JP2000138333A - モジュール型半導体装置 - Google Patents

モジュール型半導体装置

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JP2000138333A
JP2000138333A JP10313399A JP31339998A JP2000138333A JP 2000138333 A JP2000138333 A JP 2000138333A JP 10313399 A JP10313399 A JP 10313399A JP 31339998 A JP31339998 A JP 31339998A JP 2000138333 A JP2000138333 A JP 2000138333A
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solder
semiconductor device
conductive layer
type semiconductor
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Isao Okutomi
功 奥富
Akira Tanaka
明 田中
Atsushi Yamamoto
敦史 山本
Takashi Kusano
貴史 草野
Takanobu Nishimura
隆宣 西村
Yutaka Ishiwatari
裕 石渡
Koji Araki
浩二 荒木
Hiroshi Fukuyoshi
寛 福吉
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Shibafu Engineering Corp
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Toshiba Corp
Shibafu Engineering Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、温度サイクルによるはんだの疲労
損傷を阻止し、信頼性の向上を図る。 【解決手段】 絶縁性セラミック層の一方の面に第１の
導電層が接合され、且つ絶縁性セラミック層の他方の面
に第２の導電層が接合されてなる絶縁基板と、第１の導
電層上に接合された半導体素子と、第２の導電層上には
んだを介して接合された熱伝導体ベースとを備えたモジ
ュール型半導体装置において、熱伝導体ベースの厚さｔ
ｂとはんだの厚さｔｓとの比ｔｂ／ｔｓが、６．７以上
乃至８０以下の範囲内にあるモジュール型半導体装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、冷却用のヒートシ
ンクに固定可能な熱伝導体ベースを有し、この熱伝導体
ベース上に、はんだ、第２導体層、絶縁基板、第１の導
体層及び半導体素子の積層構造を備えたモジュール型半
導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば電力用スイッチング素子等の半導
体素子の分野では、１つ以上の半導体素子がパッケージ
内に保持されたモジュール型半導体装置が広く知られて
いる。
【０００３】図３は一般的なモジュール型半導体装置の
概略構成を示す模式図である。このモジュール型半導体
装置は、絶縁性セラミック層１の一方の面に第１の導電
層２が接合され、且つ絶縁性セラミック層１の他方の面
に第２の導電層３が接合されてなる絶縁基板４に対し、
第１の導電層２上に１つ以上の半導体素子５が接合さ
れ、第２の導電層３上にはんだ６を介して熱伝導体ベー
ス７が接合されている。
【０００４】この熱伝導体ベース７は、同じく熱伝導性
材料からなるヒートシンク（図示せず）にボルト等で固
定可能となっている。
【０００５】これにより、モジュール型半導体装置で
は、半導体素子５が外部のヒートシンクから絶縁されつ
つ、動作時に半導体素子５の発する熱が絶縁基板４及び
熱伝導体ベース７を介して外部のヒートシンクに流出さ
れる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら以上のよ
うなモジュール型半導体装置では、はんだ６が、互いに
線膨張係数の異なる絶縁基板４と熱伝導性ベース７とを
接合するので、温度サイクル下で最もダメージを受け易
い部位となっている。また、実際の故障や障害も、原因
の多くは、はんだ６の疲労によるものとなっている。具
体的には例えば、運転時の電流のオン・オフに伴う発熱
と冷却等の繰返しにより、モジュール型半導体装置の各
部材は、昇温と降温からなる温度サイクルを受けて膨脹
と収縮を繰返す。
【０００７】ここで、各部材のうち、絶縁性セラミック
層１と熱伝導性ベース７とでは、例えば熱伝導性ベース
７が銅を材料とした場合、膨脹の量と収縮の量とに約４
倍の差が生じている。
【０００８】このような大きな量の差をもつ膨脹と収縮
は、繰返しにより、絶縁基板４と熱伝導体ベース７との
間のはんだ６に疲労損傷を生じさせる可能性がある。ま
た、このようなはんだ６の疲労損傷は、前述した通り、
故障や障害の原因となるため、装置の信頼性を低下させ
てしまう。
【０００９】本発明は上記実情を考慮してなされたもの
で、温度サイクルによるはんだの疲労損傷を阻止し、信
頼性を向上し得るモジュール型半導体装置を提供するこ
とを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１に対応する発明
は、絶縁性セラミック層の一方の面に第１の導電層が接
合され、且つ前記絶縁性セラミック層の他方の面に第２
の導電層が接合されてなる絶縁基板と、前記第１の導電
層上に接合された半導体素子と、前記第２の導電層上に
はんだを介して接合された熱伝導体ベースとを備えたモ
ジュール型半導体装置において、前記熱伝導体ベースの
厚さｔｂと前記はんだの厚さｔｓとの比ｔｂ／ｔｓが、
６．７以上乃至８０以下の範囲内にあるモジュール型半
導体装置である。
【００１１】また、請求項２に対応する発明は、前記熱
伝導体ベースとしては、銅が材料である請求項１に対応
するモジュール型半導体装置である。
【００１２】さらに、請求項３に対応する発明は、前記
熱伝導体ベースとしては、アルミニウムが材料である請
求項１に対応するモジュール型半導体装置である。
【００１３】また、請求項４に対応する発明は、前記絶
縁性セラミック層としては、窒化アルミニウムが材料で
ある請求項１に対応するモジュール型半導体装置であ
る。
【００１４】さらに、請求項５に対応する発明は、前記
絶縁性セラミック層としては、酸化アルミニウムが材料
である請求項１に対応するモジュール型半導体装置であ
る。
【００１５】また、請求項６に対応する発明は、前記絶
縁性セラミック層としては、窒化けい素が材料である請
求項１に対応するモジュール型半導体装置である。
【００１６】さらに、請求項７に対応する発明は、前記
はんだとしては、スズ、鉛又は銀が主成分である請求項
１に対応するモジュール型半導体装置である。
【００１７】また、請求項８に対応する発明は、絶縁性
セラミック層の一方の面に第１の導電層が接合され、且
つ前記絶縁性セラミック層の他方の面に第２の導電層が
接合されてなる絶縁基板と、前記第１の導電層上に接合
された半導体素子と、前記第２の導電層上にはんだを介
して接合された熱伝導体ベースとを備えたモジュール型
半導体装置において、前記熱伝導体ベースが２ｍｍ以上
乃至４ｍｍ未満の厚さを有し、前記はんだが５０μｍ以
上の厚さを有するモジュール型半導体装置である。
【００１８】さらに、請求項９に対応する発明は、前記
熱伝導体ベースが前記２ｍｍ以上乃至４ｍｍ未満の厚さ
に代えて４ｍｍ以上乃至６ｍｍ未満の厚さを有し、前記
はんだが前記５０μｍ以上の厚さに代えて１００μｍ以
上の厚さを有する請求項８に対応するモジュール型半導
体装置である。
【００１９】また、請求項１０に対応する発明は、前記
熱伝導体ベースが前記２ｍｍ以上乃至４ｍｍ未満の厚さ
に代えて６ｍｍ以上乃至８ｍｍ未満の厚さを有し、前記
はんだが前記５０μｍ以上の厚さに代えて１５０μｍ以
上の厚さを有する請求項８に対応するモジュール型半導
体装置である。
【００２０】さらに、請求項１１に対応する発明は、前
記熱伝導体ベースが前記２ｍｍ以上乃至４ｍｍ未満の厚
さに代えて８ｍｍ以上乃至９ｍｍ未満の厚さを有し、前
記はんだが前記５０μｍ以上の厚さに代えて２００μｍ
以上の厚さを有する請求項８に対応するモジュール型半
導体装置である。
【００２１】また、請求項１２に対応する発明は、前記
熱伝導体ベースが前記２ｍｍ以上乃至４ｍｍ未満の厚さ
に代えて９ｍｍ以上の厚さを有し、前記はんだが前記５
０μｍ以上の厚さに代えて２５０μｍ以上の厚さを有す
る請求項８に対応するモジュール型半導体装置である。 （作用）従って、請求項１に対応する発明は以上のよう
な手段を講じたことにより、熱伝導体ベースの厚さｔｂ
とはんだの厚さｔｓとの比ｔｂ／ｔｓを６．７以上乃至
８０以下の範囲内に規定したので、温度サイクルによる
はんだの疲労損傷を阻止し、信頼性を向上させることが
できる。
【００２２】また、請求項２，３に対応する発明は、熱
伝導体ベースの材料を銅又はアルミニウムと規定したの
で、請求項１に対応する作用に加え、冷却効率の向上を
図ることができる。
【００２３】さらに、請求項４〜６のいずれかに対応す
る発明は、絶縁性セラミック層の材料を窒化アルミニウ
ム、酸化アルミニウム又は窒化けい素と規定したことに
より、請求項１に対応する作用に加え、絶縁性と強度が
優れた絶縁性セラミック層を用いるので、より一層、信
頼性の向上を図ることができる。
【００２４】また、請求項７に対応する発明は、はんだ
の主成分をスズ、鉛又は銀と規定したことにより、請求
項１に対応する作用に加え、機械的強度、耐食性及び熱
伝導性の夫々優れたはんだを用いるので、より一層、信
頼性の向上を図ることができる。
【００２５】さらに、請求項８〜１２のいずれかに対応
する発明は、熱伝導体ベースの厚さとはんだの厚さとの
組合せを適切に規定したので、温度サイクルによるはん
だの疲労損傷を阻止し、信頼性を向上させることができ
る。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施形態につい
て図面を参照して説明する。なお、本発明は、はんだ６
に生じる塑性歪みを評価関数とし、はんだ６の厚さ（以
下、はんだ厚という）ｔｓ及び熱伝導体ベース７の厚さ
（以下、ベース厚という）ｔｂを組合せる条件などを疲
労破壊を生じさせない値に規定した半導体装置に関す
る。
【００２７】これに基づき、以下のような各実施形態に
係る半導体装置を説明する。 （第１の実施形態）図１は本発明の第１の実施形態に係
る半導体装置に適用されるベース厚ｔｂとはんだ厚ｔｓ
との比（ｔｂ／ｔｓ）を示す図である。図１は具体的に
ははんだ塑性歪みに関し、ベース厚ｔｂとはんだ厚ｔｓ
との比ｔｂ／ｔｓの依存性を有限要素法解析により求め
た結果を示している。図１中、はんだ塑性歪みの限界値
Ａは、各はんだ試験片の疲労試験結果から求めた疲労限
度を示している。すなわち、限界値Ａ以下のとき、はん
だ６は疲労破壊を起こさない。この図１中、限界値Ａ以
下のベース厚とはんだ厚の比ｔｂ／ｔ ｓは、６．７〜８
０の範囲内にある（６．７≦（ｔｂ／ｔｓ）≦８０）。
【００２８】よって、図３に示した構成において、ベー
ス厚ｔｂとはんだ厚ｔｓの比ｔｂ／ｔｓを６．７〜８０
の範囲内とすることにより、温度サイクルによるはんだ
６の疲労損傷を阻止し、信頼性を向上させることができ
る。 （第２の実施形態）第２の実施形態は、第１の実施形態
の具体例であり、ベース厚ｔｂ／はんだ厚ｔｓの比ｔｂ
／ｔｓを６．７〜８０の範囲内とした上で、熱伝導体ベ
ース７の材料を銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）に
規定したものである。ここで、熱伝導体ベース７は、導
電体という条件と、冷却効率の観点から優れた熱伝導性
を有するという条件とがあり、これらの条件を満たす銅
又はアルミニウムを材料として規定している。
【００２９】以上のような構成により、第１の実施形態
の効果に加え、冷却効率の向上を図ることができる。 （第３の実施形態）第３の実施形態は、第１の実施形態
の具体例であり、ベース厚ｔｂ／はんだ厚ｔｓの比ｔｂ
／ｔｓを６．７〜８０の範囲内とした上で、絶縁性セラ
ミック層１の材料を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化
アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）又は窒化けい素（ＳｉＮ）
と規定したものである。
【００３０】ここで、絶縁性セラミック層１は、第１の
導電層２を介して半導体素子５が接合される中心基板で
あり、優れた絶縁性を有するという条件と、機械的強度
の観点から優れた強度を有するという条件とが必要とさ
れるが、これらの条件を満たす窒化アルミニウム、酸化
アルミニウム又は窒化けい素を材料として規定してい
る。
【００３１】以上のような構成により、第１の実施形態
の効果に加え、絶縁性と強度が優れた絶縁性セラミック
層１を用いるので、装置全体において、より一層、信頼
性の向上を図ることができる。 （第４の実施形態）第４の実施形態は、第１の実施形態
の具体例であり、ベース厚ｔｂ／はんだ厚ｔｓの比ｔｂ
／ｔｓを６．７〜８０の範囲内とした上で、はんだ６の
主成分をスズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）又は銀（Ａｇ）と規
定したものである。
【００３２】ここで、はんだ６は、導電層が接合された
絶縁性セラミック層１を熱伝導体ベース７に接合するも
のであり、機械的強度、耐食性及び熱伝導性の夫々優れ
ることが必要とされるが、この要望を満たすスズ、鉛又
は銀を主成分として含有している。
【００３３】以上のような構成により、第１の実施形態
の効果に加え、機械的強度、耐食性及び熱伝導性の夫々
優れたはんだを用いるので、装置全体において、より一
層、信頼性の向上を図ることができる。 （第５の実施形態）図２は本発明の第５の実施形態に係
る半導体装置に適用されるベース厚ｔｂをはんだ厚ｔｓ
毎に示す図である。図２は具体的にははんだ塑性歪みに
関し、各はんだ厚毎にベース厚の依存性を求めた結果を
示している。なお、図２中の限界値Ａは、前述した通
り、はんだ６の疲労破壊を起こさない限度を示してい
る。
【００３４】この図２中、限界値Ａ以下のベース厚ｔｂ
は、はんだ厚ｔｓによって異なる。はんだ塑性歪みが限
界値Ａ以下となるベース厚ｔｂとはんだ厚ｔｓの組合せ
は、次の５通りである。 （１）ベース厚ｔｂが２ｍｍ以上〜４ｍｍ未満のとき、
はんだ厚ｔｓが５０μｍ以上である（２ｍｍ≦ｔｂ＜４
ｍｍで且つ、５０μｍ≦ｔｓ）。 （２）ベース厚ｔｂが４ｍｍ以上〜６ｍｍ未満のとき、
はんだ厚ｔｓが１００μｍ以上である（４ｍｍ≦ｔｂ＜
６ｍｍで且つ、１００μｍ≦ｔｓ）。 （３）ベース厚ｔｂが６ｍｍ以上〜８ｍｍ未満のとき、
はんだ厚ｔｓが１５０μｍ以上である（６ｍｍ≦ｔｂ＜
８ｍｍで且つ、１５０μｍ≦ｔｓ）。 （４）ベース厚ｔｂが８ｍｍ以上〜９ｍｍ未満のとき、
はんだ厚ｔｓが２００μｍ以上である（８ｍｍ≦ｔｂ＜
９ｍｍで且つ、２００μｍ≦ｔｓ）。 （５）ベース厚ｔｂが９ｍｍ以上のとき、はんだ厚ｔｓ
が２５０μｍ以上である（９ｍｍ≦ｔｂで且つ、２５０
μｍ≦ｔｓ）。
【００３５】よって、図３に示した構成において、ベー
ス厚ｔｂとはんだ厚ｔｓとの組合せを上述した５通りの
いずれかにすることにより、温度サイクルによるはんだ
６の疲労損傷を阻止し、信頼性を向上させることができ
る。
【００３６】なお、この第５の実施形態では、熱伝導体
ベース７、絶縁性セラミック層１及びはんだ６の材料を
規定しない場合について説明したが、これに限らず、第
２〜第４の実施形態のように熱伝導体ベース７、絶縁性
セラミック層１又ははんだ６の材料を規定しても、第５
の実施形態の効果に加え、第２〜第４のうちの適用させ
た実施形態の効果を得ることができる。
【００３７】その他、本発明はその要旨を逸脱しない範
囲で種々変形して実施できる。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、温
度サイクルによるはんだの疲労損傷を阻止し、信頼性を
向上し得るモジュール型半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置に適
用されるベース厚ｔｂとはんだ厚ｔｓとの比を示す図
【図２】本発明の第５の実施形態に係る半導体装置に適
用されるベース厚ｔｂをはんだ厚ｔｓ毎に示す図
【図３】一般的なモジュール型半導体装置の概略構成を
示す模式図
【符号の説明】
１…絶縁性セラミック層 ２…第１の導電層 ３…第２の導電層３ ４…絶縁基板 ５…半導体素子 ６…はんだ６ ７…熱伝導体ベース
フロントページの続き (72)発明者 田中 明 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 山本 敦史 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 草野 貴史 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 西村 隆宣 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 石渡 裕 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 荒木 浩二 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝多摩川工場内 (72)発明者 福吉 寛 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝多摩川工場内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BB08 BB21 BC06 BD01 BD13

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 絶縁性セラミック層の一方の面に第１の
    導電層が接合され、且つ前記絶縁性セラミック層の他方
    の面に第２の導電層が接合されてなる絶縁基板と、前記
    第１の導電層上に接合された半導体素子と、前記第２の
    導電層上にはんだを介して接合された熱伝導体ベースと
    を備えたモジュール型半導体装置において、 前記熱伝導体ベースの厚さｔｂと前記はんだの厚さｔｓ
    との比ｔｂ／ｔｓは、６．７以上乃至８０以下の範囲内
    にあることを特徴とするモジュール型半導体装置。
  2. 【請求項２】 前記熱伝導体ベースは、銅が材料である
    ことを特徴とする請求項１に記載のモジュール型半導体
    装置。
  3. 【請求項３】 前記熱伝導体ベースは、アルミニウムが
    材料であることを特徴とする請求項１に記載のモジュー
    ル型半導体装置。
  4. 【請求項４】 前記絶縁性セラミック層は、窒化アルミ
    ニウムが材料であることを特徴とする請求項１に記載の
    モジュール型半導体装置。
  5. 【請求項５】 前記絶縁性セラミック層は、酸化アルミ
    ニウムが材料であることを特徴とする請求項１に記載の
    モジュール型半導体装置。
  6. 【請求項６】 前記絶縁性セラミック層は、窒化けい素
    が材料であることを特徴とする請求項１に記載のモジュ
    ール型半導体装置。
  7. 【請求項７】 前記はんだは、スズ、鉛又は銀が主成分
    であることを特徴とする請求項１に記載のモジュール型
    半導体装置。
  8. 【請求項８】 絶縁性セラミック層の一方の面に第１の
    導電層が接合され、且つ前記絶縁性セラミック層の他方
    の面に第２の導電層が接合されてなる絶縁基板と、前記
    第１の導電層上に接合された半導体素子と、前記第２の
    導電層上にはんだを介して接合された熱伝導体ベースと
    を備えたモジュール型半導体装置において、 前記熱伝導体ベースは２ｍｍ以上乃至４ｍｍ未満の厚さ
    を有し、前記はんだは５０μｍ以上の厚さを有すること
    を特徴とするモジュール型半導体装置。
  9. 【請求項９】 前記熱伝導体ベースは前記２ｍｍ以上乃
    至４ｍｍ未満の厚さに代えて４ｍｍ以上乃至６ｍｍ未満
    の厚さを有し、前記はんだは前記５０μｍ以上の厚さに
    代えて１００μｍ以上の厚さを有することを特徴とする
    請求項８に記載のモジュール型半導体装置。
  10. 【請求項１０】 前記熱伝導体ベースは前記２ｍｍ以上
    乃至４ｍｍ未満の厚さに代えて６ｍｍ以上乃至８ｍｍ未
    満の厚さを有し、前記はんだは前記５０μｍ以上の厚さ
    に代えて１５０μｍ以上の厚さを有することを特徴とす
    る請求項８に記載のモジュール型半導体装置。
  11. 【請求項１１】 前記熱伝導体ベースは前記２ｍｍ以上
    乃至４ｍｍ未満の厚さに代えて８ｍｍ以上乃至９ｍｍ未
    満の厚さを有し、前記はんだは前記５０μｍ以上の厚さ
    に代えて２００μｍ以上の厚さを有することを特徴とす
    る請求項８に記載のモジュール型半導体装置。
  12. 【請求項１２】 前記熱伝導体ベースは前記２ｍｍ以上
    乃至４ｍｍ未満の厚さに代えて９ｍｍ以上の厚さを有
    し、前記はんだは前記５０μｍ以上の厚さに代えて２５
    ０μｍ以上の厚さを有することを特徴とする請求項８に
    記載のモジュール型半導体装置。
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