(57)【要約】  半導体装置（２）は、動作状態において発熱する半導体デバイスを有する熱源（８）（ＴＳ）と、熱源（８）（ＴＳ）に熱的に接続されると共に、熱源と反対方向に空間を有する熱拡散部（１０）と、熱拡散部（１０）の空間内に配置され、熱拡散部に一端が接続された複数の空冷フィン部（１６1・１６2・１６3・…・１６n）とを備え、更に、熱拡散部（１０）に接続されたベース部（１４）を備え、複数の空冷フィン部（１６1・１６2・１６3・…・１６n）は、ベース部（１４）と複数の熱接触部ＣＰ１・ＣＰ２・ＣＰ３・…・ＣＰｎを介して接続される。空冷式で高放熱性能かつ軽量化可能な半導体装置、パワーモジュールおよび電源装置を提供する。
2019102665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作状態において発熱する半導体デバイスを有する熱源と、
前記熱源に熱的に接続されると共に、前記熱源と反対方向に空間を有する熱拡散部と、
前記熱拡散部の前記空間内に配置され、前記熱拡散部に一端が接続された複数のフィン部と
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記熱拡散部に接続されたベース部を備え、
前記複数のフィン部の各一端は、前記ベース部と接続されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記熱拡散部と前記複数のフィン部に取り囲まれ、前記熱拡散部と前記複数のフィン部の熱接触空間部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記熱拡散部は、銅（Ｃｕ）若しくはベーパーチャンバを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記熱拡散部は、異方性な熱伝導率を有するグラファイト基板を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ベース部は、異方性な熱伝導率を有するグラファイト基板を備えることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記グラファイト基板の熱伝導率が相対的に高い配向方向に前記グラファイト基板を配置することを特徴とする請求項５または６に記載の半導体装置。
【請求項８】
動作状態において発熱する半導体デバイスからなる熱源と、
前記熱源に熱的に接続された熱拡散部と、
前記熱拡散部に接続された複数の放熱部と
を備え、
前記熱拡散部は、前記放熱部を空間的に包含する冷却器を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
前記熱拡散部は、開口部を備え、前記放熱部を包含する空間は、前記開口部において開口されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記熱拡散部は、前記放熱部を空間的に閉じた状態で包含していることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記放熱部は、ベース部と、前記ベース部に接続された複数の空冷フィン部とを備え、
前記ベース部は、前記熱拡散部に接触していることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記放熱部の一部は、前記熱拡散部と前記開口部以外の非接触部を備えることを特徴とする請求項９または１１に記載の半導体装置。
【請求項１３】
Ｔ１を前記ベース部の表面温度、Ｔ２を前記空冷フィン部の根元温度、Ｔ３を前記空冷フィン部の先端温度、ＬＢ（ｍｍ）を前記ベース部のベース長とすると、
ＲＡＴＩＯ＝（Ｔ２−Ｔ３）／（Ｔ１−Ｔ２）の値は、２５／ＬＢ（ｍｍ）以下であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記熱拡散部を構成する材料の熱伝導率は、前記放熱部を構成する材料の熱伝導率以上であることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記熱拡散部は、銅（Ｃｕ）若しくはベーパーチャンバを備えることを特徴とする請求項８〜１４のいずれか１項に記載の冷却器を有する半導体装置。
【請求項１６】
前記熱拡散部は、異方性な熱伝導率を有するグラファイト基板を備えることを特徴とする請求項８〜１４のいずれか１項に記載の冷却器を有する半導体装置。
【請求項１７】
前記ベース部は、異方性な熱伝導率を有するグラファイト基板を備えることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記グラファイト基板の熱伝導率が相対的に高い配向方向に前記グラファイト基板を配置することを特徴とする請求項１６または１７に記載の半導体装置。
【請求項１９】
前記半導体デバイスは、Ｓｉ系またはＳｉＣ系のＩＧＢＴ、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮ系ＦＥＴのいずれかを備えることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項２０】
前記半導体デバイスは、ワンインワンモジュール、ツーインワンモジュール、フォーインワンモジュール、シックスインワンモジュール、セブンインワンモジュール、エイトインワンモジュール、トゥエルブインワンモジュール、またはフォーティーンインワンモジュールのいずれかの構成を備えることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項２１】
前記半導体デバイスは、前記シックスインワンモジュールタイプのインバータまたはコンバータを構成することを特徴とする請求項２０に記載のパワーモジュール。
【請求項２２】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載の半導体装置またはパワーモジュールを用いて入力電圧を変換して出力することを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施の形態は、半導体装置、パワーモジュールおよび電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールの１つとして、従来から、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）のようなパワー素子（チップ）を含む半導体デバイスの外囲が樹脂でモールドされたパワーモジュールが知られている。【０００３】
動作状態において、半導体デバイスは発熱するため、基板の裏面側にヒートシンクやフィンなどの放熱器を配置して放熱させ、半導体デバイスを冷却するのが一般的である。【０００４】
近年、電子材料は発熱密度の上昇が問題となっている。それに伴い、部品の接合温度Ｔｊを設計値以内に抑えるためには、冷却器の性能向上が望まれる。例えば、電気自動車の電力変換部に用いられるパワーモジュールでは、冷却器には水冷式の冷却器が用いられることが主流になっている。ところが、水冷方式では、冷媒を蓄えるタンクや、水を送るポンプ等が必要となり、冷却システム全体で見るとシステムが複雑で巨大になるために重量が重くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−０３３７９９号公報
【特許文献２】特開２００９−２７７６９９号公報
【特許文献３】特開２００１−２２３３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本実施の形態は、空冷式で高放熱性能かつ軽量化可能な半導体装置、パワーモジュールおよび電源装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施の形態の一態様によれば、動作状態において発熱する半導体デバイスを有する熱源と、前記熱源に熱的に接続されると共に、前記熱源と反対方向に空間を有する熱拡散部と、前記熱拡散部の前記空間内に配置され、前記熱拡散部に一端が接続された複数のフィン部とを備えた半導体装置が提供される。【０００８】
本実施の形態の他の態様によれば、動作状態において発熱する半導体デバイスからなる熱源と、前記熱源に熱的に接続された熱拡散部と、前記熱拡散部に接続された複数の放熱部とを備え、前記熱拡散部は、前記放熱部を空間的に包含する冷却器を有する半導体装置が提供される。【０００９】
本実施の形態の他の態様によれば、上記の半導体デバイスは、ワンインワンモジュール、ツーインワンモジュール、フォーインワンモジュール、シックスインワンモジュール、セブンインワンモジュール、エイトインワンモジュール、トゥエルブインワンモジュール、またはフォーティーンインワンモジュールのいずれかの構成を備えるパワーモジュールが提供される。【００１０】
本実施の形態の他の態様によれば、上記の半導体装置またはパワーモジュールを用いて入力電圧を変換して出力する電源装置が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本実施の形態によれば、空冷式で高放熱性能かつ軽量化可能な半導体装置、パワーモジュールおよび電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】パワーモジュール(Power Module 以下ＰＭと表示する)からの発生熱移動の様子を説明する概念図。
【図２】冷却方法の違いによる熱伝達能力の比較図。
【図３】本実施の形態に係る半導体装置の模式的構成図。
【図４】本実施の形態に係る半導体装置において、高熱伝導な材料を用いて熱を拡散させる熱拡散部と空冷フィン部の熱接触空間部を設ける構成の模式的断面図。
【図５】本実施の形態に係る半導体装置において、空冷フィン部を熱拡散部に複数箇所で熱接触して低熱抵抗化を図る構成を説明する熱抵抗回路の模式的構成図。
【図６】第１の実施の形態に係る半導体装置の模式的断面構造図。
【図７】第２の実施の形態に係る半導体装置の模式的断面構造図。
【図８】第３の実施の形態に係る半導体装置の模式的断面構造図。
【図９】第４の実施の形態に係る半導体装置の模式的断面構造図。
【図１０】本実施の形態に係る半導体装置において、熱流体シミュレーション計算評価方法の説明図。
【図１１】本実施の形態に係る半導体装置において、熱流体シミュレーションに適用する各構成材料の説明図。
【図１２】本実施の形態に係る半導体装置において、（ａ）空冷フィン部１本分の等価熱抵抗の説明図、（ｂ）空冷フィン部１本分の等価熱抵抗回路構成図。
【図１３】本実施の形態に係る半導体装置において、（ａ）空冷フィン部３本分の等価熱抵抗の説明図、（ｂ）空冷フィン部３本分の等価熱抵抗回路構成図。
【図１４】本実施の形態に係る半導体装置において、ベース部と空冷フィン部が同一材料の場合の材料をパラメータとした熱抵抗Ｒth(fin)(Ｋ／Ｗ)と空冷フィン長ＬＦ（ｍｍ）の関係のシミュレーション結果。
【図１５】本実施の形態に係る半導体装置において、ベース部と空冷フィン部が同一材料の場合の材料をパラメータとしたＲＡＴＩＯと空冷フィン長ＬＦ（ｍｍ）の関係のシミュレーション結果。
【図１６】本実施の形態に係る半導体装置において、（ａ）ベース部と空冷フィン部が同一材料の場合の模式的構成図、（ｂ）ベース部と空冷フィン部が異なる材料の場合の模式的構成図、（ｃ）グラファイト、銅、アルミニウム、合金、鉄の各材料の性能一覧を示す図。
【図１７】本実施の形態に係る半導体装置において、ベース部と空冷フィン部が異なる材料の場合の熱抵抗シミュレーション結果（空冷フィン長ＬＦ＝８０ｍｍ）。
【図１８】本実施の形態に係る半導体装置において、ベース部と空冷フィン部が異なる材料の場合の熱抵抗シミュレーション結果（空冷フィン長ＬＦ＝４０ｍｍ）。
【図１９】本実施の形態に係る半導体装置において、ベース部と空冷フィン部が異なる材料の場合の熱抵抗シミュレーション結果（空冷フィン長ＬＦ＝２０ｍｍ）。
【図２０】本実施の形態に係る半導体装置において、ベース部と空冷フィン部が異なる材料の場合の熱抵抗シミュレーション結果（空冷フィン長ＬＦ＝１０ｍｍ）。
【図２１】本実施の形態に係る半導体装置において、（ａ）ベース部-空冷フィン部がＣｕ-Ｃｕ、Ｃｕ-Ｇｒ、Ａｌ-Ｇｒ、合金-Ｇｒ、鉄-Ｇｒの場合のＲＡＴＩＯと熱抵抗のシミュレーション結果（空冷フィン長ＬＦ＝８０ｍｍ）、（ｂ）ベース部-空冷フィン部がＣｕ-Ｃｕ、Ｃｕ-Ｇｒ、Ａｌ-Ｇｒ、合金-Ｇｒ、鉄-Ｇｒの場合のＲＡＴＩＯと熱抵抗のシミュレーション結果（空冷フィン長ＬＦ＝１０ｍｍ）。
【図２２】本実施の形態に係る半導体装置において、（ａ）空冷フィン長ＬＦをパラメータとする熱抵抗とフィン枚数との関係のシミュレーション結果、（ｂ）空冷フィン長ＬＦをパラメータとするＲＡＴＩＯとフィン枚数との関係のシミュレーション結果。
【図２３】第５の実施の形態に係る半導体装置の模式的断面構造図。
【図２４】第６の実施の形態に係る半導体装置の模式的断面構造図。
【図２５】本実施の形態に係るＳｉＣ  ＰＭ（2 in 1）８であって、（ａ）本実施の形態に係る半導体装置に搭載された鳥瞰構成図、（ｂ）図２５（ａ）において矢印Ａ方向から見た正面図、（ｃ）上面図。
【図２６】本実施の形態に係る半導体装置にＳｉＣ  ＰＭを搭載した構成例の模式的断面構造図。
【図２７】本実施の形態に係るＳｉＣ  ＰＭ（2 in 1）の組み立て方法であって、（ａ）ＳｉＣ  ＰＭをベーパーチャンバに取り付ける工程図、（ｂ）空冷フィン部をベーパーチャンバに取り付ける工程図、（ｃ）ファンを取り付ける工程図。
【図２８】本実施の形態に係るＳｉＣ  ＰＭ（6 in 1）であって、本実施の形態に係る半導体装置に搭載された鳥瞰構成図、（ｂ）側面図、（ｃ）上面図。
【図２９】本実施の形態に係るＳｉＣ  ＰＭ（6 in 1）の組み立て方法であって、（ａ）ＳｉＣ  ＰＭをベーパーチャンバに取り付ける工程図、（ｂ）空冷フィン部をベーパーチャンバに取り付ける工程図、（ｃ）ファンを取り付ける工程図。
【図３０】本実施の形態に係るＳｉＣ  ＰＭ（6 in 1）の別の構成例の模式的断面構造図。
【図３１】本実施の形態に係る半導体装置に適用可能なベーパーチャンバであって、（ａ）上コンテナの鳥瞰図、（ｂ）下コンテナの鳥瞰図、（ｃ）動作原理の説明図。
【図３２】本実施の形態に係る半導体装置に適用可能なグラファイト基板を構成するグラファイトプレート（グラファイトシート）の積層構造の模式的鳥瞰構成図。
【図３３】本実施の形態に係る半導体装置に適用可能なグラファイト基板の一例であって、（ａ）ＸＹ配向のグラファイト基板の適用例を例示する模式的鳥瞰構成図、（ｂ）ＸＺ配向のグラファイト基板の適用例を例示する模式的鳥瞰構成図、（ｃ）ＸＹ配向のグラファイト基板を９０°回転させてＸＺ配向のグラファイト基板を得る様子の説明図。
【図３４】比較例に係る冷却器の効果検証シミュレーション結果。
【図３５】本実施の形態（Ｃｕ）に係る半導体装置の効果検証シミュレーション結果。
【図３６】本実施の形態（ＣｕＶＣ）に係る半導体装置の効果検証シミュレーション結果。
【図３７】比較例１、比較例２、実施の形態（Ｃｕ）、実施の形態（ＣｕＶＣ）に係る半導体装置の熱抵抗Ｒth(fin)のシミュレーション結果。
【図３８】本実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭであって、ワンインワン（１ in １）モジュールのＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的回路表現図。
【図３９】本実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭであって、１ in １モジュールのＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ（Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）の詳細回路表現図。
【図４０】本実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭであって、ツーインワン（２ in １）モジュールのＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的回路表現図。
【図４１】本実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭに適用可能な半導体デバイスの例であって、ソースパッド電極ＳＰ、ゲートパッド電極ＧＰを含むＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的断面構造図。
【図４２】本実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭに適用可能な半導体デバイスの例であって、エミッタパッド電極ＥＰ、ゲートパッド電極ＧＰを含むＩＧＢＴの模式的断面構造図。
【図４３】本実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭに適用可能な半導体デバイスの例であって、ＳｉＣ  ＤＩ（Double Implanted）  ＭＯＳＦＥＴの模式的断面構造図。
【図４４】本実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭに適用可能な半導体デバイスの例であって、ＳｉＣ  Ｔ（Trench）  ＭＯＳＦＥＴの模式的断面構造図。
【図４５】本実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭを用いて構成した３相交流インバータの回路構成において、半導体デバイスとしてＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴを適用し、電源端子ＰＬ・接地端子ＮＬ間にスナバコンデンサを接続した回路構成例。
【図４６】本実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭを用いて構成した３相交流インバータの回路構成において、半導体デバイスとしてＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴを適用した３相交流インバータの回路構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、図面を参照して、本実施の形態について説明する。以下に説明する図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の厚みと平面寸法との関係などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１４】
また、以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、各構成部品の材質、形状、構造、配置などを特定するものではない。この実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１５】
［第１の実施の形態］
（基本技術）
ＰＭ８０からの発生熱移動の様子を説明する概念図は、図１に示すように表される。ＰＭ８０は、冷却器９０上に搭載される。冷却器９０は、冷媒２８中に配置される。冷媒２８は、水冷の場合には水であり、空冷の場合には空気である。
【００１６】
ＰＭ８０は、動作状態において発熱する熱源（Thermal Source、以下ＴＳと表示する）となる半導体デバイスＱ２０を備える。半導体デバイスＱ２０は、例えば、セラミックス絶縁基板上に配置される。セラミックス絶縁基板は、例えば、ＤＢＣ（Direct Bonding Copper）基板により形成可能である。図１の例では、セラミックス絶縁基板は、セラミックス基板２１と、セラミックス基板２１の表面電極層２３と、セラミックス基板２１の裏面電極層２２とを備え、半導体デバイスＱ２０は、表面電極層２３上に、例えば、銀焼成層２７により接合される。また、裏面電極層２２は、熱伝導層２５を介して、冷却器９０と接続される。半導体デバイスＱ２０は、例えば、ＩＧＢＴ、ダイオード、Ｓｉ系ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ系ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮ系ＦＥＴのいずれかを備えていても良い。熱伝導層２５は、例えば、熱伝導シート層、半田層、若しくは銀焼成層のいずれかを備えていても良い。また、ＰＭ８０は、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などのモールド樹脂層３００により、樹脂成型されている。
【００１７】
動作状態において発熱する熱源ＴＳとなる半導体デバイスＱ２０からの熱は、太い矢印で示すように、銀焼成層２７、セラミックス絶縁基板（２３／２１／２２）、熱伝導層２５を介して、冷却器９０に伝達される。更に、冷却器９０からは、細い矢印で示すように、水若しくは空気等の冷媒２８に伝達される。
【００１８】
ここで、半導体デバイスＱ２０から、冷媒２８までの熱抵抗Ｒjaは、熱伝導部ＴＣにおける熱抵抗と、熱伝達部ＴＴにおける熱抵抗の総和により表される。
【００１９】
熱伝導部ＴＣにおける熱抵抗は、ＰＭ８０における熱抵抗であり、ｔ／λＡで表される。ｔは熱伝導部ＴＣの厚さ、λは熱伝導部ＴＣの熱伝導率、Ａは伝熱面積を表す。
【００２０】
熱伝達部ＴＴにおける熱抵抗は、冷却器９０における熱抵抗であり、１／ＨＡで表される。Ｈは冷却器９０における熱伝達係数を表す。
【００２１】
熱抵抗Ｒjaは、（１）式で表される。すなわち、
Ｒja＝ｔ／λＡ＋１／ＨＡ                                  （１）
水冷方式では、熱伝導部ＴＣにおける熱抵抗に比べ、熱伝達部ＴＴにおける熱抵抗は、低いが、空冷方式では、熱伝導部ＴＣにおける熱抵抗は、熱伝達部ＴＴにおける熱抵抗と同程度であり、全体の熱抵抗Ｒjaの約５０％程度となる。
【００２２】
ここで、冷却方法の違いによる熱伝達能力の比較は、図２に示すように表される。
【００２３】
冷媒２８が空気である空冷方式の場合、熱伝達率は、数（Ｗ／ｍ2・Ｋ）〜数１００（Ｗ／ｍ2・Ｋ）である。冷媒２８が水である水冷方式の場合、熱伝達率は、数１０（Ｗ／ｍ2・Ｋ）〜数１０００（Ｗ／ｍ2・Ｋ）である。空冷方式では、水冷方式に比べて、熱伝達の効率が悪く、冷却能力は、相対的に低い。また、水冷方式では、水を循環させる必要があるために冷却システム全体が複雑になる。一方、空冷方式では、冷媒を循環させる機構が大幅な簡素化が可能になるため水冷方式に比べてシステムの簡素化が可能である。したがって、冷却システムの簡素化のためには、空冷方式でかつ、熱伝達部で生じる熱抵抗値は水冷方式と同程度の冷却器が望ましい。
【００２４】
図３に示す本実施の形態に係る半導体装置２は、熱源８（ＴＳ）と、熱源８（ＴＳ）に接続された熱拡散部１０と、熱拡散部１０に接続されたベース部１４と、ベース部１４と熱接触部ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３、…、ＣＰｎを介して接続された空冷フィン部１６1、１６2、１６3、…、１６nとを備える。熱接触部ＣＰは複数存在し、ベース部１４は、それぞれの熱接触部ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３、…、ＣＰｎにおいて、空冷フィン部１６1、１６2、１６3、…、１６nと接続される。
【００２５】
また、図４に示す本実施の形態に係る半導体装置２は、熱源８（ＴＳ）と、熱源８（ＴＳ）に接続された熱拡散部１０と、熱拡散部１０と空冷フィン部（図示省略）の熱接触空間部ＳＰＡＣＥとを備えていても良い。
【００２６】
熱拡散部１０は、高熱伝導な材料を備え、熱を拡散させることができる。熱拡散部１０は、高熱伝導な材料として、例えば銅（Ｃｕ）で形成可能である、また、熱拡散部１０は、ベーパーチャンバを用いても良い。熱拡散部１０と空冷フィン部（図示省略）は、熱接触部ＣＰにより接続されている。
【００２７】
本実施の形態に係る半導体装置２は、高熱伝導な材料を用いて熱を拡散させる熱拡散部１０と、熱拡散部１０と空冷フィン部（図示省略）の熱接触空間ＳＰＡＣＥを備え、空冷フィン部を熱拡散部１０に複数箇所で熱接触するため、冷却器の低熱抵抗化を図ることができる。
【００２８】
本実施の形態に係る半導体装置２において、複数の空冷フィン部１６1、１６2、１６3、…、１６nを熱拡散部１０に複数の熱接触部ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３、…、ＣＰｎで熱接触して低熱抵抗化を図る構成を説明する熱抵抗回路の模式的構成は、図５に示すように表される。
【００２９】
本実施の形態に係る半導体装置２は、高熱伝導な材料を用いて熱を拡散させる熱拡散部１０と、熱拡散部１０と接続されるベース部１４と、ベース部１４と複数の空冷フィン部１６1、１６2、１６3、…、１６nを複数箇所で熱接触する熱接触部ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３、…、ＣＰｎとを備え、複数の空冷フィン部１６1、１６2、１６3、…、１６nをベース部１４を介して熱拡散部１０に複数箇所で熱接触するため、冷却器の低熱抵抗化を図ることができる。
【００３０】
［第１の実施の形態の構成］
第１の実施の形態に係る半導体装置２の模式的断面構造は、図６に示すように表される。
【００３１】
図６に示す第１の実施の形態に係る冷却器を有する半導体装置２は、放熱部６を２系統備える。
【００３２】
第１の実施の形態に係る半導体装置２は、図６に示すように、動作状態において発熱する半導体デバイスからなる熱源８（ＴＳ）と、熱源８（ＴＳ）に接続された熱拡散部１０と、熱拡散部１０に接続された複数の空冷フィン部１６ＦＡ１・１６ＦＡ２・１６ＦＡ３・…・１６ＦＡｍ、１６ＦＢ１・１６ＦＢ２・１６ＦＢ３・…・１６ＦＢｍとを備える。
【００３３】
また、熱伝導層１２ＳＡ・１２ＳＢを介して熱拡散部１０に接続されたベース部１４ＰＡ・１４ＰＢを備える。熱伝導層１２ＳＡ・１２ＳＢは、例えば、熱伝導シート層、半田層であっても良い。また、複数の空冷フィン部１６ＦＡ１・１６ＦＡ２・１６ＦＡ３・…・１６ＦＡｍ、１６ＦＢ１・１６ＦＢ２・１６ＦＢ３・…・１６ＦＢｍは、ベース部１４ＰＡ・１４ＰＢと複数の熱接触部を介して接続される。
【００３４】
また、熱拡散部１０と複数の空冷フィン部１６ＦＡ１・１６ＦＡ２・１６ＦＡ３・…・１６ＦＡｍ、１６ＦＢ１・１６ＦＢ２・１６ＦＢ３・…・１６ＦＢｍに取り囲まれ、熱拡散部１０と複数の空冷フィン部１６ＦＡ１・１６ＦＡ２・１６ＦＡ３・…・１６ＦＡｍ、１６ＦＢ１・１６ＦＢ２・１６ＦＢ３・…・１６ＦＢｍの熱接触空間部ＯＡを備える。ここで、熱接触空間部ＯＡは、自然空冷若しくは強制空冷による空気層であっても良い。
【００３５】
更に、外部空間との開口部ＡＰを備えていても良い。また、空気の流れが確保される構造であれば、開口部ＡＰを備えていなくても良い。
【００３６】
また、熱拡散部１０は、高熱伝導な材料を用いて熱を効率的に拡散可能であれば良い。例えば、銅（Ｃｕ）若しくはベーパーチャンバを備えていても良い。
【００３７】
また、ベース部１４ＰＡ・１４ＰＢと、空冷フィン部１６ＦＡ１・１６ＦＡ２・１６ＦＡ３・…・１６ＦＡｍ、１６ＦＢ１・１６ＦＢ２・１６ＦＢ３・…・１６ＦＢｍは、同一材料で構成されていても良く、互いに異なる材料で構成されていても良い。
【００３８】
また、熱拡散部１０若しくはベース部１４ＰＡ・１４ＰＢは、異方性な熱伝導率を有するグラファイト基板を備えていても良い。すなわち、熱拡散部１０若しくはベース部１４ＰＡ・１４ＰＢは、グラファイト基板の熱伝導率が相対的に高い配向方向にグラファイト基板を配置することで、グラファイト基板の異方性な熱伝導率を有効に利用しても良い。
【００３９】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態に係る半導体装置２の模式的断面構造は、図７に示すように表される。
【００４０】
第２の実施の形態に係る半導体装置２は、図７に示すように、放熱部６を２系統備える。
【００４１】
図７に示す第２の実施の形態に係る半導体装置２は、動作状態において発熱する半導体デバイスからなる熱源８（ＴＳ）と、熱源８（ＴＳ）に接続された熱拡散部１０と、熱拡散部１０に接続された複数の空冷フィン部１６ＦＡ１・１６ＦＡ２・１６ＦＡ３・…・１６ＦＡｍ、１７ＦＢ１・１７ＦＢ２・１７ＦＢ３・…・１７ＦＢｍとを備える。
【００４２】
また、熱伝導層１２ＳＡ・１２ＳＢを介して熱拡散部１０に接続されたベース部１４ＰＡ・１５ＰＢを備える。熱伝導層１２ＳＡ・１２ＳＢは、例えば、熱伝導シート層、半田層であっても良い。また、複数の空冷フィン部１６ＦＡ１・１６ＦＡ２・１６ＦＡ３・…・１６ＦＡｍ、１７ＦＢ１・１７ＦＢ２・１７ＦＢ３・…・１７ＦＢｍは、ベース部１４ＰＡ・１５ＰＢと複数の熱接触部を介して接続される。
【００４３】
第２の実施の形態に係る半導体装置２においては、ベース部１４ＰＡと、空冷フィン部１６ＦＡ１・１６ＦＡ２・１６ＦＡ３・…・１６ＦＡｍは、同一材料で構成されている。また、ベース部１４ＰＢと、空冷フィン部１７ＦＢ１・１７ＦＢ２・１７ＦＢ３・…・１７ＦＢｍは、同一材料で構成されている。
【００４４】
一方、ベース部１４ＰＡとベース部１４ＰＢは、互いに異なる材料で構成され、空冷フィン部１６ＦＡ１・１６ＦＡ２・１６ＦＡ３・…・１６ＦＡｍと、空冷フィン部１７ＦＢ１・１７ＦＢ２・１７ＦＢ３・…・１７ＦＢｍは、互いに異なる材料で構成されている。
【００４５】
例えば、ベース部１４ＰＡは相対的に低熱伝導な材料、ベース部１４ＰＢは相対的に高熱伝導な材料で構成されていても良い。同様に、空冷フィン部１６ＦＡ１・１６ＦＡ２・１６ＦＡ３・…・１６ＦＡｍは相対的に低熱伝導な材料、空冷フィン部１７ＦＢ１・１７ＦＢ２・１７ＦＢ３・…・１７ＦＢｍは相対的に高熱伝導な材料で構成されていても良い。その他の構成は、第１の実施の形態に係る半導体装置と同様である。
【００４６】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態に係る半導体装置２の模式的断面構造は、図８に示すように表される。
【００４７】
第３の実施の形態に係る半導体装置２は、図８に示すように、放熱部６を２系統備える。
【００４８】
図８に示す第３の実施の形態に係る半導体装置２は、動作状態において発熱する半導体デバイスからなる熱源８（ＴＳ）と、熱源８（ＴＳ）に接続された熱拡散部１０と、熱拡散部１０に接続された複数の空冷フィン部１６ＦＡ１Ｓ・１６ＦＡ２Ｓ・１６ＦＡ３Ｓ・…・１６ＦＡｍＳ、１６ＦＢ１Ｌ・１６ＦＢ２Ｌ・１６ＦＢ３Ｌ・…・１６ＦＢｍＬとを備える。
【００４９】
また、熱伝導層１２ＳＡ・１２ＳＢを介して熱拡散部１０に接続されたベース部１４ＰＡ・１４ＰＢを備える。熱伝導層１２ＳＡ・１２ＳＢは、例えば、熱伝導シート層、半田層であっても良い。また、複数の空冷フィン部１６ＦＡ１Ｓ・１６ＦＡ２Ｓ・１６ＦＡ３Ｓ・…・１６ＦＡｍＳ、１６ＦＢ１Ｌ・１６ＦＢ２Ｌ・１６ＦＢ３Ｌ・…・１６ＦＢｍＬは、ベース部１４ＰＡ・１４ＰＢと複数の熱接触部を介して接続される。
【００５０】
また、ベース部１４ＰＡ・１４ＰＢと、空冷フィン部１６ＦＡ１Ｓ・１６ＦＡ２Ｓ・１６ＦＡ３Ｓ・…・１６ＦＡｍＳ、１６ＦＢ１Ｌ・１６ＦＢ２Ｌ・１６ＦＢ３Ｌ・…・１６ＦＢｍＬは、同一材料で構成されている。
【００５１】
第３の実施の形態に係る半導体装置２においては、空冷フィン部１６ＦＡ１Ｓ・１６ＦＡ２Ｓ・１６ＦＡ３Ｓ・…・１６ＦＡｍＳの長さは、空冷フィン部１６ＦＢ１Ｌ・１６ＦＢ２Ｌ・１６ＦＢ３Ｌ・…・１６ＦＢｍＬの長さに比べ、相対的に短く構成されている。その他の構成は、第１の実施の形態に係る半導体装置と同様である。
【００５２】
［第４の実施の形態］
第４の実施の形態に係る半導体装置２の模式的断面構造は、図９に示すように表される。
【００５３】
第４の実施の形態に係る半導体装置２は、図９に示すように、放熱部６を２系統備える。
【００５４】
図９に示す第４の実施の形態に係る半導体装置２は、動作状態において発熱する半導体デバイスからなる熱源８（ＴＳ）と、熱源８（ＴＳ）に接続された熱拡散部１０と、熱拡散部１０に接続された複数の空冷フィン部１６ＦＡ１Ｓ・１６ＦＡ２Ｓ・１６ＦＡ３Ｓ・…・１６ＦＡｍＳ、１７ＦＢ１Ｌ・１７ＦＢ２Ｌ・１７ＦＢ３Ｌ・…・１７ＦＢｍＬとを備える。
【００５５】
また、熱伝導層１２ＳＡ・１２ＳＢを介して熱拡散部１０に接続されたベース部１４ＰＡ・１５ＰＢを備える。熱伝導層１２ＳＡ・１２ＳＢは、例えば、熱伝導シート層、半田層であっても良い。また、複数の空冷フィン部１６ＦＡ１Ｓ・１６ＦＡ２Ｓ・１６ＦＡ３Ｓ・…・１６ＦＡｍＳ、１７ＦＢ１Ｌ・１７ＦＢ２Ｌ・１７ＦＢ３Ｌ・…・１７ＦＢｍＬは、ベース部１４ＰＡ・１５ＰＢと複数の熱接触部を介して接続される。
【００５６】
第４の実施の形態に係る半導体装置２においては、ベース部１４ＰＡと、空冷フィン部１６ＦＡ１Ｓ・１６ＦＡ２Ｓ・１６ＦＡ３Ｓ・…・１６ＦＡｍＳは、同一材料で構成されている。また、ベース部１４ＰＢと、空冷フィン部１７ＦＢ１Ｌ・１７ＦＢ２Ｌ・１７ＦＢ３Ｌ・…・１７ＦＢｍＬは、同一材料で構成されている。
【００５７】
一方、ベース部１４ＰＡとベース部１４ＰＢは、互いに異なる材料で構成され、空冷フィン部１６ＦＡ１Ｓ・１６ＦＡ２Ｓ・１６ＦＡ３Ｓ・…・１６ＦＡｍＳと、空冷フィン部１７ＦＢ１Ｌ・１７ＦＢ２Ｌ・１７ＦＢ３Ｌ・…・１７ＦＢｍＬは、互いに異なる材料で構成されている。
【００５８】
例えば、ベース部１４ＰＡは相対的に低熱伝導な材料、ベース部１４ＰＢは相対的に高熱伝導な材料で構成されていても良い。同様に、空冷フィン部１６ＦＡ１Ｓ・１６ＦＡ２Ｓ・１６ＦＡ３Ｓ・…・１６ＦＡｍＳは相対的に低熱伝導な材料、空冷フィン部１７ＦＢ１Ｌ・１７ＦＢ２Ｌ・１７ＦＢ３Ｌ・…・１７ＦＢｍＬは相対的に高熱伝導な材料で構成されていても良い。
【００５９】
第４の実施の形態に係る半導体装置２においては、空冷フィン部１６ＦＡ１Ｓ・１６ＦＡ２Ｓ・１６ＦＡ３Ｓ・…・１６ＦＡｍＳの長さは、空冷フィン部１６ＦＢ１Ｌ・１６ＦＢ２Ｌ・１６ＦＢ３Ｌ・…・１６ＦＢｍＬの長さに比べ、相対的に短く構成されている。その他の構成は、第３の実施の形態に係る半導体装置と同様である。
【００６０】
以上説明したように、本実施の形態に係る半導体装置２は、図５に示すように、高熱伝導な材料を用いて熱を拡散させる熱拡散部１０と、熱拡散部１０と接続されるベース部１４と、ベース部１４と複数の空冷フィン部１６1、１６2、１６3、…、１６nを複数箇所で熱接触する熱接触部ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３、…、ＣＰｎとを備え、複数の空冷フィン部１６1、１６2、１６3、…、１６nをベース部１４を介して熱拡散部１０に複数箇所で熱接触するため、限定された空間（熱接触空間部ＯＡ）内で冷却器の低熱抵抗化を図ることができる。
【００６１】
空間（熱接触空間部ＯＡ）内を占有する空冷フィン（ベース部１４＋空冷フィン部１６1、１６2、１６3、…、１６n）には、様々な組み合わせ方法が可能である。例えば、材質を均一に形成しても良いし、異なる材料を用いて形成しても良い。また、相対的に高熱伝導な材料、相対的に低熱伝導な材料、或いはこれらの組み合わせを用いても良い。
【００６２】
（熱流体シミュレーション）
本実施の形態に係る半導体装置において、熱流体シミュレーション計算評価方法の説明図は、図１０に示すように表される。熱流体シミュレーションモデルにおいては、熱源８（ＴＳ）は、ベース部１４上に全面加熱するように配置している。図１０において、Ｔ１はベース部表面温度、Ｔ２は空冷フィン部根元温度、Ｔ３は空冷フィン部先端温度を表す。また、Ｗ１は冷却器厚、ＷＰは空冷フィン幅、ＬＦは空冷フィン長、ＬＢはベース長、Ｌ１はベース幅を表す。冷却器厚Ｗ１＝７０ｍｍ、ベース長ＬＢ＝５ｍｍ、ベース幅Ｌ１＝７０ｍｍ、空冷フィンスペースＦＳ＝ＬＦ／２０とした。冷却条件は、フィン前面に風速１０ｍ／ｓｅｃの空冷とし、外気の空気温度Ｔａ＝２０℃とした。以下の計算においては、トング比（ＬＦ／ＦＳ）＝２０と固定し、空冷フィン長ＬＦを変えて空冷フィン部１６の熱抵抗を調査している。
【００６３】
フィン評価項目としては、フィンの熱抵抗Ｒth(fin)(Ｋ／Ｗ)とフィン内部の温度差比率ＲＡＴＩＯを次式（２）、（３）で定義して適用した。
Ｒth(fin)(Ｋ／Ｗ)＝（Ｔ１−Ｔａ）／Ｗ                        （２）
ＲＡＴＩＯ＝（Ｔ２−Ｔ３）／（Ｔ１−Ｔ２）                  （３）
（２）式において、Ｗは、熱源８（ＴＳ）における消費電力を表し、例えば半導体デバイスの消費電力に相当する。ＲＡＴＩＯは、空冷フィン部１６内部の温度分布を表す指標であり、空冷フィン部１６の温度差／ベース部の温度差に対応している。
【００６４】
本実施の形態に係る半導体装置において、熱流体シミュレーションに適用する各構成材料の説明は、図１１に示すように表される。ここで、ベース部１４、空冷フィン部１６からなる空冷フィンを構成する材質としては、グラファイト、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、合金、鉄を想定した。グラファイトの熱伝導率は、ｘ方向：１５００（Ｗ／ｍＫ）、ｙ方向：５（Ｗ／ｍＫ）ｚ方向：１５００（Ｗ／ｍＫ）とした。銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、合金、鉄の熱伝導率は、それぞれ４００（Ｗ／ｍＫ）、２３７（Ｗ／ｍＫ）、１００（Ｗ／ｍＫ）、５０（Ｗ／ｍＫ）とした。空冷フィン長ＬＦは、１０ｍｍ〜８０ｍｍであり、空冷フィンスペースＦＳは０．５ｍｍ〜４ｍｍ、フィン枚数は６１枚〜１６枚とした。
【００６５】
本実施の形態に係る半導体装置の熱流体シミュレーションでは、空冷フィンの材質・空冷フィン長ＬＦを変化させて空冷フィン部の熱抵抗Ｒth(fin)(Ｋ／Ｗ)で評価した。また、フィン内部の温度差比率ＲＡＴＩＯを導入して、熱抵抗Ｒth(fin)とフィン内部の温度差との相関関係も評価した。
【００６６】
（等価熱抵抗回路）
本実施の形態に係る半導体装置の熱流体シミュレーションにおいては、空冷フィン部を任意の要素数に分割して実行した。以下の例では、幅Δの２分割とした。
【００６７】
本実施の形態に係る半導体装置において、空冷フィン部１本分の等価熱抵抗の説明は、図１２（ａ）に示すように表され、空冷フィン部１本分の等価熱抵抗回路は、図１２（ｂ）に示すように表される。図１２（ｂ）において、ｒ１、ｒ２、ｒ３は熱抵抗、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は温度、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３は熱流をそれぞれ表している。
【００６８】
同様に、本実施の形態に係る半導体装置において、空冷フィン部３本分の等価熱抵抗の説明は、図１３（ａ）に示すように表され、空冷フィン部３本分の等価熱抵抗回路は、図１３（ｂ）に示すように表される。図１３（ｂ）において、ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ１’、ｒ２’、ｒ３’、 ｒ1”、ｒ２”、ｒ３”は熱抵抗、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ１’、Ｖ２’、Ｖ３’、 Ｖ1”、Ｖ２”、Ｖ３”は温度、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ１’、Ｉ２’、Ｉ３’、 Ｉ1”、Ｉ２”、Ｉ３”は熱流をそれぞれ表している。
【００６９】
（熱流体シミュレーション結果）
本実施の形態に係る半導体装置において、ベース部１４と空冷フィン部１６が同一材料の場合のフィンの構成材料をパラメータとした熱抵抗Ｒth(fin)(Ｋ／Ｗ)と空冷フィン長ＬＦ（ｍｍ）の関係のシミュレーション結果は図１４に示すように表される。
【００７０】
本実施の形態に係る半導体装置において、ベース部１４と空冷フィン部１６が同一材料の場合のフィンの構成材料をパラメータとしたＲＡＴＩＯと空冷フィン長ＬＦ（ｍｍ）の関係のシミュレーション結果は図１５に示すように表される。
【００７１】
図１４に示されるように、いずれの材料を適用しても、空冷フィン長ＬＦが２０（ｍｍ）以下で熱抵抗Ｒth(fin)(Ｋ／Ｗ)が小さくなる傾向が見られる。空冷フィン長ＬＦ＝２０ｍｍにおいて、空冷フィン部の構成材料が銅（Ｃｕ）の場合で、空冷フィン長ＬＦ＝２０ｍｍにおいて、最低熱抵抗Ｒth(fin)(Ｋ／Ｗ)が得られている。
【００７２】
また、図１５に示されるように、ＲＡＴＩＯ値が５以下と低いときに空冷フィン部の構成材料に関係なく低熱抵抗化の傾向が見られる。
【００７３】
以上の熱流体シミュレーション結果より、空冷フィン長ＬＦを短く（２０ｍｍ以下）することで、空冷フィン内部の温度差が小さくなる（ＲＡＴＩＯが５以下）。また、フィン間隔が狭くなった結果、フィンの枚数を増加することが可能になり、空気に熱を効率良く伝熱する面積が拡大し、低熱抵抗化が可能になる。また、フィン材料の熱伝導率による影響も少なくなることがわかる。
【００７４】
以上の熱流体シミュレーション結果より、本実施の形態に係る半導体装置において、小型空冷フィン部を複数接続する構造が低熱抵抗化のためには有効である。
【００７５】
―複合材料を使用する例―
本実施の形態に係る半導体装置において、銅（Ｃｕ）フィンを基準として、ベース部１４と空冷フィン部１６に異なる材料を組み合わせることによって、空冷フィンの性能はどのようになるかを検討した。
【００７６】
本実施の形態に係る半導体装置において、ベース部１４と空冷フィン部１６が同一材料の場合の模式的構成は、図１６（ａ）に示すように表され、ベース部１４と空冷フィン部１６が異なる材料の場合の模式的構成は、図１６（ｂ）に示すように表され、グラファイト、銅、アルミニウム、合金、鉄の各材料の性能一覧を示す図は、図１６（ｃ）に示すように表される。性能項目としては、熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、材料費、重量を考慮した。
【００７７】
熱伝導率は銅（Ｃｕ）フィンの４００（Ｗ／ｍＫ）に対して、グラファイトは配向方向において１５００（Ｗ／ｍＫ）と高く、アルミニウム、合金、鉄は、２３７、１００、５０と低い。
【００７８】
材料費は、（Ｃｕ）フィンを基準として、グラファイトは高く、アルミニウム、鉄は安い。合金は、材料に依存する。
【００７９】
重量は、（Ｃｕ）フィンを基準として、グラファイト、アルミニウムは軽く、鉄は重い。合金は、材料に依存する。
【００８０】
―熱抵抗計算結果（複合材料を使用する例）―
各材料に対して、複合材料を使用する場合のメリットを計算・解析した。ベース部１４として、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、合金、鉄を適用し、空冷フィン部１６として、グラファイト（Ｇｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、合金、鉄を適用した。以下の図１７〜図２０中の数値は、熱抵抗Ｒth(fin)(Ｋ／Ｗ)を表す。また、パーセント（％）値は、ベース部１４と空冷フィン部１６を共に銅（Ｃｕ）の場合を基準として、▼は熱抵抗Ｒth(fin)(Ｋ／Ｗ)の低減率、△は熱抵抗Ｒth(fin)(Ｋ／Ｗ)の増加率を表す。
【００８１】
本実施の形態に係る半導体装置において、ベース部１４と空冷フィン部１６が異なる材料の場合の熱抵抗シミュレーション結果（空冷フィン長ＬＦ＝８０ｍｍ）は、図１７に示すように表される。
【００８２】
本実施の形態に係る半導体装置において、ベース部１４と空冷フィン部１６が異なる材料の場合の熱抵抗シミュレーション結果（空冷フィン長ＬＦ＝４０ｍｍ）は、図１８に示すように表される。
【００８３】
本実施の形態に係る半導体装置において、ベース部１４と空冷フィン部１６が異なる材料の場合の熱抵抗シミュレーション結果（空冷フィン長ＬＦ＝２０ｍｍ）は、図１９に示すように表される。
【００８４】
本実施の形態に係る半導体装置において、ベース部１４と空冷フィン部１６が異なる材料の場合の熱抵抗シミュレーション結果（空冷フィン長ＬＦ＝１０ｍｍ）は、図２０に示すように表される。
【００８５】
以上の結果より、空冷フィン部１６の空冷フィン長ＬＦが相対的に長い場合には、空冷フィン部１６に高熱伝導率の材料を使用することで熱抵抗の低減効果が大きいことがわかる。ＲＡＴＩＯが大きいフィンは、空冷フィン部１６の熱伝導率の影響が大きいからである。
【００８６】
一方、空冷フィン部１６の空冷フィン長ＬＦが相対的に短い場合には、空冷フィン部１６およびベース部１４共に低熱伝導率の材料を使用しても熱抵抗の増大効果あまりないことがわかる。ＲＡＴＩＯが小さいフィンは、空冷フィン部１６の熱伝導率の影響が少ないからである。
【００８７】
―ＲＡＴＩＯと熱抵抗Ｒth(fin)(Ｋ／Ｗ)のシミュレーション結果―
本実施の形態に係る半導体装置において、ベース部１４-空冷フィン部１６がＣｕ-Ｃｕ、Ｃｕ-Ｇｒ、Ａｌ-Ｇｒ、合金-Ｇｒ、鉄-Ｇｒの場合のＲＡＴＩＯと熱抵抗Ｒth(fin)(Ｋ／Ｗ)のシミュレーション結果（空冷フィン部１６の長さＬＦ＝８０ｍｍ）は、図２１（ａ）に示すように表される。図２１（ａ）に示すように、基準で示されるベース部１４-空冷フィン部１６がＣｕ-Ｃｕの場合、ＲＡＴＩＯが大きく、冷却効率が悪い傾向がある。この結果に対して、空冷フィン部１６にグラファイト（Ｇｒ）を使用し、高熱伝導化すると、低熱抵抗化可能である。パーセント（％）値は、基準値に対する熱抵抗の低減率を表している。ベース部１４-空冷フィン部１６がＣｕ-Ｇｒの場合、熱抵抗は最大約３０％低減されている。同様に、ＲＡＴＩＯ値も約３０％低減されている。
【００８８】
本実施の形態に係る半導体装置において、ベース部１４-空冷フィン部１６がＣｕ-Ｃｕ、Ｃｕ-Ｇｒ、Ａｌ-Ｇｒ、合金-Ｇｒ、鉄-Ｇｒの場合のＲＡＴＩＯと熱抵抗Ｒth(fin)(Ｋ／Ｗ)のシミュレーション結果（空冷フィン部１６の長さＬＦ＝１０ｍｍ）は、図２１（ｂ）に示すように表される。図２１（ｂ）に示すように、基準で示されるベース部１４-空冷フィン部１６がＣｕ-Ｃｕの場合、ＲＡＴＩＯが小さく、冷却効率が高い傾向がある。この結果に対して、空冷フィン部１６にグラファイト（Ｇｒ）を使用し、高熱伝導化しても、冷却能力はあまり変化していない。ベース部１４-空冷フィン部１６に安く・軽い材料を用いても、冷却能力はあまり変化しない。パーセント（％）値は、基準値に対する熱抵抗の増加率を表している。ベース部１４-空冷フィン部１６が鉄-Ｇｒの場合、熱抵抗は最大約１３％増加している。一方、ＲＡＴＩＯは、低減されている。
【００８９】
―熱抵抗Ｒth(fin)(Ｋ／Ｗ)とＲＡＴＩＯのシミュレーション結果―
空冷フィン長ＬＦが短い領域（２０ｍｍ以下）で、トング比（ＬＦ／ＦＳ）を大きくしてフィンスペースＦＳを狭めて、空冷フィン枚数を増加させることで、更に小型な空冷フィン部でも低熱抵抗化が可能か否かを計算した。空冷フィン部は、熱伝導率４００（Ｗ／ｍＫ）の銅（Ｃｕ）を使用し、空冷フィン長ＬＦは、２ｍｍ〜２０ｍｍ、フィンスペースＦＳは０．２ｍｍ〜１ｍｍ、フィン枚数は４０枚〜１００枚とした。
【００９０】
本実施の形態に係る半導体装置において、空冷フィン長ＬＦをパラメータとする熱抵抗Ｒth(fin)(Ｋ／Ｗ)とフィン枚数との関係のシミュレーション結果は、図２２（ａ）に示すように表され、空冷フィン長ＬＦをパラメータとするＲＡＴＩＯとフィン枚数との関係のシミュレーション結果は、図２２（ｂ）に示すように表される。
【００９１】
図２２（ａ）に示すように、フィン枚数を増加する場合、熱抵抗Ｒth(fin)(Ｋ／Ｗ)の低減効果は、空冷フィン長ＬＦが短い程効果が顕著である。例えば、微細加工フィンの場合には、空冷フィンスペースＦＳは、約０．２ｍｍ程度にもなる。
【００９２】
図２２（ｂ）に示すように、フィン枚数を増加する場合、ＲＡＴＩＯの低減効果は、空冷フィン長ＬＦが長い程効果が顕著である。図１５に示されたように、ＲＡＴＩＯは５以下では、空冷フィン部の材料依存性は少なくなる。ＲＡＴＩＯは、５以下が望ましい。
【００９３】
尚、以上の結果は、空冷フィン部の材質を熱伝導率２３７（Ｗ／ｍＫ）有するアルミニウムとして、計算した場合おいても計算結果に、大きな変化は見られない。
【００９４】
［第５の実施の形態］
第５の実施の形態に係る半導体装置２の模式的断面構造は、図２３に示すように表される。
【００９５】
第５の実施の形態に係る半導体装置２は、放熱部６を４系統備える。
【００９６】
第５の実施の形態に係る半導体装置２は、動作状態において発熱する半導体デバイスからなる熱源８（ＴＳ）と、熱源８（ＴＳ）に熱的に接続された熱拡散部１０と、熱拡散部１０に接続された複数の放熱部６とを備え、熱拡散部１０は、放熱部６を空間的に（熱接触空間部ＯＡによって）包含する冷却器を有する。
【００９７】
熱拡散部１０は、開口部ＡＰを備え、放熱部６を包含する空間（熱接触空間部ＯＡ）は、開口部ＡＰにおいて開口されている。或いは、熱拡散部１０は、放熱部６を空間的に閉じた（開口部ＡＰを有しない）状態で包含していても良い。
【００９８】
放熱部６は、ベース部１４ＰＡ・１４ＰＢと、ベース部１４ＰＡ・１４ＰＢに接続された複数の空冷フィン部１６ＦＡ・１６ＦＢとを備え、ベース部１４ＰＡ・１４ＰＢは、熱拡散部１０に接触していても良い。例えば、ベース部１４ＰＡ・１４ＰＢは、熱拡散部１０に熱伝導層１２ＳＡ・１２ＳＢを介して接続される。熱伝導層１２ＳＡ・１２ＳＢは、例えば、熱伝導シート層、半田層であっても良い。
【００９９】
また、放熱部６の一部は、熱拡散部１０と開口部ＡＰ以外の非接触部ＮＣを備えていても良い。空冷フィン部１６ＦＡ・１６ＦＢと熱拡散部１０との直接的な接触を回避し、熱放散性能を確保するためである。
【０１００】
ここで、Ｔ１をベース部表面温度、Ｔ２を空冷フィン部根元温度、Ｔ３を空冷フィン部先端温度、ＬＢ（ｍｍ）をベース部ベース長とすると、ＲＡＴＩＯ＝（Ｔ２−Ｔ３）／（Ｔ１−Ｔ２）の値は、２５／ＬＢ（ｍｍ）以下である。例えば、ＬＢ（ｍｍ）＝５（ｍｍ）の場合、ＲＡＴＩＯ＝２５／ＬＢ（ｍｍ）＝５以下である。
【０１０１】
また、熱拡散部１０を構成する材料の熱伝導率は、放熱部６を構成する材料の熱伝導率以上であることが望ましい。放熱性能を高め、有効に放熱するためである。
【０１０２】
また、図２３に示す第５の実施の形態に係る半導体装置２は、動作状態において発熱する半導体デバイスからなる熱源８（ＴＳ）と、熱源８（ＴＳ）に接続された熱拡散部１０と、熱拡散部１０に接続された複数の空冷フィン部１６ＦＡ・１６ＦＢと、熱拡散部１０と複数の空冷フィン部１６ＦＡ・１６ＦＢの熱接触空間部ＯＡとを備える。ここで、熱接触空間部ＯＡは、自然空冷若しくは強制空冷による空気層であっても良い。
【０１０３】
また、熱伝導層１２ＳＡ・１２ＳＢを介して熱拡散部１０に接続されたベース部１４ＰＡ・１４ＰＢを備える。また、複数の空冷フィン部１６ＦＡ・１６ＦＢは、ベース部１４ＰＡ・１４ＰＢと複数の熱接触部を介して接続される。
【０１０４】
更に、外部空間との開口部ＡＰを備えていても良い。また、空気の流れが確保される構造であれば、開口部ＡＰを備えていなくても良い。
【０１０５】
また、熱拡散部１０は、高熱伝導な材料を用いて熱を効率的に拡散可能であれば良い。例えば、銅（Ｃｕ）若しくは銅製のベーパーチャンバ（ＣｕＶＣ）を備えていても良い。
【０１０６】
また、ベース部１４ＰＡ・１４ＰＢと、空冷フィン部１６ＦＡ・１６ＦＢは、同一材料で構成されている。
【０１０７】
また、熱拡散部１０若しくはベース部１４ＰＡ・１４ＰＢは、異方性な熱伝導率を有するグラファイト基板を備えていても良い。すなわち、熱拡散部１０若しくはベース部１４ＰＡ・１４ＰＢは、グラファイト基板の熱伝導率が相対的に高い配向方向にグラファイト基板を配置することで、グラファイト基板の異方性な熱伝導率を有効に利用しても良い。
【０１０８】
［第６の実施の形態］
第６の実施の形態に係る半導体装置２の模式的断面構造は、図２４に示すように表される。
【０１０９】
第６の実施の形態に係る半導体装置２は、放熱部６を４系統備える。
【０１１０】
第６の実施の形態に係る半導体装置２は、動作状態において発熱する半導体デバイスからなる熱源８（ＴＳ）と、熱源８（ＴＳ）に熱的に接続された熱拡散部１０と、熱拡散部に接続された複数の放熱部６とを備え、熱拡散部１０は、放熱部６を空間的に（熱接触空間部ＯＡによって）包含する冷却器を有する。
【０１１１】
熱拡散部１０は、開口部ＡＰを備え、放熱部６を包含する空間（熱接触空間部ＯＡ）は、開口部ＡＰにおいて開口されている。或いは、熱拡散部１０は、放熱部６を空間的に閉じた（開口部ＡＰを有しない）状態で包含していても良い。
【０１１２】
放熱部６は、ベース部１４ＰＡ・１４ＰＢ・１４ＰＡ・１５ＰＢと、ベース部１４ＰＡ・１４ＰＢ・１４ＰＡ・１５ＰＢに接続された複数の空冷フィン部１６ＦＡ・１７ＦＢ・１６ＦＡＳ・１７ＦＢＬとを備え、ベース部１４ＰＡ・１４ＰＢ・１４ＰＡ・１５ＰＢは、熱拡散部１０に接触していても良い。ベース部１４ＰＡ・１４ＰＢ・１４ＰＡ・１５ＰＢは、熱拡散部１０に熱伝導層１２ＳＡ・１２ＳＢを介して接続される。熱伝導層１２ＳＡ・１２ＳＢは、例えば、熱伝導シート層、半田層であっても良い。
【０１１３】
また、放熱部６の一部は、熱拡散部１０と開口部ＡＰ以外の非接触部ＮＣを備えていても良い。空冷フィン部１６ＦＡ・１７ＦＢ・１６ＦＡＳ・１７ＦＢＬと熱拡散部１０との直接的な接触を回避し、熱放散性能を確保するためである。
【０１１４】
ここで、Ｔ１をベース部の表面温度、Ｔ２を空冷フィン部の根元温度、Ｔ３を空冷フィン部の先端温度、ＬＢ（ｍｍ）をベース部のベース長とすると、
ＲＡＴＩＯ＝（Ｔ２−Ｔ３）／（Ｔ１−Ｔ２）の値は、２５／ＬＢ（ｍｍ）以下であることが望ましい。例えば、ＬＢ（ｍｍ）＝５（ｍｍ）の場合、ＲＡＴＩＯ＝２５／ＬＢ（ｍｍ）＝５以下であることが望ましい。
【０１１５】
また、熱拡散部１０を構成する材料の熱伝導率は、放熱部６を構成する材料の熱伝導率以上であることが望ましい。
【０１１６】
また、図２４に示す第６の実施の形態に係る半導体装置２は、動作状態において発熱する半導体デバイスからなる熱源８（ＴＳ）と、熱源８（ＴＳ）に接続された熱拡散部１０と、熱拡散部１０に接続された複数の空冷フィン部１６ＦＡ・１７ＦＢ・１６ＦＡＳ・１７ＦＢＬとを備える。
【０１１７】
また、熱伝導層１２ＳＡ・１２ＳＢを介して熱拡散部１０に接続されたベース部１４ＰＡ・１４ＰＢ・１４ＰＡ・１５ＰＢを備える。また、複数の空冷フィン部１６ＦＡ・１７ＦＢ・１６ＦＡＳ・１７ＦＢＬは、ベース部１４ＰＡ・１４ＰＢ・１４ＰＡ・１５ＰＢと複数の熱接触部を介して接続される。
【０１１８】
また、熱拡散部１０と複数の空冷フィン部１６ＦＡ・１７ＦＢ・１６ＦＡＳ・１７ＦＢＬに取り囲まれ、熱拡散部１０と複数の空冷フィン部１６ＦＡ・１７ＦＢ・１６ＦＡＳ・１７ＦＢＬの熱接触空間部ＯＡを備える。ここで、熱接触空間部ＯＡは、自然空冷若しくは強制空冷による空気層であっても良い。
【０１１９】
更に、外部空間との開口部ＡＰを備えていても良い。また、空気の流れが確保される構造であれば、開口部ＡＰを備えていなくても良い。
【０１２０】
また、熱拡散部１０は、高熱伝導な材料を用いて熱を効率的に拡散可能であれば良い。例えば、銅（Ｃｕ）若しくは銅製のベーパーチャンバ（ＣｕＶＣ）を備えていても良い。
【０１２１】
第６の実施の形態に係る半導体装置２においては、ベース部１４ＰＡ・１４ＰＢと空冷フィン部１６ＦＡは、同一材料で構成されている。また、空冷フィン部１６ＦＡと空冷フィン部１７ＦＢは、互いに異なる材料で構成されている。
【０１２２】
一方、ベース部１４ＰＡと空冷フィン部１６ＦＡＳは、同一材料で構成されている。ベース部１５ＰＢと空冷フィン部１７ＦＢＬは、同一材料で構成されている。空冷フィン部１６ＦＡＳと、空冷フィン部１７ＦＢＬは、互いに異なる材料で構成されている。
【０１２３】
例えば、ベース部１４ＰＡ・１４ＰＢは相対的に低熱伝導な材料若しくは相対的に高熱伝導な材料で構成されていても良い。一方、空冷フィン部１６ＦＡは相対的に低熱伝導な材料、空冷フィン部１７ＦＢは相対的に高熱伝導な材料で構成されていても良い。
【０１２４】
また、第６の実施の形態に係る半導体装置２においては、ベース部１４ＰＡと、空冷フィン部１６ＦＡＳは、同一材料で構成されている。また、ベース部１５ＰＢと、空冷フィン部１７ＦＢＬは、同一材料で構成されている。
【０１２５】
一方、ベース部１４ＰＡとベース部１５ＰＢは、互いに異なる材料で構成され、空冷フィン部１６ＦＡＳと、空冷フィン部１７ＦＢＬは、互いに異なる材料で構成されている。
【０１２６】
例えば、ベース部１４ＰＡは相対的に低熱伝導な材料、ベース部１５ＰＢは相対的に高熱伝導な材料で構成されていても良い。同様に、空冷フィン部１６ＦＡ・１６ＦＡＳは相対的に低熱伝導な材料、空冷フィン部１７ＦＢ・１７ＦＢＬは相対的に高熱伝導な材料で構成されていても良い。
【０１２７】
第６の実施の形態に係る半導体装置２においては、空冷フィン部１６ＦＡＳの長さは、空冷フィン部１６ＦＢＬの長さに比べ、相対的に短く構成されている。その他の構成は、第５の実施の形態に係る半導体装置と同様である。
【０１２８】
本実施の形態に係る半導体装置２は、高熱伝導な材料を用いて熱を拡散させる熱拡散部と、熱拡散部と接続されるベース部と、ベース部と複数の空冷フィン部を複数箇所で熱接触する熱接触部とを備え、複数の空冷フィン部をベース部を介して熱拡散部に複数箇所で熱接触するため、限定された空間（熱接触空間部ＯＡ）内で冷却器の低熱抵抗化を図ることができる。
【０１２９】
また、熱拡散部１０若しくはベース部１４ＰＡ・１４ＰＢ・１４ＰＡ・１５ＰＢは、異方性な熱伝導率を有するグラファイト基板を備えていても良い。すなわち、熱拡散部１０若しくはベース部１４ＰＡ・１４ＰＢ・１４ＰＡ・１５ＰＢは、グラファイト基板の熱伝導率が相対的に高い配向方向にグラファイト基板を配置することで、グラファイト基板の異方性な熱伝導率を有効に利用しても良い。
【０１３０】
（ＳｉＣ  ＰＭの構成例（2 in 1））
本実施の形態に係るＳｉＣ  ＰＭ（2 in 1）８であって、本実施の形態に係る半導体装置２に搭載された鳥瞰構成は図２５（ａ）に示すように表され、図２５（ａ）において矢印Ａ方向から見た正面図は図２５（ｂ）に示すように表され、上面図は図２５（ｃ）に示すように表される。
【０１３１】
図２５（ａ）〜図２５（ｃ）に示す本実施の形態に係るＳｉＣ  ＰＭ８は、本実施の形態に開示された半導体装置２に搭載可能である。また、本実施の形態に係るＳｉＣ  ＰＭ８は、第１〜第６の実施の形態に開示された半導体装置２のいずれかに搭載されていても良い。
【０１３２】
本実施の形態に係るＳｉＣ  ＰＭ８は、加圧板４０と熱拡散部１０との間に加圧されて配置される。ここで、加圧はねじ止めによって実施されていても良い。熱拡散部１０としては、例えば、銅（Ｃｕ）若しくは銅製のベーパーチャンバによって形成可能である。
【０１３３】
本実施の形態に係るＳｉＣ  ＰＭ８は、2 in 1構成を備える。回路構成は、後述する図４０と同様に表される。
【０１３４】
図２５（ａ）〜図２５（ｃ）において、ＳＳ１・ＧＴ１は、2 in 1構成を備えるＳｉＣＰＭ８の上アーム側のトランジスタＱ１のソースセンス端子電極・ゲート信号端子電極を表し、ＳＳ４・ＧＴ４は、2 in 1構成を備えるＳｉＣ  ＰＭ８の下アーム側のトランジスタＱ４のソースセンス端子電極・ゲート信号端子電極を表す。また、Ｐ・Ｎは、2 in 1構成を備えるＳｉＣ  ＰＭ８の正側電源入力端子電極（第１の電源）・負側電源入力端子電極（第２の電源）、Ｏが出力端子電極を表す。
【０１３５】
また、第１の実施の形態に係る半導体装置２の熱拡散部１０の中央部にＳｉＣ  ＰＭ８を搭載した構成例の模式的断面構造は、図２６に示すように表される。
【０１３６】
ＰＭ８は、動作状態において発熱する熱源ＴＳとなる半導体デバイスＱ２０を備える。半導体デバイスＱ２０は、例えば、セラミックス絶縁基板上に配置される。セラミックス絶縁基板は、例えば、ＤＢＣ基板により形成可能である。図２６の例では、セラミックス絶縁基板は、セラミックス基板２１と、セラミックス基板２１の表面電極層２３と、セラミックス基板２１の裏面電極層２２とを備え、半導体デバイスＱ２０は、表面電極層２３上に、例えば、銀焼成層２７により接合される。また、裏面電極層２２は、熱伝導層２５を介して、半導体装置２と接続される。半導体デバイスＱ２０は、例えば、ＩＧＢＴ、ダイオード、Ｓｉ系ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮ系ＦＥＴのいずれかを備えていても良い。熱伝導層２５は、例えば、熱伝導シート層、半田層、若しくは銀焼成層のいずれかを備えていても良い。また、ＰＭ８は、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などのモールド樹脂層３００により、樹脂成型されている。
【０１３７】
動作状態において発熱する熱源ＴＳとなる半導体デバイスＱ２０からの熱は、銀焼成層２７、セラミックス絶縁基板（２３／２１／２２）、熱伝導層２５を介して、半導体装置２に伝達される。
【０１３８】
（ＳｉＣ  ＰＭ（2 in 1）の組み立て方法）
また、本実施の形態に係るＳｉＣ  ＰＭ（2 in 1）８の組み立て方法であって、ＳｉＣＰＭ８をベーパーチャンバ１０に取り付ける工程は、図２７（ａ）に示すように表され、空冷フィン部１６Ｆをベーパーチャンバ１０に取り付ける工程は、図２７（ｂ）に示すように表され、ファン５０Ｆを取り付ける工程は、図２７（ｃ）に示すように表される。
【０１３９】
（Ａ）まず、図２７（ａ）に示すように、熱伝導シートをＳｉＣ  ＰＭ８の底面にセットして、ＳｉＣ  ＰＭ８上に加圧板４０を配置する。加圧板４０をねじ締結で加圧し、ＳｉＣ  ＰＭ８をベーパーチャンバ１０に取り付ける。ここで、熱伝導シートの代わりに半田付けを実施しても良い。図２７（ａ）において、熱伝導シートおよびねじは図示を省略している。
【０１４０】
（Ｂ）次に、図２７（ｂ）に示すように、熱伝導シートを空冷フィン部１６Ｆのベース部１４Ａ・１４Ｂとベーパーチャンバ１０との間にセットし、加圧板をねじ締結で加圧し、空冷フィン部１６Ｆをベーパーチャンバ１０に取り付ける。ここで、熱伝導シートの代わりに半田付けを実施しても良い。図２７（ｂ）において、熱伝導シートおよびねじは図示を省略している。
【０１４１】
（Ｃ）次に、図２７（ｃ）に示すように、空冷フィン部１６Ｆの正面にファン５０Ｆを取り付ける。
【０１４２】
（ＳｉＣ  ＰＭの構成例（6 in 1））
本実施の形態に係るＳｉＣ  ＰＭ（6 in 1）８であって、本実施の形態に係る半導体装置２に搭載された鳥瞰構成は図２８（ａ）に示すように表され、側面図は図２８（ｂ）に示すように表され、上面図は図２８（ｃ）に示すように表される。
【０１４３】
本実施の形態に係るＳｉＣ  ＰＭ８は、図２８（ａ）〜図２８（ｃ）に示すように、本実施の形態に開示された半導体装置２に搭載可能である。また、本実施の形態に係るＳｉＣ  ＰＭ８は、第１〜第６の実施の形態に開示された半導体装置２に搭載されていても良い。ここで、図２８（ａ）〜図２８（ｃ）に示された半導体装置の構造は、第５〜第６の実施の形態に開示された半導体装置２をさらに拡張した構造に対応している。すなわち、後述する図３０に示すように、熱拡散部１０に囲まれる熱接触空間部ＯＡを３個備えている。尚、図２８（ａ）〜図２８（ｃ）においては、冷却器正面および裏面も図３０と同様に、熱拡散部（１０Ｖ・１０Ｗに相当するベーパーチャンバ）が配置されているが、内部の構造を示すため、図示は省略されている。
【０１４４】
本実施の形態に係るＳｉＣ  ＰＭ８は、図２８（ａ）〜図２８（ｃ）に示すように、加圧板４０と熱拡散部１０との間に加圧されて配置される。ここで、加圧はねじ止めによって実施されていても良い。熱拡散部１０としては、例えば、銅（Ｃｕ）若しくは銅製のベーパーチャンバによって形成可能である。
【０１４５】
本実施の形態に係るＳｉＣ  ＰＭ８は、6 in 1構成を備える。回路構成は、後述する図４５と同様に表される。
【０１４６】
図２８（ａ）〜図２８（ｃ）において、ＳＳ・ＧＴ・ＣＳは、6 in 1構成を備えるＳｉＣ  ＰＭ８の各トランジスタＱ１〜Ｑ６のソースセンス端子電極・ゲート信号端子電極・カレントセンス端子電極を表す。また、ＴＨ１・ＴＨ２は、温度センスのためのサーミスタ端子電極を表す。また、Ｐ・Ｎは、6 in 1構成を備えるＳｉＣ  ＰＭ８の正側電源入力端子電極（第１の電源）・負側電源入力端子電極（第２の電源）を表す。また、Ｕ・Ｖ・Ｗは、出力端子電極を表す。
【０１４７】
（ＳｉＣ  ＰＭ（6 in 1）の組み立て方法）
また、本実施の形態に係るＳｉＣ  ＰＭ（6 in 1）８の組み立て方法であって、ＳｉＣ  ＰＭ８をベーパーチャンバ１０に取り付ける工程は、図２９（ａ）に示すように表され、空冷フィン部１６Ｆをベーパーチャンバ１０に取り付ける工程は、図２９（ｂ）に示すように表され、ファン５０Ｆ１・５０Ｆ２を取り付ける工程は、図２９（ｃ）に示すように表される。
【０１４８】
（Ａ）まず、図２９（ａ）に示すように、熱伝導シートをＳｉＣ  ＰＭ８の底面にセットして、ＳｉＣ  ＰＭ８上に加圧板４０を配置する。加圧板４０をねじ締結で加圧し、ＳｉＣ  ＰＭ８をベーパーチャンバ１０に取り付ける。ここで、熱伝導シートの代わりに半田付けを実施しても良い。図２９（ａ）において、熱伝導シートおよびねじは図示を省略している。
【０１４９】
（Ｂ）次に、図２９（ｂ）に示すように、熱伝導シートを空冷フィン部１６Ｆのベース部１４ＰＡ・１４ＰＢとベーパーチャンバ１０との間にセットし、加圧板をねじ締結で加圧し、空冷フィン部１６Ｆをベーパーチャンバ１０に取り付ける。ここで、熱伝導シートの代わりに半田付けを実施しても良い。図２９（ｂ）において、熱伝導シートおよびねじは図示を省略している。
【０１５０】
（Ｃ）次に、図２９（ｃ）に示すように、空冷フィン部１６Ｆの正面にファン５０Ｆ１・５０Ｆ２を取り付ける。
【０１５１】
（ＳｉＣ  ＰＭの別の構成例（6 in 1））
本実施の形態に係るＳｉＣ  ＰＭ（6 in 1）であって、本実施の形態に係る半導体装置２に搭載された別の構成例は、図３０に示すように表される。
【０１５２】
本実施の形態に係る半導体装置に適用可能なベーパーチャンバ１０は、一体構造を備えていても良く、図３０に示すように、互いに分割された構造を備えていても良い。
【０１５３】
図３０の構成では、分割された熱拡散部１０Ｕ・１０Ｖ・１０Ｗを備える。また、ＰＭをＵ相、Ｖ相、Ｗ相のＰＭ８０Ｕ・８０Ｖ・８０Ｗに分割してそれぞれ分割された熱拡散部１０Ｕ・１０Ｖ・１０Ｗ上に配置し、熱放散の効率をさらに高めている。尚、図３０においては、空冷フィン部１６Ｆに接続されるベース部や熱伝導層は図２３と同様に形成されているが、図示は省略している。
【０１５４】
（ベーパーチャンバ）
本実施の形態に係る半導体装置に適用可能なベーパーチャンバ１０であって、上コンテナ１０ＵＰの鳥瞰図は、図３１（ａ）に示すように表され、下コンテナ１０ＤＷの鳥瞰図は、図３１（ｂ）に示すように表され、動作原理の説明図は、図３１（ｃ）に示すように表される。下コンテナ１０ＤＷには、ウイック１０ＷＫが複数形成されている。複数のウイック１０ＷＫにより、表面張力による液流が可能になる。
【０１５５】
（Ａ）まず、ベーパーチャンバ１０に接するＰＭ８（ＴＳ）が動作すると発熱するため、作動液が蒸発（ＶＰ）して蒸気が発生する。
【０１５６】
（Ｂ）次に、作動液の蒸発（ＶＰ）によって生ずる高圧部ＨＰと低圧部ＬＰとの間の圧力差によって、蒸気が移動し、図３１（ｃ）に示すように、蒸気流ＶＦが発生する。
【０１５７】
（Ｃ）次に、ベーパーチャンバ１０の端部で熱を放出して、蒸気流ＶＦは、凝縮作用によって、液体（ＣＯＤ）に状態が変化する。
【０１５８】
（Ｄ）次に、複数のウイック１０ＷＫによる表面張力を伴う毛細管力によって、図３１（ｃ）に示すように、液流ＬＰ（ＳＵＲＦＡＣＥ  ＴＥＮＳＩＯＮ）が発生する。
【０１５９】
本実施の形態に係る半導体装置に適用可能なベーパーチャンバ１０においては、相変化による熱の移動効率が非常に高く、熱伝導率の値は、例えば、約３０００（Ｗ／ｍＫ）程度が得られている。
【０１６０】
（グラファイトプレート）
実施の形態に係る半導体装置に適用可能なグラファイト基板を構成するグラファイトプレート（グラファイトシート）の積層構造は、図３２に示すように表される。
【０１６１】
図３２に示すように、ｎ層からなる各面のグラファイトシートＧＳ１・ＧＳ２・ＧＳ３・…・ＧＳｎは、１つの積層結晶構造の中に多数の六方晶系の共有結合を有し、各面のグラファイトシートＧＳ１・ＧＳ２・ＧＳ３・…・ＧＳｎ間がファンデルワールス力によって結合されている。
【０１６２】
すなわち、炭素系異方伝熱材料であるグラファイトは、炭素原子の六角形網目構造の層状結晶体であって、熱伝導も異方性を持っており、図３２に示すグラファイトシートＧＳ１・ＧＳ２・ＧＳ３・…・ＧＳｎは、結晶面方向（ＸＹ面）に、Ｚ軸の厚さ方向よりも高い熱伝導率を有する。
【０１６３】
実施の形態に係る半導体装置に適用可能なグラファイト基板の一例であって、ＸＹ配向のグラファイト基板ＧＰ（ＸＹ）の模式的鳥瞰構成は、図３３（ａ）に示すように表され、ＸＺ配向のグラファイト基板ＧＰ（ＸＺ）の模式的鳥瞰構成は、図３３（ｂ）に示すように表され、ＸＹ配向のグラファイト基板ＧＰ（ＸＹ）を９０°回転させてＸＺ配向のグラファイト基板ＧＰ（ＸＺ）を得る様子の説明図は、図３３（ｃ）に示すように表される。
【０１６４】
実施の形態に係る半導体装置においては、熱拡散部１０に２種類のグラファイト基板を適用可能である。すなわち、面方向よりも厚み方向に熱伝導率が高いＸＺ配向を有するグラファイト基板ＧＰ（ＸＺ）と、厚み方向よりも面方向に熱伝導率が高いＸＹ配向を有するグラファイト基板ＧＰ（ＸＹ）とを適用可能である。
【０１６５】
図３３（ａ）に示すように、ＸＹ配向を有するグラファイト基板ＧＰ（ＸＹ）場合には、例えば、Ｘ＝１５００（Ｗ／ｍＫ）、Ｙ＝１５００（Ｗ／ｍＫ）、Ｚ＝５（Ｗ／ｍＫ）の熱伝導率を備える。
【０１６６】
これに対し、図３３（ｂ）に示すように、ＸＺ配向を有するグラファイト基板ＧＰ（ＸＺ）の場合には、例えば、Ｘ＝１５００（Ｗ／ｍＫ）、Ｙ＝５（Ｗ／ｍＫ）、Ｚ＝１５００（Ｗ／ｍＫ）の熱伝導率を備える。
【０１６７】
なお、グラファイト基板ＧＰ（ＸＹ）・ＧＰ（ＸＺ）は、共に、密度が２．２（ｇ／ｃｍ3 ）程度であり、厚さが例えば、約０．７ｍｍ〜１０ｍｍ程度であり、大きさが例えば、約４０ｍｍ×４０ｍｍ程度である。
【０１６８】
また、実施の形態に係る半導体装置２においては、放熱部６にグラファイト基板を適用可能である。すなわち、放熱部６を構成する空冷フィンのベース部１４にグラファイト基板を適用して良い。２種類のグラファイト基板を適用可能である点は、上記と同様である。
【０１６９】
実施の形態においては、異方性ではあるが高熱伝導率を有するグラファイト基板ＧＰ（ＸＹ）・ＧＰ（ＸＺ）を使用し、熱拡散性が良好で、構造的にも簡素であり、より低熱抵抗化が可能な半導体装置を提供することができる。
【０１７０】
（効果検証シミュレーション結果）
比較例に係る冷却器９０の効果検証シミュレーション結果は、図３４に示すように表される。図３４において、熱拡散部は、ベース面に銅（Ｃｕ）若しくは銅ベーパーチャンバ（ＣｕＶＣ）として配置され、空冷フィン部は、このベース面から垂直方向に延伸している。図３４において、ベース幅Ｌ１＝７０ｍｍ、ベース長ＬＢ＝５ｍｍである。空冷フィン部は、空冷フィン幅ＷＰ＝０．６ｍｍ、フィンスペースＦＳ＝２．５ｍｍ、空冷フィン長ＬＦ＝８０ｍｍの銅（Ｃｕ）で形成される。冷却器厚Ｗ１＝７０ｍｍである。
【０１７１】
比較例に係る冷却器９０の効果検証シミュレーション結果によれば、図３４に示すように、空冷フィン部先端部までは、伝熱されていないことがわかる。
【０１７２】
実施の形態（Ｃｕ）に係る冷却器を有する半導体装置２の効果検証シミュレーション結果は、図３５に示すように表される。図３５においては、熱拡散部および空冷フィン部は、図６と同様に構成される。図３５において、熱拡散部は、ベース幅Ｌ１＝８０ｍｍ、ベース長ＬＢ＝５ｍｍの銅（Ｃｕ）で形成され、空冷フィン部は、空冷フィン幅ＷＰ＝０．３ｍｍ、フィンスペースＦＳ＝１．５ｍｍ、空冷フィン長ＬＦ＝３０ｍｍの銅（Ｃｕ）で形成される。冷却器厚Ｗ１＝７０ｍｍである。
【０１７３】
実施の形態（Ｃｕ）に係る冷却器を有する半導体装置２の効果検証シミュレーション結果によれば、図３５に示すように、ベース部に接触する熱拡散部側面は、相対的に伝熱状態が低下していることがわかる。
【０１７４】
実施の形態（ＣｕＶＣ）に係る冷却器を有する半導体装置２の効果検証シミュレーション結果は、図３６に示すように表される。図３６においても、熱拡散部および空冷フィン部は、図６と同様に構成される。図３６において、熱拡散部は、ベース幅Ｌ１＝８０ｍｍ、ベース長ＬＢ＝５ｍｍの銅ベーパーチャンバ（ＣｕＶＣ）で形成され、空冷フィン部は、空冷フィン幅ＷＰ＝０．３ｍｍ、フィンスペースＦＳ＝１．５ｍｍ、空冷フィン長ＬＦ＝３０ｍｍの銅（Ｃｕ）で形成される。冷却器厚Ｗ１＝７０ｍｍである。
【０１７５】
実施の形態（ＣｕＶＣ）に係る冷却器を有する半導体装置２の効果検証シミュレーション結果によれば、図３６に示すように、空冷フィン部先端部まで、伝熱可能であることがわかる。
【０１７６】
比較例１・２、実施の形態（Ｃｕ）、実施の形態（ＣｕＶＣ）に係る冷却器を有する半導体装置の熱抵抗Ｒth(fin)のシミュレーション結果は、図３７に示すように表される。ここで、比較例１に係る冷却器を有する半導体装置は、図３４の構成で、熱拡散部を銅（Ｃｕ）で形成した例であり、比較例２に係る冷却器を有する半導体装置は、図３４の構成で、熱拡散部を銅ベーパーチャンバ（ＣｕＶＣ）で形成した例である。実施の形態（Ｃｕ）に係る冷却器を有する半導体装置は、図３５の構成に対応し、実施の形態（ＣｕＶＣ）に係る冷却器を有する半導体装置は、図３６の構成に対応する。
【０１７７】
比較例１、比較例２、実施の形態（Ｃｕ）、実施の形態（ＣｕＶＣ）の熱抵抗Ｒth(fin)(Ｋ／Ｗ)の値は、それぞれ約０．１２(Ｋ／Ｗ)、約０．１２(Ｋ／Ｗ)、約０．１４(Ｋ／Ｗ)、約０．０６５(Ｋ／Ｗ)である。
【０１７８】
比較例２に係る冷却器を有する半導体装置では、ベース面で熱は広がることから、熱拡散部を銅ベーパーチャンバ（ＣｕＶＣ）で形成したことによる低熱抵抗効果は得られていない。
【０１７９】
実施の形態（Ｃｕ）に係る冷却器を有する半導体装置では、空冷フィンのベース部に接触する熱拡散部側面には熱の移動が低下している。
【０１８０】
実施の形態（ＣｕＶＣ）に係る冷却器を有する半導体装置では、空冷フィンのベース部に接触する熱拡散部側面まで熱の移動が可能である。このため、比較例１・２に比べて、冷却効率は増大しており、熱抵抗Ｒth(fin)(Ｋ／Ｗ)は約４６％低減されている。
【０１８１】
（半導体デバイスの具体例）
実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭであって、半導体デバイスとして適用可能な１ in １モジュールタイプのＰＭ５２のＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的回路表現は、図３８に示すように表される。
【０１８２】
図３８には、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑに逆並列接続されるダイオードＤＩが示されている。ダイオードＤＩとして寄生ダイオードを用いる場合には省略することもできる。ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑの主電極は、ドレイン端子ＤＴおよびソース端子ＳＴで表される。
【０１８３】
また、実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭであって、半導体デバイスとして適用可能な１ in １モジュールタイプのＰＭ５２のＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの詳細回路表現は、図３９に示すように表される。
【０１８４】
実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭは、例えば、半導体デバイスが１ in １モジュールタイプのＰＭ５２の構成を備える。すなわち、１個のＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑが１つのモジュールに内蔵されている。一例として、５チップ（ＭＯＳＦＥＴ×５）搭載可能であり、それぞれのＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑは、５個まで並列接続可能である。なお、５チップの内、一部をダイオードＤＩ用として搭載することも可能である。
【０１８５】
さらに詳細には、図３９に示すように、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑに並列にセンス用ＭＯＳＦＥＴ  Ｑｓが接続される。センス用ＭＯＳＦＥＴ  Ｑｓは、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑと同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されている。
【０１８６】
図３９において、ＳＳは、ソースセンス端子、ＣＳは、電流（カレント）センス端子であり、Ｇは、ゲート端子である。なお、本実施の形態においても、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑには、センス用ＭＯＳＦＥＴ  Ｑｓが同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されていても良い。
【０１８７】
（回路構成）
次に、実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭにおいて、半導体デバイスの回路構成例について、より具体的に説明する。
【０１８８】
ここでは、実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭの半導体デバイスとして適用可能なモジュールであって、２個の半導体デバイスが１つのモールド樹脂内に封止されたＰＭ、いわゆる２ in １モジュールタイプのＰＭについて説明する。
【０１８９】
半導体デバイスとして、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ１・Ｑ４を適用した２ in １モジュールタイプのＰＭ（２ in １モジュール）１００の回路構成は、例えば図４０に示すように表される。
【０１９０】
すなわち、２ in １モジュール１００は、図４０に示すように、２個のＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ１・Ｑ４が１つのモジュールとして内蔵された、ハーフブリッジ内蔵モジュールの構成を備える。
【０１９１】
ここで、モジュールに内蔵されているＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ１・Ｑ４は、それぞれ１つの大きなトランジスタとみなすことができるが、１チップまたは複数チップを並列接続する場合がある。また、モジュールには、１ in １、２ in １、４ in １、６ in １などがあり、例えば、１つのモジュール上において、２個分のトランジスタ（チップ）を内蔵したモジュールは２ in １、２ in １を２組み内蔵したモジュールは４ in １、２ in １を３組み内蔵したモジュールは６ in １と呼ばれている。
【０１９２】
図４０に示すように、２ in １モジュール１００は、２個のＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ１・Ｑ４と、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ１・Ｑ４に逆並列接続されるダイオードＤＩ１・ＤＩ４が、１つのモジュールとして内蔵されている。
【０１９３】
図４０において、Ｇ１は、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ１のゲート信号用のリード端子（いわゆる、ゲート端子）であり、Ｓ１は、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ１のソース信号用のリード端子（いわゆる、ソースセンス端子）である。同様に、Ｇ４は、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ４のゲート信号用のリード端子であり、Ｓ４は、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ４のソース信号用のリード端子である。
【０１９４】
また、Ｐは、正側電源入力端子電極であり、Ｎは、負側電源入力端子電極であり、Ｏは、出力端子電極である。
【０１９５】
実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭに適用可能な半導体デバイス（Ｑ２・Ｑ５）、および半導体デバイス（Ｑ３・Ｑ６）についても同様である。
【０１９６】
―電源装置―
本実施の形態に係る電源装置は、上記の実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭを備える。上記の半導体装置またはパワーモジュールを用いて入力電圧を変換して出力する電源装置が提供される。
【０１９７】
実施の形態に係る半導体装置に搭載する２ in １モジュール１００によれば、図４０に示すように、正側電源入力端子電極（第１の電源）Ｐと負側電源入力端子電極（第２の電源）Ｎとの間にＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ（第１のスイッチングデバイス）Ｑ１とＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ（第２のスイッチングデバイス）Ｑ４とが直列接続され、その接続点の電圧を出力端子電極Ｏより出力する電源装置（電源回路）を構成できる。
【０１９８】
なお、本実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭとしては、１ in １モジュール、２ in １モジュールに限らず、４ in １（フォーインワン）モジュール、６ in １ (シックスインワン)モジュールや、６ in １モジュールにスナバコンデンサなどを備えた７ in １（セブンインワン）モジュール、８ in １（エイトインワン）モジュール、１２ in １（トゥエルブインワン）モジュール、１４ in １（フォーティーンインワン）モジュールなども適用可能である。
【０１９９】
（デバイス構造）
実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭに適用可能な半導体デバイス（Ｑ１・Ｑ４）の例であって、ソースパッド電極ＳＰ、ゲートパッド電極ＧＰを含むＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  １３０Ａの模式的断面構造は、図４１に示すように表される。
【０２００】
図４１に示すように、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  １３０Ａは、ｎ- 高抵抗層からなる半導体層３１と、半導体層３１の表面側に形成されたｐボディ領域３２と、ｐボディ領域３２の表面に形成されたソース領域３３と、ｐボディ領域３２間の半導体層３１の表面上に配置されたゲート絶縁膜３４と、ゲート絶縁膜３４上に配置されたゲート電極３５と、ソース領域３３およびｐボディ領域３２に接続されたソース電極３６と、半導体層３１の表面と反対側の裏面に配置されたｎ+ ドレイン領域３７と、ｎ+ ドレイン領域３７に接続されたドレイン電極３８とを備える。
【０２０１】
ゲートパッド電極ＧＰは、ゲート絶縁膜３４上に配置されたゲート電極３５に接続され、ソースパッド電極ＳＰは、ソース領域３３およびｐボディ領域３２に接続されたソース電極３６に接続される。また、ゲートパッド電極ＧＰおよびソースパッド電極ＳＰは、図４１に示すように、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  １３０Ａの表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜３９上に配置される。
【０２０２】
なお、ゲートパッド電極ＧＰおよびソースパッド電極ＳＰの下方の半導体層３１内には、図示していないが、微細構造のトランジスタ構造が形成されていても良い。
【０２０３】
さらに、図４１に示すように、中央部のトランジスタ構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜３９上にソースパッド電極ＳＰが延在して配置されていても良い。
【０２０４】
図４１において、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  １３０Ａは、プレーナゲート型のｎチャネル縦型ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴで構成されているが、後述する図４４に示すように、トレンチゲート型のｎチャネル縦型ＳｉＣ  Ｔ  ＭＯＳＦＥＴ  １３０Ｃなどで構成されていても良い。
【０２０５】
または、実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭに適用可能な半導体デバイスとしては、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  １３０Ａの代わりに、ＧａＮ系ＦＥＴなどを採用することもできる。
【０２０６】
実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭに適用可能な半導体デバイス（Ｑ２・Ｑ５、Ｑ３・Ｑ６）についても同様である。
【０２０７】
さらには、実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭに適用可能な半導体デバイスＱ１〜Ｑ６には、バンドギャップエネルギーが、例えば、１．１ｅＶ〜８ｅＶのワイドバンドギャップ型と称される半導体を用いることができる。
【０２０８】
同様に、実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭに適用可能な半導体デバイス（Ｑ１・Ｑ４）の例であって、エミッタパッド電極ＥＰ、ゲートパッド電極ＧＰを含むＩＧＢＴ  １３０Ｂの模式的断面構造は、図４２に示すように表される。
【０２０９】
図４２に示すように、ＩＧＢＴ  １３０Ｂは、ｎ- 高抵抗層からなる半導体層３１と、半導体層３１の表面側に形成されたｐボディ領域３２と、ｐボディ領域３２の表面に形成されたエミッタ領域３３Ｅと、ｐボディ領域３２間の半導体層３１の表面上に配置されたゲート絶縁膜３４と、ゲート絶縁膜３４上に配置されたゲート電極３５と、エミッタ領域３３Ｅおよびｐボディ領域３２に接続されたエミッタ電極３６Ｅと、半導体層３１の表面と反対側の裏面に配置されたｐ+ コレクタ領域３７Ｐと、ｐ+ コレクタ領域３７Ｐに接続されたコレクタ電極３８Ｃとを備える。
【０２１０】
ゲートパッド電極ＧＰは、ゲート絶縁膜３４上に配置されたゲート電極３５に接続され、エミッタパッド電極ＥＰは、エミッタ領域３３Ｅおよびｐボディ領域３２に接続されたエミッタ電極３６Ｅに接続される。また、ゲートパッド電極ＧＰおよびエミッタパッド電極ＥＰは、図４２に示すように、ＩＧＢＴ  １３０Ｂの表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜３９上に配置される。
【０２１１】
なお、ゲートパッド電極ＧＰおよびエミッタパッド電極ＥＰの下方の半導体層３１内には、図示していないが、微細構造のＩＧＢＴ構造が形成されていても良い。
【０２１２】
さらに、図４２に示すように、中央部のＩＧＢＴ構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜３９上にエミッタパッド電極ＥＰが延在して配置されていても良い。
【０２１３】
図４２において、ＩＧＢＴ  １３０Ｂは、プレーナゲート型のｎチャネル縦型ＩＧＢＴで構成されているが、トレンチゲート型のｎチャネル縦型ＩＧＢＴなどで構成されていても良い。
【０２１４】
実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭに適用可能な半導体デバイス（Ｑ２・Ｑ５、Ｑ３・Ｑ６）についても同様である。
【０２１５】
半導体デバイスＱ１〜Ｑ６としては、ＳｉＣ  ＤＩ  ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ  Ｔ  ＭＯＳＦＥＴなどのＳｉＣ系パワーデバイス、或いはＧａＮ系高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ: High Electron Mobility Transistor）などのＧａＮ系パワーデバイスを適用可能である。また、場合によっては、Ｓｉ系ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワーデバイスも適用可能である。
【０２１６】
―ＳｉＣ  ＤＩ  ＭＯＳＦＥＴ―
実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭに適用可能な半導体デバイスの例であって、ＳｉＣ  ＤＩ  ＭＯＳＦＥＴ  １３０Ｃの模式的断面構造は、図４３に示すように表される。
【０２１７】
図４３に示すＳｉＣ  ＤＩ  ＭＯＳＦＥＴ  １３０Ｃは、ｎ- 高抵抗層からなる半導体層３１と、半導体層３１の表面側に形成されたｐボディ領域３２と、ｐボディ領域３２の表面に形成されたｎ+ ソース領域３３と、ｐボディ領域３２間の半導体層３１の表面上に配置されたゲート絶縁膜３４と、ゲート絶縁膜３４上に配置されたゲート電極３５と、ソース領域３３およびｐボディ領域３２に接続されたソース電極３６と、半導体層３１の表面と反対側の裏面に配置されたｎ+ ドレイン領域３７と、ｎ+ ドレイン領域３７に接続されたドレイン電極３８とを備える。
【０２１８】
図４３において、ＳｉＣ  ＤＩ  ＭＯＳＦＥＴ  １３０Ｃは、ｐボディ領域３２と、ｐボディ領域３２の表面に形成されたｎ+ ソース領域３３が、ダブルイオン注入（ＤＩＩ）で形成され、ソースパッド電極ＳＰは、ソース領域３３およびｐボディ領域３２に接続されたソース電極３６に接続される。
【０２１９】
図示を省略するゲートパッド電極ＧＰは、ゲート絶縁膜３４上に配置されたゲート電極３５に接続される。また、ソースパッド電極ＳＰおよびゲートパッド電極ＧＰは、図４３に示すように、ＳｉＣ  ＤＩ  ＭＯＳＦＥＴ  １３０Ｃの表面を覆うように、パッシベーション用の層間絶縁膜３９上に配置される。
【０２２０】
ＳｉＣ  ＤＩ  ＭＯＳＦＥＴ  １３０Ｃは、図４３に示すように、ｐボディ領域３２に挟まれたｎ- 高抵抗層からなる半導体層３１内に、破線で示されるような空乏層が形成されるため、接合型ＦＥＴ（ＪＦＥＴ）効果に伴うチャネル抵抗Ｒ JFETが形成される。また、ｐボディ領域３２／半導体層３１間には、図４３に示すように、ボディダイオードＢＤが形成される。
【０２２１】
―ＳｉＣ  Ｔ  ＭＯＳＦＥＴ―
実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭに適用可能な半導体デバイスの例であって、ＳｉＣ  Ｔ  ＭＯＳＦＥＴの模式的断面構造は、図４４に示すように表される。
【０２２２】
図４４に示すＳｉＣ  Ｔ  ＭＯＳＦＥＴ  １３０Ｄは、ｎ層からなる半導体層３１Ｎと、半導体層３１Ｎの表面側に形成されたｐボディ領域３２と、ｐボディ領域３２の表面に形成されたｎ+ ソース領域３３と、ｐボディ領域３２を貫通し、半導体層３１Ｎまで形成されたトレンチ内にゲート絶縁膜３４および層間絶縁膜３９Ｕ・３９Ｂを介して形成されたトレンチゲート電極３５ＴＧと、ソース領域３３およびｐボディ領域３２に接続されたソース電極３６と、半導体層３１Ｎの表面と反対側の裏面に配置されたｎ+ ドレイン領域３７と、ｎ+ ドレイン領域３７に接続されたドレイン電極３８とを備える。
【０２２３】
図４４において、ＳｉＣ  Ｔ  ＭＯＳＦＥＴ  １３０Ｄは、ｐボディ領域３２を貫通し、半導体層３１Ｎまで形成されたトレンチ内にゲート絶縁膜３４および層間絶縁膜３９Ｕ・３９Ｂを介してトレンチゲート電極３５ＴＧが形成され、ソースパッド電極ＳＰは、ソース領域３３およびｐボディ領域３２に接続されたソース電極３６に接続される。
【０２２４】
図示を省略するゲートパッド電極ＧＰは、ゲート絶縁膜３４上に配置されたトレンチゲート電極３５ＴＧに接続される。また、ソースパッド電極ＳＰおよびゲートパッド電極ＧＰは、図４４に示すように、ＳｉＣ  Ｔ  ＭＯＳＦＥＴ  １３０Ｄの表面を覆うように、パッシベーション用の層間絶縁膜３９Ｕ上に配置される。
【０２２５】
ＳｉＣ  Ｔ  ＭＯＳＦＥＴ  １３０Ｄでは、ＳｉＣ  ＤＩ  ＭＯＳＦＥＴ  １３０Ｃのような接合型ＦＥＴ（ＪＦＥＴ）効果に伴うチャネル抵抗Ｒ JFETは形成されない。また、ｐボディ領域３２／半導体層３１Ｎ間には、図４３と同様に、ボディダイオードＢＤが形成される。
【０２２６】
（応用例）
実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭを用いて構成される３相交流インバータ４２であって、半導体デバイスとしてＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴを適用し、電源端子ＰＬ・接地端子ＮＬ間にスナバコンデンサＣを接続した回路構成例は、図４５に示すように表される。
【０２２７】
ＰＭを電源Ｅと接続し、スイッチング動作を行うと、接続ラインの有するインダクタンスＬによって、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴのスイッチング速度が速いため、大きなサージ電圧Ｌｄｉ／ｄｔを生ずる。例えば、電流変化ｄｉ＝３００Ａとし、スイッチングに伴う時間変化ｄｔ＝１００ｎｓｅｃとすると、ｄｉ／ｄｔ＝３×１０９（Ａ／ｓ）となる。
【０２２８】
インダクタンスＬの値により、サージ電圧Ｌｄｉ／ｄｔの値は変化するが、電源Ｅに、このサージ電圧Ｌｄｉ／ｄｔが重畳される。電源端子ＰＬ・接地端子ＮＬ間に接続されるスナバコンデンサＣによって、このサージ電圧Ｌｄｉ／ｄｔを吸収することができる。
【０２２９】
（具体例）
次に、図４６を参照して、半導体デバイスとしてＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴを適用し、実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭを用いて構成した３相交流インバータ４４について説明する。
【０２３０】
図４６に示すように、３相交流インバータ４４は、ゲートドライバ（ＧＤ）１８０に接続されたＰＭ部２００と、３相交流モータ部５１と、電源もしくは蓄電池（Ｅ）５３と、コンバータ５５とを備える。ＰＭ部２００は、３相交流モータ部５１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のインバータが接続されている。
【０２３１】
ここで、ＧＤ１８０は、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ１・Ｑ４、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ２・Ｑ５、およびＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ３・Ｑ６に接続されている。
【０２３２】
ＰＭ部２００は、電源もしくは蓄電池（Ｅ）５３が接続されたコンバータ５５のプラス端子（＋）Ｐとマイナス端子（−）Ｎとの間に接続され、インバータ構成のＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ１・Ｑ４、Ｑ２・Ｑ５、およびＱ３・Ｑ６を備える。また、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ１〜Ｑ６のソース・ドレイン間には、フリーホイールダイオードＤＩ１〜ＤＩ６がそれぞれ逆並列に接続されている。
【０２３３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、空冷式で高放熱性能かつ軽量化可能な半導体装置、ＰＭおよび電源装置を提供することができる。
【０２３４】
なお、本実施の形態に係る半導体装置に搭載するＰＭに適用可能な半導体デバイスとしては、ＳｉＣ系パワーデバイスに限らず、ＧａＮ系やＳｉ系のパワーデバイスなどのワイドバンドギャップ型と称されるパワーデバイスも採用可能である。
【０２３５】
また、樹脂モールドされたモールド型ＰＭに限らず、ケース型のパッケージによってパッケージングされたＰＭにも適用可能である。
【０２３６】
[その他の実施の形態]
上記のように、いくつかの実施の形態について記載したが、開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【０２３７】
このように、本実施の形態は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
【産業上の利用可能性】
【０２３８】
本実施の形態の半導体装置、ＰＭおよび電源装置は、ＩＧＢＴモジュール、ダイオードモジュール、ＭＯＳモジュール（Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ）などの各種の半導体モジュール技術に利用することができ、ＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）／ＥＶ（Electric Vehicle）向けのインバータ、産業向けのインバータやコンバータなど、電源装置を含む、幅広い応用分野に適用可能である。
【符号の説明】
【０２３９】
２…半導体装置
６…放熱部
８、８０、８０Ｕ、８０Ｖ、８０Ｗ…ＰＭ（パワーモジュール）（ＴＳ）
１０、１０Ｕ、１０Ｖ、１０Ｗ…熱拡散部（ベーパーチャンバ）
１２、１２ＳＡ、１２ＳＢ…熱伝導層（熱伝導シート層、半田層）
１４、１４ＰＡ、１４ＰＢ、１４Ｃ、１４Ｐ…ベース部
１５ＰＢ…ベース部（高熱伝導材）
１６、１６ＦＡ、１６ＦＢ、１６Ｃ、１６Ｆ、１６1、１６2、１６3、…、１６n…空冷フィン部
１７ＦＢ…空冷フィン部
２０、Ｑ、Ｑ１〜Ｑ６…半導体デバイス（ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ）
２１…セラミックス基板
２２…裏面電極パターン（セラミックス基板の裏面電極層）
２３…表面電極パターン（セラミックス基板の表面電極層）
２５…熱伝導層（熱伝導シート層、半田層、銀焼成層）
２６…半田層
２７…銀焼成層
４０…加圧板
４２、４４…３相交流インバータ
５０、５０Ｆ１、５０Ｆ２…ファン
５１…３相交流モータ部
５２…１ in １モジュールタイプのＰＭ
５３…電源もしくは蓄電池（Ｅ）
５５…コンバータ
９０…冷却器
１００…２ in １モジュールタイプのＰＭ
１３０Ａ…プレーナゲート型のｎチャネル縦型ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ
１３０Ｂ…プレーナゲート型のｎチャネル縦型ＩＧＢＴ
１３０Ｃ…トレンチゲート型のｎチャネル縦型ＳｉＣ  Ｔ  ＭＯＳＦＥＴ
１３０Ｄ…ＳｉＣ  ＤＩ  ＭＯＳＦＥＴ
１８０…ゲートドライバ（ＧＤ）
２００…ＰＭ部
３００…モールド樹脂層
ＧＳ（ＧＳ１・ＧＳ２・ＧＳ３・…・ＧＳｎ）…グラファイトシート
ＧＰ（ＸＹ）、ＧＰ（ＸＺ）…グラファイト基板
ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３、…、ＣＰｎ…熱接触部
ＡＰ…開口部
ＯＡ、ＳＰＡＣＥ…熱接触空間部
ＮＣ…非接触部
Ｔ１…ベース部表面温度
Ｔ２…空冷フィン部根元温度
Ｔ３…空冷フィン部先端温度
Ｔａ…外気の空気温度
Ｗ１…冷却器厚
ＷＰ…空冷フィン幅
ＬＦ…空冷フィン長
ＦＳ…フィンスペース
ＬＢ…ベース長
Ｌ１…ベース幅
Ｒth(fin)…空冷フィンの熱抵抗（Ｋ／Ｗ）
ＲＡＴＩＯ…空冷フィン内部温度差比率
ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ１’、ｒ２’、ｒ３’、 ｒ1”、ｒ２”、ｒ３”…熱抵抗
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ１’、Ｖ２’、Ｖ３’、 Ｖ1”、Ｖ２”、Ｖ３”…温度
Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ１’、Ｉ２’、Ｉ３’、 Ｉ1”、Ｉ２”、Ｉ３”…熱流
ＳＳ１、ＳＳ４…ソースセンス端子電極
ＧＴ１、ＧＴ４…ゲート信号端子電極
Ｐ…正側電源入力端子電極（第１の電源）
Ｎ…負側電源入力端子電極（第２の電源）
Ｏ、Ｕ、Ｖ，Ｗ…出力端子電極
【図１】
2019102665.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【国際調査報告】
2019102665.tif 000049
2019102665.tif 000050
2019102665.tif 000051
2019102665.tif 000052