(57)【要約】【課題】より簡易かつ安価な構造でありながら、半導体素子を含む構造体とその支持体との間に生じる熱応力の緩和はもとより、熱抵抗についてもその好適な抑制を図ることのできる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子を含む構造体がこれを支持する冷却器に応力緩和層２００を介して一体に接合される構成とする。そして、構造体と冷却器との間に介在されてこれらの応力を緩和する応力緩和層２００を、互いに隣接する層間で異なる方向に切れ目２１０ａ〜２１０ｅを有する複数の金属薄板２００ａ〜２００ｅを積層することによって形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を含む構造体がこれを支持する支持体に、それら構造体及び支持体間に生じる応力を緩和する応力緩和層を介して一体に接合されて構成される半導体装置において、
前記応力緩和層は、互いに隣接する層間で異なる方向に１乃至複数の切れ目を有する複数の板材が積層されて形成されてなる
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記応力緩和層を構成する板材毎に前記切れ目が並行するかたちで複数設けられてなる
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記板材毎に複数設けられた切れ目は、隣接する層間で互いに直交する態様で設けられてなる
請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記板材毎に複数設けられた切れ目は、隣接する層間で前記応力緩和層としての厚さ方向に一定の角度間隔をもって順次回転する態様で設けられてなる
請求項２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記構造体の線膨張係数と前記支持体の線膨張係数とは、
（構造体の線膨張係数）＜（支持体の線膨張係数）
なる関係にあり、
前記応力緩和層は、前記構造体側から前記支持体側にかけて前記切れ目の数が漸次多くなる態様で同応力緩和層を構成する板材が積層されてなる
請求項２〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記板材毎に設けられた切れ目が連続した直線状からなる
請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記支持体は、前記半導体素子を含む構造体を冷却する冷却器である
請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記応力緩和層を構成すべく積層される板材が金属製の薄板からなる
請求項１〜７のいずれか一項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、半導体装置に関し、特に電力の変換や各種電力制御等に用いられる半導体素子を含む構造体とこれを支持する支持体との間に設けられてこれら構造体及び支持体間の応力を緩和する応力緩和層を備える半導体装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
こうした半導体装置としては、例えば電気自動車やハイブリッド車などにあって、車載バッテリから供給される直流電力をモータ駆動用の３相交流等に変換するなどの電力変換を行うインバータ装置が知られている。そして、このような半導体装置は通常、半導体素子（電力用半導体素子）を含んで構成される構造体が冷却器に一体に接合されていることが多い。すなわち、半導体素子が絶縁基板や放熱板に半田付け等によって実装されている上記構造体を、熱交換機能を有する冷却器にロウ付けや半田付けなどにより接合、固定することで、半導体素子動作時の発熱を緩和するようにしている。
【０００３】
ただし、冷却器とのこのような接合構造を採用する場合、上記構造体を構成する絶縁基板や放熱板に用いられる材料と冷却器に用いられる材料とでは一般にその線膨張係数が異なるために、こうした線膨張係数の相違に起因する応力が発生する。そして、このような応力に起因して上記構造体と冷却器とを接合する接合層にクラックや反り等が生じてしまう不都合がある。
【０００４】
そこで従来は、こうした線膨張係数の相違に起因する上記クラックや反り等の発生を抑制すべく、例えば特許文献１に記載の装置あっては、上記構造体を構成する絶縁基板や放熱板とその支持体である冷却器との間に、複数の貫通孔あるいは溝状の凹所が形成された応力緩和部材を応力緩和層として介在させることとしている。また、特許文献２に記載の装置あっては、上記構造体を構成する絶縁基板や放熱板とその支持体である冷却器との間に、線膨張係数の異なる複数の材料の積層体からなる応力緩和層を介在させることとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９４６９９号公報
【特許文献２】特開２００３−１２４４１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、特許文献１や特許文献２に記載の装置によれば、それぞれ応力緩和層を通じて、確かに半導体素子を含む構造体とこれを支持する冷却器等の支持体との間に生じる応力の緩和が図られるようにはなる。
【０００７】
しかし、特許文献１に記載の装置の場合、応力緩和層としての上記構造では、応力緩和部材に設けられた複数の貫通孔あるいは溝状の凹所等の応力吸収空間が空気層からなるために、この空気層が熱抵抗として作用することとなり、上記冷却器による半導体素子との間での熱交換が妨げられることにもなる。しかも同構造の場合、上記貫通孔あるいは溝状の凹所が設けられた応力緩和部材が、それら応力吸収空間の働きによって、上記構造体や冷却器（支持体）への面方向の応力についてはその吸収に寄与するものの、同構造体や支持体への厚さ方向の応力となると、これを十分に吸収することはできない。このため、それら構造体あるいは支持体（冷却器）の反りに対してこれを抑制することは難しい。
【０００８】
一方、上記特許文献２に記載の装置のように、応力緩和層として上記線膨張係数の異なる複数の材料の積層体を用いる場合には、それら材料間の接合技術の選択はもとより、材料そのものの選択が煩雑となり、生産コストの増大をも招きかねない。
【０００９】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より簡易かつ安価な構造でありながら、半導体素子を含む構造体とその支持体との間に生じる熱応力の緩和はもとより、熱抵抗についてもその好適な抑制を図ることの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】
【００１０】
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、半導体素子を含む構造体がこれを支持する支持体に、それら構造体及び支持体間に生じる応力を緩和する応力緩和層を介して一体に接合されて構成される半導体装置において、前記応力緩和層は、互いに隣接する層間で異なる方向に１乃至複数の切れ目を有する複数の板材が積層されて形成されてなることを要旨とする。
【００１１】
上記構成によるように、互いに隣接する層間で異なる方向に１乃至複数の切れ目を有する複数の板材を積層して応力緩和層を構成することとすれば、各板材に形成された切れ目が構造体と支持体との間に生じる応力に応じて微小変形することによって半導体装置に内在する応力が吸収されるようになる。しかも同構成の場合、こうした切れ目は、溝の形成などとは異なり、板材に対する加工面積の少ない切り込みでしかないため、板材に空気層となる間隙が形成されることがない。このため、上記応力緩和層により構造体と支持体との間に生じる応力を吸収する上で、応力緩和層に熱抵抗として作用する空気層が形成されることはなく、半導体素子と冷却器等の支持体との熱交換を妨げることなくこれらの間に生じる応力を吸収することが可能となる。
【００１２】
また、上記構成によれば、こうした切れ目が形成された板材が互いに隣接する層間で異なる方向に積層されることともなるため、構造体や支持体への面方向はもとより、同構造体や支持体への厚さ方向においても応力緩和層としての応力緩和作用が働くこととなり、ひいては、構造体や支持体への面方向及び厚さ方向の両方向に生じる応力を吸収することが可能ともなる。すなわち、１乃至複数の切れ目が設けられた複数の板材を積層するといった簡易な構造でこうした応力に起因する構造体あるいは支持体のクラックや反りを、抑制することが可能となる。
【００１３】
さらに、上記応力緩和層として、切れ目が形成されただけの板材を採用することにより、それら切れ目による応力緩和層の剛性の調整、すなわち応力吸収能力の調整が可能となることから、板材間の接合技術の選択はもとより、材料そのものの選択も容易なものとなる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置において、前記応力緩和層を構成する板材毎に前記切れ目が並行するかたちで複数設けられてなることを要旨とする。
上記構成によるように、応力緩和層を構成する板材毎に切れ目を並行するかたちで複数設けることとすれば、応力緩和層を構成する各板材はその面方向において一定方向に同一の割合で剛性が低下することとなる。これにより、こうした板材が積層されて構成される応力緩和層により応力を吸収する上で、その面方向における応力吸収も容易なものとなる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の半導体装置において、前記板材毎に複数設けられた切れ目は、隣接する層間で互いに直交する態様で設けられてなることを要旨とす
る。
【００１６】
上記構成によるように、板材毎の切れ目を隣接する層間で互いに直交する態様で設けることとすれば、応力緩和層は四方に対して均等に剛性が低下することとなり、構造体及び支持体の主に面方向に生じる応力を吸収する上で、その吸収性能が高められることとなる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の半導体装置において、前記板材毎に複数設けられた切れ目は、隣接する層間で前記応力緩和層としての厚さ方向に一定の角度間隔をもって順次回転する態様で設けられてなることを要旨とする。
【００１８】
上記構成によるように、板材毎の切れ目を隣接する層間で応力緩和層としての厚さ方向に一定の角度間隔をもって順次回転する態様で設けることとすれば、応力緩和層は全方位に対して均等に剛性が低下することとなり、構造体と支持体との間に生じる応力を吸収する上で、その吸収性能がより高められることとなる。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、請求項２〜４のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記構造体の線膨張係数と前記支持体の線膨張係数とは、
（構造体の線膨張係数）＜（支持体の線膨張係数）
なる関係にあり、前記応力緩和層は、前記構造体側から前記支持体側にかけて前記切れ目の数が漸次多くなる態様で同応力緩和層を構成する板材が積層されてなることを要旨とする。
【００２０】
通常、上記支持体として用いられる冷却器等はその放熱性を高めるために銅あるいはアルミニウム等の含有率が増加されることで線膨張係数が大きくなる一方、上記構造体として半導体素子が実装されるセラミック基板等は線膨張係数が一般に小さく、半導体装置を構成する構造体と支持体とでは上記態様で線膨張係数が異なることが普通である。この点、上記構成によるように、構造体側から支持体側にかけて切れ目の数が漸次多くなる態様で応力緩和層を構成することで、こうした切れ目の数に比例して構造体側から支持体側にかけて応力緩和層の剛性が傾斜的に低下することとなる。すなわち、構造体と支持体との線膨張係数の差に対応するかたちで剛性調整された応力緩和層が構成されることとなり、こうした応力緩和層によってその厚み方向の応力が支持体側から構造体側にかけて徐々に緩和されることとなる。これにより、応力緩和層によって構造体と支持体との線膨張係数の差に起因する応力を吸収する上で、その応力緩和効果を最適に高めることができる。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記板材毎に設けられた切れ目が連続した直線状からなることを要旨とする。
上記構成によれば、上記切れ目を有する板材の形成が容易となり、ひいてはその積層体からなる応力緩和層そのものの形成も容易となる。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記支持体は、前記半導体素子を含む構造体を冷却する冷却器であることを要旨とする。
請求項１〜６のいずれかに記載の発明はまた、上記支持体として冷却器を用いるものに適用して特に有効であり、同構成により、上記構造体と支持体としての冷却器との間に生じる応力を的確に抑制することができるようになる。
【００２３】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記応力緩和層を構成すべく積層される板材が金属製の薄板からなることを要旨とする。
上記応力緩和層としては、半導体素子を含む構造体と冷却器等の支持体との間に設けられるためにその熱伝導率の高さも要求されることとなる。この点、上記構成によれば、応
力緩和層を構成すべく積層される板材として金属製の薄板を用いることにより、構造体と支持体との間の熱交換を妨げることなく上述した応力の緩和が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明にかかる半導体装置の第１の実施の形態について、同半導体装置の断面構造を示す断面図。
【図２】同実施の形態に採用される応力緩和層の構成を示す分解斜視図。
【図３】同実施の形態に採用される応力緩和層についてその面方向の応力に対する作用について、（ａ）は応力緩和層を構成する金属薄板の横方向に対する切れ目の作用を示す平面図、（ｂ）は応力緩和層を構成する金属薄板の縦方向に対する切れ目の作用を示す平面図。
【図４】同実施の形態に採用される応力緩和層についてその厚さ方向についての切れ目の作用を示す拡大断面図。
【図５】本発明にかかる半導体装置の第２の実施の形態について、同実施の形態に採用される応力緩和層の構成を示す分解斜視図。
【図６】同実施の形態に採用される応力緩和層についてその厚さ方向についての切れ目の作用を示す拡大断面図。
【図７】本発明にかかる半導体装置の他の実施の形態について、同実施の形態に採用される応力緩和層の構成を示す分解斜視図。
【図８】本発明にかかる半導体装置の他の実施の形態について、同実施の形態に採用される応力緩和層の構成を示す分解斜視図。
【図９】本発明にかかる半導体装置の他の実施の形態について、同実施の形態に採用される応力緩和層の構成を示す分解斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（第１の実施の形態）
以下、本発明にかかる半導体装置の第１の実施の形態について図１〜図４を参照して説明する。
【００２６】
図１は、この実施の形態にかかる半導体装置について、その概略断面構造を示したものである。同図１に示されるように、この半導体装置は、半導体素子１１０及びこの半導体素子１１０が実装された絶縁基板１２０からなる構造体１００と、構造体１００の支持体として応力緩和層２００を介して該構造体１００を支持する冷却器３００とによって構成される。
【００２７】
ここで、構造体１００を構成する半導体素子１１０は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）などの動作時に高温の熱が発せられる電力用半導体素子であり、また絶縁基板１２０は、ＤＢＡ（ダイレクト・ブレイジング・アルミニウム）と称される基板であって、セラミック基板１２１の両面にアルミニウム板１２２及び１２３がロウ付け等によって接着固定されている。なお、アルミニウム板１２２は半田１１１のぬれ性が得られるように表面処理されており、この上面に上記半導体素子１１０が半田付けによって実装されている。一方その支持体である、冷却器３００は、半導体素子１１０の動作に伴って発せられる熱を熱交換することでその冷却を図るためのものであり、本実施の形態では、例えばアルミニウム製からなる水冷式の冷却器が用いられている。
【００２８】
また、これら構造体１００と冷却器３００との間に介在する応力緩和層２００は、これら構造体１００と冷却器３００との線膨張係数が異なることに起因する熱応力を緩和、吸収する部分であり、ロウ付けやその他の方法によって構造体１００及び冷却器３００に一体に接合されている。
【００２９】
このようにして構成される半導体装置は、上述のように、構造体１００と冷却器３００との材質の違いにより、それぞれの線膨張係数が異なるものとなっている。ちなみに本実施の形態において、その線膨張係数は、
（構造体１００の線膨張係数）＜（冷却器３００の線膨張係数）
といった関係にあり、具体的には、構造体１００を構成する絶縁基板１２０の線膨張係数が「５〜１０ｐｐｍ／ｋ」、冷却器３００の線膨張係数が「１５〜２５ｐｐｍ／ｋ」となっている。このため、上記半導体素子１１０の動作に伴って高温の熱が発せられることにより、半導体素子１１０と冷却器３００との熱交換によって冷却器３００は高温となり熱膨張する一方、半導体素子１１０の動作が停止すると、冷却器３００は次第に低温となり熱収縮する。そして、こうした冷却器３００の熱膨張や熱収縮の際に、冷却器３００とこの冷却器３００上に接合される絶縁基板１２０との線膨張係数が異なることに起因して応力の内在を招き、それら冷却器３００や絶縁基板１２０に反りやクラックを生じる虞がある。
【００３０】
そこで本実施の形態では、こうした冷却器３００や絶縁基板１２０に反りやクラックの要因となる応力を緩和すべく、構造体１００と冷却器３００との間に上記応力緩和層２００を介在させることとしている。図２に、本実施の形態で採用する応力緩和層２００についてその具体的な構成を示す。
【００３１】
図２に示すように、本実施の形態では、この応力緩和層２００は、例えばアルミニウムや銅等の熱伝導率の高い金属薄板２００ａ〜２００ｅを多数層積層した積層構造体からなる。そして、この応力緩和層２００を構成する金属薄板２００ａ〜２００ｅには、それぞれ直線上の切れ目２１０ａ〜２１０ｅが間隔Ｄをもって並行するかたちで複数、かつ隣接する層間で互いに直交する態様で設けられている。すなわち、最上層の金属薄板２００ａには、切り込み形成辺２２０ａからその対向する辺にかけてつなぎ代Ｒを残すかたちで直線状に連続する複数の切れ目２１０ａが形成されている。またこの金属薄板２００ａの下層に隣接する金属薄板２００ｂには、その上層の金属薄板２００ａに形成された切れ目２１０ａと直交する態様で、切り込み形成辺２２０ｂからその対向する辺にかけてつなぎ代Ｒを残すかたちで直線状に連続する複数の切れ目２１０ｂが形成されている。またこの金属薄板２００ｂの下層に隣接する金属薄板２００ｃには、その上層の金属薄板２００ｂに形成された切れ目２１０ｂと直交する態様で、しかも一層隔てた上記金属薄板２００ａの切れ目２１０ａからは１８０°回転する態様で、切り込み形成辺２２０ｃからその対向する辺にかけてつなぎ代Ｒを残すかたちで直線状に連続する複数の切れ目２１０ｃが形成されている。同様に、この金属薄板２００ｃの下層に隣接する金属薄板２００ｄには、その上層の金属薄板２００ｃに形成された切れ目２１０ｃと直交する態様で、しかも一層隔てた上記金属薄板２００ｂからは１８０°回転する態様で、切り込み形成辺２２０ｄからその対向する辺にかけてつなぎ代Ｒを残すかたちで直線状に連続する複数の切れ目２１０ｄが形成されている。そして同様に、この金属薄板２００ｄの下層に隣接するこの例では最下層となる金属薄板２００ｅには、その上層の金属薄板２００ｄに形成された切れ目２１０ｄと直交する態様で、しかも一層隔てた上記金属薄板２００ｃからは１８０°回転する態様で、切り込み形成辺２２０ｅからその対向する辺にかけてつなぎ代Ｒを残すかたちで直線状に連続する複数の切れ目２１０ｅが形成されている。そして、このような金属薄板２００ａ〜２００ｅが例えば拡散接合法等の接合技術によって一体に接合されることによって上記応力緩和層２００が構成されている。
【００３２】
応力緩和層２００としてこのような構成によれば、金属薄板２００ａ〜２００ｅが、各々つなぎ代Ｒに結合されてはいるものの切れ目２１０ａ〜２１０ｅによって等間隔に分割されることで、これら切れ目２１０ａ〜２１０ｅに直交する方向における各金属薄板２００ａ〜２００ｅの剛性が低下することとなる。
【００３３】
しかも本実施の形態では、上記切れ目２１０ａ〜２１０ｅが、隣接する層間で互いに直交する態様で金属薄板２００ａ〜２００ｅに設けられるとともに、それら切れ目２１０ａ〜２１０ｅの切り込み形成辺２２０ａ〜２２０ｅ、あるいは各つなぎ代Ｒが応力緩和層２００の上層から下層にかけて反時計回りに９０°ずつ回転するかたちで設けられている。これにより、応力緩和層２００としての剛性が、その面方向と厚さ方向との両方に対して均等に低下するようにもなる。
【００３４】
次に、図３及び図４を参照して、本実施の形態の半導体装置による上記応力緩和層２００の作用について説明する。なおここで、図３（ａ）及び（ｂ）は、図２に示した応力緩和層２００を構成する金属薄板２００ａ〜２００ｅのうちの金属薄板２００ａ及び２００ｂを例によってその面方向から見た切れ目による応力緩和の作用を、また図４は、同じく図２に示した応力緩和層２００の厚さ方向についての切れ目による応力緩和の作用をそれぞれ示している。
【００３５】
いま、半導体素子１１０の動作に伴って半導体素子１１０から高温の熱が発せられたとすると、上述のように半導体素子１１０と冷却器３００との間で熱交換が行われることとなる。そして、こうした半導体素子１１０と冷却器３００との熱交換によって冷却器３００の温度が上昇すると、上記構造体１００と冷却器３００との線膨張係数が異なることに起因してこれらの間に熱応力が次第に内在するようになる。
【００３６】
そこで、まず、構造体１００や冷却器３００に対して面方向の応力が発生したとすると、それらの間に介在される応力緩和層２００に対して水平な応力Ｓが加わることとなる。このとき、例えば上記金属薄板２００ａは、図３（ａ）に示すように、複数の切れ目２１０ａによって分割された部分がその面方向から見て横方向に幅αだけ伸縮する態様で微小変形し、これにより応力緩和層２００に加わる水平な応力Ｓが横方向に分散される態様で同応力Ｓが緩和されるようになる。またこのとき、例えば上記金属薄板２００ｂにあっては、図３（ｂ）に示すように、複数の切れ目２１０ｂによって分割された部分がその面方向から見て縦方向に幅βだけ伸縮する態様で微小変形し、これにより応力緩和層２００に加わる水平な応力Ｓが縦方向に分散される態様で緩和されるようになる。このように、上記応力緩和層２００によれば、同応力緩和層２００を構成する金属薄板２００ａ〜２００ｅに、隣接する層間で直交する態様で切れ目２１０ａ〜２１０ｅを設けたことによって、応力緩和層２００に加わる応力Ｓがその面方向に分散される態様で緩和されることとなり、ひいては構造体１００と冷却器３００との間に内在する面方向の応力Ｓが緩和されるようになる。
【００３７】
一方、図４に示すように、構造体１００や冷却器３００に対して厚さ方向の応力、すなわち構造体１００や冷却器３００に反りを与えるような応力が発生した場合には、それらの間に介在された応力緩和層２００に対して垂直な応力Ｓが加わることとなる。そして、応力緩和層２００はこうした垂直な応力Ｓが加えられることにより、例えば応力緩和層２００の積層方向について同一方向に形成された各金属薄板２００ａ、２００ｃ、２００ｅの切れ目２１０ａ、２１０ｃ、２１０ｅを基点として、応力緩和層２００がその厚さ方向に変形するようになる。すなわち、金属薄板２００ａ〜２００ｅに切れ目２１０ａ〜２１０ｅが形成されたことで、それら切れ目２１０ａ〜２１０ｅを基点として厚さ方向に対しても剛性が低下し、応力緩和層２００に対して垂直な応力Ｓが加えられた場合には、応力緩和層２００がその厚さ方向に変形することによって、垂直な応力Ｓが緩和されるようになる。
【００３８】
以上説明したように、本実施の形態にかかる半導体装置によれば、以下に列記するような効果が得られるようになる。
（１）構造体１００と冷却器３００との間に介在する応力緩和層２００を、隣接する層
間で互いに直交する複数の切れ目２１０ａ〜２１０ｅが形成された金属薄板２００ａ〜２００ｅを積層することによって構成した。応力緩和層２００としてこのような構成により、構造体１００と冷却器３００との間にそれらに水平な応力Ｓが発生した場合には、各金属薄板２００ａ〜２００ｅに形成された切れ目２１０ａ〜２１０ｅが微小変形することによって応力Ｓが面方向に分散する態様で緩和されるようになる。一方、構造体１００と冷却器３００との間にそれらに垂直な応力Ｓが発生した場合には、切れ目２１０ａ〜２１０ｅを基点として金属薄板２００ａ〜２００ｅがその厚さ方向に変形することによって垂直な応力Ｓが緩和されるようになる。このように、半導体装置に対して水平な応力Ｓあるいは垂直な応力Ｓが生じたとしても、金属薄板２００ａ〜２００ｅに形成された切れ目２１０ａ〜２１０ｅによってそれらの応力Ｓに対応して応力緩和層２００が変形し、構造体１００と冷却器３００との間に生じる応力を緩和することができるようになる。
【００３９】
（２）切れ目２１０ａ〜２１０ｅを、隣接する層間で互いに直交する態様で金属薄板２００ａ〜２００ｅに設けられるとともに、それら切れ目２１０ａ〜２１０ｅの切り込み形成辺２２０ａ〜２２０ｅ、あるいは各つなぎ代Ｒが応力緩和層２００の上層から下層にかけて反時計回りに９０°ずつ回転するかたちで設けることとした。これにより、応力緩和層２００としての剛性がその面方向と厚さ方向との両方に対して均等に低下することとなり、応力緩和層２００に水平な応力Ｓが加わったとしてもその応力Ｓが水平方向に均等に分散されるようになる。
【００４０】
（３）また、上記金属薄板２００ａ〜２００ｅに形成された切れ目２１０ａ〜２１０ｅによれば、空気層となる間隙が形成されることがなく、金属薄板２００ａ〜２００ｅ自体の熱伝導率を損なうことがない。これにより、半導体素子１１０と冷却器３００との熱交換を妨げることなく上記応力緩和層２００による応力の緩和が可能となる。また、切れ目２１０ａ〜２１０ｅの設けられた金属薄板２００ａ〜２００ｅを積層することで応力緩和層２００を構成することができるため、金属薄板２００ａ〜２００ｅの厚さはそれら切れ目２１０ａ〜２１０ｅを形成可能な厚さであればよく、応力緩和層２００そのものの厚さを薄くすることができる。
【００４１】
（４）応力緩和層２００が、板材としての金属薄板２００ａ〜２００ｅに切れ目２１０ａ〜２１０ｅを設けるとともにこれを積層することによって構成されるため、応力緩和層２００としての剛性を切れ目２１０ａ〜２１０ｅによって調整することが可能となる。これにより、同一の材質からなる板材を用いて上記構成を有する応力緩和層２００を構成することが可能となり、こうした板材の接合技術の選択はもとより材料そのものの選択も容易となる。
【００４２】
（５）金属薄板２００ａ〜２００ｅに形成する複数の切れ目２１０ａ〜２１０ｅを、等間隔に並行するかたちで、かつ直線状に形成することとした。このため、金属薄板２００ａ〜２００ｅの剛性が一定方向に同一の割合で低下されるようになる。これにより、応力緩和層２００による応力緩和を図る上で、その面方向における応力を各層毎に任意の方向に分散する態様で緩和することができる。
【００４３】
（６）応力緩和層２００を構成する板材として、熱伝導率の高いアルミニウムや銅等の金属薄板２００ａ〜２００ｅを用いることとした。これにより、応力緩和層２００による構造体１００と冷却器３００との応力緩和を図る上で、それら構造体１００と冷却器３００との熱交換を妨げることなく応力の緩和が可能となる。
【００４４】
（第２の実施の形態）
以下、本発明にかかる半導体装置を具体化した第２の実施の形態を図５及び図６を参照して説明する。なお、この第２の実施の形態は、金属薄板２００ａ〜２００ｅに形成する
切れ目２１０ａ〜２１０ｅの数が構造体１００側から冷却器３００側にかけて漸次多くなる態様で応力緩和層２００を構成したものであり、その基本的な構成は先の第１の実施の形態と共通になっている。
【００４５】
図５は、先の図２に対応する図として、この第２の実施の形態にかかる半導体装置を構成する応力緩和層２００の構成を示したものである。なお、この図５において、先の図２に示した各要素と同一の要素についてはそれぞれ同一の符号を付して示しており、それら要素についての重複する説明は割愛する。
【００４６】
本実施形態では、前述のように構造体１００の線膨張係数とその支持体である冷却器３００の線膨張係数とが、
（構造体１００の線膨張係数）＜（冷却器３００の線膨張係数）
といった関係にあることに鑑み、図５に示すように、応力緩和層２００を構成する金属薄板２００ａ〜２００ｅに形成する各切れ目２１０ａ〜２１０ｅの数を構造体１００側から冷却器３００側にかけて漸次多くなるようにしている。すなわち、それら切れ目２１０ａ〜２１０ｅの間隔をＤ１〜Ｄ５とするとき、
Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３＞Ｄ４＞Ｄ５
なる関係で、構造体１００側から冷却器３００側にかけて一定の割合でこれら２１０ａ〜２１０ｅの間隔Ｄ１〜Ｄ５を設定している。
【００４７】
ここで、これら金属薄板２００ａ〜２００ｅの剛性は、切れ目２１０ａ〜２１０ｅの数に反比例することとなり、切れ目２１０ａ〜２１０ｅの数が多いほど、またそれらの間隔が小さいほど金属薄板２００ａ〜２００ｅの剛性が低くなり、逆に、切れ目の数が少ないほど、またそれらの間隔が大きいほど金属薄板２００ａ〜２００ｅの剛性の低下の度合いが小さくなる。
【００４８】
応力緩和層２００としてこのような構成によれば、絶縁基板１２０から冷却器３００にかけて剛性が次第に低下する傾斜的な剛性を有することとなる。これにより、線膨張係数が比較的大きいために熱膨張及び熱収縮が顕著な冷却器３００の変形に対応して冷却器３００側の金属薄板２００ｄ、２００ｅもその面方向と厚さ方向との両方に変形しやすくなり、構造体１００と冷却器３００との間に内在する応力が水平方向と垂直方向との両方に分散されやすくなる。
【００４９】
次に、本実施の形態の半導体装置による上記応力緩和層２００の作用について説明する。
すなわちいま、まず構造体１００や冷却器３００に対して面方向の応力が発生したとすると、先の図３に準ずる態様をもってそれらの間に介在された応力緩和層２００に対して水平な応力Ｓが加わることとなる。そしてこの際、冷却器３００に隣接する金属薄板２００ｅは、冷却器３００の線膨張係数に対応して剛性が低く設定されたことにより、絶縁基板１２０よりも相対的に線膨張係数の大きい冷却器３００の熱膨張あるいは熱収縮に追従して横方向に伸縮する態様で微小変形し、これにより金属薄板２００ｅに加わる水平な応力Ｓが同じく横方向に分散されるようになる。そして、こうした金属薄板２００ｅの上層に隣接する金属薄板２００ｄは、一旦金属薄板２００ｅを介して緩和された水平な応力Ｓが加わると、同じく冷却器３００の線膨張係数に対応して剛性が低く設定されたことにより、冷却器３００の熱膨張あるいは熱収縮に追従して縦方向に伸縮する態様で微小変形し、これにより金属薄板２００ｅに加わる水平な応力Ｓが同じく縦方向に分散されるようになる。このような縦方向への応力分散は、さらにその上層に隣接する金属薄板２００ｃ、２００ｂ、２００ａにおいても同様に生じる。すなわち、絶縁基板１２０に隣接する金属薄板２００ａは、絶縁基板１２０の線膨張係数に対応して剛性が比較的高く設定されたことにより、冷却器３００よりも相対的に線膨張係数の小さい絶縁基板１２０の熱膨張ある
いは熱収縮に追従して伸縮するかたちで同じく先の図３に準ずる態様をもって横方向に微小変形し、これにより金属薄板２００ａに加わる水平な応力Ｓが同じく横方向に分散されるようになる。
【００５０】
このように、本実施の形態の応力緩和層２００では、上記切れ目２１０ａ〜２１０ｅの数を絶縁基板１２０及び冷却器３００の線膨張係数に基づき調整して各金属薄板２００ａ〜２００ｅの剛性が冷却器３００側ほど漸次低くなるように設定したことにより、こうした応力緩和層２００によって構造体１００と冷却器３００との間に生じる面方向の応力を緩和する上で、それらの線膨張係数に対応する応力緩和がなされるようになる。
【００５１】
一方、先の図４に対応する図として図６に示すように、構造体１００や冷却器３００に対して厚さ方向の応力が生じた場合には、それらの間に介在された応力緩和層２００に対して垂直な応力Ｓが加わることとなる。この垂直な応力Ｓが加えられた応力緩和層２００は、その積層方向について同一方向に形成された金属薄板２００ａ、２００ｃ、２００ｅの切れ目２１０ａ、２１０ｃ、２１０ｅを基点として、かつ各金属薄板２００ａ、２００ｃ、２００ｅの各々の剛性に応じてその厚さ方向に変形するようになる。そしてこの際、冷却器３００の線膨張係数に対応して剛性が低く設定された金属薄板２００ｅから絶縁基板１２０の線膨張係数に対応して剛性が高く設定された金属薄板２００ａにかけて、垂直な応力Ｓがそれらの順次異なる剛性に応じるかたちで緩和されるようになる。
【００５２】
以上説明したように、この第２の実施の形態にかかる半導体装置によっても、第１の実施の形態による前記（１）〜（６）の効果に準じた効果が得られるとともに、更に以下に列記するような効果が併せて得られるようになる。
【００５３】
（７）金属薄板２００ａ〜２００ｅに形成される切れ目２１０ａ〜２１０ｅの間隔Ｄ１〜Ｄ５を構造体１００側から冷却器３００側にかけて一定の割合で小さくすることにより、その数を同じく構造体１００側から冷却器３００側にかけて漸次多くすることとした。このため、応力緩和層２００の剛性は、構造体１００を構成する絶縁基板１２０及び冷却器３００の線膨張係数に対応するかたちで絶縁基板１２０側から冷却器３００側にかけて次第に低下することとなる。これにより、応力緩和層２００を構成する各層、すなわち金属薄板２００ａ〜２００ｅが、絶縁基板１２０及び冷却器３００の熱膨張あるいは熱収縮に追従して面方向と厚さ方向との両方に伸縮、変形するようになり、これら絶縁基板１２０と冷却器３００との間に内在する応力の緩和効果を望ましいかたちで高めることができるようになる。
【００５４】
（他の実施の形態）
・上記各実施の形態では、金属薄板２００ａ〜２００ｅに形成される切れ目２１０ａ〜２１０ｅを等間隔に設定した。例えば、第１の実施の形態では、切れ目２１０ａ〜２１０ｅの間隔を間隔Ｄに設定し、また第２の実施の形態では、切れ目２１０ａ〜２１０ｅの間隔をそれぞれ間隔Ｄ１〜Ｄ５（Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３＞Ｄ４＞Ｄ５）に設定した。これに限らず、切れ目２１０ａ〜２１０ｅの間隔あるいはその数は任意であり、例えば半導体素子１１０の直下に位置する領域での切れ目２１０ａ〜２１０ｅの数を多く、かつ間隔を小さくすることとして、金属薄板２００ａ〜２００ｅのうちの半導体素子１１０の直下に位置する部位の剛性を選択的に低下させることとしてもよい。
【００５５】
・上記各実施の形態では、金属薄板２００ａ〜２００ｅ毎の切れ目２１０ａ〜２１０ｅを隣接する層間で互いに直交する態様で設けることとした。これに限らず、切れ目２１０ａ〜２１０ｅを形成する方向は任意であり、図２に対応する図として図７に例示するように、応力緩和層２００の隣接する層間で同応力緩和層２００としての厚さ方向に一定の角度、例えば４５°間隔をもって上層から下層にかけて順次回転する態様で切れ目２１０ａ
〜２１０ｅを設けることとしてもよい。こうした構成によれば、応力緩和層２００の剛性は、全方位に対して低下することとなり、構造体１００及び冷却器３００の主に面方向に生じる応力に対し、その応力緩和効果をさらに高めることができるようになる。
【００５６】
・上記各実施の形態では、連続した直線状の切れ目２１０ａ〜２１０ｅを金属薄板２００ａ〜２００ｅに設けることとした。これに限らず、図２に対応する図として図８に例示するように、応力緩和層２００を構成する金属薄板２００ａ、２００ｂ、．．．に一定の間隔毎に屈曲する切れ目２１１ａ、２１１ｂ、．．．を設けることとしてもよい。また、同じく図２に対応する図として図９に例示するように、応力緩和層２００を構成する金属薄板２００ａ、２００ｂ、．．．に曲線状の切れ目２１２ａ、２１２ｂ、．．．を設けることとしてもよい。その他、こうした切れ目を板材に設けることで構造体１００と冷却器３００との間に生じる面方向と厚み方向との両方の応力を緩和することができさえすればよく、連続的あるいは断続的であれ上記切れ目の形状は限定されるものではない。
【００５７】
・上記各実施の形態では、金属薄板２００ａ〜２００ｅの各一端にのみつなぎ代Ｒを残すかたちで切れ目２１０ａ〜２１０ｅを設けることとした。これに限らず、金属薄板２００ａ〜２００ｅのそれぞれ両端につなぎ代Ｒを有するかたちで切れ目２１０ａ〜２１０ｅを設けることとしてもよい。
【００５８】
・上記各実施の形態では、応力緩和層２００を構成する金属薄板２００ａ〜２００ｅ毎に複数の切れ目２１０ａ〜２１０ｅが並行するかたちで複数設けることとした。これに限らず、こうした切れ目を板材に設けることで構造体１００と冷却器３００との間に生じる応力を緩和可能なものであればよく、例えば金属薄板２００ａ〜２００ｅにおける各々中ほどの一点を中心として放射状に延びる切れ目を設ける構成であってもよい。
【００５９】
・上記各実施の形態では、応力緩和層２００を５層の板材である金属薄板２００ａ〜２００ｅによって構成することとした。これに限らず、応力緩和層２００を構成する板材の積層数及びその板厚は任意であり、適用される半導体装置に厚さ上の制約がある場合であれ、その制約に応じて任意に設定することができる。
【００６０】
・上記実施の形態では、応力緩和層２００をアルミニウムや銅等の熱伝導率の高い金属薄板２００ａ〜２００ｅによって構成することとした。これに限らず、応力緩和層２００を構成する板材は、熱伝導性と機械的強度とを有するものであればよく、これらに限定されるものではない。また、同一材料からなる板材に限定されるものではなく、異なる材料からなる板材を積層することで応力緩和層２００を構成することとしてもよい。
【００６１】
・上記各実施の形態では、支持体として水冷式の冷却器を用いることとしたが、これに限定されるものではなく、空冷式の冷却器あるいはヒートシンク等を構造体１００の支持体として用いる構成であってもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１００…構造体、１１０…半導体素子、１１１…半田、１２０…絶縁基板、１２１…セラミック基板、１２２、１２３…アルミニウム板、２００…応力緩和層、２００ａ〜２００ｅ…金属薄板、２１０ａ〜２１０ｅ、２１１ａ、２１１ｂ、２１２ａ、２１２ｂ…切れ目、２２０ａ〜２２０ｅ…切り込み形成辺、３００…冷却器、Ｒ…つなぎ代。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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