(57)【要約】【課題】  半導体基板を効率的に冷却すること。【解決手段】  半導体装置１０は、半導体スイッチング素子が作り込まれている半導体基板２０と、その半導体基板２０上に設けられている表面電極３０と、その表面電極３０上に設けられている放熱構造５０とを備えている。放熱構造５０は、カーボン結晶領域５２と金属領域５４を備えた複合体である。カーボン結晶領域５２には、カーボンナノチューブ、カーボンナノフラーレン、ダイヤモンド、又はそれらの組合せが用いられる。放熱構造５０は、半導体基板２０の熱を表面側から放熱する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が作り込まれている半導体基板と、
その半導体基板上に設けられている表面電極と、
その表面電極上に設けられている放熱構造、を備えており、
その放熱構造がカーボン結晶を含んでいることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記放熱構造の複数個が、前記表面電極上に分散配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記カーボン結晶は、少なくとも一部が前記表面電極に接するとともに、少なくとも他の一部が前記放熱構造の表面に露出していることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記放熱構造は、カーボン結晶を含む複合体であり、
表面電極と複合体の熱膨張係数の差が、表面電極とカーボン結晶の熱膨張係数の差よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記カーボン結晶は、カーボンナノチューブ、カーボンナノフラーレン、ダイヤモンド、又はそれらの組合せであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項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、表面電極上に放熱構造を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子が作り込まれている半導体基板は、半導体素子が動作するときの損失によって高温状態になる。例えば、大電流をスイッチングする半導体スイッチング素子は、動作時の損失による発熱量が大きい。このため、半導体スイッチング素子が作り込まれている半導体基板では、半導体スイッチング素子が安定した動作を行うために、半導体基板を冷却する技術が必要とされている。
一般的に、半導体基板を冷却するために、ヒートシンク基板が用いられる（特許文献１参照）。ヒートシンク基板は、半導体基板の裏面側に設けられており、半導体基板で発生した熱を半導体基板の裏面側から外部に放熱する。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３０７０４２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、半導体素子が取り扱う電流密度が増加するのに伴って、ヒートシンク基板による放熱だけでは十分な放熱効果が得られないようになってきている。
本発明は、半導体基板の熱を半導体基板の表面側から放熱させる技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書で開示される半導体装置は、半導体基板の表面電極上に放熱構造が設けられていることを特徴としている。さらに、その放熱構造がカーボン結晶を含んでいることを特徴としている。カーボン結晶には、カーボンナノチューブ、カーボンナノフラーレン、ダイヤモンド、又はそれらの組み合わせが含まれる。カーボン結晶は熱伝導率が極めて高い材料である。このカーボン結晶を含む放熱構造が表面電極上に設けられていると、放熱構造が表面電極を介して半導体基板から効率的に熱を奪い、半導体基板の熱を半導体基板の表面側から外部に放熱することができる。この結果、半導体基板が効率的に冷却され、半導体基板に作り込まれている半導体素子が安定した動作を行うことができる。
【０００６】
本明細書で開示される半導体装置では、放熱構造の複数個が表面電極上に分散配置されていることが好ましい。
この形態によると、放熱構造の表面積が増大するので、放熱構造と外部との間の熱交換が活発となり、放熱効果が向上する。
【０００７】
カーボン結晶は、少なくとも一部が表面電極に接するとともに、少なくとも他の一部が放熱構造の表面に露出していることが好ましい。
この形態によると、表面電極と外部との間にカーボン結晶が直接的に介在するので、カーボン結晶が表面電極の熱を外部へと効率的に放熱することができる。
【０００８】
放熱構造は、カーボン結晶を含む複合体であることが好ましい。この場合、表面電極と複合体の熱膨張係数の差が、表面電極とカーボン結晶の熱膨張係数の差よりも小さいことを特徴としている。
複合体に用いる材料によって、表面電極とカーボン結晶の間の熱膨張係数の差を和らげることができる。このため、放熱構造がカーボン結晶単体である場合に比して、放熱構造を複合体にすることによって、表面電極と放熱構造の熱膨張係数の差を小さく抑えることが可能となる。したがって、表面電極と放熱構造が熱膨張したとしても、両者の間の密着性が維持される。この結果、表面電極と放熱構造の間の熱伝達が維持されるので、高い放熱効果を得ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本明細書で開示される技術によると、熱伝導率が高いカーボン結晶を含む放熱構造が表面電極上に設けられているので、半導体基板の熱を半導体基板の表面側から放熱することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本実施例の好ましい特徴を列記する。
（第１特徴）半導体基板に作り込まれている半導体素子は、半導体スイッチング素子である。
（第２特徴）放熱構造は、インクジェット技術を利用して作製される。
【実施例】
【００１１】
以下、図面を参照して実施例を説明する。本発明に係る技術は、以下の図面を参照することによって、より良好に理解される。図面の構成要素は必ずしも一定の縮尺ではなく、代わりに本発明の原理を明示するために強調が用いられている。図面中では、参照符号は異なる図面を通じて対応する部分を示す。
【００１２】
（第１実施例）
図１に、半導体装置１０の要部斜視図を模式的に示す。図１に示すように、半導体装置１０は、半導体素子が作り込まれている半導体基板２０と、その半導体基板２０上に設けられている表面電極３０と、その表面電極３０上に設けられている放熱構造５０とを備えている。表面電極３０と放熱構造５０の間には金属接着層４０が介在しており、表面電極と放熱構造５０を強固に接合している。金属接着層４０の厚みＴ４０は、５mm以下である。
【００１３】
半導体基板２０には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、スーパージャンクション型ＭＯＳＦＴ、ダイオード、サイリスタ等の半導体素子が作り込まれる。半導体基板２０の材料には、シリコン、ガリウムヒ素、炭化シリコン、窒化ガリウム等が用いられる。
【００１４】
表面電極３０には、アルミニウム（Al）からなる単層電極、又はチタン（Ti）／ニッケル（Ni）／金（Au）の積層電極が用いられる。例えば、半導体基板２０に作り込まれている半導体スイッチング素子がＩＧＢＴの場合、表面電極３０はエミッタ電極と称される。半導体基板２０に作り込まれている半導体スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴの場合、表面電極３０はソース電極と称される。
【００１５】
放熱構造５０は、カーボン結晶領域５４と金属領域５２を備えた複合体である。カーボン結晶領域５４には、カーボンナノチューブ、カーボンナノフラーレン、ダイヤモンド、又はそれらの組合せが用いられる。金属領域５２には、銅（Cu）、金（Au）、銀（Ag）等の熱伝導率の高い材料が用いられる。金属領域５２は、カーボン結晶領域５４に囲まれている。カーボン結晶領域５４及び金属領域５２の厚みＴ５０は、５mm以下である。
【００１６】
金属領域５２には、表面電極３０とカーボン結晶領域５４の間の熱膨張係数の差を和らげる材料が選択される。例えば、表面電極３０がアルミニウムであり、カーボン結晶領域５４がカーボンナノチューブであれば、金属領域５２には銅（Cu）が用いられる。アルミニウムの熱膨張係数は大きく、カーボンナノチューブの熱膨張係数は小さいので、表面電極３０とカーボン結晶領域５４の間の熱膨張係数の差は大きい。熱膨張係数の大きい銅が金属領域５２に用いられると、複合体を構成する放熱構造５０の熱膨張係数がカーボン結晶領域５４単体の場合よりも大きくなる。この結果、表面電極３０と複合体である放熱構造５０の間の熱膨張係数の差は、表面電極３０とカーボン結晶領域５４の間の熱膨張係数の差よりも小さくなる。このため、半導体基板２０が高温状態になり、表面電極３０と放熱構造５０が熱膨張したとしても、その熱膨張差が低減されるので、表面電極３０と放熱構造５０の間の密着性が維持される。これにより、表面電極３０と放熱構造５０の間の熱伝達が良好に維持され、高い放熱効果を得ることができる。
【００１７】
金属領域５２は、ワイヤボンディング用の接続領域を提供することもできる。リードワイヤーは、この金属領域５２上に接続される。これにより、カーボン結晶領域５４は、ワイヤボンディングのストレスによって破損することが防止されている。
【００１８】
放熱構造５０は、例えば、以下の製造工程を経て作製することができる。
まず、半導体基板２０上に表面電極３０を形成した後に、インクジェット技術を利用して、表面電極３０の表面に銀（Ag）又は銅（Cu）のナノ粒子を塗布し、金属接着層４０を形成する。
次に、予め用意しておいた放熱構造５０を表面電極３０上に載置し、加圧下で半導体基板２０を２５℃〜３００℃に加熱し、表面電極３０と放熱構造５０を接合する。なお、放熱構造５０は、
これらの工程を経て、図１に示す放熱構造５０を作製することができる。
【００１９】
このように、半導体装置１０は、表面電極３０上に放熱構造５０が設けられていることを特徴としている。さらに、その放熱構造５０がカーボン結晶領域５４を含んでいることを特徴としている。カーボン結晶領域５４は熱伝導率が極めて高いので、放熱構造５０は表面電極３０を介して半導体基板２０から効率的に熱を奪い、半導体基板２０の熱を表面側から外部に放熱することができる。半導体装置１０の放熱構造５０は、空気との間で熱交換するか、あるいは絶縁性流体との間で熱交換してもよい。この結果、半導体基板２０が冷却され、半導体基板２０に作り込まれている半導体素子は、安定した動作を行うことができる。
【００２０】
（第２実施例）
図２に、半導体装置１１の要部斜視図を模式的に示す。図２に示すように、半導体装置１１は、複数個の放熱構造１５０が表面電極３０上に分散配置して設けられていることを特徴としている。
【００２１】
放熱構造１５０は、カーボン結晶領域１５４と金属領域１５２を備えた複合体である。金属領域１５２は、カーボン結晶領域１５４を左右からサンドイッチしている。カーボン結晶領域１５４は、一端が表面電極３０に接するとともに、他端が放熱構造１５０の表面から露出している。このため、表面電極３０と外部との間にカーボン結晶領域１５４が直接的に介在するので、カーボン結晶領域１５４が表面電極３０の熱を外部に向けて効率的に放熱する。
【００２２】
放熱構造１５０の幅Ｗ１５０、高さＴ１５０、奥行き長さＬ１５０、カーボン結晶領域１５４の幅Ｗ１５４はそれぞれ、例えば１mm以下、５mm以下、５mm以下、１mm以下である。隣接する放熱構造１５０は、１０〜５００μmの間隔を残して、表面電極３０上に複数個が設けられている。なお、放熱構造１５０の各サイズ、隣接する放熱構造１５０間の距離、放熱構造１５０の個数は、半導体基板２０に設けられている半導体素子の発熱量に応じて適宜に調整するのが望ましい。半導体装置１１では、リードワイヤーは、表面電極３０に直接的に接続される。
【００２３】
金属領域１５２には、表面電極３０とカーボン結晶領域１５３の間の熱膨張係数の差を和らげる材料が選択される。このような材料が金属領域１５２に用いられると、表面電極３０と放熱構造１５０の間の熱膨張係数の差が小さくなるので、半導体基板２０が高温状態になり、表面電極３０と放熱構造１５０が熱膨張したとしても、その熱膨張差が低減される。このため、表面電極３０と放熱構造１５０の間の密着性が維持され、表面電極３０と放熱構造１５０の間の熱伝達が良好に維持される。
【００２４】
また、半導体装置１１によると、放熱構造１４０の表面積が増大する。このため、放熱構造１５０と空気の間の熱交換、又は放熱構造１５０と絶縁性流体との間の熱交換が活発化され、放熱構造の放熱効果が向上する。
【００２５】
（第３実施例）
図３に、半導体装置１２の要部斜視図を模式的に示す。図３に示すように、半導体装置１２は、複数個の放熱構造２５０が表面電極３０上に分散配置して設けられていることを特徴としている。図３の半導体装置１２は、放熱構造２５０の形態が円筒状である点で図２の半導体装置１１の放熱構造１５０と相違するが、その作用効果は実質的に同一である。
【００２６】
放熱構造２５０の幅Ｗ２５０、高さＴ２５０、カーボン結晶領域２５４の幅Ｗ２５４はそれぞれ、例えば５mm以下である。隣接する放熱構造２５０は、１０〜５００μmの間隔を残して、表面電極３０上に複数個が設けられている。なお、放熱構造２５０の各サイズ、隣接する放熱構造２５０間の距離、放熱構造２５０の個数は、半導体基板２０に設けられている半導体素子の発熱量に応じて適宜に調整するのが望ましい。なお、図３では、カーボン結晶領域２５４が周囲の金属領域２５２の頂面から大きく突出しているが、これは強調して図示している。実際は、カーボン結晶領域２５４の頂面と金属領域２５２の頂面が同一面内であることもある。
【００２７】
放熱構造２５０は、以下の製造工程を経て作製される。
まず、半導体基板２０上に表面電極３０を形成した後に、インクジェット技術を利用して、表面電極３０の表面にカーボン結晶の触媒となるタングステン（W）を分散配置した状態で塗布する。
次に、インクジェット技術を利用して、そのタングステンを取り囲むように円筒状の金属領域２５２を形成する。
次に、熱処理及びＣＶＤ処理を実施して、金属領域２５２内にカーボン結晶領域２５４を充填する。
これらの工程を経て、図３に示す放熱構造２５０を作製することができる。なお、タングステンを用いずに放熱構造２５０を作製することもできる。この場合、予め溶液中にカーボン結晶を分散させておき、インクジェット技術を利用してその溶液を金属領域２５２内に充填及び熱処理すること放熱構造２５０を作製することができる。
【００２８】
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。
例えば、第１実施例の放熱構造５０では、金属領域５２とカーボン結晶領域５４が分離しているが、これに代えて、樹脂又は金属中にカーボン結晶を混合させた放熱構造を用いてもよい。
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】
【００２９】
【図１】第１実施例の半導体装置の要部斜視図を模式的に示す。
【図２】第２実施例の半導体装置の要部斜視図を模式的に示す。
【図３】第３実施例の半導体装置の要部斜視図を模式的に示す。
【符号の説明】
【００３０】
２０：半導体基板
３０：表面電極
４０：金属接着層
５０，１５０，２５０：放熱構造
５２，１５２，２５２：金属領域
５４，１５４，２５４：カーボン結晶領域
【図１】
2009065010.tif 000003
【図２】
2009065010.tif 000004
【図３】
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