JP2001339020A - 半導体モジュール - Google Patents
半導体モジュールInfo
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- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/321—Disposition
- H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】半導体モジュール基板に直接冷却流体に接触さ
せて冷却性能を向上させるとともに、放熱基板の物性に
制御性をもたせて冷却および疲労耐久の仕様に応じた低
コストな半導体モジュールを得ること。 【解決手段】複数の半導体素子１０２が絶縁基板１０３
を介して放熱基板１０４に接合された半導体モジュール
において、放熱基板１０４の材質を銅（Ｃｕ）と第一酸
化銅(Ｃｕ2Ｏ）の複合材とする。
せて冷却性能を向上させるとともに、放熱基板の物性に
制御性をもたせて冷却および疲労耐久の仕様に応じた低
コストな半導体モジュールを得ること。 【解決手段】複数の半導体素子１０２が絶縁基板１０３
を介して放熱基板１０４に接合された半導体モジュール
において、放熱基板１０４の材質を銅（Ｃｕ）と第一酸
化銅(Ｃｕ2Ｏ）の複合材とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば電力変換装
置やコンピュータに用いられる半導体モジュールに関す
るものである。
置やコンピュータに用いられる半導体モジュールに関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の半導体モジュールとしては、例え
ば特開平１０−１５０１２４号公報に記載されているよ
うに、厚さ方向に複合層と金属層とを有し、複合層は高
熱伝導性の金属マトリックスに低熱膨張性の繊維状又は
粒子状分散材を分散させたものからなり、金属層は複合
層の金属マトリックスと同じ金属からなり、金属層の金
属と複合層の金属マトリックスとが連続しており、複合
層の外面側が発熱半導体デバイス又は発熱半導体デバイ
スを実装した低熱膨張性基板の搭載部となっているもの
が公知である。
ば特開平１０−１５０１２４号公報に記載されているよ
うに、厚さ方向に複合層と金属層とを有し、複合層は高
熱伝導性の金属マトリックスに低熱膨張性の繊維状又は
粒子状分散材を分散させたものからなり、金属層は複合
層の金属マトリックスと同じ金属からなり、金属層の金
属と複合層の金属マトリックスとが連続しており、複合
層の外面側が発熱半導体デバイス又は発熱半導体デバイ
スを実装した低熱膨張性基板の搭載部となっているもの
が公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】かかる半導体モジュー
ルによれば、冷却性能を向上させるための配慮が為され
ていなかった。かかる半導体モジュールでは、冷却性能
を向上させるために金属層部分にフィンを形成する例が
開示されているが、金属層部分の材質としては銅（Ｃ
ｕ）やアルミ（Ａｌ）が適当であるとしている。しか
し、Ｃｕは熱伝導率が高いものの機械加工性に難点があ
り、例えばアスペクト比が５以上の平行を有する平板フ
ィンを機械加工することは非常に困難であった。またＡ
ｌはＣｕと比較して加工性に優れるものの、熱伝導率が
銅の約１／２であることから、Ｃｕと比較して冷却性能
が劣るという問題があった。
ルによれば、冷却性能を向上させるための配慮が為され
ていなかった。かかる半導体モジュールでは、冷却性能
を向上させるために金属層部分にフィンを形成する例が
開示されているが、金属層部分の材質としては銅（Ｃ
ｕ）やアルミ（Ａｌ）が適当であるとしている。しか
し、Ｃｕは熱伝導率が高いものの機械加工性に難点があ
り、例えばアスペクト比が５以上の平行を有する平板フ
ィンを機械加工することは非常に困難であった。またＡ
ｌはＣｕと比較して加工性に優れるものの、熱伝導率が
銅の約１／２であることから、Ｃｕと比較して冷却性能
が劣るという問題があった。
【０００４】本発明の目的は、上記課題を鑑み、モジュ
ール接合部の熱疲労寿命を維持しつつ冷却性能に優れ、
かつ低コスト化が可能な半導体モジュールを得ることに
ある。
ール接合部の熱疲労寿命を維持しつつ冷却性能に優れ、
かつ低コスト化が可能な半導体モジュールを得ることに
ある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的は、複数の半導
体素子が絶縁基板を介して放熱基板に接合された半導体
モジュールにおいて、放熱基板の材質を銅（Ｃｕ）と第
一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の複合材とすることにより達成され
る。
体素子が絶縁基板を介して放熱基板に接合された半導体
モジュールにおいて、放熱基板の材質を銅（Ｃｕ）と第
一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の複合材とすることにより達成され
る。
【０００６】また上記目的は、複数の半導体素子が絶縁
基板を介して放熱基板に接合された半導体モジュールに
おいて、放熱基板の材質を銅(Ｃｕ）と第一酸化銅(Ｃｕ
2Ｏ)の複合材とし、放熱基板の素子搭載面側からフィン
側に向って銅（Ｃｕ）と第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の配合比
を段階的に変えて第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の含有率を低く
することにより達成される。
基板を介して放熱基板に接合された半導体モジュールに
おいて、放熱基板の材質を銅(Ｃｕ）と第一酸化銅(Ｃｕ
2Ｏ)の複合材とし、放熱基板の素子搭載面側からフィン
側に向って銅（Ｃｕ）と第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の配合比
を段階的に変えて第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の含有率を低く
することにより達成される。
【０００７】また上記目的は、複数の半導体素子が絶縁
基板を介して放熱基板に接合された半導体モジュールに
おいて、放熱基板の材質を銅(Ｃｕ）と第一酸化銅(Ｃｕ
2Ｏ)の複合材とし、第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の結晶粒が棒
状でかつ放熱基板の素子搭載面に対してほぼ垂直となる
ように形成することにより達成される。
基板を介して放熱基板に接合された半導体モジュールに
おいて、放熱基板の材質を銅(Ｃｕ）と第一酸化銅(Ｃｕ
2Ｏ)の複合材とし、第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の結晶粒が棒
状でかつ放熱基板の素子搭載面に対してほぼ垂直となる
ように形成することにより達成される。
【０００８】また上記目的は、複数の半導体素子が放熱
基板に接合された半導体モジュールにおいて、放熱基板
の材質が銅（Ｃｕ）と第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の複合材か
らなり、放熱基板内には第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）のみから
なる絶縁層を素子搭載面に対して平行となるように形成
することにより達成される。
基板に接合された半導体モジュールにおいて、放熱基板
の材質が銅（Ｃｕ）と第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の複合材か
らなり、放熱基板内には第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）のみから
なる絶縁層を素子搭載面に対して平行となるように形成
することにより達成される。
【０００９】なお上述した解決手段は、放熱基板の反素
子搭載面側に放熱フィンが形成されるか、あるいは放熱
基板内部に冷却流体を流すための流路が形成されること
により、一層の効果を得ることができる。
子搭載面側に放熱フィンが形成されるか、あるいは放熱
基板内部に冷却流体を流すための流路が形成されること
により、一層の効果を得ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】はじめに図１乃至図４を用いて、
本発明の半導体モジュールの第一実施形態を説明する。
ここでは、電力変換装置用の液冷式パワー半導体モジュ
ールおよびその実装冷却構造を示しており、図１は半導
体モジュールおよびその実装冷却構造を示す構成図、図
２は図１におけるＡ−Ａ断面図、図３は図２におけるＢ
−Ｂ断面図、図４は、図２におけるＣ−Ｃ断面図であ
る。本実施形態はハイブリッド車両用の電力変換装置を
示しており、２つの回転電機を制御するために、それぞ
れ独立した２つのインバータ回路を搭載した場合の例を
示している。なお、これらの図では、主に半導体モジュ
ールとこれを冷却するためのヒートシンクを示してお
り、コンデンサやマイコン制御回路といった他の電気部
品や配線等の記載は省略されている。
本発明の半導体モジュールの第一実施形態を説明する。
ここでは、電力変換装置用の液冷式パワー半導体モジュ
ールおよびその実装冷却構造を示しており、図１は半導
体モジュールおよびその実装冷却構造を示す構成図、図
２は図１におけるＡ−Ａ断面図、図３は図２におけるＢ
−Ｂ断面図、図４は、図２におけるＣ−Ｃ断面図であ
る。本実施形態はハイブリッド車両用の電力変換装置を
示しており、２つの回転電機を制御するために、それぞ
れ独立した２つのインバータ回路を搭載した場合の例を
示している。なお、これらの図では、主に半導体モジュ
ールとこれを冷却するためのヒートシンクを示してお
り、コンデンサやマイコン制御回路といった他の電気部
品や配線等の記載は省略されている。
【００１１】最初に本実施形態の構成を説明する。半導
体モジュール１０１は、半導体素子１０２の裏面に絶縁
基板１０３を取り付け、さらにこの絶縁基板１０３の裏
面に材質が銅（Ｃｕ）と第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の複合材
からなる放熱基板１０４を取り付けて構成され、これら
の構成部品の接合には主に半田等の金属が用いられる。
放熱基板１０４の額縁部にはボルト締結用の穴が複数個
設けられており、この穴にボルト１０６を挿入すること
で、半導体モジュール１０１とヒートシンク１を後述す
るシールを介して締結している。
体モジュール１０１は、半導体素子１０２の裏面に絶縁
基板１０３を取り付け、さらにこの絶縁基板１０３の裏
面に材質が銅（Ｃｕ）と第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の複合材
からなる放熱基板１０４を取り付けて構成され、これら
の構成部品の接合には主に半田等の金属が用いられる。
放熱基板１０４の額縁部にはボルト締結用の穴が複数個
設けられており、この穴にボルト１０６を挿入すること
で、半導体モジュール１０１とヒートシンク１を後述す
るシールを介して締結している。
【００１２】放熱基板１０４には、冷却液との接触面積
を増大させ、冷却能力を向上させる放熱フィン１０５が
冷却液の流れ方向に対して平行となるように設けられて
いる。さらに半導体モジュール１０１と他の電気部品と
の接続に用いる電極１０７が、放熱基板の放熱面に対し
対向する側に設けられている。なお、本図において、内
部の半導体素子とこの電極との配線は省略している。
を増大させ、冷却能力を向上させる放熱フィン１０５が
冷却液の流れ方向に対して平行となるように設けられて
いる。さらに半導体モジュール１０１と他の電気部品と
の接続に用いる電極１０７が、放熱基板の放熱面に対し
対向する側に設けられている。なお、本図において、内
部の半導体素子とこの電極との配線は省略している。
【００１３】ヒートシンク１には上述した半導体モジュ
ール１０１が２個搭載されており、各モジュールはそれ
ぞれ独立したインバータ回路の主回路を構成する。なお
このような形態は、例えば１つの大容量回転電機を制御
する場合で、２つのモジュールで１つのインバータ主回
路を構成する場合にも適用される。また、図示しない
が、本ヒートシンク上には例えばコンデンサといった他
の電気部品も実装される。
ール１０１が２個搭載されており、各モジュールはそれ
ぞれ独立したインバータ回路の主回路を構成する。なお
このような形態は、例えば１つの大容量回転電機を制御
する場合で、２つのモジュールで１つのインバータ主回
路を構成する場合にも適用される。また、図示しない
が、本ヒートシンク上には例えばコンデンサといった他
の電気部品も実装される。
【００１４】ヒートシンク１には、半導体モジュール１
０１を冷却する冷却液を通すための冷却流路２が内部に
形成されており、その流路の両端部には、ヒートシンク
外部から冷却液を導入・排出するための入口３ａと出口
３ｂが設けられている。このとき冷却流路の一部には、
半導体モジュール１０１の放熱基板１０４および放熱フ
ィン１０５に直接冷却液が接触するように開口部５を設
けている。この開口部は放熱基板１０４を開口部５上に
取り付けることで、冷却流路が塞がれるようにするた
め、その開口寸法は放熱基板の外寸法より小さく形成さ
れる。さらに開口部の外側には、半導体モジュール１０
１を取り付けるための複数のボルト穴８が開口部を取り
囲むように配置される。
０１を冷却する冷却液を通すための冷却流路２が内部に
形成されており、その流路の両端部には、ヒートシンク
外部から冷却液を導入・排出するための入口３ａと出口
３ｂが設けられている。このとき冷却流路の一部には、
半導体モジュール１０１の放熱基板１０４および放熱フ
ィン１０５に直接冷却液が接触するように開口部５を設
けている。この開口部は放熱基板１０４を開口部５上に
取り付けることで、冷却流路が塞がれるようにするた
め、その開口寸法は放熱基板の外寸法より小さく形成さ
れる。さらに開口部の外側には、半導体モジュール１０
１を取り付けるための複数のボルト穴８が開口部を取り
囲むように配置される。
【００１５】さらに冷却流路の開口部５とボルト穴８に
挟まれる環状の領域に、冷却液が流れることができる程
度の寸法の溝６が設けられ、この溝の冷却流路に平行に
形成されている部分の底面には、この溝の底面からヒー
トシンク１の底面に通じる穴７が離散的に複数個設けら
れる。溝６により半導体モジュール１０１とヒートシン
ク１との接触領域は、開口部５と溝６の内周側に挟まれ
る領域と、溝の外周側から半導体モジュールの放熱基板
外周に挟まれる領域の２つに分割されて形成される。こ
の２つの環状の接触領域に対し、半導体モジュール１０
１とヒートシンク１の液密性を保持するためのシールが
半導体モジュールとヒートシンク１の取り付け面の間に
それぞれ挿入される。
挟まれる環状の領域に、冷却液が流れることができる程
度の寸法の溝６が設けられ、この溝の冷却流路に平行に
形成されている部分の底面には、この溝の底面からヒー
トシンク１の底面に通じる穴７が離散的に複数個設けら
れる。溝６により半導体モジュール１０１とヒートシン
ク１との接触領域は、開口部５と溝６の内周側に挟まれ
る領域と、溝の外周側から半導体モジュールの放熱基板
外周に挟まれる領域の２つに分割されて形成される。こ
の２つの環状の接触領域に対し、半導体モジュール１０
１とヒートシンク１の液密性を保持するためのシールが
半導体モジュールとヒートシンク１の取り付け面の間に
それぞれ挿入される。
【００１６】以上に示したシール方法により、第１シー
ル部の耐久劣化やボルト緩みによる押し付け力低下によ
って、第１シール部９の外側に冷却液が漏れた場合で
も、冷却液は液排出溝６および液排出穴７を介してヒー
トシンクの外側へ排出され、半導体モジュール取り付け
面側に実装される高圧の電気部品が被水して絶縁不良を
起こすことを防止している。
ル部の耐久劣化やボルト緩みによる押し付け力低下によ
って、第１シール部９の外側に冷却液が漏れた場合で
も、冷却液は液排出溝６および液排出穴７を介してヒー
トシンクの外側へ排出され、半導体モジュール取り付け
面側に実装される高圧の電気部品が被水して絶縁不良を
起こすことを防止している。
【００１７】つぎに本発明の作用効果として、半導体素
子の冷却について説明する。従来の電力用半導体モジュ
ールは、放熱基板裏面に熱伝導グリースや熱伝導シート
といった部材を介してヒートシンクに取り付けることで
冷却しており、このとき使用される熱伝導グリースや熱
伝導シートといった部材の熱伝導率はたかだか数Ｗ／
(ｍ・Ｋ)のオーダーであった。これに対し本実施形態に
おける半導体素子１０２は絶縁基板１０３を介してフィ
ン付き放熱基板１０４に半田接合され、このときの半田
の熱伝導率は数十Ｗ／（ｍ・Ｋ）のオーダーであること
から、本実施形態を採用することで大幅に冷却能力を向
上することができる。
子の冷却について説明する。従来の電力用半導体モジュ
ールは、放熱基板裏面に熱伝導グリースや熱伝導シート
といった部材を介してヒートシンクに取り付けることで
冷却しており、このとき使用される熱伝導グリースや熱
伝導シートといった部材の熱伝導率はたかだか数Ｗ／
(ｍ・Ｋ)のオーダーであった。これに対し本実施形態に
おける半導体素子１０２は絶縁基板１０３を介してフィ
ン付き放熱基板１０４に半田接合され、このときの半田
の熱伝導率は数十Ｗ／（ｍ・Ｋ）のオーダーであること
から、本実施形態を採用することで大幅に冷却能力を向
上することができる。
【００１８】さらにフィン付き放熱基板は銅（Ｃｕ）と
第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の複合材から構成され、銅に対し
て第一酸化銅を適切な体積分率だけ含ませることで、電
力変換装置に求められる冷却性能ならびに半導体素子や
絶縁基板との間にある半田接合部の疲労寿命の両者を満
足する実装構造を実現することができる。
第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の複合材から構成され、銅に対し
て第一酸化銅を適切な体積分率だけ含ませることで、電
力変換装置に求められる冷却性能ならびに半導体素子や
絶縁基板との間にある半田接合部の疲労寿命の両者を満
足する実装構造を実現することができる。
【００１９】
【表１】
【００２０】表１に本発明に用いる銅（Ｃｕ）と第一酸
化銅(Ｃｕ2Ｏ）の代表的な配合比における線膨張係数と
熱伝導率を示す。
化銅(Ｃｕ2Ｏ）の代表的な配合比における線膨張係数と
熱伝導率を示す。
【００２１】半導体素子の材料の代表例であるＳｉ及び
ＧａＡｓの線膨張係数は、それぞれ２.６×１０-6〜３.
６×１０-6／℃，５.７×１０-6〜６.９×１０-6／℃で
あり、絶縁基板の材料の代表例であるＡｌＮ及びＡｌ2
Ｏ3の線膨張係数は約５×10-6／℃である。これに対
し、従来の放熱基板材料であるＣｕ及びＡｌの線膨張係
数は１７×１０-6〜２３×１０-6／℃である。そのため
放熱基板と半導体素子ならびに絶縁基板との線膨張係数
差が大きく、この差に起因して上記部材間を接合する半
田にひずみが発生し、その結果半田にクラックや剥離が
生じて半導体モジュールの放熱性を著しく低下させてい
た。
ＧａＡｓの線膨張係数は、それぞれ２.６×１０-6〜３.
６×１０-6／℃，５.７×１０-6〜６.９×１０-6／℃で
あり、絶縁基板の材料の代表例であるＡｌＮ及びＡｌ2
Ｏ3の線膨張係数は約５×10-6／℃である。これに対
し、従来の放熱基板材料であるＣｕ及びＡｌの線膨張係
数は１７×１０-6〜２３×１０-6／℃である。そのため
放熱基板と半導体素子ならびに絶縁基板との線膨張係数
差が大きく、この差に起因して上記部材間を接合する半
田にひずみが発生し、その結果半田にクラックや剥離が
生じて半導体モジュールの放熱性を著しく低下させてい
た。
【００２２】これに対し半導体モジュールに必要とされ
る冷却性や耐久性を勘案して、表１から組成を適宜選択
して放熱基板として用いることで、放熱基板の線膨張係
数を、ＣｕやＡｌ単体金属で形成される放熱基板と比較
して小さくできることから、放熱基板上に半田接合され
る絶縁基板や半導体素子との線膨張係数の差を小さくす
ることができ、半田にクラックや剥離が生じにくい長寿
命な構造とすることができる。さらに表１に示した組成
において第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）のヴィッカース硬さを３
００以下に抑えることで、放熱基板にフィンを形成する
際の機械加工性が向上し、アスペクト比の高いフィンを
短時間で加工することができる。
る冷却性や耐久性を勘案して、表１から組成を適宜選択
して放熱基板として用いることで、放熱基板の線膨張係
数を、ＣｕやＡｌ単体金属で形成される放熱基板と比較
して小さくできることから、放熱基板上に半田接合され
る絶縁基板や半導体素子との線膨張係数の差を小さくす
ることができ、半田にクラックや剥離が生じにくい長寿
命な構造とすることができる。さらに表１に示した組成
において第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）のヴィッカース硬さを３
００以下に抑えることで、放熱基板にフィンを形成する
際の機械加工性が向上し、アスペクト比の高いフィンを
短時間で加工することができる。
【００２３】さらに放熱基板１０４の材料構成につい
て、素子搭載面側からフィン側に向って銅（Ｃｕ）と第
一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の配合比を段階的に変えて第一酸化
銅(Ｃｕ2Ｏ）の含有率を低くすることで、素子搭載面近
傍は線膨張係数を低く抑えて半導体素子または絶縁基板
との線膨張係数の差を小さくしつつ、放熱面近傍は熱伝
導率を高くして放熱性を高めるといった構成が実現し、
冷却性能ならびに半田接合部の疲労寿命の両者を満足す
る実装構造が可能になる。
て、素子搭載面側からフィン側に向って銅（Ｃｕ）と第
一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の配合比を段階的に変えて第一酸化
銅(Ｃｕ2Ｏ）の含有率を低くすることで、素子搭載面近
傍は線膨張係数を低く抑えて半導体素子または絶縁基板
との線膨張係数の差を小さくしつつ、放熱面近傍は熱伝
導率を高くして放熱性を高めるといった構成が実現し、
冷却性能ならびに半田接合部の疲労寿命の両者を満足す
る実装構造が可能になる。
【００２４】さらに放熱基板１０４の材料構成につい
て、第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の結晶粒が棒状で、かつ放熱
基板の素子搭載面に対してほぼ垂直となるように形成す
ることで、素子搭載面に平行な方向、即ち半田部に熱応
力を発生させる変形方向については線膨張係数を小さく
し、素子搭載面に垂直な方向、即ち主たる放熱性を決定
する方向については熱伝導率を大きくすることが可能と
なり、冷却性能ならびに半田接合部の疲労寿命の両者を
満足する実装構造が実現する。
て、第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の結晶粒が棒状で、かつ放熱
基板の素子搭載面に対してほぼ垂直となるように形成す
ることで、素子搭載面に平行な方向、即ち半田部に熱応
力を発生させる変形方向については線膨張係数を小さく
し、素子搭載面に垂直な方向、即ち主たる放熱性を決定
する方向については熱伝導率を大きくすることが可能と
なり、冷却性能ならびに半田接合部の疲労寿命の両者を
満足する実装構造が実現する。
【００２５】つぎに図５を用いて、本発明の半導体モジ
ュールの第二実施形態を説明する。ここでは、電力変換
装置用の空冷式パワー半導体モジュールおよびその実装
冷却構造を示している。空冷式の場合にも、冷却流体に
混じって塵埃がモジュールの実装されている筐体１０８
の内部に侵入しないようにシール１０を施す必要があ
る。なお、空冷は液冷の場合と比較して熱伝達率が小さ
いため、液冷の場合と同様な冷却能力とするためにはフ
ィンのアスペクト比を液冷の場合よりもさらに大きくす
ることが必要であるが、前述した通り放熱基板を銅（Ｃ
ｕ）と第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の複合材から構成すること
で、フィンを形成する際の機械加工性は向上し、アスペ
クト比の高いフィンを短時間で加工することができる。
ュールの第二実施形態を説明する。ここでは、電力変換
装置用の空冷式パワー半導体モジュールおよびその実装
冷却構造を示している。空冷式の場合にも、冷却流体に
混じって塵埃がモジュールの実装されている筐体１０８
の内部に侵入しないようにシール１０を施す必要があ
る。なお、空冷は液冷の場合と比較して熱伝達率が小さ
いため、液冷の場合と同様な冷却能力とするためにはフ
ィンのアスペクト比を液冷の場合よりもさらに大きくす
ることが必要であるが、前述した通り放熱基板を銅（Ｃ
ｕ）と第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の複合材から構成すること
で、フィンを形成する際の機械加工性は向上し、アスペ
クト比の高いフィンを短時間で加工することができる。
【００２６】つぎに図６を用いて、本発明の半導体モジ
ュールの第三実施形態を説明する。ここでは、電力変換
装置用の空冷式パワー半導体モジュールおよびその実装
冷却構造を示している。
ュールの第三実施形態を説明する。ここでは、電力変換
装置用の空冷式パワー半導体モジュールおよびその実装
冷却構造を示している。
【００２７】本実施例における放熱基板１０４の材料構
成について、素子搭載面の表面には第一酸化銅(Ｃｕ
2Ｏ）のみで形成される絶縁層１０４ａを配置し、この
絶縁層１０４ａ上に半導体素子１０２を直接接合した。
これにより、従来用いてきた絶縁基板を省略可能になる
とともに、素子搭載面近傍の線膨張係数を低く抑える構
成が実現することから、低コストで信頼性の高い半導体
モジュールとすることができる。
成について、素子搭載面の表面には第一酸化銅(Ｃｕ
2Ｏ）のみで形成される絶縁層１０４ａを配置し、この
絶縁層１０４ａ上に半導体素子１０２を直接接合した。
これにより、従来用いてきた絶縁基板を省略可能になる
とともに、素子搭載面近傍の線膨張係数を低く抑える構
成が実現することから、低コストで信頼性の高い半導体
モジュールとすることができる。
【００２８】つぎに図７を用いて、本発明の半導体モジ
ュールの第四実施形態を説明する。ここでは、電力変換
装置用の液冷式パワー半導体モジュールおよびその実装
冷却構造を示している。
ュールの第四実施形態を説明する。ここでは、電力変換
装置用の液冷式パワー半導体モジュールおよびその実装
冷却構造を示している。
【００２９】本実施例では、放熱基板１０４の内部に多
数の冷却流路を形成している。即ち、第一実施例に示し
たヒートシンク１と放熱基板１０４が一体となったもの
である。この場合、ヒートシンクと放熱基板との間には
シール部分が不要となるため、本質的に漏水しない構造
となり、装置の信頼性が向上する。
数の冷却流路を形成している。即ち、第一実施例に示し
たヒートシンク１と放熱基板１０４が一体となったもの
である。この場合、ヒートシンクと放熱基板との間には
シール部分が不要となるため、本質的に漏水しない構造
となり、装置の信頼性が向上する。
【００３０】以上までの実施例では、銅（Ｃｕ）と第一
酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の複合材を放熱基板としての機能に適
用した例を示したが、パワーモジュールの実装形態とし
ては、放熱基板の役割と電極の役割を両方備える場合も
ある。本発明は基本成分として導電性に優れた銅を用い
ていることから、このような電極兼放熱基板の機能に適
用しても、上述した実施例と同様な効果がある。
酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の複合材を放熱基板としての機能に適
用した例を示したが、パワーモジュールの実装形態とし
ては、放熱基板の役割と電極の役割を両方備える場合も
ある。本発明は基本成分として導電性に優れた銅を用い
ていることから、このような電極兼放熱基板の機能に適
用しても、上述した実施例と同様な効果がある。
【００３１】
【発明の効果】本発明の半導体モジュールによれば、半
導体モジュールの構成部品である放熱基板に直接冷却流
体を接触させることができると同時に、半導体モジュー
ルの線膨張係数ならびに熱伝導率を制御することが容易
に可能であることから、半導体モジュールの冷却および
疲労耐久性の仕様に応じて放熱基板の物性を制御し、低
コストで半導体モジュールの冷却性能ならびに半田接合
部の疲労寿命の両者を同時に向上させることができる。
導体モジュールの構成部品である放熱基板に直接冷却流
体を接触させることができると同時に、半導体モジュー
ルの線膨張係数ならびに熱伝導率を制御することが容易
に可能であることから、半導体モジュールの冷却および
疲労耐久性の仕様に応じて放熱基板の物性を制御し、低
コストで半導体モジュールの冷却性能ならびに半田接合
部の疲労寿命の両者を同時に向上させることができる。
【図１】本発明の第一実施形態における半導体モジュー
ル冷却部の構成図である。
ル冷却部の構成図である。
【図２】図１におけるＡ―Ａ′面の断面図である。
【図３】図２におけるＢ―Ｂ′面の断面図である。
【図４】図２におけるＣ―Ｃ′面の断面図である。
【図５】本発明の第二実施形態における半導体モジュー
ル冷却部の構成図である。
ル冷却部の構成図である。
【図６】本発明の第三実施形態における半導体モジュー
ル冷却部の構成図である。
ル冷却部の構成図である。
【図７】本発明の第四実施形態における半導体モジュー
ル冷却部の構成図である。
ル冷却部の構成図である。
１…ヒートシンク、２…冷却流路、３ａ…冷却液入口、
３ｂ…冷却液出口、４…冷却流路側壁、５…冷却流路開
口部、６…液排出溝、７…液排出穴、８…ボルト穴、９
…第１シール、１０…第２シール、１１…漏水センサ、
１２…ヒートシンクカバー、１３…スペーサー、１４…
乱れ促進体、１０１…パワーモジュール、１０２…半導
体素子、１０３…絶縁基板、１０４…放熱基板、１０４
ａ…放熱基板内絶縁層、１０５…放熱フィン、１０６…
ボルト、１０７…電極、１０８…筐体。
３ｂ…冷却液出口、４…冷却流路側壁、５…冷却流路開
口部、６…液排出溝、７…液排出穴、８…ボルト穴、９
…第１シール、１０…第２シール、１１…漏水センサ、
１２…ヒートシンクカバー、１３…スペーサー、１４…
乱れ促進体、１０１…パワーモジュール、１０２…半導
体素子、１０３…絶縁基板、１０４…放熱基板、１０４
ａ…放熱基板内絶縁層、１０５…放熱フィン、１０６…
ボルト、１０７…電極、１０８…筐体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡本 和孝 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 印南 敏之 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BA05 BB01 BD00 BD01 BD13
Claims (1)
- 【請求項１】複数の半導体素子が絶縁基板を介して放熱
基板に接合された半導体モジュールにおいて、前記放熱
基板の材質が銅（Ｃｕ）と第一酸化銅(Ｃｕ2Ｏ）の複合
材からなることを特徴とする半導体モジュール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000161116A JP2001339020A (ja) | 2000-05-26 | 2000-05-26 | 半導体モジュール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000161116A JP2001339020A (ja) | 2000-05-26 | 2000-05-26 | 半導体モジュール |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001339020A true JP2001339020A (ja) | 2001-12-07 |
Family
ID=18665189
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000161116A Pending JP2001339020A (ja) | 2000-05-26 | 2000-05-26 | 半導体モジュール |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001339020A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007142472A (ja) * | 2007-02-26 | 2007-06-07 | Hitachi Ltd | インバータ |
| JP2007189159A (ja) * | 2006-01-16 | 2007-07-26 | Hitachi Ltd | 電力変換装置 |
| JP2007214281A (ja) * | 2006-02-08 | 2007-08-23 | Toshiba Corp | 電力変換器用冷却器 |
| US7755898B2 (en) | 2007-05-22 | 2010-07-13 | Aisin Aw Co., Ltd. | Semiconductor module and inverter device |
| US7760503B2 (en) | 2007-05-22 | 2010-07-20 | Aisin Aw Co., Ltd. | Semiconductor module and inverter device |
| US7859103B2 (en) | 2007-05-22 | 2010-12-28 | Aisin Aw Co., Ltd. | Semiconductor module and inverter device |
| JP2012256767A (ja) * | 2011-06-10 | 2012-12-27 | Toyo Electric Mfg Co Ltd | 強制風冷式半導体冷却装置 |
| JP2014013848A (ja) * | 2012-07-05 | 2014-01-23 | Uacj Corp | 熱交換器 |
| JP2014512678A (ja) * | 2011-03-29 | 2014-05-22 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | 電子モジュールおよびその製造方法 |
-
2000
- 2000-05-26 JP JP2000161116A patent/JP2001339020A/ja active Pending
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP4738192B2 (ja) * | 2006-02-08 | 2011-08-03 | 株式会社東芝 | 電力変換器用冷却器 |
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| US7859103B2 (en) | 2007-05-22 | 2010-12-28 | Aisin Aw Co., Ltd. | Semiconductor module and inverter device |
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| JP2014013848A (ja) * | 2012-07-05 | 2014-01-23 | Uacj Corp | 熱交換器 |
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