JP5899680B2 - Power semiconductor module - Google Patents
Power semiconductor module Download PDFInfo
- Publication number
- JP5899680B2 JP5899680B2 JP2011145350A JP2011145350A JP5899680B2 JP 5899680 B2 JP5899680 B2 JP 5899680B2 JP 2011145350 A JP2011145350 A JP 2011145350A JP 2011145350 A JP2011145350 A JP 2011145350A JP 5899680 B2 JP5899680 B2 JP 5899680B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thin plate
- cooling block
- power semiconductor
- semiconductor module
- contact
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 88
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 51
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 21
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 14
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 14
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 13
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims description 10
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 10
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 3
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 16
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 13
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 13
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 11
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 9
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 6
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 5
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 3
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 2
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910016525 CuMo Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020888 Sn-Cu Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910019204 Sn—Cu Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910000963 austenitic stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 229920006351 engineering plastic Polymers 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 239000007770 graphite material Substances 0.000 description 1
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L24/33—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of a plurality of layer connectors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
- H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/30—Technical effects
- H01L2924/35—Mechanical effects
- H01L2924/351—Thermal stress
Description
本発明は、絶縁形のパワー半導体モジュールに係わり、特に高温動作が要求されるパワー半導体モジュールに関するものである。 The present invention relates to an insulated power semiconductor module, and more particularly to a power semiconductor module that requires high-temperature operation.
代表的な絶縁形パワー半導体モジュールとして、インバータ等の電力変換装置に用いられるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)モジュールがある。このIGBTモジュールに代表される絶縁形パワー半導体モジュールなどは、JEC-2407-2007、IEC60747-15にその規格が制定されている。また、一般的な絶縁形パワー半導体モジュールの構造として非特許文献1のp289に開示されている。
As a typical insulated power semiconductor module, there is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) module used in a power converter such as an inverter. Standards for insulated power semiconductor modules such as IGBT modules are established in JEC-2407-2007 and IEC60747-15. Moreover, it is disclosed by p289 of
図9は非特許文献1に記載されたパワー半導体モジュールの構成を示したもので、スイッチング素子であるIGBTやダイオード等の半導体素子20は、半導体素子20の下面電極層を介してDBC基板21の銅回路箔22上に半田付けされ、そのDBC基板21は放熱のための銅ベース24に半田付け部25を介して接着される。ここで、DBC(Direct Bond Copper)基板21とは、セラミックス等からなる絶縁板23に銅回路箔22を直接接合したものである。
FIG. 9 shows a configuration of a power semiconductor module described in Non-Patent
半導体素子20の上面電極層は、アルミワイヤー26を超音波でボンディングされ、例えばDBC基板21上の銅回路箔22と電気的に結線される。そして、DBC基板21上の銅回路箔22からリードフレームやブスバーよりなる銅端子27を介して外部に導出している。その際の、銅回路箔22と銅端子27との接続は半田付けによって行われており、更にその周りを(スーパー)エンジニアリングプラスチックのケース28で囲み、その中を電気絶縁のためのシリコーンゲル等が充填される。ここで、一般に半導体素子20とDBC基板21を接合する半田は、DBC基板21と銅ベース24を接合する半田に対し融点が高く、2回のリフローにより接合される。
The upper electrode layer of the
近年、半導体素子の動作温度の高温化が進み、175℃〜200℃の動作温度では半田材料の融点に近いため、半田に置換する材料としてBi,Zn,Auの金属系高温半田、Sn−Cuの化合物系高温半田、Ag粉,nanoAgの低温焼結金属等が提案されている。
また、次世代の半導体素子であるSiCは、250℃〜300℃での動作温度が可能であることが報告されている。
In recent years, the operating temperature of semiconductor elements has been increased, and the operating temperature of 175 ° C. to 200 ° C. is close to the melting point of the solder material. Therefore, Bi, Zn, Au metal-based high-temperature solder, Sn—Cu Compound-based high-temperature solder, Ag powder, nanoAg low-temperature sintered metal, and the like have been proposed.
In addition, it has been reported that SiC, which is a next-generation semiconductor element, can operate at 250 ° C. to 300 ° C.
使用時に発生する熱に基づく応力を緩和して放熱特性をよくするものとして特許文献1が公知となっている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228561 is known as a material that relieves stress based on heat generated during use and improves heat dissipation characteristics.
一方、半田を用いないパワー半導体モジュールとしては、非特許文献1のp336や非特許文献2に平形圧接構造パッケージとして開示されている。
図10はそのパッケージを示したもので、半導体素子30の上面電極層がコンタクト端子33に接触した状態でMo板34上に載置されている。そして、半導体素子30の端部には、半導体素子30及びコンタクト端子33の位置決めをするガイド35が備えられている。
On the other hand, power semiconductor modules that do not use solder are disclosed as non-patent
FIG. 10 shows the package, which is placed on the
このように構成された平形圧接構造パッケージは、半導体素子30を上下両面から冷却できると共に、半田付けをしない構造で電気的、熱的に外部と接続できる。このため、一般的に形圧接構造パッケージの両端をヒートシンクで圧接することで平形圧接構造パッケージの両面を冷却し、このヒートシンクを導電部材として用いている。
The thus configured flat pressure contact structure package can cool the
温度サイクル、パワーサイクル等への信頼性向上の課題に対しては、半導体モジュールを構成する部材である半導体素子、金属、セラミックス等の熱膨張の違いによって生じる課題を解決する必要がある。すなわち、DBC基板ー銅ベース間、DBC基板ー銅端子間において、銅とセラミックスの熱膨張係数の差から使用される半田にせん断応力が働いて半田に亀裂が生じ、熱抵抗が増大して端子が剥離する虞がある。さらに、半導体素子ーDBC基板間の半田にも亀裂が生じる場合がある。
また、条件によっては半導体素子上のアルミワイヤーの接続部でも、アルミニウムと半導体素子の熱膨張の差で応力が発生してアルミワイヤーが疲労破断する。
In order to improve the reliability of temperature cycle, power cycle, etc., it is necessary to solve the problem caused by the difference in thermal expansion of semiconductor elements, metals, ceramics, etc. which are members constituting the semiconductor module. In other words, between the DBC substrate and the copper base, between the DBC substrate and the copper terminal, the solder used due to the difference in thermal expansion coefficient between copper and ceramics causes a shear stress to occur in the solder, resulting in increased thermal resistance and terminals. May peel off. Furthermore, cracks may also occur in the solder between the semiconductor element and the DBC substrate.
Further, depending on conditions, even at the connection portion of the aluminum wire on the semiconductor element, stress is generated due to the difference in thermal expansion between the aluminum and the semiconductor element, and the aluminum wire is fatigued.
年々の電力密度の増加に伴って、使用する半導体素子内部の接合温度が高くなることから、半田のせん断応力、アルミワイヤーの応力が大きくなってきている。これに対して熱膨張の影響が半導体モジュールの設計寿命に至るまでの期間に上記問題が顕在化しないようにする必要がある。このことは、SiCやGaNのような高温で使用できるワイドバンドキャップ半導体素子の出現により、さらに熱膨張の影響の低減が要求されている。 As the power density increases year by year, the junction temperature inside the semiconductor element to be used increases, so that the shear stress of the solder and the stress of the aluminum wire are increasing. On the other hand, it is necessary to prevent the above problem from becoming apparent during the period until the influence of thermal expansion reaches the design life of the semiconductor module. This is due to the emergence of wideband cap semiconductor elements that can be used at high temperatures such as SiC and GaN, and further reduction of the effects of thermal expansion is required.
そこで、高信頼性、環境性、利便性を同時に実現するためには、半田接合、あるいはワイヤーボンドを用いず、且つ両面冷却が容易に実現可能で放熱特性の面で有利な圧接型の絶縁形パワー半導体モジュールが再度脚光を浴びてきた。
また、SiCやGaNなどの高温で使用可能な半導体素子の性能を生かすパワー半導体モジュールとしても、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性向上が求められている。
Therefore, in order to achieve high reliability, environmental friendliness, and convenience at the same time, it is possible to easily realize double-sided cooling without using solder bonding or wire bonding, and a pressure-welded insulation type that is advantageous in terms of heat dissipation characteristics. Power semiconductor modules are again in the limelight.
Further, power semiconductor modules that make use of the performance of semiconductor elements that can be used at high temperatures such as SiC and GaN are also required to have improved reliability such as temperature cycle and power cycle.
図11は一般的な圧接型のパワー半導体モジュールの主要部を示したもので、圧接型のパワー半導体モジュールには以下の(a),(b)の課題が存在する。
(a).部材間の接触圧力による微妙な変化で放熱性が変化する。放熱性を高く維持するためには部材間の接触圧力を、例えば1MPaのような一定圧力以上に確保する必要があり、そのモジュールの信頼性を高めるためには、接触面全体に対してできるだけ均一な接触圧力を確保する必要がある。
FIG. 11 shows a main part of a general pressure contact type power semiconductor module. The following problems (a) and (b) exist in the pressure contact type power semiconductor module.
(A). Heat dissipation changes due to subtle changes due to contact pressure between members. In order to maintain high heat dissipation, it is necessary to ensure that the contact pressure between the members exceeds a certain pressure such as 1 MPa, and in order to increase the reliability of the module, it is as uniform as possible over the entire contact surface. It is necessary to ensure a sufficient contact pressure.
すなわち、接触圧が低い箇所が存在すると、その部位の電気伝導度が低下し、結果良好な接触が保たれている箇所に電流が集中し、また、通電によるジュール発熱を放熱するパスも狭くなって特定の部材が局所的に温度上昇する。その結果、局所的に部材が熱膨張して複雑な形状に熱変化し、部材間の接触面において均一な接触圧を維持することが困難になる。同時に局所的に応力が集中し、モジュールの信頼性低下の要因となる。また、半導体チップ表面にはAl等の電極層が蒸着等で膜付けされており、半導体チップへの圧接力が過大になり過ぎるとチップ表面を傷つける懸念があり、半導体チップの表裏面においては特に適切な接触圧を維持することが重要となる。 That is, if there is a part with a low contact pressure, the electrical conductivity of the part decreases, and as a result, the current concentrates on a part where good contact is maintained, and the path for radiating Joule heat generated by energization becomes narrow. As a result, the temperature of a specific member rises locally. As a result, the member thermally expands locally to thermally change into a complicated shape, and it becomes difficult to maintain a uniform contact pressure on the contact surface between the members. At the same time, stress is concentrated locally, which causes a decrease in module reliability. In addition, an electrode layer such as Al is formed on the surface of the semiconductor chip by vapor deposition or the like, and there is a concern that the surface of the chip may be damaged if the pressure contact force to the semiconductor chip becomes excessive. It is important to maintain an appropriate contact pressure.
(b).両面冷却構造においては、一般に図9で示すように、絶縁材、3〜5mm程度厚みを有するベース(放熱板)、グリースを経て冷却器内を流れる冷媒と熱交換するため、圧接により全ての部材界面間で良好な接触が確保できた場合でも、半導体チップから冷媒までの熱抵抗がある値以下に下げられないという問題を有している。 (B). In the double-sided cooling structure, as shown in FIG. 9, heat is exchanged with an insulating material, a base (heat radiating plate) having a thickness of about 3 to 5 mm, and a coolant flowing through the cooler via grease. Even when good contact can be secured between the interfaces, there is a problem that the thermal resistance from the semiconductor chip to the refrigerant cannot be lowered below a certain value.
なお、弾性作用を持った金属板を絶縁板とヒートシンクの間に配置するものとしては、特許文献1と2が公知となっている。特許文献1には、半導体素子上に熱応力緩和のために弾性作用をもたせた突起付きの金属板を配置したことが記載されている。特許文献2には、絶縁板とヒートシンクの間に熱伝導と熱応力緩和のために弾性作用をもたせた突起付きの金属板を配置したことが記載されている。しかし、両特許文献のものは半田を使用して樹脂等を用いて封止する従来型モジュールに関するものである。
そこで、本発明が目的とするとこは、半田を用いないパワー半導体モジュールにおいて、その放熱特性を向上し、小型化を実現しつつ信頼性を向上させた圧接型のパワー半導体モジュールを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a pressure semiconductor power semiconductor module that improves the heat dissipation characteristics of a power semiconductor module that does not use solder, improves the reliability while achieving downsizing. is there.
本発明の請求項1は、半導体チップと、この半導体チップの両面側に、それぞれ外面方向に向かってコンタクト材、電極材および絶縁材を介して冷却ブロックを積層する圧接型のパワー半導体モジュールにおいて、
前記絶縁材と冷却ブロック間に、冷却ブロックと対向する面に複数の突起部が設けられ、且つ力を面で受ける板バネ特性を有する薄板をそれぞれ配設すると共に、
前記薄板に設けられた突起部と対向する冷却ブロックの面に複数の溝を設け、
前記積層された半導体チップ、コンタクト材、電極材、絶縁材および薄板の各部材の外周面を絶縁物からなるケースで囲繞固定し、
前記冷却ブロックは、形成された溝を前記薄板の突起部を避けた位置に配置し、
薄板の突起部を冷却ブロック面に接触させてボルトを介し薄板と一体的に固定したことを特徴としたものである。
Between the insulating material and the cooling block, a plurality of protrusions are provided on the surface facing the cooling block, and a thin plate having a leaf spring characteristic that receives force on the surface is disposed, respectively.
Providing a plurality of grooves on the surface of the cooling block facing the protrusion provided on the thin plate,
Surrounding and fixing the outer peripheral surface of each member of the laminated semiconductor chip, contact material, electrode material, insulating material and thin plate with a case made of an insulator,
The cooling block arranges the formed groove at a position avoiding the protrusion of the thin plate,
The protrusion of the thin plate is brought into contact with the cooling block surface and fixed integrally with the thin plate via a bolt.
本発明の請求項2は、前記薄板の突起部は、前記半導体チップの真上相当の位置に設けられることを特徴としたものである。 According to a second aspect of the present invention, the protrusion of the thin plate is provided at a position corresponding to the position directly above the semiconductor chip.
本発明の請求項3は、前記薄板は、周縁部の厚みを厚くして形成し、形成された薄板の厚い層と前記冷却ブロック間を一体化することを特徴としたものである。 According to a third aspect of the present invention, the thin plate is formed by increasing the thickness of the peripheral portion, and the thick layer of the formed thin plate is integrated with the cooling block.
本発明の請求項4は、前記薄板の厚い層と前記冷却ブロック間を一体化した後に、冷却ブロックから挿入されたボルトにより薄板を介して前記半導体チップに圧接力を伝播することを特徴としたものである。
本発明の請求項5は、前記薄板の厚い層と前記冷却ブロック間の一体化は、接着剤によることを特徴としたものである。
According to a fourth aspect of the present invention, after the thick layer of the thin plate and the cooling block are integrated, a pressure contact force is propagated to the semiconductor chip through the thin plate by a bolt inserted from the cooling block. Is.
The fifth aspect of the present invention is characterized in that the integration between the thick layer of the thin plate and the cooling block is based on an adhesive.
本発明の請求項6は、前記冷却媒体流通時に、薄板と冷却ブロック接合面に周期的な突起形状を持たせることを特徴としたものである。 The sixth aspect of the present invention is characterized in that the thin plate and the cooling block joint surface are provided with a periodic protrusion shape during the circulation of the cooling medium.
本発明の請求項7は、前記薄板は、平板部の肉厚は0.1〜0.5mm、突起部の厚さ0.1〜1.0mmで形成されたことを特徴としたものである。 The seventh aspect of the present invention is characterized in that the thin plate is formed with a thickness of the flat plate portion of 0.1 to 0.5 mm and a thickness of the protruding portion of 0.1 to 1.0 mm. .
本発明の請求項8は、前記薄板と冷却ブロック接合時に、薄板の突起部が冷却ブロックに最初に接触し、前記接着剤若しくはボルト締め付け時に薄板の突起部に接触圧力がかかるよう構成されたことを特徴としたものである。 Claim 8 of the present invention is configured such that when the thin plate and the cooling block are joined, the projection of the thin plate first contacts the cooling block, and contact pressure is applied to the projection of the thin plate when the adhesive or bolt is tightened. It is characterized by.
以上のとおり、本発明によれば、薄板に突起部を設けることで力を面で受ける板バネとして作用させたものである。これにより、バネ定数は、薄板の厚みや表面に設ける突起部の数等で制御することができ、また、広い面で力を分散して受ける板バネとして作用させることができて、モジュールが片締めになる可能性が大幅に低減でき、モジュールの小型化が出来るものである。 As described above, according to the present invention, a projection is provided on a thin plate to act as a leaf spring that receives a force by a surface. As a result, the spring constant can be controlled by the thickness of the thin plate, the number of protrusions provided on the surface, etc., and it can act as a leaf spring that receives the force distributed over a wide area. The possibility of tightening can be greatly reduced, and the module can be downsized.
また、冷却ブロックに溝を設け、この溝と薄板表面に設けられる突起部とで冷却水の循環水路が形成されることで、循環水路と半導体チップ間の熱抵抗が低減され、熱交換率が向上して放熱性が向上するものである。
さらに本発明では、冷却ブロックと薄板とを一体化する際に接着剤とボルトで
内部部品の周辺部を締め付け、その後に接着剤を硬化させることで冷媒の外部への漏れを防止できるものである。
Also, a groove is provided in the cooling block, and a cooling water circulation channel is formed by the groove and the protrusion provided on the surface of the thin plate, so that the thermal resistance between the circulation channel and the semiconductor chip is reduced, and the heat exchange rate is increased. It improves and heat dissipation improves.
Furthermore, in the present invention, when the cooling block and the thin plate are integrated, the peripheral part of the internal part is tightened with an adhesive and a bolt, and then the adhesive is cured to prevent leakage of the refrigerant to the outside. .
本発明は、パワー半導体モジュールに使用されるベース(放熱板)を薄膜化形状として小さいバネ定数を持たせ、加圧力に比例して弾性的に変形させる。この弾性を有するベースと冷却ブロックを一体化して構成部品の公差、厚み方向の熱膨張等が原因の公差を吸収しつつ一定の圧接力を与えると共に、冷媒をベースと冷却ブロック間に流すことで放熱性を高めたものである。
以下、図に基づいて詳述する。
In the present invention, a base (heat radiating plate) used in a power semiconductor module is formed into a thin film shape, has a small spring constant, and is elastically deformed in proportion to the applied pressure. This elastic base and cooling block are integrated to provide a constant pressure while absorbing tolerances caused by component tolerances, thermal expansion in the thickness direction, etc., and flowing refrigerant between the base and cooling block. It has improved heat dissipation.
Hereinafter, it will be described in detail based on the drawings.
図1は、本発明の実施例を示す構成図である。1は半導体チップ(半導体素子)で、複数設けられた各半導体チップの上下(表裏)方向にはそれぞれコンタクト材2(2a,2b)を介して電極材3(3a,3b)が積層されている。コンタクト材2は、半導体チップ1の表面の所定領域をコントロールされた所定圧力で押圧し、半導体チップ1との界面でのせん断応力を低減させる。このため、コンタクト材2は熱膨張係数が半導体チップ1に近い材料用いられ、例えば、半導体チップ1がシリコンの場合には、熱膨張係数は3ppm/℃に近いものが使用され、電気伝導率が高いという条件からグラファイト材料、モリブデン、タングステン等、グラファイトを含有した金属(合金、C−CuMo等)を例示することができる。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention.
コンタクト材2を介して外部に電流を取り出す電極材3は、Cu合金等が使用され3a,3bの各一端はケース7を貫通して外部に突出される。また、この電極材3a,3bの外側には、通電領域を外部から絶縁するための窒化珪素等かになる絶縁材4a,4bが配置される。さらに、この絶縁材4a,4bの外側には、
一般的なバネ用材料である炭素鋼系、オーステナイト系ステンレス等からなる薄板5(5a,5b)が配置される。
The electrode material 3 for taking out an electric current to the outside through the contact material 2 is made of Cu alloy or the like, and one end of each of 3a and 3b penetrates the case 7 and protrudes to the outside. In addition, insulating materials 4a and 4b made of silicon nitride or the like for insulating the current-carrying region from the outside are disposed outside the
A thin plate 5 (5a, 5b) made of carbon steel, austenitic stainless or the like, which is a general spring material, is disposed.
薄板5は、例えば、平面部が0.3mm程度(0.1〜0.5mm)の肉厚からなるもので、平板でも加えた力に比例して弾性的に変形し、加えた力をはずすことで元に戻る一定のバネ効果を有するが、本発明では、よりバネ定数を下げる(力に対して変位量を増大させる)ために、図2に示すように片面に一定厚みの突起部5cが形成されている。突起部5cは、例えばその高さは0.5mm程度(0.1〜1.0)の突起形状で、その突起部が角状の場合には4mm角程度とされる。また、この薄板5は、図3で示すようにその周縁部分は突起部5cの高さと同程度の厚みを有し、ボルトを介して冷却ブロック6を一体化するためのネジ穴が螺設されている。
勿論、薄板および薄板の突起部の寸法や形状は限定的なものではなく、その形状や大きさは半導体チップの大きさ等によって自由に選択できる。
The
Of course, the dimension and shape of the thin plate and the protruding portion of the thin plate are not limited, and the shape and size can be freely selected depending on the size of the semiconductor chip and the like.
1〜5を積層した各部材の外周部をケース7によって囲繞する。ケース7はPPS等の樹脂よるなる絶縁物で、積層された薄板5a,5bを挟み込むようにして囲み、接着剤によって固定し、1〜5の部材を外部から遮断して酸化、汚染による部品の劣化を防止している。薄板5の、さらに外側には冷却ブロック6(6a,6b)が積層される。
The case 7 surrounds the outer peripheral portion of each member in which 1 to 5 are stacked. The case 7 is an insulator made of resin such as PPS, and surrounds the laminated thin plates 5a and 5b so as to sandwich them, and is fixed with an adhesive, and the
冷却ブロック6は、アルミニウムや銅合金よりなって、内面となる側には冷媒の流路となる溝6cが設けられ、任意位置に流入口6dが穿設されている。冷却ブロック6を薄板5に積層するとき、薄板5の突起部5cが図1及び図3で示すように冷却ブロック6に設けられた溝6cを避けた位置に位置決めされて接触した状態で一体化される。一体化に当たっては、パッキン(Oリング)などによる一体化でもよいが、例えば、室温以上で200℃以下で硬化接着する接着剤を外部から薄板5と冷却ブロック6間に流し込み、その後、孔6eにボルトを挿し込んで薄板5と冷却ブロック6間の間隔が適切な厚みとなったときに、適切な締付トルクとなるようボルトを締め付けて接着剤の硬化処理を行う。
The cooling block 6 is made of aluminum or a copper alloy, and a
ボルト締付時に発生する下方向(若しくは上方向)への垂直圧力が冷却ブロック6→薄板5の突起部5c→絶縁材4→電極材3→コンタクト材2→半導体チップ1の順番で応力伝達させることができる。
なお、冷却ブロック6と薄板5間の接着剤は、ケース7とその内部部品(絶縁材、電極材3、コンタクト材2、半導体チップ1)の厚みの微妙なずれ、内部部品の熱膨張によるケース7と内部部品の厚みのずれ調整の役割を担い、パワー半導体モジュール動作時に部材間に、例えば2〜24MPaの接触圧がかかるよう接着剤層の厚みが調節される。
The downward vertical pressure (or upward) generated when the bolts are tightened transmits stress in the order of the cooling block 6 → the
It should be noted that the adhesive between the cooling block 6 and the
以上のように本発明は、薄板5を凹凸形状とすることでバネ特性を持たせることができ、内部部品に圧縮応力を加えることを可能とする圧接型パワー半導体モジュールを構成したものである。
図4〜図8は薄板5が内部部品に対して相当の接触圧を与えているかを検証した検証結果を示したものである。
As described above, the present invention constitutes a pressure contact type power semiconductor module that can impart spring characteristics by making the
4 to 8 show verification results for verifying whether the
解析はANSYSを用いて実施したもので、図4は解析上のモデル、図5は境界条件を示したものである。この解析ではモデルの簡略化のために、パワー半導体モジュールは、上面側の薄板5及び冷却ブロック6を設け、冷却ブロック周辺部でのボルト締めによる圧力は、図5で示すように一定の厚みの周辺部に10MPaの下向き圧力を与えることで模擬した。検証に供した薄板5の厚みを0.3mm、突起部5cの厚み(高さ)0.5mmとし、この突起部5cは半導体チップ1の真上に相当する位置に6個設けた。また、半導体チップ1を挟んで積層される1〜4の内部部品の厚み(高さ)はケース内面高さより0.1mm薄いと仮定し、ボルト締めによる下向きの応力により薄板5が変形して内部部品に圧接力をかける状況を模擬した。
The analysis was performed using ANSYS. FIG. 4 shows an analytical model and FIG. 5 shows boundary conditions. In this analysis, in order to simplify the model, the power semiconductor module is provided with a
図6はボルト締め、接着剤硬化後に室温に戻したときの各部材のボルト締前との厚み方向の変位を示したものである。図6によると、ケースと内部部品の厚み方向の寸法誤差が0.1mmの場合でのボルト締めによる圧接後の各部材の厚み方向の変位は、例えば点線で囲んだアの部位では−20〜−40[μm]程度変位し、イの部分では−0.0001[m]程度変位し、下部の絶縁材4に接触して応力を伝播している。 FIG. 6 shows the displacement in the thickness direction of each member with respect to that before bolting when the temperature is returned to room temperature after bolting and adhesive curing. According to FIG. 6, when the dimension error in the thickness direction of the case and the internal part is 0.1 mm, the displacement in the thickness direction of each member after the pressure contact by bolt tightening is, for example, -20 to 20 at the part surrounded by the dotted line. It is displaced by about −40 [μm], and is displaced by about −0.0001 [m] in the portion “a”, and is in contact with the lower insulating material 4 to propagate the stress.
図7は、各内部部品及び薄板5にかかる相当応力分布を示したもので、(a)図は相当応力分布、(b)図は薄板にかかる相当応力分布ある。
薄板の材質はSUS301としたもので、その結果、ケース7の内周側壁や薄板5変形部にかかる応力は、点線で囲んだウの部位で示すように4e7〜2e8[Pa]と最大200MPa程度となっている。これは、炭素鋼系、オーステナイト系ステンレス(例えばSUS301-CSP Hなど)の弾性上限(バネ限界値)の500MPa以上に比べると十分に余裕があり、材質SUS301は薄板のバネ機能として問題ないことが明らかである。薄板の材質に関しては放熱性、加工性、耐水性の高いほうが望ましく、例えばアルミニウム合金や銅合金もそれぞれ適切な厚み、形状で設計することで採用が可能である。
FIG. 7 shows the equivalent stress distribution applied to each internal component and the
The material of the thin plate is SUS301. As a result, the stress applied to the inner peripheral side wall of the case 7 and the deformed portion of the
図8は複数(ここでは6個)の半導体チップの上面側表面にかかる接触圧力分布を示したものである。点線で囲んだ部分は半導体チップ上に位置するコンタクト材2の接触面形状で、半導体チップ上面側では1e7〜2.4e7[Pa]となっており、コンタクト材2に接触させた位置での圧力は、2〜24MPaの圧力で印加できていることが確認できた。
なお、接触圧力は、冷却ブロックの周辺部にかける圧力値、すなわち、孔6eを介して薄板5を螺合する締付度合いとボルトの配置やその本数などによって制御することができる。
FIG. 8 shows the contact pressure distribution applied to the upper surface of the plurality of (here, six) semiconductor chips. The portion surrounded by the dotted line is the shape of the contact surface of the contact material 2 located on the semiconductor chip, and is 1e7 to 2.4e7 [Pa] on the upper surface side of the semiconductor chip, and the pressure at the position in contact with the contact material 2 Was confirmed to be applied at a pressure of 2 to 24 MPa.
The contact pressure can be controlled by the pressure value applied to the peripheral portion of the cooling block, that is, the tightening degree of screwing the
また、パワー半導体モジュールを図1のように構成することで、次の理由によって放熱性が向上する。
(1)冷却ブロックの厚みを薄くすることができるため、冷却ブロック自身の熱抵抗を低減することができる。
(2)溝6cを含む冷媒を流す領域に周期的突起が存在することで、冷媒の流れが安定流、層流にはならずに乱されることで、冷媒と薄板、冷却ブロック間の熱交換率が高められる。
よって、放熱性が良好で信頼性の高いパワー半導体モジュールの提供が可能となる。
Further, by configuring the power semiconductor module as shown in FIG. 1, the heat dissipation is improved for the following reason.
(1) Since the thickness of the cooling block can be reduced, the thermal resistance of the cooling block itself can be reduced.
(2) The presence of the periodic protrusions in the flow area of the refrigerant including the
Therefore, it is possible to provide a power semiconductor module with good heat dissipation and high reliability.
以上のように本発明は、薄板に突起部を設けることで力を面で受ける板バネとして作用させたものである。
その際、バネ定数は、薄板の厚みや表面に設ける突起部の数等で制御することができ、また、広い面で力を分散して受ける板バネとして作用させることができる。これによって、非特許文献1のようにモジュール外周にバネ定数の等しいバネを複数設ける場合に比較して、モジュールが片締めになる可能性が大幅に低減する。また、従来設けていた大型のバネをモジュール外側に設ける必要もなく、モジュールの小型化が出来るものである。
また、薄板上に設ける表面凹凸形状を半導体チップの真上のみに設けた場合には、半導体チップに効率的に力を伝播させることが可能となるものである。
As described above, according to the present invention, a projection is provided on a thin plate so as to act as a plate spring that receives a force by a surface.
In this case, the spring constant can be controlled by the thickness of the thin plate, the number of protrusions provided on the surface, and the like, and can act as a plate spring that receives a force distributed over a wide surface. Thereby, compared with the case where a plurality of springs having the same spring constant are provided on the outer periphery of the module as in
In addition, when the surface unevenness provided on the thin plate is provided only directly above the semiconductor chip, it is possible to efficiently propagate the force to the semiconductor chip.
冷却ブロックに溝6cを設け、この溝6cと薄板表面に設けられる突起部5cとで冷却水の循環水路が形成され、両者の機能が相乗されて半導体チップ側に対する循環水路の面積が広く形成されるため、循環水路と半導体チップ間の熱抵抗が低減されると共に、熱交換率が向上して放熱性が向上するものである。特に、半導体チップが配設される真上の相当位置に薄板の凹凸形状を位置させた場合には、凹凸形状近傍では冷媒と内部部品間の熱交換率が最大となるため、半導体チップ真上方向の放熱性が向上するものである。
A
さらに本発明では、冷却ブロックと薄板とを一体化する際に接着剤とボルトで
内部部品の周辺部を締め付け、その後に接着剤を硬化させるという簡単な手法により圧接力を確保し、冷媒の外部への漏れを防止することができる。接着剤の層(厚さ)を変更することで、内部部品とケースの厚み方向のズレ(公差)に対応できるものである。
Further, in the present invention, when the cooling block and the thin plate are integrated, the peripheral portion of the internal part is fastened with an adhesive and a bolt, and then the adhesive is cured by a simple method to secure the external pressure of the refrigerant. It is possible to prevent leaks. By changing the layer (thickness) of the adhesive, it is possible to cope with the deviation (tolerance) in the thickness direction between the internal component and the case.
1… 半導体チップ
2… コンタクト材
3… 電極材
4… 絶縁材
5… 薄板
6… 冷却ブロック
7… ケース
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記絶縁材と冷却ブロック間に、冷却ブロックと対向する面に複数の突起部が設けられ、且つ力を面で受ける板バネ特性を有する薄板をそれぞれ設けると共に、
前記薄板に設けられた突起部と対向する冷却ブロックの面に複数の溝を設け、
前記積層された半導体チップ、コンタクト材、電極材、絶縁材および薄板の各部材の外周面を絶縁物からなるケースで囲繞固定し、
前記冷却ブロックは、形成された溝を前記薄板の突起部を避けた位置に配置し、
薄板の突起部を冷却ブロック面に接触させてボルトを介し薄板と一体的に固定したことを特徴としたパワー半導体モジュール。 In a pressure contact type power semiconductor module in which a cooling block is laminated on both sides of a semiconductor chip and a contact material, an electrode material, and an insulating material toward the outer surface direction, respectively,
A plurality of protrusions are provided on the surface facing the cooling block between the insulating material and the cooling block, and a thin plate having a leaf spring characteristic that receives force on the surface is provided, respectively.
Providing a plurality of grooves on the surface of the cooling block facing the protrusion provided on the thin plate,
Surrounding and fixing the outer peripheral surface of each member of the laminated semiconductor chip, contact material, electrode material, insulating material and thin plate with a case made of an insulator,
The cooling block arranges the formed groove at a position avoiding the protrusion of the thin plate,
A power semiconductor module, wherein a protrusion of a thin plate is brought into contact with a cooling block surface and fixed integrally with the thin plate via a bolt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011145350A JP5899680B2 (en) | 2011-06-30 | 2011-06-30 | Power semiconductor module |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011145350A JP5899680B2 (en) | 2011-06-30 | 2011-06-30 | Power semiconductor module |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013012641A JP2013012641A (en) | 2013-01-17 |
JP5899680B2 true JP5899680B2 (en) | 2016-04-06 |
Family
ID=47686272
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011145350A Expired - Fee Related JP5899680B2 (en) | 2011-06-30 | 2011-06-30 | Power semiconductor module |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5899680B2 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014007209A (en) * | 2012-06-22 | 2014-01-16 | Hitachi Automotive Systems Ltd | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
KR101734712B1 (en) | 2015-12-09 | 2017-05-11 | 현대자동차주식회사 | Power module |
KR101776425B1 (en) | 2015-12-10 | 2017-09-08 | 현대자동차주식회사 | Power module |
KR102492324B1 (en) * | 2021-05-17 | 2023-01-26 | 창원대학교 산학협력단 | Double layer semiconductor cooling device with double structure |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3166423B2 (en) * | 1993-07-22 | 2001-05-14 | 株式会社デンソー | Cooling structure |
JP2004158490A (en) * | 2002-11-01 | 2004-06-03 | Honda Motor Co Ltd | Pressure contact semiconductor device |
JP4586087B2 (en) * | 2008-06-30 | 2010-11-24 | 株式会社日立製作所 | Power semiconductor module |
-
2011
- 2011-06-30 JP JP2011145350A patent/JP5899680B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2013012641A (en) | 2013-01-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6300633B2 (en) | Power module | |
JP5373713B2 (en) | Semiconductor device | |
CN108735692B (en) | Semiconductor device with a semiconductor device having a plurality of semiconductor chips | |
JP2012256746A (en) | Semiconductor device | |
JP6093455B2 (en) | Semiconductor module | |
JPWO2015029511A1 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP5975909B2 (en) | Semiconductor device | |
JP2015015270A (en) | Semiconductor device | |
JP2011009410A (en) | Semiconductor module | |
JP6003624B2 (en) | Semiconductor module | |
WO2013171946A1 (en) | Method for manufacturing semiconductor device and semiconductor device | |
JP6849660B2 (en) | Semiconductor device | |
JP6308780B2 (en) | Power module | |
JP5899680B2 (en) | Power semiconductor module | |
JP4146888B2 (en) | Semiconductor module and method for manufacturing semiconductor module | |
JP5392196B2 (en) | Semiconductor device | |
JP5807432B2 (en) | Semiconductor module and spacer | |
JP6945418B2 (en) | Semiconductor devices and manufacturing methods for semiconductor devices | |
JP2017135183A (en) | Semiconductor device | |
JP5899952B2 (en) | Semiconductor module | |
JP2012138475A (en) | Semiconductor module and method for manufacturing the same | |
JP2019021864A (en) | Power module | |
JP5909924B2 (en) | Semiconductor module | |
JP2013236035A (en) | Semiconductor module and manufacturing method of the same | |
JP2014107290A (en) | Power module with cooler and method of manufacturing the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20140605 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20150729 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150804 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20150928 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20151124 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20160118 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20160209 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20160222 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5899680 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |