JP4801797B1 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

放熱効果と絶縁耐圧の高い半導体装置（１００）及びその製造方法を提供する。
半導体装置（１００）は、密閉容器（７）と、密閉容器（７）にステム外周部（６）を介して接続されたステム（２）と、密閉容器（７）側のステム（２）の上面に実装された半導体チップ（１）とを備え、半導体チップ（１）は、ステム（２）に設置されたリード（３）と電気的に接続されており、ステム（２）の外周にはステム（２）と材質が異なり、かつ密閉容器（７）と同じ材質のステム外周部（６）が接着されており、ステム外周部（６）と密閉容器（７）が溶接により接続されており、密閉容器（７）の内部に、エタノール、パーフルオロカーボン、フルオロエーテルのうちの少なくともいずれかを含む作動液が充填されている。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、ヒートパイプの内部に半導体チップを有する半導体装置及びその製造方法に関する。
近年、半導体デバイスの材料として、窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表される窒化物半導体、炭化珪素（ＳｉＣ）等といったワイドバンドギャップ半導体の研究開発が活発に行われている。
ワイドバンドギャップ半導体は、絶縁破壊電圧がＳｉに比べて１桁大きいことと、半導体デバイスのオン抵抗が小さくなることが特徴である。特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化物半導体材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）等と様々な混晶を作り、２次元電子ガスを生成するヘテロ接合を作ることができるので、電流を基板に平行方向に流す横型デバイスにおいても、大電流で低いオン抵抗の大電力用デバイスが実現できる。
例えば、順方向耐圧６００Ｖで２ｍΩｃｍ2のオン抵抗値が得られており、従来の大電力用ＭＯＳＦＥＴの１／１０以下と極めて低オン抵抗の大電力用ＧａＮＦＥＴが実現されている。一方、大電力用ＭＯＳＦＥＴと同じ順方向耐圧で同じオン抵抗の大電力用ＧａＮＦＥＴを実現した場合、チップ面積は約１／１０となり、大電力用デバイスの大幅な小型化が実現できる。しかしながら、この場合ＭＯＳＦＥＴの１０倍の発熱密度となるため、窒化物半導体からなる小型デバイスにおいては半導体チップの放熱技術が極めて重要となってくる。
一方、大量の熱を高速で移動させることで冷却する装置としてヒートパイプがある。ヒートパイプとは、半導体などから生じる熱を拡散・排出するために、パソコン内部に張り巡らされた金属製の管である。薄型のノートパソコンなどで用いられる。金属管の中に冷媒を入れ、液体の蒸発と凝縮の潜熱を利用して排熱する。熱源から徐々に放熱しながら熱を拡散することにより、小さな温度差で大量の熱輸送を可能にする。
ヒートパイプの構造は、熱伝導性が高い材質からなるパイプ中に揮発性の液体（作動液）を封入したものである。動作原理は、以下の通りである。パイプ中の一方を加熱し、もう一方を冷却することで、加熱側では作動液の蒸発による潜熱の吸収が生じ、冷却側では作動液の凝縮による潜熱の放出が生ずる。液体になった作動液は、パイプ内部に形成されたウィックの毛細管力によって、作動液の少ない領域に帰還する。これらのサイクルを通じて熱が高温部から低温部へと移動し、適切に設計されたヒートパイプでは、金属の放熱器（ヒートシンク）に比べて、高い放熱効果が得られる。冷却部を加熱部より高い位置に設定することにより、重力により凝縮後の作動液を加熱部に戻すことができるが、パイプ内部を毛細管構造にすることにより、高低差がない場合でも利用が可能になる。毛細管構造の有無でサーモサイフォンとヒートパイプを分類している（例えば、特許文献１〜４参照）。
ヒートパイプ式電子部品冷却器の実施例を図１６に示す（特許文献１参照）。電子部品冷却器２０はセラミックスパッケージ２２に形成した密封空間部２４を利用してヒートパイプ構造としている。密封空間部２４を垂直に配置することで、上下方向に長くなるように配置されている。セラミックスパッケージ２２は内部に段付の凹陥部２３が形成され、奥側部分２３ｂに電子部品として半導体チップ（Ｓｉチップ）をパッケージングしたＬＳＩ本体２５を固定装着している。ＬＳＩ本体２５の表面及びその周辺の凹陥部２３に沿って、アルミナ製のセラミックス材料などの多孔質物質としたウィック２６ａが形成され、作動液の蒸発部２６となっている。セラミックスパッケージ２２の主部は側方に開放する椀状を呈し、その側部開放部には側蓋２２ａが固着され、側蓋２２ａと凹陥部２３とにより密封空間部２４が形成される。この側蓋２２ａは全体にセラミックスパッケージ２２と同様の部材であるセラミックス材料の薄板で作り、この側蓋２２ａが作動液で凝縮する凝縮部となっている。作動液としては、純水やフロンが用いられている。
ヒートパイプの原理を利用したマルチチップモジュールの冷却構造の実施例を図１７に示す（特許文献２参照）。半導体素子３１を内蔵する複数のＬＳＩケース３２が搭載された配線基板３３からなるマルチチップモジュールである。配線基板３３に固着されたフランジ３４は、ＬＳＩケース３２を覆うようにフランジ３４を介して配線基板３３に取り付けられる。放熱ブロック３５は配線基板３３とともにＬＳＩケース３２を内包する密閉空間を形成する。冷却機構は、放熱ブロック３５と、放熱ブロック３５に設けられた平板状ウィック３９と柱状ウィック４０とからなる作動媒体流路と、冷媒流路３６内を流れ、放熱ブロック３５を冷却する冷却液３７と前記密閉空間内に封入された作動媒体３８とを含んで構成される。作動液には耐腐食性と絶縁性を有するパーフロロカーボン液が用いられている。密閉性を高めるために、フランジ３４と放熱ブロック３５の間にガスケットやＯリング、シーリング材を使用している。
ヒートパイプの内部に半導体チップを有する半導体装置の実施例を図１８に示す（特許文献３参照）。半導体チップ５１はハンダなどのマウント剤５３により、実装基板５５に実装されている。この実装基板５５は、表面側のガラス布基材エポキシ樹脂（ガラスエポキシ）からなる絶縁層５５ａ、裏面側の同じくガラスエポキシからなる絶縁層５５ｃ、及びそれらに挟まれた銅板５５ｂから構成されている。半導体チップ５１は、複数のボンディングワイヤ５２により、実装基板５５の表面側及び裏面側に銅で形成された配線５５ｄと電気的に接続され、ヒートパイプ５６の外部と電気的に接続されている。この配線５５ｄは、壁面がガラスエポキシでカバーされているスルーホール５５ｅを介して、表面側と裏面側で接続されている。そして、ヒートパイプ５６は、内部に、ウィック５７及び、水、アルコール、又は代替フロンなどからなる作動液５８が注入されている。半導体チップ５１とボンディングワイヤ５２は、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂からなる保護膜５４により覆われている。
また、半導体チップを含まないヒートパイプ単体として用いられる作動液としては、水、メタノール、エタノール、アセトン、アンモニア、クロロフロオルカーボン（ＣＦＣ）系冷媒、ハイドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）系冷媒、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系冷媒又はこれらの混合冷媒が開示されている（特許文献４参照）。
特許第２５８３３４３号公報 特開平１１−８７５８６号公報 特開２００９−２０６３６９号公報 特表２００７−５０７６８５号公報
特許文献１及び２においては、半導体チップがセラミックスパッケージで封止されており、作動液と半導体チップが直接接しない構造となっている。その結果、パッケージ材料の熱伝導率が低いために、半導体チップ表面の熱が作動液に伝わりにくく、半導体チップが冷却されず、パッケージ内部で半導体チップ自体の温度が著しく上昇するという問題がある。
特許文献３では、半導体チップが直接作動液に接しているので、チップ表面から直接作動液に熱を放散できるが、ＧａＮやＳｉＣデバイスはＳｉデバイスよりも水に対する腐食性が大きいため、作動液に水を用いた場合にはデバイス特性が急激に劣化するという問題があった。一方、作動液としてアルコールや代替フロンなどの有機溶剤を用いた場合には、デバイスに電圧を印加した場合に絶縁耐圧が低く、パッケージ内で放電することでデバイスが破壊されるという問題がある。
さらに、ヒートパイプの冷却部を空冷した場合には、半導体チップの温度が１５０℃程度となり、冷却部分の温度が１４０℃程度となって、ヒートパイプ内部の圧力が上昇する。作動液にエタノールを使用したときの蒸気圧と温度の関係を図１９に示す。同図に示すように、冷却部の温度が、作動液の沸点（エタノールの場合は７８℃）以上であると、ヒートパイプ内部は大気圧（１気圧）以上に加圧される。また、作動液が放電プラズマにより分解するにいたっては、パッケージ内部の圧力が急激に上昇する。パッケージ内部の圧力が急激に上昇すると、作動液の蒸発が停止して、熱が放散しなくなるといった問題がある。
上記課題を解決するために、本発明は、放熱効果と絶縁耐圧の高い半導体装置及びその製造方法を提供する。
上記課題を解決するために、本発明の一形態における半導体装置は、密閉容器と、前記密閉容器にステム外周部を介して接続されたステムと、前記密閉容器側の前記ステムの上面に実装された半導体素子とを備え、前記半導体素子は、前記ステムに設置されたリードと電気的に接続されており、前記ステムの外周には前記ステムと材質が異なり、かつ前記密閉容器と同じ材質の前記ステム外周部が接着されており、前記ステム外周部と前記密閉容器が溶接により接続されており、前記密閉容器の内部に、エタノール、パーフルオロカーボン、フルオロエーテルのうちの少なくともいずれかを含む作動液が充填されている。
この構成によれば、潜熱が７０ｋＪ／ｋｇ以上となる、エタノール（Ｃ２Ｈ６Ｏ）、パーフルオロカーボン、フルオロエーテルのうちの少なくともいずれかを含む作動液を用いることで、冷却効果の高い半導体装置を提供することができる。
また、パーフルオロカーボン、フルオロエーテルでは、液体中での絶縁耐圧が大きいことは知られていても、完全にガス化した場合に絶縁耐圧がどの程度低下するか知られていなかったが、本願発明者らは、パーフルオロカーボンのひとつであるパーフルオロオクタン、フルオロエーテルのひとつであるペルフルオロブチルテトラヒドロフランとメトキシノナフルオロブタンは、ガス化した場合でも、２０００Ｖの絶縁耐圧があることを見出した。従って、エタノール、パーフルオロカーボン、フルオロエーテルを作動液として使用することにより、アルコールや代替フロンのような放電を生ずることがない、絶縁耐圧の高い半導体装置を提供することができる。
また、前記作動液は、エタノールとパーフルオロオクタンの混合溶液、エタノールとペルフルオロブチルテトラヒドロフランの混合溶液、又は、エタノールとエトキシノナフルオロブタンの混合溶液を含み、前記ステムの前記半導体素子を搭載する上面は、凹形状を有していることが好ましい。
この構成によれば、パーフルオロカーボンであるパーフルオロオクタン（Ｃ８Ｆ１８）、又は、フルオロエーテルであるペルフルオロブチルテトラヒドロフラン（Ｃ８Ｆ１６Ｏ）やエトキシノナフルオロブタン（Ｃ４Ｆ９ＯＣ２Ｈ５）は、４０℃以上でエタノール中に溶解し、混合溶液の温度が６０℃以上となると、エタノールが激しく蒸発して、混合溶液中のパーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン又はエトキシノナフルオロブタンの濃度が上昇して、エタノールとパーフルオロオクタン又はペルフルオロブチルテトラヒドロフラン又はエトキシノナフルオロブタンとの２相に分離する。これにより、半導体素子の駆動後、作動液の温度が作動液の相分離温度まで上昇していない間は、エタノールは未だ蒸発しないので、エタノールが半導体素子に接触して半導体素子を放熱することができる。また、半導体素子の発熱により作動液の温度が作動液の相分離温度まで上昇すると、作動液から分離したパーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン又はエトキシノナフルオロブタンにより半導体素子の表面がエタノールから保護されるので、ガス化したエタノールによる放電が抑制され、絶縁耐圧の優れた半導体装置を提供することができる。
また、ステムのチップ設置領域に凹形状の窪みを形成し、窪みに半導体素子を配置することで、２相に分離したパーフルオロオクタン又はペルフルオロブチルテトラヒドロフラン又はエトキシノナフルオロブタンが窪みに集積し、半導体素子の表面を覆う。これにより、エタノールが存在していてもパーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン又はエトキシノナフルオロブタンにより半導体素子の表面がエタノールから保護されるので、絶縁耐圧の高い半導体装置を提供することができる。
また、前記エタノールとパーフルオロオクタンの混合溶液は、エタノール９０％及びパーフルオロオクタン１０％を含むことが好ましい。
この構成によれば、作動液中のパーフルオロオクタンの濃度を、未溶解部が発生しない飽和濃度である１０％とすることにより、パーフルオロオクタンが相分離しやすくなる。これにより、作動液から分離したパーフルオロオクタンにより半導体素子の表面がエタノールから保護されるので、ガス化したエタノールによる放電が抑制され、絶縁耐圧の優れた半導体装置を提供することができる。
また、前記エタノールとペルフルオロブチルテトラヒドロフランの混合溶液は、エタノール７０％及びペルフルオロブチルテトラヒドロフラン３０％を含むことが好ましい。
この構成によれば、作動液中のペルフルオロブチルテトラヒドロフランの濃度を、未溶解部が発生しない飽和濃度である３０％とすることにより、ペルフルオロブチルテトラヒドロフランが相分離しやすくなる。これにより、作動液から分離したペルフルオロブチルテトラヒドロフランにより半導体素子の表面がエタノールから保護されるので、ガス化したエタノールによる放電が抑制され、絶縁耐圧の優れた半導体装置を提供することができる。
また、前記エタノールとエトキシノナフルオロブタンの混合溶液は、エタノール９５％及びエトキシノナフルオロブタン５％を含むことが好ましい。
この構成によれば、作動液中のエトキシノナフルオロブタンの濃度を、未溶解部が発生しない飽和濃度である５％とすることにより、エトキシノナフルオロブタンが相分離しやすくなる。これにより、作動液から分離したエトキシノナフルオロブタンにより半導体素子の表面がエタノールから保護されるので、ガス化したエタノールによる放電が抑制され、絶縁耐圧の優れた半導体装置を提供することができる。
また、前記作動液は、六フッ化硫黄、パーフルオロヘキサン、パーフルオロヘプタン、パーフルオロオクタン、メトキシノナフルオロブタン、ドデカフルオロオクタノール、パーフルオロトリピルアミンのいずれかひとつを含むことが好ましい。
この構成によれば、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、パーフルオロカーボンであるパーフルオロヘキサン（Ｃ６Ｆ１４）、パーフルオロヘプタン（Ｃ７Ｆ１６）、パーフルオロオクタン（Ｃ８Ｆ１８）、フルオロエーテルであるメトキシノナフルオロブタン（Ｃ４Ｆ９ＯＣＨ３）、ドデカフルオロオクタノール（Ｃ３ＨＦ６−ＣＨ（ＣＨ３）Ｏ−Ｃ３ＨＦ６）、パーフルオロトリピルアミン（Ｃ９Ｆ２１Ｎ）が作動液に含まれているので、放熱効果及び絶縁耐圧の高い半導体装置を提供することができる。
また、前記ステム外周部は、前記ステムの下部に、前記ステムの下部と面一になるようにろう付けにより接続されていることが好ましい。
この構成によれば、ステムとステム外周部は、銀ろう、銅ろう等により、面一になるようにろう付けされているので、密閉容器内の気圧に対して高気密耐圧性を有する半導体装置を提供することができる。
また、前記リードは、前記ステムに形成されたリード用穴の内部に設置され、前記リードは、前記ステムの上面側の径より前記ステムの下面側の径が小さく、前記リード用穴は、前記ステムの上面側の径より前記ステムの下面側の径が小さいことが好ましい。
この構成によれば、高気密耐圧性を有する半導体装置を提供することができる。
また、前記密閉容器の内部の圧力をＰ［ＭＰａ］、容積をＶ［ｍ3］で表した場合、Ｐ×Ｖの値は０．００４以下であることが好ましい。
また、前記半導体素子は、ボンディングワイヤにより前記リードと接続され、前記半導体素子及び前記ボンディングワイヤは、保護膜により覆われていることが好ましい。
この構成によれば、ボンディングワイヤが保護膜により覆われているので、絶縁耐圧の高い半導体装置を提供することができる。
また、前記半導体素子は、前記ステム上にフリップチップ実装されていることが好ましい。
また、前記半導体素子は、前記ステム上に導電性樹脂で接続されていることが好ましい。
作動液により直接半導体素子の表面を冷却した場合、半導体素子の表面が著しく冷却されるために、半導体素子の内部に大きな温度分布が生じて、半導体素子の温度が１５０℃以上になると半導体素子が熱歪により破壊される場合がある。この構成によれば、半導体素子のダイスボンディング材として導電性樹脂を使用することにより、導電性樹脂の弾性変形により温度分布による熱歪を緩和できる半導体装置を提供することができる。
また、前記半導体素子は、窒化物半導体又は炭化珪素又はダイヤモンドを含む半導体からなることが好ましい。
この構成によれば、半導体基板として熱伝導率の大きいＧａＮやＳｉＣを用いて、放熱効果の高い半導体装置を提供することができる。
また、前記半導体素子は、サファイア基板又はシリコン基板上に形成されたヘテロ半導体薄膜を有することが好ましい。
この構成によれば、シリコンやサファイア基板上に形成されたＧａＮ、ＳｉＣ及びダイヤモンドなどのヘテロ半導体薄膜からなる大電力用デバイスでは、熱抵抗が大きいので熱が伝導しやすい。従って、放熱効果の高い半導体装置を提供することができる。
また、前記半導体素子は、表面に窒化アルミニウム膜又は多結晶ダイヤモンド膜を有することが好ましい。
この構成によれば、ゲート電極のドレイン端で発生した熱を、放熱面積が大きい高熱伝導誘電体膜を通して半導体素子の表面全体に拡散することで、半導体素子の表面からの放熱特性を向上することができる。これにより、基板からだけでなく、ＧａＮなどからなる半導体薄膜表面から効率的に放熱できる。また、半導体素子の表面から放熱することができるので、半導体基板としてＧａＮやＳｉＣを用いなくても、熱伝導率の小さく価格が低いシリコン基板やサファイア基板を使用することができる。
また、前記半導体素子、前記ボンディングワイヤ及び前記ステムは、表面に絶縁性誘電体膜を有することが好ましい。
この構成によれば、エタノール、パーフルオロヘキサン、パーフルオロヘプタン、パーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン、メトキシノナフルオロブタン等の溶剤が、絶縁コーティング膜内に浸透せず、ワイヤやチップ及びステム表面を保護する。これにより、２０００Ｖ以上でも放電が生じない、絶縁耐圧の高い半導体装置を提供することができる。
また、前記絶縁性誘電体膜は、窒化アルミニウム又はダイヤモンドからなることが好ましい。
この構成によれば、絶縁性の優れた窒化アルミニウム又はダイヤモンドにより、半導体素子が絶縁コーティングされるので、半導体素子に上記した溶剤が浸透せず、絶縁耐圧の高い半導体装置を提供することができる。
また、上記課題を解決するために、本発明の一形態における半導体装置の製造方法は、ステムの外周に前記ステムと材質が異なる材質のステム外周部をろう付けする工程と、前記ステムにリード用穴を形成する工程と、前記リード用穴の内部にリードを設置し、前記リード用穴と前記リードとの間に前記ステムと前記リードと同じ熱膨張係数のセラミックスを充填して焼き固める工程と、半導体素子を前記ステムの上面にダイスボンディングする工程と、前記半導体素子と前記リードとをボンディングワイヤあるいはリボンでボンディングする工程と、前記ステム外周部と同じ材質の密閉容器を前記ステム外周部に溶接により接続する工程と、排気管から前記密閉容器の内部を真空引きする工程と、前記密閉容器の内部に真空状態で作動液を注入する工程と、前記排気管を封止する工程とを有し、前記密閉容器の内部に、エタノール、パーフルオロカーボン、フルオロエーテルのうちの少なくともいずれかを含む作動液が充填されている。
この構成によれば、上記した特徴を備えた半導体装置を容易に製造することができる。
本発明によると、放熱効果と絶縁耐圧の高い半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 図１Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置のステムを示す平面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の接合温度上昇と消費電力の関係を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の熱抵抗とパルス幅の関係を示す図である。 図４Ａは、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の説明図である。 図４Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の説明図である。 図４Ｃは、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の説明図である。 図４Ｄは、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の説明図である。 図４Ｅは、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の説明図である。 図４Ｆは、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の説明図である。 図５は、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の作動液の潜熱と沸点の関係を示す図である。 図６は、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の作動液の潜熱と絶縁耐圧の関係を示す図である。 図７は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の冷却効果と絶縁耐圧を説明するための半導体装置の断面図である。 図８Ａは、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の作動液の溶解状態を示す図である。 図８Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の作動液の溶解状態を示す図である。 図９は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の第２相の生成を示す説明図である。 図１０Ａは、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 図１０Ｂは、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 図１０Ｃは、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 図１１は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 図１２は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の熱抵抗とパルス幅の関係を示す図である。 図１３は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 図１４は、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 図１５Ａは、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 図１５Ｂは、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 図１６は、従来の半導体装置を示す断面図である。 図１７は、従来の半導体装置を示す断面図である。 図１８は、従来の半導体装置を示す断面図である。 図１９は、従来の半導体装置の作動液の蒸気圧と温度の関係である。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明について、以下の実施形態及び添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。
（第１の実施形態）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。また、図１Ｂは、図１Ａに示した半導体装置のステムを示す底面図である。図２は、本実施形態に係る半導体装置の接合温度上昇と消費電力の関係を示す図である。図３は、本実施形態に係る半導体装置の熱抵抗とパルス幅の関係を示す図である。図４Ａ〜図４Ｆは、本実施形態に係る半導体装置の製造方法の説明図である。図５は、本実施形態に係る半導体装置の作動液の潜熱と沸点の関係を示す図である。図６は、本実施形態に係る半導体装置の作動液の潜熱と絶縁耐圧の関係を示す図である。図７は、本実施形態に係る半導体装置の作動液において第２相の生成を示す説明図である。図８Ａ及び図８Ｂは、本実施形態に係る半導体装置の作動液の溶解の状態を示す図である。
本実施形態に係る半導体装置１００は、図１Ａに示すように、半導体チップ１と、ステム２と、リード３と、セラミックス４と、ボンディングワイヤ５と、ステム外周部６と、密閉容器７と、溶接部８と、ウィック９と、作動液１０とを備えている。
半導体チップ１は、本実施形態に係る半導体素子に相当し、シリコン又はサファイア基板上に形成され、ハンダや銀ペーストなどの接合剤により、図１Ｂに示すように金属製のステム２の中心部分に実装されている。
半導体チップ１は、ＧａＮパワートランジスタ、詳細には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造を有するヘテロ接合電界効果型トランジスタからなり、高電流、高順方向耐圧、低オン抵抗が実現されている。
ここで、シリコンやサファイア基板上に形成されたＧａＮ、ＳｉＣ及びダイヤモンドなどのヘテロ半導体薄膜からなる大電力用デバイスを半導体チップ１とする場合、半導体チップ１の熱抵抗は大きい。その理由は、シリコンやサファイアなどの基板の熱伝導率は、それぞれ、１５０Ｗ／ｍ・Ｋ、２０Ｗ／ｍ・Ｋであり、ＳｉＣの４９０Ｗ／ｍ・ＫやＣｕの４００Ｗ／ｍ・Ｋなどと比べて小さいためである。さらに、半導体チップ１をステム２に接合するための接合剤としてよく使われるＰｂＳｎハンダは、熱伝導率が３５Ｗ／ｍ・Ｋ、ＡｕＳｎハンダは、熱伝導率が５７Ｗ／ｍ・Ｋ、銀ペーストは、熱伝導率が２３Ｗ／ｍ・Ｋと小さい。従って、大電力用デバイスにおいて、電子が走行するＧａＮなどの半導体薄膜領域で発生する熱を、基板や接合剤を通じて放熱することは困難を伴う。
そこで、基板からだけでなく、ＧａＮなどからなる半導体薄膜表面から熱を作動液１０に効率的に放熱できれば、半導体チップ１の温度を大きく低減できるのである。特に、シリコン基板上のデバイスよりサファイア基板上のデバイスのほうが、作動液１０による放熱の効果が顕著である。
本実施形態において、半導体チップ１の基板としては、半導体基板にＧａＮやＳｉＣを用いなくても、熱伝導率の小さく価格が低いシリコン基板やサファイア基板を使用することができる。この場合、半導体チップ１の表面は、高熱伝導誘電体膜によりコーティングするのがよい。これは、ＧａＮ、ＳｉＣ及びダイヤモンドなどの半導体薄膜の中でも、ゲート電極のドレイン側端部という極端に狭い領域で大きな熱が発生するためである。半導体表面から作動液１０へ放熱する上で、放熱面積が大きいほど熱抵抗が低下する。ゲート電極のドレイン端で発生した熱を、高熱伝導誘電体膜を通して半導体チップ１の表面全体に拡散することで、半導体チップ１の表面からの放熱特性を向上している。
本実施形態では、ＧａＮパワートランジスタの場合は、高熱伝導誘電体膜として、窒化アルミニウム膜、酸化亜鉛膜、あるいはダイヤモンド膜を用いている。これは、通常、半導体チップ１の表面コーティングに使用される誘電体膜であるアルミナ膜や酸化珪素膜の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるのに対して、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、及びダイヤモンドの熱伝導率がそれぞれ６０Ｗ／ｍ・Ｋ、２００Ｗ／ｍ・Ｋ及び２０００Ｗ／ｍ・Ｋと大きいためである。
本実施形態においては、高熱伝導誘電体膜が作動液と接触するために、アルミナ膜や酸化珪素膜に比べて作動液に侵食されにくい材料としても酸化亜鉛膜やダイヤモンド膜を選択している。一方、窒化アルミニウム膜は水の存在によりエッチングされるという特徴を有している。さらに、ＧａＮやＳｉＣ自体も、Ｓｉよりも水に対する腐食性が大きい。そこで、作動液として水を含有していないエタノール、パーフルオロヘキサン、パーフルオロヘプタン、パーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン、メトキシノナフルオロブタン、又は六フッ化硫黄などのフッ素系不活性液体を使用することが好ましい。その結果、水と同程度の冷却効果が得られるとともに、ガス化した場合でも、大きな絶縁耐圧が得られる。なお、作動液１０については、後に詳しく説明する。
ステム２の中心部分は、鉄系素材（たとえば冷間圧延鋼板：ＳＰＣＥ）で構成されている。
半導体チップ１は、複数のボンディングワイヤ５により、鉄系素材よりなるリード３と電気的に接続され、ステム２と密閉容器７よりなるヒートパイプの外部と電気的に接続されている。
このリード３とステム２の間には、鉄と熱膨張係数が同程度のガラス成分よりなるセラミックス４が充填されている。高気密耐圧性を得るために、リード３とステム２間はガラスで焼き固められたハーメチックシール構造となっている。このような構成により、リード３とステム２は、エタノール、パーフルオロカーボン、フルオロエーテルなどの作動液１０により浸潤されない。すなわち、ＧａＮやＳｉＣデバイスの場合、デバイスの温度が１５０℃以上の高温となり、高温の作動液１０がステム２を構成する部材に接触することになる。なお、従来技術のように、ガラスエポキシなどを構成部材に使っていた場合、作動液１０がガラスエポキシなどの構成部材に浸透して、封止強度が低下する。ハーメチックシール構造を使用することにより、ヒートパイプ内部の圧力が２９気圧程度まで気密耐圧を示すように構成されている。
また、同様に、容器の封止を金属溶接及びセラミックス４よりなるハーメチックシール構造とすることにより、アルコール、代替フロン、パーフルオロカーボン、フルオロエーテル、又は六フッ化硫黄などのフッ素系不活性液体などの作動液１０により、浸潤されることがなく、１０００時間以上安定した動作を実現できる。
また、リード３とステム２の間隔は１ｍｍ以上とすることで、絶縁耐圧１０００Ｖを得ている。ステム２を取り巻くステム外周部６は銅系素材（たとえば無酸素銅：ＯＦＨＣ）が接合されている。
高気密耐圧性を得るために、ステム２とステム外周部６は、銀ろうあるいは銅ろうにより、面一になるようにろう付けされている。
本実施形態では、ステム２が鉄系素材であり、ステム外周部６が銅系素材であるため、熱膨張係数が異なる素材がろう付けにより接続されていることを特徴としている。
つまり、ヒートパイプを構成する密閉容器７は銅系素材であり、ハーメチックシール構造ではセラミックス４と熱膨張係数の近い鉄系素材を用いる必要があるため、リード３とステム２は鉄系素材により構成されているが、銅系素材と鉄系素材の溶接の場合、銅と鉄の合金化による接続部の脆性により互いに溶接することができない。
また、溶接されたとしても熱膨張係数が異なるため容易に破壊してしまう。従って、溶接部位は互いに同一素材で構成されている必要がある。そこで、ステム２の外周に密閉容器７と同じ素材のステム外周部６を溶接ではなく、ろう付けにより接続したことが特徴となる。
密閉容器７は、ステム外周部６と溶接により接合されている。半導体チップ１がハンダや銀ペーストによりステム２に実装されているため、ハンダが再溶融することがないように、溶接時の温度は２００℃以下にする必要がある。溶接には、ＹＡＧレーザ光を用いたレーザスポット溶接、あるいは低温で溶接が可能な超音波溶接や高周波溶接を用いることができる。本実施形態の接合には高気密耐圧性を得るために、ＹＡＧレーザスポット溶接を用いている。
密閉容器７は、内部にウィック９、及び、水、エタノール、パーフルオロカーボン、フルオロエーテル、メトキシノナフルオロブタン、フッ素系不活性液体などからなる作動液１０を有し、半導体チップ１は作動液１０に浸漬されている。本実施形態においては作動液１０としてＧａＮへの浸潤などの影響を及ぼしにくく、かつ蒸発による潜熱が得られるエタノール（Ｃ２Ｈ６Ｏ）、パーフルオロカーボンのひとつであるパーフルオロヘキサン（Ｃ６Ｆ１４）、パーフルオロヘプタン（Ｃ７Ｆ１６）、パーフルオロオクタン（Ｃ８Ｆ１８）、フルオロエーテルのひとつであるペルフルオロブチルテトラヒドロフラン（Ｃ８Ｆ１６Ｏ）あるいはメトキシノナフルオロブタン（Ｃ４Ｆ９ＯＣＨ３）を使用している。密閉容器７の上部にある排気管１１は、作動液１０をパイプ内に入れ、真空状態にした後に作動液のガスが１００％となる状態にした後に、開放している先端を封止する構造となっている。
本実施形態では、半導体チップ１の大きさは、一例として５ｍｍ角であり、５本のリード３が同心円状に配置されている。ステム２に形成されたリード穴は１．８ｍｍであり、リード３とステム２との間隔は１ｍｍ以上である。ステム外周部６の外径は１５ｍｍであり、密閉容器７の外径も同様の１５ｍｍとすることで、レーザスポット溶接を可能としている。
半導体チップ１から発生する数ワット以上の熱を放熱するために、ヒートパイプを構成する密閉容器７の内径は１〜１０ｃｍ、長さは１０〜１００ｃｍ程度あるのが好ましい。半導体チップ１を作動液から保護するために保護膜を有していてもよい。ヒートパイプの内部の圧力をＰ［ＭＰａ]、容積をＶ［ｍ3］で表した場合、Ｐ×Ｖの値が０．００４以下となることが望ましい。エタノールの場合、２００℃で３ＭＰａであるため、本実施形態では内径が１３ｍｍとなるため、ヒートパイプの長さは１２５ｃｍ以下としている。
また、ヒートパイプにより移動した熱を効率よく放熱するために、別途、ヒートシンク、空冷装置などを適宜設けてもよい。
図２は、半導体チップ１に電圧と電流を印可した場合の消費電力と接合温度上昇を示す図である。ドレインソース間の印加電圧は１０Ｖとして、ドレイン電流を０．２Ａから２Ａに変化をさせた。図２において、ドレイン−ソース間の電圧の印加時間は０．１秒である。黒丸（Ｅｔｈａｎｏｌ）は作動液１０としてエタノールを封入した場合で、白丸（Ａｉｒ）は比較のためにヒートパイプ中に作動液１０を封入しない場合の結果を示している。２０Ｗ印加した場合、接合部の温度（接合温度）は作動液１０がない場合の１００℃からエタノールを封入した場合の４５℃へと５５℃低下した。また、同じ接合温度（４２℃）で比較した場合、投入できる電力量は、作動液１０がない場合の１０Ｗからエタノールを封入した場合の２０Ｗへと倍増することを確認した。
図３は、ドレインソース間の電圧の印加時間を１００μ秒から１００秒に変化させた場合の熱抵抗を示す図である。熱抵抗は図２において、接合温度を消費電力で除した結果として定義される。ドレイン−ソース間の印加電圧は１０Ｖとして、ドレイン電流を１Ａとした。図３において、白四角（Ｅｔｈａｎｏｌ Ａｕ−Ｓｎ）は、作動液１０としてエタノールを封入して半導体チップ１をＡｕ−Ｓｎ共晶半田でステム２に実装した場合で、白丸（Ｅｔｈａｎｏｌ Ａｇ ｐａｓｔｅ）は、作動液１０としてエタノールを封入して半導体チップ１を導電性樹脂として銀ペーストでステム２に実装した場合を示している。また、黒四角（Ａｉｒ）は、比較のためにヒートパイプ中に作動液１０を封入しない場合の結果を示している。
図３に示すように、作動液１０を封入しない場合には、パルス幅を大きくするにつれて熱抵抗は単調に増加する。一方、作動液１０としてエタノールを封入した場合には、１ｍ秒において、実装方法に限らず、作動液１０を封入していない場合に対して異なる熱抵抗値を示している。この熱抵抗値は０．３℃／Ｗであり、これが半導体チップ１の表面における熱抵抗値となる。一方で、作動液１０を封入しない場合には、熱抵抗値の増加率が０．１秒でわずかに飽和傾向を示す。この熱抵抗値は４℃／Ｗとなり、これが半導体基板から放熱を行った場合の熱抵抗に相当する。以上のことから、本実施形態に係る半導体装置１００を用いた場合の熱抵抗値は０．３℃／Ｗとなり、通常の半導体チップ１の熱抵抗値である４℃／Ｗの１／１０程度となり、ＧａＮデバイスがＭＯＳＦＥＴの１０倍の熱密度であっても十分に放熱できる。
さらに、本発明の半導体装置１００を用いた場合には、半導体チップ１に、電圧２４０Ｖ、電流２０Ａを供給し、９０％の効率で駆動した場合、５００Ｗの熱が発生しても、半導体チップ１の最高温度は１５０℃となり、放熱フィンを設置した密閉容器７の上端部の温度は１４０℃となった。このことから、高電圧高電流のパワーエレクトロニクス用途においても、半導体の接合温度として１５０℃以上２００℃までの駆動が可能である。
次に、本発明の半導体装置１００の製造方法について、図４Ａ〜図４Ｆを参照しながら説明する。まず、図４Ａに示すように、鉄系素材よりなるステム２の外周に銅系素材よりなるステム外周部６をろう付けし、きり欠き状に切削加工する。次に、図４Ｂに示すように、ステム２にリード用穴１２を切削加工により形成する。次に、図４Ｃに示すように、リード用穴１２にリード３を通した後、セラミックス４でハーメチックシール状に焼き固める。次に、図４Ｄに示すように、ステム上に半導体チップ１をハンダあるいは銀ペーストによりダイスボンディングし、金あるいはアルミ線あるいはリボンからなるボンディングワイヤ５で半導体チップ１とリード３が導通するようにボンディングする。
また、図４Ｅに示すように、密閉容器７内には金属ワイヤあるいは金属メッシュよりなるウィック９を挿入し、密閉容器７の内壁に密着させた後、排気管１１を溶接により封止する。その後、密閉容器７に半導体チップ１が設置されたステム２を挿入し、密閉容器７とステム外周部６の溶接部８をレーザスポット溶接により接合する。また、図４Ｆに示すように、水、アルコール、代替フロン、パーフルオロカーボン、フルオロエーテル、又は六フッ化硫黄などのフッ素系不活性液体からなる作動液１０を密閉容器７内に入れ、真空状態として、密閉容器７の内部を作動液ガスで充満させる。最後に、減圧状態で開放している排気管１１の先端を封止すれば、ヒートパイプが完成する。パイプ先端である排気管１１の封止の方法としては、先端を圧着後、ハンダ付けあるいは溶接により加圧に耐えるとともに気密性を保持する構造とする。
ところで、作動液１０が完全に蒸発した場合には、充分に半導体チップ１の表面を冷却できなくなり、半導体チップ１の表面が著しく加熱される。そのため、半導体チップ１の内部に大きな温度分布が生じて、半導体チップ１の温度が１５０℃以上において、半導体チップ１が熱歪により破壊される場合がある。本実施形態では、半導体チップ１のダイスボンディング材として、導電性樹脂である銀ペーストを使用しているので過熱により銀ペーストがやわらかくなり、その弾性変形により温度分布による熱歪を緩和して半導体チップ１が破壊されるのを防止することができる。
なお、本実施形態においては、半導体チップ１とリード３とをボンディングワイヤ５によりワイヤボンディングしているが、フリップチップ実装を行ってもよい。
次に、作動液１０について説明する。
本実施形態の半導体装置１００において、半導体チップ１には、例えば、２４０Ｖの電圧が印加される。しかし、自動車又は電車等に用いる半導体チップ１には、２０００Ｖ以上の電圧が印加される。
半導体チップ１にこのような大きな電圧が印加される場合、半導体チップ１の表面の電極パッド間、あるいは、ステム２及びリード３の間で起こる放電を抑制する必要がある。放電を抑制するためには、絶縁耐圧の高い作動液１０を使用する必要がある。ここで、「絶縁耐圧」とは、特定の条件下で、半導体チップ１の表面の電極パッド間あるいは、ステム２及びリード３の間で放電を生じない最大電圧のことをいう。従って、自動車又は電車等に用いられる半導体装置に用いる作動液１０は、冷却効率が高いことに加えて、絶縁耐圧が高いことが求められる。
従来、作動液１０として用いられる水やエタノールは、低い絶縁耐圧を有する。具体的には、水蒸気の絶縁耐圧は１ｋＶ／ｍｍ程度であり、エタノール蒸気の絶縁耐圧は５ｋＶ／ｍｍ程度である。本実施形態では、水やエタノールよりも絶縁耐圧の高い作動液１０を用いるのが好ましい。
具体的には、以下の３つの条件を満たす作動液１０について検討する。
１つ目の条件は、作動液１０を半導体装置１００に封入する際に液体であることである。半導体装置１００に封入する際とは、例えば、少なくとも２０℃から２５℃であることを意味する。
半導体装置１００に作動液１０を封入する際に作動液１０が液体であれば、図４Ｅに示したように排気管１１を通して作動液１０を密閉容器７内に流し込むことができる。なお、作動液１０が２５℃で固体となる場合には、凝固で発生する応力により半導体チップ１やボンディングワイヤ５に大きな力が発生して、故障の原因となるため採用できない。また、作動液１０が２０℃で気体の場合には、封入後に密閉容器７内で気体から液体にする必要があるので、密閉容器７を作動液１０が液化する極低温まで冷却する必要があり、作業が困難となる。さらに、半導体装置１００の保管時には、密閉容器７内の温度は２５℃程度となるため、作動液１０が２０℃で気体の場合には、作動液１０が全て気化して密閉容器７内の圧力が極めて高くなり、密閉容器７の破裂の原因となるため採用できない。
２つ目の条件は、半導体チップ１の温度が１５０℃以下となるように、沸点が２５℃以上で１５０℃以下となる液体を選択することである。
作動液１０の沸点を２５℃以上とすることで、保管時の密閉容器７内の温度が２５℃のときにも密閉容器７内の圧力は１気圧以上とならず、密閉容器７の破裂の問題は生じない。また、沸点を１５０℃以下にすることで、高い冷却効率が実現される。これは、半導体チップ１の温度が少なくとも１５０℃のときに、作動液１０は全て気化するために、半導体チップ１上には作動液１０が存在しなくなる、つまり、作動液１０の気化熱により、半導体チップ１の高い冷却効率が実現されるためである。沸点を１５０℃以上とした場合には、半導体チップ１の温度が１５０℃となっても、半導体チップ１上には気化しない大量の作動液１０が残り、十分な冷却効率が実現できないので、半導体チップ１の温度が作動液１０の沸点まで上昇する可能性があり、半導体チップ１の劣化を生じる。
３つ目の条件は、潜熱を７０ｋＪ／ｋｇ以上となる液体を選択することである。
このような液体を選択することによって、自動車又は電車等に用いる半導体装置で必要とされる５００Ｗｓ以上の発熱体を冷却することが可能となる。
上記条件を満たす作動液１０として、例えば、沸点が２５℃以上で１５０℃以下となるフッ素系不活性液体を選択することが好ましい。
図５に、上記の条件を満たした１０種類のフッ素系不活性液体の潜熱と沸点の関係を示す。なお、図５に示した１０種類のフッ素系不活性液体は、オゾン層を破壊しない。また、１０種類のフッ素系不活性液体は、温暖化効果が低く、毒性も低い。以下、これらの液体を総称して、「１０種類のフッ素系不活性液体」という。
図５に示す１０種類のフッ素系不活性液体のうち、パーフルオロカーボンは、Ｃ５Ｆ１２、Ｃ６Ｆ１４、Ｃ７Ｆ１６、Ｃ８Ｆ１８である。また、フルオロエーテルは、Ｃ４Ｆ９ＯＣＨ３、Ｃ４Ｆ９ＯＣ２Ｈ５、Ｃ３ＨＦ６−ＣＨ（ＣＨ３）Ｏ−Ｃ３ＨＦ６、Ｃ６Ｆ１３ＯＣＨ３、Ｃ８Ｆ１６Ｏ、Ｃ７Ｆ１６Ｏ４である。
一般的に、フッ素系不活性液体は、アルコールより絶縁耐圧が大きいことが知られている。しかし、これらの溶液が完全にガス化した場合に、どの程度の絶縁耐圧を示すかは知られていなかった。しかし、本願発明者らにより、パーフルオロヘキサン、パーフルオロヘプタン、パーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン又はメトキシノナフルオロブタンは、ガス化した場合であっても、１４ｋＶ／ｍｍ以上の絶縁耐圧が得られることがわかった。これは、エタノールの絶縁耐圧である５ｋＶ／ｍｍに対して２倍以上の絶縁耐圧である。また、冷却効果については、エタノール、パーフルオロヘキサン、パーフルオロヘプタン、パーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン、メトキシノナフルオロブタンを用いることにより、水と同程度の冷却効果が得られることがわかった。
図６に、上記１０種類のフッ素系不活性液体の潜熱と絶縁耐圧の関係を示す。
上記のように、作動液１０には高い潜熱と絶縁耐圧が必要とされる。つまり、図６の右上の領域に近い領域に位置する液体が、作動液１０として望ましい。また、高い冷却効果が必要である場合には、例えば、フルオロエーテルのひとつでハイドロフロロエーテルとしてエトキシノナフルオロブタン（Ｃ４Ｆ９ＯＣ２Ｈ５）を作動液１０として使用してもよい。また、高い絶縁耐圧が必要である場合には、例えば、パーフルオロヘキサン（Ｃ６Ｆ１４）、パーフルオロヘプタン（Ｃ７Ｆ１６）、パーフルオロカーボンであるパーフルオロオクタン（Ｃ８Ｆ１８）を作動液１０として使用してもよい。さらに、潜熱が１１５ｋＪ／ｋｇ以上、絶縁耐圧が１５ｋＶ／ｍｍ以上必要である場合には、例えば、フルオロエーテルのひとつでハイドロフロロエーテルとしてドデカフルオロオクタノール（Ｃ３ＨＦ６−ＣＨ（ＣＨ３）Ｏ−Ｃ３ＨＦ６）を作動液１０として使用してもよい。さらに、２０ｋＶ／ｍｍ以上の絶縁耐圧を有するパーフルオロトリピルアミン（Ｃ９Ｆ２１Ｎ）を作動液１０として使用してもよい。このように、１４ｋＶ／ｍｍ以上の絶縁耐圧と１００ｋＪ／ｋｇ以上の潜熱を有する溶液を作動液１０とすることにより、気化した状態であっても、絶縁耐圧に優れた半導体装置１００を提供することができる。
なお、電圧が２０００Ｖ以上の場合には、パーフルオロヘキサン、パーフルオロヘプタン、パーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン、メトキシノナフルオロブタンを作動液１０として使用しても、放電が生じることがある。この場合、エタノール、パーフルオロヘキサン、パーフルオロヘプタン、パーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン、メトキシノナフルオロブタンがガス化しても２０００Ｖ以上で放電が生じないように、ボンディングワイヤ５や半導体チップ１の表面を、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又はダイヤモンドからなる絶縁性誘電体膜により絶縁コーティングしてもよい。このような構成により、エタノール、パーフルオロヘキサン、パーフルオロヘプタン、パーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン又はメトキシノナフルオロブタンなどの溶剤が、絶縁コーティング膜内に浸透せず、２０００Ｖ以上の電圧を印加したときの放電を抑制することができる。
また、冷却効果が高いこと及び絶縁耐圧が高いことの両方を満たすように、冷却効果が高い材料と絶縁耐圧が高い材料を混合して作動液１０としてもよい。以下に、その例について説明する。
混合する複数の材料には、例えば、エタノールとフッ素系不活性液体を用いる。
エタノールは、１０００ｋＪ／ｋｇの潜熱を有する。上記した１０種類のフッ素系不活性液体と比較して、非常に高い潜熱を有する。潜熱が高いことは、冷却効率が高いことに対応する。また、絶縁耐圧が高い材料として、上記した１０種類のフッ素系不活性液体が挙げられる。よって、冷却効果を高くするためにエタノールを用い、絶縁耐圧を高くするために１０種類のフッ素系不活性液体のいずれかを用い、これらを混合して作動液１０とする。
具体的には、パーフルオロオクタン（Ｃ８Ｆ１８）、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン（Ｃ８Ｆ１６Ｏ）、メトキシノナフルオロブタン（Ｃ４Ｆ９ＯＣＨ３）、エトキシノナフルオロブタン（Ｃ４Ｆ９ＯＣ２Ｈ５）、ドデカフルオロオクタノール（Ｃ３ＨＦ６−ＣＨ（ＣＨ３）Ｏ−Ｃ３ＨＦ６）の液体と、エタノール（Ｃ２Ｈ６Ｏ）との混合溶液を作動液１０とする。
この作動液１０によって、以下のような状態により、冷却効果と絶縁耐圧が実現される。図７は、半導体装置１００の冷却効果と絶縁耐圧を説明するための半導体装置１００の断面図である。ここでは、作動液１０としてエタノールとパーフルオロオクタンとの混合溶液を使用した場合について説明する。
パーフルオロオクタンは、４０℃以上ではエタノール中に溶解し、混合溶液の温度が６０℃以上となると、エタノールが激しく蒸発して、混合溶液中のパーフルオロオクタンの濃度が上昇して、エタノール（第１相）とパーフルオロオクタン（第２相）との２相に分離する。つまり、図７に示すように、エタノールが蒸発するに従い、作動液１０が減少し、エタノール中のパーフルオロオクタンの濃度が上昇して溶解度の限界に達すると、パーフルオロオクタンはエタノールとの混合溶液（作動液１０）から分離する。そして、図７に示すように、分離したパーフルオロオクタンからなる第２相１０ａは、表面張力エネルギーを最小にするために、１つの球状に近い形をとろうとして、円球状の形態となって半導体チップ１の表面を覆う。
従って、半導体チップ１の駆動後、作動液１０の温度が作動液１０の相分離温度まで上昇していない間は、エタノールは未だ蒸発しないので、エタノールが半導体チップ１に接触して半導体チップ１を放熱することができる。また、半導体チップ１の発熱により作動液１０の温度が作動液１０の相分離温度まで上昇すると、作動液１０から分離したパーフルオロオクタンにより半導体チップ１の表面がエタノールから保護されるので、ガス化したエタノールによる放電が抑制され、絶縁耐圧の優れた半導体装置１００を提供することができる。
図８Ａ及び図８Ｂに、作動液１０の溶解状態を示している。図８Ａにおいて、パーフルオロオクタンは、フッ素系不活性液体のうちのパーフルオロカーボンの一種、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン、エトキシノナフルオロブタン及びドデカフルオロオクタノールは、フッ素系不活性液体のうちのフルオロエーテルの一種である。図８Ａは、各フッ素系不活性液体の溶解度、及び、フッ素系不活性液体が作動液１０から相分離する温度を示している。
図８Ａにおいて、「２０℃放置」とは、エタノールとフッ素系不活性液体が存在する混合動作液を、２０℃の状態で放置したことを示す。「４０℃撹拌」とは、エタノールとフッ素系不活性液体が存在する混合動作液を、４０℃に加熱し、４０℃を維持した状態で最大３０分間の撹拌を行ったことを示す。なお、温度が４０℃の場合は、撹拌中の気化は生じていない。また、「相分離温度」とは、４０℃撹拌した後に、それぞれの混合動作液を加熱したときに、フッ素系不活性液体が作動液１０から相分離した温度を示す。
以下、パーフルオロオクタンがエタノールに溶解している作動液１０を例として、具体的に説明する。
図８Ａに示すように、パーフルオロオクタンは２０℃で放置した場合にはエタノールに溶解しないが、４０℃にして撹拌すると、図８Ｂに示すように、１０％までは溶解する。ここで、１０％とは、作動液１０に対するパーフルオロオクタンの割合であり、１０％の混合溶液とは、パーフルオロオクタン１０％及びエタノール９０％を含む混合溶液のことをいう。図８Ｂに示すように、パーフルオロオクタンを２０％混合した混合溶液では未溶解部が発生するため、パーフルオロオクタンの飽和濃度は１０％程度であるとして、パーフルオロオクタンを１０％添加して、パーフルオロオクタン１０％及びエタノール９０％を含む混合溶液を作動液１０とする。また、温度が６０℃を超えたところで、パーフルオロオクタンの飽和溶解度を超えると、パーフルオロオクタンは液相として作動液１０から相分離する。
ここで、溶解しているか否かの判断について説明する。エタノールとパーフルオロオクタンとは、比重が違うため、その屈折率が異なる。その結果、全ての液体も透明であるが、未溶解部がある場合には、背景の不連続性に基づき肉眼で境界が識別できる。パーフルオロオクタンが、エタノール中に存在する場合には、底部に一部平坦部を有する球体として存在することから、球体の有無をもって未溶解部の有無を確認している。
また、パーフルオロオクタンを用いた２つの理由を説明する。１つ目の理由は、パーフルオロオクタンが高い絶縁耐圧を有することである。２つ目の理由は、パーフルオロオクタンがエタノールの７８℃以上の９７℃の沸点を有することである。
パーフルオロオクタンとエタノールとの混合溶液からなる作動液１０を用いた場合、その作動液１０の温度が上昇すると、まずエタノールは気化する。しかし、パーフルオロオクタンは、エタノールと比べると沸点が高く蒸発しにくいため、作動液１０中のパーフルオロオクタンの濃度が上昇する。そして、パーフルオロオクタンの濃度が飽和溶解度を超えると、パーフルオロオクタンは液相として相分離する。
なお、パーフルオロオクタンをエタノール中に１０％添加した混合溶液では、潜熱はエタノールと同じ１０００ｋＪ／ｋｇが得られるとともに、絶縁耐圧は１６．５Ｖ／ｍｍとなる。
また、作動液１０として、エタノールとペルフルオロブチルテトラヒドロフランの混合溶液を使用してもよい。ペルフルオロブチルテトラヒドロフランをエタノールに混合して作動液１０を作成した場合には、図８Ａに示すように、４０℃においてペルフルオロブチルテトラヒドロフランの混合比率を３０％程度まで向上できる。つまり、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン３０％及びエタノール７０％を含む混合溶液を作動液１０とすることが好ましい。また、パーフルオロオクタンの場合は、半導体チップ１の温度が７８℃以上になってエタノールが完全に気化しないと絶縁耐圧が１６．５Ｖ／ｍｍ以下となるという問題があったが、ペルフルオロブチルテトラヒドロフランの場合は、室温であっても１６Ｖ／ｍｍの絶縁耐圧が得られる。なお、図８Ｂに示すように、ペルフルオロブチルテトラヒドロフランを３０％添加した場合には未溶解部は発生しなかったが、４０％添加した場合には未溶解部が発生したため、飽和濃度は３０％としている。
また、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、エトキシノナフルオロブタンは、４０℃においてエタノール中に５％溶解したが、１０％の場合は未溶解部が残っていたため、溶解度は５％とした。６０℃に加熱することで相分離を確認した。また、ドデカフルオロオクタノールは、エタノールへの溶解は確認できなかった。
以上のような構成により、作動液１０として、エタノール、パーフルオロカーボン、フルオロエーテルのうちの少なくともいずれかを含む混合溶液を用いることで、冷却効果と絶縁耐圧の高い半導体装置１００を提供することができる。また、作動液１０として、エタノールとパーフルオロオクタンの混合溶液、エタノールとペルフルオロブチルテトラヒドロフランの混合溶液、又は、エタノールとエトキシノナフルオロブタンの混合溶液のいずれかを用いて、上記したように、パーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン又はエトキシノナフルオロブタンからなる第２相１０ａにより半導体チップ１の表面を保護することにより、冷却効果と絶縁耐圧の高い半導体装置１００を提供することができる。
なお、半導体チップ１の基板として使用されるＧａＮやＳｉＣデバイスは、Ｓｉデバイスよりも水に対する腐食性が大きいため、従来、作動液１０として水を用いた場合にはデバイス特性が急激に劣化するという問題があった。これに対し、上記した半導体装置１００によると、作動液１０として、水に代えて、エタノール、パーフルオロオクタン又はペルフルオロブチルテトラヒドロフラン又はメトキシノナフルオロブタンを用いている。従って、水によるＧａＮ等の腐食を抑制することができる。また、パーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン、エトキシノナフルオロブタンより腐食性の高いエタノールが半導体チップ１に接触しないように、エタノールとパーフルオロオクタンよりなる混合溶液、エタノールとペルフルオロブチルテトラヒドロフランの混合溶液、又はエタノールとエトキシノナフルオロブタンの混合溶液のいずれかを用いて、上記したように、パーフルオロオクタンやペルフルオロブチルテトラヒドロフランやエトキシノナフルオロブタンからなる第２相１０ａにより半導体チップ１の表面を保護することは、ＧａＮ等の腐食性をさらに抑制する点で効果がある。通常、図８Ｂに示したように、パーフルオロオクタンやペルフルオロブチルテトラヒドロフランやエトキシノナフルオロブタンは、本願発明者らにより、エタノールへ溶解しないとされていたが、これらの溶液は４０℃以上でエタノール中にそれぞれ１０％、３０％及び５％まで溶解することがわかった。その結果、エタノールとパーフルオロオクタンよりなる混合溶液、エタノールとペルフルオロブチルテトラヒドロフランよりなる混合溶液、エタノールとエトキシノナフルオロブタンよりなる混合溶液のいずれかを用いることにより、上記したように半導体チップ１の腐食を抑制することができる。
また、作動液１０として、六フッ化硫黄（ＳＦ６）を用いてもよい。六フッ化硫黄は、負性気体としてガス化したときでも、絶縁耐圧が２０００Ｖと高いことが知られている。六フッ化硫黄は高い絶縁耐圧を示すが、２０℃で２０気圧となるため、半導体チップ１の温度上昇によりヒートパイプ中の圧力が５０気圧以上に急激に上昇するので、半導体チップ１の温度を考慮しつつ用いるのが好ましい。
（第２の実施形態）
次に、本発明に係る半導体装置の第２の実施形態について、図９、図１０Ａ〜図１０Ｃを用いて説明する。図９、図１０Ａ〜図１０Ｃは、本実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
本実施形態に係る半導体装置１２０は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置１００と基本的な構成は同じである。従って、図９、１０Ａ〜１０Ｃにおいて、図１Ａに示す構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付しており、詳しい説明は省略又は簡略化する。また、図９、１０Ａ〜１０Ｃに示す構成以外の構成は、第１の実施形態と同じである。
本実施形態に係る半導体装置１２０は、ステム２ａのチップ設置領域として凹形状の窪みを形成した点が第１の実施形態と異なる。
はじめに、具体的な相分離の状態を、図９を用いて説明する。図９に示す半導体装置１００では、作動液１０として、エタノールとパーフルオロオクタンの混合溶液、エタノールとペルフルオロブチルテトラヒドロフランの混合溶液、又は、エタノールとエトキシノナフルオロブタンの混合溶液を用いている。
第１の実施形態で説明したように、エタノールが蒸発するに従い、図９に示すに作動液１０は減少し、エタノール中の溶剤（パーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン又はエトキシノナフルオロブタン）の濃度が上昇する。そして、パーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン又はエトキシノナフルオロブタンの濃度が溶解度の限界に達すると、パーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン又はエトキシノナフルオロブタンは、エタノールとの混合溶液からなる第１相から分離し、パーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン又はエトキシノナフルオロブタンよりなる第２相１０ａが円球状の形態となって発生する。
ここで、半導体チップ１の表面のほうがステム２ａの表面より高い位置にあると、半導体チップ１の表面で生じた第２相１０ａは、半導体チップ１の表面から転がり落ちて、半導体装置１００の底部のステム２の外周部に移動し、半導体チップ１上の表面には第２相１０ａは存在しないことがある。
そこで、本実施形態では、図１０Ａに示すように、半導体装置１２０のステム２ａのチップ設置領域として、ステム２ａの中央部に凹形状の窪みを形成している。例えば、半導体チップ１の大きさが５ｍｍ角の正方形の場合、ステム２ａの中央部に、平面形状が６ｍｍ角の正方形で深さが０．５ｍｍの窪みを形成している。窪みの中に、半導体チップ１を銀ペーストでダイスボンディングしている。半導体チップ１の厚みを例えば０．３ｍｍ程度とすると、半導体チップ１の表面は、ステム２ａの外周部の表面よりも低い位置になる。
このような構成により、エタノールが蒸発するに従い、エタノールと溶剤の混合溶液からなる第１相から分離して生じたパーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフランあるいはエトキシノナフルオロブタンよりなる第２相１０ａは、図１０Ｂに示すように、円球状に生じる。さらに、作動液が減少すると、図１０Ｃに示すように、ステム２ａの外周部の表面より相対的に低い半導体チップ１の表面に、第２相１０ａが集まる。その結果、最終的には図１０Ａに示したように、パーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン又はエトキシノナフルオロブタンよりなる第２相１０ａが、表面張力エネルギーを最小にするために、１つの球状に近い形をとろうとして、窪み内部でお互いに合体して一体となる。これにより、半導体チップ１は絶縁耐圧の高いパーフルオロオクタン又はペルフルオロブチルテトラヒドロフランからなる第２相１０ａにより覆われ、腐食性の高いエタノールが半導体チップ１に接触することを抑制できる。
図１０Ａに、パーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン又はエトキシノナフルオロブタンよりなる第２相１０ａが半導体チップ１の表面に集積している様子を示している。図１０Ａに示したステム２ａのように、チップ設置領域を凹形状とすることで、絶縁耐圧の高い半導体装置１２０を提供することができる。
なお、凹形状の窪みの平面形状は、正方形に限らず、その他の多角形形状や円形形状であってもよい。また大きさ、深さも、半導体チップ１に合わせて変更してもよい。
（第３の実施形態）
次に、本発明に係る半導体装置の第３の実施形態について、図１１及び図１２を用いて説明する。図１１は、本実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。図１２は、半導体装置の熱抵抗とパルス幅の関係を示す図である。
本実施形態に係る半導体装置１５０は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置１００と基本的な構成は同じである。従って、図１１において、図１Ａに示す構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付しており、詳しい説明は省略又は簡略化する。また、図１１に示す構成以外の構成は、第１の実施形態と同じである。
本実施形態に係る半導体装置１５０は、半導体チップが半導体素子として直接ステムに実装されている構成ではなく、高熱伝導樹脂で封入した半導体パッケージ７０が半導体素子としてステム２に実装されている構成である。本実施形態では、半導体パッケージ７０として、ＴＯ−２２０型トランジスタを用いている。
図１１に示すように、半導体パッケージ７０は、ステム２上に実装されている。また、半導体パッケージ７０のパッケージリード７１は、リード３に半田などにより接合されている。
半導体素子として半導体チップではなく半導体パッケージ７０を用いることで、作動液として水を使用することが可能となる。これは、半導体素子が半導体チップの場合、半導体チップの基板等に使用されているＧａＮが、水により浸食されるのに対して、半導体パッケージ７０の場合には、半導体チップが樹脂で覆われているため、半導体チップが作動液である水と接触しないためである。
図１２に、作動液１０としてエタノールを使用した場合と水を使用した場合の熱抵抗を示す。作動液１０としてエタノールを使用した場合を白四角で、水を使用した場合を白丸で示している。比較のために、ヒートパイプ中に作動液を封入しない場合（空気が封入されている場合）を黒四角で示している。図１２に示すように、パルス幅が１０秒以上の場合、作動液にエタノールや水を使用したほうが、作動液１０を封入しない場合よりも熱抵抗が低下することがわかった。
また、エタノールと水を比較すると、パルス幅が１秒のとき、熱抵抗はどちらも２．０℃／Ｗを示す。これは、エタノールの潜熱が１０００ｋＪ／ｋｇであるのに対して、水の潜熱が２２６０ｋＪ／ｋｇと大きいのにもかかわらず、冷却効果には大きな変化がないことを示している。すなわち、従来半導体チップを内蔵しないヒートパイプのみの熱伝導特性では、潜熱が大きいほど冷却効率が大きくなっていたが、本発明のようにヒートパイプ内部に発熱部がある場合には、潜熱の大きさと冷却効率はほとんど関係しない。従って、作動液としてエタノールを用いる場合であっても、冷却効果の優れた半導体装置１５０を提供することができる。
なお、第１の実施形態と同様に、作動液として、パーフルオロヘキサン、パーフルオロヘプタン、パーフルオロオクタン、ペルフルオロブチルテトラヒドロフラン、メトキシノナフルオロブタンを用いてもよい。また、エタノールとパーフルオロオクタンの混合溶液、エタノールとペルフルオロブチルテトラヒドロフランの混合溶液、又は、エタノールとエトキシノナフルオロブタンの混合溶液を用いてもよい。
（第４の実施形態）
次に、本発明に係る半導体装置の第４の実施形態について、図１３を用いて説明する。
第１の実施形態における半導体装置１００では、ステム２の外周にステム外周部６をろう付けして、切削加工したが、本実施形態における半導体装置２００では、ステム２の下部に中央がくりぬかれた円盤状のステム外周部６ａをろう付けにより接続する。以下、本実施形態における半導体装置２００について説明する。
図１３は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置２００を示す断面図である。第１の実施形態では、ステム２の外周にステム外周部６をろう付けしていたが、ステム２の外周全体をもれなく円筒状にろう付けする困難がある。そこで、ステム２の外周ではなく、ステム２の下部に円盤状のステム外周部６ａをろう付けしてもよい。
円盤状のステム外周部６ａの場合、ろう付け部分８ａは平面状になる。第１の実施形態に示した円筒状のステム外周部６に対して、本実施形態に示す平面状のステム外周部６ａの場合、ろう付けが容易になるため、ピンホールの形成が抑制され、真空状態を長期間維持できるという利点がある。その結果、第１の実施形態の場合の半導体装置１００のリーク量が１０-8ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃであったのに対して、本実施形態の場合の半導体装置２００のリーク量は、１０-9ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃを実現することができる。
また、このような構成により、ステム２についてステム外周部６を形成するための切削加工が不要となるため、プロセスコストを低減することができる。
（第５の実施形態）
次に、本発明に係る半導体装置の第５の実施形態について、図１４、図１５Ａ及び図１５Ｂを用いて説明する。
図１４、図１５Ａ及び図１５Ｂは、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
本実施形態に係る半導体装置３００、４００、５００は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置１００と基本的な構成は同じである。従って、図１４、図１５Ａ及び図１５Ｂにおいて、図１Ａに示す構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付しており、詳しい説明は省略又は簡略化する。また、図１４、図１５Ａ及び図１５Ｂに示す構成以外の構成は、第１の実施形態と同じである。
上記した実施形態における半導体装置１００、１２０、１５０、２００は、動作状況により、半導体チップ１や半導体パッケージ７０の温度が上昇及び下降を繰り返すことで、ヒートパイプ内部の圧力が上昇下降する。その結果、リード３とステム２の接続部分及びステム外周部６と密閉容器７の接続部分の接合強度が低下する問題が生じた。密閉容器７が加圧された場合、容器直径方向１９に密閉容器７が伸長される。これにより、溶接部８に応力が発生し破壊にいたることがある。
特に、第３の実施形態の図１３に示したステム２の下部にステム外周部６ａをろう付けした半導体装置２００の構造においては、圧力による変形の影響がステム２とステム外周部６ａのろう付け部分８ａに集中する。その結果、ステム外周部６ａと密閉容器７との溶接部８だけでなく、ステム２とステム外周部６ａのろう付け部分８ａの接続強度も問題となる。
そこで、図１４に示した半導体装置３００のように、圧力の繰り返し変化による影響を緩和し、密閉容器７内の気圧に対して高気密耐圧性を有する構造とした。図１４に示した半導体装置３００では、ステム外周部６に溝１７を形成し、その中に密閉容器７の端部１８を挿入した後、密閉容器７とステム２の溶接部８を溶接することで、溶接部８に応力が発生しない構造としている。
また、リード３やセラミックス４の部分の接続強度も問題になる。図１５Ａ及び図１５Ｂに示した半導体装置４００、５００では、リード３の形状を密閉容器７側のリード内部側１３のリード径を大きく、かつ、リード外部側１４のリード径を小さくした。また、リード用穴１２の形状も、密閉容器７の内部側のリード穴内部側１５の穴径を大きく、密閉容器７の外部側のリード穴外部側１６の穴径を小さくしている。つまり、リード３は、半導体チップ１が載置されたステム２の上面側の径よりステム２の下面側の径が小さくなるように形成され、リード用穴１２は、ステム２の上面側の径よりステム２の下面側の径が小さくなるように形成されている。
例えば、図１５Ａに示す半導体装置４００は、リード３の外径及びリード用穴１２の内径の大きさを階段状に変化させた構成をしている。また、図１５Ｂに示す半導体装置５００は、リード３の外径及びリード用穴１２の内径の大きさを連続的に変化させた構成をしている。
リード３の外径及びリード用穴１２の内径の大きさは、図１５Ａのように階段状に変化させても、図１５Ｂのように連続に変化させてもよいが、応力拡大係数が小さくなるので連続的な変化のほうが望ましい。
なお、いずれの実施形態においてもパワートランジスタの半導体チップ１を構成する半導体材料として、ＧａＮを用いたが、発熱密度が高くなるパワートランジスタの半導体チップ１を構成する半導体材料として、他のワイドバンドギャップ半導体材料でも構わない。例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）やダイヤモンド（Ｃ）などである。
なお、本発明は、上記した実施形態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種々の改良、変形を行ってもよい。
例えば、上記した実施形態では、作動液として、エタノール、パーフルオロカーボン、フルオロエーテルについて説明をしたが、その他の液体を用いてもよい。また、上記した実施形態では、作動液を構成する混合溶液として、エタノールとパーフルオロオクタンの混合溶液、エタノールとペルフルオロブチルテトラヒドロフランの混合溶液、又は、エタノールとエトキシノナフルオロブタンの混合溶液について説明したが、作動液は、エタノールとその他のフッ素系不活性液体との混合溶液であってもよい。
また、半導体チップのダイスボンディング材として銀ペーストを使用してもよい。銀ペーストは、ハンダよりもやわらかく、大きな弾性変形により温度分布による熱歪を緩和できる導電性樹脂である。半導体装置のヒートパイプ内部において、作動液により直接半導体チップの表面を冷却した場合、半導体チップの表面が著しく冷却されるために、半導体チップ内部に大きな温度分布が生じて、半導体チップの温度が１５０℃以上において、半導体チップが熱歪により破壊される場合がある。銀ペーストを使用することにより、銀ペーストに使用されているエポキシ樹脂へのエタノール、パーフルオロカーボン、フルオロエーテルの浸潤が心配されるが、高温長時間使用においても剥離などの問題が発生しないことが確認されているので、銀ペーストを使用することは、半導体チップの熱歪による破壊を抑制するのに有効である。
また、上記した実施形態では、半導体装置のステムのチップ設置領域として、半導体装置のステムの中央部に凹形状の窪みを形成したが、窪みの平面形状は、正方形に限らず、その他の多角形形状や円形形状であってもよい。また、凹形状の窪みの大きさも、半導体チップ１に合わせて変更してもよい。
また、ステム外周部は円筒状であってもよいし、円盤状であってもよいし、その他の形状であってもよい。
また、ろう付けに使用する材料は、銀ろうあるいは銅ろうに限らずその他の材料であってもよい。
また、半導体チップ及びボンディングワイヤは、従来技術に示した半導体装置と同様に、例えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂からなる保護膜により覆われていてもよい。
また、上記した本発明に係る半導体装置には、上記実施形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施形態や、実施形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る半導体装置を備えた各種装置なども本発明に含まれる。
本発明は、速やかな放熱が必要とされる窒化物半導体（ＧａＮ）又は炭化珪素（ＳｉＣ）、あるいはダイヤモンド（Ｃ）などから形成された半導体装置として、特に自動車又は電車等に用いられる大電力用デバイスに有用である。
１ 半導体チップ（半導体素子）
２、２ａ ステム
３ リード
４ セラミックス
５ ボンディングワイヤ
６、６ａ ステム外周部
７ 密閉容器
８ 溶接部
９ ウィック
１０ 作動液
１０ａ 第２相
１１ 排気管
１２ リード用穴
７０ 半導体パッケージ（半導体素子）
７１ 半導体パッケージリード
１００、１２０、１５０、２００、３００、４００、５００ 半導体装置

Claims (15)

  1. 密閉容器と、
    前記密閉容器にステム外周部を介して接続されたステムと、
    前記密閉容器側の前記ステムの上面に実装された半導体素子とを備え、
    前記半導体素子は、前記ステムに設置されたリードと電気的に接続されており、
    前記ステムの外周には前記ステムと材質が異なり、かつ前記密閉容器と同じ材質の前記ステム外周部が接着されており、
    前記ステム外周部と前記密閉容器が溶接により接続されており、
    エタノールとパーフルオロオクタンの混合溶液、エタノールとペルフルオロブチルテトラヒドロフランの混合溶液、又は、エタノールとエトキシノナフルオロブタンの混合溶液が作動液として充填されており、
    前記ステムの前記半導体素子を搭載する上面は、凹形状を有している
    半導体装置。
  2. 前記エタノールとパーフルオロオクタンの混合溶液は、エタノール９０％及びパーフルオロオクタン１０％を含む
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記エタノールとペルフルオロブチルテトラヒドロフランの混合溶液は、エタノール７０％及びペルフルオロブチルテトラヒドロフラン３０％を含む
    請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記エタノールとエトキシノナフルオロブタンの混合溶液は、エタノール９５％及びエトキシノナフルオロブタン５％を含む
    請求項１に記載の半導体装置。
  5. 密閉容器と、
    前記密閉容器にステム外周部を介して接続されたステムと、
    前記密閉容器側の前記ステムの上面に実装された半導体素子とを備え、
    前記半導体素子は、前記ステムに設置されたリードと電気的に接続されており、
    前記ステムの外周には前記ステムと材質が異なり、かつ前記密閉容器と同じ材質の前記ステム外周部が接着されており、
    前記ステム外周部と前記密閉容器が溶接により接続されており、
    前記密閉容器の内部に、エタノール、パーフルオロカーボン、フルオロエーテルのうちの少なくともいずれかを含む作動液が充填されており、
    前記リードは、前記ステムに形成されたリード用穴の内部に設置され、
    前記リードは、前記ステムの上面側の径より前記ステムの下面側の径が小さく、
    前記リード用穴は、前記ステムの上面側の径より前記ステムの下面側の径が小さい
    半導体装置。
  6. 前記ステム外周部は、前記ステムの下部に、前記ステムの下部と面一になるようにろう付けにより接続されている
    請求項１又は５に記載の半導体装置。
  7. 前記半導体素子は、ボンディングワイヤにより前記リードと接続され、
    前記半導体素子及び前記ボンディングワイヤは、保護膜により覆われている
    請求項１又は５に記載の半導体装置。
  8. 前記半導体素子は、前記ステム上にフリップチップ実装されている
    請求項１又は５に記載の半導体装置。
  9. 前記半導体素子は、前記ステム上に導電性樹脂で接続されている
    請求項１又は５に記載の半導体装置。
  10. 前記半導体素子は、窒化物半導体又は炭化珪素又はダイヤモンドを含む半導体からなる
    請求項１又は５に記載の半導体装置。
  11. 前記半導体素子は、サファイア基板又はシリコン基板上に形成されたヘテロ半導体薄膜を有する
    請求項１又は５に記載の半導体装置。
  12. 前記半導体素子は、表面に窒化アルミニウム膜又は多結晶ダイヤモンド膜を有する
    請求項１又は５に記載の半導体装置。
  13. 前記半導体素子、前記ボンディングワイヤ及び前記ステムは、表面に絶縁性誘電体膜を有する
    請求項１又は５に記載の半導体装置。
  14. 前記絶縁性誘電体膜は、窒化アルミニウム又はダイヤモンドからなる
    請求項１３に記載の半導体装置。
  15. ステムの外周に前記ステムと材質が異なる材質のステム外周部をろう付けする工程と、
    前記ステムにリード用穴を形成する工程と、
    前記リード用穴の内部にリードを設置し、前記リード用穴と前記リードとの間に前記ステムと前記リードと同じ熱膨張係数のセラミックスを充填して焼き固める工程と、
    半導体素子を前記ステムの上面にダイスボンディングする工程と、
    前記半導体素子と前記リードとをボンディングワイヤあるいはリボンでボンディングする工程と、
    前記ステム外周部と同じ材質の密閉容器を前記ステム外周部に溶接により接続する工程と、
    排気管から前記密閉容器の内部を真空引きする工程と、
    前記密閉容器の内部に真空状態で作動液を注入する工程と、
    前記排気管を封止する工程とを有し、
    前記密閉容器の内部に、エタノール、パーフルオロカーボン、フルオロエーテルのうちの少なくともいずれかを含む作動液が充填されている
    半導体装置の製造方法。
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