JP7172065B2

JP7172065B2 - semiconductor equipment

Info

Publication number: JP7172065B2
Application number: JP2018042216A
Authority: JP
Inventors: 翔直佐賀; 潔高橋
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2022-11-16
Anticipated expiration: 2038-03-08
Also published as: JP2019160881A

Description

本発明は、冷却器とこの冷却器に取り付けられた半導体モジュールとからなる半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device comprising a cooler and a semiconductor module attached to the cooler.

図７に基づいて、従来技術による半導体装置について説明する。
図７（ａ）に示すように、半導体装置は、裏面に伝熱金属２２を有する半導体モジュール２１と、半導体モジュール２１で発生した熱を放熱するためのヒートシンク（冷却器）２５と、半導体モジュール２１とヒートシンク２５の間に設けられ半導体モジュール２１からヒートシンク２５に熱を伝えるための伝熱グリース２６で構成されている。このような半導体装置では、熱サイクルにより半導体モジュール２１の変形が繰り返されることによって、伝熱グリース２６の膨張収縮も繰り返されて、ポンプアウトが発生する。 A conventional semiconductor device will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 7A, the semiconductor device includes a semiconductor module 21 having a heat transfer metal 22 on the back surface, a heat sink (cooler) 25 for dissipating heat generated in the semiconductor module 21, and the semiconductor module 21. and a heat sink 25 for conducting heat from the semiconductor module 21 to the heat sink 25 . In such a semiconductor device, repeated deformation of the semiconductor module 21 due to thermal cycles causes repeated expansion and contraction of the heat transfer grease 26, causing pump-out.

すなわち、半導体モジュール２１が発熱により変形すると、図７（ｂ）に示すように伝熱グリース２６が膨張して押し出され、はみ出し部２７が形成される。この状態から、半導体モジュール２１が冷却されると、元の形状に戻るようになる。このとき、伝熱グリース２６が収縮して、図７（ｃ）に示すように、空気２８が伝熱グリース２６内に引き込まれるため、伝熱金属２２とヒートシンク２５の間に空気２８が残留する。空気２８はそのまま残留して気泡が形成され、これを繰り返すことによりさらに気泡が増加して、熱伝導率が低下する。 That is, when the semiconductor module 21 is deformed due to heat generation, the heat transfer grease 26 expands and is pushed out, forming a protruding portion 27, as shown in FIG. 7B. When the semiconductor module 21 is cooled from this state, it returns to its original shape. At this time, the heat transfer grease 26 contracts and air 28 is drawn into the heat transfer grease 26 as shown in FIG. . The air 28 remains as it is to form bubbles, and by repeating this, the bubbles further increase and the thermal conductivity decreases.

半導体装置のポンプアウトの発生を防止するため、従来種々の対策が講じられている。
例えば、特許文献１には、ヒートシンクと、裏面に伝熱金属を有する半導体モジュールと、ヒートシンクにおける半導体モジュールの配置領域に接合され、ヒートシンクの線膨張係数より伝熱金属の線膨張係数に近い金属プレートと、半導体モジュールの伝熱金属側を、伝熱グリースを介してヒートシンクの伝熱金属へ押圧する押圧手段と、を備え、金属プレートが、半導体モジュール側に開口する凹部、または、周囲に形成された伝熱グリースの溜まり室を有する半導体装置が開示されている。このような半導体装置の構成により、伝熱グリースでの空気（気泡）の取り込みを抑制し、半導体モジュールの下面とヒートシンクとの間で伝熱性能の低下を防止することができる。 Conventionally, various measures have been taken to prevent the occurrence of pump-out in semiconductor devices.
For example, in Patent Document 1, a heat sink, a semiconductor module having a heat transfer metal on the back surface, and a metal plate bonded to an arrangement region of the semiconductor module in the heat sink and having a coefficient of linear expansion closer to that of the heat transfer metal than that of the heat sink and pressing means for pressing the heat-transfer metal side of the semiconductor module against the heat-transfer metal of the heat sink via the heat-transfer grease, wherein the metal plate is formed in a recess opening toward the semiconductor module side or in the periphery thereof. A semiconductor device is disclosed having a reservoir for thermally conductive grease. With such a configuration of the semiconductor device, it is possible to suppress the intake of air (bubbles) by the heat transfer grease and prevent deterioration of the heat transfer performance between the lower surface of the semiconductor module and the heat sink.

しかしながら、特許文献１の図１０に記載された半導体装置では、ヒートシンクと半導体モジュールの伝熱金属との間に金属プレートが介在するため、半導体モジュールとヒートシンクとの間の熱伝導率が低下する。そのため、半導体モジュールの温度上昇が大きくなり、装置が停止するなどの問題が発生する可能性がある。しかも、金属プレートの表面に凹部を形成すること、金属プレートの周囲に伝熱グリースの溜まり室を形成すること、およびヒートシンクの表面に金属プレートを埋め込むための凹部を形成することが必要となり、製造コストが上昇するという問題もある。 However, in the semiconductor device shown in FIG. 10 of Patent Document 1, the metal plate is interposed between the heat sink and the heat transfer metal of the semiconductor module, so the thermal conductivity between the semiconductor module and the heat sink is lowered. As a result, the temperature of the semiconductor module increases, which may cause problems such as the stoppage of the device. Moreover, it is necessary to form a recess in the surface of the metal plate, to form a reservoir for heat transfer grease around the metal plate, and to form a recess in the surface of the heat sink for embedding the metal plate. There is also the problem of rising costs.

特開２０１４－２２５５７１号公報JP 2014-225571 A

本発明は、従来の半導体装置の問題を解決するためなされたものであって、製造コストを抑えつつ、ポンプアウトの発生を防止する半導体装置を提供することを目的とするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a semiconductor device that prevents the occurrence of pump-out while suppressing manufacturing costs.

半導体装置が、冷却器と、冷却器に取り付けるための伝熱部を有する半導体モジュールと、冷却器と半導体モジュールとの間に介在し、伝熱部に対抗する面に１または複数の貫通孔を備える伝熱シートと、を備え、貫通孔に伝熱グリースが充填されている。 A semiconductor device is interposed between a cooler, a semiconductor module having a heat transfer section for attaching to the cooler, and between the cooler and the semiconductor module, and one or more through holes are formed in a surface facing the heat transfer section. and a heat transfer sheet, wherein the through holes are filled with heat transfer grease.

本発明によれば、伝熱シート、冷却器及び伝熱金属で伝熱グリースを密封したので、伝熱グリースによる伝熱性能を維持するとともに、熱サイクルによる半導体モジュールの変形に伴って発生する伝熱グリースのはみ出しを防止することができる。したがって、低コストで、ポンプアウトの発生を防止することができる。 According to the present invention, since the heat transfer grease is sealed with the heat transfer sheet, the cooler, and the heat transfer metal, the heat transfer performance of the heat transfer grease can be maintained and the heat transfer caused by the deformation of the semiconductor module due to the heat cycle can be prevented. Extrusion of thermal grease can be prevented. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of pump-out at low cost.

本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構造を示す分解斜視図。1 is an exploded perspective view showing the structure of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention; FIG. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す斜視図。1 is a perspective view showing a manufacturing process of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention; FIG. 本発明の第１の実施形態に係る伝熱シートの形状を示す斜視図。1 is a perspective view showing the shape of a heat transfer sheet according to a first embodiment of the present invention; FIG. 本発明の第1の実施形態における熱サイクルによる伝熱グリースの挙動を示す断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the behavior of the heat transfer grease due to heat cycles in the first embodiment of the present invention; 本発明の第２の実施形態に係る伝熱シートの形状を示す斜視図。The perspective view which shows the shape of the heat-transfer sheet which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態における熱サイクルによる伝熱グリースの挙動を示す断面図。FIG. 5 is a cross-sectional view showing the behavior of the heat transfer grease due to heat cycles in the second embodiment of the present invention; 従来の半導体装置における熱サイクルによる伝熱グリースの挙動を示す断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the behavior of heat transfer grease due to thermal cycles in a conventional semiconductor device;

図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構造を示す分解斜視図、図２は半導体装置の製造工程を示す斜視図、伝熱シートの形状を示す斜視図、図３は伝熱シートの形状を示す斜視図、図４は熱サイクルによる伝熱グリースの挙動を示す断面図である。 An embodiment of the present invention will be described based on the drawings.
1 is an exploded perspective view showing the structure of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view showing the manufacturing process of the semiconductor device, a perspective view showing the shape of the heat transfer sheet, and FIG. FIG. 4 is a perspective view showing the shape of the heat sheet, and FIG. 4 is a cross-sectional view showing the behavior of the heat transfer grease due to heat cycles.

まず、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構造を図１に基づいて説明する。
図１に示すように、裏面に伝熱金属２を有する３個の半導体モジュール１と、貫通孔４を有する３枚の伝熱シート３と、ヒートシンク５によって、半導体装置が構成されている。各半導体モジュール３は、伝熱シート３とともにねじ止めによりヒートシンク５に固定される。図１には明示されていないが、後述する半導体装置の製造工程において、伝熱シート３の貫通孔４には、半導体モジュール１の熱をヒートシンク５に伝えるための伝熱グリース６が隙間なく充填される。伝熱グリース６は、伝熱金属２、ヒートシンク５及び伝熱シート３で形成された領域において、伝熱金属２およびヒートシンク５と密着している。なお、伝熱金属２は、銅などの高い熱伝導率を有する金属であり、特許請求の範囲の「伝熱部」の一例である。 First, the structure of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, a semiconductor device is composed of three semiconductor modules 1 having heat transfer metals 2 on their back surfaces, three heat transfer sheets 3 having through holes 4, and a heat sink 5. As shown in FIG. Each semiconductor module 3 is fixed to the heat sink 5 together with the heat transfer sheet 3 by screwing. Although not shown in FIG. 1, the through holes 4 of the heat transfer sheet 3 are filled with heat transfer grease 6 for conducting heat of the semiconductor module 1 to the heat sink 5 without gaps in the manufacturing process of the semiconductor device to be described later. be done. The heat transfer grease 6 is in close contact with the heat transfer metal 2 and the heat sink 5 in the region formed by the heat transfer metal 2 , the heat sink 5 and the heat transfer sheet 3 . The heat transfer metal 2 is a metal having a high thermal conductivity such as copper, and is an example of the "heat transfer part" in the claims.

次に、本発明による半導体装置の製造工程を図２に基づいて説明する。
図２に示すように、半導体モジュール１の裏面に配置された伝熱金属２は、半導体モジュール１の裏面全体を覆うように形成されている（図２（ａ））。まず、伝熱金属２の上に、外形が伝熱金属２とほぼ同じ形状の伝熱シート３を配置し（図２（ｂ））、その状態で、伝熱シート３の貫通孔４に伝熱グリース６が充填される（図２（ｃ））。さらに、貫通孔４に伝熱グリース６が充填された伝熱シート３が半導体モジュール１とともに、ねじ止めによりヒートシンク５上に固定される（図２（ｄ））。３個の半導体モジュール１が１つのヒートシンク５に固定されて、図１に示す半導体装置が構成される。 Next, the manufacturing process of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 2, the heat transfer metal 2 arranged on the back surface of the semiconductor module 1 is formed so as to cover the entire back surface of the semiconductor module 1 (FIG. 2(a)). First, on the heat transfer metal 2, a heat transfer sheet 3 having an outer shape substantially the same as that of the heat transfer metal 2 is placed (FIG. 2(b)). Thermal grease 6 is filled (FIG. 2(c)). Further, the heat transfer sheet 3 with the heat transfer grease 6 filled in the through holes 4 is fixed on the heat sink 5 together with the semiconductor module 1 by screwing (FIG. 2(d)). Three semiconductor modules 1 are fixed to one heat sink 5 to configure the semiconductor device shown in FIG.

これにより、半導体モジュール１で発生した熱は、主に伝熱金属２→伝熱グリース６→ヒートシンク５の経路で放熱される。また、半導体モジュール１で発生した熱の残りは、伝熱金属２→伝熱シート３→ヒートシンク５の経路で放熱される。 As a result, the heat generated in the semiconductor module 1 is dissipated mainly through the heat transfer metal 2→heat transfer grease 6→heat sink 5 route. The rest of the heat generated in the semiconductor module 1 is dissipated through the heat transfer metal 2 →heat transfer sheet 3 →heat sink 5 .

なお、ヒートシンク５上の半導体モジュール１を取り付ける位置に伝熱シート３を配置し、この伝熱シート３の貫通孔４に伝熱グリース６を充填した後、半導体モジュール１を載せて、半導体モジュール１とヒートシンク５をねじ止めにより固定してもよい。 After the heat transfer sheet 3 is placed on the heat sink 5 at the position where the semiconductor module 1 is to be mounted, and the heat transfer grease 6 is filled in the through hole 4 of the heat transfer sheet 3, the semiconductor module 1 is placed on the semiconductor module 1. and the heat sink 5 may be fixed by screwing.

第１の実施形態においては、伝熱金属２が半導体モジュール１の裏面全体を覆うように形成されているため（図３（ａ））、伝熱シート３の貫通孔４もそれに対応するように矩形状に大きく形成されている（図３（ｂ））。したがって、伝熱グリース６が充填される範囲を広くすることができるようになり（図３（ｃ））、伝熱金属２からヒートシンク５に熱を効率よく伝えることができる。 In the first embodiment, since the heat transfer metal 2 is formed so as to cover the entire back surface of the semiconductor module 1 (FIG. 3A), the through holes 4 of the heat transfer sheet 3 are also formed correspondingly. It is formed in a large rectangular shape (FIG. 3(b)). Therefore, the range filled with the heat transfer grease 6 can be widened (FIG. 3C), and heat can be efficiently transferred from the heat transfer metal 2 to the heat sink 5 .

図４（ａ）に示すように、伝熱グリース６は、伝熱金属２、ヒートシンク５及び伝熱シート３で形成された領域に閉じ込められている。この状態から、半導体モジュール１の温度が上昇して伝熱金属２が膨張すると、伝熱シート３も変形して外部に押し出される（図４（ｂ））。しかしながら、伝熱シート３の貫通孔４に充填された伝熱グリース６は密封されているため、伝熱グリース６が伝熱金属２とヒートシンク５の間からはみ出すことはない。 As shown in FIG. 4( a ), the heat transfer grease 6 is confined in the area formed by the heat transfer metal 2 , the heat sink 5 and the heat transfer sheet 3 . From this state, when the temperature of the semiconductor module 1 rises and the heat transfer metal 2 expands, the heat transfer sheet 3 is also deformed and pushed out (FIG. 4(b)). However, since the heat transfer grease 6 filled in the through holes 4 of the heat transfer sheet 3 is sealed, the heat transfer grease 6 does not protrude from between the heat transfer metal 2 and the heat sink 5 .

また、半導体モジュール１の温度が低下して伝熱金属２が元の形状に戻ると、伝熱シート３も元の形状に戻る（図４（ｃ））。すなわち、半導体モジュール１の変形による伝熱グリース３の膨張・収縮は、高い圧縮率を有する伝熱シート３が変形することで吸収されるようになっている。したがって、伝熱シート３の収縮時における空気の巻き込みはなく、ポンプアウトは発生しない。 Further, when the temperature of the semiconductor module 1 drops and the heat transfer metal 2 returns to its original shape, the heat transfer sheet 3 also returns to its original shape (FIG. 4(c)). That is, expansion and contraction of the heat transfer grease 3 due to deformation of the semiconductor module 1 are absorbed by deformation of the heat transfer sheet 3 having a high compressibility. Therefore, there is no entrainment of air when the heat transfer sheet 3 shrinks, and no pump-out occurs.

すなわち、半導体モジュール１の温度が上昇／低下を繰り返しても、伝熱グリース６は、伝熱金属２、ヒートシンク５及び伝熱シート３で形成された領域で、伝熱金属２とヒートシンク５の全面に密着した状態を維持することができる。 That is, even if the temperature of the semiconductor module 1 is repeatedly increased/decreased, the heat transfer grease 6 does not spread over the entire surface of the heat transfer metal 2 and the heat sink 5 in the region formed by the heat transfer metal 2 , the heat sink 5 and the heat transfer sheet 3 . can be maintained in close contact with the

次に、図５、図６に基づいて、本発明に係る半導体装置の第２の実施形態を説明する。
第２の実施形態においては、図５に示すように、半導体モジュール１の裏面には２つの伝熱金属７、８が埋め込まれている点（図５（ａ））、２つの伝熱金属７、８の形状および位置に対応して、伝熱シート９に２つの貫通孔１０、１１が形成されている点（図５（ｂ））、伝熱シート９の２つの貫通孔１０、１１に伝熱グリース１２、１３が充填されている点（図５（ｃ））で、第１の実施形態と相違している。貫通孔１０、１１に伝熱グリース１２、１３が充填された伝熱シート９が半導体モジュール１とともにヒートシンク５に固定されて、半導体装置を構成する点は、第１の実施形態と同じである。なお、伝熱金属７，８は、銅などの高い熱伝導率を有する金属であり、特許請求の範囲の「伝熱部」の一例である。 Next, a second embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG.
In the second embodiment, as shown in FIG. 5, two heat transfer metals 7 and 8 are embedded in the rear surface of the semiconductor module 1 (FIG. 5(a)). , 8 (FIG. 5(b)). It is different from the first embodiment in that heat transfer greases 12 and 13 are filled (FIG. 5(c)). As in the first embodiment, a heat transfer sheet 9 having through holes 10 and 11 filled with heat transfer greases 12 and 13 is fixed to a heat sink 5 together with a semiconductor module 1 to form a semiconductor device. The heat transfer metals 7 and 8 are metals having high thermal conductivity such as copper, and are an example of the "heat transfer part" in the claims.

図６（ａ）に示すように、伝熱グリース１２、１３は、半導体モジュール１、伝熱金属７、８、ヒートシンク６及び伝熱シート９で密封されている。伝熱シート９の貫通孔１０、１１の形状は、それぞれ伝熱金属７、８よりも面積が広くなるように形成されている。したがって、伝熱金属７、８の下面は、それぞれ伝熱グリース１２、１３によって完全に覆われ、伝熱金属７、８から、伝熱グリース１２、１３を介して、ヒートシンク６に効率的に熱を伝えられるようになっている。熱サイクルによって半導体モジュール１が変形を繰り返しても、伝熱シート９が変形するだけで伝熱グリース１２、１３が半導体モジュール１とヒートシンク５の間から押し出されることはない（図６（ｂ）、（ｃ））。したがって、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様にポンプアウトを防止することができる。 As shown in FIG. 6A, the heat transfer greases 12 and 13 are sealed with the semiconductor module 1, the heat transfer metals 7 and 8, the heat sink 6 and the heat transfer sheet 9. As shown in FIG. The shape of the through holes 10 and 11 of the heat transfer sheet 9 is formed so that the areas thereof are larger than those of the heat transfer metals 7 and 8, respectively. Therefore, the lower surfaces of the heat transfer metals 7 and 8 are completely covered with the heat transfer greases 12 and 13, respectively, and the heat is efficiently transferred from the heat transfer metals 7 and 8 to the heat sink 6 via the heat transfer greases 12 and 13. It is designed to be able to convey Even if the semiconductor module 1 is repeatedly deformed by heat cycles, the heat transfer sheet 9 is merely deformed, and the heat transfer greases 12 and 13 are not pushed out from between the semiconductor module 1 and the heat sink 5 (FIG. 6B, (c)). Therefore, also in the second embodiment, it is possible to prevent pump-out in the same manner as in the first embodiment.

本発明の実施形態では、伝熱シート３として厚さ１００μｍのグラファイトシートを用いたが、材料及び厚さはこれに限定されるものではない。すなわち、伝熱シート３は、耐熱性、および、高い圧縮率（例えば、６００ｋＰａで２０％以上）を有する材料が好ましいが、これに限定されるものではない。また、厚さは、半導体装置の用途に応じて適宜決めることができる。 In the embodiment of the present invention, a graphite sheet with a thickness of 100 μm is used as the heat transfer sheet 3, but the material and thickness are not limited to this. That is, the heat transfer sheet 3 is preferably made of a material having heat resistance and a high compressibility (for example, 20% or more at 600 kPa), but is not limited to this. Also, the thickness can be appropriately determined according to the application of the semiconductor device.

また、伝熱シートに矩形状の貫通孔が形成されているが、貫通孔の形状は、丸形や楕円形など、他の形状であってもよい。さらに、半導体モジュール内において半導体素子が配置されている領域に対応して、伝熱シートに貫通孔を形成してもよい。また、矩形状または他の形状の貫通孔は、複数の貫通孔によって形成されていてもよい。複数の貫通孔に伝熱グリースを充填すれば、半導体モジュールの伝熱金属とヒートシンクの間に、より安定に伝熱グリースを留めることができる。 Further, although rectangular through holes are formed in the heat transfer sheet, the shape of the through holes may be other shapes such as round or elliptical. Furthermore, through holes may be formed in the heat transfer sheet corresponding to the regions where the semiconductor elements are arranged in the semiconductor module. Also, rectangular or other shaped through-holes may be formed by a plurality of through-holes. By filling the plurality of through-holes with heat transfer grease, the heat transfer grease can be more stably held between the heat transfer metal of the semiconductor module and the heat sink.

さらに、本発明の実施形態ではいずれも、３個の半導体モジュールを１つのヒートシンクにより半導体装置を構成しているが、半導体モジュールの数はこれに限られるものではない。 Furthermore, in each of the embodiments of the present invention, the semiconductor device is composed of three semiconductor modules and one heat sink, but the number of semiconductor modules is not limited to this.

本発明は、インバータなどの半導体装置に利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applicable to semiconductor devices such as inverters.

１半導体モジュール
２伝熱金属
３伝熱シート
４貫通孔
５ヒートシンク
６伝熱グリース
７伝熱金属
８伝熱金属
９伝熱シート
１０貫通孔
１１貫通孔
１２伝熱グリース
１３伝熱グリース REFERENCE SIGNS LIST 1 semiconductor module 2 heat transfer metal 3 heat transfer sheet 4 through hole 5 heat sink 6 heat transfer grease 7 heat transfer metal 8 heat transfer metal 9 heat transfer sheet 10 through hole 11 through hole 12 heat transfer grease 13 heat transfer grease

Claims

a cooler;
a semiconductor module having a heat transfer section for attachment to the cooler;
a heat transfer sheet interposed between the cooler and the semiconductor module and having one or more through holes on a surface facing the heat transfer section;
The heat transfer section is configured to cover the entire back surface of the semiconductor module,
the heat transfer sheet has substantially the same outer shape as the heat transfer section,
The through hole is filled with heat transfer grease,
The heat transfer grease is sealed with at least the heat transfer sheet, the cooler, and the heat transfer section, and the heat transfer section→the heat transfer grease→the heat dissipation path of the cooler and the heat transfer section→the heat transfer section. A semiconductor device comprising: a sheet→a heat radiation path of the cooler .

2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said through-hole is formed corresponding to a region in which a semiconductor element is arranged in said semiconductor module.

2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said through-hole is formed corresponding to the shape of said heat transfer portion.

2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said through-hole is rectangular or circular.

5. The semiconductor device according to claim 1, wherein said heat transfer grease has higher thermal conductivity than said heat transfer sheet.