JP2000156440A - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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Abstract
にCu張りAl2O3基板の厚さを薄くした場合に、Cu箔から
Al2O3板に加わる応力により発生しやすくなる亀裂を防
止する。 【解決手段】両面のCu箔間の絶縁確保のためにCu箔の縁
とAl2O3板の端面との間に設けられる寸法の差をAl2O3
板の厚さが0.26〜0.29mmのときに0.5mm以下の範囲に抑
えることにより、両面での応力の均衡をとらせて、亀裂
の発生を防止する。さらに、両面のCu箔に上下に重なり
合うパターンを持たせることにより応力の均衡が向上す
る。
Description
コン等のインバータあるいはNC制御などに使用される
パワーモジュールのように、表面に銅箔が張られたアル
ミナからなる絶縁基板上に半導体素子が実装される半導
体装置に関する。
化、小型軽量化が急激に進んでおり、その中核を担って
いるのは半導体装置である。その中で上記のような制御
用に用いられるパワーモジュールは、通常電力用半導体
素子のほかに付属回路の素子を含む複数の素子を一つの
容器内に収容して小型化を図っている。このようなパワ
ーモジュールでは、素子相互間あるいは素子との絶縁の
ために、両面にろう付け可能な金属箔を張った絶縁基板
を用いて素子を実装していた。以前は、このパワーモジ
ュールの絶縁基板の材料のセラミックとしては、アルミ
ナ (Al2O3) を用いたものが主流であったが、新型素子
の小型化, 高機能化にともない、熱伝導率がさらに高い
窒化アルミニウム (AlN) 基板などが使用されるように
なった。
140 W/(m・k) で、Al2O3の17W/(m・k) の約5倍
であり、基板を通じての放熱の大幅な改善が期待できる
が、価格が高いために特殊用途に限定されている。そこ
で、安価なAl2O3基板の厚さを薄くして熱伝導を良好に
することが考えられるが、薄くすることにより応力耐性
が低下する。すなわち、従来用いられていた0.635mm の
厚さのAl2O3基板の抗折強度は8kgであるのに対し、0.
275mmに薄くすると抗折強度が2kgとなり、75%も低下
する。従って組立時の熱履歴で亀裂が発生するおそれが
ある。
し、厚さを薄くすることによって熱伝導を良くした絶縁
基板を用い、しかも組立熱履歴で亀裂の発生することの
ない半導体装置を提供するものとする。
めに、本発明は、Al2O3からなる平板の両面にCu箔が張
られた絶縁基板の一面のCu箔上に半導体素子が実装され
る半導体装置において、 Al2O3板の厚さが0.26〜0.29m
mであり、両面のCu箔の縁とAl2O3板の端面とのそれぞ
れの寸法の差の絶対値が0.5mm 以下であるものとする。
さらに、両面のCu箔が基板面に垂直方向から見て上下に
重なるようなパターンを有することが有効である。
で張ると、沿面距離がAl2O3板の厚みのみとなり、絶縁
耐圧が得られないので、端面までは張っていない。すな
わち図2に示すように、Al2O3板1の両面で端面からそ
れぞれ寸法A、Bだけ引下がった位置までCu箔2、3が
張られている。組立熱履歴で亀裂の発生する個所を調べ
て見ると、AとBの寸法の大きい方、すなわちAl2O3板
1の端面からの引下がりが大きい方のCu箔の縁の下のAl
2O3板に亀裂が発生することがわかった。これは、両面
のCu箔の引下がりが異なると、温度変化時にセラミック
に働く応力が異なり、引下がりの大きい方のCu箔の縁に
応力が集中するためと考えられる。組立熱履歴での冷却
時にAl2O3板の両面に発生するセラミックへの引張り応
力を有限要素法を用いて計算した場合、技術計算値によ
るある物理定数での応力値のA−B値に対する依存性を
図3に示す。計算の根拠として、Al2O3板1の厚さを0.
27mm、Cu箔2、3の厚さをそれぞれ0.25mmとした。図の
冷却時に実線31がCu箔2のAl2O3板1に及ぼす引張り応
力であり、点線32がCu箔3のAl2O3板1に及ぼす引張り
応力である。引張り応力はCu箔の縁がAl2O3板1の端面
から遠ざかるにつれて大きくなる。すなわち、線31に示
すようにCu箔2のAl2O3板1に及ぼす引張り応力はA−
Bの値が正に大きくなったときに大きくなり、負に大き
くなったときに小さくなる。逆に、線32に示すようにCu
箔3のAl2O3板1に及ぼす引張り応力は控え寸法A−B
が正に大きくなったときに小さくなり、負に大きくなっ
たときに大きくなる。この両者から控え寸法A−Bの絶
対値にAl2O3板が割れないための適正範囲がでてくる。
さらに一歩進めてA−B=0にすると共に、Cu箔のパタ
ーンを絶縁基板面に垂直方向から見て上下に重なるよう
にすれば、組立時に両面のCu箔がAl2O3板に及ぼす応力
は釣合うことになり、亀裂の発生するおそれがなくな
る。
厚さ0.25mmのCu箔2、3を張ったセラミック絶縁基板を
用いてパワーモジュールの組立てを行った。Cu箔2、3
の張り方を種々変えて控え寸法R=|A−B|を変化さ
せたところ、組立熱履歴でAl2O3板に亀裂の発生するも
のがあった。図1はその亀裂発生率とRとの関係を示
す。図より明らかなように控え寸法Rが0.5 以下のとき
には亀裂が発生せず、0.5 を超えると急激に亀裂の発生
が多くなる。この結果を参照してR≦0.5に設定して絶
縁基板を準備したところ、組立時の不良の発生なしにパ
ワーモジュールを製作することができた。
の上下両面の平面図でAl2O3板1の上のCu箔2、3のパ
ターンが線対称の形状をもち、基板面に垂直の方向から
見て重なるようになっている。従来は素子を実装する側
のCu箔2はパターニングされているが、放熱体としての
Cu基板とはんだ付けされる側のCu箔3はパターニングさ
れていなかったのに対し、このように両面をパターニン
グされることにより、組立時の熱履歴の際に生ずる応力
が均衡する。なお、Cu箔3はその下のはんだ層と共に素
子からの熱の放熱基板への径路になるが、Cu箔2の上に
実装される素子の直下には必ずCu箔3が存在するので、
放熱に対する影響はない。
絶縁基板を0.26〜0.29mmと薄くして放熱を良好にし、安
価にする場合に、両面に張られたCu箔の縁とAl2O3板の
端面とのそれぞれの寸法の差の絶対値を0.5mm以下とす
ることにより、両面でのCu箔のAl2O3板に及ぼす応力の
均衡がとれることから、Al2O3板の破損が少なくなる。
これによって、高集積化、小型化が可能になる。さら
に、絶縁基板両面のCu箔に上下に重なり合うパターンを
持たせることにより、一層の応力の均衡を図ることがで
きる。
生率の関係線図
との関係線図
ンを(a) 、(b) に示す平面図
Claims (2)
- 【請求項1】アルミナからなる平板の両面に銅箔の張ら
れた絶縁基板の一面の銅箔上に半導体素子が実装される
ものにおいて、アルミナ板の厚さが0.26〜0.29mmであ
り、両面の銅箔の縁とアルミナ板の端面とのそれぞれの
寸法の差の絶対値が0.5mm以下であることを特徴とする
半導体装置。 - 【請求項2】両面の銅箔が基板面に垂直方向から見て上
下に重なるようなパターンを有する請求項1記載の半導
体装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11651999A JP3199058B2 (ja) | 1991-10-14 | 1999-04-23 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3-264174 | 1991-10-14 | ||
JP26417491 | 1991-10-14 | ||
JP11651999A JP3199058B2 (ja) | 1991-10-14 | 1999-04-23 | 半導体装置 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4010422A Division JPH05166969A (ja) | 1991-10-14 | 1992-01-24 | 半導体装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000156440A true JP2000156440A (ja) | 2000-06-06 |
JP3199058B2 JP3199058B2 (ja) | 2001-08-13 |
Family
ID=26454833
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11651999A Expired - Fee Related JP3199058B2 (ja) | 1991-10-14 | 1999-04-23 | 半導体装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3199058B2 (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002270730A (ja) * | 2000-12-20 | 2002-09-20 | Semikron Elektron Gmbh | 高い絶縁強度を有するパワー半導体モジュール |
JP2016195206A (ja) * | 2015-04-01 | 2016-11-17 | 富士電機株式会社 | 半導体モジュール |
JP2019041086A (ja) * | 2017-08-29 | 2019-03-14 | 京セラ株式会社 | 半導体パッケージおよび半導体装置 |
-
1999
- 1999-04-23 JP JP11651999A patent/JP3199058B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2002270730A (ja) * | 2000-12-20 | 2002-09-20 | Semikron Elektron Gmbh | 高い絶縁強度を有するパワー半導体モジュール |
JP2016195206A (ja) * | 2015-04-01 | 2016-11-17 | 富士電機株式会社 | 半導体モジュール |
JP2019041086A (ja) * | 2017-08-29 | 2019-03-14 | 京セラ株式会社 | 半導体パッケージおよび半導体装置 |
JP7017341B2 (ja) | 2017-08-29 | 2022-02-08 | 京セラ株式会社 | 半導体パッケージおよび半導体装置 |
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