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JP6404739B2 - Semiconductor module - Google Patents

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Description

本明細書が開示する技術は、半導体モジュールに関する。   The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor module.

特許文献1には、半導体チップと放熱部材を有する半導体モジュールが開示されている。放熱部材は、複数の二次元熱拡散部材を有している。各二次元熱拡散部材は、黒鉛の多層構造を有している。各黒鉛層は、二次元状(すなわち、平面状)に広がっている。各黒鉛層が高い熱伝導率を有するため、各二次元熱拡散部材は、黒鉛層が二次元状に伸びる平面内において高い熱伝導率を有する。特許文献1では、半導体チップの下に、黒鉛層が放射状に伸びるように各二次元熱伝導部材が配置されている。これによって、半導体チップから効率的に放熱することが可能とされている。   Patent Document 1 discloses a semiconductor module having a semiconductor chip and a heat dissipation member. The heat radiating member has a plurality of two-dimensional heat diffusing members. Each two-dimensional heat diffusion member has a multilayer structure of graphite. Each graphite layer spreads in a two-dimensional shape (that is, a planar shape). Since each graphite layer has high thermal conductivity, each two-dimensional heat diffusion member has high thermal conductivity in a plane in which the graphite layer extends two-dimensionally. In Patent Document 1, each two-dimensional heat conducting member is disposed under a semiconductor chip so that a graphite layer extends radially. As a result, it is possible to efficiently dissipate heat from the semiconductor chip.

特開2011−199202号公報JP 2011-199202 A

特許文献1の技術では、二次元熱拡散部材同士が直接接触している。しかしながら、二次元熱拡散部材は硬く、また、二次元熱拡散部材の表面が粗面状であるため、二次元熱拡散部材同士を密着させることが難しい。したがって、特許文献1の技術では、二次元熱拡散部材の接触部において微小な隙間が存在し、その接触部で熱伝導が阻害されるという問題があった。   In the technique of Patent Document 1, two-dimensional heat diffusion members are in direct contact with each other. However, since the two-dimensional heat diffusion member is hard and the surface of the two-dimensional heat diffusion member is rough, it is difficult to bring the two-dimensional heat diffusion members into close contact with each other. Therefore, in the technique of Patent Document 1, there is a problem that a minute gap exists in the contact portion of the two-dimensional heat diffusion member, and heat conduction is inhibited at the contact portion.

本明細書が開示する半導体モジュールは、半導体チップと、前記半導体チップに接続されている放熱部材を有している。前記放熱部材が、第1方向における熱伝導率よりも前記第1方向に直交する第1平面内における熱伝導率が高い第1二次元熱拡散部材と、第2方向における熱伝導率よりも前記第2方向に直交する第2平面内における熱伝導率が高い第2二次元熱拡散部材と、前記第1二次元熱拡散部材と前記第2二次元熱拡散部材の間に介装されている第1熱伝導部材を有している。前記半導体チップと前記放熱部材の積層方向に直交する断面において、前記第1平面が伸びる方向が、前記第2平面が伸びる方向と異なる。   The semiconductor module disclosed in this specification includes a semiconductor chip and a heat dissipation member connected to the semiconductor chip. The heat radiating member has a higher heat conductivity in a first plane perpendicular to the first direction than the heat conductivity in the first direction, and the heat conductivity in the second direction is higher than the heat conductivity in the second direction. A second two-dimensional heat diffusion member having a high thermal conductivity in a second plane perpendicular to the second direction, and interposed between the first two-dimensional heat diffusion member and the second two-dimensional heat diffusion member. The first heat conducting member is included. In the cross section orthogonal to the stacking direction of the semiconductor chip and the heat dissipation member, the direction in which the first plane extends is different from the direction in which the second plane extends.

この半導体モジュールでは、半導体チップと放熱部材の積層方向に直交する断面において、第1平面の方向が第2平面の方向と異なるように第1二次元熱拡散部材と第2二次元熱拡散部材が配置されている。このため、半導体チップで発生した熱を、第1二次元熱拡散部材と第2二次元熱拡散部材とによって異なる方向に拡散することができる。さらに、この半導体モジュールでは、第1二次元熱拡散部材と第2二次元熱拡散部材の間に、第1熱伝導部材が介装されている。第1熱伝導部材として適切な材料を選択することで、第1熱伝導部材を第1二次元熱拡散部材の表面と第2二次元熱拡散部材の表面に密着させることができる。これによって、第1二次元熱拡散部材と第2二次元熱拡散部材との間での熱伝導が改善される。したがって、第1二次元熱拡散部材と第2二次元熱拡散部材によって、半導体チップで生じた熱を効果的に拡散することができる。この半導体モジュールによれば、従来よりも半導体チップの放熱性能を向上させることができる。   In this semiconductor module, the first two-dimensional heat diffusing member and the second two-dimensional heat diffusing member are arranged so that the direction of the first plane is different from the direction of the second plane in the cross section perpendicular to the stacking direction of the semiconductor chip and the heat dissipation member. Has been placed. For this reason, the heat generated in the semiconductor chip can be diffused in different directions by the first two-dimensional heat diffusion member and the second two-dimensional heat diffusion member. Further, in this semiconductor module, the first heat conduction member is interposed between the first two-dimensional heat diffusion member and the second two-dimensional heat diffusion member. By selecting an appropriate material as the first heat conduction member, the first heat conduction member can be brought into close contact with the surface of the first two-dimensional heat diffusion member and the surface of the second two-dimensional heat diffusion member. Thereby, the heat conduction between the first two-dimensional heat diffusion member and the second two-dimensional heat diffusion member is improved. Therefore, the heat generated in the semiconductor chip can be effectively diffused by the first two-dimensional heat diffusion member and the second two-dimensional heat diffusion member. According to this semiconductor module, the heat dissipation performance of the semiconductor chip can be improved as compared with the conventional case.

半導体モジュール10の縦断面図。1 is a longitudinal sectional view of a semiconductor module 10. FIG. 実施例1の放熱ブロック22の斜視図。FIG. 3 is a perspective view of a heat dissipation block 22 according to the first embodiment. 放熱ブロック22の横断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of the heat dissipation block 22. 二次元熱拡散部材60の斜視図。The perspective view of the two-dimensional heat-diffusion member 60. FIG. 変形例の放熱ブロック22の図3に対応する横断面図。The cross-sectional view corresponding to FIG. 3 of the thermal radiation block 22 of a modification. 実施例2の放熱ブロック22の斜視図。FIG. 6 is a perspective view of a heat dissipation block 22 according to the second embodiment. 実施例2の放熱ブロック22の分解斜視図。FIG. 6 is an exploded perspective view of a heat dissipation block 22 according to the second embodiment.

図1に示す実施例1の半導体モジュール10は、半導体チップ20と半導体チップ30を備えている。   A semiconductor module 10 according to the first embodiment illustrated in FIG. 1 includes a semiconductor chip 20 and a semiconductor chip 30.

半導体チップ20は、IGBTである。半導体チップ20の下面の電極は、はんだにより放熱ブロック22に接続されている。放熱ブロック22の下面は、放熱板50に接続されている。半導体チップ20の上面の主電極は、はんだにより金属ブロック24に接続されている。金属ブロック24の上面は、はんだにより放熱ブロック26に接続されている。放熱ブロック26の上面は、放熱板52に接続されている。また、半導体チップ20の上面の信号電極は、ワイヤーによって信号端子28に接続されている。   The semiconductor chip 20 is an IGBT. The electrodes on the lower surface of the semiconductor chip 20 are connected to the heat dissipation block 22 by solder. The lower surface of the heat dissipation block 22 is connected to the heat dissipation plate 50. The main electrode on the upper surface of the semiconductor chip 20 is connected to the metal block 24 by solder. The upper surface of the metal block 24 is connected to the heat dissipation block 26 by solder. The upper surface of the heat dissipation block 26 is connected to the heat dissipation plate 52. The signal electrode on the upper surface of the semiconductor chip 20 is connected to the signal terminal 28 by a wire.

半導体チップ30は、ダイオードである。半導体チップ30の下面の電極は、はんだによって放熱ブロック32に接続されている。放熱ブロック32の下面は、放熱板50に接続されている。半導体チップ30の上面の電極は、はんだにより金属ブロック34に接続されている。金属ブロック34の上面は、はんだにより放熱ブロック36に接続されている。放熱ブロック36の上面は、放熱板52に接続されている。   The semiconductor chip 30 is a diode. The electrodes on the lower surface of the semiconductor chip 30 are connected to the heat dissipation block 32 by solder. The lower surface of the heat dissipation block 32 is connected to the heat dissipation plate 50. The electrode on the upper surface of the semiconductor chip 30 is connected to the metal block 34 by solder. The upper surface of the metal block 34 is connected to the heat dissipation block 36 by solder. The upper surface of the heat dissipation block 36 is connected to the heat dissipation plate 52.

放熱ブロック22と放熱ブロック32の表面は、金属層に覆われている。したがって、放熱ブロック22と放熱ブロック32は互いに導通している。また、放熱ブロック32には、出力電極端子40が接続されている。放熱ブロック22と放熱ブロック32の表面の金属層は、出力電極端子40と導通している。すなわち、半導体チップ20の下面の電極と半導体チップ30の下面の電極は、放熱ブロック22、32を介して出力電極端子40に接続されている。   The surfaces of the heat dissipation block 22 and the heat dissipation block 32 are covered with a metal layer. Therefore, the heat dissipation block 22 and the heat dissipation block 32 are electrically connected to each other. Further, the output electrode terminal 40 is connected to the heat dissipation block 32. The metal layers on the surfaces of the heat dissipation block 22 and the heat dissipation block 32 are electrically connected to the output electrode terminal 40. That is, the electrode on the lower surface of the semiconductor chip 20 and the electrode on the lower surface of the semiconductor chip 30 are connected to the output electrode terminal 40 via the heat dissipation blocks 22 and 32.

放熱ブロック26と放熱ブロック36の表面は、金属層に覆われている。したがって、放熱ブロック26と放熱ブロック36は互いに導通している。また、放熱ブロック36には、入力電極端子42が接続されている。放熱ブロック26と放熱ブロック36の表面の金属層は、出力電極端子40と導通している。すなわち、半導体チップ20の上面の主電極と半導体チップ30の上面の電極は、金属ブロック24、34及び放熱ブロック22、32を介して入力電極端子42に接続されている。   The surfaces of the heat dissipation block 26 and the heat dissipation block 36 are covered with a metal layer. Therefore, the heat dissipation block 26 and the heat dissipation block 36 are electrically connected to each other. An input electrode terminal 42 is connected to the heat dissipation block 36. The metal layers on the surfaces of the heat dissipation block 26 and the heat dissipation block 36 are electrically connected to the output electrode terminal 40. That is, the main electrode on the upper surface of the semiconductor chip 20 and the electrode on the upper surface of the semiconductor chip 30 are connected to the input electrode terminal 42 via the metal blocks 24 and 34 and the heat dissipation blocks 22 and 32.

半導体チップ20、30は、絶縁樹脂54に覆われている。絶縁樹脂54は、半導体モジュール10の表面の略全域に形成されている。但し、信号端子28の一部、出力電極端子40の一部、入力電極端子42の一部、放熱板50の下面及び放熱板52の上面は、絶縁樹脂54から露出している。   The semiconductor chips 20 and 30 are covered with an insulating resin 54. The insulating resin 54 is formed over substantially the entire surface of the semiconductor module 10. However, a part of the signal terminal 28, a part of the output electrode terminal 40, a part of the input electrode terminal 42, the lower surface of the heat sink 50 and the upper surface of the heat sink 52 are exposed from the insulating resin 54.

実施例1の半導体モジュール10は、放熱ブロック22、26、32、36に特徴を有している。また、放熱ブロック22、26、32、36は略同じ構成を有している。したがって、以下では、放熱ブロック22について詳細に説明する。   The semiconductor module 10 according to the first embodiment is characterized by the heat dissipation blocks 22, 26, 32, and 36. Further, the heat radiation blocks 22, 26, 32, and 36 have substantially the same configuration. Therefore, the heat dissipation block 22 will be described in detail below.

図2は、半導体チップ20、放熱ブロック22及び放熱板50を拡大した斜視図を示している。なお、以下では、放熱板50の上面に平行な一方向をx方向といい、放熱板50の上面に平行であり、x方向に直交する方向をy方向という。図2に示すように、放熱ブロック22は、4つのブロック22a〜22dにより構成されている。各ブロック22a〜22dは、上面視したときに二等辺直角三角形の形状に形成されている。各ブロック22a〜22dは、直角の角部が一致するように、放熱板50上に配列されている。各ブロック22a〜22dは、ブロック22a〜22dのうちの隣接する他の2つのブロックに接している。   FIG. 2 shows an enlarged perspective view of the semiconductor chip 20, the heat dissipation block 22, and the heat dissipation plate 50. Hereinafter, one direction parallel to the upper surface of the heat sink 50 is referred to as an x direction, and a direction parallel to the upper surface of the heat sink 50 and perpendicular to the x direction is referred to as a y direction. As shown in FIG. 2, the heat dissipation block 22 includes four blocks 22a to 22d. Each of the blocks 22a to 22d is formed in an isosceles right triangle shape when viewed from above. Each block 22a-22d is arranged on the heat sink 50 so that a right-angled corner | angular part may correspond. Each block 22a-22d is in contact with the other two adjacent blocks among the blocks 22a-22d.

図3は、図2の点線IIIにおける放熱ブロック22の横断面図を示している。図3に示すように、各ブロック22a〜22dは、二次元熱拡散部材60と、二次元熱拡散部材60の表面を覆っている金属層62を有している。図4に示すように、二次元熱拡散部材60は、配向性グラファイト層60aが多数積層された積層体である。各配向性グラファイト層60aは、二次元状(すなわち、平面状)に伸びている。より詳細には、各配向性グラファイト層60aは、二次元熱拡散部材60の厚み方向(図4のz方向)と厚み方向に直交する一方向(図4のa方向)により確定される平面に沿って二次元状に伸びている。a方向は、二次元熱拡散部材60の上面を平面視したときに、直角三角形の直角の角部からその角部に対向する辺に向かう方向である。また、各配向性グラファイト層60aは、a方向及びz方向に直交するb方向に積層されている。配向性グラファイト層60aは、a方向及びz方向において極めて高い熱伝導率を有している。他方、各配向性グラファイト層60aの界面では熱伝導が阻害されるため、配向性グラファイト層60aの間の熱伝導率はあまり高くない。したがって、二次元熱拡散部材60は、a方向及びz方向の熱伝導率が高い一方で、b方向の熱伝導率があまり高くない(すなわち、a方向及びz方向の熱伝導率よりも低い)。図3に示すように、ブロック22a及びブロック22cの二次元熱拡散部材60では、上面視において、配向性グラファイト層60aがx方向に伸びている。すなわち、ブロック22a及びブロック22cの二次元熱拡散部材60においては、a方向がx方向と一致する。また、図3に示すように、ブロック22b及びブロック22dの二次元熱拡散部材60では、上面視において、配向性グラファイト層60aがy方向に伸びている。すなわち、ブロック22b及びブロック22dの二次元熱拡散部材60においては、a方向がy方向と一致する。すなわち、各ブロック22a〜22dは、a方向が放熱ブロック22の中心23から放射状に伸びるように配置されている。   FIG. 3 shows a cross-sectional view of the heat dissipation block 22 taken along the dotted line III in FIG. As shown in FIG. 3, each of the blocks 22 a to 22 d includes a two-dimensional heat diffusion member 60 and a metal layer 62 that covers the surface of the two-dimensional heat diffusion member 60. As shown in FIG. 4, the two-dimensional heat diffusing member 60 is a laminate in which a large number of oriented graphite layers 60a are laminated. Each orientational graphite layer 60a extends in a two-dimensional shape (that is, a planar shape). More specifically, each orientational graphite layer 60a has a plane defined by the thickness direction (z direction in FIG. 4) of the two-dimensional heat diffusion member 60 and one direction (a direction in FIG. 4) orthogonal to the thickness direction. It extends in two dimensions along. The a direction is a direction from a right-angled corner of a right triangle toward a side facing the corner when the upper surface of the two-dimensional heat diffusion member 60 is viewed in plan. Each orientational graphite layer 60a is stacked in the b direction orthogonal to the a direction and the z direction. The oriented graphite layer 60a has extremely high thermal conductivity in the a direction and the z direction. On the other hand, since heat conduction is hindered at the interface of each oriented graphite layer 60a, the thermal conductivity between the oriented graphite layers 60a is not so high. Therefore, the two-dimensional heat diffusion member 60 has high thermal conductivity in the a direction and z direction, but is not so high in thermal direction in the b direction (that is, lower than thermal conductivity in the a direction and z direction). . As shown in FIG. 3, in the two-dimensional heat diffusion member 60 of the block 22a and the block 22c, the oriented graphite layer 60a extends in the x direction when viewed from above. That is, in the two-dimensional heat diffusion member 60 of the block 22a and the block 22c, the a direction coincides with the x direction. As shown in FIG. 3, in the two-dimensional heat diffusion member 60 of the block 22b and the block 22d, the orientation graphite layer 60a extends in the y direction when viewed from above. That is, in the two-dimensional heat diffusion member 60 of the block 22b and the block 22d, the a direction coincides with the y direction. That is, each of the blocks 22 a to 22 d is arranged so that the a direction extends radially from the center 23 of the heat dissipation block 22.

図3に示すように、各ブロック22a〜22dの二次元熱拡散部材60は、金属層62によって覆われている。したがって、金属層62は、各ブロック22a〜22dの二次元熱拡散部材60の間に介装されている。例えば、ブロック22aの二次元熱拡散部材60とブロック22bの二次元熱拡散部材60の間には、ブロック22aの金属層62aとブロック22bの金属層62bが介装されている。金属層62は、銅により構成されている。金属層62は、塑性を有するので、二次元熱拡散部材60の表面に密着している。また、各ブロック22a〜22dの金属層62同士も密着している。金属層62によって、隣接する二次元熱拡散部材60の間における熱伝導率の向上が図られている。   As shown in FIG. 3, the two-dimensional heat diffusion member 60 of each of the blocks 22 a to 22 d is covered with a metal layer 62. Accordingly, the metal layer 62 is interposed between the two-dimensional heat diffusion members 60 of the blocks 22a to 22d. For example, the metal layer 62a of the block 22a and the metal layer 62b of the block 22b are interposed between the two-dimensional heat diffusion member 60 of the block 22a and the two-dimensional heat diffusion member 60 of the block 22b. The metal layer 62 is made of copper. Since the metal layer 62 has plasticity, it is in close contact with the surface of the two-dimensional heat diffusion member 60. Further, the metal layers 62 of the blocks 22a to 22d are also in close contact with each other. The metal layer 62 improves the thermal conductivity between the adjacent two-dimensional heat diffusion members 60.

図2に示すように、半導体チップ20は、放熱ブロック22の中心23(図3参照)に重なる位置に接続されている。このため、半導体チップ20と放熱ブロック22の積層方向に沿って見たときに、各二次元熱拡散部材60のa方向は、半導体チップ20からその周囲に放射状に伸びている。   As shown in FIG. 2, the semiconductor chip 20 is connected to a position overlapping the center 23 (see FIG. 3) of the heat dissipation block 22. For this reason, when viewed along the stacking direction of the semiconductor chip 20 and the heat dissipation block 22, the a direction of each two-dimensional heat diffusion member 60 extends radially from the semiconductor chip 20 to the periphery thereof.

半導体チップ20に通電すると、半導体チップ20が発熱する。すると、半導体チップ20で発生した熱が、放熱ブロック22を通って放熱板50に伝わる。これによって、半導体チップ20の温度上昇が抑制される。上記の通り、各放熱ブロック22の二次元熱拡散部材60は、その厚み方向において高い熱伝導率を有する。このため、半導体チップ20で発生した熱は、効率的に放熱板50に伝達される。また、上記の通り、各ブロック22の二次元熱拡散部材60は、高い熱伝導率を有するa方向が半導体チップ20から放射状に伸びるように配置されている。したがって、半導体チップ20で発生した熱は、各二次元熱拡散部材60によって放射状に分散されながら、放熱板50に伝えられる。このように半導体チップ20で発生した熱が分散しやすいので、半導体チップ20の温度上昇がさらに抑制される。また、上記の通り、各二次元熱拡散部材60は、金属層62を介して互いに接続されている。このため、各二次元熱拡散部材60の間でも熱が伝わり易い。したがって、半導体チップ20で発生した熱が放熱ブロック22でより拡散し易くなっている。これによって、半導体チップ20の温度上昇がさらに抑制される。したがって、この半導体モジュール10では、半導体チップ20の温度が上昇し難い。   When the semiconductor chip 20 is energized, the semiconductor chip 20 generates heat. Then, the heat generated in the semiconductor chip 20 is transmitted to the heat radiating plate 50 through the heat radiating block 22. Thereby, the temperature rise of the semiconductor chip 20 is suppressed. As described above, the two-dimensional heat diffusion member 60 of each heat dissipation block 22 has a high thermal conductivity in the thickness direction. For this reason, the heat generated in the semiconductor chip 20 is efficiently transmitted to the heat sink 50. Further, as described above, the two-dimensional heat diffusing member 60 of each block 22 is arranged such that the a direction having high thermal conductivity extends radially from the semiconductor chip 20. Therefore, the heat generated in the semiconductor chip 20 is transferred to the heat radiating plate 50 while being radially distributed by the two-dimensional heat diffusion members 60. Thus, since the heat generated in the semiconductor chip 20 is easily dispersed, the temperature rise of the semiconductor chip 20 is further suppressed. Further, as described above, the two-dimensional heat diffusion members 60 are connected to each other via the metal layer 62. For this reason, heat is easily transmitted between the two-dimensional heat diffusion members 60. Therefore, the heat generated in the semiconductor chip 20 is more easily diffused in the heat dissipation block 22. Thereby, the temperature rise of the semiconductor chip 20 is further suppressed. Therefore, in this semiconductor module 10, the temperature of the semiconductor chip 20 is unlikely to rise.

また、二次元熱拡散部材60は、温度上昇により膨張する。しかしながら、実施例1の技術では、二次元熱拡散部材60の表面全体が銅である金属層62によって覆われている。銅は比較的剛性が高いので、金属層62によって二次元熱拡散部材60が拘束され、二次元熱拡散部材60の熱膨張が抑制される。これによって、放熱ブロック22と他の部材との接合部の劣化が抑制される。   Further, the two-dimensional heat diffusion member 60 expands due to a temperature rise. However, in the technique of the first embodiment, the entire surface of the two-dimensional heat diffusion member 60 is covered with the metal layer 62 that is copper. Since copper has a relatively high rigidity, the two-dimensional heat diffusion member 60 is restrained by the metal layer 62, and the thermal expansion of the two-dimensional heat diffusion member 60 is suppressed. Thereby, deterioration of the joint portion between the heat dissipation block 22 and another member is suppressed.

実施例1の構成と請求項の構成の関係は、以下の通りである。実施例1のブロック22aの二次元熱拡散部材60は、請求項の第1二次元熱拡散部材の一例である。実施例1のブロック22aの二次元熱拡散部材60では、y方向(第1方向)における熱伝導率よりも、y方向に直交するx方向と厚み方向(すなわち、第1方向に直交する第1平面内)における熱伝導率が高い。実施例1のブロック22bの二次元熱拡散部材60は、請求項の第2二次元熱拡散部材の一例である。実施例1のブロック22bの二次元熱拡散部材60では、x方向(第2方向)における熱伝導率よりも、x方向に直交するy方向と厚み方向(すなわち、第2方向に直交する第2平面内)における熱伝導率が高い。半導体チップ20と放熱ブロック22の積層方向に直交する断面(例えば、図3に示す断面)において、第1平面が伸びる方向(すなわち、x方向)が、第2平面が伸びる方向(すなわち、y方向)と異なる。   The relationship between the structure of Example 1 and the structure of a claim is as follows. The two-dimensional heat diffusion member 60 of the block 22a according to the first embodiment is an example of a first two-dimensional heat diffusion member in the claims. In the two-dimensional heat diffusion member 60 of the block 22a of the first embodiment, the x direction perpendicular to the y direction and the thickness direction (that is, the first perpendicular to the first direction) are more than the thermal conductivity in the y direction (first direction). High thermal conductivity in the plane). The two-dimensional heat diffusion member 60 of the block 22b according to the first embodiment is an example of a second two-dimensional heat diffusion member in the claims. In the two-dimensional heat diffusion member 60 of the block 22b of the first embodiment, the y direction orthogonal to the x direction and the thickness direction (that is, the second orthogonal to the second direction) are more than the thermal conductivity in the x direction (second direction). High thermal conductivity in the plane). In a cross section orthogonal to the stacking direction of the semiconductor chip 20 and the heat dissipation block 22 (for example, the cross section shown in FIG. 3), the direction in which the first plane extends (that is, the x direction) is the direction in which the second plane extends (that is, the y direction). ) Is different.

なお、上記の実施例1では、4つのブロック22a〜22dにより放熱ブロック22が構成されていたが、ブロックの数としては2以上の任意の数を採用することができる。例えば、図5に示すように3つのブロック22e〜22gにより放熱ブロック22が構成されてもよい。図5では、各二次元熱拡散部材60の各a方向の間に、120°の角度が設けられている。このような放熱ブロック22の中心25に六方晶の結晶構造を有する半導体チップ20(例えば、厚み方向がc軸であるSiCからなる半導体チップ)を設置すると、半導体チップ20の結晶構造に対して等方的に熱を拡散することができる。   In the first embodiment, the heat dissipation block 22 is configured by the four blocks 22a to 22d. However, any number of two or more blocks may be employed. For example, the heat dissipation block 22 may be configured by three blocks 22e to 22g as shown in FIG. In FIG. 5, an angle of 120 ° is provided between each a direction of each two-dimensional heat diffusion member 60. When a semiconductor chip 20 having a hexagonal crystal structure (for example, a semiconductor chip made of SiC whose thickness direction is the c-axis) is installed at the center 25 of the heat dissipation block 22, the crystal structure of the semiconductor chip 20 is Heat can be diffused.

図6は、実施例2の半導体モジュールの半導体チップ20、放熱ブロック22及び放熱板50の拡大斜視図を示している。実施例2の半導体モジュールは、放熱ブロック22の構造が実施例1の半導体モジュール10と異なる。実施例2の半導体モジュールのその他の構成は、実施例1の半導体モジュール10と等しい。   FIG. 6 shows an enlarged perspective view of the semiconductor chip 20, the heat dissipation block 22, and the heat dissipation plate 50 of the semiconductor module of the second embodiment. The semiconductor module of the second embodiment is different from the semiconductor module 10 of the first embodiment in the structure of the heat dissipation block 22. Other configurations of the semiconductor module of the second embodiment are the same as those of the semiconductor module 10 of the first embodiment.

図6、7に示すように、実施例2の放熱ブロック22は、3つの金属層262a〜262bと2つの二次元熱拡散部材260a、260bを交互に積層した構造を有している。金属層262cが放熱板50上に積層されている。二次元熱拡散部材260bが金属層262c上に積層されている。金属層262bが二次元熱拡散部材260b上に積層されている。二次元熱拡散部材260aが金属層262b上に積層されている。金属層262aが二次元熱拡散部材260a上に積層されている。半導体チップ20が金属層262a上に積層されている。   As shown in FIGS. 6 and 7, the heat dissipation block 22 according to the second embodiment has a structure in which three metal layers 262 a to 262 b and two two-dimensional heat diffusion members 260 a and 260 b are alternately stacked. A metal layer 262 c is laminated on the heat sink 50. A two-dimensional heat diffusion member 260b is stacked on the metal layer 262c. A metal layer 262b is laminated on the two-dimensional heat diffusion member 260b. A two-dimensional heat diffusion member 260a is laminated on the metal layer 262b. A metal layer 262a is laminated on the two-dimensional heat diffusion member 260a. The semiconductor chip 20 is stacked on the metal layer 262a.

図7に示すように、各二次元熱拡散部材260a、260bは、実施例1の二次元熱拡散部材60と同様に、配向性グラファイト層60aが多数積層された積層体である。二次元熱拡散部材260aにおいては、配向性グラファイト層60aがx方向に積層されている。したがって、二次元熱拡散部材260aの各配向性グラファイト層60aは、上面視したときにy方向に伸びており、断面視したときには厚み方向に伸びている。したがって、二次元熱拡散部材260aは、y方向及び厚み方向において高い熱伝導率を有している。二次元熱拡散部材260bにおいては、配向性グラファイト層60aがy方向に積層されている。したがって、二次元熱拡散部材260bの各配向性グラファイト層60aは、上面視したときにx方向に伸びており、断面視したときには厚み方向に伸びている。したがって、二次元熱拡散部材260bは、x方向及び厚み方向において高い熱伝導率を有している。   As shown in FIG. 7, each of the two-dimensional heat diffusion members 260a and 260b is a laminated body in which a large number of oriented graphite layers 60a are laminated in the same manner as the two-dimensional heat diffusion member 60 of the first embodiment. In the two-dimensional heat diffusion member 260a, an oriented graphite layer 60a is laminated in the x direction. Therefore, each orientational graphite layer 60a of the two-dimensional heat diffusion member 260a extends in the y direction when viewed from above, and extends in the thickness direction when viewed in cross section. Therefore, the two-dimensional heat diffusion member 260a has a high thermal conductivity in the y direction and the thickness direction. In the two-dimensional heat diffusion member 260b, the oriented graphite layer 60a is laminated in the y direction. Therefore, each orientational graphite layer 60a of the two-dimensional heat diffusion member 260b extends in the x direction when viewed from above, and extends in the thickness direction when viewed in cross section. Therefore, the two-dimensional heat diffusion member 260b has a high thermal conductivity in the x direction and the thickness direction.

金属層262a〜262cは、銅により構成されている。金属層262aは、二次元熱拡散部材260aと半導体チップ20の間に介装されている。金属層262aは、塑性を有するので、二次元熱拡散部材260aの上面に密着している。金属層262aによって、半導体チップ20と二次元熱拡散部材260aの間における熱伝導率の向上が図られている。金属層262bは、二次元熱拡散部材260aと二次元熱拡散部材260bの間に介装されている。金属層262bは、塑性を有するので、二次元熱拡散部材260aの下面と二次元熱拡散部材260bの上面に密着している。金属層262bによって、二次元熱拡散部材260aと二次元熱拡散部材260bの間における熱伝導率の向上が図られている。金属層262cは、二次元熱拡散部材260bと放熱板50の間に介装されている。金属層262cは、塑性を有するので、二次元熱拡散部材260bの下面に密着している。金属層262cによって、二次元熱拡散部材260bと放熱板50の間における熱伝導率の向上が図られている。   The metal layers 262a to 262c are made of copper. The metal layer 262 a is interposed between the two-dimensional heat diffusion member 260 a and the semiconductor chip 20. Since the metal layer 262a has plasticity, it is in close contact with the upper surface of the two-dimensional heat diffusion member 260a. The metal layer 262a improves the thermal conductivity between the semiconductor chip 20 and the two-dimensional heat diffusion member 260a. The metal layer 262b is interposed between the two-dimensional heat diffusion member 260a and the two-dimensional heat diffusion member 260b. Since the metal layer 262b has plasticity, it is in close contact with the lower surface of the two-dimensional heat diffusion member 260a and the upper surface of the two-dimensional heat diffusion member 260b. The metal layer 262b improves the thermal conductivity between the two-dimensional heat diffusion member 260a and the two-dimensional heat diffusion member 260b. The metal layer 262c is interposed between the two-dimensional heat diffusion member 260b and the heat sink 50. Since the metal layer 262c has plasticity, it is in close contact with the lower surface of the two-dimensional heat diffusion member 260b. The metal layer 262c improves the thermal conductivity between the two-dimensional heat diffusion member 260b and the heat sink 50.

実施例2の半導体モジュールでも、半導体チップ20で発生した熱が、放熱ブロック22を通って放熱板50に伝わる。これによって、半導体チップ20の温度上昇が抑制される。上記の通り、二次元熱拡散部材260a、260bは、その厚み方向において高い熱伝導率を有する。このため、半導体チップ20で発生した熱は、効率的に放熱板50に伝達される。また、xy平面においては、上記の通り、二次元熱拡散部材260aはy方向に高い熱伝導率を有し、二次元熱拡散部材260bはx方向に高い熱伝導率を有する。したがって、半導体チップ20で発生した熱は、二次元熱拡散部材260a、260bによってx方向及びy方向に分散されながら、放熱板50に伝えられる。このように半導体チップ20で発生した熱が分散しやすいので、半導体チップ20の温度上昇がさらに抑制される。また、上記の通り、二次元熱拡散部材260aと二次元熱拡散部材260bは、金属層262bを介して互いに接続されている。このため、二次元熱拡散部材260aと二次元熱拡散部材260bの間でも熱が伝わり易い。したがって、半導体チップ20で発生した熱が、放熱ブロック22を介して放熱板50により伝わり易くなっている。これによって、半導体チップ20の温度上昇がさらに抑制される。したがって、実施例2の半導体モジュールでは、半導体チップ20の温度が上昇し難い。   Also in the semiconductor module of the second embodiment, the heat generated in the semiconductor chip 20 is transmitted to the heat radiating plate 50 through the heat radiating block 22. Thereby, the temperature rise of the semiconductor chip 20 is suppressed. As described above, the two-dimensional heat diffusion members 260a and 260b have high thermal conductivity in the thickness direction. For this reason, the heat generated in the semiconductor chip 20 is efficiently transmitted to the heat sink 50. In the xy plane, as described above, the two-dimensional heat diffusion member 260a has a high thermal conductivity in the y direction, and the two-dimensional heat diffusion member 260b has a high thermal conductivity in the x direction. Therefore, the heat generated in the semiconductor chip 20 is transferred to the heat radiating plate 50 while being dispersed in the x direction and the y direction by the two-dimensional heat diffusion members 260a and 260b. Thus, since the heat generated in the semiconductor chip 20 is easily dispersed, the temperature rise of the semiconductor chip 20 is further suppressed. Further, as described above, the two-dimensional heat diffusion member 260a and the two-dimensional heat diffusion member 260b are connected to each other through the metal layer 262b. For this reason, heat is easily transmitted between the two-dimensional heat diffusion member 260a and the two-dimensional heat diffusion member 260b. Therefore, the heat generated in the semiconductor chip 20 is easily transmitted by the heat radiating plate 50 through the heat radiating block 22. Thereby, the temperature rise of the semiconductor chip 20 is further suppressed. Therefore, in the semiconductor module of Example 2, the temperature of the semiconductor chip 20 is unlikely to rise.

実施例2の構成と請求項の構成の関係は、以下の通りである。実施例2の二次元熱拡散部材260bは、請求項の第1二次元熱拡散部材の一例である。実施例2の二次元熱拡散部材260bでは、y方向(第1方向)における熱伝導率よりも、y方向に直交するx方向と厚み方向(すなわち、第1方向に直交する第1平面内)における熱伝導率が高い。実施例2の二次元熱拡散部材260aは、請求項の第2二次元熱拡散部材の一例である。実施例2の二次元熱拡散部材260aでは、x方向(第2方向)における熱伝導率よりも、x方向に直交するy方向と厚み方向(すなわち、第2方向に直交する第2平面内)における熱伝導率が高い。半導体チップ20と放熱ブロック22の積層方向に直交する断面(例えば、各二次元熱拡散部材260a、260bのxy平面における断面)において、第1平面が伸びる方向(すなわち、x方向)が、第2平面が伸びる方向(すなわち、y方向)と異なる。   The relationship between the configuration of the second embodiment and the configuration of the claims is as follows. The two-dimensional heat diffusion member 260b according to the second embodiment is an example of a first two-dimensional heat diffusion member according to claims. In the two-dimensional heat diffusing member 260b of Example 2, the x direction perpendicular to the y direction and the thickness direction (that is, in the first plane perpendicular to the first direction) rather than the thermal conductivity in the y direction (first direction). High thermal conductivity. The two-dimensional heat diffusion member 260a according to the second embodiment is an example of a second two-dimensional heat diffusion member according to claims. In the two-dimensional heat diffusing member 260a of Example 2, the y direction and the thickness direction (that is, in the second plane orthogonal to the second direction) perpendicular to the x direction rather than the thermal conductivity in the x direction (second direction). High thermal conductivity. In a cross section orthogonal to the stacking direction of the semiconductor chip 20 and the heat dissipation block 22 (for example, a cross section in the xy plane of each of the two-dimensional heat diffusion members 260a and 260b), the direction in which the first plane extends (that is, the x direction) is the second. It is different from the direction in which the plane extends (that is, the y direction).

なお、実施例2の半導体モジュールでは、二次元熱拡散部材260a、260bの端面が露出しているが、二次元熱拡散部材260a、260bの表面全体が金属層262a〜262cで覆われていてもよい。   In the semiconductor module of Example 2, the end surfaces of the two-dimensional heat diffusion members 260a and 260b are exposed. Good.

また、実施例2の半導体モジュールでは、2つの二次元熱拡散部材260a、260bが積層されていたが、3つ以上の二次元熱拡散部材が積層されていてもよい。   In the semiconductor module of Example 2, two two-dimensional heat diffusion members 260a and 260b are stacked. However, three or more two-dimensional heat diffusion members may be stacked.

また、上述した実施例1、2では、二次元熱拡散部材の間に介装されている熱伝導部材が金属層であったが、熱伝導部材がセラミックス等の非金属の高熱伝導材料により構成されていてもよい。   In Examples 1 and 2 described above, the heat conducting member interposed between the two-dimensional heat diffusing members is a metal layer, but the heat conducting member is made of a non-metallic high heat conducting material such as ceramics. May be.

以下に、本明細書が開示する半導体モジュールの構成を列挙する。なお、各構成は、いずれも独立して有用なものである。   The configurations of the semiconductor modules disclosed in this specification are listed below. Each configuration is useful independently.

本明細書に開示の技術の一例では、半導体モジュールが、半導体チップと、前記半導体チップに接続されている放熱部材を有する。前記放熱部材が、第1方向における熱伝導率よりも、前記第1方向に直交する第1平面内における熱伝導率が高い第1二次元熱拡散部材と、第2方向における熱伝導率よりも、前記第2方向に直交する第2平面内における熱伝導率が高い第2二次元熱拡散部材と、前記第1二次元熱拡散部材と前記第2二次元熱拡散部材の間に介装されている第1熱伝導部材を有している。前記半導体チップと前記放熱部材の積層方向に直交する断面において、前記第1平面が伸びる方向が、前記第2平面が伸びる方向と異なる。   In an example of the technique disclosed in this specification, a semiconductor module includes a semiconductor chip and a heat dissipation member connected to the semiconductor chip. The heat radiating member is higher than the thermal conductivity in the first direction, the first two-dimensional heat diffusing member having a higher thermal conductivity in the first plane orthogonal to the first direction, and the thermal conductivity in the second direction. The second two-dimensional heat diffusion member having a high thermal conductivity in a second plane orthogonal to the second direction, and interposed between the first two-dimensional heat diffusion member and the second two-dimensional heat diffusion member. The first heat conducting member is provided. In the cross section orthogonal to the stacking direction of the semiconductor chip and the heat dissipation member, the direction in which the first plane extends is different from the direction in which the second plane extends.

本明細書に開示の技術の一例では、前記放熱部材が、第3方向における熱伝導率よりも、前記第3方向に直交する第3平面内における熱伝導率が高い第3二次元熱拡散部材と、前記第2二次元熱拡散部材と前記第3二次元熱拡散部材の間に介装されている第2熱伝導部材をさらに有している。前記第1二次元熱拡散部材と前記第2二次元熱拡散部材が、前記積層方向に直交する前記断面内で互いに隣接するように配置されている。前記第2二次元熱拡散部材と前記第3二次元熱拡散部材が、前記積層方向に直交する前記断面内で互いに隣接するように配置されている。前記半導体チップが、前記積層方向に沿って見たときに、前記第1二次元熱拡散部材、前記第2二次元熱拡散部材及び前記第3二次元熱拡散部材と重なる位置に配置されている。前記積層方向に直交する前記断面において、前記第1平面が伸びる前記方向と、前記第2平面が伸びる前記方向と、前記第3平面が伸びる方向が、前記半導体チップから放射状に伸びている。   In an example of the technology disclosed in the present specification, the heat radiating member is a third two-dimensional heat diffusing member having a higher thermal conductivity in a third plane orthogonal to the third direction than the thermal conductivity in the third direction. And a second heat conducting member interposed between the second two-dimensional heat diffusing member and the third two-dimensional heat diffusing member. The first two-dimensional heat diffusing member and the second two-dimensional heat diffusing member are disposed adjacent to each other within the cross section perpendicular to the stacking direction. The second two-dimensional heat diffusing member and the third two-dimensional heat diffusing member are disposed adjacent to each other in the cross section perpendicular to the stacking direction. The semiconductor chip is disposed at a position overlapping the first two-dimensional heat diffusion member, the second two-dimensional heat diffusion member, and the third two-dimensional heat diffusion member when viewed along the stacking direction. . In the cross section orthogonal to the stacking direction, the direction in which the first plane extends, the direction in which the second plane extends, and the direction in which the third plane extends extend radially from the semiconductor chip.

本明細書に開示の技術の一例では、前記第1二次元熱拡散部材と前記第2二次元熱拡散部材が、前記積層方向に沿って積層されている。   In an example of the technique disclosed in this specification, the first two-dimensional heat diffusion member and the second two-dimensional heat diffusion member are stacked along the stacking direction.

本明細書に開示の技術の一例では、前記熱伝導部材が銅である。   In an example of the technique disclosed in this specification, the heat conducting member is copper.

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの1つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
The embodiments have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of them.

10 :半導体モジュール
20 :半導体チップ
22 :放熱ブロック
50 :放熱板
60 :二次元熱拡散部材
60a :配向性グラファイト層
62 :金属層
10: Semiconductor module 20: Semiconductor chip 22: Heat radiation block 50: Heat radiation plate 60: Two-dimensional heat diffusion member 60a: Oriented graphite layer 62: Metal layer

Claims (1)

半導体モジュールであって、
半導体チップと、
前記半導体チップに接続されている放熱部材、
を有し、
前記放熱部材が、
第1方向における熱伝導率よりも、前記第1方向に直交する第1平面内における熱伝導率が高い第1二次元熱拡散部材と、
第2方向における熱伝導率よりも、前記第2方向に直交する第2平面内における熱伝導率が高い第2二次元熱拡散部材と、
前記第1二次元熱拡散部材と前記第2二次元熱拡散部材の間に介装されている第1熱伝導部材と、
第3方向における熱伝導率よりも、前記第3方向に直交する第3平面内における熱伝導率が高い第3二次元熱拡散部材と
前記第2二次元熱拡散部材と前記第3二次元熱拡散部材の間に介装されている第2熱伝導部材、
を有しており、
前記半導体チップと前記放熱部材の積層方向に直交する断面において、前記第1平面が伸びる方向が、前記第2平面が伸びる方向と異なり、
前記第1二次元熱拡散部材と前記第2二次元熱拡散部材が、前記積層方向に直交する前記断面内で互いに隣接するように配置されており、
前記第2二次元熱拡散部材と前記第3二次元熱拡散部材が、前記積層方向に直交する前記断面内で互いに隣接するように配置されており、
前記半導体チップが、前記積層方向に沿って見たときに、前記第1二次元熱拡散部材、前記第2二次元熱拡散部材及び前記第3二次元熱拡散部材と重なる位置に配置されており、
前記積層方向に直交する前記断面において、前記第1平面が伸びる前記方向と、前記第2平面が伸びる前記方向と、前記第3平面が伸びる方向が、前記半導体チップから放射状に伸びている、
半導体モジュール。
A semiconductor module,
A semiconductor chip;
A heat dissipation member connected to the semiconductor chip,
Have
The heat dissipation member is
A first two-dimensional heat diffusion member having a higher thermal conductivity in a first plane perpendicular to the first direction than the thermal conductivity in the first direction;
A second two-dimensional heat diffusion member having a higher thermal conductivity in a second plane perpendicular to the second direction than the thermal conductivity in the second direction;
A first heat conduction member interposed between the first two-dimensional heat diffusion member and the second two-dimensional heat diffusion member ;
A third two-dimensional heat diffusing member having a higher thermal conductivity in a third plane perpendicular to the third direction than the thermal conductivity in the third direction;
A second heat conducting member interposed between the second two-dimensional heat diffusing member and the third two-dimensional heat diffusing member,
Have
The semiconductor chip as that of the cross section perpendicular to the stacking direction of the heat dissipation member, a direction that the first plane extends is, unlike the direction in which the second plane extends,
The first two-dimensional heat diffusing member and the second two-dimensional heat diffusing member are arranged adjacent to each other in the cross section perpendicular to the stacking direction;
The second two-dimensional heat diffusing member and the third two-dimensional heat diffusing member are disposed adjacent to each other in the cross section perpendicular to the stacking direction;
The semiconductor chip is disposed at a position overlapping the first two-dimensional heat diffusion member, the second two-dimensional heat diffusion member, and the third two-dimensional heat diffusion member when viewed along the stacking direction. ,
In the cross section perpendicular to the stacking direction, the direction in which the first plane extends, the direction in which the second plane extends, and the direction in which the third plane extends extend radially from the semiconductor chip.
Semiconductor module.
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