JP6707634B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、プリント基板上の電子部品から発生した熱をプリント基板を介して放熱させる半導体装置に関するものである。

近年、車載機器などのパワーエレクトロニクス機器に用いられる半導体装置は、多機能化、高出力化、および小型化の傾向にある。これに伴い、半導体装置に実装される電子部品の単位体積あたりの発熱量は大きく上昇しており、高い放熱性能を有する半導体装置が望まれている。

電子部品から発生する熱を放熱する半導体装置は、たとえば特開平６−７７６７９号公報（特許文献１）および特開平１１−３４５９２１号公報（特許文献２）に開示されている。これらの特許文献においては、プリント基板の上方に電子部品が接合されており、下方にヒートシンクが固定された構成となっている。プリント基板にはその一方の主表面から他方の主表面まで貫通するように形成された熱伝導経路が形成されている。この熱伝導経路により、電子部品から発生する熱が、熱伝導経路を経由してヒートシンクに伝わり、ヒートシンクから外部に放熱可能となっている。

特開平６−７７６７９号公報 特開平１１−３４５９２１号公報

特開平６−７７６７９号公報の装置においてはプリント基板のうち電子部品の真下から離れたところのみに熱伝導経路が設けられており、特開平１１−３４５９２１号公報においてはプリント基板のうち電子部品の真下のみに熱伝導経路が設けられている。このためいずれもプリント基板のうち伝熱可能な領域の面積が小さく、電子部品から伝導できる熱量が少ないため、電子部品からその下方のヒートシンクまでの領域の放熱性が十分でない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子部品を中心とした広範囲において、電子部品から放熱器への熱伝導が可能であり、電子部品の発熱に対する放熱性を向上させることが可能な半導体装置を提供することである。

本発明の半導体装置は、プリント基板と、その上の電子部品と、その下の放熱器とを備える。プリント基板は絶縁層と導体層とを含む。複数の導体層は、電子部品と電気的に接続された第１の導体層と、第１の導体層と互いに間隔をあけ、電気的に絶縁されて配置される第２の導体層とを有する。第１の導体層は、一方の主表面上と、他方の主表面上と、一方の主表面と他方の主表面の間の領域とのそれぞれに、互いに間隔をあけて複数配置される。第２の導体層は、一方の主表面上と、他方の主表面上と、一方の主表面と他方の主表面の間の領域とのそれぞれに、互いに間隔をあけて複数配置される。複数の第１の導体層のうち最も一方の主表面側の第１の導体層および最も他方の主表面側の第１の導体層は、プリント基板の一方の主表面上および他方の主表面上のいずれかに形成されて平面視において電子部品と重なる領域から重なる領域の外側の領域まで拡がるように形成される。複数の第２の導体層のうち最も一方の主表面側以外でありかつ他方の主表面側以外である第２の導体層は、プリント基板の内部にて第１の導体層と互いに間隔を保ちつつ電子部品の周囲において第１の導体層と平面的に重なる領域を備える。複数の第１の導体層と接続され、プリント基板の一方の主表面から他方の主表面まで延びる第１の貫通部と、複数の第２の導体層と接続され、プリント基板の一方の主表面から他方の主表面まで延びる第２の貫通部とをさらに備える。
本発明の半導体装置は、プリント基板と、その上の電子部品と、その下の放熱器とを備える。プリント基板は絶縁層と導体層とを含む。複数の導体層のそれぞれは、電子部品と電気的に接続された複数の第１の導体層と、複数の第１の導体層と互いに間隔をあけ、電気的に絶縁されて配置される複数の第２の導体層とを有する。複数の第１の導体層のそれぞれと接続され、プリント基板の一方の主表面から他方の主表面まで延びる第１の貫通部と、複数の第２の導体層のそれぞれと接続され、プリント基板の一方の主表面から他方の主表面まで延びる第２の貫通部とをさらに備える。第１の導体層と第２の導体層とは少なくとも一部において平面的に重なっているか、または一方の主表面に沿う方向に関して互いに間隔をあけて配置されている。

本発明によれば、電子部品の下方だけでなく電子部品を中心としその外側の領域を含む広範囲に放熱する経路を有する。放熱経路の範囲が広くなるため、電子部品から放熱器までの領域の熱抵抗を低減することができ、電子部品から放熱器への高い放熱性能を有する半導体装置を提供できる。

本実施の形態の半導体装置の外観態様を示す概略斜視図である。 実施の形態１の第１例としての半導体装置の構成を示す概略断面図である。 実施の形態１の第２例としての半導体装置の構成を示す概略断面図である。 実施の形態１の第３例としての半導体装置の構成を示す概略断面図である。 実施の形態１の第４例としての半導体装置の構成を示す概略断面図である。 実施の形態１の第５例としての半導体装置の構成を示す概略断面図である。 電子部品から放熱用筐体への伝熱態様を説明する概略断面図である。 実施の形態１の第６例としての半導体装置の構成を示す概略断面図である。 実施の形態２の第１例としての半導体装置の構成を示す概略断面図である。 実施の形態２の第２例としての半導体装置の構成を示す概略断面図である。 実施の形態２の第３例としての半導体装置の構成を示す概略断面図である。 実施の形態２の第４例としての半導体装置の構成を示す概略断面図である。 実施の形態３の第１例としての半導体装置の構成を示す概略断面図である。 実施の形態３の第２例としての半導体装置の構成を示す概略断面図である。 実施の形態４の半導体装置の構成の一部、および当該半導体装置における電子部品から放熱用筐体への伝熱態様を示す概略断面図である。 図１５中の点線で囲まれた領域ＸＶＩの概略拡大斜視図である。

以下、一実施の形態について図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は本実施の形態の半導体装置全体または一部の外観態様を示している。すなわち図１が半導体装置の一部である場合には、図１は半導体装置全体の一部のみを切り取った態様を示している。図１を参照して、本実施の形態の半導体装置１００は、たとえばパワーエレクトロニクス機器に搭載される電力変換装置に用いられる。半導体装置１００は、プリント基板１１と、電子部品１２と、放熱用筐体１３と、ネジ１４とを主に有している。

プリント基板１１は、半導体装置１００全体の土台をなす、たとえば平面視において矩形状を有する平板状の部材である。プリント基板１１には後述する複数の配線すなわち導体層が形成されており、この複数の導体層は、電子部品１２と、図示されない他の周辺回路部品とを、電気的に接続している。

電子部品１２は、プリント基板１１の一方の主表面側すなわち図１の上側に接合されている。電子部品１２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、またはダイオードなどを含む半導体チップが樹脂で封止されたパッケージである。この半導体チップは大電力を制御するため、半導体装置１００の動作時における電子部品１２の発熱量は数ワットから数十ワットと大きい。このため半導体装置１００の動作時には、水冷または空冷などにより半導体装置１００を放熱する構造が必要となる。

放熱用筐体１３は、プリント基板１１の一方の主表面と反対側の他方の主表面側すなわち図１の下側に固定された、放熱器としての部材である。放熱用筐体１３は、半導体装置１００に別途設置される図示されない空冷または水冷などの装置によって一定温度以下に冷却された状態が保たれる。放熱用筐体１３は半導体装置１００の構成によっては、筐体ではなく、ヒートシンクまたはヒートパイプなどの放熱用機器を使用することもできる。しかし以降においては放熱器は放熱用筐体１３であるものとして説明がなされる。

ネジ１４は、プリント基板１１を放熱用筐体１３に接触するように固定する固定部材として用いられる。固定部材はプリント基板１１と放熱用筐体１３とを固定できればよいため、ネジ１４に限らず、たとえばリベットなどの他の接続部材が代用されてもよい。また図１においてネジ１４は、平面視において概ねプリント基板１１の４つの角部に隣接する領域に配置されている。しかしネジ１４の設置本数は４本に限らず、プリント基板１１に放熱用筐体１３を締結により固定することが可能である限り任意の本数とすることができる。ネジ１４などの固定部材によりプリント基板１１と放熱用筐体１３とが固定されることにより、電子部品１２で発生した熱をプリント基板１１を介して放熱用筐体１３まで伝導させ放熱用筐体１３から半導体装置１００の外部へ放熱させることができる。

図２〜図６は、図１の２つのネジ１４と、電子部品１２とを通るように切断された断面の態様の例を示している。このことはこれ以降の各実施の形態（各例）において示される断面図においても同様である。次に、図２〜図６を用いて、本実施の形態の半導体装置１００の具体的な構造の例を詳細に説明する。

図２を参照して、本実施の形態の半導体装置１００の第１例としての半導体装置１０１においては、プリント基板１１が、一方の主表面１１ａと、その反対側の他方の主表面１１ｂとを有している。そしてプリント基板１１は、絶縁層１１Ｃと、複数の導体層１５とを含む構成を有している。

絶縁層１１Ｃは、プリント基板１１の本体をなす部材である。絶縁層１１Ｃはたとえばガラス繊維とエポキシ樹脂とにより構成されているが、これに限定することなく、たとえばアラミド樹脂とエポキシ樹脂とにより構成されていてもよい。あるいは絶縁層１１Ｃはセラミックス材料により形成されてもよい。

導体層１５は、絶縁層１１Ｃの主表面、すなわちプリント基板１１の一方の主表面１１ａおよび他方の主表面１１ｂに沿うように拡がっている。導体層１５は、電子部品１２側すなわちプリント基板１１の上側から、放熱用筐体１３側すなわちプリント基板１１の下側まで、絶縁層１１Ｃの一部を介して複数積層されている。すなわち複数積層される導体層１５のうち一の導体層１５とこれに隣接する他の導体層１５との間には、絶縁層１１Ｃの一部が挟まれている。半導体装置１０１においては導体層１５は、図の上下方向に関して互いに間隔をあけて４層、積層されている。

またこの４層積層される導体層１５は、図の左右方向に関して、電子部品１２と電気的に接続された複数すなわち４層の第１の導体層１５Ａと、第１の導体層１５Ａとの間に互いに間隔をあけ、電気的に絶縁されて（たとえば絶縁層１１Ｃを介して）配置されている複数すなわち４層の第２の導体層１５Ｂとを有している。第１の導体層１５Ａおよび第２の導体層１５Ｂは、いずれもプリント基板１１の一方の主表面１１ａおよび他方の主表面１１ｂに沿うように拡がっている。電子部品１２はプリント基板１１の平面視における比較的中央の部分に接合されるため、電子部品１２と電気的に接続される第１の導体層１５Ａは、プリント基板１１の比較的中央の部分に配置されている。これに対して、第１の導体層１５Ａとの間に絶縁層１１Ｃを介して配置されている第２の導体層１５Ｂは、第１の導体層１５Ａとは電気的に接続されておらず電気的に分離された態様であり、プリント基板１１の比較的外側の部分に配置されている。

第１の導体層１５Ａは、図の下層（放熱用筐体１３側）から上層（電子部品１２側）へ向けて、第１の導体層１５Ａ１、第１の導体層１５Ａ２、第１の導体層１５Ａ３、第１の導体層１５Ａ４の順に積層されている。また第２の導体層１５Ｂは、図の下層（放熱用筐体１３側）から上層（電子部品１２側）へ向けて、第２の導体層１５Ｂ１、第２の導体層１５Ｂ２、第２の導体層１５Ｂ３、第２の導体層１５Ｂ４の順に積層されている。第１の導体層１５Ａ１と第２の導体層１５Ｂ１とは同一の層として形成されている。同様に、第１の導体層１５Ａ２および第２の導体層１５Ｂ２、第１の導体層１５Ａ３および第２の導体層１５Ｂ３、ならびに第１の導体層１５Ａ４および第２の導体層１５Ｂ４のそれぞれは、いずれも同一の層として形成されている。このように同一の層として並ぶ第１の導体層１５Ａと第２の導体層１５Ｂとは、一方の主表面１１ａに沿う図の左右方向に関して互いに間隔をあけて配置されている。同一の層であるたとえば第１の導体層１５Ａ２（１５Ａ３）と第２の導体層１５Ｂ２（１５Ｂ３）との間隔は、半導体装置１０１の扱う電圧によって変化するが、たとえば０．４ｍｍ以上である。

図２においては、第１の導体層１５Ａ１および第２の導体層１５Ｂ１は、プリント基板１１の他方の主表面１１ｂ上に形成されている。第１の導体層１５Ａ２，１５Ａ３および第２の導体層１５Ｂ２，１５Ｂ３は、互いに他の導体層との間隔を保ちつつ、プリント基板１１の内部に、絶縁層１１Ｃに埋もれるように配置されている。第１の導体層１５Ａ４および第２の導体層１５Ｂ４は、プリント基板１１の一方の主表面１１ａ上に形成されている。

図２に示すように、互いに積層された第１の導体層１５Ａは、プリント基板１１内部の互いに隣接する１対の第１の導体層１５Ａ同士の距離より、一方または他方の主表面１１ａ，１１ｂ上の第１の導体層１５Ａとそれに隣接する第１の導体層１５Ａとの距離の方が小さくなるように配置される。具体的には、第１の導体層１５Ａ１と第１の導体層１５Ａ２との図２の上下方向の距離、および第１の導体層１５Ａ３と第１の導体層１５Ａ４との図２の上下方向の距離は、第１の導体層１５Ａ２と第１の導体層１５Ａ３との図２の上下方向の距離よりも小さい。以上は第１の導体層１５Ａと同一の層として形成される第２の導体層１５Ｂについても同様である。すなわち第２の導体層１５Ｂ１と第２の導体層１５Ｂ２との図２の上下方向の距離、および第２の導体層１５Ｂ３と第２の導体層１５Ｂ４との図２の上下方向の距離は、第２の導体層１５Ｂ２と第２の導体層１５Ｂ３との図２の上下方向の距離よりも小さい。

より具体的には、第１の導体層１５Ａ１と第１の導体層１５Ａ２との図２の上下方向の距離、および第１の導体層１５Ａ３と第１の導体層１５Ａ４との図２の上下方向の距離はたとえば０．２ｍｍ程度であり、概ね０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である。また第１の導体層１５Ａ２と第１の導体層１５Ａ３との図２の上下方向の距離はたとえば１．０ｍｍ程度であり、概ね０．７ｍｍ以上１．３ｍｍ以下である。上記距離については第２の導体層１５Ｂについても第１の導体層１５Ａと同様のことがいえる。

第１の導体層１５Ａ１，１５Ａ４は、平面視における電子部品１２と重なる領域からその外側の領域まで、一方の主表面１１ａおよび他方の主表面１１ｂの広い範囲に拡がるように形成されている。このため第１の導体層１５Ａ１，１５Ａ４と互いに間隔をあけて配置される第２の導体層１５Ｂ１，１５Ｂ４は、プリント基板１１の平面視における最外縁およびそれに隣接する比較的狭い領域のみに拡がるように形成されている。これに対し、第１の導体層１５Ａ２，１５Ａ３は、少なくとも図２においては、電子部品１２の真下の一部の領域すなわち平面視における電子部品１２の比較的中央部のみに拡がるように形成されている。このため図２の第２の導体層１５Ｂ２，１５Ｂ３は、第２の導体層１５Ｂ１，１５Ｂ４に比べて平面視における内側の領域まで拡がるように配置されており、電子部品１２の一部と平面的に重なるように配置されている。

その結果、第１の導体層１５Ａと第２の導体層１５Ｂとは少なくとも一部において平面的に互いに重なっていてもよい。具体的には、図２においては、たとえば第１の導体層１５Ａ４と、その下側に隣接する第２の導体層１５Ｂ３とは、部分的に互いに対向するように重なっており、両者の間に絶縁層１１Ｃが介在している。すなわち第１の導体層１５Ａ４と第２の導体層１５Ｂ３とは、図２の上下方向に関して互いに対向している。同様に、たとえば第１の導体層１５Ａ１と、その上側に隣接する第２の導体層１５Ｂ２とは、図２の上下方向に関して部分的に互いに対向するように重なっており、両者の間に絶縁層１１Ｃが介在している。図２に示すように、複数の第１の導体層１５Ａと複数の第２の導体層１５Ｂとは、電子部品１２の周囲すなわち電子部品１２と図の左右方向に関して隣接する領域において、平面的に互いに重なる領域を備えることが好ましい。

複数の導体層１５すなわち第１の導体層１５Ａおよび第２の導体層１５Ｂは、特にたとえば絶縁層１１Ｃが樹脂材料からなる場合には、たとえば銅の薄膜により形成されることが好ましい。銅の薄膜からなる導体層１５は一般的に十数μｍ以上数百μｍ程度の厚みを有する。導体層１５を厚くするほど、一方の主表面１１ａなどに沿う水平方向へ熱を広範囲に広げることが可能となり、半導体装置１０１としての放熱性能がより向上する。

但し当該導体層１５は、特にたとえば絶縁層１１Ｃがセラミックス材料からなる場合には、銅または銀を主成分とする合金の薄膜として形成されてもよい。ただし絶縁層１１Ｃが樹脂材料からなる場合においても、導体層１５が銅または銀を主成分とする合金の薄膜により形成されてもよい。すなわち導体層１５（第１の導体層１５Ａおよび第２の導体層１５Ｂ）は、銅の薄膜、銅を主成分とする合金の薄膜、銀を主成分とする合金の薄膜からなる群から選択されるいずれかである。

プリント基板１１には、複数の配線として、上記の導体層１５のほか、貫通部１６が形成されている。貫通部１６は、プリント基板１１の一方の主表面１１ａから他方の主表面１１ｂに達するように、一方の主表面１１ａおよび他方の主表面１１ｂに交差（たとえば直交）するように延びている。

貫通部１６は、第１の貫通部１６Ａと、第２の貫通部１６Ｂとを有している。第１の貫通部１６Ａは、第１の導体層１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ａ３，１５Ａ４に交差するように、互いに間隔をあけて複数（図２においては５本）形成されている。第１の貫通部１６Ａは、第１の導体層１５Ａ１から第１の導体層１５Ａ４に達するようにプリント基板１１に形成されたビアホールの内部を充填するように形成された導体部分であり、複数の第１の導体層１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ａ３，１５Ａ４のそれぞれと互いに電気的に接続されている。基本的に第１の貫通部１６Ａは、銅または銅を主成分とする合金により形成されている。これにより、第１の貫通部１６Ａと、複数の第１の導体層１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ａ３，１５Ａ４のそれぞれとは互いに電気的および機械的に接続されており、これらがあたかも１つのまとまった第１部材を構成するように配置されている。

互いに隣り合う第１の貫通部１６Ａ同士の間隔は、たとえば０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。また第１の貫通部１６Ａは平面視においてたとえば円形であり、その円形の直径すなわち図２における第１の貫通部１６Ａの左右方向の幅はたとえば０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることが好ましい。

また第２の貫通部１６Ｂは、平面視における第１の貫通部１６Ａの外側に配置されている。具体的には、プリント基板１１には、平面視における電子部品１２よりも外側の領域において、一方の主表面１１ａから他方の主表面１１ｂに達するスルーホール１７が形成されている。このスルーホール１７の内壁部に、筒状の導体膜としての第２の貫通部１６Ｂが形成されている。スルーホール１７は、第２の導体層１５Ｂ１，１５Ｂ２，１５Ｂ３，１５Ｂ４に交差するように接続されているため、スルーホール１７内の第２の貫通部１６Ｂは、第２の導体層１５Ｂ１，１５Ｂ２，１５Ｂ３，１５Ｂ４に交差するように接続されている。このため第２の貫通部１６Ｂは、第２の導体層１５Ｂ１，１５Ｂ２，１５Ｂ３，１５Ｂ４と互いに電気的に接続されている。基本的に第２の貫通部１６Ｂは、銅または銅を主成分とする合金により形成されている。これにより、第２の貫通部１６Ｂと、複数の第２の導体層１５Ｂ１，１５Ｂ２，１５Ｂ３，１５Ｂ４のそれぞれとは互いに電気的および機械的に接続されており、これらがあたかも１つのまとまった第２部材を構成するように配置されている。

スルーホール１７の内部には、固定部材としてのネジ１４が配置されている。ネジ１４は一方の主表面１１ａから他方の主表面１１ｂに達しプリント基板１１を貫通し、さらにその下側の放熱用筐体１３の内部まで達するように、図２の上下方向に延びている。したがってネジ１４は第２の貫通部１６Ｂの内部に設けられている。これによりネジ１４は、プリント基板１１を放熱用筐体１３に固定している。ネジ１４の頭の部分は第２の導体層１５Ｂ４と接触するように配置されており、かつネジ１４の延びる部分の表面は第２の貫通部１６Ｂと接触するように配置されていてもよい。

その他、半導体装置１０１には以下の各部材が配置されている。電子部品１２には電極２２が形成されている。電極２２は、電子部品１２の内部と外部との通電、および放熱を可能とすべく配置されている。電極２２は電子部品１２の下側の面の一部に埋もれるように配置されているが、このような態様に限られない。

電子部品１２の電極２２と、プリント基板１１の第１の導体層１５Ａ４との間には接合部材２３が配置されており、この接合部材２３により、電極２２と第１の導体層１５Ａ４とが互いに接合されている。接合部材２３が電極２２と第１の導体層１５Ａ４とを互いに接合することにより、電子部品１２とプリント基板１１とが互いに接合固定されている。

接合部材２３は、はんだなどの、電気抵抗が小さくかつ熱伝導率が高い材料が用いられることが好ましい。このようにすれば接合部材２３は、電子部品１２の電極２２とプリント基板１１の第１の導体層１５Ａとを接合するように固定することで、電子部品１２とプリント基板１１とを接合固定することができる。

プリント基板１１の一方の主表面１１ａの一部および図２に示されないが他方の主表面１１ｂの一部には、レジスト層２１が配置されている。具体的には、たとえば電子部品１２の最外縁の外側に隣接する領域からその内側に隣接する領域にかけて、レジスト層２１が電子部品１２とプリント基板１１との間に挟まれるように配置されている。レジスト層２１は、はんだなどの接合部材２３の平面視における外側の領域に配置されている。レジスト層２１ははんだなどの接合部材２３の濡れ広がりを抑制しており、かつ電子部品１２の外側の領域における電子部品１２と第１の導体層１５Ａ４との電気的絶縁を簡易的に確保している。

レジスト層２１の素材は樹脂材料であるため、レジスト層２１が電子部品１２とプリント基板１１との間の領域に挟まれれば、その部分において電子部品１２からプリント基板１１への熱伝導性が低下する。そのため、ネジ１４と接触する領域およびそれに隣接する領域においては、一方の主表面１１ａ上であってもレジスト層２１は除去されていることが好ましい。

プリント基板１１の他方の主表面１１ｂと放熱用筐体１３との間には、絶縁部材２４が配置されている。具体的には、他方の主表面１１ｂ上に形成された第１の導体層１５Ａ１と放熱用筐体１３との間に、絶縁部材２４が配置されている。ただし図２においては、他方の主表面１１ｂ上には第１の導体層１５Ａ１を覆うように熱拡散板２５が配置されている。このため絶縁部材２４は、熱拡散板２５と放熱用筐体１３との間に配置されている。

絶縁部材２４は、液体状の物質をたとえば放熱用筐体１３の表面に薄く塗布することにより形成されたものであってもよいし、たとえばシート状の部材が熱拡散板２５と放熱用筐体１３との間に挟まれるように配置されたものであってもよい。絶縁部材２４に用いられる材料は、半導体装置１０１に要求される性能により選定される。具体的な半導体装置１０１の性能の例としては、電子部品１２に搭載される半導体チップと放熱用筐体１３との間で２．５ｋＶ／ｍｉｎ以上の絶縁性能を確保すること、または放熱用筐体１３の温度が６０℃でありの発熱量が２０Ｗであれば熱抵抗が２．５Ｋ／Ｗ以下であること、が要求される。

熱拡散板２５は、複数の第１の導体層１５のうち最も他方の主表面１１ｂ側に配置される第１の導体層１５Ａ１上に、図示されないがたとえばはんだ等の接合部材を介して接合されていることが好ましい。熱拡散板２５は、銅などの熱伝導率の高い材質で構成されることが好ましい。

電子部品１２の駆動により電子部品１２が発する熱は、その一部は電子部品１２のパッケージの表面からその周囲の空気へ自然空冷される。しかし基本的に、電子部品１２が発する熱はその下側、すなわちプリント基板１１および放熱用筐体１３の側へ伝わり、放熱用筐体１３から半導体装置１０１の外部へ放熱される。そのための構造が図２に示されている。

このように第１の導体層１５Ａ１と放熱用筐体１３との間には絶縁部材２４と熱拡散板２５とが挟まれる。このため、放熱用筐体１３の一方の主表面１３ａすなわち図２の上側の主表面と、それと反対側の他方の主表面１３ｂ（図２の下側）との距離が、第１の導体層１５Ａの真下において、第２の導体層１５Ｂの真下よりも短くなっている。言い換えれば一方の主表面１３ａは、第１の導体層１５Ａの真下において、第２の導体層１５Ｂの真下よりも図２の下側に窪んでいる。

図３を参照して、本実施の形態の半導体装置１００の第２例としての半導体装置１０２は、基本的に図２の第１例としての半導体装置１０１と同様の構成を有している。このため図３においては図２と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その態様が同じである限りその説明を繰り返さない。図３の半導体装置１０２は、第１の導体層１５Ａ２，１５Ａ３および第２の導体層１５Ｂ２，１５Ｂ３の平面視における面積において、図２の半導体装置１０１と異なっている。

具体的には、図３の半導体装置１０２においては、第１の導体層１５Ａ２，１５Ａ３は、平面視における電子部品１２の真下の領域のほぼ全体、より詳しくはたとえば電極２２と重なる領域の全体に重なるように拡がっており、その分だけ第１の貫通部１６Ａの本数が図２よりも多く（図３においては７本）形成されている。またこれに伴い第２の導体層１５Ｂ２，１５Ｂ３は、半導体装置１０１に比べてその広がる範囲が狭くなっている。なお第１の導体層１５Ａ１，１５Ａ４および第２の導体層１５Ｂ１，１５Ｂ４については、基本的に半導体装置１０１と同様である。

図４を参照して、本実施の形態の半導体装置１００の第３例としての半導体装置１０３は、基本的に半導体装置１０１，１０２と同様の構成を有している。このため図４においては図２および図３と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その態様が同じである限りその説明を繰り返さない。図４の半導体装置１０３は、第１の導体層１５Ａ２，１５Ａ３および第２の導体層１５Ｂ２，１５Ｂ３の平面視における面積において、半導体装置１０１，１０２と異なっている。

具体的には、図４の半導体装置１０３においては、第１の導体層１５Ａ２，１５Ａ３は、平面視における電子部品１２の真下の領域からその外側の領域まで拡がるように、図３の半導体装置１０２よりもさらに広い範囲に形成されている。より詳しくは、図４における第１の導体層１５Ａ２，１５Ａ３は、たとえば第１の導体層１５Ａ１，１５Ａ４と重なる領域の全体に重なるように拡がっており、その分だけ第１の貫通部１６Ａの本数が図３よりも多く（図４においては１５本）形成されている。またこれに伴い第２の導体層１５Ｂ２，１５Ｂ３は、半導体装置１０１，１０２に比べてその広がる範囲が狭くなっている。なお第１の導体層１５Ａ１，１５Ａ４および第２の導体層１５Ｂ１，１５Ｂ４については、基本的に半導体装置１０１と同様である。

半導体装置１０３においては、第１の導体層１５Ａの占める面積が非常に広く、第２の導体層１５Ｂの占める面積が狭いため、第１の導体層１５Ａと第２の導体層１５Ｂとが平面視において互いに重畳するように対向する領域を含まない。しかし半導体装置１０３においても少なくとも、第１の導体層１５Ａと第２の導体層１５Ｂとは、絶縁層１１Ｃを介して互いにたとえば０．４ｍｍ以上の間隔をあけて配置されている。このため第１の貫通部１６Ａと第１の導体層１５Ａとが互いに接続されることによる１つのまとまった第１部材と、第２の貫通部１６Ｂと第２の導体層１５Ｂとが互いに接続されることによる１つのまとまった第２部材とは、互いに電気的に絶縁されている。

図５を参照して、本実施の形態の半導体装置１００の第４例としての半導体装置１０４は、基本的に図２の第１例としての半導体装置１０１と同様の構成を有している。このため図５においては図２と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その態様が同じである限りその説明を繰り返さない。図５の半導体装置１０４は、第１の導体層１５Ａおよび第２の導体層１５Ｂの層数において、図２の半導体装置１０１と異なっている。

具体的には、図５の半導体装置１０４においては、第１の導体層１５Ａは第１の導体層１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ａ３の３層であり、第２の導体層１５Ｂは第２の導体層１５Ｂ１，１５Ｂ２，１５Ｂ３の３層となっている。この点において半導体装置１０４は、第１の導体層１５Ａが第１の導体層１５Ａ１〜１５Ａ４の４層であり、第２の導体層１５Ｂが第２の導体層１５Ｂ１〜１５Ｂ４の４層である半導体装置１０１〜１０３と構成上異なっている。

図５の第１の導体層１５Ａ３は図２〜図４の第１の導体層１５Ａ４に相当し、図５の第２の導体層１５Ｂ３は図２〜図４の第２の導体層１５Ｂ４に相当する。そのため図５の第１の導体層１５Ａ３は図２〜図４の第１の導体層１５Ａ４と同様に一方の主表面１１ａ上に形成され、形成される領域および平面視における面積も同様である。また図５の第２の導体層１５Ｂ３は図２〜図４の第２の導体層１５Ｂ４と同様に一方の主表面１１ａ上に形成され、形成される領域および平面視における面積も同様である。なお第１の導体層１５Ａ２は図５の上下方向に関する第１の導体層１５Ａ１と第１の導体層１５Ａ３とのほぼ中央部に配置され、第２の導体層１５Ｂ２は図５の上下方向に関する第２の導体層１５Ｂ１と第２の導体層１５Ｂ３とのほぼ中央部に配置される。

このように、第１の導体層１５Ａおよび第２の導体層１５Ｂは、互いに間隔をあけて３層以上の任意の層数が積層された構成とすることができる。すなわち第１の導体層１５Ａおよび第２の導体層１５Ｂは３層および４層に限らず、５層以上であってもよい。半導体装置１０４においても、第１の導体層１５Ａ２および第２の導体層１５Ｂ２の平面積が、図３および図４におけるそれらと同様であってもよい。

図６を参照して、本実施の形態の半導体装置１００の第５例としての半導体装置１０５は、基本的に図２の第１例としての半導体装置１０１と同様の構成を有している。このため図６においては図２と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その態様が同じである限りその説明を繰り返さない。図６の半導体装置１０５は、プリント基板１１とネジ１４との間の領域と、プリント基板１１と放熱用筐体１３との間の領域との少なくともいずれかに第１の伝熱用部材３１をさらに備えている点において、図２の半導体装置１０１と異なっている。

具体的には、図６の半導体装置１０５においては、プリント基板１１の第２の導体層１５Ｂ４とネジ１４の頭との間に挟まれた領域、およびプリント基板１１の第２の導体層１５Ｂ１とその真下の放熱用筐体１３との間に挟まれた領域の双方に、第１の伝熱用部材３１が配置されている。ただし第１の伝熱用部材３１はこれらのうちいずれか一方の領域のみに配置されてもよい。第１の伝熱用部材３１としては絶縁性の伝熱用グリスなどが用いられることが好ましい。

なお図６の半導体装置１０５は図２の半導体装置１０１に第１の伝熱用部材３１が適用された例が示されるが、図３〜図５の半導体装置１０２〜１０４に第１の伝熱用部材３１が適用されてもよい。

次に、図７を用いて半導体装置１００の伝熱態様を説明しながら、本実施の形態の作用効果について説明する。

図７は、たとえば図３に示す半導体装置１０２の、電子部品１２およびプリント基板１１の一部の領域を切り取り、その領域における電子部品１２からの伝熱態様を示している。図７を参照して、上記の第１の導体層１５Ａおよび第１の貫通部１６Ａからなる銅または銅を主成分とする合金のまとまった部分である第１部材においては、図中実線の矢印で示す第１の放熱経路ＨＡを伝って、電子部品１２から放熱用筐体１３へ伝熱される。具体的には、電子部品１２で発生した熱は、電極２２および接合部材２３を伝ってその下方のプリント基板１１の第１の貫通部１６Ａを電子部品１２側から放熱用筐体１３側へ伝わる。その後当該熱は、熱拡散板２５および絶縁部材２４を経由して放熱用筐体１３に達し、そこから半導体装置の外部へ放熱される。なお第１の放熱経路ＨＡとしては、実線の矢印が図示されないが第１の導体層１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ａ３，１５Ａ４に沿って水平方向に伝わる経路も存在する。

このように、まず発熱する電子部品１２と電気的に接続された複数の第１の導体層１５Ａ、および第１の導体層１５Ａと接続されプリント基板１１を上下方向に延びる第１の貫通部１６Ａとの第１部材による第１の放熱経路ＨＡが形成されている。これにより本実施の形態においては、たとえばこのような電子部品１２と電気的に接続されずそこから平面的に離れた領域のみに放熱経路を有する場合に比べて、電子部品１２を中心としてそこから高い熱伝導率で伝熱可能な第１部材の第１の放熱経路ＨＡにより、広範囲にわたって放熱用筐体１３に放熱することができる。したがって電子部品１２と放熱用筐体１３との間の領域の熱抵抗を低減することができ、電子部品１２から放熱用筐体１３への放熱効率を高めることができる。

なお図２の半導体装置１０１よりも図３の半導体装置１０２の方が、さらに図３の半導体装置１０２よりも図４の半導体装置１０３の方が、第１部材の第１の放熱経路ＨＡが広く形成されている。このため半導体装置１０１より半導体装置１０２の方が、半導体装置１０２より半導体装置１０３の方が、放熱効果はいっそう高くなる。

ただし、電子部品１２の真下にこれと電気的に繋がる第１の放熱経路ＨＡのみを有する場合、その周辺部からの放熱が弱くなる可能性がある。そこで本実施の形態においては、複数の第１の導体層１５Ａと互いに間隔をあけて配置される複数の第２の導体層１５Ｂ、および第２の導体層１５Ｂと接続されプリント基板１１を上下方向に延びる第２の貫通部１６Ｂとの第２部材による第２の放熱経路ＨＢが形成されている。第２の放熱経路ＨＢは図７中において点線の矢印で示されており、主に第２の導体層１５Ｂ２，１５Ｂ３に沿って水平方向に伝わる経路と、第２の貫通部１６Ｂとにより構成されている。第２の放熱経路ＨＢを第１の放熱経路ＨＡとたとえば対向させるように配置することで、特に第１の放熱経路ＨＡの平面視における外側の領域における熱抵抗を低減させ、この領域の放熱効率を高めることができる。したがって放熱用筐体１３側への放熱効率をいっそう高めることができる。

このように、電子部品１２の真下の領域と、それよりも平面視における外側の領域との双方に放熱経路が設けられている。このため平面視におけるいっそう広い範囲において電子部品１２から放熱用筐体１３への放熱が可能となるため、半導体装置１００を小型化させることができる。

なお第１の放熱経路ＨＡをプリント基板１１の平面視における全体に形成せず、第２の放熱経路ＨＢを第１の放熱経路ＨＡと電気的に接続しないように第１の放熱経路ＨＡから電気的に絶縁させる理由は、ネジ１４および第２の貫通部１６Ｂを介して電子部品１２と放熱用筐体１３とが互いに電気的に短絡することを抑制するためである。半導体装置１００では安全上、一般的には電子部品１２と放熱用筐体１３とは電気的に絶縁されることが要求される。このためプリント基板１１の他方の主表面１１ｂと放熱用筐体１３との間には絶縁部材２４が配置され、両者間の電気的な絶縁性が確保されている。

第１の放熱経路ＨＡと第２の放熱経路ＨＢとの間に絶縁層１１Ｃを挟むことにより、これを挟まず第１の放熱経路ＨＡと第２の放熱経路ＨＢとが直接電気的に接続される場合に比べて第２の放熱経路ＨＢへの放熱性はやや劣ることになる。しかし図７に示す絶縁層１１Ｃの厚みＨ１および厚みＨ３を厚みＨ２よりも薄くし、たとえば厚みＨ１，Ｈ３を０．２ｍｍ程度（０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下）とすることにより、第１の放熱経路ＨＡから第２の放熱経路ＨＢに至る絶縁層１１Ｃの部分の熱抵抗を小さくすることができ、第１の放熱経路ＨＡから第２の放熱経路ＨＢまでの絶縁層１１Ｃの領域での伝熱効率の低下を抑制することができる。したがって図中左右方向の矢印で示すような第１の導体層１５Ａおよび第２の導体層１５Ｂを放熱経路として、第１の導体層１５Ａなどの第１部材と第２の導体層１５Ｂなどの第２部材との間の伝熱効率を高めることができる。

ただし、すベての領域の絶縁層１１Ｃを薄くすると、標準的なプリント基板１１の材料を使用することができなくなることにより製作費の増加を招く可能性がある。またプリント基板１１全体の厚みが薄くなればその強度が弱くなることが懸念される。そこで対策として、熱伝導をさほど行なう必要がなく熱抵抗が大きくなっても問題がない、厚みＨ２で示す領域を厚みＨ１，Ｈ３よりも厚く（０．７ｍｍ以上１．３ｍｍ以下）することが好ましい。このようにすれば、プリント基板１１全体の厚みが極度に薄くなることによるその全体の強度の低下を抑制することができる。またプリント基板１１を構成する絶縁層１１Ｃとして特殊な材料を用いずに標準的な材料を用いることができるため、その制作費の増加を抑制することができる。

第１の放熱経路ＨＡを構成する第１部材、および第２の放熱経路ＨＢを構成する第２部材が熱抵抗の小さい物質である銅または銅を主成分とする合金の薄膜であることから、放熱経路における放熱効率をより高めることができる。また第１の導体層１５Ａおよび第２の導体層１５Ｂが互いに間隔をあけて３層以上積層されることにより、貫通部１６と導体層１５との双方による２方向の放熱が可能となるため、放熱効率をいっそう高めることができる。

その他、上記半導体装置１０５のように第１の伝熱用部材３１を挟むことにより、第２の導体層１５Ｂおよび第２の貫通部１６Ｂと放熱用筐体１３との間の接触熱抵抗を低減することができる。

さらに、第１の導体層１５Ａ１に熱拡散板２５が接合されることにより、さらに熱を広範囲に拡げることが可能となり、放熱性をいっそう高めることができる。

なお図７においては一例として半導体装置１０２の伝熱機構を示しているが、上記の他の半導体装置１０１，１０３，１０４，１０５においても基本的に図７と同様に伝熱されるため詳細な説明を省略する。

次に図８を用いて、本実施の形態の構成を応用した半導体装置の構成および作用効果について説明する。

図８を参照して、本実施の形態の変形例（第６例）としての半導体装置１０６は、基本的に図２の第１例としての半導体装置１０１と同様の構成を有している。このため図３においては図２と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その態様が同じである限りその説明を繰り返さない。図８の半導体装置１０６は、プリント基板１１の一方の主表面１１ａ上に複数（図８においては２つ）の電子部品１２が接合され、その他方の主表面１１ｂ上にはそれらの電子部品１２に共通の放熱用筐体１３が固定されている。電子部品１２が配置された領域ごとに単一の半導体装置１０１が形成されており、この半導体装置１０１が複数並ぶことにより、半導体装置１０６が構成されている。半導体装置１０６においては、互いに隣り合う１対の半導体装置１０１の間の領域ごとにスルーホール１７が形成されており、そのスルーホール１７内にネジ１４が設けられている。このネジ１４に隣接する領域に配置される、第２部材からなる第２の放熱経路ＨＣは、このネジ１４に隣り合う１対の半導体装置１０１の双方により共有されるように配置されている。

このように複数の半導体装置１０１が同一の放熱経路を共有すれば、半導体装置１０６をより小型化させることができる。またこのようにすれば、各半導体装置１０１ごとに放熱経路が配置される構成となるため、放熱効率をいっそう高めることができる。

なお図８においては一例として半導体装置１０１が２つ組み合わせられた例が示されている。ただしこれに限らず、たとえば半導体装置１０２〜１０５が２つ以上の複数組み合わせられた半導体装置１０６が用いられてもよいし、半導体装置１０１〜１０５が適宜組み合わせられた構成の半導体装置１０６が形成されてもよい。

実施の形態２．
以下、図９〜図１２を用いて、本実施の形態の半導体装置１００の具体的な構造の例を詳細に説明する。

図９を参照して、本実施の形態の半導体装置１００の第１例としての半導体装置２０１は、基本的に図２の半導体装置１０１と同様の構成を有している。このため図９においては図２と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その態様が同じである限りその説明を繰り返さない。図９の半導体装置２０１は、電子部品１２と、複数の第２の導体層１５Ｂのうち最もプリント基板１１の一方の主表面１１ａ側に配置される第２の導体層１５Ｂ４とに固定された、第１の放熱用板金としての放熱板金２６をさらに備える点において、図２の半導体装置１０１と異なっている。

放熱板金２６は銅などの熱伝導率の高い金属材料により構成された平板状の部材である。図９においては、互いに上下方向の位置が大きく異なる電子部品１２を構成するパッケージの最上面と、第２の導体層１５Ｂ４の最上面との双方に密着して固定させるために、放熱板金２６は第２の導体層１５Ｂ４の端部、および電子部品１２の真上の外側の領域において屈曲されており、帽子状の断面形状を有する態様となっている。図９に示される放熱板金２６の屈曲の角度は、放熱板金２６が電子部品１２と第２の導体層１５Ｂ４との双方の最上面に密着して固定することが可能な任意の角度とすることができる。また複数の放熱板金２６を組み合わせた１つの部材とすることにより、その１つの部材が電子部品１２と第２の導体層１５Ｂ４との双方の最上面に固定することが可能な構成が用いられてもよい。

たとえば実施の形態１の各例においては、電子部品１２が発する熱は、プリント基板１１および放熱用筐体１３の側へ伝わる熱以外は、電子部品１２のパッケージの表面からその周囲の空気へ自然空冷される。しかし本実施の形態においては、電子部品１２の最上面、および第２の導体層１５Ｂ４の最上面に接触された放熱板金２６が追加配置されている。そして放熱板金２６は、第２の導体層１５Ｂ４の真上にてネジ１４によりプリント基板１１に固定されている。これにより、電子部品１２の発熱の一部を放熱板金２６を介して第２の導体層１５Ｂ４側へ熱伝導させ、第２の導体層１５Ｂ４から上記第２部材の第２の放熱経路により放熱用筐体１３まで伝熱させることができる。このように放熱板金２６により電子部品１２から第２の導体層１５Ｂ４への放熱経路ができるため、放熱効率をいっそう高めることができる。

図１０を参照して、本実施の形態の半導体装置１００の第２例としての半導体装置２０２は、基本的に図９の半導体装置２０１と同様の構成を有している。このため図１０においては図９と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その態様が同じである限りその説明を繰り返さない。図１０の半導体装置２０２は、電子部品１２と第２の導体層１５Ｂ４との少なくとも一方は、第２の伝熱用部材３２を介して、放熱板金２６と固定されている点において、図９の半導体装置２０１と異なっている。

すなわち図１０の半導体装置２０２は、放熱板金２６と電子部品１２の最上面との間の領域と、放熱板金２６とプリント基板１１の第２の導体層１５Ｂ４との間の領域とに、第２の伝熱用部材３２が配置されている点において、図９の半導体装置２０１と異なっている。図１０においては放熱板金２６と電子部品１２の最上面との間の領域と、放熱板金２６とプリント基板１１の第２の導体層１５Ｂ４との間の領域との双方に第２の伝熱用部材３２が配置されている。第２の伝熱用部材３２は、放熱板金２６と電子部品１２との双方に密着して固定されている。また第２の伝熱用部材３２は、放熱板金２６と第２の導体層１５Ｂ４との双方に密着して固定されている。しかし第２の伝熱用部材３２は、電子部品１２に固定する領域と第２の導体層１５Ｂ４に固定する領域とのうちいずれかのみに配置されていてもよい。

図９においては電子部品１２の最上面部分が樹脂製のパッケージにより構成され、電子部品１２に搭載される電子部品と、金属製の放熱板金２６との電気的絶縁は確保されている。しかしたとえば電子部品１２の最上面部分に電極が配置される場合には、電子部品１２と放熱板金２６との電気的絶縁を確保する観点から、図１０に示すように、放熱板金２６と電子部品１２との間の領域および／または放熱板金２６とプリント基板１１の第２の導体層１５Ｂ４との間の領域に、第２の伝熱用部材３２が挟まれるように配置される。

第２の伝熱用部材３２としては、たとえば放熱用のシリコーン樹脂が塗布されシート状とされたものが用いられることが好ましい。これにより、放熱板金２６と電子部品１２との間の領域および／または放熱板金２６とプリント基板１１の第２の導体層１５Ｂ４との間の領域の電気的絶縁性と低い接触熱抵抗との双方を実現することができる。

あるいは図示されないが、たとえば放熱板金２６の電子部品１２に対向する側の表面上の全体に設置された、グラファイトシートなどの平面方向に高い熱伝導率を有する部材を第２の伝熱用部材３２として用いることもできる。この場合、電子部品１２の発熱は、グラファイトシートを介して放熱板金２６に伝わる経路と、グラファイトシートを伝わり放熱板金２６とプリント基板１１の第２の導体層１５Ｂ４との間の領域に達する経路との２つの経路により、第２の導体層１５Ｂ４まで伝わることができる。このため電子部品１２と第２の導体層１５Ｂ４との間の領域の熱抵抗をいっそう低減することができ、放熱板金２６による熱伝導の効果をより高めることができる。

図１１を参照して、本実施の形態の半導体装置１００の第３例としての半導体装置２０３は、基本的に図９の半導体装置２０１と同様の構成を有している。このため図１１においては図９と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その態様が同じである限りその説明を繰り返さない。図１１の半導体装置２０３は、電子部品１２の真上の放熱板金２６の、電子部品１２と反対側（図の上側）の表面上に、放熱用のフィン２７が設置されている点において、図９の半導体装置２０１と異なっている。このようにすれば、放熱板金２６による電子部品１２から第２の導体層１５Ｂ４への放熱経路に加え、電子部品１２から放熱板金２６を介しフィン２７から自然空冷する経路が設けられることになる。このため図９の半導体装置２０１に比べてさらに放熱効果を高めることができる。

図１２を参照して、本実施の形態の半導体装置１００の第４例としての半導体装置２０４は、基本的に図８の半導体装置１０６と同様の構成を有している。このため図１１においては図９と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その態様が同じである限りその説明を繰り返さない。図１２の半導体装置２０４は、半導体装置１０６と同様に複数（図１２においては３つ）並ぶ半導体装置１０１のそれぞれの電子部品１２、および各半導体装置１０１の間に配置されるネジ１４に接触する第２の導体層１５Ｂ４のそれぞれを跨ぐように、単一の大きな放熱板金２６が配置されている点において、半導体装置１０６と異なっている。この放熱板金２６は、図９〜図１１と同様に、電子部品１２と、複数の第２の導体層１５Ｂのうち最もプリント基板１１の一方の主表面１１ａ側に配置される第２の導体層１５Ｂ４とに固定されている。ただし図１２のような単一の大きな放熱板金２６を用いる代わりに、複数の半導体装置１０１ごとに別個の放熱板金２６が設置されてもよい。

複数の電子部品１２を備えた半導体装置２０４においては、半導体装置１０６と同様に、隣同士の複数の半導体装置１０１が同一の放熱経路を共有するため、半導体装置２０４をより小型化させることができる。なお図１２の構成よりも放熱板金２６を厚くしたり、放熱板金２６と第２の導体層１５Ｂ４との固定する面積を大きくしたりすることにより、放熱板金２６による熱抵抗をさらに低減させることができる。

なお図１２の半導体装置２０４に、図１０の第２の伝熱用部材３２および／または図１１のフィン２７が追加されてもよい。また本実施の形態においても図３〜図５に示すような導体層１５の構成が採用されてもよい。

次に、一部上記と重複するが、本実施の形態の作用効果について説明する。本実施の形態は、実施の形態１の作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。

本実施の形態においては、いずれの例においても、放熱板金２６が固定されることにより、電子部品１２が発する熱の経路として、実施の形態１の各構成に加え、放熱板金２６を伝わる経路を追加することができる。このため電子部品１２から第２の導体層１５Ｂ４への放熱経路の存在により、電子部品１２と放熱用筐体１３との間の熱抵抗を低減し、半導体装置の放熱性能を向上することができる。

実施の形態３．
以下、図１３〜図１４を用いて、本実施の形態の半導体装置１００の具体的な構造の例を詳細に説明する。

図１３を参照して、本実施の形態の半導体装置１００の第１例としての半導体装置３０１は、基本的に図９の半導体装置２０１と同様の構成を有している。このため図９においては図２と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その態様が同じである限りその説明を繰り返さない。図１３の半導体装置３０１は、電子部品１２に固定された平板状の第２の放熱用板金としての放熱板金２８と、複数の第２の導体層１５Ｂのうち最もプリント基板１１の一方の主表面１１ａ側に配置される第２の導体層１５Ｂ４と放熱板金２８との間に配置されたスペーサ２９とをさらに備える点において、図９の半導体装置２０１と異なっている。

ここで放熱板金２８が平板状であるとは、本実施の形態の放熱板金２８は、放熱板金２６のように、電子部品１２の最上面と第２の導体層１５Ｂ４の最上面との図１３の上下方向の段差を考慮した屈曲がされておらず、その全体において表面がほぼ平坦であることを意味する。放熱板金２８は電子部品１２の最上面上から、その図１３の左右側の第２の導体層１５Ｂ４の最上面上まで平坦に拡がっている。

本実施の形態においては実施の形態２のように放熱板金２８が屈曲されていないため、第２の導体層１５Ｂ４の真上において、放熱板金２８と第２の導体層１５Ｂ４との間に隙間が生じる。この隙間を埋める部材が、スペーサ２９である。スペーサ２９が配置されることにより、放熱板金２８は、スペーサ２９と電子部品１２との最上面上に、両者を橋渡しするように載置される。

スペーサ２９は、たとえば円柱状または直方体状の部材であり、熱伝導率が高い金属材料により構成されることが好ましい。またスペーサ２９は、ネジ１４により、第２の導体層１５Ｂ４と放熱板金２８との間の領域に固定されていてもよい。この場合、ネジ１４はスペーサ２９を貫通するため、スペーサ２９の平面視における中央部には貫通孔が形成されていることになる。

図１４を参照して、本実施の形態の半導体装置１００の第２例としての半導体装置３０２は、基本的に図１３の半導体装置３０１と同様の構成を有している。このため図１４においては図１３と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その態様が同じである限りその説明を繰り返さない。図１４の半導体装置３０２は、放熱板金２８に板バネ３３が、たとえばネジ１４により固定されている点において、図１３の半導体装置３０１と異なっている。この板バネ３３は放熱板金２８の上方から電子部品１２に対し図の下方に押圧する。

なお図１３および図１４においてはいずれも単一の半導体装置３０１，３０２の領域のみを示しているが、本実施の形態においても実施の形態１（図８）および実施の形態２（図１２）と同様に、複数の電子部品１２を有しそれらの間で第２の放熱経路を共有する構成が採用されてもよい。また本実施の形態においても図３〜図５に示すような導体層１５の構成や、図１０〜図１１に示すようなフィン２７および第２の伝熱用部材３２が採用されてもよい。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。本実施の形態は、実施の形態１の作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。

本実施の形態においては、放熱板金２８が平板状であることから、これを実施の形態２の放熱板金２６のように屈曲するための曲げ加工を行なう必要がなくなるため、加工コストを低減させることができる。平坦な放熱板金２８とその真下の第２の導体層１５Ｂ４との間に距離が生じることにより、放熱板金２８と第２の導体層１５Ｂ４との間の熱抵抗が実施の形態２よりも大きくなる懸念がある。しかし放熱板金２８と第２の導体層１５Ｂ４との間に挟まれるスペーサ２９の、図１３の上方から平面視した断面積を大きくすることにより、放熱板金２８およびスペーサ２９を合わせた両部材の熱抵抗を、実施の形態２の放熱板金２６の熱抵抗以下にすることもできる。

また平板状の放熱板金２８を用いた場合、プリント基板１１は、ネジ１４により放熱用筐体１３に固定されるだけでなく、電子部品１２よりも図１３の上方から放熱板金２８により下方に向けて押圧されることにより、放熱用筐体１３に固定される。このため、プリント基板１１を放熱用筐体１３に取り付ける際に、絶縁部材２４の部分の厚みによりプリント基板１１が図の上方に反るような変形およびその変形に伴う破損の発生を抑制することができる。さらにこの放熱板金２８が電子部品１２を下方に押圧することにより、プリント基板１１と放熱用筐体１３との間に配置される絶縁部材２４がより薄くなるように押しつぶすことができる。これにより、プリント基板１１と放熱用筐体１３との間の絶縁部材２４を介した熱抵抗を低減することができる。

また図１４に示すように設置された板バネ３３が、放熱板金２８の上方から電子部品１２に対し図の下方に押圧することにより、電子部品１２の真下のプリント基板１１に加わる下方への押圧力がより大きくなる。このため、上記のプリント基板１１の変形および破損をより確実に抑制することができ、かつプリント基板１１と放熱用筐体１３との間の絶縁部材２４を介した熱抵抗をさらに低減することができる。

なお電子部品１２を下方に押さえる力は、スペーサ２９の図１３の上下方向の寸法を小さくすれば（すなわち高さを低くすれば）大きくなり、スペーサ２９の図１３の上下方向の寸法を大きくすれば（すなわち高さを高くすれば）小さくなる。このことを利用して、放熱板金２８が電子部品１２に与える押圧力の大きさを調整することができる。

実施の形態４．
以下、図１５〜図１６を用いて、本実施の形態の半導体装置１００の具体的な構造の例を詳細に説明する。

図１５は本実施の形態の半導体装置１００の例としての半導体装置４０１の、電子部品１２およびプリント基板１１の一部の領域を切り取り、その領域における電子部品１２からの伝熱態様を示している。図１５を参照して、本実施の形態の半導体装置４０１は、基本的に図２の半導体装置１０１と同様の構成を有している。このため図１５においては図２と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その態様が同じである限りその説明を繰り返さない。図１５の半導体装置４０１は、第１の導体層１５Ａの層数および、第１の導体層１５Ａから第２の導体層１５Ｂへの伝熱機構において、図２の半導体装置１０１と異なっている。

具体的には、図１５の半導体装置４０１においては、他の各例と同様の第１の導体層１５Ａは第１の導体層１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ａ３，１５Ａ４に加え、第１の導体層１５Ａ５，１５Ａ６を有する合計６層である。なお第２の導体層１５Ｂは他の各例と同様に第２の導体層１５Ｂ１，１５Ｂ２，１５Ｂ３，１５Ｂ４の４層である。このように本実施の形態においては、プリント基板が５層以上の第１の導体層１５Ａを含んでいる。この点において半導体装置４０１は、第１の導体層１５Ａおよび第２の導体層１５Ｂがともに４層である半導体装置１０１と異なっている。

図１５の第１の導体層１５Ａにおいて、第１の導体層１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ａ３，１５Ａ４は上記の各例と同様にこの順に図の下層から上層へ向けて積層されている。これに対し、第１の導体層１５Ａ５および第１の導体層１５Ａ６は、第１の導体層１５Ａ２と第１の導体層１５Ａ３との間に挟まれており、第１の導体層１５Ａ５が第１の導体層１５Ａ６よりも下層に積層されている。ただしこのような態様に限らず、第１の導体層１５Ａ５，１５Ａ６はたとえば第１の導体層１５Ａ３と第１の導体層１５Ａ４との間に配置されてもよい。なおこれらの６つの第１の導体層１５Ａ１〜１５Ａ６は互いに間隔をあけて積層されている。

本実施の形態においても他の実施の形態と同様に、第１の導体層１５Ａのうち第１の導体層１５Ａ２，１５Ａ３間の距離より、一方または他方の主表面１１ａ，１１ｂ上の第１の導体層１５Ａ１，１５Ａ４とそれに隣接する第１の導体層１５Ａ２，１５Ａ３との距離の方が小さくなるように配置される。ただし本実施の形態においては第１の導体層１５Ａ２と第１の導体層１５Ａ３との間に第１の導体層１５Ａ５および第１の導体層１５Ａ６が割り込むように挟まれる。このためプリント基板１１内部の互いに隣接する１対のたとえば第１の導体層１５Ａ５と第１の導体層１５Ａ６との間の距離より、一方または他方の主表面１１ａ，１１ｂ上の第１の導体層１５Ａ１，１５Ａ４とそれに隣接する第１の導体層１５Ａ２，１５Ａ３との距離の方が大きい。ただしこのような態様に限らず、本実施の形態においても第１の導体層１５Ａ５と第１の導体層１５Ａ６との間の距離より第１の導体層１５Ａ１と第１の導体層１５Ａ２との距離の方が小さくてもよい。

本実施の形態においても、第１の導体層１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ａ３，１５Ａ４のそれぞれは、第２の導体層１５Ｂ１，１５Ｂ２，１５Ｂ３，１５Ｂ４のそれぞれと同一の層として形成される。

第１の導体層１５Ａ１，１５Ａ５，１５Ａ６，１５Ａ４は、平面視における電子部品１２と重なる領域からその外側の領域まで、一方の主表面１１ａおよび他方の主表面１１ｂの広い範囲に拡がるように形成されている。このため第１の導体層１５Ａ１，１５Ａ４と互いに間隔をあけて配置される第２の導体層１５Ｂ１，１５Ｂ４は、プリント基板１１の平面視における最外縁およびそれに隣接する比較的狭い領域のみに拡がるように形成されている。これに対し、第１の導体層１５Ａ２，１５Ａ３は、少なくとも図２においては、電子部品１２の真下の一部の領域すなわち平面視における電子部品１２の比較的中央部のみに拡がるように形成されている。このため図２の第２の導体層１５Ｂ２，１５Ｂ３は、第２の導体層１５Ｂ１，１５Ｂ４に比べて平面視における内側の領域まで拡がるように配置されており、電子部品１２の一部と平面的に重なるように配置されている。

その結果、図１５においては、たとえば第１の導体層１５Ａ１，１５Ａ５，１５Ａ６，１５Ａ４と第２の導体層１５Ｂ２，１５Ｂ３とは、部分的に互いに対向するように重なっており、それらの間に絶縁層１１Ｃが介在している。

本実施の形態においては、５層以上の第１の導体層１５Ａのうちプリント基板１１の内部の（表面に露出しない）第１の導体層１５Ａと、当該内部の（表面に露出しない）第１の導体層１５Ａ以外の他の第１の導体層１５Ａとを接続する第１の伝熱ビア１５ＡＡを有している。すなわち図１５に示すように、６つの第１の導体層１５Ａのうちプリント基板１１の内部の（表面に露出しない）第１の導体層１５Ａ６の右端部と、それ以外の他の第１の導体層１５Ａのうちの１つである最上層の第１の導体層１５Ａ４の右端部とが、平面視での電子部品１２の外側の領域において、図の上下方向に延びる第１の伝熱ビア１５ＡＡにより接続されている。また図１５に示すように、６つの第１の導体層１５Ａのうちプリント基板１１の内部の（表面に露出しない）第１の導体層１５Ａ５の右端部と、それ以外の他の第１の導体層１５Ａのうちの１つである最下層の第１の導体層１５Ａ１の右端部とが、平面視での電子部品１２の外側の領域において、図の上下方向に延びる第１の伝熱ビア１５ＡＡにより接続されている。ただし第１の伝熱ビア１５ＡＡはこれらに限らず、プリント基板１１の内部に互いに間隔をあけて配置される２つの第１の導体層１５Ａ同士が接続される態様であってもよい。

また本実施の形態においては、複数（ここでは４層）の第２の導体層１５Ｂのうちプリント基板１１の内部の（表面に露出しない）第２の導体層１５Ｂと、当該内部の（表面に露出しない）第２の導体層１５Ｂ以外の他の第２の導体層１５Ｂとを接続する第２の伝熱ビア１５ＢＢを有している。すなわち図１５に示すように、４つの第２の導体層１５Ｂのうちプリント基板１１の内部の（表面に露出しない）第２の導体層１５Ｂ２の左端部と、それ以外の他の第２の導体層１５Ｂのうちの１つである第２の導体層１５Ｂ３の左端部とが、平面視にて電子部品１２に重なる領域において、図の上下方向に延びる第２の伝熱ビア１５ＢＢにより接続されている。ただし第２の伝熱ビア１５ＢＢはこれらに限らず、たとえばプリント基板１１の一方または他方の主表面に形成される第２の導体層１５Ｂと、プリント基板１１の内部に配置される第２の導体層１５Ｂとを接続する態様であってもよい。

第１の伝熱ビア１５ＡＡおよび第２の伝熱ビア１５ＢＢは、第１の貫通部１６Ａおよび第２の貫通部１６Ｂと同様に、導体により層間を接続するものである。ただし第１の伝熱ビア１５ＡＡおよび第２の伝熱ビア１５ＢＢは、プリント基板１１の全体を貫通せずに、プリント基板１１の内部の第１または第２の導体層を一方端とする点において、第１の貫通部１６Ａおよび第２の貫通部１６Ｂと異なっている。第１の伝熱ビア１５ＡＡおよび第２の伝熱ビア１５ＢＢは、導体によりその内部の全体が充填された構成であっていてもよいし、図の上下方向に延びる外壁面のみが導体で覆われその内側は樹脂などの絶縁物により充填された構成であってもよい。

図１５に示すように、第１の伝熱ビア１５ＡＡは、第１の導体層１５Ａ４と第１の導体層１５Ａ６との間に配置される第２の導体層１５Ｂ３を貫通する態様となっている。図１６は図１５の、上記第１の伝熱ビア１５ＡＡが第２の導体層１５Ｂ３を貫通する部分を拡大し、これをやや上方から見た概略斜視図である。図１６を参照して、第２の導体層１５Ｂ３には図の上下方向にこれを貫通するように形成された孔部としての開口部１５ＰＨが形成され、開口部１５ＰＨ内を貫通するように第１の伝熱ビア１５ＡＡが図の上下方向に延在する。開口部１５ＰＨと第１の伝熱ビア１５ＰＨとは互いに接触しないよう、両者間に間隔を有する。第１の導体層１５Ａ４，１５Ａ６と第２の導体層１５Ｂ３との間は電気的に絶縁する必要があるためである。その間隔は半導体装置４０１の扱う電圧によって変化するが、たとえば０．４ｍｍ以上とすることが好ましい。

次に、図１５および図１６を用いて半導体装置４０１の伝熱態様を説明しながら、本実施の形態の作用効果について説明する。

図１５を再度参照して、本実施の形態においても他の実施の形態と同様に、図中実線で示す第１の放熱経路ＨＡ、および図中点線で示す第２の放熱経路ＨＢにより、図の上層から下層へ伝熱される。ただしこの場合、たとえば第１の導体層１５Ａ４の右端部と第１の導体層１５Ａ６の右端部との間に、熱伝導量の差により温度差が発生する場合がある。この場合、これら２つの第１の導体層１５Ａのうち温度が低い方の層から第２の導体層１５Ｂへの熱伝導量が小さくなり、熱伝導の効率が低下する。

そこで本実施の形態のように第１の導体層１５Ａ４の右端部と第１の導体層１５Ａ６の右端部との間に第１の伝熱ビア１５ＡＡが設けられる。これにより、第１の伝熱ビア１５ＡＡを図中鎖線の矢印で示す第３の放熱経路ＨＤとして、図の上下方向に、第１の導体層１５Ａ４と第１の導体層１５Ａ６との間で放熱することができるため、第１の導体層１５Ａ４と第１の導体層１５Ａ６との温度差を小さくし、第１の導体層１５Ａ内の温度分布を均一化させることができる。第１の導体層１５Ａの温度分布が均一化されることで、そこから第２の導体層１５Ｂ３への熱伝導もその上側および下側の双方から均一に、第４の放熱経路ＨＥに示すようになされる。これにより、第２の導体層１５Ｂ３の上側または下側のいずれかのみに熱が偏在する場合に比べて効率的に、第１の導体層１５Ａから第２の導体層１５Ｂへ熱伝導することができる。

図１６を再度参照して、開口部１５ＰＨの付近においては、第１の導体層１５Ａ４と第１の導体層１５Ａ６との間の第３の放熱経路ＨＤを熱が伝わることにより第１の伝熱ビア１５ＡＡが発熱する。その発熱が第１の伝熱ビア１５ＡＡから開口部１５ＰＨを介し第４の放熱経路ＨＥに示すように第２の導体層１５Ｂ３に伝わる。これにより、第１部材と第２部材との間の伝熱の効率を高めることができる。

図１５においては、第１の導体層１５Ａ４と第１の導体層１５Ａ６とを接続する第１の伝熱ビア１５ＡＡと、第１の導体層１５Ａ１と第１の導体層１５Ａ５とを接属する第１の伝熱ビア１５ＡＡとは分割して配置される。しかしこれらが分割されず繋がった構造であってもよい。

以上においては第１の導体層１５Ａ４と第１の導体層１５Ａ６との間の第１の伝熱ビア１５ＡＡの作用効果について述べた。しかし図１５の第１の導体層１５Ａ１と第１の導体層１５Ａ５との間の第１の伝熱ビア１５ＡＡ、および図１５の第２の導体層１５Ｂ２と第２の導体層１５Ｂ３との間の第２の伝熱ビア１５ＢＢ、についても基本的に上記と同様の作用効果を奏する。

以上においては６層の第１の導体層１５Ａを有する例について説明したが、第１の導体層１５Ａの層数は７層以上であってもよい。また第１の伝熱ビア１５ＡＡと第２の伝熱ビア１５ＢＢとは必ずしも双方設ける必要はなく、いずれか一方のみが設けられてもよい。以上の第１の伝熱ビア１５ＡＡおよび第２の伝熱ビア１５ＢＢは、図１５の電子部品１２の右側のみに配置されるべきものではなく、電子部品１２の左側にも配置されてもよいし、左右のみならず前後も含め電子部品１２の周囲に配置されてもよい。

以上に述べた各実施の形態（に含まれる各例）に記載した特徴を、技術的に矛盾のない範囲で適宜組み合わせるように適用してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１１ プリント基板、１１ａ 一方の主表面、１１ｂ 他方の主表面、１１Ｃ 絶縁層、１２ 電子部品、１３ 放熱用筐体、１４ ネジ、１５ 導体層、１５Ａ，１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ａ３，１５Ａ４，１５Ａ５，１５Ａ６ 第１の導体層、１５ＡＡ 第１の伝熱ビア、１５Ｂ，１５Ｂ１，１５Ｂ２，１５Ｂ３，１５Ｂ４ 第２の導体層、１５ＢＢ 第２の伝熱ビア、１５ＰＨ 開口部、１６ 貫通部、１６Ａ 第１の貫通部、１６Ｂ 第２の貫通部、１７ スルーホール、２１ レジスト層、２２ 電極、２３ 接合部材、２４ 絶縁部材、２５ 熱拡散板、２６ 放熱板金、２７ フィン、２８ 放熱板金、２９ スペーサ、３１ 第１の伝熱用部材、３２ 第２の伝熱用部材、３３ 板バネ、１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，２０１，２０２，２０３，２０４，３０１，３０２，４０１ 半導体装置、ＨＡ 第１の放熱経路、ＨＢ，ＨＣ 第２の放熱経路、ＨＤ 第３の放熱経路、ＨＥ 第４の放熱経路。

Claims (9)

1. プリント基板と、
   前記プリント基板の一方の主表面側に接合された電子部品と、
   前記プリント基板の前記一方の主表面と反対側の他方の主表面側に固定された放熱器とを備え、
   前記プリント基板は、絶縁層と、前記絶縁層の主表面に沿うように拡がり前記電子部品側から前記放熱器側まで前記絶縁層の一部を介して複数積層された導体層とを含み、
   前記複数の導体層は、前記電子部品と電気的に接続された第１の導体層と、前記第１の導体層と互いに間隔をあけ、電気的に絶縁されて配置される第２の導体層とを有し、
   前記第１の導体層は、前記一方の主表面上と、前記他方の主表面上と、前記一方の主表面と前記他方の主表面の間の領域とのそれぞれに、互いに間隔をあけて複数配置され、
   前記第２の導体層は、前記一方の主表面上と、前記他方の主表面上と、前記一方の主表面と前記他方の主表面の間の領域とのそれぞれに、互いに間隔をあけて複数配置され、
   前記複数の第１の導体層のうち最も前記一方の主表面側の第１の導体層および最も前記他方の主表面側の第１の導体層は、前記プリント基板の前記一方の主表面上および前記他方の主表面上のいずれかに形成されて平面視において前記電子部品と重なる領域から前記重なる領域の外側の領域まで拡がるように形成され、
   前記複数の第２の導体層のうち最も前記一方の主表面側以外でありかつ前記他方の主表面側以外である第２の導体層は、前記プリント基板の内部にて前記第１の導体層と互いに間隔を保ちつつ前記電子部品の周囲において前記第１の導体層と平面的に重なる領域を備え、
   前記複数の第１の導体層と接続され、前記プリント基板の前記一方の主表面から前記他方の主表面まで延びる第１の貫通部と、
   前記複数の第２の導体層と接続され、前記プリント基板の前記一方の主表面から前記他方の主表面まで延びる第２の貫通部とをさらに備える、半導体装置。
2. 前記第１および第２の導体層は、銅の薄膜、銅を主成分とする合金の薄膜、銀を主成分とする合金の薄膜からなる群から選択されるいずれかであり、互いに間隔をあけて３層以上積層されている、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第２の貫通部の内部に設けられ、前記プリント基板を前記放熱器に固定する固定部材と、
   前記プリント基板の前記他方の主表面と前記放熱器との間に配置された絶縁部材とをさらに備える、請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記プリント基板と前記固定部材との間の領域と、前記プリント基板と前記放熱器との間の領域との少なくともいずれかに第１の伝熱用部材をさらに備える、請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記複数の第１の導体層のうち最も前記他方の主表面側に配置される前記第１の導体層に接合された熱拡散板をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記電子部品と、前記複数の第２の導体層のうち最も一方の主表面側に配置される前記第２の導体層とに固定された第１の放熱用板金をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記電子部品と前記最も一方の主表面側の第２の導体層との少なくとも一方は、第２の伝熱用部材を介して前記第１の放熱用板金と固定される、請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記電子部品に固定された平板状の第２の放熱用板金と、
   前記複数の第２の導体層のうち最も一方の主表面側に配置される前記第２の導体層と前記第２の放熱用板金との間に配置されたスペーサとをさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記プリント基板は前記放熱器側から前記電子部品側へ向けて互いに間隔をあけて５層以上配置される前記第１の導体層を含み、
   前記５層以上の第１の導体層のうち、前記プリント基板の内部の前記第１の導体層と前記内部の前記第１の導体層以外の他の前記第１の導体層とを接続し、かつ前記複数の第２の導体層のうちいずれかの前記第２の導体層に形成された開口部を貫通する第１の伝熱ビアと、
   前記複数の第２の導体層のうち、前記プリント基板の内部の前記第２の導体層と、前記内部の前記第２の導体層以外の他の前記第２の導体層とを接続し、かつ前記複数の第１の導体層のうちいずれかの前記第１の導体層に形成された開口部を貫通する第２の伝熱ビアとの少なくともいずれかをさらに備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。

Images