JP2000174180A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2000174180A
JP2000174180A JP10343267A JP34326798A JP2000174180A JP 2000174180 A JP2000174180 A JP 2000174180A JP 10343267 A JP10343267 A JP 10343267A JP 34326798 A JP34326798 A JP 34326798A JP 2000174180 A JP2000174180 A JP 2000174180A
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conductive insulating
high thermal
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Isao Okutomi
功 奥富
Takashi Kusano
貴史 草野
Atsushi Yamamoto
敦史 山本
Takanobu Nishimura
隆宣 西村
Yutaka Ishiwatari
裕 石渡
Akira Tanaka
明 田中
Hiroshi Fukuyoshi
寛 福吉
Koji Araki
浩二 荒木
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Shibafu Engineering Corp
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Toshiba Corp
Shibafu Engineering Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体素子の回路動作で発生する熱の放熱効
率を向上させることができ、冷却効率を向上させること
により大容量化を実現することができる半導体装置を提
供する。 【解決手段】 半導体装置において、第１放熱板２上に
第１高熱伝導性絶縁基板４１を介在させて半導体素子５
１〜５４が実装され、この半導体素子５１〜５４上には
さらに第２高熱伝導性絶縁基板７１を介在させて第２放
熱板８が装着される。半導体素子５１〜５４で発生した
熱は上下２方向から冷却される。さらに第１放熱板２下
にはヒートシンク１が配設される。半導体素子５１〜５
４と第２高熱伝導性絶縁基板７１との間は、熱的良導体
である高熱伝導性接着材により固着され、また圧接され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に関
し、特に発熱量の大きな半導体素子を複数個集めてモジ
ュール化した半導体装置に関する。さらに、本発明は冷
却構造を有する半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】パワートランジスタを備えた半導体素子
（半導体チップ）を複数個集めてモジュール化した半導
体装置（モジュール型半導体装置）はその冷却効率を高
めることが重要な技術的課題の１つになっている。この
種の半導体装置は、放熱板と、この放熱板上に固着され
た高熱伝導性絶縁基板と、この高熱伝導性絶縁基板上に
複数個実装された半導体素子と、高熱伝導性絶縁基板及
び半導体素子を取り囲む外囲体とを備えて構築される。
放熱板及び外囲体は半導体素子及び高熱伝導性絶縁基板
を収納するキャビティを形成し、このキャビティ内には
絶縁性ゲルが充填される。放熱板の裏面にはヒートシン
クが取り付けられている。
【０００３】このように構成された半導体装置において
は、半導体素子の回路動作で発生する熱が高熱伝導性絶
縁基板を通して放熱板に伝達され、この放熱板はヒート
シンクにより冷却される。従って、半導体素子の熱によ
る動作不良や熱破損を防止することができるので、半導
体装置の信頼性を向上させることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
半導体装置においては、半導体素子で発生した熱の主な
る放熱経路が、半導体素子裏面から高熱伝導性絶縁基
板、放熱板のそれぞれを通過してヒートシンクに至る１
つの経路（１つの方向）しか確保されていない。しか
も、今後の半導体装置は少なくとも高耐圧化又は大電流
化を目的とした大容量化の傾向にあり、半導体素子から
の発熱量がさらに増大することが予測されている。この
ため、冷却能力に限界があるので、今後の半導体装置の
大容量化に対処することができないという問題があっ
た。
【０００５】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものである。従って、本発明の目的は、半導体素子の
回路動作で発生する熱の放熱効率を向上させ、冷却効率
を向上させることにより大容量化を実現することができ
る半導体装置を提供することである。
【０００６】さらに、本発明の目的は、放熱経路の熱抵
抗を減少させることにより放熱効率を向上させ、冷却効
率を向上させることにより大容量化を実現することがで
きる半導体装置を提供することである。
【０００７】さらに、本発明の目的は、放熱面積を増加
させることにより放熱効率を向上させ、冷却効率を向上
させることにより大容量化を実現することができる半導
体装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明の第１の特徴は、半導体装置において、第
１放熱板と、第１放熱板上の第１高熱伝導性絶縁基板
と、第１高熱伝導性絶縁基板上の半導体素子と、半導体
素子上の第２高熱伝導性絶縁基板と、を備えたことであ
る。さらに、この発明の第１の特徴は、半導体装置にお
いて、第２高熱伝導性絶縁基板上に第２放熱板を備えた
ことである。半導体素子は回路動作による熱発生量が大
きいパワートランジスタを備えたものであることが好ま
しい。特に、複数個の半導体素子でモジュールを構築し
た半導体装置に適用されることが好ましい。第１放熱
板、第２放熱板にはそれぞれ熱抵抗値の小さいCu板、Al
N板が実用的に使用できる。第１高熱伝導性絶縁基板、
第２高熱伝導性絶縁基板には、それぞれ、AlN基板の両
面にAl層を形成したダイレクトボンディングアルミニウ
ム（DBA）基板、AlN基板の両面にCu層を形成したダイレ
クトボンディングカッパー（DBC）基板が実用的に使用
できる。第１放熱板の周囲、第２放熱板の周囲には外囲
体が配設されており、第１放熱板、第２放熱板及び外囲
体で形成されるキャビティ内部に半導体素子が収納され
るとともにこのキャビティ内部には絶縁充填材が充填さ
れることが好ましい。絶縁充填材には絶縁性ゲル、好ま
しくはシリコーンゲルやフロリナートが実用的に使用で
きる。第１放熱板、第２放熱板の少なくともいずれか一
方にはヒートシンクが配設されることが好ましく、ヒー
トシンクは少なくともいずれかの放熱板を冷却すること
ができる。このように構成される半導体装置において
は、半導体素子の回路動作で発生する熱の放熱経路は、
第１高熱伝導性絶縁基板及び第１放熱板を通過する経路
と、第２高熱伝導性絶縁基板及び第２放熱板を通過する
経路との半導体素子の上下２方向に確保することがで
き、放熱経路の複数化を実現することができる。つま
り、放熱経路が複数化されることで放熱経路の熱抵抗を
減少させることができる。さらに加えて、放熱経路に熱
抵抗が小さい第１及び第２高熱伝導性絶縁基板を介在さ
せているので、放熱経路全体の熱抵抗をさらに減少させ
ることができる。従って、半導体素子で発生した熱の放
熱効率を向上させ、半導体装置の冷却効率を向上させる
ことができる。
【０００９】この発明の第２の特徴は、第１の特徴の半
導体装置において、少なくとも半導体素子と第１高熱伝
導性絶縁基板又は第２高熱伝導性絶縁基板との間が高熱
伝導性接着材により固着されたことである。高熱伝導性
接着剤による固着は、少なくとも半導体素子の電極が配
設された面と高熱伝導性絶縁基板との間で行われる必要
があり、半導体素子の下面に電極が配設される場合には
第１高熱伝導性絶縁基板との間で、半導体素子の上面に
電極が配設される場合には第２高熱伝導性絶縁基板との
間で行われる。高熱伝導性接着材には半田（Pb-Sn合
金）、Agろう、Cuろうのいずれかが実用的に使用でき
る。このように構成される半導体装置においては、半導
体素子の電極が配設された面と第１又は第２高熱伝導性
絶縁基板との間の微小な隙間を熱抵抗の小さい高熱伝導
性接着材で埋め込み、放熱経路の熱抵抗を低減させるこ
とができるので、冷却効率をより一層向上させることが
できる。
【００１０】この発明の第３の特徴は、第１の特徴又は
第２の特徴の半導体装置において、少なくとも半導体素
子と第１高熱伝導性絶縁基板又は第２高熱伝導性絶縁基
板との間が圧接されることである。圧接は、少なくとも
半導体素子の電極（ボンディングパッド）が配設された
面と高熱伝導性絶縁基板との間で行われる必要があり、
半導体素子の下面に電極が配設される場合には第１高熱
伝導性絶縁基板との間で、半導体素子の上面に電極が配
設される場合には第２高熱伝導性絶縁基板との間で行わ
れる。圧接は第１放熱板と第２放熱板との間を締め付け
るボルト締結により行うことが好ましい。さらに、圧接
はプレス機械により行うこともできる。このように構成
される半導体装置においては、半導体素子の電極が配設
された面と第１又は第２高熱伝導性絶縁基板との間の真
実接触面積を増加させ（双方の接触を点接触から面接触
に代え）、放熱経路の熱抵抗を低減させることができる
ので、冷却効率をより一層向上させることができる。
【００１１】この発明の第４の特徴は、第１の特徴乃至
第３の特徴のいずれかの半導体装置において、少なくと
も第１放熱板、第２放熱板、第１高熱伝導性絶縁基板、
第２高熱伝導性絶縁基板のいずれか１つの側面にさらに
放熱フィンを備えたことである。このように構成される
半導体装置においては、第１放熱板、第２放熱板、第１
高熱伝導性絶縁基板、第２高熱伝導性絶縁基板のいずれ
かの放熱面積を増加させることができるので、放熱効率
をより一層向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。
【００１３】（第１の実施例）図１は本発明の実施の形
態の第１の実施例に係る半導体装置の断面構造図であ
る。図１に示すように、半導体装置は、第１放熱板２
と、第１放熱板２上に配設された第１高熱伝導性絶縁基
板４１と、第１高熱伝導性絶縁基板４１上に実装された
複数個の半導体素子５１〜５４と、半導体素子５１〜５
４上に固着された第２高熱伝導性絶縁基板７１と、第２
高熱伝導性絶縁基板７１上に配設された第２放熱板８と
を備えて構築される。
【００１４】第１放熱板２の周囲と第２放熱板８の周囲
との間には外囲体９が配設される。この外囲体９、第１
放熱板２及び第２放熱板８は内部がキャビティとなる密
閉封止体を構築し、密閉封止体のキャビティ内部には半
導体素子５１〜５４、第１高熱伝導性絶縁基板４１及び
第２高熱伝導性絶縁基板７１が収納される。キャビティ
内部には絶縁性充填材１０が充填される。絶縁性充填材
１０には第１の実施例において絶縁性ゲル、詳細にはシ
リコーンゲルが使用される。
【００１５】第１放熱板２の裏面側にはヒートシンク１
が取り付けら、第１の実施例においてはヒートシンク１
は半導体装置の下側片面だけに取り付けられる。ヒート
シンク１は、半導体素子５１〜５４の回路動作で発生し
第１高熱伝導性絶縁基板４１を通して第１放熱板８に伝
達された熱を冷却する機能を有する。ヒートシンク１に
は例えばCu製水冷ヒートシンクが実用的に使用できる。
また、ヒートシンク１にはCu製空冷ヒートシンクを使用
してもよい。
【００１６】第１放熱板２、第２放熱板８にはいずれも
熱的良導体である例えばCu板、AlN板が実用的に使用で
きる。第１放熱板２とヒートシンク１との間には一端側
が半導体装置の外部に導出され、他端側が前述の密閉封
止体のキャビティ内部に導出された外部リード配線３が
配設される。外部リード配線３は例えばCu薄膜で形成さ
れ、詳細に図示していないが外部リード配線３の表面に
は両端部（接続部）を除き絶縁コーティングが施されて
いる。
【００１７】第１高熱伝導性絶縁基板４１、第２高熱伝
導性絶縁基板７１のそれぞれには、熱的良導体であるAl
N基板の両面にAl層を形成したダイレクトボンディング
アルミニウム（DBA）基板、又はAlN基板の両面にCu層を
形成したダイレクトボンディングカッパー（DBC）基板
を実用的に使用することができる。
【００１８】半導体素子５１〜５４は第１の実施例にお
いて半導体チップ（Siチップ）で形成されており、半導
体素子５１〜５４にはいずれも少なくともIGBT、IEGT等
のパワートランジスタ又は高耐圧トランジスタが搭載さ
れる。第１の実施例において半導体素子５１〜５４はい
ずれも第１高熱伝導性絶縁基板４１の表面上にフェース
アップ方式で実装される。図２は半導体素子５１〜５４
の表面部分の拡大断面図である。半導体素子５１〜５４
の表面上にはトランジスタの端子から導出された外部接
続用電極（ボンディングパッド）５０１が配設される。
電極５０１の表面中央部はパッシベーション膜５０２に
形成されたボンディング開口５０３から露出されてお
り、このボンディング開口５０３を通して電極５０１の
表面にはワイヤ配線６１の一端側がボンディングされ、
双方の間が電気的に接続される。図１に示すように、ワ
イヤ配線６１の他端側は他の半導体素子５１〜５４のい
ずれかの電極５０１にボンディングされる。また、半導
体素子５１〜５４の電極５０１と外部リード配線３の他
端側との間はワイヤ配線６２を通して電気的に接続され
る。ワイヤ配線６１、６２にはいずれも例えばCuワイヤ
配線、Alワイヤ配線、Auワイヤ配線等が実用的に使用で
きる。
【００１９】図２に示すように、半導体素子５１〜５４
のそれぞれと第２高熱伝導性絶縁基板７１との間は、半
導体素子５１〜５４のそれぞれの電極５０１が配設され
た側のパッシベーション膜５０２の表面と第２高熱伝導
性絶縁基板７１の裏面との間に高熱伝導性接着材１０１
を介在させて、熱的かつ機械的に固着される。高熱伝導
性接着材１０１には熱的良導体である例えば半田、好ま
しくはPb-Sn合金、さらに好ましくはPb-Sn共晶合金が実
用的に使用できる。
【００２０】同図２に示すように、半導体素子５１〜５
４のそれぞれのパッシベーション膜５０２の表面や第２
高熱伝導性絶縁基板７１の裏面には微視的に見れば微小
な凹凸が存在し、単純に接触させた場合には双方の界面
にランダムに隙間が発生する。第１の実施の形態に係る
半導体装置においては、このような微小な隙間に熱的良
導体である高熱伝導性接着材１０１を埋込み、半導体素
子５１〜５４のそれぞれと第２高熱伝導性絶縁基板７１
との間の熱抵抗を減少させることができる。第１の実施
例において半導体素子５１〜５４のそれぞれは第１高熱
伝導性絶縁基板４１上にフェースアップ方式で実装され
ているので、半導体素子５１〜５４のそれぞれと第２高
熱伝導性絶縁基板７１との間に高熱伝導性接着材１０１
が形成されているが、第１高熱伝導性絶縁基板４１上に
フェースダウン方式で半導体素子５１〜５４のそれぞれ
が実装される場合には第１高熱伝導性絶縁基板４１と半
導体素子５１〜５４のそれぞれとの間に高熱伝導性接着
材１０１が形成される。なお、高熱伝導性接着材１０１
においては、高温度での使用になってしまうが、Agろう
やCuろうを使用することができる。
【００２１】図４は本発明の実施の形態の各実施例（第
１の実施例〜第１３の実施例）に係る構成（積層構
造）、接続形式、通電による半導体素子の温度上昇値の
それぞれの関係を示す図である。同図４に示すように、
第１の実施例に係る半導体装置の構成は、下記のように
各記号を定義した場合、Ｄ＋Ｃ／Ｂ／Ａ／Ｂ／Ｃで表す
ことができる。 Ａ：半導体素子（５１〜５４） Ｂ：高熱伝導性絶縁基板（４１，７１） Ｃ：放熱板（２，８） Ｄ：ヒートシンク（１） ／：固着 ＋：圧接 さらに、図４には第１高熱伝導性絶縁基板４１及び第２
高熱伝導性絶縁基板７１の具体的な構造（Al/AlN/A
l）、絶縁充填材１０の具体的な材料（シリコーンゲ
ル）のそれぞれが表記されている。ここで、図４に示す
初段には各実施例と構成並びに温度上昇特性とを比較す
るための比較例に係る半導体装置の構成等を表記した。
図３は比較例に係る半導体装置の断面構造図である。こ
の比較例に係る半導体装置は、放熱板２１上に高熱伝導
性絶縁基板４０を配設し、この高熱伝導性絶縁基板４０
上に半導体素子５９Ａ及び５９Ｂを実装したものであ
る。第１の実施例に係る半導体装置と同様に、放熱板２
１下にはヒートシンク１が配設され、半導体素子５９Ａ
及び５９Ｂ等は絶縁充填材１０で被覆される。
【００２２】比較例に係る半導体装置において、通電を
行い、半導体素子５９Ａ及び５９Ｂの温度上昇を測定す
ると、20℃から120℃まで上昇し、100℃の温度上昇が測
定された。なお、半導体素子５９Ａ及び５９Ｂの温度
は、直接測定することができなかったので、ヒートシン
ク１の温度測定を行い、この測定結果から熱抵抗値等の
伝熱計算により算出したものである。
【００２３】この比較例に係る半導体装置の温度上昇の
値を基準値１として、同様に第１の実施例に係る半導体
装置の温度上昇を測定すると、相対値として0.75という
結果が得られた。
【００２４】このように構成される第１の実施例に係る
半導体装置においては、半導体素子５１〜５４の回路動
作で発生する熱の放熱経路は、第１高熱伝導性絶縁基板
４１及び第１放熱板２を通過する経路と、第２高熱伝導
性絶縁基板７１及び第２放熱板８を通過する経路との半
導体素子５１〜５４の上下２方向に確保することがで
き、放熱経路の複数化を実現することができる。つま
り、放熱経路が複数化されることで放熱経路全体の熱抵
抗を減少させることができる。さらに加えて、放熱経路
に熱抵抗が小さい第１高熱伝導性絶縁基板４１及び第２
高熱伝導性絶縁基板７１を介在させているので、放熱経
路全体の熱抵抗をさらに減少させることができる。従っ
て、半導体素子５１〜５４で発生した熱の放熱効率を向
上させることができるので、半導体装置の冷却効率を向
上させることができる。
【００２５】さらに、第１の実施例に係る半導体装置に
おいては、半導体素子５１〜５４の電極５０１が配設さ
れた面と第２高熱伝導性絶縁基板７１との間の微小な隙
間を熱抵抗の小さい高熱伝導性接着材１０１で埋め込
み、放熱経路の熱抵抗を低減させることができるので、
冷却効率をより一層向上させることができる。
【００２６】（第２の実施例）図５は本発明の実施の形
態の第２の実施例に係る半導体装置の断面構造図であ
る。図５に示すように、半導体装置は、第１放熱板２
と、第１放熱板２上に配設された第１高熱伝導性絶縁基
板４１と、第１高熱伝導性絶縁基板４１上に実装された
複数個の半導体素子５１〜５４と、半導体素子５１〜５
４上に固着された第２高熱伝導性絶縁基板７１と、第２
高熱伝導性絶縁基板７１上に実装された複数個の半導体
素子５５〜５８と、半導体素子５５〜５８上に配設され
た第３高熱伝導性絶縁基板４２と、第３高熱伝導性絶縁
基板４２上に配設された第２放熱板８とを備えて構築さ
れる。すなわち、図４に示すように、第２の実施例に係
る半導体装置の構成はＤ＋Ｃ／Ｂ／Ａ／Ｂ／Ａ／Ｂ／Ｃ
で表記することができる。
【００２７】この半導体装置は、第２高熱伝導性絶縁基
板７１を中心に下側に半導体素子５１〜５４を配設し、
上側に半導体素子５５〜５８を配設した２層構造で形成
される。半導体素子５１〜５４は第１高熱伝導性絶縁基
板４１上にフェースアップ方式で実装され、半導体素子
５５〜５８は第２高熱伝導性絶縁基板７１上にフェース
ダウン方式で実装される。半導体素子５５〜５８のそれ
ぞれの電極５０３間はワイヤ配線６３で電気的に接続さ
れ、半導体素子５５〜５８のそれぞれの電極５０３と外
部リード配線３の他端側との間はワイヤ配線６４で電気
的に接続される。
【００２８】詳細に図示しないが、第１の実施例に係る
半導体装置と同様に、半導体素子５１〜５４のそれぞれ
と第２高熱伝導性絶縁基板７１との間、半導体素子５５
〜５８のそれぞれと第２高熱伝導性絶縁基板７１との間
は高熱伝導性接着材１０１で熱的かつ機械的に固着され
る（図２参照）。ヒートシンク１は第１放熱板２側にの
み配設される。
【００２９】図４に示すように、比較例に係る半導体装
置の温度上昇の値を基準値１として、同様に第２の実施
例に係る半導体装置の温度上昇を測定すると、相対値と
して0.96という結果が得られた。第１の実施例に係る半
導体装置に対して第２の実施例に係る半導体装置の温度
上昇は若干高くなっているが、実装された半導体素子数
が多い（発熱量が大きい）点、比較例に比べて温度が低
い点を考慮すれば、第２の実施例に係る半導体装置にお
いては充分な冷却効率が得られている。
【００３０】このように構成される第２の実施例に係る
半導体装置においては、第１の実施例に係る半導体装置
で得られる効果と同様の効果を得ることができ、加えて
半導体素子５１〜５４上にさらに半導体素子５５〜５８
を実装したので、実装密度を向上させることができる。
【００３１】（第３の実施例）図６は本発明の実施の形
態の第３の実施例に係る半導体装置の半導体素子の表面
部分の拡大断面図である。第３の実施例に係る半導体装
置は、基本的な構造が第１の実施例に係る半導体装置と
同様に、第１放熱板２と、第１放熱板２上に配設された
第１高熱伝導性絶縁基板４１と、第１高熱伝導性絶縁基
板４１上に実装された複数個の半導体素子５１〜５４
と、半導体素子５１〜５４上に圧接された第２高熱伝導
性絶縁基板７１と、第２高熱伝導性絶縁基板７１上に配
設された第２放熱板８とを備えて構築される（図１参
照）。
【００３２】但し、第３の実施例に係る半導体装置全体
には製作段階において厚さ方向に圧力が加えられてお
り、図６に示すように、少なくとも半導体素子５１〜５
４と第２高熱伝導性絶縁基板７１との間が圧接されてい
る。前述のように、半導体素子５１〜５４のそれぞれの
パッシベーション膜５０２の表面や第２高熱伝導性絶縁
基板７１の裏面には微視的に見れば微小な凹凸が存在
し、単純に接触させた場合には双方は互いに突出した部
分が接触する点接触になってしまう。圧接することによ
りこのような突出した部分は押し潰され、双方の間の接
触状態は点接触から面接触に代えることができる。すな
わち、双方の間の真実接触面積を増加させ、双方の界面
の熱抵抗を減少させることができる。従って、図４に示
すように、第３の実施例に係る半導体装置の構成はＤ＋
Ｃ／Ｂ／Ａ＋Ｂ／Ｃで表記することができる。
【００３３】圧接は例えばプレス機械により行う。圧接
は、前述の真実接触面積を最大限に増加させつつ、半導
体素子５１〜５４に搭載されたトランジスタやパッシベ
ーション膜５０２に損傷を与えない程度の圧接力、例え
ば数十kgf/mm2程度の圧接力で行われる。
【００３４】図４に示すように、比較例に係る半導体装
置の温度上昇の値を基準値１として、同様に第３の実施
例に係る半導体装置の温度上昇を測定すると、相対値と
して0.74という結果が得られた。第３の実施例に係る半
導体装置は第１の実施例に係る半導体装置と同等の冷却
効率を得ることができる。
【００３５】このように構成される第３の実施例に係る
半導体装置においては、第１の実施例に係る半導体装置
で得られる効果と同様の効果を得ることができる。さら
に、第３の実施例に係る半導体装置においては、半導体
素子５１〜５４の電極５０１が配設された面と第２高熱
伝導性絶縁基板７１との間の真実接触面積を増加させ
（双方の接触を点接触から面接触に代え）、放熱経路の
熱抵抗を低減させることができるので、冷却効率をより
一層向上させることができる。
【００３６】（第４の実施例）第４の実施例に係る半導
体装置は、基本的な構造が第２の実施例に係る半導体装
置と同様に、第１放熱板２と、第１放熱板２上に配設さ
れた第１高熱伝導性絶縁基板４１と、第１高熱伝導性絶
縁基板４１上に実装された複数個の半導体素子５１〜５
４と、半導体素子５１〜５４上に圧接された第２高熱伝
導性絶縁基板７１と、第２高熱伝導性絶縁基板７１上に
実装されかつ圧接された複数個の半導体素子５５〜５８
と、半導体素子５５〜５８上に配設された第３高熱伝導
性絶縁基板４２と、第３高熱伝導性絶縁基板４２上に配
設された第２放熱板８とを備えて構築される（図２参
照）。
【００３７】但し、第３の実施例に係る半導体装置と同
様に、第４の実施例に係る半導体装置全体には製作段階
において厚さ方向に圧力が加えられており、少なくとも
半導体素子５１〜５４と第２高熱伝導性絶縁基板７１と
の間、第２高熱伝導性絶縁基板７１と半導体素子５５〜
５８との間が圧接されている（図６参照）。すなわち、
図４に示すように、第４の実施例に係る半導体装置の構
成はＤ＋Ｃ／Ｂ／Ａ＋Ｂ＋Ａ／Ｂ／Ｃで表記することが
できる。
【００３８】図４に示すように、比較例に係る半導体装
置の温度上昇の値を基準値１として、同様に第４の実施
例に係る半導体装置の温度上昇を測定すると、相対値と
して0.95という結果が得られた。第４の実施例に係る半
導体装置は第２の実施例に係る半導体装置と同等の冷却
効率を得ることができる。
【００３９】このように構成される第４の実施例に係る
半導体装置においては、第３の実施例に係る半導体装置
で得られる効果と同様の効果を得ることができる。
【００４０】（第５の実施例）図７は本発明の実施の形
態の第５の実施例に係る半導体装置の断面構造図であ
る。第５の実施例に係る半導体装置は、基本的な構造が
第４の実施例に係る半導体装置と同様に、第１放熱板２
と、第１放熱板２上に配設された第１高熱伝導性絶縁基
板４１と、第１高熱伝導性絶縁基板４１上に実装された
複数個の半導体素子５１〜５４と、半導体素子５１〜５
４上に圧接された第２高熱伝導性絶縁基板７１と、第２
高熱伝導性絶縁基板７１上に実装されかつ圧接された複
数個の半導体素子５５〜５８と、半導体素子５５〜５８
上に配設された第３高熱伝導性絶縁基板４２と、第３高
熱伝導性絶縁基板４２上に配設された第２放熱板８とを
備えて構築される。
【００４１】但し、第５の実施例に係る半導体装置は、
第４の実施例に係る半導体装置と同様に厚さ方向に圧力
が加えられているが、図７に示すように圧接力をボルト
締結体１１０により得ている。ボルト締結体１１０は第
１放熱板２と第２放熱板８との間を締め付けるように構
成されている。図４に示すように、第５の実施例に係る
半導体装置の構成はＤ＋Ｃ／Ｂ／Ａ＋Ｂ＋Ａ／Ｂ／Ｃで
表記することができる。
【００４２】図４に示すように、比較例に係る半導体装
置の温度上昇の値を基準値１として、同様に第５の実施
例に係る半導体装置の温度上昇を測定すると、相対値と
して0.94という結果が得られた。第５の実施例に係る半
導体装置は第４の実施例に係る半導体装置と同等の冷却
効率を得ることができる。
【００４３】このように構成される第５の実施例に係る
半導体装置においては、第４の実施例に係る半導体装置
で得られる効果と同様の効果を得ることができる。
【００４４】（第６の実施例）図８は本発明の実施の形
態の第６の実施例に係る半導体装置の断面構造図であ
る。第６の実施例に係る半導体装置は、基本的な構造が
第１の実施例又は第３の実施例に係る半導体装置と同様
に、第１放熱板２と、第１放熱板２上に配設された第１
高熱伝導性絶縁基板４１と、第１高熱伝導性絶縁基板４
１上に実装された複数個の半導体素子５１〜５４と、半
導体素子５１〜５４上に固着された第２高熱伝導性絶縁
基板７１と、第２高熱伝導性絶縁基板７１上に配設され
た第２放熱板８とを備えて構築される。さらに、ヒート
シンク１は第１放熱板２の下側だけに片側配置である
が、第６の実施例に係る半導体装置においては、第１放
熱板２の周囲と第２放熱板８の周囲との間が熱的良導体
である高放熱伝導体１１１により少なくとも熱的に結合
されている。すなわち、第６の実施例に係る半導体装置
においては、半導体素子５１〜５４から第２放熱板８、
高放熱伝導体１１１のそれぞれを通過しヒートシンク１
に至る新たなる放熱経路（バイパス放熱経路）を構築す
ることができる。高放熱伝導体１１１は例えばCuやAlN
からなる枠体で形成される。図４に示すように、第６の
実施例に係る半導体装置の構成はＤ＋Ｃ／Ｂ／Ａ／Ｂ／
Ｃで表記することができる。
【００４５】図４に示すように、比較例に係る半導体装
置の温度上昇の値を基準値１として、同様に第６の実施
例に係る半導体装置の温度上昇を測定すると、相対値と
して0.70という結果が得られた。第６の実施例に係る半
導体装置は第１の実施例、第３の実施例に係る半導体装
置を上回る冷却効率を得ることができる。
【００４６】このように構成される第６の実施例に係る
半導体装置においては、第１の実施例、第３の実施例に
係るそれぞれの半導体装置で得られる効果と同様の効果
を得ることができる。さらに、第６の実施例に係る半導
体装置においては、第２放熱板８からヒートシンク１に
至る放熱経路を高放熱伝導体１１１で構築することがで
きるので、放熱経路全体の熱抵抗をさらに削減すること
ができ、冷却効率をより一層向上させることができる。
【００４７】（第７の実施例）図９は本発明の実施の形
態の第７の実施例に係る半導体装置の断面構造図であ
る。第７の実施例に係る半導体装置は、基本的な構造が
第６の実施例に係る半導体装置と同様に、第１放熱板２
と、第１放熱板２上に配設された第１高熱伝導性絶縁基
板４１と、第１高熱伝導性絶縁基板４１上に実装された
複数個の半導体素子５１〜５４と、半導体素子５１〜５
４上に固着された第２高熱伝導性絶縁基板７１と、第２
高熱伝導性絶縁基板７１上に配設された第２放熱板８
と、第１放熱板２と第２放熱板８（又はヒートシンク
１）との間を熱的に接続する高放熱伝導体１１１とを備
えて構築される。さらに、第７の実施例に係る半導体装
置においては、第１放熱板２の下側に配設されたヒート
シンク１に加えて、第２放熱板８の上側にもヒートシン
ク１１が配設される。図４に示すように、第７の実施例
に係る半導体装置の構成はＤ＋Ｃ／Ｂ／Ａ／Ｂ／Ｃ＋Ｄ
で表記することができる。
【００４８】図４に示すように、比較例に係る半導体装
置の温度上昇の値を基準値１として、同様に第７の実施
例に係る半導体装置の温度上昇を測定すると、相対値と
して0.61という結果が得られた。第７の実施例に係る半
導体装置はすべての実施例中で最も高い冷却効率を得る
ことができる。
【００４９】このように構成される第７の実施例に係る
半導体装置においては、第６の実施例に係る半導体装置
で得られる効果と同様の効果を得ることができる。さら
に、第７の実施例に係る半導体装置においては、上下そ
れぞれにヒートシンク１及び１１を配設したので、冷却
効率をより一層向上させることができる。
【００５０】（第８の実施例）図１０は本発明の実施の
形態の第８の実施例に係る半導体装置の断面構造図であ
る。第８の実施例に係る半導体装置は、基本的な構造が
第１の実施例に係る半導体装置と類似するように、第１
放熱板２と、第１放熱板２上に配設された第１高熱伝導
性絶縁基板４１と、第１高熱伝導性絶縁基板４１上に実
装された複数個の半導体素子５１〜５４と、半導体素子
５１〜５４上に固着された第２高熱伝導性絶縁基板７１
とを備えて構築される。すなわち、第８の実施例に係る
半導体装置は、第２高熱伝導性絶縁基板７１上に第２放
熱板８が配設されておらず、第２高熱伝導性絶縁基板７
１の上面が絶縁充填材１０で覆われていない剥き出しの
状態で形成される。この第２高熱伝導性絶縁基板７１の
剥き出しの状態にある表面は直接冷風が吹き付けられ空
冷される。図４に示すように、第８の実施例に係る半導
体装置の構成はＤ＋Ｃ／Ｂ／Ａ／Ｂで表記することがで
きる。
【００５１】図４に示すように、比較例に係る半導体装
置の温度上昇の値を基準値１として、同様に第８の実施
例に係る半導体装置の温度上昇を測定すると、相対値と
して0.83という結果が得られた。第８の実施例に係る半
導体装置は、各実施例に係る半導体装置に比べて温度上
昇は若干高くなっているが、第２高熱伝導性絶縁基板７
１の剥き出しの状態にある表面を直接冷風により空冷し
ているので、比較例に比べて充分に高い冷却効率を得る
ことができる。
【００５２】このように構成される第８の実施例に係る
半導体装置においては、第１の実施例に係る半導体装置
で得られる効果と同様の効果を得ることができる。さら
に、第２放熱板８を配設しないので、半導体装置の冷却
構造をシンプルにすることができる。
【００５３】（第９の実施例）図１１は本発明の実施の
形態の第９の実施例に係る半導体装置の断面構造図であ
る。第９の実施例に係る半導体装置は、基本的な構造が
第１の実施例に係る半導体装置と同様に、第１放熱板２
と、第１放熱板２上に配設された第１高熱伝導性絶縁基
板４１と、第１高熱伝導性絶縁基板４１上に実装された
複数個の半導体素子５１〜５４と、半導体素子５１〜５
４上に固着された第２高熱伝導性絶縁基板７１と、第２
高熱伝導性絶縁基板７１上に配設された第２放熱板８と
を備えて構築される。
【００５４】さらに、第９の実施例に係る半導体装置
は、第１高熱伝導性絶縁基板４１、第２高熱伝導性絶縁
基板７１のそれぞれの側面周囲に放熱フィン４０１が装
着される。放熱フィン４０１は機械的な切削加工やエッ
チング加工により簡易に製作することができる。放熱フ
ィン４０１により第１高熱伝導性絶縁基板４１、第２高
熱伝導性絶縁基板７１のそれぞれの側面の表面積は1.1
〜1.5倍程度増加させることができる。さらに、第９の
実施例に係る半導体装置においては、第１放熱板２、第
２放熱板８のそれぞれの側面周囲に放熱フィンを装着さ
せることができる。図４に示すように、第９の実施例に
係る半導体装置の構成はＤ＋Ｃ／Ｂ／Ａ／Ｂ／Ｃで表記
することができる。
【００５５】図４に示すように、比較例に係る半導体装
置の温度上昇の値を基準値１として、同様に第３の実施
例に係る半導体装置の温度上昇を測定すると、相対値と
して0.72という結果が得られた。第９の実施例に係る半
導体装置は第１の実施例に係る半導体装置を上回る冷却
効率を得ることができる。
【００５６】このように構成される第９の実施例に係る
半導体装置においては、第１の実施例に係る半導体装置
で得られる効果と同様の効果を得ることができる。さら
に、第９の実施例に係る半導体装置においては、第１放
熱板２、第２放熱板８、第１高熱伝導性絶縁基板４１、
第２高熱伝導性絶縁基板７１のいずれかの放熱面積を増
加させることができるので、放熱効率をより一層向上さ
せることができる。
【００５７】（第１０の実施例）第１０の実施例に係る
半導体装置は、基本的な構造が第１の実施例に係る半導
体装置と同様に、第１放熱板２と、第１放熱板２上に配
設された第１高熱伝導性絶縁基板４１と、第１高熱伝導
性絶縁基板４１上に実装された複数個の半導体素子５１
〜５４と、半導体素子５１〜５４上に固着された第２高
熱伝導性絶縁基板７１と、第２高熱伝導性絶縁基板７１
上に配設された第２放熱板８とを備えて構築される（図
１参照）。そして、第１０の実施例に係る半導体装置に
おいては、第１高熱伝導性絶縁基板４１、第２高熱伝導
性絶縁基板７１のそれぞれがDBC（Cu/AlN/Cu）基板で形
成される。図４に示すように、第１０の実施例に係る半
導体装置の構成はＤ＋Ｃ／Ｂ／Ａ／Ｂ／Ｃで表記するこ
とができる。
【００５８】図４に示すように、比較例に係る半導体装
置の温度上昇の値を基準値１として、同様に第１０の実
施例に係る半導体装置の温度上昇を測定すると、相対値
として0.71という結果が得られた。第１０の実施例に係
る半導体装置は第１の実施例に係る半導体装置を上回る
冷却効率を得ることができる。
【００５９】このように構成される第１０の実施例に係
る半導体装置においては、第１の実施例に係る半導体装
置で得られる効果と同様の効果を得ることができる。
【００６０】（第１１の実施例）第１１の実施例に係る
半導体装置は、基本的な構造が第１の実施例に係る半導
体装置と同様に、第１放熱板２と、第１放熱板２上に配
設された第１高熱伝導性絶縁基板４１と、第１高熱伝導
性絶縁基板４１上に実装された複数個の半導体素子５１
〜５４と、半導体素子５１〜５４上に固着された第２高
熱伝導性絶縁基板７１と、第２高熱伝導性絶縁基板７１
上に配設された第２放熱板８とを備えて構築される（図
１参照）。そして、第１１の実施例に係る半導体装置に
おいては、絶縁充填材１０にフロリナートが使用され
る。図４に示すように、第１１の実施例に係る半導体装
置の構成はＤ＋Ｃ／Ｂ／Ａ／Ｂ／Ｃで表記することがで
きる。
【００６１】図４に示すように、比較例に係る半導体装
置の温度上昇の値を基準値１として、同様に第１１の実
施例に係る半導体装置の温度上昇を測定すると、相対値
として0.74という結果が得られた。第１１の実施例に係
る半導体装置は第１の実施例に係る半導体装置と同等の
冷却効率を得ることができる。
【００６２】このように構成される第１１の実施例に係
る半導体装置においては、第１の実施例に係る半導体装
置で得られる効果と同様の効果を得ることができる。
【００６３】（第１２の実施例）第１２の実施例に係る
半導体装置は、基本的な構造が第１の実施例に係る半導
体装置と同様に、第１放熱板２と、第１放熱板２上に配
設された第１高熱伝導性絶縁基板４１と、第１高熱伝導
性絶縁基板４１上に実装された複数個の半導体素子５１
〜５４と、半導体素子５１〜５４上に固着された第２高
熱伝導性絶縁基板７１と、第２高熱伝導性絶縁基板７１
上に配設された第２放熱板８とを備えて構築される（図
１参照）。そして、図示しないが、第１２の実施例に係
る半導体装置においては、半導体素子５１〜５４のそれ
ぞれの電極５０１間の接続がビームリードで行われる。
ビームリードは、例えばCu板、Fe-Ni板等の電気的かつ
熱的良導体を打ち抜き加工やエッチング加工でパターン
ニングしたものであり、第１の実施例に係る半導体装置
のワイヤ配線６１に比べて断面積が大きく、電流量が増
加できるとともに熱抵抗を減少させることができる。図
４に示すように、第１１の実施例に係る半導体装置の構
成はＤ＋Ｃ／Ｂ／Ａ／Ｂ／Ｃで表記することができる。
【００６４】図４に示すように、比較例に係る半導体装
置の温度上昇の値を基準値１として、同様に第１２の実
施例に係る半導体装置の温度上昇を測定すると、相対値
として0.75という結果が得られた。第１２の実施例に係
る半導体装置は第１の実施例に係る半導体装置と同等の
冷却効率を得ることができる。
【００６５】このように構成される第１２の実施例に係
る半導体装置においては、第１の実施例に係る半導体装
置で得られる効果と同様の効果を得ることができる。
【００６６】（第１３の実施例）第１３の実施例に係る
半導体装置は、基本的な構造が第１の実施例に係る半導
体装置と同様に、第１放熱板２と、第１放熱板２上に配
設された第１高熱伝導性絶縁基板４１と、第１高熱伝導
性絶縁基板４１上に実装された複数個の半導体素子５１
〜５４と、半導体素子５１〜５４上に固着された第２高
熱伝導性絶縁基板７１と、第２高熱伝導性絶縁基板７１
上に配設された第２放熱板８とを備えて構築される（図
１参照）。そして、図示しないが、第１３の実施例に係
る半導体装置においては、半導体素子５１〜５４のそれ
ぞれの電極５０１間の接続が熱的良導体であるDBC基板
をベースとした配線基板で行われる。図４に示すよう
に、第１３の実施例に係る半導体装置の構成はＤ＋Ｃ／
Ｂ／Ａ／Ｂ／Ｃで表記することができる。
【００６７】図４に示すように、比較例に係る半導体装
置の温度上昇の値を基準値１として、同様に第１３の実
施例に係る半導体装置の温度上昇を測定すると、相対値
として0.79という結果が得られた。第１３の実施例に係
る半導体装置は第１の実施例に係る半導体装置と同等の
冷却効率を得ることができる。
【００６８】このように構成される第１３の実施例に係
る半導体装置においては、第１の実施例に係る半導体装
置で得られる効果と同様の効果を得ることができる。
【００６９】
【発明の効果】本発明は、半導体素子の回路動作で発生
する熱の放熱効率を向上させ、冷却効率を向上させるこ
とにより大容量化を実現することができる半導体装置を
提供することができる。
【００７０】さらに、本発明は、放熱経路の熱抵抗を減
少させることにより放熱効率を向上させ、冷却効率を向
上させることにより大容量化を実現することができる半
導体装置を提供することができる。
【００７１】さらに、本発明は、放熱面積を増加させる
ことにより放熱効率を向上させ、冷却効率を向上させる
ことにより大容量化を実現することができる半導体装置
を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の第１の実施例に係る半導
体装置の断面構造図である。
【図２】本発明の実施の形態の第１の実施例に係る半導
体素子の表面部分の拡大断面図である。
【図３】本発明の実施の形態の各実施例と比較するため
の比較例に係る半導体装置の断面構造図である。
【図４】本発明の実施の形態の各実施例に係る構成、接
続形式、通電による半導体素子の温度上昇値のそれぞれ
の関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態の第２の実施例に係る半導
体装置の断面構造図である。
【図６】本発明の実施の形態の第３の実施例に係る半導
体装置の半導体素子の表面部分の拡大断面図である。
【図７】本発明の実施の形態の第５の実施例に係る半導
体装置の断面構造図である。
【図８】本発明の実施の形態の第６の実施例に係る半導
体装置の断面構造図である。
【図９】本発明の実施の形態の第７の実施例に係る半導
体装置の断面構造図である。
【図１０】本発明の実施の形態の第８の実施例に係る半
導体装置の断面構造図である。
【図１１】本発明の実施の形態の第９の実施例に係る半
導体装置の断面構造図である。
【符号の説明】
１，１１ ヒートシンク ２ 第１放熱板 ３ 外部リード配線 ４１ 第１高熱伝導性絶縁基板 ４２ 第３高熱伝導性絶縁基板 ５１〜５８ 半導体素子 ５０１ 電極 ５０２ パッシベーション膜 ６１〜６４ リード配線 ７１ 第２高熱伝導性絶縁基板 ８ 第２放熱板 ９ 外囲体 １０ 絶縁充填材 １０１ 高熱伝導性接着材 １１０ ボルト締結 １１１ 高放熱伝導体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 草野 貴史 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 山本 敦史 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 西村 隆宣 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 石渡 裕 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 田中 明 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 福吉 寛 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝多摩川工場内 (72)発明者 荒木 浩二 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝多摩川工場内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BB01 BB05 BB08 BB21 BC05

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１放熱板と、 前記第１放熱板上の第１高熱伝導性絶縁基板と、 前記第１高熱伝導性絶縁基板上の半導体素子と、 前記半導体素子上の第２高熱伝導性絶縁基板と、 を備えたことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】 前記第２高熱伝導性絶縁基板上にさらに
    第２放熱板を備えたことを特徴とする請求項１に記載の
    半導体装置。
  3. 【請求項３】 少なくとも前記半導体素子と第１高熱伝
    導性絶縁基板又は第２高熱伝導性絶縁基板との間が高熱
    伝導性接着材により固着されたことを特徴とする請求項
    １又は請求項２に記載の半導体装置。
  4. 【請求項４】 少なくとも前記半導体素子と第１高熱伝
    導性絶縁基板又は第２高熱伝導性絶縁基板との間が圧接
    されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の
    半導体装置。
  5. 【請求項５】 少なくとも前記第１放熱板、第２放熱
    板、第１高熱伝導性絶縁基板、第２高熱伝導性絶縁基板
    のいずれか１つの側面にさらに放熱フィンを備えたこと
    を特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の
    半導体装置。
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