JP2005302882A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体である半導体チップ２ａを低熱抵抗で冷却すると同時に、冷媒の漏れを防ぐ半導体装置を安価に提供する。
【解決手段】半導体装置は、第１の主面１５ａと第１の主面１５ａに対向する第２の主面１５ｂとを有するベースプレート１と、第１の主面１５ａに接合された半導体チップ２ａと、半導体チップ２ａが実装されたヒートシンク８とを有し、ヒートシンク８は、第２の主面１５ｂに接合された接合面１６を有する本体部３と、第１の主面１５ａの外周部分に配置された押さえ部４とを有し、本体部３及び押さえ部４がベースプレート１を挟み、接合面１６には半導体チップ２ａが配置されている位置に対応して第１の開孔部９が形成され、本体部３の内部と第１の開孔部９から表出した第２の主面１５ｂとで囲まれた冷媒室１１を流通する冷媒は第１の開孔部９を介して第２の主面１５ｂに直接接触する。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、発熱体としての半導体チップと半導体チップが実装されたヒートシンクとを有する半導体装置に関する。

従来から、半導体素子が形成された半導体チップをヒートシンク上に配置し、半導体チップで発生する熱をヒートシンクが冷却する半導体装置が知られている（例えば、特許文献１など参照）。特許文献１に開示されたヒートシンク（発熱体冷却装置）は、その内部に開孔部を有する仕切り板を設けている。ヒートシンクを流通する冷媒がこの開孔部を通過することによって、冷媒の噴流は半導体チップが配置されている位置に対応するヒートシンクの裏面に直接衝突する。これにより、発熱体である半導体チップの高効率な冷却が可能となる。
特開2002-237691号公報

しかし、ヒートシンクに半導体チップを実際に実装する場合、特許文献１の第１図のように半導体チップを半田付けなどでヒートシンクの主面上に直接に実装することは難しい。一般的な実装方法の一例としては、セラミックス基板などの平板に半導体チップを半田付けなどで機械的に固定し、ボンディングワイヤ又はバンプなどを用いて半導体チップ表面の電極パッドとの電気的接続を予め行い、その後、このセラミックス基板をシリコングリスなどを介してヒートシンク主面上に実装する方法がある。即ち、現実的には、ヒートシンクの主面にシリコングリスなどを介してセラミックス基板が実装され、セラミックス基板の上に半田を介して半導体素子が実装された積層構造を有しているのが一般的であり、ヒートシンクと半導体チップの間の熱抵抗は大きく、効率的な冷却は難しい。

また、内部に冷媒を通す開孔部を有するヒートシンクは内部構造が複雑なため、一体の構造体として成型することは困難である。ヒートシンクを幾つかの構成部材に分け、これらを接合してヒートシンク全体を形成するのが現実的である。即ち、ヒートシンクの下面板と、開孔部を有する仕切り板と、上面板とを、それぞれ側面板を用いて半田付け、ろう付け、溶接、接着などの方法で接合してヒートシンク全体を形成する。なお、上面板と側面板、または下面板と側面板は一体の構造体としてそれぞれ成型することは可能である。

よって上記の現実的な構造により以下の問題点が生じる。

第１に、ヒートシンクの構造が複雑であり、加工費などのコストが高くなる。特に、ヒートシンクの内部に開孔部を有する仕切り板を設ける場合、ヒートシンクの内部構造が複雑になり、コスト上昇が顕著になる。また、ヒートシンク全体を、例えばアルミニウムを鋳型に流し込んで一体成型することが困難になる場合がある。その結果として、複数の金属板に必要な加工を施し、それらを接合して一体のヒートシンクに形成する必要があり、さらにコスト上昇が顕著になる。

第２に、半導体チップをさらに効率良く冷却するために、比較的熱抵抗の大きいシリコングリスを介さずに、半導体チップが実装されているセラミックス基板の裏面に冷媒の噴流を直接衝突させることが効果的であると考えられる。しかし、セラミックス基板をヒートシンク上面に半田付け等の低熱抵抗接合材料を用いて直接接合する際、ヒートシンク内部が中空もしくはヒートシンク上面の裏面側が必ずしも平坦でないことにより、半田付け工程にて必要な昇温条件を得難く、実現困難である。

本発明の特徴は、第１の主面と第１の主面に対向する第２の主面とを有するベースプレートと、第１の主面に接合された半導体チップと、半導体チップが実装されたヒートシンクとを有する半導体装置であって、ヒートシンクは、ベースプレートの第２の主面に接合された接合面を有する本体部と、ベースプレートの第１の主面の外周部分に配置された押さえ部とを有し、本体部及び押さえ部がベースプレートを挟み、本体部の接合面には半導体チップが配置されている位置に対応して第１の開孔部が形成され、本体部の内部と第１の開孔部から表出したベースプレートの第２の主面とで囲まれた領域で定義される冷媒室を流通する冷媒は第１の開孔部を介してベースプレートの第２の主面に直接接触することを要旨とする。

本発明によれば、発熱体である半導体チップを低熱抵抗で冷却すると同時に、冷媒の漏れを防ぐ半導体装置を安価に提供することが出来る。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

（第１の実施の形態）
本発明の第１乃至第５の実施の形態においては、発熱体及び当該発熱体から生じる熱を冷却するヒートシンクを有する装置の一例として、半導体素子が形成された半導体チップ及び半導体チップからの発熱を冷却するヒートシンクを備えた半導体装置について説明する。

図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係わる半導体装置は、セラミックス基板又はセラミックス基板及び金属材料を積層した積層基板からなるベースプレート１と、ベースプレート１の中央部分に配置された複数の半導体チップ（例えば、第１乃至第３の半導体チップ）２ａ〜２ｃと、第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃの外周を取り囲むようにベースプレート１の外周部分に配置された押さえ部４とを有する。

図２に示すように、図１の半導体装置はＡ−Ａ’切断面において、第１の主面１５ａと第１の主面１５ａに対向する第２の主面１５ｂとを有するベースプレート１と、ベースプレート１の第１の主面１５ａに接合された第１の半導体チップ２ａと、第１及び第２の主面１５ａ、１５ｂの外周部分を挟み込むヒートシンク８とを有する。

ヒートシンク８は、ベースプレート１の第２の主面１５ｂに接合された接合面１６を有する本体部３と、ベースプレート１の外周部分に配置された押さえ部４と、本体部３の内部にベースプレート１に平行に配置された仕切り板５と、本体部３の接合面１６上に配置された本体突起部６と、ベースプレート１に接する押さえ部４の面上に配置された押さえ突起部７とを備える。

本体部３の接合面１６には第１の半導体チップ２ａが配置されている位置に対応して第１の開孔部９が形成されている。本体部３の内部と第１の開孔部９から表出したベースプレート１の第２の主面１５ｂとで囲まれた領域は、第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃからの発熱を冷却する冷媒が流通する「冷媒室１１」として定義される。したがって、冷媒室１１を流通する冷媒は、第１の開孔部９を介してベースプレート１の第２の主面１５ｂに直接接触することになる。

ベースプレート１は本体突起部６及び押さえ突起部７により挟み込まれている。本体部３、押さえ部４、本体突起部６及び押さえ突起部７により囲まれた空間に接着材などの充填材１４が隙間無く充填されている。押さえ部４、ベースプレート１及び本体部３は充填材１４により隙間無く接着接合している。その他、本体部３と押さえ部４との接合は、半田付け、溶接などを用いても構わない。

仕切り板５は、第１の半導体チップ２ａが配置されている位置に対応して第２の開孔部１０を有する。冷媒室１１は、仕切り板５を境にしてベースプレート１側に位置する第１の冷媒室１２と第２の冷媒室１３とに分けられている。

本体部３及び押さえ部４の少なくとも何れか一方は樹脂材料から形成されていることが望ましい。また、本体突起部６は本体部３より軟らかい材料から形成されていることが望ましい。更に、押さえ突起部７は押さえ部４より軟らかい材料から形成されていることが望ましい。

図３に示すように、図１のＢ−Ｂ’切断面において、第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃがベースプレート１の第１の主面１５ａ上に配置されている。本体部３の接合面１６には第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃが配置されている位置に対応して第１の開孔部９が形成されている。仕切り板５は、第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃが配置されている位置に対応して３つの第２の開孔部１０を有する。

冷媒が冷媒室１１の内部へ流入するための冷媒流入孔１７が第２の冷媒室１３の一部に配置され、冷媒が冷媒室１１の内部から流出するための冷媒流出孔１８が第１の冷媒室１２の一部に配置されている。冷媒は、冷媒流入孔１７から第２の冷媒室１３内に流入し、第２の開孔部１０を経て第２の冷媒室１３から第１の冷媒室１２へ流れ、冷媒流出孔１８から流出する。第２の開孔部１０を通過して第２の冷媒室１３から第１の冷媒室１２へ流れる時に、冷媒の噴流は、第１の開孔部９を経てベースプレート１の第２の主面１５ｂに直接衝突する。

次に、図１乃至図３に示した半導体装置の製造方法を、図４乃至図６の各分図を参照して説明する。

（イ）先ず、図４（ａ）に示す本体突起部６と図４（ｂ）に示す本体部３の上面板３ａとを用意し、図４（ｃ）に示すように、本体突起部６と上面板３ａとを例えば接着材或いは熱溶着により接合する。なお同様にして、押さえ突起部７と押さえ部４をそれぞれ用意し、両者を例えば接着材或いは熱溶着により接合する。

（ロ）図５（ａ）に示す本体突起部６と上面板３ａの結合体と、図５（ｂ）に示す仕切り板５と、図５（ｃ）に示す本体部３の下側面板３ｂとを用意し、本体突起部６と上面板３ａの結合体、仕切り板５及び下側面板３ｂを、図５（ｄ）に示すように例えば接着材或いは熱溶着により接合する。本体部３の内部に仕切り板５が配置され、本体部３の接合面１６上に本体突起部６が配置される。

（ハ）図６（ａ）に示すように、ベースプレート１の第１の主面１５ａに第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃを実装する。具体的には、第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃを半田付けなどで第１の主面１５ａに機械的に固定する。そして、必要に応じてボンディングワイヤなどを用いて第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃ表面の電極パッドとの電気的接続を行なう。

（ニ）図６（ｂ）に示すように、図５（ｄ）の本体部３の接合面１６上に、図６（ａ）のベースプレート１の第２の主面１５ｂを合わせて載置する。このとき、接合面１６と第２の主面１５ｂとの間に本体突起部６が配置されている。また、本体部３の第１の開孔部９と第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃが配置されている位置が重なるようにベースプレート１を載置する。本体部３の内部と第１の開孔部９から表出したベースプレート１の第２の主面１５ｂとで囲まれた冷媒室１１が形成され、仕切り板５により冷媒室１１が第１の冷媒室１２及び第２の冷媒室１３に分けられる。

（ホ）最後に、図６（ｃ）に示すように、ベースプレート１の第１の主面１５ａ側からベースプレート１の外周部分に押さえ部４を載置する。このとき、ベースプレート１の第１の主面１５ａと押さえ部４との間には押さえ突起部７が配置されている。このように、ベースプレート１は、その両面１５ａ、１５ｂから本体部３及び押さえ部４により挟み込まれる。この状態のまま、本体部３、押さえ部４、本体突起部６及び押さえ突起部７により囲まれた空間に充填材１４を隙間無く充填して、押さえ部４、ベースプレート１及び本体部３を接着接合する。以上の工程を経て図１乃至図３に示した半導体装置が完成する。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、本体部３の内部と第１の開孔部９から表出したベースプレート１の第２の主面１５ｂとで囲まれた領域が冷媒室１１として定義され、冷媒室１１を流通する冷媒は、第１の開孔部９を介してベースプレート１の第２の主面１５ｂに直接接触することになる。したがって、発熱体である第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃを低熱抵抗で冷却することが出来る。即ち、従来のシリコングリスのような比較的熱抵抗の大きい部分を介すること無く、第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃで生じる熱を冷媒に伝達することが出来る。

また、ベースプレート１の外周部分を押さえ部４及び本体部３で挟むことにより、冷媒の漏れを防ぎつつ、押さえ部４と本体部３が別々の構造体であるのでこれら両者を容易に成型することが出来る。

更に、冷媒が第２の冷媒室１３から第２の開孔部１０を経て第１の冷媒室１２へ流れることにより、冷媒の噴流は第１の開孔部９を経てベースプレート１の第２の主面１５ｂに直接衝突することになる。したがって、さらにベースプレート１上の第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃを効率良く冷却することが出来る。

更に、本体部３と押さえ部４とを樹脂材料で形成した場合には、これらの材料費が低減できると共に、両者の形状が複雑であっても、低コストで容易に成型加工できる。また、樹脂材料は一般的に絶縁体であるので、ベースプレート１或いはベースプレート１上の配線領域がヒートシンク８の一部分に接触し得る本構造においても、第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃの電気的絶縁を容易に図ることが出来る。

更に、本体部３とベースプレート１の間、及び押さえ部４とベースプレート１の間にそれぞれ本体突起部６及び押さえ突起部７を配置して、本体突起部６と押さえ突起部７とでベースプレート１を挟むことにより、本体突起部６及び押さえ突起部７がＯリング的な作用を成し、さらに上記の冷媒漏れ防止効果を高めることができる。ここで「Ｏリング的な作用」とは、本体突起部６及び押さえ突起部７とベースプレートとの間での材料の硬さの相違により、何れか一方が変形することによって両者の密着度合いを高める作用をいう。Ｏリング的な作用が発生する理由の概略を図７を参照して説明する。冷媒の圧力、例えば冷媒が水ならば水圧が、本体部３の接合面１６の裏面側とベースプレート１の第２の主面１５ｂに印加される。その結果、本体突起部６がベースプレート１の第２の主面１５ｂに押し付けられると共に、ベースプレート１の第１の主面１５ａが押さえ突起部７に押し付けられる。その押付圧力が面積の小さい突起部６、７の先端部に集中し、例えば突起部６、７の先端部が若干の潰れ変形を起こすことにより、さらに冷媒漏れ防止機能が高まる。したがって、従来のＯリングを用いる場合のような、Ｏリング自体の幅やＯリングに均一に圧力を印加するための高密度なネジ留め施工による大きなスペースは不要となり、装置の小型化が実現可能である。

更に、本体部３、押さえ部４、ベースプレート１の外周部分を接着材などの充填材１４で隙間無く接着接合しているので、上述した突起部６、７のＯリング的な作用と相まって冷媒漏れ防止効果が向上する。また、一般的に樹脂材料と接着材は高い接着力を発揮することが容易である。したがって、本体部３と押さえ部４とを樹脂材料で形成した場合には、上記の冷媒漏れ防止効果がより一層顕著になる。

更に、図４及び図５に示したように、本体部３若しくは本体部３と仕切り板５とを複数の板材を積層して形成する場合には、本体部３及び仕切り板５が複雑な形状であっても、低コストで形成することができる。特に、本体部３及び仕切り板５の板材として樹脂材料を用いれば、各部材を容易に成型することが出来、各部材間を加熱溶着又は接着などにより容易に積層接合することが出来る。なお、図４及び図５に示したように、第１の実施の形態では、本体部３及び仕切り板５の結合体が複数の板材３ａ、３ｂ、５を積層接合することにより形成されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されることは無い。例えば、本体部３または本体部３及び仕切り板５が、一体成型された一体の構造体であっても構わない。本体部３または本体部３と仕切り板５を一体の構造体として形成すれば、部品点数が減り低コスト化が図れる。

更に、本体部３より本体突起部６を軟らかい材料で形成し、押さえ部４より押さえ突起部７を軟らかい材料で形成することにより、次の作用効果が生じる。即ち、本体部３や押さえ部４自体は硬い材料で形成して機械的強度を増し、冷媒の圧力が印加されても変形等が生じないように確実にできる。また、本体突起部６及び押さえ突起部７は軟らかい材料で形成して、冷媒の圧力による加重を本体突起部６及び押さえ突起部７の先端部に集中させて押し潰す事により、一層確実に冷媒漏れを防止できる。特に、本体部３、押さえ部４、及びこれらの突起部６、７の構成材料として、樹脂材料を用いる場合には、本体部３及び押さえ部４とこれら突起部６、７との間で構成材料を変えて上記効果を容易に得ることが出来、かつ本体部３及び押さえ部４とこれら突起部６、７とが異なる材料でも容易に接合させることが可能である。

更に、本発明の第１の実施の形態では、ベースプレート１が、セラミックス基板又はセラミックス基板と金属部材との積層部材により形成されている場合について説明した。この場合、電気的絶縁と配線領域形成の為にセラミックス基板上に第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃを実装した構造においても、セラミックス基板の裏面に直接冷媒を接触させることができるので、十分に低い熱抵抗で第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃを冷却することが可能になる。また、セラミックス基板の裏面に金属板によるベースプレート等の別材料を設ける必要が無いので、積層構造が簡素化され、これにより低熱抵抗化と低コスト化を図れる。また同時に、セラミックス基板とヒートシンク８の本体部３とを半田などの剛体材料で接合することは無いので、異種材料（セラミックス基板と本体部３）間の熱膨張係数相違による熱応力によって信頼性上の問題が生じることも回避できる。

なお、背景技術の欄で示した特許文献１に開示された発熱体冷却装置において、半導体チップをセラミックス基板上に実装し、ヒートシンク上面を開口し、セラミックス基板の裏面が直接冷媒に接触するように構成した場合、ヒートシンク開口部分とセラミックス基板の接合界面において冷媒漏れが起きない構造上の対策が困難となる。接着または半田付けあるいは溶接により接合した場合、一般にセラミックス基板とヒートシンクを構成する金属材料とでは熱膨張係数が異なり、熱応力による信頼性上の懸念がある。さらに、冷媒の圧力が該接合を剥がす方向に作用するので、前記の信頼性上の懸念と相まって、冷媒漏れの可能性を否定できない。また、半導体チップが実装されているセラミックス基板に対して半田付けや溶接を行なう際の高温工程により半導体チップに損傷を与える懸念、あるいは必要な温度まで昇温させ難い等の問題が有る。これに対して、本発明の第１の実施の形態に係わる半導体装置によれば、上述したようにベースプレート１とヒートシンク８との接合の信頼性は高く、より確実に冷媒漏れを防止することが出来る。

（第２の実施の形態）
図８に示すように、本発明の第２の実施の形態に係わる半導体装置は、金属板からなるベースプレート１と、ベースプレート１の中央部分に配置された第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃと、第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃの外周を取り囲むようにベースプレート１の外周部分に配置された押さえ部４とを有する。押さえ部４は、ベースプレート１の外周部分の３辺側に配置された第１の押さえ部４ａと、ベースプレート１の外周部分の残りの１辺側に配置された第２の押さえ部４ｂとを有する。

なお、第２の実施の形態に係わる半導体装置の断面構造は、図２及び図３に示した半導体装置の断面構造と同一であり、図示を省略する。第１の押さえ部４ａは、ベースプレート１の外周部分の３辺側に配置されている。第２の押さえ部４ｂは、ベースプレート１の外周部分の残りの１辺側に配置されている。その他の構成要素は図２及び図３に示した半導体装置と同一であり、説明を省略する。

図９を参照して図８の半導体装置の製造工程の一部を説明する。第１の実施の形態においては図６に示したように、ベースプレート１を本体部３の上に載置した後にベースプレート１の外周部分を押さえ部４で挟み込んでいた。これに対して、図８の半導体装置の製造工程では、図９に示すように、ベースプレート１を本体部３の上に載置する前に、第１の押さえ部４ａを予め本体部３に接合する、或いは、本体部３と第１の押さえ部４ａを一体の構造体として成型する。その後、本体部３と第１の押さえ部４ａとが対向している間に第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃを実装したベースプレート１をベースプレート１の外周部分の残りの１辺側から挿入する。なお、ベースプレート１を挿入する前に、本体部３と第１の押さえ部４ａとが対向している間には予め充填材１４としての接着材を塗布しておく。ベースプレート１を挿入した後、ベースプレート１の外周部分の残りの１辺側を第２の押さえ部４ｂで挟み込む。

その他の製造工程は、第１の実施の形態の半導体装置と同一であり、説明及び図示を省略する。

以上説明したように、本発明の第２の実施の形態によれば、ベースプレート１の外周部分の３辺側は、第１の押さえ部４ａと本体部３とが予め接合されているので、冷媒漏れの懸念が無く、接合強度も十分に高く確保することが出来る。ベースプレート１の外周部分の残りの１辺側についても、本体部３、第２の押さえ部４ｂ、本体突起部６及び押さえ突起部６により囲まれた空間に充填材１４を充填するなどの冷媒漏れ防止の対策を施せば良い。残りの１辺側に印加される冷媒圧力の加重も小さくなることもあり、冷媒漏れ防止構造の形成がより一層容易になる。特に、前記したように本体部３又は本体部３及び第１及び第２の押さえ部４ａ、４ｂに樹脂材料を用いる場合には、第１の押さえ部４ａと本体部３とを同一の構造体にすること、あるいは積層結合体として接合することを容易に行なうことが可能になる。

（第３の実施の形態）
図１０に示すように、本発明の第３の実施の形態に係わる半導体装置は、金属板からなるベースプレート１と、ベースプレート１の中央部分に配置された第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃと、第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃの外周を取り囲むようにベースプレート１の外周部分に配置された押さえ部４とを有する。押さえ部４は、ベースプレート１の外周部分の３辺側に配置された第１の押さえ部４ａと、ベースプレート１の外周部分の残りの１辺側に配置された第２の押さえ部４ｂと、隣接する第１及び第２の半導体チップ２ａ、２ｂの間に配置された第３の押さえ部４ｃと、隣接する第２及び第３の半導体チップ２ｂ、２ｃの間に配置された第４の押さえ部４ｄとを有する。

図１１に示すように、図１０のＣ−Ｃ’切断面において、第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃがベースプレート１の第１の主面１５ａ上に配置されている。本体部３の接合面１６には第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃが配置されている位置に対応して３つの第１の開孔部９が形成されている。仕切り板５は、第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃが配置されている位置に対応して３つの第２の開孔部１０を有する。

冷媒が冷媒室１１の内部へ流入するための冷媒流入孔１７が第２の冷媒室１３の一部に配置され、冷媒が冷媒室１１の内部から流出するための冷媒流出孔１８が第１の冷媒室１２の一部に配置されている。冷媒は、冷媒流入孔１７から第２の冷媒室１３内に流入し、第２の開孔部１０を経て第２の冷媒室１３から第１の冷媒室１２へ流れ、冷媒流出孔１８から流出する。第２の開孔部１０を通過して第２の冷媒室１３から第１の冷媒室１２へ流れる時に、冷媒の噴流は、第１の開孔部９を経てベースプレート１の第２の主面１５ｂに直接衝突する。

第３の押さえ部４ｃ及び押さえ突起部７は、隣接する第１及び第２の半導体チップ２ａ、２ｂの間に配置され、第４の押さえ部４ｄ及び押さえ突起部７は、隣接する第２及び第３の半導体チップ２ｂ、２ｃの間に配置されている。また、本体部３及び本体突起部６は、隣接する第１及び第２の半導体チップ２ａ、２ｂの間、及び隣接する第２及び第３の半導体チップ２ｂ、２ｃの間にもそれぞれ配置されている。第３及び第４の押さえ部４ｃ、４ｄと本体部３は、隣接する半導体チップ２ａ〜２ｃの間のベースプレート１を挟む。

なお、第３の実施の形態に係わる半導体装置の図２に対応する断面構造は、図２に示した半導体装置の断面構造と同一であり、図示及び説明を省略する。

以上説明したように、本発明の第３の実施の形態によれば、ベースプレート１上に複数の半導体チップ２ａ〜２ｃが実装されることによりベースプレート１のサイズが大きくなり、これによりベースプレート１に加わる冷媒圧力加重が増大する場合でも、確実にベースプレート１を固定でき、冷媒漏れをより一層確実に防止することが可能になる。

（第４の実施の形態）
図１２は、本発明の第４の実施の形態に係わる半導体装置を示す断面図であって、図２に対応する断面図である。図１２に示すように、本発明の第４の実施の形態に係わる半導体装置において、押さえ部２４の端部はコの字型形状を有し、本体部３の側面はコの字型形状の内部に差し込まれている。その他の断面構造は図２に示した半導体装置の断面構造と同一であり、説明を省略する。

なお、第４の実施の形態に係わる半導体装置の平面構造及び断面構造は、図１及び図３に示した半導体装置の平面構造及び断面構造と同一であり、図示及び説明を省略する。

以上説明したように、本発明の第４の実施の形態によれば、押さえ部２４が本体部３とさらに強固に結合することができるため、冷媒圧力がベースプレート１の第２の主面１５ｂに加重されても、冷媒漏れをより一層確実に防止することが可能になる。また、前述したように、押さえ部２４に樹脂材料を用いる場合には、押さえ部２４の端部をコの字型形状に容易に延伸することができる。

（第５の実施の形態）
図１３は、本発明の第５の実施の形態に係わる半導体装置を示す断面図であって、図２に対応する断面図である。図１３に示すように、本発明の第５の実施の形態に係わる半導体装置において、ベースプレート１の第１の主面１５ａ側に半導体チップがモールド樹脂により封止された密閉体としてのモジュール２５が配置され、本体部３と押さえ部２６はベースプレート１及びモジュール２５を挟んでいる。また、押さえ部２６の端部はコの字型形状を有し、モジュール２５、ベースプレート１及び本体部３の側面はコの字型形状の内部に差し込まれている。その他の断面構造は図２に示した半導体装置の断面構造と同一であり、説明を省略する。

以上説明したように、本発明の第５の実施の形態によれば、例えばパワーモジュールのように予めベースプレート１の第１の主面１５ａ側に密閉されたモジュール体が配置されていても、第１乃至第４の実施の形態で示した同様な作用効果を奏することが出来る。更に、一般的にパワーモジュールは工業的に大量に生産され低コストが見込める、すなわち、工業的に量産効果が出て低コスト化を図り易く、低熱抵抗を実現できる半導体装置（例えば、パワーモジュール）を低コストで生産することが可能になる。

（第５の実施の形態の変形例）
図１４に示すように、本発明の第５の実施の形態の変形例に係わる半導体装置は、押さえ部２６、本体部３、ベースプレート１、及びモジュール２５を圧接接合する固定部品（例えば、ネジ）２７を更に有する。その他の断面構造は図１３に示した半導体装置の断面構造と同一であり、説明を省略する。

以上説明したように、本発明の第５の実施の形態の変形例によれば、上述した第５の実施による効果に加えて、冷媒水圧がベースプレート１の第２の主面１５ｂに加重されても、冷媒漏れをさらに確実に防ぐことが可能になる。また、冷媒漏れ防止機構は、本体部３と押さえ部２６あるいは本体部３と押さえ部２６の端部と、ベースプレート１の挟み込み部分（外周部分）とに加えて、充填材１４にて実現されている。よって、ネジ２７等の固定部品を短い間隔で数多く設ける必要は必ずしも無く、装置全体の集積化／小型化を阻害しないことが可能になる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、第１乃至第５の実施の形態及びその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

第２乃至第５の実施の形態及びその変形例では、ベースプレート１が金属板からなる場合について説明した。しかし、本発明はこれに限定されるもので無く、第１の実施の形態と同様に、ベースプレート１がセラミックス基板又はセラミックス基板と金属材料との積層部材により形成されていても構わない。この場合、各実施例の効果に加えて以下の効果も生じる。即ち、電気的絶縁と配線領域形成の為にセラミックス基板上に第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃを実装した場合についても、セラミックス基板の裏面（第２の主面１５ｂ）に直接冷媒が接触するので、十分に低い熱抵抗で第１乃至第３の半導体チップ２ａ〜２ｃを冷却することが可能になる。また、セラミックス基板の裏面に金属板によるベースプレート等の別材料を設ける必要が無いので、積層構造が簡素化され、低熱抵抗化と低コスト化を図れる。更に、セラミックス基板とヒートシンク８の本体部３とを半田などの剛体材料で接合する必要が無いので、異種材料間の熱膨張係数相違による熱応力によって信頼性上の問題が生じることも回避することが可能になる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

このように、本発明の第１乃至第５の実施の形態によれば、製造容易な構造で、かつ樹脂など安価材料を用いて半導体装置を構成できるため、低コスト化が図り易い。また、半導体チップが実装されているセラミックス基板に対する信頼性上の懸念を与えずに、低熱抵抗での冷却ができる。更に、冷媒を半導体チップが実装されている位置に対応するセラミック基板の裏面に直接接触させる構造であっても、冷媒漏れ防止を確実に図れると共に、構成材料の熱膨張係数の相違による熱応力に起因する信頼性上の懸念も無い。更に、低コスト化が見込み易いパワーモジュールを用いることも容易である。

本発明は、例えば、電気自動車用モータなどの交流モータを駆動するために供せられるインバータ装置として産業上利用することが出来る。

本発明の第１の実施の形態に係わる半導体装置を示す平面図である。 図１の半導体装置のＡ−Ａ’切断面に沿った断面図である。 図１の半導体装置のＢ−Ｂ’切断面に沿った断面図である。 図４（ａ）は本体突起部を示し、図４（ｂ）は本体部の上面板に示し、図４（ｃ）は本体突起部と上面板が接合された状態を示す断面図である。 図５（ａ）は本体突起部と上面板の結合体を示し、図５（ｂ）は仕切り板を示し、図５（ｃ）は本体部の下側面板を示し、図５（ｄ）は本体部と仕切り板と本体突起部の積層結合体を示す断面図である。 図６（ａ）は第１の半導体チップとベースプレートの積層結合体を示し、図６（ｂ）は図６（ａ）の積層結合体を図５（ｄ）の積層結合体の上に載置した状態を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係わる半導体装置が奏する作用効果の一部を説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態に係わる半導体装置を示す平面図である。 図８の半導体装置の製造工程の一部を示す工程平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係わる半導体装置を示す平面図である。 図１０の半導体装置のＣ−Ｃ’切断面に沿った断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係わる半導体装置を示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係わる半導体装置を示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態の変形例に係わる半導体装置を示す断面図である。

符号の説明

１…ベースプレート
２ａ…第１の半導体チップ
２ｂ…第２の半導体チップ
２ｃ…第３の半導体チップ
３…本体部
３ａ…上面板
３ｂ…下側面板
４、２４、２６…押さえ部
４ａ…第１の押さえ部
４ｂ…第２の押さえ部
４ｃ…第３の押さえ部
４ｄ…第４の押さえ部
５…仕切り板
６…本体突起部
７…押さえ突起部
８…ヒートシンク
９…第１の開孔部
１０…第２の開孔部
１１…冷媒室
１２…第１の冷媒室
１３…第２の冷媒室
１４…充填材
１５ａ…第１の主面
１５ｂ…第２の主面
１６…接合面
１７…冷媒流入孔
１８…冷媒流出孔
２５…モジュール
２７…ネジ

Claims (16)

1. 第１の主面と第１の主面に対向する第２の主面とを有するベースプレートと、
   前記第１の主面に接合された半導体チップと、
   前記第２の主面に接合された接合面を有する本体部と、前記第１の主面の外周部分に配置された押さえ部とを有し、前記本体部及び前記押さえ部が前記ベースプレートを挟むヒートシンクとを有し、
   前記接合面には前記半導体チップが配置されている位置に対応して第１の開孔部が形成され、前記本体部の内部と前記第１の開孔部から表出した前記第２の主面とで囲まれた領域で定義される冷媒室を流通する冷媒は前記第１の開孔部を介して前記第２の主面に直接接触することを特徴とする半導体装置。
2. 前記ヒートシンクは、前記本体部の内部に前記ベースプレートに平行に配置された仕切り板を更に有し、前記仕切り板は、前記半導体チップが配置されている位置に対応して第２の開孔部を有し、前記冷媒室は、前記仕切り板を境にして前記ベースプレート側に位置する第１の冷媒室と第２の冷媒室とに分けられ、前記冷媒は前記第２の冷媒室から前記第２の開孔部を経て前記第１の冷媒室へ流れることにより前記第１の開孔部を経て前記第２の主面に衝突することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記本体部及び前記押さえ部の少なくとも何れか一方は樹脂材料から形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
4. 前記本体部又は前記本体部及び前記仕切り板は、一体の構造体であることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の半導体装置。
5. 前記本体部又は前記本体部及び前記仕切り板は、複数の板材を積層接合することにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の半導体装置。
6. 前記ヒートシンクは、前記接合面上に配置された本体突起部と、前記ベースプレートに接する前記押さえ部の面上に配置された押さえ突起部とを更に有し、前記ベースプレートは前記本体突起部及び前記押さえ突起部により挟み込まれ、前記本体部、前記押さえ部、前記本体突起部及び前記押さえ突起部により囲まれた空間に充填材が充填されていることを特徴とする請求項１乃至５何れか１項記載の半導体装置。
7. 前記充填材は接着材であることを特徴とする請求項６記載の半導体装置。
8. 前記本体突起部は前記本体部より軟らかい材料から形成されていることを特徴とする請求項６又は７記載の半導体装置。
9. 前記押さえ突起部は前記押さえ部より軟らかい材料から形成されていることを特徴とする請求項６乃至８何れか１項記載の半導体装置。
10. 前記押さえ部は、前記ベースプレートの外周部分の３辺側に配置された第１の押さえ部と、前記外周部分の残りの１辺側に配置された第２の押さえ部とに分けられ、第１の押さえ部は、前記ベースプレートを挟む前に予め前記本体部に接合されていることを特徴とする請求項１乃至９何れか１項記載の半導体装置。
11. 前記第１の主面に接合された第２の半導体チップを更に有し、前記本体部と前記押さえ部は、前記半導体チップと前記第２の半導体チップとの間にも配置されて前記ベースプレートを挟むことを特徴とする請求項１乃至１０何れか１項記載の半導体装置。
12. 前記押さえ部の端部はコの字型形状を有し、前記本体部の側面は前記コの字型形状の内部に差し込まれていることを特徴とする請求項１乃至１１何れか１項記載の半導体装置。
13. 前記ベースプレートの第１の主面側に前記半導体チップがモールド樹脂により封止された密閉体としてのモジュールが配置され、前記本体部と前記押さえ部は、前記ベースプレート及び前記モジュールを挟むことを特徴とする請求項１乃至１２何れか１項記載の半導体装置。
14. 前記押さえ部及び前記本体部を圧接接合する固定部品を更に有することを特徴とする請求項１乃至１３何れか１項記載の半導体装置。
15. 前記ベースプレートは、セラミックス基板又はセラミックス基板及び金属材料を積層した積層基板であることを特徴とする請求項１乃至１４何れか１項記載の半導体装置。
16. 前記半導体装置は、負荷としての交流モータを駆動する為に供せられるインバータ装置からなることを特徴とする請求項１乃至１５何れか１項記載の半導体装置。