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JP2010118578A - Power module - Google Patents

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JP2010118578A
JP2010118578A JP2008291775A JP2008291775A JP2010118578A JP 2010118578 A JP2010118578 A JP 2010118578A JP 2008291775 A JP2008291775 A JP 2008291775A JP 2008291775 A JP2008291775 A JP 2008291775A JP 2010118578 A JP2010118578 A JP 2010118578A
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JP
Japan
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chip
base plate
temperature
semiconductor
power module
Prior art date
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Pending
Application number
JP2008291775A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hitomoto Tokuda
人基 徳田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power module in which high reliability semiconductor chips are mounted. <P>SOLUTION: The power module 10 includes a base plate 11 for dissipating heat generated in the semiconductor chip 20 to a heat exchanging medium. A die pad 12 is disposed between the base plate 11 and semiconductor substrate 20. A plurality of semiconductor chips 20 are mounted on the base plate 11. Partial elements that function as one MOSFET are mounted in the plurality of the semiconductor chips 20. The temperature of a backside (heat dissipating surface) of the base plate 11 is made uniform by dividing a semiconductor device into the plurality of the semiconductor chips 20. The temperature of each of the semiconductor chips 20 is lowered and thus the reliability is improved by allowing the temperature of the heat dissipating surface to be uniform. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体チップを実装してなるパワーモジュールに関する。   The present invention relates to a power module on which a semiconductor chip is mounted.

近年、電気自動車やハイブリッド車に、大電力のスイッチング素子を備えたパワーモジュールが用いられている。スイッチング素子として、たとえばIGBTやFETがある。特に、車載用のパワーモジュールは、小型化の要求のために、小面積で放熱機能の大きい冷却構造が求められる。   In recent years, power modules equipped with high-power switching elements have been used in electric vehicles and hybrid vehicles. Examples of switching elements include IGBTs and FETs. In particular, in-vehicle power modules are required to have a cooling structure with a small area and a large heat dissipation function in order to reduce the size.

特許文献1のパワーモジュールでは、半導体チップが装着されるモジュール基板(ヒートシンク)が直接冷却液にさらされている。これにより、熱抵抗を低減し、冷却性能の向上を図っている。   In the power module of Patent Document 1, a module substrate (heat sink) on which a semiconductor chip is mounted is directly exposed to a cooling liquid. Thereby, the thermal resistance is reduced and the cooling performance is improved.

特開2001−503409号公報JP 2001-503409 A

しかしながら、冷却水の冷却能は、環境や冷却液の性能の変化に伴い変化する。したがって、半導体素子の温度上昇に起因する性能悪化を防ぐためには、できるだけ余裕をもった冷却能力を確保する必要がある。   However, the cooling capacity of the cooling water changes as the environment and the performance of the cooling liquid change. Therefore, in order to prevent the performance deterioration due to the temperature rise of the semiconductor element, it is necessary to secure a cooling capacity with a margin as much as possible.

ところが、特許文献1の技術では、ヒートシンクの裏面(放熱面)から、できるだけ均一に放熱するための工夫がなされていない。そのために、パワーモジュールをハイブリッド車等に組み込んで使用すると、車の運転状況によっては、チップ温度が過上昇するおそれがある。そのために、十分な信頼性を確保することが困難であった。   However, the technique of Patent Document 1 does not devise heat radiation as uniformly as possible from the back surface (heat radiation surface) of the heat sink. Therefore, when the power module is incorporated in a hybrid vehicle or the like, the chip temperature may be excessively increased depending on the driving condition of the vehicle. For this reason, it has been difficult to ensure sufficient reliability.

本発明の目的は、パワーモジュールの放熱面における温度分布を均一化することにより、信頼性の高いパワーモジュールを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a highly reliable power module by making the temperature distribution on the heat radiation surface of the power module uniform.

本発明のパワーモジュールは、裏面が放熱面であるベースプレートと、その上面上に搭載された半導体素子とを備えている。ここで、半半導体素子は、複数の部分素子に分割され、各部分素子が別個の半導体チップに分離して配置されている。つまり、各半導体チップには、単一の半導体素子として機能する複数の部分素子が内蔵されている。   The power module of the present invention includes a base plate whose rear surface is a heat radiating surface, and a semiconductor element mounted on the upper surface. Here, the semi-semiconductor element is divided into a plurality of partial elements, and each partial element is arranged separately on a separate semiconductor chip. That is, each semiconductor chip contains a plurality of partial elements that function as a single semiconductor element.

従来のパワーモジュールにおいては、1つの半導体チップに複数の半導体素子が内蔵されているか、チップ全体で単一の半導体素子が構成されている。
しかしながら、上記いずれの場合においても、ベースプレートの裏面(放熱面)における半導体チップの中心付近の温度だけが高くなる。
それに対し、本発明では、半導体素子が、複数の半導体チップに、部分素子として分割して配置されているので、各部分素子の発熱が、互いに離間している複数の半導体チップからベースプレートの裏面(放熱面)に熱が伝わる。したがって、放熱面の裏面における温度が均一化される。その結果、各部分素子を内蔵した半導体チップの温度が、単一の半導体チップを配置したときの温度よりも低下する。よって、本発明により、信頼性の高いパワーモジュールが得られる。
In the conventional power module, a plurality of semiconductor elements are built in one semiconductor chip, or a single semiconductor element is constituted by the whole chip.
However, in any of the above cases, only the temperature near the center of the semiconductor chip on the back surface (heat dissipating surface) of the base plate becomes high.
On the other hand, in the present invention, since the semiconductor element is divided and arranged as a partial element on a plurality of semiconductor chips, the heat generated by each partial element is transferred from the plurality of semiconductor chips spaced apart from each other to the back surface of the base plate ( Heat is transferred to the heat dissipation surface. Therefore, the temperature on the back surface of the heat radiating surface is made uniform. As a result, the temperature of the semiconductor chip incorporating each partial element is lower than the temperature when a single semiconductor chip is arranged. Therefore, a highly reliable power module can be obtained by the present invention.

共通の半導体素子を、4個以上の半導体チップに分割することにより、より顕著にチップ温度が低下することが確認されている。
ただし、各部分素子の温度は、分割数が大きくなるほど低くなるが、4個を超える数に分割しても、低下度合いは鈍化する。
It has been confirmed that the chip temperature is more significantly lowered by dividing the common semiconductor element into four or more semiconductor chips.
However, the temperature of each partial element decreases as the number of divisions increases. However, the degree of decrease decreases even if the number of divisional elements exceeds four.

ベースプレート上において端部に位置する半導体チップと、ベースプレート端との間隔が、ベースプレートの厚み以上であることが好ましい。また、各半導体チップ同士の間隔が、ベースプレートの厚みの1/2以上であることが好ましい。   The distance between the semiconductor chip located at the end on the base plate and the end of the base plate is preferably equal to or greater than the thickness of the base plate. Moreover, it is preferable that the space | interval of each semiconductor chip is 1/2 or more of the thickness of a baseplate.

原理的には、チップ間隔が広いほど、端部のチップとベースプレートの側端との間隔が広いほど、チップ温度は低下する。しかし、パワーモジュールの小型化の要請から、ベースプレートのサイズには制限がある。したがって、ベースプレートの大きさに依存して、上記2つの条件を満足させる適正範囲が定まる。そして、この適正範囲を満足させることにより、パワーモジュールの小型化を図りつつ、チップ温度を効果的に低減させることができる。   In principle, the chip temperature decreases as the chip interval increases and the interval between the end chip and the side edge of the base plate increases. However, the size of the base plate is limited due to the demand for miniaturization of the power module. Therefore, an appropriate range that satisfies the above two conditions is determined depending on the size of the base plate. By satisfying this appropriate range, the chip temperature can be effectively reduced while reducing the size of the power module.

本発明のパワーモジュールによると、パワーモジュールの放熱面の温度を均一化させることにより、信頼性を向上させることができる。   According to the power module of the present invention, the reliability can be improved by making the temperature of the heat radiation surface of the power module uniform.

−パワーモジュールの構造−
図1は、実施の形態におけるパワーモジュール10の断面図である。本実施形態のパワーモジュール10は、半導体チップ20が搭載されたダイパッド12と、ダイパッド12の下方に配置されたベースプレート11とを備えている。半導体チップ20には、半導体素子であるMOSFETが内蔵されている。ベースプレート11は、ヒートシンクとして機能するものであり、その裏面が放熱面となっている。ただし、ベースプレート11の下方に、フィン付きプレートなどが付設されていてもよい。
本実施の形態においては、半導体チップ20に、MOSFETのみが内蔵されていることを前提としている。ただし、本発明は、各半導体チップにMOSFET以外の素子が内蔵されているものも含んでいる。
-Power module structure-
FIG. 1 is a cross-sectional view of a power module 10 according to an embodiment. The power module 10 of this embodiment includes a die pad 12 on which a semiconductor chip 20 is mounted, and a base plate 11 disposed below the die pad 12. The semiconductor chip 20 incorporates a MOSFET that is a semiconductor element. The base plate 11 functions as a heat sink, and its back surface is a heat radiating surface. However, a finned plate or the like may be provided below the base plate 11.
In the present embodiment, it is assumed that only the MOSFET is built in the semiconductor chip 20. However, the present invention includes those in which elements other than MOSFETs are incorporated in each semiconductor chip.

各半導体チップ20の裏面電極26は、ダイパッド12に接合されている。ダイパッド12は、ボンディングワイヤ18を介して、外部の電極端子層(図示せず)に接続されている。各半導体チップ11の上面には、制御用電極13と、電力供給用電極15とが設けられている。制御用電極13は、後述するMOSFETのゲート電極につながっている。電力供給用電極15は、MOSFETのソース電極につながっている。制御用電極13,電力供給用電極15は、それぞれボンディングワイヤ14,16を介して、外部の電極端子層(図示せず)に接続されている。   The back electrode 26 of each semiconductor chip 20 is bonded to the die pad 12. The die pad 12 is connected to an external electrode terminal layer (not shown) via a bonding wire 18. A control electrode 13 and a power supply electrode 15 are provided on the upper surface of each semiconductor chip 11. The control electrode 13 is connected to a gate electrode of a MOSFET described later. The power supply electrode 15 is connected to the source electrode of the MOSFET. The control electrode 13 and the power supply electrode 15 are connected to an external electrode terminal layer (not shown) via bonding wires 14 and 16, respectively.

図2は、半導体チップ20に内蔵されている縦型MOSFETの部分素子30の単位構造を示す断面図である。縦型MOSFETの部分素子30は、半導体基板25の上に形成されたバッファ層24およびドリフト層23を備えている。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a unit structure of the vertical MOSFET partial element 30 built in the semiconductor chip 20. The vertical MOSFET subelement 30 includes a buffer layer 24 and a drift layer 23 formed on a semiconductor substrate 25.

半導体基板25の本体部は、比較的高濃度のn型ドーパントを含んでいる。ドリフト層23は、低濃度のn型(第1導電型)ドーパントを含んでいる。ドリフト層23と半導体基板25との間の領域はバッファ層24であり、バッファ層24は、半導体基板25とドリフト層23との中間濃度のn型ドーパントを含んでいる。   The main body portion of the semiconductor substrate 25 contains a relatively high concentration of n-type dopant. The drift layer 23 includes a low concentration n-type (first conductivity type) dopant. A region between the drift layer 23 and the semiconductor substrate 25 is a buffer layer 24, and the buffer layer 24 includes an n-type dopant having an intermediate concentration between the semiconductor substrate 25 and the drift layer 23.

ドリフト層23内には、p型ドーパントを含むウェル28が形成されている。また、ウェル28内には、高濃度のn型ドーパントを含むソース領域27が形成されている。   In the drift layer 23, a well 28 containing a p-type dopant is formed. In the well 28, a source region 27 containing a high concentration n-type dopant is formed.

ドリフト層23およびその周囲のウェル28の上には、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜21が形成されている。ゲート絶縁膜21の上には、Al/Ni/Tiからなるゲート電極22が形成されている。また、ソース領域27およびウェル28に跨って、Ti/Al/Ti/Au膜からなるソース電極29が形成されている。半導体基板25の裏面には、Ti/Al/Ti/Auからなるオーミック電極である裏面電極26が形成されている。半導体基板25はドレイン領域として機能し、裏面電極26はドレイン電極として機能する。   A gate insulating film 21 made of a silicon oxide film is formed on the drift layer 23 and the surrounding well 28. A gate electrode 22 made of Al / Ni / Ti is formed on the gate insulating film 21. A source electrode 29 made of a Ti / Al / Ti / Au film is formed across the source region 27 and the well 28. On the back surface of the semiconductor substrate 25, a back electrode 26 that is an ohmic electrode made of Ti / Al / Ti / Au is formed. The semiconductor substrate 25 functions as a drain region, and the back electrode 26 functions as a drain electrode.

縦型MOSFETの部分素子30は、図1に示す単位構造の多数個を基板全面に形成して構成されている。そして、縦型MOSFETは、各半導体チップ20に設けられた部分素子30の各単位構造を電気的に並列に接続して構成される。部分素子30中の各単位構造のゲート電極22は、図1に示す制御用電極13に接続されている。部分素子30中の各単位構造のソース電極29は、図1に示す電力供給用電極15に接続されている。   The vertical MOSFET partial element 30 is formed by forming a large number of unit structures shown in FIG. 1 on the entire surface of the substrate. The vertical MOSFET is configured by electrically connecting the unit structures of the partial elements 30 provided on the semiconductor chips 20 in parallel. The gate electrode 22 of each unit structure in the partial element 30 is connected to the control electrode 13 shown in FIG. The source electrode 29 of each unit structure in the subelement 30 is connected to the power supply electrode 15 shown in FIG.

したがって、制御用電極13に供給される制御信号に応じて、各部分素子30の各単位構造中のソース電極29と裏面電極26との間の電流が同時にオン・オフ制御される。これにより、縦型MOSFETは、大電力の供給を切り換えるスイッチング素子として機能する。   Therefore, according to the control signal supplied to the control electrode 13, the current between the source electrode 29 and the back electrode 26 in each unit structure of each subelement 30 is simultaneously turned on / off. As a result, the vertical MOSFET functions as a switching element that switches the supply of high power.

以上のように、複数の半導体チップ20には、単一の半導体素子(パワートランジスタ)として機能する部分素子30が内蔵されている。つまり、単一の半導体素子は、複数の部分素子30に分割され、各部分素子30がそれぞれ複数の半導体チップ20に分離して配置されている。
ここで、本実施の形態では、各半導体チップ20には、部分素子30以外の素子は配置されていない。そこで、本実施の形態では、便宜上、半導体チップ20と部分素子30とを同義的に取り扱い、単一の半導体素子が複数の半導体チップ20に分割されていると表現する。したがって、以下の説明では、本発明の基本構造であるこの構造を「分割チップ」と称する。
As described above, the plurality of semiconductor chips 20 incorporate the partial elements 30 that function as a single semiconductor element (power transistor). That is, a single semiconductor element is divided into a plurality of partial elements 30, and each partial element 30 is arranged separately in a plurality of semiconductor chips 20.
Here, in the present embodiment, no element other than the partial element 30 is arranged in each semiconductor chip 20. Therefore, in the present embodiment, for convenience, the semiconductor chip 20 and the partial element 30 are treated synonymously, and a single semiconductor element is expressed as being divided into a plurality of semiconductor chips 20. Therefore, in the following description, this structure, which is the basic structure of the present invention, is referred to as a “divided chip”.

図3は、縦型MOSFETの部分素子30の単位構造の別例を示す断面図である。図3において、図2に示す部材と同じ機能を有する部材は、図2と同じ符号を付している。
この例では、ゲート電極22は、ドリフト層23内に埋め込まれて、ウェル28と側面で対向している。ゲート絶縁膜21は、ゲート電極22と、ドリフト層23およびウェル28との間に介在している。この別例において、他の部分の構造は、図2に示す通りである。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another example of the unit structure of the partial element 30 of the vertical MOSFET. 3, members having the same functions as those shown in FIG. 2 are given the same reference numerals as those in FIG.
In this example, the gate electrode 22 is embedded in the drift layer 23 and faces the well 28 on the side surface. The gate insulating film 21 is interposed between the gate electrode 22 and the drift layer 23 and the well 28. In this other example, the structure of the other part is as shown in FIG.

ベースプレート11を構成する材料としては、アルミニウム,アルミニウム合金,Cu,Cu合金,AlN,Mo,W,Cu/Mo/Cu構造体などがある。
ダイパッド12を構成する材料としては、Cu.CuMo,CuW,コバール,焼結Al合金などがある。
半導体チップ20の基板材料としては、SiC,GaN等のワイドバンドギャップ半導体材料や、Si,GaAsなどがある。
Examples of the material constituting the base plate 11 include aluminum, aluminum alloy, Cu, Cu alloy, AlN, Mo, W, and Cu / Mo / Cu structure.
Examples of the material constituting the die pad 12 include Cu. Examples include CuMo, CuW, Kovar, and sintered Al alloy.
Examples of the substrate material of the semiconductor chip 20 include wide band gap semiconductor materials such as SiC and GaN, Si, and GaAs.

−発明の効果−
図4(a),(b)は、従来の単一チップと4分割チップとの放熱経路の相違を説明するための断面図である。図5(a),(b)は、従来の単一チップと4分割チップとの放熱面における温度分布の相違を説明するための平面図である。
-Effect of the invention-
4A and 4B are cross-sectional views for explaining the difference in heat dissipation path between a conventional single chip and a four-divided chip. FIGS. 5A and 5B are plan views for explaining the difference in temperature distribution on the heat radiation surface between the conventional single chip and the four-divided chip.

図4(a),(b)に示すように、パワーデバイスの発熱は、ダイパッド12を経てベースプレート11の裏面まで、45°程度の広がりをもって放熱される。このとき、ベースプレート11の裏面(放熱面)では、図5(a)に示すような温度分布が生じる。つまり、半導体チップ20中央部直下の領域Ra1がもっとも温度が高く、周辺の領域Rb1,Rc1,Rd2に向かうほど、温度が低くなる。   As shown in FIGS. 4A and 4B, the heat generated by the power device is radiated with a spread of about 45 ° through the die pad 12 to the back surface of the base plate 11. At this time, a temperature distribution as shown in FIG. 5A occurs on the back surface (heat radiating surface) of the base plate 11. That is, the temperature Ra is the highest in the region Ra1 immediately below the center of the semiconductor chip 20, and the temperature decreases toward the peripheral regions Rb1, Rc1, and Rd2.

一方、4分割チップの場合、放熱面の中央部では、各チップからの放熱がオーバーラップする。したがって、図5(b)に示すように、放熱面の広い領域Ra2ではほぼ均一な温度となる。そして、各半導体チップ20の外側の領域Rb2,Rc2,Rd2で、温度がさらに低くなる。
その結果、放熱面における4分割チップの中央の領域Ra2の温度は、単一チップの領域Ra1,Rb1,Rc1,Rd1の平均の温度に低下する。つまり、4分割チップによって、効果的に放熱されることになる。以下、シミュレーション結果に基づいて、この効果を検証する。
On the other hand, in the case of the four-divided chip, the heat radiation from each chip overlaps at the center of the heat radiation surface. Therefore, as shown in FIG. 5B, the temperature Ra is substantially uniform in the region Ra2 having a large heat radiation surface. In the regions Rb2, Rc2, and Rd2 outside each semiconductor chip 20, the temperature is further lowered.
As a result, the temperature of the central region Ra2 of the four-divided chip on the heat dissipation surface is lowered to the average temperature of the single-chip regions Ra1, Rb1, Rc1, and Rd1. That is, heat is effectively radiated by the four-divided chip. Hereinafter, this effect will be verified based on the simulation result.

図9は、単一チップにおける半導体チップおよびベースプレートの表面温度分布のシミュレーション結果を示す図である。図10は、4分割チップにおける半導体チップおよびベースプレートの表面温度分布のシミュレーション結果を示す図である。ただし、これらのデータは、ベースプレート11のサイズを16×32×t2(mm)とし、ダイパッド12のサイズを16×30×t0.3(mm)とし、半導体チップ20のサイズを8×8×t0.4(mm)としている。また、半導体チップ20の発熱量を160Wとし、ベースプレート11の裏面(放熱面)の熱伝達率を20W/mKとし、周囲温度を25℃としている。 FIG. 9 is a diagram showing a simulation result of the surface temperature distribution of the semiconductor chip and the base plate in a single chip. FIG. 10 is a diagram illustrating a simulation result of the surface temperature distribution of the semiconductor chip and the base plate in the four-divided chip. However, these data indicate that the size of the base plate 11 is 16 × 32 × t2 (mm), the size of the die pad 12 is 16 × 30 × t0.3 (mm), and the size of the semiconductor chip 20 is 8 × 8 × t0. 4 (mm). Further, the heat generation amount of the semiconductor chip 20 is 160 W, the heat transfer coefficient of the back surface (heat dissipating surface) of the base plate 11 is 20 W / m 2 K, and the ambient temperature is 25 ° C.

図9に示す単一チップの場合、中央部R11の温度は、320℃〜350℃である。中央部R11に隣接する領域R12の温度は、290℃〜320℃である。領域R13の温度は270℃〜290℃、領域R14の温度は250℃〜270℃、領域R15の温度は220℃〜250℃、領域R15の温度は220℃以下である。   In the case of the single chip shown in FIG. 9, the temperature of the central portion R11 is 320 ° C. to 350 ° C. The temperature of the region R12 adjacent to the central portion R11 is 290 ° C to 320 ° C. The temperature of the region R13 is 270 ° C to 290 ° C, the temperature of the region R14 is 250 ° C to 270 ° C, the temperature of the region R15 is 220 ° C to 250 ° C, and the temperature of the region R15 is 220 ° C or less.

図10に示す4分割チップの場合、中央部R21の温度は、88℃〜95℃である。中央部R21に隣接する領域R22の温度は、85℃〜88℃である。領域R23の温度は83℃〜85℃、領域R24の温度は79℃〜83℃、領域R25の温度は79℃以下である。   In the case of the four-divided chip shown in FIG. 10, the temperature of the central portion R21 is 88 ° C. to 95 ° C. The temperature of the region R22 adjacent to the central portion R21 is 85 ° C to 88 ° C. The temperature of the region R23 is 83 ° C to 85 ° C, the temperature of the region R24 is 79 ° C to 83 ° C, and the temperature of the region R25 is 79 ° C or less.

以上の結果から、本発明の分割チップにより、半導体チップ20の温度も大きく低下することがわかる。つまり、本発明の分割チップによって、放熱面全体に均一な放熱が行われ、その結果、チップ温度が低下する。よって、パワーデバイスの発熱によって、チップ温度が過剰に上昇するのを有効に防ぐことができる。   From the above results, it can be seen that the temperature of the semiconductor chip 20 is greatly reduced by the divided chip of the present invention. That is, the divided chip of the present invention performs uniform heat radiation on the entire heat radiation surface, and as a result, the chip temperature decreases. Therefore, it is possible to effectively prevent the chip temperature from excessively rising due to heat generated by the power device.

以下においては、チップ温度についての測定結果から、半導体チップ20の適正な分割数やレイアウトについて説明する。   In the following, an appropriate division number and layout of the semiconductor chip 20 will be described from the measurement result of the chip temperature.

−チップ分割数とチップ温度−
図6は、チップ表面温度のチップ分割数依存性をグラフで示す図である。同図において、横軸はチップ分割数を示し、縦軸はチップ表面温度(℃)を示している。図11(a)〜(e)は、図6のデータを得るために用いた半導体チップの配置状態を示す斜視図である。図11(a)〜(e)に示すように、半導体チップ20を1個,2個,4個,8個,16個配置したときの温度分布をシミュレーションにより算出している。
-Number of chip divisions and chip temperature-
FIG. 6 is a graph showing the dependence of the chip surface temperature on the number of chip divisions. In the figure, the horizontal axis indicates the number of chip divisions, and the vertical axis indicates the chip surface temperature (° C.). FIGS. 11A to 11E are perspective views showing the arrangement state of the semiconductor chips used to obtain the data of FIG. As shown in FIGS. 11A to 11E, the temperature distribution when one, two, four, eight and sixteen semiconductor chips 20 are arranged is calculated by simulation.

図6に示すように、単一チップではチップ温度が350℃に達するのに対し、2分割チップでは、チップ温度が170℃程度に低下している。よって、半導体チップ20を2個に分割するだけでも、通常の使用状態では、十分な効果があることがわかる。   As shown in FIG. 6, the chip temperature reaches 350 ° C. for a single chip, whereas the chip temperature decreases to about 170 ° C. for a two-chip chip. Therefore, it can be seen that even if the semiconductor chip 20 is divided into two, a sufficient effect is obtained in a normal use state.

また、4分割チップでは、チップ温度が100℃以下の90℃程度まで低下している。したがって、半導体デバイスが通常の使用状態ではない過負荷の状態に陥った場合でも、余裕を持ってチップ温度の過上昇を防ぐことができる。   Further, in the four-divided chip, the chip temperature is lowered to about 90 ° C., which is 100 ° C. or less. Therefore, even when the semiconductor device falls into an overload state that is not a normal use state, it is possible to prevent an excessive increase in the chip temperature with a margin.

−チップレイアウトとチップ温度−
図7は、チップ温度のチップ間隔依存性をグラフで示す図である。同図において、横軸は、ベースプレート11の厚みを1として規格化されたチップ間隔を示している。縦軸は、チップ間隔が0のときのチップ表面温度を1として規格化されたチップ表面温度を示している。半導体チップ20の個数は4個としている。
−Chip layout and chip temperature−
FIG. 7 is a graph showing the dependence of the chip temperature on the chip interval. In the figure, the horizontal axis indicates the chip interval normalized with the thickness of the base plate 11 as 1. The vertical axis represents the chip surface temperature normalized with the chip surface temperature being 1 when the chip interval is 0. The number of semiconductor chips 20 is four.

図8は、半導体チップのベースプレート端からの距離に対するチップ温度の変化をグラフで示す図である。同図において、横軸は、ベースプレート11の厚みを1として規格化されたチップ間隔を示している。縦軸は、ベースプレート端からの距離が0のときのチップ表面温度を1として規格化されたチップ表面温度を示している。半導体チップ20の個数は4個としている。   FIG. 8 is a graph showing changes in the chip temperature with respect to the distance from the base plate end of the semiconductor chip. In the figure, the horizontal axis indicates the chip interval normalized with the thickness of the base plate 11 as 1. The vertical axis represents the chip surface temperature normalized with the chip surface temperature being 1 when the distance from the end of the base plate is 0. The number of semiconductor chips 20 is four.

図12(a)〜(e)は、図7,図8のデータを得るために用いた半導体チップの配置状態を示す斜視図である。ここでは、ベースプレート11のサイズを上述の値(16×32×t2(mm))に固定している。そして、図12(a)〜(e)に示すように、半導体チップ20の配置状態を5種類に変えたときの温度分布をシミュレーションにより算出している。   FIGS. 12A to 12E are perspective views showing the arrangement state of the semiconductor chips used for obtaining the data of FIGS. Here, the size of the base plate 11 is fixed to the above value (16 × 32 × t2 (mm)). Then, as shown in FIGS. 12A to 12E, the temperature distribution when the arrangement state of the semiconductor chip 20 is changed to five types is calculated by simulation.

図7に示すように、チップ間隔がべースプレート厚の1/2以上になると、チップ温度は、単一チップの場合(間隔0)の0.3以下になる。よって、チップ間隔は、ベースプレート厚の1/2以上であることが好ましい。
なお、図7では、チップ間隔がベースプレート厚の4以上になると、チップ温度は逆に上昇している。これは、半導体チップ20がベースプレート端に近づきすぎることに起因するものと考えられる。ベースプレート11が十分大きい場合には、チップ間隔がベースプレート厚の4以上であっても、チップ温度は低下していくはずである。
As shown in FIG. 7, when the chip interval becomes 1/2 or more of the base plate thickness, the chip temperature becomes 0.3 or less in the case of a single chip (interval 0). Therefore, the chip interval is preferably 1/2 or more of the base plate thickness.
In FIG. 7, when the chip interval is 4 or more of the base plate thickness, the chip temperature rises conversely. This is considered to be caused by the semiconductor chip 20 being too close to the end of the base plate. When the base plate 11 is sufficiently large, the chip temperature should decrease even if the chip interval is 4 or more of the base plate thickness.

図8に示すように、半導体チップ20のベースプレート端からの距離が、ベースプレート厚以上になると、チップ温度は、距離が0の場合の0.87以下になる。よって、半導体チップ20のベースプレート端からの距離は、ベースプレート厚以上であることが好ましい。
なお、図8では、この距離がベースプレート厚の3以上になると、チップ温度は逆に上昇する。これは、チップ間隔が近づきすぎることに起因するものと考えられる。ベースプレート11が十分大きい場合には、半導体チップ20のベースプレート端からの距離がベースプレート厚の3以上であっても、チップ温度は低下していくはずである。
As shown in FIG. 8, when the distance from the end of the base plate of the semiconductor chip 20 is equal to or greater than the thickness of the base plate, the chip temperature becomes 0.87 or less when the distance is zero. Therefore, the distance from the end of the base plate of the semiconductor chip 20 is preferably equal to or greater than the thickness of the base plate.
In FIG. 8, when this distance becomes 3 or more of the base plate thickness, the chip temperature rises conversely. This is considered due to the fact that the chip interval is too close. When the base plate 11 is sufficiently large, the chip temperature should decrease even if the distance from the end of the base plate of the semiconductor chip 20 is 3 or more of the base plate thickness.

なお、上記実施の形態では、半導体チップ20を同じ大きさに分割したが、場所に応じて、分割された半導体チップの大きさを変えてもよい。たとえば、外方に位置する半導体チップ20ほどチップサイズを大きくしてもよい。   In the above embodiment, the semiconductor chip 20 is divided into the same size. However, the size of the divided semiconductor chip may be changed depending on the location. For example, the chip size may be increased as the semiconductor chip 20 is located outward.

また、上記実施の形態では、半導体チップ20を矩形状に分割したが、他の形状であってもよい。たとえば、半導体チップ20を正六角形に分割してもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the semiconductor chip 20 was divided | segmented into the rectangular shape, another shape may be sufficient. For example, the semiconductor chip 20 may be divided into regular hexagons.

上記実施の形態では、半導体チップ20に縦型MOSFETが形成されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の半導体チップ20には、横型MOSFET,IGBT,ダイオード,JFET等が形成されていてもよい。   Although the case where the vertical MOSFET is formed in the semiconductor chip 20 has been described in the above embodiment, the present invention is not limited to this. A lateral MOSFET, IGBT, diode, JFET or the like may be formed on the semiconductor chip 20 of the present invention.

(他の実施の形態)
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
(Other embodiments)
The structure of the embodiment of the present invention disclosed above is merely an example, and the scope of the present invention is not limited to the scope of these descriptions. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

本発明のパワーモジュールは、MOSFET,IGBT,ダイオード,JFET等を搭載した各種機器に利用することができる。   The power module of the present invention can be used for various devices equipped with MOSFET, IGBT, diode, JFET and the like.

実施の形態におけるパワーモジュールの断面図である。It is sectional drawing of the power module in embodiment. 半導体チップに内蔵されている縦型MOSFETの部分素子の単位構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the unit structure of the partial element of the vertical MOSFET incorporated in the semiconductor chip. 縦型MOSFETの部分素子の単位構造の別例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another example of the unit structure of the partial element of vertical type MOSFET. (a),(b)は、従来の単一チップと4分割チップとの放熱経路の相違を説明するための断面図である。(A), (b) is sectional drawing for demonstrating the difference in the thermal radiation path | route of the conventional single chip | tip and a 4-part dividing chip | tip. (a),(b)は、従来の単一チップと4分割チップとの放熱面における温度分布の相違を説明するための平面図である。(A), (b) is a top view for demonstrating the difference in the temperature distribution in the thermal radiation surface of the conventional single chip | tip and a 4-part dividing chip | tip. チップ表面温度のチップ分割数依存性をグラフで示す図である。It is a figure which shows the chip | tip division number dependence of the chip | tip surface temperature with a graph. チップ温度のチップ間隔依存性をグラフで示す図である。It is a figure which shows the chip | tip interval dependence of chip | tip temperature with a graph. 半導体チップのベースプレート端からの距離に対するチップ温度の変化をグラフで示す図である。It is a figure which shows the change of the chip temperature with respect to the distance from the baseplate edge of a semiconductor chip with a graph. 単一チップにおける半導体チップおよびベースプレートの表面温度分布のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the surface temperature distribution of the semiconductor chip and base plate in a single chip. 4分割チップにおける半導体チップおよびベースプレートの表面温度分布のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the surface temperature distribution of the semiconductor chip and base plate in a 4-part dividing chip. (a)〜(e)は、図6のデータを得るために用いた半導体チップの配置状態を示す斜視図である。(A)-(e) is a perspective view which shows the arrangement | positioning state of the semiconductor chip used in order to obtain the data of FIG. (a)〜(e)は、図7,図8のデータを得るために用いた半導体チップの配置状態を示す斜視図である。(A)-(e) is a perspective view which shows the arrangement | positioning state of the semiconductor chip used in order to acquire the data of FIG. 7, FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 パワーモジュール
11 ベースプレート
12 ダイパッド
13 制御用電極
14 ボンディングワイヤ
15 電力供給用電極
16 ボンディングワイヤ
18 ボンディングワイヤ
20 半導体チップ
21 ゲート絶縁膜
22 ゲート電極
23 ドリフト層
24 バッファ層
25 半導体基板
26 裏面電極
27 ソース領域
28 ウェル
29 ソース電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power module 11 Base plate 12 Die pad 13 Control electrode 14 Bonding wire 15 Power supply electrode 16 Bonding wire 18 Bonding wire 20 Semiconductor chip 21 Gate insulating film 22 Gate electrode 23 Drift layer 24 Buffer layer 25 Semiconductor substrate 26 Back surface electrode 27 Source region 28 well 29 source electrode

Claims (4)

裏面が放熱面であるベースプレートと、該ベースプレートの上面上に搭載された半導体素子とを備えたパワーモジュールであって、
前記半導体素子は、複数の部分素子に分割され、各部分素子が別個の半導体チップに、分離して配置されている、パワーモジュール。
A power module comprising a base plate whose back surface is a heat dissipation surface, and a semiconductor element mounted on the top surface of the base plate,
The power module, wherein the semiconductor element is divided into a plurality of partial elements, and each partial element is separately arranged on a separate semiconductor chip.
請求項1記載のパワーモジュールにおいて、
前記半導体素子が、4個以上の部分素子に分割されている、パワーモジュール。
The power module according to claim 1,
A power module in which the semiconductor element is divided into four or more partial elements.
請求項1または2記載のパワーモジュールにおいて、
前記複数の半導体チップのうちベースプレート上における端部に位置するものと、ベースプレート端との間隔は、前記ベースプレートの厚み以上である、パワーモジュール。
The power module according to claim 1 or 2,
The power module, wherein a distance between an end of the plurality of semiconductor chips located on the base plate and a base plate end is equal to or greater than a thickness of the base plate.
請求項1〜3のうちいずれか1つに記載のパワーモジュールにおいて、
各半導体チップ同士の間隔は、前記ベースプレートの厚みの1/2倍以上である、パワーモジュール。
In the power module according to any one of claims 1 to 3,
The power module, wherein an interval between the semiconductor chips is at least ½ times the thickness of the base plate.
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