KR101077803B1 - 반도체 장치 - Google Patents

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가부시키가이샤 도요다 지도숏키
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Abstract

차량에 탑재되고, 반도체 소자와, 강제 냉각식 냉각기와, 히트 매스를 구비하는 반도체 모듈이 개시된다. 상기 냉각기는, 상기 반도체 소자에서 발생한 열이 전도된다. 상기 히트 매스는, 상기 반도체 소자에 열적으로 결합되도록, 상기 반도체 소자 상에 접합된다. 상기 히트 매스는, 발열 상태에 있어서의 상기 반도체 소자의 고온 부위에 대응하는 히트 매스 부위의 열저항이, 동반도체 소자의 저온 부위에 대응하는 히트 매스 부위의 열저항보다 낮아지도록 형성된다.
반도체 소자, 강제 냉각식 냉각기, 히트 매스

Description

반도체 장치{SEMICONDUCTOR DEVICE}
기술분야
본 발명은, 반도체 장치에 관한 것으로, 상세하게는 강제 냉각식 냉각기를 구비한 회로 기판 상에 접합되는 반도체 소자를 갖는 반도체 장치에 관한 것이다.
배경기술
히트싱크와, 그 히트싱크에 대하여 적층되고 또한 접착된 기판과, 그 기판의 회로 패턴 상에 탑재된 반도체 소자를 구비하는 반도체 장치가 알려져 있다. 반도체 소자에서 발생한 열은, 그 반도체 소자의 하면으로부터 기판을 통해 히트싱크에 전도됨으로써 방열된다. 이와 같은 반도체 장치에 있어서, 히트싱크에는, 반도체 소자가 과부하에 의해 과도적으로 큰 열을 발생한 상태에 있어서 필요한 냉각 효과를 발휘할 것이 요구된다. 그러나, 반도체 소자가 과도적으로 큰 열을 발생한 상태를 기준으로 히트싱크의 냉각 능력을 설정하면, 반도체 장치가 대형화된다.
특허 문헌 1 에는, 전력 변환 장치에 사용되는 반도체 소자에 있어서, 과부하에 의해 일어나는 반도체 소자의 급격한 온도 상승을 억제할 수 있는 반도체 모듈이 개시되어 있다. 도 16의 (a) 에 나타내는 바와 같이, 반도체 모듈 (51) 은, 절연 기판 (53) 을 개재하여 금속 기판 (52) 상에 형성된 반도체 소자 (54) 와, 반도체 소자 (54) 의 바로 위 및 근방에 형성된 축열기 (55) 를 포함한다. 축열기 (55) 는, 반도체 소자 (54) 의 사용 가능한 상한 온도보다 약간 낮은 온도에서 고상에서 액상으로 변화됨으로써, 반도체 소자 (54) 의 열을 일시적으로 흡수하고, 그 후 방열시킨다. 반도체 소자 (54) 에서 발생한 열은, 통상은 도시되지 않은 냉각기에 금속 기판 (52) 을 통해 전도된다. 그러나, 과부하 상태에 있어서 냉각기의 냉각 능력이 불충분한 경우에는, 여분의 열이 축열기 (55) 에 일시적으로 축적된 후, 냉각기에 전도된다.
특허 문헌 2 에는, 반도체 모듈의 내부에서 발생하는 열을 효율적으로 방열시켜, 상기 내부에 존재하는 접합 계면에 가해지는 열응력을 억제할 수 있는 신뢰성이 높은 반도체 장치가 개시되어 있다. 이 반도체 장치에서는, 도 16의 (b) 에 나타내는 바와 같이, 동박 (61a, 61b) 이 형성된 절연 기판 (61) 상에 IGBT (62) 의 컬렉터 전극이 땜납 접합되어 있다. IGBT (62) 의 에미터 전극은, 전극용 부재 (63) 에 땜납 접합되어 있다. 전극용 부재 (63) 는 세라믹스로 구성되고, 일렬로 배열된 복수의 관통공 (64a) 을 갖는 지지체 (64) 와, 그들 관통공 (64a) 에 매립된 구리 포스트 (65) 를 포함한다. 전극용 부재 (63) 에 있어서의 IGBT (62) 와 반대측의 면에는 구리 전극 (66) 이 땜납 접합되어 있다.
특허 문헌 1 의 반도체 모듈 (51) 에서는, 냉각기의 능력은 과부하가 아닌 상태, 즉 통상 상태에 있어서의 반도체 소자 (54) 의 발열에 대처할 수 있으면 되기 때문에, 장치의 대형화를 억제할 수 있다. 발열 상태에 있어서의 반도체 소자 (54) 의 온도 분포는 균일하지 않고, 그 부위에 따라 온도가 상이하다. 일반적으로는, 반도체 소자 (54) 의 온도는 중앙부에서 높고, 주연부 (周緣部) 를 향 할수록 낮다. 그러나, 특허 문헌 1 에서는, 발열 상태에 있는 반도체 소자 (54) 의 온도 분포가 불균일한 것에 대해서는 전혀 배려가 이루어지지 않았다. 또한 특허 문헌 1 은, 축열기 (55) 자체가 고상과 액상으로 변화되는 물질로 형성되어 있는 것인지, 축열기 (55) 의 내부에 고상과 액상으로 변화되는 물질이 수용되어 있는 것인지를 명기하지 않았다. 만일 축열기 (55) 자체가 고상과 액상으로 변화되는 물질로 형성되어 있는 경우에는, 축열기 (55) 가 액상 상태에 있을 때에 반도체 모듈 (51) 이 진동하거나 기울거나 하면, 축열기 (55) 가 소정 위치로부터 이동해 버린다. 따라서, 차재용이나 진동이 있는 상태에서의 용도로 사용하기 어렵다.
또한 특허 문헌 2 에는, 과부하시에 열을 일시적으로 축적하고, 그 후 방열시킨다는 히트 매스의 기능을 구리 전극 (66) 에 실시시키는 것에 관해서는 전혀 언급되지 않았다. 당연히 발열 상태에 있는 반도체 소자 (IGBT (62)) 의 온도 분포가 불균일한 것에 대하여 히트 매스를 보다 적절히 기능시키는 것에 대한 배려는 전혀 이루어지지 않았다.
특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 2002-270765호
특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 2006-237429호
발명의 개시
본 발명의 목적은, 반도체 소자의 급격한 온도 상승을 억제할 수 있고, 또한 동등한 성능을 갖는 히트 매스를 보다 적은 재료로 제조할 수 있는 히트 매스를 구 비하는 반도체 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 양태에서는, 반도체 소자와, 강제 냉각식 냉각기와, 히트 매스를 구비하는 반도체 장치가 제공된다. 상기 냉각기는, 상기 반도체 소자에서 발생한 열이 전도된다. 상기 히트 매스는, 상기 반도체 소자에 열적으로 결합되도록, 상기 반도체 소자 상에 접합된다. 상기 히트 매스는, 발열 상태에 있어서의 상기 반도체 소자의 고온 부위에 대응하는 히트 매스 부위의 열저항이, 동 (同) 반도체 소자의 저온 부위에 대응하는 히트 매스 부위의 열저항보다 낮아지도록 형성된다.
도면의 간단한 설명
도 1 은, 본 발명을 구체화한 제 1 실시형태에 관련된 반도체 장치의 사시도.
도 2의 (a) 는 반도체 장치의 모식 단면도, 도 2의 (b) 는 도 2의 (a) 에 나타내는 히트 매스의 단면도.
도 3 은, 도 1 에 나타내는 반도체 소자의 온도 분포를 나타내는 모식도.
도 4의 (a) 는 도 1 의 히트 매스를 형성한 경우의 반도체 소자의 온도 분포를 나타내는 도면, 도 4의 (b) 는 도 5의 (a) 의 히트 매스를 형성한 경우의 반도체 소자의 온도 분포를 나타내는 모식도.
도 5의 (a) 는 직방체 형상의 본체부를 갖는 히트 매스의 모식도, 도 5의 (b) 는 돔 형상의 본체부를 갖는 히트 매스의 모식도.
도 6 은, 여러 가지 형상의 히트 매스를 형성한 경우 및 히트 매스를 형성하 지 않은 경우의 반도체 소자의 최고 온도의 시간 경과적 변화를 나타내는 그래프.
도 7의 (a) 는 본 발명을 구체화한 제 2 실시형태에 관련된 히트 매스의 정면도, 도 7의 (b) 는 도 7의 (a) 의 히트 매스의 모식 저면도.
도 8 은, 네 모퉁이에 다리부가 없는 히트 매스를 형성한 경우의 반도체 소자의 온도 분포를 나타내는 모식도.
도 9의 (a) ∼ 도 9의 (c) 는, 다른 예에 관련된 히트 매스의 모식 단면도.
도 10의 (a) ∼ 도 10의 (c) 는, 다른 예에 관련된 히트 매스의 모식 단면도.
도 11의 (a) ∼ 도 11의 (e) 는, 다른 예에 관련된 히트 매스의 모식 단면도.
도 12의 (a) ∼ 도 12의 (f) 는, 다른 예에 관련된 히트 매스의 모식 평면도.
도 13의 (a), 도 13의 (b) 는, 다른 예에 관련된 히트 매스를 나타내는 모식도.
도 14의 (a) ∼ 도 14의 (e) 는, 다른 예에 관련된 히트 매스를 나타내는 모식도.
도 15의 (a) 는 다른 예에 관련된 히트 매스를 나타내는 저면도, 도 15의 (b) 는 다른 예에 관련된 반도체 장치의 모식도.
도 16의 (a) 는 종래 반도체 장치의 사시도, 도 16의 (b) 는 다른 종래 반도체 장치의 측면도.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
도 1 ∼ 도 6 은, 본 발명을 구체화한 제 1 실시형태에 관련된 반도체 장치 (10) 를 나타낸다. 반도체 모듈인 반도체 장치 (10) 는 차량에 탑재된다. 도 1 및 도 2 는, 반도체 장치 (10) 의 구성을 모식적으로 나타내며, 도시의 편의상, 일부 치수를 과장하여 알기 쉽게 하기 위해서, 반도체 장치 (10) 의 각 부의 폭, 길이, 두께 등의 치수비는 실제의 비와는 상이하다.
도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, 반도체 장치 (10) 는 강제 냉각식 냉각기 (11) 를 구비하고 있다. 여기서 강제 냉각식이란, 자연 냉각, 즉 단순한 방랭이 아니라, 냉각 매체를 외부로부터 공급하여 흐르게 하는 것에 의한 냉각 방식이나, 비등 냉각 방식 등과 같이, 냉각 매체가 액상 → 기상 → 액상으로 변화됨으로써 자연스럽게 순환하는 것에 의한 냉각 방식을 의미한다. 본 실시형태에서는, 냉각 매체를 외부로부터 냉각기 (11) 에 공급하는 냉각 방식이 채용되어 있다. 냉각기 (11) 는 편평한 사각 상자 형상을 이루고 있다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 냉각기 (11) 는 냉각 매체가 흐르는 냉매 유로 (12) 를 구비하고 있다. 냉각기 (11) 상에는 세라믹 기판 (13) 이 금속층 (14) 을 개재하여 접합되어 있다. 세라믹 기판 (13) 상에는 배선 금속층 (15) 이 형성되고, 그 배선 금속층 (15) 상에는 반도체 소자 (16) 가 접합되어 있다.
반도체 소자 (16) 가 정상 발열 상태, 즉 통상 상태에 있는 경우, 반도체 소자 (16) 에서 발생한 열이 세라믹 기판 (13) 을 통해 냉각기 (11) 에 전도되고, 그 결과, 반도체 소자 (16) 로부터 열이 원활히 제거되도록 냉각기 (11) 의 냉각 능력이 설정되어 있다. 냉각기 (11) 는 알루미늄계 금속으로 형성되어 있다. 알루미늄계 금속이란 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 의미한다. 금속층 (14) 은, 세라믹 기판 (13) 에 냉각기 (11) 를 접합하는 접합층으로서 기능하고, 예를 들어 알루미늄으로 형성되어 있다. 냉매 유로 (12) 는, 차량에 장비된 냉매 순환로에 연결 가능한 입구 및 출구 (양방 모두 도시 생략) 를 구비한다. 냉각기 (11) 에는 복수의 세라믹 기판 (13) 이 접합되어 있지만, 도시의 편의상, 도 1 및 도 2 에는 세라믹 기판 (13) 을 1 개만 나타낸다. 반도체 소자 (16) 는, 예를 들어 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET, 다이오드 중 어느 것이다.
세라믹 기판 (13) 은, 예를 들어 질화 알루미늄에 의해 형성되어 있다. 배선 금속층 (15) 은, 예를 들어 알루미늄으로 형성되어 있다. 금속층 (14) 및 배선 금속층 (15) 은, 세라믹 기판 (13) 에 알루미늄판을 알루미늄계 납재에 의해 브레이징함으로써 형성되어 있다. 세라믹 기판 (13) 의 두께는 0.1 ∼ 1 ㎜ 인 것이 바람직하다. 금속층 (14) 및 배선 금속층 (15) 의 두께는 각각 0.1 ∼ 1 ㎜ 인 것이 바람직하고, 0.6 ㎜ 정도인 것이 보다 바람직하다.
반도체 소자 (16) 상에는 히트 매스 (17) 가 땜납 (H) 에 의해 접합되어 있다. 히트 매스 (17) 는 반도체 소자 (16) 에서 발생한 열을 일시적으로 흡수하고, 그 후에 방출한다. 즉, 반도체 장치 (10) 가 구비하는 히트 매스 (17) 는, 반도체 소자 (16) 상에 배치되고, 또한 땜납 (H) 에 의해 반도체 소자 (16) 에 열 적으로 결합되어 있다. 히트 매스란, 반도체 소자 (16) 에 열적으로 결합되는 부재로서, 반도체 소자 (16) 의 온도가 당해 부재의 온도보다 상승하였을 때에 반도체 소자 (16) 의 열을 받아들이기 위해서, 즉 흡수하기 위해서, 소정의 열용량을 갖는 부재를 의미한다.
과부하 상태의 반도체 소자 (16) 가 정상 발열 상태보다 큰 열을 발생시킴으로써, 냉각기 (11) 만으로는 반도체 소자 (16) 를 충분히 냉각시킬 수 없는 경우, 반도체 소자 (16) 에서 발생한 열의 일부를 히트 매스 (17) 가 일시적으로 흡수함으로써, 반도체 소자 (16) 의 과열 상태가 억제된다. 히트 매스 (17) 의 열용량은, 이와 같은 반도체 소자 (16) 의 과열 상태를 억제하는 데에 필요한 값으로 설정되어 있다. 예를 들어 반도체 장치 (10) 가 하이브리드차의 주행용 모터를 제어하는 인버터인 경우, 차량이 정상 운전 상태에서 급가속 혹은 급정지되면, 1 초 미만의 짧은 시간에 반도체 소자 (16) 로부터의 발열에 의해 정격의 3 ∼ 5 배나 되는 손실 열량이 발생한다. 이와 같은 경우에도 반도체 소자 (16) 의 온도가 그 동작 온도의 상한을 초과하지 않도록, 본 실시형태의 히트 매스 (17) 의 열용량이 설정된다. 또한, 차량 급정지시에 반도체 소자 (16) 로부터 과대한 손실 열량이 발생하는 것은, 주행용 모터의 회생 동작에 따라 반도체 소자 (16) 에 큰 전류가 흐르기 때문이다.
발열 상태에 있어서의 반도체 소자 (16) 의 고온 부위에 대응하는 히트 매스 (17) 부위의 열저항이, 동반도체 소자 (16) 의 저온 부위에 대응하는 히트 매스 (17) 부위의 열저항보다 낮아지도록, 히트 매스 (17) 는 형성되어 있다. 본 실 시형태에서는, 발열 상태에 있어서의 반도체 소자 (16) 의 고온 부위에 대응하는 히트 매스 (17) 부위의 열용량이, 동반도체 소자 (16) 의 저온 부위에 대응하는 히트 매스 (17) 부위의 열용량보다 크다. 여기서 열저항이란, 반도체 소자 (16) 에서 볼 때 얼마나 열이 히트 매스 (17) 에 빼앗기기 어려운지를 의미하고, 열저항이 낮다는 것은 열이 히트 매스 (17) 에 빼앗기기 쉽다는 것을 의미한다. 이와 같이, 히트 매스 (17) 는, 발열 상태에 있어서의 반도체 소자 (16) 의 고온 부위에 대응하는 저열저항 부위 (대열용량 부위) 와, 발열 상태에 있어서의 반도체 소자 (16) 의 저온 부위에 대응하는 고열저항 부위 (소열용량 부위) 를 갖는다.
본 실시형태에 있어서, 발열 상태에 있어서의 반도체 소자 (16) 는 이하와 같은 온도 분포를 갖는다. 즉, 발열 상태에 있어서의 반도체 소자 (16) 의 온도는, 동반도체 소자 (16) 의 중앙부에 있어서 높고, 동반도체 소자 (16) 의 주연부를 향하여 점차 낮아진다. 도 2의 (a) 및 도 2의 (b) 에 나타내는 바와 같이, 히트 매스 (17) 는, 본체부 (17a) 와, 돌출부로서의 복수의 다리부 (17b) 를 포함한다. 본체부 (17a) 에 있어서, 열용량이 큰 부위 (대열용량 부위) 의 두께는, 열용량이 작은 부위 (소열용량 부위) 의 두께보다 크다. 복수의 다리부 (17b) 는, 반도체 소자 (16) 와 대향하는 본체부 (17a) 의 면에서부터 반도체 소자 (16) 를 향하여 연장되어 있다. 각 다리부 (17b) 의 선단 (先端) 은 반도체 소자 (16) 에 땜납 (H) 에 의해 직접 접합되어 있다. 즉, 히트 매스 (17) 는 서로 분할된 접합면을 각각 갖는 복수의 다리부 (17b) 를 통해 반도체 소자 (16) 에 땜납 (H) 에 의해 접합되어 있다.
다리부 (17b) 가 형성된 본체부 (17a) 의 면은 대략 돔 형상을 이루고, 그 주연부로부터 중앙부를 향하여 점차 볼록해져 있다. 다리부 (17b) 는, 그 돔 형상의 면에 소정 간격 (본 실시형태에서는 일정 간격) 을 두고 배열되어 있다. 각 다리부 (17b) 는, 반도체 소자 (16) 와 대향하는 상태로 반도체 소자 (16) 에 접합되어 있다. 따라서, 히트 매스 (17) 의 주연부 (단부 (端部)) 에 있는 다리부 (17b) 의 돌출 길이는, 히트 매스 (17) 의 중앙부에 있는 다리부 (17b) 의 돌출 길이보다 길다.
다음으로, 반도체 장치 (10) 의 제조 방법을 설명한다. 먼저, 세라믹 기판 (13) 의 일방의 면에 금속층 (14) 이 형성됨과 함께 타방의 면에 배선 금속층 (15) 이 형성된 회로 기판과, 냉각기 (11) 를 준비한다. 회로 기판은, 예를 들어 다음과 같이 하여 형성된다. 즉, 미리 세라믹 기판 (13) 의 양면에 알루미늄층을 구비한 DBA (Direct Brazed Aluminum) 기판을 준비하고, 각 알루미늄층을 에칭 처리함으로써, 금속층 (14) 및 배선 금속층 (15) 이 형성된다. 냉각기 (11) 는, 예를 들어 냉매 유로 (12) 의 형상에 대응한 중자 (中子) 를 사용하여, 알루미늄의 주조에 의해 제조된다. 금속층 (14) 이 접합되는 냉각기 (11) 의 접합면은 평탄해지도록 연마 가공이 실시된다.
다음으로, 금속층 (14) 을 냉각기 (11) 의 접합면을 향하게 한 상태에서, 냉각기 (11) 와 금속층 (14) 사이에 시트 형상의 알루미늄 접속용 납재를 개재시키고, 회로 기판을 냉각기 (11) 상에 탑재한다. 알루미늄 접속용 납재로는, 예를 들어 Al-Si 계 합금으로 이루어지는 것이 사용된다. 그리고, 냉각기 (11) 및 회로 기판을 그 상태로 임시 고정시키고, 회로 기판을 통해 냉각기 (11) 의 접합면에 대하여 하중을 가하면서, 진공 분위기 또는 불활성 가스 분위기 중에서 570 ∼ 600 ℃ 로 가열하여, 냉각기 (11) 와 금속층 (14) 을 브레이징한다. 다음으로, 배선 금속층 (15) 의 소정 위치에 반도체 소자 (16) 를 땜납 접합한다. 또한, 냉각기 (11) 상에는 도시되지 않은 배선부가 형성되어 있어, 반도체 소자 (16) 와 배선부를, 예를 들어 와이어 본딩에 의해 와이어를 통하여 접속함으로써 반도체 장치 (10) 가 완성된다.
다음으로 반도체 장치 (10) 의 작용을 설명한다. 본 실시형태의 반도체 장치 (10) 는 하이브리드차에 탑재되고, 냉각기 (11) 는 차량의 냉각 매체 순환로 (도시 생략) 에 파이프를 통해 연통된다. 냉각 매체 순환로는 펌프 및 라디에이터를 갖고, 그 라디에이터는 냉각 모터에 의해 회전되는 팬을 구비하고 있다. 그 때문에, 라디에이터의 방열 효율은 좋다. 냉각 매체는, 예를 들어 물이다.
반도체 장치 (10) 에 탑재된 반도체 소자 (16) 가 구동되면, 반도체 소자 (16) 로부터 열이 발생한다. 차량의 정상 운전 상태, 즉 반도체 소자 (16) 의 정상 발열 상태에서는, 반도체 소자 (16) 로부터 발생한 열은, 땜납 (H) 및 세라믹 기판 (13) 을 통해 냉각기 (11) 에 전도된다. 냉각기 (11) 에 전도된 열은, 냉매 유로 (12) 를 흐르는 냉각 매체에 전도되어 냉각 매체에 의해 제거된다. 즉, 냉매 유로 (12) 를 흐르는 냉각 매체가 냉각기 (11) 를 강제 냉각시키기 때문에, 반도체 소자 (16) 로부터 냉각기 (11) 에 이르는 열의 전도 경로에 있어서의 온도 구배가 커지고, 반도체 소자 (16) 에서 발생한 열이 배선 금속층 (15), 세라 믹 기판 (13) 및 금속층 (14) 을 통해 효율적으로 제거된다.
차량이 정상 운전 상태에서 급가속 혹은 급정지되면, 반도체 소자 (16) 로부터의 발열이 급증하여, 1 초 이하의 짧은 시간에 정격의 3 ∼ 5 배나 되는 손실 열량이 발생한다. 이와 같은 비정상시의 고발열에는, 냉각기 (11) 에 의한 강제 냉각만으로는 대처할 수 없다. 그러나, 본 실시형태의 반도체 소자 (16) 에는 히트 매스 (17) 가 납땜되어 있기 때문에, 냉각기 (11) 가 완전히 제거하지 못하는 열을 히트 매스 (17) 가 일시적으로 흡수한다. 차량이 정상 운전 상태로 되돌아가면, 히트 매스 (17) 의 열은, 반도체 소자 (16), 배선 금속층 (15), 세라믹 기판 (13) 및 금속층 (14) 을 통해 냉각기 (11) 에 전도되고, 히트 매스 (17) 는 원래의 상태로 되돌아간다.
반도체 소자 (16) 의 열팽창률과 히트 매스 (17) 의 열팽창률을 비교하면, 히트 매스 (17) 의 열팽창률은 반도체 소자 (16) 의 열팽창률보다 크다. 그 때문에, 히트 매스 (17) 가 반도체 소자 (16) 와 대향하는 면 전체에서 반도체 소자 (16) 에 접합된 경우에는, 히트 매스 (17) 가 반도체 소자 (16) 에 복수의 다리부 (17b) 에서 접합된 경우에 비해 히트 매스 (17) 와 반도체 소자 (16) 사이에 개재되는 땜납 (H) 에 작용하는 응력이 커진다. 요컨대, 히트 매스 (17) 는, 반도체 소자 (16) 에 복수의 다리부 (17b) 를 통해 땜납 (H) 에 의해 접합되어 있기 때문에, 땜납 (H) 에 작용하는 응력이 복수의 다리부 (17b) 에 의해 완화된다.
다음으로, 히트 매스 (17) 의 이점을 시뮬레이션의 결과에 따라 상세히 설명한다.
이하에 있어서, 반도체 소자 (16) 의 「정상 동작」이란, 반도체 소자 (16) 가 계속적으로 발열되고, 또한 냉각기 (11) 에 의해 냉각되는 상태를 의미한다. 도 3 은, 반도체 소자 (16) 가 온도 65 ℃, 즉 338.15 K 에서 정상 동작하는 상태로부터 최대 발열된 경우의 반도체 소자 (16) 의 온도 분포를 나타낸다. 또한 도 3 은, 히트 매스 (17) 를 형성하지 않은 경우의 반도체 소자 (16) 의 온도 분포를 나타낸다. 도 4의 (a) 는, 도 1 의 히트 매스 (17) 를 형성한 경우에 있어서, 반도체 소자 (16) 가 온도 65 ℃ 에서 정상 동작하는 상태로부터 최대 발열된 경우의 반도체 소자 (16) 의 온도 분포를 나타낸다. 비교를 위해서, 도 4의 (b) 는, 도 5의 (a) 에 나타내는 바와 같이 직방체 형상의 본체부 (17a) 와 모두 동일한 돌출 길이의 다리부 (17b) 를 갖는 히트 매스 (17) 를 형성한 반도체 소자 (16) 에 대하여, 상기와 동일한 조건으로 구한 온도 분포를 나타낸다.
도 3 중 등온선에 대하여, T1 은 393.0 K, T2 는 390.0 K, T3 은 387.0 K, T4 는 384.0 K 를 나타내고, T5 ∼ T9 는 3.0 K 간격으로 도시되어 있다. 또한, 도 4의 (a) 및 도 4의 (b) 에 있어서의 등온선에 대하여, A 는 376.3 K, B 는 374.8 K, C 는 373.3 K, D 는 371.9 K, E 는 370.4 K, F 는 368.9 K, G 는 367.5 K, H 는 366.0 K, I 는 364.6 K, J 는 363.1 K, K 는 361.6 K, L 은 360.2 K, M 은 358.7 K, N 은 357.2 K 를 나타낸다.
도 6 은, 반도체 소자 (16) 가 온도 65 ℃ 에서 정상 동작하는 상태로부터, 동반도체 소자 (16) 에 0.2 초 동안 200 W 의 열을 부여한 경우의 반도체 소자 (16) 의 최고 온도 (칩 최고 온도) 의 시간 경과적 변화를, 히트 매스 (17) 의 형 상을 변경한 경우의 각각에 대하여 나타낸다. 도 6 에 있어서는, 비교를 위해서, 히트 매스 (17) 를 형성하지 않은 경우의 반도체 소자 (16) 의 최고 온도의 시간 경과적 변화도 나타내고 있다. 도 6 중, ○ 표시는 본 실시형태의 히트 매스 (17), 즉 다리부 (17b) 가 형성된 본체부 (17a) 의 면이 대략 돔 형상을 이루는 히트 매스 (17) 에 접합된 반도체 소자 (16) 의 최고 온도를 나타낸다. × 표시는 직방체 형상의 본체부 (17a) 를 갖는 도 5의 (a) 의 히트 매스 (17) 에 접합된 반도체 소자 (16) 의 최고 온도를 나타낸다. □ 표시는 도 5의 (b) 의 히트 매스 (17), 즉 다리부 (17b) 와 반대측의 본체부 (17a) 의 면이 대략 돔 형상을 이루는 히트 매스 (17) 에 접합된 반도체 소자 (16) 의 최고 온도를 나타낸다. ◇ 표시는 히트 매스 (17) 에 접합되어 있지 않은 반도체 소자 (16) 의 최고 온도를 나타낸다. 히트 매스 (17) 의 본체부 (17a) 의 체적에 대하여, 본 실시형태의 본체부 (17a) 는, 도 5의 (a) 의 직방체 형상의 본체부 (17a) 와 비교하여 24 ％ 감소하였다.
도 6 에 나타내는 바와 같이, 히트 매스 (17) 에 접합되어 있지 않은 반도체 소자 (16) 의 최고 온도는 119.7 ℃ 가 되었다. 한편, 히트 매스 (17) 에 접합된 반도체 소자 (16) 의 최고 온도는, 히트 매스 (17) 의 형상에 따라 다소 차이는 있지만 거의 103 ℃ 가 되고, 히트 매스 (17) 에 접합되어 있지 않은 반도체 소자 (16) 의 그것과 비교하여 16 ∼ 17 ℃ 낮아졌다. 구체적으로는, 반도체 소자 (16) 의 최고 온도는, 본 실시형태의 히트 매스 (17) 를 사용한 경우에는 103.5 ℃, 도 5의 (a) 의 히트 매스 (17) 를 사용한 경우에는 102.8 ℃, 도 5의 (b) 의 히트 매스 (17) 를 사용한 경우에는 103.1 ℃ 가 되었다. 도 4의 (a) 및 도 4의 (b) 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 히트 매스 (17) 를 사용한 경우에는, 도 5의 (a) 의 히트 매스 (17) 를 사용한 경우와 비교하여, 반도체 소자 (16) 의 중앙부의 온도가 높지만, 전체로서 유사한 온도 분포가 된다. 단, 시뮬레이션에서는, 도 5의 (a) 의 히트 매스 (17) 로서, 다리부 (17b) 의 길이가 본 실시형태의 히트 매스 (17) 에 있어서 가장 짧은 다리부 (17b) 보다 조금 짧고, 또한 본체부 (17a) 의 두께가 본 실시형태의 히트 매스 (17) 의 본체부 (17a) 의 최대 두께보다 두꺼운 것을 적용하였다. 그 차이를 고려하면, 반도체 소자 (16) 의 최고 온도 및 온도 분포는, 동반도체 소자 (16) 에 접합되는 히트 매스 (17) 로서 도 1, 도 5의 (a) 및 도 5의 (b) 의 어느 것을 사용해도 거의 동일하다고 할 수 있다.
본 실시형태는 이하의 이점을 갖는다.
(1) 반도체 장치 (10) 는, 반도체 소자 (16) 와, 냉각기 (11) 와, 히트 매스 (17) 를 구비하고 있다. 냉각기 (11) 는, 반도체 소자 (16) 에서 발생한 열이 전도되는 강제 냉각식 냉각기이다. 히트 매스 (17) 는, 반도체 소자 (16) 에 열적으로 결합되도록, 반도체 소자 (16) 에 접합되어 있다. 따라서, 반도체 소자 (16) 로부터 정상 발열 상태보다 큰 열이 발생한 경우, 히트 매스 (17) 는 반도체 소자 (16) 에서 발생한 열의 일부를 일시적으로 흡수한다. 이 때문에, 냉각기 (11) 의 냉각 능력이 부족해도 반도체 소자 (16) 의 과열 상태가 억제된다.
(2) 발열 상태에 있어서의 반도체 소자 (16) 의 고온 부위에 대응하는 히트 매스 (17) 부위의 열저항이, 동반도체 소자 (16) 의 저온 부위에 대응하는 히트 매 스 (17) 부위의 열저항보다 낮아지도록, 히트 매스 (17) 는 형성되어 있다. 따라서, 히트 매스 (17) 전체를 반도체 소자 (16) 의 고온 부위에 대응시켜 형성하는 경우와 비교하여, 동등한 냉각 능력을 갖는 히트 매스를 보다 적은 재료로 제조할 수 있다.
(3) 발열 상태에 있어서의 반도체 소자 (16) 의 고온 부위에 대응하는 히트 매스 (17) 부위의 열용량이, 동반도체 소자 (16) 의 저온 부위에 대응하는 히트 매스 (17) 부위의 열용량보다 커지도록, 히트 매스 (17) 는 형성되어 있다. 따라서, 히트 매스 (17) 는, 반도체 소자 (16) 의 고온 부위로부터 열을 많이 흡수하고, 저온 부위로부터는 열을 적게 흡수한다.
(4) 히트 매스 (17) 의 본체부 (17a) 에 있어서, 열용량이 큰 부위의 두께는 열용량이 작은 부위의 두께보다 두껍다. 따라서, 히트 매스 (17) 전체를 동일한 재료로 형성한 경우, 반도체 소자 (16) 의 온도 분포의 편차를 억제할 수 있다.
(5) 히트 매스 (17) 는, 반도체 소자 (16) 에 땜납 (H) 에 의해 직접 접합되고, 히트 매스 (17) 와 반도체 소자 (16) 의 접합면은 복수의 영역으로 분할되어 있다. 이 때문에, 땜납 (H) 에 작용하는 응력이 복수의 영역으로 분산되어, 땜납 (H) 에 작용하는 응력이 완화된다.
(6) 반도체 소자 (16) 가 발열된 경우, 히트 매스 (17) 의 열팽창과 반도체 소자 (16) 의 열팽창의 차이에서 기인되어 땜납 (H) 에 작용하는 응력은, 히트 매스 (17) 의 주연부 부근에서 보다 커진다. 그러나, 복수의 다리부 (17b) 에 있어서, 히트 매스 (17) 의 주연부에 있는 다리부 (17b) 의 길이는, 히트 매스 (17) 의 중앙부에 있는 다리부 (17b) 의 길이보다 길기 때문에, 히트 매스 (17) 의 주연부에 있어서, 상기 팽창률의 차이에서 기인되는 응력이 흡수되기 쉬워져, 응력의 완화가 양호하게 이루어진다.
(7) 히트 매스 (17) 에 있어서, 다리부 (17b) 가 형성된 본체부 (17a) 의 면은 곡면이고, 그 곡면과 반대측의 면은 평면이다. 따라서, 히트 매스 (17) 의 주연부에 있는 다리부 (17b) 의 길이를 히트 매스 (17) 의 중앙부에 있는 다리부 (17b) 의 길이보다 길게 해도, 모든 다리부 (17b) 를 반도체 소자 (16) 에 접합시킬 수 있다.
도 7 및 도 8 은, 본 발명의 제 2 실시형태를 나타낸다. 제 2 실시형태의 히트 매스 (17) 는, 도 5의 (b) 의 히트 매스 (17) 로부터, 본체부 (17a) 의 네 모퉁이에 있는 다리부 (17b) 를 삭제한 것에 상당한다. 그 밖의 구성은 도 5의 (b) 의 히트 매스 (17) 와 기본적으로 동일하기 때문에, 동일한 부분의 설명을 생략한다.
도 7의 (a) 및 도 7의 (b) 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 히트 매스 (17) 에 있어서는, 다리부 (17b) 와 반대측의 본체부 (17a) 의 면이 돔 형상을 이루고, 복수의 다리부 (17b) 는 본체부 (17a) 의 네 모퉁이를 제외한 지점에 형성되어 있다.
다리부 (17b) 를 본체부 (17a) 의 네 모퉁이로부터 제외한 히트 매스 (17) 에 대하여, 반도체 소자 (16) 가 온도 65 ℃ 에서 정상 동작하는 상태로부터 최대 발열된 경우의 반도체 소자 (16) 의 온도 분포를 시뮬레이션으로 구하였다. 시 뮬레이션을 간단하게 하기 위해서, 본체부 (17a) 가 돔 형상이 아니라 직방체 형상인 히트 매스 (17) 를 적용하였다. 도 8 은, 그 시뮬레이션의 결과를 나타낸다. 도 8 에 있어서, 도 4의 (b) 에 있어서의 등온선과 동일한 부호의 등온선은, 도 4의 (b) 와 동일한 온도를 나타낸다.
도 8 과 도 4의 (b) 를 비교하면, 네 모퉁이에 다리부 (17b) 가 없는 히트 매스 (17) 를 사용한 경우가, 네 모퉁이에 다리부 (17b) 가 있는 도 5의 (a) 의 히트 매스 (17) 보다, 반도체 소자 (16) 의 네 모퉁이의 온도가 높아져 있지만, 최고 온도는 거의 동등하다. 반도체 소자 (16) 의 네 모퉁이의 온도는 중앙부의 온도보다 낮기 때문에, 반도체 소자 (16) 의 중앙부의 최고 온도가 그다지 상이하지 않다면, 도 5의 (a) 의 히트 매스 (17) 와, 도 5의 (a) 의 히트 매스 (17) 의 네 모퉁이로부터 다리부 (17b) 를 제외한 히트 매스 (17) 에서는, 동등한 방열 성능이 있다고 할 수 있다. 오히려, 네 모퉁이에 다리부 (17b) 가 없는 히트 매스 (17) 를 사용한 경우가, 반도체 소자 (16) 에 있어서의 네 모퉁이의 온도와 중앙부의 온도의 차가 작아지기 때문에, 온도의 불균일이 작아져, 핫 스팟의 발생 가능성이 낮다. 제 1 실시형태의 시뮬레이션에 나타내는 바와 같이, 도 1, 도 5의 (a) 및 도 5의 (b) 의 어느 히트 매스 (17) 도 서로 거의 동일한 방열 성능을 갖기 때문에, 도 1, 도 5의 (a) 및 도 5의 (b) 의 히트 매스 (17) 의 네 모퉁이로부터 다리부 (17b) 를 제외한 것도 서로 거의 동일한 방열 성능을 갖는 것으로 생각할 수 있다.
각 상기 실시형태는 이하와 같이 변경해도 된다.
히트 매스 (17) 에 있어서, 다리부 (17b) 가 형성된 본체부 (17a) 의 면의 형상을 적절히 변경해도 된다. 예를 들어 도 9의 (a) 에 나타내는 사각뿔대 형상, 도 9의 (b) 에 나타내는 사각뿔 형상, 도 9의 (c) 에 나타내는 단차식 사각뿔 형상이어도 된다. 이러한 경우, 다리부 (17b) 와 반대측의 본체부 (17a) 의 면이 평면으로 형성되어 있기 때문에, 모두 상기 실시형태의 히트 매스 (17) 와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
본체부 (17a) 에 있어서, 다리부 (17b) 가 형성된 면과 반대측의 면은 평면일 필요는 없다. 예를 들어 도 10의 (a) 에 나타내는 바와 같이, 본체부 (17a) 에 있어서, 다리부 (17b) 가 형성된 면 및 그 면과 반대측의 면이 모두 돔 형상이어도 된다. 또한 도 10의 (b) 에 나타내는 바와 같이, 본체부 (17a) 에 있어서, 다리부 (17b) 가 형성된 면 및 그 면과 반대측의 면이 모두 사각뿔 형상이어도 된다. 또한 도 10의 (c) 에 나타내는 바와 같이, 본체부 (17a) 는 두께 방향의 중앙부에 플랜지부 (17c) 를 구비한 형상이어도 된다.
히트 매스 (17) 의 주연부에 있는 다리부 (17b) 의 길이가 히트 매스 (17) 의 중앙부에 있는 다리부 (17b) 의 길이보다 긴 구성에 한정되지 않고, 다리부 (17b) 의 길이가 모두 동일해도 된다. 이 경우, 예를 들어 도 11의 (a) ∼ 도 11의 (e) 에 나타내는 바와 같이, 히트 매스 (17) 의 본체부 (17a) 는, 각각 돔 형상, 사각기둥과 사각뿔이 결합된 형상, 사각뿔 형상, 단차식 사각뿔 형상, 사각뿔대 형상 등이어도 된다. 이러한 경우에도, 히트 매스 (17) 를 반도체 소자 (16) 에 접합시킨 경우, 본체부 (17a) 와 반도체 소자 (16) 사이에 복수의 다리부 (17b) 가 존재하여, 히트 매스 (17) 와 반도체 소자 (16) 의 접합면이 복수의 영역으로 분할되기 때문에, 땜납 (H) 에 작용하는 응력이 복수의 영역으로 분산됨으로써 완화된다.
히트 매스 (17) 는 다리부 (17b) 를 구비하지 않아도 된다. 예를 들어 도 11의 (a) ∼ 도 11의 (e) 에 나타내는 본체부 (17a) 와 동일한 형상의 히트 매스 (17) 가 직접 반도체 소자 (16) 상에 땜납에 의해 접합되어 있어도 된다. 이 경우, 히트 매스 (17) 와 반도체 소자 (16) 의 접합면은 복수의 영역으로 분할되지 않기 때문에, 땜납 (H) 에 작용하는 응력은 복수의 영역으로 분산되지 않는다. 그러나, 히트 매스 (17) 는, 발열 상태에 있어서의 반도체 소자 (16) 의 고온 부위에 대응하는 부위에 있어서 열을 많이 흡수하고, 반도체 소자 (16) 의 저온 부위에 대응하는 부위에 있어서 열을 적게 흡수한다. 따라서, 히트 매스 (17) 전체를 반도체 소자 (16) 의 고온 부위에 대응시켜 형성하는 경우와 비교하여, 동등한 성능을 갖는 히트 매스 (17) 를 보다 적은 재료로 제조할 수 있다.
발열 상태에 있어서 중앙부의 온도가 높고 주연부의 온도가 낮은 반도체 소자 (16) 에 히트 매스 (17) 를 적용하는 경우에는, 도 7 의 히트 매스 (17) 에 한정되지 않고, 본체부 (17a) 가 직방체 형상이나 그 밖의 도시된 각종 형상을 이루는 히트 매스 (17) 에 있어서, 네 모퉁이의 다리부 (17b) 를 생략해도 된다.
상기 각 실시형태에서는, 히트 매스 (17) 의 평면 형상은 반도체 소자 (16) 의 평면 형상에 대응하여 직사각형이었지만, 히트 매스 (17) 의 평면 형상은 한정되지 않는다. 예를 들어 히트 매스 (17) 의 평면 형상은, 도 12의 (a) ∼ 도 12의 (f) 에 나타내는 바와 같이, 각각 타원 형상, 직사각형의 네 모퉁이를 외측으로 볼록한 원호로 한 형상, 직사각형의 네 모퉁이를 내측으로 볼록한 원호로 한 형상, 직사각형의 네 모퉁이를 삼각형으로 잘라낸 형상, 직사각형의 네 모퉁이를 사각형으로 잘라낸 형상, 혹은 마름모형 등으로 해도 된다.
히트 매스 (17) 의 형상은 상기 각 실시형태에 한정되지 않는다. 요점은, 반도체 소자 (16) 의 고온 부위에 대응하는 히트 매스 (17) 부위의 열용량이, 동반도체 소자 (16) 의 저온 부위에 대응하는 히트 매스 (17) 부위의 열용량보다 커지도록, 히트 매스 (17) 가 형성되어 있으면 된다. 예를 들어 도 13의 (a) 에 나타내는 바와 같이, 히트 매스 (17) 는, 판형상부 (18a) 와, 그 판형상부 (18a) 상에 반도체 소자 (16) 와 반대 방향을 향하여 연장되는 복수의 막대형상부 (18b) 를 갖는 본체부 (17a) 를 구비하고 있어도 된다. 판형상부 (18a) 의 중앙부에 있는 막대형상부 (18b) 의 길이는, 판형상부 (18a) 의 주연부에 있는 막대형상부 (18b) 의 길이보다 길다. 또한 도 13의 (b) 에 나타내는 바와 같이, 히트 매스 (17) 는, 길이가 상이한 복수의 막대형상부 (18b) 만으로 구성되어 있어도 된다. 긴 막대형상부 (18b) 의 열용량은 크고, 짧은 막대형상부 (18b) 의 열용량은 작다.
또한, 발열 상태에 있어서의 반도체 소자 (16) 의 온도가 동반도체 소자 (16) 의 양 단부에 있어서 가장 높고, 동반도체 소자 (16) 의 중앙부를 향하여 점차 낮아지는 경우에는, 예를 들어 도 14의 (a) 및 도 14의 (b) 에 나타내는 히트 매스 (17) 를 채용할 수 있다. 도 14의 (a) 의 히트 매스 (17) 는 복수의 막대 형상부 (18b) 만으로 구성되고, 반도체 소자 (16) 의 양 단부에 있는 막대형상부 (18b) 는 길고, 반도체 소자 (16) 의 중앙부를 향하여 막대형상부 (18b) 의 길이는 점차 짧아진다. 도 14의 (b) 의 히트 매스 (17) 는, 그 양 단부에 있어서 두껍고, 중앙부를 향하여 점차 얇아진다.
발열 상태에 있어서의 반도체 소자 (16) 의 온도가, 동반도체 소자 (16) 의 일방의 단부 (제 1 단부) 에 있어서 가장 높고, 동반도체 소자 (16) 의 타방의 단부 (제 2 단부) 를 향하여 점차 낮아지는 경우, 예를 들어 도 14의 (c) 및 도 14의 (d) 에 나타내는 히트 매스 (17) 를 채용할 수 있다. 도 14의 (c) 의 히트 매스 (17) 는 복수의 막대형상부 (18b) 만으로 구성되고, 제 1 단부에 있는 막대형상부 (18b) 가 가장 길고, 제 2 단부를 향하여 막대형상부 (18b) 의 길이가 점차 짧아진다. 도 14의 (d) 의 히트 매스 (17) 는, 제 1 단부와 대응하는 부위에 있어서 가장 두껍고, 제 2 단부에 대응하는 부위를 향하여 점차 얇아진다.
히트 매스 (17) 의 대열용량 부위의 두께 (길이) 가, 동히트 매스 (17) 의 소열용량 부위의 두께 (길이) 와 동일해지도록, 히트 매스 (17) 가 형성되어도 된다. 예를 들어 도 14의 (e) 에 나타내는 바와 같이, 히트 매스 (17) 를 복수의 막대형상부 (18b) 로 구성함과 함께, 히트 매스 (17) 의 대열용량 부위의 막대형상부 (18b) 는, 동히트 매스 (17) 의 소열용량 부위의 막대형상부 (18b) 에 비해 체적당 비열이 큰 재료로 형성된다. 예를 들어 막대형상부 (18b) 의 재료로서, 사용 가능한 금속의 20 ℃ 에 있어서의 질량당 비열 [J/(㎏·℃)], 열전도율 [W/(m·K)] 및 밀도 [g/㎤], 또한 질량당 비열과 밀도로부터 구해지는 체적당 비열 [J/(㎤·℃)] 을 예시하면, 다음의 표와 같이 된다.
Figure 112009063385985-pct00001
따라서, 히트 매스 (17) 의 대열용량 부위 (예를 들어 반도체 소자 (16) 의 중앙부에 대응하는 부위) 의 막대형상부 (18b) 를 철 (탄소강) 이나 구리로 형성하고, 히트 매스 (17) 의 소열용량 부위 (예를 들어 반도체 소자 (16) 의 주연부에 대응하는 부위) 의 막대형상부 (18b) 를 알루미늄으로 형성한다. 이와 같이 하면, 각 막대형상부 (18b) 의 길이가 모두 동일해도, 발열 상태에 있어서의 반도체 소자 (16) 의 온도 분포에 대응하여 상이한 열용량의 막대형상부 (18b) 를 구비한 히트 매스 (17) 를 형성할 수 있다. 특히 반도체 소자 (16) 의 고온 부위에 대응하는 막대형상부 (18b) 를 구리로 형성한 경우, 반도체 소자 (16) 의 고온 부위에서 발생하는 열을 효율적으로 제거할 수 있다.
히트 매스 (17) 를, 도 14의 (a), 도 14의 (c) 및 도 14의 (e) 에 나타내는 바와 같이 막대형상부 (18b) 만으로 구성한 경우, 히트 매스 (17) 의 팽창 및 수축에서 기인되어 땜납 (H) 에 작용하는 응력이, 히트 매스 (17) 가 일 부재로서 일체로 형성되어 있는 경우와 비교하여 작아진다.
히트 매스 (17) 의 열용량은 적어도 2 단계로 변화되면 되고, 3 단계 이상의 단계적 혹은 연속적으로 변화되지 않아도 된다.
다리부 (17b) 는, 본체부 (17a) 의 일면 전체에 대하여 균일하게 분포되도록 형성될 필요는 없다. 발열 상태에 있어서의 반도체 소자 (16) 의 고온 부위에 대응하는 히트 매스 (17) 부위에는, 다리부 (17b) 를 고밀도로 배치하도록 해도 된다. 예를 들어 발열 상태에 있어서의 반도체 소자 (16) 의 온도가 동반도체 소자 (16) 의 중앙부에 있어서 높은 경우에는, 도 15의 (a) 에 나타내는 바와 같이, 동반도체 소자 (16) 의 중앙부에 대응하는 히트 매스 (17) 부위에 다리부 (17b) 를 고밀도로 배치한다.
히트 매스 (17) 는 복수의 반도체 소자 (16) 에 걸치도록 구성되어도 된다. 예를 들어 도 15의 (b) 에 나타내는 바와 같이, 배선 금속층 (15) 상에 2 개의 반도체 소자 (16) 가 땜납 접합된 경우, 2 개의 반도체 소자 (16) 에 걸치도록 1 개의 히트 매스 (17) 를 형성해도 된다. 히트 매스 (17) 는 다리부 (17b) 를 구비하고 있어도 되고, 구비하고 있지 않아도 된다.
다리부 (17b) 가 없는 히트 매스 (17) 를 반도체 소자 (16) 에 땜납 접합하는 경우, 반도체 소자 (16) 와 대향하는 히트 매스 (17) 의 면 전체에 땜납이 존재하는 상태로, 히트 매스 (17) 와 반도체 소자 (16) 가 접합되는 양태에 한정되지 않는다. 반도체 소자 (16) 와 대향하는 히트 매스 (17) 의 면에 땜납이 복수 점 존재하는 양태로 히트 매스 (17) 와 반도체 소자 (16) 가 접합되어 있어도 된다.
히트 매스 (17) 는 반도체 소자 (16) 의 전극으로서 기능해도 된다.
배선 금속층 (15) 및 히트 매스 (17) 의 재료는, 알루미늄 및 알루미늄 합금에 한정되지 않고, 예를 들어 구리, 구리 합금, 은이어도 된다. 그러나, 경량화 면에서는 알루미늄 및 알루미늄 합금이 바람직하다.
세라믹 기판 (13) 의 재료는 질화 알루미늄에 한정되지 않고, 예를 들어 질화 규소, 산화 알루미늄을 사용해도 된다.
냉각기 (11) 는 강제 냉각식 냉각기이면 되고, 냉매 유로 (12) 를 흐르는 냉각 매체는 물에 한정되지 않는다. 예를 들어 물 이외의 액체나 공기 등의 기체여도 된다. 또한, 냉각기 (11) 는 비등 냉각식 냉각기여도 된다.
세라믹 기판 (13) 과 냉각기 (11) 사이에 존재하는 금속층 (14) 을 생략해도 된다. 요컨대, 냉각기 (11) 가 직접 세라믹 기판 (13) 에 접합되어도 된다.
반도체 장치 (10) 는, 차재용에 한정되지 않고 다른 용도로 사용하는 것에 적용해도 된다.

Claims (8)

  1. 반도체 소자와,
    상기 반도체 소자에서 발생한 열이 전도되는 강제 냉각식 냉각기와,
    상기 반도체 소자에 열적으로 결합되도록, 상기 반도체 소자 상에 접합되는 히트 매스를 구비하고,
    상기 히트 매스는, 발열 상태에 있어서의 상기 반도체 소자의 고온 부위에 대응하는 히트 매스 부위의 열저항이, 동 (同) 반도체 소자의 저온 부위에 대응하는 히트 매스 부위의 열저항보다 낮아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 매스는, 상기 반도체 소자의 상기 고온 부위에 대응하는 부위의 열용량이, 동반도체 소자의 상기 저온 부위에 대응하는 부위의 열용량보다 커지도록 형성되는, 반도체 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 히트 매스는, 열용량이 큰 부위에 있어서, 열용량이 작은 부위보다 큰 두께를 갖는, 반도체 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 매스는 복수의 돌출부를 구비하고, 상기 복수의 돌출부 각각은 상기 반도체 소자와 땜납으로 접합되는 선단 (先端) 을 갖는, 반도체 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 히트 매스는 본체부와 상기 본체부로부터 연장되는 복수의 돌출부를 구비하고, 돌출부 각각은 상기 반도체 소자와 땜납으로 접합되는 선단을 갖고, 상기 본체부는, 열용량이 큰 부위에 있어서, 열용량이 작은 부위보다 큰 두께를 갖는, 반도체 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수의 돌출부 중 상기 히트 매스의 단부에 대응하는 돌출부의 길이는 다른 돌출부의 길이보다 긴, 반도체 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 평면 직사각형 형상을 이루고, 발열시에 있어서 상기 반도체 소자의 온도는 상기 반도체 소자의 중앙부에 있어서 높고,
    상기 히트 매스는 평면 직사각형 형상으로 형성됨과 함께 네 모퉁이 이외의 부분에서 상기 반도체 소자와 접합되어 있는, 반도체 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히트 매스는 복수의 상기 반도체 소자 상에 접합되는, 반도체 장치.
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