(57)【要約】【課題】信頼性および冷却機能の高い半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、半導体素子が形成された半導体チップ１１と、セラミックスを主成分とする材料からなり、半導体チップ１１で発生した熱を熱交換媒体に放出するためのヒートシンク部材２１と、ヒートシンク部材２１を支持する支持部材である天板５０ａと、ヒートシンク部材２１を天板５０ａに押圧して固定する固定用部材である樹脂ケース５３およびネジ５９と、樹脂ケース５３とヒートシンク部材２１との間に装着された環状弾性部材であるＯリング５７と、ヒートシンク部材２１と天板５０ａとの間に装着された環状シール部材であるＯリング５４とを備えている。Ｏリング５７，５４により、ヒートシンク２１への押圧力の局部集中が緩和される。【選択図】図３
2008270295.tif 000002
【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、
セラミックスを主成分とする材料からなり、前記半導体チップの熱を熱交換媒体に放出するためのヒートシンク部材と、
前記ヒートシンク部材を支持する支持部材と、
前記ヒートシンク部材を前記支持部材に押圧して固定させる固定用部材と、
前記ヒートシンク部材と固定用部材との間に装着された環状弾性部材と、
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、
前記ヒートシンク部材と前記支持部材との間に装着された環状シール部材をさらに備えている、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、
前記固定用部材は、前記環状弾性部材を囲むように配置された複数のネジ部材を有している、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、
前記ヒートシンク部材は、ＡｌＮ，ＢＮ，ＳｉＮ，Ｓｉ−ＳｉＣまたはＡｌ−ＳｉＣにより構成されている、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、半導体チッ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】
かかる要求に応えるべく、特許文献１には、ＡｌＮ，ＳｉＣなどの熱伝導率の高いセラミックスにより構成された絶縁基板を、支持部材であるＡｌ合金等からなる放熱器に、アルミニウム−シリコン系ろう材層を介して接合させた構造が開示されている（特許文献１の図２等）。また、
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１６８２５６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の技術では、絶縁基板と放熱器との間に、熱膨張係数が３〜４．５ｐｐｍ／Ｋ程度の絶縁基板と、熱膨張係数が２０ｐｐｍ／Ｋ前後の放熱器との熱膨張係数差に起因する大きな熱応力が生じることになる。そこで、同文献の図４に示される構造を応用して、ネジ止めされた樹脂ケースにより、絶縁基板を放熱器に押圧して固定することにより、熱応力を緩和する構造が考えられる。
【０００６】
しかしながら、セラミックス材料は硬脆材料であり、セラミックスからなる絶縁基板をネジ止めなどによって放熱器に押圧して固定する際に、大きな押圧力が局所に集中すると、絶縁基板が破損するおそれがあり、半導体装置の信頼性が悪化する。
【０００７】
本発明の目的は、ヒートシンク部材への熱応力や押圧力の局部集中を緩和しうる構造とすることにより、高い信頼性を有す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】
【０００８】
本発明の半導体装置は、固定用部材により、セラミックスを主成分とする材料からなるヒートシンク部材を支持部材に押圧して固定させ、かつ、固定用部材とヒートシンク部材との間に、弾性材料からなる環状シール部材を介在させたものである。
【０００９】
これにより、ヒートシンク部材がセラミックスを主成分とする材料によって構成されているので、半導体チップの材料として多用されるＳｉやＳｉＣとの熱膨張係数差が小さくなり、ヒートシンク部材に発生する熱応力が低減される。また、ヒートシンク部材が固定用部材によって押圧されても、固定用部材との間に弾性を有する環状弾性部材が装着されているので、ヒートシンク部材への押圧力の局部集中を緩和することができる。よって、ヒートシンク部材の破損を防止することができ、半導体装置の信頼性が向上する。
【００１０】
ヒートシンク部材と支持部材との間に、弾性を有する環状シール部材が装着されていることにより、ヒートシンク下方の空間の密封性を保ちつつ、ヒートシンク部材への押圧力の局部集中を緩和する機能をさらに高めることができる。
【００１１】
支持部材が、環状弾性部材を囲むように配置された複数のネジ部材を有する固定用部材により押圧されていることにより、ヒートシンクへの押圧力の局部集中を確実に抑制することができる。
【００１２】
ヒートシンク部材が、高熱伝導率と低熱膨張係数とを併せ持つＡｌＮ，ＢＮ，ＳｉＮ，Ｓｉ−ＳｉＣまたはＡｌ−ＳｉＣにより構成されていることにより、熱応力の低減に加えて、熱抵抗の低減による放熱機能の向上を図ることができる。
【００１３】
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、チップ温度が比較的高温に達しても、ヒートシンク部材に加わる熱応力をできるだけ小さくして信頼性を高く維持することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の半導体装置によると、ヒートシンク部材への熱応力や押圧力の局部集中が緩和されるので、高い信頼性を有する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】
【００１５】
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）の概略的な外観構造を示す斜視図である。図１においては、後述する樹脂ケース５３（図２，図３参照）やボンディングワイヤなどの配線の図示は省略されている。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、放熱器５０の容器５０ｂには、熱交換媒体である冷却水の供給管５８ａと、冷却水の排出管５８ｂとが取り付けられている。
【００１６】
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。その後、後述するように、天板５０ａの上に樹脂ケース５３がネジ止めによって取り付けられる。
【００１７】
図２は、実施の形態における半導体装置の平面図である。図３は、実施の形態に係る半導体装置の図２に示すIII-III線における断面図である。図２および図３においては、半導体チップ１１の上方のボンディングワイヤなどの配線の図示は省略されている。図２および図３に示すように、天板５０ａの上には、樹脂ケース５３が取り付けられていて、樹脂ケース５３の開口部全体をヒートシンク部材が覆っている。そして、ヒートシンク部材２１の上に、３つのチップユニット１０が配置されている。天板５０ａは、ヒートシンク部材を支持する支持部材である。
【００１８】
天板５０ａの上面には、開口部を囲む溝５５が形成されており、溝５５内に環状シール部材であるＯリング５４が装着されている。一方、樹脂ケース５３においてヒートシンク部材２１の上面に対向する面にも、開口部を囲む溝５６が形成されており、溝５６内に環状弾性部材であるＯリング５７が装着されている。Ｏリング５７は、必ずしもシール機能は必要でないが、Ｏリング５４は、放熱器５０の内部空間である流路５１をシールする機能を有している必要がある。そして、樹脂ケース５３には、Ｏリング５７を囲むように配置された合計１６個のネジ５９が取り付けられており、この１６個のネジ５９の締め付け力により、樹脂ケース５３がヒートシンク部材２１にほぼ均等な押圧力を印加するように構成されている。すなわち、樹脂ケース５３およびネジ５９により、ヒートシンク部材２１を天板５０ａに押圧して固定する固定用部材が構成されている。
【００１９】
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３の紙面に直交する方向に流れている。半導体チップ１１は、単結晶ＳｉＣ基板を用いて形成されており、上面および下面には、ダイオードまたはＩＧＢＴ（半導体素子）の活性領域に接続される上面電極（図示せず）および裏面電極１４がそれぞれ設けられている。チップユニット１０には、さらに、半導体チップ１１の裏面電極１４に、はんだ，ろう材などによって接合され、Ｃｕ−Ｍｏ，Ｃｕ−Ｗなどの金属板から形成される金属配線２３と、ヒートシンク部材２１と金属配線２３との間に介在するはんだ層２６とが設けられている。ヒートシンク部材２１は、平板部２１ａと、平板部２１ａから流路５１に向かって突出する多数のフィン部材２１ｂとを有している。ただし、必ずしもフィン部２１ｂを有している必要はない。
【００２０】
本実施の形態において、各部材の寸法は、たとえば以下の通りである。半導体チップ１１の寸法は、８．７ｍｍ×８．７ｍｍ×０．３８ｍｍであり、金属配線２３の寸法は、１０ｍｍ×２０ｍｍ×０．６ｍｍであり、ヒートシンク部材２１（平板部）の寸法は、４８ｍｍ×２７ｍｍ×７．５ｍｍであり、天板５０ａの外形寸法は、５５ｍｍ×３３ｍｍ×１０ｍｍで、開口の大きさは４２ｍｍ×２４ｍｍであり、容器５０ｂの外形寸法は、５５ｍｍ×３３ｍｍ×２０ｍｍで、流路５１を構成する凹部の寸法が５０ｍｍ×２９ｍｍ×１０ｍｍであり、溝５５，５６の図２に示す長辺および短辺方向の寸法は、４６ｍｍ×２５ｍｍで、断面寸法は、幅４ｍｍ、深さ２ｍｍである。Ｏリング５４，５７の長さや断面寸法は、溝５５，５６の寸法に応じて、適宜選択することができる。上記寸法は、一例であって、半導体装置の種類や用途に応じて、これらの値以外の寸法を採用することができる。
【００２１】
本発明の環状弾性部材または環状シール部材としては、実施の形態におけるＯリングだけでなく、角リング，Ｔリング，Ｄリングと呼ばれる往復用または固定用シール部材を用いることができる。また、Ｕパッキン，Ｃパッキン，Ｌパッキン，Ｖパッキン，Ｘリングと呼ばれる往復用シール部材を本発明における固定用の環状部材または環状シール部材に用いることができる。
【００２２】
上記Ｏリング５４，５７を構成する材料には、ニトリルゴム（ＮＢＲ），水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ），フッ素ゴム（ＦＫＭ），シリコーンゴム（ＶＭＱ），エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ），クロロプレンゴム（ＣＲ），アクリルゴム（ＡＣＭ），ブチルゴム（ＢＲ），ウレタンゴム（Ｕ），クロロスルフォン化ポリエチレン（ＣＳＭ），エピクロルヒドリンゴム（ＣＯ，ＥＣＯ），天然ゴム（ＮＲ），フロロシリコーンゴム（ＦＶＭＱ），スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）などのゴム材料の他、カーボン、各種樹脂材料があり、いずれを用いてもよいものとする。ただし、ヒートシンク部材２１が比較的高温になる場合には、特に、シリコーンゴム，フッ素ゴムなどの耐熱性材料が好ましい。
【００２３】
本実施の形態では、ヒートシンク部材２１の材料は、ＡｌＮ，ＢＮ，ＳｉＮ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により構成されている。これらは絶縁性材料であるが、ヒートシンク部材２１をＳｉ−ＳｉＣ，Ａｌ−ＳｉＣ，などの導電性を有する複合セラミックス材料によって構成することもできる。その場合には、はんだ層２６に代えて、熱伝導率の高い絶縁樹脂層や、ＡｌＮ板を設ければよい。
【００２４】
ヒートシンク部材２１の材料は、上記に列挙した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、大きな放熱機能を維持しつつ、熱応力をできるだけ小さくすることができる。
【００２５】
また、ヒートシンク部材２１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。
【００２６】
金属配線２３の材料は、Ｃｕ−ＭｏやＣｕ−Ｗに限定されるものではない。たとえば、Ｃｕ，Ａｌ，コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）などの金属を用いてもよい。ただし、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。また、セラミックスを主成分として含むヒートシンク部材２１の熱膨張係数にも近い。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。
【００２７】
本発明の半導体装置における半導体チップは、ＳｉＣを用いたものに限定されることはなく、Ｓｉを用いたものでもよいし、ＧａＮ（熱膨張係数は約５．６（ａ軸）−３．２（ｃ軸）（ｐｐｍ／Ｋ））などの他のワイドバンドギャップ半導体を用いたものでもよい。
【００２８】
ヒートシンク部材２１との熱交換を行う熱交換媒体は、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】
（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。
【００３０】
上記実施の形態では、半導体チップ１１に、ダイオードおよびＩＧＢＴが形成されているが、ＩＧＢＴに代えて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、ダイオードのみが形成された半導体チップと、ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ，ＪＦＥＴのみが形成された半導体チップとをそれぞれ配置してもよい。
【００３１】
上記実施の形態では、樹脂ケース５３およびネジ５９により、ヒートシンク部材２１を天板５０ａに押圧して固定する固定用部材を構成したが、ネジ５９に代えてバネの付勢力を利用して押圧する各種機構を用いるなど、他の構造を採用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明のヒートシンク部材または半導体装置は、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】
【００３３】
【図１】実施の形態における半導体装置の外観構造を示す斜視図である。
【図２】実施の形態における半導体装置の平面図である。
【図３】実施の形態の半導体装置のIII-III線における断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
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  平板部
２１ｂ  フィン部
２３    金属配線
２６    はんだ層
５０    放熱器
５０ａ  天板
５０ｂ  容器
５１    流路
５３    樹脂ケース
５４    Ｏリング（環状シール部材）
５５    溝
５７    Ｏリング（環状弾性部材）
５６    溝
５８ａ  供給管
５８ｂ  排出管
５９    ネジ
【図１】
2008270295.tif 000003
【図２】
2008270295.tif 000004
【図３】
2008270295.tif 000005