JP7187814B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートシンクからの放熱を行う半導体装置に関するものである。

従来より、特許文献１のように、発熱素子を有する半導体装置が提案されている。発熱素子を有する半導体装置では、高温化を抑制するために、発熱素子が発した熱を放出させる必要がある。このため、発熱素子を金属製のヒートシンクに貼り付け、ヒートシンクを介して効率的に放熱が行われるようにしている。また、モールド樹脂部のうちヒートシンクよりも外側に位置している部分の吸湿時の膨張による応力により、モールド樹脂部とヒートシンクとの間に剥離が生じ得る。このため、この剥離を抑制するために、ヒートシンクのうち発熱素子の外側であって発熱素子から離れた位置に、剥離抑制手段となる窪みを設けている。

特開２０１５－１２６１１９号公報

発熱素子を有する半導体装置において、ヒートシンクを備えることで放熱できる構造とする場合、発熱素子と外部との絶縁を図ることが必要となる。このため、発熱素子とヒートシンクとの間に、金属とセラミックスと金属とを貼り合わせた積層構造の金属絶縁基板を配置し、セラミックスによって絶縁構造体とすることが考えられている。

このような絶縁構造体を用いる場合、金属絶縁基板とヒートシンクとの線膨張係数の差、より詳しくはセラミックスと銅（Ｃｕ）などの金属で構成されるヒートシンクとの線膨張係数の差に起因する応力により、モールド樹脂とヒートシンクとの間の剥離が生じる。

このようなモールド樹脂とヒートシンクとの剥離を抑制するために、上記した特許文献１の構造を適用することが考えられる。しかしながら、金属絶縁基板から離れた位置において、ヒートシンクの表面に窪みを設けただけの構造では、応力を低下させることができず、十分に剥離を抑制することができないことが確認された。

また、モールド樹脂のうちの外縁部に、半導体装置の表面側と裏面側それぞれに配置されるヒートシンクの間に入り込むように切欠きを設けることで、応力を緩和する構造とすることも考えられる。しかしながら、このような構造とする場合、切欠き部に応力が集中し、半導体装置の強度が低下するという問題も発生させる。

本発明は上記点に鑑みて、半導体装置の強度を低下させることなく、モールド樹脂部とヒートシンクとの間の剥離を抑制することができるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、板状の半導体チップ（１０）と、半導体チップの少なくとも一面側に配置され、半導体チップで発した熱を放出させる放熱構造体（２０、３０）と、を有する半導体装置であって、放熱構造体は、半導体チップ側に配置される金属絶縁基板（２１、３１）と、金属絶縁基板に対して半導体チップと反対側に配置される板状部分を有するヒートシンク（２２、３２）と、を有し、金属絶縁基板は、半導体チップ側に配置される第１金属板（２１ａ、３１ａ）と、第１金属板を挟んで半導体チップと反対側に配置されると共にヒートシンクに接続される第２金属板（２１ｂ、３１ｂ）と、第１金属板と第２金属板との間に配置されると共に、第１金属板と第２金属板の外周端から突き出して配置された絶縁板（２１ｃ、３１ｃ）と、を有した構成とされ、ヒートシンクのうち第２金属板に接続される部分が、該第２金属に接続される部分よりも外側の部分となる外縁部よりも突出した凸部（２２ａ、３２ａ）とされており、ヒートシンクの外縁部のうち絶縁板が第２金属板から突き出した部分と対向する領域が溝部（２２ｃ、３２ｃ）とされていることで前記凸部が構成されており、ヒートシンクのうち溝部よりも外側の領域は、凸部と同じ高さであり、凸部は、第２金属板の全域と接続されており、ヒートシンクのうち溝部が形成される面には、第２金属板のみが接続されている。

このように、ヒートシンクのうち第２金属板に接続される部分を凸部とすることで、ヒートシンクのうち絶縁板と対向する部分について、絶縁板からの距離を離すことが可能となり、ヒートシンクとモールド樹脂との接合部の最大剪断応力を低下させられる。したがって、ヒートシンクとモールド樹脂との接合部の剥離を抑制することが可能となる。また、このような剥離抑制効果を得るのに、モールド樹脂に対してヒートシンクの間に入り込むような切欠きを設ける必要がない。このため、半導体装置の強度の低下を招くこともない。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態にかかる半導体装置の断面図である。 凸部を形成していない場合と凸部の高さを変化させた場合それぞれについて、ヒートシンクとモールド樹脂との接合部の各位置での剪断応力の変化を示した図である。 凸部の高さと最大剪断応力との関係を示した図である。 凸部の側壁と凹部の底面との成す角の一例を示した図である。 第２実施形態にかかる半導体装置の断面図である。 第３実施形態にかかる半導体装置の断面図である。 第４実施形態にかかる半導体装置の断面図である。 突き出し量ｄを変化させた場合において、ヒートシンクとモールド樹脂との接合部の各位置での剪断応力の変化を示した図である。 突き出し量ｄとヒートシンクの先端位置での剪断応力との関係を示した図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。まず、図１を参照して、本実施形態にかかる半導体装置の構成について説明する。

図１に示す本実施形態の半導体装置１００は、例えばモータ駆動のためのスイッチングを行うパワーモジュールとして用いられるものである。半導体装置１００は、半導体チップ１０、第１放熱構造体２０、第２放熱構造体３０および金属ブロック４０等を備えている。また、半導体チップ１０、第１放熱構造体２０、第２放熱構造体３０および金属ブロック４０や、第１放熱構造体２０と第２放熱構造体３０を構成する各部は、第１～第５接合材５０ａ～５０ｅを含む接合材５０によって接合されている。そして、これらがモールド樹脂６０によって封止された構成とされている。

具体的には、半導体チップ１０のうち紙面下方に位置する一面側を下面、紙面上方に位置する他面側を上面として、半導体チップ１０の下面と第１放熱構造体２０の上面との間は第１接合材５０ａによって接合されている。また、半導体チップ１０の上面と金属ブロック４０の下面との間も第２接合材５０ｂを介して接合されている。さらに、金属ブロック４０と第２放熱構造体３０との間も第３接合材５０ｃによって接合されている。

本実施形態の場合、第１～第３接合材５０ａ～５０ｃおよび後述する第４、第５接合材５０ｄ、５０ｅを含む接合材５０は、導電材料である鉛フリーはんだ等によって構成されており、各接合材５０の厚みは例えば０．１～０．２ｍｍとされている。そして、接合材５０により、半導体チップ１０、第１放熱構造体２０、第２放熱構造体３０および金属ブロック４０の相互間が物理的にも電気的にも接続された形態とされている。なお、接合材５０としては、はんだ以外のもの、例えば導電性接着剤等を用いることもできる。また、電気的な接続を行わずに物理的な接合のみを行えば良い場所については、導電材料でない材料で構成されていても良い。

このような構成により、半導体チップ１０の上面では、第２接合材５０ｂ、金属ブロック４０、第３接合材５０ｃおよび第２放熱構造体３０を介して放熱が行われる。また、半導体チップ１０の下面では、第１接合材５０ａから第１放熱構造体２０を介して放熱が行われる。

半導体チップ１０は、シリコン（Ｓｉ）や炭化珪素（ＳｉＣ）もしくは窒化ガリウム（ＧａＮ）などの半導体基板に対して発熱素子などを形成した発熱部品に相当するものである。発熱素子としては、例えば縦型のＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やＭＯＳＦＥＴ、ダイオード等のパワー半導体素子が挙げられる。本実施形態の場合、半導体チップ１０には、発熱素子として縦型のＩＧＢＴもしくはＭＯＳＦＥＴが備えてある。

半導体チップ１０は、例えば矩形状の薄板状とされている。そして、半導体チップ１０の上面における一部に金属ブロック４０が接合され、金属ブロック４０よりも外側に制御端子を構成するリードフレーム７０が配置されている。そして、半導体チップ１０とリードフレーム７０とがボンディングワイヤ８０を介して電気的に接続されている。例えば、半導体チップ１０に対して縦型のＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴを備えている場合、リードフレーム７０はゲートに接続され、金属ブロック４０は表面電極、すなわちＩＧＢＴの場合のエミッタ電極やＭＯＳＦＥＴの場合のソース電極に接続される。一方、半導体チップ１０の裏面には裏面電極、すなわちＩＧＢＴの場合のコレクタ電極やＭＯＳＦＥＴの場合のドレイン電極が形成され、裏面電極の全面が第１放熱構造体２０に接続されている。

第１放熱構造体２０は、金属絶縁基板２１とヒートシンク２２とが第４接合材５０ｄを介して接合された構造とされ、平板状とされている。金属絶縁基板２１は、第１金属板２１ａと第２金属板２１ｂとの間に絶縁板２１ｃを挟み込んだ構成とされている。そして、金属絶縁基板２１は、第１金属板２１ａが半導体チップ１０側に向けられ、第２金属板２１ｂが第１金属板２１ａを挟んで半導体チップ１０と反対側、つまりヒートシンク２２側に向けられて配置されている。

第１金属板２１ａは、第１外部リード７１と一体もしくは電気的に接続されており、半導体チップ１０の裏面側とも第１接合材５０ａを介して電気的に接続されている。このため、第１金属板２１ａおよび第１外部リード７１を通じて、半導体チップ１０の裏面電極と外部との導通が図れるようになっている。

第１金属板２１ａのうち絶縁板２１ｃと貼り合わされている部分は長方形状などの四角形状とされており、半導体チップ１０よりも大きな寸法とされている。また、第１金属板２１ａは、厚さが０．１ｍｍ以上かつ１．５ｍｍ以下とされている。第１金属板２１ａを０．１ｍｍ以上としているのは、発熱素子に流れる大電流を許容できる厚みとするためと、放熱性を確保するためである。第１金属板２１ａを１．５ｍｍ以下としているのは、厚すぎても大電流を流し易くする効果や放熱性の向上効果が期待できない反面、厚すぎると絶縁板２１ｃとの接合性が悪くなって剥離を発生させる可能性があるためである。

第２金属板２１ｂは、絶縁板２１ｃを介して第１金属板２１ａと一体化されているが、絶縁板２１ｃが挟まれることによって第１金属板２１ａとは絶縁されている。第２金属板２１ｂは、はんだ等で構成された第４接合材５０ｄを介してヒートシンク２２と接続されているが、第１金属板２１ａと絶縁されていることから、ヒートシンク２２と半導体チップ１０との間も絶縁されている。第２金属板２１ｂのうち絶縁板２１ｃと貼り合わされている部分は長方形状などの四角形状とされており、半導体チップ１０よりも大きな寸法とされている。本実施形態の場合、第２金属板２１ｂは、第１金属板２１ａと同じ寸法とされ、互いに対向配置されていて、第２金属板２１ｂの法線方向から見て第１金属板２１ａと重なり合うように配置されている。また、本実施形態では、第２金属板２１ｂの厚みを０．１ｍｍ以上かつ１．５ｍｍ以下としている。この厚みとしている理由については、第１金属板２１ａと同様である。

絶縁板２１ｃは、ＳｉＮ、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３で構成されたセラミックス等とされており、例えば厚みが０．２～０．８ｍｍとされている。絶縁板２１ｃは、第１金属板２１ａや第２金属板２１ｂよりも大きな寸法とされており、第１金属板２１ａの法線方向から見た場合、絶縁板２１ｃの全外縁部が第１金属板２１ａの外周端よりも外側にはみ出した状態となっている。本実施形態の場合、絶縁板２１ｃの先端が第１金属板２１ａや第２金属板２１ｂよりも０．５ｍｍ程度突き出すようにしている。これにより、第１金属板２１ａと第２金属板２１ｂとの間の沿面距離が絶縁板２１ｃの厚み分よりも大きくなり、第１金属板２１ａと第２金属板２１ｂとの間の沿面放電を抑制できるようになっている。

ヒートシンク２２は、銅などの熱伝達率の高い金属で構成されており、半導体チップ１０から伝わる熱を効率よく放出し、半導体チップ１０の高温化を抑制する。ヒートシンク２２は、金属絶縁基板２１と第４接合材５０ｄを介して物理的に接続されている。第４接合材５０ｄをはんだなどの導電材料で構成する場合、金属絶縁基板２１のうちの第２金属板２１ｂと電気的にも接続されることになるが、少なくとも物理的に接続されていれば良い。また、ヒートシンク２２のうち、半導体チップ１０と反対側の一面はモールド樹脂６０から露出させられており、この露出面を放熱面として、より放熱が行われ易くなっている。

なお、本実施形態の半導体装置を冷却装置によって冷却する構成とすることもできる。その場合、冷却装置内の冷媒もしくは冷却装置を構成する金属部材が直接ヒートシンク２２に接する構成とし、より冷却効率を高めることもできるが、冷媒もしくは金属部材と半導体チップ１０とを絶縁する必要がある。このため、半導体チップ１０とヒートシンク２２との間に金属絶縁基板２１を備えることで、絶縁板２１ｃによって冷媒もしくは金属部材と半導体チップ１０とを絶縁することが可能となる。

また、本実施形態では、ヒートシンク２２を段付形状で構成し、ヒートシンク２２のうちの内側部が外縁部よりも突き出した凸部２２ａとされ、凸部２２ａの外周部が窪んだ凹部２２ｂとされている。具体的には、ヒートシンク２２のうち第２金属板２１ｂと接続される部分が凸部２２ａとされ、それよりも外側が凹部２２ｂとされている。凸部２２ａの高さは０．０５ｍｍ以上かつ１．０ｍｍ以下とされている。そして、上記したように、第２金属板２１ｂの厚みを０．１ｍｍ以上かつ１．５ｍｍ以下としているため、絶縁板２１ｃから凹部２２ｂの表面までの距離は、０．１５ｍｍ以上となっている。ただし、凸部２２ａの高さ、換言すれば凹部２２ｂの深さについては任意であり、少なくとも金属絶縁基板２１と接合される部分が凸部２２ａとされており、その周囲が凹部２２ｂとされていれば良い。

一方、第２放熱構造体３０は、金属絶縁基板３１とヒートシンク３２とが第５接合材５０ｅを介して接合された構造とされ、平板状とされている。金属絶縁基板３１は、第１金属板３１ａと第２金属板３１ｂとの間に絶縁板３１ｃを挟み込んだ構成とされており、第１金属板３１ａが半導体チップ１０側に向けられ、第２金属板３１ｂがヒートシンク３２側に向けられている。

なお、第２放熱構造体３０を構成する金属絶縁基板３１とヒートシンク３２は、第１放熱構造体２０を構成する金属絶縁基板２１とヒートシンク２２と同様の構造とされている。金属絶縁基板３１を構成する第１金属板３１ａ、第２金属板３１ｂおよび絶縁板３１ｃは、それぞれ、金属絶縁基板２１を構成する第１金属板２１ａ、第２金属板２１ｂおよび絶縁板２１ｃと同じ構成とされている。そして、ヒートシンク３２のうち半導体チップ１０と反対側の一面がモールド樹脂６０から露出させられており、この露出面を放熱面として、より放熱が行われ易くなっている。さらに、ヒートシンク３２には、凸部２２ａおよび凹部２２ｂと同様の構成とされた凸部３２ａおよび凹部３２ｂが形成されている。また、第１金属板３１ａには第２外部リード７２が一体もしくは電気的に接続されており、金属ブロック４０を介して半導体チップ１０の表面側に第１金属板３１ａが電気的に接続されることで、第２外部リード７２を通じて、半導体チップ１０の表面側と外部との導通が図れるようになっている。

金属ブロック４０は、例えば上面形状が長方形とされた四角形板状部材で構成され、銅などの熱伝達率の高い金属によって構成されている。金属ブロック４０は、例えば０．５～２．０ｍｍの厚さで構成されており、半導体チップ１０の表面側に電気的および物理的に接続されている。

モールド樹脂６０は、半導体チップ１０、第１放熱構造体２０、第２放熱構造体３０および金属ブロック４０などを封止している。モールド樹脂６０からは、第１放熱構造体２０や第２放熱構造体３０におけるヒートシンク２２、３２の一面やリードフレーム７０の一端、および、第１外部リード７１や第２外部リード７２の一端が露出させられている。露出させられたリードフレーム７０の一端や第１外部リード７１や第２外部リード７２の一端において、外部と電気的に接続可能とされている。

なお、リードフレーム７０は、上記したように半導体チップ１０の上面の所望箇所にボンディングワイヤ８０を介して接続されている。ボンディングワイヤ８０による接合箇所についてはモールド樹脂６０によって覆われており、リードフレーム７０のうちボンディングワイヤ８０との接合箇所よりも先端位置がモールド樹脂６０から露出させられている。

以上のような構造によって、本実施形態にかかる半導体装置１００が構成されている。このように構成される半導体装置１００は、例えば自動車におけるインバータ回路などに用いられる。そして、使用時には半導体チップ１０が熱を発するため、その熱を放出させるために、半導体装置１００は例えば図示しない冷却装置に取り付けられ、ヒートシンク２２、３２の露出面が冷却装置内の冷媒に曝されるように組みつけられる。

このような半導体装置１００では、モールド樹脂６０とヒートシンク２２、３２との接合部において、線膨張係数差に起因する応力が加わる。しかしながら、ヒートシンク２２、３２のうち第２金属板２１ｂ、３１ｂと接続される部分を凸部２２ａ、３２ａとし、それよりも外側の部分の全域を凹部２２ｂ、３２ｂとしている。すなわち、絶縁板２１ｃ、３１ｃのうち第２金属板２１ｂ、３１ｂよりも突き出している部分と対向する領域において、絶縁板２１ｃ、３１ｃからヒートシンク２２、３２までの距離を離すことができる。

実験によると、モールド樹脂６０とヒートシンク２２、３２との接合部の中でも、最も線膨張係数差に起因する応力が大きくなるのは、絶縁板２１ｃ、３１ｃのうち第２金属板２１ｂ、３１ｂよりも突き出している部分の先端位置であることが確認されている。具体的に、ヒートシンク２２、３２に凸部２２ａ、３２ａを形成していない構造と高さｈを変えた凸部２２ａ、３２ａを形成した構造とについて、ヒートシンク２２、３２の先端位置から金属絶縁基板２１、３１との境界位置までの間での剪断応力の変化を調べた。図２は、その結果を示した図であり、凸部２２ａ、３２ａを形成していない構造と、凸部２２ａ、３２ａを形成しつつ、その高さｈを０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍで変化させた場合の結果を示している。また、図３は、各場合の最大剪断応力を示した図である。

図２に示すように、凸部２２ａ、３２ａを形成していない構造においては、金属絶縁基板２１、３１との境界位置の近傍において、剪断応力が最も大きくなっている。具体的には、最大剪断応力が５５ＭＰａに至っている。このため、この部分において、モールド樹脂６０とヒートシンク２２、３２との密着力よりも剪断応力が大きくなり、両者の間の剥離が生じる。

これに対して、凸部２２ａ、３２ａを形成した構造においては、高さｈが比較的高い場合には、金属絶縁基板２１、３１との境界位置の近傍において剪断応力が最も大きくなるものの、その大きさが凸部２２ａ、３２ａを形成していない場合よりも低下する。この剪断応力の低下の割合は、凸部２２ａ、３２ａが高くなるほど大きくなり、高さｈが１ｍｍに至るまで最大剪断応力を低下させることができていた。

具体的には、凸部２２ａ、３２ａを形成していない場合の最大剪断応力が５５ＭＰａであった。一方、凸部２２ａ、３２ａを形成した場合の最大剪断応力は、深さが０．１ｍｍのときには３３ＭＰａ、０．２ｍｍのときには３０ＭＰａ、０．５ｍｍのときには２０ＭＰａ、１ｍｍのときには１４ＭＰａとなっていた。つまり、凸部２２ａ、３２ａの高さｈを０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍとした場合、それぞれ、最大剪断応力が４０％、４５％、６５％、７５％減少していた。

このように、高さｈが低かったとしても、少なくとも凸部２２ａ、３２ａを形成することにより、最大剪断応力を低下させることが可能となり、モールド樹脂６０とヒートシンク２２、３２との剥離を抑制することが可能となる。特に、凸部２２ａ、３２ａの高さｈを０．５ｍｍ以上にすると、ヒートシンク２２、３２のうち金属絶縁基板２１、３１との境界位置の近傍において、剪断応力が最大とならないようにでき、より剥離抑制効果を高めることが可能となる。

なお、凸部２２ａ、３２ａの高さｈについては、１ｍｍを超える高さとしても、剥離抑制効果を得ることができるが、図３に示すように最大剪断応力にほぼ変化が無くなり飽和する。逆に、凸部２２ａ、３２ａの高さｈを高くすることは、ヒートシンク２２、３２の厚みを厚くすることになるため、できるだけ凸部２２ａ、３２ａの高さｈを抑えるようにするのが好ましい。このため、凸部２２ａ、３２ａの高さｈを、０＜ｈ≦１ｍｍの範囲で形成すると良く、好ましくは０．５≦ｈ≦１ｍｍとすると良い。

以上説明したように、本実施形態では、ヒートシンク２２、３２のうち金属絶縁基板２１、３１と接続される場所を凸部２２ａ、３２ａとし、その周囲を凹部２２ｂ、３２ｂとした構造としている。これにより、ヒートシンク２２、３２のうち絶縁板２１ｃ、３１ｃと対向する部分について、絶縁板２１ｃ、３１ｃからの距離を離すことが可能となり、ヒートシンク２２、３２とモールド樹脂６０との接合部の最大剪断応力を低下させることが可能となる。したがって、ヒートシンク２２、３２とモールド樹脂６０との接合部の剥離を抑制することが可能となる。

また、このような剥離抑制効果を得るのに、モールド樹脂６０に対してヒートシンク２２、３２の間に入り込むような切欠きを設ける必要がない。このため、半導体装置の強度の低下を招くこともない。

なお、凸部２２ａ、３２ａについては、高さの条件を満たしていれば、側面の形状については任意である。例えば、凸部２２ａ、３２ａの側面と凹部２２ｂ、３２ｂの表面とが成す角度θが、図４（ａ）に示すように９０°であっても良いし、図４（ｂ）に示すように鋭角であっても良いし、図４（ｃ）に示すように鈍角であっても良い。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してヒートシンク２２、３２の形状を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５に示すように、本実施形態では、ヒートシンク２２、３２のうち凸部２２ａ、３２ａよりも外側の全域に凹部２２ｂ、３２ｂを形成するのではなく、所定幅の溝部２２ｃ、３２ｃを形成している。そして、溝部２２ｃ、３２ｃよりも外側については、凸部２２ａ、３２ａと同じ高さとしている。つまり、ヒートシンク２２、３２のうち、絶縁板２１ｃ、３１ｃの突き出している部分と対向する領域、より詳しくは突き出している部分の先端位置を含むように溝部２２ｃ、３２ｃを設け、それよりも内側が凸部２２ａ、３２ａとなるようにしている。

このように、溝部２２ｃ、３２ｃを形成することで凸部２２ａ、３２ａを構成するようにしても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。このときの溝部２２ｃ、３２ｃの深さ、つまり凸部２２ａ、３２ａの高さｈについては、実験により、第１実施形態と同様、０＜ｈ≦１ｍｍの範囲とすることで、ヒートシンク２２、３２とモールド樹脂６０との接合部の剥離を抑制できることを確認している。したがって、溝部２２ｃ、３２ｃを構成することによって凸部２２ａ、３２ａの高さｈを、０＜ｈ≦１ｍｍの範囲とすること、好ましくは０．５≦ｈ≦１ｍｍとすることで、剥離陽性効果を得ることが可能となる。

なお、溝部２２ｃ、３２ｃの幅については、任意であるが、溝部２２ｃ、３２ｃが少なくとも絶縁板２１ｃ、３１ｃの突き出している部分の先端位置と対応する部分を含むように形成されていれば良い。

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して第２金属板２１ｂ、３１ｂおよびヒートシンク２２、３２を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図６に示すように、本実施形態では、ヒートシンク２２、３２については凹部２２ｂ、３２ｂや溝部２２ｃ、３２ｃを形成していない表面が平坦面とされた板状部材とし、第２金属板２１ｂ、３１ｂの厚みを第１金属板２１ａ、３１ａよりも厚くしている。

ここで、第１金属板２１ａ、３１ａや第２金属板２１ｂ、３１ｂの厚みについては、基本的には、電流を流し易くでき、かつ、放熱性を確保できる厚みであれば良く、厚くすることによる接合性の低下と半導体装置の大型化等を考慮すると、薄い方が好ましい。このため、第１金属板２１ａ、３１ａについては、厚みを０．１ｍｍ以上かつ１．５ｍｍ以下としている。これに対して、第２金属板２１ｂ、３１ｂについては、第１金属板２１ａ、３１ａの厚みａと第２金属板２１ｂ、３１ｂの厚みｂとの厚み差ｓ（＝ｂ－ａ）が、０＜ｓ≦１．０ｍｍとなるようにしている。すなわち、少なくとも第２金属板２１ｂ、３１ｂの厚みを第１金属板２１ａ、３１ａよりも厚くしつつ、厚くなり過ぎないようにしている。

このような構成とすることで、絶縁板２１ｃ、３１ｃのうち第２金属板２１ｂ、３１ｂよりも突き出している部分と対向する領域において、絶縁板２１ｃ、３１ｃからヒートシンク２２、３２までの距離を離すことができる。また、第２金属板２１ｂ、３１ｂを厚くし過ぎないようにすることで、半導体装置の大型化を抑制することができる。

（第４本実施形態）
第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して絶縁板２１ｃ、３１ｃやヒートシンク２２、３２の形状を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図７に示すように、本実施形態では、ヒートシンク２２、３２については凹部２２ｂ、３２ｂや溝部２２ｃ、３２ｃを形成していない表面が平坦面とされた板状部材とし、絶縁板２１ｃ、３１ｃの突き出し量ｄを制限している。具体的には、絶縁板２１ｃ、３１ｃの突き出し量ｄが、０．１８ｍｍ≦ｄ≦０．５ｍｍとなるようにしている。

金属絶縁基板２１、３１において絶縁板２１ｃ、３１ｃを突き出した構造とするのは、第１金属板２１ａ、３１ａと第２金属板２１ｂ、３１ｂとの間の沿面距離を稼ぐことで沿面放電を抑制できるようにするためである。

上記したように、ヒートシンク２２、３２とモールド樹脂６０との接合部の剥離を防ぐためには、これらの間の最大剪断応力を低下させると良い。しかしながら、これらの間の剥離は、最大剪断応力の大きさのみによって決まるのではない。具体的には、これらの間の剥離は、概ね、ヒートシンク２２、３２の先端位置から始まり、そこから進展して行くことになる。このため、最大剪断応力の大きさを低下させるのではなく、ヒートシンク２２、３２の先端位置での剪断応力を低下させるということによっても、剥離を抑制することが可能となる。また、このような剥離抑制効果を得るのに、モールド樹脂６０に対してヒートシンク２２、３２の間に入り込むような切欠きを設ける必要がない。このため、半導体装置の強度の低下を招くこともない。

そして、実験により、絶縁板２１ｃ、３１ｃの突き出し量ｄについて変化させて、剪断応力の変化を調べたところ、突き出し量ｄを小さくすると、ヒートシンク２２、３２の先端位置での剪断応力が低下させられることが確認された。図８および図９は、ヒートシンク２２、３２の先端位置から金属絶縁基板２１、３１との境界位置までの間での剪断応力の変化を調べた結果を示している。

図８に示すように、突き出し量ｄを０ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍと変化させた場合、突き出し量ｄが小さくなるほどヒートシンク２２、３２の先端位置での剪断応力が小さくなり、０．５ｍｍ以下になると剪断応力が５ＭＰａ以下まで低下してほぼ一定になっていた。したがって、突き出し量ｄを小さくすること、好ましくは０．５ｍｍ以下とすることで、ヒートシンク２２、３２とモールド樹脂６０との接合部の剥離を抑制することが可能となる。

ただし、突き出し量ｄを小さくし過ぎると、沿面放電の抑制効果が得られなくなるため、ある程度の大きさにすることが必要となる。沿面放電の抑制効果が得られる沿面距離については、半導体装置に要求される耐圧によって変わるが、使用環境として想定される４００Ｖ耐圧を得るようにすることを考えると、沿面距離を１ｍｍ以上にすることが必要になる。そして、絶縁板２１ｃ、３１ｃの厚みは、０．６４ｍｍ以下に設定され、最大厚みが０．６４ｍｍであるときの突き出し量ｄは０．１８ｍｍとなる。

したがって、本実施形態では、突き出し量ｄが、０．１８ｍｍ≦ｄ≦０．５ｍｍとなるようにしている。これにより、沿面放電の抑制効果を得つつ、ヒートシンク２２、３２とモールド樹脂６０との接合部の剥離を抑制することが可能となる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記各実施形態では、放熱機能を有する絶縁構造体を備えた半導体装置の一例を挙げたが、他の構造の半導体装置であっても良い。例えば、上記各実施形態では、半導体チップの上面と下面の両面に放熱構造体を備えた構造を例に挙げたが、少なくとも一面側に放熱構造体が備えられていれば良い。

また、ヒートシンク２２、３２を板状部材で構成した放熱構造体を例に挙げて説明したが、板状部材のみで構成されている必要はない。例えば、ヒートシンク２２、３２を板状部分に対して放熱フィンなどを一体とした構造としても良い。すなわち、板状部分を有するヒートシンク２２、３２とされていれば良い。

また、各実施形態は適宜組み合わせることが可能である。例えば、第１、第２実施形態のようにヒートシンク２２、３２に対して凸部２２ａ、３２ａを備えた構造にしつつ、第３実施形態のように第２金属板２１ｂ、３１ｂが第１金属板２１ａ、３１ａよりも厚くされた構造としても良い。同様に、第１～第３実施形態の構成に対して、第４実施形態のように絶縁板２１ｃ、３１ｃの突き出し量ｄを小さくした構造を組み合わせても良い。

さらに、第１放熱構造体２０と第２放熱構造体３０を異なる構造とし、一方を第１～第４実施形態のいずれかの構造とし、他方を一方と異なる第１～第４実施形態のいずれかの構造としても良い。

１０ 半導体チップ
２０、３０ 第１、第２放熱構造体
２１、３１ 金属絶縁基板
２１ａ、３１ａ 第１金属板
２１ｂ、３１ｂ 第２金属板
２１ｃ、３１ｃ 絶縁板
２２、３２ ヒートシンク
２２ａ、３２ａ 凸部
２２ｃ、３２ｃ 溝部
６０ モールド樹脂

Claims (6)

1. 板状の半導体チップ（１０）と、
   前記半導体チップの少なくとも一面側に配置され、前記半導体チップで発した熱を放出させる放熱構造体（２０、３０）と、を有する半導体装置であって、
   前記放熱構造体は、前記半導体チップ側に配置される金属絶縁基板（２１、３１）と、
   前記金属絶縁基板に対して前記半導体チップと反対側に配置される板状部分を有するヒートシンク（２２、３２）と、を有し、
   前記金属絶縁基板は、前記半導体チップ側に配置される第１金属板（２１ａ、３１ａ）と、前記第１金属板を挟んで前記半導体チップと反対側に配置されると共に前記ヒートシンクに接続される第２金属板（２１ｂ、３１ｂ）と、前記第１金属板と前記第２金属板との間に配置されると共に、前記第１金属板と前記第２金属板の外周端から突き出して配置された絶縁板（２１ｃ、３１ｃ）と、を有した構成とされ、
   前記ヒートシンクのうち前記第２金属板に接続される部分が、該第２金属板に接続される部分よりも外側の部分となる外縁部よりも突出した凸部（２２ａ、３２ａ）とされており、
   前記ヒートシンクの外縁部のうち前記絶縁板が前記第２金属板から突き出した部分と対向する領域が溝部（２２ｃ、３２ｃ）とされていることで前記凸部が構成されており、
   前記ヒートシンクのうち前記溝部よりも外側の領域は、前記凸部と同じ高さであり、
   前記凸部は、前記第２金属板の全域と接続されており、
   前記ヒートシンクのうち前記溝部が形成される面には、前記第２金属板のみが接続されている、半導体装置。
2. 前記凸部の高さｔが、０＜ｔ≦１ｍｍとされている請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第２金属板は前記第１金属板よりも厚くされている請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記第２金属板と前記第１金属板との厚み差ｓが、０＜ｓ≦１．０ｍｍとされている請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記絶縁板が前記第２金属板から突き出した部分の突き出し量ｄが、０．１８ｍｍ≦ｄ≦０．５ｍｍとされている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体装置。
6. 前記溝部は、前記ヒートシンクのうち前記絶縁板が前記第２金属板から突き出した部分の先端位置と対向する部分まで形成されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体装置。

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