JP5556613B2 - Semiconductor device - Google Patents
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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.
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、潜熱蓄熱材への蓄熱を効率的に行うことができないという問題がある。これは、潜熱蓄熱材は比較的熱伝導性が低いため、半導体素子の発した熱はケース内における半導体素子近傍の潜熱蓄熱材には伝わるものの、半導体素子近傍の潜熱蓄熱材が熱抵抗となって潜熱蓄熱材全体には伝わり難いためである。 However, the conventional semiconductor device has a problem that heat cannot be efficiently stored in the latent heat storage material when the heat generation amount of the semiconductor element increases rapidly in a short time. This is because the latent heat storage material has relatively low thermal conductivity, so the heat generated by the semiconductor element is transferred to the latent heat storage material near the semiconductor element in the case, but the latent heat storage material near the semiconductor element becomes a thermal resistance. This is because it is difficult to transmit to the entire latent heat storage material.
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の潜熱蓄熱材への蓄熱を効率的に行う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 efficiently stores heat in a latent heat storage material of heat generated by a semiconductor element when the calorific value of the semiconductor element increases rapidly in a short time. An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of satisfying the requirements.
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、ケーシング内で対流可能な絶縁性流体(50)と、を備え、絶縁性流体には、半導体素子から受けた熱を相変化に伴う潜熱として蓄熱する潜熱蓄熱材(56)を封入したマイクロカプセル(55)が分散されており、絶縁性流体をケーシング内で強制的に対流させる強制対流手段(81、82)を備え、絶縁性流体は、電気流体力学現象を示す流体であり、強制対流手段は、ケーシング内に設けられ、絶縁性流体に電圧を印加して電気流体力学現象により絶縁性流体を流動させる一対の電極(81、82)であり、さらに、ケーシング内に配設されており、絶縁体からなる絶縁基板(31)と、絶縁基板の上に形成され、半導体素子が電気的に接続されている導体パターン(32)とにより構成され、半導体素子(20)が実装された回路基板(30)を備え、一対の電極は、回路基板の上に配設されており、一方の電極(81)が半導体素子の第2面に電気的に接続され、他方の電極(82)が導体パターンに電気的に接続されることにより、半導体素子の両面に電圧が印加された場合に一対の電極の間に電位差が発生するようになっていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the semiconductor element (20), the casing (10) for housing the semiconductor element therein, and the first surface (20a) which is one surface of the semiconductor element. The heat sink (40) disposed on the side and dissipating heat generated by the semiconductor element to the outside of the casing and the second surface (20b) opposite to the first surface of the semiconductor element are filled into the casing. And an insulating fluid (50) capable of convection in the casing, wherein the insulating fluid encloses a latent heat storage material (56) that stores heat received from the semiconductor element as latent heat accompanying the phase change. (55) is distributed , and includes forced convection means (81, 82) for forcibly convection of the insulating fluid within the casing. The insulating fluid is a fluid exhibiting an electrohydrodynamic phenomenon, and the forced convection means Is A pair of electrodes (81, 82) provided in the casing and applying a voltage to the insulating fluid to cause the insulating fluid to flow by an electrohydrodynamic phenomenon, and further disposed in the casing. A circuit board (30) comprising a semiconductor element (20) mounted thereon, and an insulating substrate (31) comprising a conductive pattern (32) formed on the insulating substrate and electrically connected to the semiconductor element. The pair of electrodes are disposed on the circuit board, one electrode (81) is electrically connected to the second surface of the semiconductor element, and the other electrode (82) is a conductor pattern. by being electrically connected, it is characterized that you have become a potential difference is generated between the pair of electrodes when a voltage is applied to both surfaces of the semiconductor element.
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、絶縁性流体(50)中のマイクロカプセル(55)に封入された潜熱蓄熱材(56)が相変化して吸熱し、半導体素子の温度上昇を抑制することができる。マイクロカプセルは対流可能な絶縁性流体中に分散されているので、ケーシング内での絶縁性流体の対流に伴って、既に潜熱蓄熱を行った潜熱蓄熱材を封入したマイクロカプセルを半導体素子の第2面の近傍から遠ざけるとともに、未だ潜熱蓄熱を行っていない潜熱蓄熱材を封入したマイクロカプセルを半導体素子の第2面の近傍に供給することができる。このように、半導体素子の第2面の近傍において潜熱蓄熱材を封入したマイクロカプセルを入れ替えることにより、既に潜熱蓄熱を行った潜熱蓄熱材を封入したマイクロカプセルが熱抵抗となることを抑制することができる。したがって、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合に、半導体素子が発した熱の潜熱蓄熱材への蓄熱を効率的に行うことができる。
これによると、強制対流手段(81、82)によって絶縁性流体をケーシング内で強制的に対流させることにより、半導体素子の第2面の近傍において潜熱蓄熱材を封入したマイクロカプセルを積極的に入れ替えることができる。したがって、既に潜熱蓄熱を行った潜熱蓄熱材を封入したマイクロカプセルが熱抵抗となることを確実に抑制することが可能であり、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の潜熱蓄熱材への蓄熱を、一層効率的に行うことができる。これによると、一対の電極(81、82)の間に電圧を印加するだけで、電気流体力学現象により、絶縁性流体をケーシング内で容易に強制的に対流させることができる。
According to this, steady cooling of the semiconductor element (20) is performed by the heat sink (40), and when the calorific value of the semiconductor element increases rapidly in a short time, the microcapsules in the insulating fluid (50) ( 55) The latent heat storage material (56) enclosed in 55) undergoes a phase change and absorbs heat, thereby suppressing an increase in the temperature of the semiconductor element. Since the microcapsules are dispersed in the insulating fluid capable of convection, the microcapsules enclosing the latent heat storage material that has already been subjected to latent heat storage in accordance with the convection of the insulating fluid in the casing are used as the second microcapsules. A microcapsule enclosing a latent heat storage material that has not been subjected to latent heat storage yet can be supplied to the vicinity of the second surface of the semiconductor element while being away from the vicinity of the surface. Thus, by replacing the microcapsules enclosing the latent heat storage material in the vicinity of the second surface of the semiconductor element, it is possible to suppress the microcapsules enclosing the latent heat storage material that has already performed latent heat storage from becoming thermal resistance. Can do. Therefore, when the calorific value of the semiconductor element increases rapidly in a short time, the heat generated by the semiconductor element can be efficiently stored in the latent heat storage material.
According to this, the microcapsules enclosing the latent heat storage material are actively replaced in the vicinity of the second surface of the semiconductor element by forcibly convection the insulating fluid in the casing by the forced convection means (81, 82). be able to. Therefore, it is possible to reliably suppress the heat resistance of the microcapsules enclosing the latent heat storage material that has already been subjected to latent heat storage, and when the heat generation amount of the semiconductor element increases rapidly in a short time, the semiconductor It is possible to more efficiently store the heat generated by the element into the latent heat storage material. According to this, the insulating fluid can be easily and forcibly convected in the casing by the electrohydrodynamic phenomenon only by applying a voltage between the pair of electrodes (81, 82).
また、請求項2に記載の発明では、一方の前記電極(81)は、針状電極であり、他方の電極(82)は、環状電極であり、針状電極は環状電極の中心を指すような向きで環状電極に対して対向配置されていることを特徴としている。
In the invention according to
また、請求項3に記載の発明では、一対の電極により形成される絶縁性流体の流れは、半導体素子の第2面に接する絶縁性流体が入れ替わるように流れることを特徴としている。 Further, the invention described in claim 3 is characterized in that the flow of the insulating fluid formed by the pair of electrodes flows so that the insulating fluid in contact with the second surface of the semiconductor element is switched .
ここで、電気流体力学(Electrohydrodynamics、略してEHD)現象とは、例えば、「社団法人電気学会、電気学会技術報告(II部)第56号(昭和52年6月)「EHD調査専門委員会報告」EHD調査専門委員会、木脇、他」に記載されているように、流体力学の法則に従って運動する流体の中に荷電粒子が含まれていて、静電界の法則に従う電界等をつくるとともに、電気力学の法則にも従うような運動をする場合の現象をいう。 Here, the electrohydrodynamics (abbreviated as EHD) phenomenon is, for example, “Electrical Society of Japan, Institute of Electrical Engineers Technical Report (Part II) No. 56 (June 1977)” As described in “EHD Research Expert Committee, Kiwaki, et al.”, Charged particles are contained in a fluid that moves according to the laws of fluid dynamics, and an electric field that follows the laws of electrostatic fields is created. This refers to a phenomenon that occurs when a person moves according to the laws of mechanics.
また、請求項4に記載の発明では、絶縁性流体には、更に、絶縁性を有し絶縁性流体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絶縁性流体は、絶縁性流体よりも熱伝導率が高い高熱伝導フィラー(50a)を介して、絶縁性流体中に分散されたマイクロカプセル内に封入された潜熱蓄熱材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の潜熱蓄熱材への蓄熱を、より一層効率的に行うことができる。 The invention according to claim 4 is characterized in that the insulating fluid is further added with a high thermal conductive filler (50a) having insulating properties and higher thermal conductivity than the insulating fluid. . According to this, the insulating fluid that receives the heat from the semiconductor element is enclosed in the microcapsules dispersed in the insulating fluid via the high thermal conductive filler (50a) having a higher thermal conductivity than the insulating fluid. Heat can be quickly transferred to the latent heat storage material. Therefore, heat storage of the heat generated by the semiconductor element to the latent heat storage material can be performed more efficiently.
また、請求項5に記載の発明では、絶縁性流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、絶縁性流体中に分散されたマイクロカプセル内の潜熱蓄熱材の有する熱を、絶縁性流体を介して放熱手段(60)で伝達し、放熱手段によってケーシングの外部に放熱することができる。したがって、マイクロカプセル内の潜熱蓄熱材を、吸熱時とは逆方向に相変化させて、吸熱能力を容易に回復することが可能である。 Further, the invention described in claim 5 is characterized by comprising a heat radiating means (60) for radiating the heat of the insulating fluid to the outside of the casing. According to this, the heat of the latent heat storage material in the microcapsules dispersed in the insulating fluid can be transmitted by the heat radiating means (60) through the insulating fluid and radiated to the outside of the casing by the heat radiating means. it can. Therefore, it is possible to easily recover the heat absorption capability by changing the phase of the latent heat storage material in the microcapsule in the direction opposite to that during heat absorption.
また、請求項6に記載の発明では、半導体素子の第2面から絶縁性流体の内部に突設され、半導体素子から絶縁性流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、半導体素子から絶縁性流体中に分散されたマイクロカプセル内に封入された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の潜熱蓄熱材への蓄熱を、更に効率的に行うことができる。 The invention according to claim 6 further includes heat transfer promoting means (70) that protrudes from the second surface of the semiconductor element into the insulating fluid and promotes heat transfer from the semiconductor element to the insulating fluid. It is characterized by that. According to this, the heat transfer area is increased by the heat transfer promoting means (70), and heat transfer from the semiconductor element to the latent heat storage material enclosed in the microcapsules dispersed in the insulating fluid can be promoted. it can. Therefore, heat storage of the heat generated by the semiconductor element to the latent heat storage material can be performed more efficiently.
また、請求項7に記載の発明では、絶縁性流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、絶縁性流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、ゲル状封止部材(51)により、絶縁性流体の温度変化に伴う体積変化や潜熱蓄熱材の相変化に伴う体積変化に対応しつつ、絶縁性流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 7, a gel-like sealing member that covers the entire surface of the insulating fluid opposite to the side in contact with the semiconductor element and seals the insulating fluid inside the casing ( 51). According to this, the insulating fluid can be easily held in the casing by the gel-like sealing member (51) while accommodating the volume change accompanying the temperature change of the insulating fluid and the volume change accompanying the phase change of the latent heat storage material. can do.
また、請求項8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、絶縁性流体を対流させて、半導体素子の第2面の近傍において潜熱蓄熱材を封入したマイクロカプセルを入れ替えることにより、既に潜熱蓄熱を行った潜熱蓄熱材を封入したマイクロカプセルが熱抵抗となることを抑制することができる。このようにして、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合に、半導体素子が発した熱の潜熱蓄熱材への蓄熱を効率的に行うことができる。 In the invention according to claim 8, 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. Thus, also in the semiconductor device that cools the semiconductor element from both sides by the first and second heat sinks (40, 41), the latent fluid is stored in the vicinity of the second surface of the semiconductor element by convection with the insulating fluid. By replacing the encapsulated microcapsules, it is possible to suppress the microcapsules enclosing the latent heat storage material that has already been subjected to latent heat storage from becoming thermal resistance. Thus, when the calorific value of the semiconductor element increases rapidly in a short time, the heat generated by the semiconductor element can be efficiently stored in the latent heat storage material.
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 of embodiment description later mentioned.
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り、図2は、半導体装置1の要部である絶縁性流体50中の概略構成を模式的に示す断面図である。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 illustrating a schematic configuration of a semiconductor device 1 according to a first embodiment to which the present invention is applied. FIG. 2 schematically illustrates a schematic configuration in an insulating
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
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
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
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
ケース10の内部には、電気絶縁性を有する絶縁性流体50が充填されている。図1から明らかなように、絶縁性流体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。なお、絶縁性流体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(浸漬するように)充填されている。
The
本実施形態の絶縁性流体50は、電気流体力学現象(EHD現象)を示す所謂EHD流体からなる。絶縁性流体50には、例えば、フロリナート、ドデカン2酸nブチル、キシレン、シリコーンオイル等を採用することができる。
The insulating
ケース10内の回路基板30上には、対をなす針状電極81と環状電極82とが配設されている。図1に示すように、針状電極81は、環状電極82の中心を指すような向きで、環状電極82に対して対向配置されている。
On the
両電極81、82は、例えば金属製であり、針状電極81は、半導体素子20の上面に電気的に接続され、環状電極82は、導体パターン32に電気的に接続されている。これにより、半導体素子20の両面に電圧が印加された場合には、針状電極81と環状電極82との間に電位差が発生するようになっている。
Both the
針状電極81と環状電極82と間に電位差がある場合には、両電極81、82間において絶縁性流体50に電圧が印加され、EHD流体からなる絶縁性流体50はEHD現象により比較的流速が速い所謂ジェット流を形成する。これにより、ケース10内において、絶縁性流体50が強制的に対流させられるようになっている。
When there is a potential difference between the
図1では、両電極81、82により形成される絶縁性流体50の流れは、半導体素子20の上面20bに沿うように示しているが、半導体素子20の上面20bに接する絶縁性流体50が入れ替わるように流れるものであればよい。例えば、図示上方から下方に向かって半導体素子20の上面20bに絶縁性流体50が衝突するように流れるものであれば、半導体素子20の上面20bに接する絶縁性流体50が確実に入れ替わり好ましい。
In FIG. 1, the flow of the insulating
絶縁性流体50に電圧を印加して電気流体力学現象により絶縁性流体50を流動させる一対の電極である針状電極81および環状電極82は、本実施形態における強制対流手段に相当する。
A pair of
なお、絶縁性流体50に電圧を印加する電極は、針状電極81と環状電極82との組み合わせに限定されず、絶縁性流体50に電圧を印加できるものであれば、他の形状をなしていてもかまわない。また、絶縁性流体50に電圧を印加できるものであれば、両電極81、82の電気的接続部位も上述した位置に限定されるものではない。
The electrode for applying a voltage to the insulating
また、絶縁性流体50に電圧を印加する電極は、少なくとも一対の電極を備えていればよく、複数対の電極であってもよい。また、陽極をなす電極の数と陰極をなす電極の数が異なるものであってもかまわない。
Moreover, the electrode which applies a voltage to the insulating
図1では図示を省略しているが、図2に示すように、絶縁性流体50中には、マイクロカプセル55が分散されている。マイクロカプセル55は、例えば、ポリアミド樹脂等の樹脂製であり、電気絶縁性を有するとともに、略球形をなしている。
Although not shown in FIG. 1, as shown in FIG. 2, microcapsules 55 are dispersed in the insulating
マイクロカプセル55の内部には、半導体素子20から受けた熱を固相から液相への相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56が封入されている。潜熱蓄熱材56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。
Inside the microcapsule 55, a latent heat storage material 56 capable of storing heat received from the
図1に示すように、ケース10の内部には、絶縁性流体50の上面、すなわち、絶縁性流体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、絶縁性流体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。
As shown in FIG. 1, the inside of the
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、ケース10内で強制的に対流させられている絶縁性流体50中に分散されたマイクロカプセル55内の潜熱蓄熱材56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
上述の構成の半導体装置1によれば、ケース10内のEHD流体からなる絶縁性流体50には、半導体素子20から受けた熱を固相から液相への相変化に伴う潜熱として蓄熱する潜熱蓄熱材56を封入したマイクロカプセル55が分散されている。そして、針状電極81と環状電極82との間への電圧印加によって生じるEHD現象により絶縁性流体50は強制的に対流させられる。この絶縁性流体50の強制的な対流に伴って、既に潜熱蓄熱を行った潜熱蓄熱材56を封入したマイクロカプセル55を半導体素子20の上面20b近傍から遠ざけるとともに、未だ潜熱蓄熱を行っていない潜熱蓄熱材56を封入したマイクロカプセル55を半導体素子20の上面20b近傍に供給することができる。
According to the semiconductor device 1 having the above-described configuration, the insulating
このように、半導体素子20の上面20b近傍において潜熱蓄熱材56を封入したマイクロカプセル55を積極的に入れ替えることにより、既に潜熱蓄熱を行った潜熱蓄熱材56を封入したマイクロカプセル56が熱抵抗となることを抑制することができる。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、半導体素子20が発した熱の潜熱蓄熱材56への蓄熱を効率的に行うことができる。
In this way, by actively replacing the microcapsule 55 enclosing the latent heat storage material 56 in the vicinity of the
また、絶縁性流体50の上面の全域をゲル状の封止部材51で覆って、絶縁性流体50をケース10内に封止している。したがって、封止部材51により絶縁性流体50をケース10内に確実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、絶縁性流体50の温度変化に伴う体積変化やマイクロカプセル55内の潜熱蓄熱材56の相変化に伴う体積変化があっても、撓んでこれらの体積変化に対応することが可能であり、絶縁性流体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 insulating
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について図3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、絶縁性流体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 insulating
図3に示すように、本実施形態の半導体装置は、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. 3, the semiconductor device of this embodiment includes a
図3では図示を省略しているが、第1の実施形態と同様に、絶縁性流体50中には、潜熱蓄熱材56を封入したマイクロカプセル55が分散されている。
Although not shown in FIG. 3, the microcapsules 55 in which the latent heat storage material 56 is sealed are dispersed in the insulating
ヒートパイプ61の図示下端部はマイクロカプセル55(図2参照)が分散された絶縁性流体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の絶縁性流体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
本実施形態の半導体装置によれば、絶縁性流体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、マイクロカプセル55内の潜熱蓄熱材56(図2参照)が有する熱を、絶縁性流体50およびマイクロカプセル55を介して(放熱器60に触れたマイクロカプセル55に関しては主にマイクロカプセル55を介して)放熱器60へ伝達し、ケース10の外部に放熱することができる。したがって、マイクロカプセル55内の潜熱蓄熱材56を、吸熱時とは逆に液相から固相に相変化させて、吸熱能力を容易に回復することができる。
According to the semiconductor device of this embodiment, since the
また、放熱器60は、絶縁性流体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、絶縁性流体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
また、絶縁性流体50は常時流動性を有するものであるが、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、絶縁性流体50が有する熱(具体的には、潜熱蓄熱材56が有する熱)をケース10の外部へ放熱可能なものであればよい。
Moreover, although the insulating
なお、本実施形態の半導体装置では、半導体素子20の上面20bに接する絶縁性流体50が確実に入れ替わるとともに、放熱器60のフィン62に接する絶縁性流体50が確実に入れ替わるように、ケース10内において絶縁性流体50を対流させることが好ましい。
In the semiconductor device of this embodiment, the insulating
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について図4に基づいて説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described based on 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から潜熱蓄熱材56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
図4に示すように、本実施形態の半導体装置は、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. 4, the semiconductor device of this embodiment includes
図4では図示を省略しているが、第1の実施形態と同様に、絶縁性流体50中には、潜熱蓄熱材56を封入したマイクロカプセル55が分散されている。
Although not shown in FIG. 4, the microcapsules 55 in which the latent heat storage material 56 is enclosed are dispersed in the insulating
本実施形態の半導体装置によれば、半導体素子20の上面20bから絶縁性流体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と絶縁性流体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から絶縁性流体50への伝熱面積を増大して、半導体素子20から絶縁性流体50に分散されたマイクロカプセル55内の潜熱蓄熱材56(図2参照)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が発した熱をの潜熱蓄熱材56への蓄熱を一層効率的に行うことができる。
According to the semiconductor device of the present embodiment, the
伝熱促進手段は、上記構成の伝熱フィン70に限定されず、絶縁性流体50よりも熱伝導率が高い高熱伝導材料で形成され、絶縁性流体50との接触面積を増大できるものであればよい。例えば、複数の針状部が絶縁性流体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
なお、本実施形態の半導体装置では、半導体素子20の上面20bに接する絶縁性流体50が確実に入れ替わるとともに、伝熱フィン70に接する絶縁性流体50が確実に入れ替わるように、ケース10内において絶縁性流体50を対流させることが好ましい。
In the semiconductor device of the present embodiment, the insulating
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態について図5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、絶縁性流体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 insulating
図5に示すように、本実施形態の半導体装置は、絶縁性流体50中に、電気絶縁性を有し絶縁性流体50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. 5, in the semiconductor device of this embodiment, a high thermal
図5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、絶縁性流体50中にほぼ均一に分散していることが好ましい。
In FIG. 5, the high thermal
図5では図示を省略しているが、第1の実施形態と同様に、絶縁性流体50中には、潜熱蓄熱材56を封入したマイクロカプセル55も分散されている。
Although not shown in FIG. 5, the microcapsules 55 in which the latent heat storage material 56 is enclosed are also dispersed in the insulating
本実施形態の半導体装置によれば、半導体素子20から受熱した絶縁性流体50は、絶縁性流体50よりも熱伝導率が高い高熱伝導フィラー50aを介して、絶縁性流体50中に分散されたマイクロカプセル55内の潜熱蓄熱材56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20が発した熱の潜熱蓄熱材56への蓄熱を、より効率的に行うことができる。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、半導体装置の回路が短絡することはない。
According to the semiconductor device of the present embodiment, the insulating
(第5の実施形態)
次に、第5の実施形態について図6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6に示すように、本実施形態の半導体装置は、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. 6, the semiconductor device of this embodiment includes a heat sink 40 (corresponding to a first heat sink) disposed on the
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
図6から明らかなように、本実施形態の半導体装置は、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. 6, the semiconductor device of this embodiment does not have the
また、本実施形態では、針状電極81はヒートシンク41に電気的に接続され、環状電極82はヒートシンク40の電気的に接続されて、絶縁性流体50の電圧を印加するようになっている。
In the present embodiment, the
なお、本実施形態においても、絶縁性流体50に電圧を印加する電極は、針状電極81と環状電極82との組み合わせに限定されず、絶縁性流体50に電圧を印加できるものであれば、他の形状をなしていてもかまわない。また、絶縁性流体50に電圧を印加できるものであれば、両電極81、82の電気的接続部位も上述した位置に限定されるものではない。
Also in this embodiment, the electrode for applying a voltage to the insulating
また、絶縁性流体50に電圧を印加する電極は、少なくとも一対の電極を備えていればよく、複数対の電極であってもよい。また、陽極をなす電極の数と陰極をなす電極の数が異なるものであってもかまわない。
Moreover, the electrode which applies a voltage to the insulating
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、絶縁性流体50が充填されている。
In the present embodiment, the
絶縁性流体50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、絶縁性流体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 inner space with the insulating
なお、本実施形態の半導体装置は、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 of this embodiment uses the heat sinks 40 and 41 as a part of the electrical conduction circuit, it is necessary to insulate the heat sinks 40 and 41 from the outside. Therefore, an insulating
図6では図示を省略しているが、第1の実施形態と同様に、絶縁性流体50中には、潜熱蓄熱材56を封入したマイクロカプセル55も分散されている。
Although not shown in FIG. 6, as in the first embodiment, the microcapsules 55 in which the latent heat storage material 56 is enclosed are also dispersed in the insulating
本実施形態の半導体装置によれば、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、半導体素子20の上面20bに直接触れている絶縁性流体50中に分散されたマイクロカプセル55中の潜熱蓄熱材56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。
According to the semiconductor device of the present embodiment, the
ケース10内で絶縁性流体50を対流させているので、半導体素子20の上面20bの近傍において潜熱蓄熱材56を封入したマイクロカプセル55を積極的に入れ替えることにより、既に潜熱蓄熱を行った潜熱蓄熱材56を封入したマイクロカプセル56が熱抵抗となることを抑制することができる。このようにして、両面冷却タイプの半導体装置においても、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、半導体素子20が発した熱の潜熱蓄熱材56への蓄熱を効率的に行うことができる。
Since the insulating
また、ケース10内で絶縁性流体50を対流させているので、既に潜熱蓄熱を行った潜熱蓄熱材56を封入したマイクロカプセル56をヒートシンク40、41に近づけて、あるいは衝突させて、マイクロカプセル55内の潜熱蓄熱材56の有する熱をケース10の外部に放熱し、吸熱能力を回復することが可能である。
Further, since the insulating
したがって、本実施形態の半導体装置では、半導体素子20の上面20bに接する絶縁性流体50が確実に入れ替わるとともに、ヒートシンク40、41に接する絶縁性流体50が確実に入れ替わるように、ケース10内において絶縁性流体50を対流させることが好ましい。
Therefore, in the semiconductor device according to the present embodiment, the insulating
(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で絶縁性流体50を封止していたが、これに限らず、例えば、図7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 first to fourth embodiments, the insulating
また、上記各実施形態では、強制手段手段として針状電極81および環状電極82の一対の電極を設けていたが、これに限定されるものではない。例えば、図8に示すように、強制対流手段としてマイクロポンプ90等のポンプ手段を採用してもかまわない。この場合には、絶縁性流体50は、EHD現象を示す流体でなくてもよい。
Moreover, in each said embodiment, although a pair of electrode of the
また、例えば、図9に示すように、強制対流手段を採用せず、絶縁性流体50の昇温に伴う密度低下や、潜熱蓄熱材56の固相から液相への相変化に伴う密度低下を利用して、絶縁性流体50を自然対流させるものであってもよい。この場合にも、絶縁性流体50は、EHD現象を示す流体でなくてもよい。
Further, for example, as shown in FIG. 9, forced convection means is not employed, and the density reduction accompanying the temperature rise of the insulating
なお、図7〜図9に例示した半導体装置においても、絶縁性流体50中には、図示を省略した潜熱蓄熱材56を封入したマイクロカプセル55が分散されていることはもちろんである。
7 to 9, the microcapsules 55 enclosing the latent heat storage material 56 (not shown) are naturally dispersed in the insulating
また、図7〜図9に例示したゲル状の封止部材51を用いない半導体装置のそれぞれに対して、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いずれか1つ、もしくは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。
For each of the semiconductor devices that do not use the gel-
また、上記各実施形態では、マイクロカプセル55に封入された潜熱蓄熱材56は、固相から液相に相変化して蓄熱するものであったが、液相から気相に相変化して蓄熱するものであってもよい。 In each of the above embodiments, the latent heat storage material 56 enclosed in the microcapsules 55 stores heat by changing the phase from the solid phase to the liquid phase, but stores heat by changing the phase from the liquid phase to the gas phase. You may do.
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 絶縁性流体
50a 高熱伝導フィラー
51 封止部材(ゲル状封止部材)
55 マイクロカプセル
56 潜熱蓄熱材
60 放熱器(放熱手段)
70 伝熱フィン(伝熱促進手段)
81 針状電極(強制対流手段の一部)
82 環状電極(強制対流手段の一部)
90 マイクロポンプ(強制対流手段)
20
20b Upper surface (second surface of semiconductor element)
40 Heat sink (first heat sink)
41 Heat sink (second heat sink)
50 Insulating
55 Microcapsule 56 Latent
70 Heat transfer fin (heat transfer promotion means)
81 Needle electrode (part of forced convection means)
82 Annular electrode (part of forced convection means)
90 Micropump (forced convection means)
Claims (8)
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、前記ケーシング内で対流可能な絶縁性流体(50)と、を備え、
前記絶縁性流体には、前記半導体素子から受けた熱を相変化に伴う潜熱として蓄熱する潜熱蓄熱材(56)を封入したマイクロカプセル(55)が分散されており、
前記絶縁性流体を前記ケーシング内で強制的に対流させる強制対流手段(81、82)を備え、
前記絶縁性流体は、電気流体力学現象を示す流体であり、
前記強制対流手段は、前記ケーシング内に設けられ、前記絶縁性流体に電圧を印加して前記電気流体力学現象により前記絶縁性流体を流動させる一対の電極(81、82)であり、
さらに、前記ケーシング内に配設されており、絶縁体からなる絶縁基板(31)と、前記絶縁基板の上に形成され、前記半導体素子が電気的に接続されている導体パターン(32)とにより構成され、前記半導体素子(20)が実装された回路基板(30)を備え、
前記一対の電極は、前記回路基板の上に配設されており、一方の前記電極(81)が前記半導体素子の前記第2面に電気的に接続され、他方の前記電極(82)が前記導体パターンに電気的に接続されることにより、前記半導体素子の両面に電圧が印加された場合に一対の前記電極の間に電位差が発生するようになってい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;
An insulating fluid (50) filled in the casing so as to be in contact with the second surface (20b) opposite to the first surface of the semiconductor element and capable of convection in the casing;
Dispersed in the insulating fluid are microcapsules (55) enclosing a latent heat storage material (56) for storing heat received from the semiconductor element as latent heat accompanying phase change,
Forced convection means (81, 82) for forcibly convection the insulating fluid in the casing;
The insulating fluid is a fluid exhibiting an electrohydrodynamic phenomenon,
The forced convection section, wherein arranged in the casing, the insulating pair of electrodes fluid a voltage is applied to thereby flow the insulating fluid by the electrohydrodynamic phenomenon (81, 82) der is,
Further, an insulating substrate (31) made of an insulator and disposed in the casing, and a conductor pattern (32) formed on the insulating substrate and electrically connected to the semiconductor element. Comprising a circuit board (30) on which the semiconductor element (20) is mounted,
The pair of electrodes are disposed on the circuit board, one of the electrodes (81) is electrically connected to the second surface of the semiconductor element, and the other electrode (82) is by being electrically connected to the conductor pattern, a semiconductor device which is characterized that you have become a potential difference is generated between the pair of electrodes when a voltage is applied to both surfaces of the semiconductor element.
前記針状電極は前記環状電極の中心を指すような向きで前記環状電極に対して対向配置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。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the needle-like electrode is disposed so as to face the annular electrode in such a direction as to indicate the center of the annular electrode.
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7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 7.
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