(57)【要約】【課題】より接合層に発生する応力を低減できるようにし、耐久性に優れた信頼性の高い半導体装置を提供する。【解決手段】ヒートシンクブロック１２の線膨張係数α１をＸ方向およびＺ方向のみについて異方的に低下させ、かつ、樹脂モールド部１８の封止樹脂の線膨張係数α２を低下させるようにする。さらに、Ａ−Ａ’線上の各部材の基板法線方向における各部材の厚さおよび同方向における線膨張係数の積の総和が、Ｂ−Ｂ’線上の各部材の基板法線方向における各部材の厚さおよび同方向における線膨張係数の積の総和よりも大きくなるようにする。これにより、第１接合層１９に発生する歪みをより第２、第３接合層２０、２１に効率的に分配でき、第１接合層１９に発生する歪みを許容歪みよりも十分に低下させることが可能となる。したがって、より第１接合層１９に発生する応力を低減でき、半導体装置１を耐久性に優れた信頼性の高いものにすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面および裏面を有し、半導体素子が形成された半導体チップ（１１）と、
前記半導体チップの表面に第１接合層（１９）を介して接合された第１放熱板（１３）と、
前記半導体チップの裏面に第２接合層（２０）を介して接合され、前記半導体チップの表面と水平方向における線膨張係数が該表面の法線方向における線膨張係数よりも低くされた異方的な線膨張係数を有するヒートシンクブロック（１２）と、
前記ヒートシンクブロックのうち前記半導体チップと反対側の面に第３接合層（２１）を介して接合された第２放熱板（１４）と、
前記第１放熱板および前記第２放熱板のうち前記半導体チップと反対側の面を露出させつつ、前記半導体チップや前記第１〜第３接合層および前記ヒートシンクブロックを覆った樹脂モールド部（１８）とを有し、
前記半導体チップの表面に対する法線方向に平行であって、前記半導体チップ、前記ヒートシンクブロック、前記第１、第２放熱板および前記第１〜第３接合層を通る線上における各部材の厚さおよび同方向における当該各部材それぞれの線膨張係数の積の総和が、前記半導体チップや前記ヒートシンクブロックおよび前記第１〜第３接合層を通らず前記樹脂モールド部および前記第１、第２放熱板を通る線上における各部材の厚さおよび同方向における当該各部材それぞれの線膨張係数の積の総和よりも大きくされており、
前記樹脂モールド部を構成する樹脂の線膨張係数が前記第１、第２放熱板の線膨張係数よりも小さくされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ヒートシンクブロックは、ＣｕとＣｕよりも低熱膨張係数の金属材料とのクラッド材で構成され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】
前記ヒートシンクブロックの線膨張係数は、前記半導体チップの表面に対する法線方向と比較して、前記半導体チップの表面に対する水平方向の方が小さくされており、該水平方向での線膨張係数が６〜１４ｐｐｍ／℃であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記樹脂モールド部を構成する樹脂の線膨張係数が６〜１４ｐｐｍ／℃であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つ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、発熱する半導体素子（発熱素子）が形成された半導体チップで発した熱を放熱板より放出させるようにした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において、発熱素子が形成された半導体チップの両面を放熱板で挟み込みつつ、半導体チップおよび放熱板をモールド樹脂で封止した半導体装置が提案されている。この半導体装置では、半導体チップの裏面側と放熱板とを接合層にて接合していると共に、半導体チップの表面側ともう一枚の放熱板とをヒートシンクブロックを介して接合層にて接合した構造としている。また、放熱板のうち半導体チップとは反対側の面が露出するようにモールド樹脂で封止し、半導体チップで発した熱を放熱板の露出面より放出させるようにしている。そして、このように構成された半導体装置において、放熱板の熱膨張係数をα１、封止樹脂の線膨張係数をα２としたときに、０．５α１≦α２≦１．５α１を満たすように、放熱板や封止樹脂の材料選択などを行っている。これにより、熱応力に起因する素子破壊を防止することができ、半導体装置の長期的信頼性を向上させることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４３７６７９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、半導体装置の小型化による高密度化で熱密度も上昇し、それに伴って発熱温度も高くなるために使用温度範囲が上昇しており、さらなる接合層の耐久性が必要になってきている。そのため、接合層に発生する応力（歪み）をさらに低減する手法が必要になってきている。
【０００５】
例えば、発熱素子として、ＳｉＣ等のワイドバンドギャップ半導体を用いたデバイスが開発されてきている。それらは素子の耐熱性が高いため動作温度を高められたり、冷却構造の簡素化ができるなどが期待されている。しかしながら、このようなワイドバンドギャップ半導体の場合、さらに使用温度範囲上昇による接合層の歪みが増大することになる。特に、ＳｉＣはＳｉと比較してヤング率が大きいため、上記した構造の半導体装置では接合層にかかる歪みがより増大することが判っている。
【０００６】
このように、接合層の歪みをさらに低減することが要求されている。これを実現するための方法として、放熱板を構成する材料（例えばＣｕ（銅）を含有する材料）として、線膨張係数を小さくできる材料（例えばＣｕＭｏ（銅モリブデン）、ＣｕＷ（銅タングステン））を用いることが考えられる。ところが、線膨張係数は低くなるが、熱伝導率も小さくなり、放熱性悪化を伴うと共にコストも大きく上がってしまう。できるだけコストを上昇させないように、ヒートシンクブロックのみをＣｕＷなどの材料で構成することも考えられるが、半導体チップの裏面側と放熱板との間を接合する接合層の歪みが逆に上昇してしまうことが判った。
【０００７】
本発明は上記点に鑑みて、より接合層に発生する応力を低減できるようにし、耐久性に優れた信頼性の高い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】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体チップ（１１）の表面に対する法線方向に平行であって、半導体チップ、ヒートシンクブロック（１２）、第１、第２放熱板（１３、１４）および第１〜第３接合層（１９〜２１）を通る線上における各部材の厚さおよび同方向における当該各部材それぞれの線膨張係数の積の総和が、半導体チップやヒートシンクブロックおよび第１〜第３接合層を通らず樹脂モールド部（１８）および第１、第２放熱板を通る線上における各部材の厚さおよび同方向における当該各部材それぞれの線膨張係数の積の総和よりも大きくされており、樹脂モールド部を構成する樹脂の線膨張係数が第１、第２放熱板の線膨張係数よりも小さくされていることを特徴としている。
【０００９】
このように構成することにより、第１接合層に発生する歪みを第２、第３接合層に効率的に分配でき、第１接合層に発生する歪みを許容歪みよりも十分に低下させることが可能となる。したがって、より第１接合層に発生する応力を低減でき、半導体装置を耐久性に優れた信頼性の高いものにすることができる。
【００１０】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる半導体装置１の断面図である。
【図２】ヒートシンクブロック１２の線膨張係数α１をＸ方向に変化させたときのＸ方向での歪みのイメージを示した断面図である。
【図３】ヒートシンクブロック１２の線膨張係数α１をＸ方向に変化させたときのＹ方向での歪みのイメージを示した断面図である。
【図４】ヒートシンクブロック１２や樹脂モールド部１８の線膨張係数を変化させたときのＹ方向での歪みのイメージを示した断面図である。
【図５】ヒートシンクブロック１２や樹脂モールド部１８の線膨張係数を変化させたときの歪みを調べた比較図である。
【図６】樹脂モールド部１８を構成する封止樹脂の材料の線膨張係数α２を変えた場合の相当塑性歪みを示した図である。
【図７】ヒートシンクブロック１２と樹脂モールド部１８の材料を変えた場合の相当塑性歪みを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。図１に示すように、半導体装置１は、半導体パワー素子などの発熱素子が形成された半導体チップ１１に加えて、ヒートシンクブロック１２、放熱板１３、１４、正極リード１５、負極リード１６、制御端子１７等を備え、これらが樹脂モールド部１８によって樹脂モールドされることで一体化された構造とされている。
【００１３】
半導体チップ１１は、Ｓｉによって構成されていても良いが、Ｓｉの他、ＳｉＣのようなワイドバンドギャップ半導体によって構成されていても良い。半導体チップ１１には、発熱素子として、例えばＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどの半導体パワー素子が形成されている。本実施形態では、半導体パワー素子を基板厚み方向に電流を流す縦型の半導体素子としており、半導体チップ１１の表面側や裏面側には、各種パッドが形成された構造とされている。具体的には、半導体チップ１１の表面側には、半導体パワー素子のゲート等に接続されるパッドが形成されていると共に、半導体パワー素子のエミッタもしくはソースに接続されるパッドが形成され、裏面側は、裏面全面が半導体パワー素子のコレクタもしくはドレインに繋がるパッドとされている。
【００１４】
なお、図１では半導体チップ１１を１チップ化した構造として図示してあるが、例えば半導体パワー素子とは別チップでＦＷＤ（フリーホイールダイオード）を備えるような形態とされる場合もある。そのような形態であっても良い。また、半導体チップ１１に基板横方向に電流を流す横型の半導体パワー素子が形成された構造であっても構わない。
【００１５】
ヒートシンクブロック１２は、熱伝達率の高い金属で構成され、例えばＣｕを含む金属等によって構成される。このヒートシンクブロック１２は、半導体チップ１１の表面側に形成された半導体パワー素子のエミッタもしくはソースに接続されるパッド上に電気的および物理的に接続されている。このヒートシンクブロック１２が半導体チップ１１の表面側に備えられることにより、半導体チップ１１の表面から放熱板１４までの距離が所定間隔空けられている。
【００１６】
放熱板１３、１４は、半導体チップ１１から伝えられる熱を広範囲に拡散させて放出する。一方の放熱板１３は、半導体チップ１１の裏面側のパッドに物理的にだけでなく電気的にも接続されることで、放熱機能に加えて、半導体パワー素子のコレクタもしくはドレインに接続される配線としても機能している。この放熱板１３は半導体チップ１１の裏面に接続されている。また、他方の放熱板１４は、ヒートシンクブロック１２に対して電気的および物理的に接続されることで、放熱機能に加えて、半導体パワー素子のエミッタもしくはソースに接続される配線としても機能している。この放熱板１４はヒートシンクブロック１２を介して半導体チップ１１の表面側に接続されている。これら放熱板１３、１４のうち半導体チップ１１と反対側の面は、樹脂モールド部１８から露出させられている。この露出させられている面を通じて放熱が行えるようになっている。
【００１７】
具体的には、放熱板１３と半導体チップ１１の裏面とは、第１接合層１９を介して接続されている。また、半導体チップ１１の表面とヒートシンクブロック１２とは、第２接合層２０を介して接続されており、ヒートシンクブロック１２と放熱板１４とは、第３接合層２１を介して接続されている。これら第１〜第３接合層１９〜２１は、例えばはんだ等の接合材料によって構成されている。
【００１８】
正極リード１５は、半導体チップ１１の正極端子を構成するものである。この正極リード１５は、放熱板１３に対して一体成形もしくははんだや溶接等によって接合され、放熱板１３を介して半導体チップ１１の裏面側に備えられた半導体パワー素子のコレクタもしくはドレインに繋がるパッドに電気的に接続されている。また、正極リード１５における放熱板１３に接合された端部と反対側の端部は、樹脂モールド部１８から露出させられており、この露出部分を通じて外部との接続が行えるように構成されている。
【００１９】
負極リード１６は、半導体チップ１１の負極端子を構成するものである。この負極リード１６は、放熱板１４に対して一体成形もしくははんだや溶接等によって接合され、放熱板１４を介して半導体チップ１１の表面側に備えられた半導体パワー素子のエミッタもしくはソースに繋がるパッドに電気的に接続されている。また、負極リード１６における放熱板１４に接合された端部と反対側の端部は、樹脂モールド部１８から露出させられており、この露出部分を通じて外部との接続が行えるように構成されている。
【００２０】
制御端子１７は、半導体パワー素子のゲート配線や半導体パワー素子に流れる電流のセンス、半導体チップ１１の温度のセンス等に用いられる。この制御端子１７は、半導体チップ１１の表面側に形成された半導体パワー素子のゲート等に接続されるパッドにボンディングワイヤ１７ａを介して電気的に接続されている。制御端子１７における半導体チップ１１と接続される端部と反対側の端部は、樹脂モールド部１８から露出させられており、この露出部分を通じて外部との接続が行えるように構成されている。なお、半導体チップ１１の表面と放熱板１４との間がヒートシンクブロック１２によって所定間隔空けられていることから、ボンディングワイヤ１７ａは放熱板１４と干渉することなく、良好に半導体チップ１１と制御端子１７との電気的接続が行えるようになっている。
【００２１】
樹脂モールド部１８は、上述したユニット１０内に備えられる各構成部品（半導体チップ１１、ヒートシンクブロック１２、放熱板１３、１４、正極リード１５、負極リード１６および制御端子１７）の接続を終えたものを成形型内に設置したのち、その成形型内に樹脂を注入してモールド化することで構成される。
【００２２】
このような構造により、本実施形態にかかる半導体装置１が構成されている。このような構成の半導体装置１では、上記したように半導体チップ１１がＳｉやＳｉＣ等、ヒートシンクブロック１２や放熱板１３、１４が銅を含む金属等、第１〜第３接合層１９〜２１がはんだ等によって構成されているが、以下の関係が成り立つようにしている。
【００２３】
すなわち、上記のような構造の半導体装置１において、図１中に示した半導体チップ１１の表面に対する法線方向（以下、基板法線方向という）に平行なＡ−Ａ’線上とＢ−Ｂ’線上において、次の関係が成り立つようにしている。
【００２４】
Ａ−Ａ’線は、半導体チップ１１、ヒートシンクブロック１２、放熱板１３、１４および第１〜第２接合層１９〜２１を通過する線であり、Ｂ−Ｂ’線は、放熱板１３、１４および樹脂モールド部１８のみを通過する線である。これらＡ−Ａ’線上の各部材の基板法線方向における各部材の厚さおよび同方向における線膨張係数の積の総和が、Ｂ−Ｂ’線上の各部材の基板法線方向における各部材の厚さおよび同方向における線膨張係数の積の総和よりも大きくなるようにしている。具体的には、次式が成り立つようにしている。
【００２５】
【数１】
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このような関係が成り立つように、ヒートシンクブロック１２を構成する材料の線膨張係数α１と、樹脂モールド部１８を構成する封止樹脂の線膨張係数α２を設定している。ヒートシンクブロック１２の線膨張係数α１についてはヒートシンクブロック１２を構成する材料を選択することによって設定している。また、樹脂モールド部１８を構成する封止樹脂の線膨張係数α２については、封止樹脂材料（例えばエポキシ樹脂）に混入するフィラー（例えばシリカフィラー）の量や形状などを調整することによって設定している。この理由について説明する。
【００２６】
本発明者らは、第１〜第３接合層１９〜２１に加わる応力による歪みを低減して耐久性の向上が図れるようにすべく、様々な試作検討を行った。
【００２７】
まず、現状の第１〜第３接合層１９〜２１に加わる応力に基づく歪みについて調べたところ、第１接合層１９の歪みが最も大きく、次いで第２、第３接合層２０、２１の順に歪みが大きかった。これらのうち、第１接合層１９の歪みについては、高温化などによる歪み増加が生じると、耐久性を考慮して規定される許容歪みを超えることがあった。このため、現状では第１接合層１９が破壊点となり、耐久性低下の要因になっていた。したがって、現状の破壊点である第１接合層１９の応力を下げることが耐久性向上に繋がることになると言える。
【００２８】
このため、第１〜第３接合層１９〜２１の歪みに差があったのを、第１接合層１９の歪みが一番大きい状態を保持しつつ、できる限り第１〜第３接合層１９〜２１の歪みが均等になるようにすることで、第１接合層１９の歪みを低減することを検討した。
【００２９】
その手法として、ヒートシンクブロック１２について、方向に対して線膨張係数α１に差を有する異方性材料によって構成することが考えられる。具体的には、互いに垂直なＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向のいずれかにおいて、線膨張係数α１が異なった値となるようにする。なお、図１中に示したように、Ｘ方向は、半導体チップ１１の表面に対する水平方向のうち制御端子１７と半導体チップ１１とが並べられる方向（ボンディングワイヤ１７ａを引出す方向）とする。Ｙ方向は、基板法線方向とする。Ｚ方向は、半導体チップ１１の表面に対する水平方向のうちＸ方向に対する垂直方向とする。
【００３０】
まず、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向のうち、Ｙ方向については線膨張係数α１をほぼＣｕのままとし、Ｘ方向およびＺ方向については線膨張係数α１がＹ方向の場合と比較して小さくなるようにした場合に、どのような歪みになるかについて調べた。
【００３１】
仮に、ヒートシンクブロック１２の線膨張係数α１を等方的（Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向の全方向）に下げたとする。例えば、ヒートシンクブロック１２や放熱板１３、１４をＣｕで構成した場合の線膨張係数α１が１７ｐｐｍ／℃、半導体チップ１１をＳｉＣで構成した場合の線膨張係数が４ｐｐｍ／℃であったとした場合において、ヒートシンクブロック１２の線膨張係数を低下させたとする。その場合、図２に示したように、Ｘ方向（Ｚ方向も同様）についての歪みは、第２接合層２０の歪みだけ下がり、第１、第３接合層１９、２１については歪みは下がらない。
【００３２】
また、Ｙ方向について見てみると、図３に示すように、樹脂モールド部１８を成形したときの成形温度に対して室温に低下することになるため、室温に低下したときに、半導体チップ１１の両端側において熱収縮し、その歪みが発生することになる。具体的には、ヒートシンクブロック１２の線膨張係数α１を従来の値にした場合には、成形温度から室温に低下したときに、図３（ａ）から図３（ｂ）に示すように、全体的に熱収縮して、成形温度のときよりも１回り小さくなった形状になる。つまり、Ａ−Ａ’線上における各部材の基板法線方向における各部材の厚さおよび同方向における線膨張係数の積の総和Ｙｓ１と、Ｂ−Ｂ’線上の各部材の基板法線方向における各部材の厚さおよび同方向における線膨張係数の積の総和Ｙｓ２がほぼ同じになる。
【００３３】
これに対して、ヒートシンクブロック１２の各方向における線膨張係数α１を等方的に従来よりも小さくすると、総和Ｙｓ１が総和Ｙｓ２よりも小さくなる。このため、図３（ｃ）に示すように、半導体チップ１１を通る中央部と比較して外縁部の方が半導体装置１の全体の厚みが薄くなるように変形することになり、第１接合層１９の歪みが増大してしまう。この場合、樹脂モールド部１８を構成する封止樹脂の線膨張係数α２を低下させると、図３（ｄ）に示すように多少は半導体装置１の中央部と外縁部との厚みの差が縮小する。ところが、どんなに線膨張係数α２を低下させたとしても、総和Ｙｓ１が総和Ｙｓ２よりも小さくなるという関係は変わらない。
【００３４】
しかしながら、ヒートシンクブロック１２のうち、Ｘ方向やＺ方向についてのみ線膨張係数α１を低下させ、Ｙ方向については線膨張係数α１を変化させないようにすると、図４（ａ）に示すように、総和Ｙｓ１と総和Ｙｓ２がほぼ同じになる。このため、半導体装置１の変形を抑えることができる。
【００３５】
これに加えて、さらに樹脂モールド部１８の封止樹脂の線膨張係数α２を放熱板１３、１４の構成材料の線膨張係数よりも低下させた。例えば、従来は放熱板１３、１４の線膨張係数に近似していた樹脂モールド部１８の線膨張係数α２を６ｐｐｍ／℃以上かつ１４ｐｐｍ／℃以下、好ましくは６ｐｐｍ／℃以上かつ１０ｐｐｍ／℃以下にする。これにより、図４（ｂ）のように、半導体装置１の中央部よりも外縁部の方が熱収縮が小さくなり、厚みが厚くなる。このため、第１接合層１９に発生する歪みを第２、第３接合層２０、２１に効率的に分配することが可能となる。
【００３６】
以上をまとめると、図５に示す比較図で表される。なお、図５中の（１）は第１接合層１９、（２）は第２接合層２０、（３）は第３接合層２１それぞれの歪みを表している。また、図５中、現状の歪みについては高温化などによる歪み増加分をハッチング部で示したが、それ以外の場合の歪については高温化などによる歪み増加分を加味した歪みで示してある。
【００３７】
図５に示すように、現状では、第１〜第３接合層１９〜２１が許容歪みよりも小さくなるようにしているが、高温化などによる歪み増加が生じると（図中ハッチング部）、第１接合層１９については許容歪みを超えることがある。
【００３８】
これに対して、ヒートシンクブロック１２の線膨張係数α１をＸ方向およびＺ方向のみについて従来よりも低下させると、第２、第３接合層２０、２１の歪みを大きくでき、第１接合層１９に発生する歪みを第２、第３接合層２０、２１に効率的に分配することが可能となる。しかし、この状態では、まだ第１接合層１９に発生する歪みは大きく、許容歪みを超えることがある。そして、さらに樹脂モールド部１８を構成する封止樹脂の線膨張係数α２を従来よりも低下させると、第１接合層１９に発生する歪みをより第２、第３接合層２０、２１に効率的に分配でき、第１接合層１９に発生する歪みを許容歪みよりも十分に低下させることが可能となる。
【００３９】
一方、ヒートシンクブロック１２の線膨張係数α１を等方的に従来よりも低下させると、第２接合層２０の歪みだけが下がり、第１、第３接合層１９、２１の歪については下がらず、むしろ大きくなる。この場合でも、樹脂モールド部１８を構成する封止樹脂の線膨張係数α２を従来よりも低下させると、第１接合層１９に発生する歪みをより第２、第３接合層２０、２１に効率的に分配でき、第１接合層１９に発生する歪みを許容歪みよりも若干低下させることが可能となる。しかしながら、許容歪みと第１接合層１９に発生する歪みとの差が小さいため、十分な耐久性向上が図れているとは言えない。
【００４０】
したがって、ヒートシンクブロック１２の線膨張係数α１をＸ方向およびＺ方向のみについて異方的に低下させ、かつ、樹脂モールド部１８の封止樹脂の線膨張係数α２を低下させることで、第１〜第３接合層１９〜２１が許容歪みよりも小さくなるようにすることが可能となる。この効果が得られる状態を具体的に示すと、上記した数式１のように表されることになる。すなわち、成形温度から室温に低下させたときに図３（ｃ）、（ｄ）に示したように半導体チップ１１を中心とした外縁部において半導体装置１の全体の厚みが薄くなる構造ではなく、図４（ｂ）に示したようにその部分の厚みが厚くなる構造にする。
【００４１】
このような関係になるようにするには、Ａ−Ａ’線上における熱収縮量がＢ−Ｂ’線上における熱収縮量よりも大きくなれば良い。つまり、Ａ−Ａ’線上の各部材の基板法線方向における各部材の厚さおよび同方向における線膨張係数の積の総和が、Ｂ−Ｂ’線上の各部材の基板法線方向における各部材の厚さおよび同方向における線膨張係数の積の総和よりも大きくなれば良い。したがって、数式１に示した関係が成り立つようにすることで、第１接合層１９に発生する歪みをより第２、第３接合層２０、２１に効率的に分配でき、第１接合層１９に発生する歪みを許容歪みよりも十分に低下させることが可能となる。
【００４２】
なお、ヒートシンクブロック１２の線膨張係数α１をＸ方向およびＺ方向のみについて異方的に低下させつつ、樹脂モールド部１８を構成する封止樹脂の材料の線膨張係数α２を変えた場合の相当塑性歪みについて調べた。その結果、図６に示すように、封止樹脂の線膨張係数α２が１８ｐｐｍ／℃の場合には、第１接合層１９の相当塑性歪みが大きく、第２、第３接合層２０、２１の相当塑性歪みが小さかった。これが、封止樹脂の線膨張係数α２が低下するにしたがって、第１接合層１９の相当塑性歪みが低下し、第２、第３接合層２０、２１の相当塑性歪みが大きくなっていることが分かる。つまり、第１接合層１９に発生する歪みをより第２、第３接合層２０、２１に効率的に分配でき、第１接合層１９に発生する歪みを許容歪みよりも十分に低下させられていることが確認できている。このことからも、数式１に示した関係が成り立つようにすることで、上記効果が得られていると言える。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態では、ヒートシンクブロック１２の線膨張係数α１をＸ方向およびＺ方向のみについて異方的に低下させ、かつ、樹脂モールド部１８の封止樹脂の線膨張係数α２を低下させるようにし、さらに数式１の関係が成り立つようにしている。これにより、第１接合層１９に発生する歪みをより第２、第３接合層２０、２１に効率的に分配でき、第１接合層１９に発生する歪みを許容歪みよりも十分に低下させることが可能となる。したがって、より第１接合層１９に発生する応力を低減でき、半導体装置１を耐久性に優れた信頼性の高いものにすることができる。
【００４４】
具体的には、ヒートシンクブロック１２の線膨張係数α１をＸ方向およびＺ方向については６以上かつ１４ｐｐｍ／℃以下、好ましくは６ｐｐｍ／℃以上かつ１０ｐｐｍ／℃以下、Ｙ方向についてはそれより大きな値、例えば１７ｐｐｍ／℃としている。また、樹脂モールド部１８の封止樹脂の線膨張係数α２については、６ｐｐｍ／℃以上かつ１４ｐｐｍ／℃以下、好ましくは６ｐｐｍ／℃以上かつ１０ｐｐｍ／℃以下にしている。これにより、上記効果を得ることができる。
【００４５】
なお、ここでは、ヒートシンクブロック１２の材料として、Ｘ方向およびＺ方向のみＹ方向よりもよりも線膨張係数α１を低下させられる材料を用いているが、このような材料としては、例えばＦＪコンポジット社製のＣｕＭｏクラッド材を用いることができる。このＣｕＭｏクラッド材は、Ｘ方向およびＺ方向の線膨張係数α１が６〜１０ｐｐｍ／℃、Ｙ方向の線膨張係数α１が１７ｐｐｍ／℃となっている。熱伝導率については、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向すべてで同じであり、３５０Ｗ／ｍＫとなっていることから、放熱板１４への熱伝導も良好に行える。
【００４６】
また、参考として、ヒートシンクブロック１２を従来のようなＣｕで構成した場合と、ＣｕＭｏクラッド材で構成しつつ、樹脂モールド部１８を構成する封止樹脂の線膨張係数α２を１４、１０、８ｐｐｍ／℃に変化させた場合の相当塑性歪みを調べた。その結果、図７に示すように、ヒートシンクブロック１２の線膨張係数α１を異方的に変えることで第２接合層２０の歪みが低減しており、さらに封止樹脂の線膨張係数α２を１０ｐｐｍ／℃にすることで第１接合層１９の歪みが下がり、第２、第３接合層２０、２１の歪みが上昇した。封止樹脂の線膨張係数α２を８ｐｐｍ／℃にすると、さらにその効果が見られた。このため、封止樹脂の線膨張係数α２を更に低下させれば、よりその効果が得られると考えられる。しかしながら、封止樹脂の線膨張係数α２については、例えば封止樹脂材料に混入するフィラーの含有量を調整することで設定しており、６ｐｐｍ／℃がフィラー充填限界となるため、それ以下は現実的ではない。また、シミュレーションを行ったところ、その結果からも、６ｐｐｍ／℃で第１接合層１９と第３接合層２１の歪み値がほぼ同じになり、破壊点の設計を第１接合層１９に持ってくるという設計的な意味でも、６ｐｐｍ／℃以上あるのが好ましい。
【００４７】
（他の実施形態）
上記実施形態では、半導体装置１に備えられる各部の構成材料の一例を示したが、他の構成材料を適用することもできる。例えば、ヒートシンクブロック１２の構成材料として、ＣｕＭｏクラッド材を用いたが、ＣｕとＣｕよりも低熱膨張係数の金属材料（例えばＷ（タングステン））のクラッド材などを用いることもできる。その場合であっても、上記条件を満たすことで、上記実施形態の効果を得ることができる。すなわち、ヒートシンクブロック１２の線膨張係数α１をＸ方向およびＺ方向のみについて異方的に低下させ、かつ、樹脂モールド部１８の封止樹脂の線膨張係数α２を低下させるようにし、さらに数式１の関係が成り立つようにすれば、上記効果が得られる。
【符号の説明】
【００４８】
１          半導体装置
１１        半導体チップ
１２        ヒートシンクブロック
１３、１４  放熱板（第１、第２放熱板）
１８        樹脂モールド部
１９〜２１  第１〜第３接合層
【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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