(57)【要約】【課題】半導体素子とヒートシンクの間に炭素繊維複合材料層を設けた半導体装置において、半導体素子で発生した熱を炭素繊維複合材料層の全体に伝導させ、半導体素子の冷却を良好に行う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、半導体素子１１とヒートシンク１２の間に炭素繊維複合材料層１３を設け、半導体素子１１と炭素繊維複合材料層１３との間に、半導体素子１１で生じた熱を炭素繊維複合材料層の全面に伝導する伝熱金属板１４を備えて形成される。また、炭素繊維複合材料層１３とヒートシンク１２の間に熱バッファ用中間ヒートシンク１５を設けている。【選択図】  図１
2005005400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子とヒートシンクの間に炭素繊維複合材料層を設け、
前記半導体素子と前記炭素繊維複合材料層の間に、前記半導体素子で生じた熱を前記炭素繊維複合材料層の全面に伝導する伝熱金属板を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記炭素繊維複合材料層と前記ヒートシンクの間に熱バッファ用中間ヒートシンクを設けたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
半導体素子とヒートシンクの間に炭素繊維複合材料層を含む積層板を設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記積層板は、前記半導体素子で生じた熱を前記炭素繊維複合材料層の全面に伝導する上部金属板と、
前記上部金属板の熱を板厚方向へ伝える前記炭素繊維複合材料層と、
前記炭素繊維複合材料層からの熱を蓄積・伝導する熱バッファ用中間ヒートシンクと、
前記中間ヒートシンクの前記炭素繊維複合材料層との接合面の反対側に接合する絶縁体と、
前記絶縁体の前記中間ヒートシンクとの接合面の反対側に接合する下部金属板を含むことを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
前記中間ヒートシンクは銅板であることを特徴とする請求項２または４記載の半導体装置。
【請求項６】
前記炭素繊維複合材料は、カーボン・銅複合材料であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特に、炭素繊維複合材料を利用して効率的に半導体素子の放熱を行う半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電力変換や電力制御、または、大電力の増幅・発振等の目的でパワーデバイスと呼ばれる半導体素子を用いることが多い。この半導体素子には、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴ、パワーＩＣ、ＭＯＳＦＥＴ等があり、いずれも変換や制御の効率が高く小型であるという利点を備える。
【０００３】
しかし、上記半導体素子は、大電流が流れるゆえに発熱量が高く、自身の発する熱により破壊や特性の変化が起こるおそれがあり、効率的に冷却する必要がある。このため、これまで様々な冷却構造が提案されてきた。
【０００４】
図７は、冷却構造を備えた従来の半導体装置の一例を示す。半導体装置１００は、半導体素子１０１とヒートシンク１０２の間に絶縁板１０３と金属板１０４を設けて形成される。半導体素子１０１は、パワートランジスタやパワーＦＥＴ、またＩＧＢＴなどのパワーデバイスであり、シリコン半導体などで形成されている。半導体素子１０１が動作するときには、ジュール熱により熱が発生し温度が上昇する。半導体素子１０１の温度が上昇するとオン抵抗が増加し、フィードバック制御などを行っているときには、さらに電流を流そうとして電圧がかけられ、電流が流れ、それによりジュール熱が増大し、温度がさらに上昇する。それにより、半導体素子１０１の損傷が発生してしまう。それを防ぐために、半導体装置１００には、ヒートシンク１０２が設けられている。
【０００５】
ヒートシンク１０２は、熱伝導度の良い銅やアルミニウムなどにより形成されており、半導体素子１０１から発生する熱を放熱するものである。それにより、半導体素子１０１の温度の上昇を防ぐことができる。それゆえ、放熱面積を大きくするように形成している。
【０００６】
絶縁板１０３は、半導体素子１０１とヒートシンク１０２の電気的絶縁をとるためのものである。そのため、ＳｉＮなどの熱伝導性は良いが、電気的絶縁性を有する物質を用いる。
【０００７】
金属板１０４は、半導体素子１０１と絶縁板１０３を支持するためのものであり、また、ヒートシンク１０２に半導体素子１０１からの熱を伝導するためのものである。そのために、熱伝導性が良く、また、強固のものである銅板などを用いる。
【０００８】
ヒートシンク１０２は、半導体素子１０１で発生し、絶縁板１０３と金属板１０４を伝導してきた熱を放散するためのものであり、空気との接触面積を大きくする構造としており、銅やアルミニウムなどから形成されている。これらの半導体素子１０１と絶縁板１０３と金属板１０４とヒートシンク１０２は、半田やろう材などにより接合されている。
【０００９】
この従来の半導体装置では、半導体素子の熱膨張係数に比べ銅やアルミニウム等の金属の熱膨張係数が大きいため、半導体素子の発熱に伴い膨張した金属により熱応力が発生し、装置自体が湾曲し、剥がれやクラック等が生じるという欠点があった。このような欠点を解決するため、半導体素子とヒートシンクとの間に、一方向性炭素繊維複合材料の層を挿入する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この一方向性炭素繊維複合材料は、その厚さ方向には大きな熱伝導率を有し、さらに面積方向の熱膨張係数が銅やアルミニウムよりも小さく、半導体素子の熱膨張係数に近いという利点がある。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１０−１０７１９０号公報（第４−６頁、第１図）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の半導体装置においては、金属とその他の素材により熱膨張係数の違いがあるため、半導体素子が発熱した場合に装置に反りが生じ、結果として剥がれやクラック等が生じるという欠点があった。したがって、半導体素子に高負荷をかけられずに、本来の性能を発揮できなかったり、水冷装置やファン等の強制空冷装置が必要になり、機器が大型化したりする問題があった。また、特許文献１に記載の技術を用いた場合、熱膨張係数の違いによる問題は解消されるが、横方向に熱が拡散しにくいという炭素繊維複合材料の特性により、半導体素子の熱が炭素繊維複合材料の全体を伝わらず、効率的にヒートシンクに熱を伝えることができなかった。
【００１２】
本発明の目的は、上記問題を解決するため、半導体素子とヒートシンクの間に炭素繊維複合材料層を設けた半導体装置において、半導体素子で発生した熱を炭素繊維複合材料層の全体に伝導させ、半導体素子の冷却を良好に行うことができる半導体装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係る半導体装置は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【００１４】
第１の半導体装置（請求項１に対応）は、半導体素子とヒートシンクの間に炭素繊維複合材料層を設け、半導体素子と炭素繊維複合材料層の間に、半導体素子で生じた熱を炭素繊維複合材料層の全面に伝導する伝熱金属板を備えたことで特徴づけられる。
【００１５】
第１の半導体装置によれば、半導体素子とヒートシンクの間に炭素繊維複合材料層を設け、半導体素子と炭素繊維複合材料層の間に、半導体素子で生じた熱を炭素繊維複合材料層の全面に伝導する伝熱金属板を備えたため、半導体素子によって発生する熱を半導体素子と炭素繊維複合材料の間の金属板で面方向にも拡散し、炭素繊維複合材料全体に熱が伝導され、半導体素子を良好に冷却することができる。
【００１６】
第２の半導体装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは炭素繊維複合材料層とヒートシンクの間に熱バッファ用中間ヒートシンクを設けたことで特徴づけられる。
【００１７】
第２の半導体装置によれば、炭素繊維複合材料層とヒートシンクの間に熱バッファ用中間ヒートシンクを設けたため、半導体装置の過渡熱抵抗を下げることができ、半導体素子の温度上昇を小さくすることができる。
【００１８】
第３の半導体装置（請求項３に対応）は、半導体素子とヒートシンクの間に炭素繊維複合材料層を含む積層板を設けたことで特徴づけられる。
【００１９】
第３の半導体装置によれば、半導体素子とヒートシンクの間に炭素繊維複合材料層を含む積層板を設けたため、炭素繊維複合材料全体に熱が伝導され、半導体素子を良好に冷却することができる。また、積層板には金属板を含むので熱伝導性が良く、半導体素子により生じる熱を良好にヒートシンクに伝導することができ、良好に放熱することができる。
【００２０】
第４の半導体装置（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは積層板は、半導体素子で生じた熱を炭素繊維複合材料層の全面に伝導する上部金属板と、上部金属板の熱を板厚方向へ伝える炭素繊維複合材料層と、炭素繊維複合材料層からの熱を蓄積・伝導する熱バッファ用中間ヒートシンクと、中間ヒートシンクの炭素繊維複合材料層との接合面の反対側に接合する絶縁体と、その絶縁体の中間ヒートシンクとの接合面の反対側に接合する下部金属板を含むことで特徴づけられる。
【００２１】
第４の半導体装置によれば、積層板は、半導体素子で生じた熱を炭素繊維複合材料層の全面に伝導する上部金属板と、上部金属板の熱を板厚方向へ伝える炭素繊維複合材料層と、炭素繊維複合材料層からの熱を蓄積・伝導する熱バッファ用中間ヒートシンクと、中間ヒートシンクの炭素繊維複合材料層との接合面の反対側に接合する絶縁体と、その絶縁体の中間ヒートシンクとの接合面の反対側に接合する下部金属板を含むため、半導体素子によって発生する熱を半導体素子と炭素繊維複合材料の間の金属板で面方向にも拡散し、炭素繊維複合材料全体に熱が伝導され、半導体素子を良好に冷却することができる。また、積層板には金属板を含むので熱伝導性が良く、半導体素子により生じる熱を良好にヒートシンクに伝導することができ、良好に放熱することができる。
【００２２】
第５の半導体装置（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは中間ヒートシンクは銅板であることで特徴づけられる。
【００２３】
第５の半導体装置によれば、中間ヒートシンクは、銅板であるため、半導体装置の過渡熱抵抗を下げることができ、半導体素子の温度上昇を小さくすることができる。
【００２４】
第６の半導体装置（請求項６に対応）は、上記の構成において、好ましくは炭素繊維複合材料は、カーボン・銅複合材料であることで特徴づけられる。
【００２５】
第６の半導体装置によれば、炭素繊維複合材料は、カーボン・銅複合材料であるため、炭素繊維複合材料全体に熱が伝導され、半導体素子を良好に冷却することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２７】
図１は、本実施形態に係る半導体装置の断面図である。半導体装置１０は、半導体素子１１とヒートシンク１２の間に炭素繊維複合材料層１３を設け、半導体素子１１と炭素繊維複合材料層１３との間に、半導体素子１１で生じた熱を炭素繊維複合材料層１３の全面に伝導する伝熱金属板（上部金属板）１４を備えて形成される。また、炭素繊維複合材料層１３とヒートシンク１２の間に熱バッファ用中間ヒートシンク１５を設けている。好ましくは、半導体素子１１とヒートシンク１２の間に炭素繊維複合材料層１３を含む積層板１６を設けて形成される。半導体素子１１は、パワートランジスタやパワーＦＥＴ、またＩＧＢＴなどのパワーデバイスであり、シリコン半導体などで形成されている。半導体素子１１が動作するときには、ジュール熱により熱が発生し温度が上昇する。半導体素子１１の温度が上昇するとオン抵抗が増加し、フィードバック制御などを行っているときには、さらに電流を流そうとして電圧がかけられ、電流が流れ、それによりジュール熱が増大し、温度がさらに上昇する。それにより、半導体素子１１の損傷が発生してしまう。それを防ぐために、半導体装置１０には、ヒートシンク１２が設けられている。
【００２８】
ヒートシンク１２は、熱伝導度の良い銅やアルミニウムなどにより形成されており、半導体素子１１から発生する熱を放熱するものである。それにより、半導体素子１１の温度の上昇を防ぐことができる。それゆえ、放熱面積を大きくするように形成している。
【００２９】
積層板１６は、半導体素子１１で発生した熱をヒートシンク１２まで伝導させ放熱するところである。この積層板１６は、半導体素子１１で生じた熱を炭素繊維複合材料層１３の全面に伝導する上部金属板１４と、その上部金属板１４の熱を板厚方向へ伝える炭素繊維複合材料層１３と、その炭素繊維複合材料層１３からの熱を蓄積・伝導する熱バッファ用中間ヒートシンク１５と、その中間ヒートシンク１５の炭素繊維複合材料層１３との接合面の反対側に接合した絶縁体１８と、その絶縁体１８の中間ヒートシンク１５との接合面の反対側に接合する下部金属板１９からなっている。上部金属板１４の半導体素子１１を接合する側の面には表面にＮｉメッキ２０を施してある。Ｎｉメッキ２０は、半導体素子のろう付け性やワイヤボンド性を確保するためのものである。金属板１４は、半導体素子１１のろう付け性やワイヤボンド性を確保し、また、熱を面方向へ拡散するためのものである。そのために、比較的薄いが熱伝導度の高い銅板などを用いる。
【００３０】
炭素繊維複合材料層１３は、半導体素子１１で発生し、上部金属板１４の面方向に拡散した熱をヒートシンク方向に迅速に伝達するためのものである。また、半導体素子１１で発生する熱による、半導体素子１１の熱膨張と積層板の各層の熱膨張と、ヒートシンクの熱膨張の差による熱応力を緩和するためのものである。そのために、積層面方向の弾性定数が小さい材料を用い、例えば、カーボン・銅複合材料等の炭素繊維複合材料を用いる。炭素繊維複合材料は、個々の炭素繊維が厚さ方向に配列してなるものであり、その繊維間には、銅やアルミニウムなどの金属材料が含有されている。この炭素繊維複合材料は、厚さ方向（縦方向）の熱伝導率が面積方向（横方向）の熱伝導率よりも高いという特性を持つ。
【００３１】
中間ヒートシンク１５は、半導体素子１１で発生し、上部金属板１４と炭素繊維複合材料層１３を通して伝導する熱を一時的に溜め、そして、下面に接合した絶縁体１８と下部金属板１９を介してヒートシンク１２に熱を伝導するためのものである。そのために、比較的厚く、熱伝導度の高い銅板などを用いる。
【００３２】
絶縁板１８は、半導体素子１１とヒートシンク１２の電気的絶縁をとるためのものである。そのため、ＳｉＮなどの熱伝導性は良いが、電気的絶縁性を有する物質を用いる。
【００３３】
下部金属板１９は、上部の積層構造を支持するためのものであり、また、ヒートシンク１２に半導体素子１１からの熱を伝導するためのものである。そのために、熱伝導性が良く、また、強固のものである銅板などを用いる。
【００３４】
ヒートシンク１２は、半導体素子１１で発生し、上部の積層構造を伝導してきた熱を放散するためのものであり、空気との接触面積を大きくする構造としており、銅やアルミニウムなどから形成されている。
【００３５】
なお、これらの板材は、ろう付によってなされるが、Ｍｇの粉をまぶしたＴｉ−Ｃｕ箔を挟み、Ｎ２の雰囲気中で加圧の上、アニールすることによって接合してもよい。
【００３６】
次に、本実施形態に係る半導体装置１０の作用を説明する。半導体装置１０の半導体素子１１の動作中に発生する熱は、上部金属板１４に伝導し、また、上部金属板１４は熱伝導性が良いので、上部金属板１４の面方向にも広がり伝導する。また、上部金属板１４の温度も上昇する。それにより、温度発生前より熱膨張する。上部金属板１４内に伝導した熱は、炭素繊維複合材料層１３に伝導し、また、炭素繊維複合材料層１３も温度上昇する。炭素繊維複合材料層１３に伝導した熱は、中間ヒートシンク１５に伝導し、また、中間ヒートシンク１５の温度が上昇し、熱膨張する。中間ヒートシンク１５に伝導した熱は、絶縁体１８と下部金属板１９を伝導し、ヒートシンク１２まで伝導し、ヒートシンク１２により、放散し、それにより、半導体素子１１の熱は、放散し、温度上昇の量を少なくすることができる。図２に半導体装置１０での熱流イメージを示す。
【００３７】
このとき、半導体素子１１、上部金属板１４、炭素繊維複合材料層１３、中間ヒートシンク１５、絶縁板１８、下部金属板１９、ヒートシンク１２の温度は、半導体素子１１が発熱する前よりも高温になる。これにより、各層はそれぞれの物質の熱膨張係数で熱膨張しようとする。そのとき、熱応力が発生する。面方向で弾性係数が小さいカーボン・銅複合材料で形成された中間層１３により、その熱応力が緩和され、半導体装置１０に発生する熱応力が低減され、反りを低減することができる。
【００３８】
また、半導体素子１１直下に中間ヒートシンク１５を配置することで、半導体装置１０の過渡熱抵抗を下げて半導体素子１１の温度上昇を小さくすることができる。さらに、この半導体装置１０を用いた電気自動車において、全ての走行モードでこの半導体素子１１を用いたパワーモジュールの信頼性を向上することができる。また、信頼性とトレードオフでチップサイズを下げることにより小型化とコストダウンができる。
【００３９】
例えば、図３で示すような電気自動車での加減速を行った場合を考える。図３（ａ）で横軸は時間を示し、縦軸は速度を示し、加速減速を繰り返し行ったとする。図３（ｂ）は、そのときの半導体素子に流れる電流の時間変化を示す。加速時に急激に電流が流れ、減速時には、逆方向に急激に電流が流れる。図３（ｃ）は、そのときの半導体素子の温度変化を示す。曲線Ｃ１０は図７で示した従来の半導体装置１００での半導体素子１０１の温度変化であり、曲線Ｃ１１は、本発明に係る半導体装置１０での半導体素子１１の温度変化を示す。図３（ｃ）のように、本発明での半導体装置１０での半導体素子１１の温度上昇は、従来のものに比べて低減しており、温度ストレスが少なくなっていることが分かる。それゆえ、信頼性が向上し、通常の半導体素子を用いた場合、温度が１５０℃を越えなければ、通常ＩＧＢＴは瞬間的に従来のものに比べて、１．５〜２倍の電流を流すことができる。これにより、チップサイズを減らすことができ、コストダウンをすることができる。
【００４０】
次に、本発明に係る半導体装置の動作原理を説明する。まず、図４において、従来の半導体装置での動作原理を説明する。図４は、図７で示した半導体装置１００での定常状態における温度と熱輸送量を示す図であり、各部位での温度を示す。図４（ａ）は、半導体装置１００の熱抵抗を示し、Ｒ１は半導体素子１０１と絶縁基板１０３の接合部での熱抵抗であり、Ｒ１２は絶縁基板１０３での熱抵抗であり、Ｒ２は絶縁基板（絶縁板）１０３と銅ベース（金属板）１０４の接合部での熱抵抗であり、Ｒ２３は銅ベース１０４の熱抵抗であり、Ｒ３は銅ベース１０４とヒートシンク１０２の接合部での熱抵抗であり、Ｒ３Ｇはヒートシンク１０２の熱抵抗であり、Ｒ４Ｇはヒートシンク１０２と空気との接触部での熱抵抗を示す。
【００４１】
上記の模型での定常状態での各部位の温度を示したものが図４（ｂ）である。半導体素子１０１が動作し、温度Ｔ１＝１５０℃のとき、熱抵抗Ｒ１により、絶縁基板１０３の上面では温度Ｔ１２となり、熱抵抗Ｒ１２により、絶縁基板１０３の下面では上面との温度差が大きくなり、温度Ｔ２となる。また、熱抵抗Ｒ２により、銅ベース１０４の上面では、温度Ｔ２３となり、銅ベース１０４の下面では温度Ｔ３となり、熱抵抗Ｒ３により、ヒートシンク１０２の上面では、温度Ｔ３４になり、熱抵抗Ｒ３Ｇによりヒートシンク１０２の下面では温度Ｔ４になり、熱抵抗Ｒ４Ｇにより、ヒートシンク１０２の直下の空気は温度Ｔ４Ｇ＝ＴＧとなる。温度は熱抵抗と熱輸送量により（１）式のように表され、熱輸送量は、（２）式のように、温度差と熱抵抗、あるいは、熱伝導率と断面積、温度差、長さまたは厚みを用いて表すことができる。
【００４２】
【数１】
2005005400.tif 000003
【００４３】
【数２】
2005005400.tif 000004
【００４４】
上記のことから、定常状態で半導体素子の温度上昇を小さくするためには、熱伝導率を高める。熱伝達の面積を増やし、かつ薄くする。温度差を大きくする。熱輸送量を少なくする必要があることが分かる。
【００４５】
次に、過渡状態の温度と熱輸送量について説明する。図５（ａ）は、物質の形状を示し、図５（ｂ）は、その等価回路を示す。物質の熱伝導率をλ（Ｗ／ｍ・Ｋ）、密度をρ（ｇ／ｍ３）、定圧比熱をＣｐ（Ｊ／ｇ・Ｋ）、幅ｂ（ｍ）、高さｈ（ｍ）、厚さｔ（ｍ）とすると、熱抵抗Ｒ（Ｋ／Ｗ）は、（３）式、熱容量Ｃ（Ｊ／Ｋ）は、（４）式、熱拡散率ａは（５）式のようになる。また、このとき、熱輸送量と温度は、それぞれ、（６）式、（７）式のように表される。
【００４６】
【数３】
2005005400.tif 000005
【００４７】
【数４】
2005005400.tif 000006
【００４８】
【数５】
2005005400.tif 000007
【００４９】
【数６】
2005005400.tif 000008
【００５０】
【数７】
2005005400.tif 000009
【００５１】
図６は、エネルギーと温度差の時間変化を示す。（６）式でのＷｉＲは、時間が経つにつれて増加し、Ｗｉｃは、時間が経つにつれて減少する。そして、（７）式で示す温度差ΔＴは時間が経つにつれて増加する。Ｗｉｃは、結晶格子と自由電子の運動エネルギーや電子の遷移エネルギーとして蓄積される。また、本発明では、中間ヒートシンクを用いたことで、温度上昇速度が小さくなる。
【００５２】
（７）式から、過渡状態で温度上昇を遅らせるためには、熱抵抗を大きくする。また、（５）式により密度、比熱、体積を高める。特に厚みを増やす必要があることが分かる。
【００５３】
また、温度上昇を小さくするには、熱伝導率を大きくし、熱伝達面積を大きくし、熱伝達部を薄くすることにより、熱抵抗を小さくし、また、冷却能力を高めることにより温度差を大きくすることができる。さらに、温度上昇を遅らせるには、熱伝導率を小さくし、熱伝達面積を小さくすることにより熱抵抗を大きくし、密度・比熱を大きくし、熱伝達部を厚くすることにより、熱容量を大きくすればよい。これらの条件により材料選定、材料・組み合わせ、構造設計、最適設計を行った。
【００５４】
上記の考察に従って、構造の理論的検討と適正な材料と厚みについて、実験計画法により決定した。
【００５５】
その結果、適当な厚さのカーボン・銅複合材料を中間層として設けることで、積層板は、上部金属板１４の厚さと中間ヒートシンク１５の厚さと下部金属板１９の厚さを調整することで反りを少なくすることができることが分かった。このように、炭素繊維複合材料層を熱応力を緩和する中間層として半導体素子とヒートシンクの間に設けたことで、半導体装置の熱による反りを低減することができる。
【００５６】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【００５７】
半導体素子とヒートシンクの間に炭素繊維複合材料層を設け、半導体素子と炭素繊維複合材料層との間に、半導体素子で生じた熱を炭素繊維複合材料層の全面に伝導する伝熱金属板とを備えたため、半導体素子によって発生する熱を半導体素子と炭素繊維複合材料の間の金属板で面方向にも拡散し、炭素繊維複合材料全体に熱が伝導され、半導体素子を良好に冷却することができる。
【００５８】
また、炭素繊維複合材料層とヒートシンクの間に熱バッファ用中間ヒートシンクを設けたため、半導体装置の過渡熱抵抗を下げることができ、半導体素子の温度上昇を小さくすることができる。
【００５９】
さらに、半導体素子とヒートシンクの間に炭素繊維複合材料層を含む積層板を設けたため、炭素繊維複合材料全体に熱が伝導され、半導体素子を良好に冷却することができる。また、積層板には金属板を含むので熱伝導性が良く、半導体素子により生じる熱を良好にヒートシンクに伝導することができ、良好に放熱することができる。
【００６０】
中間ヒートシンクは、銅板からなるため、半導体装置の過渡熱抵抗を下げることができ、半導体素子の温度上昇を小さくすることができる。また、炭素繊維複合材料は、カーボン・銅複合材料であるため、炭素繊維複合材料全体に熱が伝導され、半導体素子を良好に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【図２】熱流イメージを示す図である。
【図３】電気自動車での加減速を行った場合の（ａ）速度変化、（ｂ）半導体素子に流れる電流の時間変化、（ｃ）半導体素子の温度変化を示すグラフである。
【図４】半導体装置での定常状態における温度と熱輸送量を示す図であり、（ａ）半導体装置の熱抵抗、（ｂ）上記の模型での定常状態での各部位の温度を示した図である。
【図５】過渡状態の温度と熱輸送量について説明する図であり、（ａ）物質の形状、（ｂ）等価回路を示す図である。
【図６】エネルギーと温度差の時間変化を示す図である。
【図７】従来の半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１０          半導体装置
１１          半導体素子
１２          ヒートシンク
１３          炭素繊維複合材料層
１４          上部金属板
１５          中間ヒートシンク
１６          積層板
１８          絶縁体
１９          下部金属板
【図１】
2005005400.tif 000010
【図２】
2005005400.tif 000011
【図３】
2005005400.tif 000012
【図４】
2005005400.tif 000013
【図５】
2005005400.tif 000014
【図６】
2005005400.tif 000015
【図７】
2005005400.tif 000016