JP6835244B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に係り、特に放熱効率を向上させる技術に関する。

半導体素子に生じる熱を効率良く放出して過熱を防止する半導体装置として、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。特許文献１では、異方性熱伝導特性を有する高配向性熱分解黒鉛からなるインサート部品を、平面視で十字形状に基板に設置し、この表面に熱発生部品を接合して、熱発生部品より発生する熱を基板全体に拡散し、放熱効率を向上させることが開示されている。

特許第４９３９２１４号

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例は、異方性熱伝導特性を有するインサート部品を用いて熱を拡散するものの、該インサート部品を十字状に設けているので、より一層放熱効率を向上させることができないという問題があった。

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、放熱効率を向上させ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、本願発明は、表面に溝が形成された金属部材と、溝の内部に設けられ、表面における第１の軸方向の熱伝導率が、第１の軸方向と直交する第２の軸方向の熱伝導率よりも高い熱伝導部材と、少なくとも一部が熱伝導部材と接する半導体素子を備える。

本発明に係る半導体装置では、放熱効率を向上させることが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の上面図である。 図２は、図１に示した半導体装置の、Ａ−Ａ’断面図である。 図３は、図１に示した半導体装置の、Ｂ−Ｂ’断面図である。 図４は、半導体素子の幅（Ｙ軸方向の長さ）に対する熱伝導部材の幅の比率と、熱抵抗比との関係を示すグラフであり、熱伝導部材の厚みが２ｍｍの場合を示す。 図５は、半導体素子の幅（Ｙ軸方向の長さ）に対する熱伝導部材の幅の比率と、熱抵抗比との関係を示すグラフであり、伝導部材の厚みが５ｍｍの場合を示す。 図６Ａは、比率Ｌ６／Ｌ５が７０％未満のときのＹ軸−Ｚ軸平面、及び熱の拡散を示す説明図である。 図６Ｂは、比率Ｌ６／Ｌ５が７０％〜９５％のときのＹ軸−Ｚ軸平面、及び熱の拡散を示す説明図である。 図６Ｃは、比率Ｌ６／Ｌ５が９５％を上回るときのＹ軸−Ｚ軸平面、及び熱の拡散を示す説明図である。 図７Ａは、熱伝導部材に対して半導体素子が重複しているときのＹ軸−Ｚ軸平面、及び熱の拡散を示す説明図である。 図７Ｂは、熱伝導部材の一部が露出しているときのＹ軸−Ｚ軸平面、及び熱の拡散を示す説明図である。 図８Ａは、金属部材の厚みが熱伝導部材の厚みよりも大きい場合のＹ軸−Ｚ軸平面、及び熱の拡散を示す説明図である。 図８Ｂは、金属部材の厚みと熱伝導部材の厚が一致している場合のＹ軸−Ｚ軸平面、及び熱の拡散を示す説明図である。 図９は、横軸を金属部材の厚みＬ１２に対する長さＬ３の比率とし、縦軸を熱抵抗比としたグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［本実施形態の構成の説明］
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の上面図、図２は図１におけるＡ−Ａ’断面図、図３は図１におけるＢ−Ｂ’断面図である。なお以下では便宜上、図１に示す上面図の左右方向をＸ軸方向（金属部材３の表面上の第１の軸方向）とし、上下方向（Ｘ軸に対して直交する方向）をＹ軸方向（金属部材３の表面上の第２の軸方向）とし、図２に示す側面図の上下方向をＺ軸方向として説明する。即ち、図２の左右方向はＸ軸方向、図３の上下方向はＺ軸方向、左右方向はＹ軸方向である。

図１〜図３に示すように、本実施形態に係る半導体装置は、平面視（Ｚ軸方向から見た面）でＸ軸方向に長い矩形状をなす金属部材３を有し、該金属部材３の上面には、Ｘ軸方向に長い溝Ｍが形成されている。該溝Ｍの内部には、グラファイト等の熱伝導部材２が設けられている。金属部材３の表面と熱伝導部材２の表面は一致している。

更に、熱伝導部材２の上面には、平面視で長方形状をなし、Ｘ軸方向が長さＬ１、Ｙ軸方向が長さＬ５の半導体素子１が接合されており、それぞれの中心は一致している。なお、半導体素子１は、正方形であっても良い。熱伝導部材２は、Ｘ軸方向に長い長方形状を成しており、このため、Ｘ軸方向では半導体素子１に対して熱伝導部材２がはみ出している。即ち、熱伝導部材２のＸ軸方向の長さＬ２は、半導体素子１のＸ軸方向の長さＬ１よりも長く、Ｘ軸方向に長さＬ３、Ｌ４だけはみ出している。半導体素子１が熱伝導部材２の中心に配置されている場合には、Ｌ３＝Ｌ４である。

また、Ｙ軸方向では熱伝導部材２に対して半導体素子１がはみ出している。即ち、半導体素子１のＹ軸方向の長さＬ５（半導体素子１が正方形の場合はＬ５＝Ｌ１）は、熱伝導部材２のＹ軸方向の長さＬ６よりも長く、Ｙ軸方向に長さＬ７、Ｌ８だけはみ出している。半導体素子１が熱伝導部材２の中心に配置されている場合には、Ｌ７＝Ｌ８である。

金属部材３と熱伝導部材２との接合、及び、熱伝導部材２と半導体素子１との接合方法として、例えば、はんだを用いた接合を用いることができる。或いは、はんだで接合する代わりに、導電性と熱伝導性を有する樹脂材料による接合や、圧接等で接合することも可能である。

熱伝導部材２は、平面方向に高い熱伝導率を有する材料を、層状に積層して構成した板状の部材であり、Ｘ軸方向の熱伝導率が、Ｙ軸方向の熱伝導率よりも相対的に高い。具体的には、図１〜図３に示すＸ軸方向及びＺ軸方向には熱伝導率が高く、Ｙ軸方向には熱伝導率が低い。本実施形態では一例として薄板、短冊形状のグラファイトを積層して熱伝導部材２を構成している。熱伝導部材２は、接合のために表面が金属（図示省略）で覆われていても良い。

金属部材３は、一例として銅を用いることができる。銅以外にも、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を用いても良い。

また、金属部材３の裏面（表面と対向する裏面）には絶縁材料（図示せず）を挟んで、金属部材３の熱を放熱するための冷却器４が接合されている。冷却器４は、水冷式、油冷式、空冷式のいずれかを用いることができる。

そして、本実施形態では、以下の（１）〜（４）に示すように、半導体素子１、熱伝導部材２、及び金属部材３のサイズを設定する。

（１）半導体素子１のＹ軸方向（第２の軸方向）の長さＬ５に対する、熱伝導部材２のＹ軸方向（第２の軸方向）の長さＬ６の比率「Ｌ６／Ｌ５」が、４０％以上（好ましくは、７０％以上、且つ９５％以下）となるように、各長さＬ５、Ｌ６を設定する。

或いは、半導体素子１の平面視（半導体素子１の表面の法線方向視）の面積に対する、半導体素子１と熱伝導部材２が重複する面積の比率が４０％以上（好ましくは、７０％以上、且つ９５％以下）となるように半導体素子１及び熱伝導部材２の少なくとも一方の大きさを設定する。

（２）Ｙ軸方向において、熱伝導部材２を完全に覆うように半導体素子１を配置する。つまり、図１に示すように、熱伝導部材２の上面に半導体素子１を接合する際に、Ｙ軸方向において、半導体素子１が熱伝導部材２に対して重複するように配置する。従って、図１に示す長さＬ７、Ｌ８が正の数値となる。即ち、半導体素子１のＹ軸方向（第２の軸方向）の一方の端部は、熱伝導部材２のＹ軸方向（第２の軸方向）の一方の端部から延在し、半導体素子１のＹ軸方向（第２の軸方向）の他方の端部は、熱伝導部材２のＹ軸方向（第２の軸方向）の他方の端部から延在している。

（３）図２に示すように、金属部材３の厚みＬ１１を、熱伝導部材２の厚みＬ１２よりも長くする。即ち、金属部材３の、表面に対する法線方向の長さを、熱伝導部材２の表面に対する法線方向の長さよりも長くする。

（４）Ｘ軸方向において、熱伝導部材２の両端の、半導体素子１と接していない領域の長さ（図１に示すＬ３、Ｌ４）を、金属部材３の厚み（図２に示すＬ１１）以上とする。即ち、熱伝導部材２のＸ軸方向（第１の軸方向）の長さは、半導体素子１のＸ軸方向（第１の軸方向）の長さよりも長く、半導体素子１のＸ軸方向（第１の軸方向）の一端から、熱伝導部材２のＸ軸方向（第１の軸方向）の一端までの長さ、及び、半導体素子１のＸ軸方向（第１の軸方向）の他端から、熱伝導部材２のＸ軸方向（第１の軸方向）の他端までの長さは、金属部材３の、表面に対する法線方向の長さ以上である。

［本実施形態の作用の説明］
次に、上記のように構成された本実施形態に係る半導体装置の作用について説明する。図１に示したように、金属部材３の表面に平面視で長方形状をなす熱伝導部材２を設け、この熱伝導部材２に接するように、半導体素子１を接合している。このため、半導体素子１で発生した熱は、初期的に熱伝導部材２によりＸ軸方向に拡散され、その後、金属部材３の全体に拡散される。即ち、半導体素子１で発生した熱を早期に広い範囲（熱伝導部材２の領域）に拡散し、その後、熱伝導部材２から金属部材３に熱を伝達する。この際、半導体素子１の一部が金属部材３と接していることにより、半導体素子１に残されている熱（熱伝導部材２で拡散されなかった熱）を金属部材３を経由して放熱することができる。更に、金属部材３に拡散した熱は冷却器４を経由して外部に放熱される。

次に、上記した比率「Ｌ６／Ｌ５」を４０％以上（好ましくは、７０〜９５％）とする理由について説明する。図４、図５は、横軸を半導体素子１の幅（Ｙ軸方向の長さ）に対する熱伝導部材２の幅の比率、即ち、「Ｌ６／Ｌ５」とし、縦軸を熱抵抗比（熱伝導部材２の幅を１ｍｍ、厚み２ｍｍ、金属部材３の厚みを２ｍｍとしたときの熱抵抗で規格化した熱抵抗比）としたグラフである。図４は、熱伝導部材２の厚みを２ｍｍとした場合、図５は、熱伝導部材２の厚みを５ｍｍとした場合である。

図４、図５に示すように、上記の比率「Ｌ６／Ｌ５」が４０％以上の範囲では、比率「Ｌ６／Ｌ５」に対する、熱抵抗比の感度が低く、且つ、熱抵抗比自体も低いことが理解される。更に、７０〜９５％の範囲にすることにより、より一層熱抵抗比が低くなることが理解される。このため、上記の比率を４０％以上、好ましくは、７０〜９５％の範囲となるように、熱伝導部材２及び半導体素子１のサイズを設定することにより、熱抵抗を低下させることができる。同様に、半導体素子１の平面視の面積に対する、半導体素子１と熱伝導部材２が平面視で重複する面積の比率が４０％以上、好ましくは７０〜９５％の範囲となるように、熱伝導部材２及び半導体素子１のサイズを設定することにより、熱抵抗を低下させることができる。

次に、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃに示す説明図を参照して、半導体素子１で発生した熱の伝達について説明する。図６Ａ〜図６Ｃは、半導体装置のＹ軸−Ｚ軸平面を示す説明図であり、図６Ａは比率「Ｌ６／Ｌ５」が７０％未満である場合、図６Ｂは、比率「Ｌ６／Ｌ５」が７０〜９５％である場合、図６Ｃは、比率「Ｌ６／Ｌ５」が９５％を上回っている場合の構成を示している。

図６Ａに示すように、比率「Ｌ６／Ｌ５」が７０％未満である場合には、半導体素子１にて発生した熱を熱伝導部材２でＸ軸、Ｚ軸方向に拡散する。更に、半導体素子１と熱伝導部材２が接触しない非接触領域（半導体素子１と金属部材３が接触する領域）にて熱を３次元的に拡散することができる。従って、半導体素子１の放熱効果を高めるという効果を得ることができる。

また、図６Ｃに示すように、比率「Ｌ６／Ｌ５」が９５％を上回る場合においても、半導体素子１にて発生した熱を熱伝導部材２でＸ軸、Ｚ軸方向に拡散し、更に、半導体素子１と金属部材３が接触する領域にて熱を３次元的に拡散することができる。従って、半導体素子１の放熱効果を高めるという効果を得ることができる。

図６Ｂに示すように、比率「Ｌ６／Ｌ５」が７０〜９５％の範囲である場合には、半導体素子１と熱伝導部材２とが接していない非接触領域（半導体素子１と金属部材３が接触する領域）が５〜３０％の割合で存在する。従って、半導体素子１にて発生した熱は、短時間で熱伝導部材２の広い範囲に拡散し、更に拡散した熱は非接触領域にて金属部材３に伝達される。即ち、半導体素子１で発生した熱を早期に広い範囲へ拡散し、その後、三次元的な拡散で金属部材３全体に熱を伝達することを極めて高い効率で行うことができる。このため、トータル的な熱の拡散量が増大する。

これは、グラファイト等の熱伝導部材２の高熱伝導方向がＸ軸、Ｚ軸の２方向のみである、即ち、２次元的な拡散であるのに対し、銅等の金属部材３では熱を３次元的に拡散することに起因する。

即ち、本実施形態では、比率「Ｌ６／Ｌ５」を４０％以上、好ましくは７０〜９５％の範囲とすること、或いは半導体素子１の平面視の面積に対する、半導体素子１と熱伝導部材１とが重複する面積の比率を４０％以上、好ましくは７０〜９５％の範囲とすることにより、熱抵抗を低減し放熱効果をより一層向上させることができることが裏付けられた。

次に、Ｙ軸方向に熱伝導部材２で半導体素子１を覆う理由について説明する。図７Ａ、図７Ｂは、Ｙ軸方向における熱伝導部材２に対する半導体素子１の位置関係を示す説明図であり、図７Ａは熱伝導部材２の上面が半導体素子１で覆われている場合、図７Ｂは熱伝導部材２の一部が露出している場合を示す。

図７Ａに示すように、熱伝導部材２と半導体素子１の中心が一致している場合には、半導体素子１より放出される熱が熱伝導部材２、及び金属部材３を経由して効率良く拡散されるので、放熱効率が向上し熱抵抗を低減できる。

これに対して図７Ｂに示すように、熱伝導部材２と半導体素子１の中心にずれが生じており、且つ、Ｙ軸方向において熱伝導部材２の一部が露出している場合には、一方の端部において熱を３次元的に拡散することができない。このため、熱抵抗が増加してしまう。即ち、本実施形態では、半導体素子１のＹ軸方向のそれぞれの端部（両端）が、金属部材３の表面と接するように配置されることにより、熱抵抗を低減できることが裏付けられた。

次に、金属部材３の厚みＬ１１を、熱伝導部材２の厚みＬ１２よりも大きくする理由について説明する。図８Ａは、Ｌ１１＞Ｌ１２としたときの放熱の様子を示す説明図、図８Ｂは、Ｌ１１＝Ｌ１２としたときの放熱の様子を示す説明図である。

図８Ａ、図８Ｂは、半導体装置のＹ軸−Ｚ軸断面を示している。図８Ａに示すように、Ｌ１１＞Ｌ１２の場合には、熱伝導部材２の下面に金属部材３が存在するので、熱伝導部材２を経由して拡散した熱は、図中、左右方向、及び下方向に熱が拡散される。これに対し、図８Ｂに示すように、Ｌ１１＝Ｌ１２の場合には、熱伝導部材２の下方に金属部材３が存在しないので、熱伝導部材２を経由して拡散した熱は、図中左右方向にのみ拡散する。従って、熱抵抗が大きくなり、放熱効率が低減する。即ち、本実施形態では、金属部材３の厚みを熱伝導部材２の厚みよりも大きくすることにより放熱効率を向上させ、熱抵抗を低減できることが裏付けられた。

次に、Ｘ軸方向において、熱伝導部材２の両端の、半導体素子１と接していない領域の長さ（図１に示すＬ３、Ｌ４）を、金属部材３の厚み（図２に示すＬ１１）以上とする理由について説明する。

図９は、図１に示す長さＬ３（またはＬ４）と、熱伝導部材２の厚みＬ１１との比率「Ｌ３／Ｌ１１」を横軸とし、熱抵抗比を縦軸としたグラフである。なお、縦軸の熱抵抗比は、「Ｌ３／Ｌ１１」を「１」で規格化している。また、図９において、熱伝導部材２は幅（Ｙ軸方向の長さ）３．５ｍｍ、厚み（Ｚ軸方向の長さ）５ｍｍであり、金属部材３の厚みは１０ｍｍである。図９から理解されるように、上記の比率「Ｌ３／Ｌ１１」が「１」未満では、熱抵抗比が大きく変動し、「１」以上では、熱抵抗比がほぼ一定値となることが理解される。換言すれば、図１に示す長さＬ３（または、Ｌ４）を、熱伝導部材２の厚みＬ１１に設定すると（即ち、Ｌ３＝Ｌ１１）、ほぼ熱抵抗を最小値とすることができる。即ち、Ｘ軸方向にて、熱伝導部材２の両端の、半導体素子１と接していない領域の長さを、金属部材３の厚み以上とすることにより、放熱効率を向上させ、熱抵抗を低減できることが裏付けられた。

［本実施形態の効果の説明］
本実施形態に係る半導体装置では、以下に示す効果が得られる。

（１）金属部材３に形成した長方形状の溝Ｍに、熱伝導部材２を設け、この熱伝導部材２に接するように、半導体素子１を接合しているので、半導体素子１で発生した熱の放熱効率を向上させることができる。その結果、半導体装置を小型化することが可能となる。

（２）金属部材３の裏面に金属部材３の熱を放熱する冷却器４を設けているので、金属部材３に拡散された熱を冷却器４により、効率良く放出することができる。

（３）半導体素子１のＹ軸方向の長さＬ５に対する、熱伝導部材２のＹ軸方向の長さＬ６の比率「Ｌ６／Ｌ５」を４０％以上、好ましくは７０〜９５％の範囲に設定することにより、放熱効率を向上させることができる。更に、半導体素子１の表面の法線方向視の面積に対する、半導体素子１と熱伝導部材２の法線方向視の重複面積が４０％以上、好ましくは７０〜９５％の範囲に設定することにより、放熱効率を向上させることができる。また、熱伝導部材２の幅Ｌ６（図１のＹ軸方向の長さ）にばらつきが生じている場合でも、放熱効率のばらつきを抑制できる。

例えば、熱伝導部材２のＹ軸方向の長さＬ６が、想定する長さよりも小さい場合（製造時の誤差等に起因して余儀なく小さい場合）は、熱伝導部材２で拡散する熱量が低下する。しかし、その分金属部材３と半導体素子１が接触する面積が大きくなることで、金属部材３により拡散可能な熱量が増加する。従って、上記の比率「Ｌ６／Ｌ５」を４０％以上、好ましくは、７０〜９５％の範囲にすることにより、熱伝導部材２のＹ軸方向の長さＬ６のばらつきに起因する熱抵抗への影響を抑制することができる。

また、熱伝導部材２のＹ軸方向の長さＬ６を必要に以上に大きくする必要がなく、熱伝導部材２の使用量を削減でき、コストを低減することが可能となる。

（４）熱伝導部材２の低熱伝導方向（Ｙ軸方向、第２の軸方向）において、半導体素子１の端部は金属部材３の表面と接している。従って、半導体素子１で発生した熱を、金属部材３を経由して３次元的に拡散させることができ、熱抵抗をより一層低減することができる。

（５）金属部材３の厚みＬ１２を、熱伝導部材２の厚みＬ１１よりも大きくすることにより、熱伝導部材２で２次元的に拡散した熱を、金属部材３によりさらに３次元的に拡散できるため、熱抵抗を低減することができる。

（６）熱伝導部材２のＸ軸方向の長さＬ２は、半導体素子１のＸ軸方向の長さＬ１よりも長く、半導体素子１のＸ軸方向の一端から、熱伝導部材２のＸ軸方向の一端までの長さＬ３、及び、半導体素子１のＸ軸方向の他端から、熱伝導部材２のＸ軸方向の他端までの長さＬ４を、金属部材３の厚みＬ１１以上、即ち、表面に対する法線方向の長さ以上としている。このため、厚み方向（Ｚ軸方向）の熱抵抗に対して、Ｘ軸方向の熱抵抗を低下させることができ、Ｘ軸方向に熱を優先的に拡散してから冷却器４に放熱することができ、より一層熱抵抗を低下させることができる。

（７）短冊状のグラファイトを積層して熱伝導部材２を形成しており、グラファイトは、熱伝導の異方性を有するので、半導体素子１で発生する熱を効率よくＸ軸方向に拡散することができる。

なお、上記した実施形態では、金属部材３の表面と熱伝導部材２の表面が一致して配置される例について示したが、金属部材３の表面と熱伝導部材２の表面に段差が有る構成とすることも可能である。この場合には、半導体素子１の接合面に段差を形成すれば良い。

以上、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

１ 半導体素子
２ 熱伝導部材（グラファイト等）
３ 金属部材（銅等）
４ 冷却器

Claims (9)

1. 表面に溝が形成された金属部材と、
   前記溝の内部に設けられ、前記表面における第１の軸方向の熱伝導率が、前記表面上で前記第１の軸方向と直交する第２の軸方向の熱伝導率よりも高い熱伝導部材と、
   前記金属部材の表面に設けられ、少なくとも一部が前記熱伝導部材と接する半導体素子と、を備え、
   前記半導体素子の前記第２の軸方向の一方の端部は、前記熱伝導部材の前記第２の軸方向の一方の端部から延在し、
   前記半導体素子の前記第２の軸方向の他方の端部は、前記熱伝導部材の前記第２の軸方向の他方の端部から延在していること
   を特徴とする半導体装置。
2. 前記半導体素子の前記第２の軸方向の長さに対する、前記熱伝導部材の前記第２の軸方向の長さの比率が４０％以上であること
   を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体素子の前記第２の軸方向の長さに対する、前記熱伝導部材の前記第２の軸方向の長さの比率が９５％以下であること
   を特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記半導体素子表面の法線方向視の面積に対する、前記半導体素子と前記熱伝導部材とが前記法線方向視で重複する面積の比率が４０％以上であること
   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. 前記半導体素子表面の法線方向視の面積に対する、前記半導体素子と前記熱伝導部材とが前記法線方向視で重複する面積の比率が９５％以下であること
   を特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記金属部材の、前記表面に対する法線方向の長さは、前記熱伝導部材の前記表面に対する法線方向の長さよりも長いこと
   を特徴とする請求項１〜４、６のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記熱伝導部材の前記第１の軸方向の長さは、前記半導体素子の前記第１の軸方向の長さよりも長く、
   前記半導体素子の前記第１の軸方向の一端から、前記熱伝導部材の前記第１の軸方向の一端までの長さ、及び、
   前記半導体素子の前記第１の軸方向の他端から、前記熱伝導部材の前記第１の軸方向の他端までの長さは、
   前記金属部材の、前記表面に対する法線方向の長さ以上であること
   を特徴とする請求項１〜４、６、７のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記熱伝導部材は、短冊状のグラファイトを積層して形成されること
   を特徴とする請求項１〜４、６〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記金属部材の、前記表面と対向する裏面に、前記金属部材の熱を放熱する冷却器を設けたこと
   を特徴とする請求項１〜４、６〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。

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