JP3449285B2 - 熱歪吸収体およびそれを用いたパワー半導体装置 - Google Patents

熱歪吸収体およびそれを用いたパワー半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱伝導を行う線膨
張率の異なる２つの部材間に配置され、熱伝導性能を損
なわずになおかつ熱応力を低減するために２つの部材間
の熱伸び差を吸収する熱歪吸収体およびそれを用いたパ
ワー半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図２３は、例えば特開平７−１４２６４
７号公報に記載された従来の半導体装置の構成を示す断
面図である。図において、１は半導体モジュール、２は
けい素で構成されているパワー半導体素子、３は両面に
銅等の金属の箔が接着されたアルミナや窒化アルミニウ
ム等からなる絶縁性基板、３５はアルミニウム（Ａｌ）
やＡｌ系合金、または銅（Ｃｕ）やＣｕ系合金等の高熱
伝導性の薄い金属板を波形状に加工した伝熱性金属フォ
イル、４０はパッケージ、４１は熱伝導性の良い銅やア
ルミニウム等で形成したキャップ、５はこれも熱伝導性
の良い銅やアルミニウム等で形成されているヒートシン
ク等の冷却装置、６、７、８、９ははんだである。伝熱
性金属フォイル３５の拡大斜視図を図２４に示す。図に
おいて、３６は可撓性を大きくするための切溝である。
【０００３】キャップ４１上に伝熱性金属フォイル３
５、絶縁性基板３、およびパワー半導体素子２が順には
んだ６、７、８で接合され、パッケージ４０に封入され
て半導体モジュール１が形成されており、この半導体モ
ジュール１は冷却装置５にはんだ９で接合されている。
半導体モジュール１の運転時、パワー半導体素子２で発
生する熱は、絶縁性基板３と伝熱性金属フォイル３５お
よびキャップ４１を介して、冷却装置５に伝導し、冷却
される。
【０００４】半導体モジュール１の構成部材の線膨張率
は、パワー半導体素子２のけい素で約２．６×１０-6／
Ｋ、絶縁性基板３の窒化アルミニウムで約４×１０-6／
Ｋ、キャップ４１やヒートシンク等の冷却装置５は銅で
約１６．６×１０-6／Ｋ、アルミニウムで約２３．２×
１０-6／Ｋである。このようにパワー半導体素子２や絶
縁性基板３とキャップ４１やヒートシンク等の冷却装置
５との間で、使用されている部材の線膨張率が違うた
め、運転時の温度変化による熱伸び量に大きな差が発生
する。また、大容量化にともないパワー半導体素子２か
らの発熱量は増加し、さらに長期信頼性の観点から熱サ
イクル数も増大している。このように、運転時に生じる
温度変化によってパワー半導体素子２とキャップ４１の
熱伸び量に大きな差が生じ、それが繰り返されるるた
め、絶縁性基板３とキャップ４１間は、この熱伸び差を
吸収するため可撓性の大きな伝熱性金属フォイル３５に
より接続した構成が採られていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、伝熱性
金属フォイル３５は可撓性を得るために例えば０．１ｍ
ｍというような薄い金属板で構成されているので熱通過
方向に垂直な面の面積すなわち熱通過断面積が小さく、
従って熱抵抗が大きく冷却性能が低いという問題があっ
た。また、この波形状の伝熱性金属フォイル３５は波の
進行方向の可撓性は大きなが、波と直角方向については
途中に切溝３６があるとはいえ剛性が大きく、従って可
撓性が小さなため、絶縁性基板３とキャップ４１間の熱
伸び差を充分吸収しきれず、はんだ割れや伝熱性金属フ
ォイル３５自身に無理な力が加わり破壊するという強度
上の問題があった。
【０００６】この発明は、上記のような従来のものの問
題点を解決するためになされたものであり、熱伝導を行
う線膨張率の異なる２つの部材間に配置され、熱伝導性
能を損なわずになおかつ熱応力を低減することができる
熱歪吸収体を提供することを目的とし、さらにそれを用
いたパワー半導体装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成に係
る熱歪吸収体は、線膨張率の異なる部材間に配置される
ものであって、線膨張率の異なる少なくとも２枚の熱伝
導性金属板を圧着してなり、これら複数の金属板にまた
がって形成された溝によって仕切られた複数の柱状の梁
とその支持部で構成されたものである。
【０００８】本発明の第２の構成に係る熱歪吸収体は、
上記第１の構成に加えて、溝は一方の金属板側から他方
の金属板へ所定深さ食い込むように形成されているもの
である。
【０００９】本発明の第３の構成に係る熱歪吸収体は、
上記第２の構成に加えて、食い込む深さは梁の幅の１／
４以上であるものである。
【００１０】本発明の第４の構成に係る熱歪吸収体は、
上記第１の構成に加えて、溝は複数の金属板にまたがっ
て中央部に形成されており、両端に支持部を有するもの
である。
【００１１】本発明の第５の構成に係る熱歪吸収体は、
上記第１ないし４のいずれかの構成に加えて、中央部の
梁の断面積を周辺部の梁の断面積よりも大きくしたもの
である。
【００１２】本発明の第６の構成に係る熱歪吸収体は、
上記第１ないし５のいずれかの構成に加えて、溝は碁盤
の目状に形成されており、梁は角柱状であるものであ
る。
【００１３】本発明の第７の構成に係るパワー半導体装
置は、パワー半導体素子と放熱部とを有するパワー半導
体装置において、上記パワー半導体素子から放熱部への
熱伝導路中に、線膨張率の異なる少なくとも２枚の熱伝
導性金属板を圧着してなるものであって、これら複数の
金属板にまたがって形成された溝によって仕切られた複
数の柱状の梁とその支持部で構成された熱歪吸収体を配
置し、該熱歪吸収体の線膨張率の小さな方の金属板をパ
ワー半導体素子側と、線膨張率の大きな方の金属板を放
熱部側とそれぞれ接合したものである。
【００１４】本発明の第８の構成に係るパワー半導体装
置は、上記第７の構成に加えて、熱歪吸収体の溝は一方
の金属板側から他方の金属板へ所定深さ食い込むように
形成されているものである。
【００１５】本発明の第９の構成に係るパワー半導体装
置は、上記第８の構成に加えて、食い込む深さは梁の幅
の１／４以上であるものである。
【００１６】本発明の第１０の構成に係るパワー半導体
装置は、上記第７の構成に加えて、熱歪吸収体の溝は複
数の金属板にまたがって中央部に形成されており、両端
に支持部を有するものである。
【００１７】本発明の第１１の構成に係るパワー半導体
装置は、上記第７ないし１０のいずれかの構成に加え
て、熱歪吸収体は、中央部の梁の断面積を周辺部の梁の
断面積よりも大きくしたものである。
【００１８】本発明の第１２の構成に係るパワー半導体
装置は、上記第７ないし１１のいずれかの構成に加え
て、熱歪吸収体の溝は碁盤の目状に形成されており、梁
は角柱状であるものである。
【００１９】本発明の第１３の構成に係るパワー半導体
装置は、上記第７の構成に加えて、放熱部は板状であ
り、該放熱部の熱歪吸収体が配置された側と反対側に放
熱部よりも線膨張率の大きな金属を接合したものであ
る。
【００２０】本発明の第１４の構成に係るパワー半導体
装置は、上記第１３の構成に加えて、放熱部よりも線膨
張率の大きな金属の厚さは、その弾性係数をＥ2、放熱
部の弾性係数をＥ1、放熱部の厚さをｈ1とした場合に、
式（１）で求めた値ｈ2の０．５倍以上２倍以下である
ものである。
【００２１】
【数２】
【００２２】
【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は本発明の実
施の形態１によるパワー半導体装置の構成を示す正面図
である。図において、１は例えばＩＧＢＴ（Insulated
Gate Bipolar Transistor）素子等を搭載したパワー半
導体モジュール、２は例えばＩＧＢＴ素子等のパワー半
導体素子であり、主要部はけい素で構成されている。３
は両面に銅等の金属の箔が接着された、アルミナや窒化
アルミニウム等からなる絶縁性基板、４は銅やアルミニ
ウム等からなる放熱用金属ベース板、５はヒートシンク
等の冷却装置、６、７、８および９ははんだ、１０は熱
歪吸収体（以下、マイクロビーム板と称する。）であ
る。１１はモリブデンやタングステン等の線膨張率の小
さな材料からなる第１の熱伝導性金属板、１２は銅やア
ルミニウム等の線膨張率の大きな材料からなる第２の熱
伝導性金属板である。１３はロールクラッドや爆発圧着
等により形成された圧着部である。マイクロビーム板１
０は線膨張率の小さな絶縁性基板３と線膨張率の大きな
放熱用金属ベース板４との間に配置され、線膨張率の小
さな材料からなる第１の熱伝導性金属板１１が線膨張率
の小さな絶縁性基板３すなわちパワー半導体素子２側に
接合され、線膨張率の大きな材料からなる第２の熱伝導
性金属板１２が線膨張率の大きな放熱用金属ベース板４
すなわち放熱部側に接合されている。
【００２３】図２は図１のマイクロビーム板の一部を拡
大して示す正面図、図３は図２の矢視Ｘ−Ｘから見た断
面図である。図において、１４は第１と第２の熱伝導性
金属板１１，１２にまたがって形成された溝、１０ａは
溝１４によって仕切られた複数の柱状の梁（以下、マイ
クロビームと称する。）、１０ｂは支持部である。本実
施の形態では、溝１４は碁盤の目状に形成されており、
マイクロビーム１０ａは角柱状である。また、溝１４は
第２の金属板１２側から第１の金属板１１へ所定深さ食
い込むように形成されている。
【００２４】このように構成されたものにおいて、モジ
ュールの運転時、パワー半導体素子２で発生する熱は、
絶縁性基板３、マイクロビーム板１０および放熱用金属
ベース板４を介して、冷却装置５に伝導し、冷却され
る。このとき、線膨張率の小さな絶縁性基板３と線膨張
率の大きな放熱用金属ベース板４の間で熱伸び差が発生
する。この熱伸び差は中央では０であるが端に行くほど
大きくなり端部では図４に示すように、δ1となるが、
図４のようにマイクロビーム１２が撓むことによって熱
伸び差は吸収される。また、図５に示すように、第１の
金属板１１と第２の金属板１２の圧着部１３近傍では、
温度上昇によってマイクロビーム１０ａが線膨張率の小
さな第１の金属板１１から線膨張率の大きな第２の金属
板１２へ行くにしたがって徐々に膨らんで変形するが、
その影響長さＸはマイクロビーム１０ａの幅Ｗの略半分
又はそれ以下であるので、第１の金属板１１に食い込む
溝１５の深さＶをマイクロビーム１０ａの幅Ｗの１／４
以上例えば略半分程度にすれば変形の影響は第１の金属
板１１の主要部分（厚さＵの部分）すなわち支持部１０
ｂには現われない。なお、支持部１０ｂもマイクロビー
ム１０ａの撓みを支持するためにある程度の厚みが必要
である。この厚みは支持部１０ｂの材質によっても異な
るが、例えば２ｍｍ程度は必要である。
【００２５】図６（ａ）（ｂ）に本実施の形態によるマ
イクロビーム板１０の各寸法の一例を示す。（ａ）は上
面図、（ｂ）は正面図である。本実施の形態ではマイク
ロビーム１０ａの断面積は一定とした。なお、図６にお
いて各寸法の単位はｍｍである。また、明確のため、
（ａ）ではマイクロビーム部に網かけを施して示してい
る。この例では、マイクロビーム板１０は、線膨張率の
小さな材料であるモリブデンからなる縦３５．５ｍｍ、
横３１．５ｍｍ、厚さ３ｍｍの第１の金属板１１と線膨
張率の大きな材料である銅からなる縦３５．５ｍｍ、横
３１．５ｍｍ、厚さ１２ｍｍの第２の金属板１２とを圧
着した後、第２の金属板１２側から第１の金属板１１に
１ｍｍ食い込んだ状態まで溝１４の幅０．５ｍｍで碁盤
の目状に溝加工して密集した多数の幅１．５ｍｍ、長さ
１３ｍｍの角柱状の梁すなわちマイクロビーム１０ａを
形成することにより形成される。なお、第１の金属板１
１の溝加工されないで残った部分１０ｂが支持部とな
る。図６では支持部の厚さは２ｍｍである。
【００２６】以上のように、本実施の形態によれば、絶
縁性基板３と放熱用金属ベース板４との間に熱伸び差が
生じても、支持部１０ｂには無理な熱応力は発生せず、
はんだ７および８が破損することはなく長期信頼性が高
い。また、マイクロビーム１０ａ部分の熱通過断面積は
従来の伝熱性金属フォイル３５に比べて格段に大きく、
絶縁性基板３と放熱用金属ベース板４はこのような熱通
過断面積の大きなマイクロビーム板１０を介して結合さ
れているので、従来の伝熱性金属フォイル３５を介した
接合に比べて熱抵抗が低く冷却性能を向上させることが
できる。
【００２７】実施の形態２.熱伸び差は中央では零で端
部に行くほど大きくなるので、マイクロビーム１０ａの
撓み量も中央では零で端部に行くほど大きくなる。この
ように、中央部では撓み量は小さいのでマイクロビーム
１０ａの断面積を大きくしてもマイクロビーム１０ａの
曲げ応力を許容応力以下にすることができる。図７
（ａ）（ｂ）に中央に行くほど溝のピッチを大きくして
マイクロビームの断面積を大きくした本発明の実施の形
態２によるマイクロビーム板を示す。（ａ）は上面図、
（ｂ）は正面図である。このようにして熱通過断面積を
増やすと熱抵抗が減るので冷却性能をさらに向上させる
ことができる。なお、明確のため、（ａ）ではマイクロ
ビーム部に網かけを施して示している。
【００２８】なお、この図７では溝のピッチを２方向に
対して大きくすることにより断面積を大きくしている
が、必ずしも２方向共に大きくしなくてもよく、１方向
だけ大きくすることもできる。図８（ａ）（ｂ）に中央
に行くほど溝のピッチを１方向だけ大きくすることによ
り断面積を大きくした例を示す。（ａ）は上面図、
（ｂ）は正面図である。なお、明確のため、（ａ）では
マイクロビーム部に網かけを施して示している。
【００２９】以上のように、本実施の形態によれば、熱
伸び差の小さな中央部のマイクロビームの断面積を熱伸
び差の大きな周辺部のマイクロビームの断面積よりも大
きくしたので、例えば周辺部のマイクロビームの断面積
を実施の形態１と同じにした場合には、実施の形態１に
比べて熱通過断面積を増やすことができ、冷却性能をさ
らに向上させることができる。なお、本実施の形態は、
実施の形態１に限らず、以下の各実施の形態にも適用し
て冷却性能や熱伸び差の吸収特性をより向上させること
ができる。
【００３０】実施の形態３．図９は本発明の実施の形態
３によるパワー半導体装置の構成を示す正面図である。
図において、１８は放熱用金属ベース板を兼用した銅や
アルミニウム等からなるヒートシンク等の冷却装置であ
り、絶縁性基板３等のその他の構成部材の材料は実施の
形態１と同様である。本実施の形態においては、マイク
ロビーム板１０はアルミナや窒化アルミニウム等からな
る線膨張率の小さな絶縁性基板３と放熱用金属ベース板
を兼用した銅やアルミニウム等からなる線膨張率の大き
な冷却装置１８の間に配置され、線膨張率の小さな第１
の金属板１１がパワー半導体素子２側すなわち絶縁性基
板３に、線膨張率の大きな第２の金属板１２が放熱部側
すなわち放熱用金属ベース板を兼用した冷却装置１８に
それぞれはんだ７および８により接合されている。
【００３１】モジュールの運転時、パワー半導体素子２
で発生する熱は、絶縁性基板３およびマイクロビーム１
０を介して、冷却装置５に伝導し、冷却される。このと
き、線膨張率の小さな絶縁性基板３と線膨張率の大きな
冷却装置５の間で熱伸び差が発生するが、その間を実施
の形態１と同様のマイクロビーム板１０で結合すること
によってマイクロビーム板１０の支持部１０ｂには無理
な熱応力は発生せず、はんだ７および８が破損すること
はなく長期信頼性が高い。また、絶縁性基板３と冷却装
置５はこの熱通過断面積の大きなマイクロビーム板１０
を介して結合されているので、従来の伝熱性金属フォイ
ル３５を介した接合に比べて熱抵抗が低く冷却性能を向
上させることができる。
【００３２】実施の形態４．図１０は本発明の実施の形
態４によるパワー半導体装置の構成を示す正面図であ
る。本実施の形態においては、放熱用金属ベース板４は
モリブデンやタングステン等の線膨張率の小さな材料か
らなり、ヒートシンク等の冷却装置５は銅やアルミニウ
ム等の線膨張率の大きな材料からなる。その他の構成部
材の材料は実施の形態１と同様である。マイクロビーム
板１０は線膨張率の小さな材料からなる放熱用金属ベー
ス板４と線膨張率の大きな材料からなる冷却装置５との
間に配置され、線膨張率の小さな第１の金属板１１がパ
ワー半導体素子２側すなわち放熱用金属ベース板４に、
線膨張率の大きな第２の金属板１２が冷却部側すなわち
冷却装置５にそれぞれはんだ８および９により接合され
ている。
【００３３】モジュールの運転時、パワー半導体素子２
で発生する熱は、絶縁性基板３、放熱用金属ベース板４
およびマイクロビーム板１０を介して、冷却装置５に伝
導し、冷却される。このとき、線膨張率の小さな放熱用
金属ベース板４と線膨張率の大きな冷却装置５の間で熱
伸び差が発生するが、その間を実施の形態１と同様のマ
イクロビーム板１０で結合することによって、マイクロ
ビーム板１０の支持部１０ｂには無理な熱応力は発生せ
ず、はんだ８および９が破損することはなく長期信頼性
が高い。また、放熱用金属ベース板４と冷却装置５はこ
の熱通過断面積の大きなマイクロビーム板１０を介して
結合されているので、従来の伝熱性金属フォイルを介し
た接合に比べて熱抵抗が低く冷却性能を向上させること
ができる。
【００３４】実施の形態５．図１１は本発明の実施の形
態５によるパワー半導体装置の構成を示す正面図であ
る。本実施の形態では、放熱用金属ベース板４や冷却装
置５等の各構成部材の材料および配置は図１０で示した
実施の形態４と同じであるが、マイクロビーム板１０の
構成が異なる。すなわち、マイクロビーム板１０はモリ
ブデンやタングステン等の線膨張率の小さな材料からな
る第１の金属板１１と銅やアルミニウム等の線膨張率の
大きな材料からなる第２の金属板１２を圧着１３したも
のを、線膨張率の小さな第１の金属板１１側から線膨張
率の大きな第２の金属板１２に食い込んだ状態まで碁盤
の目状に溝加工し、線膨張率の大きな第２の金属板１２
をマイクロビーム支持部として少し残すようにしたもの
である。マイクロビーム板１０を拡大して図１２（ａ）
（ｂ）に正面図および下面図でそれぞれ示す。なお、図
１２において、各寸法の単位はｍｍである。なお、明確
のため、（ｂ）ではマイクロビーム部に網かけを施して
示している。マイクロビーム板１０は、線膨張率の小さ
な材料からなる放熱用金属ベース板４と線膨張率の大き
な材料からなる冷却装置５との間に配置され、線膨張率
の小さな第１の金属板１１が放熱用金属ベース板４に、
線膨張率の大きな第２の金属板１２が冷却装置５にそれ
ぞれはんだ８および９により接合されている。
【００３５】モジュールの運転時、パワー半導体素子２
で発生する熱は、絶縁性基板３、放熱用金属ベース板４
およびマイクロビーム板１０を介して、冷却装置５に伝
導し、冷却される。このとき、線膨張率の小さな放熱用
金属ベース板４と線膨張率の大きな冷却装置５の間で熱
伸び差が発生するが、その間をマイクロビーム板１０で
結合することによって、線膨張率の小さな放熱用金属ベ
ース板４はマイクロビーム板の同じく線膨張率の小さな
第１の金属板１１とはんだ付されるのと、マイクロビー
ムの撓みによる熱伸び差吸収作用によって放熱用金属ベ
ース板４には無理な熱応力は発生せず、はんだ８および
９が破損することはなく長期信頼性が高い。また、放熱
用金属ベース板４と冷却装置５はこの熱通過断面積の大
きなマイクロビーム板１０を介して結合されているの
で、従来の伝熱性金属フォイル３５を介した接合に比べ
て熱抵抗が低く冷却性能を向上させることができる。
【００３６】なお、本実施の形態では線膨張率の小さな
第１の金属１１側から線膨張率の大きな第２の金属１２
に食い込むように溝加工しているので、支持部１０ｂは
第２の金属１２の方に形成され第１の金属板１１の方に
は形成されないため、銅やアルミニウムに比べて熱伝導
率が小さく一般に高価であるモリブデンやタングステン
等の第１の金属板１１の厚さを薄くすることが可能とな
り、安価でしかも熱伝導率が向上したマイクロビーム板
１０が得られる。ただし、マイクロビーム１０ａは線膨
張率の大きな第２の金属１２部分の長さがある程度必要
である上に支持部１０ｂも形成するので、第２の金属板
１２の厚さは上記各実施の形態に比べて厚くする必要が
ある。図１２の例では第１の金属板１１の厚さが２ｍ
ｍ、第２の金属板１２の厚さが１５ｍｍである。
【００３７】実施の形態６．図１３は本発明の実施の形
態６によるパワー半導体装置の構成を示す正面図であ
る。図において、１７はマイクロビーム板１０の第１の
金属板を兼用したモリブデンやタングステン等の線膨張
率の小さな材料からなる放熱用金属ベース板である。ヒ
ートシンク等の冷却装置５は銅やアルミニウム等の線膨
張率の大きな材料からなる。その他の構成部材の材料は
実施の形態１と同様である。本実施の形態では、マイク
ロビーム板１０は、モリブデンやタングステン等の線膨
張率の小さな材料からなる放熱用金属ベース板１７と銅
やアルミニウム等の線膨張率の大きな材料からなる第２
の金属板１２を圧着１３したものを、第２の金属板１２
側から放熱用金属ベース板１７に少し食い込む状態ま
で、碁盤の目状に溝加工したものである。パワー半導体
素子２は絶縁性基板３上にはんだ６で接合され、絶縁性
基板３はマイクロビーム板１０の第１の金属板を兼用し
た放熱用金属ベース板１７上にはんだ７で接合され、放
熱用金属ベース板１７と一体となったマイクロビーム板
１０は冷却装置５上にはんだ９で接合される。
【００３８】モジュールの運転時、パワー半導体素子２
で発生する熱は、絶縁性基板３および放熱用金属ベース
板１７と一体となったマイクロビーム板１０を介して、
冷却装置５に伝導し、冷却される。このとき、線膨張率
の小さな絶縁性基板３と線膨張率の大きな冷却装置５の
間で熱伸び差が発生するが、その間をマイクロビーム板
１０で結合することによって、マイクロビーム板１０の
支持部である線膨張率の小さな放熱用金属ベース板１７
の溝１４が形成されていない部分は線膨張率の異なる材
料を接合している圧着１３面から離れているのと、マイ
クロビームの撓みによる熱伸び差吸収作用によって、こ
の支持部には無理な熱応力は発生せず、はんだ７および
９が破損することはなく長期信頼性が高い。また、放熱
用金属ベース板４と冷却装置５はこの熱通過断面積の大
きなマイクロビーム板１０を介して結合されているの
で、従来の伝熱性金属フォイル３５を介した接合に比べ
て熱抵抗が低く冷却性能を向上させることができる。図
１４にマイクロビームの撓む様子を示す。図において、
δ2はマイクロビーム１０ａの端部における撓み量であ
る。
【００３９】実施の形態７．図１５は本発明の実施の形
態７によるパワー半導体の構成を示す正面図である。図
において、４はモリブデンやタングステン等の線膨張率
の小さな材料からなる放熱用金属ベース板、１９はマイ
クロビーム板１０の第２の金属板を兼用した銅やアルミ
ニウム等の線膨張率の大きな材料からなるヒートシンク
等の冷却装置である。その他の構成部材の材料は実施の
形態１と同様である。本実施の形態では、マイクロビー
ム板１０は、銅やアルミニウム等の線膨張率の大きな材
料からなる第２の金属板を兼用した冷却装置１９にモリ
ブデンやタングステン等の線膨張率の小さな材料からな
る第１の金属板１１を圧着１３したものを、線膨張率の
小さな第１の金属板１１側から第２の金属板を兼用した
冷却装置１９に食い込む状態まで、碁盤の目状溝加工し
たものである。パワー半導体素子２は絶縁性基板３上に
はんだ６で接合され、絶縁性基板３は放熱用金属ベース
板４上にはんだ７で接合され、放熱用金属ベース板４は
冷却装置と一体となったマイクロビーム板１０にはんだ
８で接合される。
【００４０】モジュールの運転時、パワー半導体素子２
で発生する熱は、絶縁性基板３、放熱用金属ベース板４
および冷却装置と一体となったマイクロビーム板１０を
介して冷却装置１９に伝導し、冷却される。このとき、
線膨張率の小さな放熱用金属ベース板４と線膨張率の大
きな冷却装置１９の間で熱伸び差が発生するが、その間
をマイクロビームで結合することによって、線膨張率の
小さな放熱用金属ベース板４は線膨張率の異なる材料を
接合している圧着１３面から離れているのと、マイクロ
ビームの撓みによる熱伸び差吸収作用によって、放熱用
金属ベース板４には無理な熱応力は発生せず、はんだ７
および９が破損することはなく長期信頼性が高い。ま
た、放熱用金属ベース板４と冷却装置１９は熱通過断面
積の大きなマイクロビームを介して結合されているの
で、従来の伝熱性金属フォイル３５を介した接合に比べ
て熱抵抗が低く冷却性能を向上させることができる。
【００４１】実施の形態８．図１６は本発明の実施の形
態８によるパワー半導体装置の構成を示す正面図であ
る。図において、２０は冷却装置５より線膨張率の大き
なバイメタル金属であり、例えば、冷却装置５に銅を使
用した場合、バイメタル金属２０にアルミニウム等を使
用する。２１は圧着部またははんだであり、圧着または
はんだによりバイメタル金属２０を冷却装置５に接合し
ている。図１７は図１６の要部を拡大して示す正面図、
図１８は本実施の形態の作用を説明する図である。本実
施の形態においては、冷却装置５はその反パワー半導体
素子２側にはフィン等が形成されておらず板状であり、
バイメタル金属２０が接合されている点を除けば、実施
の形態６と同様の構成を有している。
【００４２】モジュールの運転時、マイクロビーム板１
０の熱伸び差吸収作用は実施の形態６の場合と同様であ
るのでここでは説明を省略する。本実施の形態では、図
１６〜図１８に示すように、冷却装置５より線膨張率の
大きなバイメタル金属２０を冷却装置５の反パワー半導
体素子２側に接合しているので、モジュールの運転時に
冷却装置５は図１８に示すようにパワー半導体素子２側
が凹むように湾曲し、マイクロビーム１０ａで吸収する
撓み量（中央では０であるが端に行くほど大きくなり端
部ではδ3）はバイメタル金属２０が接合されていない
実施の形態６の図１４における撓み量（端部ではδ2）
より小さくて済み、従ってマイクロビーム１０ａの長さ
を短くしたり断面積を大きくしたりすることができ、熱
抵抗が小さくなるので冷却効果はさらに向上する。
【００４３】また、例えば、板状の冷却装置５に銅を使
用し、バイメタル金属２０にアルミニウムを使用した場
合、冷却装置５の厚さを１６ｍｍとすると、マイクロビ
ーム１０ａで吸収すべき撓み量δ3は、図１９に示す様
にバイメタル金属２０の厚さｈ2によって異なり、δ3が
最小となる点が存在する。即ち、湾曲することによって
生じる曲率半径が最小となりバイメタル効果が最大とな
る点が存在する。
【００４４】そこで、図２０を用いてバイメタル効果が
最大となるバイメタル金属２０の厚さについて説明す
る。図２０に示すように各部の大きさを下表のように定
義する。
【００４５】
【表１】
【００４６】歪量の釣合いより α1ΔT1＋ P1/(A1E1)＋ h1/(2R1) ＝ α2ΔT2− P2/(A2E2)− h2/(2R2) …（１１） ∴ α2ΔT2−α1ΔT1＝ h/R＋ P{1/(A1E1)＋ 1/(A
2E2)}モーメントの釣合いより Ph ＝ M1＋ M2 ＝ E1I1/R1＋ E2I2/R2 ＝ (E1I1＋E2I2)/R …（１２） 式（１１）（１２）より極率は 1/R＝ (α2ΔT2−α1ΔT1)/[ h＋ {1/(A1E1)＋ 1/(A2E2)}(E1I1＋E2I2)/h] …（１３） 撓み角は（片側） θ＝ L/2・1/R＝L/2・ (α2ΔT2−α1ΔT1)/ [ h＋ {1/(A1E1)＋ 1/(A2E2)}(E1I1＋E2I2)/h]…（１４） 式（１３）および式（１４）の分母 ｆ(h2)＝h＋ {1/(A1E1)＋ 1/(A2E2)}(E1I1＋E2I2)/h …（１５） が最小となる時に式（１３）の曲率が最大、曲率半径が
最小となり、また、式（１４）の撓み角が最大となりバ
イメタル効果が最大となる。式（１５）に 式（ａ），
（ｂ），（ｃ）を代入すると
【００４７】
【数３】
【００４８】この値が最小となるh2 を求めると
【００４９】
【数４】
【００５０】これを無次元化して図にすると図２１のよ
うになる。例えば、冷却装置５に銅を使用し、バイメタ
ル金属２０にアルミニウムを使用するとＥ1＝12000kgf/
mm2、Ｅ2＝7200kgf/mm2、Ｅ2／Ｅ1＝0.6、ｈ2／ｈ1＝0.
626となり、冷却装置５の厚さをｈ＝１６ｍｍとする
と、バイメタル効果が最も大きく曲率半径が最小となる
バイメタル金属２０の厚さはｈ2＝0.626×１６＝１０ｍ
ｍとなる。また、図１９からも分かるように、バイメタ
ル金属２０の厚さｈ2は、バイメタル効果が最も大きく
曲率半径が最小となるバイメタル金属２０の厚さ（１０
ｍｍ）の０．５倍（５ｍｍ）から２．０倍（２０ｍｍ）
の間の値で比較的大きなバイメタル効果が得られ、撓み
量δ3が小さくなる。したがって、バイメタル金属の厚
さを上式で求めた値ｈ2の０．５倍以上２．０倍以下の
値とすることによってマイクロビーム板１０で吸収すべ
き撓み量δ3を小さくすることができる。
【００５１】なお、バイメタル金属２０と冷却装置５と
を放熱用金属ベース板と一体となったマイクロビーム板
１０にはんだ付けする操作としては、次の３操作が考え
られ、接合する手順としては次の３ケースが考えられ
る。 操作１：バイメタル金属２０を冷却装置に圧着する。 操作２：バイメタル金属２０を冷却装置にはんだ付けす
る。 操作３：冷却装置５を放熱用金属ベース板と一体となっ
たマイクロビーム板１０にはんだ付けする。 ケース１：操作１を行ってから操作３を行う。 ケース２:操作２と操作３を一括して同時に行う。 ケース３:操作２の高温はんだ付けを行ってから操作３
の低温はんだ付けを行う。
【００５２】なお、ケース１と３において、バイメタル
金属２０が接合された冷却装置５を放熱用金属ベース板
と一体となったマイクロビーム板１０にはんだ付けする
際、バイメタル金属２０と一体となった冷却装置５はは
んだ付け温度に加熱されて、バイメタル金属２０と冷却
装置５の線膨張率の差によって湾曲し、マイクロビーム
板１０にはんだ付けする面（以下この面を面１と言う）
も湾曲する。しかるに、放熱用金属ベース板と一体とな
ったマイクロビーム板１０の冷却装置５側の面（以下こ
の面を面２と言う）はマイクロビーム１０ａに分割され
てはいるが平面であるのではんだ付けが多少難しくなる
場合が生じる。このとき、はんだ付けする方法として次
の３ケースが考えられる。 ケース４：面１の湾曲量がはんだの厚さに比べて小さな
のでそのままはんだ付する。 ケース５：放熱用金属ベース板１７は薄く剛性が低いの
で、面２を面１に沿わせて湾曲させてはんだ付する。 ケース６：バイメタル金属２０と一体となった冷却装置
５をはんだの溶融温度まで加熱した状態で面１を平面加
工し、その後はんだ付する。ケース６の場合は、はんだ
付する際、バイメタル金属２０と一体となった冷却装置
５はんだ付温度まで加熱されているので面１は平面にな
っており、平面の面２と平面と平面のはんだ付となるの
で良好なはんだ付を行うことができる。
【００５３】なお、本実施の形態では実施の形態６にお
いて、冷却装置５の反パワー半導体素子２側にバイメタ
ル金属２０を接合した場合について説明したが、上記各
実施の形態１〜５や７にも適用できるのは言うまでもな
い。
【００５４】実施の形態９.なお、上記各実施の形態で
は、マイクロビーム板１０として溝１４が一方の金属板
１１（または１２）側から他方の金属板１２（または１
１）へ所定深さ食い込むように形成されているものにつ
いて説明したが、これに限るものではなく、図２２に示
すように溝１４が２枚の金属板１１，１２にまたがって
中央部に形成されており、両端に支持部１０ｂを有する
ものであってもよく、この場合には両端が支持部１０ｂ
であるので、他の部材との接合が容易となる。
【００５５】なお、上記各実施の形態では、パワー半導
体素子２から放熱部５への熱伝導路中で様々な場所にマ
イクロビーム板１０を配置した場合につて説明したが、
要は、線膨張率の最も大きく異なる部材間にマイクロビ
ーム板１０を配置するのが最も効果的である。ただし、
実施の形態１の図１と実施の形態４の図１０を比べた場
合、図１の方が、マイクロビーム板１０を個々のパワー
半導体素子２に小さく分割して接合しているので、熱伸
び差が小さくより吸収しやすいという利点はある。
【００５６】なお、上記各実施の形態では熱歪吸収体す
なわちマイクロビーム板１０をパワー半導体装置の熱歪
吸収に用いた場合について説明したが、これに限るもの
ではなく、例えばガソリンエンジンなどの燃焼室等の内
壁を冷却したり、ごみ焼却炉などの燃焼炉の熱を利用し
たりする時の熱伝導路としても用いることができる。
【００５７】
【発明の効果】以上のように、本発明の第１の構成に係
る熱歪吸収体は、線膨張率の異なる部材間に配置される
ものであって、線膨張率の異なる少なくとも２枚の熱伝
導性金属板を圧着してなり、これら複数の金属板にまた
がって形成された溝によって仕切られた複数の柱状の梁
とその支持部で構成されたので、熱伝導性能を損なわず
になおかつ両部材の線膨張率の違いによる熱伸び差を吸
収して熱応力を低減することができる。
【００５８】本発明の第２の構成に係る熱歪吸収体は、
上記第１の構成に加えて、溝は一方の金属板側から他方
の金属板へ所定深さ食い込むように形成されているの
で、製造が容易である。
【００５９】本発明の第３の構成に係る熱歪吸収体は、
上記第２の構成に加えて、食い込む深さは梁の幅の１／
４以上であるので、熱応力を効果的に低減することがで
きる。
【００６０】本発明の第４の構成に係る熱歪吸収体は、
上記第１の構成に加えて、溝は複数の金属板にまたがっ
て中央部に形成されており、両端に支持部を有するの
で、熱歪吸収体の両側に配置される部材との接合が容易
である。
【００６１】本発明の第５の構成に係る熱歪吸収体は、
上記第１ないし４のいずれかの構成に加えて、中央部の
梁の断面積を周辺部の梁の断面積よりも大きくしたの
で、冷却性能をさらに向上させたり、熱伸び差の吸収特
性をより向上させたりすることができる。
【００６２】本発明の第６の構成に係る熱歪吸収体は、
上記第１ないし５のいずれかの構成に加えて、溝は碁盤
の目状に形成されており、梁は角柱状であるので、容易
にしかもスペースファクター良く梁を形成することがで
きる。
【００６３】本発明の第７の構成に係るパワー半導体装
置は、パワー半導体素子と放熱部とを有するパワー半導
体装置において、上記パワー半導体素子から放熱部への
熱伝導路中に、線膨張率の異なる少なくとも２枚の熱伝
導性金属板を圧着してなるものであって、これら複数の
金属板にまたがって形成された溝によって仕切られた複
数の柱状の梁とその支持部で構成された熱歪吸収体を配
置し、該熱歪吸収体の線膨張率の小さな方の金属板をパ
ワー半導体素子側と、線膨張率の大きな方の金属板を放
熱部側とそれぞれ接合したので、パワー半導体素子から
放熱部への熱伝導性能を損なわずに、なおかつ線膨張率
の違いによる熱伸び差を吸収してパワー半導体装置に発
生する熱応力を低減することができる。
【００６４】本発明の第８の構成に係るパワー半導体装
置は、上記第７の構成に加えて、熱歪吸収体の溝は一方
の金属板側から他方の金属板へ所定深さ食い込むように
形成されているもで、製造が容易である。
【００６５】本発明の第９の構成に係るパワー半導体装
置は、上記第８の構成に加えて、食い込む深さは梁の幅
の１／４以上であるので、熱応力を効果的に低減するこ
とができる。
【００６６】本発明の第１０の構成に係るパワー半導体
装置は、上記第７の構成に加えて、熱歪吸収体の溝は複
数の金属板にまたがって中央部に形成されており、両端
に支持部を有するので、熱歪吸収体の両側に配置される
部材との接合が容易である。
【００６７】本発明の第１１の構成に係るパワー半導体
装置は、上記第７ないし１０のいずれかの構成に加え
て、熱歪吸収体は、中央部の梁の断面積を周辺部の梁の
断面積よりも大きくしたので、パワー半導体素子から放
熱部への熱伝導性能をさらに向上させたり、熱伸び差の
吸収特性をより向上させたりすることができる。
【００６８】本発明の第１２の構成に係るパワー半導体
装置は、上記第７ないし１１のいずれかの構成に加え
て、熱歪吸収体の溝は碁盤の目状に形成されており、梁
は角柱状であるので、容易にしかもスペースファクター
良く梁を形成することができる。
【００６９】本発明の第１３の構成に係るパワー半導体
装置は、上記第７の構成に加えて、放熱部は板状であ
り、該放熱部の熱歪吸収体が配置された側と反対側に放
熱部よりも線膨張率の大きな金属を接合したので、熱歪
吸収体で吸収すべき撓み量を小さくすることができ、梁
の長さを短くしたり断面積を大きくしたりできるので、
パワー半導体素子から放熱部への熱伝導性能をさらに向
上させることができる。
【００７０】本発明の第１４の構成に係るパワー半導体
装置は、上記第１３の構成に加えて、放熱部よりも線膨
張率の大きな金属の厚さは、その弾性係数をＥ2、放熱
部の弾性係数をＥ1、放熱部の厚さをｈ1とした場合に、
式（１）で求めた値ｈ2の０．５倍以上２倍以下とする
ことにより、上記第１３の構成による効果を効率的に得
ることができる。
【００７１】
【数５】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１によるパワー半導体装
置の構成を示す正面図である。
【図２】 本発明の実施の形態１に係わり図１のマイク
ロビーム板の一部を拡大して示す正面図である。
【図３】 本発明の実施の形態１に係わり図２の矢視Ｘ
−Ｘから見た断面図である。
【図４】 本発明の実施の形態１に係わりマイクロビー
ム板の作用を説明する図である。
【図５】 本発明の実施の形態１に係わりマイクロビー
ム板の圧着部近傍を拡大して作用を説明する図である。
【図６】 本発明の実施の形態１に係わるマイクロビー
ム板の各寸法の一例を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は
正面図である。
【図７】 本発明の実施の形態２に係わるマイクロビー
ム板の各寸法の一例を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は
正面図である。
【図８】 本発明の実施の形態２に係わるマイクロビー
ム板の各寸法の別の例を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）
は正面図である。
【図９】 本発明の実施の形態３によるパワー半導体装
置の構成を示す正面図である。
【図１０】 本発明の実施の形態４によるパワー半導体
装置の構成を示す正面図である。
【図１１】 本発明の実施の形態５によるパワー半導体
装置の構成を示す正面図である。
【図１２】 本発明の実施の形態５に係わるマイクロビ
ーム板の各寸法の一例を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）
は正面図である。
【図１３】 本発明の実施の形態６によるパワー半導体
装置の構成を示す正面図である。
【図１４】 本発明の実施の形態６に係わりマイクロビ
ーム板の撓む様子を示す図である。
【図１５】 本発明の実施の形態７によるパワー半導体
装置の構成を示す正面図である。
【図１６】 本発明の実施の形態８によるパワー半導体
装置の構成を示す正面図である。
【図１７】 本発明の実施の形態８に係わり図１６の要
部を拡大して示す正面図である。
【図１８】 本発明の実施の形態８に係わりマイクロビ
ーム板の撓む様子を示す図である。
【図１９】 本発明の実施の形態８に係わり撓み量とバ
イメタル金属の厚さの関係を示す特性図である。
【図２０】 本発明の実施の形態８に係わる説明図であ
る。
【図２１】 本発明の実施の形態８に係わりバイメタル
金属と冷却装置の厚さの比とバイメタル金属と冷却装置
の縦弾性計数の比との関係を示す特性図である。
【図２２】 本発明の実施の形態１０に係わるマイクロ
ビーム板の一部を拡大して示す正面図である。
【図２３】 従来パワー半導体装置の構成を示す断面図
である。
【図２４】 図２３の伝熱性金属フォイルを拡大して示
す斜視図である。
【符号の説明】
１ パワー半導体モジュール、２ パワー半導体素子、
３ 絶縁性基板、４放熱用金属ベース板、５ 冷却装
置、６〜９ はんだ、１０ マイクロビーム板、１０ａ
マイクロビーム、１０ｂ 支持部、１１ 第１の金属
板、１２ 第２の金属板、１３ 圧着部、１４ 溝、１
７ 第１の金属板を兼用した放熱用金属ベース版、１８
放熱用金属ベース版を兼用した冷却装置、１９ 第２
の金属板を兼用した冷却装置、２０ バイメタル金属、
２１ はんだまたは圧着部、３５伝熱性金属フォイル、
３６ 切溝、４０ パッケージ、４１ キャップ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 23/34 - 23/473

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 線膨張率の異なる部材間に配置されるも
    のであって、線膨張率の異なる少なくとも２枚の熱伝導
    性金属板を圧着してなり、これら複数の金属板にまたが
    って形成された溝によって仕切られた複数の柱状の梁と
    その支持部で構成されたことを特徴とする熱歪吸収体。
  2. 【請求項２】 溝は一方の金属板側から他方の金属板へ
    所定深さ食い込むように形成されていることを特徴とす
    る請求項１に記載の熱歪吸収体。
  3. 【請求項３】 食い込む深さは梁の幅の１／４以上であ
    ることを特徴とする請求項２に記載の熱歪吸収体。
  4. 【請求項４】 溝は複数の金属板にまたがって中央部に
    形成されており、両端に支持部を有することを特徴とす
    る請求項１に記載の熱歪吸収体。
  5. 【請求項５】 中央部の梁の断面積を周辺部の梁の断面
    積よりも大きくしたことを特徴とする請求項１ないし４
    のいずれかに記載の熱歪吸収体。
  6. 【請求項６】 溝は碁盤の目状に形成されており、梁は
    角柱状であることを特徴とする請求項１ないし５のいず
    れかに記載の熱歪吸収体。
  7. 【請求項７】 パワー半導体素子と放熱部とを有するパ
    ワー半導体装置において、上記パワー半導体素子から放
    熱部への熱伝導路中に、線膨張率の異なる少なくとも２
    枚の熱伝導性金属板を圧着してなるものであって、これ
    ら複数の金属板にまたがって形成された溝によって仕切
    られた複数の柱状の梁とその支持部で構成された熱歪吸
    収体を配置し、該熱歪吸収体の線膨張率の小さな方の金
    属板をパワー半導体素子側と、線膨張率の大きな方の金
    属板を放熱部側とそれぞれ接合したことを特徴とするパ
    ワー半導体装置。
  8. 【請求項８】 熱歪吸収体の溝は一方の金属板側から他
    方の金属板へ所定深さ食い込むように形成されているこ
    とを特徴とする請求項７に記載のパワー半導体装置。
  9. 【請求項９】 食い込む深さは梁の幅の１／４以上であ
    ることを特徴とする請求項８に記載のパワー半導体装
    置。
  10. 【請求項１０】 熱歪吸収体の溝は複数の金属板にまた
    がって中央部に形成されており、両端に支持部を有する
    ことを特徴とする請求項７に記載のパワー半導体装置。
  11. 【請求項１１】 熱歪吸収体は、中央部の梁の断面積を
    周辺部の梁の断面積よりも大きくしたものであることを
    特徴とする請求項７ないし１０のいずれかに記載のパワ
    ー半導体装置。
  12. 【請求項１２】 熱歪吸収体の溝は碁盤の目状に形成さ
    れており、梁は角柱状であることを特徴とする請求項７
    ないし１１のいずれかに記載のパワー半導体装置。
  13. 【請求項１３】 放熱部は板状であり、該放熱部の熱歪
    吸収体が配置された側と反対側に放熱部よりも線膨張率
    の大きな金属を接合したことを特徴とする請求項７に記
    載のパワー半導体装置。
  14. 【請求項１４】 放熱部よりも線膨張率の大きな金属の
    厚さは、その弾性係数をＥ2、放熱部の弾性係数をＥ1、
    放熱部の厚さをｈ1とした場合に、式（１）で求めた値
    ｈ2の０．５倍以上２倍以下であることを特徴とする請
    求項１３に記載のパワー半導体装置。 【数１】
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