JP5136461B2

JP5136461B2 - 半導体装置

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Publication number: JP5136461B2
Application number: JP2009044554A
Authority: JP
Inventors: 昌吾森
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: JP2010199426A

Description

本発明は、半導体装置に関するものである。

半導体素子が実装された絶縁基板をヒートシンクに接合搭載し、半導体素子の発する熱を絶縁基板を介してヒートシンクに逃がす構成が知られている。この種の装置として、特許文献１において、図１２に示す構成が開示されている。図１２において、ヒートシンク１００の上面には絶縁基板（絶縁回路基板）１０１が接合され、絶縁基板１０１にはパワーデバイス１０２が実装され、また、ヒートシンク１００の下面には絶縁基板（絶縁回路基板）１０３が接合され、絶縁基板１０３にはパワーデバイス１０４が実装されている。

特開２００６−２９４９７１号公報

図１２に示す装置においては、パワーデバイス１０２の発する熱が絶縁基板１０１を介してヒートシンク１００内を流れる冷却流体に放熱されるとともにパワーデバイス１０４の発する熱が絶縁基板１０３を介してヒートシンク１００内を流れる冷却流体に放熱される。この構造において、絶縁基板１０１，１０３とヒートシンク１００の熱膨張係数の差に起因する熱応力を緩和したいという要望がある。また、パワーデバイス１０２，１０４の熱干渉、即ち、パワーデバイス１０２の発する熱がパワーデバイス１０４に伝わったりパワーデバイス１０４の発する熱がパワーデバイス１０２に伝わるのを抑制する必要がある。

本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、絶縁基板とヒートシンクの熱膨張係数の差に起因する応力を緩和するとともに半導体素子の熱干渉を抑制することができる半導体装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、セラミック基板の両面に金属層を形成してなる第１の絶縁基板と、前記第１の絶縁基板の一方の面に接合された第１の半導体素子と、セラミック基板の両面に金属層を形成してなる第２の絶縁基板と、前記第２の絶縁基板の一方の面に接合された第２の半導体素子と、中空状をなし、外表面に、前記第１の絶縁基板における前記第１の半導体素子の接合面とは反対の面側が配置固定され前記第１の絶縁基板を介して前記第１の半導体素子と熱的に結合するとともに、前記第１の絶縁基板の配置固定箇所とは反対の外表面に、前記第２の絶縁基板における前記第２の半導体素子の接合面とは反対の面側が配置固定され前記第２の絶縁基板を介して前記第２の半導体素子と熱的に結合するヒートシンクと、を備えた半導体装置であって、前記ヒートシンクは、前記第１の絶縁基板が配置固定される第１の外殻体と前記第２の絶縁基板が配置固定される第２の外殻体とが中間板を挟んで接合され、第１の外殻体と中間板との間に複数の冷媒通路を区画形成する第１の放熱フィンが前記第１の外殻体に接合または一体化した状態で配置され、また、第２の外殻体と中間板との間に複数の冷媒通路を区画形成する第２の放熱フィンが前記第２の外殻体に接合または一体化した状態で配置され、前記第１の絶縁基板の配置固定領域において少なくとも一つの前記第１の放熱フィンが前記中間板に非接合状態にされ、前記第２の絶縁基板の配置固定領域において少なくとも一つの前記第２の放熱フィンが前記中間板に非接合状態にされていることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、ヒートシンクにおける第１の絶縁基板の配置固定領域において少なくとも一つの第１の放熱フィンが中間板に非接合状態にされるとともに、ヒートシンクにおける第２の絶縁基板の配置固定領域において少なくとも一つの第２の放熱フィンが中間板に非接合状態にされているので、ヒートシンクにおける絶縁基板の配置固定領域の剛性が低下して変形しやすくなっている。その結果、絶縁基板とヒートシンクの熱膨張係数の差により熱応力が発生するがヒートシンクで当該熱応力が緩和される。また、第１および第２の放熱フィンにおける中間板との非接合箇所により、第１の半導体素子から第２の半導体素子へ熱が伝わりにくく、また逆に第２の半導体素子から第１の半導体素子へ熱が伝わりにくくなり、半導体素子の熱干渉が抑制される。

請求項２に記載の発明では、セラミック基板の両面に金属層を形成してなる第１の絶縁基板と、前記第１の絶縁基板の一方の面に接合された第１の半導体素子と、セラミック基板の両面に金属層を形成してなる第２の絶縁基板と、前記第２の絶縁基板の一方の面に接合された第２の半導体素子と、中空状をなし、外表面に、前記第１の絶縁基板における前記第１の半導体素子の接合面とは反対の面側が配置固定され前記第１の絶縁基板を介して前記第１の半導体素子と熱的に結合するとともに、前記第１の絶縁基板の配置固定箇所とは反対の外表面に、前記第２の絶縁基板における前記第２の半導体素子の接合面とは反対の面側が配置固定され前記第２の絶縁基板を介して前記第２の半導体素子と熱的に結合するヒートシンクと、を備えた半導体装置であって、前記ヒートシンクは、前記第１の絶縁基板が配置固定される第１の外殻体と前記第２の絶縁基板が配置固定される第２の外殻体とが中間板を挟んで接合され、第１の外殻体と中間板との間に複数の冷媒通路を区画形成する第１の放熱フィンが前記第１の外殻体に接合または一体化した状態で配置され、また、第２の外殻体と中間板との間に複数の冷媒通路を区画形成する第２の放熱フィンが前記第２の外殻体および前記中間板に接合または一体化した状態で配置され、前記第１の絶縁基板の配置固定領域において少なくとも一つの前記第１の放熱フィンが前記中間板に非接合状態にされていることを要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、ヒートシンクにおける第１の絶縁基板の配置固定領域において少なくとも一つの第１の放熱フィンが中間板に非接合状態にされているので、ヒートシンクにおける絶縁基板の配置固定領域の剛性が低下して変形しやすくなっている。その結果、絶縁基板とヒートシンクの熱膨張係数の差により熱応力が発生するがヒートシンクで当該熱応力が緩和される。また、第１の放熱フィンにおける中間板との非接合箇所により、第１の半導体素子から第２の半導体素子へ熱が伝わりにくく、また逆に第２の半導体素子から第１の半導体素子へ熱が伝わりにくくなり、半導体素子の熱干渉が抑制される。

請求項３に記載の発明では、セラミック基板の両面に金属層を形成してなる第１の絶縁基板と、前記第１の絶縁基板の一方の面に接合された第１の半導体素子と、セラミック基板の両面に金属層を形成してなる第２の絶縁基板と、前記第２の絶縁基板の一方の面に接合された第２の半導体素子と、中空状をなし、外表面に、前記第１の絶縁基板における前記第１の半導体素子の接合面とは反対の面側が配置固定され前記第１の絶縁基板を介して前記第１の半導体素子と熱的に結合するとともに、前記第１の絶縁基板の配置固定箇所とは反対の外表面に、前記第２の絶縁基板における前記第２の半導体素子の接合面とは反対の面側が配置固定され前記第２の絶縁基板を介して前記第２の半導体素子と熱的に結合するヒートシンクと、を備えた半導体装置であって、前記ヒートシンクは、前記第１の絶縁基板が配置固定される第１の外殻体と前記第２の絶縁基板が配置固定される第２の外殻体とが中間板を挟んで接合され、第１の外殻体と中間板との間に複数の冷媒通路を区画形成する第１の放熱フィンが前記第１の外殻体および前記中間板に接合または一体化した状態で配置され、また、第２の外殻体と中間板との間に複数の冷媒通路を区画形成する第２の放熱フィンが前記第２の外殻体に接合または一体化した状態で配置され、前記第２の絶縁基板の配置固定領域において少なくとも一つの前記第２の放熱フィンが前記中間板に非接合状態に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、ヒートシンクにおける第２の絶縁基板の配置固定領域において少なくとも一つの第２の放熱フィンが中間板に非接合状態にされているので、ヒートシンクにおける絶縁基板の配置固定領域の剛性が低下して変形しやすくなっている。その結果、絶縁基板とヒートシンクの熱膨張係数の差により熱応力が発生するがヒートシンクで当該熱応力が緩和される。また、第２の放熱フィンにおける中間板との非接合箇所により、第１の半導体素子から第２の半導体素子へ熱が伝わりにくく、また逆に第２の半導体素子から第１の半導体素子へ熱が伝わりにくくなり、半導体素子の熱干渉が抑制される。

請求項４に記載のように、請求項１に記載の半導体装置において、前記ヒートシンクにおける前記第１の絶縁基板の配置固定領域以外の領域において前記第１の放熱フィンが前記中間板に接合され、ヒートシンクにおける前記第２の絶縁基板の配置固定領域以外の領域において前記第２の放熱フィンが前記中間板に接合されていると、ヒートシンクの剛性が過度に低下することを回避できる。

請求項５に記載のように、請求項２に記載の半導体装置において、前記ヒートシンクにおける前記第１の絶縁基板の配置固定領域以外の領域において前記第１の放熱フィンが前記中間板に接合されていると、ヒートシンクの剛性が過度に低下することを回避できる。

請求項６に記載のように、請求項３に記載の半導体装置において、前記ヒートシンクにおける前記第２の絶縁基板の配置固定領域以外の領域において前記第２の放熱フィンが前記中間板に接合されていると、ヒートシンクの剛性が過度に低下することを回避できる。

請求項７に記載のように、請求項１または４に記載の半導体装置において、前記ヒートシンクにおける前記第１の絶縁基板の配置固定領域において全ての前記第１の放熱フィンが前記中間板に非接合状態にされ、前記ヒートシンクにおける前記第２の絶縁基板の配置固定領域において全ての前記第２の放熱フィンが前記中間板に非接合状態にされていると、応力をより緩和するとともに半導体素子の熱干渉をより抑制することができる。

請求項８に記載のように、請求項２または５に記載の半導体装置において、前記ヒートシンクにおける前記第１の絶縁基板の配置固定領域において全ての前記第１の放熱フィンが前記中間板に非接合状態にされていると、応力をより緩和するとともに半導体素子の熱干渉をより抑制することができる。

請求項９に記載のように、請求項３または６に記載の半導体装置において、前記ヒートシンクにおける前記第２の絶縁基板の配置固定領域において全ての前記第２の放熱フィンが前記中間板に非接合状態にされていると、応力をより緩和するとともに半導体素子の熱干渉をより抑制することができる。

請求項１０に記載のように、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置において、前記ヒートシンクと第１の絶縁基板との間に第１の応力緩和部材を介在させるとともに、前記ヒートシンクと第２の絶縁基板との間に第２の応力緩和部材を介在させると、絶縁基板とヒートシンクの熱膨張係数の差により熱応力が発生するが当該熱応力をより緩和することができる。

本発明によれば、絶縁基板とヒートシンクの熱膨張係数の差に起因する応力を緩和するとともに半導体素子の熱干渉を抑制することができる。

第１の実施形態における半導体装置の縦断面図。半導体装置を分解した状態での縦断面図。第２の実施形態における半導体装置の縦断面図。半導体装置を分解した状態での縦断面図。第３の実施形態における半導体装置の縦断面図。第４の実施形態における半導体装置の縦断面図。半導体装置を分解した状態での縦断面図。第５の実施形態における半導体装置の縦断面図。半導体装置を分解した状態での縦断面図。第６の実施形態における半導体装置の縦断面図。半導体装置を分解した状態での縦断面図。背景技術を説明するための縦断面図。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図面に従って説明する。
本実施形態においては、車両に搭載されて使用されるパワーモジュールに具体化している。特に、ハイブリッド車における走行モータ駆動用のインバータを構成するパワーモジュールに適用している。このインバータは複数の半導体スイッチング素子を具備し、これら半導体スイッチング素子で上アームおよび下アームを構成している。

図１に示すように、半導体装置としてのパワーモジュールは、第１の絶縁基板１０と第２の絶縁基板３０と第１の半導体素子２０と第２の半導体素子４０とヒートシンク５０とを具備しており、ヒートシンク５０の上面が絶縁基板１０の搭載面となり、ヒートシンク５０の下面が絶縁基板３０の搭載面となっている。また、絶縁基板１０の上面が半導体素子２０の搭載面となり、絶縁基板１０の下面にヒートシンク５０が配置固定されている。絶縁基板３０の下面が半導体素子４０の搭載面となり、絶縁基板３０の上面にヒートシンク５０が配置固定されている。

絶縁基板１０は、絶縁性の基板であるセラミック基板１１の両面に金属層１２，１３を形成してなる。詳しくは、セラミック基板１１の一方の面（上面）である半導体素子搭載面に第１の金属層（金属回路層）１２が形成されているとともに、セラミック基板１１の他方の面（下面）に第２の金属層１３が形成されている。同様に、絶縁基板３０は、絶縁性の基板であるセラミック基板３１の両面に金属層３２，３３を形成してなる。詳しくは、セラミック基板３１の一方の面（下面）である半導体素子搭載面に第１の金属層（金属回路層）３２が形成されているとともに、セラミック基板３１の他方の面（上面）に第２の金属層３３が形成されている。

セラミック基板１１，３１は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等により形成されている。また、金属層１２，１３，３２，３３はアルミニウムよりなる。

セラミック基板１１，３１の熱膨張係数（線熱膨張係数）は３〜７ｐｐｍ／℃程度である。具体的には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）ならば約４ｐｐｍ／℃、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）ならば約７ｐｐｍ／℃、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）ならば約３ｐｐｍ／℃である。このようにして、セラミック基板１１，３１の両面に形成した金属層１２，１３，３２，３３は薄く、絶縁基板１０，３０の熱膨張係数（線熱膨張係数）は３〜７ｐｐｍ／℃程度となっている。

絶縁基板１０の上面（一方の面）の半導体素子搭載面において金属層１２に発熱体としての半導体素子（半導体チップ）２０が半田を介して接合されている。同様に、絶縁基板３０の下面（一方の面）の半導体素子搭載面において金属層３２に発熱体としての半導体素子（半導体チップ）４０が半田を介して接合されている。スイッチング素子としての半導体素子２０，４０は、ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴである。半導体素子２０がインバータの上アームを構成し、半導体素子４０が下アームを構成している。パワー素子である半導体素子２０，４０は駆動時（通電時）に発熱する。

ヒートシンク５０は扁平中空状をなし、放熱性のよい金属、具体的には、アルミニウムにより形成されている。アルミ製ヒートシンク５０の熱膨張係数（線熱膨張係数）は約２４ｐｐｍ／℃である。

ヒートシンク５０は、図２に示すように、上側の外殻体５１と下側の外殻体５２と中間板５３と第１の放熱フィン５４と第２の放熱フィン５５を具備している。外殻体５１は下面が開口した四角箱形をなし、外殻体５１に絶縁基板１０が配置固定されることになる。外殻体５２は上面が開口した四角箱形をなし、外殻体５２に絶縁基板３０が配置固定されることになる。中間板５３は外殻体５１，５１の開口部を塞ぐアルミ製平板である。外殻体５１の内面における天井面には第１の放熱フィン５４が下方に向けて突設され、第１の放熱フィン５４は外殻体５１に一体化されている。外殻体５２の内面における底面には第２の放熱フィン５５が上方に向けて突設され、第２の放熱フィン５５は外殻体５２に一体化されている。図１，２では、第１の放熱フィン５４および第２の放熱フィン５５は各々１９枚設けられている。

外殻体５１と外殻体５２とが中間板（セパレータ）５３を挟んでロウ付けにて接合されている。図１に示すように外殻体５１と中間板５３との間には各第１の放熱フィン５４が等間隔に配置され、各第１の放熱フィン５４により外殻体５１と中間板５３との間に複数の冷媒通路としての冷却水通路Ｓ１が区画形成されている。同様に、外殻体５２と中間板５３との間には各第２の放熱フィン５５が等間隔に配置され、各第２の放熱フィン５５により外殻体５２と中間板５３との間に複数の冷媒通路としての冷却水通路Ｓ２が区画形成されている。これによりヒートシンク５０の内部において上下二段にわたり複数の冷却水通路が並列状に設けられている。

各通路Ｓ１，Ｓ２に冷却水が流れる。冷却水通路Ｓ１，Ｓ２は、図示しない入口部及び出口部を備え、入口部及び出口部は、車両に装備された冷却水循環路に連結可能に形成されている。

ヒートシンク５０の外表面のうち上面において中央部には絶縁基板１０が配置され、絶縁基板１０の金属層１３とヒートシンク５０とがロウ付けされている（ヒートシンク５０の外表面に絶縁基板１０における半導体素子２０の接合面とは反対の面側が配置固定されている）。これにより、ヒートシンク５０は絶縁基板１０を介して半導体素子２０と熱的に結合しており、半導体素子２０の発する熱は絶縁基板１０を介してヒートシンク５０に逃がされる。

また、ヒートシンク５０の外表面のうち下面において中央部には絶縁基板３０が配置され、絶縁基板３０の金属層３３とヒートシンク５０とがロウ付けされている（ヒートシンク５０における絶縁基板１０の配置固定箇所とは反対の外表面に、絶縁基板３０における半導体素子４０の接合面とは反対の面側が配置固定されている）。これにより、ヒートシンク５０は絶縁基板３０を介して半導体素子４０と熱的に結合しており、半導体素子４０の発する熱は絶縁基板３０を介してヒートシンク５０に逃がされる。

ヒートシンク５０における絶縁基板１０の配置固定領域（図２参照）において７枚の第１の放熱フィン５４ａが設けられている。同様に、ヒートシンク５０における絶縁基板３０の配置固定領域（図２参照）において７枚の第２の放熱フィン５５ａが設けられている。

ヒートシンク５０の第１の放熱フィン５４について、絶縁基板１０の配置固定領域以外においては第１の放熱フィン５４ｂが中間板５３に接合されている。一方、ヒートシンク５０の絶縁基板１０の配置固定領域においては第１の放熱フィン５４ａが中間板５３に非接合状態にされている。同様に、第２の放熱フィン５５について、ヒートシンク５０の絶縁基板３０の配置固定領域以外においては第２の放熱フィン５５ｂが中間板５３に接合されている。一方、ヒートシンク５０の絶縁基板３０の配置固定領域においては第２の放熱フィン５５ａが中間板５３に非接合状態にされている。図１において二点鎖線で囲った領域がフィン５４，５５の非接合箇所である。これにより、ヒートシンク５０における絶縁基板１０，３０の配置固定領域の剛性が低下し、変形しやすくなっている。

また、ヒートシンク５０、絶縁基板１０，３０は一括ロウ付けされている。詳しくは、図２において、ヒートシンク５０の外殻体５１および放熱フィン５４と中間板５３との間にロウ材６０を配置するとともに、外殻体５２および放熱フィン５５と中間板５３との間にロウ材６１を配置する。このとき、絶縁基板１０の配置固定領域における放熱フィン５４ａと中間板５３との間にはロウ材６０は配置しない。同様に、絶縁基板３０の配置固定領域における放熱フィン５５ａと中間板５３との間にはロウ材６１は配置しない。また、ヒートシンク５０の外殻体５１の上面にロウ材（図示略）を介して絶縁基板１０を配置するとともにヒートシンク５０の外殻体５２の下面にロウ材（図示略）を介して絶縁基板３０を配置する。この状態で炉内において高温とすることによりロウ材を溶融し、その後に室温に戻すことによりロウ付けする。その後に、絶縁基板１０，３０に半導体素子（半導体チップ）２０，４０が半田付けされる。

アルミ製ヒートシンク５０（熱膨張係数：約２４ｐｐｍ／℃）と絶縁基板１０，３０（熱膨張係数：３〜７ｐｐｍ／℃程度）との間において、その熱膨張係数の違いに起因してヒートシンク５０と絶縁基板１０，３０との間には熱応力が加わる。このとき、ヒートシンク５０におけるフィン５４，５５は絶縁基板１０，３０の配置固定領域においては中間板５３とは非接合状態となっており、剛性が低く（変形しやすく）なっている。これにより、絶縁基板１０，３０とヒートシンク５０の熱膨張係数の差に起因する応力が緩和され、絶縁基板１０，３０の信頼性が向上する。また、インバータの上アームを構成する半導体素子２０と下アームを構成する半導体素子４０とは交互にオン／オフするが、半導体素子２０のオンに伴う熱はフィン５４，５５の非接合箇所により半導体素子４０側への移動が抑えられる（影響を受けにくい）。同様に、半導体素子４０のオンに伴う熱はフィン５４，５５の非接合箇所により半導体素子２０側への移動が抑えられる（影響を受けにくい）。その結果、半導体素子２０，４０の熱干渉を抑制することができる。

上記のごとく本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）ヒートシンク５０における絶縁基板１０の配置固定領域において第１の放熱フィン５４ａが中間板５３に非接合状態にされ、ヒートシンク５０における絶縁基板３０の配置固定領域において第２の放熱フィン５５ａが中間板５３に非接合状態にされている。よって、ヒートシンク５０における絶縁基板１０，３０の配置固定領域（接合箇所）の剛性が低下して変形しやすくなっている。その結果、絶縁基板１０，３０とヒートシンク５０の熱膨張係数の差により熱応力が発生するがヒートシンク５０で当該熱応力が緩和される。また、第１および第２の放熱フィン５４，５５における中間板５３との非接合箇所により、半導体素子２０から半導体素子４０へ熱が伝わりにくく、また逆に半導体素子４０から半導体素子２０へ熱が伝わりにくくなり、半導体素子の熱干渉が抑制される。

（２）ヒートシンク５０における絶縁基板１０の配置固定領域以外の領域において第１の放熱フィン５４ｂが中間板５３に接合され、ヒートシンク５０における絶縁基板３０の配置固定領域以外の領域において第２の放熱フィン５５ｂが中間板５３に接合されている。よって、ヒートシンク５０の剛性が過度に低下することを回避することができる。

（３）ヒートシンク５０における絶縁基板１０の配置固定領域において全ての第１の放熱フィン５４ａが中間板５３に非接合状態にされ、ヒートシンク５０における絶縁基板３０の配置固定領域において全ての第２の放熱フィン５５ａが中間板５３に非接合状態にされている。よって、応力をより緩和するとともに半導体素子２０，４０の熱干渉をより抑制することができる。

（４）第１の放熱フィン５４は外殻体５１に一体形成されるとともに第２の放熱フィン５５は外殻体５２に一体形成されているので、ヒートシンクの強度向上が図られる。
（５）絶縁基板１０，３０とヒートシンク５０とは直接ロウ付けされているので、放熱経路における絶縁基板１０，３０とヒートシンク５０との間の熱抵抗を最小にすることができ、放熱性に優れている。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

図１，２に代わり、本実施形態では図３，４に示す構成となっている。
図３に示すように、第１の放熱フィン５４について絶縁基板１０の配置固定領域においては全ての放熱フィン５４ａではなく一部の放熱フィン５４ａが中間板５３に非接合状態にされている。同様に、第２の放熱フィン５５について絶縁基板３０の配置固定領域においては全ての放熱フィン５５ａではなく一部の放熱フィン５５ａが中間板５３に非接合状態にされている。図３において二点鎖線で囲った各領域がフィン５４，５５の非接合箇所であり、図３においては並設するフィン５４ａ，５５ａのうちの一つおきに非接合箇所としている（接合箇所と非接合箇所を交互にしている）。図４において非接合箇所にはロウ材６０，６１を塗布しない。このような構成とすることにより、ヒートシンク５０における絶縁基板１０，３０の配置固定領域の剛性を低下させることができる。

要は、ヒートシンク５０における絶縁基板１０の配置固定領域において少なくとも一つの第１の放熱フィン５４ａが中間板５３に非接合状態にされ、絶縁基板３０の配置固定領域において少なくとも一つの第２の放熱フィン５５ａが中間板５３に非接合状態にされていればよい。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態を、第１，２の実施形態との相違点を中心に説明する。

図１に代わり図５に示すように、本実施形態においてはヒートシンク５０と絶縁基板１０との間に第１の応力緩和部材７０を介在させている。また、ヒートシンク５０と絶縁基板３０との間に第２の応力緩和部材７１を介在させている。応力緩和部材７０，７１は、多数の貫通孔７０ａ，７１ａを有する金属板（パンチングメタル等）を用いており、当該金属板をヒートシンク５０および絶縁基板１０，３０にロウ付けしている。他にも、応力緩和部材７０，７１は絶縁基板１０，３０の熱膨張係数とヒートシンク５０の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有する金属板を用いてもよい。具体的には、鋼板（ステンレス鋼板も含む）を用いる。あるいは、モリブデン板や銅板などでもよい。

このような構成とすることにより、絶縁基板１０，３０とヒートシンク５０の熱膨張係数の差により熱応力が発生するが当該熱応力をより緩和することができる。
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態を、第１〜３の実施形態との相違点を中心に説明する。

図１，２に代わり、本実施形態では図６，７に示す構成となっている。
第１の放熱フィン８４として波板状の金属板を用いるとともに、第２の放熱フィン８５として波板状の金属板を用いている。

また、ヒートシンク８０は、上側の外殻体８１と下側の外殻体８２と中間板８３を具備している。アルミ製外殻体８１の内面における天井面には第１の放熱フィン８４が接合されている。また、アルミ製外殻体８２の内面における底面には第２の放熱フィン８５が接合されている。このようにして、第１の放熱フィン８４は外殻体８１とは別体で波板形状をなし外殻体８１に接合され、第２の放熱フィン８５は外殻体８２とは別体で波板形状をなし外殻体８２に接合されている。

図６において二点鎖線で囲った領域がフィン８４，８５の非接合箇所であり、ヒートシンク８０における絶縁基板１０の配置固定領域において第１の放熱フィン８４ａが中間板８３に非接合状態にされ、ヒートシンク８０における絶縁基板３０の配置固定領域において第２の放熱フィン８５ａが中間板８３に非接合状態にされている。その他の放熱フィン８４ｂ，８５ｂは中間板８３に接合されている。図７においてロウ材９０，９１により外殻体８１，８２と放熱フィン（波板）８４，８５を接合するとともに、ロウ材９２，９３により放熱フィン（波板）８４，８５と中間板８３を接合するときにおいて、放熱フィン（波板）・中間板間の非接合箇所にはロウ材９２，９３を塗布しない。これにより、ヒートシンク８０における絶縁基板１０，３０の配置固定領域の剛性を低下させることができる。
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態を、第１〜４の実施形態との相違点を中心に説明する。

図１，２に代わり、本実施形態では図８，９に示す構成となっている。
第１〜４の各実施形態においては、ヒートシンクにおける絶縁基板１０の配置固定領域において第１の放熱フィン５４ａが中間板５３に非接合状態にされ、ヒートシンクにおける絶縁基板３０の配置固定領域において第２の放熱フィン５５ａが中間板５３に非接合状態にされていた。これに対し、本実施形態では、図８に示すように、ヒートシンク５０における絶縁基板３０の配置固定領域において第２の放熱フィン５５ａが中間板５３に接合され、ヒートシンク５０における絶縁基板１０の配置固定領域において第１の放熱フィン５４ａが中間板５３に非接合状態にされている。そのために、図９において接合箇所にはロウ材６１を塗布し、非接合箇所にはロウ材６０を塗布しない。

フィン５４は外殻体５１に接合または一体化されていればよい。また、フィン５５は外殻体５２および中間板５３に接合または一体化されていればよい。
このようにして、ヒートシンクは、第１の絶縁基板１０が配置固定される第１の外殻体５１と第２の絶縁基板３０が配置固定される第２の外殻体５２とが中間板５３を挟んで接合され、第１の外殻体５１と中間板５３との間に複数の冷媒通路を区画形成する第１の放熱フィン５４が第１の外殻体５１に接合または一体化した状態で配置され、また、第２の外殻体５２と中間板５３との間に複数の冷媒通路を区画形成する第２の放熱フィン５５が第２の外殻体５２および中間板５３に接合または一体化した状態で配置され、第１の絶縁基板１０の配置固定領域において少なくとも一つの第１の放熱フィン５４ａが中間板５３に非接合状態にされている。この場合においても、ヒートシンク５０における絶縁基板１０の配置固定領域（接合箇所）の剛性が低下して変形しやすく、絶縁基板１０，３０とヒートシンク５０の熱膨張係数の差により熱応力が発生するがヒートシンク５０で当該熱応力が緩和される。また、第１の放熱フィン５４における中間板５３との非接合箇所により、半導体素子２０から半導体素子４０へ熱が伝わりにくく、また逆に半導体素子４０から半導体素子２０へ熱が伝わりにくくなり、半導体素子の熱干渉が抑制される。

ここで、ヒートシンクにおける第１の絶縁基板１０の配置固定領域以外の領域において第１の放熱フィン５４が中間板５３に接合されていると、ヒートシンクの剛性が過度に低下することを回避できる。また、ヒートシンクにおける第１の絶縁基板１０の配置固定領域において全ての第１の放熱フィン５４ａが中間板５３に非接合状態にされていると、応力をより緩和するとともに半導体素子２０，４０の熱干渉をより抑制することができる。
（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態を、第１〜５の実施形態との相違点を中心に説明する。

図８，９に代わり、本実施形態では図１０，１１に示す構成となっている。
図１０に示すように、ヒートシンク５０における絶縁基板１０の配置固定領域において第１の放熱フィン５４ａが中間板５３に接合され、ヒートシンク５０における絶縁基板３０の配置固定領域において第２の放熱フィン５５ａが中間板５３に非接合状態にされている。そのために、図１１において接合箇所にはロウ材６０を塗布し、非接合箇所にはロウ材６１を塗布しない。

フィン５５は外殻体５２に接合または一体化されていればよい。また、フィン５４は外殻体５１および中間板５３に接合または一体化されていればよい。
このようにして、ヒートシンクは、第１の絶縁基板１０が配置固定される第１の外殻体５１と第２の絶縁基板３０が配置固定される第２の外殻体５２とが中間板５３を挟んで接合され、第１の外殻体５１と中間板５３との間に複数の冷媒通路を区画形成する第１の放熱フィン５４が第１の外殻体５１および中間板５３に接合または一体化した状態で配置され、また、第２の外殻体５２と中間板５３との間に複数の冷媒通路を区画形成する第２の放熱フィン５５が第２の外殻体５２に接合または一体化した状態で配置され、第２の絶縁基板３０の配置固定領域において少なくとも一つの第２の放熱フィン５５ａが中間板５３に非接合状態にされている。この場合においても、ヒートシンク５０における絶縁基板３０の配置固定領域（接合箇所）の剛性が低下して変形しやすく、絶縁基板１０，３０とヒートシンク５０の熱膨張係数の差により熱応力が発生するがヒートシンク５０で当該熱応力が緩和される。また、第２の放熱フィン５５における中間板５３との非接合箇所により、半導体素子２０から半導体素子４０へ熱が伝わりにくく、また逆に半導体素子４０から半導体素子２０へ熱が伝わりにくくなり、半導体素子の熱干渉が抑制される。

ここで、ヒートシンクにおける第２の絶縁基板３０の配置固定領域以外の領域において第２の放熱フィン５５が中間板５３に接合されていると、ヒートシンクの剛性が過度に低下することを回避できる。また、ヒートシンクにおける第２の絶縁基板３０の配置固定領域において全ての第２の放熱フィン５５ａが中間板５３に非接合状態にされていると、応力をより緩和するとともに半導体素子２０，４０の熱干渉をより抑制することができる。

上記各実施形態は、例えば、以下のように変更してもよい。
・放熱部材であるヒートシンク５０は内部に冷媒として水が流れる構成としたが、水以外にもアルコール等の他の冷却液体が流れる構成としてもよい。さらに、液体以外にも空気等の気体が流れる構成としてもよい。

・ヒートシンク５０，８０はアルミ製であったが、他の材料、例えば銅製であってもよい。銅製ヒートシンクの熱膨張係数（線熱膨張係数）は約１７ｐｐｍ／℃である。
・絶縁基板１０，３０における金属層１２，１３，３２，３３として銅を用いてもよい。

１０…絶縁基板、１１…セラミック基板、１２…金属層、１３…金属層、２０…半導体素子、３０…絶縁基板、３１…セラミック基板、３２…金属層、３３…金属層、４０…半導体素子、５０…ヒートシンク、５１…外殻体、５２…外殻体、５３…中間板、５４…第１の放熱フィン、５５…第２の放熱フィン、８０…ヒートシンク、８１…外殻体、８２…外殻体、８３…中間板、８４…第１の放熱フィン、８５…第２の放熱フィン。

Claims

セラミック基板の両面に金属層を形成してなる第１の絶縁基板と、
前記第１の絶縁基板の一方の面に接合された第１の半導体素子と、
セラミック基板の両面に金属層を形成してなる第２の絶縁基板と、
前記第２の絶縁基板の一方の面に接合された第２の半導体素子と、
中空状をなし、外表面に、前記第１の絶縁基板における前記第１の半導体素子の接合面とは反対の面側が配置固定され前記第１の絶縁基板を介して前記第１の半導体素子と熱的に結合するとともに、前記第１の絶縁基板の配置固定箇所とは反対の外表面に、前記第２の絶縁基板における前記第２の半導体素子の接合面とは反対の面側が配置固定され前記第２の絶縁基板を介して前記第２の半導体素子と熱的に結合するヒートシンクと、
を備えた半導体装置であって、
前記ヒートシンクは、前記第１の絶縁基板が配置固定される第１の外殻体と前記第２の絶縁基板が配置固定される第２の外殻体とが中間板を挟んで接合され、第１の外殻体と中間板との間に複数の冷媒通路を区画形成する第１の放熱フィンが前記第１の外殻体に接合または一体化した状態で配置され、また、第２の外殻体と中間板との間に複数の冷媒通路を区画形成する第２の放熱フィンが前記第２の外殻体に接合または一体化した状態で配置され、前記第１の絶縁基板の配置固定領域において少なくとも一つの前記第１の放熱フィンが前記中間板に非接合状態にされ、前記第２の絶縁基板の配置固定領域において少なくとも一つの前記第２の放熱フィンが前記中間板に非接合状態にされていることを特徴とする半導体装置。
セラミック基板の両面に金属層を形成してなる第１の絶縁基板と、
前記第１の絶縁基板の一方の面に接合された第１の半導体素子と、
セラミック基板の両面に金属層を形成してなる第２の絶縁基板と、
前記第２の絶縁基板の一方の面に接合された第２の半導体素子と、
中空状をなし、外表面に、前記第１の絶縁基板における前記第１の半導体素子の接合面とは反対の面側が配置固定され前記第１の絶縁基板を介して前記第１の半導体素子と熱的に結合するとともに、前記第１の絶縁基板の配置固定箇所とは反対の外表面に、前記第２の絶縁基板における前記第２の半導体素子の接合面とは反対の面側が配置固定され前記第２の絶縁基板を介して前記第２の半導体素子と熱的に結合するヒートシンクと、
を備えた半導体装置であって、
前記ヒートシンクは、前記第１の絶縁基板が配置固定される第１の外殻体と前記第２の絶縁基板が配置固定される第２の外殻体とが中間板を挟んで接合され、第１の外殻体と中間板との間に複数の冷媒通路を区画形成する第１の放熱フィンが前記第１の外殻体に接合または一体化した状態で配置され、また、第２の外殻体と中間板との間に複数の冷媒通路を区画形成する第２の放熱フィンが前記第２の外殻体および前記中間板に接合または一体化した状態で配置され、前記第１の絶縁基板の配置固定領域において少なくとも一つの前記第１の放熱フィンが前記中間板に非接合状態にされていることを特徴とする半導体装置。
セラミック基板の両面に金属層を形成してなる第１の絶縁基板と、
前記第１の絶縁基板の一方の面に接合された第１の半導体素子と、
セラミック基板の両面に金属層を形成してなる第２の絶縁基板と、
前記第２の絶縁基板の一方の面に接合された第２の半導体素子と、
中空状をなし、外表面に、前記第１の絶縁基板における前記第１の半導体素子の接合面とは反対の面側が配置固定され前記第１の絶縁基板を介して前記第１の半導体素子と熱的に結合するとともに、前記第１の絶縁基板の配置固定箇所とは反対の外表面に、前記第２の絶縁基板における前記第２の半導体素子の接合面とは反対の面側が配置固定され前記第２の絶縁基板を介して前記第２の半導体素子と熱的に結合するヒートシンクと、
を備えた半導体装置であって、
前記ヒートシンクは、前記第１の絶縁基板が配置固定される第１の外殻体と前記第２の絶縁基板が配置固定される第２の外殻体とが中間板を挟んで接合され、第１の外殻体と中間板との間に複数の冷媒通路を区画形成する第１の放熱フィンが前記第１の外殻体および前記中間板に接合または一体化した状態で配置され、また、第２の外殻体と中間板との間に複数の冷媒通路を区画形成する第２の放熱フィンが前記第２の外殻体に接合または一体化した状態で配置され、前記第２の絶縁基板の配置固定領域において少なくとも一つの前記第２の放熱フィンが前記中間板に非接合状態にされていることを特徴とする半導体装置。
前記ヒートシンクにおける前記第１の絶縁基板の配置固定領域以外の領域において前記第１の放熱フィンが前記中間板に接合され、前記ヒートシンクにおける前記第２の絶縁基板の配置固定領域以外の領域において前記第２の放熱フィンが前記中間板に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記ヒートシンクにおける前記第１の絶縁基板の配置固定領域以外の領域において前記第１の放熱フィンが前記中間板に接合されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
前記ヒートシンクにおける前記第２の絶縁基板の配置固定領域以外の領域において前記第２の放熱フィンが前記中間板に接合されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
前記ヒートシンクにおける前記第１の絶縁基板の配置固定領域において全ての前記第１の放熱フィンが前記中間板に非接合状態にされ、前記ヒートシンクにおける前記第２の絶縁基板の配置固定領域において全ての前記第２の放熱フィンが前記中間板に非接合状態にされていることを特徴とする請求項１または４に記載の半導体装置。
前記ヒートシンクにおける前記第１の絶縁基板の配置固定領域において全ての前記第１の放熱フィンが前記中間板に非接合状態にされていることを特徴とする請求項２または５に記載の半導体装置。
前記ヒートシンクにおける前記第２の絶縁基板の配置固定領域において全ての前記第２の放熱フィンが前記中間板に非接合状態にされていることを特徴とする請求項３または６に記載の半導体装置。
前記ヒートシンクと第１の絶縁基板との間に第１の応力緩和部材を介在させるとともに、前記ヒートシンクと第２の絶縁基板との間に第２の応力緩和部材を介在させたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。