JP2007329163A - 電子デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】個別に冷却機能を調整可能で信頼性の高い電子デバイスを提供する。
【解決手段】電子デバイスＡは、電気素子が形成されたチップ１１と、はんだ層１３と、ダイパッド１２と、リード１５と、ボンディングワイヤ１６と、絶縁板１７と、中空熱交換部材２０とを備えている。管状熱伝達部材２０は、２カ所で曲げられた管により構成され、中空熱交換部材２０は、金属平板１４の裏面に接合されている。中空熱交換部材２０は、樹脂１８により封止されているとともに、冷媒が流れる冷却管３０に漣通しており、電気素子内で発生した熱を冷媒との熱交換により外部に放出して、電気素子の温度上昇を抑制するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、トランジスタ等の電気素子が形成されたチップを効率よく冷却させるための実装構造を有する電子デバイスに関する。
一般に、トランジスタなどの半導体素子が形成された半導体チップは、図１２に示すような構造によって実装されている。同図に示すように、半導体チップ１０１はダイパッド１０２の上に接着剤１０３により固着されており、半導体チップ１０１のパッド電極（図示せず）は、順に、ボンディングワイヤ１０６（金属細線）により、リード１０５に接続されている。リード１０５は、半導体チップ１０１と外部部材との間で、制御信号や電源電圧，接地電圧を授受するための信号配線である。また、ダイパッド１０２とリード１０５とは、典型的には１枚の導電板（たとえば銅合金板）を打ち抜き加工やエッチング加工して、形成されたものである。そして、半導体チップ１０１， ダイパッド１０２，接着剤１０３，リード１０５の一部（インナーリード），ボンディングワイヤ１０６は、たとえばエポキシ等の樹脂１０８により、封止されている。このような構造によって、半導体チップ１０１への異物や湿気，水分などの侵入を防いでいる。
ところで、大電力用のパワーデバイスなど、大電流や高周波電流が流れる半導体素子は、発熱量が大きいことから、熱放出のために図１１に示す実装構造とは異なる構造についての提案もなされている。
たとえば特許文献１には、半導体チップの両面を封止樹脂から露出させて、放熱フィンを半導体チップの両面に取り付けた構造が開示されている。特許文献２には、半導体チップを搭載しているダイパッドの裏面を封止樹脂から露出させて裏面に放熱フィンを取り付けた構造が開示されている。特許文献３には、半導体モジュールにおいて、複数の半導体チップを搭載している窒化アルミニウム基板に、開口を有するフィン付き銅ベースを直接取り付けた構造が開示されている。
特開２００１−１５６２２５号公報 特開２００３−２９７９９４号公報 特開２００４−２５９７９１号公報
しかしながら、上記特許文献１，２の構造では、半導体チップを冷却する能力に限界があり、パワーデバイスに必要な放熱性を確保することが困難である。
一方、特許文献３の半導体モジュールでは、水冷方式を採用しているために冷却能力は大きいが、大がかりな構造となり、しかも、半導体モジュール内の各種の半導体チップを画一的に冷却するために、必ずしも各半導体チップ個別に適した冷却機能を果たすことができないという不具合があった。
本発明の目的は、気密性を保持しつつ、各チップに設けられている電気素子の種類に応じた適正な冷却を行うための電子デバイスを提供することにある。
本発明の電子デバイスは、 電気素子が形成されたチップとともに、冷媒が流れる流通路を有する中空熱交換部材を封止部材中に封止させたものである。
これにより、封止部材中におけるチップと冷媒との熱交換が可能になるので、高い信頼性を維持しつつ、冷媒の種類、中空熱交換部材とチップとの位置、流通路の断面積、などの要素を選択することにより、冷却機能の調整範囲を拡大することができる。
中空熱交換部材とチップとの間に熱伝達部材を介在させることにより、冷却機能の調整範囲をより拡大することができる。
熱伝達部材が柱状部材であることにより、中空熱交換部材による冷却の度合いを調節することができる。
中空熱交換部材が複数個設けられていることにより、チップ内の冷却機能を局部的に変化させることができる。
中空熱交換部材が平坦部を有する単一の部材であることにより、製造コストの削減を図ることができる。
中空熱交換部材は、管を曲げることにより形成されていてもよく、直管のまま構成されていてもよく、ダイキャストにより形成されていてもよい。いずれの場合にも、簡素な工程により、製造の容易化および製造コストの低減を図ることが可能である。
中空熱交換部材の流通路が存在する部分は、平面的にみて、前記チップとオーバーラップしていることが好ましい。
本発明の電子デバイスにより、高い信頼性を維持しつつ、各チップに設けられている電気素子の種類に応じ、冷却機能を広い範囲で調整することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ），（ｂ）は、順に、実施の形態１に係る電子デバイスＡの構造を示す縦断面図、及びIb-Ib 線断面における横断面図である。図１（ａ），（ｂ）に示すように、本実施の形態の電子デバイスＡは、パワーデバイスなどの電気素子が形成されたチップ１１と、はんだ層１３を介してチップ１１が搭載されたダイパッド１２と、チップ１１内の電気素子と外部部材との間で、制御信号や電源電圧，接地電圧を授受するためのリード１５と、リード１５とチップ１１のボンディングパッド（後述）又はダイパッド１２とを接続するボンディングワイヤ１６（金属細線）と、ダイパッド１２の裏面に絶縁板１７を挟んで接合材により取り付けられ，ダイパッド１２とほぼ同じ大きさの金属平板１４と、管を曲げることにより形成され、管内空間を冷却水（冷媒）が流れる中空熱交換部材２０とを備えている。中空熱交換部材２０の管内空間が冷媒の流通路である。図１（ｂ）に示すように、平面的に見ると、中空熱交換部材２０の流通路の存在領域は、チップ１１の存在領域とオーバーラップしている。
本実施の形態においては、ダイパッド１２とリード１５と金属平板１４とは、銅又は銅合金板を打ち抜き又はエッチング加工して形成されたものであり、中空熱交換部材２０は、銅又は銅合金の管を２カ所で曲げたものを、金属平板部１４にろう付け、又は、はんだ付けすることにより、形成されたものである。そして、チップ１１，ダイパッド１２，金属平板１４および中空熱交換部材２０の下端部を除く部分，はんだ層１３，リード１５の一部（インナーリード），ボンディングワイヤ１６は、たとえばトランスファモールド工程を経て、エポキシ樹脂等の樹脂１８により、封止されている。
中空熱交換部材２０の下端部は樹脂１８の裏面から外方に突出していて、この下端部が水冷式の冷却管３０の上側面の段付き穴３０ａの大径部に嵌合している。中空熱交換部材２０の穴は冷却管３０の段付き穴３０ａの小径部を経て冷却管３０の管内空間に漣通している。すなわち、中空熱交換部材１４は、電気素子内で発生した熱を外部に放出して、電気素子の温度上昇を抑制するように構成されている。中空熱交換部材２０と冷却管３０との嵌合部には、グリスやはんだを用いてもよい。
また、冷却管３０には、冷却水の流れを中空熱交換部材２０と冷却管３０とに分流するための仕切り部材３１が設けられている。仕切り部材３１には、数カ所に開口が設けられていて、冷却水の流れが冷却管３０および中空熱交換部材２０のいずれにおいても滞らないように、かつ、電子デバイスＡ内の電気素子の温度が所定の範囲に維持されるように、設計されている。仕切り部材３１は網状部材であってもよいし、冷却管３０の全断面を遮蔽しているものであってもよい。
図２（ａ），（ｂ）は、順に、本実施の形態に係るチップ１１の平面図、及び要部の縦断面図である。図２（ｂ）において層間絶縁膜や配線層の図示は省略されている。
図２（ａ）に示すように、本実施の形態に係る電子デバイスＡにおいて、シリコン基板を用いて形成されたチップ１１には、電気素子として、縦型ＭＯＳＦＥＴ６０（縦型パワー素子）が形成されている。そして、チップ１１の上面上には、縦型ＭＯＳＦＥＴ６０のソース電極パッド６２とが設けられている。
図２（ｂ）に示すように、シリコン基板内には、裏面側から順に、縦型ＭＯＳＦＥＴ６０のドレイン領域として機能するｎ＋ 領域５２と、ドリフト層として機能するｎ領域５３と、ｎ領域５３に囲まれるｐウエル５４と、ｐウエル５４に囲まれるｎ＋ 型のソース領域５８とが形成されている。
さらに、縦型ＭＯＳＦＥＴ６０には、ソース領域５８に接触するソース電極７０と、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜７１と、ポリシリコンからなるポリシリコンゲート７２と、ゲート引き出し電極７５と、基板裏面側に形成されたドレイン電極７３とが設けられている。縦型ＭＯＳＦＥＴ６０の１つのセルは、ｎ＋ 領域５２，ｎ領域５３，及びｐウエル５４におけるゲート絶縁膜７１下方の領域を経て、ソース領域５８に電流が流れる縦型ＭＯＳＦＥＴ構造となっている。縦型ＭＯＳＦＥＴ６０は、多数のセルが並列に接続されて、大電力のＯＮ・オフを制御するパワースイッチングデバイスでもある。
なお、チップ１１内にショットキーダイオードが設けられているタイプもあり、その場合には、ｎ領域上にショットキー電極が設けられている。ショットキーダイオードに代えて、ＰＮダイオード，ＰｉＮダイオードが設けられることもある。
そして、電子デバイスＡのボンディングワイヤ１６は、図２（ａ）に示すボンディングパッド６４，６２やダイパッド１２（図１参照）に接続されている。
図３（ａ），（ｂ）は、順に、電子デバイスが配置される電子モジュール４０の一例を示す平面図、およびその一部を拡大した平面図である。なお、同図において、配線構造の図示は省略されている。
図３（ａ）に示すように、電子モジュールは、銅又は銅合金製の枠体４０内に各種電子デバイス４１を配置して構成される。モジュールとして三相インバータを想定した場合、電子デバイス４１は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のそれぞれに対応する３つの領域４２ａ，４２ｂ，４２ｃに分かれて配置されている。そして、各領域４２ａ，４２ｂ，４２ｃには、それぞれハイサイド、ローサイドの２組の電子デバイス４１が配置されていて、図３（ｂ）に示すように、各電子デバイスには、縦型ＭＯＳＦＥＴ，及びショットキーダイオードが設けられている。そして、枠体４０の下方には、冷却水が流れる冷却管３０が設けられており、図１（ａ）に示すように、中空熱交換部材２０には水冷式の冷却管３０から冷却水が分流されて流れ、冷却管３０に戻る構造となっている。水冷方式に代えて空冷方式であってもよい。
本実施形態の電子デバイスＡによると、モジュール内に多数の電子デバイスを配置して共通の冷却管３０で冷却する場合にも、機能的には電子デバイス個別に冷却することが可能な構造（水冷又は空冷方式）となっている。特許文献３のような構造の場合には、パワー半導体モジュール内の各種デバイスを一律に冷却することしかできず、デバイス個別の冷却を行うことができない。パワー半導体モジュール内には、本実施の形態のようなシリコン基板を用いた電気素子だけでなく、ＳｉＣ基板，ＧａＮ基板などの基板を用いた電気素子も配置されることがあるが、シリコン基板を用いたトランジスタと、ＳｉＣ基板を用いたトランジスタとでは、動作温度の上限が異なる。たとえば、シリコン基板を用いたトランジスタでは、室温程度の温度が動作効率もよく、高温では故障を生じやすい。ところが、ＳｉＣ基板，ＧａＮ基板などを用いたトランジスタでは、より高温においても動作が可能である。特許文献３の方式では、各種デバイスに応じた冷却能力の調整ができないので、ハイブリッド車などにおいて容量に制限のある冷却水や冷却空気を効率よく利用することができない。
それに対して、本発明の電子デバイスでは、中空熱交換部材２０を封止部材である樹脂１８内まで設けることにより、樹脂１８内で冷媒との熱交換が可能となっている。これにより、冷却機能の向上を図ることができるとともに、冷媒の種類，中空熱交換部材２０の管径，本数などの調整によって、チップ１１内に配置される電気素子の種類に応じて冷却機能（放熱性）を広く調整して、冷却水や冷却空気を効率よく配分することができる。また、電子デバイス極めて近傍で熱交換媒体との熱交換（本実施形態では、水冷）を行うので、電子デバイスの負荷の急激な増大による温度上昇を迅速に抑制することもできる。
しかも、ダイパッド１２の上方だけでなく中空熱交換部材２０の下方に樹脂１８が存在しているので、特許文献１〜３のごとくチップの片面又は両面が封止樹脂から露出している構造とは異なり、チップ１１や中空熱交換部材２０を樹脂１８により強固に保持することができ、水分・湿気や異物の侵入を防ぐことができる。つまり、高い信頼性を発揮することができる。
なお、本実施形態においては、冷却管３０および中空熱交換部材２０に流れる冷媒を水としたが、水以外にも、アルコール類，グリコール類（溶液を含む），油類などの液体、さらに、大気，窒素ガス，アルゴンガス，ヘリウムガスなどの気体を冷媒として用いても、本発明の効果を発揮することができる。特に、各中空熱交換部材２０に個別に相異なる冷媒を流して、電子デバイス内に形成される複数の電気素子の種類ごとに、それぞれ適正な温度になるように制御することもできる。
（実施の形態１の変形例）
図４（ａ），（ｂ）は、順に、実施の形態１の変形例に係る電子デバイスＢの構造を示す縦断面図、及びIVb−IVb 線断面における横断面図である。本変形例においては、図１に示す電子デバイスＡと同じ部材については同じ符号を付して説明を省略し、異なる点のみ説明する。本変形例の電子デバイスＢにおいては、図４（ｂ）に示すように、中空熱交換部材２０の断面形状と、冷却管３０の段付き穴３０ａの断面形状とがいずれも長円形である。そして、中空熱交換部材２０にはチップ面とほぼ平行な平坦部があり、図４（ｂ）に示すように、平坦部の長辺方向寸法がチップの幅寸法に近いので、中空熱交換部材２０は１個で足りることになる。
本変形例によると、中空熱交換部材２０の内部空間の大部分に冷却水が流れるので、冷却機能がさらに向上する。また、中空熱交換部材２０は、長円形状の断面を有する管を２カ所で曲げるか、大径の円形管をプレスで断面が長円形状の管（平管）に仕上げると同時に、２カ所で曲げる塑性加工によって、形成される。矩形状の断面を有する角管を用いてもよい。市販の管を用いることにより、中空熱交換部材２０を簡素な工程で仕上げることができ、製造コストの削減を図ることができる。また、本変形例では、チップ１１に近い部分を冷媒が流れることから、電気素子がＳｉＣデバイス等であって比較的高温での動作が好ましい場合には、冷媒として水よりも冷却能の小さいものを用いることが好ましい。したがって、空冷方式などを採用することも可能になり、電子デバイス周辺の構造を含むモジュール全体としてのコスト削減が可能になる。
また、本変形例では、中空熱交換部材２０の最上部の管壁が平坦なので、金属平板１４をなくして、中空熱交換部材２０と絶縁板１７とを直接接着することも可能である。その場合には、部品数の削減により、製造コストのさらなる低減を図ることが可能である。
なお、実施の形態１およびその変形例において、絶縁板１７がセラミックスで構成されている場合には、絶縁板１７の両面にメタライズ層を形成しておいて、メタライズ層とダイパッド１２の間、メタライズ層と金属平板１４（又は中空熱交換部材２０）との間をそれぞれろう付け，はんだ付けによって接合することも可能である。その場合には、有機材料からなる接着剤層に比べて、熱伝達率が向上する利点がある。
（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係る電子デバイスＣの構造を示す縦断面図である。本実施の形態においては、図１に示す電子デバイスＡと同じ部材については同じ符号を付して説明を省略し、異なる点のみ説明する。本実施の形態の電子デバイスＣにおいては、実施の形態１の電子デバイスＡとは異なり、中空熱交換部材２０は、板状の内部空間を囲む平板部２０ａと、平板部２０ａの下面から下方に延びる給排管２０ｂとにより構成されている。そして、平板部２０ａの内部空間および給排管２０ｂの穴とがつながって、冷媒の流通する流通路となっている。
また、実施の形態１と同様に、給排管２０ｂの下端部は樹脂１８の裏面から外方に突出していて、この下端部が水冷式の冷却管３０の上側面の段付き穴３０ａの大径部に嵌合している。給排管２０ｂの穴は冷却管３０の段付き穴３０ａの小径部を経て冷却管３０の内部に漣通している。すなわち、中空熱交換部材２０は、電気素子内で発生した熱を外部に放出して、電気素子の温度上昇を抑制するように構成されている。給排管２０ｂと冷却管３０との嵌合部には、グリスやはんだを用いてもよい。
給排管２０ｂの断面形状は、円形、矩形状など、いかなる形状であってもよい。給排管２０ｂは、供給側および排出側に複数個を配置することができ、平板部２０ａの内部空間全体における冷却水の流れが所望の分布状態になるよう制御することができる。特に、給排管２０ｂの断面形状が幅広の矩形状の場合には、給排管２０ｂは供給側と排出側とにそれぞれ１つだけ設けられていてもよいし、冷媒の流れが所望状態になるように複数個設けてもよい。
本実施の形態においては、ダイパッド１２とリード１５とは、銅又は銅合金板を打ち抜き又はエッチング加工して形成されたものである。中空熱交換部材２０は、たとえば、中空熱交換部材２０の平板部２０ａの縦方向における中央部から上方の部分をダイキャストにより形成し、平板部２０ａの縦方向の中央部から下方の部分および給排管２０ｂをダイキャストにより一体的に形成しておいて、２つのダイキャスト体をろう付けすることにより形成される。そして、チップ１１，ダイパッド１２，中空熱交換部材２０のうち給排管２０ｂの下端部を除く部分，はんだ層１３，リード１５の一部（インナーリード），ボンディングワイヤ１６は、たとえばトランスファモールド工程を経て、エポキシ樹脂等の樹脂１８により、封止されている。
本実施の形態の電子デバイスＣによると、実施の形態１と同じ効果を発揮することができるに加えて、実施の形態１に比べ、中空熱交換部材２０の平板部２０ａの内部空間の大部分に冷却水が流れるので、冷却機能がさらに向上する。また、上述のように、中空熱交換部材２０の平板部２０ａの上部と、平板部２０ａの下部および給排管２０ｂとを個別にダイキャストにより形成しておいて、両者をろう付けすれば、簡素な工程で中空熱交換部材２０を実現することができ、製造コストも比較的低コストである。
なお、本実施の形態においては、冷却管３０および中空熱交換部材２０に流れる冷媒を水としたが、水以外にも、アルコール類，グリコール類（溶液を含む），油類などの液体、さらに、大気，窒素ガス，アルゴンガス，ヘリウムガスなどの気体を冷媒として用いても、本発明の効果を発揮することができる。特に、各中空熱交換部材２０に個別に相異なる冷媒を流して、電子デバイス内に形成される電気素子の種類ごとに、それぞれ適正な温度になるように制御することもできる。本実施の形態では、チップ１１に近い部分を冷媒が流れることから、電気素子がＳｉＣ等である場合には、冷媒として水よりも冷却能の小さいものを用いることがコスト削減には好ましい。したがって、空冷方式を採用することも可能になり、電子デバイス周辺の構造を含むモジュール全体としてのコスト削減が可能になる。また、ＳｉＣを用いた電界効果トランジスタの構造によっては、室温よりも高い温度下において高効率の動作を示すことがあるが、その場合には、冷却能の小さい熱交換媒体（空気など）を使用することにより、動作効率の向上を図ることも可能である。
本実施の形態において、平板部２０ａの内部空間は複数の室に仕切られていてもよい。たとえば、内蔵している電気素子の種類が互いに異なる複数のチップが電子デバイスＣ内に配置されていたり、チップ１１内に種類が互いに異なる複数の電気素子が配置されている場合に、平板部２０ａの内部空間の複数の室における冷媒の流量を、直上に位置する電気素子の種類に応じて適宜調整することができる。したがって、電子デバイス内の複数の電気素子の温度を一律ではなく、その種類に応じて最適範囲に維持することができ、著効を奏することができる。
（実施の形態２の変形例）
図６は、実施の形態２の変形例に係る電子デバイスＤの構造を示す縦断面図である。本変形例においては、図５に示す電子デバイスＣと同じ部材については同じ符号を付して説明を省略し、異なる点のみ説明する。本変形例においては、中空熱交換部材２０の平板部２０ａには内部空間は設けられておらず、代わりに平面形状が矩形の凹部が設けられている。そして、中空熱交換部材２０の平板部２０ａと絶縁板１７との間に、冷却水（冷媒）が流れる空間（冷媒の流通路）が形成されている。本変形例は、いわば、実施の形態２の中空熱交換部材２０の平板部２０ａの上部を削除したものに相当する。
本変形例においては、たとえば、絶縁板１７の下面にメタライズ層を形成しておいて、凹部を有する平板部２７ａおよび給排管２７ｂをダイキャストにより一体成型物２７として形成しておいて、この一体成型物２７を絶縁板１７下面のメタライズ層に直接ろう付けすることにより、絶縁板１７および一体成型物２７からなる中空熱交換部材２２を形成することができる。これにより、簡素な工程で中空熱交換部材２２の内部空間に冷媒が流れる構造を実現することができる。本変形例では、ダイキャスト品は１つで足りるので、実施の形態２よりも製造コストを削減することが可能である。
なお、絶縁板１７の下面にメタライズ層を形成せずに、平板部２０ａと絶縁板１７とを接着剤により接続してもよい。
（実施の形態３）
図７は、実施の形態３に係る電子デバイスＥの構造を示す縦断面図である。本実施の形態においては、図５に示す電子デバイスＣと同じ部材については同じ符号を付して説明を省略し、異なる点のみ説明する。本実施の形態の電子デバイスＥにおいては、実施の形態２の電子デバイスＣとは異なり、中空熱交換部材２０の平板部２０ａが絶縁板１７から離間した下方位置に配置されており、絶縁板１７と平板部２０ａとの間に、柱状の熱伝達部材２１が介在している。本実施の形態の電子デバイスＤにおける平板部２０ａおよび給排管２０ｂからなる中空熱交換部材２０の基本的な構造は、実施の形態２の電子デバイスＣと同じである。
本実施の形態においては、ダイパッド１２とリード１５とは、銅又は銅合金板を打ち抜き又はエッチング加工して形成されたものである。熱伝達部材２１および中空熱交換部材２０は、たとえば、中空熱交換部材２０の平板部２０ａの上部および熱伝達部材２１をダイキャストにより一体的に形成し、平板部２０ａの下部および給排管２０ｂをダイキャストにより一体的に形成しておいて、２つのダイキャスト体をろう付けすることにより形成される。そして、チップ１１，ダイパッド１２，中空熱交換部材２０のうち給排管２０ｂの下端部を除く部分，はんだ層１３，リード１５の一部（インナーリード），ボンディングワイヤ１６は、たとえばトランスファモールド工程を経て、エポキシ樹脂等の樹脂１８により、封止されている。
本実施の形態の電子デバイスＥによると、実施の形態２と同じ効果を発揮することができるに加えて、以下の効果を奏することができる。すなわち、実施の形態２に比べ、冷却水（冷媒）が流通する中空熱交換部材２０の平板部２０ａが、熱伝達部材２１を隔ててチップ１１から比較的離間した位置に配置されているので、平板部２０ａの上下位置の調整によって、チップ１１内の電気素子に対する冷却機能を調整でき、実施形態２に比べ、冷却機能の調整範囲をより拡大することができる。
なお、本実施形態においては、冷却管３０および中空熱交換部材２０に流れる冷媒を水としたが、水以外にも、アルコール類，グリコール類（溶液を含む），油類などの液体、さらに、大気，窒素ガス，アルゴンガス，ヘリウムガスなどの気体を冷媒として用いても、本発明の効果を発揮することができる。特に、各中空熱交換部材２０に個別に相異なる冷媒を流して、電子デバイス内に形成される電気素子の種類ごとに、それぞれ適正な温度になるように制御することもできる。
本実施の形態においても、平板部２０ａの内部空間は複数の室に仕切られていてもよい。実施の形態２で述べたように、平板部２０ａの内部空間の複数の室における冷媒の流量を直上に位置する電気素子の種類に応じて適宜調整することができるので、電子デバイス内の複数の電気素子の温度を、その種類に応じて最適範囲に維持することができ、著効を奏することができる。
（実施の形態３の第１変形例）
図８は、実施の形態３の第１変形例に係る電子デバイスＦの構造を示す縦断面図である。本変形例においては、図７に示す電子デバイスＥと同じ部材については同じ符号を付して説明を省略し、異なる点のみ説明する。本変形例においては、中空熱交換部材２０の上方には、柱状部２１ａと平板部２１ｂとからなる熱伝達部材２１が配置されている。そして、実施形態１の電子デバイスＡと基本的には同じ形状を有している中空熱交換部材２０が設けられている。冷却管３０，段付き穴３０ａ，および仕切り部材３１の構造は、実施の形態１と同じである。本変形例によっても、実施の形態３と同様に、平板部２０ａの上下位置の調整によって、チップ１１内の電気素子に対する冷却機能を調整できるので、冷却機能の調整範囲をより拡大することができる。
（実施の形態３の第２変形例）
図９は、実施の形態３の第２変形例に係る電子デバイスＧの構造を示す縦断面図である。本変形例においては、図７に示す電子デバイスＥと同じ部材については同じ符号を付して説明を省略し、異なる点のみ説明する。本変形例においては、矩形状断面を有する中空熱交換部材２０（実施形態１の変形例（図４（ａ），（ｂ）参照）の平坦部と、絶縁板１７との間に、柱状の熱伝達部材２１が介設されている。そして、冷却管３０，その段付き穴３０ａ，および仕切り部材３１の構造は、実施形態１の変形例と同じである。本変形例によると、中空熱交換部材２０の平坦部の上下位置の調整によって、チップ１１内の電気素子に対する冷却機能を調整できるので、実施の形態３と同様に、冷却機能の調整範囲をより拡大することができる。
（実施の形態４）
図１０は、実施の形態４に係る電子デバイスＨの構造を示す縦断面図である。本実施の形態においては、図４（ａ）に示す電子デバイスＢと同じ部材については同じ符号を付して説明を省略し、異なる点のみ説明する。本実施の形態では、中空熱交換部材２０は、断面矩形状の直管により構成されている。直管の管内空間が、冷媒の流れる流通路である。中空熱交換部材２０の上面は絶縁板１７に接続されている。中空熱交換部材２０の両端部は樹脂１８から外方に突出しており、樹脂１８の外方において、中空熱交換部材２０の両端部は、断面矩形状のフレキシブル配管２５に接続さされている。フレキシブル配管２５は、冷却管３０に接続され、分流された冷却水（冷媒）が中空熱交換部材２０の管内を流れるように構成されている。冷却管３０には、実施の形態１と同じ仕切り部材３１が設けられている。
また、中空熱交換部材２０の下面から樹脂１８の裏面まで延びる柱状の副熱伝達部材２３が設けられており、副熱伝達部材２３は、中空熱交換部材２０ａの下面から延びて樹脂の裏面に達している。
本実施の形態においては、ダイパッド１２とリード１５とは、銅又は銅合金板を打ち抜き又はエッチング加工して形成されたものである。中空熱交換部材２０は、たとえば、絶縁板１７の下面にメタライズ層を形成しておいて、中空熱交換部材２０の上面とメタライズ層とをろう付けし、さらに、中空熱交換部材２０の下面に副熱伝達部材２３をはんだ付けすることにより、形成することができる。そして、チップ１１，ダイパッド１２，中空熱交換部材２０のうち両端部を除く部分，はんだ層１３，リード１５の一部（インナーリード），ボンディングワイヤ１６，および副熱伝達部材２３の下端面を除く部分は、たとえばトランスファモールド工程を経て、エポキシ樹脂等の樹脂１８により、封止されている。中空熱交換部材２０の紙面に垂直な方向における幅は、樹脂１８よりは小さく、中空熱交換部材２０の両端部を除く部分全体が樹脂１８によって封止されている。
本実施形態においては、冷却管３０および中空熱交換部材２０に流れる冷媒を水としたが、水以外にも、アルコール類，グリコール類（溶液を含む），油類などの液体、さらに、大気，窒素ガス，アルゴンガス，ヘリウムガスなどの気体を冷媒として用いても、本発明の効果を発揮することができる。特に、各中空熱交換部材２０に個別に相異なる冷媒を流して、電子デバイス内に形成される電気素子の種類ごとに、それぞれ適正な温度になるように制御することもできる。本実施の形態の電子デバイスＨは、中空熱交換部材２０ａにより広い面積で熱の放出を行うことができるので、特に大きな冷却機能を発揮することができる。したがって、ワイドバンドギャップ半導体を利用した電気素子を内蔵するものであっても、空冷方式を採用することも可能である。
また、中空熱交換部材２０と絶縁板１７との間に、図９に示す柱状部材２１が設けられていてもよい。その場合には、冷却機能の調整範囲をより拡大することができる。
（実施の形態５）
図１１は、実施の形態４に係る電子デバイスＩの構造を示す縦断面図である。本実施の形態においては、図６に示す電子デバイスＤと同じ部材については同じ符号を付して説明を省略し、異なる点のみ説明する。本実施形態においては、チップ１１には横型ＭＯＳＦＥＴが内蔵されており、チップ１１とリード１５との間にのみボンディングワイヤ１６が設けられている。そして、中空熱交換部材２２は、ダイパッド１２と、凹部を有する平板部２７ａと、給排管２７ｂとによって構成されている。すなわち、実施の形態２の変形例と同様に、中空熱交換部材２２の平板部２７ａには内部空間は設けられておらず、代わりに平面形状が矩形の凹部が設けられている。そして、中空熱交換部材２２の平板部２７ａとダイパッド１２との間に冷却水（冷媒）が流れる空間（冷媒の流通路）が形成されている。
本実施の形態においては、ダイパッド１２とリード１５とは、銅又は銅合金板を打ち抜き又はエッチング加工して形成されたものである。そして、たとえば、凹部を有する平板部２７ａおよび給排管２７ｂをダイキャストにより一体成型物２７として形成しておいて、この一体成型物２７をダイパッド１２の下面に直接ろう付けすることにより、ダイパッド１２および一体成型物２７からなる中空熱交換部材２２を形成することができる。これにより、簡素な工程で中空熱交換部材２２の内部空間（冷媒が流れる流通路）を形成することができる。そして、チップ１１，ダイパッド１２，中空熱交換部材２２のうち給排管２７ｂの下端部を除く部分，はんだ層１３，リード１５の一部（インナーリード），およびボンディングワイヤ１６は、たとえばトランスファモールド工程を経て、エポキシ樹脂等の樹脂１８により、封止されている。
本実施形態においては、冷却管３０および中空熱交換部材２２に流れる冷媒を水としたが、水以外にも、アルコール類，グリコール類（溶液を含む），油類などの液体、さらに、大気，窒素ガス，アルゴンガス，ヘリウムガスなどの気体を冷媒として用いても、本発明の効果を発揮することができる。特に、各中空熱交換部材２２に個別に相異なる冷媒を流して、電子デバイス内に形成される電気素子の種類ごとに、それぞれ適正な温度になるように制御することもできる。
（実施の形態１〜５における他の構造）
上記各実施の形態において、チップ１１の上面側にも、下面側と同様に、冷媒が流通する管状部材を有する中空熱交換部材を設けてもよい。その場合、電子デバイスの外部に管状部材と冷却管との間に冷媒の供給用配管および冷媒排出用配管を配置することにより、チップ１１の上面側からチップを冷却することが可能になる。
上記各実施形態においては、中空熱交換部材２０又は２２には、冷却管３０から冷媒を導入するようにしたが、中空熱交換部材２０又は２２に、冷却管を流れる冷媒とは別の冷媒を流すように構成してもよい。たとえば、冷却管３０には冷却水を流し、中空熱交換部材２０には、空気を流すようにしてもよい。
上記実施形態及び各変形例において、冷媒の流通路の壁面にフィンを設けることもできる。これにより、熱交換機能がさらに向上する。
上記実施形態及び各変形例では、樹脂を用いたトランスファモールドによりチップ等を封止しているが、樹脂封止に代えてガラスを用いたり、トランスファモールドに代えて樹脂やガラスを用いたポッティングによる封止構造を採用する、などの封止方法も可能である。
上記各実施形態においては、パワー半導体素子として縦型ＭＯＳＦＥＴを設けたが、横型ＭＯＳＦＥＴなどの横型半導体素子を設けたものについても、適用することができる。
本発明の電子デバイスにおいて、チップ内に配置される電気素子には、ＩＧＢＴ，ＪＦＥＴ，サイリスタなどのいわゆる能動素子や、ダイオード，抵抗素子、容量素子（コンデンサ），誘導素子（インダクタ）等の受動素子が含まれる。
なお、上記各実施形態及び変形例では、チップ１１の裏面には必ず中空熱交換部材２０が設けられている構造を示したが、本発明の構造は、かかる形態に限定されるものではなく、中空熱交換部材がチップの上面にだけ設けられていてもよい。
上記開示された本発明の各実施の形態，変形例及びその他の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
本発明の電子デバイスは、ＩＧＢＴ，ダイオード，サイリスタ，抵抗素子、容量素子（コンデンサ），誘導素子（インダクタ）等を搭載した各種機器に利用することができ、特に電子モジュールの要素として利用することができる。
（ａ），（ｂ）は、順に、実施の形態１に係る電子デバイスの構造を示す縦断面図、及びIb-Ib 線断面における横断面図である。 （ａ），（ｂ）は、順に、実施の形態１に係るるチップの平面図、及び要部の縦断面図である。 （ａ），（ｂ）は、順に、電子デバイスが配置される電子モジュールの一例を示す平面図、およびその一部を拡大した平面図である。 （ａ），（ｂ）は、順に、実施の形態１の変形例に係る電子デバイスの構造を示す縦断面図、及びIVb-IVb 線断面における横断面図である。 実施の形態２に係る電子デバイスの構造を示す縦断面図である。 実施の形態２に係る変形例に係る電子デバイスの構造を示す縦断面図である。 実施の形態３の電子デバイスの構造を示す縦断面図である。 実施の形態３の第１変形例に係る電子デバイスの構造を示す縦断面図である。 実施の形態３の第２変形例に係る電子デバイスの構造を示す縦断面図である。 実施の形態４に係る電子デバイスの構造を示す縦断面図である。 実施の形態５に係る電子デバイスの構造を示す縦断面図である。 一般的な従来の樹脂封型半導体装置の構造を示す縦断面図である。
符号の説明
１１ チップ
１２ ダイパッド
１３ はんだ層
１４ 金属平板
１５ リード
１６ ボンディングワイヤ
１７ 絶縁板
１８ 樹脂
２０ 中空熱交換部材
２０ａ 平板部
２０ｂ 給排管
２１ 熱伝達部材
２１ａ 柱状部
２１ｂ 平板部
２２ 中空熱交換部材
２３ 副熱伝達部材
２７ａ 平板部
２７ｂ 給排管
５２ ｎ＋ 領域
５３ ｎ領域
５４ ｐウエル
５５ ｎウエル
５６ ソース・ドレイン拡散層
５８ ソース領域
６０ 縦型ＭＯＳＦＥＴ
６１ 制御回路部
６２ ボンディングパッド
６４ ボンディングパッド
６６ ソース電極
６７ ゲート引き出し電極
６８ ドレイン電極
７０ ソース電極
７１ ゲート絶縁膜
７２ ポリシリコンゲート
７３ ドレイン電極
７５ ゲート引き出し電極

Claims (9)

  1. 電気素子が形成されたチップと、
    前記チップに熱伝達可能に設けられ冷媒が流れる流通路を有する中空熱交換部材と、
    前記チップと前記中空熱交換部材の一部とを封止する封止部材と
    を備えている，電子デバイス。
  2. 請求項１記載の電子デバイスにおいて、
    前記中空熱交換部材と前記チップとの間に介設された熱伝達部材
    をさらに備えている，電子デバイス。
  3. 請求項２記載の電子デバイスにおいて、
    前記熱伝達部材は、柱状部材である，電子デバイス。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の電子デバイスにおいて、
    前記中空熱交換部材は、複数個設けられている，電子デバイス。
  5. 請求項１〜３のいずれかに記載の電子デバイスにおいて、
    前記中空熱交換部材は、平坦部を有する単一の部材である，電子デバイス。
  6. 請求項１〜５のいずれかに記載の電子デバイスにおいて、
    前記中空熱交換部材は、管を曲げることにより形成されている，電子デバイス。
  7. 請求項１〜５のいずれかに記載の電子デバイスにおいて、
    前記中空熱交換部材は、直管により構成されている，電子デバイス。
  8. 請求項１〜５のいずれかに記載の電子デバイスにおいて、
    前記中空熱交換部材は、ダイキャストにより形成されている，電子デバイス。
  9. 請求項１〜８のいずれかに記載の電子デバイスにおいて、
    前記中空熱交換部材の流通路が存在する部分は、平面的にみて、前記チップとオーバーラップしている電子デバイス。
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