(57)【要約】【課題】半導体素子の厚さ方向の応力を緩和することのできる半導体装置用放熱板を提供することを課題とする。【解決手段】  半導体素子７の上には、半田８により、薄板状のリード板９が取り付けられている。リード板９の上には、放熱板１０が半田１１によって取り付けられている。放熱板１０は、一方の面から突出した複数の湾曲柱状部１０Ａを有する。湾曲柱状部１０Ａは、放熱板１０の平面視においてマトリクス状に配列されている。湾曲柱状部１０Ａは、所定の曲率で突出方向に湾曲しており、突出方向（放熱板１０の厚さ方向）に応力がかかった場合に、湾曲率を増大又は減少させるように変形することによって突出方向において伸縮するように構成されている。半導体素子７の発熱によりリード板９と放熱板１０の間に応力が生じた場合に、応力を湾曲柱状部１０Ａで吸収することができ、半導体素子７や半田８に応力が集中することを抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置に含まれる半導体素子の少なくとも一方の面側に配設され、板状の放熱部と、前記放熱部から突出し、先端に当接する部材に対して前記放熱部を支持する複数の突出部とを含み、
前記突出部は、突出方向に対して湾曲している、半導体装置用放熱板。
【請求項２】
前記突出部は湾曲した柱状の突出部であり、前記放熱部の平面視において、マトリクス状、同心円状、又は矩形環状に配設される、請求項１に記載の半導体装置用放熱板。
【請求項３】
前記突出部は、長手方向に対する断面形状が突出方向に対して湾曲したストライプ状の突出部である、請求項１に記載の半導体装置用放熱板。
【請求項４】
前記放熱部に前記突出部が配設される領域は複数の領域に分けられており、一の領域と他の領域では、前記突出部の湾曲方向が異なる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置用放熱板。
【請求項５】
前記突出部同士の間に低応力材が配設される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置用放熱板。
【請求項６】
前記低応力材は半田であり、前記当接する部材に前記突出部を接合する、請求項５に記載の半導体装置用放熱板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の発熱によって生じる応力を緩和することのできる半導体装置用放熱板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体装置には、半導体素子の発熱を放熱するための放熱板が用いられている。このような半導体装置では、半導体素子と放熱板の熱膨張率の違いによる応力により半導体素子や半田等の破損を抑制するために種々の工夫がなされており、図９（ａ）に記載するように、半導体素子１００と基板２００との間に柱状の放熱部材３００を配設したものが提案されている。半導体素子１００、基板２００、及び放熱部材３００の間は、半田付けされている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−８７６１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載されているような直線状の柱状の放熱部材３００を用いた場合、図９（ｂ）に示すように放熱部材３００が傾くことにより、半導体素子１００の幅方向（図中横方向）の応力を吸収することはできるが、放熱部材３００自体は殆ど変形しないため、半導体素子１００の厚さ方向に応力が生じる。このため、依然として応力に対する対策が不十分であるという課題があった。特に、柱状部材が短い場合には、応力の緩和効果が低下していた。
【０００４】
また、半田にボイドが含まれていると、半導体素子の厚さ方向の応力により、ボイドが半田のひび割れの原因になる可能性があった。
【０００５】
そこで、本発明は、半導体素子の厚さ方向の応力を緩和することのできる半導体装置用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】
【０００６】
本発明の一局面の半導体装置用放熱板は、半導体装置に含まれる半導体素子の少なくとも一方の面側に配設され、板状の放熱部と、前記放熱部から突出し、先端に当接する部材に対して前記放熱部を支持する複数の突出部とを含み、前記突出部は、突出方向に対して湾曲している。
【０００７】
また、前記突出部は湾曲した柱状の突出部であり、前記放熱部の平面視において、マトリクス状、同心円状、又は矩形環状に配設されてもよい。
【０００８】
これに代えて、前記突出部は、長手方向に対する断面形状が突出方向に対して湾曲したストライプ状の突出部であってもよい。
【０００９】
また、これらの場合に、前記放熱部に前記突出部が配設される領域は複数の領域に分けられており、一の領域と他の領域では、前記突出部の湾曲方向が異なってもよい。
【００１０】
また、前記突出部同士の間に低応力材が配設されてもよい。
【００１１】
また、この場合に、前記低応力材は半田であり、前記当接する部材に前記突出部を接合してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、半導体素子の厚さ方向の応力を緩和することのできる半導体装置用放熱板を提供できるという特有の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の半導体装置用放熱板を適用した実施の形態について説明する。
【００１４】
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１の半導体装置用放熱板が取り付けられた半導体装置の断面構造を示す図である。
【００１５】
この半導体装置（半導体モジュール）の冷却器１の上には、グリース２を介して金属板３が配設されている。この金属板３の上には、半田４によって、セラミック基板５が取り付けられている。このセラミック基板５には、両面に金属配線５Ａ、５Ｂがパターニングされている。金属配線５Ａ、５Ｂは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）製であればよい。
【００１６】
さらに、セラミック基板５の金属配線５Ｂの上には、半田６により、半導体素子７が取り付けられている。この半導体素子７は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）又はダイオード等であり、インバータのスイッチング素子等に用いられるものである。この半導体素子７の大きさは、例えば、平面視で５ｍｍ〜１５ｍｍ角であり、厚さは１５０μｍ〜３００μｍ程度である。
【００１７】
半導体素子７の上には、半田８により、薄板状のリード板９が取り付けられている。このリード板９は、例えば銅（Ｃｕ）製の薄板であればよい。また、このリード板９の上には、本実施の形態の半導体装置用放熱板である放熱板１０が半田１１によって取り付けられている。
【００１８】
図２は、実施の形態１の半導体装置用放熱板を拡大して示す図であり、（ａ）は図１に示す半導体装置用放熱板の拡大図、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、（ａ）の他の形態を示す拡大図である。
【００１９】
放熱板１０は、放熱板１０の一方の面から突出した複数の湾曲柱状部１０Ａを有する。図２（ａ）には、湾曲柱状部１０Ａが横方向に複数配列されている状態を示すが、実際には、紙面を貫く方向においても同様に複数配列されており、放熱板１０の平面視においてマトリクス状をなすように配列されている。なお、すべての湾曲柱状部１０Ａは、同一方向に湾曲するように形成されている。
【００２０】
この湾曲柱状部１０Ａは、所定の曲率で突出方向に対して湾曲しており、突出方向（放熱板１０の厚さ方向）に応力がかかった場合に、湾曲率を増大又は減少させるように変形することによって突出方向において伸縮するように構成されている。この湾曲柱状部１０Ａは、１００μｍ〜２．５ｍｍ程度の間隔で配列され、突出方向（放熱板１０の厚さ方向）の長さは１００μｍ〜２．０ｍｍ程度である。
【００２１】
なお、湾曲柱状部１０Ａを有する放熱板１０は、例えば、金型を用いた一体成形により作製することができる。
【００２２】
また、半田１１は、各湾曲柱状部１０Ａの下端とリード板９とを接続しているが、各湾曲柱状部１０Ａの間にも形成されている。半田１１は、湾曲柱状部１０Ａの変形を妨げずに、リード板９と放熱板１０を接合する低応力接合材として用いられている。従って、この半田１１は、湾曲柱状部１０Ａの変形を妨げない程度の柔軟性を有することが必要である。
【００２３】
これらの符号３乃至１１で示される構造体は、ハウジング１２によって周囲が覆われている。このハウジング１２は、例えば、樹脂等の絶縁体で構成され、半導体装置の筐体を構成するものであり、バスバー１３Ａ、１３Ｂを保持している。
【００２４】
図中左側のバスバー１３Ａと半導体素子７との間は、ボンディングワイヤ１４によって接続され、図中左側のバスバー１３Ｂには、リード板９が接続されている。
【００２５】
半導体素子７は、金属配線５Ａ、５Ｂ、リード板９、及びボンディングワイヤ１４と電気的に接続されている。例えば、半導体素子７がＩＧＢＴである場合は、セラミック基板５の両面の金属配線５Ａ、５Ｂは、セラミック基板５を貫通するコンタクトホールを通じて接続されており、金属配線５Ｂがドレイン電極に接続され、金属配線５Ａを介して外部回路に接続されるように構成されている。また、リード板９はソース電極に接続され、ボンディングワイヤ１４はゲート電極に接続されている。このように接続されることにより、半導体素子７を駆動できるように構成されている。
【００２６】
ところで、半導体素子７は駆動時に発熱するため、冷却器１で冷却するとともに、放熱板１０を介して熱を放出するように構成されている。このような発熱により、半導体素子７自体や放熱板１０には熱膨張が生じる。シリコン（Ｓｉ）を主成分とする半導体素子７と、銅（Ｃｕ）製の放熱板１０とは熱膨張率が大きく異なるため、半導体素子７の発熱は、放熱板１０を膨張させる。
【００２７】
ここで、リード板９は非常に薄いため、熱膨張による変形は殆ど問題にならないが、湾曲柱状部１０Ａがない場合、又は、従来のように湾曲柱状部１０Ａではなく直線上の柱状部が形成されている場合には、この放熱板１０の膨張によりリード板９に厚さ方向の応力がかかり、半田８にクラックが生じたり、半導体素子７が破損する可能性がある。
【００２８】
しかしながら、本実施の形態の放熱板１０は、湾曲柱状部１０Ａを有する。この湾曲柱状部１０Ａは、所定の曲率で突出方向に対して湾曲しており、突出方向（放熱板１０の厚さ方向）に応力がかかった場合に、湾曲率を増大又は減少させるように変形することによって突出方向において伸縮し、これにより応力を吸収するように構成されている。
【００２９】
このため、半導体素子７の発熱によりリード板９と放熱板１０の間に応力が生じた場合に、応力を湾曲柱状部１０Ａで吸収することができ、半導体素子７や半田８に応力が集中することを抑制することができる。
【００３０】
このように、実施の形態１によれば、放熱板１０を半導体素子７に取り付けて過渡熱抵抗を低減させつつ、湾曲柱状部１０Ａで放熱板１０の厚さ方向及び幅方向の歪みを吸収することができるので、放熱性を向上させるとともに、半導体素子７や半田８の破損を抑制することができる。
【００３１】
なお、リード板９は、表面粗さの小さい薄板であることが望ましい。例えば、表面粗さＲａが０．８μｍ程度の銅板で構成することにより、半田８に生じるボイドを低減することができ、これにより半田８の応力に対する強度を増大させることができる。
【００３２】
また、以上では、放熱板１０の湾曲柱状部１０Ａがマトリクス状に配列される形態について説明したが、湾曲柱状部１０Ａは、放熱板１０の平面視において同心円状、又は矩形環状に配列されていてもよく、あるいは、この湾曲柱状部１０Ａの代わりに、長手方向に対する断面形状が突出方向に対して湾曲されたストライプ状の突出部材を用いてもよい。
【００３３】
また、以上では、低応力接合材としての半田１１を用いる形態について説明したが、半田１１は必ずしも必要ではなく、湾曲柱状部１０Ａの下端とリード板９とを超音波接合によって接続してもよく、又は、接着剤によって接続してもよい。
【００３４】
また、以上では、図２（ａ）に示す放熱板１０を用いる形態について説明したが、放熱板１０は、図２（ｂ）〜（ｄ）に示すように構成されていてもよい。
【００３５】
図２（ｂ）では、半導体素子７の上に半田１１により放熱板１０が接続されており、リード板９は、放熱板１０の上に接合されるとともに、図中における右端が図１に示すバスバー１３Ｂに接続される。
【００３６】
図２（ｃ）では、図２（ｂ）に示すリード板９と放熱板１０が一体的に形成されている。放熱板１０の図中における右端が図２（ｂ）に示す形態と同様に図１に示すバスバー１３Ｂに接続される。
【００３７】
図２（ｄ）では、図２（ｂ）に示すリード板９の代わりにボンディングワイヤ１４により図１に示すバスバー１３Ｂに接続される。
【００３８】
図２（ｂ）〜（ｄ）のような構成においても、図２（ａ）と同様に、半導体素子７の発熱によって生じる応力を湾曲柱状部１０Ａで吸収でき、半導体素子７等に応力が集中することを抑制することができる。
【００３９】
［実施の形態２］
図３は、実施の形態２の半導体装置用放熱板が取り付けられた半導体装置の断面構造を示す図である。この実施の形態２は、実施の形態１の放熱板１０の代わりに放熱板２０を用いたものである。このため、同一又は同等の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。なお、放熱板２０は、湾曲柱状部２０Ａの配列が実施の形態１の放熱板１０と異なるだけであり、材質等に変わりはない。
【００４０】
図４は、実施の形態２の半導体装置用放熱板を拡大して示す図である。放熱板２０の湾曲柱状部２０Ａの湾曲形状は、放熱板２０の幅方向の中心に対して左右対称にされており、湾曲形状の内側が放熱板２０の幅方向の中心を向くように配列されている。放熱板２０は、平面視において矩形であるため、図３のような配列を実現するためには、例えば、平面視において、放熱板２０の矩形形状の中心から、複数の湾曲柱状部２０Ａを同心円状、又は、矩形環状に配列すればよい。
【００４１】
湾曲柱状部２０Ａは、曲率が小さくなる方向（放熱板２０の厚さ方向において伸びる方向）には変形し易いが、曲率が大きくなる方向（放熱板２０の厚さ方向において縮む方向）には変形し難い。このため、図４に示すように、湾曲形状の内側が放熱板２０の幅方向の中心を向くように配列すれば、湾曲柱状部２０Ａによって図中に矢印で示す方向の抗力が働くため、放熱板２０の熱膨張を抑制することができる。
【００４２】
このような性質を利用することにより、特に、放熱板１０の膨張率が大きい方向における歪みを効果的に吸収できるように湾曲柱状部２０Ａを配列させることが望ましい。
【００４３】
この湾曲柱状部２０Ａは、実施の形態１の湾曲柱状部１０Ａと同様に、所定の曲率で突出方向に対して湾曲しており、突出方向（放熱板２０の厚さ方向）に応力がかかった場合に、湾曲率を増大又は減少させるように変形することによって突出方向において伸縮し、これにより応力を吸収するように構成されている。
【００４４】
このため、半導体素子７の発熱によりリード板９と放熱板１０の間に応力が生じた場合に、応力を湾曲柱状部２０Ａで吸収することができ、半導体素子７や半田８に応力が集中することを抑制することができる。
【００４５】
このように、実施の形態２によれば、放熱板１０を半導体素子７に取り付けて過渡熱抵抗を低減させつつ、湾曲柱状部１０Ａで放熱板１０の厚さ方向及び幅方向の歪みを吸収することができるので、放熱性を向上させるとともに、半導体素子７や半田８の破損を抑制することができる。
【００４６】
なお、放熱板２０の湾曲柱状部２０Ａの湾曲形状は、図３及び図４とは逆に、図５に示すように、湾曲形状の内側が放熱板２０の幅方向の外側を向くように配列されていてもよい。湾曲柱状部２０Ａの湾曲形状は、放熱板２０と半導体素子７や半田８の膨張率に応じて適宜配列を決定すればよい。この場合、図５に示すように、湾曲形状の内側が放熱板２０の幅方向の外側を向くように配列すれば、湾曲柱状部２０Ａによって図中に矢印で示す方向の抗力が働くため、放熱板２０の熱膨張を抑制することができる。
【００４７】
［実施の形態３］
図６は、実施の形態３の半導体装置用放熱板が取り付けられた半導体装置の断面構造を示す図である。この実施の形態３は、実施の形態１の放熱板１０とは異なり、半導体素子７の下側に配設されており、実施の形態１の金属基板３及び半田４の代わりに放熱板３０が配設された構造になっている。
【００４８】
この放熱板３０は、実施の形態１の湾曲柱状部１０Ａと同一構造の湾曲柱状部３０Ａを有する。この湾曲柱状部３０Ａと金属配線５Ａとの間は絶縁されている。その他の構成は実施の形態１に準ずるため、同一又は同等の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。なお、放熱板２０は、湾曲柱状部２０Ａの配列が実施の形態１の放熱板１０と異なるだけであり、材質等に変わりはない。
【００４９】
この湾曲柱状部３０Ａは、所定の曲率で突出方向に湾曲しており、突出方向（放熱板３０の厚さ方向）に応力がかかった場合に、湾曲率を増大又は減少させるように変形することによって突出方向において伸縮し、これにより応力を吸収するように構成されている。
【００５０】
このため、半導体素子７の発熱によりセラミック基板５と放熱板３０の間に応力が生じた場合に、応力を湾曲柱状部３０Ａで吸収することができ、半導体素子７、セラミック基板５、金属配線５Ａ、５Ｂ、又は半田６に応力が集中することを抑制することができる。
【００５１】
このように、実施の形態３によれば、放熱板３０を半導体素子７に取り付けて過渡熱抵抗を低減させつつ、湾曲柱状部３０Ａで放熱板３０の厚さ方向及び幅方向の歪みを吸収することができるので、放熱性を向上させるとともに、半導体素子７、セラミック基板５、金属配線５Ａ、５Ｂ、又は半田６の破損を抑制することができる。
【００５２】
［実施の形態４］
図７は、実施の形態４の半導体装置用放熱板が取り付けられた半導体装置の断面構造を示す図である。この実施の形態４の放熱板４０は、一方の面から湾曲柱状部４０Ａが突出しており、実施の形態１の放熱板１０と同一の構造を有するが、ハウジング４２に収納されている点が実施の形態１と異なる。放熱板４０の湾曲柱状部４０Ａの上には金属板４５が配設されており、この金属板４５の上に半田６によって半導体素子７が取り付けられている。なお、湾曲柱状部４０Ａと金属板４５との間は絶縁されている。
【００５３】
ハウジング４２には、バスバー４３Ａ及び４３Ｂが嵌着されており、バスバー４３Ａ及び４３Ｂと半導体素子７はボンディングワイヤ４４によって接続されている。
【００５４】
このように、実施の形態４によれば、放熱板４０を半導体素子７に取り付けて過渡熱抵抗を低減させつつ、湾曲柱状部４０Ａで放熱板４０の厚さ方向及び幅方向の歪みを吸収することができるので、放熱性を向上させるとともに、半導体素子７や半田６の破損を抑制することができる。
【００５５】
なお、以上では、放熱板４０がハウジング４２の内部に収納されている形態について説明したが、ハウジング４２に開口部を形成して、放熱板４０の下面がハウジング４２の外面と同一面になるように構成してもよい。
【００５６】
［実施の形態５］
図８は、実施の形態５の半導体装置用放熱板の側面構造を示す図である。実施の形態５の放熱板５０は、実施の形態１の放熱板１０と同様に、半導体素子７の上に半田８で取り付けられたリード板９の上に接合されている。放熱板５０の湾曲柱状部５０Ａは、図８に示すように、断面がＳ字型に構成されている。なお、図８には放熱板５０、半導体素子７、半田８、及びリード板９のみを拡大して示すが、実際には実施の形態１と同様に冷却器１の上に搭載されている。
【００５７】
このように、実施の形態５によれば、放熱板５０を半導体素子７に取り付けて過渡熱抵抗を低減させつつ、Ｓ字型の湾曲柱状部５０Ａで放熱板５０の厚さ方向及び幅方向の歪みを吸収することができるので、放熱性を向上させるとともに、半導体素子７や半田８の破損を抑制することができる。特に、断面形状をＳ字型にしたことにより、放熱板５０の厚さ方向における弾力性が増大させることができるため、放熱板５０の厚さ方向及び幅方向の歪みを効果的に吸収することができる。
【００５８】
なお、このようなＳ字型の湾曲柱状部５０Ａを実施の形態１乃至４の放熱板１０乃至４０に用いてもよいし、実施の形態１又は２の湾曲柱状部１０Ａ又は２０Ａと組み合わせて形成してもよい。
【００５９】
また、以上の説明における半導体素子７等の寸法は一例に過ぎず、その数値以外の値を除外する趣旨ではない。
【００６０】
以上、本発明の例示的な実施の形態の半導体装置用放熱板について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施の形態１の半導体装置用放熱板が取り付けられた半導体装置の断面構造を示す図である。
【図２】実施の形態１の半導体装置用放熱板を拡大して示す図であり、（ａ）は図１に示す半導体装置用放熱板の拡大図、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、（ａ）の他の形態を示す拡大図である。
【図３】実施の形態２の半導体装置用放熱板が取り付けられた半導体装置の断面構造を示す図である。
【図４】実施の形態２の半導体装置用放熱板を拡大して示す図である。
【図５】実施の形態２の変形例の半導体装置用放熱板を拡大して示す図である。
【図６】実施の形態３の半導体装置用放熱板が取り付けられた半導体装置の断面構造を示す図である。
【図７】実施の形態４の半導体装置用放熱板が取り付けられた半導体装置の断面構造を示す図である。
【図８】実施の形態５の半導体装置用放熱板の側面構造を示す図である。
【図９】従来の半導体装置用放熱板の側面構造を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  冷却器
２  グリース
３、４５  金属板
４、６、８  半田
５  セラミック基板
５Ａ、５Ｂ  金属配線
７  半導体素子
９  リード板
１０、２０、３０、４０、５０  放熱板
１０Ａ、２０Ａ、３０Ａ、４０Ａ、５０Ａ  湾曲柱状部
１１  半田
１２、４２  ハウジング
１３Ａ、１３Ｂ、４３Ａ、４３Ｂ  バスバー
１４、４４  ボンディングワイヤ
【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】
2009187978.tif 000007
【図６】
2009187978.tif 000008
【図７】
2009187978.tif 000009
【図８】
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【図９】
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