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JP2003124415A - 半導体チップの冷却方法および半導体装置 - Google Patents

半導体チップの冷却方法および半導体装置

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Publication number
JP2003124415A
JP2003124415A JP2001315746A JP2001315746A JP2003124415A JP 2003124415 A JP2003124415 A JP 2003124415A JP 2001315746 A JP2001315746 A JP 2001315746A JP 2001315746 A JP2001315746 A JP 2001315746A JP 2003124415 A JP2003124415 A JP 2003124415A
Authority
JP
Japan
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cooling
semiconductor chip
electrode
insulating plate
cooling electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001315746A
Other languages
English (en)
Inventor
Keiichi Nishihara
原 慶 一 西
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2001315746A priority Critical patent/JP2003124415A/ja
Publication of JP2003124415A publication Critical patent/JP2003124415A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体チップを十分に冷却することで、装置
の長期的信頼性の確保、小型化、コスト低減を達成す
る。 【解決手段】 半導体チップ１の表面が導体２を介して
冷却電極３に接続されている。冷却電極３は内部に冷却
媒体流路４を有し、気体又は流体が流通する。これによ
り、半導体チップ１の表面を十分に冷却することが可能
である。よって、半導体チップ１の小型化が可能であ
り、また装置の長期に渡る信頼性が確保される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体チップの冷却
方法及びそのような冷却構造を含む半導体装置に係わ
り、特に大電力を消費するパワーモジュールへの適用が
可能な冷却方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体デバイスのなかでも、ＩＧＢＴ
（Insulated Gate Bipolar Transistor）のような消費
電力の大きいパワーモジュールにおいては、冷却が重要
な課題となっている。
【０００３】従来の半導体装置は、図７に示されるよう
な構成を備えていた。放熱板１４の上に絶縁板１３が搭
載されており、この絶縁板１３上に銅パターン１２ａ、
１２ｂが形成されており、銅パターン１２ａ上に半導体
チップ１１が搭載されている。
【０００４】半導体チップ１１は、表面側にゲート及び
エミッタが配置され、銅パターン１２ａに接している裏
面側にコレクタが配置されている。コレクタは、銅パタ
ーン１２ａを介してコレクタ用外部取り出し電極２２ａ
に接続されており、エミッタは導体２２ｂ、銅パターン
１２ｂを介してエミッタ用外部取り出し電極２２ｃに接
続されている。
【０００５】絶縁板１３上に搭載された半導体チップ１
１は外囲器２１によって覆われており、外囲器２１の内
部はシリコン等を含有するゲル８によって充填されてい
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の半導体
装置における冷却構造では、半導体チップ１１の放熱は
銅パターン１２ａを介して裏面側からのみ行われてお
り、十分な冷却が得られなかった。
【０００７】その結果、半導体チップ内部に発生する熱
応力が高く長期的な信頼性が低いという問題があった。
また熱抵抗、及びスイッチング時に一気に熱が放出され
るときに抵抗として作用する過渡熱抵抗が大きく、半導
体チップ及び外囲器を含めた装置の小型化が困難でコス
ト低減の妨げとなっていた。
【０００８】本発明は上記事情に鑑み、半導体チップを
十分に冷却することが可能で、装置としての長期的信頼
性の確保、並びに装置の小型化、コスト低減が可能な半
導体チップの冷却方法及び半導体装置を提供することを
目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
放熱板と、前記放熱板上に、直接又は絶縁板を介して搭
載された半導体チップと、前記半導体チップの表面に、
直接又は導体を介して電気的かつ熱的に接続された冷却
電極と、前記冷却電極に接続された外部取り出し電極と
を備えたことを特徴とする。
【００１０】また本発明の半導体装置は、放熱板と、前
記放熱板上に搭載された絶縁板と、前記絶縁板上に形成
された導電膜と、前記導電膜上に搭載された半導体チッ
プと、前記半導体チップの表面に、直接又は導体を介し
て電気的かつ熱的に接続された冷却電極と、少なくとも
前記半導体チップ及び前記冷却電極を覆うように前記放
熱板上に設けられた外囲器と、前記冷却電極に電気的か
つ熱的に接続され、前記外囲器を貫通するように設けら
れた第１の外部取り出し電極と、前記導電膜に電気的か
つ熱的に接続され、前記外囲器を貫通するように設けら
れた第２の外部取り出し電極とを備えたことを特徴とす
る。
【００１１】前記冷却電極は、冷却用の媒体が流通し得
る流路を有することが望ましい。
【００１２】本発明の半導体装置は、放熱板と、前記放
熱板上に搭載された少なくとも一つの半導体チップ用絶
縁板と、前記放熱板上に搭載された冷却電極用絶縁板
と、前記半導体チップ用絶縁板上に形成された導電膜
と、前記導電膜上に搭載された半導体チップと、前記冷
却電極用絶縁板上に形成された裏面用冷却電極と、前記
裏面用冷却電極上に絶縁板を介して搭載された表面用冷
却電極と、前記導電膜と前記裏面用冷却電極との間を電
気的かつ熱的に接続する裏面用導体と、前記半導体チッ
プの表面と前記表面用冷却電極とを電気的かつ熱的に接
続する表面用導体と、少なくとも前記半導体チップ、前
記表面用冷却電極及び前記裏面用冷却電極を覆うように
前記放熱板上に設けられた外囲器と、前記表面用冷却電
極に電気的かつ熱的に接続され、前記外囲器を貫通する
ように設けられた外部取り出し電極とを備え、前記表面
用冷却電極、前記絶縁板、前記裏面用冷却電極により冷
却用の媒体が流通し得る流路が形成されていることを特
徴とする。
【００１３】前記放熱板は、冷却用の媒体が流通し得る
流路又は放熱フィンの少なくともいずれかを有すること
もできる。
【００１４】本発明の半導体チップの冷却方法は、放熱
板上に直接又は絶縁板を介して搭載された半導体チップ
を冷却する方法であって、前記半導体チップの表面に、
直接又は導体を介して電気的かつ熱的に冷却電極を接続
し、この冷却電極に電気的かつ熱的に外部電極を接続
し、前記冷却電極の内部に冷却用の媒体を流通させるこ
とにより、前記半導体チップの表面を冷却することを特
徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。
【００１６】（１） 第１の実施の形態 本発明の第１の実施の形態による半導体装置の冷却構造
について、その概略構成を示した図１を用いて説明す
る。
【００１７】半導体チップ１の表面と冷却電極３とが、
導体２を介して熱が伝導しうる状態で接合されている。
冷却電極３は管状の形状を有し、その内部が冷却媒体流
路４となっており、例えばヒートパイプが相当する。冷
却媒体流路４は気体又は液体の冷却媒体が通過し、冷却
電極３から伝わってきた熱を伝達し外部に放出する。導
体２は熱伝導性が良好な材料から成り、例えば銅、アル
ミニウム等により作成されている。
【００１８】ここで、半導体チップ１と冷却電極３とは
導体２を介して接合されているが、直接接合された構造
であってもよい。
【００１９】このような本実施の形態によれば、半導体
チップ１の表面から導体２、冷却電極３を介して放熱す
ることができる。よって、半導体チップ１を十分に冷却
することが可能であり、装置としての長期的信頼性を確
保すると共に、装置の小型化、コスト低減が実現され
る。
【００２０】（２） 第２の実施の形態 本発明の第２の実施の形態による半導体装置は、図２に
示された冷却構造を有している。
【００２１】放熱板１１４の上に絶縁板１１３が搭載さ
れており、絶縁板１１３上に銅パターン１１２ａ、１１
２ｂが形成されている。銅パターン１１２ａ上に半導体
チップ１１１が搭載されている。
【００２２】半導体チップ１１１は、表面側にゲート及
びエミッタが配置され、銅パターン１１２ａに接してい
る裏面側にコレクタが配置されている。コレクタは、銅
パターン１１２ａを介してコレクタ用外部取り出し電極
１２２ａに接続されている。エミッタには冷却電極１１
５が直接接合されており、この冷却電極１１５を介して
エミッタ用外部取り出し電極１２２ｂに接続されてい
る。ゲートは、銅パターン１１２ｂ上に接合されたゲー
ト用外部取り出し電極１２２ｃに、ボンディングワイヤ
１３１を介して電気的に接続されている。冷却電極１１
５は中空構造で内部に冷却媒体流路１１６を有し冷却媒
体が通過する。
【００２３】絶縁板１１３上に搭載された半導体チップ
１１１は外囲器１２１によって覆われており、外囲器１
２１の内部はシリコン等を含有するゲル１２３によって
充填されている。
【００２４】半導体チップ１１１の裏面側は、図７に示
された装置と同様に、銅パターン１１２ａ、絶縁板１１
３を介して放熱板１１４が接合されており、裏面側から
冷却される。
【００２５】さらに、半導体チップ１１１の表面側にお
いても、冷却電極１３１が接合されており、その冷却媒
体流路１１６を気体あるいは液体の冷却媒体が流れるこ
とにより放熱されるので、やはり冷却することができ
る。
【００２６】従って、本実施の形態によれば、半導体チ
ップ１の裏面側及び表面側から冷却することができるの
で、装置としての長期的信頼性の確保、及び装置の小型
化、コスト低減が実現される。
【００２７】（３） 第３の実施の形態 本発明の第３の実施の形態による半導体装置の冷却構造
を図３に示し、図３のＡ−Ａ線に沿う縦断面を図４に示
す。本実施の形態は、複数の半導体チップ２１１ａ、２
１１ｂを冷却するため、中央にバスバータイプの冷却電
極２１２ｂ、２１５ｂを配線した構造を有している。
【００２８】放熱板２１４の上に半導体チップ２１１
ａ、２１１ｂ、冷却電極２１２ｂ、２１５ｂ用にそれぞ
れ絶縁板２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃが搭載されてお
り、それぞれの絶縁板２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃ上
に銅パターン２１２ａ、冷却電極２１２ｂ、銅パターン
２１２ｃがそれぞれ形成されている。銅パターン２１２
ａ、２１２ｃ上に、半導体チップ２１１ａ、２１１ｂが
搭載されている。また、冷却電極２１２ｂ上には、絶縁
板２１５ｂが側板として設けられ、その上面を冷却電極
２１５ｂが覆うことで内部に冷却媒体流路２１６を形成
している。この冷却媒体流路２１６は、気体や液体の冷
却媒体が通過し、図４に示されたように流路外部接続部
２４０を介して図示されていない外部の放熱部との間を
流通する。液体を用いる場合には、図示されていないポ
ンプ等を用いて液体が冷却媒体流路２１６と外部の放熱
部との間を循環するようにすることが望ましい。気体を
用いる場合は、ファンを用いて外部から気体を冷却媒体
流路２１６に送り込むこともできる。
【００２９】半導体チップ２１１ａは、表面側にゲート
及びエミッタが配置され、銅パターン２１２ａに接して
いる裏面側にコレクタが配置されている。コレクタは、
銅パターン２１２ａを介して導体２３２ａを介して冷却
電極２１２ｂに接続され、さらに図中点線で示されたよ
うにコレクタ用外部取り出し電極２２２ａに接続され外
部に電気的に取り出される。エミッタには導体２３１ａ
が直接接合されており、この導体２３１ａ、冷却電極２
１５ｂを介してエミッタ用外部取り出し電極２２２ｂに
接続されている。ゲートは、図示されていないゲート用
外部取り出し電極にボンディングワイヤ等により電気的
に接続された状態で外部に取り出される。
【００３０】同様に、半導体チップ２１１ｂは、表面側
にゲート及びエミッタが配置され、銅パターン２１２ｃ
に接している裏面側にコレクタが配置されている。コレ
クタは、銅パターン２１２ｃを介し、さらに導体２３２
ｂを介して冷却電極２１２ｂに接続され、コレクタ用外
部取り出し電極２２２ａに接続されて外部に取り出され
る。エミッタには導体２３１ｂが直接接合されており、
この導体２３１ｂ、冷却電極２１５ｂを介してエミッタ
用外部取り出し電極２２２ｂに接続されている。ゲート
は、図示されていないゲート用外部取り出し電極にボン
ディングワイヤ等により電気的に接続された状態で外部
に取り出される。
【００３１】本実施の形態によれば、半導体チップ２１
１ａ、２１１ｂの表面が導体２３１ａ、２３１ｂを介し
て冷却電極２１５ｂに接続されている。よって、半導体
チップ２１１ａ、２１１ｂの表面側から発生した熱は冷
却電極２１５ｂに伝達し冷却媒体による放熱されるの
で、半導体チップ２１１ａ、２１１ｂの表面側からの十
分な冷却が可能である。
【００３２】半導体チップ２１１ａ、２１１ｂの裏面側
から発生した熱は、銅パターン２１２ａ、２１２ｃ、絶
縁板２１３ａ、２１３ｃを経由して放熱板２１４から放
熱され、十分に冷却される。
【００３３】このように本実施の形態によれば、複数の
半導体チップ２１１ａ、２１１ｂのそれぞれの表面側及
び裏面側が冷却電極２１５ｂ、２１２ｂに接続されてお
り、冷却媒体によって放熱することができるので、十分
な冷却が可能である。よって、装置としての長期的信頼
性の確保、並びに装置の小型化及びコスト低減を達成す
ることができる。
【００３４】上述した実施の形態はいずれも一例であっ
て、本発明を限定するものではない。例えば、上記第３
の実施の形態において、図３、図４に示された放熱板２
１４は平板状の形状を有している。しかし、放熱板２１
４の形状はこれに限らず、必要に応じて様々に変形する
ことができる。例えば、図５に示された放熱板３１４は
その内部に冷却媒体通路を内蔵しており、流路外部接続
部３１５ａ、３１５ｂを介して外部に設けられた図示さ
れていない放熱部との間を冷却媒体が流通するようにな
っている。ここで、冷却媒体は気体、液体のいずれであ
ってもよく、液体の場合はポンプ等を用いて外部の放熱
部との間で循環するようにすることが望ましい。放熱板
３１４をこのような構造とすることで、放熱板３１４に
よる冷却効果を一層向上させることができる。
【００３５】図６に示された放熱板４１４は外面に放熱
フィン４１５が設けられており、空冷構造を有してい
る。この場合にも、半導体チップ２１２ａ、２１２ｂか
ら発生した熱が放熱板４１４から効率よく放出されるの
で、冷却効果を高めることができる。また、図５に示さ
れた冷却媒体通路と図６に示された放熱フィン４１５と
を併せ持つように構成してもよい。
【００３６】上述した実施の形態では、半導体チップと
してＩＧＢＴを用いてるが、これに限らず冷却を必要と
する素子全体に幅広く本発明を適用することができる。
【００３７】上記実施の形態ではいずれも半導体チップ
が絶縁板を介して放熱板に搭載されている。しかし、絶
縁板を用いずに半導体チップを直接放熱板に搭載しても
よい。また、絶縁板を用いる場合、絶縁板上に銅パター
ンを形成しているが、銅以外の電気伝導性及び熱伝導性
のあるアルミニウム等の導電膜を形成してもよい。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体チ
ップの冷却方法及び半導体装置によれば、半導体チップ
の表面側を冷却することにより、熱抵抗及び過渡熱抵抗
が低減し、半導体チップの小型化、コスト低減が可能と
なり、またチップ内部に発生する熱応力を低減させるこ
とで長期的信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による半導体装置の
冷却構造を示した縦断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態による半導体装置の
冷却構造を示した縦断面図。
【図３】本発明の第３の実施の形態による半導体装置の
冷却構造を示した縦断面図。
【図４】図３におけるＡ−Ａ線に沿う断面を示した縦断
面図。
【図５】同第３の実施の形態による半導体装置の放熱板
の他の構造を示した縦断面図。
【図６】同第３の実施の形態による半導体装置の放熱板
のさらに他の構造を示した縦断面図。
【図７】従来の半導体装置の冷却構造を示した縦断面
図。
【符号の説明】
１、１１１、２１２ａ、２１２ｂ 半導体チップ ２、２３１ａ、２３１ｂ、２３２ａ、２３２ｂ 導体 ３、１１５、２１５ｂ 冷却電極 ４、１１６、２１６ 冷却媒体流路 １１２ａ、１１２ｂ、２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ
銅パターン １１３、２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃ、２１５ａ 絶
縁板 １１４、２１４、３１４、４１４ 放熱板 １２１、２２１ 外囲器 １２２ａ、２２２ａ コレクタ用外部取り出し電極 １２２ｂ、２２２ｂ エミッタ用外部取り出し電極 １２２ｃ ゲート用外部取り出し電極 １２３ ゲル １３１ ボンディングワイヤ ３１５ａ、３１５ｂ 流路外部接続部 ４１５ 放熱フィン

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】放熱板と、 前記放熱板上に、直接又は絶縁板を介して搭載された半
    導体チップと、 前記半導体チップの表面に、直接又は導体を介して電気
    的かつ熱的に接続された冷却電極と、 前記冷却電極に接続された外部取り出し電極と、 を備えたことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】放熱板と、 前記放熱板上に搭載された絶縁板と、 前記絶縁板上に形成された導電膜と、 前記導電膜上に搭載された半導体チップと、 前記半導体チップの表面に、直接又は導体を介して電気
    的かつ熱的に接続された冷却電極と、 少なくとも前記半導体チップ及び前記冷却電極を覆うよ
    うに前記放熱板上に設けられた外囲器と、 前記冷却電極に電気的かつ熱的に接続され、前記外囲器
    を貫通するように設けられた第１の外部取り出し電極
    と、 前記導電膜に電気的かつ熱的に接続され、前記外囲器を
    貫通するように設けられた第２の外部取り出し電極と、 を備えたことを特徴とする半導体装置。
  3. 【請求項３】前記冷却電極は、冷却用の媒体が流通し得
    る流路を有す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. 【請求項４】放熱板と、 前記放熱板上に搭載された少なくとも一つの半導体チッ
    プ用絶縁板と、 前記放熱板上に搭載された冷却電極用絶縁板と、 前記半導体チップ用絶縁板上に形成された導電膜と、 前記導電膜上に搭載された半導体チップと、 前記冷却電極用絶縁板上に形成された裏面用冷却電極
    と、 前記裏面用冷却電極上に絶縁板を介して搭載された表面
    用冷却電極と、 前記導電膜と前記裏面用冷却電極との間を電気的かつ熱
    的に接続する裏面用導体と、 前記半導体チップの表面と前記表面用冷却電極とを電気
    的かつ熱的に接続する表面用導体と、 少なくとも前記半導体チップ、前記表面用冷却電極及び
    前記裏面用冷却電極を覆うように前記放熱板上に設けら
    れた外囲器と、 前記表面用冷却電極に電気的かつ熱的に接続され、前記
    外囲器を貫通するように設けられた外部取り出し電極と
    を備え、 前記表面用冷却電極、前記絶縁板、前記裏面用冷却電極
    により冷却用の媒体が流通し得る流路が形成されている
    ことを特徴とする半導体装置。
  5. 【請求項５】前記放熱板は、冷却用の媒体が流通し得る
    流路又は放熱フィンの少なくともいずれかを有すること
    を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体
    装置。
  6. 【請求項６】放熱板上に直接又は絶縁板を介して搭載さ
    れた半導体チップを冷却する半導体チップの冷却方法に
    おいて、 前記半導体チップの表面に、直接又は導体を介して電気
    的かつ熱的に冷却電極を接続し、この冷却電極に電気的
    かつ熱的に外部電極を接続し、 前記冷却電極の内部に冷却用の媒体を流通させることに
    より、前記半導体チップの表面を冷却することを特徴と
    する半導体チップの冷却方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008251647A (ja) * 2007-03-29 2008-10-16 Shindengen Electric Mfg Co Ltd 電子部品の放熱構造
US10707196B2 (en) 2017-12-22 2020-07-07 Samsung Electronics Co., Ltd. Electronic device and method of manufacturing the electronic device

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