JP2016115704A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、両面に放熱板を備えた半導体装置に係り、放熱板とパッケージの剥離を防止する技術を提供する。【解決手段】半導体装置２は、トランジスタ１２と、トランジスタ１２がモールドされているパッケージ３と、第１放熱板４と第２放熱板５を備えている。第１放熱板４は、パッケージ３の第１側面３ａに接合されているとともに、パッケージ３の内部でトランジスタ１２の一方の面に固定されている。第２放熱板５は第１放熱板４と対向するようにパッケージ３の第１側面３ａとは反対側の第２側面３ｂに接合されているとともに、パッケージ３の内部でトランジスタ１２に固定されている。第１放熱板４のパッケージ３との接合面であって所定値以上の引張応力が発生する高応力領域に、複数の溝９が設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置に関する。

半導体素子をモールドしている樹脂製の本体の両面に放熱板が露出している半導体装置が知られている。そのような半導体装置の例が特許文献１と特許文献２に開示されている。放熱板は、本体に接合されているとともに、本体の内部で半導体素子に固定されている。

特開２０１２−２３５０８１号公報 特開２０１３−０１６６２３号公報

本体と放熱板の接合性を高めるために、本体成形前の放熱板にはプライマが塗布される場合がある。プライマは、例えばポリアミド樹脂を主成分とする下塗り剤である。本体と放熱板はプライマを介して接合される。しかし、プライマの厚みが不均一であると、プライマによる接合力も不均一となり、接合力の不足する箇所で放熱板が本体から剥離してしまう虞がある。本明細書は、プライマが薄くなることによる接合力の低下を補って放熱板の本体からの剥離を抑える技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子と本体と第１放熱板と第２放熱板を備える。本体は樹脂製であり、その内部に半導体素子がモールドされている。第１放熱板は、本体の第１側面に接合されており、本体の内部で半導体素子に固定されている。第２放熱板は、第１放熱板に対向するように、本体の第１側面とは反対側の第２側面に接合されている。第２放熱板は、本体の内部で半導体素子に固定されている。第１放熱板と第２放熱板の一方、あるいは、両方は、半導体素子に直接に固定されていてもよいし、他の部材、例えば金属スペーサ（あるいは金属ブロック）を介して半導体素子に固定されていてもよい。この半導体装置は、さらに、第１放熱板の本体との接合面であって所定値以上の引張応力が発生し得る高応力領域に、複数の溝と複数の凸部の少なくとも一方が設けられている。

本願発明者の検討によると、本体の両側の夫々に放熱板が接合しておりそれらの放熱板が本体内部で半導体素子に固定されている半導体装置の場合、本体と放熱板の境界に発生する応力が一様ではなく、放熱板と本体を横断する断面において特定のプロファイルを有することが判明した。特に、本体と放熱板の境界には、引張応力が発生する領域と圧縮応力が発生する領域がある。引張応力の低い領域や圧縮応力が発生する領域では剥離が生じる可能性虞は小さい。そこで、本明細書が開示する半導体装置では、放熱板の本体との接合面において所定値以上の引張応力が発生し得る領域に複数の溝と複数の凸部の少なくとも一方を設ける。複数の溝あるいは複数の凸部によって、放熱板と本体の間の接合面積が増え、接合力が増大する。その結果、放熱板の本体からの剥離が防止される。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の半導体装置の斜視図である。 図１のII−II線に沿った断面図である。 図２の破線IIIが示す範囲の拡大断面図である。 半導体装置の平面図である（上側の放熱板とスペーサを除く）。 図３における位置Ｘ０から位置Ｘ３までの間で発生する応力プロファイルのグラフある。 半導体装置の拡大断面図である。 パッケージの水分含有領域を変えたときの応力プロファイルのシミュレーション結果を示すグラフである。 図２の符号VIIIが示す領域の拡大図である。 溝の深さと引張強度の関係の一例を示すグラフである。 高応力領域に対する溝の面積比と引張応力の関係の一例を示すグラフである。 溝のピッチと引張強度の関係の一例を示すグラフである。 溝の温度の相違と引張強度の関係の一例を示すグラフである。 変形例の半導体装置の拡大断面図である。 別の変形例の半導体装置の部分断面図である。

図面を参照して実施例の半導体装置２を説明する。図１に、半導体装置２の斜視図を示す。半導体装置２は、樹脂製のパッケージ３に４個のパワー半導体素子がモールドされたデバイスである。パッケージ３は平板型であり、最も広い２平面の両方に放熱板が露出している。以下では説明の便宜上、平板型のパッケージ３の最も広い２平面を主平面３ａ、３ｂと称する。側面（主平面に交差する面）から、内部の半導体素子と導通している端子８１、８５、８６、８７が伸びている。

図１のII−II線に沿った半導体装置２の断面図を図２に示す。前述したようにパッケージ３の内部には４個の半導体素子がモールドされており、それらのうちの２個の素子（トランジスタ１２、１４）が図２の断面に表れている。残りの２個の素子は、ダイオードであり、図中の座標系でＺ軸方向の異なる位置にモールドされている。それら２個のダイオードについては後述する。図２の符号IIIが示す破線矩形部分の拡大図を図３に示す。

図２に示されているように、パッケージ３にはトランジスタ１２、１４（及び２個のダイオード）がモールドされている。パッケージ３の一方の主平面３ａに放熱板４、６が露出している。パッケージ３の他方の主平面３ｂに放熱板５、７が露出している。放熱板４、５とトランジスタ１２、及び、スペーサ１３が、主平面３ａ、３ｂに交差する方向に積層されている。放熱板４の一方の面がパッケージ３から露出している。他方の面は一部がパッケージ３と接合されており、残部がトランジスタ１２と接合されている。放熱板４とトランジスタ１２は接合層１８ｃで接合されている（図３参照）。接合層１８ｃは、はんだの層である。トランジスタ１２とスペーサ１３が接合層１８ｂを介して接合されており、スペーサ１３と放熱板５が接合層１８ａを介して接合されている（図３参照）。接合層１８ａ、１８ｂもはんだの層である。放熱板６、７とトランジスタ１４、及び、スペーサ１５も、主平面３ａ、３ｂに交差する方向に積層されている。放熱板６の一方の面がパッケージ３から露出している。他方の面は一部がパッケージ３と接合されており、残部がトランジスタ１４と接合されている。トランジスタ１４とスペーサ１５が接合されており、スペーサ１５と放熱板７が接合されている。パッケージ３は、一対の放熱板４、５の間でトランジスタ１２（及び後述するダイオード１６）を封止している。パッケージ３は、また、一対の放熱板６、７の間でトランジスタ１４（及び後述するダイオード１７）を封止している。

放熱板４、５、６、７、スペーサ１３、１５は銅製である。トランジスタ１２、１４は、平板型であり、その両側の表面に電極が露出している。電極板の周囲は樹脂で作られている。トランジスタ１２の一方の電極に放熱板４が電気的に接続されており、他方の電極に放熱板５が電気的に接続されている。トランジスタ１４の一方の電極に放熱板６が電気的に接続されており、他方の電極に放熱板７が電気的に接続されている。

パッケージ３の内部にて、放熱板５の縁から継手部５１が伸びており、放熱板６の縁から継手部６１が伸びている。パッケージ３の内部で放熱板５の継手部５１と放熱板６の継手部６１が接続されている。これにより、トランジスタ１２とトランジスタ１４が直列に接続される。放熱板４と放熱板７は、２個のトランジスタ１２、１４の直列接続の両端の端子に相当し、放熱板５と放熱板６は、２個のトランジスタ１２、１４の直列接続の中点に相当する。図４を参照して後述するが、図１に示した端子８５は、放熱板４と連続しており、端子８７は放熱板６と連続している。図示は省略するが、放熱板７と端子８６がパッケージ３の内部で電気的に接続されている。

図３に示すように、放熱板４のパッケージ３と接合しているパッケージ対向面４１ａの特定の領域に複数の溝９が設けられている。特定の領域とは、後述する高応力領域である。放熱板４（及び放熱板６）に設けられている複数の溝について説明する。図４に半導体装置２の平面図を示す。なお、図４では、パッケージ３の内部の構造が理解できるように、パッケージ３はその輪郭のみを示しており、また、放熱板５、７、スペーサ１３、１５（図２参照）は除外してある。また、図３と図４では、理解し易いように大きさを強調して複数の溝９が描かれている。即ち、図３、図４は、半導体装置２に対する溝９の相対的なサイズを正確に表しているのではないことに留意されたい。溝のサイズについては後述する。

放熱板４にはトランジスタ１２とともにダイオード１６が接合されている。放熱板６には、トランジスタ１４とともにダイオード１７が接合されている。先に述べたように、放熱板４のパッケージ３と接合している面には複数の溝９（９ａ）が設けられており、その溝９ａは、放熱板４を平面視したときにトランジスタ１２を囲むように設けられている。複数の溝９ａは、平行に伸びており、トランジスタ１２を多重に囲んでいる。放熱板４のパッケージ３と接合している面には別の複数の溝９（９ｂ）が設けられており、それら複数の溝９ｂは、放熱板４を平面視したときにダイオード１６を囲むように設けられている。複数の溝９ｂは、平行に伸びており、ダイオード１６を多重に囲んでいる。放熱板６についても同様である。即ち、放熱板６のパッケージ３と接合している面には複数の溝９（９ｃ）が設けられており、それら複数の溝９ｃは、放熱板６を平面視したときにトランジスタ１４を囲むように設けられている。また、放熱板６のパッケージ３と接合している面には別の複数の溝９（９ｄ）が設けられており、それら複数の溝９ｄは、放熱板６を平面視したときにダイオード１７を囲むように設けられている。複数の溝９ｃは、平行に伸びており、トランジスタ１４を多重に囲んでいる。複数の溝９ｄは、平行に伸びており、ダイオード１７を多重に囲んでいる。なお、放熱板４の縁から端子８５が伸びており、その端子８５はパッケージ３の外へと伸びている（図１参照）。放熱板６の縁から端子８７が伸びており、その端子８７はパッケージ３の外へと伸びている。

複数の溝９（９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ）について説明する。以下では、再び図３を参照しつつ説明する。また、トランジスタ１２を囲むように設けられている複数の溝９（９ａ）を例に説明する。複数の溝９は、放熱板４とパッケージ３の接合を高めるために設けられている。これは次の理由による。パッケージ３は、放熱板４、５、６、７とスペーサ１３、１５、半導体素子（トランジスタ１２、１４、ダイオード１６、１７）を接合した後、射出成形で作られる。パッケージ３を成形する前に、放熱板とスペーサと半導体素子のアセンブリにはその表面にプライマリが塗布される。プライマリは、例えばポリアミド樹脂を主成分とする下塗り剤であり、放熱板などの金属とパッケージとの接合性を高める。しかしながら、プライマを均一に塗布することは難しい。放熱板４とトランジスタ１２の境界部など、角をなす箇所ではプライマが厚くなり、放熱板の縁へ向かうにつれて徐々に薄くなる。一方、図３に示すように樹脂製のパッケージ３が２枚の金属板（放熱板４、５）で挟まれており、それらの金属板（放熱板４、５）がパッケージ内部で接合されていると、樹脂製のパッケージ３が膨張した際、金属板（放熱板４、５）とパッケージ３との接合面に特有のプロファイルを有する応力が発生する。なお、パッケージの膨張は、パッケージ３の温度上昇や含有水分量の上昇によって生じる。

図５に応力プロファイルの一例を示す。図５の横軸は、図３において放熱板４の縁から放熱板４とトランジスタ１２との接合箇所までの間に対応する。図３において放熱板４の左端の縁を位置Ｘ０で表し、放熱板４とトランジスタ１２との接合部の左端を位置Ｘ３で表す。図５の縦軸は、放熱板４の表面に生じる垂直応力の大きさを表しており、正値は引張応力を意味し、負値は圧縮応力を意味する。図５によく表れているように、放熱板４の特定の領域、即ち、図５におけるＸ１からＸ２までの領域で引張応力が高くなる。この領域を以下では高応力領域ＨＡと称する。図５の例では、応力（引張応力）が閾値Ｔｈ以上となる領域を高応力領域ＨＡに定めている。高応力領域ＨＡよりも縁側（グラフ左側）では、引張応力が徐々に低くなり、さらにはその大きさが負値となる。即ち、放熱板４の縁の付近（図５の符号Ａが示す箇所）では圧縮応力が作用する。また、高応力領域よりも素子側（図中の右側であってトランジスタ１２に近い側）では、引張応力が急激に小さくなり、ほぼゼロの範囲が続く（図５の符号Ｂが示す箇所）。素子（トランジスタ１２）とパッケージ３との境界（位置Ｘ３）では引張応力がやや高まる。

放熱板４に生じる応力は図５のようなプロファイルとなり、高応力領域ＨＡにおいて放熱板４はパッケージ３から剥離し易くなる。応力プロファイルは、放熱板４を平面視したときに素子（トランジスタ１２）を囲むように帯状に広がっている。そこで、半導体装置２では、高応力領域ＨＡに複数の溝９を設け、放熱板４とパッケージ３の接合力を高めている。複数の溝９により、放熱板４とパッケージ３との接合面積が増え、放熱板４とパッケージ３の接合力が高まる。先に述べたように応力プロファイルは放熱板４を平面視したときに素子（トランジスタ１２）を囲むように帯状に広がっており、図４の平面図において複数の溝９ａが設けられている領域が即ち高応力領域ＨＡに相当する。

図４に示したように、放熱板４にはトランジスタ１２を囲む複数の溝９ａのほか、ダイオード１６を囲む複数の溝９ｂが設けられている。また、放熱板６には、トランジスタ１４を囲む複数の溝９ｃと、ダイオード１７を囲む複数の溝９ｄが設けられている。複数の溝９ｂ、９ｃ、９ｄも、複数の溝９ａと同様に、高応力領域に設けられている。別言すれば、図４の平面視において複数の溝９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが設けられている領域が高応力領域に相当する。

半導体装置２は、放熱板４、６のパッケージ３と接合されている表面に複数の溝９を有している。複数の溝９は、放熱板４、６に発生する引張応力が所定値（図５に示す閾値Ｔｈ）以上となる高応力領域ＨＡに設けられている。放熱板４、６に発生する応力のプロファイルは、例えば応力解析（シミュレーションを含む）により求められる。閾値Ｔｈを定めるための条件は適宜に定められる。その条件とは、例えば、半導体装置２の各部品の材料、サイズ、パッケージ３がその使用環境下で到達し得る最高温度、パッケージ３がその使用環境下で含み得る水分量（水分が含まれる領域の大きさ）などである。

パッケージ３と接合力を高める溝は、パッケージ３の他方の主平面３ｂの側の放熱板５、７にも設けてもよい。放熱板には、溝の代わりに凸条を設けてもよい。あるいは、溝と凸条の双方を放熱板に設けてもよい。溝あるいは凸条は、半導体素子（トランジスタ１２、１４、ダイオード１６、１７）を多重に囲むことが望ましい。しかし、半導体素子を囲む複数の溝の代わりに、複数の長さの短い溝、即ち、複数の凹部が高応力領域に設けられてもよい。あるいは、半導体素子を囲む凸条の代わりに、複数の凸部が高応力領域に設けられていてもよい。

次に、図６、図７を参照して、パッケージ３の含水領域の違いによる応力プロファイルの相違を示す。図６は、図３と同じ断面図である。図６には４本の破線Ｆ１〜Ｆ４が描かれている。これら４本の破線Ｆ１〜Ｆ４は、パッケージ３の表面からの深さが一定の線を示している。破線Ｆ１は、パッケージ３の表面から０．９［ｍｍ］の深さの線であり、破線Ｆ２は、パッケージ３の表面から１．６［ｍｍ］の深さの線であり、破線Ｆ３はパッケージ３の表面から１．８［ｍｍ］の深さの線であり、破線Ｆ４はパッケージ３の表面から２．２［ｍｍ］の深さの線である。

パッケージ３は樹脂で作られており、水分を含むと膨張する。含水による膨張は、金属板である放熱板４よりも樹脂製のパッケージ３が遥かに大きい。それゆえ、温度上昇によって放熱板４とパッケージ３の間に生じる応力よりも、含水によって生じる応力の方が大きい。そこで、含水によって放熱板４に生じる応力を解析した。

水分が破線Ｆ１〜破線Ｆ４の夫々の深さまで浸透したときの応力プロファイルのシミュレーション結果を図７に示す。図７の横軸は放熱板４の縁からの距離を示している。横軸の左端は、放熱板４の縁に相当する。放熱板４の縁の位置は、図６において符号Ｘ０が示す位置である。横軸の右端は、パッケージ３とトランジスタ１２との境界に相当する。パッケージ３とトランジスタ１２との境界の位置は、図６において符号Ｘ３が示す位置である。位置Ｘ３は、位置Ｘ０から４．５［ｍｍ］の位置である。図７の縦軸は放熱板４の表面に発生する垂直応力を示している。縦軸は、図５の場合と同様に、正値が引張応力を意味し、負値が圧縮応力を意味している。

グラフＧ０は、パッケージ３が水分を全く含まないときの応力プロファイルを示す。グラフＧ１は、パッケージ３が表面から破線Ｆ１の深さまで水分を含んでいるときの応力プロファイルを示す。グラフＧ２〜Ｇ４は夫々、パッケージ３が表面から破線Ｆ２〜Ｆ４の深さまで水分を含んでいるときの応力プロファイルを示す。図７によく表されているように、水分を含む深さが深くなるほど、引張応力の最大値が大きくなる。それでも、放熱板４の縁の付近（位置Ｘ０の付近）では常に圧縮応力が発生し、Ｘ軸に沿って放熱板４の中ほどからパッケージ３とトランジスタ１２との境界付近（位置Ｘ３の付近）までは、引張応力がゼロの付近で概ねフラットになる。このように、水分を含む深さが変わっても、応力プロファイルが大まかな輪郭は特徴あるカーブを示す。この応力プロファイルから、放熱板４の縁から所定の幅を隔て、かつ、半導体素子（トランジスタ１２やダイオード１６）から別の所定の幅を隔てた帯状の範囲に、半導体素子を多重に囲む複数の溝を設けることが剥離防止に望ましいことが解る。

次に、図８〜図１２を参照して、溝９の形状と接合力の強さの関係を説明する。図８は、図３において符号VIIIの破線矩形が示す範囲の拡大図である。複数の溝９は、ピッチＰｔの間隔で平行に伸びている。各溝９の深さを符号Ｄｔで表す。また、各溝９の幅を符号Ｗｔで表す。図中のＸ１とＸ２の間の範囲が前述した高応力領域ＨＡに相当するが、図８の符号ＡＬは、位置Ｘ１と位置Ｘ２の間の距離、即ち、高応力領域ＨＡの幅を表している。なお、溝９の側面と底面を含む放熱板４の表面にはプライマ１９が塗布されている。なお、図８も、溝９のサイズを正確に表しているものではないことに留意されたい。溝９の数も４本に限られないことに留意されたい。

高応力領域ＨＡはトランジスタ１２の周囲に幅一定の帯状に広がっており、その帯の中を複数の溝９が平行に伸びている。従って、高応力領域ＨＡの幅ＡＬに対する溝幅Ｗｔの総数（溝幅Ｗｔ×溝数）の比は、高応力領域ＨＡの面積に対する溝の総面積の比に相当する。この面積比を変えたときの接合力の強さを後に説明する。

図８に示した複数の溝９による接合力の強さを、試験片を使って評価した。図９から図１２は、放熱板４を模した金属板とパッケージ３を模した樹脂ブロックを半導体装置２と同じ条件で接合した試験片を作成し、その試験片を引張試験機で試験したときの結果である。金属板の樹脂ブロックとの接合面には複数の溝が設けられている。その複数の溝は、半導体装置２の複数の溝９を模したものである。金属板は銅製である。また、試験には、表面にニッケルメッキを施した銅板を使った試験片と、ニッケルメッキを施さず、表面に何らコーティングを施さない銅板を使った試験片の２種類の試験片を使った。いずれの試験片も、樹脂の硬化工程が施してある。以下では、ニッケルメッキを施した試験片をニッケル試験片と称し、コーティングなしの試験片を無コーティング試験片と称する。

図９〜図１２のグラフの縦軸は引張強度を示している。「引張強度」は、試験片が破断したときの応力を意味する。

図９は、溝の深さと引張強度の関係の一例を示すグラフである。溝の深さＤｔ＝５０［μ］、７５［μ］、１００［μ］の３種類について試験した。溝はレーザ加工により形成した。なお、溝のピッチＰｔはいずれも０．２［ｍｍ］であり、試験温度は２５［℃］である。グラフＧ５は、ニッケル試験片の試験結果を示しており、グラフＧ６は、無コーティング試験片の試験結果を示している。いずれの溝深さにおいても、ニッケル試験片が無コーティング試験片よりも概ね２０［ＭＰａ］ほど、引張強度が高い。いずれの試験片も、３０［ＭＰａ］以上の引張強度を有していた。溝深さゼロの場合（即ち、溝を設けない場合）、ニッケル試験片は約５［ＭＰａ］で破断し、無コーティング試験片は、約１０［ＭＰａ］で破断すると推定される。放熱板は、コーティングなしの銅材、あるいは、表面にニッケルメッキが施されている銅材で作られることが望ましい。この結果より、溝を設ける高応力領域ＨＡを定めるための応力の閾値Ｔｈは、放熱板がコーティングなしの銅材で作られているときには、１０［ＭＰａ］が適切であり、放熱板が、表面にニッケルメッキが施されている銅材で作られているときには５［ＭＰａ］が適切であることがわかる。

また、図９の結果より、推定値を含めて溝の深さが２５［μ］以上であると、引張強度２０［ＭＰａ］が確保できることが解る。また、図には表れていないが、溝の深さが１００［μ］を超えると、引張強度はほぼ一定となる。この結果より、溝の深さは２５［μ］以上１００［μ］以下が好適であることがわかる。

図１０は、高応力領域ＨＡの面積に対する溝の総面積の比（面積比）と引張強度の関係の一例を示すグラフである。この面積比については図８を参照して説明した。図１０のグラフは、面積比を変えた幾つかのニッケル試験片で試験を行い、その結果を折れ線で近似したグラフである。溝の深さは１００［μ］である。グラフＧ７は、温度２５［℃］での試験結果の近似グラフであり、グラフＧ８は、温度１８０［℃］における近似グラフである。面積比０．３０（３０％）以下は、近似グラフを延長した推定線である。温度２５［℃］で引張強度が２０［ＭＰａ］以上となり、温度が１８０℃で引張強度が１０［ＭＰａ］となるのは面積比が０．１以上の範囲である。図１０の結果から、高応力領域ＨＡの面積に対する溝の総面積の割合は、０．１０以上０７０以下が好適であることがわかる。

図１１は、溝のピッチと引張強度の関係の一例を示すグラフである。溝のピッチＰｔ＝０．２［ｍｍ］、０．４［ｍｍ］、０．６［ｍｍ］の試験片を作成し、その引張強度を調べた。なお、溝の深さＤｔはいずれも１００［μ］である。試験温度は２５［℃］である。グラフＧ９は、ニッケル試験片での試験結果を示しており、グラフＧ１０は、ニッケル試験片での試験結果を示している。いずれのグラフも、引張強度は２０［ＭＰａ］以上が確保される。図１０より、溝のピッチＰｔは、０．２［ｍｍ］、０．４［ｍｍ］、０．６［ｍｍ］が好適であることがわかる。

図９から図１１のグラフの結果より、高応力領域ＨＡには、次の条件を満たす溝を設けることが好ましい。（１）各溝の深さが２５［μ］以上１００［μ］以下であること、（２）隣接する溝間のピッチが０．２［ｍｍ］、０．４［ｍｍ］、０．６［ｍｍ］のいずれかであること、（３）高応力領域ＨＡの面積に対して複数の溝が占める面積の割合が１０％から７０％の間であること。

図１２は、いくつかの条件を変えたときの引張強度を比較した実験例である。「Ｃｕ無垢キュアなし」とは、金属板に無コーティングの銅材を使い、また、樹脂に熱硬化工程を施さない試験片を意味する。「Ｃｕキュアあり」とは、金属板に無コーティングの銅材を使い、樹脂に熱硬化工程を施した試験片を意味する。「Ｃｕ（Ｎｉメッキ）キュアあり」とは、表面にニッケルメッキを施した銅材を使い、樹脂に熱硬化工程を施した試験片を意味する。また、「条件Ａ」は、試験片の溝が、ピッチＰｔ＝０．２［ｍｍ］、深さＤｔ＝１００［μ］の場合である。「条件Ｂ」は、試験片の溝が、ピッチＰｔ＝０．２［ｍｍ］、深さＤｔ＝５０［μ］の場合である。「条件Ｃ」は、試験片の溝が、ピッチＰｔ＝０．６［ｍｍ］、深さＤｔ＝１００［μ］の場合である。白抜き棒グラフは試験温度を２５［℃］に設定した場合の結果であり、グレーの棒グラフは、試験温度を１８０［℃］に設定した場合の結果である。「Ｃｕ無垢キュアあり」の場合のうちで、条件Ｃの場合であり、かつ試験温度が１８０［℃］の場合を除き、引張強度は２０［ＭＰａ］以上であった。

ここまで、高応力領域ＨＡに溝を設けた場合を説明した。溝の代わりに凸条を設けても同様の効果を得ることができる。図１３に、変形例の半導体装置２ａの部分断面図を示す。図１３の断面図は、高応力領域ＨＡにおける放熱板４とパッケージ３との境界付近の断面図である。この半導体装置２ａは、放熱板４のパッケージ３との接合面であって引張応力が閾値Ｔｈ以上の領域に複数の凸条２９を設けている。複数の凸条２９は、平行に伸びており、放熱板４を平面視したときにトランジスタ１２を多重に囲むように形成されている。なお、この場合、図４の平面図において、符号９が示す矩形の線群が、凸条に対応する。凸条の幅Ｗｔ、凸条の高さＨｔ、複数の凸条２９のピッチＰｔ、高応力領域ＨＡの面積に対する凸条の頂面の総面積の比が、上記した溝の条件と同じであれば、複数の凸条２９も、放熱板４とパッケージ３の接合力を高める。なお、凸条２９の高さＨｔは、溝９の深さＤｔと同じであればよい。また、高応力領域ＨＡの面積に対する凸条の頂面の総面積の比は、「凸条２９の頂面の幅Ｗｔ×凸条２９の数」を、高応力領域ＨＡの幅ＡＬで除した値である。

さらに別の変形例の半導体装置２ｂの部分断面図を図１４に示す。この半導体装置２ｂは、トランジスタ１２と、トランジスタ１２がモールドされている樹脂製のパッケージ３と、放熱板４と、放熱板１０５を備える。放熱板４は、パッケージ３の第１側面３ａに接合されているとともに、パッケージ３の内部でトランジスタ１２に直接に固定されている。放熱板１０５は、放熱板４と対向するようにパッケージ３の第１側面３ａとは反対側の第２側面３ｂに接合されているとともに、パッケージ３の内部でスペーサ１３を介してトランジスタ１２に固定されている。そして、放熱板４のパッケージ３との接合面であって所定値以上の引張応力が発生し得る高応力領域（図中の符号ＨＡ１が示す領域）に、複数の溝９が設けられている。また、放熱板１０５のパッケージ３との接合面であって所定値以上の引張応力が発生し得る高応力領域（図中の符号ＨＡ２が示す領域）に複数の溝１０９が設けられている。半導体装置２ｂは、両方の放熱板の高応力領域に複数の溝を備えているので、両方の放熱板の剥離を抑えることができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例では、放熱板４のパッケージ３との接合面の高応力領域ＨＡに複数の溝９を設けた。複数の溝９は平行に伸びており、放熱板４を平面視したときにトランジスタ１４を多重に囲んでいる。また、変形例では放熱板４の高応力領域に複数の凸条を設けた。溝あるいは凸条の代わりに、高応力領域に複数の凹凸を設けても同様の効果を得ることができる。放熱板４だけでなく、他の放熱板の高応力領域に複数の溝、複数の凸条、及び、凹凸のいずれかを設けてもよい。凹部も溝の一種である。即ち、本明細書における「溝」は、細く伸びている溝に限らず、長さの短い溝であってもよい。また、本明細書が開示する半導体装置は、溝（凹部）あるいは凸部の一方のみならず、凹部と凸部の両方を備えていてもよい。実施例の半導体装置２では、放熱板の高応力領域に複数の溝を設け、高応力領域以外の領域には溝を設けていない。高応力領域以外に溝などを設けない方が製造コスト上有利であるが、高応力領域以外に溝を設けてもよい。

実施例のトランジスタ１２、１４、ダイオード１６、１７が半導体素子の一例に相当する。放熱板４が第１放熱板の一例に相当し、放熱板５が第２放熱板の一例に相当する。閾値Ｔｈが所定値に相当する。パッケージ３が樹脂製の本体の一例に相当する。パッケージ３の一方の主平面３ａが第１側面の一例に相当し、他方の主平面３ｂが第２側面の一例に相当する。

実施例の半導体装置２では、２枚の放熱板（放熱板４と放熱板５）が半導体素子（トランジスタ１２）を挟んで対向しており、一方の放熱板４が半導体素子に直接固定されており、他方の放熱板５はスペーサ１３を介して半導体素子に固定されている。そして、複数の溝９が、放熱板４に設けられている。この構造では、放熱板４の方が放熱板５よりも半導体素子の熱が伝わり易い。従って放熱板４が放熱板５よりも剥離し易い。この構造は、２枚の放熱板のうち剥離し易い方の放熱板に溝を設け、剥離の発生を抑制することができる。

変形例の半導体装置２ｂでは、２枚の放熱板（放熱板４と放熱板１０５）が半導体素子（トランジスタ１２）を挟んで対向しており、一方の放熱板４が半導体素子に直接固定されており、他方の放熱板１０５はスペーサ１３を介して半導体素子に固定されている。そして、複数の溝９が、放熱板４に設けられており、複数の溝１０９が放熱板１０５に設けられている。この構造は、両方の放熱板に対して剥離の発生を抑制することができる。

対向する２枚の放熱板のうちいずれか一方に複数の溝と複数の凸部の少なくとも一方を設ける場合には、スペーサを介して半導体素子に固定されている放熱板ではなく、半導体素子に直接に固定されている放熱板に複数の溝と複数の凸部の少なくとも一方を設ける。実施例の半導体装置２は、スペーサ１３を介して半導体素子に固定されている放熱板５ではなく、半導体素子に直接に固定されている放熱板４に複数の溝９を設けている。これは次の理由による。なお、理解を助けるため、実施例の半導体装置２の符号を用いて以下、説明する。対向する放熱板４と放熱板５のいずれでも、図５に示したように、放熱板に生じる応力は、放熱板の端部付近で大きく、放熱板の中央に向かうにつれて小さくなる。半導体素子はシリコンを含んでいるため、半導体素子の周囲は、線膨張係数の差が大きい。それゆえ、半導体素子に直接に固定されている放熱板４に複数の溝と複数の凸部の少なくとも一方を設けるのが良い。一方、スペーサ１３は銅で作られている。それゆえ、半導体素子とスペーサ１３を介して固定されている放熱板５の側では、放熱板４の側と比較して、線膨張係数の差が小さい。それゆえ、放熱板５に発生する応力は放熱板４に発生する応力よりも緩やかとなる。さらに、スペーサ１３を介して半導体素子に固定されている放熱板５とパッケージ３の間で剥離が生じたとしても、剥離が半導体素子に及ぼす影響は、放熱板４が剥離する場合と比較して小さい。具体的には、放熱板５とパッケージ３の間で生じた剥離の境界は、間にスペーサ１３が存在するため、半導体素子には直接には届かない。それゆえ、剥離した箇所から半導体素子へ異物が混入することもなく、また、半導体素子の両側の接合層１８ｂ、１８ｃ（図３参照）のひずみ（はんだのひずみ）にも影響を及ぼさない。

本明細書が開示する技術は、対向している２枚の放熱板の双方が半導体素子に直接に固定されており、一方の放熱板、又は、両方の放熱板に複数の溝と複数の凸部の少なくとも一方が設けられていてもよい。あるいは、本明細書が開示する技術は、対向している２枚の放熱板の双方が、他の部材（例えば金属スペーサ又は金属ブロック）を介して半導体素子に固定されており、一方の放熱板、又は、両方の放熱板に複数の溝と複数の凸部の少なくとも一方が設けられていてもよい。

図２に示すように、半導体装置２の放熱板４は放熱板５よりも断面積が大きく、また、パッケージ３（本体）から露出している面積が大きい。そして、断面積が大きい方（露出している面積が大きい方）の放熱板４に複数の溝９が設けられている。複数の溝と複数の凸部の少なくとも一方は、対向する２枚の放熱板の断面積（又は、本体から露出している面積）が相違し、断面積（又は、露出している面積）が小さい方の放熱板に設けられていてもよい。さらにまた、対向する２枚の放熱板が同じサイズを有しており、一方の放熱板、又は、両方の放熱板に、複数の溝と複数の凸部の少なくとも一方が設けられていてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。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し得るものであり、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。

２、２ａ、２ｂ：半導体装置
３：パッケージ
４、５、６、７、１０５：放熱板
９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、１０９：溝
１２、１４：トランジスタ
１３、１５：スペーサ
１６、１７：ダイオード
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ：接合層
１９：プライマ
２９：凸条

Claims (5)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子がモールドされている樹脂製の本体と、
   前記本体の第１側面に接合されているとともに、前記本体の内部で前記半導体素子に固定されている第１放熱板と、
   前記第１放熱板と対向するように前記本体の第１側面とは反対側の第２側面に接合されているとともに、前記本体の内部で前記半導体素子に固定されている第２放熱板と、
   を備えており、
   前記第１放熱板の前記本体との接合面であって所定値以上の引張応力が発生し得る高応力領域に、複数の溝と複数の凸部の少なくとも一方が設けられている半導体装置。
2. 前記第１放熱板は表面にニッケル層を有している銅板であり、前記所定値は５［ＭＰａ］である請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１放熱板はコーティングなしの銅板であり、前記所定値は１０［ＭＰａ］である請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記高応力領域に、複数の溝が設けられており、
   各溝の深さが２５μ以上１００μ以下であり、
   隣接する溝間のピッチが０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍのいずれかであり、
   前記高応力領域の面積に対して前記複数の溝が占める面積の割合が１０％から７０％の間である、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記第１放熱板を平面視したときに前記複数の溝と複数の凸部の少なくとも一方が前記半導体素子を多重に囲むように設けられている請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。