JP5397340B2 - Semiconductor cooling device - Google Patents

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Description

本発明は、電極部に半導体素子と蓄熱材とが実装された半導体冷却装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor cooling device in which a semiconductor element and a heat storage material are mounted on an electrode portion.

従来より、冷却器の上に金属基板および絶縁基板が順に積層され、絶縁基板の上に電極を介して半導体素子が設けられた電力変換装置が、例えば特許文献1で提案されている。   Conventionally, for example, Patent Document 1 proposes a power conversion device in which a metal substrate and an insulating substrate are sequentially stacked on a cooler, and a semiconductor element is provided on the insulating substrate via an electrode.

この電力変換装置では、蓄熱器が半導体素子の上や半導体素子の周囲の絶縁基板上に設けられている。蓄熱器は、内部に収納された素材が半導体素子の使用可能上限温度よりわずかに低い温度で固体から液体に相変化することで半導体素子の熱を一時的に吸収し、吸収した熱をその後に放出するものである。   In this power converter, the heat accumulator is provided on the semiconductor element or on the insulating substrate around the semiconductor element. The heat accumulator temporarily absorbs the heat of the semiconductor element by the phase change from solid to liquid at a temperature slightly lower than the usable upper limit temperature of the semiconductor element, and the absorbed heat is thereafter To be released.

このように、電力変換装置に蓄熱器が設けられていることで、半導体素子が発熱して急激に温度上昇した場合に半導体素子の熱が半導体素子上の蓄熱器や半導体素子周辺の蓄熱器に一時的に吸収されるので、半導体素子の急激な温度上昇が抑制されるようになっている。   As described above, since the heat storage device is provided in the power conversion device, when the semiconductor element generates heat and the temperature rapidly increases, the heat of the semiconductor element is transferred to the heat storage device on the semiconductor element or the heat storage device around the semiconductor element. Since it is temporarily absorbed, a rapid temperature rise of the semiconductor element is suppressed.

特開2002−270765号公報JP 2002-270765 A

しかしながら、上記従来の技術では、半導体素子の周囲に設けられた蓄熱器は金属よりも熱伝導率が低い絶縁基板の上に配置されているため、半導体素子の熱が半導体素子周辺の蓄熱器に伝導されにくいという問題があった。また、短時間で急激に高温となる過渡的な温度上昇が半導体素子に起こった場合、半導体素子の上の蓄熱器だけでは熱を吸収しきれず、さらに半導体素子周辺の蓄熱器にも熱が伝導しにくいため、容易に半導体素子の動作限界温度に達してしまう。   However, in the above conventional technique, the heat accumulator provided around the semiconductor element is disposed on the insulating substrate having a lower thermal conductivity than the metal, so that the heat of the semiconductor element is transferred to the heat accumulator around the semiconductor element. There was a problem that it was difficult to conduct. In addition, when a transient temperature rise that suddenly becomes high in a short time occurs in a semiconductor element, heat cannot be absorbed by only the regenerator above the semiconductor element, and heat is also conducted to the regenerator around the semiconductor element. Therefore, the operation limit temperature of the semiconductor element is easily reached.

また、半導体素子を小型化した場合や半導体素子に流す電流を大きくした場合には半導体素子の発熱密度が増加する。このため、上記のように半導体素子に過渡的な温度上昇が発生した場合、半導体素子の熱を蓄熱器に伝導させる前に半導体素子が容易に動作限界温度に達してしまう。   Further, when the semiconductor element is downsized or when the current flowing through the semiconductor element is increased, the heat generation density of the semiconductor element increases. For this reason, when a transient temperature rise occurs in the semiconductor element as described above, the semiconductor element easily reaches the operating limit temperature before the heat of the semiconductor element is conducted to the regenerator.

なお、特開2008−227342号公報では、金属製の電極の上に半導体素子および蓄熱器を設け、さらに蓄熱器と電極とを同じ材料で構成したものが提案されている。これにより、電極と蓄熱器との接合界面の熱抵抗は低減するが、金属の熱伝導率には限界があるため、上述のように半導体素子の発熱密度が増加した場合では半導体素子の過渡的な熱を円滑に蓄熱器に伝導できず、半導体素子が当該過渡的な温度上昇で故障してしまうという問題がある。   In JP 2008-227342 A, a semiconductor element and a heat accumulator are provided on a metal electrode, and the heat accumulator and the electrode are made of the same material is proposed. This reduces the thermal resistance of the bonding interface between the electrode and the heat accumulator, but there is a limit to the thermal conductivity of the metal, so when the heat generation density of the semiconductor element increases as described above, the transient of the semiconductor element There is a problem that the heat cannot be smoothly conducted to the regenerator and the semiconductor element fails due to the transient temperature rise.

本発明は上記点に鑑み、半導体素子に発生する過渡的な熱を効率良く蓄熱材に伝導させることができる半導体冷却装置を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the semiconductor cooling device which can conduct the transient heat which generate | occur | produces in a semiconductor element to a thermal storage material efficiently in view of the said point.

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、半導体素子(51)と一面(55a)で当接すると共に半導体素子(51)と電気的に接続された電極部(55)と、一面(55a)とは別の電極部(55)の他面(55b)側に設けられ、電極部(55)を介して半導体素子(51)を冷却する冷却器(10)と、を備えた半導体冷却装置において、以下のことを特徴としている。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, an electrode portion (55) that abuts the semiconductor element (51) on one surface (55a) and is electrically connected to the semiconductor element (51), and one surface A cooler (10) provided on the other surface (55b) side of the electrode part (55) different from (55a) and cooling the semiconductor element (51) via the electrode part (55). The cooling device is characterized by the following.

すなわち、電極部(55)は、熱伝導により半導体素子(51)からの熱を拡散させる熱拡散板であり、熱伝導のうち、一面(55a)の面方向と平行な第1方向の熱伝導、および一面(55a)から他面(55b)へ向かう第2方向の熱伝導をそれぞれ規定する第1熱伝導率、および第2熱伝導率を備えている。そして、熱拡散板は、第1および第2熱伝導率が、第1および第2方向以外の方向の熱伝導をそれぞれ規定するいずれの熱伝導率よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする。   That is, the electrode part (55) is a heat diffusion plate that diffuses heat from the semiconductor element (51) by heat conduction, and among heat conduction, heat conduction in a first direction parallel to the surface direction of one surface (55a). , And a first thermal conductivity and a second thermal conductivity respectively defining heat conduction in the second direction from one surface (55a) to the other surface (55b). The heat diffusion plate is configured such that the first and second thermal conductivities are larger than any thermal conductivities that respectively define the heat conductance in directions other than the first and second directions. Features.

これによると、半導体素子(51)で過渡的な発熱が起こった場合、熱は半導体素子(51)から熱拡散板に伝導すると共に高熱伝導方向である第1および第2方向に沿って熱拡散板を介して伝導するので、半導体素子(51)の過渡的な熱を半導体素子(51)から熱拡散板に効率良く放出することができる。このため、半導体素子(51)が過渡的な熱で容易に動作限界温度に達することを防止できる。   According to this, when a transient heat generation occurs in the semiconductor element (51), the heat is transferred from the semiconductor element (51) to the heat diffusion plate and is also thermally diffused along the first and second directions which are high heat conduction directions. Since the heat is conducted through the plate, the transient heat of the semiconductor element (51) can be efficiently released from the semiconductor element (51) to the heat diffusion plate. For this reason, it is possible to prevent the semiconductor element (51) from easily reaching the operation limit temperature due to transient heat.

そして、請求項2に記載の発明のように、熱拡散板は、第1方向が、半導体素子(51)との当接面の最大幅に沿った方向と交差するように構成することができる。   And like invention of Claim 2, a heat | fever diffusion plate can be comprised so that a 1st direction may cross | intersect the direction along the maximum width of the contact surface with a semiconductor element (51). .

この場合、請求項3に記載の発明のように、熱拡散板は、前記交差する互いの方向の成す角度が直角となるように構成することができる。これによると、電極部(55)の一面(55a)において、第1方向に熱が伝導する熱拡散板の幅が最大になるので、半導体素子(51)の熱を効率良く熱拡散板に伝導することができる。   In this case, as in the third aspect of the invention, the thermal diffusion plate can be configured such that the angle formed by the intersecting directions is a right angle. According to this, since the width of the heat diffusion plate that conducts heat in the first direction is maximized on one surface (55a) of the electrode portion (55), the heat of the semiconductor element (51) is efficiently conducted to the heat diffusion plate. can do.

また、請求項に記載の発明では、電極部(55)としての熱拡散板における一面に、1つの半導体素子(51)に対して1つまたは2つ以上の蓄熱材で構成されており、熱拡散板を介して半導体素子(51)からの熱を吸収する吸熱部(56)が配設されていることを特徴とする。 Moreover, in invention of Claim 1 , it is comprised with the 1 or 2 or more heat storage material with respect to one semiconductor element (51) in the one surface in the thermal-diffusion plate as an electrode part ( 55 ), The heat absorption part (56) which absorbs the heat | fever from a semiconductor element (51) through a thermal diffusion board is arrange | positioned, It is characterized by the above-mentioned.

これによると、熱は半導体素子(51)から熱拡散板を介して吸熱部(56)に伝導するので、半導体素子(51)の過渡的な熱を効率良く吸熱部(56)に放出することができる。このため、半導体素子(51)が過渡的な熱で容易に動作限界温度に達することを防止できる。   According to this, since heat is conducted from the semiconductor element (51) to the heat absorption part (56) through the heat diffusion plate, the transient heat of the semiconductor element (51) is efficiently released to the heat absorption part (56). Can do. For this reason, it is possible to prevent the semiconductor element (51) from easily reaching the operation limit temperature due to transient heat.

また、請求項に記載の発明では、吸熱部(56)は、熱拡散板の一面における半導体素子(51)の当接位置から第1方向に沿う延長線上に配設されていることを特徴とする。これにより、熱拡散板に伝導した熱が第1方向に沿って伝導することで、熱を効率良く吸熱部(56)で吸収することができる。 Further, characterized in that in the invention according to claim 1, the heat absorbing section (56), which from the contact position of the semiconductor element (51) in one surface of the heat diffusion plate disposed on an extension line along the first direction And Thereby, the heat conducted to the heat diffusion plate is conducted along the first direction, so that the heat can be efficiently absorbed by the heat absorbing portion (56).

さらに、請求項に記載の発明では、吸熱部(56)は、熱拡散板の一面に対して吸熱部(56)が占める面における、第1方向と直交する方向の最大幅が、前記一面と前記半導体素子(51)との当接面における、前記第1方向と直交する方向の最大幅よりも大きくなるように構成されたことを特徴とする。 Furthermore, in the invention according to claim 1 , the heat absorption part (56) has a maximum width in a direction perpendicular to the first direction in the surface occupied by the heat absorption part (56) with respect to one surface of the heat diffusion plate. And the semiconductor element (51) are configured to be larger than the maximum width in the direction orthogonal to the first direction.

これによると、半導体素子(51)から第1方向に熱が伝導する幅全体に少なくとも吸熱部(56)が位置するので、半導体素子(51)から放出された熱を効率良く吸熱部(56)に吸収させることができる。   According to this, since at least the heat absorption part (56) is located over the entire width in which heat is conducted from the semiconductor element (51) in the first direction, the heat released from the semiconductor element (51) is efficiently absorbed. Can be absorbed.

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、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ものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

本発明の第1実施形態に係る半導体冷却装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor cooling device which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図1のA−A矢視図である。It is an AA arrow line view of FIG. 潜熱蓄熱材料の融点−潜熱マップを示した図である。It is the figure which showed melting | fusing point-latent heat map of the latent heat storage material. エリスリトールの特性を示した図である。It is the figure which showed the characteristic of erythritol. グラファイト熱拡散板の製造方法を示した図である。It is the figure which showed the manufacturing method of the graphite thermal diffusion plate. グラファイト熱拡散板を伝導する熱の経路の模式図である。It is a schematic diagram of the heat | fever path | route which conducts a graphite thermal diffusion plate. 本発明の第2実施形態に係る電極部の平面図である。It is a top view of the electrode part which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図7に示されたグラファイト熱拡散板の製造方法を示した図である。It is the figure which showed the manufacturing method of the graphite thermal diffusion plate shown by FIG. 本発明の第3実施形態に係る電極部の平面図である。It is a top view of the electrode part which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 図9に示されたグラファイト熱拡散板の製造方法を示した図である。It is the figure which showed the manufacturing method of the graphite thermal diffusion plate shown by FIG. 他の実施形態において、半導体素子と蓄熱材との配置のバリエーションを示した図である。In other embodiment, it is the figure which showed the variation of arrangement | positioning with a semiconductor element and a thermal storage material. 他の実施形態に係る半導体冷却装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor cooling device which concerns on other embodiment.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.

(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図を参照して説明する。以下で示される半導体冷却装置は、例えばインバータ装置などの電力変換装置に適用されるものである。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor cooling device shown below is applied to a power conversion device such as an inverter device, for example.

図1は、本実施形態に係る半導体冷却装置の断面図である。また、図2は図1のA−A矢視図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor cooling device according to the present embodiment. Moreover, FIG. 2 is an AA arrow view of FIG.

図1に示されるように、半導体冷却装置は、第1冷却器10と、第2冷却器20と、第1絶縁部30と、第2絶縁部40と、半導体モジュール50と、を備えている。   As shown in FIG. 1, the semiconductor cooling device includes a first cooler 10, a second cooler 20, a first insulating part 30, a second insulating part 40, and a semiconductor module 50. .

第1冷却器10および第2冷却器20は、各半導体素子51を冷却するものである。このような第1冷却器10および第2冷却器20は、内部に通路が設けられており、この通路に冷媒として例えば水が流れる構造になっている。第1冷却器10と第2冷却器20とは所定の間隔を空けて配置され、第1冷却器10と第2冷却器20との間に半導体モジュール50が配置されている。   The first cooler 10 and the second cooler 20 cool each semiconductor element 51. The first cooler 10 and the second cooler 20 are provided with a passage therein, and for example, water flows as a refrigerant in the passage. The first cooler 10 and the second cooler 20 are disposed at a predetermined interval, and the semiconductor module 50 is disposed between the first cooler 10 and the second cooler 20.

第1絶縁部30および第2絶縁部40は各冷却器10、20と半導体モジュール50との絶縁を図るための絶縁シートである。第1絶縁部30は第1冷却器10の上に配置され、第1冷却器10と半導体モジュール50とを絶縁する役割を果たす。一方、第2絶縁部40は第2冷却器20の上に配置され、第2冷却器20と半導体モジュール50とを絶縁する役割を果たす。   The first insulating unit 30 and the second insulating unit 40 are insulating sheets for insulating the coolers 10 and 20 from the semiconductor module 50. The first insulating unit 30 is disposed on the first cooler 10 and plays a role of insulating the first cooler 10 and the semiconductor module 50. On the other hand, the second insulating unit 40 is disposed on the second cooler 20 and plays a role of insulating the second cooler 20 and the semiconductor module 50.

このような第1絶縁部30および第2絶縁部40として、セラミック基板やエポキシ樹脂にセラミックフィラーを混ぜたシート、アルミナ溶射膜等の高熱伝導と絶縁とを両立するものが用いられる。   As such a first insulating part 30 and a second insulating part 40, those having both high thermal conductivity and insulation, such as a ceramic substrate, a sheet in which an epoxy resin is mixed with a ceramic filler, and an alumina sprayed film, are used.

半導体モジュール50は、複数の半導体素子51が封止材52で封止された半導体実装体である。半導体モジュール50は、半導体素子51や封止材52の他、金属基板53とグラファイト熱拡散板54とで構成された電極部55、複数の吸熱部56、複数のスペーサ57、58、上記電極部55以外の金属基板59a、59bおよび複数のグラファイト熱拡散板60、61を備えている。   The semiconductor module 50 is a semiconductor mounting body in which a plurality of semiconductor elements 51 are sealed with a sealing material 52. In addition to the semiconductor element 51 and the sealing material 52, the semiconductor module 50 includes an electrode portion 55 including a metal substrate 53 and a graphite heat diffusion plate 54, a plurality of heat absorbing portions 56, a plurality of spacers 57 and 58, and the above electrode portions. Metal substrates 59a and 59b other than 55 and a plurality of graphite heat diffusion plates 60 and 61 are provided.

電極部55は一面55aおよび一面55aとは別の他面55bを有し、電気伝導と熱伝導との両方の役割を兼ね備えた板状の電極部材である。本実施形態では、電極部55は金属基板53の上にグラファイト熱拡散板54が積層されて構成されている。したがって、グラファイト熱拡散板54のうち金属基板53とは反対側の面が電極部55の一面55aに対応し、金属基板53のうちグラファイト熱拡散板54とは反対側の面が電極部55の他面55bに対応している。電極部55は、半導体素子51と一面55aで当接すると共に半導体素子51と電気的に接続されている。電極部55の他面55b側には第1冷却器10が設けられている。   The electrode portion 55 is a plate-like electrode member having one surface 55a and another surface 55b different from the one surface 55a, and having both roles of electric conduction and heat conduction. In the present embodiment, the electrode portion 55 is configured by laminating a graphite heat diffusion plate 54 on a metal substrate 53. Therefore, the surface of the graphite heat diffusion plate 54 opposite to the metal substrate 53 corresponds to one surface 55 a of the electrode portion 55, and the surface of the metal substrate 53 opposite to the graphite heat diffusion plate 54 is the electrode portion 55. It corresponds to the other surface 55b. The electrode portion 55 is in contact with the semiconductor element 51 on one surface 55 a and is electrically connected to the semiconductor element 51. The first cooler 10 is provided on the other surface 55 b side of the electrode portion 55.

金属基板53は封止材52から露出しており、第1絶縁部30の上に配置されている。このような金属基板53は配線として機能できると共にヒートスプレッダとしても機能できるように、銅(Cu)やアルミニウム(Al)などにより形成されている。   The metal substrate 53 is exposed from the sealing material 52 and is disposed on the first insulating part 30. Such a metal substrate 53 is formed of copper (Cu), aluminum (Al), or the like so that it can function as a wiring and also as a heat spreader.

グラファイト熱拡散板54は、半導体素子51で発生した熱を吸熱部56や第1冷却器10に伝導する(拡散させる)ための熱伝導と、半導体素子51と金属基板53とを電気的に接続する電気伝導との両方の役割を持った部材である。1700〜2000W/mKの熱伝導率を持つグラファイト材を用いることで、金属を用いた場合よりも吸熱部56への熱伝導が速くなる。   The graphite heat diffusion plate 54 electrically connects the semiconductor element 51 and the metal substrate 53 to heat conduction for conducting (diffusing) the heat generated in the semiconductor element 51 to the heat absorbing portion 56 and the first cooler 10. It is a member that has both the role of electrical conduction. By using a graphite material having a thermal conductivity of 1700 to 2000 W / mK, the heat conduction to the heat absorbing portion 56 is faster than when a metal is used.

そして、本実施形態では、グラファイト熱拡散板54は、電極部55の一面55aの面方向に平行な一方向と半導体素子51から第1冷却器10への厚み方向とが一方向および厚み方向とは異なる方向よりも熱伝導率が高い高熱伝導方向とされている。言い換えると、グラファイト熱拡散板54は、電極部55の一面55aの面方向と平行な一方向の熱伝導、および電極部55の一面55aから他面55bへ向かう厚み方向の熱伝導をそれぞれ規定する第1熱伝導率、および第2熱伝導率を備えている。つまり、グラファイト熱拡散板54は2方向に高熱伝導し、第1および第2熱伝導率が一方向および厚み方向以外の方向の熱伝導をそれぞれ規定するいずれの熱伝導率よりも大きくなるように構成されている。なお、厚み方向は半導体素子51から第1冷却器10に向かう方向であれば良く、本実施形態では電極部55の一面55aに垂直な方向である。   In the present embodiment, the graphite heat diffusion plate 54 has one direction parallel to the surface direction of the one surface 55a of the electrode portion 55 and the thickness direction from the semiconductor element 51 to the first cooler 10 in one direction and the thickness direction. Is a high heat conduction direction with higher thermal conductivity than different directions. In other words, the graphite heat diffusion plate 54 defines heat conduction in one direction parallel to the surface direction of the one surface 55a of the electrode portion 55 and heat conduction in the thickness direction from the one surface 55a of the electrode portion 55 to the other surface 55b. The first thermal conductivity and the second thermal conductivity are provided. That is, the graphite heat diffusing plate 54 conducts heat in two directions at a high temperature so that the first and second heat conductivities are larger than any of the heat conductivities that define heat conductance in directions other than the one direction and the thickness direction. It is configured. In addition, the thickness direction should just be a direction which goes to the 1st cooler 10 from the semiconductor element 51, and is a direction perpendicular | vertical to the one surface 55a of the electrode part 55 in this embodiment.

本来、グラファイト材は、結晶構造に基づき、例えばx方向とこのx方向に直角のy方向に高熱伝導の特性をもっているが、z方向には熱が伝導しにくいという特性がある。したがって、単にグラファイトで形成されたグラファイトシートは、当該シートの面に平行な2方向に熱伝導が良くてもシートの厚み方向には熱伝導しにくい。本実施形態に係るグラファイト熱拡散板54は、このようなグラファイト材そのものではなく、グラファイト材を用いて製造された新たな熱拡散板である。グラファイト熱拡散板54の製造方法については後で詳しく説明する。   Originally, the graphite material has a characteristic of high thermal conductivity in the x direction and the y direction perpendicular to the x direction, for example, based on the crystal structure, but has a characteristic that heat is hardly conducted in the z direction. Therefore, a graphite sheet simply formed of graphite is less likely to conduct heat in the thickness direction of the sheet even if it has good heat conduction in two directions parallel to the surface of the sheet. The graphite heat diffusion plate 54 according to the present embodiment is not a graphite material itself but a new heat diffusion plate manufactured using a graphite material. A method for manufacturing the graphite thermal diffusion plate 54 will be described in detail later.

なお、電極部55の構成に金属基板53は必須ではなく、電極部55がグラファイト熱拡散板54のみで構成されていても良い。   Note that the metal substrate 53 is not essential for the configuration of the electrode portion 55, and the electrode portion 55 may be composed of only the graphite heat diffusion plate 54.

半導体素子51は、IGBTやパワーMOSトランジスタ、ダイオード素子等の素子が形成された半導体チップである。この半導体素子51にはゲート等のパッドや電極が形成されており、図示しないボンディングワイヤを介して外部と電気的に接続されている。また、半導体素子51は、電極部55の一面55aにはんだ付けされ、電極部55に電気的に接続されている。なお、半導体素子51には、図示しないリードが電気的に接続されている。   The semiconductor element 51 is a semiconductor chip on which elements such as IGBTs, power MOS transistors, and diode elements are formed. The semiconductor element 51 is formed with a pad such as a gate and an electrode, and is electrically connected to the outside via a bonding wire (not shown). Further, the semiconductor element 51 is soldered to one surface 55 a of the electrode portion 55 and is electrically connected to the electrode portion 55. Note that a lead (not shown) is electrically connected to the semiconductor element 51.

吸熱部56は、グラファイト熱拡散板54を介して半導体素子51からの熱を一時的に吸収する役割を果たすものであり、グラファイト熱拡散板54における一面55aに、1つの半導体素子51に対して1つまたは2つ以上の蓄熱材で構成されている。吸熱部56は、電極部55の一面55aすなわちグラファイト熱拡散板54の上に配設されている。本実施形態では、図2に示されるように、吸熱部56は半導体素子51の隣に配置されている。   The heat absorption part 56 plays a role of temporarily absorbing heat from the semiconductor element 51 via the graphite heat diffusion plate 54, and is disposed on one surface 55 a of the graphite heat diffusion plate 54 with respect to one semiconductor element 51. It is composed of one or more heat storage materials. The heat absorbing portion 56 is disposed on one surface 55 a of the electrode portion 55, that is, on the graphite heat diffusion plate 54. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the heat absorbing portion 56 is disposed next to the semiconductor element 51.

上述のように、グラファイト熱拡散板54は電極部55の一面55aの面方向においては一方向が高熱伝導方向とされているので、吸熱部56は、少なくとも、電極部55の一面55aのうち半導体素子51の配置場所(当接位置)から一方向の延長線上に配置されている。これにより、半導体素子51で発生した熱がグラファイト熱拡散板54に伝導すると共に、高熱伝導方向である一方向に沿って吸熱部56に伝導する。   As described above, the graphite heat diffusing plate 54 has a high heat conduction direction in the surface direction of the one surface 55a of the electrode portion 55. Therefore, the heat absorbing portion 56 is at least a semiconductor of the one surface 55a of the electrode portion 55. It arrange | positions on the extended line of one direction from the arrangement | positioning location (contact position) of the element 51. FIG. As a result, the heat generated in the semiconductor element 51 is conducted to the graphite thermal diffusion plate 54 and conducted to the heat absorbing portion 56 along one direction which is a high thermal conduction direction.

吸熱部56としては、固体から液体もしくは液体から気体に相変化させる潜熱を利用した潜熱蓄熱材が用いられる。さらに、吸熱部56は、半導体素子51の動作限界温度より低い融点を持つ潜熱蓄熱材であることが好ましい。   As the heat absorption part 56, a latent heat storage material using latent heat that causes a phase change from solid to liquid or from liquid to gas is used. Furthermore, the heat absorption part 56 is preferably a latent heat storage material having a melting point lower than the operation limit temperature of the semiconductor element 51.

潜熱蓄熱材には多くの種類がある。図3は、潜熱蓄熱材料の融点−潜熱マップを示した図である。横軸は融点(Melting point)を示し、縦軸は潜熱(Melting latent heat)を示している。半導体素子51の動作限界温度は例えば150℃であるので、融点が150℃以下の潜熱蓄熱材料のうち融点が150℃に最も近く、潜熱が最も高いエリスリトールを潜熱蓄熱材として用いることができる。したがって、吸熱部56は例えば金属容器にエリスリトールが収納されたものとして構成される。   There are many types of latent heat storage materials. FIG. 3 is a diagram showing a melting point-latent heat map of the latent heat storage material. The horizontal axis shows the melting point (Melting point), and the vertical axis shows the latent heat. Since the operation limit temperature of the semiconductor element 51 is 150 ° C., for example, erythritol having the melting point closest to 150 ° C. and the highest latent heat among the latent heat storage materials having a melting point of 150 ° C. or less can be used as the latent heat storage material. Therefore, the heat absorption part 56 is comprised as what contained the erythritol in the metal container, for example.

エリスリトールは、図4に示されるように、融解熱が502.904J/ccと大きいため、固体から液体に相変化するために多くの熱が必要となるので、1つの吸熱部56で多くの熱を吸収することができる。もちろん、半導体モジュール50の設計において、図3に示される潜熱蓄熱材を適宜利用できる。また、吸熱部56としてCu等の金属板を採用しても良い。   As shown in FIG. 4, since erythritol has a large heat of fusion of 502.904 J / cc, a large amount of heat is required to change the phase from a solid to a liquid. Can be absorbed. Of course, in the design of the semiconductor module 50, the latent heat storage material shown in FIG. Further, a metal plate such as Cu may be adopted as the heat absorbing portion 56.

スペーサ57、58は、半導体素子51の上に設けられた部材である。具体的に、スペーサ57、58は半導体素子51の熱を受け取ってスペーサ57、58の上のグラファイト熱拡散板60、61に放出するヒートシンクとしての役割と、半導体素子51と金属基板59a、59bとを電気的に接続するための配線としての役割とを果たすものである。   The spacers 57 and 58 are members provided on the semiconductor element 51. Specifically, the spacers 57 and 58 function as a heat sink that receives the heat of the semiconductor element 51 and releases the heat to the graphite heat diffusion plates 60 and 61 on the spacers 57 and 58, and the semiconductor element 51 and the metal substrates 59 a and 59 b. It serves as a wiring for electrically connecting the two.

スペーサ57の上にはグラファイト熱拡散板60が接合され、スペーサ58の上にはグラファイト熱拡散板61が接合されている。これらグラファイト熱拡散板60、61についても上記と同様に、一方向および厚み方向に高熱伝導方向を持つ。また、各グラファイト熱拡散板60、61のうち電極部55側の面には吸熱部56が設けられている。本実施形態では、一方向は四角形状の半導体素子51の一辺に平行である。   A graphite heat diffusion plate 60 is joined on the spacer 57, and a graphite heat diffusion plate 61 is joined on the spacer 58. These graphite heat diffusion plates 60 and 61 also have a high heat conduction direction in one direction and the thickness direction as described above. Further, a heat absorbing portion 56 is provided on the surface of the graphite heat diffusion plates 60 and 61 on the electrode portion 55 side. In the present embodiment, one direction is parallel to one side of the rectangular semiconductor element 51.

各グラファイト熱拡散板60、61にはスペーサ57、58が接合されているので、各グラファイト熱拡散板60、61に設けられた各吸熱部56は、少なくとも、スペーサ57、58の配置場所から一方向の延長線上にそれぞれ配置されている。   Since the spacers 57 and 58 are joined to the graphite heat diffusion plates 60 and 61, each heat absorption part 56 provided on each graphite heat diffusion plate 60 and 61 is at least one from the place where the spacers 57 and 58 are arranged. It is arranged on the extension line of each direction.

金属基板59a、59bは金属基板53と同様のものである。そして、本実施形態では、金属基板59aはグラファイト熱拡散板60と一体化されて電極部が構成され、金属基板59bはグラファイト熱拡散板60と一体化されて電極部が構成されている。   The metal substrates 59 a and 59 b are the same as the metal substrate 53. In this embodiment, the metal substrate 59a is integrated with the graphite heat diffusion plate 60 to form an electrode portion, and the metal substrate 59b is integrated with the graphite heat diffusion plate 60 to form an electrode portion.

封止材52は、半導体モジュール50の外観をなすものである。この封止材52は、金属基板53、59のうちグラファイト熱拡散板54、60、61が接合された面とは反対側の面が露出するように、各金属基板53、59、半導体素子51、グラファイト熱拡散板54、60、61、吸熱部56、およびスペーサ57、58を封止している。このような封止材52として、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。   The sealing material 52 makes the appearance of the semiconductor module 50. The sealing material 52 is formed on each of the metal substrates 53 and 59 and the semiconductor element 51 so that the surface of the metal substrates 53 and 59 opposite to the surface to which the graphite heat diffusion plates 54, 60 and 61 are bonded is exposed. The graphite heat diffusion plates 54, 60, 61, the heat absorbing portion 56, and the spacers 57, 58 are sealed. As such a sealing material 52, for example, a thermosetting resin such as an epoxy resin is used.

このような構成の半導体モジュール50を各冷却器10、20で挟んだものが半導体冷却装置である。すなわち、第1絶縁部30が第1冷却器10と第1金属基板53とで挟まれると共に、第2絶縁部40が第2冷却器20と金属基板59とで挟まれるようにそれぞれが積層されている。以上が、本実施形態に係る半導体冷却装置の全体構成である。   A semiconductor cooling device is obtained by sandwiching the semiconductor module 50 having such a configuration between the coolers 10 and 20. That is, the first insulating unit 30 is stacked between the first cooler 10 and the first metal substrate 53, and the second insulating unit 40 is stacked so as to be sandwiched between the second cooler 20 and the metal substrate 59. ing. The above is the overall configuration of the semiconductor cooling device according to the present embodiment.

次に、電極部55の一面55aの面方向に平行な一方向および電極部55の一面55aに垂直な厚み方向に高熱伝導方向を持つグラファイト熱拡散板54、60、61の製造方法について、図5を参照して説明する。   Next, a manufacturing method of the graphite heat diffusion plates 54, 60, 61 having a high heat conduction direction in one direction parallel to the surface direction of the one surface 55a of the electrode portion 55 and in the thickness direction perpendicular to the one surface 55a of the electrode portion 55 will This will be described with reference to FIG.

高温加熱炉内で炭化水素を熱的に分解し、図5に示されるように、原子レベルで高温基板上に気相成長させた高純度の黒鉛結晶を積層していく。1層だけを見てみると、x方向とy方向とに高熱伝導方向を持ったグラファイトシートになっている。このグラファイトシートをz方向に高く積層させて積層体70を形成する。   Hydrocarbon is thermally decomposed in a high-temperature heating furnace, and high-purity graphite crystals grown in a vapor phase on a high-temperature substrate at the atomic level are stacked as shown in FIG. Looking at only one layer, it is a graphite sheet having high heat conduction directions in the x and y directions. This graphite sheet is laminated high in the z direction to form a laminate 70.

この積層体70はx−y面においてx方向とy方向とに高熱伝導方向を持っているが、z方向は結晶構造上、高熱伝導方向ではない。そして、積層体70をy−z面に平行に切断すると、切断面がy−z面の板が得られる。すなわち、y方向とz方向とに高熱伝導方向を持った板である。この板がグラファイト熱拡散板54、60、61である。したがって、積層体70のy方向がグラファイト熱拡散板54、60、61の一方向となり、x方向が厚み方向となる。   The stacked body 70 has high heat conduction directions in the x and y directions on the xy plane, but the z direction is not a high heat conduction direction due to the crystal structure. And if the laminated body 70 is cut | disconnected in parallel to a yz surface, the board whose cut surface will be a yz surface is obtained. That is, the plate has a high heat conduction direction in the y direction and the z direction. This plate is the graphite thermal diffusion plate 54, 60, 61. Therefore, the y direction of the laminate 70 is one direction of the graphite heat diffusion plates 54, 60, 61, and the x direction is the thickness direction.

なお、上記では積層体70をy−z面に平行に切断したが、積層体70をx−z面に平行に切断しても良い。この場合、積層体70のx方向がグラファイト熱拡散板54、60、61の一方向となり、y方向が厚み方向となる。   In the above description, the stacked body 70 is cut in parallel to the yz plane, but the stacked body 70 may be cut in parallel to the xz plane. In this case, the x direction of the laminate 70 is one direction of the graphite heat diffusion plates 54, 60, 61, and the y direction is the thickness direction.

以上のようにして得られたグラファイト熱拡散板54ははんだ付けや導電性接着剤により金属基板53に接合され、電極部55が形成される。同様に、グラファイト熱拡散板60、61は金属基板53、59に接合される。   The graphite heat diffusion plate 54 obtained as described above is joined to the metal substrate 53 by soldering or a conductive adhesive to form the electrode portion 55. Similarly, the graphite heat diffusion plates 60 and 61 are bonded to the metal substrates 53 and 59.

続いて、半導体冷却装置において、半導体素子51に発生した熱の伝導経路について、図6を参照して説明する。図6(a)は図1のA−A矢視図に相当し、図6(b)はA−A矢視側の半導体冷却装置の断面図である。なお、図6では封止材52を省略している。   Next, a conduction path of heat generated in the semiconductor element 51 in the semiconductor cooling device will be described with reference to FIG. 6A corresponds to the AA arrow view of FIG. 1, and FIG. 6B is a cross-sectional view of the semiconductor cooling device on the AA arrow side. In FIG. 6, the sealing material 52 is omitted.

上述のように、電極部55を構成するグラファイト熱拡散板54の高熱伝導方向は図6(a)および図6(b)に示されるように、電極部55の一面55aの面方向における一方向と電極部55の厚み方向である。   As described above, the high heat conduction direction of the graphite thermal diffusion plate 54 constituting the electrode portion 55 is one direction in the surface direction of the one surface 55a of the electrode portion 55 as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). And the thickness direction of the electrode portion 55.

そして、半導体素子51に熱が発生すると、当該熱はグラファイト熱拡散板54に伝導し、図6(a)に示されるようにグラファイト熱拡散板60内を一方向に広がりながら図6(b)に示されるように厚み方向に伝導して第1冷却器10に放出される。この場合、グラファイト熱拡散板54を伝導する熱は、吸熱部56に一時的にも吸収される。吸熱部56に一時的に吸収された熱は、再びグラファイト熱拡散板54に伝導すると共にグラファイト熱拡散板54の厚み方向に伝導し、第1冷却器10に放出される。このように、グラファイト熱拡散板54に熱が伝導するようになっている。   Then, when heat is generated in the semiconductor element 51, the heat is conducted to the graphite heat diffusion plate 54 and spreads in one direction in the graphite heat diffusion plate 60 as shown in FIG. 6 (a). As shown in FIG. 4, the heat is conducted in the thickness direction and discharged to the first cooler 10. In this case, the heat conducted through the graphite heat diffusion plate 54 is also temporarily absorbed by the heat absorption part 56. The heat temporarily absorbed by the heat absorption part 56 is conducted again to the graphite heat diffusion plate 54 and conducted in the thickness direction of the graphite heat diffusion plate 54, and is released to the first cooler 10. Thus, heat is conducted to the graphite heat diffusion plate 54.

また、半導体素子51にはスペーサ57、58が接合されているので、半導体素子51で発生した熱はスペーサ57、58を介してグラファイト熱拡散板60、61に伝導し、一方向に広がりながら厚み方向に伝導することで第2冷却器20にも放出される。   In addition, since the spacers 57 and 58 are joined to the semiconductor element 51, the heat generated in the semiconductor element 51 is conducted to the graphite heat diffusion plates 60 and 61 via the spacers 57 and 58, and spreads in one direction. Conducted in the direction is also discharged to the second cooler 20.

そして、半導体素子51の過負荷時等で半導体素子51の温度が瞬間的に上昇する。このような過渡的な熱が半導体素子51に発生した場合、グラファイト熱拡散板54では電極部55の一面55aの面方向においては一方向のみに熱が伝導するので、半導体素子51の熱は半導体素子51の延長線上に位置する吸熱部56まで一方向に沿って効率良く伝導する。   Then, when the semiconductor element 51 is overloaded, the temperature of the semiconductor element 51 rises instantaneously. When such transient heat is generated in the semiconductor element 51, heat is conducted only in one direction in the surface direction of the one surface 55a of the electrode portion 55 in the graphite heat diffusion plate 54. It efficiently conducts along one direction to the heat absorption part 56 located on the extension line of the element 51.

もちろん、半導体素子51に接合されたスペーサ57、58を介してグラファイト熱拡散板60、61に伝導した熱はグラファイト熱拡散板60、61の一方向に沿ってグラファイト熱拡散板60、61に接合された吸熱部56にも効率良く放出される。   Of course, the heat conducted to the graphite heat diffusion plates 60 and 61 through the spacers 57 and 58 bonded to the semiconductor element 51 is bonded to the graphite heat diffusion plates 60 and 61 along one direction of the graphite heat diffusion plates 60 and 61. The heat absorption part 56 is also efficiently discharged.

このように、半導体素子51に発生した過渡的な熱はグラファイト熱拡散板54、60、61に接合された吸熱部56に一時的に吸収されるので、半導体素子51が動作限界温度を超えて動作不能になることはない。吸熱部56に吸収された熱は上述のように時間を掛けて第1冷却器10や第2冷却器20に放出される。   As described above, the transient heat generated in the semiconductor element 51 is temporarily absorbed by the heat absorption part 56 joined to the graphite heat diffusion plates 54, 60, 61, so that the semiconductor element 51 exceeds the operating limit temperature. It will not become inoperable. The heat absorbed by the heat absorption unit 56 is discharged to the first cooler 10 and the second cooler 20 over time as described above.

以上説明したように、本実施形態では、電極部55の一面55aの面方向に平行な一方向と電極部55の一面55aに垂直な厚み方向とに、他の方向よりも熱伝導が良い高熱伝導方向を持ったグラファイト熱拡散板54を電極部55として用いていることが特徴となっている。   As described above, in the present embodiment, high heat is better in heat conduction than the other directions in one direction parallel to the surface direction of the one surface 55a of the electrode portion 55 and in the thickness direction perpendicular to the one surface 55a of the electrode portion 55. The graphite heat diffusion plate 54 having a conduction direction is used as the electrode portion 55.

これにより、半導体素子51で過渡的な発熱が起こったとしても、熱を半導体素子51からグラファイト熱拡散板54、60、61に伝導すると共に高熱伝導方向である一方向に沿って吸熱部56に伝導することができるので、半導体素子51の過渡的な熱を効率良く吸熱部56に放出することができる。このため、半導体素子51が過渡的な熱で容易に動作限界温度に達することを防止できる。   Thereby, even if transient heat generation occurs in the semiconductor element 51, heat is conducted from the semiconductor element 51 to the graphite heat diffusion plates 54, 60, 61 and to the heat absorbing portion 56 along one direction which is a high heat conduction direction. Since the heat can be conducted, the transient heat of the semiconductor element 51 can be efficiently released to the heat absorbing portion 56. For this reason, it is possible to prevent the semiconductor element 51 from easily reaching the operation limit temperature due to transient heat.

特に、半導体素子51を小型化した場合や半導体素子51に流す電流を大きくした場合には半導体素子51の発熱密度が増加するが、上記のように半導体素子51からグラファイト熱拡散板54を介して吸熱部56に効率良く熱を伝導することができるので、半導体素子51の熱を吸熱部56に伝導させる前に半導体素子51が容易に動作限界温度に達してしまうことはない。   In particular, when the semiconductor element 51 is downsized or when the current passed through the semiconductor element 51 is increased, the heat generation density of the semiconductor element 51 increases. As described above, the semiconductor element 51 passes through the graphite heat diffusion plate 54. Since heat can be efficiently conducted to the heat absorption part 56, the semiconductor element 51 does not easily reach the operation limit temperature before the heat of the semiconductor element 51 is conducted to the heat absorption part 56.

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、電極部55のグラファイト熱拡散板54が特許請求の範囲の「熱拡散板」に対応する。また、第1冷却器10が特許請求の範囲の「冷却器」に対応する。さらに、一方向が特許請求の範囲の「第1方向」に対応し、厚み方向が特許請求の範囲の「第2方向」に対応する。   Regarding the correspondence between the description of the present embodiment and the description of the scope of claims, the graphite heat diffusion plate 54 of the electrode portion 55 corresponds to the “thermal diffusion plate” of the scope of claims. The first cooler 10 corresponds to a “cooler” in the claims. Furthermore, one direction corresponds to the “first direction” in the claims, and the thickness direction corresponds to the “second direction” in the claims.

(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分について説明する。図7は、本実施形態に係る電極部55の平面図である。本実施形態では、グラファイト熱拡散板54は、一方向が、半導体素子51との当接面の最大幅に沿った方向と交差するように構成されている。特に、図7(a)および図7(b)に示されるように、本実施形態に係るグラファイト熱拡散板54の熱伝導方向である一方向は半導体素子51の最大幅に沿った方向に対して垂直になっている。言い換えると、グラファイト熱拡散板54は、グラファイト熱拡散板54に対する半導体素子51の当接面の最大幅に沿った方向と一方向とが交差する互いの方向の成す角度が直角となるように構成されている。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, parts different from the first embodiment will be described. FIG. 7 is a plan view of the electrode unit 55 according to the present embodiment. In the present embodiment, the graphite heat diffusion plate 54 is configured such that one direction intersects the direction along the maximum width of the contact surface with the semiconductor element 51. In particular, as shown in FIGS. 7A and 7B, one direction which is the heat conduction direction of the graphite thermal diffusion plate 54 according to the present embodiment is relative to the direction along the maximum width of the semiconductor element 51. Is vertical. In other words, the graphite heat diffusing plate 54 is configured such that an angle formed by a direction along which the direction along the maximum width of the contact surface of the semiconductor element 51 with the graphite heat diffusing plate 54 intersects one direction is a right angle. Has been.

このような具体例として、図7(a)に示されるように、グラファイト熱拡散板54の長辺と半導体素子51の一辺とが平行または直角に配置されている場合に高熱伝導方向である一方向がグラファイト熱拡散板54の長辺に対して傾けられているものがある。また、図7(b)に示されるように、グラファイト熱拡散板54の長辺と高熱伝導方向である一方向とが平行である場合、半導体素子51の一辺がグラファイト熱拡散板54の長辺に対して傾けられているものもある。   As a specific example of this, as shown in FIG. 7A, when the long side of the graphite thermal diffusion plate 54 and one side of the semiconductor element 51 are arranged in parallel or at right angles, the high heat conduction direction is obtained. Some have the direction inclined with respect to the long side of the graphite thermal diffusion plate 54. Further, as shown in FIG. 7B, when the long side of the graphite heat diffusion plate 54 and one direction which is a high heat conduction direction are parallel, one side of the semiconductor element 51 is the long side of the graphite heat diffusion plate 54. Some are tilted against.

そして、吸熱部56の幅は半導体素子51の最大幅と同じになっており、半導体素子51の配置場所から一方向の延長線上に吸熱部56が配置されている。すなわち、グラファイト熱拡散板54において半導体素子51から吸熱部56への伝熱面積を大きくとれる方向に高熱伝導方向である一方向を配向させて吸熱部56を配置している。   The width of the heat absorption part 56 is the same as the maximum width of the semiconductor element 51, and the heat absorption part 56 is arranged on an extension line in one direction from the place where the semiconductor element 51 is arranged. That is, in the graphite heat diffusing plate 54, the heat absorbing portion 56 is arranged so that one direction which is a high heat conduction direction is oriented in a direction in which the heat transfer area from the semiconductor element 51 to the heat absorbing portion 56 can be increased.

図7の斜線部(2本の線が交わる領域)で示されるように、吸熱部56の平面形状は、半導体素子51の外形に沿っていると共に、電極部55の外形に沿っている。また、吸熱部56は高熱伝導方向である一方向に延びた形状になっている。このため、高熱伝導方向である一方向に伝導する熱を一方向に延びた吸熱部56で吸収できるようになっている。   As indicated by the hatched portion (region where two lines intersect) in FIG. 7, the planar shape of the heat absorbing portion 56 is along the outer shape of the semiconductor element 51 and the outer shape of the electrode portion 55. Moreover, the heat absorption part 56 has the shape extended in one direction which is a high heat conduction direction. For this reason, the heat conducted in one direction, which is a high heat conduction direction, can be absorbed by the heat absorbing portion 56 extending in one direction.

次に、図7(a)に示されるグラファイト熱拡散板54の製造方法について図8を参照して説明する。第1実施形態で示されたように、グラファイトの積層体70を形成し、この積層体70をy−z面に平行に切断する。このようにして得られた板は、高熱伝導方向である一方向はy方向である。したがって、この一方向をy方向に対して所定の角度に傾けて新たな板を切り出すことで、所定の方向に一方向が向いたグラファイト熱拡散板54が得られる。   Next, a method for manufacturing the graphite thermal diffusion plate 54 shown in FIG. 7A will be described with reference to FIG. As shown in the first embodiment, a graphite laminate 70 is formed, and this laminate 70 is cut parallel to the yz plane. In the plate thus obtained, one direction which is a high heat conduction direction is the y direction. Accordingly, a new plate is cut out by inclining this one direction at a predetermined angle with respect to the y direction, whereby a graphite thermal diffusion plate 54 with one direction facing the predetermined direction is obtained.

なお、図7(b)に示されるグラファイト熱拡散板54は、第1実施形態で示された図5に示される方法により製造することができる。   Note that the graphite thermal diffusion plate 54 shown in FIG. 7B can be manufactured by the method shown in FIG. 5 shown in the first embodiment.

以上のように、半導体素子51の最大幅に沿った任意の方向に対して垂直に高熱伝導方向である一方向を配置することで、半導体素子51の熱が一方向に伝導する幅が最大になる。したがって、半導体素子51の熱を効率良く吸熱部56に伝導することができる。   As described above, by arranging one direction which is a high heat conduction direction perpendicular to an arbitrary direction along the maximum width of the semiconductor element 51, the width of the semiconductor element 51 to conduct heat in one direction is maximized. Become. Therefore, the heat of the semiconductor element 51 can be efficiently conducted to the heat absorption part 56.

(第3実施形態)
本実施形態では、第1、第2実施形態と異なる部分について説明する。上記各実施形態では、グラファイト熱拡散板54に係る高熱伝導方向である一方向は、電極部55の一面55aのどの場所でも同じ方向を向いていたが、本実施形態では半導体素子51を中心に放射状に高熱伝導方向が配向していることが特徴となっている。
(Third embodiment)
In the present embodiment, parts different from the first and second embodiments will be described. In each of the above embodiments, the one direction that is the high heat conduction direction of the graphite heat diffusing plate 54 faces the same direction everywhere on one surface 55a of the electrode portion 55, but in this embodiment, the semiconductor element 51 is the center. The feature is that the high heat conduction directions are oriented radially.

図9は、本実施形態に係る電極部55の平面図である。この図に示されるように、本実施形態に係る半導体冷却装置は、電極部55として、電極部55の一面55aの面方向において半導体素子51を中心とした放射方向と半導体素子51から第1冷却器10への厚み方向とが放射方向および厚み方向とは異なる方向よりも熱伝導率が高い高熱伝導方向とされたグラファイト熱拡散板54が用いられている。   FIG. 9 is a plan view of the electrode unit 55 according to the present embodiment. As shown in this figure, the semiconductor cooling device according to the present embodiment has a first cooling from the semiconductor element 51 and the radiation direction centered on the semiconductor element 51 in the surface direction of the one surface 55a of the electrode part 55 as the electrode part 55. A graphite thermal diffusion plate 54 is used in which the thickness direction toward the vessel 10 is a high thermal conductivity direction having a higher thermal conductivity than the radial direction and the direction different from the thickness direction.

また、吸熱部56は、半導体素子51の周囲に半導体素子51を囲むように配置されている。つまり、吸熱部56はドーナツ状の平面形状をなしており、ドーナツ形状の窓部に半導体素子51が配置された状態になっている。   Further, the heat absorption part 56 is disposed around the semiconductor element 51 so as to surround the semiconductor element 51. That is, the endothermic part 56 has a donut-shaped planar shape, and the semiconductor element 51 is disposed in the donut-shaped window.

なお、本実施形態においても、半導体素子51にスペーサ57、58が接合され、このスペーサ57、58が上層のグラファイト熱拡散板60、61に接合された構造になっている。   In this embodiment, spacers 57 and 58 are bonded to the semiconductor element 51, and the spacers 57 and 58 are bonded to the upper graphite thermal diffusion plates 60 and 61.

次に、本実施形態に係るグラファイト熱拡散板54の製造方法について図10を参照して説明する。図5に示されるように、グラファイトの積層体70を形成し、この積層体70をy−z面(もしくはx−z面)に平行に切断する。   Next, a method for manufacturing the graphite thermal diffusion plate 54 according to this embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 5, a graphite laminate 70 is formed, and this laminate 70 is cut parallel to the yz plane (or xz plane).

そして、図10(a)に示されるように、積層体70から切断した板を三角柱状に切り出す。これにより、図10(b)に示されるように、三角柱のパーツが複数得られる。1つの三角柱のパーツは、一方向と厚み方向とに高熱伝導方向を持つものである。   And the board cut | disconnected from the laminated body 70 is cut out to a triangular prism shape as FIG. 10 (a) shows. As a result, as shown in FIG. 10B, a plurality of triangular prism parts are obtained. One triangular prism part has a high heat conduction direction in one direction and the thickness direction.

続いて、図10(c)に示されるように、複数の三角柱のパーツを組み合わせて接着する。この後、三角柱のパーツを組み合わせた中心を中心として任意の四角形状を切り出すことにより、図10(d)に示されるように板の中心から放射状に一方向が配向した放射方向と厚み方向に高熱伝導方向が配向したグラファイト熱拡散板54が得られる。   Subsequently, as shown in FIG. 10C, a plurality of triangular prism parts are combined and bonded. After that, by cutting out an arbitrary quadrangular shape centering on the center where the triangular prism parts are combined, as shown in FIG. As a result, a graphite heat diffusion plate 54 in which the conduction direction is oriented is obtained.

以上のように、電極部55の一面55aの面方向におけるグラファイト熱拡散板54の熱伝導方向を放射状にし、吸熱部56への伝熱面積を広くすることで吸熱部56の熱容量を増やすことができる。また、半導体素子51の熱が放射状に熱拡散するので、グラファイト熱拡散板54に温度分布がつきにくいという利点もある。   As described above, the heat conduction direction of the graphite heat diffusion plate 54 in the surface direction of the one surface 55a of the electrode portion 55 is made radial, and the heat transfer area to the heat absorption portion 56 is widened to increase the heat capacity of the heat absorption portion 56. it can. In addition, since the heat of the semiconductor element 51 is diffused radially, there is also an advantage that the temperature distribution of the graphite heat diffusion plate 54 is difficult.

なお、本実施形態では、吸熱部56は半導体素子51を一周囲んでいるが、ブロック状の吸熱部56が少なくとも半導体素子51の配置場所から放射方向の延長線上に配置されていれば良い。また、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、放射方向が特許請求の範囲の「第1方向」に対応し、厚み方向が特許請求の範囲の「第2方向」に対応する。   In the present embodiment, the heat absorption part 56 surrounds the semiconductor element 51. However, the block-like heat absorption part 56 may be disposed at least on the extended line in the radial direction from the position where the semiconductor element 51 is disposed. Further, regarding the correspondence between the description of the present embodiment and the description of the claims, the radial direction corresponds to the “first direction” of the claims, and the thickness direction corresponds to the “second direction” of the claims. ".

(他の実施形態)
上記各実施形態で示された半導体冷却装置の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明の特徴を含んだ他の構造とすることもできる。例えば、高熱伝導方向である一方向に垂直な半導体素子51および吸熱部56の幅を適宜設定することができる。また、電極部55の構成は、上述のようにグラファイト熱拡散板54のみで構成されていても良い。一方、グラファイト熱拡散板54の上にCu等の薄い金属基板が積層されていても良い。この場合、半導体素子51や吸熱部56はこの薄い金属基板の上に実装される。
(Other embodiments)
The configuration of the semiconductor cooling device described in each of the above embodiments is merely an example, and the present invention is not limited to the configuration described above, and other structures including the characteristics of the present invention may be employed. For example, the widths of the semiconductor element 51 and the heat absorption part 56 perpendicular to one direction which is a high heat conduction direction can be set as appropriate. Moreover, the structure of the electrode part 55 may be comprised only with the graphite thermal diffusion plate 54 as mentioned above. On the other hand, a thin metal substrate such as Cu may be laminated on the graphite heat diffusion plate 54. In this case, the semiconductor element 51 and the heat absorption part 56 are mounted on this thin metal substrate.

図11は、半導体素子51と吸熱部56との配置のバリエーションを示した図である。なお、図11では吸熱部56の部分を斜線部で示してある。
図11(a)に示されるように、一方向が半導体素子51の最大幅に垂直な方向に配向しているグラファイト熱拡散板54において、半導体素子51を囲むように半導体素子51の周囲に吸熱部56を配置することができる。半導体素子51から吸熱部56への伝熱面積を大きく取ることができると共に、吸熱部56が吸収できる熱量を確保できる。
FIG. 11 is a diagram showing a variation of the arrangement of the semiconductor element 51 and the heat absorption part 56. In FIG. 11, the heat absorbing portion 56 is indicated by hatching.
As shown in FIG. 11A, in the graphite thermal diffusion plate 54 in which one direction is oriented in a direction perpendicular to the maximum width of the semiconductor element 51, heat absorption is performed around the semiconductor element 51 so as to surround the semiconductor element 51. The part 56 can be arranged. A heat transfer area from the semiconductor element 51 to the heat absorption unit 56 can be increased, and an amount of heat that can be absorbed by the heat absorption unit 56 can be secured.

また、図11(b)に示されるように、半導体素子51は縦横比が高い長方形をなしている場合、一方向を半導体素子51の長辺に垂直な方向に配向させることができる。また、吸熱部56は、高熱伝導方向である一方向から見た半導体素子51の幅以上の幅を有している。そして、高熱伝導方向である一方向から半導体素子51および吸熱部56を見たとき、半導体素子51が吸熱部56の幅に含まれるように、吸熱部56は半導体素子51の配置場所から一方向の延長線上に配置されている。これにより、半導体素子51から吸熱部56への熱が通る道幅が狭くならないので、半導体素子51から放出された熱を効率良く吸熱部56に吸収させることができる。   Further, as shown in FIG. 11B, when the semiconductor element 51 has a rectangular shape with a high aspect ratio, one direction can be oriented in a direction perpendicular to the long side of the semiconductor element 51. Further, the endothermic portion 56 has a width equal to or larger than the width of the semiconductor element 51 as viewed from one direction which is a high heat conduction direction. And when the semiconductor element 51 and the heat absorption part 56 are seen from one direction which is a high heat conduction direction, the heat absorption part 56 is one direction from the arrangement place of the semiconductor element 51 so that the semiconductor element 51 is included in the width of the heat absorption part 56. It is arranged on the extension line. As a result, the path width through which the heat from the semiconductor element 51 to the heat absorption part 56 does not narrow, so that the heat released from the semiconductor element 51 can be efficiently absorbed by the heat absorption part 56.

このように、グラファイト熱拡散板54の一面(つまり電極部55の一面55a)に対して吸熱部56が占める面における、一方向と直交する方向の最大幅が、一面55aと半導体素子51との当接面における、一方向と直交する方向の最大幅よりも大きくなるように吸熱部56を構成することができる。   Thus, the maximum width in the direction orthogonal to one direction on the surface occupied by the heat absorbing portion 56 with respect to one surface of the graphite heat diffusion plate 54 (that is, one surface 55a of the electrode portion 55) is the distance between the one surface 55a and the semiconductor element 51. The heat absorption part 56 can be configured to be larger than the maximum width of the contact surface in a direction orthogonal to one direction.

なお、吸熱部56の幅が半導体素子51の幅以上となっている関係は、図11(b)に限らず、図2、図7、そして図11(a)、図11(c)、図11(d)に示されるものについても同様である。図2や図7では、半導体素子51の幅と吸熱部56の幅とが同じになっている。   The relationship in which the width of the heat absorbing portion 56 is equal to or larger than the width of the semiconductor element 51 is not limited to FIG. 11B, but is also illustrated in FIGS. 2, 7, 11A, 11C, and The same applies to what is shown in 11 (d). 2 and 7, the width of the semiconductor element 51 and the width of the heat absorbing portion 56 are the same.

また、図11(c)に示されるように、半導体素子51が電極部55の長手方向の中央に位置しており、吸熱部56が半導体素子51を挟むように配置されていても良い。これにより、吸熱部56が一方向に沿った部分が増えるので、熱の伝導方向に対する熱の吸収の効率が良くなる。   In addition, as shown in FIG. 11C, the semiconductor element 51 may be positioned at the center in the longitudinal direction of the electrode portion 55, and the heat absorbing portion 56 may be disposed so as to sandwich the semiconductor element 51. Thereby, since the heat absorption part 56 increases the part along one direction, the efficiency of heat absorption with respect to the heat conduction direction is improved.

そして、図11(d)に示されるように、半導体素子51を電極部55の長手方向の端に位置させても良い。これにより、グラファイト熱拡散板54に接合される吸熱部56において一方向における吸熱部56の幅を長くすることができる。このため、一方向に伝導する熱を効率良く吸熱部56に吸収させることができる。   Then, as shown in FIG. 11D, the semiconductor element 51 may be positioned at the end of the electrode portion 55 in the longitudinal direction. Thereby, in the heat absorption part 56 joined to the graphite thermal diffusion plate 54, the width | variety of the heat absorption part 56 in one direction can be lengthened. For this reason, the heat conducted in one direction can be efficiently absorbed by the heat absorbing portion 56.

なお、図11で示されたグラファイト熱拡散板54はスペーサ57、58が接合されたグラファイト熱拡散板60、61にも適用できる。   The graphite heat diffusion plate 54 shown in FIG. 11 can also be applied to the graphite heat diffusion plates 60 and 61 to which the spacers 57 and 58 are joined.

さらに、上記各実施形態では、半導体冷却装置は半導体モジュール50を各冷却器10、20で挟み込んだ構造となっていたが、図12に示されるように、半導体モジュール50を第1冷却器10のみで冷却する構造とすることもできる。この場合、半導体素子51や吸熱部56を封止材62で封止した構造となる。このように、いわゆる片面冷却構造とすることもできる。   Further, in each of the above embodiments, the semiconductor cooling device has a structure in which the semiconductor module 50 is sandwiched between the coolers 10 and 20, but the semiconductor module 50 is only the first cooler 10 as shown in FIG. It can also be set as the structure cooled by. In this case, the semiconductor element 51 and the heat absorption part 56 are sealed with the sealing material 62. In this way, a so-called single-sided cooling structure can be obtained.

10 第1冷却器
51 半導体素子
54 グラファイト熱拡散板(熱拡散板)
55 電極部
55a 電極部の一面
55b 電極部の他面
56 吸熱部
10 1st cooler 51 Semiconductor element 54 Graphite thermal diffusion plate (thermal diffusion plate)
55 Electrode part 55a One side of electrode part 55b Other side of electrode part 56 Heat absorption part

Claims (3)

半導体素子(51)と一面(55a)で当接すると共に前記半導体素子(51)と電気的に接続された電極部(55)と、
前記一面(55a)とは別の前記電極部(55)の他面(55b)側に設けられ、前記電極部(55)を介して前記半導体素子(51)を冷却する冷却器(10)と、を備えた半導体冷却装置であって、
前記電極部(55)は、熱伝導により前記半導体素子(51)からの熱を拡散させる熱拡散板であり、前記熱伝導のうち、前記一面(55a)の面方向と平行な第1方向の熱伝導、および前記一面(55a)から前記他面(55b)へ向かう第2方向の熱伝導をそれぞれ規定する第1熱伝導率、および第2熱伝導率を備え、
前記熱拡散板は、前記第1および第2熱伝導率が、前記第1および第2方向以外の方向の熱伝導をそれぞれ規定するいずれの熱伝導率よりも大きくなるように構成されており、
前記電極部(55)としての前記熱拡散板における一面に、1つの前記半導体素子(51)に対して1つまたは2つ以上の蓄熱材で構成されており、前記熱拡散板を介して前記半導体素子(51)からの熱を吸収する吸熱部(56)が配設されており、
前記吸熱部(56)は、前記熱拡散板の一面における前記半導体素子(51)の当接位置から前記第1方向に沿う延長線上に配設されており、
前記吸熱部(56)は、前記熱拡散板の一面に対して前記吸熱部(56)が占める面における、前記第1方向と直交する方向の最大幅が、前記一面と前記半導体素子(51)との当接面における、前記第1方向と直交する方向の最大幅よりも大きくなるように構成されたことを特徴とする半導体冷却装置。
An electrode portion (55) that is in contact with the semiconductor element (51) at one surface (55a) and electrically connected to the semiconductor element (51);
A cooler (10) which is provided on the other surface (55b) side of the electrode portion (55) different from the one surface (55a) and cools the semiconductor element (51) via the electrode portion (55); A semiconductor cooling device comprising:
The electrode part (55) is a heat diffusing plate that diffuses heat from the semiconductor element (51) by heat conduction. Of the heat conduction, the electrode part (55) has a first direction parallel to the surface direction of the one surface (55a). A first thermal conductivity and a second thermal conductivity respectively defining heat conduction and heat conduction in the second direction from the one surface (55a) to the other surface (55b);
The thermal diffusion plate is configured such that the first and second thermal conductivities are greater than any thermal conductivities that define thermal conductance in directions other than the first and second directions, respectively .
One surface of the heat diffusion plate as the electrode portion (55) is composed of one or two or more heat storage materials for one semiconductor element (51), and the heat diffusion plate is interposed through the heat diffusion plate. An endothermic part (56) that absorbs heat from the semiconductor element (51) is provided,
The heat absorption part (56) is disposed on an extension line along the first direction from the contact position of the semiconductor element (51) on one surface of the heat diffusion plate,
The heat absorption part (56) has a maximum width in a direction perpendicular to the first direction in the surface occupied by the heat absorption part (56) with respect to one surface of the thermal diffusion plate, and the one surface and the semiconductor element (51). The semiconductor cooling device is configured to be larger than a maximum width in a direction orthogonal to the first direction on the contact surface .
前記熱拡散板は、前記第1方向が、前記半導体素子(51)との当接面の最大幅に沿った方向と交差するように構成されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体冷却装置。   2. The semiconductor according to claim 1, wherein the heat diffusion plate is configured such that the first direction intersects a direction along a maximum width of a contact surface with the semiconductor element (51). Cooling system. 前記熱拡散板は、前記交差する互いの方向の成す角度が直角となるように構成されたことを特徴とする請求項2に記載の半導体冷却装置。   The semiconductor cooling device according to claim 2, wherein the heat diffusion plate is configured such that an angle formed between the intersecting directions is a right angle.
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