JP2023032484A - Power semiconductor unit, manufacturing method of power semiconductor unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワー半導体ユニットの構造とその製造方法に係り、特に、冷却器を備えたパワー半導体ユニットに適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a structure of a power semiconductor unit and a method of manufacturing the same, and more particularly to a technique effectively applied to a power semiconductor unit provided with a cooler.
近年、環境への意識の高まりと共に、ハイブリッド電気自動車(HV)や電気自動車(EV)など環境対応車の普及が進んでいる。次世代HVやEVのさらなる普及のため、より小型かつ低コストで高効率な電動システムの開発が進められており、その中でパワー半導体ユニットの小型化、低コスト化、高効率化は重要な課題の1つとなっている。 In recent years, along with growing awareness of the environment, eco-friendly vehicles such as hybrid electric vehicles (HV) and electric vehicles (EV) are becoming popular. Due to the further spread of next-generation HVs and EVs, the development of smaller, lower-cost, and more efficient electric power systems is underway. Among these, miniaturization, lower cost, and higher efficiency of power semiconductor units are important. This is one of the issues.
車載用のパワー半導体ユニットに関する背景技術として、例えば、特許文献1のような技術がある。特許文献1には、パワー半導体素子の両面に取り付けられる絶縁基板と、放熱板等の冷却手段とがはんだ付けやろう付けといったろう接により接合されたパワー半導体モジュールの構成が開示されている。
BACKGROUND ART For example,
特許文献1の構成により、パワー半導体素子と冷却手段間の熱抵抗が大幅に低減され、高い冷却性能を得ることができる。
With the configuration of
上記特許文献1では、パワー半導体素子1,2を、はんだ付け等により絶縁基板9,18に接合しており、さらにその絶縁基板9,18を、放熱フィンが設けられた放熱板13,23にろう接(はんだ付けやろう付け)により接合している。
In
そのため、絶縁基板9,18に放熱板13,23を接合する際のろう接プロセスでの熱により、パワー半導体素子1,2と絶縁基板9,18との接合部のはんだが再溶融してしまい、パワー半導体素子1,2と絶縁基板9,18との接合部の信頼性及び伝熱性(冷却効率)の低下が懸念される。
As a result, the solder at the joints between the
特許文献1では、パワー半導体素子1,2を絶縁基板9,18に接合するはんだ等の接合材には、例えば銅粒子と錫粒子とを混合した高温接合材料を用いることが開示されており、絶縁基板9,18に放熱板13,23を接合するはんだ等の接合材には、パワー半導体素子1,2を絶縁基板9,18に接合するはんだ等の接合材よりも融点が低い接合材、例えばSn-3Ag-0.5Cu鉛フリーはんだなどを使用することが開示されている。
しかしながら、特許文献1で例示されている高温接合材料であるCuSnはんだも、Sn-3Ag-0.5Cu鉛フリーはんだも、どちらもはんだであり、高温接合材料であるCuSnはんだであってもSnを含んでいるため融点は高くても350℃程度であるため、融点を大きく変えるには限界があり、Sn-3Ag-0.5Cu鉛フリーはんだをする際の熱でCuSnはんだの品質が劣化する可能性がある。
However, both CuSn solder, which is a high-temperature bonding material, and Sn-3Ag-0.5Cu lead-free solder exemplified in
また、特許文献1のパワー半導体モジュールを用いて車載用の電動システムを構成しようとした場合、パワー半導体素子1,2と絶縁基板9,18との接合部のはんだの再溶融を考慮した実装構造の設計が必要であり、パワー半導体モジュールを実装する上で一定の制約が生じてしまう。
Further, when an electric system for vehicle is to be constructed using the power semiconductor module of
そこで、本発明の目的は、冷却器を備えたパワー半導体ユニットにおいて、搭載されるパワー半導体モジュールの冷却効率と実装自由度の両立が可能なパワー半導体ユニット及びその製造方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a power semiconductor unit equipped with a cooler, and a method of manufacturing the power semiconductor unit, which is capable of achieving both cooling efficiency and mounting freedom of the mounted power semiconductor module.
上記課題を解決するために、本発明は、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子の一方の面に接合される第1の絶縁基板と、前記パワー半導体素子の他方の面に接合される配線金属部品と、前記配線金属部品の前記パワー半導体素子が接合される面の反対側の面に接合される第2の絶縁基板と、前記パワー半導体素子からの熱を冷却するヒートシンクと、を備え、前記パワー半導体素子と前記第1の絶縁基板との接合、前記パワー半導体素子と前記配線金属部品との接合、前記配線金属部品と前記第2の絶縁基板との接合は、焼結金属接合であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a power semiconductor element, a first insulating substrate bonded to one surface of the power semiconductor element, and a wiring metal bonded to the other surface of the power semiconductor element. a component, a second insulating substrate bonded to the surface of the wiring metal component opposite to the surface to which the power semiconductor element is bonded, and a heat sink for cooling heat from the power semiconductor element, The bonding between the power semiconductor element and the first insulating substrate, the bonding between the power semiconductor element and the wiring metal component, and the bonding between the wiring metal component and the second insulating substrate are sintered metal bonding. characterized by
また、本発明は、(a)焼結金属接合により、第1の絶縁基板上にパワー半導体素子を接合する工程、(b)焼結金属接合により、前記パワー半導体素子上に配線金属部品を接合する工程、(c)焼結金属接合により、前記配線金属部品上に第2の絶縁基板を接合する工程、(d)前記第1の絶縁基板と前記パワー半導体素子と前記配線金属部品と前記第2の絶縁基板とを、封止樹脂で封止する工程、(e)前記(d)工程の後、はんだ接合または焼結金属接合により、前記第1の絶縁基板をヒートシンクに接合する工程、を含むパワー半導体ユニットの製造方法である。 Further, the present invention includes: (a) a step of bonding a power semiconductor element onto a first insulating substrate by sintered metal bonding; and (b) bonding a wiring metal component onto the power semiconductor element by sintered metal bonding. (c) bonding a second insulating substrate onto the wiring metal component by sintered metal bonding; (d) the first insulating substrate, the power semiconductor element, the wiring metal component and the second (e) after step (d), bonding the first insulating substrate to the heat sink by solder bonding or sintered metal bonding; A method of manufacturing a power semiconductor unit including:
また、本発明は、第1のパワー半導体モジュールと、前記第1のパワー半導体モジュールに重畳する第2のパワー半導体モジュールと、前記第1のパワー半導体モジュールおよび前記第2のパワー半導体モジュールを冷却するヒートシンクと、を備え、前記ヒートシンクは、少なくとも1つの液冷型ヒートシンクを有し、前記第1のパワー半導体モジュールは、2つの主面のうち一方の主面のみが前記液冷型ヒートシンクに熱的に接続され、前記第2のパワー半導体モジュールは、2つの主面のうち一方の主面のみが前記液冷型ヒートシンクに熱的に接続されることを特徴とする。 Further, the present invention cools a first power semiconductor module, a second power semiconductor module superimposed on the first power semiconductor module, and the first power semiconductor module and the second power semiconductor module. a heat sink, wherein the heat sink has at least one liquid-cooled heat sink, and the first power semiconductor module has two main surfaces only one of which is thermally coupled to the liquid-cooled heat sink. The second power semiconductor module is characterized in that only one of two main surfaces of the second power semiconductor module is thermally connected to the liquid-cooled heat sink.
本発明によれば、冷却器を備えたパワー半導体ユニットにおいて、搭載されるパワー半導体モジュールの冷却効率と実装自由度の両立が可能なパワー半導体ユニット及びその製造方法を実現することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the power semiconductor unit provided with the cooler, the power semiconductor unit which can balance the cooling efficiency of a mounted power semiconductor module, and mounting flexibility, and its manufacturing method can be implement|achieved.
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each drawing, the same configurations are denoted by the same reference numerals, and detailed descriptions of overlapping portions are omitted.
図1を参照して、本発明の実施例1のパワー半導体ユニットについて説明する。図1は、本実施例のパワー半導体ユニット1の断面構造を示す図である。
A power semiconductor unit according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of a
なお、本明細書において、パワーMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)や絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)、ダイオード等の電力用半導体素子が形成された半導体チップを「パワー半導体素子」と呼び、絶縁基板上に実装されたパワー半導体素子を樹脂封止したものを「パワー半導体モジュール」と呼び、ヒートシンク等の冷却器を備えたパワー半導体モジュールを「パワー半導体ユニット」と呼ぶ。 In this specification, semiconductor chips on which power semiconductor elements such as power MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors), insulated gate bipolar transistors (IGBTs), and diodes are formed are referred to as " A power semiconductor element mounted on an insulating substrate and sealed with resin is called a "power semiconductor module", and a power semiconductor module equipped with a cooler such as a heat sink is called a "power semiconductor unit". call.
本実施例のパワー半導体ユニット1は、図1に示すように、主要な構成として、IGBT等の電力用半導体素子が形成された半導体チップであるパワー半導体素子3と、パワー半導体素子3の下面に接合された絶縁基板2と、パワー半導体素子3の上面に接合されたスペーサまたはリードフレーム等の配線金属部品4と、配線金属部品4のパワー半導体素子3が接合される面の反対側の面に接合された絶縁基板5と、パワー半導体素子3からの熱を冷却するヒートシンク6,7とを備えている。
As shown in FIG. 1, the
絶縁基板2には、例えば、セラミック基板8の両面に銅板9,10が接合されたDBC基板(Direct Bonded Copper)が用いられる。絶縁基板5も同様に、セラミック基板11の両面に銅板12,13が接合されたDBC基板等が用いられる。
The
ヒートシンク6,7には、冷却フィンが設けられており、冷媒19による熱交換によりパワー半導体素子3からの熱を冷却する。空冷型のヒートシンクの場合は、冷媒19は空気などの気体であり、液冷型のヒートシンクの場合は、冷媒19は冷却水やLLC(Long Life Coolant)等である。
The
パワー半導体素子3と絶縁基板2との接合部には、焼結金属14が介在しており、パワー半導体素子3と絶縁基板2は、焼結金属14によって焼結金属接合されている。
A
また、パワー半導体素子3と配線金属部品4との接合部には、焼結金属15が介在しており、パワー半導体素子3と配線金属部品4は、焼結金属15によって焼結金属接合されている。
A
また、配線金属部品4と絶縁基板5との接合部には、焼結金属16が介在しており、配線金属部品4と絶縁基板5は、焼結金属16によって焼結金属接合されている。
A
なお、焼結金属14,15,16には、焼結銀や焼結銅等が用いられる。焼結銀や焼結銅等の焼結金属の融点は、900℃以上と高い。焼結金属14,15,16を形成する焼結金属接合の焼結温度は、200℃~350℃程度であり、焼結金属接合はひとたび接合すると融点は焼結温度よりはるかに高くなるという特徴がある。
Sintered silver, sintered copper, or the like is used for the sintered
ヒートシンク6は、絶縁基板2のパワー半導体素子3が接合される面の反対側の面に接合されており、絶縁基板2とヒートシンク6との接合部には、半田(はんだ)または焼結金属17が介在しており、絶縁基板2とヒートシンク6は、半田または焼結金属17によって金属接合されている。このように、放熱グリースまたは放熱シートを介して熱的に接続するいわゆる間接冷却ではなく、金属接合材により熱的に接続するいわゆる直接冷却の構造となっているため、接続部の熱抵抗を低くできる。また、半田(はんだ)の融点は、200℃~350℃程度である。焼結金属17を形成する焼結金属接合の焼結温度も同様に200℃~350℃程度のものが適用できる。したがって、半田または焼結金属17によって接合する工程は、それより前の工程で形成された焼結金属14,15,16の融点よりもはるかに低い温度で行われるので、焼結金属14,15,16の再溶融や品質の劣化などの問題を生じさせない。
The
また、ヒートシンク7は、絶縁基板5の配線金属部品4が接合される面の反対側の面に接合されており、絶縁基板5とヒートシンク7との接合部には、半田(はんだ)または焼結金属18が介在しており、絶縁基板5とヒートシンク7は、半田または焼結金属18によって金属接合されている。
The
図1を用いて、パワー半導体ユニット1の製造方法の主要な工程のみを説明する。
Only main steps of the method for manufacturing the
先ず、焼結金属接合により、絶縁基板2上にパワー半導体素子3を接合する。この際、絶縁基板2とパワー半導体素子3との間には、接合層である焼結金属14が形成される。
First, the power semiconductor element 3 is bonded onto the insulating
次に、焼結金属接合により、パワー半導体素子3上に配線金属部品4を接合する。この際、パワー半導体素子3と配線金属部品4との間には、接合層である焼結金属15が形成される。
Next, the wiring metal component 4 is joined onto the power semiconductor element 3 by sintered metal joining. At this time, a
続いて、焼結金属接合により、配線金属部品4上に絶縁基板5を接合する。この際、配線金属部品4と絶縁基板5との間には、接合層である焼結金属16が形成される。
Subsequently, the insulating
なお、接合する順番は上記の順に限定されるものではない。また、各部品位置を固定する位置合わせ治具を用いることで、焼結金属14、焼結金属15、焼結金属16の接合の内2つもしくは全工程をまとめて形成することも可能である。
Note that the order of bonding is not limited to the order described above. Also, by using an alignment jig for fixing the position of each component, it is possible to form two or all of the joints of the sintered
次に、絶縁基板2とパワー半導体素子3と配線金属部品4と絶縁基板5とを、図示しない封止樹脂で封止する。図1では、構造を分かり易くするために、封止樹脂の図示を省略しているが、例えば、トランスファーモールド等による高耐熱樹脂封止を行い、パワー半導体モジュールを形成する。
Next, the insulating
樹脂封止を行った後、はんだ接合または焼結金属接合により、絶縁基板2とヒートシンク6、絶縁基板5とヒートシンク7をそれぞれ接合する。
After resin sealing, the insulating
本実施例のパワー半導体ユニット1は、以上のように構成されており、パワー半導体素子3と絶縁基板2との接合、パワー半導体素子3と配線金属部品4との接合、配線金属部品4と絶縁基板5との接合に、それぞれ融点が900℃以上の焼結金属14,15,16が用いられているため、絶縁基板2とヒートシンク6、絶縁基板5とヒートシンク7を、融点または焼結温度が200℃~350℃程度の半田または焼結金属17,18によりそれぞれ接合する際に、パワー半導体モジュール内部の焼結金属14,15,16の再溶融や品質の劣化を考慮する必要がなくなる。
The
これにより、パワー半導体モジュールへのヒートシンク6,7の取り付け自由度が向上すると共に、パワー半導体モジュール内部の接合信頼性及びパワー半導体モジュールとヒートシンクとの接合信頼性を担保することができる。また、ヒートシンク6,7とパワー半導体モジュールの接続部の熱抵抗を低くできるため、パワー半導体ユニット全体としての冷却効率も向上することができる。
As a result, the degree of freedom in attaching the
図2Aから図4を参照して、本発明の実施例2のパワー半導体ユニットについて説明する。図2Aは、本実施例のパワー半導体ユニット1の構成を示す図である。図2Bは、図2Aのパワー半導体ユニット1の冷却ジャケット21への組み込み方法を示す図である。図3は、図2A及び図2Bの変形例を示す図である。図4は、本実施例のパワー半導体ユニット1の実装例を示す図である。
A power semiconductor unit according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2A to 4. FIG. FIG. 2A is a diagram showing the configuration of the
実施例1で説明したように、パワー半導体ユニット1は、図2Aに示すように、パワー半導体モジュール20の両面に、半田接合や焼結金属接合等の金属接合によってヒートシンク6,7をそれぞれ接合することで構成される。
As described in
図2Aのように構成したパワー半導体ユニット1は、例えば、図2Bに示すような複数の開口部23を有する冷却ジャケット21に組み込まれ、水路22を流れる水やLLC等の冷媒によって熱交換されて冷却される。
The
なお、パワー半導体ユニット1を冷却ジャケット21へ組み込む際には、はんだ接合または焼結金属接合により、パワー半導体ユニット1を冷却ジャケット21の開口部23内に接合する。
When the
また、図3に示す変形例のように、ヒートシンク6,7を接合していない状態のパワー半導体モジュール20を直接、冷却フィン内蔵の冷却ジャケット24にはんだ接合または焼結金属接合により接合して、パワー半導体ユニットを構成することも可能である。この場合、冷却ジャケット24が液冷型のヒートシンクとなる。冷却ジャケット24の流路内には、冷却効率を向上するため、図示しないピンフィン等が設置されている。
Also, as in the modification shown in FIG. 3, the
また、図2Aのように構成したパワー半導体ユニット1は、冷却効率と実装自由度が向上しているため、例えば、図4に示すようにキャパシタ25等と共に実装して、高い信頼性が要求される電気自動車(EV)用のパワー半導体ユニットとして用いることが可能である。
Further, since the
なお、図4中のパワー半導体ユニットの構成例については、実施例4(図6A及び図6B)で後述する。 A configuration example of the power semiconductor unit in FIG. 4 will be described later in Example 4 (FIGS. 6A and 6B).
図5A及び図5Bを参照して、本発明の実施例3のパワー半導体ユニットについて説明する。図5Aは、本実施例のパワー半導体ユニットの構成を示す図である。図5Bは、図5AのA-A’断面を示す図である。 A power semiconductor unit according to Example 3 of the present invention will be described with reference to FIGS. 5A and 5B. FIG. 5A is a diagram showing the configuration of the power semiconductor unit of this embodiment. FIG. 5B is a diagram showing a cross section along A-A' in FIG. 5A.
本実施例のパワー半導体ユニットは、図5A及び図5Bに示すように、ヒートシンクが、2つのアルミ固定バー26と、2つのアルミ固定バー26の間に配置された冷却ジャケット24で構成されている。冷却ジャケット24は、液冷型のヒートシンクとしても機能する。アルミ固定バー26は、空冷型のヒートシンクとしても機能する。
In the power semiconductor unit of this embodiment, as shown in FIGS. 5A and 5B, the heat sink is composed of two aluminum fixing bars 26 and a cooling
下側のアルミ固定バー26と冷却ジャケット24との間には、パワー半導体モジュール20が複数並列に配置された第1のパワー半導体モジュール群を有している。
A first power semiconductor module group in which a plurality of
また、上側のアルミ固定バー26と冷却ジャケット24との間には、パワー半導体モジュール20が複数並列に配置された第2のパワー半導体モジュール群を有している。
A second power semiconductor module group in which a plurality of
そして、下側のアルミ固定バー26とパワー半導体モジュール20との接合、冷却ジャケット24とパワー半導体モジュール20との接合、上側のアルミ固定バー26とパワー半導体モジュール20との接合には、はんだ接合または焼結金属接合が用いられている。
For joining the lower
なお、パワー半導体モジュール20には、鏡像対称な端子配置の2対を用いる。上層のパワー半導体モジュール20と下層のパワー半導体モジュール20のそれぞれは、主電流が流れる主端子と、少なくともゲート端子を含む制御用端子とを有しており、上層のパワー半導体モジュール20の制御用端子は、下層のパワー半導体モジュール20の制御用端子とは反対側に屈曲して伸びている。
The
本実施例のパワー半導体ユニットでは、上述したように、ヒートシンクは、少なくとも1つの液冷型ヒートシンク(冷却ジャケット24)を有しており、上層のパワー半導体モジュール20は、2つの主面のうち一方の主面のみが冷却ジャケット24に熱的に接続され、下層のパワー半導体モジュール20は、2つの主面のうち一方の主面のみが冷却ジャケット24に熱的に接続されている。これによって、液冷型のヒートシンクの数を少なくすることができる。
In the power semiconductor unit of this embodiment, as described above, the heat sink has at least one liquid-cooled heat sink (cooling jacket 24), and the
また、上層のパワー半導体モジュール20は、一方の主面がはんだ接合または焼結金属接合等の金属接合材を介して冷却ジャケット24に接合され、下層のパワー半導体モジュール20は、一方の主面がはんだ接合または焼結金属接合等の金属接合材を介して冷却ジャケット24に接合されている。このように、放熱グリースまたは放熱シートを介して熱的に接続するいわゆる間接冷却ではなく、金属接合材により熱的に接続するいわゆる直接冷却の構造となっているため、接続部の熱抵抗を低くできる。
One main surface of the upper
なお、接続部の熱抵抗は金属接合材に比べて高くなるが、はんだ接合または焼結金属接合等の金属接合材に替えて、放熱グリースまたは放熱シートを用いることも可能である。 Although the thermal resistance of the connecting portion is higher than that of the metal bonding material, it is also possible to use heat dissipating grease or a heat dissipating sheet in place of the metal bonding material such as solder bonding or sintered metal bonding.
パワー半導体ユニットを本実施例(図5A及び図5B)のような構成とすることで、小型軽量性重視でコストパフォーマンスの良い構成とすることができる。 By configuring the power semiconductor unit as in the present embodiment (FIGS. 5A and 5B), it is possible to achieve a configuration with good cost performance while emphasizing small size and light weight.
図6A及び図6Bを参照して、本発明の実施例4のパワー半導体ユニットについて説明する。図6Aは、本実施例のパワー半導体ユニットの構成を示す図である。図6Bは、図6AのB-B’断面を示す図である。 A power semiconductor unit according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6A and 6B. FIG. 6A is a diagram showing the configuration of the power semiconductor unit of this embodiment. FIG. 6B is a diagram showing a B-B' section of FIG. 6A.
本実施例のパワー半導体ユニットは、図6A及び図6Bに示すように、ヒートシンクが、上下に配置された2つの冷却ジャケット24で構成されている。
In the power semiconductor unit of this embodiment, as shown in FIGS. 6A and 6B, a heat sink is composed of two cooling
そして、複数のパワー半導体モジュール20が、2つの冷却ジャケット24の間で、2段積層されており、上層のパワー半導体モジュール20と下層のパワー半導体モジュール20は、はんだ接合または焼結金属接合で互いに接合されている。
A plurality of
また、下側の冷却ジャケット24は、下層のパワー半導体モジュール20の絶縁基板2のパワー半導体素子3が接合される面の反対側の面に接合されており、上側の冷却ジャケット24は、上層のパワー半導体モジュール20の絶縁基板5の配線金属部品4が接合される面の反対側の面に接合されている。
The
そして、下層のパワー半導体モジュール20の絶縁基板2と下側の冷却ジャケット24との接合、上層のパワー半導体モジュール20の絶縁基板5と上側の冷却ジャケット24との接合には、はんだ接合または焼結金属接合が用いられている。
Soldering or sintering is used to join the insulating
上側の冷却ジャケット24と下側の冷却ジャケット24との間には、パワー半導体モジュール20が複数並列に配置されると共に、上下に重畳して配置されている。
Between the cooling
本実施例のパワー半導体ユニットでは、上述したように、ヒートシンクは、上下に配置された2つの冷却ジャケット24を有しており、上層のパワー半導体モジュール20の一方の主面には、上側の冷却ジャケット24が熱的に接続され、下層のパワー半導体モジュール20の一方の主面には、下側の冷却ジャケット24が熱的に接続され、上層のパワー半導体モジュール20の他方の主面と下層のパワー半導体モジュール20の他方の主面とが熱的に接続されている。
In the power semiconductor unit of this embodiment, as described above, the heat sink has two cooling
なお、接続部の熱抵抗は金属接合材に比べて高くなるが、はんだ接合または焼結金属接合等の金属接合材に替えて、放熱グリースまたは放熱シートを用いることも可能である。 Although the thermal resistance of the connecting portion is higher than that of the metal bonding material, it is also possible to use heat dissipating grease or a heat dissipating sheet in place of the metal bonding material such as solder bonding or sintered metal bonding.
パワー半導体ユニットを本実施例(図6A及び図6B)のような構成とすることで、小型軽量性重視でコストパフォーマンスの良い構成とすることができる。 By configuring the power semiconductor unit as in the present embodiment (FIGS. 6A and 6B), it is possible to achieve a configuration with good cost performance while emphasizing small size and light weight.
図7A及び図7Bを参照して、本発明の実施例5のパワー半導体ユニットについて説明する。図7Aは、本実施例のパワー半導体ユニットの構成を示す図である。図7Bは、図7AのC-C’断面を示す図である。 A power semiconductor unit according to Example 5 of the present invention will be described with reference to FIGS. 7A and 7B. FIG. 7A is a diagram showing the configuration of the power semiconductor unit of this embodiment. FIG. 7B is a view showing a C-C' section of FIG. 7A.
本実施例のパワー半導体ユニットは、図7A及び図7Bに示すように、ヒートシンクが、上下3層に配置された3つの冷却ジャケット24で構成されている。
In the power semiconductor unit of this embodiment, as shown in FIGS. 7A and 7B, the heat sink is composed of three
そして、複数のパワー半導体モジュール20が、3つの冷却ジャケット24の間で、2段積層されており、上層のパワー半導体モジュール20は最上段の冷却ジャケット24と中段の冷却ジャケット24との間に、はんだ接合または焼結金属接合で接合されている。
A plurality of
また、下層のパワー半導体モジュール20は最下段の冷却ジャケット24と中段の冷却ジャケット24との間に、はんだ接合または焼結金属接合で接合されている。
The lower
なお、接続部の熱抵抗は金属接合材に比べて高くなるが、はんだ接合または焼結金属接合等の金属接合材に替えて、放熱グリースまたは放熱シートを用いることも可能である。 Although the thermal resistance of the connecting portion is higher than that of the metal bonding material, it is also possible to use heat dissipating grease or a heat dissipating sheet in place of the metal bonding material such as solder bonding or sintered metal bonding.
パワー半導体ユニットを本実施例(図7A及び図7B)のような構成とすることで、全てのパワー半導体モジュール20の両面が液冷型の冷却ジャケット24で冷却されるため、パワー半導体ユニットの最大出力を優先したい場合に有利である。
By configuring the power semiconductor unit as in this embodiment (FIGS. 7A and 7B), both sides of all the
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications. For example, the above-described embodiments have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations. In addition, it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Moreover, it is possible to add, delete, or replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.
1…パワー半導体ユニット
2,5…絶縁基板
3…パワー半導体素子
4…配線金属部品
6,7…ヒートシンク
8,11…セラミック基板
9,10,12,13…銅板
14,15,16…焼結金属
17,18…半田または焼結金属
19…冷媒
20…パワー半導体モジュール
21,24…冷却ジャケット
22…水路
23…開口部
25…キャパシタ
26…アルミ固定バー
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記パワー半導体素子の一方の面に接合される第1の絶縁基板と、
前記パワー半導体素子の他方の面に接合される配線金属部品と、
前記配線金属部品の前記パワー半導体素子が接合される面の反対側の面に接合される第2の絶縁基板と、
前記パワー半導体素子からの熱を冷却するヒートシンクと、を備え、
前記パワー半導体素子と前記第1の絶縁基板との接合、前記パワー半導体素子と前記配線金属部品との接合、前記配線金属部品と前記第2の絶縁基板との接合は、焼結金属接合であることを特徴とするパワー半導体ユニット。 a power semiconductor element;
a first insulating substrate bonded to one surface of the power semiconductor element;
a wiring metal component joined to the other surface of the power semiconductor element;
a second insulating substrate bonded to the surface of the wiring metal component opposite to the surface to which the power semiconductor element is bonded;
a heat sink that cools heat from the power semiconductor element,
The bonding between the power semiconductor element and the first insulating substrate, the bonding between the power semiconductor element and the wiring metal component, and the bonding between the wiring metal component and the second insulating substrate are sintered metal bonding. A power semiconductor unit characterized by:
前記焼結金属接合は、焼結銀接合または焼結銅接合であることを特徴とするパワー半導体ユニット。 In the power semiconductor unit according to claim 1,
The power semiconductor unit, wherein the sintered metal joint is sintered silver joint or sintered copper joint.
前記ヒートシンクは、前記第1の絶縁基板の前記パワー半導体素子が接合される面の反対側の面に接合され、
前記第1の絶縁基板と前記ヒートシンクとの接合は、はんだ接合または焼結金属接合であることを特徴とするパワー半導体ユニット。 In the power semiconductor unit according to claim 1,
the heat sink is bonded to the surface of the first insulating substrate opposite to the surface to which the power semiconductor element is bonded;
A power semiconductor unit, wherein the bonding between the first insulating substrate and the heat sink is solder bonding or sintered metal bonding.
前記ヒートシンクは、気体または液体による熱交換により前記パワー半導体素子からの熱を冷却することを特徴とするパワー半導体ユニット。 In the power semiconductor unit according to claim 1,
The power semiconductor unit, wherein the heat sink cools the heat from the power semiconductor element by heat exchange with gas or liquid.
前記パワー半導体素子と、前記第1の絶縁基板と、前記配線金属部品と、前記第2の絶縁基板とが同じ封止樹脂で封止されたパワー半導体モジュールを有することを特徴とするパワー半導体ユニット。 In the power semiconductor unit according to claim 1,
A power semiconductor unit, comprising: a power semiconductor module in which the power semiconductor element, the first insulating substrate, the wiring metal part, and the second insulating substrate are sealed with the same sealing resin. .
前記ヒートシンクは、前記第1の絶縁基板の前記パワー半導体素子が接合される面の反対側の面に接合される第1のヒートシンクと、
前記第2の絶縁基板の前記配線金属部品が接合される面の反対側の面に接合される第2のヒートシンクと、を有し、
前記第1の絶縁基板と前記ヒートシンクとの接合、前記第2の絶縁基板と前記第2のヒートシンクとの接合は、はんだ接合または焼結金属接合であり、
前記第1のヒートシンクと前記第2のヒートシンクとの間に、前記パワー半導体モジュールが複数並列に配置されていることを特徴とするパワー半導体ユニット。 In the power semiconductor unit according to claim 5,
a first heat sink bonded to a surface of the first insulating substrate opposite to a surface to which the power semiconductor element is bonded;
a second heat sink bonded to the surface of the second insulating substrate opposite to the surface to which the wiring metal component is bonded;
The bonding between the first insulating substrate and the heat sink and the bonding between the second insulating substrate and the second heat sink are solder bonding or sintered metal bonding,
A power semiconductor unit, wherein a plurality of said power semiconductor modules are arranged in parallel between said first heat sink and said second heat sink.
前記複数のパワー半導体モジュールは、第1のヒートシンクと前記第2のヒートシンクとの間で、2段積層されており、
上層のパワー半導体モジュールと下層のパワー半導体モジュールとの間は、はんだ接合または焼結金属接合で接合されていることを特徴とするパワー半導体ユニット。 In the power semiconductor unit according to claim 6,
The plurality of power semiconductor modules are stacked in two stages between the first heat sink and the second heat sink,
A power semiconductor unit, wherein the power semiconductor module in the upper layer and the power semiconductor module in the lower layer are joined by solder joint or sintered metal joint.
前記ヒートシンクは、第1のヒートシンクと、第2のヒートシンクと、第3のヒートシンクと、を有し、
前記第1のヒートシンクと前記第2のヒートシンクとの間に、前記パワー半導体モジュールが複数並列に配置された第1のパワー半導体モジュール群を有し、
前記第2のヒートシンクと前記第3のヒートシンクとの間に、前記パワー半導体モジュールが複数並列に配置された第2のパワー半導体モジュール群を有し、
前記第1のヒートシンクと前記パワー半導体モジュールとの接合、前記第2のヒートシンクと前記パワー半導体モジュールとの接合、前記第3のヒートシンクと前記パワー半導体モジュールとの接合は、はんだ接合または焼結金属接合であることを特徴とするパワー半導体ユニット。 In the power semiconductor unit according to claim 5,
the heat sink has a first heat sink, a second heat sink, and a third heat sink;
a first power semiconductor module group in which a plurality of the power semiconductor modules are arranged in parallel between the first heat sink and the second heat sink;
a second power semiconductor module group in which a plurality of the power semiconductor modules are arranged in parallel between the second heat sink and the third heat sink;
The bonding between the first heat sink and the power semiconductor module, the bonding between the second heat sink and the power semiconductor module, and the bonding between the third heat sink and the power semiconductor module are solder bonding or sintered metal bonding. A power semiconductor unit characterized by:
前記第2のヒートシンクは、前記第1のヒートシンクと前記第3のヒートシンクとの間に配置され、
前記第2のヒートシンクは、液冷型のヒートシンクであり、
前記第1のヒートシンクおよび前記第3のヒートシンクは、空冷型のヒートシンクであることを特徴とするパワー半導体ユニット。 In the power semiconductor unit according to claim 8,
the second heat sink is positioned between the first heat sink and the third heat sink;
The second heat sink is a liquid-cooled heat sink,
The power semiconductor unit, wherein the first heat sink and the third heat sink are air-cooled heat sinks.
(a)焼結金属接合により、第1の絶縁基板上にパワー半導体素子を接合する工程、
(b)焼結金属接合により、前記パワー半導体素子上に配線金属部品を接合する工程、
(c)焼結金属接合により、前記配線金属部品上に第2の絶縁基板を接合する工程、
(d)前記第1の絶縁基板と前記パワー半導体素子と前記配線金属部品と前記第2の絶縁基板とを、封止樹脂で封止する工程、
(e)前記(d)工程の後、はんだ接合または焼結金属接合により、前記第1の絶縁基板をヒートシンクに接合する工程。 A method of manufacturing a power semiconductor unit comprising the steps of;
(a) bonding a power semiconductor device onto a first insulating substrate by sintered metal bonding;
(b) bonding a wiring metal component onto the power semiconductor element by sintered metal bonding;
(c) bonding a second insulating substrate onto the wiring metal component by sintered metal bonding;
(d) sealing the first insulating substrate, the power semiconductor element, the wiring metal component, and the second insulating substrate with a sealing resin;
(e) bonding the first insulating substrate to a heat sink by solder bonding or sintered metal bonding after step (d);
前記第1のパワー半導体モジュールに重畳する第2のパワー半導体モジュールと、
前記第1のパワー半導体モジュールおよび前記第2のパワー半導体モジュールを冷却するヒートシンクと、を備え、
前記ヒートシンクは、少なくとも1つの液冷型ヒートシンクを有し、
前記第1のパワー半導体モジュールは、2つの主面のうち一方の主面のみが前記液冷型ヒートシンクに熱的に接続され、
前記第2のパワー半導体モジュールは、2つの主面のうち一方の主面のみが前記液冷型ヒートシンクに熱的に接続されることを特徴とするパワー半導体ユニット。 a first power semiconductor module;
a second power semiconductor module superimposed on the first power semiconductor module;
a heat sink that cools the first power semiconductor module and the second power semiconductor module;
the heat sink comprises at least one liquid-cooled heat sink;
The first power semiconductor module is thermally connected to the liquid-cooled heat sink only on one of two main surfaces,
A power semiconductor unit, wherein only one of two main surfaces of the second power semiconductor module is thermally connected to the liquid-cooled heat sink.
前記第1のパワー半導体モジュールは、前記一方の主面が金属接合材を介して前記液冷型ヒートシンクに接合され、
前記第2のパワー半導体モジュールは、前記一方の主面が金属接合材を介して前記液冷型ヒートシンクに接合されることを特徴とするパワー半導体ユニット。 In the power semiconductor unit according to claim 11,
The first power semiconductor module has the one main surface bonded to the liquid-cooled heat sink via a metal bonding material,
A power semiconductor unit, wherein the one main surface of the second power semiconductor module is bonded to the liquid-cooled heat sink via a metal bonding material.
前記第1のパワー半導体モジュールは、前記一方の主面が放熱グリースまたは放熱シートを介して前記液冷型ヒートシンクに熱的に接続され、
前記第2のパワー半導体モジュールは、前記一方の主面が放熱グリースまたは放熱シートを介して前記液冷型ヒートシンクに熱的に接続されることを特徴とするパワー半導体ユニット。 In the power semiconductor unit according to claim 11,
The first power semiconductor module has the one main surface thermally connected to the liquid-cooled heat sink via heat-dissipating grease or a heat-dissipating sheet,
A power semiconductor unit, wherein the one main surface of the second power semiconductor module is thermally connected to the liquid-cooled heat sink via heat-dissipating grease or a heat-dissipating sheet.
前記ヒートシンクは、液冷型ではない第1のヒートシンクと、液冷型ではない第2のヒートシンクと、を有し、
前記第1のパワー半導体モジュールの前記一方の主面と、前記第2のパワー半導体モジュールの前記一方の主面は、共通の液冷型ヒートシンクに熱的に接続され、
前記第1のパワー半導体モジュールの他方の主面には、前記第1のヒートシンクが熱的に接続され、
前記第2のパワー半導体モジュールの他方の主面には、前記第2のヒートシンクが熱的に接続されることを特徴とするパワー半導体ユニット。 In the power semiconductor unit according to claim 11,
The heat sink has a first non-liquid cooled heat sink and a second non-liquid cooled heat sink,
the one main surface of the first power semiconductor module and the one main surface of the second power semiconductor module are thermally connected to a common liquid-cooled heat sink;
The first heat sink is thermally connected to the other main surface of the first power semiconductor module,
A power semiconductor unit, wherein the second heat sink is thermally connected to the other main surface of the second power semiconductor module.
前記ヒートシンクは、第1の液冷型ヒートシンクと、第2の液冷型ヒートシンクと、を有し、
前記第1のパワー半導体モジュールの前記一方の主面には、前記第1の液冷型ヒートシンクが熱的に接続され、
前記第2のパワー半導体モジュールの前記一方の主面には、前記第2の液冷型ヒートシンクが熱的に接続され、
前記第1のパワー半導体モジュールの他方の主面と前記第2のパワー半導体モジュールの他方の主面とが熱的に接続されることを特徴とするパワー半導体ユニット。 In the power semiconductor unit according to claim 11,
The heat sink has a first liquid-cooled heat sink and a second liquid-cooled heat sink,
The first liquid-cooled heat sink is thermally connected to the one main surface of the first power semiconductor module,
The second liquid-cooled heat sink is thermally connected to the one main surface of the second power semiconductor module,
A power semiconductor unit, wherein the other main surface of the first power semiconductor module and the other main surface of the second power semiconductor module are thermally connected.
前記第1のパワー半導体モジュールと前記第2のパワー半導体モジュールのそれぞれは、主電流が流れる主端子と、少なくともゲート端子を含む制御用端子とを有し、
前記第1のパワー半導体モジュールの制御用端子は、前記第2のパワー半導体モジュールの制御用端子とは反対側に屈曲して伸びていることを特徴とするパワー半導体ユニット。 In the power semiconductor unit according to claim 11,
each of the first power semiconductor module and the second power semiconductor module has a main terminal through which a main current flows and a control terminal including at least a gate terminal;
A power semiconductor unit, wherein the control terminals of the first power semiconductor module are bent and extend in a direction opposite to the control terminals of the second power semiconductor module.
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