JP4396366B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、発熱体としての半導体チップと半導体チップが実装されたヒートシンクとを有する半導体装置に関する。

従来から、半導体素子が形成された半導体チップをヒートシンク上に配置し、半導体チップで発生する熱をヒートシンクが冷却する半導体装置が知られている（例えば、特許文献１など参照）。特許文献１に開示されたヒートシンク（発熱体冷却装置）は、その内部に開孔部を有する仕切り板を設けている。ヒートシンクを流通する冷媒がこの開孔部を通過することによって、冷媒の噴流は半導体チップが配置されている位置に対応するヒートシンクの裏面に直接衝突する。これにより、発熱体である半導体チップの高効率な冷却が可能となる。
特開2002-237691号公報

しかし、ヒートシンクに半導体チップを実際に実装する場合、特許文献１の第１図のように半導体チップを半田付けなどでヒートシンクの主面上に直接に実装することは難しい。一般的な実装方法の一例としては、セラミックス基板などの平板に半導体チップを半田付けなどで機械的に固定し、ボンディングワイヤ又はバンプなどを用いて半導体チップ表面の電極パッドとの電気的接続を予め行い、その後、このセラミックス基板をシリコングリスなどを介してヒートシンク主面上に実装する方法がある。即ち、現実的には、ヒートシンクの主面にシリコングリスなどを介してセラミックス基板が実装され、セラミックス基板の上に半田を介して半導体素子が実装された積層構造を有しているのが一般的であり、ヒートシンクと半導体チップの間の熱抵抗は大きく、効率的な冷却は難しい。

また、内部に冷媒を通す開孔部を有するヒートシンクは内部構造が複雑なため、一体の構造体として成型することは困難である。ヒートシンクを幾つかの構成部材に分け、これらを接合してヒートシンク全体を形成するのが現実的である。即ち、ヒートシンクの下面板と、開孔部を有する仕切り板と、上面板とを、それぞれ側面板を用いて半田付け、ろう付け、溶接、接着などの方法で接合してヒートシンク全体を形成する。なお、上面板と側面板、または下面板と側面板は一体の構造体としてそれぞれ成型することは可能である。

よって上記の現実的な構造により以下の問題点が生じる。即ち、半導体チップをさらに効率良く冷却するために、比較的熱抵抗の大きいシリコングリスを介さずに、半導体チップが実装されているセラミックス基板の裏面に冷媒の噴流を直接衝突させることが効果的であると考えられる。しかし、セラミックス基板をヒートシンク上面に半田付け等の低熱抵抗接合材料を用いて直接接合する際、ヒートシンク内部が中空もしくはヒートシンク上面の裏面側が必ずしも平坦でないことにより、半田付け工程にて必要な昇温条件を得難く、実現困難である。通常、半導体チップを半田付け実装する場合は、ベースプレートの裏面側から加熱する。ベースプレートの裏面が平坦でないと、この加熱を均一に行い難く、半田付け工程に支障を来たす。また、半導体チップの表面に配置された電極パッドに対してワイヤボンディング接続を行なう場合にベースプレートの裏面が平坦でないと確実にセラミックス基板を保持し難く、同工程に支障を来たす。

本発明の特徴は、第１の主面と第１の主面に対向する第２の主面とを有するベースプレートと、第１の主面に接合された半導体チップと、第２の主面に接合された接合面を有する本体部を備えるヒートシンクと、第２の主面のうち半導体チップの端部に対応する位置近傍に配置された環状または枠状の凸部とを有する半導体装置であって、本体部の接合面には半導体チップが配置されている位置に対応して第１の開孔部が形成され、冷媒が流通する冷媒室は、本体部の内部と第１の開孔部から表出した第２の主面及び凸部とで囲まれた領域で定義され、冷媒室を流通する冷媒は第１の開孔部を介して第２の主面及び凸部に直接接触し、凸部の側面は第１の開孔部の側面に接していることを要旨とする。

本発明によれば、発熱体である半導体チップを低熱抵抗で冷却すると同時に、冷媒の漏れを防ぐ半導体装置を提供することが出来る。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

（第１の実施の形態）
本発明の第１乃至第６の実施の形態においては、発熱体及び当該発熱体から生じる熱を冷却するヒートシンクを有する装置の一例として、半導体素子が形成された半導体チップ及び半導体チップからの発熱を冷却するヒートシンクを備えた半導体装置について説明する。

図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係わる半導体装置は、第１の主面１５ａと第１の主面１５ａに対向する第２の主面１５ｂとを有するベースプレート１と、第１の主面１５ａに半田付け等で接合された半導体チップ２と、第２の主面１５ｂに接合された接合面１６を有する本体部３を備えるヒートシンク８と、第２の主面１５ｂに配置された凸部１９と、第１の開孔部９の側面に沿って配置されたゴム部材３１と、半導体チップ２とベースプレート１との間に配置されたセラミックス基板３３とを少なくとも有する。

本体部３の接合面１６には半導体チップ２が配置されている位置に対応して第１の開孔部９が形成されている。凸部１９は第１の開孔部９に差し込まれている。半導体チップ２からの熱を冷却する冷媒が流通する冷媒室１１は、本体部３の内部と第１の開孔部９から表出した第２の主面１５ｂ及び凸部１９とで囲まれた領域で定義される。冷媒室１１を流通する冷媒は第１の開孔部９を介して第２の主面１５ｂ及び凸部１９に直接接触する。凸部１９の側面はゴム部材３１を介して第１の開孔部９の側面に接している。

ヒートシンク８は、本体部３の内部にベースプレート１に平行に配置された仕切り板５と、第１の主面１５ａの外周部分に配置された押さえ部４とを更に有する。また、半導体装置は、更に押さえ部４と本体部３とを圧接接合する固定部品（例えば、ネジ２７）を有する。本体部３及び押さえ部４は、ネジ２７により、ベースプレート１及び接着層３２を挟んでいる。仕切り板５は、半導体チップ２が配置されている位置に対応して第２の開孔部１０を有する。冷媒室１１は、仕切り板５を境にしてベースプレート１側に位置する第１の冷媒室１２と第２の冷媒室１３とに分けられている。また、図示は省略するが、冷媒が冷媒室１１の内部へ流入するための冷媒流入孔が第２の冷媒室１３の一部に配置され、冷媒が冷媒室１１の内部から流出するための冷媒流出孔が第１の冷媒室１２の一部に配置されている。

図２に示すように、第１の冷媒室１２からベースプレート１側を見たとき、凸部１９は環状または枠状の形状を有する放熱フィンであり、放熱フィン１９の内側にはベースプレート１の第２の主面１５ｂが表出している。ゴム部材３１が放熱フィン１９の外周全体に接触して配置され、ヒートシンク８の本体部３がゴム部材３１の外周全体に接触して配置されている。即ち、第１の開孔部９全体にゴム部材３１が嵌め込まれ、ゴム部材３１の内側にベースプレート１の第２の主面１５ｂ上に設けた放熱フィン１９が嵌め込まれている。放熱フィン１９は、半導体チップ２の外周端部に対応する位置近傍に配置されている。放熱フィン１９は接着によりベースプレート１の第２の主面１５ｂに接合されている。ベースプレート１の第２の主面１５ｂも、接着によりヒートシンク３の接合面１６に接合されている。

冷媒（例えば水）は、冷媒流入孔から第２の冷媒室１３内に流入し、第２の開孔部１０を経て第２の冷媒室１３から第１の冷媒室１２へ流れ、冷媒流出孔から流出する。第２の開孔部１０を通過して第２の冷媒室１３から第１の冷媒室１２へ流れる時に、冷媒の噴流は、第１の開孔部９を経てベースプレート１の第２の主面１５ｂに直接衝突する。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、本体部３の内部と第１の開孔部９から表出したベースプレート１の第２の主面１５ｂ及び凸部（放熱フィン）１９とで囲まれた領域が冷媒室１１として定義され、冷媒室１１を流通する冷媒は、第１の開孔部９を介してベースプレート１の第２の主面１５ｂ及び放熱フィン１９に直接接触することになる。したがって、発熱体である半導体チップ２を低熱抵抗で冷却することが出来る。即ち、従来のシリコングリスのような比較的熱抵抗の大きい部分を介すること無く、半導体チップ２で生じる熱を冷媒に伝達することが出来る。更に、冷媒に直接接する放熱フィン１９が熱交換面積を増大させるので、より一層低熱抵抗化が実現される。また更に、凸部が環状または枠状の放熱フィン１９であることにより、半導体チップ２をさらに低熱抵抗で冷却することが可能になる。

また、放熱フィン１９と第１の開孔部９の側面とをゴム部材３１を介して接触させているので、ヒートシンク８の肉厚が厚い場合でも、放熱フィン１９自体が栓としての機能を有し、ベースプレート１の第２の主面１５ｂに接触する冷媒が冷媒室１１の外側に漏れることを確実に防止することが可能になる。

更に、冷媒が第２の冷媒室１３から第２の開孔部１０を経て第１の冷媒室１２へ流れることにより、冷媒の噴流は第１の開孔部９を経てベースプレート１の第２の主面１５ｂに直接衝突することになる。したがって、さらにベースプレート１上の半導体チップ２を効率良く冷却することが出来る。

更に、半導体チップ２の端部に対応する位置に放熱フィン１９を設け、また、冷媒の噴流がベースプレート１の第２の主面１５ｂに直接衝突するようにしたため、噴流が実際に衝突する半導体チップ２の中央部に対応する位置では、衝突噴流による乱流で熱交換が行なわれる。また同時に、半導体チップ２の端部に対応する位置に配置された放熱フィン１９は、高い熱交換能力を発揮する。これにより、一層低熱抵抗で半導体チップ２を冷却することが出来る。この場合も、放熱フィン１９と第１の開孔部９との接触により、冷媒漏れを確実に防止することが可能となる。

更に、放熱フィン１９が環状または枠状の形状であるので、放熱フィン１９を第１の開孔部９に接触させつつ差し込む際に生じる力によっても、放熱フィン１９が変形することが無い機械的強度を容易に持たせることが可能となる。

更に、第１の開孔部９にゴム部材３１を嵌め込み、放熱フィン１９の側面と第１の開孔部９の側面との接触部分にゴム部材３１を介在させることにより、ゴム部材３１が封止材としての役割を発揮し、放熱フィン１９と第１の開孔部９の接触面からの冷媒漏れをさらに確実に防止することが可能となる。放熱フィン１９と第１の開孔部９に微細な加工精度のバラツキが生じたとしても、ゴム部材３１が変形封止することにより冷媒漏れを防止できる。このため放熱フィン１９と第１の開孔部９の加工精度を高くすることによる加工費の増大も防ぐことが可能となる。

ここで、第１の実施の形態により低熱抵抗化が実現される理由を図３及び図４を参照して説明する。図３（ａ）は放熱フィン１９がある場合の半導体チップ２の近傍の断面構造概略を示し、図３（ｂ）は単位面積あたりの冷却能力を示す。図３（ｂ）中の横軸は半導体チップ２の中心からの距離を模擬し、縦軸は冷媒による単位面積当たりの冷却能力を模擬する。チップ２の中央部分は冷媒噴流が衝突することにより、高い冷却能力を発揮する。また半導体チップ２の端部部分も、冷媒が衝突後横に流れる際に冷媒がぶつかるように放熱フィン１９を配したので、比較的高い冷却能力を発揮できる。一方、図４（ａ）は放熱フィン１９が無い場合の半導体チップ２の近傍の断面構造概略を示し、図４（ｂ）は単位面積あたりの冷却能力を示す。噴流が直接衝突する部分以外の熱交換能力は、放熱フィン１９がある場合に比べて相対的にかなり低くなる。よって、第１の実施の形態によれば、半導体チップ２の実装部分の全域に渡って高い冷却能力を発揮し、結果として低熱抵抗での冷却が可能になる。

なお、第１の実施の形態では、押さえ部４と本体部３とをネジ２７等の圧接部材により加圧することにより、ベースプレート１とヒートシンク８の本体部３とを接合させていた。これにより、押さえ部４と本体部３とを強固に結合できるので、ベースプレート１とヒートシンク８の本体部３との結合力も増大する。したがって、冷媒の衝突などによる圧力がベースプレート１の第２の主面１５ｂに加重印加されても、冷媒漏れをさらに確実に防止することが可能となる。

また、圧接部材を用いる代わりに、押さえ部４と本体部３とを接着により接合しても構わない。この場合、容易にかつネジ留め用のスペースを設けることなく、冷媒漏れを防止できる。また、容易に、少ない構成材料でヒートシンク８を構成することが可能となり、ヒートシンク８の低コスト化を更に図れる。

更に、圧接部材を用いる場合及び接着を用いる場合であって、ベースプレート１とヒートシンク８とが異種材料で構成され熱膨張係数が異なる場合であっても、熱応力による信頼性上の懸念を回避できる。この場合、押さえ部４と本体部３を同種材料で形成することにより、これらの接合部位での熱応力による信頼性上の懸念は生じない。

なお、ベースプレート１の第１の主面１５ａ上にセラミックス基板３３を介して半導体チップ２を実装する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ベースプレート１がセラミックス基板若しくはセラミックス基板と金属部材による積層基板であっても構わない。この場合、ベースプレート１部分の熱抵抗が無いので、さらに半導体チップ２を低熱抵抗で冷却できる。また、セラミックス基板とヒートシンク８との間で熱膨張係数が異なっても、熱応力よる信頼性上の懸念は生じない。或いは、ベースプレート１が金属板からなり、この金属板の表面（第１の主面１５ａ）上に半導体チップ２を実装すると共に、この金属板の裏面に絶縁層を設けても構わない。この場合、ベースプレート１が半導体チップ２の配線層としての機能を持ち、かつ絶縁層で電気的絶縁を図ることができる。さらに、セラミックス基板部分の熱抵抗が無いので、さらに半導体チップ２を低熱抵抗で冷却できる共に、一般的に高コストなセラミックス基板を用いないことにより低コスト化を図ることが可能となる。

また、背景技術の欄で示した特許文献１に開示された発熱体冷却装置において、半導体チップをセラミックス基板上に実装し、ヒートシンク上面を開口し、セラミックス基板の裏面が直接冷媒に接触するように構成した場合、ヒートシンク開口部分とセラミックス基板の接合界面において冷媒漏れが起きない構造上の対策が困難となる。接着または半田付けあるいは溶接により接合した場合、一般にセラミックス基板とヒートシンクを構成する金属材料とでは熱膨張係数が異なり、熱応力による信頼性上の懸念がある。さらに、冷媒の圧力が該接合を剥がす方向に作用するため、前述した信頼性上の懸念と相まって、冷媒漏れの可能性を否定できない。また、半導体チップが実装されているセラミックス基板に対して半田付けや溶接を行なう際の高温工程により半導体チップに損傷を与える懸念、あるいは必要な温度まで昇温させ難い等の問題が有る。これに対して、本発明の第１の実施の形態に係わる半導体装置によれば、上述したようにベースプレート１とヒートシンク８との接合の信頼性は高く、より確実に冷媒漏れを防止することが出来る。

また、背景技術の欄で示した特許文献１に開示された発熱体冷却装置において、半導体チップが実装されているセラミックス基板とヒートシンク上面とをＯリングを介して接合した場合、Ｏリング自体の幅に加えて、該Ｏリングに均一に大きな加重を印加させる為に、ネジ等で圧接させるための領域も必要になる。この為、装置の小型化に大きな支障を来たす。これに対して、本発明の第１の実施の形態に係わる半導体装置によれば、Ｏリングを用いる必要がないため、装置全体を小型化することが出来る。

（第２の実施の形態）
図５に示すように、本発明の第２の実施の形態に係わる半導体装置において、放熱フィン１９とベースプレート１とは接着剤３４により接合されている。その他の構成要素は図１及び図２に示した半導体装置と同一であり、説明を省略する。

以上説明したように、本発明の第２の実施の形態によれば、製造工程において、ベースプレート１の裏面（第２の主面１５ｂ）側を平坦にできるので、放熱フィン１９を装着する前に先ず半導体チップ２をベースプレート１の第１の主面１５ａ上に実装し、ボンディングパッド電極等の接続を行なう際に、ベースプレート１の裏面が平坦で無いことによって生じる製造工程上の課題が無くなる。よって製造コストを低減できる。

また、放熱フィン１９が環状または枠状の形状であることにより、放熱フィン１９を第１の開孔部９にゴム部材３１を介して接触させつつ差し込む際に生じる力に対する機械的強度を放熱フィン１９自体が有する。このため、放熱フィン１９がベースプレート１から剥がれることも防止できる。

更に、半導体チップ２の冷却は、半導体チップ２の中央部分に対する位置に衝突する冷媒によって行なわれ、半導体チップ２の端部に位置する放熱フィン１９を接着することにより、半導体チップ２の実装部分の全域に渡って高い冷却能力を得られる。

（第３の実施の形態）
図６に示すように、本発明の第３の実施の形態に係わる半導体装置において、ベースプレート１がセラミックス基板３３からなる。その他の構成要素は、図５に示した半導体装置と同一であり、説明を省略する。

以上説明したように、本発明の第３の実施の形態によれば、ベースプレート部において金属板部分の熱抵抗が無くなるため、半導体チップ２を更に低熱抵抗で冷却することが可能となる。

また、セラミックス基板３３の裏面（第２の主面１５ｂ）に小面積の放熱フィン１９を接着することにより、接着剤３４による接着界面で生じる応力を小さく抑え、かつ一般に接着剤３４は応力緩和機能を有することもあり信頼性上の懸念を生じさせないことが出来る。なお、第１実施の形態と同様に、セラミックス基板３３とヒートシンク８の構成材料の間で熱膨張係数が異なっても、熱応力よる信頼性上の懸念は生じない。

更に、セラミックス基板３３上に半導体チップ２を従来通りの実装工程で実装できるので、装置の製造コストも低減できる。

（第３の実施の形態の変形例）
図７に示すように、本発明の第３の実施の形態の変形例に係わる半導体装置において、ベースプレート１は、半導体チップ２が接合された金属板３５から成るヒートスプレッダと、金属板３５の第２の主面１５ｂ側に配置された絶縁層３６とを備える。即ち、ベースプレート１が金属板３５であり、金属板３５の表面（第１の主面１５ａ）上に半導体チップ２を実装すると共に、金属板３５の裏面に絶縁物領域を設けた。その他の構成要素は、図６に示した半導体装置と同一であり、説明を省略する。

以上説明したように、本発明の第３の実施の形態の変形例によれば、ベースプレート（金属板３５）が半導体チップ２の配線としての機能を持ち、かつ絶縁層３６で半導体チップ２の電気的絶縁を図ることができる。

また、図１のセラミックス基板３３部分の熱抵抗が無くなるので、図１の半導体装置に比べてさらに半導体チップ２を低熱抵抗で冷却できると共に、一般的に高コストなセラミックス基板３３を用いないことにより低コスト化を図ることが可能となる。

更に、金属板３５裏面の絶縁層３６上に小面積の放熱フィン１９を接着することにより、接着界面で生じる応力を小さく抑え、かつ一般に応力緩和機能を有する接着剤３４により、信頼性上の懸念は生じさせない。なお、第１実施の形態と同様に、ベースプレート（金属板３５）とヒートシンク８の材料の間で熱膨張係数が異なっても、熱応力よる信頼性上の懸念は生じない。

（第４の実施の形態）
図８に示すように、本発明の第４の実施の形態に係わる半導体装置において、ゴム部材３７は、本体部３の接合面１６上に延伸されている。具体的には、ゴム部材３７の内周は、第１の開孔部９の側面に沿って嵌め込まれ、そのまま接合面１６上に延伸されて、ゴム部材３７の外周端が本体部３の側面にまで達している。したがって、ベースプレート１は、本体部３の接合面１６の上にゴム部材３７を介して配置され、押さえ部４及び本体部３はゴム部材３７及びベースプレート１を挟み込んでいる。その他の構成要素は、図５に示した半導体装置と同一であり、説明を省略する。

以上説明したように、本発明の第４の実施の形態によれば、ゴム部材３７とベースプレート１及び本体部３との間の接触面積が増えるので、さらに確実に冷媒漏れを防止することができる。なお、発熱体である半導体チップ２に対応する位置にゴム部材３７は配置されないため、半導体チップ２の低熱抵抗化に全く影響を与えない。

（第５の実施の形態）
図９に示すように、本発明の第５の実施の形態に係わる半導体装置において、半導体チップはモールド樹脂３８により封止され、ベースプレート１は、モールド樹脂３８により封止された半導体チップが接合された金属板３５から成るヒートスプレッダと、金属板３５の第２の主面１５ｂ側に配置された絶縁層３６とを備える。その他の構成要素は、図７に示した半導体装置と同一であり、説明を省略する。

以上説明したように、本発明の第５の実施の形態によれば、モールド樹脂３８によりパッケージ封止された半導体チップをベースプレート１上に実装して、上述した第１乃至第４の実施の形態に係わる半導体装置と同様な作用効果を生じせしめることができる。一般的に、モールド樹脂３８によりパッケージ封止された半導体チップは、金属板３５からなるヒートスプレッダの第１の主面１５ａ上に半導体チップ２を実装し、半導体チップ２の近傍をモールド樹脂３８等で封止することにより製造される。このため、絶縁層３６の裏面と本体部３の接合面１６等は半田付けなどで容易に接合できる。

また、放熱フィン１９を接着剤３４により絶縁層３６の第２の主面１５ｂに接合することで、ヒートスプレッダとベースプレートの半田付け接合部位に影響を与えない。

さらに、一般的に工業的に多く生産され低コスト化を図り易いモールド樹脂パッケージ封止の半導体チップを低熱抵抗で冷却することが可能となる。

（第６の実施の形態）
図１０に示すように、本発明の第６の実施の形態に係わる半導体装置において、ベースプレート１の第１の主面１５ａ側に、複数の半導体チップがモールド樹脂により封止された密閉体としてのモジュール３９が配置され、本体部３と押さえ部４は、ベースプレート１及びモジュール３９を挟み込んでいる。ベースプレート１は、その第１の主面１５ａ上に複数の半導体チップ２が実装されていると共にモールド樹脂により封止された密閉体３９の支持基板である。

また、押さえ部４の端部はコの字型形状を有し、本体部３及びベースプレート１の側面はコの字型形状の内部に差し込まれている。即ち、ヒートシンク８の接合面１６は、複数の半導体チップの各々の位置に対応する部分が開孔されている。ベースプレート１の第２の主面１５ｂ上には、複数の半導体チップの各々の位置に対応する部分に前述の凸部（放熱フィン）１９が配置されている。密閉モジュール体３９とヒートシンク８とは、接着またはネジ２７等の圧接部材により接合されている。第１の開孔部９は、複数の半導体チップ２が配置されている位置にそれぞれ対応して形成されている。凸部（放熱フィン）１９及びゴム部材３１も複数の半導体チップ２が配置されている位置にそれぞれ対応して配置されている。更に、仕切り板５には、複数の半導体チップ２が配置されている位置にそれぞれ対応して第２の開孔部１０が形成されている。

その他の構成要素は、図８に示した半導体装置と同一であり、説明を省略する。

以上説明したように、本発明の第６の実施の形態によれば、電力用半導体チップを樹脂によりパッケージングした、いわゆるパワーモジュール内の電力用半導体チップを低熱抵抗で冷却できる。一般的に工業的に多く生産され低コスト化を図り易いパワーモジュールにおいて、電力用半導体チップの冷却における低熱抵抗化を図ることが可能となる。

また、モジュール３９内の半導体チップのそれぞれに対応する位置に放熱フィン１９を接着することにより、パワーモジュールの構造を変えずに、かつ高温印加工程による半導体チップの性能悪化の懸念も一切無く、容易に本構成を実現できる。結果として、より一層低コスト化を図ることが可能になる。

更に、モジュール３９とヒートシンク８とを接着により接合すれば、これらの接着接合を容易に行なえる。或いは、モジュール３９とヒートシンク８とをネジ２７等の圧接部材により接合させる場合は、より一層強固にこれらを接合でき、冷媒漏れを更に確実に防止できる。

更に、一般的に、パワーモジュールにはネジ留め用の開孔部があるので、新規にパワーモジュールを加工することに伴うコストは発生しない。また、冷媒漏れ防止機構は前述の放熱フィン１９と第１の開孔部９との接触により実現される。したがって、ネジ留めを多数行なう必要は無く、装置全体の面積の増加を避けつつ、低熱抵抗化と低コスト化を実現することが出来る。

更に、全ての半導体チップ２に対応する位置に大きな１つの開孔部を形成した場合、その開口部分の面積が大きくなる。結果としてベースプレート１の裏面に加重される冷媒圧力も大きなり、ベースプレート１とヒートシンク８との接合面１６における冷媒漏れを防止することが困難になる。これに対して、本発明の第６の実施の形態に係わる半導体装置によれば、小面積の複数の第１の開孔部９を形成することにより、ベースプレート１の裏面に加重される冷媒圧力が小さくなり、ベースプレート１とヒートシンク８の接合面１６との接合部における冷媒漏れを確実に防止することができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、本発明の第１乃至第６の実施の形態及びその変形例によって記載したが、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。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

以上説明したように、本発明の第１乃至第６の実施の形態によれば、製造工程上の特に困難な部分や半導体チップ２の性能を悪化させるような工程を用いず、且つシリコングリスなど熱抵抗の大きい領域を介さずに、半導体チップ２を低熱抵抗で冷却できる半導体装置を提供することが出来る。

また、従来は信頼性上の懸念となる可能性が大きかった、ベースプレート１と第１の開孔部９との接合部分における冷媒漏れ防止に関しても、より一層確実に当該冷媒漏れ防止を図かることができる。

更に、冷媒が直接ベースプレート１の第２の主面１５ｂに接触する面積が小さいので、冷媒圧力による加重が小さい。このため、上述の冷媒漏れ防止効果がさらに向上する。また、各構成材料の熱膨張係数の相違による熱応力による信頼性懸念も回避できる。

本発明は、例えば、電気自動車用モータなどの負荷としての交流モータを駆動するために供せられるインバータ装置として産業上利用することが出来る。

本発明の第１の実施の形態に係わる半導体装置を示す断面図である。 第１の冷媒室からベースプレート側を見たときの平面図である。 図３（ａ）は放熱フィンがある場合における半導体チップの近傍の断面構造概略を示す模式図であり、図３（ｂ）は放熱フィンがある場合における単位面積あたりの冷却能力を示すグラフである。 図４（ａ）は放熱フィンがない場合における半導体チップの近傍の断面構造概略を示す模式図であり、図４（ｂ）は放熱フィンがない場合における単位面積あたりの冷却能力を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係わる半導体装置を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係わる半導体装置を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態の変形例に係わる半導体装置を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係わる半導体装置を示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係わる半導体装置を示す断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係わる半導体装置を示す断面図である。

符号の説明

１…ベースプレート
２…半導体チップ
３…本体部
４…押さえ部
５…仕切り板
８…ヒートシンク
９…第１の開孔部
１０…第２の開孔部
１１…冷媒室
１２…第１の冷媒室
１３…第２の冷媒室
１５ａ…第１の主面
１５ｂ…第２の主面
１６…接合面
１９…凸部（放熱フィン）
２７…ネジ
３１…ゴム部材
３２、３７…接着層
３３…セラミックス基板
３４…接着剤
３５…金属板
３６…絶縁層
３８…モールド樹脂
３９…密閉体（モジュール）

Claims (15)

1. 第１の主面と第１の主面に対向する第２の主面とを有するベースプレートと、
   前記第１の主面に接合された半導体チップと、
   前記第２の主面に接合された接合面を有する本体部を備えるヒートシンクと、
   前記第２の主面のうち前記半導体チップの端部に対応する位置近傍に配置された環状または枠状の凸部とを有し、
   前記接合面には前記半導体チップが配置されている位置に対応して第１の開孔部が形成され、前記本体部の内部と前記第１の開孔部から表出した前記第２の主面及び前記凸部とで囲まれた領域で定義される冷媒室を流通する冷媒は前記第１の開孔部を介して前記第２の主面及び前記凸部に直接接触し、前記凸部の側面は前記第１の開孔部の側面に接していることを特徴とする半導体装置。
2. 前記ヒートシンクは、前記本体部の内部に前記ベースプレートに平行に配置された仕切り板を更に有し、前記仕切り板は、前記半導体チップが配置されている位置に対応して第２の開孔部を有し、前記冷媒室は、前記仕切り板を境にして前記ベースプレート側に位置する第１の冷媒室と第２の冷媒室とに分けられ、前記冷媒は前記第２の冷媒室から前記第２の開孔部を経て前記第１の冷媒室へ流れることにより前記第１の開孔部を経て前記第２の主面に衝突することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記凸部は放熱フィンであることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
4. 前記放熱フィンは接着により前記ベースプレートに接合されていることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
5. 前記第１の開孔部の側面に沿って配置されたゴム部材を更に有し、前記凸部の側面は前記ゴム部材を介して前記第１の開孔部の側面に接していることを特徴とする請求項１乃至４何れか１項記載の半導体装置。
6. 前記ベースプレートは、接着により前記ヒートシンクに接合されていることを特徴とする請求項１乃至５何れか１項記載の半導体装置。
7. 前記ヒートシンクは、前記第１の主面の外周部分に配置された押さえ部を更に有し、前記本体部及び前記押さえ部が前記ベースプレートを挟むことを特徴とする請求項１乃至６何れか１項記載の半導体装置。
8. 前記押さえ部と前記本体部とを圧接接合する固定部品を更に有することを特徴とする請求項７記載の半導体装置。
9. 前記半導体チップと前記ベースプレートとの間に配置されたセラミックス基板を更に有することを特徴とする請求項１乃至８何れか１項記載の半導体装置。
10. 前記ベースプレートは、セラミックス基板、或いはセラミックス基板及び金属部材の積層基板からなることを特徴とする請求項１乃至８何れか１項記載の半導体装置。
11. 前記ベースプレートは、前記半導体チップが接合された金属板と、前記金属板の前記第２の主面側に配置された絶縁層とを備えることを特徴とする請求項１乃至８何れか１項記載の半導体装置。
12. 前記ゴム部材は、前記本体部の接合面上に延伸されていることを特徴とする請求項５乃至１１何れか１項記載の半導体装置。
13. 前記半導体チップはモールド樹脂により封止されていることを特徴とする請求項１乃至１２何れか１項記載の半導体装置。
14. 前記ベースプレートの前記第１の主面に、複数の半導体チップがモールド樹脂により封止された密閉体としてのモジュールが配置され、前記本体部と前記押さえ部は、前記ベースプレート及び前記モジュールを挟み込むことを特徴とする請求項７又は８記載の半導体装置。
15. 前記半導体装置は、負荷としての交流モータを駆動する為に供せられるインバータ装置からなることを特徴とする請求項１乃至１４何れか１項記載の半導体装置。