JP2008270294A - Heat sink member and semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having high reliability and cooling function. <P>SOLUTION: The semiconductor device 10 comprises: a semiconductor chip 11 in which a semiconductor element is formed; a heat sink member 24 for discharging heat generated from the semiconductor chip 11 to a heat exchanging medium; and metallization 23 interposed between the heat sink member 24 and the semiconductor chip 11. The heat sink member 24 includes: a heat sink body 21 composed of an inorganic insulating material and having a planar portion 21a and a fin portion 21b; and a protective layer 22 of a metal layer or a metallize layer covering a region of the heat sink body 21 exposed to the heat exchanging medium. The protective layer 22 prevents wear such as corrosion of the heat sink body 21 composed of an inorganic insulating material. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体チップなどの熱を放出するためのヒートシンク、およびヒートシンクの主面側に半導体チップを実装してなる半導体装置に関する。   The present invention relates to a heat sink for releasing heat, such as a semiconductor chip, and a semiconductor device in which a semiconductor chip is mounted on the main surface side of the heat sink.

図７は、従来のＩＧＢＴチップを搭載した半導体装置の構造を示す断面図である。同図に示すように、ＣｕＭｏ等により構成されている放熱基板１０１の主面側には、放熱基板１０１に、はんだ層１０２により固定されたＡｌ板１０４と、Ａｌ板１０４の主面にＡｌろうによって固定されたＡｌＮ板１０６と、ＡｌＮ板１０６の主面にＡｌろうによって固定されたＡｌ配線１０８と、Ａｌ配線１０８の上に、はんだ１０９により固定された半導体チップ１２０とを備えている。また、放熱基板１０１の裏面側には、グリース１１２によりフィン付きのヒートシンク１１３が取り付けられている。上記Ａｌ板１０４，ＡｌＮ板１０６およびＡｌ配線１０８は、しばしば一体的に用いられている。   FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device on which a conventional IGBT chip is mounted. As shown in the figure, on the main surface side of the heat radiating substrate 101 made of CuMo or the like, an Al plate 104 fixed to the heat radiating substrate 101 by a solder layer 102, and an Al solder on the main surface of the Al plate 104 The AlN plate 106 fixed by the above, the Al wiring 108 fixed to the main surface of the AlN plate 106 by Al solder, and the semiconductor chip 120 fixed on the Al wiring 108 by the solder 109 are provided. Further, a heat sink 113 with fins is attached to the rear surface side of the heat dissipation substrate 101 with grease 112. The Al plate 104, AlN plate 106, and Al wiring 108 are often used integrally.

放熱基板１０１とヒートシンク１１３との間に介在するグリース１１２は、熱膨張係数が約２３．５（ｐｐｍ／Ｋ）のＡｌ合金からなるヒートシンク１１３と、熱膨張係数が約９（ｐｐｍ／Ｋ）のＣｕ−Ｍｏからなる放熱基板１０１との間の熱膨張係数差に起因する応力を緩和するためのものである。   The grease 112 interposed between the heat dissipation substrate 101 and the heat sink 113 includes a heat sink 113 made of an Al alloy having a thermal expansion coefficient of about 23.5 (ppm / K) and a thermal expansion coefficient of about 9 (ppm / K). This is to relieve stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the heat dissipation substrate 101 made of Cu-Mo.

このように、基板間にグリースを介在させることは、たとえば、特許文献１の段落［００３３］に記載されている。   In this way, interposing grease between the substrates is described in paragraph [0033] of Patent Document 1, for example.

特開２００１−１６８２５６号公報JP 2001-168256 A

ところが、図７や上記公報に開示される構造では、グリースにより熱膨張係数差に起因する熱応力は緩和しうるものの、グリースは、金属やセラミックに比べると、熱伝導率が低いことに加えて、接続部の信頼性を悪化させるという難点がある。すなわち、グリースはその両側の部材をずらせるものであるので、グリースによって両側の部材が固定されるものではない。また、グリース中にボイドが発生しやすく、ボイドが発生すると、放熱機能が損なわれるおそれがある。   However, in the structure disclosed in FIG. 7 and the above publication, the thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient can be relieved by the grease, but the grease has a lower thermal conductivity than the metal or ceramic. There is a problem that the reliability of the connection part is deteriorated. In other words, since the grease displaces the members on both sides, the members on both sides are not fixed by the grease. In addition, voids are easily generated in the grease, and if the voids are generated, the heat radiation function may be impaired.

本発明の目的は、安定して高い放熱機能を発揮しうるヒートシンク部材、およびこのヒートシンク部材を用いた接続部の信頼性の高い半導体装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a heat sink member capable of stably exhibiting a high heat dissipation function, and a semiconductor device having a highly reliable connection portion using the heat sink member.

本発明のヒートシンク部材は、無機絶縁材料からなヒートシンク本体と、ヒートシンク本体の熱交換媒体にさらされる領域を覆う，金属膜またはメタライズ層から形成される保護層とを備えている。   The heat sink member of the present invention includes a heat sink body made of an inorganic insulating material, and a protective layer formed of a metal film or a metallized layer covering a region of the heat sink body exposed to the heat exchange medium.

これにより、ヒートシンク部材の熱交換媒体にさらされる領域が保護層によって覆われているので、ヒートシンク本体の腐食などによる損耗を防止することができる。しかも、ヒートシンク部材が金属ではなく無機絶縁材料によって構成されていることにより、ヒートシンク部材が組み込まれる半導体装置において、配線とヒートシンク部材とを電気的に絶縁するための部材が不要となり、かつ、無機絶縁材料は半導体チップを構成する半導体と熱膨張係数が近いので、部材間にグリースを介在させなくても熱応力を緩和することが可能になる。   Thereby, since the area | region exposed to the heat exchange medium of a heat sink member is covered with the protective layer, wear by corrosion etc. of a heat sink main body can be prevented. In addition, since the heat sink member is made of an inorganic insulating material instead of metal, a semiconductor device in which the heat sink member is incorporated eliminates the need for a member for electrically insulating the wiring and the heat sink member, and provides inorganic insulation. Since the material has a thermal expansion coefficient close to that of the semiconductor constituting the semiconductor chip, it is possible to relieve thermal stress without interposing grease between members.

ヒートシンク本体が、平板部と、該平板部から熱交換媒体が存在する領域に向かって突出する１または２以上のフィン部とを有していることにより、フィン部による放熱機能の増大を図ることができる。   The heat sink body has a flat plate portion and one or more fin portions protruding from the flat plate portion toward the region where the heat exchange medium exists, thereby increasing the heat radiation function by the fin portion. Can do.

特に、ヒートシンク本体がＡｌＮによって構成されていることにより、汎用性を高めつつ、放熱機能，熱応力緩和機能を高く維持することができる。   In particular, since the heat sink body is made of AlN, the heat radiation function and the thermal stress relaxation function can be maintained high while enhancing versatility.

ヒートシンク本体がＡｌＮによって構成されている場合には、保護層が、ＷまたはＭｏと、ＡｌＮとの化合物からなるメタライズ層であることにより、保護層がＡｌＮとの熱膨張率が近い化合物によって構成されるので、ＡｌＮからなるヒートシンク本体の損耗をより確実に防止することができる。   When the heat sink body is made of AlN, the protective layer is a metallized layer made of a compound of W or Mo and AlN, so that the protective layer is made of a compound having a thermal expansion coefficient close to that of AlN. Therefore, the wear of the heat sink body made of AlN can be more reliably prevented.

本発明の半導体装置は、半導体チップの熱を熱交換媒体に放出するためのヒートシンク部材とを備えており、ヒートシンク部材は、無機絶縁材料からなるヒートシンク本体と、ヒートシンク本体の熱交換媒体にさらされる領域を覆う，金属膜またはメタライズ層から形成される保護層とを有している。   The semiconductor device of the present invention includes a heat sink member for releasing heat of the semiconductor chip to the heat exchange medium, and the heat sink member is exposed to a heat sink body made of an inorganic insulating material and the heat exchange medium of the heat sink body. And a protective layer formed of a metal film or a metallized layer covering the region.

これにより、ヒートシンク部材が金属ではなく無機絶縁材料によって構成されていることにより、半導体装置に配線を形成する場合にも、配線とヒートシンク部材とを電気的に絶縁するための部材が不要となり、かつ、無機絶縁材料は半導体チップを構成する半導体と熱膨張係数が近いので、部材間にグリースを介在させなくても熱応力を緩和することが可能になる。そして、ヒートシンク部材の熱交換媒体にさらされる領域が保護層によって覆われているので、ヒートシンク本体の腐食などによる損耗を防止することができる。   Thereby, since the heat sink member is made of an inorganic insulating material instead of a metal, a member for electrically insulating the wiring and the heat sink member becomes unnecessary even when the wiring is formed in the semiconductor device, and Since the inorganic insulating material has a thermal expansion coefficient close to that of the semiconductor constituting the semiconductor chip, it is possible to relieve the thermal stress without interposing grease between the members. And since the area | region exposed to the heat exchange medium of a heat sink member is covered with the protective layer, the abrasion by the corrosion of a heat sink main body etc. can be prevented.

ヒートシンク本体が、平板部と、該平板部から熱交換媒体が存在する領域に向かって突出する１または２以上のフィン部とを有していることにより、フィン部による放熱機能の増大を図ることができる。   The heat sink body has a flat plate portion and one or more fin portions protruding from the flat plate portion toward the region where the heat exchange medium exists, thereby increasing the heat radiation function by the fin portion. Can do.

特に、ヒートシンク本体がＡｌＮによって構成されていることにより、汎用性を高めつつ、放熱機能，熱応力緩和機能を高く維持することができる。   In particular, since the heat sink body is made of AlN, the heat radiation function and the thermal stress relaxation function can be maintained high while enhancing versatility.

ヒートシンク本体がＡｌＮによって構成されている場合には、保護層が、ＷまたはＭｏと、ＡｌＮとの化合物からなるメタライズ層であることにより、保護層がＡｌＮとの熱膨張率が近い化合物によって構成されるので、ＡｌＮからなるヒートシンク本体の損耗をより確実に防止することができる。   When the heat sink body is made of AlN, the protective layer is a metallized layer made of a compound of W or Mo and AlN, so that the protective layer is made of a compound having a thermal expansion coefficient close to that of AlN. Therefore, the wear of the heat sink body made of AlN can be more reliably prevented.

ヒートシンク部材と半導体チップとの間に介在する導電板をさらに備えることにより、導電板をヒートシンク部材上に形成された配線として用いることができ、構造の簡素化を図ることができる。   By further providing a conductive plate interposed between the heat sink member and the semiconductor chip, the conductive plate can be used as a wiring formed on the heat sink member, and the structure can be simplified.

導電板が、Ｃｕ−ＭｏまたはＣｕ−Ｗにより構成されていることにより、高熱伝導率と低熱膨張係数とを併せ持つこれらの材料を用いて、熱応力の緩和と構造の簡素化とを図ることができる。   Since the conductive plate is made of Cu—Mo or Cu—W, it is possible to reduce thermal stress and simplify the structure using these materials having both high thermal conductivity and low thermal expansion coefficient. it can.

半導体装置に形成されている半導体素子が、ワイドバンドギャップ半導体を用いたパワーデバイスであることにより、チップ温度が比較的高温に達しても、熱応力をできるだけ小さくして接続部の信頼性を維持しつつ、高い放熱機能により、パワーデバイスの過剰な温度上昇を防止することができる。   Since the semiconductor element formed in the semiconductor device is a power device using a wide band gap semiconductor, even when the chip temperature reaches a relatively high temperature, the thermal stress is minimized and the reliability of the connection is maintained. However, an excessive temperature rise of the power device can be prevented by the high heat dissipation function.

本発明のヒートシンク部材または半導体装置によると、熱応力の抑制や放熱機能を維持しつつ、ヒートシンク部材の損耗を防止することができる。   According to the heat sink member or the semiconductor device of the present invention, wear of the heat sink member can be prevented while suppressing thermal stress and maintaining a heat radiation function.

図１は、実施の形態におけるパワーユニットの構造を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態のパワーユニットは、放熱器５０の上に半導体装置１０を接合して構成されている。放熱器５０は、天板５０ａと天板５０ａに接合された容器５０ｂとからなり、天板５０ａには、半導体装置１０を組み込むための多数の矩形状貫通穴が設けられている。本実施形態においては、矩形状貫通穴が多数設けられているが、１つだけでもよい。放熱器５０を構成する天板５０ａと容器５０ｂとは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、ダイキャスト，押し出し，鍛造，鋳造，機械加工等によって製造することができる。   FIG. 1 is a perspective view showing a structure of a power unit in the embodiment. As shown in the figure, the power unit of this embodiment is configured by joining a semiconductor device 10 on a radiator 50. The radiator 50 includes a top plate 50a and a container 50b joined to the top plate 50a. The top plate 50a is provided with a number of rectangular through holes for incorporating the semiconductor device 10 therein. In the present embodiment, a large number of rectangular through holes are provided, but only one may be provided. The top plate 50a and the container 50b constituting the radiator 50 are made of aluminum or an aluminum alloy, and can be manufactured by die casting, extrusion, forging, casting, machining, or the like.

本実施の形態の組み立て工程においては、放熱器５０の天板５０ａに半導体装置１０が実装された後、天板５０ａが容器５０ｂに接合される。この接合は、機械かしめ等によって行われてもよい。また、本実施の形態では、放熱器５０は天板５０ａと容器５０ｂを個別に形成してから両者を接合しているが、天板と容器とを一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストにより放熱器を形成することができる。   In the assembly process of the present embodiment, after the semiconductor device 10 is mounted on the top plate 50a of the radiator 50, the top plate 50a is joined to the container 50b. This joining may be performed by mechanical caulking or the like. Further, in the present embodiment, the radiator 50 is formed by individually forming the top plate 50a and the container 50b and then joining them together, but the top plate and the container may be integrally formed. In that case, the radiator can be formed, for example, by die casting using an integral type.

図２は、実施の形態に係るパワ−ユニットのII-II線における断面図である。ただし、図２において配線構造の図示は省略されている。図３は、実施の形態の半導体装置（モジュール）の断面図である。本実施の形態のパワーユニットにおいて、放熱器５０の天板５０ａと容器５０ｂとの間の空間５１には、熱交換媒体としての冷却水が図２の紙面に直交する方向に流れている。半導体装置１０は、アルミニウム−シリコン系ろう材からなるろう材層２５により天板５０ａに接合されている。また、半導体装置１０は、主要部材として、ＩＧＢＴなどの半導体素子が形成された半導体チップ１１と、半導体チップ１１で発生した熱を外方に放出するためのヒートシンク本体２１と、半導体チップ１１の裏面電極１４等に接続されヒートシンク本体２１の主面上に形成された主面側メタライズ層２６と、主面側メタライズ層２６に、はんだ，ろう材などによって接合され、Ｃｕ−Ｍｏ，Ｃｕ−Ｗなどの金属板から形成される金属配線２３とを備えている。半導体チップ１１の上面および下面には、それぞれ、ＩＧＢＴなどの半導体素子の活性領域に接続される上面電極１６および裏面電極１４が設けられている。そして、半導体チップ１１の裏面電極１４は、金属配線２３に、はんだ、ろう材などによって接合されている。   FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II of the power unit according to the embodiment. However, the illustration of the wiring structure is omitted in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor device (module) of the embodiment. In the power unit of the present embodiment, cooling water as a heat exchange medium flows in a space 51 between the top plate 50a and the container 50b of the radiator 50 in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. The semiconductor device 10 is joined to the top plate 50a by a brazing material layer 25 made of an aluminum-silicon based brazing material. The semiconductor device 10 includes, as main members, a semiconductor chip 11 on which a semiconductor element such as an IGBT is formed, a heat sink body 21 for releasing heat generated in the semiconductor chip 11 to the outside, and a back surface of the semiconductor chip 11. The main surface side metallized layer 26 connected to the electrode 14 or the like and formed on the main surface of the heat sink main body 21 is joined to the main surface side metallized layer 26 by solder, brazing material, etc., and Cu—Mo, Cu—W, etc. And a metal wiring 23 formed of a metal plate. On the upper and lower surfaces of the semiconductor chip 11, an upper surface electrode 16 and a back surface electrode 14 connected to an active region of a semiconductor element such as an IGBT are provided. The back electrode 14 of the semiconductor chip 11 is joined to the metal wiring 23 by solder, brazing material or the like.

ヒートシンク本体２１は、平板部２１ａと、平板部２１ａの裏面側から突出するフィン部２１ｂとからなっている。そして、平板部２１ａの下面と、フィン部２１ｂの側面および下面とには、金属層またはメタライズ層である保護層２２が形成されている。すなわち、ヒートシンク本体２１の熱交換媒体である冷却水にさらされる領域には、金属層またはメタライズ層である保護層２２が形成されており、ヒートシンク本体２１と保護層２２とによって、ヒートシンク部材２４が構成されている。   The heat sink body 21 includes a flat plate portion 21a and a fin portion 21b protruding from the back surface side of the flat plate portion 21a. And the protective layer 22 which is a metal layer or a metallization layer is formed in the lower surface of the flat plate part 21a, and the side surface and lower surface of the fin part 21b. That is, a protective layer 22 that is a metal layer or a metallized layer is formed in a region of the heat sink body 21 that is exposed to cooling water that is a heat exchange medium, and the heat sink member 24 is formed by the heat sink body 21 and the protective layer 22. It is configured.

図４は、実施の形態に係るパワーユニットの配線構造も含めた部分断面図である。同図に示すように、放熱器５０の天板５０ａに樹脂ケース５３がねじ部材５４によって固着されている。そして、樹脂ケース５３の突出部によって半導体装置１０の金属配線２３が押圧されることにより、半導体装置１０が天板５０ａに固定されている。樹脂ケース５３の内部および外表面には電極端子層５６が形成されている。この電極端子層５６の一部と半導体チップ１１の上部電極１６とには、ボンディングワイヤ１７の各端部が接続されている。また、電極端子層５６の他部と金属配線２３とには、ボンディングワイヤ１８の各端部が接続されている。以上の構造によって、半導体装置１０と外部機器との電気的な接続が可能になっている。   FIG. 4 is a partial cross-sectional view including the wiring structure of the power unit according to the embodiment. As shown in the figure, a resin case 53 is fixed to the top plate 50 a of the radiator 50 by a screw member 54. The semiconductor device 10 is fixed to the top board 50a by pressing the metal wiring 23 of the semiconductor device 10 by the protruding portion of the resin case 53. Electrode terminal layers 56 are formed on the inner and outer surfaces of the resin case 53. Each end of the bonding wire 17 is connected to a part of the electrode terminal layer 56 and the upper electrode 16 of the semiconductor chip 11. Each end of the bonding wire 18 is connected to the other part of the electrode terminal layer 56 and the metal wiring 23. With the above structure, the semiconductor device 10 and an external device can be electrically connected.

本実施の形態の半導体装置１０の特徴は、ヒートシンク部材２４が、無機絶縁材料からなるヒートシンク本体２１と、ヒートシンク本体２１の熱交換媒体にさらされる領域に形成された、金属層またはメタライズ層からなる保護層２２とを備えている点にある。   The semiconductor device 10 according to the present embodiment is characterized in that the heat sink member 24 includes a heat sink body 21 made of an inorganic insulating material and a metal layer or a metallized layer formed in a region of the heat sink body 21 exposed to the heat exchange medium. The protective layer 22 is provided.

ヒートシンク本体２１は、ＡｌＮ，ＳｉＮ，ＢＮなどの窒化物セラミックス、あるいは，ＳｉＣ，ＷＣなどの炭化物セラミックスによって構成されている。これらの材料は、一般的に、高熱伝導率と低熱膨張係数とを併せもっている。ヒートシンク本体２１の製造工程では、ＡｌＮの焼結体（インゴット）または焼結前の成型体を切削して、フィン部２１ａを形成することができる。   The heat sink body 21 is made of nitride ceramics such as AlN, SiN, and BN, or carbide ceramics such as SiC and WC. These materials generally have a high thermal conductivity and a low coefficient of thermal expansion. In the manufacturing process of the heat sink main body 21, the fin portion 21 a can be formed by cutting a sintered body (ingot) of AlN or a molded body before sintering.

保護層２２は、たとえばＷ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｐｂ，またはこれらの合金からなる金属層、あるいは、これらの金属層とヒートシンク本体２１を構成するＡｌＮ等の絶縁性無機材料とを水素雰囲気中で反応させることにより形成されるメタライズ層である。メタライズ層の場合には、表面にＮｉなどのメッキが施されていてもよい。   The protective layer 22 constitutes, for example, a metal layer made of W, Mo, Ti, Au, Ag, Pt, Pd, Cu, Ni, Al, Pb, or an alloy thereof, or these metal layers and the heat sink body 21. It is a metallized layer formed by reacting an insulating inorganic material such as AlN in a hydrogen atmosphere. In the case of a metallized layer, the surface may be plated with Ni or the like.

本実施の形態では、ヒートシンク本体２１が低熱膨張係数を有する無機絶縁材料によって構成されているので、Ｓｉ，ＳｉＣ，ＧａＮなどの半導体の熱膨張係数（３〜６（ｐｐｍ／Ｋ）程度）との熱膨張係数差が小さくなり、半導体装置全体の変形を抑制することができる。さらに、これらの無機絶縁材料は、熱伝導率が２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度であり、金属に近いので、放熱機能も高い。   In the present embodiment, since the heat sink body 21 is made of an inorganic insulating material having a low thermal expansion coefficient, it has a thermal expansion coefficient (about 3 to 6 (ppm / K)) of a semiconductor such as Si, SiC, or GaN. The difference in thermal expansion coefficient is reduced, and deformation of the entire semiconductor device can be suppressed. Furthermore, since these inorganic insulating materials have a thermal conductivity of about 200 (W / m · K) and are close to metals, they have a high heat dissipation function.

ところが、無機絶縁材料は、熱交換媒体である冷却水などに長時間さらされると、表面が腐食されるなどのおそれがある。たとえば、ＡｌＮ基板は、高い熱伝導率（約２００（Ｗ／ｍ・Ｋ））と、低い熱膨張係数（約４．５（ｐｐｍ／Ｋ））とを有しているが、ＡｌＮを水にさらすと、水とＡｌＮとの接触反応によってエロージョン腐食という現象が生じることが知られている。このエロージョン腐食などによって、ヒートシンク本体２１が損耗するおそれがある。これを防止するには、ＡｌＮの表面を酸化して、その表面にＡｌ２Ｏ３膜を形成してもよいが、Ａｌ２Ｏ３膜は熱伝導率が１７（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度であり、ヒートシンク本体２１の放熱機能を低下させる。 However, when the inorganic insulating material is exposed to cooling water or the like as a heat exchange medium for a long time, the surface may be corroded. For example, an AlN substrate has a high thermal conductivity (about 200 (W / m · K)) and a low coefficient of thermal expansion (about 4.5 (ppm / K)). When exposed, it is known that a phenomenon called erosion corrosion occurs due to a contact reaction between water and AlN. The erosion corrosion or the like may cause the heat sink body 21 to wear out. In order to prevent this, the surface of AlN may be oxidized to form an Al 2 O 3 film on the surface. However, the Al 2 O 3 film has a thermal conductivity of about 17 (W / m · K). The heat dissipation function of the heat sink body 21 is lowered.

本実施の形態では、ヒートシンク本体２１の熱交換媒体にさらされる領域を覆う保護層は、熱伝導率が１００（Ｗ／ｍ・Ｋ）を超える金属層またはメタライズ層であるので、ヒートシンク本体２１の放熱機能の低下を抑制することができる。また、ヒートシンク本体２１の熱交換媒体にさらされる領域が金属層やメタライズ層の保護層によって覆われているので、ヒートシンク本体２１の表面おけるエロージョン腐食の発生を有効に防止することができる。すなわち、本実施の形態によれば、金属層またはメタライズ層である保護層２２を設けることにより、ヒートシンク本体２１の損耗を防止しつつ、放熱機能の低下を抑制することができる。   In the present embodiment, the protective layer covering the region exposed to the heat exchange medium of the heat sink body 21 is a metal layer or a metallized layer having a thermal conductivity exceeding 100 (W / m · K). A decrease in the heat dissipation function can be suppressed. Moreover, since the area | region exposed to the heat exchange medium of the heat sink main body 21 is covered with the protective layer of a metal layer or a metallization layer, generation | occurrence | production of the erosion corrosion on the surface of the heat sink main body 21 can be prevented effectively. That is, according to the present embodiment, by providing the protective layer 22 that is a metal layer or a metallized layer, it is possible to prevent the heat sink main body 21 from being worn and to suppress the deterioration of the heat dissipation function.

ヒートシンク本体２１の材料は、ＡｌＮ，ＳｉＮ，ＢＮなどの窒化物セラミックス、あるいは，ＳｉＣ，ＷＣなどの炭化物セラミックスに限定されるものではないが、以下の理由により、これらの材料に限定することが好ましい。たとえば、ＡｌＮの熱膨張係数αは約４．５（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は約２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、ＳｉＣの熱膨張係数αは約３（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は約２１０（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。したがって、これらの放熱用材料は、アルミナ等の汎用セラミックスの熱伝導率よりもはるかに大きく、アルミニウム（熱伝導率約２４０（Ｗ／ｍ・Ｋ）に近い熱伝導率を有しながら、熱膨張係数αはアルミニウム（α≒２３（ｐｐｍ／Ｋ））よりもはるかに小さく半導体チップの熱膨張係数α（Ｓｉ単結晶で約３（ｐｐｍ／Ｋ）、ＳｉＣ単結晶で約４（ｐｐｍ／Ｋ））に近い。したがって、ヒートシンク２１を、上記窒化物セラミックス，炭化物セラミックスにより構成することによって、大きな熱伝達量を維持しつつ、熱応力をできるだけ小さくすることができる。   The material of the heat sink body 21 is not limited to nitride ceramics such as AlN, SiN, and BN, or carbide ceramics such as SiC and WC, but is preferably limited to these materials for the following reasons. . For example, the thermal expansion coefficient α of AlN is about 4.5 (ppm / K), the thermal conductivity is about 200 (W / m · K), and the thermal expansion coefficient α of SiC is about 3 (ppm / K), The thermal conductivity is about 210 (W / m · K). Therefore, these heat-dissipating materials are much larger than the thermal conductivity of general-purpose ceramics such as alumina, and have a thermal conductivity close to that of aluminum (thermal conductivity of about 240 (W / m · K), while being thermally expanded. The coefficient α is much smaller than aluminum (α≈23 (ppm / K)), and the thermal expansion coefficient α of the semiconductor chip (approximately 3 (ppm / K) for Si single crystal, approximately 4 (ppm / K) for SiC single crystal. Therefore, by configuring the heat sink 21 with the nitride ceramics or carbide ceramics, it is possible to reduce the thermal stress as much as possible while maintaining a large heat transfer amount.

特に、ＡｌＮは、高熱伝導率，低熱膨張係数などの点で特性が好ましいだけでなく、製造コストも比較的安価であり、汎用性に優れていることから、ヒートシンク本体２１を構成する材料としては、現在最も好ましい材料といえる。   In particular, AlN is not only preferable in terms of characteristics such as high thermal conductivity and low thermal expansion coefficient, but also has a relatively low manufacturing cost and excellent versatility. This is the most preferred material at present.

保護層２２として金属層を形成する場合には、Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｐｂ，またはこれらの合金を１層または複数層を用いることができる。その厚みは、１０μｍ以上あることが好ましい。金属層の中でも、Ｚｎ，ＮｉおよびＣｒは、耐水性が高いので、熱交換媒体として水を用いる場合には、Ｚｎ，ＮｉもしくはＣｒ、またはこれらの合金を用いることが好ましい。これらは無電解めっき法を用いて形成することができるが、下地との密着強度を高くするためには、先にメタライズ層を形成しておいて、電解めっき法により、メタライズ層の上にＡｇ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｓｎなどを１層または複数層形成することが好ましい。   When a metal layer is formed as the protective layer 22, one or more layers of W, Mo, Ti, Au, Ag, Pt, Pd, Cu, Ni, Al, Pb, or an alloy thereof can be used. . The thickness is preferably 10 μm or more. Among the metal layers, Zn, Ni, and Cr have high water resistance. Therefore, when water is used as the heat exchange medium, it is preferable to use Zn, Ni, Cr, or an alloy thereof. These can be formed by using an electroless plating method. However, in order to increase the adhesion strength with the base, a metallized layer is formed in advance, and the electroplating method is used to form Ag on the metallized layer. , Au, Ni, Cr, Cu, Sn, etc. are preferably formed in one or more layers.

保護層２２としてメタライズ層を形成する場合にも、Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｐｂ，またはこれらの合金と、ヒートシンク本体２１を構成する無機絶縁材料との化合物を用いることができる。   Even when a metallized layer is formed as the protective layer 22, an inorganic insulating material constituting the heat sink body 21 with W, Mo, Ti, Au, Ag, Pt, Pd, Cu, Ni, Al, Pb, or an alloy thereof. Can be used.

メタライズ層を形成する方法としては、高融点金属法、活性金属法などの公知の方法を採用することができる。たとえば、ヒートシンク本体２１の表面のうち、メタライズ層を形成しようとする領域に、蒸着，スパッタリング，金属の粉末を含むペーストの塗布（スクリーン印刷，パッド印刷，刷毛塗りなど）などを行なって、金属層を形成した後、真空中，不活性ガス雰囲気下、あるいは水素を含む不活性ガス雰囲気下で高温処理することにより、金属と無機絶縁材料とを反応させて、メタライズ層を形成することができる。   As a method for forming the metallized layer, a known method such as a refractory metal method or an active metal method can be employed. For example, the surface of the heat sink body 21 is subjected to vapor deposition, sputtering, application of a paste containing metal powder (screen printing, pad printing, brush coating, etc.) or the like on the region where the metallized layer is to be formed. After forming the metallized layer, the metallized layer can be formed by reacting the metal and the inorganic insulating material by high-temperature treatment in a vacuum, an inert gas atmosphere, or an inert gas atmosphere containing hydrogen.

保護層２２を構成する材料がメタライズ層である場合には、金属と無機絶縁材料とを反応させるので、金属膜に比べてヒートシンク本体２１との接合力が大きいので、冷却水によるエロージョン腐食をより確実に防止することができる。   When the material constituting the protective layer 22 is a metallized layer, the metal and the inorganic insulating material are reacted with each other. Therefore, the bonding strength between the heat sink body 21 and the metal film is greater than that of the metal film. It can be surely prevented.

特に、ヒートシンク本体２１を構成する材料としてＡｌＮを選択した場合には、Ｗ．Ｍｏの化合物であるメタライズ層が、ＡｌＮと熱膨張係数がほぼ同じであることから、剥離，クラックの発生をより確実に防止するためには、ＷまたはＭｏのメタライズ層を用いることが好ましい。   In particular, when AlN is selected as the material constituting the heat sink body 21, W.S. Since the metallized layer, which is a Mo compound, has almost the same thermal expansion coefficient as that of AlN, it is preferable to use a metallized layer of W or Mo in order to more reliably prevent the occurrence of peeling and cracking.

また、たとえばＡｌＮからなるヒートシンク本体２１の熱交換媒体にさらされる領域を酸化して、緻密かつ強固な酸化膜（Ａｌ２Ｏ３）を形成しておいて、酸化膜の上に金属層を形成した後、金属と酸化膜とを反応させてメタライズ層を形成してもよい。これにより、熱伝導率の低い酸化膜（Ａｌ２Ｏ３）を極めて薄くして、ほとんどをメタライズ層に置き換えることができるので、ヒートシンク部材２４の放熱機能を高く維持することができ、かつ、エロージョン腐食をより確実に防止することができる。 Further, for example, a region exposed to the heat exchange medium of the heat sink body 21 made of AlN is oxidized to form a dense and strong oxide film (Al 2 O 3 ), and a metal layer is formed on the oxide film. Then, the metallized layer may be formed by reacting the metal and the oxide film. As a result, the oxide film (Al 2 O 3 ) having a low thermal conductivity can be made extremely thin and most of the oxide film can be replaced with a metallized layer, so that the heat dissipation function of the heat sink member 24 can be maintained high and erosion can be achieved. Corrosion can be prevented more reliably.

金属配線２３の材料は、Ｃｕ−ＭｏやＣｕ−Ｗに限定されるものではない。たとえば、Ｃｕ，Ａｌ，コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）などの金属を用いてもよい。ただし、Ｃｕ−Ｍｏの熱膨張係数αは約６．５〜８（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は約２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ｃｕ−Ｗの熱膨張係数αは約６．５〜７（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は１８０〜２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。これらの複合材料の熱伝導率は、Ｃｕの熱伝導率（約４００（Ｗ／ｍ・Ｋ））に比べるとかなり低いものの、アルミニウム（Ａｌ）に近い値であり、一方、熱膨張係数αは、Ｃｕの熱膨張係数α（≒１７）よりもはるかに小さく半導体チップの熱膨張係数α（Ｓｉで約３（ｐｐｍ／Ｋ）、ＳｉＣで約４（ｐｐｍ／Ｋ））に近い。したがって、金属配線２３を、Ｃｕ−ＭｏまたはＣｕ−Ｗより構成することによって、大きな熱伝達量を維持しつつ、熱応力をできるだけ小さくすることができる。   The material of the metal wiring 23 is not limited to Cu—Mo or Cu—W. For example, a metal such as Cu, Al, and Kovar (Fe—Ni—Co) may be used. However, the thermal expansion coefficient α of Cu—Mo is about 6.5 to 8 (ppm / K), the thermal conductivity is about 200 (W / m · K), and the thermal expansion coefficient α of Cu—W is about 6 .5-7 (ppm / K), and thermal conductivity is 180-200 (W / m · K). The thermal conductivity of these composite materials is much lower than that of Cu (about 400 (W / m · K)), but is close to that of aluminum (Al), while the thermal expansion coefficient α is , Much smaller than the thermal expansion coefficient α (≈17) of Cu and close to the thermal expansion coefficient α of the semiconductor chip (about 3 (ppm / K) for Si and about 4 (ppm / K) for SiC). Therefore, by configuring the metal wiring 23 from Cu—Mo or Cu—W, it is possible to reduce the thermal stress as much as possible while maintaining a large heat transfer amount.

ヒートシンク部材２４との熱交換を行う熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、水であることが好ましい。ただし、水に代えて、ヘリウム，アルゴン，窒素，空気などの気体であってもよい。   The heat exchange medium that exchanges heat with the heat sink member 24 is preferably water in consideration of cooling ability and cost. However, instead of water, a gas such as helium, argon, nitrogen, or air may be used.

（他の実施の形態）
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、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。 (Other embodiments)
The structure of the embodiment of the present invention disclosed above is merely an example, and the scope of the present invention is not limited to the scope of these descriptions. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

図５は、実施の形態の第１変形例を示す部分断面図である。同図に示すように、ヒートシンク本体２１が、フィン部を有しておらず、平板部だけであってもよい。図５に示す構造では、ヒートシンク本体２１の裏面に多数の溝が形成されており、溝の内面を含むヒートシンク本体２１の裏面全体に金属層またはメタライズ層である保護層２２が形成され、ヒートシンク本体２１および保護層２２により、ほぼ平板状のヒートシンク部材２４が構成されている。そして、基端部が溝に嵌合するフィン状部材３０が、溝面の金属層またはメタライズ層と、ろう付けなどによって接合されている。フィン状部材３０を構成する材料は、ろう付けが容易な金属であることが好ましい。また、溝は必ずしもなくてもよい。この変形例は、フィンを形成するのが困難な無機絶縁材料を用いる場合に効果がある。この変形例では、フィン状部材として、Ｃｕなどの熱伝導率が特に高い材料を用いることができる利点もある。   FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing a first modification of the embodiment. As shown in the figure, the heat sink main body 21 may not have the fin portion but only the flat plate portion. In the structure shown in FIG. 5, a large number of grooves are formed on the back surface of the heat sink body 21, and a protective layer 22 that is a metal layer or a metallized layer is formed on the entire back surface of the heat sink body 21 including the inner surface of the groove. 21 and the protective layer 22 constitute a substantially flat heat sink member 24. And the fin-shaped member 30 with which a base end part fits into a groove | channel is joined by the brazing etc. with the metal layer or metallization layer of a groove surface. The material constituting the fin-like member 30 is preferably a metal that can be easily brazed. Further, the groove is not necessarily required. This modification is effective when an inorganic insulating material that is difficult to form fins is used. This modification also has an advantage that a material having a particularly high thermal conductivity such as Cu can be used as the fin-like member.

図６は、実施の形態の第２変形例を示す部分断面図である。同図に示すように、ヒートシンク本体２１は、同じ無機絶縁材料からなる，平板部２１ａと、平板部２１ａに形成された溝に嵌合するフィン部２１ｂとによって構成されている。すなわち、ヒートシンク本体２１が平板部２１ａとフィン部２１ｂとを有している場合であっても、ヒートシンク本体２１全体が必ずしも連続した材料から一体的に構成されている必要はない。そして、平板部２１ａとフィン部２１ｂとを嵌合させてから、ヒートシンク本体２１の熱交換媒体にさらされる領域に、金属層またはメタライズ層である保護層２２が形成される。この変形例においても、ヒートシンク本体２１および保護層２２により、ヒートシンク部材２４が構成されている。この変形例は、マシナブルなセラミックスを用いることができない場合にも、ヒートシンク本体２１にフィン部２１ｂを設けることができる利点がある。   FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing a second modification of the embodiment. As shown in the figure, the heat sink body 21 is composed of a flat plate portion 21a made of the same inorganic insulating material and a fin portion 21b fitted in a groove formed in the flat plate portion 21a. That is, even if the heat sink main body 21 has the flat plate portion 21a and the fin portion 21b, the entire heat sink main body 21 does not necessarily have to be integrally formed from a continuous material. Then, after the flat plate portion 21a and the fin portion 21b are fitted, a protective layer 22 that is a metal layer or a metallized layer is formed in the region of the heat sink body 21 that is exposed to the heat exchange medium. Also in this modification, the heat sink member 24 is constituted by the heat sink body 21 and the protective layer 22. This modification has an advantage that the fin portion 21b can be provided in the heat sink body 21 even when machinable ceramics cannot be used.

本発明の半導体装置は、ワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ，ＧａＮなど）を用いたパワーデバイスを有するものに適用することにより、Ｓｉデバイスの動作温度以上でスイッチング動作などが行なわれ、チップ温度が１５０°Ｃ以上に達しても、熱応力をできるだけ小さくして接続部の信頼性を維持しつつ、高い放熱機能により、パワーデバイスの過剰な温度上昇を防止することができ、著効を奏することができる。   When the semiconductor device of the present invention is applied to a device having a power device using a wide band gap semiconductor (SiC, GaN, etc.), a switching operation or the like is performed at a temperature higher than the operating temperature of the Si device, and the chip temperature is 150 °. Even when the temperature reaches C or more, an excessive temperature rise of the power device can be prevented by a high heat radiation function while maintaining the reliability of the connection portion by reducing the thermal stress as much as possible, and the effect can be obtained. .

上記実施の形態では、半導体チップ１１に、ＩＧＢＴが形成されているが、ＭＯＳＦＥＴ，ダイオード，ＪＦＥＴなどが形成された半導体チップを用いてもよい。   In the above embodiment, the IGBT is formed on the semiconductor chip 11, but a semiconductor chip on which a MOSFET, a diode, a JFET, or the like is formed may be used.

上記実施の形態では、天板５０ａに多数の半導体装置１０を取り付ける構造を採ったが、天板を兼ねる単一のヒートシンク部材２４上に多数の半導体チップを搭載してもよい。   In the above-described embodiment, a structure in which a large number of semiconductor devices 10 are attached to the top plate 50a is employed. However, a large number of semiconductor chips may be mounted on a single heat sink member 24 that also serves as a top plate.

本発明のヒートシンク部材または半導体装置は、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ダイオード，ＪＦＥＴ等を搭載した各種機器に利用することができる。   The heat sink member or the semiconductor device of the present invention can be used for various devices equipped with MOSFET, IGBT, diode, JFET and the like.

実施の形態におけるパワーユニットの構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the power unit in embodiment. 実施の形態に係るパワーユニットのII-II線における断面図である。It is sectional drawing in the II-II line of the power unit which concerns on embodiment. 実施の形態の半導体装置（モジュール）の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device (module) of embodiment. 実施の形態に係るパワーユニットの配線構造も含めた部分断面図である。It is a fragmentary sectional view also including the wiring structure of the power unit which concerns on embodiment. 実施の形態の第１変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 1st modification of embodiment. 実施の形態の第２変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 2nd modification of embodiment. 従来のＩＧＢＴチップを搭載した半導体装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device which mounts the conventional IGBT chip | tip.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 半導体装置
１１ 半導体チップ
１４ 裏面電極
１６ 上面電極
１７ ボンディングワイヤ
１８ ボンディングワイヤ
２１ ヒートシンク本体
２１ａ 平板部
２１ｂ フィン部
２２ 保護層
２４ ヒートシンク部材
２６ 主面側メタライズ層
３０ フィン状部材
５０ 放熱器
５０ａ 天板
５０ｂ 容器
５１ 空間
５３ 樹脂ケース
５６ 電極端子層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor device 11 Semiconductor chip 14 Back surface electrode 16 Upper surface electrode 17 Bonding wire 18 Bonding wire 21 Heat sink main body 21a Flat plate part 21b Fin part 22 Protective layer 24 Heat sink member 26 Main surface side metallization layer 30 Fin-shaped member 50 Radiator 50a Top plate 50b Container 51 Space 53 Resin case 56 Electrode terminal layer

Claims (11)

半導体チップの実装に用いられ、半導体チップの熱を熱交換媒体に放出するためのヒートシンク部材であって、
無機絶縁材料からなるヒートシンク本体と、
前記ヒートシンク本体の熱交換媒体にさらされる領域を覆う，金属膜またはメタライズ層から形成される保護層と
を備えている、ヒートシンク部材。 A heat sink member used for mounting a semiconductor chip to release heat of the semiconductor chip to a heat exchange medium,
A heat sink body made of an inorganic insulating material;
A heat sink member comprising: a protective layer formed of a metal film or a metallized layer that covers a region of the heat sink body exposed to the heat exchange medium. 請求項１記載のヒートシンク部材において、
前記ヒートシンク本体は、
平板部と、
該平板部から熱交換媒体が存在する領域に向かって突出する１または２以上のフィン部と
を有している、ヒートシンク部材。 The heat sink member according to claim 1,
The heat sink body is
A flat plate part;
A heat sink member having one or more fin portions protruding from the flat plate portion toward a region where the heat exchange medium exists. 請求項１または２記載のヒートシンク部材において、
前記ヒートシンク本体は、ＡｌＮにより構成されている、ヒートシンク部材。 The heat sink member according to claim 1 or 2,
The heat sink body is a heat sink member made of AlN. 請求項３記載のヒートシンク部材において、
前記保護層は、ＷまたはＭｏと、ＡｌＮとの化合物からなるメタライズ層である、ヒートシンク部材。 The heat sink member according to claim 3,
The heat-sink member, wherein the protective layer is a metallized layer made of a compound of W or Mo and AlN. 半導体素子が形成された半導体チップと、半導体チップの熱を熱交換媒体に放出するためのヒートシンク部材とを備えた半導体装置であって、
前記ヒートシンク部材は、
無機絶縁材料からなるヒートシンク本体と、
前記ヒートシンク本体の熱交換媒体にさらされる領域を覆う，金属膜またはメタライズ層から形成される保護層と
を有している、半導体装置。 A semiconductor device comprising a semiconductor chip on which a semiconductor element is formed and a heat sink member for releasing heat of the semiconductor chip to a heat exchange medium,
The heat sink member is
A heat sink body made of an inorganic insulating material;
A semiconductor device comprising: a protective layer formed of a metal film or a metallized layer covering a region of the heat sink body exposed to the heat exchange medium. 請求項５記載の半導体装置において、
前記ヒートシンク本体は、
平板部と、
該平板部から熱交換媒体が流れる領域に向かって突出する１または２以上のフィン部と
を有している、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5.
The heat sink body is
A flat plate part;
A semiconductor device having one or more fin portions projecting from the flat plate portion toward a region where the heat exchange medium flows. 請求項６記載の半導体装置において、
前記ヒートシンク本体は、ＡｌＮにより構成されている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 6.
The heat sink body is a semiconductor device made of AlN. 請求項７記載の半導体装置において、
前記保護層は、ＷまたはＭｏと、ＡｌＮとの化合物からなるメタライズ層である、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7.
The semiconductor device, wherein the protective layer is a metallized layer made of a compound of W or Mo and AlN. 請求項５〜８のいずれかに記載の半導体装置において、
前記ヒートシンク部材と半導体チップとの間に介在する導電板をさらに備えている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5,
A semiconductor device further comprising a conductive plate interposed between the heat sink member and the semiconductor chip. 請求項９記載の半導体装置において、
前記導電板は、Ｃｕ−ＭｏまたはＣｕ−Ｗにより構成されている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 9.
The said conductive plate is a semiconductor device comprised by Cu-Mo or Cu-W. 請求項５〜１０のいずれかに記載の半導体装置において、
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたパワーデバイスである、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5,
The semiconductor device is a power device using a wide band gap semiconductor.
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