JP6233151B2 - Modules that use overlapping blocks - Google Patents

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Description

本明細書では、半導体装置と絶縁基板と重ね合せブロックと冷却器等で構成されているモジュールを開示する。   The present specification discloses a module including a semiconductor device, an insulating substrate, an overlapping block, a cooler, and the like.

絶縁基板に半導体装置を搭載する技術が知られている。半導体装置のなかには動作すると発熱するために冷却を要するものが存在する。冷却を要する半導体装置を絶縁基板の表面に搭載し、絶縁基板の裏面側に冷却器を配置したモジュールが知られている。   A technique for mounting a semiconductor device on an insulating substrate is known. Some semiconductor devices require cooling because they generate heat when operated. A module is known in which a semiconductor device that requires cooling is mounted on the surface of an insulating substrate, and a cooler is disposed on the back side of the insulating substrate.

一般に絶縁基板の熱膨張率と冷却器の熱膨張率は相違する。絶縁基板と冷却器を直接に固定すると、半導体装置が動作して発熱する状態と動作を終えて冷却される状態を繰返すことによって、絶縁基板および/または冷却器に熱応力が作用する。その熱応力がモジュールの長期信頼性を損ねる。   Generally, the thermal expansion coefficient of the insulating substrate and the thermal expansion coefficient of the cooler are different. When the insulating substrate and the cooler are directly fixed, thermal stress acts on the insulating substrate and / or the cooler by repeating the state in which the semiconductor device operates to generate heat and the state in which the semiconductor device is cooled after finishing the operation. The thermal stress impairs the long-term reliability of the module.

そこで、絶縁基板と冷却器の間に両者の熱膨張率の差を吸収する部材を介在させる技術が提案されている。この部材には、(1)絶縁基板と冷却器の間の伝熱を妨げず、(2)絶縁基板の裏面に沿った方向に柔軟である(柔軟でないと絶縁基板と冷却器の間の熱膨張率の差を吸収することができない)という特性が必要とされる。
特許文献1〜3に、冷却される物と冷却する物との間に介在させる部材が開示されている。
Therefore, a technique has been proposed in which a member that absorbs the difference in thermal expansion coefficient between the insulating substrate and the cooler is interposed. This member includes (1) does not hinder heat transfer between the insulating substrate and the cooler, and (2) is flexible in the direction along the back surface of the insulating substrate (otherwise, heat between the insulating substrate and the cooler is not flexible). The characteristic that the difference in expansion coefficient cannot be absorbed) is required.
Patent Documents 1 to 3 disclose a member interposed between an object to be cooled and an object to be cooled.

特開2005−347616号公報JP 2005-347616 A 特開2011−199202号公報JP 2011-199202 A 特開2006−294699号公報JP 2006-294699 A

前記(1)と(2)の特性を両立させるのは難しい。特許文献1には炭素繊維布の周りに溶融金属を含浸して製造した部材が開示されている。この部材は、伝熱性については良好なものの柔軟性を欠いている。特許文献2にはグラファイト箔を組み合わせた部材が開示されている。この部材も、伝熱性については良好なものの柔軟性を欠いている。特許文献3には変形用の空間を分散して配置した金属部材が開示されている。この部材は、変形用空間を利用して柔軟に変形するものの変形用空間が伝熱性を低下させてしまう。   It is difficult to achieve the characteristics (1) and (2). Patent Document 1 discloses a member manufactured by impregnating a molten metal around a carbon fiber cloth. This member has good heat conductivity but lacks flexibility. Patent Document 2 discloses a member combining graphite foil. This member also has good heat conductivity but lacks flexibility. Patent Document 3 discloses a metal member in which deformation spaces are distributed and arranged. Although this member is deformed flexibly using the deformation space, the deformation space reduces heat transfer.

本出願人は、絶縁基板と冷却器の間の伝熱性を妨げず(以下では熱抵抗が低いという)絶縁基板の裏面に沿って柔軟に変形する(以下では応力緩和性が高いという)特性を併せ持った部材を開発し、特許出願した(特願2013−256237号)。その部材の詳細については、上記特許出願の明細書と図面に開示されている。なお、この特許出願は未だ公開されておらず、公知技術には当たらない。
本発明者らは、上記の特許出願に係る部材を活用すると、長期信頼性の高いモジュールを実現できることを見いだして下記モジュールを創作した。
The present applicant does not disturb the heat transfer between the insulating substrate and the cooler (hereinafter referred to as low thermal resistance) and has the property of flexibly deforming along the back surface of the insulating substrate (hereinafter referred to as high stress relaxation property). The member which had it was developed and a patent application was filed (Japanese Patent Application No. 2013-256237). Details of the members are disclosed in the specification and drawings of the above patent application. This patent application has not been published yet and does not fall under the publicly known technology.
The present inventors have found that a module with high long-term reliability can be realized by utilizing the member according to the above patent application, and have created the following module.

本明細書で開示するモジュールは、半導体装置と絶縁基板と重ね合せブロックと冷却器等を備えている。
半導体装置は絶縁基板の表面に搭載されている。半導体装置は動作すると発熱し、冷却する必要がある。重ね合せブロックは、絶縁基板の裏面と冷却器の間に介在している。重ね合せブロックは、グラファイト箔と金属箔で構成されている。グラファイト箔と金属箔は、絶縁基板の裏面に立てた法線がグラファイト箔と金属箔の当接面に沿って延びる向きに配置されている。グラファイト箔と金属箔は重ね合されている。ただし、グラファイト箔と金属箔は単に重ね合されているだけであって、両者は接合されていない。例えば、グラファイト箔と金属箔は当接面に沿って滑ることができる。あるいはグラファイト箔と金属箔の重ね合せ状態が変化可能であり、両者の密着力が増大した重ね合せ状態に変化させることもできれば、両者の密着力が低下した重ね合せ状態に変化させることもできる。本明細書では、グラファイト箔と金属箔が単に重ね合されているだけであって、両者間にそれ以上の拘束関係が講じられていない状態を、非接合状態という。この技術で用いる重ね合せブロックは、前記法線方向から観察すると、グラファイト箔と金属箔の当接面が重ね合せブロックの全域に亘って分布していることを特徴とする。例えば、長尺のグラファイト箔と長尺の金属箔を重ね合わせた長尺多層箔を多重に巻くことで、半径方向の内側から外側に至るまでの全域に、グラファイト箔と金属箔の当接面が存在することとなる。そのような場合を、重ね合せブロックの全域に亘って当接面が分布しているという。
長尺多層箔を多重に巻いた状態を保持するために、最外周に位置する箔の端部を溶接等することによって、巻いた状態に維持することがある。あるいは外周を金属箔等で拘束することによって、巻いた状態に維持することがある。この場合、最外周の箔は柔軟に変形する。最外周の箔が柔軟に変形することから、グラファイト箔と金属箔は当接面に沿って滑ることができる。あるいはグラファイト箔と金属箔の密着力が増大した重ね合せ状態に変化させることもできれば、密着力が低下した重ね合せ状態に変化させることもできる。最外周にあって巻いた状態を保持する箔は、グラファイト箔と金属箔を重ね合わせた状態に維持するものであって、それ以上には拘束しない。最外周にあって巻いた状態を維持する箔は、グラファイト箔と金属箔を非接合状態に重ね合わせた状態を維持する。
第1グラファイト箔、第1金属箔、第2グラファイト箔、第2金属箔、第3グラファイト箔、第3金属箔等・・の順で次々に積層した積層体の外周を取り囲む箔についても同様であり、外周を取り囲む箔が柔軟に変形する限り、その箔はグラファイト箔と金属箔を単に重ね合わせた状態に維持するものであり、グラファイト箔と金属箔を非接合状態に維持するものである。
The module disclosed in this specification includes a semiconductor device, an insulating substrate, an overlapping block, a cooler, and the like.
The semiconductor device is mounted on the surface of the insulating substrate. A semiconductor device generates heat when it operates and needs to be cooled. The overlapping block is interposed between the back surface of the insulating substrate and the cooler. The overlapping block is composed of graphite foil and metal foil. The graphite foil and the metal foil are arranged in such a direction that the normal line standing on the back surface of the insulating substrate extends along the contact surface of the graphite foil and the metal foil. Graphite foil and metal foil are superposed. However, the graphite foil and the metal foil are simply overlapped, and they are not joined. For example, graphite foil and metal foil can slide along the contact surface. Alternatively, the superposition state of the graphite foil and the metal foil can be changed, and can be changed to the superposition state in which the adhesion force between the two is increased, or can be changed to the superposition state in which the adhesion force between the two is reduced. In the present specification, a state in which the graphite foil and the metal foil are simply overlapped and no further restraint relationship is taken between them is referred to as a non-bonded state. When the overlapping block used in this technique is observed from the normal direction, the contact surfaces of the graphite foil and the metal foil are distributed over the entire area of the overlapping block. For example, by wrapping a long multilayer foil with a long graphite foil and a long metal foil overlapped, the contact surface between the graphite foil and the metal foil is spread over the entire area from the inside to the outside in the radial direction. Will exist. In such a case, the contact surface is distributed over the entire area of the overlapping block.
In order to maintain the state in which the long multilayer foil is wound in multiple layers, the end of the foil located on the outermost periphery may be maintained by being welded or the like. Or it may maintain in the wound state by restraining an outer periphery with metal foil etc. In this case, the outermost foil is flexibly deformed. Since the outermost foil is flexibly deformed, the graphite foil and the metal foil can slide along the contact surface. Alternatively, it can be changed to an overlapped state in which the adhesion between the graphite foil and the metal foil is increased, or can be changed to an overlapped state in which the adhesion is reduced. The foil that holds the wound state on the outermost periphery is maintained in a state where the graphite foil and the metal foil are overlapped, and is not restrained any more. The foil that is in the outermost periphery and maintains the rolled state maintains a state in which the graphite foil and the metal foil are superposed in a non-bonded state.
The same applies to the foil surrounding the outer periphery of the laminated body in order of the first graphite foil, the first metal foil, the second graphite foil, the second metal foil, the third graphite foil, the third metal foil, etc. Yes, as long as the foil surrounding the outer periphery is flexibly deformed, the foil simply maintains the graphite foil and the metal foil in a superposed state, and maintains the graphite foil and the metal foil in a non-bonded state.

絶縁基板と冷却器の間に上記の重ね合せブロックが介在していると、下記の現象が得られる。(1)グラファイト箔は絶縁基板側から冷却器側に向けて連続的に延びている。グラファイト箔は、展開面に沿った方向の熱抵抗が非常に低い。重ね合せブロックを介在させても絶縁基板と冷却器の間の熱抵抗を低い値に維持できる。(2)重ね合せブロックは柔軟に変形する。グラファイト箔と金属箔は非接合状態にあり、相互に滑ったり、強く重なり合ったり、当接力が低下するように柔軟に変形する。絶縁基板に対して冷却器が膨張・収縮するような際には、重ね合せブロックが柔軟に変形するために、絶縁基板に過度な応力が発生することもなければ、冷却器に過度な応力が発生することもない。応力緩和性が高い。
上記の重ね合せブロックは、熱抵抗が低くて応力緩和性が高い。上記の重ね合せブロックを用いることで、モジュールの長期信頼性が向上する。
When the above overlapping block is interposed between the insulating substrate and the cooler, the following phenomenon is obtained. (1) The graphite foil continuously extends from the insulating substrate side toward the cooler side. The graphite foil has a very low thermal resistance in the direction along the development surface. Even when the overlapping block is interposed, the thermal resistance between the insulating substrate and the cooler can be maintained at a low value. (2) The overlapping block is deformed flexibly. The graphite foil and the metal foil are in a non-bonded state, and are deformed flexibly so as to slide on each other, overlap strongly, or reduce the contact force. When the cooler expands and contracts with respect to the insulating substrate, the overlapping block flexibly deforms, so that excessive stress is not generated on the insulating substrate, and excessive stress is applied to the cooler. It does not occur. High stress relaxation.
The above overlapping block has a low thermal resistance and a high stress relaxation property. By using the above overlapping block, the long-term reliability of the module is improved.

本明細書では、xyz直交座標系を用い、半導体装置を通過する前記法線(絶縁基板の裏面に立てた法線)をz軸とする。この場合、xz面に沿って延びる当接面とyz面に沿って延びる当接面が、重ね合せブロック内に存在していることが好ましい。
xz面に沿って延びる当接面とyz面に沿って延びる当接面がともに存在していると、絶縁基板と冷却器の間のx方向の膨張・収縮にもy方向の膨張・収縮にも柔軟に変形しやすい。
In this specification, an xyz orthogonal coordinate system is used, and the normal line passing through the semiconductor device (the normal line standing on the back surface of the insulating substrate) is defined as the z-axis. In this case, it is preferable that the contact surface extending along the xz plane and the contact surface extending along the yz plane exist in the overlapping block.
If both a contact surface extending along the xz plane and a contact surface extending along the yz plane exist, both expansion and contraction in the x direction between the insulating substrate and the cooler can be expanded and contracted in the y direction. Is also flexible and easy to deform.

長尺のグラファイト箔と長尺の金属箔を重ね合わせた長尺多層箔をz軸の周りに多重に巻くことによって、重ね合せブロックを形成することができる。この重ね合せブロックは製造しやすい。
巻いた状態を維持する(ほどけないようにする)構成は様々であり得る。最外周の箔の端部を内側の箔に溶接することで巻いた状態を維持することもできれば、外周を箔で包むことで巻いた状態を維持することもできる。いずれによっても、グラファイト箔と金属箔が当接面に沿って滑ることもできれば、グラファイト箔と金属箔の密着力が増大することもできれば、その密着力が低下することもできる状態で、グラファイト箔と金属箔を重ね合せておくことが可能である。
An overlapping block can be formed by winding a long multilayer foil obtained by superimposing a long graphite foil and a long metal foil around the z-axis in multiple layers. This overlapping block is easy to manufacture.
There can be various configurations for maintaining the rolled state (not to unwind). It is possible to maintain the wound state by welding the end of the outermost foil to the inner foil, or it is possible to maintain the wound state by wrapping the outer periphery with foil. In any case, the graphite foil and the metal foil can slide along the contact surface, the adhesion between the graphite foil and the metal foil can be increased, or the adhesion can be reduced. It is possible to overlap the metal foil.

長尺箔を多重に巻いた重ね合せブロックの場合、半径方向内側の位置ではグラファイト箔が密に存在し、半径方向外側の位置ではグラファイト箔が疎に存在していることが好ましいことがある。
その場合は、巻く前の長尺多層箔を長手方向に観察したときに、グラファイト箔に重ね合わせる金属箔の枚数が、巻き始め端部から距離によって変化する長尺多層膜を利用すればよい。
例えば、巻き始めから1000回転までの距離ではグラファイト箔に1枚の金属箔が重ね合されており、1000〜2000回転までの距離では2枚の金属箔が重ね合されており、2000〜3000回転までの距離では3枚の金属箔が重ね合されている長尺多層膜を利用すれば、中心部ではグラファイト箔が密に配置されており、周辺部ではグラファイト箔が疎に配置されている重ね合せブロックを得ることができる。
In the case of an overlapped block in which long foils are wound in multiple layers, it may be preferable that graphite foils are densely present at positions on the inner side in the radial direction and graphite foils are sparsely present at positions on the outer side in the radial direction.
In that case, when the long multilayer foil before winding is observed in the longitudinal direction, a long multilayer film in which the number of metal foils superimposed on the graphite foil varies depending on the distance from the winding start end may be used.
For example, one metal foil is superimposed on the graphite foil at a distance from the beginning of winding to 1000 rotations, and two metal foils are superimposed at a distance from 1000 to 2000 rotations, and 2000 to 3000 rotations. If a long multilayer film in which three metal foils are stacked is used, the graphite foil is densely arranged at the center and the graphite foil is sparsely arranged at the periphery. An alignment block can be obtained.

半導体装置によっては、単位面積当たりの発熱量が不均一に分布していることがある。単位面積当たりの発熱量が不均一な場合、発熱量が大きい位置にはグラファイト箔が密に配置されており、発熱量が小さい位置にはグラファイト箔が疎に配置されている重ね合せブロックが必要とされる。単位面積内に占めるグラファイト箔の存在面積が位置によって変化している重ね合せブロックも有用である。   Depending on the semiconductor device, the amount of heat generated per unit area may be unevenly distributed. If the amount of heat generated per unit area is not uniform, a graphite block is densely arranged at a position where the heat value is large, and a laminated block where graphite foil is sparsely arranged at a position where the heat value is small is required It is said. An overlapping block in which the area where the graphite foil occupies in the unit area varies depending on the position is also useful.

絶縁基板の法線方向から観察したときに、半導体装置より重ね合せブロックが広く広がっていることがある。広く広がっている重ね合せブロックを活用するためには、狭い範囲に存在している半導体装置の熱を、重ね合せブロックの表面に沿った方向に伝熱し、半導体装置より広く広がっている重ね合せブロックの広い範囲に効率的に伝熱することが好ましい。
そこで、絶縁基板と重ね合せブロックの間に絶縁基板側ヒートスプレッダーを付加したモジュールが意味を持つ。半導体装置の外形形状にほぼ一致する開孔が形成されているとともに重ね合せブロックの表面に沿って延びるグラファイト箔と、そのグラファイト箔の表裏を被覆する金属箔でヒートスプレッダーを形成し、そのヒートスプレッダーを絶縁基板と重ね合せブロックの間に付加すると、狭い範囲に存在している高温の半導体装置の熱を重ね合せブロックの表面に沿った方向に伝熱し、広く広がっている重ね合せブロックの広い範囲に効率的に伝熱することができる。しかも絶縁基板から冷却器に直接的に伝熱する経路の熱抵抗を上げてしまうこともない。
When observed from the normal direction of the insulating substrate, the overlapping block may spread more widely than the semiconductor device. In order to utilize a wide spread block, the heat of a semiconductor device existing in a narrow area is transferred in a direction along the surface of the overlap block, and the spread block is spread more widely than the semiconductor device. It is preferable to conduct heat efficiently over a wide range.
Therefore, a module in which an insulating substrate side heat spreader is added between the insulating substrate and the overlapping block is meaningful. A heat spreader is formed with a graphite foil having an opening substantially matching the outer shape of the semiconductor device and extending along the surface of the overlapping block, and a metal foil covering the front and back of the graphite foil. Is added between the insulating substrate and the overlapping block, the heat of the high-temperature semiconductor device existing in a narrow area is transferred in the direction along the surface of the overlapping block, and the wide area of the overlapping block spreading widely Heat can be transferred efficiently. In addition, the thermal resistance of the path directly transferring heat from the insulating substrate to the cooler is not increased.

絶縁基板の法線方向から観察したときに、重ね合せブロックより冷却器が広く広がっていることがある。広く広がっている冷却器を活用するためには、重ね合せブロックと冷却器の間に冷却器側ヒートスプレッダーを介在させることが好ましい。
その場合は、重ね合せブロックの外形形状にほぼ一致する開孔が形成されているとともに冷却器の表面に沿って延びるグラファイト箔と、そのグラファイト箔の表裏を被覆する金属箔によって冷却器側ヒートスプレッダーを形成することができる。
When observed from the normal direction of the insulating substrate, the cooler may spread more widely than the overlapping block. In order to utilize a cooler that is widely spread, it is preferable to interpose a cooler-side heat spreader between the overlapping block and the cooler.
In that case, the heat spreader on the cooler side is formed by a graphite foil that has an opening substantially matching the outer shape of the overlapping block and extends along the surface of the cooler, and a metal foil that covers the front and back of the graphite foil. Can be formed.

本明細書でいう「箔」は、人の力で簡単に撓むことができる可撓性が出現する程度にまで薄くされたものをいい、簡単には撓まない「板」と対比すべきものである。フィルム・シートと称されるものも「箔」の一種である。   “Foil” as used in the present specification refers to a material that has been thinned to such an extent that flexibility that can be easily bent by human power appears, and should be compared with a “plate” that does not easily bend. It is. What is called a film sheet is also a kind of “foil”.

第1実施例のモジュールの基本構成を分解して斜視した図。FIG. 3 is an exploded perspective view of the basic configuration of the module according to the first embodiment. 第2実施例の重ね合せブロックの平面図。The top view of the overlapping block of 2nd Example. 第3実施例の重ね合せブロックの平面図。The top view of the overlapping block of 3rd Example. 第4実施例の重ね合せブロックの平面図。The top view of the overlapping block of 4th Example. 第5実施例の重ね合せブロックの平面図。The top view of the superposition block of 5th Example. 第6実施例の重ね合せブロックの平面図。The top view of the overlapping block of 6th Example. 第7実施例の重ね合せブロックの平面図。The top view of the overlapping block of 7th Example. 第8実施例の重ね合せブロックの平面図。The top view of the overlapping block of 8th Example. 第9実施例の重ね合せブロックの平面図。The top view of the overlapping block of 9th Example. (a)は第10実施例の重ね合せブロックを形成する長尺多層箔を斜視した図であり、(b)は内周部での平面図であり、(c)は中間部での平面図であり、(d)は外周部での平面図である。(A) is the figure which looked at the elongate multilayer foil which forms the overlapping block of 10th Example, (b) is a top view in an inner peripheral part, (c) is a top view in an intermediate part (D) is a plan view of the outer periphery. 第11実施例の重ね合せブロックの平面図。The top view of the overlapping block of 11th Example. 第2実施例のモジュールを分解して斜視した図であり、ヒートスプレッダーの内部構造をも示している。It is the figure which decomposed | disassembled the perspective view of the module of 2nd Example, and has also shown the internal structure of the heat spreader.

以下、本明細書で開示する技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
(第1特徴)グラファイト箔とアルミ箔によって重ね合せブロックを形成する。金属箔にアルミ箔を用いる。
(第2特徴)絶縁基板と重ね合せブロックの間に金属を配置して絶縁基板と重ね合せブロックをろう付けする。
(第3特徴)重ね合せブロックと冷却器間に金属を配置して重ね合せブロックと冷却器をろう付けする。
(第4特徴)半導体装置の中心位置に対応する位置ではグラファイト箔が密に配置されており、半導体装置の周辺位置に対応する位置ではグラファイト箔が疎に配置されている。
The features of the technology disclosed in this specification will be summarized below. The items described below have technical usefulness independently.
(First feature) Overlapping blocks are formed of graphite foil and aluminum foil. Aluminum foil is used for the metal foil.
(Second feature) A metal is disposed between the insulating substrate and the overlapping block, and the insulating substrate and the overlapping block are brazed.
(Third feature) The metal is placed between the overlapping block and the cooler, and the overlapping block and the cooler are brazed.
(Fourth feature) Graphite foils are densely arranged at positions corresponding to the center position of the semiconductor device, and graphite foils are sparsely arranged at positions corresponding to the peripheral position of the semiconductor device.

図1は、半導体装置10と絶縁基板20と重ね合せブロック30と冷却器70を順に積層して構成した第1実施例のモジュール80の分解斜視図を示している。
半導体装置10は、表面電極と裏面電極を備えており、大電流をスイッチングするものであり、動作すると発熱する。冷却しないと半導体装置10が過熱することから、冷却を要する。
絶縁基板20の表面に配線層22が形成されている。その配線層22に半導体装置10の裏面電極がはんだ接合されている。半導体装置10は絶縁基板20の表面に搭載されている。半導体装置10の表面電極には図示しない導体がボンディングされ、配線層22にも図示しない導体がボンディングされる。絶縁基板20はセラミックで形成されており、後記する金属製の冷却器70に比して熱膨張率が小さい。
冷却器70は、熱抵抗が低い金属(アルミ)で形成されており、内部に冷却液の通過経路が形成されている。
絶縁基板20の裏面を冷却器70の表面にはんだ付けすれば、両者間の熱抵抗が低く抑えられるものの、絶縁基板20と冷却器70に大きな熱応力が発達し、絶縁基板20が反ったり損傷したりする。それを避けるために、絶縁基板20と冷却器70の間に重ね合せブロック30が介在している。重ね合せブロック30は、絶縁基板20と冷却器70の間の熱抵抗を上昇させないほどに熱抵抗が低く、しかも柔軟に変形して絶縁基板20と冷却器70に大きな熱応力が発生するのを防止する。
FIG. 1 is an exploded perspective view of a module 80 of the first embodiment in which a semiconductor device 10, an insulating substrate 20, an overlapping block 30, and a cooler 70 are sequentially stacked.
The semiconductor device 10 includes a front electrode and a back electrode, switches a large current, and generates heat when operated. If it is not cooled, the semiconductor device 10 will be overheated, so cooling is required.
A wiring layer 22 is formed on the surface of the insulating substrate 20. The back electrode of the semiconductor device 10 is soldered to the wiring layer 22. The semiconductor device 10 is mounted on the surface of the insulating substrate 20. A conductor (not shown) is bonded to the surface electrode of the semiconductor device 10, and a conductor (not shown) is also bonded to the wiring layer 22. The insulating substrate 20 is made of ceramic and has a smaller coefficient of thermal expansion than a metal cooler 70 described later.
The cooler 70 is made of a metal (aluminum) having a low thermal resistance, and a passage for the coolant is formed inside.
If the back surface of the insulating substrate 20 is soldered to the surface of the cooler 70, the thermal resistance between the two can be kept low, but a large thermal stress develops in the insulating substrate 20 and the cooler 70, causing the insulating substrate 20 to be warped or damaged. To do. In order to avoid this, the overlapping block 30 is interposed between the insulating substrate 20 and the cooler 70. The overlapping block 30 has a low thermal resistance so as not to increase the thermal resistance between the insulating substrate 20 and the cooler 70, and is deformed flexibly so that a large thermal stress is generated in the insulating substrate 20 and the cooler 70. To prevent.

図1の第1実施例では、芯32の周りに、長尺のグラファイト箔34と長尺の金属箔36を重ね合わせた長尺多層箔を多重に巻くことによって、重ね合せブロック30が形成されている。グラファイト箔34と金属箔36は単に重ね合わされているだけで、それ以上の拘束関係はない。多重に巻く際にも、単に重ね合うように巻くだけで、それ以上の拘束関係はない。巻いた形状を維持するために、最外周の金属箔36の端部はその内側に位置する金属箔36に溶接されている。最外周の金属箔36の端部の内側に金属箔36が露出するように、金属箔36の最外周側端部はグラファイト箔34の最外周側端部よりも長く伸びている。なお、図面では、グラファイト箔34と金属箔36の厚みが実際よりも厚く表示され、その結果、巻数が実際よりも少なく表示されている。図2以降についても同様である。金属箔にはアルミニウム膜を用いることができる。さらに高い伝熱性が必要とされる場合には銅箔を用いることが好ましい。   In the first embodiment of FIG. 1, the overlapping block 30 is formed by winding a long multilayer foil in which a long graphite foil 34 and a long metal foil 36 are overlapped around the core 32 in multiple layers. ing. The graphite foil 34 and the metal foil 36 are simply overlapped, and there is no further constraint relationship. Even when wrapping in multiple layers, there is no more restraining relationship than simply wrapping them so as to overlap each other. In order to maintain the wound shape, the end portion of the outermost metal foil 36 is welded to the metal foil 36 located inside the metal foil 36. The outermost peripheral end of the metal foil 36 extends longer than the outermost peripheral end of the graphite foil 34 so that the metal foil 36 is exposed inside the end of the outermost peripheral metal foil 36. In the drawing, the thicknesses of the graphite foil 34 and the metal foil 36 are displayed thicker than actual, and as a result, the number of turns is displayed smaller than actual. The same applies to FIG. An aluminum film can be used for the metal foil. When higher heat conductivity is required, it is preferable to use a copper foil.

絶縁基板20の表面と裏面は平行に延びており、その法線方向をz軸とする。グラファイト箔34と金属箔36は、z軸がグラファイト箔34と金属箔36の当接面に沿って延びる向きに配置され、z軸の周りに巻かれている。重ね合せブロック30には、xz面に沿って延びる当接面とyz面に沿って延びる当接面が形成されている。   The front surface and the back surface of the insulating substrate 20 extend in parallel, and the normal line direction is taken as the z axis. The graphite foil 34 and the metal foil 36 are arranged so that the z-axis extends along the contact surface between the graphite foil 34 and the metal foil 36, and are wound around the z-axis. The overlapping block 30 is formed with a contact surface extending along the xz plane and a contact surface extending along the yz plane.

重ね合せブロック30の表面は、絶縁基板20の裏面にろう付けされている。重ね合せブロック30の裏面は、冷却器70の表面にろう付けされている。モジュール80を形成する段階では、重ね合せブロック30の表面は絶縁基板20で拘束され、重ね合せブロック30の裏面は冷却器70で拘束されている。
なお、重ね合せブロック30の表面と裏面を金属箔で覆っておいてからろう付けしてもよいし、金属箔とアルミニウム膜が混在している面が露出している状態でろう付けしてもよい。
The surface of the overlapping block 30 is brazed to the back surface of the insulating substrate 20. The back surface of the overlapping block 30 is brazed to the surface of the cooler 70. In the step of forming the module 80, the surface of the overlapping block 30 is constrained by the insulating substrate 20, and the back surface of the overlapping block 30 is constrained by the cooler 70.
The superposition block 30 may be brazed after the front and back surfaces are covered with a metal foil, or may be brazed with the surface where the metal foil and the aluminum film are mixed exposed. Good.

半導体装置10が動作すると、半導体装置10が発熱し、絶縁基板20と冷却器70が加熱される。絶縁基板20は冷却器70よりも高温となるが、絶縁基板20の熱膨張率に比して冷却器70の熱膨張率が格段に大きいために、絶縁基板20に比して冷却器70の方が相対的に大きく膨張する。図示の場合、x方向にもy方向にも、絶縁基板20に対して冷却器70が膨張する。   When the semiconductor device 10 operates, the semiconductor device 10 generates heat, and the insulating substrate 20 and the cooler 70 are heated. Although the insulating substrate 20 has a higher temperature than the cooler 70, the thermal expansion coefficient of the cooler 70 is much higher than the thermal expansion coefficient of the insulating substrate 20, and thus the cooler 70 has a higher thermal expansion coefficient than the insulating substrate 20. The direction expands relatively. In the illustrated case, the cooler 70 expands relative to the insulating substrate 20 in both the x direction and the y direction.

重ね合せブロック30の表面は絶縁基板20で拘束され、重ね合せブロック30の裏面は冷却器70で拘束されている。絶縁基板20に比して冷却器70の方が相対的に大きく膨張するのに追従して、重ね合せブロック30の表面に比して裏面の方が相対的に大きく変形すれば、絶縁基板20にも冷却器70にも大きな熱応力が発生しない。   The surface of the overlapping block 30 is constrained by the insulating substrate 20, and the back surface of the overlapping block 30 is constrained by the cooler 70. If the cooler 70 expands relatively larger than the insulating substrate 20 and the rear surface deforms relatively larger than the surface of the overlapping block 30, the insulating substrate 20. In addition, no great thermal stress is generated in the cooler 70.

重ね合せブロック30では、グラファイト箔34と金属箔36が重ね合わされているだけであり、グラファイト箔34と金属箔36は当接面に沿って滑ることもできれば、両者の密着力が増大した状態に変化することもできれば、両者の密着力が低下した状態に変化することもできる。重ね合せブロック30は、柔軟に変形できる。絶縁基板20に対して冷却器70が膨張・収縮する際には、重ね合せブロック30が柔軟に変形する。絶縁基板20に対して冷却器70が膨張・収縮しても、絶縁基板20に大きな熱応力が発生することもなければ、冷却器70に大きな熱応力が発生することもない。さらに、重ね合せブロック30自体にも大きな熱応力が発生することがない。図1に示すモジュール80は、熱抵抗が低いとともに十分に柔軟な重ね合せブロック30を利用することで、長期信頼性を得ている。   In the superposition block 30, only the graphite foil 34 and the metal foil 36 are superposed. If the graphite foil 34 and the metal foil 36 can slide along the contact surface, the adhesion force between them is increased. If it can be changed, it can also be changed to a state in which the adhesion between the two has been reduced. The overlapping block 30 can be flexibly deformed. When the cooler 70 expands and contracts with respect to the insulating substrate 20, the overlapping block 30 is flexibly deformed. Even if the cooler 70 expands and contracts with respect to the insulating substrate 20, no large thermal stress is generated in the insulating substrate 20, and no large thermal stress is generated in the cooler 70. Further, no large thermal stress is generated in the overlapping block 30 itself. The module 80 shown in FIG. 1 obtains long-term reliability by using the overlapping block 30 that has low thermal resistance and is sufficiently flexible.

重ね合せブロック30を形成する際には、幅の広い長尺のグラファイト箔34と幅の広い長尺の金属箔36を重ね合わせた長尺多層箔を多重に巻くことによって、四角柱状のブロックを形成し、それを横断面に沿って切断することで、複数個の重ね合せブロック30に切り分ける。   When the overlapping block 30 is formed, a rectangular column-shaped block is formed by wrapping a long multilayer foil in which a wide long graphite foil 34 and a wide long metal foil 36 are overlapped. It is formed and cut into a plurality of overlapping blocks 30 by cutting along the cross section.

以下に、種々の重ね合せブロックを説明する。以下の説明では相違点のみを説明する。重複説明を省略する。
(第2実施例)
図2に示すように、第2実施例の重ね合せブロック30aは、長尺のグラファイト箔34aと長尺の金属箔36aを重ね合わせた長尺多層箔を多重に巻くことによって、重ね合せブロック30aを形成している。この実施例の重ね合せブロック30aでも、絶縁基板20の法線がグラファイト箔34aと金属箔36aの当接面に沿って延びており、xz面に沿って延びる当接面とyz面に沿って延びる当接面を併せ持っている。
In the following, various overlay blocks will be described. In the following description, only the differences will be described. Duplicate explanation is omitted.
(Second embodiment)
As shown in FIG. 2, the overlapping block 30a of the second embodiment is obtained by wrapping a long multilayer foil in which a long graphite foil 34a and a long metal foil 36a are overlapped in multiple layers. Is forming. Also in the overlapping block 30a of this embodiment, the normal line of the insulating substrate 20 extends along the contact surface between the graphite foil 34a and the metal foil 36a, and extends along the contact surface extending along the xz surface and the yz surface. It also has an extended contact surface.

(第3実施例)
絶縁基板20が矩形であれば、第2実施例の重ね合せブロック30aを矩形とすることができる。図3に示すように、第3実施例の重ね合せブロック30bは、第2実施例の重ね合せブロック30aを4本の切断線40bに沿って切断することで形成する。第2実施例の重ね合せブロック30aを絶縁基板20にろう付けしてから切断すれば、第3実施例の重ね合せブロック30bは重ね合せ状態を維持する。
(Third embodiment)
If the insulating substrate 20 is rectangular, the overlapping block 30a of the second embodiment can be rectangular. As shown in FIG. 3, the overlapping block 30b of the third embodiment is formed by cutting the overlapping block 30a of the second embodiment along four cutting lines 40b. If the overlapping block 30a of the second embodiment is brazed to the insulating substrate 20 and then cut, the overlapping block 30b of the third embodiment maintains the overlapping state.

(第4実施例)
第2実施例の重ね合せブロック30aの外周にプレス力を加えて矩形に修正することができる。図4に示すように、第4実施例の重ね合せブロックは、第2実施例の重ね合せブロック30bの外周に、直交する4方向からプレス力F1,F2,F3,F4を同時に加える。すると、重ね合せブロックは矢印M1,M2,M3,M4に示すように変形し、ほぼ矩形に修正される。
(Fourth embodiment)
A press force can be applied to the outer periphery of the overlapping block 30a of the second embodiment to correct it to a rectangle. As shown in FIG. 4, the overlapping block of the fourth embodiment simultaneously applies pressing forces F1, F2, F3, and F4 from four directions orthogonal to the outer periphery of the overlapping block 30b of the second embodiment. Then, the overlapping block is deformed as indicated by arrows M1, M2, M3, and M4, and is corrected to a substantially rectangular shape.

(第5実施例)
重ね合せブロックは、柔軟に変形することから、必ずしもxz面に沿って延びる当接面とyz面に沿って延びる当接面の両者を必要としない。図5に示す第5実施例の重ね合せブロック30dの場合、当接面はxz面に沿って延びており、yz面に沿って延びる当接面の面積は小さい。この重ね合せブロック30dでも、y方向の膨張・収縮のみならず、x方向の膨張・収縮にもよく追従する。y方向の横領緩和性もx方向の横領緩和性も兼ね備えている。
図5の重ね合せブロック30dは、長尺のグラファイト箔34dの表裏両面に長尺の金属箔36dを重ね合わせた長尺多層箔を折り返しながら積層することで形成される。なお図示の明瞭化のために金属箔36d同志の当接面の図示を省略している。参照番号42dは、折り返しながら積層した重ね合せブロックの外周を取り囲む金属箔であり、外力が作用しない状態では、重ね合せブロック30dの形状を維持する。外周を取り囲む金属箔42dは十分に柔軟であり、重ね合せブロック30dの柔軟性を損ねない。
(5th Example)
Since the overlapping block deforms flexibly, both the contact surface extending along the xz plane and the contact surface extending along the yz plane are not necessarily required. In the case of the overlapping block 30d of the fifth embodiment shown in FIG. 5, the contact surface extends along the xz surface, and the area of the contact surface extending along the yz surface is small. This overlapping block 30d also follows well not only the expansion / contraction in the y direction but also the expansion / contraction in the x direction. Both the y-direction embedding relaxation property and the x-direction embedding relaxation property are combined.
The overlapping block 30d in FIG. 5 is formed by laminating a long multilayer foil in which a long metal foil 36d is overlapped on both the front and back surfaces of a long graphite foil 34d while being folded. For the sake of clarity of illustration, the contact surfaces of the metal foils 36d are not shown. Reference numeral 42d is a metal foil surrounding the outer periphery of the stacked overlapping blocks while being folded back, and maintains the shape of the overlapping block 30d when no external force is applied. The metal foil 42d surrounding the outer periphery is sufficiently flexible and does not impair the flexibility of the overlapping block 30d.

(第6実施例)
図6は、第6実施例の重ね合せブロック30eを示す。長尺のグラファイト箔34eと長尺の金属箔36eを重ね合わせた長尺多層箔を、三角形を形成するように多重に巻く。そうして得られた6個の三角形を図示のように組み合わせ、その外周を箔42eで包むことで第6実施例の重ね合せブロック30eが得られる。
(Sixth embodiment)
FIG. 6 shows an overlapping block 30e of the sixth embodiment. A long multilayer foil in which a long graphite foil 34e and a long metal foil 36e are superposed is wound in multiple layers so as to form a triangle. The six triangles thus obtained are combined as shown in the figure, and the outer periphery thereof is wrapped with the foil 42e, whereby the overlapping block 30e of the sixth embodiment is obtained.

上記の実施例では、長尺の箔を用いる。これに代えて、短尺の箔の多数枚を積層して重ね合せブロックを形成することもできる。図7に示すように、第7実施例の重ね合せブロック30fは、短尺のグラファイト箔34fと短尺の金属箔36fを交互に多数枚積層して重ね合せブロック30fを形成する。参照番号42fは、外周を取り囲む金属箔であり、外力が作用しない状態での重ね合せブロック30fの形状を規制する。外周を取り囲む金属箔42fは十分に柔軟であり、重ね合せブロック30fの柔軟性を損ねない。   In the above embodiment, a long foil is used. Alternatively, a stacked block can be formed by laminating a large number of short foils. As shown in FIG. 7, the overlapping block 30f of the seventh embodiment forms a overlapping block 30f by laminating a plurality of short graphite foils 34f and short metal foils 36f alternately. Reference numeral 42f is a metal foil surrounding the outer periphery, and regulates the shape of the overlapping block 30f in a state where no external force acts. The metal foil 42f surrounding the outer periphery is sufficiently flexible and does not impair the flexibility of the overlapping block 30f.

図8は、第8実施例の重ね合せブロック30gを示し、第7実施例の重ね合せブロック30fの2枚を組み合わせて構成されている。上方の重ね合せブロック30f1は、当接面がxz面内にある向きに置かれ、下方の重ね合せブロック30f2は、当接面がyz面内にある向きに置かれる。重ね合せブロック30f1の裏面と重ね合せブロック30f2の表面をろう付けすることができる。   FIG. 8 shows an overlapping block 30g of the eighth embodiment, which is configured by combining two overlapping blocks 30f of the seventh embodiment. The upper overlapping block 30f1 is placed in a direction in which the contact surface is in the xz plane, and the lower overlapping block 30f2 is placed in a direction in which the contact surface is in the yz plane. The back surface of the overlapping block 30f1 and the surface of the overlapping block 30f2 can be brazed.

(第9実施例)
図9は、第9実施例の重ね合せブロック30hを示している。グラファイト箔34hと金属箔34hの各々は、同心円をなしている。42hは、外周を囲む箔である。第9実施例の重ね合せブロック30hでも必要な柔軟性と伝熱性を確保することができる。
(Ninth embodiment)
FIG. 9 shows an overlapping block 30h of the ninth embodiment. Each of the graphite foil 34h and the metal foil 34h has a concentric circle. 42h is a foil surrounding the outer periphery. The necessary flexibility and heat transfer can be ensured even in the overlapping block 30h of the ninth embodiment.

(第10実施例)
図10の(a)は、巻く前の長尺多層箔35を示している。この長尺多層箔35を巻くと、巻くにつれて、グラファイト箔とグラファイト箔の間に介在する金属箔の枚数が変化する。図10は、長さ方向を圧縮して図示している。実際には、例えば、巻き始めから1000回転までの距離ではグラファイト箔34jに1枚の金属箔36j1が重ね合されており、1000〜2000回転までの距離では2枚の金属箔36j1,36j2が重ね合されており、2000〜3000回転までの距離では3枚の金属箔36j1,36j2,36j3が重ね合されている。この長尺多層膜35を利用すれば、中心部ではグラファイト箔が密に配置されており、周辺部ではグラファイト箔が疎に配置されている重ね合せブロックを得ることができる。(b)は中心近傍での重ね合せ状態を示し、(d)は周辺近傍での重ね合せ状態を示し、(c)は中間域での重ね合せ状態を示している。多くの半導体装置10では中心近傍では発熱量が高く、周辺近傍では発熱量が低い。発熱量が大きい中心近傍には(b)に示す重ね合せ状態が対向し、発熱量が小さい周辺近傍には(d)に示す重ね合せ状態が対向する使い方をすることができる。なお、グラファイトが密に存在位置でも、少なくとも10%は金属箔が占めていることが好ましい。単位面積毎に10%の金属箔が混在していると、必要な機械的強度を確保することができる。
(Tenth embodiment)
(A) of FIG. 10 has shown the elongate multilayer foil 35 before winding. When the long multilayer foil 35 is wound, the number of metal foils interposed between the graphite foil and the graphite foil changes as it is wound. FIG. 10 shows the compressed length direction. Actually, for example, one metal foil 36j1 is superimposed on the graphite foil 34j at a distance from the beginning of winding to 1000 rotations, and two metal foils 36j1 and 36j2 are overlapped at a distance from 1000 to 2000 rotations. The three metal foils 36j1, 36j2, 36j3 are overlapped at a distance of 2000 to 3000 revolutions. By using this long multilayer film 35, it is possible to obtain an overlapped block in which graphite foils are densely arranged in the central portion and graphite foils are sparsely arranged in the peripheral portion. (B) shows the superposition state in the vicinity of the center, (d) shows the superposition state in the vicinity of the periphery, and (c) shows the superposition state in the intermediate area. In many semiconductor devices 10, the heat generation amount is high near the center and the heat generation amount is low near the periphery. The superposition state shown in (b) is opposed to the vicinity of the center where the heat generation amount is large, and the superposition state shown in FIG. In addition, it is preferable that at least 10% of the metal foil occupies a position where graphite is densely present. When 10% of metal foil is mixed for each unit area, necessary mechanical strength can be ensured.

(第11実施例)
図11は、中心ほど発熱量が高い半導体装置の2個を絶縁基板に搭載する際に用いる重ね合せブロックを示している。中心ほど発熱量が高いのに対応し、中心近傍ではグラファイト箔とグラファイト箔の間隔aが狭く、周辺近傍ではグラファイト箔とグラファイト箔の間隔cが広く、中間域でのグラファイト箔とグラファイト箔の間隔bが中間にある。
2個の半導体装置に対応するように、2個の同心体を並べて配置することで重ね合せブロックを形成している。
(Eleventh embodiment)
FIG. 11 shows an overlapping block used when two semiconductor devices having a higher calorific value at the center are mounted on an insulating substrate. Corresponding to the higher calorific value at the center, the distance a between the graphite foil and the graphite foil is narrow near the center, the distance c between the graphite foil and the graphite foil is wide near the periphery, and the distance between the graphite foil and the graphite foil in the middle area b is in the middle.
An overlapped block is formed by arranging two concentric bodies side by side so as to correspond to two semiconductor devices.

(第2実施例のモジュール)
図12に示すように、第2実施例のモジュール80aでは、絶縁基板20の法線方向から観察したときに、重ね合せブロック30より冷却器70が広く広がっている。広く広がっている冷却器70を活用するために、重ね合せブロック30と冷却器70の間に、冷却器側ヒートスプレッダー60が介在している。
(Module of the second embodiment)
As shown in FIG. 12, in the module 80 a of the second embodiment, the cooler 70 is wider than the overlapping block 30 when observed from the normal direction of the insulating substrate 20. In order to utilize the cooler 70 that is widely spread, a cooler-side heat spreader 60 is interposed between the overlapping block 30 and the cooler 70.

冷却器側ヒートスプレッダー60は、重ね合せブロック30の外形形状にほぼ一致する開孔66が形成されているとともに冷却器70の表面に沿って延びるグラファイト箔64と、グラファイト箔64の表裏を被覆する金属箔62,68によって形成されている。グラファイト箔64は、xy面に沿った方向の熱伝導率が非常に高くなる向きにおかれている。上側の金属箔62にも、重ね合せブロック30の外形形状にほぼ一致する開孔63が形成されている。
重ね合せブロック30は、上側金属箔62の開孔63とグラファイト箔64の開孔66を通過して下側の金属箔68の上面に固定される。金属箔62,68の外形形状は、グラファイト箔64の外形形状よりも一回り大きく、グラファイト箔64の外形形状の外側では金属箔62と68がグラファイト箔64を介さないで対向する。グラファイト箔64を介さないで対向する周辺部では、金属箔62と68がろう付けされ、それによってグラファイト箔64のxy面内の位置が固定される。
重ね合せブロック30と冷却器70は、下側の金属箔68を利用してろう付けされる。
The cooler-side heat spreader 60 is formed with an aperture 66 that substantially matches the outer shape of the overlapping block 30 and extends along the surface of the cooler 70, and covers the front and back of the graphite foil 64. The metal foils 62 and 68 are formed. The graphite foil 64 is placed in such a direction that the thermal conductivity in the direction along the xy plane becomes very high. The upper metal foil 62 is also provided with an opening 63 that substantially matches the outer shape of the overlapping block 30.
The overlapping block 30 passes through the opening 63 of the upper metal foil 62 and the opening 66 of the graphite foil 64 and is fixed to the upper surface of the lower metal foil 68. The outer shapes of the metal foils 62 and 68 are slightly larger than the outer shape of the graphite foil 64, and the metal foils 62 and 68 face each other without the graphite foil 64 interposed outside the outer shape of the graphite foil 64. The metal foils 62 and 68 are brazed at the opposing peripheral portions without the graphite foil 64 interposed therebetween, whereby the position of the graphite foil 64 in the xy plane is fixed.
The overlapping block 30 and the cooler 70 are brazed using the lower metal foil 68.

重ね合せブロック30の外周側に位置するグラファイト箔34を伝熱する熱は、グラファイト箔64に伝熱し、冷却器70の上面の広い範囲に伝熱する。それに対して、重ね合せブロック30の内周側に位置するグラファイト箔34を伝熱する熱は、グラファイト箔64に妨げられることなく、開孔66を通過して冷却器70に伝熱される。グラファイト箔64には、面に沿った方向の伝熱性が良好なのに対し、面に直交する方向の伝熱性は低いという性質がある。開孔66を形成すると、面に直交する方向の伝熱性が低いという特性が問題となるのを避けられる。   The heat transferred to the graphite foil 34 located on the outer peripheral side of the overlapping block 30 is transferred to the graphite foil 64 and transferred to a wide area on the upper surface of the cooler 70. On the other hand, the heat transferred to the graphite foil 34 located on the inner peripheral side of the overlapping block 30 is transferred to the cooler 70 through the opening 66 without being interrupted by the graphite foil 64. The graphite foil 64 has a property that heat conductivity in a direction along the surface is good, but heat conductivity in a direction perpendicular to the surface is low. When the opening 66 is formed, it is possible to avoid a problem that the heat transfer property in the direction orthogonal to the surface is low.

開孔63,66の内部に、例えば十字形上の梁を渡してもよい。この場合、重ね合せブロック30の中心から直接的に冷却器70に伝熱する経路の熱抵抗は上昇するが、グラファイト箔64を経て冷却器70の広い範囲に広がる伝熱経路が形成され、半導体装置10の中心から冷却器70に至るまでの実質的な熱抵抗が低下することがある。開孔63,66は必ずしも完全な開孔でなくてもよく、必要に応じて梁を渡したものであってもよい。梁を渡す場合には、重ね合せブロック30の下面に、梁を受け入れる溝を形成することが好ましい。   For example, a cross-shaped beam may be passed through the openings 63 and 66. In this case, the thermal resistance of the path that directly transfers heat from the center of the overlapping block 30 to the cooler 70 increases, but a heat transfer path that extends over a wide range of the cooler 70 via the graphite foil 64 is formed, and the semiconductor The substantial thermal resistance from the center of the device 10 to the cooler 70 may decrease. The apertures 63 and 66 are not necessarily complete apertures, and may be ones that pass beams as needed. When passing the beam, it is preferable to form a groove for receiving the beam on the lower surface of the overlapping block 30.

図12のモジュール80aの場合、半導体装置10より重ね合せブロック30が広く広がっている。広く広がっている重ね合せブロック30を活用するためには、狭い範囲に存在している高温の半導体装置10の熱を、重ね合せブロック30の表面に沿った方向に伝熱し、半導体装置10より広く広がっている重ね合せブロック30の広い範囲に効率的に伝熱することが好ましい。
そこで、このモジュール80aでは、絶縁基板20と重ね合せブロック30の間に絶縁基板側ヒートスプレッダー50が付加されている。絶縁基板側ヒートスプレッダー50は冷却器側ヒートスプレッダー60と同じ構造である。絶縁基板側ヒートスプレッダー50は、図示はされていないが、半導体装置10の外形形状にほぼ一致する開孔が形成されているとともに重ね合せブロック30の表面に沿って延びるグラファイト箔と、そのグラファイト箔の表裏を被覆する金属箔で形成されている。そのヒートスプレッダー50を絶縁基板20と重ね合せブロック30の間に付加すると、狭い範囲に存在している高温の半導体装置10の熱を重ね合せブロック30の表面に沿った方向に伝熱し、広く広がっている重ね合せブロック30の広い範囲に効率的に伝熱することができる。しかも絶縁基板20から冷却器70に直接的に伝熱する経路の熱抵抗を上げてしまうこともない。
絶縁基板側ヒートスプレッダー50の場合も、冷却器側ヒートスプレッダー60の場合と同様に、グラファイト箔の開孔に梁を渡すことがある。
In the case of the module 80 a of FIG. 12, the overlapping block 30 is wider than the semiconductor device 10. In order to utilize the overlapping block 30 that is widely spread, the heat of the high-temperature semiconductor device 10 existing in a narrow range is transferred in a direction along the surface of the overlapping block 30 so that it is wider than the semiconductor device 10. It is preferable to efficiently transfer heat to a wide range of the overlapping block 30 that is spreading.
Therefore, in this module 80 a, the insulating substrate side heat spreader 50 is added between the insulating substrate 20 and the overlapping block 30. The insulating substrate side heat spreader 50 has the same structure as the cooler side heat spreader 60. Although not shown, the insulating substrate-side heat spreader 50 is formed with a graphite foil having an opening substantially matching the outer shape of the semiconductor device 10 and extending along the surface of the overlapping block 30, and the graphite foil. It is formed with the metal foil which coat | covers the front and back of this. When the heat spreader 50 is added between the insulating substrate 20 and the overlapping block 30, the heat of the high-temperature semiconductor device 10 existing in a narrow range is transferred in a direction along the surface of the overlapping block 30, and spreads widely. Heat can be efficiently transferred to a wide range of the overlapping block 30. In addition, the thermal resistance of the path for transferring heat directly from the insulating substrate 20 to the cooler 70 is not increased.
In the case of the insulating substrate side heat spreader 50 as well, as in the case of the cooler side heat spreader 60, a beam may be passed to the opening of the graphite foil.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

10:半導体装置
20:絶縁基板
22:配線層
30:重ね合せブロック
32:芯
34:グラファイト箔
35:長尺多層箔
36:金属箔
38:固定部
40:切断線
42:外周拘束箔
50:絶縁基板側ヒートスプレッダー
60:冷却器側ヒートスプレッダー
62:金属箔
64:グラファイト箔
66:開孔
68:金属箔
10: Semiconductor device 20: Insulating substrate 22: Wiring layer 30: Overlapping block 32: Core 34: Graphite foil 35: Long multilayer foil 36: Metal foil 38: Fixed part 40: Cutting line 42: Perimeter constraining foil 50: Insulation Substrate side heat spreader 60: cooler side heat spreader 62: metal foil 64: graphite foil 66: aperture 68: metal foil

Claims (7)

半導体装置と絶縁基板と重ね合せブロックと冷却器を備えているモジュールであり、
前記半導体装置は、前記絶縁基板の表面に搭載されており、
前記重ね合せブロックは、前記絶縁基板の裏面と前記冷却器の間に介在しており、グラファイト箔と金属箔で構成されており、前記絶縁基板の裏面に立てた法線が前記グラファイト箔と前記金属箔の当接面に沿って延びる向きに配置されており、前記グラファイト箔と前記金属箔の間が非接合状態で重ね合されており、前記法線方向から前記重ね合せブロックを観察すると前記当接面が前記重ね合せブロックの全域に亘って分布していることを特徴とするモジュール。
A module comprising a semiconductor device, an insulating substrate, an overlapping block and a cooler,
The semiconductor device is mounted on the surface of the insulating substrate,
The overlapping block is interposed between the back surface of the insulating substrate and the cooler, and is composed of a graphite foil and a metal foil, and a normal line standing on the back surface of the insulating substrate is the graphite foil and the Arranged in a direction extending along the contact surface of the metal foil, the graphite foil and the metal foil are overlapped in a non-bonded state, and when the overlapping block is observed from the normal direction, A module in which contact surfaces are distributed over the entire area of the overlapping block.
前記半導体装置を通過する前記法線をxyz直交座標系のz軸としたときに、xz面に沿って延びる前記当接面とyz面に沿って延びる前記当接面が存在していることを特徴とする請求項1に記載のモジュール。   When the normal passing through the semiconductor device is the z axis of the xyz orthogonal coordinate system, the contact surface extending along the xz plane and the contact surface extending along the yz plane exist. The module according to claim 1. 長尺の前記グラファイト箔と長尺の前記金属箔を重ね合わせた長尺多層箔が、前記z軸の周りに多重に巻かれていることを特徴とする請求項2に記載のモジュール。   3. The module according to claim 2, wherein a long multilayer foil obtained by superimposing the long graphite foil and the long metal foil is wound around the z-axis in multiple layers. 前記長尺多層箔を長手方向に観察したときに、前記グラファイト箔に重ね合わせる前記金属箔の枚数が変化することを特徴する請求項3に記載のモジュール。   The module according to claim 3, wherein the number of the metal foils superimposed on the graphite foil changes when the long multilayer foil is observed in the longitudinal direction. 前記法線方向から前記重ね合せブロックを観察すると、単位面積内に占める前記グラファイト箔の存在面積が、位置によって変化していることを特徴とする請求項1〜4のいずれかの1項に記載のモジュール。   The observation area of the overlapped block from the normal direction is such that the existing area of the graphite foil occupying within a unit area varies depending on the position. Modules. 前記絶縁基板と前記重ね合せブロックの間に絶縁基板側ヒートスプレッダーが介在しており、
前記絶縁基板側ヒートスプレッダーは、前記半導体装置の外形形状にほぼ一致する開孔が形成されているとともに前記絶縁基板の裏面に沿って延びるグラファイト箔と、そのグラファイト箔の表裏を被覆する金属箔で形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかの1項に記載のモジュール。
An insulating substrate side heat spreader is interposed between the insulating substrate and the overlapping block,
The insulating substrate side heat spreader is formed of a graphite foil having an opening substantially matching the outer shape of the semiconductor device and extending along the back surface of the insulating substrate, and a metal foil covering the front and back of the graphite foil. The module according to claim 1, wherein the module is formed.
前記重ね合せブロックと前記冷却器の間に冷却器側ヒートスプレッダーが介在しており、
前記冷却器側ヒートスプレッダーは、前記重ね合せブロックの外形形状にほぼ一致する開孔が形成されているとともに前記冷却器の表面に沿って延びるグラファイト箔と、そのグラファイト箔の表裏を被覆する金属箔で形成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれかの1項に記載のモジュール。
A cooler side heat spreader is interposed between the overlapping block and the cooler,
The cooler-side heat spreader is formed with a graphite foil having an opening substantially matching the outer shape of the overlapping block and extending along the surface of the cooler, and a metal foil covering the front and back of the graphite foil The module according to claim 1, wherein the module is formed by the following.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2018046125A (en) * 2016-09-14 2018-03-22 日産自動車株式会社 Semiconductor module
US20200006190A1 (en) * 2018-06-29 2020-01-02 Abb Schweiz Ag Heat transfer structure, power electronics module, cooling element, method of manufacturing a heat transfer structure and method of manufacturing a power electronics component
JP7014207B2 (en) * 2019-06-10 2022-02-01 セイコーエプソン株式会社 Wavelength converters, light source devices and projectors

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08186203A (en) * 1994-11-02 1996-07-16 Nippon Steel Corp Heat spreader for semiconductor device, semiconductor device wherein it is used and manufacture of the heat spreader
JP2001144237A (en) * 1999-11-18 2001-05-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd Graphite sheet laminated thermal conductor
JP5025328B2 (en) * 2007-05-16 2012-09-12 株式会社東芝 Thermal conductor
JP2011199202A (en) * 2010-03-23 2011-10-06 Toyota Central R&D Labs Inc Heat spreading member, radiating member, and cooling device

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