特許 7616872 半導体装置

(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】

(24)【登録日】2025-01-08

(45)【発行日】2025-01-17

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20250109BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 D

H01L23/36 C

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020194319

(22)【出願日】2020-11-24

(65)【公開番号】P2022083075

(43)【公開日】2022-06-03

【審査請求日】2023-08-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】507308902

【氏名又は名称】ルノー エス．ア．エス．

【氏名又は名称原語表記】ＲＥＮＡＵＬＴ Ｓ．Ａ．Ｓ．

【住所又は居所原語表記】１２２－１２２ ｂｉｓ， ａｖｅｎｕｅ ｄｕ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｌｅｃｌｅｒｃ， ９２１００ Ｂｏｕｌｏｇｎｅ－Ｂｉｌｌａｎｃｏｕｒｔ， Ｆｒａｎｃｅ

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】岩▲崎▼ 裕一

(72)【発明者】

【氏名】沼倉 啓一郎

(72)【発明者】

【氏名】林 哲也

【審査官】齊藤 健一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－４７７８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－３２４３９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１２８８６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－２１７７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０６５７２５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／３４―２３／４７３

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０５Ｋ １／０２

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体チップと、
相互に対向する第１主表面及び第２主表面を有し、前記半導体チップが前記第１主表面に直接接合され、且つ、前記第２主表面の前記半導体チップを投影した箇所に溝が形成された熱拡散部材と、
を有しており、
前記第１主表面及び前記第２主表面は、前記半導体チップよりも大きい輪郭で形成され、
前記溝は、前記第２主表面に投影された前記半導体チップの辺を跨いで形成される
半導体装置。

【請求項2】

半導体チップと、
相互に対向する第１主表面及び第２主表面を有し、前記半導体チップが前記第１主表面に直接接合され、且つ、前記第２主表面の前記半導体チップを投影した箇所に溝が形成された熱拡散部材と、
を有しており、
前記溝は、前記熱拡散部材の前記第１主表面と前記第２主表面とを結ぶ側面において閉塞されている
半導体装置。

【請求項3】

前記溝の深さは、前記第１主表面から前記第２主表面までの距離よりも短い
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記溝は、前記第１主表面と前記第２主表面とを結ぶ側面に到達している
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記熱拡散部材は、熱伝導において等方性を有する熱伝導部材である
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記熱拡散部材は、熱伝導において異方性を有する熱伝導部材である
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記溝は、複数形成される
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置。

【請求項8】

前記溝は、複数形成され、
前記溝は、前記第２主表面の前記半導体チップの対角線の交点を投影した箇所から放射状に形成される
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。

【請求項9】

前記溝は、複数形成され、
前記溝は、所定の基準値よりも熱伝導率が高い前記熱拡散部材の熱伝導方向に沿って平行に形成される
ことを特徴とする請求項１から４及び６のいずれか一項に記載の半導体装置。

【請求項10】

前記熱拡散部材の前記第２主表面に熱的に接合された冷却器を備える
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体装置。

【請求項11】

半導体チップと、
相互に対向する第１主表面及び第２主表面を有し、前記半導体チップが前記第１主表面に直接接合され、且つ、前記第２主表面の前記半導体チップを投影した箇所に溝が形成された熱拡散部材と、
を有しており、
前記溝は、前記熱拡散部材の前記第１主表面と前記第２主表面とを結ぶ側面に到達し、対向する一対の前記側面間を貫通している
半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、半導体素子と接合する絶縁基板と冷却器との間に複数の突起を有する応力緩和部材を介在させ、半導体素子が発熱した際に、絶縁基板と冷却器との線膨張係数の相違に起因して放熱装置に発生する熱応力の影響を緩和する放熱装置が知られている（特許文献１）。特許文献１に記載された発明は、放熱装置に熱応力が発生した際に、応力緩和部材の突起が変形することで熱応力を緩和する。これにより、絶縁基板及び絶縁基板と応力緩和部材との接合部に生じるクラックならびに冷却器の絶縁基板側の面に生じる反りを防止している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００７－１９２０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に開示された発明は、応力緩和部材に設けた突起により、絶縁基板と応力緩和部材との接触面積が減少し、半導体素子から冷却器までの熱伝導経路が減少する。すなわち、応力緩和部材の熱抵抗が増大することにより、半導体素子の冷却性能が悪化するという問題があった。

【0005】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体チップの接触部に発生する熱応力を緩和しつつ、熱伝導経路の熱抵抗を低減する半導体装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

半導体装置は、半導体チップと、相互に対向する第１主表面及び第２主表面を有し、半導体チップが第１主表面に直接接合され、且つ、第２主表面の半導体チップを投影した箇所に溝が形成された熱拡散部材と、を有する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、半導体チップの接触部に発生する熱応力を緩和しつつ、熱伝導経路の熱抵抗を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1A】図１Ａは、第１実施形態に係る半導体装置の平面図である。

【図1B】図１Ｂは、第１実施形態に係る半導体装置の断面図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る半導体装置の変形例を示す平面図である。

【図3A】図３Ａは、第２実施形態に係る半導体装置の平面図である。

【図3B】図３Ｂは、第２実施形態に係る半導体装置の断面図である。

【図4A】図４Ａは、第３実施形態に係る半導体装置の平面図である。

【図4B】図４Ｂは、第３実施形態に係る半導体装置の側面図である。

【図5】図５は、第４実施形態に係る半導体装置の平面図である。

【図6】図６は、第５実施形態に係る半導体装置の平面図である。

【図7】図７は、第６実施形態に係る半導体装置の平面図である。

【図8】図８は、冷却器を備えた実施形態に係る半導体装置の側面図である。

【図9】図９は、冷却器及び絶縁基板を備えた実施形態に係る半導体装置の側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図面を参照して、実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

【0010】

（第１実施形態）
［半導体装置の構成］
図１Ａ及び図１Ｂを参照して第１実施形態に係る半導体装置の全体構成を説明する。図１Ａは、第１実施形態に係る半導体装置の平面図であり、図１Ｂは、図１Ａに示す半導体装置のＡ－Ａ´における断面図である。

【0011】

半導体装置は、半導体チップ１と熱拡散部材２とを有しており、半導体チップ１は熱拡散部材２に直接接合され、且つ、第２主表面５の半導体チップ１を投影した箇所に溝３ａが形成されている。

【0012】

熱拡散部材２は、半導体チップ１が発熱した際の熱を熱伝導により吸収し、大気中に放出することにより、半導体チップ１の温度が所定の温度以上に上昇することを防止する。熱拡散部材２は、熱伝導性を有する材質で構成されており、具体的には、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの放熱性を有するセラミックスで構成されている。

【0013】

熱拡散部材２は、相互に対向する第１主表面４及び第２主表面５を有している。

【0014】

第１主表面４には、半導体チップ１が直接接合されている。半導体チップ１と第１主表面４とは、はんだ、焼結金属などの金属接合または拡散接合により接合される。拡散接合とは、接合する材料同士を密着させ、真空や不活性ガス中などの制御された雰囲気中で加圧及び加熱し、接合面に生じる原子の拡散を利用して接合する方法である。

【0015】

第２主表面５には、溝３ａが形成されている。溝３ａは、切削加工または放電加工により形成される。溝３ａは、半導体チップ１の発熱による熱拡散部材２の熱膨張を吸収することで、熱拡散部材２の熱膨張を抑制する。

【0016】

溝３ａは、第２主表面５の半導体チップ１を投影した箇所に形成されている。より具体的には、溝３ａは、第２主表面５に投影された半導体チップ１の辺１０を跨いで形成されている。なお、本実施形態では、溝３ａは半導体チップ１の短手方向の辺１０を跨いで形成されているが、溝３ａが跨ぐ半導体チップ１の辺はこれに限定されない。溝３ａは、半導体チップ１の長手方向の辺１１を跨いで形成されていてもよいし、短手方向の辺１０及び長手方向の辺１１のいずれも跨いで形成されていてもよい。また、溝３ａは第２主表面５に対して垂直に形成されているが、第２主表面５に対して斜めに形成されていてもよい。

【0017】

［作用効果］
以上説明したように、第１実施形態によれば以下の作用効果が得られる。

【0018】

熱拡散部材２は、半導体チップ１の直下となる第２主表面５の半導体チップ１を投影した箇所に溝３ａが形成されることにより、半導体チップ１と熱拡散部材２との線膨張係数の差により半導体チップ１と熱拡散部材２との接触部に生じる熱応力を緩和することができる。半導体チップ１は第１主表面４に直接接合されているので、半導体チップ１と熱拡散部材２との熱抵抗を低減することができる。よって、半導体チップ１の接触部に発生する熱応力を緩和しつつ、熱伝導経路の熱抵抗を低減することができる。

【0019】

熱拡散部材２に形成された溝３ａは、第２主表面５に投影された半導体チップ１の辺１０を跨いで形成されることにより、熱応力の集中しやすい箇所である半導体チップ１と熱拡散部材２との接触部の端部の熱応力を緩和することができる。

【0020】

（第１実施形態の変形例）
［半導体装置の構成］
図２を参照して、第１実施形態の変形例に係る半導体装置を説明する。図２は、第１実施形態の変形例に係る半導体装置の平面図である。第１実施形態との相違点は、半導体チップ１の数及び溝３ｂの形状である。よって、当該相違点についてのみ説明し、その他共通する構成については説明を省略する。

【0021】

第１実施形態の変形例に係る半導体装置は、複数の半導体チップ１が第１主表面４に接合され、複数の半導体チップ１に対応する１つの溝３ｂが第２主表面５の複数の半導体チップ１を投影した箇所に形成されている。より具体的には、溝３ｂは、第２主表面５に投影された複数の半導体チップ１の辺１２を跨いで形成されている。

【0022】

このように、１つの溝３ｂが複数の半導体チップ１に対応するように形成されていてもよい。または、複数の半導体チップ１が１つの溝３ｂに対応するように配置されていてもよい。なお、本実施形態では、複数の半導体チップ１は第１主表面４に並列に配置されているが、半導体チップ１の配置はこれに限定されない。半導体チップ１は、第２主表面５の半導体チップ１を投影した箇所に溝３ｂが形成されていれば、どこに配置されていてもよい。

【0023】

［作用効果］
以上説明したように、第１実施形態の変形例によれば、第１実施形態の作用効果に加え以下の作用効果が得られる。

【0024】

複数の半導体チップ１に対応する１つの溝３ｂは、第２主表面５の複数の半導体チップ１を投影した箇所に形成され、第２主表面５に投影された複数の半導体チップ１の辺１２を跨いで形成されている。これにより、１つの溝３ｂで複数の半導体チップ１と熱拡散部材２との接触部に生じる熱応力を緩和することができる。また、搭載される半導体チップ１に対する溝３ｂの数を削減することができ、溝３ｂの形成に掛かる工数、及び加工コストを低減することができる。

【0025】

（第２実施形態）
［半導体装置の構成］
図３Ａ及び図３Ｂを参照して、第２実施形態に係る半導体装置の構成について説明する。図３Ａは、第２実施形態に係る半導体装置の平面図であり、図３Ｂは、図３Ａに示す半導体装置のＡ－Ａ´における断面図である。第１実施形態との相違点は、溝３ｃの深さ及び半導体チップ１と熱拡散部材２との接触面積である。よって、当該相違点についてのみ説明し、その他共通する構成については説明を省略する。

【0026】

図３Ｂに示すように、溝３ｃの深さＥは、第１主表面４から第２主表面５までの距離Ｆよりも短い。すなわち、溝３ｃは、第１主表面４まで到達していない。

【0027】

そのため、半導体チップ１の接触面全体が熱拡散部材２と接合しており、半導体チップ１と熱拡散部材２との接触面積は、溝３ａが第１主表面４まで貫通している第１実施形態より大きい。

【0028】

［作用効果］
以上説明したように、第２実施形態によれば、第１実施形態の作用効果に加え、以下の作用効果が得られる。

【0029】

溝３ｃの深さＥは、第１主表面４から第２主表面５までの距離Ｆよりも短いことにより、半導体チップ１の接触面全体が熱拡散部材２と接合する。これにより、半導体チップ１と熱拡散部材２との接触面積を増やすことができ、半導体チップ１と熱拡散部材２との熱抵抗をより低減することができる。

【0030】

（第３実施形態）
［半導体装置の構成］
図４Ａ及び図４Ｂを参照して、第３実施形態に係る半導体装置の構成について説明する。図４Ａは、第３実施形態に係る半導体装置の平面図であり、図４Ｂは、図４Ａに示す半導体装置のＢ矢視における側面図である。第２実施形態との相違点は、溝３ｄの形状のみである。よって、溝３ｄの形状についてのみ説明し、その他共通する構成については説明を省略する。

【0031】

溝３ｄは、第１主表面４と第２主表面５とを結ぶ側面２０に到達している。これにより、熱拡散部材２は、溝３ｄによって第１主表面４と第２主表面５とを結ぶ側面２０が分断されている。なお、本実施形態では、溝３ｄの両端が第１主表面４と第２主表面５とを結ぶ側面２０に到達しているが、溝３ｄの一端のみが第１主表面４と第２主表面５とを結ぶ側面２０に到達していてもよい。

【0032】

［作用効果］
以上説明したように、第３実施形態によれば、第２実施形態の作用効果に加え、以下の作用効果が得られる。

【0033】

溝３ｄは、第１主表面４と第２主表面５とを結ぶ側面２０に到達していることにより、熱拡散部材２が分断され、半導体チップ１と熱拡散部材２との接触部に生じる熱応力をより緩和することができる。また、溝３ｄは、第１主表面４と第２主表面５とを結ぶ側面２０に到達していることにより、溝３ｄを容易に形成することができる。

【0034】

（第４実施形態）
［半導体装置の構成］
図５を参照して、第４実施形態に係る半導体装置の構成について説明する。図５は、第４実施形態に係る半導体装置の平面図である。第３実施形態との相違点は、第２主表面５に形成されている溝３ｅが半導体チップ１を投影した箇所で分断され、溝３ｅが２つ形成されている点である。よって、当該相違点についてのみ説明し、その他共通する構成については説明を省略する。

【0035】

図５に示すように、溝３ｅは、第２主表面５の半導体チップ１を投影した箇所に複数形成されている。より具体的には、複数の溝３ｅは、第２主表面５に投影された半導体チップ１の辺１０を跨いで形成されている。

【0036】

なお、本実施形態では、複数の溝３ｅは、第２主表面５に投影された半導体チップ１の短手方向の辺１０を跨いで形成されているが、複数の溝３ｅが跨ぐ半導体チップ１の辺は短手方向に限定されない。複数の溝３ｅは、半導体チップ１の長手方向の辺１１を跨いで形成されていてもよいし、短手方向の辺１０及び長手方向の辺１１のいずれも跨いで形成されていてもよい。溝３ｅは３つ以上形成されていてもよい。

【0037】

［作用効果］
以上説明したように、第４実施形態によれば、第３実施形態の作用効果に加え、以下の作用効果が得られる。

【0038】

溝３ｅは、第２主表面５の半導体チップ１を投影した箇所に複数形成されていることにより、熱拡散部材２の分断される箇所を増やすことができる。これにより、放熱面積を広げることができ、熱拡散部材２の熱抵抗を低減することができる。

【0039】

（第５実施形態）
［半導体装置の構成］
図６を参照して、第５実施形態に係る半導体装置の構成を説明する。図６は、第５実施形態に係る半導体装置の平面図である。第４実施形態との相違点は、熱拡散部材２の熱特性及び溝３ｆの配置方法である。よって、当該相違点についてのみ説明し、その他共通する構成については説明を省略する。

【0040】

熱拡散部材２は、熱伝導において等方性を有する熱伝導部材で構成されている。熱伝導において等方性を有する熱伝導部材とは、第１実施形態にて例示した熱伝導性を有する材質で構成され、熱伝導部材の結晶構造が均質な部材のことである。すなわち、熱拡散部材２の熱伝導率は一定である。

【0041】

溝３ｆは複数形成されており、各々の溝３ｆは、第２主表面の半導体チップ１の対角線の交点Ｃを投影した箇所から放射状に複数形成されている。なお、本実施形態では、複数の溝３ｆは、各々の溝３ｆの延長線が交点Ｃを通り、交点Ｃから各々の溝３ｆまでの距離が等しくなるように形成されているが、複数の溝３ｆの形成される箇所はこれに限定されない。溝３ｆは、第２主表面５の半導体チップ１の対角線の交点Ｃを投影した箇所から放射状に形成されていればよい。複数の溝３ｆは、互いに重なり合って形成されていてもよい。

【0042】

［作用効果］
以上説明したように、第５実施形態によれば、第４実施形態の作用効果に加え、以下の作用効果が得られる。

【0043】

熱拡散部材２は、熱伝導において等方性を有する熱伝導部材で構成されることにより、熱伝導率が一定となるので、半導体チップ１の搭載位置及び数に対応して効率良く溝３ｆを形成することができる。

【0044】

溝３ｆは第２主表面５の半導体チップ１の対角線の交点Ｃを投影した箇所から放射状に形成されることにより、半導体チップ１から放射状に広がる熱の拡散方向に沿って溝３ｆを形成することができるので、放熱面積を広げることができ、熱拡散部材２の熱抵抗を低減することができる。

【0045】

（第６実施形態）
［半導体装置の構成］
図７を参照して、第６実施形態に係る半導体装置の構成を説明する。図７は、第６実施形態に係る半導体装置の平面図である。第５実施形態との相違点は、熱拡散部材２の熱特性及び溝３ｇの配置方法である。よって、当該相違点についてのみ説明し、その他共通する構成については説明を省略する。

【0046】

熱拡散部材２は、熱伝導において異方性を有する熱伝導部材で構成されている。熱伝導において異方性を有する熱伝導部材とは、熱伝導率の異なる材質を積層することで熱伝導に指向性を有する部材のことである。図７に示す熱拡散部材２は、Ｄ方向の熱伝導率が所定の基準値よりも高くなっており、Ｄ方向が熱伝導方向となっている。従って、熱伝導方向に沿ってより多くの熱が拡散する。なお、所定の基準値とは、熱伝導に指向性を持たせるための基準値として設定された熱伝導率である。所定の基準値は、熱拡散部材２の材質、設定する熱伝導の指向性に応じて適宜設定されればよい。

【0047】

溝３ｇは複数形成されており、前記した所定の基準値よりも熱伝導率が高い熱拡散部材２の熱伝導方向（Ｄ方向）に沿って平行に形成されている。具体的には、溝３ｇは、第２主表面５の半導体チップ１を投影した箇所に形成され、第２主表面５に投影された半導体チップ１の辺１０を跨いで熱伝導方向に対して平行に形成されている。

【0048】

［作用効果］
以上、説明したように、第６実施形態によれば、第４実施形態の作用効果に加え、以下の作用効果が得られる。

【0049】

熱拡散部材２は、熱伝導において異方性を有する熱伝導部材で構成されることにより、
熱伝導に指向性を持たせることができる。これにより、半導体チップ１の搭載位置及び数に対応して熱伝導方向を設定することがき、熱伝導方向に対して熱拡散を効率良く行うことができる。

【0050】

溝３ｇは熱拡散部材２の熱伝導方向に対して平行に形成されることにより、半導体チップ１から熱伝導方向（Ｄ方向）に広がる熱の拡散方向に沿って溝３ｇを形成することができるので、熱拡散を効率良く行うことができ、熱拡散部材２の熱抵抗を低減することができる。

【0051】

（第７実施形態）
［半導体装置の構成］
図８を参照して、第７実施形態に係る半導体装置の構成を説明する。図８は、第７実施形態に係る半導体装置の側面図である。他実施形態との相違点は、冷却器６をさらに備える点である。よって、当該相違点についてのみ説明し、その他共通する構成については説明を省略する。

【0052】

半導体装置は、熱拡散部材２の第２主表面５に熱的に接合された冷却器６を備えている。図８では、冷却器６としてヒートシンクが図示されているが、冷却器６は、ヒートシンクを含む空冷式でもよいし、水冷式でもよい。冷却器６は、熱拡散部材２の第２主表面５に熱伝導性を有する両面テープ、プッシュピン、クリップ、段付きネジなどの既知の固定方法で直接接合されている。

【0053】

なお、図９に示すように、熱拡散部材２と冷却器６との間に、絶縁基板７及び金属材８が設けられていてもよい。

【0054】

［作用効果］
以上説明したように、第７実施形態によれば、他実施形態の作用効果に加え、以下の作用効果が得られる。

【0055】

第２主表面５に熱的に接合された冷却器６を備えることにより、熱拡散部材２の熱をより効率良く放熱することができる。

【0056】

上記のように、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。

【符号の説明】

【0057】

１ 半導体チップ
２ 熱拡散部材
３ａ 溝
４ 第１主表面
５ 第２主表面

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】