JP2001024093A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2001024093A
JP2001024093A JP19613299A JP19613299A JP2001024093A JP 2001024093 A JP2001024093 A JP 2001024093A JP 19613299 A JP19613299 A JP 19613299A JP 19613299 A JP19613299 A JP 19613299A JP 2001024093 A JP2001024093 A JP 2001024093A
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JP
Japan
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substrate
insulating substrate
unit
semiconductor device
ceramic
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JP19613299A
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Japanese (ja)
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Toshio Shimizu
敏夫 清水
Hiroyuki Hiramoto
裕行 平本
Hironori Sekiya
洋紀 関谷
Kenji Kijima
研二 木島
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805Shape
    • H01L2224/4809Loop shape
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    • H01L2224/4847Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond
    • H01L2224/48472Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond the other connecting portion not on the bonding area also being a wedge bond, i.e. wedge-to-wedge

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase mechanical strength by reducing defect which causes insulation deterioration by constituting one ceramic insulation substrate by a plurality of unit substrate modules formed by dividing a ceramic substrate finely and mutually adhering edges of a plurality of unit substrate modules arranged plane. SOLUTION: An insulation substrate 100 is constituted as one large insulation substrate by arranging small regular hexazonal unit substrate modules 11 formed by dividing one ceramic insulation substrate finely on the same plane without a clearance, and adhering and setting adjacent edges of the plurality of unit substrate modules 11 mutually by resin 12. Since each unit substrate module 11 of the insulation substrate 100 is small, probability of inclusion of defect in each module is little. As a result, it is possible to extremely reduce a possibility that defect causes the insulation substrate 100 to be broken, thus lowering insulation property and raising dielectric breakdown between a semiconductor element and a heat sink.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁基板上に半導
体素子を実装して構成される半導体装置に関し、更に詳
しくは、1つまたは複数のパワー半導体素子を搭載した
パワーモジュール等において半導体素子を実装する絶縁
基板の割れを防止した信頼性の高い半導体装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device having a semiconductor element mounted on an insulating substrate, and more particularly, to a semiconductor device in a power module having one or more power semiconductor elements. The present invention relates to a highly reliable semiconductor device that prevents cracking of an insulating substrate to be mounted.

【0002】[0002]

【従来の技術】この種の半導体装置である一般的なパワ
ーモジュールは、図4に示すように、金属製の放熱板5
の上に取り付けられたセラミックスからなる絶縁基板1
を有し、この絶縁基板1上には銅箔2が設けられ、この
銅箔2上に複数の半導体素子3が実装され、更にこれら
の半導体素子3間はリード線4で接続されている。
2. Description of the Related Art As shown in FIG. 4, a general power module which is a semiconductor device of this type includes a metal radiator plate 5 as shown in FIG.
Insulating substrate 1 made of ceramics mounted on
A copper foil 2 is provided on the insulating substrate 1, a plurality of semiconductor elements 3 are mounted on the copper foil 2, and the semiconductor elements 3 are connected by lead wires 4.

【0003】放熱板5の周辺部には、プラスチック製の
ケース6が全体を取り囲むように立ち上げられている。
また、このように立ち上げられたケース6の上側を全体
的に塞ぐように上方から外部端子用リード線7の取り付
けられたターミナルホルダー8が取り付けられている。
外部端子用リード線7は一端が半導体素子3に接続さ
れ、他端が外部に延出し、半導体素子3を外部と電気的
に接続し得るようにしている。
At the periphery of the heat sink 5, a plastic case 6 is set up so as to surround the entire case.
Further, a terminal holder 8 to which an external terminal lead wire 7 is attached from above is attached so as to entirely cover the upper side of the case 6 thus raised.
One end of the external terminal lead wire 7 is connected to the semiconductor element 3 and the other end extends to the outside, so that the semiconductor element 3 can be electrically connected to the outside.

【0004】また、ケース6とターミナルホルダー8で
取り囲まれた内部の空間にはシリコーンゲル9が流し込
まれ、硬化されて、パワーモジュールの全体を確実に固
定している。また、ケース6とターミナルホルダー8と
の間の周囲にはエポキシ樹脂等からなる封止部材10で
密閉されている。
In addition, a silicone gel 9 is poured into an internal space surrounded by the case 6 and the terminal holder 8 and hardened, thereby securely fixing the entire power module. The periphery between the case 6 and the terminal holder 8 is sealed with a sealing member 10 made of epoxy resin or the like.

【0005】絶縁基板1は、半導体素子3と放熱板5の
間に挿入され、これにより通常制御盤等を介して接地さ
れた筐体に取り付けられている放熱板5と高圧で動作す
る半導体素子3を電気的に絶縁する役目を果たしてい
る。
[0005] The insulating substrate 1 is inserted between the semiconductor element 3 and the radiator plate 5, so that the radiator plate 5, which is normally mounted on a casing grounded via a control panel or the like, and operates at a high pressure. 3 is electrically insulated.

【0006】半導体素子3は、大電流をスイッチングす
るものであるため、熱損失が大きく、発熱が大となる。
従って、過度の温度上昇はスイッチング特性を低下させ
るばかりでなく、半導体素子3そのものを破壊する危険
性が高い。このため、半導体素子で発生した熱をできる
だけ効率よく、放熱板5に逃がす必要があり、間に設け
られた絶縁基板1は高い熱伝導性が要求される。従っ
て、絶縁特性が許容する限り、放熱の観点から絶縁基板
をできるだけ薄くする必要がある。なお、このように絶
縁基板に適用する熱伝導性に優れた絶縁材料として、例
えば窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等のセラミッ
クスが使用される。
Since the semiconductor element 3 switches a large current, heat loss is large and heat generation is large.
Therefore, an excessive rise in temperature not only lowers the switching characteristics but also has a high risk of destroying the semiconductor element 3 itself. For this reason, it is necessary to radiate the heat generated in the semiconductor element to the heat radiating plate 5 as efficiently as possible, and the insulating substrate 1 provided therebetween is required to have high thermal conductivity. Therefore, as long as the insulation characteristics allow, it is necessary to make the insulating substrate as thin as possible from the viewpoint of heat dissipation. Note that ceramics such as aluminum nitride and aluminum oxide are used as the insulating material having excellent thermal conductivity applied to the insulating substrate.

【0007】上述したように、絶縁基板は高い熱伝導性
を必要とするが、セラミックス絶縁基板は、通常溶剤を
含む粉末状態のものとして成形し、乾燥後に焼結するこ
とにより作製される。この場合、焼結助剤として例えば
イットリア等が使用されるが、これが粒界に集まった状
態で焼結されて欠陥になる。また、焼結時に発生するガ
スが微小なボイドとなって残存する場合も欠陥となる。
そして、管理されたセラミックスの製造工程では、確率
的に低いが、欠陥が混入する可能性がある。
As described above, an insulating substrate requires high thermal conductivity, but a ceramic insulating substrate is usually produced by molding as a powder containing a solvent, drying and sintering. In this case, for example, yttria or the like is used as a sintering aid, but it is sintered in a state where it is gathered at the grain boundary to become a defect. Further, a defect occurs when the gas generated during sintering remains as minute voids.
Then, in the production process of the controlled ceramics, there is a possibility that a defect is mixed, although the probability is low.

【0008】脆性材料であるセラミックスは、欠陥に非
常に敏感であり、数十μmという微小な欠陥が存在して
も機械的強度が激減する。欠陥の存在確率が大きければ
大きいほど機械的強度は増大するので、1枚の絶縁基板
の寸法が大きいほど機械的強度の低いものが発現しやす
くなる。
[0008] Ceramics, which is a brittle material, is very sensitive to defects, and the mechanical strength is drastically reduced even if there are minute defects of several tens of μm. Since the mechanical strength increases as the probability of existence of a defect increases, the larger the size of one insulating substrate, the easier it is to develop a mechanical strength lower.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、セラ
ミックスは欠陥に非常に敏感で、製造工程時に混入した
小さな欠陥により機械的強度が著しく低下する。特に、
半導体素子が発熱した場合には、絶縁基板と金属製放熱
板5の熱膨張率の違いから大きな熱応力が発生したり、
または筐体に放熱板を取り付ける際に面精度の差から取
り付け面と放熱板の平面度が異なり、ボルト締め付け時
に大きな曲げ負荷が加わる。絶縁基板が正常であれば、
十分な強度を有しているが、欠陥が内在すると、正常の
半分以下に強度が低下するため、折損する可能性が高
い。絶縁基板が割れれば、厚さ方向の絶縁特性が低下
し、半導体素子と放熱板との間が絶縁破壊を起こして、
機器が停止するという問題がある。すなわち、半導体装
置を使用した大容量のパワーユニットは、通常、圧延ラ
イン、半導体製造などの大きな工場の電源、車両やエレ
ベータ等の産業機器の電源として使用されており、パワ
ーユニットの停止がシステムダウンにつながった場合の
社会的損害は極めて大きい。
As described above, ceramics are very sensitive to defects, and the mechanical strength is significantly reduced by small defects introduced during the manufacturing process. In particular,
When the semiconductor element generates heat, a large thermal stress is generated due to a difference in coefficient of thermal expansion between the insulating substrate and the metal radiator plate 5,
Alternatively, when the heat sink is attached to the housing, the flatness between the attachment surface and the heat sink differs due to a difference in surface accuracy, and a large bending load is applied when tightening the bolts. If the insulating board is normal,
Although it has a sufficient strength, if a defect is present, the strength is reduced to less than half of the normal strength, and there is a high possibility of breakage. If the insulating substrate breaks, the insulation properties in the thickness direction will decrease, causing dielectric breakdown between the semiconductor element and the heat sink,
There is a problem that the device stops. That is, a large-capacity power unit using a semiconductor device is usually used as a power source for a large factory such as a rolling line and semiconductor manufacturing, and a power source for industrial equipment such as a vehicle and an elevator. The social consequences of doing so are enormous.

【0010】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、絶縁劣化の原因となる欠陥の
存在を低減して機械的強度を増強しながら絶縁性および
熱伝導性に優れた絶縁基板を使用して信頼性の高い半導
体装置を提供することにある。
[0010] The present invention has been made in view of the above,
The aim is to provide a highly reliable semiconductor device using an insulating substrate with excellent insulation and thermal conductivity while reducing the presence of defects that cause insulation deterioration and increasing mechanical strength. Is to do.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1記載の本発明は、絶縁基板上に半導体素子
を実装して構成される半導体装置において、前記絶縁基
板が、セラミックス基板を細かく分割した複数の単位基
板モジュールと、この細かく分割された複数の単位基板
モジュールによって1枚のセラミックス絶縁基板を構成
するように平面的に並べられた前記複数の単位基板モジ
ュールの縁同士を互いに接着する接着剤とから構成され
ることを要旨とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a semiconductor element mounted on an insulating substrate, wherein the insulating substrate comprises a ceramic substrate. The plurality of finely divided unit substrate modules and the edges of the plurality of unit substrate modules arranged in a plane such that the plurality of finely divided unit substrate modules constitute one ceramic insulating substrate are adhered to each other. And an adhesive to be used.

【0012】請求項1記載の本発明にあっては、絶縁基
板がセラミックス基板を細かく分割した複数の単位基板
モジュールの縁同士を接着剤で接着して、1枚のセラミ
ックス絶縁基板として構成しているため、各単位基板モ
ジュールに欠陥が混入する確率が低減し、これにより機
械的強度が増大し、ひいては絶縁特性を向上することが
できる。
According to the first aspect of the present invention, the insulating substrate is formed as a single ceramic insulating substrate by bonding edges of a plurality of unit substrate modules obtained by finely dividing the ceramic substrate to each other with an adhesive. Therefore, the probability that a defect is mixed into each unit substrate module is reduced, whereby the mechanical strength is increased, and the insulation characteristics can be improved.

【0013】また、請求項2記載の本発明は、請求項1
記載の発明において、前記複数の単位基板モジュール
が、多角形または円形の同じ形状であることを要旨とす
る。
[0013] The present invention described in claim 2 provides the present invention in claim 1.
In the invention described above, the plurality of unit substrate modules have the same polygonal or circular shape.

【0014】請求項2記載の本発明にあっては、各単位
基板モジュールが多角形または円形の同じ形状であるた
め、単位基板モジュールと接着剤との界面に熱応力が集
中せず、従って亀裂の発生する危険がなく、機械的特性
を向上することができる。
According to the second aspect of the present invention, since each unit substrate module has the same polygonal or circular shape, thermal stress does not concentrate on the interface between the unit substrate module and the adhesive. There is no danger of occurrence, and the mechanical properties can be improved.

【0015】更に、請求項3記載の本発明は、請求項2
記載の発明において、前記多角形が、六角形であること
を要旨とする。
Further, the present invention according to claim 3 provides the invention according to claim 2.
In the described invention, the polygon is a hexagon.

【0016】請求項3記載の本発明にあっては、絶縁基
板の形状が六角形であるため、量産性と円形のもつ熱応
力の緩和特性を備えることができる。
According to the third aspect of the present invention, since the shape of the insulating substrate is hexagonal, it is possible to provide mass productivity and a thermal stress relaxation characteristic having a circular shape.

【0017】請求項4記載の本発明は、請求項1記載の
発明において、前記接着剤が、樹脂またはゴムであるこ
とを要旨とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect, the adhesive is a resin or a rubber.

【0018】請求項4記載の本発明にあっては、接着剤
が樹脂またはゴムであるため、弾性率が大きく、柔軟で
あり、セラミックス基板に対する変形を樹脂またはゴム
からなる接着剤で吸収し、温度上昇による変形、取り付
け時の変形などに対しても絶縁基板が割れることがな
い。
According to the fourth aspect of the present invention, since the adhesive is a resin or a rubber, the elasticity is large, the elasticity is high, and the deformation to the ceramic substrate is absorbed by the adhesive made of the resin or the rubber. The insulating substrate is not cracked even when it is deformed due to a rise in temperature or when it is mounted.

【0019】また、請求項5記載の本発明は、絶縁基板
上に半導体素子を実装して構成される半導体装置におい
て、前記絶縁基板が、前記半導体素子のみを実装し得る
ように該半導体素子の大きさよりも若干大きい実装領域
を有するセラミックス基板からなる絶縁基板ユニット
と、該絶縁基板ユニットの周囲を樹脂またはゴムで基板
状に形成した周囲部とから構成されることを要旨とす
る。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising a semiconductor element mounted on an insulating substrate, wherein the insulating substrate is mounted on the insulating element so that only the semiconductor element can be mounted. The gist of the present invention is that it comprises an insulating substrate unit made of a ceramic substrate having a mounting area slightly larger than the size, and a peripheral portion formed around the insulating substrate unit by resin or rubber into a substrate shape.

【0020】請求項5記載の本発明にあっては、絶縁基
板が半導体素子のみを実装するように半導体素子よりも
若干大きい程度の小さな絶縁基板ユニットであり、その
周囲部は樹脂またはゴムで構成されているため、周囲部
の樹脂またはゴムにより割れにくい基板を構成できる。
According to the fifth aspect of the present invention, the insulating substrate is a small insulating substrate unit slightly larger than the semiconductor element so as to mount only the semiconductor element, and its peripheral portion is made of resin or rubber. Therefore, a substrate that is not easily broken by the resin or rubber in the peripheral portion can be configured.

【0021】更に、請求項6記載の本発明は、請求項5
記載の発明において、前記セラミックス基板が、多角形
または円形であることを要旨とする。
Further, the present invention described in claim 6 provides the present invention according to claim 5.
In the invention described in the above, the gist is that the ceramic substrate is polygonal or circular.

【0022】請求項6記載の本発明にあっては、セラミ
ックス基板が多角形または円形であるため、セラミック
ス基板と樹脂またはゴムとの界面に熱応力が集中せず、
従って亀裂の発生する危険がなく、機械的特性を向上す
ることができる。
According to the present invention, since the ceramic substrate is polygonal or circular, thermal stress does not concentrate on the interface between the ceramic substrate and the resin or rubber.
Therefore, there is no danger of cracking, and the mechanical properties can be improved.

【0023】請求項7記載の本発明は、請求項1または
5記載の発明において、前記セラミックス基板が、窒化
アルミニウムまたは酸化アルミニウムで形成されること
を要旨とする。
According to a seventh aspect of the present invention, in the first or fifth aspect, the ceramic substrate is formed of aluminum nitride or aluminum oxide.

【0024】請求項7記載の本発明にあっては、セラミ
ックス基板が窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウム
で形成されるため、熱伝導性が優れている。
According to the present invention, since the ceramic substrate is made of aluminum nitride or aluminum oxide, it has excellent thermal conductivity.

【0025】また、請求項8記載の本発明は、請求項4
または5記載の発明において、前記樹脂が、エポキシ樹
脂であることを要旨とする。
The present invention according to claim 8 provides the present invention according to claim 4.
Alternatively, in the invention described in Item 5, the resin is an epoxy resin.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。図1は、本発明の一実施形態に係わ
る半導体装置に使用される絶縁基板100の構造を示す
平面図である。同図に示す絶縁基板100は、1枚のセ
ラミックス絶縁基板を細かく分割して形成される小さい
な正六角形状の複数の単位基板モジュール11を同一平
面上に隙間なく配設し、この複数の単位基板モジュール
11の隣接する縁同士を樹脂12で接着し固めて、1枚
の大きな絶縁基板として構成されている。なお、接着剤
を構成する樹脂12は、ゴムでもよいものである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing a structure of an insulating substrate 100 used for a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. The insulating substrate 100 shown in FIG. 1 has a plurality of small regular hexagonal unit substrate modules 11 formed by finely dividing a single ceramic insulating substrate and arranged on the same plane without any gap. Adjacent edges of the substrate module 11 are adhered to each other with a resin 12 and solidified to form one large insulating substrate. Note that the resin 12 constituting the adhesive may be rubber.

【0027】このように構成される絶縁基板100は、
個々の単位基板モジュール11が小さいので、各モジュ
ール当たりに含まれる欠陥の混入確率は低くなり、従っ
て欠陥が原因で絶縁基板100が割れて、絶縁特性が低
下し、半導体素子と放熱板との間が絶縁破壊を起こすと
いうことが極めて低減するようになっている。
The insulating substrate 100 thus configured is
Since the individual unit substrate module 11 is small, the probability of inclusion of a defect included in each module is low, and therefore, the insulating substrate 100 is cracked due to the defect, the insulating characteristics are reduced, and the distance between the semiconductor element and the heat sink is reduced. Is extremely reduced to cause dielectric breakdown.

【0028】また、複数の単位基板モジュール11の間
の隙間を埋める樹脂12は、弾性率がセラミックスに比
較して大きいので、大きな変形が発生した場合には、樹
脂12の部分がほとんど変形し、絶縁基板100は従来
の一体型のセラミックス絶縁基板にない優れた柔軟性を
示す。この結果、温度上昇による変形や取り付け時の変
形に対しても絶縁基板100が割れることがない。
Since the resin 12 filling the gap between the plurality of unit substrate modules 11 has a larger elastic modulus than the ceramics, when a large deformation occurs, the resin 12 is almost deformed, The insulating substrate 100 exhibits excellent flexibility not found in the conventional integrated ceramic insulating substrate. As a result, the insulating substrate 100 is not cracked by deformation due to temperature rise or deformation during mounting.

【0029】図1に示す本実施形態の絶縁基板100の
ように、セラミックス基板を細かい小片に分割すると、
絶縁基板100の面方向に熱伝導率の低い樹脂の隔壁が
形成され、絶縁基板100の全体の熱伝導率が低下する
ので、樹脂12の層をできるだけ薄くして、熱伝導率の
低下を極力抑える必要がある。また、工業的には各単位
基板モジュール11は図1に示すように同一形状のもの
が量産に適しており、望ましい形状である。従って、複
数の単位基板モジュール11を隙間なく敷き詰めるに
は、三角形、四角形、図1のような六角形等の多角形が
望ましい。
When the ceramic substrate is divided into small pieces like the insulating substrate 100 of the present embodiment shown in FIG.
Partitions of resin having low thermal conductivity are formed in the plane direction of the insulating substrate 100, and the thermal conductivity of the entire insulating substrate 100 is reduced. Therefore, the layer of the resin 12 is made as thin as possible to minimize the reduction in thermal conductivity. It needs to be suppressed. Industrially, the unit substrate modules 11 having the same shape as shown in FIG. 1 are suitable for mass production and have a desirable shape. Therefore, in order to spread the plurality of unit board modules 11 without gaps, it is desirable to use a polygon such as a triangle, a square, and a hexagon as shown in FIG.

【0030】また、樹脂12とセラミックス基板の界面
には熱応力が発生しやすく、セラミックスの角部の近辺
の樹脂層に応力集中により亀裂が発生する危険性があ
る。このような観点からも単位基板モジュール11は円
形であることが望ましい。そして、円の大きさを種々変
えた単位基板モジュール11を隙間なく敷き詰め、その
隣接する単位基板モジュール11の縁同士を樹脂12で
接着し、硬化させることにより、機械的特性に優れた割
れにくい絶縁基板100にすることができる。
Further, thermal stress is easily generated at the interface between the resin 12 and the ceramic substrate, and there is a risk that cracks may be generated due to stress concentration in the resin layer near the corners of the ceramic. From such a viewpoint, it is desirable that the unit substrate module 11 is circular. Then, the unit substrate modules 11 having variously changed circle sizes are spread without gaps, and the edges of the adjacent unit substrate modules 11 are adhered to each other with the resin 12 and cured, so that the insulation is excellent in mechanical properties and resistant to cracking. The substrate 100 can be used.

【0031】上述した多角形のもつ量産性と円形のもつ
熱応力の緩和特性を備えたものが六角形の単位基板モジ
ュール11であり、最も効果的な形状である。
The hexagonal unit substrate module 11 having the above-described polygonal mass productivity and circular thermal stress relaxation characteristics is the most effective shape.

【0032】図1に示す絶縁基板100は、具体的には
窒化アルミニウム製の一辺が8mmで厚さが1mmの六
角形の単位基板モジュール11を複数組み合わせ、各単
位基板モジュール11の界面にエポキシ樹脂12を真空
下で含浸硬化させることにより、約80mm×80mm
×1mmの絶縁基板100を作製した。また、比較のた
め、同じ大きさの一体型の1枚の従来の窒化アルミニウ
ム基板を従来品として作製し、本発明の絶縁基板100
とこの従来品とを比較した結果、機械的強度は両者とも
ほとんど変わらなかったが、破壊時の変形量(たわみ
量)では本発明の絶縁基板100が従来品よりも約3倍
大きく、より柔軟な基板であることが確認された。ま
た、30枚試験した結果、従来品はばらつきが大きく、
極端に強度の低いものが2点あったが、本発明の絶縁基
板100には強度の低いものはなかった。
The insulating substrate 100 shown in FIG. 1 is composed of a plurality of hexagonal unit substrate modules 11 each made of aluminum nitride and having a side of 8 mm and a thickness of 1 mm. 12 was impregnated and cured under vacuum to obtain about 80 mm × 80 mm
A 1 mm insulating substrate 100 was produced. For comparison, one integrated aluminum nitride substrate of the same size was manufactured as a conventional product, and the insulating substrate 100 of the present invention was manufactured.
As a result of comparison between the conventional substrate and this conventional product, the mechanical strength was almost the same, but the amount of deformation (deflection) at the time of destruction of the insulating substrate 100 of the present invention was about three times larger than that of the conventional product, and it was more flexible. Substrate was confirmed. In addition, as a result of the 30-sheet test, the conventional product has a large variation,
Although there were two points having extremely low strength, none of the insulating substrates 100 of the present invention had low strength.

【0033】図2は、本発明の他の実施形態に係わる半
導体装置に使用される絶縁基板200の構造を示す平面
図である。同図に示す絶縁基板200は、半導体素子3
のみを実装し得るように半導体素子3よりも若干大きい
実装領域を有するセラミックス基板からなる絶縁基板ユ
ニット110と、この絶縁基板ユニット110の周囲を
樹脂またはゴムで基板状に形成した周囲部120とから
構成される。
FIG. 2 is a plan view showing the structure of an insulating substrate 200 used in a semiconductor device according to another embodiment of the present invention. The insulating substrate 200 shown in FIG.
An insulating substrate unit 110 made of a ceramic substrate having a mounting area slightly larger than the semiconductor element 3 so that only the semiconductor element 3 can be mounted, and a peripheral portion 120 formed of a resin or rubber around the insulating substrate unit 110 in a substrate shape. Be composed.

【0034】一般に、絶縁基板200の中で熱伝導性の
必要な部分は、半導体素子3が実装される部分とその周
辺のみであるので、本実施形態のように、この部分のみ
にセラミックス基板からなる絶縁基板ユニット110を
配設し、その周囲部120を樹脂またはゴムで成形する
ことにより、全体として熱伝導性に優れるとともに、割
れにくい絶縁基板を効果的に作製することができる。な
お、この場合は、周囲部120を薄くする必要がないの
で、図2に示すように、応力集中の少ない円形の絶縁基
板ユニット110が最適である。
Generally, the only portion of the insulating substrate 200 that requires thermal conductivity is the portion on which the semiconductor element 3 is mounted and its periphery. Therefore, as in the present embodiment, only this portion is made of a ceramic substrate. By disposing the insulating substrate unit 110 and molding the peripheral portion 120 thereof with resin or rubber, it is possible to effectively produce an insulating substrate having excellent thermal conductivity as a whole and resistant to cracking. In this case, since the peripheral portion 120 does not need to be thin, a circular insulating substrate unit 110 with less stress concentration is optimal as shown in FIG.

【0035】また、熱が固体内を伝導する際の広がり
は、45度の範囲の内側であるので、図3に示すように
半導体素子3で発生した熱は、矢印で示すように絶縁基
板ユニット110に伝導し、放熱板5に逃げていくが、
その広がりは半導体素子3の端部から45度に広がった
部分である。従って、この45度の範囲内の部分以外の
絶縁基板は、ほとんど熱放散に関与していないことにな
る。そこで、図2に示す本実施形態の絶縁基板200の
ように半導体素子3のみを実装し得るように半導体素子
3よりも若干大きめのセラミックス基板からなる絶縁基
板ユニット110を半導体素子3の直下に配設すること
で熱放散は十分なものになる。そして、この絶縁基板ユ
ニット110の周囲部120は熱放散に関与していない
ので、樹脂またはゴムで形成してもよいことになる。
Further, since the spread of heat when conducted through the solid is inside the range of 45 degrees, the heat generated in the semiconductor element 3 as shown in FIG. Conducted to 110 and escaped to the heat sink 5,
The spread is a portion that spreads 45 degrees from the end of the semiconductor element 3. Therefore, the insulating substrate other than the portion within the range of 45 degrees hardly contributes to heat dissipation. Therefore, an insulating substrate unit 110 composed of a ceramic substrate slightly larger than the semiconductor element 3 is disposed immediately below the semiconductor element 3 so that only the semiconductor element 3 can be mounted like the insulating substrate 200 of the present embodiment shown in FIG. This will provide sufficient heat dissipation. Since the peripheral portion 120 of the insulating substrate unit 110 is not involved in heat dissipation, the peripheral portion 120 may be formed of resin or rubber.

【0036】なお、前記周囲部120を構成する樹脂ま
たは図1の実施形態において単位基板モジュール11間
を接着する接着剤用の樹脂はヒートサイクルに強く、吸
湿時の絶縁低下の少ないエポキシ樹脂が最も優れてい
る。
The resin constituting the peripheral portion 120 or the resin for the adhesive for bonding the unit substrate modules 11 in the embodiment of FIG. Are better.

【0037】図2に示す絶縁基板200において、絶縁
基板ユニット110は具体的には窒化アルミニウム製で
あって、直径が20mmであり、厚さが1mmである。
この絶縁基板ユニット110の周囲を取り囲んでいる周
囲部120をシリコン粉末が60wt%充填したエポキ
シ樹脂で成形し、全体の大きさが約50mm×50mm
×1mmの絶縁基板200として作製し、この絶縁基板
ユニット110の上に一辺が12mmで正方形の半導体
素子3を接合した。
In the insulating substrate 200 shown in FIG. 2, the insulating substrate unit 110 is specifically made of aluminum nitride, having a diameter of 20 mm and a thickness of 1 mm.
A peripheral portion 120 surrounding the periphery of the insulating substrate unit 110 is molded with epoxy resin filled with 60 wt% of silicon powder, and has a total size of about 50 mm × 50 mm.
A semiconductor element 3 having a side of 12 mm and a side of 12 mm was bonded onto the insulating substrate unit 110 as a 1 × 1 mm insulating substrate 200.

【0038】このように構成される絶縁基板200の性
能を比較するため、従来品として同一形状の1枚の一体
化された窒化アルミニウム製の絶縁基板を作製した。そ
して、本発明の絶縁基板200および従来の絶縁基板を
半導体素子3の実装面とは反対側の面で厚さが10mm
の銅製の放熱板を絶縁基板に半田で接続した。このよう
に構成される絶縁基板を常温の静置状態で半導体素子3
に通電し、温度上昇を計測したところ、本発明の絶縁基
板200は従来品とほとんど同じレベルにあり、熱放散
性で遜色はなかった。
In order to compare the performance of the insulating substrate 200 configured as described above, one integrated aluminum nitride insulating substrate having the same shape as a conventional product was manufactured. Then, the insulating substrate 200 of the present invention and the conventional insulating substrate have a thickness of 10 mm on the surface opposite to the mounting surface of the semiconductor element 3.
The copper heat sink was connected to the insulating substrate by soldering. With the insulating substrate thus configured, the semiconductor element 3 is left standing at room temperature.
When the temperature rise was measured, the insulating substrate 200 of the present invention was almost at the same level as the conventional product, and there was no inferior heat dissipation.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
絶縁基板がセラミックス基板を細かく分割した複数の単
位基板モジュールの縁同士を接着剤で接着して、1枚の
セラミックス絶縁基板として構成しているので、各単位
基板モジュールに欠陥が混入する確率が低減し、これに
より機械的強度が増大し、ひいては絶縁特性を向上する
ことができる。
As described above, according to the present invention,
Adhesives are used to bond the edges of a plurality of unit substrate modules in which the insulating substrate is finely divided from the ceramic substrate to form a single ceramic insulating substrate, reducing the probability of defects entering each unit substrate module. Thus, the mechanical strength is increased, and the insulation properties can be improved.

【0040】また、本発明によれば、各単位基板モジュ
ールが多角形または円形の同じ形状であるので、単位基
板モジュールと接着剤との界面に熱応力が集中せず、従
って亀裂の発生する危険がなく、機械的特性を向上する
ことができる。
Further, according to the present invention, since each unit substrate module has the same polygonal or circular shape, thermal stress does not concentrate on the interface between the unit substrate module and the adhesive, and therefore, there is a danger of cracks being generated. And mechanical properties can be improved.

【0041】更に、本発明によれば、絶縁基板の形状が
六角形であるので、量産性と円形のもつ熱応力の緩和特
性を備えることができる。
Furthermore, according to the present invention, since the shape of the insulating substrate is hexagonal, it is possible to provide mass productivity and a circular thermal stress relaxation characteristic.

【0042】本発明によれば、接着剤が樹脂またはゴム
であるので、弾性率が大きく、柔軟であり、セラミック
ス基板に対する変形を樹脂またはゴムからなる接着剤で
吸収し、温度上昇による変形、取り付け時の変形などに
対しても絶縁基板が割れることがない。
According to the present invention, since the adhesive is resin or rubber, it has a high elastic modulus and is flexible, and the deformation on the ceramic substrate is absorbed by the adhesive made of resin or rubber. The insulating substrate does not break even when deformed.

【0043】また、本発明によれば、絶縁基板が半導体
素子のみを実装するように半導体素子よりも若干大きい
程度の小さな絶縁基板ユニットであり、その周囲部は樹
脂またはゴムで構成されているので、周囲部の樹脂また
はゴムにより割れにくい基板を構成できる。
Further, according to the present invention, the insulating substrate is a small insulating substrate unit slightly larger than the semiconductor element so as to mount only the semiconductor element, and its peripheral portion is made of resin or rubber. In addition, a substrate that is not easily broken by the resin or rubber in the peripheral portion can be configured.

【0044】更に、本発明によれば、セラミックス基板
が多角形または円形であるので、セラミックス基板と樹
脂またはゴムとの界面に熱応力が集中せず、従って亀裂
の発生する危険がなく、機械的特性を向上することがで
きる。
Further, according to the present invention, since the ceramic substrate is polygonal or circular, thermal stress does not concentrate on the interface between the ceramic substrate and the resin or rubber, and therefore there is no danger of cracking, and mechanical Characteristics can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施形態に係わる半導体装置に使用
される絶縁基板の構造を示す平面図である。
FIG. 1 is a plan view showing a structure of an insulating substrate used in a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.

【図2】本発明の他の実施形態に係わる半導体装置に使
用される絶縁基板の構造を示す平面図である。
FIG. 2 is a plan view showing a structure of an insulating substrate used in a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.

【図3】図2に示す実施形態における絶縁基板ユニット
における熱伝導特性を示す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing heat conduction characteristics in the insulating substrate unit in the embodiment shown in FIG.

【図4】一般的な半導体装置であるパワーモジュールの
構造を示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a structure of a power module that is a general semiconductor device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

3 半導体素子 5 放熱板 11 単位基板モジュール 12 樹脂 100,200 絶縁基板 110 絶縁基板ユニット 120 周囲部 Reference Signs List 3 semiconductor element 5 heatsink 11 unit substrate module 12 resin 100, 200 insulating substrate 110 insulating substrate unit 120 peripheral part

フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 25/18 H01L 25/04 C (72)発明者 関谷 洋紀 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 木島 研二 東京都府中市東芝町1番地 株式会社東芝 府中工場内 Fターム(参考) 5F036 AA01 BA23 BB08 BE01 Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat II (Reference) H01L 25/18 H01L 25/04 C (72) Inventor Yuki Sekiya 1 Toshiba-cho, Fuchu-shi, Tokyo Toshiba Fuchu Plant (72) Inventor Kenji Kijima 1 Toshiba-cho, Fuchu-shi, Tokyo F-term in the Fuchu Plant of Toshiba Corporation (reference) 5F036 AA01 BA23 BB08 BE01

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 絶縁基板上に半導体素子を実装して構成
される半導体装置において、前記絶縁基板は、セラミッ
クス基板を細かく分割した複数の単位基板モジュール
と、この細かく分割された複数の単位基板モジュールに
よって1枚のセラミックス絶縁基板を構成するように平
面的に並べられた前記複数の単位基板モジュールの縁同
士を互いに接着する接着剤とから構成されることを特徴
とする半導体装置。
In a semiconductor device configured by mounting a semiconductor element on an insulating substrate, the insulating substrate includes a plurality of unit substrate modules obtained by finely dividing a ceramic substrate, and a plurality of unit substrate modules obtained by finely dividing the ceramic substrate. A semiconductor device comprising: an adhesive for bonding edges of the plurality of unit substrate modules arranged in a plane so as to form one ceramic insulating substrate.
【請求項2】 前記複数の単位基板モジュールは、多角
形または円形の同じ形状であることを特徴とする請求項
1記載の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the plurality of unit substrate modules have the same polygonal or circular shape.
【請求項3】 前記多角形は、六角形であることを特徴
とする請求項2記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein said polygon is a hexagon.
【請求項4】 前記接着剤は、樹脂またはゴムであるこ
とを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein said adhesive is resin or rubber.
【請求項5】 絶縁基板上に半導体素子を実装して構成
される半導体装置において、前記絶縁基板は、前記半導
体素子のみを実装し得るように該半導体素子の大きさよ
りも若干大きい実装領域を有するセラミックス基板から
なる絶縁基板ユニットと、該絶縁基板ユニットの周囲を
樹脂またはゴムで基板状に形成した周囲部とから構成さ
れることを特徴とする半導体装置。
5. In a semiconductor device configured by mounting a semiconductor element on an insulating substrate, the insulating substrate has a mounting area slightly larger than the size of the semiconductor element so that only the semiconductor element can be mounted. A semiconductor device comprising: an insulating substrate unit made of a ceramic substrate; and a peripheral portion formed around the insulating substrate unit with a resin or rubber into a substrate shape.
【請求項6】 前記絶縁基板ユニットは、多角形または
円形であることを特徴とする請求項5記載の半導体装
置。
6. The semiconductor device according to claim 5, wherein said insulating substrate unit is polygonal or circular.
【請求項7】 前記セラミックス基板は、窒化アルミニ
ウムまたは酸化アルミニウムで形成されることを特徴と
する請求項1または5記載の半導体装置。
7. The semiconductor device according to claim 1, wherein the ceramic substrate is formed of aluminum nitride or aluminum oxide.
【請求項8】 前記樹脂は、エポキシ樹脂であることを
特徴とする請求項4または5記載の半導体装置。
8. The semiconductor device according to claim 4, wherein the resin is an epoxy resin.
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