(57)【要約】【課題】  面積が大きな半導体素子を実装する場合でも、半導体素子に加わるストレスを軽減し、高熱伝導で、低熱膨張の放熱基板を提供する。  【解決手段】  発熱体を搭載する高熱伝導部材を、高熱伝導部材より熱膨張係数の小さい低熱膨張部材で取り囲む構造の放熱基板であり、高熱伝導部材の発熱体の搭載面側に、段状あるいは傾斜状の切り欠き部を備え、この切り欠き部に低熱膨張部材が嵌合すると共に、少なくとも高熱伝導部材の発熱体の搭載予定領域表面に、凹状の別の切り欠き部を備え、この別の切り欠き部に、高熱伝導部材の熱膨張と発熱体の熱膨張の間の熱膨張特性を有する搭載部材が嵌合する。  【選択図】  図１  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体を搭載する高熱伝導部材を、該高熱伝導部材より熱膨張係数の小さい低熱膨張部材で取り囲む構造の放熱基板において、
前記高熱伝導部材の前記発熱体の搭載面側に、段状あるいは傾斜状の切り欠き部を備え、該切り欠き部に前記低熱膨張部材が嵌合すると共に、
少なくとも前記高熱伝導部材の前記発熱体の搭載予定領域表面に、凹状の別の切り欠き部を備え、該別の切り欠き部に、前記高熱伝導部材の熱膨張と前記発熱体の熱膨張の間の熱膨張特性を有する搭載部材が嵌合していることを特徴とする放熱基板。
【請求項２】
請求項１記載の放熱基板において、
前記搭載部材と前記低熱膨張部材との間の前記高熱伝導部材表面に、溝部を備えたことを特徴とする放熱基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発熱体を実装するための放熱基板に関し、特に動作時の発熱量が大きい半導体素子の実装に適した高熱伝導で低熱膨張の放熱基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンカーバイドからなる高出力用半導体素子などの半導体素子（発熱体）を実装するための実装基板は、半導体素子が発生する熱を外部へ逃がすため、銅、銅タングステン等からなる放熱基板が用いられている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３に従来の放熱基板を用いた半導体素子の実装例の断面図を示す。放熱基板は、熱伝導率の高い高熱伝導部材１の周囲を、高熱伝導部材１より膨張率が小さい材料で形成された低熱膨張部材２が取り囲む構造となっている。また、半導体素子４を搭載する高熱伝導部材１の表面側が段状に切り欠かれ、その切り欠き部に低熱膨張部材２の突起部が嵌合している（図３ａ）。放熱基板は、放熱効率を上げるため高熱伝導部材１が筐体や放熱フィンなどの被放熱部材６に密着するように、ネジ５で固定されている。そして、高熱伝導部材１の表面に半導体素子４を搭載する構造となっている。
【０００４】
このような構造の放熱基板では、半導体素子４の動作に伴い発生する熱は、まず高熱伝導部材１に伝えられる。熱を吸収した高熱伝導部材１は昇温し、熱膨張し、高熱伝導部材１の長さや体積が増大することになる。このとき、高熱伝導部材１と低熱膨張部材２とが接合する面に図３（ｂ）に示すような段差部を設ける構造とすると、高熱伝導部材１から低熱膨張部材２に対して、黒矢印で示す方向に力が加わる。その結果、低熱膨張部材２から高熱伝導部材１に対して、図３（ｂ）に白抜き矢印で示す反発力が生まれ、高熱伝導部材１を被放熱部材６に密着させ、効率よく熱伝導する構造となっている。
【特許文献１】特開２００３−２５８１６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、放熱基板に実装する半導体素子４の面積は、それほど大きくなく、高熱伝導部材１の熱膨張により半導体素子４に加わる力は無視できる程度であった。しかし、実装する半導体素子４の面積が大きくなると、高熱伝導部材１の熱膨張が無視できなくなってきている。この熱膨張は、半導体素子４に対して大きなストレスを加えることとなり、半導体素子４にクラックが入ったり、半導体素子４を破壊してしまう。また、半導体素子４と高熱伝導部材１を加熱して接合する場合にも、その熱膨張率の差により、半導体素子４に大きなストレスが加わり、半導体素子４の特性に影響を与える場合がある。
【０００６】
本発明は、上記課題に対し、面積が大きな半導体素子４を実装する場合でも、半導体素子４に加わるストレスを軽減し、高熱伝導で、低熱膨張の放熱基板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】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、発熱体を搭載する高熱伝導部材を、該高熱伝導部材より熱膨張係数の小さい低熱膨張部材で取り囲む構造の放熱基板において、前記高熱伝導部材の前記発熱体の搭載面側に、段状あるいは傾斜状の切り欠き部を備え、該切り欠き部に前記低熱膨張部材が嵌合すると共に、少なくとも前記高熱伝導部材の前記発熱体の搭載予定領域表面に、凹状の別の切り欠き部を備え、該別の切り欠き部に、前記高熱伝導部材の熱膨張と前記発熱体の熱膨張の間の熱膨張特性を有する搭載部材が嵌合していることを特徴とするものである。
【０００８】
また請求項２に係る発明は、請求項１記載の放熱基板において、前記搭載部材と前記低熱膨張部材との間の前記高熱伝導部材表面に、溝部を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の放熱基板は、高熱伝導部材１の半導体素子４の搭載面に、高熱伝導部材１と半導体素子４の間の熱膨張特性を有する搭載部材３を嵌合し、この搭載部材３上に半導体素子４を実装する構造となるので、半導体素子４の動作に伴い発生する熱により、高熱伝導部材１が熱膨張する場合であっても、高熱伝導部材１上に、直接、実装する場合と比較して、半導体素子４に加わるストレスを緩和することができ、面積が大きい半導体素子４を搭載することができるようになる。また、半導体素子４を搭載部材３上に加熱して接着する場合にも、半導体素子４に加わるストレスを緩和することができる。
【００１０】
また本発明では、搭載部材３と低熱膨張部材２との間に溝７を設けることにより、高熱伝導部材１の熱膨張による長さや体積が増加したときに、溝７がその変形分を吸収し、半導体素子４に加わるストレスを、より緩和することができ、さらに面積が大きな半導体素子４を搭載することができるようになる。また、嵌合する搭載部材３に加わるストレスを緩和することができ、薄い搭載部材３を用いることができ、放熱効果を上げることができるようになる。
【００１１】
さらに溝７を設けることにより、半導体素子４を搭載部材３上に実装する際の加熱により生じる高熱伝導部材１の熱膨張による変形分を吸収できるため、半導体素子４に加わるストレスを更に緩和することができ、面積が大きな半導体素子４を搭載することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明について詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
まず本発明の第１の実施例について説明する。図１は本発明の放熱基板上にシリコンカーバイドからなる半導体素子（発熱体）を搭載した場合の説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は半導体素子４が発熱した場合の説明図である。
【００１４】
図１に示すように、半導体素子４を搭載する領域を除いて、段状（あるいは図示していないが、傾斜状であってもよい）に切り欠かれ、断面形状が凸状（あるいは台形状）の高熱伝導部材１の周りを、その切り欠き部に対応する凸状（あるいは傾斜状）に突出する突起部（あるいは傾斜部）を備えた低熱膨張部材２が取り囲むように嵌合している。また、高熱伝導部材１の少なくとも半導体素子搭載予定領域上は、凹状に切り欠かれ、その凹部内に搭載部材３が嵌合している。一例として、高熱伝導部材１は銅で、低熱膨張部材２はモリブデンで、搭載部材３は銅タングステンでそれぞれ形成している。これらの熱膨張特性として線膨張係数を比較してみると、銅が１７×１０-6／Ｋ、モリブデンが５．１×１０-6／Ｋ、銅タングステン（銅を１０〜２０ｗｔ％含む場合）が６．５〜８．３×１０-6／Ｋ、シリコンカーバイドが３．５×１０-6／Ｋである。
【００１５】
高熱伝導部材１と低熱膨張部材２、搭載部材３は、冷間塑性変形固定、溶融固化、あるいはロウ付けにより組み立てることができる。なお、上記実施例のように銅からなる熱伝導部材１と銅タングステンからなる搭載部材３を接続する場合は、溶融固化して接続する方が、ロウ材のような接合層を形成する方法に較べて熱伝導性が良く好ましい。
【００１６】
このような構造の放熱基板は、搭載部材３上に通常の半導体素子の組立工程に従い半導体素子４が搭載され、被放熱部材６上にネジ５等で固定し、高熱伝導部材１が被放熱部材６に密着するように固定して使用される。半導体素子４が動作に伴い発熱すると、その熱は搭載位置からほぼ４５度の広がり角を持って広がっていく。従って、この広がり角に相当する部分を高熱伝導部材１で形成することにより、高熱伝導部材１から被放熱部材６へ効率的に熱を伝えることができる。
【００１７】
熱を吸収した高熱伝導部材１は昇温し、長さや体積が増大（熱膨張）する。このとき、高熱伝導部材１と低熱膨張部材２とが接合する面に図１（ｃ）に示すような段差部を設ける構造とすると、高熱伝導部材１から低熱膨張部材２に対して、黒矢印で示す方向に力が加わる。その結果、低熱膨張部材２から高熱伝導部材１に対して、白抜き矢印で示す反発力が生まれ、高熱伝導部材１を被放熱部材６に密着させ、効率よく熱伝導する構造となっている。また本実施例では、搭載部材３に対しても、黒矢印で示す方向に力が加わることになるが、搭載部材３から高熱伝導部材１に対して、白抜き矢印で示す反発力が生まれ、半導体素子４に加わるストレスを緩和することができる構造となっている。
【００１８】
また、高熱伝導部材１の熱膨張と半導体素子４の熱膨張の間の熱膨張特性を有する材料で搭載部材３を形成しているので、搭載部材３から半導体素子４に加わるストレスは小さく抑えることができている。
【実施例２】
【００１９】
次に第２の実施例について説明する。半導体素子４の面積がさらに大きくなってくると、高熱伝導部材１の熱膨張により、搭載部材３の反りが無視できなくなる。そこで、本実施例では、この反りを低減するために半導体素子４を搭載する面の高熱伝導部材１の表面に溝７を設けている。溝７を設けることにより、高熱膨張部材１の長さや体積の増加を緩和することができるため、搭載部材３に加わるストレスを緩和し、反りなどが低減され、より面積の大きな半導体素子４を搭載できるようになる。また、搭載部材３の厚さを薄くすることもでき、放熱性が改善できるという効果もある。さらに放熱基板全体の反りも低減できるので、放熱フィンなどの被放熱部材６に密着性良く取り付けることができる。なお、溝７の形状は、適宜設定することができるが、特に断面形状をＶ字状にすれば、変形緩和の効果が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施例の説明図である。
【図２】本発明の第２の実施例の説明図である。
【図３】従来の放熱基板を用いた半導体素子の実施例の説明図である。
【符号の説明】
【００２１】
１：高熱伝導部材、２：低熱膨張部材、３：搭載部材、４：半導体素子、５：ネジ、６：被放熱部材、７：溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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