CN109755198A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够提高散热性的半导体装置。第1内侧热传导体具备多个第1石墨层。第2内侧热传导体具备多个第2石墨层。多个所述第1石墨层在第1方向上层叠，所述第1方向是与所述半导体元件和所述第1散热体排列的方向正交的方向。多个所述第2石墨层在所述半导体元件和所述第1散热体排列的方向或与该方向正交且与所述第1方向正交的第2方向上层叠。

Description

半导体装置
技术领域
本说明书所公开的技术涉及半导体装置。
背景技术
专利文献1所公开的半导体装置具备半导体元件和接合于半导体元件的表面的散热体。散热体具备接合于半导体元件的表面的金属热传导体。另外，散热体具备接合于金属热传导体的第1热传导体和在半导体元件与散热体排列的方向上层叠于第1热传导体的第2热传导体。第1热传导体具备多个第1石墨层。多个第1石墨层在第1方向上层叠，该第1方向是与半导体元件和散热体排列的方向正交的方向。第2热传导体具备多个第2石墨层。多个第2石墨层在第1方向上层叠，该第1方向是与半导体元件和散热体排列的方向正交的方向。多个第1石墨层与多个第2石墨层在相同的第1方向上层叠。在专利文献1的半导体装置中，为了实现具有挠性的热传导构造体，需要使多个第1石墨层的层叠方向与多个第2石墨层的层叠方向一致。
在专利文献1的半导体装置中，在半导体元件工作时，会在半导体元件产生热。在半导体元件产生的热通过散热体来散热。由散热体的金属热传导体、第1热传导体及第2热传导体传导热而进行散热。在半导体元件产生的热首先由接合于半导体元件的金属热传导体进行传导，接着由接合于金属热传导体的第1热传导体进行传导，接着由层叠于第1热传导体的第2热传导体进行传导。
第1石墨层的热导率具有各向异性。第1石墨层在多个第1石墨层层叠的方向上不怎么传导热。与此相对，第1石墨层在与多个第1石墨层层叠的方向正交的方向上以高热导率传导热。因而，在第1热传导体中，在半导体元件和散热体排列的方向(与多个第1石墨层层叠的方向正交的方向)上以高热导率传导热。另外，在第1热传导体中，在与半导体元件和散热体排列的方向正交且与第1方向正交的第2方向(与多个第1石墨层层叠的方向正交的方向)上以高热导率传导热。
同样，第2石墨层的热导率具有各向异性。第2石墨层在多个第2石墨层层叠的方向上不怎么传导热。与此相对，第2石墨层在与多个第2石墨层层叠的方向正交的方向上以高热导率传导热。因而，在第2热传导体中，在与半导体元件和散热体排列的方向(与多个第2石墨层层叠的方向正交的方向)上以高热导率传导热。另外，在第2热传导体中，在与半导体元件和散热体排列的方向正交且与第1方向正交的第2方向(与多个第2石墨层层叠的方向正交的方向)上以高热导率传导热。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-112334号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1的半导体装置中，第1热传导体和第2热传导体在半导体元件和散热体排列的方向上以高热导率传导热。另外，第1热传导体和第2热传导体在与半导体元件和散热体排列的方向正交且与第1方向正交的第2方向上以高热导率传导热。第1热传导体和第2热传导体在第1方向(多个第1石墨层及多个第2石墨层层叠的方向)上不怎么传导热。因而，不怎么能够将在半导体元件产生的热向第1方向进行散热，存在散热性低这一问题。于是，本说明书提供一种能够提高散热性的技术。
用于解决课题的技术方案
本说明书所公开的半导体装置具备半导体元件和接合于所述半导体元件的第1表面的第1散热体。所述第1散热体具备：金属的第1外侧热传导体，接合于所述半导体元件的所述第1表面；第1内侧热传导体，配置于所述第1外侧热传导体的内部；以及第2内侧热传导体，配置于所述第1外侧热传导体的内部，在所述半导体元件和所述第1散热体排列的方向上层叠于所述第1内侧热传导体。所述第1内侧热传导体具备多个第1石墨层。所述第2内侧热传导体具备多个第2石墨层。多个所述第1石墨层在第1方向上层叠，所述第1方向是与所述半导体元件和所述第1散热体排列的方向正交的方向。多个所述第2石墨层在所述半导体元件和所述第1散热体排列的方向或与该方向正交且与所述第1方向正交的第2方向上层叠。
根据该结构，当半导体元件工作时，会在半导体元件产生热。在半导体元件产生的热通过第1散热体而散热。由第1散热体的第1外侧热传导体、第1内侧热传导体及第2内侧热传导体将热进行传导而散热。在半导体元件产生的热首先由接合于半导体元件的金属的第1外侧热传导体进行传导，接着由配置于第1外侧热传导体的内部的第1内侧热传导体和第2内侧热传导体进行传导，再由第1外侧热传导体进行传导而向外部散热。
第1内侧热传导体具备多个第1石墨层，第2内侧热传导体具备多个第2石墨层。石墨的热导率比金属的热导率高。因而，在第1散热体中，通过具备多个第1石墨层和多个第2石墨层，与仅为金属的情况相比能够高效地传导热。
各第1石墨层的热导率由于石墨的碳原子的结合的关系而具有各向异性。第1石墨层在多个第1石墨层层叠的方向上不怎么传导热。与此相对，第1石墨层在与多个第1石墨层层叠的方向正交的方向上以高热导率传导热。多个第1石墨层在第1方向上层叠，第1方向是与半导体元件和第1散热体排列的方向正交的方向。因而，在第1内侧热传导体中，在半导体元件和第1散热体排列的方向(与多个第1石墨层层叠的方向正交的方向)上以高热导率传导热。另外，在第1内侧热传导体中，在与第1方向正交的第2方向(与多个第1石墨层层叠的方向正交的方向)上以高热导率传导热。
同样，各第2石墨层的热导率由于石墨的碳原子的结合的关系而具有各向异性。第2石墨层在多个第2石墨层层叠的方向上不怎么传导热。与此相对，第2石墨层在与多个第2石墨层层叠的方向正交的方向上以高热导率传导热。在某技术方案中，多个第2石墨层在半导体元件和第1散热体排列的方向上层叠。因而，在第2内侧热传导体中，在作为与半导体元件和第1散热体排列的方向正交的方向的第1方向和第2方向(都是与多个第2石墨层层叠的方向正交的方向)上以高热导率传导热。或者，在另一技术方案中，多个第2石墨层在与半导体元件和第1散热体排列的方向正交且与第1方向正交的第2方向上层叠。因而，在该第2内侧热传导体中，在半导体元件和第1散热体排列的方向(与多个第2石墨层层叠的方向正交的方向)上以高热导率传导热。另外，在该第2内侧热传导体中，在与第2方向正交的第1方向(与多个第2石墨层层叠的方向正交的方向)上以高热导率传导热。
根据上述的结构，能够将在半导体元件产生的热通过金属的第1外侧热传导体而向第1内侧热传导体和第2内侧热传导体传导。另外，能够将该热通过第1内侧热传导体和第2内侧热传导体而在半导体元件和第1散热体排列的方向、第1方向及第2方向上以高热导率传导。另外，能够将由第1内侧热传导体和第2内侧热传导体传导来的热通过第1外侧热传导体而向多个方向进行散热。因而，根据上述的结构，能够将在半导体元件产生的热通过第1散热体的第1外侧热传导体、第1内侧热传导体及第2内侧热传导体而高效地传导，向多个方向进行散热，因此能够提高散热性。
附图说明
图1是第1实施例的半导体装置的剖视图。
图2是图1的主要部分II的放大图。
图3是第1实施例的各石墨层的立体图。
图4是图1的主要部分IV的放大图。
图5是第2实施例的半导体装置的剖视图。
图6是第2实施例的变形例的半导体装置的剖视图。
图7是另一实施例的半导体装置的与图2对应的图。
图8是示出第1试验例的测定结果的图。
图9是示出第2试验例的测定结果的图。
标号说明
1半导体装置；2半导体元件；5第1散热体；7第2散热体；21表面；22背面；51第1内侧热传导体；52第2内侧热传导体；53第1外侧热传导体；55突出部；71第3内侧热传导体；72第4内侧热传导体；73第2外侧热传导体；75突出部；90密封树脂；511第1石墨层；521第2石墨层；711第3石墨层；721第4石墨层。
具体实施方式
(第1实施例)
参照附图对实施例的半导体装置1进行说明。如图1所示，实施例的半导体装置1具备半导体元件2、第1散热体5、第2散热体7及导电板3。半导体元件2、第1散热体5、第2散热体7及导电板3在Z方向上排列。半导体元件2、第1散热体5、第2散热体7及导电板3由密封树脂90密封。作为密封树脂90的材料，能够使用环氧树脂。除此之外，密封树脂90也可以包含固化剂、应力缓和剂、固化促进剂、填充剂(filler)等。图1所示的半导体装置1有时也被称作电源卡(power card)。
半导体元件2例如由硅(Si)、碳化硅(SiC)等的基板形成。在半导体元件2形成有例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效晶体管)等元件构造。在元件构造是例如IGBT的情况下，在半导体元件2形成有发射极区域、集电极区域、基体区域(body region)、漂移区域、栅极电极等(图示省略)。半导体元件2在半导体装置1工作时发热。
在半导体元件2的表面21配置有表面电极(图示省略)。表面电极覆盖半导体元件2的表面21。表面电极具有导电性。表面电极例如由铝硅合金(AlSi)形成。表面电极例如与形成于半导体元件2的发射极区域导通。
在半导体元件2的背面22形成有背面电极(图示省略)。背面电极覆盖半导体元件2的背面22。背面电极具有导电性。背面电极例如由镍(Ni)形成。背面电极例如与形成于半导体元件2的集电极区域导通。
在半导体元件2的背面22(第1表面的一例)接合有第1散热体5。第1散热体5通过软钎料91而接合于半导体元件2的背面22。第1散热体5接合于在半导体元件2的背面22形成的背面电极。第1散热体5与背面电极导通。作为软钎料91，例如能够使用Sn系软钎料、SnCu系软钎料、Zn系软钎料等。
第1散热体5具备第1外侧热传导体53、第1内侧热传导体51及第2内侧热传导体52。第1外侧热传导体53接合于半导体元件2的背面22。第1外侧热传导体53通过软钎料91而接合于在半导体元件2的背面22形成的背面电极。第1外侧热传导体53与背面电极导通。
第1外侧热传导体53例如由铜(Cu)形成。第1外侧热传导体53也可以由铜(Cu)以外的金属形成。第1外侧热传导体53具有导电性。第1外侧热传导体53形成为箱形。第1外侧热传导体53形成为长方体状。
第1外侧热传导体53具备上表面536、下表面537及侧面538。第1外侧热传导体53的上表面536在Z方向上朝向半导体元件2侧。下表面537在Z方向上朝向半导体元件2侧的相反侧。第1外侧热传导体53的下表面537与冷却器201接触。冷却器201冷却第1散热体5。第1外侧热传导体53的侧面538位于上表面536与下表面537之间。侧面538在X方向和Y方向上朝向外侧(Y方向的侧面538省略图示)。
如图2所示，第1外侧热传导体53具备第1金属体531和第2金属体532。此外，在图2中以省略密封树脂90的方式进行图示。第1金属体531接合于半导体元件2。第1金属体531配置于半导体元件2与第2金属体532之间。第1金属体531接合于第2金属体532的半导体元件2侧的面。第2金属体532接合于第1金属体531。第2金属体532接合于第1金属体531的与半导体元件2侧相反一侧的面。
第1外侧热传导体53的第1金属体531与第2金属体532的边界部56不存在于第1外侧热传导体53的上表面536和下表面537。第1金属体531与第2金属体532的边界部56存在于第1外侧热传导体53的侧面538。
第1外侧热传导体53容纳着第1内侧热传导体51和第2内侧热传导体52。第1外侧热传导体53将第1内侧热传导体51和第2内侧热传导体52包围。第1外侧热传导体53具备容纳空间54。容纳空间54形成于第1外侧热传导体53的内部。
第1内侧热传导体51配置于第1外侧热传导体53的内部。第1内侧热传导体51配置于第1外侧热传导体53的容纳空间54。第1内侧热传导体51配置于比第2内侧热传导体52接近半导体元件2的一侧。
第1内侧热传导体51具备多个第1石墨层511。多个第1石墨层511在第1方向(X方向)上层叠，第1方向是与半导体元件2和第1散热体5排列的方向(Z方向)正交的方向。各第1石墨层511由石墨形成。各第1石墨层511通过层叠多个石墨烯(图示省略)而形成。石墨的热导率在高热导率方向上比金属的热导率高。铜(Cu)的热导率约为390W/mK。另外，银(Ag)的热导率约为420W/mK。
第1石墨层511的热导率由于碳原子的结合的关系而具有各向异性。存在热导率比较高的方向和热导率比较低的方向。如图3所示，第1石墨层511的面内方向(第1高热导率方向D1及第2高热导率方向D2)上的热导率比面外方向(低热导率方向D3)上的热导率高。第1高热导率方向D1及第2高热导率方向D2上的热导率约为800～1900W/mK。低热导率方向D3上的热导率约为3～10W/mK。第1高热导率方向D1、第2高热导率方向D2及低热导率方向D3互相正交。第1石墨层511的面外方向(低热导率方向D3)是第1石墨层511的厚度方向。
如图2所示，各第1石墨层511以其第1高热导率方向D1与半导体元件2和第1散热体5排列的方向(Z方向)一致的方式配置。各第1石墨层511以其低热导率方向D3与半导体元件2和第1散热体5排列的方向(Z方向)正交的方式配置。各第1石墨层511在Z方向上以高热导率传导热。各第1石墨层511在与Z方向正交的方向中的多个第1石墨层511层叠的方向即第1方向(X方向)上不怎么传递热。各第1石墨层511在与Z方向正交且与第1方向(X方向)正交的第2方向(Y方向)上以高热导率传导热。
第2内侧热传导体52配置于第1外侧热传导体53的内部。第2内侧热传导体52配置于第1外侧热传导体53的容纳空间54。第2内侧热传导体52配置于比第1内侧热传导体51远离半导体元件2的一侧。
第2内侧热传导体52具备多个第2石墨层521。多个第2石墨层521在半导体元件2和第1散热体5排列的方向(Z方向)上层叠。各第2石墨层521由石墨形成。各第2石墨层521通过层叠多个石墨烯(图示省略)而形成。
第2石墨层521的热导率由于碳原子的结合的关系而具有各向异性。存在热导率比较高的方向和热导率比较低的方向。如图3所示，第2石墨层521的面内方向(第1高热导率方向D1及第2高热导率方向D2)上的热导率比面外方向(低热导率方向D3)上的热导率高。第1高热导率方向D1及第2高热导率方向D2上的热导率约为800～1900W/mK。低热导率方向D3上的热导率约为3～10W/mK。第1高热导率方向D1、第2高热导率方向D2及低热导率方向D3互相正交。第2石墨层521的面外方向(低热导率方向D3)是第2石墨层521的厚度方向。
如图2所示，各第2石墨层521以其第1高热导率方向D1与半导体元件2和第1散热体5排列的方向(Z方向)正交的方式配置。各第2石墨层521以其低热导率方向D3与半导体元件2和第1散热体5排列的方向(Z方向)一致的方式配置。各第2石墨层521在Z方向上不怎么传递热。各第2石墨层521在作为与Z方向正交的方向的第1方向(X方向)和第2方向(Y方向)上以高热导率传导热。
第1内侧热传导体51和第2内侧热传导体52在Z方向上层叠。在第1外侧热传导体53与第1内侧热传导体51之间配置有硬钎料96。在第1内侧热传导体51与第2内侧热传导体52之间配置有硬钎料97。在第1外侧热传导体53与第2内侧热传导体52之间配置有硬钎料98。第1内侧热传导体51与第2内侧热传导体52通过硬钎料97而接合。第1外侧热传导体53与第1内侧热传导体51通过硬钎料96而接合。第1外侧热传导体53与第2内侧热传导体52通过硬钎料98而接合。
作为各硬钎料96、97、98，例如可以使用Ag系硬钎料等。各硬钎料96、97、98含有钛(Ti)。各硬钎料96、97、98的钛(Ti)的含有率例如为5wt％以下。钛(Ti)的含有率也可以为3～5wt％。另外，钛(Ti)的含有率还可以为3wt％以下。各硬钎料96、97、98的Z方向的厚度例如为50μm。Z方向的厚度也可以为50μm以下。另外，Z方向的厚度还可以为25μm以下。
如图1所示，在半导体元件2的表面21(第2表面的一例)接合有导电板3。半导体元件2的表面21是与背面22相反一侧的面。导电板3通过软钎料92而接合于半导体元件2的表面21。导电板3接合于在半导体元件2的表面21形成的表面电极。
导电板3形成为板状。导电板3例如由铜(Cu)形成。导电板3具有导电性及热传导性。导电板3配置于半导体元件2与第2散热体7之间，具有作为两者之间的间隔件的功能。
在导电板3接合有第2散热体7。第2散热体7通过软钎料93而接合于导电板3。第2散热体7经由软钎料92、93和导电板3而接合于半导体元件2的表面21。第2散热体7接合于在半导体元件2的表面21形成的表面电极。第2散热体7与表面电极导通。作为软钎料92、93，例如可以使用Sn系软钎料、SnCu系软钎料、Zn系软钎料等。
第2散热体7具备第2外侧热传导体73、第3内侧热传导体71及第4内侧热传导体72。第2外侧热传导体73经由软钎料92、93和导电板3而接合于半导体元件2的表面21。第2外侧热传导体73经由软钎料92、93和导电板3而接合于在半导体元件2的表面21形成的表面电极。第2外侧热传导体73与表面电极导通。
第2外侧热传导体73例如由铜(Cu)形成。第2外侧热传导体73也可以由铜(Cu)以外的金属形成。第2外侧热传导体73具有导电性。第2外侧热传导体73形成为箱形。第2外侧热传导体73形成为长方体状。
第2外侧热传导体73具备下表面736、上表面737及侧面738。第2外侧热传导体73的下表面736在Z方向上朝向半导体元件2侧。上表面737在Z方向上朝向半导体元件2侧的相反侧。第2外侧热传导体73的上表面737与冷却器202接触。冷却器202冷却第2散热体7。第2外侧热传导体73的侧面738位于下表面736与上表面737之间。侧面738在X方向和Y方向上朝向外侧(省略Y方向的侧面738的图示)。
如图4所示，第2外侧热传导体73具备第1金属体731和第2金属体732。此外，在图4中以省略密封树脂90的方式进行图示。第1金属体731经由软钎料92、93和导电板3而连接于半导体元件2。第1金属体731配置于导电板3与第2金属体732之间。第1金属体731接合于第2金属体732的导电板3侧的面。第2金属体732接合于第1金属体731。第2金属体732接合于第1金属体731的与导电板3侧相反一侧的面。
第2外侧热传导体73的第1金属体731与第2金属体732的边界部76不存在于第2外侧热传导体73的下表面736和上表面737。第1金属体731与第2金属体732的边界部76存在于第2外侧热传导体73的侧面738。
第2外侧热传导体73容纳着第3内侧热传导体71和第4内侧热传导体72。第2外侧热传导体73将第3内侧热传导体71和第4内侧热传导体72包围。第2外侧热传导体73具备容纳空间74。容纳空间74形成于第2外侧热传导体73的内部。
第3内侧热传导体71配置于第2外侧热传导体73的内部。第3内侧热传导体71配置于第2外侧热传导体73的容纳空间74。第3内侧热传导体71配置于比第4内侧热传导体72接近半导体元件2的一侧。
第3内侧热传导体71具备多个第3石墨层711。多个第3石墨层711在第1方向(X方向)上层叠，第1方向是与半导体元件2和第2散热体7排列的方向(Z方向)正交的方向。各第3石墨层711由石墨形成。各第3石墨层711通过层叠多个石墨烯(图示省略)而形成。
第3石墨层711的热导率由于碳原子的结合的关系而具有各向异性。存在热导率比较高的方向和热导率比较低的方向。如图3所示，第3石墨层711的面内方向(第1高热导率方向D1及第2高热导率方向D2)上的热导率比面外方向(低热导率方向D3)上的热导率高。第1高热导率方向D1及第2高热导率方向D2上的热导率约为800～1900W/mK。低热导率方向D3上的热导率约为3～10W/mK。第1高热导率方向D1、第2高热导率方向D2及低热导率方向D3互相正交。第3石墨层711的面外方向(低热导率方向D3)是第3石墨层711的厚度方向。
如图4所示，各第3石墨层711以其第1高热导率方向D1与半导体元件2和第2散热体7排列的方向(Z方向)一致的方式配置。各第3石墨层711以其低热导率方向D3与半导体元件2和第2散热体7排列的方向(Z方向)正交的方式配置。各第3石墨层711在Z方向上以高热导率传导热。各第3石墨层711在与Z方向正交的方向中的多个第3石墨层711层叠的方向即第1方向(X方向)上不怎么传递热。各第3石墨层711在与Z方向正交且与第1方向(X方向)正交的第2方向(Y方向)上以高热导率传导热。
第4内侧热传导体72配置于第2外侧热传导体73的内部。第4内侧热传导体72配置于第2外侧热传导体73的容纳空间74。第4内侧热传导体72配置于比第3内侧热传导体71远离半导体元件2的一侧。
第4内侧热传导体72具备多个第4石墨层721。多个第4石墨层721在半导体元件2和第2散热体7排列的方向(Z方向)上层叠。各第4石墨层721由石墨形成。各第4石墨层721通过层叠多个石墨烯(图示省略)而形成。
第4石墨层721的热导率由于碳原子的结合的关系而具有各向异性。存在热导率比较高的方向和热导率比较低的方向。如图3所示，第4石墨层721的面内方向(第1高热导率方向D1及第2高热导率方向D2)上的热导率比面外方向(低热导率方向D3)上的热导率高。第1高热导率方向D1及第2高热导率方向D2上的热导率约为800～1900W/mK。低热导率方向D3上的热导率约为3～10W/mK。第1高热导率方向D1、第2高热导率方向D2及低热导率方向D3互相正交。第4石墨层721的面外方向(低热导率方向D3)是第4石墨层721的厚度方向。
如图4所示，各第4石墨层721以其第1高热导率方向D1与半导体元件2和第2散热体7排列的方向(Z方向)正交的方式配置。各第4石墨层721以其低热导率方向D3与半导体元件2和第2散热体7排列的方向(Z方向)一致的方式配置。各第4石墨层721在Z方向上不怎么传递热。各第3石墨层711在作为与Z方向正交的方向的第1方向(X方向)和第2方向(Y方向)上以高热导率传导热。
第3内侧热传导体71和第4内侧热传导体72在Z方向上层叠。在第2外侧热传导体73与第3内侧热传导体71之间配置有硬钎料86。在第3内侧热传导体71与第4内侧热传导体72之间配置有硬钎料87。在第2外侧热传导体73与第4内侧热传导体72之间配置有硬钎料88。作为硬钎料86、87、88，例如可以使用Ag系硬钎料等。第3内侧热传导体71与第4内侧热传导体72通过硬钎料87而接合。第2外侧热传导体73与第3内侧热传导体71通过硬钎料86而接合。第2外侧热传导体73与第4内侧热传导体72通过硬钎料88而接合。
以上，对第1实施例的半导体装置1进行了说明。根据上述的说明，可以明确得知，在半导体装置1中，第1散热体5具备接合于半导体元件2的背面22的金属的第1外侧热传导体53和配置于第1外侧热传导体53的内部的第1内侧热传导体51及第2内侧热传导体52。第1内侧热传导体51和第2内侧热传导体52在半导体元件2和第1散热体5排列的方向(Z方向)上层叠。第1内侧热传导体51具备多个第1石墨层511。多个第1石墨层511在第1方向(X方向)上层叠，第1方向是与半导体元件2和第1散热体5排列的方向(Z方向)正交的方向。第2内侧热传导体52具备多个第2石墨层521。多个第2石墨层521在半导体元件2和第1散热体5排列的方向(Z方向)上层叠。
根据该结构，因半导体元件2工作而产生的热通过第1散热体5进行散热。在半导体元件2产生的热向接合于半导体元件2的第1外侧热传导体53传导，接着向配置于第1外侧热传导体53的内部的第1内侧热传导体51及第2内侧热传导体52传导，再向第1外侧热传导体53传导而向外部散热。
石墨的热导率比金属的热导率高。在第1散热体5中，通过具备多个第1石墨层511和多个第2石墨层521，与仅为金属的情况相比能够高效地传导热。
构成第1内侧热传导体51的多个第1石墨层511在热导率上具有各向异性。各第1石墨层511在多个第1石墨层511进行层叠的第1方向(X方向)上不怎么传导热。对此相对，各第1石墨层511在与多个第1石墨层511进行层叠的第1方向(X方向)正交的方向(Y方向和Z方向)上以高热导率传导热。因而，在第1内侧热传导体51中，在半导体元件2和第1散热体5排列的方向(Z方向)上以高热导率传导热。另外，在第1内侧热传导体51中，在与Z方向正交且与第1方向(X方向)正交的第2方向(Y方向)上以高热导率传导热。
同样，构成第2内侧热传导体52的多个第2石墨层521在热导率上具有各向异性。各第2石墨层521在多个第2石墨层521层叠的方向(Z方向)上不怎么传导热。与此相对，各第2石墨层521在与多个第2石墨层521层叠的方向(Z方向)正交的方向(X方向和Y方向)上以高热导率传导热。因而，在第2内侧热传导体52中，在作为与半导体元件2和第1散热体5排列的方向(Z方向)正交的方向的第1方向(X方向)和第2方向(Y方向)上以高热导率传导热。
根据上述的结构，能够将在半导体元件2产生的热通过金属的第1外侧热传导体53而向第1内侧热传导体51和第2内侧热传导体52传导。另外，能够将该热通过第1内侧热传导体51和第2内侧热传导体52而在半导体元件2和第1散热体5排列的方向(Z方向)、第1方向(X方向)及第2方向(Y方向)上以高热导率进行传导。另外，能够将由第1内侧热传导体51和第2内侧热传导体52传导来的热通过第1外侧热传导体53而向多个方向进行散热。因而，根据上述的结构，能够将在半导体元件2产生的热通过第1散热体5的第1外侧热传导体53、第1内侧热传导体51及第2内侧热传导体52而高效地传导，向多个方向进行散热，因此能够提高散热性。此外，若多个第1石墨层511的层叠方向与多个第2石墨层521的层叠方向一致，则传导热的方向会一致，因此无法向多个方向散热。
另外，半导体装置1具备接合于半导体元件2的表面21的第2散热体7。第2散热体7具备与第1散热体5同样的结构。因而，不仅在半导体元件2的背面22侧，在其相反侧的表面21侧也能够提高散热性。
以上，虽然对一个实施例进行了说明，但具体的技术方案不限于上述实施例。在以下的说明中，对于与上述说明中的结构同样的结构，标注同一标号并省略说明。
(第2实施例)
如图5所示，在第2实施例的半导体装置1中，第1散热体5的第1外侧热传导体53也可以附加性地具备向外侧突出的突出部55。突出部55例如由铜(Cu)形成。突出部55也可以由铜(Cu)以外的金属形成。突出部55固定于第1外侧热传导体53的第1金属体531。突出部55与第1外侧热传导体53的第1金属体531一体或分体地形成。突出部55由密封树脂90密封。突出部55在与半导体元件2和第1散热体5排列的方向(Z方向)正交的第1方向(X方向)上突出。突出部55也在与第1方向(X方向)正交的第2方向(Y方向)上突出(图示省略)。
同样，第2散热体7的第2外侧热传导体73也可以附加性地具备向外侧突出的突出部75。突出部75例如由铜(Cu)形成。突出部75也可以由铜(Cu)以外的金属形成。突出部75固定于第2外侧热传导体73的第1金属体731。突出部75与第2外侧热传导体73的第1金属体731一体或分体地形成。突出部75由密封树脂90密封。突出部75在与半导体元件2和第2散热体7排列的方向(Z方向)正交的第1方向(X方向)上突出。突出部75也在与第1方向(X方向)正交的第2方向(Y方向)上突出(图示省略)。
另外，如图6所示，第1散热体5中的突出部55也可以在半导体元件2和第1散热体5排列的方向(Z方向)上突出。同样，第2散热体7中的突出部75也可以在半导体元件2和第2散热体7排列的方向(Z方向)上突出。
石墨的热容量比金属的热容量小。因而，在第1散热体5具备多个第1石墨层511和多个第2石墨层521的结构中，与第1散热体5仅由金属构成的情况相比，第1散热体5的热容量变小。根据上述的结构，由于第1外侧热传导体53具备金属的突出部55，所以能够提高第1散热体5的热容量。因而，在半导体元件2产生的热向第1散热体5传导时，能够抑制第1散热体5的温度急剧上升。关于第2散热体7也同样。
另外，在上述的半导体装置1中，第1外侧热传导体53的第1金属体531与第2金属体532的边界部56不存在于第1外侧热传导体53的上表面536和下表面537。第1金属体531与第2金属体532的边界部56存在于第1外侧热传导体53的侧面538。因而，能够使第1外侧热传导体53的上表面536和下表面537成为均匀的面。关于第2外侧热传导体73也同样。
(其他实施例)
在上述的实施例中，第1内侧热传导体51配置于比第2内侧热传导体52接近半导体元件2的一侧，但不限定于该结构。在一些实施例中，也可以与此相反地使第2内侧热传导体52配置于比第1内侧热传导体51接近半导体元件2的一侧。
同样，在上述的实施例中，第3内侧热传导体71配置于比第4内侧热传导体72接近半导体元件2的一侧，但不限定于该结构。在一些实施例中，也可以与此相反地使第4内侧热传导体72配置于比第3内侧热传导体71接近半导体元件2的一侧。
在上述的实施例中，多个第2石墨层521在半导体元件2和第1散热体5排列的方向(Z方向)上层叠，但不限于该结构。在一些实施例中，多个第2石墨层521也可以在与半导体元件2和第1散热体5排列的方向(Z方向)正交且与第1方向(X方向)正交的第2方向(Y方向)上层叠。多个第1石墨层511层叠的第1方向(X方向)与多个第2石墨层521层叠的第2方向(Y方向)正交。
各第2石墨层521在多个第2石墨层521层叠的方向(Y方向)上不怎么传导热。与此相对，各第2石墨层521在与多个第2石墨层521层叠的方向(Y方向)正交的方向(X方向和Z方向)上以高热导率传导热。因而，在第2内侧热传导体52中，能够在Z方向和X方向上以高热导率传导热。通过第1内侧热传导体51和第2内侧热传导体52，能够在X方向、Y方向及Z方向上以高热导率传导热。尤其是，能够在Z方向上高效地传导热。
同样，在上述的实施例中，多个第4石墨层721在半导体元件2和第2散热体7排列的方向(Z方向)上层叠，但不限于该结构。在一些实施例中，多个第4石墨层721也可以在与半导体元件2和第2散热体7排列的方向(Z方向)正交且与第1方向(X方向)正交的第2方向(Y方向)上层叠。多个第3石墨层711层叠的第1方向(X方向)与多个第4石墨层721层叠的第2方向(Y方向)正交。根据该结构，与上述同样，通过第3内侧热传导体71和第4内侧热传导体72，能够在X方向、Y方向及Z方向上以高热导率传导热。尤其是，能够在Z方向上高效地传导热。
在上述的实施例中，构成为第1外侧热传导体53的第1金属体531与第2金属体532的边界部56不存在于第1外侧热传导体53的下表面537，但不限于该结构。在一些实施例中，第1金属体531与第2金属体532的边界部56也可以存在于第1外侧热传导体53的下表面537。
同样，在上述的实施例中，构成为第2外侧热传导体73的第1金属体731与第2金属体732的边界部76不存在于第2外侧热传导体73的上表面737，但不限于该结构。在一些实施例中，第1金属体731与第2金属体732的边界部76也可以存在于第2外侧热传导体73的上表面737。
在制造上述的半导体装置1的情况下，在向半导体元件2接合第1散热体5之前或之后，有时会利用机床对第1散热体5的第1外侧热传导体53的下表面537进行切削。因而，也可以在第1外侧热传导体53的下表面537侧设置切削余量。
如图7所示，第1外侧热传导体53也可以具备第1金属体531、第2金属体532及第3金属体533。第1金属体531、第2金属体532及第3金属体533从接近半导体元件2的一侧朝向远离半导体元件2的一侧在Z方向上排列。此外，在图7中以省略密封树脂90的方式进行图示。第1金属体531接合于半导体元件2。第1金属体531配置于半导体元件2与第2金属体532之间。第1金属体531接合于第2金属体532的半导体元件2侧的面。第2金属体532接合于第1金属体531。第2金属体532配置于第1金属体531与第3金属体533之间。第2金属体532接合于第1金属体531的与半导体元件2侧相反一侧的面。另外，第2金属体532接合于第3金属体533的半导体元件2侧的面。第3金属体533接合于第2金属体532。第3金属体533接合于第2金属体532的与半导体元件2侧相反一侧的面。
第1外侧热传导体53的第1金属体531与第2金属体532的边界部56不存在于第1外侧热传导体53的上表面536和下表面537。第1金属体531与第2金属体532的边界部56存在于第1外侧热传导体53的侧面538。
第1外侧热传导体53的第2金属体532与第3金属体533的边界部57不存在于第1外侧热传导体53的上表面536和下表面537。第2金属体532与第3金属体533的边界部57存在于第1外侧热传导体53的侧面538。
在上述的实施例中，构成为第2散热体7具备第2外侧热传导体73、第3内侧热传导体71及第4内侧热传导体72，但不限于该结构。在另一实施例中，第2散热体7也可以不具备这些结构而仅由金属形成。第2散热体7是实心的金属体，在其内部未配置第3内侧热传导体71和第4内侧热传导体72。构成第2散热体7的金属例如是铜(Cu)、铝(Al)。该第2散热体7经由软钎料92、93和导电板3而接合于半导体元件2的表面21。第2散热体7接合于在半导体元件2的表面21形成的表面电极。第2散热体7与表面电极导通。根据该结构，由于第2散热体7是实心的金属体，所以例如在使用超声波、X线来检查半导体装置1时能够明确地确认第2散热体7。另外，由于第2散热体7不使用石墨，所以能够降低半导体装置1的成本。
在上述的实施例中，在半导体元件2与第2散热体7之间配置有导电板3作为间隔件，但不限于该结构，也可以不设置导电板3。在该情况下，第2散热体7不经由软钎料93和导电板3而通过软钎料92接合于半导体元件2的表面21。根据该结构，由于在半导体元件2与第2散热体7之间不存在导电板3，所以能够扩大半导体元件2与第2散热体7的接触面积。因而，能够扩大将在半导体元件2产生的热进行散热时的散热面积，能够提高散热性。另外，能够减薄半导体装置1的Z方向上的厚度。
(第1试验例)
对上述的半导体装置1中的第1散热体5的热导率进行了试验。在第1试验例中，将第1散热体5中的各硬钎料96、97、98的钛(Ti)含有率设为了3～5wt％。另外，将各硬钎料96、97、98的Z方向上的厚度设为了50μm。在该情况下，改变第1散热体5中的石墨的比例而测定了第1散热体5的热导率。将测定结果示于图8。如图8所示确认了：在第1散热体5中的石墨的比例为85wt％以上的情况下，与小于85wt％的情况相比，第1散热体5的热导率显著较高。另外，确认了：在第1散热体5中的石墨的比例为87wt％以上的情况下，与小于87wt％的情况相比，第1散热体5的热导率更高。另外，确认了：在第1散热体5中的石墨的比例为93wt％以上的情况下，与小于93wt％的情况相比，第1散热体5的热导率更高。
(第2试验例)
在第2试验例中，将第1散热体5中的各硬钎料96、97、98的钛(Ti)含有率设为了3wt％以下。另外，将各硬钎料96、97、98的Z方向的厚度设为了25μm以下。在该情况下，改变第1散热体5中的石墨的比例而测定了第1散热体5的热导率。将测定结果示于图9。如图9所示确认了：在第1散热体5中的石墨的比例为60wt％以上的情况下，成为与上述的第1试验例中的86wt％以上的情况相同程度的热导率。另外，确认了：在第1散热体5中的石墨的比例为68wt％以上的情况下，与小于68wt％的情况相比，第1散热体5的热导率更高。另外，确认了：在第1散热体5中的石墨的比例为74wt％以上的情况下，与小于74wt％的情况相比，第1散热体5的热导率更高。
以下列出本说明书所公开的技术要素。此外，以下的各技术要素分别独立而有用。
半导体装置可以还具备接合于半导体元件的与第1表面相反一侧的第2表面的第2散热体。第2散热体可以具备：金属的第2外侧热传导体，接合于半导体元件的第2表面；第3内侧热传导体，配置于第2外侧热传导体的内部；以及第4内侧热传导体，配置于第2外侧热传导体的内部，在半导体元件和第2散热体排列的方向上层叠于第3内侧热传导体。第3内侧热传导体可以具备多个第3石墨层。第4内侧热传导体可以具备多个第4石墨层。多个第3石墨层可以在第3方向上层叠，第3方向是与半导体元件和第2散热体排列的方向正交的方向。多个第4石墨层可以在半导体元件和第2散热体排列的方向或与该方向正交且与第3方向正交的第4方向上层叠。
根据该结构，不仅在半导体元件的第1表面侧，在其相反侧的第2表面侧也能够提高散热性。
半导体元件、第1散热体及第2散热体可以由密封树脂密封。
第1外侧热传导体可以具备向外侧突出的突出部。
根据该结构，能够提高第1散热体的热容量。因而，在半导体元件所产生的热向第1散热体传导时，能够抑制第1散热体的温度急剧上升。
半导体装置可以还具备接合于半导体元件的与第1表面相反一侧的第2表面的第2散热体。第2散热体可以是实心的金属体。
根据该结构，例如在使用超声波、X线来检查半导体装置时能够明确地确认第2散热体。
此外，上述的实施例中的X方向、Y方向及Z方向是为了便于说明而设定的方向，能够互相变更。
以上，详细说明了本发明的具体例，但这些只不过是例示，不对权利要求书进行限定。权利要求书所记载的技术包括对以上例示的具体例进行各种变形、变更后的技术。本说明书或附图中说明的技术要素单独或通过各种组合发挥技术有用性，不限于申请时权利要求所记载的组合。另外，本说明书或附图所例示的技术能够同时达成多个目的，达成其中一个目的本身就具有技术有用性。

Claims (5)

1.一种半导体装置，具备：
半导体元件；以及
第1散热体，接合于所述半导体元件的第1表面，
所述第1散热体具备：
金属的第1外侧热传导体，接合于所述半导体元件的所述第1表面；
第1内侧热传导体，配置于所述第1外侧热传导体的内部；以及
第2内侧热传导体，配置于所述第1外侧热传导体的内部，在所述半导体元件和所述第1散热体排列的方向上层叠于所述第1内侧热传导体，
所述第1内侧热传导体具备多个第1石墨层，
所述第2内侧热传导体具备多个第2石墨层，
多个所述第1石墨层在第1方向上层叠，所述第1方向是与所述半导体元件和所述第1散热体排列的方向正交的方向，
多个所述第2石墨层在所述半导体元件和所述第1散热体排列的方向或与该方向正交且与所述第1方向正交的第2方向上层叠。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，
还具备接合于所述半导体元件的与所述第1表面相反一侧的第2表面的第2散热体，
所述第2散热体具备：
金属的第2外侧热传导体，接合于所述半导体元件的所述第2表面；
第3内侧热传导体，配置于所述第2外侧热传导体的内部；以及
第4内侧热传导体，配置于所述第2外侧热传导体的内部，在所述半导体元件和所述第2散热体排列的方向上层叠于所述第3内侧热传导体，
所述第3内侧热传导体具备多个第3石墨层，
所述第4内侧热传导体具备多个第4石墨层，
多个所述第3石墨层在第3方向上层叠，所述第3方向是与所述半导体元件和所述第2散热体排列的方向正交的方向，
多个所述第4石墨层在所述半导体元件和所述第2散热体排列的方向或与该方向正交且与所述第3方向正交的第4方向上层叠。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，
还具备接合于所述半导体元件的与所述第1表面相反一侧的第2表面的第2散热体，
所述第2散热体是实心的金属体。
4.根据权利要求2或3所述的半导体装置，
所述半导体元件、所述第1散热体以及所述第2散热体由密封树脂密封。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，
所述第1外侧热传导体具备向外侧突出的突出部。
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