(57)【要約】【課題】熱応力を緩和すると共に、放熱性を確保することができる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子２１と、半導体素子２１で発生した熱を放熱する放熱板２３と、半導体素子２１と放熱板２３とを接合する接合層２５とを備える半導体装置において、放熱板２３は、接合層２５が配置される部位に、お互いに隣接し、且つ深さ方向寸法の異なる複数のスリット３１ａ、３１ｂを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、前記半導体素子で発生した熱を放熱する放熱板と、前記半導体素子と前記放熱板とを接合する接合層とを備える半導体装置において、
前記放熱板は、前記接合層が配置される部位に、お互いに隣接し、且つ深さ方向寸法の異なる複数のスリットを備える半導体装置。
【請求項２】
前記スリットは、前記半導体素子の４隅に対向して設置される請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記スリットは、前記半導体素子の中央部近傍に対向して設置される請求項１又は２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、半導体素子と放熱板とを接合層で接合した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子と放熱板とを接合層で接合した半導体装置では、温度が変化すると、半導体素子と放熱板との熱膨張差により、熱応力が発生する。ヒートサイクルにより、熱応力が繰り返し発生すると、半導体素子や接合層でクラックが発生する恐れがある。
【０００３】
従来から、このような熱応力を緩和するための半導体装置として、図５に示すように、半田層（接合層）を部分的に厚く形成した半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上記従来の構成の半導体装置は、図５に示すように、第１及び第２主面を有するセラミック基板１と、第１主面上に形成された第１活性金属層２ａと、その底面に於いて第１活性金属層２ａと接合され且つ段差形状の端部を有する第１導電板３ａと、第２主面上に形成された第２活性金属層２ｂと、その底面に於いて第２活性金属層２ｂと接合され且つ段差形状の端部を有すると共に、放熱板１１と半田層（接合層）１２によって接合される第２導電板３ｂとを備える。この半導体装置は、第１導電板３ａの半導体チップ搭載面上に、半田層１３を介して半導体チップ１４と、半導体チップ１４搭載領域を形成するための樹脂層６とを備える。
【０００５】
この半導体装置では、第２導電板２ｂの端面とつながった半田層（接合層）１２の部分が特に厚く形成される。この厚み部分により、上記端面に面したエッジ部分に加わろうとする熱応力が吸収されやすくなり、絶縁基板１０（１、２ａ、２ｂ）のエッジ部分でクラックが発生しづらくなる。
【特許文献１】特開平１０−４１５６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、半導体素子と放熱板とを接合層で接合した半導体装置において、熱応力を緩和すべく、接合層を部分的に厚く形成すると、その部分で半導体素子と放熱板との熱交換が妨げられ、放熱性が悪くなる。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱応力を緩和すると共に、放熱性を確保することができる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】
前記目的を達成するため、本発明は、半導体素子と、前記半導体素子で発生した熱を放熱する放熱板と、前記半導体素子と前記放熱板とを接合する接合層とを備える半導体装置において、
前記放熱板は、前記接合層が配置される部位に、お互いに隣接し、且つ深さ方向寸法の異なる複数のスリットを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、放熱板は、前記接合層が配置される部位に、お互いに隣接し、且つ深さ方向寸法の異なる複数のスリットを備える。このため、接合層の厚みを部分的に且つ段階的に厚くすることができ、熱応力を緩和すると共に、放熱性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【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、本発明の半導体装置の構成の一実施例を示した図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ−Ａから見た断面図である。この半導体装置は、図１に示すように、半導体素子２１と、放熱板２３と、半導体素子２１と放熱板２３とを接合する接合層２５とからなる。半導体素子２１が発熱すると、その熱は、接合層２５を介して放熱板２３へ伝導される。このため、半導体素子２１の過熱を防止又は抑制することができる。
【００１２】
しかしながら、放熱板２３を用いた場合、半導体素子２１が発熱したとき、半導体素子２１と放熱板２３との熱膨張差により、熱応力が発生する。熱応力の大きさは、半導体素子２１と放熱板２３との熱膨張差と、発熱前後の温度差と、接合層２５の面内距離とを積算したものに比例する。したがって、接合層２５の外周部では、接合層２５の中央部よりも、接合層２５の面内距離が長くなるので、大きな熱応力が発生する。このため、接合層２５の外周面から、クラックが発生しやすい。特に、接合層２５の外周面の角部では、直交する２方向Ｘ、Ｙ（図１参照）へ変形しようとするため、熱応力が集中して、クラックが発生しやすい。
【００１３】
接合層２５の厚みが十分薄い場合、熱応力が発生すると、半導体素子２１には引張応力が印加され、放熱板２３には圧縮応力が印加される。これは、後述するように、半導体素子２１の熱膨張係数が、放熱板２３の熱膨張係数よりも小さいためである。例えば、温度が上昇するとき、半導体素子２１は、放熱板２３の熱膨張に引き摺られ、他方、放熱板２３は、半導体素子２１によって熱膨張が妨げられる。したがって、半導体素子２１には引張応力が印加され、放熱板２３には圧縮応力が印加される。材料は、一般的に、引張応力に対してよりも、圧縮応力に対して高い強度を有する。したがって、半導体素子２１では、放熱板２３に比べて、クラックが発生しやすい。また、半導体素子２１では、接合層２５と同様に、外周面からクラックが発生しやすく、特に外周面の角部からクラックが発生しやすい。以下、半導体装置の各構成について説明する。
【００１４】
半導体素子２１は、例えば、Ｓｉ基板上に、図示しない、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ドレイン電極、ソース電極を積層して形成されたトランジスタを複数備える。半導体素子２１のＳｉ基板の熱膨張係数は、約３×１０−６／Ｋである。半導体素子２１は、接合層２５を介して、放熱板２３へ接合されている。
【００１５】
接合層２５には、例えば、半田を用いることができる。溶融した半田を半導体素子２１と放熱板２３との隙間に充填させることで、緻密な接合層２５が形成される。
【００１６】
半田は、延性に富むため、接合層２５の厚み方向と略直交する方向に変形することで、半導体素子２１と放熱板２３との熱膨張差を吸収でき、熱応力を緩和できる。半田の厚さが大きくなるほど、半田が接合層２５の厚み方向と略直交する方向に変形し易くなるので、より効果的に熱応力を緩和できる。しかしながら、半田の厚さが大きくなり過ぎると、半田は放熱板２３と比較して熱伝導率が低いため、半導体素子２１と放熱板２３との熱交換が妨げられ、放熱性が悪くなる。このため、接合層２５の厚さは、熱応力の緩和と放熱性とのバランスを考慮して設定される。
【００１７】
放熱板２３は、例えば、熱伝導率の高いＣｕで形成される。放熱板２３には、Ｃｕの他、Ｍｏ等の金属、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４等のセラミックス、Ａｌ／ＳｉＣ、Ｃｕ／Ｗ、Ｃｕ／Ｃ、Ａｌ／Ｃ等の複合材料を用いてもよい。これらの材料は、Ｃｕと比較して、熱伝導率が低く、放熱性が悪くなるが、Ｓｉ基板との熱膨張差が小さく、発生する熱応力を小さくすることができる。
【００１８】
Ｃｕは、熱伝導率が４００Ｗ／ｍＫ、熱膨張係数が約１７×１０−６／Ｋである。また、Ｍｏは、熱伝導率が１４０Ｗ／ｍＫ、熱膨張係数が約６×１０−６／Ｋである。また、ＡｌＮは、熱伝導率が約１００〜２００Ｗ／ｍＫ、熱膨張係数が約５×１０−６／Ｋである。Ａｌ／ＳｉＣ複合材料は、熱伝導率が約１５０〜２００Ｗ／ｍＫ、熱膨張係数が約７×１０−６／Ｋである。Ｃｕ／Ｃ複合材料は、熱伝導率が約１５０〜６００Ｗ／ｍＫ、熱膨張係数が約４×１０−６／Ｋである。Ａｌ／Ｃ複合材料は、熱伝導率が１５０〜７００Ｗ／ｍＫ、熱膨張係数が約７×１０−６／Ｋである。放熱板２３の材料は、放熱性と熱応力の緩和とのバランスを考慮して選択される。
【００１９】
本実施例の放熱板２３は、その特徴的な構成として、図１（ｂ）に示すように、接合層２５が配置される部位に、お互いに隣接し、且つ深さ方向寸法の異なる第１のスリット３１ａと、第２のスリット３１ｂとを備える。これらのスリット３１ａ、３１ｂは、例えば、イオンミリングやエッチングにより、板状の放熱板２３を削って形成される。
【００２０】
第１のスリット３１ａは、図１（ａ）に示すように、半導体素子２１の外周面に沿って、環状に形成されている。第１のスリット３１ａの外周縁は、半導体素子２１の外周面より大きく形成され、第１のスリット３１ａの内周縁は、半導体素子２１の外周面より小さく形成されている。つまり、半導体素子２１の外周面に対向して、第１のスリット３１ａが形成されている。
【００２１】
このように、半導体素子２１の外周面に対向して第１のスリット３１ａを形成し、半田等の接合材料を充填することにより、図１（ｂ）に示すように、接合層２５の外周部を、中央部に比べて、厚く形成することができる。このため、接合層２５の外周部では、中央部に比べて、接合層２５が接合層２５の厚み方向と略直交する方向へ変形し易い。したがって、接合層２５の外周部で発生する高い熱応力を緩和することができ、接合層２５の外周部からのクラックの発生、成長を防止することができる。また、接合層２５の中央部の厚さは比較的薄いため、接合層２５の中央部での放熱性を確保することができる。
【００２２】
第２のスリット３１ｂは、図１（ａ）に示すように、第１のスリット３１ａの内周に隣接して、環状に形成されている。また、第２のスリット３１ｂの深さ寸法は、第１のスリット３１ａの深さ寸法より小さく設定されている。
【００２３】
このように、第２のスリット３１ｂを形成し、半田等の接合材料を充填することにより、図１（ｂ）に示すように、接合層２５の中央部から外周部に行くほど、接合層の厚みを段階的に厚く形成することができる。したがって、接合層２５の中央部から外周部に行くほど高くなる熱応力を効果的に緩和することができると共に、放熱性を確保することができる。
【００２４】
図２は、半導体装置の構成の別の例を示した図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ−Ａから見た断面図である。以下、各構成について説明するが、図１と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００２５】
第１のスリット３１ａ、第２のスリット３１ｂは、図１の場合と異なり、その外周面の角部にＲ面を備えている。このため、接合層２５の外周面の各角部において、接合層２５の変形方向は、第１方向Ｘから第２方向Ｙへ緩やかに変化する。したがって、接合層２５の外周面の角部における熱応力の集中を緩和することができ、接合層２５の外周面の角部からのクラックの発生、成長を抑制又は防止することができる。
【００２６】
図３は、半導体装置の構成の別の例を示した図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ−Ａから見た断面図である。以下、各構成について説明するが、図１と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００２７】
放熱板２３は、その特徴的な構成として、接合層２５が配置される部位に、お互いに隣接し、且つ深さ方向寸法の異なる第１のスリット３２ａと、第２のスリット３２ｂとを備える。これらのスリット３２ａ、３２ｂは、図３（ａ）に示すように、半導体素子２１の４隅に対向して、それぞれ４個配置されている。
【００２８】
第１のスリット３２ａは、平面視で略方形状に形成され、半導体素子２１の４隅にそれぞれ対向して４個設置されている。
【００２９】
第２のスリット３２ｂは、第１のスリット３２ａの外周に隣接して環状に形成され、半導体素子２１の４隅にそれぞれ対向して４個設置されている。第２のスリット３２ｂの深さ方向寸法は、第１のスリット３２ａの深さ方向寸法より小さく設定されている。
【００３０】
このように、半導体素子の４隅に対向して複数のスリット３２ａ、３２ｂを形成し、半田等の接合材料を充填することにより、図３（ｂ）に示すように、接合層２５の中央部から４隅に行くほど、接合層の厚みを段階的に厚く形成することができる。このため、接合層２５の中央部から４隅に行くほど高くなる熱応力を効果的に緩和することができると共に、放熱性を確保することができる。
【００３１】
図４は、半導体装置の構成の別の例を示した図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ−Ａから見た断面図である。以下、各構成について説明するが、図１と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３２】
放熱板２３は、その特徴的な構成として、接合層２５が配置される部位に、第１のスリット３１ａ、第２のスリット３１ｂ以外に、お互いに隣接し、且つ深さ方向寸法の異なる第３のスリット３３ｃと、第４のスリット３３ｄとを更に備える。第３のスリット３３ｃ、第４のスリット３３ｄは、図４（ａ）に示すように、半導体素子２１の中央部近傍に対向して設置されている。
【００３３】
第３のスリット３３ｃは、第２のスリット３１ｂの内側に、第２のスリット３１ｂから隔離されて環状に形成されている。
【００３４】
第４のスリット３３ｄは、第３のスリット３３ｃの内周に隣接して、環状に形成されている。また、第４のスリット３３ｄの深さ寸法は、第３のスリット３３ｃの深さ寸法より小さく設定されている。
【００３５】
このように、第３のスリット３３ｃ、第４のスリット３３ｄを形成し、半田等の接合材料を充填することにより、図４（ｂ）に示すように、接合層２５の一部を段階的に厚く形成することができる。このため、熱応力を緩和すると共に、放熱性を確保することができる。
【００３６】
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。
【００３７】
例えば、本実施例の第１のスリット３２ａ、第２のスリット３２ｂは略階段状に形成したが、熱応力を緩和すると共に、放熱性を確保することができる限り、その形状に制限はなく、例えば、第１のスリット３２ａの深さ方向寸法を、第２のスリット３２ｂの深さ方向寸法より小さく設定してよい。
【００３８】
また、本実施例の放熱板２３は、第１のスリット３１ａ、第２のスリット３１ｂを備えるとしたが、スリットの個数に制限はなく、例えば、スリット３１ａ、３１ｂに加えて、第３のスリット３１ｃを備えてよい。第３のスリット３１ｃは、例えば、第２のスリット３２ｂの内周に隣接して環状に形成され、この第３のスリット３１ｃの深さ方向寸法は、第２のスリット３２ｂの深さ方向寸法より小さく設定される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の半導体装置の構成の一実施例を示した図である。
【図２】半導体装置の構成の別の例を示した図である。
【図３】半導体装置の構成の別の例を示した図である。
【図４】半導体装置の構成の別の例を示した図である。
【図５】従来の半導体装置の構成の一例を示した断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
２１    半導体素子
２３    放熱板
２５    接合層
３１ａ、３２ａ    第１のスリット
３１ｂ、３２ｂ    第２のスリット
３３ｃ    第３のスリット
３３ｄ    第４のスリット
【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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