(57)【要約】【課題】ヒートパイプを利用した放熱機能の高い半導体装置を提供する。【解決手段】チップユニット１０は、半導体チップ１１と、半導体チップを支持する金属配線２３と、金属配線２３を支持する配線支持基板２２と、配線支持基板２２に熱伝導可能に連結されたヒートパイプ４０と、配線支持基板２２およびヒートパイプ４０に熱伝導可能に連結され、外部熱交換媒体が流れる領域にさらされるヒートシンク部材２１とを備えている。ヒートシンク部材２１や、配線支持基板２２は、半導体チップ１１と熱膨張係数差が小さく熱伝導率の高い材料によって構成されている。ヒートパイプ４０は、自然放熱領域領域からはみ出た領域まで延びており、ヒートシンク部材２１の中央部２１Ａおよび側方部２１Ｂによって冷却されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が形成された半導体チップと、
前記半導体チップの一部に接続された配線部材と、
前記配線部材を支持する配線支持基板と、
前記配線支持基板に熱伝導可能に連結されたヒートパイプと、
を備えている半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記ヒートパイプは、外部熱交換媒体の流れに交差する方向に、前記半導体チップの自然放熱領域からはみ出た領域まで延びている、半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の半導体装置において、
前記ヒートパイプの一部は、外部熱交換媒体が流れる領域の側に曲げられている、半導体装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置において、
前記ヒートシンクは、前記半導体チップの自然放熱領域を含む部分と、該自然放熱路を含まない部分とに分割されている、半導体装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置において、
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたパワーデバイスである、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートパイプを実装してなる半導体装置に係り、特にパワーデバイスに適したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車やハイブリッド車、燃料電池など、モータ駆動用のスイッチング素子を備えたパワーデバイス（半導体装置）として、ＩＧＢＴやＦＥＴを用いたモジュールが用いられている。特に、車載用の半導体装置においては、小型化の要求のために、小面積で放熱機能の大きい冷却構造が必要となっている。
【０００３】
小面積で放熱機能の大きい冷却構造として、特許文献１には、半導体パッケージのリッドにヒートパイプを埋設して、半導体パッケージのリッドを通る熱流束の側方の流れに対する熱抵抗を減少させようとする構造が開示されている。また、特許文献２には、ヒートパイプに直接フィンを取り付けることにより、ヒートパイプによる冷却効率を高めようとする構造が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２３３６９８号公報
【特許文献２】特開平０６−２６８１２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１，２の技術では、ＳｉＣデバイスなどを用いた車載用半導体装置に要求される小型化，大電力化に対応できる放熱量を確保することが困難である。たとえば、特許文献１の技術は、半導体チップの片面のみに電極を有する場合の構造であり、適用範囲を車載用のパワーデバイスまで拡大することは困難である。また、特許文献２の技術では、フィンとヒートパイプとの接触面積が小さくなり、十分な放熱量を得ることができない。
【０００６】
本発明の目的は、ヒートパイプの放熱機能を有効に活用して、高い冷却効果を発揮しう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】
【０００７】
本発明の半導体装置は、半導体チップの配線支持基板にヒートパイプを熱伝導可能に連結し、配線支持基板およびヒートパイプにヒートシンク部材を熱伝導可能に連結したものである。
【０００８】
これにより、配線支持基板−ヒートパイプ間、ヒートシンク部材−ヒートパイプ間、ヒートシンク部材−配線支持基板間において、熱伝導が可能な連結構造になっているので、全体として、半導体チップ−熱交換媒体間の熱抵抗が小さくなり、放熱機能の向上を図ることができる。
【０００９】
ヒートパイプが、半導体チップの自然放熱領域からはみ出た領域まで延びていることにより、ヒートパイプを介して、半導体チップで発生した熱が放出される領域を、自然放熱領域よりも広い領域まで拡大させることができるので、放熱機能が向上する。
【００１０】
ヒートパイプの一部が、外部熱交換媒体が流れる領域の側に曲げられていることにより、外部熱交換媒体が流れる流路を効率的に利用して、放熱機能を維持しつつ、半導体装置の小型化を図ることができる。
【００１１】
ヒートシンク部材が、複数の部分に分割されていることにより、製造の容易化を図ることができる。
【００１２】
半導体装置に形成されている半導体素子が、ワイドバンドギャップ半導体を用いたパワーデバイスであることにより、チップの使用温度範囲が拡大しても、熱応力をできるだけ小さくして接続部の信頼性を維持しつつ、高い放熱機能により、パワーデバイスの過剰な温度上昇を防止することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の半導体装置によると、ヒートパイプを用いた，放熱機能の高い半導体装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、実施の形態における半導体装置（パワーモジュール）の構造を概略的に示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態の半導体装置は、放熱器５０の上にチップユニット１０を接合して構成されている。放熱器５０は、天板５０ａと天板５０ａに接合された容器５０ｂとからなり、天板５０ａには、チップユニット１０を組み込むための多数の矩形状貫通穴が設けられている。本実施形態においては、矩形状貫通穴が多数設けられているが、１つだけでもよい。放熱器５０を構成する天板５０ａと容器５０ｂとは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、ダイキャスト，押し出し，鍛造，鋳造，機械加工等によって製造することができる。また、図１には図示されていないが、天板５０ａの上に樹脂ケース（図３参照）が取り付けられている。
【００１５】
本実施の形態の組み立て工程においては、放熱器５０の天板５０ａにチップユニット１０が実装された後、天板５０ａが容器５０ｂに接合される。この接合は、機械かしめ等によって行われてもよい。また、本実施の形態では、放熱器５０は天板５０ａと容器５０ｂを個別に形成してから両者を接合しているが、天板と容器とを一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストにより放熱器を形成することができる。そして、その後、天板５０ａの上に樹脂ケースがネジ止めなどによって取り付けられる。
【００１６】
図２は、実施の形態に係る半導体装置の平面図である。図３は、実施の形態の半導体装置の図２に示すIII-III線における断面図である。図４は、実施の形態の半導体装置の図２に示すIV-IV線における断面図である。ただし、図２〜図４において、配線構造および樹脂ケースの図示は省略されている。また、はんだ層やメタライズ層など、本件発明の本質的要素でない部材は、見やすくするために図示を省略している。以下、図２〜図４を参照しながら、半導体装置の構造について説明する。
【００１７】
本実施の形態の半導体装置において、放熱器５０の天板５０ａと容器５０ｂとの間の流路５１には、熱交換媒体としての冷却水が図２の破線矢印に示す方向に流れている。チップユニット１０は、主要部材として、ダイオード，ＩＧＢＴなどの半導体素子が形成された半導体チップ１１と、半導体チップ１１で発生した熱を外方に放出するためのヒートシンク部材２１と、半導体チップ１１の裏面電極１４にはんだ層（図示せず）を介して接合され、Ｃｕ，Ａｌなどの金属板から形成される金属配線２３と、主面および裏面に形成されたメタライズ層（図示せず）およびはんだ層を介して金属配線２３に接合された、ＡｌＮからなる配線支持基板２２と、配線支持基板２２に熱伝導可能に連結されたヒートパイプ４０と、配線支持基板２２およびヒートパイプ４０に熱伝導可能に連結されたヒートシンク部材２１とを備えている。本実施形態においては、半導体チップ１１には、ダイオードとＩＧＢＴ（またはＭＯＳＦＥＴ）とが形成されており、半導体チップ１１の裏面電極１４は、ダイオード，ＩＧＢＴなどの半導体素子の活性領域に接続されている。また、半導体チップ１１の主面にも、制御信号用電極や上面電極が設けられているが、図示が省略されている。
【００１８】
図４の一部拡大図に示すように、ヒートシンク部材２１Ａ，２１Ｂには、溝部が形成されており、ヒートパイプ４０は、溝部に埋め込まれて、ろう材層４１によってヒートシンク部材２１Ａ，２１Ｂの平板部２１ａに接合されている。また、配線支持基板２２は、ヒートシンク部材２１Ａ，２１Ｂの平板部２１ａおよびヒートパイプ４０にろう材層４１によって接合されている。この構造により、配線支持基板２２とヒートパイプ４０とが互いに熱伝導可能に連結され、ヒートシンク部材２１Ａ，２１Ｂが、配線支持基板２２およびヒートパイプ４０に熱伝導可能に連結されている。ここで、「熱伝導可能に連結されている」とは、熱伝導率が低い樹脂などの部材（たとえば１（Ｗ／ｍ・Ｋ）未満の樹脂で、フィラー混入による熱伝導を高めた樹脂を除く）が介在している場合を除く意味であり、特に、はんだ層、ろう材層、メタライズ層などだけが介在していることにより、熱抵抗をできるだけ低減することができる。
【００１９】
ヒートパイプ４０は、内部に市販されているものでよく、たとえば特許文献１に記載されているものでもよい。一般に、ヒートパイプ４０の内部には、毛管現象を利用して内部熱交換媒体（たとえば、アルコール類，水，ナフタレンなど）の循環を促進するためのウィックが設けられている。内部熱交換媒体は、使用温度範囲，冷却能などを考慮して、適宜選択することができる。図５に示すように、ウィックには、ヒートパイプの内壁に設けられたメッシュからなるメッシュ状ウィック、ヒートパイプの内壁に微細な溝を形成してなる溝状ウィック、両者を組み合わせた複合ウィック、などがあり、いずれを用いてもよい。
【００２０】
本実施の形態において、ヒートシンク部材２１は、中央部２１Ａと、その両側の２つの側方部２１Ｂとの３分割部材を互いに接合して形成されている。中央部２１Ａは、半導体チップ１１から外部熱交換媒体（たとえば水，グリコール類）の流れる領域である流路５１まで４５°の傾斜角で拡大する領域（以下、「自然放熱領域」という）を含んでおり、Ｓｉ−ＳｉＣ，ＡｌＮなどの比較的高価で低熱膨張係数および高熱伝導率を有する材料により構成されている。側方部２１Ｂは、自然放熱領域を含んでおらず、Ｃｕ，Ａｌなどの比較的安価な材料により構成されている。また、ヒートシンク部材２１の中央部２１Ａ，側方部２１Ｂ共に、平板部２１ａと、平板部２１ａの裏面側から外部熱交換媒体が流れる領域に突出するフィン部２１ｂとを有している。そして、ヒートシンク部材２１は、アルミニウム−シリコン系ろう材からなるろう材層２５により天板５０ａに接合されている。
【００２１】
本実施の形態によると、ヒートパイプ４０の内部において、半導体チップ１１で発生した熱が金属配線２３−配線支持基板２２−ヒートパイプ４０の管壁を経て、内部熱交換媒体に放出されて、内部熱交換媒体が蒸発する。この気化熱によって、大きな冷却作用が得られる。そして、蒸発した内部熱交換媒体は、ヒートパイプ４０内を側方に移動し、凝縮されて液化する。その後、液化した内部熱交換媒体は、ウィックなどを経て蒸発した領域まで戻る。本実施の形態では、ヒートパイプ４０が配線支持基板２２に熱伝導可能に連結され、ヒートシンク部材２１Ａ，２１Ｂが、配線支持基板２２およびヒートパイプ４０に熱伝導可能に連結されているので、半導体チップ１１−金属配線２３−配線支持基板２２と伝わってきた熱が、ヒートパイプ４０からヒートシンク部材２１に流れる放熱路と、直接ヒートシンク部材２１に流れる放熱路とに分岐する。このように、放熱路がより広く拡大するように構成されているので、全体として半導体装置の放熱機能が向上する。
【００２２】
ヒートパイプ４０がない場合には、ヒートシンク部材２１のうち、半導体チップ１１から外部熱交換媒体の流れる領域まで４５°の傾斜角で拡大する領域から外れた領域における外部熱交換媒体への放熱は、ほとんど半導体チップ１１の冷却に寄与しない。そこで、本明細書においては、「半導体チップから外部熱交換媒体の流れる領域まで４５°の傾斜角で拡大する領域」を、「自然放熱領域」と定義する。
【００２３】
ところが、本実施の形態では、ヒートパイプ４０が、外部熱交換媒体の流れに直交する方向に、上記自然放熱領域から大きく外れた側方まで延びている。したがって、ヒートパイプ４０の内部において、半導体チップ直下方の領域で蒸発した内部熱交換媒体が、ヒートパイプ４０の側方領域でヒートシンク２１（特に、側方部２１Ｂ）との熱交換によって凝縮されて液化する。その後、液化した内部熱交換媒体は、ウィックなどを経て半導体チップ直下方の領域まで戻る。つまり、ヒートパイプ４０の内部において、半導体チップ直下方の領域と、その側方に位置する領域との間で熱が運ばれることになる。したがって、ヒートパイプ４０からヒートシンク部材２１に流れる放熱路は、自然放熱領域だけでなく、その側方の領域までを含むように拡大していることになる。この放熱領域の拡大により、冷却機能の向上を図ることができる。その場合、ヒートパイプ４０が、外部熱交換媒体の流れに交差する方向（本実施の形態では、直交する方向）に延びていることにより、容器５０ｂの流路５１内の各部位における熱交換量を均一に分布させることができ、大幅な冷却機能の向上を図ることができる。
【００２４】
本実施の形態では、ヒートシンク部材２１の中央部２１Ａの材料は、ＡｌＮ，ＢＮ，ＳｉＮ，ＧａＮなどの窒化物セラミックス、あるいは，ＳｉＣ，ＷＣなどの炭化物セラミックス、あるいは、Ｓｉ−ＳｉＣ，Ａｌ−ＳｉＣなどの複合セラミックスにより構成されている。これらの材料に、限定されるものではないが、以下の理由により、これらの材料に限定することが好ましい。たとえば、ＡｌＮの熱膨張係数αは約４．５（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は約２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ｓｉ−ＳｉＣの熱膨張係数αは約２．３〜３（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は約２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、ＳｉＣの熱膨張係数αは約３（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は約２１０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、ＧａＮの熱膨張係数αは約３．２または５．６（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は約１３０（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。したがって、これらの放熱用材料は、アルミナ等の汎用セラミックスの熱伝導率よりもはるかに大きく、アルミニウム（熱伝導率約２４０（Ｗ／ｍ・Ｋ）に近い熱伝導率を有しながら、熱膨張係数αはアルミニウム（α≒２３（ｐｐｍ／Ｋ））よりもはるかに小さく半導体チップの熱膨張係数α（Ｓｉ単結晶で約３（ｐｐｍ／Ｋ）、ＳｉＣ単結晶で約４（ｐｐｍ／Ｋ））に近い。したがって、ヒートシンク部材２１の中央部２１Ａを、上記窒化物セラミックス，炭化物セラミックス，または複合セラミックスにより構成することによって、大きな熱伝達量を維持しつつ、熱応力をできるだけ小さくすることができる。
【００２５】
一方、ヒートシンク部材２１の側方部２１Ｂは、半導体チップ１１の直下方には位置していないので、半導体チップ１１との熱膨張係数差が大きくても、それほど大きな熱応力を生じさせるものではない。そこで、側方部２１Ｂは、比較的安価な材料であるＡｌ，Ｃｕにより構成して、製造コストの低減を図ることができる。特に、Ｃｕは熱伝導率が３９３（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、側方部２１ＢをＣｕにより構成することにより、製造コストの低減と、ヒートパイプ４０の側方における熱交換効率の向上とを併せて実現することができる。ただし、ヒートシンク部材２１を分割する必要は必ずしもなく、同じ材料で一体的に形成してもよい。
【００２６】
なお、ヒートシンク部材２１の一部または全体を、ＡｌＮ，ＳｉＮ，ＧａＮ，ＢＮ，ＳｉＣ，ＷＣ，Ｓｉ−ＳｉＣ，Ａｌ−ＳｉＣなどにより構成する場合には、他の部材との接合を行う領域に、メタライズ層を形成しておくことにより、はんだ付けやろう付けを容易に行うことができる。
【００２７】
金属配線２３の材料は、ＣｕやＡｌに限定されるものではない。たとえば、Ｃｕ−Ｍｏ，ＣｕＷなどの金属を用いてもよい。Ｃｕ−Ｍｏの熱膨張係数αは約６．５〜８（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は約２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ｃｕ−Ｗの熱膨張係数αは約６．５〜７（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は１８０〜２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。これらの複合材料の熱伝導率は、Ｃｕの熱伝導率（約４００（Ｗ／ｍ・Ｋ））に比べるとかなり低いものの、アルミニウム（Ａｌ）に近い値であり、一方、熱膨張係数αは、Ｃｕの熱膨張係数α（≒１７）よりもはるかに小さく半導体チップの熱膨張係数α（Ｓｉで約３（ｐｐｍ／Ｋ）、ＳｉＣで約４（ｐｐｍ／Ｋ））に近い。したがって、金属配線２３を、Ｃｕ−ＭｏまたはＣｕ−Ｗより構成することによって、大きな熱伝達量を維持しつつ、熱応力をできるだけ小さくすることができる。
【００２８】
ヒートシンク部材２１との熱交換を行う外部熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、水であることが好ましい。ただし、水に代えて、ヘリウム，アルゴン，窒素，空気などの気体であってもよい。
【００２９】
（変形例）
図６は、実施の形態の変形例に係る半導体装置の断面図である（図２に示すIII-III線における断面に相当）。本変形例では、ヒートパイプ４０が両側において、容器５０ｂに沿って直角に曲げられている。ヒートシンク部材２１は、中央部２１Ａと、２つの側方部２１Ｂとに分割されており、中央部２１Ａのフィン部２１ｂは縦方向に延びているが、側方部２１Ｂのフィン部２１ｂは、横方向に延びている。その他の部材の構成は、図２〜図５に示すとおりであり、同じ符号を付して説明を省略する。
【００３０】
本変形例によると、ヒートパイプ４０を曲げるとともに、ヒートシンク部材２１Ｂのフィン部２１ｂを横方向に延びる構造とすることにより、外部熱交換媒体が流れる領域である流路５１を最大限活用して、熱交換効率を高めることができるので、半導体装置の小型化を図りつつ、放熱機能の向上を図ることができる。なお、ヒートパイプ４０の２つの半導体チップ１１の中間に位置する部分から下方にも、ヒートパイプを分岐させてもよい。
【００３１】
（他の実施の形態）
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００３２】
上記実施の形態では、フィン部材２１Ａ，２１Ｂがいずれも平板部２１ａとフィン部２１ｂとを有している構造としたが、ヒートシンク部材２１Ａおよび２１Ｂの双方、あるいはいずれか１つが、フィン部を有しておらず、平板部だけであってもよい。
【００３３】
上記実施の形態では、ヒートパイプ４０をヒートシンク部材２１に形成された溝に嵌め込む構造を採用したが、必ずしもこの構造に限定する必要はない。ヒートパイプ４０とヒートシンク部材２１との連結構造、配線支持基板２２とヒートパイプ４０との連結構造、配線支持基板２２とヒートシンク部材２１との連結構造は、熱伝導可能に連結されていれば、上記実施形態以外の連結構造を採用することができる。
【００３４】
上記実施の形態では、ヒートパイプ４０の上方に２つの半導体チップ１１が搭載されている構造を採用したが、ヒートパイプ４０の上方に搭載される半導体チップの個数は、１つでもよいし、３つ以上でもよい。
【００３５】
本発明の半導体装置は、ワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ，ＧａＮなど）を用いたパワーデバイスを有するものに適用することにより、Ｓｉデバイスの動作温度以上でスイッチング動作などが行なわれ、チップ温度が１５０°Ｃ以上に達しても、熱応力をできるだけ小さくして接続部の信頼性を維持しつつ、高い放熱機能により、パワーデバイスの過剰な温度上昇を防止することができ、著効を奏することができる。
【００３６】
上記実施の形態では、半導体チップ１１に、ダイオードとＩＧＢＴとが形成されているが、ダイオードに加えて、ＭＯＳＦＥＴ，ＪＦＥＴなどが形成された半導体チップを用いてもよい。また、ダイオードと、ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴまたはＪＦＥＴとを個別のチップに形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の半導体装置は、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ダイオード，ＪＦＥＴ等を搭載した各種機器に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施の形態における半導体装置の構造を示す斜視図である。
【図２】実施の形態に係る半導体装置の平面図である。
【図３】実施の形態に係る半導体装置のIII-III線における断面図である。
【図４】実施の形態に係る半導体装置のIV-IV線における断面図である。
【図５】実施の形態のヒートパイプ内のウィックの例を示す断面図である。
【図６】変形例に係る半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０    チップユニット
１１    半導体チップ
１４    裏面電極
２１    ヒートシンク部材
２１Ａ  中央部
２１Ｂ  側方部
２１ａ  平板部
２１ｂ  フィン部
２２    配線支持基板
２３    金属配線
２４    ヒートシンク部材
２５    ろう材層
４０    ヒートパイプ
４１    ろう材層
５０    放熱器
５０ａ  天板
５０ｂ  容器
５１    流路
５３    樹脂ケース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2008262974.tif 000006
【図５】
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【図６】
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