(57)【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、結合体からなって、その結合面として互いに対向する面が前記構造体及び支持体の面方向への移動指向性を緩和可能な形状からなる多数の凹部及び凸部の凹凸嵌合構造として形成されてなるとともに、前記凹凸嵌合構造として形成される面を積層面とする積層体からなるものであって、
前記凸部が円錐状もしくは角錐状に形成されてなり、前記凹部が前記円錐状もしくは角錐状の凸部に嵌合される逆円錐状もしくは逆角錐状に形成されてなり、
前記凹部及び前記凸部の数が、前記半導体素子の幾何中心から前記応力緩和層の角部にかけて漸次多くなる態様で形成されてなる
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記凸部が一柱面を底とする三角柱状に形成されてなり、前記凹部が前記三角柱状の凸部に嵌合される逆三角柱状に形成されてなる
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記凹部及び凸部が、前記半導体素子の幾何中心を基点とする点対称に形成されてなる
請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記凹部及び前記凸部が、前記半導体素子の幾何中心を基点とする放射状に形成されてなる
請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記凹部及び前記凸部が、前記半導体素子の幾何中心を中点とする円形状に形成されてなる
請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
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１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記応力緩和層を構成すべく結合される板材が金属製の板材からなる
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】
前記金属製の板材が、アルミニウムまたは銅からなる
請求項７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三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、三軸方向に移動可能な複数のマイクロフィンが噛み合わされて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】特開平６−５７５０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。ここで、上記応力緩和層を構成する応力緩和部材の体積をＶａｌ、空気層の体積をＶｓとしたとき、応力緩和層中に応力緩和部材が占める割合（占有率）Ｒａｌは、
Ｒａｌ＝Ｖａｌ／Ｖａｌ（Ｖａｌ＋Ｖｓ）
なる関係となる。そして、これら占有率Ｒａｌと上記応力緩和層による応力緩和効果及び放熱性能との関係は、図１５に示されるように、応力緩和効果と放熱性能とが相反する関係となるため、上記応力緩和層によって応力緩和効果と放熱性能との両立を図ることは難しい。
【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複数のマイクロフィンを噛み合わされてなる積層体を用いる場合には、一つのマイクロフィンによって応力緩和が可能な方向は、一軸方向でしかなく応力緩和に対する自由度が極めて低い。このため、複数方向に対する応力を緩和するためには上記マイクロフィンを複数積層する必要があり、応力緩和層としての構造が複雑とならざるを得ない。
【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、結合体からなって、その結合面として互いに対向する面が前記構造体及び支持体の面方向への移動指向性を緩和可能な形状からなる多数の凹部及び凸部の凹凸嵌合構造として形成されてなるとともに、前記凹凸嵌合構造として形成される面を積層面とする積層体からなるものであって、前記凸部が円錐状もしくは角錐状に形成されてなり、前記凹部が前記円錐状もしくは角錐状の凸部に嵌合される逆円錐状もしくは逆角錐状に形成されてなり、前記凹部及び前記凸部の数が、前記半導体素子の幾何中心から前記応力緩和層の角部にかけて漸次多くなる態様で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、応力緩和層としてこれを、結合面の互いに対向する面が構造体及び支持体への移動指向性を緩和可能な形状からなる多数の凹部及び凸部の凹凸嵌合構造からなる結合体にて構成することとすれば、移動指向性が緩和された凹部及び凸部が構造体及び支持体間に生じる応力に応じて変形する、あるいは凹部と凸部との間で滑りが生じることによって、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、応力緩和層を多数の凹部及び凸部の凹凸嵌合構造からなる結合体として構成したことにより、同結合体としての嵌合面積が拡大されることから、応力緩和層としての熱抵抗についてもその好適な抑制を図ることができるようになる。また、移動指向性が緩和可能とされた形状からなる多数の凹部及び凸部の凹凸嵌合構造からなる結合体として応力緩和層を構成することにより、応力緩和層としての構造上の簡略化が図られるようにもなる。
また、上記構成によるように、凹凸嵌合構造として形成される面が積層面とされる積層体として応力緩和層を構成することとすれば、この積層面によって構造体と支持体との間に生じる応力が面方向に分散する態様で緩和されるようになる。これにより、上記応力緩和層による応力緩和効果が効率的に高められるようになる。
【００１４】
さらに、上記構成によるように、応力緩和層を構成する凸部を円錐状もしくは角錐状とするとともに、この凸部に勘合される凹部を逆円錐状もしくは逆角錐状に形成することとすれば、これら凸部と凹部との嵌合面が応力緩和層の厚み方向に対して傾斜することとなる。このため、凸部と凹部との滑り度合いが高められるようになり、ひいては、応力緩和層としての応力緩和能力が高められるようになる。
また、上記半導体装置では、温度変動幅が大きくなる構造体あるいは支持体の角部における応力が集中することとなる。この点、上記構成によれば、これら応力が集中する構造体あるいは支持体の角部に対応するかたちで半導体素子の幾何中心から応力緩和層の角部にかけて上記凹部及び凸部の数が漸次多くなる態様で形成されたことによって、応力の度合いに応じた応力緩和が図られるようになり、半導体装置に内在する応力を好適に緩和することが可能となる。
【００１５】
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、前記凸部が一柱面を底とする三角柱状に形成されてなり、前記凹部が前記三角柱状の凸部に嵌合される逆三角柱状に形成されてなることを要旨とする。
【００１６】
上記構成によるように、三角柱状の一柱面を底とする凸部とこの凸部に嵌合される逆三角柱状の凹部とによる凹凸嵌合構造を構成することとすれば、これら凸部及び凹部の変形と、三角柱状の凸部の傾斜面と逆三角柱状の凹部の傾斜面との滑り効果によって半導体装置内に内在した応力が好適に緩和されるようになる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の半導体装置において、前記凹部及び凸部が、前記半導体素子の幾何中心を基点とする点対称に形成されてなることを要旨とする。
【００１８】
上記半導体装置では、構造体や支持体の外縁から熱源となる半導体素子の中心に向けて応力が生じることとなる。この点、上記構成によれば、応力緩和層を構成する凹部及び凸部が半導体素子の幾何中心を基点とする点対称に形成されることによって、構造体や支持体の外縁から熱源となる半導体素子の中心に向けて生じた応力に対しての上記凸部及び凹部の移動指向性が高められるようになり、ひいては、応力緩和層としての応力緩和効果も的確に高められるようになる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記凹部及び前記凸部が、前記半導体素子の幾何中心を基点とする放射状に形成されてなることを要旨とする。
【００２０】
上記構成によれば、応力緩和層を構成する凹部及び凸部が半導体素子の幾何中心を基点とする放射状に形成されたことによって、構造体や支持体の外縁から熱源となる半導体素子の中心に向けて生じた応力に対応するかたちで上記凸部及び凹部の移動指向性が高められるようになることから、この場合も応力緩和層としての応力緩和効果が的確に高められるようになる。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記凹部及び前記凸部が、前記半導体素子の幾何中心を中点とする円形状に形成されてなることを要旨とする。
【００２２】
上記構成によるように、応力緩和層を構成する凹部及び凸部を半導体素子の幾何中心を中心とする円形状に形成することとすれば、これら凹部及び凸部の移動指向性が応力緩和層の全方位に対して高められるようになり、この場合も、応力緩和層としての応力緩和効果が的確に高められるようになる。
【００２５】
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。
この発明は、上記構成によるように、支持体として半導体素子を含む構造体を冷却する冷却器を有する半導体装置に適用して特に有効であり、これら構造体と冷却器との線膨張係数の相違に起因する応力を好適に緩和することができるようになるとともに、半導体装置としての放熱性能も高められるようになる。
【００２６】
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、前記応力緩和層を構成すべく結合される板材が金属製の板材からなることを要旨とする。
【００２７】
上記構成によれば、応力緩和層を金属製の板材により構成することによって、この応力緩和層によって半導体装置に内在する応力を緩和する上で、応力緩和層としての熱抵抗の抑制が図られるようになり、ひいては、半導体装置としての放熱性能がより高められるようになる。
【００２８】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の半導体装置において、前記金属製の板材が、アルミニウムまたは銅からなることを要旨とする。
上記構成によるように、上記板材をアルミニウムによって構成することとすれば、アルミニウムの剛性が低いことから、応力緩和層による応力吸収時において上記凹部及び凸部が変形しやすくなる。これにより、これら凹部及び凸部の応力緩和効果が高められるようになる。また上記構成によるように、上記板材を銅によって構成することとすれば、銅の熱伝導率が高いことから、上記応力緩和層によって半導体装置に内在する応力を緩和する上で、半導体装置としての熱抵抗をより好適に抑制することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【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】同実施の形態の半導体装置の応力緩和層の構造を模式的に示す分解斜視図。
【図３】同実施の形態の半導体装置の応力緩和層の平面構造をその拡大断面構造とともに示す平面図及び断面図。
【図４】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、同半導体装置を構成する応力緩和層の構造を模式的に示す分解斜視図。
【図５】同実施の形態の半導体装置の応力緩和層の平面構造をその拡大断面構造とともに示す平面図及び断面図。
【図６】本発明にかかる半導体装置の第３の実施の形態について、同半導体装置を構成する応力緩和層の構造を模式的に示す分解斜視図。
【図７】同実施の形態の半導体装置の応力緩和層の平面構造をその拡大断面構造とともに示す平面図及び断面図。
【図８】本発明にかかる半導体装置の第４の実施の形態について、同半導体装置を構成する応力緩和層の構造を模式的に示す分解斜視図。
【図９】同実施の形態の半導体装置の応力緩和層の平面構造をその拡大断面構造とともに示す平面図及び断面図。
【図１０】本発明にかかる半導体装置の第５の実施の形態について、同半導体装置を構成する応力緩和層の構造を模式的に示す分解斜視図。
【図１１】同実施の形態の半導体装置の応力緩和層の平面構造をその拡大断面構造とともに示す平面図及び断面図。
【図１２】本発明にかかる半導体装置の第６の実施の形態について、同半導体装置を構成する応力緩和層の構造を模式的に示す分解斜視図。
【図１３】同実施の形態の半導体装置の応力緩和層の平面構造をその拡大断面構造とともに示す平面図及び断面図。
【図１４】本発明にかかる半導体装置の他の実施の形態について、同半導体装置を構成する応力緩和層の平面構造をその断面構造とともに示す平面図及び断面図。
【図１５】従来の半導体装置を構成する応力緩和層の応力緩和効果と放熱性能との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（第１の実施の形態）
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、支持体としての冷却器１００上に応力緩和層２００を介して実装される構造体３００を有している。
【００３１】
ここで、冷却器１００は、構造体３００を構成する半導体素子３１０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。
【００３２】
こうした冷却器１００に支持される構造体３００は、半導体素子３１０とこの半導体素子３１０が実装された絶縁基板３２０とによって構成されている。このうち、半導体素子３１０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３２０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３２１の両面にアルミニウム板３２２及び３２３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３２３は半田３１１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３１０が半田付けによって実装されている。
【００３３】
また、これら構造体３００と冷却器１００との間に介在する応力緩和層２００は、これら構造体３００と冷却器１００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３００及び冷却器１００に一体に接合されている。
【００３４】
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３００と冷却器１００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。このため、上記半導体素子３１０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３１０と冷却器１００との熱交換によって冷却器１００は高温となり熱膨張する一方、半導体素子３１０の動作が停止すると、冷却器１００は次第に低温となり熱収縮する。そして、こうした冷却器１００の熱膨張や熱収縮の際に、冷却器１００とこの冷却器１００上に接合される絶縁基板３２０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１００や絶縁基板３２０に反りやクラックを生じる虞がある。
【００３５】
そこで本実施の形態では、こうした冷却器１００や絶縁基板３２０に反りやクラックの要因となる応力を緩和すべく、冷却器１００と構造体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、その分解斜視構造を模式的に示す。
【００３６】
図２に示すように、この応力緩和層２００は、例えばアルミニウム製の下板２１０と上板２２０とが結合された結合体として構成されている。なおここでは、この結合体が下板２１０と上板２２０との積層による積層体となっている。こうした結合体（積層体）を構
成する下板２１０には、上板２２０に対向する面に冷却器１００及び構造体３００の面方向への移動指向性が緩和可能、特に無指向性とされた形状からなる多数の円錐状の複数の凸部２１１が、半導体素子３１０の幾何中心にあたる中心線Ｏを基点として点対称かつマトリクス状に形成されている。また、上板２２０には、上記下板２１０に対向する面に冷却器１００及び構造体３００の面方向への移動指向性が無指向性とされた形状からなって上記凸部２１１が嵌合される逆円錐状の複数の凹部２２１が、これも半導体素子３１０の幾何中心にあたる中心線Ｏを基点として点対称かつマトリクス状に形成されている。そしてこれにより、これら下板２１０と上板２２０とは、その結合面（積層面）が互いに対向する凹凸嵌合構造をなしている。なお、これら凸部２１１及び凹部２２１の数は、応力緩和層２００の応力緩和能力に比例するものであり、これら凸部２１１及び凹部２２１は製造上可能な限り多く形成されるものとする。
【００３７】
そして、図３に平面図と併せてそのＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線に沿った拡大断面構造をそれぞれ示すように、下板２１０に形成された凸部２１１と上板２２０に形成された凹部２２１とが互いに嵌合されることによって、上記凹凸嵌合構造として形成される面を積層面とする積層体としての応力緩和層２００が構成される。なお、本実施の形態では、凸部２１１及び凹部２２１に関する移動指向性の緩和化を維持すべく、下板２１０と上板２２０との四隅をねじＳＣによりねじ止めすることによって応力緩和層２００を構成するそれら下板２１０及び上板２２０間の締結を図っている。
【００３８】
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、冷却器１００や構造体３００に対して応力が発生したとすると、凸部２１１及び凹部２２１の移動指向性が無指向性とされたことにより、これら凸部２１１及び凹部２２１が応力に応じる態様で変形するようになるとともに、凸部２１１と凹部２２１との間で滑りが生じるようになる。こうして、冷却器１００や構造体３００に対して発生した応力が次第に分散される態様で緩和されるようになる。
【００３９】
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）冷却器１００と構造体３００との間に介在する応力緩和層２００を、移動指向性が緩和可能、特に無指向性とされた円錐状の凸部２１１及び逆円錐状の凹部２２１からなる凹凸嵌合構造を備えた結合体として構成することとした。これにより、これら凸部２１１及び凹部２２１の応力に応じた変形や凸部２１１と凹部２２１との間での滑りを通じて、半導体装置に内在した応力が緩和されるようになる。
【００４０】
（２）応力緩和層２００を、多数の凸部２１１及び凹部２２１の凹凸嵌合構造として構成した。これにより、結合体としての嵌合面積が拡大されるようになり、応力緩和層２００としての熱抵抗についてもその好適な抑制を図ることができるようになる。
【００４１】
（３）応力緩和層２００を、上下一対の下板２１０と上板２２０とによって構成することとした。これにより、上記応力緩和層２００としての構造上の簡略化が図られるようになる。
【００４２】
（４）凸部２１１と凹部２２１とによる嵌合構造として形成される面を、下板２１０と上板２２０との積層面とした。これにより、応力緩和層２００による面方向に対する応力緩和効果が高められるようになる。
【００４３】
（５）応力緩和層２００を、アルミニウムによって形成することとした。これにより、下板２１０及び上板２２０の移動指向性が緩和されるようになり、ひいては、応力緩和層
２００としての応力緩和効果がより高められるようになる。
【００４４】
（６）凸部２１１を円錐状に形成するとともに、凹部２２１を逆円錐状に形成することとした。これにより、これら凸部２１１と凹部２２１との滑り度合い、並びに移動指向性の緩和化の度合いが高められるようになり、ひいては、応力緩和層２００としての応力緩和効果が高められるようになる。
【００４５】
（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４及び図５を参照して説明する。なお、この第２の実施の形態は、下板２１０及び上板２２０に形成する凸部及び凹部を一柱面を底とする三角柱状及び逆三角柱状に形成したものであり、その他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。
【００４６】
図４及び図５は、先の図２及び図３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の構造を示したものである。なお、これら図４及び図５において、先の図２及び図３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。
【００４７】
すなわち図４に示すように、本実施の形態では、応力緩和層２００を構成する下板２１０に、移動指向性を緩和可能な形状の凸部、すなわち一柱面を底とする三角柱状の凸部２１２が形成されている。また、こうした下板２１０と結合される上板２２０には、上記凸部２１２が嵌合される態様で、移動指向性を緩和可能な形状の凹部、すなわち一柱面を底とする逆三角柱状の凹部２２２が形成されている。なお、本実施の形態では、冷却器１００や構造体３００に対して発生する応力がそれらの四隅を基点として上記半導体素子３１０の中心に向かって推移することに鑑み、上記凸部２１２及び凹部２２２を上記半導体素子３１０の幾何中心にあたる中心線Ｏを基点とする放射状に形成することとする。
【００４８】
そして、図５に示すように、下板２１０に形成された凸部２１２と上板２２０に形成された凹部２２２とが互いに嵌合されることによって、上記凹凸嵌合構造として形成される面を積層面とする積層体としての応力緩和層２００が構成される。
【００４９】
このような応力緩和層２００の存在により、冷却器１００や構造体３００に対して応力が発生したとすると、移動指向性が緩和された三角柱状の凸部２１２及び逆三角柱状の凹部２２２が応力に応じる態様で変形するようになるとともに、凸部２１２と凹部２２２との間で滑りが生じるようになる。また本実施の形態では、これら凸部２１２及び凹部２２２が半導体素子３１０の幾何中心に対応する中心線Ｏを基点として放射状に形成されたことによって、冷却器１００及び構造体３００の四隅や周辺端部を起点として上記中心線Ｏに向かって推移する応力の分布に応じる態様で凸部２１２及び凹部２２２に変形や滑りが生じるようになる。こうして、冷却器１００や構造体３００に対して発生した応力が次第に分散される態様で緩和されるようになる。
【００５０】
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、第１の実施の形態による前記（１）〜（５）の効果に準じた効果が得られるとともに、前記（６）の効果に代えて以下のような効果が得られるようになる。
【００５１】
（７）凸部２１２を一柱面を底とする三角柱状に形成するとともに、この凸部２１２が嵌合される凹部２２２を逆三角柱状に形成することとした。これにより、これら凸部２１２と凹部２２２の各傾斜面の嵌合によって下板２１０と上板２２０とが結合されるようになることから、凸部２１２と凹部２２２との間での滑り効果が高められるようになり、ひいては、応力緩和層２００としての応力緩和効果が高められるようになる。
【００５２】
（８）凸部２１２及び凹部２２２を、上記中心線Ｏを基点とした放射状に形成することとした。これにより、これら凸部２１２及び凹部２２２の移動指向性が冷却器１００や構造体３００に対して発生する応力の推移に対応する態様で緩和されるようになり、ひいては、応力緩和層２００としての応力緩和能力が高められるようになる。なお、ここでは、下板２１０及び上板２２０に形成される凸部及び凹部として、先の第１の実施の形態の円錐状の凸部２１１及び逆円錐状の凹部２２１に代えて三角柱状の凸部２１２及び逆三角柱状の凹部２２２を採用することとしたが、先の第１の実施の形態の円錐状の凸部２１１及び逆円錐状の凹部２２１を上記中心線Ｏを基点として放射状に形成することも勿論有効である。
【００５３】
（第３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３の実施の形態を図６及び図７を参照して説明する。なお、この第３の実施の形態は、先の第２の実施の形態と同じく下板２１０及び上板２２０に形成する凸部及び凹部を、一柱面を底とする三角柱状及び逆三角柱状に形成したものであり、その他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。
【００５４】
図６及び図７は、先の図２及び図３に対応する図として、この第３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、これら図６及び図７において、先の図２及び図３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。
【００５５】
すなわち図６に示すように、本実施の形態では、応力緩和層２００を構成する下板２１０に、移動指向性を緩和可能な形状の凸部、すなわち一柱面を底とする三角柱状の凸部２１３が形成されている。また、こうした下板２１０と結合される上板２２０には、上記凸部２１３が嵌合される態様で、移動指向性を緩和可能な形状の凹部、すなわち一柱面を底とする逆三角柱状の凹部２２３が形成されている。なお、本実施の形態では、冷却器１００や構造体３００に対して発生する応力が、これらの四隅を基点として上記半導体素子３１０の中心に向かって推移することに鑑み、凸部２１３及び凹部２２３を上記半導体素子３１０の幾何中心に対応する中心線Ｏを中心とした円形状に形成することとする。
【００５６】
そして、図７に示すように、下板２１０に形成された凸部２１３と上板２２０に形成された凹部２２３とが互いに嵌合されることによって、上記凹凸嵌合構造として形成される面を積層面とする積層体としての応力緩和層２００が構成される。
【００５７】
このような応力緩和層２００の存在により、冷却器１００や構造体３００に対して応力が発生したとすると、移動指向性が緩和された三角柱状の凸部２１３及び逆三角柱状の凹部２２３が応力に応じる態様で変形するようになるとともに、凸部２１３と凹部２２３との間で滑りが生じるようになる。また本実施の形態では、これら凸部２１３及び凹部２２３が上記中心線Ｏを中心として円形状に形成されたことによって、凸部２１３及び凹部２２３の移動指向性の緩和化の度合いが中心線Ｏを中心とした全方位に対して高められ、これら凸部２１３及び凹部２２３の変形や滑りが生じやすくなる。こうして、冷却器１００や構造体３００に対して発生した応力が次第に分散される態様で緩和されるようになる。
【００５８】
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、第１の実施の形態による前記（１）〜（５）の効果、及び第２の実施の形態による前記（７）の効果に準じた効果が得られるとともに、第２の実施の形態による前記（８）の効果に代えて以下のような効果が得られるようになる。
【００５９】
（９）凸部２１３及び凹部２２３を、上記中心線Ｏを中心とした円形状に形成することとした。これにより、これら凸部２１３及び凹部２２３による応力緩和能力が応力緩和層２００の全方位に対して高められるようになる。なお、ここでは、下板２１０及び上板２２０に形成される凸部及び凹部として、先の第１の実施の形態の円錐状の凸部２１１及び逆円錐状の凹部２２１に代えて三角柱状の凸部２１３及び逆三角柱状の凹部２２３を採用することとしたが、先の第１の実施の形態の円錐状の凸部２１１及び逆円錐状の凹部２２１を上記中心線Ｏを中心として円形状に形成することも勿論有効である。
【００６０】
（第４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４の実施の形態を図８及び図９を参照して説明する。なお、この第４の実施の形態は、下板２１０及び上板２２０に形成する凸部及び凹部の数を、半導体素子３１０の幾何中心から応力緩和層２００の角部にかけて漸次多くなる態様で形成したものであり、その他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。
【００６１】
図８及び図９は、先の図２及び図３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、これら図８及び図９において、先の図２及び図３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。
【００６２】
すなわち図８に示すように、本実施の形態では、冷却器１００や構造体３００に対して発生する応力がそれらの四隅を基点として上記半導体素子３１０の中心に向かって推移することに鑑み、下板２１０には、半導体素子３１０の幾何中心にあたる中心線Ｏから同下板２１０の四隅２１０Ａ〜２１０Ｄにかけて漸次多くなる態様で凸部２１４が形成されている。また、こうした下板２１０と結合される上板２２０には、同じく上記中心線Ｏから同上板２２０の四隅２２０Ａ〜２２０Ｄにかけて漸次多くなる態様で、上記凸部２１４と嵌合される凹部２２４が形成されている。なお、これら凸部２１４、凹部２２４としては、先の第１の実施の形態と同様、円錐状、逆円錐状のものをそれぞれ採用している。
【００６３】
そして、図９に示すように、下板２１０に形成された凸部２１４と上板２２０に形成された凹部２２４とが互いに嵌合されることによって、上記凹凸嵌合構造として形成される面を積層面とする積層体としての応力緩和層２００が構成される。これにより、同図９にＡ−Ａ線に沿った拡大断面構造を示すように、下板２１０と上板２２０との結合面では、応力緩和層２００の四隅２００Ａ〜２００Ｄから中心に向けて凸部２１４及び凹部２２４の形成密度が高められた凹凸嵌合構造が形成されるようになる。
【００６４】
このような応力緩和層２００の存在により、冷却器１００や構造体３００に対して応力が発生したとすると、移動指向性が緩和された凸部２１４及び凹部２２４が応力に応じる態様で変形するようになるとともに、凸部２１４と凹部２２４との間で滑りが生じるようになる。また、本実施の形態では、凸部２１４及び凹部２２４の数が上記中心線Ｏから応力緩和層２００の四隅２００Ａ〜２００Ｄから上記中心線Ｏにかけて漸次多くなる態様で形成されたことによって、冷却器１００や構造体３００の四隅を基点として発生した応力がその初期段階で応力緩和層２００の四隅２００Ａ〜２００Ｄにおいて緩和されたのちに応力緩和層２００の中心部に向かうにつれて次第に緩和されるようになる。こうして、本実施の形態による応力緩和層２００によっても、冷却器１００や構造体３００に対して発生した応力が次第に分散される態様で緩和されるようになる。
【００６５】
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、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、更に以下のような効果が併せて得られるようになる。
【００６６】
（１０）下板２１０及び上板２２０に形成される凸部２１４及び凹部２２４を、上記中心線Ｏから下板２１０及び上板２２０の四隅２１０Ａ〜２１０Ｄ及び２２０Ａ〜２２０Ｄにかけて漸次多くなる態様で形成することとした。これにより、冷却器１００や構造体３００の四隅を基点として発生する応力を初期段階で好適に緩和することができるようになる。
【００６７】
（第５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５の実施の形態を図１０及び図１１を参照して説明する。なお、この第５の実施の形態は、下板２１０及び上板２２０に形成する凸部及び凹部を、円錐状の凸部２１５及び逆円錐状の凹部２２５と一柱面を底とする三角柱状の凸部２１６と一柱面を底とする逆三角柱状の凹部２２６とによって構成したものであり、その他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。
【００６８】
図１０及び図１１は、先の図２及び図３に対応する図として、この第５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、これら図１０及び図１１において、先の図２及び図３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。
【００６９】
すなわち図１０に示すように、本実施の形態では、冷却器１００や構造体３００に対して発生する応力がそれらの四隅を基点として上記半導体素子３１０の中心に向かって推移することに鑑み、下板２１０の四隅２１０Ａ〜２１０Ｄには円錐状の凸部２１５を高い密度で形成することとするとともに、これら四隅２１０Ａ〜２１０Ｄ間の四辺には一柱面を底とする三角柱状の凸部２１６を形成することとする。そして、こうした下板２１０と結合される上板２２０には、その四隅２２０Ａ〜２２０Ｄに上記凸部２１５と嵌合される逆円錐状の凹部２２５が形成されている。また、上板２２０の四隅２２０Ａ〜２２０Ｄの間の四辺には、上記凸部２１６と嵌合される一柱面を底とする逆三角柱状の凹部２２６が形成されている。
【００７０】
そして図１１に示すように、下板２１０に形成された円錐状の凸部２１５と上板２２０に形成された逆円錐状の凹部２２５とが互いに嵌合されるとともに、同じく下板２１０に形成された三角柱状の凸部２１６と上板２２０に形成された逆三角柱状の凹部２２６とが互いに嵌合されることによって、凹凸嵌合構造として形成される面を積層面とする積層体としての応力緩和層２００が構成される。これにより、同図１１にＢ１−Ｂ１線に沿った拡大断面構造を示すように、下板２１０と上板２２０との結合面のうち、応力緩和層２００の外縁側では、応力緩和層２００の四隅２００Ａ〜２００Ｄにおいて高密度の凹凸嵌合構造が形成されるとともに各四隅２００Ａ〜２００Ｄの間で低密度の凹凸嵌合構造が形成される。また、同図１１にＢ２−Ｂ２線に沿った拡大断面構造を示すように、下板２１０と上板２２０との結合面のうち応力緩和層２００の内側では、凹凸嵌合構造が形成されないこととなる。
【００７１】
このような応力緩和層２００の存在により、冷却器１００や構造体３００に対して応力が発生したとすると、まず、応力緩和層２００の四隅２００Ａ〜２００Ｄに高密度に形成された円錐状の凸部２１５及び逆円錐状の凹部２２５によって、冷却器１００や構造体３００の四隅を基点として発生した応力がその初期段階で緩和されるようになる。そして、応力緩和層２００の周辺においても、上記三角柱状の凸部２１６及び逆三角柱状の凹部２２６によって、冷却器１００や構造体３００に対して発生した応力が緩和されるようになる。こうして、冷却器１００や構造体３００の四隅を基点として発生した応力は、応力緩和層２００の２００Ａ〜２００Ｄからその中心に推移するにつれて次第に緩和されるようになる。
【００７２】
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、第１の実施の形態による前記（１）〜（６）の効果や先の第２の実施の形態による前記（７）の効果に準じた効果が得られるとともに、以下の効果が得られるようになる。
【００７３】
（１１）応力緩和層２００の四隅２００Ａ〜２００Ｄにおいて円錐状の凸部２１５及び逆円錐状の凹部２２５による凹凸嵌合構造を形成するとともに、応力緩和層２００の周辺において三角柱状の凸部２１６及び逆三角柱状の凹部２２６による凹凸嵌合構造を形成することとした。これにより、応力の発生の基点となるとともにその影響が大きい冷却器１００や構造体３００の周辺部に対する応力緩和能力が高められるようになる。また、このように半導体装置に内在する応力を緩和する上で必要最小限の凹凸嵌合構造を採用したことにより、応力緩和層２００としての構造上の簡略化が図られるようにもなる。
【００７４】
（１２）下板２１０及び上板２２０の四隅２１０Ａ〜２１０Ｄ及び２２０Ａ〜２２０Ｄに形成される凸部２１５及び凹部２２５を高密度に形成することとした。これにより、応力発生の基点となる冷却器１００や構造体３００の四隅に対する応力緩和能力が高められるようになり、冷却器１００や構造体３００に対して発生した応力をその初期段階で緩和することができるようになる。
【００７５】
（第６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６の実施の形態を図１２及び図１３を参照して説明する。なお、この第６の実施の形態は、三層の積層体によって応力緩和層２００を構成したものであり、その他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。
【００７６】
図１２及び図１３は、先の図２及び図３に対応する図として、この第６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、これら図１２及び図１３において、先の図２及び図３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。
【００７７】
すなわち図１２に示すように、本実施の形態では、上記応力緩和層２００が上記下板２１０と上板２２０との間に中板２３０が介在された積層体として構成されている。こうした積層体を構成する中板２３０には、下板２１０に対向する面に冷却器１００及び構造体３００の面方向への移動指向性が緩和、特に無指向性とされた形状からなるとともに上記凸部２１１と嵌合される逆円錐状の凹部２３１がマトリクス状に形成されている。また、この中板２３０の上板２２０の対向する面には、冷却器１００及び構造体３００の面方向への移動指向性が緩和、特に無指向性とされた形状からなる多数の円錐状の凸部２３２がマトリクス状に形成されている。これにより、下板２１０と中板２３０との結合面並びに中板２３０と上板２２０との結合面が、互いに対向する凹凸嵌合構造として形成されるとともに応力緩和層２００の積層面として形成されている。
【００７８】
そして、図１３に示すように、下板２１０に形成された凸部２１１と中板２３０に形成された凹部２３１とが互いに嵌合されるとともに、同中板２３０に形成された凸部２３２と上板２２０に形成された凹部２２１とが互いに嵌合されることによって、上記凹凸嵌合構造として形成される面を積層面とする積層体としての応力緩和層２００が構成される。
【００７９】
こうして、応力緩和層２００では、同図１３にＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線に沿った拡大断面構造を示すように、応力緩和層２００の面方向全域に亘って上記凸部２１１及び凹部２３１、並びに凸部２３２及び凹部２２１による凹凸嵌合構造が形成されるようになる。
【００８０】
このような応力緩和層２００の存在により、冷却器１００や構造体３００に対して応力が発生したとすると、凸部２１１及び凹部２３１、並びに凸部２３２及び凹部２２１の移動指向性が無指向性とされたことにより、これら各凸部２１１、２３２及び各凹部２２１、２３１が応力に応じる態様で変形するようになるとともに、凸部２１１と凹部２３１との間、凸部２３２と凹部２２１との間で滑りが生じるようになる。そしてさらに、これら各凸部２１１、２３２及び各凹部２３１、２２１による凹凸嵌合構造が複数層形成されたことによって、冷却器１００や構造体３００に対して発生した応力が段階的に緩和されるようになる。こうして、冷却器１００や構造体３００に対して発生した応力は、応力緩和層２００によって次第に分散される態様で緩和されるようになる。
【００８１】
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、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、更に以下のような効果が併せて得られるようになる。
【００８２】
（１３）応力緩和層２００を、上記下板２１０及び中板２３０及び上板２２０からなる三層の積層体によって構成することとした。これにより、各結合面における凹凸嵌合構造によって冷却器１００や構造体３００に対して発生した応力が段階的に緩和されるようになり、ひいては、応力緩和層２００による応力緩和効果が更に高められるようになる。
【００８３】
（他の実施の形態）
なお、上記実施の形態は、以下のような形態をもって実施することもできる。
・上記各実施の形態では、下板２１０と上板２２０とをねじＳＣによって結合することとした。これに限らず、上記凸部２１１〜２１６、２３２と凹部２２１〜２２６、２３１との移動指向性の緩和化を確保可能な場合には、例えば、接合剤によって下板２１０と上板２２０とを結合するようにしてもよい。またこの他、下板２１０と上板２２０との結合面にシリコングリース等の潤滑剤を介在させるようにしてもよい。
【００８４】
・上記各実施の形態では、上記応力緩和層２００を上記凹凸嵌合構造として形成される面を積層面とする積層体として構成することとした。これに限らず、先の図２に対応する図として例えば図１４に示すように、凹凸嵌合構造として形成される面を縦断層面とする横方向に結合された層として、すなわち横方向への結合体として上記応力緩和層２００を構成するようにしてもよい。
【００８５】
・上記各実施の形態では、下板２１０に凸部２１１〜２１６を形成するとともに上板２２０に凹部２２１〜２２６を形成することとしたが、これら凸部２１１〜２１６と凹部２２１〜２２６とによる凹凸嵌合構造を形成する上では、下板２１０に凹部２２１〜２２６を形成するとともに上板２２０に凸部２１１〜２１６を形成するようにしてもよい。また、上記第６の実施の形態では、中板２３０の下面に凹部２３１を形成するとともに同中板２３０の上面に凸部２３２を形成することとした。これに限らず、この中板２３０と上記下板２１０及び上板２２０による凹凸嵌合構造を形成可能なものであればよく、中板２３０の下面に凸部２３２を形成するとともに同中板２３０の上面に凹部２３１を形成するようにしてもよい。また同様に、中板２３０の上下両面に凹部を形成するとともに、この凹部に嵌合される凸部を下板２１０の上面と上板２２０の下面とに形成するようにしてもよい。同じく、中板２３０の上下両面に凸部を形成するとともに、この凸部が嵌合される凹部を下板２１０の上面と上板２２０の下面とに形成するようにしてもよい。
【００８６】
・上記第１の実施の形態では、凸部２１１及び凹部２２１を半導体素子３１０の幾何中心にあたる中心線Ｏを基点とする点対称かつマトリクス状に形成することとしたが、凸部２１１及び凹部２２１による凹凸嵌合構造によって冷却器１００や構造体３００に対する応力を緩和可能なものであればよく、中心線Ｏを基点とする点対称のみに、あるいはマト
リクス状のみに凸部２１１及び凹部２２１を形成するようにしてもよい。また、上記第２の実施の形態では、上記凸部２１２及び凹部２２２を上記中心線Ｏを基点とする放射状に形成することとし、上記第３の実施の形態では、上記凸部２１３及び凹部２２３を上記中心線Ｏを中心とする円形状に形成することとした。これに限らず、移動指向性が緩和可能とされた複数の凸部及び凹部によって上記半導体装置に内在する応力を緩和可能なものであればよく、上記凹凸嵌合構造を構成する凸部及び凹部の形成態様は任意である。
【００８７】
・上記第１、第４、第６の各実施の形態では、上記凹凸嵌合構造を円錐状の凸部２１１、２１４、２３２と逆円錐状の凹部２２１、２２４、２３１とによって構成することとした。これに限らず、例えば、凸部２１１、２１４、２３２を角錐状あるいは一柱面を底とする三角柱状に形成するとともに、凹部２２１、２２４、２３１を逆角錐状あるいは一柱面を底とする逆三角柱状に形成するようにしてもよい。また、この他、柱状の凸部及び凹部によって上記嵌合構造を形成するようにしてもよい。一方、上記第２、第３の各実施の形態では、上記凹凸嵌合構造を、一柱面を底とする三角柱状の凸部２１２、２１３と一柱面を底とする逆三角柱状の凹部２２２、２２３とによって構成することとした。これに限らず、例えば凸部２１２、２１３を円錐状あるいは角錐状に形成するとともに凹部２２２、２２３を逆円錐状あるいは逆角錐状に形成するようにしてもよい。他方、上記第５の実施の形態では、応力緩和層２００の四隅２００Ａ〜２００Ｄの凹凸嵌合構造を円錐状の凸部２１５及び逆円錐状の凹部２２５によって構成するとともに、応力緩和層２００の四辺の凹凸嵌合構造を一柱面を底とする三角柱状の凸部２１６及び逆三角柱状の凹部２２６と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の四隅２００Ａ〜２００Ｄの凹凸嵌合構造を一柱面を底とする三角柱状の凸部及び逆三角柱状の凹部によって構成するとともに、応力緩和層２００の四辺の凹凸嵌合構造を円錐状の凸部及び逆円錐状の凹部によって構成するようにしてもよい。また、応力緩和層２００の四隅及び四辺の凹凸嵌合構造を円錐状の凸部及び逆円錐状の凹部のみ、あるいは一柱面を底とする三角柱状の凸部及び逆三角柱状の凹部のみによって構成するようにしてもよい。
【００８８】
要は、凸部及び凹部の移動指向性が緩和可能とされることによって、冷却器１００や構造体３００に対して発生した応力を緩和可能なものであればよく、上記各実施の形態における上記凸部及び凹部の形状はそれら実施の形態で例示した形状に限定されるものではない。
【００８９】
・上記各実施の形態では、応力緩和層２００を構成すべく結合される板材として、アルミニウム製の板材２１０、２２０、２３０を用いることとした。応力緩和層２００を構成する板材としては、銅製であってもよく、この場合には、銅の熱伝導率が高いことから、上記応力緩和層２００によって半導体装置に内在する応力を緩和する上で、半導体装置としての熱抵抗をより好適に抑制することができるようになる。
【００９０】
・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３００の支持体として用いる構成であってもよい。
【符号の説明】
【００９１】
１００…冷却器、２００…応力緩和層、２００Ａ〜２００Ｄ…応力緩和層の四隅、２１０…下板（板材）、２１０Ａ〜２１０Ｄ…下板の四隅、２１１〜２１６…凸部、２２０…上板（板材）、２２０Ａ〜２２０Ｄ…上板の四隅、２２１〜２２６…凹部、２３０…中板（板材）、２３１…凹部、２３２…凸部、３００…構造体、３１０…半導体素子、３１１…半田、３２０…絶縁基板、３２１…セラミック基板、３２２…アルミニウム板、ＳＣ…ねじ。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図３】
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【図５】
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【図１０】
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【図１１】
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