JP2012119403A

JP2012119403A - 半導体装置

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Publication number: JP2012119403A
Application number: JP2010265901A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshige Miyawaki; 清茂宮脇
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-06-21

Abstract

【課題】冷却媒体中の半導体素子に生じる熱衝撃を低減する。
【解決手段】半導体装置１は、冷却媒体９が内部に収容される冷却容器２と、冷却容器２の内部に設けられた基板３と、基板３上に位置する半導体素子４とを備えており、基板３および半導体素子４は、冷却媒体９中に配置されており、基板３は、半導体素子４に接する第１の領域３１と、第１の領域３１に隣接する、表面が冷却媒体９中に露出した第２の領域３２とを具備しており、第２の領域３２は第１の領域３１よりも気孔率が大きい多孔質体である。半導体素子４の上面において気泡が過度に大きくなる前に離脱させることができるので、半導体素子４の上面に熱衝撃が生じる可能性を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関するものである。

半導体素子を冷却する機構を備えた半導体装置として、冷却容器の内部に半導体素子を備えた半導体装置が知られている。冷却容器の内部に半導体素子を備えた半導体装置としては、例えば、特許文献１に記載の半導体装置が挙げられる。

特許文献１に記載の半導体装置は、ヒートパイプと、ヒートパイプの内部に設けられた半導体チップと、ヒートパイプの内部に設けられた、半導体チップと直接接触している作動液とを備えている。このような半導体装置においては、半導体チップが作動液と直接接触していることにより、半導体チップから発生する熱の放散性が高められている。

特開２００９−２０６３６９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の半導体装置においては、作動液が半導体チップの上面に接することによって半導体チップから発生する熱を吸収して気化した際に、半導体チップの上面に接した部分で作動液中に気泡が発生して、この気泡が半導体チップの上面に留まる可能性がある。また、このように気泡が半導体チップの上面に留まることによって、気泡同士が結合して大きくなる可能性がある。この気泡が留まっている部分では、作動液が排除されて作動液への放熱が阻害されるため、半導体チップの上面が部分的に加熱されることになる。そして、大きくなった気泡が半導体チップの上面から離脱する際には、気泡と入れ替わって作動液が流れ込むことによって、その部分が急激に冷却されることとなるため、半導体チップの上面に大きな熱衝撃が生じる可能性がある。

本発明の１つの態様に基づく半導体装置は、冷却媒体が内部に収容される冷却容器と、冷却容器の内部に設けられた基板と、基板上に位置する半導体素子とを備えた半導体装置であって、基板および半導体素子は冷却媒体中に配置されており、基板は、半導体素子と接する第１の領域と、第１の領域に隣接する、表面が冷却媒体中に露出した第２の領域とを具備しており、第２の領域は第１の領域よりも気孔率が大きい多孔質体であることを特徴とする。

本発明の１つの態様に基づく半導体装置によれば、基板が、半導体素子と接する第１の領域と、第１の領域に隣接する、表面が冷却媒体中に露出した第２の領域とを具備しており、第２の領域は第１の領域よりも気孔率が大きい多孔質体である。これによって、第２の領域の上面から微細な気泡を良好に離脱させることができる。この離脱した微細な気泡が、発熱部である半導体素子上に生じる冷却媒体の対流によって移動し、半導体素子の表面に留まっている気泡に接触することで、半導体素子の上面において気泡が過度に大きくなる前に離脱させることができる。これにより半導体素子の上面に熱衝撃が生じる可能性を低減することができる。また、半導体素子と接する基板の第１の領域は、第２の領域よりも気孔率が小さいことから、半導体素子から発生する熱を効率よく吸収することができ
る。

本発明の第１の実施形態の例の半導体装置を示す断面図である。本発明の第１の実施形態の例の半導体装置を示す平面透視図である。本発明の第１の実施形態の例の半導体装置の変形例を示す断面図である。本発明の第２の実施形態の例の半導体装置を示す断面図である。本発明の第２の実施形態の例の半導体装置を示す平面透視図である。本発明の第３の実施形態の例の半導体装置を示す平面透視図である。

以下、本発明のいくつかの実施形態の例について図面を参照して説明する。

図１、２に示すように、本発明の第１の実施形態の例の半導体装置１は、冷却媒体９が内部に収容される冷却容器２と、冷却容器２の内部に設けられた基板３と、基板３の上面に位置する半導体素子４とを備えている。また、基板３および半導体素子４は冷却媒体９中に配置されており、基板３は、半導体素子４と接する第１の領域３１と、第１の領域３１に隣接するとともに、表面が冷却媒体９中で露出した第２の領域３２とを具備している。そして、第２の領域３２は第１の領域３１よりも気孔率が大きい多孔質体である。

図１、２に示すように、第１の実施形態の例の半導体装置１における冷却容器２は、基体２１と、基体２１の上面に設けられており、基体２１との間に密閉空間を形成する蓋体２２とを備えている。基体２１と蓋体２２とが接合されることによって冷却容器２の内部に密閉空間が形成されている。

本例の冷却容器２における基体２１は、平面視したときの形状が四角形の板状の部材である。また、基体２１には、後述するリード端子６を設けるための貫通孔２１０が、基体２１の上面と下面とに開口するように形成されている。

本例の冷却容器２における基体２１としては、熱伝導性の良好な材料を用いることが望ましい。具体的には、例えば、熱伝導性の良好な材料として、鉄ニッケル（Ｆｅ−Ｎｉ）合金、鉄ニッケルコバルト（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）合金、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。

本例の冷却容器２における蓋体２２は、基体２１の上面に設けられている。蓋体２２は、平面視したときの形状が四角形状である。蓋体２２は、基体２１と接する側の面に凹部が形成されており、この凹部が基体２１によって覆われるとともに、基体２１と蓋体２２とが接合されることによって、冷却容器２の密閉空間が形成されている。

本例の冷却容器２における蓋体２２としては、熱伝導性の良好な材料を用いることが望ましい。具体的には、熱伝導性の良好な材料として、例えば、鉄ニッケル（Ｆｅ−Ｎｉ）合金、鉄ニッケルコバルト（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）合金、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。さらに、蓋体２２は、基体２１と同じ材料を用いて形成されていることが好ましい。これにより基体２１と蓋体２２との熱膨張差を低減することができ、冷却容器２の信頼性を向上させることができる。なお、本例においては、基体２１が蓋体２２と別々に形成されているが、特にこれに限られるものではなく、基体２１と蓋体２２とが一体的に形成されていてもよい。

第１の実施形態の例の半導体装置１における基板３は、冷却容器２の内部に設けられている。基板３は、基体２１の上面に接合されている。基体２１と基板３との接合にはろう
材７を用いることができる。ろう材７としては、例えば銀（Ａｇ）ろう、銀−すず（Ａｇ−Ｓｎ）ろうまたは半田材料を用いることができる。

第１の実施形態の例の半導体装置１における基板３は、半導体素子４と接している第１の領域３１と、基板３の表面に露出しており、第１の領域３１よりも気孔率が大きい多孔質体である第２の領域３２とを具備している。第２の領域３２は、第１の領域３１よりも気孔率が大きい多孔質体であることによって、第２の領域３２の表面から微細な気泡を良好に離脱させることができる。

これは、第２の領域３２の内部に存在する気泡が、半導体素子４が放出する熱によって温められるため、体積が増加する。そして、体積が増加した気泡の一部が、気孔から押し出され、第２の領域３２から解放されるからである。また、第２の領域３２の内部に入りこんだ冷却媒体９が、半導体素子４が放出する熱によって温められるため、気化する。これによって新たに気泡が生じ、この気泡が気孔から押し出され、第２の領域３２から解放されて離脱することによっても微細な気泡を離脱させることができる。このように離脱した微細な気泡が、発熱部である半導体素子４上に生じる冷却媒体９の対流によって移動し、半導体素子４の上面に留まっている気泡に接触することで、半導体素子４の上面において気泡が過度に大きくなる前に離脱させることができる。これにより半導体素子４の上面に熱衝撃が生じる可能性を低減することができる。

また、本例の基板３における第２の領域３２は、基板３の上面に露出している。これにより、第２の領域３２から離脱する微細な気泡が半導体素子４の上面に留まっている気泡に接触する可能性を大きくすることができる。したがって、半導体素子４の上面において気泡が過度に大きくなる前に離脱させることをより効率よく行なうことができる。

さらに、本例の基板３は、基板３および半導体素子４を平面視したときに、第２の領域３２が、半導体素子４を囲むように位置しているときには、第２の領域３２から放出される微細な気泡が半導体素子４の上面に留まっている気泡に接触しやすくさせることができる。

さらに、本例の基板３における第１の領域３１は、中央に凸部３１０が形成されており、第２の領域３２は、凸部３１０を囲むように形成されている。このように、基板３の上面における第１の領域３１の面積よりも基体２１の下面における第１の領域３１の面積が大きくなるように形成されていることから、半導体素子４から発生する熱を効率よく基体２１へと伝達することができる。

また、本例の基板３における第２の領域３２の表面粗さは、第１の領域３１の表面粗さよりも大きいことが好ましい。第２の領域３２の表面粗さが大きいことにより、第２の領域３２と冷却媒体９との接触面積が大きくなることから、基板３の放熱性を向上させることができる。また、第１の領域３１の表面粗さが小さいことにより、第１の領域３１と半導体素子４との密着性が向上することから、半導体素子４から熱を吸収しやすくすることができる。なお、第２の領域３２の表面粗さとしては、例えば、十点平均粗さで０．１〜１００μｍとすることができる。

第１の領域３１および第２の領域３２を備えた基板３の作製には、以下のように陽極化成処理を利用した方法を用いることができる。まず、シリコン（Ｓｉ）等の絶縁材料の板部材を用意する。この板部材の上面であって第１の領域３１となる部分にマスク層を設ける。このマスク層は、陽極化成処理で高濃度のフッ酸溶液を用いるため、耐フッ酸性を備えていることが望ましい。耐フッ酸性のマスク層としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）等を用いることができる。また、これらの膜を多層構造にして
、耐フッ酸性を増すことも可能である。

次に、陽極化成処理により第２の領域３２となる部分を多孔質化する。陽極化成処理で用いるフッ酸溶液は、例えば、フッ化水素酸（ＨＦ）とエタノール（Ｃ_２Ｈ_６Ｏ）と水（Ｈ_２Ｏ）との混合液で、フッ化水素酸（ＨＦ）濃度は１５〜５０％のものを用いることができる。陽極化成時の電流密度は、例えば、１０〜２５０ｍＡ／ｃｍ^２である。このようにして、気孔率を高めて多孔質体とした領域を第２の領域３２として、陽極化成処理を施さなかった領域を第１の領域３１として、基板３を作製することができる。

なお、上記の製法で作製した第２の領域３２は、例えば、気孔率５０〜６５％、平均気孔径０．１〜１００μｍに形成することができる。

このように１つの板部材を部分的に変質させることで作製された基板３は、第１の領域３１と第２の領域３２との間に別途接合材を設ける必要がないことから、第１の領域３１と第２の領域３２との間の熱伝導率が向上されている。

なお、基板３の作製方法は上述の方法に限られるものではなく、例えば、第１の領域３１と第２の領域３２とを別々に準備し、これらを接合することによって基板３を作製することもできる。具体的には、例えば、第１の領域３１としてシリコン（Ｓｉ）等の絶縁材料からなり、上面に凸部３１０が設けられている板部材を用意する。第２の領域３２として第１の領域３１よりも気孔率が大きいシリコン（Ｓｉ）等の絶縁材料からなる、枠形状の部材を用意する。第２の領域３２の作製方法としては、陽極化成処理を用いることができる。そして、第２の領域３２を第１の領域３１の凸部３１０にはめ込むように配設し、第１の領域３１と第２の領域３２とを接合することによって、基板３を作製することもできる。なお、接合にはガラス質材料を用いることができる。

なお、気孔率の比較には、以下の方法を用いることができる。まず、第１の領域３１と第２の領域３２それぞれを切断し、それぞれの切断面のうち切断前の表面を含む領域を見たときに単位面積当たりの気孔の占める面積の割合を算出する。ここでいう、「単位面積当たり」とは、気孔に対して十分に大きい面積であり、単位面積としては例えば１００μｍ×１００μｍを用いることができる。この割合の大小を比較することによって、気孔率の比較を行なうことができる。

図１、２に示すように、第１の実施形態の例の半導体装置１における半導体素子４は、基板３上に位置しており、第１の領域３１と接している。半導体素子４は、第１の領域３１の凸部３１０の上に配設されている。

第１の実施形態の例の半導体装置１における半導体素子４は、半導体部と、半導体部の上面に形成される電極部とによって構成されている。

本例の半導体素子４の半導体部は、例えばトランジスタの機能を備えている。具体的には、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の絶縁材料によって形成することができる。半導体部の形成には、例えば分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）または有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等を用いることができる。

半導体部のうち冷却媒体９に露出している領域が、気孔率が高く形成されていてもよい。これにより、当該領域からも、微細な気泡を離脱させることができるようになる。また、半導体部と冷却媒体９との接触面積が大きくなることから、半導体素子４の放熱性を向上させることができる。なお、半導体部のうち冷却媒体９に露出している領域の一部の気孔率を高くする方法としては、陽極化成処理を用いることができる。

本例の半導体素子４の電極部は、電気信号を半導体部へ入力または半導体部からの電気信号を出力する機能を備えている。電極部としては、導電性の良好な材料を用いることが望ましい。具体的には、例えば、導電性の良好な材料として、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）または銀（Ａｇ）を用いることができる。

図１、２に示すように、第１の実施形態の例の半導体装置１におけるリード端子６は、冷却容器２の貫通孔２１０の内部に設けられている。リード端子６は、一端部が冷却容器２の内部に、他端部が冷却容器２の外部に露出するように配設されている。リード端子６は、絶縁部材８によって貫通孔２１０の内部に固定されるとともに、冷却容器２と絶縁されている。絶縁部材８としては、ガラス質材料を用いることができる。リード端子６のうち冷却容器２の内部に位置する側の端部は、導電路部材５によって半導体素子４の電極部と電気的に接続されている。導電路部材５としては、例えば、ボンディングリボンやボンディングワイヤ等を用いることができる。

なお、導電路部材５は、全体が冷却媒体９中に浸っているように設けられていることが好ましい。これにより、半導体素子４から導電路部材５に伝わった熱を効率よく冷却媒体９に伝達させることができる。

第１の実施形態の例の半導体装置１においては、冷却容器２の内部に冷却媒体９が収容されている。このとき、基板３および半導体素子４が冷却媒体９の中に浸されている。これにより、半導体素子４を効率よく冷却することができる。さらに、半導体素子４から冷却媒体９に伝わる熱によって冷却媒体９中に対流が生じる。半導体素子４から冷却媒体９に伝わった熱は、この対流によって蓋体２２の凹部にまで伝導される。蓋体２２の凹部に伝わった熱は、蓋体２２を通って外部に放出される。冷却媒体９としては、例えば、水（Ｈ_２Ｏ）、エタノール（Ｃ_２Ｈ_６Ｏ）、メタノール（ＣＨ_４Ｏ）を用いることができる。さらに、冷却容器２の内部は、冷却媒体９を冷却容器２に入れるときに、減圧されていることが好ましい。これにより、冷却媒体９を気化しやすくすることができるため、冷却媒体９の気化熱によって半導体素子４の冷却効率を向上させることができる。

なお、本例の半導体装置１においては、基板３および半導体素子４の上面は、冷却媒体９の液面と略平行に配置されているが、図３に示すように基体２１の上面に傾斜を設けることによって、冷却媒体９の液面に対して傾斜して設けることもできる。これにより、基板３および半導体素子４の上面の、上下方向における気泡の保持力を低下させることができる。したがって、半導体素子４の上面において気泡が過度に大きくなる前に離脱させることをより効率よく行なうことができる。

また、本例の半導体装置１においては、基板３および半導体素子４は１つずつ設けられているが、これに限られるものではなく、１つの基板３の上に複数の半導体素子４が設けられていてもよい。この場合、複数の半導体素子４それぞれの間に第２の領域３２を形成することで、電極部において気泡が留まる可能性をより低減することができる。その結果、半導体素子４の上面において気泡が過度に大きくなる前に離脱させることをより効率よく行なうことができる。

次に、本発明の第２の実施形態の例の半導体装置１について説明する。なお、本例の各構成において、第１の実施形態と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図４、５に示すように、第２の実施形態の例の半導体装置１は、第１の実施形態の例の半導体装置１と比較して、基板３および半導体素子４の形状が異なる。

第２の実施形態の例の半導体装置１における基板３は、平面視したときに、第１の領域３１が枠形状であって、第１の領域３１の内側および外側に第２の領域３２が形成されている。第２の実施形態の例の半導体装置１における半導体素子４は、平面視したときに、枠形状であって、第１の領域３１の上に形成されている。半導体素子４の内周は、第１の領域３１の内周よりも大きく、半導体素子４の外周は、第１の領域３１の外周よりも小さい。

このように、平面視したときに、半導体素子４が第２の領域３２を囲むように位置しているときには、半導体素子４における内周側の側面を冷却媒体９と直接接触させることができる。これにより、半導体素子４をより効率よく冷却することができる。

次に、本発明の第３の実施形態の例の半導体装置１について説明する。なお、本例の各構成において、第１の実施形態と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図６に示すように、第３の実施形態の例の半導体装置１における基板３は、第１の実施形態の例の半導体装置１と比較して、第２の領域３２の形状が異なる。第２の領域３２は、平面視したときに、導電路部材５が第２の領域３２と重ならないように位置している。具体的には、平面視したときに、基板３は、第１の領域３１と、第１の領域３１を２方向から挟むように形成された２つの第２の領域３２とを備えており、導電路部材５は、第２の領域３２に挟まれた第１の領域３１の上を通ってリード端子６へと引き出されている。これにより、第２の領域３２で発生した気泡が導電路部材５に付着する可能性を低減することができる。そして、導電路部材５に気泡が付着することによる、導電路部材５と冷却媒体９との接触面積の低下を低減することができる。この結果、導電路部材５から冷却媒体９への熱の伝達効率を維持することができる。

なお、本発明は上述の実施形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更や実施の形態の組合せを行なうことは何等差し支えない。

例えば、第２の実施形態の例の冷却容器２における半導体装置１において、基板３および半導体素子４の上面を冷却媒体９の液面に対して傾斜して設けた構成としてもよい。この場合には、基板３および半導体装置１の表面から離脱する気泡が、他の気泡に接する可能性をさらに向上させることができる。これにより、基板３および半導体素子４の表面から離脱する気泡が、半導体素子４に留まっている他の気泡に接する可能性をさらに向上させることができる。この結果、半導体素子４の上面において気泡が過度に大きくなる前に放出させることをさらに効率よく行なうことができる。

１：半導体装置
２：冷却容器
３：基板
３１：第１の領域
３２：第２の領域
４：半導体素子
５：導電路部材
９：冷却媒体

Claims

冷却媒体が内部に収容される冷却容器と、
該冷却容器の内部に設けられた基板と、
該基板上に位置する半導体素子とを備えた半導体装置であって、
前記基板および前記半導体素子は、前記冷却媒体中に配置されており、
前記基板は、前記半導体素子に接する第１の領域と、該第１の領域に隣接する、表面が前記冷却媒体中に露出した第２の領域とを具備しており、該第２の領域は前記第１の領域よりも気孔率が大きい多孔質体であることを特徴とする半導体装置。
前記第２の領域の表面粗さが前記第１の領域の表面粗さよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記基板の表面のうち上面の少なくとも一部が前記第２の領域であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記基板および前記半導体素子を平面視したときに、前記第２の領域が前記半導体素子を囲むように位置していることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
前記冷却容器の内外を電気的に接続する配線と、該配線および前記半導体素子を電気的に接続する導電路部材とをさらに具備しており、前記基板および前記導電路部材を平面視したときに、前記導電路部材が前記第２の領域と重ならないように位置していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。