JP2013115201A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の発する熱の熱伝導率の低下を抑制しつつ、熱応力を緩和すること。
【解決手段】半導体モジュールは、回路基板と、回路基板上に半田付けにより接合された半導体素子と、回路基板に接合されたフィンユニット１３とから構成されている。回路基板は、セラミックス基板１４の表裏両面に表金属板と裏金属板１６を接合して構成されている。裏金属板１６には、側面視凹凸形状をなすフィンユニット１３が接合されている。裏金属板１６には、半導体素子の発する熱により生じる熱応力を緩和する第１の溝２２が形成されている。凸部１３ａにおいて第１の溝２２と対向する部分には、半導体素子の発する熱により生じる熱応力を緩和する第２の溝２１が形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、基材層の表面に配線層を形成するとともに裏面に熱媒体により熱交換されるフィンを接合した回路基板と、配線層に接合された半導体素子と、を備えた半導体装置に関する。

この種の半導体装置としては、例えば、特許文献１に記載の半導体装置が挙げられる。特許文献１では、絶縁基板（セラミックス基板）の表面に配線層となる金属板を接合するとともに裏面に接合層となる金属板を接合し、表面側の金属板には半導体素子を接合する一方で、裏面側の金属板には半導体素子の発する熱を放熱する放熱装置（ヒートシンク）を接合して半導体装置を構成している。

特開平９−８２８４４号公報

ところで、半導体装置においては、半導体素子の発する熱をヒートシンクに適切に伝導させることが望まれている。また、使用条件によっては絶縁基板とヒートシンクとの線膨張係数の相違に起因して発生する熱応力によってセラミックス基板と裏面側の金属板との接合部にクラックが生じたり、クラックの伸展による剥離が生じ、放熱性能が低下するおそれがある。

本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、半導体素子の発する熱の熱伝導率の低下を抑制しつつ、熱応力を緩和することができる半導体装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、基材層の表面に配線層を形成するとともに裏面に熱媒体と熱交換を行うフィンを接合した回路基板と、前記配線層に接合された半導体素子と、を備えた半導体装置であって、前記基材層において前記フィンが接合される部分には第１の溝が延設され、前記フィンには前記第１の溝に対応させるように前記第１の溝の延設方向に沿って第２の溝が形成されることを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置において、前記フィンには、前記第１の溝と対向する部分若しくは前記第１の溝と対向する部分から前記第１の溝の延設方向に沿う部分に第２の溝が形成されることを要旨とする。

請求項１及び請求項２に記載の発明によれば、半導体素子が発する熱は、配線層及び基材層を介してフィンに伝導し、フィンにより適切な放熱がなされる。この際、フィンにおいて第２の溝が形成されている部分には、熱が伝導されないため、フィンが接合される部分のうち第２の溝と対応する部分に第１の溝を形成しても、基材層からフィンへの熱伝導率の低下は少ない。また、半導体素子の発熱により生じる熱応力は、フィンに形成された第２の溝により緩和される。また、半導体素子の発熱により生じる熱応力は、基材層に形成された第１の溝により更に緩和される。したがって、半導体素子の発する熱の熱伝導率の低下を抑制しつつ、熱応力を緩和することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の半導体装置において、前記第２の溝は、前記フィンの先端側に開口されていることを要旨とする。
請求項３に記載の発明によれば、フィンの剛性が低下する。したがって、フィンが変形しやすく、熱応力をより適切に緩和することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のうちいずれか１項に記載の半導体装置において、前記基材層は、絶縁層と、前記絶縁層にフィンを接合する接合層からなるとともに、前記接合層に前記第１の溝が形成されていることを要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、フィンは、接合層により適切に絶縁層に接合される。したがって、フィンは絶縁層から剥離しにくい。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の半導体装置において、前記第１の溝は、前記接合層において前記フィンが接合される面に形成されることを要旨とする。

請求項５に記載の発明によれば、第１の溝は、接合層においてフィンが接合される面に形成されるため、絶縁層と接合層の接触面積が減ることがない。このため、半導体素子の発する熱のフィンへの熱伝導を阻害しにくく、熱伝導率が向上される。

本発明によれば、半導体素子の発する熱の熱伝導率の低下を抑制しつつ、熱応力を緩和することができる。

半導体装置を具体化した半導体モジュールの斜視図。 裏金属板とフィンの関係を示す分解斜視図。 裏金属板を裏面から見た平面図。 図３のＡ１−Ａ１線断面図。 図３のＡ２−Ａ２線断面図。 別例の半導体モジュールの裏金属板を裏面から見た平面図。 別例の半導体モジュールに用いられるフィンと裏金属板の関係を示す斜視図。

以下、本発明の半導体装置を具体化した一実施形態について図１〜図５にしたがって説明する。
図１に示すように、半導体装置としての半導体モジュール１０は、回路基板１１と、回路基板１１上に半田付けにより接合された半導体素子１２と、回路基板１１に接合された複数のフィンユニット１３とから構成されている。回路基板１１は、絶縁層として機能するセラミックス基板１４の表裏両面に表金属板１５と裏金属板１６を接合して構成されている。セラミックス基板１４は、図１において上側が半導体素子１２の搭載面となる表面側とされており、半導体素子１２の搭載面には配線層として機能する表金属板１５が接合されている。そして、半導体素子１２は、半田層Ｈ１を介して表金属板１５に接合されている。半導体素子１２としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やダイオードが用いられている。

一方、セラミックス基板１４には、図１において下側となる裏面側にセラミックス基板１４とフィンユニット１３とを接合する接合層として機能する裏金属板１６が接合されている。本実施形態では、セラミックス基板１４及び裏金属板１６が、基材層として機能している。

そして、裏金属板１６には、裏金属板１６との対向面が開口されたケース１８がフィンユニット１３を囲むように接合される。これにより、ケース１８と裏金属板１６は熱媒体が流通する流通領域Ｓ１を形成する。したがって、裏金属板１６は、接合層として機能することに加え、ケース１８の開口部を閉じる蓋としても機能している。また、裏金属板１６とケース１８との接合部には、図示しないシール部材が設けられている。

図２に示すように、フィンユニット１３は、平板状の部材に一定間隔ごとに凸部１３ａを形成してなる。したがって、フィンユニット１３には、複数の凸部１３ａが一定間隔毎に並設されている。本実施形態では、複数の凸部１３ａが並設される方向（裏金属板１６の左右辺に沿う方向）がフィンユニット１３の延設方向となる。そして、各凸部１３ａがフィンとして機能している。一定間隔毎に形成された凸部１３ａは、平板状の接続部１３ｂによって接続されている。これにより複数のフィン（凸部１３ａ）を接続してなる一つのフィンユニット１３が構成されている。隣接する凸部１３ａの間には、凹部が形成されており、これにより、フィンユニット１３は、側面視凹凸形状をなしているフィンとして機能している。本実施形態では、接続部１３ｂが裏金属板１６に接合されている。そして、裏金属板１６に接合される側の端部（接続部１３ｂ）が基端となり、基端と逆側の端部となる凸部１３ａの端部が先端側となる。

図３に示すように、フィンユニット１３は、延設方向の長さが裏金属板１６における対向する２辺（図３の上下辺）間の距離よりも短く形成されている。以下の説明において、図３において上側に位置する辺を上辺、下側に位置する辺を下辺、左側に位置する辺を左辺、右側に位置する辺を右辺として説明を行う。

裏金属板１６には、半導体素子１２の発する熱による熱応力を緩和するための第１の溝２２及びフィン間溝２３が交互に延設されている。第１の溝２２及びフィン間溝２３は、裏金属板１６の左右辺と平行に延設されている。第１の溝２２及びフィン間溝２３は、一直線状をなすように延設されており、その長さはフィンユニット１３の延設方向の長さと同一とされている（図４参照）。すなわち、第１の溝２２及びフィン間溝２３の長さは、裏金属板１６における対向する２辺（上下辺）間の距離よりも短めに形成されている。図５に示すように、第１の溝２２及びフィン間溝２３の断面形状は、台形状をなしており、短辺がセラミックス基板１４側に位置するとともに、長辺がフィンユニット１３側に位置している。また、第１の溝２２及びフィン間溝２３は、フィンユニット１３の接合される面（裏金属板１６の裏面）に形成されている。第１の溝２２及びフィン間溝２３は、このように形成されることにより、裏金属板１６の裏面側（フィンユニット１３の接合される面）に向かって拡幅している。

図３に示すように、フィンユニット１３の凸部１３ａにおいてフィンユニット１３の延設方向と直交する方向の略中央には、半導体素子１２の発する熱による熱応力を緩和する第２の溝２１が形成されている。第２の溝２１は、フィンユニット１３の延設方向に延びるように形成されている。また、第２の溝２１は、フィンユニット１３の先端側となる凸部１３ａの端部に開口するように形成されている。第２の溝２１は、スリット状に形成されている。一方、接続部１３ｂには第２の溝２１が形成されていない。すなわち、第２の溝２１は、延設方向に沿って連続的に形成されておらず、凸部１３ａ間の接続部１３ｂにより断続的に形成されている。

上記のように構成されたフィンユニット１３は、裏金属板１６の対向する２辺（裏金属板１６の左右辺）と平行をなすように配設されている。隣接するフィンユニット１３同士は、所定の間隔を空けて配設されている。また、隣接するフィンユニット１３は互い違いに、すなわち、隣接するフィンユニット１３同士の凸部１３ａと接続部１３ｂが隣り合うように配設されている。流通領域Ｓ１を流通する熱媒体は、フィンユニット１３の配設方向に流通する。したがって、フィンユニット１３は、熱媒体の流通方向に複数配設されていると捉えることもできる。

図４に示すように、裏金属板１６にフィンユニット１３が接合された状態で、第１の溝２２は、フィンユニット１３が接合される部分（接続部１３ｂと対向する部分）に加え、接合されない部分（凸部１３ａと対向する部分）にも形成されている。また、第２の溝２１は、第１の溝２２と対応するように形成されている。詳細にいえば、フィンユニット１３の凸部１３ａには、第１の溝２２と対向する部分に第２の溝２１が形成され、これにより第１の溝２２と第２の溝２１は対応している。第２の溝２１の延設方向に沿う線を仮想線Ｌ１とし、第１の溝２２の延設方向に沿う線を仮想線Ｌ２とすると、フィンユニット１３は、仮想線Ｌ１と仮想線Ｌ２が対向するように裏金属板１６に接合されている。

また、図３に示すように、裏金属板１６にフィンユニット１３が接合された状態で、フィン間溝２３は、隣接するフィンユニット１３の間に位置するように形成されている。すなわち、裏金属板１６には、複数のフィンユニット１３において隣接するフィンユニット１３とフィンユニット１３の間に、フィン間溝２３が形成されている。

フィンユニット１３は、延設方向の長さが裏金属板１６に上辺から下辺までの長さよりも短く形成されている。また、第１の溝２２及びフィン間溝２３の長さは、フィンユニット１３の延設方向へ長さと同一とされていることから、裏金属板１６における外周部には、第１の溝２２及びフィン間溝２３が形成されない非形成領域Ａが形成されている。非形成領域Ａには、ケース１８と裏金属板１６をシールする図示しないシール部材が設けられている。

次に、本実施形態の半導体モジュール１０の作用について説明する。
このように、構成した半導体モジュール１０は、例えば電動モータを駆動源の一部とするハイブリッドカーなどの車両に適用されることにより、車両の運転状況に応じて電動モータに供給する電力を制御する。そして、半導体モジュール１０が駆動されると、半導体素子１２が熱を発する。半導体素子１２が発した熱は、表金属板１５、セラミックス基板１４、裏金属板１６に伝導し、裏金属板１６とフィンユニット１３との接合部（接続部１３ｂ）を介してフィンユニット１３の凸部１３ａに伝導する。裏金属板１６からフィンユニット１３に熱が伝導する際には、第１の溝２２がフィンユニット１３に向かって拡幅していることから、熱がフィンユニット１３に誘導される。そして、フィンユニット１３は、流通領域Ｓ１を流通する熱媒体と熱交換を行うことにより冷却される。第１の溝２２及びフィン間溝２３は、裏金属板１６に形成されているため、熱媒体とセラミックス基板１４との接触が防止されている。

半導体素子１２から発せられた熱がフィンユニット１３に伝わった際には、回路基板１１及びフィンユニット１３は高温となり、熱膨張する。一方、半導体素子１２からの発熱が停止すると、回路基板１１及びフィンユニット１３の温度は、常温まで低下し、熱収縮する。そして熱膨張及び熱収縮の際には、各部材の線膨張係数の相違に起因し、熱応力が発生する。

本実施形態では、フィンユニット１３に第２の溝２１を形成していることから、半導体素子１２の発する熱による熱応力が緩和される。さらに、裏金属板１６には、第１の溝２２及びフィン間溝２３が形成されているため、半導体素子１２の発する熱による熱応力は更に緩和される。

また、フィンユニット１３において、第２の溝２１が形成されている部分には、熱が伝導されない。このため、裏金属板１６のフィンユニット１３が接合される面において第２の溝２１と対向する部分に第１の溝２２を形成しても、熱伝導率の低下が少ない。同様に、裏金属板１６において、各フィンユニット１３が接合されない部分である隣接するフィンユニット１３の間にフィン間溝２３を形成しても、熱伝導率の低下が少ない。

したがって、上記実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
（１）裏金属板１６に第１の溝２２を延設するとともに、フィンユニット１３において第１の溝２２と対向する部分に第２の溝２１を形成している。フィンユニット１３において第１の溝２２と対向する部分に第２の溝２１を形成しても、裏金属板１６からフィンユニット１３への熱伝導率の低下は少ない。このため、半導体素子１２の発する熱は適切に放熱される。また、半導体素子１２の発熱により生じる熱応力は、第２の溝２１により緩和され、第１の溝２２により更に緩和される。したがって、半導体素子１２の発熱により生じる熱応力を緩和することができる。このため、半導体モジュール１０の駆動時などにおける反りやクラックの発生が防止される。

（２）第２の溝２１は、裏金属板１６においてフィンユニット１３の先端側（凸部１３ａの端部）に開口するように形成されているため、フィンユニット１３の剛性が低下する。このため、フィンユニット１３は変形しやすく、熱応力を適切に緩和することができる。

（３）基材層は、裏金属板１６とセラミックス基板１４とから構成されている。裏金属板１６は、セラミックス基板１４とフィンユニット１３を接合するための接合層として機能するため、フィンユニット１３は、適切にセラミックス基板１４に接合される。このため、フィンユニット１３がセラミックス基板１４から剥離しにくく、接合信頼性が向上される。また、セラミックス基板１４と熱媒体が直接接触しないため、セラミックス基板１４が耐性を有さない熱媒体を利用してフィンユニット１３を冷却することができる。

（４）裏金属板１６に第１の溝２２を形成している。このため、セラミックス基板１４に直接第１の溝２２を形成する必要がなく、セラミックス基板１４の脆性が増すことがない。

（５）裏金属板１６において隣接するフィンユニット１３の間には、フィン間溝２３が形成されている。このため、フィン間溝２３により半導体素子１２の発熱により生じる熱応力が緩和される。また、裏金属板１６のフィンユニット１３が接合される面において、各フィンユニット１３が接合されない部分である隣接するフィンユニット１３の間にフィン間溝２３を形成しても、熱伝導率の低下が少ない。このため、裏金属板１６からフィンユニット１３への熱伝導率の低下が抑制される。すなわち、熱伝導率の低下を抑えつつ、熱応力を緩和することができる。したがって、半導体素子１２の発熱による反りやクラックの発生が防止される。

（６）第１の溝２２及びフィン間溝２３は裏金属板１６の裏面側（フィンユニット１３の接合される面）に向かって拡幅している。このため、熱源となる半導体素子１２が発する熱は、適切にフィンユニット１３に誘導され、熱伝導率が向上される。

（７）第１の溝２２及びフィン間溝２３は、裏金属板１６の裏面側（フィンユニット１３の接合される面）に形成されている。このため、セラミックス基板１４と裏金属板１６の接触面積が減ることがなく、半導体素子１２が発する熱の伝導が阻害されにくく、熱伝導率が向上される。

（８）裏金属板１６には非形成領域Ａが形成されている。非形成領域Ａには、ケース１８と裏金属板１６とのシール性を維持するためのシール部材が設けられる。このため、第１の溝２２及びフィン間溝２３が形成されない非形成領域Ａは、平坦な面となり、平坦な面にシール部材を設けることにより、裏金属板１６とケース１８を適切にシールすることができる。したがって、流通領域Ｓ１から熱媒体が漏れるのが防止される。

なお、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
○ 実施形態において、第１の溝２２は、裏金属板１６においてフィンユニット１３が接合される部分（接続部１３ｂと対向する部分）にのみ形成されていてもよい。この場合、フィンユニット１３の凸部１３ａには、第１の溝２２と対向する部分から第１の溝２２の延設方向に沿う部分に形成されることになり、これにより第１の溝２２と第２の溝２１は対応している。また、この場合であっても、フィンユニット１３は、第１の溝２２の延設方向に沿う仮想線Ｌ２と、第２の溝２１の延設方向に沿う仮想線Ｌ１が対向するように裏金属板１６に接合される。

○ 実施形態においてセラミックス基板１４のみを基材層としてもよい。この場合、第１の溝２２及びフィン間溝２３は、セラミックス基板１４に形成される。
○ 実施形態において、裏金属板１６には、第１の溝２２のみが形成されていてもよい。すなわち、フィン間溝２３を形成しなくてもよい。

○ 実施形態において、フィンユニット１３に形成される第２の溝２１は、フィンユニット１３の凸部１３ａの端部に開口するように形成されていなくてもよい。例えば、凸部１３ａの側面にのみ第２の溝２１が形成されていてもよいし、裏金属板１６と接合される部分（接続部１３ｂ）に第２の溝２１が形成されていてもよい。この場合であっても、フィンユニット１３は、第１の溝２２の延設方向に沿う仮想線Ｌ２と、第２の溝２１の延設方向に沿う仮想線Ｌ１が対向するように裏金属板１６に接合される。

○ 実施形態において、第１の溝２２及びフィン間溝２３の断面形状は、台形状以外であってもよい。例えば、三角形状であってもよい。この場合、フィンユニット１３側を底辺とし、セラミックス基板１４側を頂点とする三角形状とすることにより、第１の溝２２及びフィン間溝２３は、セラミックス基板１４側からフィンユニット１３側に向かって拡幅する。

○ 実施形態において、ケース１８を接合しなくてもよい。
○ 実施形態において、第１の溝２２及びフィン間溝２３は、裏金属板１６における半導体素子１２の対応する部分、すなわち半導体素子１２の直下領域に形成されていなくてもよい。換言すれば、第１の溝２２及びフィン間溝２３は裏金属板１６における半導体素子１２に対応する部分以外の領域に形成されていてもよい。裏金属板１６における半導体素子１２に対応する部分には、半導体素子１２の発する熱が最も伝導される。このため、裏金属板１６における半導体素子１２に対応する部分に第１の溝２２及びフィン間溝２３を形成しないことにより、半導体素子１２の発する熱が適切にフィンユニット１３に伝導され、熱伝導率が向上される。また、凸部１３ａにおいて半導体素子１２の対応する部分には、第２の溝２１を形成しなくてもよい。これにより、熱伝導率が更に向上される。

○ 実施形態において、第１の溝２２及びフィン間溝２３の長さを長くしてもよい。なお、この場合、第１の溝２２及びフィン間溝２３の長さは、シール部材を設けるための非形成領域Ａを確保するために、裏金属板１６の対向する２辺間の距離よりも短くすることが望ましい。

○ 図６に示すように、各フィンユニット１３の一部が隣接するフィンユニット１３と接合されていてもよい。この場合、裏金属板１６にフィンユニット１３を接合する際にフィンユニット１３が配置しやすくなる。図６に示すフィンユニット１３においては、隣接するフィンユニット１３における凸部１３ａ同士が接合部３０によって接合されている。

○ 実施形態において、フィンユニット１３は他の形状をなしていてもよい。例えば、図７に示すように、裏金属板１６に複数の板状のフィン４１を接合してもよい。裏金属板１６には、一直線状をなす第１の溝２２が形成されている。フィン４１には、先端部４２から基端部４３に向かって第２の溝４４が形成されている。第２の溝４４は、第１の溝２２と対向するように形成されることにより、第１の溝２２と第２の溝４４は対応している。また、左右辺に沿って並設されたフィン４１の第２の溝４４の延設方向に沿う仮想線Ｌ３は、第１の溝２２の延設方向に沿う仮想線Ｌ２と対向する。なお、第１の溝２２は、図に示すように左右辺に沿って並設されたフィン４１よりも外側まで延設されていてもよい。また、第１の溝２２は、フィン４１が接合される部分にのみ形成されていてもよい。

１０…半導体モジュール、１２…半導体素子、１３…フィンユニット、１３ａ…凸部、１４…セラミックス基板、１５…表金属板、１６…裏金属板、２２…第１の溝、２１，４４…第２の溝、２３…フィン間溝、４１…フィン、４２…先端部。

Claims (5)

1. 基材層の表面に配線層を形成するとともに裏面に熱媒体と熱交換を行うフィンを接合した回路基板と、前記配線層に接合された半導体素子と、を備えた半導体装置であって、
   前記基材層において前記フィンが接合される部分には第１の溝が延設され、
   前記フィンには前記第１の溝に対応させるように前記第１の溝の延設方向に沿って第２の溝が形成されることを特徴とする半導体装置。
2. 前記フィンには、前記第１の溝と対向する部分若しくは前記第１の溝と対向する部分から前記第１の溝の延設方向に沿う部分に第２の溝が形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第２の溝は、前記フィンの先端側に開口されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記基材層は、絶縁層と、前記絶縁層にフィンを接合する接合層からなるとともに、前記接合層に前記第１の溝が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のうちいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記第１の溝は、前記接合層において前記フィンが接合される面に形成されることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。