JP2007184366A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性および冷却機能の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置Ａは、半導体素子が形成された半導体チップ１１ａ，１１ｂと、放熱基板２１と、配線板２３ａ，２３ｂ，２３ｃと、各半導体チップ１１ａ（１１ｂ）を封止する封止部材１５と、放熱基板２１の裏面側に配置されたヒートシンク部材２２とを備えている。ヒートシンク部材２２は、平板状の支持部２２ａと、立体網状材料からなる立体網状部２２ｂとからなる。ヒートシンク部材２２全体としての表面積が増大するので、ヒートシンク部材２２の占めるスペースが有効利用されて、熱交換機能が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップを実装してなる半導体装置に係り、特に、放熱対策に関する。

従来より、たとえば特許文献１に開示されるように、発熱体である電子部品を実装した半導体装置の構造として、フィン付きのヒートシンク部材を備え、フィンによって冷却効果を高めつつ、ヒートシンク部材と水や空気などの冷却媒体との熱交換を行わせるようにしたものは公知の技術である。

特開２００３−２７０８０号公報

上記公報の構造により、フィンを利用して比較的高い熱交換効率を実現することができる。しかし、放熱のために利用しうるヒートシンク部材の表面積には限界があるために、必ずしもヒートシンク部材が占めるスペースの有効利用が図られていない。

本発明の目的は、ヒートシンク部材が占めるスペースの有効利用を図ることにより、効率のよい放熱機能を有す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、半導体チップを冷却するためのヒートシンク部材を備えており、ヒートシンク部材は、熱交換媒体の通過が可能な立体網状部を有している。

これにより、立体網状部の壁面もヒートシンク部材の表面となるので、ヒートシンク部材と熱交換媒体との熱交換が行われる表面の面積が飛躍的に増大する。したがって、ヒートシンク部材が占めるスペースを効率よく利用した，高い放熱機能を有する半導体装置が得られる。

本発明の半導体装置は、ヒートシンク部材が、平板状の支持部を有していて、立体網状部が平板状の支持部の裏面に取り付けられている構造を採ることができる。

立体網状部が金属材料によって構成されていることにより、立体網状部が高い熱伝導率を有することになり、さらに放熱機能が向上する。その場合、平板状の支持部が無機絶縁性材料によって構成されている場合には、平板状の支持部の裏面にメタライズ層を設けて、ヒートシンク部材をメタライズ層にろう付けする構造を採ることにより、有機接着剤が不要となるので、ヒートシンク部材の熱伝達率が向上する。

立体網状部が、フィン状、柱状などの形状であることにより、ヒートシンク部材の熱交換効率がより高くなる。ただし、立体網状部が平板状であってもよい。

立体網状部が、ヒートシンク部材全体を占めている構造を採ることにより、ヒートシンク部材の占めるスペースをできるだけ有効的に利用することができる。

この場合にも、ヒートシンク部材が金属材料によって構成されていることにより、ヒートシンク部材が高い熱伝導率を有することになり、さらに放熱機能が向上する。

立体網状部が、連続気孔を有する材料によって構成されていることにより、発泡金属などを利用して、比較的高効率の熱交換を行うことができる。

立体網状部が、熱交換媒体の通路の断面全体に亘って設けられていることにより、最大限、高効率の熱交換を行うことが可能になる。

本発明の半導体装置によると、ヒートシンク部材に立体網状部を設けたので、ヒートシンク部材の占めるスペースを有効利用して、高い放熱機能を有する半導体装置を提供することができる。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における半導体装置Ａの構造を示す縦断面図である。同図に示すように、本実施の形態の半導体装置Ａは、主要部材として、スイッチングトランジスタなどの半導体素子が形成された半導体チップ１１ａ，１１ｂと、半導体チップ１１ａ，１１ｂで発生した熱を外方に放出するための，無機絶縁性材料からなる放熱基板２１と、Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｌ，Ａｌ合金などからなり、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）の裏面電極１４等に接続され放熱基板２１の主面側に延びる配線板２３ａ，２３ｂ，２３ｃと、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）の主面電極１６と配線板２３とを接続するリボン部材１７と、半導体チップ１１ａ（１１ｂ），配線板２３ｂ（２３ｃ），リボン部材１７等を放熱基板２１の主面側で封止する封止部材１５と、放熱基板２１の裏面に設けられたヒートシンク部材２２とを備えている。同図に示すように、ヒートシンク部材２２は、ＣｕまたはＣｕ合金からなる平板状の支持部２２ａと、連続気孔を有する材料によって構成された立体網状部２２ｂとを有している。

放熱基板２１は、ＡｌＮ，Ａｌ−ＳｉＣ，Ｓｉ−ＳｉＣ等の無機絶縁性材料（本実施の形態では、セラミックス）によって構成されている。ただし、アルミナなどの汎用セラミックスによって構成されていてもよい。放熱基板２１の裏面には、ほぼ全面に亘って裏面側メタライズ層２４が形成されており、ヒートシンク部材２２の支持部２２ａは、ろう付け（銀ろう，銅ろうなど）によって裏面側メタライズ層２４に接合されている。放熱基板２１の主面には、配線板２３ａ，２３ｂ，２３ｃとの接続部のみに主面側メタライズ層２６が形成されており、配線板２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、ろう付け（はんだなどの低温ろう）によって主面側メタライズ層２６に接合されている。裏面側メタライズ層２４および主面側メタライズ層２６は、たとえばＭｏ合金，Ｗ合金，Ｍｏ−Ｍｎ合金などの金属膜とＡｌＮ等とを水素雰囲気中で反応させることにより形成され、その後、表面にＮｉメッキが施されている。ただし、メタライズ層を形成することなく、有機接着剤などにより、放熱基板２１と、配線板２３およびヒートシンク部材２２の支持部２２ａとの間をそれぞれ接着してもよい。

本実施の形態では、立体網状部２２ｂは、Ｃｕ，Ｎｉ，ＳＵＳ（ステンレス），Ｎｉ合金，Ａｌ，Ａｌ合金などの金属を発泡させた連続気孔を有するものであって、具体的な材料としては、たとえば三菱マテリアル株式会社製の発泡金属がある。発泡金属には、気孔率が８０〜９０％，９４〜９６％、９５〜９７％のものがあるので、冷却媒体や、半導体素子の適正温度などに応じて、適宜気孔率を選択することができる。金属だけでなく、セラミックス，ガラスなどの連続気孔を有する材料を用いてもよい。また、連続気孔を有するものでなくても、たとえば、金属ワイヤを立体的に丸めた金たわし状のものや、平板状のメッシュを立体的に組み合わせたもの、などによっても、立体網状構造を実現することができる。すなわち、本発明における「立体網状」とは、多孔質体、交差して孔を形成する線状または帯状のものの集合体、などを含む概念である。

なお、本実施の形態では、立体網状部２２ｂは、ろう付けによって支持部２２ａに接合されているが、有機接着剤によって接着されていてもよい。特に、立体網状部２２ｂが、セラミックスによって構成されている場合には、立体網状部２２ｂの上面にメタライズ層を形成しておいて、このメタライズ層と支持部２２ａとをろう付けする構造を採ることもできる。

配線板２３ａ，２３ｂ，２３ｃの材料は、ＣｕまたはＣｕ合金に代えて、Ｃｕ−ＭｏやＣｕ−Ｗなどの複合材料を選択することもできる。Ｃｕ−Ｍｏの熱膨張係数αは約６．５〜８であり，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１１ａ（１１ｂ）の熱膨張係数α（Ｓｉで約３、ＳｉＣで約４）や放熱基板２１の熱膨張係数αに近い。したがって、配線板２３ａ，２３ｂ，２３ｃを、Ｃｕ−ＭｏまたはＣｕ−Ｗより構成することによって、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）との間における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２２の立体網状部２２ｂの表面は、冷却液（冷却媒体）にさらされている。立体網状部２２ｂの表面積は一般的なフィンに比べて大幅に大きいので、立体網状部２２ｂにより、冷却液との熱交換効率を高めるように構成されている。冷却媒体としては、液体に代えて、ヘリウム，アルゴン，窒素，空気などの気体であってもよい。

封止部材１５は、エポキシ樹脂，ウレタン樹脂，シリコーン樹脂などからなり、ポッティングによって形成されたものである。一般に、組み立て工程における信頼性や、使用時には環境が多彩に変化することを考慮すると、封止部材１５を設けることが好ましい。

次に、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）の構造について説明する。図２は、本実施の形態における半導体チップ１１ａ（１１ｂ）の縦断面図である。同図に示すように、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）は、抵抗率が０．０２Ωｃｍ、厚みが４００μｍで、［ 1 1-2 0 ］方向に約８°オフさせた（ 0 0 0 1 ）面を主面とするｎ型の４Ｈ−ＳｉＣ基板３０と、in-situドープを伴うＣＶＤエピタキシャル成長法により、４Ｈ−ＳｉＣ基板３０の上に成長された，厚みが約１０μｍのｎ型エピタキシャル成長層３１と備えている。

そして、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）内の縦型ＭＯＳＦＥＴ１は、エピタキシャル成長層３１の表面部の一部に形成されたｐウェル領域３２と、ｐウェル領域３２の表面部の各一部に形成されたｎ型ソース領域３３およびｐ^＋コンタクト領域３５と、エピタキシャル成長層３１の上に形成されたシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜３８と、４Ｈ−ＳｉＣ基板３０の裏面上に形成された、Ｎｉ膜（又はＮｉ合金膜）からなる裏面電極４０と、ゲート絶縁膜３８のうちソース領域３３及びｐ^＋コンタクト領域３５の上方に位置する部分を開口した領域の上に形成されたＮｉ膜（又はＮｉ合金膜）からなるソース電極４１と、ゲート絶縁膜４０の上にソース電極４１とは離間した位置に形成されたＡｌ膜（又はＡｌ合金膜）からなるゲート電極４２とを備えている。

図２には表示されていないが、多数のトランジスタセルが集合して１つの縦型ＭＯＳＦＥＴが構成されている。この縦型ＭＯＳＦＥＴの各トランジスタセルにおいて、オン時には、裏面電極４０から供給される電子が、４Ｈ−ＳｉＣ基板３０からエピタキシャル成長層３１の最上部まで縦方向に流れた後、ｐウェル領域３２の最上部のチャネル領域を経て、ソース領域３３に達することになる。

一方、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）内のショットキーダイオード２は、エピタキシャル成長層３１の表面部の一部に形成されたｐガードリング領域４５と、ｐガードリング領域４５を含むエピタキシャル成長層３１の上に形成されたシリコン酸化膜４３と、シリコン酸化膜４３のうちｐガードリング領域４５に跨る部分の上方に位置する部分を開口した領域の上に形成されたＮｉ膜（又はＮｉ合金膜）からなるショットキー電極４６と、縦型ＭＯＳＦＥＴ１と共通の裏面電極４０とを備えている。

ここで、縦型ＭＯＳＦＥＴ１のソース電極４１と、ショットキーダイオード２のショットキー電極４６とは、保護用絶縁膜まで延びて共通のパッドである上面電極１６（図２参照）となっている。また、縦型ＭＯＳＦＥＴ１のゲート電極は、図２とは異なる断面において保護用絶縁膜上まで延びてゲートパッド１８（図３参照）となっている。

図４は、実施の形態における半導体装置を含むモジュールの電気回路図である。同図に示すように、モジュール内において、電源端子ＶＤＤと接地端子ＶＳＳとの間には、直列に接続された３組の半導体チップ１１ａ，１１ｂが、互いに並列に接続されている。各半導体チップ１１ａ（１１ｂ）には、縦型ＭＯＳＦＥＴ１とショットキーダイオード２とが互いに並列に配置されている。各電気配線１３ａは接地端子ＶＳＳに接続され、各電気配線１３ｃは電源端子ＶＤＤに接続され、中間の各電気配線１３ｂから三相の電力信号Ｕ，Ｖ，Ｗが取り出される。すなわち、電源端子ＶＤＤおよび接地端子ＶＳＳ間に印加される直流電力信号を３相の電力信号に変換するインバータ回路が構成されている。本実施の形態のインバータ回路は、燃料電池や水素電池などの直流電力を自動車のエンジンを駆動するための三相の電力に変換するものである。

図３は、実施の形態における半導体装置Ａの上面図である。半導体装置Ａには、図４に示す電源端子ＶＤＤと接地端子ＶＳＳとの間に、直列に配置された１対の半導体チップ１１ａ，１１ｂの３組が配置されている。つまり、合計６個の半導体チップ１１ａまたは１１ｂが配置されている。また、電気配線として機能する配線板２３は、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）の裏面側だけでなく、外部との電気的接続を行うためのパッドとなる領域まで延びている。そして、接地端子ＶＳＳに接続される配線板２３ａと、半導体チップ１１ａの上面電極１６とは、リボン部材１７により接続され、配線板２３ａおよびリボン部材１７が電気配線１３ａとして機能する。配線板２３ｂと半導体チップ１１ｂの上面電極１６とは、リボン部材１７によって接続されており、配線板２３ｂおよびリボン部材１７が電気配線１３ｂとして機能する。配線板２３ｃの端部は、電源端子ＶＤＤに接続されるパッドになっていて、配線板２３ｃが電気配線１３ｃの一部として機能する。すなわち、モジュールとして組立てられた状態では、各２つの半導体チップ１１ａ，１１ｂが電気配線１３ａ，１３ｂ，１３ｃにより直列に接続されている。

一方、半導体チップ１１ａのゲートパッド１８と、制御信号入力部である配線板２３ｄとは、ボンディングワイヤ１９によって電気的に接続されている。また、半導体チップ１１ｂのゲートパッド１８と、制御信号入力部である配線板２３ｅとは、ボンディングワイヤ１９によって、電気的に接続されている。そして、封止部材１５は、ゲートパッド１８，ボンディングワイヤ１９および配線板２３ｄ（２３ｅ）の一部をも封止している。

そして、モジュールとして組み立てられた状態では、配線板２３ｄ，２３ｅには制御信号用の信号配線が接続され、配線板２３ａのパッドには接地端子ＶＳＳ（図４参照）からの電力配線が接続され、配線板２３ｃのパッドには電源端子ＶＤＤ（図４参照）からの電力配線が接続され、配線板２３のパッドには三相の電力信号Ｕ，Ｖ，Ｗを出力するための電力配線が接続される。

本実施の形態の半導体装置Ａによると、ヒートシンク部材２２に立体網状部２２ｂを設けたので、従来の単なるフィン付きのヒートシンクを備えたものに比べ、熱交換媒体との熱交換が行われるヒートシンクの表面の面積を大幅に拡大することができる。よって、ヒートシンク部材２２が占めるスペースを有効に利用して、高効率の熱交換を行わせることができる。

立体網状部２２ｂを連続気孔を有する材料によって構成する場合、一般的には、気孔率が高いほどヒートシンク部材２全体の表面積が大きくなる。ただし、半導体素子の種類によっては、たとえば１５０°Ｃ前後の高温に維持されることが好ましい場合もあるので、適度な冷却機能が望まれることがある。また、壁自体の熱パスがあまりに小さいと、立体網状部２２ｂの冷却がもっぱら支持部２２ａの裏面付近だけで行われることになり、冷却効率が悪化する。したがって、熱交換媒体、半導体素子の種類、などを考慮して、立体網状部２２ｂの気孔率を適正な範囲に設定することが好ましい。

（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係る半導体装置の一部を示す部分断面図である。図５においては、放熱基板２１の主面側に配置されている部材の図示は省略し、かつ、図１に示す断面の一部のみを抜き出して示されているが、ヒートシンク部材２２の立体網状部２２ｂ以外の部材の構造は、実施形態１で説明したとおりである。図５に示すように、本実施の形態では、支持部２２ａの裏面には、フィン状の立体網状部２２ｂがろう付けされている。

本実施の形態により、実施の形態１に比べ、冷却液の流れがスムーズになるという利点がある。

（実施の形態３）
図６は、実施の形態３に係る半導体装置の一部を示す部分断面図である。図６においては、放熱基板２１の主面側に配置されている部材の図示は省略し、かつ、図１に示す断面の一部のみを抜き出して示されているが、ヒートシンク部材２２以外の部材の構造は、実施形態１で説明したとおりである。図６に示すように、本実施の形態では、ヒートシンク部材全体が立体網状の材料、たとえば連続気孔を有する材料（発泡金属など）によって構成されている。言い換えると、立体網状部がヒートシンク全体を占めていることになる。ヒートシンク部材２２は、裏面側メタライズ層２４にろう付けされている。

本実施の形態により、ヒートシンク部材２２の表面積が増大するので、実施の形態２に比べ、冷却機能は向上する。

（実施の形態４）
図７は、実施の形態４に係る半導体装置の一部を示す部分断面図である。図７においては、放熱基板２１の主面側に配置されている部材の図示は省略し、かつ、図１に示す断面の一部のみを抜き出して示されているが、ヒートシンク部材２２以外の部材の構造は、実施形態１で説明したとおりである。図７に示すように、本実施の形態では、実施の形態３と同様に、ヒートシンク部材全体が立体網状の材料、たとえば連続気孔を有する材料（発泡金属など）によって構成されている。加えて、ヒートシンク部材２２の裏面が、半導体装置を収納するケースの底面にまで達している。

本実施の形態により、冷却液の流れが均一になるとともに、ヒートシンク部材２２の表面積が最大になるので、実施の形態３に比べ、さらに冷却機能が向上する。

（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。

実施の形態２においては、フィン状の立体網状部２２ｂは、縦方向に延びる平板状であるが、板状であってもその間に切り込みを入れることができ、あるいは、棒状もしくは針状であってもよいものとする。

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，Diamond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、高負荷状態では発熱量が急激に増大するような半導体装置においても、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。

上記各実施の形態では、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）に、縦型ＭＯＳＦＥＴ１とショットキーダイオード２とが形成されているが、縦型ＭＯＳＦＥＴとショットキーダイオードが個別の半導体チップに形成されていてもよい。なお、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）には、縦型ＭＯＳＦＥＴ１に代えて、ゲート絶縁膜がシリコン酸化膜でなく窒化膜や酸窒化膜である縦型ＭＩＳＦＥＴを設けてもよい。

上記各実施の形態では、半導体チップ１１ａ（１１ｂ）に、縦型ＭＯＳＦＥＴが形成されているが、本発明の半導体チップは、横型ＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子が形成されているものであってもよい。その場合には、裏面電極４０に代えて、半導体チップの主面側にドレイン電極が形成されることになるので、配線板２３は、バックバイアスを確保するものでよく、放熱基板２１とほぼ全面に亘って接触していてもよい。

また、本発明の半導体装置は、ＭＯＳＦＥＴやショットキーダイオードが形成された半導体チップを搭載したものに限定されるものではなく，ＩＧＢＴ，ＪＦＥＴ等を搭載した半導体装置であってもよい。その場合にも、ヒートシンク部材２２の少なくとも一部が、立体網状材料により構成されていれば、ヒートシンク部材２２の上方に搭載される半導体チップ内の半導体素子の種類を問わず、熱応力に対する接続部の信頼性を維持しつつ、放熱機能の向上を図ることができる。

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、特に半導体モジュールの要素として利用することができる。

実施の形態１における半導体装置の構造を示す縦断面図である。 実施の形態１における半導体チップの縦断面図である。 実施の形態１における半導体装置の上面図である。 実施の形態１における半導体装置を含むモジュールの電気回路図である。 実施の形態２における半導体装置の構造を示す部分断面図である。 実施の形態３における半導体装置の構造を示す部分断面図である。 実施の形態４における半導体装置の構造を示す部分断面図である。

符号の説明

Ａ 半導体装置
１ 縦型ＭＯＳＦＥＴ
２ ショットキーダイオード
１１ａ 半導体チップ
１１ｂ 半導体チップ
１３ａ〜１３ｃ 電気配線
１４ 裏面電極
１５ 封止部材
１６ 上面電極
１７ リボン部材
１８ ゲートパッド
１９ ボンディングワイヤ
２１ 放熱基板
２２ ヒートシンク部材
２２ａ 支持部
２２ｂ 立体網状部
２３ａ〜２３ｅ 配線板
２４ 裏面側メタライズ層
２６ 主面側メタライズ層
３０ ４Ｈ−ＳｉＣ基板
３１ ｎ型エピタキシャル成長層
３２ ｐウェル領域
３３ ｎ型ソース領域
３５ ｐ^＋コンタクト領域
３８ ゲート絶縁膜
４０ 裏面電極
４１ ソース電極
４２ ゲート電極
４３ シリコン酸化膜
４５ ｐ型ガードリング領域
４６ ショットキー電極

Claims (8)

1. 半導体素子が形成された半導体チップと、
   前記半導体チップを冷却するためのヒートシンク部材と
   を備えた半導体装置であって、
   前記ヒートシンク部材は、少なくとも一部に、熱交換媒体の通過が可能な立体網状部を有している、半導体装置。
2. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記ヒートシンク部材は、平板状の支持部を有しており、
   前記立体網状部は、前記平板状の支持部の裏面に取り付けられている、半導体装置。
3. 請求項２記載の半導体装置において、
   前記立体網状部は、金属材料によって構成されている、半導体装置。
4. 請求項３記載の半導体装置において、
   前記平板状の支持部は、無機絶縁性材料によって構成されており、
   前記平板状の支持部の裏面に形成されたメタライズ層をさらに備え、
   前記ヒートシンク部材は、前記メタライズ層にろう付けされている、半導体装置。
5. 請求項２〜４のいずれかに記載の半導体装置において、
   前記ヒートシンク部材の前記立体網状部の外形は、フィン状，柱状，または平板状のいずれかである、半導体装置。
6. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記立体網状部は、ヒートシンク部材の全体を占めている、半導体装置。
7. 請求項６記載の半導体装置において、
   前記ヒートシンク部材は、金属材料によって構成されている、半導体装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置において、
   前記立体網状部は、熱交換媒体の通路の断面全体に亘って設けられている、半導体装置。

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