JP2014179394A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子が実装された半導体装置サブアセンブリの金属部材と放熱部材とを接続する際に、加圧力が小さくても、金属部材及び放熱部材における凹凸部の接触面積を増加させ、放熱性能を向上させることを目的とする。
【解決手段】本発明の半導体装置１００は、半導体素子１と、配線部材２に絶縁層３を介して配置された金属部材４と、半導体素子１及び金属部材４の一部を封止する封止材６と、金属部材４における絶縁層３とは反対側に固着された放熱部材７とを備え、金属部材４は凹凸形状の第１の接続部５を有し、放熱部材７は第１の接続部５に嵌合した凹凸形状の第２の接続部９を有し、第１の接続部５及び第２の接続部９は、固着位置によって異なる少なくとも２つの凹凸部１１ａ、１２ａ、２１ａ、２２ａを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、ヒートシンクやハウジング等の放熱部材と半導体素子が実装された半導体装置アセンブリとの接続構造に関するものである。

半導体装置の中には、比較的大きな電力を扱う電力用の半導体装置がある。このような電力用に用いられる半導体装置では、鉄道車両、ハイブリッドカー、電気自動車等の車両、家電機器、産業用機械等において、比較的大きな電力を制御、整流するために利用されている。したがって電力用の半導体装置で使用される半導体素子は１００Ａ／ｃｍ^２を超える高い電流密度で通電することが求められる。そのため、近年はシリコン（Ｓｉ）に代わる半導体材料としてワイドバンドギャップ半導体材料である炭化ケイ素（ＳｉＣ）が注目されており、ＳｉＣからなる半導体素子は５００Ａ／ｃｍ^２を超える電流密度での動作が可能である。また、ＳｉＣは１５０℃〜３００℃の高温状態でも安定動作が可能であり、高電流密度動作と高温動作の両立が可能な半導体材料として期待されている。

このように大電流を扱う電力用の半導体装置においては、電気的な絶縁を確保しながら、半導体素子等から発生する熱をいかに放熱するかが重要である。従来、半導体素子が実装された半導体装置アセンブリと放熱部材との接続は、半導体装置アセンブリの裏面にグリスを塗り、ネジ止めなどで放熱部材に固定されていた。しかし、グリスは長期的に用いると、劣化が生じ、放熱性能が低下することが懸念される。そこで、例えば特許文献１に示すように、グリスを用いずに半導体装置アセンブリと放熱部材とを接続した半導体装置が開発されている。図１５は、特許文献１の半導体装置を示す図である。特許文献１の半導体装置は、放熱基板１０２を備えた半導体素子体（半導体装置サブアセンブリ）１０１と外部放熱体１０６とがネジ１０３で締め付けて接続されている。具体的には、放熱基板１０２における外部放熱体１０６との結合面に凹凸部１０４を設け、かつ外部放熱体１０６における放熱基板１０２との結合面にも凹凸部１０４に噛み合うように凹凸部１０５を設け、半導体素子体（半導体装置サブアセンブリ）１０１の放熱基板１０２と外部放熱体１０６とをネジ１０３で締め付け、放熱基板１０２と外部放熱体１０６それぞれの結合面に設けた凹凸部１０４、１０５をかしめて、接続していた。

特許文献１のような構造にすることで、グリスを用いることがないため、長期信頼性が確保できるとともに、放熱性能も維持できるといったメリットがある。また、半導体素子体（半導体装置サブアセンブリ）１０１と外部放熱体１０６との接合面は金属同士の接触となるため、グリスを用いた場合よりも熱伝導率が高いといったメリットがある。

実公平７-１３２３４号公報（図２）

特許文献１に示すように、半導体素子体（半導体装置サブアセンブリ）１０１の放熱基板１０２の接合面の凹凸部１０４と外部放熱体１０６の接合面の凹凸部１０５を、半導体素子体（半導体装置サブアセンブリ）１０１の両端で外部放熱体１０６とネジ１０３により締め付けてかしめる際に、半導体素子体（半導体装置サブアセンブリ）１０１の直下に位置する凹凸部１０４、１０５には、かしめるための加圧力が必要となる。すなわち、加圧によって放熱基板１０２と外部放熱体１０６の接合面における各凹凸部１０４、１０５が相互に塑性変形することにより、金属面同士が接触するようにすることで、熱抵抗が小さい接触部を得ることができる。しかしながら、このためには放熱基板１０２あるいは外部放熱体１０６の耐力に比べて十分に大きな加圧力が必要となるため、ネジ止めによって発現する軸力でまかなうには、大きな径のネジが必要となり、半導体素子体（半導体装置サブアセンブリ）１０１の大型化をまねく問題があった。

逆に、小さい径のネジ止め部を用いると、半導体素子体（半導体装置サブアセンブリ）１０１の凸部、及び外部放熱体１０６の凸部が相手の凹部へ侵入する侵入深さが浅くなり、かしめ部の接触面積が小さくなり、放熱性能が低下するという問題があった。

また、過大な加圧力を用いると、半導体素子をはじめとする半導体素子体（半導体装置サブアセンブリ）１０１の内部の脆弱な部材のダメージをまねく恐れがある。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、それぞれ凹凸部を有する半導体装置サブアセンブリの金属部材と放熱部材とを接続する際に、かしめるための加圧力が小さくても、金属部材及び放熱部材における凹凸部の接触面積を増加させ、放熱性能を向上させた半導体装置を提供することを目的としている。

本発明の半導体装置は、半導体素子と、半導体素子が接続された配線部材と、配線部材に絶縁層を介して配置された金属部材と、半導体素子及び金属部材の一部を封止する封止材と、金属部材における絶縁層とは反対側に固着された放熱部材とを備え、金属部材は凹凸形状の第１の接合部を有し、放熱部材は第１の接合部に嵌合した凹凸形状の第２の接合部を有し、第１の接合部及び第２の接合部は、固着位置によって異なる少なくとも２つの凹凸部を有することを特徴とする。

本発明の半導体装置によれば、金属部材及び放熱部材の接合部が固着位置によって異なる少なくとも２つの凹凸部を有するので、半導体装置サブアセンブリの金属部材と放熱部材とを接続する際の加圧力が小さくても、半導体装置における凹凸部の接触面積を増加させ、放熱性能を向上させることができる。

本発明の実施の形態１による半導体装置の断面模式図である。 図１の金属部材及び放熱部材における接合部の拡大図である。 図１の半導体装置の接続前の状態を示す図である。 図１の半導体装置の製造過程を示す図である。 本発明の実施の形態２による半導体装置の断面模式図である。 図５の金属部材及び放熱部材における接合部の拡大図である。 本発明の実施の形態３による半導体装置の断面模式図である。 図７の金属部材及び放熱部材における接合部の拡大図である。 本発明の実施の形態４による半導体装置の断面模式図である。 図９の金属部材及び放熱部材における接合部の拡大図である。 本発明の実施の形態５による半導体装置の上面図である。 図１１のＡ−Ａにおける断面模式図である。 本発明の実施の形態６による半導体装置の底面図である。 図１３のＢ−Ｂにおける断面模式図である。 特許文献１の半導体装置を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による半導体装置の断面模式図であり、図２は図１の金属部材及び放熱部材における接合部の拡大図である。図３は図１の半導体装置の接続前の状態を示す図であり、図４は図１の半導体装置の製造過程を示す図である。半導体装置１００は、半導体装置サブアセンブリ２０と放熱部材７を備えている。半導体装置サブアセンブリ２０は、シリコン（Ｓｉ）や、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のワイドバンドギャップ半導体材料を基材とした半導体素子１が、金属部材４の上に絶縁層３を介して配置された配線部材２上に、実装されている。半導体素子１は配線部材２に接続されている。金属部材４と配線部材２及び半導体素子１とは、絶縁層３によって所望の絶縁性を確保された状態となっている。半導体素子１、配線部材２、絶縁層３と、金属部材４の一部は、封止材６によって一体的に封止される。封止材６で保護された状態で、一旦半導体素子１を内蔵した構造体として製造する。便宜上、この構造体を半導体装置サブアセンブリと称する。

金属部材４は、半導体素子１の発熱を拡散する熱拡散の効果を持たせるように所定の厚さを有する。金属部材４の下面には、凹凸形状の接合部５が形成されている。半導体素子１、配線部材２、絶縁層３と、金属部材４の一部を封止材６で封止することによって、半導体素子１及び配線部材２が外部環境から保護されるとともに、絶縁が必要な部位が封止材６で覆われることで、高い絶縁信頼性を得ることができる。封止材６は、樹脂ケースなどの枠を取り付けてその中に充填するようにしてもよく、金型内に流し込むことで枠がなくても封止材６で一体化しても良い。

半導体装置サブアセンブリ２０は、おおよそ５０〜６０ｍｍ□（ｍｍシート）程度から１００ｍｍ□程度の大きさを有する。厚さは通常、５〜１０ｍｍ程度であり、厚いものでは３０ｍｍ程度である。

金属部材４の下方に放熱部材７が設けられる。放熱部材７は、半導体素子１及び配線部材２から発生する熱を半導体装置１００の外部に放出させるための放熱フィン８が設けられている。また、放熱部材７には金属部材４に設けられた接合部５と対向する位置に凹凸形状の接合部９が設けられる。

図３、図４に示すように、半導体装置サブアセンブリ２０と放熱部材７を、お互いの接合部５、９が噛み合うように配置し、半導体装置サブアセンブリ２０と放熱部材７は相互に押圧する力を作用させて、お互いの接合部５、９を介して固着して一体化する。本例では、加圧手段８１によって加圧力８３を作用させ、互いの接合部５、９を変形固着させる。この際、お互いの接合部５、９の当接部分が塑性変形することによって新しい金属面同士が接触してお互いに嵌合して固着される。

ここで、金属部材４の接合部５と放熱部材７に設けられた接合部９は、お互いの凸部と凹部の形状が概ね一致するように配置される。すなわち、お互いの凸部と凹部の形状が概ね一致するように配置されることは、できるだけ小さな力で接合部５、９を塑性変形させることに有用である。さらには、二つの接合部５、９において、やや傾斜角度や先端形状が異なるようにし、接合工程での塑性変形を誘発して所定の保持強度や熱抵抗が発現するようにする。

接合工程において金属部材４の接合部５と放熱部材７の接合部９は、微細には、互いの当接部同士が変形して嵌合することにより、図１のように半導体装置サブアセンブリ２０と放熱部材７とが一体となった半導体装置１００となる。本発明によれば、従来のように熱伝導率が小さいグリスなど用いて放熱部材７への熱を伝える必要がなくなるため、熱抵抗を低減することができて放熱性能が向上するとともに、グリスの耐久性に対する懸念、変形によるグリスの排斥といったグリスに因果関係がある懸念点が排除できるので、非常に信頼性が高い半導体装置１００を実現できる。

半導体装置１００は、接合部５、９の変形に伴う嵌合によって保持強度も熱抵抗も所望の性能を確保する。一般的に、二つの接合部５、９が変形固着した嵌合部を形成する二つの接合部５、９における凹部及び凸部の高さが高いほど十分に嵌合した状態での強度が大きくなり、かつ熱抵抗が小さくなる。一方、接合部５、９の高さと、接合部５、９を十分に嵌合させる力とは正の相関がある。高い接合部５、９を十分に嵌合させるためには、半導体装置サブアセンブリ２０と放熱部材７は相互に押圧するために十分に大きな力を作用させる必要があるため、過大な力の場合には半導体装置１００などのダメージをまねく恐れがある。

これに対して、本実施の形態１では、図１、図２に示すように接合部５、９が部分的にのみ選択的に高さが高い凹凸部１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂを有するようにすることにより、全体として嵌合に必要な力を低減させることができ、半導体素子１などへのダメージを低減することができる。部分的に高さが大きい凹凸部を形成する箇所は、例えば、図１、図２中の凹凸部１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂのように、半導体素子１の下方に位置する箇所にすることができる。金属部材４の接合部５は、凹部及び凸部の高さが高い凹凸部１１ａ、１１ｂと、凹凸部１１ａ、１１ｂよりも凹部及び凸部の高さが低い凹凸部１２ａ、１２ｂ、１２ｃを有する。同様に、放熱部材７の接合部９は、凹部及び凸部の高さが高い凹凸部２１ａ、２１ｂと、凹凸部２１ａ、２１ｂよりも凹部及び凸部の高さが低い凹凸部２２ａ、２２ｂ、２２ｃを有する。

実施の形態１のような接合部５、９の形状であれば、凹凸部１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂでは、これ以外の凹凸部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃに比べて嵌合後の接触面積が大きく熱抵抗を低くすることができ、半導体素子１の発生する熱を放熱部材７に伝え易い利点がある。一方で、凹凸部１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ以外の凹凸部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃにおける凹部及び凸部の高さは低いので、金属部材４と放熱部材７を嵌合して固着する力は減らすことができる。また、凹凸部１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂの嵌合力で十分に半導体装置サブアセンブリ２０と放熱部材をお互いに脱落しないように保持することができる。

接合部５、９の凹部及び凸部の高さは、半導体装置サブアセンブリ２０の厚さによって異なるが、１〜１０ｍｍ程度であり、所望の熱抵抗と固着した後の保持強度によって決められる。また、凹部及び凸部の高さが小さいほど放熱部材７も薄くなって、小形軽量にすることができる。したがって、接合部５、９の凹部及び凸部の高さは、小形軽量にするには１〜４ｍｍ程度が好ましく、所望の熱抵抗と保持強度に応じて決定すればよい。

金属部材４の接合部５及び放熱部材７の接合部９は、半導体素子１の発熱を拡散させる金属部材４と冷媒に放熱する放熱部材７との間の熱を伝える作用と、各々の部材を機械的に保持する作用を有する。金属部材４の接合部５及び放熱部材７の接合部９において、２つの作用を機能分離することにより、すなわち接合部５、９の形状を部分的に異なるようにすることにより、接合部５、９を固着させる際の圧力を全体的に低減することができ、固着する際の半導体素子１及び比較的脆弱な内蔵部材へのダメージを防止することができる。

また、金属部材４及び放熱部材７は、熱伝導率が高い材料が熱抵抗低減のためには好ましく、アルミニウムもしくは銅、あるいはこれらの元素を主成分とした合金が良い。これらの材料を組み合わせて用いてもよく、アルミニウムを主成分とする金属、合金であれば軽量化を図ることができる。また、金属部材４、放熱部材７のいずれか一方、あるいは両方の表面にメッキが施されていても良い。特に、錫、はんだあるいはこれらを主成分とする組成であれば、塑性変形が促進されていっそう熱抵抗が低下するように改善することができる。一方、金、銀、パラジウムといった貴金属メッキを施せば、酸化膜がないので熱抵抗を安定化することができる。

半導体素子１は、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でもよいが、本発明においては炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を適用できる。半導体素子１のデバイス種類としては、特に限定する必要はないが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）のようなスイッチング素子や、ダイオードのような整流素子を搭載することができる。例えば、スイッチング素子や整流素子として機能する半導体素子１に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料又はダイヤモンドを用いた場合、従来から用いられてきたシリコン（Ｓｉ）で形成された素子よりも電力損失が低いため、半導体装置１００の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、半導体装置１００の小型化が可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、放熱フィンを備えた半導体装置１００の一層の小型化が可能になる。

なお、実施の形態１の半導体装置１００は、グリスを用いる必要がないため、高温動作可能なワイドバンドギャップ半導体材料を用いた半導体素子１を高温動作させても、信頼性が損なわれることがない。

以上のように、実施の形態１の半導体装置１００によれば、半導体素子１と、半導体素子１が接続された配線部材２と、配線部材２に絶縁層３を介して配置された金属部材４と、半導体素子１及び金属部材４の一部を封止する封止材６と、金属部材４における絶縁層３とは反対側に固着された放熱部材７とを備え、金属部材４は凹凸形状の第１の接合部５を有し、放熱部材７は第１の接合部５に嵌合した凹凸形状の第２の接合部９を有し、第１の接合部５及び第２の接合部９は、固着位置によって異なる少なくとも２つの凹凸部１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃを有するので、半導体装置サブアセンブリ２０の金属部材４と放熱部材７とを接続する際の加圧力が小さくても、半導体装置１００における接合部５、９の接触面積を増加させ、放熱性能を向上させることができる。

実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２による半導体装置の断面模式図であり、図６は図５の金属部材及び放熱部材における接合部の拡大図である。実施の形態２は、半導体素子１が配置された中央側における接合部５、９の凹凸部３１、３３と、外周に近い接合部５、９の凹凸部３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂのピッチが異なる半導体装置１００の例である。金属部材４の接合部５は、凹部及び凸部のピッチが小さい凹凸部３１と、凹凸部３１よりもピッチが大きい凹凸部３２ａ、３２ｂを有する。同様に、放熱部材７の接合部９は、凹部及び凸部のピッチが小さい凹凸部３３と、凹凸部３３よりもピッチが大きい凹凸部３４ａ、３４ｂを有する。実施の形態２の半導体装置１００は、接合部５、９において部分的にのみ選択的にピッチの小さい凹凸部３１、３３を有するので、半導体装置サブアセンブリ２０の金属部材４と放熱部材７とを接続する際の加圧力が小さくても、半導体装置１００における接合部５、９の接触面積を増加させ、放熱性能を向上させることができる。以下に詳しく説明する。

金属部材４の接合部５における中央側の凹凸部３１の方が外周部付近の凹凸部３２ａ、３２ｂに比べてピッチが小さく多数の凹部及び凸部を有し、対向する放熱部材７の接合部９における中央側の凹凸部３３の方が外周部付近の凹凸部３４ａ、３４ｂに比べてピッチが小さく多数の凹部及び凸部を有する。実施の形態２の半導体装置１００は、ピッチが小さく多数の凹部及び凸部を有するので、二つの接合部５、９が変形固着した嵌合部の接触面積が大きくなる一方、凹部及び凸部の高さが実施の形態１の凹凸部１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂに比べて小さいため、比較的小さい力で固着しても熱抵抗を小さくすることができる。

図５のように、ピッチが小さく多数の凹部及び凸部を有する凹凸部３１、３３を半導体素子１の下方に設けることにより、中央側の方が周辺部よりもいっそう放熱性の改善が見込まれる。比較的放熱経路に対する影響が少ない金属部材４の外周部近傍に配置する凹凸部３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂのピッチは大きくしたので、嵌合部の単位体積当たりの嵌合力を大きくして保持強度を確保することができる。接合部５、９の高さは、半導体装置サブアセンブリ２０の厚さによって異なるが、１〜１０ｍｍが好ましく、さらには１〜４ｍｍ程度が好ましい。この１〜１０ｍｍの高さであれば、半導体装置の高さも抑制しながら、熱抵抗、保持強度といった機能の向上を実現することができる。接合部５、９のピッチは、その高さの１／３〜１倍程度が好ましい。また、図５では金属部材４の中央側と外周近くで接合部５、９のピッチが二通りの例を示したが、中央から外周に向けて徐々にピッチを変えるようにしてもよい。

実施の形態３．
図７は本発明の実施の形態３による半導体装置の断面模式図であり、図８は図７の金属部材及び放熱部材における接合部の拡大図である。実施の形態３は、半導体素子１が配置された中央側における接合部５、９の凹凸部４１、４３の高さが、外周に近い接合部５、９の凹凸部４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂの高さよりも低くした半導体装置１００の例である。金属部材４の接合部５は、凹部及び凸部の高さが低い凹凸部４１と、凹凸部４１よりも高さが高い凹凸部４２ａ、４２ｂを有する。同様に、放熱部材７の接合部９は、凹部及び凸部の高さが低い凹凸部４３と、凹凸部４３よりも高さが高い凹凸部４４ａ、４４ｂを有する。実施の形態３の半導体装置１００は、実施の形態３の半導体装置１００は、実施の形態１と同様に、半導体装置サブアセンブリ２０の金属部材４と放熱部材７とを接続する際の加圧力が小さくても、半導体装置１００における接合部５、９の接触面積を増加させ、放熱性能を向上させることができる。

半導体装置サブアセンブリ２０の外周部は温度サイクルのストレスが相対的に大きくなるため、外周部の凹凸部４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂの高さを大きくすることによって、外周部の保持強度が確保することができる。実施の形態３の半導体装置１００は、外周部の保持強度が確保することができるので、制御する電力容量が大きい半導体装置サブアセンブリ２０の場合に金属部材４のサイズが大きくなっても、温度サイクルストレスに対する耐量が高くなって信頼性を高くすることができる。中央側の凹凸部４１、４３は所望の熱抵抗が得られる程度の高さでよく、例えば、半導体装置サブアセンブリ２０の厚さが３０ｍｍ程度の場合は、中央側の凹凸部４１、４３の高さが１〜４ｍｍ、外周部側の高さが３〜１０ｍｍ程度で組み合わせればよい。

実施の形態４．
実施の形態１〜３では、半導体装置１００の封止材６の上面を押圧して接合部５、９を加圧固着させる例で説明したが、実施の形態４は、図９のように金属部材４が封止材６の外側に延設した延設部１０を有し、この延設部１０を加圧手段８２によって加圧力８３を作用させ、接合部５、９を変形固着させる例である。図９は本発明の実施の形態４による半導体装置の断面模式図であり、図１０は図９の金属部材及び放熱部材における接合部の拡大図である。延設部１０及び延設部１０に対向する放熱部材７における接合部５、９の凹凸部５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂの高さは、封止材６が覆う範囲における接合部５、９の凹凸部５１、５３の高さよりも高くなっている。金属部材４の接合部５は、凹部及び凸部の高さが低い凹凸部５１と、凹凸部５１よりも高さが高い凹凸部５２ａ、５２ｂを有する。同様に、放熱部材７の接合部９は、凹部及び凸部の高さが低い凹凸部５３と、凹凸部５３よりも高さが高い凹凸部５４ａ、５４ｂを有する。実施の形態４の半導体装置１００は、実施の形態１と同様に、半導体装置サブアセンブリ２０の金属部材４と放熱部材７とを接続する際の加圧力が小さくても、半導体装置１００における接合部５、９の接触面積を増加させ、放熱性能を向上させることができる。

実施の形態４の半導体装置１００は、加圧する際の強度保持ために延設部１０に中央側よりも凹部及び凸部の高さが高い凹凸部５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂを設けている。一方、金属部材４の中央側及びこれに対向する放熱部材７の中央側に配置された、凹凸部５１、５３は、半導体素子１などの発生する熱を放熱部材７に伝えるために必要な高さとすればよく、凹凸部５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂに比べて十分に低くすることができる。実施の形態４の半導体装置１００は、半導体装置１００の周辺、具体的には金属部材４の延設部１０及び延設部１０に対向する放熱部材７の部分において加圧することで、周部の凹凸部５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂによって十分に保持強度が発現するように半導体装置サブアセンブリ２０と放熱部材７とを固着させることができ、半導体素子１が配置された中央側では熱抵抗が十分に低減するように固着させることができる。

実施の形態５．
図１１は本発明の実施の形態５による半導体装置の上面図であり、図１２は図１１のＡ−Ａにおける断面模式図である。本実施の形態５では、金属部材４が封止材６の外側に延設した延設部１０を有し、金属部材４は、締結部材１３によりこの延設部１０において、放熱部材７に固定される。締結部材１３は、ネジ、ボルトで良く、リベットであっても良い。締結部材１３は、延設部１０の側から放熱部材７へ挿入される。締結部材１３で金属部材４と放熱部材７の接合部５、９をお互いに押圧して接触、固着する。実施の形態５の半導体装置１００は、接合部５、９の一部を部分的に凹部及び凸部の高さを小さくすることで、ネジ、ボルトといった締結部材１３でも接合部５、９を接触固着させるために十分な大きさの力を与えることができる。実施の形態５の半導体装置１００は、締結部材１３によって固着後の圧力を維持することができるので、信頼化が図れる。図１２では、半導体素子１が配置された中央側における接合部５、９の凹凸部の高さが、外周に近い接合部５、９の凹凸部の高さよりも低くした半導体装置１００の例を示した。

実施の形態５の半導体装置１００は、実施の形態１〜４と同様に、半導体装置サブアセンブリ２０の金属部材４と放熱部材７とを接続する際の加圧力が小さくても、半導体装置１００における接合部５、９の接触面積を増加させ、放熱性能を向上させることができる。実施の形態５の半導体装置１００は、金属部材４と放熱部材７とを締結部材１３を用いて締結して、接合部５、９を固着させるためので、締結する際の荷重が金属部材４の上方に搭載された半導体素子１その他の脆弱部材に伝達されることがない。したがって、これらの部材はダメージを受けることがなくなる。さらに、固着後の圧力を維持することができるので、高信頼化が図れる。

また、実施の形態１〜４のように一旦半導体装置サブアセンブリ２０と放熱部材７を加圧手段８１や加圧手段８２により加圧固定して一体化した後に、締結部材１３を設けてもよい。こうすることによってさらに接合部５、９における熱抵抗の低減が可能となるとともに、放熱部材７と金属部材４が脱落しないようにすることができる。締結部材１３を設ける箇所は任意の位置で設定可能であり、図１１のようにコーナー部に締結部材１３を設けると接合部５が形成された金属部材４の下面全体にわたって固着することができる。

実施の形態６．
図１３は本発明の実施の形態６による半導体装置の底面図であり、図１４は図１３のＢ−Ｂにおける断面模式図である。図１３において、特徴を分かりやすくするために放熱フィン８は省略した。実施の形態６の半導体装置１００では、放熱部材７の底面側から締結部材１３を用いて金属部材４に対して固定するようにする。実施の形態５で説明した半導体装置１００と同様に、締結部材１３を設ける箇所は任意の位置で設定可能であり、図１３のようにコーナー部に締結部材１３を設けると接合部５が形成された金属部材４の下面全体にわたって固着することができる。さらに、図１３にあるように中央部にも締結部材１３を設けることでいっそう安定に押圧することができる。

放熱部材７において、締結部材１３を取付ける取付け部１５は、接合部９の凹部及び凸部が一部または全て削除されている。締結部材１３は、取付け部１５の側から金属部材４へ挿入される。また、図１４のように、金属部材４をその厚さ方向の途中までボルトなどの締結部材１３を挿入するいわゆる”ふくろ”状にすることにより、図１２のような締結部材１３と締結する雌ネジ部が貫通することはない。図１２のような場合は、封止材６を充填して半導体素子１等を保護する封止工程の際に雌ネジ部を覆わなければ、雌ネジ部に封止材６の漏れが発生する可能性がある。しかし、実施の形態６の場合には、金属部材４に貫通した雌ネジ部がないので、封止工程の際に雌ネジ部に封止材６の漏れが発生することがないので、封止工程の際に雌ネジ部を覆うことなく、半導体装置サブアセンブリ２０を製造した後に金属部材４と放熱部材７とを締結することができる。

実施の形態６の半導体装置１００は、実施の形態１〜５と同様に、半導体装置サブアセンブリ２０の金属部材４と放熱部材７とを接続する際の加圧力が小さくても、半導体装置１００における接合部５、９の接触面積を増加させ、放熱性能を向上させることができる。実施の形態６の半導体装置１００は、封止材６の下側からであっても締結部材１３を用いて金属部材４と放熱部材７とを締結することができ、実施の形態５のように延設部１０を設けないので、半導体装置１００のサイズをコンパクトにすることができる。また、実施の形態６の半導体装置１００は、中央側にも締結部材１３を設けることにより固着面に均一に荷重をかけることができるので、全面にわたって熱抵抗の小さく放熱性能を向上することができる。

なお、実施の形態１〜６では、放熱部材７は放熱フィン８を有した平型のヒートシンクとなっているが、この形状に限ることはなく、種々の形状を持つ放熱部材７に取り付ける際に金属部材４と放熱部材７の双方に凹凸形状の接合部５、９を設けることによっても実施の形態１〜６と同様の効果を得ることができる。例えば、電動機や他のアクチュエータの筐体、ハウジングを放熱部材７として、これらの部材に接合部９を形成することで強固にかつ小さい熱抵抗を有した嵌合部（接合部５、９が一体化した部分）で取り付けることができる。また、電動機や他のアクチュエータの筐体、ハウジングを放熱部材７として、これらの部材に接合部９を形成し、半導体装置サブアセンブリ２０側から締結部材１３を設けることによって容易に取り付けることができる。

また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１…半導体素子、２…配線部材、３…絶縁層、４…金属部材、５…接合部、６…封止材、９…接合部、１０…延設部、１１ａ、１１ｂ…凹凸部、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ…凹凸部、１３…締結部材、１５…取付け部、２１ａ、２１ｂ…凹凸部、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…凹凸部、３１…凹凸部、３２ａ、３２ｂ…凹凸部、３３…凹凸部、３４ａ、３４ｂ…凹凸部、４１…凹凸部、４２ａ、４２ｂ…凹凸部、４３…凹凸部、４４ａ、４４ｂ…凹凸部、５１…凹凸部、５２ａ、５２ｂ…凹凸部、５３…凹凸部、５４ａ、５４ｂ…凹凸部、１００…半導体装置。

Claims (9)

1. 半導体素子と、前記半導体素子が接続された配線部材と、前記配線部材に絶縁層を介して配置された金属部材と、前記半導体素子及び前記金属部材の一部を封止する封止材と、前記金属部材における前記絶縁層とは反対側に固着された放熱部材とを備えた半導体装置であって、
   前記金属部材は凹凸形状の第１の接合部を有し、
   前記放熱部材は前記第１の接合部に嵌合した凹凸形状の第２の接合部を有し、
   前記第１の接合部及び前記第２の接合部は、固着位置によって異なる少なくとも２つの凹凸部を有することを特徴とする半導体装置。
2. 前記第１の接合部及び前記第２の接合部は、固着位置によって異なる高さの前記凹凸部を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記第１の接合部及び前記第２の接合部は、周辺側における前記凹凸部の高さが中央側における前記凹凸部の高さよりも高いことを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
4. 前記金属部材は、前記封止材よりも外側に延設した延設部を有し、
   前記延設部における前記第１の接合部と、前記放熱部材における前記延設部に対向する前記第２の接合部とは、中央側における前記凹凸部の高さよりも高い前記凹凸部を有することを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
5. 前記金属部材は、前記封止材よりも外側に延設した延設部を有し、
   前記延設部と前記放熱部材とは、前記延設部の側から挿入された締結部材によって締結されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記放熱部材は、前記金属部材と対向しない側に締結部材を取り付ける取付け部を有し、
   前記取付け部と前記金属部材とは、前記取付け部の側から挿入された前記締結部材によって締結されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記第１の接合部及び前記第２の接合部は、固着位置によって異なるピッチの凹凸部を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項８記載の半導体装置。

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