JP2008270296A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートパイプを利用した放熱機能の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】チップユニット１０は、半導体チップ１１と、半導体チップを支持する金属配線２３と、金属配線２３を支持する配線支持基板２２と、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、ヒートシンク部材２１に熱伝導可能に連結され、流路５１内で縦方向に蛇行するように形成されたヒートパイプ４０とを備えている。ヒートパイプ４０は、自然放熱領域からはみ出た領域まで延びており、ヒートシンク部材２１の放熱領域も拡大する。
【選択図】図３

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。

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。

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。

特開平１１−２３３６９８号公報 実開平０５−００４４９７号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。 実施の形態に係る半導体装置の平面図である。 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。 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。 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。 変形例に係る半導体装置の断面図である。

符号の説明

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

Claims (4)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

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