JP2015185688A

JP2015185688A - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP2015185688A
Application number: JP2014060970A
Authority: JP
Inventors: 中川　成幸; Nariyuki Nakagawa; 成幸中川; 義貴上原; Yoshitaka Uehara; 宮本　健二; Kenji Miyamoto; 健二宮本; 南部　俊和; Toshikazu Nanbu; 俊和南部
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2034-03-24
Also published as: JP6327513B2

Abstract

【課題】部品点数が削減され、積層構成が簡潔で、接合数を削減され熱的性能や信頼性を向上しており、製造工程を簡素化でき、容易で安価に製造できる半導体装置及びその製造方法を提供すること。【解決手段】半導体装置は、半導体１０とこの半導体を冷却する冷却器１５と電極と絶縁体と応力緩衝材を備える。半導体１０と冷却器１５の間に、この冷却器１５側から応力緩衝層１１と絶縁体層１２と電極層１３をこの順で積層して成る複層基板層１４が介在し、半導体１０が電極層１３上に配置されている。半導体装置の製造方法は、複層基板を、冷却器に応力緩衝層、絶縁層及び電極層をコールドスプレー又は溶射により順次一体的に積層して形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、更に詳細には、熱膨張率の低い発熱体たる半導体チップとこれを冷却する熱膨張率の高い熱交換用冷却器との間で、熱膨張率差により生じる熱応力を緩和するとともに、発熱体たる半導体チップから発生する熱を効率良く冷却器に逃がすことのできる半導体装置及びその製造方法に関する。
本発明の半導体装置及びその製造方法は、ハイブリッド車等の電力用パワーモジュールに好適に適用することができる。

従来、この種のパワーモジュールとしては、半導体チップを絶縁状態に設置する絶縁基板と、半導体チップからの発熱を放熱する放熱体や冷却器とを備えて構成される。
そして、半導体チップは、絶縁基板の上面に貼り合わされた銅やアルミ板等の金属層に、はんだ等を用いて接合固定されており、絶縁基板は、窒化アルミ等のセラミックス系絶縁材料から形成されている。絶縁基板の下面にも同様に形成された金属層と放熱体とは、はんだにより接合されている。また、放熱体と冷却器とは、シリコングリスやはんだ等で接合され、半導体装置が構成されている。
ここで、冷却器には一般に複数のフィンが形成され、接合用のはんだとしては一般的にはＳｎを主成分とする合金によるはんだが用いられている。

近年、電子部品の高機能、高性能化に伴い、半導体の発熱量は増加の一途を辿っている。一般に半導体はその発熱による性能低下を防ぐために、ヒートシンクに代表される冷却器に接合され、その熱伝導を利用することで冷却されている。
しかし、半導体と、それに直接接合される絶縁基板の熱膨張率とを比べると、主に熱伝導率の高い金属が適用される冷却器の素材の熱膨張率は著しく高い。例えば、半導体チップの熱膨張率は一般的に約３ｐｐｍであり、絶縁基板の熱膨張率は４〜５ｐｐｍであり、アルミニウムの冷却器の熱膨張率は約２３ｐｐｍである。
このため、これらを直接接合してしまうと、半導体の発熱や環境温度の上昇により、それぞれの部材が熱膨張することで、接合界面では熱膨張差に起因する大きな熱応力が発生し、その結果、接合材の破壊（クラック等）や接合界面の破壊（せん断破壊）が生じ虞があるがある。

この問題を解決するため、シリコン（Ｓｉ）で代表される半導体チップと、アルミニウムや銅で代表される冷却器の両者の中間の熱膨張率を持つ緩衝材を、適宜介在させて熱膨張率の差を緩和させる方法が取られている。
この緩衝材として代表的なものは、銅−モリブデン、銅−タングステンなどの焼結合金や、銅―インバー、アルミーインバーなどのクラッド材がある。これらは、高熱膨張率材であるアルミニウムや銅に、低熱膨張率材であるモリブデン、タングステン、インバーなどを、所要の比率により合金化し又はクラッド化することで、熱膨張率を任意に変更することが可能である。また、シリコングリース等を接合材として用い、応力緩衝材を兼ねた接合材とする例もある。
概して、これら熱膨張率のマッチングのため、パワーモジュール構造は多層構造となり、その結果、全体の熱抵抗が高くなるとともに、構成層の複雑化に伴い製造工程が複雑となり、結果として製品コストが高くなっている。

また、特許文献１には、基本構成として、半導体チップと冷却器の間にパワーモジュール用基板が介在され、このパワーモジュール用基板はセラミックス製の絶縁基板の上下に金属層が積層され、更にこの金属層に、熱膨張率の差を緩和させるために、銅―モリブデンー銅の３層をろう付けにて積層した積層基板を用いている、更にこの金属層と冷却器の接合には、熱応力を緩和するため、熱応力緩和層を介して接合されている。

特開２００７−３３５７９５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の方法においては、積層構成が非常に複雑になるとともに、部品の数や接合数が増えて製造工程が複雑になり、製品コストがアップする。
また、応力緩和層を介して冷却器と接続されているため、半導体チップからの熱伝達性が低下し発熱が大きくなる。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、部品点数が削減され、積層構成が簡潔で、接合数を削減され熱的性能や信頼性を向上しており、製造工程を簡素化でき、容易で安価に製造できる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、形成が簡易な所定の複層基板層を適切に配置することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の半導体装置は、半導体とこの半導体を冷却するための冷却器と電極と絶縁体と応力緩衝材を備える半導体装置である。
上記半導体と冷却器の間に、この冷却器側から応力緩衝層と絶縁体層と電極層をこの順で積層して成る複層基板層が介在し、
上記半導体が上記電極層上に配置されていることを特徴とする。

また、本発明の半導体装置の製造方法は、上述の如き半導体装置を製造する方法である。
上記複層基板を、上記冷却器に応力緩衝層、絶縁層及び電極層をコールドスプレー又は溶射により順次一体的に積層して形成することを特徴とする。

本発明によれば、形成が簡易な所定の複層基板層を適切に配置することなどとしたため、部品点数が削減され、積層構成が簡潔で、接合数を削減され熱的性能や信頼性を向上しており、製造工程を簡素化でき、容易で安価に製造できる半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
また、複層基板層が平板状をなすようにすれば、熱サイクルに対する各層の熱膨張差を吸収し熱応力を緩和できるとともに、電極としての高い導電性と、絶縁層としての絶縁性を簡素な構成で成立させた半導体装置用複層基板とすることができる。

本発明の半導体装置において、複層基板層が冷却器に埋設され、複層基板層の少なくとも絶縁体層と電極層が上記冷却器の表面から部分的に露出するとともに、これらの露出部分が電極層及び絶縁体層の順で拡径した多重輪構造をなし、上記複層基板の埋没部分が湾曲乃至は屈曲した断面形状を有するようにすれば、熱サイクルに対する各層の熱膨張差を吸収し、熱応力を緩和できるとともに、電極としての高い導電性と、絶縁層としての絶縁性を、簡素な構成で成立させた半導体装置とすることができる。

また、本発明の半導体装置において、応力緩衝層及び電極層が、銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）と、銅又はアルミニウムの熱膨張率を低下させる添加材を含む複合材から構成されるようにすれば、電極としての高い導電性を確保しつつ、半導体との熱膨張率のマッチングが図れ、耐久信頼性の高い半導体装置とすることができる。

更に、本発明の半導体装置において、応力緩和層に含まれる上記添加剤の含有量が、冷却器側から絶縁層側に向けて漸増しているようにすることができ、また、応力緩衝層が積層した複数層から成り、各層における上記添加剤の含有量は、上記冷却器側の層から絶縁層側の層に向けて漸増しているようにすることできる。
いずれの場合も、簡素な積層構成で、熱応力を効果的に緩和できるとともに、半導体チップで発生する熱を効率良く冷却器に熱伝達し冷却することができ、しかも小型な半導体装置とすることができる。

更にまた、本発明の半導体装置において、応力緩衝層への添加材が、炭化珪素（ＳｉＣ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）、タングステン、モリブデン、黒鉛及び炭素繊維から成る群より選ばれた少なくとも１種の材料である場合には、応力緩衝層の熱膨張係数を任意に制御することができ、絶縁層と冷却器の間の熱膨張率のマッチングを最適に設定できるため、熱応力が緩和され、熱的性能の高い半導体装置とすることができる。

また、本発明の半導体装置において、電極層における添加材を、導電性ダイヤモンド、黒鉛、炭素繊維及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）から成る群より選ばれた少なくとも１種の材料とすれば、電極層の熱膨張率を下げながら、電極としての高い導電率を確保できる半導体装置とすることができる。
本発明の半導体装置において、ひとつの冷却器に対して、複数の複層基板層と半導体を形成した構成とすれば、システムの小型化や低コスト化が可能となる。

更に、本発明の半導体装置の製造方法によれば、製造工程の簡素化と、部品の一体化により、半導体装置を容易で安価に製造できる。
また、本発明の半導体装置の製造方法において、半導体装置における冷却器、応力緩衝層、絶縁体層及び電極層の接合を、共晶反応と、酸化皮膜の破壊のための応力集中部として形成した微細溝とを併用した接合法により接合することにすれば、接合部の経時劣化が少なく耐久性に優れ、接合界面の電気抵抗や熱抵抗の低い高性能な半導体装置とすることができる。

本発明の半導体装置の一実施形態を示す概略断面図である。図１に示す半導体装置の概略平面図である。本発明の半導体装置の他の実施形態を示す概略断面図である。本発明の半導体装置の更に他の実施形態を示す概略断面図である。本発明の半導体装置の他の実施形態を示す概略断面図である。本発明の半導体装置の他の実施形態を示す概略断面図である。本発明の半導体装置の製造方法に用いるコールドスプレーの装置構成を示す構成図である。

以下、本発明の半導体装置及びその製造方法について、図面を参照して具体的に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の半導体装置の一実施形態を示しており、半導体チップを複層基板層を一体化した冷却器の上に実装接合して成る半導体装置の構造を示す概略断面図である。

図１において、この半導体装置は、冷却器１５の内部に一体に形成されるとともに、冷却器１５側から半導体チップ１０側に向かって応力緩衝層１４、絶縁体層１３及び電極層１２の各層が順次、互いに積層接合された複層基板層１１が形成されており、その上に半導体チップ１０が接合層１６により実装接合された半導体装置である。
ここで、応力緩衝層１４は、本実施形態では一例として３層構成となっており、この３層はそれぞれ熱膨張率が異なり、冷却器１５側から半導体チップ１０側に向かって、応力緩衝層Ｃ（１４ｃ）、応力緩衝層Ｂ（１４ｂ）、応力緩衝層Ａ（１４ａ）の順に熱膨張率が小さくなっている。

上記冷却器１５はアルミニウム合金から成るものであり、この冷却器１５には冷却性能を向上させるため、多数のフィン１５ｃが形成されている。この冷却器１５の内部には湾曲部１７として凹部が形成され、ここに密着するように一体に形成された複層基板層１１を有している。
複層基板層１１を構成するひとつの層である応力緩衝層１４は、アルミニウムを含み、アルミニウムの熱膨張率を低下させるための添加材としてＳｉＣを加えた複合材から構成されている。
ＳｉＣは熱膨張率が低く（約３ｐｐｍ）、熱伝導率も比較的高い（１５０Ｗ/ｍ・Ｋ）ことから好適に選択される。

本実施形態において、応力緩衝層１４は、冷却器１５側から絶縁体層１３側に向けて、添加材であるＳｉＣの量を漸増させており、ここでは、ＳｉＣを２５質量％とした応力緩衝層Ｃ（１４ｃ）、ＳｉＣを５０質量％とした応力緩衝層Ｂ（１４ｂ）、同じくＳｉＣを７０質量％とした応力緩衝層Ａ（１４ａ）により構成されている。また、本実施形態では、これら３層をほぼ同じ厚さで形成している。

応力緩衝層１４の上には絶縁層１３が同様に一体に形成されており、この絶縁層は電気的な絶縁性を有するとともに、熱膨張率が小さく（約５ｐｐｍ）、かつ適度な熱伝導率を有することから、また後述する溶射法での製造性も考慮して、構成材料としては一例としてセラミックスの中からＡｌ_２Ｏ_３を選択している。

また、絶縁層１３の上には電極層１２が同様に一体に形成されており、この電極層１２は、アルミニウムを含有し、アルミニウムの熱膨張率を低下させるとともに、熱伝導率と電気伝導度を向上させるための添加材として、導電性ダイヤモンドを７０質量％加えた複合材から構成されている。

本実施形態の半導体装置は、以上のような材料を選択した積層構成とすることによって、その各層の熱膨張率を、半導体チップ１０（３ｐｐｍ）、電極層１２（６ｐｐｍ）、絶縁体層１３（５ｐｐｍ）、応力緩衝層１４ａ（８ｐｐｍ）、応力緩衝層１４ｂ（１２ｐｐｍ）、応力緩衝層１４ｃ（１５ｐｐｍ）、冷却器１５（２３ｐｐｍ）と、順次漸増していくような構成としている。よって、熱サイクルに対する各層の熱膨張差を吸収し、効果的に熱応力を緩和できる。
これらの各層の材質や厚さは、本実施形態に限定されるものではなく、含有成分である材料や添加材の材質及び層厚などを適宜に選定することができる。

なお、応力緩衝層１４及び電極層１２としては、アルミニウムを含有する複合材を一例として示したが、これに限定されるものではなく、同様に熱伝導率や電気伝導度が高い金属である銅を含有させ又は主成分としてもよい。
また、応力緩衝層１４への添加材として、ＳｉＣを示したが、これ以外にも、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）、タングステン、モリブデン、黒鉛及び炭素繊維などから適宜選択でき、更にはこれらの中から複数選択してもよい。
電極層１２への添加材も同様に導電性ダイヤモンド以外にも、黒鉛、炭素繊維及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、などから適宜選択できる。

図２（ａ）には、図１の半導体装置の概略平面図を示す。
図２（ａ）において、平面視上、複層基板層１１は半導体チップ１０を取り囲むように略円形形状に形成され、且つその端部が開放された形式で、冷却器１５の内部に一体化された構成を採っている。

即ち、平面観察上、応力緩衝層１４、絶縁体層１３及び電極層１２を積層して成る複層基板層１１において、応力緩衝層１４、絶縁体層１３及び電極層１２は、冷却器１５の上面から部分的に露出しており、これらの露出部分は、応力緩衝層１４、絶縁体層１３及び電極層１２の順で拡径しており、あたかも年輪のように半導体チップ１０を包囲した多重輪構造をなしている。
また、複層基板層１１は、その大部分が冷却器１５に埋められているが、その全体が埋没してはおらず上述のように露出部分を有しており、且つこれらの露出部分は、冷却器１５の上面とほぼ面一となっている（図１参照）。
なお、半導体チップ１０は、接合層１６を介して電極層１２上に配置（実装）されていることはいうまでもない。

上述の多重輪構造において、各層の露出部分の平面形状は円形に限定されるものではなく、図２（ｂ）に示すように、角部に曲率を有した矩形としてもよい。
この例において、複層基板層１１の各層は、半導体チップ１０を取り囲むように角部にＲ部１８を有した矩形形状に形成され、且つその端部が開放（露出）された形式で冷却器１５の内部に一体化（埋設）されている。
本発明において、複層基板１１のＲ部１８の曲率や端部の開放形状は、熱膨張や収縮により発生する応力集中を緩和させるために重要な条件となる。

次に、本発明の半導体装置の製造方法の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態では、基本的に、冷却器１５に形成した湾曲部１７である凹部に対して、コールドスプレー法を用いて、上述のような応力緩衝層、絶縁層及び電極層の３層を順次一体的に積層し、複層基板層１１を形成する。

図７に、本発明の半導体装置の製造方法に用いるコールドスプレーの装置構成を示す。
コールドスプレーのプロセスは、次のとおりである。
コールドスプレーとは、原料粉末を溶融又はガス化させること無くキャリアガスと共に超高速で固相状態のまま基材に衝突させて皮膜を形成する方法である。
まず、応力緩衝層１４と電極層１２のアルミニウムを主成分として含む複合材を、冷却器１５に一体化させて積層する方法を示す。

キャリアガスとしては、任意のガスを用いることができる。より優れた材料特性を得るためには、Ａｒ（アルゴン）、Ｈｅ（ヘリウム）、Ｎ_２（窒素）など、酸化による材料特性を劣化させない不活性ガスを用いることが好ましい。
窒素には窒化物の分解が生じにくい利点や、ガスが安価であるという利点があり、Ｈｅには分子量が小さく、低圧でも速いガス速度が得やすく、設備費用が安価にできる利点がある。特に、酸化防止のため水素を含有させてもよい。

本実施形態では、Ｈｅガスを用いてスプレーを実施した。
キャリアガス温度は３００℃になるよう調整した。このキャリアガス温度は、ヒータで加熱された一次キャリアガスと、原料投入ガスの両者を混合した温度になる（図７参照）。この温度調整は、一次キャリアガスと原料投入ガスのガス圧力比で調整できる。本実施形態では、ヒータ温度は６００℃とした。また、用いた粉末の粒径は５〜３０μｍとした。
なお、絶縁体層１３であるセラミクス材の積層は、本実施形態ではプラズマ溶射を用いて行った。

応力緩衝層、絶縁体層、電極層の各層の積層については、コールドスプレー以外にも、エアロゾルデポジション法、溶射法など、粉末を高速で噴射し、積層する工法であれば適用でき、いずれも比較的高い生産性且つ任意の混合比率で、密着性の高い複数層を形成できるため、熱サイクルに対する耐久性の高い半導体装置が得られる。
しかも、本実施形態の方法によれば、冷却器と応力緩衝層、絶縁体層、電極層を一体化した単一部品として扱うことが可能となり、部品点数、接合数を大幅に削減した簡素な構造を実現できるので、製造工程を簡素化し、半導体装置のコストを低減できる。

このコールドスプレー法によれば、これまで一般の鋳造法では複合化が困難であったアルミニウムや銅と、タングステンやモリブデンなどとの複合化が、比較的容易で安価に実現でき、このことは大きな特徴である。
また、この方法によれば、図１に示した実施形態では応力緩衝層１４を３層構成としたが、これを２層以上の複層、又は徐々に無段階に添加剤の混合比率を変えることも可能であり、これによって、熱膨張率を漸増させた傾斜機能材を製造することも可能で、小型で高機能なパワーモジュールを実現できる。この傾斜機能材を用いれば、熱応力の緩和効果はより一層大きくなる。

図１に示した実施形態では、複層基板層１１に湾曲部１７を形成したが、湾曲形状に限定する必要はなく、例えば図３、図４に示すような屈曲形状としてもよい。
図３、図４に屈曲形状に関する実施形態を示す。

（実施形態２）
図３は、本発明の半導体装置の他の実施形態を示す概略断面図である。
図３に示す半導体装置は、屈曲部２７が形成された複層基板層２１以外は、図１に示す実施形態と同様の構成を有している。即ち、冷却器２５の内部に一体に形成されるとともに、冷却器２５側から半導体チップ１０側に向かって、応力緩衝層２４、絶縁層２３、電極層２２の各層が順次、互いに積層接合された複層基板層２１が形成されており、その上に、半導体チップ１０が接合層１６により実装接合されている。
さらに、応力緩衝層２４は３層構成となっており、この３層はそれぞれ熱膨張率が異なり、冷却器２５側から半導体チップ１０側に向かって２４ｃ、２４ｂ及び２４ａの順に、熱膨張率が小さくなっている。

（実施形態３）
また、図４には更に他の実施形態を示す。
図４に示す半導体装置は、屈曲部３７が形成された複層基板層３１以外は、上述の実施形態と同様の構成を有している。冷却器３５の内部に一体に形成されるとともに、冷却器３５側から半導体チップ１０側に向かって、応力緩衝層３４、絶縁層３３、電極層３２、の各層が順次、互いに積層接合された複層基板層３１を形成しており、その上に半導体チップ１０が接合層１６により実装接合された半導体装置となっている。
応力緩衝層３４は３層構成となっており、この３層はそれぞれ熱膨張率が異なり、冷却器３５側から半導体チップ１０側に向かって３４ｃ、３４ｂ、３４ａの順に、熱膨張率が小さくなっている。
図３又は図４に示す実施形態にあっても、図１に示す実施形態と全く同様の効果が得られる。

更に、以上の実施形態では、半導体チップと複層基板層、冷却器が、それぞれ１個づつから構成された半導体装置を説明したが、これに限定されるものではなく、図５に示すように、ひとつの冷却器に対し、複数の複層基板層や半導体チップを実装させることもできる。

図５において、冷却器４５には複数の凹部４７ａ、４７ｂが形成され、ここに、それぞれ複層基板層４１ａ、４１ｂがコールドスプレー等により積層され一体部品化され、さらにその上に、半導体チップ４０ａ、４０ｂが接合層を介して実装される。
このような構成とすることによって、半導体装置を小型化することができると供に、安価に製造可能となる。

なお、これまで示した実施形態では、複層基板層を構成する応力緩衝層、絶縁層、電極層をすべて、冷却器の内部に一体化し、その端部のみが開放された構成としたが、少なくとも絶縁層は絶縁のため端部の解放は必要であり、最表面にある電極層も端部の解放は必要であるが、応力緩衝層は、端部が冷却器内に埋め込まれている場合もあり得る。

（実施形態４）
図６には他の実施形態を示す。
上述の実施形態例は、冷却器の内部に複層基板層を一体化した例を示したが、図６のように、冷却器とは別に独立した複層基板とし、これを冷却器の上に半導体チップとともに実装した例を示す。本実施形態では、複層基板は平板状をなしている。

図６に示す半導体装置は、冷却器５５側から半導体チップ１０側に向かって、応力緩衝層５４、絶縁体層５３、電極層５２の各層が順次、互いに積層接合された複層基板５１を作成し、この複層基板５１が冷却器５５の上部に接合層５７によって接合されているとともに、その上に半導体チップ１０が接合層５６を介して実装接合された半導体装置である。
上記同様に、応力緩衝層５４は３層構成となっており、この３層はそれぞれ熱膨張率が異なり、冷却器５５側から半導体チップ１０側に向かって５４ｃ、５４ｂ及び５４ａの順に、熱膨張率が小さくなっている。

本実施形態に示す複層基板も、上記実施形態と同様に、コールドスプレー等を用いて容易に製造可能である。
本実施形態に示す複層基板は、平板状であり、簡単な形状のため製造もより容易となり、同一の基板を単独で使用できるため、応用範囲も広くなるという利点もある。

以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、以上に説明した半導体装置の半導体チップの実装接合方法には、一般的なＳｎ系のはんだを使用しても問題ないが、本発明の構成とすることにより、はんだ層自身で熱サイクルにより発生する熱応力を吸収する必要が無くなるため、接合方法の選択肢を広げることができる。例えば、銀ナノ粒子や銅ナノ粒子等の焼結を利用した接合方法のような、比較的応力緩衝機能の低い接合方法でも好適に利用することができる。また、例えば、共晶反応を利用するとともに、酸化皮膜の破壊のための応力集中部として形成した微細溝とを併用した接合法により接合すると、接合部の経時劣化が少なく耐久性に優れ、接合界面の電気抵抗や熱抵抗の低い高性能な半導体装置とすることができる。なお、この場合、応力集中部は、接合しようとする層のいずれか一方に形成すれば十分である。

１０、４０ａ、４０ｂ半導体チップ
１２負極端子
１１、２１、３１、４１、５１複層基板層
１２、２２、３２、５２電極層
１３、２３、３３、５３絶縁層
１４、２４、３４、５４応力緩衝層
１５、２５、３５、４５、５５冷却器
１６、５６、５７接合層

Claims

半導体とこの半導体を冷却するための冷却器と電極と絶縁体と応力緩衝材を備える半導体装置において、
上記半導体と冷却器の間に、この冷却器側から応力緩衝層と絶縁体層と電極層をこの順で積層して成る複層基板層が介在し、
上記半導体が上記電極層上に配置されていることを特徴とする半導体装置。
上記複層基板層が平板状をなすことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
上記複層基板層が上記冷却器に埋設されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
上記複層基板層の少なくとも絶縁体層と電極層が上記冷却器の表面から部分的に露出するとともに、これらの露出部分が電極層及び絶縁体層の順で拡径した多重輪構造をなし、
上記複層基板の埋没部分が湾曲乃至は屈曲した断面形状を有することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
上記応力緩衝層及び電極層が、銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）と、銅又はアルミニウムの熱膨張率を低下させる添加材を含む複合材から成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
上記応力緩和層に含まれる上記添加剤の含有量が、上記冷却器側から絶縁層側に向けて漸増していることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
上記応力緩衝層が積層した複数層から成り、各層における上記添加剤の含有量は、上記冷却器側の層から絶縁層側の層に向けて漸増していることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
上記応力緩衝層への添加材が、炭化珪素（ＳｉＣ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）、タングステン、モリブデン、黒鉛及び炭素繊維から成る群より選ばれた少なくとも１種の材料であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
上記電極層における添加材が、導電性ダイヤモンド、黒鉛、炭素繊維及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）から成る群より選ばれた少なくとも１種の材料であることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
ひとつの冷却器に対して、複数の複層基板層と半導体を形成して成ることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載の半導体装置を製造するに当たり、
上記複層基板を、上記冷却器に応力緩衝層、絶縁層及び電極層をコールドスプレー又は溶射により順次一体的に積層して形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
上記冷却器が凹部を有し、この凹部に上記複層基板を形成することを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
上記半導体装置における冷却器、応力緩衝層、絶縁体層及び電極層の接合を、共晶反応と、酸化皮膜の破壊のための応力集中部として形成した微細溝とを併用した接合法により接合することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の半導体装置の製造方法。