JP2008270485A

JP2008270485A - 半導体装置

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Publication number: JP2008270485A
Application number: JP2007110726A
Authority: JP
Inventors: Shuji Yumoto; 修士湯本; Shintaro Watanabe; 慎太郎渡▲辺▼
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2007-04-19
Filing date: 2007-04-19
Publication date: 2008-11-06
Also published as: CN101663751B; WO2008133210A9; KR20090122295A; EP2139036A1; CN101663751A; WO2008133210A1; US20100110638A1; US8405995B2; EP2139036A4; EP2139036B1; KR101077803B1

Abstract

【課題】過負荷等によって半導体素子から定常発熱状態（通常状態）より大きな熱が発生した場合、半導体素子の急激な温度上昇を抑制することができ、同等の性能を持つヒートマスをより少ない材料で作製することができる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１０は、半導体素子１６と、半導体素子１６で発生した熱が伝導される強制冷却式の冷却器１１と、半導体素子１６上に半田付けされているヒートマス１７とを備えている。ヒートマス１７は、本体部１７ａと複数の脚部１７ｂとを有し、脚部１７ｂにおいて半導体素子１６に半田付けされている。ヒートマス１７は半導体素子１６の発熱時の温度分布における温度の高い位置に対応する部分の熱容量が、温度の低い位置に対応する部分の熱容量より大きくなるように形成されている。本体部１７ａは、熱容量が大きい部分の厚さが、熱容量が小さい部分の厚さより厚く形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に係り、詳しくは強制冷却式の冷却器を備えた回路基板上に半導体素子が接合されている半導体装置に関する。

半導体装置としてヒートシンクに積層接着された基板の回路パターン上に半導体素子が搭載されたものが知られている。この半導体装置では半導体素子で発生した熱はその下面から基板を介してヒートシンクに伝導されて放熱（放散）される。このような構成において、ヒートシンクは、半導体素子に過負荷により過渡的に大きな発熱が生じた状態において必要な冷却効果を有することが要求される。しかし、半導体素子に過渡的に大きな発熱が生じた状態を基準にヒートシンクの冷却機能を設定すると、半導体装置が大型化する。

従来、電力変換装置に使用される半導体素子において、過負荷によって起こる半導体素子の急激な温度上昇を抑制することのできる半導体モジュールが提案されている（特許文献１参照）。図１６（ａ）に示すように、半導体モジュール５１は、金属基板５２上に絶縁基板５３を介して設けられた半導体素子５４と、半導体素子５４の直上及び近傍に設けられ、半導体素子５４の使用可能上限温度よりわずかに低い温度で固体から液体に相変化することで、半導体素子５４の熱を一時的に吸収して、その後、放熱する蓄熱器５５とを有する。なお、半導体素子５４で発生した熱は、通常は図示しない冷却器へ金属基板５２を介して伝導され、過負荷状態において、冷却器の冷却能力が対応できないときに、余分な熱が蓄熱器５５に一時的に蓄えられた後、冷却器へ伝導される。

また、内部に発生する熱を効率的に放熱するとともに、内部に存在する接合界面に加わる熱応力を小さく抑えた信頼性の高い半導体装置が提案されている（特許文献２参照）。この半導体装置は、図１６（ｂ）に示すように、銅箔６１ａ，６１ｂが貼付された絶縁基板６１上に、ＩＧＢＴ６２がコレクタ電極側で半田接合され、エミッタ電極が電極用部材６３に半田接合されている。電極用部材６３はセラミックスで構成され複数の貫通孔６４ａが列状に形成された支持体６４と、その貫通孔６４ａに銅が埋め込まれた銅ポスト６５とで構成されている。そして、電極用部材６３のＩＧＢＴ６２と反対側の面に銅電極６６が半田接合されている。
特開２００２−２７０７６５号公報特開２００６−２３７４２９号公報

特許文献１の半導体モジュールでは、冷却器の能力は過負荷でない状態（通常状態）における半導体素子５４の発熱に対処できればよく、装置の大型化を抑制することができる。発熱状態における半導体素子の温度分布は均一ではなく場所によって異なり、一般的には半導体素子の中央部が高く、周縁に向かうほど低い。しかし、特許文献１では、このような半導体素子の発熱時における温度分布が不均一であることに対しては何ら配慮がなされていない。また、特許文献１には蓄熱器５５自身が、固相と液相に変化する物質で構成されているのか、蓄熱器５５の内部に固相と液相に変化する物質を収容した構成であるのか明示されていない。蓄熱器５５自身が、固相と液相に変化する物質で構成されている場合は、蓄熱器５５が液相状態において半導体モジュール５１が振動したり、傾いたりすると蓄熱器５５が所定位置から移動してしまうという問題があり、車載用や振動の有る状態での用途に使用することが難しいという問題がある。

また、特許文献２には、半導体装置を構成する銅電極６６が過負荷時に熱を一時的に蓄えて、その後、放熱するというヒートマスの働きを行わせることに関しては何ら言及されていない。ましてや、半導体素子の発熱時における温度分布が不均一であることに対してヒートマスをより適切に機能させることに対する配慮は何らなされていない。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、過負荷等によって半導体素子から定常発熱状態（通常状態）より大きな熱が発生した場合、半導体素子の急激な温度上昇を抑制することができ、同等の性能を持つヒートマスをより少ない材料で作製することができる半導体装置を提供することにある。

前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明は、半導体素子と、前記半導体素子で発生した熱が伝導される強制冷却式の冷却器と、前記半導体素子上に該半導体素子と熱的に結合して接合されているヒートマスとを備えている。そして、前記ヒートマスは、前記半導体素子の発熱時の温度分布における温度の高い位置に対応する部分の半導体素子からヒートマスへの熱抵抗が、温度の低い位置に対応する部分の半導体素子からヒートマスへの熱抵抗より低くなるように形成されている。ここで、「強制冷却式の冷却器」とは、自然冷却、即ち単なる放冷ではなく、冷却媒体を外部からエネルギー供給して流す冷却や、沸騰冷却において冷却媒体が液相→気相→液相と変化することにより冷却媒体が自然と循環して冷却を行う方式の冷却器を意味する。また、「ヒートマス」とは、熱的に結合した半導体素子の温度がヒートマスの温度より上昇したときに半導体素子の熱を受けるべく、所定の熱容量を有する部材を意味する。また、「半導体素子からヒートマスへの熱抵抗」とは、半導体素子から見てどれだけ熱がヒートマスに奪われるかを意味し、熱抵抗が低いとは熱がヒートマスに奪われ易いことを意味する。以下、この明細書では同じ意味で使用する。

この発明では、半導体素子が定常発熱状態（通常状態）にある場合は、半導体素子で発生した熱は、冷却器に伝導されて円滑に除去される。一方、過渡的な過負荷等によって半導体素子から定常発熱状態より大きな熱が発生した場合は、冷却器による冷却機能が足りなくなるが、半導体素子で発生した熱の一部はヒートマスに一時的に吸収されるため、半導体素子が過熱状態になることは抑制される。そして、定常発熱状態に復帰すると、ヒートマスに吸収されていた熱が半導体素子及び基板を介して冷却器に伝導されて除去される。また、ヒートマスは、半導体素子の発熱時の温度分布における温度の高い位置に対応する部分の半導体素子からヒートマスへの熱抵抗が、温度の低い位置に対応する部分の半導体素子からヒートマスへの熱抵抗より低くなるように形成されているため、半導体素子の発熱時の温度の高い部分の熱がヒートマスに一時的に吸収され易くなる。したがって、ヒートマス全体を温度の高い部分に合わせて形成する場合に比較して、同等の性能を持つヒートマスをより少ない材料で作製することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ヒートマスは、前記半導体素子の発熱時の温度分布における温度の高い位置に対応する部分の熱容量が、温度の低い位置に対応する部分の熱容量より大きくなるように形成されることにより当該部分の前記熱抵抗が温度の低い位置に対応する部分の前記熱抵抗より低くなるように形成されている。この発明では、半導体素子の発熱時の温度分布における温度の高い位置に対応する部分では半導体素子から熱がヒートマスに多く吸収され、温度の低い位置に対応する部分では半導体素子から熱がヒートマスに少なく吸収される。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記ヒートマスは、熱容量が大きい部分の厚さが、熱容量が小さい部分の厚さより厚く形成されている。この発明では、ヒートマス全体を同じ材料で形成した場合、半導体素子の発熱時に温度分布の偏りを抑制することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記半導体装置は、前記ヒートマスから延在し、先端が前記半導体素子と半田で接合される複数の突出部を備えている。半導体素子とヒートマスの熱膨張率を比較すると、ヒートマスの熱膨張率が大きいため、ヒートマスが半導体素子と対向する面全体で半導体素子に半田で接合された場合は、半導体素子が発熱した場合、ヒートマス及び半導体素子の熱膨張の差に起因して、ヒートマスと半導体素子との間に介在する半田に作用する応力が大きくなる。しかし、この発明では、ヒートマスの前記半導体素子との接合面は複数の突出部の先端となり、複数の領域に分割されているため、半田に作用する前記応力が複数の領域に分散されることにより緩和される。

請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記ヒートマスは、本体部と、該本体部から延在し、先端が前記半導体素子と半田で接合される複数の突出部とを備え、前記本体部は熱容量が大きい部分の厚さが、熱容量が小さい部分の厚さより厚く形成されている。この発明では、ヒートマスの前記半導体素子との接合面は複数の突出部の先端となり、複数の領域に分割されているため、半田に作用する前記応力が複数の領域に分散されることにより緩和される。

請求項６に記載の発明は、請求項４又は請求項５に記載の発明において、前記複数の突出部のうち前記ヒートマスの端部に対応する突出部の長さが他の突出部の長さより長く形成されている。半導体素子が発熱した場合、ヒートマス及び半導体素子の熱膨張の差に起因して、ヒートマスと半導体素子との間に介在する半田に作用する応力は、ヒートマスの端部の方が大きくなる。しかし、この発明では、ヒートマスは、半導体素子との接合面のうち端部に対応する突出部の長さが他の突出部の長さより長く形成されているため、ヒートマスの膨張収縮に伴う応力が吸収され易くなり、応力の緩和が良好に行われる。

本発明によれば、過負荷等によって半導体素子から定常発熱状態（通常状態）より大きな熱が発生した場合、半導体素子の急激な温度上昇を抑制することができ、同等の性能を持つヒートマスをより少ない材料で作製することができる半導体装置を提供することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を車両に搭載されて使用される半導体装置（半導体モジュール）に具体化した第１の実施形態を図１〜図６にしたがって説明する。なお、図１及び図２は、半導体装置の構成を模式的に示したものであり、図示の都合上、一部の寸法を誇張して分かり易くするために、それぞれの部分の幅、長さ、厚さ等の寸法の比は実際の比と異なっている。

図１及び図２に示すように、半導体装置１０は、強制冷却式の冷却器１１を備えている。冷却器１１は、偏平な四角箱状に形成されるとともに冷却媒体が流れる冷媒流路１２（図２に図示）を備えている。冷却器１１上にはセラミック基板１３が金属層１４を介して接合されている。セラミック基板１３上には配線金属層１５が形成されるとともに配線金属層１５上に半導体素子１６が接合されている。

冷却器１１の冷却能力は、半導体素子１６が定常発熱状態（通常状態）にある場合、半導体素子１６で発生した熱がセラミック基板１３を介して冷却器１１に伝導されて円滑に除去されるように設定されている。冷却器１１は、アルミニウム系金属で形成されている。アルミニウム系金属とはアルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。金属層１４は、セラミック基板１３と冷却器１１とを接合する接合層として機能し、例えば、アルミニウムで形成されている。冷却器１１は、図示しない入口部及び出口部を備え、入口部及び出口部は、車両に装備された冷媒循環路に連結可能に形成されている。なお、セラミック基板１３は冷却器１１に複数接合されているが、図示の都合上、１個のみ示している。半導体素子１６としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオードが用いられる。

金属層１４は、例えば、アルミニウムで形成されている。セラミック基板１３は、例えば、窒化アルミニウムにより形成されている。配線金属層１５は、例えば、アルミニウムで形成されている。なお、金属層１４及び配線金属層１５は、セラミック基板１３にアルミニウム板をアルミニウム系ろう材によりろう付けされて形成されている。セラミック基板１３は、肉厚が０．１〜１ｍｍであることが好ましい。金属層１４及び配線金属層１５は、肉厚が０．１〜１ｍｍであることが好ましく、０．６ｍｍ程度であることがより好ましい。

半導体素子１６上には半導体素子１６で発生した熱を一時的に吸収して、その後、放出するヒートマス１７が半田Ｈで接合されている。即ち、半導体装置１０は、半導体素子１６上に半導体素子１６と熱的に結合して半田で接合されているヒートマス１７を備えている。

ヒートマス１７の熱容量は、過負荷等によって半導体素子１６から定常発熱状態より大きな熱が発生して、冷却器１１による冷却機能が足りなくなった際、半導体素子１６で発生した熱の一部を一時的に吸収して半導体素子１６が過熱状態になることを抑制するのに必要な値に設定されている。例えば、半導体装置１０がハイブリッド車の走行用モータの制御に使用されるインバータの場合、定常運転状態から急な加速あるいは急停止の場合、１秒未満の短時間で半導体素子１６からの発熱で定格の３〜５倍もの損失熱量が発生する。この実施形態においては、その際に、半導体素子１６の温度が動作温度の上限を超えないように設定される。なお、急停止の場合に過大な損失熱量が発生するのは、回生動作が行われるために大きな電流が流れるからである。

ヒートマス１７は、半導体素子１６の発熱時の温度分布における温度の高い位置に対応する部分の熱抵抗が、温度の低い位置に対応する部分の熱抵抗より低くなるように形成されている。この実施形態では、ヒートマス１７は、半導体素子１６の発熱時の温度分布における温度の高い位置に対応する部分の熱容量が、温度の低い位置に対応する部分の熱容量より大きくなるように形成されることにより当該部分の熱抵抗が温度の低い位置に対応する部分の熱抵抗より低くなるように形成されている。

この実施形態の半導体素子１６は、発熱時の温度分布が、中央部分の温度が高く、周縁部に向かって次第に低くなる構成である。図２（ａ），（ｂ）に示すように、ヒートマス１７は、熱容量が大きい部分の厚さが、熱容量が小さい部分の厚さより厚く形成された本体部１７ａと、本体部１７ａの半導体素子１６側において本体部１７ａから延在された複数の突出部としての脚部１７ｂとで構成され、各脚部１７ｂの先端において半導体素子１６に半田Ｈで直接接合されている。即ち、ヒートマス１７は、接合面が複数の領域に分割されるとともに、各領域に対応する複数の脚部１７ｂを介して半導体素子１６に半田Ｈで接合されている。

本体部１７ａは、四角柱の片側の周縁部を削って略ドーム状に形成された形状をなし、曲面側に脚部１７ｂが所定間隔（この実施形態では一定間隔）で形成されている。脚部１７ｂは、半導体素子１６と対向する状態で半導体素子１６に接合されている。即ち、ヒートマス１７は、複数の接合面のうちヒートマス１７の端部（周縁部）に対応する部分（脚部１７ｂ）の突出長さが、他の部分（脚部１７ｂ）の突出長さより長く形成されている。

半導体装置１０は、例えば、次のようにして製造される。先ず、セラミック基板１３の一方の面に金属層１４が形成され、他方の面に配線金属層１５が形成された回路基板と、冷却器１１とを準備する。回路基板は、例えば、予めセラミック基板１３の両面にアルミニウム層が形成されたＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板にエッチング処理を行って、アルミニウム層を所定形状の金属層１４及び配線金属層１５に加工して作製する。冷却器１１は、例えば、冷媒流路１２の形状に対応した中子を使用して、アルミニウムの鋳造により作製する。冷却器１１は、金属層１４との接合面が平坦になるように研磨加工が施される。

次に、冷却器１１の上に金属層１４が冷却器１１側になる状態で、冷却器１１と金属層１４との間にシート状のアルミニウム接続用ろう材を介在させて回路基板を配置する。アルミニウム接続用ろう材としては、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系合金からなるものが使用される。そして、冷却器１１及び回路基板をその状態で仮止めし、接合面に荷重を加えながら、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気中において、５７０〜６００℃に加熱することにより、冷却器１１と金属層１４とをろう付けする。次に、配線金属層１５の所定位置に半導体素子１６を半田接合する。また、冷却器１１上には図示しない配線部が設けられており、半導体素子１６と配線部とを、例えば、ワイヤボンディングによりワイヤを介して接続することで、半導体装置１０が完成する。

次に前記のように構成された半導体装置１０の作用を説明する。半導体装置１０は、ハイブリッド車に搭載されるとともに、図示しない冷却媒体循環路に冷却器１１がパイプを介して連通された状態で使用される。冷却媒体循環路にはポンプ及びラジエータが設けられ、ラジエータは、モータにより回転されるファンを備え、ラジエータからの放熱が効率よく行われるようになっている。冷却媒体として、例えば、水が使用される。

半導体装置１０に搭載された半導体素子１６が駆動されると、半導体素子１６から熱が発生する。定常運転状態（定常発熱状態）では、半導体素子１６から発生した熱は、半田Ｈ及びセラミック基板１３を介して冷却器１１に伝導される。冷却器１１に伝導された熱は、冷媒流路１２を流れる冷却媒体に伝導されるとともに持ち去られる。即ち、冷却器１１は、冷媒流路１２を流れる冷却媒体によって強制冷却されるため、半導体素子１６から冷却器１１に至る熱の伝導経路における温度勾配が大きくなり、半導体素子１６で発生した熱が配線金属層１５、セラミック基板１３及び金属層１４を介して効率良く除去される。

定常運転状態から急な加速あるいは急な停止が行われると、半導体素子１６からの発熱が急増し、１秒以下の短時間で定格の３〜５倍もの損失熱量が発生する。この非定常時の高発熱に対しては、冷却器１１による強制冷却だけでは対処できない。しかし、半導体素子１６にはヒートマス１７が半田付けされているため、冷却器１１で除去できない熱が、ヒートマス１７に一時的に吸収される。そして、定常運転状態に戻ると、ヒートマス１７の熱が半導体素子１６、配線金属層１５、セラミック基板１３及び金属層１４を介して冷却器１１へ伝導され、ヒートマス１７は元の状態に戻る。

半導体素子１６及びヒートマス１７の熱膨張率を比較すると、ヒートマス１７の熱膨張率が大きい。そのため、ヒートマス１７が半導体素子１６と対向する面全体で半導体素子１６に半田Ｈで接合された場合は、半導体素子１６が発熱した場合、ヒートマス１７及び半導体素子１６の熱膨張の差に起因して、ヒートマス１７と半導体素子１６との間に介在する半田Ｈに作用する応力が大きくなる。しかし、ヒートマス１７は、半導体素子１６に複数の脚部１７ｂを介して半田Ｈで接合されているため、半田Ｈに作用する応力が複数の脚部１７ｂで緩和される。

次にヒートマス１７の作用をシミュレーションの結果と共により詳細に説明する。
半導体素子１６が温度６５℃（３３８．１５Ｋ）において定常動作（継続的に半導体素子１６が発熱し、かつ冷却器１１により冷却されている状態）を行っている状態から、半導体素子１６が最大発熱した場合の半導体素子１６の温度分布を図３に示す。また、半導体素子１６が温度６５℃において定常動作を行っている状態から、半導体素子１６が最大発熱した場合のヒートマス１７の温度分布を図４（ａ）に示す。比較のため、本体部１７ａの形状が図５（ａ）に示すように、直方体形状で脚部１７ｂが全て同じ長さのヒートマス１７について同じ条件で求めた温度分布を図４（ｂ）に示す。

なお、図３における等温線は、Ｔ１が３９３．０Ｋ、Ｔ２が３９０．０Ｋ、Ｔ３が３８７．０Ｋ、Ｔ４が３８４．０Ｋを示し、以下、Ｔ５〜Ｔ９まで３．０Ｋ間隔で描かれている。また、図４（ａ），（ｂ）における等温線は、Ａが３７６．３Ｋ、Ｂが３７４．８Ｋ、Ｃが３７３．３Ｋ、Ｄが３７１．９Ｋ、Ｅが３７０．４Ｋ、Ｆが３６８．９Ｋ、Ｇが３６７．５Ｋ、Ｈが３６６．０Ｋ、Ｉが３６４．６Ｋ、Ｊが３６３．１Ｋ、Ｋが３６１．６Ｋ、Ｌが３６０．２Ｋ、Ｍが３５８．７Ｋ、Ｎが３５７．２Ｋを示す。

また、半導体素子１６が、温度が６５℃において定常動作を行っている状態から、０．２秒間２００Ｗの熱を与えた場合の半導体素子１６の最高温度（チップ最高温度）を、ヒートマス１７の形状を変えた場合で比較した。なお、比較のため、ヒートマス１７を設けない場合についても、０．２秒間２００Ｗの熱を与えた場合の最高温度を求めた。結果を図６に示す。なお、図６で、○印がこの実施形態（逆ドーム形状）のヒートマス１７を使用した場合、×印が図５（ａ）に示す直方体形状のヒートマス１７を使用した場合、□印が図５（ｂ）に示す形状（ドーム形状）のヒートマス１７を使用した場合、◇印がヒートマス１７を設けない場合を示す。ヒートマス１７の本体部１７ａの体積は、実施形態の逆ドーム形状の場合、直方体形状に比較して２４％減少した。

図６に示すように、半導体素子１６の最高温度は、ヒートマス１７を設けない場合は、１１９．７℃になった。一方、ヒートマス１７を設けた場合は、ヒートマス１７の形状により多少違いはあるが、ほぼ１０３℃となり、ヒートマス１７を設けない場合に比較して１６〜１７℃低くなった。具体的には、実施形態のヒートマス１７の場合に１０３．５℃、直方体形状のヒートマス１７の場合に１０２．８℃、ドーム形状のヒートマス１７の場合に１０３．１℃になった。そのため、図４（ａ），（ｂ）の温度分布において、逆ドーム形状のヒートマス１７の場合は、直方体形状のヒートマス１７に比較して、中心部の温度が高くなっているが、全体としてはほぼ同様の温度分布になっている。但し、シミュレーションを行う際に、逆ドーム形状のヒートマス１７に比較して、直方体形状のヒートマス１７は脚部１７ｂが少し短く、本体部１７ａの厚さが逆ドーム形状のヒートマス１７の最大厚さより厚い状態で行った。その違いを考慮すると、半導体素子１６の最高温度及び温度分布は、逆ドーム形状、直方体形状及びドーム形状の三者でほぼ同じといえる。

したがって、この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）半導体装置１０は、半導体素子１６と、半導体素子１６で発生した熱が伝導される強制冷却式の冷却器１１と、半導体素子１６上に半導体素子１６と熱的に結合して接合されているヒートマス１７とを備えている。したがって、過負荷等によって半導体素子１６から定常発熱状態より大きな熱が発生した場合は、半導体素子１６で発生した熱の一部はヒートマス１７に一時的に吸収されるため、冷却器１１による冷却能力が不足しても半導体素子１６が過熱状態になることを抑制することができる。

（２）ヒートマス１７は、半導体素子１６の発熱時の温度分布における温度の高い位置に対応する部分の熱抵抗が、温度の低い位置に対応する部分の熱抵抗より低くなるように形成されている。したがって、ヒートマス１７全体を温度の高い部分に合わせて形成する場合に比較して、同等の性能を持つヒートマス１７をより少ない材料で作製することができる。

（３）ヒートマス１７は、半導体素子１６の発熱時の温度分布における温度の高い位置に対応する部分の熱容量が、温度の低い位置に対応する部分の熱容量より大きくなるように形成されることにより当該部分の熱抵抗が温度の低い位置に対応する部分の熱抵抗より低くなるように形成されている。したがって、ヒートマス１７は、半導体素子１６の発熱時の温度分布における温度の高い位置に対応する部分からは熱を多く吸収することができ、温度の低い位置に対応する部分からは熱を少なく吸収する。

（４）ヒートマス１７は、熱容量が大きい部分の厚さが、熱容量が小さい部分の厚さより厚く形成されている。したがって、ヒートマス１７全体を同じ材料で形成した場合、半導体素子の発熱時に温度分布の偏りを抑制することができる。

（５）ヒートマス１７は、半導体素子１６に半田Ｈで直接接合され、ヒートマス１７と半導体素子１６との接合面は複数の領域に分割されているため、半田Ｈに作用する応力が複数の領域に分散されることにより緩和される。

（６）ヒートマス１７は、複数の接合面のうちヒートマス１７の端部に対応する領域と対応する部分の突出長さ、即ち脚部１７ｂの長さが他の部分より長く形成されている。半導体素子１６が発熱した場合、ヒートマス１７及び半導体素子１６の熱膨張の差に起因して半田Ｈに作用する応力は、ヒートマス１７の端部の方が大きくなる。しかし、ヒートマス１７の端部に対応する領域と対応する部分の脚部１７ｂが他の部分の脚部１７ｂより長く形成されているため、ヒートマス１７の膨張収縮に伴う応力が吸収され易くなり、応力の緩和が良好に行われる。

（７）ヒートマス１７は、本体部１７ａの半導体素子１６と対向する側が曲面に、半導体素子１６と対向する側と反対側が平面に形成されている。したがって、本体部１７ａの厚さの分布が同じ場合に、ヒートマス１７の端部と対応する位置の脚部１７ｂの長さを長くすることができ、ヒートマス１７の膨張収縮に伴う応力がより吸収され易くなり、応力の緩和がより良好に行われる。

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態を、図７及び図８を参照しながら説明する。なお、第２の実施形態は、脚部１７ｂを有する平面視矩形状のヒートマス１７において、四隅の脚部１７ｂを除去した点が前記第１の実施形態と異なっている。その他の構成は第１の実施形態のヒートマス１７と基本的に同様であるため、同様の部分については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

図７（ａ），（ｂ）に示すように、ヒートマス１７は、本体部１７ａがドーム状に形成されるとともに、複数の脚部１７ｂは本体部１７ａの四隅を除いた箇所に設けられている。即ち、ヒートマス１７は、前記実施形態のドーム状のヒートマス１７から四隅の脚部１７ｂを除去した構成になっている。

四隅の脚部１７ｂを除去したヒートマス１７について、半導体素子１６が温度６５℃において定常動作を行っている状態から、半導体素子１６が最大発熱した場合のヒートマス１７の温度分布をシミュレーションで求めた。なお、シミュレーションを簡単にするため、本体部１７ａがドーム状ではなく、直方体形状のヒートマス１７で行った。結果を図８に示す。なお、図８における等温線は、図４（ｂ）における等温線と同じ符号の部分が同じ温度を示す。

図８と図４（ｂ）とを比較すると、図８の方が四隅の温度は高くなっているが、最高温度はほぼ同等である。半導体素子１６の四隅の温度は、中央部に比較して低いため、ヒートマス１７を設けることにより中央部の最高温度が、直方体形状のヒートマス１７を設けた場合と同等であれば、ヒートマス１７としては四隅に脚部１７ｂのない直方体形状のヒートマス１７と同等の効果があるといえる。また、四隅の温度と中央部の温度との差が小さいため、温度のむらが小さくなり、ホットスポットの発生の可能性が低いとも言える。第１の実施形態のシミュレーション結果から、本体部１７ａの形状が逆ドーム形状、直方体形状、ドーム形状でほぼ同様の効果があることが確認されているため、ドーム形状のヒートマス１７や逆ドーム形状のヒートマス１７においても同様の効果が得られると考えられる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 発熱時の温度分布として中央部の温度が高い半導体素子１６に対応するヒートマス１７で、かつヒートマス１７の端部と対応する位置の脚部１７ｂの長さを長くすることができるヒートマス１７の本体部１７ａの形状は逆ドーム形状に限らない。例えば、図９（ａ）に示すような逆四角錐台形状、図９（ｂ）に示すような逆四角錐形状、図９（ｃ）に示すような段付きの逆四角錐形状等のようにしてもよい。これらの場合、半導体素子１６と対向する側と反対側が平面に形成されているため、いずれも前記実施形態のヒートマス１７と同様な効果を得ることができる。

○ ヒートマス１７の端部と対応する位置の脚部１７ｂの長さを長くすることができる本体部１７ａの形状は前記の形状に限らず、半導体素子１６と対向する側と反対側が一平面である必要はない。例えば、図１０（ａ）に示すような両側にドーム状の部分を備える形状にしたり、図１０（ｂ）に示すような四角錐が結合された形状にしたり、図１０（ｃ）に示すような厚さ方向の中央部にフランジ部１７ｃを備えた形状にしたりしてもよい。

○ ヒートマス１７は、その端部と対応する位置の脚部１７ｂの長さを長くする構成に限らず、各脚部１７ｂの長さを同じにしてもよい。その場合の本体部１７ａの形状としては、例えば、図１１（ａ）〜（ｅ）に示すような、ドーム形状、四角柱と四角錐とが結合された形状、四角錐状、段付きの四角錐状、四角錐台状等がある。これらの場合も、ヒートマス１７を半導体素子１６に接合した場合、本体部１７ａと半導体素子１６との間に脚部１７ｂが存在し、ヒートマス１７と半導体素子１６との接合面は複数の領域に分割されるため、半田Ｈに作用する応力が複数の領域に分散されることにより緩和される。

○ ヒートマス１７は、脚部１７ｂを備えなくてもよい。その場合は、例えば、図１１（ａ）〜（ｅ）に示すような本体部１７ａと同じ形状のヒートマス１７が直接半導体素子１６上に半田で接合される。この場合、ヒートマス１７と半導体素子１６との接合面は複数の領域に分割されていないため、半田Ｈに作用する応力が複数の領域に分散されることはない。しかし、ヒートマス１７は、半導体素子１６の発熱時の温度分布における温度の高い位置に対応する部分からは熱を多く吸収することができ、温度の低い位置に対応する部分からは熱を少なく吸収する。したがって、ヒートマス１７全体を温度の高い部分に合わせて形成する場合に比較して、同等の性能を持つヒートマス１７をより少ない材料で作製することができる。

○ 平面形状が矩形状に形成されるとともに脚部１７ｂを備えたヒートマス１７において、四隅の脚部１７ｂを省略するのは、中央部の発熱が大きく周縁部の発熱が小さな半導体素子１６に接合して使用される場合であれば、本体部１７ａの形状がドーム形状の場合に限らず、例えば、直方体形状や逆ドーム形状の場合であってもよい。

○ 前記の各実施形態ではヒートマス１７の平面形状は、半導体素子１６の平面形状に対応して矩形であったが、半導体素子１６の平面形状が矩形であってもヒートマス１７の平面形状は矩形に限らない。例えば、図１２（ａ）〜（ｆ）に示すように、楕円状、矩形の四隅を外側に凸の四半円弧にした形状、矩形の四隅を内側に凸の四半円弧にした形状、矩形の三角形で切り落とした形状、矩形の四隅を四角形で切り落とした形状、あるいは菱形等にしてもよい。

○ ヒートマス１７は、全体として半導体素子１６の発熱時の温度分布における温度の高い位置に対応する部分の熱容量が、温度の低い位置に対応する部分の熱容量より大きくなるように形成されていればよく、形状は自由である。例えば、図１３（ａ）に示すように、本体部１７ａとして、板状部１８ａの上に複数の棒状部１８ｂが突設された形状のものを使用してもよい。また、図１３（ｂ）に示すように、ヒートマス１７を複数の長さの異なる棒状部１８ｂのみで構成してもよい。これらの場合も、長い棒状部１８ｂでは熱容量が大きくなり、短い棒状部１８ｂでは熱容量が小さくなる。

○ ヒートマス１７は、全体として半導体素子１６の発熱時の温度分布における温度の高い位置に対応する部分の熱容量が、温度の低い位置に対応する部分の熱容量より大きくなるように形成されていればよく、形状は自由である。例えば、半導体素子１６として、使用時の発熱温度が両端側で最も高く、中央部に向かうに従って低くなる構成のものを使用する場合であれば、図１４（ａ）に示すように、ヒートマス１７を複数の棒状部１８ｂで構成されるとともに、両端部に配置される棒状部１８ｂの長さが長く、中央部が短くなるような構成としてもよい。また、図１４（ｂ）に示すように、ヒートマス１７の両端部の厚さが厚く、中央部が薄くなるように構成してもよい。

○ 半導体素子１６として、使用時の発熱温度が第１端部側で最も高く、第２端部側に向かって低くなる構成であれば、図１４（ｃ）に示すように、ヒートマス１７を複数の棒状部１８ｂで構成されるとともに、第１端部に配置される棒状部１８ｂの長さが長く、第２端部に向かうに従って短くなるような構成としてもよい。また、図１４（ｄ）に示すように、ヒートマス１７の第１端部の厚さが最も厚く、第２端部に向かうに従って薄くなるように構成してもよい。

○ 前記各実施形態では、ヒートマス１７は、熱容量が大きい部分の厚さ（長さ）が、熱容量が小さい部分の厚さ（長さ）より厚く（長く）形成されているが、ヒートマス１７は、熱容量が大きい部分の厚さ（長さ）と、熱容量が小さい部分の厚さ（長さ）とを同じにしてもよい。この場合、図１４（ｅ）に示すように、ヒートマス１７を複数の棒状部１８ｂで構成するとともに、熱容量が大きい部分の棒状部１８ｂの材料として、熱容量が小さい部分の棒状部１８ｂより体積当りの比熱の大きな材料を使用する。例えば、棒状部１８ｂの材料として、使用可能な金属の２０℃における質量当りの比熱［Ｊ／（ｋｇ・℃）］、熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］及び密度［ｇ／ｃｍ^３］、さらに質量当りの比熱と密度から求められる体積当りの比熱[Ｊ／（ｃｍ^３・℃）]を例示すると、次の表のようになる。

したがって、熱容量が大きな部分、例えば中央部と対応する位置に設ける棒状部１８ｂを鉄（炭素鋼）や銅で形成し、周縁部の棒状部１８ｂをアルミニウムで形成すれば長さが同じでも、異なる熱容量の棒状部１８ｂを備えたヒートマス１７を形成することができ、特に棒状部１８ｂを銅で形成した場合、中央部を周縁部より熱抵抗が低い構成が得られる。

○ ヒートマス１７を図１４（ａ），（ｃ），（ｅ）に示すように、棒状部１８ｂのみから構成した場合、ヒートマス１７の膨張収縮に伴い半導体素子１６とヒートマス１７との接合部における半田Ｈに作用する応力が、ヒートマス１７が一体に形成されている場合に比較して小さくなる。

○ 熱容量は少なくとも２段階に変化すればよく、３段階以上の段階的あるいは連続的に変化しなくてもよい。
○ ヒートマス１７に脚部１７ｂを設ける場合、脚部１７ｂが本体部１７ａの底面全体に均一に分布するように設ける構成に限らず、半導体素子１６の発熱が大きな部分の密度が高くなるようにしてもよい。例えば、半導体素子１６の中央部の発熱が大きな場合は、図１５（ａ）に示すように、中央部の脚部１７ｂの密度を高くする。

○ ヒートマス１７は、１つの半導体素子１６に１つのヒートマス１７を対応して設ける構成に限らず、複数の半導体素子１６に跨るように構成してもよい。例えば、図１５（ｂ）に示すように、配線金属層１５上に２つの半導体素子１６が半田接合された構成において、２つの半導体素子１６に跨るように１つのヒートマス１７を設けてもよい。ヒートマス１７は脚部１７ｂを備えていても、備えていなくてもどちらでもよい。

○ 脚部１７ｂがないヒートマス１７を半導体素子１６に半田接合する場合、ヒートマス１７の半導体素子１６と対向する面全体に半田が存在する状態で接合された構成に限らず、半導体素子１６と対向する面の複数箇所に半田が点在する状態で接合された構成としてもよい。

○ ヒートマス１７に電極の機能を持たせてもよい。
○ 配線金属層１５及びヒートマス１７の材料は、アルミニウム及びアルミニウム合金に限らず、例えば、銅、銅合金、銀が挙げられる。しかし、軽量化の点ではアルミニウム及びアルミニウム合金が好ましい。

○ セラミック基板１３の材料は、窒化アルミニウムに限らず、例えば、窒化ケイ素、酸化アルミニウムを使用してもよい。
○ 冷却器１１は強制冷却式の冷却器であればよく、冷媒流路１２を流れる冷却媒体は水に限らず、例えば、他の液体や空気などの気体であってもよい。また、冷却器１１は、沸騰冷却式の冷却器であってもよい。

○ セラミック基板１３と冷却器１１との間に存在する金属層１４を省略して冷却器１１に直接、セラミック基板１３が接合された構成としてもよい。
○ 半導体装置１０は、車載用に限らず他の用途に使用するものに適用してもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項４〜請求項６のいずれか一項に記載の発明において、前記半導体素子は平面矩形状に形成されるとともに発熱が中央部で大きくなるように構成され、前記ヒートマス１７は平面矩形状に形成されるとともに四隅部以外の部分で半導体素子と接合されている。

第１の実施形態における半導体装置の模式斜視図。（ａ）は半導体装置の模式断面図、（ｂ）は（ａ）の断面と直交する断面におけるヒートマスの模式断面図。発熱時の半導体素子の温度分布を示す模式図。（ａ）は実施形態のヒートマスを設けた場合の半導体素子の温度分布を示す模式図、（ｂ）は直方体形状のヒートマスを設けた場合の半導体素子の温度分布を示す模式図。（ａ）は直方体形状のヒートマスの模式図、（ｂ）はドーム状のヒートマスの模式図。ヒートマスの有無による半導体素子の最高温度の違いを示すグラフ。第２の実施形態を示し、（ａ）はヒートマスの模式正面図、（ｂ）はヒートマスの模式底面図。ヒートマスを設けた場合の半導体素子の温度分布を示す模式図。（ａ）〜（ｃ）は別の実施形態のヒートマスの模式断面図。（ａ）〜（ｃ）は別の実施形態のヒートマスの模式断面図。（ａ）〜（ｅ）は別の実施形態のヒートマスの模式断面図。（ａ）〜（ｆ）は別の実施形態のヒートマスを示す模式平面図。（ａ），（ｂ）は別の実施形態のヒートマスを示す模式図。（ａ）〜（ｅ）は別の実施形態のヒートマスを示す模式図。（ａ）は別の実施形態のヒートマスを示す模式底面図、（ｂ）は別の実施形態における半導体装置の模式図。（ａ）は従来技術の概略図、（ｂ）は別の従来技術の側面図。

符号の説明

Ｈ…半田、１１…冷却器、１６…半導体素子、１７…ヒートマス、１７ａ…本体部、１７ｂ…突出部としての脚部。

Claims

半導体素子と、
前記半導体素子で発生した熱が伝導される強制冷却式の冷却器と、
前記半導体素子上に該半導体素子と熱的に結合して接合されているヒートマスと
を備え、
前記ヒートマスは、前記半導体素子の発熱時の温度分布における温度の高い位置に対応する部分の半導体素子からヒートマスへの熱抵抗が、温度の低い位置に対応する部分の半導体素子からヒートマスへの熱抵抗より低くなるように形成されていることを特徴とする半導体装置。
前記ヒートマスは、前記半導体素子の発熱時の温度分布における温度の高い位置に対応する部分の熱容量が、温度の低い位置に対応する部分の熱容量より大きくなるように形成されることにより当該部分の前記熱抵抗が温度の低い位置に対応する部分の前記熱抵抗より低くなるように形成されている請求項１に記載の半導体装置。
前記ヒートマスは、熱容量が大きい部分の厚さが、熱容量が小さい部分の厚さより厚く形成されている請求項２に記載の半導体装置。
前記半導体装置は、前記ヒートマスから延在し、先端が前記半導体素子と半田で接合される複数の突出部を備えている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記ヒートマスは、本体部と、該本体部から延在し、先端が前記半導体素子と半田で接合される複数の突出部とを備え、前記本体部は熱容量が大きい部分の厚さが、熱容量が小さい部分の厚さより厚く形成されている請求項２に記載の半導体装置。
前記複数の突出部のうち前記ヒートマスの端部に対応する突出部の長さが他の突出部の長さより長く形成されている請求項４又は請求項５に記載の半導体装置。