(57)【要約】【課題】放熱板を冷却器に固着する前段階において、放熱板を冷却器側に突出する凸形状に変形させる際、はんだ接合部に負荷をかけない半導体装置の製造方法及び放熱板を提供する。【解決手段】半導体装置の構成部材である放熱板４は、溝部１３を形成して設けた低剛性領域１２と、各半導体素子２、２がはんだ接合６、６される部位に設けた高剛性領域１１、１１とを有している。これにより、放熱板４を冷却器に固着する前段階で、放熱板４を冷却器側に突出する凸形状に変形させる際、放熱板４の低剛性領域１２を押圧すると、放熱板４は低剛性領域１２の周辺から局所的に折曲して凸形状に変形されるので、放熱板４の、はんだ接合部６、６の部位の変形が抑制され、はんだ接合部６、６のせん断塑性ひずみを従来よりも低減させることができ、はんだ接合強度を向上させることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子がはんだ接合された放熱板を冷却器に固着する半導体装置の製造方法において、
前記放熱板に高剛性領域と低剛性領域とを設け、前記高剛性領域に前記半導体素子をはんだ接合する工程と、
前記放熱板の前記低剛性領域を前記半導体素子がはんだ接合されている側から押圧して、前記放熱板を前記冷却器側に突出する凸形状に変形させる工程と、
前記放熱板の凸形状の頂点を前記冷却器に向けて、前記放熱板を前記冷却器の平面部に固着する工程と、からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体素子がはんだ接合されると共に、冷却器に固着される放熱板であって、
該放熱板は、前記半導体素子がはんだ接合される高剛性領域と、前記放熱板を前記冷却器側に突出する凸形状に変形させる低剛性領域とを有することを特徴とする放熱板。
【請求項３】
前記低剛性領域は、前記放熱板の前記半導体素子がはんだ接合される側の面に形成された溝部で構成されることを特徴とする請求項２に記載の放熱板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子がはんだ接合された放熱板を冷却器に固着する半導体装置の製造方法及び該半導体装置の構成部材であって、半導体素子がはんだ接合されると共に、冷却器に固着される放熱板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１に示すように、従来の放熱板５０は、銅・モリブデン合金からなる略矩形状に形成されており、その一面の所定箇所に複数の半導体素子２、２がはんだ接合６、６されている。一方、冷却器５は、その一面に平面部５ａが形成されると共に、その他面に複数のフィン５ｂ、５ｂが所定間隔で形成されて構成されている。なお、各フィン５ｂ、５ｂ間に冷却水が充填される。
そして、半導体装置１は、各半導体素子２、２がはんだ接合６、６された放熱板５０の４隅をボルト固定することによりグリス層７を介して冷却器５の平面部５ａに固着して構成されている。これにより、半導体素子２、２で発生した熱は、放熱板５０からグリス層７を介して冷却器５に伝導して、冷却器５のフィン５ｂ、５ｂ間に充填された冷却水に吸収される。これにより、各半導体素子２、２で発生した熱が放熱される。
【０００３】
さらに詳しく、従来の放熱板５０の冷却器５への固着方法を図７に基いて説明する。
まず、各半導体素子２、２がはんだ接合６、６された放熱板５０を、凸状変形用治具２０上で、平板部２２との間に隙間を設けるように、両端に配設された角柱状の各支持部２１、２１上に載置する。
次に、放熱板５０の一面上で各半導体素子２、２の間に、所定厚の板状体１０を立てるように載置する。そして、該板状体１０の上面を図示しないプレス機により押圧して、放熱板５０を、その他面の一部が凸状変形用治具２０の平板部２２に接触するまで押圧し、放熱板５０を平板部２２側に突出する凸形状に変形させる。
続いて、凸形状に変形された放熱板５０を、図１に示すように、凸形状の頂点から冷却器５の平面部５ａに押し付けるようにグリス層７を介して載置し、放熱板５０を冷却器５の平面部５ａと略平行で、グリス層７の厚みが全体に薄く略均一になるようにして、放熱板５０の４隅をボルト固定することにより冷却器５に固着している。
このように、放熱板５０を冷却器５側に突出する凸形状に変形させた後、放熱板５０をその凸形状の頂点を冷却器５の平面部５ａに押し付けるようにして冷却器５の平面部５ａに固着すれば、グリス層７厚の不均一による熱抵抗の増加が防止されて、放熱板５０から冷却器５までの熱伝達効率が向上される。
【０００４】
しかしながら、複数の半導体素子２、２がはんだ接合６、６された状態の放熱板５０を冷却器５に固着する前段階において、図７に示すように、放熱板５０を冷却器５側に突出する凸形状に変形させる際、放熱板５０を板状体１０を介して押圧すると、放熱板５０が全体的に湾曲した湾曲状の凸形状に変形するために、放熱板５０の、各半導体素子２、２とのはんだ接合部６、６の部位が変形し、各半導体素子２、２と放熱板５０とのはんだ接合部６、６の特にＡ部の範囲に、周辺よりも大きい平面方向のせん断塑性ひずみが発生して、はんだ接合強度を低下させていた。
【０００５】
また、特許文献１には、半導体チップが実装された絶縁基板がハンダまたは接着剤の層を介して固着された放熱板を、筐体との熱膨張係数の差を利用して、筐体の外側に突出する状態に反らして、放熱板を筐体の外側に突出するように反らす加工を不要とした半導体装置の製造方法が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−１７７００２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の半導体装置の製造方法の発明でも、放熱板が筐体の外側に湾曲状に突出する状態が形成されるために、この放熱板と絶縁基板とがハンダの層で接合された場合、上述した問題と同様に、ハンダの層にせん断塑性ひずみが発生して、ハンダ接合強度が低下する虞がある。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、放熱板を冷却器に固着する前段階において、放熱板を冷却器側に突出する凸形状に変形させる際、半導体素子と放熱板とのはんだ接合部に負荷をかけない半導体装置の製造方法及び放熱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】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するための第１の手段として、請求項１に記載した半導体装置の製造方法の発明は、半導体素子がはんだ接合された放熱板を冷却器に固着する半導体装置の製造方法において、前記放熱板に高剛性領域と低剛性領域とを設け、前記高剛性領域に前記半導体素子をはんだ接合する工程と、前記放熱板の前記低剛性領域を前記半導体素子がはんだ接合されている側から押圧して、前記放熱板を前記冷却器側に突出する凸形状に変形させる工程と、前記放熱板の凸形状の頂点を前記冷却器に向けて、前記放熱板を前記冷却器の平面部に固着する工程と、からなることを特徴とするものである。
【０００９】
また、上述課題を解決するための第２の手段として、請求項２に記載した放熱板の発明は、半導体素子がはんだ接合されると共に、冷却器に固着される放熱板であって、該放熱板は、前記半導体素子がはんだ接合される高剛性領域と、前記放熱板を前記冷却器側に突出する凸形状に変形させる低剛性領域とを有することを特徴とするものである。
請求項３に記載した放熱板の発明は、請求項２に記載した発明において、前記低剛性領域は、前記放熱板の前記半導体素子がはんだ接合される側の面に形成された溝部で構成されることを特徴とするものである。
【００１０】
従って、請求項１に記載した半導体装置の製造方法の発明では、放熱板の低剛性領域が押圧されると、その押圧力が低剛性領域に集中して、該低剛性領域で局所的に折曲されると共に、放熱板の高剛性領域はその平面状態が維持され、冷却器側に突出する凸形状に変形される。これにより、放熱板が押圧されても、放熱板の、半導体素子とのはんだ接合部の部位の変形が抑制されるので、半導体素子と放熱板とのはんだ接合部のせん断塑性ひずみが従来よりも低減されて、はんだ接合強度が向上する。
【００１１】
また、請求項２に記載した放熱板の発明では、半導体素子がはんだ接合された放熱板を冷却器に固着する前段階において、放熱板を冷却器側に突出する凸形状に変形させる際、放熱板の低剛性領域が押圧されると、その押圧力が低剛性領域に集中して、該低剛性領域で局所的に折曲されると共に、放熱板の高剛性領域はその平面状態が維持され、冷却器側に突出する凸形状に変形される。これにより、放熱板が押圧されても、放熱板の、半導体素子とのはんだ接合部の部位の変形が抑制されるので、半導体素子と放熱板とのはんだ接合部のせん断塑性ひずみが従来よりも低減されて、はんだ接合強度が向上する。
しかも、放熱板の押圧部位を低剛性領域としたので、放熱板を冷却器側に突出する凸形状に変形させるための押圧荷重が低減されると共に、半導体素子と放熱板とのはんだ接合部へのせん断応力も低減される。
さらに、請求項３に記載した放熱板の発明では、低剛性領域は、放熱板の半導体素子がはんだ接合される側の面に形成された溝部で構成しているので、製造コスト上有利である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、放熱板を冷却器に固着する前段階において、放熱板を冷却器側に突出する凸形状に変形させる際、半導体素子と放熱板とのはんだ接合部に負荷をかけない半導体装置の製造方法及び放熱板を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図１〜図６に基いて詳細に説明する。なお、従来例と同一部材及び部品は、同一符号を使用して説明する。
半導体装置１は、図１に示すように、複数の半導体素子２、２が放熱板４の一面の所定箇所にはんだ接合６、６されると共に、該放熱板４がグリス層７を介して冷却器５に固着されて構成される。
そして、本発明の実施の形態に係る放熱板４は、図１及び図３に示すように、銅・モリブデン合金からなる略矩形状に形成されている。
また、この放熱板４には、その一面の所定箇所に複数の各半導体素子２、２がはんだ接合６、６されており、該各半導体素子２、２がはんだ接合６、６される部位に高剛性領域１１、１１が形成されると共に、各高剛性領域１１、１１間で、放熱板４を冷却器５側に突出する凸形状に変形させるための押圧部位に低剛性領域１２が形成されている。
低剛性領域１２は、図１及び図３に示すように、放熱板４に、その各半導体素子２、２がはんだ接合６、６される一面側に開口するＵ字状の溝部１３を直線状に設けて構成されている。当然ながら、この溝部１３から遠ざかる領域が、低剛性領域１２よりも剛性の高い高剛性領域１１、１１となる。
【００１４】
冷却器５は、図１に示すように、その一面に平面部５ａが形成されると共に、その他面に複数のフィン５ｂ、５ｂが形成されており、各フィン５ｂ、５ｂ間に冷却水が充填されて構成されている。
【００１５】
次に、半導体装置１を製造する方法を説明する。
まず、図１に示すように、放熱板４の高剛性領域１１、１１で、その一面の所定箇所に複数の半導体素子２、２がそれぞれはんだ接合６、６される。
次に、図２に示すように、放熱板４を冷却器５側に突出する凸形状に変形させる。なお、この放熱板４を冷却器５側に突出する凸形状に変形させる際には、凸状変形用治具２０が使用される。この凸状変形用治具２０は、略矩形状の平板部２２と、該平板部２２の両端に配設される角柱状の各支持部２１、２１とを備えている。この各支持部２１、２１の高さは、平板部２２の上面から約０．４ｍｍの高さに設定されている。
そして、放熱板４を、その他面が凸状変形用治具２０の平板部２２と対向し、平板部２２との間に隙間が設けられるように、各支持部２１、２１上に載置する。次に、放熱板４に設けた溝部１３の開口を塞ぐように、所定厚の板状体１０を立てるようにして置く。
続いて、図示しないプレス機で、板状体１０の上面を放熱板４の他面の一部が、凸状変形用治具２０の平板部２２に接触するまで押圧（その時の押圧荷重は約９００Ｎ程度となる）する。
すると、図２に示すように、放熱板４は、溝部１３の周辺で局所的に折曲されて、平板部２２側に突出するように変形する。これにより、放熱板４の高剛性領域１１、１１、すなわち、放熱板４の、各半導体素子２、２とのはんだ接合部６、６の部位が略平面状態に維持されたままでその変形が抑制されるので、従来、放熱板５０が湾曲状に変形された時に比べて、各半導体素子２、２と放熱板４とのはんだ接合部６、６のせん断塑性ひずみが低減され、はんだ接合強度が向上する。
【００１６】
ここで、本実施の形態に係る放熱板４（溝部が有りその深さが板厚の１／３程度）と、従来の放熱板５０（溝部無し）とにおいて、放熱板４、５０を冷却器５側に突出する凸形状に変形させた際の応力分布及びはんだ接合部６、６のせん断塑性ひずみの比較を、有限要素法（ＦＥＭ）により解析した結果を以下に説明する。
この解析では、放熱板４、５０の材料に係る条件例えばヤング率、ポアソン比等を入力し、放熱板４、５０を、その他面が凸状変形用治具２０の平板部２２に接触するまで（約０．４ｍｍの距離）押圧する変位制御による解析を行った。
その結果、本実施の形態に係る放熱板４では、凸形状に変形された際、押圧した部位の溝部１３の周辺に、５００ＭＰａ相当の応力が集中し、放熱板４が溝部１３周辺で局所的に平板部２２側に折曲されて変形することが確認できた（図２参照）。これに対して、従来の放熱板５０では、発生応力は押圧した部位に集中せずに分散するために、放熱板５０が全体的に湾曲した形状に変形することが確認できた（図７参照）。
また、図４は、本実施の形態に係る放熱板４（溝部有り）と従来の放熱板５０（溝部無し）とにおいて、凸形状に変形される際のはんだ接合部６、６のせん断塑性ひずみ（％）を比較した図であり、図４から解るように、本実施の形態に係る放熱板４と従来の放熱板５０とでは、押込み量が大きくなるにしたがってはんだ接合部６、６のせん断塑性ひずみの差が広がる傾向にあり、押込み量が０．４ｍｍまで達した時のはんだ接合部６、６のせん断塑性ひずみは、本実施の形態に係る放熱板４が従来の放熱板５０に比べて約３％程度低減されていることが解る。
【００１７】
最後に、上述のように、凸形状に変形された放熱板４を、図１に示すように、その凸形状に変形された頂点部位から冷却器５の平面部５ａに押し付けるようにグリス層７を介して載置し、放熱板４を冷却器５の平面部５ａと略平行で、グリス層７の厚みが全体に薄く略均一になるようにして、放熱板４の４隅をボルト固定することにより冷却器５に固着する。
【００１８】
なお、図３では、放熱板４の低剛性領域１２を、放熱板４の一面に所定深さのＵ字状の溝部１３を直線状に設けて構成したが、図５に示すように、低剛性領域１２を、所定径の開口部１５を直線状に複数並べて形成して構成してもよい。また、図６に示すように、低剛性領域１２を、放熱板４の高剛性領域１１、１１を構成する材料の間に、剛性が低く変形しやすい材料、例えばアルミ等の部材１６を一体的に介装させて構成してもよいし、低剛性領域１２を形成するための手段は、図３に示す溝部１３に限定されるものではない。
【００１９】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、半導体装置１の構成部材である放熱板４は、各半導体素子２、２がはんだ接合６、６される部位に高剛性領域１１、１１が形成されると共に、冷却器５側に突出する凸形状に変形される際の押圧部位に低剛性領域１２が形成されて構成されている。
これにより、半導体装置１を製造する工程で、放熱板４を冷却器５側に突出する凸形状に変形させる工程時、放熱板４の低剛性領域１２を押圧すると、放熱板４は、低剛性領域１２の周辺から局所的に折曲して、冷却器５側に突出する凸形状に変形されるので、放熱板４の高剛性領域１１、１１、すなわち、放熱板４の、各半導体素子２、２とのはんだ接合部６、６の部位の変形が抑制されて、各半導体素子２、２と放熱板４とのはんだ接合部６、６のせん断塑性ひずみを従来よりも低減させることができ、はんだ接合強度を向上させることができる。
【００２０】
また、本発明の実施の形態によれば、放熱板４を冷却器５側に突出する凸形状に変形させるための押圧部位を低剛性領域１２として構成しているので、押圧荷重を従来よりも低減させることができる。押圧荷重の低減量は、低剛性領域１２を構成する形態によって変わるが、例えば、低剛性領域１２を、図３に示すように、溝部１３を直線状に形成して構成した場合、その押圧荷重は、溝部１３の開口幅及び深さ等に対応して低減されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る放熱板が冷却器に固着され、半導体装置として構成された図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る放熱板を凸形状に変形させる様子を示した図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る放熱板の斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る放熱板と従来の放熱板とにおいて、凸形状に変形された際のはんだ接合部のせん断塑性ひずみを有限要素法により解析比較した図である。
【図５】図５は、本発明の他の実施の形態に係る放熱板の斜視図である。
【図６】図６は、本発明のさらに他の実施の形態に係る放熱板の斜視図である。
【図７】図７は、従来の放熱板を凸形状に変形させる様子を示した図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  半導体装置、２  半導体素子，４  放熱板，５  冷却器，６  はんだ接合部，１１  高剛性領域，１２  低剛性領域，１３  溝部，１５  開口部，１６  部材
【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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