CN102804368B - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够适当地缓和因绝缘基板和冷却器之间的线膨胀率差异产生的应力并且能够适当地冷却半导体元件的热的半导体装置。半导体装置(1)包括绝缘基板(60)、配置在所述绝缘基板(60)上的半导体元件(71)、冷却器(10)、以及配置在所述绝缘基板(60)与所述冷却器(10)之间的多孔金属板(50)。所述多孔金属板(50)的通孔(51)是至少朝向多孔金属板(50)的朝向所述冷却器侧的面(50c)开口的孔，并且具有随着从冷却器侧向绝缘基板侧所述孔的截面逐渐缩小的形状。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及一种半导体装置，具体地涉及包括对半导体元件产生的热进行冷却的冷却器的半导体装置。
背景技术
具有电力转换功能的逆变器装置被用作混合动力汽车等的电源。逆变器装置包括多个半导体元件作为开关元件。该逆变器装置的半导体元件随着电力转换等发热，因此需要被主动地冷却。因此，提出了包括对半导体元件产生的热进行冷却的冷却机构的半导体装置(例如，参照专利文献1)
在先技术文献
专利文献1：特开2002-237556号公报
专利文献1中披露了包括绝缘基板、配置在该绝缘基板上的半导体元件、冷却单元、以及配置在绝缘基板与冷却单元之间的多孔金属板的半导体装置。多孔金属板中形成有多个圆柱形状的通孔，该通孔从多孔金属板的朝向绝缘基板侧的面贯穿多孔金属板而抵达从多孔金属板的朝向冷却单元侧的面。这样的多孔金属板因通孔的存在而刚性较低，从而容易发生变形。因此，专利文献1中记载了下面的方案：通过将该多孔金属板配置在绝缘基板与冷却单元之间，能够吸收线膨胀率小的绝缘基板和线膨胀率大的冷却单元(散热板)的热延展的差异，从而能够缓和应力。
发明内容
本发明所要解决的问题
然而，如果为了缓和因绝缘基板和冷却单元之间的线膨胀率差异产生的应力，而形成很多贯穿多孔金属板的圆柱形状的通孔，则多孔金属板的热容量及导热性会降低。因此，在多孔金属板中，从半导体元件向绝缘基板传递的热可能不能适当地传递到冷却单元(冷却器)。特别是，在半导体元件中瞬间产生大量的热的情况下，从半导体元件向绝缘基板传递的热可能不能被多孔金属板完全地吸收。如此，专利文献1的半导体装置可能不能适当地冷却半导体元件的热。
本发明是有鉴于现状而作出的，其目的是提供能够适当地缓和因绝缘基板和冷却器之间的线膨胀率差异产生的应力并且能够适当地冷却半导体元件的热的半导体装置。
用于解决技术问题的手段
(1)本发明的一个方式是一种半导体装置，包括：绝缘基板、配置在所述绝缘基板上的半导体元件、冷却器、以及多孔金属板，所述多孔金属板上形成有多个孔并且被配置在所述绝缘基板与所述冷却器之间，在所述半导体装置中，所述多孔金属板的所述孔是至少在所述多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面上开口的孔，并且具有所述孔的截面(截面面积)随着从所述冷却器侧朝向所述绝缘基板侧而逐渐缩小的形状。
在上述的半导体装置中，多孔金属板被配置在绝缘基板与冷却器(具有比绝缘基板大的线膨胀率)之间。而且，多孔金属板的孔至少在多孔金属板朝向的冷却器侧的面上开口。在这样的多孔金属板中，至少多孔金属板的冷却器侧的部位的刚性降低，使得多孔金属板的冷却器侧的部位易于发生变形。如此，通过使多孔金属板的冷却器(热延展比绝缘基板大的部件)侧的部位的刚性降低，在多孔金属板中能够吸收绝缘基板与冷却器之间的热延展差异，并且能够适当地缓和因绝缘基板和冷却器之间的线膨胀率差异产生的应力。
而且，多孔金属板的孔具有如下形状：随着从冷却器侧朝向绝缘基板侧，所述孔的截面(沿与多孔金属板的厚度方向正交的方向剖开多孔金属板时的所述孔的截面)逐渐缩小。如此，在多孔金属板中，即使在绝缘基板(线膨胀率较小的部件，即热延展较小的部件)侧的部位上的孔的截面减小，只要在冷却器(线膨胀率大的部件、即热延展大的部件)侧的部位上的孔的截面增大，也能够缓和因绝缘基板与冷却器之间的线膨胀率差异产生的应力。
另外，由于靠近作为热源的半导体元件的部位(绝缘基板侧的部位)上的孔的截面减小，因此能够提高多孔金属板的热容量及导热性。而且，即使在半导体元件中瞬间产生大量的热的情况下，由于多孔金属板在绝缘基板侧的部位的热容量提高，在多孔金属板中也能够适当地吸收从半导体元件向绝缘基板传递的热。由此，在上述的半导体装置中，能够适当地冷却半导体元件的热。
此外，作为“至少在多孔金属板的朝向冷却器侧的面上开口的孔”，例如，可列举“从多孔金属板的朝向绝缘基板侧的面(表面)贯穿多孔金属板而抵达多孔金属板的朝向冷却器侧的面(背面)的通孔(在多孔金属板的表面和背面上开口的通孔)”、以及“仅在多孔金属板的朝向冷却器侧的面(背面)上开口的有底孔”。
(2)此外，在(1)中记载的半导体装置可以是如下的半导体装置，所述多孔金属板的所述孔为圆锥形状和圆锥台形状中的任一者。
在上述的半导体装置中，多孔金属板的孔形成为圆锥形状或圆锥台形状。详细地，选择圆锥形状或圆锥台形状作为随着从冷却器侧朝向绝缘基板侧而所述孔的截面逐渐缩小的形状。圆锥形状或圆锥台形状的孔容易形成。例如，通过使用具有圆锥形状或圆锥台形状刀片的钻头对金属板进行切削加工，能够制作出具有圆锥形状或圆锥台形状的孔的多孔金属板。因此，上述的半导体装置的成本很低。
(3)此外，在(1)或(2)中记载的导体装置可以是如下的半导体装置，所述多孔金属板的所述孔是通孔，该通孔从所述多孔金属板的朝向所述绝缘基板侧的面起，贯穿所述多孔金属板而抵达所述多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面。
在上述的半导体装置中，多孔金属板的孔形成为从多孔金属板的朝向绝缘基板侧的面(表面)起贯穿多孔金属板而抵达多孔金属板的朝向冷却器侧的面(背面)。具有这样的通孔的多孔金属板的刚性很低，而易于发生变形。因此，能够适当地缓和因绝缘基板和冷却器之间的线膨胀率差产生的应力。
(4)此外，在(3)中记载的半导体装置可以是如下的半导体装置，所述半导体装置具有被配置在所述孔的内部的导热体，所述导热体与所述多孔金属板的所述通孔的侧面存在间隙，并且所述导热体具有从所述多孔金属板的朝向所述绝缘基板侧的面延伸至所述多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面的形态。
在上述的半导体装置中，导热体被配置在多孔金属板的孔(通孔)的内部。该导热体具有从多孔金属板的朝向绝缘基板侧的面(表面)延伸至多孔金属板的朝向冷却器侧的面(背面)的形态。因此，导热体也配置在绝缘基板与冷却器之间，由此，从半导体元件向绝缘基板传递的热除经由多孔金属板传递到冷却器以外，也可经由该导热体传递到冷却器。由此，从半导体元件向冷却器的导热性提高，从而能够提高半导体元件的冷却性能。
而且，该导热体也在与多孔金属板的孔(通孔)的侧面存在间隙的状态下被配置在孔(通孔)的内部。因此，当多孔金属板发生变形时，导热体不会妨碍多孔金属板的变形。由此，通过多孔金属板能够适当地缓和因绝缘基板和冷却器之间的线膨胀率差异产生的应力。
(5)此外，在(1)或(2)中记载的半导体装置可以是如下的半导体装置，所述多孔金属板的所述孔是仅在该多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面上开口的有底孔。
在上述的半导体装置中，多孔金属板的孔形成为仅在其朝向冷却器侧的面(背面)上开口的有底孔。由此，多孔金属板的朝向绝缘基板侧的面(表面)上不再存在孔的开口，因此能够提高多孔金属板在靠近作为热源的半导体元件的部位(绝缘基板侧的部位)的热容量及导热性。由此，能够提高半导体元件的冷却性能。
此外，在多孔金属板中，即使在面向线膨胀率较小(即，热延展较小)的绝缘基板侧的面(表面)上孔不开口，只要在面向线膨胀率较大的(即，热延展较大)冷却器侧的面(背面)上具有孔的开口，也能够适当地缓和因绝缘基板和冷却器之间的线膨胀率差异产生的应力。
(6)此外，在(5)中记载的半导体装置可以是如下的半导体装置，所述半导体装置具有被设置在所述孔的内部的导热体，所述导热体与所述多孔金属板的所述有底孔的侧面存在间隙，并且所述导热体具有从所述多孔金属板的所述有底孔的底面延伸至所述多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面的形态。
在上述的半导体装置中，导热体被配置在多孔金属板的孔(有底孔)的内部。该导热体具有从多孔金属板的孔(有底孔)的底面延伸至朝向冷却器侧的面(背面)的形态。因此，导热体也配置在绝缘基板与冷却器之间，由此，从半导体元件向绝缘基板传递的热除经由多孔金属板传递到冷却器以外，也可经由该导热体传递到冷却器。由此，从而能够提高半导体元件的冷却性能。
而且，该导热体也在与多孔金属板的孔(有底孔)的侧面存在间隙的状态下被配置在孔(有底孔)的内部。因此，当多孔金属板发生变形时，导热体不会妨碍多孔金属板的变形。由此，通过多孔金属板能够适当地缓和因绝缘基板和冷却器之间的线膨胀率差异产生的应力。
(7)此外，在(1)中记载的半导体装置可以是如下的半导体装置，所述多孔金属板包括主体部以及与所述主体部一体地连结的导热部，所述导热部的侧面被所述孔包围，从所述多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面延伸至所述绝缘基板侧。
在上述的半导体装置中，多孔金属板包括主体部、以及具有被所述孔(所述通孔或所述有底孔)包围的侧面的从多孔金属板的面向冷却器侧的面(背面)延伸至绝缘基板侧的导热部。这是因为：这种形态的多孔金属板能够起到与(4)或(6)中记载的半导体装置中的“多孔金属板+导热体”同样的作用效果。上述的多孔金属板的“主体部”相当于(4)或(6)的“多孔金属板”，上述的多孔金属板的“导热部”相当于(4)或(6)的“导热体”，上述的多孔金属板的“孔”相当于(4)或(6)的“间隙(多孔金属板的孔的侧面与导热体之间的间隙)”。
具体地，在上述的半导体装置中，从半导体元件向绝缘基板传递的热除经由主体部(相当于(4)或(6)的多孔金属板的部位)传递到冷却器以外，也可经由导热部(相当于(4)或(6)的导热体的部位)传递到冷却器。由此，从半导体元件向冷却器的导热性变得良好，从而能够提高半导体元件的冷却性能。
而且，所述孔(相当于(4)或(6)的间隙S的部位)介于导热部(相当于(4)或(6)的导热体的部位)与主体部(相当于(4)或(6)的多孔金属板的部位)之间。因此，当多孔金属板(主体部)发生变形时，导热部不会妨碍多孔金属板(本体部)的变形。因此，在上述的半导体装置中，与(4)或(6)的半导体装置同样地，通过多孔金属板能够适当地缓和因绝缘基板和冷却器之间的线膨胀率差异产生的应力。
在此，在(4)中记载的半导体装置是如下的半导体装置，所述半导体装置如前所述具有在与多孔金属板的孔(通孔)的侧面存在间隙的状态下被配置在孔(通孔)的内部的导热体，该导热体具有从多孔金属板的朝向绝缘基板侧的面延伸至多孔金属板的朝向冷却器侧的面的形态。另外，在(6)中记载的半导体装置是如下的半导体装置，所述半导体装置如前所述具有在与多孔金属板的孔(有底孔)的侧面存在间隙的状态下被配置在孔(有底孔)的内部的导热体，该导热体具有从多孔金属板的孔(有底孔)的底面延伸至多孔金属板的朝向冷却器侧的面的形态。
另外，在(4)或(6)中记载的半导体装置可以是如下的半导体装置，多孔金属板和导热体是分体的部件。相对于此，在上述的半导体装置中，导热部与多孔金属板的主体部一体地连结。即，导热部(相当于(4)或(6)中的导热体的部位)与主体部(相当于(4)或(6)中的多孔金属板的部位)被构成为一个部件。因此，部件数量减少，并且半导体装置的生产性提高。因此，上述的半导体装置的成本很低。
(8)另外，在(7)中记载的半导体装置可以是如下的半导体装置，所述多孔金属板的所述孔是通孔，该通孔具有环的一部分被截断的截面形状，从所述多孔金属板的朝向所述绝缘基板侧的面贯穿所述多孔金属板而抵达该多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面，并且所述通孔被配置在所述导热部的侧面的周围，所述多孔金属板的所述主体部和所述导热部在所述通孔的环被截断的位置上一体地连结。
在上述的半导体装置中，多孔金属板的孔形成为具有环的一部分被截断的截面形状(沿与多孔金属板的厚度方向正交的方向剖开多孔金属板时的孔的截面为环的一部分被截断的形状)的、从多孔金属板的朝向绝缘基板侧的面(表面)贯穿多孔金属板而抵达多孔金属板的朝向冷却器侧的面(背面)的通孔。该通孔配置在导热部的侧面的周围。并且，多孔金属板的主体部与导热部在通孔的环被截断的位置上一体地连结。这种形态的多孔金属板如前所述，能够起到与(4)中记载的半导体装置中的“多孔金属板+导热体”同样的作用效果。
此外，上述的多孔金属板的“主体部”相当于(4)的“多孔金属板”，上述的多孔金属板的“导热部”相当于(4)的“导热体”，上述的多孔金属板的“通孔”相当于(4)的“间隙(多孔金属板的孔的侧面与导热体之间的间隙)”。
另外，作为“环的一部分被截断的截面形状”，例如，可列举圆环被2等分的截面形状、环的一部分被切除的C字状的截面形状等。另外，环不限于圆环，可以是任意形状(四角等)的环。
(9)另外，在(7)中记载的半导体装置可以是如下的半导体装置，所述多孔金属板的所述孔是有底孔，该有底孔具有环状以及环的一部分被截断的形状中的任一者的截面形状，从所述多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面延伸至所述绝缘基板侧，并且仅在所述多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面上开口，所述有底孔被配置在所述导热部的侧面的周围，所述多孔金属板的所述主体部和所述导热部至少在所述导热部的所述绝缘基板侧一体地连结。
在上述的半导体装置中，多孔金属板的孔形成为具有环状或环的一部分被截断的截面形状(沿与多孔金属板的厚度方向正交的方向剖开多孔金属板时的孔的截面为环状或圆环的一部分被截断的形状)、从多孔金属板的面向冷却器侧的面(背面)延伸至绝缘基板侧，并且仅在多孔金属板的朝向冷却器侧的面(背面)上开口的有底孔。该有底孔配置在导热部的侧面的周围。并且，多孔金属板的主体部与导热部至少在导热部的绝缘基板侧一体地连结。这种形态的多孔金属板如前所述，能够起到与(6)中记载的半导体装置中的“多孔金属板+导热体”同样的作用效果。
此外，上述的多孔金属板的“主体部”相当于(6)的“多孔金属板”，上述的多孔金属板的“导热部”相当于(6)的“导热体”。上述的多孔金属板的“有底孔”相当于(6)的“间隙(多孔金属板的孔的侧面与导热体之间的间隙)”。
附图说明
图1是实施例1涉及的半导体装置的立体图；
图2是该半导体装置的截面图，其相当于图1的C-C方向观察到的截面图；
图3是实施例1涉及的冷却器的散热片部件的立体图；
图4是实施例1涉及的多孔金属板的立体图；
图5是说明该多孔金属板的作用效果的图，其相当于图2的D部放大图；
图6是说明该多孔金属板的作用效果的图，其相当于图2的D部放大图；
图7是实施例2涉及的半导体装置的截面图，其相当于图1的C-C方向观察到的截面图；
图8是说明实施例2涉及的多孔金属板的作用效果的图，其相当于图7的E部放大图；
图9是实施例3涉及的半导体装置的截面图，其相当于图1的C-C方向观察到的截面图；
图10是说明实施例3涉及的多孔金属板的作用效果的图，其相当于图9的F部放大图；
图11是实施例4涉及的半导体装置的截面图，其相当于图1的C-C方向观察到的截面图；
图12是说明实施例4涉及的多孔金属板的作用效果的图，其相当于图11的G部放大图；
图13是实施例5涉及的半导体装置的截面图，其相当于图1的C-C方向观察到的截面图；
图14是实施例5涉及的多孔金属板的立体图；
图15是示出该多孔金属板的表面的一部分的图；
图16是示出该多孔金属板的截面的一部分的图；
图17是示出该多孔金属板的背面的一部分的图；
图18是说明该多孔金属板的作用效果的图，其相当于图13的H部放大图；
图19是实施例6涉及的半导体装置的截面图，其相当于图1的C-C方向观察到的截面图；
图20是实施例6涉及的多孔金属板的立体图；
图21是该多孔金属板的截面图；
图22是该多孔金属板的背面图；
图23是说明该多孔金属板的作用效果的图，其相当于图19的J部放大图。
具体实施方式
(实施例1)
下面，参照附图对本发明的实施例1进行说明。
如图1所示，本实施例1的半导体装置1包括半导体元件71～74、绝缘基板60、多孔金属板50、以及冷却器10。具体而言，半导体元件71～74分别被配置(焊接)在绝缘基板60上。多孔金属板50被配置在绝缘基板60与冷却器10之间。此外，图1的箭头表示流经冷却器10的内部的冷却剂(例如，水)的流动方向。
冷却器10包括形成外壳的框架30以及容纳在框架30内的散热片部件20。框架30和散热片部件20通过钎焊被接合在一起。
散热片部件20由铝制成，并且如图3所示，包括呈矩形平板状的基部21以及从基部21的一个面突出的多个(在本实施例1中为10个)散热片22。散热片22呈矩形平板状。多个(在本实施例1中为10个)散热片22在基部21的横向方向(与冷却剂的流动方向正交的方向)上留出固定的间隙而排成一列。在各散热片22之间形成冷却剂的流路25。该散热片部件20例如可通过铝的挤出成形而一体地成形。
框架30具有呈矩形平板状的铝制的第一框架部件31、截面为“コ”字状的铝制的第二框架部件32(参照图1、图2)。第一框架部件31和第二框架部件32通过钎焊被接合在一起。由此，框架30呈矩形筒状。在该框架30中，纵向方向(与冷却剂的流动方向一致的方向)的一端形成导入冷却剂的导入口30a，纵向方向的另一端形成排出冷却剂的排出口30b(参照图1)。
在构成冷却器10的第一框架部件31的表面31b上，留出固定的间隙而配置有四个多孔金属板50(参照图1、图2)。四个多孔金属板50分别被钎焊在第一框架部件31的表面31b上。
多孔金属板50由铝制成，并且如图4所示呈矩形平板状。该多孔金属板50中形成有在多孔金属板50的厚度方向上贯穿多孔金属板的多个通孔51。如图2所示，该通孔51从多孔金属板的表面50b(面向绝缘基板60侧的面)贯穿多孔金属板50而抵达多孔金属板的背面50c(面向冷却器10侧的面)。因此，通孔51在多孔金属板50的表面50b和背面50c上开口。
而且，通孔51具有如下形状：随着从冷却器10侧朝向绝缘基板60侧(从背面50c向表面50b，在图2中从下向上)，通孔51的截面(沿与多孔金属板50的厚度方向正交的方向剖开多孔金属板50时的通孔51的截面)逐渐缩小。详细地，通孔51具有随着从背面50c朝向表面50b而直径逐渐缩小(孔的直径缩小)的圆锥台形状(参照图4)。
另外，在各个多孔金属板50的表面50b上配置有绝缘基板60(参照图1、图2)。绝缘基板60被钎焊在多孔金属板50的表面50b上。该绝缘基板60由具有电绝缘性的部件(例如，氧化铝等陶瓷)制成，并呈矩形平板状。
另外，在四个绝缘基板60的表面60b上配置有半导体元件71～74(参照图1、图2)。半导体元件71～74被焊接在绝缘基板60的表面60b上。半导体元件71～74是IGBT等半导体元件。
在此，对本实施例1涉及的半导体装置1的冷却作用进行说明。半导体元件71～74随着使用而发热。这些热经过绝缘基板60传递到多孔金属板50。这些热进一步传递到框架30(第一框架部件31)，之后传递到容纳在框架30的内部的散热片部件20的各个散热片22。
如图1箭头所示，冷却剂(例如，水)经过导入口30a被连续地导入框架30的内部。被导入框架30的内部的冷却剂朝向排出口30b流经在散热片22与散热片22之间形成的流路25。由此，散热片部件20的各个散热片22能够与流经流路25的冷却剂进行热交换。即，从半导体元件71～74向各个散热片22传递的热能够排放到流经流路25的冷却剂中。在流经流路25的同时吸收了表面侧散热片22的热的冷却剂经过排出口30b排出到框架30的外部。如此，能够冷却发热的半导体元件71～74。
此外，绝缘基板60和框架30(第一框架部件31)的线膨胀率具有很大的差异。具体地，例如，当使用由氧化铝制成的绝缘板60时，该绝缘板的线膨胀率约为7×10-6/℃。另一方面，由铝制成的框架30(第一框架部件31)的线膨胀率约为23×10-6/℃。在该例中，框架30(第一框架部件31)的线膨胀率为绝缘板60的线膨胀率的3倍以上。因此，当半导体元件71～74产生的热传递到绝缘基板60和第一框架部件31时，框架30(第一框架部件31)比绝缘基板60更大程度地热延展(热膨胀)。
相对于此，在本实施例1的半导体装置1中，如前所述，在绝缘基板60与冷却器10(第一框架部件31)之间配置有多孔金属板50。而且，多孔金属板50中形成有在多孔金属板50的背面50c(多孔金属板50的面向冷却器10侧的面)和表面50b上开口的通孔51(参照图2)。在这样的多孔金属板50中，至少多孔金属板50的冷却器10侧的部位54的刚性下降，并且多孔金属板50在冷却器10侧的部位54容易发生变形(参照图5)。如此，通过使多孔金属板50在冷却器10侧的部位54的刚性下降，在多孔金属板50中，能够吸收绝缘基板60和冷却器10(第一框架部件31)之间的热延展差异，并且能够适当地缓和由绝缘基板60和冷却器10(第一框架部件31)之间的线膨胀率差异产生的应力(参照图5)。此外，图5中示出了多孔金属板50挠曲从而吸收绝缘基板60与冷却器10(第一框架部件31)之间的热延展差异的情况。
而且，多孔金属板50的通孔51具有随着从冷却器10侧朝向绝缘基板60侧(从背面50c向表面50b、在图2中从下向上)，通孔51的截面(在与多孔金属板50的厚度方向正交的方向上剖开多孔金属板50时的通孔51的截面)逐渐缩小的形状。详细地，通孔51具有随着从背面50c向表面50b直径逐渐缩小(孔的直径缩小)的圆锥台形状。如此，在多孔金属板50中，只要增大冷却器10(热延展大的部件)侧的部位54上的通孔51的截面(换言之，增大通孔51的孔径)，即使减小绝缘基板60(热延展小的部件)侧的部位53上的通孔51的截面(换言之，减小通孔51的孔径)，也能够适当地缓和因绝缘基板60和冷却器10之间的线膨胀率差异产生的应力。
而且，通过使在靠近作为热源的半导体元件71～74的部位(绝缘基板60侧的部位)上的通孔51的截面减小(换言之，减小通孔51的孔径)，与形成具有与背面50c的开口部51c相等的截面(孔径)的延伸至表面50b的圆柱形状的通孔51K(在图6中，由双点划线表示的通孔)的情况相比，能够增大多孔金属板的体积(重量)(参照图6)。由此，能够提高多孔金属板50的热容量及导热性。
另外，即使在半导体元件71～74中瞬间产生大量的热的情况下，多孔金属板50也能够适当地吸收从半导体元件71～74传递到绝缘基板60的热。这时因为：在具有上述形状的通孔51的多孔金属板50中，与形成具有与背面50c的开口部51c相等的截面(孔径)的延伸至表面50b的圆柱形状的通孔51K(在图6中，由双点划线表示的通孔)的情况相比，绝缘基板60侧的部位53的热容量变高。
以上，在本实施例1的半导体装置1中，能够适当地冷却半导体元件71～74的热。
接下来，对半导体装置1的制造方法进行说明。
首先，准备铝制的散热片部件20。散热片部件20例如能够通过铝的挤出成形而一体地成形。另外，准备铝制的矩形平板状的第一框架部件31以及铝制的第二框架部件32。可通过将矩形平板状的铝板冲压加工成“コ”字状来制造第二框架部件32。
另外，准备四个形成有多个通孔51的多孔金属板50。该多孔金属板50例如能够通过用具有与通孔51相同的圆锥台形状的刀片的钻头对矩形平板状的铝板进行切削加工(形成通孔51)而制作出。另外，准备四个绝缘基板60(例如，由氧化铝制成的陶瓷板)。
接下来，进行到配置工序，散热片部件20被配置在第二框架部件32的底面32b上(参照图1)。之后，以使散热片部件被第二框架部件32覆盖的方式将第一框架部件31配置在第二框架部件32的上端面32c上。此时，散热片部件20的散热片22的上端部22b与第一框架部件31的背面31c接触(参照图2)。此外，四个多孔金属板50在第一框架部件31的表面31b上分隔固定的间隙配置成一列(参照图1)。另外，在各个多孔金属板50的表面50b上配置绝缘基板60。此外，在第一框架部件31的背面31c、第二框架部件32的底面32b、多孔金属板50的背面50c、绝缘基板60的背面60c(参照图2)上预先涂覆有钎料(融点600℃)。
之后，进行到接合工序，如上所述地，将散热片部件20、第一框架部件31、第二框架部件32、多孔金属板50、以及绝缘基板60被组装在一起的组合物(组合体)容纳在电炉(未图示)内。接下来，使电炉内的温度升至600℃，从而使钎料熔化。之后，组合体被从电炉内取出进行冷却，从而使钎料硬化。由此，可通过钎焊将散热片部件20、第一框架部件31、第二框架部件32、多孔金属板50、以及绝缘基板60接合在一起。此时，散热片部件20、第一框架部件31以及第二框架部件32被钎焊在一起，构成了冷却器10。之后，通过将半导体元件71～74焊接到绝缘基板60的表面60b上，完成本实施例1的半导体装置1(参照图1)。
(实施例2)
接下来，参照附图对本发明的实施例2进行说明。
本实施例2的半导体装置100(参照图1、图7)与实施例1的半导体装置1(参照图1、图2)的不同之处仅在于，导热体被配置在多孔金属板50的通孔51的内部，其它方面与实施例1的半导体装置1相同。因此，在此，以实施例2与实施例1的不同点为中心进行说明，省略或简化对相同点的说明。
在本实施例2的半导体装置100中，如图7所示，在多孔金属板50的各个通孔51的内部配置由导热体40。该导热体40与多孔金属板50相同，由铝制成并具有从多孔金属板50的表面50b(朝向绝缘基板60侧的面)延伸至背面50c(朝向冷却器10侧的面)的形态(详细地，圆锥台形状)。因此，各个导热体40在与绝缘基板60的背面60c和构成冷却器10的第一框架部件31的表面31b接触的状态下被配置在多孔金属板50的通孔51的内部。因此，从半导体元件71～74向绝缘基板60传递的热除经由多孔金属板50传递到冷却器10之外，也可经由导热体40传递到冷却器10。由此，从半导体元件71～74向冷却器10的导热性提高，因此能够提高半导体元件的冷却性能。
而且，在本实施例2中，导热体40被设置为具有比通孔51略小(略细)的圆锥台形状。因此，导热体40在其与多孔金属板50的通孔51的侧面51f存在间隙S的状态下被配置在通孔51的内部(参照图7、图8)。因此，如图8所示，当多孔金属板50发生变形时，导热体40不会妨碍多孔金属板50的变形。由此，在本实施例2的半导体装置100中，也与实施例1的半导体装置1同样地，通过多孔金属板50能够适当地缓和因绝缘基板60和冷却器10(详细地，第一框架部件31)之间的线膨胀率差异产生的应力。此外，图8中示出了多孔金属板50发生挠曲而吸收绝缘基板60与冷却器10(第一框架部件31)之间的热延展差异的情况。
(实施例3)
接下来，参照附图对本发明的实施例3进行说明。
本实施例3的半导体装置200(参照图1、图9)与实施例1的半导体装置1(参照图1、图2)的不同之处仅在于，多孔金属板的孔形状，其他方面是相同的。因此，在此，以实施例2与实施例1的不同点为中心进行说明，并省略或者简化对相同点的说明。
在实施例1中，多孔金属板50的孔被设置为向多孔金属板50的表面50b和背面50c开口的通孔51。相对于此，在本实施例3中，多孔金属板250的孔被设置为仅向背面250c(朝向冷却器10侧的面)开口的有底孔251(参照图9)。该有底孔251与实施例1的通孔51同样地，具有随着从冷却器10侧朝向绝缘基板60侧(从背面250c向表面250b、在图9中从下向上)，有底孔251的截面(沿与多孔金属板50的厚度方向正交的方向剖开多孔金属板250时的有底孔251的截面)逐渐缩小的形状。详细地，有底孔251具有随着从背面250c朝向表面250b而直径逐渐缩小(孔的直径缩小)的圆锥台形状。
该多孔金属板250例如能够通过用具有与有底孔251相同的圆锥台形状的刀片的钻头对矩形平板状的铝板进行切削加工(形成有底孔251)而制作出。
如上所述，通过将多孔金属板250的孔设置为仅向背面250c(朝向冷却器10侧的面)开口的有底孔251，在多孔金属板250的表面250b(朝向绝缘基板60侧的面)上不再存在孔的开口。由此，在多孔金属板250中，与实施例1的多孔金属板50相比，能够提高在靠近作为热源的半导体元件71～74的部位(绝缘基板60侧的部位253)的热容量及导热性。因此，本实施例3的半导体装置200与实施例1的半导体装置1相比，能够提高半导体元件的冷却性能。
此外，在本实施例3的多孔金属板250中，如上所述，有底孔251被设置为朝向朝向绝缘基板60(热延展小的部件)侧的面(表面250b)不开口而朝向朝向冷却器10(热延展大的部件)侧的面(背面250c)开口的孔。如此，通过将有底孔251的开口设置在朝向冷却器10(热延展大的部件)侧的面(背面250c)中，多孔金属板250的冷却器10侧的部位254的刚性下降，多孔金属板250的冷却器10侧的部位254容易发生变形(参照图10)。由此，在多孔金属板250中，能够吸收绝缘基板60与冷却器10(第一框架部件31)之间的热延展差异，并且能够适当地缓和因绝缘基板60和冷却器10(第一框架部件31)之间的线膨胀率差异产生的应力(参照图10)。此外，图10中示出了多孔金属板250发生挠曲从而吸收绝缘基板60与冷却器10(第一框架部件31)之间的热延展差异的情况。
(实施例4)
接下来，参照附图对本发明的实施例4进行说明。
本实施例4的半导体装置300(参照图1、图11)与实施例3的半导体装置200(参照图1、图9)的不同之处仅在于，导热体被配置在多孔金属板250的有底孔251的内部，其它方面与实施例3的半导体装置200相同。因此，在此，以实施例4与实施例3的不同点为中心进行说明，省略或简化对相同点的说明。
在本实施例4的半导体装置300中，如图11所示，导热体340被配置在多孔金属板250的各个有底孔251的内部。该导热体340与多孔金属板250相同，由铝制成并具有从多孔金属板250的有底孔251的底面251d延伸至背面250c(朝向冷却器10侧的面)的形态(详细地，圆锥台形状)。因此，各个导热体340在与多孔金属板250的有底孔251的底面251d和构成冷却器10的第一框架部件31的表面31b接触的状态下被配置在多孔金属板250的有底孔251的内部。因此，从半导体元件71～74向绝缘基板60传递的热除经由多孔金属板250传递到冷却器10之外，也可经由导热体340传递到冷却器10。由此，从半导体元件71～74向冷却器10的导热性提高，因此能够提高半导体元件的冷却性能。
而且，在本实施例4中，导热体340被设置为具有比有底孔251略小(略细)的圆锥台形状。因此，导热体40在其与多孔金属板250的有底孔251的侧面251f存在间隙S的状态下被配置在有底孔251的内部(参照图11、图12)。因此，如图12所示，当多孔金属板250发生变形时，导热体340不会妨碍多孔金属板250的变形。由此，在本实施例4的半导体装置300中，通过多孔金属板250也可适当地缓和因绝缘基板60和冷却器10(详细地，第一框架部件31)之间的线膨胀率差异产生的应力。此外，图12中示出了多孔金属板250发生挠曲而吸收绝缘基板60与冷却器10(第一框架部件31)之间的热延展差异的情况。
(实施例5)
接下来，参照附图对本发明的实施例5进行说明。
本实施例5的半导体装置400(参照图1、图13)与实施例1的半导体装置1(参照图1、图2)的不同之处仅在于多孔金属板的孔形状，其他方面是相同的。
在实施例1中，多孔金属板50的孔被设置为随着从背面50c向表面50b直径逐渐缩小(孔的直径缩小)的圆锥台形状的通孔51。
相对于此，在本实施例5中，如图14～图17所示，多孔金属板450的孔被设置为具有圆环的一部分被截断的(具体地，圆环被2等分)截面形状(沿与多孔金属板450的厚度方向正交的方向剖开多孔金属板450时的孔的截面具有圆环的一部分被截断的形状)的、从多孔金属板450的表面450b(朝向绝缘基板60侧的面)至背面450c(朝向冷却器10侧的面)贯穿多孔金属板450的通孔451、452。
该通孔451、452的外周面451f、452f以及内周面451g、452g形成为具有彼此相等的锥角的、随着从多孔金属板450的背面450c向表面450b直径逐渐缩小的锥面(参照图13～图17)。
在上述形态的通孔451、452中，随着从冷却器10侧向绝缘基板60侧(从背面450c向表面450b、在图13中从下向上)通孔451、452的截面(沿与多孔金属板450的厚度方向正交的方向剖开多孔金属板450时的通孔451、452的截面)逐渐缩小(参照图14～图17)。
本实施例5的多孔金属板450具有与平板矩形状的主体部455、通孔451、452以及主体部455一体地连结的导热部456(参照图13～图17)。导热部456被设置为具有被通孔451、452包围的侧面456b的、从多孔金属板450的背面450c(朝向冷却器10侧的面)延伸至表面450b(朝向绝缘基板60侧的面)的圆锥台形状。主体部455和导热部456在通孔451、452间断的位置上一体地连结(在通孔451、452间断的位置上、通过从多孔金属板450的背面450c延伸至表面450b的连结部457、458一体地连结)(参照图15～图17)。
该多孔金属板450例如可通过利用加工中心切削加工矩形平板状的铝板(形成通孔451、452)而制作出。
此外，图15是从表面450b侧观察到的多孔金属板450的一部分的图。图16是在表面450b与背面450c之间的位置(厚度方向中间位置)上沿表面450b剖开多孔金属板450的在图15中所示的部位的截面图。图17是从背面450c侧观察到的多孔金属板450的在图15中所示的部位的图。
上述的多孔金属板450能够起到与实施例2的半导体装置100中的“多孔金属板50+导热体40”相同的作用效果。这是因为：本实施例5的多孔金属板450的“主体部455”相当于实施例2的“多孔金属板50”，本实施例5的多孔金属板450的“导热部456”相当于实施例2的“导热体40”，本实施例5的多孔金属板450的“通孔451、452”相当于实施例2的“间隙S(多孔金属板50的通孔51的侧面51f与导热体40之间的间隙)”。
具体地，在本实施例5的半导体装置400中，从半导体元件71～74向绝缘基板60传递的热除经由主体部455(相当于实施例2的多孔金属板50的部位)传递到冷却器10之外，也可经由导热部456(相当于实施例2的导热体40的部位)传递到冷却器10。由此，从半导体元件71～74向冷却器10的导热性变得良好，因此能够提高半导体元件的冷却性能。
而且，通孔451、452(相当于实施例2的间隙S的部位)介于导热部456(相当于实施例2的导热体40的部位)与主体部455(相当于实施例2的多孔金属板50的部位)之间(参照图13、图18)。因此，如图18所示，当多孔金属板450(主体部455)发生变形时，导热部456不会妨碍多孔金属板450(主体部455)的变形。由此，在本实施例5的半导体装置400中，与实施例2的半导体装置100同样地，通过多孔金属板450能够缓和因绝缘基板60和冷却器10(详细地，第一框架部件31)之间的线膨胀率差异产生的应力。此外，图18中示出了多孔金属板450的主体部455发生挠曲从而吸收绝缘基板60与冷却器10(第一框架部件31)之间的热延展差异的情况。
此外，在实施例2的半导体装置100中，多孔金属板50和导热体40是分体的部件。相对于此，在本实施例5的半导体装置400中，多孔金属板450的主体部455和导热部456在通孔451、452间断的位置(连结部457、458、参照图15～图17)上一体地连结。即，导热部456(相当于实施例2的导热体40的部位)和主体部455(相当于实施例2的多孔金属板50的部位)被构成为一个部件。因此，部件数量减少，半导体装置的生产性提高。因此，本实施例5的半导体装置400的成本很低。
(实施例6)
接下来，参照附图对本发明的实施例6进行说明。
本实施例6的半导体装置500(参照图1、图19)与实施例3的半导体装置200(参照图1、图9)的不同之处仅在于多孔金属板的孔形状，其他方面是相同的。
在实施例3中，多孔金属板250的孔是仅朝向背面250c开口的有底孔251，并且被设置为随着从背面250c向表面250b侧直径逐渐缩小(孔的直径缩小)的圆锥台形状的有底孔251(参照图9)。
相对于此，在本实施例6中，如图19～图22所示，多孔金属板550的孔是仅朝向背面550c(朝向冷却器10侧的面)开口的有底孔551，并且被设置为具有圆环截面形状(沿与多孔金属板550的厚度方向正交的方向剖开多孔金属板550时的多孔金属板550的孔的截面为圆环状)的、从多孔金属板550的背面550c向表面550b(朝向绝缘基板60侧的面)侧延伸的有底孔551。
该有底孔551的外周面551f及内周面551g被设置为具有彼此相等的锥角的、随着从多孔金属板550的背面550c朝向表面550b而直径逐渐缩小(直径缩小)的锥面(参照图19、图20)。
在上述形态的有底孔551中，随着从冷却器10侧向绝缘基板60侧(从背面550c向表面550b、在图19中从下向上)有底孔551的截面(沿与多孔金属板550的厚度方向正交的方向剖开多孔金属板550时的有底孔551的截面)逐渐缩小(参照图20～图22)。
本实施例6的多孔金属板550具有与平板矩形状的主体部555、有底孔551以及主体部555一体地连结的导热部556(参照图19～图22)。导热部556被设置为具有被有底孔551包围的侧面556b的、从多孔金属板550的背面550c(朝向冷却器10侧的面)延伸至表面550b(朝向绝缘基板60侧的面)的圆锥台形状。主体部555和导热部556在导热部556的绝缘基板60侧一体地连结(通过位于导热部556的绝缘基板60侧的圆盘状的连结部557一体地连结)(参照图19、图23)。
该多孔金属板550例如可通过利用加工中心切削加工矩形平板状的铝板(形成有底孔551)而制作出。
此外，图21是在表面550b与背面550c之间的位置(厚度方向中间位置)上沿表面550b剖开多孔金属板550的截面图。图22是从背面550c侧观察到的多孔金属板550的图。
上述的多孔金属板550能够起到与实施例4的半导体装置300中的“多孔金属板250+导热体40”相同的作用效果。这是因为：本实施例6的多孔金属板550的“主体部555”相当于实施例4的“多孔金属板250”，本实施例6的多孔金属板550的“导热部556”相当于实施例4的“导热体340”，本实施例6的多孔金属板550的“有底孔551”相当于实施例6的“间隙S(多孔金属板250的通孔251的侧面251f与导热体340之间的间隙)”。
具体地，在本实施例6的半导体装置500中，从半导体元件71～74向绝缘基板60传递的热除经由主体部555(相当于实施例4的多孔金属板250的部位)传递到冷却器10之外，也可经由导热部556(相当于实施例4的导热体340的部位)传递到冷却器10。由此，从半导体元件71～74向冷却器10的导热性变得良好，因此能够提高半导体元件的冷却性能。
而且，有底孔551(相当于实施例4的间隙S的部位)介于导热部556(相当于实施例4的导热体340的部位)与主体部555(相当于实施例4的多孔金属板250的部位)之间(参照图19、图23)。因此，如图23所示，当多孔金属板550(主体部555)发生变形时，导热部456不会妨碍多孔金属板550(主体部555)的变形。由此，在本实施例6的半导体装置500中，与实施例4的半导体装置300同样地，通过多孔金属板550能够适当地缓和因绝缘基板60和冷却器10(详细地，第一框架部件31)之间的线膨胀率差异产生的应力。此外，图23中示出了多孔金属板550的主体部555发生挠曲从而吸收绝缘基板60与冷却器10(第一框架部件31)之间的热延展差异的情况。
此外，在实施例4的半导体装置300中，多孔金属板250和导热体340是分体的部件。相对于此，在本实施例6的半导体装置500中，多孔金属板550的主体部555和导热部556在导热部556的绝缘基板60侧(连结部557)一体地连结(参照图19、图23)。即，导热部556(相当于实施例4的导热体340的部位)和主体部555(相当于实施例4的多孔金属板250的部位)被构成为一个部件。因此，部件数量减少，半导体装置的生产性提高。因此，本实施例6的半导体装置500的成本很低。
以上，使用实施例1～6对本发明进行了说明，但本发明不限于上述实施例，可在不脱离本发明的主旨的范围内进行适当地修改。
例如，在实施例1～4中，多孔金属板50、250的孔(通孔51、有底孔251)设置为圆锥台形状。然而，多孔金属板的孔的形状可为任意的形状，只要是随着从冷却器侧向绝缘基板侧该孔的截面逐渐缩小的形状即可。例如，可以是圆锥形状、角锥形状、角锥台形状等。
另外，在实施例6中，多孔金属板550的有底孔551具有圆环的截面形状，但也可以具有圆环的一部分被截断的截面形状(例如，如实施例5那样，圆环被2等分的截面形状)。
符号说明
1、100、200、300、400、500：半导体装置
10：冷却器
20：散热片部件
40、340：导热体
50、250、450、550：多孔金属板
50b、250b、450b、550b：多孔金属板的表面(朝向绝缘基板侧的面)
50c、250c、450c、550c：多孔金属板的背面(朝向冷却器侧的面)
51、451、452：通孔(多孔金属板的孔)
60：绝缘基板
71、72、73、74：半导体元件
251、551：有底孔(多孔金属板的孔)
251d：有底孔的底面
455、555：多孔金属板的主体部
456、556：多孔金属板的导热部
456b、556b：导热部的侧面

Claims (7)

1.一种半导体装置，包括：绝缘基板、配置在所述绝缘基板上的半导体元件、冷却器以及多孔金属板，所述多孔金属板上形成有多个孔并且被配置在所述绝缘基板与所述冷却器之间，在所述半导体装置中，
所述多孔金属板的所述孔是至少在所述多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面上开口的孔，并且具有所述孔的截面随着从所述冷却器侧朝向所述绝缘基板侧而逐渐缩小的形状，
所述多孔金属板的所述孔是通孔，该通孔从所述多孔金属板的朝向所述绝缘基板侧的面贯穿所述多孔金属板而抵达所述多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面，
所述半导体装置具有被配置在所述孔的内部的导热体，所述导热体与所述多孔金属板的所述通孔的侧面存在间隙，并且
所述导热体具有从所述多孔金属板的朝向所述绝缘基板侧的面延伸至所述多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面的形态。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述多孔金属板的所述孔为圆锥形状和圆锥台形状中的任一者。
3.一种半导体装置，包括：绝缘基板、配置在所述绝缘基板上的半导体元件、冷却器以及多孔金属板，所述多孔金属板上形成有多个孔并且被配置在所述绝缘基板与所述冷却器之间，在所述半导体装置中，
所述多孔金属板的所述孔是至少在所述多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面上开口的孔，并且具有所述孔的截面随着从所述冷却器侧朝向所述绝缘基板侧而逐渐缩小的形状，
所述多孔金属板的所述孔是仅在该多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面上开口的有底孔，
所述半导体装置具有被设置在所述孔的内部的导热体，所述导热体与所述多孔金属板的所述有底孔的侧面存在间隙，并且
所述导热体具有从所述多孔金属板的所述有底孔的底面延伸至所述多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面的形态。
4.如权利要求3所述的半导体装置，其中，
所述多孔金属板的所述孔为圆锥形状和圆锥台形状中的任一者。
5.一种半导体装置，包括：绝缘基板、配置在所述绝缘基板上的半导体元件、冷却器以及多孔金属板，所述多孔金属板上形成有多个孔并且被配置在所述绝缘基板与所述冷却器之间，在所述半导体装置中，
所述多孔金属板的所述孔是至少在所述多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面上开口的孔，并且具有所述孔的截面随着从所述冷却器侧朝向所述绝缘基板侧而逐渐缩小的形状，
所述多孔金属板包括：
主体部；以及
与所述主体部一体地连结的导热部，所述导热部的侧面被所述孔包围，并且所述导热部从所述多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面延伸至所述绝缘基板侧，
所述孔介于所述导热部和所述主体部之间。
6.如权利要求5所述的半导体装置，其中，
所述多孔金属板的所述孔是通孔，该通孔具有环的一部分被截断的截面形状，并且从所述多孔金属板的朝向所述绝缘基板侧的面贯穿所述多孔金属板而抵达所述多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面，所述通孔被配置在所述导热部的侧面的周围，
所述多孔金属板的所述主体部和所述导热部在所述通孔的环被截断的位置上一体地连结。
7.如权利要求5所述的半导体装置，其中，
所述多孔金属板的所述孔是有底孔，该有底孔具有环状以及环的一部分被截断的形状中的任一个截面形状，从所述多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面延伸至所述绝缘基板侧，并且仅在所述多孔金属板的朝向所述冷却器侧的面上开口，所述有底孔被配置在所述导热部的侧面的周围，
所述多孔金属板的所述主体部和所述导热部至少在所述导热部的所述绝缘基板侧一体地连结。
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