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JP2012099612A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2012099612A
JP2012099612A JP2010245385A JP2010245385A JP2012099612A JP 2012099612 A JP2012099612 A JP 2012099612A JP 2010245385 A JP2010245385 A JP 2010245385A JP 2010245385 A JP2010245385 A JP 2010245385A JP 2012099612 A JP2012099612 A JP 2012099612A
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JP
Japan
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heat
semiconductor element
heat storage
storage body
semiconductor device
Prior art date
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Pending
Application number
JP2010245385A
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Japanese (ja)
Inventor
Tooru Sakimichi
哲 崎道
Kimikazu Obara
公和 小原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Denso Corp filed Critical Denso Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which improves heat storage responsiveness of a latent heat storage material storing heat generated from a semiconductor element when a heat value of the semiconductor element rapidly increases in a short time.SOLUTION: A heat sink 40, which steadily cools a semiconductor element 20, is disposed on the lower surface 20a side of the semiconductor element 20, and a heat storage body 50 formed by a latent heat storage material, which stores heat received from the semiconductor element 20 as latent heat resulting from a change from a solid phase to a liquid phase, directly contacts with an upper surface 20b of the semiconductor element 20.

Description

本発明は、潜熱蓄熱材を用いた半導体素子の冷却構造を備える半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device including a semiconductor element cooling structure using a latent heat storage material.

従来技術として、例えば下記特許文献1に開示された半導体素子の冷却構造を備えた半導体装置がある。この半導体装置は、半導体素子と、半導体素子が搭載されるヒートシンクと、半導体素子に対してヒートシンクの反対側に位置するように半導体素子に取付けられた潜熱蓄熱材を含む蓄熱部材とを備えており、蓄熱部材はケース内に潜熱蓄熱材を充填して構成されている。このような構成により、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、蓄熱部材の潜熱蓄熱材が吸熱して半導体素子の温度上昇を抑制するようになっている。   As a prior art, for example, there is a semiconductor device provided with a semiconductor element cooling structure disclosed in Patent Document 1 below. The semiconductor device includes a semiconductor element, a heat sink on which the semiconductor element is mounted, and a heat storage member including a latent heat storage material attached to the semiconductor element so as to be located on the opposite side of the heat sink with respect to the semiconductor element. The heat storage member is configured by filling the case with a latent heat storage material. With such a configuration, when the calorific value of the semiconductor element increases rapidly in a short time, the latent heat storage material of the heat storage member absorbs heat and suppresses the temperature increase of the semiconductor element.

特開2008−193017号公報JP 2008-193017 A

しかしながら、上記従来技術の半導体装置では、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、半導体素子の発した熱はケースを介して潜熱蓄熱材に伝達され、潜熱蓄熱材が潜熱蓄熱の効果を発揮するまでの応答時間が長くなるという問題がある。   However, in the semiconductor device of the above prior art, when the calorific value of the semiconductor element suddenly increases in a short time, the heat generated by the semiconductor element is transmitted to the latent heat storage material through the case, and the latent heat storage material becomes the latent heat. There is a problem that the response time until the heat storage effect is exhibited becomes long.

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合に、半導体素子が発した熱を潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性を向上することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and improves the heat storage responsiveness in which the latent heat storage material stores the heat generated by the semiconductor element when the heat generation amount of the semiconductor element increases rapidly in a short time. An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can be used.

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、
半導体素子(20)と、
半導体素子を内部に収納するケーシング(10)と、
半導体素子の一方の面である第1面(20a)側に配設され、半導体素子が発する熱をケーシングの外部に放熱するヒートシンク(40)と、
半導体素子の第1面とは反対側の第2面(20b)に接するようにケーシング内に充填された潜熱蓄熱材からなる蓄熱体(50)と、を備え、
潜熱蓄熱材は、絶縁性を有するとともに、半導体素子から受けた熱を固相から液相への変化に伴う潜熱として蓄熱することを特徴としている。
In order to achieve the above object, in the invention described in claim 1,
A semiconductor element (20);
A casing (10) for housing the semiconductor element therein;
A heat sink (40) disposed on the first surface (20a) side which is one surface of the semiconductor element and dissipating heat generated by the semiconductor element to the outside of the casing;
A heat storage body (50) made of a latent heat storage material filled in the casing so as to be in contact with the second surface (20b) opposite to the first surface of the semiconductor element,
The latent heat storage material has an insulating property and stores heat received from a semiconductor element as latent heat accompanying a change from a solid phase to a liquid phase.

これによると、半導体素子(20)の定常的な冷却はヒートシンク(40)によって行い、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、蓄熱体(50)をなす潜熱蓄熱材が固相から液相へ相変化して吸熱し、半導体素子の温度上昇を抑制することができる。潜熱蓄熱材からなる蓄熱体は、絶縁性を有して半導体素子の第2面(20b)に直接触れているので、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、半導体素子から速やかに吸熱することができる。このようにして、半導体素子が発した熱を潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性を向上することができる。   According to this, steady cooling of the semiconductor element (20) is performed by the heat sink (40), and when the heat generation amount of the semiconductor element increases rapidly in a short time, the latent heat storage material forming the heat storage body (50) is reduced. The phase change from the solid phase to the liquid phase absorbs heat and can suppress the temperature rise of the semiconductor element. Since the heat storage body made of the latent heat storage material has an insulating property and directly touches the second surface (20b) of the semiconductor element, when the amount of heat generated by the semiconductor element increases rapidly in a short time, the semiconductor element Can absorb heat quickly. Thus, the heat storage responsiveness in which the latent heat storage material stores the heat generated by the semiconductor element can be improved.

また、請求項2に記載の発明では、蓄熱体には、更に、絶縁性を有し潜熱蓄熱材よりも熱伝導率が高い高熱伝導フィラー(50a)が添加されていることを特徴としている。これによると、半導体素子からの熱を受けた蓄熱体は、潜熱蓄熱材よりも熱伝導率が高い高熱伝導フィラー(50a)を介して蓄熱体の全体へ速やかに熱を伝えることができる。したがって、半導体素子が発した熱を潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性を一層向上することができる。   Further, the invention according to claim 2 is characterized in that the heat storage body is further added with a high thermal conductive filler (50a) having insulating properties and higher thermal conductivity than the latent heat storage material. According to this, the heat storage body which received the heat | fever from a semiconductor element can transmit heat | fever rapidly to the whole heat storage body via the high heat conductive filler (50a) whose heat conductivity is higher than a latent heat storage material. Therefore, the heat storage responsiveness in which the latent heat storage material stores the heat generated by the semiconductor element can be further improved.

また、請求項3に記載の発明では、蓄熱体の有する熱をケーシングの外部に放熱する放熱手段(60)を備えることを特徴としている。これによると、放熱手段(60)による放熱により、半導体素子から吸熱して固相から液相へ相変化した潜熱蓄熱材からなる蓄熱体を冷却して、潜熱蓄熱材を液相から固相へ相変化させ、吸熱能力を容易に回復することが可能である。   Moreover, in invention of Claim 3, it has the thermal radiation means (60) which thermally radiates the heat which a thermal storage body has to the exterior of a casing, It is characterized by the above-mentioned. According to this, by the heat radiation by the heat radiation means (60), the heat storage body composed of the latent heat storage material that has absorbed heat from the semiconductor element and changed in phase from the solid phase to the liquid phase is cooled, and the latent heat storage material is changed from the liquid phase to the solid phase. It is possible to easily recover the endothermic ability by changing the phase.

また、請求項4に記載の発明では、半導体素子の第2面から蓄熱体の内部に突設され、半導体素子から蓄熱体への伝熱を促進する伝熱促進手段(70)を備えることを特徴としている。これによると、伝熱促進手段(70)により伝熱面積を増大して、半導体素子から蓄熱体をなす潜熱蓄熱材への伝熱を促進することができる。したがって、半導体素子が発した熱を潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性をより一層向上することができる。   The invention according to claim 4 further includes heat transfer promotion means (70) that protrudes from the second surface of the semiconductor element into the heat storage body and promotes heat transfer from the semiconductor element to the heat storage body. It is a feature. According to this, the heat transfer area can be increased by the heat transfer promotion means (70), and heat transfer from the semiconductor element to the latent heat storage material forming the heat storage body can be promoted. Therefore, the heat storage responsiveness in which the latent heat storage material stores the heat generated by the semiconductor element can be further improved.

また、請求項5に記載の発明では、蓄熱体の半導体素子と接する側とは反対側の面を全域に亘って覆い、蓄熱体をケーシングの内部に封止するゲル状封止部材(51)を備えることを特徴としている。これによると、蓄熱体をなす潜熱蓄熱材が吸熱に伴い液相となったとしても、ゲル状封止部材(51)により、蓄熱体の相変化に伴う体積変化に対応しつつ蓄熱体をケーシング内に容易に保持することができる。   Further, in the invention according to claim 5, the gel-like sealing member (51) for covering the entire surface of the heat storage body opposite to the side in contact with the semiconductor element and sealing the heat storage body inside the casing. It is characterized by having. According to this, even if the latent heat storage material forming the heat storage body becomes a liquid phase due to heat absorption, the gel-like sealing member (51) casings the heat storage body while accommodating the volume change accompanying the phase change of the heat storage body. Can be easily held inside.

また、請求項6に記載の発明では、ヒートシンクは第1ヒートシンク(40)であり、半導体素子の第2面側に配設され、半導体素子が発する熱を第2面からもケーシングの外部に放熱する第2ヒートシンク(41)を備えることを特徴としている。このように、半導体素子を第1、第2ヒートシンク(40、41)により両面側から冷却する半導体装置においても、絶縁性を有して半導体素子の第2面(20b)に直接触れている潜熱蓄熱材からなる蓄熱体によって、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、半導体素子から速やかに吸熱することができる。このようにして、半導体素子が発した熱を潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性を向上することができる。   In the invention according to claim 6, the heat sink is the first heat sink (40), and is disposed on the second surface side of the semiconductor element, and dissipates heat generated by the semiconductor element from the second surface to the outside of the casing. The second heat sink (41) is provided. As described above, even in the semiconductor device in which the semiconductor element is cooled from both sides by the first and second heat sinks (40, 41), the latent heat that has insulation and directly touches the second surface (20b) of the semiconductor element. When the calorific value of the semiconductor element increases rapidly in a short time due to the heat storage body made of the heat storage material, the semiconductor element can quickly absorb heat. Thus, the heat storage responsiveness in which the latent heat storage material stores the heat generated by the semiconductor element can be improved.

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。   In addition, the code | symbol in the parenthesis attached | subjected to each said means is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.

本発明を適用した第1の実施形態における半導体装置1の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the semiconductor device 1 in 1st Embodiment to which this invention is applied. 本発明を適用した第2の実施形態における半導体装置1の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the semiconductor device 1 in 2nd Embodiment to which this invention is applied. 本発明を適用した第3の実施形態における半導体装置1の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the semiconductor device 1 in 3rd Embodiment to which this invention is applied. 本発明を適用した第4の実施形態における半導体装置1の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the semiconductor device 1 in 4th Embodiment to which this invention is applied. 本発明を適用した第5の実施形態における半導体装置1の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the semiconductor device 1 in 5th Embodiment to which this invention is applied. 本発明を適用した他の実施形態における半導体装置1の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the semiconductor device 1 in other embodiment to which this invention is applied.

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組み合せることも可能である。   A plurality of modes for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. In each embodiment, parts corresponding to the matters described in the preceding embodiment may be denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted. In the case where only a part of the configuration is described in each embodiment, the other parts of the configuration are the same as those described previously. In addition to the combination of parts specifically described in each embodiment, the embodiments may be partially combined as long as the combination is not particularly troublesome.

(第1の実施形態)
図1は、本発明を適用した第1の実施形態における半導体装置1の概略構成を示す断面図である。本実施形態の半導体装置1は、例えば車両に搭載される制御機器の制御回路を構成するものであって、例えばスイッチング回路を構成するIGBT素子(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子)やダイオード素子等の半導体素子20を備えるものである。図1に示す半導体装置1は、2つのIGBT素子を並列接続、もしくは、IGBT素子とダイオードとを並列接続した装置を例示している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor device 1 according to a first embodiment to which the present invention is applied. A semiconductor device 1 according to the present embodiment constitutes a control circuit of a control device mounted on a vehicle, for example, and is, for example, a semiconductor element such as an IGBT element (insulated gate bipolar transistor element) or a diode element constituting a switching circuit. 20. The semiconductor device 1 shown in FIG. 1 illustrates a device in which two IGBT elements are connected in parallel, or an IGBT element and a diode are connected in parallel.

図1に示すように、半導体装置1は、半導体素子20を内部に収容するケーシングである例えば樹脂製のケース10を備えている。ケース10は、比較的高さが低い(図示上下方向の寸法が比較的小さい)略角筒形状をなしており、ケース10の図示下方開口部を塞ぐように、金属製で(例えば銅材もしくはアルミニウム材からなる)平板状のヒートシンク40が配設されている。   As shown in FIG. 1, the semiconductor device 1 includes a case 10 made of resin, for example, which is a casing that houses a semiconductor element 20 therein. The case 10 has a substantially rectangular tube shape that is relatively low in height (relatively small in the vertical direction in the figure), and is made of metal (for example, copper or A flat heat sink 40 (made of an aluminum material) is provided.

半導体素子20は回路基板30に実装されている。回路基板30は、例えば絶縁体(例えばセラミック)からなる絶縁基板31と、絶縁基板31の図示上面に形成された例えば銅箔もしくは導電ペースト焼成体からなる導体パターン32とにより構成されている。半導体素子20は、下面20a(本発明の第1面に相当)が導体パターン32に半田付け等により電気的に接続されている。   The semiconductor element 20 is mounted on the circuit board 30. The circuit board 30 includes an insulating substrate 31 made of, for example, an insulator (for example, ceramic) and a conductor pattern 32 made of, for example, a copper foil or a conductive paste fired body formed on the upper surface of the insulating substrate 31 in the figure. The lower surface 20a (corresponding to the first surface of the present invention) of the semiconductor element 20 is electrically connected to the conductor pattern 32 by soldering or the like.

このように半導体素子20を実装した回路基板30は、回路基板30の非実装面が全域に亘ってヒートシンク40に接触するようにケース10内に配設されている。すなわち、ヒートシンク40は、半導体素子20の一方の面である下面20a側に配設されており、半導体素子20が発する熱を回路基板30を介して受熱し、ケース10の外部へ放熱するようになっている。   Thus, the circuit board 30 on which the semiconductor element 20 is mounted is disposed in the case 10 so that the non-mounting surface of the circuit board 30 contacts the heat sink 40 over the entire area. That is, the heat sink 40 is disposed on the lower surface 20a side, which is one surface of the semiconductor element 20, so that the heat generated by the semiconductor element 20 is received through the circuit board 30 and radiated to the outside of the case 10. It has become.

ケース10には、電極端子を有する金属製の(例えば銅材もしくはアルミニウム材からなる)リードフレーム11がインサート成形されている。リードフレーム11のケース10内方側の端子部と半導体素子20の上面20bとの間、および、リードフレーム11のケース10内方側の端子部と回路基板30の導体パターン32との間等は、ボンディングワイヤ12で電気的に接続されて、半導体装置1内の回路が構成されている。リードフレーム11の一部はケース10の外方に突出して外部接続端子11aとなっている。   The case 10 is insert-molded with a metal lead frame 11 (for example, made of copper or aluminum) having electrode terminals. Between the terminal portion on the inner side of the case 10 of the lead frame 11 and the upper surface 20 b of the semiconductor element 20, between the terminal portion on the inner side of the case 10 of the lead frame 11 and the conductor pattern 32 of the circuit board 30, etc. The circuit in the semiconductor device 1 is configured by being electrically connected by the bonding wire 12. A part of the lead frame 11 protrudes outward from the case 10 to form an external connection terminal 11a.

ケース10の内部には、蓄熱体50が充填されている。図1から明らかなように、蓄熱体50は、半導体素子20が実装された回路基板30の上面を全域に亘って覆い、半導体素子20の下面20aとは反対側の上面20b(本発明の第2面に相当)に直接接するようにケース10内に充填されている。   A heat storage body 50 is filled in the case 10. As apparent from FIG. 1, the heat storage body 50 covers the entire upper surface of the circuit board 30 on which the semiconductor element 20 is mounted, and the upper surface 20b opposite to the lower surface 20a of the semiconductor element 20 (the first embodiment of the present invention). The case 10 is filled so as to directly contact (corresponding to two surfaces).

蓄熱体50は、絶縁性を有するとともに半導体素子20から受けた熱を固相から液相への変化に伴う潜熱として蓄熱することが可能な潜熱蓄熱材からなっている。潜熱蓄熱材としては、例えば、エリスリトール、キシリトール、パラフィン等を採用することができる。なお、蓄熱体50は、ボンディングワイヤ12を含むケース10内の回路構成部を全て埋没するように充填されている。   The heat storage body 50 is made of a latent heat storage material that has an insulating property and can store heat received from the semiconductor element 20 as latent heat accompanying a change from a solid phase to a liquid phase. As the latent heat storage material, for example, erythritol, xylitol, paraffin or the like can be employed. In addition, the heat storage body 50 is filled so that all the circuit components in the case 10 including the bonding wire 12 may be buried.

ケース10の内部には、蓄熱体50の上面、すなわち、蓄熱体50の半導体素子20と接する側とは反対側の面を全域に亘って覆い、蓄熱体50をケース10の内部に封止する可撓性を有するゲル状の封止部材51(本発明のゲル状封止部材に相当)が層状に設けられている。封止部材51には、例えばシリコーンゲルを用いることができる。   The inside of the case 10 covers the entire upper surface of the heat storage body 50, that is, the surface of the heat storage body 50 opposite to the side in contact with the semiconductor element 20, and seals the heat storage body 50 inside the case 10. A flexible gel-like sealing member 51 (corresponding to the gel-like sealing member of the present invention) is provided in layers. For the sealing member 51, for example, silicone gel can be used.

上述の構成において、半導体素子20が作動に伴って定常的な発熱をしているときには、半導体素子20が発した熱は主にヒートシンク40によりケース10外部に放熱され、半導体素子20が冷却される。半導体素子20の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、蓄熱体50をなす潜熱蓄熱材が固相から液相へ相変化して吸熱し、半導体素子20の温度上昇を抑制する。   In the above-described configuration, when the semiconductor element 20 is constantly generating heat with operation, the heat generated by the semiconductor element 20 is mainly radiated to the outside of the case 10 by the heat sink 40, and the semiconductor element 20 is cooled. . When the calorific value of the semiconductor element 20 suddenly increases in a short time, the latent heat storage material forming the heat storage body 50 changes its phase from the solid phase to the liquid phase and absorbs heat, thereby suppressing the temperature rise of the semiconductor element 20.

上述の構成の半導体装置1によれば、半導体素子20から受けた熱を固相から液相への変化に伴う潜熱として蓄熱可能な潜熱蓄熱材からなる蓄熱体50が、半導体素子20の上面20bに直接触れている。したがって、半導体素子20の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、蓄熱体50が半導体素子20から速やかに吸熱することができる。このようにして、半導体素子20が発した熱を蓄熱体50をなす潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性を向上することができる。   According to the semiconductor device 1 having the above-described configuration, the heat storage body 50 made of a latent heat storage material capable of storing heat received from the semiconductor element 20 as latent heat associated with the change from the solid phase to the liquid phase is provided on the upper surface 20 b of the semiconductor element 20. Directly touching. Therefore, when the calorific value of the semiconductor element 20 rapidly increases in a short time, the heat storage body 50 can quickly absorb heat from the semiconductor element 20. Thus, the heat storage responsiveness in which the latent heat storage material forming the heat storage body 50 stores the heat generated by the semiconductor element 20 can be improved.

また、蓄熱体50の上面の全域をゲル状の封止部材51で覆って、蓄熱体50をケース10内に封止している。したがって、蓄熱体50をなす潜熱蓄熱材が吸熱に伴い液相となったとしても、封止部材51によりケース10内に保持することができる。また、封止部材51はゲル状であるので、蓄熱体50の固相と液相との相変化に伴う体積変化があっても撓んで体積変化に対応することが可能であり、蓄熱体50をケース10内に安定して保持することができる。   Further, the entire upper surface of the heat storage body 50 is covered with a gel-like sealing member 51 to seal the heat storage body 50 in the case 10. Therefore, even if the latent heat storage material forming the heat storage body 50 becomes a liquid phase due to heat absorption, it can be held in the case 10 by the sealing member 51. Further, since the sealing member 51 is in a gel form, even if there is a volume change accompanying a phase change between the solid phase and the liquid phase of the heat storage body 50, it is possible to flex and respond to the volume change. Can be stably held in the case 10.

(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について図2に基づいて説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described based on FIG.

本第2の実施形態は、前述の第1の実施形態と比較して、蓄熱体50の有する熱をケース10の外部へ放熱する放熱手段を追加した点が異なる。なお、第1の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。   The second embodiment is different from the first embodiment in that a heat radiating means for radiating the heat of the heat storage body 50 to the outside of the case 10 is added. In addition, about the part similar to 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

図2に示すように、本実施形態の半導体装置1は、放熱手段である放熱器60を備えている。放熱器60は、図示上下方向に延びるヒートパイプ61とヒートパイプ61に熱的に接合されたフィン62とを有している。ヒートパイプ61は、例えば両端を閉塞された銅製のパイプ部材の内部に作動液としての水を封入して構成されている。   As shown in FIG. 2, the semiconductor device 1 of the present embodiment includes a radiator 60 that is a heat radiating unit. The radiator 60 includes a heat pipe 61 extending in the vertical direction in the figure and a fin 62 thermally joined to the heat pipe 61. The heat pipe 61 is configured, for example, by enclosing water as a working fluid inside a copper pipe member closed at both ends.

ヒートパイプ61の図示下端部は蓄熱体50内に位置し、図示上端部は封止部材51の上面よりも上方に位置している。ヒートパイプ51の蓄熱体50内に位置する部分および封止部材51よりも上方に突出している部分には、例えば銅製でプレート状のフィン62が接合されている。   The illustrated lower end portion of the heat pipe 61 is located in the heat storage body 50, and the illustrated upper end portion is located above the upper surface of the sealing member 51. For example, a plate-like fin 62 made of copper is joined to a portion of the heat pipe 51 located in the heat storage body 50 and a portion protruding upward from the sealing member 51.

本実施形態の半導体装置1によれば、蓄熱体50の有する熱をケース10の外部へ放熱する放熱器60を備えているので、半導体素子20から吸熱して固相から液相へ相変化した潜熱蓄熱材からなる蓄熱体50を冷却して、潜熱蓄熱材を液相から固相へ相変化させ、吸熱能力を容易に回復することができる。   According to the semiconductor device 1 of the present embodiment, since the heat sink 60 that dissipates the heat of the heat storage body 50 to the outside of the case 10 is provided, the phase is changed from the solid phase to the liquid phase by absorbing heat from the semiconductor element 20. The heat storage body 50 made of the latent heat storage material can be cooled to change the phase of the latent heat storage material from the liquid phase to the solid phase, thereby easily recovering the heat absorption capability.

また、放熱器60は、蓄熱体50内に位置する部分および封止部材51よりも上方に突出している部分のそれぞれにフィン62を有しているので、蓄熱体50からの吸熱および空気への放熱を効率よく行うことができる。   Moreover, since the heat radiator 60 has the fin 62 in each of the part located in the thermal storage body 50, and the part which protrudes upwards rather than the sealing member 51, the heat absorption from the thermal storage body 50 and to air | atmosphere are carried out. Heat dissipation can be performed efficiently.

また、潜熱蓄熱材からなる蓄熱体50が一時的に全部が液相状態となる場合があったとしても、放熱器60は封止部材51に支持されているので、位置が大きく変位することはない。放熱器60は、封止部材51のみに支持されているものに限定されず、ケース10に取付けられて支持されるものであってもよい。また、放熱手段の構成は、ヒートパイプ61を有する放熱器60の構成に限定されず、蓄熱体50の有する熱をケース10の外部へ放熱可能なものであればよい。   Further, even if the heat storage body 50 made of a latent heat storage material may temporarily be entirely in a liquid phase state, the radiator 60 is supported by the sealing member 51, so that the position is greatly displaced. Absent. The radiator 60 is not limited to that supported only by the sealing member 51, and may be attached to and supported by the case 10. Further, the configuration of the heat radiating means is not limited to the configuration of the heat radiator 60 having the heat pipe 61, as long as the heat of the heat storage body 50 can be radiated to the outside of the case 10.

(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について図3に基づいて説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG.

本第3の実施形態は、前述の第1の実施形態と比較して、半導体素子20から蓄熱体50への伝熱を促進する伝熱促進手段を追加した点が異なる。なお、第1の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。   The third embodiment is different from the first embodiment described above in that heat transfer promotion means for promoting heat transfer from the semiconductor element 20 to the heat storage body 50 is added. In addition, about the part similar to 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

図3に示すように、本実施形態の半導体装置1は、伝熱促進手段である伝熱フィン70を備えている。伝熱フィン70は、例えば、銅材やアルミニウム材からなり、半導体素子20の上面20bに沿って延びる平板部から図示上方に向かって複数の壁部が立設され、断面形状が櫛歯状をなしている。伝熱フィン70は、上述の平板部が半導体素子20の上面20bの一部に、例えば半田付け等により接合されている。   As shown in FIG. 3, the semiconductor device 1 of this embodiment includes heat transfer fins 70 that are heat transfer promoting means. The heat transfer fins 70 are made of, for example, a copper material or an aluminum material, and a plurality of wall portions are erected upward from the flat plate portion extending along the upper surface 20b of the semiconductor element 20, and the cross-sectional shape is comb-like. There is no. In the heat transfer fin 70, the above-described flat plate portion is joined to a part of the upper surface 20b of the semiconductor element 20 by, for example, soldering.

本実施形態の半導体装置1によれば、半導体素子20の上面20bから蓄熱体50の内部に突設された伝熱フィン70を備えており、伝熱フィン70と蓄熱体50との接触面積は、半導体素子20の上面20bと伝熱フィン70との接合面積よりも大きくなっている。すなわち、伝熱フィン70を設けることにより半導体素子20から蓄熱体50への伝熱面積を増大して、半導体素子20から蓄熱体50への伝熱を促進可能としている。したがって、半導体素子20が発した熱を蓄熱体50をなす潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性を確実に向上することができる。   According to the semiconductor device 1 of this embodiment, the heat transfer fins 70 are provided so as to protrude from the upper surface 20b of the semiconductor element 20 into the heat storage body 50, and the contact area between the heat transfer fins 70 and the heat storage body 50 is as follows. The bonding area between the upper surface 20b of the semiconductor element 20 and the heat transfer fin 70 is larger. That is, by providing the heat transfer fins 70, the heat transfer area from the semiconductor element 20 to the heat storage body 50 can be increased, and heat transfer from the semiconductor element 20 to the heat storage body 50 can be promoted. Therefore, the heat storage responsiveness in which the latent heat storage material forming the heat storage body 50 stores the heat generated by the semiconductor element 20 can be reliably improved.

伝熱促進手段は、上記構成の伝熱フィン70に限定されず、蓄熱体50よりも熱伝導率が高い高熱伝導材料で形成され、蓄熱体50との接触面積を増大できるものであればよい。例えば、複数の針状部が蓄熱体50の内部に突設された金属製の伝熱フィンであってもよい。   The heat transfer accelerating means is not limited to the heat transfer fin 70 having the above-described configuration, and any heat transfer promoting means may be used as long as it is formed of a high heat conductive material having a higher thermal conductivity than the heat storage body 50 and can increase the contact area with the heat storage body 50. . For example, it may be a metal heat transfer fin in which a plurality of needle-like portions protrudes inside the heat storage body 50.

(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態について図4に基づいて説明する。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIG.

本第4の実施形態は、前述の第1の実施形態と比較して、蓄熱体50に絶縁性の高熱伝導フィラーが添加されている点が異なる。なお、第1の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。   The fourth embodiment is different from the first embodiment described above in that an insulating high thermal conductive filler is added to the heat storage body 50. In addition, about the part similar to 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

図4に示すように、本実施形態の半導体装置1は、蓄熱体50をなす潜熱蓄熱材中に、絶縁性を有し潜熱蓄熱材よりも熱伝導率が高い高熱伝導フィラー50aが添加されている。高熱伝導フィラー50aは、例えば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、シリカ等からなるセラミックフィラーであり、針状(細線状)や円盤状をなしているものが好ましい。   As shown in FIG. 4, in the semiconductor device 1 of the present embodiment, a high heat conductive filler 50 a having an insulating property and higher thermal conductivity than the latent heat storage material is added to the latent heat storage material forming the heat storage body 50. Yes. The high thermal conductive filler 50a is, for example, a ceramic filler made of aluminum nitride, boron nitride, silica, or the like, and preferably has a needle shape (thin wire shape) or a disk shape.

図4では、高熱伝導フィラー50aを解り易い様に比較的大きく図示しているが、例えば、直径が約1μm、長さが約100μmの比較的高アスペクト比のセラミックフィラーを採用することができる。高熱伝導フィラー50aは、蓄熱体50をなす潜熱蓄熱材中にほぼ均一に分散していることが好ましい。   In FIG. 4, the high thermal conductive filler 50a is shown relatively large so that it can be easily understood. For example, a ceramic filler having a relatively high aspect ratio with a diameter of about 1 μm and a length of about 100 μm can be used. It is preferable that the high thermal conductive filler 50 a is dispersed substantially uniformly in the latent heat storage material forming the heat storage body 50.

本実施形態の半導体装置1によれば、半導体素子20から受熱した蓄熱体50は、潜熱蓄熱材よりも熱伝導率が高い高熱伝導フィラー50aを介して、蓄熱体50の全体へ速やかに伝熱することができる。したがって、半導体素子20が発した熱を潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性を確実に向上することができる。また、高熱伝導フィラー50aは絶縁性を有しているので、高アスペクト比のフィラーを採用したとしても、半導体装置1の回路が短絡することはない。   According to the semiconductor device 1 of the present embodiment, the heat storage body 50 that has received heat from the semiconductor element 20 quickly transfers heat to the entire heat storage body 50 via the high thermal conductive filler 50a having a higher thermal conductivity than the latent heat storage material. can do. Therefore, the heat storage responsiveness in which the latent heat storage material stores the heat generated by the semiconductor element 20 can be reliably improved. In addition, since the high thermal conductive filler 50a has insulating properties, even if a high aspect ratio filler is used, the circuit of the semiconductor device 1 is not short-circuited.

(第5の実施形態)
次に、第5の実施形態について図5に基づいて説明する。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described with reference to FIG.

本第5の実施形態は、本発明を両面冷却タイプの半導体装置に適用した例である。なお、第1の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。   The fifth embodiment is an example in which the present invention is applied to a double-sided cooling type semiconductor device. In addition, about the part similar to 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

図5に示すように、本実施形態の半導体装置1は、半導体素子20の下面20a側に配置したヒートシンク40(第1ヒートシンクに相当)と、半導体素子20の上面20b側に配置したヒートシンク41(第2ヒートシンクに相当)とを備えている。   As shown in FIG. 5, the semiconductor device 1 of the present embodiment includes a heat sink 40 (corresponding to a first heat sink) disposed on the lower surface 20a side of the semiconductor element 20 and a heat sink 41 (corresponding to the upper surface 20b side of the semiconductor element 20). Equivalent to a second heat sink).

ヒートシンク40、41は、いずれも例えば銅製の平板状の部材であり、ヒートシンク40は、半導体素子20の下面20aに直接接触している。また、ヒートシンク41は、例えば銅製のスペーサ42を介して半導体素子20の上面20bに接触している。スペーサ42は、半導体素子20の上面20bの一部に直接接触している。   Each of the heat sinks 40 and 41 is, for example, a flat plate member made of copper, and the heat sink 40 is in direct contact with the lower surface 20 a of the semiconductor element 20. The heat sink 41 is in contact with the upper surface 20b of the semiconductor element 20 via, for example, a copper spacer 42. The spacer 42 is in direct contact with a part of the upper surface 20 b of the semiconductor element 20.

図5から明らかなように、本実施形態の半導体装置1は、第1の実施形態で説明した回路基板30を有しておらず、ヒートシンク40、41およびスペーサ42が、導体パターンと同等の機能を有している。したがって、ヒートシンク40、41には、外部接続端子11aが電気的に接続している。   As is apparent from FIG. 5, the semiconductor device 1 of this embodiment does not have the circuit board 30 described in the first embodiment, and the heat sinks 40 and 41 and the spacer 42 have the same function as the conductor pattern. have. Therefore, the external connection terminal 11a is electrically connected to the heat sinks 40 and 41.

本実施形態では、ケース10は、半導体素子20を挟み込んだ一対のヒートシンク40、41の外周縁部の間を全周に亘ってシールするようにモールドされている。上述した外部接続端子11aは、このケース10にインサート成形されている。そして、一対のヒートシンク40、41、およびケース10によって取り囲まれた空間に、絶縁性を有する潜熱蓄熱材からなる蓄熱体50が充填されている。   In the present embodiment, the case 10 is molded so as to seal the entire periphery between the outer peripheral edges of the pair of heat sinks 40 and 41 sandwiching the semiconductor element 20. The external connection terminal 11a described above is insert-molded in the case 10. A space surrounded by the pair of heat sinks 40 and 41 and the case 10 is filled with a heat storage body 50 made of an insulating latent heat storage material.

潜熱蓄熱材を上記内部空間に充填するために、例えば、ケース10を形成する工程は、潜熱蓄熱材充填経路を有する状態に成形するステップと、充填経路を閉塞するステップとを含む、複数のステップを有している。   In order to fill the internal space with the latent heat storage material, for example, the step of forming the case 10 includes a plurality of steps including a step of forming the latent heat storage material filling path and a step of closing the filling path. have.

なお、本実施形態の半導体装置1は、ヒートシンク40、41を電気導通回路の一部として利用しているので、ヒートシンク40、41を外部から絶縁する必要がある。そこで、両ヒートシンク40、41の積層方向における外側面の全域を覆うように、絶縁性を有し熱伝導性に優れる、例えばセラミック材からなる絶縁板43を配設している。   In addition, since the semiconductor device 1 of this embodiment uses the heat sinks 40 and 41 as a part of the electric conduction circuit, it is necessary to insulate the heat sinks 40 and 41 from the outside. Therefore, an insulating plate 43 made of, for example, a ceramic material having insulating properties and excellent thermal conductivity is provided so as to cover the entire outer surface in the stacking direction of the heat sinks 40 and 41.

本実施形態の半導体装置1によれば、半導体素子20の下面20aの全域に接触するヒートシンク40と、半導体素子20の上面20bの一部にスペーサ42を介して接触するヒートシンク41とで、半導体素子20の定常的な冷却を行い、半導体素子20の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、絶縁性を有して半導体素子20の上面20bに直接触れている潜熱蓄熱材からなる蓄熱体50によって、半導体素子20から速やかに吸熱することができる。このようにして、両面冷却タイプの半導体装置1においても、半導体素子20が発した熱を潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性を向上することができる。   According to the semiconductor device 1 of the present embodiment, the semiconductor element includes the heat sink 40 that contacts the entire area of the lower surface 20a of the semiconductor element 20 and the heat sink 41 that contacts a part of the upper surface 20b of the semiconductor element 20 via the spacer 42. When the amount of heat generated by the semiconductor element 20 is rapidly increased in a short time, heat storage is made of a latent heat storage material that has insulating properties and directly touches the upper surface 20b of the semiconductor element 20. The body 50 can quickly absorb heat from the semiconductor element 20. Thus, also in the double-sided cooling type semiconductor device 1, it is possible to improve the heat storage responsiveness in which the latent heat storage material stores the heat generated by the semiconductor element 20.

(他の実施形態)
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
(Other embodiments)
The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

上記第1〜第4の実施形態では、ゲル状の封止部材51で蓄熱体50を封止していたが、これに限らず、例えば、図6に示すように、封止部材51を廃止してもかまわない。半導体装置1が、車両に搭載して用いられる等、振動が加わったり搭載姿勢が傾斜したりするような場合にはゲル状の封止部材51で封止することが好ましいが、定置使用される場合には、封止部材51を用いないことも可能である。また、車両搭載等においても、封止部材51を用いず、ケース10の上端開口をカバー部材等で閉塞して用いることも可能である。   In the said 1st-4th embodiment, although the heat storage body 50 was sealed with the gel-like sealing member 51, not only this but the sealing member 51 is abolished, for example, as shown in FIG. It doesn't matter. When the semiconductor device 1 is mounted on a vehicle and used such as when vibration is applied or the mounting posture is inclined, it is preferably sealed with a gel-like sealing member 51, but is used stationary. In some cases, the sealing member 51 may not be used. In addition, even when the vehicle is mounted, the upper end opening of the case 10 can be closed with a cover member or the like without using the sealing member 51.

また、図6に例示したゲル状の封止部材51を用いない半導体装置1に対して、第1の実施形態のゲル状封止部材、第2の実施形態の放熱手段、第3の実施形態の伝熱促進手段、第4の実施形態の高熱伝導フィラー、および、第5の実施形態の両面冷却構造の2つ以上を組み合わせて適用するものであってもかまわない。   Further, for the semiconductor device 1 that does not use the gel-like sealing member 51 illustrated in FIG. 6, the gel-like sealing member of the first embodiment, the heat dissipation means of the second embodiment, and the third embodiment. The heat transfer facilitating means, the high thermal conductivity filler of the fourth embodiment, and the two-sided cooling structure of the fifth embodiment may be applied in combination.

1 半導体装置
10 ケース(ケーシング)
20 半導体素子
20a 下面(半導体素子の第1面)
20b 上面(半導体素子の第2面)
40 ヒートシンク(第1ヒートシンク)
41 ヒートシンク(第2ヒートシンク)
50 蓄熱体
50a 高熱伝導フィラー
51 封止部材(ゲル状封止部材)
60 放熱器(放熱手段)
70 伝熱フィン(伝熱促進手段)
1 Semiconductor device 10 Case (casing)
20 Semiconductor element 20a Lower surface (first surface of semiconductor element)
20b Upper surface (second surface of semiconductor element)
40 Heat sink (first heat sink)
41 Heat sink (second heat sink)
50 thermal storage 50a high thermal conductive filler 51 sealing member (gel sealing member)
60 Radiator (Heat dissipation means)
70 Heat transfer fin (heat transfer promotion means)

Claims (6)

半導体素子(20)と、
前記半導体素子を内部に収納するケーシング(10)と、
前記半導体素子の一方の面である第1面(20a)側に配設され、前記半導体素子が発する熱を前記ケーシングの外部に放熱するヒートシンク(40)と、
前記半導体素子の前記第1面とは反対側の第2面(20b)に接するように前記ケーシング内に充填された潜熱蓄熱材からなる蓄熱体(50)と、を備え、
前記潜熱蓄熱材は、絶縁性を有するとともに、前記半導体素子から受けた熱を固相から液相への変化に伴う潜熱として蓄熱することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor element (20);
A casing (10) for housing the semiconductor element therein;
A heat sink (40) disposed on the first surface (20a) side which is one surface of the semiconductor element and dissipating heat generated by the semiconductor element to the outside of the casing;
A heat storage body (50) made of a latent heat storage material filled in the casing so as to be in contact with the second surface (20b) opposite to the first surface of the semiconductor element,
The latent heat storage material has an insulating property and stores heat received from the semiconductor element as latent heat accompanying a change from a solid phase to a liquid phase.
前記蓄熱体には、更に、絶縁性を有し前記潜熱蓄熱材よりも熱伝導率が高い高熱伝導フィラー(50a)が添加されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a high heat conductive filler (50 a) having an insulating property and higher thermal conductivity than the latent heat storage material is added to the heat storage body. 前記蓄熱体の有する熱を前記ケーシングの外部に放熱する放熱手段(60)を備えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, further comprising a heat radiating unit (60) that radiates heat of the heat storage body to the outside of the casing. 前記半導体素子の前記第2面から前記蓄熱体の内部に突設され、前記半導体素子から前記蓄熱体への伝熱を促進する伝熱促進手段(70)を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1つに記載の半導体装置。   2. A heat transfer promoting means (70) that protrudes from the second surface of the semiconductor element into the heat storage body and promotes heat transfer from the semiconductor element to the heat storage body. The semiconductor device according to claim 3. 前記蓄熱体の前記半導体素子と接する側とは反対側の面を全域に亘って覆い、前記蓄熱体を前記ケーシングの内部に封止するゲル状封止部材(51)を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1つに記載の半導体装置。   A gel-like sealing member (51) that covers the entire surface of the heat storage body opposite to the side in contact with the semiconductor element and seals the heat storage body inside the casing is provided. The semiconductor device according to claim 1. 前記ヒートシンクは第1ヒートシンク(40)であり、
前記半導体素子の前記第2面側に配設され、前記半導体素子が発する熱を前記第2面からも前記ケーシングの外部に放熱する第2ヒートシンク(41)を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1つに記載の半導体装置。
The heat sink is a first heat sink (40);
The second heat sink (41) is provided on the second surface side of the semiconductor element, and dissipates heat generated by the semiconductor element from the second surface to the outside of the casing. The semiconductor device according to claim 5.
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