CN101663751B - 半导体装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了搭载于车辆上并具备半导体元件、强制冷却式的冷却器及散热片堆的半导体模块。所述冷却器上被传递所述半导体元件产生的热。所述散热片堆以与所述半导体元件热耦合的方式接合到所述半导体元件上。所述散热片堆形成为使与发热状态的所述半导体元件的高温部位对应的散热片堆部位的热阻，低于与同一半导体元件的低温部位对应的散热片堆部位的热阻。
Description
技术领域
本发明涉及半导体装置，具体涉及具有在具备强制冷却式的冷却器的电路基板上接合的半导体元件的半导体装置。
背景技术
具备散热片(heat sink)、对该散热片层叠且粘接的基板、和搭载于该基板的电路图案上的半导体元件的半导体装置是众所周知的。在半导体元件产生的热是从该半导体元件的底面经由基板传递到散热片而散热。在这种半导体装置中，对散热片要求在半导体元件因过负载而瞬变的产生大量热的状态下发挥必要的冷却效果。但是，如果以半导体元件瞬变的产生大量热的状态为基准设定散热片的冷却能力，则半导体装置就会大型化。
在专利文献1中公开了在用于电力变换装置的半导体元件中，能够抑制因过负载而半导体元件的温度急剧上升的情况的半导体模块。如图16(a)所示，半导体模块51包括隔着绝缘基板53而设置在金属基板52上的半导体元件54和设置在半导体元件54正上方及附近的蓄热器55。蓄热器55在比半导体元件54的可使用的上限温度稍低的温度下从固相变化为液相，由此暂时吸收半导体元件54的热，然后散热。在半导体元件54产生的热通常经由金属基板52传递到未图示的冷却器。但是，在过负载状态中如果冷却器的冷却能力不充分，则多余的热暂时蓄积在蓄热器55后，传递到冷却器。
在专利文献2中公开了有效地对半导体模块内部产生的热进行散热，而能够抑制施加到所述内部存在的接合界面的热应力的可靠性高的半导体装置。在该半导体装置中，如图16(b)所示，在设有铜箔61a、61b的绝缘基板61上，焊接了IGBT62的集电极。IGBT62的发射极焊接到电极用构件63。电极用构件63由陶瓷构成，包括：具有排成一列的多个贯通孔64a的支撑体64，以及埋入这些贯通孔64a的铜柱(post)65。在电极用构件63的与IGBT62相反一侧的面焊接有铜电极66。
在专利文献1的半导体模块51中，冷却器的能力只要能处理非过负载的状态即正常状态的半导体元件54的发热即可，因此能够抑制装置的大型化。处于发热状态的半导体元件54的温度分布并不均匀，因其部位不同而温度有所不同。一般，半导体元件54的温度在中央部高，且越向周边部就越低。但是，在专利文献1中，对于发热状态的半导体元件54的温度分布不均匀，没有多做考虑。此外，专利文献1没有明确记载蓄热器55本身是否由向固相和液相变化的物质形成，或者在蓄热器55内部是否收入向固相和液相变化的物质。假设蓄热器55本身由向固相和液相变化的物质形成时，如果在蓄热器55处于液相状态时半导体模块51振动或倾斜，则蓄热器55会从规定位置移动。因而，难以为车载用或有振动的状态的用途而使用。
此外，在专利文献2中，没有言及令铜电极66发挥在过负载时暂时蓄积热，然后散热的散热片堆(heat mass)作用。当然，没有对处于发热状态的半导体元件(IGBT62)的温度分布不均匀考虑如何更适当地发挥散热片堆的功能。
专利文献1：日本特开2002-270765号公报
专利文献2：日本特开2006-237429号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种具备散热片堆的半导体装置，能够抑制半导体元件的温度急剧上升，且能以更少的材料制作具有同等性能的散热片堆。
为了达成上述目的，在本发明的实例中，提供具备半导体元件、强制冷却式的冷却器及散热片堆的半导体装置。所述冷却器上被传递所述半导体元件产生的热。所述散热片堆以与所述半导体元件热耦合的方式接合到所述半导体元件上。所述散热片堆形成为使与发热状态的所述半导体元件的高温部位对应的散热片堆部位的热阻，低于与同一半导体元件的低温部位对应的散热片堆部位的热阻。
附图说明
图1是将本发明具体化的第一实施方式的半导体装置的立体图。
图2(a)是半导体装置的示意剖视图，图2(b)是图2(a)所示的散热片堆的剖视图。
图3是表示图1所示的半导体元件的温度分布的示意图。
图4(a)是设置图1的散热片堆时的半导体元件的温度分布的示图，图4(b)是表示设置图5(a)的散热片堆时的半导体元件的温度分布的示意图。
图5(a)是具有长方体形状的主体部的散热片堆的示意图，图5(b)是具有圆顶状的主体部的散热片堆的示意图。
图6是表示设置各种形状的散热片堆以及没有设置散热片堆时的半导体元件的最高温度随时间变化的曲线图。
图7(a)是将本发明具体化的第二实施方式的散热片堆的前视图，图7(b)是图7(a)的散热片堆的示意仰视图。
图8是表示设置了在四角没有脚部的散热片堆时的半导体元件的温度分布的示意图，
图9(a)～(c)是其它实例的散热片堆的示意剖视图。
图10(a)～(c)是其它实例的散热片堆的示意剖视图。
图11(a)～(e)是其它实例的散热片堆的示意剖视图。
图12(a)～(f)是其它实例的散热片堆的示意平面图。
图13(a)、(b)是表示其它实例的散热片堆的示意图。
图14(a)～(e)是表示其它实例的散热片堆的示意图。
图15(a)是表示其它实例的散热片堆的仰视图，图15(b)是其它实例的半导体装置的示意图。
图16(a)是传统半导体装置的立体图，图16(b)是另一传统半导体装置的侧视图。
具体实施方式
图1～图6示出将本发明具体化的第一实施方式的半导体装置10。成为半导体模块的半导体装置10搭载于车辆上。图1及图2示意地表示半导体装置10的结构，为了便于图示，夸张了一部分的尺寸而易于分辨，故半导体装置10的各部分的宽度、长度、厚度等尺寸的比例与实际比例不同。
如图1及图2所示，半导体装置10具备强制冷却式的冷却器11。在此，强制冷却式指的是自然冷却，即，并不只是制冷，如从外部供给冷却介质而流过的冷却方式或沸腾冷却方式等那样，冷却介质如液相→气相→液相那样变化而自然循环的冷却方式。在本实施方式中，采用从外部向冷却器11供给冷却介质的冷却方式。冷却器11呈偏平的四角箱状。如图2所示，冷却器11具备冷却介质流动的冷媒流路12。在冷却器11上隔着金属层14接合了陶瓷基板13。在陶瓷基板13上形成有布线金属层15，在该布线金属层15上接合了半导体元件16。
冷却器11的冷却能力设定为在半导体元件16处于稳定发热状态即正常状态的情况下，使半导体元件16产生的热经由陶瓷基板13传递到冷却器11，其结果，平稳地从半导体元件16除热。冷却器11由铝类金属形成。铝类金属是指铝或铝合金。金属层14具有将冷却器11接合到陶瓷基板13的接合层的功能，例如用铝形成。冷媒流路12具备可与车辆装备的冷媒循环路连接的入口及出口(两者都省略图示)。冷却器11与多个陶瓷基板13接合，但是为了方便图示，在图1及图2仅示出一个陶瓷基板13。半导体元件16例如是IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor)、MO SFET、二极管中的任一种。
陶瓷基板13例如用氮化铝形成。布线金属层15例如用铝形成。金属层14及布线金属层15是通过用铝类焊料在陶瓷基板13上钎焊铝板来形成的。陶瓷基板13的厚度优选0.1mm～1mm。金属层14及布线金属层15的厚度分别优选0.1mm～1mm，更优选0.6mm左右。
在半导体元件16上通过焊锡H来接合了散热片堆17。散热片堆17暂时吸收半导体元件16产生的热，然后释放。即，具备半导体装置10的散热片堆17配置在半导体元件16上，且通过焊锡H来热耦合到半导体元件16。散热片堆是指与半导体元件16热耦合的构件，是具有在半导体元件16的温度比该构件的温度还上升时必须接受半导体元件16的热，即必须吸收的规定的热容量的构件。
过负载状态的半导体元件16会产生比稳定发热状态大的热，而仅用冷却器11无法充分地冷却半导体元件16的情况下，通过令散热片堆17暂时吸收半导体元件16中发生的一部分热，来抑制半导体元件16的过热状态。散热片堆17的热容量设定为对抑制这种半导体元件16的过热状态所必需的值。例如，当半导体装置10为控制混合汽车(hybrid vehicle)行驶用电机的变换器(inverter)时，若车辆从稳定运行状态急加速或急停止，则不到1秒的短时间内，因来自半导体元件16的发热而会发生竟达额定的3～5倍的热量损耗。本实施方式的散热片堆17的热容量设定为即使在这种情况下也不会令半导体元件16的温度超过其工作温度的上限。再者，在车辆急停止时从半导体元件16产生过大的热量损耗，这是因为伴随行驶用电机的回热动作而在半导体元件16上流动大的电流的缘故。
散热片堆17形成为使与发热状态的半导体元件16的高温部位对应的散热片堆17部位的热阻，低于与同一半导体元件16的低温部位对应的散热片堆17部位的热阻。在本实施方式中，与发热状态的半导体元件16的高温部位对应的散热片堆17部位的热容量，大于与同一半导体元件16的低温部位对应的散热片堆17部位的热容量。在此，热阻意味着对半导体元件16而言多少热量难以被散热片堆17所夺取，而热阻低是指热量容易被散热片堆17所夺取。如此，散热片堆17具有与发热状态的半导体元件16的高温部位对应的低热阻部位(大热容量部位)和与发热状态的半导体元件16的低温部位对应的高热阻部位(小热容量部位)。
在本实施方式中，发热状态的半导体元件16具有如下温度分布。即，发热状态的半导体元件16的温度在同一半导体元件16的中央部高，而向同一半导体元件16的周边部逐渐降低。如图2(a)及图2(b)所示，散热片堆17包含主体部17a和作为突出部的多个脚部17b。在主体部17a中，热容量大的部位(大热容量部位)的厚度大于热容量小的部位(小热容量部位)的厚度。多个脚部17b从与半导体元件16相对的主体部17a的面起向半导体元件16延伸。各脚部17b的前端通过焊锡H直接接合于半导体元件16。即，通过焊锡H，散热片堆17经由分别具有互相分割的接合面的多个脚部17b接合到半导体元件16。
设有脚部17b的主体部17a的面大致呈圆顶状，从其周边部向中央部逐渐隆起。脚部17b在其圆顶状的面隔着规定间隔(在本实施方式中以固定间隔)排列。各脚部17b以与半导体元件16相对的状态接合于半导体元件16。因而，处于散热片堆17周边部(端部)的脚部17b的突出长度长于散热片堆17中央部的17b的突出长度。
下面，说明半导体装置10的制造方法。首先，准备在陶瓷基板13的一个面形成金属层14并在另一面形成布线金属层15的电路基板和冷却器11。电路基板例如以下那样形成。即，准备预先在陶瓷基板13的两面具备铝层的DBA(Direct Brazed Aluminum)基板，通过对各铝层进行蚀刻处理，形成金属层14及布线金属层15。冷却器11是例如使用与冷媒流路12的形状对应的芯子，通过铝的铸造来制作的。冷却器11的接合面经过研磨加工，以使与金属层14接合的冷却器11的接合面平坦。
下面，在使金属层14朝向冷却器11的接合面的状态下，使片状的用于连接铝的焊料介于冷却器11与金属层14之间，将电路基板载放于冷却器11上。用于连接铝的焊料例如使用由Al-Si类合金构成的焊料。又，使冷却器11及电路基板以此状态临时静止，经由电路基板对冷却器11的接合面施加荷重，并在真空气氛或惰性气体气氛中，加热至570℃～600℃，将冷却器11和金属层14钎焊。接着，在布线金属层15的规定位置上焊接半导体元件16。此外，在冷却器11上设有布线部(未图示)，将半导体元件16和布线部，例如通过引线接合法经由金属线连接，从而完成半导体装置10。
下面，说明半导体装置10的作用。本实施方式的半导体装置10搭载于混合汽车，冷却器11经由管(pipe)与车辆的冷却介质循环路(省略图示)连通。冷却介质循环路具有泵(pump)及散热器，该散热器具备通过冷却电机来旋转的叶片(fan)。因此，散热器的散热效率良好。冷却介质例如为水。
若驱动了搭载于半导体装置10的半导体元件16，从半导体元件16产生热。在车辆的稳定运行状态，即半导体元件16的稳定发热状态下，从半导体元件16产生的热，经由焊锡H及陶瓷基板13传递到冷却器11。传递到冷却器11的热传递到流过冷媒流路12的冷却介质并由冷却介质带走。即，在冷媒流路12中流过的冷却介质将冷却器11强制冷却，因此从半导体元件16到达冷却器11的热的导热路径的温度梯度变大，在半导体元件16产生的热经由布线金属层15、陶瓷基板13及金属层14而有效率地被除去。
若车辆从稳定运行状态急加速或急停止，则半导体元件16的发热急增，在1秒以下的短时间内，产生竟达额定的3～5倍的热量损耗。对于这种非稳定时的高发热，仅靠冷却器11的强制冷却是无法完成的。但是，本实施方式的半导体元件16上焊接有散热片堆17，因此散热片堆17暂时吸收冷却器11没有完全除去的热。当车辆返回稳定运行状态时，散热片堆17的热经由半导体元件16、布线金属层15、陶瓷基板13及金属层14传递到冷却器11，散热片堆17返回原来的状态。
若比较半导体元件16的热膨胀率和散热片堆17的热膨胀率，则散热片堆17的热膨胀率大于半导体元件16的热膨胀率。因此，与散热片堆17通过多个脚部17b接合于半导体元件16的场合相比，在散热片堆17的与半导体元件16相对的整个面接合于半导体元件16的场合，对介于散热片堆17与半导体元件16之间的焊锡H产生作用的应力变大。即，散热片堆17是通过多个脚部17b用焊锡H来接合到半导体元件16的，因此作用于焊锡H的应力因多个脚部17b而得到缓冲。
下面，根据模拟的结果详细说明散热片堆17的优点。
以下，半导体元件16的“稳定工作”指的是半导体元件16持续发热且由冷却器11冷却的状态。图3表示半导体元件16从温度65℃，即338.15K稳定工作的状态起发热最大时的半导体元件16的温度分布。此外图3表示没有设置散热片堆17时的半导体元件16的温度分布。图4(a)表示在设置了图1的散热片堆17的场合，半导体元件16从温度65℃稳定工作的状态起发热最大时的半导体元件16的温度分布。为了比较，图4(b)示出在与上述相同的条件下求出设置了具有如图5(a)所示那样长方体形状的主体部17a和突出长度全部相同的脚部17b的散热片堆17的半导体元件16的温度分布。
关于图3中的等温线，T1表示393.0K，T2表示390.0K，T3表示387.0K，T4表示384.0K，且以3.0K间隔绘出T5～T9。此外，关于图4(a)及图4(b)中的等温线，A表示376.3K，B表示374.8K，C表示373.3K，D表示371.9K，E表示370.4K，F表示368.9K，G表示367.5K，H表示366.0K，I表示364.6K，J表示363.1K，K表示361.6K，L表示360.2K，M表示358.7K，N表示357.2K。
图6分别示出在改变散热片堆17形状的情况下从半导体元件16在温度65℃稳定工作的状态向同一半导体元件16在0.2秒间供给200W的热时的半导体元件16的最高温度(芯片最高温度)随时间的变化。在该图中，为了做比较，而还示出没有设置散热片堆17时的半导体元件16的最高温度随时间的变化。在图6中，符号○表示本实施方式的散热片堆17，即，设有脚部17b的主体部17a的面与大致呈圆顶状的散热片堆17接合的半导体元件16的最高温度。符号×表示与具有长方体形状的主体部17a的接合于图5(a)的散热片堆17的半导体元件16的最高温度。符号□表示图5(b)的散热片堆17，即与脚部17b相反一侧的主体部17a的面接合于大致呈圆顶状的散热片堆17的半导体元件16的最高温度。符号◇表示不与散热片堆17接合的半导体元件16的最高温度。关于散热片堆17的主体部17a的体积，与图5(a)的长方体形状的主体部17a相比，本实施方式的主体部17a减少24％。
如图6所示，不与散热片堆17接合的半导体元件16的最高温度成为119.7℃。另一方面，与散热片堆17接合的半导体元件16的最高温度因散热片堆17的形状不同而多少有差异，但大致成为103℃，比起不与散热片堆17接合的半导体元件16低16～17℃。具体地说，半导体元件16的最高温度在使用本实施方式的散热片堆17的情况下成为103.5℃，而在使用图5(a)的散热片堆17的情况下成为102.8℃，在使用图5(b)的散热片堆17的情况下成为103.1℃。如图4(a)及图4(b)所示，与使用图5(a)的散热片堆17的场合相比，使用本实施方式的散热片堆17的场合，半导体元件16中央部的温度高，但整体上成为类似的温度分布。但是，在模拟中，所使用的图5(a)的散热片堆17中脚部17b的长度稍短于本实施方式的散热片堆17中最短的脚部17b，且主体部17a的厚度比本实施方式的散热片堆17的主体部17a的最大厚度还厚。若考虑其差异，则半导体元件16的最高温度及温度分布，与使用图1、图5(a)及图5(b)中的任一种作为接合于同一半导体元件16的散热片堆17时都大致相同。
本实施方式具有以下的优点。
(1)半导体装置10具备半导体元件16、冷却器11和散热片堆17。冷却器11是传递半导体元件16产生的热的强制冷却式的冷却器。散热片堆17与半导体元件16接合，以与半导体元件16热耦合。因而，从半导体元件16产生了比稳定发热状态大的热时，散热片堆17暂时吸收在半导体元件16产生的一部分热。因此，即使冷却器11的冷却能力不足，也抑制半导体元件16的过热状态。
(2)散热片堆17形成为使与发热状态的半导体元件16的高温部位对应的散热片堆17部位的热阻低于与同一半导体元件16的低温部位对应的散热片堆17部位的热阻。因此，与使整个散热片堆17对应于半导体元件16的高温部位而形成的场合相比，能用更少的材料来制作具有同等冷却能力的散热片堆。
(3)散热片堆17形成为使与发热状态的半导体元件16的高温部位对应的散热片堆17部位的热容量大于与同一半导体元件16的低温部位对应的散热片堆17部位的热容量。因此，散热片堆17从半导体元件16的高温部位吸收多的热，并从低湿部位吸收少的热。
(4)在散热片堆17的主体部17a中，热容量大的部位的厚度厚于热容量小的部位的厚度。因此，在用相同的材料形成整个散热片堆17的场合，能够抑制半导体元件16温度分布的偏差。
(5)散热片堆17通过焊锡H直接接合到半导体元件16，散热片堆17和半导体元件16的接合面被分割成多个区域。因此，对焊锡H作用的应力分散到多个区域，缓冲对焊锡H作用的应力。
(6)当半导体元件16发热时，因散热片堆17的热膨胀和半导体元件16的热膨胀的差异而对焊锡H作用的应力，在散热片堆17的周边部附近变得更大。但是，多个脚部17b中，位于散热片堆17周边部的脚部17b的长度长于位于散热片堆17中央部的脚部17b的长度，因此在散热片堆17周边部中，因所述膨胀率的差异而产生的应力容易被吸收，良好地进行应力的缓冲。
(7)在散热片堆17中，设有脚部17b的主体部17a的面为曲面，而与该曲面相反一侧的面为平面。因此，即使位于散热片堆17周边部的脚部17b的长度长于位于散热片堆17中央部的脚部17b的长度，也能将全部的脚部17b接合于半导体元件16。
图7及图8表示本发明的第二实施方式。第二实施方式的散热片堆17相当于从图5(b)的散热片堆17删除了位于主体部17a四角的脚部17b的构件。其它结构与图5(b)的散热片堆17基本相同，因此省略同样部分的说明。
如图7(a)及图7(b)所示，在本实施方式的散热片堆17中，与脚部17b相反一侧的主体部17a的面呈圆顶状，多个脚部17b设于除主体部17a四角以外的部位。
对于从主体部17a四角除去脚部17b的散热片堆17，模拟求出半导体元件16从温度65℃稳定工作的状态到最大发热时的半导体元件16的温度分布。为了使模拟简单，采用主体部17a为长方体形状而不是圆顶状的散热片堆17。图8表示该模拟的结果。在图8中，与图4(b)中的等温线相同符号的等温线表示与图4(b)相同的温度。
比较图8与图4(b)，则半导体元件16四角的温度在使用四角没有脚17b的散热片堆17的场合高于在四角有脚17b的图5(a)的散热片堆17的场合，但最高温度大致相等。半导体元件16四角的温度低于中央部的温度，因此如果半导体元件16中央部的最高温度没有多少改变，可称图5(a)的散热片堆17和从图5(a)的散热片堆17四角除去脚部17b的散热片堆17具有相等的散热性能。由于在使用四角没有脚17b的散热片堆17时，半导体元件16四角的温度和中央部的温度的差异反而变小，温度不匀变小，发生热点的可能性低。如第一实施方式的模拟那样，图1、图5(a)及图5(b)任何散热片堆17都有互相大致相同的散热性能，因此认为从图1、图5(a)及图5(b)的散热片堆17四角除去脚部17b的散热片堆也具有互相大致相同的散热性能。
各上述实施方式可以如下变更。
在散热片堆17中，可以适当地变更设有脚部17b的主体部17a的面形状。例如，可为如图9(a)所示的四角锥梯形状、如图9(b)所示的四角锥形状、如图9(c)所示的带级的四角锥形状。在这些场合，与脚部17b相反一侧的主体部17a的面形成为平面，因此都能得到与上述实施方式的散热片堆17相同的效果。
在主体部17a中，与设有脚部17b的面相反一侧的面无需为平面。例如，如图10(a)所示，在主体部17a中，设有脚部17b的面以及与该面相反一侧的面均为圆顶状也可。此外，如图10(b)所示，主体部17a中，设有脚部17b的面以及与该面相反一侧的面均为四角锥状也可。而且，如图10(c)所示，主体部17a可为在厚度方向的中央部具备凸缘部17c的形状。
并不限于散热片堆17周边部的脚部17b长度长于散热片堆17中央部的脚部17b长度的结构，脚部17b的长度全部相同也可。该场合，例如如图11(a)～图11(e)所示，散热片堆17的主体部17a可以分别为圆顶形状、结合四角柱和四角锥的形状、四角锥状、带级的四角锥状、四角锥梯状等。在这些场合，将散热片堆17接合于半导体16时，在主体部17a和半导体元件16之间存在多个脚部17b，且散热片堆17和半导体元件16的接合面被分割为多个区域，所以对焊锡H作用的应力分散到多个区域而得到缓冲。
散热片堆17也可以不具备脚部17b。例如，与如图11(a)～图11(e)所示的主体部17a相同形状的散热片堆17用焊锡直接接合于半导体元件16上也可。该场合，散热片堆17和半导体元件16的接合面不会分割为多个区域，对焊锡H作用的应力不会分散到多个区域。但是，散热片堆17的与发热状态的半导体元件16的高温部位对应的部位上吸收多的热，而与半导体元件16的低温部位对应的部位上吸收少的热。因此，比起与半导体元件16的高温部位对应而形成整个散热片堆17的场合，能用更少的材料制作具有相等性能的散热片堆17。
在对发热状态下中央部温度高而周边部温度低的半导体元件16应用散热片堆17的场合，并不限于图7的散热片堆17，在主体部17a呈长方体形状或其它图示的各种形状的散热片堆17中，也可以省略四角的脚部17b。
在上述各实施方式中，散热片堆17的平面形状与半导体元件16的平面形状对应而是矩形，但散热片堆17的平面形状没有限定。例如，散热片堆17的平面形状，如图12(a)～图12(f)所示，分别为椭圆状、使矩形的四角向外侧凸的圆弧的形状、使矩形的四角向内侧凸的圆弧的形状、将矩形的四角切成三角形的形状、将矩形的四角切成四角形的形状或菱形等也可。
散热片堆17的形状并不限定于上述各实施方式。重要的是，散热片堆17形成为与半导体元件16的高温部位对应的散热片堆17部位的热容量大于与同一半导体元件16的低温部位对应的散热片堆17的部位的热容量即可。例如，如图13(a)所示，散热片堆17也可以具备这样的主体部17a，即该主体部17a具有板状部18a和在该板状部18a上沿与半导体元件16相反的方向延伸的多个棒状部18b。在板状部18a中央部的棒状部18b的长度长于板状部18a周边部的棒状部18b的长度。此外，如图13(b)所示，散热片堆17仅由不同长度的多个棒状部18b构成也可。长的棒状部18b的热容量大，而短的棒状部18b的热容量小。
此外，当发热状态的半导体元件16的温度在同一半导体元件16的两端部最高，而向同一半导体元件16的中央部逐渐降低时，例如能够采用图14(a)及图14(b)所示的散热片堆17。图14(a)的散热片堆17仅由多个棒状部18b构成，半导体元件16两端部的棒状部18b长，且向着半导体元件16的中央部，棒状部18b的长度逐渐变短。图14(b)的散热片堆17的两端部厚，而向中央部逐渐变薄。
发热状态的半导体元件16的温度在同一半导体元件16的一个端部(第一端部)中最高，而朝着同一半导体元件16的其它端部(第二端部)逐渐降低的场合，能够采用例如图14(c)及图14(d)所示的散热片堆17。图14(c)的散热片堆17仅用多个棒状部18b构成，在第一端部的棒状部18b最长，且朝着第二端部，棒状部18b的长度逐渐变短。图14(d)的散热片堆17中与第一端部对应的部位最厚，而朝着与第二端部对应的部位逐渐变薄。
散热片堆17也可以形成为使散热片堆17的大热容量部位的厚度(长度)与同一散热片堆17的小热容量部位的厚度(长度)相同。例如，如图14(e)所示，用多个棒状部18b构成散热片堆17，并且散热片堆17的大热容量部位的棒状部18b采用单位体积的比热大于同一散热片堆17的小热容量部位的棒状部18b的材料形成。例如，作为棒状部18b的材料，如果例示可使用的金属在20℃的单位质量的比热[J/(kg·℃)]、导热率[W/(m·K)]及密度[g/cm3]、进而由单位质量的比热和密度求出的单位体积的比热[J/(cm3·℃)]，则如下表所示。
[表1]
| 物质 | 单位质量的比热[J/(kg·℃)] | 导热率[W/(m·K)] | 密度[g/cm3] | 单位体积的比热[J/(cm3·℃)] |
| 铝 | 900 | 204 | 2.70 | 2.4 |
| 银 | 234 | 418 | 10.5 | 2.5 |
| 碳钢 | 461 | 45 | 7.87 | 3.6 |
| 铜 | 419 | 372 | 8.92 | 3.7 |
| 铅 | 130 | 35 | 11.3 | 1.5 |
因此，用铁(碳钢)或铜形成散热片堆17的大热容量部位(例如与半导体元件16中央部对应的部位)的棒状部18b，并且用铝形成散热片堆17的小热容量部位(例如与半导体元件16的周边部对应的部位)的棒状部18b。如此，即使各棒状部18b的长度全部相同，也能与发热状态的半导体元件16的温度分布对应而形成具备不同热容量的棒状部18b的散热片堆17。特别是在用铜形成与半导体元件16的高温部位对应的棒状部18b的场合，能够有效率地除去在半导体元件16的高温部位产生的热。
如图14(a)、图14(c)及图14(e)所示，仅用棒状部18b构成散热片堆17的场合，因散热片堆17的膨胀及收缩而对焊锡H作用的应力，比散热片堆17作为一个构件形成为一体的场合变小。
散热片堆17的热容量至少在2个阶段发生变化即可，无需3个阶段以上阶段或连续变化也可。
脚部17b无需对主体部17a的一个整面均匀分布地设置。在与发热状态的半导体元件16的高温部位对应的散热片堆17的部位，也可以高密度配置脚部17b。例如，发热状态的半导体元件16的温度在同一半导体元件16的中央部高的场合，如图15(a)所示，在与同一半导体元件16的中央部对应的散热片堆17的部位高密度配置脚部17b。
散热片堆17也可构成为跨越多个半导体元件16。例如，如图15(b)所示，在布线金属层15上焊接了2个半导体元件16的场合，以跨越2个半导体元件16的方式设置1个散热片堆17也可。散热片堆17可以具备脚部17b，也可以不具备脚部17b。
将没有脚部17b的散热片堆17焊接于半导体元件16的场合，不限于在与半导体元件16相对的散热片堆17的整个面存在焊锡的状态下，接合散热片堆17和半导体元件16的方式。在与半导体元件16相对的散热片堆17的面的多个点上存在焊锡的情况下接合散热片堆17与半导体元件16也可。
散热片堆17也可作为半导体元件16的电极而发挥作用。
布线金属层15及散热片堆17的材料并不限于铝及铝合金，例如，也可为铜、铜合金、银。但是，考虑其轻量化的场合优选铝及铝合金。
陶瓷基板13的材料并不限于氮化铝，例如，也可以使用氮化硅、氧化铝。
冷却器11只要是强制冷却式的冷却器即可，在冷媒流路12中流过的冷却介质并不限于水，例如，也可为水以外的液体或空气等的气体。此外，冷却器11也可以是沸腾冷却式的冷却器。
也可以省略存在于陶瓷基板13与冷却器11之间的金属层14。即，冷却器11也可以直接接合于陶瓷基板13。
半导体装置10并不限于车载用途，也可应用在为其它用途而使用的物品上。
Claims (8)
1.一种半导体装置，其特征在于具备：
半导体元件；
传递在所述半导体元件产生的热的强制冷却式的冷却器；以及
以与所述半导体元件热耦合的方式接合于所述半导体元件上的散热片堆，
所述散热片堆形成为使与发热状态的所述半导体元件的高温部位对应的散热片堆部位的热阻低于与同一半导体元件的低温部位对应的散热片堆部位的热阻。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其中，所述散热片堆形成为与所述半导体元件的所述高温部位对应的部位的热容量大于与同一半导体元件的所述低温部位对应的部位的热容量。
3.如权利要求2所述的半导体装置，其中，所述散热片堆在热容量大的部位具有比热容量小的部位更大的厚度。
4.如权利要求1所述的半导体装置，其中，所述散热片堆具备多个突出部，该多个突出部的每个突出部具有用焊锡接合于所述半导体元件的前端。
5.如权利要求2所述的半导体装置，其中，所述散热片堆具备主体部和从该主体部延伸的多个突出部，各突出部具有用焊锡与所述半导体元件接合的前端，所述主体部在热容量大的部位具有比热容量小的部位大的厚度。
6.如权利要求4所述的半导体装置，其中，所述多个突出部中与所述散热片堆的周边部对应的突出部的长度大于其它突出部的长度。
7.如权利要求4所述的半导体装置，
所述半导体元件呈平面矩形状，在发热时所述半导体元件的温度在该半导体元件的中央部高，
所述散热片堆形成为平面矩形状并且在四角以外的部分与所述半导体元件接合。
8.如权利要求1至权利要求7中任一项所述的半导体装置，其中，所述散热片堆接合于多个所述半导体元件上。
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