JP7119776B2 - Power semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、吸熱素子を備えたパワー半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a power semiconductor device having a heat absorbing element and a manufacturing method thereof.
パワー半導体素子からの発熱を吸収するように、パワー半導体素子の発熱部と冷却用ペルチェ素子とを隣接して配置した構成が知られている。 A configuration is known in which a heat generating portion of a power semiconductor element and a cooling Peltier element are arranged adjacent to each other so as to absorb heat generated from the power semiconductor element.
以下に挙げる特許文献1には、半導体素子の炭化シリコンからなる発熱部の上に、絶縁体で且つ熱伝導体である真性炭化シリコン(i-SiC)が連続して形成された半導体装置が記載されている。この構成により、半導体素子の発熱部とペルチェ素子との接触部での熱抵抗を小さくし、外部への排熱の熱流速(W/m2)を向上させている。
しかしながら、引用文献1に開示された構成をもってしても、自動車に搭載されたパワー半導体素子からの瞬間的な発熱に対して、ペルチェ素子による冷却(吸熱及び放熱)が間に合わず、結果的に、半導体素子の出力を制限せざるを得ないという問題がある。
However, even with the configuration disclosed in
本発明は、前記従来の問題を解決し、パワー半導体素子の出力を抑制することなく、当該半導体素子からの発熱を吸熱し且つ放熱できるようにすることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the conventional problems described above and to absorb and dissipate heat generated from a power semiconductor element without suppressing the output of the power semiconductor element.
前記の目的を達成するため、本発明は、ペルチェ素子を構成する各構成体の外形の側面の表面積を大きくし、且つ、この拡大された側面を容量体と接触させる構成とする。 In order to achieve the above object, the present invention is configured to increase the surface area of the side surface of each component constituting the Peltier element and to bring the enlarged side surface into contact with the capacitor.
具体的に、本発明は、パワー半導体装置及びその製造方法を対象とし、次のような解決手段を講じた。 Specifically, the present invention is directed to a power semiconductor device and a method of manufacturing the same, and has taken the following solutions.
すなわち、第1の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に接合されたペルチェ素子とを備えたパワー半導体装置であって、ペルチェ素子は、複数の構成体が電気的に接続されてなり、構成体は、その表面積を拡大した表面積拡大部を有しており、ペルチェ素子における少なくとも表面積拡大部と熱的に接触する熱容量体を備え、熱容量体は固液相変化物質である。 That is, a first invention is a power semiconductor device comprising a power semiconductor element and a Peltier element joined to the power semiconductor element, wherein the Peltier element is formed by electrically connecting a plurality of components, The structure has a surface area enlarged portion that has an enlarged surface area, and includes a heat capacity body that is in thermal contact with at least the surface area enlarged part of the Peltier element, and the heat capacity body is a solid-liquid phase change material.
これによれば、ペルチェ素子は、その構成体が表面積を拡大した表面積拡大部を有しており、ペルチェ素子における少なくとも表面積拡大部と熱的に接触する熱容量体を備えている。これにより、熱容量体がペルチェ素子の表面積拡大部からの放熱の熱流束を瞬間的に上回るピークを持つ熱量を一時的に貯留し、この熱量のピークが過ぎた後に、熱容量体に貯留された熱を半導体素子側から放熱することができる。従って、パワー半導体素子に対してその出力を十分に引き出すことが可能となる。 According to this, the Peltier element has a surface area enlarged portion whose structure has an enlarged surface area, and is provided with a heat capacitor thermally contacting at least the surface area enlarged portion of the Peltier element. As a result, the heat capacity body temporarily stores the amount of heat having a peak momentarily exceeding the heat flux of heat dissipation from the enlarged surface area of the Peltier element, and after the peak of this heat amount passes, the heat stored in the heat capacity body can be radiated from the semiconductor element side. Therefore, it is possible to sufficiently draw out the output of the power semiconductor element.
なお、上記した特許文献2には、潜熱蓄熱材(容量体)を吸熱部に用いた半導体冷却装置が開示されているものの、この場合は、温度が高い領域から低い領域への熱伝導(熱移動)を用いるに過ぎず、本実施形態のように、ペルチェ素子20を用いる構成、すなわち、熱移動に外部からのエネルギー(電気エネルギー)を積極的に供給する構成とは異なる。
In addition, although the above-mentioned Patent Document 2 discloses a semiconductor cooling device using a latent heat storage material (capacitor) as a heat absorption part, in this case, heat conduction from a high temperature region to a low temperature region (heat This is different from the configuration using the Peltier
また、熱容量体として、固液相変化物質からなる潜熱蓄熱剤を用いることができる。Also, a latent heat storage agent made of a solid-liquid phase change material can be used as the heat capacity body.
第2の発明は、上記第1の発明において、ペルチェ素子の構成体の表面積拡大部は、稜線がパワー半導体素子の上面と並行に延びる三角屋根状、又は平面波型状、又はポーラス状であってもよい。 In a second invention based on the first invention, the enlarged surface area portion of the Peltier element structure has a triangular roof shape, a plane wave shape, or a porous shape, the ridgeline of which extends parallel to the upper surface of the power semiconductor device. good too.
これによれば、ペルチェ素子の構成体の表面積を確実に拡大することができる。 According to this, the surface area of the structure of the Peltier element can be reliably increased.
第3の発明は、上記第1又は第2の発明において、ペルチェ素子は、半導体シリコンにより構成されていてもよい。 According to a third invention, in the first or second invention, the Peltier device may be made of semiconductor silicon.
これによれば、ペルチェ素子を安価で入手が容易な半導体材料によって形成することができる。 According to this, the Peltier element can be formed from a semiconductor material that is inexpensive and readily available.
第4の発明は、上記第1の発明において、固液相変化物質は、有機アルコール又は糖アルコールであってもよい。 In a fourth aspect based on the first aspect, the solid-liquid phase-change substance may be an organic alcohol or a sugar alcohol.
第5の発明は、上記第1~第4の発明において、熱容量体と熱的に接触する冷却部をさらに備えていてもよい。 According to a fifth invention, in any one of the first to fourth inventions, a cooling portion that is in thermal contact with the heat capacity body may be further provided.
これによれば、熱容量体が吸収した熱を冷却部を通して速やかに放熱することができる。 According to this, the heat absorbed by the heat capacity body can be rapidly radiated through the cooling portion.
また、第6の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に接合されたペルチェ素子とを備えたパワー半導体装置の製造方法であって、絶縁性基板の上に、ペルチェ素子を構成する複数の構成体を、下部電極を介在させて配置する工程と、複数の構成体のうち、互いに隣接する構成体同士を上部電極によって接続する工程と、電気的に接続された複数の構成体を、絶縁性基板を介在させてパワー半導体素子と接合する工程と、パワー半導体素子と接合されたペルチェ素子を該ペルチェ素子と熱的に接触する熱容量体により覆う工程とを備え、複数の構成体はその表面積を拡大した表面積拡大部を有し、熱容量体は固液相変化物質である。 A sixth aspect of the invention is a method of manufacturing a power semiconductor device comprising a power semiconductor element and a Peltier element joined to the power semiconductor element, comprising: a step of arranging the constituents with a lower electrode interposed therebetween; a step of connecting constituents adjacent to each other among the plurality of constituents with the upper electrode; and insulating the plurality of electrically connected constituents. and a step of covering the Peltier element joined to the power semiconductor element with a heat capacitor that is in thermal contact with the Peltier element. and the heat capacity body is a solid-liquid phase change material.
これによれば、ペルチェ素子を構成する複数の構成体がその表面積を拡大した表面積拡大部を有しており、さらに、複数の構成体の表面積拡大部と熱的に接触する熱容量体を備えたペルチェ素子が実現される。このペルチェ素子は、通常(既存)のパワー半導体素子と接合が可能であるので、パワー半導体素子の種類、例えば用途や半導体材料に限定されず、従って、適用範囲を拡げることができる。 According to this, the plurality of constituent bodies constituting the Peltier element have enlarged surface area portions that have enlarged surface areas, and the heat capacity body is provided in thermal contact with the enlarged surface area portions of the plurality of constituent members. A Peltier element is realized. Since this Peltier element can be joined to a normal (existing) power semiconductor element, it is not limited to the type of power semiconductor element, for example, the application or the semiconductor material, and therefore the range of application can be expanded.
また、熱容量体として、固液相変化物質からなる潜熱蓄熱剤を用いることができる。Also, a latent heat storage agent made of a solid-liquid phase change material can be used as the heat capacity body.
第7の発明は、上記第6の発明において、ペルチェ素子の構成体の表面積拡大部は、稜線がパワー半導体素子の上面と並行に延びる三角屋根状、又は平面波型状、又はポーラス状であってもよい。 In a seventh aspect based on the sixth aspect, the enlarged surface area portion of the structure of the Peltier element has a triangular roof shape, a plane wave shape, or a porous shape, the ridgeline of which extends parallel to the upper surface of the power semiconductor device. good too.
これによれば、ペルチェ素子の構成体の表面積を確実に拡大することができる。 According to this, the surface area of the structure of the Peltier element can be reliably increased.
第8の発明は、上記第6又は第7の発明において、ペルチェ素子は、半導体シリコンにより構成されていてもよい。 According to an eighth invention, in the sixth or seventh invention, the Peltier element may be made of semiconductor silicon.
これによれば、ペルチェ素子を安価で入手が容易な半導体材料によって形成することができる。 According to this, the Peltier element can be formed from a semiconductor material that is inexpensive and readily available.
第9の発明は、上記第6~第8の発明において、複数の構成体を配置する工程は、各構成体の配置位置に開口部を有するマスクを用いて行ってもよい。 In a ninth aspect based on the sixth to eighth aspects, the step of arranging the plurality of constituents may be performed using a mask having openings at the arrangement positions of the respective constituents.
これによれば、絶縁性基板上の所定の位置に、微小な構成体を効率良く配置することができる。 According to this, it is possible to efficiently arrange a minute structure at a predetermined position on the insulating substrate.
本発明によれば、パワー半導体素子の出力を抑制することなく、当該半導体素子からの発熱を吸熱し且つ放熱することができる。 According to the present invention, heat generated from a power semiconductor element can be absorbed and released without suppressing the output of the power semiconductor element.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物又はその用途を制限することを意図しない。また、各図面の構成部材における寸法比は、便宜上に過ぎず、必ずしも実際の構成部材における寸法比を表してはいない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on the drawings. The following description of preferred embodiments is merely exemplary in nature and is not intended to limit the invention, its applications or its uses. Also, the dimensional ratios of the constituent members in each drawing are for convenience only and do not necessarily represent the dimensional ratios of the actual constituent members.
(一実施形態)
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
(one embodiment)
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1及び図2は一実施形態に係るパワー半導体装置の模式的に表し、図1はその断面構成を表し、図2はパワー半導体素子10とペルチェ素子20とを模式的に表している。
1 and 2 schematically show a power semiconductor device according to an embodiment, FIG. 1 shows its cross-sectional configuration, and FIG. 2 schematically shows a
図1に示すように、パワー半導体装置1は、パワー半導体素子10と、該パワー半導体素子10の上に載置されて固着されたペルチェ素子20と、パワー半導体素子10及びペルチェ素子20と接触して覆う熱容量体30とを備えている。
As shown in FIG. 1, the
パワー半導体素子10は、公知のパワーデバイスでよく、例えば、SiC-DMOSFET又はSi-IGBTを用いることができる。SiC-DMOSFETは、炭化シリコン(SiC)からなる二重拡散MOSFET(酸化金属半導体電界効果トランジスタ)であり、Si-IGBTは、シリコン(Si)からなる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタである。ここで、パワー半導体素子10は、例えば、冷却部を兼ねる金属からなる基台40の上にパワー素子電極11及び高熱伝導性の接着材12を介して固着されている。基台40は、筐体の底部であってもよい。
The
図2に示すように、ペルチェ素子20は、パワー半導体素子10の上に、それぞれ複数のドット(島)状に交互に配置された構成体であるn型シリコン層20n及びp型シリコン層20pと、これらシリコン層20n、20pに交互に電流が流れるように、その下部に配置された下部電極21及びその上部に配置された上部電極22とから構成されている。下部電極21及び上部電極22には、例えばニッケル(Ni)を用いることができる。これら電極21、22には、ニッケル(Ni)の他にも、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、錫(Sn)、モリブデン(Mo)、銅(Cu)又は金(Au)を用いることができる。
As shown in FIG. 2, the
ここで、ペルチェ素子20におけるシリコン層20n、20pの少なくとも一部は、パワー半導体素子10との接合面の反対側、すなわちシリコン層20n、20pの各側面において、その上端の稜線がパワー半導体素子10の上面と並行に延びる、例えば三角屋根状に形成されている。このように、シリコン層20n、20pが三角屋根状に形成されることにより、各シリコン層20n、20pの側面の表面積が拡大される。以降、表面積が拡大された側面を表面積拡大部20aと呼ぶ。なお、表面積拡大部20aは、三角屋根状に限られず、平面視において波型状であってもよく、又は少なくとも各側面が多孔性のポーラス状であってもよい。
Here, at least a part of the silicon layers 20n and 20p in the
ペルチェ素子20は、パワー半導体素子10の上面に、該半導体素子10と接合されている。詳細には、ペルチェ素子20は、その複数の下部電極21が、パワー半導体素子10の上面に形成された2つのソース電極(図示せず)と電気的に接続された金属からなるペルチェ素子接続用ソース電極13と、該接続用ソース電極13の上に形成された高熱伝導絶縁性基板23とを介在させて熱的に接続されている。すなわち、ペルチェ素子20とパワー半導体素子10とは、ペルチェ素子接続用ソース電極13、高熱伝導絶縁性基板23及び下部電極21を介して互いに熱的に連結されている。また、下部電極21の両端部は、直流電源53と接続されている。
The
ペルチェ素子接続用ソース電極13には、2つのソース電極が互いに対向する側の側端部(図4を参照。)にそれぞれ複数のソース引き出し線15が設けられている。また、パワー半導体素子10の上面における2つのソース電極の間の領域で、且つこの領域のうちの一方の端部には、ゲート電極接続部14が形成されている。ゲート電極接続部14にはゲート引き出し線16が設けられている。
The Peltier device
さらに、図1に示すように、ペルチェ素子20及びパワー半導体素子10は、熱容量体30により接触するように覆われている。具体的には、パワー半導体素子10における側面、n型シリコン層20n及びp型シリコン層20pの各側面、並びに高熱伝導絶縁性基板23及び下部電極21における各露出部分が、熱容量体30と接触して覆われている。
Furthermore, as shown in FIG. 1, the
熱容量体30には、例えば、固液相変化物質である潜熱蓄熱材を効果的に用いることができる。この潜熱蓄熱材には、例えば、糖アルコールを用いることができる。有効な糖アルコールの例として、エリスリトール(erythritol:C4H10O4)又はマンニトール(mannitol:C6H14O6)を挙げることができる。エリスリトールの融点は約120℃であり、マンニトールの融点は約167℃である。すなわち、これらの糖アルコールは常温では固体であり、従って、熱容量体30によって、ペルチェ素子20等と接触して覆うには、一旦、加熱して溶融し、液相とすればよい。
A latent heat storage material, which is a solid-liquid phase change material, can be effectively used for the
なお、図1及び図2に示すパワー半導体装置1は、1つのパワー半導体素子10のみを示しているが、通常、複数個のパワー半導体素子10を有している。
Although the
また、それぞれペルチェ素子20が接合された複数個のパワー半導体素子10は、筐体の内部に封止されてもよい。図1に示すように、筐体の蓋体50が、熱容量体30の上面と接触してもよい。蓋体50に比較的に熱伝導率が高い、例えばアルミニウムのような金属を用いれば、筐体内及び熱容量体30からの熱を蓋体50を通して外部に放熱することが可能となる。なお、熱容量体30を筐体に封止する際には、上記の糖アルコールは、固相の場合には、液相の場合と比べて体積が膨張することを考慮する必要がある。
Also, the plurality of
-効果-
このように、本実施形態に係るパワー半導体装置1によると、パワー半導体素子10と接合され、熱的に連結されたペルチェ素子20は、その構成体であるn型シリコン層20n及びp型シリコン層20pの各側面が拡大された表面積拡大部20aを有している。さらに、これらの表面積拡大部20aは、熱容量体30によって熱的に接触している。これにより、熱容量体30がペルチェ素子20の各シリコン層20n、20pの表面積拡大部20aからの放熱の熱流束を瞬間的に上回るピークを持つ熱量を一時的に貯留することができる。さらに、この熱量のピークが過ぎた後、車両の場合は数秒以内の後には、ペルチェ素子20における直流電源53の極性を反転することにより、熱容量体30に貯留された熱をパワー半導体素子10側から放熱することができる。従って、当該パワー半導体素子10に対してその出力(能力)を十分に引き出すことが可能となる。
-effect-
As described above, according to the
図3に、例えば、IGBTからなる複数のパワー半導体素子10を用いたパワーモジュールを車両に搭載した場合の、モータトルクの要求仕様値とパワー半導体素子10の発熱温度との関係を示す。ここで、破線のグラフはモータトルクの要求仕様値(右縦軸)であり、実線のグラフはパワー半導体素子10の温度(左縦軸)である。図3に示すように、モータへの3秒間程度のトルク要求に対して、パワー半導体素子10が60℃程度から90℃程度にまで上昇する。このときの温度の上昇率は約40℃/sである。インバータシステムの構成によっては、110℃程度まで上昇する場合もあり、本実施形態では、ペルチェ素子20に電気エネルギーを瞬間的(間欠的)に付与することにより、このピーク部分の熱を熱容量体30に放熱する(図1の矢印T1を参照。)。また、パワー半導体素子10の温度が60℃程度の定常状態の下では、熱容量体30に蓄熱された熱を上面の蓋体50を通して放熱すると共に、ペルチェ素子20の上部電極22から吸熱して、下部電極21、高熱伝導絶縁性基板23、ペルチェ素子接続用ソース電極13、パワー半導体素子10、パワー素子電極11、及び接着材12等を通して、冷却部である基台40に放熱する(図1の矢印T2を参照。)。
FIG. 3 shows the relationship between the required specification value of motor torque and the heat generation temperature of the
(製造方法)
以下、本実施形態に係る製造方法について図面を参照しながら説明する。
(Production method)
The manufacturing method according to this embodiment will be described below with reference to the drawings.
第1の製造方法においては、パワー半導体素子10として、既存のIGBT又はDMOSFET等を用い、このパワー半導体素子10の上にペルチェ素子20を接合して形成する。
In the first manufacturing method, an existing IGBT, DMOSFET, or the like is used as the
まず、図4に示すように、パワー半導体装置1に用いる既存のパワー半導体素子10の2つのソース電極17の上に、該ソース電極17と接触した状態で覆う板状のペルチェ素子接続用ソース電極13を導電性接着材によって固着する。ここでは、パワー半導体素子10の平面寸法は、例えば、10mm程度とする。また、パワー半導体素子10の上面に設けられたゲート電極接続部14は露出させる。ペルチェ素子接続用ソース電極13には、例えば、厚さが1mmの銅(Cu)又はアルミニウム(Al)等からなる金属板を用いることができる。
First, as shown in FIG. 4, on two
一方、図5に示すように、径が8cm程度で、厚さが0.2cm程度の単結晶シリコンからなるウエーハ20Aから、底辺が最大で0.9×0.8mm2程度の立柱体状にダイシングすることにより、複数のn型シリコン層20Anを切り出す。ここでは、予めインゴット20Aを所定の不純物濃度を有するn型としておく。図示はしないが、p型の単結晶シリコンからなるインゴット(図示せず)から、同様にして、複数のp型シリコン層20Apを切り出す。
On the other hand, as shown in FIG. 5, a
次に、図6に示すように、形成した各n型シリコン層20Anに対して、例えば、レーザ光を用いて、立柱体の対向する側面を三角屋根状に加工して、それぞれn型シリコン層20Anからn型シリコン層20nを形成する。同様に、各p型シリコン層20Apから、それぞれp型シリコン層20pを形成する。使用するレーザ光は、単結晶シリコンの加工が容易に行えればよく、例えば、YAG(Yttrium Aluminum Garnet)レーザ、紫外線(UV:ultraviolet)レーザ、又は半導体レーザ等を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 6, for each of the formed n-type silicon layers 20An, for example, by using a laser beam, the opposing side surfaces of the cubic column are processed into a triangular roof shape, and the n-type silicon layers 20An are formed. An n-
なお、単結晶シリコンからなるインゴット20Aの表面(底面)の面方位を、例えば{100}面とし、立柱体の対向する側面の面方位を{001}面とすれば、三角屋根状の斜面の面方位は、{101}となるので、加工はより容易且つ確実に行うことができる。
If the plane orientation of the surface (bottom surface) of the
次に、図7に示すように、各シリコン層20n、20pの表面領域に対して、例えばイオン注入を行って、下部電極21及び上部電極22とのコンタクト用の高濃度ドーピング層20hを形成する。n型シリコン層20nのドーパントには、例えば燐(P)を用いることができ、p型シリコン層20pのドーパントには、例えばホウ素(B)を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 7, the surface regions of the silicon layers 20n and 20p are ion-implanted, for example, to form a high-
次に、図8に示すように、高熱伝導絶縁性基板23を作製する。まず、平面寸法が約10mmのほぼ正方形状で、厚さが約0.22mmの窒化シリコン(Si3N4)基板を用意する。用意した窒化シリコン基板に対して、下部電極回路形成用パターン23aを形成する。当該パターン23aにおける1つ分は、図中のx方向に隣接する1対のシリコン層20n、20pの底面が配置できる平面寸法を持つ。ここでは、50対分のパターン23aを形成する。従って、窒化シリコン基板には、各シリコン層20n、20pが併せて10行10列の100個分配列される。なお、x方向とは、図2に示すソース引き出し線15が引き出される方向である。また、y方向とは、x方向と直交する方向である。
Next, as shown in FIG. 8, a highly thermally conductive insulating
x方向及びy方向に共に隣接する各パターン23a同士の境界部分には、窒化シリコンからなる絶縁壁23bが形成されている。これにより、隣接する各シリコン層20n、20pが隣り合うパターン23a同士の底部において電気的に接触することを防止している。
An insulating
下部電極回路形成用パターン23aの形成方法の一例として、リソグラフィ法により、絶縁壁23bの形成領域をマスクするマスク膜をレジスト又は無機材によって形成する。続いて、マスクされた窒化シリコン基板に対して、例えば、フッ化炭素(CF4)と酸素(O2)との混合ガス、又はフッ化硫黄(SF6)等をエッチングガスとするプラズマエッチング法によりドライエッチングを行って、図8に示す高熱伝導絶縁性基板23を得る。
As an example of a method of forming the lower electrode
次に、図9に示すように、高熱伝導絶縁性基板23の上に、下部電極回路形成パターンを構成する複数の下部電極21を形成する。下部電極21には、例えば、厚さが約70μmの銅(Cu)を用いることができる。下部電極21の形成方法には、銅をターゲット材とするスパッタリング法を用いることができる。このスパッタリング法を用いることにより、高熱伝導絶縁性基板23上における下部電極回路形成用パターン23aの1つ1つに確実に下部電極21を形成することができる。また、銅からなる下部電極21には、めっき法(電界めっき又は無電界めっき)を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 9, a plurality of
次に、高熱伝導絶縁性基板23上の複数の下部電極21の上に、n型シリコン層20nとp型シリコン層20pとをそれぞれ所定の位置に配置する。
Next, an n-
ここでは、図10~図13に示すように、例えば、高熱伝導絶縁性基板23上に形成された下部電極21の上にそれぞれ配置されるn型シリコン層20n又はp型シリコン20pの各配置位置と対応する複数の開口部60aを有するマスク60を用いる。マスク60における開口パターンは、1種類であってもよい。この場合、例えばp型シリコン20pを配置する際には、n型シリコン層20nの配置位置に対して、平面視で1列分だけ左方向又は右方向にずらして使用すればよい。また、当該マスク60の構成材料には金属膜を用いてもよい。この場合、複数の開口部60aはエッチングにより形成してもよい。
Here, as shown in FIGS. 10 to 13, for example, each arrangement position of the n-
まず、図10に示すように、マスク60を、その各開口部60aが高熱伝導絶縁性基板23上の下部電極21におけるn型シリコン層20nの各配置位置と一致するように、絶縁性基板23の上方に保持する。続いて、マスク60の各開口部60aを通して、その下方の下部電極21の上に、クリームはんだ等の流動性(粘性)を持つはんだ材24の必要量を塗布又は滴下する。
First, as shown in FIG. 10, a
次に、図11に示すように、n型シリコン層20nの配置位置と一致するように保持されたマスク60の各開口部60aを通して、それぞれn型シリコン層20nを下部電極21上のはんだ材24の上に載置する。
Next, as shown in FIG. 11, the n-
次に、図12に示すように、マスク60を、その各開口部60aが絶縁性基板23上の下部電極21におけるp型シリコン層20pの各配置位置と一致するように、絶縁性基板23上の上方に保持する。ここでは、マスク60の保持位置をn型シリコン層20nの場合と比べて、1列分だけ左方向にずらしている。続いて、マスク60の各開口部60aを通して、その下方の下部電極21の上に、はんだ材24を塗布又は滴下する。
Next, as shown in FIG. 12, a
次に、図13に示すように、p型シリコン層20pの配置位置と一致するように保持されたマスク60の各開口部60aを通して、それぞれp型シリコン層20pを下部電極21上のはんだ材24の上に載置する。
Next, as shown in FIG. 13, the p-
その後、マスク60を除去し、上方から各シリコン層20n、20pを押圧しながら所定の温度に加熱して、はんだ材24を硬化する。これにより、各シリコン層20n、20pが下部電極21と固着する。
Thereafter, the
なお、図5で説明したように、各シリコン層20n、20pの底面の形状は、正方形ではなく長方形である。これにより、図11及び図13に示すn型シリコン層20n及びp型シリコン層20pをマスク60を介して配列する際に、例えば、三角屋根状の稜線の方向を揃えるのが容易となる。
Note that the shape of the bottom surface of each of the silicon layers 20n and 20p is rectangular, not square, as described with reference to FIG. As a result, when arranging the n-
また、本実施形態においては、n型シリコン層20nをp型シリコン層20pよりも先に配置したが、これに限られず、p型シリコン層20pをn型シリコン層20nよりも先に配置してもよい。
Further, in the present embodiment, the n-
続いて、図14に示すように、高熱伝導絶縁性基板23上の下部電極21の上に固着された複数対のシリコン層20n、20pのそれぞれの上に、上部電極22を形成する。具体的には、図14において、下から1行目の左端に位置するp型シリコン層20pからその右端に位置するn型シリコン層20nまでを直列に接続する。このとき、下から1行目の右端に位置するn型シリコン層20nと下から2行目の右端に位置するp型シリコン層20pとを接続する。さらに、下から2行目の右端に位置するp型シリコン層20pからその左端に位置するn型シリコン層20nまでを直列に接続する。この直列接続を全10行分行う。なお、一の下部電極回路形成用パターン23aとこれとx方向に隣接する他の下部電極回路形成用パターン23aとは、隣接する各シリコン層20n、20pの側面(斜面)同士を電気的に接続するように上部電極22を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 14, an
上部電極22の形成方法は、まず、リソグラフィ法により、上部電極22の形成領域を除く領域マスクするマスク膜を形成する。続いて、例えば、銅をターゲット材とするスパッタリング法により、高熱伝導絶縁性基板23上の全面に銅膜を成膜する。その後、マスク膜を除去する、いわゆるリフトオフ法により、各上部電極22を形成して、ペルチェ素子20を得る。本実施形態においては、一の対のp型シリコン層20pとそれとx方向に隣接する他の対のn型シリコン層20nとは、絶縁壁23bによって絶縁されており、このある程度の高さを持った絶縁壁23bによって、上部電極22が下部電極21と短絡することを防止できる。
As for the method of forming the
続いて、図14に示すように、ペルチェ素子20とパワー半導体素子10上のペルチェ素子接続用ソース電極13とを接着材等によって接合する。
Subsequently, as shown in FIG. 14, the
次に、図15に示すように、本実施形態に係るパワー半導体装置1は、一例として、2組の3アーム構成のインバータ装置を搭載するモジュールとしている。すなわち、それぞれペルチェ素子20が接合された6個のパワー半導体素子10を含むインバータ装置を、外部端子52を有する筐体51内に配設する。なお、図15においては、配線の図示を省略している。
Next, as shown in FIG. 15, the
次に、図16に示すように、筐体51の内部に、熱容量体30として、例えばエリスリトール等の糖アルコールからなる潜熱蓄熱材を封入する。
Next, as shown in FIG. 16 , a latent heat storage material made of sugar alcohol such as erythritol is enclosed as the
その後、図1に示す蓋体50によって筐体51を封止する。この場合、熱容量体30にエリスリトールを用いた場合は、固相の方が液相よりも密度が低いため、溶融後はその体積が収縮する。一方、マンニトールを用いた場合は、逆に液相の方が固相よりも密度が低いため、溶融後はその体積が膨張するので、封入量に注意する必要がある。
After that, the
-効果(製造方法)-
上述したように、本実施形態に係るパワー半導体装置1の製造方法によると、パワー半導体素子10として、IGBT又はDMOSFET等の既存のパワー半導体素子を用いることができる。従って、本実施形態のペルチェ素子20は、所望の性能を有するパワー半導体素子と組み合わせて製造できるので、パワー半導体素子の種類、例えば、用途や半導体材料に限定されないので、ペルチェ素子20の適用範囲を拡げることができる。
- Effect (manufacturing method) -
As described above, according to the method for manufacturing the
また、本実施形態のペルチェ素子20は、上述したように、ペルチェ素子20の構成体であるn型シリコン層20n及びp型シリコン層20pの各側面が拡大された表面積拡大部20aを有している。さらに、これらの表面積拡大部20aは、熱容量体30によって熱的に接触する。この構成により、熱容量体30がペルチェ素子20の各シリコン層20n、20pの表面積拡大部20aからの放熱の熱流束を瞬間的に上回るピークを持つ熱量を一時的に貯留することができる。従って、当該パワー半導体素子10に対してその出力を十分に引き出すことが可能となる。
In addition, as described above, the
本発明は、パワー半導体素子の出力を抑制することなく、当該半導体素子からの発熱を吸熱し且つ放熱でき、車両用のパワー半導体装置として特に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can absorb and dissipate heat generated from a power semiconductor element without suppressing the output of the power semiconductor element, and is particularly useful as a power semiconductor device for vehicles.
1 パワー半導体装置
10 パワー半導体素子
11 パワー素子電極
13 ペルチェ素子接続用ソース電極
20 ペルチェ素子
20a 表面積拡大部
20h 高濃度ドーピング層
20n n型シリコン層(構成体)
20p p型シリコン層(構成体)
21 下部電極
22 上部電極
23 高熱伝導絶縁性基板(絶縁性基板)
23a 下部電極回路形成用パターン
23b 絶縁壁
24 はんだ材
30 熱容量体
40 基台(冷却部)
50 蓋体
51 筐体
60 マスク
60a 開口部
1
20p p-type silicon layer (structure)
21
23a Lower electrode
50
Claims (9)
前記ペルチェ素子は、複数の構成体が電気的に接続されてなり、
前記構成体は、その表面積を拡大した表面積拡大部を有しており、
前記ペルチェ素子における少なくとも前記表面積拡大部と熱的に接触する熱容量体を備え、
前記熱容量体は、固液相変化物質であるパワー半導体装置。 A power semiconductor device comprising a power semiconductor element and a Peltier element joined to the power semiconductor element,
The Peltier element is formed by electrically connecting a plurality of structures,
The structure has a surface area enlarged portion with an enlarged surface area,
a heat capacitor in thermal contact with at least the surface area enlarged portion of the Peltier element ;
The power semiconductor device , wherein the heat capacity body is a solid-liquid phase change material .
前記ペルチェ素子の構成体の前記表面積拡大部は、稜線が前記パワー半導体素子の上面と並行に延びる三角屋根状、又は平面波型状、又はポーラス状であるパワー半導体装置。 In the power semiconductor device according to claim 1,
The power semiconductor device, wherein the surface area enlarged portion of the structure of the Peltier element has a triangular roof shape, a plane wave shape, or a porous shape with a ridge line extending parallel to the upper surface of the power semiconductor element.
前記ペルチェ素子は、半導体シリコンにより構成されているパワー半導体装置。 In the power semiconductor device according to claim 1 or 2,
The power semiconductor device, wherein the Peltier element is made of semiconductor silicon.
前記固液相変化物質は、有機アルコール又は糖アルコールであるパワー半導体装置。 In the power semiconductor device according to claim 1 ,
The power semiconductor device, wherein the solid-liquid phase change substance is organic alcohol or sugar alcohol.
前記熱容量体と熱的に接触する冷却部をさらに備えているパワー半導体装置。 In the power semiconductor device according to any one of claims 1 to 4 ,
A power semiconductor device further comprising a cooling portion in thermal contact with the heat capacitor.
絶縁性基板の上に、前記ペルチェ素子を構成する複数の構成体を、下部電極を介在させて配置する工程と、
前記複数の構成体のうち、互いに隣接する構成体同士を上部電極によって接続する工程と、
電気的に接続された複数の構成体を、前記絶縁性基板を介在させて前記パワー半導体素子と接合する工程と、
前記パワー半導体素子と接合されたペルチェ素子を、該ペルチェ素子と熱的に接触する熱容量体により覆う工程とを備え、
前記複数の構成体は、その表面積を拡大した表面積拡大部を有し、
前記熱容量体は、固液相変化物質であるパワー半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a power semiconductor device comprising a power semiconductor element and a Peltier element joined to the power semiconductor element,
a step of arranging a plurality of structures constituting the Peltier element on an insulating substrate with lower electrodes interposed therebetween;
a step of connecting mutually adjacent constituents among the plurality of constituents by an upper electrode;
a step of bonding a plurality of electrically connected structures to the power semiconductor element with the insulating substrate interposed therebetween;
covering the Peltier element joined to the power semiconductor element with a heat capacitor that is in thermal contact with the Peltier element;
The plurality of constructs have a surface area enlarged portion with an enlarged surface area ,
The method of manufacturing a power semiconductor device, wherein the heat capacity body is a solid-liquid phase change material .
前記ペルチェ素子の構成体の前記表面積拡大部は、稜線が前記パワー半導体素子の上面と並行に延びる三角屋根状、又は平面波型状、又はポーラス状であるパワー半導体装置の製造方法。 In the method for manufacturing a power semiconductor device according to claim 6 ,
A method of manufacturing a power semiconductor device, wherein the surface area enlarged portion of the Peltier element structure has a triangular roof shape, a plane wave shape, or a porous shape with a ridgeline extending parallel to the upper surface of the power semiconductor element.
前記ペルチェ素子は、半導体シリコンにより構成されているパワー半導体装置の製造方法。 In the method for manufacturing a power semiconductor device according to claim 6 or 7 ,
The method of manufacturing a power semiconductor device, wherein the Peltier element is made of semiconductor silicon.
前記複数の構成体を配置する工程は、
前記各構成体の配置位置に開口部を有するマスクを用いて行うパワー半導体装置の製造方法。 In the method for manufacturing a power semiconductor device according to any one of claims 6 to 8 ,
The step of arranging the plurality of constructs includes:
A method of manufacturing a power semiconductor device using a mask having openings at positions where the constituents are arranged.
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