(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体素子を有する半導体モジュールの損傷を防止し、かつ、放熱性に優れた半導体装置を提供する。【解決手段】配線電極１５ａ、１７ａと電気的に接続された半導体素子１２とを有する半導体モジュール１１ａ〜１１ｃと、半導体モジュールの熱を拡散する熱拡散部材とを備える半導体装置１である。半導体モジュールは、第１の面と、対向する第２の面と、２の面を接続する側面を有する。熱拡散部材は、側面を覆う第１の熱拡散部材３０と、第１の面を覆う第２の熱拡散部材４０と、第２の面を覆う第３の熱拡散部材５０からなり、半導体モジュール１つに対して、第１と第３の熱拡散部材によって１つの収容部２０ａ〜２０ｃがそれぞれ設けられ、半導体モジュールが１つ収容され、第２の熱拡散部材が収容部の蓋となって、半導体モジュール全体が熱拡散部材に覆われる。さらに、半導体モジュールと熱拡散部材の間が応力緩和材料８０で満たされている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線電極と前記配線電極と電気的に接続された半導体素子とを有する半導体モジュールと、
前記半導体モジュールから発せられる熱を拡散する熱拡散部材とを備える半導体装置であって、
前記半導体モジュールは、第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面と、前記第１の面と前記第２の面とを接続する側面とを有し、
前記熱拡散部材は、前記側面を覆う第１の熱拡散部材と、前記第１の面を覆う第２の熱拡散部材と、前記第２の面を覆う第３の熱拡散部材からなり、
前記半導体モジュール１つあたりに対して、前記第１の熱拡散部材と前記第３の熱拡散部材によって１つの収容部がそれぞれ設けられて、前記１つの収容部に前記半導体モジュールが１つ収容されており、
前記第２の熱拡散部材が前記収容部の蓋となって、前記半導体モジュールの全体が前記熱拡散部材に覆われており、
さらに、前記半導体モジュールと前記熱拡散部材の間が応力緩和材料で満たされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体素子は、前記収容部において前記収容部の厚さの半分よりも蓋と反対側に配置されている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第３の熱拡散部材は、炭素系構造体からなり、
前記炭素系構造体は、炭素系材料からなる平面形状の層状構造体の多層構造体であって、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が、前記炭素系構造体の厚さ方向となるように半導体装置内に配置されており、
前記炭素系構造体の厚さ方向に沿った熱伝導率が、前記層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率より高い請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第３の熱拡散部材は、ベース部とフィン部からなる放熱フィンの形状を有している請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ベース部は、炭素系構造体を含み、
前記炭素系構造体は、炭素系材料からなる平面形状の層状構造体の多層構造体であって、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が、前記ベース部の厚さ方向となるように半導体装置内に配置されており、
前記ベース部の厚さ方向に沿った熱伝導率が、前記ベース部の面方向に沿った熱伝導率より高い請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ベース部は、第１の炭素系構造体及び第２の炭素系構造体が積層された構造の炭素系構造体を含み、
前記第１の炭素系構造体及び前記第２の炭素系構造体は、ともに炭素系材料からなる平面形状の層状構造体の多層構造体であって、
前記第１の炭素系構造体は、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が、前記ベース部の面方向となるように半導体装置内に配置されていて、前記第１の炭素系構造体においてはベース部の面方向に沿った熱伝導率が、前記ベース部の厚さ方向に沿った熱伝導率より高くなっており、
前記第２の炭素系構造体は、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が、前記ベース部の厚さ方向となるように半導体装置内に配置されていて、前記第２の炭素系構造体においてはベース部の厚さ方向に沿った熱伝導率が、前記ベース部の面方向に沿った熱伝導率より高くなっており、
前記第１の炭素系構造体が前記半導体モジュール側に、前記第２の炭素系構造体が前記フィン部側に積層されている請求項４に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記フィン部は、炭素系構造体を含み、
前記炭素系構造体は、炭素系材料からなる平面形状の層状構造体の多層構造体であって、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が、前記フィン部の厚さ方向となるように半導体装置内に配置されており、
前記フィン部の厚さ方向に沿った熱伝導率が、前記フィン部の面方向に沿った熱伝導率より高い請求項４に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１の熱拡散部材、前記第２の熱拡散部材及び前記第３の熱拡散部材からなる群から選択される少なくとも１つの熱拡散部材には、ヒートパイプが埋め込まれている請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項９】
前記半導体素子がＢＧＡ素子またはＬＧＡ素子である請求項１〜８のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記ＢＧＡ素子またはＬＧＡ素子がＧａＮ半導体素子である請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記ＢＧＡ素子またはＬＧＡ素子の、電極が形成された面とは反対側の面の絶縁層と、前記第３の熱拡散部材とが、焼結接合材を介して接合されている請求項９又は１０に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクスで用いられるパワー半導体を備えた半導体モジュールにおいては、大電流化、高密度化、高周波化の要求によりパワー半導体がＳｉからＳｉＣ／ＧａＮへと置き換わることが予想されている。そしてパワー半導体の置き換えに伴い、半導体モジュールにはさらなる高放熱性（高熱伝導性、低熱抵抗性）及び高耐熱性が要求されている。
【０００３】
そこで、水冷あるいは空冷システムからなる冷却器を接合材等を介して、半導体モジュールの下面あるいは上下面に密着させることで、半導体モジュールの熱を冷却器に放熱させる構造とした半導体装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１６５６２０号公報
【特許文献２】特開２０１４−１４６７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、半導体モジュールに接触配置された絶縁材と、半導体モジュールとの間に絶縁材を挟むように絶縁材にグリスを介して接触配置された冷却管とが、互いに加圧密着してなる半導体冷却構造が記載されている。しかしながら、このような半導体冷却構造では、半導体モジュールと冷却管を加圧密着させることによる機械的応力や、冷熱サイクルによる冷却管からの引っ張り応力および圧縮応力が、半導体モジュールの主面に露出した放熱板（放熱板の周囲に配置された樹脂部の表面と同一平面に配置）を介して半導体素子に直接掛かるため、半導体素子の損傷を招くおそれがあった。
また、上下に接触配置された冷却管により半導体モジュールを冷却しているが、半導体素子からの放熱経路が、主として半導体素子から上下の冷却管に至る２つの放熱経路だけであるため、放熱性が不充分であった。
【０００６】
特許文献２には、冷却フィンを備えたベースと、ＩＧＢＴ素子やダイオード素子を含む電子回路部とを備えたパワー半導体装置が開示されている。この半導体装置ではベースと電子回路部ははんだにより接続されている。
この半導体装置では、ベースと電子回路部がはんだにより接続されていることから冷熱サイクルによる引っ張り応力及び圧縮応力が電子回路部に直接掛かるため、電子回路部の損傷を招くおそれがあった。
また、電子回路部はベースの凹部で囲まれる空間内部に配設されているため電子回路部からの放熱経路は、凹部の内壁の各側面と凹部の下面を経る経路であった。
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、半導体素子を有する半導体モジュールの損傷を防止することができ、かつ、放熱性に優れた半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための、本発明の半導体装置は、配線電極と上記配線電極と電気的に接続された半導体素子とを有する半導体モジュールと、上記半導体モジュールから発せられる熱を拡散する熱拡散部材とを備える半導体装置であって、上記半導体モジュールは、第１の面と、上記第１の面と対向する第２の面と、上記第１の面と上記第２の面とを接続する側面とを有し、上記熱拡散部材は、上記側面を覆う第１の熱拡散部材と、上記第１の面を覆う第２の熱拡散部材と、上記第２の面を覆う第３の熱拡散部材からなり、上記半導体モジュール１つあたりに対して、上記第１の熱拡散部材と上記第３の熱拡散部材によって１つの収容部がそれぞれ設けられて、上記１つの収容部に上記半導体モジュールが１つ収容されており、上記第２の熱拡散部材が上記収容部の蓋となって、上記半導体モジュールの全体が上記熱拡散部材に覆われており、さらに、上記半導体モジュールと上記熱拡散部材の間が応力緩和材料で満たされていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の半導体装置では、半導体素子を有する半導体モジュールが、その側面を第１の熱拡散部材に、その第１の面を第２の熱拡散部材に、その第２の面を第３の熱拡散部材にそれぞれ覆われている。そのため、半導体モジュールの各側面と第２の面からの放熱経路に加えてさらに第１の面からの放熱経路を有していることになり、放熱性に優れた半導体装置となる。
また、半導体モジュールと熱拡散部材の間は応力緩和材料で満たされている。そのため、熱拡散部材に加わった引っ張り応力や圧縮応力が半導体モジュールに直接伝わることが防止されて、半導体モジュールの損傷を防止することのできる半導体装置となる。
また、半導体モジュールの電磁波シールド性が向上する。
【００１０】
また、上記半導体素子は、上記収容部において上記収容部の厚さの半分よりも蓋と反対側に配置されていることが好ましい。
半導体素子を収容部において収容部の厚さの半分よりも蓋と反対側に配置すると、半導体素子と第３の熱拡散部材との距離が近くなる。第３の熱拡散部材はその形状をフィン形状にしたり、材質を炭素系構造体にすることによって他の熱拡散部材よりも放熱性を高めやすい位置にある。そのため、第３の熱拡散部材と半導体素子との距離を近くすることにより放熱性を高めることができる。
【００１１】
本発明の半導体装置では、上記第３の熱拡散部材は、炭素系構造体からなり、上記炭素系構造体は、炭素系材料からなる平面形状の層状構造体の多層構造体であって、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が、上記炭素系構造体の厚さ方向となるように半導体装置内に配置されており、上記炭素系構造体の厚さ方向に沿った熱伝導率が、上記層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率より高いことが好ましい。
【００１２】
第３の熱拡散部材が上記のような炭素系構造体からなると、第３の熱拡散部材の厚さ方向に沿って高い熱伝導性が発揮されるので、半導体モジュールから発生する熱を、半導体モジュールの第２の面から効率よく放熱させることができる。また第３の熱拡散部材の面方向において、上記層状構造体の多層構造体を形成する方向に直交する方向においても、厚さ方向と同様に高い熱伝導性が発揮されるので、半導体モジュールから発生する熱を半導体モジュールの第２の面から効率よく放熱させることができる。
【００１３】
本発明の半導体装置では、上記第３の熱拡散部材は、ベース部とフィン部からなる放熱フィンの形状を有していることが好ましい。
第３の熱拡散部材が放熱フィンの形状を有していると、フィン部により熱拡散部材の表面積が稼げるため、冷却風による冷却に適している。冷却風としては、周囲空気の温度上昇による自然対流や、ファン等の送風装置を設けた場合の風や半導体装置を車に取り付けた場合の走行風等の強制対流を使用することができる。
【００１４】
また、本発明の半導体装置において、上記ベース部は、炭素系構造体を含み、上記炭素系構造体は、炭素系材料からなる平面形状の層状構造体の多層構造体であって、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が、上記ベース部の厚さ方向となるように半導体装置内に配置されており、上記ベース部の厚さ方向に沿った熱伝導率が、上記ベース部の面方向に沿った熱伝導率より高いことが好ましい。
【００１５】
第３の熱拡散部材が上記のような炭素系構造体からなると、第３の熱拡散部材のベース部の厚さ方向に沿って高い熱伝導性が発揮されるので、半導体モジュールから発生する熱がベース部からフィン部に速やかに伝わって、効率よく放熱させることができる。
【００１６】
また、本発明の半導体装置において、上記ベース部は、第１の炭素系構造体及び第２の炭素系構造体が積層された構造の炭素系構造体を含み、上記第１の炭素系構造体及び上記第２の炭素系構造体は、ともに炭素系材料からなる平面形状の層状構造体の多層構造体であって、上記第１の炭素系構造体は、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が、上記ベース部の面方向となるように半導体装置内に配置されていて、上記第１の炭素系構造体においてはベース部の面方向に沿った熱伝導率が、上記ベース部の厚さ方向に沿った熱伝導率より高くなっており、上記第２の炭素系構造体は、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が、上記ベース部の厚さ方向となるように半導体装置内に配置されていて、上記第２の炭素系構造体においてはベース部の厚さ方向に沿った熱伝導率が、上記ベース部の面方向に沿った熱伝導率より高くなっており、上記第１の炭素系構造体が上記半導体モジュール側に、上記第２の炭素系構造体が上記フィン部側に積層されていることが好ましい。
【００１７】
半導体モジュールから発生する熱は、もともと半導体素子から発せられる熱である。半導体素子から下方においては半導体素子の真下の温度が最も高くなり、半導体素子から離れるほど温度が低くなる。そのため、ベース部のうち半導体モジュールに近い側においては半導体モジュールの面方向に温度の偏りが存在する。
ここで、ベース部の半導体モジュール側に、ベース部の面方向に沿った熱伝導率が高い第１の炭素系構造体が設けられていると、上述した温度の偏りが存在していたとしてもベース部の面方向において熱が速やかに拡散し、ベース部の面方向において温度の偏りが解消される。
さらに、ベース部のフィン部側に厚さ方向に沿った熱伝導率が高い第２の炭素系構造体が設けられていると、ベース部の面方向に拡散した熱がフィン部に速やかに伝わるため、効率よく放熱させることができる。
【００１８】
また、本発明の半導体装置において、上記フィン部は、炭素系構造体を含み、上記炭素系構造体は、炭素系材料からなる平面形状の層状構造体の多層構造体であって、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が、上記フィン部の厚さ方向となるように半導体装置内に配置されており、上記フィン部の厚さ方向に沿った熱伝導率が、上記フィン部の面方向に沿った熱伝導率より高いことが好ましい。
【００１９】
第３の熱拡散部材が上記のような炭素系構造体からなると、第３の熱拡散部材のフィン部の厚さ方向に沿って高い熱伝導性が発揮されるので、ベース部からフィン部に伝わった熱が、フィン部の先端まで速やかに伝わって、効率よく放熱させることができる。
【００２０】
本発明の半導体装置において、上記第１の熱拡散部材、上記第２の熱拡散部材及び上記第３の熱拡散部材からなる群から選択される少なくとも１つの熱拡散部材には、ヒートパイプが埋め込まれていることが好ましい。
ヒートパイプを用いることにより、ヒートパイプが設けられた熱拡散部材からの放熱性をさらに高めることができる。また、ヒートパイプは、ヒートパイプが延伸される方向のみに熱を輸送させることが可能であるため、熱拡散部材に放熱の異方性を持たせることができる。そのため、所望の放熱経路を形成することができる。
【００２１】
本発明の半導体装置においては、上記半導体素子がＢＧＡ素子またはＬＧＡ素子であることが好ましい。また、上記ＢＧＡ素子またはＬＧＡ素子がＧａＮ半導体素子であることが好ましい。
さらに、上記ＢＧＡ素子またはＬＧＡ素子の、電極が形成された面とは反対側の面の絶縁層と、上記第３の熱拡散部材とが、焼結接合材を介して接合されていることが好ましい。
【００２２】
半導体素子としてＢＧＡ素子またはＬＧＡ素子を用いた場合には、半導体素子の一方の面に電極がなく、電極が形成されていない面に絶縁層が存在する。この絶縁層を第３の熱拡散部材と近接して配置するようにすると熱抵抗を低減させることができる。このような配置とすることができるＢＧＡ素子またはＬＧＡ素子としてＧａＮ半導体素子が適している。
また、絶縁層と第３の熱拡散部材との間の接合を焼結接合材を介して行うと、焼結接合材は半田合金に比べて熱伝導率が高いために、絶縁層と第３の熱拡散部材の熱結合で熱抵抗が低減できる。また、焼結接合材は低温クリープ挙動を示して応力緩和材料としても働く。そのため第３の熱拡散部材に加わった引っ張り応力や圧縮応力が半導体モジュールに直接伝わることが防止されて、半導体モジュールの損傷を防止することができる。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によれば、半導体素子を有する半導体モジュールの損傷を防止することができ、かつ、放熱性に優れた半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、半導体装置を構成する半導体モジュールの一例を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、半導体モジュールを収容する収容部と、収容部の蓋となる第２の熱拡散部材の一例を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、図１に示す半導体モジュールを図２に示す収容部に収容し、第２の熱拡散部材で蓋をしてなる半導体装置の一例を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、半導体装置を模式的に示す斜視図である。
【図５】図５は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
【図８】図８は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
【図９】図９は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の半導体装置について説明する。
しかしながら、本発明は、以下の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。
以下に示す各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもない。
以下において記載する本発明の個々の好ましい構成を２つ以上組み合わせたものもまた本発明である。また、文中の「上」「下」は図面の上下を指す。
【００２６】
＜半導体装置の第１実施形態＞
まず、半導体装置の構成の一例について簡単に説明する。
図１は、半導体装置を構成する半導体モジュールの一例を模式的に示す断面図である。また、図２は、半導体モジュールを収容する収容部と、収容部の蓋となる第２の熱拡散部材の一例を模式的に示す断面図である。
【００２７】
（半導体モジュール）
図１に示すように、半導体モジュール１１は、コレクタ電極１５ａ（配線電極）、エミッタ電極１７ａ（配線電極）及びゲート電極１９ａ（配線電極）と、配線電極と電気的に接続された半導体素子１２とを有している。
半導体素子１２は、接合材１４を介して配線電極であるコレクタ電極１５ａと電気的に接合されている。
また、半導体素子１２は、接合材１６を介してエミッタ電極１７ａ及びゲート電極１９ａにも電気的に接合されている。
配線電極としてのコレクタ電極１５ａ、エミッタ電極１７ａ、ゲート電極１９ａには、それぞれリード端子であるコレクタ端子１５ｂ、エミッタ端子１７ｂ、ゲート端子１９ｂが電気的に接続されている。
配線電極のエミッタ電極１７ａとゲート電極１９ａは、絶縁基板１３上に形成されている。
【００２８】
半導体素子としては、ダイオード、パワートランジスタ（バイポーラトランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ）、サイリスタなどのパワーデバイスを好ましく用いることができる。図示はしないが半導体モジュール１１の中には一般に複数の半導体素子が用いられる。また半導体素子の材料としてはＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｇａ２Ｏ３などを好ましく用いることができる。
配線電極はＣｕまたはＡｌの単体あるいは合金が用いられることが好ましい。本実施形態では無酸素銅を用いている。また、表面にＮｉめっき等が施されることが好ましい。接合材としては、Ｐｂ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合金、Ａｕ合金、Ｚｎ合金などの高融点半田合金や融点変動材料（ＴＬＰ）、導電性樹脂やＡｇナノ粒子、Ｃｕナノ粒子などの焼結接合材料等が好ましく用いられる。本実施形態ではＳｎ−Ａｇ−ＣｕのＰｂフリー半田合金を用いている。
リード端子はＣｕまたはＡｌの単体あるいは合金が用いられることが好ましい。本実施形態では無酸素銅を用いている。また、表面にＮｉめっき等が施されることが好ましい。リード端子はそれぞれ上方に向けて引き出されている。このようにリード端子を同一方向に引き出すことはリード端子と他の回路部品との接続がし易いため好ましい。
絶縁基板としては、ガラスエポキシ基板やＳｉ３Ｎ４やＡｌＮなどのセラミック基板等を用いることが好ましい。絶縁基板は配線電極や接合材に比べて熱伝導率が小さいため、絶縁基板を通る放熱経路は比較的熱抵抗が大きくなってしまう。したがって、絶縁基板は、半導体素子を介して後述する第３の熱拡散部材とは反対側に配置させるようにすることが好ましい。
【００２９】
（収容部）
図２には、半導体モジュールを収容する収容部を３つ示している。
図２には３つの収容部２０ａ、収容部２０ｂ、収容部２０ｃを示しているが、以下には収容部２０ａを例にして収容部の構成を説明する。
各収容部は、一面が開口している直方体形状である。収容部２０ａは、収容部２０ａの４つの側面を構成する第１の熱拡散部材３０と収容部の底面を構成する第３の熱拡散部材５０からなる。
但し、第１の熱拡散部材によって形成される側面の数は４つに限定されるものではなく３つ以上の任意の数であってもよいし、側面の一部が曲面であってもよい。また、収容部の内形状が円柱や楕円柱の形状であってもよい。
また、第１の熱拡散部材３０の表面には保持部材６０が設けられている。保持部材６０の役割については後述するが、保持部材６０は必要がなければ設けられていなくてもよい。
図２には、収容部２０ａの蓋となる第２の熱拡散部材４０を合わせて示している。第２の熱拡散部材４０にはリード端子を外に引き出すための開口部４０ａが設けられている。
第１の熱拡散部材３０と第３の熱拡散部材５０は接合材６１によって接合されており、第１の熱拡散部材３０と第２の熱拡散部材４０は接合材６２によって接合されている。
接合材６１及び接合材６２は、半田合金やろう材であり、拡散接合、溶接、熱圧着、ろう付け、または半田付けなどの方法により接合される。
【００３０】
第１の熱拡散部材、第２の熱拡散部材及び第３の熱拡散部材は、いずれも本発明における熱拡散部材である。本明細書において「熱拡散部材」とだけ記述するときは、第１の熱拡散部材、第２の熱拡散部材及び第３の熱拡散部材のいずれにも共通する事項についての説明である。
熱拡散部材は、それぞれ半導体素子から発せられる熱を拡散するヒートシンクとして機能する。熱拡散部材の材料としては熱伝導率の高い材料が用いられることが好ましく、ＣｕまたはＡｌの単体または合金などの金属系材料、あるいはグラファイトやグラフェンなどの炭素系材料が好ましく用いられる。特に、第３の熱拡散部材として炭素系構造体を用いることが好ましいが、第３の熱拡散部材として炭素系構造体を用いる場合の詳細については別の実施形態の説明において後述する。
【００３１】
図２には、収容部の厚さを両矢印Ｔで示している。収容部の厚さＴは、第３の熱拡散部材５０の上面から第１の熱拡散部材３０の上面までの距離によって定める。この厚さＴは、半導体モジュール（リード端子は除く）が収容できるように設計すればよい。
【００３２】
（半導体装置）
図３は、図１に示す半導体モジュールを図２に示す収容部に収容し、第２の熱拡散部材で蓋をしてなる半導体装置の一例を模式的に示す断面図である。
半導体装置１は、図２に示す収容部２０ａ、収容部２０ｂ、収容部２０ｃに半導体モジュール１１ａ、半導体モジュール１１ｂ、半導体モジュール１１ｃがそれぞれ収容され、第２の熱拡散部材４０で蓋をされた構成を有している。半導体装置１の外周には樹脂ケース７０が設けられている。なお、樹脂ケース７０は外部との絶縁性を確保する上で必要な場合に設ける。
図３には半導体装置１に３つの収容部が設けられており、１つの収容部に１つの半導体モジュールがそれぞれ収容されてなる様子を示している。
１つの半導体装置に収容される半導体モジュールの数は１つでも複数でもよく、半導体装置には半導体モジュールの数に対応した１つ又は複数の収容部が設けられる。
なお、以下の説明では３つの収容部をまとめて収容部２０とし、３つの半導体モジュールをまとめて半導体モジュール１１として説明する。
【００３３】
半導体装置１の中において、半導体モジュール１１は第１の熱拡散部材３０によりその側面を覆われており、第２の熱拡散部材４０によりその第１の面である上面を覆われており、第３の熱拡散部材５０によりその第２の面である下面を覆われている。
本明細書において「半導体モジュールの各面を熱拡散部材で覆う」とは、半導体モジュールの各面に直接熱拡散部材が接触することを意味しておらず、半導体モジュールから半導体装置の外に至るまでの放熱経路において熱拡散部材が存在していることを意味する。すなわち、半導体モジュールの各面から発せられた熱が半導体モジュールの各面を覆う熱拡散部材に至り、熱拡散部材により半導体装置の外に拡散されることになる。
【００３４】
また、第１の熱拡散部材３０と第３の熱拡散部材５０により構成される収容部２０に半導体モジュール１１が収容され、第２の熱拡散部材４０が収容部の蓋となって、半導体モジュール１１の全体が熱拡散部材に覆われている。さらに、半導体モジュール１１と熱拡散部材の間が応力緩和材料８０で満たされている。なお、図３では開口部４０ａにも応力緩和材料８０が満たされており、外部に露出している。
【００３５】
応力緩和材料としては、シリコーン樹脂や柔軟性耐熱エポキシ樹脂などが用いられる。半導体装置の製造工程において、後述する保持部材を用いて収容部に半導体モジュールを保持した後に、第２の熱拡散部材で収容部に蓋をして、第２の熱拡散部材の開口部から応力緩和材料を充填することによって、半導体モジュールと熱拡散部材の間が応力緩和材料で満たされる。
なお、保持部材を用いて収容部に半導体モジュールを保持する前に応力緩和材料を収容部に充填しておいてもよく、応力緩和材料の充填を多段的に行ってもよい。
応力緩和材料が、第２の熱拡散部材の開口部のところまで満たされていることがリード端子との絶縁性を確保する上でも好ましい。
応力緩和材料は弾性を有する材料であるので、半導体モジュールと熱拡散部材の間が応力緩和材料で満たされることによって、熱拡散部材に加わった引っ張り応力や圧縮応力を緩和することができる。そのため、半導体モジュールの損傷を防止することができる。
応力緩和材料としては、そのヤング率が１ＭＰａ以上、１００ＭＰａ以下である材料であることが好ましい。
【００３６】
保持部材は、半導体モジュールを収容部内で保持するためのものである。保持部材は、収容部の側面を構成する第１の熱拡散部材に所望の厚みで設けられていることが好ましく、収容部内で半導体モジュールと弾性的に密着していることが好ましい。保持部材としては、シリコーン樹脂やウレタン樹脂、エチレン・酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）といった弾力性のある樹脂などが好ましく用いられる。
保持部材は圧縮された状態で半導体モジュールと密着していることが好ましい。
また、保持部材を構成する材料が絶縁性を有すると、第１の熱拡散部材が金属材料や炭素系構造体といった導電性の材料からなるものであっても、半導体モジュールと第１の熱拡散部材の間の絶縁性が確保される。
このように半導体モジュールを保持部材で保持することで、半導体モジュールの収容部内での位置決めが容易となる。また、冷熱サイクルにおいて、半導体モジュールと第１の熱拡散部材の線膨張係数の差により第１の熱拡散部材の面方向に引っ張り応力及び圧縮応力が生じたとしても、これらの応力を緩和することが可能となる。
【００３７】
半導体素子は、収容部において収容部の厚さの半分よりも蓋と反対側に配置されていることが好ましい。
図３には、収容部２０の厚さＴと半導体素子１２の位置の関係について模式的に示している。半導体素子１２の位置は、半導体素子１２の上面の位置として定める。図３には線ｔで半導体素子１２の上面の位置を示している。この線ｔの位置が収容部の厚さＴの半分、すなわち１／２Ｔの線よりも下に位置するとき、半導体素子が収容部の厚さの半分よりも蓋と反対側に配置されているとする。このように半導体素子を収容部において蓋と反対側に配置すると、半導体素子と第３の熱拡散部材との距離が近くなる。第３の熱拡散部材はその形状をフィン形状にしたり、材質を炭素系構造体にすることによって他の熱拡散部材よりも放熱性を高めやすい位置にある。そのため、第３の熱拡散部材と半導体素子との距離を近くすることにより放熱性を高めることができる。
【００３８】
図４は、半導体装置を模式的に示す斜視図である。
図４には、図３に示す半導体装置１から樹脂ケース７０を除いた状態で、第３の熱拡散部材５０と第１の熱拡散部材３０と第２の熱拡散部材４０とがこの順に積層されて構成される熱拡散部材を示している。
また、図４には、半導体モジュール１１が２行×３列のマトリックス状に、計６個配置されていることを示している。各半導体モジュール１１からはリード端子であるコレクタ端子１５ｂ、エミッタ端子１７ｂ及びゲート端子１９ｂが開口部４０ａから引き出されている。
【００３９】
収容部及び半導体モジュールの数は半導体装置の用途に合わせて２ｉｎ１や６ｉｎ１、１２ｉｎ１などで設定される。図４に示すように収容部が行・列それぞれ直線状に配置されてもよいが、放熱性を考慮して隣接する半導体モジュール間の距離を稼ぐために、収容部が千鳥状に配置されてもよい。
【００４０】
樹脂ケースを除いた半導体装置１の外周形状は、リード端子を無視すれば直方体ということができる。そして、直方体の外周はリード端子の周囲の応力緩和材料８０が露出しているごく一部を除いて熱拡散部材で構成されている。そのため、直方体の６つの面から熱拡散部材によって上下方向および側面方向による複数の放熱経路を有する放熱を行うことができ、放熱性の高い半導体装置とすることができる。さらに、半導体モジュールの電磁波シールド性が向上する。
【００４１】
なお、図４では６つの収容部を有する半導体装置１が、それぞれ１つずつの一体化された熱拡散部材により構成されているが、複数個ずつ（例えば行ごと、列ごと）に分けた複数の熱拡散部材に分割することにより構成してもよい。熱拡散部材を分割することで、熱拡散部材間に接触熱抵抗を生じさせ、熱拡散部材間の伝熱を抑制し、隣接する半導体モジュール同士の不所望な熱結合を低減させることが可能である。また、分割された熱拡散部材ブロックは標準サイズを設定することもできるので生産性の面でも好ましい。
【００４２】
図４には、第１の熱拡散部材３０、第２の熱拡散部材４０及び第３の熱拡散部材５０はそれぞれ別体として示しているが、第１の熱拡散部材と第３の熱拡散部材が一体化して収容部を構成していてもよい。
【００４３】
本発明の半導体装置は、例えば以下のように製造することができる。
はじめに、第１の熱拡散部材と第３の熱拡散部材を接合材を介して接合させ、第１の熱拡散部材が側面となり、第３の熱拡散部材が底面となる収容部を形成する。
続いて、第１の熱拡散部材の側面に保持部材を設ける。保持部材は収容部を形成させる前に予め第１の熱拡散部材の側面に設けておいてもよい。
別途、半導体モジュールを、公知の方法により半導体素子、配線電極、絶縁基板等の構成要素を組み合わせることにより準備する。
次に、収容部内に半導体モジュールを上方から保持部材に沿って摺動させながら所定の位置で保持させる。このとき、半導体モジュールと第１の熱拡散部材及び第３の熱拡散部材とが直接接触しないようにしておく。また、リード端子を収容部の上に出しておくようにする。
続いて、第２の熱拡散部材を用いて収容部に蓋をするとともに接合材を介して第１の熱拡散部材と第２の熱拡散部材を接合させる。この際、第２の熱拡散部材の開口部からリード端子を外に出すようにする。
そして、第２の熱拡散部材の開口部から収容部内に応力緩和材料となる材料を流し込む。なお、応力緩和材料を予め収容部内に流し込んでから半導体モジュールを挿通してもよい。また、応力緩和材料となる材料が熱硬化性の樹脂である場合は、樹脂が硬化する温度での熱処理を行い樹脂を硬化させてもよい。
上記のような工程により半導体装置を製造することができる。
【００４４】
＜半導体装置の第２実施形態＞
図５は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
図５に示す半導体装置２は、第３の熱拡散部材１５０の形状がベース部１５１とフィン部１５２とからなる放熱フィンの形状をしている点で図３に示す半導体装置１と異なる。なお、樹脂ケースの図示は省略しているが樹脂ケースを設けても設けなくてもよい。以下に示す各実施形態の図面においても樹脂ケースの図示は同様に省略する。
その他の構成は図３に示す半導体装置１と同様にすることができる。
半導体装置２では、第３の熱拡散部材１５０がベース部１５１とフィン部１５２とからなる放熱フィンの形状を有しており、ベース部１５１が半導体モジュール１１の側に、フィン部１５２が半導体装置２の外周面になる側にそれぞれ配置されている。
第３の熱拡散部材が放熱フィンの形状を有していると、フィン部により熱拡散部材の表面積が稼げるため、冷却風による冷却に適している。冷却風としては、周囲空気の温度上昇による自然対流や、ファン等の送風装置を設けた場合の風や半導体装置を車に取り付けた場合の走行風等の強制対流を使用することができる。
半導体装置２では、第３の熱拡散部材１５０の材質はベース部１５１からフィン部１５２にわたって同じ材料である。材料としてはＣｕまたはＡｌの単体または合金などの金属系材料であることが好ましい。
【００４５】
＜半導体装置の第３実施形態＞
図６は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
図６に示す半導体装置３は、第３の熱拡散部材１６０が炭素系構造体１００である点で図３に示す半導体装置１と異なる。その他の構成は図３に示す半導体装置１と同様にすることができる。
炭素系構造体１００は、炭素系材料からなる平面形状の層状構造体１０１が多層構造を形成してなる集合体（多層構造体）である。炭素系構造体１００では、各層状構造体１０１の平面形状が広がる方向である面方向（両矢印Ａで示す方向）が、炭素系構造体１００の厚さ方向となるように半導体装置３内に配置されており、炭素系構造体１００の厚さ方向に沿った熱伝導率が、層状構造体１０１が多層構造を形成する方向（両矢印Ｂで示す方向）に沿った熱伝導率より高くなっている。
炭素系構造体からなる第３の熱拡散部材がこのように半導体装置内に配置されていると、第３の熱拡散部材の厚さ方向に沿って高い熱伝導性が発揮されるので、半導体モジュールから発生する熱を、半導体モジュールの第２の面から効率よく放熱させることができる。また、各層状構造体１０１の平面形状が広がる方向である面方向は、図６の紙面に直交する方向（両矢印Ａおよび両矢印Ｂに直交する方向）にも伸びており、その方向の熱伝導率も高い。よって、炭素系構造体１００としては面方向の熱伝導率に異方性を有することになる。これにより隣接する半導体モジュール同士の不所望な熱結合を低減させることが可能である。
【００４６】
炭素系材料はグラファイトを含んでいる。グラファイトとしては天然グラファイト及び人造グラファイトが挙げられ、いずれも六角形に並び網目状の面構造を有する炭素原子がファンデルワールス力により層状に集合した層状構造体の結晶（集合体）である。
また、炭素系構造体は、ＣＶＤ法による人造グラファイトからなることが好ましい。
ＣＶＤ法による人造グラファイトは、炭化水素ガスを高温で熱分解するＣＶＤ法により製造された人造グラファイトである。ＣＶＤ法による人造グラファイトは、不純物が含まれる天然グラファイトと異なり、結晶の均一性が良く不純物が殆ど含まれない(通常は不純物量が１ｐｐｍ以下である）。また、人造グラファイトとしてはポリイミドシートを高温で熱分解してグラファイト化させることにより製造されたものもあるが、製造工程におけるガス抜きやプレスの影響により１００μｍ以上の厚いシートにおいては熱伝導率が低くなる傾向がある。一方、ＣＶＤ法による人造グラファイトは、厚みに関わらず均質な層状構造体の結晶となるので好ましい。
ここで、炭素系構造体として用いられるグラファイトとしては、高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ：Ｈｉｇｈｌｙ  Ｏｒｉｅｎｔｅｄ  Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ）を用いることが好ましい。具体的には米国ＭＩＮＴＥＱ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．製の商品名「ＰＹＲＯＩＤ  ＨＴ」を用いることが好ましい。
【００４７】
図６には、層状構造体１０１を細い実線で示しており、図６中で両矢印Ｂで示す方向に層状構造体１０１が多層構造を形成している。そして、各層状構造体１０１の平面形状が広がる方向である面方向（図６に両矢印Ａで示す方向）が、炭素系構造体１００の厚さ方向となっている。
炭素系材料からなる層状構造体が多層構造を形成している場合、層状構造体の面方向に沿った熱伝導率λＡは高い値となり、多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率λＢは低い値となる。
【００４８】
層状構造体の面方向が、炭素系構造体の厚さ方向と同じ方向となっていると、炭素系構造体の厚さ方向に沿った熱伝導率は層状構造体の面方向に沿った熱伝導率λＡと同じとなり、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率λＢよりも高くなる。
そして、半導体装置に配置された炭素系構造体からなる第３の熱拡散部材は、第３の熱拡散部材の上部に配置された半導体モジュールから発せられた熱を第３の熱拡散部材の厚さ方向に沿って第３の熱拡散部材の下部、すなわち半導体装置の外部へ高い熱伝導率をもって熱伝導させることができるので、放熱性に優れる。また、第３の熱拡散部材の面方向においては異方性を有するが、直交する方向のうち一方向は、厚さ方向と同様に高い熱伝導率をもって熱伝導させることができるので、放熱性に優れる。
【００４９】
炭素系構造体の厚さ方向に沿った熱伝導率λＡは、４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、実用上は１７００Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。また、炭素系構造体の、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率λＢも大きいに越したことはないが、実用上は３Ｗ／ｍ・Ｋ以上、３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上以下である。
炭素系構造体の熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により、装置としては例えばＬＦＡ４６７（ＮＥＴＺＳＣＨ製）を用いて測定することができる。
【００５０】
＜半導体装置の第４実施形態＞
図７は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
図７に示す半導体装置４において、第３の熱拡散部材１７０の形状はベース部１７１とフィン部１７２とからなる放熱フィンの形状であり、図５に示す半導体装置２と同様である。
一方、第３の熱拡散部材１７０を構成する材料が図５に示す第３の熱拡散部材１５０とは異なる。その他の構成は図３に示す半導体装置１と同様にすることができる。
第３の熱拡散部材１７０は、ベース部１７１に炭素系構造体１００を含む。
炭素系構造体１００は、ベース部１７１において板状の金属材料１７３及び板状の金属材料１７４に挟まれている。また、板状の金属材料１７４はフィン部１７２と一体化している。
炭素系構造体１００は、層状構造体１０１の平面形状が広がる方向である面方向が、ベース部１７１の厚さ方向となるように半導体装置４内に配置されており、ベース部１７１の厚さ方向に沿った熱伝導率が、ベース部１７１の面方向に沿った熱伝導率より高くなっている。なお、ベース部の厚さ方向と炭素系構造体の厚さ方向は同じ向き(図７で両矢印Ａで示す方向）であり、かつ、ベース部の面方向と層状構造体が多層構造を形成する方向とは同じ向き(図７で両矢印Ｂで示す方向）である。
このような炭素系構造体がベース部に含まれることによって、ベース部の厚さ方向の熱伝導率が高い構造となっている。
そのため、第３の熱拡散部材において、フィン部までの熱抵抗を低減することができる。また、図６に示す半導体装置３と同様にベース部の面方向の熱伝導率に異方性を持たせることができる。
【００５１】
＜半導体装置の第５実施形態＞
図８は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
図８に示す半導体装置５において、第３の熱拡散部材１８０の形状はベース部１８１とフィン部１８２とからなる放熱フィンの形状であり、図５に示す半導体装置２と同様である。
一方、第３の熱拡散部材１８０を構成する材料が図５に示す第３の熱拡散部材１５０とは異なる。その他の構成は図３に示す半導体装置１と同様にすることができる。
第３の熱拡散部材１８０は、ベース部１８１に第１の炭素系構造体１１０及び第２の炭素系構造体１２０が積層された構造の炭素系構造体１３０を含んでいる。
炭素系構造体１３０は、ベース部１８１において板状の金属材料１８３及び板状の金属材料１８４に挟まれている。また、板状の金属材料１８４はフィン部１８２と一体化している。
【００５２】
炭素系構造体１３０を構成する第１の炭素系構造体１１０は半導体モジュール１１の側（板状の金属材料１８３の側）に配置されている。
第１の炭素系構造体１１０は、図６で示した炭素系構造体１００と同様に炭素系材料からなる平面形状の層状構造体１１１が多層構造を形成してなる集合体である。但し、半導体装置内における層状構造体の向きに特徴があり、第１の炭素系構造体１１０では、各層状構造体１１１の平面形状が広がる方向である面方向(図８で両矢印Ｂで示す方向）が、ベース部１８１の面方向(図８で両矢印Ｂで示す方向）となるように半導体装置内に配置されている。そして、第１の炭素系構造体１１０においてはベース部１８１の面方向に沿った熱伝導率が、ベース部１８１の厚さ方向(図８で両矢印Ａで示す方向）に沿った熱伝導率より高くなっている。
【００５３】
炭素系構造体１３０を構成する第２の炭素系構造体１２０はフィン部１８２の側（板状の金属材料１８４の側）に配置されている。
第２の炭素系構造体１２０は、図６で示した炭素系構造体１００と同様に炭素系材料からなる平面形状の層状構造体１２１が多層構造を形成してなる集合体である。半導体装置内における層状構造体の向きは図６で示した炭素系構造体１００と同様であり、各層状構造体１２１の平面形状が広がる方向である面方向(図８で両矢印Ａで示す方向）が、ベース部１８１の厚さ方向(図８で両矢印Ａで示す方向）となるように半導体装置内に配置されている。そして、第２の炭素系構造体１２０においてはベース部１８１の厚さ方向に沿った熱伝導率が、ベース部１８１の面方向に沿った熱伝導率より高くなっている。
【００５４】
第３の熱拡散部材がこのような構成をとっていると、ベース部の面方向に沿った熱伝導率が高い第１の炭素系構造体によってベース部の面方向において熱が速やかに拡散し、ベース部の面方向において温度の偏りが解消される。
さらに、ベース部の厚さ方向に沿った熱伝導率が高い第２の炭素系構造体が設けられていると、ベース部の面方向に拡散した熱がフィン部に速やかに伝わるため、効率よく放熱させることができる。炭素系構造体は熱伝導率に異方性を有しているが、上記のように組み合わせて構成すると熱伝導率が等価的に均一となり、ベース部の面方向の熱伝導率が等方性となるので好ましい。
【００５５】
＜半導体装置の第６実施形態＞
図９は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
図９に示す半導体装置６において、第３の熱拡散部材１９０の形状はベース部１９１とフィン部１９２とからなる放熱フィンの形状であり、図５に示す半導体装置２と同様である。
一方、第３の熱拡散部材１９０を構成する材料が図５に示す第３の熱拡散部材１５０とは異なる。その他の構成は図３に示す半導体装置１と同様にすることができる。
第３の熱拡散部材１９０は、フィン部１９２が炭素系構造体１００から構成されている。炭素系構造体１００は、図６に示す半導体装置３において説明したものと同様である。
また、炭素系構造体１００はベース部１９１の一部と一体化している。
ベース部１９１のうち半導体モジュール１１の側は板状の金属材料１９３が配置されており、板状の金属材料１９３と炭素系構造体１００の一部とでベース部１９１が構成されている。
フィン部１９２における炭素系構造体１００は、層状構造体１０１の平面形状が広がる方向である面方向が、フィン部１９２の厚さ方向(図９で両矢印Ａで示す方向）となるように半導体装置６内に配置されており、フィン部１９２の厚さ方向に沿った熱伝導率が、フィン部１９２の面方向(図９で両矢印Ｂで示す方向）に沿った熱伝導率より高くなっている。このような炭素系構造体がフィン部に含まれることによって、第３の熱拡散部材のフィン部の厚さ方向に沿って高い熱伝導性が発揮されるので、ベース部からフィン部に伝わった熱が、フィン部の先端まで速やかに伝わって、効率よく放熱させることができる。また、図６に示す半導体装置３と同様にフィン部の面方向の熱伝導率に異方性を持たせることができる。
なお、図９にはベース部１９１が板状の金属材料１９３と炭素系構造体１００の一部で構成されている例を示したが、ベース部の全体が金属材料であっても構わない。但し、その場合は、本願の出願人が先に出願した特願２０１６−０１９１５６号に記載された、層間距離拡張領域が設けられている炭素系構造体の製造方法を用いて、フィン部を形成する必要がある。
【００５６】
＜半導体装置の第７実施形態＞
図１０は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
図１０に示す半導体装置７では、第３の熱拡散部材２００の形状はベース部２０１とフィン部２０２とからなる放熱フィンの形状であり、図５に示す半導体装置２と同様である。
第３の熱拡散部材２００は、ベース部２０１とフィン部２０２がともに炭素系構造体１００から構成されており、一体化している。炭素系構造体１００は、図６に示す半導体装置３において説明したものと同様である。
その他の構成は図３に示す半導体装置１と同様にすることができる。
炭素系構造体１００は、層状構造体１０１の平面形状が広がる方向である面方向が、第３の熱拡散部材２００の厚さ方向(図１０で両矢印Ａで示す方向）となるように半導体装置７内に配置されており、第３の熱拡散部材２００の厚さ方向に沿った熱伝導率が、第３の熱拡散部材２００の面方向(図１０で両矢印Ｂで示す方向）に沿った熱伝導率より高くなっている。
放熱フィンの形状であり炭素系構造体からなる第３の熱拡散部材は、第３の熱拡散部材の上部に配置された半導体モジュールから発せられた熱を第３の熱拡散部材の厚さ方向に沿って第３の熱拡散部材を構成するフィン部の先端、すなわち半導体装置の外部へ高い熱伝導率をもって熱伝導させることができるので、放熱性に優れる。また、図６に示す半導体装置３と同様にベース部およびフィン部の面方向の熱伝導率に異方性を持たせることができる。
なお、ベース部２０１の上部は接合材６１により第１の熱拡散部材３０と接合されている。接合材６１は図２に示す収容部２０において説明したものと同様に半田合金やろう材であり、拡散接合、溶接、熱圧着、ろう付け、または半田付けなどの方法により接合される。
【００５７】
＜半導体装置の第８実施形態＞
図１１は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
本実施形態で説明する半導体装置では、熱拡散部材にヒートパイプが埋め込まれている。
図１１には、熱拡散部材にヒートパイプが埋め込まれている半導体装置の例として、第３の熱拡散部材にヒートパイプが埋め込まれている半導体装置を示している。
図１１に示す半導体装置８では、第３の熱拡散部材２１０に複数のヒートパイプ２２０が埋め込まれている。その他の構成は図３に示す半導体装置１と同様であり、ヒートパイプ２２０が埋め込まれる第３の熱拡散部材２１０は金属材料からなる。
ヒートパイプ２２０は、ＣｕまたはＡｌの単体または合金やＳＵＳなどの金属材料からなるヒートパイプ本体２２１と、空洞部２２２と、ウィック２２３と、図示しない水などの作動液とを含む。ヒートパイプ２２０の、半導体素子１２に近い部分で作動液が蒸発するとともに、半導体素子１２から遠い部分であるヒートパイプ２２０の端部（図１１では紙面に直交する方向の端部）で作動液が凝縮し、ウィック２２３の毛細管現象により作動液が還流することで熱の輸送が行われる。
第３の熱拡散部材２１０に複数のヒートパイプ２２０が埋め込まれることにより、第３の熱拡散部材２１０の放熱性を向上させることができる。
また、ヒートパイプは、ヒートパイプが延伸される方向のみに熱を輸送させることが可能であるため、第３の熱拡散部材に放熱の異方性を持たせることができる。そのため、所望の放熱経路を形成することができるとともに、隣接する半導体モジュール同士の不所望な熱結合を低減させることが可能となる。
なお、ヒートパイプは第１の熱拡散部材、第２の熱拡散部材及び第３の熱拡散部材からなる群から選択される少なくとも１つの熱拡散部材に埋め込まれていればよい。すなわち、第１の熱拡散部材又は第２の熱拡散部材に埋め込まれていてもよい。また、第１の熱拡散部材、第２の熱拡散部材及び第３の熱拡散部材のすべてにヒートパイプが埋め込まれていてもよい。
また、ヒートパイプが複数ではなく１つのみ第３の熱拡散部材に埋め込まれていてもよい。
【００５８】
＜半導体装置の第９実施形態＞
図１２は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
図１２に示す半導体装置９ａは、半導体素子がＢＧＡ素子であり、半導体モジュールの構成が異なる点で図３に示す半導体装置１と異なる。収容部及び熱拡散部材の構成並びにその他の構成は図３に示す半導体装置１と同様にすることができる。また、これまでに示した他の半導体装置２、半導体装置３、半導体装置４、半導体装置５、半導体装置６、半導体装置７、半導体装置８で例示した熱拡散部材(特に第３の熱拡散部材）を備えていてもよい。
半導体装置９ａは、半導体モジュール３１１ａ、半導体モジュール３１１ｂ、半導体モジュール３１１ｃを備えている。以下には半導体モジュール３１１ｃを例にして半導体モジュールの構成を説明する。
以下、半導体モジュール３１１ｃは半導体素子としてＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）素子３００を有している。ＢＧＡ素子３００は、端子電極（図示せず）を一方の面にのみ有する半導体素子である。そのため、ＢＧＡ素子３００の端子電極と接続されるコレクタ電極３１５ａ（配線電極）、エミッタ電極３１７ａ（配線電極）及びゲート電極３１９ａ（配線電極）が、接合材３１４を介して一方の面に設けられている。なお、ＬＧＡ（Ｌａｎｄ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）素子の場合も同様である。
配線電極としてのコレクタ電極３１５ａ、エミッタ電極３１７ａ及びゲート電極３１９ａは、いずれも絶縁基板３１３上に形成されている。そして、コレクタ電極３１５ａ、エミッタ電極３１７ａ、ゲート電極３１９ａには、それぞれリード端子であるコレクタ端子３１５ｂ、エミッタ端子３１７ｂ、ゲート端子３１９ｂが電気的に接続されている。
【００５９】
ＢＧＡ素子はＧａＮ半導体素子であることが好ましい。図１２には、ＢＧＡ素子３００として基材３０１となるサファイアからなる基材の上にＧａＮ層３０２を成膜してなるＧａＮ半導体素子を示している。なお、基材はアルミナやシリコンも可能である。基材は電極が形成される面であるＧａＮ層の反対側に位置する絶縁層となる。なおシリコンにおいても高抵抗なものを用いれば絶縁層となる。
半導体素子としてＧａＮ半導体素子のようなＢＧＡ素子またはＬＧＡ素子を用いた場合には、半導体素子の一方の面に電極がなく、電極が形成されていない面に絶縁層が存在する。この絶縁層を第３の熱拡散部材と近接して配置するようにすると熱抵抗を低減させることができる。
【００６０】
＜半導体装置の第１０実施形態＞
図１３は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
図１３に示す半導体装置９ｂは、図１２に示す半導体装置９ａにおいて、ＢＧＡ素子３００の基材３０１側の面が焼結接合材であるＡｇナノ粒子含有ペースト３２０を介して第３の熱拡散部材５０と接合された構成を有している。その他の構成は図１２に示す半導体装置９ａと同様である。Ａｇナノ粒子含有ペーストは半田合金に比べて熱伝導率が高く、ＢＧＡ素子３００と第３の熱拡散部材５０の熱結合で熱抵抗が低減できる。また、Ａｇナノ粒子含有ペーストは低温クリープ挙動を示すので、応力緩和材料としても働くことができる。この場合も半導体モジュール３１１と第３の熱拡散部材５０の間が応力緩和材料で満たされているといえる。そのため、第３の熱拡散部材に加わった引っ張り応力や圧縮応力が半導体モジュールに直接伝わることが防止されて、半導体モジュールの損傷を防止することができる。
【００６１】
＜半導体装置の第１１実施形態＞
図１４は、本発明の半導体装置の別の一例を模式的に示す断面図である。
図１４に示す半導体装置１０は、半導体モジュール１１（図１４では半導体モジュール１１ａ、半導体モジュール１１ｂ、半導体モジュール１１ｃ）がモールド材８５により予めモールドされた構造を有している点で図３に示す半導体装置１と異なる。
モールド材は耐熱エポキシ樹脂等からなることが好ましい。
また、コレクタ電極１５ａはモールド材８５の下面で露出していることが好ましい。
このように、予めモールドされた半導体モジュールにおいても、熱拡散部材に加わった引っ張り応力や圧縮応力が半導体モジュールに直接伝わることが防止されて、半導体モジュールの損傷を防止することができる。
また、半導体モジュールがそれぞれ第１の熱拡散部材、第２の熱拡散部材及び第３の熱拡散部材に覆われているので、第１の熱拡散部材、第２の熱拡散部材及び第３の熱拡散部材から上下方向および側面方向による複数の放熱経路を経て半導体モジュールからの熱を放熱させることが可能となる。
さらに、半導体モジュールの電磁波シールド性が向上する。
【符号の説明】
【００６２】
１、２、３、４、５、６、７、８、９ａ、９ｂ、１０  半導体装置
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃ  半導体モジュール
１２  半導体素子
１３、３１３  絶縁基板
１４、１６、６１、６２、３１４  接合材
１５ａ、３１５ａ  コレクタ電極（配線電極）
１５ｂ、３１５ｂ  コレクタ端子
１７ａ、３１７ａ  エミッタ電極（配線電極）
１７ｂ、３１７ｂ  エミッタ端子
１９ａ、３１９ａ  ゲート電極（配線電極）
１９ｂ、３１９ｂ  ゲート端子
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ  収容部
３０  第１の熱拡散部材
４０  第２の熱拡散部材
４０ａ  開口部
５０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０  第３の熱拡散部材
６０  保持部材
７０  樹脂ケース
８０  応力緩和材料
８５  モールド材
１００、１３０  炭素系構造体
１０１、１１１、１２１  層状構造体
１１０  第１の炭素系構造体
１２０  第２の炭素系構造体
１５１、１７１、１８１、１９１、２０１  ベース部
１５２、１７２、１８２、１９２、２０２  フィン部
１７３、１７４、１８３、１８４，１９３  板状の金属材料
２２０  ヒートパイプ
２２１  ヒートパイプ本体
２２２  空洞部
２２３  ウィック
３００  ＢＧＡ素子（ＧａＮ半導体素子）
３０１  ＢＧＡ素子の基材
３０２  ＧａＮ層
３２０  Ａｇナノ粒子含有ペースト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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