JP2013069748A - ベースプレートおよび半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】螺着により生じる歪みを緩和できるベースプレートおよび半導体装置を提供する。
【解決手段】ベースプレート１１は、対向する第１および第２の面１１ａ、１１ｂを有し、第２の面１１ｂ側が凸状であり、中央部に設けられた第１の領域と、中央部を除く周辺部に位置し、貫通孔を有する第２の領域とを具備している。第２の領域１１ｄの厚さＨ２は、第１の領域１１ｃの厚さＨ１より薄い。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、ベースプレートおよび半導体装置に関する。
パワー半導体装置には、パワー半導体チップを搭載した内部部品をベースプレートに接合し、ベースプレートをヒートシンクに螺着することにより、通電によるパワー半導体チップの発熱を放散するように構成されているものがある。
この種の半導体装置では、ベースプレートとヒートシンクとの密着性を向上させるために、ベースプレートはヒートシンク側に凸状に反った形状を有している。ベースプレートの外周部には、螺子を挿通するための貫通孔が設けられている。
ベースプレートの外周部はヒートシンクより浮いているので、ベースプレートの外周部を螺子で締め付けたとき、ベースプレートの外周部が押し下げられ、歪が生じる。
螺着により生じる歪がパワー半導体チップを搭載した内部部品とベースプレートの接合部に伝播すると、パワー半導体チップをベースプレートから剥離する方向に力が働く。その結果、接合部が破壊、または内部応力が高くなり、パワー半導体装置の長期信頼性が低下するなどの問題が生じる。
特開２０００−２００８６５号公報 特開２００６−１７９６４８号公報
本発明は、螺着により生じる歪みを緩和できるベースプレートおよび半導体装置を提供する。
一つの実施形態によれば、ベースプレートは、対向する第１および第２の面を有し、前記第２の面側が凸状であり、中央部に設けられた第１の領域と、前記中央部を除く周辺部に位置し、貫通孔を有する第２の領域とを具備している。前記第２の領域の厚さは、前記第１の領域の厚さより薄い。
別の実施形態によれば、半導体装置では、ベースプレートは対向する第１および第２の面を有し、前記第２の面側が凸状であり、中央部に設けられた第１の領域と、前記中央部を除く周辺部に位置し、貫通孔を有する第２の領域とを具備している。前記第２の領域の厚さは、前記第１の領域の厚さより薄い。半導体チップを含む内部部品が前記ベースプレートの前記第１の領域の前記第１の面に接合剤を介して載置される。
実施例１に係るベースプレートを示す図。 実施例１に係る半導体装置を示す断面図。 実施例１に係る比較例のベースプレートを示す図。 実施例１に係る比較例の半導体装置を示す断面図。 実施例１に係るベースプレートと比較例のベースプレートの要部を対比して示す斜視図。 実施例１に係るベースプレートと比較例のベースプレートの要部の変形状態をシミュレーションした結果を対比して示す斜視図。 実施例１に係る別のベースプレートを示す斜視図。 実施例１に係る別のベースプレートを示す断面図。 実施例２に係る半導体装置を示す断面図。
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
本実施例のベースプレートおよび半導体装置について、図１および図２を参照して説明する。図１は本実施例のベースプレートを示す図で、図１（ａ）はベースプレートの平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。
図２は本実施例の半導体装置を示す図で、図２（ａ）は半導体装置の断面図、図２（ｂ）は半導体装置が基台に螺着された状態を示す断面図、図２（ｃ）は基台に螺着された半導体装置の要部を拡大して示す断面図である。
初めに、本実施例のベースプレートについて説明する。図１に示すように、本実施例のベースプレート１１は、対向する第１の面１１ａと第２の面１１ｂを有する矩形状である。
ベースプレート１１は、第２の面１１ｂ側が凸状に反った形状を有している。
ベースプレート１１の第２の面１１ｂ側が凸状に反っているのは、板バネの弾性を利用してベースプレート１１を後述するヒートシンクに確実に押し付つけられるようにするためである。
ベースプレート１１には、第１の面１１ａの中央部に第１の領域１１ｃが設けられ、第１の面１１ａの中央部を除く周辺部に貫通孔１２を有する第２の領域１１ｄが設けられている。
第１の領域１１ｃは、半導体チップの他に電極部品、セラミックス基板などが載置される領域である。第２の領域１１ｄの貫通孔１２には、ベースプレート１１をヒートシンク（基台）に螺着するための螺子が挿通される。
ベースプレート１１は矩形状なので、第２の領域１１ｄは矩形の四隅に設けられている。ベースプレート１１をヒートシンクの上に置いたとき、ベースプレート１１の四隅はヒートシンクより浮いている。
本実施例では、中央部とは、矩形の四隅を含まない領域のことである。周辺部とは、矩形の四隅を含み、且つ中央部を含まない領域のことである。
第１の領域１１ｃは、矩形の一方の対角線に平行な短辺と、矩形の辺に平行な長辺を有するように、矩形の四隅が切り欠かれてできる八角形状の領域である。
第２の領域１１ｄは、矩形の一方の対角線に平行な斜辺を有するように、矩形の四隅が切り欠かれてできる直角三角形状の領域である。
ベースプレート１１は、熱伝導性の高い金属（銅、アルミニウム）製である。第１の領域１１ｃの厚さＨ１は、例えば約３ｍｍである。第２の領域１１ｄの厚さＨ２は、第１の領域１１ｃの厚さＨ１より小さく設定されている（Ｈ２＜Ｈ１）。厚さＨ２は、厚さＨ１の１／３乃至２／３程度が適当である。
厚さＨ２が厚さＨ１より薄いので、第１の領域１１ｃと第２の領域１１ｄの境界には、第１の面１１ａ側からの段差が生じている。第１の領域１１ｃと第２の領域１１ｄの境界線１３は直線状であり、矩形状のベースプレート１１の対角線と略直交している。
ベースプレート１１は、例えば嵌合する凸部および凹部を有する一対の金型を用いて、金属板をプレス加工することにより作製される。
次に、本実施例の半導体装置について説明する。図２（ａ）に示すように、本実施例の半導体装置２０では、ベースプレート１１の第１の面１１ａの第１の領域１１ｃに接合剤２１により内部部品２２が接合されている。
接合剤２１は、例えば導電性ペースト、樹脂接着シート、ハンダなどである。内部部品２２は、上述したように半導体チップの他に電極部品、セラミックス基板などを含んでいる。
内部部品２２を収納し、ベースプレート１１の第１の領域１１ｃに箱型のケース２３が冠着されている。ケース２３は、例えば樹脂製であり、接着剤（図示せず）によりベースプレート１１の第１の領域１１ｃに固着されている。
内部部品２２とケース２３の隙間には、充填剤２４、例えばエポキシ樹脂が充填されている。ケース２３および充填剤２４は、外部環境から内部部品２２を保護するために設けられている。
充填剤２４は、例えばケース２３に設けられた小孔を通して内部部品２２とケース２３の隙間に液状のエポキシ樹脂を注入し、固化させることにより得られる。
図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように、半導体装置２０は貫通孔１２に挿通された螺子２５によりヒートシンク２６に螺子止めされている。
螺子２５でベースプレート１１をヒートシンク２６に締め付け、ベースプレート１１の反りを矯正することにより、ベースプレート１１をヒートシンク２６に密着させる。このとき、ベースプレート１１とヒートシンク２６の間にグリースを挟むとよい。
ベースプレート１１の第２の領域１１ｄの厚さＨ２がベースプレート１１の第１の領域１１ｃの厚さＨ１より薄いので（Ｈ２＜Ｈ１）、第２の領域１１ｄの剛性は第１の領域１１ｃの剛性より小さい。
その結果、ベースプレート１１は螺子締結部（貫通孔１２および螺子２５の頭部が接触する部分）２７を除く螺子締結部周辺（螺子２５の頭部が接触する部分から第１の領域１１ｃまでの間）２８ａ、２８ｂのうち、螺子締結部周辺２８ａが変形する。
変形は、例えば螺子締結部周辺２８ａの第１の面１１ａ側が盛り上がり、螺子締結部周辺２８ａの第２の面１１ｂ側がヒートシンク２６より浮き上がるように生じる。
螺子締結部周辺２８ａが変形することにより、螺子締結により生じる歪が十分緩和される。螺子締結部周辺２８ａは、第２の領域１１ｄの貫通孔１２と第１の領域１１ｃとの間の変形部である。その結果、内部部品２２とベースプレート１１の接合部２９への歪の伝播を抑制することが可能である。
螺子締結により生じる歪が接合部２９に伝播しないので、内部部品２２をベースプレート１１から剥離する方向の力は働かない。従って、接合部２９の破壊を防止し、半導体装置２０の長期信頼性を維持・向上させることが可能である。
次に、比較例のベースプレートおよび半導体装置について、図３および図４を用いて説明する。ここで、比較例のベースプレートとは、上述した厚さＨ１と厚さＨ２が等しいベースプレートのことである。
図３は比較例のベースプレートを示す図で、図３（ａ）はベースプレートの平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。図４は比較例の半導体装置を示す図で、図４（ａ）は半導体装置の断面図、図４（ｂ）は半導体装置がヒートシンクに螺着された状態を示す断面図、図４（ｃ）はヒートシンクに螺着された半導体装置の要部を拡大して示す断面図である。
初めに、比較例のベースプレートについて説明する。図３に示すように、比較例のベースプレート３１は、対向する第１の面３１ａと第２の面３１ｂを有する矩形状である。ベースプレート３１は、第２の面３１ｂ側に凸状に反った形状を有している。
ベースプレート３１は、第１の面３１ａの中央部に第１の領域３１ｃが設けられ、第１の面３１ａの周辺部に貫通孔３２を有する第２の領域３１ｄが設けられている。
第１の領域３１ｃは、半導体チップの他に電極部品、セラミックス基板などが載置される領域である。第２の領域３１ｄの貫通孔３２には、ベースプレート３１をヒートシンク（基台）に螺着するための螺子が挿通される。
ベースプレート３１は矩形状なので、第２の領域３１ｄは矩形の四隅に設けられている。ベースプレート３１をヒートシンクの上に置いたとき、ベースプレート３１の四隅はヒートシンクより浮いている。
ベースプレート３１の第１の領域３１ｃの厚さＨ１とベースプレート３１の第２の領域３１ｄの厚さＨ２が等しいので（Ｈ１＝Ｈ２）、第１の領域３１ｃと第２の領域３１ｄの境界には段差は生じない。
次に、比較例の半導体装置について説明する。図４（ａ）に示すように、比較例の半導体装置４０では、ベースプレート３１の第１の面３１ａの第１の領域３１ｃに接合剤２１により内部部品２２が接合されている。
内部部品２２を収納する箱型のケース２３が、接着剤（図示せず）によりベースプレート３１の第１の領域３１ｃに固着されている。
図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、半導体装置４０は貫通孔３２に挿通された螺子２５によりヒートシンク２６に螺子止めされている。
螺子２５でベースプレート３１をヒートシンク２６に締め付け、ベースプレート３１の反りを矯正することにより、ベースプレート３１をヒートシンク２６に密着させる。
このとき、ベースプレート３１の第２の領域３１ｄの厚さＨ２はベースプレート３１の第１の領域３１ｃの厚さＨ１に等しいので、第２の領域３１ｄの剛性は第１の領域３１ｃの剛性と同じである。
その結果、ベースプレート３１は螺子締結部４１を除く螺子締結部周辺４２ａ、４２ｂのうち、螺子締結部周辺４２ａはほとんど変形しない。たとえ変形しても、その変形量は極僅かであり、図２（ｃ）に示す螺子締結部周辺２８ａの変形量より少ない。
変形する場合、例えば螺子締結部周辺４２ａの第１の面３１１ａ側が僅かに盛り上がり、螺子締結部周辺４２ａの第２の面３１ｂ側がヒートシンク２６より僅かに浮き上がる程度である。
螺子締結部周辺４２ａはほとんど変形しないので、螺子締結により生じる歪が十分緩和されない。螺子締結部周辺４２ａは、第２の領域３１ｄの貫通孔３２と第１の領域３１ｃとの間の歪部である。その結果、内部部品２２とベースプレート３１の接合部４３への歪の伝播を抑制することが困難になる。
螺子締結により生じる歪が接合部４３に伝播すると、内部部品２２をベースプレート３１から剥離する方向に力が働く。従って、接合部４３が破壊され、半導体装置４０の長期信頼性が低下するなどの問題が生じる。
一方、本実施例の半導体装置２０では、上述したように螺子締結部周辺２８ａが変形するので、螺子締結により生じる歪が十分緩和され、内部部品２２とベースプレート１１の接合部２９への歪の伝播が抑制される。
これを確かめるために、ベースプレート１１およびベースプレート３１の変形状態をシミュレーションした結果について図５および図６を用いて説明する。
シミュレーションは有限要素法によりおこなった。シミュレーション条件は以下のように設定した。
ベースプレート１１ではＨ２＝Ｈ１／２、ベースプレート３１ではＨ２＝Ｈ１とする。荷重を印加する前のベースプレート１１、３１は平坦である。ベースプレート１１、３１を片持ち梁として、第２の領域１１ｄ、３１ｄの螺子締結部２７、４１に同じ荷重を印加する。
図５は荷重印加前の本実施例のベースプレート１１の要部と荷重印加前の比較例のベースプレート３１の要部を対比して示す斜視図で、図５（ａ）が本実施例のベースプレート１１の要部を示す斜視図、図５（ｂ）が比較例のベースプレート３１の要部を示す斜視図である。
図６は荷重印加後の本実施例のベースプレート１１の要部と荷重印加後の比較例のベースプレート３１の要部を対比して示す斜視図で、図６（ａ）が本実施例のベースプレート１１の要部を示す斜視図本、図６（ｂ）が比較例のベースプレート３１の要部を示す斜視図である。
図５および図６において、破線は矩形状のベースプレートの対角線を示し、一点鎖線で囲まれた領域は螺子締結部を示している。図６において、円弧状の実線は変形量を示す等高線である。等高線から引き出された数値は変形量（ｍｍ）を示している。
初めに、比較例のベースプレート３１について説明する。図５（ｂ）に示すように、荷重印加前では、ベースプレート３１は平坦である。
図６（ｂ）に示すように、荷重を印加すると、ベースプレート３１の隅の先端部は下方に僅かに反り下がる。その変形量は約０．１ｍｍ程度である。ベースプレート３１の隅の先端部から変形量が０．０２ｍｍの部分までの距離（変形長さ）をＬ２とする。
次に、本実施例のベースプレート１１について説明する。図５（ａ）に示すように、荷重印加前では、ベースプレート１１は平坦である。
図６（ｂ）に示すように、荷重を印加すると、ベースプレート１１の隅の先端部は下方に大きく反り下がる。その変形量は約０．１８ｍｍ程度である。ベースプレート１１の隅の先端部から変形量が０．０２ｍｍの部分までの距離（変形長さ）をＬ１とする。ベースプレート１１の変形は、境界線１３を越えて第１の領域１１ｃまで及んでいる。
ベースプレート１１の変形量（０．１８ｍｍ）は、ベースプレート３１の変形量（０．１ｍｍ）の約２倍と、大きい。ベースプレート１１の変形長さＬ１は、ベースプレート３１の変形長さＬ２より大きい。
本実施例のベースプレート１１は比較例のベースプレート３１に比べて、押圧力に対して変形しやすく、変形する領域が広いことかわかる。
これにより、螺子締結部周辺を変形させる方が螺子締結により生じる歪が緩和され、内部部品とベースプレートの接合部へ伝播しないことが確かめられた。
以上説明したように、本実施例では、ベースプレート１１の第２の領域１１ｄの厚さＨ２は、ベースプレート１１の第１の領域１１ｃの厚さＨ１より薄く設定されている（Ｈ２＜Ｈ１）。
その結果、半導体装置２０をヒートシンク２６に螺着すると、ベースプレート１１の螺子締結部周辺２８ａが変形する。これにより、螺子締結により生じる歪は十分緩和され、内部部品２２とベースプレート１１の接合部２９への歪の伝播を抑制することができる。従って、螺着により生じる歪みを緩和できるベースプレートおよび半導体装置が得られる。
ここでは、ベースプレート１１の第１の領域１１ｃと第２の領域１１ｄの境界線１３が直線状である場合について説明したが、これに限定されるものではなく、曲線状とすることも可能である。
図７は第１の領域と第２の領域の境界線が曲線状であるベースプレートを示す図である。図７に示すように、ベースプレート５１では、第１の領域５１ｃと第２の領域５１ｄの境界線５３は円弧状である。
境界線５３は、図６（ａ）に示すシミュレーション結果に従えば、例えば変異量が０．０２ｍｍの等高線に倣った円弧状とすることが適当である。
内部部品２２を載置する第１の面１１ａ側から第２の領域１１ｄが薄くなっている場合について説明したが、特に限定されない。第２の面側から第２の領域を薄くすることも可能である。
図８は第２の面側から第２の領域が薄くなっているベースプレートの要部を示す図である。図８（ａ）に示すように、ベースプレート６１では、第２の領域６１ｄは第１の面６１ａおよび第２の面６１ｂの両側から薄くなっている。
図８（ｂ）に示すように、ベースプレート７１では、第２の領域７１ｄは第２の面７１ｂ側から薄くなっている。
ベースプレートの第２の領域が第２の面側から薄くなっている場合、螺子締結によりベースプレートの螺子締結部周辺の変形をより大きくすることができる。但し、変形が過度にならないようにすることが望ましい。
本実施例について図９を用いて説明する。図９は本実施例の半導体装置を示す図で、図９（ａ）は半導体装置を示す断面図、図９（ｂ）はその要部を拡大して示す斜視図である。
本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。本実施例が実施例１と異なる点は、螺子締結部および螺子締結部周辺を覆うケースを用いたことにある。
即ち、図９に示すように、本実施例の半導体装置８０では、ケース８１は螺子締結部２７および螺子締結部周辺２８ａ、２８ｂを覆ってベースプレート１１の第２の領域１１ｄに載置される平板状の基台部８１ａと、内部部品２２を収納してベースプレート１１の第１の領域１１ｃに載置される箱型の収納部８１ｂとが一体に構成されている。
基台部８１ａの四隅には、上面８１ｃから途中までの切り欠き部８１ｄが設けられている。切り欠き部８１ｄには、貫通孔８２が設けられている。貫通孔８２には、金属製のカラー８３が嵌め込まれている。カラー８３は、アルミニュウム、真鍮などである。
収納部８１ｂには、図２に示す半導体装置２０と同様に、収納部８１ｂと内部部品２２の隙間に充填剤２４が充填されている。
半導体装置８０は、切り欠き部８１ｄの貫通孔８２に嵌め込まれたカラー８３とベースプレート１１の貫通孔１２に挿通された螺子２５によりヒートシンク２６に螺子止めされている。
金属製のカラー８２は、樹脂製の切り欠き部８１ｄより螺子締結力による変形や破損、あるいは経年劣化に対する耐性が高いので、長期間にわたって螺子締結力を維持するために用いられている。
螺子２５により、ベースプレート１１がヒートシンク２６に固着されるとともに、ケース８１の基台部８１ａがベースプレート１１に固着される。従って、カラー８２の周辺部に限っては、ケース８１をベースプレート１１に固着するために、接着剤を塗布しなくてもよい。
接着剤を用いてケースをベースプレートに固着するときに、図２に示すケース２３では、ケース２３とベースプレート１１との間からはみ出した接着剤が流れ出し、貫通孔１２に到達して螺子締結を妨げることがある。
本実施例のケース８１では、基台部８１ａが螺子締結部２７および螺子締結部周辺２８ａ、２８ｂを覆っているので、ケース８１の基台部８１ａとベースプレート１１の第１の領域１１ｃの外周部との間からはみ出した接着剤の多くはケース８１の基台部８１ａとベースプレート１１の境界線１３を構成する側面との隙間に滞留する。その結果、接着剤がカラー８２に到達して螺子締結を妨げることはない。
以上説明したように、本実施例では、ケース８１は基台部８１ａと収納部８１ｂとで一体に構成されている。基台部８１ａは螺子締結部２７および螺子締結部周辺２８ａ、２８ｂを覆っている。
これにより、ケース８１とベースプレート１１を接着剤で固着するときに、接着剤が流れ出し、螺子締結を妨げるのを防止できる利点が得られる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
（付記１） 前記第１の領域には、半導体チップを含む内部部品が載置され、前記第２の領域の前記貫通孔に螺子が挿通される請求項１に記載のベースプレート。
（付記２） 前記境界は前記矩形の対角線と略直交している請求項２に記載のベースプレート。
（付記３） 前記第１の領域と前記第２の領域の境界が円弧状である請求項１に記載のベースプレート。
（付記４） 前記第１および第２の領域の境界には、前記第１の面側、前記第２の面側、または前記第１および第２の面側からの段差が生じている請求項１に記載のベースプレート。
１１、３１、５１、６１、７１ ベースプレート
１１ａ、１１ｂ、３１ａ、３１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、６１ａ、６１ｂ、７１ａ、７１ｂ 第１、第２の面
１１ｃ、１１ｄ、３１ｃ、３１ｄ、６１ｃ、６１ｄ、７１ｃ、７１ｄ 第１、第２の領域
１２、３２、８２ 貫通孔
１３、５３ 境界線
２０、４０、８０ 半導体装置
２１ 接合剤
２２ 内部部品
２３、８１ ケース
２４ 充填剤
２５ 螺子
２６ ヒートシンク
２７、４１ 螺子締結部
２８ａ、２８ｂ、４２ａ、４２ｂ 螺子締結部周辺
２９、４３ 接合部
８１ａ 基台部
８１ｂ 収納部
８１ｄ 切り欠き部
８３ カラー

Claims (5)

  1. 対向する第１および第２の面を有し、前記第２の面側が凸状であり、中央部に設けられた第１の領域と、
    前記中央部を除く周辺部に位置し、貫通孔を有する第２の領域と、
    を具備し、
    前記第２の領域の厚さは、前記第１の領域の厚さより薄いことを特徴とするベースプレート。
  2. 前記ベースプレートは矩形状であり、前記第２の領域は前記矩形の隅に設けられ、前記第１の面の平面視において、前記第１の領域と前記第２の領域との境界が直線状であることを特徴とする請求項１に記載のベースプレート。
  3. 対向する第１および第２の面を有し、前記第２の面側が凸状であり、中央部に設けられた第１の領域と、前記中央部を除く周辺部に位置し、貫通孔を有する第２の領域とを有し、前記第２の領域の厚さは、前記第１の領域の厚さより薄いベースプレートと、
    前記ベースプレートの前記第１の領域の前記第１の面に接合剤を介して載置される半導体チップを含む内部部品と、
    を具備することを特徴とする半導体装置。
  4. 前記内部部品を収納し、前記ベースプレートに冠着されたケースと、
    前記ケースと前記内部部品の隙間に充填された樹脂と、
    を更に具備することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
  5. 基台に螺着され、前記第２の領域の、前記貫通孔と前記第１の領域との間に変形部を有することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の半導体装置。
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