(57)【要約】【課題】過負荷等によって半導体素子から定常発熱状態（通常状態）より大きな熱が発生した場合、半導体素子の急激な温度上昇を抑制することができる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１０は、強制冷却式の冷却器１１と、冷却器１１上に金属層１４を介して接合されたセラミック基板１３と、セラミック基板１３上に設けられた配線金属層１５と、配線金属層１５上に接合された半導体素子１６とを備えている。配線金属層１５上には、半導体素子１６から冷却器１１への伝熱経路の外側で、半導体素子１６で発生して冷却器１１に伝導される前の熱を一時貯留可能な位置に、ヒートマス１７が設けられている。ヒートマス１７は、配線金属層１５の材料と同種の材料で形成されている。配線金属層１５及びヒートマス１７はアルミニウムで形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強制冷却式の冷却器と、
前記冷却器上に接合された基板と、
前記基板における前記冷却器の反対側面に接合された半導体素子と、
前記基板上の前記半導体素子から前記冷却器への伝熱経路の外側で、前記半導体素子で発生して前記冷却器に伝導される前の熱を一時貯留可能な位置に設けられたヒートマスと
を備え、
前記ヒートマスは、設けられた箇所の材料と同種の材料で形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記基板は、前記冷却器上に接合されたセラミック基板と前記セラミック基板上に設けられた配線金属層とを備え、
前記半導体素子は、前記配線金属層に接合されている請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ヒートマスは、前記配線金属層上に設けられ、かつアルミニウム又はアルミニウム合金で形成されている請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ヒートマスは、前記配線金属層上に設けられ、前記配線金属層にろう付けで接合されている請求項２又は請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ヒートマスは、前記半導体素子の一辺又は対向する辺に沿って配置され、ヒートマスの長さが対応する前記半導体素子の辺の長さ以上に形成されている請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ヒートマスには、前記半導体素子の配線が通過するための空間が形成されている請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記ヒートマスは、前記基板における前記半導体素子が設けられた側の面に設けられている請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体装置は車載用の半導体装置である請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に係り、詳しくは強制冷却式の冷却器を備えた回路基板上に半導体素子が接合されている半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置としてヒートシンクに積層接着された基板の回路パターン上に半導体素子が搭載されたものが知られている。この半導体装置では半導体素子で発生した熱はその下面から基板を介してヒートシンクに伝導されて放熱（放散）される。このような構成において、ヒートシンクは、半導体素子に過負荷により過渡的に大きな発熱が生じた状態において必要な冷却効果を有することが要求される。しかし、半導体素子に過渡的に大きな発熱が生じた状態を基準にヒートシンクの冷却機能を設定すると、半導体装置が大型化する。
【０００３】
従来、電力変換装置に使用される半導体素子において、過負荷によって起こる半導体素子の急激な温度上昇を抑制することのできる半導体モジュールが提案されている（特許文献１参照）。図９に示すように、半導体モジュール５１は、金属基板５２上に絶縁基板５３を介して設けられた半導体素子５４と、半導体素子５４の直上及び近傍に設けられ、半導体素子５４の使用可能上限温度よりわずかに低い温度で固体から液体に相変化することで、半導体素子５４の熱を一時的に吸収して、その後、放熱する蓄熱器５５とを有する。なお、半導体素子５４で発生した熱は、通常は図示しない冷却器へ金属基板５２を介して伝導され、過負荷状態において、冷却器の冷却能力が対応できないときに、余分な熱が蓄熱器５５に一時的に蓄えられた後、冷却器へ伝導される。
【特許文献１】特開２００２−２７０７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の半導体モジュールでは、冷却器の能力は過負荷でない状態（通常状態）における半導体素子５４の発熱に対処できればよく、装置の大型化を抑制することができる。しかし特許文献１には、蓄熱器５５全体が固相と液相に変化する物質で構成されているのか、蓄熱器５５の内部に固相と液相に変化する物質を収容した構成であるのか明示されていない。いずれにせよ、蓄熱器５５と金属基板５２とは異種金属同士の接合となるため、熱伝達係数が低くなる可能性が高い。熱伝達係数が低くなると、過負荷状態において半導体素子５４の熱が蓄熱器５５に円滑に伝達されない。また、異種金属同士では線膨張係数の差により、接合部の信頼性が低くなる場合がある。また、蓄熱器５５全体が、固相と液相に変化する物質で構成されている場合は、蓄熱器５５が液相状態において半導体モジュール５１が振動したり、傾いたりすると蓄熱器５５が所定位置から移動してしまうという問題があり、車載用や振動の有る状態での用途に使用することが難しいという問題がある。たとえ、蓄熱器５５全体が固相と液相に変化するのではなく、蓄熱器の内部に固相と液相に変化する物質が収容されている構成の場合であっても、固相と液相に変化する物質の体積変化の影響を緩和するには、容積に余裕をもって収容することが必要であり、隙間を有して収容される。この隙間の存在により、さらに熱伝達係数が低くなり、また振動や傾きの影響を免れられない。
【０００５】
本発明は前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、過負荷等によって半導体素子から定常発熱状態（通常状態）より大きな熱が発生した場合、半導体素子の急激な温度上昇を抑制することができる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明は、強制冷却式の冷却器と、前記冷却器上に接合された基板と、前記基板における前記冷却器の反対側面に接合された半導体素子と、前記基板上の前記半導体素子から前記冷却器への伝熱経路の外側で、前記半導体素子で発生して前記冷却器に伝導される前の熱を一時貯留可能な位置に設けられたヒートマスとを備え、前記ヒートマスは、設けられた箇所の材料と同種の材料で形成されている。ここで、「強制冷却式の冷却器」とは、自然冷却、即ち単なる放冷ではなく、冷却媒体を外部からエネルギー供給して流す冷却や、沸騰冷却において冷却媒体が液相→気相→液相と変化することにより冷却媒体が自然と循環あるいは強制的に循環して冷却を行う方式の冷却器を意味する。また、「ヒートマス」とは、熱的に結合した半導体素子の温度がヒートマスの温度より上昇したときに半導体素子の熱を受けるべく、所定の熱容量を有する部材を意味する。また、「同種の材料」とは、基となる材質が同じで、一方の材料を溶融させて他方の材料に接合した場合に界面を作らず、線膨張係数及び熱伝導率が同等（±２％以内）の材料を意味する。例えば、アルミニウムとアルミニウムケイ素合金が挙げられる。以下、この明細書では同じ意味で使用する。
【０００７】
この発明では、半導体素子が定常発熱状態（通常状態）にある場合は、半導体素子で発生した熱は、冷却器に伝導されて円滑に除去される。一方、過渡的な過負荷等によって半導体素子から定常発熱状態より大きな熱が発生した場合は、冷却器による冷却機能が足りなくなるが、半導体素子で発生した熱の一部はヒートマスに一時的に吸収されるため、半導体素子が過熱状態になることは抑制される。そして、定常発熱状態に復帰すると、ヒートマスに吸収されていた熱が基板を介して冷却器に伝導されて除去される。また、ヒートマスは、設けられた箇所の材料と同一材料で一体形成あるいは同種の材料で互いに接合されて形成されているため、異種の材料で形成された場合に比較して、ヒートマスとの界面（接合面）の熱抵抗が小さく、即ち熱伝導率が高くなり、過渡時に熱が円滑に伝達される。また、線膨張係数に差がある場合でもその差が小さいため、接合部の信頼性が向上する。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記基板は、前記冷却器上に接合されたセラミック基板と前記セラミック基板上に設けられた配線金属層とを備え、前記半導体素子は、前記配線金属層に接合されている。この発明では、半導体素子と冷却器との間の絶縁性及び伝熱性を確保することができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記ヒートマスは、前記配線金属層上に設けられ、かつアルミニウム又はアルミニウム合金で形成されている。この発明では、ヒートマスがセラミック基板に設けられた場合に比較して、ヒートマスへ半導体素子から熱が伝達され易い。また、アルミニウムやアルミニウム合金は軽量で熱伝導率が高く、ろう付け温度も銅に比べて低い温度で実施することができる。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載の発明において、前記ヒートマスは、前記配線金属層上に設けられ、前記配線金属層にろう付けで接合されている。この発明では、ヒートマスと配線金属層とを一つの金属ブロックから削り出し加工で形成する場合に比較して製造が簡単になる。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記ヒートマスは、前記半導体素子の一辺又は対向する辺に沿って配置され、ヒートマスの長さが対応する前記半導体素子の辺の長さ以上に形成されている。ここで、「ヒートマスの長さ」とは、ヒートマスの基板と接する面あるいはヒートマスが基板と一体の場合はヒートマスと基板との界面に相当する面における半導体素子の辺に沿って延びる方向の長さを意味する。この発明では、ヒートマスの長さが対応する前記半導体素子の辺の長さより短い場合に比較して、半導体素子の熱がヒートマスに吸収され易い。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発明において、前記ヒートマスには、前記半導体素子の配線が通過するための空間が形成されている。半導体装置の小型化を図るためにヒートマスが半導体素子に近接して配置された場合、ヒートマスの配置状態によっては、ヒートマスが半導体素子と他の電気的接続部との配線の妨げになる場合がある。しかし、この発明では、ヒートマスには、半導体素子の配線が通過するための空間が形成されているため、そのような支障は抑制され、ヒートマスの配置の自由度が増す。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の発明において、前記ヒートマスは、前記基板における前記半導体素子が設けられた側の面に設けられている。この発明では、ヒートマスを冷却器が設けられた側の面に設ける場合に比較してヒートマスを半導体素子の近くに配置し易い。
【００１４】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の発明において、
前記半導体装置は車載用の半導体装置である。車両の走行用モータの駆動装置に半導体装置を用いた場合、走行状態により電流が一時的に急増して過渡的な過負荷状態になる場合があるが、この発明では、半導体素子に発生した熱の一部はヒートマスに吸収されるため、半導体素子が過熱状態になることは抑制される。また、特許文献１の構成と異なりヒートマスは溶融しないため、振動等でヒートマスの性能が大幅に変動することもない。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、過負荷等によって半導体素子から定常発熱状態（通常状態）より大きな熱が発生した場合、半導体素子の急激な温度上昇を抑制することができる半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を車両に搭載されて使用される半導体装置（半導体モジュール）に具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。なお、図１及び図２は、半導体装置の構成を模式的に示したものであり、図示の都合上、一部の寸法を誇張して分かり易くするために、それぞれの部分の幅、長さ、厚さ等の寸法の比は実際の比と異なっている。
【００１７】
図１及び図２に示すように、半導体装置１０は、強制冷却式の冷却器１１を備えている。冷却器１１は、偏平な四角箱状に形成されるとともに冷却媒体が流れる冷媒流路１２を備えている。冷却器１１上にはセラミック基板１３が金属層１４を介して接合されている。セラミック基板１３上には配線金属層１５が形成されるとともに配線金属層１５上に半導体素子１６が接合されている。この実施形態ではセラミック基板１３及び配線金属層１５により基板が構成されている。
【００１８】
冷却器１１の冷却能力は、半導体素子１６が定常発熱状態（通常状態）にある場合、半導体素子１６で発生した熱がセラミック基板１３を介して冷却器１１に伝導されて円滑に除去されるように設定されている。冷却器１１は、アルミニウム系金属で形成されている。アルミニウム系金属とはアルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。金属層１４は、セラミック基板１３と冷却器１１とを接合する接合層として機能し、例えば、アルミニウムで形成されている。冷媒流路１２は、図示しない入口部及び出口部を備え、入口部及び出口部は、車両に装備された冷媒循環路に連結可能に形成されている。なお、セラミック基板１３は冷却器１１に複数接合されているが、図示の都合上、１個のみ示している。半導体素子１６としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオードが用いられる。
【００１９】
金属層１４は、例えば、アルミニウムで形成されている。セラミック基板１３は、例えば、窒化アルミニウムにより形成されている。配線金属層１５は、例えば、アルミニウムで形成されている。なお、金属層１４及び配線金属層１５は、セラミック基板１３にアルミニウム板をアルミニウム系ろう材によりろう付けされて形成されている。セラミック基板１３は、肉厚が０．１〜１ｍｍであることが好ましい。金属層１４及び配線金属層１５は、肉厚が０．１〜１ｍｍであることが好ましく、０．６ｍｍ程度であることがより好ましい。
【００２０】
配線金属層１５上には、半導体素子１６で発生した熱を一時的に吸収して、その後、放出するヒートマス１７が設けられている。ヒートマス１７は、半導体素子１６から冷却器１１への伝熱経路の外側で、半導体素子１６で発生して冷却器１１に伝導される前の熱を一時貯留可能な位置に設けられている。ヒートマス１７は、アルミニウムで形成されるとともに配線金属層１５にアルミニウム系ろう材によりろう付けされて接合されている。この実施形態ではヒートマス１７は、配線金属層１５上に接合された半導体素子１６の周囲の２箇所に互いに平行な状態で配置されている。ヒートマス１７は、その長さが対応する半導体素子１６の辺の長さ以上に形成されている。ここで、「ヒートマスの長さ」とは、ヒートマス１７の基板（この実施形態では配線金属層１５）と接する面における半導体素子１６の辺に沿って延びる方向の長さを意味する。即ち、図２における紙面と直交方向の長さがヒートマス１７の長さになる。
【００２１】
ヒートマス１７の熱容量は、過負荷等によって半導体素子１６から定常発熱状態より大きな熱が発生して、冷却器１１による冷却機能が足りなくなった際、半導体素子１６で発生した熱の一部を一時的に吸収して半導体素子１６が過熱状態になることを抑制するのに必要な値に設定されている。例えば、半導体装置１０がハイブリッド車の走行用モータの制御に使用されるインバータの場合、定常運転状態から急な加速あるいは急停止の場合、１秒未満の短時間で半導体素子１６からの発熱で定格の３〜５倍もの損失熱量が発生する。この実施形態においては、その際に、半導体素子１６の温度が動作温度の上限を超えないように設定される。なお、急停止の場合に過大な損失熱量が発生するのは、回生動作が行われるために大きな電流が流れるからである。
【００２２】
半導体装置１０において、半導体素子１６から冷媒流路１２への伝熱経路は、半導体素子１６の底面を頂部とし、底面と４５°の角度を成す面を側面（斜面）とする四角錐台状となり、図３において二点鎖線で示す直線Ｌが伝熱経路の境界を表す。ヒートマス１７の熱容量は、前記伝熱経路の熱容量より大きく設定されている。使用条件にもよるが、ヒートマス１７の大きさは、例えば、ヒートマス１７の配線金属層１５との接触面積が半導体素子１６の配線金属層１５との接触面積の６〜７割で、高さが６ｍｍ程度になる。ヒートマス１７の配線金属層１５との接触面積を変更することにより、必要な高さは変更される。
【００２３】
半導体装置１０は、例えば、次のようにして製造される。先ず、セラミック基板１３の一方の面に金属層１４が形成され、他方の面に配線金属層１５が形成された回路基板と、冷却器１１とを準備する。回路基板は、例えば、予めセラミック基板１３の両面にアルミニウム層が形成されたＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板にエッチング処理を行って、アルミニウム層を所定形状の金属層１４及び配線金属層１５に加工して作製する。冷却器１１は、例えば、冷媒流路１２の形状に対応した中子を使用して、アルミニウムの鋳造により作製する。冷却器１１は、金属層１４との接合面が平坦になるように研磨加工が施される。
【００２４】
次に、冷却器１１の上に金属層１４が冷却器１１側になる状態で回路基板を積層し、回路基板の配線金属層１５上にヒートマス１７を配置する。この時、冷却器１１と金属層１４との間及び配線金属層１５とヒートマス１７との間には、それぞれシート状のアルミニウム接続用ろう材を介在させておく。アルミニウム接続用ろう材としては、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系合金からなるものが使用される。そして、冷却器１１、回路基板及びヒートマス１７をその状態で仮止めし、接合面に荷重を加えながら、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気中において、５７０〜６００℃に加熱することにより、冷却器１１と金属層１４、配線金属層１５とヒートマス１７とをそれぞれ同時にろう付けする。次に、配線金属層１５の所定位置に半導体素子１６を半田接合する。また、冷却器１１上には図示しない配線部が設けられており、半導体素子１６と配線部とを、例えば、ワイヤボンディングによりワイヤを介して接続することで、半導体装置１０が完成する。
【００２５】
次に前記のように構成された半導体装置１０の作用を説明する。半導体装置１０は、ハイブリッド車に搭載されるとともに、図示しない冷却媒体循環路に冷却器１１がパイプを介して連通された状態で使用される。冷却媒体循環路にはポンプ及びラジエータが設けられ、ラジエータは、モータにより回転されるファンを備え、ラジエータからの放熱が効率よく行われるようになっている。冷却媒体として、例えば、水が使用される。
【００２６】
半導体装置１０に搭載された半導体素子１６が駆動されると、半導体素子１６から熱が発生する。定常運転状態（定常発熱状態）では、半導体素子１６から発生した熱は、図２に矢印Ａで示すように、半田及びセラミック基板１３を介して冷却器１１に伝導される。冷却器１１に伝導された熱は、冷媒流路１２を流れる冷却媒体に伝導されるとともに持ち去られる。即ち、冷却器１１は、冷媒流路１２を流れる冷却媒体によって強制冷却されるため、半導体素子１６等から冷却器１１に至る熱の伝導経路における温度勾配が大きくなり、半導体素子１６で発生した熱が配線金属層１５、セラミック基板１３及び金属層１４を介して効率良く除去される。
【００２７】
定常運転状態から急な加速あるいは急な停止が行われると、半導体素子１６からの発熱が急増し、１秒以下の短時間で定格の３〜５倍もの損失熱量が発生する。この非定常時の高発熱に対しては、冷却器１１による強制冷却だけでは対処できない。しかし、配線金属層１５にはヒートマス１７がろう付けされているため、冷却器１１で除去できない熱が、図２に矢印Ｂで示す伝導経路で伝導されてヒートマス１７に一時的に吸収される。そして、定常運転状態に戻ると、ヒートマス１７の熱が配線金属層１５、セラミック基板１３及び金属層１４を介して冷却器１１へ伝導され、ヒートマス１７は元の状態に戻る。
【００２８】
ヒートマス１７と、ヒートマス１７が接合された金属、即ち配線金属層１５とが異種金属同士の場合は、接合面（界面）における熱抵抗が高くなる可能性があり、半導体素子１６で発生した熱が配線金属層１５を介してヒートマス１７へ伝達され難くなる懸念がある。そのため、過負荷時に半導体素子１６で発生して冷却器１１で除去できない熱をヒートマス１７が円滑に吸収できない虞がある。しかし、この実施形態では、配線金属層１５とヒートマス１７とが同じ材料（アルミニウム）で形成されるとともに、アルミニウム接続用ろう材で接合されているため、接合面（界面）における熱抵抗が低くなり、半導体素子１６で発生した熱の一部が効率良くヒートマス１７に吸収される。
【００２９】
次にヒートマス１７の作用を確認するためのシミュレーションを行った結果を説明する。
シミュレーションは、シミュレーションの簡易化のため、配線金属層１５上に１つの半導体素子（半導体チップ）１６が半田付けされ、半導体素子１６の両側にヒートマス１７がろう付けされたモデルと、ヒートマス１７が無いモデルについて行い、０．５秒間８０Ｗの熱を与えた場合の半導体素子１６の最高温度の変化を調べた。結果を図３に示す。図６の実線がヒートマスあり（ＨＭあり）の場合、点線がヒートマス無し（ＨＭ無し）の場合を示す。０．１秒後では、ヒートマスありの場合もヒートマス無しの場合も半導体素子１６の最高温度が８２．５℃であったが、０．５秒後には、ヒートマス１７が無い場合は、半導体素子１６の最高温度が９３．４℃になった。一方、ヒートマス１７がある場合は、０．５秒後の半導体素子１６の最高温度が９１．２℃になり、無い場合より２．２℃温度上昇が少なかった。即ち、０．１秒後から０．５秒後までの温度上昇の割合は、ヒートマス１７ありの方がヒートマス１７無しに比較して約２０％少なかった。
【００３０】
したがって、この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）半導体装置１０は、強制冷却式の冷却器１１と、冷却器１１上に接合されたセラミック基板１３と、セラミック基板１３上に設けられた配線金属層１５と、配線金属層１５上に接合された半導体素子１６と、配線金属層１５上に設けられたヒートマス１７とを備えている。そして、ヒートマス１７は、半導体素子１６から冷却器１１への伝熱経路の外側で、半導体素子１６で発生して冷却器１１に伝導される前の熱を一時貯留可能な位置に設けられている。したがって、過負荷等によって半導体素子１６から定常発熱状態より大きな熱が発生した場合は、半導体素子１６で発生した熱の一部はヒートマス１７に一時的に吸収されるため、冷却器１１による冷却能力が不足しても半導体素子１６が過熱状態になることは抑制される。
【００３１】
（２）ヒートマス１７は、設けられた箇所の材料と同じ材料で形成されている。したがって、ヒートマス１７が設けられた箇所とヒートマス１７とが異種の材料で形成された場合に比較して、ヒートマス１７が設けられた箇所とヒートマス１７との界面（接合面）の熱抵抗が小さく、即ち熱伝導率が高くなり、過渡時に熱が円滑に伝達される。また、ヒートマス１７が設けられた箇所とヒートマス１７とが同じ材料で形成されているため、線膨張係数が同じになり、ヒートマス１７が設けられた箇所及びヒートマス１７の膨張収縮時に接合部に加わる応力は、両者の線膨張係数が異なる場合に比較して小さくなり、接合部の信頼性が向上する。
【００３２】
（３）ヒートマス１７は、配線金属層１５上に設けられている。したがって、ヒートマスがセラミック基板１３上に設けられた場合に比較して、ヒートマス１７へ半導体素子１６から熱が伝達され易い。
【００３３】
（４）ヒートマス１７及び配線金属層１５はアルミニウムで形成されている。アルミニウムは、鉄より軽量で熱伝導率が高く、ろう付け温度を銅に比べて低い温度で実施することができる。
【００３４】
（５）ヒートマス１７は、配線金属層１５上に設けられ、配線金属層１５にろう付けで接合されている。したがって、ヒートマス１７と配線金属層１５とを一つの金属ブロックから削り出し加工で形成する場合に比較して製造が簡単になる。
【００３５】
（６）ヒートマス１７の熱容量は、半導体素子１６から冷却器１１への伝熱経路の熱容量より大きく設定されている。半導体素子１６が発生させる過渡的な熱を受けるための熱容量を半導体素子１６に熱的に結合させる必要があるが、ヒートマス１７の熱容量を前記伝熱経路の熱容量より大きく設定すると、過渡的な熱をヒートマス１７が効果的に吸収できるとともに、半導体素子１６から冷却器１１に至る定常的な伝熱経路の熱抵抗が低い構成を実現できる。
【００３６】
（７）半導体素子１６は絶縁基板としてのセラミック基板１３上に形成された配線金属層１５上に設けられ、半導体素子１６で発生した熱がセラミック基板１３を介して冷却器１１に伝導される。したがって、半導体素子１６と冷却器１１とを電気的に絶縁した状態で接合でき、半導体素子１６と冷却器１１内を流れる冷却媒体との電気的な絶縁を確保できるため、冷却媒体として導電性の液体、例えば水やＬＬＣ（Long Life Coolant ）を使うことが可能である。
【００３７】
（８）半導体装置１０は車載用の半導体装置である。車両の走行用モータの駆動装置に半導体装置を用いた場合、走行状態により電流が一時的に急増して半導体装置が過渡的な過負荷状態になる場合があるが、半導体素子１６に発生した熱の一部はヒートマス１７に吸収されるため、半導体素子１６が過熱状態になることは抑制される。また、特許文献１の構成と異なりヒートマス１７は溶融しないため、振動等でヒートマス１７の性能が大幅に変動することもない。
【００３８】
（９）冷却器１１は冷却媒体として水が使用される。したがって、半導体装置１０が車両に装備された場合、車両にはエンジン等の冷却に使用する冷却媒体循環路が設けられているため、冷媒流路１２をパイプを介して冷却媒体循環路に連通させれば、半導体装置１０専用の冷却媒体循環用ポンプ等を必ずしも設ける必要がない。
【００３９】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  ヒートマスは配線金属層１５又はセラミック基板１３上の半導体素子１６から冷却器１１への伝熱経路の外側で、半導体素子１６で発生して冷却器１１に伝導される前の熱を一時貯留可能な位置に設けられていればよい。例えば、図４に示すように、セラミック基板１３上にヒートマス２０を設けてもよい。この構成では、ヒートマス２０はセラミック基板１３の材料と同じ材料で形成される。ヒートマス２０は、セラミック基板１３を製造する際に、セラミック基板１３の材料のセラミック粉末に焼結助剤やバインダ等を配合した原料を金型などに入れて加圧することにより、所定の形状、即ち平面四角形のプレートの対向する２辺の部分にヒートマス２０となる四角柱が形成された形状に成形して生成形体を作製する。そして、その生成形体を加熱、焼成して焼結させ、セラミック基板１３の所定位置にヒートマス２０が一体に形成されたセラミック基板１３を製造する。このセラミック基板１３を使用して半導体装置１０を製造すれば、図４に示す半導体装置１０を得ることができる。
【００４０】
○  配線金属層１５上に形成されるヒートマス１７は、配線金属層１５の対向する２辺上に形成される構成に限らず、１辺のみに形成したり、３辺あるいは４辺に形成したりしてもよい。
【００４１】
○  ヒートマス１７を配線金属層１５の周縁部に設ける構成に代えて、図５に示すように、１つの配線金属層１５上に２個の半導体素子１６を接合し、各半導体素子１６の両側にヒートマス１７を設けてもよい。この場合の作用をシミュレーションで確認した。具体的には、シミュレーションの簡易化のため、図５に示す状態から、片側の半導体素子１６を省略し、ヒートマス１７も１個の半導体素子１６の両側に設けられた２個のヒートマス１７を備えたモデルで、シミュレーションを行った。なお、図５では冷却器１１の図示を省略している。
【００４２】
結果を図６（ａ），（ｂ）に示す。図６（ａ），（ｂ）において、Ｃ１〜Ｃ１４と温度の関係は、Ｃ１が６５〜６７℃、Ｃ２が６７〜６９℃、Ｃ３が６９〜７１℃、以下順に２℃ずつ高くなり、Ｃ１２が８７〜８９℃、Ｃ１３が８９〜９１℃、Ｃ１４が９１〜９３℃となる。
【００４３】
図６（ａ）のヒートマス１７ありの場合と、図６（ｂ）のヒートマス１７無しの場合とを比較すると、ヒートマス１７ありの場合は、横方向（配線金属層１５と平行な方向）への温度分布は無しの場合より狭く、下方（冷却器１１側）への温度分布は大きくなっている。冷却器１１側への温度分布が大きくなっていることは、図６（ａ），（ｂ）におけるＣ１の最小幅Ｗがヒートマス１７ありの場合に、無しの場合より小さいことで確認できる。また、ヒートマス１７ありの場合は最高温度がＣ１３に対応する温度の９１℃で、ヒートマス１７無しの場合の最高温度であるＣ１４に対応する温度の９３℃より低いにも拘わらず温度分布が大きくなっている。したがって、ヒートマス１７ありの場合は、無しの場合に比較して、熱の横方向への伝導が抑制されている。特にヒートマスを越えて延在する基板形状である場合、基板のヒートマスを越えて延在する個所に配置される部品への熱の影響も抑制される。あるいは、熱の横方向への伝導が抑制された状態で冷却器１１側へ伝導し易くなり、冷却器１１の横方向のサイズを小さくすることが可能になると考えられる。
【００４４】
○  ヒートマス１７は、形状が平板状で配線金属層１５の周縁部（辺上）に設けられる構成に限らない。例えば、図７（ａ）に示すように、ヒートマス１７を十字状に形成したり、図７（ｂ）に示すように、十字状の部分と十字状の部分を囲む四角筒状の部分とが接続された形状に形成したりしてもよい。十字の幅及び長さは、配線金属層１５上に接合された半導体素子１６の配置間隔及び配線金属層１５の一辺の長さと対応する長さになっている。
【００４５】
○  ヒートマス１７は、セラミック基板１３側へのその投影面が配線金属層１５上に位置する形状に限らず、図７（ｃ）に示すように、厚さが一定ではなく、配線金属層１５に接合される側の厚さが、配線金属層１５に接合される側と反対側の厚さより薄くなる形状としてもよい。この形状では、ヒートマス１７の高さが同じで、配線金属層１５との接合面の面積が同じで比較した場合、ヒートマス１７の熱容量を大きくすることができる。
【００４６】
○  図８（ａ）に示すように、ヒートマス１７にフィン１８を設けてもよい。この場合、配線金属層１５を介してヒートマス１７に伝達された熱が、フィン１８からも放熱され、冷却性能が向上する。フィン１８は、ヒートマス１７と同じ材料で形成しても別の材料で形成してもよい。別の材料で形成する場合は、熱伝導率がヒートマス１７の材料より高い材料（例えば、銅）で形成するのが好ましい。
【００４７】
○  フィン１８は、ヒートマス１７の高さ方向と直交する方向に延びるように設けられる構成に限らず、ヒートマス１７の高さ方向と平行に延びるように設けてもよい。
○  図８（ｂ）に示すように、ヒートマス１７の一部をフィン形状部１７ａにしてもよい。この場合、ヒートマス１７からの放熱性が向上する。
【００４８】
○  フィン１８は、平板状のヒートマス１７に限らず、例えば、図７（ａ）〜（ｃ）で示したような形状のヒートマス１７に設けてもよい。
○  配線金属層１５及びヒートマス１７をアルミニウム合金で形成してもよい。また、ヒートマス１７は、設けられた箇所の材料と同種の材料で形成されていればよく、同じ材料で形成されていなくてもよい。例えば、配線金属層１５がアルミニウムで形成され、ヒートマス１７がアルミニウム合金で形成された構成や配線金属層１５がアルミニウム合金で形成され、ヒートマス１７がアルミニウムで形成された構成としてもよい。アルミニウム合金としては、アルミニウムケイ素合金やアルミニウムケイ素マグネシウム合金が挙げられる。
【００４９】
○  配線金属層１５及びヒートマス１７の材料は、アルミニウム及びアルミニウム合金に限らず、例えば、銅、銅合金、銀が挙げられる。しかし、軽量化の点ではアルミニウム及びアルミニウム合金が好ましい。
【００５０】
○  セラミック基板１３の材料は、窒化アルミニウムに限らず、例えば、窒化ケイ素、酸化アルミニウムを使用してもよい。
○  ヒートマス１７は、配線金属層１５にろう付けで接合された構成に限らず、ヒートマス１７と配線金属層１５とを一体形成してもよい。例えば、アルミニウムやアルミニウム合金のブロックからヒートマス１７と配線金属層１５とを削り出し加工で形成してもよい。
【００５１】
○  ヒートマス１７には、半導体素子１６の配線、即ち半導体素子１６と他の電気的接続部（電極あるいは端子）との配線が通過するための空間が形成されていてもよい。半導体装置１０の小型化を図るために、ヒートマス１７が半導体素子１６に近接して配置された場合、ヒートマス１７の配置状態によっては、ヒートマス１７が半導体素子１６と他の電気的接続部との配線の妨げになる場合がある。しかし、ヒートマス１７に、半導体素子１６の配線が通過するための空間が形成されている場合は、そのような支障は抑制され、ヒートマス１７の配置の自由度が増す。
【００５２】
○  配線金属層１５上に設けられるヒートマス１７が電極を兼ねる構成としてもよい。例えば、半導体素子１６がＭＯＳＦＥＴの場合、ヒートマス１７がドレイン電極を兼ねる構成にしたり、半導体素子１６がＩＧＢＴの場合、ヒートマス１７がコレクタ電極を兼ねる構成にしたりしてもよい。この場合、ワイヤあるいはリードを半導体素子１６の電極に電気的に接合する作業の際に、ヒートマス１７がその作業の邪魔になるのを抑制することができる。
【００５３】
○  配線金属層１５上にヒートマス１７を設けるとともに、セラミック基板１３上にヒートマス２０を設けてもよい。この場合、ヒートマス１７及びヒートマス２０の一方のみが設けられた構成に比較して、過負荷等によって半導体素子１６から定常発熱状態より大きな熱が発生した過渡時に、短時間で熱を吸収することができる。
【００５４】
○  冷却器１１は強制冷却式の冷却器であればよく、冷媒流路１２を流れる冷却媒体は水に限らず、例えば、他の液体や空気などの気体であってもよい。また、冷却器１１は、沸騰冷却式の冷却器であってもよい。
【００５５】
○  セラミック基板１３と冷却器１１との間に存在する金属層１４を省略して冷却器１１に直接、セラミック基板１３が接合された構成としてもよい。
○  半導体装置１０は、車載用に限らず他の用途に使用するものに適用してもよい。
【００５６】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記セラミック基板と冷却器との間に金属層が介在されている。
【００５７】
（２）請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の発明において、ヒートマスは半導体素子の脇に設けられている。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】一実施形態における半導体装置の模式斜視図。
【図２】半田付け装置の作用を説明する模式断面図。
【図３】ヒートマスの作用を示す半導体素子の温度上昇の変化を示すグラフ。
【図４】別の実施形態の半導体装置を示す模式断面図。
【図５】別の実施形態のヒートマスと半導体素子の関係を示す模式斜視図。
【図６】（ａ）はヒートマスありの場合の温度分布を示す模式図、（ｂ）はヒートマス無しの場合の温度分布を示す模式図。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は別の実施形態のヒートマスを示す模式斜視図。
【図８】（ａ），（ｂ）は別の実施形態のヒートマスを示す模式斜視図。
【図９】従来技術の概略図。
【符号の説明】
【００５９】
１０…半導体装置、１１…冷却器、１３…セラミック基板、１５…配線金属層、１６…半導体素子、１７，２０…ヒートマス。
【図１】
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【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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