JP2008270296A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having high heat dissipation performance by utilizing a heat pipe. <P>SOLUTION: A chip unit 10 includes a semiconductor chip 11, a metal wiring 23 for supporting the semiconductor chip, a wiring supporting substrate 22 for supporting the metal wiring 23, a heat sink member 21 coupled to the wiring supporting substrate 22 so as to transfer heat, and a heat pipe 40 coupled to the heat sink member 21 so as to transfer heat and meandering in a longitudinal direction in a flow passage 51. The heat pipe 40 extends up to a region coming out from a natural heat dissipation region, and expands the heat dissipation region of the heat sink member 21. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、ヒートパイプを実装してなる半導体装置に係り、特にパワーデバイスに適したものに関する。   The present invention relates to a semiconductor device in which a heat pipe is mounted, and particularly to a device suitable for a power device.

近年、電気自動車やハイブリッド車、燃料電池など、モータ駆動用のスイッチング素子を備えたパワーデバイス（半導体装置）として、ＩＧＢＴやＦＥＴを用いたモジュールが用いられている。特に、車載用の半導体装置においては、小型化の要求のために、小面積で放熱機能の大きい冷却構造が必要となっている。   In recent years, modules using IGBTs or FETs have been used as power devices (semiconductor devices) including motor-driven switching elements such as electric vehicles, hybrid vehicles, and fuel cells. In particular, in-vehicle semiconductor devices require a cooling structure with a small area and a large heat dissipation function because of the demand for miniaturization.

小面積で放熱機能の大きい冷却構造として、特許文献１には、半導体パッケージのリッドにヒートパイプを埋設して、半導体パッケージのリッドを通る熱流束の側方の流れに対する熱抵抗を減少させようとする構造が開示されている。また、特許文献２には、ヒートシンク中にヒートパイプの基部を埋め込んで、ヒートパイプを外部熱交換媒体が流れる領域まで延ばすことにより、通風路内で平均的に冷却しようとする構造が開示されている。   As a cooling structure with a small area and a large heat dissipation function, Patent Document 1 discloses that a heat pipe is embedded in the lid of the semiconductor package to reduce the thermal resistance to the lateral flow of the heat flux passing through the lid of the semiconductor package. A structure is disclosed. Further, Patent Document 2 discloses a structure that averages cooling in an air passage by embedding a heat pipe base in a heat sink and extending the heat pipe to a region through which an external heat exchange medium flows. Yes.

特開平１１−２３３６９８号公報JP-A-11-233698 実開平０５−００４４９７号公報Japanese Utility Model Publication No. 05-004497

しかしながら、特許文献１，２の技術では、ＳｉＣデバイスなどを用いた車載用半導体装置に要求される小型化，大電力化に対応できる放熱量を確保することが困難である。たとえば、特許文献１の技術は、半導体チップの片面のみに電極を有する場合の構造であり、適用範囲を車載用のパワーデバイスまで拡大することは困難である。また、特許文献２の技術では、ヒートパイプが占めるスペースの割には、外部熱交換媒体との熱交換を行う面積が小さく、十分な放熱量を得ることができない。   However, with the technologies of Patent Documents 1 and 2, it is difficult to secure a heat radiation amount that can cope with the reduction in size and the increase in power required for an in-vehicle semiconductor device using an SiC device or the like. For example, the technique of Patent Document 1 is a structure in which an electrode is provided only on one surface of a semiconductor chip, and it is difficult to expand the application range to an in-vehicle power device. Moreover, in the technique of patent document 2, the area which heat-exchanges with an external heat exchange medium is small for the space which a heat pipe occupies, and sufficient heat dissipation cannot be obtained.

本発明の目的は、ヒートパイプの放熱機能を有効に活用して、高い冷却効果を発揮しうる半導体装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can exhibit a high cooling effect by effectively utilizing the heat dissipation function of a heat pipe.

本発明の半導体装置は、半導体チップの発熱を放熱するためのヒートシンク部材に、外部熱交換媒体が流れる領域で蛇行しているヒートパイプを熱伝導可能に連結したものである。   In the semiconductor device of the present invention, a heat pipe meandering in a region through which an external heat exchange medium flows is connected to a heat sink member for radiating heat generated by a semiconductor chip so as to conduct heat.

これにより、ヒートパイプの内部で内部熱交換媒体の蒸発−凝縮を伴う循環を利用して、ヒートシンク部材の放熱機能が高まる。しかも、ヒートパイプが蛇行しているので、外部熱交換媒体への放熱領域が増大するので、半導体装置の放熱機能を高めることができる。   Thereby, the heat dissipation function of the heat sink member is enhanced by utilizing the circulation accompanied by evaporation-condensation of the internal heat exchange medium inside the heat pipe. In addition, since the heat pipe meanders, the heat radiation area to the external heat exchange medium is increased, so that the heat radiation function of the semiconductor device can be enhanced.

ヒートパイプが、半導体チップの自然放熱領域からはみ出た領域まで延びていることにより、ヒートパイプを介して、半導体チップで発生した熱が放出される領域を、自然放熱領域よりも広い領域まで拡大させることができるので、放熱機能が向上する。   By extending the heat pipe to the area that protrudes from the natural heat dissipation area of the semiconductor chip, the area where the heat generated in the semiconductor chip is released via the heat pipe is expanded to an area wider than the natural heat dissipation area. Therefore, the heat dissipation function is improved.

ヒートパイプに１または２以上のフィンが付設されていることにより、フィンによる放熱機能の増大を図ることができる。   Since one or two or more fins are attached to the heat pipe, it is possible to increase the heat radiation function by the fins.

半導体装置に形成されている半導体素子が、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ことにより、チップの使用温度範囲が拡大しても、熱応力をできるだけ小さくして接続部の信頼性を維持しつつ、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る。   As the semiconductor element formed in the semiconductor device is a power device using a wide band gap semiconductor, even if the operating temperature range of the chip is expanded, the thermal stress is minimized and the reliability of the connection is maintained. However, an excessive temperature rise of the power device can be prevented by the high heat dissipation function.

本発明の半導体装置によると、ヒートシンクにヒートパイプを付設したので，放熱機能の高い半導体装置が得られる。   According to the semiconductor device of the present invention, since the heat pipe is attached to the heat sink, a semiconductor device having a high heat dissipation function can be obtained.

図１は、実施の形態における半導体装置（パワーモジュール）の構造を概略的に示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態の半導体装置は、放熱器５０の上にチップユニット１０を接合して構成されている。放熱器５０は、天板５０ａと天板５０ａに接合された容器５０ｂとからなり、天板５０ａには、チップユニット１０を組み込むための多数の矩形状貫通穴が設けられている。本実施形態においては、矩形状貫通穴が多数設けられているが、１つだけでもよい。放熱器５０を構成する天板５０ａと容器５０ｂとは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、ダイキャスト，押し出し，鍛造，鋳造，機械加工等によって製造することができる。また、図１には図示されていないが、天板５０ａの上に樹脂ケース（図３参照）が取り付けられている。   FIG. 1 is a perspective view schematically showing a structure of a semiconductor device (power module) in an embodiment. As shown in the figure, the semiconductor device of this embodiment is configured by joining a chip unit 10 on a radiator 50. The radiator 50 includes a top plate 50a and a container 50b joined to the top plate 50a. The top plate 50a is provided with a number of rectangular through holes for incorporating the chip unit 10 therein. In the present embodiment, a large number of rectangular through holes are provided, but only one may be provided. The top plate 50a and the container 50b constituting the radiator 50 are made of aluminum or an aluminum alloy, and can be manufactured by die casting, extrusion, forging, casting, machining, or the like. Although not shown in FIG. 1, a resin case (see FIG. 3) is attached on the top plate 50a.

本実施の形態の組み立て工程においては、放熱器５０の天板５０ａにチップユニット１０が実装された後、天板５０ａが容器５０ｂに接合される。この接合は、機械かしめ等によって行われてもよい。また、本実施の形態では、放熱器５０は天板５０ａと容器５０ｂを個別に形成してから両者を接合しているが、天板と容器とを一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストにより放熱器を形成することができる。そして、その後、天板５０ａの上に樹脂ケースがネジ止めなどによって取り付けられる。   In the assembly process of the present embodiment, after the chip unit 10 is mounted on the top plate 50a of the radiator 50, the top plate 50a is joined to the container 50b. This joining may be performed by mechanical caulking or the like. Further, in the present embodiment, the radiator 50 is formed by individually forming the top plate 50a and the container 50b and then joining them together, but the top plate and the container may be integrally formed. In that case, the radiator can be formed, for example, by die casting using an integral type. Thereafter, a resin case is attached to the top plate 50a by screwing or the like.

図２は、実施の形態に係る半導体装置の平面図である。図３は、実施の形態の半導体装置の図２に示すIII-III線における断面図である。図４は、実施の形態の半導体装置の図２に示すIV-IV線における断面図である。ただし、図２〜図４において、配線構造および樹脂ケースの図示は省略されている。また、はんだ層やメタライズ層など、本件発明の本質的要素でない部材は、見やすくするために図示を省略している。以下、図２〜図４を参照しながら、半導体装置の構造について説明する。   FIG. 2 is a plan view of the semiconductor device according to the embodiment. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the embodiment taken along line III-III shown in FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV shown in FIG. 2 of the semiconductor device of the embodiment. However, in FIGS. 2 to 4, the wiring structure and the resin case are not shown. Also, illustration of members that are not essential elements of the present invention, such as solder layers and metallized layers, is omitted for the sake of clarity. Hereinafter, the structure of the semiconductor device will be described with reference to FIGS.

本実施の形態の半導体装置において、放熱器５０の天板５０ａと容器５０ｂとの間の流路５１には、熱交換媒体としての冷却水が図２の破線矢印に示す方向に流れている。チップユニット１０は、主要部材として、ダイオード，ＩＧＢＴなどの半導体素子が形成された半導体チップ１１と、半導体チップ１１で発生した熱を外方に放出するためのヒートシンク部材２１と、半導体チップ１１の裏面電極１４にはんだ層（図示せず）を介して接合され、Ｃｕ−Ｍｏ，Ｃｕ−Ｗなどの金属板から形成される金属配線２３と、主面および裏面に形成されたメタライズ層（図示せず）およびはんだ層を介して金属配線２３に接合された、ＡｌＮからなる配線支持基板２２と、ろう材層２６を介して配線支持基板２２に熱伝導可能に連結されたヒートシンク部材２１と、ろう材層４１を介してヒートシンク部材２１に熱伝導可能に連結され、外部熱交換媒体が流れる領域である流路５１内を上下方向に蛇行しているヒートパイプ４０とを備えている。本実施形態においては、半導体チップ１１には、ダイオードとＩＧＢＴ（またはＭＯＳＦＥＴ）とが形成されており、半導体チップ１１の裏面電極１４は、ダイオード，ＩＧＢＴなどの半導体素子の活性領域に接続されている。また、半導体チップ１１の主面にも、制御信号用電極や上面電極が設けられているが、図示が省略されている。   In the semiconductor device of the present embodiment, cooling water as a heat exchange medium flows in the flow path 51 between the top plate 50a and the container 50b of the radiator 50 in the direction indicated by the broken line arrow in FIG. The chip unit 10 includes, as main members, a semiconductor chip 11 in which semiconductor elements such as diodes and IGBTs are formed, a heat sink member 21 for releasing heat generated in the semiconductor chip 11 to the outside, and a back surface of the semiconductor chip 11. Metal wires 23 joined to the electrodes 14 via solder layers (not shown) and formed of a metal plate such as Cu-Mo, Cu-W, and metallized layers (not shown) formed on the main surface and the back surface. And a wiring support substrate 22 made of AlN joined to the metal wiring 23 via a solder layer, a heat sink member 21 connected to the wiring support substrate 22 via a brazing material layer 26 so as to be thermally conductive, and a brazing material The heat path is connected to the heat sink member 21 through the layer 41 so as to be capable of conducting heat, and is meandering up and down in the flow path 51 which is a region through which the external heat exchange medium flows. And a-flops 40. In the present embodiment, the semiconductor chip 11 is formed with a diode and an IGBT (or MOSFET), and the back electrode 14 of the semiconductor chip 11 is connected to an active region of a semiconductor element such as a diode or IGBT. . Further, the main surface of the semiconductor chip 11 is provided with a control signal electrode and an upper surface electrode, which are not shown.

図４の一部拡大図に示すように、ヒートパイプ４０は、ろう材層４１によってヒートシンク部材２１に接合されている。また、配線支持基板２２は、ヒートシンク部材２１にろう材層２６によって接合されている。また、ヒートシンク部材２１は、ろう材層２５により天板５０ａに接合されている。この構造により、配線支持基板２２とヒートシンク部材２１とが互いに熱伝導可能に連結され、ヒートパイプ４０がヒートシンク部材２１に熱伝導可能に連結されている。ここで、「熱伝導可能に連結されている」とは、熱伝導率が低い樹脂などの部材（たとえば１（Ｗ／ｍ・Ｋ）未満の樹脂で、フィラー混入による熱伝導を高めた樹脂を除く）が介在している場合を除く意味であり、特に、はんだ層、ろう材層、メタライズ層などだけが介在していることにより、熱抵抗をできるだけ低減することができる。   As shown in the partially enlarged view of FIG. 4, the heat pipe 40 is joined to the heat sink member 21 by a brazing material layer 41. The wiring support substrate 22 is joined to the heat sink member 21 by a brazing material layer 26. Further, the heat sink member 21 is joined to the top plate 50 a by the brazing material layer 25. With this structure, the wiring support substrate 22 and the heat sink member 21 are connected to each other so as to be able to conduct heat, and the heat pipe 40 is connected to the heat sink member 21 so as to be able to conduct heat. Here, “connected so that heat conduction is possible” means a member such as a resin having a low thermal conductivity (for example, a resin having a thermal conductivity of less than 1 (W / m · K) and increased heat conduction due to filler mixing. This means that the thermal resistance can be reduced as much as possible by interposing only the solder layer, the brazing material layer, the metallized layer, and the like.

ヒートパイプ４０の材質は、市販されているものでよく、たとえば特許文献１に記載されているものでもよい。一般に、ヒートパイプ４０の内部には、毛管現象を利用して内部熱交換媒体（たとえば、アルコール類，水，ナフタレンなど）の循環を促進するためのウィックが設けられている。内部熱交換媒体は、使用温度範囲，冷却能などを考慮して、適宜選択することができる。図５に示すように、ウィックには、ヒートパイプの内壁に設けられたメッシュからなるメッシュ状ウィック、ヒートパイプの内壁に微細な溝を形成してなる溝状ウィック、両者を組み合わせた複合ウィック、などがあり、いずれを用いてもよい。   The material of the heat pipe 40 may be a commercially available material, for example, one described in Patent Document 1. Generally, a wick for promoting the circulation of an internal heat exchange medium (for example, alcohols, water, naphthalene, etc.) is provided inside the heat pipe 40 using capillary action. The internal heat exchange medium can be appropriately selected in consideration of the operating temperature range, cooling capacity, and the like. As shown in FIG. 5, the wick includes a mesh-like wick made of a mesh provided on the inner wall of the heat pipe, a groove-like wick formed by forming fine grooves on the inner wall of the heat pipe, a composite wick in which both are combined, Any of these may be used.

本実施の形態において、ヒートパイプ４０は、半導体チップ１１から外部熱交換媒体（たとえば水，グリコール類）の流れる領域である流路５１まで４５°の傾斜角で拡大する領域（以下、「自然放熱領域」という）だけでなく、自然放熱領域以外の領域までに亘って形成されている。なお、ヒートパイプ４０に、フィンを設けることにより、放熱機能をさらに高めることができる。   In the present embodiment, the heat pipe 40 is a region (hereinafter referred to as “natural heat dissipation”) that extends from the semiconductor chip 11 to a flow path 51 that is a region through which an external heat exchange medium (for example, water, glycols) flows. It is formed over not only the natural heat dissipation area but also the area. In addition, the heat dissipation function can be further enhanced by providing the heat pipe 40 with fins.

本実施の形態によると、ヒートパイプ４０の内部において、半導体チップ１１で発生した熱が金属配線２３−配線支持基板２２−ヒートシンク部材２１−ヒートパイプ４０の管壁を経て、内部熱交換媒体に放出されて、内部熱交換媒体が蒸発する。この気化熱によって、大きな冷却作用が得られる。そして、蒸発した内部熱交換媒体は、ヒートパイプ４０内を側方に移動し、凝縮されて液化する。その後、液化した内部熱交換媒体は、ウィックなどを経て蒸発した領域まで戻る。本実施の形態では、ヒートシンク部材２１が配線支持基板２２に熱伝導可能に連結され、ヒートパイプ４０がヒートシンク部材２１に熱伝導可能に連結されているので、半導体チップ１１−金属配線２３−配線支持基板２２−ヒートシンク部材２１と伝わってきた熱が、ヒートパイプ４０内において、内部熱交換媒体による蒸発熱と、外部熱交換媒体との熱交換とによって外部に放出される。そのとき、ヒートパイプ４０が、縦方向に蛇行しているので、限られた流路５１のスペースで外部熱交換媒体との熱交換を行う面積が拡大する。したがって、半導体装置の放熱機能が向上する。   According to the present embodiment, heat generated in the semiconductor chip 11 inside the heat pipe 40 is released to the internal heat exchange medium through the metal wiring 23 -wiring support substrate 22 -heat sink member 21 -heat pipe 40 tube wall. As a result, the internal heat exchange medium evaporates. A large cooling action is obtained by this heat of vaporization. The evaporated internal heat exchange medium moves to the side in the heat pipe 40 and is condensed and liquefied. Thereafter, the liquefied internal heat exchange medium returns to the evaporated region through a wick or the like. In the present embodiment, since the heat sink member 21 is connected to the wiring support substrate 22 so as to be thermally conductive, and the heat pipe 40 is connected to the heat sink member 21 so as to be thermally conductive, the semiconductor chip 11—the metal wiring 23—the wiring support. The heat transmitted to the substrate 22 and the heat sink member 21 is released to the outside in the heat pipe 40 by evaporating heat from the internal heat exchange medium and heat exchange with the external heat exchange medium. At that time, since the heat pipe 40 meanders in the vertical direction, the area for heat exchange with the external heat exchange medium is expanded in the space of the limited flow path 51. Therefore, the heat dissipation function of the semiconductor device is improved.

また、ヒートパイプ４０がない場合には、ヒートシンク部材２１のうち、半導体チップ１１から外部熱交換媒体の流れる領域まで４５°の傾斜角で拡大する領域から外れた領域における外部熱交換媒体への放熱は、ほとんど半導体チップ１１の冷却に寄与しない。そこで、本明細書においては、「半導体チップから外部熱交換媒体の流れる領域まで４５°の傾斜角で拡大する領域」を、「自然放熱領域」と定義する。   Further, when there is no heat pipe 40, heat radiation to the external heat exchange medium in the heat sink member 21 in a region outside the region expanding at an inclination angle of 45 ° from the semiconductor chip 11 to the region through which the external heat exchange medium flows. Hardly contributes to the cooling of the semiconductor chip 11. Therefore, in this specification, the “region that expands at an inclination angle of 45 ° from the semiconductor chip to the region through which the external heat exchange medium flows” is defined as “natural heat dissipation region”.

ところが、本実施の形態では、ヒートパイプ４０が、外部熱交換媒体の流れに直交する方向に、上記自然放熱領域から外れた側方まで延びている。したがって、ヒートパイプ４０の内部において、半導体チップ直下方の領域で蒸発した内部熱交換媒体が、ヒートパイプ４０の側方領域で外部熱交換媒体との熱交換によって凝縮されて液化する。その後、液化した内部熱交換媒体は、ウィックなどを経て半導体チップ直下方の領域まで戻る。つまり、ヒートパイプ４０の内部において、半導体チップ直下方の領域と、その側方に位置する領域との間で熱が運ばれることになる。したがって、ヒートシンク部材２１の放熱領域は、自然放熱領域だけでなく、その側方の領域までを含むように拡大していることになる。この放熱領域の拡大により、冷却機能の向上を図ることができる。その場合、ヒートパイプ４０が、外部熱交換媒体の流れに交差する方向（本実施の形態では、直交する方向）に延びていることにより、容器５０ｂの流路５１内の各部位における熱交換量を均一に分布させることができ、大幅な冷却機能の向上を図ることができる。   However, in the present embodiment, the heat pipe 40 extends in a direction perpendicular to the flow of the external heat exchange medium to the side outside the natural heat dissipation area. Therefore, in the heat pipe 40, the internal heat exchange medium evaporated in the region immediately below the semiconductor chip is condensed and liquefied by heat exchange with the external heat exchange medium in the side region of the heat pipe 40. Thereafter, the liquefied internal heat exchange medium returns to a region directly below the semiconductor chip through a wick or the like. That is, in the heat pipe 40, heat is carried between a region directly below the semiconductor chip and a region located on the side thereof. Therefore, the heat dissipation area of the heat sink member 21 is expanded to include not only the natural heat dissipation area but also the side area thereof. The expansion of the heat radiation area can improve the cooling function. In that case, the heat pipe 40 extends in the direction intersecting the flow of the external heat exchange medium (in the present embodiment, the direction orthogonal), whereby the heat exchange amount in each part in the flow path 51 of the container 50b. Can be distributed uniformly, and the cooling function can be greatly improved.

本実施の形態では、ヒートシンク部材２１の材料は、ＡｌＮ，ＢＮ，ＳｉＮ，ＧａＮなどの窒化物セラミックス、あるいは，ＳｉＣ，ＷＣなどの炭化物セラミックス、あるいは、Ｓｉ−ＳｉＣ，Ａｌ−ＳｉＣなどの複合セラミックスにより構成されている。これらの材料に、限定されるものではないが、以下の理由により、これらの材料に限定することが好ましい。たとえば、ＡｌＮの熱膨張係数αは約４．５（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は約２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ｓｉ−ＳｉＣの熱膨張係数αは約２．３〜３（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は約２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、ＳｉＣの熱膨張係数αは約３（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は約２１０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、ＧａＮの熱膨張係数αは約３．２または５．６（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は約１３０（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。したがって、これらの放熱用材料は、アルミナ等の汎用セラミックスの熱伝導率よりもはるかに大きく、アルミニウム（熱伝導率約２４０（Ｗ／ｍ・Ｋ）に近い熱伝導率を有しながら、熱膨張係数αはアルミニウム（α≒２３（ｐｐｍ／Ｋ））よりもはるかに小さく半導体チップの熱膨張係数α（Ｓｉ単結晶で約３（ｐｐｍ／Ｋ）、ＳｉＣ単結晶で約４（ｐｐｍ／Ｋ））に近い。したがって、ヒートシンク部材２１の中央部２１Ａを、上記窒化物セラミックス，炭化物セラミックス，または複合セラミックスにより構成することによって、大きな熱伝達量を維持しつつ、熱応力をできるだけ小さくすることができる。   In the present embodiment, the material of the heat sink member 21 is made of nitride ceramics such as AlN, BN, SiN, or GaN, carbide ceramics such as SiC or WC, or composite ceramics such as Si—SiC or Al—SiC. It is configured. Although not limited to these materials, it is preferable to limit to these materials for the following reasons. For example, the thermal expansion coefficient α of AlN is about 4.5 (ppm / K), the thermal conductivity is about 200 (W / m · K), and the thermal expansion coefficient α of Si—SiC is about 2.3-3. (Ppm / K), thermal conductivity is about 200 (W / m · K), thermal expansion coefficient α of SiC is about 3 (ppm / K), and thermal conductivity is about 210 (W / m · K). The thermal expansion coefficient α of GaN is about 3.2 or 5.6 (ppm / K), and the thermal conductivity is about 130 (W / m · K). Therefore, these heat-dissipating materials are much larger than the thermal conductivity of general-purpose ceramics such as alumina, and have a thermal conductivity close to that of aluminum (thermal conductivity of about 240 (W / m · K), while being thermally expanded. The coefficient α is much smaller than aluminum (α≈23 (ppm / K)), and the thermal expansion coefficient α of the semiconductor chip (approximately 3 (ppm / K) for Si single crystal, approximately 4 (ppm / K) for SiC single crystal. Therefore, by configuring the central portion 21A of the heat sink member 21 with the nitride ceramics, carbide ceramics, or composite ceramics, it is possible to minimize the thermal stress while maintaining a large heat transfer amount. .

なお、ヒートシンク部材２１を、ＡｌＮ，ＳｉＮ，ＢＮ，ＳｉＣ，ＷＣなどの絶縁性材料により構成する場合には、配線支持基板２２を省略して、ヒートシンク部材２１の上面に金属配線２３を形成することができる。これにより、熱抵抗が小さくなるとともに、製造コストも削減することができる。   When the heat sink member 21 is made of an insulating material such as AlN, SiN, BN, SiC, WC, the wiring support substrate 22 is omitted and the metal wiring 23 is formed on the upper surface of the heat sink member 21. Can do. Thereby, the thermal resistance can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced.

また、ヒートシンク部材２１を、ＡｌＮ，ＳｉＮ，ＧａＮ，ＢＮ，ＳｉＣ，ＷＣ，Ｓｉ−ＳｉＣ，Ａｌ−ＳｉＣなどにより構成する場合には、他の部材との接合を行う領域に、メタライズ層を形成しておくことにより、はんだ付けやろう付けを容易に行うことができる。   Further, when the heat sink member 21 is made of AlN, SiN, GaN, BN, SiC, WC, Si-SiC, Al-SiC, or the like, a metallized layer is formed in a region to be bonded to other members. By doing so, soldering and brazing can be easily performed.

金属配線２３の材料は、Ｃｕ−ＭｏやＣｕ−Ｗに限定されるものではない。たとえば、Ｃｕ，Ａｌ，コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）などの金属を用いてもよい。ただし、Ｃｕ−Ｍｏの熱膨張係数αは約６．５〜８（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は約２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ｃｕ−Ｗの熱膨張係数αは約６．５〜７（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は１８０〜２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。これらの複合材料の熱伝導率は、Ｃｕの熱伝導率（約４００（Ｗ／ｍ・Ｋ））に比べるとかなり低いものの、アルミニウム（Ａｌ）に近い値であり、一方、熱膨張係数αは、Ｃｕの熱膨張係数α（≒１７）よりもはるかに小さく半導体チップの熱膨張係数α（Ｓｉで約３（ｐｐｍ／Ｋ）、ＳｉＣで約４（ｐｐｍ／Ｋ））に近い。したがって、金属配線２３を、Ｃｕ−ＭｏまたはＣｕ−Ｗより構成することによって、大きな熱伝達量を維持しつつ、熱応力をできるだけ小さくすることができる。   The material of the metal wiring 23 is not limited to Cu—Mo or Cu—W. For example, a metal such as Cu, Al, and Kovar (Fe—Ni—Co) may be used. However, the thermal expansion coefficient α of Cu—Mo is about 6.5 to 8 (ppm / K), the thermal conductivity is about 200 (W / m · K), and the thermal expansion coefficient α of Cu—W is about 6 .5-7 (ppm / K), and thermal conductivity is 180-200 (W / m · K). The thermal conductivity of these composite materials is much lower than that of Cu (about 400 (W / m · K)), but is close to that of aluminum (Al), while the thermal expansion coefficient α is , Much smaller than the thermal expansion coefficient α (≈17) of Cu and close to the thermal expansion coefficient α of the semiconductor chip (about 3 (ppm / K) for Si and about 4 (ppm / K) for SiC). Therefore, by configuring the metal wiring 23 from Cu—Mo or Cu—W, it is possible to reduce the thermal stress as much as possible while maintaining a large heat transfer amount.

ヒートシンク部材２１との熱交換を行う外部熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、水であることが好ましい。ただし、水に代えて、ヘリウム，アルゴン，窒素，空気などの気体であってもよい。   The external heat exchange medium that exchanges heat with the heat sink member 21 is preferably water in consideration of cooling ability and cost. However, instead of water, a gas such as helium, argon, nitrogen, or air may be used.

（変形例）
図６は、実施の形態の変形例に係る半導体装置の断面図である（図２に示すIII-III線における断面に相当）。本変形例では、ヒートシンク部材２１には、溝部が形成されており、第２のヒートパイプ４５が、溝部に埋め込まれて、ろう材層４６によってヒートシンク部材２１に接合されている。また、配線支持基板２２は、ヒートシンク部材２１および第２のヒートパイプ４５にろう材層４６によって接合されている。この構造により、配線支持基板２２と第２のヒートパイプ４０とが互いに熱伝導可能に連結され、ヒートシンク部材２１が、配線支持基板２２および第２のヒートパイプ４５に熱伝導可能に連結されている。なお、図６には、構造の理解を容易にするために、ヒートパイプ４０と第２のヒートパイプ４５とが共通の断面にあるかのように表示されているが、両者は互いにずれた断面に形成されている。その他の部材の構成は、図２〜図５に示すとおりであり、同じ符号を付して説明を省略する。 (Modification)
6 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a modification of the embodiment (corresponding to a cross section taken along line III-III shown in FIG. 2). In this modification, a groove portion is formed in the heat sink member 21, and the second heat pipe 45 is embedded in the groove portion and joined to the heat sink member 21 by the brazing material layer 46. The wiring support substrate 22 is bonded to the heat sink member 21 and the second heat pipe 45 by a brazing material layer 46. With this structure, the wiring support substrate 22 and the second heat pipe 40 are connected to each other so as to be able to conduct heat, and the heat sink member 21 is connected to the wiring support substrate 22 and the second heat pipe 45 so as to be able to conduct heat. . In FIG. 6, in order to facilitate understanding of the structure, the heat pipe 40 and the second heat pipe 45 are displayed as if they are in a common cross section, but the cross sections are shifted from each other. Is formed. The structure of other members is as shown in FIGS. 2 to 5, and the same reference numerals are given and description thereof is omitted.

本変形例によると、２種類のヒートパイプ４０，４５を設けたことにより、外部熱交換媒体が流れる領域である流路５１を最大限活用して、熱交換効率を高めることができるので、半導体装置の小型化を図りつつ、放熱機能の向上を図ることができる。   According to this modification, by providing the two types of heat pipes 40 and 45, the flow path 51, which is the region through which the external heat exchange medium flows, can be utilized to the maximum, so that the heat exchange efficiency can be increased. The heat dissipation function can be improved while downsizing the device.

（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。 (Other embodiments)
The structure of the embodiment of the present invention disclosed above is merely an example, and the scope of the present invention is not limited to the scope of these descriptions. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

上記実施の形態では、ヒートパイプ４０の上方に２つの半導体チップ１１が搭載されている構造を採用したが、ヒートパイプ４０の上方に搭載される半導体チップの個数は、１つでもよいし、３つ以上でもよい。   In the above embodiment, the structure in which the two semiconductor chips 11 are mounted above the heat pipe 40 is employed. However, the number of semiconductor chips mounted above the heat pipe 40 may be one, or 3 There may be more than one.

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が行なわれ、チップ温度が１５０°Ｃ以上に達しても、熱応力をできるだけ小さくして接続部の信頼性を維持しつつ、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。   When the semiconductor device of the present invention is applied to a device having a power device using a wide band gap semiconductor (SiC, GaN, etc.), a switching operation or the like is performed at a temperature higher than the operating temperature of the Si device, and the chip temperature is 150 °. Even when the temperature reaches C or more, an excessive temperature rise of the power device can be prevented by a high heat radiation function while maintaining the reliability of the connection portion by reducing the thermal stress as much as possible, and the effect can be obtained. .

上記実施の形態では、半導体チップ１１に、ダイオードとＩＧＢＴとが形成されているが、ダイオードに加えて、ＭＯＳＦＥＴ，ＪＦＥＴなどが形成された半導体チップを用いてもよい。また、ダイオードと、ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴまたはＪＦＥＴとを個別のチップに形成してもよい。   In the above embodiment, the diode and the IGBT are formed on the semiconductor chip 11. However, in addition to the diode, a semiconductor chip on which a MOSFET, a JFET, or the like is formed may be used. Moreover, you may form a diode and IGBT, MOSFET, or JFET in a separate chip | tip.

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る。   The semiconductor device of the present invention can be used in various devices equipped with MOSFETs, IGBTs, diodes, JFETs and the like.

実施の形態における半導体装置の構造を示す斜視図である。1 is a perspective view illustrating a structure of a semiconductor device in an embodiment. 実施の形態に係る半導体装置の平面図である。It is a top view of the semiconductor device concerning an embodiment. 実施の形態に係る半導体装置のIII-III線における断面図である。It is sectional drawing in the III-III line | wire of the semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る半導体装置のIV-IV線における断面図である。It is sectional drawing in the IV-IV line of the semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態のヒートパイプ内のウィックの例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of the wick in the heat pipe of embodiment. 変形例に係る半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device which concerns on a modification.

符号の説明Explanation of symbols

１０ チップユニット
１１ 半導体チップ
１４ 裏面電極
２１ ヒートシンク部材
２１Ａ 中央部
２１Ｂ 側方部
２１ａ 平板部
２１ｂ フィン部
２２ 配線支持基板
２３ 金属配線
２４ ヒートシンク部材
２５ ろう材層
２６ ろう材層
４０ ヒートパイプ
４１ ろう材層
４５ 第２のヒートパイプ
４６ ろう材層
５０ 放熱器
５０ａ 天板
５０ｂ 容器
５１ 流路
５３ 樹脂ケース DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Chip unit 11 Semiconductor chip 14 Back surface electrode 21 Heat sink member 21A Center part 21B Side part 21a Flat plate part 21b Fin part 22 Wiring support substrate 23 Metal wiring 24 Heat sink member 25 Brazing material layer 26 Brazing material layer 40 Heat pipe 41 Brazing material layer 45 Second heat pipe 46 Brazing material layer 50 Radiator 50a Top plate 50b Container 51 Flow path 53 Resin case

Claims (4)

半導体素子が形成された半導体チップと、
前記半導体チップに熱伝導可能に設けられ、外部熱交換媒体が流れる領域にさらされるヒートシンク部材と、
前記ヒートシンク部材に熱伝導可能に連結され、外部熱交換媒体が流れる領域で蛇行するように形成されたヒートパイプと、
を備えている半導体装置。 A semiconductor chip on which a semiconductor element is formed;
A heat sink member provided in the semiconductor chip so as to be capable of conducting heat and exposed to a region through which an external heat exchange medium flows;
A heat pipe connected to the heat sink member so as to conduct heat and formed to meander in a region where an external heat exchange medium flows;
A semiconductor device comprising: 請求項１記載の半導体装置において、
前記ヒートパイプは、外部熱交換媒体の流れに交差する方向に、前記半導体チップの自然放熱領域からはみ出た領域まで延びている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The said heat pipe is a semiconductor device extended to the area | region which protruded from the natural thermal radiation area | region of the said semiconductor chip in the direction which cross | intersects the flow of an external heat exchange medium. 請求項１または２記載の半導体装置において、
前記ヒートパイプには、１または２以上のフィンが付設されている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2,
A semiconductor device, wherein the heat pipe is provided with one or more fins. 請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置において、
前記半導体素子は、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。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device is a power device using a wide band gap semiconductor.
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