JP2001217363A - 半導体装置とそのヒートシンク - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】組立て性に優れ、高信頼性と高熱伝導性を有す
るヒートシンク，半導体装置、及び、これを用いた電力
変換装置あるいは高周波トランジスタ装置の構造を提供
する。 【解決手段】半導体素子と、信号を入出力する配線と、
放熱板とを有する半導体装置において、前記放熱板はＣ
ｕとＣｕ2Ｏ，Ａｌ2Ｏ3及びＳｉＯ2の少なくとも１種の
粒子との複合材であり、絶縁基板に接合されている金属
層、あるいは半導体素子に接合されている金属層は放熱
板と直接接合されている。
るヒートシンク，半導体装置、及び、これを用いた電力
変換装置あるいは高周波トランジスタ装置の構造を提供
する。 【解決手段】半導体素子と、信号を入出力する配線と、
放熱板とを有する半導体装置において、前記放熱板はＣ
ｕとＣｕ2Ｏ，Ａｌ2Ｏ3及びＳｉＯ2の少なくとも１種の
粒子との複合材であり、絶縁基板に接合されている金属
層、あるいは半導体素子に接合されている金属層は放熱
板と直接接合されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置、及び
半導体装置用ヒートシンクに関する。
半導体装置用ヒートシンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】電子デバイスによる電力やエネルギーの
変換，制御に関連した技術、特にオン，オフモードで用
いられる電力用電子デバイスとその応用技術としての電
力変換システムがパワーエレクトロニクスシステムであ
る。
変換，制御に関連した技術、特にオン，オフモードで用
いられる電力用電子デバイスとその応用技術としての電
力変換システムがパワーエレクトロニクスシステムであ
る。
【０００３】電力変換のため、各種のオン，オフ機能を
持つ電力用半導体素子が用いられている。この半導体素
子としては、ｐｎ接合体を内蔵し、一方向のみの導電性
をもつ整流ダイオードをはじめ、種々のｐｎ接合の組合
せ構造により、サイリスタ，バイポーラトランジスタ，
ＭＯＳＦＥＴ等が実用化され、更には絶縁ゲート型バイ
ポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やゲート信号によりタ
ーンオフ機能を併せもつゲートターンオフサイリスタ
（ＧＴＯ）も開発されている。
持つ電力用半導体素子が用いられている。この半導体素
子としては、ｐｎ接合体を内蔵し、一方向のみの導電性
をもつ整流ダイオードをはじめ、種々のｐｎ接合の組合
せ構造により、サイリスタ，バイポーラトランジスタ，
ＭＯＳＦＥＴ等が実用化され、更には絶縁ゲート型バイ
ポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やゲート信号によりタ
ーンオフ機能を併せもつゲートターンオフサイリスタ
（ＧＴＯ）も開発されている。
【０００４】これらの電力用半導体素子は、通電により
発熱し、その高容量化，高速化に伴い発熱量も増大する
傾向にある。発熱に起因する半導体素子の特性劣化，短
寿命化を防止するためには、放熱部を設け、半導体素子
及びその近傍での温度上昇を抑制する必要がある。銅
は、熱伝導率が３９３Ｗ／ｍ・Ｋと大きく、かつ低価格
であるため、放熱部材として一般に用いられている。し
かし、電力用半導体素子を備える半導体装置の放熱部材
は、熱膨張率が４.２×１０-6／℃のＳｉと接合される
ため、熱膨張率がこれに近い放熱部材が望まれる。銅は
熱膨張率が１７×１０-6／℃と大きいため、半導体素子
との半田接合性は好ましくなく、ＭｏやＷといった熱膨
張率がＳｉと近い材料を放熱部材として用いたり、半導
体素子と放熱部材の間に設けたりしている。
発熱し、その高容量化，高速化に伴い発熱量も増大する
傾向にある。発熱に起因する半導体素子の特性劣化，短
寿命化を防止するためには、放熱部を設け、半導体素子
及びその近傍での温度上昇を抑制する必要がある。銅
は、熱伝導率が３９３Ｗ／ｍ・Ｋと大きく、かつ低価格
であるため、放熱部材として一般に用いられている。し
かし、電力用半導体素子を備える半導体装置の放熱部材
は、熱膨張率が４.２×１０-6／℃のＳｉと接合される
ため、熱膨張率がこれに近い放熱部材が望まれる。銅は
熱膨張率が１７×１０-6／℃と大きいため、半導体素子
との半田接合性は好ましくなく、ＭｏやＷといった熱膨
張率がＳｉと近い材料を放熱部材として用いたり、半導
体素子と放熱部材の間に設けたりしている。
【０００５】一方、電子回路を一つの半導体チップ上に
集積させた集積回路（ＩＣ）は、その機能に応じたメモ
リー，ロジック，マイクロプロセッサ等に分類される。
ここでは電力用半導体素子に対し、電子用半導体素子と
呼ぶ。これらの半導体素子は、年々集積度や演算速度が
増加し、それに伴い発熱量も増大している。ところで、
一般に電子用半導体素子は、外気から遮断して故障や劣
化を防止する目的で、パッケージ内に収納されている。
この多くは、半導体素子がセラミックスにダイボンディ
ングされ、密封されているセラミックスパッケージ及び
樹脂で封止されているプラスチックパッケージである。
また、高信頼性，高速化に対応するために、複数個の半
導体装置を一つの基板上に搭載したマルチチップモジュ
ール（ＭＣＭ）も製造されている。
集積させた集積回路（ＩＣ）は、その機能に応じたメモ
リー，ロジック，マイクロプロセッサ等に分類される。
ここでは電力用半導体素子に対し、電子用半導体素子と
呼ぶ。これらの半導体素子は、年々集積度や演算速度が
増加し、それに伴い発熱量も増大している。ところで、
一般に電子用半導体素子は、外気から遮断して故障や劣
化を防止する目的で、パッケージ内に収納されている。
この多くは、半導体素子がセラミックスにダイボンディ
ングされ、密封されているセラミックスパッケージ及び
樹脂で封止されているプラスチックパッケージである。
また、高信頼性，高速化に対応するために、複数個の半
導体装置を一つの基板上に搭載したマルチチップモジュ
ール（ＭＣＭ）も製造されている。
【０００６】プラスチックパッケージは、リードフレー
ムと半導体素子の端子がボンディングワイヤにより接続
され、これを樹脂で封止する構造になっている。近年
は、半導体素子の発熱量の増大に伴い、リードフレーム
に熱放散性を持たせたパッケージや熱放散のための放熱
板を搭載するパッケージも出現している。熱放散のため
には、熱伝導率の大きい銅系のリードフレームや放熱板
が多用されているが、Ｓｉとの熱膨張差による不具合が
懸念されている。
ムと半導体素子の端子がボンディングワイヤにより接続
され、これを樹脂で封止する構造になっている。近年
は、半導体素子の発熱量の増大に伴い、リードフレーム
に熱放散性を持たせたパッケージや熱放散のための放熱
板を搭載するパッケージも出現している。熱放散のため
には、熱伝導率の大きい銅系のリードフレームや放熱板
が多用されているが、Ｓｉとの熱膨張差による不具合が
懸念されている。
【０００７】一方、セラミックスパッケージは、配線が
プリントされたセラミック基板上に半導体素子が搭載さ
れ、金属やセラミックのキャップで密封する構造を持
つ。さらに、セラミック基板にはＣｕ−ＭｏやＣｕ−Ｗ
の複合材料あるいはコバール合金などが接合され、放熱
板として用いられているが、それぞれの材料において低
熱膨張化あるいは高熱伝導化とともに加工性の向上，低
コストが要求されている。
プリントされたセラミック基板上に半導体素子が搭載さ
れ、金属やセラミックのキャップで密封する構造を持
つ。さらに、セラミック基板にはＣｕ−ＭｏやＣｕ−Ｗ
の複合材料あるいはコバール合金などが接合され、放熱
板として用いられているが、それぞれの材料において低
熱膨張化あるいは高熱伝導化とともに加工性の向上，低
コストが要求されている。
【０００８】ＭＣＭはＳｉ，金属、あるいはセラミック
スの基板上に形成された薄膜配線に複数個の半導体素子
をベアチップで搭載し、これをセラミックスパッケージ
に入れ、リッドで封止する構造を持つ。放熱性が要求さ
れる場合には、パッケージに放熱板や放熱フィンを設置
する。金属製の基板材料として、銅やアルミニウムが使
用されており、これらは熱伝導度が高いという長所を持
つが、熱膨張係数が大きく半導体素子との整合性が悪
い。このため、高信頼性ＭＣＭの基板にはＳｉや窒化ア
ルミニウム（ＡｌＮ）が用いられている。また、放熱板
はセラミックスパッケージと接合されるため、熱膨張率
の点でパッケージ材料と整合性が良く、熱伝導率が大き
な材料が望まれている。
スの基板上に形成された薄膜配線に複数個の半導体素子
をベアチップで搭載し、これをセラミックスパッケージ
に入れ、リッドで封止する構造を持つ。放熱性が要求さ
れる場合には、パッケージに放熱板や放熱フィンを設置
する。金属製の基板材料として、銅やアルミニウムが使
用されており、これらは熱伝導度が高いという長所を持
つが、熱膨張係数が大きく半導体素子との整合性が悪
い。このため、高信頼性ＭＣＭの基板にはＳｉや窒化ア
ルミニウム（ＡｌＮ）が用いられている。また、放熱板
はセラミックスパッケージと接合されるため、熱膨張率
の点でパッケージ材料と整合性が良く、熱伝導率が大き
な材料が望まれている。
【０００９】以上のように、半導体素子を搭載した半導
体装置は、いずれもその動作において熱を発生し、素子
温度が上昇すると半導体素子の機能を損ねる恐れがあ
る。このため、発生する熱を外部に放散するための熱伝
導性に優れた放熱板等の放熱部分が必要となる。放熱板
は、直接あるいは絶縁層を介して半導体素子と接合され
るため、熱伝導性だけでなく、熱膨張の点でも半導体素
子との整合性が要求される。
体装置は、いずれもその動作において熱を発生し、素子
温度が上昇すると半導体素子の機能を損ねる恐れがあ
る。このため、発生する熱を外部に放散するための熱伝
導性に優れた放熱板等の放熱部分が必要となる。放熱板
は、直接あるいは絶縁層を介して半導体素子と接合され
るため、熱伝導性だけでなく、熱膨張の点でも半導体素
子との整合性が要求される。
【００１０】現在用いられている半導体素子は、主にＳ
ｉ及びＧａＡｓである。これらの熱膨張係数は、それぞ
れ２.６×１０-6〜３.６×１０-6／℃，５.７×１０-6
〜６.９×１０-6／℃である。これらに近い熱膨張係数
をもつ放熱板材料には、従来よりＡｌＮ，ＳｉＣ，Ｍ
ｏ，Ｗ，Ｃｕ−Ｗ等が知られているが、これらは単一材
料であるため、熱伝達係数と熱伝導率を任意にコントロ
ールすることは困難であるとともに、加工性に乏しくコ
ストが高いという問題がある。そこで特開平8−78578号
公報にはＣｕ−Ｍｏ焼結合金、特開平9−181220 号公報
にはＣｕ−Ｗ−Ｎｉ焼結合金、特開平9−209058 号公報
にはＣｕ−ＳｉＣ焼結合金、特開平9−15773号公報には
Ａｌ−ＳｉＣが提案されている。さらに、接合材料とし
て主に用いられる半田を省略して放熱板やセラミックス
絶縁基板とを直接接合することにより、組立てを容易に
し、熱抵抗を低減したセラミック絶縁基板−放熱板直接
接合構造について、１９９６年国際パワーコンバージョ
ン会議（ＰＣＩＭ‘９６Europe）予稿集６８３ページに
て提案されている。
ｉ及びＧａＡｓである。これらの熱膨張係数は、それぞ
れ２.６×１０-6〜３.６×１０-6／℃，５.７×１０-6
〜６.９×１０-6／℃である。これらに近い熱膨張係数
をもつ放熱板材料には、従来よりＡｌＮ，ＳｉＣ，Ｍ
ｏ，Ｗ，Ｃｕ−Ｗ等が知られているが、これらは単一材
料であるため、熱伝達係数と熱伝導率を任意にコントロ
ールすることは困難であるとともに、加工性に乏しくコ
ストが高いという問題がある。そこで特開平8−78578号
公報にはＣｕ−Ｍｏ焼結合金、特開平9−181220 号公報
にはＣｕ−Ｗ−Ｎｉ焼結合金、特開平9−209058 号公報
にはＣｕ−ＳｉＣ焼結合金、特開平9−15773号公報には
Ａｌ−ＳｉＣが提案されている。さらに、接合材料とし
て主に用いられる半田を省略して放熱板やセラミックス
絶縁基板とを直接接合することにより、組立てを容易に
し、熱抵抗を低減したセラミック絶縁基板−放熱板直接
接合構造について、１９９６年国際パワーコンバージョ
ン会議（ＰＣＩＭ‘９６Europe）予稿集６８３ページに
て提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】前記の従来公知の複合
材は、両成分の比率を変えることによって熱伝達係数及
び熱伝導率を広範囲にコントロールできるが、塑性加工
性が低く、薄板の製造が困難であり、更に製造工程が多
くなるものである。このため前記のセラミック絶縁基板
−放熱板直接接合構造についても製造工程が多くなり、
また、所望の形状によって低熱抵抗性を付与することが
困難であった。また、前記公知の複合材料放熱板とセラ
ミック絶縁基板との直接接合部位の高信頼化に適した構
造についても明確ではなかった。また、前記公知の構造
では半導体装置の低熱抵抗化に限界があった。
材は、両成分の比率を変えることによって熱伝達係数及
び熱伝導率を広範囲にコントロールできるが、塑性加工
性が低く、薄板の製造が困難であり、更に製造工程が多
くなるものである。このため前記のセラミック絶縁基板
−放熱板直接接合構造についても製造工程が多くなり、
また、所望の形状によって低熱抵抗性を付与することが
困難であった。また、前記公知の複合材料放熱板とセラ
ミック絶縁基板との直接接合部位の高信頼化に適した構
造についても明確ではなかった。また、前記公知の構造
では半導体装置の低熱抵抗化に限界があった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を考
慮してなされたものである。
慮してなされたものである。
【００１３】本発明に係るセラミック絶縁基板−放熱板
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、放熱板材料が金属と該金属よりも熱膨張係数が小さ
い無機化合物粒子とを有し、前記化合物粒子は断面の面
積率が前記粒子の全体の９５％以上が互いに連なった複
雑形状の塊となって分散していることを特徴とする。
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、放熱板材料が金属と該金属よりも熱膨張係数が小さ
い無機化合物粒子とを有し、前記化合物粒子は断面の面
積率が前記粒子の全体の９５％以上が互いに連なった複
雑形状の塊となって分散していることを特徴とする。
【００１４】本発明に係るセラミック絶縁基板−放熱板
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、放熱板材料が金属と該金属よりも熱膨張係数が小さ
い無機化合物粒子とを有し、前記化合物粒子は単独で存
在する粒子の数が断面で100μｍ四方内に１００個以下
であり、残りの前記化合物粒子は互いに連なった複雑形
状の塊となって分散していることを特徴とする。
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、放熱板材料が金属と該金属よりも熱膨張係数が小さ
い無機化合物粒子とを有し、前記化合物粒子は単独で存
在する粒子の数が断面で100μｍ四方内に１００個以下
であり、残りの前記化合物粒子は互いに連なった複雑形
状の塊となって分散していることを特徴とする。
【００１５】本発明に係るセラミック絶縁基板−放熱板
直接接合構造ヒートシンクは、放熱板材料が金属と該金
属よりも熱膨張係数が小さい無機化合物粒子とを有し、
前記化合物粒子はヴィッカース硬さが３００以下である
ことを特徴とする。
直接接合構造ヒートシンクは、放熱板材料が金属と該金
属よりも熱膨張係数が小さい無機化合物粒子とを有し、
前記化合物粒子はヴィッカース硬さが３００以下である
ことを特徴とする。
【００１６】本発明に係るセラミック絶縁基板−放熱板
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、放熱板材料が金属と該金属よりも熱膨張係数が小さ
い無機化合物粒子とを有し、２０℃での熱伝導率１ｗ／
ｍ・Ｋ当りの２０〜１５０℃での平均熱膨張係数の増加
率が０.０２５〜０.０３５ppm／℃ であることを特徴と
する。
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、放熱板材料が金属と該金属よりも熱膨張係数が小さ
い無機化合物粒子とを有し、２０℃での熱伝導率１ｗ／
ｍ・Ｋ当りの２０〜１５０℃での平均熱膨張係数の増加
率が０.０２５〜０.０３５ppm／℃ であることを特徴と
する。
【００１７】本発明に係るセラミック絶縁基板−放熱板
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、放熱板材料が金属と該金属よりも熱膨張係数が小さ
い無機化合物粒子とを有し、前記化合物粒子は互いに連
なり塊となって分散しており、前記塊は塑性加工によっ
て伸ばされた方向に延びていることを特徴とする。
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、放熱板材料が金属と該金属よりも熱膨張係数が小さ
い無機化合物粒子とを有し、前記化合物粒子は互いに連
なり塊となって分散しており、前記塊は塑性加工によっ
て伸ばされた方向に延びていることを特徴とする。
【００１８】本発明に係るセラミック絶縁基板−放熱板
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、放熱板材料が銅と酸化銅粒子とを有し、前記酸化銅
粒子は断面の面積率で前記粒子の全体の９５％以上が互
いに連なった複雑形状の塊となって分散していることを
特徴とする。
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、放熱板材料が銅と酸化銅粒子とを有し、前記酸化銅
粒子は断面の面積率で前記粒子の全体の９５％以上が互
いに連なった複雑形状の塊となって分散していることを
特徴とする。
【００１９】本発明に係るセラミック絶縁基板−放熱板
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、セラミック絶縁基板の表裏面には配線パターンが形
成された表面金属層及び裏面金属層が接合されている構
造であることを特徴とする。
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、セラミック絶縁基板の表裏面には配線パターンが形
成された表面金属層及び裏面金属層が接合されている構
造であることを特徴とする。
【００２０】本発明に係るセラミック絶縁基板−放熱板
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、セラミック絶縁基板表裏面金属層が銅よりなり、裏
面銅金属層と銅と酸化銅粒子とからなる放熱板は固着接
合されていることを特徴とする。
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、セラミック絶縁基板表裏面金属層が銅よりなり、裏
面銅金属層と銅と酸化銅粒子とからなる放熱板は固着接
合されていることを特徴とする。
【００２１】本発明に係るセラミック絶縁基板−放熱板
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、セラミック絶縁基板の表面には配線パターンが形成
された表面金属層が接合され、セラミック裏面には金属
層が接合されておらず放熱板と直接接合されている構造
であることを特徴とする。
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、セラミック絶縁基板の表面には配線パターンが形成
された表面金属層が接合され、セラミック裏面には金属
層が接合されておらず放熱板と直接接合されている構造
であることを特徴とする。
【００２２】本発明に係るセラミック絶縁基板−放熱板
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、放熱板内部に冷媒を通す空隙が設けられていること
を特徴とする。さらに、放熱板内部に設けられた冷媒を
通すための空隙は板厚方向に平行な薄い放熱部フィンと
フィン空隙が繰り返し配置されたものであって、放熱部
フィン厚さとフィン空隙間隔の少なくともいずれかは２
mm以下であり、好ましくは１mm以下であることを特徴と
する。さらに、半導体装置の放熱板には冷媒を注入，排
出する接続口が設けられていることを特徴とする。
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、放熱板内部に冷媒を通す空隙が設けられていること
を特徴とする。さらに、放熱板内部に設けられた冷媒を
通すための空隙は板厚方向に平行な薄い放熱部フィンと
フィン空隙が繰り返し配置されたものであって、放熱部
フィン厚さとフィン空隙間隔の少なくともいずれかは２
mm以下であり、好ましくは１mm以下であることを特徴と
する。さらに、半導体装置の放熱板には冷媒を注入，排
出する接続口が設けられていることを特徴とする。
【００２３】本発明に係るセラミック絶縁基板−放熱板
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、放熱板裏面に空冷フィンが設けられていることを特
徴とする。さらに、放熱板裏面に設けられた空冷フィン
は板厚方向に平行な薄いフィンが繰り返し配置されたも
のであって、フィン厚さとフィン間隔の少なくともいず
れかは２mm以下であり、好ましくは１mm以下であること
を特徴とする。
直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置
は、放熱板裏面に空冷フィンが設けられていることを特
徴とする。さらに、放熱板裏面に設けられた空冷フィン
は板厚方向に平行な薄いフィンが繰り返し配置されたも
のであって、フィン厚さとフィン間隔の少なくともいず
れかは２mm以下であり、好ましくは１mm以下であること
を特徴とする。
【００２４】本発明のセラミック絶縁基板−放熱板直接
接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置の放
熱板材料として、銅と酸化銅粒子から構成される前記の
ごとき材料を用いることにより、セラミック絶縁基板と
放熱板の熱膨張係数差を小さくすることができるため、
温度変化時のセラミック絶縁基板−放熱板直接接合部分
やセラミックへの熱応力を低減でき、接続信頼性が高く
なる。また、温度変化時のそりも低減できる。さらに、
銅と酸化銅粒子から構成される材料ではヴィッカース硬
さが３００以下であるため、セラミック絶縁基板と放熱
板の熱膨張係数差が無視できない値である場合において
も銅と酸化銅粒子から構成される放熱板が変形すること
により熱応力が緩和され、直接接合部分やセラミックの
劣化が避けられる。これと同時に前記材料の熱伝導率が
高いため放熱性能が高い。
接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装置の放
熱板材料として、銅と酸化銅粒子から構成される前記の
ごとき材料を用いることにより、セラミック絶縁基板と
放熱板の熱膨張係数差を小さくすることができるため、
温度変化時のセラミック絶縁基板−放熱板直接接合部分
やセラミックへの熱応力を低減でき、接続信頼性が高く
なる。また、温度変化時のそりも低減できる。さらに、
銅と酸化銅粒子から構成される材料ではヴィッカース硬
さが３００以下であるため、セラミック絶縁基板と放熱
板の熱膨張係数差が無視できない値である場合において
も銅と酸化銅粒子から構成される放熱板が変形すること
により熱応力が緩和され、直接接合部分やセラミックの
劣化が避けられる。これと同時に前記材料の熱伝導率が
高いため放熱性能が高い。
【００２５】また、本発明のセラミック絶縁基板−放熱
板直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装
置のセラミック絶縁基板は、銅等の金属からなる金属層
を表裏面に有し、裏面銅金属層と銅と酸化銅粒子とから
なる放熱板が固着接合されていることにより接合強度は
著しく強固になり、接続信頼性が向上する。
板直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装
置のセラミック絶縁基板は、銅等の金属からなる金属層
を表裏面に有し、裏面銅金属層と銅と酸化銅粒子とから
なる放熱板が固着接合されていることにより接合強度は
著しく強固になり、接続信頼性が向上する。
【００２６】また、本発明のセラミック絶縁基板−放熱
板直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装
置の放熱板は、放熱板内部に水などの冷媒を通すための
冷却フィンまたは裏面に空冷フィンを設けているため効
率的な放熱が可能となる。とりわけ銅と酸化銅粒子から
構成される前記のごとき材料を用いているため加工性が
容易なことから、放熱部フィン厚さとフィン空隙間隔の
少なくともいずれかは２mm以下であり、好ましくは１mm
以下にすることが容易なため熱伝達率の高いフィンが形
成でき、放熱性能をさらに高くすることができる。
板直接接合構造ヒートシンク及びこれを用いた半導体装
置の放熱板は、放熱板内部に水などの冷媒を通すための
冷却フィンまたは裏面に空冷フィンを設けているため効
率的な放熱が可能となる。とりわけ銅と酸化銅粒子から
構成される前記のごとき材料を用いているため加工性が
容易なことから、放熱部フィン厚さとフィン空隙間隔の
少なくともいずれかは２mm以下であり、好ましくは１mm
以下にすることが容易なため熱伝達率の高いフィンが形
成でき、放熱性能をさらに高くすることができる。
【００２７】また、放熱板内部に水などの冷媒を通すた
めの冷却部を設けてあって、放熱板には冷媒を注入，排
出する接続口が設けられているため電力変換装置の構成
が容易である。
めの冷却部を設けてあって、放熱板には冷媒を注入，排
出する接続口が設けられているため電力変換装置の構成
が容易である。
【００２８】
【発明の実施の形態】本発明の実施例を以下図面を用い
て説明する。 （実施例１）図１は本発明に係る半導体装置の断面図で
あり、例えばパワー半導体モジュールである。半導体素
子１０１は例えばＩＧＢＴやパワーＭＯＳであり、セラ
ミック絶縁基板１０９，放熱板１１０上に搭載されてい
る。半導体素子１０１の裏面は半田などの接合材１０２
によってセラミック絶縁基板１０９上の表面金属配線パ
ターン１０６に接続されている。チップ表面側はＡｌ等
からなる太線ワイヤ１０３によってチップ表面電極とセ
ラミック絶縁基板上の金属配線パターン111が接続され
るといった公知の構造となっている。チップ表面はゲル
やモールドレジン１０５によりコーティングされ、各電
極端子は外部引き出し端子に接続され、これらはプラス
チック製のケース１０４内に実装されている。本発明に
おいては、これらのモールドレジン１０５とケース１０
４が一体材料で構成されたトランスファモールド構造で
もよい。このようなパワー半導体モジュールが熱伝導グ
リース等を介して電力変換器の共通ヒートシンク上に実
装され、適宜配線バーを接続することにより電力変換装
置が構成されている。本実施例の特徴の一つとするとこ
ろはパワー半導体モジュールの裏面側で放熱を行う部分
の構造に関するものである。すなわち、セラミック絶縁
基板１０９裏面の金属層１０７は放熱板１１０に直接接
合され一体化直接接合構造ヒートシンクとなっている。
すなわちセラミック絶縁基板１０９裏面の金属層１０７
と放熱板１１０の間には接合材としての半田はなく接合
界面１０８で直接接合している。セラミック絶縁基板10
9は例えばＡｌＮからなり、表裏面には例えばＣｕから
なる金属層１０６，１１１，１０７があらかじめ銀ロー
などの公知の方法で接合されている。裏面Ｃｕ金属層１
０７の表面にはＮｉ等の通常用いられるメッキ層はな
い。放熱板１１０はＣｕとＣｕ2Ｏ粒子から構成されて
おり、従って熱処理を施すことによってＣｕ金属層１０
７と金属接合を形成し、強固な直接接合部位１０８を構
成している。
て説明する。 （実施例１）図１は本発明に係る半導体装置の断面図で
あり、例えばパワー半導体モジュールである。半導体素
子１０１は例えばＩＧＢＴやパワーＭＯＳであり、セラ
ミック絶縁基板１０９，放熱板１１０上に搭載されてい
る。半導体素子１０１の裏面は半田などの接合材１０２
によってセラミック絶縁基板１０９上の表面金属配線パ
ターン１０６に接続されている。チップ表面側はＡｌ等
からなる太線ワイヤ１０３によってチップ表面電極とセ
ラミック絶縁基板上の金属配線パターン111が接続され
るといった公知の構造となっている。チップ表面はゲル
やモールドレジン１０５によりコーティングされ、各電
極端子は外部引き出し端子に接続され、これらはプラス
チック製のケース１０４内に実装されている。本発明に
おいては、これらのモールドレジン１０５とケース１０
４が一体材料で構成されたトランスファモールド構造で
もよい。このようなパワー半導体モジュールが熱伝導グ
リース等を介して電力変換器の共通ヒートシンク上に実
装され、適宜配線バーを接続することにより電力変換装
置が構成されている。本実施例の特徴の一つとするとこ
ろはパワー半導体モジュールの裏面側で放熱を行う部分
の構造に関するものである。すなわち、セラミック絶縁
基板１０９裏面の金属層１０７は放熱板１１０に直接接
合され一体化直接接合構造ヒートシンクとなっている。
すなわちセラミック絶縁基板１０９裏面の金属層１０７
と放熱板１１０の間には接合材としての半田はなく接合
界面１０８で直接接合している。セラミック絶縁基板10
9は例えばＡｌＮからなり、表裏面には例えばＣｕから
なる金属層１０６，１１１，１０７があらかじめ銀ロー
などの公知の方法で接合されている。裏面Ｃｕ金属層１
０７の表面にはＮｉ等の通常用いられるメッキ層はな
い。放熱板１１０はＣｕとＣｕ2Ｏ粒子から構成されて
おり、従って熱処理を施すことによってＣｕ金属層１０
７と金属接合を形成し、強固な直接接合部位１０８を構
成している。
【００２９】ここで、放熱板材料についてさらに詳述す
る。放熱板１１０は熱膨張係数が１５×１０-6／℃以
下、熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ、ヴィッカース硬度が
300以下である。材料は、例えば銅（Ｃｕ）と第一酸化
銅（Ｃｕ2Ｏ）との複合材からなる。特に、放熱板材料
は、Ｃｕ2Ｏを２０〜８０体積％含むＣｕ合金からな
り、前記Ｃｕ2Ｏ 相及びＣｕ相がそれぞれ分散した組織
を有し、室温から３００℃における熱膨張係数が５×１
０-6〜１４×１０-6／℃及び熱伝導率が３０〜３２５Ｗ
／ｍ・Ｋであるものが好ましい。表１に本材料の組成に
対する熱膨張係数と熱伝導率を示している。Ｃｕ2Ｏ の
含有率が３０ｗｔ％の場合は熱膨張係数が１３×１０-6
／℃以下、熱伝導率が２３０Ｗ／ｍ・Ｋ、ヴィッカース
硬度が３００以下であり、Ｃｕ2Ｏ含有率が４０ｗｔ％
の場合は熱膨張係数が１１×１０-6／℃以下、熱伝導率
が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ、ヴィッカース硬度が３００以下で
ある。また、ＣｕとＡｌ2Ｏ3の複合材，ＣｕとＳｉＯ2
の複合材、あるいはＣｕとＣｕ2ＯとＡｌ2Ｏ3の複合材
など、上記の数値範囲を満たすものであるならばどのよ
うな材質でもかまわない。図１０は熱伝導率(ｘ）と熱
膨張係数(ｙ）との関係を示す線図である。図中のＮｏ
はサンプルＮｏである。これらの関係はｙ＝０.０３１
ｘ＋４.６５ によって求められる値以上で、ｙ＝０.０
３１ｘ＋５.９５で求められる値以下となる。従って、
傾斜は２０℃の熱伝導率１Ｗ／ｍ・Ｋ当りの２０〜２５
０℃での平均熱膨張係数として０.０２５〜０.０３５pp
m／℃ とするものが好ましい。
る。放熱板１１０は熱膨張係数が１５×１０-6／℃以
下、熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ、ヴィッカース硬度が
300以下である。材料は、例えば銅（Ｃｕ）と第一酸化
銅（Ｃｕ2Ｏ）との複合材からなる。特に、放熱板材料
は、Ｃｕ2Ｏを２０〜８０体積％含むＣｕ合金からな
り、前記Ｃｕ2Ｏ 相及びＣｕ相がそれぞれ分散した組織
を有し、室温から３００℃における熱膨張係数が５×１
０-6〜１４×１０-6／℃及び熱伝導率が３０〜３２５Ｗ
／ｍ・Ｋであるものが好ましい。表１に本材料の組成に
対する熱膨張係数と熱伝導率を示している。Ｃｕ2Ｏ の
含有率が３０ｗｔ％の場合は熱膨張係数が１３×１０-6
／℃以下、熱伝導率が２３０Ｗ／ｍ・Ｋ、ヴィッカース
硬度が３００以下であり、Ｃｕ2Ｏ含有率が４０ｗｔ％
の場合は熱膨張係数が１１×１０-6／℃以下、熱伝導率
が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ、ヴィッカース硬度が３００以下で
ある。また、ＣｕとＡｌ2Ｏ3の複合材，ＣｕとＳｉＯ2
の複合材、あるいはＣｕとＣｕ2ＯとＡｌ2Ｏ3の複合材
など、上記の数値範囲を満たすものであるならばどのよ
うな材質でもかまわない。図１０は熱伝導率(ｘ）と熱
膨張係数(ｙ）との関係を示す線図である。図中のＮｏ
はサンプルＮｏである。これらの関係はｙ＝０.０３１
ｘ＋４.６５ によって求められる値以上で、ｙ＝０.０
３１ｘ＋５.９５で求められる値以下となる。従って、
傾斜は２０℃の熱伝導率１Ｗ／ｍ・Ｋ当りの２０〜２５
０℃での平均熱膨張係数として０.０２５〜０.０３５pp
m／℃ とするものが好ましい。
【００３０】前記Ｃｕ2Ｏの結晶粒は放熱板１１０の厚
さ方向に平行に配向されていることが望ましい。すなわ
ち、Ｃｕ2Ｏを２０〜８０体積％含み、前記Ｃｕ2Ｏ相及
びＣｕ相が配向した組織を有し、室温から３００℃にお
ける熱膨張係数が５×10-6〜１４×１０-6／℃であり、
また熱伝導率が３０〜３２５Ｗ／ｍ・Ｋで、かつ配向方
向の熱伝導率が配向方向に直角な方向の２倍以上とする
ものが好ましい。配向した組織とするには例えば鍛造法
が用いられる。表２は、レーザーフラッシュ法による熱
伝導率の測定結果を示すが、鍛造しない焼結のままの状
態では、熱伝導率の異方性は認められない。しかし、鍛
造することによって異方性が生じ、Ｃｕ相及びＣｕ2Ｏ
相の配向方向（鍛伸方向）に対して平行なＬ方向の熱伝
導率は、それに直角なＣ方向（鍛造方法）の２倍以上の
値を示している。
さ方向に平行に配向されていることが望ましい。すなわ
ち、Ｃｕ2Ｏを２０〜８０体積％含み、前記Ｃｕ2Ｏ相及
びＣｕ相が配向した組織を有し、室温から３００℃にお
ける熱膨張係数が５×10-6〜１４×１０-6／℃であり、
また熱伝導率が３０〜３２５Ｗ／ｍ・Ｋで、かつ配向方
向の熱伝導率が配向方向に直角な方向の２倍以上とする
ものが好ましい。配向した組織とするには例えば鍛造法
が用いられる。表２は、レーザーフラッシュ法による熱
伝導率の測定結果を示すが、鍛造しない焼結のままの状
態では、熱伝導率の異方性は認められない。しかし、鍛
造することによって異方性が生じ、Ｃｕ相及びＣｕ2Ｏ
相の配向方向（鍛伸方向）に対して平行なＬ方向の熱伝
導率は、それに直角なＣ方向（鍛造方法）の２倍以上の
値を示している。
【００３１】
【表１】
【００３２】
【表２】
【００３３】金属層が接合されているセラミック絶縁基
板１０９と放熱板１１０はあらかじめ直接接合処理を行
って一体化直接接合構造ヒートシンク部材として扱う方
が好ましい。図５は一体化直接接合工程を示したもので
ある。すなわち、表裏のＣｕ合金層が効ローなどにより
接合されたＡｌＮ等のセラミック絶縁基板１０９をＮｉ
等のメッキを施さない状態にて準備し、メッキを施さな
い状態のＣｕ−Ｃｕ2Ｏ複合材からなる放熱板１１０に
接合する。接合には例えば不活性雰囲気中の熱処理法を
用いる。熱処理によりＣｕ−Ｃｕ2Ｏ複合材表面とＣｕ
金属層表面が接合部位１０８にて金属結合を形成する。
このような直接接合処理後Ｎｉメッキなどを施し、一体
化直接接合構造ヒートシンクが形成される。このような
工程の代わりに条件を適宜設定することにより、Ｃｕ−
Ｃｕ2Ｏ複合材の焼結あるいは鍛造時点にセラミック絶
縁基板をセットして焼結あるいは鍛造と接合を同時に行
えば一体化ヒートシンクの形成はさらに容易である。一
体化直接接合構造ヒートシンクは放熱板１１０をハンド
リングできるため取り扱いが容易でセラミックへの衝撃
によるセラミック割れが起こりにくい。従って、セラミ
ック厚さを通常用いられる０.６３５mm よりも薄くして
熱抵抗をさらに低減することができる。この際、放熱板
１１０としてＣｕ−Ｃｕ2Ｏ 複合材を用いているためセ
ラミック絶縁基板１０９との熱膨張係数差が小さいこと
により、また、ヴィッカース硬さが３００以下であるた
め熱膨張係数差が無視できない値である場合においても
Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ複合材が熱応力により変形することによ
り、セラミック側への応力が緩和されセラミック割れや
クラック等の劣化が避けられる。
板１０９と放熱板１１０はあらかじめ直接接合処理を行
って一体化直接接合構造ヒートシンク部材として扱う方
が好ましい。図５は一体化直接接合工程を示したもので
ある。すなわち、表裏のＣｕ合金層が効ローなどにより
接合されたＡｌＮ等のセラミック絶縁基板１０９をＮｉ
等のメッキを施さない状態にて準備し、メッキを施さな
い状態のＣｕ−Ｃｕ2Ｏ複合材からなる放熱板１１０に
接合する。接合には例えば不活性雰囲気中の熱処理法を
用いる。熱処理によりＣｕ−Ｃｕ2Ｏ複合材表面とＣｕ
金属層表面が接合部位１０８にて金属結合を形成する。
このような直接接合処理後Ｎｉメッキなどを施し、一体
化直接接合構造ヒートシンクが形成される。このような
工程の代わりに条件を適宜設定することにより、Ｃｕ−
Ｃｕ2Ｏ複合材の焼結あるいは鍛造時点にセラミック絶
縁基板をセットして焼結あるいは鍛造と接合を同時に行
えば一体化ヒートシンクの形成はさらに容易である。一
体化直接接合構造ヒートシンクは放熱板１１０をハンド
リングできるため取り扱いが容易でセラミックへの衝撃
によるセラミック割れが起こりにくい。従って、セラミ
ック厚さを通常用いられる０.６３５mm よりも薄くして
熱抵抗をさらに低減することができる。この際、放熱板
１１０としてＣｕ−Ｃｕ2Ｏ 複合材を用いているためセ
ラミック絶縁基板１０９との熱膨張係数差が小さいこと
により、また、ヴィッカース硬さが３００以下であるた
め熱膨張係数差が無視できない値である場合においても
Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ複合材が熱応力により変形することによ
り、セラミック側への応力が緩和されセラミック割れや
クラック等の劣化が避けられる。
【００３４】図２（ａ）は上記の直接接合処理プロセス
を鑑みて示している実施例であり、図１との差異はセラ
ミック絶縁基板が放熱板１５０に埋め込まれた形状とな
っていることにある。このような構造はＣｕ−Ｃｕ2Ｏ
複合材の焼結あるいは鍛造時点にセラミック絶縁基板を
セットして焼結あるいは鍛造と接合を同時に行うプロセ
スにより特に容易に実現しやすいものである。この場
合、セラミックが露出した縁面部分の絶縁性が確保する
ために、放熱板材料がセラミック絶縁基板１０９のセラ
ミックが露出した表面部分にまで回り込まないことが必
要である。このような構造とすることにより半導体チッ
プ１０１直下の放熱板１５０の厚さを薄くすることが可
能なため熱抵抗が小さくなり、放熱性がさらに向上す
る。
を鑑みて示している実施例であり、図１との差異はセラ
ミック絶縁基板が放熱板１５０に埋め込まれた形状とな
っていることにある。このような構造はＣｕ−Ｃｕ2Ｏ
複合材の焼結あるいは鍛造時点にセラミック絶縁基板を
セットして焼結あるいは鍛造と接合を同時に行うプロセ
スにより特に容易に実現しやすいものである。この場
合、セラミックが露出した縁面部分の絶縁性が確保する
ために、放熱板材料がセラミック絶縁基板１０９のセラ
ミックが露出した表面部分にまで回り込まないことが必
要である。このような構造とすることにより半導体チッ
プ１０１直下の放熱板１５０の厚さを薄くすることが可
能なため熱抵抗が小さくなり、放熱性がさらに向上す
る。
【００３５】さらに他の構造として図２（ｂ）に示すよ
うに放熱板１６０はセラミック絶縁基板１０９の下部に
は存在せずセラミック絶縁基板１０９の周辺にのみ一体
化接合されていてもよい。この場合、Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ複
合材放熱板１６０とセラミック絶縁基板１０９裏面の金
属層１０７との直接接合は周辺部１６１，１６２にてな
される。この構造の場合には放熱性はさらに向上する。
うに放熱板１６０はセラミック絶縁基板１０９の下部に
は存在せずセラミック絶縁基板１０９の周辺にのみ一体
化接合されていてもよい。この場合、Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ複
合材放熱板１６０とセラミック絶縁基板１０９裏面の金
属層１０７との直接接合は周辺部１６１，１６２にてな
される。この構造の場合には放熱性はさらに向上する。
【００３６】以上のように、金属層が接合されているセ
ラミック絶縁基板１０９とＣｕ−Ｃｕ2Ｏ 複合材放熱板
１１０が直接金属接合されているため、接合部分の接続
信頼性が高く、また、半田がなくセラミック厚さも薄く
できることから熱抵抗も低減でき、さらに、あらかじめ
直接接合処理を行って一体化直接接合構造ヒートシンク
を形成することによりその後の組立てが容易になるとい
う効果がある。
ラミック絶縁基板１０９とＣｕ−Ｃｕ2Ｏ 複合材放熱板
１１０が直接金属接合されているため、接合部分の接続
信頼性が高く、また、半田がなくセラミック厚さも薄く
できることから熱抵抗も低減でき、さらに、あらかじめ
直接接合処理を行って一体化直接接合構造ヒートシンク
を形成することによりその後の組立てが容易になるとい
う効果がある。
【００３７】また、セラミック絶縁基板に接合されてい
る金属層としてＣｕ以外の金属、例えば、Ａｌの場合で
も接合条件を適宜設定すればＣｕ−Ｃｕ2Ｏ複合材放熱
板との直接接合は可能である。
る金属層としてＣｕ以外の金属、例えば、Ａｌの場合で
も接合条件を適宜設定すればＣｕ−Ｃｕ2Ｏ複合材放熱
板との直接接合は可能である。
【００３８】以上では、Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ複合材放熱板と
セラミック絶縁基板の裏面金属層との直接接合構造を説
明しているが、裏面金属層は必ずしも必須のものではな
い。すなわち、セラミック絶縁基板のセラミック表面と
Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ複合材を直接接合する構造でも構わな
い。この場合の接合方法は、銀ローをロー材として用い
る方法やＭｎ等のメタライズをあらかじめセラミックに
施し接合する方法や直接接合する方法でもよい。いずれ
の方法でもＣｕ−Ｃｕ2Ｏ複合材を放熱板に用いること
による前出のような効果は同様に達成される。
セラミック絶縁基板の裏面金属層との直接接合構造を説
明しているが、裏面金属層は必ずしも必須のものではな
い。すなわち、セラミック絶縁基板のセラミック表面と
Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ複合材を直接接合する構造でも構わな
い。この場合の接合方法は、銀ローをロー材として用い
る方法やＭｎ等のメタライズをあらかじめセラミックに
施し接合する方法や直接接合する方法でもよい。いずれ
の方法でもＣｕ−Ｃｕ2Ｏ複合材を放熱板に用いること
による前出のような効果は同様に達成される。
【００３９】尚、セラミック絶縁基板はＡｌＮの法にＡ
ｌ2Ｏ3，ＢｅＯなど他の材質でも本発明の構造が適用で
きるのは言うまでもない。尚、それぞれ熱膨張係数が異
なるため、放熱板との熱膨張係数差を例えば５×１０-6
／℃以下に設定するなどの配慮が必要である。 （実施例２）図３は本発明に係る半導体装置の他の実施
例の断面図である。半導体チップ１０１は例えばＩＧＢ
ＴやパワーＭＯＳであり、その他主な部分の構造は図１
と同様である。本実施例では複数のモジュールを実装す
る時の共通ヒートシンクは必要なく、パワー半導体モジ
ュールのセラミック絶縁基板−放熱板一体化直接接合構
造ヒートシンク２１０の放熱板内部に冷却用のフィンが
設けられている。冷媒には例えば水が用いられ、パワー
モジュールを底面から見た図である図４に示したよう
に、注入口３０１，排出口３０２を放熱板底面に設けて
冷却水が循環される。冷却フィンの寸法、すなわちフィ
ン部１２２の厚さ寸法と空隙部１２１の間隔寸法は循環
冷却水用ポンプの能力等によっても影響されるため一概
には決まらないが、一般的には微細寸法にすることによ
りフィンの熱伝達係数が増加し、放熱能力が向上する。
本発明では冷却フィンが形成される放熱板にCu-Cu2O 複
合材を用いているため加工が容易であり、微細なフィン
を容易に形成できる。すなわち従来のＣｕ放熱板では１
mm程度の肉厚及び間隔形成が限界だったのに対し、０.
３mm 程度の肉厚及び間隔形成も容易である。このた
め、熱伝達係数は約２倍とすることが可能であり、放熱
性能が容易に向上できる。
ｌ2Ｏ3，ＢｅＯなど他の材質でも本発明の構造が適用で
きるのは言うまでもない。尚、それぞれ熱膨張係数が異
なるため、放熱板との熱膨張係数差を例えば５×１０-6
／℃以下に設定するなどの配慮が必要である。 （実施例２）図３は本発明に係る半導体装置の他の実施
例の断面図である。半導体チップ１０１は例えばＩＧＢ
ＴやパワーＭＯＳであり、その他主な部分の構造は図１
と同様である。本実施例では複数のモジュールを実装す
る時の共通ヒートシンクは必要なく、パワー半導体モジ
ュールのセラミック絶縁基板−放熱板一体化直接接合構
造ヒートシンク２１０の放熱板内部に冷却用のフィンが
設けられている。冷媒には例えば水が用いられ、パワー
モジュールを底面から見た図である図４に示したよう
に、注入口３０１，排出口３０２を放熱板底面に設けて
冷却水が循環される。冷却フィンの寸法、すなわちフィ
ン部１２２の厚さ寸法と空隙部１２１の間隔寸法は循環
冷却水用ポンプの能力等によっても影響されるため一概
には決まらないが、一般的には微細寸法にすることによ
りフィンの熱伝達係数が増加し、放熱能力が向上する。
本発明では冷却フィンが形成される放熱板にCu-Cu2O 複
合材を用いているため加工が容易であり、微細なフィン
を容易に形成できる。すなわち従来のＣｕ放熱板では１
mm程度の肉厚及び間隔形成が限界だったのに対し、０.
３mm 程度の肉厚及び間隔形成も容易である。このた
め、熱伝達係数は約２倍とすることが可能であり、放熱
性能が容易に向上できる。
【００４０】尚、フィン高さ、すなわち放熱板の厚さ方
向の設定も熱伝達係数に影響を及ぼすため適宜設定され
ることが必要である。前述のようにＣｕ−Ｃｕ2Ｏ複合
材の配向を制御し、放熱板の板厚方向、すなわち、フィ
ン高さ方向の熱伝導率を高くする構造とすることが放熱
上好ましい。この場合、フィンのアスペクト比（フィン
高さ／フィン幅）の設定はフィン材料の熱伝導率の異方
率（フィン高さ方向（放熱板板厚方向）熱伝導率／フィ
ン幅方向（放熱板面方向）熱伝導率）に対応して設定す
る。通常均質なフィン材料の場合のアスペクト比は７前
後程度に設定されるが、例えば、放熱板への配向性の付
与により熱伝導率の異方率が１以上となった場合、アス
ペクト比は熱伝導率の異方率と正の相関をもって設定さ
れる。すなわち、熱伝導率の異方率が２の場合、アスペ
クト比の最適値は通常の最適値より増加し、１〜２倍の
値に設定される。
向の設定も熱伝達係数に影響を及ぼすため適宜設定され
ることが必要である。前述のようにＣｕ−Ｃｕ2Ｏ複合
材の配向を制御し、放熱板の板厚方向、すなわち、フィ
ン高さ方向の熱伝導率を高くする構造とすることが放熱
上好ましい。この場合、フィンのアスペクト比（フィン
高さ／フィン幅）の設定はフィン材料の熱伝導率の異方
率（フィン高さ方向（放熱板板厚方向）熱伝導率／フィ
ン幅方向（放熱板面方向）熱伝導率）に対応して設定す
る。通常均質なフィン材料の場合のアスペクト比は７前
後程度に設定されるが、例えば、放熱板への配向性の付
与により熱伝導率の異方率が１以上となった場合、アス
ペクト比は熱伝導率の異方率と正の相関をもって設定さ
れる。すなわち、熱伝導率の異方率が２の場合、アスペ
クト比の最適値は通常の最適値より増加し、１〜２倍の
値に設定される。
【００４１】セラミック絶縁基板−放熱板一体化直接接
合構造ヒートシンク２１０の加工方法の一例を図６に示
す。板状の、例えば、４mm厚程度の放熱を準備し、放熱
板にフィンを切削加工する。その後、１mm厚程度の薄板
１７１を加工面に直接金属接合する。この際セラミック
絶縁基板１０９との接合熱処理と同時に行うと工程が簡
便である。最後に、フィン内部及び表面の金属部全体に
Ｎｉなどのメッキを行う。フィン内部もメッキを行うこ
とによって冷却水による腐食が効果的に防止できる。
尚、このような工程の代わりにセラミック絶縁基板１０
９と放熱板との接合熱処理後、放熱板にフィンを切削加
工し、その後に薄板１７１を接合する工程でもかまわな
い。
合構造ヒートシンク２１０の加工方法の一例を図６に示
す。板状の、例えば、４mm厚程度の放熱を準備し、放熱
板にフィンを切削加工する。その後、１mm厚程度の薄板
１７１を加工面に直接金属接合する。この際セラミック
絶縁基板１０９との接合熱処理と同時に行うと工程が簡
便である。最後に、フィン内部及び表面の金属部全体に
Ｎｉなどのメッキを行う。フィン内部もメッキを行うこ
とによって冷却水による腐食が効果的に防止できる。
尚、このような工程の代わりにセラミック絶縁基板１０
９と放熱板との接合熱処理後、放熱板にフィンを切削加
工し、その後に薄板１７１を接合する工程でもかまわな
い。
【００４２】図４では破線にて放熱板内部の構造が示し
てあり、上記の微細なフィンは直線状のパターン３０３
となっている。注入口３０１，排出口３０２付近には微
細なフィンパターンはなく、水が広がり、また、集まり
やすくなっている。図示はしていないが半導体チップ１
０１は熱伝達係数が大きい微細フィンパターン部303の
位置に配置されると放熱性が向上するため好ましい。
尚、パワー半導体モジュールは取り付け部３０４にて電
力変換器の実装板に取り付けられる。
てあり、上記の微細なフィンは直線状のパターン３０３
となっている。注入口３０１，排出口３０２付近には微
細なフィンパターンはなく、水が広がり、また、集まり
やすくなっている。図示はしていないが半導体チップ１
０１は熱伝達係数が大きい微細フィンパターン部303の
位置に配置されると放熱性が向上するため好ましい。
尚、パワー半導体モジュールは取り付け部３０４にて電
力変換器の実装板に取り付けられる。
【００４３】このようなパワー半導体モジュールの適用
にはなんら制限が加わるものではないが、本実施例の水
冷一体化モジュールは電気自動車やハイブリッド電気自
動車に好適である。すなわち、これらのシステムでは水
冷機構をすでに備えている場合が多いため、この水冷循
環系に本発明のモジュール冷却を組入れればよい。 （実施例３）図７は本発明に係る半導体装置の他の実施
例の断面図である。半導体チップ１０１は例えばＩＧＢ
ＴやパワーＭＯＳであり、その他主な部分の構造は図１
と同様である。本実施例では共通ヒートシンクは必要な
く、パワー半導体モジュールのセラミック絶縁基板−放
熱板一体化直接接合構造ヒートシンクの放熱板710背面
に空冷用のフィンが設けられている。空冷フィンはＣｕ
−Ｃｕ2Ｏ複合材放熱板で構成されている。空冷フィン
の幅７２２及び間隔７２１及びこれらの高さは空冷ファ
ンの能力や気流の方向にも影響されるため一概には決ま
らないが、前述実施例２と同様にＣｕ−Ｃｕ2Ｏ 複合材
を用いることによって微細なフィンパターンが形成可能
なため放熱性能を向上するのに好適である。この構造で
は、冷媒が必要でなく自然空冷や強制空冷と言った簡便
な方法で冷却できるため電力変換システムを安価にする
ことができる。
にはなんら制限が加わるものではないが、本実施例の水
冷一体化モジュールは電気自動車やハイブリッド電気自
動車に好適である。すなわち、これらのシステムでは水
冷機構をすでに備えている場合が多いため、この水冷循
環系に本発明のモジュール冷却を組入れればよい。 （実施例３）図７は本発明に係る半導体装置の他の実施
例の断面図である。半導体チップ１０１は例えばＩＧＢ
ＴやパワーＭＯＳであり、その他主な部分の構造は図１
と同様である。本実施例では共通ヒートシンクは必要な
く、パワー半導体モジュールのセラミック絶縁基板−放
熱板一体化直接接合構造ヒートシンクの放熱板710背面
に空冷用のフィンが設けられている。空冷フィンはＣｕ
−Ｃｕ2Ｏ複合材放熱板で構成されている。空冷フィン
の幅７２２及び間隔７２１及びこれらの高さは空冷ファ
ンの能力や気流の方向にも影響されるため一概には決ま
らないが、前述実施例２と同様にＣｕ−Ｃｕ2Ｏ 複合材
を用いることによって微細なフィンパターンが形成可能
なため放熱性能を向上するのに好適である。この構造で
は、冷媒が必要でなく自然空冷や強制空冷と言った簡便
な方法で冷却できるため電力変換システムを安価にする
ことができる。
【００４４】上記の実施例１，２，３ではパワー半導体
モジュールで説明しているが、これに限定する必要がな
いことは言うまでもない。すなわち、金属層が表面に接
合された部材と放熱板を有するものであれば本発明の直
接接合構造を採用でき、高い放熱性と信頼性を確保でき
る。例えば、半導体チップが半導体論理素子とする場
合、本発明構造を適用することにより論理素子の動作周
波数を向上させてもチップの温度が限界以上に上昇する
ことがなくなり、論理処理速度を向上できる。この場合
の構造は基本的に図１の半導体チップ１０１を上記素子
に置き換えたものであるが、チップ表面接続構造や端子
やモールド構造など本発明の対象とする部位以外の構造
は適宜公知の構造が適用されてよい。また、半導体素子
はメモリーやシステムＬＳＩやパワー素子等の他の素子
であっても同様の効果が得られる。 （実施例４）図８は本発明の他の実施例の高周波半導体
素子の断面図を示したものである。ＳｉあるいはＧａＡ
ｓ等からなる高周波半導体チップ８０１はＣｕ−Ｃｕ2
Ｏ複合材からなるベース基板８１４上に直接接合されて
いる。高周波半導体チップ８０１表面の電極はワイヤ８
０３によって端子８０４に接続されている。端子８０４
はセラミックやガラスからなる絶縁材８０５でロウ材８
１０，８１２を用いて封止されている。さらに枠体８０
６，シール材８０７がロー材８１２で接合され、シール
材８０７と蓋体８０８と溶接接合されることにより高周
波半導体素子が完成する。高周波半導体チップ８０１の
裏面には金属層８１３が設けてあり、この金属層８１３
は例えばＣｕから構成されている。前記の実施例と同様
に金属層８１３とＣｕ−Ｃｕ2Ｏ 複合材からなるベース
基板８１４は金属接合されている。また、Ｃｕ−Ｃｕ2
Ｏ 複合材からなるベース基板８１４には水冷冷却フィ
ン８０２が設けられている。高周波半導体チップ８０１
は高周波，高出力で動作させるため発生する熱を効率よ
く放散する必要があり、また、温度上昇によるチップ８
０１への熱応力や温度変化による繰り返し熱歪みを低減
することが必要である。ベース基板８１４が熱膨張係数
が１５×１０-6／℃以下、熱伝導率が130Ｗ／ｍ・Ｋ以
上の材料、例えば、Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ 複合材から構成さ
れ、これが高周波半導体チップ８０１に直接接合されて
いるため放熱性がよく、また、高周波半導体チップ８０
１との熱膨張係数差が小さいため熱応力が小さい。従っ
て、高周波半導体素子を高周波，高出力で効率よく安定
に動作させることができ高信頼性を確保できる。また、
水冷冷却フィン８０２を設けることにより放熱性能はさ
らに向上している。図９は本実施例の高周波半導体素子
の内部構造を示す斜視図を示している。Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ
複合材で高周波半導体チップが囲まれているため電磁シ
ールドとして機能し、電磁ノイズが漏洩することもなく
安定に動作できる。
モジュールで説明しているが、これに限定する必要がな
いことは言うまでもない。すなわち、金属層が表面に接
合された部材と放熱板を有するものであれば本発明の直
接接合構造を採用でき、高い放熱性と信頼性を確保でき
る。例えば、半導体チップが半導体論理素子とする場
合、本発明構造を適用することにより論理素子の動作周
波数を向上させてもチップの温度が限界以上に上昇する
ことがなくなり、論理処理速度を向上できる。この場合
の構造は基本的に図１の半導体チップ１０１を上記素子
に置き換えたものであるが、チップ表面接続構造や端子
やモールド構造など本発明の対象とする部位以外の構造
は適宜公知の構造が適用されてよい。また、半導体素子
はメモリーやシステムＬＳＩやパワー素子等の他の素子
であっても同様の効果が得られる。 （実施例４）図８は本発明の他の実施例の高周波半導体
素子の断面図を示したものである。ＳｉあるいはＧａＡ
ｓ等からなる高周波半導体チップ８０１はＣｕ−Ｃｕ2
Ｏ複合材からなるベース基板８１４上に直接接合されて
いる。高周波半導体チップ８０１表面の電極はワイヤ８
０３によって端子８０４に接続されている。端子８０４
はセラミックやガラスからなる絶縁材８０５でロウ材８
１０，８１２を用いて封止されている。さらに枠体８０
６，シール材８０７がロー材８１２で接合され、シール
材８０７と蓋体８０８と溶接接合されることにより高周
波半導体素子が完成する。高周波半導体チップ８０１の
裏面には金属層８１３が設けてあり、この金属層８１３
は例えばＣｕから構成されている。前記の実施例と同様
に金属層８１３とＣｕ−Ｃｕ2Ｏ 複合材からなるベース
基板８１４は金属接合されている。また、Ｃｕ−Ｃｕ2
Ｏ 複合材からなるベース基板８１４には水冷冷却フィ
ン８０２が設けられている。高周波半導体チップ８０１
は高周波，高出力で動作させるため発生する熱を効率よ
く放散する必要があり、また、温度上昇によるチップ８
０１への熱応力や温度変化による繰り返し熱歪みを低減
することが必要である。ベース基板８１４が熱膨張係数
が１５×１０-6／℃以下、熱伝導率が130Ｗ／ｍ・Ｋ以
上の材料、例えば、Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ 複合材から構成さ
れ、これが高周波半導体チップ８０１に直接接合されて
いるため放熱性がよく、また、高周波半導体チップ８０
１との熱膨張係数差が小さいため熱応力が小さい。従っ
て、高周波半導体素子を高周波，高出力で効率よく安定
に動作させることができ高信頼性を確保できる。また、
水冷冷却フィン８０２を設けることにより放熱性能はさ
らに向上している。図９は本実施例の高周波半導体素子
の内部構造を示す斜視図を示している。Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ
複合材で高周波半導体チップが囲まれているため電磁シ
ールドとして機能し、電磁ノイズが漏洩することもなく
安定に動作できる。
【００４５】また、高周波半導体素子はＳｉやＧａＡｓ
としたがＧａＮ，ＳｉＣ，ダイアモンド等の他の高周波
半導体素子であっても同様の効果が得られる。また、本
発明の構造は接合信頼性が高いため、２００℃から５０
０℃といった高温で動作可能な半導体チップを搭載する
場合にも好適である。
としたがＧａＮ，ＳｉＣ，ダイアモンド等の他の高周波
半導体素子であっても同様の効果が得られる。また、本
発明の構造は接合信頼性が高いため、２００℃から５０
０℃といった高温で動作可能な半導体チップを搭載する
場合にも好適である。
【００４６】
【発明の効果】以上に述べたように本発明によれば、組
立て性に優れ、高信頼性と高熱伝導性を有するセラミッ
ク絶縁基板−放熱板直接接合構造ヒートシンク、これを
用いた半導体装置、及び、これを用いた電力変換装置あ
るいは高周波トランジスタ装置が得られる。
立て性に優れ、高信頼性と高熱伝導性を有するセラミッ
ク絶縁基板−放熱板直接接合構造ヒートシンク、これを
用いた半導体装置、及び、これを用いた電力変換装置あ
るいは高周波トランジスタ装置が得られる。
【図１】本発明に係る半導体装置の断面図。
【図２】本発明に係る半導体装置の断面図。
【図３】本発明に係る半導体装置の断面図。
【図４】本発明に係る半導体装置の底面斜視図。
【図５】本発明に係るセラミック絶縁基板−放熱板直接
接合構造ヒートシンクの製造工程説明図。
接合構造ヒートシンクの製造工程説明図。
【図６】本発明に係るセラミック絶縁基板−放熱板直接
接合構造ヒートシンクの製造工程説明図。
接合構造ヒートシンクの製造工程説明図。
【図７】本発明に係る半導体装置の断面図。
【図８】本発明に係る半導体装置の断面図。
【図９】本発明に係る半導体装置の断面図。
【図１０】熱膨張係数と熱伝導率との関係を示す線図。
１０１，８０１…半導体素子、１０２…半田、１０３…
ワイヤ、１０４…ケース、１０５…ゲルまたはモールド
レジン、１０６，１０７，１１１…セラミック絶縁基板
上に接合された金属層、１０８…金属層と放熱板の接合
面、１０９…セラミック絶縁基板、１１０，１５０，１
６０，２１０，７１０，８１４…放熱板、１２２，７２
２…放熱フィン、３０１，３０２…冷媒注入排出口、８
０４…端子、８１３…半導体チップに接合された金属
層。
ワイヤ、１０４…ケース、１０５…ゲルまたはモールド
レジン、１０６，１０７，１１１…セラミック絶縁基板
上に接合された金属層、１０８…金属層と放熱板の接合
面、１０９…セラミック絶縁基板、１１０，１５０，１
６０，２１０，７１０，８１４…放熱板、１２２，７２
２…放熱フィン、３０１，３０２…冷媒注入排出口、８
０４…端子、８１３…半導体チップに接合された金属
層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金田 潤也 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 鈴木 清光 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BA10 BA24 BA26 BB05 BB41 BC05 BC06 BD01 BD11 BD13
Claims (17)
- 【請求項１】半導体素子と、信号を入出力する配線と、
金属層が接合された絶縁基板と、放熱板とを有する半導
体装置において、前記放熱板と絶縁基板に接合されてい
る金属層は直接接合されていることを特徴とする半導体
装置。 - 【請求項２】半導体素子と、信号を入出力する配線と、
絶縁基板と、放熱板とを有する半導体装置において、前
記放熱板と絶縁基板は直接接合されていることを特徴と
する半導体装置。 - 【請求項３】金属層を有する半導体素子と、信号を入出
力する配線と、放熱板とを有する半導体装置において、
前記放熱板と半導体素子に接合されている金属層は直接
接合されていることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項４】前記放熱板は熱膨張係数が１５×１０-6℃
以下、熱伝導率が１３０Ｗ／ｍＫ以上，ヴィッカース硬
度が３００以下であることを特徴とする請求項１〜３記
載の半導体装置。 - 【請求項５】前記放熱板はＣｕとＣｕ2Ｏとの複合材か
らなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載
の半導体装置。 - 【請求項６】前記放熱板はＣｕとＣｕ2Ｏ，Ａｌ2Ｏ3及
びＳｉＯ2の少なくとも１種の粒子との複合材であるこ
とを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体
装置。 - 【請求項７】前記Ｃｕ2Ｏの結晶粒はＣｕの結晶粒の加
工方向に延伸していることを特徴とする請求項５記載の
半導体装置。 - 【請求項８】前記金属層はＣｕよりなり、前記ＣｕとＣ
ｕ2Ｏ，Ａｌ2Ｏ3及びＳｉＯ2 の少なくとも１種の粒子
との複合材からなる放熱板と直接接合していることを特
徴とする請求項１，３〜７のいずれかに記載の半導体装
置。 - 【請求項９】前記放熱板は内部に冷媒を通す空隙を有す
るフィンが設けられていることを特徴とする請求項１〜
８記載の半導体装置。 - 【請求項１０】前記放熱板は裏面に空冷フィンが設けら
れていることを特徴とする請求項１〜８記載の半導体装
置。 - 【請求項１１】前記放熱板に設けられたフィンは板厚方
向に平行な薄い放熱部フィンとフィン空隙が繰り返し配
置されたものであって、放熱部フィン厚さとフィン空隙
間隔の少なくともいずれかは２mm以下であり、好ましく
は１mm以下であることを特徴とする請求項９〜１０記載
の半導体装置。 - 【請求項１２】放熱板と絶縁基板が直接接合されている
一体型ヒートシンクにおいて、放熱板は金属と該金属よ
りも熱膨張係数が小さい無機化合物粒子とを有し、前記
化合物粒子は断面の面積率が前記粒子の全体の９５％以
上が互いに連なった複雑形状の塊となって分散している
ことを特徴とする半導体装置用ヒートシンク。 - 【請求項１３】放熱板と絶縁基板が直接接合されている
一体型ヒートシンクにおいて、放熱板は金属と該金属よ
りも熱膨張係数が小さい無機化合物粒子とを有し、前記
化合物粒子は単独で存在する粒子の数が断面で１００μ
ｍ四方内に１００個以下であり、残りの前記化合物粒子
は互いに連なった複雑形状の塊となって分散しているこ
とを特徴とする半導体装置用ヒートシンク。 - 【請求項１４】放熱板と絶縁基板が直接接合されている
一体型ヒートシンクにおいて、放熱板は金属と該金属よ
りも熱膨張係数が小さい無機化合物粒子とを有し、前記
化合物粒子はヴィッカース硬度が３００以下であること
を特徴とする半導体装置用ヒートシンク。 - 【請求項１５】放熱板と絶縁基板が直接接合されている
一体型ヒートシンクにおいて、放熱板は金属と該金属よ
りも熱膨張係数が小さい無機化合物粒子とを有し、２０
℃での熱伝導率１ｗ／ｍ・Ｋ当りの２０〜１５０℃での
平均熱膨張係数の増加率が０.０２５〜０.０３５ppm／
℃ であることを特徴とする半導体装置用ヒートシン
ク。 - 【請求項１６】放熱板と絶縁基板が直接接合されている
一体型ヒートシンクにおいて、放熱板は金属と該金属よ
りも熱膨張係数が小さい無機化合物粒子とを有し、前記
化合物粒子は互いに連なり塊となって分散しており、前
記塊は塑性加工によって伸ばされた方向に延びているこ
とを特徴とする半導体装置用ヒートシンク。 - 【請求項１７】放熱板と絶縁基板が直接接合されている
一体型ヒートシンクにおいて、放熱板は銅と酸化銅粒子
とを有し、前記酸化銅粒子は断面の面積率で前記粒子の
全体の９５％以上が互いに連なった複雑形状の塊となっ
て分散していることを特徴とする半導体装置用ヒートシ
ンク。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000027318A JP3452011B2 (ja) | 2000-01-31 | 2000-01-31 | 半導体装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000027318A JP3452011B2 (ja) | 2000-01-31 | 2000-01-31 | 半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001217363A true JP2001217363A (ja) | 2001-08-10 |
| JP3452011B2 JP3452011B2 (ja) | 2003-09-29 |
Family
ID=18552905
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000027318A Expired - Lifetime JP3452011B2 (ja) | 2000-01-31 | 2000-01-31 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3452011B2 (ja) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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