JP2001168256A - 半導体素子用放熱構造体とそれを備えた半導体装置 - Google Patents

半導体素子用放熱構造体とそれを備えた半導体装置

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heat dissipation
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semiconductor
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Kenjiro Higaki
賢次郎 桧垣
Takashi Ishii
隆 石井
Hirohiko Nakada
博彦 仲田
Tadashi Tomikawa
唯司 富川
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    • H01L2924/19107—Disposition of discrete passive components off-chip wires

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体デバイスチップの発熱密度の増大に対
応して効果的に発熱を放散することができ、かつ高温と
低温との間でヒートサイクルが加えられても絶縁基板が
破壊することのない、信頼性の高い半導体素子用放熱構
造体とそれを備えた半導体装置を提供する。 【解決手段】 半導体素子用放熱構造体は、半導体デバ
イスチップ１０１が載せられるべき一方の表面と、冷媒
１０に直接接触する他方の表面とを有する絶縁基板１０
３と、その絶縁基板１０３の側壁に接合された表面を有
する放熱器の天板１０４ａとを備える。半導体パワーモ
ジュール１は上記の放熱構造体を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、一般的には半導
体素子用放熱構造体とそれを備えた半導体装置に関し、
特定的には電気自動車やハイブリッドカー等の産業機器
に用いられる高集積化されたＩＧＢＴ（Insulated Gate
Bi-polar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトラン
ジスタ）等の半導体素子から構成される半導体パワーモ
ジュールまたはその放熱構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、産業機器の小型化、高効率化、高
速化の要求に伴って、所定の機能を実現するための半導
体装置として半導体パワーモジュールが用いられるよう
になってきている。特に、電力、産業機器、電鉄、電気
自動車やハイブリッドカーの分野において高電圧、大電
流で動作が可能なＩＧＢＴの半導体パワーモジュールが
大きな電力を制御するために用いられてきている。
【０００３】このような半導体パワーモジュールの動作
時の発熱量は大きく、その発熱を効果的に放散するため
の放熱構造体が種々提案されている。
【０００４】図１０は、従来の放熱構造体を概念的に示
す断面図である。図１０の（Ａ）に示すように、半導体
パワーモジュールを構成する１つの半導体素子として半
導体デバイスチップ１０１は、アルミニウムまたは銅か
らなる電極部材１０２の上にはんだを介在して接合され
る。電極部材１０２は、窒化アルミニウム、窒化ケイ素
またはアルミナからなる絶縁基板１０３の上に接合され
る。また、絶縁基板１０３は、アルミニウムまたは銅か
らなる介在部材１２０に接合されている。この介在部材
１２０を介して絶縁基板１０３は、銅、モリブデン、銅
−タングステン、銅−モリブデンまたはアルミニウム−
炭化ケイ素系等の材料からなる伝熱部材１２３に鉛−錫
系のはんだによって接合されている。さらに、伝熱部材
１２３は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からな
る放熱器（ラジエータ）１０４に接合されている。放熱
器１０４は蓋部材として天板１０４ａと、この天板１０
４ａに接合された容器１０４ｂとから構成される。放熱
器１０４の天板１０４ａの下方端部はフィン形状に形成
されており、容器１０４ｂに入れられた冷媒によって半
導体デバイスチップ１０１の発熱が吸収される。
【０００５】また、図１０（Ｂ）に示すように、図１０
の（Ａ）と同様に構成された放熱構造体がアルミニウム
合金からなるヒートシンク１２６に接合されてもよい。
この場合、ヒートシンク１２６の下方端部に形成された
フィン形状の部分が空気中に曝されることによって、半
導体デバイスチップ１０１の発熱は空気によって吸収さ
れる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１０
で示される従来の放熱構造体においては、熱抵抗が大き
く、半導体デバイスチップ１０１の発熱を十分に吸収す
ることが困難であり、半導体デバイスチップ１０１の温
度を効果的に下げることは困難であった。その結果、最
終的には半導体デバイスチップ１０１が破壊するという
おそれがあった。
【０００７】一方、半導体デバイスチップ１０１の高集
積化を図ることによってチップのパワー密度を高めると
いう開発がなされてきている。これにより、半導体デバ
イスチップ１０１の大きさが小さくなり、それに伴って
チップ当りの発熱密度が高くなるという傾向がある。従
来の放熱構造体は、上記のような傾向に対応することが
できなかった。すなわち、従来の放熱構造体を採用する
限り、半導体デバイスチップの集積度を向上させるのに
限界があった。
【０００８】また、従来の放熱構造体においては、絶縁
基板と銅またはアルミニウムからなる電極部材または介
在部材との間の熱膨脹係数の差が大きく、高温と低温と
の間で繰返されるヒートサイクルが絶縁基板に与えられ
ることによって絶縁基板に残留する引張り応力が大きく
なるという問題があった。その結果、絶縁基板が破壊す
るという可能性があった。
【０００９】さらに、従来の放熱構造体では、絶縁基板
を構成する材料と電極部材、介在部材または放熱器部材
を構成するアルミニウムとの間の熱膨脹係数の差を緩和
するために、銅、モリブデン、銅−タングステン、銅−
モリブデンまたはアルミニウム−炭化ケイ素系等の材料
からなる伝熱部材１２３が用いられている。この伝熱部
材１２３によって放熱構造体の製造コストが高くなると
いう問題もあった。
【００１０】そこで、この発明の目的は、半導体デバイ
スチップの高集積化に伴う発熱密度の増大に対しても効
果的に発熱を放散することができ、かつ高温と低温との
間で繰返されるヒートサイクルにおいて絶縁基板が破壊
することのない、高い信頼性を有する半導体素子用放熱
構造体と、それを備えた半導体装置を提供することであ
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この発明の１つの局面に
従った半導体素子用放熱構造体は、絶縁基板と、放熱器
部材とを備える。絶縁基板は、半導体素子が載せられる
べき一方の表面と、冷却用媒体に直接接触する他方の表
面とを有する。放熱器部材は、絶縁基板の側壁に接合さ
れている。
【００１２】上記のように構成される半導体素子用放熱
構造体においては、絶縁基板の他方の表面に冷却用媒体
が直接接触するように構成されている。このため、半導
体素子の高集積化に伴って発熱密度が増大しても、その
発熱を効果的に冷却用媒体によって吸収することが可能
となる。したがって、半導体パワーモジュール等の発熱
量の増大に対応可能な放熱構造体を提供することができ
る。
【００１３】また、この発明の１つの局面に従った半導
体素子用放熱構造体においては、絶縁基板の側壁に放熱
器部材が接合されているので、放熱器部材と絶縁基板と
の間の熱膨脹係数の差に起因する応力として圧縮応力が
絶縁基板に残留することになる。このため、残留応力に
よって絶縁基板が割れるのを防止することができる。
【００１４】さらに、この発明の１つの局面に従った半
導体素子用放熱構造体においては、付加的な銅やモリブ
デン、銅−タングステン、銅−モリブデン、アルミニウ
ム−炭化ケイ素系の材料等からなる伝熱板を用いないで
放熱構造体を構成することができるので、製造コストの
削減を図ることができる。
【００１５】好ましくは、この発明の１つの局面に従っ
た半導体素子用放熱構造体において、絶縁基板は、熱伝
導率が１００Ｗ／ｍＫ以上である窒化アルミニウムまた
は窒化ケイ素を含む材料からなる。また、放熱器部材
は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが
好ましい。このように絶縁基板と放熱器部材の材料を選
定することにより、本発明の放熱構造体の放熱特性を高
めることができる。
【００１６】この発明の１つの局面に従った半導体素子
用放熱構造体において、放熱器部材は、放熱器の蓋部材
であるのが好ましい。本発明の半導体素子用放熱構造体
は、蓋部材に接合され、冷却用媒体が入れられる放熱器
の容器部材をさらに備えるのが好ましい。
【００１７】この発明の１つの局面に従った半導体素子
用放熱構造体において、放熱器は、冷却用媒体の気化熱
を利用して半導体素子の発熱を吸収するタイプを用いる
のが好ましい。
【００１８】また、この発明の１つの局面に従った半導
体素子用放熱構造体は、絶縁基板の側壁に形成された金
属化層と、その金属化層と放熱器部材の表面との間に介
在するように形成されたろう材層とをさらに備えるのが
好ましい。この場合、金属化層は、アルミニウムまたは
タングステンを含むのが好ましい。ろう材層はアルミニ
ウム−シリコン系ろう材からなるのが好ましい。
【００１９】この発明の１つの局面に従った半導体素子
用放熱構造体において、絶縁基板の他方の表面はフィン
形状に形成されているのが好ましい。また、この発明の
１つの局面に従った半導体素子用放熱構造体は、絶縁基
板の他方の表面に接合されたフィン形状の金属部材をさ
らに備えるのが好ましい。このようにすることにより、
フィン形状に形成された部分によって放熱効果を高める
ことができる。
【００２０】この発明の１つの局面に従った半導体素子
用放熱構造体において、絶縁基板の側壁角部は曲面状に
形成されているのが好ましい。
【００２１】また、この発明の１つの局面に従った半導
体素子用放熱構造体において、絶縁基板の一方の表面の
上に配置された電極部材をさらに備えるのが好ましい。
この場合、半導体素子用放熱構造体は、絶縁基板の一方
の表面に形成された金属化層と、この金属化層と電極部
材の表面との間に介在するように形成されたろう材層と
をさらに備えるのが好ましい。
【００２２】この発明の別の局面に従った半導体装置
は、上述のように構成された半導体素子用放熱構造体
と、絶縁基板の一方の表面上に載せられた半導体素子と
を備える。
【００２３】この発明の別の局面に従った半導体装置
は、絶縁基板の一方の表面と半導体素子との間に介在す
るように配置された電極部材をさらに備えるのが好まし
い。この場合、絶縁基板の一方の表面と電極部材の一方
の表面との間にグリース層を配置してもよい。また、こ
の発明の別の局面に従った半導体装置は、絶縁基板の一
方の表面に形成された金属化層と、この金属化層と電極
部材の一方の表面との間に介在するように形成されたろ
う材層とをさらに備えるように構成されてもよい。
【００２４】この発明の別の局面に従った半導体装置に
おいて、電極部材をさらに備える場合に、電極部材の他
方の表面の上に形成されたメッキ層と、このメッキ層と
半導体素子との間に介在するように形成されたはんだ層
とをさらに備えるのが好ましい。
【００２５】また、この発明の別の局面に従った半導体
装置は、複数の絶縁基板と、複数の半導体素子とを備
え、半導体素子の各々が絶縁基板の各々の一方の表面上
に載せられ、放熱器部材は複数の絶縁基板の側壁が接合
された表面を有しているのが好ましい。このように構成
することにより、複数個の半導体素子が搭載された半導
体パワーモジュールとして本発明の半導体装置を構成す
ることができる。
【００２６】また、この発明の別の局面に従った半導体
装置は、放熱器部材にねじで固着された樹脂ケース部材
をさらに備えているのが好ましい。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施の
形態について図面を参照して説明する。
【００２８】図１に示すように半導体パワーモジュール
１は放熱器１０４の上に接合されている。半導体パワー
モジュール１は、複数個のＩＧＢＴ等の高集積化された
回路を有する、複数個の半導体デバイスチップ１０１か
らなる。図１に示す実施の形態では、２４個の半導体デ
バイスチップ１０１によって半導体パワーモジュール１
が構成されている。半導体デバイスチップ１０１の各々
は１枚の窒化アルミニウムまたは窒化ケイ素の焼結体か
らなる絶縁基板１０３に１個または複数個接合されてい
る。放熱器１０４は天板１０４ａと、この天板１０４ａ
に接合された容器１０４ｂからなる。天板１０４ａは半
導体パワーモジュール１を実装した後、容器１０４ｂに
接合される。この接合は、機械的かしめ等によって行な
われてもよい。また、図１に示す実施の形態では、放熱
器１０４は天板１０４ａと容器１０４ｂとから構成され
るが、天板と容器とが一体型に形成されていてもよい。
この場合、一体型の放熱器はダイキャスト等によって製
造することができる。放熱器１０４を構成する天板１０
４ａと容器１０４ｂはアルミニウムまたはアルミニウム
合金から形成され、ダイキャスト、押出、鍛造、鋳造、
機械加工等によって製造することができる。
【００２９】図２に示すように、半導体デバイスチップ
１０１はアルミニウムまたは銅から形成される電極部材
１０２の上に、たとえば鉛−錫系はんだ材料によって接
合されている。電極部材１０２は窒化アルミニウムまた
は窒化ケイ素の焼結体からなる絶縁基板１０３の上に接
合されている。この接合は、絶縁基板１０３の表面上に
金属化層（メタライズ層）を形成した後、ろう材を用い
た接合、活性金属を含むろう材を用いた接合、または電
極部材１０２を構成するアルミニウムまたは銅を溶融さ
せることによる接合等によって行なわれてもよい。ある
いは、電極部材１０２が絶縁基板１０３の上に機械的に
保持され、それらの間にサーマルグリース等が配置され
てもよい。絶縁基板１０３の側壁面は、金属化層が形成
された後、アルミニウム−シリコン系ろう材からなるろ
う材層１０９を介在させることによって天板１０４ａに
接合されている。放熱器の容器１０４ｂの中に流れる水
やフロリナート（商品名）等の冷媒１０に直接接触する
絶縁基板１０３の表面はサンドブラスト処理等によって
粗面化されてもよく、またフィン形状が形成されてもよ
い。このようにすることにより、絶縁基板１０３の放熱
効果を高めることができる。
【００３０】なお、冷媒１０として用いられるフロリナ
ートは種々の特性のものがあるが、５０〜８０℃の沸点
を有するものを使用した場合、半導体デバイスチップ１
０１の発熱によって与えられる熱量によって沸騰し、容
易に吸熱することができる。したがって、冷媒１０とし
て沸点が５０〜８０℃のフロリナート等の低い沸点の液
体を用いることにより、気化熱を利用して半導体デバイ
スチップ１０１の発熱を吸収することが可能となる。
【００３１】次に、図１と図２に示される半導体パワー
モジュール用放熱構造体の具体的な構造の実施の形態に
ついて図３〜図６を用いて説明する。
【００３２】まず、図３に示される１つの実施の形態で
は、半導体デバイスチップ１０１は、電極部材１０２の
表面上に形成されたニッケル−ボロン、ニッケル、また
はニッケル−リン系合金からなるメッキ層１１１の上に
鉛−錫系合金等のはんだ層１１２によって接合されてい
る。半導体デバイスチップ１０１が接合されない電極部
材１０２の反対側の表面上にはアルミニウム−シリコン
系ろう材層１１０が形成され、このろう材層１１０によ
って電極部材１０２と、表面にアルミニウム蒸着層等の
メタライズ層１０８が形成された絶縁基板１０３とが接
合されている。絶縁基板１０３の外周側壁面にはアルミ
ニウム蒸着層等のメタライズ層１０７が形成され、アル
ミニウム−シリコン系ろう材層１０９を介在させること
によって絶縁基板１０３の側壁と放熱器の天板１０４ａ
の側壁とが接合されている。アルミニウム合金等からな
る放熱器の天板１０４ａには樹脂ケース１０５がねじ部
材１０６によって固着されている。樹脂ケース１０５の
内部と外側の表面には電極端子層１１３が形成されてい
る。この電極端子層１１３の表面上にボンディングワイ
ヤ１１４が接合されて半導体デバイスチップ１０１の電
極に接続される。また、電極部材１０２の表面上に形成
されたメッキ層１１１の上にもボンディングワイヤ１１
５の一方端部が接続され、他方端部が電極端子層１１３
の表面に接続される。このようにして本発明の半導体素
子用放熱構造体の１つの実施の形態が構成されている。
【００３３】図３に示す実施の形態では、電極部材１０
２はろう材層１１０によって絶縁基板１０３に接合され
ているが、図４に示すように電極部材１０２が絶縁基板
１０３の上で機械的に保持され、それらの間にサーマル
グリース層１１６が配設されてもよい。この場合、図４
に示すように、樹脂ケース１０５には突出部１０５ａが
形成され、この突出部１０５の端部が電極部材１０２の
表面上をねじ部材１０６によって押圧することによって
機械的に電極部材１０２が絶縁基板１０３に固着されて
いる。
【００３４】また、この発明の半導体素子用放熱構造体
の別の実施の形態として、図５に示すように冷媒に直接
接触する絶縁基板１０３の表面にフィン１０３ａが形成
されてもよい。このようにすることにより、絶縁基板１
０３による放熱効果を高めることができる。
【００３５】さらに、図６に示すように、冷媒が直接接
触する絶縁基板１０３の表面上にアルミニウム合金等か
らなる放熱フィン１１７が形成されてもよい。この場
合、放熱フィン１１７は、絶縁基板１０３の表面上に形
成されたアルミニウム蒸着層等からなるメタライズ層１
１９の上にアルミニウム−シリコン系ろう材層１１８に
よって接合されている。
【００３６】上述のように構成される本発明の放熱構造
体において、絶縁基板１０３は、窒化アルミニウムまた
は窒化ケイ素を主成分とする焼結体から構成されるのが
好ましい。この場合、焼結体は助剤として周期律表ＩＩ
Ａ族またはＩＩＩＡ族に属する元素の化合物を酸化物換
算で０．１〜１０質量％含んでいるのが好ましい。ま
た、絶縁基板１０３の熱伝導率は１００Ｗ／ｍＫ以上が
好ましく、１５０Ｗ／ｍＫ以上がさらに好ましい。絶縁
基板１０３の外周側壁において４つの角部は半径が０．
１ｍｍ以上の曲面または丸められた形状に加工されてい
るのが好ましい。絶縁基板１０３の厚みは０．１〜１０
ｍｍが好ましく、０．５〜４ｍｍがさらに好ましい。
【００３７】上述の実施の形態においては絶縁基板１０
３の側壁面にはメタライズ層１０７が形成されている。
このメタライズ層は薄膜または厚膜のいずれのメタライ
ズ層であってもよい。薄膜のメタライズ層を形成する場
合には、その形成方法として蒸着法、スパッタリング
法、ＣＶＤ法等が用いられる。また、厚膜のメタライズ
層を形成する場合には、その製造プロセスとしてスクリ
ーン印刷法、ゾルゲル法、メッキ法、溶射法等を用いる
ことができる。メタライズ層１０７は、アルミニウム、
銅、銀、金、ニッケル、タングステン、モリブデン、銀
−パラジウム系合金、またはそれらの合金等によって多
層構造を有してもよい。アルミニウム−シリコン系ろう
材層との間の濡れ性を向上させるためには、メタライズ
層の最表面がアルミニウムまたはアルミニウム合金から
形成されるのが望ましい。また絶縁基板１０３に対する
密着性を向上させるためには、メタライズ層１０７はタ
ングステンからなるメタライズ層を含むのが好ましい。
一例として、ろう材層１０９／メタライズ層１０７／絶
縁基板１０３の構成は、ろう材層／アルミニウムまたは
アルミニウム合金からなる薄膜／絶縁基板、ろう材層／
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる薄膜／タ
ングステンの厚膜／絶縁基板、またはろう材層／アルミ
ニウムまたはアルミニウム合金の薄膜／ニッケルのメッ
キ層／タングステンの厚膜／絶縁基板の組合せが用いら
れる。絶縁基板１０３の素材として柱状の窒化アルミニ
ウムまたは窒化ケイ素の焼結体を製造し、その柱状の焼
結体の外周側壁に予めメタライズ層を形成した後、その
柱状の焼結体をスライスすることによって絶縁基板１０
３を準備してもよい。また、メタライズ層を形成する前
に柱状の焼結体をスライスした後、最終形状の絶縁基板
１０３の外周側壁にメタライズ層を形成してもよい。
【００３８】アルミニウムまたはアルミニウム合金から
なる放熱器の天板１０４ａへの絶縁基板１０３の接合
は、真空中、大気中、非酸化性ガス雰囲気中、フラック
ス（接合表面の酸化物を容易に溶融させるための材料）
を含ませる雰囲気、またはフラックスを含ませない雰囲
気のいずれの雰囲気中においても、ろう接プロセスを行
なうことによって可能である。この場合、ろう接温度
は、絶縁基板１０３が接合される相手側の部材がアルミ
ニウムまたはアルミニウム合金の場合、５００〜６４０
℃が好ましく、５６０〜６２０℃がさらに好ましい。ろ
う材としては、アルミニウム−シリコン系ろう材を用い
ることができ、マグネシウム、銅、亜鉛、マンガン、ク
ロム、鉄を含んでいてもよい。一例としては、アルミニ
ウムに１〜２０質量％のシリコン、０．１〜５質量％の
マグネシウムを含ませたアルミニウム−シリコン系ろう
材が用いられる。絶縁基板１０３の上に接合される電極
部材１０２が銅からなる場合、その接合のためのろう材
として銀ろうが用いられ、ろう接温度は６５０〜８００
℃が好ましく、７００〜７５０℃がさらに好ましい。こ
の場合、絶縁基板１０３の上に銅からなる電極部材１０
２を接合した後、その接合温度よりも低いろう接温度で
アルミニウムまたはアルミニウム合金等からなる放熱器
の天板１０４ａにろう接によって接合される。
【００３９】
【実施例】（実施例１）図３に示される放熱構造体を作
製し、その放熱構造体を図１と図２に示すように構成し
た。
【００４０】具体的には、市販の熱伝導率が１５０Ｗ／
ｍＫの窒化アルミニウム焼結体のバルク材（サイズ：２
０ｍｍ×３０ｍｍ×５０ｍｍ）の外周側壁面の角部、す
なわち５０ｍｍの長さの辺に対応する角部に半径０．２
ｍｍの曲面を有するように加工した。このバルク材の外
周側壁面のみに、すなわち２０ｍｍ×３０ｍｍの長方形
状の面以外の面にアルミニウムを真空蒸着させることに
より、膜厚５μｍのメタライズ層を形成した。
【００４１】アルミニウムを真空蒸着した後、窒化アル
ミニウム焼結体のバルク材を２ｍｍの厚みにスライスす
ることによって、２０ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍの大きさ
の窒化アルミニウム焼結体からなる絶縁基板１０３を作
製した。絶縁基板１０３の外周側壁面にはアルミニウム
のメタライズ層１０７が形成されている。
【００４２】半導体素子が搭載される側の絶縁基板１０
３の表面中央部に１７ｍｍ×２７ｍｍの大きさでアルミ
ニウムを真空蒸着させることにより、膜厚５μｍのメタ
ライズ層１０８を形成した。
【００４３】鍛造で作製したＪＩＳの型番Ａ６０６３の
アルミニウム合金からなる天板１０４ａに、アルミニウ
ム−１１質量％シリコン−２質量％マグネシウム合金か
らなるろう材層１０９とともに絶縁基板１０３をセット
した。同時に、半導体素子が搭載される側の絶縁基板１
０３の表面上のメタライズ層１０８の上にも、そのメタ
ライズ層と同じ大きさで、アルミニウム−１１質量％シ
リコン−２質量％マグネシウム合金からなるろう材層１
１０と、純アルミニウム箔からなる電極部材１０２とか
らなる圧延によって形成された積層体（ろう材の厚み５
０μｍ／純アルミニウムの厚み４００μｍ）をセットし
た。
【００４４】その後、１×１０-2Ｐａ以下の圧力下で温
度６００℃で１５分間保持することによって真空ろう接
を行なった。ろう接が完了した後、ニッケル−ボロン合
金からなる無電解メッキ層１１１を電極部材１０２の表
面上に２μｍの膜厚で形成した。メッキ層１１１の上に
はＩＧＢＴの半導体デバイスチップ１０１（１３ｍｍ×
１３ｍｍの大きさ）を鉛−錫合金のはんだ層１１２によ
って接合した。このようにして２４個の半導体デバイス
チップ１０１を搭載した天板１０４ａを作製した。
【００４５】その後、電極端子層１１３が予め形成され
た樹脂ケース１０５を天板１０４ａの上にねじ部材１０
６を用いて固着した。また、半導体デバイスチップ１０
１と電極部材１０２は、それぞれボンディングワイヤ１
１４と１１５を用いて電極端子層１１３に接合した。こ
のようにして製作されたパワーモジュールに−４０℃〜
１１０℃のヒートサイクルを３０００回加えた。その結
果、絶縁基板１０３には破壊した箇所は見当たらなかっ
た。
【００４６】比較のため、図７に示すように、窒化アル
ミニウム焼結体からなる絶縁基板１０３の側壁面ではな
く、下面に上記と同様のメタライズ層１０７を形成した
後、上記と同様のろう材層１０９によって天板１０４ａ
に接合した。このようにして製作されたパワーモジュー
ルに−４０℃〜１１０℃の間の温度でヒートサイクルを
３０００回加えた。その結果、絶縁基板１０３には破壊
した箇所が観察された。
【００４７】（実施例２）図５に示されるような半導体
素子用放熱構造体を製作した。具体的には、熱伝導率が
１５０Ｗ／ｍＫの窒化アルミニウム焼結体からなるバル
ク材（２０ｍｍ×３０ｍｍ×２２ｍｍ）に２２ｍｍの長
さの辺に相当する側壁の角部に半径０．２ｍｍの曲面の
加工を施した。その後、窒化アルミニウム焼結体のバル
ク材の２０ｍｍ×３０ｍｍの面以外の側壁面にアルミニ
ウムを真空蒸着させることにより、膜厚５μｍのメタラ
イズ層を形成した。
【００４８】アルミニウムを真空蒸着した後、窒化アル
ミニウム焼結体のバルク材において２０ｍｍ×３０ｍｍ
の面が半導体素子の実装面となるように、２２ｍｍの長
さの辺と平行に延びるようにフィン形状を機械加工で形
成した。このようにして、図５に示されるフィン１０３
ａが付いた絶縁基板１０３（２０ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍ
ｍ）を作製した。
【００４９】以下、実施例１と同様にして２個のパワー
モジュールを製作した。１個のパワーモジュールには、
−４０℃〜１１０℃の間の温度でヒートサイクルを３０
００回加え、もう１個のパワーモジュールにはそのまま
の状態にしてヒートサイクルを加えなかった。
【００５０】その後、上記のようにして製作されたパワ
ーモジュール付の天板１０４ａを図１と図２で示すよう
にＪＩＳの型番Ａ６０６３のアルミニウム合金からなる
水冷放熱器の容器１０４ｂに接合することによって半導
体パワーモジュール用放熱器を構成した。
【００５１】パワーモジュールを動作させて半導体デバ
イスチップ１０１の直上の温度を熱電対を用いて接触温
度として測定した。
【００５２】その結果、ヒートサイクルを加えなかった
半導体パワーモジュールでは１１５℃を示したのに対
し、ヒートサイクルを加えた半導体パワーモジュールで
は１１７℃を示した。
【００５３】（実施例３）図６に示すような半導体素子
用放熱構造体を作製した。具体的には、実施例１と同様
の窒化アルミニウム焼結体からなる絶縁基板１０３の冷
媒に直接接触する表面上にアルミニウム蒸着によってメ
タライズ層１１９を形成した。このメタライズ層１１９
の上にアルミニウム−１１質量％シリコン−２質量％マ
グネシウム合金からなるろう材層１１８を介在させるこ
とによって、ＪＩＳの型番Ａ６０６３のアルミニウム合
金からなる放熱フィン１１７を接合した。
【００５４】その後、実施例１と同様にして２個のパワ
ーモジュールを製作した。１個のパワーモジュールに
は、−４０℃〜１１０℃の間の温度でヒートサイクルを
３０００回加え、もう１個のパワーモジュールはそのま
まの状態にしてヒートサイクルを加えなかった。
【００５５】その後、パワーモジュール付の天板１０４
ａを図１と図２に示すようにアルミニウム合金からなる
水冷放熱器の容器１０４ｂに接合した。このようにして
完成したパワーモジュールを動作させることによって半
導体デバイスチップ１０１の直上の温度を熱電対で接触
温度として測定した。
【００５６】その結果、ヒートサイクルを加えなかった
パワーモジュールにおいては１１６℃を示したのに対
し、ヒートサイクルを加えたパワーモジュールでは１１
７℃を示した。
【００５７】（実施例４）実施例２において絶縁基板１
０３の材料を熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫの窒化ケイ素焼
結体から作製した以外は、すべて実施例２と同様にして
パワーモジュールを製作した。パワーモジュールを動作
させて、半導体デバイスチップ１０１の直上の温度を熱
電対で接触温度として測定したところ、ヒートサイクル
を加えなかったパワーモジュールは１２１℃を示し、ヒ
ートサイクルを加えたパワーモジュールでは１２０℃を
示した。
【００５８】（実施例５）実施例１と同様にしてパワー
モジュール付の天板１０４ａを２個作製し、その天板を
それぞれ沸騰型放熱器に設置した。
【００５９】ここで、沸騰型放熱器は図９に示されるよ
うな構成のものを用いた。図９の（Ａ）に示すように、
放熱器の天板１０４ａに絶縁基板１０３が接合され、絶
縁基板１０３の上に電極部材１０２、半導体デバイスチ
ップ１０１が接合されている。このようにして構成され
たパワーモジュール付の天板１０４ａを放熱器の容器１
０４ｂに接合し、このパワーモジュール１を図９の
（Ｂ）で示されるように放熱器１０４に相当する部分に
設置した。フロリナート（商品名）の冷媒１０は放熱器
１０４の中で半導体デバイスチップ１０１の発熱によっ
て沸騰し、気化した蒸気２０は空冷ラジエータ（放熱
器）２を通過することによって液体の冷媒１０に戻る。
【００６０】このような沸騰型ラジエータを用いて実施
例２と同様にしてパワーモジュールを動作させて半導体
デバイスチップ１０１の直上の温度を熱電対で接触温度
として測定した。ヒートサイクルを加えなかったパワー
モジュールは１０３℃を示したのに対し、ヒートサイク
ルを加えたパワーモジュールでは１０４℃という温度を
示した。
【００６１】（従来例１）図８で示されるような半導体
素子用放熱構造体を製作した。具体的には、市販の熱伝
導率が１５０Ｗ／ｍＫの窒化アルミニウム焼結体からな
る絶縁基板１０３（２０ｍｍ×３０ｍｍ×０．６３５ｍ
ｍ）において、２０ｍｍ×３０ｍｍの面の中央部で１７
ｍｍ×２７ｍｍの大きさの領域に両側の面ともにアルミ
ニウム真空蒸着させることにより膜厚５μｍのメタライ
ズ層１０７と１０８を形成した。
【００６２】両面のメタライズ層１０７と１０８の上に
メタライズ層と同じ大きさでアルミニウム−１１質量％
シリコン−２質量％マグネシウム合金からなるろう材層
１１０と、純アルミニウムからなる電極部材１０２との
積層体、上記と同じ材料のろう材層１２１と純アルミニ
ウムからなる介在部材１２０との積層体をそれぞれセッ
トした。ろう材層の厚みは５０μｍであり、純アルミニ
ウムの厚みは４００μｍであった。
【００６３】上記のように各部材を配置した状態で１×
１０-2Ｐａ以下の圧力下で温度６００℃で１５分間保持
することによって真空ろう接を行なった。
【００６４】電極部材１０２の上にニッケル−ボロン合
金からなる無電解メッキ層１１１を２μｍの膜厚で形成
した。その後、そのメッキ層１１１の上に液相点が３０
０℃の鉛−１０質量％錫合金からなる高温はんだ層１２
２を介在させてＩＧＢＴの半導体デバイスチップ（１３
ｍｍ×１３ｍｍの大きさ）を接合した。
【００６５】一方、大きさが２８ｍｍ×３８ｍｍ×２ｍ
ｍのアルミニウム−炭化ケイ素系材料からなる伝熱部材
１２３（熱伝導率：１７０Ｗ／ｍＫ）の上にニッケル−
ボロン合金からなる無電解メッキ層１２４を２μｍの膜
厚で形成した。このメッキ層１２４の上に、上記のろう
接された構造体を液相点が２１６℃の鉛−５０質量％錫
合金からなる低温はんだ層１２５を介在させて接合し
た。このようにして２４個の半導体デバイスチップ１０
１を搭載した放熱構造体を作製した。
【００６６】上記の放熱構造体をＪＩＳの型番Ａ６０６
３のアルミニウム合金からなる放熱器の天板１０４ａの
上にサーマルグリース層１１６を介在させて設置した。
その後、電極端子層１１３が内部と外面に形成された樹
脂ケース１０５を放熱器の天板１０４ａにねじ部材１０
６によって固着した。半導体デバイスチップ１０１と電
極部材１０２のそれぞれをボンディングワイヤ１１４と
１１５を用いて電極端子層１１３に接続した。このよう
にして放熱構造体を備えた半導体パワーモジュールを構
成した。
【００６７】ダイキャストによって作製したアルミニウ
ム合金製の水冷放熱器の容器１０４ｂの所定位置に天板
１０４ａを接合することによって、図１と図２に示され
るようなパワーモジュールを構成した。このパワーモジ
ュールを動作させることによって半導体デバイスチップ
１０１の直上の温度を熱電対で接触温度として測定し
た。その結果、温度は１２８℃であった。
【００６８】（従来例２）従来例１と同様の図８で示す
放熱構造体において、絶縁基板１０３の材料として熱伝
導率が１００Ｗ／ｍＫの窒化ケイ素焼結体からなる基板
を用いた。それ以外の構成はすべて従来例１と同様にし
てパワーモジュールを製作した。
【００６９】従来例１と同様にしてパワーモジュールを
動作させることによって半導体デバイスチップ１０１の
直上の温度を熱電対で接触温度として測定したところ、
その温度は１３５℃であった。
【００７０】（従来例３）従来例１で製作した半導体パ
ワーモジュールを図９で示される沸騰型ラジエータ（放
熱器）に設置した。従来例１と同様にして半導体デバイ
スチップ１０１の直上の温度を熱電対で接触温度として
測定したところ、その温度は１２１℃であった。
【００７１】以上の実施例から明らかなように、本発明
の放熱構造体を採用すると、絶縁基板１０３はヒートサ
イクルが加えられても破壊しないことがわかる。また、
実施例２〜５と従来例１〜３におけるパワーモジュール
を動作させたときの温度の測定結果から明らかなよう
に、本発明の放熱構造体を採用することにより、パワー
モジュールの発熱を抑制することができ、従来の構造に
比べて約１０℃も低下することがわかる。この１０℃の
低下は、ＩＧＢＴ等の半導体デバイスチップの集積密度
をさらに高めることができることを意味している。
【００７２】以上に開示された実施の形態や実施例はす
べての点で例示的に示すものであって制限的なものでは
ないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の
実施の形態や実施例ではなく、特許請求の範囲によって
示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での
すべての修正や変形を含むものと解釈されるべきであ
る。
【００７３】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、搭載
される半導体デバイスチップの高集積化が進んだとして
も、それによる発熱密度の増加に対応することが可能な
放熱構造体を提供することができる。また、本発明の放
熱構造体を採用することにより、高温と低温との間での
ヒートサイクルが加えられたとしても、絶縁基板に残留
する応力によって絶縁基板が破壊するのを効果的に防止
することができる。したがって、大電流かつ高電圧で動
作するパワーデバイス、たとえばＩＧＢＴ等の半導体デ
バイスを複数個備えたパワーモジュールに対して信頼性
のある放熱構造体を与えることができる。また、この発
明によれば、電力、産業機器、電鉄、電気自動車やハイ
ブリッドカー等に用いられる、放熱構造を備えた高い信
頼性の半導体パワーモジュール等の半導体装置を提供す
ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に従った１つの実施の形態として放
熱器を備えた半導体パワーモジュールの外観を示す斜視
図である。
【図２】 図１におけるＩＩ−ＩＩ線の断面を示す部分
断面図である。
【図３】 この発明の１つの実施の形態として半導体素
子用放熱構造体の断面を示す部分断面図である。
【図４】 この発明のもう１つの実施の形態として半導
体素子用放熱構造体の断面を示す部分断面図である。
【図５】 この発明のさらに別の実施の形態として半導
体素子用放熱構造体の断面を示す部分断面図である。
【図６】 この発明のさらに別の局面に従った半導体素
子用放熱構造体の断面を示す部分断面図である。
【図７】 この発明の比較例として示す半導体素子用放
熱構造体の断面を示す部分断面図である。
【図８】 従来例の半導体素子用放熱構造体の断面を示
す部分断面図である。
【図９】 （Ａ）は沸騰型ラジエータ（放熱器）に組込
まれる半導体パワーモジュールの部分を示す部分断面
図、（Ｂ）は沸騰型ラジエータの構成を概念的に示す図
である。
【図１０】 （Ａ）は従来の半導体素子用放熱構造体の
水冷タイプを示し、（Ｂ）はその空冷タイプを示す模式
的な断面図である。
【符号の説明】
１：半導体パワーモジュール、１０：冷媒、１０１：半
導体デバイスチップ、１０２：電極部材、１０３：絶縁
基板、１０４：放熱器、１０４ａ：天板、１０４ｂ：容
器、１０５：樹脂ケース、１０６：ねじ部材、１０７，
１０８，１１９：メタライズ層、１０９，１１０，１１
８：ろう材層、１１１：メッキ層、１１２：はんだ層、
１１３：電極端子、１１４，１１５：ボンディングワイ
ヤ、１１６：サーマルグリース層、１０３ａ：フィン、
１１７：放熱フィン。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 仲田 博彦 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 富川 唯司 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 Ｆターム(参考） 5F036 BA08 BB05 BC05 BC06 BC08 BC22 BD01 BD03 BD14

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体素子が載せられるべき一方の表面
    と、冷却用媒体に直接接触する他方の表面とを有する絶
    縁基板と、 前記絶縁基板の側壁に接合された表面を有する放熱器部
    材とを備えた、半導体素子用放熱構造体。
  2. 【請求項２】 前記絶縁基板は、熱伝導率が１００Ｗ／
    ｍＫ以上である窒化アルミニウムまたは窒化ケイ素を含
    む材料からなる、請求項１に記載の半導体素子用放熱構
    造体。
  3. 【請求項３】 前記放熱器部材は、アルミニウムまたは
    アルミニウム合金からなる、請求項１または請求項２に
    記載の半導体素子用放熱構造体。
  4. 【請求項４】 前記放熱器部材は、放熱器の蓋部材であ
    る、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の
    半導体素子用放熱構造体。
  5. 【請求項５】 前記蓋部材に接合され、冷却用媒体が入
    れられる前記放熱器の容器部材をさらに備える、請求項
    ４に記載の半導体素子用放熱構造体。
  6. 【請求項６】 前記放熱器は、冷却用媒体の気化熱を利
    用して半導体素子の発熱を吸収する、請求項５に記載の
    半導体素子用放熱構造体。
  7. 【請求項７】 前記絶縁基板の側壁に形成された金属化
    層と、 前記金属化層と前記放熱器部材の表面との間に介在する
    ように形成されたろう材層とをさらに備える、請求項１
    から請求項６までのいずれか１項に記載の半導体素子用
    放熱構造体。
  8. 【請求項８】 前記金属化層は、アルミニウムまたはタ
    ングステンを含む、請求項７に記載の半導体素子用放熱
    構造体。
  9. 【請求項９】 前記ろう材層は、アルミニウム−シリコ
    ン系ろう材からなる、請求項７または請求項８に記載の
    半導体素子用放熱構造体。
  10. 【請求項１０】 前記絶縁基板の他方の表面はフィン形
    状に形成されている、請求項１から請求項９までのいず
    れか１項に記載の半導体素子用放熱構造体。
  11. 【請求項１１】 前記絶縁基板の他方の表面に接合され
    たフィン形状の金属部材をさらに備える、請求項１から
    請求項９までのいずれか１項に記載の半導体素子用放熱
    構造体。
  12. 【請求項１２】 前記絶縁基板の側壁角部は曲面状に形
    成されている、請求項１から請求項１１までのいずれか
    １項に記載の半導体素子用放熱構造体。
  13. 【請求項１３】 前記絶縁基板の一方の表面の上に配置
    された電極部材をさらに備える、請求項１から請求項１
    ２までのいずれか１項に記載の半導体素子用放熱構造
    体。
  14. 【請求項１４】 前記絶縁基板の一方の表面に形成され
    た金属化層と、 前記金属化層と前記電極部材の表面との間に介在するよ
    うに形成されたろう材層とをさらに備える、請求項１３
    に記載の半導体素子用放熱構造体。
  15. 【請求項１５】 請求項１から請求項１２までのいずれ
    か１項に記載の半導体素子用放熱構造体と、 前記絶縁基板の一方の表面上に載せられた半導体素子と
    を備える、半導体装置。
  16. 【請求項１６】 前記絶縁基板の一方の表面と前記半導
    体素子との間に介在するように配置された電極部材をさ
    らに備える、請求項１５に記載の半導体装置。
  17. 【請求項１７】 前記絶縁基板の一方の表面と前記電極
    部材の一方の表面との間に配置されたグリース層をさら
    に備える、請求項１６に記載の半導体装置。
  18. 【請求項１８】 前記絶縁基板の一方の表面に形成され
    た金属化層と、 前記金属化層と前記電極部材の一方の表面との間に介在
    するように形成されたろう材層とをさらに備える、請求
    項１６に記載の半導体装置。
  19. 【請求項１９】 前記電極部材の他方の表面の上に形成
    されたメッキ層と、 前記メッキ層と前記半導体素子との間に介在するように
    形成されたはんだ層とをさらに備える、請求項１７また
    は請求項１８に記載の半導体装置。
  20. 【請求項２０】 複数の前記絶縁基板と、複数の前記半
    導体素子とを備え、 前記半導体素子の各々が前記絶縁基板の各々の一方の表
    面上に載せられ、前記放熱器部材は、複数の前記絶縁基
    板の側壁が接合された表面を有する、請求項１５から請
    求項１９までのいずれか１項に記載の半導体装置。
  21. 【請求項２１】 前記放熱器部材にねじで固着された樹
    脂ケース部材をさらに備える、請求項１５から請求項２
    ０までのいずれか１項に記載の半導体装置。
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