(57)【要約】【課題】  放熱性能を向上させた半導体装置を提供する。【解決手段】  この半導体装置３は、放熱器３１と、放熱器３１上に積層された熱拡散層３３と、熱拡散層３３上に接合された半導体チップ３４とを備え、熱拡散層３３がＣＶＤダイヤモンド層として形成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱器と、前記放熱器上に積層された熱拡散層と、前記熱拡散層上に接合された半導体チップとを備え、前記熱拡散層は、ＣＶＤダイヤモンド層であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体チップは、ポリイミドワニスにより前記放熱器上に接合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】
前記半導体チップは、コバールにより前記放熱器上に接合されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体装置は、外部端子を備え、
前記半導体チップの電極部と前記外部端子とがリードフレームを介して接続されることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記放熱器と前記熱拡散層との間にシリコン層が介在することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の半導体装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の半導体装置と、前記半導体装置の前記放熱器の熱を吸収するヒートシンクとを備えることを特徴とするモジュールユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱器と該放熱器上に接合された半導体チップとを備えた半導体装置、および前記半導体装置と前記半導体装置の放熱器の熱を吸収するヒートシンクとを組み合わせたモジュールユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車や燃料電池自動車等の電気自動車では、動力源用のモータを駆動制御および回生制御する為の電力変換装置（半導体装置）を備えている。
【０００３】
この種の従来の半導体装置は、放熱器と該放熱器の上に直接に接合された半導体チップとを備えて主構成される。この構成の下では、半導体チップで生じた熱は、放熱器の上面から放熱器内に伝達して放熱器の内部で拡散して放熱器の下面から放熱される。
【０００４】
また、この種の従来の半導体装置は、例えば他の装置と共通のヒートシンク上に配設される。そして、半導体装置の放熱器の熱がヒートシンクに吸収されることで、半導体チップや放熱器の温度上昇が防止される様になっている。
【０００５】
他方、近年、電気自動車のバッテリの大容量化や半導体装置の高速スイッチング化が検討されており、その様なバッテリの大容量化や半導体装置の高速スイッチング化に伴って、半導体装置の高温（例えば１５０℃〜２５０℃の温度）下の使用の必要性が高まっている。
【０００６】
この種の従来の半導体装置に関する先行技術文献として例えば特許文献１がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２２１５４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の半導体装置の高温下の使用の必要性の対策として、半導体チップを従来のＳｉ半導体チップから高温動作可能なワイドバンドギャップ半導体（ＳＩＣ，ＧａＮ，Ｄｉａｍｏｎｄ等）チップに変更する案が提案されている。そして、この案に伴って、半導体装置の放熱性能の向上および高温下での耐熱性（部材自体の耐熱性および部材間の熱膨張率の違いに起因する部材間接合部分の欠け防止）の向上が求められている。
【０００９】
また、上記の従来の半導体装置では、半導体チップで生じた熱は、放熱器内に伝達してから放熱器の内部で拡散するので、その熱の拡散に時間が掛かり、半導体装置の放熱性能が低かった。そのため、従来の半導体装置は、構造的に高温下の使用に適していないという欠点があった。
【００１０】
また、上記の様に従来の半導体装置は放熱性能が低いので、半導体装置をヒートシンク上に設置しない状態（即ち半導体装置単体）で作動させると、半導体装置が高温に上昇して破損する虞があり、半導体装置単体の検査が行えないという欠点があった。
【００１１】
また、電気自動車には、各種の装置を冷却する為の水冷式の冷却装置を備えているが、上記の様に従来の半導体装置は放熱性能が低いので、他の装置を冷却する高温水冷式（例えば１０５℃）の冷却装置とは別に低温水冷式（例えば６５℃）の冷却装置を用意する必要があり、電気自動車の冷却装置にコストが掛かるという欠点があった。
【００１２】
そこで、この発明の課題は、第１に、放熱性能を向上させた半導体装置を提供すること、第２に、耐熱性（部材自体の耐熱性および部材間の熱膨張率の違いに起因する部材間接合部分の欠け防止）を向上させた半導体装置を提供すること、第３に、上記の第１または第２の課題を解決する半導体装置と該半導体装置の放熱器の熱を吸収するヒートシンクとを組み合わせたモジュールユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決する為に、請求項１に記載の発明は、放熱器と、前記放熱器上に積層された熱拡散層と、前記熱拡散層上に接合された半導体チップとを備え、前記熱拡散層は、ＣＶＤダイヤモンド層であるものである。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、前記半導体チップは、ポリイミドワニスにより前記放熱器上に接合されるものである。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、前記半導体チップは、コバールにより前記放熱器上に接合されるものである。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、前記半導体装置は、外部端子を備え、前記半導体チップの電極部と前記外部端子とがリードフレームを介して接続されるものである。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、前記放熱器と前記熱拡散層との間にシリコン層が介在するものである。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜６の何れかに記載の半導体装置と、前記半導体装置の前記放熱器の熱を吸収するヒートシンクとを備えたものである。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１に記載の発明によれば、放熱器上に熱拡散層が積層され、その熱拡散層上に半導体チップが接合されるので、半導体チップで生じた熱を熱拡散層である程度横方向（熱拡散層の面方向）に拡散してから放熱器内に伝達でき、これにより放熱器内での熱の拡散に掛かる時間を短縮できて速やかに放熱器の下面から放熱でき、放熱性能を向上できる。また、熱拡散層はＣＶＤダイヤモンド層であるので、容易に熱拡散層を形成できる。
【００２０】
請求項２に記載の発明によれば、ポリイミドワニスは耐熱性に優れた樹脂性の接合材なので、耐熱性に優れた接合材により半導体チップを熱拡散層上に接合でき、半導体装置の耐熱性を向上できる。
【００２１】
請求項３に記載の発明によれば、コバールは低熱膨張率の接合材なので、半導体チップ・熱拡散層間の熱膨張係数の差に起因する半導体チップ・熱拡散層間の接合部分の破損（剥離や欠け）を防止して半導体チップを熱拡散層上に接合でき、半導体装置の耐熱性を向上できる。また、コバールは金属性（即ち熱伝導性）の接合材なので、半導体チップから放熱器への熱伝導性（即ち放熱性能）を損うことなく、半導体チップを熱拡散層上に接合できる。
【００２２】
請求項４に記載の発明によれば、半導体チップの電極部と外部端子とがリードフレームを介して接続されるので、半導体チップの電極部・外部端子間の接続部分での通電による溶断を防止できる。
【００２３】
請求項５に記載の発明によれば、放熱器と熱拡散層との間にシリコン層が介在するので、そのシリコン層により放熱器・熱拡散層間の熱膨張係数の差に起因する放熱器・熱拡散層間接合部分の破損（剥離や欠け）を防止でき、半導体装置の耐熱性を向上できる。
【００２４】
請求項６に記載の発明によれば、請求項１〜６の何れかの効果を奏する半導体装置と該半導体装置の放熱器の熱を吸収するヒートシンクとを組み合わせたモジュールユニットを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
この実施の形態に係るモジュールユニット１は、図１の様に、半導体装置３と、半導体装置３の熱を吸収するヒートシンク５とを組み合わせて構成される。
【００２６】
半導体装置３は、放熱器３１と、放熱器３１上に低熱膨張性の介材（例えばＳｉ層（シリコン層））３２を介して積層された高熱伝導性の熱拡散層３３と、熱拡散層３３上に接合された半導体チップ３４と、バスバ（外部端子）３５ａ，３５ｂ，３５ｃ（３５ｂは作図上不図示）と、半導体チップ３４の電極部３４ａ，３４ｂ，３４ｃとバスバ３５ａ，３５ｂ，３５ｃとの間に接続された例えば銅製のリードフレーム３６ａ，３６ｂ，３６ｃと、これら各構成部分を封止する絶縁性の封止材３７とを備える。
【００２７】
放熱器３１は、例えば、軽金属（Ａｌ，ＡｌＮ等）により半導体チップ３４の平面視寸法より大きい平面視寸法の平板状に形成される。
【００２８】
熱拡散層３３は、例えば、ＣＶＤダイヤモンド等の高熱伝導性の部材により放熱器３１の上面全体を被覆する様に薄膜状に形成される。
【００２９】
半導体チップ３４は、例えば横型（即ち各電極部（例えばゲート電極部３４ｂ、ソース電極部３４ａおよびドレイン電極部３４ｃ）が半導体チップ３４の上面に形成された構造）の高温動作可能なワイドバンドギャップ半導体（ＳＩＣ，ＧａＮ，Ｄｉａｍｏｎｄ等）チップとして構成される。この半導体チップ３４は、耐熱性に優れた接合材３８により熱拡散層３３上に面接触状に接合される。
【００３０】
接合材３８としては、例えば、耐熱性に優れた樹脂性の接合材（例えばポリイミドワニス）３８ａと、金属性で低熱膨張性の接合材（例えばコバール）３８ｂの２種類の接合材が用いられる。コバール３８ｂは、半導体チップ３４と熱拡散層３３との間において半導体チップ３４の各電極部（例えばソース電極部３４ａおよびドレイン電極部３４ｃ）の真下の所に局在化される様にして半導体チップ３４を熱拡散層３３上に接合している。また、ポリイミドワニス３８ａは、半導体チップ３４と熱拡散層３３との間においてコバール３８ｂ以外の所に充填される様にして半導体チップ３４を熱拡散層３３上に接合している。尚、コバール３８ｂは、例えば、半導体チップ３４から熱拡散層３３への熱伝導性を確保する観点から使用され、ポリイミドワニス３８ａは、例えば、半導体チップ３４と熱拡散層３３との間の接合強度を確保する観点から使用されている。
【００３１】
各リードフレーム３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、例えば、銅等の導電性部材により細長板状に形成された配線部材である。リードフレーム３６ａ（３６ｂ，３６ｃ）は、例えば金共晶ハンダ３９を用いて、その一端部がバスバ３５ａ（３５ｂ，３５ｃ）にハンダ付けされて接続されると共にその他端部が半導体チップ３４の電極部３４ａ（３４ｂ，３４ｃ）にハンダ付けにされて接続される。
【００３２】
封止材３７は、ポリイミドワニス等の絶縁性を有し耐熱性に優れた樹脂性の封止材が用いられる。この封止材３７は、各バスバ３５ａ，３５ｂ，３５ｃの一端部だけを外部に露出し且つその他の構成部分を被覆する様にして熱拡散層３３上に充填される。
【００３３】
ヒートシンク５は、Ａｌ等の軽金属により形成される。このヒートシンク５は、例えば、板状に形成され、その上面が平坦面状に形成されると共にその下面に複数のフィン部５ｂが突出形成されてなる。そして、このヒートシンク５上に、ヒートシンク５の上面と半導体装置３の放熱器３１の下面との間に密着補助材（例えばグリス）４１を介す様にして半導体装置３が配設される。
【００３４】
尚、このヒートシンク５は、電気自動車に搭載された状態では、電気自動車に搭載された例えば水冷式の冷却装置により冷却される様になっている。また、このヒートシンク５は、例えば他の装置のヒートシンクと共通使用されてもよい。
【００３５】
次に、このモジュールユニット１の製造方法を説明する。まず、半導体装置３の製造方法を説明する。予め放熱器３１を製造しておき、その放熱器３１上に介材（例えばシリコン層）３２を介して熱拡散層（例えばＣＶＤダイヤモンド層）３３を積層する。より具体的には、放熱器３１上にシリコン層３２を形成し、そのシリコン層３２上にＣＶＤダイヤモンド層３３を成膜することで、放熱器３１上にシリコン層３２を介してＣＶＤダイヤモンド層３３を積層してもよく、または、別体でシート状のＣＶＤダイヤモンドを形成しておき、シリコン層３２として接着性のシリコン材を用いてそのシート状のＣＶＤダイヤモンドを放熱器３１上に接着することで、放熱器３１上にシリコン層３２を介してＣＶＤダイヤモンド層３３を積層してもよい。
【００３６】
そして、予め半導体チップ３４を製造しておき、その半導体チップ３４を接合材３８（３８ａ，３８ｂ）を用いて熱拡散層（ＣＶＤダイヤモンド層）３３上に接合する。そして、各バスバ３５ａ，３５ｂ，３５ｃを所定位置に配置させた状態で、半導体チップ３４の電極部３４ａ（３４ｂ，３４ｃ）とバスバ３５ａ（３５ｂ，３５ｃ）とをリードフレーム３６ａ（３６ｂ，３６ｃ）を介してハンダ付けにより接続する。そして、各バスバ３５ａ，３５ｂ，３５ｃの一端部を外部に露出し且つその他の構成部分を被覆する様にして熱拡散層３３上に封止材３７を充填する。この様にして半導体装置３を製造する。
【００３７】
そして、予めヒートシンク５を製造しておき、そのヒートシンク５上に、ヒートシンク５の上面と半導体装置３の放熱器３１の下面との間に密着補助材（例えばグリス）４１を介す様にして上記の半導体装置３を配置する。この様にしてモジュールユニット１を製造する。
【００３８】
次に、このモジュールユニット１の動作を説明する。このモジュールユニット１では、例えば、ゲート電極部３４ｂへの印加電圧をオンオフ制御することで、半導体チップ３４がオンオフ駆動する。そして、そのオンオフ駆動に応じて、外部からの電流が順にバスバ３５ａ，リードフレーム３６ａ，電極部３４ａ，半導体チップ３４の内部，電極部３４ｃ，リードフレーム３６ｃおよびバスバ３５ｃへと流れて通電する。
【００３９】
そして、その通電の際に半導体チップ３４で生じた熱は、接合材３８を介して熱拡散層３３に伝達する。その際、半導体チップ３４で生じる熱は、特に半導体チップ３４のソース電極部３４ａおよびドレイン電極部３４ｃ付近で多く生じるので、接合材３８のうちの各電極部３４ａ，３４ｃの真下の部分をコバール（熱導電性の接合材）３８ｂにすることで効果的（速やかに）に熱拡散層３３に伝達される。
【００４０】
そして、熱拡散層３３に伝達した熱は、熱拡散層３３内を速やかに横方向（面方向）に拡散しつつ介材３２を介して放熱器３１内に伝達して放熱器３１の下面から放熱される。即ち、熱拡散層３３に伝達した熱は、熱拡散層３３により予め熱拡散層３３の面方向（放熱器３１の上面の面方向）にある程度拡散された状態で放熱器３１内に伝達するので、放熱器３１の内部で拡散する時間が短縮され、その分速やかに放熱器３１の下面全面から放熱される。そして、放熱器３１の下面から放熱された熱は、グリス４１を介してヒートシンク５に吸収される。その際、グリス４１により放熱器３１とヒートシンク５との間が気密状に密着しているので、放熱器３１からヒートシンク５に良好に熱伝達する。
【００４１】
尚、図２は、放熱器３１上にＣＶＤダイヤモンド層３３を形成した場合の放熱器３１の断面の熱流束のシミュレーション結果（ａ）と、放熱器３１上にＣＶＤダイヤモンド層３３を形成しない場合の放熱器３１の断面の熱流束のシミュレーション結果（ｂ）を示した図である。（ａ）（ｂ）ともに点Ａ部分を熱源としている。（ａ）では、放熱器３１の上面表層３１ａに渡っての熱流束が大きく、従って放熱器３１の上面表層３１ａで熱が速く拡散しているが、（ｂ）では、放熱器３１の上面表層３１ａに渡っての熱流束が低く、従って放熱器３１内で熱があまり拡散していない。また、図３は、放熱器３１上にＣＶＤダイヤモンド層３３を形成した場合の放熱器３１の断面の温度分布のシミュレーション結果（ａ）と、放熱器３１上にＣＶＤダイヤモンド層３３を形成しない場合の放熱器３１の断面の温度分布のシミュレーション結果（ｂ）を示した図である。（ａ）（ｂ）ともに点Ａ部分を熱源としている。（ａ）では、放熱器３１の内部全体に渡ってほぼ均等に温度が分布しているが、（ｂ）では、点Ａ付近の温度がかなり高く点Ａから離れると急に温度が低くなっている。これら図２および図３から、放熱器３１上にＣＶＤダイヤモンド層３３を形成した場合の方が、放熱器３１上にＣＶＤダイヤモンド層３３を形成しない場合よりも速く放熱器３１の横方向全体に熱が伝わり、これにより放熱器３１の下面全体から効率的に（速やかに）熱が放熱できる事がわかる。
【００４２】
以上の様に構成されたモジュールユニット１によれば、放熱器３１上に高熱伝導性の熱拡散層３３が積層され、その熱拡散層３３上に半導体チップ３４が接合されるので、半導体チップ３４で生じた熱を熱拡散層３３である程度横方向（熱拡散層３３の面方向）に拡散してから放熱器３１内に伝達でき、これにより放熱器３１内での熱の拡散に掛かる時間を短縮できて速やかに放熱器３１の下面から放熱でき、放熱性能を向上できる。
【００４３】
また、熱拡散層３３はＣＶＤダイヤモンド層であるので、容易に高熱伝導性の熱拡散層３３を形成できる。
【００４４】
また、ポリイミドワニス３８ａは耐熱性に優れた樹脂性の接合材なので、耐熱性に優れた接合材３８ａにより半導体チップ３４を熱拡散層３３上に接合でき、半導体装置３の耐熱性を向上できる。
【００４５】
また、コバール３８ｂは低熱膨張率の接合材なので、半導体チップ３４・熱拡散層３３間の熱膨張係数の差に起因する半導体チップ３４・熱拡散層３３間の接合部分の破損（剥離や欠け）を防止して半導体チップ３４を熱拡散層３３上に接合でき、半導体装置３の耐熱性を向上できる。また、コバール３８ｂは金属性（即ち熱伝導性）の接合材なので、半導体チップ３４から放熱器３１への熱伝導性（即ち放熱性能）を損うことなく、半導体チップ３４を熱拡散層３３上に接合できる。
【００４６】
また、半導体チップ３４の電極部３４ａ，３４ｂ，３４ｃとバスバ（外部端子）３５ａ，３５ｂ，３５ｃとがリードフレーム３６ａ，３６ｂ，３６ｃを介して接続されるので、通電量が増加しても、半導体チップ３４の電極部３４ａ，３４ｂ，３４ｃ・バスバ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ間の接続部分での通電による溶断を防止できる。
【００４７】
また、放熱器３１と熱拡散層３３との間にシリコン層（低熱膨張性の介材）３２が介在するので、シリコン層３２により放熱器３１・熱拡散層３３間の熱膨張係数の差に起因する放熱器３１・熱拡散層３３間の接合部分の破損（剥離や欠け）を防止でき、半導体装置３の耐熱性を向上できる。
【００４８】
また、放熱器３１は軽金属により形成されるので、半導体装置３を軽量化できる。
【００４９】
また、上記の効果を奏する半導体装置３と該半導体装置３の放熱器３１の熱を吸収するヒートシンク５とを組み合わせたモジュールユニットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態に係るモジュールユニットの断面概略図である。
【図２】図２は、放熱器上にＣＶＤダイヤモンド層を形成した場合の放熱器の断面の熱流束のシミュレーション結果（ａ）と、放熱器上にＣＶＤダイヤモンド層を形成しない場合の放熱器の断面の熱流束のシミュレーション結果（ｂ）を示した図である。
【図３】図３は、放熱器上にＣＶＤダイヤモンド層を形成した場合の放熱器の断面の温度分布のシミュレーション結果（ａ）と、放熱器上にＣＶＤダイヤモンド層を形成しない場合の放熱器の断面の温度分布のシミュレーション結果（ｂ）を示した図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  モジュールユニット
３  半導体装置
５  ヒートシンク
３１  放熱器
３２  介材（シリコン層）
３３  熱拡散層（ＣＶＤダイヤモンド層）
３４  半導体チップ
３４ａ，３４ｂ，３４ｃ  電極部
３５ａ，３５ｂ  バスバ（外部端子）
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ  リードフレーム
３７  封止材
３８ａ  接合材（ポリイミドワニス）
３８ｂ  接合材（コバール）
３９  金共晶ハンダ
４１  密着補助材（グリス）
【図１】
2006179638.tif 000003
【図２】
2006179638.tif 000004
【図３】
2006179638.tif 000005