JP2011159662A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子と基板とが積層されている半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a semiconductor element and a substrate are stacked.
特許文献1に開示される半導体装置は、半導体素子と基板(配線基板)とが積層されているとともに、半導体素子と基板との相対的な位置関係を固定するための接合部(ダイボンド剤)がこれらの間に介在している。半導体素子が作動すると、半導体素子が発熱する。半導体素子と基板との線膨張係数が異なると、半導体素子の発熱時に半導体素子と基板とが異なる比率で膨張するため、接合部に応力が作用して亀裂等が生じ、接合部が劣化する可能性がある。この半導体装置では、接合部と半導体素子がモールド樹脂によって覆われているため、半導体素子と配線基板とが熱によって異なる比率で膨張しても、接合部に生じる亀裂を軽減することができる。
In the semiconductor device disclosed in
特許文献1に記載の半導体装置では、モールド樹脂によって接合部の劣化をある程度は抑制することはできる。しかしながら、この技術では、基板と半導体素子との熱による膨張度合いの差を低減することができないため、接合部に作用する応力自体を低減することはできない。したがって、接合部の劣化を抑制するという点で十分とは言い難い。また、基板には、半導体素子で発生する熱を、基板を通じてその周囲又は基板に接続されている冷却器等に放熱させることが要求される。
本明細書に開示する技術は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体素子で発生する熱を基板を通じて放熱することができるとともに、半導体素子と基板との間の接合部の劣化をより適切に抑制することができる半導体装置を提供することにある。
In the semiconductor device described in
The technology disclosed in the present specification has been made in view of the above circumstances, and the purpose thereof is to dissipate heat generated in the semiconductor element through the substrate, and a junction between the semiconductor element and the substrate. An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can more appropriately suppress deterioration of the semiconductor device.
本明細書に開示する技術は、半導体素子と、その半導体素子に直接的又は間接的に積層されている基板と、その半導体素子とその基板との間に介在するとともに、その半導体素子とその基板との相対的な位置関係を固定する接合部とを備えている半導体装置である。
この半導体装置では、基板が、半導体素子の積層範囲に対応する中央領域と、その中央領域の周囲に伸びている外周領域を備えている。基板の中央領域に、第1埋設部が形成されており、基板の外周領域に第2埋設部が形成されている。半導体素子と基板とが積層されている方向を厚さ方向とし、その厚さ方向と直交する面に沿った方向を面方向とすると、第1埋設部は、厚さ方向の熱伝導率が面方向の熱伝導率及び基板の母材の熱伝導率よりも高い。また、第2埋設部は、面方向の線膨張係数が第1埋設部の面方向の線膨張係数及び基板の母材の線膨張係数よりも小さく、且つ面方向の剛性が第1埋設部の面方向の剛性及び基板の母材の剛性よりも高い。
The technology disclosed in this specification includes a semiconductor element, a substrate directly or indirectly stacked on the semiconductor element, and the semiconductor element and the substrate. The semiconductor device is provided with a joint portion that fixes the relative positional relationship between the first and second portions.
In this semiconductor device, the substrate includes a central region corresponding to the stacking range of the semiconductor elements and an outer peripheral region extending around the central region. A first embedded portion is formed in the central region of the substrate, and a second embedded portion is formed in the outer peripheral region of the substrate. When the direction in which the semiconductor element and the substrate are stacked is defined as the thickness direction, and the direction along the plane perpendicular to the thickness direction is defined as the plane direction, the first embedded portion has a thermal conductivity in the thickness direction. Higher than the thermal conductivity of the direction and the base material of the substrate. Further, the second buried portion has a linear expansion coefficient in the surface direction smaller than the linear expansion coefficient in the surface direction of the first buried portion and the linear expansion coefficient of the base material of the substrate, and the rigidity in the surface direction of the first buried portion. It is higher than the rigidity in the surface direction and the rigidity of the base material of the substrate.
上記構成において、基板とは、専ら半導体素子の放熱のために半導体素子に接合されているものであってもよいし、半導体素子とワイヤなどを介して接続される電極板であってもよいし、配線基板であってもよい。上記構成において、基板が半導体素子に直接的又は間接的に積層されているとは、基板と半導体素子とが接合部のみを介して積層されている場合と、基板と半導体素子との間に接合部とともに金属層、半導体層、及び絶縁体層等の中間層が介在している場合とを含む。 In the above configuration, the substrate may be bonded to the semiconductor element exclusively for heat dissipation of the semiconductor element, or may be an electrode plate connected to the semiconductor element via a wire or the like. It may be a wiring board. In the above structure, the substrate is laminated directly or indirectly on the semiconductor element means that the substrate and the semiconductor element are laminated only through the bonding portion and the junction between the substrate and the semiconductor element. And a case where an intermediate layer such as a metal layer, a semiconductor layer, and an insulator layer intervenes together with the portion.
また、上記構成において、面方向の熱伝導率とは、面に沿った全ての方向の熱伝導率を平均した平均熱伝導率を意味しており、面方向の線膨張係数とは、面に沿った全ての方向の線膨張係数を平均した平均線膨張係数を意味している。また、面方向の剛性とは、面に沿った全ての方向の剛性を平均した平均剛性を意味している。 In the above configuration, the thermal conductivity in the plane direction means an average thermal conductivity obtained by averaging the thermal conductivities in all directions along the plane, and the linear expansion coefficient in the plane direction refers to the plane. It means an average coefficient of linear expansion obtained by averaging the coefficients of linear expansion in all directions along. Moreover, the rigidity in the plane direction means an average rigidity obtained by averaging the rigidity in all directions along the plane.
上記構成では、半導体素子で発生する熱が、基板の中央領域に形成されている第1埋設部を通じて厚さ方向に効率よく伝導することによって放熱される。
また、第2埋設部は、面方向の線膨張係数が第1埋設部の面方向の線膨張係数及び基板の母材の線膨張係数よりも小さいため、熱膨張しにくい。したがって、半導体素子が発熱しても、第2埋設部は半導体素子の発熱前と略同じ形状に維持される。また、第2埋設部は、面方向の剛性が第1埋設部の面方向の剛性及び基板の母材の剛性よりも高い。そのため、半導体素子の発熱によって、基板の母材と第1埋設部とが面方向に熱膨張しようとしても、その熱膨張が第1埋設部の周囲に位置する第2埋設部によって抑制される。したがって、基板が半導体素子に対して面方向に大きく膨張することを抑制することができるため、半導体素子と基板との熱膨張の差によって接合部に応力が作用することを抑制することができる。これにより、接合部に亀裂等が生じて劣化することをより適切に抑制することができる。
In the above configuration, heat generated in the semiconductor element is radiated by efficiently conducting in the thickness direction through the first embedded portion formed in the central region of the substrate.
Further, the second embedded portion is less likely to thermally expand because the linear expansion coefficient in the surface direction is smaller than the linear expansion coefficient in the surface direction of the first embedded portion and the linear expansion coefficient of the base material of the substrate. Therefore, even if the semiconductor element generates heat, the second embedded portion is maintained in substantially the same shape as before the semiconductor element generates heat. Further, the second embedded portion has a higher rigidity in the surface direction than the rigidity in the surface direction of the first embedded portion and the rigidity of the base material of the substrate. Therefore, even if the base material of the substrate and the first embedded portion try to thermally expand in the surface direction due to heat generation of the semiconductor element, the thermal expansion is suppressed by the second embedded portion located around the first embedded portion. Therefore, since it can suppress that a board | substrate expand | swells largely to a surface direction with respect to a semiconductor element, it can suppress that a stress acts on a junction part by the difference in thermal expansion of a semiconductor element and a board | substrate. Thereby, it can suppress more appropriately that a crack etc. arise in a junction part and deteriorate.
第1埋設部と第2埋設部とは、異なる材料で構成してもよいし、同じ材料で構成してもよい。同じ材料で構成する場合には、第1埋設部及び第2埋設部が六方晶構造のグラファイトで構成されていることが好ましい。この場合、第1埋設部ではグラファイトのc軸が面方向に揃っており、第2埋設部ではグラファイトのc軸が厚さ方向に揃っている。
グラファイトは、一方向の熱伝導率がその一方向と直交する面方向の熱伝導率よりも高く、面方向の線膨張係数が一方向の線膨張係数よりも大きく、面方向の剛性が一方向の剛性よりも大きいため、第1埋設部及び第2埋設部を構成することができる。ここでも、面方向の熱伝導率、線膨張係数及び剛性は、面内の全方向の平均を意味している。
The first embedded portion and the second embedded portion may be made of different materials or may be made of the same material. When comprised with the same material, it is preferable that the 1st embedding part and the 2nd embedding part are comprised with the graphite of the hexagonal structure. In this case, the c-axis of graphite is aligned in the surface direction in the first embedded portion, and the c-axis of graphite is aligned in the thickness direction in the second embedded portion.
Graphite has higher thermal conductivity in one direction than the thermal conductivity in the plane direction orthogonal to the one direction, the linear expansion coefficient in the plane direction is larger than the linear expansion coefficient in one direction, and the rigidity in the plane direction is one direction. Since it is larger than the rigidity of the first embedded portion, the first embedded portion and the second embedded portion can be configured. Again, the thermal conductivity, linear expansion coefficient and stiffness in the plane direction mean the average in all directions in the plane.
上記の半導体装置では、基板の全表面がその基板の母材からなり、第1埋設部及び第2埋設部が基板の表面に露出していないことが好ましい。
上記構成によれば、第1埋設部及び第2埋設部を基板の母材で保護することができるとともに、第1埋設部及び第2埋設部を他の部材に直接接着する必要がない。特に、第1埋設部及び第2埋設部の材料として、六方晶構造のグラファイトを用いる場合には有効である。
In the above semiconductor device, it is preferable that the entire surface of the substrate is made of the base material of the substrate, and the first embedded portion and the second embedded portion are not exposed on the surface of the substrate.
According to the above configuration, the first embedded portion and the second embedded portion can be protected by the base material of the substrate, and it is not necessary to directly bond the first embedded portion and the second embedded portion to other members. This is particularly effective when hexagonal graphite is used as the material for the first and second embedded portions.
第1埋設部の面内の少なくとも1方向における線膨張係数が基板の母材の線膨張係数よりも大きい場合には、基板の中央領域では、複数個の第1埋設部が、その第1埋設部と基板の母材からなる部位とが前記1方向に沿って交互に出現するように形成されていることが好ましい。
基板の中央領域の全体に第1埋設部が形成されている場合には、その熱膨張が第2埋設部によって抑制されているとはいえ、第1埋設部の上記1方向の線膨張係数が大きいことから、基板が上記1方向に熱膨張しやすくなる。この点、上記構成によれば、中央領域の全体に第1埋設部を形成されている場合よりも、基板が上記1方向に熱膨張することを抑制することができる。
When the linear expansion coefficient in at least one direction in the plane of the first embedded portion is larger than the linear expansion coefficient of the base material of the substrate, a plurality of first embedded portions are provided in the central region of the substrate. It is preferable that the portion and the portion made of the base material of the substrate are formed so as to alternately appear along the one direction.
When the first embedded portion is formed in the entire central region of the substrate, the thermal expansion is suppressed by the second embedded portion, but the linear expansion coefficient in the one direction of the first embedded portion is Since it is large, the substrate is likely to thermally expand in the one direction. In this regard, according to the above configuration, it is possible to suppress the thermal expansion of the substrate in the one direction as compared with the case where the first embedded portion is formed in the entire central region.
半導体装置では、基板の半導体素子が積層されている側と反対側の面が冷却器に接合しているといった態様を採用することもできる。この構成において、第2埋設部の面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高いとともに、その厚さ方向の熱伝導率が基板の母材の熱伝導率よりも低い場合には、基板の外周領域に、複数個の第2埋設部が、その第2埋設部と基板の母材からなる部位とが面方向に交互に出現するように形成されていることが好ましい。
半導体素子から基板に伝導した熱は、基板の外周領域では、第2埋設部を通じて面方向に伝導し、その熱が基板の母材からなる部位に達すると、その一部の熱が母材からなる部位を通じて冷却器に向かう方向に伝導するとともに、残りの熱が再度出現する第2埋設部を通じて面方向に伝導する。第2埋設部を通じて面方向に伝導した熱が、基板の母材からなる部位を通じて冷却器に向かって伝導するため、基板に伝導した熱を冷却器へ効率よく伝導することができる。その結果、半導体素子をより効果的に放熱させることができる。
In the semiconductor device, a mode in which the surface of the substrate opposite to the side on which the semiconductor elements are stacked is bonded to the cooler can be adopted. In this configuration, when the thermal conductivity in the surface direction of the second embedded portion is higher than the thermal conductivity in the thickness direction, and the thermal conductivity in the thickness direction is lower than the thermal conductivity of the base material of the substrate. Preferably, the plurality of second embedded portions are formed in the outer peripheral region of the substrate so that the second embedded portions and the portions made of the base material of the substrate appear alternately in the surface direction.
The heat conducted from the semiconductor element to the substrate is conducted in the surface direction through the second embedded portion in the outer peripheral region of the substrate, and when the heat reaches a portion made of the base material of the substrate, a part of the heat is transferred from the base material. Conducted in the direction toward the cooler through the portion, and conducted in the surface direction through the second embedded portion where the remaining heat appears again. Since the heat conducted in the plane direction through the second embedded portion is conducted toward the cooler through the portion made of the base material of the substrate, the heat conducted to the substrate can be efficiently conducted to the cooler. As a result, the semiconductor element can dissipate heat more effectively.
また、基板を冷却器に接合する構成において、第2埋設部の面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高いとともに、その厚さ方向の熱伝導率が基板の母材の熱伝導率よりも低くい場合には、基板の外縁に近いほど第2埋設部の厚さ方向の長さが長いことが好ましい。
基板の外周領域では、基板の外縁側よりも中央領域側のほうが、半導体素子に近接しているため、半導体素子の熱が伝導されやすく、高温となりやすい。上記構成では、基板の外周領域のうち高温となりやすい中央領域側ほど、基板の母材からなる部位の厚さ方向の長さが長いため、半導体素子から伝導された熱を基板の母材からなる部位を通じて効率的に冷却器へ伝導することができる。また、第2埋設部は、基板の外縁に近いほど厚さ方向に長いため、基板の外縁では面方向の熱膨張を抑制することができる。したがって、外縁の内側に位置する領域においても基板の面方向の熱膨張を抑制することができるため、結果的に基板全体の面方向の熱膨張を抑制することができる。
Moreover, in the structure which joins a board | substrate to a cooler, while the thermal conductivity of the surface direction of a 2nd embedding part is higher than the thermal conductivity of the thickness direction, the thermal conductivity of the thickness direction is the base material of a board | substrate. When it is lower than the thermal conductivity, it is preferable that the length of the second embedded portion in the thickness direction is longer as it is closer to the outer edge of the substrate.
In the outer peripheral region of the substrate, since the central region side is closer to the semiconductor element than the outer edge side of the substrate, the heat of the semiconductor element is easily conducted, and the temperature tends to be high. In the above configuration, since the length in the thickness direction of the portion made of the base material of the substrate is longer in the central region side that tends to be high in the outer peripheral region of the substrate, the heat conducted from the semiconductor element is made of the base material of the substrate. It can be efficiently conducted to the cooler through the site. Further, since the second embedded portion is longer in the thickness direction as it is closer to the outer edge of the substrate, thermal expansion in the surface direction can be suppressed at the outer edge of the substrate. Therefore, since the thermal expansion in the surface direction of the substrate can be suppressed even in the region located inside the outer edge, as a result, the thermal expansion in the surface direction of the entire substrate can be suppressed.
本明細書に開示する半導体装置によれば、基板に第1埋設部と第2埋設部が形成されているため、半導体素子で発生する熱を基板を通じて効率よく放熱することができるとともに、基板が半導体素子に対して面方向に大きく熱膨張することを抑制することによって接合部の劣化をより適切に抑制することができる。 According to the semiconductor device disclosed in the present specification, since the first embedded portion and the second embedded portion are formed on the substrate, heat generated in the semiconductor element can be efficiently radiated through the substrate, and the substrate By suppressing the thermal expansion of the semiconductor element greatly in the surface direction, it is possible to more appropriately suppress the deterioration of the joint portion.
以下に本発明の実施例の特徴を説明する。
(特徴1)基板は、放熱板であり、その放熱板は冷却器に接合されている。冷却器は、冷却板とフィンとを備えている。
The features of the embodiments of the present invention will be described below.
(Feature 1) The substrate is a heat radiating plate, and the heat radiating plate is joined to a cooler. The cooler includes a cooling plate and fins.
(実施例1)
本明細書に開示する技術を具体化した半導体装置の実施例1を図1〜図4を参照して説明する。図1は、実施例1の半導体装置10の平面図であり、図2は、図1のII−II線における断面図である。
図1に示すように、半導体装置10は、半導体素子11と放熱板(基板)15と絶縁体層20と冷却器25とが順に積層されている。図2に示すように、半導体素子11と放熱板15とは、これらの間に介在している接合部12によって接合されている。すなわち、半導体素子11と放熱板15との相対的な位置関係が接合部12により固定されている。接合部12としては、はんだ等が例示される。以下の説明では、図1および半導体素子11と放熱板15とが積層されている方向(図1及び図2のz軸方向)を厚さ方向とし、その厚さ方向と直交する面に沿った方向(図1及び図2のxy平面が伸びる方向)を面方向とする。
Example 1
A semiconductor device according to a first embodiment of the technology disclosed in this specification will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view of the
As shown in FIG. 1, the
本実施例では、半導体素子11がIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、シリコン半導体で構成される。なお、半導体素子11としては、例えば、サイリスタ、MOSFET、ダイオード等を用いても良い。半導体素子11は、図示しないワイヤを介して図示しない電極に接続されている。
絶縁体層20は、絶縁体からなり、放熱板15と冷却器25とを絶縁している。絶縁体層20の熱伝導率は高い。冷却器25は、金属製であり、絶縁体層20と接着している冷却板26と、冷却板26の下面から下方に向かって伸びる複数のフィン27とを備えている。半導体装置10は、冷却板26の下面に冷却水などの冷却媒体を流通させた状態で使用される。冷却板26の下面とフィン27とに冷却媒体が接触して、半導体素子11で発生する熱がこの冷却媒体に放熱される。
In this embodiment, the
The
放熱板15の母材は銅である。放熱板15は、半導体素子11の積層範囲に対応する中央領域と、その中央領域の周囲に伸びている外周領域を備えている。放熱板15の中央領域に、第1埋設部16が形成されており、放熱板15の外周領域には、第2埋設部17が形成されている。第1埋設部16及び第2埋設部17は、六方晶構造の高配向性のグラファイトで構成されている。第1埋設部16は、略直方体形状であり、図1に示すように平面視が半導体素子11と同一の略矩形状に形成されている。第2埋設部17は、略筒形状をしており、図1に示すように平面視が第1埋設部16よりも大きい略矩形の枠状に形成されている。第1埋設部16は、略筒形状の第2埋設部17の内部に配置されており、第1埋設部16と第2埋設部16と間には放熱板の母材である銅が介在している。
The base material of the
放熱板15の全表面はその母材からなり、第1埋設部16及び第2埋設部17は放熱板15の表面に露出していない。すなわち、第1埋設部16及び第2埋設部17の表面は銅によって保護されている。そのため、放熱板15を接合部12及び絶縁体層20と接合するにあたって、第1埋設部16及び第2埋設部17を直接的に接合部12及び絶縁体層20と接着させる必要がない。したがって、第1埋設部16及び第2埋設部17に利用できる材料の幅が広がり、第1埋設部16と第2埋設部17として、他の部材と接着させにくいグラファイトを利用することができる。
The entire surface of the
図3は、第1埋設部16及び第2埋設部17の材料であるグラファイトの結晶構造を示している。図3に示すように、グラファイトは、炭素原子18が六方晶構造で結合している。すなわち、グラファイトでは、炭素原子18がa軸及びb軸方向に共有結合しており、炭素原子18が亀甲状に共有結合した複数の層が、c軸方向にファンデルワールス力で結合している。なお、以下の説明では、亀甲状に共有結合した炭素原子18の層をab平面といい、この層に沿った全ての方向をab平面方向という。図2では、第1埋設部16及び第2埋設部17のグラファイトのab平面を模式的に実線で示している。図2に示すように、第1埋設部16では、グラファイトのc軸が半導体装置10の面方向(xy平面のx軸方向)に揃っており、グラファイトのab平面が半導体装置10の厚さ方向(yz平面と平行)に沿って伸びている。また、第2埋設部17ではグラファイトのc軸が半導体装置10の厚さ方向に揃っており、グラファイトのab平面が半導体装置10の面方向に伸びている。
FIG. 3 shows the crystal structure of graphite, which is the material of the first embedded
本実施例では、放熱板15に第1埋設部16を形成することによって、半導体素子11の作動時に発生する熱を効果的に放熱するようにしており、放熱板15に第2埋設部17を形成することによって、放熱板15が面方向に熱膨張することが抑制するようにしている。この理由を、表1を参照して説明する。
表1は、グラファイトと銅の熱伝導率[W/mK]、線膨張係数[ppm/K]、及びヤング率[GPa]を示している。また、シリコンとはんだの線膨張係数[ppm/K]及びヤング率[GPa]も参考までに示している。
表1に示すように、グラファイトは、ab平面方向では、熱伝導率が1500[W/mK]と高く、ヤング率が1050[GPa]と高く、線膨張係数は−1[ppm/K]と非常に小さい。また、グラファイトでは、c軸方向の熱伝導率が10[W/mK]と低く、ヤング率が36[GPa]と低く、線膨張係数が25[ppm/K]と大きい。また、銅の熱伝導率は、394[W/mK]であり、グラファイトのab平面方向の熱伝導率よりも低いとともに、グラファイトのc軸方の熱伝導率よりも高い。銅の線膨張係数17[ppm/K]は、グラファイトのab平面方向の線膨張係数よりも大きく、グラファイトのc軸方向の線膨張係数よりも小さい。また、銅の線膨張係数及びグラファイトのc軸方向の線膨張係数は、シリコンの線膨張係数3[ppm/K]よりも大きい。また、銅は、ヤング率が120[GPa]であり、グラファイトのab平面方向のヤング率よりも低いとともに、グラファイトのc軸方向のヤング率よりも高い。したがって、銅の剛性は、グラファイトのab平面方向の剛性よりも低く、グラファイトのc軸方向の剛性よりも高い。
Table 1 shows the thermal conductivity [W / mK], linear expansion coefficient [ppm / K], and Young's modulus [GPa] of graphite and copper. Further, the linear expansion coefficient [ppm / K] and Young's modulus [GPa] of silicon and solder are also shown for reference.
As shown in Table 1, in the ab plane direction, graphite has a high thermal conductivity of 1500 [W / mK], a high Young's modulus of 1050 [GPa], and a linear expansion coefficient of -1 [ppm / K]. Very small. In graphite, the thermal conductivity in the c-axis direction is as low as 10 [W / mK], the Young's modulus is as low as 36 [GPa], and the linear expansion coefficient is as large as 25 [ppm / K]. The thermal conductivity of copper is 394 [W / mK], which is lower than the thermal conductivity in the ab plane direction of graphite and higher than the thermal conductivity in the c-axis direction of graphite. The linear expansion coefficient 17 [ppm / K] of copper is larger than the linear expansion coefficient of graphite in the ab plane direction and smaller than the linear expansion coefficient of graphite in the c-axis direction. The linear expansion coefficient of copper and the linear expansion coefficient of graphite in the c-axis direction are larger than the linear expansion coefficient of silicon [3 ppm / K]. Copper has a Young's modulus of 120 [GPa], which is lower than the Young's modulus in the ab plane direction of graphite and higher than the Young's modulus in the c-axis direction of graphite. Therefore, the rigidity of copper is lower than that of graphite in the ab plane direction and higher than that of graphite in the c-axis direction.
第1埋設部16は、上記したように、グラファイトのc軸が面方向に揃っているため、第1埋設部16では、厚さ方向の熱伝導率が1500[W/mK]と高い。一方、第1埋設部16の面方向の熱伝導率は、図1及び図2のx軸方向では10[W/mK]であり、y軸方向では1500[W/mK]である。したがって、第1埋設部16では、厚さ方向の熱伝導率が面方向の平均の熱伝導率よりも高いとともに、放熱板15の母材である銅の熱伝導率394[W/mK]よりも高い。
As described above, since the c-axis of graphite is aligned in the surface direction, the first embedded
また、第2埋設部17では、上記したように、グラファイトのc軸が半導体装置10の厚さ方向に揃っている。そのため、第2埋設部17では、面方向の線膨張係数が−1[ppm/K]と小さい。一方、第1埋設部16の面方向の線膨張係数は、図1及び図2のx軸方向では、25[ppm/K]であり、y軸方向では、−1[ppm/K]である。そのため、第2埋設部17の面方向の線膨張係数は、第1埋設部16の面方向の平均の線膨張係数よりも小さく、放熱板の母材である銅の線膨張係数17[ppm/K]よりも小さい。また、第2埋設部17では、面方向のヤング率が1050[GPa]である。一方、第1埋設部16の面方向のヤング率は、図1及び図2のx軸方向では、36[GPa]であり、y軸方向では、1050[GPa]である。したがって、第2埋設部17の面方向の剛性は、第1埋設部16の面方向の平均の剛性よりも高く、銅の剛性(ヤング率120[GPa])よりも高い。
上記では面内の全方位について平均した面方向の線膨張係数とヤング率で説明したが、第1埋設部16の線膨張係数が大きい方向(この場合x軸方向)において、第2埋設部17の線膨張係数が第1埋設部16の線膨張係数よりも小さく、第2埋設部17のヤング率が第1埋設部16のヤング率よりも大きい関係に設定されていれば、第2埋設部17によって第1埋設部16が面方向に膨張することを抑制することができる。本実施例の場合、y軸方向にはもともと第1埋設部16の線膨張係数が小さく、第2埋設部17で膨張を抑える必要がない。第1埋設部16は専らx軸方向に伸びようとする。x軸方向では、第2埋設部17の線膨張係数が−1[ppm/K]であり、第1埋設部16の線膨張係数である25[ppm/K]よりも小さい。また、x軸方向では、第2埋設部17のヤング率が1050[GPa]であり、第1埋設部16のヤング率である36[GPa]よりも大きい。本実施例では、第1埋設部16が伸びやすいx軸方向において、伸びにくくて強い第2埋設部17で伸びにくくしているということができる。
In the second embedded
In the above description, the linear expansion coefficient and Young's modulus in the plane direction averaged over all in-plane directions have been described. However, in the direction in which the linear expansion coefficient of the first embedded
次に、半導体素子11の作動時での半導体素子11の熱伝導態様及び熱変形状態を図2及び図4を参照して説明する。なお、図2の実線矢印は、放熱板15内での熱の流れを示しており、破線矢印は、第1埋設部16及び第2埋設部17の熱膨張しやすい方向を示している。
Next, the heat conduction mode and thermal deformation state of the
半導体素子11が作動すると、半導体素子11が発熱する。半導体素子11で発生する熱は、接合部12を通じて放熱板15に伝導する。放熱板15では、上記したように、第1埋設部16が半導体素子11に対応する部位に形成されている。第1埋設部16は厚さ方向の熱伝導率が面方向の熱伝導率よりも高い。そのため、放熱板15に伝導した熱は、第1埋設部16を通じて、冷却器25側へと伝導する。また、第1埋設部16の厚さ方向の熱伝導率は、銅の熱伝導率よりも高いため、放熱板15の中央領域に第1埋設部16を設けない(中央領域を母材の銅のみで構成する)場合よりも、熱が半導体素子11側から冷却器25側へと伝導されやすくなる。これにより、半導体素子11で発生する熱を、冷却器25の下側を流れる冷却媒体に効率よく放熱することができる。また、第2埋設部17では、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い。そのため、半導体素子11から放熱板15へ伝導した熱の一部が、図2の実線矢印に示すように、第2埋設部17を通じて放熱板15の外縁側に向かって伝導する。また、熱の一部は、放熱板15の母材からなる部位を通じて冷却器25へと伝導する。
When the
第1埋設部16は、上記のように、面方向の平均の線膨張係数が大きいため、面方向に熱膨張しやすい。第1埋設部16は、詳細には、x軸方向の線膨張係数が大きいため、図2の破線矢印に示す方向に熱膨張しやすい。また、銅の熱膨張係数も比較的大きいため、半導体素子11で発生する熱により放熱板15の母材も熱膨張しやすい。一方、第2埋設部17は、上記したように、面方向の線膨張係数が第1埋設部16の面方向の線膨張係数及び銅の線膨張係数よりも小さく、熱膨張しにくい。また、第2埋設部17の面方向の剛性が、第1埋設部16の平均の面方向の剛性及び銅の剛性よりも高い。そのため、半導体素子11で発生する熱が放熱板15に伝導することによって、放熱板15の中央領域の銅と第1埋設部16とが面方向に熱膨張しようとしても、その熱膨張が第1埋設部16の周囲に位置する第2埋設部17によって抑制される。なお、第2埋設部17は、厚さ方向の線膨張係数が大きいため、図2の破線に示すように、厚さ方向に膨張しやすい。また、第1埋設部16は、厚さ方向の線膨張係数が小さい。
Since the first buried
したがって、半導体素子11が発熱すると、放熱板15は図4に示すように変形する。すなわち、放熱板15は、外周領域に形成される第2埋設部17によって、面方向に大きく膨張することを抑制することができる。そのため、半導体素子11と放熱板15との熱膨張の差異が軽減され、接合部12に応力が作用することを抑制することができる。これにより、接合部12に亀裂等が生じることによって接合部12が劣化することをより適切に抑制することができる。また、半導体素子11と放熱板15との面方向の熱膨張の差異に起因して、半導体装置10が面方向に反ることも抑制することができる。なお、図4に示すように、第2埋設部17は、厚さ方向に熱膨張する。しかしながら、放熱板15の外周領域には半導体素子11が積層されておらず、また厚さ方向の熱膨張は接合部12の応力として作用しない。したがって、放熱板15の外周領域が厚さ方向で熱変形したとしても、この熱変形によって接合部12に作用する応力は変化しないことから、接合部12の劣化は抑制される。
Therefore, when the
(実施例2)
次に、図5を参照して実施例2の半導体装置30を説明する。なお、図5においても、放熱板35における熱の流れを実線矢印で示し、第1埋設部36及び第2埋設部37の熱膨張しやすい方向を破線矢印で示している。本実施例の半導体装置30は、放熱板35の構成が実施例1の放熱板15と異なる。その他の構成は、実施例1と同じであるため、同じ構成の部材については実施例1と同じ符号で示し、その説明を省略する。
(Example 2)
Next, the
本実施例では、放熱板35の中央領域に、複数の第1埋設部36が形成されており、この点が実施例1と異なっている。第1埋設部36は、実施例1と同様に、グラファイトのc軸が面方向(xy平面のx軸方向)に揃っており、グラファイトのab平面が図6のyz平面に沿って伸びている。そのため、上記したようにx軸方向の線膨張係数が、放熱板35の母材である銅の線膨張係数よりも大きい。第1埋設部36のy軸方向の長さは、実施例1の第1埋設部16の長さと同じ長さであり、半導体素子11のy軸方向の長さと同じ長さである。第1埋設部36のx軸方向の長さは、実施例1の第1埋設部16の長さよりも短く、第1埋設部36は、x軸方向に複数配列されている。なお、図5に示す例では、第1埋設部36のx軸方向の長さは、実施例1の第1埋設部16のx軸方向の長さの1/3未満の長さであり、3つの第1埋設部36が、第1埋設部36と放熱板の母材からなる部位とがx軸方向に沿って交互に出現するように形成されている。放熱板35の外周領域に形成される第2埋設部37は、実施例1の第2埋設部17と同じ構成である。
In the present embodiment, a plurality of first embedded
放熱板35の中央領域の全体に第1埋設部36が形成されている場合には、第2埋設部37によって中央領域の周囲から熱膨張が抑制されているとはいえ、第1埋設部36のx軸方向の線膨張係数が大きいことから、放熱板35がx軸方向に熱膨張しやすくなる。この点、本実施例では、中央領域の全体に第1埋設部36を形成するのではなく、x軸方向に第1埋設部36と銅からなる部位とが交互に出現するように形成されているため、放熱板35のx軸方向の熱膨張をより適切に抑制することができる。したがって、接合部12の劣化をより適切に抑制することができる。なお、その他の構成及び作用効果は実施例1と同じである。
When the first embedded
(実施例3)
次に、図6を参照して実施例3の半導体装置40を説明する。なお、図6においても、放熱板45における熱の流れを実線矢印で示し、第1埋設部46及び第2埋設部47a,47b,47cの熱膨張しやすい方向を破線矢印で示している。本実施例の半導体装置40は、放熱板45の構成が上記各実施例の放熱板15,25と異なる。その他の構成は、実施例1と同じであるため、同じ構成の部材については実施例1と同じ符号で示し、その説明を省略する。
(Example 3)
Next, the
本実施例では、放熱板45の中央領域に形成される第1埋設部46は、実施例1の第1埋設部16と同じ構成である。放熱板45の外周領域には、複数の第2埋設部47a,47b,47cが形成されており、この点が実施例1と異なっている。各第2埋設部47a,47b,47cでは、実施例1と同様に、グラファイトのc軸が半導体装置40の厚さ方向に揃っているため、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高いとともに、その厚さ方向の熱伝導率が母材の熱伝導率よりも低い。
In the present embodiment, the first embedded
図6に示す例では、放熱板45の外周領域に、内側第2埋設部47a、中間第2埋設部47b、及び外側第2埋設部47cの3つの第2埋設部が形成されており、これらが放熱板45の中央領域側から外縁に向かって順に配列されている。各第2埋設部47a,47b,47cの平面視は、図示を省略するが、いずれも略矩形の枠形状である。各第2埋設部47a,47b,47cは、面方向の長さがいずれも同じ長さであり、実施例1の第2埋設部16の面方向の長さの1/3未満の長さである。また、各第2埋設部47a,47b,47cは、厚さ方向の長さがいずれも同じ長さであり、実施例1の第2埋設部16の長さと同じ長さである。放熱板45の外縁側に最も近い外側第2埋設部47cの内側に、中間第2埋設部47bが収容され、その内側に内側第2埋設部47aが収容されている。各第2埋設部47a,47b,47cの間には、放熱板45の母材である銅からなる部位が介在している。3つの第2埋設部47a,47b,47cは、その第2埋設部47a,47b,47cと放熱板45の母材である銅からなる部位とが面方向(x軸方向及びy軸方向)に交互に出現するように形成されている。
In the example shown in FIG. 6, three second embedded portions of an inner second embedded
本実施例では、放熱板45の外周領域では、半導体素子11から放熱板45に伝導した熱が、まず内側第2埋設部47aを面方向に伝導する。その熱が放熱板45の銅からなる部位に達すると、その熱の一部が、この銅からなる部位を通じて冷却器25に向かう方向に伝導するとともに、残りの熱が、中間第2埋設部47bを通じて面方向に伝導する。さらに、熱が中間第2埋設部47bを伝導して放熱板45の銅からなる部位に達すると、その熱の一部が、この銅からなる部位を通じて冷却器に向かう方向に伝導するとともに、残りの熱が、外側第2埋設部47cを通じて面方向に伝導する。このような態様で、放熱板45の外周領域では、熱が各第2埋設部47a,47b,47cを通じて面方向に伝導するとともに、銅からなる部位を冷却器25側へと伝導する。本実施例の放熱板35の外周領域では、実施例1の放熱板15の外周領域よりも銅からなる部位が多いため、放熱板45に伝導した熱を冷却器25へ効率よく伝導することができる。その結果、半導体素子11をより効果的に冷却することができる。なお、その他の構成及び作用効果は実施例1と同じである。
In the present embodiment, in the outer peripheral region of the
(実施例4)
次に、図7を参照して実施例4の半導体装置50を説明する。なお、図7においても、放熱板55における熱の流れを実線矢印で示し、第1埋設部56及び第2埋設部57a,57b,57cの熱膨張しやすい方向を破線矢印で示している。本実施例の半導体装置50は、放熱板55の構成が上記各実施例の放熱板15,25,35と異なる。その他の構成は、実施例1と同じであるため、同じ構成の部材については実施例1と同じ符号で示し、その説明を省略する。
Example 4
Next, the
本実施例では、放熱板55の中央領域に形成される第1埋設部56は、実施例1の第1埋設部16と同じ構成である。放熱板55の外周領域には、複数の第2埋設部57a,57b,57cが形成されている。図7に示す例では、放熱板55の中央領域に、内側第2埋設部57b、中間第2埋設部57b、及び外側第2埋設部57cの3つの第2埋設部が形成されている。各第2埋設部57a,57b,57cは、図示を省略するが平面視が枠形状であり、面方向の長さが、実施例3の第2埋設部47a,47b,47cの長さと同じである。一方、各第2埋設部57a,57b,57cは、厚さ方向の長さが、放熱板55の外縁に近いほど長い。その結果、放熱板55の外周領域では、中央領域に近い部位ほど銅からなる部位の厚さ方向の長さが長くなっている。
In the present embodiment, the first embedded
放熱板55の外周領域では、放熱板55の外縁側よりも中央領域側のほうが、半導体素子11に近接しているため、半導体素子11の熱が伝導されやすく、高温となりやすい。本実施例では、放熱板55の外周領域のうち半導体素子11の熱が伝導されやすい部位で、放熱板55の銅からなる部位の厚さ方向の長さが長いため、半導体素子11から放熱板55に伝導された熱を銅からなる部位を通じて冷却器25へ効率的に伝導することができる。また、各第2埋設部57a,57b,57cは、放熱板55の外縁に近いほど厚さ方向に長いため、放熱板55の外縁では面方向の熱膨張を抑制することができる。したがって、放熱板55の外縁の内側に位置する領域においても放熱板55の面方向の熱膨張を抑制することができるため、結果的に放熱板55全体としての面方向の熱膨張を抑制することができる。なお、その他の構成及び作用効果は実施例3と同じである。
In the outer peripheral region of the
実施例4では、放熱板55に複数の第2埋設部57a,57b,57cが形成されていが、実施例4の変形例として、放熱板に1つの第2埋設部を形成することによっても、第2埋設部の厚さ方向の長さを放熱板の外縁に近いほど長い構成とすることができる。例えば、第2埋設部の下面を傾斜状としたり段差状としたりすることによって、放熱板の外縁ほど厚さ方向の長さを長くすることができる。
In the fourth embodiment, the plurality of second embedded
(実施例5)
次に、図8を参照して実施例5の半導体装置60を説明する。本実施例では、放熱板61の母材としてアルミニウム(Al(1000))を用いている。また、接合部12と放熱板61との間に、DBA(Direct Brazed Aluminum)層64が形成されている。また、放熱板61が冷却器25に直接接合している。これらの点が実施例1と異なっているが、その他の構成は、実施例1と同じであるため、同じ構成の部材については実施例1と同じ符号で示し、その説明を省略する。
(Example 5)
Next, a
DBA層64は、アルミニウム(Al(4N))からなる第1層65と、絶縁体である窒化アルミニウムからなる第2層66と、アルミニウムから(Al(4N))なる第3層67とが、ろう付けによって積層されている。放熱板61の中央領域に第1埋設部62が形成されているとともに、外周領域に第2埋設部63が形成されている。第1埋設部62及び第2埋設部63の構成は、実施例1の第1埋設部16及び第2埋設部17と同じである。冷却器25は、高強度のアルミニウム(Al(3000))からなる。
The DBA layer 64 includes a
表2に、アルミニウムの物性を示す。
放熱板61の母材であるアルミニウムの線膨張率は、23[ppm/K]であり、半導体素子11を構成するシリコンよりも線膨張率大きく、第2埋設部63の面方向の線膨張係数よりも大きい。また、アルミニウムのヤング率は65[GPa]であり、アルミニウムの剛性は、第2埋設部63の面方向の剛性よりも低い。また、第1埋設部16の厚さ方向の熱伝導率は、アルミニウムの熱伝導率237[W/Km]よりも高い。したがって、本実施例においても、実施例1と同様に、第1埋設部62を通じて冷却器25への伝導させることができる。また、放熱板61の面方向の熱膨張を第2埋設部63よって抑制して、接合部12の劣化をより適切に抑制することができる。なお、その他の作用効果は、実施例1と同じである。
The linear expansion coefficient of aluminum which is the base material of the
(実施例6)
次に、図9を参照して実施例6の半導体装置70を説明する。本実施例では、半導体素子11において、放熱板15が積層されている面と反対側の面にも、基板としての電極72が接合部71を介して積層されている点が、上記各実施例と異なっている。その他の構成は、実施例1と同じであるため、同じ構成の部材については実施例1と同じ符号で示し、その説明を省略する。
(Example 6)
Next, a
半導体素子11は、図示しないワイヤを介して電極72に接続されている。半導体素子の表面に電極が露出している場合には、その表面電極と電極72を導電性接合部(例えばはんだ)71で接合してもよい。電極72の母材は銅である。電極72では、半導体素子11の積層範囲である中央領域に、第1埋設部73が形成されており、中央領域の周囲の外周領域に第2埋設部74が形成されている。なお、図9に示す例では、電極72の中心が半導体素子11の中心に対して、紙面右側にずれているため、電極72の中央領域は、電極72の中心に対して紙面左側にずれている。半導体素子11と電極72とが積層されている方向を厚さ方向とし、その方向と直交する方向を面方向とする。第1埋設部73は、グラファイトのc軸が面方向に揃っており、グラファイトのab平面が厚さ方向(yz平面と平行)に伸びている。また、第2埋設部74ではグラファイトのc軸が厚さ方向に揃っており、グラファイトのab平面が半導体装置の面方向に伸びている。
The
本実施例では、半導体素子11が作動して発熱すると、その熱が放熱板15と電極72との双方を通じて放熱される。電極72では、第1埋設部73を通じて熱が厚さ方向に伝導し、電極72を通じて半導体素子11の熱が放熱される。また、電極72は、外周領域に第2埋設部74が形成されているため、電極72の面方向の熱膨張を適切に抑制することができ、接合部71の劣化を抑制することができる。なお、その他の作用効果は実施例1と同じである。
In this embodiment, when the
(実施例7)
次に、図10を参照して実施例7の半導体装置80を説明する。図10は、実施例7の半導体装置80の平面視である。なお、図10では、絶縁体層と冷却器を省略して示している。上記各実施例では、放熱板上に一つの半導体素子が積層されている例を説明したが、本実施例では、放熱板85上に複数の半導体素子81,82が積層されている。図10に示す例では、放熱板85上に、2つのIGBT81と2つのダイオード82が積層されている。各IGBT81と放熱板85との間には図示しない接合部が介在しているとともに、各ダイオード82と放熱板85との間には図示しない接合部が介在している。接合部は、はんだ等で構成されている。
(Example 7)
Next, a
放熱板85には、各IGBT81の積層範囲である第1中央領域にIGBT81放熱用の第1埋設部86が形成されており、各ダイオード82の積層範囲である第2中央領域にダイオード82放熱用の第1埋設部87が形成されている。放熱板85の第1中央領域及び第2中央領域の周囲である外周領域には、第2埋設部88が形成されている。第2埋設部88は、平面視が4つの枠を有する枠形状に形成されており、それぞれの枠の内部に各第1埋設部86,87がそれぞれ収容されている。各第1埋設部86,87は、グラファイトのab平面が厚さ方向(yz平面と平行)に伸びている。また、第2埋設部88ではグラファイトのc軸が厚さ方向に揃っており、グラファイトのab平面が面方向に伸びている。
The
本実施例では、各IGBT81及び各ダイオード82が作動して発熱すると、その熱が第1埋設部86,87通じて熱が厚さ方向に伝導し、各IGBT81及び各ダイオード82で発生する熱が放熱される。また、外周領域に第2埋設部88が形成されているため、放熱板85が面方向の熱膨張を適切に抑制することができ、接合部が劣化することをより適切に抑制することができる。なお、その他の作用効果は実施例1と同じである。
In this embodiment, when each
(実施例8)
次に、図11を参照して実施例8の半導体装置90を説明する。図11は、実施例8の半導体装置90の平面視であり、絶縁体層と冷却器を省略して示している。本実施例では、実施例7と同様に、放熱板95上に2つのIGBT81と2つのダイオード82が積層されており、これらの半導体素子81,82は図示しない接合部を解して放熱板95に接合されている。本実施例では、放熱板95の構成が実施例7の放熱板85と異なるが、その他の構成は実施例7と同じである。
(Example 8)
Next, a
放熱板95には、各IGBT81の積層範囲である第1中央領域にIGBT81放熱用の第1埋設部96が形成されており、各ダイオード82の積層範囲である第2中央領域にダイオード82放熱用の第1埋設部97が形成されている。各第1埋設部96,97の構成は、実施例7の各第1埋設部86,87の構成と同じである。放熱板85の第1中央領域及び第2中央領域の周囲である外周領域には、複数の第2埋設部99が形成されている。本実施例では、第2埋設部99の形成態様が実施例7と異なる。複数の第2埋設部99は、平面視が略矩形状の直方体状である。第2埋設部99は、第1埋設部96,97の厚さ方向に伸びる4つの各側面に対応して、第1埋設部96,97の周囲の4箇所に配置されている。第1埋設部96,97の厚さ方向に伸びる4つの各側面と第2埋設部99の第1埋設部96,97側で厚さ方向に伸びる側面とは略同じ形状である。第1埋設部96,97の厚さ方向に伸びる4つの各側面と第2埋設部99の第1埋設部96,97側で厚さ方向に伸びる側面とが、放熱板95の母材である銅からなる部位を介して対向している。
The
本実施例では、各IGBT81及び各ダイオード82が作動して発熱すると、その熱が第1埋設部96,97通じて熱が厚さ方向に伝導し、各IGBT81及び各ダイオード82で発生する熱が放熱される。また、放熱板95は、外周領域に第2埋設部99が形成されているため、放熱板95が面方向の熱膨張を適切に抑制することができ、接合部が劣化することをより適切に抑制することができる。なお、その他の作用効果は実施例1と同じである。
In this embodiment, when each
(実施例9)
次に、図12を参照して実施例9の半導体装置100を説明する。図12は、実施例9の半導体装置100の平面視であり、絶縁体層と冷却器を省略して示している。本実施例では、実施例7と同様に、放熱板105上に2つのIGBT81と2つのダイオード82が積層されており、これらの半導体素子81,82は図示しない接合部を解して放熱板105に接合されている。本実施例では、放熱板105の構成が実施例7の放熱板85と異なるが、その他の構成は実施例7と同じである。
Example 9
Next, the
放熱板105には、第1埋設部106が、各IGBT81の積層範囲である第1中央領域と、各ダイオード82の積層範囲である第2中央領域とに亘ってy軸方向に伸びており、放熱板105の外周領域の一部にも形成されている。また、第2埋設部107は、放熱板105の外周領域において、第1埋設部106を挟むようにy軸方向に伸びている。第1埋設部106は、c軸が面方向(xy平面のy軸方向)に揃っており、グラファイトのab平面が厚さ方向(xz平面と平行)に伸びている。第2埋設部107は、グラファイトのc軸が厚さ方向に揃っており、グラファイトのab平面が面方向に伸びている。したがって、第1埋設部106は、面方向のうちx軸方向については、線膨張係数が第2埋設部107の面方向の線膨張係数と同じである。そのため、半導体素子81,82の発熱時に、半導体素子81,82に対して第1埋設部106がx軸方向に大きく熱膨張することはない。なお、第1埋設部106は面方向のうちy軸方向の線膨張係数は大きい。しかしながら、第1埋設部106の両側には、面方向(x軸方向及びy軸方向の双方)に線膨張係数が小さい第2埋設部107が形成されている。したがって、第1埋設部106が半導体素子81,82の発熱時にy軸方向に熱膨張しようとしても、その両側の第2埋設部107がy軸方向に熱膨張しにくいことから、第1埋設部106のy軸方向の熱膨張が抑制される。このように、本実施例では、第1埋設部106の全周囲を第2埋設部107で囲うことなく、放熱板105の熱膨張を抑制することができる。また、本実施例では、実施例7よりも第1埋設部106を大きく形成することができるため、半導体素子81,82の放熱をより効果的に行うことができる。
In the
(その他の実施例)
上記各実施例では、第1埋設部及び第2埋設部の材料として、グラファイトを用いているが、第1埋設部及び第2埋設部の材料として、その他の材料を用いるようにしてもよい。また、上記各実施例では、第1埋設部の面方向において、x軸方向とy軸方向の熱伝導率、線膨張係数、及びヤング率が異なっているが、第1埋設部は、面方向の全ての方向において熱伝導率、線膨張係数、及びヤング率が同じであってもよい。
(Other examples)
In each of the above embodiments, graphite is used as the material of the first embedded portion and the second embedded portion, but other materials may be used as the material of the first embedded portion and the second embedded portion. Moreover, in each said Example, although the thermal conductivity of a x-axis direction and a y-axis direction, a linear expansion coefficient, and a Young's modulus differ in the surface direction of a 1st embedding part, a 1st embedding part is a surface direction. The thermal conductivity, linear expansion coefficient, and Young's modulus may be the same in all directions.
以上、本明細書に開示される技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
As mentioned above, although the specific example of the technique disclosed by this specification was demonstrated in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
In addition, the technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
10,30,40,50,60,70,80,90,100:半導体装置
11:半導体素子
12,71:接合部
15,35,45,55,61,85,95:放熱板
16,36,46,56,62,73,86,87,96,97,106:第1埋設部
17,37,47a,47b,47c,57a,57b,57c,63,74,88,99,107:埋設部
18:炭素原子
20:絶縁体層
25:冷却器
26:冷却板
27:フィン
62:DBA層
65:第1層
66:第2層
67:第3層
72:電極
81:IGBT
82:ダイオード
10, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100: Semiconductor device 11:
82: Diode
Claims (6)
前記基板は、前記半導体素子の積層範囲に対応する中央領域と、その中央領域の周囲に伸びている外周領域を備えており、
前記半導体素子と前記基板とが積層されている方向を厚さ方向とし、その厚さ方向と直交する面に沿った方向を面方向とした場合に、
前記基板の前記中央領域に、厚さ方向の熱伝導率が面方向の熱伝導率及び前記基板の母材の熱伝導率よりも高い第1埋設部が形成されているとともに、前記基板の前記外周領域に、面方向の線膨張係数が前記第1埋設部の面方向の線膨張係数及び前記基板の母材の線膨張係数よりも小さく且つ面方向の剛性が前記第1埋設部の面方向の剛性及び前記基板の母材の剛性よりも高い第2埋設部が形成されていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor element, a substrate directly or indirectly stacked on the semiconductor element, and the semiconductor element and the substrate are interposed between the semiconductor element and the substrate, and the relative positional relationship between the semiconductor element and the substrate is fixed. And a joining portion to be
The substrate includes a central region corresponding to the stacking range of the semiconductor elements, and an outer peripheral region extending around the central region,
When the direction in which the semiconductor element and the substrate are stacked is the thickness direction, and the direction along the surface perpendicular to the thickness direction is the surface direction,
In the central region of the substrate, a first embedded portion having a thermal conductivity in the thickness direction higher than the thermal conductivity in the plane direction and the thermal conductivity of the base material of the substrate is formed, and the In the outer peripheral region, the linear expansion coefficient in the surface direction is smaller than the linear expansion coefficient in the surface direction of the first embedded portion and the linear expansion coefficient of the base material of the substrate, and the rigidity in the surface direction is the surface direction of the first embedded portion. And a second embedded portion higher than the rigidity of the base material of the substrate is formed.
前記基板の前記中央領域では、複数個の前記第1埋設部が、その第1埋設部と前記基板の母材からなる部位とが前記1方向に沿って交互に出現するように形成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置。 The first embedded portion has a linear expansion coefficient in at least one direction in the plane larger than the linear expansion coefficient of the base material of the substrate,
In the central region of the substrate, a plurality of the first embedded portions are formed such that the first embedded portions and the portions made of the base material of the substrate appear alternately along the one direction. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a semiconductor device.
前記第2埋設部の面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高いとともに、その厚さ方向の熱伝導率が前記基板の母材の熱伝導率よりも低く、
前記基板の前記外周領域に、複数個の前記第2埋設部が、その第2埋設部と前記基板の母材からなる部位とが面方向に交互に出現するように形成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置。 The surface of the substrate opposite to the side where the semiconductor elements are stacked is bonded to a cooler,
The thermal conductivity in the surface direction of the second embedded portion is higher than the thermal conductivity in the thickness direction, and the thermal conductivity in the thickness direction is lower than the thermal conductivity of the base material of the substrate,
A plurality of the second embedded portions are formed in the outer peripheral region of the substrate such that the second embedded portions and the portions made of the base material of the substrate appear alternately in the surface direction. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4.
前記第2埋設部の面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高いとともに、その厚さ方向の熱伝導率が前記基板の母材の熱伝導率よりも低く、
前記基板の外縁に近いほど前記第2埋設部の厚さ方向の長さが長いことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体装置。 The surface of the substrate opposite to the side where the semiconductor elements are stacked is bonded to a cooler,
The thermal conductivity in the surface direction of the second embedded portion is higher than the thermal conductivity in the thickness direction, and the thermal conductivity in the thickness direction is lower than the thermal conductivity of the base material of the substrate,
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein a length of the second embedded portion in a thickness direction is longer as it is closer to an outer edge of the substrate.
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