特許 6423731 半導体モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6423731

(24)【登録日】2018年10月26日

(45)【発行日】2018年11月14日

(54)【発明の名称】半導体モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20181105BHJP

   H01L 23/373 20060101ALI20181105BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/36 D

   H01L23/36 M

【請求項の数】6

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2015-25146(P2015-25146)

(22)【出願日】2015年2月12日

(65)【公開番号】特開2016-149431(P2016-149431A)

(43)【公開日】2016年8月18日

【審査請求日】2017年7月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】特許業務法人快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】西部 祐司

(72)【発明者】

【氏名】長田 裕司

(72)【発明者】

【氏名】臼井 正則

(72)【発明者】

【氏名】桑原 誠

(72)【発明者】

【氏名】三浦 進一

(72)【発明者】

【氏名】吉田 忠史

【審査官】 井上 和俊

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１４８０９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／０９３８０８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−２５８７５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

Ｈ０１Ｌ ２３／３７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発熱体と、
冷却器と、
前記発熱体と前記冷却器の間に設けられている伝熱部材と、を備え、
前記伝熱部材は、
熱伝導等方性の中間層と、
前記中間層の前記発熱体側の面に接しており、熱伝導異方性の複数の第１シートが積層して構成されており、前記複数の第１シートの積層方向が前記発熱体と前記冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている第１シート層と、
前記中間層の前記冷却器側の面に接しており、熱伝導異方性の複数の第２シートが積層して構成されており、前記複数の第２シートの積層方向が前記発熱体と前記冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている第２シート層と、を有し、
前記複数の第１シートの積層方向と前記複数の第２シートの積層方向が、平行となるように配置されており、
前記第１シートと前記第２シートが、グラファイトである、半導体モジュール。

【請求項2】

前記中間層の材料が、セラミックである、請求項１に記載の半導体モジュール。

【請求項3】

前記伝熱部材は、
前記第１シート層を介して前記中間層に対向するように設けられており、熱伝導異方性の複数の第３シートが積層して構成されており、前記複数の第３シートの積層方向が前記発熱体と前記冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている第３シート層と、
前記第２シート層を介して前記中間層に対向するように設けられており、熱伝導異方性の複数の第４シートが積層して構成されており、前記複数の第４シートの積層方向が前記発熱体と前記冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている第４シート層と、をさらに有し、
前記複数の第３シートの積層方向と前記複数の第４シートの積層方向が、平行となるように配置されており、
前記複数の第１シートの積層方向と前記複数の第３シートの積層方向が、交差するように配置されており、
前記複数の第２シートの積層方向と前記複数の第４シートの積層方向が、交差するように配置されている、請求項１又は２に記載の半導体モジュール。

【請求項4】

前記第３シートと前記第４シートが、グラファイトである、請求項３に記載の半導体モジュール。

【請求項5】

前記伝熱部材は、
前記第１シート層と前記第３シート層の間に設けられており、双方に接しており、熱伝導等方性の第１接合層と、
前記第２シート層と前記第４シート層の間に設けられており、双方に接しており、熱伝導等方性の第２接合層と、をさらに有する、請求項３又は４に記載の半導体モジュール。

【請求項6】

前記第１接合層及び前記第２接合層の材料が、金属である、請求項５に記載の半導体モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書で開示する技術は、半導体モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、半導体チップの熱を冷却器まで伝熱する伝熱部材を備える半導体モジュールを開示する。伝熱部材は、中間層を介して接合されている１組のシート部材を有する。シート部材の各々は、熱伝導異方性の複数のシートが積層して構成されている。シート部材を構成するシートは、そのシート面の面内方向に高い熱伝導率を有する。シート部材では、複数のシートの積層方向が半導体チップと冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置される。これにより、シート部材を構成するシートのシート面が半導体チップと冷却器を結ぶ方向に対して平行となるので、伝熱部材は、半導体チップの熱を効率的に冷却器まで伝熱することができる。

【0003】

特許文献１の伝熱部材では、中間層を介して接合されている１組のシート部材において、一方のシート部材を構成する複数のシートの積層方向と他方のシート部材を構成する複数のシートの積層方向が直交するように配置される。これにより、伝熱部材を全体で観測したときに、伝熱部材を伝熱する熱は、半導体チップと冷却器を結ぶ方向に対して直交する面内にも広がることができるので、半導体チップの熱が効率的に冷却器まで伝熱される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−２５８７５５号公報（特に、図４）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

熱伝導異方性のシートは、線膨張率にも異方性を有する。例えば、シートがグラファイトの場合、シート面の面内方向の線膨張係数が、厚み方向（シート面に直交する方向）の線膨張係数よりも小さい。このため、特許文献１の伝熱部材では、中間層を介して接合されている１組のシート部材において、一方のシート部材の線熱膨張係数が大きい方向と他方のシート部材の線熱膨張係数が大きい方向が非平行となる。換言すると、一方のシート部材の線熱膨張係数が大きい方向と他方のシート部材の線熱膨張係数が小さい方向が平行となる。このため、特許文献１の伝熱部材では、一方の伝熱部材が他方の伝熱部材を機械的に拘束し、高い熱応力が加わる。これにより、伝熱部材が湾曲するように熱変形する。このような湾曲が発生すると、伝熱部材が他部材と接する接合面に空間が形成され、伝熱効率が大幅に低下する。本明細書で開示する技術は、伝熱部材が湾曲するように熱変形することを抑える技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本明細書で開示する半導体モジュールの一実施形態は、発熱体、冷却器、及び、発熱体と冷却器の間に設けられている伝熱部材を備える。伝熱部材は、中間層、第１シート層及び第２シート層を備える。中間層は、熱伝導等方性である。第１シート層は、中間層の発熱体側の面に接しており、熱伝導異方性の複数の第１シートが積層して構成されている。第１シート層では、複数の第１シートの積層方向が、発熱体と冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている。第２シート層は、中間層の冷却器側の面に接しており、熱伝導異方性の複数の第２シートが積層して構成されている。第２シート層では、複数の第２シートの積層方向が、発熱体と冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている。複数の第１シートの積層方向と複数の第２シートの積層方向が、平行となるように配置されている。

【0007】

本明細書で開示する半導体モジュールの伝熱部材では、中間層を介して隣り合う第１シート層及び第２シート層において、第１シート層を構成する複数の第１シートの積層方向と第２シート層を構成する複数の第２シートの積層方向が、平行となるように配置されている。このため、第１シート層の線膨張係数の大きい方向と第２シート層の線膨張係数の大きい方向が平行となる。これにより、第１シート層と第２シート層が相互に機械的に拘束することが抑えられ、熱応力が緩和され、伝熱部材が湾曲するように熱変形することが抑えられる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施例の半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す。

【図2】実施例の伝熱部材の斜視図を模式的に示す。

【図3】実施例の伝熱部材の分解斜視図を模式的に示す。

【図4】変形例の半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。

【0010】

本明細書で開示する半導体モジュールの一実施形態は、発熱体、冷却器、及び、発熱体と冷却器の間に設けられている伝熱部材を備えていてもよい。発熱体の種類は、熱を発熱する限りにおいて、特に限定されるものではない。例えば、発熱体は、電子素子であってもよい。典型的には、発熱体は、パワー半導体素子であり、その一例としてＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオードが例示される。冷却器の種類は、冷媒との間で熱交換可能に構成されている限りにおいて、特に限定されるものではない。伝熱部材は、中間層、第１シート層及び第２シート層を有していてもよい。中間層の材料は、熱伝導等方性の特性を有する限りにおいて、特に限定されるものではない。例えば、中間層の材料は、セラミック又は金属であってもよい。セラミックとしては、窒化シリコン、窒化アルミニウム及び酸化アルミニウムが例示される。金属としては、銅及びアルミニウムが例示される。なお、中間層の材料は、セラミックであるのが望ましい。この場合、伝熱部材が絶縁基板として機能することができる。第１シート層は、中間層の発熱体側の面に接しており、熱伝導異方性の複数の第１シートが積層して構成されている。第１シートは、シート面の面内方向の熱伝導率が厚み方向（シート面に直交する方向）の熱伝導率よりも高い材料である。例えば、第１シートの材料としては、グラファイト、グラフェン、炭素繊維に金属を含浸させた複合材及び金属含浸グラファイト複合材が例示される。第１シート層では、複数の第１シートの積層方向が、発熱体と冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている。第２シート層は、中間層の冷却器側の面に接しており、熱伝導異方性の複数の第２シートが積層して構成されている。第２シートも、シート面の面内方向の熱伝導率が厚み方向（シート面に直交する方向）の熱伝導率よりも高い材料である。例えば、第２シートの材料としては、グラファイト、グラフェン、炭素繊維に金属を含浸させた複合材及び金属含浸グラファイト複合材が例示される。第１シートと第２シートは、同一の材料であるのが望ましい。第２シート層では、複数の第２シートの積層方向が、発熱体と冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている。複数の第１シートの積層方向と複数の第２シートの積層方向が、平行となるように配置されている。

【0011】

本明細書で開示する伝熱部材は、第３シート層及び第４シート層をさらに有していてもよい。第３シート層は、第１シート層を介して中間層に対向するように設けられており、熱伝導異方性の複数の第３シートが積層して構成されている。第３シートは、シート面の面内方向の熱伝導率が厚み方向（シート面に直交する方向）の熱伝導率よりも高い材料である。例えば、第３シートの材料としては、グラファイト、グラフェン、炭素繊維に金属を含浸させた複合材及び金属含浸グラファイト複合材が例示される。第３シート層では、複数の第３シートの積層方向が、発熱体と冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている。第４シート層は、第２シート層を介して中間層に対向するように設けられており、熱伝導異方性の複数の第４シートが積層して構成されている。第４シートも、シート面の面内方向の熱伝導率が厚み方向（シート面に直交する方向）の熱伝導率よりも高い材料である。例えば、第４シートの材料としては、グラファイト、グラフェン、炭素繊維に金属を含浸させた複合材及び金属含浸グラファイト複合材が例示される。第３シートと第４シートは、同一の材料であるのが望ましい。第４シート層では、複数の第４シートの積層方向が、発熱体と冷却器を結ぶ方向に対して直交するように配置されている。複数の第３シートの積層方向と複数の第４シートの積層方向が、平行となるように配置されている。複数の第１シートの積層方向と複数の第３シートの積層方向が、交差するように配置されている。なお、複数の第１シートの積層方向と複数の第３シートの積層方向が、直交するように配置されているのが望ましい。複数の第２シートの積層方向と複数の第４シートの積層方向が、交差するように配置されている。なお、複数の第２シートの積層方向と複数の第４シートの積層方向が、直交するように配置されているのが望ましい。この形態の半導体モジュールによると、伝熱部材を全体で観測したときに、伝熱部材を伝熱する熱は、発熱体と冷却器を結ぶ方向に対して直交する面内にも広がることができるので、発熱体の熱が効率的に冷却器まで伝熱される。

【0012】

本明細書で開示する伝熱部材は、第１接合層及び第２接合層をさらに有していてもよい。第１接合層は、第１シート層と第３シート層の間に設けられており、双方に接する。第２接合層は、第２シート層と第４シート層の間に設けられており、双方に接する。第１接合層及び第２接合層の材料は、熱伝導等方性の特性を有する限りにおいて、特に限定されるものではない。例えば、第１接合層及び第２接合層は、セラミック又は金属であってもよい。セラミックとしては、窒化シリコン、窒化アルミニウム及び酸化アルミニウムが例示される。金属としては、銅及びアルミニウムが例示される。第１接合層と第２接合層は、同一の材料であるのが望ましい。

【実施例1】

【0013】

図１に示されるように、半導体モジュール１０は、両面冷却型の半導体モジュールであり、一対の半導体チップ２０，３０、一対の金属ブロック２４，３４、複数の伝熱部材２２，２６，３２，３６、複数の電極板２８，４２，４４、一対の絶縁層５２，５４及び一対の冷却器６２，６４を備える。一対の冷却器６２，６４が、一対の半導体チップ２０，３０、一対の金属ブロック２４，３４、複数の伝熱部材２２，２６，３２，３６及び一対の絶縁層５２，５４を加圧して密着するように構成されている。半導体モジュール１０は、３相インバータの下側アームを構成する３つの半導体素子の１つとして用いられる。

【0014】

半導体チップ２０は、ＩＧＢＴである。半導体チップ２０の下面のコレクタ電極は、はんだを介して伝熱部材２２の上面に接合されている。伝熱部材２２の下面は、絶縁層５２を介して冷却器６２に密着する。絶縁層５２の上下面には、グリースが塗布されている。伝熱部材２２は、半導体チップ２０と冷却器６２の間に設けられており、半導体チップ２０の熱を冷却器６２に伝熱する。半導体チップ２０の上面のエミッタ電極は、はんだにより金属ブロック２４の下面に接合されている。金属ブロック２４の材料には、銅が用いられている。金属ブロック２４の上面は、はんだを介して伝熱部材２６の下面に接合されている。伝熱部材２６の上面は、絶縁層５４を介して冷却器６４に密着する。絶縁層５４の上下面には、グリースが塗布されている。伝熱部材２６は、半導体チップ２０と冷却器６４の間に設けられており、半導体チップ２０の熱を冷却器６４に伝熱する。また、半導体チップ２０の上面のゲート電極は、ワイヤーを介して制御電極板２８に電気的に接続されている。

【0015】

半導体チップ３０は、ダイオードである。半導体チップ３０の下面のカソード電極は、はんだを介して伝熱部材３２の上面に接合されている。伝熱部材３２の下面は、絶縁層５２を介して冷却器６２に密着する。伝熱部材３２は、半導体チップ３０と冷却器６２の間に設けられており、半導体チップ３０の熱を冷却器６２に伝熱する。半導体チップ３０の上面のアノード電極は、はんだを介して金属ブロック３４の下面に接合されている。金属ブロック３４の材料には、銅が用いられている。金属ブロック３４の上面は、はんだを介して伝熱部材３６の下面に接合されている。伝熱部材３６の上面は、絶縁層５４を介して冷却器６４に密着する。伝熱部材３６は、半導体チップ３０と冷却器６４の間に設けられており、半導体チップ３０の熱を冷却器６４に伝熱する。

【0016】

伝熱部材２２と伝熱部材３２は、実際には、１つの伝熱部材として一体で構成されている。伝熱部材２２と伝熱部材３２の上面には、後述するように、金属層が露出しており、その金属層が出力電極板４２に電気的に接続されている。即ち、半導体チップ２０の下面のコレクタ電極と半導体チップ３０の下面のカソード電極は、伝熱部材２２，３２を介して出力電極板４２に電気的に接続されている。

【0017】

伝熱部材２６と伝熱部材３６も、実際には、１つの伝熱部材として一体で構成されている。伝熱部材２６と伝熱部材３６の下面には、金属層が露出しており、その金属層が入力電極板４４に電気的に接続されている。即ち、半導体チップ２０の上面のエミッタ電極と半導体チップ３０の上面のアノード電極は、金属ブロック２４、３４及び伝熱部材２６，３６を介して入力電極板４４に電気的に接続されている。

【0018】

一対の半導体チップ２０，３０、一対の金属ブロック２４，３４及び複数の伝熱部材２２，２６，３２，３６は、絶縁樹脂５６に覆われている。電極板２８，４２，４４の一部は、絶縁樹脂５６から露出する。

【0019】

伝熱部材２２，２６，３２，３６は、同一の構成を有する。以下では、図２及び図３を参照して、伝熱部材２２について詳細に説明し、他の伝熱部材２６，３２，３６についての説明を省略する。

【0020】

図２及び図３に示されるように、伝熱部材２２は、中間層７０、複数のグラファイト層７１，７２，７３，７４及び複数の金属層８１，８２，８３，８４を有する。複数のグラファイト層７１，７２，７３，７４は、第１グラファイト層７１、第２グラファイト層７２、第３グラファイト層７３及び第４グラファイト層７４を含む。グラファイト層７１，７２，７３，７４は、特許請求の範囲に記載のシート層の一例である。複数の金属層８１，８２，８３，８４は、第１金属層８１、第２金属層８２、第３金属層８３及び第４金属層８４を含む。第１金属層８１及び第２金属層８２は、特許請求の範囲に記載の接合層の一例である。

【0021】

中間層７０は、伝熱部材２２の積層方向（ｚ軸方向）の中心に配置されている。中間層７０の材料には、熱伝導等方性の金属が用いられており、この例では銅が用いられている。

【0022】

第１グラファイト層７１は、中間層７０の半導体チップ２０側の面に接合する。第１グラファイト層７１は、複数の配向性グラファイトシートがｘ軸方向に積層した積層体として構成されている。第１グラファイト層７１を構成する配向性グラファイトシートは、ｙｚ面に平行なシート面の面内方向の熱伝導率が厚み方向（シート面に直交する方向であり、ｘ軸方向）の熱伝導率よりも高く、熱伝導異方性を有する。第１グラファイト層７１を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向（ｘ軸方向）は、半導体チップ２０と冷却器６２を結ぶ方向（ｚ軸方向）に対して直交するように配置されている。換言すると、第１グラファイト層７１を構成する配向性グラファイトシートのシート面（ｙｚ面）が、半導体チップ２０と冷却器６２を結ぶ方向（ｚ軸方向）に対して平行となるように配置されている。

【0023】

第２グラファイト層７２は、中間層７０の冷却器６２側の面に接合する。第２グラファイト層７２は、複数の配向性グラファイトシートがｘ軸方向に積層した積層体として構成されている。第２グラファイト層７２を構成する配向性グラファイトシートは、ｙｚ面に平行なシート面の面内方向の熱伝導率が厚み方向（シート面に直交する方向であり、ｘ軸方向）の熱伝導率よりも高く、熱伝導異方性を有する。第２グラファイト層７２を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向（ｘ軸方向）は、半導体チップ２０と冷却器６２を結ぶ方向（ｚ軸方向）に対して直交するように配置されている。換言すると、第２グラファイト層７２を構成する配向性グラファイトシートのシート面（ｙｚ面）が、半導体チップ２０と冷却器６２を結ぶ方向（ｚ軸方向）に対して平行となるように配置されている。

【0024】

第３グラファイト層７３は、第１金属層８１及び第１グラファイト層７１を介して中間層７０に対向するように配置されている。第３グラファイト層７３は、複数の配向性グラファイトシートがｙ軸方向に積層した積層体として構成されている。第３グラファイト層７３を構成する配向性グラファイトシートは、ｘｚ面に平行なシート面の面内方向の熱伝導率が厚み方向（シート面に直交する方向であり、ｙ軸方向）の熱伝導率よりも高く、熱伝導異方性を有する。第３グラファイト層７３を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向（ｙ軸方向）は、半導体チップ２０と冷却器６２を結ぶ方向（ｚ軸方向）に対して直交するように配置されている。換言すると、第３グラファイト層７３を構成する配向性グラファイトシートのシート面（ｘｚ面）が、半導体チップ２０と冷却器６２を結ぶ方向（ｚ軸方向）に対して平行となるように配置されている。さらに、第３グラファイト層７３を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向（ｙ軸方向）が、第１グラファイト層７１を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向（ｘ軸方向）に対して直交するように配置されている。

【0025】

第４グラファイト層７４は、第２金属層８２及び第２グラファイト層７２を介して中間層７０に対向するように配置されている。第４グラファイト層７４は、複数の配向性グラファイトシートがｙ軸方向に積層した積層体として構成されている。第４グラファイト層７４を構成する配向性グラファイトシートは、ｘｚ面に平行なシート面の面内方向の熱伝導率が厚み方向（シート面に直交する方向であり、ｙ軸方向）の熱伝導率よりも高く、熱伝導異方性を有する。第４グラファイト層７４を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向（ｙ軸方向）は、半導体チップ２０と冷却器６２を結ぶ方向（ｚ軸方向）に対して直交するように配置されている。換言すると、第４グラファイト層７４を構成する配向性グラファイトシートのシート面（ｘｚ面）が、半導体チップ２０と冷却器６２を結ぶ方向（ｚ軸方向）に対して平行となるように配置されている。さらに、第４グラファイト層７４を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向（ｙ軸方向）が、第２グラファイト層７２を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向（ｘ軸方向）に対して直交するように配置されている。

【0026】

複数の金属層８１，８２，８３，８４の材料には、熱伝導等方性の金属が用いられており、この例では銅が用いられている。第１金属層８１は、第１グラファイト層７１と第３グラファイト層７３の間に配置されており、第１グラファイト層７１と第３グラファイト層７３を接合する。第２金属層８２は、第２グラファイト層７２と第４グラファイト層７４の間に配置されており、第２グラファイト層７２と第４グラファイト層７４を接合する。第３金属層８３は、第３グラファイト層７３に接合するとともに、はんだを介して半導体チップ２０に接合する。第４金属層８４は、第４グラファイト層７４に接合するとともに、絶縁層５２を介して冷却器６２に密着する。これら金属層８１，８２，８３，８４は、接合層として用いられる。特に、第１金属層８１及び第２金属層８２は、グラファイト層間を強固に接合するとともに、グラファイト層間の伝熱効率を向上させる。

【0027】

伝熱部材２２は、中間層７０に対して上下対称な形態を有する。即ち、第１グラファイト層７１と第２グラファイト層７２が中間層７０に対して対称な形態を有するように構成されており、第１金属層８１と第２金属層８２が中間層７０に対して対称な形態を有するように構成されており、第３グラファイト層７３と第４グラファイト層７４が中間層７０に対して対称な形態を有するように構成されており、第３金属層８３と第４金属層８４が中間層７０に対して対称な形態を有するように構成されている。このため、第１グラファイト層７１を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向（ｘ軸方向）と第２グラファイト層７２を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向（ｘ軸方向）が平行であり、第３グラファイト層７３を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向（ｙ軸方向）と第４グラファイト層７４を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向（ｙ軸方向）が平行である。

【0028】

配向性グラファイトシートは、シート面の面内方向の線膨張係数が約１ｐｐｍ／Ｋであり、厚み方向（シート面に直交する方向）の線膨張係数が約２５ｐｐｍ／Ｋである。このため、第１グラファイト層７１及び第２グラファイト層７２は、ｘ軸方向に大きな線膨張係数を有する。しかしながら、第１グラファイト層７１と第２グラファイト層７２は、中間層７０に対して対称な形態を有するように構成されているので、これらのｘ軸方向の線膨張係数は同一である。このため、第１グラファイト層７１と第２グラファイト層７２が相互に機械的に拘束することが抑えられるので、熱応力が緩和される。また、第３グラファイト層７３及び第４グラファイト層７４は、ｙ軸方向に大きな線膨張係数を有する。しかしながら、第３グラファイト層７３及び第４グラファイト層７４は、中間層７０に対して対称な形態を有するように構成されているので、これらのｙ軸方向の線膨張係数は同一である。このため、第３グラファイト層７３及び第４グラファイト層７４が相互に機械的に拘束することが抑えられるので、熱応力が緩和される。この結果、伝熱部材２２は、湾曲するように熱変形することが抑えられる。

【0029】

上記したように、伝熱部材２２では、複数のグラファイト層７１，７２，７３，７４のシート面が、半導体チップ２０と冷却器６２を結ぶ方向に対して平行となるように配置されている。さらに、中間層７０及び複数の金属層８１，８２，８３，８４は熱伝導等方性である。このため、伝熱部材２２は、半導体チップ２０の熱を効率的に冷却器６２に伝熱することができる。

【0030】

さらに、伝熱部材２２では、第１グラファイト層７１を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向（ｘ軸方向）と第３グラファイト層７３を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向（ｙ軸方向）が直交するように配置されており、第２グラファイト層７２を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向（ｘ軸方向）と第４グラファイト層７４を構成する複数の配向性グラファイトシートの積層方向（ｙ軸方向）が直交するように配置されている。これにより、伝熱部材２２を全体で観測したときに、伝熱部材２２を伝熱する熱は、ｘｙ面内にも広がることができるので、半導体チップ２０の熱が効率的に冷却器６２まで伝熱される。

【0031】

また、伝熱部材２２では、中間層７０が絶縁体のセラミックで形成されていてもよい。中間層７０の材料が絶縁体であると、伝熱部材２２が絶縁基板としても機能することができる。このような伝熱部材２２（他の伝熱部材２６，３２，３６も同様）が用いられると、図４に示されるように、伝熱部材２２，２６，３２，３６と冷却器６２，６４の間の絶縁層５２，５４（図１参照）が不要となる。上記したように、このような絶縁層５２，５４が不要となるので、絶縁層５２，５４の上下面に塗布されているグリースも不要となる。このため、中間層７０が絶縁体のセラミックで形成されている伝熱部材２２，２６，３２，３６を用いると、グリースレスの半導体モジュール１０を構築することができる。この結果、半導体モジュール１０は、極めて高い冷却能を有することができる。

【0032】

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0033】

１０：半導体モジュール
２０，３０：半導体チップ
２２，２６，３２，３６：伝熱部材
２４，３４：金属ブロック
２８，４２，４４：電極板
５６：絶縁樹脂
６２，６４：冷却器
７０：中間層
７１：第１グラファイト層
７２：第２グラファイト層
７３：第３グラファイト層
７４：第４グラファイト層
８１，８２，８３，８４：金属層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】