(57)【要約】【課題】基板に亀裂が生じたり、基板と発熱素子との接続が損なわれたり、部品点数が増大したりすることが抑制された半導体装置を提供する。【解決手段】発熱素子（１０）と、発熱素子が設けられた基板（３０）と、基板が搭載されるヒートシンク（５０）と、を有する半導体装置。ヒートシンクは、発熱素子の熱を放熱する放熱部（５１）と、基板を搭載する搭載部（５２）と、を有し、放熱部は直方体であり、搭載部は、放熱部の一面（５１ａ）に設けられており、搭載部は、搭載面（５５ａ）に基板を搭載する搭載板（５５）と、搭載板と放熱部とを連結する連結部（５６）と、を有し、搭載板は放熱部よりも厚さが薄く、連結部は、一面と連結面（５５ｂ）とに連結され、連結面は、連結部との連結領域と、連結領域を除く領域と、から成り、連結領域を除く領域の少なくとも一部は、連結領域よりも長手方向に離れている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱素子（１０）と、
該発熱素子が設けられた基板（３０）と、
該基板が搭載されるヒートシンク（５０）と、を有する半導体装置であって、
前記ヒートシンクは、前記発熱素子の熱を放熱する放熱部（５１）と、前記基板を搭載する搭載部（５２）と、を有し、
前記放熱部は、直方体であり、
前記搭載部は、前記放熱部の長手方向と短手方向とによって規定される規定平面に沿う、前記放熱部の一面（５１ａ）に一体的に設けられており、
該搭載部は、搭載面（５５ａ）に前記基板を搭載する搭載板（５５）と、該搭載板と前記放熱部とを連結する連結部（５６）と、を有し、
前記搭載板は、前記規定平面に直交する厚さ方向において、前記放熱部よりも薄く、
前記連結部は、前記一面から前記厚さ方向に延びて、前記搭載面の裏面である連結面（５５ｂ）の一部と連結されており、
前記連結面は、前記連結部との連結領域と、該連結領域を除く領域と、から成り、
前記連結領域を除く領域の少なくとも一部は、前記連結領域よりも前記長手方向に離れていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記連結領域を除く領域は、環状であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記厚さ方向において、前記搭載板と前記連結部それぞれの中心が並んでおり、
前記連結面及び前記搭載面と、前記連結領域とは、中心相似の関係にあることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記搭載面、前記連結面、及び、前記連結領域それぞれは、正方形であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記厚さ方向において、前記搭載板の厚さは、一定であることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記放熱部の一面には、局所的に凹んだ凹部（５３）が形成され、
該凹部の底面に、前記連結部が一体的に連結され、
前記凹部の側面によって、前記連結部の周囲が囲まれていることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記放熱部の一面の裏面には、前記短手方向に沿う溝（５４）が複数形成されていることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記溝は、前記厚さ方向に沿って、前記基板が前記裏面へ投影された領域に形成されていることを特徴とする請求項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、発熱素子と、該発熱素子が設けられた基板と、該基板が搭載されるヒートシンクと、を有する半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、一面が発熱体搭載面とされた絶縁基板と、絶縁基板に固定されたヒートシンクと、を備えた放熱装置が提案されている。上記した絶縁基板における発熱体搭載面とは反対側の面に金属層が形成され、当該金属層とヒートシンクとの間に、応力吸収空間を有する応力緩和部材が介在させられている。
【０００３】
この構成により、各構成部材の熱膨張係数差の相違に起因する熱応力が発生したとしても、応力緩和部材が変形することで、熱応力の絶縁基板への印加が緩和される。そのため、絶縁基板にクラックが生じたり、絶縁基板の金属層と応力緩和部材との接合部にクラックが生じたり、ヒートシンクに反りが生じたりすることが抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２６８００８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記したように、特許文献１に示される放熱装置では、絶縁基板への熱応力の印加を緩和するために、絶縁基板とヒートシンクとの間に、金属層とともに応力緩和部材が介在させられている。そのため、部品点数が増大する、という問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、基板に亀裂が生じたり、基板と発熱素子との接続が損なわれたり、部品点数が増大したりすることが抑制された半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した目的を達成するために、本発明は、発熱素子（１０）と、該発熱素子が設けられた基板（３０）と、該基板が搭載されるヒートシンク（５０）と、を有する半導体装置であって、ヒートシンクは、発熱素子の熱を放熱する放熱部（５１）と、基板を搭載する搭載部（５２）と、を有し、放熱部は、直方体であり、搭載部は、放熱部の長手方向と短手方向とによって規定される規定平面に沿う、放熱部の一面（５１ａ）に一体的に設けられており、該搭載部は、搭載面（５５ａ）に基板を搭載する搭載板（５５）と、該搭載板と放熱部とを連結する連結部（５６）と、を有し、搭載板は、規定平面に直交する厚さ方向において、放熱部よりも薄く、連結部は、一面から厚さ方向に延びて、搭載面の裏面である連結面（５５ｂ）の一部と連結されており、連結面は、連結部との連結領域と、該連結領域を除く領域と、から成り、連結領域を除く領域の少なくとも一部は、連結領域よりも長手方向に離れていることを特徴とする。
【０００８】
このように本発明によれば、放熱部（５１）は直方体なので、冷熱サイクルによって、放熱部（５１）の長手方向の両端部が、厚さ方向に反る。そのため、放熱部に基板が直接搭載された構成の場合、上記した反りのために、基板に亀裂が生じたり、基板と発熱素子との接続が損なわれたりする虞がある。
【０００９】
しかしながら、本発明では、放熱部（５１）に基板（３０）を搭載する搭載部（５２）を有し、この搭載部（５２）は、放熱部（５１）よりも厚さの薄い、基板（３０）を搭載する搭載板（５５）と、該搭載板（５５）と放熱部（５１）とを連結する連結部（５６）と、を有する。そして、搭載板（５５）における連結部（５６）との連結面（５５ｂ）が、連結部（５６）との連結領域と、該連結領域を除く領域（以下、非連結領域と示す）と、から成り、非連結領域の少なくとも一部が、連結領域よりも長手方向に離れている。これによれば、連結領域よりも長手方向に離れた非連結領域と放熱部（５１）との間に空間が生じる。そのため、上記したように、放熱部（５１）の長手方向の両端部が、厚さ方向に反ったとしても、その反りによって、基板（３０）が歪み難い。これにより、基板（３０）に亀裂が生じること、及び、基板（３０）と発熱素子（１０）との接続が損なわれることが抑制される。また、ヒートシンク（５０）が、上記した放熱部（５１）と搭載部（５２）とを有するだけなので、基板とヒートシンクとの間に応力緩和部材が設けられた構成と比べて、部品点数の増大が抑制される。なお、放熱部（５１）は直方体であると示しているが、この直方体とは、縁取りされたり、角が切り取られたり、角にＲが付けられたりした形状も含む。
【００１０】
更に、本発明では、連結領域を除く領域は、環状である構成が好ましい。これによれば、連結領域よりも短手方向に離れた非連結領域と放熱部（５１）との間に空間が生じる。そのため、冷熱サイクルによって、放熱部（５１）の短手方向の両端部が、厚さ方向に反ったとしても、その反りによって、基板（３０）が歪み難い。これにより、基板（３０）に亀裂が生じること、及び、基板（３０）と発熱素子（１０）との接続が損なわれることがより効果的に抑制される。
【００１１】
また、上記発明においては、厚さ方向において、搭載板と連結部それぞれの中心が並んでおり、連結面及び搭載面と、連結領域とは、中心相似の関係にある構成が好ましい。これによれば、放熱部（５１）の反りに起因する応力が、連結部（５６）を介して搭載板（５５）に印加されたとしても、搭載板（５５）の特定領域に応力が集中することが抑制される。そのため、基板（３０）に亀裂が生じること、及び、基板（３０）と発熱素子（１０）との接続が損なわれることがより効果的に抑制される。
【００１２】
更に、上記発明においては、搭載面、連結面、及び、連結領域それぞれは、正方形である構成が好ましい。これによれば、搭載面、連結面、及び、連結領域それぞれが長方形である構成と比べて、搭載板（５５）の特定領域に応力が集中することが抑制される。そのため、基板（３０）に亀裂が生じること、及び、基板（３０）と発熱素子（１０）との接続が損なわれることがより効果的に抑制される。
【００１３】
そして、厚さ方向において、搭載板の厚さは、一定である構成が良い。これによれば、搭載板の厚さが不定の構成と比べて、搭載板（５５）の特定領域に応力が集中することが抑制される。そのため、基板（３０）に亀裂が生じること、及び、基板（３０）と発熱素子（１０）との接続が損なわれることがより効果的に抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す上面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】半導体装置の変形例を示す上面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。
【図６】図４のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。
【図７】半導体装置の変形例を示す上面図である。
【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図９】図７のＩＸ−ＩＸ線に沿う断面図である。
【図１０】半導体装置の変形例を示す上面図である。
【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿う断面図である。
【図１２】図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う断面図である。
【図１３】半導体装置の変形例を示す上面図である。
【図１４】図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿う断面図である。
【図１５】図１３のＸＶ−ＸＶ線に沿う断面図である。
【図１６】半導体装置の変形例を示す上面図である。
【図１７】図１６のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に沿う断面図である。
【図１８】図１６のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図１９】半導体装置の変形例を示す上面図である。
【図２０】半導体装置の変形例を示す上面図である。
【図２１】半導体装置の変形例を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１〜図３に基づいて、本実施形態に係る半導体装置を説明する。以下においては、互いに直交の関係にある３方向を、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向と示す。ｘ方向が、特許請求の範囲に記載の長手方向、ｙ方向が、特許請求の範囲に記載の短手方向、ｚ方向が、特許請求の範囲に記載の厚さ方向に相当する。なお、以下に示す断面図では、後述する搭載板５５と連結部５６、及び、連結部５６と放熱部５１との境界を明りょうにするために、連結部５６を破線で示す。
【００１６】
図１に示すように、半導体装置１００は、要部として、発熱素子１０と、発熱素子１０が設けられた基板３０と、基板３０が搭載されるヒートシンク５０と、を有する。
【００１７】
図２及び図３に示すように、ヒートシンク５０は、発熱素子１０の熱を放熱する放熱部５１と、基板３０を搭載する搭載部５２と、を有する。放熱部５１は、長手方向がｘ方向に沿い、短手方向がｙ方向に沿う直方体である。放熱部５１における、ｘ方向とｙ方向とによって規定されるｘ−ｙ平面に沿う一面５１ａに、局所的に凹んだ凹部５３が形成され、一面５１ａの裏面５１ｂに、ｙ方向に沿う溝５４が複数形成されている。この溝５４は、ｚに沿って、基板３０が裏面５１ｂへ投影された領域に形成されており、ｙ方向とｚ方向とによって規定されるｙ−ｚ平面の形状が、矩形となっている。
【００１８】
搭載部５２は、放熱部５１の一面５１ａに一体的に設けられたものであり、搭載面５５ａに基板３０を搭載する搭載板５５と、搭載板５５と放熱部５１とを連結する連結部５６と、を有する。搭載板５５は、ｚ方向の厚さが放熱部５１よりも薄く、一定となっており、ｘ−ｙ平面の形状が正方形となっている。連結部５６は、一面５１ａからｚ方向に延びて、搭載面５５ａの裏面である連結面５５ｂの一部と連結されており、ｘ−ｙ平面の形状が正方形となっている。本実施形態では、一面５１ａの一部を成す凹部５３の底面に、連結部５６が一体的に連結され、凹部５３の側面によって、連結部５６の周囲が囲まれている。
【００１９】
上記した連結面５５ｂは、連結部５６との連結領域と、該連結領域を除く領域（以下、非連結領域と示す）と、から成り、非連結領域の少なくとも一部は、連結領域よりもｘ方向に離れている。本実施形態では、連結領域は正方形であり、非連結領域は環状である。そのため、非連結領域は、連結領域よりも、ｘ方向とｙ方向とに離れている。なお、図１〜図３に示すように、ｚ方向において、搭載板５５と連結部５６それぞれの中心が並んでおり、連結面５５ｂ及び搭載面５５ａと、連結領域とは、中心相似の関係にある。
【００２０】
次に、本実施形態に係る半導体装置１００の作用効果を説明する。上記したように放熱部５１は直方体なので、冷熱サイクルによって、放熱部５１の長手方向の両端部が、厚さ方向に反る。そのため、放熱部に基板が直接搭載された構成の場合、上記した反りのために、基板３０に亀裂が生じたり、基板３０と発熱素子１０との接続が損なわれたりする虞がある。
【００２１】
しかしながら、放熱部５１に搭載部５２が一体的に連結されており、この搭載部５２は、放熱部５１よりも厚さの薄い搭載板５５と、搭載板５５と放熱部５１とを連結する連結部５６と、を有する。搭載板５５における連結部５６との連結面５５ｂは、連結領域と、非連結領域と、から成り、非連結領域の一部が、連結領域よりもｘ方向に離れている。これによれば、連結領域よりもｘ方向に離れた非連結領域と放熱部５１との間に空間が生じる。そのため、上記したように、放熱部５１のｘ方向の両端部が、ｚ方向に反ったとしても、その反りによって、基板３０が歪み難い。これにより、基板３０に亀裂が生じること、及び、基板３０と発熱素子１０との接続が損なわれることが抑制される。また、ヒートシンク５０が、上記した放熱部５１と搭載部５２とを有するだけなので、基板とヒートシンクとの間に応力緩和部材が設けられた構成と比べて、部品点数の増大が抑制される。
【００２２】
非連結領域は、環状である。これによれば、連結領域よりもｙ方向に離れた非連結領域と放熱部５１との間に空間が生じる。そのため、冷熱サイクルによって、放熱部５１のｙ方向の両端部が、厚さ方向に反ったとしても、その反りによって、基板３０が歪み難い。これにより、基板３０に亀裂が生じること、及び、基板３０と発熱素子１０との接続が損なわれることがより効果的に抑制される。
【００２３】
ｚ方向において、搭載板５５と連結部５６それぞれの中心が並んでおり、連結面５５ｂ及び搭載面５５ａと、連結領域とは、中心相似の関係にある。これによれば、放熱部５１の反りに起因する応力が、連結部５６を介して搭載板５５に印加されたとしても、搭載板５５の特定領域に応力が集中することが抑制される。そのため、基板３０に亀裂が生じること、及び、基板３０と発熱素子１０との接続が損なわれることがより効果的に抑制される。
【００２４】
搭載面５５ａ、連結面５５ｂ、及び、連結領域それぞれは、正方形である。これによれば、搭載面、連結面、及び、連結領域それぞれが長方形である構成と比べて、搭載板５５の特定領域に応力が集中することが抑制される。そのため、基板３０に亀裂が生じること、及び、基板３０と発熱素子１０との接続が損なわれることがより効果的に抑制される。
【００２５】
搭載板５５は、ｚ方向において、厚さが一定となっている。これによれば、搭載板の厚さが不定の構成と比べて、搭載板５５の特定領域に応力が集中することが抑制される。そのため、基板３０に亀裂が生じること、及び、基板３０と発熱素子１０との接続が損なわれることがより効果的に抑制される。
【００２６】
放熱部５１の一面５１ａに凹部５３が形成され、凹部５３の底面に連結部５６が連結され、凹部５３の側面によって連結部５６の周囲が囲まれている。これによれば、凹部を構成する部位が放熱部に形成されない構成と比べて、放熱部５１の表面積が増大する。そのため、放熱部５１の放熱性が向上される。
【００２７】
放熱部５１の裏面５１ｂに、ｙ方向に沿う溝５４が複数形成されている。これによれば、溝が放熱部に形成されない構成と比べて、放熱部５１の表面積が増大する。そのため、放熱部５１の放熱性が向上される。
【００２８】
溝５４は、ｚに沿って、基板３０が裏面５１ｂへ投影された領域に形成されている。これによれば、溝が、ｚ方向に沿って、基板が裏面へ投影された領域以外の領域に形成された構成と比べて、基板３０に搭載された発熱素子１０と溝５４との距離が短くなる。そのため、発熱素子１０で生じた熱の放熱性が向上される。
【００２９】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００３０】
本実施形態では、搭載面５５ａ、連結面５５ｂ、及び、連結領域それぞれのｘ−ｙ平面の形状が、正方形である例を示した。しかしながら、図４〜図６に示すように、搭載面５５ａ、連結面５５ｂ、及び、連結領域それぞれのｘ−ｙ平面の形状が、円形である構成を採用することもできる。また、図７〜図９に示すように、搭載面５５ａ、連結面５５ｂ、及び、連結領域それぞれのｘ−ｙ平面の形状が、長方形である構成を採用することもできる。
【００３１】
本実施形態では、放熱部５１の一面５１ａに凹部５３が形成され、凹部５３の底面に連結部５６が連結され、凹部５３の側面によって連結部５６の周囲が囲まれた例を示した。しかしながら、図４〜図６に示すように、放熱部５１に凹部５３が形成されていない構成も採用することができる。
【００３２】
本実施形態では、連結領域が正方形、非連結領域は環状であり、非連結領域が、連結領域よりも、ｘ方向とｙ方向とに離れた例を示した。しかしながら、図７〜図９に示すように、連結領域が長方形、非連結領域は長方形であり、非連結領域が、連結領域よりも、ｘ方向に離れた構成を採用することもできる。
【００３３】
本実施形態では、図１〜図３に示したように、放熱部５１は、縁取りされていない直方体である例を示した。しかしながら、図１０〜図１２に示すように、放熱部５１としては、角が切り取られた直方体を採用することもできる。また、図１３〜図１５に示すように、角にＲが形成された直方体を採用することもできる。更に言えば、図示しないが、縁取りされた直方体を採用することもできる。
【００３４】
本実施形態では、図１〜図３に示すように、ｘ−ｙ平面において、連結部５６よりも放熱部５１の方が、大きい構成を示した。しかしながら、図１６〜図１８に示すように、ｘ−ｙ平面において、連結部５６と放熱部５１それぞれの大きさが等しい構成を採用することもできる。
【００３５】
本実施形態では、図１〜図３に示すように、放熱部５１の裏面５１ｂに、溝５４が複数形成された例を示した。しかしながら、図１６〜図１８に示すように、放熱部５１の裏面５１ｂに、溝５４が形成されていない構成を採用することもできる。また、本実施形態では、溝５４が、ｚに沿って、基板３０が裏面５１ｂへ投影された領域に形成された例を示した。しかしながら、図示しないが、溝５４が、ｚに沿って、基板３０が裏面５１ｂへ投影された領域以外の領域に形成された構成を採用することもできる。
【００３６】
本実施形態では、図２に示すように、連結部５６におけるｚ−ｘ平面の形状が長方形である例を示した。しかしながら、図５に示すように、連結部５６におけるｚ−ｘ平面の形状が、中央が端よりもくびれた形状である構成を採用することもできる。また、図１９に示すように、連結部５６におけるｚ−ｘ平面の形状が、上面よりも下面のほうが短い台形である構成を採用することもできる。それに、図２０に示すように、連結部５６におけるｚ−ｘ平面の形状が、上面よりも下面のほうが長い台形である構成を採用することもできる。更に例示すれば、図２１に示すように、連結部５６におけるｚ−ｘ平面の形状が、上面よりも下面のほうが短い２つの台形を有し、一方の台形の下面が他方の台形の上面に連結された形状である構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００３７】
１０・・・発熱素子
３０・・・基板
５０・・・ヒートシンク
５１・・・放熱部
５１ａ・・・一面
５５・・・搭載板
５５ａ・・・搭載面
５５ｂ・・・連結面
５６・・・連結部
１００・・・半導体装置
【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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【図１０】
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【図１１】
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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１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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