JP6320347B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置に関し、特に金属ベース板の上面に複数の絶縁性基板が接合された半導体装置に関する。

大電流を制御するパワーモジュールと称される半導体装置は、電気自動車、電車、工作機械などに利用されている。パワーモジュールにおいて、絶縁回路基板としてのセラミックス基板の一方の面に金属回路基板が接合され、他方の面に放熱用の金属ベース板がはんだ付け等により接合されている。また、金属ベース板はねじ止めなどにより熱伝導グリスを介して金属製の放熱フィン（即ちヒートシンク）、冷却ジャケット（即ち水冷ジャケット）などに取り付けられている。金属回路基板上には、ＩＧＢＴ等の電力用半導体素子、電力用半導体素子を駆動するための駆動回路などが配置される。

金属ベース板に対するセラミックス基板のはんだ付けは、加熱により行われる。そのため、はんだ付けの際に接合部材間の熱膨張係数の差により金属ベース板に反りが生じ易い。半導体装置動作時に、金属回路板に搭載された半導体素子、電子部品などから発生した熱は、金属回路板、セラミックス基板、はんだ、および金属ベース板を介して放熱フィンや冷却ジャケットにより空気や冷却水に伝達される。そのため、金属ベース板に反りが生じると、放熱フィンや冷却ジャケットを金属ベース板に取り付けたときに反りによる隙間が生じてしまい、放熱性が極端に低下する。また、はんだ自体の熱伝導率が低いため、はんだを介することでベース板への放熱性が損なわれている。

これらの問題を解決するため、特許文献１には、溶融した状態の金属ベース板と、セラミックス絶縁基板とを接触させることにより、金属ベース板とセラミックス絶縁基板とを接合する技術が開示されている。これにより、はんだ付け接合により生じる金属ベース板の反りを回避している。しかしながら、セラミックス基板上に設けられる金属回路板の厚みよりも、金属ベース板の厚みが大きいため、半導体装置の動作時の発熱により金属ベース板が大きく伸びることにより、反りが生じる可能性がある。

金属ベース板に反りが生じることによって、放熱フィンや冷却ジャケットとの間において放熱性が低下するという問題がある。あるいは、金属ベース板の反りによってセラミックス基板が割れに至り、絶縁性を損なう可能性もある。

そこで、特許文献２では、金属ベース板の反りを抑制するために、金属ベース板内に強化材を配置する構造が開示されている。強化材を金属ベース板内部に配置することで、熱負荷が加えられた際の金属ベース板側の熱膨張を抑制し、基板の反りを低減することができる。これによって、放熱フィンや冷却ジャケットへ取り付けた際の放熱性を向上させることができ、かつセラミックス基板の反りによる割れを抑制することができる。

特開２００２−７６５５１号公報 特開２０１１−７７３８９号公報

ゲート抵抗等の駆動用回路素子を備えた電力用半導体装置では、レイアウト上の必要性から半導体素子を搭載したセラミックス基板とは別に、駆動用回路素子を搭載したセラミックス基板を同一の金属ベース板上に配置することがある。

この場合、金属ベース板内に設ける強化材は、金属回路板とセラミックス基板が配置されている状態で金属ベース板の反りが小さくなるように熱応力の釣り合いをとって配置される。よって、複数のセラミックス基板毎にそれぞれ強化材を配置する必要があり、強化材の材料コストが増大する。また、強化材は熱応力の釣り合いをとるために、それぞれ精度良く位置決めして配置する必要がある。そのため、基板の製造方法も複雑になり、結果的に製造コストが増大する課題があった。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、金属ベース板を強化するための強化材の使用量および使用枚数の増大を抑制し、かつ、金属ベース板の反りを抑制した半導体装置の提供を目的とする。

本発明に係る半導体装置は、金属ベース板と、金属ベース板の一方主面に接合された第１、第２の絶縁性基板と、を備え、第１の絶縁性基板の上面には第１の金属パターンが接合され、第２の絶縁性基板の上面には第２の金属パターンが接合され、第１の金属パターン上には電力用半導体素子が配置され、第２の金属パターン上には電力用半導体素子が配置されず、金属ベース板の第１の絶縁性基板と平面視で重なる領域には、強化材が埋め込まれ、金属ベース板の第２の絶縁性基板と平面視で重なる領域には、強化材が埋め込まれず、金属ベース板の第２の絶縁性基板と平面視で重なる領域の厚みは、金属ベース板の第１の絶縁性基板と平面視で重なる領域の厚みよりも小さい。

本発明に係る半導体装置によれば、電力用半導体素子が搭載された第１の絶縁性基板と平面視重なる領域において、金属ベース板には強化材が埋め込まれている。そのため、放熱性が要求される領域において、金属ベース板の熱膨張による反りを抑制することが可能である。これにより、第１の絶縁性基板の割れを抑制することが可能である。

また、電力用半導体素子が搭載されない第２の絶縁性基板と平面視重なる領域には強化材が埋め込まれていない。また、この領域において、金属ベース板の厚みは、第１の絶縁性基板と平面視重なる領域における金属ベース板の厚みよりも小さい。よって、放熱性の要求が小さい領域において金属ベース板の厚みを小さくすることにより、金属ベース板の熱膨張による反りを抑制することが可能である。これにより、第２の絶縁性基板の割れを抑制することが可能である。

従って、本発明では、強化材の使用量（使用枚数）を削減するとともに、強化材を配置しない領域（即ち、第２の絶縁性基板と平面視で重なる領域）においても金属ベース板の反りを抑制することが可能である。よって、強化材の材料コストおよび製造コストを抑制しつつ、第１、第２の絶縁性基板の割れを抑制することができる。また、金属ベース板の反りを低減できるため、半導体装置を放熱フィンや冷却ジャケットへ取り付けた際の放熱性を向上させることができる。

実施の形態１に係る半導体装置の平面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置を放熱フィンに取り付けた構成の断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置を別の放熱フィンに取り付けた構成の断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の変形例の断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置を放熱フィンに取り付けた構成の断面図である。

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態１における半導体装置１０の平面図である。また、図２は、図１中の線分ＡＢにおける断面図である。図１および図２に示すように、半導体装置１０は、金属ベース板１、第１、第２の絶縁性基板２，４、第１、第２の金属パターン３，５を備える。

図１に示すように、金属ベース板１の上面には、１つの第１の絶縁性基板２と、４つの第２の絶縁性基板４が接合されている。第２の絶縁性基板４は、第１の絶縁性基板２の周囲に配置されている。個々の第２の絶縁性基板４の面積は、第１の絶縁性基板２の面積よりも小さい。

金属ベース板１の材料は例えばアルミニウム又はアルミニウムを含む合金である。第１、第２の絶縁性基板２，４の材料はアルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミックスである。第１、第２の絶縁性基板２，４と金属ベース板１とは、例えば、直接接合又は間接接合により接合されている。直接接合においては、拡散接合、常温接合などにより接合される。間接接合においては、例えばはんだ付けにより接合される。

第１の絶縁性基板２の金属ベース板１とは反対側の面には、第１の金属パターン３が接合されている。同様に、第２の絶縁性基板４の金属ベース板１とは反対側の面には、第２の金属パターン５が接合されている。ここで、第２の金属パターン５の厚みは、第１の金属パターンの厚みよりも小さいとする。

第１の金属パターン３上には、発熱量の大きい電力用半導体素子６が配置される。電力用半導体素子６とは、例えば、大電流のオン、オフを切り替えるためのスイッチング素子としてのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。また、電力用半導体素子６は例えば、スイッチング素子と並列に接続される還流ダイオードである。

第２の金属パターン５上には、発熱量の比較的小さい回路部品（図示せず）が配置される。ここで回路部品とは、例えば電力用半導体素子６の駆動を制御する制御回路を構成する部品である。あるいは、回路部品は、配線を中継する機能である配線回路基板(回路中に抵抗素子を搭載するものも含む)である。第２の金属パターン５上に配置される回路部品は、動作時の発熱が比較的小さい。よって、第２の金属パターン５直下の金属ベース板１は、要求される放熱性が比較的小さい。

図２に示すように、金属ベース板１の第１の絶縁性基板２と平面視で重なる領域は、厚みＴ１を有する。また、金属ベース板１の第２の絶縁性基板４と平面視で重なる領域（金属ベース板１の薄肉部１ａ）は、厚みＴ２を有する。ここで、厚みＴ２は厚みＴ１よりも小さい。放熱性を向上させるために、厚みＴ１は、３ｍｍ以上が望ましい。

図２に示すように、金属ベース板１の第１の絶縁性基板２と平面視で重なる領域には、強化材７が埋め込まれている。強化材７は、例えば、アルミナ、窒化アルミなどのセラミック板であって、大面積の第１の絶縁性基板２と平面視で重なる位置に配置される。なお、強化材７は、第１の絶縁性基板２と同じ材質でかつ略同じ寸法（略同じ厚み、略同じ面積）であるのが望ましい。これは、熱負荷が加わった際に、強化材７と第１の絶縁性基板２との間で熱応力の釣り合いを取るためである。

また、金属ベース板１の薄肉部１ａの厚みＴ２は、第２の金属パターン５の厚みと略同じであるのが望ましい。これは、熱負荷が加わった際に、金属ベース板１の薄肉部１ａと第２の金属パターン５との間で応力の釣り合いを取るためである。

図３は、放熱フィン８（即ち、ヒートシンク）を取り付けた半導体装置１０の断面図である。放熱フィン８の上面は平坦である。放熱フィン８の上面と金属ベース板１の底面とが熱伝導グリスを介して接するように、放熱フィン８に半導体装置１０が固定される。例えば、金属ベース板１に設けられた取り付け穴１１（図１）を介して、放熱フィン８がネジ留めされる。

なお、金属ベース板１の薄肉部１ａは、金属ベース板１の底面に対して窪んでいる。よって、図３に示すように、金属ベース板１の薄肉部１ａは放熱フィン８と接触しない。

図４は、別の放熱フィン８Ａを取り付けた半導体装置１０の断面図である。放熱フィン８Ａの上面には、金属ベース板１の薄肉部１ａと平面視で重なる位置に凸部８１が設けられている。凸部８１は、薄肉部１ａの窪みに嵌合する形状である。

放熱フィン８に凸部８１を設けることによって、第２の金属パターン５を介して第２の絶縁性基板４に伝わる熱を、凸部８１を介してより効率的に放熱することができる。

＜製造方法＞
まず、金属ベース板１を作製する。溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を、予め用意した鋳型に流し込む。このとき、鋳型内部には強化材７が配置されている。鋳型に流し込まれた金属が凝固することにより、金属ベース板１を得る。図２に示すように、金属ベース板１には強化材７が埋め込まれている。また、金属ベース板１には薄肉部１ａが設けられている。

次に、金属ベース板１の上面（即ち、薄肉部１ａが形成されている側の面と反対側の面）に、第１、第２の絶縁性基板２，４を、直接接合または間接接合により接合する。第１の絶縁性基板２は強化材７と平面視で重なるように配置される。また、第２の絶縁性基板４は、薄肉部１ａと平面視で重なるように配置される。

次に、第１、第２の絶縁性基板２，４の上面に金属パターン３，５をそれぞれ形成する。金属パターン３，５は、所望のパターン形状の金属板を、例えばはんだ付け接合により第１、第２の絶縁性基板２，４に接合することで形成される。

そして、金属パターン３上に電力用半導体素子６をはんだにより接合する。金属パターン５上には、回路部品（図示せず）を接合する。また、例えばワイヤボンディングによって、電力用半導体素子６と回路部品との間などに適宜ワイヤを接合する。以上で本実施の形態１における半導体装置１０を得る。

＜効果＞
本実施の形態１における半導体装置１０は、金属ベース板１と、金属ベース板１の一方主面に接合された第１、第２の絶縁性基板２，４と、を備え、第１の絶縁性基板２の上面には第１の金属パターン３が接合され、第２の絶縁性基板４の上面には第２の金属パターン５が接合され、第１の金属パターン３上には電力用半導体素子６が配置され、第２の金属パターン５上には電力用半導体素子６が配置されず、金属ベース板１の第１の絶縁性基板２と平面視で重なる領域には、強化材７が埋め込まれ、金属ベース板１の第２の絶縁性基板４と平面視で重なる領域には、強化材７が埋め込まれず、金属ベース板１の第２の絶縁性基板４と平面視で重なる領域の厚みは、金属ベース板１の第１の絶縁性基板２と平面視で重なる領域の厚みよりも小さい。

半導体装置１０によれば、動作時の発熱の大きい電力用半導体素子６が搭載された第１の絶縁性基板２と平面視重なる領域において、金属ベース板１には強化材７が埋め込まれている。そのため、放熱性が要求される領域において、金属ベース板１の熱膨張による反りを抑制することが可能である。これにより、電力用半導体素子６を搭載した第１の絶縁性基板２の割れを抑制することが可能である。

また、動作時の発熱の小さい回路部品（例えば駆動制御回路）が搭載された第２の絶縁性基板４と平面視重なる領域には強化材７が埋め込まれていない。また、この領域において、金属ベース板１の厚みは、第１の絶縁性基板２と平面視重なる領域における金属ベース板１の厚みよりも小さい。よって、放熱性の要求が小さい領域において金属ベース板１の厚みを小さくすることにより、金属ベース板１の熱膨張による反りを抑制することが可能である。これにより、発熱の小さい回路部品を搭載した第２の絶縁性基板４の割れを抑制することが可能である。

従って、本実施の形態１では、強化材７の使用量（使用枚数）を削減するとともに、強化材７を配置しない領域（即ち、第２の絶縁性基板４と平面視で重なる領域）においても金属ベース板１の反りを抑制することが可能である。よって、強化材７の材料コストおよび製造コストを抑制しつつ、第１、第２の絶縁性基板２，４の割れを抑制することができる。また、金属ベース板１の反りを低減できるため、半導体装置１０を放熱フィンや冷却ジャケットへ取り付けた際の放熱性を向上させることができる。

また、本実施の形態１における半導体装置１０において、金属ベース板１の他方主面（裏面）には、第１、第２の絶縁性基板２，４と平面視で重なるように放熱フィン８（又は放熱フィン８Ａ）が設けられる。従って、本実施の形態１によれば、金属ベース板１の反りを低減できるため、半導体装置１０を放熱フィン８，８Ａや冷却ジャケットへ取り付けた際の放熱性を向上させることができる。

また、本実施の形態１における半導体装置１０において、第２の金属パターン５の厚みは、第１の金属パターン３の厚みよりも小さい。

第１の金属パターン３上には大電流が流れる電力用半導体素子が配置される。よって、第１の金属パターン３の厚みは大きい方が好ましい。一方、第２の金属パターン５上には回路部品、配線等が配置される。よって、第２の金属パターン５にはパターニング精度が要求されるため、第２の金属パターン５の厚みは小さい方が好ましい。

また、本実施の形態１における半導体装置１０において、金属ベース板１の第２の絶縁性基板４と平面視で重なる領域の厚み（厚みＴ２）は、第２の絶縁性基板４の上面に接合された金属パターン５の厚みと同じである。

従って、金属ベース板１の第２の絶縁性基板４と平面視で重なる領域の厚み（厚みＴ２）と、第２の絶縁性基板４の上面に接合された金属パターン５の厚みとを略同じにすることによって、金属ベース板１と金属パターン５との熱応力を釣り合わせることができる。よって、第２の絶縁性基板４の反りをより抑制することが可能である。

また、本実施の形態１における半導体装置１０において、強化材７は、第１の絶縁性基板２と同じ材質である。従って、第１の絶縁性基板２と強化材７とを同じ材質とすることにより、熱膨張係数が等しくなる。これにより、第１の絶縁性基板２と強化材７との熱応力の釣り合いをとり易くなる。よって、金属ベース板１の反りを抑制することが可能である。

また、本実施の形態１における半導体装置１０において、強化材７の面積および厚みは、第１の絶縁性基板２の面積および厚みと同じである。

従って、第１の絶縁性基板２と強化材７とを同じ材質とし、さらに、これらの面積と厚みを略同じにすることによって、第１の絶縁性基板２と強化材７との熱応力の釣り合いをとり易くなる。よって、金属ベース板１の反りをさらに抑制することが可能である。

また、本実施の形態１における半導体装置１０において、電力用半導体素子６はＩＧＢＴである。従って、電力用半導体素子６として、高温で動作可能なＩＧＢＴを本発明の半導体装置１０に適用した場合であっても、金属ベース板１の反りを抑制することが可能である。

＜実施の形態１の変形例＞
図５は、実施の形態１の変形例における半導体装置１０Ａの断面図である。本変形例においては、金属ベース板１の外周部１ｂの厚みを、薄肉部１ａの厚みＴ２と同じにする。これにより実施の形態１（図２）と比較して金属ベース板１の体積を減らして、金属ベース板１の製造に要する金属量を削減することができる。

＜実施の形態２＞
図６は、図１を本実施の形態２における半導体装置２０とした場合の、図１の線分ＡＢにおける断面図である。半導体装置２０は、金属ベース板１の薄肉部１ａにおいて、第１の絶縁性基板５とは反対の面にピンフィン９を備える。その他の構成は実施の形態１（図２）と同じため、説明を省略する。

ピンフィン９の材料は、例えばアルミニウム又はアルミニウムを含む合金である。ピンフィン９は、鋳造または削り出しにより、金属ベース板１と一体に成型されている。なお、ピンフィン９の代わりに板状のフィンを設けてもよい。

＜効果＞
本実施の形態２における半導体装置２０において、金属ベース板１の第２の絶縁性基板４と平面視で重なる領域の他方主面（即ち裏面）には、放熱フィン（即ちピンフィン９）が設けられる。

従って、第２の絶縁性基板４直下の金属ベース板１の裏面に放熱フィンを形成することで、第２の絶縁性基板４と平面視で重なる領域における金属ベース板１の熱膨張による反りを抑制することができる。よって、実施の形態１で述べた効果に加えて、第２の絶縁性基板４の反りがより抑制されるため、第２の絶縁性基板４の割れがより抑制される。

＜実施の形態３＞
図７は、図１を本実施の形態３における半導体装置３０とした場合の、図１の線分ＡＢにおける断面図である。

実施の形態１（図２）においては、金属ベース板１の上面（即ち第１、第２の絶縁性基板２，４が接合される側の面）の高さが同じになるように、金属ベース板１の裏面（即ち上面と反対側の面）側に薄肉部１ａを設けていた。

一方、本実施の形態３（図７）においては、金属ベース板１の裏面の高さが同じになるように、金属ベース板１の上面側に薄肉部１ａを設ける。

本実施の形態３において、実施の形態１と同様、金属ベース板１の薄肉部１ａの厚みＴ２は、金属ベース板１の第１の絶縁性基板２が接合された領域の厚みＴ１よりも小さい。

図８は、放熱フィン８を取り付けた半導体装置３０の断面図である。本実施の形態３の半導体装置３０においては、金属ベース板１の裏面の高さが均一であるため、金属ベース板１の裏面全体を放熱フィン８に接触させることができる。放熱フィン８に代えて冷却ジャケットを用いる場合も同様である。

＜効果＞
本実施の形態３における半導体装置３０において、金属ベース板１の他方主面（即ち裏面）において、第１の絶縁性基板２と平面視で重なる領域と、第２の絶縁性基板４と平面視で重なる領域との高さが等しい。

従って、金属ベース板１の裏面の高さが均一になるため、金属ベース板１の裏面全体を放熱フィン８に接触させることができる。これにより、半導体装置３０の放熱性が向上する。よって、実施の形態１で述べた効果に加えて、金属ベース板１の反りをより抑制することが可能である。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 金属ベース板、１ａ 薄肉部、１ｂ 外周部、２ 第１の絶縁性基板、３ 第１の金属パターン、４ 第２の絶縁性基板、５ 第２の金属パターン、６ 電力用半導体素子、７ 強化材、８，８Ａ 放熱フィン、９ ピンフィン、１０，１０Ａ，２０，３０ 半導体装置、１１ 取り付け穴。

Claims (9)

1. 金属ベース板と、
   前記金属ベース板の一方主面に接合された第１、第２の絶縁性基板と、
   を備え、
   前記第１の絶縁性基板の上面には第１の金属パターンが接合され、
   前記第２の絶縁性基板の上面には第２の金属パターンが接合され、
   前記第１の金属パターン上には電力用半導体素子が配置され、
   前記第２の金属パターン上には電力用半導体素子が配置されず、
   前記金属ベース板の前記第１の絶縁性基板と平面視で重なる領域には、強化材が埋め込まれ、
   前記金属ベース板の前記第２の絶縁性基板と平面視で重なる領域には、強化材が埋め込まれず、
   前記金属ベース板の前記第２の絶縁性基板と平面視で重なる領域の厚みは、前記金属ベース板の前記第１の絶縁性基板と平面視で重なる領域の厚みよりも小さい、
   半導体装置。
2. 前記金属ベース板の前記第２の絶縁性基板と平面視で重なる領域の他方主面には、放熱フィンが設けられる、
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記金属ベース板の他方主面において、前記第１の絶縁性基板と平面視で重なる領域と、前記第２の絶縁性基板と平面視で重なる領域との高さが等しい、
   請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記金属ベース板の他方主面には、前記第１、第２の絶縁性基板と平面視で重なるように放熱フィンが設けられる、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記第２の金属パターンの厚みは、前記第１の金属パターンの厚みよりも小さい、
   請求項１に記載の半導体装置。
6. 前記金属ベース板の前記第２の絶縁性基板と平面視で重なる領域の厚みは、当該第２の絶縁性基板の上面に接合された前記金属パターンの厚みと同じである、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 前記強化材は、前記第１の絶縁性基板と同じ材質である、
   請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 前記強化材の面積および厚みは、前記第１の絶縁性基板の面積および厚みと同じである、
   請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記電力用半導体素子はＩＧＢＴである、
   請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の半導体装置。

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