(57)【要約】【課題】緩衝板を備えながらも放熱性の低下を抑制できる半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体装置１０は、絶縁回路基板２１と、絶縁回路基板２１の第１主表面２１ａ側に配置される半導体素子１２と、絶縁回路基板２１と半導体素子１２との間に配置される緩衝板５１と、絶縁回路基板２１と緩衝板５１を接合する第１の接合部３１と、を有する。また、半導体装置１０は、半導体素子１２と緩衝板５１を接合する第２の接合部３２と、絶縁回路基板２１の第２主表面２１ｂ側に配置される放熱部材１１と、を備える。緩衝板５１は、線膨張係数が半導体素子１２より大きくかつ絶縁回路基板２１より小さい筒状の応力緩和部５２を有するとともに、応力緩和部５２の内側に当該応力緩和部５２よりも熱伝導率が高い熱伝導部５３が一体化されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁回路基板と、
前記絶縁回路基板の一方の主表面側に配置される半導体素子と、
前記絶縁回路基板と前記半導体素子との間に配置される緩衝板と、
前記絶縁回路基板と前記緩衝板を接合する第１の接合部と、
前記半導体素子と前記緩衝板を接合する第２の接合部と、
前記絶縁回路基板の前記一方の主表面と反対側の他方の主表面側に配置される放熱部材と、を備える半導体装置であって、
前記緩衝板は、前記第２の接合部と接合され、線膨張係数が前記半導体素子より大きくかつ前記絶縁回路基板より小さい筒状の応力緩和部を有するとともに、前記応力緩和部の内側に当該応力緩和部よりも熱伝導率が高い熱伝導部が一体化されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体素子は平面視で複数の角部を有する形状であり、前記第２の接合部は、平面視で前記半導体素子の輪郭に沿う縁部を有し、前記縁部のうちの前記角部に沿う接合部角部は前記応力緩和部に接合されている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２の接合部の前記縁部の全体が前記応力緩和部に接合されている請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２の接合部の前記縁部は、前記半導体素子の半導体外縁に沿う第１外縁を有するとともに、前記緩衝板に沿う第２外縁を有し、前記第２の接合部の平面視では前記第２外縁は前記第１外縁より外側に位置している請求項３に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、緩衝板を備える半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１に開示の半導体装置（パワーモジュール）は、絶縁回路基板と、半導体素子と、緩衝板と、第１及び第２の接合材と、放熱部材とを備えている。特許文献１の半導体装置において、半導体素子は絶縁回路基板の一方の主表面側に配置され、緩衝板は絶縁回路基板と半導体素子との間に配置されている。また、特許文献１の半導体装置において、第１の接合材は絶縁回路基板と緩衝板との間に配置され、第２の接合材は半導体素子と緩衝板との間に配置されている。放熱部材は絶縁回路基板の一方の主表面側と反対側の他方の主表面側に配置されている。緩衝板の線膨張係数は、半導体素子の線膨張係数より大きくかつ絶縁回路基板の線膨張係数より小さい。
【０００３】
特許文献１に開示の緩衝板は、クロム銅合金、クロム銅合金と銅とが積層されたクラッド材、銅モリブデン合金、銅モリブデン合金と銅とのクラッド材からなる群から選択されるいずれかにより形成されている。
【０００４】
そして、半導体素子と絶縁回路基板との線膨張係数差によって第２の接合部に生じる応力を緩衝板が緩和し、第２の接合部の疲労及びクラックを抑制したりする。また、放熱部材には、半導体素子で生じた熱が伝えられ、半導体素子の発する熱が外部に放出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１７／１３０５１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１においては、緩衝板が半導体素子から放熱部材の伝熱経路上に存在し、半導体素子から放熱部材への伝熱性を低下させ、半導体素子の放熱性が低下してしまっている。
【０００７】
本発明の目的は、緩衝板を備えながらも放熱性の低下を抑制できる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するための半導体装置は、絶縁回路基板と、前記絶縁回路基板の一方の主表面側に配置される半導体素子と、前記絶縁回路基板と前記半導体素子との間に配置される緩衝板と、前記絶縁回路基板と前記緩衝板を接合する第１の接合部と、前記半導体素子と前記緩衝板を接合する第２の接合部と、前記絶縁回路基板の前記一方の主表面と反対側の他方の主表面側に配置される放熱部材と、を備える半導体装置であって、前記緩衝板は、前記第２の接合部と接合され、線膨張係数が前記半導体素子より大きくかつ前記絶縁回路基板より小さい筒状の応力緩和部を有するとともに、前記応力緩和部の内側に当該応力緩和部よりも熱伝導率が高い熱伝導部が一体化されていることを特徴とする半導ることを要旨とする。
【０００９】
これによれば、半導体素子で生じた熱は、第２の接合部、緩衝板、第１の接合部、及び絶縁回路基板を順に伝わり、放熱部材から放熱される。半導体素子と絶縁回路基板の間に配置された緩衝板の応力緩和部により、半導体素子と絶縁回路基板との線膨張係数の差によって第２の接合部に生じる応力を緩和し、第２の接合部にクラック等が生じることを抑制できる。このような緩衝板を半導体素子と絶縁回路基板の間に配置した構成において、緩衝板は応力緩和部の内側に熱伝導部を備える。このため、緩衝板が応力緩和部だけで構成される場合と比べると、緩衝板の伝熱性を高め、半導体素子で生じた熱を放熱部材に効率良く放熱できる。したがって、半導体素子と絶縁回路基板の間に緩衝板を備える構成であっても、半導体素子の放熱性の低下を抑制できる。
【００１０】
また、半導体装置について、前記半導体素子は平面視で複数の角部を有する形状であり、前記第２の接合部は、平面視で前記半導体素子の輪郭に沿う縁部を有し、前記縁部のうちの前記角部に沿う接合部角部は前記応力緩和部に接合されていてもよい。
【００１１】
これによれば、半導体素子と絶縁回路基板の間に緩衝板が配置された構成であっても、線膨張係数の差を原因として第２の接合部には応力が生じる。応力は、一般的に角部に集中しやすいが、第２の接合部の接合部角部を緩衝板の応力緩和部に接合することにより、応力緩和部によって接合部角部に生じる応力を緩和し、接合部角部にクラック等が発生することを抑制できる。
【００１２】
また、半導体装置について、前記第２の接合部の前記縁部の全体が前記応力緩和部に接合されていてもよい。
これによれば、半導体素子と絶縁回路基板の間に緩衝板が配置された構成であっても、線膨張係数の差を原因として第２の接合部には応力が生じる。応力は、縁部に集中しやすいが、第２の接合部の縁部を緩衝板の応力緩和部に接合することにより、応力緩和部によって縁部に生じる応力を緩和し、縁部にクラック等が発生することを抑制できる。
【００１３】
また、半導体装置について、前記第２の接合部の前記縁部は、前記半導体素子の半導体外縁に沿う第１外縁を有するとともに、前記緩衝板に沿う第２外縁を有し、前記第２の接合部の平面視では前記第２外縁は前記第１外縁より外側に位置していてもよい。
【００１４】
これによれば、第１外縁と第２外縁の位置関係から、第２の接合部の縁部はフィレット形状を有する。このため、第２の接合部の縁部と応力緩和部との接合面積を大きくでき、応力緩和部による応力緩和機能を発揮しやすい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、緩衝板を備えながらも放熱性の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態の半導体装置を示す断面図。
【図２】実施形態の半導体装置を示す平面図。
【図３】半導体装置の一部を示す拡大断面図。
【図４】緩衝板の別例を示す平面図。
【図５】緩衝板の別例を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、半導体装置を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１又は図２に示すように、半導体装置１０は、放熱部材１１と、絶縁回路基板２１と、緩衝板５１と、半導体素子１２とを有する。
【００１８】
放熱部材１１は平面視において長辺と短辺とを有する略長方形状である。放熱部材１１はアルミ等の金属からなる板状の部材である。なお、放熱部材１１は例えばアルミ等の金属からなり内部に冷媒が流れる流路を備える冷却器でもよい。
【００１９】
絶縁回路基板２１は、放熱部材１１に載置されている。絶縁回路基板２１の一方の主表面である第１主表面２１ａには配線層２２が設けられるとともに、絶縁回路基板２１の第１主表面２１ａと反対側の他方の主表面である第２主表面２１ｂには金属層２３が設けられている。なお、絶縁回路基板２１の長手方向は放熱部材１１の長手方向と一致している。
【００２０】
金属層２３は放熱部材１１の上面に例えばロウ付け等により接合されている。金属層２３は、例えば銅又はアルミニウムなどの熱伝導率の高い材料からなることが好ましい。なお、金属層２３は、単一の層であってもよいし、銅の薄膜とアルミニウムの箔膜とが積層された複数の層からなる構成であってもよい。絶縁回路基板２１は例えば、ＡｌＮ基板よりなり、配線層２２はアルミニウム板とその表面のＮｉめっき層よりなる。
【００２１】
半導体素子１２は、例えば、ＩＧＢＴやダイオード等のパワースイッチング素子である。半導体素子１２は、絶縁回路基板２１の第１主表面２１ａ側に配置されている。半導体素子１２は平面視で四つの角部１２ａを有する長方形状である。半導体素子１２の角部１２ａは、半導体素子１２の平面視で交差する二辺で挟まれた部分である。半導体装置１０の平面視における半導体素子１２の輪郭を半導体外縁１２ｂとする。
【００２２】
緩衝板５１は、絶縁回路基板２１と半導体素子１２との間に配置されている。緩衝板５１は、半導体素子１２側に第１面５１ａを有し、第１面５１ａと反対側であり、絶縁回路基板２１側の面に第２面５１ｂを有する平板形状である。緩衝板５１は平面視において長辺と短辺とを有する略長方形状である。緩衝板５１の長手方向は、放熱部材１１の長手方向と一致する。
【００２３】
絶縁回路基板２１と緩衝板５１との間には第１の接合部３１が配置されている。本実施形態では、第１の接合部３１は、はんだよりなる。そして、絶縁回路基板２１に接合された配線層２２には第１の接合部３１により緩衝板５１の第２面５１ｂが接合されている。半導体素子１２と緩衝板５１との間には第２の接合部３２が配置されている。本実施形態では、第２の接合部３２は、はんだよりなる。そして、緩衝板５１の第１面５１ａには第２の接合部３２により半導体素子１２が接合されている。
【００２４】
図３に示すように、第１の接合部３１は、フィレット形状とされている。なお、フィレットは、面同士を滑らかに接合（接触）させるための形状である。よって、フィレット形状による接触により、緩衝板５１と配線層２２との接触面積は大きくなっている。第２の接合部３２は、フィレット形状とされている。よって、フィレット形状による接触により、半導体素子１２と緩衝板５１との接触面積は大きくなっている。第２の接合部３２は、緩衝板５１に接合する第１接合面３３を有するとともに、半導体素子１２に接合する第２接合面３４を有する。
【００２５】
図２に示すように、第２の接合部３２は、半導体素子１２の半導体外縁１２ｂに沿う縁に第１外縁３２ａを有する。上記したように、第２の接合部３２は、フィレット形状である。このため、半導体装置１０の平面視において、第２の接合部３２は、第１外縁３２ａよりも外側に位置する第２外縁３２ｂを有する。また、第２の接合部３２は、第１外縁３２ａと第２外縁３２ｂで挟まれる部分に縁部３５を有する。なお、本実施形態では、縁部３５を、平面視で第１外縁３２ａから第２外縁３２ｂまでの部分とする。そして、第２の接合部３２の縁部３５は、半導体装置１０の平面視で半導体素子１２の輪郭としての半導体外縁１２ｂに沿う。さらに、第２の接合部３２は、半導体素子１２の角部１２ａに沿う接合部角部３２ｃを有し、各接合部角部３２ｃは縁部３５に含まれる。
【００２６】
図１に示すように、放熱部材１１の上面に対して金属層２３、絶縁回路基板２１、配線層２２、第１の接合部３１、緩衝板５１及び第２の接合部３２を介して半導体素子１２が固定され、半導体素子１２は放熱部材１１と熱的に結合している。
【００２７】
次に、緩衝板５１について詳細に説明する。
図２又は図３に示すように、緩衝板５１は、四角筒状の応力緩和部５２を有するとともに、応力緩和部５２の内側に一体化された四角板状の熱伝導部５３とを有する。なお、熱伝導部５３は、応力緩和部５２の内側に嵌合されることにより、応力緩和部５２と一体化されている。熱伝導部５３の外縁５３ａは、応力緩和部５２の内周縁５２ａに密接している。また、熱伝導部５３は、緩衝板５１の厚さ方向全体に亘って存在する。
【００２８】
応力緩和部５２は、銅モリブデンによって製造され、熱伝導部５３は、銅によって製造されている。なお、応力緩和部５２は、銅モリブデンの他に、銅タングステンによって製造されていてもよいし、熱伝導部５３は、銅の他に、アルミニウムで製造されていてもよい。
【００２９】
銅モリブデンの線膨張係数は、銅の線膨張係数より小さい。このため、応力緩和部５２の線膨張係数は、熱伝導部５３の線膨張係数より小さい。また、銅モリブデンの熱伝導率は、銅の熱伝導率よりも低い。このため、熱伝導部５３の熱伝導率は、応力緩和部５２の熱伝導率よりも高い。応力緩和部５２の線膨張係数は、半導体素子１２の線膨張係数よりも大きく、かつ絶縁回路基板２１の線膨張係数よりも小さい。
【００３０】
緩衝板５１は平面視において長辺と短辺とを有する略長方形状である。なお、緩衝板５１の長手方向は放熱部材１１の長手方向に一致している。また、熱伝導部５３も平面視において長辺と短辺とを有する略長方形状である。緩衝板５１の長手方向は熱伝導部５３の長手方向に一致している。
【００３１】
緩衝板５１の第１面５１ａのうち、応力緩和部５２によって形成される部分には、第２の接合部３２の第１接合面３３のうち、縁部３５に沿う部分が接合されている。第２の接合部３２の接合部角部３２ｃは縁部３５に含まれる。このため、第１面５１ａのうち、応力緩和部５２によって形成される部分には、第１接合面３３のうちの接合部角部３２ｃに沿う部分も接合されている。そして、第２の接合部３２の縁部３５は、熱伝導部５３を取り囲む四角環状の応力緩和部５２と熱的に結合されている。
【００３２】
また、緩衝板５１の第１面５１ａのうち、熱伝導部５３によって形成される部分には、第２の接合部３２の第１接合面３３のうち、応力緩和部５２に接合された部分以外の全てが接合されている。よって、第２の接合部３２の第１接合面３３のほとんどが熱伝導部５３と熱的に結合されている。
【００３３】
半導体素子１２を緩衝板５１に投影した場合、半導体外縁１２ｂは、熱伝導部５３の外縁５３ａの僅かに外側に位置している。このため、熱伝導部５３は、第２の接合部３２を介して半導体素子１２のほとんどの部分に重合している。
【００３４】
次に、半導体装置１０の作用について説明する。
半導体装置１０の駆動時、半導体素子１２は発熱する。半導体素子１２と絶縁回路基板２１との線膨張係数の差によって第２の接合部３２に生じる応力を緩衝板５１のうちの応力緩和部５２が緩和し、第２の接合部３２の疲労及びクラックを抑制したりする。
【００３５】
また、半導体素子１２で生じた熱は、第２の接合部３２、緩衝板５１、特に熱伝導部５３、第１の接合部３１、配線層２２、絶縁回路基板２１、及び金属層２３からなる伝熱経路を通って放熱部材１１に放熱される。
【００３６】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）半導体装置１０の緩衝板５１は、応力緩和部５２と熱伝導部５３を有する。そして、応力緩和部５２により、半導体素子１２と絶縁回路基板２１との線膨張係数の差によって第２の接合部３２に生じる応力を緩和し、第２の接合部３２にクラックが生じることを抑制できる。このような緩衝板５１を、半導体素子１２から放熱部材１１の伝熱経路上に配置した構成において、緩衝板５１は応力緩和部５２の内側に熱伝導部５３を備え、熱伝導部５３は伝熱経路上に位置する。このため、緩衝板５１が応力緩和部５２だけで構成される場合と比べると、熱伝導部５３により、緩衝板５１の伝熱性を高め、半導体素子１２で生じた熱を放熱部材１１に効率良く放熱できる。したがって、半導体素子１２と絶縁回路基板２１の間に緩衝板５１を設けた構成であっても、半導体素子１２の放熱性の低下を抑制できる。
【００３７】
（２）半導体素子１２と絶縁回路基板２１の線膨張係数の差を原因として第２の接合部３２には応力が生じる。応力は、一般的に角部に集中しやすい。しかし、第２の接合部３２の接合部角部３２ｃを応力緩和部５２に接合することにより、接合部角部３２ｃに生じる応力を緩和でき、接合部角部３２ｃにクラック等が発生することを抑制できる。
【００３８】
（３）半導体素子１２と絶縁回路基板２１の線膨張係数の差を原因として第２の接合部３２には応力が発生する。応力は、一般的に縁部に集中しやすい。しかし、第２の接合部３２の縁部３５を応力緩和部５２に接合することにより、縁部３５に生じる応力を緩和でき、縁部３５にクラック等が発生することを抑制できる。
【００３９】
（４）第２の接合部３２はフィレット形状を有し、緩衝板５１寄りの第２外縁３２ｂは、半導体素子１２寄りの第１外縁３２ａよりも平面視で外側に位置している。そして、第２の接合部３２の第２外縁３２ｂを応力緩和部５２に接合している。このため、第２の接合部３２の縁部３５と応力緩和部５２との接合面積を大きくでき、応力緩和部５２による応力緩和機能を発揮しやすい。
【００４０】
（５）第２の接合部３２において、縁部３５や接合部角部３２ｃに応力が集中しやすい一方で、第１接合面３３の中央付近には応力が集中しにくい。このように応力の集中しにくい部分であり、クラックの発生し難い場所に熱伝導部５３を接合し、熱伝導部５３によって半導体素子１２の放熱性を高めている。よって、第２の接合部３２における応力の分布に応じて緩衝板５１に応力緩和部５２及び熱伝導部５３を設けており、一枚の緩衝板５１により、第２の接合部３２にクラックが生じることを抑制しつつ、半導体素子１２の放熱性の低下を抑制できる。
【００４１】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。また、以下の各変形例について組み合わせ可能なものを適宜組み合わせて更なる変形例としてもよい。
○  図４に示すように、緩衝板５１の熱伝導部５３を矩形の四隅を切り欠いた形状とし、第２の接合部３２の第１接合面３３のうち、接合部角部３２ｃと対応する部分のみを応力緩和部５２に接合させてもよい。この構成によれば、半導体素子１２と絶縁回路基板２１の線膨張係数の差を原因として第２の接合部３２には応力が発生する。応力は、一般的に角部に集中しやすい。しかし、第２の接合部３２の接合部角部３２ｃを応力緩和部５２に接合することにより、接合部角部３２ｃに生じる応力を緩和し、接合部角部３２ｃにクラック等が発生することを抑制できる。
【００４２】
○  図５に示すように、緩衝板５１の熱伝導部５３を、実施形態のような平面視長方形状とは異なる形状としてもよい。例えば、平面視楕円形状であってもよいし、平面視菱形状や平面視円形状や平面視正方形状であってもよい。
【００４３】
○  第２の接合部３２の第１接合面３３のうち、第２の接合部３２の縁部３５に沿う一部分だけが応力緩和部５２に接合されていてもよい。
○  緩衝板５１において、応力緩和部５２の内側に熱伝導部５３を一体化する方法は、嵌合以外に、接着であってもよい。  
【００４４】
○  半導体素子１２は、平面視正方形状でもよいし、平面視六角形状や、五角形状など、四角形状以外であってもよい。この場合、第２の接合部３２は、平面視で半導体素子１２の輪郭に沿う外縁を有するように、半導体素子１２の平面視形状に合わせた平面視正方形状や、平面視六角形状や、五角形状になり、半導体素子１２の角部１２ａの数と同じ数の接合部角部３２ｃを有する形状となる。
【００４５】
○  第１の接合部３１や第２の接合部３２は、フィレット形状を有していなくてもよい。
以下に、上述した実施形態及び変更例から把握される技術的思想及びその作用効果を記載する。
【００４６】
（１）前記応力緩和部は銅モリブデン製であり、前記熱伝導部は銅製である半導体装置。
【符号の説明】
【００４７】
１０…半導体装置、１１…放熱部材、１２…半導体素子、１２ａ…角部、１２ｂ…半導体外縁、２１…絶縁回路基板、２１ａ…第１主表面、２１ｂ…第２主表面、３１…第１の接合部、３２…第２の接合部、３２ａ…第１外縁、３２ｂ…第２外縁、３２ｃ…接合部角部、３５…縁部、５１…緩衝板、５２…応力緩和部、５３…熱伝導部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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