JP7082506B2

JP7082506B2 - 熱伝導性無機基板及び半導体装置

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Publication number: JP7082506B2
Application number: JP2018050091A
Authority: JP
Inventors: 裕基田内; 俊幸三井; 博昭田尾
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Shinko Leadmikk Co Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Shinko Leadmikk Co Ltd
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2022-06-08
Anticipated expiration: 2038-03-16
Also published as: JP2019161189A

Description

本発明は、熱伝導性無機基板及び半導体装置に関する。

ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やパワーＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子は、電流により駆動される際に熱を発生する。近年、モータ駆動等の用途に供する半導体素子では、高い電流密度の電流が用いられる傾向があり、半導体素子における発熱は増大する傾向にある。

半導体素子の放熱を促すため、通常、半導体素子は、金属基板等の熱伝導率の大きい熱伝導性無機基板上にはんだ等の接合材を介して実装される。半導体素子から熱を取り除く機構としては、半導体素子とヒートシンク等の放熱器とが熱伝導性無機基板を介して熱的に接続される機構や、半導体素子を実装する熱伝導性無機基板自体が大気等に直接放熱する機構が知られている。

ところで、半導体素子の放熱を促す熱伝導性無機基板は、金属等の熱伝導率の大きい材料により形成されるので、一般的に半導体素子よりも熱膨張率が大きい。また、半導体素子が熱伝導性無機基板上に実装される際には、はんだ等の接合材を融解するために半導体素子の実装領域周辺が高温に加熱される。このため、半導体素子が熱伝導性無機基板に実装された後、半導体素子の熱膨張率と熱伝導性無機基板の熱膨張率とが相違することに起因して、半導体素子と熱伝導性無機基板との間に残留応力が発生しやすい。

半導体素子と熱伝導性無機基板との間で発生した残留応力は、半導体素子に反りを生じさせる。半導体素子に反りが生じている場合には、半導体素子が電流で駆動する際の発熱によって半導体素子の反り量が変化する。特に、半導体素子の材料として化合物半導体、具体的にはＳｉＣ（シリコンカーバイド）やＧａＮ（窒化ガリウム）などが用いられる場合には、半導体素子を高温で動作させることが可能となるので、発熱による半導体素子の変形はより顕著になる。そして半導体素子の変形が繰り返されると、半導体素子が破損する懸念がある。

そこで、半導体素子の発熱によって生じる応力を緩和することを目的とした熱伝導性無機基板が提案されている（特許文献１）。特許文献１の熱伝導性無機基板（ベース板）は、半導体素子の実装領域の外周縁に沿って窪み（凹所外周部）が形成されるものであり、この窪みに充填される接合材が半導体素子に生じる応力を緩和するとされている。

特許文献１の熱伝導性無機基板は、半導体素子の実装領域の外周縁に沿って窪みが予め形成される構成であるため、実装領域の形状を事前に定めておく必要がある。つまり、実装する半導体素子の形状が、予め形成される窪みによって規定されることになる。

特開２０１５－１２８１５４号公報

本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、半導体素子に生じる応力を抑制できるとともに、半導体素子の実装領域を比較的自由に規定できる熱伝導性無機基板及び半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた発明は、少なくとも一方の表面に半導体素子を実装するための領域を有し、この実装領域に接合材を介して半導体素子を実装する熱伝導性無機基板であって、上記実装領域内に、表面側から深さ方向に向かって開口面積が漸減する凹部を有する。

当該熱伝導性無機基板は、半導体素子の実装領域内に、表面側から深さ方向に向かって開口面積が漸減する凹部を有しているので、半導体素子の実装時において接合材が凹部内に充填される。接合材が充填される凹部は開口側が底部側より広く形成されているので、凹部内の接合材は比較的容易に変形できる。このため、半導体素子が実装領域に実装された際に、半導体素子の熱膨張率と熱伝導性無機基板の熱膨張率とが相違することに起因して発生する応力は、凹部に充填される接合材の変形によって緩和される。つまり、当該熱伝導性無機基板は、凹部に充填される接合材によって半導体素子に生じる応力を抑制できる。また、当該熱伝導性無機基板は、半導体素子の実装領域の外周縁より内側に凹部を有しているので、凹部の開口形状より大きいという条件のもとで半導体素子の実装領域を比較的自由に規定できる。

上記凹部が、内周面に表面側から深さ方向に向かって上記凹部の開口幅を漸減させる１以上のテーパ部を有するとよい。これにより、凹部に充填される接合材の変形が適切に促されるので、半導体素子に生じる応力が効率よく抑制される。

上記実装領域の表面における上記凹部の開口幅が、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるとよい。凹部の開口幅が上記範囲内であると、凹部に充填される接合材による応力の緩和作用と半導体素子から熱伝導性無機基板への熱伝導性とが適切なバランスで調整される。

上記凹部の深さが０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であるとよい。凹部の深さが上記範囲内であると、凹部に充填される接合材による応力の緩和作用と半導体素子から熱伝導性無機基板への熱伝導性とが適切なバランスで調整される。

上記課題を解決するためになされた別の発明は、上記熱伝導性無機基板と、半導体素子とを備え、上記半導体素子を上記実装領域に実装する半導体装置である。

当該半導体装置は、上述の熱伝導性無機基板を備えているので、熱伝導性無機基板の凹部に充填される接合材によって半導体素子に生じる応力を抑制できる。また、当該半導体装置は、熱伝導性無機基板の凹部の開口形状より大きいという条件のもとで半導体素子の実装領域を比較的自由に規定できる。

本発明の熱伝導性無機基板及び半導体装置は、半導体素子に生じる応力を抑制できるとともに、半導体素子の実装領域を比較的自由に規定できる。

本発明の一実施形態の熱伝導性無機基板の実装領域付近を部分的に示す模式的斜視図である。図１の熱伝導性無機基板におけるＡ－Ａ断面図である。本発明の一実施形態の半導体装置の実装領域付近を部分的に示す模式的断面図である。

以下、本発明に係る熱伝導性無機基板及び半導体装置の実施形態について図を参照しつつ詳説する。

［熱伝導性無機基板］
図１の熱伝導性無機基板１は、表面に半導体素子を実装するための実装領域２を有しており、この実装領域２に接合材を介して半導体素子を実装する。また、熱伝導性無機基板１は、この実装領域２内に、表面側から深さ方向に向かって開口面積が漸減する凹部３を有している。なお、実装領域２は、熱伝導性無機基板１の少なくとも一方の表面に存在すればよく、例えば熱伝導性無機基板１の両面に存在してもよい。

熱伝導性無機基板１は、表面の実装領域２に実装された半導体素子から受け取った熱を外部に排出する部材であり、特に限定されないが、例えば平面視で略矩形の板状に形成されている。熱伝導性無機基板１は、例えば、半導体素子をはんだペースト等の接合材を介して実装し、外部配線と電気的接続を行うリードフレーム、半導体素子から受け取った熱を外部に排出するヒートシンク、又は半導体素子とヒートシンクとの間に配設され、半導体素子からヒートシンクへ熱を伝達する放熱板等とすることができる。熱伝導性無機基板１の材料としては、特に限定されないが、例えば銅、アルミニウム、銅及びアルミニウムの合金、又はセラミックに銅をＤｉｒｅｃｔＣｏｐｐｅｒＢｏｎｄ（ＤＣＢ）法により直接接合したもの等、熱伝導性の高い材料を用いることができる。また、熱伝導性無機基板１は、例えばプレス加工によって成形されるが、熱伝導性無機基板１の大きさ、形状及び厚みは、実装する半導体素子の種類や使用目的等により適宜選択される。

実装領域２に実装される半導体素子としては、例えばＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタ、ダイオード、ＩＣ等の公知の半導体素子を採用することができる。半導体素子は、特に限定されないが、例えば線熱膨張係数が３ｐｐｍ／Ｋ以上５ｐｐｍ／Ｋ以下、ヤング率が１００ＧＰａ以上５００ＧＰａ以下、実装領域２の表面に沿った幅が２ｍｍ以上２０ｍｍ以下、厚さが０．０５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であると半導体素子に生じる応力の抑制の観点から好ましい。

熱伝導性無機基板１と半導体素子とを接合する接合材は、半導体素子の熱伝導性無機基板１への実装時に熱伝導性無機基板１と半導体素子との間に導入されることで接合層を形成する。接合材の材料としては、例えば、錫、銀及び銅の合金系の鉛フリーはんだ、銀ろう、銀ペースト等の軟化温度が比較的低くかつ軟らかい材料が用いられる。これらの材料が接合材の材料として用いられることで、接合材は、熱伝導性無機基板１と半導体素子との間で生じる応力に対して緩衝材的な役割を果たす。

＜実装領域＞
実装領域２は、熱伝導性無機基板１の表面の一部を区画する略平坦な領域であり、この領域に接合材を介して半導体素子が実装される。実装領域２は、平面視で半導体素子の底部領域の形状と等しい形状であり、図１においてはこの外周縁が略矩形の仮想線で示されている。熱伝導性無機基板１に半導体素子が実装される際には、実装領域２にはんだ等の接合材が導入され、この接合材を介して実装領域２上に半導体素子が実装される。

（凹部）
熱伝導性無機基板１は、実装領域２の外周縁より内側に、開口面積が実装領域２の面積より小さい凹部３を有している。凹部３は、実装領域２の略中央に形成されており、平面視で略方形の開口を有するとともに、表面側から深さ方向に向かって開口面積が漸減し、底部において略方形の平面を有する形状となっている。凹部３は、特に限定されないが、例えば金型を用いたプレス加工、切削加工、又はエッチング等により形成することができる。

図１及び図２に示すように、凹部３は、内周面に表面側から深さ方向に向かって凹部３の開口幅を漸減させる３つ（３段）のテーパ部を有している。ここで、凹部３の開口幅とは、凹部３の開口における実装領域２の表面に平行な方向の幅を示す。テーパ部は、凹部３の底部に向かって下降する傾斜面を有しており、同一深さにおいて連なり、かつ凹部３の内周面に沿って平面視で略方形環状に形成されている。また、２つのテーパ部間には実装領域２の表面と平行な略方形環状の平面が形成されている。なお、凹部３は、内周面に３つのテーパ部を有するものに特に限定されず、内周面に１以上のテーパ部を有していればよい。

テーパ部の表面と実装領域２の表面との交角の下限としては、１５度が好ましく、２０度がより好ましく、２５度がさらに好ましい。一方、上記交角の上限としては、８５度が好ましく、８０度がより好ましく、６０度がさらに好ましい。上記交角が上記下限に満たないと、凹部３に充填される接合材の量が少なくなり、凹部３に充填される接合材が緩衝材的な役割を十分に果たさないおそれがある。逆に、上記交角が上記上限を超えると、凹部３に充填される接合材の厚みが急激に変化することによって接合材の円滑な変形が阻害され、接合材が緩衝材的な役割を十分に果たさないおそれがある。

実装領域２の表面における凹部３の開口幅の下限としては、１ｍｍが好ましく、１．５ｍｍがより好ましく、２ｍｍがさらに好ましい。一方、上記開口幅の上限としては、１０ｍｍが好ましく、８ｍｍがより好ましく、７ｍｍがさらに好ましい。上記開口幅が上記下限に満たないと、凹部３に充填される接合材の量が少なくなり、凹部３に充填される接合材が緩衝材的な役割を十分に果たさないおそれがある。逆に、上記開口幅が上記上限を超えると、凹部３に充填される接合材の量が多くなり、半導体素子から熱伝導性無機基板１への熱伝導性が低下するおそれがある。また、凹部３中央における熱伝導性無機基板１と半導体素子との密着性が低下するため、凹部３上の半導体素子の変形が防止されないおそれもある。

凹部３の深さの下限としては、０．０５ｍｍが好ましく、０．１ｍｍがより好ましく、０．１５ｍｍがさらに好ましい。一方、凹部３の深さの上限としては、０．５ｍｍが好ましく、０．４ｍｍがより好ましく、０．３ｍｍがさらに好ましい。ここで、凹部３の深さとは、実装領域２の表面から凹部３の底部までの深さを示す。凹部３の深さが上記下限に満たないと、凹部３に充填される接合材の量が少なくなり、凹部３に充填される接合材が緩衝材的な役割を十分に果たさないおそれがある。逆に、凹部３の深さが上記上限を超えると、凹部３に充填される接合材の量が多くなり、半導体素子から熱伝導性無機基板１への熱伝導性が低下するおそれがある。また、凹部３中央における熱伝導性無機基板１と半導体素子との密着性が低下するため、凹部３上の半導体素子の変形が防止されないおそれもある。

［半導体装置］
図３の半導体装置は、上述の熱伝導性無機基板１と、半導体素子４とを備え、半導体素子４を熱伝導性無機基板１の実装領域２に実装する構成である。図３では実装領域２が図示されていないが、上述の通り、実装領域２は、平面視で半導体素子の底部領域と等しい形状である。

半導体素子４は、接合材で形成された接合層５を介して実装領域２に実装される。接合材は、凹部３の内部を含む実装領域２及び半導体素子４間に隙間なく充填され、接合層５は、平面視で少なくとも実装領域２と重畳している。

実装領域２の表面から半導体素子４の底部までの間に形成される接合層５の厚さは、半導体素子４の大きさや発熱量等によって最適な厚さが異なるため、特に限定されない。しかしながら、熱伝導性の観点から、接合層５の上記厚さの下限としては、１０μｍが好ましく、２０μｍがより好ましい一方、接合層５の上記厚さの上限としては、２００μｍが好ましく、１５０μｍがより好ましい。

（利点）
当該熱伝導性無機基板１は、半導体素子の実装領域２内に、表面側から深さ方向に向かって開口面積が漸減する凹部３を有しているので、半導体素子が実装領域２に実装された際に、半導体素子の熱膨張率と熱伝導性無機基板１の熱膨張率とが相違することに起因して発生する応力が凹部３に充填される接合材の変形によって緩和される。つまり、当該熱伝導性無機基板１は、凹部３に充填される接合材によって半導体素子に生じる応力を抑制できる。また、当該熱伝導性無機基板１は、半導体素子の実装領域２の内側に凹部３を有しているので、凹部３の開口形状より大きいという条件のもとで半導体素子の実装領域２を比較的自由に規定できる。

また、当該熱伝導性無機基板１は、凹部３の内周面に表面側から深さ方向に向かって凹部３の開口幅を漸減させる１以上のテーパ部を有しているので、凹部３に充填される接合材の変形が適切に促され、半導体素子に生じる応力が効率よく抑制される。

また、当該熱伝導性無機基板１は、実装領域２の表面における凹部３の開口幅が、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、凹部３の深さが０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であるので、凹部３に充填される接合材による応力の緩和作用と半導体素子から熱伝導性無機基板１への熱伝導性とが適切なバランスで調整される。

また、当該半導体装置は、熱伝導性無機基板１を備えているので、熱伝導性無機基板１の凹部３に充填される接合材（接合層５）によって半導体素子４に生じる応力を抑制できる。また、当該半導体装置は、熱伝導性無機基板１の凹部３の開口形状より大きいという条件のもとで半導体素子４の実装領域２を比較的自由に規定できる。

［その他の実施形態］
本発明の熱伝導性無機基板及び半導体装置は、上記実施形態に限定されない。

上記実施形態では、凹部３が平面視で略方形の開口を有するものについて説明したが、開口の形状は略方形に限定されず、例えば開口の形状が略矩形、略円形又は略楕円形であってもよい。

また、上記実施形態では、凹部３が内周面に１以上の略方形環状のテーパ部を有するものについて説明したが、テーパ部の形状は、凹部３の開口の形状と相似する形状に限定されない。テーパ部の形状は、凹部３の開口の形状と相似しない形状であってもよく、例えば矩形環状であってもよいし、完全な環状でなくてもよい。

以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

上述の半導体装置のモデルについてシミュレーション計算を実行し、半導体素子に生じる応力を解析した。シミュレーション計算は、機構解析シミュレータソフトウェア「ＭｅｍｓＯＮＥ」（みずほ情報総研株式会社製）を用い、以下の条件下で実行した。なお、下記の値はいずれも２５℃での値である。

［Ｎｏ．１の半導体装置］
熱伝導性無機基板１材質：銅、厚さ：２ｍｍ、密度：８９３０ｋｇ／ｍ^３、ヤング率１２９．８４ＧＰａ、ポアソン比：０．３４３、熱伝導率：３９８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、比熱：３８６Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）、線膨張係数：１７ｐｐｍ／Ｋ
実装領域２領域：４．５ｍｍ×６．５ｍｍ
凹部３表面側の開口：４ｍｍ×４ｍｍ、底部の平面：２ｍｍ×２ｍｍ、方形環状のテーパ部：４ｍｍ×４ｍｍ（外周縁）、３ｍｍ×３ｍｍ（外周縁）、２ｍｍ×２ｍｍ（内周縁）、表面から各平面への深さ：０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ（底部）
半導体素子４底部領域：４．５ｍｍ×６．５ｍｍ、厚み：０．２ｍｍ、密度：２３４０ｋｇ／ｍ^３、ヤング率１１２．７８ＧＰａ、ポアソン比：０．２２、熱伝導率：１４８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、比熱：７１３Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）、線膨張係数：４ｐｐｍ／Ｋ
接合層５材質：錫、銀及び銅の合金系、実装領域２の表面から半導体素子４の底部までの厚さ：０．０５ｍｍ、密度：７４００ｋｇ／ｍ^３、ヤング率３１ＧＰａ、ポアソン比：０．４、熱伝導率：５５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、比熱：２３４Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）、線膨張係数：２１ｐｐｍ／Ｋ、０．２％耐力：２７ＭＰａ

また、比較例として、凹部３を有していないＮｏ．２の半導体装置についてもシミュレーション計算を実行した。Ｎｏ．２の半導体装置は、熱伝導性無機基板１が凹部３を有していないこと以外はＮｏ．１の半導体装置と同じ条件である。

シミュレーション計算では、接合温度である２００℃で半導体素子４を実装領域２に実装した後、２５℃まで冷却した場合の半導体素子４の反り量を算出した。半導体素子４の中央位置（中心）を基準とした場合における中心からの距離（ｍｍ）と反り量（μｍ）との関係について、計算結果を表１に示す。

表１に示すように、Ｎｏ．１の半導体装置は、中心からの距離が０．５ｍｍから１．５ｍｍの範囲及び２．５ｍｍにおいて、Ｎｏ．２の半導体装置よりも半導体素子４の反り量が小さいことが確認された。これにより、Ｎｏ．１の半導体装置のように熱伝導性無機基板１が凹部３を有していれば、半導体素子４の反り量が低減されるといえる。

また、半導体素子４に加わる最大応力についても計算を実行すると、Ｎｏ．２の半導体装置では最大応力が２６１．７ＭＰａであったのに対し、Ｎｏ．１の半導体装置では最大応力が２４２．５ＭＰａとなり、Ｎｏ．１の半導体装置の方が最大応力を約７％低減できることが確認された。したがって、熱伝導性無機基板１が凹部３を有していれば、半導体素子４に加わる最大応力についても低減されるといえる。

１熱伝導性無機基板
２実装領域
３凹部
４半導体素子
５接合層

Claims

少なくとも一方の表面に半導体素子を実装するための領域を有し、この実装領域に接合材を介して半導体素子を実装する熱伝導性無機基板であって、
上記実装領域内に、表面側から深さ方向に向かって開口面積が漸減する凹部を有し、
上記凹部が、内周面に表面側から深さ方向に向かって上記凹部の開口幅を漸減させる複数段のテーパ部を有する熱伝導性無機基板。
上記実装領域の表面における上記凹部の開口幅が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である請求項１に記載の熱伝導性無機基板。
上記凹部の深さが０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である請求項１又は請求項２に記載の熱伝導性無機基板。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の熱伝導性無機基板と、
半導体素子と
を備え、
上記半導体素子を上記実装領域に実装する半導体装置。