JP2003204020A - 半導体装置 - Google Patents
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- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/321—Disposition
- H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、薄肉化して、熱抵抗を抑制し、良
好な耐熱サイクル性を有する半導体装置を提供すること
を目的とする。 【解決手段】 本発明の半導体装置は、表面および裏面
を有する絶縁基板と、銅板を用いて該表面および該裏面
上にそれぞれ形成された回路パターンおよび裏面パター
ンとを有し、回路パターン上に半導体チップを搭載し、
絶縁基板が窒化アルミ（Ｓｉ３Ｎ４）からなり、０．２
５ｍｍないし０．３５ｍｍの厚みを有し、回路パターン
および裏面パターンが０．３ｍｍないし０．５ｍｍの厚
みを有する。これにより、半導体装置をヒートシンク上
に接合する半田に負荷される半田歪を低減できるので、
高い信頼性（耐熱サイクル性）を維持しながら、鉛フリ
ー半田を採用することができる。
好な耐熱サイクル性を有する半導体装置を提供すること
を目的とする。 【解決手段】 本発明の半導体装置は、表面および裏面
を有する絶縁基板と、銅板を用いて該表面および該裏面
上にそれぞれ形成された回路パターンおよび裏面パター
ンとを有し、回路パターン上に半導体チップを搭載し、
絶縁基板が窒化アルミ（Ｓｉ３Ｎ４）からなり、０．２
５ｍｍないし０．３５ｍｍの厚みを有し、回路パターン
および裏面パターンが０．３ｍｍないし０．５ｍｍの厚
みを有する。これにより、半導体装置をヒートシンク上
に接合する半田に負荷される半田歪を低減できるので、
高い信頼性（耐熱サイクル性）を維持しながら、鉛フリ
ー半田を採用することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に関
し、とりわけ表面および裏面を有する絶縁基板と、銅板
を用いて表面および裏面上にそれぞれ形成された回路パ
ターンおよび裏面パターンとを有し、回路パターン上に
半導体チップを搭載する電力用半導体装置に関する。
し、とりわけ表面および裏面を有する絶縁基板と、銅板
を用いて表面および裏面上にそれぞれ形成された回路パ
ターンおよび裏面パターンとを有し、回路パターン上に
半導体チップを搭載する電力用半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図８ないし１０を参照しながら、従来の
半導体装置を説明する。従来の半導体装置１０１は、概
略、窒化アルミ（ＡｌＮ）からなる絶縁基板１１０と、
その表面１１１および裏面１１２上に活性金属のろう材
（図示せず）を用いて接合された銅板からなる回路パタ
ーン１１３および裏面パターン１１４を有する。絶縁基
板１１０、回路パターン１１３、および裏面パターン１
１４の厚みは、それぞれ、０．６３５ｍｍ、０．３ｍ
ｍ、および０．１５ｍｍである。また、組成分として鉛
を含有する半田１１５（以下、単に「鉛含有半田」とい
う。）を用いて、電力用半導体チップ（素子）１１６が
回路パターン１１３上に接合されている。
半導体装置を説明する。従来の半導体装置１０１は、概
略、窒化アルミ（ＡｌＮ）からなる絶縁基板１１０と、
その表面１１１および裏面１１２上に活性金属のろう材
（図示せず）を用いて接合された銅板からなる回路パタ
ーン１１３および裏面パターン１１４を有する。絶縁基
板１１０、回路パターン１１３、および裏面パターン１
１４の厚みは、それぞれ、０．６３５ｍｍ、０．３ｍ
ｍ、および０．１５ｍｍである。また、組成分として鉛
を含有する半田１１５（以下、単に「鉛含有半田」とい
う。）を用いて、電力用半導体チップ（素子）１１６が
回路パターン１１３上に接合されている。
【０００３】この半導体装置１０１は、図９に示すよう
に、電力用半導体チップ１１６が生じる熱を効率よく放
散するために、熱伝導性の高い銅などの金属材料からな
るヒートシンク１０２上に、鉛含有半田１０３を用いて
接合される。
に、電力用半導体チップ１１６が生じる熱を効率よく放
散するために、熱伝導性の高い銅などの金属材料からな
るヒートシンク１０２上に、鉛含有半田１０３を用いて
接合される。
【０００４】ところで、こうした半導体装置１０１を利
用する製品が廃棄された後、酸性雨により、製品に含ま
れる鉛含有半田が溶け、有害金属である鉛が流出して環
境を汚染することが社会的な問題となっており、いわゆ
る環境にやさしい製品の開発が急がれている。
用する製品が廃棄された後、酸性雨により、製品に含ま
れる鉛含有半田が溶け、有害金属である鉛が流出して環
境を汚染することが社会的な問題となっており、いわゆ
る環境にやさしい製品の開発が急がれている。
【０００５】そこで、鉛含有半田の代替品として鉛を含
有しない半田（以下、単に「鉛フリー半田」という。）
が実用化されているが、鉛含有半田と鉛フリー半田の物
理的特性が異なるため、これらを容易には置換すること
ができない。
有しない半田（以下、単に「鉛フリー半田」という。）
が実用化されているが、鉛含有半田と鉛フリー半田の物
理的特性が異なるため、これらを容易には置換すること
ができない。
【０００６】鉛含有半田を鉛フリー半田で容易に置換で
きないことを示すために、鉛含有半田を用いてヒートシ
ンク１０２上に接合された半導体装置、および鉛フリー
半田を用いてヒートシンク１０２上に接合された半導体
装置に対して、反復して熱サイクル試験を行った事例に
ついて説明する。これらの半導体装置は、用いた半田の
材質以外はまったく同じ構成を有する。図１０のグラフ
に示すように、いずれの半導体装置においても、熱衝撃
により半田クラックが生じて製品寿命に至るときの熱サ
イクル回数（Ｎ：以下、単に「寿命熱サイクル回数」と
いう。）は、絶縁基板下の半田歪（ε，半田の熱応力）
が増えるほど、単調に低下する。しかし、半田歪（ε）
が同じであるとき、鉛フリー半田を用いた半導体装置１
０１の寿命熱サイクル回数（Ｎ１）は、鉛含有半田を用
いた半導体装置１０１の寿命熱サイクル回数（Ｎ２）の
約１／３倍しかない（Ｎ１≒１／３×Ｎ２）。すなわ
ち、鉛フリー半田を用いてヒートシンク１０２上に接合
された半導体装置１０１における半田接合の信頼性は、
著しく低減することが予測される。
きないことを示すために、鉛含有半田を用いてヒートシ
ンク１０２上に接合された半導体装置、および鉛フリー
半田を用いてヒートシンク１０２上に接合された半導体
装置に対して、反復して熱サイクル試験を行った事例に
ついて説明する。これらの半導体装置は、用いた半田の
材質以外はまったく同じ構成を有する。図１０のグラフ
に示すように、いずれの半導体装置においても、熱衝撃
により半田クラックが生じて製品寿命に至るときの熱サ
イクル回数（Ｎ：以下、単に「寿命熱サイクル回数」と
いう。）は、絶縁基板下の半田歪（ε，半田の熱応力）
が増えるほど、単調に低下する。しかし、半田歪（ε）
が同じであるとき、鉛フリー半田を用いた半導体装置１
０１の寿命熱サイクル回数（Ｎ１）は、鉛含有半田を用
いた半導体装置１０１の寿命熱サイクル回数（Ｎ２）の
約１／３倍しかない（Ｎ１≒１／３×Ｎ２）。すなわ
ち、鉛フリー半田を用いてヒートシンク１０２上に接合
された半導体装置１０１における半田接合の信頼性は、
著しく低減することが予測される。
【０００７】換言すると、鉛フリー半田の寿命熱サイク
ル回数（Ｎ１）を鉛含有半田の寿命熱サイクル回数（Ｎ
２）と同程度に維持するためには、図１０に示すよう
に、鉛フリー半田に負荷される半田歪（ε１）を、鉛含
有半田に負荷される半田歪（ε ０）の約６０％に低減す
る必要がある（ε１≒０．６×ε０）。
ル回数（Ｎ１）を鉛含有半田の寿命熱サイクル回数（Ｎ
２）と同程度に維持するためには、図１０に示すよう
に、鉛フリー半田に負荷される半田歪（ε１）を、鉛含
有半田に負荷される半田歪（ε ０）の約６０％に低減す
る必要がある（ε１≒０．６×ε０）。
【０００８】そのため、半導体装置１０１をヒートシン
ク１０２上に接合するための半田１０３に負荷される半
田歪（ε）を低減するための従来の手法によれば、半田
１０３そのものの厚み（ｔｈ）を厚くするか、あるいは
絶縁基板１１０の回路パターン１１３および裏面パター
ン１１４の厚み（ｔｐ）を厚くしていた。
ク１０２上に接合するための半田１０３に負荷される半
田歪（ε）を低減するための従来の手法によれば、半田
１０３そのものの厚み（ｔｈ）を厚くするか、あるいは
絶縁基板１１０の回路パターン１１３および裏面パター
ン１１４の厚み（ｔｐ）を厚くしていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、半田歪
（ε）を低減するために、半田１０３そのものの厚み
（ｔｈ）を厚くすると、図６に示すように、半田１０３
が有する熱抵抗（Ｒｈ）が増大し、回路パターン１１３
および裏面パターン１１４の厚み（ｔｐ）を厚くする
と、同様に、図４に示すように、これらのパターン１１
３，１１４が有する熱抵抗（Ｒｐ）が増大してしまう。
半田１０３の熱抵抗（Ｒｈ）またはパターン１１３，１
１４の熱抵抗（Ｒｐ）が増大すると、半導体装置１０１
をヒートシンク１０２に接合することにより得られる放
熱の効果が損なわれてしまう。
（ε）を低減するために、半田１０３そのものの厚み
（ｔｈ）を厚くすると、図６に示すように、半田１０３
が有する熱抵抗（Ｒｈ）が増大し、回路パターン１１３
および裏面パターン１１４の厚み（ｔｐ）を厚くする
と、同様に、図４に示すように、これらのパターン１１
３，１１４が有する熱抵抗（Ｒｐ）が増大してしまう。
半田１０３の熱抵抗（Ｒｈ）またはパターン１１３，１
１４の熱抵抗（Ｒｐ）が増大すると、半導体装置１０１
をヒートシンク１０２に接合することにより得られる放
熱の効果が損なわれてしまう。
【００１０】さらに、半田１０３の熱抵抗（Ｒｈ）およ
びパターン１１３，１１４の熱抵抗（Ｒｐ）が増大する
一方、絶縁基板１１０を薄肉化して、その熱抵抗
（Ｒｓ）を低減させることにより、半導体装置１０１全
体としての熱抵抗を下げる試みもなされた。ところが、
窒化アルミ（ＡｌＮ）からなる絶縁基板１１０は、厚み
を薄くすると、図３に示すように、熱衝撃によりクラッ
クが発生する度合い（Ｃ）が増え、絶縁基板１１０の長
期信頼性が損なわれるという問題があった。
びパターン１１３，１１４の熱抵抗（Ｒｐ）が増大する
一方、絶縁基板１１０を薄肉化して、その熱抵抗
（Ｒｓ）を低減させることにより、半導体装置１０１全
体としての熱抵抗を下げる試みもなされた。ところが、
窒化アルミ（ＡｌＮ）からなる絶縁基板１１０は、厚み
を薄くすると、図３に示すように、熱衝撃によりクラッ
クが発生する度合い（Ｃ）が増え、絶縁基板１１０の長
期信頼性が損なわれるという問題があった。
【００１１】そこで本発明は、こうした問題を解消する
ためになされたもので、薄肉化して、熱抵抗を抑制し、
良好な耐熱サイクル性を有する半導体装置を提供するこ
とを目的とする。これにより、鉛フリー半田を用いて、
半導体装置をヒートシンク上に接合した場合であって
も、鉛フリー半田に負荷される半田歪を低減できるの
で、鉛フリー半田の耐熱サイクル性の向上、および高い
信頼性を実現することができる。
ためになされたもので、薄肉化して、熱抵抗を抑制し、
良好な耐熱サイクル性を有する半導体装置を提供するこ
とを目的とする。これにより、鉛フリー半田を用いて、
半導体装置をヒートシンク上に接合した場合であって
も、鉛フリー半田に負荷される半田歪を低減できるの
で、鉛フリー半田の耐熱サイクル性の向上、および高い
信頼性を実現することができる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
によれば、表面および裏面を有する絶縁基板と、銅板を
用いて該表面および該裏面上にそれぞれ形成された回路
パターンおよび裏面パターンとを有し、回路パターン上
に半導体チップを搭載する半導体装置において、前記絶
縁基板が窒化アルミ（Ｓｉ３Ｎ４）からなり、０．２５
ｍｍないし０．３５ｍｍの厚みを有し、前記回路パター
ンおよび裏面パターンが０．３ｍｍないし０．５ｍｍの
厚みを有する半導体装置を提供することができる。こう
して、靭性の高いセラミック材料を用いることで、絶縁
材料をより薄肉化して、熱抵抗を抑制しながら、良好な
耐熱サイクル性を有する半導体装置を実現することがで
きる。また、この半導体装置において、その熱抵抗が小
さいので、ヒートシンク上に接合する半田に負荷される
半田歪を低減することができる。したがって、鉛含有半
田のみならず、鉛フリー半田を用いて、この半導体装置
をヒートシンク上に接合しても、半導体装置としての良
好な信頼性（耐熱サイクル性）を維持することができ
る。
によれば、表面および裏面を有する絶縁基板と、銅板を
用いて該表面および該裏面上にそれぞれ形成された回路
パターンおよび裏面パターンとを有し、回路パターン上
に半導体チップを搭載する半導体装置において、前記絶
縁基板が窒化アルミ（Ｓｉ３Ｎ４）からなり、０．２５
ｍｍないし０．３５ｍｍの厚みを有し、前記回路パター
ンおよび裏面パターンが０．３ｍｍないし０．５ｍｍの
厚みを有する半導体装置を提供することができる。こう
して、靭性の高いセラミック材料を用いることで、絶縁
材料をより薄肉化して、熱抵抗を抑制しながら、良好な
耐熱サイクル性を有する半導体装置を実現することがで
きる。また、この半導体装置において、その熱抵抗が小
さいので、ヒートシンク上に接合する半田に負荷される
半田歪を低減することができる。したがって、鉛含有半
田のみならず、鉛フリー半田を用いて、この半導体装置
をヒートシンク上に接合しても、半導体装置としての良
好な信頼性（耐熱サイクル性）を維持することができ
る。
【００１３】請求項２に記載の本発明によれば、前記回
路パターンの厚みが前記裏面パターンの厚みと等しい
か、より薄い半導体装置を提供することができる。これ
により、リフロー工程時、半導体装置を下方向に凸形状
を有するように湾曲させ、半田内で生じる気泡が半田か
ら抜けやすくすることができる。
路パターンの厚みが前記裏面パターンの厚みと等しい
か、より薄い半導体装置を提供することができる。これ
により、リフロー工程時、半導体装置を下方向に凸形状
を有するように湾曲させ、半田内で生じる気泡が半田か
ら抜けやすくすることができる。
【００１４】請求項３に記載の本発明によれば、金属基
板上に接合できるように前記裏面パターン上に配置され
た導電性接合部材をさらに有する半導体装置を提供する
ことができる。これにより、導電性接合部材（半田）を
介して、半導体装置をヒートシンクに接合することがで
きる。
板上に接合できるように前記裏面パターン上に配置され
た導電性接合部材をさらに有する半導体装置を提供する
ことができる。これにより、導電性接合部材（半田）を
介して、半導体装置をヒートシンクに接合することがで
きる。
【００１５】請求項４に記載の本発明によれば、前記導
電性接合部材が鉛を含まない半田からなる半導体装置を
提供することができる。これにより、上述のように、こ
の半導体装置の熱抵抗が小さいので、良好な信頼性（耐
熱サイクル性）を維持しながら、ヒートシンク上に接合
する半田として、鉛フリー半田を採用することができ
る。
電性接合部材が鉛を含まない半田からなる半導体装置を
提供することができる。これにより、上述のように、こ
の半導体装置の熱抵抗が小さいので、良好な信頼性（耐
熱サイクル性）を維持しながら、ヒートシンク上に接合
する半田として、鉛フリー半田を採用することができ
る。
【００１６】請求項５に記載の本発明によれば、前記導
電性接着部材内に、所定の大きさを有するバンプが含ま
れる半導体装置を提供することができる。これにより、
裏面パターンとヒートシンク間の半田の厚みを一定にす
ることができる。したがって、半田の不均一な厚みに起
因して、半田の薄い周縁部において半田クラックが発生
することを防止することができる。
電性接着部材内に、所定の大きさを有するバンプが含ま
れる半導体装置を提供することができる。これにより、
裏面パターンとヒートシンク間の半田の厚みを一定にす
ることができる。したがって、半田の不均一な厚みに起
因して、半田の薄い周縁部において半田クラックが発生
することを防止することができる。
【００１７】請求項６に記載の本発明によれば、前記導
電性接着部材が０．２５ｍｍないし０．４０ｍｍの厚み
を有する半導体装置を提供することができる。これによ
り、半田の熱抵抗が許容される範囲において、半田歪を
低減するように、できるだけ半田の厚みを厚くすること
ができる。
電性接着部材が０．２５ｍｍないし０．４０ｍｍの厚み
を有する半導体装置を提供することができる。これによ
り、半田の熱抵抗が許容される範囲において、半田歪を
低減するように、できるだけ半田の厚みを厚くすること
ができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】図１ないし７を参照しながら、本
発明に係る半導体装置の実施の形態を以下に説明する。
この半導体装置１は、概略、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）か
らなる絶縁基板１０と、その表面１１および裏面１２上
に活性金属のろう材（図示せず）を用いて接合された銅
板からなる回路パターン１３および裏面パターン１４を
有する絶縁基板１０の厚みが０．２５ｍｍないし０．３
５ｍｍで、回路パターン１３および裏面パターン１４の
厚みがともに０．３０ｍｍないし０．５０ｍｍとなるよ
うに構成されている。また、鉛フリー半田（組成：Ｓｎ
２〜４Ａｇ０．５〜０．７５Ｃｕ）１５を用いて、電力
用半導体チップ（素子）１６が回路パターン１３上に接
合されている。
発明に係る半導体装置の実施の形態を以下に説明する。
この半導体装置１は、概略、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）か
らなる絶縁基板１０と、その表面１１および裏面１２上
に活性金属のろう材（図示せず）を用いて接合された銅
板からなる回路パターン１３および裏面パターン１４を
有する絶縁基板１０の厚みが０．２５ｍｍないし０．３
５ｍｍで、回路パターン１３および裏面パターン１４の
厚みがともに０．３０ｍｍないし０．５０ｍｍとなるよ
うに構成されている。また、鉛フリー半田（組成：Ｓｎ
２〜４Ａｇ０．５〜０．７５Ｃｕ）１５を用いて、電力
用半導体チップ（素子）１６が回路パターン１３上に接
合されている。
【００１９】また、図２に示すように、この半導体装置
１は、電力用半導体チップ１６が生じる熱を効率よく放
散するために、熱伝導性の高い銅などの金属材料からな
るヒートシンク２上に、上述の組成を有する鉛フリー半
田３を用いて接合される。
１は、電力用半導体チップ１６が生じる熱を効率よく放
散するために、熱伝導性の高い銅などの金属材料からな
るヒートシンク２上に、上述の組成を有する鉛フリー半
田３を用いて接合される。
【００２０】なお、電力用半導体チップ１６を回路パタ
ーン１３上に接合するための半田を半導体チップ接合用
半田１５とし、半導体装置１をヒートシンク２上に接合
するための半田を半導体装置接合用半田３として区別す
るが、以下の説明において、特に明記しない場合、「半
田」とは半導体装置接合用半田３を指すものとする。
ーン１３上に接合するための半田を半導体チップ接合用
半田１５とし、半導体装置１をヒートシンク２上に接合
するための半田を半導体装置接合用半田３として区別す
るが、以下の説明において、特に明記しない場合、「半
田」とは半導体装置接合用半田３を指すものとする。
【００２１】本発明において、絶縁基板１０の厚みを
０．２５ｍｍないし０．３５ｍｍとした理由について以
下に説明する。本発明の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）からな
る絶縁基板１０において、その抗折強度は、約７００な
いし８００ＭＰａで、従来の窒化アルミ（ＡｌＮ）から
なる絶縁基板１１０の抗折強度（約３５０ないし４００
ＭＰａ）の２倍程度高い。同様に、本発明の絶縁基板１
０の撓み耐量は、従来の絶縁基板１１０に比べ、４倍程
度高い。すなわち、本発明の絶縁基板１０（Ｓｉ
３Ｎ４）は、従来の絶縁基板１１０（ＡｌＮ）に比べ
て、破壊靭性が非常に高いので、クラックを生じること
なく、薄肉化することができる。
０．２５ｍｍないし０．３５ｍｍとした理由について以
下に説明する。本発明の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）からな
る絶縁基板１０において、その抗折強度は、約７００な
いし８００ＭＰａで、従来の窒化アルミ（ＡｌＮ）から
なる絶縁基板１１０の抗折強度（約３５０ないし４００
ＭＰａ）の２倍程度高い。同様に、本発明の絶縁基板１
０の撓み耐量は、従来の絶縁基板１１０に比べ、４倍程
度高い。すなわち、本発明の絶縁基板１０（Ｓｉ
３Ｎ４）は、従来の絶縁基板１１０（ＡｌＮ）に比べ
て、破壊靭性が非常に高いので、クラックを生じること
なく、薄肉化することができる。
【００２２】また、本発明の絶縁基板１０（Ｓｉ
３Ｎ４）の熱伝導率（λ１）は約５０〜１００Ｗ／（ｍ
・ｋ）であり、従来の窒化アルミ（ＡｌＮ）からなる絶
縁基板１１０の熱伝導率（λ２）は約１３０〜１８０Ｗ
／（ｍ・ｋ）である。一般に、絶縁基板の熱抵抗
（Ｒ）、厚み（ｔ）、および熱伝導率（λ）は、図３に
示すように、次の関係式を満足する。 （数１） Ｒ ＝ ｔ／λ そこで、本発明の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）からなる絶縁
基板１０が従来の窒化アルミ（ＡｌＮ）からなる絶縁基
板１１０（ｔ２＝０．６３５ｍｍ）と同じか、より小さ
い熱抵抗（Ｒ）を有するように、本発明の絶縁基板１０
の厚み（ｔ１）の上限値を０．３５ｍｍとした。また、
絶縁基板１０を薄肉化すると、その耐電圧が低下する
が、満足できる程度の耐電圧を確保するために、絶縁基
板１０の厚み（ｔ１）の下限値を０．２５ｍｍとした。
３Ｎ４）の熱伝導率（λ１）は約５０〜１００Ｗ／（ｍ
・ｋ）であり、従来の窒化アルミ（ＡｌＮ）からなる絶
縁基板１１０の熱伝導率（λ２）は約１３０〜１８０Ｗ
／（ｍ・ｋ）である。一般に、絶縁基板の熱抵抗
（Ｒ）、厚み（ｔ）、および熱伝導率（λ）は、図３に
示すように、次の関係式を満足する。 （数１） Ｒ ＝ ｔ／λ そこで、本発明の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）からなる絶縁
基板１０が従来の窒化アルミ（ＡｌＮ）からなる絶縁基
板１１０（ｔ２＝０．６３５ｍｍ）と同じか、より小さ
い熱抵抗（Ｒ）を有するように、本発明の絶縁基板１０
の厚み（ｔ１）の上限値を０．３５ｍｍとした。また、
絶縁基板１０を薄肉化すると、その耐電圧が低下する
が、満足できる程度の耐電圧を確保するために、絶縁基
板１０の厚み（ｔ１）の下限値を０．２５ｍｍとした。
【００２３】このように、本発明の絶縁基板１０は、窒
化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）により構成されているので、実用
域（０．２５ｍｍないし０．３５ｍｍ）において、良好
な信頼性を維持しながら薄肉化して、熱抵抗をより小さ
く抑えることができる。絶縁基板１０の熱抵抗を抑制す
ることにより、半導体装置１全体の熱抵抗を低減し、半
田３に負荷される半田歪（ε）を緩和することができ
る。したがって、半導体装置１をヒートシンク２に接合
する半田３として、鉛フリー半田を採用することができ
る。
化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）により構成されているので、実用
域（０．２５ｍｍないし０．３５ｍｍ）において、良好
な信頼性を維持しながら薄肉化して、熱抵抗をより小さ
く抑えることができる。絶縁基板１０の熱抵抗を抑制す
ることにより、半導体装置１全体の熱抵抗を低減し、半
田３に負荷される半田歪（ε）を緩和することができ
る。したがって、半導体装置１をヒートシンク２に接合
する半田３として、鉛フリー半田を採用することができ
る。
【００２４】また、本発明の回路パターン１３および裏
面パターン１４を構成する銅パターンは、上述のよう
に、その厚みがともに０．３０ｍｍないし０．５０ｍｍ
となるように形成されており、とりわけ裏面パターン１
４は従来のものより厚く設計されている。
面パターン１４を構成する銅パターンは、上述のよう
に、その厚みがともに０．３０ｍｍないし０．５０ｍｍ
となるように形成されており、とりわけ裏面パターン１
４は従来のものより厚く設計されている。
【００２５】図４に示すように、銅パターンの厚み（ｔ
ｐ）と半田３の半田歪（εｈ）は負の相関関係を有する
ので、半田３の半田歪（εｈ）を緩和するためには、銅
パターンの厚み（ｔｐ）をより厚くする方が好ましい。
また、図５からも明らかなように、銅パターンを厚くす
ると、銅パターン１３，１４を含む絶縁基板１０全体の
線膨張係数がより高くなるため、これとヒートシンク２
の線膨張係数との差が小さくなり、同様に好適にも、半
田３の半田歪（ε）を低減することができる。
ｐ）と半田３の半田歪（εｈ）は負の相関関係を有する
ので、半田３の半田歪（εｈ）を緩和するためには、銅
パターンの厚み（ｔｐ）をより厚くする方が好ましい。
また、図５からも明らかなように、銅パターンを厚くす
ると、銅パターン１３，１４を含む絶縁基板１０全体の
線膨張係数がより高くなるため、これとヒートシンク２
の線膨張係数との差が小さくなり、同様に好適にも、半
田３の半田歪（ε）を低減することができる。
【００２６】しかし一方、裏面パターン１４の厚み（ｔ
ｐ）とその熱抵抗（Ｒｐ）は、図４に示すように、正の
相関関係を有するので、熱抵抗（Ｒｐ）を下げるために
は、裏面パターン１４は薄い方がよい。また、裏面パタ
ーン１４が厚すぎると、絶縁基板１０に対する応力が過
大となってしまう。
ｐ）とその熱抵抗（Ｒｐ）は、図４に示すように、正の
相関関係を有するので、熱抵抗（Ｒｐ）を下げるために
は、裏面パターン１４は薄い方がよい。また、裏面パタ
ーン１４が厚すぎると、絶縁基板１０に対する応力が過
大となってしまう。
【００２７】したがって、図４において、熱抵抗
（Ｒｐ）をあまり大きくすることなく、半田３の半田歪
（εｈ）を低減する範囲として、銅パターンの厚みを
０．３０ｍｍないし０．５０ｍｍとした。
（Ｒｐ）をあまり大きくすることなく、半田３の半田歪
（εｈ）を低減する範囲として、銅パターンの厚みを
０．３０ｍｍないし０．５０ｍｍとした。
【００２８】ところで、半田３を介して、絶縁基板１０
をヒートシンク２に接合するために、リフロー工程で加
熱するとき、半田３内に気泡（ボイド）が生じる。ただ
し、加熱時に、半導体装置１が下方向に（ヒートシンク
２に向かって）凸形状を有するように湾曲したとき、こ
の気泡は半田３から抜けやすくなる。そこで、上記の説
明においては、回路パターン１３と裏面パターン１４が
同じ厚みを有するように説明したが、リフロー工程時、
半導体装置１を下方向に凸形状を有するように、回路パ
ターン１３の厚みを裏面パターン１４の厚みより薄くし
て、気泡が半田３から抜けやすくすることがより好適で
ある。
をヒートシンク２に接合するために、リフロー工程で加
熱するとき、半田３内に気泡（ボイド）が生じる。ただ
し、加熱時に、半導体装置１が下方向に（ヒートシンク
２に向かって）凸形状を有するように湾曲したとき、こ
の気泡は半田３から抜けやすくなる。そこで、上記の説
明においては、回路パターン１３と裏面パターン１４が
同じ厚みを有するように説明したが、リフロー工程時、
半導体装置１を下方向に凸形状を有するように、回路パ
ターン１３の厚みを裏面パターン１４の厚みより薄くし
て、気泡が半田３から抜けやすくすることがより好適で
ある。
【００２９】また、図６に示すように、半田３の厚み
（ｔｈ）は、熱抵抗（Ｒｈ）との間には正の相関関係を
有するが、半田歪（εｈ）との間には負の相関関係を有
する。したがって、半田３の厚み（ｔｈ）は、その熱抵
抗（Ｒｈ）が許容される範囲で、半田歪（εｈ）を低減
するためにできるだけ厚くする必要があり、約０．２５
ｍｍないし０．４ｍｍに設定される。
（ｔｈ）は、熱抵抗（Ｒｈ）との間には正の相関関係を
有するが、半田歪（εｈ）との間には負の相関関係を有
する。したがって、半田３の厚み（ｔｈ）は、その熱抵
抗（Ｒｈ）が許容される範囲で、半田歪（εｈ）を低減
するためにできるだけ厚くする必要があり、約０．２５
ｍｍないし０．４ｍｍに設定される。
【００３０】なお、本発明の半導体装置１は、半田３を
介してヒートシンク２に接合されるとき、半田３の厚み
方向に対して傾斜して接合されることがある。この場
合、半田３の厚みが不均一になり、半田３の薄い周縁部
（コーナ部）は、熱衝撃に対してより脆弱で、この周縁
部において半田クラックが発生しやすい。したがって、
半田３にクラックが生じないように、半田３の厚みを均
等にする必要がある。そこで、図７に示すように、絶縁
基板１０の裏面パターン１４上にアルミ（Ａｌ）からな
るワイヤバンプ１７を形成して、裏面パターン１４とヒ
ートシンク２間の半田３の厚みを一定にすることが極め
て望ましい。
介してヒートシンク２に接合されるとき、半田３の厚み
方向に対して傾斜して接合されることがある。この場
合、半田３の厚みが不均一になり、半田３の薄い周縁部
（コーナ部）は、熱衝撃に対してより脆弱で、この周縁
部において半田クラックが発生しやすい。したがって、
半田３にクラックが生じないように、半田３の厚みを均
等にする必要がある。そこで、図７に示すように、絶縁
基板１０の裏面パターン１４上にアルミ（Ａｌ）からな
るワイヤバンプ１７を形成して、裏面パターン１４とヒ
ートシンク２間の半田３の厚みを一定にすることが極め
て望ましい。
【００３１】
【発明の効果】請求項１に記載の本発明によれば、靭性
の高いセラミック材料を用いることで、絶縁材料をより
薄肉化して、熱抵抗を抑制しながら、良好な耐熱サイク
ル性を有する半導体装置を実現することができる。ま
た、この半導体装置において、その熱抵抗が小さいの
で、ヒートシンク上に接合する半田に負荷される半田歪
を低減することができる。したがって、鉛含有半田のみ
ならず、鉛フリー半田を採用して、この半導体装置をヒ
ートシンク上に接合しても、半導体装置としての良好な
信頼性（耐熱サイクル性）を維持することができる。
の高いセラミック材料を用いることで、絶縁材料をより
薄肉化して、熱抵抗を抑制しながら、良好な耐熱サイク
ル性を有する半導体装置を実現することができる。ま
た、この半導体装置において、その熱抵抗が小さいの
で、ヒートシンク上に接合する半田に負荷される半田歪
を低減することができる。したがって、鉛含有半田のみ
ならず、鉛フリー半田を採用して、この半導体装置をヒ
ートシンク上に接合しても、半導体装置としての良好な
信頼性（耐熱サイクル性）を維持することができる。
【００３２】請求項２に記載の本発明によれば、リフロ
ー工程時、半導体装置を下方向に凸形状を有するように
湾曲させ、半田内で生じる気泡が半田から抜けやすくす
ることができる。
ー工程時、半導体装置を下方向に凸形状を有するように
湾曲させ、半田内で生じる気泡が半田から抜けやすくす
ることができる。
【００３３】請求項３に記載の本発明によれば、導電性
接合部材（半田）を介して、半導体装置をヒートシンク
に接合することができる。
接合部材（半田）を介して、半導体装置をヒートシンク
に接合することができる。
【００３４】請求項４に記載の本発明によれば、上述の
ように、この半導体装置の熱抵抗が小さいので、良好な
信頼性（耐熱サイクル性）を維持しながら、ヒートシン
ク上に接合する半田として、鉛フリー半田を採用するこ
とができる。
ように、この半導体装置の熱抵抗が小さいので、良好な
信頼性（耐熱サイクル性）を維持しながら、ヒートシン
ク上に接合する半田として、鉛フリー半田を採用するこ
とができる。
【００３５】請求項５に記載の本発明によれば、裏面パ
ターンとヒートシンク間の半田の厚みを一定にすること
ができる。したがって、半田の不均一な厚みに起因し
て、半田の薄い周縁部において半田クラックが発生する
ことを防止することができる。
ターンとヒートシンク間の半田の厚みを一定にすること
ができる。したがって、半田の不均一な厚みに起因し
て、半田の薄い周縁部において半田クラックが発生する
ことを防止することができる。
【００３６】請求項６に記載の本発明によれば、半田の
熱抵抗が許容される範囲において、半田歪を低減するよ
うに、できるだけ半田の厚みを厚くすることができる。
熱抵抗が許容される範囲において、半田歪を低減するよ
うに、できるだけ半田の厚みを厚くすることができる。
【図１】 図１は、本発明に係る１つの実施の形態の半
導体装置およびヒートシンクの断面図であって、両者を
接合する前の状態を示す。
導体装置およびヒートシンクの断面図であって、両者を
接合する前の状態を示す。
【図２】 図２は、図１に示す半導体装置およびヒート
シンクを接合した後の断面図である。
シンクを接合した後の断面図である。
【図３】 図３は、絶縁基板の厚みと、熱抵抗および熱
サイクルによるクラック発生度との相関関係を示すグラ
フである。
サイクルによるクラック発生度との相関関係を示すグラ
フである。
【図４】 図４は、銅パターンと、熱抵抗および半田歪
との相関関係を示すグラフである。
との相関関係を示すグラフである。
【図５】 図５は、本発明および先行技術による半導体
装置の各構成部品の線膨張係数を示すグラフである。
装置の各構成部品の線膨張係数を示すグラフである。
【図６】 図６は、半田の厚みと、半田歪および熱抵抗
との相関関係を示すグラフである。
との相関関係を示すグラフである。
【図７】 図７は、図２と同様の断面図であって、半導
体装置をヒートシンクに接合する半田内に形成されたワ
イヤバンプを示す。
体装置をヒートシンクに接合する半田内に形成されたワ
イヤバンプを示す。
【図８】 図８は、先行技術による半導体装置およびヒ
ートシンクの断面図であって、両者を接合する前の状態
を示す。
ートシンクの断面図であって、両者を接合する前の状態
を示す。
【図９】 図９は、図８に示す半導体装置およびヒート
シンクを接合した後の断面図である。
シンクを接合した後の断面図である。
【図１０】 図１０は、半田クラックにより製品寿命に
至る熱サイクル回数（対数目盛）と半田歪との相関関係
を示すグラフである。
至る熱サイクル回数（対数目盛）と半田歪との相関関係
を示すグラフである。
１…半導体装置、２…ヒートシンク、３…半導体装置接
合用半田、１０…絶縁基板、１１…基板表面、１２…基
板裏面、１３…回路パターン、１４…裏面パターン、１
５…半導体チップ接合用半田、１６…電力用半導体チッ
プ（素子）、１７…ワイヤバンプ。
合用半田、１０…絶縁基板、１１…基板表面、１２…基
板裏面、１３…回路パターン、１４…裏面パターン、１
５…半導体チップ接合用半田、１６…電力用半導体チッ
プ（素子）、１７…ワイヤバンプ。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 上貝 康己
東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三
菱電機株式会社内
Ｆターム(参考） 5E322 AA01 AA11 AB02 AB07
5F036 AA01 BB08 BC06 BD01 BD14
Claims (6)
- 【請求項１】 表面および裏面を有する絶縁基板と、銅
板を用いて該表面および該裏面上にそれぞれ形成された
回路パターンおよび裏面パターンとを有し、回路パター
ン上に半導体チップを搭載する半導体装置において、 前記絶縁基板が窒化アルミ（Ｓｉ３Ｎ４）からなり、
０．２５ｍｍないし０．３５ｍｍの厚みを有し、 前記回路パターンおよび裏面パターンが０．３ｍｍない
し０．５ｍｍの厚みを有することを特徴とする半導体装
置。 - 【請求項２】 前記回路パターンの厚みが前記裏面パタ
ーンの厚みと等しいか、より薄いことを特徴とする請求
項１に記載の半導体装置。 - 【請求項３】 金属基板上に接合できるように前記裏面
パターン上に配置された導電性接合部材をさらに有する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。 - 【請求項４】 前記導電性接合部材が鉛を含まない半田
からなることを特徴とする請求項３に記載の半導体装
置。 - 【請求項５】 前記導電性接着部材内に、所定の大きさ
を有するバンプが含まれることを特徴とする請求項３に
記載の半導体装置。 - 【請求項６】 前記導電性接着部材が０．２５ｍｍない
し０．４０ｍｍの厚みを有することを特徴とする請求項
３に記載の半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002000174A JP2003204020A (ja) | 2002-01-04 | 2002-01-04 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002000174A JP2003204020A (ja) | 2002-01-04 | 2002-01-04 | 半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003204020A true JP2003204020A (ja) | 2003-07-18 |
| JP2003204020A5 JP2003204020A5 (ja) | 2005-04-28 |
Family
ID=27640646
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002000174A Pending JP2003204020A (ja) | 2002-01-04 | 2002-01-04 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003204020A (ja) |
Cited By (14)
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|---|---|---|---|---|
| JP2006202884A (ja) * | 2005-01-19 | 2006-08-03 | Fuji Electric Device Technology Co Ltd | 半導体装置およびその製造方法 |
| JP2006282417A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Dowa Mining Co Ltd | 金属−セラミックス接合基板 |
| JP2006286897A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Dowa Mining Co Ltd | 金属−セラミックス接合基板 |
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| WO2007032486A1 (ja) * | 2005-09-15 | 2007-03-22 | Mitsubishi Materials Corporation | 絶縁回路基板および冷却シンク部付き絶縁回路基板 |
| JP2007081201A (ja) * | 2005-09-15 | 2007-03-29 | Mitsubishi Materials Corp | 絶縁回路基板および冷却シンク部付き絶縁回路基板 |
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| WO2014148478A1 (ja) * | 2013-03-18 | 2014-09-25 | 株式会社フジクラ | 積層構造体および半導体装置 |
-
2002
- 2002-01-04 JP JP2002000174A patent/JP2003204020A/ja active Pending
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| US8273993B2 (en) | 2006-03-08 | 2012-09-25 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Electronic component module |
| WO2007105361A1 (ja) * | 2006-03-08 | 2007-09-20 | Kabushiki Kaisha Toshiba | 電子部品モジュール |
| JPWO2007105361A1 (ja) * | 2006-03-08 | 2009-07-30 | 株式会社東芝 | 電子部品モジュール |
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