JP6112077B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置に関する。
特許文献１には半導体装置が開示されている。特許文献１の半導体装置は、間隔をあけて配置された複数の半導体チップと、半導体チップに固定されたグラファイト熱拡散板と、グラファイト熱拡散板に固定された金属基板とを備えている。複数の半導体チップは、封止樹脂により封止されている。
特開２０１２−０２８５２０号公報
特許文献１の半導体装置では、通電により半導体チップが発熱する。半導体装置のオン・オフにより、半導体チップが発熱を繰り返すと、半導体チップを封止している封止樹脂が膨張・収縮し、封止樹脂が半導体チップから剥離することがある。また、半導体装置の製造時に熱処理をする場合、封止樹脂が収縮して半導体チップから剥離することもある。そこで本明細書は、封止樹脂の剥離を低減することができる半導体装置の提供を目的とする。
本明細書に開示する半導体装置は、金属の放熱部材と、前記放熱部材の表面に接続された第１半導体チップと、前記第１半導体チップから間隔をあけて前記放熱部材の前記表面に接続された第２半導体チップと、前記第１半導体チップ、前記第２半導体チップ、および前記第１半導体チップと前記第２半導体チップの間の前記放熱部材の前記表面を封止する封止樹脂とを備えている。また、半導体装置は、前記第１半導体チップに対向する位置で前記放熱部材の裏面に接続され、炭素系材料からなる第１熱拡散部材と、前記第２半導体チップに対向する位置で前記放熱部材の前記裏面に接続され、炭素系材料からなる第２熱拡散部材と、前記放熱部材の反対側において前記第１熱拡散部材および前記第２熱拡散部材を冷却する冷却器とを備えている。前記第１熱拡散部材と前記第２熱拡散部材は、間隔をあけて配置されており、前記第１熱拡散部材と前記第２熱拡散部材の間の前記間隔が前記第１半導体チップと前記第２半導体チップの間の前記間隔に対して前記放熱部材を介して対向する位置になるように、前記第１熱拡散部材と前記第２熱拡散部材が配置されている。
上記の半導体装置によれば、半導体チップで発生した熱が熱拡散部材に伝わったとき、熱拡散部材に熱応力が生じる。このとき、第１熱拡散部材と第２熱拡散部材が間隔をあけて配置されているので、第１熱拡散部材および第２熱拡散部材が前記間隔側に変形可能であり、これによって、第１熱拡散部材および第２熱拡散部材で生じる熱応力が軽減される。したがって、第１熱拡散部材及び第２熱拡散部材から封止樹脂に加わる応力が軽減され、これによっても封止樹脂の剥離が抑制される。
また、一般には２つの半導体チップの間では封止樹脂により高い応力が生じ易いが、上記の半導体装置では、第１熱拡散部材と第２熱拡散部材の間の間隔が第１半導体チップと第２半導体チップの間の間隔に対向する位置になるように、第１熱拡散部材と第２熱拡散部材が配置されている。このため、第１半導体チップと第２半導体チップの間に位置する放熱部材が、封止樹脂の膨張・収縮により追従して易い。したがって、第１半導体チップと第２半導体チップの間においても、封止樹脂の熱応力を軽減することができ、封止樹脂の剥離を低減することができる。
半導体装置の断面図である。 図１のII−II断面図である。 熱拡散部材の斜視図である。 図３のIV−IV断面図である。 熱拡散部材の作製方法を説明する図である（１）。 熱拡散部材の作製方法を説明する図である（２）。 熱拡散部材の作製方法を説明する図である（３）。 熱拡散部材の作製方法を説明する図である（４）。 図１のIX−IX断面図である。 熱拡散部材の他端面と冷媒の流れ方向との関係を模式的に示す図である。 他の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 更に他の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 更に他の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 更に他の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 更に他の実施形態に係る半導体装置の上記図９に対応する断面図である。
以下に説明する実施形態の主要な特徴を列記する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、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る。
（特徴１）冷却器は、流れる冷媒を用いて第１熱拡散部材および第２熱拡散部材を冷却してもよい。第１熱拡散部材の冷却器側の端面の位置と第２熱拡散部材の冷却器側の端面の位置が、冷媒の流れ方向において互いに重なり合わなくてもよい。このような構成によれば、一方の熱拡散部材により加熱された冷媒が他方の熱拡散部材の端面の位置に流れることを抑制できる。したがって、冷媒により効率的に熱拡散部材を冷却することができる。
（特徴２）第１熱拡散部材および第２熱拡散部材は、それぞれ、放熱部材に対して傾いた状態で放熱部材から冷却器に向かって延びる傾斜部材を備えていてもよい。
（特徴３）第１熱拡散部材は、放熱部材に対して傾いた状態で放熱部材から冷却器に向かって延びている第１傾斜部材と、冷却器側ほど第１傾斜部材から離れるように放熱部材に対して傾いた状態で放熱部材から冷却器に向かって延びている第２傾斜部材を有していてもよい。
（特徴４）第１熱拡散部材および第２熱拡散部材と冷却器との間に配置された金属部材を備えていてもよい。
（特徴５）放熱部材の側方に配置された金属部材を備えていてもよい。
（特徴６）放熱部材と金属部材の間に配置され、放熱部材と金属部材を接続する接続部材を備えていてもよい。
（特徴７）第１熱拡散部材および第２熱拡散部材を囲む金属部材を備えていてもよい。金属部材によって囲まれた空間に液体または粉末が充填されていてもよい。
（特徴８）傾斜部材は、冷却器の冷媒の流れ方向に直交する方向に延びていてもよい。
以下、実施形態について添付図面を参照して説明する。以下の説明において、各構成要素における同様の構成については、まとめて説明して重複した説明を省略する場合がある。
図１に示すように、実施形態に係る半導体装置１は、複数の半導体チップ２（第１半導体チップ２１および第２半導体チップ２２）と、複数の放熱部材４（第１放熱部材４１および第２放熱部材４２）とを備えている。また、半導体装置１は、複数の熱拡散部材３（第１熱拡散部材３１および第２熱拡散部材３２）と、複数の冷却器５（第１冷却器５１および第２冷却器５２）とを備えている。
半導体チップ２（第１半導体チップ２１および第２半導体チップ２２）としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＦＷＤ（Free Wheeling Diode）などを用いることができる。ＩＧＢＴ及びＦＷＤを用いる場合、例えば第１半導体チップ２１をＩＧＢＴとし、第２半導体チップ２２をＦＷＤとして、第１半導体チップ２１と第２半導体チップ２２を逆並列の状態で配置することができる。半導体チップ２がＩＧＢＴである場合、半導体チップ２の内部にはゲート領域、エミッタ領域、コレクタ領域などが形成されている（図示省略）。また、半導体チップ２がＦＷＤである場合、半導体チップ２の内部にはアノード領域、カソード領域などが形成されている（図示省略）。
複数の半導体チップ２（第１半導体チップ２１および第２半導体チップ２２）は、複数の放熱部材４（第１放熱部材４１および第２放熱部材４２）の間に配置されている。第１半導体チップ２１と第２半導体チップ２２は、並んで配置されている。第１半導体チップ２１と第２半導体チップ２２は、左右に隣り合って離間して配置されている。第１半導体チップ２１は、第２半導体チップ２２から間隔をあけて配置されている。第２半導体チップ２２は、第１半導体チップ２１から間隔をあけて配置されている。図１に示す例では、第１半導体チップ２１が左側に配置されており、第２半導体チップ２２が右側に配置されている。第１半導体チップ２１と第２半導体チップ２２の間には、間隙部２５が形成されている。第１半導体チップ２１および第２半導体チップ２２は、それぞれ、放熱部材４（第１放熱部材４１および第２放熱部材４２）の表面４０に接続されている。
放熱部材４（第１放熱部材４１および第２放熱部材４２）としては、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの金属板や金属箔を用いることができる。放熱部材４は、熱伝導性および導電性を有している。第１放熱部材４１および第２放熱部材４２は、間隔をあけて並んで配置されている。第１放熱部材４１および第２放熱部材４２は、上下に隣り合って離間して配置されている。図１に示す例では、第１放熱部材４１が下側に配置されており、第２放熱部材４２が上側に配置されている。第１放熱部材４１は、複数の半導体チップ２の下方に配置され、第２放熱部材４２は、複数の半導体チップ２の上方に配置されている。第１放熱部材４１は、第１半導体チップ２１の下面および第２半導体チップ２２の下面に固定されている。第２放熱部材４２は、第１半導体チップ２１の上面および第２半導体チップ２２の上面に固定されている。
下側の第１放熱部材４１と各半導体チップ２（第１半導体チップ２１および第２半導体チップ２２）とは、それぞれはんだ９１により接合されている。上側の第２放熱部材４２と各半導体チップ２（第１半導体チップ２１および第２半導体チップ２２）との間には、それぞれスペーサー９２が配置されている。スペーサー９２としては、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの金属のブロック体を用いることができる。各スペーサー９２と各半導体チップ２（第１半導体チップ２１および第２半導体チップ２２）とは、それぞれはんだ９１により接合されている。上側の第２放熱部材４２と各スペーサー９２とは、それぞれはんだ９１により接合されている。
第１放熱部材４１と第２放熱部材４２の間には、封止樹脂９３が充填されている。封止樹脂９３は絶縁性を有している。封止樹脂９３の材料としては、例えばエポキシ樹脂を用いることができる。封止樹脂９３は、半導体チップ２（第１半導体チップ２１および第２半導体チップ２２）を封止している。また、封止樹脂９３は、第１放熱部材４１の上面および第２放熱部材４２の下面を封止している。つまり、封止樹脂９３は、第１半導体チップ２１と第２半導体チップ２２の間の放熱部材４の表面４０を封止している。封止樹脂９３は、第１半導体チップ２１と第２半導体チップ２２の間の間隙部２５に充填されている。間隙部２５に位置する第１放熱部材４１及び第２放熱部材４２の表面も、封止樹脂９３によって封止されている。
第１放熱部材４１は、熱拡散部材３と絶縁部材５６を介して第１冷却器５１に接続されている。第２放熱部材４２は、熱拡散部材３と絶縁部材５６を介して第２冷却器５２に接続されている。熱拡散部材３については、後に詳述する。
絶縁部材５６は、冷却器５の筐体５３の表面に配置されている。絶縁部材５６は、冷却器５と熱拡散部材３（第１熱拡散部材３１および第２熱拡散部材３２）の間に配置されている。絶縁部材５６は、絶縁性を有する樹脂から形成されている。絶縁部材５６は、冷却器５と熱拡散部材３を絶縁している。
冷却器５は、熱拡散部材３の反対側に位置する絶縁部材５６の表面に固定されている。冷却器５は、絶縁部材５６を介して熱拡散部材３に固定されている。冷却器５は、流れる冷媒を用いて第１熱拡散部材３１および第２熱拡散部材３２を冷却する。
図２に示すように、冷却器５は、筐体５３と、筐体５３の内部に配置された複数の隔壁５４と備えている。第２冷却器５２も第１冷却器５１と同様の構成を有している。筐体５３は、複数の隔壁５４を囲んでいる。複数の隔壁５４は、間隔をあけて並んで配置されている。複数の隔壁５４は、並行して延びている。隔壁５４と隔壁５４の間には、流路５５が形成されている。複数の流路５５は、間隔をあけて並んで形成されている。複数の流路５５は、並行して延びている。流路５５は、第１半導体チップ２１および第２半導体チップ２２が並ぶ方向に沿って延びている。筐体５３の内部には、例えば水などの液体の冷媒が流れている。冷媒は、隔壁５４に沿って流路５５を流れる。図２に矢印Ｌで示すように、冷媒は、第１半導体チップ２１が位置する側から第２半導体チップ２２が位置する側に向かって流れる。冷却器５内の冷媒の流れ方向Ｌの上流側の位置に第１半導体チップ２１が配置され、下流側の位置に第２半導体チップ２２が配置されている。
熱拡散部材３（第１熱拡散部材３１および第２熱拡散部材３２）は、半導体チップ２と反対側において放熱部材４に固定されている。第１熱拡散部材３１は、第１半導体チップ２１に対向する位置において放熱部材４に接続されている。第２熱拡散部材３２は、第２半導体チップ２２に対向する位置において放熱部材４に接続されている。第１熱拡散部材３１および第２熱拡散部材３２は、それぞれ、傾斜部材１０（第１傾斜部材１０１、第２傾斜部材１０２、または、第３傾斜部材１０３、第４傾斜部材１０４）を備えている。第１熱拡散部材３１は、第１傾斜部材１０１および第２傾斜部材１０２を備えている。第２熱拡散部材３２は、第３傾斜部材１０３および第４傾斜部材１０４を備えている。第１傾斜部材１０１および第２傾斜部材１０２を組み合わせることにより、第１熱拡散部材３１が形成されている。また、第３傾斜部材１０３および第４傾斜部材１０４を組み合わせることにより、第２熱拡散部材３２が形成されている。第１傾斜部材１０１、第２傾斜部材１０２、第３傾斜部材１０３、および、第４傾斜部材１０４は、配置されている向きが相違するが、同様の構成を有している。
傾斜部材１０（第１傾斜部材１０１、第２傾斜部材１０２、第３傾斜部材１０３、第４傾斜部材１０４）は、図３および図４に示すように、複数のシート材７１を備えている。複数のシート材７１は、積層されている。複数のシート材７１が積層されることにより傾斜部材１０が形成されている。シート材７１は、炭素系材料から形成されている。よって、傾斜部材１０および熱拡散部材３は、炭素系材料を含んでいる。炭素系材料としては、例えば、グラファイト、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブなどを用いることができる。本実施形態では、炭素系材料としてグラファイトを用いている。傾斜部材１０の表面は、薄膜７３により覆われている。薄膜７３は、傾斜部材１０の表面全体を覆っている。薄膜７３は、金属から形成されている。本実施形態では、薄膜７３は、ニッケルから形成されている。
傾斜部材１０は、一端面６１、他端面６２、側面６３、背面６４および先端部６５を備えている。図４に示すように、熱拡散部材３の一端面６１と背面６４の間の角度θ１は、３０°〜６０°が好ましく、４５°がより好ましい。また、熱拡散部材３の他端面６２と背面６４の間の角度θ２は、１２０°〜１５０°が好ましく、１３５°がより好ましい。一端面６１および他端面６２は、三角形状に形成されている。
傾斜部材１０は、例えば次のように作製される。図５および図６に示すように、熱拡散部材３を作製するときはまず、複数のシート材７１を積層して積層体７２を形成する。シート材７１は、上面視において、概して長方形状である。積層体７２を形成した後、図７に示すように、積層体７２の端部をシート材７１の表面に対して斜めに切断する。積層体７２が切断されると、図８に示すように、傾斜部材１０が形成される。このようにして、炭素系材料からなる熱拡散部材３を作製することができる。
シート材７１は、異方性の熱伝導率を有している。シート材７１の熱伝導率は、炭素系材料の結晶の配向に依存している。複数のシート材７１の積層方向（図４〜図８のｗ方向）では、シート材７１の熱伝導率が低い。複数のシート材７１の積層方向に直交する方向（図４〜図８のｕ方向およびｖ方向）では、シート材７１の熱伝導率が、前記積層方向（ｗ方向）の熱伝導率より高い。すなわち、シート材７１の厚み方向では、シート材７１の熱伝導率が低く、シート材７１の面方向（表面に沿う方向）では、シート材７１の熱伝導率が、前記厚み方向の熱伝導率より高い。図４〜図８のｗ方向は低熱伝導率方向に相当し、ｕ方向は第１高熱伝導率方向に相当し、ｖ方向は第２高熱伝導率方向に相当する。低熱伝導率方向（ｗ方向）、第１高熱伝導率方向（ｕ方向）、および第２高熱伝導率方向（ｖ方向）は、互いに直交している。炭素系材料としてグラファイトを用いる場合、図４〜図８の低熱伝導率方向（ｗ方向）における熱伝導率は、約７Ｗ／ｍＫであり、第１高熱伝導率方向（ｕ方向）における熱伝導率は、約１７００Ｗ／ｍＫであり、第２高熱伝導率方向（ｖ方向）における熱伝導率は、約１７００Ｗ／ｍＫである。このように、シート材７１は、３方向で異なる熱伝導率を有している。炭素系材料の高熱伝導率方向における熱伝導率は、金属の熱伝導率より高い。例えば、金属である無酸素銅の熱伝導率は、約３８５Ｗ／ｍＫである。
シート材７１が異方性の熱伝導率を有することから、傾斜部材１０も異方性の熱伝導率を有する。傾斜部材１０の先端部６５から背面６４に向かう方向（図４のｗ方向）は、低熱伝導率方向に相当し、この方向における熱伝導率は低い。傾斜部材１０の一端面６１から他端面６２に向かう方向（図４のｕ方向）は、第１高熱伝導率方向に相当し、この方向における熱伝導率は、低熱伝導率方向（ｗ方向）の熱伝導率より高い。傾斜部材１０の一方の側面６３から他方の側面６３に向かう方向（図４のｖ方向）は、第２高熱伝導率方向に相当し、この方向における熱伝導率は、低熱伝導率方向（ｗ方向）の熱伝導率より高い。
図９に示すように、複数の傾斜部材１０は、並んで配置されている。複数の傾斜部材１０は、異なる方向を向いた状態で配置されている。複数の傾斜部材１０は、向かい合って配置されている。複数の傾斜部材１０は、それぞれの先端部６５が向かい合った状態で配置されている。第１傾斜部材１０１および第２傾斜部材１０２が互いに異なる方向を向いた状態で向かい合って並んで配置されることにより、第１熱拡散部材３１が形成されている。また、第３傾斜部材１０３および第４傾斜部材１０４が互いに異なる方向を向いた状態で向かい合って並んで配置されることにより、第２熱拡散部材３２が形成されている。
図１および図９に示すように、第１熱拡散部材３１と第２熱拡散部材３２は、間隔をあけて並んで配置されている。第１熱拡散部材３１と第２熱拡散部材３２が左右に隣り合って配置されている。図１に示す例では、複数の第１熱拡散部材３１が左側に配置されており、複数の第２熱拡散部材３２が右側に配置されている。
第１熱拡散部材３１は、第１半導体チップ２１に対応して配置されている。第１半導体チップ１の上方および下方にそれぞれ第１熱拡散部材３１が配置されている。第１熱拡散部材３１は、放熱部材４を介して、第１半導体チップ２１と対向する位置に配置されている。第１熱拡散部材３１は、第１半導体チップ２１の厚み方向（図１のｚ方向）において第１半導体チップ２１と重複する位置に配置されている。第１熱拡散部材３１は、放熱部材４と冷却器５の間に配置されている。第１熱拡散部材３１は、放熱部材４（第１放熱部材４１および第２放熱部材４２）の裏面４９に接続されている。第１熱拡散部材３１の一端は、第１半導体チップ２１と対向する位置において放熱部材４に接続されている。第１熱拡散部材３１の他端は、絶縁部材５６に接続されている。同様に、第２熱拡散部材３２は、第２半導体チップ２２に対応して配置されている。第２半導体チップ１の上方および下方にそれぞれ第１熱拡散部材３１が配置されている。第２熱拡散部材３２は、放熱部材４を介して、第２半導体チップ２２と対向する位置に配置されている。第２熱拡散部材３２は、第２半導体チップ２２の厚み方向（図１のｚ方向）において第２半導体チップ２２と重複する位置に配置されている。第２熱拡散部材３２は、放熱部材４（第１放熱部材４１および第２放熱部材４２）の裏面４９に接続されている。第２熱拡散部材３２の一端は、第２半導体チップ２２と対向する位置において放熱部材４に接続されている。第２熱拡散部材３２の他端は、絶縁部材５６に接続されている。
熱拡散部材３を構成する複数の傾斜部材１０は、放熱部材４から冷却器５に向かって斜めに拡がるように配置されている。複数の傾斜部材１０（第１傾斜部材１０１、第２傾斜部材１０２、第３傾斜部材１０３、第４傾斜部材１０４）は、それぞれ、放熱部材４に対して傾いた状態で放熱部材４から冷却器５に向かって延びている。本実施形態では、傾斜部材１０は、放熱部材４および冷却器５に対して４５°傾斜している。また、傾斜部材１０の第１高熱伝導方向（図４のｕ方向）が、放熱部材４および冷却器５に対して４５°傾斜している。第１高熱伝導方向は、放熱部材４から冷却器５に向かう方向に延びている。すなわち、第１高熱伝導方向は、各傾斜部材１０の長手方向と一致しており、放熱部材４から絶縁部材５６に向かって高い熱伝導率で熱が伝わるようになっている。一方、傾斜部材１０の第２高熱伝導方向（図４のｖ方向）は、放熱部材４および冷却器５と平行に延びている。
第１熱拡散部材３１を構成する第１傾斜部材１０１および第２傾斜部材１０２は、互いに異なる方向に傾いている。図１および図９に示す例では、第１傾斜部材１０１は、放熱部材４から冷却器５に向かって斜め左方に延びている。一方、第２傾斜部材１０２は、放熱部材４から冷却器５に向かって斜め右方に延びている。第１傾斜部材１０１は、放熱部材４側から冷却器５側に向かうにしたがって第２傾斜部材１０２から離間するように傾斜している。第２傾斜部材１０２は、放熱部材４側から冷却器５側に向かうにしたがって第１傾斜部材１０１から離間するように傾斜している。すなわち、第１傾斜部材１０１と第２傾斜部材１０２の間隔は、放熱部材４側よりも冷却器５側において互いに広い。
第２熱拡散部材３２を構成する第３傾斜部材１０３および第４傾斜部材１０４は、互いに異なる方向に傾いている。図１および図９に示す例では、第３傾斜部材１０３は、放熱部材４から冷却器５に向かって斜め左方に延びている。一方、第４傾斜部材１０４は、放熱部材４から冷却器５に向かって斜め右方に延びている。第３傾斜部材１０３は、放熱部材４側から冷却器５側に向かうにしたがって第４傾斜部材１０４から離間するように傾斜している。第４傾斜部材１０４は、放熱部材４側から冷却器５側に向かうにしたがって第３傾斜部材１０３から離間するように傾斜している。すなわち、第３傾斜部材１０３と第４傾斜部材１０４の間の間隔は、放熱部材４側よりも冷却器５側において広い。
隣り合う第１熱拡散部材３１と第２熱拡散部材３２の間には、間隙部３５が形成されている。第１熱拡散部材３１と第２熱拡散部材３２の間の間隔（間隙部３５）は、第１半導体チップ２１と第２半導体チップ２２の間の間隔（間隙部２５）に対応して形成されている。第１熱拡散部材３１と第２熱拡散部材３２の間の間隔（間隙部３５）は、放熱部材４を介して、第１半導体チップ２１と第２半導体チップ２２の間の間隔（間隙部２５）と対向する位置に配置されている。熱拡散部材３の間隙部３５は、半導体チップ２の間隙部２５の上方および下方に形成されている。熱拡散部材３の間隙部３５は、上下方向（図１のｚ方向）において半導体チップ２の間隙部２５と重複する位置に形成されている。
図１に示すように、熱拡散部材３は、放熱部材４に接している。また、熱拡散部材３は、冷却器５に接している。熱拡散部材３を構成する傾斜部材１０は、放熱部材４側の端面と、冷却器５側の端面を有している。傾斜部材１０の一端面６１が放熱部材４側の端面に相当し、他端面６２が冷却器５側の端面に相当する。熱拡散部材３の一端面すなわち、傾斜部材１０の一端面６１が、放熱部材４に接している。熱拡散部材３の一端面すなわち、傾斜部材１０の一端面６１は、放熱部材４側を向いている。熱拡散部材３は、ろう付けやはんだ付けにより放熱部材４に固定されている。熱拡散部材３の他端面すなわち、傾斜部材１０の他端面６２が、絶縁部材５６を介して冷却器５に接続されている。熱拡散部材３の他端面すなわち、傾斜部材１０の他端面６２は、冷却器５側を向いている。
図９および図１０に示すように、第１熱拡散部材３１を構成する第１傾斜部材１０１の他端面６２および第２傾斜部材１０２の他端面６２の位置と、第２熱拡散部材３２を構成する第３傾斜部材１０３の他端面６２および第４傾斜部材１０４の他端面６２の位置とが、冷媒の流れ方向Ｌにおいて互いに重なり合わない。すなわち、第１熱拡散部材３１の冷却器５側の端面の位置と第２熱拡散部材３２の冷却器５側の端面の位置は、冷却器５内の冷媒の流れ方向Ｌに交差する方向において互いに離間している。第１熱拡散部材３１の冷却器５側の端面の位置と第２熱拡散部材３２の冷却器５側の端面の位置は、冷却器５内の冷媒の流れ方向Ｌにおいて互いに重なり合わない。
上記の構成を備える半導体装置１によれば、半導体チップ２（第１半導体チップ２１および第２半導体チップ２２）が通電により発熱すると、半導体チップ２の熱がはんだ９１およびスペーサー９２を介して放熱部材４（第１放熱部材４１および第２放熱部材４２）に伝わる。放熱部材４に伝わった熱は、放熱部材４に接続された熱拡散部材３（第１熱拡散部材３１および第２熱拡散部材３２）に伝わる。一方、熱拡散部材３（第１熱拡散部材３１および第２熱拡散部材３２）は、熱拡散部材３に接する冷却器５（第１冷却器５１および第２冷却器５２）により冷却される。このように、半導体チップ２で発生する熱が熱拡散部材３に伝わると共に熱拡散部材３が冷却器５により冷却される。これにより、半導体チップ２を冷却することができる。
半導体チップ２が発熱を繰り返すと、半導体チップ２および放熱部材４を封止している封止樹脂９３が膨張・収縮を繰り返すことにより、封止樹脂９３に対して半導体チップ２や放熱部材４から剥離する方向に応力を受ける。特に、第１半導体チップ２１と第２半導体チップ２２の間の部分では、封止樹脂９３の膨張・収縮が大きくなりやすく、封止樹脂９３が受ける応力が大きくなる。
上記の半導体装置１は、金属の放熱部材４に接続された炭素系材料の熱拡散部材３（第１熱拡散部材３１および第２熱拡散部材３２）を備えている。この半導体装置１では、半導体チップ２から金属の放熱部材４に伝わった熱は、放熱部材４から炭素系材料の熱拡散部材３に伝わる。そして、熱拡散部材３が冷却器５により冷却される。このとき、炭素系材料の熱伝導率が金属の熱伝導率より高いので、炭素系材料の熱拡散部材３を冷却することにより冷却効果を高めることができる。また、金属の代わりに炭素系材料の熱拡散部材３を配置することにより、金属の放熱部材４の厚みを薄くすることができ、放熱部材４の剛性を低減することができる。これにより、半導体チップ２と放熱部材４を封止している封止樹脂９３が膨張・収縮を繰り返したとしても、放熱部材４の剛性が低減されているので、封止樹脂９３に追従して放熱部材４が撓むことができる。これによって、封止樹脂９３に加わる応力を低減することができ、封止樹脂９３の剥離を抑制することができる。
また、半導体チップ２で発生した熱が熱拡散部材３（第１熱拡散部材３１および第２熱拡散部材３２）に伝わったとき、熱拡散部材３に熱応力が生じる。このとき、上記の半導体装置１によれば、第１熱拡散部材３１および第２熱拡散部材３２が間隔をあけて配置されており、間隙部３５が形成されているので、この間隙部３５により熱拡散部材３で生じる熱応力による影響を軽減することができる。すなわち、応力が生じたときに熱拡散部材３が間隙部３５側に撓むことができるので、熱拡散部材３で生じる応力を低減することができる。これにより、熱拡散部材３が接続された放熱部材４に対して、熱拡散部材３の熱応力による影響を少なくすることができ、放熱部材４が封止樹脂９３の膨張・収縮に追従して撓みやすくなる。よって、封止樹脂９３の剥離を更に低減することができる。
また、第１熱拡散部材３１と第２熱拡散部材３２の間の間隙部３５が第１半導体チップ２１と第２半導体チップ２２の間の間隙部２５に対向する位置になるように、第１熱拡散部材３１と第２熱拡散部材３２が配置されているので、第１半導体チップ２１と第２半導体チップ２２の間において放熱部材３が熱拡散部材３によって拘束されない。このため、第１半導体チップ２１と第２半導体チップ２２の間において、放熱部材３が、封止樹脂９３の膨張・収縮に追従してより撓みやすい。高い応力が生じやすい第１半導体チップ２１と第２半導体チップ２２の間の領域において放熱部材３が撓みやすくなっていることで、この領域でも応力を低減することができる。よって、封止樹脂９３の剥離を抑制することができる。
また、上記の半導体装置１では、放熱部材４の厚みを薄くすることができ、厚みを略一定にすることができるので、半導体装置１の製造コストを低減することができる。
また、熱拡散部材３を構成する複数の傾斜部材１０が放熱部材４に対して傾いた状態で配置されているので、放熱部材４から熱拡散部材３に伝わる熱を傾斜部材１０の傾きにより拡散することができる。これにより、冷却効果を高めることができる。すなわち、第１熱拡散部材３１を構成する第１傾斜部材１０１と第２傾斜部材１０２が、放熱部材４側より冷却器５側ほど離れるように傾いた状態で放熱部材４から冷却器５に向かって延びている。これにより、放熱部材４から第１熱拡散部材３１（第１傾斜部材１０１と第２傾斜部材１０２）に伝わる熱が拡散し、拡散した熱が冷却器５に伝わる。したがって、熱を拡散してから冷却するので、冷却効果を高めることができる。また、同様に、第２熱拡散部材３２を構成する第３傾斜部材１０３と第４傾斜部材１０４が、放熱部材４側より冷却器５側ほど離れるように傾いた状態で放熱部材４から冷却器５に向かって延びている。これにより、冷却効果を高めることができる。
また、上記の半導体装置１では、第１熱拡散部材３１の冷却器５側の端面の位置と第２熱拡散部材３２の冷却器５側の端面の位置が冷却器５内の冷媒の流れ方向Ｌと交差する方向にずれている。これにより、第１熱拡散部材３１と第２熱拡散部材３２において、冷却器５に接する端面の位置が冷媒の流れ方向Ｌにおいて互いに重なり合わないので、冷却効果を高めることができる。すなわち、第１熱拡散部材３１の冷却器５側の端面の位置と第２熱拡散部材３２の冷却器５側の端面の位置が冷媒の流れ方向Ｌにおいて互いに重なり合っていると、第１熱拡散部材３１を冷却した後の冷媒により第２熱拡散部材３２を冷却することになるので、冷却効果を高め難くなる。しかしながら、第１熱拡散部材３１の冷却器５側の端面の位置と第２熱拡散部材３２の冷却器５側の端面の位置が冷媒の流れ方向Ｌにおいて互いに重なり合っていないと、新鮮な冷媒により第１熱拡散部材３１と第２熱拡散部材３２をそれぞれ冷却できるので、冷却効果を高めることができる。
以上、一実施形態について説明したが、具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。以下の説明において、上述の説明における構成と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
上記実施形態では、熱拡散部材３の冷却器５側の端面が薄膜７３および絶縁部材５６を介して冷却器５に接している構成であったが、この構成に限定されるものではない。他の実施形態に係る半導体装置１は、図１１に示すように、熱拡散部材３と冷却器５との間に配置された金属部材８１を備えていてもよい。金属部材８１としては、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの金属のブロック体を用いることができる。金属部材８１は、上側の熱拡散部材３の上方および下側の熱拡散部材３の下方にそれぞれ配置されている。金属部材８１は、熱拡散部材３および冷却器５に接している。熱拡散部材３（第１熱拡散部材３１および第２熱拡散部材３２）の冷却器５側の端面（傾斜部材１０の他端面６２）が金属部材８１に接している。冷却器５（第１冷却器５１および第２冷却器５２）は、絶縁部材５６を介して金属部材８１に接している。金属部材８１は、熱マスとして機能する。このような構成によれば、金属部材８１を備えることにより、熱拡散部材３から金属部材８１に熱を逃がすことができる。熱が金属部材８１に蓄えられ、この金属部材８１を冷却器５が冷却する。
上記実施形態では、金属部材８１が熱拡散部材３と冷却器５との間に配置されている構成であったが、この構成に限定されるものではない。他の実施形態では、図１２に示すように、放熱部材４の側方に複数の金属部材８１が配置されていてもよい。各金属部材８１は、放熱部材４の隣に配置されている。各金属部材８１は、放熱部材４の左右にそれぞれ配置されている。金属部材８１は、封止樹脂９３により封止されている。金属部材８１は、放熱部材４から離間して配置されている。金属部材８１と放熱部材４の間には、接続部材８２が配置されている。接続部材８２は、金属部材８１と放熱部材４に接している。接続部材８２を介して、金属部材８１と放熱部材４が接続されている。接続部材８２は、熱伝導性を有している。接続部材８２の材料としては、金属や炭素系材料を用いることができる。このような構成によれば、金属部材８１と接続部材８２を備えることにより、放熱部材４から接続部材８２を介して金属部材８１に熱を逃がすことができる。熱が金属部材８１に蓄えられ、熱マスとして機能する。
上記実施形態では、放熱部材４と金属部材８１の間に接続部材８２が配置されていたが、この構成に限定されるものではなく、図１３に示すように、接続部材８２を省略してもよい。図１３に示す実施形態では、放熱部材４の両端部に金属部材８１が固定されている。放熱部材４と金属部材８１は、一体的に形成されている。金属部材８１の一端部１８１は、封止樹脂９３により封止されている。金属部材８１の他端部１８２は、絶縁部材５６を介して冷却器５に接している。
また、更に他の実施形態では、図１４に示すように、金属部材８１が、熱拡散部材３と冷却器５の間、および、放熱部材４の隣に配置されていてもよい。放熱部材４と金属部材８１は、一体的に形成されている。金属部材８１は、熱拡散部材３（第１熱拡散部材３１および第２熱拡散部材３２）を囲んでいる。また、放熱部材４と金属部材８１によって囲まれた空間１８３に液体や金属粉末を充填してもよい。例えば、空間１８３に水や液体金属を充填することができる。あるいは、空間１８３に銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）の粉末を充填することができる。
また、熱拡散部材３を構成する傾斜部材１０の数や配置は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、図１５に示すように、熱拡散部材３を構成する傾斜部材１０の数を減らすことにより、第１半導体チップ２１と第２半導体チップ２２を近づけることができる。図１５に示す例では、第１半導体チップ２１に対して２つの傾斜部材１０が配置されている。第１半導体チップ２１の上方および下方において、それぞれ、第１半導体チップ２１に対して２つの傾斜部材１０が配置されている。図１５では、第１半導体チップ２１の下方の傾斜部材１０のみを示している。同様に、第２半導体チップ２２に対して２つの傾斜部材１０が配置されている。第２半導体チップ２２の上方および下方において、それぞれ、第２半導体チップ２２に対して２つの傾斜部材１０が配置されている。図１５では、第２半導体チップ２２の下方に配置された２つの傾斜部材１０を示している。また、図１５に示す例では、第１熱拡散部材３１を構成する傾斜部材１０と第２熱拡散部材３２を構成する傾斜部材１０は、冷媒の流れ方向Ｌに直行する方向に延びるように配置されている。このような構成によれば、第１半導体チップ２１と第２半導体チップ２２の距離を短くすることができ、複数の半導体チップ２を高密度で配置することができる。
また、熱拡散部材３を構成する傾斜部材１０の形状は、特に限定されるものではない。図１５に示す例では、傾斜部材１０の一端面６１および他端面６２が、四角形状に形成されている。
上記実施形態に係る冷却器５では、流れる冷媒を用いていたが、この構成に限定されるものではない。他の実施形態に係る冷却器５では、流れる冷媒を用いなくてもよい。冷却器５は、冷媒を用いないヒートシンクなどであってもよい。
上記実施形態では、熱拡散部材３（複数の第１熱拡散部材３１および複数の第２熱拡散部材３２）の冷却器５側の端面が、絶縁部材５６を介して冷却器５に固定されていたが、この構成に限定されるものではない。他の実施形態では、熱拡散部材３の他端面６２が冷却器５に直接接触していてもよい。
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。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。
１；半導体装置
２；半導体チップ
３；熱拡散部材
４；放熱部材
５；冷却器
１０；傾斜部材
２１；第１半導体チップ
２２；第２半導体チップ
２５；間隙部
３１；第１熱拡散部材
３２；第２熱拡散部材
３５；間隙部
４０；放熱部材の表面
４１；第１放熱部材
４２；第２放熱部材
４９；放熱部材の裏面
５１；第１冷却器
５２；第２冷却器
５３；筐体
５４；隔壁
５５；流路
５６；絶縁部材
６１；一端面
６２；他端面
６３；側面
６４；背面
６５；先端部
７１；シート材
７２；積層体
７３；薄膜
８１；金属部材
８２；接続部材
９１；はんだ
９２；スペーサー
９３；封止樹脂
１０１；第１傾斜部材
１０２；第２傾斜部材
１０３；第３傾斜部材
１０４；第４傾斜部材
１８１；一端部
１８２；他端部
１８３；空間

Claims (9)

  1. 金属の放熱部材と、
    前記放熱部材の表面に接続された第１半導体チップと、
    前記第１半導体チップから間隔をあけて前記放熱部材の前記表面に接続された第２半導体チップと、
    前記第１半導体チップ、前記第２半導体チップ、および前記第１半導体チップと前記第２半導体チップの間の前記放熱部材の前記表面を封止する封止樹脂と、
    前記第１半導体チップに対向する位置で前記放熱部材の裏面に接続され、炭素系材料からなる第１熱拡散部材と、
    前記第２半導体チップに対向する位置で前記放熱部材の前記裏面に接続され、炭素系材料からなる第２熱拡散部材と、
    前記放熱部材の反対側において前記第１熱拡散部材および前記第２熱拡散部材を冷却する冷却器と、を備え、
    前記第１熱拡散部材と前記第２熱拡散部材は、間隔をあけて配置されており、前記第１熱拡散部材と前記第２熱拡散部材の間の前記間隔が前記第１半導体チップと前記第２半導体チップの間の前記間隔に対して前記放熱部材を介して対向する位置になるように、前記第１熱拡散部材と前記第２熱拡散部材が配置されている、半導体装置。
  2. 前記冷却器が、流れる冷媒を用いて前記第１熱拡散部材および前記第２熱拡散部材を冷却し、
    前記第１熱拡散部材の前記冷却器側の端面の位置と前記第２熱拡散部材の前記冷却器側の端面の位置が、前記冷媒の流れ方向において互いに重なり合わない、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第１熱拡散部材および前記第２熱拡散部材は、それぞれ、前記放熱部材に対して傾いた状態で前記放熱部材から前記冷却器に向かって延びている傾斜部材を備える、請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記第１熱拡散部材が、前記放熱部材に対して傾いた状態で前記放熱部材から前記冷却器に向かって延びている第１傾斜部材と、前記冷却器側ほど前記第１傾斜部材から離れるように前記放熱部材に対して傾いた状態で前記放熱部材から前記冷却器に向かって延びている第２傾斜部材を有している、請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記第１熱拡散部材および前記第２熱拡散部材と前記冷却器との間に配置された金属部材を更に備える請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置。
  6. 前記放熱部材の側方に配置された金属部材を更に備える請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置。
  7. 前記放熱部材と前記金属部材の間に配置され、前記放熱部材と前記金属部材を接続する接続部材を更に備える請求項６に記載の半導体装置。
  8. 前記第１熱拡散部材および前記第２熱拡散部材を囲む金属部材を更に備え、
    前記金属部材によって囲まれた空間に液体または粉末が充填されている請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置。
  9. 前記冷却器は、流れる冷媒を用いて前記第１熱拡散部材および前記第２熱拡散部材を冷却し、
    前記傾斜部材は、前記冷却器の前記冷媒の流れ方向に直交する方向に延びている、請求項３または４に記載の半導体装置。
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