WO2013108718A1 - 熱伝導部材およびこれを備えた半導体装置 - Google Patents

熱伝導部材およびこれを備えた半導体装置 Download PDF

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heat
heat conducting
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conductive member
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横田　嘉宏
剛彰 前田
知和 中川
井上　憲一
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株式会社神戸製鋼所
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Definitions

  • the present invention relates to a heat conductive member serving as a heat conduction path generated by a heating element such as an element and a semiconductor device including the same, and more particularly to a heat conductive member such as a lead frame and a heat sink and a semiconductor device including the heat conductive member.
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • FWDs Free Wheeling Diodes
  • a vessel is attached.
  • a member such as a lead frame for fixing and supporting the element is usually provided between the element and the heat sink.
  • the members such as the lead frame and the heat sink are members (hereinafter, appropriately referred to as heat conducting members) that serve as a heat conduction path generated by the element, and thus are made of a material having high heat conductivity.
  • the heat conducting member is generally made of a material having a higher coefficient of thermal expansion than the element. Therefore, when the element generates heat, stress is generated between the members (between the element and the heat conductive member and between the heat conductive members) due to the difference in thermal expansion coefficient between the element and each heat conductive member. As a result, the stress may cause a crack in the bonding layer (solder or the like) between the element and the heat conducting member, peeling off, or possibly damaging the element. there were.
  • Patent Document 1 discloses a lead frame characterized in that a plurality of convex portions are provided in a die pad portion that is a portion on which an element is mounted.
  • Patent Document 2 discloses a heat sink in which a plurality of convex portions are provided on a surface facing an element.
  • a bonding material is used to bond the element and each heat conduction member. Since the bonding layer formed by the bonding material plays a role as a buffer material for stress, the bonding layer is formed thick. There is also a method. These techniques have a certain effect in that the stress generated between the members is relaxed.
  • the heat conductive member (lead frame) disclosed in Patent Document 1 has a plurality of fine convex portions formed in the central portion where heat is easily trapped even in the surface facing the element, The area of the recessed part formed in the shape is large.
  • the heat conducting member (heat sink) disclosed in Patent Document 2 also has a large-area recess at the center of the surface facing the element (see FIG. 1). And when laminating these heat conducting members, since the bonding material having low thermal conductivity is enclosed in the recess, the other members in which the heat of the central portion of the surface facing the element of the heat conducting member is laminated It becomes difficult to conduct. That is, the heat conductivity of the heat conducting member as a whole is lowered.
  • the device including the heat conducting member is apt to accumulate heat inside the device, and the maximum temperature inside the device tends to increase. Since the element interferes with operation at high temperatures, a heat conduction member is arranged to increase heat dissipation so that the temperature does not exceed a certain temperature. However, if the heat dissipation is not sufficiently high, the element handles it. The power must be limited low. Therefore, the techniques disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 are not preferable in that the thermal resistance becomes high.
  • an object of the present invention is to provide a heat conductive member having high thermal conductivity and a semiconductor device including the same, while being able to relieve stress generated when a heating element such as an element generates heat.
  • a heat conducting member according to the present invention is provided so as to be laminated on a heating element, and is a heat conducting member that conducts heat from the heating element, and faces the heating element.
  • a main projection is formed at the center of at least one of a reference surface that is a range facing the heating element on one side surface and a back side reference surface that is located on the back side of the reference surface on the other side that does not face the heating element.
  • the area of the tip of the main convex portion formed on the reference surface or the back side reference surface is 20% or more and 90% or less of the area of the reference surface or the back side reference surface
  • All peripheral edges of the reference surface or the back-side reference surface on which the main convex portion is formed are lower than the tip portion
  • the height difference between the highest portion of the tip portion and the lowest portion of the periphery is The standard Or, it is 1/400 or more of the distance between the center of gravity of the back side reference surface (specifically, the reference surface on which the main convex portion is formed or the back side reference surface) and the periphery farthest from the center of gravity.
  • the main convex portion having the tip portion having an area of 20% or more and 90% or less with respect to the area of the reference surface or the back side reference surface is the center where heat is most likely to be accumulated on the reference surface or the back side reference surface. Therefore, heat (heat generated by the heating element) can be appropriately conducted through the main convex portion. Further, the area of the front end portion of the main convex portion is 90% or less of the area of the reference surface or the back side reference surface, and the peripheral edge of the reference surface or the back side reference surface is lower than the front end portion.
  • the bonding material that acts as a buffer material for stress is sealed thickly at the periphery where the stress (tensile stress or compressive stress) is the largest, so the stress is appropriately Can be relaxed. Further, the height difference between the highest portion of the tip of the main convex portion and the lowest portion of the periphery is equal to or more than 1/400 of the distance between the center of gravity of the reference surface or the back side reference surface and the periphery farthest from the center of gravity.
  • one or more sub-projections are formed around the main projection, and the center of the reference surface or the back-side reference surface on which the projection is formed.
  • the width of each of the sub-projections is preferably shorter than the width of the main projection.
  • the sub-projection is provided around the main projection, and in the cut shape cut through the center of the reference surface or the back-side reference surface, the width of the sub-projection is equal to that of the main projection. Since it is shorter than the width, the sub-projection can appropriately conduct heat through the sub-projection having a certain width without impairing the relaxation of the stress. Further, if only the main convex portion is used, the heating element (element) is likely to be tilted at the time of joining, but this can be compensated.
  • a corner portion of the tip portion of the convex portion is formed in an outward round shape.
  • the corner portion of the tip portion of the convex portion is formed in an outward round shape, the stress concentrated on the corner portion can be dispersed and the peak value of the stress can be lowered. As a result, even when the heat conducting member is bent by heat from the heating element, it is possible to avoid a situation in which a crack occurs with the corner of the tip of the convex portion as a base point.
  • a flow path of the bonding material adjacent to the main convex portion and not having the convex portion is continuously formed up to the peripheral edge.
  • the bonding material such as solder is sandwiched between them.
  • the flux and air bubbles easily escape to the outside.
  • the heat conductive member according to the present invention is formed such that the sub-projections are arranged radially from the center of the reference surface or the back-side reference surface on which the projections are formed toward the peripheral direction. It is preferable.
  • the heat conduction of the heat conducting member occurs from one side (surface where the reference surface exists) facing the heating element to the other side (surface where the back side reference surface exists) not facing, and from the center to the peripheral direction.
  • this heat conducting member since the sub-projections are arranged radially from the center of the reference surface or the back side reference surface in the peripheral direction, the heat conduction that occurs in the peripheral direction from the central portion is substantially prevented. Heat can be diffused. That is, heat can be appropriately conducted.
  • the heat conductive member according to the present invention is formed such that the sub-projections are arranged in a spiral shape from the center of the reference surface or the back-side reference surface on which the projections are formed toward the peripheral direction. Preferably it is.
  • the sub-projections are arranged spirally from the center of the reference surface or the back-side reference surface toward the peripheral direction, that is, the sub-projections do not follow the direction of the stress vector of the shear stress. Therefore, the shear stress can be reduced.
  • a semiconductor device is a semiconductor device having an element which is a heating element and the heat conducting member which is bonded to one side surface of the element. Further, the semiconductor device according to the present invention includes an element that is a heating element, a first heat conductive member that is bonded to one side surface of the element, and a surface that is not bonded to the element of the first heat conductive member. The insulating member being joined, the second heat conducting member joined to the surface of the insulating member where the first heat conducting member is not joined, and the insulating member of the second heat conducting member joined. A third heat conducting member joined to a non-contact surface, wherein at least one of the first heat conducting member, the second heat conducting member, and the third heat conducting member is the It is a heat conduction member.
  • At least one of the heat conducting members provided has high thermal conductivity, and can relieve stress caused by heat generated by the heating element (element).
  • the main convex portion occupying an area of a predetermined size or more is formed at a predetermined position of the reference surface or the back side reference surface, so that heat can be appropriately conducted.
  • the main convex portion has a predetermined area or less, and has a height that is equal to or higher than a predetermined level (the difference in height between the highest portion of the tip of the main convex portion and the lowest portion of the periphery), and stress (tensile stress). Since the convex portion is not formed on the periphery of the reference surface or the back side reference surface where the compression stress becomes the largest, the stress can be moderated appropriately.
  • the heat conducting member according to the present invention can relieve stress generated by the heat generating element generating heat and can conduct heat appropriately. That is, both relaxation of stress and improvement of thermal conductivity can be achieved.
  • heat conducting member of the present invention by providing a sub-projection having a predetermined width, heat can be appropriately conducted through the sub-projection without impairing the relaxation of the stress described above. .
  • the corner portion of the tip portion of the convex portion is formed outwardly in a round shape, a crack is generated with the corner portion of the tip portion of the convex portion as a base point. Can be avoided. Therefore, the durability of the heat conducting member and the semiconductor device using the heat conducting member can be improved.
  • the heat conducting member according to the present invention it is possible to appropriately perform the joining operation (work for filling the members with a joining material and joining them) without generating voids (micro cavities). Therefore, the yield at the time of manufacture of the semiconductor device using the said heat conductive member can be improved.
  • the heat conducting member according to the present invention since the sub-projections are arranged radially from the center of the reference surface or the back side reference surface toward the peripheral direction, the heat conduction generated from the central portion to the peripheral direction. It is possible to conduct heat appropriately with almost no interference. Therefore, the thermal conductivity can be further improved.
  • the sub-projections are arranged in a spiral shape instead of a radial shape from the center of the reference surface or the back side reference surface in the peripheral direction, so that the shear stress can be reduced. it can. Therefore, the durability of the heat conducting member and the semiconductor device using the heat conducting member can be further improved.
  • At least one of the heat conducting members provided has a high thermal conductivity and can relieve the stress generated by the heat generating element (element) generating heat. Therefore, as a whole semiconductor device, it is possible to achieve both relaxation of stress and improvement of thermal conductivity.
  • FIG. 1 is the perspective view which showed the structure of the heat conductive member which concerns on 1st Embodiment of this invention. It is the perspective view which showed the structure of the heat conductive member which concerns on 2nd Embodiment of this invention. It is a top view of the heat conductive member which concerns on 2nd Embodiment of this invention.
  • (A) is a cross-sectional view of a heat conducting member according to the second embodiment of the present invention, and (b) to (d) are enlarged cross-sectional views showing application examples of the heat conducting member.
  • (A)-(f) is an application example of the convex part provided in the reference surface or back side reference surface of the heat conductive member which concerns on 2nd Embodiment of this invention.
  • (A) is sectional drawing of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment of this invention
  • (b) is sectional drawing which showed the application example of the semiconductor device. It is the graph which showed the result of the solder layer Mises stress maximum value and thermal resistance of the heat conductive member which concerns on the Example and comparative example of this invention.
  • the heat conducting member 1 is a member that is provided so as to be laminated with the heat generating element 2 and that conducts heat from the heat generating element 2, that is, a member that becomes a heat conduction path from the heat generating element 2.
  • the heat conducting member 1 is a metal plate serving as a current path, and supports and fixes the heating element 2 via a bonding material, and connects to an external wiring (first heat conducting member in FIG. 6). 1) and a heat sink (the third heat conducting member 6 in FIG. 6) that dissipates heat generated by the heating element 2.
  • the heat conducting member 1 is a plate material (second heat conducting member 5 in FIG. 6) such as an aluminum plate or a copper plate that serves as a heat conduction path between the heating element 2 and the heat sink 6.
  • the heat conducting member 1 is the insulating member 4 in FIG.
  • the heat conducting member 1 When the heat conducting member 1 is a lead frame (first heat conducting member 1 in FIG. 6), it has a lead portion connected via a wire or the like around a die pad portion that supports and fixes the heating element 2. It may be. Further, when the heat conducting member 6 is a heat sink (third heat conducting member 6 in FIG. 6), even if the surface not facing the heating element 2 has a shape such as a sword mountain shape, a bellows shape, etc. that is easy to radiate heat. Good.
  • the material of the heat conducting member is not particularly limited, and for example, a material having high heat conductivity such as copper, aluminum or an alloy thereof, diamond, aluminum nitride, silicon nitride, alumina or the like is used.
  • a main convex portion 12 is formed in the central portion of a reference surface 11 that is a range facing the heat generating element 2 in a surface facing the heat generating element 2.
  • the main convex part 12 is a convex part formed in the center part of the reference plane 11, as shown in FIG.
  • the area of the tip of the main convex portion 12 occupying on the reference surface 11 is 20% or more and 90% or less of the area of the reference surface 11. If the area of the tip of the main convex portion 12 occupying on the reference surface 11 is less than 20% of the area of the reference surface 11, the thermal conductivity of the center portion of the reference surface 11 where heat is most likely to be collected decreases. This is because the thermal conductivity of the thermal conductive member 1 as a whole is not sufficiently lowered.
  • the main convex portion 12 occupying on the reference surface 11 exceeds 90% of the area of the reference surface 11, the main convex portion 12 is formed even in the peripheral direction of the reference surface 11 where the stress increases. This is because the bonding material that plays a role as a cushioning material cannot be formed thick in the peripheral direction, and the stress cannot be sufficiently relaxed.
  • the area of the tip portion of the main convex portion 12 occupying on the reference surface 11 is 30% or more and 60% or less of the area of the reference surface 11. By setting it as the said range, relaxation of stress and improvement of thermal conductivity can be achieved more reliably.
  • the main convex portion 12 may have a flat tip portion, but may not have a flat tip portion.
  • the tip portion of the main convex portion 12 is the tip from the highest portion of the tip portion to a portion having a predetermined length lower than the surface of the plate-like heat conducting member 1.
  • the predetermined length is 1/1000 of the longest line segment among the line segments connecting two points on the periphery of the reference surface 11.
  • the predetermined length is 1/1000 of the length of the diagonal line.
  • the peripheral edge of the reference surface 11 is the peripheral edge of the reference surface 11, that is, the portion of the two-dot chain line of the reference surface 11 (see FIGS. 1 and 2).
  • “formed at the center” depends on the shape of the reference surface 11, but for example, the shape of the reference surface 11 in plan view (the shape viewed from the normal direction) is square or rectangular.
  • the shape of the heating element 2 in plan view is a square or a rectangle
  • it is intended to be formed so as to include the center of gravity of the reference surface 11, and in detail, the center (center of gravity) of the reference surface 11
  • has a center at the same position is similar to the reference plane 11 (substantially similar), and includes a range that is 1/10 the area of the reference plane 11. This is the intention.
  • “formed at the center” may be determined based on the same reference as above even when the shape of the reference surface 11 in plan view is other than a square and a rectangle.
  • the intention that the installation position of the main convex portion 12 is the central portion of the reference surface 11 (or the back-side reference surface 14) is as follows. As shown in FIG. 1, assuming that a heating element 2 having a plate shape and a substantially uniform internal structure is joined to the heat conducting member 1, the entire heating element 2 generates heat substantially uniformly during the operation of the heating element 2. Conceivable. At this time, the temperature of the peripheral portion is lowered because the heat is easily diffused by radiation or heat transfer. However, as a result of the natural law that the heat is transferred from the higher to the lower, the center of the surface of the heating element 2, that is, geometric The center of gravity is the hottest. Here, the operation limit of the heating element 2 is determined by the value of the maximum temperature.
  • the temperature at the highest temperature portion may be lowered.
  • the main convex portion 12 is formed in the central portion of the reference surface 11 (or the back-side reference surface 14) corresponding to the center of the heating element 2 having the highest temperature, thereby normal direction.
  • the center portion of the heat conducting member 1 in the (O-axis direction) becomes thick and the bonding layer 3 formed on the center portion becomes thin.
  • the heat conducting member 1 has a higher heat conductivity than the bonding layer 3. Therefore, in the central portion of the reference surface 11 (or the back side reference surface 14) of the heat conducting member 1, heat is conducted in the normal direction without much impeding heat conduction.
  • the thermal conductivity of the central portion of the reference surface 11 (or back side reference surface 14) of the heat conducting member 1 is improved, that is, the heat dissipation is improved, thereby lowering the maximum temperature of the heating element 2 and improving the operation limit. Can be made.
  • the heat generating member 2 of the heat conducting member 1 is used. It can also be defined as the position where the temperature is highest (heat generation center) on the surface facing (or the surface not facing).
  • the difference in height between the main convex portion 12 and the peripheral edge can be appropriately designed using the target maximum temperature and maximum stress as indices, but in particular, the size of the heating element 2, that is, , Depending on the size of the reference surface 11. As the heating element 2 becomes larger, the temperature difference between the center and the periphery increases and the maximum stress also increases. Therefore, it is necessary to provide a large difference in height between the main convex portion 12 and the periphery. Therefore, when the surface of the heat conductive member 1 having a plate shape is used as a height reference, the height difference between the highest portion of the tip of the main convex portion 12 and the lowest portion of the periphery (see h in FIG. 4).
  • the distance between the center of gravity of the reference surface 11 and the periphery farthest from the center of gravity is 1/400 or more of the distance between the center of gravity of the reference surface 11 and the periphery farthest from the center of gravity. In addition, 1/200 or more is preferable.
  • the upper limit of the height difference (see h in FIG. 4) between the highest portion of the tip of the main convex portion 12 and the lowest portion of the periphery is not particularly limited, but to prevent a decrease in thermal conductivity.
  • the distance between the center of gravity of the reference surface 11 and the periphery farthest from the center of gravity is preferably 1/10 or less.
  • the height is intended to be higher as it protrudes outward in the direction perpendicular to the surface of the heat conducting member 1 as a reference, and lower as it does not.
  • the heat conductive member 1 is preferably formed with a main convex portion 12 and one or more sub convex portions 13 around the main convex portion 12.
  • the sub-projections 13 are one or more projections formed around the main projection 12. It is preferable that the sub-projections 13 are not formed on the peripheral edge of the reference surface 11.
  • the peripheral portion of the reference surface 11 has a center at the same position as the center (center of gravity) of the reference surface 11, is similar to the reference surface 11, and is 9/10 of the reference surface 11. It is a range surrounded by a peripheral edge (peripheral edge) of a range having an area and a peripheral edge (peripheral edge) of the reference surface 11.
  • tip part of the main convex part 12 and the sub convex part 13 which occupies on the reference surface 11 may be 20 to 90% of the area of the reference surface 11. Preferably, it is 30% or more.
  • the respective widths of the sub convex portions 13 (L 13 ) is formed to be shorter than the width (L 12 ) of the main convex portion 12.
  • the width (L 13 ) of each sub-projection 13 is equal to that of the main projection 12 in the cut shape cut from any direction so as to include the normal line at the center of the reference surface 11. It is formed to be shorter than the width (L 12 ). Note that there is no problem even if there is a portion where the sub-projection 13 does not exist in the cut shape cut so as to include the normal line at the center of the reference surface 11.
  • the reason for defining the relationship between the main convex portion 12 and the sub convex portion 13 as described above is that stress increases in the peripheral direction from the center of the reference surface 11, and therefore the width (L 12) of the main convex portion 12 in this direction. This is because if the sub-convex portion 13 having a longer width is formed, the bonding layer 3 serving as a stress buffer material is formed thin, and the stress cannot be relaxed. In addition, in the cut shape cut so as to include the normal line at the center of the reference surface 11, each of the widths (L 13 ) of the sub-projections 13 is formed even when a plurality of sub-projections 13 are formed.
  • the center may be substantially the center.
  • the reference surface 11 or the back-side reference surface 14
  • it is the geometric center of gravity (substantially center of gravity) of the surface.
  • the heat conductive member 1 has been described with reference to FIGS. 1, 2, 3, and 4 (a), but “the shape in plan view of the main convex portion and the sub convex portion etc.” of the heat conductive member 1, A configuration of an application example as described below will be described with respect to “the shape of the cross section of the main convex portion and the sub convex portion”.
  • the shape of the main convex portion 12 in plan view is substantially similar to the reference surface 11, and the corner portion has an outward round shape.
  • the corners may be formed at right angles, but by forming the corners outwardly in a rounded shape, the stress concentrated on the corners can be dispersed and the peak value of the stress can be lowered. And in order to reduce the peak value of stress as much as possible, it is preferable that the radius of curvature of the corner is larger.
  • the shape of the sub-projection 13 in plan view may be a circle as shown in FIG. 5A, or a rectangle whose corners are outwardly rounded as shown in FIG. 5B. There may be.
  • each shape of the sub-projection 13 in a plan view is a circle or the like, since there is no corner, the stress is difficult to concentrate and the peak value of the stress can be lowered.
  • the shape of the sub-projection 13 in plan view may be a donut shape surrounding the main projection 12 as shown in FIG.
  • the sub-convex portion so that the flow path of the bonding material adjacent to the main convex portion 12 and not having the convex portions 12, 13 continues to the periphery of the reference surface 11. 13 is preferably formed.
  • the flow path of the bonding material adjacent to the main convex portion 12 (the portion where the convex portion is not formed) is continuously formed up to the periphery. ) Is easier to discharge flux and voids when reflowing the bonding material.
  • the bonding material is poured from one end of the peripheral edge to the other end, it is possible to appropriately perform the bonding operation (work for filling the members with the bonding material) without generating voids (micro cavities). It is.
  • the sub-projections 13 may be regularly formed in parallel with the peripheral edge of the reference surface 11 as shown in FIG. 5A, but the peripheral edge from the center of the reference surface 11 as shown in FIG. It is preferable that they are formed so as to be arranged radially and linearly in the direction. Since the sub-projections 13 are arranged radially and linearly from the center of the reference surface 11 toward the periphery, heat can be diffused without substantially hindering heat conduction that occurs from the center to the periphery. It is.
  • the center may be a substantially center. For example, when the reference surface 11 is square or rectangular, it is the center of gravity (substantially the center of gravity).
  • the sub-projections 13 are preferably formed so as to be arranged in a spiral shape from the center of the reference surface 11 toward the peripheral direction. Since the sub-projections 13 are arranged in a spiral shape from the center of the reference surface 11 toward the peripheral direction, the sub-projections 13 do not follow the direction of the stress stress stress vector, thereby reducing the shear stress. it can.
  • the sub-projections 13 may be formed by appropriately combining or deforming FIGS. 5A to 5F.
  • the sub-projections 13 may be formed at positions as shown in FIG. 5F, and the shape of each sub-projection 13 in plan view may be a circle or an ellipse.
  • the corners of the substantially rectangular shape in plan view of each sub-projection 13 in FIG. 5 (e) may be outwardly rounded.
  • the sub-projection 13 formed near the central portion of the reference surface 11 has a large area in plan view
  • the sub-projection 13 having a small area in plan view may be formed in the direction of the direction.
  • the shape of the protrusions 12 and 13 in a sectional view may be a rectangle as shown in FIG. 4A, but as shown in FIGS. 4B and 4C, the protrusions 12 and 13 have a rectangular shape. It is preferable that the corner of the protruding end (tip portion) is formed in an outward round shape. Thus, by forming the convex parts 12 and 13, the stress concentrated on the corners can be dispersed and the peak value of the stress can be lowered. As a result, even when the heat conducting member is bent by heat from the heating element 2, it is possible to avoid a situation in which a crack occurs with the corner portion of the protruding end as a base point. In order to reduce the peak value of the stress as much as possible, it is preferable that the radius of curvature of the corner (which is r) is large.
  • the curvature radius r does not have to be the same value for the entire corners of the convex portions 12 and 13.
  • the height of the convex portions 12 and 13 is h
  • the distance from the center of the convex portions 12 and 13 to the ends of the convex portions 12 and 13 is d
  • R (d 2 + h 2 ) / 2h (the radius of curvature when the entire protrusions 12 and 13 are part of one circumference) is preferably satisfied, h ⁇ r ⁇ R, more preferably 2h ⁇ r. ⁇ R / 2.
  • the corner portion is substantially close to “right angle”, and there is almost no effect of making an outward round shape.
  • the minimum value of the radius of curvature exceeds R, the area of the surface parallel to the heating element 2 at the projecting ends of the convex portions 12 and 13 is reduced, and not only the thermal conductivity is lowered, but also pressure is applied at the time of joining. In this case, stress concentrates on the projecting ends of the convex portions 12 and 13, and the heating element 2 may be cracked starting from the location.
  • the corners of the protrusions 12 and 13 are inwardly rounded. Since the convex portions 12 and 13 are formed in this way, when the bonding material is reflowed, the bonding material easily flows to the corners, so that voids do not easily stay and a good bonding surface can be formed. . Further, when the bonding material is poured from one end of the peripheral edge of the reference surface 11 toward the other end, the bonding material can be appropriately poured along the surfaces of the convex portions 12 and 13. As a result, it is possible to appropriately perform the joining work without causing voids.
  • the height of the sub-projection 13 is also based on the surface of the heat conductive member 1 having a plate shape.
  • the height difference (see h in FIG. 4) between the highest portion of the tip of the sub-convex portion 13 and the lowest portion of the periphery (see h in FIG. 4) is 1 / of the distance between the center of gravity of the reference surface 11 and the periphery farthest from the center of gravity. It may be 400 or more. Preferably it is 1/200 or more, and it is preferable that it is 1/10 or less.
  • main convex portion 12 or the main convex portion 12 and the sub convex portion 13 of the heat conducting member 1 are formed on the surface facing the heating element 2 (the surface where the reference surface 11 exists) has been described. You may form in the surface (surface in which the back side reference surface 14 exists) which does not oppose the body 2. FIG. Even if the main convex portion 12 or the main convex portion 12 and the sub convex portion 13 are formed on a surface that does not face the heating element 2, the same effects as when formed on the surface that faces the heating element 2 can be obtained. Can do.
  • the back side reference surface 14 is a range located in the back side of the reference surface 11 in the surface which does not oppose the heat generating body 2 (refer Fig.4 (a)).
  • the heat conducting member 1 may have convex portions 12 and 13 formed on both sides of the surface facing the heating element 2 and the surface not facing the heating element 2.
  • the main convex portion 12 is not formed at the center of the surface of the heat conducting member 1 that faces the heating element 2, but each reference surface 11 (or each back side reference surface 14) corresponding to each heating element 2.
  • the main convex part 12 will be formed in the center part of each.
  • the heating element 2 is mounted so as to face one side surface of the heat conducting member 1, and the heating element 2 is mounted so as to face the other side surface, that is, the heating element 2 is mounted on both surfaces of the heat conducting member 1. May be installed.
  • the protrusions 12 and 13 may be formed on each reference surface 11 (both surfaces) facing each heating element 2.
  • the heating element 2 is a member that generates heat, and is a semiconductor element (element) such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), an FWD (Free Wheeling Diode), a rectifier diode, or a transistor.
  • An electronic component that generates heat is not particularly limited, but the heating element 2 generally has a substantially rectangular plate shape in plan view.
  • the joining material is a member that joins the heating element 2, the heat conducting member 1 and the like to each other.
  • the bonding material is sealed between the members (between the heating element 2 and the heat conduction member 1, between the heat conduction members 1, between the heat conduction member 1 and another member such as the insulating member 4), and the bonding layer 3 is formed.
  • the bonding material is, for example, solder, resin, flaws, and the like, and has a relatively low softening temperature and is soft, so it plays a role as a buffer material against stress.
  • the thickness of the bonding layer formed between the members varies depending on the size of the heating element 2, the amount of heat generation, and the like, and is not particularly limited.
  • the thickness of the bonding layer where the convex portions 12 and 13 are present is 1 ⁇ m to The thickness of the bonding layer at 10 ⁇ m and where the convex portions 12 and 13 do not exist is preferably 50 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the semiconductor device 20 is a device including a semiconductor element (heating element 2), and is a module having a group function (for example, a power control function). As shown in FIGS. 1, 2, and 4 (a), the semiconductor device 20 is a device having a heating element 2 and a heat conducting member 1 bonded to one side surface of the heating element 2. Further, as shown in FIG. 6, the semiconductor device 20 includes a heating element 2, a first heat conducting member 1 joined to one side of the heating element 2, and a heating element 2 of the first heat conducting member 1.
  • the second heat conductive member 5 bonded to the surface of the insulating member 4 where the first heat conductive member 1 is not bonded, and the second heat conductive member 5 And a third heat conducting member 6 joined to a surface to which the insulating member 4 is not joined. And at least 1 of the 1st heat conductive member 1, the 2nd heat conductive member 5, and the 3rd heat conductive member 6 is an above described heat conductive member.
  • the semiconductor device 20 includes an upper surface of the first heat conducting member 1 (a surface facing the heating element 2) and a lower surface of the second heat conducting member 5 ( Convex portions 12 and 13 may be formed on a surface not facing the heating element 2. Further, as shown in FIG. 6B, the semiconductor device 20 has protrusions 12 and 13 formed on the upper surface of the first heat conducting member 1 and the upper surface of the third heat conducting member 6. May be. Then, as shown in FIG. 6C, the semiconductor device 20 includes the fourth heat conductive member 7 in which the convex portions 12 and 13 are formed on the lower surface so as to be stacked on the upper side of the heating element 2. It may be provided.
  • the semiconductor device 20 has the above-described heat conduction member as at least one of the one or more heat conduction members provided so as to be laminated with the element 2. It is possible to achieve both improvement in thermal conductivity.
  • the bonding layer 3 between the first heat conducting member 1 and the second heat conducting member 5 and the insulating member 4 is omitted.
  • each member moves freely, the surface near the element 2 side of the 1st heat conductive member 1, the 2nd heat conductive member 5, and the 3rd heat conductive member 6 is high temperature by this temperature distribution. For this reason, the stress expands more greatly and the peripheral edge warps downward. However, since each member is actually joined, it is affected by the difference in thermal expansion coefficient. That is, when the element 2 has a smaller thermal expansion coefficient than the first heat conducting member 1 and the temperature rises from room temperature due to heat generation, the first heat conducting member 1 etc.
  • the peripheral edge of 1 is displaced in a direction away from the peripheral edge of the element 2, tensile shear stress is generated in the bonding layer 3 in a radial and linear manner from the central portion to the peripheral direction in parallel to the bonding surface. To do. At the same time, the peripheral edge is displaced in the direction of warping upward from the center.
  • the temperature of the entire semiconductor device 20 decreases, so that the displacement returns to the original state.
  • the first heat conducting member 1 and the like contract from the element 2 due to the difference in thermal expansion coefficient, the first heat conducting member 1 and the like are parallel to the bonding surface with the bonding layer 3 and are radially and linearly extending from the central portion toward the peripheral direction.
  • shear stress is generated in the opposite direction to that during the temperature increase.
  • the main convex portion 12 occupying an area larger than a predetermined area is formed in the central portion where heat is most likely to be accumulated on the reference surface 11 (or the back side reference surface 14).
  • heat can be appropriately conducted to the lower member through the main convex portion, and the temperature at the center of the element 2 can be lowered. That is, if the heat generation amount of the element 2 is the same, the maximum temperature can be lowered.
  • the operating power of the element 2 is limited by the maximum temperature regardless of the temperature distribution. Therefore, if the operating temperature of the element 2 is the same, the operating power can be increased. is there.
  • the thermal resistance of the peripheral portion is higher than that of the central portion where the thermal resistance is low, the temperature of the portion away from the convex portion is slightly increased. Therefore, the shear stress at the peripheral portion may be slightly increased as compared with the case where there is no convex portion and the thickness of the bonding layer 3 is the same as the peripheral portion when the convex portion is present.
  • the main convex portion 12 has an area of a predetermined size or less, and the sub-convex portion 13 is not formed on the periphery of the reference surface 11 (or the back side reference surface 14). Since the bonding layer 3 that plays the role of a stress buffer material is formed thick on the peripheral edge, which is the largest, the stress can be moderated appropriately. At this time, the larger the area of the main convex portion 12, the lower the thermal resistance of that portion. However, since the thickness of the bonding layer 3 in the portion where the main convex portion 12 is provided is thin, the stress buffering effect is reduced. Thus, the stress increases at the peripheral edge of the convex portion.
  • the maximum value of the stress in the bonding layer 3 of the main convex portion 12 can be made smaller than the stress at the peripheral portion of the element 2. That is, it is necessary to limit the area of the main convex portion 12 in order not to increase the stress maximum value.
  • the thermal resistance of the peripheral portion does not change so much, the effect of reducing the maximum temperature is limited.
  • the main convex portion 12 having an area smaller than that of the element 2 is in the central portion, the element 2 may be easily tilted at the time of bonding or the like.
  • the heat conducted from the central portion in the peripheral direction is lowered through the sub-protrusive portion 13 without impairing the relaxation of the stress. It is possible to conduct to the member. That is, the maximum temperature reduction effect can be improved. Furthermore, the inclination of the element 2 at the time of bonding or the like can be prevented. In addition, in the case of fusion bonding of the bonding layer 3 using solder or the like, ideally, it is desirable to bond without any flux or void, but as the area of the element 2 increases, the flux and void escape from the bonding surface. Hateful.
  • the convex portions 12 and 13 avoid the above and collect in the concave portion, and although the thermal resistance slightly increases at that portion, the central portion of the element 2 where heat easily accumulates.
  • the heat dissipation can be secured by the main convex portion 12.
  • the main convex portion 12 occupying an area larger than a predetermined area is formed in the central portion of the reference surface 11 (or the back-side reference surface 14), the rigidity of the central portion of the first heat conducting member 1 and the like is improved. To do. As a result, the first heat conducting member 1 and the like are less likely to be distorted, so that the warpage of the first heat conducting member 1 and the like can be limited.
  • the sub convex part 13 when the sub convex part 13 is formed in the spiral shape toward the peripheral direction from the center of the reference surface 11 (or back side reference surface 14), the sub convex part 13 is in the direction of the stress vector of a shear stress. It will not follow. As a result, the shear stress can be reduced.
  • the heat conducting member according to the example has a main convex portion formed at the center portion of the reference surface (test bodies 3, 7 to 9), the main convex portion and 16 pieces. Those in which a sub-projection was formed (test bodies 1 and 2) were used.
  • the heat conductive member according to the comparative example has no protrusions on the reference surface (test bodies 4 to 6), and the tip of the main protrusion is outside the range defined by the present invention ( Specimens 10, 11) were used.
  • the heat conducting member is a copper plate (pure copper: length 12 mm ⁇ width 12 mm), the thickness of the portion where the convex portion is formed is 1.14 mm, and the thickness of the portion where the convex portion is not formed is 1. 0.000 mm.
  • the detailed shape of the heat conducting member is shown in Table 1. Note that the “projection area ratio” in Table 1 is the ratio of the total area of the main projection and the tip of the sub-projection to the area of the reference plane, and the “main projection area ratio” is the reference plane It is a ratio of the area of the front-end
  • the “convex side slope” is an angle formed by the reference surface and the side surface of the convex portion.
  • One side of the main (secondary) convex tip portion is the length of one side of the tip portion of the convex portion
  • “one side of the main (secondary) convex base end portion” is the base end of the convex portion. It is the length of one side of the part.
  • ⁇ Semiconductor device> As shown in FIGS. 1 and 2, it was assumed that a Si element having a square shape in plan view (vertical 10 mm ⁇ width 10 mm ⁇ height 0.15 mm: calorific value 5000 W / cm 3 ) was mounted as a semiconductor device. It was approximated that heat generation occurred uniformly throughout the device. A bonding layer was provided between the Si element and the above-described heat conducting member. The bonding layer was made of lead-free solder (composition Sn-3% Ag-0.5% Cu) having the same size as the reference surface and the thickness shown in Table 1.
  • the element, the bonding layer, and the heat conducting member are all axially symmetric in plan view, and the bonding surface is completely in contact with each other. In view, it was trapezoidal or rectangular.
  • the simulation was performed on the assumption that the back surface of the heat conducting member was cooled by water at 60 ° C. with a heat transfer coefficient of 20000 W / m 2 / K. In many cases, the symmetry of the shape and arrangement of an actual semiconductor device, etc. is reduced. However, the principle of the effectiveness of the present invention can be confirmed, and the result can be extended to an actual semiconductor device. Is easy.
  • the thermal resistance can be suppressed to 0.04 K / W or less, and the maximum solder layer Mises stress is set to 132 MPa or less. It turns out that it can be suppressed. That is, it has been found that the heat conducting member according to the present invention can relieve the stress caused by the element generating heat while maintaining high heat conductivity.

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Abstract

【課題】素子が発熱することによって生じる応力を緩和することができるとともに、熱伝導率の高い熱伝導部材およびこれを備えた半導体装置を提供する。 【解決手段】基準面１１と、裏側基準面１４と、のうち少なくとも一方に、主凸部１２が構成されているとともに、前記主凸部１２は、前記基準面１１または前記裏側基準面１４の中央部に形成され、前記基準面１１上または前記裏側基準面１４上に占める前記主凸部１２の先端部の面積は、当該基準面１１または当該裏側基準面１４の面積の２０％以上９０％以下であり、前記主凸部１２が形成された前記基準面１１または前記裏側基準面１４の全ての周縁が前記先端部より低くなっており、前記先端部の最も高い部分と当該周縁の最も低い部分との高低差が、当該基準面１１または当該裏側基準面１４の重心と当該重心から最も離れた当該周縁との距離の１／４００以上であることを特徴とする。

Description

熱伝導部材およびこれを備えた半導体装置
　本発明は、素子等の発熱体が発生させる熱の伝導路となる熱伝導部材およびこれを備えた半導体装置に関し、特に、リードフレームやヒートシンク等の熱伝導部材およびこれを備えた半導体装置に関する。
　ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＦＷＤ（Ｆｒｅｅ　Ｗｈｅｅｌｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）等の半導体素子（以下、適宜、素子という）は、動作する際に熱を発生させることから、当該熱を放熱するためにヒートシンク等の放熱器が取り付けられている。そして、素子とヒートシンクの間には、通常、素子を固定支持するリードフレーム等の部材が設けられている。
　ここで、リードフレームやヒートシンク等の部材は、素子が発生させる熱の伝導路となる部材（以下、適宜、熱伝導部材という）であることから、熱伝導率の高い材料により構成されている。加えて、一般的に、熱伝導部材は、素子と比較すると熱膨張率の高い素材により構成されている。したがって、素子が発熱した場合は、素子と各熱伝導部材との熱膨張率の差により、部材間（素子と熱伝導部材との間、熱伝導部材同士の間）において応力が発生する。その結果、当該応力により素子と熱伝導部材との間の接合層（はんだなど）に亀裂が発生したり、剥離したり、場合によっては素子が損傷してしまうという事態を招いてしまう可能性があった。
　上記のような応力の発生に伴う素子の損傷を防止するために、以下のような技術が創出されている。
　例えば、特許文献１には、素子を搭載する部分であるダイパッド部に、複数の凸部を設けたことを特徴とするリードフレームが開示されている。
　また、特許文献２には、素子と対向する面に複数の凸部を設けたヒートシンクが開示されている。
　さらに、素子、各熱伝導部材を接合するために接合材が使用されるが、当該接合材により形成される接合層は、応力の緩衝材的な役割を果たすため、当該接合層を厚く形成させるという方法も存在する。
　これらの技術は、部材間において発生する応力を緩和するという点で一定の効果を奏する。
特開平６－２３２１８４号公報 特開平２－２６０５８号公報
　しかしながら、特許文献１に開示された熱伝導部材（リードフレーム）は、素子と対向する面の中でも熱がこもり易い中央部において、細かな複数の凸部が形成されていることから、網の目状に形成される凹部の面積が大きくなっている。また、特許文献２に開示された熱伝導部材（ヒートシンク）も、素子と対向する面の中央部において、大きな面積の凹部が形成されている（第１図参照）。そして、これらの熱伝導部材を積層させる際には、凹部に熱伝導率の低い接合材が封入されることから、熱伝導部材の素子と対向する面の中央部の熱が積層する他の部材まで伝導し難くなってしまう。つまり、当該熱伝導部材全体として熱伝導率が低くなってしまう。その結果、素子が発する熱を外部まで伝導しにくくなるため、当該熱伝導部材を備える装置は、装置内部に熱がこもってしまい、素子内の最高温度が高くなりやすい。素子は、高温になると動作に支障を来すため、ある一定温度以上にならないよう熱伝導部材を配置して放熱性を高めるのであるが、その放熱性が十分高くない場合には、素子が扱う電力を低く制限しなければならない。
　したがって、特許文献１および特許文献２に開示された技術は、熱抵抗が高くなってしまう点で好ましくない。
　また、部材間の接合層を厚く形成させるという方法によると、接合層を構成するはんだなどの接合材は熱伝導率が比較的低いため、当然、厚い接合層を備える装置は、装置内部に熱がこもってしまう。したがって、当該構成も熱抵抗が高くなってしまう点で好ましくない。一方、放熱性を向上させるために当該接合層を薄く形成させてしまうと、前記した応力を緩和することができなくなってしまう。
　以上より、従来の技術では、応力の緩和と、熱伝導率の向上とを両立させることができなかったことがわかる。
　そこで、本発明は、素子等の発熱体が発熱することによって生じる応力を緩和することができるとともに、熱伝導率の高い熱伝導部材およびこれを備えた半導体装置を提供することを課題とする。
　前記課題を解決するために、本発明に係る熱伝導部材は、発熱体に積層するように設けられるとともに、当該発熱体からの熱を伝導させる熱伝導部材であって、前記発熱体に対向する一側面において前記発熱体と向かい合う範囲である基準面と、前記発熱体に対向しない他側面において当該基準面の裏側に位置する裏側基準面と、のうち少なくとも一方の中央部に主凸部が形成されているとともに、前記基準面上または前記裏側基準面上に形成された前記主凸部の先端部の面積は、当該基準面または当該裏側基準面の面積の２０％以上９０％以下であり、前記主凸部が形成された前記基準面または前記裏側基準面の全ての周縁が前記先端部より低くなっており、前記先端部の最も高い部分と当該周縁の最も低い部分との高低差が、当該基準面または当該裏側基準面（詳細には、前記主凸部が形成された当該基準面または当該裏側基準面）の重心と当該重心から最も離れた当該周縁との距離の１／４００以上であることを特徴とする。
　この熱伝導部材によれば、基準面または裏側基準面の面積に対して２０％以上９０％以下の面積の先端部を有する主凸部が、基準面または裏側基準面において最も熱がこもり易い中央部に形成されていることから、当該主凸部を通じて適切に熱（発熱体が発生させる熱）を伝導することができる。
　また、当該主凸部の先端部の面積は、基準面または裏側基準面の面積の９０％以下であるとともに、基準面または裏側基準面のうち周縁は、先端部より低くなっていることから、熱伝導部材を積層させる際に、応力（引張応力や圧縮応力）が一番大きくなる当該周縁には応力の緩衝材的な役割を果たす接合材が厚く封入されることになるため、適切に応力を緩和することができる。
　さらに、主凸部の先端部の最も高い部分と周縁の最も低い部分との高低差を、基準面または裏側基準面の重心と当該重心から最も離れた当該周縁との距離の１／４００以上とすることにより、主凸部の設けられていない箇所（周縁等）に応力の緩衝材的な役割を果たす接合材を厚く封入することができるため、適切な応力の緩和という効果を確保することができる。
　加えて、基準面または裏側基準面の面積に対して２０％以上の面積の先端部を有する主凸部が、基準面または裏側基準面の中央部に形成されていることから、熱伝導部材の中央部の剛性が向上する。その結果、熱伝導部材は歪みが生じにくくなるため、熱による応力を緩和することができる。
　また、本発明に係る熱伝導部材は、前記主凸部の周りに１つ以上の副凸部が形成されており、前記凸部が形成されている前記基準面または前記裏側基準面の中心における法線を含むように切断した切断形状において、前記副凸部のそれぞれの幅は前記主凸部の幅よりも短いことが好ましい。
　この熱伝導部材によれば、主凸部の周りに副凸部を設けるとともに、基準面または裏側基準面の中心を通るように切断した切断形状において、当該副凸部の幅は主凸部の幅よりも短いことから、当該副凸部は、前記した応力の緩和を損ねることなく、一定の幅を有する当該副凸部を通じて適切に熱を伝導することができる。また、主凸部のみであれば接合時に発熱体（素子）が傾きやすくなるが、これを補うことができる。
　また、本発明に係る熱伝導部材は、前記凸部の先端部の角部が外向きアール状に形成されていることが好ましい。
　この熱伝導部材によれば、凸部の先端部の角部が外向きアール状に形成されていることから、当該角部に集中する応力を分散させ応力のピーク値を下げることができる。その結果、発熱体からの熱により熱伝導部材が湾曲した場合であっても、凸部の先端部の角部を基点として亀裂が発生してしまうような状況を回避することができる。
　また、本発明に係る熱伝導部材は、前記主凸部に隣接するとともに前記凸部が形成されていない接合材の流路が、前記周縁まで連続して形成されていることが好ましい。
　この熱伝導部材によれば、主凸部に隣接する接合材の流路（凸部が形成されていない箇所）が周縁まで連続して形成されていることから、はんだなどの接合材を挟んでリフロー接合させる際に、フラックスや気泡が外部に抜けやすくなる。また、少量、内部に取り残される気泡があったとしても、主に熱伝導を担う凸部からそれ以外の部分に抜けやすくなるため、気泡が熱伝導に与える影響を低減できる。さらに、接合材を周縁の一端から他端に向けて流し込む方法をとる場合にも、ボイド（微小な空洞）を生じさせることなく適切に接合作業（部材間を接合材で満たし接合する作業）を行うことができる。
　また、本発明に係る熱伝導部材は、前記副凸部が、前記凸部が形成されている前記基準面または前記裏側基準面の中心から周縁方向に向かって放射状に並ぶように形成されていることが好ましい。
　熱伝導部材の熱伝導は、発熱体と対向する一側面（基準面が存在する面）から対向しない他側面（裏側基準面が存在する面）方向に生じるとともに、中央部から周縁方向に生じる。この熱伝導部材によれば、副凸部が、基準面または裏側基準面の中心から周縁方向に向かって放射状に並んでいることから、前記の中央部から周縁方向に生じる熱伝導をほとんど妨げることなく熱を拡散することができる。つまり、適切に熱を伝導させることができる。
　また、本発明に係る熱伝導部材は、前記副凸部が、前記凸部が形成されている前記基準面または前記裏側基準面の中心から周縁方向に向かって渦巻状に並ぶように形成されていることが好ましい。
　熱伝導部材の基準面または裏側基準面では、発熱体が発生させる熱によって、当該面と平行であるとともに中央部から周縁方向に向かって放射状かつ直線状にせん断応力が発生する。この熱伝導部材によれば、副凸部が、基準面または裏側基準面の中心から周縁方向に向かって渦巻状に並ぶ、つまり、副凸部が、せん断応力の応力ベクトルの方向に沿わないことから、せん断応力を低下させることができる。
　本発明に係る半導体装置は、発熱体である素子と、前記素子の一側面に接合している前記熱伝導部材と、を有する半導体装置であることを特徴とする。
　また、本発明に係る半導体装置は、発熱体である素子と、前記素子の一側面に接合している第１熱伝導部材と、前記第１熱伝導部材の前記素子が接合していない面に接合している絶縁部材と、前記絶縁部材の前記第１熱伝導部材が接合していない面に接合している第２熱伝導部材と、前記第２熱伝導部材の前記絶縁部材が接合していない面に接合している第３熱伝導部材と、を有する半導体装置であって、前記第１熱伝導部材、前記第２熱伝導部材、および前記第３熱伝導部材のうちの少なくとも１つが前記熱伝導部材であることを特徴とする。
　この半導体装置によれば、備えている熱伝導部材のうちの少なくとも１つは、熱伝導率が高いとともに、発熱体（素子）が発熱することによって生じる応力を緩和することができる。
　本発明に係る熱伝導部材によれば、基準面または裏側基準面の所定位置に所定以上の面積を占める主凸部が形成されていることから、適切に熱を伝導することができる。また、主凸部は所定以下の面積であるとともに、所定以上の高さ（主凸部の先端部の最も高い部分と周縁の最も低い部分との高低差）であり、かつ、応力（引張応力や圧縮応力）が一番大きくなる基準面または裏側基準面の周縁には凸部が形成されていないことから、適切に応力を緩和することができる。
　加えて、所定以上の面積を占める主凸部が形成されていることから、熱伝導部材の中央部の剛性が向上することで、歪みが生じにくくなり、その結果、熱による応力を緩和することができる。
　したがって、本発明に係る熱伝導部材は、発熱体が発熱することによって生じる応力を緩和することができるとともに、適切に熱を伝導することができる。つまり、応力の緩和と、熱伝導率の向上とを両立させることができる。
　さらに、本発明に係る熱伝導部材によれば、所定の幅を有する副凸部を設けることにより、前記した応力の緩和を損ねることなく、当該副凸部を通じて適切に熱を伝導することができる。
　また、本発明に係る熱伝導部材によれば、凸部の先端部の角部が外向きアール状に形成されていることから、凸部の先端部の角部を基点として亀裂が発生してしまうような状況を回避することができる。したがって、熱伝導部材および当該熱伝導部材を用いた半導体装置の耐久性を向上させることができる。
　さらに、本発明に係る熱伝導部材によれば、ボイド（微小な空洞）を生じさせることなく適切に接合作業（部材間を接合材で満たし接合する作業）を行うことができる。したがって、当該熱伝導部材を用いた半導体装置の製造時の歩留まりを向上させることができる。
　またさらに、本発明に係る熱伝導部材によれば、副凸部が、基準面または裏側基準面の中心から周縁方向に向かって放射状に並んでいることから、中央部から周縁方向に生じる熱伝導をほとんど妨げることなく適切に熱を伝導させることができる。したがって、熱の伝導性をさらに向上させることができる。
　加えて、本発明に係る熱伝導部材によれば、副凸部が、基準面または裏側基準面の中心から周縁方向に向かって放射状ではなく渦巻状に並ぶことから、せん断応力を低下させることができる。したがって、熱伝導部材および当該熱伝導部材を用いた半導体装置の耐久性をさらに向上させることができる。
　本発明に係る半導体装置によれば、備えている熱伝導部材のうちの少なくとも１つは、熱伝導率が高いとともに、発熱体（素子）が発熱することによって生じる応力を緩和することができる。したがって、半導体装置全体として、応力の緩和と、熱伝導率の向上とを両立させることができる。
本発明の第１実施形態に係る熱伝導部材の構造を示した斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る熱伝導部材の構造を示した斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る熱伝導部材の平面図である。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係る熱伝導部材の断面図であり、（ｂ）～（ｄ）は熱伝導部材の応用例を示した断面拡大図である。 （ａ）～（ｆ）は本発明の第２実施形態に係る熱伝導部材の基準面または裏側基準面に設けられた凸部の応用例である。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係る半導体装置の断面図であり、（ｂ）、（ｃ）は半導体装置の応用例を示した断面図である。 本発明の実施例および比較例に係る熱伝導部材のはんだ層ミーゼス応力最大値および熱抵抗の結果を示したグラフである。
　以下、本発明の実施するための形態を、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
≪熱伝導部材について≫
　まず、熱伝導部材１について説明する。
　熱伝導部材１とは、発熱体２と積層するように設けられるとともに、当該発熱体２からの熱を伝導させる部材、つまり、発熱体２からの熱の伝導路となる部材である。例えば、熱伝導部材１とは、電流経路となる金属板であって、発熱体２を接合材を介して支持固定し、外部配線との接続を行うリードフレーム（図６の第１熱伝導部材１）や、発熱体２の発する熱を放熱するヒートシンク（図６の第３熱伝導部材６）である。また、熱伝導部材１とは、発熱体２とヒートシンク６との間で熱の伝導路となるアルミ板または銅板等の板材（図６の第２熱伝導部材５）である。また、熱伝導部材１とは、図６の絶縁部材４である。
　なお、熱伝導部材１がリードフレームである場合は（図６の第１熱伝導部材１）、発熱体２を支持固定するダイパッド部の周りにワイヤ等を介して接続されるリード部を有していてもよい。また、熱伝導部材６がヒートシンクである場合は（図６の第３熱伝導部材６）、発熱体２と対向しない面が剣山状、蛇腹状等のように放熱し易い形状となっていてもよい。
　そして、熱伝導部材の材料は特に限定されないが、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらの合金、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、アルミナ等といった熱伝導率の高い材料が用いられる。
＜熱伝導部材の全体構成＞
　図１に示すように、熱伝導部材１は、発熱体２に対向する面内において当該発熱体２と向かい合う範囲である基準面１１の中央部に、主凸部１２が形成されている。
＜主凸部＞
　主凸部１２とは、図１に示すように、基準面１１の中央部に形成される凸部である。
　基準面１１上に占める主凸部１２の先端部の面積は、基準面１１の面積の２０％以上９０％以下である。基準面１１上に占める主凸部１２の先端部の面積が、基準面１１の面積の２０％未満であると、最も熱がこもり易い基準面１１の中央部の熱伝導率が低下するため、熱伝導部材１全体としての熱伝導率が十分に低下しなくなるからである。一方、基準面１１上に占める主凸部１２の先端部の面積が、基準面１１の面積の９０％を超えると、応力が大きくなる基準面１１の周縁方向にまで主凸部１２が形成されてしまうことにより、緩衝材的な役割を果たす接合材を周縁方向に厚く形成させることができず、応力を十分に緩和することができなくなるからである。
　好ましくは、基準面１１上に占める主凸部１２の先端部の面積は、基準面１１の面積の３０％以上６０％以下である。当該範囲とすることにより、応力の緩和と熱伝導率の向上とをより確実に両立させることができる。
　なお、主凸部１２は、先端部が平坦なものもあるが、先端部が平坦でないものもある。先端部が平坦ではない場合は、主凸部１２の先端部とは、板状を呈する熱伝導部材１の表面を基準として、先端部の最も高い部分から所定長さ低くなった部分までを先端部と判断する。そして、当該所定長さとは、基準面１１の周縁上の２点を繋ぐ線分のうち、最も長い線分の１／１０００の長さである。例えば、基準面１１が長方形の場合は、所定長さは対角線の長さの１／１０００となる。
　なお、基準面１１の周縁とは、基準面１１の周縁端、つまり、基準面１１の二点鎖線の部分（図１、２参照）である。
　ここで、「中央部に形成される」とは、基準面１１の形状にもよるが、例えば、基準面１１の平面視の形状（法線方向から見た形状）が正方形または長方形であった場合、つまり、発熱体２の平面視の形状が正方形または長方形であった場合、基準面１１の重心を含むように形成されるという意図であり、詳細には、基準面１１の中心（重心）と同じ位置（略同じ位置）に中心を有するとともに、当該基準面１１と相似形（略相似形）であり、且つ、当該基準面１１の１／１０の面積である範囲を含むように形成されるという意図である。
　そして、「中央部に形成される」については、基準面１１の平面視の形状が正方形および長方形以外であった場合も上記と同様の基準で判断すればよい。
　なお、主凸部１２の設置位置を基準面１１（または裏側基準面１４）の中央部とした意図は以下のとおりである。
　図１に示すように、熱伝導部材１に、板状で内部構造がほぼ均一な発熱体２を接合する場合を想定すると、発熱体２の動作中、発熱体２全体がほぼ均一に発熱すると考えられる。このとき、周辺部は、放射あるいは伝熱により熱が拡散しやすいため温度がよく下がるが、熱が高い方から低い方へ伝わる自然法則の結果、発熱体２の面の中心、即ち幾何学的重心が最も高温になる。ここで、発熱体２の動作限界は最高温度の値により決定される。すなわち、動作限界を向上させるためには、最も温度が高くなる部分の温度を下げてやればよい。本発明に係る熱伝導部材１は、最も温度が高くなる発熱体２の中心に対応する基準面１１（または裏側基準面１４）の中央部に主凸部１２を形成させることで、法線方向（Ｏ軸方向）における熱伝導部材１の当該中央部が厚くなるとともに当該中央部の上に形成される接合層３が薄くなる。そして、熱伝導部材１は、接合層３よりも熱伝導率が高い。したがって、熱伝導部材１の基準面１１（または裏側基準面１４）の中央部では、熱伝導があまり妨げられることなく法線方向に熱が伝導する。その結果、熱伝導部材１の基準面１１（または裏側基準面１４）の中央部の熱伝導率が向上する、つまり放熱性が向上することにより、発熱体２の最高温度を下げ動作限界を向上させることができる。
　なお、熱伝導部材１の主凸部１２の設置位置は、発熱体２が動作することにより最も温度の高くなる部分の温度を下げればよいという観点から考えると、熱伝導部材１の発熱体２と対向する面（または、対向しない面）において最も温度が高くなる位置（発熱中心）であると規定することもできる。
　主凸部１２と周縁との高低差（主凸部１２の高さ）は、目標とする最高温と最大応力とを指標に適宜設計することができるが、特に発熱体２の大きさ、つまり、基準面１１の大きさに依存する。発熱体２が大きくなるほど中心と周辺の温度差が大きく、最大応力も大きくなるため、主凸部１２と周縁との高低差を大きく設ける必要がある。
　よって、板状を呈する熱伝導部材１の表面を高さの基準とした場合、主凸部１２の先端部の最も高い部分と周縁の最も低い部分との高低差（図４のｈ等参照）は、基準面１１の重心と当該重心から最も離れた周縁との距離の１／４００以上である。なお、１／２００以上が好ましい。
　一方、主凸部１２の先端部の最も高い部分と周縁の最も低い部分との高低差（図４のｈ等参照）の上限については、特に限定されないが、熱伝導率の低下を防止するため、基準面１１の重心と当該重心から最も離れた周縁との距離の１／１０以下であることが好ましい。
　なお、ここでの高低は、熱伝導部材１表面を基準として、当該表面に対して垂直方向外方に突出すればするほど高く、突出していなければしていないほど低いという意図である。
　熱伝導部材１は、図２に示すように、主凸部１２と、主凸部１２の周りに１つ以上の副凸部１３とが形成されていることが好ましい。
＜副凸部＞
　副凸部１３とは、主凸部１２の周りに１つ以上形成される凸部である。
　副凸部１３は、基準面１１の周縁部には形成されていないことが好ましい。このような構成により、熱伝導部材１を積層させる際に、応力が一番大きくなる当該周縁部には応力の緩衝材的な役割を果たす接合材が封入されることになるため、適切に応力を緩和することができる。
　ここで、基準面１１の周縁部とは、基準面１１の中心（重心）と同じ位置に中心を有するとともに、当該基準面１１と相似形であり、且つ、当該基準面１１の９／１０の面積を有する範囲の周縁（周縁端）と、基準面１１の周縁（周縁端）と、に囲まれる範囲である。
　なお、副凸部１３を設ける場合は、基準面１１上に占める主凸部１２と副凸部１３の先端部の合計面積は、基準面１１の面積の２０％以上９０％以下であることが好ましく、３０％以上であることが特に好ましい。当該範囲とすることにより、応力の緩和と熱伝導率の向上とをさらに確実に両立させることができる。
＜主凸部と副凸部との関係＞
　図４（ａ）に示すように、凸部１２、１３が形成されている基準面１１の中心における法線（Ｏ軸）を含むように切断した切断形状において、副凸部１３のそれぞれの幅（Ｌ１３）が主凸部１２の幅（Ｌ１２）よりも短くなるように形成されている。そして、図３に示すように、基準面１１の中心における法線を含むように何れの方向から切断した切断形状においても、副凸部１３のそれぞれの幅（Ｌ１３）が主凸部１２の幅（Ｌ１２）よりも短くなるように形成されている。なお、基準面１１の中心における法線を含むように切断した切断形状において、副凸部１３が存在しない部分があっても問題はない。
　主凸部１２と副凸部１３との関係を前記のように規定した理由は、基準面１１の中心から周縁方向に応力が大きくなるため、当該方向において、主凸部１２の幅（Ｌ１２）よりも幅の長い副凸部１３を形成させると、応力の緩衝材的な役割を果たす接合層３が薄く形成されることとなり、応力を緩和できなくなるからである。
　なお、基準面１１の中心における法線を含むように切断した切断形状において、副凸部１３が複数形成されている場合であっても、これらの副凸部１３の幅（Ｌ１３）のそれぞれが主凸部１２の幅（Ｌ１２）よりも短ければ、副凸部１３の形成されていない部分に接合層３が厚く形成されることで、問題なく応力を緩和することができる。
　なお、中心とは、略中心であってもよく、例えば、基準面１１（または、裏側基準面１４）が正方形または長方形の場合は、面の幾何学的重心（略重心）である。
　以上、図１、図２、図３および図４（ａ）を用いて熱伝導部材１を説明したが、熱伝導部材１の「主凸部と副凸部との平面視の形状等」、「主凸部と副凸部との断面視の形状」について、以下に示すような応用例の構成について説明する。
＜主凸部の平面視の形状＞
　主凸部１２の平面視の形状は、図３および図５に示すように、基準面１１の略相似形であるとともに、角部は外向きアール状を呈する。角部は直角に形成されていてもよいが、角部が外向きアール状に形成されていることにより、当該角部に集中する応力を分散させ応力のピーク値を下げることができる。そして、応力のピーク値をできる限り下げるため、当該角部の曲率半径は大きい方が好ましい。
＜副凸部の平面視の形状および設置位置＞
　副凸部１３の平面視の形状は、図５（ａ）に示すように、円であってもよいし、図５（ｂ）に示すように、角部が外向きアール状を呈する長方形であってもよい。副凸部１３の平面視の各形状が円等である場合、角が存在しないことから、応力が集中し難くなり応力のピーク値を下げることができる。
　そして、副凸部１３の平面視の形状は、図５（ｃ）に示すように、主凸部１２を取り囲むようなドーナツ状のものであってもよい。ただし、図５（ｄ）に示すように、主凸部１２に隣接するとともに凸部１２、１３が形成されていない接合材の流路が、基準面１１の周縁まで連続するように副凸部１３が形成されていることが好ましい。主凸部１２に隣接する接合材の流路（凸部が形成されていない箇所）が周縁まで連続して形成されていることにより、図５（ｃ）の形状と比較し、図５（ｄ）の形状の方が、接合材をリフローさせる際に、フラックスやボイドを外へ排出させやすい。また、接合材を周縁の一端から他端に向かい流し込む際に、ボイド（微小な空洞）を生じさせることなく適切に接合作業（部材間を接合材で満たし接合する作業）を行うことができるからである。
　副凸部１３は、図５（ａ）に示すように、基準面１１の周縁と並列に規則正しく形成されていてもよいが、図５（ｅ）に示すように、基準面１１の中心から周縁方向に向かって放射状かつ直線状に並ぶように形成されていることが好ましい。副凸部１３が、基準面１１の中心から周縁方向に向かって放射状かつ直線状に並んでいることから、中央部から周縁方向に生じる熱伝導をほとんど妨げることなく熱を拡散することができるからである。
　なお、中心とは、略中心であってもよく、例えば、基準面１１が正方形または長方形の場合は、重心（略重心）である。
　さらに、副凸部１３は、図５（ｆ）に示すように、基準面１１の中心から周縁方向に向かって渦巻状に並ぶように形成されていることが好ましい。副凸部１３が、基準面１１の中心から周縁方向に向かって渦巻状に並ぶことにより、副凸部１３が、せん断応力の応力ベクトルの方向に沿わないことから、せん断応力を低下させることができる。
　なお、副凸部１３は、図５（ａ）～（ｆ）を適宜組み合わせたり変形させたりして、形成させてもよい。例えば、副凸部１３を図５（ｆ）に示すような位置に形成させるとともに、各副凸部１３の平面視の形状を円または楕円にしてもよい。また、例えば、図５（ｅ）の各副凸部１３の平面視の略長方形の角部を外向きアール状にしてもよい。
　さらに、応力が、基準面１１の中央部から周縁方向に向かって大きくなることを考慮し、基準面１１の中央部の近くに形成される副凸部１３は、平面視の面積が大きく、周縁方向に向かうにしたがい、平面視の面積が小さな副凸部１３を形成してもよい。
＜主凸部と副凸部との断面視の形状＞
　凸部１２、１３の断面視の形状については、図４（ａ）に示すような長方形であってもよいが、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、凸部１２、１３の突出端（先端部）の角部は、外向きアール状に形成されていることが好ましい。このように凸部１２、１３が形成されていることにより、角部に集中する応力を分散させ応力のピーク値を下げることができる。その結果、発熱体２からの熱により熱伝導部材が湾曲した場合であっても、突出端の角部を基点として亀裂が発生してしまうような状況を回避することができるからである。そして、応力のピーク値をできる限り下げるため、当該角部の曲率半径（これをｒとする）は大きい方が好ましい。
　なお、曲率半径ｒは凸部１２、１３の角部全体において同じ値である必要はない。しかし、曲率半径ｒの最小値に関しては、凸部１２、１３の高さをｈ、凸部１２、１３の中心から凸部１２、１３の端までの距離をｄとし、Ｒ＝（ｄ２＋ｈ２)／２ｈ（凸部１２、１３全体が１つの円周の一部になった場合の曲率半径）と定義した場合、ｈ≦ｒ≦Ｒを満たすのが好ましく、より好ましくは、２ｈ≦ｒ≦Ｒ／２である。
　曲率半径の最小値がｈ未満であると、実質的に角部が「直角」に近くなり外向きアール状とする効果はほとんどない。一方、曲率半径の最小値がＲを超えると凸部１２、１３の突出端において発熱体２に対し平行な面の面積が小さくなり、熱伝導率が低下するだけでなく、接合時に加圧した場合、凸部１２、１３の突出端に応力が集中し、当該箇所を起点として発熱体２が割れてしまうおそれがある。
　また、図４（ｄ）に示すように、凸部１２、１３の隅部（熱伝導部材１の表面と連接する部分）が内向きアール状であることが好ましい。このように凸部１２、１３が形成されていることにより、接合材をリフローさせる際に、接合材が隅まで流動しやすいため、ボイドが滞留しにくく、良好な接合面を形成させることができる。また、基準面１１の周縁の一端から他端に向けて接合材を流し込む際に、凸部１２、１３の表面を沿わせて接合材を適切に流し込むことができる。その結果、ボイドを生じさせることなく適切に接合作業を行うことができる。
　なお、前記した主凸部１２の高さ（主凸部１２と周縁との高低差）と同様、副凸部１３の高さも、板状を呈する熱伝導部材１の表面を基準とした場合に、副凸部１３の先端部の最も高い部分と周縁の最も低い部分との高低差（図４のｈ参照）は、基準面１１の重心と当該重心から最も離れた周縁との距離の１／４００以上となっていればよい。好ましくは１／２００以上であり、１／１０以下であることが好ましい。
　以上、熱伝導部材１の主凸部１２または主凸部１２および副凸部１３が、発熱体２と対向する面（基準面１１が存在する面）に形成される場合について説明したが、発熱体２と対向しない面（裏側基準面１４が存在する面）に形成されていてもよい。主凸部１２または主凸部１２および副凸部１３が、発熱体２と対向しない面に形成されていても、発熱体２と対向する面に形成されている場合と同様の効果を奏することができる。なお、裏側基準面１４とは、発熱体２と対向しない面において基準面１１の裏側に位置する範囲である（図４（ａ）参照）。
　また、熱伝導部材１は、発熱体２と対向する面、および発熱体２と対向しない面の両面に凸部１２、１３が形成されていてもよい。
　また、熱伝導部材１の面に対して１つの発熱体２を搭載させる場合について説明したが、複数の発熱体２を当該面に対して並列に搭載させてもよい。
　この場合は、熱伝導部材１の発熱体２と対向する面の中央部に主凸部１２を形成させるのではなく、各発熱体２に対応する各基準面１１（または各裏側基準面１４）の中央部にそれぞれ主凸部１２を形成させることとなる。このように主凸部１２を形成させることにより、各発熱体２の温度をそれぞれ下げることができる。
　また、熱伝導部材１の一側面に対向するように発熱体２を搭載するとともに、他側面にも対向するように発熱体２を搭載する、つまり、熱伝導部材１の両面に発熱体２を搭載してもよい。当該場合は、各発熱体２と対向する各基準面１１（両面）に凸部１２、１３をそれぞれ形成させればよい。
≪発熱体について≫
　発熱体２とは、熱を発する部材であり、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ　Ｗｈｅｅｌｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）、整流ダイオード、トランジスタ等の半導体素子（素子）であり、通常、動作する際に熱を発生させる電子部品である。
　発熱体２の大きさや形状については特に限定されないが、平面視の形状が略長方形の板状を呈するものが一般的である。
≪接合材（接合層）について≫
　接合材とは、発熱体２、熱伝導部材１等を互いに接合する部材である。接合材は部材間（発熱体２と熱伝導部材１との間、熱伝導部材１同士の間、熱伝導部材１と絶縁部材４等の他部材との間）に封入され、接合層３を形成する。なお、接合材は、例えば、はんだ、樹脂、鑞等であり、比較的軟化温度が低く軟らかいことから応力に対して緩衝材的な役割を果たす。
　部材間に形成される接合層の厚さについては、発熱体２の大きさ、発熱量等によって異なり特に限定されないが、凸部１２、１３の存在する箇所の接合層の厚さは、１μｍ～１０μｍ、凸部１２、１３の存在しない箇所の接合層の厚さは、５０μｍ～２００μｍが好ましい。
≪半導体装置について≫
　半導体装置２０とは、半導体素子（発熱体２）を備える装置であり、ひとまとまりの機能（例えば、電力制御機能）を持ったモジュールである。
　半導体装置２０は、図１、図２、図４（ａ）に示すように、発熱体２と、発熱体２の一側面に接合している熱伝導部材１と、を有する装置である。
　また、半導体装置２０は、図６に示すように、発熱体２と、発熱体２の一側面に接合している第１熱伝導部材１と、第１熱伝導部材１の発熱体２が接合していない面に接合している絶縁部材４と、絶縁部材４の第１熱伝導部材１が接合していない面に接合している第２熱伝導部材５と、第２熱伝導部材５の絶縁部材４が接合していない面に接合している第３熱伝導部材６と、を有する装置である。そして、第１熱伝導部材１、第２熱伝導部材５、および第３熱伝導部材６のうちの少なくとも１つが前記した熱伝導部材である。
　なお、図６（ａ）に示すように、半導体装置２０は、第１熱伝導部材１の上側の面（発熱体２と対向する面）と、第２熱伝導部材５の下側の面（発熱体２と対向しない面）とに凸部１２、１３が形成されていてもよい。また、半導体装置２０は、図６（ｂ）に示すように、第１熱伝導部材１の上側の面と、第３熱伝導部材６の上側の面とに凸部１２、１３が形成されていてもよい。そして、図６（ｃ）に示すように、半導体装置２０は、発熱体２の上側に積層するように、さらに下側の面に凸部１２、１３が形成された第４熱伝導部材７を設けてもよい。
　このように、半導体装置２０は、素子２と積層するように設けられる１以上の熱伝導部材のうち少なくとも１つが前記した熱伝導部材であることにより、半導体装置２０全体として、応力の緩和と、熱伝導率の向上とを両立させることができる。
　なお、図６において、第１熱伝導部材１および第２熱伝導部材５と絶縁部材４との間の接合層３については省略している。
≪半導体装置が動作する際の熱伝導と応力について≫
　半導体装置２０が動作する際の熱伝導と応力について、図６（ａ）の半導体装置２０を用いて説明する。
　発熱体である素子２の動作が開始すると、素子２全体がほぼ均一に発熱する。この熱が、接合層３を介して第１熱伝導部材１、絶縁部材４、第２熱伝導部材５、第３熱伝導部材６へと、伝達する。そして、上方から下方に熱が伝導するとともに、中央部から周縁方向に熱が拡散伝導することにより、面方向では中央部が高温、法線方向では素子２側が高温の温度分布ができる。
　各部材の接合部が自由に動くとすれば、この温度分布により、第１熱伝導部材１、第２熱伝導部材５、第３熱伝導部材６の素子２側に近い面の方が高温であるからより大きく膨張し、周縁は下方に反り返る方向に応力が働くのであるが、実際には各部材が接合されているため、熱膨張係数の差の影響を受ける。即ち、素子２が第１熱伝導部材１等より熱膨張係数が小さく、発熱により室温から温度上昇すると、素子２より第１熱伝導部材１等の方がより大きく膨張し、第１熱伝導部材１の周縁は、素子２の周縁から外側へ離れる方向に変位するため、接合層３には、接合面と平行であるとともに中央部から周縁方向に向かって放射状かつ直線状に引張せん断応力が発生する。このとき同時に、中央より周縁が上に反る方向に変位する。
　一方、素子２の動作が停止すると、半導体装置２０全体の温度が下がることから、変位が元の状態に戻る。このとき、やはり熱膨張係数の差により、第１熱伝導部材１等が素子２より収縮するため、接合層３との接合面に平行であるとともに中央部から周縁方向に向かって放射状かつ直線状かつ、前記昇温時とは向きが逆のせん断応力が発生する。
　本発明に係る熱伝導部材１および半導体装置２０によると、所定以上の面積を占める主凸部１２が、基準面１１（または裏側基準面１４）において最も熱がこもり易い中央部に形成されていることから、当該主凸部を通じて適切に熱を下方の部材に伝導することができ、素子２中央の温度を下げることができる。即ち、仮に素子２の発熱量を同じとすれば、その最高温を下げることができる。一方通常は、素子２は、温度分布に依らず、最高温により動作電力が制限されるため、素子２の最高温が同じになるように動作させるとすれば、動作電力を引き上げることも可能である。ただしこの時、熱抵抗が低くなる中央部と比べ、周縁部の熱抵抗は高いため、凸部から離れた部分の温度はやや上昇する。したがって周縁部のせん断応力は、凸部無しであって接合層３の厚さが前記凸部有りの場合の周縁部と同じ場合と比べ、若干上昇する場合もあり得る。
　また、主凸部１２は所定以下の面積であるとともに、基準面１１（または裏側基準面１４）のうち周縁には副凸部１３が形成されていないことから、接合層３が受ける応力が一番大きくなる当該周縁には応力の緩衝材的な役割を果たす接合層３が厚く形成されることになるため、適切に応力を緩和することができる。
　またこのとき、主凸部１２の面積が大きいほどその部分の熱抵抗を下げる効果があるが、主凸部１２の設けられた部分の接合層３の厚さは薄いため、応力緩衝効果が低下しており、凸部の周縁部では応力が高くなる。しかしながら、主凸部１２の面積を所定以下にすることにより、主凸部１２の接合層３における応力の最大値を素子２の周縁部の位置の応力より小さくすることができる。
　即ち、応力最大値を増大させないために主凸部１２の面積を制限する必要があるが、反面、周縁部の熱抵抗はさほど変化しないため、最高温の低減効果は限定的である。また、素子２より面積が小さい主凸部１２が中央部にあることにより、接合時などに素子２が傾きやすくなる可能性がある。そこで、所定幅の副凸部１３を主凸部１２の周りに形成させることにより、前記した応力の緩和を損ねることなく、中央部から周縁方向に伝導した熱を、当該副凸部１３を通じて下方の部材に伝導することができる。即ち、最高温低減効果を向上できる。さらに、接合時などの素子２の傾きも防止できる。
　その他、はんだなどを用いた接合層３の溶融接合の場合、理想的にはフラックスやボイドが全くなく接合することが望ましいが、素子２の面積が大きくなるほどフラックスやボイドが接合面から外に抜けにくい。仮にフラックスやボイドが排出されなかったとしても、凸部１２、１３があることにより、これを避けて凹部に集まり、その部分で熱抵抗が若干上がるものの、熱がこもりやすい素子２の中央部の放熱性は、主凸部１２により確保できる。
　加えて、所定以上の面積を占める主凸部１２が、基準面１１（または裏側基準面１４）の中央部に形成されていることから、第１熱伝導部材１等の中央部の剛性が向上する。その結果、第１熱伝導部材１等は歪みが生じにくくなるため、第１熱伝導部材１等の反り返りを制限することができる。
　なお、副凸部１３が、基準面１１（または裏側基準面１４）の中心から周縁方向に向かって渦巻状に形成している場合は、副凸部１３が、せん断応力の応力ベクトルの方向に沿わなくなる。その結果、せん断応力についても低下させることができる。
　以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されず、発明の主旨に応じた適宜の変更実施が可能である。また本発明では、熱抵抗と応力緩和を両立させることが最も象徴的な効果であるが、熱抵抗と応力緩和のどちらを重視するかによりいずれかを強調してもよく、それは本発明の規定する範囲において凸の配置、形状、面積、高さを適宜調整することにより容易に達成することができる。
　次に、本発明に係る熱伝導部材について、本発明の規定する構成の熱伝導部材（実施例）を用いてシミュレーションを行った結果と、本発明の規定する構成ではない熱伝導部材（比較例）を用いてシミュレーションを行った結果とを対比して具体的に説明する。
＜熱伝導部材＞
　実施例に係る熱伝導部材は、図１、図２に示すように、基準面の中央部に主凸部が形成されるもの（試験体３、７～９）、主凸部と１６個の副凸部が形成されるもの（試験体１、２）を用いた。
　一方、比較例に係る熱伝導部材は、基準面に全く凸部が形成されていないもの（試験体４～６）、主凸部の先端部の面積が本発明の規定する範囲外のもの（試験体１０、１１）を用いた。
　なお、熱伝導部材は、銅板（純銅：縦１２ｍｍ×横１２ｍｍ）であるとともに、凸部が形成されている部分の厚さが１．１４ｍｍ、凸部が形成されていない部分の厚さが１．００ｍｍであった。
　その他、詳細な熱伝導部材の形状については、表１に示した。なお、表１中の「凸部面積比」とは、基準面の面積に対する主凸部および副凸部の先端部の合計面積の比率であり、「主凸部面積比」とは、基準面の面積に対する主凸部の先端部の面積の比率である。「凸側面傾斜」とは、基準面と凸部の側面とが成す角度である。「主（副）凸先端部１辺」とは、凸部の先端部の１辺の長さのことであり、「主（副）凸基端部１辺」とは、凸部の基端部の１辺の長さのことである。
＜半導体装置＞
　半導体装置として、図１、図２に示すように、平面視の形状が正方形のＳｉ素子（縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×高さ０．１５ｍｍ：発熱量５０００Ｗ／ｃｍ３）を搭載したと仮定した。そして、発熱は素子全体で均一に起こると近似した。そして、Ｓｉ素子と前記した熱伝導部材との間に接合層を設けた。前記接合層は、基準面と同じ大きさで、表1に記載する厚さの鉛フリーはんだ（組成Ｓｎ－３％Ａｇ－０．５％Ｃｕ）とした。また、シミュレーションを容易にするため、前記素子、接合層、および熱伝導部材は平面視において全て軸対称とし接合面は完全に密着することとし、凸部の形状は、平面視においては正方形、断面視においては台形または長方形とした。そして、熱伝導部材裏面は、６０℃の水により熱伝達係数２００００Ｗ／ｍ２／Ｋで冷却されていると仮定してシミュレーションを行った。
　なお、実際の半導体装置等は形状や配置の対称性は下がる場合の方が多いが、本発明の有効性の原理確認は可能であり、その結果を実際の半導体装置等へ原理を拡張することは容易である。
＜シミュレーション方法＞
　実施例に係る熱伝導部材を用いた半導体装置と、比較例に係る熱伝導部材を用いた半導体装置について、温度分布および各部の塑性変形がないと仮定した場合の定常応力分布のシミュレーションを「ＭｅｍｓＯＮＥ」（登録商標：財団法人マイクロマシンセンター）Ｖｅｒ．４．０の「熱伝導と力学の連成解析」を用いて行った。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
＜シミュレーション結果＞
　シミュレーションによる解析結果を表１および図７に示した。
　ここで、「最高温」とは、熱伝導部材中における最高温度であり、発熱量、熱伝達率、冷却水の温度などにより変化するが、これらに依らず比較できる値として「熱抵抗」がある。ところが、エンボスの効果により必ずしも最高温が中央に位置しないため、便宜上ここでは定義を次の通り変更している。
　　熱抵抗＝（最高温－銅板下面中心温）／全発熱量
　また、応力の比較としては、はんだ層におけるミーゼス応力の最大値を用いた。はんだ層は熱サイクルによる疲労破壊が最も起きやすく、本発明の効果を比較する指標として適していると考えられるからである。
　試験体１～３、７～９については、本発明の規定する要件を全て満たしていることから、熱抵抗を０．０４Ｋ／Ｗ以下に抑えられるとともに、はんだ層ミーゼス応力最大値を１３２ＭＰａ以下に抑えられることがわかった。
　つまり、本発明に係る熱伝導部材は、熱伝導率を高く維持しつつ、素子が発熱することによって生じる応力を緩和することができることがわかった。
　１　　熱伝導部材（第１熱伝導部材）
　２　　発熱体（素子）
　３　　接合層
　４　　絶縁部材
　５　　熱伝導部材（第２熱伝導部材）
　６　　熱伝導部材（第３熱伝導部材）
　７　　熱伝導部材（第４熱伝導部材）
　１１　基準面
　１２　主凸部
　１３　副凸部
　１４　裏側基準面
　２０　半導体装置
　Ｌ１２　主凸部の幅
　Ｌ１３　副凸部の幅
　ｈ　　凸部の高さ
　ｄ　　凸部の中心から凸部の端までの距離

Claims (8)

  1. 　発熱体に積層するように設けられるとともに、当該発熱体からの熱を伝導させる熱伝導部材であって、
    　前記発熱体に対向する一側面において前記発熱体と向かい合う範囲である基準面と、前記発熱体に対向しない他側面において当該基準面の裏側に位置する裏側基準面と、のうち少なくとも一方の中央部に主凸部が形成されているとともに、
    　前記基準面上または前記裏側基準面上に形成された前記主凸部の先端部の面積は、当該基準面または当該裏側基準面の面積の２０％以上９０％以下であり、
    　前記主凸部が形成された前記基準面または前記裏側基準面の全ての周縁が前記先端部より低くなっており、前記先端部の最も高い部分と当該周縁の最も低い部分との高低差が、当該基準面または当該裏側基準面の重心と当該重心から最も離れた当該周縁との距離の１／４００以上であることを特徴とする熱伝導部材。
  2. 　前記主凸部の周りに１つ以上の副凸部が形成されており、
    　前記凸部が形成されている前記基準面または前記裏側基準面の中心における法線を含むように切断した切断形状において、前記副凸部のそれぞれの幅は前記主凸部の幅よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の熱伝導部材。
  3. 　前記凸部の先端部の角部が外向きアール状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の熱伝導部材。
  4. 　前記主凸部に隣接するとともに前記凸部が形成されていない接合材の流路が、前記周縁まで連続して形成されていることを特徴とする請求項２に記載の熱伝導部材。
  5. 　前記副凸部は、前記凸部が形成されている前記基準面または前記裏側基準面の中心から周縁方向に向かって放射状に並ぶように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の熱伝導部材。
  6. 　前記副凸部は、前記凸部が形成されている前記基準面または前記裏側基準面の中心から周縁方向に向かって渦巻状に並ぶように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の熱伝導部材。
  7. 　発熱体である素子と、前記素子の一側面に接合している熱伝導部材と、を有する半導体装置であって、前記熱伝導部材は、請求項１に記載の熱伝導部材であることを特徴とする半導体装置。
  8. 　発熱体である素子と、前記素子の一側面に接合している第１熱伝導部材と、前記第１熱伝導部材の前記素子が接合していない面に接合している絶縁部材と、前記絶縁部材の前記第１熱伝導部材が接合していない面に接合している第２熱伝導部材と、前記第２熱伝導部材の前記絶縁部材が接合していない面に接合している第３熱伝導部材と、を有する半導体装置であって、前記第１熱伝導部材、前記第２熱伝導部材、および前記第３熱伝導部材のうちの少なくとも１つが請求項１に記載の熱伝導部材であることを特徴とする半導体装置。
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