JP6849137B1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体モジュールの破損を防止しつつ、放熱性能の高い半導体装置を提供する。【解決手段】本発明の半導体装置１００は、配線基板２、半導体素子１が実装された積層基板５Ａを含む半導体アセンブリ６Ａ，６Ｂ、封止部１１を有する半導体モジュール１０と、冷却器３０と、半導体モジュール１０と冷却器３０の載置面との間に配置され、積層基板５Ａ，５Ｂの底面に接する熱伝導シート２０を備えている。熱伝導シート２０は、積層基板５Ａ，５Ｂの底部に設けられた第２導電性板５３の外縁の少なくとも一部に対応する凹部２０ａ，２０ｂを有している。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体モジュールと冷却器との間に配置された熱伝導シートを有する半導体装置に関する。
電力変換用のスイッチングデバイスとして用いられるパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子等から発生する熱によって悪影響を受けることがある。これを抑制するため、パワー半導体には、放熱のための熱伝導層、冷却器等が用いられている。
例えば、パワー半導体モジュールのパワー半導体の動作時に発生する熱は、パワー半導体モジュールと冷却器（放熱フィン）との間の熱伝導層を介して冷却器へと伝わり、発熱したパワー半導体素子等を冷却する。
熱伝導層を設けない場合、半導体モジュールと冷却器の接触面に凹凸があるため、熱伝導性の低い空気層ができてしまい、チップで発生する熱を放熱することができない。そのため、通常、グリース等の熱伝導層が用いられるが、パワー半導体素子の動作温度Ｔｊｍａｘの上昇に伴い、ΔＴｊＰ／Ｃ、ΔＴｃＰ／Ｃ試験時にグリースの流出やポンプアウトが発生して、熱抵抗が増大することがある。
例えば、下記の特許文献１には、グリースの塗布時と塗布後の粘度を変化させることで、塗布時には塗布し易く、信頼性試験時及び実機使用時にはポンプアウトが起こり難い粘度の高いグリースが開示されている（段落００１９、図３）。
近年では、カーボンシート等の熱伝導材の利用が検討されており、これを半導体モジュールの下面側に取り付けることで、発生した熱を冷却器に伝導させることも検討されている。
特許第５３８３５９９号
しかしながら、カーボンシートは比較的硬い材料であるため、半導体モジュールをカーボンシートを介して冷却器にねじ留めする際や信頼性試験の際に、半導体モジュールの反りとは反対方向に、封止樹脂に力がかかり、半導体モジュールの封止樹脂が破損してしまうという問題がある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体モジュールの破損を防止しつつ、放熱性能の高い半導体装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の半導体装置は、絶縁基板の底面側に設けられた導電性板を有する積層基板と前記積層基板上に実装された半導体素子とからなる少なくとも１つの半導体アセンブリと、前記導電性板の底部を除いて前記少なくとも１つの半導体アセンブリを封止する封止部とを有する半導体モジュールと、前記半導体モジュールを載置する載置面を有する冷却器と、前記半導体モジュールと前記冷却器の前記載置面との間に配置され、前記積層基板の底面に接する熱伝導シートと、を備え、前記熱伝導シートは、前記導電性板の底部の外縁の少なくとも一部に対応した凹部を有していることを特徴とする。
本発明の半導体装置では、半導体モジュールと冷却器との間に熱伝導シートが設けられ、半導体モジュール内の半導体アセンブリで発生した熱を、熱伝導シートを介して冷却器に伝導し、放熱する。
半導体アセンブリは封止部によって封止されているが、半導体モジュールに反りが生じたとき、封止部がひび割れすることがある。この点、本発明では、熱伝導シートに導電性板の底部の外縁に対応する凹部が設けられているため、反りが生じたとき前記導電性板が当該凹部に入り込み、熱伝導シートが反発力を生じない。なお、ここでの「凹部」は、熱伝導シートの底面側まで貫通する切欠状態の凹部を含む。これにより、本発明の半導体装置は、反発力によって生じる封止部のひび割れ、すなわち半導体モジュールの破損を防止しつつ、放熱性能を高く保つことができる。
本発明の半導体装置において、前記半導体モジュールは、Ｍ個（Ｍ：偶数）の前記半導体アセンブリを有し、前記Ｍ個の半導体アセンブリが有する前記導電性板の各々は、前記半導体モジュールの短手方向に延在する縁部を有し、前記凹部は、前記半導体アセンブリが有する前記導電性板の、互いに対向する前記縁部に対応した形状を有していることが好ましい。
Ｍ個（Ｍ：偶数）の半導体アセンブリが有する導電性板の各々は、半導体モジュールの短手方向に延在する縁部を有している。凹部は、前記導電性板の互いに対向する縁部に対応した形状（全て揃える必要なし）となっているため、半導体モジュールに、その長手方向の反りが生じたとき前記導電性板が当該凹部に入り込み、半導体モジュールの破損を防止することができる。
また、本発明の半導体装置において、前記互いに対向する前記縁部は、前記半導体モジュールの中央部において互いに隣接する前記半導体アセンブリが有する前記導電性板の、互いに隣接する２つの縁部であることが好ましい。
例えば、半導体モジュールが２個の半導体アセンブリを有している場合、各々の導電性板は前記短手方向に延在する２つの縁部を有し、合計４つの縁部が存在する。凹部は、これら縁部のうち互いに隣接する半導体アセンブリが有する導電性板の、互いに隣接する２つの縁部に対応した形状となっている。このため、半導体モジュールの長手方向の両端が持ち上がる正反り対策の凹部とすることができる。
また、本発明の半導体装置において、前記Ｍ個の半導体アセンブリが有する前記導電性板の各々は、前記半導体モジュールの長手方向に延在する縁部をさらに有し、前記凹部は、前記長手方向の前記縁部に対応した形状を有していることが好ましい。
Ｍ個（Ｍ：偶数）の半導体アセンブリが有する導電性板の各々は、さらに半導体モジュールの長手方向に延在する２つの縁部を有している。凹部は、これら縁部に対応した形状（全て揃える必要なし）となっているため、半導体モジュールに短手方向又は長手方向の反りが生じたとき、前記導電性板が当該凹部に入り込み、半導体モジュールの破損を防止することができる。
また、本発明の半導体装置において、前記半導体モジュールは、前記半導体モジュールの長手方向に配置されたＮ個（Ｎ：奇数）の前記半導体アセンブリを有し、前記Ｎ個の半導体アセンブリのうち１個は、前記長手方向の中央領域上に配置され、前記熱伝導シートは、前記半導体モジュールの短手方向に延在する中心線に対応した凹部を有していることが好ましい。
例えば、半導体モジュールが３個の半導体アセンブリを有している場合、長手方向の中央領域上に配置された半導体アセンブリが有する導電性板の、短手方向に延在する中心線の位置は、正反りが発生したとき、下に凸となる位置である。従って、熱伝導シートに、当該中心線に対応した凹部を設けることで、半導体モジュールの正反り対策の凹部とすることができる。なお、半導体モジュールが１個の半導体アセンブリを有する場合には、唯一の積層基板の、当該短手方向に延在する中心線に対応させた凹部を設ければよい。
また、本発明の半導体装置において、前記半導体モジュールは、Ｎ個（Ｎ：奇数）の前記半導体アセンブリを有し、前記Ｎ個の半導体アセンブリが有する前記導電性板の各々は、前記半導体モジュールの短手方向に延在する縁部を有し、前記凹部は、前記半導体アセンブリが有する前記導電性板の、互いに対向する前記縁部に対応した形状を有していることが好ましい。
Ｎ個（Ｎ：奇数）の半導体アセンブリが有する導電性板の各々は、半導体モジュールの短手方向に延在する縁部を有している。凹部は、前記導電性板の互いに対向する縁部に対応した形状（全て揃える必要なし）となっているため、半導体モジュールに、その長手方向の反りが生じたとき前記導電性板が当該凹部に入り込み、半導体モジュールの破損を防止することができる。
また、本発明の半導体装置において、前記互いに対向する前記縁部は、互いに隣接する前記半導体アセンブリが有する前記導電性板の、互いに隣接する２つの縁部であることが好ましい。
例えば、半導体モジュールが３個の半導体アセンブリを有している場合、各々の導電性板は前記短手方向に延在する２つの縁部を有し、合計６つの縁部が存在する。凹部は、これら縁部のうち互いに隣接する半導体アセンブリが有する導電性板の、互いに隣接する４つの縁部に対応した形状となっている。このため、半導体モジュールの正反り対策の凹部とすることができる。
また、本発明の半導体装置において、前記Ｎ個の半導体アセンブリが有する前記導電性板の各々は、前記半導体モジュールの長手方向に延在する縁部をさらに有し、前記凹部は、前記長手方向の前記縁部に対応した形状を有していることが好ましい。
Ｎ個（Ｎ：奇数）の半導体アセンブリが有する導電性板の各々は、さらに半導体モジュールの長手方向に延在する２つの縁部を有している。凹部は、これら縁部に対応した形状（全て揃える必要なし）となっているため、半導体モジュールに短手方向又は長手方向の反りが生じたとき、前記導電性板が当該凹部に入り込み、封止部の破損を防止することができる。
また、本発明の半導体装置において、前記互いに隣接する２つの縁部の各々に対応する凹部を統合して共通の凹部としてもよい。
複数の積層基板の間の領域に設けられた、互いに隣接する２つの縁部の各々に対応する凹部を共通にすることで、何れか一方又は両方の積層基板の底部の導電性板が、当該共通の凹部に入り込むようにすることができる。
また、本発明の半導体装置において、前記熱伝導シートは、前記凹部に向かって前記熱伝導シートの厚さが減じるスロープ部を有していることが好ましい。
半導体モジュールは、その長手方向の反りが発生することが多いため、熱伝導シートの凹部に向かって、その厚さが減じるスロープ部を設ける。これにより、反りが発生した場合に、積層基板がスロープ部に沿って傾斜し、その底部の導電性板が凹部に入り込むため、封止部が反発力を受け難くなる。
また、本発明の半導体装置において、前記熱伝導シートのヤング率Ｙは、１Ｐａ≦Ｙ≦２００Ｐａの条件を満たすことが好ましい。
熱伝導シートとして、上記条件を満たす材料を使用することで、当該熱伝導シートが押圧され、変形した場合や半導体モジュールに反りが生じた場合に、それに追従するようにして、積層基板で発生した熱を確実に冷却器に伝導することができる。
また、本発明の半導体装置において、前記熱伝導シートは、カーボンシートからなることが好ましい。
カーボンシートは熱伝導率が高いため、放熱性能が高い。また、カーボンシートは薄くて硬い材料であるため、凹部の加工も行い易い。
また、本発明の半導体装置において、前記熱伝導シートは、前記積層基板が配置される中央部よりも、前記中央部以外の両端部の板厚が厚いことが好ましい。
この構成によれば、熱伝導シートの中央部の板厚を薄くして、半導体モジュールの反りに追従するようにし、放熱性能を維持する。一方、熱伝導シートの両端部の板厚を比較的厚くすることで、半導体モジュール全体に発生する応力を低減することができる。
また、本発明の半導体装置において、前記両端部の板厚をｘ、前記中央部の板厚をｙとしたとき、２ｙ＜ｘ＜３ｙの関係が成立することが好ましい。
この構成によれば、熱伝導シートの中央部及び両端部が上記条件を満たすように設計することで、放熱性能をより向上させ、半導体モジュール全体に発生する応力を低減することができる。
本発明の実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。 図１の領域Ｒの断面図である。 半導体モジュールの反りを説明する断面図である。 半導体モジュールの熱伝導シートを上方から見た図である。 積層基板（２個）の辺の名称を説明する図。 （ａ）正反り（辺Ａ）に対応する凹部を説明する図。（ｂ）正反り（辺Ａ＋Ｃ）に対応する凹部を説明する図。（ｃ）正反り（辺Ａ＋Ｂ）に対応する凹部を説明する図。（ｄ）正反り（辺Ａ＋Ｂ＋Ｃ）に対応する凹部を説明する図。 （ａ）逆反り（辺Ｃ）に対応する凹部を説明する図。（ｂ）逆反り（辺Ｃ＋Ａ）に対応する凹部を説明する図。（ｃ）逆反り（辺Ｃ＋Ｂ）に対応する凹部を説明する図。（ｄ）逆反り（辺Ｃ＋Ｂ＋Ａ）に対応する凹部を説明する図。 積層基板（１個）の辺と中心線の名称を説明する図。 （ａ）正反り（辺Ｆ）に対応する凹部を説明する図。（ｂ）正反り（辺Ｆ＋Ｅ）に対応する凹部を説明する図。（ｃ）正反り（辺Ｆ＋Ｄ）に対応する凹部を説明する図。（ｄ）正反り（辺Ｆ＋Ｄ＋Ｅ）に対応する凹部を説明する図。 （ａ）逆反り（辺Ｅ）に対応する凹部を説明する図。（ｂ）逆反り（辺Ｅ＋Ｆ）に対応する凹部を説明する図。（ｃ）逆反り（辺Ｄ＋Ｅ）に対応する凹部を説明する図。（ｄ）逆反り（辺Ｄ＋Ｆ＋Ｅ）に対応する凹部を説明する図。 図４のＡ−Ａ断面図である。 半導体モジュールの熱伝導シートを上方から見た図である（変更形態１）。 半導体モジュールの熱伝導シートを上方から見た図である（変更形態２）。 図１３のＢ−Ｂ断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の半導体装置の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置１００の断面図を示している。まず、半導体モジュール１０は、主に半導体素子１、配線基板２、半導体アセンブリ６Ａ、半導体アセンブリ６Ｂ、封止部１１等で構成されている。
ここで、半導体アセンブリ６Ａは、積層基板５Ａと、当該積層基板５Ａに実装された少なくとも１つの半導体素子１（ピン４等の配線を含んでもよい）とからなる部分である。また、半導体アセンブリ６Ｂは、積層基板５Ｂと、当該積層基板５Ｂに実装された少なくとも１つの半導体素子１とからなる部分である。
半導体モジュール１０は、少なくとも１つの半導体アセンブリ６Ａ，６Ｂを有しており、それぞれ配線基板２に接続されている。配線基板２、半導体アセンブリ６Ａ及び半導体アセンブリ６Ｂは、ポッティングやモールド工法によりケース８内に樹脂で封止されている。なお、積層基板５Ａ，５Ｂの下面側には封止部１１が存在しない。
また、半導体モジュール１０は、ねじ９等により、半導体モジュール１０（積層基板５Ａ，５Ｂ）を冷却する冷却器３０に留められている。半導体モジュール１０と冷却器３０（載置面）との間には、熱伝導シート２０が配置されている。
半導体素子１は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、或いはダイオードチップ等のパワーチップであり、種々のＳｉデバイス、ＳｉＣデバイス、ＧａＮデバイス等を用いることができる。また、これらのデバイスを組み合わせて用いてもよい。例えば、Ｓｉ−ＩＧＢＴとＳｉＣ−ＳＢＤを用いたハイブリッドモジュール等を用いることができる。半導体素子１の搭載数は、図示する形態に限定されるものではなく、複数搭載することもできる。
配線基板２は、半導体素子１の電極と電気的に接続する配線層を有する基板であり、半導体素子１の上面側に配設されている。配線基板２は、絶縁基板の両面を金属箔（金属配線板）で覆った構造であり、下面側の金属箔は半導体素子１に対向するように形成されている。配線基板２は、いわゆるプリント基板でもよい。絶縁基板は誘電率が低く、熱伝導率の高い材料が好ましく、例えば、Ｓｉ3Ｎ4，ＡｌＮ，Ａｌ2Ｏ3を使用することができる。また、金属箔は電気抵抗が低く、熱伝導率の高い材料が好ましく、例えば、Ｃｕを使用することができる。
ピン４は、その一端がはんだによって半導体素子１の上面側に接合され、他端は配線基板２との接続に用いられる。ピン４は電気抵抗が低く、熱伝導率の高い金属、例えば、Ｃｕを使用することができる。また、ピン４は、上面側の配線基板２に接続される場合や、取り出し端子に接続される場合がある。ピン４は、リードフレームに接続されてもよい。また、半導体素子１の上面からの配線はピン４の他、リードフレームやＡｌ等からなるワイヤを用いてもよい。
積層基板５Ａは、中央の絶縁基板５２と、その上面側に形成される第１導電性板５１と、その下面側に形成される第２導電性板５３とで構成されている。絶縁基板５２としては、電気絶縁性、熱伝導性に優れた材料を用いることができ、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＳｉＮ等が挙げられる。特に、高耐圧用途では、電気絶縁性と熱伝導率を両立した材料が好ましく、ＡｌＮ、ＳｉＮを用いることができるが、これらには限定されない。
第１導電性板５１、第２導電性板５３としては、導電性及び加工性の優れたＣｕ、Ａｌ等の金属材料（金属箔）を用いることができる。なお、本明細書において、Ｃｕからなる第２導電性板５３を、裏面銅板と称することがある。導電性板５１，５３は、防錆等の目的で、Ｎｉめっき等の処理を行ったＣｕ、Ａｌであってもよい。
絶縁基板５２の面上に導電性板５１，５３を配設する方法としては、直接接合法（Direct Copper Bonding法）もしくは、ろう材接合法（Active Metal Brazing法）が挙げられる。積層基板５Ｂについても、構造は同じである。なお、絶縁基板５２の周縁は、導電性板５１，５３の周縁よりも外側に突出していることが好ましい。
半導体素子１の下面側と積層基板５Ａの第１導電性板５１とは、はんだによって電気的及び熱的に接合されている。また、積層基板５Ａの第１導電性板５１、第２導電性板５３は電気的に分離されている。第２導電性板５３（裏面銅板）と冷却器３０の上面側（載置面）（後述する載置板３０ｂ）とは、熱伝導シート２０を介して接着されている。
また、半導体素子１の下面側と積層基板５Ｂの第１導電性板５１とは、はんだによって電気的及び熱的に接合されている。積層基板５Ｂについても、第１導電性板５１、第２導電性板５３は電気的に分離されている。第２導電性板５３と冷却器３０の上面側とは、熱伝導シート２０を介して接着されている。
熱伝導シート２０は、熱伝導性の高い材料で形成されている。また、熱伝導シート２０は、半導体素子１を備える積層基板５Ａ，５Ｂと冷却器３０のそれぞれに接触するため、半導体素子１で発生した熱を冷却器３０に伝導して、放熱することができる。
冷却器３０は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ等の熱伝導性の良好な材料で作られた放熱フィン３０ａと、半導体モジュール１０を載置する載置板３０ｂとで構成されている。載置板３０ｂの放熱フィン３０ａがない側の面は、本発明の「載置面」に相当する。冷却器３０として、板状フィンを多数並列させた、複数の流路からなる放熱フィンを用いてもよい。
図２は、図１の領域Ｒの拡大図を示している。
半導体装置１００は、例えば電力変換のために用いられるが、この際、半導体素子１（積層基板５Ａ，５Ｂ）が発熱する。そのため、半導体素子１の温度を一定以下にする必要があり、半導体モジュール１０の裏面側に冷却器３０が取り付けられている。
半導体モジュール１０と冷却器３０とが接触する面は、マクロ的には半導体モジュール１０の反りやうねりによって隙間が生じることがある。また、ミクロ的には冷却器３０の載置面の粗さによる細かい凹凸があり、平滑ではない。なお、「反り」とは、半導体モジュール１０が、例えば、半導体モジュール１０の周辺部が持ち上がるように、又は周辺部が下がるように全体が変形することをいう。
半導体モジュール１０の封止部１１と冷却器３０との間に熱伝導率の低い空気層２４ができた場合、熱を伝導することはできず、熱抵抗が上昇してしまう。従って、熱伝導シート２０は、上述の反りやうねり、細かな凹凸に対しても隙間が生じないように、その空間を満たす必要がある。熱伝導シート２０は、半導体モジュール１０の熱変形（膨張等）にも追従し、隙間が生じないことが必要である。
本実施形態では、熱伝導シート２０として、厚みが２５μｍから１００μｍ程度のカーボンシート（グラファイトシート等）を採用する。そのメリットとしては、それ自体の熱伝導率がグリース等の軟質の熱伝導層の熱伝導率（１〜４Ｗ/ｍＫ）と比較して、１０〜４０Ｗ/ｍＫ（Ｚ方向）と高く、加工もし易いことが挙げられる。
カーボンシート自体は硬質であるため、そのまま使用すると熱伝導シート２０が反りや凹凸を吸収できず、半導体モジュール１０と冷却器３０との間に隙間が生じて熱を伝導できない場合がある。そこで、ねじ９（図１参照）を締めて、半導体モジュール１０と冷却器３０と間に荷重をかけることで、半導体モジュール１０と冷却器３０の凹凸を熱伝導シート２０の変形で吸収し、空気層２４を作ることなく熱を伝導することができる。熱伝導シート２０は、グリースのような軟質の熱伝導層以上に高い放熱効果が期待できる。
カーボンシートのヤング率（Ｙ１）は、５ＧＰａ≦Ｙ１≦１５ＧＰａの条件を満たすことが好ましい（単位：ＧＰａ）。
カーボンシートは、カーボンを主体とする材料を圧縮加工したシート状の部材であり、グラファイトシート等であってもよい。なお、「主体」とは不可避不純物を除き、カーボンが９０ｗｔ％以上の意味であり、カーボンのみからなっていてもよい。また、ＰＡＮ（Polyacylonitrile）系やピッチ系等のカーボンファイバー、或いはカーボンナノファイバーをシート状に固めたものでもよい。その際、カーボンファイバーの線径は稠密性の点から５μｍから１０μｍが好ましく、カーボンナノファイバーの線径は１ｎｍから５０ｎｍが好ましい。
また、グラッシーカーボンのみからなるシートでもよいし、カーボン以外の樹脂を含んだシートを用いてもよい。当該樹脂を含む場合は、カーボンの含有率が８０ｗｔ％から９９ｗｔ％であることが好ましく、熱伝導性及び弾性の点から９０ｗｔ％から９５ｗｔ％がより好ましい。なお、これより含有率が少ない場合には形成性が損なわれ、含有率が多い場合には熱伝導性が悪化するため好ましくない。また、樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイミド樹脂等が用いられる。
図３は、反りが生じた場合の半導体装置１００の断面図を示している（一部の部材の図示を省略）。半導体装置１００の半導体モジュール１０では、その周辺部（長手方向の両端）が持ち上がる正反り（下に凸）が発生することが多い。
正反りが生じた場合、ねじ９で締結して半導体モジュール１０と冷却器３０と間に荷重をかける。このときの課題としては、半導体モジュール１０の下面の凸部（積層基板５Ａ，５Ｂの裏面銅板の端部等）がねじ締結の荷重等により熱伝導シート２０を押すことで、応力が集中する。具体的には、積層基板５Ａ，５Ｂの端部が熱伝導シート２０に強く当たる（図１１参照）。ここでいう「端部」とは、具体的には、第２導電性板５３の裏面側の縁部（外縁）である。
そして、積層基板５Ａ，５Ｂの端部が熱伝導シート２０から反発力を受けると、当該反発力により半導体モジュール１０（封止部１１）が破損する。特に、半導体モジュール１０の全体に、図３に示す正反りから逆反りとなるような曲げ応力が加わることで、最も剛性の小さい封止部１１がひび割れ等を引き起こす。
本実施形態の熱伝導シート２０には、半導体モジュール１０の破損を防止するため、積層基板５Ａに対応する凹部２０ａと、積層基板５Ｂに対応する凹部２０ｂとが設けられている。具体的には、第２導電性板５３の裏面側（底部の端部）が熱伝導シート２０に当たる箇所に対応して、凹部が設けられている。
ここで、図４を参照して、本実施形態に係る熱伝導シート２０の詳細を説明する。以下では、２つの積層基板５Ａ，５Ｂが半導体モジュール１０の長手方向に隣接して配置された場合を説明するが、積層基板は１つ又は３つ以上でもよい。また、半導体モジュール１０を上面視したときの形状（例えば、正方形）によっても、積層基板の数や配置が変化する。
図４は、熱伝導シート２０を上方から見た図であり、熱伝導シート２０には凹部２０ａ，２０ｂが設けられている。なお、凹部２０ａ，２０ｂの外側には、半導体モジュール１０と冷却器３０とをねじ９で締結するためのねじ穴２５ａ，２５ｂが設けられている。ここでいう「外側」とは、熱伝導シート２０が略長方形である場合に、凹部２０ａ，２０ｂよりも長手方向の端部に近い位置をいう。このように、ねじ等の締結部の下方にも熱伝導シート２０を配置することが、熱伝導性の観点からも好ましい。
凹部２０ａ，２０ｂは、それぞれ２つの積層基板５Ａ，５Ｂの外縁に対応した形状となっている。積層基板５Ａ，５Ｂは、何れも底部側に第２導電性板５３を備えている。そして、１つの第２導電性板５３の底部の縁部は、熱伝導シート２０の短手方向に延在する、対向する二辺を有している。また、１つの第２導電性板５３の底部の縁部は、熱伝導シート２０の長手方向に延在する、対向する二辺を有している。図４に示すように、熱伝導シート２０は、主に長方形であるため、当該長方形の短辺方向が短手方向となる。なお、「熱伝導シート２０の短手方向」は、半導体モジュール１０の短手方向と一致する。
凹部２０ａは、積層基板５Ａの第２導電性板５３の底部の縁部に対応した形状である。凹部２０ａは、熱伝導シート２０の長手方向に切断箇所があるが、連続した形状であってもよい。凹部２０ａは、短手方向に延在する当該縁部の対向する二辺と、長手方向に延在する当該縁部の対向する二辺に対応した形状であるが、縁部の一部に対応した形状であってもよい。
また、凹部２０ｂは、積層基板５Ｂの第２導電性板５３の底部の縁部に対応した形状である。なお、上面視したときの凹部２０ａ，２０ｂの線幅は、０．５ｍｍから３ｍｍが好ましく、封止部１１への応力低減と熱伝導性の点から１ｍｍから２ｍｍがより好ましい。
なお、図４、図５では、積層基板５Ａ，５Ｂの長手方向が半導体モジュール１０の長手方向に平行になるように配置されているが、積層基板５Ａ，５Ｂの短手方向が半導体モジュール１０の長手方向に平行になるように配置されていてもよい。
本実施形態では、半導体モジュール１０に、その長手方向の正反りが発生した場合、半導体モジュール１０は下に凸となり、半導体モジュール１０の中央部、すなわち積層基板５Ａ，５Ｂの第２導電性板５３の底部の端部が凹部２０ａ，２０ｂに入り込む（図３参照）。第２導電性板５３の底部の端部が熱伝導シート２０の表面に直接当たらないため、半導体モジュール１０（封止部１１）は、熱伝導シート２０からの反発力が抑えられる。
凹部２０ａ，２０ｂは、熱伝導シート２０の底面側まで貫通した切欠部であってもよい。ただし、凹部２０ａ，２０ｂが熱伝導シート２０の底面側まで貫通しない場合は、凹部２０ａ，２０ｂが途切れずに、封止部１１から露出する第２導電性板５３の外周縁を囲むように配置することができる点で好ましい。ここで、「囲むように配置」とは、上面視において、第２導電性板５３の底部の外縁を凹部２０ａ，２０ｂが跨ぐような配置を意味する。少なくとも１つ凹部を有するカーボンシートは、成型、プレス加工、切削加工等により、当該凹部を所定の形状に加工することができる。
一方、熱伝導シート２０の底面側まで貫通する場合は、図４に示すように、熱伝導シート２０が分離されないように、凹部２０ａ，２０ｂに一部分の不連続部（切断箇所）を設ける必要がある。なお、凹部２０ａ，２０ｂが貫通しない場合は、凹部２０ａ，２０ｂの深さは、熱伝導シート２０の厚さに対して４０％以上であることが好ましい。上記の範囲とすることで第２導電性板５３の底部の端部が凹部２０ａ，２０ｂに嵌まり、熱伝導シート２０への応力を低減することができる。
凹部の配置は、半導体モジュール１０の正反り、逆反りの何れを対策するかによって変化するので、以下では、図５〜図１０を参照して、様々なパターンについて説明する。
図５に示すように、上面視における熱伝導シート２０に配置された２つの積層基板５Ａ，５Ｂの第２導電性板５３が有する辺（縁部）のうち、半導体モジュール１０の短手方向に延在し、互いに対向し、隣接する二辺を辺Ａとする。また、短手方向に延在して辺Ａに対向する二辺を辺Ｃとし、長手方向に延在して互いに対向する二辺（２組）を辺Ｂとする。
半導体モジュール１０が長方形である場合、半導体モジュール１０の長手方向の正反り、又は逆反りが生じることが多い。正反りの対策としては、図６に示すように、熱伝導シート２０に（１）辺Ａに対応する凹部２６ａ，２６ｂ（図６（ａ）参照）、（２）辺Ａ及び辺Ｃに対応する凹部２６ａ，２６ａ’，２６ｂ，２６ｂ’（図６（ｂ）参照）、（３）辺Ａ及び辺Ｂに対応する凹部２７ａ，２７ｂ（図６（ｃ）参照）、（４）辺Ａ、辺Ｂ及び辺Ｃに対応する凹部２８ａ，凹部２８ａ’，２８ｂ、２８ｂ’（図６（ｄ）参照）を設けることが好ましい。
一方、半導体モジュール１０の逆反りの対策としては、図７に示すように、熱伝導シート２０に（１）辺Ｃに対応する凹部３１ａ，３１ｂ（図７（ａ）参照）、（２）辺Ｃ及び辺Ａに対応する凹部３１ａ，３１ａ’，３１ｂ，３１ｂ’（図７（ｂ）参照）、（３）辺Ｃ及び辺Ｂに対応する凹部３２ａ，３２ｂ（図７（ｃ）参照）、（４）辺Ｃ、辺Ｂ及び辺Ａに対応する凹部３３ａ，３３ａ’，３３ｂ，３３ｂ’（図７（ｄ）参照）を設けることが好ましい。正反り又は逆反りに対処する上述の各凹部の配置は、積層基板が偶数個（例えば、４個）の場合に当てはまる。
積層基板が１つの場合にも、正反りの場合には積層基板の中央部が下に凸となり、熱伝導シート２０に強く当たり、第２導電性板５３の底部は熱伝導シート２０から大きな反発力を受ける。そのため、前記中央部の凸部に対応する熱伝導シート２０の箇所に凹部を形成するとよい。ここでの「凸部」は、熱伝導シート２０の方向に凸の意味であり、「凸部に対応する…凹部」とは、凸部の少なくとも一部が入り込む位置に合わせて設けられた凹部の意味である。
また、半導体モジュール１０内に積層基板が３つ以上配置される場合は、半導体モジュール１０の長手方向の中央部に位置する第２導電性板５３が下に凸となり、熱伝導シート２０に大きな力を及ぼす。そのため、半導体モジュール１０の中央部に位置し、凸部となる第２導電性板５３の箇所に対応する凹部を熱伝導シート２０に形成するとよい。
図８に示すように、上面視における熱伝導シート２２に配置された１つの積層基板５Ｃの第２導電性板５３が有する辺（縁部）のうち、半導体モジュール１０の長手方向に延在して互いに対向する二辺を辺Ｄとする。また、短手方向に延在して互いに対向する二辺を辺Ｅとし、短手方向に延在する辺Ｄの中心線を線Ｆとする。
半導体モジュール１０が長方形である場合、半導体モジュール１０の長手方向の辺に正反り又は逆反りが生じることが多い。正反りの対策として、図９に示すように、熱伝導シート２２に（１）辺Ｆに対応する凹部３４ａ（図９（ａ）参照）、（２）辺Ｆ及び辺Ｅに対応する凹部３４ａ，３４ｂ，３４ｃ（図９（ｂ）参照）、（３）辺Ｆ及び辺Ｄに対応する凹部３５ａ（凹部３４ａを含む形状）（図９（ｃ）参照）、（４）辺Ｆ、辺Ｅ及び辺Ｄに対応する凹部３６ａ，３６ｂ，３６ｃ（図９（ｄ）参照）を設けることが好ましい。
一方、半導体モジュール１０の逆反りの対策としては、図１０に示すように、熱伝導シート２２に（１）辺Ｅに対応する凹部３７ａ，３７ｂ（図１０（ａ）参照）、（２）辺Ｅ及び辺Ｆに対応する凹部３７ａ，３７ｂ，３７ｃ（図１０（ｂ）参照）、（３）辺Ｄ及び辺Ｅに対応する凹部３８ａ，３８ｂ，３８ｃ（図１０（ｃ）参照）、（４）辺Ｄ、辺Ｅ及び辺Ｆに対応する凹部３９ａ，３９ｂ，３９ｃ（図１０（ｄ）参照）を設けることが好ましい。正反り又は逆反りに対処する上述の各凹部の配置は、積層基板が奇数個（例えば、３個）の場合に当てはまる。
次に、図１１に、図４のＡ−Ａ断面図を示す。
熱伝導シート２０の凹部２０ａ付近には、当該凹部２０ａに向かって熱伝導シート２０の厚さが減じるスロープ部２０ｓを設けるようにしてもよい。スロープ部２０ｓは、積層基板５Ａの反りに対応した傾斜（水平面に対して３０°から４５°程度）を有している。これにより、積層基板５Ａの第２導電性板５３の端部がスロープ部２０ｓに接触するので、第２導電性板５３と熱伝導シート２０との接触面積が増大し、第２導電性板５３が熱伝導シート２０に与える応力が低減する。そのため、半導体モジュール１０（封止部１１）の破損を防止することができる。なお、凹部２０ｂ付近には、同様のスロープ部２０ｓが設けられている。
また、熱伝導シート２０の凹部２０ａと凹部２０ｂの間の領域には、スロープ部２０ｔが設けられている。スロープ部２０ｔは、積層基板５Ａ，５Ｂの大きな反りに対応した、凹部２０ａ，２０ｂに向かって厚さが減じる傾斜（水平面に対して６０°から８０°程度）である。この構造も、半導体モジュール１０の破損防止につながる。
次に、図１２〜図１４を参照して、熱伝導シートの変更形態を説明する。
変更形態１（半導体装置２００）は、半導体モジュール１０、冷却器３０、及び半導体モジュール１０と冷却器３０（載置面）との間に配置された熱伝導シート４０を備えているとする。
図１２において、熱伝導シート４０は、凹部４０ａ〜４０ｃを有している。凹部４０ａと凹部４０ｃの間の領域に、半導体モジュール１０の積層基板５Ａが配置され、凹部４０ｂと凹部４０ｃの間の領域に、半導体モジュール１０の積層基板５Ｂが配置される。なお、熱伝導シート４０は、凹部４０ａ〜４０ｃの全てが揃っている必要はない。例えば、正反りの発生が多いことを考慮して、少なくとも凹部４０ｃは設けるようにして、適宜、凹部４０ａ又は凹部４０ｂを設けてもよい。
ここで、凹部４０ｃは、積層基板５Ａと積層基板５Ｂに共通の凹部となっている。なお、凹部４０ａ，４０ｂの外側には、ねじ穴４５ａ，４５ｂが設けられている。
半導体装置２００に正反りが生じたとき、積層基板５Ａ，５Ｂの底部の第２導電性板５３の底面がスロープ部に接触するので（図１１参照）、第２導電性板５３と熱伝導シート４０との接触面積が増大し、第２導電性板５３が熱伝導シート４０に与える応力が低減する。そのため、半導体モジュール１０（封止部１１）の破損を防止しつつ、放熱性能を高めることができる。
次に、変更形態２（半導体装置３００）は、半導体モジュール１０、冷却器３０、及び半導体モジュール１０と冷却器３０（載置面）との間に配置された熱伝導シート６０を備えているとする。
図１３において、熱伝導シート６０は、凹部６０ａ，６０ｂを有している。凹部６０ａの間の領域に、半導体モジュール１０の積層基板５Ａが配置され、凹部６０ｂの間の領域に、半導体モジュール１０の積層基板５Ｂが配置される。ここでも、熱伝導シート６０は、凹部６０ａ，６０ｂの全てが揃っている必要はなく、例えば、凹部６０ａ，６０ｂを構成する要素を適宜組み合わせた凹部としてもよい。
ここで、熱伝導シート６０の長手方向の端部（斜線部）は、ねじ等の締結部を有する箇所であり、熱伝導シート６０の中央部の膜厚より厚くすることで、熱伝導シート６０の全体強度を高めている。また、熱伝導シート６０の中央部（上面側に積層基板５Ａ，５Ｂが配置される部分）は、その両端部より膜厚が薄いため、半導体モジュール１０の反りに追従して放熱性能を維持することができる。なお、熱伝導シート６０の中央部は１枚のカーボンシート６１ｃで構成し、端部のカーボンシート６１ａ，６１ｂは、それぞれ上方に重ねてもよい。
熱伝導シート６０の厚い部分は、カーボンシート６１ｃの長手方向の縁部から凹部６０ａ，６０ｂが存在する部分までの領域が好ましく、ねじ等の締結部を含んでいることが好ましい。両端部（斜線部）のカーボンシートは２枚重ねに限られず、３枚以上重ねてもよい。また、重ねるカーボンシートはそれぞれ厚みが異なるものでもよい。
凹部６０ａ，６０ｂの外側にはねじ穴６５ａ，６５ｂがあるが、熱伝導シート６０の両端部（斜線部）の膜厚が厚いため、特に半導体モジュール１０が正反りを起こす場合、半導体装置３００全体に発生する応力を低減することができる。積層基板５Ａと積層基板５Ｂの間の領域は、図１２に示したように、両積層基板に共通の凹部としてもよい。
次に、図１４に、図１３のＢ−Ｂ断面図を示す。
ここで、熱伝導シート６０の端部の板厚ｘとし、熱伝導シート６０の中央部の板厚をｙとしたとき、２ｙ＜ｘ＜３ｙの関係が成立することが好ましい。この条件を満たすように設計することで、放熱性能を高めつつ、半導体モジュール１０全体に発生する応力を低減することができる。なお、当該端部の長手方向の幅は、５ｍｍから３０ｍｍが好ましく、熱伝導シート６０の固定性、締結性の観点から１０ｍｍから２０ｍｍがより好ましい。
以上、本発明を実施するための実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更することができる。
図１１において、熱伝導シート２０は、スロープ部２０ｓ，２０ｔを有していたが、必須の構成ではない。スロープ部を設けず、逆に積層基板５Ａ，５Ｂの裏面銅板の端部（底端部）を斜めに切削して、熱伝導シート２０に当該底端部が当接しないようにしてもよい。
上記の実施形態の説明では、主に２枚の積層基板の間の領域が谷となる反り（正反り）が発生する場合であり、少なくとも両積層基板の間の領域に凹部が設けられていた。しかしながら、積層基板が１枚の場合にも同様の反りが発生し得るため、当該積層基板の底部の外縁に対応した凹部を設けておくことが好ましい。
凹部は、積層基板（第２導電性板）の底端部の少なくとも一部が入り込む深さがあればよい。そのため、熱伝導シートの底面側まで貫通しない凹部でもよいし、当該底面側まで貫通した凹部（切欠部）でもよい。具体的には、凹部の深さは、熱伝導シート２０の厚みの４０％以上が好ましい。
凹部は、熱伝導シートの底部の外縁に対応して設けられることで、反りの方向を問わず積層基板の導電性板の底端部が入り込むことができ、封止部は、熱伝導シートから受ける反発力が低減する。反り易い方向に対する凹部は連続的に形成し、一定の幅を有することが好ましい。また、反り難い方向に対する凹部は断続的に形成したり、幅を狭くしたりしてもよい。
１ 半導体素子
２ 配線基板
４ ピン
５Ａ〜５Ｃ 積層基板
６Ａ，６Ｂ 半導体アセンブリ
８ ケース
９ ねじ
１０ 半導体モジュール
１１ 封止部
２０，２２，４０，６０ 熱伝導シート
２０ａ，２０ｂ，２６ａ〜２８ｂ’，３１ａ〜３９ｃ，４０ａ〜４０ｃ，６０ａ，６０ｂ 凹部
２０ｓ，２０ｔ スロープ部
２４ 空気層
２５ａ，２５ｂ，４５ａ，４５ｂ，６５ａ，６５ｂ ねじ穴
３０ 冷却器
３０ａ 放熱フィン
３０ｂ 載置板
６１ａ〜６１ｃ カーボンシート
１００，２００，３００ 半導体装置

Claims (14)

  1. 絶縁基板の底面側に設けられた導電性板を有する積層基板と前記積層基板上に実装された半導体素子とからなる少なくとも１つの半導体アセンブリと、前記導電性板の底部を除いて前記少なくとも１つの半導体アセンブリを封止する封止部とを有する半導体モジュールと、
    前記半導体モジュールを載置する載置面を有する冷却器と、
    前記半導体モジュールと前記冷却器の前記載置面との間に配置され、前記積層基板の底面に接する熱伝導シートと、
    を備え、
    前記熱伝導シートは、前記導電性板の底部の外縁の少なくとも一部に対応した凹部を有していることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半導体モジュールは、Ｍ個（Ｍ：偶数）の前記半導体アセンブリを有し、
    前記Ｍ個の半導体アセンブリが有する前記導電性板の各々は、前記半導体モジュールの短手方向に延在する縁部を有し、
    前記凹部は、前記半導体アセンブリが有する前記導電性板の、互いに対向する前記縁部に対応した形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記互いに対向する前記縁部は、前記半導体モジュールの中央部において互いに隣接する前記半導体アセンブリが有する前記導電性板の、互いに隣接する２つの縁部であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記Ｍ個の半導体アセンブリが有する前記導電性板の各々は、前記半導体モジュールの長手方向に延在する縁部をさらに有し、
    前記凹部は、前記長手方向の前記縁部に対応した形状を有していることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体モジュールは、前記半導体モジュールの長手方向に配置されたＮ個（Ｎ：奇数）の前記半導体アセンブリを有し、
    前記Ｎ個の半導体アセンブリのうち１個は、前記長手方向の中央領域上に配置され、
    前記熱伝導シートは、前記半導体モジュールの短手方向に延在する中心線に対応した凹部を有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  6. 前記半導体モジュールは、Ｎ個（Ｎ：奇数）の前記半導体アセンブリを有し、
    前記Ｎ個の半導体アセンブリが有する前記導電性板の各々は、前記半導体モジュールの短手方向に延在する縁部を有し、
    前記凹部は、前記半導体アセンブリが有する前記導電性板の、互いに対向する前記縁部に対応した形状を有していることを特徴とする請求項１又は５に記載の半導体装置。
  7. 前記互いに対向する前記縁部は、互いに隣接する前記半導体アセンブリが有する前記導電性板の、互いに隣接する２つの縁部であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
  8. 前記Ｎ個の半導体アセンブリが有する前記導電性板の各々は、前記半導体モジュールの長手方向に延在する縁部をさらに有し、
    前記凹部は、前記長手方向の前記縁部に対応した形状を有していることを特徴とする請求項６又は７の何れか１項に記載の半導体装置。
  9. 前記互いに隣接する２つの縁部の各々に対応する凹部を統合して共通の凹部としたことを特徴とする請求項３又は７に記載の半導体装置。
  10. 前記熱伝導シートは、前記凹部に向かって前記熱伝導シートの厚さが減じるスロープ部を有していることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の半導体装置。
  11. 前記熱伝導シートのヤング率Ｙは、１Ｐａ≦Ｙ≦２００Ｐａの条件を満たすことを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の半導体装置。
  12. 前記熱伝導シートは、カーボンシートからなることを特徴とする請求項１から１１の何れか１項に記載の半導体装置。
  13. 前記熱伝導シートは、前記積層基板が配置される中央部よりも、長手方向の両端部の板厚が厚いことを特徴とする請求項１から１２の何れか１項に記載の半導体装置。
  14. 前記両端部の板厚をｘ、前記中央部の板厚をｙとしたとき、２ｙ＜ｘ＜３ｙの関係が成立することを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
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