JP2005203570A - Semiconductor module - Google Patents
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Abstract
【課題】放熱性および電磁ノイズの遮蔽性に優れた半導体モジュールを提供する。
【解決手段】本発明の半導体モジュール(100)は、発熱源となる半導体素子(12)を搭載した配線基板(11)からなる電力回路部(1)と、この電力回路部の半導体素子側に注入されて電力回路部で生じた熱を伝導する熱伝導性注入材(4)と、半導体素子から離間して熱伝導性注入材中に埋設されて熱伝導性注入材から吸熱する電磁遮蔽部材を兼ねた吸熱部材(3)と、この吸熱部材に接続され、吸熱部材からの受熱を外部に放熱する放熱体(7)とを備えることを特徴とする。熱伝導性注入材から吸熱部材の両面へ熱伝達されるので、吸熱部材から放熱体へ多くの熱が伝導されて効率的に放熱される。また、その吸熱部材は電磁遮蔽部材を兼ねるので電磁ノイズの遮蔽効果も併せて得られる。
【選択図】図1A semiconductor module excellent in heat dissipation and electromagnetic noise shielding is provided.
A semiconductor module (100) according to the present invention includes a power circuit unit (1) including a wiring board (11) on which a semiconductor element (12) serving as a heat source is mounted, and a semiconductor element side of the power circuit unit. Thermally conductive injecting material (4) that conducts heat that is injected and that is generated in the power circuit section, and electromagnetic shielding member that is embedded in the thermally conductive injecting material apart from the semiconductor element and absorbs heat from the thermally conductive injecting material A heat absorbing member (3) that also serves as a heat sink, and a heat radiating body (7) that is connected to the heat absorbing member and radiates heat received from the heat absorbing member to the outside. Since heat is transferred from the heat conductive injecting material to both surfaces of the heat absorbing member, a large amount of heat is conducted from the heat absorbing member to the heat radiating member and efficiently radiated. Further, since the heat absorbing member also serves as an electromagnetic shielding member, an electromagnetic noise shielding effect is also obtained.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、半導体素子(パワーMOSFET、IGBT等)を備える電力回路部の放熱性の向上を図った半導体モジュールに関するものである。また、その放熱性の向上と共に電磁ノイズ低減による信頼性の向上をも図れる半導体モジュールに関するものである。 The present invention relates to a semiconductor module in which heat dissipation of a power circuit unit including a semiconductor element (power MOSFET, IGBT, etc.) is improved. The present invention also relates to a semiconductor module that can improve heat dissipation and improve reliability by reducing electromagnetic noise.
パワーMOSFETやIGBT等の半導体素子は、大電流を制御する素子であるため、発熱量が大きい。例えば、インバータ装置のインバータ回路等に使用される半導体モジュールの場合、半導体素子に数十〜数百A程度の大電流が流れ、半導体素子は相当に大きな発熱を伴う。しかも、半導体モジュールの小型化や高集積化が求められているところ、従来の構造ではその十分な放熱を確保することが困難となりつつある。 Since semiconductor elements such as power MOSFETs and IGBTs are elements that control a large current, they generate a large amount of heat. For example, in the case of a semiconductor module used in an inverter circuit or the like of an inverter device, a large current of several tens to several hundreds A flows through the semiconductor element, and the semiconductor element is accompanied by a considerably large heat generation. Moreover, there is a demand for miniaturization and high integration of semiconductor modules, and it is becoming difficult to ensure sufficient heat dissipation with conventional structures.
そこで、半導体素子の作動を確保し、半導体モジュールの信頼性を高めるために、半導体素子からの放熱性を向上させた種々の半導体モジュールが、例えば、下記の特許文献1〜4に開示されている。 Therefore, various semiconductor modules having improved heat dissipation from the semiconductor elements in order to ensure the operation of the semiconductor elements and increase the reliability of the semiconductor modules are disclosed in, for example, the following Patent Documents 1 to 4. .
特許文献1に開示された半導体モジュールは、半導体素子の両電極面に配線基板を接合し、両配線基板を金属柱等からなる熱伝導体で熱的に接続し、半導体素子の発熱をその両面から効率的に放熱できるようにしたものである。同様の構造は、特許文献2にも記載されている。
In the semiconductor module disclosed in Patent Document 1, a wiring board is bonded to both electrode surfaces of a semiconductor element, both the wiring boards are thermally connected by a heat conductor made of a metal column or the like, and heat generation of the semiconductor element is performed on both sides. So that heat can be efficiently dissipated. A similar structure is also described in
特許文献3には、電力回路部と制御回路部との間を、高熱伝導性樹脂で部分的に連結した半導体モジュールが示されている。しかし、特許文献3には、その高熱伝導性樹脂を経由して制御回路部から電力回路部へ放熱される旨が記載されているだけである。また、制御回路部が他の放熱体に接続されたものも開示されていないので、電力回路部から制御回路部へ至る放熱経路が構成されることはない。従って、特許文献3の半導体モジュールは、電力回路部にあるシャント抵抗やワイヤ等からの放熱性を向上させ得るとしても、一番の発熱源である半導体素子自体からの放熱性を向上させることはできない。
特許文献4には、発熱源である電子部品と金属ケースの間を高熱伝導性樹脂で連結し、その電子部品の発熱を金属ケースへ伝達させて放熱するモジュールが開示されている。しかし、その高熱伝導性樹脂は、金属ケースの内壁面の一部に接触しているだけであるため、電子部品の発熱を十分に伝達するだけの経路とはなり得ない。 Patent Document 4 discloses a module in which an electronic component that is a heat source and a metal case are connected by a high thermal conductive resin, and heat generated by the electronic component is transmitted to the metal case to dissipate heat. However, since the high thermal conductive resin is only in contact with a part of the inner wall surface of the metal case, it cannot be a path for sufficiently transmitting the heat generated by the electronic component.
なお、半導体素子に流れる大電流がスイッチング等されると、電磁ノイズが発生し、その電磁ノイズは制御回路部の誤動作の原因となる。この対策として、電磁ノイズを吸収または遮蔽する金属部材を設けることが特許文献5に開示されている。もっとも、特許文献5は、電磁ノイズの抑止に着目しているに過ぎず、半導体素子の放熱性の向上策については何ら開示されていない。 In addition, when a large current flowing through the semiconductor element is switched or the like, electromagnetic noise is generated, and the electromagnetic noise causes malfunction of the control circuit unit. As a countermeasure, Patent Document 5 discloses providing a metal member that absorbs or shields electromagnetic noise. However, Patent Document 5 merely focuses on the suppression of electromagnetic noise, and does not disclose any measures for improving the heat dissipation of the semiconductor element.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、半導体素子を備える電力回路部の放熱性をさらに向上させ得る半導体モジュールを提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at providing the semiconductor module which can further improve the heat dissipation of the electric power circuit part provided with a semiconductor element.
本発明者は上記課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、半導体素子の発熱を熱伝導性注入材および吸熱部材を介して放熱することを思いつき、本発明を完成するに至った。 As a result of extensive research and trial and error to solve the above problems, the present inventor has come up with the idea that the heat generated by the semiconductor element is dissipated through the thermally conductive injecting material and the heat absorbing member, thereby completing the present invention. .
すなわち、本発明の半導体モジュールは、発熱源となる半導体素子と該半導体素子の接合される主配線パターンを有する配線基板とからなる電力回路部と、該電力回路部に接触し該電力回路部で生じた熱を伝導する熱伝導性注入材と、該電力回路部から離間して該熱伝導性注入材中に少なくとも一部が埋設され、該熱伝導性注入材から吸熱する吸熱部材と、該吸熱部材に少なくとも熱的に接続され、該吸熱部材からの受熱を外部に放熱する放熱体と、を備えることを特徴とする。 That is, the semiconductor module according to the present invention includes a power circuit unit including a semiconductor element serving as a heat generation source and a wiring substrate having a main wiring pattern to which the semiconductor element is bonded, and the power circuit unit in contact with the power circuit unit. A thermally conductive injecting material that conducts the generated heat, a heat absorbing member that is at least partially embedded in the thermally conductive injecting material apart from the power circuit portion, and absorbs heat from the thermally conductive injecting material, And a heat radiator that is at least thermally connected to the heat absorbing member and radiates heat received from the heat absorbing member to the outside.
本発明の半導体モジュールの場合、電力回路部の半導体素子等で生じた熱は、熱伝導性注入材に伝達され、熱伝導性注入材内を熱伝導する。熱伝導性注入材の受けた熱は、そこに埋設された吸熱部材が吸熱し、吸熱部材の受けた熱はそこに接続された放熱体へと熱伝達されて、放熱体から外部へ放熱される。 In the case of the semiconductor module of the present invention, heat generated in the semiconductor element or the like of the power circuit unit is transmitted to the heat conductive injection material, and is thermally conducted in the heat conductive injection material. The heat received by the thermally conductive injecting material is absorbed by the heat absorbing member embedded therein, and the heat received by the heat absorbing member is transferred to the heat radiating body connected thereto and radiated from the heat radiating body to the outside. The
この結果、例えば、配線基板の主配線パターン(半導体素子が接合される配線パターン)側からその反対面側へ向っていた従来の放熱経路(主放熱経路)とは別に、半導体素子(または配線基板)→熱伝導性注入材→吸熱部材→放熱体という新たな放熱経路(副放熱経路)が形成される。逆に、半導体素子に直接的にヒートシンク等が接触している場合は、半導体素子からそのヒートシンク等へ向っていた従来の放熱経路(主放熱経路)とは別に、半導体素子(または配線基板)→主配線パターン→熱伝導性注入材→吸熱部材→放熱体という新たな放熱経路(副放熱経路)が形成される。いずれにしても、電力回路部(特に、半導体素子)の発熱は、その副放熱経路によっても放熱されることが可能となった。 As a result, for example, a semiconductor element (or wiring board) separate from a conventional heat dissipation path (main heat dissipation path) that is directed from the main wiring pattern (wiring pattern to which the semiconductor element is bonded) side of the wiring board to the opposite surface side. ) → thermally conductive injecting material → heat absorbing member → heat radiator, a new heat radiation path (sub-heat radiation path) is formed. Conversely, when a heat sink or the like is in direct contact with the semiconductor element, the semiconductor element (or wiring board) is separated from the conventional heat dissipation path (main heat dissipation path) from the semiconductor element toward the heat sink. A new heat radiation path (sub-heat radiation path) is formed: main wiring pattern → thermally conductive injecting material → heat absorbing member → heat radiator. In any case, the heat generated in the power circuit portion (especially the semiconductor element) can be dissipated through the sub heat dissipation path.
ここで本発明の場合、熱伝導性注入材から吸熱部材への熱伝達は、電力回路部側(主面側)の接触面のみから行われるのではない。本発明の吸熱部材は、熱伝導性注入材に埋設されているから、吸熱部材は熱伝導性注入材に接触する複数の接触面(少なくとも2面以上)で熱伝導性注入材から受熱する。従って、吸熱部材と熱伝導性注入材との接触面積が拡大した分、熱伝導性注入材から吸熱部材への熱伝達性が向上し、吸熱部材へより多くの熱が流れて、その熱は放熱体から有効に放熱される。このように本発明の場合、放熱経路の新設に加えて、その放熱経路の放熱性の向上が図られている。 Here, in the case of the present invention, heat transfer from the heat conductive injecting material to the heat absorbing member is not performed only from the contact surface on the power circuit portion side (main surface side). Since the heat absorbing member of the present invention is embedded in the heat conductive injecting material, the heat absorbing member receives heat from the heat conductive injecting material at a plurality of contact surfaces (at least two surfaces) in contact with the heat conductive injecting material. Therefore, as the contact area between the heat-absorbing member and the heat-conductive injecting material is increased, the heat transfer from the heat-conductive injecting material to the heat-absorbing member is improved, and more heat flows to the heat-absorbing member, Heat is effectively radiated from the radiator. Thus, in the case of the present invention, in addition to newly providing a heat dissipation path, the heat dissipation performance of the heat dissipation path is improved.
上述のように、半導体素子の発熱等を効率的に放熱するには、複数の放熱経路が存在する方が良い。そこで、前記電力回路部は、前記熱伝導性注入材に接触してない面側に接合されるヒートシンクを備え、このヒートシンクは前記放熱体に少なくとも熱的に接続されるか放熱体の少なくとも一部を構成していると好ましい。 As described above, in order to efficiently dissipate heat generated from the semiconductor element, it is preferable that a plurality of heat dissipation paths exist. Therefore, the power circuit unit includes a heat sink that is bonded to a surface that is not in contact with the thermally conductive injection material, and the heat sink is at least thermally connected to the heat radiator or at least a part of the heat radiator. Is preferable.
ここでヒートシンクが放熱体に熱的に接続されている場合は、ヒートシンクへの入熱は放熱体から放熱されることとなる。一方、ヒートシンクが放熱体の一部または全部を構成する場合は、ヒートシンクへの入熱の少なくとも一部はヒートシンクから直接的に外部へ放熱されることとなる。 Here, when the heat sink is thermally connected to the radiator, heat input to the heat sink is radiated from the radiator. On the other hand, when the heat sink constitutes a part or all of the heat radiating body, at least a part of the heat input to the heat sink is directly radiated from the heat sink to the outside.
吸熱部材による吸熱は、電力回路部に対向する主面側とこの主面側の反対面側である副面側の両側で、それぞれの面に接触している熱伝導性注入材からなされる。ここで、副面側にある熱伝導性注入材への入熱は、主面側にある熱伝導性注入材から直接的に熱伝導されてきたものでなくても良い。主面側にある熱伝導性注入材から、他の熱伝導部材(例えば、金属柱、筐体)等を介して、副面側にある熱伝導性注入材への入熱もあり得る。但し、主面側にある熱伝導性注入材から副面側にある熱伝導性注入材へ、直接的に熱伝導させる方が、半導体素子の発熱を吸熱部材へ効率的に吸熱させることができる。そこで、前記吸熱部材は、前記電力回路部に対向する主面側とこの主面の反対面側である副面側とを連通する連通部を有し、この連通部を通じて、吸熱部材の主面側の前記熱伝導性注入材から副面側の前記熱伝導性注入材に熱伝導されると好適である。
この場合、その連通部を通じて、主面側にある熱伝導性注入材と副面側にある熱伝導性注入材とが連続体となり、半導体素子の発熱が効率的に吸熱部材へ伝達される。
The heat absorption by the heat absorbing member is made from a thermally conductive injecting material that is in contact with the respective surfaces on both the main surface side facing the power circuit portion and the sub-surface side opposite to the main surface side. Here, the heat input to the heat conductive injecting material on the sub surface side does not have to be conducted directly from the heat conductive injecting material on the main surface side. There may be heat input from the heat conductive injecting material on the main surface side to the heat conductive injecting material on the sub surface side through another heat conductive member (for example, a metal column, a housing) or the like. However, direct heat conduction from the heat conductive injecting material on the main surface side to the heat conductive injecting material on the sub surface side can efficiently absorb heat generated by the semiconductor element to the heat absorbing member. . Therefore, the heat absorbing member has a communication portion that communicates a main surface side facing the power circuit portion and a sub surface side that is the opposite surface side of the main surface, and through this communication portion, the main surface of the heat absorbing member. It is preferable that heat conduction is performed from the heat conductive injection material on the side to the heat conductive injection material on the sub surface side.
In this case, the heat conductive injecting material on the main surface side and the heat conductive injecting material on the sub surface side become a continuous body through the communicating portion, and heat generated by the semiconductor element is efficiently transmitted to the heat absorbing member.
ところで、電力回路部では、半導体素子に流れる大電流がスイッチング等されることで、電磁ノイズを発生する。この電磁ノイズが電力回路部(特に、半導体素子)等を制御する制御回路部に伝播されると、制御回路部は出力の反転等を生じて誤動作を起こし得る。そこで、このような電磁ノイズを吸収または遮蔽できる電磁遮蔽部材を、電力回路部と制御回路部との間に設けるのが好ましい。しかも、本発明の吸熱部材をその電磁遮蔽部材として併用すると一層好ましい。 By the way, in a power circuit part, electromagnetic noise is generated by switching a large current flowing through a semiconductor element. When this electromagnetic noise is propagated to a control circuit unit that controls a power circuit unit (particularly, a semiconductor element), the control circuit unit may cause an inversion of the output and malfunction. Therefore, it is preferable to provide an electromagnetic shielding member capable of absorbing or shielding such electromagnetic noise between the power circuit unit and the control circuit unit. Moreover, it is more preferable to use the heat absorbing member of the present invention as the electromagnetic shielding member.
すなわち、本発明の半導体モジュールが前記電力回路部とは別に設けられた制御回路部を備え、前記吸熱部材は、少なくとも制御回路部と電力回路部との間に配設され、電力回路部で生じた電磁ノイズが制御回路部へ伝播されるのを抑止する電磁遮蔽部材であると好適である。 That is, the semiconductor module of the present invention includes a control circuit unit provided separately from the power circuit unit, and the heat absorbing member is disposed at least between the control circuit unit and the power circuit unit, and is generated in the power circuit unit. It is preferable that the electromagnetic shielding member suppresses propagation of electromagnetic noise to the control circuit unit.
さらに、この電磁遮蔽部材が前記放熱体と共に、電力回路部を包囲し電力回路部から制御回路部への電磁ノイズの漏出を抑止する遮蔽空間を形成しているとより好適である。電力回路部をその遮蔽空間に閉じ込めることで、漏出、迂回または回折等した電磁ノイズが制御回路部へ伝播されるのを一層効果的に抑止できるからである。なお、遮蔽空間は密閉空間である方が好ましいが、そうでなくても、制御回路部を電磁遮蔽部材に近接して設けるだけでも十分な遮蔽効果は得られる。 Further, it is more preferable that this electromagnetic shielding member together with the heat radiator forms a shielding space that surrounds the power circuit portion and suppresses leakage of electromagnetic noise from the power circuit portion to the control circuit portion. This is because by confining the power circuit section in the shielding space, electromagnetic noise such as leakage, detour or diffraction can be more effectively prevented from being propagated to the control circuit section. Although the shielding space is preferably a sealed space, a sufficient shielding effect can be obtained even if the control circuit unit is provided close to the electromagnetic shielding member.
このような吸熱部材や電磁遮蔽部材の材質は問わないが、吸熱部材は放熱性の向上を図る観点から、熱伝導性に優れるものが良い。SiC等のセラミックス製でも良いが、金属製であると、コスト、加工性または成形性等の点で優れる。また、金属製であれば、同時に電磁遮蔽部材としても十分に機能し得る。その金属材料は、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)等の磁性材でも、アルミニウム(Al)、銅(Cu)等の非磁性材(常磁性材)でも良い。具体的には、純Al、Al合金、純Cu、黄銅等のCu合金、純Fe、軟鋼等でも良い。同様のことは、吸熱部材に限らず放熱体に該当する。但し、吸熱部材と放熱体とが同材である必要性はない。勿論、熱伝導性および電磁遮蔽性を同時に満足する金属以外の材料があれば、それを使用しても良い。 The material of such a heat absorbing member or electromagnetic shielding member is not limited, but the heat absorbing member is preferably excellent in thermal conductivity from the viewpoint of improving heat dissipation. It may be made of ceramics such as SiC, but if it is made of metal, it is excellent in terms of cost, workability or formability. Moreover, if it is metal, it can fully function as an electromagnetic shielding member simultaneously. The metal material may be a magnetic material such as iron (Fe) or nickel (Ni), or a nonmagnetic material (paramagnetic material) such as aluminum (Al) or copper (Cu). Specifically, pure Al, Al alloy, Cu alloy such as pure Cu and brass, pure Fe, mild steel and the like may be used. The same applies not only to the heat absorbing member but also to the heat radiator. However, it is not necessary that the heat absorbing member and the radiator are the same material. Of course, if there is a material other than a metal that simultaneously satisfies thermal conductivity and electromagnetic shielding properties, it may be used.
ここで電磁遮蔽部材は地絡している(つまり、アースされている)と好適である。これにより、電磁遮蔽部材の電位が安定して、電磁ノイズの抑止効果が高くなる。また、この電磁遮蔽部材と共に遮蔽空間を形成する放熱体が電気的にも接続されていると、同様に電磁ノイズの抑止効果が高くなる。 Here, the electromagnetic shielding member is preferably grounded (that is, grounded). Thereby, the electric potential of an electromagnetic shielding member is stabilized and the suppression effect of electromagnetic noise becomes high. Moreover, if the heat radiator that forms the shielding space together with the electromagnetic shielding member is also electrically connected, the effect of suppressing electromagnetic noise is similarly increased.
さらに、半導体モジュールの筐体を本発明でいう放熱体として利用すれば、部品点数の削減と放熱性の向上とを両立できる。なお、放熱体や筐体の外表面の全面または一部分に、冷却フィン等を形成してその表面積を拡張すると、放熱性をより高めることができる。 Furthermore, if the housing of the semiconductor module is used as a heat radiator as referred to in the present invention, both reduction in the number of parts and improvement in heat dissipation can be achieved. In addition, if a cooling fin etc. are formed in the whole surface or a part of outer surface of a heat radiator or a housing | casing, and the surface area is expanded, heat dissipation can be improved more.
放熱経路を新たに設ける手段として、前述した特許文献1または2のようなものもある。しかし、従来の半導体モジュールでは、その放熱経路を設けるために、半導体素子をフェイスダウンしたり反転実装させたりしなければならず、必ずしも採用し易い方法ではなかった。これに対して本発明の半導体モジュールは、従来の半導体モジュールと同様に、放熱経路の一部に熱伝導性注入材を採用しているので、半導体素子の実装に際して、ワイヤーボンディング等を採用することも可能であり、半導体モジュールの設計自由度も大きい。従って、本発明では、ワイヤーボンディングされる少なくとも一つの電極を、前記主配線パターンに接合されない非接合面側に備える半導体素子を利用することも可能である。
As a means for newly providing a heat dissipation path, there is one as described in
熱伝導性注入材は、注入後にゲル状でも硬化した固体状でも良いが、熱伝導率が高い程好ましい。例えば、熱伝導性に優れた各種の樹脂、ゲル、グリス等がある。具体的には、シリコンゲル(熱伝導率0.2W/m・K以上)、高熱伝導ゲル(GELTEC製、熱伝導率:6.15W/m・K)、高放熱ゲルTSE3081(GE東芝シリコーン製、熱伝導率:1.26W/m・K)、高放熱ゲルSE4445CV(東レ・ダウコーニング製、熱伝導率:1.26W/m・K)、グリスG765(信越化学製、熱伝導率:2.9W/m・K)、エポキシ樹脂KE−870(東芝ケミカル製、熱伝導率:3.4W/m・K)等がある。 The thermally conductive injecting material may be in the form of a gel or hardened after injection, but the higher the thermal conductivity, the better. For example, there are various resins, gels, greases and the like excellent in thermal conductivity. Specifically, silicon gel (thermal conductivity of 0.2 W / m · K or more), high thermal conductivity gel (manufactured by GELTEC, thermal conductivity: 6.15 W / m · K), high heat dissipation gel TSE3081 (manufactured by GE Toshiba Silicone) , Thermal conductivity: 1.26 W / m · K), high heat dissipation gel SE4445CV (manufactured by Toray Dow Corning, thermal conductivity: 1.26 W / m · K), grease G765 (manufactured by Shin-Etsu Chemical, thermal conductivity: 2 .9 W / m · K), epoxy resin KE-870 (manufactured by Toshiba Chemical Co., Ltd., thermal conductivity: 3.4 W / m · K), and the like.
半導体素子の種類、許容電流等は拘らない。例えば、スイッチングや増幅を行うMOSFETやIGBT等やダイオード等のパワー素子が代表的である。制御回路部は、電力回路部を駆動する駆動回路が代表的であるが、電力回路部とは独立した別個の制御回路から構成されていても良い。 The type of semiconductor element, allowable current, etc. are not concerned. For example, power elements such as MOSFETs, IGBTs, and diodes that perform switching and amplification are typical. The control circuit unit is typically a drive circuit that drives the power circuit unit, but may be composed of a separate control circuit independent of the power circuit unit.
配線基板は、熱伝導性に優れるものが良い。金属ベース基板、セラミックス基板等、その種類は問わない。金属ベース基板の場合、アルミベース基板等が代表的である。金属製ベースの表面に形成された絶縁層上に、主配線パターン等の配線層が設けられる。さらに金属ベース基板は比較的安価で、電磁ノイズの遮蔽効果も高いので好ましい。セラミックス基板の場合、DBC基板のような銅張りセラミックス基板等が代表的である。炭化ケイ素や窒化アルミニウムや窒化ケイ素等の熱伝導性に優れるセラミックス製基板の両面に、CuやAl等の配線層が設けられる。勿論、配線基板は、上記のものに限らず、金属およびセラミックス等の複合材料からなる基板でも良いし、金属およびインバー合金等の複合材料からなる基板でも良い。 The wiring board is preferably excellent in thermal conductivity. The type of metal base substrate, ceramic substrate, etc. is not limited. In the case of a metal base substrate, an aluminum base substrate or the like is typical. A wiring layer such as a main wiring pattern is provided on the insulating layer formed on the surface of the metal base. Furthermore, a metal base substrate is preferable because it is relatively inexpensive and has a high shielding effect against electromagnetic noise. In the case of a ceramic substrate, a copper-clad ceramic substrate such as a DBC substrate is typical. Wiring layers such as Cu and Al are provided on both surfaces of a ceramic substrate having excellent thermal conductivity such as silicon carbide, aluminum nitride and silicon nitride. Of course, the wiring board is not limited to the above, and may be a board made of a composite material such as metal and ceramics, or a board made of a composite material such as metal and Invar alloy.
吸熱部材(または電磁遮蔽部材)の形状は問わない。電力回路部の配線基板に平行な平板状とするのが一般的であるが、その表面に凹凸やフィンを設けてその表面積を拡大しても良い。表面積を拡大することで、熱伝導性注入材から吸熱部材への熱伝達性が向上し、放熱性のさらなる向上を図れる。また、吸熱部材に適度な厚みを付与することで、ヒートシンクとして機能させることも可能となる。さらに、吸熱部材は、網状、ハニカム状またはポーラス状等であっても良い。網目やハニカムの粗さ、ポーラスの空孔径等を変更するとで、熱伝達される表面積の調整も可能である。吸熱部材を電磁遮蔽部材とする際には、電磁ノイズの制御回路部への漏出を抑止するために、網目や孔径は小さい方が好ましい。 The shape of the heat absorbing member (or electromagnetic shielding member) is not limited. Although it is common to make it flat plate shape parallel to the wiring board of a power circuit part, the surface area may be expanded by providing unevenness and fins on the surface. By enlarging the surface area, heat transfer from the heat conductive injecting material to the heat absorbing member can be improved, and the heat dissipation can be further improved. Moreover, it becomes possible to function as a heat sink by providing an appropriate thickness to the heat absorbing member. Further, the endothermic member may be a net shape, a honeycomb shape, a porous shape, or the like. The surface area through which heat is transferred can be adjusted by changing the mesh, honeycomb roughness, porous pore diameter, and the like. When the heat absorbing member is an electromagnetic shielding member, it is preferable that the mesh or the hole diameter is small in order to suppress leakage of electromagnetic noise to the control circuit unit.
連通部は単に孔を意味するものではない。電力回路部の主面側と副面側とが熱伝導性注入材によってつながっていれば良い。例えば吸熱部材の端部でつながっていれば良い。 The communication part does not simply mean a hole. It suffices if the main surface side and the sub surface side of the power circuit portion are connected by the heat conductive injection material. For example, it may be connected at the end of the heat absorbing member.
吸熱部材と放熱体との接続は、ねじ止の他、ハンダ付け、溶接等でも良い。放熱体を有底容体(凹形状)とし、電磁遮蔽部材(吸熱部材)をその蓋体とすれば、容易に電磁ノイズの遮蔽空間が形成される。この放熱体は一体式でも分割式でも良い。前述したヒートシンクを放熱体の一部に利用しても良い。このような放熱体として、筐体を利用すれば部品点数の削減が図れて好都合である。 The connection between the heat absorbing member and the heat radiating member may be soldering, welding or the like in addition to screwing. If the radiator is a bottomed container (concave shape) and the electromagnetic shielding member (heat absorbing member) is a lid, an electromagnetic noise shielding space is easily formed. This heat radiating body may be integrated or divided. You may utilize the heat sink mentioned above for some heat radiators. Use of a housing as such a heat radiating body is advantageous in that the number of parts can be reduced.
発明の実施形態を挙げて、本発明をより詳しく説明する。なお、本明細書に示すいずれの形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なることを断っておく。 The present invention will be described in more detail with reference to embodiments of the invention. It should be noted that which form shown in the present specification is the best depends on the object, required performance, and the like.
本発明に係る実施形態である半導体モジュール100の要部断面図を図1に示す。この半導体モジュール100は、三相誘導電動機(三相モータ)の駆動制御用のインバータ装置に使用されるものである。図1にはその半相分を示す。
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a main part of a
半導体モジュール100は、電力回路部1と、制御回路部2と、吸熱伝導体3と、シリコンゲル4と、ヒートシンク5と、枠体6と、筐体(放熱体)7とからなる。
The
電力回路部1は、DBC(Direct Bond Copper)基板11と、その上に搭載した半導体素子12とからなる。DBC基板11は、セラミックス基板110の両面に銅板を直接接合したものである。この銅板によって、セラミックス基板110の上面(上下は図1に基づく。以下、同様。)には第1配線パターン111(主配線パターン)および第2配線パターン112が形成され、セラミックス基板110の下面には第3配線パターン113が形成されている。半導体素子12は、パワースイッチング素子のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。上面(非接合面)に主電極であるエミッタ電極(図略)と制御電極であるゲート電極(図略)を有し、下面に主電極であるコレクタ電極(図略)を備える。エミッタ電極は、ワイヤ82、第2配線パターン112、ワイヤ83によって第2中継端子86に接続されている。コレクタ電極は第1配線パターン111にハンダ接合されている。コレクタ電極は、第1配線パターン111とワイヤ81によって第1中継端子85に接続されている。なお、図1では、各ワイヤは1本づつしか示していないが、通常は複数本あり、流れる電流量に応じてワイヤの種類や本数が調整される。図示していないが、ゲート電極はワイヤおよび第3中継端子によって制御回路部2に接続(ハンダ接合等)される。
The power circuit unit 1 includes a DBC (Direct Bond Copper)
制御回路部2は、プリント配線基板上に種々の電子素子を搭載してなり、半導体素子12を駆動する駆動回路および半導体素子12を保護する保護回路等からなる。この駆動回路から電力回路部1に、半導体素子12を駆動させるゲート信号等が出力されている。
The
吸熱伝導体3は、方形状の平板部31(吸熱部材)と、その外周囲に断面鉤型状に延びる方形環状の連結部32とからなる。本実施形態の吸熱伝導体3は、アルミニウム板の一体成形品であるが、分割したパーツを接合または結合したものでも良い。平板部31には、その外周部や中央部等に複数の連通孔(連通部)33が形成してある。連通孔33の一部には第1中継端子85および第2中継端子86等が挿通されている。なお、吸熱伝導体3は本発明の吸熱部材に相当する。
The heat-absorbing
シリコンゲル4は、一般的な絶縁封止剤よりも熱伝導率の高いものである。具体的には、高熱伝導ゲル(GELTEC製、熱伝導率:6.15W/m・K)、高放熱ゲルTSE3081(GE東芝シリコーン製、熱伝導率:1.26W/m・K)、高放熱ゲルSE4445CV(東レ・ダウコーニング製、熱伝導率:1.26W/m・K)である。このシリコンゲル4は、吸熱伝導体3の連通孔33から注入される。平板部31の下面側(主面側)が充填された後、平板部31の上面側(副面側)が充填される。こうして、吸熱伝導体3はシリコンゲル4により埋設された状態となる。
The silicon gel 4 has a higher thermal conductivity than a general insulating sealant. Specifically, high thermal conductive gel (GELTEC, thermal conductivity: 6.15 W / m · K), high heat dissipation gel TSE3081 (GE Toshiba Silicone, thermal conductivity: 1.26 W / m · K), high heat dissipation Gel SE4445CV (manufactured by Toray Dow Corning, thermal conductivity: 1.26 W / m · K). The silicon gel 4 is injected from the
枠体6は、樹脂製であり、断面階段状の方形環状部材である。この枠体6の内部には第1中継端子85および第2中継端子86等がインサート成形されており、その上端開口部には吸熱伝導体3および制御回路部2が、それぞれネジ(図略)によって固定されている。
The
筐体7は、アルミニウム合金製鋳物からなる凹状の容体である。筐体7の開口上端には吸熱伝導体3がその連結部32でネジ71によって固定されている。筐体7の内底上面には、セラミック製または金属(CuやCuMo)等のヒートシンク5が固定されている。このヒートシンク5の上面中央には、DBC基板11の第3配線パターンがハンダ接合されており 、ヒートシンク5の外周囲側には枠体6が固定されている。
The casing 7 is a concave container made of an aluminum alloy casting. The
なお、吸熱伝導体3および筐体7は、熱的のみならず電気的にも接続されている。そして筐体7がアースされているため、それと接続された吸熱伝導体3の電位も安定している。
The
次に、この半導体モジュール100の放熱性および電磁ノイズの遮蔽性について説明する。本実施形態の半導体モジュール100の場合、半導体素子12の発熱は、先ず、その下面側の第1配線パターン111からセラミックス基板110、第3配線パターン113を通じてヒートシンク5および筐体7に伝達され、筐体7から外部に放熱される。これが半導体モジュール100の主放熱経路となる。
Next, heat dissipation and electromagnetic noise shielding properties of the
次に、半導体素子12およびDBC基板11の上面側はシリコンゲル4で充填されている。このため、半導体素子12の発熱は、その上面およびDBC基板11の上面を通じてシリコンゲル4へ伝達される。シリコンゲル4は、その熱を吸熱伝導体3へ放熱する。ここで、吸熱伝導体3の平板部31は、シリコンゲル4中に埋設状態となっているため、平板部31の上下面にシリコンゲル4から入熱する。従って、半導体素子12等の発熱は、シリコンゲル4を介して平板部31へ効率的に伝達され、吸熱伝導体3はより多くの熱を筐体7へ導き、筐体7ではより多くの熱が放熱される。これが半導体モジュール100の副放熱経路となる。このようにして、半導体モジュール100は、主放熱経路および副放熱経路によって、半導体素子12の発熱を効率よく放熱し得る。
Next, the upper surfaces of the
なお、半導体モジュール100の作動当初は、平板部31の下面側のシリコンゲル4が上面側よりも高温となることが予想される。しかし、相当時間の経過後は、平板部31の上面側および下面側で、温度勾配は実質的に無くなり、シリコンゲル4から平板部31の上面への入熱も増加すると考えられる。
In addition, at the beginning of the operation of the
ところで、本実施形態の半導体モジュール100の電力回路部1は、筐体7および吸熱伝導体3(電磁遮蔽部材)によってほぼ完全に密閉された遮蔽空間S内に収納された状態となっている。このため、この半導体素子12の作動に伴い電力回路部1から発生する電磁ノイズは、吸熱伝導体3および筐体7からなる金属体に吸収され、外部への漏出が抑制される。その結果、制御回路部2は、その電磁ノイズの伝播を受けず、誤動作が防止される。
By the way, the power circuit unit 1 of the
また、本実施形態の吸熱伝導体3は連結部32が断面鉤型になっているため平板部31の上面側のシリコンゲル4と接触する面積が広くなっている。その結果、熱がより効率的に伝達される。
Further, the
以上のように、本実施形態の半導体モジュール100では、簡素な構造でありながら、優れた放熱性と電磁ノイズの遮蔽性が担保される。
As described above, in the
1 電力回路部
11 DBC基板
12 半導体素子
2 制御回路部
3 吸熱伝導体(吸熱部材)
31 平板部
32 連結部
33 連通孔(連通部)
4 シリコンゲル(熱伝導性注入材)
5 ヒートシンク
6 枠体
7 筐体(放熱体)
100 半導体モジュール
S 遮蔽空間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
31
4 Silicon gel (thermally conductive injection material)
5
100 Semiconductor module S Shielded space
Claims (8)
該電力回路部に接触し該電力回路部で生じた熱を伝導する熱伝導性注入材と、
該電力回路部から離間して該熱伝導性注入材中に少なくとも一部が埋設され、該熱伝導性注入材から吸熱する吸熱部材と、
該吸熱部材に少なくとも熱的に接続され、該吸熱部材からの受熱を外部に放熱する放熱体と、
を備えることを特徴とする半導体モジュール。 A power circuit unit comprising a semiconductor element serving as a heat generation source and a wiring board having a main wiring pattern to which the semiconductor element is joined;
A thermally conductive injecting material that contacts the power circuit portion and conducts heat generated in the power circuit portion;
A heat absorbing member that is at least partially embedded in the thermally conductive injecting material apart from the power circuit portion and absorbs heat from the thermally conductive injecting material;
A heat radiator that is at least thermally connected to the heat absorbing member and radiates heat received from the heat absorbing member to the outside;
A semiconductor module comprising:
を連通する連通部を有し、
該連通部を通じて、該吸熱部材の主面側の前記熱伝導性注入材から該副面側の前記熱伝導性注入材に熱伝導される請求項1に記載の半導体モジュール。 The heat absorbing member has a communication portion that communicates a main surface side facing the power circuit portion and a sub surface side that is the opposite surface side of the main surface side,
2. The semiconductor module according to claim 1, wherein the semiconductor module is thermally conducted through the communication portion from the heat conductive injection material on the main surface side of the heat absorbing member to the heat conductive injection material on the sub surface side.
前記吸熱部材は、少なくとも該制御回路部と前記電力回路部との間に配設され、該電力回路部で生じた電磁ノイズが該制御回路部へ伝播されるのを抑止する電磁遮蔽部材である請求項1に記載の半導体モジュール。 Furthermore, a control circuit unit provided separately from the power circuit unit is provided,
The heat absorbing member is an electromagnetic shielding member that is disposed at least between the control circuit unit and the power circuit unit and suppresses electromagnetic noise generated in the power circuit unit from being propagated to the control circuit unit. The semiconductor module according to claim 1.
該ヒートシンクは、前記放熱体に少なくとも熱的に接続されるか該放熱体の少なくとも一部を構成する請求項1に記載の半導体モジュール。 The power circuit unit includes a heat sink that is bonded to a surface that is not in contact with the thermally conductive injection material,
The semiconductor module according to claim 1, wherein the heat sink is at least thermally connected to the heat radiating body or constitutes at least a part of the heat radiating body.
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|---|---|---|---|---|
| KR20190095998A (en) * | 2018-02-08 | 2019-08-19 | 현대모비스 주식회사 | Power semiconductor module |
| CN111033724A (en) * | 2017-09-07 | 2020-04-17 | 株式会社村田制作所 | circuit block assembly |
| US20220396154A1 (en) * | 2021-06-14 | 2022-12-15 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Vehicle mounted electric power converter |
-
2004
- 2004-01-15 JP JP2004008454A patent/JP2005203570A/en active Pending
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