本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。 The technology disclosed herein relates to a semiconductor device.
特許文献１に、半導体素子を備える半導体モジュールとこの半導体モジュールを冷却する冷却器とを交互に積層する半導体装置が開示されている。このような半導体装置では、典型的には、半導体モジュールと冷却器の間にグリスなどの放熱材を介在させている。 Patent Document 1 discloses a semiconductor device in which a semiconductor module having a semiconductor element and a cooler for cooling the semiconductor module are alternately stacked. In such a semiconductor device, a heat dissipating material such as grease is typically interposed between the semiconductor module and the cooler.
ところで、この種の半導体装置では、半導体モジュールが動作している間は半導体素子が発熱し、半導体モジュールの動作が停止すると半導体素子は発熱しなくなる。半導体モジュールの動作と停止が定期的に繰り返される場合には、半導体モジュールや冷却器の温度は、半導体素子の定期的な温度変化に伴って周期的に変動する。そのため、このような熱サイクルにより半導体モジュールと冷却器が膨張や収縮を繰り返すと、これらの間に介在する放熱材は、両者の膨張によって押し出されたり、収縮によって吸い込まれたりする場合がある。つまり、ポンピングやブリードアウトと称される現象が生じ得る。 In the semiconductor device of this type, the semiconductor element generates heat while the semiconductor module is in operation, and the semiconductor element does not generate heat when the operation of the semiconductor module is stopped. When the operation and the stop of the semiconductor module are periodically repeated, the temperature of the semiconductor module or the cooler periodically fluctuates with the periodic temperature change of the semiconductor element. Therefore, when the semiconductor module and the cooler repeatedly expand and contract due to such a thermal cycle, the heat dissipating material interposed between them may be pushed out by the expansion of the two or absorbed by the contraction. That is, phenomena called pumping and bleed out may occur.
放熱材に固体のものを採用すれば、ポンピングやブリードアウトなどの問題は生じなくなる。しかし、半導体モジュールと冷却器の夫々の材料が異なる場合には、両者の熱膨張率も異なる。そのため、このような場合には、両者の膨張量の差によって放熱材の一部分に局所的に応力が集中する可能性があることから、放熱材の当該部分が剥離したり割れたりする虞がある。本明細書は、放熱性能を向上しつつ放熱材の剥離や割れを抑制し得る技術を提供する。 If a heat dissipating material is solid, problems such as pumping and bleed out will not occur. However, when the materials of the semiconductor module and the cooler are different, the coefficients of thermal expansion of the two are also different. Therefore, in such a case, the stress may locally concentrate on a part of the heat sink due to the difference in the amount of expansion between the two, so there is a risk that the relevant part of the heat sink may separate or break. . The present specification provides a technology capable of suppressing the separation and cracking of the heat sink while improving the heat release performance.
本明細書が開示する半導体装置は、半導体モジュール、冷却器及び放熱材を備えている。半導体モジュールは、半導体素子を樹脂製のパッケージで封止するとともに半導体素子の熱を放熱する放熱板の表面を外部に露出させている。冷却器は、パッケージの表面及び放熱板の表面に対向しており、半導体モジュールに押圧されている。放熱材は、半導体モジュールと冷却器の間に挟まれている。そして、この放熱材は、第１放熱材と第２放熱材を含んでいる。第１放熱材は、第１熱伝導率及び第１材料強度を有しており、放熱板の表面中央部に配置されている。第２放熱材は、第１放熱材の周囲に配置されている。第２放熱材は、第１熱伝導率よりも低い第２熱伝導率と、第１材料強度よりも高い第２材料強度の少なくとも一方を有している。なお、材料強度は、引張強度や圧縮強度などの指標によって定量的に評価される。 A semiconductor device disclosed in the present specification includes a semiconductor module, a cooler, and a heat dissipation material. In the semiconductor module, the semiconductor element is sealed with a resin package, and the surface of the heat sink for radiating the heat of the semiconductor element is exposed to the outside. The cooler faces the surface of the package and the surface of the heat sink, and is pressed by the semiconductor module. The heat dissipating material is sandwiched between the semiconductor module and the cooler. The heat dissipating material includes a first heat dissipating material and a second heat dissipating material. The first heat dissipating material has a first thermal conductivity and a first material strength, and is disposed in the center of the surface of the heat dissipating plate. The second heat dissipating material is disposed around the first heat dissipating material. The second heat dissipating material has at least one of a second thermal conductivity lower than the first thermal conductivity and a second material strength higher than the first material strength. The material strength is quantitatively evaluated by an index such as tensile strength or compressive strength.
上記の構造により、放熱材は、中央部に第１放熱材（第１熱伝導率・第１材料強度）が位置し、第１放熱材の周囲に第２放熱材（第２熱伝導率・第２材料強度）が位置する。そのため、半導体モジュールと冷却器の熱膨張率が異なる場合において、両者の膨張量の差によって生じ得る応力が放熱材の周縁付近に集中しても、その影響を受け難い。その原理は、実施例にて説明する。本明細書が開示する半導体装置は、半導体モジュールの動作と停止の繰り返しによる熱サイクルにより半導体モジュールと冷却器が膨張や収縮を繰り返すことがあっても、固体の放熱材が剥離したり割れたりし難くなる。本明細書が開示する技術よって、放熱性能を向上しつつ放熱材の剥離や割れを抑制することが可能になる。 According to the above structure, the heat dissipating material has the first heat dissipating material (the first heat conductivity and the strength of the first material) positioned at the central portion, and the second heat dissipating material (the second heat dissipating material) around the first heat dissipating material. The second material strength) is located. Therefore, in the case where the thermal expansion coefficients of the semiconductor module and the cooler are different, even if the stress that may be generated due to the difference between the expansion amounts of the two is concentrated in the vicinity of the peripheral edge of the heat dissipation material, it is not easily affected. The principle is described in the examples. In the semiconductor device disclosed in this specification, even if the semiconductor module and the cooler repeat expansion and contraction repeatedly due to the thermal cycle of the operation and stop of the semiconductor module, the solid heat dissipating material peels off or breaks. It becomes difficult. According to the technology disclosed in the present specification, it is possible to suppress peeling and cracking of the heat dissipation material while improving the heat dissipation performance.
本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。 The details of the technology disclosed herein and further improvements are described in the embodiments of the invention.
図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。図１に、実施例の半導体装置２の斜視図を示す。図２に、実施例の半導体装置２から前面カバーを取り外した状態で当該半導体装置２をその一端側から見た図を示す。図３に、図２のIII−III線に沿った断面図を示す。図４に、図２のIV−IV線に沿った断面図を示す。以下、本明細書では、図１やその他の図に表す座標系のＸ、Ｙ、Ｚの各軸のことを、夫々単に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と表現する。 The semiconductor device of the embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a perspective view of the semiconductor device 2 of the embodiment. The figure which looked at the said semiconductor device 2 from the one end side in the state which removed the front cover from the semiconductor device 2 of the Example at FIG. 2 is shown. FIG. 3 shows a cross-sectional view along the line III-III in FIG. FIG. 4 shows a cross-sectional view taken along the line IV-IV of FIG. Hereinafter, in the present specification, the X, Y, and Z axes of the coordinate system shown in FIG. 1 and other figures are simply referred to as an X axis, a Y axis, and a Z axis, respectively.
図１に示すように、半導体装置２は、冷媒供給管３、冷媒排出管４、前面カバー５、後面カバー６、複数の半導体ユニット１０などにより構成されている。本実施例では、半導体装置２は８つの半導体ユニット１０を有する。半導体装置２は、電気自動車のＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）のパワーカード２０を備えている（図２参照）。パワーカード２０は、例えば、ＰＣＵを構成する昇圧コンバータやインバータなどの電力変換装置に用いられる。本実施例では、パワーカード２０は、端子類を除いて、夫々の半導体ユニット１０内に封止されている。そのため、半導体ユニット１０から突出しているこれらの端子類（正極端子２７ａ、負極端子２７ｂ、中点端子２７ｃ及び信号端子２８）が外部から見える。 As shown in FIG. 1, the semiconductor device 2 includes a refrigerant supply pipe 3, a refrigerant discharge pipe 4, a front cover 5, a rear cover 6, a plurality of semiconductor units 10, and the like. In the present embodiment, the semiconductor device 2 has eight semiconductor units 10. The semiconductor device 2 includes a power card 20 of a PCU (Power Control Unit) of an electric vehicle (see FIG. 2). The power card 20 is used, for example, in a power converter such as a boost converter or an inverter that constitutes a PCU. In the present embodiment, the power card 20 is sealed in the respective semiconductor units 10 except for the terminals. Therefore, these terminals (the positive electrode terminal 27a, the negative electrode terminal 27b, the middle point terminal 27c, and the signal terminal 28) protruding from the semiconductor unit 10 can be seen from the outside.
図２に示すように、半導体ユニット１０は、パワーカード２０及びヒートシンク１４、１５の周囲を覆うように樹脂で封止した樹脂モールド製品である。半導体ユニット１０は、扁平な平板形状を有している。本実施例では、半導体ユニット１０は、長手方向（Ｙ軸方向）の両側に流路穴１２を有し、またこれら２つの流路穴１２を連通可能な流路凹部１１ａを有する。なお、ヒートシンク１４の表側面１４ａのうち、放熱ピンフィン１４ｃが設けられている範囲は、樹脂封止されていない。そのため、当該流路凹部１１ａ内には、ヒートシンク１４の放熱ピンフィン１４ｃが露出している。図２には表されていないが、ヒートシンク１５の放熱ピンフィン１５ｃが設けられている範囲も樹脂封止されていないため、流路凹部１１ａ内では放熱ピンフィン１５ｃが露出している。 As shown in FIG. 2, the semiconductor unit 10 is a resin molded product sealed with a resin so as to cover the periphery of the power card 20 and the heat sinks 14 and 15. The semiconductor unit 10 has a flat and flat shape. In the present embodiment, the semiconductor unit 10 has channel holes 12 on both sides in the longitudinal direction (Y-axis direction), and also has channel recesses 11 a capable of communicating these two channel holes 12. In the front side surface 14 a of the heat sink 14, the range in which the heat radiation pin fins 14 c are provided is not resin-sealed. Therefore, the heat radiation pin fins 14c of the heat sink 14 are exposed in the flow passage concave portion 11a. Although not shown in FIG. 2, since the resin-sealed area is not provided in the range in which the heat radiation pin fins 15 c of the heat sink 15 are provided, the heat radiation pin fins 15 c are exposed in the flow passage recess 11 a.
さらに半導体ユニット１０は、一端部１０ａ及び他端部１０ｂの周縁に環状封止リング７を保持可能な環状溝１３を有する。当該半導体ユニット１０の一端部１０ａと、他の半導体ユニット１０の他端部１０ｂとを連結させた場合に両者の環状溝１３内に環状封止リング７が収容されることにより、両端部１０ａ、１０ｂを液密に結合可能にしている。これにより、複数の半導体ユニット１０は、夫々の一端部１０ａや他端部１０ｂが互いに対向するように積層されることによって、これらの半導体ユニット１０が有する流路穴１２が連結されて内部に２本の冷媒流路、つまり分配路１２ａと集合路１２ｂが形成される。また、複数の半導体ユニット１０が有する流路凹部１１ａによって、分配路１２ａと集合路１２ｂが互いに連通する。さらに、流路凹部１１ａ内において、ヒートシンク１４の放熱ピンフィン１４ｃとヒートシンク１５の放熱ピンフィン１５ｃが対向する。 The semiconductor unit 10 further has an annular groove 13 capable of holding the annular sealing ring 7 at the peripheries of the one end 10a and the other end 10b. When one end 10a of the semiconductor unit 10 and the other end 10b of the other semiconductor unit 10 are connected, the annular sealing ring 7 is accommodated in the annular groove 13 of the both, so that both ends 10a, It is possible to bond 10b in a liquid tight manner. As a result, the plurality of semiconductor units 10 are stacked such that the respective one end portions 10a and the other end portions 10b face each other, so that the flow path holes 12 of the semiconductor units 10 are connected to each other. The refrigerant flow paths of the book, that is, the distribution path 12a and the collecting path 12b are formed. Further, the distribution passage 12a and the collecting passage 12b communicate with each other by the flow passage concave portions 11a which the plurality of semiconductor units 10 have. Furthermore, in the flow path recess 11 a, the heat radiation pin fins 14 c of the heat sink 14 and the heat radiation pin fins 15 c of the heat sink 15 face each other.
半導体装置２では、その積層方向（Ｘ軸方向）の一端部２ａに前面カバー５を備え、また反対側の他端部２ｂに後面カバー６を備えている（図１参照）。前面カバー５には、冷媒が供給される冷媒供給管３と、冷媒を排出する冷媒排出管４が夫々接続されている。これに対して、後面カバー６は、半導体装置２の積層方向（Ｘ軸方向）の他端部１０ｂにおいて流路穴１２などを塞いでいる。冷媒は、液体であり、典型的には、水又はＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。 The semiconductor device 2 includes the front cover 5 at one end 2a in the stacking direction (X-axis direction), and the rear cover 6 at the other end 2b on the opposite side (see FIG. 1). A refrigerant supply pipe 3 to which a refrigerant is supplied and a refrigerant discharge pipe 4 which discharges the refrigerant are connected to the front cover 5 respectively. On the other hand, the rear cover 6 closes the flow path hole 12 and the like at the other end 10 b in the stacking direction (X-axis direction) of the semiconductor device 2. The refrigerant is a liquid, typically water or LLC (Long Life Coolant).
なお、半導体装置２は、ケースなどに収容される際に積層方向（Ｘ軸方向）の一端側に、例えば板バネが挿入されて、積層方向（Ｘ軸方向）の両側から所定荷重が加えられる。また、冷媒は、冷媒供給管３よりも上流の冷媒管に接続されているリザーバタンクに貯留されると共にポンプにより半導体装置２に圧送され、冷媒排出管４よりも下流の冷媒管を介してリザーバタンクに戻る一巡の経路を循環している。ケース、板バネ、冷媒管、リザーバタンク及びポンプは図示されていない。 When the semiconductor device 2 is accommodated in a case or the like, for example, a leaf spring is inserted on one end side in the stacking direction (X-axis direction), and a predetermined load is applied from both sides in the stacking direction (X-axis direction) . The refrigerant is stored in a reservoir tank connected to the refrigerant pipe upstream of the refrigerant supply pipe 3 and is pressure-fed to the semiconductor device 2 by a pump, and the reservoir is connected via the refrigerant pipe downstream of the refrigerant discharge pipe 4 It circulates in a round route back to the tank. The case, leaf spring, refrigerant tube, reservoir tank and pump are not shown.
冷媒供給管３から半導体装置２内に流入した冷媒は、分配路１２ａから各流路凹部１１ａ内に流れ込むと、夫々の流路凹部１１ａ内で放熱ピンフィン１４ｃ、１５ｃに接触して熱交換をした後、集合路１２ｂに集められ冷媒排出管４から半導体装置２外に排出される。パワーカード２０が発した熱の大部分は半導体装置２を流れる冷媒により放熱される。 When the refrigerant flowing from the refrigerant supply pipe 3 into the semiconductor device 2 flows from the distribution path 12a into each flow path concave portion 11a, the heat exchange is performed by contacting the heat dissipation pin fins 14c and 15c in each flow path concave portion 11a. Thereafter, the gas is collected in the collecting passage 12 b and discharged from the refrigerant discharge pipe 4 to the outside of the semiconductor device 2. Most of the heat generated by the power card 20 is dissipated by the refrigerant flowing through the semiconductor device 2.
次にパワーカード２０の構成について説明する。パワーカード２０は、２つの半導体デバイス２２を樹脂パッケージ２１により樹脂封止している。本実施例では、前述のようにパワーカード２０の周囲を半導体ユニット１０の樹脂モールドが覆っている。 Next, the configuration of the power card 20 will be described. The power card 20 resin seals two semiconductor devices 22 with a resin package 21. In the present embodiment, as described above, the resin mold of the semiconductor unit 10 covers the periphery of the power card 20.
図３に示すように、本実施例では、樹脂パッケージ２１により封止された２つの半導体デバイス２２は、当該樹脂パッケージ２１の長手方向（Ｙ軸方向）に並んでいる。半導体デバイス２２は、典型的には、パワーデバイス（ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ）などの平板状の半導体チップ（半導体素子）である。半導体デバイス２２の両方の幅広面の夫々に、放熱板２３、２４が対向している。放熱板２３、２４は、半導体デバイス２２と熱的に結合している。放熱板２３、２４は、伝熱性の高い銅製である。半導体デバイス２２（半導体チップ）と放熱板２４の間に、スペーサブロック２５（例えば、銅製又はアルミニウム製）が挟まれている。 As shown in FIG. 3, in the present embodiment, the two semiconductor devices 22 sealed by the resin package 21 are aligned in the longitudinal direction (Y-axis direction) of the resin package 21. The semiconductor device 22 is typically a flat semiconductor chip (semiconductor element) such as a power device (IGBT or power MOSFET). The heat sinks 23 and 24 are facing each of the both wide surfaces of the semiconductor device 22, respectively. The heat sinks 23 and 24 are thermally coupled to the semiconductor device 22. The heat sinks 23 and 24 are made of copper having high heat conductivity. A spacer block 25 (for example, made of copper or aluminum) is sandwiched between the semiconductor device 22 (semiconductor chip) and the heat sink 24.
より具体的には、放熱板２３は、半導体デバイス２２よりも一回り大きい矩形状を有しており、２枚の放熱板２３の一方の表面２３ａに、２つの半導体デバイス２２の一方面側が夫々はんだ層２６を介して固定されている。半導体デバイス２２よりも僅かに小さい矩形状を有する２つのスペーサブロック２５の夫々に、半導体デバイス２２の他方面側がはんだ層２６を介して固定されている。 More specifically, the heat dissipating plate 23 has a rectangular shape that is one size larger than the semiconductor device 22, and one surface side of the two semiconductor devices 22 is on the surface 23 a of the two heat dissipating plates 23. It is fixed via the solder layer 26. The other side of the semiconductor device 22 is fixed to the two spacer blocks 25 having a rectangular shape slightly smaller than the semiconductor device 22 via the solder layer 26.
放熱板２４は、半導体デバイス２２を２つ平面方向に並べた大きさよりも一回り大きい長方形状を有している。放熱板２４の一方の表面２４ａには、２つのスペーサブロック２５の半導体デバイス２２が固定されていない側がはんだ層２６を介して固定されている。これにより、放熱板２３の一方の表面２３ａと放熱板２４の一方の表面２４ａとの間には、はんだ層２６を介在させて半導体デバイス２２とスペーサブロック２５が挟まれるように固定されている。はんだ層２６は電気的に導体である。そのため、放熱板２３、放熱板２４は、夫々半導体デバイス２２に対して電気的に導通可能に接続されている。 The heat sink 24 has a rectangular shape that is slightly larger than the size in which two semiconductor devices 22 are arranged in the plane direction. The side of the two spacer blocks 25 to which the semiconductor devices 22 are not fixed is fixed to one surface 24 a of the heat sink 24 via the solder layer 26. Thus, the semiconductor device 22 and the spacer block 25 are fixed so as to be sandwiched between the one surface 23 a of the heat sink 23 and the one surface 24 a of the heat sink 24 with the solder layer 26 interposed. The solder layer 26 is electrically conductive. Therefore, the heat sink 23 and the heat sink 24 are electrically connected to the semiconductor device 22 respectively.
一方の放熱板２３は正極端子２７ａに電気的に接続され、また他方の放熱板２３は負極端子２７ｂに電気的に接続されている。また、放熱板２４は中点端子２７ｃに電気的に接続されている。さらに、半導体デバイス２２には、ボンディングワイヤ２９を介して信号端子２８にも接続されている。これらの大半は、樹脂パッケージ２１内に樹脂封止されている。すなわち、放熱板２３の他方の表面２３ｂ及び放熱板２４の他方の表面２４ｂと、正極端子２７ａ、負極端子２７ｂ、中点端子２７ｃ及び信号端子２８の夫々の先端側を除いて、樹脂パッケージ２１の中に封止されている。 One heat radiation plate 23 is electrically connected to the positive electrode terminal 27a, and the other heat radiation plate 23 is electrically connected to the negative electrode terminal 27b. The heat sink 24 is electrically connected to the middle point terminal 27c. Furthermore, the semiconductor device 22 is also connected to the signal terminal 28 via the bonding wire 29. Most of them are resin-sealed in a resin package 21. That is, except for the tip side of the other surface 23 b of the heat sink 23 and the other surface 24 b of the heat sink 24, and the positive terminal 27 a, the negative terminal 27 b, the middle terminal 27 c and the signal terminal 28, It is sealed inside.
放熱板２３の他方の表面２３ｂ及び放熱板２４の他方の表面２４ｂは、半導体デバイス２２の熱を放熱させるために樹脂パッケージ２１の表面に露出している。本実施例では、樹脂パッケージ２１の一方の表面２１ａには、２枚の放熱板２３の他方の表面２３ｂが夫々露出している。また、樹脂パッケージ２１の他方の表面２１ｂには、放熱板２４の他方の表面２４ｂが露出している。これらは、いずれも、半導体デバイス２２に対して電気的に導通可能に接続されている。 The other surface 23 b of the heat sink 23 and the other surface 24 b of the heat sink 24 are exposed to the surface of the resin package 21 in order to dissipate the heat of the semiconductor device 22. In the present embodiment, the other surfaces 23 b of the two heat dissipation plates 23 are exposed on the one surface 21 a of the resin package 21. Further, the other surface 24 b of the heat sink 24 is exposed to the other surface 21 b of the resin package 21. Each of these is electrically conductively connected to the semiconductor device 22.
本実施例では、半導体ユニット１０は、パワーカード２０が発する熱、すなわち半導体デバイス２２の熱を、ヒートシンク１４、１５を用いて外部に放熱する構成を採る。すなわち、放熱板２３により伝達される熱はヒートシンク１４が外部に放熱し、放熱板２４により伝達される熱はヒートシンク１５が外部に放熱する。ヒートシンク１４、１５は、例えば、アルミニウム製である。また、ヒートシンク１４、１５は、表側面１４ａ、１５ａに微細円柱状（ピン状）の放熱ピンフィン１４ｃ、１５ｃを多数有し、反対側に平坦な裏側面１４ｂ、１５ｂを有する（図２−４参照）。 In this embodiment, the semiconductor unit 10 dissipates the heat generated by the power card 20, that is, the heat of the semiconductor device 22, to the outside using the heat sinks 14 and 15. That is, the heat transmitted by the heat sink 23 dissipates heat to the outside, and the heat transmitted by the heat sink 24 dissipates heat to the outside. The heat sinks 14 and 15 are made of, for example, aluminum. Further, the heat sinks 14 and 15 have many fine cylindrical (pin-like) heat dissipation pin fins 14c and 15c on the front side surfaces 14a and 15a, and have flat back side surfaces 14b and 15b on the opposite side (see FIG. 2-4). ).
本実施例では、２枚の放熱板２３は、互いに異なる半導体デバイス２２に夫々電気的に接続されているため、両放熱板２３は電気的に絶縁する必要がある。また、積層状態において隣り合う両半導体ユニット１０は、それらのヒートシンク１４、１５が互いに対向すると共に放熱ピンフィン１４ｃ、１５ｃ同士が物理的に接触する可能性がある（図３、４参照）。隣り合う半導体ユニット１０の半導体デバイス２２同士が電気的に導通すると、故障などの原因になり得る。 In the present embodiment, since the two heat dissipation plates 23 are electrically connected to the different semiconductor devices 22 respectively, the two heat dissipation plates 23 need to be electrically insulated. In the two semiconductor units 10 adjacent to each other in the stacked state, the heat sinks 14 and 15 may face each other and the heat radiation pin fins 14c and 15c may physically contact with each other (see FIGS. 3 and 4). When the semiconductor devices 22 of the adjacent semiconductor units 10 are electrically conducted to each other, a failure or the like may be caused.
このため、２枚の放熱板２３に対してヒートシンク１４の裏側面１４ｂを直接接触させるのではなく、放熱板２３とヒートシンク１４の間に絶縁性の放熱材１６、１７を介在させることにより、これら両者間を電気的に絶縁し且つ熱的に結合させている。また、放熱板２４に対してもヒートシンク１５を直接接触させるのではなく、放熱板２４とヒートシンク１５の間に絶縁タイプの放熱材１７を介在させてこれら両者間を電気的に絶縁し且つ熱的に結合させている。本実施例では、放熱材１６、１７は成分が異なり、特性も異なる。そのため、本明細書では、第１放熱材１６、第２放熱材１７と称する場合がある。なお、図３などにおいては、第１放熱材１６の部分を濃いグレーに着色し、また第２放熱材１７の部分を薄いグレーに着色している。 Therefore, instead of bringing the back side 14b of the heat sink 14 into direct contact with the two heat sinks 23, the insulating heat sinks 16 and 17 are interposed between the heat sink 23 and the heat sink 14, Both are electrically isolated and thermally coupled. Further, the heat sink 15 is not in direct contact with the heat sink 24 either, but an insulating type heat sink 17 is interposed between the heat sink 24 and the heat sink 15 to electrically insulate between the two and electrically. Combined with In the present embodiment, the heat sinks 16 and 17 have different components and different characteristics. Therefore, in this specification, it may be called the 1st heat sink 16 and the 2nd heat sink 17. In addition, in FIG. 3 etc., the part of the 1st heat radiating material 16 is colored in dark gray, and the part of the 2nd heat radiating material 17 is colored in light gray.
図５に、パワーカード２０に第１放熱材１６及び第２放熱材１７を塗布する範囲を表した説明図を示す（図面表現上の便宜から、正極端子２７ａ、負極端子２７ｂ、中点端子２７ｃ及び信号端子２８の図示を省略している）。同図の（Ａ）は、樹脂パッケージ２１の一方の表面２１ａを表した図であり、同図の（Ｂ）は、樹脂パッケージ２１の他方の表面２１ｂを表した図である。 FIG. 5 is an explanatory view showing a range in which the first heat dissipation material 16 and the second heat dissipation material 17 are applied to the power card 20 (for the sake of convenience of drawing expression, the positive electrode terminal 27a, the negative electrode terminal 27b, and the middle point terminal 27c) And illustration of the signal terminal 28 is omitted). (A) of the figure is a figure showing one surface 21a of the resin package 21, (B) of the figure is a figure showing the other surface 21b of the resin package 21.
第１放熱材１６は、高熱伝導率且つ低強度（又は高弾性）の熱硬化性樹脂である。例えば、エポキシ系の材料を主成分とする電気的な絶縁特性が良好な放熱材料からなり、高熱伝導のフィラー（例えば、窒化ホウ素、アルミナなど）が添加されている。一方、第２放熱材１７は、低熱伝導率且つ高強度（又は低弾性）の熱硬化性樹脂である。例えば、エポキシ系、シリコン系又はアミド系の材料を主成分とする電気的な絶縁特性が良好な放熱材料からなり、第１放熱材１６よりも熱伝導率が低いフィラーが添加されている（フィラーが添加されていない場合もある）。 The first heat radiating material 16 is a thermosetting resin having high thermal conductivity and low strength (or high elasticity). For example, the heat dissipating material is made of a heat dissipating material having good electrical insulating properties mainly composed of an epoxy material, and a high thermal conductivity filler (for example, boron nitride, alumina or the like) is added. On the other hand, the second heat dissipating material 17 is a thermosetting resin having low thermal conductivity and high strength (or low elasticity). For example, it is made of a heat dissipation material having good electrical insulating properties mainly composed of an epoxy-based, silicon-based or amide-based material, and a filler having a thermal conductivity lower than that of the first heat dissipation material 16 is added (filler May not have been added).
第２放熱材１７の熱伝導率（第２熱伝導率）は、第１放熱材１６の熱伝導率（第１熱伝導率）よりも低い。第１放熱材１６及び第２放熱材１７は、いずれも塗布前においてはゲル状の半流動体（又は液状の流動体）であり、塗布後に乾燥させることで固化する。つまり、乾燥後は固体になる。 The thermal conductivity (second thermal conductivity) of the second heat dissipation material 17 is lower than the thermal conductivity (first thermal conductivity) of the first heat dissipation material 16. Each of the first heat radiating material 16 and the second heat radiating material 17 is a gel-like semifluid (or liquid fluid) before application, and is solidified by drying after application. That is, it becomes solid after drying.
第１放熱材１６の材料強度（第１材料強度）は、例えば、乾燥後の厚さが０．２ｍｍの場合には、ヤング率１０ＧＰａ以上、引張強度１ＭＰａ程度である。また、第１放熱材１６の線膨張係数は、１０×１０-6／℃−３０×１０-6／℃である。これに対して、第２放熱材１７の材料強度（第２材料強度）は、例えば、乾燥後の厚さが０．２５ｍｍ以上の場合には、ヤング率１ＧＰａ−１０ＧＰａ、引張強度５ＭＰａ以上である。また、第２放熱材１７は、放熱板２３、２４の線膨張係数に近い値の線膨張係数を有する。本実施例では、放熱板２３、２４は、銅製であることから、銅の線膨張係数である１７×１０-6／℃程度に近い値（例えば、１６×１０-6／℃−１８×１０-6／℃）になるように第２放熱材１７の主成分や副成分が選択されている。For example, when the thickness after drying is 0.2 mm, the material strength (first material strength) of the first heat radiating material 16 is about 10 GPa or more in Young's modulus and about 1 MPa in tensile strength. Moreover, the linear expansion coefficient of the 1st heat radiating material 16 is 10 * 10 <-6 > / (degreeC) -30 * 10 <-6 > / degreeC. On the other hand, when the thickness after drying is, for example, 0.25 mm or more, the material strength (second material strength) of the second heat radiating material 17 is Young's modulus 1 GPa-10 GPa and tensile strength 5 MPa or more . In addition, the second heat dissipation material 17 has a linear expansion coefficient close to that of the heat sinks 23 and 24. In the present embodiment, since the heat sinks 23 and 24 are made of copper, a value close to about 17 × 10−6 / ° C., which is a linear expansion coefficient of copper (for example, 16 × 10−6 / ° C.−18 × 10 The main component and subcomponents of the second heat dissipation material 17 are selected so as to be−6 / ° C.).
なお、第１放熱材１６は、後述するように、ヒートシンク１４、１５にも塗布される。そのため、ヒートシンク１４、１５に塗布する第１放熱材１６については、その線膨張係数をヒートシンク１４、１５の線膨張係数に近い値に設定してもよい。すなわち、本実施例では、ヒートシンク１４、１５は、アルミニウム製であることから、アルミニウムの線膨張係数である２３×１０-6／℃程度に近い値（例えば、２０×１０-6／℃−２５×１０-6／℃）になるように、当該第１放熱材１６の主成分や副成分を選択してもよい。The first heat dissipating material 16 is also applied to the heat sinks 14 and 15 as described later. Therefore, the linear expansion coefficient of the first heat dissipating material 16 applied to the heat sinks 14 and 15 may be set to a value close to the linear expansion coefficient of the heat sinks 14 and 15. That is, in the present embodiment, since the heat sinks 14 and 15 are made of aluminum, a value close to about 23 × 10−6 / ° C., which is a linear expansion coefficient of aluminum (for example, 20 × 10−6 / ° C. The main component and subcomponents of the first heat dissipating material 16 may be selected so as to be × 10−6 / ° C.).
図５（Ａ）に示すように、本実施例では、樹脂パッケージ２１の一方の表面２１ａにおいては、放熱板２３の他方の表面２３ｂ上であって半導体デバイス２２を中心とした矩形の範囲に、第１放熱材１６が塗布（配置）される（同図に示す濃いグレーに着色された部分）。第１放熱材１６は、例えば、乾燥後の厚さが０．２ｍｍになるように平坦に塗布される。また、第２放熱材１７は、第１放熱材１６が塗布された範囲の外側（樹脂パッケージ２１の周囲側）から放熱板２３の周縁部を超えるまでの範囲に塗布（配置）される（同図に示す薄いグレーに着色された部分）。第２放熱材１７は、例えば、乾燥後の厚さが０．２５ｍｍ以上になるように平坦に塗布される。第２放熱材１７は、第１放熱材１６よりも厚さが厚く（大きく）なるように塗布される。 As shown in FIG. 5A, in the present embodiment, on one surface 21 a of the resin package 21, a rectangular range centered on the semiconductor device 22 is on the other surface 23 b of the heat sink 23. The first heat dissipating material 16 is applied (arranged) (the part colored in dark gray shown in the figure). The first heat dissipating material 16 is, for example, applied flat so that the thickness after drying is 0.2 mm. Further, the second heat dissipating material 17 is applied (arranged) in a range from the outside of the range where the first heat dissipating material 16 is applied (peripheral side of the resin package 21) to the edge of the heat dissipating plate 23 (the same Light gray colored parts shown). The second heat dissipating material 17 is, for example, applied flat so that the thickness after drying is equal to or greater than 0.25 mm. The second heat dissipating material 17 is applied so as to be thicker (larger) than the first heat dissipating material 16.
また、樹脂パッケージ２１の他方の表面２１ｂにおいては、図５（Ｂ）に示すように、放熱板２４の他方の表面２４ｂ上であって半導体デバイス２２を中心とした矩形の範囲に、第１放熱材１６が塗布（配置）される（同図に示す濃いグレーに着色された部分）。第１放熱材１６は、例えば、乾燥後の厚さが０．２ｍｍになるように平坦に塗布される。また、第２放熱材１７は、第１放熱材１６が塗布された範囲の外側（樹脂パッケージ２１の周囲側）から放熱板２４の周縁部を超えるまでの範囲に塗布（配置）される（同図に示す薄いグレーに着色された部分）。第２放熱材１７は、例えば、乾燥後の厚さが０．２５ｍｍ以上になるように平坦に塗布される。第２放熱材１７は、第１放熱材１６よりも厚さが厚く（大きく）なるように塗布される。 Further, as shown in FIG. 5B, on the other surface 21 b of the resin package 21, the first heat radiation is on the other surface 24 b of the heat dissipation plate 24 and within a rectangular range centered on the semiconductor device 22. The material 16 is applied (arranged) (the part colored in dark gray shown in the figure). The first heat dissipating material 16 is, for example, applied flat so that the thickness after drying is 0.2 mm. Further, the second heat dissipating material 17 is applied (arranged) in the range from the outside of the range where the first heat dissipating material 16 is applied (peripheral side of the resin package 21) to the edge of the heat dissipating plate 24 (the same Light gray colored parts shown). The second heat dissipating material 17 is, for example, applied flat so that the thickness after drying is equal to or greater than 0.25 mm. The second heat dissipating material 17 is applied so as to be thicker (larger) than the first heat dissipating material 16.
第２放熱材１７の塗布範囲が、樹脂パッケージ２１の表面２１ａ、２１ｂにおいて、放熱板２３、２４の周縁部付近（周縁部を超える範囲を含む）まで及ぶものであれば、第１放熱材１６上を避ける必要はなく、第１放熱材１６の上に第２放熱材１７を重ねて塗布してもよい。これにより、例えば、第２放熱材１７の塗布工程において、第１放熱材１６上を覆うマスキング部材を用いる必要がなくなる。ここからは、図６、７も参照しながら説明する。図６、７に、半導体ユニット１０の製造工程を表した説明図を示す。図６において、（Ａ−２）は、（Ａ−１）に示すＡ−２線に沿った断面図であり、（Ｂ−２）は、（Ｂ−１）に示すＢ−２線に沿った断面図である。 If the application range of the second heat dissipation material 17 extends to the vicinity of the peripheral edge portion (including the range exceeding the peripheral edge portion) of the heat dissipation plates 23 and 24 on the surfaces 21 a and 21 b of the resin package 21, the first heat dissipation material 16 It is not necessary to avoid the above, and the second heat dissipating material 17 may be overlapped and applied on the first heat dissipating material 16. As a result, for example, it is not necessary to use a masking member that covers the top of the first heat dissipation material 16 in the application process of the second heat dissipation material 17. From here on, it will be described with reference to FIGS. FIGS. 6 and 7 are explanatory views showing manufacturing steps of the semiconductor unit 10. In FIG. 6, (A-2) is a cross-sectional view taken along line A-2 shown in (A-1), and (B-2) is taken along line B-2 shown in (B-1). FIG.
本実施例では、まず放熱板２３、２４の中央部を中心に樹脂パッケージ２１の両表面２１ａ、２１ｂに熱伝導率が高い第１放熱材１６を塗布する（図６（Ａ−１）、（Ａ−２）参照）。塗布は、例えば、不図示のディスペンサなどで行われる。そして、第１放熱材１６が塗布されたパワーカード２０を熱風乾燥炉（不図示）などに投入して第１放熱材１６を乾燥させる。 In the present embodiment, first, the first heat radiation material 16 having high thermal conductivity is applied to both surfaces 21a and 21b of the resin package 21 centering on the central portions of the heat radiation plates 23 and 24 (FIG. 6 (A-1), ( A-2)). The application is performed by, for example, a dispenser (not shown). Then, the power card 20 to which the first heat dissipating material 16 is applied is put into a hot air drying furnace (not shown) or the like to dry the first heat dissipating material 16.
次に、熱伝導率が低い第２放熱材１７を塗布する。第２放熱材１７の塗布範囲は、第１放熱材１６を塗布した周囲を含めて樹脂パッケージ２１の両表面２１ａ、２１ｂにおいて、放熱板２３、２４の周縁部付近（周縁部を超える範囲を含む）までである（図６（Ｂ−１）、（Ｂ−２）参照）。本実施例では、既に第１放熱材１６が塗布されている範囲には、第２放熱材１７が重ねて塗布される。第２放熱材１７の塗布厚さは、第１放熱材１６よりも厚い。この後、第２放熱材１７が塗布されたパワーカード２０を熱風乾燥炉（不図示）などに投入して第２放熱材１７を乾燥させる。 Next, the second heat dissipation material 17 having a low thermal conductivity is applied. The application range of the second heat radiating material 17 includes the vicinity of the peripheral portion of the heat sinks 23 and 24 (including a range exceeding the peripheral portion on both surfaces 21a and 21b of the resin package 21 including the periphery where the first heat radiating material 16 is applied. ) (See FIG. 6 (B-1) and (B-2)). In the present embodiment, the second heat dissipating material 17 is overlapped and applied to the range where the first heat dissipating material 16 has already been applied. The application thickness of the second heat dissipating material 17 is thicker than the first heat dissipating material 16. Thereafter, the power card 20 coated with the second heat radiating material 17 is put into a hot air drying furnace (not shown) or the like to dry the second heat radiating material 17.
乾燥後の第１放熱材１６及び第２放熱材１７は、ゲル状程度の柔らかさを有する。そのため、真空環境下において、樹脂パッケージ２１の両側、つまり両塗布面を不図示の加圧機により加圧する。これにより、第１放熱材１６内や第２放熱材１７内に存在するボイド（気泡）が外部に押し出されて除去される。 The first heat dissipating material 16 and the second heat dissipating material 17 after drying have a gel-like softness. Therefore, in a vacuum environment, both sides of the resin package 21, that is, both application surfaces are pressurized by a pressing machine (not shown). Thus, voids (air bubbles) present in the first heat dissipation material 16 and the second heat dissipation material 17 are pushed out and removed.
本実施例では、ヒートシンク１４、１５においても第１放熱材１６が塗布される（図７（Ｃ）参照）。図示されていないが、例えば、図５に示す樹脂パッケージ２１の外形をヒートシンク１４、１５の外形と仮定した場合の第２放熱材１７が塗布されている範囲に、第１放熱材１６が塗布される。つまり、ヒートシンク１４、１５の裏側面１４ｂ、１５ｂの周囲近くまで、ほぼ全面に第１放熱材１６が塗布される。第１放熱材１６が塗布されたヒートシンク１４、１５を熱風乾燥炉などに投入して第１放熱材１６を乾燥させる。 In the present embodiment, the first heat dissipating material 16 is also applied to the heat sinks 14 and 15 (see FIG. 7C). Although not illustrated, for example, the first heat radiating material 16 is applied in a range where the second heat radiating material 17 is applied when the outer shape of the resin package 21 shown in FIG. 5 is assumed to be the heat sinks 14 and 15. Ru. That is, the first heat dissipating material 16 is applied to almost the entire surface of the heat sinks 14 and 15 up to the periphery of the back side surfaces 14b and 15b. The heat sinks 14 and 15 to which the first heat dissipating material 16 is applied are put into a hot air drying furnace or the like to dry the first heat dissipating material 16.
このように第１放熱材１６及び第２放熱材１７が塗布されたパワーカード２０と、第１放熱材１６が塗布されたヒートシンク１４、１５とを接合させる。すなわち、樹脂パッケージ２１の一方の表面２１ａに、第１放熱材１６を塗布済みのヒートシンク１４を載置する。また、樹脂パッケージ２１の他方の表面２１ｂに、第１放熱材１６を塗布済みのヒートシンク１５を載置する。そして、ヒートシンク１４の表側面１４ａ側（放熱ピンフィン１４ｃ）に加圧機５０の上側加圧プレート５０ａを加圧し、またヒートシンク１５の表側面１５ａ側（放熱ピンフィン１５ｃ）を加圧機５０の下側加圧プレート５０ｂで加圧する（図７（Ｄ）参照）。これにより、パワーカード２０とヒートシンク１４、１５が第１放熱材１６及び第２放熱材１７を介して接合される（図７（Ｅ）参照）。 The power card 20 to which the first heat dissipating material 16 and the second heat dissipating material 17 are applied as described above is joined to the heat sinks 14 and 15 to which the first heat dissipating material 16 is applied. That is, the heat sink 14 on which the first heat dissipating material 16 has been applied is placed on one surface 21 a of the resin package 21. Further, the heat sink 15 on which the first heat dissipating material 16 has been applied is placed on the other surface 21 b of the resin package 21. Then, the upper pressure plate 50 a of the press machine 50 is pressed against the front side 14 a side (heat radiation pin fin 14 c) of the heat sink 14, and the front side 15 a side (heat radiation pin fin 15 c) of the heat sink 15 is pressed under the press machine 50. Pressure is applied by the plate 50b (see FIG. 7D). Thereby, the power card 20 and the heat sinks 14 and 15 are joined via the first heat dissipation material 16 and the second heat dissipation material 17 (see FIG. 7E).
ヒートシンク１４、１５が接合されたパワーカード２０を不図示のパッケージ用の金型内にセットした後、熱硬化性樹脂を当該金型内に注入し、プレキュア及びアフターキュア（ポストキュア）などの熱硬化工程を経ることにより、樹脂モールド１１が形成されて半導体ユニット１０が完成する（図７（Ｆ）参照）。 After the power card 20 to which the heat sinks 14 and 15 are joined is set in a mold for a package (not shown), a thermosetting resin is injected into the mold, and heat such as precure and after cure (post cure) is applied. Through the curing step, the resin mold 11 is formed, and the semiconductor unit 10 is completed (see FIG. 7F).
ここで図８を参照して、線膨張係数などが異なる第１放熱材１６及び第２放熱材１７をパワーカード２０とヒートシンク１４、１５の間に介在させたことによる本実施例の効果を説明する。図８に、図４の一点鎖線VIII内の拡大図であり、熱収縮方向やひび割れ発生範囲など表した説明図を示す。 Here, referring to FIG. 8, the effects of the present embodiment will be described in which the first heat radiating material 16 and the second heat radiating material 17 having different linear expansion coefficients are interposed between the power card 20 and the heat sinks 14 and 15. Do. FIG. 8 is an enlarged view within the alternate long and short dash line VIII in FIG. 4 and an explanatory view showing a heat shrinkage direction, a crack generation range, and the like.
前述した樹脂モールド１１の熱硬化工程では、第１放熱材１６及び第２放熱材１７によりヒートシンク１４、１５を接合した状態のパワーカード２０（図７（Ｅ）参照）が、例えば、プレキュア時に約１８０℃の高温に晒されたり、一旦、常温まで冷却された後、アフターキュア時に、再度、約１８０℃の高温に晒されたりする。また、パワーカード２０の稼働中においては、スイッチング動作時とスイッチング停止時の間は温度差１００℃以上の熱サイクルの環境下に置かれる。そのため、放熱材１６、１７の周囲に配置されている、樹脂モールド１１、ヒートシンク１４、１５、放熱板２３、２４は、例えば、図８（Ａ）に示す矢印方向に収縮する場合がある。 In the thermosetting process of the resin mold 11 described above, the power card 20 (see FIG. 7E) in a state where the heat sinks 14 and 15 are joined by the first heat radiating material 16 and the second heat radiating material 17 is, for example, about at the time of pre curing. After being exposed to a high temperature of 180 ° C. or once cooled to room temperature, it is again exposed to a high temperature of about 180 ° C. during after curing. In addition, while the power card 20 is in operation, the temperature difference between the switching operation and the switching stop is 100 ° C. or more. Therefore, the resin mold 11, the heat sinks 14, 15, and the heat sinks 23, 24 disposed around the heat sinks 16, 17 may shrink in the direction of the arrow shown in FIG. 8A, for example.
例えば、樹脂モールド１１などの線膨張係数が次の通りである場合には、ヒートシンク１４、１５がＺ軸先端方向に大きく収縮するのに対して、放熱板２３、２４はＹ軸根元方向に小さく収縮する。なお、図８（Ａ）に示す矢印は、矢印の方向が収縮方向を表しており、矢印の太さ、大きさや長さが収縮量の大小を表している。ヒートシンク１４、１５の線膨張係数（２４×１０-6／℃）と放熱板２３、２４の線膨張係数（１８×１０-6／℃）との差が大きいために放熱板２３、２４の角部付近（破線円内）に位置する放熱材１６、１７に大きな歪みが発生し得る。For example, when the linear expansion coefficient of the resin mold 11 or the like is as follows, the heat sinks 14 and 15 largely contract in the Z-axis tip direction, whereas the heat sinks 23 and 24 are small in the Y axis root direction To contract. In the arrow shown in FIG. 8A, the direction of the arrow indicates the contraction direction, and the thickness, size, and length of the arrow indicate the amount of contraction. Since the difference between the linear expansion coefficient (24 × 10−6 / ° C.) of the heat sinks 14 and 15 and the linear expansion coefficient (18 × 10−6 / ° C.) of the heat sinks 23 and 24 is large, the corners of the heat sinks 23 and 24 A large distortion may occur in the heat dissipating materials 16 and 17 located in the vicinity of the portion (within the broken line circle).
樹脂パッケージ１１： １５×１０-6／℃
樹脂モールド２１： １４×１０-6／℃
ヒートシンク１４、１５： ２４×１０-6／℃
放熱板２３、２４： １８×１０-6／℃Resin package 11: 15 × 10-6 / ° C
Resin mold 21: 14 × 10-6 / ° C
Heat sink 14, 15: 24 × 10-6 / ° C
Heat sink 23, 24: 18 × 10-6 / ° C
すなわち、図８（Ｂ）に示すように、放熱板２３、２４の収縮に伴って放熱材１６、１７がＸ軸根元方向に放熱板２３、２４によって引っ張り込まれる（矢印Ｐａ）。これに対して、ヒートシンク１４、１５のＸ軸先端方向に位置する樹脂モールド１１の一部により、放熱材１６、１７がＸ軸先端方向に引っ張られる（矢印Ｐｂ）。これら２方向の応力が釣り合った状態が維持される（両矢印Ｓ）。樹脂パッケージ２１は、線膨張係数が小さいことから収縮量が小さい。そのため、放熱板２３、２４の角部付近（破線円内）に位置する放熱材１６、１７に放熱板２３、２４からの応力が加わり易い。 That is, as shown in FIG. 8B, the heat radiation members 16 and 17 are pulled by the heat radiation plates 23 and 24 in the X-axis root direction along with the contraction of the heat radiation plates 23 and 24 (arrow Pa). On the other hand, the heat sinks 16 and 17 are pulled in the X axis front end direction (arrow Pb) by a part of the resin mold 11 located in the X axis front end direction of the heat sinks 14 and 15. The state in which the stress in these two directions is balanced is maintained (double arrow S). Since the resin package 21 has a small linear expansion coefficient, the amount of contraction is small. Therefore, stress from the heat sinks 23 and 24 is easily applied to the heat sinks 16 and 17 located in the vicinity of the corner portions (within the broken line circles) of the heat sinks 23 and 24.
その結果、本実施例の放熱材１６、１７でない場合においては、放熱板２３、２４の角部付近（破線円内）において、放熱材の剥離やひび割れが生じ得る。熱伝導率を高くするために高熱伝導のフィラーを添加している放熱材の場合には、当該放熱材料の硬度が増加することから、高い応力が発生したり接合強度や母材強度が低下したりする。そのため、このような剥離やひび割れが生じ易い。つまり、熱伝導率を向上させることと接合強度や母材強度を向上させることは両立させ難い。 As a result, in the case where the heat dissipating materials 16 and 17 of the present embodiment are not used, peeling and cracking of the heat dissipating material may occur near the corner portions (within the broken line circles) of the heat dissipating plates 23 and 24. In the case of a heat dissipation material to which a high thermal conductivity filler is added to increase the thermal conductivity, the hardness of the heat dissipation material is increased, so that high stress is generated, and the bonding strength and the base material strength are reduced. To Therefore, such peeling and cracking are likely to occur. That is, it is difficult to simultaneously improve the heat conductivity and the bonding strength and the base material strength.
そこで、本実施例では、上述したように、高熱伝導率且つ低強度（又は高弾性）の第１放熱材１６を放熱板２３、２４の表面２３ｂ、２４ｂの中央部に配置し、低熱伝導率且つ高強度（又は低弾性）の第２放熱材１７を放熱板２３、２４の周囲（放熱板２３、２４において応力が高くなる範囲）に配置している。これにより、放熱板２３、２４の周縁部付近に位置する第２放熱材１７は、低弾性であることから、第２放熱材１７に発生する応力は小さくなる。また、第２放熱材１７は、高強度であることから、ひび割れが生じ難くなる。したがって、放熱性能の向上と剥離及びひび割れの防止の両立を可能にしている。 Therefore, in the present embodiment, as described above, the first heat dissipating material 16 having high thermal conductivity and low strength (or high elasticity) is disposed in the central portion of the surfaces 23 b and 24 b of the heat dissipating plates 23 and 24 to achieve low thermal conductivity. And the 2nd heat dissipation material 17 of high strength (or low elasticity) is arranged around the heat sinks 23 and 24 (the range where the stress is high in the heat sinks 23 and 24). Thereby, since the second heat radiating material 17 located in the vicinity of the peripheral portions of the heat radiating plates 23 and 24 has low elasticity, the stress generated in the second heat radiating material 17 is reduced. In addition, since the second heat dissipating material 17 has high strength, it is difficult for cracking to occur. Therefore, coexistence of improvement of heat dissipation performance and prevention of exfoliation and a crack is enabled.
また、放熱板２３、２４の表面２３ｂ、２４ｂの中央部は、熱源である半導体デバイス２２に近いことから、当該中央部は高温である一方で、放熱板２３、２４の周縁部（端部）付近は当該中央部よりも温度が低い（低温）。そのため、放熱板２３、２４の当該中央部には、高熱伝導率の第１放熱材１６を配置しているので、放熱板２３、２４の当該中央部（高温領域）の放熱は第１放熱材１６により促進され易い。 Further, since the central portions of the surfaces 23 b and 24 b of the heat sinks 23 and 24 are close to the semiconductor device 22 as a heat source, the central portions are at high temperature, while the peripheral portions (ends) of the heat sinks 23 and 24 Temperature is lower (lower temperature) in the vicinity than the central part. Therefore, since the first heat radiating material 16 having high thermal conductivity is disposed at the central portion of the heat radiating plates 23 and 24, the heat radiating from the central portion (high temperature region) of the heat radiating plates 23 and 24 is the first heat radiating material It is easy to be promoted by 16.
以上のとおり、本実施例の半導体装置２では、放熱材１６、１７は、固体であり、パワーカード２０とヒートシンク１４、１５の間に挟まれている。この放熱材１６、１７は、パワーカード２０又はヒートシンク１４、１５の少なくとも一方に塗布されており、第１放熱材１６と第２放熱材１７を含んでいる。第１放熱材１６は、第１熱伝導率及び第１材料強度を有しており、放熱板２３、２４の他方の表面２３ｂ、２４ｂの中央部とその周囲に配置されている。また、第２放熱材１７は、第１熱伝導率よりも低い第２熱伝導率及び第１材料強度よりも高い第２材料強度を有しており、第１放熱材の周囲に配置されている。第１放熱材１６及び第２放熱材１７は、当初は流動体又は半流動体であり、塗布後に固体化する。 As described above, in the semiconductor device 2 of the present embodiment, the heat dissipation members 16 and 17 are solid, and are sandwiched between the power card 20 and the heat sinks 14 and 15. The heat sinks 16 and 17 are applied to at least one of the power card 20 and the heat sinks 14 and 15 and include the first heat sink 16 and the second heat sink 17. The first heat dissipating material 16 has a first thermal conductivity and a first material strength, and is disposed at the central portion of the other surfaces 23 b and 24 b of the heat dissipating plates 23 and 24 and the periphery thereof. In addition, the second heat dissipating material 17 has a second heat conductivity lower than the first heat conductivity and a second material strength higher than the first material strength, and is disposed around the first heat dissipating material There is. The first heat dissipating material 16 and the second heat dissipating material 17 are initially a fluid or semi fluid, and solidify after application.
これにより、ヒートスポットになる放熱板２３、２４の中央部に第１放熱材１６が位置し、この第１放熱材１６の周囲に第２放熱材１７が位置する。そのため、パワーカード２０とヒートシンク１４、１５の熱膨張率が異なる場合において、両者の膨張量の差によって生じ得る応力が放熱板２３、２４の周縁部付近に集中しても、その影響を受け難くし得る。したがって、パワーカード２０の動作と停止の繰り返しによる熱サイクルによりパワーカード２０とヒートシンク１４、１５が膨張や収縮を繰り返すことがあっても、固体の放熱材１６、１７が剥離したり割れたりし難くなる。よって、放熱性能を向上しつつ放熱材１６、１７の剥離や割れを抑制することが可能になる。また、ひび割れなどが生じ難くなることから、放熱材のひび割れ部分にできる空間内での電界集中に起因したコロナ放電の発生も抑制することが可能になる。またこのようなコロナ放電の発生による放熱材の炭化も防ぐため、絶縁破壊に至る虞も低くする。 As a result, the first heat radiating material 16 is positioned at the central portion of the heat radiating plates 23 and 24 to be heat spots, and the second heat radiating material 17 is positioned around the first heat radiating material 16. Therefore, when the thermal expansion coefficients of the power card 20 and the heat sinks 14 and 15 are different, even if the stress that may be generated due to the difference between the expansion amounts of the two is concentrated in the vicinity of the peripheral portions of the heat sinks 23 and 24, it is not easily affected. It can. Therefore, even if the power card 20 and the heat sinks 14 and 15 repeatedly expand and contract due to the thermal cycle of the operation and stop of the power card 20, the solid heat dissipating materials 16 and 17 hardly separate or break. Become. Therefore, it is possible to suppress the peeling and cracking of the heat radiation members 16 and 17 while improving the heat radiation performance. In addition, since cracking and the like are less likely to occur, it is possible to suppress the occurrence of corona discharge due to the concentration of the electric field in the space where the cracked portion of the heat sink is formed. Moreover, in order to prevent carbonization of the heat dissipation material due to the occurrence of such corona discharge, the risk of dielectric breakdown is also reduced.
本実施例では、ヒートスポットである放熱板２３、２４の中央部に第１放熱材１６を塗布する場合を例示して説明したが、第１放熱材１６に代えて、絶縁シートを貼付してもよい。絶縁シートは、例えば、エポキシ系の材質であり、厚さが０．２ｍｍ程度のものを用いる。また、材料強度が、ヤング率１０ＧＰａ以上、引張強度１ＭＰａ程度であり、線膨張係数が１０×１０-6／℃−３０×１０-6／℃のものを選択する。In the present embodiment, the case where the first heat radiating material 16 is applied to the central portions of the heat radiating plates 23, 24 which are heat spots is described as an example, but instead of the first heat radiating material 16, an insulating sheet is attached. It is also good. The insulating sheet is, for example, an epoxy-based material having a thickness of about 0.2 mm. In addition, a material having a Young's modulus of 10 GPa or more and a tensile strength of about 1 MPa and a linear expansion coefficient of 10 × 10−6 / ° C. to 30 × 10−6 / ° C. is selected.
また、本実施例では、ヒートシンク１４、１５の裏側面１４ｂ、１５ｂにも、第１放熱材１６を塗布する場合を例示して説明したが、第１放熱材１６に代えて、絶縁シートを貼付してもよい。絶縁シートは、例えば、エポキシ系の材質であり、厚さが０．２ｍｍ程度のものを用いる。また絶縁シートの材料強度は、ヤング率１０ＧＰａ以上、引張強度１ＭＰａ程度であり、線膨張係数がヒートシンク１４、１５の線膨張係数に近い値のものにする。ヒートシンク１４、１５がアルミニウム製である場合には、アルミニウムの線膨張係数である２３×１０-6／℃程度に近い値（例えば、２０×１０-6／℃−２５×１０-6／℃）のものを選択する。Moreover, although the case where the 1st thermal radiation material 16 was apply | coated was illustrated and demonstrated also to the back side 14b, 15b of the heat sinks 14 and 15 in this example, it replaces with the 1st thermal radiation material 16, and adheres an insulating sheet. You may The insulating sheet is, for example, an epoxy-based material having a thickness of about 0.2 mm. The material strength of the insulating sheet is a Young's modulus of 10 GPa or more and a tensile strength of about 1 MPa, and the linear expansion coefficient is close to the linear expansion coefficient of the heat sinks 14 and 15. When the heat sinks 14 and 15 are made of aluminum, a value close to about 23 × 10−6 / ° C. which is a linear expansion coefficient of aluminum (for example, 20 × 10−6 / ° C. −25 × 10−6 / ° C.) Choose one.
また、本実施例では、既に第１放熱材１６が塗布されている範囲にさらに第２放熱材１７を重ねて塗布する場合を例示して説明したが、第２放熱材１７の塗布範囲が樹脂パッケージ２１の表面２１ａ、２１ｂにおいて放熱板２３、２４の周縁部付近まで及ぶものであれば、第１放熱材１６が塗布されている範囲を除いて第２放熱材１７を塗布してもよい。また、第２放熱材１７の塗布厚さは、第１放熱材１６と同等でもよい。 Moreover, although the case where the 2nd thermal radiation material 17 was further overlapped and applied to the range to which the 1st thermal radiation material 16 was already applied was illustrated and explained in this example, the application range of the 2nd thermal radiation material 17 is resin As long as the surfaces 21 a and 21 b of the package 21 extend to the vicinity of the peripheral edge portions of the heat dissipation plates 23 and 24, the second heat dissipation material 17 may be applied except for the range where the first heat dissipation material 16 is applied. In addition, the application thickness of the second heat radiating material 17 may be equal to that of the first heat radiating material 16.
また、本実施例では、第１放熱材１６及び第２放熱材１７を樹脂パッケージ２１の表面２１ａ、２１ｂに塗布する場合を例示して説明したが、これ加えて、ヒートシンク１４、１５の裏側面１４ｂ、１５ｂに第１放熱材１６及び第２放熱材１７を塗布してもよい。 Moreover, although the case where the 1st thermal radiation material 16 and the 2nd thermal radiation material 17 were apply | coated to surface 21a, 21b of the resin package 21 was illustrated and demonstrated in the present Example, in addition to this, the back side of the heat sinks 14 and 15 You may apply | coat the 1st heat radiating material 16 and the 2nd heat radiating material 17 to 14b, 15b.
実施例技術に関する留意点を述べる。実施例のパワーカード２０では、第１放熱材１６は第１熱伝導率と第１材料強度を有しており、第２放熱材１７は第２熱伝導率と第２材料強度を有している。そして、第２熱伝導率は第１熱伝導率よりも低く、かつ、第２材料強度は第１材料強度よりも高い。第２熱伝導率が第１熱伝導率よりも低く、かつ、第２材料強度が第１材料強度よりも高いことが最も望ましいが、第２放熱材は、第１熱伝導率よりも低い第２熱伝導率と、第１材料強度よりも高い第２材料強度のいずれか一方を有していれば、前述した効果が得られる。即ち、第２放熱材は、第１熱伝導率よりも低い第２熱伝導率と、第１材料強度よりも低い材料強度を有していてもよい。あるいは、第２放熱材は、第１熱伝導率よりも高い熱伝導率と、第１材料強度よりも高い第２材料強度を有していてもよい。 A point to note about the embodiment technology is described. In the power card 20 of the embodiment, the first heat dissipating material 16 has the first heat conductivity and the first material strength, and the second heat dissipating material 17 has the second heat conductivity and the second material strength. There is. The second thermal conductivity is lower than the first thermal conductivity, and the second material strength is higher than the first material strength. It is most desirable that the second thermal conductivity is lower than the first thermal conductivity and the second material strength is higher than the first material strength, but the second heat dissipation material has a second thermal conductivity lower than the first thermal conductivity. If it has any one of 2 thermal conductivity and 2nd material strength higher than 1st material strength, an effect mentioned above will be acquired. That is, the second heat dissipating material may have a second thermal conductivity lower than the first thermal conductivity and a material strength lower than the first material strength. Alternatively, the second heat dissipating material may have a thermal conductivity higher than the first thermal conductivity and a second material strength higher than the first material strength.
ヒートシンク１４、１５が冷却器の一例に相当する。パワーカード２０が半導体モジュールの一例に相当する。樹脂パッケージ２１が樹脂パッケージの一例に相当する。一方の表面２１ａ及び他方の表面２１ｂが「樹脂パッケージの表面」の一例に相当する。半導体デバイス２２が半導体素子の一例に相当する。他方の表面２３ｂ、２４ｂが「放熱板の表面」の一例に相当する。 The heat sinks 14 and 15 correspond to an example of a cooler. The power card 20 corresponds to an example of a semiconductor module. The resin package 21 corresponds to an example of a resin package. One surface 21 a and the other surface 21 b correspond to an example of “surface of resin package”. The semiconductor device 22 corresponds to an example of a semiconductor element. The other surfaces 23 b and 24 b correspond to an example of “the surface of the heat sink”.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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、本明細書又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、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、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。 As mentioned above, although the specific example of this invention was described in detail, these are only an illustration and do not limit a claim. The art set forth in the claims includes various variations and modifications of the specific examples illustrated above. The technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness singly or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques illustrated in the present specification or the drawings simultaneously achieve a plurality of purposes, and achieving one of the purposes itself has technical utility.
２：半導体装置
３：冷媒供給管
４：冷媒排出管
５：前面カバー
６：後面カバー
１０：半導体ユニット
１１：樹脂モールド
１２：流路穴
１４、１５：ヒートシンク
１６：第１放熱材
１７：第２放熱材
２０：パワーカード
２１：樹脂パッケージ
２２：半導体デバイス
２３、２４：放熱板
２３ａ、２４ａ：一方の表面
２３ｂ、２４ｂ：他方の表面
５０：加圧機2: Semiconductor device 3: Refrigerant supply pipe 4: Refrigerant discharge pipe 5: Front cover 6: Rear cover 10: Semiconductor unit 11: Resin mold 12: Channel hole 14, 15: Heat sink 16: First heat dissipation material 17: Second Heat dissipation material 20: Power card 21: Resin package 22: Semiconductor device 23, 24: Heat dissipation plate 23a, 24a: One surface 23b, 24b: Other surface 50: Pressurizer
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017232055AJP2019102646A (en) | 2017-12-01 | 2017-12-01 | Semiconductor device |
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017232055AJP2019102646A (en) | 2017-12-01 | 2017-12-01 | Semiconductor device |
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2019102646Atrue JP2019102646A (en) | 2019-06-24 |
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017232055APendingJP2019102646A (en) | 2017-12-01 | 2017-12-01 | Semiconductor device |
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2019102646A (en) |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023248999A1 (en)* | 2022-06-23 | 2023-12-28 | ニデック株式会社 | Semiconductor module |
| DE112022004889T5 (en) | 2021-12-16 | 2024-08-08 | Hitachi Astemo, Ltd. | Semiconductor device and power conversion device |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006086342A (en)* | 2004-09-16 | 2006-03-30 | Toyota Motor Corp | Resin-encapsulated semiconductor device |
| JP2013073964A (en)* | 2011-09-26 | 2013-04-22 | Hitachi Automotive Systems Ltd | Power module |
| JP2013211299A (en)* | 2012-03-30 | 2013-10-10 | Hitachi Automotive Systems Ltd | Power semiconductor module and electric power conversion apparatus |
| US20140018901A1 (en)* | 2006-05-19 | 2014-01-16 | Boston Scientific Scimed, Inc. | Apparatus for Loading and Delivering a Stent |
| JP2016111089A (en)* | 2014-12-03 | 2016-06-20 | トヨタ自動車株式会社 | Semiconductor device |
| JP2016131196A (en)* | 2015-01-13 | 2016-07-21 | トヨタ自動車株式会社 | Semiconductor device |
| JP2017028040A (en)* | 2015-07-21 | 2017-02-02 | トヨタ自動車株式会社 | Semiconductor device |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006086342A (en)* | 2004-09-16 | 2006-03-30 | Toyota Motor Corp | Resin-encapsulated semiconductor device |
| US20140018901A1 (en)* | 2006-05-19 | 2014-01-16 | Boston Scientific Scimed, Inc. | Apparatus for Loading and Delivering a Stent |
| JP2013073964A (en)* | 2011-09-26 | 2013-04-22 | Hitachi Automotive Systems Ltd | Power module |
| JP2013211299A (en)* | 2012-03-30 | 2013-10-10 | Hitachi Automotive Systems Ltd | Power semiconductor module and electric power conversion apparatus |
| JP2016111089A (en)* | 2014-12-03 | 2016-06-20 | トヨタ自動車株式会社 | Semiconductor device |
| JP2016131196A (en)* | 2015-01-13 | 2016-07-21 | トヨタ自動車株式会社 | Semiconductor device |
| JP2017028040A (en)* | 2015-07-21 | 2017-02-02 | トヨタ自動車株式会社 | Semiconductor device |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE112022004889T5 (en) | 2021-12-16 | 2024-08-08 | Hitachi Astemo, Ltd. | Semiconductor device and power conversion device |
| WO2023248999A1 (en)* | 2022-06-23 | 2023-12-28 | ニデック株式会社 | Semiconductor module |
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107039289B (en) | Thermal interface material with defined thermal, mechanical and electrical properties | |
| JP4569473B2 (en) | Resin-encapsulated power semiconductor module | |
| US9236324B2 (en) | Electric power semiconductor device and method for producing same | |
| JP5472498B2 (en) | Power module manufacturing method | |
| JP6195689B1 (en) | Power module | |
| JP7491707B2 (en) | Electrical circuit body, power conversion device, and method for manufacturing the electrical circuit body | |
| CN109560049B (en) | Semiconductor device with a plurality of semiconductor chips | |
| JP2009536458A (en) | Semiconductor module and manufacturing method thereof | |
| CN109637983B (en) | Chip packaging | |
| US20090237890A1 (en) | Semiconductor device and method for manufacturing the same | |
| TWI382520B (en) | Compact semiconductor package with integrated bypass capacitor and method | |
| KR20180079202A (en) | Chip package structure and manufacturing method thereof | |
| JP7523419B2 (en) | Method for manufacturing power semiconductor device | |
| JP2011216564A (en) | Power module and method of manufacturing the same | |
| JP4906650B2 (en) | Power semiconductor module and manufacturing method thereof | |
| US9768095B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| JP2019102646A (en) | Semiconductor device | |
| CN104798194B (en) | Semiconductor devices | |
| JP5899680B2 (en) | Power semiconductor module | |
| JP6361597B2 (en) | Semiconductor device | |
| CN110676232B (en) | Semiconductor device packaging structure, manufacturing method thereof and electronic equipment | |
| JP5368492B2 (en) | Power semiconductor device | |
| JP2017017229A (en) | Semiconductor device | |
| JP2016054223A (en) | Semiconductor device | |
| JP2009231685A (en) | Power semiconductor device |
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant | Free format text:JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date:20200401 | |
| A621 | Written request for application examination | Free format text:JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date:20201111 | |
| A977 | Report on retrieval | Free format text:JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date:20210804 | |
| A131 | Notification of reasons for refusal | Free format text:JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date:20210810 | |
| A02 | Decision of refusal | Free format text:JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date:20220215 |