(57)【要約】【課題】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Ａは、半導体素子が形成された半導体チップ１１ａ，１１ｂと、ヒートシンク１２と、電気配線１３ａ，１３ｂ，１３ｃと、はんだ層１４と、各半導体チップ１１ａ（１１ｂ）を封止する封止部材１５と、ヒートシンク１２と電気配線１３ａ，１３ｂ，１３ｃとの間に介在する絶縁性熱伝導膜２０とを備えている。半導体チップ１１ａ（１１ｂ）は、ヒートシンク１２の凹部１２ｃ内に収納されている。ヒートシンク１２には、凹部底壁から延びる底壁フィン１２ａと、凹部側壁から延びる側壁フィン１２ｂとが設けられている。半導体チップ１１ａ（１１ｂ）の側面からの熱パスも生じている。【選択図】図１
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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、
主面側に前記半導体チップを収納する凹部を有するヒートシンクと、
少なくとも前記ヒートシンクの凹部に設けられ、前記半導体チップと前記ヒートシンクとの間に介在する絶縁性熱伝導膜と
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、
前記ヒートシンクの裏面側には、熱交換用のフィンが設けられている、半導体装置。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置において、
前記熱交換用のフィンは、前記ヒートシンクの凹部底壁から延びる底壁フィンと、凹部側壁から延びる側壁フィンとを含む、半導体装置。
【請求項４】
請求項２又は３記載の半導体装置において、
前記熱交換用のフィンは、前記ヒートシンクの裏面全体に設けられている、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、
前記絶縁性熱伝導膜は、無機質フィラーを含むカーボンシートによって構成されている、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、
前記半導体チップの半導体素子は、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。
【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、
前記半導体チップの一部からヒートシンクの上面まで延びる電気配線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、半導体チップを実装してなる半導体装置に係り、特に、放熱対策に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、半導体チップ内に搭載されている各種素子からの発熱を放出する対策としては、主として半導体チップの裏面（又は上面）からヒートシンクまでの熱パスの利用が重視されてきている。その理由は、半導体チップの裏面（又は上面）から斜め４５°に熱が伝達されていくことから裏面（又は上面）からの熱パスを利用した放熱だけで十分と考えられるからであった。
【０００３】
しかし、ＬＳＩなどの高集積化により、小型化された半導体チップから大量の熱が発生するようになると、半導体チップの裏面（又は上面）からの放熱路を利用するだけでは、半導体チップ内の素子への悪影響を回避するのに十分な放熱がなされない事態が生じている。
【０００４】
そこで、たとえば特許文献１では、放熱フィンにつながるセラミックス製（ＡｌＮ，ＣｕＷ等）の放熱体を設け、放熱体の放熱フィンに対向する面側に凹部を形成しておいて、接着剤層を挟んで凹部に半導体チップを嵌合させる構造を採っている。この構造により、半導体チップの裏面および側面から凹部の底壁および側壁を経由してセラミックス放熱体に達し、さらにセラミック放熱体から放熱フィンに至る熱パスが形成され、放熱機能の向上を図ることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２１３８４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記公報の技術においては、裏面からのみの熱パスを利用する構造に比べると多少の放熱機能の向上は得られる。ところが、パワーデバイス、特にＳｉＣ等のワイドバンドギャップ半導体を利用したものにおいては、ＬＳＩよりもさらに多量の熱を発生するので、上記特許文献１に開示されている構造では、所望の放熱機能を得ることは困難である。
【０００７】
本発明の目的は、パワーデバイスを搭載した半導体チップにも適用しうる，放熱機能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、ヒートシンクの主面側に半導体チップを収納する凹部を設け、ヒートシンクの凹部に半導体チップとヒートシンクとの間に介在する絶縁性熱伝導膜を設けたものである。
【０００９】
これにより、薄い絶縁性熱伝導膜を隔ててヒートシンクと半導体チップとが近接した構造になり、半導体チップの側面からヒートシンクに至る極めて短い熱パスが形成されるので、半導体チップで発生した熱を外方に拡散するための放熱機能の向上を図ることができる。
【００１０】
ヒートシンクの裏面側に、熱交換用のフィンが設けられていることにより、さらに高い放熱機能が得られる。
【００１１】
熱交換用のフィンが、ヒートシンクの凹部底壁から延びる底壁フィンと、凹部側壁から延びる側壁フィンとを含むことにより、半導体チップの側面からの放熱機能が向上する。
【００１２】
熱交換用のフィンは、ヒートシンクの裏面全体に設けられていることが好ましい。
【００１３】
絶縁性熱伝導膜が無機質フィラーを含むカーボンシートによって構成されていることにより、カーボンシートの高い面方向熱伝導率を利用して、熱拡散機能の向上を図ることができる。
【００１４】
本発明は、半導体チップの半導体素子が、発熱量の大きい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場合に、著効を奏することができる。
【００１５】
半導体チップの一部からヒートシンクの上面まで延びる電気配線をさらに備えることにより、半導体装置を用いてモジュールに組み立てるまでの製造工程の簡素化を図ることができ、製造コストの低減を図ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の半導体装置によると、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子を有する半導体チップにも適用可能な，高い放熱機能を有する半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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、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半導体チップ１１ａ，１１ｂと、半導体チップ１１ａ，１１ｂで発生した熱を外方に放出するためのヒートシンク１２と、半導体チップ１１ａの上面電極（後述）に接続されヒートシンク１２の上面側に延びる電気配線１３ａと、半導体チップ１１ａの裏面電極（後述）と半導体チップ１１ｂの上面電極とに接続される電気配線１３ｂと、半導体チップ１１ｂの裏面電極に接続されヒートシンク１２の上面側に延びる電気配線１３ｃと、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）の裏面電極と電気配線１３との間に介在するはんだ層１４と、ヒートシンク１２と電気配線１３ａ，１３ｂ，１３ｃとの間に介在する絶縁性熱伝導膜２０と、半導体チップ１１ａ（１１ｂ），電気配線１３ａ（１３ｂ，１３ｃ）等をヒートシンク１２の上面側で封止する封止部材１５とを備えている。
【００１８】
ヒートシンク１２は、アルミニウム（又はアルミニウム合金），銅（又は銅合金），ステンレスなどの金属によって構成されており、ヒートシンク１２の裏面側は、紙面に垂直な方向に流れる冷却液（冷却媒体）にさらされている。また、ヒートシンク１２の上面（主面）側には、凹部１２ｃが設けられており、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）は凹部１２ｃ内に収納されている。ヒートシンク１２の裏面側には、ヒートシンク１２の凹部底壁から延びる底壁フィン１２ａと、ヒートシンク１２の凹部側壁から延びる側壁フィン１２ｂとが設けられていて、冷却液との熱交換効率を高めるように構成されている。
【００１９】
ヒートシンク１２の凹部１２ｃ内においては、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）の裏面電極（後述する）と電気配線１３ｂ（１３ｃ）とが、はんだ層１４を挟んで電気的に導通可能になっている。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、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）の側面における絶縁性を確保できる場合には、電気配線１３ｂ（１３ｃ）と半導体チップ１１ａ（１１ｂ）との側面との間に封止部材１５が介在している必要はない。その場合には、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）の側面からの熱放出機能をより高めることができる。
【００２０】
絶縁性熱伝導膜２０は、たとえば導電体であるカーボンシート（松下電工社製）に絶縁性フィラー（ＳｉＯ２等の無機質フィラー）を混入して絶縁性にしたものである。カーボンシートは、厚み方向よりも面方向の熱伝導率が高く、最大面方向熱伝導率は８００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。凹部１２ｃに半導体チップ１１ａ（１１ｂ）が収納されているので、絶縁性熱伝導膜２０により、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）の裏面から斜め下４５°方向に拡散する熱だけでなく、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）の側面から拡散する熱も効率よく放出される。本実施の形態の半導体装置Ａにおいては、絶縁性熱伝導膜２０はヒートシンク１２の全面に設けているが、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）とヒートシンク１２との間、および電気配線１３ａ，１３ｂ，１３ｃとヒートシンク１２との間だけに介在させるように、部分的に設けてもよい。ただし、カーボンシートを用いる場合は、面方向熱伝導率が高いことから、ヒートシンク１２の全面に絶縁性熱伝導膜２０を設けることが、より広い面積で冷却液との熱交換を行うことができる点で好ましい。
【００２１】
また、本実施の形態の半導体装置Ａには、ヒートシンク１２の凹部１２ｃの側壁から延びる側壁フィン１２ｂが設けられているので、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）の側面から拡散する熱をも効率よく放出される。そして、底壁フィン１２ａおよび側壁フィン１２ｂが設けられていることと、カーボンシート２０の面方向熱伝導率が高いこととが相俟って、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）内で発生する熱をより効率よくヒートシンク１２から冷却媒体に拡散させることができる。また、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）の温度上昇が抑制されることは、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）内の半導体素子のオン抵抗の低下にもつながるので、電力変換装置としての損失の低減をも図ることができる。
【００２２】
本実施の形態の半導体装置Ａにおいては、底壁フィン１２ａ，側壁フィン１２ｂは、ヒートシンク１２の凹部およびこれを囲む部分に設けられているが、ヒートシンク全体にフィンを設けてもよい。その場合には、半導体装置Ａ全体の冷却機能がさらに向上する。
【００２３】
絶縁性熱伝導膜２０として、フィラーが混入されたカーボンシートに代えて、各種金属板の表面に形成されたホーロー膜その他の無機質膜を利用しても、絶縁性と放熱性とを発揮することができる。また、凹部１２ｃ内において、電気配線の代わりに、裏面電極から半導体チップ内を通る導電体スルーホールを設けて、上面のパッドに接続する構造としてもよい。その場合、半導体チップに電気接続用のパッドさえあれば、モジュールに組み込んだ状態で電気配線を形成できるので、電気配線１３ａ，１３ｂ，１３ｃを設ける必要はない。ただし、本実施の形態の半導体装置Ａのごとく、モジュールとして組み込む前に、電気配線１３ａ，１３ｂ，１３ｃを形成しておくことで、組立の容易化によるコスト削減が可能となる。
【００２４】
次に、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）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１１ａ（１１ｂ）の縦断面図である。同図に示すように、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）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。
【００２５】
そして、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）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。
【００２６】
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。
【００２７】
一方、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）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。
【００２８】
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（図示せず）となっている。また、縦型ＭＯＳＦＥＴ１のゲート電極も保護用絶縁膜上まで共通のパッドとなっている。
【００２９】
図３は、実施の形態における半導体装置Ａの上面図である。同図に示すように、半導体装置Ａには、合計６個の半導体チップ１１ａ又は１１ｂが配置されており、各２つの半導体チップ１１ａ，１１ｂが電気配線１３ａ，１３ｂ，１３ｃにより直列に接続されている。電気配線１３ａは、半導体チップ１１ａの上面電極上から絶縁性熱伝導膜２０上を延びて、端部付近でパッドとなっている。電気配線１３ｂは、一方の半導体チップ１１ａの裏面電極上から凹部１２ｃの側面を経て絶縁性熱伝導膜２０上まで延び、２つの半導体チップ１１ａ，１１ｂの中間付近でパッドとなった後さらに延びて、半導体チップ１１ｂの上面電極に接続されている。電気配線１３ｃは、半導体チップ１１ｂの裏面電極上から凹部１２ｃの側面を経て絶縁性熱伝導膜２０上まで延びて、端部付近でパッドとなっている。
【００３０】
そして、モジュールとして組み立てられた状態では、各ゲート電極には制御信号用の信号配線が接続され、電気配線１３ａのパッドには接地端子ＶＳＳ（図４参照）からの電力配線が接続され、電気配線１３ｃのパッドには電源端子ＶＤＤ（図４参照）からの電力配線が接続され、電気配線１３ｂのパッドには三相の電力信号Ｕ，Ｖ，Ｗを出力するための電力配線が接続される。
【００３１】
図４は、実施の形態における半導体装置を含むモジュールの電気回路図である。同図に示すように、モジュール内において、電源端子ＶＤＤと接地端子ＶＳＳとの間には、直列に接続された３組の半導体チップ１１ａ，１１ｂが、互いに並列に接続されている。各半導体チップ１１ａ（１１ｂ）には、縦型ＭＯＳＦＥＴ１とショットキーダイオード２とが互いに並列に配置されている。３つの半導体チップ１１ａから延びている電気配線１３ａは、パッドからのボンディングワイヤ等によって接地端子ＶＳＳによって接続され、３つの半導体チップ１１ｂから延びている電気配線１３ｃは、パッドからのボンディングワイヤ等によって電源端子ＶＤＤに接続され、中間の各電気配線１３ｂのパッドからのボンディングワイヤ等によって三相の電力信号Ｕ，Ｖ，Ｗが取り出される。すなわち、電源端子ＶＤＤおよび接地端子ＶＳＳ間に印加される直流電力信号を３相の電力信号に変換するインバータ回路が構成されている。本実施の形態のインバータ回路は、燃料電池や水素電池などの直流電力を自動車のエンジンを駆動するための三相の電力に変換するものである。
【００３２】
本実施の形態の半導体装置Ａによると、ヒートシンク１２に凹部１２ｃを設け、凹部１２ｃに半導体チップ１１ａ（１１ｂ）を収納したので、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）の裏面（又は上面）だけでなく、側面からヒートシンク１２への熱パスを形成することができ、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）内で発生する熱の放出効果の向上を図ることができる。それに対し、特許文献１の構造では、半導体チップがセラミック製の放熱体の凹部に収納されているものの、ヒートシンクに凹部が形成されていないので、高い放熱機能を期待することはできない。
【００３３】
また、本実施の形態の半導体装置においては、ヒートシンク１２の凹部底壁から延びる底壁フィン１２ａだけでなく、凹部側壁から延びる側壁フィン１２ｂが設けられているので、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）の側面からの熱パスによってヒートシンク１２に伝達される熱が冷却媒体に効率よく放出される。
【００３４】
また、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）とヒートシンク１２との間には、セラミックブロックなどの厚い部材を設けることなく、薄い絶縁性熱伝導膜２０を介在させるようにしたので、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）内で発生する熱をヒートシンク１２に効率よく拡散させることができる。特に、絶縁性熱伝導膜２０として、フィラーを混入したカーボンシートを用いることにより、カーボンシートの高い面方向熱伝導率を利用して、熱の拡散機能を高めることができる。
【００３５】
従来の半導体装置、たとえば特許文献１の構造では、ヒートシンクには半導体チップの裏面側（又は上面側）に位置する部分から延びるフィンを備えているが、半導体チップの側方に位置する領域にはヒートシンク自体もフィンも存在していない。それに対し、本実施の形態の半導体装置Ａにおいては、ヒートシンク１２の凹部１２ｃの側壁から延びる側壁フィン１２ｂが設けられているので、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）の側面からの熱パスを利用して側壁フィン１２ｂによる放熱機能の向上を図ることができる。
【００３６】
（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。
【００３７】
図５は、フィン構造の第１変形例を示す断面図である。図１に示す構造では、側壁フィン１２ｂは、水平方向に延びているが、図５に示す構造では、側壁フィン１２ｂ’は縦方向に延びている。この構造では、ダイキャストによるヒートシンク１２の形成が容易となる利点がある。
【００３８】
図６は、フィン構造の第２変形例を示す断面図である。この変形例では、側壁フィン１２ｂに代えて、ヒートシンク１２の凹部１２ｃを取り囲む領域に、縦方向に延びる周辺フィン１２ｄを設けている。これによっても、ダイキャストによる製造の容易化を図りつつ、高い放熱効果を発揮することができる。周辺フィン１２ｄは、ヒートシンク１２の凹部を除く全領域に設けられていることにより、冷却液の流れが均一化され、かつ、放熱効果もより向上する。
【００３９】
上記実施の形態および変形例においては、各種フィン１２ａ，１２ｂ，１２ｄは、板状であるとしているが、板状であってもその間に切り込みを入れることができ、あるいは、棒状もしくは針状であってもよいものとする。
【００４０】
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、Ｓｉデバイスの動作温度以上でスイッチング動作などを行なわれ、周囲温度が１５０°Ｃ以上に達しても、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。
【００４１】
上記実施の形態では、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）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。その場合、図３に示す平面図において、各１対の凹部が６カ所に設けられている構造としてもよいし、比較的温度上昇の小さいショットキーダイオードは凹部内に収納しない構造としてもよい。なお、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）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。
【００４２】
上記実施の形態では、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）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、半導体チップの上面側にドレイン電極が形成されることになるので、ヒートシンク１２の凹部１２ｃ内には電気配線が不要な構造となる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
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】
【００４４】
【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装置の上面図である。
【図４】実施の形態における半導体装置を含むモジュールの電気回路図である。
【図５】フィン構造の第１変形例を示す断面図である。
【図６】フィン構造の第２変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
Ａ      半導体装置
１      縦型ＭＯＳＦＥＴ
２      ショットキーダイオード
１１ａ  半導体チップ
１１ｂ  半導体チップ
１２    ヒートシンク
１２ａ  底壁フィン
１２ｂ  側壁フィン
１２ｃ  凹部
１２ｄ  周辺フィン
１３ａ  電気配線
１３ｂ  電気配線
１３ｃ  電気配線
１４    はんだ層
１５    封止部材
２０    絶縁性熱伝導膜
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
【図１】
2007129150.tif 000003
【図２】
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【図３】
2007129150.tif 000005
【図４】
2007129150.tif 000006
【図５】
2007129150.tif 000007
【図６】
2007129150.tif 000008