(57)【要約】【課題】半導体素子で発生する熱を基板を通じて放熱させることができるとともに、半導体素子と基板との間の接合部の劣化をより適切に抑制することができる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１０は、半導体素子１１と接合部１２と放熱板１５とが順に積層されている。半導体素子１１と放熱板１５とが積層されている方向を厚さ方向とし、厚さ方向と直交する面に沿った方向を面方向とする。放熱板１５には、半導体素子１１の積層範囲に対応する中央領域に、厚さ方向の熱伝導率が面方向の熱伝導率及び放熱板１５の母材の熱伝導率よりも高い第１埋設部１６が形成されており、外周領域に、面方向の線膨張係数が第１埋設部１６の面方向の線膨張係数及び放熱板１５の母材の線膨張係数よりも小さく且つ面方向の剛性が第１埋設部１６の面方向の剛性及び放熱板１５の母材の剛性よりも第２埋設部１７が形成されている。【選択図】図２
2011159662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、その半導体素子に直接的又は間接的に積層されている基板と、その半導体素子とその基板との間に介在するとともに、その半導体素子とその基板との相対的な位置関係を固定する接合部とを備えており、
前記基板は、前記半導体素子の積層範囲に対応する中央領域と、その中央領域の周囲に伸びている外周領域を備えており、
前記半導体素子と前記基板とが積層されている方向を厚さ方向とし、その厚さ方向と直交する面に沿った方向を面方向とした場合に、
前記基板の前記中央領域に、厚さ方向の熱伝導率が面方向の熱伝導率及び前記基板の母材の熱伝導率よりも高い第１埋設部が形成されているとともに、前記基板の前記外周領域に、面方向の線膨張係数が前記第１埋設部の面方向の線膨張係数及び前記基板の母材の線膨張係数よりも小さく且つ面方向の剛性が前記第１埋設部の面方向の剛性及び前記基板の母材の剛性よりも高い第２埋設部が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１埋設部及び第２埋設部が六方晶構造のグラファイトで構成されており、前記第１埋設部ではグラファイトのｃ軸が前記面方向に揃っており、前記第２埋設部ではグラファイトのｃ軸が前記厚さ方向に揃ってい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】
前記基板の全表面がその基板の母材からなり、前記第１埋設部及び前記第２埋設部が前記基板の表面に露出していないことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１埋設部は、前記面内の少なくとも１方向における線膨張係数が前記基板の母材の線膨張係数よりも大きく、
前記基板の前記中央領域では、複数個の前記第１埋設部が、その第１埋設部と前記基板の母材からなる部位とが前記１方向に沿って交互に出現するように形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記基板の前記半導体素子が積層されている側と反対側の面が冷却器に接合しており、
前記第２埋設部の面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高いとともに、その厚さ方向の熱伝導率が前記基板の母材の熱伝導率よりも低く、
前記基板の前記外周領域に、複数個の前記第２埋設部が、その第２埋設部と前記基板の母材からなる部位とが面方向に交互に出現するように形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記基板の前記半導体素子が積層されている側と反対側の面が冷却器に接合しており、
前記第２埋設部の面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高いとともに、その厚さ方向の熱伝導率が前記基板の母材の熱伝導率よりも低く、
前記基板の外縁に近いほど前記第２埋設部の厚さ方向の長さが長いことを特徴とする請求項１から５のいずれか１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、半導体素子と基板とが積層されている半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示される半導体装置は、半導体素子と基板（配線基板）とが積層されているとともに、半導体素子と基板との相対的な位置関係を固定するための接合部（ダイボンド剤）がこれらの間に介在している。半導体素子が作動すると、半導体素子が発熱する。半導体素子と基板との線膨張係数が異なると、半導体素子の発熱時に半導体素子と基板とが異なる比率で膨張するため、接合部に応力が作用して亀裂等が生じ、接合部が劣化する可能性がある。この半導体装置では、接合部と半導体素子がモールド樹脂によって覆われているため、半導体素子と配線基板とが熱によって異なる比率で膨張しても、接合部に生じる亀裂を軽減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２３５４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の半導体装置では、モールド樹脂によって接合部の劣化をある程度は抑制することはできる。しかしながら、この技術では、基板と半導体素子との熱による膨張度合いの差を低減することができないため、接合部に作用する応力自体を低減することはできない。したがって、接合部の劣化を抑制するという点で十分とは言い難い。また、基板には、半導体素子で発生する熱を、基板を通じてその周囲又は基板に接続されている冷却器等に放熱させることが要求される。
本明細書に開示する技術は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体素子で発生する熱を基板を通じて放熱することができるとともに、半導体素子と基板との間の接合部の劣化をより適切に抑制することが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】
【０００５】
本明細書に開示する技術は、半導体素子と、その半導体素子に直接的又は間接的に積層されている基板と、その半導体素子とその基板との間に介在するとともに、その半導体素子とその基板との相対的な位置関係を固定する接合部とを備えている半導体装置である。
この半導体装置では、基板が、半導体素子の積層範囲に対応する中央領域と、その中央領域の周囲に伸びている外周領域を備えている。基板の中央領域に、第１埋設部が形成されており、基板の外周領域に第２埋設部が形成されている。半導体素子と基板とが積層されている方向を厚さ方向とし、その厚さ方向と直交する面に沿った方向を面方向とすると、第１埋設部は、厚さ方向の熱伝導率が面方向の熱伝導率及び基板の母材の熱伝導率よりも高い。また、第２埋設部は、面方向の線膨張係数が第１埋設部の面方向の線膨張係数及び基板の母材の線膨張係数よりも小さく、且つ面方向の剛性が第１埋設部の面方向の剛性及び基板の母材の剛性よりも高い。
【０００６】
上記構成において、基板とは、専ら半導体素子の放熱のために半導体素子に接合されているものであってもよいし、半導体素子とワイヤなどを介して接続される電極板であってもよいし、配線基板であってもよい。上記構成において、基板が半導体素子に直接的又は間接的に積層されているとは、基板と半導体素子とが接合部のみを介して積層されている場合と、基板と半導体素子との間に接合部とともに金属層、半導体層、及び絶縁体層等の中間層が介在している場合とを含む。
【０００７】
また、上記構成において、面方向の熱伝導率とは、面に沿った全ての方向の熱伝導率を平均した平均熱伝導率を意味しており、面方向の線膨張係数とは、面に沿った全ての方向の線膨張係数を平均した平均線膨張係数を意味している。また、面方向の剛性とは、面に沿った全ての方向の剛性を平均した平均剛性を意味している。
【０００８】
上記構成では、半導体素子で発生する熱が、基板の中央領域に形成されている第１埋設部を通じて厚さ方向に効率よく伝導することによって放熱される。
また、第２埋設部は、面方向の線膨張係数が第１埋設部の面方向の線膨張係数及び基板の母材の線膨張係数よりも小さいため、熱膨張しにくい。したがって、半導体素子が発熱しても、第２埋設部は半導体素子の発熱前と略同じ形状に維持される。また、第２埋設部は、面方向の剛性が第１埋設部の面方向の剛性及び基板の母材の剛性よりも高い。そのため、半導体素子の発熱によって、基板の母材と第１埋設部とが面方向に熱膨張しようとしても、その熱膨張が第１埋設部の周囲に位置する第２埋設部によって抑制される。したがって、基板が半導体素子に対して面方向に大きく膨張することを抑制することができるため、半導体素子と基板との熱膨張の差によって接合部に応力が作用することを抑制することができる。これにより、接合部に亀裂等が生じて劣化することをより適切に抑制することができる。
【０００９】
第１埋設部と第２埋設部とは、異なる材料で構成してもよいし、同じ材料で構成してもよい。同じ材料で構成する場合には、第１埋設部及び第２埋設部が六方晶構造のグラファイトで構成されていることが好ましい。この場合、第１埋設部ではグラファイトのｃ軸が面方向に揃っており、第２埋設部ではグラファイトのｃ軸が厚さ方向に揃っている。
グラファイトは、一方向の熱伝導率がその一方向と直交する面方向の熱伝導率よりも高く、面方向の線膨張係数が一方向の線膨張係数よりも大きく、面方向の剛性が一方向の剛性よりも大きいため、第１埋設部及び第２埋設部を構成することができる。ここでも、面方向の熱伝導率、線膨張係数及び剛性は、面内の全方向の平均を意味している。
【００１０】
上記の半導体装置では、基板の全表面がその基板の母材からなり、第１埋設部及び第２埋設部が基板の表面に露出していないことが好ましい。
上記構成によれば、第１埋設部及び第２埋設部を基板の母材で保護することができるとともに、第１埋設部及び第２埋設部を他の部材に直接接着する必要がない。特に、第１埋設部及び第２埋設部の材料として、六方晶構造のグラファイトを用いる場合には有効である。
【００１１】
第１埋設部の面内の少なくとも１方向における線膨張係数が基板の母材の線膨張係数よりも大きい場合には、基板の中央領域では、複数個の第１埋設部が、その第１埋設部と基板の母材からなる部位とが前記１方向に沿って交互に出現するように形成されていることが好ましい。
基板の中央領域の全体に第１埋設部が形成されている場合には、その熱膨張が第２埋設部によって抑制されているとはいえ、第１埋設部の上記１方向の線膨張係数が大きいことから、基板が上記１方向に熱膨張しやすくなる。この点、上記構成によれば、中央領域の全体に第１埋設部を形成されている場合よりも、基板が上記１方向に熱膨張することを抑制することができる。
【００１２】
半導体装置では、基板の半導体素子が積層されている側と反対側の面が冷却器に接合しているといった態様を採用することもできる。この構成において、第２埋設部の面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高いとともに、その厚さ方向の熱伝導率が基板の母材の熱伝導率よりも低い場合には、基板の外周領域に、複数個の第２埋設部が、その第２埋設部と基板の母材からなる部位とが面方向に交互に出現するように形成されていることが好ましい。
半導体素子から基板に伝導した熱は、基板の外周領域では、第２埋設部を通じて面方向に伝導し、その熱が基板の母材からなる部位に達すると、その一部の熱が母材からなる部位を通じて冷却器に向かう方向に伝導するとともに、残りの熱が再度出現する第２埋設部を通じて面方向に伝導する。第２埋設部を通じて面方向に伝導した熱が、基板の母材からなる部位を通じて冷却器に向かって伝導するため、基板に伝導した熱を冷却器へ効率よく伝導することができる。その結果、半導体素子をより効果的に放熱させることができる。
【００１３】
また、基板を冷却器に接合する構成において、第２埋設部の面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高いとともに、その厚さ方向の熱伝導率が基板の母材の熱伝導率よりも低くい場合には、基板の外縁に近いほど第２埋設部の厚さ方向の長さが長いことが好ましい。
基板の外周領域では、基板の外縁側よりも中央領域側のほうが、半導体素子に近接しているため、半導体素子の熱が伝導されやすく、高温となりやすい。上記構成では、基板の外周領域のうち高温となりやすい中央領域側ほど、基板の母材からなる部位の厚さ方向の長さが長いため、半導体素子から伝導された熱を基板の母材からなる部位を通じて効率的に冷却器へ伝導することができる。また、第２埋設部は、基板の外縁に近いほど厚さ方向に長いため、基板の外縁では面方向の熱膨張を抑制することができる。したがって、外縁の内側に位置する領域においても基板の面方向の熱膨張を抑制することができるため、結果的に基板全体の面方向の熱膨張を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本明細書に開示する半導体装置によれば、基板に第１埋設部と第２埋設部が形成されているため、半導体素子で発生する熱を基板を通じて効率よく放熱することができるとともに、基板が半導体素子に対して面方向に大きく熱膨張することを抑制することによって接合部の劣化をより適切に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１の半導体装置を示す平面図。
【図２】図１のII−II線における断面図。
【図３】グラファイトの結晶構造を示す模式図。
【図４】実施例１の半導体素子の発熱時の半導体装置を示す断面図。
【図５】実施例２の半導体装置を示す断面図。
【図６】実施例３の半導体装置を示す断面図。
【図７】実施例４の半導体装置を示す断面図。
【図８】実施例５の半導体装置を示す断面図。
【図９】実施例６の半導体装置を示す断面図。
【図１０】実施例７の半導体装置を示す平面図。
【図１１】実施例８の半導体装置を示す平面図。
【図１２】実施例９の半導体装置を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に本発明の実施例の特徴を説明する。
（特徴１）基板は、放熱板であり、その放熱板は冷却器に接合されている。冷却器は、冷却板とフィンとを備えている。
【００１７】
（実施例１）
本明細書に開示する技術を具体化した半導体装置の実施例１を図１〜図４を参照して説明する。図１は、実施例１の半導体装置１０の平面図であり、図２は、図１のII−II線における断面図である。
図１に示すように、半導体装置１０は、半導体素子１１と放熱板（基板）１５と絶縁体層２０と冷却器２５とが順に積層されている。図２に示すように、半導体素子１１と放熱板１５とは、これらの間に介在している接合部１２によって接合されている。すなわち、半導体素子１１と放熱板１５との相対的な位置関係が接合部１２により固定されている。接合部１２としては、はんだ等が例示される。以下の説明では、図１および半導体素子１１と放熱板１５とが積層されている方向（図１及び図２のｚ軸方向）を厚さ方向とし、その厚さ方向と直交する面に沿った方向（図１及び図２のｘｙ平面が伸びる方向）を面方向とする。
【００１８】
本実施例では、半導体素子１１がＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、シリコン半導体で構成される。なお、半導体素子１１としては、例えば、サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオード等を用いても良い。半導体素子１１は、図示しないワイヤを介して図示しない電極に接続されている。
絶縁体層２０は、絶縁体からなり、放熱板１５と冷却器２５とを絶縁している。絶縁体層２０の熱伝導率は高い。冷却器２５は、金属製であり、絶縁体層２０と接着している冷却板２６と、冷却板２６の下面から下方に向かって伸びる複数のフィン２７とを備えている。半導体装置１０は、冷却板２６の下面に冷却水などの冷却媒体を流通させた状態で使用される。冷却板２６の下面とフィン２７とに冷却媒体が接触して、半導体素子１１で発生する熱がこの冷却媒体に放熱される。
【００１９】
放熱板１５の母材は銅である。放熱板１５は、半導体素子１１の積層範囲に対応する中央領域と、その中央領域の周囲に伸びている外周領域を備えている。放熱板１５の中央領域に、第１埋設部１６が形成されており、放熱板１５の外周領域には、第２埋設部１７が形成されている。第１埋設部１６及び第２埋設部１７は、六方晶構造の高配向性のグラファイトで構成されている。第１埋設部１６は、略直方体形状であり、図１に示すように平面視が半導体素子１１と同一の略矩形状に形成されている。第２埋設部１７は、略筒形状をしており、図１に示すように平面視が第１埋設部１６よりも大きい略矩形の枠状に形成されている。第１埋設部１６は、略筒形状の第２埋設部１７の内部に配置されており、第１埋設部１６と第２埋設部１６と間には放熱板の母材である銅が介在している。
【００２０】
放熱板１５の全表面はその母材からなり、第１埋設部１６及び第２埋設部１７は放熱板１５の表面に露出していない。すなわち、第１埋設部１６及び第２埋設部１７の表面は銅によって保護されている。そのため、放熱板１５を接合部１２及び絶縁体層２０と接合するにあたって、第１埋設部１６及び第２埋設部１７を直接的に接合部１２及び絶縁体層２０と接着させる必要がない。したがって、第１埋設部１６及び第２埋設部１７に利用できる材料の幅が広がり、第１埋設部１６と第２埋設部１７として、他の部材と接着させにくいグラファイトを利用することができる。
【００２１】
図３は、第１埋設部１６及び第２埋設部１７の材料であるグラファイトの結晶構造を示している。図３に示すように、グラファイトは、炭素原子１８が六方晶構造で結合している。すなわち、グラファイトでは、炭素原子１８がａ軸及びｂ軸方向に共有結合しており、炭素原子１８が亀甲状に共有結合した複数の層が、ｃ軸方向にファンデルワールス力で結合している。なお、以下の説明では、亀甲状に共有結合した炭素原子１８の層をａｂ平面といい、この層に沿った全ての方向をａｂ平面方向という。図２では、第１埋設部１６及び第２埋設部１７のグラファイトのａｂ平面を模式的に実線で示している。図２に示すように、第１埋設部１６では、グラファイトのｃ軸が半導体装置１０の面方向（ｘｙ平面のｘ軸方向）に揃っており、グラファイトのａｂ平面が半導体装置１０の厚さ方向（ｙｚ平面と平行）に沿って伸びている。また、第２埋設部１７ではグラファイトのｃ軸が半導体装置１０の厚さ方向に揃っており、グラファイトのａｂ平面が半導体装置１０の面方向に伸びている。
【００２２】
本実施例では、放熱板１５に第１埋設部１６を形成することによって、半導体素子１１の作動時に発生する熱を効果的に放熱するようにしており、放熱板１５に第２埋設部１７を形成することによって、放熱板１５が面方向に熱膨張することが抑制するようにしている。この理由を、表１を参照して説明する。
【表１】
2011159662.tif 000003
【００２３】
表１は、グラファイトと銅の熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］、線膨張係数［ｐｐｍ／Ｋ］、及びヤング率［ＧＰａ］を示している。また、シリコンとはんだの線膨張係数［ｐｐｍ／Ｋ］及びヤング率［ＧＰａ］も参考までに示している。
表１に示すように、グラファイトは、ａｂ平面方向では、熱伝導率が１５００［Ｗ／ｍＫ］と高く、ヤング率が１０５０［ＧＰａ］と高く、線膨張係数は−１［ｐｐｍ／Ｋ］と非常に小さい。また、グラファイトでは、ｃ軸方向の熱伝導率が１０［Ｗ／ｍＫ］と低く、ヤング率が３６［ＧＰａ］と低く、線膨張係数が２５［ｐｐｍ／Ｋ］と大きい。また、銅の熱伝導率は、３９４［Ｗ／ｍＫ］であり、グラファイトのａｂ平面方向の熱伝導率よりも低いとともに、グラファイトのｃ軸方の熱伝導率よりも高い。銅の線膨張係数１７［ｐｐｍ／Ｋ］は、グラファイトのａｂ平面方向の線膨張係数よりも大きく、グラファイトのｃ軸方向の線膨張係数よりも小さい。また、銅の線膨張係数及びグラファイトのｃ軸方向の線膨張係数は、シリコンの線膨張係数３［ｐｐｍ／Ｋ］よりも大きい。また、銅は、ヤング率が１２０［ＧＰａ］であり、グラファイトのａｂ平面方向のヤング率よりも低いとともに、グラファイトのｃ軸方向のヤング率よりも高い。したがって、銅の剛性は、グラファイトのａｂ平面方向の剛性よりも低く、グラファイトのｃ軸方向の剛性よりも高い。
【００２４】
第１埋設部１６は、上記したように、グラファイトのｃ軸が面方向に揃っているため、第１埋設部１６では、厚さ方向の熱伝導率が１５００［Ｗ／ｍＫ］と高い。一方、第１埋設部１６の面方向の熱伝導率は、図１及び図２のｘ軸方向では１０［Ｗ／ｍＫ］であり、ｙ軸方向では１５００［Ｗ／ｍＫ］である。したがって、第１埋設部１６では、厚さ方向の熱伝導率が面方向の平均の熱伝導率よりも高いとともに、放熱板１５の母材である銅の熱伝導率３９４［Ｗ／ｍＫ］よりも高い。
【００２５】
また、第２埋設部１７では、上記したように、グラファイトのｃ軸が半導体装置１０の厚さ方向に揃っている。そのため、第２埋設部１７では、面方向の線膨張係数が−１［ｐｐｍ／Ｋ］と小さい。一方、第１埋設部１６の面方向の線膨張係数は、図１及び図２のｘ軸方向では、２５［ｐｐｍ／Ｋ］であり、ｙ軸方向では、−１［ｐｐｍ／Ｋ］である。そのため、第２埋設部１７の面方向の線膨張係数は、第１埋設部１６の面方向の平均の線膨張係数よりも小さく、放熱板の母材である銅の線膨張係数１７［ｐｐｍ／Ｋ］よりも小さい。また、第２埋設部１７では、面方向のヤング率が１０５０［ＧＰａ］である。一方、第１埋設部１６の面方向のヤング率は、図１及び図２のｘ軸方向では、３６［ＧＰａ］であり、ｙ軸方向では、１０５０［ＧＰａ］である。したがって、第２埋設部１７の面方向の剛性は、第１埋設部１６の面方向の平均の剛性よりも高く、銅の剛性（ヤング率１２０［ＧＰａ］）よりも高い。
上記では面内の全方位について平均した面方向の線膨張係数とヤング率で説明したが、第１埋設部１６の線膨張係数が大きい方向（この場合ｘ軸方向）において、第２埋設部１７の線膨張係数が第１埋設部１６の線膨張係数よりも小さく、第２埋設部１７のヤング率が第１埋設部１６のヤング率よりも大きい関係に設定されていれば、第２埋設部１７によって第１埋設部１６が面方向に膨張することを抑制することができる。本実施例の場合、ｙ軸方向にはもともと第１埋設部１６の線膨張係数が小さく、第２埋設部１７で膨張を抑える必要がない。第１埋設部１６は専らｘ軸方向に伸びようとする。ｘ軸方向では、第２埋設部１７の線膨張係数が−１［ｐｐｍ／Ｋ］であり、第１埋設部１６の線膨張係数である２５［ｐｐｍ／Ｋ］よりも小さい。また、ｘ軸方向では、第２埋設部１７のヤング率が１０５０［ＧＰａ］であり、第１埋設部１６のヤング率である３６［ＧＰａ］よりも大きい。本実施例では、第１埋設部１６が伸びやすいｘ軸方向において、伸びにくくて強い第２埋設部１７で伸びにくくしているということができる。
【００２６】
次に、半導体素子１１の作動時での半導体素子１１の熱伝導態様及び熱変形状態を図２及び図４を参照して説明する。なお、図２の実線矢印は、放熱板１５内での熱の流れを示しており、破線矢印は、第１埋設部１６及び第２埋設部１７の熱膨張しやすい方向を示している。
【００２７】
半導体素子１１が作動すると、半導体素子１１が発熱する。半導体素子１１で発生する熱は、接合部１２を通じて放熱板１５に伝導する。放熱板１５では、上記したように、第１埋設部１６が半導体素子１１に対応する部位に形成されている。第１埋設部１６は厚さ方向の熱伝導率が面方向の熱伝導率よりも高い。そのため、放熱板１５に伝導した熱は、第１埋設部１６を通じて、冷却器２５側へと伝導する。また、第１埋設部１６の厚さ方向の熱伝導率は、銅の熱伝導率よりも高いため、放熱板１５の中央領域に第１埋設部１６を設けない（中央領域を母材の銅のみで構成する）場合よりも、熱が半導体素子１１側から冷却器２５側へと伝導されやすくなる。これにより、半導体素子１１で発生する熱を、冷却器２５の下側を流れる冷却媒体に効率よく放熱することができる。また、第２埋設部１７では、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い。そのため、半導体素子１１から放熱板１５へ伝導した熱の一部が、図２の実線矢印に示すように、第２埋設部１７を通じて放熱板１５の外縁側に向かって伝導する。また、熱の一部は、放熱板１５の母材からなる部位を通じて冷却器２５へと伝導する。
【００２８】
第１埋設部１６は、上記のように、面方向の平均の線膨張係数が大きいため、面方向に熱膨張しやすい。第１埋設部１６は、詳細には、ｘ軸方向の線膨張係数が大きいため、図２の破線矢印に示す方向に熱膨張しやすい。また、銅の熱膨張係数も比較的大きいため、半導体素子１１で発生する熱により放熱板１５の母材も熱膨張しやすい。一方、第２埋設部１７は、上記したように、面方向の線膨張係数が第１埋設部１６の面方向の線膨張係数及び銅の線膨張係数よりも小さく、熱膨張しにくい。また、第２埋設部１７の面方向の剛性が、第１埋設部１６の平均の面方向の剛性及び銅の剛性よりも高い。そのため、半導体素子１１で発生する熱が放熱板１５に伝導することによって、放熱板１５の中央領域の銅と第１埋設部１６とが面方向に熱膨張しようとしても、その熱膨張が第１埋設部１６の周囲に位置する第２埋設部１７によって抑制される。なお、第２埋設部１７は、厚さ方向の線膨張係数が大きいため、図２の破線に示すように、厚さ方向に膨張しやすい。また、第１埋設部１６は、厚さ方向の線膨張係数が小さい。
【００２９】
したがって、半導体素子１１が発熱すると、放熱板１５は図４に示すように変形する。すなわち、放熱板１５は、外周領域に形成される第２埋設部１７によって、面方向に大きく膨張することを抑制することができる。そのため、半導体素子１１と放熱板１５との熱膨張の差異が軽減され、接合部１２に応力が作用することを抑制することができる。これにより、接合部１２に亀裂等が生じることによって接合部１２が劣化することをより適切に抑制することができる。また、半導体素子１１と放熱板１５との面方向の熱膨張の差異に起因して、半導体装置１０が面方向に反ることも抑制することができる。なお、図４に示すように、第２埋設部１７は、厚さ方向に熱膨張する。しかしながら、放熱板１５の外周領域には半導体素子１１が積層されておらず、また厚さ方向の熱膨張は接合部１２の応力として作用しない。したがって、放熱板１５の外周領域が厚さ方向で熱変形したとしても、この熱変形によって接合部１２に作用する応力は変化しないことから、接合部１２の劣化は抑制される。
【００３０】
（実施例２）
次に、図５を参照して実施例２の半導体装置３０を説明する。なお、図５においても、放熱板３５における熱の流れを実線矢印で示し、第１埋設部３６及び第２埋設部３７の熱膨張しやすい方向を破線矢印で示している。本実施例の半導体装置３０は、放熱板３５の構成が実施例１の放熱板１５と異なる。その他の構成は、実施例１と同じであるため、同じ構成の部材については実施例１と同じ符号で示し、その説明を省略する。
【００３１】
本実施例では、放熱板３５の中央領域に、複数の第１埋設部３６が形成されており、この点が実施例１と異なっている。第１埋設部３６は、実施例１と同様に、グラファイトのｃ軸が面方向（ｘｙ平面のx軸方向）に揃っており、グラファイトのａｂ平面が図６のｙｚ平面に沿って伸びている。そのため、上記したようにｘ軸方向の線膨張係数が、放熱板３５の母材である銅の線膨張係数よりも大きい。第１埋設部３６のｙ軸方向の長さは、実施例１の第１埋設部１６の長さと同じ長さであり、半導体素子１１のｙ軸方向の長さと同じ長さである。第１埋設部３６のｘ軸方向の長さは、実施例１の第１埋設部１６の長さよりも短く、第１埋設部３６は、ｘ軸方向に複数配列されている。なお、図５に示す例では、第１埋設部３６のｘ軸方向の長さは、実施例１の第１埋設部１６のｘ軸方向の長さの１／３未満の長さであり、３つの第１埋設部３６が、第１埋設部３６と放熱板の母材からなる部位とがｘ軸方向に沿って交互に出現するように形成されている。放熱板３５の外周領域に形成される第２埋設部３７は、実施例１の第２埋設部１７と同じ構成である。
【００３２】
放熱板３５の中央領域の全体に第１埋設部３６が形成されている場合には、第２埋設部３７によって中央領域の周囲から熱膨張が抑制されているとはいえ、第１埋設部３６のｘ軸方向の線膨張係数が大きいことから、放熱板３５がｘ軸方向に熱膨張しやすくなる。この点、本実施例では、中央領域の全体に第１埋設部３６を形成するのではなく、ｘ軸方向に第１埋設部３６と銅からなる部位とが交互に出現するように形成されているため、放熱板３５のｘ軸方向の熱膨張をより適切に抑制することができる。したがって、接合部１２の劣化をより適切に抑制することができる。なお、その他の構成及び作用効果は実施例１と同じである。
【００３３】
（実施例３）
次に、図６を参照して実施例３の半導体装置４０を説明する。なお、図６においても、放熱板４５における熱の流れを実線矢印で示し、第１埋設部４６及び第２埋設部４７ａ，４７ｂ，４７ｃの熱膨張しやすい方向を破線矢印で示している。本実施例の半導体装置４０は、放熱板４５の構成が上記各実施例の放熱板１５，２５と異なる。その他の構成は、実施例１と同じであるため、同じ構成の部材については実施例１と同じ符号で示し、その説明を省略する。
【００３４】
本実施例では、放熱板４５の中央領域に形成される第１埋設部４６は、実施例１の第１埋設部１６と同じ構成である。放熱板４５の外周領域には、複数の第２埋設部４７ａ，４７ｂ，４７ｃが形成されており、この点が実施例１と異なっている。各第２埋設部４７ａ，４７ｂ，４７ｃでは、実施例１と同様に、グラファイトのｃ軸が半導体装置４０の厚さ方向に揃っているため、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高いとともに、その厚さ方向の熱伝導率が母材の熱伝導率よりも低い。
【００３５】
図６に示す例では、放熱板４５の外周領域に、内側第２埋設部４７ａ、中間第２埋設部４７ｂ、及び外側第２埋設部４７ｃの３つの第２埋設部が形成されており、これらが放熱板４５の中央領域側から外縁に向かって順に配列されている。各第２埋設部４７ａ，４７ｂ，４７ｃの平面視は、図示を省略するが、いずれも略矩形の枠形状である。各第２埋設部４７ａ，４７ｂ，４７ｃは、面方向の長さがいずれも同じ長さであり、実施例１の第２埋設部１６の面方向の長さの１／３未満の長さである。また、各第２埋設部４７ａ，４７ｂ，４７ｃは、厚さ方向の長さがいずれも同じ長さであり、実施例１の第２埋設部１６の長さと同じ長さである。放熱板４５の外縁側に最も近い外側第２埋設部４７ｃの内側に、中間第２埋設部４７ｂが収容され、その内側に内側第２埋設部４７ａが収容されている。各第２埋設部４７ａ，４７ｂ，４７ｃの間には、放熱板４５の母材である銅からなる部位が介在している。３つの第２埋設部４７ａ，４７ｂ，４７ｃは、その第２埋設部４７ａ，４７ｂ，４７ｃと放熱板４５の母材である銅からなる部位とが面方向（ｘ軸方向及びｙ軸方向）に交互に出現するように形成されている。
【００３６】
本実施例では、放熱板４５の外周領域では、半導体素子１１から放熱板４５に伝導した熱が、まず内側第２埋設部４７ａを面方向に伝導する。その熱が放熱板４５の銅からなる部位に達すると、その熱の一部が、この銅からなる部位を通じて冷却器２５に向かう方向に伝導するとともに、残りの熱が、中間第２埋設部４７ｂを通じて面方向に伝導する。さらに、熱が中間第２埋設部４７ｂを伝導して放熱板４５の銅からなる部位に達すると、その熱の一部が、この銅からなる部位を通じて冷却器に向かう方向に伝導するとともに、残りの熱が、外側第２埋設部４７ｃを通じて面方向に伝導する。このような態様で、放熱板４５の外周領域では、熱が各第２埋設部４７ａ，４７ｂ，４７ｃを通じて面方向に伝導するとともに、銅からなる部位を冷却器２５側へと伝導する。本実施例の放熱板３５の外周領域では、実施例１の放熱板１５の外周領域よりも銅からなる部位が多いため、放熱板４５に伝導した熱を冷却器２５へ効率よく伝導することができる。その結果、半導体素子１１をより効果的に冷却することができる。なお、その他の構成及び作用効果は実施例１と同じである。
【００３７】
（実施例４）
次に、図７を参照して実施例４の半導体装置５０を説明する。なお、図７においても、放熱板５５における熱の流れを実線矢印で示し、第１埋設部５６及び第２埋設部５７ａ，５７ｂ，５７ｃの熱膨張しやすい方向を破線矢印で示している。本実施例の半導体装置５０は、放熱板５５の構成が上記各実施例の放熱板１５，２５，３５と異なる。その他の構成は、実施例１と同じであるため、同じ構成の部材については実施例１と同じ符号で示し、その説明を省略する。
【００３８】
本実施例では、放熱板５５の中央領域に形成される第１埋設部５６は、実施例１の第１埋設部１６と同じ構成である。放熱板５５の外周領域には、複数の第２埋設部５７ａ，５７ｂ，５７ｃが形成されている。図７に示す例では、放熱板５５の中央領域に、内側第２埋設部５７ｂ、中間第２埋設部５７ｂ、及び外側第２埋設部５７ｃの３つの第２埋設部が形成されている。各第２埋設部５７ａ，５７ｂ，５７ｃは、図示を省略するが平面視が枠形状であり、面方向の長さが、実施例３の第２埋設部４７ａ，４７ｂ，４７ｃの長さと同じである。一方、各第２埋設部５７ａ，５７ｂ，５７ｃは、厚さ方向の長さが、放熱板５５の外縁に近いほど長い。その結果、放熱板５５の外周領域では、中央領域に近い部位ほど銅からなる部位の厚さ方向の長さが長くなっている。
【００３９】
放熱板５５の外周領域では、放熱板５５の外縁側よりも中央領域側のほうが、半導体素子１１に近接しているため、半導体素子１１の熱が伝導されやすく、高温となりやすい。本実施例では、放熱板５５の外周領域のうち半導体素子１１の熱が伝導されやすい部位で、放熱板５５の銅からなる部位の厚さ方向の長さが長いため、半導体素子１１から放熱板５５に伝導された熱を銅からなる部位を通じて冷却器２５へ効率的に伝導することができる。また、各第２埋設部５７ａ，５７ｂ，５７ｃは、放熱板５５の外縁に近いほど厚さ方向に長いため、放熱板５５の外縁では面方向の熱膨張を抑制することができる。したがって、放熱板５５の外縁の内側に位置する領域においても放熱板５５の面方向の熱膨張を抑制することができるため、結果的に放熱板５５全体としての面方向の熱膨張を抑制することができる。なお、その他の構成及び作用効果は実施例３と同じである。
【００４０】
実施例４では、放熱板５５に複数の第２埋設部５７ａ，５７ｂ，５７ｃが形成されていが、実施例４の変形例として、放熱板に１つの第２埋設部を形成することによっても、第２埋設部の厚さ方向の長さを放熱板の外縁に近いほど長い構成とすることができる。例えば、第２埋設部の下面を傾斜状としたり段差状としたりすることによって、放熱板の外縁ほど厚さ方向の長さを長くすることができる。
【００４１】
（実施例５）
次に、図８を参照して実施例５の半導体装置６０を説明する。本実施例では、放熱板６１の母材としてアルミニウム（Ａｌ（１０００））を用いている。また、接合部１２と放熱板６１との間に、ＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）層６４が形成されている。また、放熱板６１が冷却器２５に直接接合している。これらの点が実施例１と異なっているが、その他の構成は、実施例１と同じであるため、同じ構成の部材については実施例１と同じ符号で示し、その説明を省略する。
【００４２】
ＤＢＡ層６４は、アルミニウム（Ａｌ（４Ｎ））からなる第１層６５と、絶縁体である窒化アルミニウムからなる第２層６６と、アルミニウムから（Ａｌ（４Ｎ））なる第３層６７とが、ろう付けによって積層されている。放熱板６１の中央領域に第１埋設部６２が形成されているとともに、外周領域に第２埋設部６３が形成されている。第１埋設部６２及び第２埋設部６３の構成は、実施例１の第１埋設部１６及び第２埋設部１７と同じである。冷却器２５は、高強度のアルミニウム（Ａｌ（３０００））からなる。
【００４３】
表２に、アルミニウムの物性を示す。
【表２】
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【００４４】
放熱板６１の母材であるアルミニウムの線膨張率は、２３［ｐｐｍ／Ｋ］であり、半導体素子１１を構成するシリコンよりも線膨張率大きく、第２埋設部６３の面方向の線膨張係数よりも大きい。また、アルミニウムのヤング率は６５［ＧＰａ］であり、アルミニウムの剛性は、第２埋設部６３の面方向の剛性よりも低い。また、第１埋設部１６の厚さ方向の熱伝導率は、アルミニウムの熱伝導率２３７［Ｗ／Ｋｍ］よりも高い。したがって、本実施例においても、実施例１と同様に、第１埋設部６２を通じて冷却器２５への伝導させることができる。また、放熱板６１の面方向の熱膨張を第２埋設部６３よって抑制して、接合部１２の劣化をより適切に抑制することができる。なお、その他の作用効果は、実施例１と同じである。
【００４５】
（実施例６）
次に、図９を参照して実施例６の半導体装置７０を説明する。本実施例では、半導体素子１１において、放熱板１５が積層されている面と反対側の面にも、基板としての電極７２が接合部７１を介して積層されている点が、上記各実施例と異なっている。その他の構成は、実施例１と同じであるため、同じ構成の部材については実施例１と同じ符号で示し、その説明を省略する。
【００４６】
半導体素子１１は、図示しないワイヤを介して電極７２に接続されている。半導体素子の表面に電極が露出している場合には、その表面電極と電極７２を導電性接合部（例えばはんだ）７１で接合してもよい。電極７２の母材は銅である。電極７２では、半導体素子１１の積層範囲である中央領域に、第１埋設部７３が形成されており、中央領域の周囲の外周領域に第２埋設部７４が形成されている。なお、図９に示す例では、電極７２の中心が半導体素子１１の中心に対して、紙面右側にずれているため、電極７２の中央領域は、電極７２の中心に対して紙面左側にずれている。半導体素子１１と電極７２とが積層されている方向を厚さ方向とし、その方向と直交する方向を面方向とする。第１埋設部７３は、グラファイトのｃ軸が面方向に揃っており、グラファイトのａｂ平面が厚さ方向（ｙｚ平面と平行）に伸びている。また、第２埋設部７４ではグラファイトのｃ軸が厚さ方向に揃っており、グラファイトのａｂ平面が半導体装置の面方向に伸びている。
【００４７】
本実施例では、半導体素子１１が作動して発熱すると、その熱が放熱板１５と電極７２との双方を通じて放熱される。電極７２では、第１埋設部７３を通じて熱が厚さ方向に伝導し、電極７２を通じて半導体素子１１の熱が放熱される。また、電極７２は、外周領域に第２埋設部７４が形成されているため、電極７２の面方向の熱膨張を適切に抑制することができ、接合部７１の劣化を抑制することができる。なお、その他の作用効果は実施例１と同じである。
【００４８】
（実施例７）
次に、図１０を参照して実施例７の半導体装置８０を説明する。図１０は、実施例７の半導体装置８０の平面視である。なお、図１０では、絶縁体層と冷却器を省略して示している。上記各実施例では、放熱板上に一つの半導体素子が積層されている例を説明したが、本実施例では、放熱板８５上に複数の半導体素子８１，８２が積層されている。図１０に示す例では、放熱板８５上に、２つのＩＧＢＴ８１と２つのダイオード８２が積層されている。各ＩＧＢＴ８１と放熱板８５との間には図示しない接合部が介在しているとともに、各ダイオード８２と放熱板８５との間には図示しない接合部が介在している。接合部は、はんだ等で構成されている。
【００４９】
放熱板８５には、各ＩＧＢＴ８１の積層範囲である第１中央領域にＩＧＢＴ８１放熱用の第１埋設部８６が形成されており、各ダイオード８２の積層範囲である第２中央領域にダイオード８２放熱用の第１埋設部８７が形成されている。放熱板８５の第１中央領域及び第２中央領域の周囲である外周領域には、第２埋設部８８が形成されている。第２埋設部８８は、平面視が４つの枠を有する枠形状に形成されており、それぞれの枠の内部に各第１埋設部８６，８７がそれぞれ収容されている。各第１埋設部８６，８７は、グラファイトのａｂ平面が厚さ方向（ｙｚ平面と平行）に伸びている。また、第２埋設部８８ではグラファイトのｃ軸が厚さ方向に揃っており、グラファイトのａｂ平面が面方向に伸びている。
【００５０】
本実施例では、各ＩＧＢＴ８１及び各ダイオード８２が作動して発熱すると、その熱が第１埋設部８６，８７通じて熱が厚さ方向に伝導し、各ＩＧＢＴ８１及び各ダイオード８２で発生する熱が放熱される。また、外周領域に第２埋設部８８が形成されているため、放熱板８５が面方向の熱膨張を適切に抑制することができ、接合部が劣化することをより適切に抑制することができる。なお、その他の作用効果は実施例１と同じである。
【００５１】
（実施例８）
次に、図１１を参照して実施例８の半導体装置９０を説明する。図１１は、実施例８の半導体装置９０の平面視であり、絶縁体層と冷却器を省略して示している。本実施例では、実施例7と同様に、放熱板９５上に２つのＩＧＢＴ８１と２つのダイオード８２が積層されており、これらの半導体素子８１，８２は図示しない接合部を解して放熱板９５に接合されている。本実施例では、放熱板９５の構成が実施例７の放熱板８５と異なるが、その他の構成は実施例７と同じである。
【００５２】
放熱板９５には、各ＩＧＢＴ８１の積層範囲である第１中央領域にＩＧＢＴ８１放熱用の第１埋設部９６が形成されており、各ダイオード８２の積層範囲である第２中央領域にダイオード８２放熱用の第１埋設部９７が形成されている。各第１埋設部９６，９７の構成は、実施例７の各第１埋設部８６，８７の構成と同じである。放熱板８５の第１中央領域及び第２中央領域の周囲である外周領域には、複数の第２埋設部９９が形成されている。本実施例では、第２埋設部９９の形成態様が実施例７と異なる。複数の第２埋設部９９は、平面視が略矩形状の直方体状である。第２埋設部９９は、第１埋設部９６，９７の厚さ方向に伸びる４つの各側面に対応して、第１埋設部９６，９７の周囲の４箇所に配置されている。第１埋設部９６，９７の厚さ方向に伸びる４つの各側面と第２埋設部９９の第１埋設部９６，９７側で厚さ方向に伸びる側面とは略同じ形状である。第１埋設部９６，９７の厚さ方向に伸びる４つの各側面と第２埋設部９９の第１埋設部９６，９７側で厚さ方向に伸びる側面とが、放熱板９５の母材である銅からなる部位を介して対向している。
【００５３】
本実施例では、各ＩＧＢＴ８１及び各ダイオード８２が作動して発熱すると、その熱が第１埋設部９６，９７通じて熱が厚さ方向に伝導し、各ＩＧＢＴ８１及び各ダイオード８２で発生する熱が放熱される。また、放熱板９５は、外周領域に第２埋設部９９が形成されているため、放熱板９５が面方向の熱膨張を適切に抑制することができ、接合部が劣化することをより適切に抑制することができる。なお、その他の作用効果は実施例１と同じである。
【００５４】
（実施例９）
次に、図１２を参照して実施例９の半導体装置１００を説明する。図１２は、実施例９の半導体装置１００の平面視であり、絶縁体層と冷却器を省略して示している。本実施例では、実施例7と同様に、放熱板１０５上に２つのＩＧＢＴ８１と２つのダイオード８２が積層されており、これらの半導体素子８１，８２は図示しない接合部を解して放熱板１０５に接合されている。本実施例では、放熱板１０５の構成が実施例７の放熱板８５と異なるが、その他の構成は実施例７と同じである。
【００５５】
放熱板１０５には、第１埋設部１０６が、各ＩＧＢＴ８１の積層範囲である第１中央領域と、各ダイオード８２の積層範囲である第２中央領域とに亘ってｙ軸方向に伸びており、放熱板１０５の外周領域の一部にも形成されている。また、第２埋設部１０７は、放熱板１０５の外周領域において、第１埋設部１０６を挟むようにｙ軸方向に伸びている。第１埋設部１０６は、ｃ軸が面方向（ｘｙ平面のｙ軸方向）に揃っており、グラファイトのａｂ平面が厚さ方向（ｘｚ平面と平行）に伸びている。第２埋設部１０７は、グラファイトのｃ軸が厚さ方向に揃っており、グラファイトのａｂ平面が面方向に伸びている。したがって、第１埋設部１０６は、面方向のうちｘ軸方向については、線膨張係数が第２埋設部１０７の面方向の線膨張係数と同じである。そのため、半導体素子８１，８２の発熱時に、半導体素子８１，８２に対して第１埋設部１０６がｘ軸方向に大きく熱膨張することはない。なお、第１埋設部１０６は面方向のうちｙ軸方向の線膨張係数は大きい。しかしながら、第１埋設部１０６の両側には、面方向（ｘ軸方向及びｙ軸方向の双方）に線膨張係数が小さい第２埋設部１０７が形成されている。したがって、第１埋設部１０６が半導体素子８１，８２の発熱時にｙ軸方向に熱膨張しようとしても、その両側の第２埋設部１０７がｙ軸方向に熱膨張しにくいことから、第１埋設部１０６のｙ軸方向の熱膨張が抑制される。このように、本実施例では、第１埋設部１０６の全周囲を第２埋設部１０７で囲うことなく、放熱板１０５の熱膨張を抑制することができる。また、本実施例では、実施例７よりも第１埋設部１０６を大きく形成することができるため、半導体素子８１，８２の放熱をより効果的に行うことができる。
【００５６】
（その他の実施例）
上記各実施例では、第１埋設部及び第２埋設部の材料として、グラファイトを用いているが、第１埋設部及び第２埋設部の材料として、その他の材料を用いるようにしてもよい。また、上記各実施例では、第１埋設部の面方向において、ｘ軸方向とｙ軸方向の熱伝導率、線膨張係数、及びヤング率が異なっているが、第１埋設部は、面方向の全ての方向において熱伝導率、線膨張係数、及びヤング率が同じであってもよい。
【００５７】
以上、本明細書に開示される技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００５８】
１０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００：半導体装置
１１：半導体素子
１２，７１：接合部
１５，３５，４５，５５，６１，８５，９５：放熱板
１６，３６，４６，５６，６２，７３，８６，８７，９６，９７，１０６：第１埋設部
１７，３７，４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，５７ａ，５７ｂ，５７ｃ，６３，７４，８８，９９，１０７：埋設部
１８：炭素原子
２０：絶縁体層
２５：冷却器
２６：冷却板
２７：フィン
６２：ＤＢＡ層
６５：第１層
６６：第２層
６７：第３層
７２：電極
８１：ＩＧＢＴ
８２：ダイオード
【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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