JP2009266983A - Heat dissipation structure and manufacturing method therefor, and heat radiator using heat-dissipating structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、極めて放熱性が高い放熱構造及び該放熱構造の製造方法及び該放熱構造を用いたパワーモジュール用放熱装置に関する。 The present invention relates to a heat dissipation structure with extremely high heat dissipation, a method for manufacturing the heat dissipation structure, and a power module heat dissipation device using the heat dissipation structure.
従来、複数のパワー素子(パワーMOSFET、IGBT等)をセラミック基板等の上に結線し、1つのパッケージに組み込んだパワーモジュールが知られている。パワーモジュールは、表面側にパワー素子が設けられ、主に裏面側から熱を逃がす構成となっている。パワーモジュールは、裏面に熱伝導性グリースを塗布され、この熱伝導性グリースを介して冷却器にネジで固定される。そして、発熱素子の両面から放熱することにより、冷却効率を高めた構造も発明されている(特許文献1参照)。 Conventionally, a power module in which a plurality of power elements (power MOSFET, IGBT, etc.) are connected on a ceramic substrate or the like and incorporated in one package is known. The power module is provided with a power element on the front surface side, and is configured to release heat mainly from the back surface side. A heat conductive grease is applied to the back surface of the power module, and the power module is fixed to the cooler with screws through the heat conductive grease. And the structure which raised the cooling efficiency by radiating heat from both surfaces of a heat generating element is also invented (refer patent document 1).
パワーモジュールを冷却器に固定する際には、冷却器と熱伝導性グリースとのなじみをよくするために加圧され、さらにネジで締め付け固定されるために、固定時に熱伝導性グリースが広がる。このため、パワーモジュールを冷却器に固定する際の加圧力が大きかったり、塗布したグリース厚が厚かったりすると、熱伝導性グリースがネジ穴に浸入する場合がある。熱伝導性グリースがネジ穴に浸入すると、ネジの締め付けトルクが経時的に減少してパワーモジュールと冷却器との間隔が広がり、放熱性が悪化するという問題がある。このような問題を解決する発明として、特許文献2には、グリースがネジ穴に侵入しないようにする工夫がなされている。
しかし、これらの方法では、グリースの熱抵抗が大きいため、十分な冷却性能を得ることができなかった。
When the power module is fixed to the cooler, pressure is applied in order to improve the familiarity between the cooler and the heat conductive grease, and further, the heat conductive grease spreads during fixing because the screw is tightened and fixed. For this reason, if the pressure applied when fixing the power module to the cooler is large or the applied grease is thick, the thermally conductive grease may enter the screw holes. When the heat conductive grease enters the screw hole, there is a problem that the tightening torque of the screw decreases with time, the distance between the power module and the cooler is widened, and heat dissipation is deteriorated. As an invention for solving such a problem, Patent Document 2 is devised to prevent grease from entering the screw holes.
However, in these methods, since the thermal resistance of the grease is large, sufficient cooling performance cannot be obtained.
本発明は、上記点に鑑みて、高い放熱性能を発現できる放熱構造を提供することを課題とする。また、熱伝導性グリースを使用することにより生じる、熱抵抗の高さ、及び塗布部からの漏れ等による不具合が解消された放熱構造を提供することを課題とする。 This invention makes it a subject to provide the thermal radiation structure which can express high thermal radiation performance in view of the said point. It is another object of the present invention to provide a heat dissipation structure in which defects caused by the use of heat conductive grease, such as high heat resistance and leakage from the application portion, are eliminated.
本発明者は上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、基板の表面に炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカー層(以下、両者を区別なく、単にウィスカー層と記す場合もある)を有する放熱構造を用いることが有効であることを見出した。すなわち、基板表面のウィスカー層により、グリースを用いなくても発熱源の凹凸に効率的に接触して低い接触抵抗が得られ、高い放熱性能を発揮することを見出した。
また、グリースと併用することでさらに高い放熱性能を発揮することも見出した。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has developed a heat dissipation structure having an aluminum carbide whisker or alumina whisker layer (hereinafter sometimes referred to simply as a whisker layer without distinguishing both) on the surface of the substrate. It has been found that it is effective to use. That is, the present inventors have found that the whisker layer on the substrate surface can efficiently contact the unevenness of the heat source without using grease to obtain a low contact resistance and exhibit high heat dissipation performance.
It has also been found that when used in combination with grease, higher heat dissipation performance is exhibited.
本発明は下記の構成からなる。
(1)本発明に係る放熱構造は、絶縁材料である基板と、該基板の少なくとも表面の全面又は一部に形成された炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相と、該基板表面の炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相から、複数の炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが立設して形成された炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層とを有することを特徴とする。
(2)上記(1)に記載の放熱構造であって、前記基板中の、炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相の周りに、アルミニウム相を有することを特徴とする。
(3)上記(1)又は(2)に記載の放熱構造であって、前記基板が、Si3N4、AlN又はSiCのいずれかであることを特徴とする。
(4)上記(1)〜(3)のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記複数の炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが、基板面に対して略垂直に成長していることを特徴とする。
(5)上記(1)〜(4)のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層の厚さが、1μm以上であることを特徴とする。
(6)上記(5)に記載の放熱構造であって、前記炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層の厚さが、10μm以上であることを特徴とする。
(7)上記(1)〜(6)のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層中にグリースが含浸されたことを特徴とする。
The present invention has the following configuration.
(1) A heat dissipation structure according to the present invention includes a substrate which is an insulating material, an aluminum carbide phase or an aluminum oxide phase formed on the entire surface or a part of at least a surface of the substrate, and an aluminum carbide phase or an oxidation on the surface of the substrate. It has an aluminum carbide whisker layer or an alumina whisker layer formed by standing a plurality of aluminum carbide whiskers or alumina whiskers from an aluminum phase.
(2) The heat dissipation structure according to (1), wherein the substrate has an aluminum phase around an aluminum carbide phase or an aluminum oxide phase.
(3) The heat dissipation structure according to (1) or (2), wherein the substrate is any one of Si 3 N 4 , AlN, and SiC.
(4) The heat dissipation structure according to any one of (1) to (3), wherein the plurality of aluminum carbide whiskers or alumina whiskers are grown substantially perpendicular to the substrate surface. And
(5) The heat dissipation structure according to any one of (1) to (4) above, wherein a thickness of the aluminum carbide whisker layer or the alumina whisker layer is 1 μm or more.
(6) The heat dissipation structure according to (5), wherein the aluminum carbide whisker layer or the alumina whisker layer has a thickness of 10 μm or more.
(7) The heat dissipation structure according to any one of (1) to (6), wherein the aluminum carbide whisker layer or the alumina whisker layer is impregnated with grease.
(8)本発明に係る放熱構造の製造方法は、少なくとも表面の一部又は全面がアルミニウムである絶縁性基板を、炭化水素含有物質を含む空間に配置して加熱し、該基板表面に炭化アルミニウムウィスカー層を形成する第一の工程を含むことを特徴とする。
(9)上記(8)に記載の放熱構造の製造方法であって、前記第一の工程の後、前記炭化アルミニウムウィスカー層を形成した基板を、酸化雰囲気中で加熱し、該炭化アルミニウムウィスカー層をアルミナウィスカー層に転化する第二の工程を含むことを特徴とする。
(10)上記(9)に記載の放熱構造の製造方法であって、前記第一の工程又は前記第二の工程の後に、炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層にグリースを含浸する工程を有することを特徴とする。
(11)上記(8)〜(10)のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法であって、前記基板が、Si3N4、AlN又はSiCのいずれかであることを特徴とする。
(8) In the method for manufacturing a heat dissipation structure according to the present invention, an insulating substrate having at least a part or the entire surface of aluminum is placed in a space containing a hydrocarbon-containing substance and heated, and the surface of the substrate is aluminum carbide. It includes a first step of forming a whisker layer.
(9) The method for manufacturing a heat dissipation structure according to (8) above, wherein after the first step, the substrate on which the aluminum carbide whisker layer is formed is heated in an oxidizing atmosphere, and the aluminum carbide whisker layer And a second step of converting the carbon to an alumina whisker layer.
(10) The method for manufacturing a heat dissipation structure according to (9), including a step of impregnating an aluminum carbide whisker layer or an alumina whisker layer with grease after the first step or the second step. It is characterized by.
(11) The method for manufacturing a heat dissipation structure according to any one of (8) to (10), wherein the substrate is any one of Si 3 N 4 , AlN, or SiC.
(12)本発明に係る放熱装置は、少なくとも発熱素子を有する発熱体の発熱面から発熱する熱が、放熱構造を介して放熱板及び/又は冷却器に伝熱される放熱装置において、該放熱構造が上記(1)〜(7)のいずれか一に記載の放熱構造であることを特徴とする。
(13)上記(12)に記載の放熱装置であって、前記発熱体が、発熱素子の他に、放熱ブロック、放熱板又は半導体基板のいずれかを有し、前記発熱体の発熱面が、該発熱素子、該放熱ブロック、該放熱板又は該半導体基板のいずれか一以上であることを特徴とする。
(14)上記(12)又は(13)に記載の放熱装置であって、前記発熱素子の両面から放熱することを特徴とする。
(12) A heat dissipation device according to the present invention is a heat dissipation device in which heat generated from a heat generating surface of a heat generating element having at least a heat generating element is transferred to a heat dissipation plate and / or a cooler via a heat dissipation structure. Is the heat dissipation structure according to any one of (1) to (7) above.
(13) In the heat dissipation device according to (12), the heating element includes any one of a heat dissipation block, a heat dissipation plate, and a semiconductor substrate in addition to the heating element, and the heating surface of the heating element is It is one or more of the heating element, the heat dissipation block, the heat dissipation plate, and the semiconductor substrate.
(14) The heat dissipation device according to (12) or (13), wherein heat is radiated from both surfaces of the heat generating element.
炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーは、発熱源表面の凹凸に追従すべく、しなる特徴がある。本発明に係る放熱構造は、該炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが基板表面に形成されているため、熱伝導性グリースを使用せずとも、熱抵抗が低く、高い放熱性能を発揮することができる。また、熱伝導性グリースを併せて使用しても、従来のグリースの漏れ等による不具合を生じさせずに、放熱性能を高めることが可能となる。特に、自動車部品等、パワーデバイス用放熱装置として有効である。
また、本発明に係る放熱構造の製造方法により、熱抵抗が低く、高い放熱性能を有する放熱構造を安価に提供することが可能となる。
The aluminum carbide whisker or the alumina whisker has a special feature to follow the unevenness of the surface of the heat source. Since the aluminum carbide whisker or the alumina whisker is formed on the substrate surface, the heat dissipation structure according to the present invention has a low thermal resistance and can exhibit high heat dissipation performance without using a heat conductive grease. Further, even when a heat conductive grease is used in combination, it is possible to improve the heat radiation performance without causing problems due to leakage of conventional grease. In particular, it is effective as a heat radiating device for power devices such as automobile parts.
Moreover, the manufacturing method of the heat dissipation structure according to the present invention makes it possible to provide a heat dissipation structure with low thermal resistance and high heat dissipation performance at low cost.
本発明に係る放熱構造は、絶縁材料である基板と、少なくとも表面の全面又は一部に形成された炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相と、該基板表面の炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相から、複数の炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが立設して形成されたウィスカー層とを有することを特徴とする。炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーは、微細な髭状物質であるため、その先端が相手材表面の微細な凹凸にも追従して効率よく接触する。このため、本発明に係る放熱構造は、グリース等を用いずとも相手材と接触熱抵抗が低く、優れた放熱性能を発揮することができる(図1参照)。また、グリースと併用することでさらに低い熱抵抗を発揮することもできる)。この場合にも、該グリースは、ウィスカー層に含浸されているため、従来のように塗布部から漏れ出すような不具合を解消することができる。 The heat dissipation structure according to the present invention includes a substrate made of an insulating material, an aluminum carbide phase or an aluminum oxide phase formed on at least a part of the surface, and an aluminum carbide phase or an aluminum oxide phase on the substrate surface. And a whisker layer formed by standing aluminum carbide whiskers or alumina whiskers. Since the aluminum carbide whisker or the alumina whisker is a fine cocoon-like substance, the tip of the aluminum carbide whisker or the alumina whisker follows the fine irregularities on the surface of the counterpart material and efficiently contacts. For this reason, the heat dissipation structure according to the present invention has low contact thermal resistance with the counterpart material without using grease or the like, and can exhibit excellent heat dissipation performance (see FIG. 1). Also, when used in combination with grease, lower thermal resistance can also be exhibited). Also in this case, since the grease is impregnated in the whisker layer, it is possible to eliminate the problem of leaking from the application part as in the conventional case.
本は発明に係る放熱構造を、前記パワーモジュールの放熱を目的としてパワーモジュール用放熱装置に使用する場合には、該放熱構造が絶縁性である必要がある。このため、前記基板は、絶縁性基板であることが好ましい。特に、Si3N4、AlN又はSiCのいずれかであることが好ましい。
前記ウィスカー層は、基板表面の全面に形成されていてもよいが、基板表面の一部に形成されていて、他の基板表面部分においてラディエイションによる放熱をしたり、他の冷却部材と接触させるべく、基板表面の複数個所に形成されたりしていてもよい。
When the heat dissipation structure according to the present invention is used for a power module heat dissipation device for the purpose of heat dissipation of the power module, the heat dissipation structure needs to be insulative. For this reason, the substrate is preferably an insulating substrate. In particular, any of Si 3 N 4 , AlN and SiC is preferable.
The whisker layer may be formed on the entire surface of the substrate. However, the whisker layer is formed on a part of the surface of the substrate, and heat is released by radiation at other surface portions of the substrate, or is in contact with other cooling members. In order to achieve this, it may be formed at a plurality of locations on the substrate surface.
前記複数の炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーは、前記基板表面からほぼ垂直に成長して配向していることが好ましい。基板表面に対してウィスカーがほぼ垂直に形成されていると、ウィスカーの先端が発熱体又は冷却体方向を向いているため該先端が微細な凹凸へ侵入しやすくなり、接触熱抵抗を効率よく低下させることが可能となる。但し、必ずしも完全に垂直方向を向いている必要はなく、ランダム方向を向いたものが一部にまざっていても構わず、概ね垂直方向を向いていればよい。また、微細な凹凸に追従させるという同様の観点から、ウィスカー層の厚さは、1μm以上が好ましく、10μm以上であると更に好ましい。 The plurality of aluminum carbide whiskers or alumina whiskers are preferably grown and oriented substantially perpendicularly from the substrate surface. If the whisker is formed almost perpendicular to the substrate surface, the tip of the whisker faces the direction of the heating element or the cooling body, so that the tip easily penetrates into fine irregularities and efficiently reduces the contact thermal resistance. It becomes possible to make it. However, it is not always necessary to completely face the vertical direction, and some of them may be randomly oriented to the random direction, and it is only necessary to face the vertical direction. Further, from the same viewpoint of following the fine unevenness, the thickness of the whisker layer is preferably 1 μm or more, and more preferably 10 μm or more.
本発明に従った放熱構造は、絶縁基板と、その表面に形成された炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーとを備え、以下の手法により合成される。
すなわち、少なくとも表面の一部又は全面がアルミニウムである基板を、炭化水素含有物質を含む空間に配置して加熱して基板表面に炭化アルミウィスカーを形成する第一の工程と、該炭化アルミウィスカーを形成した基板を酸化雰囲気中で加熱して該炭化アルミニウムウィスカーをアルミナウィスカーに転化する第二の工程を含む。本発明は、炭化水素含有物質を含む空間にアルミニウム基板を配置し、加熱するという簡単な工程で、アルミニウムの表面にアルミナウィスカーからなる層を形成することができる。図2はこの発明の一つの実施の形態としてアルミナウィスカー層の断面構造を模式的に示す図である。
The heat dissipation structure according to the present invention includes an insulating substrate and aluminum carbide whiskers or alumina whiskers formed on the surface thereof, and is synthesized by the following method.
That is, a first step in which a substrate having at least a part or the entire surface of aluminum is placed in a space containing a hydrocarbon-containing substance and heated to form an aluminum carbide whisker on the substrate surface; A second step of heating the formed substrate in an oxidizing atmosphere to convert the aluminum carbide whisker to alumina whisker is included. According to the present invention, a layer made of alumina whiskers can be formed on the surface of aluminum by a simple process in which an aluminum substrate is placed in a space containing a hydrocarbon-containing substance and heated. FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of an alumina whisker layer as one embodiment of the present invention.
アルミニウム基板を、炭化水素含有物質を含む雰囲気で加熱することにより、基板表面の少なくとも一部には、炭化アルミニウムを主成分とする相が形成される。基板表面の前面に炭化アルミニウム相が形成されてもよいし、基板表面の一部に炭化アルミニウム相が形成されて、該炭化アルミニウム相の周りにアルミニウム相が残存していてもよい。該炭化アルミニウム相の表面からは、ウィスカー状の形態で延びるように炭化アルミニウムを主成分とする炭化アルミニウムウィスカー相が成長する。炭化アルミニウムウィスカーは、基板表面の炭化アルミニウム相から複数形成されるため、層状をなし、基板表面に炭化アルミニウムウィスカー層が形成されることとなる。基板表面から成長する炭化アルミニウムウィスカー相は、例えば、Al4C3結晶を含むものであるが、非晶質を含む場合がある。また、基板のアルミニウムに含まれる各種不純物を含む場合もある。 By heating the aluminum substrate in an atmosphere containing a hydrocarbon-containing substance, a phase mainly composed of aluminum carbide is formed on at least a part of the substrate surface. An aluminum carbide phase may be formed on the front surface of the substrate surface, or an aluminum carbide phase may be formed on a part of the substrate surface, and an aluminum phase may remain around the aluminum carbide phase. From the surface of the aluminum carbide phase, an aluminum carbide whisker phase mainly composed of aluminum carbide grows so as to extend in a whisker-like form. Since a plurality of aluminum carbide whiskers are formed from the aluminum carbide phase on the substrate surface, the aluminum carbide whiskers are layered and an aluminum carbide whisker layer is formed on the substrate surface. The aluminum carbide whisker phase grown from the substrate surface contains, for example, Al 4 C 3 crystal, but may contain amorphous. Moreover, it may contain various impurities contained in the aluminum of the substrate.
アルミニウムが炭化されて炭化アルミニウムに転化する時、図2(b)に示すような組織となる。図2(b)の組織は、加熱温度が300℃以上で得られる。反応効率を考えると450℃以上が好ましく、上限はアルミニウムの融点以下である。アルミニウムには種々の合金があり、それぞれの融点よりも低温にすればよい。 When aluminum is carbonized and converted into aluminum carbide, a structure as shown in FIG. 2B is obtained. The structure of FIG. 2B is obtained when the heating temperature is 300 ° C. or higher. Considering the reaction efficiency, 450 ° C. or higher is preferable, and the upper limit is below the melting point of aluminum. There are various alloys of aluminum, and the temperature may be lower than the melting point of each.
用いられる炭化水素含有物質の種類は特に限定されない。たとえば、メタン、エタン、プロパン、n−ブタン、イソブタンおよびペンタン等のパラフィン系炭化水素、エチレン、プロピレン、ブテンおよびブタジエン等のオレフィン系炭化水素、アセチレン等のアセチレン系炭化水素等、又はこれらの炭化水素の誘導体が挙げられる。これらの炭化水素の中でも、メタン、エタン、プロパン等のパラフィン系炭化水素は、アルミニウム箔を加熱する工程においてガス状になるので好ましい。さらに好ましいのは、メタン、エタンおよびプロパンのうち、いずれか一種の炭化水素である。最も好ましい炭化水素はメタンである。 The kind of the hydrocarbon-containing substance used is not particularly limited. For example, paraffinic hydrocarbons such as methane, ethane, propane, n-butane, isobutane and pentane, olefinic hydrocarbons such as ethylene, propylene, butene and butadiene, acetylenic hydrocarbons such as acetylene, etc., or these hydrocarbons And derivatives thereof. Among these hydrocarbons, paraffinic hydrocarbons such as methane, ethane, and propane are preferable because they become gaseous in the process of heating the aluminum foil. More preferred is any one of methane, ethane and propane. The most preferred hydrocarbon is methane.
また、アルミニウムを配置する空間に導入される炭化水素含有物質の質量比率は、特に限定されないが、通常はアルミニウム100質量部に対して炭素換算値で0.1質量部以上50質量部以下の範囲内にするのが好ましく、特に0.5質量部以上30質量部以下の範囲内にするのが好ましい。加熱時間は、加熱温度等にもよるが、一般的には1時間以上100時間以下の範囲内である。
また、基板表面部のアルミニウムを全て、完全に炭化アルミニウムに転化させても構わない。この場合、アルミナウィスカーの生成密度が増大するので熱抵抗は低下する。(図3参照)
Moreover, the mass ratio of the hydrocarbon-containing substance introduced into the space in which aluminum is arranged is not particularly limited, but is usually in the range of 0.1 to 50 parts by mass in terms of carbon with respect to 100 parts by mass of aluminum. It is preferable that the content is within the range of 0.5 parts by mass or more and 30 parts by mass or less. Although the heating time depends on the heating temperature and the like, it is generally in the range of 1 hour to 100 hours.
Further, all of the aluminum on the surface of the substrate may be completely converted to aluminum carbide. In this case, since the generation density of alumina whiskers increases, the thermal resistance decreases. (See Figure 3)
炭化アルミニウムは水分と反応しやすく、耐湿性に課題がある場合もある。この場合には、アルミナに転化させて使用することが好ましい。炭化アルミニウムは極めて酸化しやすい材料であるため、酸化雰囲気中で加熱することにより容易にアルミナウィスカーに転化する(図2(c))。熱力学的には炭化アルミニウムは室温でもアルミナに転化するが、プロセスの効率を考えるとアルミナに転化させるための温度は300℃以上が好ましい。好ましくは450℃以上で、上限はアルミニウムの融点以下である。このように、本発明では、アルミニウム基板から極めて簡易な手法でアルミナウィスカーが得られる。 Aluminum carbide easily reacts with moisture and may have a problem with moisture resistance. In this case, it is preferable to convert it to alumina. Since aluminum carbide is a material that is extremely easy to oxidize, it is easily converted into alumina whiskers by heating in an oxidizing atmosphere (FIG. 2C). Thermodynamically, aluminum carbide is converted to alumina even at room temperature, but considering the efficiency of the process, the temperature for conversion to alumina is preferably 300 ° C. or higher. Preferably it is 450 degreeC or more, and an upper limit is below melting | fusing point of aluminum. Thus, in the present invention, alumina whiskers can be obtained from an aluminum substrate by a very simple method.
転化したアルミナウィスカーの主成分は非晶質である。非晶質アルミナウィスカーは結晶質アルミナウィスカーに比べて熱伝導率が低いため、熱抵抗を小さくするためには結晶質にすることが好ましい。結晶質に転化させるためには大凡、1500℃以上での熱処理が必要であるが、基板がアルミニウム等の金属では適さないので、この場合は、例えば、セラミックス又は耐熱性金属を基板とし、その表面にアルミニウムをコーティングした後、アルミニウム全体を、炭化アルミニウムを主成分とする相に転化させてアルミニウムを残存させないようにすればよい(前記図3)。 The main component of the converted alumina whisker is amorphous. Amorphous alumina whiskers have a lower thermal conductivity than crystalline alumina whiskers, and are therefore preferably made crystalline in order to reduce thermal resistance. In order to convert it to crystalline, heat treatment at 1500 ° C. or higher is generally required. However, since the substrate is not suitable for a metal such as aluminum, in this case, for example, a ceramic or a refractory metal is used as the substrate and the surface thereof is used. After coating aluminum, the entire aluminum may be converted into a phase mainly composed of aluminum carbide so that the aluminum does not remain (FIG. 3).
本発明では、前記ウィスカーは基板表面から直接成長しているので基板とウィスカーの間の熱抵抗は実質ゼロであると言える。また、上記基板表面のアルミニウムを全て炭化させた基板を酸化させた場合には、全面にアルミナウィスカー層が形成され、基板表面の一部のみを炭化させたものを用いた場合には、基板表面の炭化アルミニウム相の周りには、アルミニウム相が残存した状態となる。
本発明に係るパワーモジュール用放熱装置では、使用される放熱構造には絶縁性が要求されるのでSi3N4やAlNの焼結体であることが好ましい。比抵抗が小さいならばSiCでも構わない。
In the present invention, since the whisker grows directly from the substrate surface, it can be said that the thermal resistance between the substrate and the whisker is substantially zero. Further, when the substrate on which all the aluminum on the substrate surface is carbonized is oxidized, an alumina whisker layer is formed on the entire surface, and when a substrate in which only a part of the substrate surface is carbonized is used, The aluminum phase remains around the aluminum carbide phase.
In the heat radiating device for a power module according to the present invention, since the insulating structure is required for the heat radiating structure used, it is preferably a sintered body of Si 3 N 4 or AlN. If the specific resistance is small, SiC may be used.
必要とされるウィスカー層の厚さは、もちろん冷却体等、相手材の面粗度や表面のうねりの程度により変わるが、厚さが1μm以上になると、熱抵抗低減効果が高い。厚さが10μm以上になるとほぼどのような相手材にも対応できる。すなわち、相手材表面にマクロなたわみがある場合でも、基板表面のウィスカー層が変形して相手材に追従することが可能となる。
また、本発明に係る放熱構造の製造方法は、上記第一の工程又は第二の工程の後に、炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層にグリースを含浸させる工程を有することを特徴とする。熱伝導性樹脂を併用すると更に接触性が増す。熱伝導性樹脂としては、例えば熱伝導率に優れるグリース等が好ましい。
The required thickness of the whisker layer varies, of course, depending on the surface roughness of the counterpart material such as the cooling body and the degree of surface waviness, but when the thickness is 1 μm or more, the effect of reducing thermal resistance is high. When the thickness is 10 μm or more, almost any mating material can be handled. That is, even when there is macro deflection on the surface of the counterpart material, the whisker layer on the substrate surface can be deformed to follow the counterpart material.
Moreover, the manufacturing method of the thermal radiation structure which concerns on this invention has the process of impregnating grease to an aluminum carbide whisker layer or an alumina whisker layer after said 1st process or 2nd process. When the heat conductive resin is used in combination, the contact property is further increased. As the thermally conductive resin, for example, grease having excellent thermal conductivity is preferable.
本発明に係る放熱装置は、少なくとも発熱素子を有する発熱体の発熱面から発熱する熱が、放熱構造を介して放熱板及び/又は冷却器に伝熱される放熱装置において、該放熱構造が前記本発明に係るいずれかの放熱構造であることを特徴とする。本発明に係る放熱構造は、その表面にウィスカー層を有するため、低い接触熱抵抗を発揮するが、ウィスカー層自体には接着性がないため、発熱体・冷却体に挟まれて固定されるような放熱装置に用いられることが好ましい。 The heat dissipating device according to the present invention is a heat dissipating device in which heat generated at least from a heat generating surface of a heat generating element having a heat generating element is transferred to a heat dissipating plate and / or a cooler via a heat dissipating structure, wherein the heat dissipating structure is the book. It is one of the heat dissipation structures according to the invention. Since the heat dissipation structure according to the present invention has a whisker layer on the surface thereof, it exhibits low contact thermal resistance, but the whisker layer itself has no adhesiveness, so that it is sandwiched and fixed between a heating element and a cooling element. It is preferable to be used for a heat dissipation device.
すなわち、図4に示すように、発熱素子がパッケージングされ、外面に放熱板を有するような発熱体を冷却器と接触させる際に、本発明に係る放熱構造を介在させることを特徴とする。図4においては、前記発熱体の発熱面とは、発熱素子がパッケージングされた発熱体の該表面に有する放熱板を意味する。このように本発明に係る放熱装置は、本発明に係るいずれかの放熱構造を用いることにより、従来の手法により発熱素子がパッケージングされた発熱体を良好に適用することが可能である。 That is, as shown in FIG. 4, when the heating element is packaged and a heating element having a heat radiation plate on the outer surface is brought into contact with the cooler, the heat dissipation structure according to the present invention is interposed. In FIG. 4, the heat generating surface of the heat generating element means a heat radiating plate provided on the surface of the heat generating element in which the heat generating elements are packaged. As described above, the heat dissipating device according to the present invention can satisfactorily apply the heat generating element in which the heat generating elements are packaged by the conventional method by using any of the heat dissipating structures according to the present invention.
前述の通り、従来であれば熱伝導性グリース等により発熱体と冷却体とを接触させていたため、冷却体との接触熱抵抗が大きくなったり、固定部材のネジ穴にグリースが侵入したりすることによる不具合があったが、本発明に係る放熱装置では、前記放熱構造を用いることによりグリースが不要となり、当該不具合が解消される。発熱素子からの放熱は、片面のみからでもよいが、両面側から放熱をするとより効率が良くなるため、好ましい。
もちろん、グリースを併用しても構わない。ウィスカー層は緻密な層ではなく、多孔質層であるため、該ウィスカー層の気孔部にグリースを含浸させると接触性がさらに向上するので熱伝導率はさらに小さくなる。グリースはウィスカー層の気孔部に保持されるので、グリースを単独で用いるより揮発しにくく信頼性が向上するという利点もある。
As described above, since the heating element and the cooling body are conventionally brought into contact with the heat conductive grease or the like, the contact thermal resistance with the cooling body is increased, or the grease enters the screw hole of the fixing member. However, in the heat dissipating device according to the present invention, the use of the heat dissipating structure eliminates the need for grease, thus eliminating the problem. The heat radiation from the heat generating element may be from only one side, but it is preferable to radiate heat from both sides because efficiency is improved.
Of course, grease may be used in combination. Since the whisker layer is not a dense layer but a porous layer, when the pores of the whisker layer are impregnated with grease, the contact property is further improved, so that the thermal conductivity is further reduced. Since the grease is held in the pores of the whisker layer, there is an advantage that the grease is less likely to evaporate and the reliability is improved than when the grease is used alone.
また、本発明に係る放熱装置は、前記発熱体が、発熱素子の他に、放熱ブロック、放熱板又は半導体基板のいずれかを有し、前記発熱体の発熱面が、該発熱素子、該放熱ブロック、該放熱板又は該半導体基板のいずれか一以上であることを特徴とする。すなわち、図5に示すように、発熱素子(いわゆるダイ)を本発明に係る放熱構造と接するようにパッケージングし、該放熱構造を介して発熱素子と冷却器とを接続してもよい。この場合の発熱体の発熱面とは、発熱素子表面を意味するものである。 Further, in the heat dissipation device according to the present invention, the heating element includes any one of a heat dissipation block, a heat dissipation plate, and a semiconductor substrate in addition to the heating element, and the heating surface of the heating element includes the heating element and the heat dissipation element. It is one or more of a block, the heat radiating plate, and the semiconductor substrate. That is, as shown in FIG. 5, the heat generating element (so-called die) may be packaged so as to be in contact with the heat dissipation structure according to the present invention, and the heat generating element and the cooler may be connected via the heat dissipation structure. In this case, the heating surface of the heating element means the surface of the heating element.
図5に示す放熱装置では、放熱板を介さずに発熱素子からの熱を冷却器に伝熱することが可能であり、より効率よく放熱することが可能となる。このとき、本発明に係る放熱構造は、発熱素子と接する面側においては、ウィスカー層は発熱素子と接触する部分にのみ形成されていれば構わないが、冷却器と接触する面においては、より放熱効果を高めるために前面にウィスカー層が形成されていることが好ましい。 In the heat radiating device shown in FIG. 5, it is possible to transfer the heat from the heating element to the cooler without passing through the heat radiating plate, and it is possible to radiate heat more efficiently. At this time, in the heat dissipation structure according to the present invention, the whisker layer may be formed only on the portion in contact with the heating element on the surface side in contact with the heating element, but more on the surface in contact with the cooler. In order to enhance the heat dissipation effect, a whisker layer is preferably formed on the front surface.
また、発熱体が発熱素子の他に、ヒートブロック又は放熱板(いわゆるヒートスプレッダ)を有する場合には、これらの互いの接触面に本発明に係る放熱構造を介在させることも可能である。この場合において、前記放熱体の発熱面とは、発熱素子、ヒートブロック又は放熱板のいずれかを指すものとする。
更に、図6に示すように、例えば、ヒートシンクのような冷却器を発熱素子と離れた場所で用いる場合には、発熱素子と放熱板との間に本発明に係る放熱構造を介在させ、放熱板の一部分と冷却器とを接触さてもよい。また、該ヒートシンクと放熱板の間に本発明に係る放熱構造を介在させてもよい。なお、図6において、前記発熱体の発熱面とは、発熱素子表面、半導体基板及び放熱板表面を意味する。
本発明に係る放熱装置においては、放熱効果を高めるため、前記発熱素子の両面から放熱することが好ましい。
Moreover, when a heat generating body has a heat block or a heat sink (what is called a heat spreader) other than a heat generating element, it is also possible to interpose the heat radiating structure concerning this invention in these mutual contact surfaces. In this case, the heat generating surface of the heat radiator refers to any one of a heat generating element, a heat block, and a heat radiating plate.
Furthermore, as shown in FIG. 6, for example, when a cooler such as a heat sink is used at a location away from the heat generating element, the heat dissipation structure according to the present invention is interposed between the heat generating element and the heat radiating plate, thereby radiating heat. A portion of the plate may be in contact with the cooler. Further, a heat dissipation structure according to the present invention may be interposed between the heat sink and the heat dissipation plate. In FIG. 6, the heating surface of the heating element means the surface of the heating element, the semiconductor substrate, and the surface of the heat sink.
In the heat radiating device according to the present invention, it is preferable to radiate heat from both surfaces of the heat generating element in order to enhance the heat radiating effect.
本発明に係る放熱構造は、その表面にウィスカー層を有するため、低い接触熱抵抗を発揮するが、ウィスカー自体には接着性がないため、発熱体・冷却体に挟まれて固定されるような放熱装置に用いられることが好ましい。このため、特許文献1にあるような装置の如く、接触圧力を適宜変更可能な装置を用いることが好ましい。なお、熱伝導性グリースとして接着性樹脂を用いる場合には、特に接触圧力を必要としない使用態様も可能である。 Since the heat dissipation structure according to the present invention has a whisker layer on its surface, it exhibits low contact thermal resistance. However, since the whisker itself has no adhesiveness, it is sandwiched and fixed between a heating element and a cooling element. It is preferably used for a heat dissipation device. For this reason, it is preferable to use a device that can change the contact pressure as appropriate, such as the device in Patent Document 1. In the case where an adhesive resin is used as the thermally conductive grease, a usage mode that does not require contact pressure is also possible.
図7は、両面放熱型半導体の両面を冷却器と接触させて冷却する本発明に係る放熱装置の一例の全体構成を示す概略図である。
まず、本放熱装置における発熱体としての半導体について説明する。図7に示す放熱装置は、発熱素子としての半導体チップと、放熱板(いわゆるヒートスプレッダ)と、放熱ブロックとしてのヒートシンクブロックと、これらの間に介在する接合材と、これらをモールドする樹脂とを備えて構成されている。
FIG. 7 is a schematic diagram showing the overall configuration of an example of a heat dissipation device according to the present invention that cools both sides of a double-sided heat-dissipating semiconductor in contact with a cooler.
First, a semiconductor as a heating element in the heat dissipation device will be described. The heat radiating device shown in FIG. 7 includes a semiconductor chip as a heat generating element, a heat radiating plate (so-called heat spreader), a heat sink block as a heat radiating block, a bonding material interposed therebetween, and a resin for molding them. Configured.
この構成の場合、半導体素子の下面と下側放熱板の上面との間は、例えば、はんだ等からなる接合材によって接合されている。同様に、半導体素子の上面とヒートシンクブロックの下面との間も、接合材によって接合されている。そして、これらの放熱板と半導体チップとは、樹脂によりモールドされている。
さらに、ヒートシンクブロックの上面と上側放熱板の下面との間には本発明に係る放熱構造が介在されている。同様に、下側放熱板と下側冷却器も本発明に係る放熱構造と接触している。
In the case of this configuration, the lower surface of the semiconductor element and the upper surface of the lower heat radiating plate are bonded by, for example, a bonding material made of solder or the like. Similarly, the upper surface of the semiconductor element and the lower surface of the heat sink block are also bonded by a bonding material. And these heat sink and the semiconductor chip are molded with resin.
Furthermore, the heat dissipation structure according to the present invention is interposed between the upper surface of the heat sink block and the lower surface of the upper heat dissipation plate. Similarly, the lower heat sink and the lower cooler are in contact with the heat dissipation structure according to the present invention.
これにより、上記構成においては半導体素子の上面では、接合材、ヒートシンクブロック、接合材及び上側放熱板を介して放熱が行われ、半導体素子の下面では、接合材から下側放熱板を介して放熱が行われる。なお、発熱素子としては、特に限定されるものではないが、例えばIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)やサイリスタ等のパワー半導体素子から構成されている。この場合、半導体チップのデバイス構造を、トレンチゲートタイプとすることが好ましい。他のタイプのデバイス構造を用いるように構成であっても構わない。 Thus, in the above configuration, heat is radiated through the bonding material, the heat sink block, the bonding material, and the upper heat radiating plate on the upper surface of the semiconductor element, and heat is radiated from the bonding material through the lower heat radiating plate on the lower surface of the semiconductor element. Is done. The heating element is not particularly limited, and is composed of a power semiconductor element such as an IGBT (insulated gate bipolar transistor) or a thyristor. In this case, the device structure of the semiconductor chip is preferably a trench gate type. It may be configured to use other types of device structures.
上記半導体素子の形状は、例えば矩形状の薄板状とすることができる。また、下側放熱板、上側放熱板及びヒートシンクブロックは、電極及び放熱体の機能を兼ねたものであり、例えば銅合金もしくはアルミ合金等の熱伝導性及び電気伝導性の良い金属で構成されている。また、ヒートシンクブロックとしては、一般的な鉄合金を用いてもよい。
この構成の場合、下側放熱板及び上側放熱板は、半導体素子の図示しない各主電極(例えば、コレクタ電極やエミッタ電極等)に接合材を介して電気的にも接続されている。
The shape of the semiconductor element can be, for example, a rectangular thin plate. The lower heat sink, the upper heat sink and the heat sink block also function as electrodes and heat radiators, and are made of a metal having good thermal conductivity and electrical conductivity such as copper alloy or aluminum alloy. Yes. Moreover, you may use a general iron alloy as a heat sink block.
In the case of this configuration, the lower heat radiating plate and the upper heat radiating plate are also electrically connected to respective main electrodes (not shown) of the semiconductor element (for example, a collector electrode and an emitter electrode) via a bonding material.
また、下側放熱板は、例えば、全体としてほぼ長方形状の板材とすることができる。また、この下側放熱板には、端子部が突設されている。また、ヒートシンクブロックは、例えば、半導体素子よりも1回り小さい程度の大きさの矩形状の板材とすることができる。さらに、上側放熱板も、例えば、全体としてほぼ長方形状の板材で構成すればよい。上側放熱板にも、同様に、端子部が突設されている。 Further, the lower heat radiating plate can be a substantially rectangular plate material as a whole, for example. In addition, a terminal portion projects from the lower heat radiating plate. The heat sink block can be a rectangular plate having a size that is slightly smaller than the semiconductor element, for example. Furthermore, the upper heat radiating plate may be formed of, for example, a substantially rectangular plate material as a whole. Similarly, a terminal portion projects from the upper radiator plate.
下側放熱板の端子部および上側放熱板の端子部は、半導体素子の上記コレクタ電極やエミッタ電極と電気的に接続されている。それぞれの端子部は、例えばブスバーや回路基板等の外部配線部材との接続を行うために設けられているものである。さらに、図6に示されるように、一対の放熱板の隙間並びに半導体素子及びヒートシンクブロックの周囲部分には、樹脂が充填封止されている。
なお、樹脂は例えばエポキシ樹脂等の通常のモールド材料を採用することができる。また、放熱板等を樹脂でモールドするにあたっては、上下型からなる成形型(図示しない)を使用し、トランスファーモールド法によって容易に行うことができる。
The terminal part of the lower heat sink and the terminal part of the upper heat sink are electrically connected to the collector electrode and emitter electrode of the semiconductor element. Each terminal part is provided in order to connect with external wiring members, such as a bus bar and a circuit board, for example. Further, as shown in FIG. 6, resin is filled and sealed in the gap between the pair of heat sinks and the peripheral portions of the semiconductor element and the heat sink block.
In addition, normal mold materials, such as an epoxy resin, can be employ | adopted for resin, for example. Further, when the heat sink or the like is molded with resin, it can be easily performed by a transfer mold method using a molding die (not shown) composed of upper and lower molds.
また、樹脂内において、半導体素子の周囲には、図示しないリードフレーム等からなる端子部(制御用端子)が設けられている。更に、この端子部と半導体素子の図示しないゲート電極等とがワイヤによって結線され、電気的に接続されている。ワイヤは、ワイヤボンディング等により形成され、金やアルミ等からなる。 Further, in the resin, a terminal portion (control terminal) made of a lead frame (not shown) is provided around the semiconductor element. Further, the terminal portion and a gate electrode (not shown) of the semiconductor element are connected by a wire and are electrically connected. The wire is formed by wire bonding or the like and is made of gold, aluminum, or the like.
次に、上記構成の放熱装置の製造方法について、図6を参照して、簡単に説明する。ここでは、接合材として、はんだを用いた例を述べる。まず、下側放熱板の上面に、半導体素子をはんだ付けする工程を実行する。
この場合、下側放熱板の上面に、例えば、はんだ箔を介して半導体素子を積層するとともに、該半導体素子の上にはんだ箔を介してヒートシンクブロックを積層する。この後、加熱装置(リフロー装置)によって上記はんだ箔を溶融させてから、硬化させる。
Next, a method of manufacturing the heat dissipation device having the above configuration will be briefly described with reference to FIG. Here, an example in which solder is used as the bonding material will be described. First, a process of soldering a semiconductor element on the upper surface of the lower heat sink is executed.
In this case, for example, a semiconductor element is laminated on the upper surface of the lower radiator plate via a solder foil, and a heat sink block is laminated on the semiconductor element via the solder foil. Thereafter, the solder foil is melted by a heating device (reflow device) and then cured.
続いて、半導体素子の制御電極(例えばゲート電極等)と端子部とをワイヤボンディングする工程を実行する。これにより上記ワイヤが形成され、該ワイヤによって、半導体素子の制御電極と端子部とが結線され、電気的に接続される。
次いで、ヒートシンクブロックの上に上側放熱板をはんだ付けする工程を実行する。この場合、ヒートシンクブロックの上にはんだ箔を介して上側ヒートシンクを載せ、加熱装置によって上記はんだ箔を溶融させてから、硬化させる。
溶融したはんだ箔が硬化すれば、硬化したはんだが接合材として構成されることになる。そして、該接合材を介して、下側放熱板、半導体素子、ヒートシンクブロック、上側放熱板間の接合及び電気的・熱的接続が完了する。
Subsequently, a step of wire bonding the control electrode (eg, gate electrode) of the semiconductor element and the terminal portion is performed. As a result, the wire is formed, and the control electrode and the terminal portion of the semiconductor element are connected and electrically connected by the wire.
Next, a process of soldering the upper heat sink on the heat sink block is performed. In this case, the upper heat sink is placed on the heat sink block via the solder foil, and the solder foil is melted by a heating device and then cured.
When the molten solder foil is cured, the cured solder is configured as a bonding material. Then, the bonding and electrical / thermal connection between the lower heat radiating plate, the semiconductor element, the heat sink block, and the upper heat radiating plate are completed via the bonding material.
最後に、図示しない成形型を使用して、一対の放熱板の隙間及び外周部に樹脂を充填する工程(モールド工程)を実行する。これにより、図6に示されるように、放熱板の隙間及び外周部等に、樹脂が充填され、半導体装置のほぼ全体が樹脂によって封止される。そして、樹脂が硬化した後、成形型内から半導体装置を取り出せば、半導体装置が完成する。
なお、半導体装置においては、上記構成の場合、下側放熱板の下面及び上側放熱板の上面が、それぞれ放熱面として露出するように樹脂モールドされている。これにより、放熱板の放熱性が高められている。
Finally, using a mold (not shown), a step (molding step) of filling a resin in the gap and the outer periphery of the pair of heat sinks is performed. As a result, as shown in FIG. 6, the gap and the outer periphery of the heat sink are filled with the resin, and almost the entire semiconductor device is sealed with the resin. Then, after the resin is cured, the semiconductor device is completed by removing the semiconductor device from the mold.
In the semiconductor device, in the case of the above configuration, resin molding is performed so that the lower surface of the lower heat radiating plate and the upper surface of the upper heat radiating plate are exposed as heat radiating surfaces, respectively. Thereby, the heat dissipation of a heat sink is improved.
このような半導体装置の両放熱面、すなわち、樹脂から露出する下側放熱板の下面及び上側放熱板の上面には、それぞれ、絶縁材としての絶縁板を介して、冷却器が接触している。これにより、本発明に係る放熱装置の一例が構成される。
ここで、絶縁板は、前述の本発明に係る放熱構造である。また、比較材として、たとえば窒化アルミニウム(AlN)や窒化珪素(Si3N4)、炭化ケイ素(SiC)等のセラミック等からなる電気絶縁性を有する板のみも用いた放熱装置も作製した。
The coolers are in contact with both heat radiation surfaces of such a semiconductor device, that is, the lower surface of the lower heat radiation plate and the upper surface of the upper heat radiation plate, which are exposed from the resin, through insulating plates as insulating materials, respectively. . Thereby, an example of the heat radiating device according to the present invention is configured.
Here, the insulating plate is the heat dissipation structure according to the present invention described above. In addition, as a comparative material, a heat radiating device using only an electrically insulating plate made of ceramic such as aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon carbide (SiC), or the like was also produced.
また、冷却器は、たとえばアルミニウム(Al)等からなり、内部を冷却水が流れる水冷式やフィンを有する空冷式等のものであればよいが、本実施例では、冷却器は、内部に冷却水が流れる冷却水流路が設けられており、放熱板からの熱は、この冷却水流路内の冷却水にて冷却され、熱交換が行われるようになっている。 The cooler may be made of, for example, aluminum (Al) or the like, and may be a water-cooled type in which cooling water flows or an air-cooled type having fins. However, in this embodiment, the cooler is internally cooled. A cooling water channel through which water flows is provided, and heat from the heat radiating plate is cooled by the cooling water in the cooling water channel and heat exchange is performed.
また、従来であれば、冷却器と絶縁板との間、および絶縁板と各放熱板との間には、必要に応じて、電気絶縁性及び伝熱性を有するグリースやゲル等の伝熱材が介在設定されている必要があるが、本発明に係る放熱構造を用いる場合はグリースやゲルを用いる必要がない。 Further, conventionally, between the cooler and the insulating plate, and between the insulating plate and each heat radiating plate, if necessary, a heat transfer material such as grease or gel having electrical insulating properties and heat transfer properties. However, when the heat dissipation structure according to the present invention is used, it is not necessary to use grease or gel.
このように、図6に示される放熱装置においては、下側から、冷却器、放熱構造、半導体装置、放熱構造、冷却器という積層構成を有する構造となっている。そして、この構造においては、半導体装置を隔てて対向する冷却器の両外側には、挟圧部材が設けられている。この挟圧部材は、冷却器によって半導体装置を挟み付けるように荷重を印加することで、冷却器と半導体装置とを一体に保持するためのものである。
該冷却器によって半導体装置を挟み付けるように印加される荷重は、図6中の矢印で示される荷重として表される。つまり、荷重は放熱装置の積層方向に印加される。
As described above, the heat dissipating device shown in FIG. 6 has a structure having a laminated structure of a cooler, a heat dissipating structure, a semiconductor device, a heat dissipating structure, and a cooler from the lower side. And in this structure, the clamping member is provided in the both outer sides of the cooler which opposes across the semiconductor device. The pinching member is for holding the cooler and the semiconductor device together by applying a load so that the semiconductor device is sandwiched by the cooler.
The load applied so as to sandwich the semiconductor device by the cooler is expressed as a load indicated by an arrow in FIG. That is, the load is applied in the stacking direction of the heat dissipation device.
ここで、挟圧部材は、弾性体等を介した締結力の作用により荷重の印加を行うものである。具体的には、挟圧部材は、半導体装置を隔てて対向する冷却器の両外側の一方から荷重を印加する固定部と、他方から荷重を印加する可動部とを有し、これら固定部と可動部とにより、上下の冷却器を挟み付けるようにしている。図6に示すように、挟圧部材において、固定部には雄ネジ(送りネジ)を持つボルトが連結されている。このボルトは、可動部に設けられた貫通穴に通されて、弾性体を介してナットで締結されている。ここで、弾性体として、図示のコイルバネの他にも、ゴムチューブ、Oリング、バネワッシャ等が採用できる。 Here, the clamping member applies a load by the action of a fastening force via an elastic body or the like. Specifically, the pinching member has a fixed portion that applies a load from one of the two outer sides of the cooler that faces each other across the semiconductor device, and a movable portion that applies a load from the other. The upper and lower coolers are sandwiched between the movable parts. As shown in FIG. 6, in the clamping member, a bolt having a male screw (feed screw) is connected to the fixed portion. The bolt is passed through a through hole provided in the movable part and fastened with a nut via an elastic body. Here, in addition to the illustrated coil spring, a rubber tube, an O-ring, a spring washer, or the like can be employed as the elastic body.
また、冷却器および固定部、可動部は、図6中の紙面垂直方向に延びる板材であり、当該紙面垂直方向に沿って半導体装置は、複数個配列されたものとなっている。
そして、本放熱装置においては、挟圧部材のナットによるネジ締めを行っていくと、弾性体の弾性力を介した締結力の作用により、固定部に対して可動部が近づいていく。つまり、挟圧部材は、弾性体を介した締結力の作用により、冷却器によって半導体装置を挟み付けるように加重を行うものとなる。それにより、冷却器と半導体装置とが一体に保持されるようになっている。
Further, the cooler, the fixed portion, and the movable portion are plate members extending in the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 6, and a plurality of semiconductor devices are arranged along the direction perpendicular to the paper surface.
And in this heat radiating device, when screwing with the nut of a pinching member is performed, a movable part will approach a fixed part by the effect | action of the fastening force via the elastic force of an elastic body. That is, the pinching member performs weighting so that the semiconductor device is pinched by the cooler by the action of the fastening force via the elastic body. As a result, the cooler and the semiconductor device are held together.
本放熱装置は、次のようにして組み付けられる。まず、冷却器、絶縁板(含本発明に係る放熱構造)、半導体装置、絶縁板、冷却器と積層する。なお、比較例である従来型の放熱装置の場合には、絶縁板の両面にグリース等の伝熱材を介在させた状態となるように組み付ける。
その後、挟圧部材を用いて、上下の冷却器によって半導体装置が挟み込まれるように締め付け固定する。このとき、弾性体およびナットが荷重調整機構となって、荷重の調整が行われる。こうして、本実施形態の放熱装置が形成される。なお、半導体装置は、各端子部を介して、ブスバーや回路基板に接続される。そして、半導体素子からの熱は、両面の放熱板、絶縁板を介して冷却器へ放熱される。そして、冷却器により放熱板が冷却されることで、放熱特性を高めている。
The heat dissipation device is assembled as follows. First, a cooler, an insulating plate (a heat dissipation structure according to the present invention), a semiconductor device, an insulating plate, and a cooler are stacked. In the case of a conventional heat radiating device as a comparative example, it is assembled so that a heat transfer material such as grease is interposed on both surfaces of the insulating plate.
Thereafter, the clamping device is used to clamp and fix the semiconductor device so that the semiconductor device is sandwiched between the upper and lower coolers. At this time, the elastic body and the nut serve as a load adjustment mechanism to adjust the load. Thus, the heat dissipation device of this embodiment is formed. The semiconductor device is connected to a bus bar or a circuit board through each terminal portion. The heat from the semiconductor element is radiated to the cooler via the heat radiating plates and the insulating plates on both sides. And the heat dissipation characteristic is improved because the heat sink is cooled by the cooler.
発熱素子である半導体チップは駆動により発熱するが、ここでは、その発熱量は65Wとした。
絶縁板としては、本発明に係る放熱構造、比較材としての窒化アルミニウム(AlN)、窒化ケイ素(Si3N4)からなる厚さ0.35mmの板材を用いた。また、比較材においては、伝熱材はグリースを用いた。また、冷却器の冷却水流路を流れる冷却水の流量は、6リットル/min、当該冷却水の水温は40℃とした。
The semiconductor chip, which is a heat generating element, generates heat when driven. Here, the amount of heat generated is 65 W.
As the insulating plate, a heat dissipation structure according to the present invention, a plate material having a thickness of 0.35 mm made of aluminum nitride (AlN) and silicon nitride (Si 3 N 4 ) as a comparative material was used. In the comparative material, grease was used as the heat transfer material. The flow rate of the cooling water flowing through the cooling water flow path of the cooler was 6 liter / min, and the water temperature of the cooling water was 40 ° C.
また、熱抵抗は、半導体チップからそれぞれのヒートシンク、絶縁板を通って、冷却器の冷却水流路に至るまでの放熱経路における熱抵抗である。具体的には、半導体チップの温度をTc、冷却水の温度をTw、半導体チップの発熱量をQとすると、熱抵抗は、(Tc−Tw)/Q(単位:K/W(ケルビン/ワット))で表される。
そして、上述した検討条件にて、平行度H(単位:μm)を変えた場合における接触圧P(単位:MPa)と熱抵抗(単位:K/W)との関係を調査した。
The thermal resistance is a thermal resistance in a heat radiation path from the semiconductor chip to the cooling water flow path of the cooler through each heat sink and insulating plate. Specifically, assuming that the temperature of the semiconductor chip is Tc, the temperature of the cooling water is Tw, and the calorific value of the semiconductor chip is Q, the thermal resistance is (Tc−Tw) / Q (unit: K / W (Kelvin / Watt). )).
Then, the relationship between the contact pressure P (unit: MPa) and the thermal resistance (unit: K / W) when the parallelism H (unit: μm) was changed under the above-described examination conditions was investigated.
<用いた放熱材料>
AlN、Si3N4基板の両面に、溶融アルミめっきにより、予めアルミニウム膜を各種厚さでコーティングしたものを用いた。
各種基板を各種温度、時間、ガス雰囲気で加熱して、基板の両面の全面に炭化アルミニウムウィスカーを生成させた。一部の試料は、更に大気圧下で加熱をすることにより、炭化アルミニウムをアルミナウィスカーに転化して、基板の両面にアルミナウィスカー層を形成した。
<Used heat dissipation material>
The AlN and Si 3 N 4 substrates were prepared by coating aluminum films with various thicknesses in advance by hot-dip aluminum plating.
Various substrates were heated at various temperatures, times, and gas atmospheres to produce aluminum carbide whiskers on both surfaces of the substrate. Some samples were further heated under atmospheric pressure to convert aluminum carbide into alumina whiskers, thereby forming alumina whisker layers on both sides of the substrate.
<結果>
結果を表1に示す。
本発明に係る放熱構造を用いることにより、グリースを用いた時よりも、低い熱抵抗が得られた。炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーの長さが長いと、さらに低い熱抵抗が得られることが分かった。また、グリースを併用することで、さらに熱抵抗が低下した。
<Result>
The results are shown in Table 1.
By using the heat dissipation structure according to the present invention, a lower thermal resistance was obtained than when grease was used. It has been found that when the length of aluminum carbide whiskers or alumina whiskers is long, even lower thermal resistance is obtained. Moreover, the thermal resistance was further reduced by using grease together.
尚、本発明では、絶縁基板表面にウィスカー層を形成しているが、
冷却部材がアルミニウム製である場合は、冷却部材表面に炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカー層を形成しても構わない。同様の熱抵抗低減が図れる。
In the present invention, the whisker layer is formed on the surface of the insulating substrate.
When the cooling member is made of aluminum, an aluminum carbide whisker or an alumina whisker layer may be formed on the surface of the cooling member. The same thermal resistance can be reduced.
Claims (14)
該基板の少なくとも表面の全面又は一部に形成された炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相と、
該基板表面の炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相から、複数の炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが立設して形成された炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層と、
を有することを特徴とする放熱構造。 A substrate that is an insulating material;
An aluminum carbide phase or an aluminum oxide phase formed on at least the entire surface of the substrate;
An aluminum carbide whisker layer or an alumina whisker layer formed by standing a plurality of aluminum carbide whiskers or alumina whiskers from an aluminum carbide phase or an aluminum oxide phase on the substrate surface;
The heat dissipation structure characterized by having.
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