JP2005011862A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ヒートシンクと絶縁基板とを含み、絶縁基板がセラミック基材、回路パターン及び裏面パターンとからなり、セラミック基材が、回路パターン及び裏面パターンと活性金属接合若しくは直接接合され、半導体素子が半導体素子下はんだを介して回路パターンに接合され、裏面パターンがヒートシンクに基板下はんだで接合されることで、絶縁基板の全体がヒートシンクに固定される半導体装置である。その半導体装置において、回路パターンのコーナー部と裏面パターンのコーナー部とがセットパターン化され、且つ裏面パターンのコーナー部の曲率が回路パターンのコーナー部の曲率よりも大きくされたことを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁基板の表面に回路パターンが形成されると共に、裏面に裏面パターンが形成され、更に表の回路パターン上に半導体素子が搭載される半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
上記のような半導体装置の、従来のものにおいては、半導体装置が熱サイクルを受けると、セラミック基材から成る絶縁基板とCu等から成るヒートシンクとの線膨張係数のアンマッチに起因して、絶縁基板下のはんだにクラックが生じることがある。かようなクラックが進行すると、熱放散性の悪化に伴ない、遂には半導体素子が熱破壊する現象に至ることもある。同様に、セラミック基材とCu等から成る回路パターンとの線膨張係数のアンマッチにより、回路パターンコーナ部のセラミック基材にもクラックが発生することがある。場合によっては絶縁破壊に至り得る。
【0003】
特に、Cuパターン縁とセラミック基材端面との寸法差を、回路パターン側と裏面パターン側とで同一にしない「オフセットパターン」においては、クラックが発生しやすいと言われる。
【0004】
そこで、絶縁基板下のはんだクラック、若しくは回路パターンコーナー部のセラミック基材のクラックの抑制策として、Cuパターン縁とセラミック基材端面との寸法差を、回路パターン側と裏面パターン側とで同一にする「セットパターン化」の方策が採用されている。
【0005】
例えば、特許文献1に示されたものにおいては、0.26〜0.29mmのAl2O3板にて、「セットパターン」を形成することにより、あるいは、回路パターンの形状と全く同一のパターンを裏面に形成することにより、熱サイクル時にセラミック基材に生じる応力を緩和させて、セラミック基材のクラックを抑制する発明が示されている。
【0006】
また、特許文献2は、両面パターンを「セットパターン化」すると共に、両面のパターン厚に各々制限を設けることにより、セラミック基材に発生する応力、及び、絶縁基板下はんだに生じる歪を各々低減させセラミック基材やはんだのクラック抑制を図る発明を提示している。
【0007】
また、特許文献3では、セラミック基板の表裏面の銅板の起点位置を一致させると記載される。更に、特許文献4では、金属板と絶縁基板との間の微小間隔について記載される。
【0008】
昨今では「セットパターン」の採用に更に加えて、回路パターンと裏面パターンの各コーナー部の曲率Rを共に大きくとる方策が検討されている。即ち、このようにすると、回路パターン・裏面パターンのセラミック基材に発生する応力がなお低減すると共に、絶縁基板下のはんだ歪が低減しはんだクラックの抑制が図られ得る。
【0009】
例えば、特許文献5では、コーナー曲率Rと、回路の端部とセラミック基板の端部との距離dの関係が記載される。
【0010】
しかしながら、回路パターンコーナー部に大きな曲率Rをとると、回路パターンコーナー付近の、半導体素子や電極端子を搭載可能な有効エリアが減少する。よって、結果的に絶縁基板面積を拡大しなければならないという問題点は、依然残る。
【0011】
【特許文献1】
特開2000−156440号公報
【特許文献2】
特開2002−246502号公報
【特許文献3】
特開平06−152078号公報
【特許文献4】
特開2001−068623号公報
【特許文献5】
特開平10−214915号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の問題点を解消するためになされたもので、パターンコーナー部のセラミック基材応力と絶縁基板下のはんだ歪応力を低減させつつ、回路パターンコーナー部の有効エリアを減少させないという、極めて効率的な半導体装置を提示することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するためになされたものである。本発明に係る半導体装置は、
ヒートシンクと、絶縁基板とを含み、
絶縁基板は、セラミック基材、回路パターン及び裏面パターンとからなり、セラミック基材は、回路パターン及び裏面パターンと、活性金属接合若しくは直接接合され、
半導体素子が、半導体素子下はんだを介して回路パターンに接合され、
裏面パターンがヒートシンクに基板下はんだで接合されることにより、絶縁基板の全体がヒートシンクに固定される、半導体装置である。その半導体装置において、
回路パターンのコーナー部と裏面パターンのコーナー部とがセットパターン化され、且つ、裏面パターンのコーナー部の曲率が回路パターンのコーナー部の曲率よりも大きくされたことを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る好適な実施の形態を説明する。
【0015】
まず、本発明に係る好適な実施の形態を説明する前提として、図面と共に従来技術に係る半導体装置の形態をいくつか示す。
【0016】
図5に示される半導体装置は、材質Cu、Cu/Mo、Al/Sic、Al等からなる厚さ3〜5mmのヒートシンク2と、絶縁基板4とを含む。絶縁基板4は、例えば0.635mm厚のセラミック基材6、回路パターン8及び裏面パターン10から構成される。セラミック基材6は、例えば、AlN(窒化アルミ)、Al2O3(アルミナ)、Si3N4(窒化珪素)により構成され、Cuから成る回路パターン8や裏面パターン10と、活性金属接合若しくは直接接合されている。
【0017】
更に半導体素子12が、半導体素子下はんだ16を介して回路パターン8に接合される。また、裏面パターン10がヒートシンク2に基板下はんだ14で接合されることにより、絶縁基板4の全体はヒートシンク2に固定される。半導体素子12と、パッケージケース20に埋込まれた電極端子22とは、アルミワイヤ18により電気的に接合される。パッケージケース20は、接着剤24でヒートシンク2に接合される。半導体素子12等はシルコンゲル26により覆われ、パッケージケース20の最表面には、モールド樹脂28が充填される。
【0018】
上記のような従来の半導体装置においては、熱サイクルを受けると、セラミック基材6からなる絶縁基板4とCu等からなるヒートシンク2との線膨張係数の差異に起因して、絶縁基板4下のはんだにクラックが生じることがある。かようなクラックが進行すると、熱放散性の悪化に伴ない、遂には半導体素子12が熱破壊する現象に至ることも生じ得る。また同様に、セラミック基材6とCu等から成る回路パターン8との線膨張係数の差異により、回路パターンコーナ部のセラミック基材6にもクラックが発生することがある。クラックの状況が悪化すれば、絶縁破壊に至ることもある。
【0019】
特に、Cuパターン縁とセラミック基材6端面との寸法差を、回路パターン8側と裏面パターン10側とで同一にしない「オフセットパターン」においては、クラックが発生しやすいと言われる。例えば、図12のグラフ左部に示すように、Lu>Lpという条件で設計されると、回路パターン8側のコーナー部のセラミック基材6の応力が高くなり回路パターン8面側からクラックが発生しやすい。なおここで、「Lu」とは、回路パターン8におけるCuパターン縁とセラミック基材6端面との寸法差であり、「Lp」とは、裏面パターン10における(Lpの対応値であり、)Cuパターン縁とセラミック基材6端面との寸法差である。数値解析より導出された図12のグラフは、横軸にはLuに対するLpの大きさを示し、縦軸には(回路・裏面の)パターンエッジ部の応力比を示す。図12では、「Lp=1/4Lu」での回路パターン側の応力を「1.0」としている。なお、「ΔT=82.5K」は温度変化を示し、「tp=0.4tu」は回路パターン厚「tu」と裏面パターン厚「tp」との関係を示す。
【0020】
そこで更に、絶縁基板4下のはんだクラックの抑制策として、若しくは回路パターン8コーナー部のセラミック基材6のクラックの抑制策として、Cuパターン縁とセラミック基材6端面との寸法差を、回路パターン8側と裏面パターン10側とで同一にする「セットパターン化」が採用されている。
【0021】
図6、図7、図8及び図9は、従来技術に係る半導体装置の形態の例を示す。各図において、(1)はコーナー部を中心とする上方からの(部分)平面図、(2)は(1)の断面A−Aと断面B−Bとにおける拡大縦断面図である。
【0022】
例えば、図7に示す装置は「セットパターン化」を導入したもの、図9に示す装置はそれに加えて、回路パターンと裏面パターンの各コーナー部の曲率Rを共に大きく取ったものである。一方で、図6のものは「オフセットパターン」を採用する(従来の)形態、図8のものは「オフセットパターン」を採用する形態において回路パターンのコーナー部の曲率Rを大きくした形態である。
【0023】
確かに、「オフセットパターン」を採用する(図6、図8参照)よりも、「セットパターン」を採用する(図7、図9参照)方が、クラック抑制が図られ得る。更に、回路パターンと裏面パターンの各コーナー部の曲率Rを共に大きくとる方が(図9参照)、更なる高信頼性を求められ得る。即ちこの場合、回路パターン・裏面パターンのセラミック基材6に発生する応力が更に低減すると共に、図10に示すように絶縁基板下のはんだ歪が低減し、はんだクラックの抑制が図られる。この図10は、絶縁基板下はんだ歪に及ぼす裏面パターンコーナー部の曲率Rの依存度を示すグラフである。横軸は曲率Rであり、縦軸はR=0のときの絶縁基板下はんだ歪を“1.0”とする絶縁基板下はんだ歪比である。
【0024】
構造上の強度の観点からは図9に示す装置が望ましいとも思えるが、図9に示す構造であれば回路パターンコーナー部に大きな曲率Rがとられるため、回路パターンコーナー付近の、半導体素子や電極端子を搭載できる有効エリアが減少する。よって、結果的に絶縁基板面積を拡大しなければならないという問題点を残している。
【0025】
実施の形態1.
図1において、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の、(1)(コーナー部を中心とする)部分平面図と、(2)(1)の断面A−Aと断面B−Bとにおける拡大縦断面図とを示す。実施の形態1に係る半導体装置の部分拡大図には、セラミック基材6、回路パターン8、及び裏面パターン10が示される。この回路パターン8・裏面パターン10の、パターンコーナー部のみ「セットパターン化」されている。
【0026】
更に、回路パターン8のコーナー部の曲率Rは、例えば、従来技術の図7に示す装置の回路パターンコーナー部曲率と同一であるが、裏面パターン10コーナー部の曲率Rは、例えば、従来のもの(図7に示す装置)のコーナー部曲率、例えば約2.5mmより約3倍程大きくなっている(例えば、約7mm)。なお、コーナー部以外の周辺部の両パターンの「オフセット」量は、従来のもの、例えば図6に示す装置のものと同一である。
【0027】
上記のような構造では、最も応力が集中しやすいコーナー部において、絶縁基板のパターンエッジ部の応力が、図12の「Lp=Lu」となる点のグラフに示されるように、回路パターン側・裏面パターン側でバランスする。よって、従来技術よりも回路面からのクラック発生及び進展が抑制される。
【0028】
また、絶縁基板4下のはんだ歪についても、最も歪が集中しやすいコーナー部において、セットパターン化することにより低減することが図13に示される。図13のグラフは、横軸には「Lu」に対する「Lp」の長さの比を示し、縦軸には「Lp=1/4Lu」のときの絶縁基板下はんだ歪を“1.0”とする絶縁基板下はんだ歪比を示す。例えば、「Lp=1/3Lu」のときの歪比と、「Lp=Lu」のときの歪比とを比較すると、約1/2に減少することが見てとれる。更に、裏面パターンコーナー部の曲率Rが、約2.5mmから約7mmに増大したことにより、図10に示すように、歪比が約「0.63」から約「0.43」へとおよそ30%低減することになる。
【0029】
なお、図11は、裏面パターンコーナー部の曲率Rが2.5mm又は7mmである場合の、ヒートサイクル回数に対する絶縁基板下コーナー部のはんだクラック長さ(実測値)を示すグラフである。ここでは、裏面パターンコーナー部の曲率Rが2.5mmから7mmに増大すると、ヒートサイクル回数に対する絶縁基板下コーナー部のはんだクラック長さが、約40%低減することを示している。
【0030】
また、本実施の形態1においては、回路パターンコーナー部の曲率Rは、従来のものと略同一(即ち、例えば、約2.5mm)であるから、図9に示される従来技術の装置にて問題点となっている、
・「回路パターンコーナー付近の、半導体素子や電極端子を搭載できる有効エリアが減少する」
ことは、生じ得ない。
【0031】
実施の形態2.
図2において、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の、(1)(コーナー部を中心とする)部分平面図と、(2)(1)の断面A−Aと断面B−Bとにおける拡大縦断面図とを示す。実施の形態2に係る半導体装置は、実施の形態1に係る半導体装置と略同様である。よって、同一部位には同一符号を付して説明を略し、差異を中心に説明する。
【0032】
図2に示す半導体装置では、回路パターン8のコーナー部の曲率Rが、実施の形態1(図1)より大きくされ、且つ、「セットパターン化」が施されている。
【0033】
従って、実施の形態1と同等の効果が得られるばかりでなく、回路パターンコーナー部のセラミック基材への応力は、曲率が大きくなるため実施の形態1より更に低減する方向にある(図10参照)。
【0034】
実施の形態3.
図3において、本発明の実施の形態3に係る半導体装置の、(1)(コーナー部を中心とする)部分平面図と、(2)(1)の断面A−Aと断面B−Bとにおける拡大縦断面図とを示す。更に、図4において、本発明の実施の形態3に係る半導体装置の一部切欠き縦断面図を示す。図4は、特に、コーナー部及び電極端子を中心に示す。実施の形態3に係る半導体装置は、実施の形態1若しくは実施の形態2に係る半導体装置と略同様である。よって、同一部位には同一符号を付して説明を略し、差異を中心に説明する。
【0035】
図3及び図4を参照すると、実施の形態3に係る半導体装置は、回路パターン8若しくは裏面パターン10をセラミック基材6に接合するロウ材30を含む。このロウ材30は、Ag、Cu、Ti等の活性金属を成分とする。但し、回路パターン8とセラミック基材6との間には、ロウ材30が配置されない未接合部分32が存する。つまり、回路パターン8と裏面パターン10とを重ね合わせてみて、裏面パターン10よりも回路パターン8が外側に突出する(コーナー部における)部位に限り、回路パターン8とセラミック基材6との間にロウ材30が配置されない。そのロウ材30が配置されない部位が、未接合部分32となる。
【0036】
また、回路パターン8のコーナー部の曲率Rは、例えば、従来技術の図6や図7に示す装置の回路パターンコーナー部曲率と同一であるが、裏面パターン10コーナー部の曲率Rは、例えば、図1、図2に示した実施の形態(実施の形態1、実施の形態2)より更に大きな値(例えば、10mm程度)を有している。
【0037】
従って、実施の形態3においては、「セットパターン化」と同様な効果が得られるばかりではなく、裏面パターン10のコーナー部の曲率Rの更なる増大により、絶縁基板下はんだ歪の低減が得られる(図10)。
【0038】
また、回路パターン8のコーナー部に、図4に示すように電極端子22を配置すれば、未接合部分32を含む回路パターン8の可撓性により、熱サイクル時に電極端子22や電極端子接合はんだ34が受ける引張・圧縮応力が緩和され得る。更に、コーナー部は、ワイヤボンドの位置としても活用できることから、回路パターン8コーナー部の有効エリアが減少することはない。
【0039】
【発明の効果】
以上、説明してきたように、回路パターンコーナー部の有効エリアを保ちつつ、回路パターンと裏面パターンとのコーナー部における「セットパターン化」を実現し、更に裏面パターンコーナー部の曲率Rを従来のものよりも数倍大きくした半導体装置においては、
(1)「セットパターン化」により、コーナー部の回路パターンエッジに発生するセラミック基材への応力が低減する、
(2)「セットパターン化」により、絶縁基板下のはんだ歪が低減する、
(3)回路パターンコーナー部の有効エリアが確保できる、
という極めて効率的な高信頼性の半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1に係る半導体装置の、(1)部分平面図と、(2)(1)の断面A−Aと断面B−Bとにおける拡大縦断面図である。
【図2】本発明の実施の形態2に係る半導体装置の、(1)部分平面図と、(2)(1)の断面A−Aと断面B−Bとにおける拡大縦断面図である。
【図3】本発明の実施の形態3に係る半導体装置の、(1)部分平面図と、(2)(1)の断面A−Aと断面B−Bとにおける拡大縦断面図である。
【図4】本発明の実施の形態3に係る半導体装置の、コーナー部及び電極端子近傍の拡大縦断面図である。
【図5】従来技術に係る半導体装置の拡大縦断面図である。
【図6】従来技術に係る半導体装置の、(1)部分平面図と、(2)(1)の断面A−Aと断面B−Bとにおける拡大縦断面図である。
【図7】従来技術に係る半導体装置の、(1)部分平面図と、(2)(1)の断面A−Aと断面B−Bとにおける拡大縦断面図である。
【図8】従来技術に係る半導体装置の、(1)部分平面図と、(2)(1)の断面A−Aと断面B−Bとにおける拡大縦断面図である。
【図9】従来技術に係る半導体装置の、(1)部分平面図と、(2)(1)の断面A−Aと断面B−Bとにおける拡大縦断面図である。
【図10】絶縁基板下はんだ歪に及ぼす裏面パターンコーナー部の曲率Rの依存度を示すグラフである。
【図11】裏面パターンコーナー部の曲率Rが2.5mm又は7mmである場合の、ヒートサイクル回数に対する絶縁基板下コーナー部のはんだクラック長さを示すグラフである。
【図12】LuとLpの関係と、パターンエッジ部の応力(比)を示すグラフである。
【図13】LuとLpの関係と、絶縁基板下はんだ歪(比)を示すグラフである。
【符号の説明】
2 ヒートシンク、 4 絶縁基板、 6 セラミック基材、 8 回路パターン、 10 裏面パターン、 12 半導体素子、 14 基板下はんだ、 16 半導体素子下はんだ、 18 アルミワイヤ、 20 パッケージケース、 22 電極端子、 24 接着剤、 26 シリコンゲル、 28 モールド樹脂、 30 ロウ材、 32 未接合部分、 34 電極端子接合はんだ。
Claims (3)
- ヒートシンクと、絶縁基板とを含み、
絶縁基板は、セラミック基材、回路パターン及び裏面パターンとからなり、セラミック基材は、回路パターン及び裏面パターンと、活性金属接合若しくは直接接合され、
半導体素子が、半導体素子下はんだを介して回路パターンに接合され、
裏面パターンがヒートシンクに基板下はんだで接合されることにより、絶縁基板の全体がヒートシンクに固定される、
半導体装置において、
回路パターンのコーナー部と裏面パターンのコーナー部とがセットパターン化され、且つ、裏面パターンのコーナー部の曲率が回路パターンのコーナー部の曲率よりも大きくされたことを特徴とする、
半導体装置。 - ヒートシンクと、絶縁基板とを含み、
絶縁基板は、セラミック基材、回路パターン及び裏面パターンとからなり、セラミック基材は、回路パターン及び裏面パターンと、活性金属接合若しくは直接接合され、
半導体素子が、半導体素子下はんだを介して回路パターンに接合され、
裏面パターンがヒートシンクに基板下はんだで接合されることにより、絶縁基板の全体がヒートシンクに固定される、
半導体装置において、
回路パターンのコーナー部と裏面パターンのコーナー部とが、セットパターン化され、且つ、回路パターンのコーナー部以外の近辺と裏面パターンのコーナー部以外の近辺とが、オフセットパターン化され、
回路パターンのコーナー部の曲率が裏面パターンのコーナー部の曲率よりも小さいが、回路パターンのコーナー部の近傍では、回路パターン縁が近辺の直線部分よりも外側に突出していることを特徴とする、
半導体装置。 - ヒートシンクと、絶縁基板とを含み、
絶縁基板は、セラミック基材、回路パターン及び裏面パターンとからなり、セラミック基材は、回路パターン及び裏面パターンと、ロウ材を介して接合され、
半導体素子が、半導体素子下はんだを介して回路パターンに接合され、
裏面パターンがヒートシンクに基板下はんだで接合されることにより、絶縁基板の全体がヒートシンクに固定される、
半導体装置において、
回路パターンのコーナー部の曲率が裏面パターンのコーナー部の曲率よりも小さく、
回路パターンのコーナー部が裏面パターンのコーナー部よりも、セラミック基板に垂直に重ね合わせてみると外側に突出しており、
回路パターンのコーナー部以外の近辺と裏面パターンのコーナー部以外の近辺とが、オフセットパターン化され、
回路パターンのコーナー部の、裏面パターンのコーナー部よりも、上記の外側に突出している部位と、セラミック基材との狭間にはロウ材が介在せず、上記突出部位のみセラミック基材から離れており、
よって、回路パターンのコーナー部のロウ材によりセラミック基材に接合する部分と、裏面パターンのコーナー部とが、セットパターン化されていることを特徴とする、
半導体装置。
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