(57)【要約】【課題】  熱応力を緩和し、熱抵抗を低減することができる冷却器を提供すること。【解決手段】  本発明の冷却器２０は、窒化アルミニウムを含む絶縁層２０ａ〜２０ｇの複数枚が積層されている絶縁性積層体を備えている。その絶縁層２０ａ〜２０ｇは、開口２３〜２６を有している。その絶縁層の開口の少なくとも一部と、その絶縁層に隣接して積層されている絶縁層の開口の少なくとも一部が積層方向に連通して流路２７を形成している。絶縁性積層体２０の外表面には、第１外表面開口２２ａと第２外表面開口２３ａが形成されている。第１外表面開口２２ａと第２外表面開口２３ａは、流路２７を介して連通している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却器であり、
窒化アルミニウムを含む絶縁層の複数枚が積層されている絶縁性積層体を備えており、
その絶縁性積層体を構成する少なくとも２枚以上の絶縁層の各々が開口を有しており、
各絶縁層の開口の少なくとも一部と、その絶縁層に隣接して積層されている絶縁層の開口の少なくとも一部が積層方向に連通して流路を形成しており、
その絶縁性積層体の外表面には、第１外表面開口と第２外表面開口が形成されており、
第１外表面開口と第２外表面開口が前記流路を介して連通していることを特徴とする冷却器。
【請求項２】
前記絶縁性積層体上に形成されている窒化アルミニウムを含む上面絶縁層と、
その上面絶縁層上に形成されている導電性積層体を備えており、
前記導電性積層体は、導電性下層、導電性中間層、導電性上層を有し、
導電性下層は、銅又はアルミニウムを含んでおり、
導電性中間層は、モリブテンを含んでおり、
導電性上層は、銅又はアルミニウムを含んでいることを特徴とする請求項１の冷却器。
【請求項３】
導電性下層と導電性上層の厚みは略一致しており、
導電性中間層の厚みは、導電性下層及び導電性上層の厚みの５〜１２倍であることを特徴とする請求項２の冷却器。
【請求項４】
導電性積層体の厚みは、０．０５〜５mmであることを特徴とする請求項２又は３の冷却器。
【請求項５】
半導体装置であり、
冷却器と、
その冷却器上に形成されている導電層と、
その導電層上に形成されている半導体素子を備えており、
前記冷却器は、
窒化アルミニウムを含む絶縁層の複数枚が積層されている絶縁性積層体を備えており、
その絶縁性積層体を構成する少なくとも２枚以上の絶縁層の各々が開口を有しており、
各絶縁層の開口の少なくとも一部と、その絶縁層に隣接して積層されている絶縁層の開口の少なくとも一部が積層方向に連通して流路を形成しており、
その絶縁性積層体の外表面には、第１外表面開口と第２外表面開口が形成されており、
第１外表面開口と第２外表面開口が前記流路を介して連通していることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
前記導電層は、導電性下層、導電性中間層、導電性上層を有する導電性積層体であり、
導電性下層は、銅又はアルミニウムを含んでおり、
導電性中間層は、モリブテンを含んでおり、
導電性上層は、銅又はアルミニウムを含んでいることを特徴とする請求項５の半導体装置。
【請求項７】
導電性下層と導電性上層の厚みは略一致しており、
導電性中間層の厚みは、導電性下層及び導電性上層の厚みの５〜１２倍であることを特徴とする請求項６の半導体装置。
【請求項８】
導電性積層体の厚みは、０．０５〜５mmであることを特徴とする請求項６又は７の半導体装置。
【請求項９】
半導体素子にＧａＮ系又はＳｉＣ系の半導体材料が用いられていることを特徴とする請求項５〜８のいずれかの半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子等の電気・電子部品を冷却するための冷却器に関する。本発明はまた、冷却器上に半導体素子が実装されている半導体装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子（IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）など）を利用して、電流のオン・オフを経時的に切り換える半導体装置は、様々な場面で用いられている。例えば、車載用のモータに供給する電流を経時的に切替えるためのインバータ用の半導体装置が知られている。この種のインバータ用の半導体装置は、エンジンの近くに設けられていることが多い。このため、インバータ用の半導体装置には、熱に対して何らかの対策を講じる必要がある。
【０００３】
特許文献１には、電気部品又は回路用の冷却器が開示されている。図４に、特許文献１に開示されている冷却器２２０の概略的な断面図を模式的に示す。図４には、冷却器２２０に半導体素子２４４を実装した場合の半導体装置２００を示す。
冷却器２２０は、セラミック下層２２９と、積層体２２１と、セラミック上層２２８を備えている。セラミック下層２２９及びセラミック上層２２８には、酸化アルミニウムが用いられている。積層体２２１は、銅を含む層の複数枚が積層されている（紙面上下方向に積層されている）。その積層体２２１を構成する層の各々は、開口を有している。例えば、一つの層は、開口２２２及び開口２２３を備えている。他の一つの層は、開口２２２、開口２２３及び開口２２４を備えている。また他の一つの層は、開口２２２、開口２２３及び開口２２５を備えている。また他の一つの層は、開口２２２、開口２２３及び開口２２６を備えている。ある層の開口（例えば、開口２２４）の少なくとも一部と、その層に隣接する層の開口（例えば、開口２２５）の少なくとも一部が積層方向に連通して流路２２７を形成している。積層体２２１の外表面には、第１外表面開口２２２ａが形成されている。さらに、積層体２２１の外表面には、第１外表面開口２２２ａとは別の第２外表面開口２２３ａが形成されている。第１外表面開口２２２ａと第２外表面開口２２３ａは、流路２２７を介して連通している。
セラミック上層２２８の表面の一部には、導電層２３０が形成されている。その導電層２３０の表面には、はんだ２４２を介して半導体素子２４４が接合されている。半導体素子２４４は、縦型の素子であり、電流は縦方向に流れる。
【特許文献１】特開平１０−２６１８８６号公報
【０００４】
冷却器２２０の積層体２２１には、銅が用いられている。銅は高い熱伝導率を有しており、半導体素子２４４で発生した熱を効率的に伝導することができる。さらに、冷却器２２０の積層体２２１では、冷却剤（典型的には冷却水）が第１外表面開口２２２ａから流路２２７を介して第２外表面開口２２３ａに向けて流れる。したがって、冷却器２２０は、高熱伝導の積層体２２１と流路２２７を流れる冷却剤を利用して、半導体素子２２４で発生した熱を効率的に外部に排出させることができる。
【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、冷却器２２０は、以下に説明する２つの問題を備えている。
まず第１に、冷却器２２０は、積層体２２１に用いられている銅の熱膨張係数が大きいという問題を備えている。銅の熱膨張係数は、概ね17ppm/℃である。一方、半導体素子２４４の半導体材料には、Si、SiC、GaNなどが用いられており、その熱膨張係数は概ね3〜4ppm/℃である。したがって、半導体素子２４４と積層体２２１の間には、大きな熱膨張係数の差が存在している。この熱膨張係数の差に基づいて、半導体素子２４４と積層体２２１の間に熱応力が発生する。冷却器２２０では、セラミック下層２２９及びセラミック上層２２８が積層体２２１を挟み込むことによって、熱応力を緩和させる効果を多少備えているものの、その効果は十分でない。
第２に、冷却器２２０は、半導体素子２４４と積層体２２１の間の熱抵抗が大きいという問題を備えている。これは、セラミック上層２２８が、半導体素子２４４と積層体２２１の間に介在していることが原因である。セラミック上層２２８は、半導体素子２４４と積層体２２１を電気的に絶縁するために必要である。しかしながら、セラミック上層２２８を設けることによって、半導体素子２４４と積層体２２１の間の距離が大きくなってしまう。半導体素子２４４と積層体２２１の間の距離が大きいと、半導体素子２４４と積層体２２１の間の熱抵抗が大きくなってしまう。このため、半導体素子２４４に大電流が急激に流れた場合、冷却効果が追いつかず、ひいては半導体素子２４４やセラミック上層２２８が破壊されるという事態が発生してしまう。
本発明は、熱応力を緩和し、熱抵抗を低減することができる冷却器を提供することを目的としている。さらに、半導体素子と冷却器の間の熱応力が緩和され、半導体素子と冷却器の間の熱抵抗が低減された半導体装置を提供することを他の一つの目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、冷却器に用いられる材料に、窒化アルミニウムを含む材料を用いることを特徴にしている。窒化アルミニウムの熱膨張係数は、概ね4.5ppm/℃である。一方、半導体素子の半導体材料には、Si、SiC、GaNなどが用いられることが多く、その熱膨張係数は概ね3〜4ppm/℃である。したがって、窒化アルミニウムを含む材料と半導体素子との間の熱膨張係数の差は小さい。窒化アルミニウムを含む材料で形成されている冷却器は、半導体素子との間の熱応力の増大を抑制することができる。さらに、窒化アルミニウムは、絶縁性の物質である。このため、窒化アルミニウムを含む材料で形成されている冷却器では、半導体素子との間に絶縁性を確保するための構造が不必要になる。これにより、半導体素子と冷却器の間の距離を短縮化することができる。半導体素子と冷却器の間の距離を短縮化することができれば、半導体素子と冷却器の間の熱抵抗を低減することができる。
なお、本発明の冷却器は、冷却する対象を半導体素子に限定するものではない。冷却する対象の熱膨張係数が、窒化アルミニウムの熱膨張係数に近いものであれば、本発明の技術範囲の範疇に入り得る。
【０００７】
本発明は、冷却器に具現化することができる。本発明の冷却器は、窒化アルミニウムを含む絶縁層の複数枚が積層されている絶縁性積層体を備えている。その絶縁性積層体を構成する少なくとも２枚以上の絶縁層の各々が開口を有している。各絶縁層の開口の少なくとも一部と、その絶縁層に隣接して積層されている絶縁層の開口の少なくとも一部が積層方向に連通して流路を形成している。さらに、絶縁性積層体の外表面には、第１外表面開口と第２外表面開口が形成されている。第１外表面開口と第２外表面開口は、流路を介して連通している。
本発明の冷却器には、窒化アルミニウムが用いられている。例えば、冷却する対象が半導体素子の場合、半導体素子と冷却器の間の熱膨張係数の差が低減され、半導体素子と冷却器の間の熱応力の増大が抑制される。さらに、半導体素子と冷却器の間の絶縁性を確保するための構造が不必要になり、半導体素子と冷却器の間の距離を短縮化することもできる。半導体素子と冷却器の間の熱抵抗を低減することができる。
【０００８】
本発明の冷却器は、上面絶縁層と導電性積層体をさらに備えていることが好ましい。上面絶縁層は、絶縁性積層体上に形成されており、窒化アルミニウムを含んでいる。導電性積層体は、上面絶縁層上に形成されており、導電性下層、導電性中間層、導電性上層を有している。導電性下層は、銅又はアルミニウムを含んでいる。導電性中間層は、モリブテンを含んでいる。導電性上層は、銅又はアルミニウムを含んでいる。
上面絶縁層は、開口が形成されていないスペースを備えている。そのスペースは、表面に導電性積層体を設置するための場を提供する。導電性積層体は、その表面に設置される半導体素子等の電気・電子部品に対して電気的な接続部分を提供する。例えば、電気・電子部品が半導体素子の場合、導電性積層体を用いることによって、縦型の半導体素子を利用することが可能になる。導電性積層体では、電流が横方向に流れる。
導電性積層体の熱膨張係数は、絶縁性積層体の熱膨張係数に近い値であることが好ましい。これにより、絶縁性積層体と導電性積層体の間において、熱膨張係数の差を低減し、熱応力の増大を抑制することができる。
モリブテン（Ｍｏ）の熱膨張係数は4ppm/℃程度であり、窒化アルミニウムの熱膨張係数（概ね4.5ppm/℃）にほぼ等しい。したがって、導電性中間層にモリブテンを用いることによって、導電性積層体と絶縁性積層体との間の熱膨張係数の差を低減することができる。さらに、導電性下層及び導電性上層には、銅又はアルミニウムが用いられている。銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）は、電気抵抗及び熱抵抗が小さい。したがって、モリブテン、銅、アルミニウムを組合せることによって、熱膨張係数と電気抵抗と熱抵抗が調整された導電性積層体を得ることができる。
【０００９】
本発明の導電性積層体では、導電性下層と導電性上層の厚みが略一致しており、導電性中間層の厚みが導電性下層及び導電性上層の厚みの５〜１２倍であることが好ましい。即ち、本発明の導電性積層体は、膜厚な導電性中間層を膜薄な導電性下層及び導電性上層によって挟み込む構造を備えていることが好ましい。
導電性下層と導電性上層は対を成して形成されており、導電性中間層との間の熱膨張係数差に起因する熱応力を緩和する。
導電性中間層の厚みが導電性下層及び導電性上層の厚みの５倍以上に形成されていると、導電性積層体に占める導電性中間層の割合が大きくなる。これにより、導電性積層体の熱膨張係数は、導電性中間層の熱膨張係数が支配的になる。導電性中間層にはモリブテンが用いられているので、導電性中間層の熱膨張係数が支配的になると、導電性積層体と絶縁性積層体の間の熱膨張係数の差を低減することができる。
しかし、導電性積層体に占める導電性中間層の割合が大きくなりすぎると、導電性積層体の電気抵抗及び熱抵抗が高くなってしまう。したがって、導電性中間層の厚みが導電性下層及び導電性上層の厚みの１２倍以下に形成されていることが好ましい。導電性下層及び導電性上層には、銅又はアルミニウムが用いられており、電気抵抗及び熱抵抗が小さい。導電性積層体に占める導電性下層及び導電性上層の割合が上記の範囲に形成されていると、導電性積層体の電気抵抗及び熱抵抗を小さい値にすることができる。
【００１０】
導電性積層体の厚みは、０．０５〜５mmであることが好ましい。
導電性積層体は、電流が横方向に流れる接続部分である。したがって、導電性積層体の電気抵抗は小さいことが望ましい。導電性積層体の厚みが０．０５mm以上に形成されていると、導電性積層体の電気抵抗を小さくすることができる。また、導電性積層体は、冷却対象と絶縁性積層体の間に存在している。したがって、熱抵抗を小さくするためには、導電性積層体の厚みが小さいことが望ましい。導電性積層体の厚みが５mm以下に形成されていると、冷却対象と絶縁性積層体の間の距離を短くすることができ、熱抵抗を小さくすることができる。
【００１１】
本発明は、冷却器に半導体素子が実装されている半導体装置にも具現化することができる。本発明の半導体装置は、冷却器と、その冷却器上に形成されている導電層と、その導電層上に形成されている半導体素子を備えている。冷却器は、窒化アルミニウムを含む絶縁層の複数枚が積層されている絶縁性積層体を備えている。その絶縁性積層体を構成する少なくとも２枚以上の絶縁層の各々が開口を有している。各絶縁層の開口の少なくとも一部と、その絶縁層に隣接して積層されている絶縁層の開口の少なくとも一部が積層方向に連通して流路を形成している。さらに、絶縁性積層体の外表面には第１外表面開口と第２外表面開口が形成されている。第１外表面開口と第２外表面開口は、流路を介して連通している。
本発明の半導体装置によると、半導体素子と冷却器の間の熱膨張係数の差が低減され、半導体素子と冷却器の間の熱応力の増大が抑制されている。さらに、半導体素子と冷却器の間の絶縁性を確保するための構造が不必要になり、半導体素子と冷却器の間の距離を短縮化することもできる。半導体素子と冷却器の間の熱抵抗を低減することもできる。
【００１２】
本発明の半導体装置の導電層は、導電性下層、導電性中間層、導電性上層を有する導電性積層体であることが好ましい。この場合、導電性下層は、銅又はアルミニウムを含んでいる。導電性中間層は、モリブテンを含んでいる。導電性上層は、銅又はアルミニウムを含んでいる。
半導体素子の半導体材料には、Si、SiC、GaNなどが用いられることが多く、その熱膨張係数は概ね3〜4ppm/℃である。絶縁性積層体に用いられている窒化アルミニウムの熱膨張係数は、概ね4.5ppm/℃である。導電層が導電性積層体であり、その導電性中間層にモリブテン（熱膨張係数は4ppm/℃程度）を含んでいると、導電性積層体の熱膨張係数を半導体素子及び絶縁性積層体の熱膨張係数に近い値にすることができる。これにより、半導体素子と冷却器の間の熱膨張係数の差が低減され、半導体素子と冷却器の間の熱応力の増大が抑制されている。
【００１３】
本発明の半導体装置は、半導体素子にＧａＮ系又はＳｉＣ系の半導体材料が用いられていることが好ましい。
これらの半導体材料は、絶縁破壊電界および飽和電子密度等が大きいことから、高耐圧で大電流を制御できるものと期待されている。このため、この種の半導体素子の特性が発揮するように動作させると、半導体素子自身の発熱量が極めて大きくなる。したがって、この種の半導体素子が実装されている半導体装置は、熱に対する対策が極めて重要である。本発明の半導体装置は、この種の半導体素子が実装された場合に、極めて有用である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の冷却器は、熱応力を緩和し、熱抵抗を低減することができる。本発明の半導体装置は、半導体素子と冷却器の間の熱応力が緩和され、半導体素子と冷却器の間の熱抵抗を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の主要な特徴を列記する。
（第１形態）  本発明の冷却器の冷却対象は、半導体素子であることが好ましい。この場合、冷却器と半導体素子の間の熱膨張係数の差を小さくすることができる。
（第２形態）  冷却器内に形成されている流路は、複数枚の絶縁層に亘って形成されている。流路は、積層方向と、積層方向に直交する方向の成分を持って伸びている。流路は、３次元的に伸びていると観念することができる。これにより、流路を画定する側壁の面積が大きくなり、冷却効果を増大させることができる。
（第３形態）  流路は、導電性積層体の下方において、絶縁性積層体の上面に最も接近している。これにより、導電性積層体の表面に設置される電気・電子部品からの発熱を効率的に冷却することができる。
【実施例】
【００１６】
（第１実施例）
図１に、半導体装置１０の構成の概略を模式的に示す。図１（ａ）に、半導体装置１０の要部断面図を示す。図１（ｂ）に、半導体装置１０の要部平面図を示す。
半導体装置１０は、冷却器２０と、その冷却器２０上に形成されている導電性積層体３０と、導電性積層体３０上に形成されている半導体素子４４を備えている。半導体素子４４は、はんだ４２を介して導電性積層体３０の表面に接合されている。半導体素子４４の半導体材料には、ＧａＮが用いられている。半導体素子４４は、縦型の素子であり、電流は縦方向に流れる。
【００１７】
冷却器２０は、窒化アルミニウムを含む絶縁層の複数枚が積層して形成されている（紙面上下方向に積層している）。この様子を図２に示す。冷却器２０は、複数枚の絶縁層２０ａ〜２０ｇを備えている。複数枚の絶縁層２０ａ〜２０ｇが積層して、冷却器２０を構成している。本明細書では、冷却器２０のことを絶縁性積層体ともいう。絶縁層２０ｂ〜２０ｇは、開口２３〜２６を有している。絶縁層２０ａは、開口を有していない。絶縁層２０ａは、開口を有していない点で他の絶縁層２０ｂ〜２０ｇから区別される。本明細書では、この絶縁層２０ａを上面絶縁層２０ａともいう。上面絶縁層２０ａは、開口２６が外部に露出するのを防止する。さらに、上面絶縁層２０ａは、開口が形成されていないスペースを備えている。このスペースは、表面に導電性積層体３０を設置するための場を提供する。絶縁層２０ｂは、開口２６を備えている。絶縁層２０ｃは、一対の開口２５を備えている。開口２５は、絶縁層２０ｃ内に分散して形成されている。絶縁層２０ｄは、一対の開口２４を備えている。開口２４は、絶縁層２０ｄ内に分散して形成されている。絶縁層２０ｅ、絶縁層２０ｆ及び絶縁層２０ｇは、同一の構造である。絶縁層２０ｅ〜２０ｇは、一対の開口２３を備えている。開口２３は、絶縁層２０ｅ〜２０ｇ内に分散して形成されている。
なお、上面絶縁層２０ａと絶縁層２０ｂは、一体で形成されていてもよい。即ち、上面絶縁層２０ａと絶縁層２０ｂに代えて、下面に凹状の窪みを有する一枚の絶縁層を用いてもよい。この場合も、その窪みを介して、絶縁層２０ｃの一対の開口２５を連通させることができる。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、絶縁層２０ｂ〜２０ｇの開口２３〜２５は、冷却器２０内に流路２７を形成している。例えば、絶縁層２０ｂの開口２６の一部と、その絶縁層２０ｂに隣接して積層されている絶縁層２０ｃの開口２５の一部は、積層方向に連通している（２７ａ参照）。同様に、それぞれの絶縁層の開口の一部は、それに隣接して積層されている絶縁層の開口に連通している。流路２７は、複数の開口２３〜２５が連通することによって形成されている。流路２７は、開口２３〜２５が積層方向に連通することによって、積層方向に伸びている。さらに、流路２７は、開口２３〜２５の幅に応じて積層方向に直交する方向にも伸びている。即ち、流路２７は、冷却器２０内を積層方向と積層方向に直交する方向のそれぞれに伸びている。流路２７は、冷却器２０内を３次元的に伸びていると観念することができる。これにより、冷却器２０内において、流路２７を画定する側壁の面積は大きくなり、冷却効果を増大させることができる。また、流路２７のうち冷却器２０の上面に最も接近する部分（この例では、開口２６に相当する）は、導電性積層体３０の下方に配置されている。したがって、半導体素子４４で発生した熱を効率的に外部に排出することができる。
冷却器２０は、冷却器２０の外表面に第１外表面開口２２ａを備えている。さらに、冷却器２０は、冷却器の外表面に、第１外表面開口２２ａとは別の第２外表面開口２３ａも備えている。第１外表面開口２２ａと第２外表面開口２３ａは、流路２７を介して連通している。冷却剤（典型的には冷却水）は、第１外表面開口２２ａから流路２７を介して第２外表面開口２３ａに向けて流れる。
【００１９】
冷却器２０は、具体的には次の手順で作製することができる。
絶縁層２０ａ〜２０ｇには、窒化アルミニウムのセラミックグリーンシートが用いられている。絶縁層２０ａ〜２０ｇの一枚の厚みは、概ね0.5mmである。絶縁層２０ｂ〜２０ｇの開口２３〜２６は、プレス機によって作製することができる。絶縁層２０ａ〜２０ｇは、全体を金属板で挟んだ状態で加圧した後に、窒素ガス中で１６００℃の熱処理を実施することによって接合される。なお、絶縁層２０ａ〜２０ｇは、ねじ５２、５４を利用して、図示しない樹脂モジュールに固定されている。
【００２０】
導電性積層体３０は、半導体素子４４の裏面電極（この例では、コレクタ電極である）に電気的な接続部分を提供する。導電性積層体３０の厚みは、概ね0.5mmに調整されている。導電性積層体３０は、導電性下層３２、導電性中間層３４、導電性上層３６を有している。導電性下層３２には、銅が用いられている。導電性中間層３４には、モリブテンが用いられている。導電性上層３６には、銅が用いられている。導電性積層体３０は、ロウ材を用いて加圧・加熱し、導電性下層３２、導電性中間層３４、導電性上層３６を接合することによって得ることができる。導電性下層３２及び導電性上層３６の厚みは、0.05mmである。導電性中間層３４の厚みは、0.4mmである。導電性積層体３０では、導電性下層３２と導電性上層３６の厚みが略一致している。導電性下層３２と導電性上層３６は対を成して形成されており、導電性中間層３４との間の熱膨張係数差に起因する熱応力を緩和する。
【００２１】
半導体素子４４の半導体材料にはGaNが用いられており、その熱膨張係数は概ね3〜4ppm/℃である。冷却器２０に用いられている窒化アルミニウムの熱膨張係数は、概ね4.5ppm/℃である。導電性積層体３０の導電性中間層３４には、モリブテン（Ｍｏ）が用いられている。モリブテンの熱膨張係数は４ppm/℃程度であり、半導体素子４４及び冷却器２０の熱膨張係数にほぼ等しい。したがって、導電性積層体３０の熱膨張係数は、半導体素子４４及び冷却器２０の熱膨張係数に近い値になる。これにより、熱膨張係数の差は、半導体素子４４、導電性積層体３０、冷却器２０の間に亘って小さく保たれる。熱応力の増大は、半導体素子４４、導電性積層体３０、冷却器２０の間に亘って抑制される。
【００２２】
導電性中間層３４の厚みなどを調整することによって、導電性積層体３０と半導体素子４４の間の熱膨張係数の差、導電性積層体３０と冷却器２０の間の熱膨張係数の差を調整することができる。また、導電性積層体３０の導電性下層３２及び導電性上層３６には、銅が用いられている。銅は、電気抵抗及び熱抵抗が小さい。したがって、導電性下層３２の厚み及び導電性上層３６の厚みなどを調製することによって、導電性積層体３０の電気抵抗及び熱抵抗を調整することができる。モリブテンと銅を組合せることによって、熱膨張係数と電気抵抗と熱抵抗が調整された導電性積層体３０を得ることができる。
【００２３】
導電性積層体３０では、導電性中間層３４の厚みが、導電性下層３２及び導電性上層３６の厚みの５〜１２倍に調整されているのが好ましい。即ち、導電性積層体３０は、膜厚な導電性中間層３４を膜薄な導電性下層３２及び導電性上層３６によって挟み込む構造を有している。
導電性中間層３４の厚みが導電性下層３２及び導電性上層３６の厚みの５倍以上に形成されていると、導電性積層３０に占める導電性中間層３４の割合が大きくなる。これにより、導電性積層体３０の熱膨張係数は、導電性中間層３４の熱膨張係数が支配的になる。導電性中間層３４にはモリブテンが用いられているので、導電性中間層３４の熱膨張係数が支配的になると、半導体素子４４との間の熱膨張係数及び冷却器２０との間の熱膨張係数の差を小さくすることができる。
しかし、導電性積層体３０に占める導電性中間層３４の割合が大きくなりすぎると、導電性積層体３０の電気抵抗及び熱抵抗が高くなってしまう。したがって、導電性中間層３４の厚みが導電性下層３２及び導電性上層３６の厚みの１２倍以下に形成されていることが好ましい。導電性下層３２及び導電性上層３６には、銅が用いられており、電気抵抗及び熱抵抗が小さい。導電性積層体３０に占める導電性下層３２及び導電性上層３６の割合が上記の範囲に形成されていると、導電性積層３０の電気抵抗及び熱抵抗を小さい値にすることができる。
【００２４】
半導体装置１０に対して冷熱サイクル試験を実施した。冷熱サイクル試験とは、−４０℃と２００℃の状態を交互に繰返す試験のことをいう。本実施例では、−４０℃→２００℃→−４０℃を１サイクルとし、２０００サイクルの冷熱サイクル試験を実施した。同様の冷熱サイクル試験を図４に示す従来の半導体装置２００に対しても実施した。
従来の半導体装置２００では、冷熱サイクル試験後に半導体装置２００を観察すると、はんだ２４２、導電層２３０において、変形、空隙及び亀裂が見られた。また、セラミック上層２２８にクラックが見られた。
一方、本実施例の半導体装置１０では、冷熱サイクル試験の前後において半導体装置１０に顕著な変化は見られなかった。半導体装置１０は、温度変化に対して極めて安定であることが確認された。
また、半導体素子４４に一定の発熱を加え、半導体素子４４の中央の温度を熱電対で測定することによって、半導体素子４４と流路２７までの熱抵抗を測定した。本実施例の半導体装置１０の熱抵抗は、0.2Ｋ/Ｗであった。一方、図４に示す従来の半導体装置２００の熱抵抗は、0.4Ｋ/Ｗであった。本実施例の半導体装置１０の熱抵抗が極めて小さいことが確認された。
【００２５】
（第２実施例）
図３に、第１実施例の半導体装置１０の技術思想を利用した車載用の駆動システム３００を示す。
駆動システム３００は、インバータ１００（インバータ用の半導体装置ともいう）と、高電圧なバッテリ１０１と、モータ１７０を備えている。図３では、インバータ１００は、その構造が平面図によって示されている。バッテリ１０１とモータ１７０は、回路図によって示されている。
【００２６】
インバータ１００は、高電圧なバッテリ１０１からの電力を交流電力に変換し、モータ１７０に供給する。インバータ１００は、ｐ端子１０４及びｎ端子１０５を介して高電圧なバッテリ１０１から電力を入力する。インバータ１００は、Ｕ端子１６０（Ｕ）とＶ端子１６０（Ｖ）とＷ端子１６０（Ｗ）を備えており、それらの端子を介して３相交流電流をモータ１７０に出力する。インバータ１００は、Ｕ端子１６０（Ｕ）とＶ端子１６０（Ｖ）とＷ端子１６０（Ｗ）に対応した３つのユニットから構成されている。それぞれのユニットは同一の構成を備えている。Ｕ端子１６０（Ｕ）とＶ端子１６０（Ｖ）とＷ端子１６０（Ｗ）からの単相電流は、図示しない制御回路によって位相差をもって出力される。これにより、Ｕ端子１６０（Ｕ）とＶ端子１６０（Ｖ）とＷ端子１６０（Ｗ）は、３相交流電流を出力している。各ユニットは、樹脂モジュール１８０上に形成されている冷却器１２０の表面に並べられている。冷却器１２０は、第１実施例の冷却器２０の技術思想を利用したものが採用されている。即ち、冷却器１２０は、窒化アルミニウムを含む絶縁層の複数個が積層して形成されている。冷却器１２０の内部には、３次元的に伸びている流路が形成されている。
【００２７】
次に、Ｗ相のユニットに関して説明する。なお、Ｕ相とＶ層のユニットの説明は省略する。Ｗ相のユニットは、冷却器１２０の表面に形成されている２つの導電性積層体１３０ａ、１３０ｂを備えている。導電性積層体１３０ａ、１３０ｂは、第１実施例の導電性積層体３０の技術思想を利用したものが採用されている。即ち、導電性積層体１３０ａ、１３０ｂは、導電性下層、導電性中間層、導電性上層を有している。導電性下層は、銅又はアルミニウムを含んでいる。導電性中間層は、モリブテンを含んでいる。導電性上層は、銅又はアルミニウムを含んでいる。導電性積層体１３０ａ、１３０ｂの熱膨張係数は、冷却器１２０の熱膨張係数に近い値に設定されている。
【００２８】
一方の導電性積層体１３０ａの表面には、半導体素子１４４ａが形成されている。半導体素子１４４ａに対して、ダイオード１４５ａが並列に形成されている。他方の導電性積層体１３０ｂの表面にも、半導体素子１４４ｂが形成されている。半導体素子１４４ｂに対しても、ダイオード１４５ｂが並列に形成されている。半導体素子１４４ａ、１４４ｂは縦型の素子であり、その半導体材料には、ＧａＮが用いられている。
半導体素子１４４ａと半導体素子１４４ｂは、ｐ端子１０４とｎ端子１０５の間に直列に接続されている。半導体素子１４４ａと半導体素子１４４ｂの中間点は、Ｗ端子１６０（Ｗ）に接続されている。
【００２９】
この種の車載用のインバータ１００は、エンジンの近くに設けられていることが多い。このため、インバータ１００には、半導体素子１４４ａ、１４４ｂの発熱の他に、エンジンからの熱も加えられる。本実施例のインバータ１００は、半導体素子１４４ａ、１４４ｂと、導電性積層体１３０ａ、１３０ｂ、冷却器１２０の間に亘って熱膨張係数の差が小さく保たれている。したがって、半導体素子１４４ａ、１４４ｂと、導電性積層体１３０ａ、１３０ｂ、冷却器１２０の間に亘って熱応力の増大が抑制されている。したがって、車載用のインバータのように、熱に関して過酷な環境下であっても、本実施例のインバータ１００は、長期に亘って安定して動作することができる。
【００３０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】（ａ）半導体装置の要部断面図を示す。（ｂ）半導体装置の要部平面図を示す。
【図２】冷却器の構造を示す。
【図３】車載用の駆動システムを示す。
【図４】従来の半導体装置の要部断面図を示す。
【符号の説明】
【００３２】
２０：冷却器
２２、２３、２４、２５、２６：開口
２２ａ：第１外表面開口
２３ａ：第２外表面開口
２７：流路
３０：導電性積層体
３２：導電性下層
３４：導電性中間層
３６：導電性上層
４４：半導体素子
【図１】
2007184479.tif 000003
【図２】
2007184479.tif 000004
【図３】
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【図４】
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