(57)【要約】【課題】半導体素子の高負荷状態を延長しうる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置Ａは、半導体素子が形成された半導体チップ１１と、放熱基板２１と、配線板２３と、配線板２３の上における半導体チップ１１の側方に設けられたダミーリング２０と、各半導体チップ１１，ダミーリング２０などを封止する封止部材１５と、ヒートシンク部材２２とを備えている。半導体チップ１１内の半導体素子が高負荷状態となって、ジャンクション温度が上昇したときには、半導体チップ１１ａの発熱がダミーリング２０に吸収されて、ダミーリング２０の温度が上昇することにより、半導体チップ１１の温度が上限に達するまでの時間が延長される。【選択図】図１
2007329164.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が形成されたチップと、
主面側で前記チップを支持する支持部材と、
前記支持部材の主面上における前記チップの側方に配置され、前記チップの発熱を吸収するための熱吸収部材と
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、
前記熱吸収部材の先端面の高さ位置は、前記チップの先端面以下である、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、
前記チップと前記支持部材とを接合する接合部材をさらに備え、
前記熱吸収部材の厚さは、前記チップおよび前記接合部材の合計厚さ以下である、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、
前記熱吸収部材と前記チップとの熱膨張係数差は、（１５ｐｐｍ／Ｋ）以下である，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、
前記熱吸収部材と前記支持部材との熱膨張係数差は、（１５ｐｐｍ／Ｋ）以下である，半導体装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置において、
前記熱吸収部材の熱膨張係数は、前記チップの熱膨張係数と、前記支持部材との熱膨張係数との間の値である，半導体装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置において、
前記熱吸収部材は、前記チップを環状に取り囲んでいる，半導体装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置において、
前記チップおよび熱吸収部材を上記支持部材の上面側で封止する封止部材をさらに備えている、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランジスタ等の半導体素子が形成されたチップの温度が過上昇するのを抑制するための半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来のＩＧＢＴチップを搭載した半導体装置の構造を示す断面図である。同図に示すように、セラミック等により構成されている放熱基板１０１の主面側には、放熱基板１０１にはんだ層１０２により固定されたＡｌ板１０４と、Ａｌ板１０４の主面にＡｌろうによって固定されたＡｌＮ板１０６と、ＡｌＮ板１０６の主面にＡｌろうによって固定されたＡｌ配線１０８と、Ａｌ配線１０８の上にはんだ１０９により固定された半導体チップ１２０とを備えている。また、放熱基板１０１の裏面側には、グリース１１２を挟んでフィン付きのヒートシンク１１３が取り付けられている。一般には、放熱基板１０１はＣｕ−Ｍｏなどにより構成され、ヒートシンク１１３はＡｌ合金により構成されている。
【０００３】
放熱基板１０１とヒートシンク１１３との間に介在するグリース１１２は、熱膨張係数αが約２３（ｐｐｍ／Ｋ）のＡｌ合金からなるヒートシンク１１３、および熱膨張係数αが約９（ｐｐｍ／Ｋ）のＣｕ−Ｍｏからなる放熱基板１０１間の熱膨張係数差に起因する応力を緩和するためのものである。
【０００４】
上述のように、基板間にグリースを介在させたものとして、たとえば、特開２００３−２７０８０号公報には、フィン付きの放熱体と、発熱体である電子部品との間に、熱伝導性グリースを介在させた半導体装置が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２７０８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、図５や上記公報に開示される構造では、チップが半導体素子の電流増大などによって発熱した場合に、チップ温度（ジャンクション温度）が瞬時に上限に達するのを回避しようとすると、以下のような不具合があった。一般に、ハイブリッド車などのインバータに用いられるパワーデバイスを搭載した半導体装置においては、チップ温度が上限温度以上となる状態が許容時間以上経過すると、ジャンクションの破壊を防止するために半導体素子に印加される電圧または電流がオフされる。とくに、グリースが介在している場合には、グリースにおける熱伝達率が悪いために、チップ温度の過上昇に達する時間が短くなる。
【０００７】
このような不具合を回避するために、放熱基板の厚さを大きくして、熱容量を増大させることが考えられる。しかし、半導体装置が組み込まれるモジュールの大きさには制限があり、半導体装置全体の厚さをいたずらに大きくすることはできない。
【０００８】
本発明の目的は、半導体装置の厚さの増大を抑制しつつ、チップ温度の上昇を抑制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】
【０００９】
本発明の半導体装置は、チップの支持部材上において、チップの側方に、チップの発熱を吸収するための熱吸収部材を配置したものである。
【００１０】
これにより、チップからの熱伝達が速やかに行われる位置に、支持部材および熱吸収部材を含む熱容量の大きい部材が存在する構造が得られる。したがって、チップ温度が上昇したときに、熱吸収部材の温度も即応して上昇する結果、チップ温度の上昇が抑制されて、チップ温度が許容温度の上限に達しないか、上限に達しても、それまでの時間が延長される。たとえば、半導体装置がハイブリッド車に搭載されたときには、ハイブリッド車のエンジンを加速しうる時間が長くなり、運転の快適感が増すことになる。
【００１１】
熱吸収部材の高さ位置がチップ以下であることにより、また、熱吸収部材の厚さがチップおよび接合部材の合計厚さ以下であることにより、半導体装置全体の厚さを増大することなく、チップ周辺の熱容量を増大することが可能になる。
【００１２】
熱吸収部材とチップとの熱膨張係数差が（１５ｐｐｍ／Ｋ）以下であることにより、また、熱吸収部材と支持部材との熱膨張係数差が（１５ｐｐｍ／Ｋ）以下であることにより、熱膨張係数差に起因する熱応力をできるだけ小さくすることができる。もちろん、これらの数値は小さいほど、長時間の加速が可能となる点で、好ましい。特に、熱吸収部材の熱膨張係数が、チップの熱膨張係数と、支持部材との熱膨張係数との間の値であることが好ましい。
【００１３】
熱吸収部材は、チップを環状に取り囲んでいることにより、半導体装置の厚さを変えずに熱吸収部材の熱容量をできるだけ大きくすることができる。
【００１４】
チップおよび熱吸収部材を支持部材の上面側で封止する封止部材をさらに備えていることにより、異物，水分，湿気などのチップへの侵入を確実に防ぐことができ、半導体装置の信頼性が向上する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の半導体装置により、半導体装置全体の厚さの増大を抑制しつつ、チップ温度の上昇を抑制することができる。
【００１６】
図１は、実施の形態における半導体装置Ａの構造を示す縦断面図である。同図に示すように、本実施の形態の半導体装置Ａは、主要部材として、スイッチングトランジスタなどの半導体素子が形成された，厚さがたとえば約０．２ｍｍ程度の半導体チップ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放熱基板２１と、半導体チップ１１の裏面電極１４にはんだ等によって接合され、放熱基板２１の主面側に延びる配線板２３と、半導体チップ１１の主面電極１６と配線板２３とを接続するリボン部材１７と、配線板２３の上にはんだ等によって接合され、半導体チップ１１を取り囲む矩形環状の熱吸収部材であるダミーリング２０と、半導体チップ１１，ダミーリング２０，配線板２３，リボン部材１７等を放熱基板２１の主面側で封止する封止部材１５と、放熱基板２１の裏面に固定されたフィン付きのヒートシンク部材２２とを備えている。ここで、放熱基板２１および配線板２３により、半導体チップ１１を支持する支持部材が構成されている。
【００１７】
配線板２３は、厚さ約０．３ｍｍのＣｕ，Ｃｕ合金，Ａｌ，Ａｌ合金，Ｃｕ−Ｍｏ，Ｃｕ−Ｗなどによって構成されている。ダミーリング２０は、厚さ約０．４ｍｍ程度のＣｕ，Ｃｕ合金，Ａｌ，Ａｌ合金，Ｃｕ−Ｍｏ，Ｃｕ−Ｗなどによって構成されている。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）、比熱は０．２８〜０．３５、比重は９．３〜１０．０１である。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）、比熱は０．１６〜０．１８，比重は１５．５〜１７である。Ｃｕの熱膨張係数αは約１７（ｐｐｍ／Ｋ）、熱伝導率は約４００（Ｗ／ｍ・Ｋ）、比熱は０．０３８，比重は８．９６である。Ａｌの熱膨張係数αは約２３（ｐｐｍ／Ｋ）、熱伝導率は約２３８（Ｗ／ｍ・Ｋ）、比熱は０．２７，比重は２．７である。Ｓｉの熱膨張係数αは約３〜４．５（ｐｐｍ／Ｋ）で、熱伝導率は約１５０（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。ＳｉＣの熱膨張係数αは約３（ｐｐｍ／Ｋ）、熱伝導率は約２１０（Ｗ／ｍ・Ｋ）、比熱は０．７３，比重は３．２である。
【００１８】
放熱基板２１は、厚さがたとえば約０．５ｍｍのＡｌＮ，Ａｌ−ＳｉＣ，Ｓｉ−ＳｉＣ等の無機絶縁性材料（本実施の形態では、セラミックス）によって構成されている。放熱基板２１の裏面には、ほぼ全面に亘って裏面側メタライズ層２４が形成されており、ＣｕまたはＣｕ合金からなるヒートシンク部材２２は、ろう付け（銀ろう，銅ろうなど）によって裏面側メタライズ層２４に接合されている。放熱基板２１の主面には、配線板２３との接続部のみに主面側メタライズ層２６が形成されており、配線板２３は、ろう付け（はんだなどの低温ろう）によって主面側メタライズ層２６に接合されている。裏面側メタライズ層２４および主面側メタライズ層２６は、たとえばＭｏ合金，Ｗ合金，Ｍｏ−Ｍｎ合金などの金属膜とＡｌＮ等とを水素雰囲気中で反応させることにより形成され、その後、表面にＮｉメッキが施されている。
【００１９】
ＡｌＮの熱膨張係数αは約４．５（ｐｐｍ／Ｋ）で、熱伝導率は約２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。Ａｌ−ＳｉＣの熱膨張係数αは約８（ｐｐｍ／Ｋ）で、熱伝導率は１８０〜２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。Ｓｉ−ＳｉＣの熱膨張係数αは約２．３〜３（ｐｐｍ／Ｋ）で、熱伝導率は約２００（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で約３（ｐｐｍ／Ｋ）、ＳｉＣで約４（ｐｐｍ／Ｋ））に近い。
【００２０】
放熱基板２１の裏面およびヒートシンク部材２２は、紙面に垂直な方向に流れる冷却液（冷却媒体）にさらされており、ヒートシンク部材２２により、冷却液との熱交換効率を高めるように構成されている。冷却液に代えて、ヘリウム，アルゴン，窒素，空気などの気体であってもよい。
【００２１】
封止部材１５は、エポキシ樹脂，ウレタン樹脂，シリコーン樹脂などからなり、ポッティングによって形成されたものである。なお、一般的には、半導体装置Ａをモジュールに組み込んで、必要な配線が終了した後には、上方はゼラチン質の保護膜で満たされるので、封止部材は必ずしも必要ではないが、組み立て工程における信頼性や、使用時には環境が多彩に変化することを考慮すると、封止部材１５を設けることが好ましい。
【００２２】
本実施の形態の半導体装置Ａにおいては、支持部材である，放熱基板２１および配線板２３上において半導体チップ１１に近接してダミーリング２０が設けられているので、以下の作用が得られる。すなわち、半導体チップ１１の温度が上昇したときに、放熱基板２１を経てヒートシンク部材２２に熱が放出される前に、放熱基板２１および配線板２３だけでなく、ダミーリング２０の温度も速やかに上昇するので、半導体チップ１１の温度が許容温度の上限を超えることが回避されるか、超えるまでの時間が延長される。
【００２３】
以下、ダミーリング２０がＣｕによって構成されている場合を例に採って、具体的な効果を計算する。Ｃｕの比熱は０．３８（ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）で、比重は８．９６である。ダミーリング２０が、外辺長２０×２０ｍｍ，内辺長１２×１２ｍｍ，厚さ０．４ｍｍの正方形環状のものであるとする。このとき。ダミーリング２０の熱容量は、（２０×２０−１２×１２）×０．４×８．９６×０．３８＝０．３５（Ｊ／Ｋ）となる。半導体素子の許容温度の上限は、一般的には１５０°Ｃである。半導体素子のジャンクションに流れる電流が増大して、チップ温度（ジャンクション温度）が５０°Ｃから１５０°Ｃに達したとすると、１５０−５０＝１００（Ｋ）であるから、ダミーリングは、１００Ｗの発熱を０．３５秒間吸収することになる。通常は、チップ温度が１５０°Ｃに達しても、２秒間程度の許容時間が認められているので、約１８％程度の延長効果が得られる。たとえば、半導体装置Ａがハイブリッド車に搭載されたときには、ハイブリッド車のエンジンを加速しうる時間が長くなり、運転の快適感が増すことになる。
【００２４】
しかも、この延長された時間の間に、放熱基板２１を経てヒートシンク部材２２から放出される熱が増大するので、実際には１８％以上の延長効果が得られることになる。また、チップ温度が許容時間を超えて許容温度の上限を超える温度に達しないように、放熱基板２１，ヒートシンク部材２２などの形状や材料を調整することも容易となる。
【００２５】
本実施形態においては、ダミーリング２０（熱吸収部材）は、閉環状に半導体チップ１１の周囲を取り囲んでいるが、本発明の熱吸収部材は、必ずしも半導体チップ１１の周囲を環状に取り囲んでいなくてもよい。すなわち、半導体チップ１１の側方に配置されていても、支持部材である配線板２３からの熱伝達を迅速に受けるので、熱吸収機能を発揮することができる。ただし、熱吸収部材は、半導体チップ１１に近接していて、半導体チップ１１の側面からの熱伝達を直接受けることが好ましい。また、熱吸収部材は、環状であっても閉環状でなく、開環状であってもよい。
【００２６】
本実施の形態においては、ダミーリング２０の先端面の高さ位置は、主面電極１６および裏面電極１４を含む半導体チップ１１の先端面（つまり、主面電極１６の先端面）の高さ位置以下である。また、ダミーリング２０の厚さ（本実施の形態では、０．４ｍｍ）は、主面電極１６および裏面電極１４を含む半導体チップ１１の厚さと、接合部材であるろう付け層の厚さとの合計厚さ（本実施の形態では、０．５ｍｍ程度）以下である。このような設定によって、ダミーリング２０のために半導体装置全体の厚さを薄く維持したままで、熱容量の増大を図ることができる。ただし、ダミーリング２０の先端面の高さが半導体チップ１１の先端面よりも上方に位置していても、半導体装置Ａの寸法がほとんど変わらないか、変化しても大きな不利益を及ぼさない限りは、かまわないものとする。同様に、ダミーリング２０の一部が、半導体チップ１１の直上に位置していてもかまわないものとする。
【００２７】
また、ダミーリング（熱吸収部材）２０をＣｕ−Ｍｏ（熱膨張係数６．５〜８（ｐｐｍ／Ｋ），比熱）またはＣｕ−Ｗ（熱膨張係数７．５〜８（ｐｐｍ／Ｋ））によって構成した場合には、ＳｉＣ（熱膨張係数３（ｐｐｍ／Ｋ））からなる半導体チップ１１との熱膨張係数差は、３．５〜５（ｐｐｍ／Ｋ）である。このように、ダミーリング２０の熱膨張係数と半導体チップ１１の熱膨張係数との差を１５（ｐｐｍ／Ｋ）以下にすることにより、両者と支持部材である放熱基板２１および配線板２３との間で発生する熱応力が比較的均一化されるので、放熱基板２１全体のゆがみなどの変形を小さくすることができる。
【００２８】
また、ダミーリング２０および配線板２１をＣｕ−ＭｏまたはＣｕ−Ｗによって構成し、放熱基板２１をＡｌＮ（熱膨張係数４．５（ｐｐｍ／Ｋ））によって構成した場合には、ダミーリング２０と支持部材との熱膨張係数差は、最大３．５（ｐｐｍ／Ｋ）である。このように、ダミーリング２０と支持部材との熱膨張係数差を１５（ｐｐｍ／Ｋ）以下にすることにより、ダミーリング２０と支持部材である放熱基板２１および配線板２３ｂ（２３ｃ）との間で発生する熱応力との間で発生する熱応力をできるだけ小さくすることができる。
【００２９】
また、ダミーリング２０をＣｕ−Ｗ（熱膨張係数６．５〜７（ｐｐｍ／Ｋ））によって構成し、配線板２１ａ，２１ｂ，２１ｃをＣｕ（熱膨張係数１７（ｐｐｍ／Ｋ）によって構成し、放熱基板２１をＡｌ−ＳｉＣ（熱膨張係数約８（ｐｐｍ／Ｋ））によって構成し、半導体チップ１１をＳｉＣ（熱膨張係数３（ｐｐｍ／Ｋ））によって構成した場合には、ダミーリング２０の熱膨張係数は、半導体チップ１１の熱膨張係数と、支持部材である放熱基板２１および配線板２１の平均的な熱膨張係数との中間の値である。このように、ダミーリング２０の熱膨張係数を、半導体チップの熱膨張係数と、支持部材の熱膨張係数との中間の値にすることにより、半導体チップの周囲における熱応力を小さくすることができるので、反りなどの変形を抑制することができる。
【００３０】
ここで、配線板２３の材料としては、熱容量に寄与する比熱×比重が大きいことよりも、熱膨張係数が半導体チップ１１ａ（１１ｂ）に近く、比抵抗が小さいことが求められる。その点では、ＣｕまたはＣｕ合金が好ましい。一方、Ｃｕ−Ｍｏや、Ｃｕ−Ｗという複合材料では、Ｃｕ，Ｍｏ，Ｗの比率によって、比抵抗，比熱，比重がＣｕに近いか、ＭｏまたはＷに近いかが定まる。したがって、配線板２３の材料として、Ｃｕ−ＭｏやＣｕ−Ｗを用いる場合には、熱膨張係数ができるだけ半導体チップ１１に近いこと（熱膨張係数差が１５（ｐｐｍ／Ｋ）以下）を前提として、比抵抗が小さいもの（Ｃｕの組成比が高いもの）を用いることが好ましい。
【００３１】
一方、ダミーリング２０の材料としては、比抵抗が大きくても差し支えはなく、熱容量が大きいこと、熱膨張係数が半導体チップや支持部材に近いことが重要である。したがって、ダミーリング２０の材料として、Ｃｕ−ＭｏやＣｕ−Ｗを用いる場合には、熱膨張係数ができるだけ半導体チップ１１に近いこと（熱膨張係数差が１５（ｐｐｍ／Ｋ）以下）を前提として、熱容量が大きいもの（Ｃｕの組成比が低いもの）を用いることが好ましい。
【００３２】
次に、半導体チップ１１の構造について説明する。図２は、本実施の形態における半導体チップ１１の縦断面図である。同図に示すように、半導体チップ１１は、抵抗率が０．０２Ωｃｍ、厚みが４００μｍで、［ 1 1-2 0 ］方向に約８°オフさせた（ 0 0 0 1 ）面を主面とするｎ型の４Ｈ−ＳｉＣ基板３０と、in-situドープを伴うＣＶＤエピタキシャル成長法により、４Ｈ−ＳｉＣ基板３０の上に成長された，厚みが約１０μｍのｎ型エピタキシャル成長層３１と備えている。
【００３３】
そして、半導体チップ１１内の縦型ＭＯＳＦＥＴ１は、エピタキシャル成長層３１の表面部の一部に形成されたｐウェル領域３２と、ｐウェル領域３２の表面部の各一部に形成されたｎ型ソース領域３３およびｐ＋コンタクト領域３５と、エピタキシャル成長層３１の上に形成されたシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜３８と、４Ｈ−ＳｉＣ基板３０の裏面上に形成された、Ｎｉ膜（又はＮｉ合金膜）からなる裏面電極４０と、ゲート絶縁膜３８のうちソース領域３３及びｐ＋コンタクト領域３５の上方に位置する部分を開口した領域の上に形成されたＮｉ膜（又はＮｉ合金膜）からなるソース電極４１と、ゲート絶縁膜４０の上にソース電極４１とは離間した位置に形成されたＡｌ膜（又はＡｌ合金膜）からなるゲート電極４２とを備えている。
【００３４】
図２には表示されていないが、多数のトランジスタセルが集合して１つの縦型ＭＯＳＦＥＴが構成されている。この縦型ＭＯＳＦＥＴの各トランジスタセルにおいて、オン時には、裏面電極４０から供給される電子が、４Ｈ−ＳｉＣ基板３０からエピタキシャル成長層３１の最上部まで縦方向に流れた後、ｐウェル領域３２の最上部のチャネル領域を経て、ソース領域３３に達することになる。
【００３５】
一方、半導体チップ１１内のショットキーダイオード２は、エピタキシャル成長層３１の表面部の一部に形成されたｐガードリング領域４５と、ｐガードリング領域４５を含むエピタキシャル成長層３１の上に形成されたシリコン酸化膜４３と、シリコン酸化膜４３のうちｐガードリング領域４５に跨る部分の上方に位置する部分を開口した領域の上に形成されたＮｉ膜（又はＮｉ合金膜）からなるショットキー電極４６と、縦型ＭＯＳＦＥＴ１と共通の裏面電極４０とを備えている。
【００３６】
ここで、縦型ＭＯＳＦＥＴ１のソース電極４１と、ショットキーダイオード２のショットキー電極４６とは、保護用絶縁膜まで延びて共通のパッドである上面電極となっている。また、縦型ＭＯＳＦＥＴ１のゲート電極は、図２とは異なる断面において保護用絶縁膜上まで延びてゲートパッドとなっている。
【００３７】
図３（ａ），（ｂ）は、順に、半導体モジュール５０の一例を示す平面図、およびその一部を拡大した平面図である。なお、同図において、配線構造の図示は省略されている。図３（ａ）に示すように、半導体装置モジュールは、銅又は銅合金製の枠体５０内に各種半導体チップ５１を配置して構成される。モジュールとして三相インバータを想定した場合、半導体チップ５１は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のそれぞれに対応する３つの領域５２ａ，５２ｂ，５２ｃに分かれて配置されている。そして、各領域５２ａ，５２ｂ，５２ｃには、それぞれハイサイド、ローサイドの２組の半導体チップ５１が配置されていて、図３（ｂ）に示すように、各半導体チップには、縦型ＭＯＳＦＥＴ，及びショットキーダイオードが設けられている。枠体５０の下方には、冷却水が流れる冷却管が設けられている。
【００３８】
（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。
【００３９】
図４は、実施の形態の変形例を示す部分断面図である。同図に示すように、この変形例においては、ダミーリング２０は半導体チップ１１に直接接触しており、半導体チップ１１から直接熱伝達を受ける構造となっている。ダミーリング２０は、絶縁体であるセラミックス（たとえば、アルミナ，ＳｉＣ焼結体など）によって構成されており、実施の形態とは異なり、閉環状ではなく、一部に切り込みが入った開環状である。また、ダミーリング２０は、必ずしも配線板２３と接合や接着によって接続されている必要はなく、単に配線板２３の上に設置されているだけでもよい。また、ダミーリング２０と半導体チップ１１とは、一部でろう付けなどによって接合されていてもよく、あるいは接着剤により接着されていてもよい。
【００４０】
本変形例により、半導体チップ１１との熱膨張係数差に起因する熱応力を抑制しつつ、相互間の接触状態を保つことが可能になるので、ダミーリング２０によって、より迅速に半導体チップ１１の発熱を吸収することが可能になる。すなわち、半導体チップ１１がＳｉ基板またはＳｉＣ基板を用いていて、ダミーリングがＳｉＣであれば、ほとんど熱膨張係数差がないので、ダミーリング２０が配線板２３に接合されていなければ、熱応力も無視しうるほど小さくなる。一方、ダミーリング２０（たとえばアルミナ）の熱膨張係数が半導体チップ１１の熱膨張係数よりも大きい場合でも、組立状態で強嵌合しておけば高温状態においても両者の接触状態を保つことができる。なお、ダミーリング２０と半導体チップ１１とは、両者のすべての側面で接触している必要はない。相対向する２辺だけ、あるいは、各辺のコーナー部を除く部分だけが互いに接触している構造であっても、必要な熱伝達は得られるからである。一方、ダミーリング２０はＳｉＣ焼結体によって構成されているので、単結晶ＳｉＣ基板の寸法を拡大した場合のようなコストの大幅な上昇を招くことはない。
【００４１】
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，Diamond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、高負荷状態では発熱量が急激に増大するような半導体装置においても、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。
【００４２】
上記実施の形態では、半導体チップ１１に、縦型ＭＯＳＦＥＴ１とショットキーダイオード２とが形成されているが、縦型ＭＯＳＦＥＴとショットキーダイオードが個別の半導体チップに形成されていてもよい。なお、半導体チップ１１には、縦型ＭＯＳＦＥＴ１に代えて、ゲート絶縁膜がシリコン酸化膜でなく窒化膜や酸窒化膜である縦型ＭＩＳＦＥＴを設けてもよい。また、ショットキーダイオードに代えて、ＰＮダイオードやＰｉＮダイオードを設けてもよい。
【００４３】
上記実施の形態では、半導体チップ１１に、縦型ＭＯＳＦＥＴが形成されているが、本発明の半導体チップは、横型ＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子が形成されているものであってもよい。その場合には、裏面電極４０に代えて、半導体チップの主面側にドレイン電極が形成されることになるので、配線板は、バックバイアスを確保するものでよく、その場合には、放熱基板２１とほぼ全面に亘って接触していてもよい。また、配線板は、単にチップを支持するだけの機能しかないダイパッドであってもよく、その場合には、チップの下方のみに設けられていてもよい。
【００４４】
また、本発明の半導体装置は、ＭＯＳＦＥＴやショットキーダイオードが形成された半導体チップを搭載したものに限定されるものではなく，ＩＧＢＴ，ＪＦＥＴ等を搭載した半導体装置であってもよい。その場合にも、半導体チップ１１，配線板２３，放熱基板２１およびダミーリング２０が存在していれば、放熱基板２１の下方に設けられるヒートシンク部材２２などの構造を問わず、半導体チップ内の半導体素子の高負荷状態をできるだけ長時間保つことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
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、特に半導体モジュールの要素として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施の形態における半導体装置の構造を示す縦断面図である。
【図２】実施の形態における半導体チップの縦断面図である。
【図３】実施の形態における半導体モジュールの上面図である。
【図４】実施の形態の変形例を示す断面図である。
【図５】従来のＩＧＢＴチップを搭載した半導体装置の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
Ａ      半導体装置
１      縦型ＭＯＳＦＥＴ
２      ショットキーダイオード
１１    半導体チップ
１３    電気配線
１４    裏面電極
１５    封止部材
１６    上面電極
１７    リボン部材
１８    ゲートパッド
１９    ボンディングワイヤ
２０    ダミーリング（熱吸収部材）
２１    放熱基板
２２    ヒートシンク部材
２２ａ  基端部
２２ｂ  基端部
２３    配線板
２４    裏面側メタライズ層
２６    主面側メタライズ層
３０    ４Ｈ−ＳｉＣ基板
３１    ｎ型エピタキシャル成長層
３２    ｐウェル領域
３３    ｎ型ソース領域
３５    ｐ＋コンタクト領域
３８    ゲート絶縁膜
４０    裏面電極
４１    ソース電極
４２    ゲート電極
４３    シリコン酸化膜
４５    ｐ型ガードリング領域
４６    ショットキー電極
５０    半導体モジュール
５１    半導体チップ
５２ａ〜５２ｃ  領域
【図１】
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【図２】
2007329164.tif 000004
【図３】
2007329164.tif 000005
【図４】
2007329164.tif 000006
【図５】
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