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JP5538653B2 - ヒートシンクおよび当該ヒートシンクを備えた半導体装置 - Google Patents

ヒートシンクおよび当該ヒートシンクを備えた半導体装置 Download PDF

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Description

本発明は、冷却フィンを備えたヒートシンクおよび当該ヒートシンクを備えた半導体装置に関するものである。
半導体装置は、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を回路基板上に実装してパッケージ化したモジュールの単体、あるいは複数のモジュールを組合せた電子機器である。近年、インバーターなどの電力用半導体装置では、電力損失を低減する必要があり、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウムのようなワイドバンドギャップ半導体を用いたものが開発されている。ワイドギャップ半導体の場合、素子自身の耐熱性が高く、大電流による高温動作が可能であるが、出力の増加に伴い、発熱量も多大となるため、効率的に冷却可能なヒートシンクが求められるようになってきた。
そこで、内部に冷媒を流す冷却管を複数備え、各冷却管の間に半導体モジュールのような電子部品を挟みこみ、冷却管自体あるいは内部部材の弾力によって発熱体である電子部品と冷却管の外表面とを密着させ、発熱体を効率的に冷却する冷却装置（ヒートシンク：例えば、特許文献１または２参照。）や、発熱体に直接冷却水が接触するようにしたヒートシンク（例えば、特許文献３参照。）が提案されている。
特開２００８−１６７１８号公報（段落００２０、００２７〜００２９、００５４〜００５８、図１、図２、図９） 特開２００５−８５９９８号公報（段落００２４〜００４１、図１〜図４） 特開２００５−２５２０２６号公報（段落０００８〜００１２、図２）
発熱体に直接冷却水を接触させる場合、発熱体から発生する熱を効果的に除去できるが、冷却水の漏れ防止や冷却水に対する耐性のために、発熱体を封止する材料や構造、あるいはシール構造等が制約されてしまう。一方、弾力によって発熱体と冷却管の外表面とを密着させるようにしたヒートシンクでは、発熱体と冷却管の接触面で熱抵抗が発生するので、発熱量が増大した場合には、十分な冷却性能を維持することが困難であった。そこで、例えばはんだのような金属接合材を用いて発熱体と冷却管の外表面とを結合して熱抵抗を低減することが考えられる。しかし、冷却性能を高めるためには、冷媒との熱抵抗も低く抑える必要があり、冷媒との接触面積を増加させるために、冷却管内部においてフィンを管壁に固着することになり、冷却管の管壁がフィンを介して対向面までつながることになる。そのため、冷却管の剛性が増大するので、発熱体と冷却管の外表面とを金属接合材で接合してしまうと、発熱体が熱変形した場合、接合部に熱応力が集中する。この熱応力が起動停止のたびに繰り返されると、冷却管の外表面との接合部にき裂を生じ、発熱体と冷却管間の伝熱経路が小さくなり（熱抵抗が上昇し）、冷却能力が低下するという問題があった。
この発明は、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、発熱体との接合部に生じる応力を低減し、温度サイクルを繰り返しても高い冷却性能を維持するヒートシンク、およびこのヒートシンクを備えることで安定して動作する半導体装置を得ることを目的としている。
本発明にかかるヒートシンクは、中空扁平状をなし、両外表面に接合された発熱体からの熱を、内部に流れる冷媒によって吸収するヒートシンクであって、所定の間隔を隔てて対向配置され、それぞれの外表面が前記発熱体との接合面となる２枚の平板と、前記２枚の平板のそれぞれに対して、当該平板の内表面から対向する平板に向けて延伸するとともに、前記冷媒の流れる方向に延びるように形成され、かつ、前記冷媒の流れる方向に交差する方向に距離をあけて並んだ複数列のフィンと、を備え、前記複数列のフィンのうち、数列ごとにひとつの列のフィンの先端は対向する平板に対して固定され、残りの列のフィンの先端は自由端となっていることを特徴とする。
本発明にかかる半導体装置は、回路基板上に半導体素子を実装して一体化した半導体モジュールの複数と、前記複数の半導体モジュールを前記発熱体として前記両外表面に接合した上述したヒートシンクと、を備えたものである。
この発明によれば、発熱体と接合される２枚の平板がそれぞれ独立して変形できるので、接合部材にかかる熱応力を抑制し、温度サイクルを繰り返しても高い冷却性能を維持するヒートシンク、およびこのヒートシンクにより半導体モジュールを冷却することで安定して動作する半導体装置を得ることができる。
本発明の実施の形態１にかかる半導体装置内の半導体モジュールとヒートシンクとの接合部の周辺部分を斜め方向から見たときの部分断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる半導体装置に用いられ、ヒートシンクで冷却される発熱体である半導体モジュールの構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１の変形例にかかるヒートシンク内のフィンの配置を説明するための内部側面図である。 本発明の実施の形態２にかかる半導体装置内の半導体モジュールとヒートシンクとの接合部の周辺部分を斜め方向から見たときの部分断面図である。 本発明の実施の形態２にかかるヒートシンク内のフィンの配置を説明するための内部平面図と内部側面図である。 本発明の実施の形態３にかかるヒートシンクの構成を説明するための斜め方向から見たときの部分断面図である。 本発明の実施の形態３およびその変形例にかかるヒートシンクの平板の形状を説明するための断面図と斜視図である。 本発明の実施の形態３の変形例にかかるヒートシンクの平板の形状を説明するための斜視図である。 本発明の実施の形態４およびその変形例にかかるヒートシンクのフィン形状を説明するための側面図である。 本発明の実施の形態４の変形例にかかるヒートシンクのフィン形状を説明するための側面図である。 本発明の実施の形態５にかかる半導体装置の構成を説明するための正面から見たときの断面図である。
実施の形態１．
図１と図２は、本発明の実施の形態１にかかるヒートシンクおよびヒートシンクを備えた半導体装置、および半導体装置内において当該ヒートシンクによって冷却される半導体モジュールの構成を説明するための図である。図１はヒートシンクの構造を説明するための、半導体装置内の半導体モジュールとヒートシンクとの接合部の周辺部分を斜め方向から見たときの部分断面図であり、図２は当該ヒートシンクにより冷却される半導体モジュールの構成を説明するための断面図である。
はじめに、図１を用いてヒートシンクの構成について説明する。
本発明の実施の形態１にかかるヒートシンク３はアルミニウム製で、所定の間隔を隔てて対向するように配置した２枚の平板３１Ａと平板３１Ｂとを、側壁３２を介して結合し、中空扁平状の筺体３３を構成する。そして、両平板３１Ａと３１Ｂの間には、ｘ方向に沿って延びるとともに、ｘ方向において側壁３１から一定の距離をあけた平板状のフィン３４が、ｙ方向に等ピッチで並ぶように配置されている。これにより、両平板３１Ａ、３１Ｂ間の間隙のうち、フィン３４の襞（ｘ方向）に沿って冷媒の流路が形成され、フィン３４の襞方向の端部と側壁３１の間が、冷媒のヘッダ部Ｈ３となる。図１では、ヘッダ部Ｈ３と側壁３２の構成を分かりやすくするため、断面よりｘ方向手前部分の側壁３２と平板３１Ａ，３１Ｂ部分を破線で示している。
そして、本発明の実施の形態にかかるヒートシンクに特徴的な構成が、フィン３４のうち、少なくとも一部には、平板３１Ａと平板３１Ｂの中間部分に切れ目Ｇａｂがあるものがある。つまり、ヒートシンク３は、平板３１Ａから対向する平板３１Ｂに向かって（ｚ方向）延伸するように平板３１Ａに固着されたフィン３４Ａと、平板３１Ｂから対向する平板３１Ａ（に固着された対応するフィン３４Ａ）に向かって延伸するように平板３１Ｂに固着されたフィン３４Ｂを備えており、フィン３４Ａと３４Ｂの延伸先（ｚ方向）の端面である先端は、対向する平板またはそれに固着されたフィンから切り離されている。このとき、フィンの先端同士が接触している場合でも、接触していなくても、各平板３１Ａ、３１Ｂに固着されたフィン３４Ａ、３４Ｂの先端は、対向する平板３１Ｂ、３１Ａの変位に拘束されず、自由端となっている。
上記構成では、平板の端部に接合される側板３２によって平板３１Ａと３１Ｂの間隔が規定されている。しかし、熱変形に伴う、とくに伝熱面の中間部分の平板間の開きを防止するため、フィン３４のうち、一部のフィン（３４Ｊと記載）については、一般的なヒートシンクと同様に、両平板３１Ａ，３１Ｂ間がつながるようにしている。フィン３４Ｊの設置については、平板間の開きを防止するためで、例えば数列毎にひとつといった所定の割合、あるいは中央部分のみというように、面内の所定部分に対して、中間部分に切れ目がない一体物のフィンの両端を両平板３１Ａ，３１Ｂに固着する。あるいはフィン３４Ａ、３４Ｂの突き合わせ面のうち、例えば、発熱体１との接合部を除く部分といった、面内の適当な位置の部分を固着するようにしてもよい。また、発熱体とヒートシンクの組み合わせ方や組み込み方によっては、フィン３４Ｊのような平板間をつなぐフィンを設けないようにしてもよい。
上記のように構成したヒートシンク３の両面、つまり平板３１Ａと平板３１Ｂの外表面に、それぞれ発熱体である半導体モジュール１Ａと１Ｂ（まとめて１）が接合材２で固着されている。接合材２には、はんだ、ロウ材あるいは接着樹脂など、平板３１と半導体モジュール１を強固に接合する材料が用いられる。
本発明の実施の形態１にかかる半導体装置は、少なくともひとつのヒートシンク３と、複数の半導体モジュール１を備え、各ヒートシンクの両面に複数の半導体モジュール１のそれぞれを固着させたものである。そして、半導体モジュール１として、例えば、図２に示す構成のようなものが想定される。図に示す構成は主要部材のみを示した簡略図であって、図において、半導体モジュール１内の主な発熱源となる半導体素子１１は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのスイッチング素子や整流素子として機能する素子である。半導体材料としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を基材とするいわゆるワイドバンドギャップ半導体であり、裏面をはんだ１２によってアルミニウムのヒートスプレッダ１４に接合し、能動面側には、例えば銅のリード１３ａがはんだ１２によって接続されている。そして、ヒートスプレッダ１４の半導体素子１１が接合されている面の端部には端子１３ｂがはんだ１２によって接続され、裏側の面には伝熱性の高い絶縁シート１５が添付され、その表面１５ｒははんだとの接合を良くするために銅の金属膜で覆われている。そして、絶縁シート１５の表面１５ｒと、リード１３ａの端部、端子１３ｂの端部が露出するように、それらを除く全体をエポキシ樹脂１７で封止して一体化（パッケージ化）している。
半導体素子１１の両面には、それぞれリード１３ａやヒートスプレッダ１４と接合できるように金属層が設けられており、例えばＮｉ（７μｍ厚）／Ａｕ（０．０２μｍ厚）を施している。そして、半導体素子１１は、リード１３ａ、端子１３ｂを介して図示しない外部回路と接続されることになる。なお、図２では説明を簡略化するため、能動面側には、ソース電極のみが形成されているような記載となっているが、スイッチング素子の場合、能動面は区分けされゲート電極等複数の電極が形成されているとともに、リードやワイヤ等によって外部回路と接続するための配線がなされている。また、半導体素子１１は、上述した炭化ケイ素以外にも、シリコンやいわゆるワイドバンドギャップ半導体である、窒化ガリウム、ダイヤモンドなどが用いられる。
金属製のヒートスプレッダ１４は、アルミニウムの他に銅などの熱伝導性の高い金属が用いられ、絶縁シート１５を張り付ける面以外は、封止体１７との接着性を強化するため、ディンプルが施されている。絶縁シート１５には、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＮなどのセラミクスシートを用いると高い熱伝導性が得られる。
このような構成によれば、半導体素子１１で発生した熱は、ヒートスプレッダ１４、絶縁シート１５といった半導体モジュール１内部を通過し、接合材２を伝わって平板３１Ａ，３１Ｂに伝わり、フィン３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｊを伝導して、これらフィン３４に沿って流れる冷媒に伝わる。ここで、半導体モジュール１と平板３１Ａ，３１Ｂは通常異なる材質（例えば、発熱体である半導体モジュール１は炭化ケイ素、銅、樹脂、はんだ、アルミニウムなどで構成される複合体、ヒートシンク３はアルミニウム、銅などの金属材）で構成されているので、半導体装置の動作に伴い、温度が上昇すると、熱膨張率の差によって半導体モジュール１とヒートシンク３（とくに平板３１）間に変位差が生じる。さらに、熱源である発熱体１と熱吸収体側の平板３１との間に温度分布が生じるので、そこでも変位差が生じる。
ここで、上述したように、熱抵抗低減のために半導体モジュール１と平板３１とを接合材２により固着していると、変位差に伴い応力（熱応力）が発生する。この応力は、主にせん断応力として接合材２の縁近傍に生じ、応力の大きさによっては、ただちに破損しなくとも、応力が繰返されることによってき裂が進行する場合がある。その場合、半導体モジュール１と平板３１間の熱抵抗が増大し、冷却能力が低下してしまう。
このとき、従来のヒートシンクでは、対向する平板間は、フィン３４Ｊのように両平板に固着されたフィンが全面に配されている。そのため、各平板３１は、フィンが桁となり、対向する平板まで厚みを有する構造体のように機能するので、各平板３１の変形剛性が高まり、接合材２には大きな応力が作用する。しかし、本実施の形態にかかるヒートシンク３では、フィン３４Ｂ，３４Ａを配置することにより、平板３１Ａの平板３１Ｂに対する構造的一体性が抑制されるので、フィン３４Ａが固着されても平板３１Ａの変形剛性が増大することなく、発熱体１の発熱による熱応力にともなう接合材２のせん断応力を低減させることができる。平板３１Ｂ側も同様である。
とくに、本実施の形態に示すように、ヒートシンク３の両面に発熱体１を接合する構造（両面冷却構造）の場合、ヒートシンク３の中央面で上下対称形状となるため、両平板の一体性が高いと、接合材２にかかる応力はきわめて高くなる。しかし、各平板３１Ａ，３１Ｂに固着されたフィン３４Ａ，３４Ｂは、それぞれ延伸した先の端面が自由端となっているので、各平板３１Ａ，３１Ｂが互いに独立して変形できるようになる。そのため、このような両面冷却構造であっても、接合材２にかかる応力を相当低減できる。
ここで、図１に示すように、アルミニウムのヒートシンク（フィン高さ８ｍｍ、ピッチ２ｍｍ）に接合材２としてはんだで両面にＳｉＣ半導体モジュール１１を固着した構造体に対し、有限要素法による熱応力解析を行った。従来のヒートシンクに相当する構成（比較例）として、フィン３４のうち、全てのフィンを３４Ｊ（自由端なし）としたときのはんだ接合層に生じる非弾性ひずみの量を１とし、本実施の形態にかかるヒートシンク３におけるはんだ接合層２にかかる非弾性ひずみの量と比較した。その結果、従来のヒートシンクに対し、本実施の形態にかかるヒートシンクでは、ひずみの比率を、約０．２まで低減できることが分かり、本発明の実施の形態１にかかるヒートシンクにおける接合層への応力緩和効果が大きいことが確認できた。なお、ここでは、フィン高さ８ｍｍ、ピッチ２ｍｍの場合について熱応力解析を行ったが、これに限ることなく、その他のフィン高さやピッチとしてもよい。
したがって、接合材２の応力繰返しによる損傷進行が低減され、頻繁（多数）な繰返しに対しても信頼性を維持できるヒートシンク、および半導体装置を得ることができる。ここで、たとえば、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１１に、本実施の形態にかかる半導体装置で用いた炭化ケイ素のほか、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドといったワイドバンドギャップ半導体素子を用いた場合、従来から用いられてきたケイ素で形成された素子よりも電力損失が低いため、電力用半導体装置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、電力用半導体装置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、ヒートシンクの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、電力用半導体装置の一層の小型化が可能になる。
しかし、ＳｉＣ素子は従来のＳｉ素子よりも高温の温度に耐え得るという特徴があることから、これら発熱体１を固着したヒートシンク３の使用温度環境は、従来よりも更に高温の温度領域に達する可能性がある。したがって、ヒートシンク３は起動停止による温度変化が従来にも増して大きくなることが予想され、発熱体１とヒートシンク３の接合材２にかかる熱応力は更に増大するため、本発明による低応力化の効果がより顕著に表れる。
また、ＳｉＣを搭載または混載した発熱体１は高温で使用されることから、発熱体１とヒートシンク３の接合材２には、従来よりも融点の高い材料、例えば、はんだの場合、ＳｎＡｇＣｕ系はんだ（Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ：融点約２２０℃）に代わって、ＳｎＳｂ系はんだ（融点約２４０℃）や、３００〜４００℃で焼結可能なＡｇ系の材料（焼結性金属微粒子）が用いられる可能性がある。このため、接合材２を形成するには従来よりも２０℃から百数十℃程度、更に高い温度にさらす必要があるため、結合後、室温に冷却された際には、接合材２にはより大きい熱応力が作用する。このため、接合材２や発熱体１等に変形やき裂、損傷が生じやすくなるので、本発明の実施の形態にかかるヒートシンクのように、応力を抑制して損傷を緩和する必要性がますます求められる。
つまり、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かして、小型化や高効率化を進めても半導体装置のヒートサイクル耐性、パワーサイクル耐性を向上させ、半導体装置の長寿命化を実現することができる。つまり、本発明による応力低減効果を発揮することで、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かすことができるようになる。
なお、発熱体１として記載した半導体モジュール１の例は、ヒートシンク３や半導体装置を限定するものではなく、様々な形態のモジュールであってよい。また、本実施の形態１では、半導体モジュールを冷却する例として記載するが、その他冷却を要する発熱体であれば、必ずしも半導体モジュールである必要はない。
また、フィン３４の形態について、図１では、切れ目Ｇａｂ（あるいはフィン３４Ａとフィン３４Ｂの端面の位置）は、両平板３１Ａと３１Ｂの中央部に位置しているが、その位置は、平板３１Ａもしくは３１Ｂの一方に寄っていても構わない。あるいは、発熱体からの発熱量のバランスに応じて、例えば、発熱量の多い発熱体が固着された平板側のフィンの長さが長くなる（冷媒との接触面積を確保）ように、適宜切れ目Ｇａｂの位置を調節するようにしても良い。
さらに、上記例では、平板３１Ａから延びるフィン３４Ａと平板３１Ｂから延びるフィン３４Ｂとが切れ目Ｇａｂを含む平板に平行な面に対して対称に配置されるような例を示したが、それに限られることはない。図３に示すように、非対象でよく、例えば図３（ａ）に示すように平板３１Ｂから延びるフィン３４Ｂｖ１のピッチが平板３１Ａから延びるフィン３４Ａｖ１のピッチの倍というように異なっていてもよく、２倍や整数倍に限らず、異なった配置となってもよい。さらに図３（ｂ）に示すように、平板３１Ａから延びるフィン３４Ａｖ２の先端と平板３１Ｂから延びるフィン３４Ｂｖ１の先端とが付き合うことなく、入れ違いのように配置してもよい。この場合、平板３１Ａから延びるフィン３４Ａｖ２の先端と平板３１Ｂの間隔、平板３１Ｂから延びるフィン３４Ｂｖ１の先端と平板３１Ａとの間隔を調整することによって、冷却媒体はｘ方向だけではなく、ｙ方向へ流れる成分を発生させることもできる。
以上のように、本発明の実施の形態１にかかるヒートシンク３によれば、中空扁平状をなし、両外表面に接合された発熱体１からの熱を、内部に流れる冷媒によって吸収するヒートシンク３であって、所定の間隔を隔てて対向配置され、それぞれの外表面が発熱体である半導体モジュール１との接合面となる２枚の平板３１Ａ、３１Ｂと、２枚の平板３１Ａ、３１Ｂのそれぞれに対して、当該平板３１Ａ（３１Ｂ）の内表面から対向する平板３１Ｂ（３１Ａ）に向けて延伸するように形成され、２枚の平板間に流れる冷媒との伝熱面を形成するとともに、延伸した先端Ｖの少なくとも一部が自由端となっているフィン３４Ａ、３４Ｂと、を備えるように構成したので、平板３１Ａ、３１Ｂの剛性を増大させることが無く、発熱体１と平板３１とを強固な接合材で接合していても、接合材２にかかる応力を低減することができるので、温度サイクルを繰り返しても高い冷却能力を安定して維持することができる。
また、各平板から対向する平板に向けて延伸するように設けられ、先端が、対向する平板または対向する平板から延伸したフィンと接合されているフィン３４Ｊも備えるように構成したので、温度変化の際の平板３１Ａ、３１Ｂ間の開きを抑制することができる。
また、本実施の形態１にかかる半導体装置は、回路基板となるヒートスプレッダ１４上に半導体素子１１を実装して封止樹脂１７により封止（一体化）した半導体モジュール１の複数と、半導体モジュール１を発熱体として両外表面に接合した上述したヒートシンク３と、を備えるように構成したので、起動停止に伴う温度サイクルを繰り返しても、半導体モジュール１とヒートシンク３間の接合２が維持されるので、高い冷却能力が持続する。そのため、半導体装置としての特性が安定し信頼性の高い半導体装置を得る事が出来る。
実施の形態２．
本実施の形態２では、実施の形態１と較べてフィンの形状が異なり、実施の形態１に用いた平板状のフィンの代わりに波型形状を有するコルゲート板をフィンとして（コルゲートフィン）用いたものである。図４は、本発明の実施の形態２にかかるヒートシンクを示す斜視断面図である。コルゲート板２３４Ａの一方の面の山ＣＡ部分が平板２３１Ａに、またコルゲート板２３４Ｂの一方の面の山ＣＢ部分が平板２３１Ｂにそれぞれ接合材であるロウ材３５ａ、３５ｂによって固着されている。ここで、各コルゲート板の平板と接合される面の山を山Ｃ、対向する平板に向かう面の山を山Ｖと称する。コルゲート板２３４Ａの平板２３１Ｂに向かう先端となるフィンの山ＶＡ、およびコルゲート板２３４Ｂの平板２３１Ａに向かう先端となるフィンの山ＶＢは、それぞれ自由端となっている。なお、実施の形態１と同様に、平板間の開きを防止するため、本実施の形態２においても、複数ある山の一部については、ロウ材３５ａｂにより固着するようにした。
コルゲート板は、材料としては横（ｙ）方向につながっているが、コルゲート板における一方の面から見た山同士あるいは谷同士は、湾曲部分を経由して繋がることになる。したがって、接合材３５ａ、３５ｂにより平板３１と接合され、横方向に並ぶ山ＣＡ−ＣＡ間、ＣＢ−ＣＢ間を拘束するような力はほとんど発生しない。そのため、対向する平板に向かって（２つの山Ｃからひとつの山Ｖに向かって）延伸する先端（山ＶＡ，ＶＢ）を対向する平板やフィンに対して接合せず、自由端とすることで、実施の形態１と同様に、各平板が独立した板材として機能し、剛性が増大することはない。しかも、コルゲートフィンは、平板状のフィンに対して、設置面積当たりの表面積が大きいので、同じ冷却能力（冷媒に対する放熱面積）を発揮するための平板間の間隔を狭くすることができる。つまり、このような構成によれば、冷却性能を向上しつつ、発熱体１の発熱に伴う接合部２にかかる熱応力を低減することができる。なお、本実施の形態においては、コルゲート板として単純な波型状のフィンを示したが、これに限られることはなく、その他の形状のものでも同様の効果が得られる。
変形例．
本変形例では、フィン２３４Ａ、２３４Ｂのうち、平板２３１Ａ側のフィン２３４Ａを、それぞれ奥行（ｘ）方向で３つのフィン２３４Ａａ，２３４Ａｂ，２３４Ａｃに分割して構成したものである。図５は変形例におけるフィンの配置を説明するためのもので、図５（ａ）は図４におけるｚ方向から見たフィンの平面配置、図５（ｂ）は図４におけるｘ方向から見た側面配置を示す図である。なお、図では配置をわかりやすくするため、フィン間を離して描いている。図において、平板２３１Ａ側のフィン２３４Ａは、それぞれ奥行（ｘ）方向で手前からフィン２３４Ａａ，２３４Ａｂ，２３４Ａｃの３つに分割され、平板２３１Ｂ側のフィン２３１Ｂは一体物である。図において、フィンのそれぞれ対向する平板に向かう山Ｖの配置が襞に直交する（ｙ）方向にずらしてあり、フィン２３４Ｂの山ＶＢ（図５（ａ）の点線）に対して、フィン２３４Ａａの山ＶＡａとフィン２３４Ａｃの山ＶＡｃが右側に、フィン２３４Ａｂの山ＶＡｂが左側に０．１〜１ｍｍ程度ずれて配置している。
このような構成によれば、平板２３１Ａにコルゲートフィン２３４Ａを接合したものと、平板２３１Ｂにコルゲートフィン２３４を接合したものとを重ねたときに、両平板からそれぞれ延伸したフィンの先端のずれる方向が左右に分散する。そのため、側板３２等と接合して筺体２３３を形成する際、両平板の襞に直交する方向への位置ずれの発生を抑制することができ、容易に製造できる。
以上のように、本実施の形態２にかかるヒートシンク２０３によれば、フィン２３４のそれぞれが、波状板２３４Ａ、２３４Ｂの山ＣＡ、ＣＢ部分を平板２３１Ａ、２３１Ｂに接合したものを用いたので、冷却性能を向上しつつ、温度サイクルを繰り返しても高い冷却能力を安定して維持することができる。
実施の形態３．
本実施の形態３では、上記各実施の形態と較べて、平板自体の剛性を低減するために、平板の内表面に溝を設けたものである。図６は、本発明の実施の形態３にかかるヒートシンクを示す斜視断面図である。図において、基本的には実施の形態２の図４に示すヒートシンクに対して、平板３３１Ａ、３３１Ｂのみが異なり、平板３３１Ａと３３１Ｂの内表面に、フィン３３４Ａ、３３４Ｂの襞（ｘ）方向に直交する方向（ｙ）に延びる溝Ｄ３１Ａ，Ｄ３１Ｂ（まとめてＤ３１）を形成している。
このような構成によれば、フィン３３４の襞方向（ｘ）における平板３３１の曲げ変形剛性が低下するため、発熱体１との接合部２（図示なし）に作用する熱応力を緩和できる。なお、フィン３３４の襞と直交する方向（ｙ）の曲げ変形剛性は、上述した各実施の形態で説明したようにフィン３３４によるリブ効果が生じないため、襞方向の曲げ変形剛性より小さい。さらに、溝Ｄ３１により、ヒートシンク３０３のｙ軸周りの曲げ変形剛性が低減して、更に応力緩和効果を向上できる。なお、溝Ｄ３１は、平板３３１Ａまたは３３１Ｂのうち、片側のみであっても構わない。この場合、溝Ｄ３１の無い平板の剛性は高くなるが、溝Ｄ３１による伝熱経路の減少が無く、冷却性能は溝Ｄ３１のある平板よりも高くなる。
変形例．
なお、上記説明で使用した図６では、溝Ｄ３１の断面形状が図７（ａ）に示すように矩形であったが、それに限られることはない。例えば図７（ｂ）の溝Ｄ３１ｖ１に示すように、底部が弧状をなすようにすれば、変形時の応力が、溝の角に集中するのを抑制することができる。また、溝Ｄ３１の方向については、フィンの襞に垂直な方向が効果的であるが、必ずしもそれに限られることはなく、傾いていてもよい。また、図７（ｃ）の平板３３１ｖ２に示すように、縦と横の２方向の溝Ｄ３１ｖ２を有するようにしてもよい。この場合、リブ効果を勘案して縦と横とで溝の数や間隔を適宜調整してもよい。
また、図８の平板３３１ｖ３に示すように、溝の代わりに貫通しない穴である窪みＤ３１ｖ３を設けるようにしてもよい。この場合もリブ効果に応じて窪みＤ３１ｖ３の配列や間隔を適宜調整すればよい。さらに溝や窪みを適宜組み合わせるようにしてもよい。
以上のように、本実施の形態３にかかるヒートシンク３０３によれば、平板３３１は、内表面に肉厚を削る減肉部となる複数の溝Ｄ３１（Ｄ３１ｖ１〜Ｄ３１ｖ２）あるいは窪みＤ３１ｖ３が設けられているように構成したので、平板３３１の曲げ変形剛性を抑制し、接合部２にかかる応力をさらに低減できる。
実施の形態４．
本実施の形態４では、上記各実施の形態と較べて、フィン自体の剛性を低減するために、フィンにスリット（切れ込み）や薄肉部を設けたものである。図９と図１０は、本発明の実施の形態４にかかるヒートシンクに用いるフィン形状を説明するための、ヒートシンクの厚み方向に垂直で、襞方向に直交する方向から見た側面図であり、図９はフィンに様々な形状のスリットＳ３４を設けた例を、図１０は薄肉部ＴＷ３４を設けた例を示す。図９（ａ）に示すフィン４３４ｖ１では、一方の平板３１に山部Ｃが固着されている波状板のフィン４３４において、板厚（ｚ）方向の中腹部分にスリットＳ３４ｖ１の複数が襞方向に並んで形成されている。このように、直線状のスリットＳ３４ｖ１を形成する場合、スリットＳ３４ｖ１の施工角度は、発熱体１の冷却効率（フィン効率）および厚み方向への柔軟性の観点から、ヒートシンクの厚み方向に対して、４５度程度までの傾きで角度調整することが望ましい。
一方、厚み方向への柔軟性よりも冷却効率を優先する場合、図９（ｂ）に示すフィン４３４ｖ２のように、ヒートシンクの厚み方向にほぼ平行なスリットＳ３４ｖ２を設けるようにしてもよい。その他、スリットの形状を図９（ｃ）のスリットＳ３４Ｖ３のようにＶ字状にすれば、フィンがスリットに沿って厚み方向へ変形した際でも、ｘ方向へ先端が移動することを防止できる。また、図９（ｄ）のスリットＳ３４Ｖ４のようにＨ字状など、様々な形態への変形例が許容される。
また、図１０に示すフィン４３４ｖ５では、一方の平板３１に山部Ｃが固着されている波状板のフィン４３４ｖ５において、板厚（ｚ）方向の中腹部分薄肉部ＴＷ３４の複数が襞方向に並んで形成されている。この場合も、薄肉部ＴＷ３４の方向を、ヒートシンクの厚み方向に対して、４５度程度までの傾きで角度調整することが望ましい。
なお、上記例では、スリットＳ３４や薄肉部ＴＷ３４を波状板のフィンに対して設ける例を示したが、フィンは平板状やその他の形状であってもよい。また、平板も実施の形態３で示したような溝や窪みが設けられたものを使用すれば、なお一層柔軟性が向上し接合部に掛かる応力を低減することができる。
以上のように、本実施の形態４にかかるヒートシンクによれば、フィン４３４にフィン自体の剛性を低減するためのスリットＳ３４（切れ込み）や薄肉部ＴＷ３４を設けるように構成したので、平板に対する剛性増大効果をより一層抑制し、接合部２にかかる応力をさらに低減できる。
実施の形態５．
本実施の形態５にかかる半導体装置では、実施の形態１にかかる半導体装置と異なり、ヒートシンクの平板と発熱体とを接合する際、平板よりも線膨張係数が小さく、半導体モジュールよりも線膨張係数が大きな緩衝板を間に介在させたものである。
図１１は、本発明の実施の形態５にかかる半導体装置内の半導体モジュールとヒートシンクとの接合部の組合せ部分を正面（ｘ方向）から見たときの部分断面図である。図において、半導体モジュール５０１Ａ、５０１Ｂ（まとめて５０１）は、図示しない絶縁基板の回路面に半導体素子が実装され、実装面の裏側に金属膜を形成し、金属膜や半導体素子からの端子を除く部分を封止したものである。半導体モジュール５０１は、実施の形態２で説明したヒートシンク２０３の両面に緩衝板４を介して接合材２で接合されている。
このとき、半導体モジュール５０１は、全体としての線膨張係数は絶縁基板の線膨張係数と同程度の数ｐｐｍ／Ｋとみなせる。そして、ヒートシンク２０３の平板２３１Ａ，２３１Ｂは、線膨張係数が２３ｐｐｍ／Ｋのアルミニウム製である。そこで、半導体モジュール５０１の線膨張係数とヒートシンク２０３（の平板２３４）の線膨張係数との間の線膨張係数を有する材料として、線膨張係数１７ｐｐｍ／Ｋの銅板の緩衝板４を平板２３１の半導体モジュール５０１との接合面に予め接合した。
このような構成によれば、発熱体５０１と緩衝板４間の熱変形と平板２３１と緩衝板４の間の熱変形が、同じ方向へ湾曲する向きに働く。そのため、接合材２にかかるせん断応力を低減することができる。なお、本実施の形態においても、実施の形態３や４のように、フィンに薄肉部３４ＴＷやスリット３４Ｓ、平板に溝Ｄ３１等を設けてもよいことは言うまでもない。
以上のように、本実施の形態５にかかる半導体装置は、半導体モジュール５０１とヒートシンク２０３との間に、半導体モジュール５０１の線膨張係数とヒートシンク２０３の線膨張係数の中間の線膨張係数を有する緩衝板４を介在させるように構成したので、起動停止に伴う温度サイクルを繰り返しても、半導体モジュール５０１とヒートシンク２０３間の接合材２への応力が一層低減され、接合が維持されるので、高い冷却能力が持続する。そのため、半導体装置としての特性が安定し信頼性の高い半導体装置を得る事が出来る。
１ 半導体モジュール（発熱体）、 １１：半導体素子、 １２ （モジュール内）接合材、 １３：配線部材、 １４：ヒートスプレッダ、 １５：絶縁シート、 １５ｒ：放熱面、 １７：封止体（封止樹脂）、 ２ 接合材、
３ ヒートシンク、 ３１ 平板、 ３２ 側板、 ３３ 筺体、 ３４ フィン、 ３５ （ヒートシンク内）接合材、 ４ 緩衝板、
Ｄ３１ （平板の）溝、窪み（止め穴）、 Ｇａｂ フィン間の切れ目（境目）、 Ｈ３ ヘッダ、 Ｓ３４ スリット（切れ込み）、 ＴＷ （フィンの）薄肉部、
百位の数字は実施形態による違いを、添え字Ｖは、実施形態中の変形例を示す。

Claims (8)

  1. 中空扁平状をなし、両外表面に接合された発熱体からの熱を、内部に流れる冷媒によって吸収するヒートシンクであって、
    所定の間隔を隔てて対向配置され、それぞれの外表面が前記発熱体との接合面となる２枚の平板と、
    前記２枚の平板のそれぞれに対して、当該平板の内表面から対向する平板に向けて延伸するとともに、前記冷媒の流れる方向に延びるように形成され、かつ、前記冷媒の流れる方向に交差する方向に距離をあけて並んだ複数列のフィンと、を備え、
    前記複数列のフィンのうち、数列ごとにひとつの列のフィンの先端は対向する平板に対して固定され、残りの列のフィンの先端は自由端となっていることを特徴とするヒートシンク。
  2. 前記フィンのそれぞれは、波状板の山部分を前記平板に接合したものであることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
  3. 前記平板は、内表面に複数の溝あるいは窪みが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートシンク。
  4. 前記フィンには、切れ込みまたは薄肉部が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
  5. 回路基板上に半導体素子を実装して一体化した半導体モジュールの複数と、
    前記複数の半導体モジュールを前記発熱体として前記両外表面に接合した請求項１ないし４のいずれか１項に記載のヒートシンクと、
    を備えたことを特徴とする半導体装置。
  6. 前記半導体モジュールと前記ヒートシンクとの間に、前記半導体モジュールの線膨張係数と前記ヒートシンクの線膨張係数の中間の線膨張係数を有する緩衝板を介在させたことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置
  7. 前記半導体素子が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５または６に記載の半導体装置。
  8. 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、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７に記載の半導体装置。
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