cuの背後にあるセラミックの存在により、熱抵抗が大きくなること、Cuの厚みdが5mmより大きいと、Cuの厚みdにより熱抵抗が大きくなることによる。なお、実際には、最小値をとる約3〜5mmの範囲は、熱交換器の性能によっても変化するので、実際の適用に当たっては修正することができる。
FIG. 6B is a top view of the
図6(c)の関係から、最も熱抵抗が低いヒートシンクを得るために、図5(a)に示すヒートシンク83の厚みdを、3〜5mmとする。ヒートシンク83は、受け入れた熱をできるだけ広く拡散して低温にして、熱交換器85に接する放熱面に導き、そこで放熱するのが効率的である。ここで、ヒートシンク83の厚み方向に対して、素子81から発生する熱がほぼ45度の角度で広がる。ヒートシンク83の厚みが決まっているので、厚みに対応して最も有効に熱を放散することができるヒートシンク83の必要最小限の大きさが決まる。
From the relationship shown in FIG. 6C, in order to obtain a heat sink having the lowest thermal resistance, the thickness d of the
すなわち、図6(a)(b)に示すように、素子81の辺の長さL1、L2に対して、対応するヒートシンク83の辺の長さは、それぞれL1+2d、L2+2d以上とするのがよい。ヒートシンクの辺の長さをL1+2d、L2+2d以上とすると、ヒートシンク83の厚みに対応する熱の広がりを確保でき、ヒートシンク83の厚みを有効に利用することができる。ヒートシンク83の辺の長さが、L1+2dもしくはL2+2dより小さくなると、ヒートシンク83の厚みを有効に利用することができず、放熱性が低下する。
That is, as shown in FIGS. 6A and 6B, the lengths of the sides of the
ただし、この値L1+2d、L2+2dは、熱の広がりを45°としたときの値であり、またヒートシンク83に結合される熱交換器の性能によっても、熱の広がり具合は異なることになるので、ヒートシンクの長さをL1+2d、L2+2d以上と限定するものではない。また、熱の広がりがヒートシンク83の厚み方向から60°の角度となるような場合、あるいは、また、コンポーネントを小型化する要求があれば、ヒートシンク83の長さをL1+d、L2+d程度まで小さくするようにしてもよい。
However, these values L1 + 2d and L2 + 2d are values when the heat spread is 45 °, and the heat spread is different depending on the performance of the heat exchanger coupled to the
本実施形態では、パワー素子としてトランジスタ11とダイオード16を備えるが、IGBTであるトランジスタ11から発生する熱量はダイオード16から発生する熱量の数倍に達する。したがって、リードフレーム12、13をヒートシンクとして考える場合は、トランジスタ11からの熱の広がりのみを考慮して、ヒートシンクであるリードフレーム12、13の大きさを決定することができる。例えば、IGBTが、辺の長さL1=L2=Lの正方形で、L=12.8mmであり、リードフレームの厚みdが5mmであるとする。ヒートシンクの長さを(L+2d)以上で決めるとすると、リードフレームの短辺の長さは、12.8+5×2=22.8mm以上となる。リードフレームの長辺は、FWDが、10.0mm×10.0mmとすると、32.8mm以上とすればよい。ここで、リードフレームの長辺、短辺というのは、パワーモールドのモールド樹脂外に伸びる端子を除いた長方形の長辺と短辺を指している。
In this embodiment, the
図7に、本実施形態のセラミックチューブの変形例の概略断面図を示す。この変形例は、リードフレームとセラミックチューブとの熱伝導をさらによくするための構造の一例である。図6に示すように、リードフレーム13の露出面は、モールド樹脂18から突出している。リードフレーム13に接合されるセラミックチューブ36には、リードフレーム13を埋め込むことができる凹部28を形成する。セラミックチューブ36は、図1に示すセラミックチューブ22と同様、冷媒通路38を有し、冷媒通路38の外面側の壁厚が、冷媒通路38のリードフレーム13に接合する側の壁厚より薄く形成されている。セラミックチューブ36にリードフレーム13の一部が埋め込まれるように、リードフレーム13を凹部28に配置して、Ag焼結体29を介して接合する。これにより、セラミックチューブ36が、リードフレーム13の側面まで覆うことになるので、冷却効果はさらに高められることになる。
In FIG. 7, the schematic sectional drawing of the modification of the ceramic tube of this embodiment is shown. This modification is an example of a structure for further improving the heat conduction between the lead frame and the ceramic tube. As shown in FIG. 6, the exposed surface of the
100 半導体装置
10 パワーモールド
11 トランジスタ(IGBT)
12、13 リードフレーム(ヒートシンク)
14 信号端子
15、17 銅ブロック
16 ダイオード
18 モールド樹脂
19 ワイヤボンディング
21、22、36 セラミックチューブ
21a、22a 冷媒通路のリードフレーム側の壁
21b、22b 冷媒通路の外側の壁
23、24、38 冷媒通路
25、26、29、31〜33 Ag焼結体
28 メタライズ部
41 金属ヘッダ
42 突部
43 挿入部
44 Oリング
45 金属パイプ
81 発熱素子
83 銅製ヒートシンク
85 熱交換器
100
12, 13 Lead frame (heat sink)
14
Claims (17)
前記一対のリードフレーム(12、13)の外側表面にそれぞれ接合用金属(25、26)で接合された、冷媒通路(23、24)を有するセラミックチューブ(21、22)とを備え、
前記セラミックチューブ(21、22)の前記リードフレーム(12、13)に接合される側の前記冷媒通路(23,24)の第1の壁(21a、22a)の肉厚は、前記第1の壁に対向する前記冷媒通路(23,24)の第2の壁(21b、22b)の肉厚より小であることを特徴とする半導体装置。 It has at least one semiconductor element (11, 16) and a pair of lead frames (12, 13) sandwiching the semiconductor element (11, 16), and the outer surface of the lead frame (12, 13) is exposed. A semiconductor component (10) molded with resin (18);
Ceramic tubes (21, 22) having refrigerant passages (23, 24) joined to the outer surfaces of the pair of lead frames (12, 13) with joining metals (25, 26), respectively.
The thickness of the first wall (21a, 22a) of the refrigerant passage (23, 24) on the side joined to the lead frame (12, 13) of the ceramic tube (21, 22) is the first thickness. A semiconductor device, wherein the thickness is smaller than the thickness of the second wall (21b, 22b) of the refrigerant passage (23, 24) facing the wall.
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