JP6233152B2 - Modules using overlay blocks - Google Patents
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Description
本明細書では、半導体装置と導電体と冷却器等で構成されるモジュールを開示する。 In this specification, a module including a semiconductor device, a conductor, a cooler, and the like is disclosed.
半導体装置には導電体を導通可能に接合する必要がある。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。そこで、半導体装置と導電体と冷却器をその順序で積層したモジュールが知られている。特許文献1と2に、その種のモジュールが開示されている。 It is necessary to join a conductor to the semiconductor device so as to be conductive. Some semiconductor devices require cooling because they generate heat when operated. Therefore, a module in which a semiconductor device, a conductor, and a cooler are stacked in that order is known. Patent Documents 1 and 2 disclose such a module.
一般に、半導体装置と導電体の熱膨張率は相違し、導電体と冷却器の熱膨張率は相違する。半導体装置に導電体を接合し、導電体に冷却器を接合すると、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、半導体装置と導電体と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。 In general, the thermal expansion coefficients of the semiconductor device and the conductor are different, and the thermal expansion coefficients of the conductor and the cooler are different. When a conductor is joined to the semiconductor device, and a cooler is joined to the conductor, the semiconductor device operates to generate heat and the operation is cooled after the operation is repeated, whereby the semiconductor device, the conductor, and the cooler are repeated. Thermal stress acts. The thermal stress impairs the long-term reliability of the module.
(基本課題)
上記のモジュールでは、半導体装置と冷却器の間に導電体が介在する。その導電体には次の特性が求められる。
(1)電気抵抗が低いこと。
(2)熱抵抗が低いこと(半導体装置から冷却器に効率的に伝熱すること)。
(3)柔軟に変形すること(柔軟に変形すれば、半導体装置と導電体に大きな熱応力が発生することを防止でき、導電体と冷却器に大きな熱応力が発生することを防止できる)。
しかしながら、現状の技術では、前記(1)〜(3)の全部を高いレベルで満たすことは難しい。本明細書では、前記(1)〜(3)の全部を高いレベルで満たすことができるモジュールを開示する。
(Basic issues)
In the above module, a conductor is interposed between the semiconductor device and the cooler. The conductor is required to have the following characteristics.
(1) Low electrical resistance.
(2) Low thermal resistance (efficient heat transfer from the semiconductor device to the cooler).
(3) To be deformed flexibly (if deformed flexibly, it is possible to prevent the semiconductor device and the conductor from generating a large thermal stress and to prevent the conductor and the cooler from generating a large thermal stress).
However, with the current technology, it is difficult to satisfy all of the above (1) to (3) at a high level. In the present specification, a module capable of satisfying all of the above (1) to (3) at a high level is disclosed.
(更なる課題1)
半導体装置のなかには、表面電極と裏面電極を備えており、半導体装置の表裏両面に冷却器を配置して冷却するものがある。本明細書で開示する実施例のなかには、この形式のモジュールにおいて前記の基本課題を解決するものがある。
(Further problem 1)
Some semiconductor devices include a front electrode and a back electrode, and cool by disposing coolers on both the front and back surfaces of the semiconductor device. Some embodiments disclosed herein solve this basic problem in this type of module.
(更なる課題2)
例えばインバータは、2個のスイッチング用半導体装置を直列に接続し、その中間点から出力用導電体を引き出す。それをモジュール化するためには、2個の半導体装置に対する導通と、2個の半導体装置の冷却と、2個の半導体装置のヒートサイクルに伴って大きな熱応力が発生するのを防止する必要がある。本明細書で開示する実施例のなかには、2個の半導体装置を備えているモジュールにおいて前記の基本課題を解決するものがある。
(更なる課題3)
3相用インバータは、u相用の2個の半導体装置と、v相用の2個の半導体装置と、w相用の2個の半導体装置を必要する。本明細書で開示する実施例のなかには、u相用回路とv相用回路とw相用回路を内蔵しているモジュールにおいて前記の基本課題を解決するものがある。
(Further problem 2)
For example, an inverter connects two switching semiconductor devices in series and draws out an output conductor from an intermediate point thereof. In order to make it modular, it is necessary to prevent electrical conduction to two semiconductor devices, cooling of the two semiconductor devices, and generation of large thermal stress due to the heat cycle of the two semiconductor devices. is there. Among the embodiments disclosed in this specification, there is a module that solves the above-described basic problem in a module including two semiconductor devices.
(Further problem 3)
The three-phase inverter requires two semiconductor devices for u-phase, two semiconductor devices for v-phase, and two semiconductor devices for w-phase. Among the embodiments disclosed in the present specification, there is a module that solves the above-described basic problem in a module including a u-phase circuit, a v-phase circuit, and a w-phase circuit.
(基本課題に解決するモジュール)
本出願人は、電気抵抗が低く、熱抵抗が低く、柔軟に変形する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、基本課題を解決する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。
(Modules that solve basic issues)
The present applicant has developed a member having a low electrical resistance, a low thermal resistance, and a flexible deformation characteristic, and has applied for a patent (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 that solves the basic problem can be realized by utilizing the member according to the above patent application, and created the following module.
本モジュールは、少なくとも、表面側冷却器と表面側重ね合わせブロックと半導体装置を備えている。半導体装置の少なくとも一面には、その面に沿って延びている面電極が形成されている。以下では、その面電極が形成されている側を表面という。半導体装置の表裏両面に面電極が形成されている場合は、冷却器と重ね合わせブロックが配置されている側を表面という。後記のように、半導体装置の表裏両面に冷却器と重ね合わせブロックを配置することがある。その場合は、いずれか一方を表面といい、他方を裏面という。
本モジュールでは、表面側冷却器の裏面に表面側重ね合わせブロックの表面が接合されており、表面側重ね合わせブロックの裏面に半導体装置の表面電極が導通可能に接合されている。表面側重ね合わせブロックは、グラファイト箔と金属箔で構成されており、表面電極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わ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わ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わ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。
本モジュールで用いる表面側重ね合わせブロックは、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表面側重ね合わ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、重ね合わ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く際に巻芯を用いることがある。その巻芯がある場合を含めて、重ね合わ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わ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わ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。
This module includes at least a surface side cooler, a surface side overlapping block, and a semiconductor device. A surface electrode extending along the surface is formed on at least one surface of the semiconductor device. Hereinafter, the side on which the surface electrode is formed is referred to as a surface. When surface electrodes are formed on both the front and back surfaces of the semiconductor device, the side on which the cooler and the overlapping block are arranged is referred to as the surface. As described later, a cooler and an overlapping block may be arranged on both the front and back surfaces of the semiconductor device. In that case, either one is called the front surface and the other is called the back surface.
In this module, the surface of the superposed block on the front side is joined to the back side of the front side cooler, and the surface electrode of the semiconductor device is joined to the back side of the superposed block on the front side so as to be conductive. The surface side overlapping block is composed of a graphite foil and a metal foil, and is arranged in a direction in which a normal line standing on the surface electrode extends along a 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 overlay state of the graphite foil and the metal foil can be changed, and can be changed to an overlap state in which the adhesion force between the two is increased, or can be changed to an overlap 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.
The surface-side overlapping block used in this module is characterized in that, when observed from the normal direction, the contact surface of the graphite foil and the metal foil is distributed over the entire area of the surface-side 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. When winding a long multilayer foil in multiple layers, a core may be used. The contact surface is distributed over the entire area of the overlapping block, including the case where the winding core is present.
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 overlapping state in which the adhesion force between the graphite foil and the metal foil is increased, or can be changed to an overlapping state in which the adhesion force 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.
半導体装置の表面電極と表面側冷却器の裏面の間に前記した重ね合わせブロックが介在していると、下記の現象が得られる。(1)グラファイト箔と金属箔は、両者とも当接面に沿った方向の電気抵抗が低い。重ね合わせブロックは電気抵抗が低い導電体でもある。(2)グラファイト箔は半導体装置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、当接面に沿った方向の熱抵抗が非常に低い。重ね合わせブロックを介在させても、半導体装置と冷却器の間の熱抵抗を低い値に維持できる。(3)重ね合わ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。半導体装置に対して冷却器が膨張・収縮するような際には、重ね合わせブロックが柔軟に変形するために、半導体装置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。
上記の重ね合わせブロックを用いると、表面側重ね合わせブロックが導電体となって表面電極に導通する。さらに、表面側重ね合わせブロックが、半導体装置と表面側冷却器の間に伝熱経路を提供し、半導体装置と表面側冷却器の間の熱膨張係数の差に起因して生じる熱応力を緩和する。上記の重ね合わせブロックは、電気抵抗が低く、熱抵抗が低く、応力緩和性が高い。上記した重ね合わせブロックを利用すると、モジュールの長期信頼性が向上する。
When the overlapping block described above is interposed between the surface electrode of the semiconductor device and the back surface of the surface side cooler, the following phenomenon is obtained. (1) Both the graphite foil and the metal foil have low electrical resistance in the direction along the contact surface. The overlapping block is also a conductor having a low electric resistance. (2) The graphite foil continuously extends from the semiconductor device side toward the cooler side. The graphite foil has a very low thermal resistance in the direction along the contact surface. Even if the overlapping block is interposed, the thermal resistance between the semiconductor device and the cooler can be maintained at a low value. (3) The overlapping block is flexibly deformed. 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 / shrinks with respect to the semiconductor device, the overlapping block is flexibly deformed, so that no excessive stress is generated in the semiconductor device, or excessive stress is applied to the cooler. It does not occur. High stress relaxation.
When the above-described overlapping block is used, the surface-side overlapping block becomes a conductor and is electrically connected to the surface electrode. Furthermore, the surface-side overlapping block provides a heat transfer path between the semiconductor device and the surface-side cooler, and alleviates thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor device and the surface-side cooler. To do. The above overlapping block has low electrical resistance, low thermal resistance, and high stress relaxation properties. When the above-described overlapping block is used, the long-term reliability of the module is improved.
(更なる課題1を解決するモジュール)
半導体装置が表面電極と裏面電極を備えており、表面側冷却器と裏面側冷却器で半導体装置を冷却する場合がある。その場合には、重ね合わせブロックを表裏両面に活用する。この場合のモジュールは、前記基本構成に加えて、裏面側冷却器と裏面側重ね合わせブロックを備えている。裏面側冷却器の表面に裏面側重ね合わせブロックの裏面が接合されており、裏面側重ね合わせブロックの表面に半導体装置の裏面電極が導通可能に接合されている。裏面側重ね合わせブロックは、表面側重ね合わせブロックと同一の構成を備えている。すなわちグラファイト箔と金属箔で構成されており、半導体装置の裏面電極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の間は非接合状態で重ね合されており、前記法線方向から裏面側重ね合わせブロックを観察すると前記当接面が裏面側重ね合わせブロックの全域に亘って分布している。
上記のモジュールによると、裏面側重ね合わせブロックが導電体となって裏面電極に導通するとともに、半導体装置と裏面側冷却器の間に伝熱経路を提供し、半導体装置と裏面側冷却器の間の熱膨張係数の差に起因して生じる熱応力を緩和する。
(Module to solve further problem 1)
The semiconductor device includes a front surface electrode and a back surface electrode, and the semiconductor device may be cooled by the front surface side cooler and the back surface side cooler. In that case, the overlapping block is used on both the front and back sides. The module in this case includes a back side cooler and a back side overlapping block in addition to the basic configuration. The back surface of the back surface side overlapping block is bonded to the surface of the back surface side cooler, and the back surface electrode of the semiconductor device is bonded to the surface of the back surface side overlapping block so as to be conductive. The back surface side overlapping block has the same configuration as the front surface side overlapping block. That is, it is composed of a graphite foil and a metal foil, and a normal line standing on the back electrode of the semiconductor device is arranged in a direction extending along the contact surface of the graphite foil and the metal foil. The graphite foil and the metal foil are overlapped in a non-bonded state, and when the back surface side overlapping block is observed from the normal direction, the contact surface is distributed over the entire back surface side overlapping block. .
According to the above module, the back-side overlap block becomes a conductor and is connected to the back-side electrode, and provides a heat transfer path between the semiconductor device and the back-side cooler, and between the semiconductor device and the back-side cooler. The thermal stress generated due to the difference in thermal expansion coefficient between the two is relaxed.
表面側冷却器と表面電極を絶縁し、裏面側冷却器と裏面電極を絶縁する必要がある場合には、表面側冷却器の裏面と表面側重ね合わせブロックの表面の間に表面側絶縁板を介在させ、裏面側冷却器の表面と裏面側重ね合わせブロックの裏面の間に裏面側絶縁板を介在させる。それによって絶縁が確保される。ここでいう絶縁板は、冷却器に固定されているものであってもよいし、冷却器から分離可能なものでもよい。冷却器の表面に絶縁層が形成されている場合には、絶縁板を省略することができる。本明細書で冷却器と重ね合わせブロックを接合するという場合は、両者の間に絶縁板が介在した状態で接合する場合を含む。冷却器自体が絶縁材料で形成されていることがあることから、絶縁板または絶縁層が不可欠というものではない。 When it is necessary to insulate the front side cooler from the front electrode and to insulate the rear side cooler from the rear electrode, install a front side insulating plate between the rear side of the front side cooler and the surface of the front side overlapping block. A backside insulating plate is interposed between the front surface of the backside cooler and the backside of the backside overlapping block. Thereby insulation is ensured. Here, the insulating plate may be fixed to the cooler or may be separable from the cooler. In the case where an insulating layer is formed on the surface of the cooler, the insulating plate can be omitted. In the present specification, the case where the cooler and the overlapping block are joined includes the case where the insulation plate is joined between the two. Since the cooler itself may be formed of an insulating material, an insulating plate or an insulating layer is not essential.
モジュールの信頼性と耐久性を向上させるためには、表面側重ね合わせブロックと半導体装置と裏面側重ね合わせブロックの周囲を樹脂モールドで覆うことが好ましい。ここでいう樹脂モールドは、半導体装置等の周囲に溶融樹脂を充填して硬化させたものをいう。樹脂モールドで被覆する場合は、伝熱経路を確保するために、表面側重ね合わせブロックの表面と裏面側重ね合わせブロックの裏面が、樹脂モールドから露出する関係とする。すると、表面側重ね合わせブロックと表面側冷却器が樹脂モールドを介さないで接合し、裏面側重ね合わせブロックと裏面側冷却器が樹脂モールドを介さないで接合する関係を得ることができる。 In order to improve the reliability and durability of the module, it is preferable to cover the periphery of the front surface side overlapping block, the semiconductor device, and the back surface side overlapping block with a resin mold. The resin mold referred to here is one obtained by filling a molten resin around a semiconductor device or the like and curing it. When covering with a resin mold, in order to secure a heat transfer path, the surface of the front surface side overlapping block and the back surface of the back surface side overlapping block are exposed from the resin mold. Then, it is possible to obtain a relationship in which the front surface side overlapping block and the front surface side cooler are joined without using the resin mold, and the back surface side overlapping block and the back surface side cooler are joined without going through the resin mold.
(更なる課題2を解決するモジュール)
2個の半導体半導体装置を内蔵するモジュールが必要とされる場合がある。ここでは、一方の半導体装置を表面側半導体装置といい、他方の半導体装置を裏面側半導体装置という。上記のモジュールでは、表面側半導体装置の裏面電極と裏面側半導体装置の表面電極が向かい合う関係となり、それらの電極間に導電体と冷却器を配置することは難しい。本明細書に開示するモジュールでは、導電体と伝熱体を兼用する部材を利用する。
更なる課題2を解決するモジュールでは、表面側冷却器と表面側重ね合わせブロックと表面側半導体装置と中間重ね合わせブロックと裏面側半導体装置と裏面側重ね合わせブロックと裏面側冷却器がその順序で積層されている。以下の特徴を備えている。
表面側冷却器の裏面に表面側重ね合わせブロックの表面が接合されている。表面側重ね合わせブロックの裏面に表面側半導体装置の表面電極が導通可能に接合されている。表面側半導体装置の裏面電極に中間重ね合わせブロックの表面が導通可能に接合されている。
裏面側冷却器の表面に裏面側重ね合わせブロックの裏面が接合されている。裏面側重ね合わせブロックの表面に裏面側半導体装置の裏面電極が導通可能に接合されている。裏面側半導体装置の表面電極に中間重ね合わせブロックの裏面が導通可能に接合されている。
更なる課題2を解決するモジュールでは、表面側冷却器の裏面に中間重ね合わせブロックの表面が接合されている。同様に、裏面側冷却器の表面に中間重ね合わせブロックの裏面が接合されている。
表面側重ね合わせブロックと中間重ね合わせブロックと裏面側重ね合わせブロックは、前記したものと同じである。すなわち、グラファイト箔と金属箔で構成されており、表面側半導体装置と裏面側半導体装置の面電極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の間が非接合状態で重ね合されている。前記法線方向から重ね合わせブロックを観察すると、前記当接面が重ね合わせブロックの全域に亘って分布している。
(Module to solve further problem 2)
A module incorporating two semiconductor semiconductor devices may be required. Here, one semiconductor device is referred to as a front surface side semiconductor device, and the other semiconductor device is referred to as a back surface side semiconductor device. In the above module, the back electrode of the front surface side semiconductor device and the front surface electrode of the back surface side semiconductor device face each other, and it is difficult to dispose the conductor and the cooler between these electrodes. In the module disclosed in this specification, a member that serves as both a conductor and a heat transfer body is used.
In the module that solves the further problem 2, the front surface side cooler, the front surface side overlapping block, the front surface side semiconductor device, the intermediate overlapping block, the back surface side semiconductor device, the back surface side overlapping block, and the back surface side cooler are arranged in that order. Are stacked. It has the following features.
The surface of the surface side overlapping block is joined to the back surface of the surface side cooler. A surface electrode of the front surface side semiconductor device is joined to the back surface of the front surface side overlapping block so as to be conductive. The surface of the intermediate overlapping block is joined to the back surface electrode of the front surface side semiconductor device so as to be conductive.
The back surface of the back surface side overlapping block is joined to the surface of the back surface side cooler. The back surface electrode of the back surface side semiconductor device is joined to the surface of the back surface side overlapping block so as to be conductive. The back surface of the intermediate overlapping block is joined to the front surface electrode of the back surface side semiconductor device so as to be conductive.
In the module that solves the further problem 2, the surface of the intermediate overlapping block is bonded to the back surface of the front surface side cooler. Similarly, the back surface of the intermediate overlapping block is joined to the surface of the back surface side cooler.
The front side overlapping block, the intermediate overlapping block, and the back side overlapping block are the same as described above. That is, it is composed of a graphite foil and a metal foil, and the normals standing on the surface electrodes of the front surface side semiconductor device and the back surface side semiconductor device are arranged in a direction extending along the contact surface of the graphite foil and the metal foil. . The graphite foil and the metal foil are overlapped in a non-bonded state. When the overlapping block is observed from the normal direction, the contact surface is distributed over the entire area of the overlapping block.
上記のモジュールの場合、表面側冷却器と表面側半導体装置の表面電極の間に、「基本課題を解決するモジュール」の項目で記載した事象が得られる。また裏面側冷却器と裏面側半導体装置の裏面電極の間でも、「更なる課題1を解決するモジュール」の項目で記載した事象が得られる。
表面側半導体装置の裏面電極と裏面側半導体装置の表面電極には、中間重ね合わせブロックが接合される。その中間重ね合わせブロックは、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の当接面に沿った方向の電気抵抗が低いことから、表面側半導体装置の裏面電極と裏面側半導体装置の表面電極に対する低抵抗な導通路が確保される。
中間重ね合わせブロックは表面側冷却器と裏面側冷却器に接合されている。中間重ね合わせブロックを構成するグラファイト箔は、表面側半導体装置の裏面電極から表面側冷却器と裏面側冷却器まで連続的に延びている。グラファイト箔の展開面に沿った方向の熱抵抗が非常に低い。熱抵抗の低い中間重ね合わせブロックによって、表面側半導体装置の裏面電極から表面側冷却器と裏面側冷却器に至る伝熱経路が確保され、その伝熱経路の熱抵抗が低く抑えられる。同様に、裏面側半導体装置の表面電極から表面側冷却器と裏面側冷却器に至るまでの伝熱経路の熱抵抗が低く抑えられる。
しかも中間重ね合わせブロックは柔軟に変形する。表面側半導体装置にも裏面側半導体装置にも中間重ね合わせブロックにも表面側冷却器にも裏面側冷却器にも大きな応力が発生することがない。中間重ね合わせブロックが応力をよく緩和する。
表面側冷却器の裏面と表面側重ね合わせブロックの表面との間に表面側絶縁板を介在させ、裏面側冷却器の表面と裏面側重ね合わせブロックの裏面との間に裏面側絶縁板を介在させれば絶縁状態を確保できる。
In the case of the above-described module, the event described in the item “module for solving basic problems” is obtained between the surface-side cooler and the surface electrode of the surface-side semiconductor device. In addition, the phenomenon described in the item of “module for solving further problem 1” is also obtained between the back surface side cooler and the back surface electrode of the back surface side semiconductor device.
An intermediate overlapping block is bonded to the back electrode of the front surface side semiconductor device and the front surface electrode of the back surface side semiconductor device. The intermediate overlapping block is composed of graphite foil and metal foil. Since the electrical resistance in the direction along the contact surface between the graphite foil and the metal foil is low, a low resistance conduction path is ensured for the back electrode of the front surface side semiconductor device and the front surface electrode of the back surface side semiconductor device.
The intermediate overlapping block is joined to the front surface side cooler and the back surface side cooler. The graphite foil constituting the intermediate overlapping block continuously extends from the back surface electrode of the front surface side semiconductor device to the front surface side cooler and the back surface side cooler. The thermal resistance in the direction along the development surface of the graphite foil is very low. The intermediate superposed block with low thermal resistance secures a heat transfer path from the back electrode of the front surface side semiconductor device to the front surface side cooler and the back surface cooler, and the heat resistance of the heat transfer path is kept low. Similarly, the thermal resistance of the heat transfer path from the front surface electrode of the back surface side semiconductor device to the front surface side cooler and the back surface side cooler can be kept low.
Moreover, the intermediate overlapping block is deformed flexibly. No great stress is generated in the front-side semiconductor device, the back-side semiconductor device, the intermediate overlapping block, the front-side cooler, or the back-side cooler. The intermediate overlap block relieves stress well.
A front-side insulating plate is interposed between the back surface of the front-side cooler and the front surface-side overlapping block, and a rear-side insulating plate is interposed between the front surface of the back-side cooler and the back surface of the rear-side overlapping block. By doing so, the insulation state can be secured.
表面側重ね合わせブロックと裏面側重ね合せブロックを構成するグラファイト箔の展開面と、中間重ね合せブロックを構成するグラファイト箔の展開面が直交する関係におくことが好ましい。グラファイト箔の展開面に沿った方向の熱膨張率は低い。上記の直交関係があると、グラファイト箔が直交する2方向に向けたモジュールの変形を抑制する。樹脂モールドで封止して保護する必要をなくすことが可能となる。 It is preferable that the development surface of the graphite foil constituting the front surface side overlapping block and the back surface side overlapping block and the development surface of the graphite foil constituting the intermediate overlapping block be orthogonal to each other. The coefficient of thermal expansion in the direction along the development surface of the graphite foil is low. When there is the above-described orthogonal relationship, deformation of the module in two directions in which the graphite foil is orthogonal is suppressed. It becomes possible to eliminate the need for sealing and protecting with a resin mold.
表面側重ね合わせブロックと表面側半導体装置と中間重ね合わせブロックと裏面側半導体装置と裏面側重ね合わせブロックの周囲を樹脂モールドで覆えば、モジュールの信頼性と耐久性が向上する。
表面側重ね合わせブロックの表面と中間重ね合わせブロックの表面が樹脂モールドから露出していれば、表面側重ね合わせブロックと中間重ね合わせブロックを表面側冷却器に接合することができる。裏面側重ね合わせブロックの裏面と中間重ね合わせブロックの裏面が樹脂モールドから露出していれば、裏面側重ね合わせブロックと中間重ね合わせブロックを裏面側冷却器に接合することができる。
表面側重ね合わせブロックの一部と中間重ね合わせブロックの一部と裏面側重ね合わせブロックの一部が樹脂モールドから突出していると、その突出部に導電体を接続することができ、モジュールに対する電気的導通路を完成することが可能となる。
If the periphery of the front surface side overlapping block, the front surface side semiconductor device, the intermediate overlapping block, the back surface side semiconductor device, and the back surface side overlapping block is covered with a resin mold, the reliability and durability of the module are improved.
If the surface of the surface-side overlapping block and the surface of the intermediate overlapping block are exposed from the resin mold, the surface-side overlapping block and the intermediate overlapping block can be joined to the surface-side cooler. If the back surface of the back surface side overlapping block and the back surface of the intermediate surface block are exposed from the resin mold, the back surface side overlapping block and the intermediate surface block can be joined to the back surface cooler.
If a part of the front side overlapping block, a part of the intermediate overlapping block, and a part of the back side overlapping block protrude from the resin mold, it is possible to connect a conductor to the protruding part, and It is possible to complete a static conduction path.
(更なる課題3を解決するモジュール)
表面側半導体装置と裏面側半導体装置で1相分を構成できる。3相用の場合は、u相用回路と、v相用回路と、w相用回路を複合してモジュール化することができる。このときには、u相用の表面側重ね合せブロックと、v相用の表面側重ね合せブロックと、w相用の表面側重ね合せブロックを、一つの部材で構成することができる。それらのブロックは同電位となるからである。同様に、u相用の裏面側重ね合せブロックと、v相用の裏面側重ね合せブロックと、w相用の裏面側重ね合せブロックを、一つの部材で構成することができる。
(Module to solve further problem 3)
The front side semiconductor device and the back side semiconductor device can constitute one phase. In the case of three phases, a u-phase circuit, a v-phase circuit, and a w-phase circuit can be combined into a module. At this time, the u-phase surface-side overlapping block, the v-phase surface-side overlapping block, and the w-phase surface-side overlapping block can be formed of a single member. This is because these blocks have the same potential. Similarly, the u-phase backside block, the v-phase backside block, and the w-phase backside block can be formed of a single member.
本明細書でいう「箔」は、半導体装置と冷却器等の間の相対的膨張・収縮に伴って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 thinned foil to such an extent that flexibility that can be easily bent with relative expansion / contraction between the semiconductor device and the cooler or the like appears. It should be contrasted with a “plate” that does not flex easily. What is called a film sheet is also a kind of “foil”.
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わ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)グラファイト箔と金属箔を重ね合わせた物の外周を金属箔で包んで外形を拘束する
(第3特徴)グラファイト箔と金属箔を重ね合わせた長尺物を巻き、最外周金属箔をその内側にある金属箔に固定して巻いた状態を維持する。
(第4特徴)中間重ね合わせブロックはほぼH字形状をしている。
(第5特徴)グラファイト箔と金属箔の当接面は、重ね合わせブロックの長手方向に延びている。
The features of the technology disclosed in this specification will be summarized below. The items described below have technical usefulness independently.
(First feature) An overlapping block is formed of graphite foil and aluminum foil. Aluminum foil is used for the metal foil.
(Second feature) The outer periphery of a metal foil laminated with graphite foil is wrapped with a metal foil to constrain the outer shape. (Third feature) A long metal graphite foil and metal foil are wound around the outermost metal. The foil is fixed to the metal foil inside and maintained in a wound state.
(Fourth feature) The intermediate overlapping block is substantially H-shaped.
(5th characteristic) The contact surface of graphite foil and metal foil is extended in the longitudinal direction of a superposition block.
(基本課題と、更なる課題1を解決する実施例)
図1は、表面側冷却器20aと、表面側重ね合わせブロック30aと、半導体装置40と、裏面側重ね合わせブロック30bと、裏面側冷却器20bを順に積層して構成した第1実施例のモジュール10の分解斜視図を示している。
表面側冷却器20a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。表面側冷却器20aには、冷却液の流入管と流出管が形成されている。裏面側冷却器20bは、表面側冷却器20aと同じ形状と構造である。表面側冷却器20aの裏面と裏面側冷却器20bの表面には、絶縁層が形成されており、それによって、後記する重ね合わせブロックと冷却器の間の絶縁を確保している。表面側冷却器20aの裏面と裏面側冷却器20bの表面は、xy面に沿って延びている。
表面側重ね合わせブロック30aは、多数枚のグラファイト箔32aと多数枚の金属箔34aが交互に重ね合されたブロック36aと、そのブロック36aに導通可能に接続されている金属板38aで構成されている。金属板38aはy方向に長く延びており、個々のグラファイト箔32aと個々の金属箔34aはyz面に沿って延びている。グラファイト箔32aと金属箔34aの当接面は、半導体装置40の表面電極に立てた法線(z軸)に沿って延び、表面側重ね合わせブロック30aの長手方向(y軸)に沿って延びている。なお、図では、個々のグラファイト箔32aと個々の金属箔34aの厚みが実際よりも厚く表示されている。実際の積層枚数はもっと多い。裏面側重ね合わせブロック30bは、表面側重ね合わせブロックと同じ構造と形状に形成されている。
半導体装置40は、図示しない表面電極と裏面電極を備えており、その他に図示しない制御電極を備えている。半導体装置40は、制御電極に加える電圧によって、表面電極と裏面電極の間の抵抗を切換える。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40が過熱することから、冷却を要する。
(Examples that solve basic problem and further problem 1)
FIG. 1 shows a module according to the first embodiment in which a front side cooler 20a, a front
The surface side cooler 20a is made of a metal (aluminum) having a low thermal resistance, and a passage for the coolant is formed inside. A cooling liquid inflow pipe and an outflow pipe are formed in the surface side cooler 20a. The back side cooler 20b has the same shape and structure as the front side cooler 20a. An insulating layer is formed on the back surface of the front surface side cooler 20a and the surface of the back surface side cooler 20b, thereby ensuring insulation between the overlapping block and the cooler described later. The back surface of the front surface side cooler 20a and the front surface of the back surface side cooler 20b extend along the xy plane.
The surface-
The
半導体装置40の表面電極と表面側冷却器20aの裏面の間に金属板を介在させれば、その金属板が導電体となって半導体装置40の表面電極に対する導電路が確保される。しかし、金属板の熱抵抗は、本実施例で用いる重ね合わせブロックの熱抵抗よりも大きい。金属板を介在させる技術では、半導体装置40と表面側冷却器20aの間の熱抵抗が大きくなってしまい、半導体装置40が過熱してしまう。また、半導体装置40の熱膨張係数と金属板の熱膨張係数が相違することから、半導体装置と金属板に大きな熱応力が発達し、それがモジュールの長期信頼性を損ねる。その問題を解決するために、半導体装置40の表面電極と表面側冷却器20aの裏面の間に、表面側重ね合わせブロック30aを用いる。
If a metal plate is interposed between the surface electrode of the
図1の第1実施例では、多数枚のグラファイト箔32aと多数枚の金属箔34aを交互に重ね合わせてブロック36aを形成している。グラファイト箔32aと金属箔34a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。重ね合わせた形状を維持するために、ブロック36aの外周側面は、金属箔で包まれている。最外周を覆っている金属箔は柔軟であって、グラファイト箔32aと金属箔34aが変形・変位することを妨げない。また、金属板38aは最外周を覆っている金属箔に導通し、各々のグラファイト箔32aと各々の金属箔34aは、ブロック36aの最外周を覆っている金属箔に導通している。全部のグラファイト箔32aと全部の金属箔34aが、金属板38aに導通している。
In the first embodiment of FIG. 1, a
ブロック36aの表面は、表面側冷却器20aの裏面にろう付けされている。ブロック36aの裏面は、半導体装置40の表面電極にろう付けされている。モジュール10を形成した段階では、表面側重ね合わせブロック36aの表面は表面側冷却器20aで拘束され、表面側重ね合わせブロック36aの裏面は半導体装置40で拘束されている。
The surface of the
裏面側冷却器20bと裏面側重ね合わせブロック30bと半導体装置40の関係は、表面側に同じである。ただし、表面側と裏面側では、上下関係が反転している。表面側部材の裏面が裏面側部材の表面となり、表面側部材の表面が裏面側部材の裏面となる。実質的に重複する説明は省略する。参照番号40pは、裏面側重ね合せブロック30bの表面と半導体装置40の裏面電極が接する範囲を示し、参照番号36pは、裏面側重ね合せブロック36bの裏面と裏面側冷却器20bの表面が接する範囲を示している。
The relationship between the back side cooler 20b, the back
半導体装置40の表面電極には表面側重ね合わせブロック30aを介して給電される。金属板38aも金属箔34aもグラファイト箔32aも導電体である。金属箔34aとグラファイト箔32aのy方向の電気抵抗は低い。同様に、半導体装置40の裏面電極には裏面側重ね合わせブロック30bを介して給電される。
半導体装置40が動作すると、半導体装置40が発熱する。半導体装置40の温度>表面側重ね合わせブロック30aの温度>表面側冷却器20aの温度の関係となる。本実施例では、表面側重ね合わせブロック30aを構成するグラファイト箔32aがz方向に延びて半導体装置40と表面側冷却器20aの間に伝熱経路を提供している。z方向に延びているグラファイト箔32aの熱抵抗は、金属板38aの熱抵抗よりも低い。半導体装置40と表面側冷却器20aの間の熱抵抗は非常に低い。金属板38aで伝熱する場合に比して、半導体装置40と表面側冷却器20aの温度差は小さく抑えられる。
裏面側も同じであって、半導体装置40と裏面側冷却器20bの温度差は小さく抑えられる。
Power is supplied to the surface electrode of the
When the
The back side is the same, and the temperature difference between the
半導体装置40の熱膨張率に比して表面側冷却器20aの熱膨張率が格段に大きいために、半導体装置40が発熱すると、半導体装置40に比して表面側冷却器20aの方が相対的に大きく膨張する。図示の場合、半導体装置40に対して表面側冷却器20aが、x方向にもy方向にも膨張する。
表面側重ね合わせブロック30aの表面は表面側冷却器20aで拘束され、表面側重ね合わせブロック30aの裏面は半導体装置40に拘束されている。半導体装置40に比して表面側冷却器20aの方が相対的に大きく膨張するのに追従して、表面側重ね合わせブロック30aの裏面に比して表面の方が相対的に大きく変形すれば、半導体装置40にも表面側冷却器20aにも大きな熱応力が発生しない。
Since the thermal expansion coefficient of the surface-side cooler 20 a is much larger than the thermal expansion coefficient of the
The surface of the front surface
表面側重ね合わせブロック30aでは、グラファイト箔32aと金属箔34aが重ね合わされているだけであり、グラファイト箔32aと金属箔34a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。表面側重ね合わせブロック30aは、柔軟に変形できる。半導体装置40に対して表面側冷却器20aが膨張・収縮する際には、重ね合わせブロック30aが柔軟に変形する。半導体装置40に対して表面側冷却器20aが膨張・収縮しても、半導体装置40に大きな熱応力が発生することもなければ、表面側冷却器20aに大きな熱応力が発生することもない。さらに、表面側重ね合わせブロック30a自体にも大きな熱応力が発生することがない。
裏面側重ね合わせブロック30bも、前記と同様の応力緩和作用を発揮する。半導体装置40に大きな熱応力が発生することもなければ、裏面側冷却器20bに大きな熱応力が発生することもなければ、裏面側重ね合わせブロック30bにも大きな熱応力が発生することもない。
図1に示すモジュール10では、半導体装置40の表面電極に対する導電路の電気抵抗が低く、半導体装置40と表面側冷却器20aの間の伝熱経路の熱抵抗が低く、十分に柔軟な重ね合わせブロック30aを利用することで大きな熱応力が発生するのを防止している。同様に、半導体装置40の裏面電極に対する導電路の電気抵抗が低く、半導体装置40と裏面側冷却器20bの間の伝熱経路の熱抵抗が低く、十分に柔軟な重ね合わせブロック30bを利用することで大きな熱応力が発生するのを防止している。
In the surface-
The back
In the
本実施例では、各々のグラファイト箔32aと各々の金属箔34aが、yz面に沿って延びている。この場合、ブロック36aのy方向の電気抵抗が低い。そのために、金属板38aを用いるのに代えて、ブロック36自体をy方向に長くのばして導電路としてもよい。金属板38aを併用する場合には、各々のグラファイト箔32aと各々の金属箔34aがxz面に沿って延びるようにしてもよい。また、重ね合わせブロック36は、長尺のグラファイト箔と長尺の金属箔を重ねたものを多重に巻くことで形成してもよい。
In the present embodiment, each
図1では図示されていないが、表面側重ね合わせブロック30aと半導体装置40と裏面側重ね合わせブロック30bを接合したものを、射出成形型内に収容し、表面側重ね合わせブロック30aと半導体装置40と裏面側重ね合わせブロック30bの周囲に溶融樹脂を充填し、その溶融樹脂が硬化した樹脂モールドで半導体装置40等を封止することができる。それによってモジュールの信頼性と耐久性を向上させることができる。
樹脂モールドは、その表面近傍の外形を仮想線90で示すように、ブロック36aの側方を覆う。重ね合わせブロック30aの一部は樹脂モールドから突出し、図示しない導電体に接続可能となっている。樹脂モールド90の表面はブロック36aの表面と面一であり、ブロック36aの表面は樹脂モールド90の表面に露出している。そのために、ブロック36aの表面を表面側冷却器20aの裏面に(樹脂モールドを介することなく)接合することができる。同様に、樹脂モールド90の裏面は裏面側ブロック36bの裏面と面一であり、裏面側ブロック36bの裏面は樹脂モールド90の裏面に露出している。そのために、ブロック36bの裏面を裏面側冷却器20bの表面に(樹脂モールドを介することなく)接合することができる。
Although not shown in FIG. 1, the surface-
The resin mold covers the side of the
本実施例では、裏面側にも表面側と同じ構造を配置している。本実施例は、半導体装置40が表裏両面に電極を備えており、表裏両面に冷却器を配置する場合に対応するものである。すなわち、更なる課題1の解決に向けたものである。
それに対して、半導体装置40の裏面が絶縁基板に固定されている場合もあるし、半導体装置40の裏面が大気にさらされている場合もある。そのような場合は、表面側冷却器20aと表面側重ね合わせブロック30aを用いるものの、裏面側冷却器20bと裏面側重ね合わせブロック30bは用いない。上記のケースでは、表面側冷却器20aと表面側重ね合わせブロック30aを用いるだけで、課題(基本的課題)が解決される。
In the present embodiment, the same structure as that on the front surface side is arranged on the back surface side. This embodiment corresponds to the case where the
On the other hand, the back surface of the
(基本課題と更なる課題2を解決する実施例)
図2に示すように、この実施例のモジュール80は、2個の半導体装置40a,40bを内蔵する。この明細書では、一方の半導体装置40aを表面側半導体装置といい、他方の半導体装置40bを裏面側半導体装置という。図2では、表面側半導体装置40aと表面側重ね合わせブロック30aが、中間重ね合わせブロック70に対して組み付けられた位置に示され、裏面側半導体装置40bと裏面側重ね合わせブロック30bが、中間重ね合わせブロック70から分離した状態で示されている。添え字aは表面側の部材であることを示し、添え字bは裏面側の部材であることを示し、図1と参照番号が同じ部材は、図1の部材に対応することを示している。
(Example that solves basic problem and further problem 2)
As shown in FIG. 2, the
図3に示すように、表面側半導体装置40aはダイオードとIGBTを内蔵している。同様に、裏面側半導体装置40bもダイオードとIGBTを内蔵している。表面側半導体装置40aの表面電極は、IGBTのドレイン電極であり、導電体でもある表面側重ね合わせブロック30aを介して、直流電源の正極に接続される。実際には、後記する樹脂モールド90から突出する金属板38aを利用して直流電源の正極に接続される。裏面側半導体装置40bの裏面電極は、IGBTのソース電極であり、導電体でもある裏面側重ね合わせブロック30bを介して、直流電源の負極に接続される。実際には、後記する樹脂モールド90から突出する金属板38bを利用して直流電源の負極に接続される。表面側半導体装置40aの裏面電極はIGBTのソース電極であり、裏面側半導体装置40bの表面電極はIGBTのドレイン電極であり、両者は導電体でもある中間重ね合わせブロック70によって接続される。2個のIGBTを直列に接続した電子回路が得られる。中間重ね合わせブロック70の一部78は、樹脂モールド90から突出しており、その突出部78に導電体を接続することができる。なお、IGBTのゲート電極に制御電圧を加える端子も、図示はしないものの樹脂モールド90から突出している。モジュール80は図3に示す昇圧コンバータ回路を内蔵している。
As shown in FIG. 3, the surface-
図2に示すように、表面側半導体装置40aの表面電極に表面側重ね合わせブロック30aの裏面が接合され、表面側重ね合わせブロック30aの表面に表面側冷却器20aの裏面が接合される。表面側冷却器20aの裏面は絶縁層で被覆されており、導電体である表面側重ね合わせブロック36aと表面側冷却器20aの間が絶縁されている。表面側重ね合わせブロック30aは、図1で説明した重ね合わせブロック30と同じ構造と同じ形状を備えおり、yz面内を延びるグラファイト箔32aと金属箔34aが交互に多数枚が積層されてブロック36aを形成し、そこから金属板38aが延びている。金属板38aは樹脂モールド90から突出する。上記構成によって得られる作用効果は図1を参照して説明したとおりであり、表面側半導体装置40aの表面電極に対する低電気抵抗の導電路が確保され、表面側半導体装置40aから表面側冷却器20aに至る低熱抵抗な伝熱経路が確保され、表面側半導体装置40aと表面側重ね合わせブロック30aと表面側冷却器20aに大きな熱応力が発生するのを防止する。
As shown in FIG. 2, the back surface of the front surface
裏面側も同様であり、裏面側半導体装置40bの裏面電極に裏面側重ね合わせブロック30bの表面が接合され、裏面側重ね合わせブロック30bの裏面に裏面側冷却器20bの表面が接合される。表面側と同じ関係が得られ、裏面側半導体装置40bの裏面電極に対する低電気抵抗な導電路が確保され、裏面側半導体装置40bから裏面側冷却器20bに至る低熱抵抗な伝熱経路が確保され、裏面側半導体装置40bと裏面側重ね合わせブロック30bと裏面側冷却器20bに大きな熱応力が発生するのを防止する。
The same applies to the back surface side, and the surface of the back surface
表面側半導体装置40aの裏面電極は中間重ね合わせブロック70の表面に接合され、裏面側半導体装置40bの表面電極は中間重ね合わせブロック70の裏面に接合される。中間重ね合わせブロック70は、H型ブロック76と、それに導通可能に接合されている金属板78で形成されている。H型ブロック76は、H型をしているグラファイト箔72と、H型をしている金属箔74が、交互にy方向に重ね合わせることで形成されている。各々のグラファイト箔72と金属箔74は、xz面内を延びている。グラファイト箔72と金属箔74は単に重ね合されているだけで、それ以上の拘束関係は講じられていない。重ね合わせた状態を維持するために、H型ブロック76の外表面は薄い金属箔で被覆されている。その金属箔は極めて柔軟であり、H型ブロック76を形成するグラファイト箔72と金属箔74が柔軟に変形することを邪魔しない。H型ブロック76のx方向とz方向の熱抵抗と電気抵抗は低い。H型ブロック76から延びている金属板78の先端は、樹脂モールド90から突出している。
The back electrode of the front surface
H型ブロック76は、x方向の両端部からz方向に延びる2本の重ね合わせ部を備えている。各々のz方向重ね合わせ部の表面は、表面側ブロック36aの表面と面一である。また、各々のz方向重ね合わせ部の裏面は、裏面側ブロック36bの裏面と面一である。
The H-shaped
表面側重ね合わせブロック30aと表面側半導体装置40aの側方(中間重ね合わせブロック70との隙間を含む)と、裏面側重ね合わせブロック30bと裏面側半導体装置40bの側方(中間重ね合わせブロック70との隙間を含む)と、中間重ね合わせブロック70の側方は、樹脂モールド90で覆われている。ただし、表面側ブロック36aの表面とH型ブロック76の表面は、樹脂モールド90の表面に露出している。また、裏面側ブロック36bの裏面とH型ブロック76の裏面は、樹脂モールド90の裏面に露出している。
樹脂モールド90の表面に表面側冷却器20aの裏面を被せると、表面側重ね合わせブロック30aの表面と中間重ね合わせブロック70の表面が、表面側冷却器20aの裏面に接触する。樹脂モールド90の裏面に裏面側冷却器20bの表面を被せると、裏面側重ね合わせブロック30bの裏面と中間重ね合わせブロック70の裏面が、裏面側冷却器20bの表面に接触する。
表面側重ね合わせブロック30aは、表面側半導体装置40aと表面側冷却器20aの間に低熱抵抗な伝熱経路を提供する。裏面側重ね合わせブロック30bは、裏面側半導体装置40bと裏面側冷却器20bの間に低熱抵抗な伝熱経路を提供する。さらに、中間重ね合わせブロック70は、表面側半導体装置40aと裏面側半導体装置40bと表面側冷却器20aと裏面側冷却器20bの間に低熱抵抗な伝熱経路を提供する。
The side of the front surface
If the surface of the
The surface
上記実施例によると、中間重ね合わせブロック70を利用することで、表面側半導体装置40aの裏面電極と裏面側半導体装置40bの表面電極に対する低電気抵抗な導電路が確保され、表面側半導体装置40aの裏面電極から表面側冷却器20aに至る低熱抵抗な伝熱路が確保され、表面側半導体装置40aの裏面電極から裏面側冷却器20bに至る低熱抵抗な伝熱路が確保され、裏面側半導体装置40bの表面電極から表面側冷却器20aに至る低熱抵抗な伝熱路が確保され、裏面側半導体装置40bの表面電極から裏面側冷却器20bに至る低熱抵抗な伝熱路が確保され、表面側冷却器20aと表面側重ね合わせブロック30aと表面側半導体装置40aと中間重ね合わせブロック70と裏面側半導体装置40bと裏面側重ね合わせブロック30bと裏面側冷却器20bに大きな熱応力が発生するのを防止する。
According to the above embodiment, by using the intermediate overlapping
上記の実施例では、表面側重ね合わせブロック30aと裏面側重ね合せブロック30bを構成するグラファイト箔32a,32bはyz面に沿って展開しており、中間重ね合せブロック70を構成するグラファイト箔72はxz面に沿って展開しており、両者の展開面が直交している。グラファイト箔の展開面に沿った方向の熱膨張率は非常に低い。グラファイト箔32a,32bは、モジュールがy方向に変形することを抑制し、z方向に変形することを抑制する。グラファイト箔72は、モジュールがx方向に変形することを抑制し、z方向に変形することを抑制する。グラファイト箔32a,32b,72によって、モジュールがx、y,zの全方向に向けて変形することが抑制される。モジュールが直交する3つの全方向について変形することが抑制されると、樹脂モールドで封止して保護する必要をなくすことできる。樹脂モールドを不用化することができる。
In the above embodiment, the graphite foils 32a and 32b constituting the front surface
(3相インバータ回路をモジュール化した実施例)
図4に示すように、3相インバータ回路をモジュール化することができる。この場合は各相に対して図2の構造を用いる。添え字は、u相、v相、w相を示している。図8に示すように、表面側半導体装置40au、40av,40awのドレインは、共通電位に接続する。そこで、図4に示すように、u相、v相、w相に亘って延びる金属板38aを利用する。金属板38aには3つの開孔が形成されており、そこに、u相用表面側重ね合わせブロック36au、v相用表面側重ね合わせブロック36av、w相用表面側重ね合わせブロック36awがはめ込まれている。金属板38aとブロック36au,36av,36awを組み合わせる代わりに、図4の仮想線に示すように、u相、v相、w相に亘って延びる一個の重ね合わせブロック30aを利用してもよい。各グラファイト箔32aと各金属箔34aがy方向に長く延びていれば、必要な導通性を確保することができる。
同様に、図8に示すように、裏面側半導体装置40bu、40bv,40bwのソースは、共通電位に接続する。そこで、図4に示すように、u相、v相、w相に亘って延びる金属板38bを利用する。金属板38bには3つの開孔が形成されており、そこに、u相用裏面側重ね合わせブロック36bu、v相用裏面側重ね合わせブロック36bv、w相用裏面側重ね合わせブロック36bwがはめ込まれている。金属板38bとブロック36bu,36bv,36bwを組み合わせる代わりに、図示はしないが、u相、v相、w相に亘って延びる一個の重ね合わせブロックを利用してもよい。各グラファイト箔32bと各金属箔34bがy方向に長く延びていれば、必要な導通性を確保することができる。
この実施例では、u相用とv相用とw相用の回路が、共通の樹脂モールド90に封止されている。金属板38a,38b,78u,78v,78wの一端が樹脂モールド90の外に延びている。
(Example in which a three-phase inverter circuit is modularized)
As shown in FIG. 4, the three-phase inverter circuit can be modularized. In this case, the structure of FIG. 2 is used for each phase. The subscripts indicate the u phase, the v phase, and the w phase. As shown in FIG. 8, the drains of the surface side semiconductor devices 40au, 40av, 40aw are connected to a common potential. Therefore, as shown in FIG. 4, a
Similarly, as shown in FIG. 8, the sources of the back-side semiconductor devices 40bu, 40bv, and 40bw are connected to a common potential. Therefore, as shown in FIG. 4, a
In this embodiment, the u-phase, v-phase, and w-phase circuits are sealed in a
図5は図4のV−V線断面図を示す。冷却器20a,20bの内部にある冷却液経路の断面が図示されている。参照番号22aは表面側冷却器20aの裏面に沿って延びる絶縁板であり、参照番号22bは裏面側冷却器20bの表面に沿って延びる絶縁板である。絶縁板22a,22bは、冷却器に固定されていてもよいし、冷却器の表面に形成されていてもよい。樹脂モールド90が、異なる電位の導電体の間を絶縁していることがわかる。
FIG. 5 shows a cross-sectional view taken along line VV in FIG. A cross section of the coolant path inside the
図6は、図5のVI−VI線断面図を示し、図7はモジュールの平面図を示す。参照番号42は、制御端子を示す。u相用制御端子42uとv相用制御端子42vとw相用制御端子42wは、樹脂モールド90外に延びている。表面側重ね合わせブロック30au,30av,30awの表面と、H側重ね合わせ合わせブロック70u,70v,70wの表面が、樹脂モールド90の表面に露出している。同様に、図示はしないが、裏面側重ね合わせブロック30bu,30bv,30bwの裏面と、H側重ね合わせブロック70u,70v,70wの裏面が、樹脂モールド90の裏面に露出している。
6 shows a cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG. 5, and FIG. 7 shows a plan view of the module. Reference numeral 42 indicates a control terminal. The
上記実施例では、3個の表面側ブロック36au,36av,36awを金属板38aに組み付けることで表面側重ね合せブロック30aを構成している。これに代えて、u相・v相・w相に跨って延びるグラファイト箔32aと金属箔34aの重ね合わせブロック36a自体を表面側重ね合せブロック30aとしてもよい。すなわち、金属板38aを用いない実施例がある。表面側重ね合わせブロック30aを構成するグラファイト箔32aと金属箔34aの当接面が、半導体装置40aの表面に対して垂直であり(すなわちz方向に延びており)、表面側重ね合わせブロック30aの長手方向に延びていれば(すなわちy方向に延びていれば)、必要な伝熱性と導電性を確保することができる。表面側重ね合わせブロック30a自体を導電体として用いるために金属板38aを用いない場合、図7の平面図では、y方向に長い表面側重ね合わせブロック30aの表面がモジュールの表面に露出し、表面側冷却器に密着する。裏面側重ね合わせブロック30bについても同様である。
上記の実施例では、グラファイト箔32a、32bがyz方向に延びている。グラファイト箔は、その展開面に沿った方向の熱膨張率が非常に低い。そのために、図4のモジュールのy方向の変形率とz方向の変形率は非常に低い。また、グラファイト箔72がxz方向に延びている。そのために、図4のモジュールのx方向の変形率とz方向の変形率は非常に低い。以上の結果、図4のモジュールでは、x方向、y方向、z方向のいずれの方向においても熱によって膨張・収縮する変形率が小さい。そのために、樹脂モールド90で保護する必要がない。樹脂モールド90で保護しなくても必要な信頼性を確保することができる。樹脂モールド90を省略することで製造コストを低減できる。
上記実施例では、導電体である表面側重ね合わせブロック30aと裏面側重ね合わせブロック30bはわずかな距離を隔てて向い合って延びている。インバータ回路の動作時には、わずかな距離を隔てて平行している導電体に反対方向の電流が流れる。そのために、相互インダクタスが低く抑えられる。寄生インダクタンスに起因して発熱することを抑制でき、寄生インダクタンスによって大きなサージ電圧が発生することを防止できる。
In the above-described embodiment, the surface-
In the above embodiment, the graphite foils 32a and 32b extend in the yz direction. The graphite foil has a very low coefficient of thermal expansion in the direction along the development surface. Therefore, the deformation rate in the y direction and the deformation rate in the z direction of the module of FIG. 4 are very low. Further, the
In the above embodiment, the front surface
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み合わ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み合わ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.
In addition, the technical elements described in the present 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:第1実施例のモジュール
20:冷却器
22:絶縁板
30:重ね合わせブロック
32:グラファイト箔
34:金属箔
36:ブロック
38:金属板
40:半導体装置
42:制御端子
70:中間重ね合わせブロック
72:グラファイト箔
74:金属箔
76:ブロック
78:金属板
80:第2実施例のモジュール
90:樹脂モールド
添え字a:表面側
添え字b:裏面側
10: Module 20 of the first embodiment: Cooler 22: Insulating plate 30: Superposition block 32: Graphite foil 34: Metal foil 36: Block 38: Metal plate 40: Semiconductor device 42: Control terminal 70: Intermediate superposition block 72: Graphite foil 74: Metal foil 76: Block 78: Metal plate 80:
Claims (8)
前記表面側冷却器の裏面に前記表面側重ね合わせブロックの表面が接合されており、
前記表面側重ね合わせブロックの裏面に前記半導体装置の表面電極が導通可能に接合されており、
前記表面側重ね合わせブロックは、グラファイト箔と金属箔で構成されており、前記表面電極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表面側重ね合わせブロックを観察すると前記当接面が前記表面側重ね合わせブロックの全域に亘って分布しており、
前記表面側重ね合わせブロックが、前記表面電極に導通するとともに、前記表面側冷却器と前記半導体装置の間に伝熱経路を提供し、前記表面側冷却器と前記半導体装置の間の熱膨張係数の差に起因して生じる熱応力を緩和することを特徴とするモジュール。 A module including at least a surface-side cooler, a surface-side overlapping block, and a semiconductor device;
The surface of the surface side overlapping block is bonded to the back surface of the surface side cooler,
The surface electrode of the semiconductor device is joined to the back surface of the front surface side overlapping block so as to be conductive,
The surface side overlapping block is composed of a graphite foil and a metal foil, and a normal line standing on the surface electrode is arranged in a direction extending along a contact surface of the graphite foil and the metal foil, The graphite foil and the metal foil are overlapped in a non-bonded state, and when the surface side overlapping block is observed from the normal direction, the contact surface extends over the entire surface side overlapping block. Distributed,
The surface-side overlapping block is electrically connected to the surface electrode and provides a heat transfer path between the surface-side cooler and the semiconductor device, and a coefficient of thermal expansion between the surface-side cooler and the semiconductor device. A module characterized by relieving thermal stress caused by the difference between the two.
前記裏面側冷却器の表面に前記裏面側重ね合わせブロックの裏面が接合されており、
前記裏面側重ね合わせブロックの表面に前記半導体装置の裏面電極が導通可能に接合されており、
前記裏面側重ね合わせブロックは、グラファイト箔と金属箔で構成されており、前記裏面電極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裏面側重ね合わせブロックを観察すると前記当接面が前記裏面側重ね合わせブロックの全域に亘って分布しており、
前記裏面側重ね合わせブロックが、前記裏面電極に導通するとともに、前記裏面側冷却器と前記半導体装置の間に伝熱経路を提供し、前記裏面側冷却器と前記半導体装置の間の熱膨張係数の差に起因して生じる熱応力を緩和することを特徴とする請求項1に記載のモジュール。 The back side cooler and the back side overlapping block are added,
The back side of the back side overlapping block is joined to the surface of the back side cooler,
The back surface electrode of the semiconductor device is joined to the surface of the back surface side overlapping block so as to be conductive,
The back surface side overlapping block is composed of a graphite foil and a metal foil, and a normal line standing on the back electrode is arranged in a direction extending along a contact surface of the graphite foil and the metal foil, The graphite foil and the metal foil are overlapped in a non-bonded state, and when the back surface side overlapping block is observed from the normal direction, the contact surface extends over the entire area of the back surface side overlapping block. Distributed,
The backside overlap block is electrically connected to the backside electrode and provides a heat transfer path between the backside cooler and the semiconductor device, and a thermal expansion coefficient between the backside cooler and the semiconductor device. The module according to claim 1, wherein a thermal stress generated due to the difference is relaxed.
前記表面側重ね合わせブロックの前記表面と前記裏面側重ね合わせブロックの前記裏面が、前記樹脂モールドから露出していることを特徴とする請求項2に記載のモジュール。 The periphery of the front surface side overlapping block, the semiconductor device, and the back surface side overlapping block is covered with a resin mold,
The module according to claim 2, wherein the front surface of the front surface side overlapping block and the back surface of the rear surface side overlapping block are exposed from the resin mold.
前記表面側冷却器の裏面に前記表面側重ね合わせブロックの表面が接合されており、
前記表面側重ね合わせブロックの裏面に前記表面側半導体装置の表面電極が導通可能に接合されており、
前記表面側半導体装置の裏面電極に前記中間重ね合わせブロックの表面が導通可能に接合されており、
前記裏面側冷却器の表面に前記裏面側重ね合わせブロックの裏面が接合されており、
前記裏面側重ね合わせブロックの表面に前記裏面側半導体装置の裏面電極が導通可能に接合されており、
前記裏面側半導体装置の表面電極に前記中間重ね合わせブロックの裏面が導通可能に接合されており、
前記表面側冷却器の裏面に前記中間重ね合わせブロックの表面が接合されており、
前記裏面側冷却器の表面に前記中間重ね合わせブロックの裏面が接合されており、
前記表面側重ね合わせブロックと前記中間重ね合わせブロックと前記裏面側重ね合わせブロックは、グラファイト箔と金属箔で構成されており、前記表面側半導体装置と前記裏面側半導体装置の面電極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わせブロックを観察すると前記当接面が前記重ね合わ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。 The front side cooler, the front side superposition block, the front side semiconductor device, the intermediate superposition block, the back side semiconductor device, the back side superposition block, and the back side cooler are stacked in that order,
The surface of the surface side overlapping block is bonded to the back surface of the surface side cooler,
The surface electrode of the front surface side semiconductor device is joined to the back surface of the front surface side overlapping block so as to be conductive,
The surface of the intermediate overlapping block is joined to the back electrode of the front surface side semiconductor device so as to be conductive,
The back side of the back side overlapping block is joined to the surface of the back side cooler,
The back surface electrode of the back surface side semiconductor device is joined to the surface of the back surface side overlapping block so as to be conductive,
The back surface of the intermediate overlapping block is joined to the surface electrode of the back surface side semiconductor device so as to be conductive,
The surface of the intermediate overlapping block is bonded to the back surface of the front surface side cooler,
The back surface of the intermediate overlapping block is bonded to the surface of the back side cooler,
The front surface side overlapping block, the intermediate overlapping block, and the back surface side overlapping block are made of graphite foil and metal foil, and are set up on the surface electrodes of the front surface side semiconductor device and the back surface side semiconductor device. A line is arranged in a direction extending along the contact surface of the graphite foil and the metal foil, and the graphite foil and the metal foil are overlapped in a non-bonded state, and the normal direction is The module, wherein the contact surface is distributed over the entire area of the overlapping block when the overlapping block is observed.
前記中間重ね合わせブロックを構成するグラファイト箔はxz面に沿って展開し、
前記表面側重ね合わせブロックと前記裏面側重ね合わせブロックを構成するグラファイト箔はyz面に沿って展開することを特徴とする請求項4に記載のモジュール。 When using an x, y, z orthogonal coordinate system in which the direction in which the normal line standing on the surface electrodes of the front surface side semiconductor device and the back surface side semiconductor device extends is the z direction,
The graphite foil constituting the intermediate overlapping block is developed along the xz plane,
The module according to claim 4, wherein the graphite foil constituting the front surface side overlapping block and the back surface side overlapping block is developed along the yz plane.
前記表面側重ね合わせブロックの前記表面と前記中間重ね合わせブロックの前記表面と前記中間重ね合わせブロックの前記裏面と前記裏面側重ね合わせブロックの前記裏面が、前記樹脂モールドから露出しており、
前記表面側重ね合わせブロックの一部と前記中間重ね合わせブロックの一部と前記裏面側重ね合わせブロックの一部が、前記樹脂モールドから突出していることを特徴とする請求項4または5に記載のモジュール。 The front surface side overlapping block, the front surface side semiconductor device, the intermediate overlapping block, the back surface side semiconductor device, and the periphery of the back surface side overlapping block are covered with a resin mold,
The front surface of the front surface side overlapping block, the front surface of the intermediate overlapping block, the back surface of the intermediate overlapping block, and the back surface of the back surface side overlapping block are exposed from the resin mold,
6. The part according to claim 4, wherein a part of the front surface side overlapping block, a part of the intermediate overlapping block, and a part of the back surface side overlapping block protrude from the resin mold. module.
u相用モジュールの前記表面側重ね合わせブロックと、v相用モジュールの前記表面側重ね合わせブロックと、w相用モジュールの前記表面側重ね合わせブロックが、相互に導通可能に連続しており、
u相用モジュールの前記裏面側重ね合わせブロックと、v相用モジュールの前記裏面側重ね合わせブロックと、w相用モジュールの前記裏面側重ね合わせブロックが、相互に導通可能に連続していることを特徴とする複合モジュール。 A composite module in which the u-phase module according to claim 4 or 5, the v-phase module according to claim 4 or 5, and the w-phase module according to claim 4 or 5 are combined.
The surface-side overlapping block of the u-phase module, the surface-side overlapping block of the v-phase module, and the surface-side overlapping block of the w-phase module are continuous so as to be mutually conductive.
The back-side overlapping block of the u-phase module, the back-side overlapping block of the v-phase module, and the back-side overlapping block of the w-phase module are continuous so as to be mutually conductive. Feature composite module.
u相用モジュールの前記表面側重ね合わせブロックと、v相用モジュールの前記表面側重ね合わせブロックと、w相用モジュールの前記表面側重ね合わせブロックを兼用する部材の長手方向をy方向とし、
前記表面側半導体装置と前記裏面側半導体装置の面電極に立てた法線が延びる方向をz方向としたときに、
x方向とy方向とz方向は相互に直交し、
前記中間重ね合わせブロックを構成するグラファイト箔はxz面に沿って延び、
前記表面側重ね合わせブロックと前記裏面側重ね合せブロックを構成するグラファイト箔はyz面に沿って延びていることを特徴とする請求項7に記載の複合モジュール。 The longitudinal direction of each of the intermediate overlapping block of the u-phase module, the intermediate overlapping block of the v-phase module, and the intermediate overlapping block of the w-phase module is defined as the x direction,
The longitudinal direction of the member that also serves as the surface side overlapping block of the u phase module, the surface side overlapping block of the v phase module, and the surface side overlapping block of the w phase module is defined as the y direction,
When the direction in which the normal extending from the surface electrodes of the front surface side semiconductor device and the back surface side semiconductor device extends is the z direction,
the x, y and z directions are orthogonal to each other,
The graphite foil constituting the intermediate overlapping block extends along the xz plane,
The composite module according to claim 7, wherein the graphite foil constituting the front surface side overlapping block and the back surface side overlapping block extends along the yz plane.
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