(57)【要約】【課題】異種材料で構成された基板とヒートシンクの間の接合部の信頼性向上。【解決手段】本発明による半導体装置１，２，３は、放熱面４０ｂを有し、放熱面とは逆側に放熱面に略平行な接合面４０ａを備え、該接合面に凹部４６を備えたヒートシンク４０，４０’と、ヒートシンクに接合され、ヒートシンクの接合側とは逆側に半導体素子１０が配置された基板２０，２０’であって、ヒートシンクよりも熱膨張係数が小さく、接合面に平行な方向でヒートシンクの凹部４６に対して離間する態様で、ヒートシンクの凹部４６内に配置される基板２０，２０’と、凹部４６内に絶縁樹脂を充填して形成され、接合面に平行な方向で基板の側面２０ａとヒートシンクの凹部４６内の側面４６ａとの間に形成される絶縁樹脂部７０と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱面を有し、前記放熱面とは逆側に前記放熱面に略平行な接合面を備え、該接合面に凹部を備えたヒートシンクと、
前記ヒートシンクに接合され、前記ヒートシンクの接合側とは逆側に半導体素子が配置された基板であって、前記ヒートシンクよりも熱膨張係数が小さく、前記接合面に平行な方向で前記ヒートシンクの凹部内の側面に対して離間する態様で、前記ヒートシンクの凹部内に配置される基板と、
前記凹部内に絶縁樹脂を充填して形成され、前記接合面に平行な方向で前記基板の側面と前記ヒートシンクの凹部内の側面との間に形成される絶縁樹脂部と、を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記接合面に垂直方向の前記絶縁樹脂部の厚さは、前記接合面に垂直方向の前記基板の厚さの半分よりも大きい、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記接合面に平行な方向の前記基板の側面、及び、前記ヒートシンクの接合面、のうちの少なくともいずれか一方に、前記絶縁樹脂部が入り込むアンカー部を備える、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記絶縁樹脂部は、前記接合面に対して垂直に視たときに前記基板を四方から囲む態様で設けられる、請求項１〜３のうちのいずれか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、基板とヒートシンクが接合される半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の半導体装置は知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、銅、アルミニウム等からなるヒートスプレッダ(基板)上に半導体チップが配置され、ヒートスプレッダとヒートシンクとが熱伝導シートを介して接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２６８５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、基板とヒートシンクが熱膨張係数の異なる異種材料で構成される場合、これらの異種材料間の熱膨張係数差に起因して、基板とヒートシンクの間の接合部の信頼性が損なわれる虞がある。例えば、基板を銅で構成し、ヒートシンクをアルミで構成した場合、アルミの熱膨張係数が銅の熱膨張係数よりも有意に大きいことに起因して、基板とヒートシンクの間の接合部に熱応力が生じることで、当該接合部に剥離が生じ、信頼性が損なわれる虞がある。
【０００５】
これに対して、基板とヒートシンクの間の接合に使用する樹脂接着剤や樹脂シートの改良や、接着層の厚みの調整、接合表面の改質などにより接合信頼性を向上させることも可能である。しかしながら、このようなアプローチの対策では、接合部での熱抵抗が増加して熱伝導性が悪化することやサイズ(厚み)が大きくなる等の弊害が生じうる。
【０００６】
そこで、本発明は、異種材料で構成された基板とヒートシンクの間の接合部の信頼性が向上された半導体装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の一局面によれば、放熱面を有し、前記放熱面とは逆側に前記放熱面に略平行な接合面を備え、該接合面に凹部を備えたヒートシンクと、
前記ヒートシンクに接合され、前記ヒートシンクの接合側とは逆側に半導体素子が配置された基板であって、前記ヒートシンクよりも熱膨張係数が小さく、前記接合面に平行な方向で前記ヒートシンクの凹部内の側面に対して離間する態様で、前記ヒートシンクの凹部内に配置される基板と、
前記凹部内に絶縁樹脂を充填して形成され、前記接合面に平行な方向で前記基板の側面と前記ヒートシンクの凹部内の側面との間に形成される絶縁樹脂部と、を備えることを特徴とする半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、異種材料で構成された基板とヒートシンクの間の接合部の信頼性が向上された半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施例（実施例１）による半導体装置１の要部を示す斜視図である。
【図２】図１に示す半導体装置１のラインＡ−Ａに沿った断面図である。
【図３】ヒートシンク４０の単品状態を示す斜視図である。
【図４】熱膨張時のヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部の応力分散原理の説明図である。
【図５】本発明の他の一実施例（実施例２）による半導体装置２の断面図である。
【図６】本発明の他の一実施例（実施例３）による半導体装置３の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【００１１】
図１は、本発明の一実施例（実施例１）による半導体装置１の要部を示す斜視図である。図２は、図１に示す半導体装置１のラインＡ−Ａに沿った断面図である。図３は、ヒートシンク４０の単品状態を示す斜視図である。尚、半導体装置１の上下方向は、半導体装置１の搭載状態に応じて上下方向が異なるが、以下では、便宜上、半導体装置１のヒートスプレッダ２０に対してチップ１０が存在する側を上方とする。半導体装置１は、例えば、ハイブリッド車又は電気自動車で使用されるモータ駆動用のインバータを構成するものであってよい。
【００１２】
半導体装置１は、図1及び図２に示すように、チップ１０と、ヒートスプレッダ２０と、絶縁層３０と、ヒートシンク４０と、絶縁樹脂部７０とを含む。
【００１３】
チップ１０は、パワー半導体素子を含み、本例ではＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）を含む。尚、チップ１０が含むパワー半導体素子の種類や数は、任意である。チップ１０は、ＩＧＢＴに代えて、ＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  Field‐Effect  Transistor)のような他のスイッチング素子を含んでもよい。チップ１０は、ヒートスプレッダ２０上に半田５０により接合される。図示の例では、チップ１０は、１つのヒートスプレッダ２０上に、ＩＧＢＴとＦＷＤ（Free  Wheeling  Diode）が１組設けられる。尚、ＩＧＢＴは、上面にエミッタ電極を備え、下面にコレクタ電極を備え、ＦＷＤは、上面にアノード電極を備え、下面にカソード電極を備える。チップ１０の各電極は、バスバ等の外部端子（図示せず）に接続されてよい。
【００１４】
ヒートスプレッダ２０は、チップ１０で発生する熱を吸収し拡散する部材である。ヒートスプレッダ２０は、例えば銅、アルミなどの熱拡散性の優れた金属から形成される。本例では、一例として、ヒートスプレッダ２０は、銅により形成される。銅としては、伝導率が銅材の中で最も高い無酸素銅(C1020)が好適である。銅は、典型的には、１７ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有する。図示の例では、ヒートスプレッダ２０は、６つ設けられている。この場合、６つのヒートスプレッダ２０上の各チップ１０は、モータ駆動用のインバータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各上アーム及び各下アームを構成するものであってよい。このように、１つの半導体装置１のモジュール内に任意の数のヒートスプレッダ２０を含んでもよい。
【００１５】
絶縁層３０は、樹脂接着剤や樹脂シートから構成されてよい。絶縁層３０は、例えばアルミナをフィラーとした樹脂で形成されてもよい。絶縁層３０は、図２に示すように、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０の間に設けられ、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０に接合する。絶縁層３０は、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０との間の電気的な絶縁性を確保しつつ、ヒートスプレッダ２０からヒートシンク４０への高い熱伝導性を確保する。
【００１６】
ヒートシンク４０は、熱伝導性の良い材料から形成され、例えば、アルミなどの金属により形成される。本例では、ヒートシンク４０は、アルミにより形成される。アルミは、典型的には、２４ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有する。
【００１７】
ヒートシンク４０は、図２に示すように、上面側が接合面４０ａを画成し、上面側がヒートスプレッダ２０に接合される。ヒートシンク４０は、図２に示すように、下面側が放熱面４０ｂを画成し、下面側にフィン４２を備える。尚、接合面４０ａと放熱面４０ｂは、後述の凹部４６やフィン４２が存在するが、略平行である。フィン４２の数や配列態様は任意である。フィン４２は、図示のようなストレートフィンであってもよいし、その他、ピンフィンの千鳥配置等で実現されてもよい。半導体装置１の実装状態では、フィン４２は、冷却水や冷却油や空気のような冷却媒体と接触する。このようにして、半導体装置１の駆動時に生じるチップ１０からの熱は、ヒートスプレッダ２０、絶縁層３０を介して、ヒートシンク４０のフィン４２から冷却媒体へと伝達され、半導体装置１の冷却が実現される。
【００１８】
ヒートシンク４０は、図２及び図３に示すように、接合面４０ａに凹部４６を備える。凹部４６は、例えばプレスや鋳造により形成されてもよい。凹部４６は、ヒートスプレッダ２０を内部に収容することができるように、上面視で、ヒートスプレッダ２０の外形よりも大きい外形を有する。図示の例では、凹部４６は、６つのヒートスプレッダ２０の全体としての外形よりも大きい外形を有する。尚、凹部４６は、ヒートシンク４０上に配置されるヒートスプレッダ２０毎に個別に形成されてもよい。６つのヒートスプレッダ２０は、図２に示すように、互いに離間して凹部４６内に配列される。また、ヒートスプレッダ２０は、接合面４０ａに平行な方向でヒートシンク４０の凹部４６内の側面４６ａに対して離間する。具体的には、図２に示すように、ヒートスプレッダ２０の側面２０ａは、ヒートシンク４０の凹部４６内の側面４６ａに対して所定距離離間される。凹部４６は、典型的には、図示の例のように一定の深さＤ４を有しているが、深さが変化してもよい。例えば、凹部４６内におけるヒートスプレッダ２０の位置決め用の段差が凹部４６の底面に形成されてもよい。また、凹部４６の底面は、平滑な表面であってもよいし、微小な凹凸（粗面化）が形成されてもよい。
【００１９】
絶縁樹脂部７０は、図１及び図２に示すように、ヒートシンク４０の凹部４６内に形成される。具体的には、ヒートシンク４０の凹部４６は、上述のように絶縁層３０を介して接合されたヒートスプレッダ２０を内部に含む状態で、樹脂が充填される。樹脂は、好ましくは、ヒートシンク４０の凹部４６内のみに充填され、上面視でヒートシンク４０の凹部４６の外形よりも外側に広がらないように充填される。これにより、凹部４６内に充填される樹脂により凹部４６内に絶縁樹脂部７０が形成される。このように、本実施例によれば、ヒートシンク４０の凹部４６内に樹脂を充填して絶縁樹脂部７０を形成するので、樹脂の流動が凹部４６内に規制され、凹部４６以外のヒートシンク４０の上面への樹脂の望ましくない流動（広がり）を防止することができ、作業性が良好となる。絶縁樹脂部７０は、図２に示すように、接合面４０ａに平行な方向で、凹部４６内の側面４６ａとヒートスプレッダ２０の側面２０ａとの間や、各隣接するヒートスプレッダ２０の側面２０ａ間に形成される。これにより、凹部４６内の側面４６ａとヒートスプレッダ２０の側面２０ａとが絶縁樹脂部７０を介して接合される。尚、絶縁樹脂部７０を構成する樹脂は、任意の樹脂材料であってよく、例えばエポキシ樹脂が使用されてもよい。
【００２０】
絶縁樹脂部７０の厚さＤ７は、凹部４６の深さＤ４と同一又はそれ以下であってよい。また、絶縁樹脂部７０の厚さＤ７は、好ましくは、凹部４６内の側面４６ａとヒートスプレッダ２０の側面２０ａとの間の絶縁樹脂部７０を介した接合範囲を大きくするため、ヒートスプレッダ２０の厚さＤ２の半分よりも大きく設定される。例えば、絶縁樹脂部７０の厚さＤ７は、ヒートスプレッダ２０の厚さＤ２の半分と絶縁層３０の厚さとを足した合計厚さよりも大きく設定される。尚、図示の例では、ヒートスプレッダ２０の上側の一部（厚みＤ２の半分以下の部分）が絶縁樹脂部７０から露出しているが、絶縁樹脂部７０の上面がヒートスプレッダ２０の上面と面一になるように、又は、絶縁樹脂部７０ヒートスプレッダ２０の上面を覆うように、凹部４６の深さＤ４を更に深くすると共に絶縁樹脂部７０の厚さＤ７を更に厚くしてもよい。尚、凹部４６以外のヒートシンク４０の上面、絶縁樹脂部７０の上面、チップ１０、ヒートスプレッダ２０等は、絶縁樹脂部７０を構成する樹脂以外の樹脂で更に被覆されてもよい。例えば、シリコンゲルのようなゲル材料が、半導体装置１全体を封止するように付与されてもよい。
【００２１】
絶縁樹脂部７０は、絶縁層３０をヒートシンク４０の上面に上方から押さえつけることで、ヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部の信頼性を高めると共に、以下で詳説するように、熱膨張又は熱収縮時のヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部の熱応力を低減する機能を有する。
【００２２】
図４は、熱膨張時のヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部の応力分散原理の説明図である。尚、ここでは、熱膨張時の応力分散原理を説明するが、熱収縮時も同様である。
【００２３】
ここでは、前提として、上述の如く、ヒートシンク４０の熱膨張係数は、ヒートスプレッダ２０の熱膨張係数よりも大きいものとする。従って、同じ温度上昇したとき、その膨張係数の差に起因して、ヒートシンク４０の方がヒートスプレッダ２０よりも大きく膨張しようとするので、ヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部に熱応力が生じる。しかしながら、本実施例では、凹部４６内の側面４６ａとヒートスプレッダ２０の側面２０ａとが絶縁樹脂部７０を介して接合されているので、図４に模式的に示すように、熱膨張時にヒートシンク４０が方向Ｅに熱膨張すると、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０の間の膨張係数の差に起因して、ヒートスプレッダ２０には、絶縁樹脂部７０を介して膨張方向に力Ｆがかかる。これにより、ヒートスプレッダ２０には、自身の熱膨張による膨張に加えて、力Ｆより膨張方向に変形する。換言すると、ヒートシンク４０は、力Ｆの反作用としてヒートスプレッダ２０から絶縁樹脂部７０を介して収縮方向に力を受け、熱膨張が抑制される。これにより、ヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の熱膨張差が抑制され、ヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部の熱応力が緩和（分散）される。このようにして、本実施例によれば、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０の間の膨張係数の差に起因したヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部の熱応力を低減し、ヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部の信頼性を高めることができる。
【００２４】
図５は、本発明の他の一実施例（実施例２）による半導体装置２の断面図である。図５は、図１のラインＡ−Ａに沿った断面図に対応する。本実施例による半導体装置２は、上述した実施例１による半導体装置１に対して、ヒートスプレッダ２０’の側面の構成のみが異なる。本実施例２において、上述の実施例１と実質的に同一であってよい構成については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００２５】
本実施例２では、ヒートスプレッダ２０’の側面には、アンカー部２２が形成される。アンカー部２２は、図５に示すように、ヒートスプレッダ２０’の側面に凹部として形成されてもよい。アンカー部２２は、ヒートスプレッダ２０’の全周に亘って設けられてもよい。或いは、アンカー部２２は、ヒートスプレッダ２０’の全周に対して離散的に設けられてもよい。例えば、アンカー部２２は、ヒートスプレッダ２０’の対の対向する２辺の側面のみ設けられてもよい。アンカー部２２の断面形状は、図５に示す例では矩形であるが、楔形等を含む任意の断面形状を有してよい。
【００２６】
アンカー部２２には、図５に示すように、絶縁樹脂部７０が入り込む。即ち、絶縁樹脂部７０は、アンカー部２２内に充填された樹脂からなる部位を含む。
【００２７】
本実施例２によれば、上述した実施例１と同様の効果に加えて以下のような効果が奏される。即ち、ヒートスプレッダ２０’のアンカー部２２が形成されるので、アンカー効果によりヒートスプレッダ２０’と絶縁樹脂部７０との間の密着性を高めることができ、ひいてはヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部の信頼性を高めることができる。
【００２８】
図６は、本発明の他の一実施例（実施例３）による半導体装置３の断面図である。図６は、図１のラインＡ−Ａに沿った断面図に対応する。本実施例による半導体装置３は、上述した実施例２による半導体装置２に対して、ヒートシンク４０’の構成のみが異なる。本実施例３において、上述の実施例１又は実施例２と実質的に同一であってよい構成については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００２９】
本実施例３では、ヒートシンク４０’の上面（接合面）には、図６に示すように、アンカー部４８が形成される。アンカー部４８は、上面視で、絶縁層３０よりも外周側に形成される。例えば、アンカー部４８は、図６に示すように、凹部４６の底面の外周縁に形成されてもよい。アンカー部４８は、凹部４６の底面の外周縁の全周に亘って形成されてもよいし、凹部４６の底面の外周縁の全周に対して離散的に形成されてもよい。同様に、アンカー部４８の断面形状は、図６に示す例では矩形であるが、楔形等を含む任意の断面形状を有してよい。
【００３０】
アンカー部４８には、図６に示すように、絶縁樹脂部７０が入り込む。即ち、絶縁樹脂部７０は、アンカー部４８内に充填された樹脂からなる部位を含む。
【００３１】
本実施例３によれば、上述した実施例２と同様の効果に加えて以下のような効果が奏される。即ち、ヒートシンク４０’のアンカー部４８が形成されるので、アンカー効果によりヒートシンク４０’と絶縁樹脂部７０との間の密着性を更に高めることができ、ひいてはヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部の信頼性を更に高めることができる。
【００３２】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００３３】
例えば、上述の実施例では、ヒートシンク４０は、一部材で構成されていたが、２つ以上の部材で構成されてもよい。例えば、ヒートシンク４０は、第１の金属板と、フィン４２を備えた第２の金属板とを結合して構成されてもよい。この場合、第１の金属板に凹部４６を形成し、凹部４６内にヒートスプレッダ２０を配置して同様の絶縁樹脂部７０を形成すればよい。
【００３４】
また、上述の実施例において、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０の間の接合に使用する樹脂接着剤や樹脂シートの改良や、接着層の厚みの調整、接合表面の改質などによって、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０の間の接合部の信頼性を向上させることも可能である。即ち、本発明は、これらのアプローチと相容れない関係ではなく、必要な効果を得るために組み合わせることは可能である。
【００３５】
また、上述の実施例では、ヒートスプレッダ２０の材料が銅であり、ヒートシンク４０の材料がアルミであったが、本発明は、ヒートシンク４０の熱膨張係数がヒートスプレッダ２０（基板）の熱膨張係数よりも大きい限り、他の任意の材料で構成された組み合わせに対しても適用可能である。また、ヒートスプレッダ２０は、溶射によりヒートシンク４０の凹部４６内に直接形成（接合）されてもよい。
【００３６】
また、上述の実施例では、チップ１０が配置される基板は、ヒートスプレッダ２０、２０’であったが、ヒートシンク４０，４０’の熱膨張係数が基板の熱膨張係数よりも大きい限り、本発明は、他の任意の基板にも適用可能である。例えば、チップ１０が配置される基板は、高い熱伝導性を有するセラミック基板の両面にアルミ板を備えたＤＢＡ（Direct  Brazed  Aluminum）基板や、セラミック基板の両面に銅板を備えたＤＢＣ（Direct  Brazed  Copper）基板により構成されてもよい。この場合、チップ１０が配置される基板は、ヒートシンク４０，４０’に半田により接合されてもよい。この場合も、ＤＢＡやＤＢＣの熱膨張係数とヒートシンク４０，４０’の熱膨張係数の差に起因して熱応力が生じることで、接合部（半田）にクラック等が発生し、基板とヒートシンク４０，４０’の間の接合部の信頼性が損なわれる虞があるためである。
【００３７】
また、上述の実施例１では、半導体装置１は、他の構成（例えば、走行モータ駆動用のＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータの素子の一部）を含んでよいし、また、半導体装置１は、チップ１０と共に、他の素子（コンデンサ、リアクトル等）を含んでもよい。また、半導体装置１は、車両用のインバータに適用されるものであったが、半導体装置１は、他の用途（鉄道、エアコン、エレベータ、冷蔵庫等）で使用されるインバータに使用されてもよい。更に、半導体装置１は、インバータ以外の装置、例えば、コンピューター用のＭＰＵ（Microprocessor  Unit）や、無線通信機の送信部の電力増幅回路に使用される高周波パワーモジュールに使用されてもよい。これらは、上述の実施例２，３においても同様である。
【符号の説明】
【００３８】
１，２，３    半導体装置
１０    チップ
２０，２０’    ヒートスプレッダ
２０ａ    ヒートスプレッダの側面
２２    アンカー部
３０    絶縁層
４０，４０’    ヒートシンク
４０ａ    接合面
４０ｂ    放熱面
４２    フィン
４６    凹部
４６ａ    凹部内の側面
４８    アンカー部
５０    半田
７０    絶縁樹脂部
【図１】
2012248700.tif 000003
【図２】
2012248700.tif 000004
【図３】
2012248700.tif 000005
【図４】
2012248700.tif 000006
【図５】
2012248700.tif 000007
【図６】
2012248700.tif 000008