JP6524709B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に係り、特に、熱応力による劣化を防止する技術に関する。

半導体モジュール及び放熱用の冷却器（例えば、ヒートシンク）を備えた半導体装置は、半導体素子を形成する材料の熱膨張係数と冷却器の熱膨張係数との間に大きな差がある場合、半導体素子の駆動による温度上昇に起因して両者の間に熱応力が生じる。このため、冷却器に反りが生じることや、接合部が破損する等の問題が発生する。

特許文献１（特開２００８−２７０２９５号公報）には、上記の問題を解決する方法として、熱膨張係数が半導体素子の材料に近いセラミックス製の冷却器を用いることにより、熱応力の発生を抑制することが開示されている。しかし、セラミックス製の冷却器を用いると、従来より使用されているアルミニウムや銅等の金属材料と対比してコストアップにつながる。また、セラミックスを用いると、熱応力を抑制することができる反面、熱抵抗が大きい（熱伝導率が低い）ので放熱性が低下する。

即ち、冷却器の材質として、熱応力を緩和させるためにセラミックス等の複合材料を用いると放熱性が低下し、放熱性を向上させるためにアルミニウム、銅等の放熱性の高い材料を用いると熱応力が増大し、両者は二律背反（所謂、トレードオフ）の関係となる。

特開２００８−２７０２９５号公報

上述したように、従来における半導体装置は、冷却器に生じる熱応力の緩和と、冷却器による放熱性がトレードオフの関係となっており、熱応力の緩和と放熱性の向上を同時に達成させることができないという課題が生じていた。
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、放熱性を向上させ、且つ、熱応力を抑制することが可能な半導体装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願発明における半導体装置は、半導体素子と金属製板材を接合した半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器と、を備えている。この半導体装置に備えられた冷却器は、半導体モジュールに金属接合される上側平面部材と上側平面部材とに接続され、冷却媒体を導入する流路を形成する少なくとも一つのフィンを有する。そして、半導体素子は、冷却器の流路との間と絶縁されている。また、金属製板材は、平面視が長尺形状を成し、該金属製板材の長手方向が、冷却媒体の流路と直交する向きに配置されている。
また、本願における半導体装置は、半導体素子と金属製板材を接合した半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器と、を備えている。この半導体装置に備えられた冷却器は、半導体モジュールに金属接合される上側平面部材と上側平面部材とに接続され、冷却媒体を導入する流路を形成する少なくとも一つのフィンを有する。そして、半導体素子は、冷却器の流路との間と絶縁されている。半導体モジュールは複数設けられ、各半導体モジュールは、前記冷却器に直接的或いは間接的に接合されている。各半導体モジュールは、冷却媒体の流路方向に向けて一列に配置されている。

本願発明に係る半導体装置では、半導体モジュールと冷却器の上側平面部材とが金属接合され、且つ、半導体素子と冷却器の流路との間が絶縁されている。この半導体装置は、金属接合により半導体素子にて生じる熱を効果的に冷却器に伝達し、また、金属製板材の剛性により熱応力を低減する。従って、本発明における半導体装置では、放熱性が向上し、且つ熱応力を抑制することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る半導体装置の内部構成を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る半導体装置の外観を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る半導体装置の内部構成を示す断面図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る半導体装置の内部構成を示す断面図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る半導体装置の内部構成を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体装置の内部構成を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体装置の外観を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る半導体装置の外観を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態の変形例に係る半導体装置の外観を示す斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る半導体装置の内部構成を示す断面図である。 本発明の第５実施形態に係る半導体装置の内部構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に示す図１等の断面図において、理解を促進するために、縦方向の長さを誇張して記載している。即ち、横方向と縦方向の比率は実際のものと同一ではない。
［第１実施形態の構成説明］
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置１０１の構成を示す要部断面図（図２に示すＸ−Ｘ’断面図）、図２は、半導体装置１０１の斜視図である。図１に示すように、第１実施形態に係る半導体装置１０１は、半導体モジュール８と、金属製の冷却器６、及びこれらを接合する絶縁基板１１（絶縁材）を備えている。また、図２に示すように、半導体装置１０１には、冷却媒体（水や不凍液等）を流すための冷却配管２１が接続されており、該冷却配管２１は図中の矢印Ｙ１の方向に冷却媒体が供給され、該冷却媒体は、後述するように冷却器６に設けられる流路６Ｃ内（図１参照）を流れる。なお、冷却媒体が流れる方向は、矢印Ｙ１の反対方向でもよい。

半導体モジュール８は、金属からなるヒートスプレッダ２（金属製板材）と、該ヒートスプレッダ２の上面に接合材３Ａにより接合された半導体素子１を備えている。更に、半導体素子１の周囲及びヒートスプレッダ２の周囲は、封止材として用いられる樹脂７にて覆われている。

ヒートスプレッダ２は、銅やアルミニウム等の熱伝導率の高い材料を用いることが好ましく、Ａｌ−ＳｉＣやモリブデン、カーボンを含む合金を用いることもできる。接合材３Ａは、はんだやろう材等、電気的に導通できるものを用いる。

半導体素子１は、例えば、インバータやコンバータ等の電力変換用素子であり、ＳｉやＳｉＣ等からなるＩＧＢＴやダイオード、ＭＯＳＦＥＴ等である。

半導体素子１の周囲を、絶縁型、或いは非絶縁型のトランスファーモールド（トランスファー成形）としてエポキシ等の熱硬化性樹脂を成形（樹脂封止）することが望ましいが、ＰＰＳやゲル等を用いて封止材としてもよい。また、トランスファーモールドの代わりに、コンプレッション成形を用いて樹脂封止することも可能である。なお、図１において、主端子や信号端子については、煩雑さを避けるため記載を省略している。

絶縁基板１１は、半導体モジュール８と冷却器６を絶縁するために設けられており、セラミックス板５と、該セラミックス板５の上面、及び下面にそれぞれ接合される金属部材４−１、４−２から構成されている。金属部材４−１は、接合材３Ｂ−１により半導体モジュール８のヒートスプレッダ２に金属接合されている。また、金属部材４−２は、接合材３Ｂ−２により冷却器６に金属接合されている。金属接合とは、半田やろう材等の金属を使用した接合、或いは拡散接合である。また、絶縁基板１１が設けられることにより、半導体素子１と、冷却器６に形成される流路６Ｃとの間が電気的に絶縁されている。

セラミックス板５は、入手性や熱伝導率の見地から、窒化アルミ、窒化ケイ素、及びアルミナのうちのいずれかを用いることが望ましいが、ＳｉＣからなる他のセラミックスを用いることも可能である。

金属部材４−１、４−２の材質として、銅やアルミニウムを用いることができる。また、接合材３Ｂ−１、３Ｂ−２の材質に応じて、金属部材４−１、４−２の表面にＮｉ、Ａｕ、Ａｇ等のメッキ処理を施してもよい。

金属部材４−１、４−２と、半導体モジュール８及び冷却器６の接合に用いる接合材３Ｂ−１、３Ｂ−２は、はんだやろう材の他に、固層・液相拡散接合等を用いることができる。また、接合材３Ｂ−１、３Ｂ−２は、半導体素子１との接合に用いる接合材３Ａと同一とすることができるが、半導体素子１の接合を行った後に半導体モジュール８の接合を分離して行う場合には、半導体素子１直下の接合材３Ａが再溶融する場合があるので、接合材３Ａよりも融点が低い材料を用いることが好ましい。

また、ヒートスプレッダ２と冷却器６を、絶縁基板１１を介して接合させた後に、接合材３Ｂ−１、３Ｂ−２が再溶融しないよう、融点が低い接合材３Ａを用いて半導体素子１を接合させてもよい。また、先に冷却器６に絶縁基板１１を接合させ、その後、絶縁基板１１に半導体モジュール８を接合させてもよい。更に、半導体素子１、半導体モジュール８、絶縁基板１１、及び冷却器６を、同一材質の接合材３Ａ、３Ｂ−１、３Ｂ−２を用いて一度に接合させてもよいし、異なる材質の接合材３Ａ、３Ｂ−１、３Ｂ−２を用いて一度に接合させてもよい。なお、樹脂７に覆われた半導体モジュール８を絶縁基板１１に接合させる際には、樹脂７の耐熱性について注意する必要があり、接合の順番等を考慮する必要がある。

冷却器６は、図１の断面図に示すように、絶縁基板１１と接する上面６Ａ（上側平面部材）と、該上面６Ａと平行に配置される下面６Ｂ（下側平面部材）と、上面６Ａ及び下面６Ｂと直交し、該上面６Ａと下面６Ｂを連結する複数枚のフィン６Ｄを備えている。即ち、半導体素子１は、冷却器６の上面６Ａと間接的に接している。なお、絶縁基板１１を設けず、半導体素子１が冷却器６の上面６Ａと直接的に接する構成としてもよい。つまり、上面６Ａは、半導体素子１に直接的或いは間接的に接している。また、各フィン６Ｄの間の開口部は、冷却媒体を流すための流路６Ｃとされており、該流路６Ｃに、ＬＬＣ（ｌｏｎｇ ｌｉｆｅ ｃｏｏｌａｎｔ）を含む不凍液、水、油、空気等の冷却媒体を流すことにより、冷却器６を冷却することができる。上記したように、半導体素子１と流路６Ｃは電気的に絶縁されている。

また、本実施形態では、冷却器６を構成する上面６Ａ、下面６Ｂ、及びフィン６Ｄを、単一部材で構成している。こうすることにより、冷却器６の上面６Ａ、下面６Ｂ、及びフィン６Ｄの間の熱伝導のロスを低減できる。また、ヒートスプレッダ２の熱伝導率は、冷却器６の熱伝導率以上とされている。こうすることにより、半導体素子１に生じた熱を迅速に拡散させることができる。

冷却器６は、アルミニウムを押し出して作った多穴管が好ましい。即ち、上面６Ａ、下面６Ｂ、及びフィン６Ｄを構成する単一部材を、押し出し材を用いて形成することが好ましい。但し、銅やその他の材料で作成してもよい。また、上面６Ａ及び下面６Ｂと、複数枚のフィン６Ｄを用意し、これらをろう材等で接合するコルゲートフィン構造としてもよい。

また、冷却器６の熱膨張係数がヒートスプレッダ２の熱膨張係数以上である場合には、上面６Ａの厚みは、ヒートスプレッダ２と同等、或いは薄くてもよい。即ち、冷却器６の熱膨張係数は、金属製板材（ヒートスプレッダ２）の熱膨張係数以上であり、金属製板材の厚みは、冷却器６の上面６Ａ（上側平面部材）の厚み以上とするのが良い。更に、冷却器６と接合される金属部材４−２の厚みがヒートスプレッダ２と接合される金属部材４−１よりも厚くてもよい。

一方、冷却器６の熱膨張係数がヒートスプレッダ２の熱膨張係数よりも小さい場合には、上面６Ａの厚みを、ヒートスプレッダ２の厚みよりも厚くすることが好適である。即ち、冷却器６の熱膨張係数は、金属製板材の熱膨張係数未満であり、金属製板材の厚みは、冷却器６の上面６Ａ（上側平面部材）の厚み未満とするのが良い。

また、図２に示すように、冷却器６の、流路６Ｃの入り口側及び出口側となる面にはそれぞれ、上面６Ａと下面６Ｂの間の高さより大きいバルジ６Ｅが設けられている。該バルジ６Ｅを設けることにより、冷却器６が流路方向に反ることを抑制する。

［第１実施形態の作用、効果の説明］
第１実施形態に係る半導体装置１０１では、冷却器６の上面６Ａ（上側平面部材）が、半導体モジュール８に対して直接的或いは間接的に金属接合されている。また、複数のフィン６Ｄ（少なくとも一つのフィン）により冷却媒体の流路６Ｃが形成され、半導体素子１と冷却器６との間が電気的に絶縁されている。

従って、半導体素子１にて発熱する熱を素子直下で拡散させ、広げることできるので、広げた熱を熱伝導率が良い金属接合を介して冷却器６に伝達させることができる。このため、接合面全体で半導体素子１を冷却できるので、熱抵抗を低減することができ、半導体素子１に生じた熱を効率良く放出することができる。また、半導体素子１や該半導体素子１を接続するための接合材に加わる熱応力をヒートスプレッダ２の剛性によって低減することができる。

また、半導体素子１に絶縁基板１１を介して接する冷却器６が、上面６Ａ及び該上面６Ａに対して略平行に配置された下面６Ｂ（下側平面部材）を備え、上面６Ａと下面６Ｂの間に複数のフィン６Ｄが設けられるので、冷却器６の剛性を高めることができる。更に、冷却器６の厚みを薄くすることが可能になるので、装置全体の小型化を図ることができる。

更に、冷却媒体は、冷却器６に形成された流路６Ｃを流れることになり、該流路６Ｃが独立していることにより、各流路６Ｃを閉じることができ漏水対策を簡素化できる。これに加えて、独立した流路６Ｃが隔壁となって冷却器の接合面と反対側の面が繋がるので、より反り難い構造とすることができる。このため、熱応力を抑制して損傷や反りの発生を防止でき、且つ、熱抵抗を低減することができる。

また、半導体素子１と絶縁基板１１との間にヒートスプレッダ２（金属製板材）を設けている。即ち、半導体素子１にヒートスプレッダ２を接合して半導体モジュール８を形成し、ヒートスプレッダ２を間接的に冷却器６の上面６Ａ（上側平面部材）に接合させている。その結果、半導体素子１と冷却器６との接合部に生じる熱応力を緩和し、且つ、熱抵抗を低減することができる。

更に、絶縁基板１１（絶縁材）と冷却器６の熱膨張係数の差から生じる熱応力、及び、反りを、冷却器６との接合面とは反対面に配設されるヒートスプレッダ２が抑制するので、半導体装置１０１全体に生じる反りを軽減し、反りによる割れや接合面に加えられる応力を低減することができる。

例えば、冷却器６及びヒートスプレッダ２の材質をアルミニウム或いは銅とした場合には、熱膨張係数は、アルミニウムが約２３［ｐｐｍ／Ｋ］、銅が約１６［ｐｐｍ／Ｋ］であり、これに対して、絶縁基板１１のセラミックス板５は、窒化アルミが約４．６［ｐｐｍ／Ｋ］、窒化ケイ素が約２［ｐｐｍ／Ｋ］、アルミナが約７．３［ｐｐｍ／Ｋ］であるので、セラミックス板５の熱膨張係数の方が相対的に小さい。従って、同一の熱勾配をかけた場合には、冷却器６やヒートスプレッダ２の方が、セラミックス板５よりも伸び縮みが大きくなる。

従って、温度変化に起因して、冷却器６が上側に凸となるように反った場合には、ヒートスプレッダ２は下側に凸となるように反る。反対に、冷却器６が下側に凸となるように反った場合には、ヒートスプレッダ２は上側に凸となるように反る。つまり、絶縁基板１１の一方の面に作用する応力と、他方の面の作用する応力が互いに打ち消されるように働く。従って、全体の反りを緩和することができる。

また、絶縁基板１１は、絶縁性を有するセラミックス板５、及び該セラミックス板５の上面、及び下面に接合された金属部材４−１、４−２からなり、該金属部材４−１、４−２とヒートスプレッダ２、及び冷却器６を金属接合するので、高い絶縁性を安定的に得ることが可能となる。

また、金属部材４−２と、ヒートスプレッダ２との金属接合を、はんだまたはろう材を使った接合、或いは、拡散接合とすることにより、ヒートスプレッダ２に熱をかけて容易に接合、固定することができ、熱抵抗を低減することができる。

更に、セラミックス板５が、窒化アルミ、窒化ケイ素、及びアルミナのうちの少なくとも一つで形成されるので、グリースと対比して熱伝導率が高く、入手性も良いため、熱抵抗を低減することができる。

また、冷却器６とヒートスプレッダ２が異なる材質の場合には、両者の熱膨張係数が異なるので、上記のように絶縁基板１１に作用する応力を打ち消すことが難しくなる。例えば、冷却器６の材質がアルミニウムで、ヒートスプレッダ２の材質が銅である場合には、熱膨張係数は、（冷却器６）≧（ヒートスプレッダ２）となるので、同一の温度勾配に対して冷却器６の方がヒートスプレッダ２よりも伸縮量が大きくなる。従って、冷却器６の上面６Ａとヒートスプレッダ２が同一の厚みであれば、熱膨張率の違いから絶縁基板１１に反りが発生してしまう。

このような場合には、冷却器６の上面６Ａの厚みを薄くすることにより、冷却器６と絶縁基板１１との間に生じる応力が低減する。これにより、絶縁基板１１とヒートスプレッダ２との間に生じる反りと、絶縁基板１１と冷却器６との間に生じる反りとをバランスさせて、全体の反りを低減させることができる。つまり、冷却器６とヒートスプレッダ２の材質が異なる場合でも、冷却器６の上面６Ａの厚みを適宜変更することにより、反りの発生を抑制することができる。その結果、接合材３Ｂ−１、３Ｂ−２に作用する応力を低減することができる。即ち、冷却器６の熱膨張係数は、ヒートスプレッダ２の熱膨張係数以上であり、ヒートスプレッダ２の厚みは冷却器６の上面６Ａの厚み以上であるので、全体の反りを低減することができる。

また、図１において、冷却器６の上面６Ａの厚みを厚くすると、温度の上昇に伴って全体的には凸側（上側に凸）に反っていく。また、ヒートスプレッダ２の厚みを厚くすると、温度の上昇に伴って、全体的に凹側（下側に凸）に反っていく。冷却器６の熱膨張係数とヒートスプレッダ２の熱膨張係数が同一の場合でも同様である。

また、冷却器６と接する金属部材４−２の厚みを厚くすれば、冷却器６の熱応力を緩衝板を設けずに吸収できる。この際、ヒートスプレッダ２と接する金属部材４−１の厚みを同時に厚くしてもよいが、熱抵抗の上昇（熱伝導率の低下）が懸念される場合には、金属部材４−２よりも薄くしてもよい。即ち、セラミックス板５の下面に設けられる金属部材４−２の厚みを、セラミックス板５の上面に設けられる金属部材４−１の厚み以上とすることにより、冷却器６で生じる熱収縮・膨張を緩和することができ、絶縁基板１１や接合材３Ｂ−１、３Ｂ−２に作用する応力を低減することができ、新たな応力緩衝材の導入を不要とすることができる。

また、冷却器６の材質が銅で、ヒートスプレッダ２の材質がアルミニウムである場合には、熱膨張係数は（冷却器６）＜（ヒートスプレッダ２）となる。このため、冷却器６の方がヒートスプレッダ２よりも剛性が高いため、冷却器６の上面６Ａをヒートスプレッダ２よりも厚くすることにより、絶縁基板１１に対する冷却器６及びヒートスプレッダ２の反り量を近づけることができる。これにより、熱応力により生じる反りが低減し、接合材や接合面に作用する熱応力を低減することができる。

冷却器６は、前述したように、フィン６Ｄを介して上面６Ａと下面６Ｂに連結される構造となっているので、多穴管で形成されていればフィン６Ｄを厚くし易く、断面２次モーメントの観点からも反りが発生し難い構造とすることができる。また、半導体素子１から伝達される熱が上面６Ａを介してフィン６Ｄに伝達され易い。

また、熱応力で上面６Ａが伸長して反りが生じる場合には、下面６Ｂは縮むことになるが、図３の半導体装置１０１ａに示すように、下面６Ｂの板厚を上面６Ａよりも厚くして（即ち、上面平面部材の板厚を下面平面部材の板厚以下として）剛性を高めれば、上面６Ａを薄くしたまま冷却器６の反りを低減することができる。熱抵抗的には、ヒートスプレッダ２によって絶縁基板１１よりも上側で半導体素子１の熱を拡散しているので、上面６Ａは薄い方が上方から伝達される熱を早く流路６Ｃに伝えることができ、熱抵抗を小さくできる。

また、冷却器６は、アルミニウムからなる押し出し材で形成し、フィン６Ｄを、上面６Ａ及び下面６Ｂに対して、直交するように配置されている。これにより、フィン６Ｄの厚みを厚くすることができる。また、強度を高めることができ、ひいては、熱膨張、熱収縮による反りの発生を低減することができる。

また、クシ型・ピンフィン等、流路の受け側容器を要するような冷却器は、製造上またはねじ締めの強度確保のため、上面６Ａの部分を厚くせざるを得ないため、熱性能の観点からも多穴管やコルゲートフィンを用いることが有利である。

絶縁型、或いは非絶縁型のトランスファーモールドを施した半導体モジュール８であれば、樹脂追加分の剛性を高めることができるので、全体の反りを低減することができる。更に、半導体素子１の接合材３Ａを樹脂７で固めているので信頼性を向上させることができる。樹脂７はフィラーの配合によって熱膨張係数を変化させることができるので、冷却器６やヒートスプレッダ２に応じて、これらの熱膨張係数を調整することができる。また、樹脂７として、シリコン樹脂やＦＲＰ、ＰＰＳ等のプラスチック材料を用いたり、組み合わせたりしてよい。また、トランスファーモールドの代わりに、コンプレッション成形を用いても同様の効果を達成できる。

半導体モジュール８を非絶縁のトランスファーモールドとすることで、半導体素子１直下の接合材３Ａへの応力が低減したり、剛性が高まることで冷却器６の反りが低減したり、冷却器６との接合までのヒートスプレッダ２と絶縁基板１１との熱応力を考慮せずに済む。また、半導体モジュール８を個別に準備することができるので、製造の自由度が向上する。

更に、半導体モジュール８に絶縁材を含む絶縁型のトランスファーモールドとすることで、半導体素子１直下の接合材への応力が低減したり、剛性が高まることで冷却器６の反りが低減したり、新たな絶縁材を用意することなく、接合材を介して冷却器６に接合できる。

図１に示した如くの非絶縁型のトランスファーモールドであれば、樹脂７の封止時に絶縁材のヒートスプレッダ２との熱膨張係数の差からくる割れ等を考慮しなくてよく、絶縁基板１１を介して、半導体モジュール８と冷却器６とを同時に実装することができる。同時に実装することで、半導体モジュール８と絶縁材及び冷却器６と絶縁材をそれぞれ個別に実装する場合に比べて、反りのバランスが取れるので、反りによる実装不良等の製造不良が低減する。個別に実装する場合は、凹凸の反りの抑止のため、加圧やジグ固定等が必要になるが、同時に実装することによりこれらの手間を軽減できる。

更に、冷却器６と絶縁基板１１を接合させてから、半導体モジュール８を接合させてもよい。別々に接合する場合は、別々と全体とで反りの向きもしくは反り量が異なるので考慮が必要である。また、冷却器６または半導体モジュール８、或いはその両方の形状を、接合前に予め反らせておいて接合時に反り低減するようにバランスを取ってもよい。

また、図４に示す半導体装置１０１ｂのように、絶縁基板１１を使用せずに、半導体モジュール８の内部に絶縁シート１３（絶縁材）を封止してもよい。こうすることにより、半導体素子１と流路６Ｃとの間が電気的に絶縁される。また、冷却器６との接合面が１層で済む。絶縁シート１３の材質として、窒化ホウ素や樹脂、シリカを用いれば、セラミックスを用いる場合よりも、半導体モジュール８の樹脂７やヒートスプレッダ２に熱膨張係数が近づくので、樹脂封止しやすい。その反面、上記の材質は、セラミックスよりも熱伝導率や絶縁耐圧が劣る場合があるので注意が必要である。なお、図４に示す絶縁シート１３の材質として、セラミックスを用いることもできる。

即ち、絶縁材として、窒化ホウ素、樹脂、シリカのうちのいずれかからなる絶縁シート１３を使用し、且つ、該絶縁シート１３をヒートスプレッダ２に圧着、或いは接着により接合するので、銅やアルミニウムとの間の熱膨張係数の差を小さくすることができる。また、熱膨張係数が樹脂に近いので、該絶縁シート１３を樹脂封止することができる。

また、図５の半導体装置１０１ｃに示すように、半導体素子１上に接合材３Ａを介して金属板１２を設けることもできる。即ち、半導体素子１の上面に、厚みがヒートスプレッダ２以下の金属板１２を、直接的或いは間接的に設ける構成とすることも可能である。このような構成とすることにより、半導体モジュール８の剛性が高まるので、冷却器６の絶縁基板１１との反りを、より一層低減することが可能となる。金属板１２は、例えば、半導体素子１がＩＧＢＴである場合に、エミッタ電極として取り出すことができるし、熱容量として過渡時の半導体素子１の発熱を吸収し熱抵抗を下げることができる。

半導体素子１の上に板状の金属（金属板１２）が実装されていることで、冷却器６の反りをより一層低減することができる。また、厚みによっては一時的に熱容量を確保できるので過渡時の熱抵抗を低減することができる。

また、本実施形態では、冷却器６を構成する上面６Ａ、下面６Ｂ、及びフィン６Ｄを、単一部材で構成している。これにより、冷却器６の上面６Ａ、下面６Ｂ、及びフィン６Ｄの間の熱伝導のロスが低減し、且つ、接合間の接合強度が低下しないため、高強度且つ高い熱伝導率とすることが可能となる。

更に、各フィン６Ｄは、上面６Ａ及び下面６Ｂと直交して配置されるので、冷却媒体の流路方向、及び該流路方向と直行する方向に反り難く、冷却器６の厚みが薄くても潰れ難い構造とすることとが可能となる。

更に、ヒートスプレッダ２の熱伝導率を、冷却器６の熱伝導率以上とすることで、半導体素子１の発熱を、効率的に拡散することができる。

また、ヒートスプレッダを銅で構成し、冷却器６をアルミニウムで構成することにより、安価に低熱抵抗の装置を構成することができる。

また、本実施形態では、冷却器６をアルミニウムや銅で構成する例について説明したが、該冷却器６を、炭化ケイ素等の絶縁体で形成することも可能である。このような構成とすれば、絶縁材が不要となり、別途の絶縁材を用意する必要がなくなる。また、絶縁体で構成された非絶縁型のモジュールに用いる場合においては、半導体素子１のアーム間のショートモードを気にする必要がなく、絶縁材を用意することなく接続することができる。

更に、絶縁材を炭化ケイ素とすることにより、高い熱伝導率を得ることができ、焼結材の炭化珪素を用いれば、より安価に製造することができる。また、熱膨張係数が低く半導体素子に近い熱膨張係数であるので、熱による変形が小さく、熱応力を低減することができる。

［第２実施形態の構成説明］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図６は、第２実施形態に係る半導体装置１０２の内部構成を示す断面図、図７は該半導体装置１０２の外観を示す斜視図である。第２実施形態では、第１実施形態で示した半導体装置１０１と対比して、ヒートスプレッダ２が、平面視長尺形状の２つのヒートスプレッダ２−１、２−２に分割されており、更に、各ヒートスプレッダ２−１、２−２の上面に、それぞれ２個の半導体素子１が設けられている点で相違している。

２つのヒートスプレッダ２−１、２−２は、冷却媒体の流路方向Ｙ１に沿って配置されている。即ち、流路方向Ｙ１に沿って、ヒートスプレッダ２−１、２−２が順に並べられている。それ以外の構成は、第１実施形態で示した半導体装置１０１と同様であるので同一符号を付して詳細な構成説明を省略する。

図２において、例えば、２つの半導体素子１をそれぞれＩＧＢＴとダイオードにすることで、スイッチング動作、還流動作が可能な素子とすることができる。更に、半導体素子１は、ＭＯＳＦＥＴ等でもよい。素子数も１つ以上であればよい。第２実施形態では、図７に示すように、樹脂７内（図６参照）に２個の半導体素子１と接合したヒートスプレッダ２−１、２−２を配置している。即ち、合計４個の半導体素子１を配置している。ヒートスプレッダを２つとすることにより、例えばインバータ回路（スイッチング回路）の上下アームの半導体素子を形成することができる。

また、ヒートスプレッダ２−１、２−２は、長手側が流路方向Ｙ１に対して直交するように配置されていて、ヒートスプレッダ２−１、２−２は、冷却媒体の流路方向Ｙ１に対して１列に配置されている。更に、上下アームをなす２つのヒートスプレッダを、３組設置することにより、３相インバータとして動作させることができる。なお、図７では、主端子や信号端子の記載を省略している。

［第２実施形態の作用、効果の説明］
第２実施形態では、図７に示すように、長方形状のヒートスプレッダを２個設け、各ヒートスプレッダ２−１、２−２の上面にそれぞれ２個の半導体素子１を搭載している。この際、各ヒートスプレッダ２−１、２−２の長手方向が、冷却媒体の流路方向Ｙ１に対して略直交する方向となるように配置されている。半導体装置１０２は、冷却配管２１に対して直交する方向に反りが発生し易いので、ヒートスプレッダ２の剛性により冷却配管２１に直交する方向の反りを抑制することができる。更に、接合材３Ｂ−１、３Ｂ−２（図６参照）に作用する応力を低減することができる。冷却配管２１に対して平行となる方向にヒートスプレッダの長手方向を配置した場合、ヒートスプレッダ２の長手方向とフィンの方向が平行となるため、流路方向Ｙ１の方向に反り量が大きくなってしまう。また、流路方向Ｙ１に向く反りは、冷却器６の高さよりも若干高いバルジ６Ｅによって軽減することができる。

また、２つのヒートスプレッダ２−１、２−２は、流路方向Ｙ１に対して１列に配置されている。２つのヒートスプレッダ２−１、２−２は、流路方向Ｙ１に対して複数列設けるよりも１列にした方が、冷却器６の流路６Ｃに直交する方向の長さを短くできて、反りの発生量を低減できると共に、流路６Ｃを冷却媒体が流れる際の圧力損失を低減することができる。

更に、半導体モジュール８は、半導体素子１を実装したヒートスプレッダ２を、上下アーム毎に絶縁材上に配置している。この半導体モジュール８では、上アームと下アームのスイッチングタイミングが交互に繰り返されるため、独立した半導体モジュール内において、オン時間の重複を抑制することができる。してみれば、半導体モジュール８の過熱を抑制できるため、冷却器６や、ヒートスプレッダ２のサイズを小さくすることができる。

［第３実施形態の構成説明］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図８は、第３実施形態に係る半導体装置１０３の外観を示す斜視図である。第３実施形態に示す半導体装置１０３では、第２実施形態で示した半導体装置１０２と対比して、１つの冷却器６に対して、２つの絶縁基板１１−１、１１−２が接合され、各絶縁基板１１−１、１１−２にそれぞれ、半導体モジュール８−１、８−２が搭載されている。そして、２つの半導体モジュール８−１、８−２は、冷却媒体の導入する冷却配管２１の流路方向Ｙ１に沿って配置されている。各半導体モジュール８−１、８−２の断面構造は、前述した第１実施形態に示した半導体装置１０１と同様であるので説明を省略する。なお、絶縁基板１１の代わりに、図４に示した絶縁シート１３を用いることも可能である。

［第３実施形態の作用、効果の説明］
第３実施形態に係る半導体装置１０３では、絶縁基板１１を半導体モジュール８−１、８−２毎に分離されているので、接合材３Ａ、３Ｂ−１、３Ｂ−２（図１参照）に作用する応力を低減することができる。また、２つの半導体モジュール８−１、８−２が冷却媒体の流路方向Ｙ１に沿って設けられているので、半導体装置１０３に反りが生じることを抑制できる。

また、図９に示すように、冷却媒体の流路方向Ｙ１に対して、２つの半導体モジュール８−１、８−２を２列に並べてもよい。この場合には、冷却配管２１の流路方向Ｙ１と直交する方向の断面積が大きくなるので、反りが発生し易いという欠点がある反面、レイアウトを変更することにより、設置条件の融通性を持たせることが可能となる。

即ち、平面視が長尺形状をなすヒートスプレッダ２（金属製板材）の長手方向を、冷却配管２１の流路方向Ｙ１と直交する方向に配置することで、流路方向Ｙ１よりも反り易いとされる流路に直交する方向の反りをヒートスプレッダ２の剛性によって抑制することができるので、反りを低減し接合材３Ｂ−１、３Ｂ−２に作用する応力を低減することができる。

更に、図８に示す第３実施形態ではヒートスプレッダ２を流路方向に向かって複数列に並べずに、一列に配置している。即ち、各半導体モジュール８−１、８−２は、冷却媒体の流路方向に向けて一列に配置されている。こうすることにより、冷却媒体の流路に直交する方向を短くして反り難い構造とすることができる。更に、冷却器６の断面積を最小限にすることで圧力損失を低下させることや、各流路に流れる流速を均一にし易くできる。

［第４実施形態の構成説明］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図１０は、本発明の第４実施形態に係る半導体装置１０４の構成を示す要部断面図である。斜視図は、第１実施形態で示した図２と同様であるので、説明を省略する。即ち、図１０は、図２に示すＸ−Ｘ’断面図を示している。

図１０に示す半導体装置１０４は、図１に示した半導体装置１０１と対比して、冷却器６に設けられるフィン６Ｄが下面６Ｂに接していない、ピンフィン或いはクシ形とされている点で相違する。それ以外の構成は、図１と同様であるので同一符号を付して構成説明を省略する。

［第４実施形態の作用、効果の説明］
第４実施形態に係る半導体装置１０４は、フィン６Ｄが下面６Ｂに接していない。このため、第１実施形態（図１の場合）と対比すると、第１実施形態では、冷却器６の厚みが、上面６Ａの厚み、下面Ｂの厚み、及び、フィン６Ｄの長さ、の合計となる。これに対し、第４実施形態に係る半導体装置１０４では、冷却器６の厚みが、上面６Ａの厚みと、フィン６Ｄの高さの合計となるので、全体を薄くすることができる。

従って、絶縁材や接合部にかかる熱応力を低下させることができる。その反面、下面６Ｂがフィン６Ｄと接していないので、変形し易くなり、下面６Ｂの厚みを若干厚くする等の工夫が必要となる。

［第５実施形態の構成説明］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。図１１は、本発明の第５実施形態に係る半導体装置１０５の構成を示す要部断面図である。斜視図は、第１実施形態で示した図２と同様であるので、説明を省略する。即ち、図１１は、図２に示すＸ−Ｘ’断面図を示している。

図１１に示す半導体装置１０５は、冷却器６の材料として絶縁性を有するものを使用している点で相違する。即ち、半導体素子１と冷却器６の流路６Ｃとの間が電気的に絶縁されている。そして、図４に示した半導体装置１０１ｂと対比して、ヒートスプレッダ２が絶縁シート１３（絶縁材）に直接に接している点で相違する。即ち、図４に示す半導体装置１０１ｂは、ヒートスプレッダ２の下面にセラミックス板５、及び金属部材４−２を配置する構成であるのに対し、第５実施形態に係る半導体装置１０５は、ヒートスプレッダ２と絶縁シート１３が接している。これは、冷却器６が絶縁性を有することによるものである。それ以外の構成は、図１と同様であるので同一符号を付して構成説明を省略する。

冷却器６を炭化ケイ素で構成した場合、そのままでは半導体モジュール８と金属接合することができないので、例えば、ニッケル（Ｎｉ）等を冷却器６にメッキした後に、接合材を用いて金属接合を行う。

また、炭化ケイ素にコールドスプレー等で銅やアルミニウム等の金属を冷却器６に堆積させてから半導体モジュール８を金属接合させてもよいし、コールドスプレーでヒートスプレッダ２を構成してもよい。

図１１に示すように、流路６Ｃが各フィン６Ｄで閉じられた構成としてもよいし、冷却器６の熱膨張係数がヒートスプレッダ２よりも小さい場合には、上面６Ａをヒートスプレッダ２よりも厚くして、反りのバランスをとってもよい。

［第５実施形態の作用、効果の説明］
第１実施形態で示した図１のように、絶縁基板による絶縁材を使用していないので、構造を簡素化することができ、半導体装置１０５の厚みを薄くすることができる。その結果、装置全体の小型化に寄与することができる。

以上、本発明の半導体装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

１ 半導体素子
２ ヒートスプレッダ（金属製板材）
３Ａ 接合材
３Ｂ−１、３Ｂ−２ 接合材
４−１、４−２ 金属部材
５ セラミックス板
６ 冷却器
６Ａ 上面（上側平面部材）
６Ｂ 下面（下側平面部材）
６Ｃ 流路
６Ｄ フィン
６Ｅ バルジ
７ 樹脂
８ 半導体モジュール
１１ 絶縁基板（絶縁材）
１２ 金属板
１３ 絶縁シート（絶縁材）
２１ 冷却配管
１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ 半導体装置
１０２、１０３、１０４、１０５ 半導体装置
Ｙ１ 流路方向

Claims (24)

1. 半導体素子と金属製板材を接合した半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器と、を備えた半導体装置において、
   前記冷却器は、
   前記半導体モジュールに直接的或いは間接的に金属接合される上側平面部材と、
   前記上側平面部材に接続され、冷却媒体を導入する流路を形成する少なくとも一つのフィンと、を有し、
   前記半導体素子と、前記流路との間が絶縁され、
   前記金属製板材は、平面視が長尺形状を成し、該金属製板材の長手方向が、前記冷却媒体の流路と直交する向きに配置されること
   を特徴とする半導体装置。
2. 半導体素子と金属製板材を接合した半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器と、を備えた半導体装置において、
   前記半導体モジュールは複数設けられ、各半導体モジュールは、前記冷却器に直接的或いは間接的に接合され、
   前記冷却器は、
   前記半導体モジュールに直接的或いは間接的に金属接合される上側平面部材と、
   前記上側平面部材に接続され、冷却媒体を導入する流路を形成する少なくとも一つのフィンと、を有し、前記半導体素子と、前記流路との間が絶縁され、
   前記各半導体モジュールは、前記冷却媒体の流路方向に向けて一列に配置されていること
   を特徴とする半導体装置。
3. 前記上側平面部材に対して略平行に配置された下側平面部材を更に備え、前記フィンは、前記上側平面部材と前記下側平面部材とを連結するように、複数配設されていること
   を特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記冷却器の熱膨張係数は、前記金属製板材の熱膨張係数以上であり、前記金属製板材の厚みは、前記冷却器の前記上側平面部材の厚み以上であること、
   或いは、
   前記冷却器の熱膨張係数は、前記金属製板材の熱膨張係数未満であり、前記金属製板材の厚みは、前記冷却器の前記上側平面部材の厚み未満であること、
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記上側平面部材、前記下側平面部材、及び前記フィンは、単一部材からなることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
6. 前記単一部材は、押し出し材で形成されること
   を特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記冷却器の前記上側平面部材の板厚は、前記下側平面部材の板厚以下であること
   を特徴とする請求項３，５，６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記フィンは、前記上側平面部材と前記下側平面部材に対して、直交するように配置されていること
   を特徴とする請求項３，５，６，７のいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記金属製板材の熱伝導率は前記冷却器の熱伝導率以上であること
   を特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。
10. 前記金属製板材の材質は銅であり、前記冷却器の材質はアルミニウムであること
    を特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
11. 前記半導体モジュールは、インバータのスイッチング回路を構成する上下アームを有し、上下アーム毎に独立して設けられること
    を特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
12. 前記半導体モジュールは、トランスファー成形、或いは、コンプレッション成形によって樹脂封止されていること
    を特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置。
13. 前記半導体モジュールは、非絶縁型であること
    を特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体装置。
14. 前記半導体モジュールは、絶縁型であること
    を特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体装置。
15. 前記半導体素子の上面に、厚みが前記金属製板材以下の金属板を、直接的或いは間接的に実装したこと
    を特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の半導体装置。
16. 前記金属製板材と前記冷却器との間に絶縁材を設けたこと
    を特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の半導体装置。
17. 前記絶縁材は、セラミックス板と、該セラミックス板の上面及び下面にそれぞれ設けられた金属部材と、から成る絶縁基板であり、
    前記金属製板材は、前記セラミックス板の上面に設けられた金属部材と金属接合され、前記冷却器は、前記セラミックス板の下面に設けられた金属部材と金属接合されること
    を特徴とする請求項１６に記載の半導体装置。
18. 前記セラミックス板は、窒化アルミ、窒化ケイ素、及びアルミナのうちの少なくとも一つからなること
    を特徴する請求項１７に記載の半導体装置。
19. 前記セラミックス板の下面に設けられる金属部材の厚みは、該セラミックス板の上面に設けられる金属部材の厚み以上であること
    を特徴とする請求項１８に記載の半導体装置。
20. 前記絶縁材は、窒化ホウ素、樹脂、シリカのうちの少なくとも一つからなる絶縁シートであり、前記絶縁シートは、前記金属製板材に圧着、或いは接着により接合されていること
    を特徴とする請求項１６に記載の半導体装置。
21. 前記冷却器は、絶縁体からなること
    を特徴とする請求項１〜２０のいずれか１項に記載の半導体装置。
22. 前記絶縁体は、炭化ケイ素からなること
    を特徴とする請求項２１に記載の半導体装置。
23. 前記金属接合は、はんだまたはろう材を使った接合、或いは、拡散接合、のいずれかであること
    を特徴とする請求項１〜２２のいずれか１項に記載の半導体装置。
24. 前記半導体モジュールと前記冷却器は、前記絶縁材を介して同時に実装されること
    を特徴とする請求項１６〜２０のいずれか１項に記載の半導体装置。

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