(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体チップで発生する熱を速やかに逃がす半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、ヒートパイプ６と、前記ヒートパイプの内部に半導体チップ１を備え、前記半導体チップは、配線５ｄを介して、前記ヒートパイプの外部と電気的に接続されている。前記半導体チップは実装基板５上に形成され、前記実装基板は前記ヒートパイプの壁面の一部としてもよい。また、前記半導体チップは、ボンディングワイヤ２により前記配線と接続され、エポキシ樹脂または紫外線硬化樹脂からなる保護膜４により覆われていてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートパイプと、
前記ヒートパイプの内部に半導体チップを備え、
前記半導体チップは、配線を介して、前記ヒートパイプの外部と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体チップは実装基板上に形成され、
前記実装基板は前記ヒートパイプの壁面の一部となっ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】
前記半導体チップは、ボンディングワイヤにより前記配線と接続され、
前記半導体チップ、及び前記ボンディングワイヤは、エポキシ樹脂またはＵＶ（紫外線）硬化樹脂からなる保護膜により覆われていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体チップは、リボンワイヤでボンディングされることにより前記配線と接続され、
前記半導体チップ、及び前記リボンワイヤは、前記ヒートパイプ内に存在する作動液と直接接触していることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体チップは、前記実装基板にフリップチップ実装され、
前記半導体チップは、前記ヒートパイプ内に存在する作動液と直接接触していることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体チップは、前記実装基板にフリップチップ実装され、
前記半導体チップの裏面に放熱器を有し、
前記放熱器は、前記ヒートパイプ内に存在する作動液と直接接触していることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体チップはパッケージに封止され、前記ヒートパイプ内部に形成された固定板に固定され、
前記パッケージ、及び前記固定板は、前記ヒートパイプ内に存在する作動液と直接接触し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８】
前記半導体チップは、窒化物半導体又は炭化珪素又はダイヤモンドを含む半導体からなることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記半導体チップは、サファイア基板又はシリコン基板を有することを特徴とする請求項１〜８の何れか１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、ヒートパイプの内部に半導体チップを有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの材料として、ＧａＮに代表される窒化物系半導体や、炭化珪素（ＳｉＣ）といったワイドバンドギャップ半導体の研究開発が活発に行われている。ワイドバンドギャップ半導体の特長として、絶縁破壊電圧がＳｉに比べて１桁大きいことが挙げられる。従来のＳｉでは高耐圧の電力用半導体デバイスを得るには、電子が走行するドリフト層を長くすることが必要であった。それに対し、ＧａＮやＳｉＣでは短いドリフト層（Ｓｉの約１／１０）で同等の耐圧が出る。この場合に半導体デバイスに電流を流す状況を考えると、ドリフト層は抵抗層になるため、ドリフト層が短い方が半導体デバイスのオン抵抗は小さくなる。数式上では、半導体の移動度と誘電率が同程度とすると、オン抵抗は半導体材料が有する絶縁破壊電界の３乗に反比例する。
【０００３】
また、ＧａＮなどの窒化物半導体材料はアルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）やインジウムナイトライド（ＩｎＮ）と様々な混晶を作ることができるので、従来のガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの砒素系半導体材料と同様にヘテロ接合を作ることができる。特に、窒化物半導体のヘテロ接合では、不純物のドーピングがない状態においても、その界面に自発分極あるいはピエゾ分極によって高濃度のキャリアが発生するという特徴がある。この結果、ＧａＮにおいては、電流を基板に平行方向に流す横型デバイスにおいても、大電流で低いオン抵抗の大電力用デバイスが実現できる。実際、発明者らがＧａＮの大電力用ＦＥＴを試作したところ、耐圧３５０Ｖでオン抵抗が１．９ｍΩｃｍ2の値が得られた（非特許文献１）。この値は従来の大電力用ＭＯＳＦＥＴの１／１０以下と極めて低オン抵抗の大電力用ＦＥＴである。別の見方をすれば、大電力用ＭＯＳＦＥＴと同じ耐圧で同じオン抵抗のＧａＮ大電力用ＦＥＴを実現した場合、チップ面積は約１／１０となり、大電力用デバイスの大幅な小型化が実現できる。しかしながら、この場合ＭＯＳＦＥＴの１０倍の発熱密度となるため、窒化物半導体からなる小型デバイスにおいては半導体チップの放熱技術が極めて重要となってくる。
【０００４】
一方、熱を高速で移動させることで冷却を行う装置としてヒートパイプがある。ヒートパイプは、熱伝導性が高い材質からなるパイプ中に揮発性の液体（作動液）を減圧封入したものである。動作原理は、パイプ中の一方が加熱されることで作動液が熱を吸収して蒸発し、音速に近い速さでパイプのもう一方の冷却部に移動する。移動した作動液は熱を放出して凝縮する。液体になった作動液は、パイプ内部に形成されたウィックの毛細管力によって、作動液の少ない領域に帰還する。ヒートパイプを適切に設計することで、金属の放熱器(ヒートシンク)に比べて、高い放熱効果が得られる。
【０００５】
このヒートパイプを用いた半導体装置の実施例を図５に示す（特許文献１）。半導体チップ１０１はハンダなどのマウント剤１０２により、ヒートパイプ１０７に実装されている。すなわち、半導体チップを実装するダイパッド部とヒートパイプが一体化した構成であり、チップで発生した熱はヒートパイプによって速やかに放熱される。
【非特許文献１】IEEE Trans. Electron Devices, vol.52, No.9, pp.1963-1968, 2005.
【特許文献１】実開平０４−０４２７４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、シリコンやサファイア基板上で形成されたＧａＮからなるＦＥＴなどの大電力用デバイスを図５に示すような方法で放熱したときに、熱抵抗が依然として大きい。その理由は、シリコンやサファイアの熱伝導率は、それぞれ、１５０Ｗ／ｍ・Ｋ、２０Ｗ／ｍ・Ｋであり、ＳｉＣの４９０Ｗ／ｍ・ＫやＣｕの４００Ｗ／ｍ・Ｋなどと比べて小さい。さらに、マウント剤としてよく使われるＰｂＳｎハンダは熱伝導率が３５Ｗ／ｍ・Ｋ、ＡｕＳｎハンダは熱伝導率が５７Ｗ／ｍ・Ｋとやはり小さいためである。
【０００７】
また、特に半導体チップを実装基板にフリップチップ実装する場合は、半導体チップよりもはるかに大きくて重い放熱器を半導体チップ裏面に形成するなどの工夫が必要であり、フリップチップ実装で大電力を扱う半導体装置の例はほとんどなかった。
【０００８】
本発明は半導体チップをヒートパイプの内部に備えることで、放熱性が大幅に改善さ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】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明の半導体装置では、大電力用デバイスが形成されている半導体チップがヒートパイプ内部に存在することを特徴とする。特に、半導体チップが装着された実装基板をヒートパイプの壁面の一部として、半導体チップがヒートパイプ中の内側にあることにより、ヒートパイプ内部の作動液に直接、又は薄い保護膜を介して接触していることを特徴とする。この構成により半導体チップで発生した熱は、半導体基板とマウント剤を通って実装基板からのみならず、半導体表面側からも放熱されるため、放熱性は大きく改善される。
【００１０】
また、半導体チップをフリップチップ実装する場合においても、半導体基板側からも半導体表面側からも放熱されるため、従来はフリップチップ実装では困難であった大電力用半導体装置が実現できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明はヒートパイプ中の作動液に半導体チップからの熱が速やかに伝わることにより、放熱性に優れた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】
【００１２】
以下、本発明の半導体装置及びその製造方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【００１４】
シリコン又はサファイア基板上に形成されたＧａＮパワートランジスタなどからなる半導体チップ１はハンダなどのマウント剤３により、実装基板５に実装されている。半導体チップ１はＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造を有するヘテロ接合電界効果型トランジスタからなり、高電流、高耐圧、低オン抵抗が実現されている。この実装基板５は、表面側のガラス布基材エポキシ樹脂（ガラスエポキシ）からなる絶縁層５ａ、裏面側の同じくガラスエポキシからなる絶縁層５ｃ、及びそれらに挟まれた銅板５ｂから構成されている。半導体チップ１は、複数のボンディングワイヤ２により、実装基板５の表面側及び裏面側に銅で形成された配線５ｄと電気的に接続され、ヒートパイプ６の外部と電気的に接続されている。この配線５ｄは、壁面がガラスエポキシでカバーされているスルーホール５ｅを介して、表面側と裏面側で接続している。そして、ヒートパイプ６は、内部に、ウィック７及び、水、アルコール、又は代替フロンなどからなる作動液８を有し、実装基板５はヒートパイプ６と一体形成されているため、実装基板５はヒートパイプ６の壁面の一部と見なすことができる。半導体チップ１とボンディングワイヤ２は、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂からなる保護膜４により覆われ、作動液８から保護されている。保護膜（エポキシ樹脂）４は放熱の観点からは厚さが１〜１０μｍ程度と薄い方が好ましい。また、この保護膜４はスルーホール５ｅの穴を塞ぎ、作動液が漏れるのを防ぐ役割も有する。
【００１５】
チップの大きさは１〜１０ｍｍ角の大きさであるが、ここから発生する数ワット以上の熱を放熱するために、ヒートパイプ６の内径は１〜１０ｃｍ、長さは１０〜１００ｃｍ程度あるのが好ましい。さらに、ヒートパイプにより移動した熱を効率よく放熱するために、別途放熱部には、ヒートシンク、空冷装置、水冷装置などが適宜あることが好ましい。
【００１６】
なお、実施例においては保護するための保護膜４を設けたが、作動液の動作に対してボンディングワイヤ２が安定であれば、必ずしも保護膜４は必要ではない。例えば、幅１ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのアルミニウムからなるリボンワイヤでボンディングすれば、作動液に対して物理的に安定となり、保護膜４は不要となる。好ましいリボンワイヤの寸法は幅０．５ｍｍ〜２ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ〜０．２５ｍｍである。保護膜４が無い場合は、ボンディングワイヤ及び半導体チップが作動液と直接接触することにより、半導体チップから発生する熱の放熱性がさらに向上する。
【００１７】
本発明の半導体装置を製造するには、実装基板５に半導体チップ１をハンダ３によりダイスボンデイングし、アルミ線からなるボンディングワイヤ２をボンディングし、保護膜４をポッティングする。その後、実装基板５の表面の一部のガラスエポキシからなる絶縁層５ａを除去し、銅を露出させる。露出した面と、銅又はステンレスなどで形成され内部にウィックを有し、上端が開放しているパイプを溶接する。その後、水、アルコール、又は代替フロンなどからなる作動液８をパイプ内に入れ、減圧状態で開放している先端を封止すれば、ヒートパイプ６が完成する。パイプ先端部の封止の方法としては、先端を圧着後、ハンダを流し込むことなどにより行う。
【００１８】
なお、パイプと実装基板の接合方法としては、パッキンを用いてヒートパイプと実装基板をネジ止めしても良い。
【００１９】
なお、保護膜４はＵＶ（紫外線）硬化樹脂でも構わない。
【００２０】
(第２の実施形態)
図２は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【００２１】
シリコン又はサファイア基板上に形成されたＧａＮパワートランジスタなどからなる半導体チップ１１は、複数のハンダまたは金からなるバンプ１２ａにより実装基板１３にフリップチップ実装されている。半導体チップ１１と実装基板１３はエポキシ樹脂からなるアンダーフィル１２ｂにより接続強度が高められている。半導体チップ１１はＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造を有するヘテロ接合電界効果型トランジスタからなり、高電流、高耐圧、低オン抵抗が実現されている。この実装基板１３は、表面側のガラス布基材エポキシ樹脂（ガラスエポキシ）からなる絶縁層１３ａ、裏面側の同じくガラスエポキシからなる絶縁層１３ｃ、及びそれらに挟まれた銅板１３ｂから構成されている。半導体チップ１１は、複数のバンプ１２ａにより、実装基板１３の表面側及び裏面側に銅で形成された配線１３ｄと電気的に接続され、ヒートパイプ６の外部と電気的に接続されている。また、フリップチップ実装が行われた銅で形成された配線１３ｄは、壁面が絶縁層でカバーされているスルーホール１３ｅを介して、裏面側と接続している。このスルーホール１３ｅは、アクリル系又はエポキシ系接着剤１４により塞がれており、作動液８が漏れることはない。そして第１の実施形態と同様に、内部にウィック７を有し、作動液８が内部にあるヒートパイプ６と実装基板１３は一体形成されているため、実装基板１３はヒートパイプ６の壁面の一部と見なすことができる。また、チップの大きさは１〜１０ｍｍ角の大きさであるが、ここから発生する１〜１０ワット以上の熱を放熱するために、ヒートパイプ６の内径は１〜１０ｃｍ、長さは１０〜１００ｃｍ程度あるのが好ましい。この実施例においては、従来１〜１０ワット以上の熱の放熱が必要な大電力用のパワーデバイスのフリップチップ実装が可能になる。
【００２２】
なお、本実施形態において、半導体チップ１１がヒートパイプ６の内部にあり、半導体チップ１１が作動液８と直接接触しているため、半導体チップ１１から発生する熱の放熱性が向上する。
【００２３】
本発明の半導体装置を製造するには、実装基板１３に半導体チップ１１を、フリップチップボンダー装置により、ハンダまたは金からなるバンプ１２ａで接続する。接続強度を高めるために、エポキシ樹脂からなるアンダーフィル１２ｂを塗布して、毛細管現象により実装基板１３と半導体チップ１１の隙間に浸透させた後、２００℃程度に加熱してアンダーフィル１２ｂを硬化させる。同様に、スルーホール１３ｅは、アクリル系又はエポキシ系接着剤１４を塗布、硬化させてスルーホール１３ｅを塞ぐ。
【００２４】
その後、実装基板５の表面の一部のガラスエポキシからなる絶縁層５ａを除去し、銅を露出させる。露出した面と、銅又はステンレスなどで形成され内部にウィックを有し、上端が開放しているパイプを溶接する。その後、水、アルコール、又は代替フロンなどからなる作動液８をパイプ内に入れ、減圧状態で開放している先端を封止すれば、ヒートパイプ６が完成する。パイプ先端部の封止の方法としては、先端を圧着後、ハンダを流し込むことなどにより行う。
【００２５】
なお、アンダーフィル１２ｂと接着剤１４は同じ材料を使うことで、工程を同時に行うことも可能である。
【００２６】
なお、実装基板１３と半導体チップ１１の接続に関して、接続強度が十分高い場合には、必ずしもアンダーフィル１２ｂを用いる必要がない。その場合、半導体チップ１１の表面が作動液８に直接接触するため、放熱効果はより高くなる。
【００２７】
なお、パイプと実装基板の接合方法としては、パッキンを用いてヒートパイプと実装基板をネジ止めしても良い。
【００２８】
（第２の実施形態の第１変形例）
図３は本発明の第２の実施例の第１変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
【００２９】
本実施例は第２の実施例に加えて、半導体チップ１１の裏面にアルミニウムからなる放熱器１５が装着されている。半導体チップ１１の裏面からの熱は、放熱器１５に速やかに拡散して、そこから作動液８に伝わる。放熱器１５は表面に凹凸形状を有しており、半導体チップ１１よりも十分に表面積が大きくなっているため、この構成により、さらに放熱効果を高めることができる。
【００３０】
(第３の実施形態)
図４は本発明の第３の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【００３１】
本実施例は従来のパッケージングされた半導体チップを用いることにより、実装基板を用いない場合の実施例である。ＴＯ−２２０等の半導体パッケージ２１には、シリコン又はサファイア基板上に形成されたＧａＮパワートランジスタからなる半導体チップがパッケージングされている。半導体パッケージ２１はヒートパイプ２５内において、銅などの金属からなる固定板２３にシリコングリス（図示せず）とネジ２２により固定されている。なお、固定板２３は半導体パッケージ２１から発生する熱を速やかに放熱する放熱器の役割も有する。半導体パッケージ２１の３つの端子は、リード線２４に接続され、電気信号はヒートパイプ２５の外部に取り出される。リード線２４はヒートパイプ２５の壁に開けた穴を通っているが、ヒートパイプ２５の壁に開けた穴の隙間を接着剤１４で覆うことにより、作動液８が漏れないようになっている。
【００３２】
なお、いずれの実施例においてもパワートランジスタの半導体チップを構成する半導体材料として、ＧａＮを用いたが、発熱密度が高くなるパワートランジスタの半導体チップを構成する半導体材料として他のワイドバンドギャップ半導体材料でも構わない。例えば、炭化珪素(ＳｉＣ)やダイヤモンド（Ｃ）などである。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上に説明したように、本発明の半導体装置では、半導体チップが直接又は薄い膜厚の保護膜又は半導体パッケージのみを介してヒートパイプの作動液に接触するために、半導体チップからの熱は速やかに放熱される。そのため、ワイドバンドギャップ半導体である窒化物半導体又は炭化珪素（ＳｉＣ）などから形成された小型で発熱が大きなパワートランジスタからなる半導体装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図
【図２】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図
【図３】本発明の第２の実施形態の第１変形例に係る半導体装置を示す断面図
【図４】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置を示す断面図
【図５】従来の半導体装置を示す断面図
【符号の説明】
【００３５】
１  半導体チップ
２  ボンディングワイヤ
３  マウント剤
４  保護膜
５  実装基板
５ａ  絶縁層
５ｂ  銅板
５ｃ  絶縁層
５ｄ  配線
５ｅ  スルーホール
６  ヒートパイプ
７  ウィック
８  作動液
１１  半導体チップ
１２ａ  バンプ
１２ｂ  アンダーフィル
１３  実装基板
１３ａ  絶縁層
１３ｂ  銅板
１３ｃ  絶縁層
１３ｄ  配線
１３ｅ  スルーホール
１４  接着剤
１５  放熱器
２１  半導体パッケージ
２２  ネジ
２３  固定板
２４  リード線
２５  ヒートパイプ
２６  ウィック
【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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