特開 2024-176374 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024176374

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/373 20060101AFI20241212BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023094864

(22)【出願日】2023-06-08

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】浦本 幸治

(72)【発明者】

【氏名】神谷 真行

(72)【発明者】

【氏名】青島 正貴

【テーマコード（参考）】

5F136

【Ｆターム（参考）】

5F136BC02

5F136BC06

5F136CB06

5F136DA27

5F136EA13

5F136EA23

5F136FA23

5F136FA25

(57)【要約】

【課題】半導体素子をグラファイトに搭載して放熱を行う半導体装置において、熱抵抗を低下させる。
【解決手段】チップ状の半導体素子１０と、半導体装置が配置される一面３１を有し、該一面に沿う一方向をｃ軸方向とする異方性グラファイト３０と、を備え、第１接合層２０を介して異方性グラファイト３０の一面３１上に半導体素子１０を接合する。また、異方性グラファイト３０を挟んで半導体素子１０と反対側にセラミック基板７０を配置する。そして、異方性グラファイト３０とセラミック基板７０との間に、金属製の板状部材で構成された金属板５０を配置する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体装置であって、
チップ状の半導体素子（１０）と、
前記半導体素子が配置される一面（３１）を有し、該一面に沿う一方向をｃ軸方向とする異方性グラファイト（３０）と、
前記異方性グラファイトの前記一面上に前記半導体素子を接合する第１接合層（２０）と、
前記異方性グラファイトを挟んで前記半導体素子と反対側に配置され、前記異方性グラファイトを絶縁する板状の絶縁性部材（７０）と、
前記異方性グラファイトと前記絶縁性部材との間に配置された金属製の板状部材で構成された金属板（５０）と、
前記異方性グラファイトと前記金属板とを接合する第２接合層（４０）と、
前記金属板と前記絶縁性部材とを接合する第３接合層（６０）と、を有している半導体装置。

【請求項2】

前記金属板の厚みは、０．２ｍｍ以上かつ３．０ｍｍ以下とされている、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記金属板の厚みは、１．０ｍｍ以上かつ２．０ｍｍ以下とされている、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記金属板の厚みは、１．５±０．１ｍｍとされている、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記金属板は、前記絶縁性部材よりも熱伝導率が高い金属材料で構成されている、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記金属板を第１金属板（５０）として、
前記異方性グラファイトの前記一面の上に配置された第２金属板（９０）と、
前記第２金属板を前記異方性グラファイトと接合させる第４接合層（１００）と、を有し、
前記半導体素子は、前記第２金属板の上に前記第１接合層を介して接合されている、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記異方性グラファイトのうち前記一面の法線方向に沿う側面（３２）のうち少なくとも該異方性グラファイトにおけるｃ軸に沿う面を覆う被覆金属板（１１０）と、
前記被覆金属板を前記異方性グラファイトと接合させる側面接合層（１２０）と、を有している、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、半導体素子を異方性グラファイトに搭載して放熱を行う半導体装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に、半導体素子を異方性グラファイト複合体に搭載した半導体パッケージが提案されている。異方性グラファイト複合体は、四角形板状の異方性グラファイトと接合用の金属層と絶縁性の無機材質層を複合化することで構成されている。板状の異方性グラファイトの上に半導体素子が接合され、異方性グラファイトに対して半導体素子と反対側に無機材質層を配置することで絶縁性を確保しつつ、無機材質層に冷却器を接合することで半導体パッケージを構成している。異方性グラファイトと無機材質層との間は、めっきもしくは金属系ろう材で構成される８μｍ～５０μｍ程度の薄い金属層で接合されている。

【0003】

このような構造において、異方性グラファイトの表面における一辺およびそれに直交する他の辺それぞれに沿う方向をＸ軸とＹ軸とし、Ｘ軸およびＹ軸に直交する異方性グラファイトの厚み方向をＺ軸としている。そして、異方性グラファイトの結晶配向をＺ軸方向としている。また、四角形チップ状の半導体素子の一辺をＸ軸方向に向け、それに直交する他の辺をＹ軸方向に向けて、半導体素子を異方性グラファイト表面上に配置することで、放熱性を高くしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－１００００６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１の半導体パッケージでは、異方性グラファイトの結晶配向をＺ軸方向に向けているが、Ｘ軸方向とＺ軸方向への熱伝導は良好に行われるものの、Ｙ軸方向への熱伝導が良好に行えない。そして、異方性グラファイトと無機材質層との間を薄い金属層で接合しただけの構造では、異方性グラファイト内においてＹ軸方向へ熱を伝える効果が低く、半導体素子が発した熱を逃がすことができない。このため、半導体パッケージの熱抵抗を下げることができない。

【0006】

本開示は、半導体素子をグラファイトに搭載して放熱を行う半導体装置において、熱抵抗を低下させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の１つの観点における半導体装置は、
チップ状の半導体素子（１０）と、
前記半導体装置が配置される一面（３１）を有し、該一面に沿う一方向をｃ軸方向とする異方性グラファイト（３０）と、
前記異方性グラファイトの前記一面上に前記半導体素子を接合する第１接合層（２０）と、
前記異方性グラファイトを挟んで前記半導体素子と反対側に配置され、前記異方性グラファイトを絶縁する板状の絶縁性部材（７０）と、
前記異方性グラファイトと前記絶縁性部材との間に配置された金属製の板状部材で構成された金属板（５０）と、
前記異方性グラファイトと前記金属板とを接合する第２接合層（４０）と、
前記金属板と前記絶縁性部材とを接合する第３接合層（６０）と、を有している。

【0008】

このように、異方性グラファイトと絶縁性部材との間に金属板を備えるようにしている。これにより、金属板を経由して異方性グラファイトにおける外縁側に熱を伝えることができる。したがって、半導体装置の熱抵抗を下げることが可能となる。

【0009】

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態にかかる半導体装置の断面図である。

【図2】図１に示す半導体装置の斜視図である。

【図3】参考構造として示した半導体装置の断面図である。

【図4】図３に示す参考構造の半導体装置における熱の伝わり方のシミュレーション結果を示した図である。

【図5】図１に示す第１実施形態の半導体装置における熱の伝わり方のシミュレーション結果を示した図である。

【図6】金属板の厚さと半導体装置の熱抵抗［℃／Ｗ］との関係を示した図である。

【図7】第２実施形態にかかる半導体装置の断面図である。

【図8】第３実施形態にかかる半導体装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下に説明する他の実施形態を含めて、各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

【0012】

（第１実施形態）
本開示の第１実施形態について、図１～図６を参照して説明する。なお、本明細書に添付した図面中に、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を示している。任意の一方向をＸ軸、Ｘ軸と直交する一方向をＹ軸、Ｘ軸およびＹ軸に対して直交する方向をＺ軸として説明を行う。

【0013】

図１および図２に示すように、本実施形態の半導体装置は、半導体素子１０、第１接合層２０、異方性グラファイト３０、第２接合層４０、金属板５０、第３接合層６０およびセラミック基板７０を有している。そして、セラミック基板７０が冷却器８０に接合されることで、半導体素子１０を冷却する構成とされている。

【0014】

半導体素子１０は、半導体チップであり、例えばパワー素子が作り込まれている。パワー素子としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）が挙げられる。ここでは、半導体素子１０は、縦型ＩＧＢＴを作り込んだ半導体チップとされている。図２に示すように、半導体素子１０には上面電極１１が備えられている。上面電極１１は、縦型ＩＧＢＴにおけるエミッタ等に接続される電極で、半導体素子１０の一面１２側に配置されている。また、図示しないが、一面１２における上面電極１１と異なる場所には、縦型ＩＧＢＴのゲートなどに接続される図示しない制御電極が配置されている。これら上面電極１１や制御電極は、ボンディングワイヤもしくは導体部品と接続されることで、外部と電気的に接続可能となっている。また、図示しないが、一面１２の反対側となる他面側に図示しない下面電極が配置されている。下面電極は、縦型ＩＧＢＴにおけるコレクタ等に接続される電極であり、第１接合層２０を介して異方性グラファイト３０に接続されている。第１接合層２０は後述するように導電材料で構成され、異方性グラファイト３０は導体であることから、異方性グラファイト３０に外部引き出し用に導体部品が接続されることで、下面電極も外部と電気的に接続可能となっている。

【0015】

半導体素子１０は、上面形状が四角形板状とされており、一面１２における一方の相対する二辺１２ａがＸ軸、もう一方の相対する二辺１２ｂがＹ軸に沿い、厚み方向がＺ軸に沿うように配置されている。なお、本明細書において、Ｘ軸やＹ軸などに「沿う」とは、平行であることが好ましいが、必ずしも平行である場合に限らず、当該軸に対して傾斜していることも含んでいる。

【0016】

第１接合層２０は、例えばはんだや銀ペースト、銀シートなどの導電性の接合材料で構成されている。第１接合層２０の厚みは任意であるが、例えば０．０２～０．０５ｍｍとされている。この第１接合層２０により、半導体素子１０が異方性グラファイト３０に対して電気的および物理的に接合されている。

【0017】

異方性グラファイト３０は、熱伝導の異方性を有するグラファイトであり、ヒートスプレッダとして機能する。異方性グラファイト３０の厚みは任意であるが、例えば２ｍｍとされている。

【0018】

図２に示すように、異方性グラファイト３０は、六角形板状結晶の黒鉛層が重なって構成されたグラファイト構造の結晶構造を有しており、黒鉛層の重なる方向がｃ軸、ｃ軸を法線方向とする黒鉛層の平面方向がａ軸になっている。異方性グラファイト３０は、上面形状が四角形板状とされており、異方性グラファイト３０の一面３１における一方の相対する二辺３１ａがＸ軸、もう一方の相対する二辺３１ｂがＹ軸に沿い、厚み方向がＺ軸に沿うように配置されている。つまり、異方性グラファイト３０は、ａ軸がＸ軸およびＺ軸に沿って配置され、ｃ軸がＹ軸に沿って配置されている。そして、異方性グラファイト３０のサイズは、Ｘ軸方向において、二辺３１ａが半導体素子１０の二辺１２ａより大きく、Ｙ軸方向において、二辺３１ｂが半導体素子１０の二辺１２ｂより大きくされている。そして、この異方性グラファイト３０の一面３１における略中央位置に半導体素子１０が第１接合層２０を介して接合されている。

【0019】

異方性グラファイト３０は、ａ軸方向、つまりＸ軸方向およびＺ軸方向では１７００［Ｗ／ｍＫ］程度の高熱伝導率を有しているが、ｃ軸方向、つまりＹ軸方向では、７［Ｗ／ｍＫ］程度の低熱伝導率となっている。このため、半導体素子１０が発熱した際に、異方性グラファイト３０内においては、ａ軸に沿う方向では高熱伝導により熱が移動しやすいが、ｃ軸に沿う方向では低熱伝導によりａ軸に沿う方向と比較して熱が移動しにくくなっている。

【0020】

第２接合層４０および第３接合層６０は、金属板５０を異方性グラファイト３０やセラミック基板７０に接合するために備えられている。第２接合層４０および第３接合層６０は、異なる材質のもので構成されていても良いが、ここでは同じ材質のもので構成しており、例えば銀ペーストや銀ろうなどの熱伝導率の高い接合材料とされ、ここでは導電材料で構成されている。第２接合層４０や第３接合層６０の厚みは任意であるが、共に、例えば０．０２～０．０５ｍｍとされている。第２接合層４０により、異方性グラファイト３０と金属板５０とが物理的に接合され、第３接合層６０により、金属板５０とセラミック基板７０とが物理的に接続されている。また、本実施形態の場合、第２接合層４０を導電材料で構成しているため、第２接合層４０により、異方性グラファイト３０と金属板５０とが電気的にも接合されている。

【0021】

金属板５０は、第１金属板に相当し、セラミック基板７０や異方性グラファイト３０の少なくともｃ軸方向よりも熱伝導率が高い金属製の板状部材である。金属板５０は、異方性グラファイト３０とセラミック基板７０との間に挟まれるようにして、第２接合層４０および第３接合層６０を介してこれらの間に接合されている。金属板５０は、上面形状が四角形状とされており、金属板５０の表面５１における一方の相対する二辺５１ａがＸ軸、もう一方の相対する二辺５１ｂがＹ軸に沿い、厚み方向がＺ軸に沿うように配置されている。金属板５０のサイズは、異方性グラファイト３０と同じかそれ以上、つまり二辺５１ａが異方性グラファイト３０の二辺３１ａと同寸法以上、もう一方の二辺５１ｂも異方性グラファイト３０の二辺３１ｂと同寸法以上とされている。そして、Ｚ軸方向から見て、異方性グラファイト３０が金属板５０からはみ出さないようにして配置されている。ただし、製造誤差等により、金属板５０における二辺５１ａが異方性グラファイト３０の二辺３１ａより若干小さくなったり、金属板５０における二辺５１ｂが異方性グラファイト３０の二辺３１ｂより若干小さくなっていることも許容される。

【0022】

金属板５０は、例えば金、銀、銅、アルミニウム、モリブデン、タングステンなどの金属材料によって構成されている。金属板５０の厚みについては、０．２ｍｍ以上かつ３．０ｍｍ以下とされ、１ｍｍ以上かつ２ｍｍ以下とされると好ましく、１．５ｍ±０．１ｍｍとされるとより好ましい。

【0023】

セラミック基板７０は、異方性グラファイト３０を挟んで半導体素子１０と反対側に配置される絶縁性部材である。セラミック基板７０は、熱伝導率が高い絶縁性の板状部材で構成され、例えば窒化アルミニウムやアルミナで構成されている。セラミック基板７０は、金属板５０や異方性グラファイト３０および半導体素子１０などと冷却器８０との間の絶縁を図りつつ、異方性グラファイト３０や金属板５０を介して半導体素子１０で発した熱を冷却器８０に伝えて冷却されるようにする。セラミック基板７０も上面形状が四角形状とされ、セラミック基板７０の表面７１における一方の相対する二辺７１ａがＸ軸、もう一方の相対する二辺７１ｂがＹ軸に沿い、厚み方向がＺ軸に沿うように配置されている。セラミック基板７０のサイズは、金属板５０と同じかそれ以上、つまり二辺７１ａが金属板５０の二辺５１ａと同寸法以上、もう一方の二辺７１ｂも金属板５０の二辺５１ｂと同寸法以上とされている。セラミック基板７０の厚みは任意であるが、沿面放電を抑制できる厚みとされ、例えば０．３２ｍｍとされている。

【0024】

冷却器８０は、冷却水や空気などとの熱交換を行うことで放熱を行うものであり、例えば金属製部材とされている。冷却器８０の形状については任意であり、放熱フィンなどが構成されたものであっても良い。この冷却器８０の表面に、セラミック基板７０が貼り付けられている。

【0025】

このような構造により、本実施形態の半導体装置が構成されている。続いて、本実施形態の半導体装置の作用効果について説明する。

【0026】

上記したように、本実施形態の半導体装置では、異方性グラファイト３０とセラミック基板７０との間に金属製の板状部材で構成された金属板５０を配置している。このような板状部材からなる金属板５０を備えることで、異方性グラファイト３０のＹ軸方向へ熱を伝え易くなり、半導体素子１０が発した熱を逃がしやすくすることが可能となる。これにより、半導体装置の熱抵抗を低下させることが可能になる。以下、このような作用効果が得られる理由について、シミュレーションに基づいて説明する。

【0027】

参考構造として、図３に示すように、金属板５０を備えることなく、異方性グラファイト３０とセラミック基板７０との間を薄い第２接合層４０によって接合した構造について、熱の伝わり方のシミュレーションを行った。この構造は、特許文献１に記載された半導体パッケージに相当する構造である。そして、図１に示した本実施形態の構造の半導体装置についても、同様に、熱の伝わり方のシミュレーションを行った。図４および図５は、それぞれ、図３に示す参考構造と図１に示す本実施形態の半導体装置のシミュレーション結果を示している。なお、図４および図５は、Ｙ軸方向に沿う断面でのＣＡＥ（Computer Aided Engineering）による熱伝導解析結果を示しており、ハッチングの間隔が広くなるほど、温度が低いことを表している。

【0028】

図４に示すように、参考構造では、異方性グラファイト３０におけるＹ軸方向の両端位置において、低温になっていることが判る。これは、半導体素子１０で発した熱がＹ軸方向において十分に伝わっていないことを表している。このように、参考構造においては、異方性グラファイト３０内においてＹ軸方向へ熱を伝える効果が低く、半導体素子１０が発した熱を逃がすことができないため、半導体装置の熱抵抗を下げることができない。

【0029】

これに対して、本実施形態の半導体装置では、異方性グラファイト３０におけるＹ軸方向の両端位置において、参考構造と比較して高温になっていることが判る。これは、半導体素子１０で発した熱がＹ軸方向において十分に伝わっていることを表している。このように、本実施形態の半導体装置においては、異方性グラファイト３０内においてＹ軸方向へ熱を伝える効果が高く、半導体素子１０が発した熱を逃がすことができている。このため、半導体装置の熱抵抗を下げることが可能になっている。

【0030】

このような相違は、異方性グラファイト３０とセラミック基板７０との間に金属板５０を介在させているか否かを要因として発生していると考えられる。参考構造においては、薄い第２接合層４０しか存在しないため、第２接合層４０を経由した熱の拡がりが起きにくく、図中矢印Ａ１の方向、つまり異方性グラファイト３０のＹ軸方向へ熱が十分に伝わらない。その結果、異方性グラファイト３０内の広い範囲に熱が伝達されなくなり、セラミック基板７０に熱が伝わる範囲も狭くなる。このため、半導体装置の熱抵抗を下げることができない。

【0031】

一方、本実施形態の半導体装置のように、金属板５０を介在させている場合、図中矢印Ａ２のように、半導体素子１０から異方性グラファイト３０に伝わった熱が金属板５０を経由して拡がり、異方性グラファイト３０内のＹ軸方向にも伝わる。このため、半導体素子１０から異方性グラファイト３０内の広い範囲に熱が伝わるのと同様の状態になる。これにより、セラミック基板７０のより広い範囲に熱が伝わることになり、より広い面積で冷却が可能になるため、半導体装置の熱抵抗を下げることが可能になるのである。

【0032】

また、本実施形態の半導体装置のように金属板５０を備えることで熱抵抗を下げられるが、金属板５０としてどの程度の厚みのものを備えるようにするとよいかについても検討を行った。その結果、金属板５０の厚さと半導体装置の熱抵抗［℃／Ｗ］とについて、図６に示す関係となることが判った。

【0033】

具体的には、図６に示すように、金属板５０の厚みが０、つまり金属板５０を備えていない場合に対して、金属板５０を備えると徐々に熱抵抗が小さくなっていた。特に、金属板５０の厚みが０．２ｍｍ以上かつ３．０ｍｍの範囲において熱抵抗の低下が顕著に表れ、１．０ｍｍ以上かつ２．０ｍｍ以上になるとより熱抵抗が低下していた。金属板５０の厚みが１．５ｍｍのときに熱抵抗が最も低下していた。なお、金属板５０の厚みが１．５ｍｍのときに最も熱抵抗が低下していたが、そこから±０．１ｍｍの範囲においては１．５ｍｍのときと同等の熱抵抗になっていた。なお、金属板５０が厚すぎると、異方性グラファイト３０から冷却器８０までの距離が大きくなって、冷却効果が抑制されることがあり、金属板５０の厚みについては３．０ｍｍ以下にすると好ましい。

【0034】

この金属板５０の厚みと熱抵抗の関係については、金属板５０の材質や半導体装置の構造により若干変わるものの、基本的には同様の傾向であった。

【0035】

しがたって、本実施形態の半導体装置では、金属板５０の厚みについて、０．２ｍｍ以上かつ３．０ｍｍ以下としており、１ｍｍ以上かつ２ｍｍ以下とすると好ましく、１．５ｍ±０．１ｍｍとするとより好ましいとしている。

【0036】

以上説明したように、本実施形態の半導体装置では、異方性グラファイト３０とセラミック基板７０との間に金属板５０を備えるようにしている。これにより、金属板５０を経由して異方性グラファイト３０の外縁側に熱を伝えることができる。具体的には、異方性グラファイト３０におけるＹ軸方向への熱を伝える効果を高めることが可能となる。したがって、半導体装置の熱抵抗を下げることが可能となる。

【0037】

具体的には、金属板５０の厚みを０．２ｍｍ以上かつ３．０ｍｍ以下とすること、好ましくは１．０ｍｍ以上かつ２．０ｍｍ以下とすることで半導体装置の熱抵抗を低下させることが可能となる。特に、金属板５０の厚みを１．５ｍ±０．１ｍｍとするとより半導体装置の熱抵抗を低下させられて好ましい。

【0038】

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して半導体素子１０と異方性グラファイト３０との間の構造を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0039】

図７に示すように、本実施形態の半導体装置は、半導体素子１０と異方性グラファイト３０との間に第２金属板に相当する金属板９０を備えている。金属板９０を構成し得る材料については、金属板５０と同様である。金属板９０は、金属板５０と同じ材料、同じ厚み、同じ寸法で構成されていても良いが、異なる材料、異なる厚み、異なる寸法で構成されていても良い。ここでは、金属板９０を金属板５０と同じ材料、同じ厚み、同じ寸法で構成している。

【0040】

具体的には、第４接合層１００を介して異方性グラファイト３０の一面３１上に金属板９０を接合している。金属板９０は、上面形状が四角形状とされており、金属板９０の表面９１における一方の相対する二辺９１ａがＸ軸、もう一方の相対する二辺９１ｂがＹ軸に沿い、厚み方向がＺ軸に沿うように配置されている。そして、金属板９０の表面上に、第１接合層２０を介して半導体素子１０が接合されている。半導体素子１０は、金属板９０の表面９１における略中央位置とされている。なお、第４接合層１００を構成し得る材料については、第２接合層４０や第３接合層６０と同様である。

【0041】

このように、半導体素子１０と異方性グラファイト３０との間にも金属板９０を配置すると、金属板９０でもＹ軸方向において熱が拡がりながら伝わるようにできる。このため、金属板５０に加えて金属板９０でもＹ軸方向における伝熱を促進でき、より半導体装置の熱抵抗を低下させることが可能となる。

【0042】

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１、第２実施形態に対して異方性グラファイト３０の周囲の構造を変更したものであり、その他については第１、第２実施形態と同様であるため、第１、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。ここでは、第１実施形態の構造に対して本実施形態の構造を適用した場合についえ説明するが、第２実施形態の構造に対しても適用できる。

【0043】

図８に示すように、本実施形態の半導体装置は、異方性グラファイト３０の周囲、具体的には一面３１の法線方向となるＺ軸に沿う平面、つまり異方性グラファイト３０の側面３２を覆うように金属板１１０を備えている。この金属板１１０が被覆金属板に相当する。金属板１１０は、少なくとも異方性グラファイト３０のうちＺ軸およびＹ軸に平行な側面３２を覆うように配置されるが、本実施形態では、異方性グラファイト３０の四つの側面３２の全面を覆うように金属板１１０を配置している。

【0044】

金属板９０を構成し得る材料については、金属板５０と同様である。金属板１１０は、金属板５０と同じ材質、同じ厚み、同じ寸法で構成されていても良いが、異なる材料、異なる厚み、異なる寸法で構成されていても良い。ここでは、金属板９０を金属板５０と同じ材料、同じ厚み、同じ寸法で構成している。なお、本実施形態の場合、金属板１１０の厚み方向は、覆っている各側面３２の法線方向となる。

【0045】

具体的には、側面接合層に相当する接合層１２０を介して異方性グラファイト３０の側面３２上に金属板１１０を接合している。金属板１１０は、厚み方向に沿う方向から視た形状が四角形状とされており、各辺が異方性グラファイト３０の側面３２の各辺と対応する寸法とされている。なお、接合層１２０を構成し得る材料については、第２接合層４０や第３接合層６０と同様である。

【0046】

このように、異方性グラファイト３０の側面３２を覆うように金属板１１０を配置すると、金属板１１０を通じて熱伝達が行われ、Ｙ軸方向において熱が拡がりやすくなる。このため、金属板５０に加えて金属板１１０でもＹ軸方向における伝熱を促進でき、より半導体装置の熱抵抗を低下させることが可能となる。

【0047】

（他の実施形態）
本開示は、上記した実施形態に準拠して記述されたが、当該実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

【0048】

例えば、上記各実施形態では、絶縁性部材としてセラミック基板７０を用いたが、絶縁性部材についてはセラミック基板７０に限らず、他の絶縁材料で構成されていても良い。

【0049】

また、上記各実施形態では、１つずつの半導体素子１０、異方性グラファイト３０、金属板５０およびセラミック基板７０を１組の半導体装置として、１組の半導体装置が１つの冷却器８０に対して接合されている例を挙げた。しかしながら、これは一例を挙げたに過ぎず、２組以上の複数組の半導体装置が同じ冷却器８０に接合される構成であっても良い。

【0050】

また、１つずつの異方性グラファイト３０、金属板５０およびセラミック基板７０に対して半導体素子１０を１つ配置する構造を例に挙げた。しかしながら、これについても、１つずつの異方性グラファイト３０、金属板５０およびセラミック基板７０に対して２つの半導体素子１０が配置される構造としても良い。例えば、半導体素子１０にてインバータ回路における上アームと下アームの半導体スイッチング素子を構成する場合、上アームと下アームの半導体素子１０を直列接続することになる。そのような場合に、一方の半導体素子１０に対して他方の半導体素子１０を表裏逆として異方性グラファイト３０の表面状に搭載すれば、これらを直列接続することができる。

【0051】

さらに、半導体素子１０、異方性グラファイト３０、金属板５０、セラミック基板７０の上面形状は、必ずしも四角形状である必要はなく、例えば四角形状の各角部もしくは一部の角部が切り欠かれた形状などであっても構わない。

【0052】

（本開示の観点）
上記した本開示については、例えば以下に示す観点として把握することができる。

【0053】

［第１の観点］
半導体装置であって、
チップ状の半導体素子（１０）と、
前記半導体素子が配置される一面（３１）を有し、該一面に沿う一方向をｃ軸方向とする異方性グラファイト（３０）と、
前記異方性グラファイトの前記一面上に前記半導体素子を接合する第１接合層（２０）と、
前記異方性グラファイトを挟んで前記半導体素子と反対側に配置され、前記異方性グラファイトを絶縁する板状の絶縁性部材（７０）と、
前記異方性グラファイトと前記絶縁性部材との間に配置された金属製の板状部材で構成された金属板（５０）と、
前記異方性グラファイトと前記金属板とを接合する第２接合層（４０）と、
前記金属板と前記絶縁性部材とを接合する第３接合層（６０）と、を有している半導体装置。
［第２の観点］
前記金属板の厚みは、０．２ｍｍ以上かつ３．０ｍｍ以下とされている、第１の観点に記載の半導体装置。
［第３の観点］
前記金属板の厚みは、１．０ｍｍ以上かつ２．０ｍｍ以下とされている、第１の観点に記載の半導体装置。
［第４の観点］
前記金属板の厚みは、１．５±０．１ｍｍとされている、第１の観点に記載の半導体装置。
［第５の観点］
前記金属板は、前記絶縁性部材よりも熱伝導率が高い金属材料で構成されている、第１ないし第４の観点のいずれか１つに記載の半導体装置。
［第６の観点］
前記金属板を第１金属板（５０）として、
前記異方性グラファイトの前記一面の上に配置された第２金属板（９０）と、
前記第２金属板を前記異方性グラファイトと接合させる第４接合層（１００）と、を有し、
前記半導体素子は、前記第２金属板の上に前記第１接合層を介して接合されている、第１ないし第５の観点のいずれか１つに記載の半導体装置。
［第７の観点］
前記異方性グラファイトのうち前記一面の法線方向に沿う側面（３２）のうち少なくとも該異方性グラファイトにおけるｃ軸に沿う面を覆う被覆金属板（１１０）と、
前記被覆金属板を前記異方性グラファイトと接合させる側面接合層（１２０）と、を有している、第１ないし第６の観点のいずれか１つに記載の半導体装置。

【符号の説明】

【0054】

１０ 半導体素子
２０ 第１接合層
３０ 異方性グラファイト
３１ 一面
４０ 第２接合層
５０ 金属板
６０ 第３接合層
７０ セラミック基板
８０ 冷却器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】