JP2002158328A - 電力用半導体装置 - Google Patents

電力用半導体装置

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JP2002158328A
JP2002158328A JP2000350571A JP2000350571A JP2002158328A JP 2002158328 A JP2002158328 A JP 2002158328A JP 2000350571 A JP2000350571 A JP 2000350571A JP 2000350571 A JP2000350571 A JP 2000350571A JP 2002158328 A JP2002158328 A JP 2002158328A
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JP
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pattern
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power semiconductor
solder layer
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Hiroshi Nishibori
弘 西堀
Masakazu Fukada
雅一 深田
Takanobu Yoshida
貴信 吉田
Naoki Yoshimatsu
直樹 吉松
Haruo Takao
治雄 高尾
Nobuyoshi Kimoto
信義 木本
Yasumi Kamigai
康己 上貝
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 回路パターン及び裏面パターンの材質として
Ａｌ合金を採用してコストを抑制しつつも、熱抵抗を低
減し、またハンダ層の熱サイクル性の耐性を向上する電
力用半導体装置を提供する。 【解決手段】 Ｃｕ合金で形成された金属ベース板１上
に、半導体素子基板２が載置されている。半導体素子基
板２は、例えばセラミックスで形成された絶縁基板３を
備えており、更にその上面及び下面にいずれもＡｌ合金
製の回路パターン４及び裏面パターン５を備えている。
裏面パターン５は絶縁基板３の全面に配設され、ハンダ
層８Ｃを介して金属ベース板１上に接合されている。金
属ベース板１及び絶縁基板３の厚さを例えばそれぞれ
３．５〜５．５ｍｍ及び０．５〜１ｍｍに、回路パター
ン４の厚さを０．４〜０．６ｍｍに、裏面パターン５及
びハンダ層８Ｃの厚さをそれぞれ０．２ｍｍ以下及び１
００〜３００μｍに設定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は電力用半導体装置
に関し、特に回路パターンが形成された表主面と、裏面
パターンが形成された裏主面とを有する絶縁基板を採用
し、裏面パターンが金属ベース板上に接合材で接合され
た電力用半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】電力用半導体装置の裏面パターンは、従
来からヒートシンクの機能を担っており、これを金属ベ
ース板上に接合することにより熱放出を行っていた。裏
面パターンや、その反対側である表主面に回路パターン
が形成される絶縁基板は、例えばセラミックスを使用し
て形成される。
【０００３】回路パターン及び裏面パターンの材質とし
て従来はＣｕ（銅）合金（Ｃｕ自体を含む：本明細書に
おいて同様）、あるいはＡｌ（アルミニウム）合金（Ａ
ｌ自体を含む：本明細書において同様）が用いられてい
た。後者の場合、回路パターンの厚さと裏面パターンの
厚さとが同一に、例えば０．４ｍｍや０．５ｍｍに設定
されていた。そして絶縁基板下で裏面パターンと金属ベ
ース板とを接合するハンダ層の厚さは、任意に設定され
ていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】回路パターン及び裏面
パターンの材質としてＣｕ合金を用いた場合には、温度
サイクルによって絶縁基板やハンダ層に早期にクラック
が生じやすい。これに対処するために、金属ベース板の
材質としてＡｌ／ＳｉＣやＣｕ／Ｍｏ材が採用される。
これらの材料はＣｕよりも絶縁基板の材料であるセラミ
ックスに膨張係数が近いからであり、電力用半導体装置
の信頼性が高められている。しかし、Ｃｕ合金よりも高
価であるという難点がある。
【０００５】一方、回路パターン及び裏面パターンの材
質としてＡｌ合金を用いた場合には、セラミックス性の
絶縁基板の耐クラック性を向上させることができる。し
かしハンダ層の早期クラックを解消することまでは期待
できない。そこでやはり金属ベース板の材質としてＡｌ
／ＳｉＣやＣｕ／Ｍｏ材が採用される。
【０００６】特に裏面パターンが０．４〜０．５ｍｍの
厚さのＡｌ合金を用いた場合には、Ｃｕ合金を用いた場
合よりも電気抵抗が増大する。電気抵抗の増大は電力用
半導体装置の全体としての熱抵抗の増大を招来し、絶縁
基板に搭載される半導体素子の熱放散性が悪化する。
【０００７】更にハンダ層の厚さが任意に設定されるた
め、ハンダ層の厚さが不均一に形成される。よって裏面
パターンと金属ベース板との接合において絶縁基板が傾
き、熱抵抗が増大し、目標とする熱抵抗とハンダ層の耐
クラック性能とのバランスが採れなくなる可能性があ
る。これは品質のバラツキ増大や設計変更及び、設計裕
度が小さくなるという問題点がある。更には温度サイク
ルに依るハンダ層のクラックが、ハンダ層が薄くなるコ
ーナー部分から早期に発生し易いという問題点もある。
これは熱抵抗の増大、ひいては電力用半導体素子の破壊
に至りやすい。
【０００８】本発明は上記の問題点を径欠するためにな
されたもので、回路パターン及び裏面パターンの材質と
してＡｌ合金を採用してコストを抑制しつつも、熱抵抗
を低減し、またハンダ層の熱サイクル性の耐性を向上す
る電力用半導体装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この発明のうち請求項１
にかかるものは電力用半導体装置であって、厚さが０．
５〜１ｍｍのセラミック基板と、前記セラミック基板の
表主面においてアルミニウム合金で形成され、電力用半
導体素子が載置される０．４〜０．６ｍｍの厚さの回路
パターンと、前記セラミック基板の前記表主面とは反対
側の裏主面に０．２ｍｍ以下の厚さの前記アルミニウム
合金で全面に配設される裏面パターンと、厚さ３．５〜
５．５ｍｍの銅合金で形成され、前記裏面パターンと対
向する金属ベース板と、前記裏面パターンの全面と前記
金属ベース板との間に介在して両者を接合する厚さ１０
０〜３００μｍのハンダ層とを備える。
【００１０】この発明のうち請求項２にかかるものは電
力用半導体装置であって、厚さが０．５〜１ｍｍのセラ
ミック基板と、前記セラミック基板の表主面においてア
ルミニウム合金で形成され、電力用半導体素子が載置さ
れる０．４〜０．６ｍｍの厚さの回路パターンと、前記
セラミック基板の前記表主面とは反対側の裏主面に０．
１ｍｍ以下の厚さのメタライズ層で全面に配設される裏
面パターンと、厚さ３．５〜５．５ｍｍの銅合金で形成
され、前記裏面パターンと対向する金属ベース板と、前
記裏面パターンの全面と前記金属ベース板との間に介在
して両者を接合する厚さ５０〜４００μｍのハンダ層と
を備える。
【００１１】この発明のうち請求項３にかかるものは、
請求項１又は請求項２に記載の電力用半導体装置であっ
て、前記裏面パターン上に配設されたワイヤバンプを更
に備える。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１は以下の実施の形態に共通し
て適用される電力用半導体装置の構成を例示する断面図
である。
【００１３】Ｃｕ合金で形成された金属ベース板１上
に、半導体素子基板２が載置されている。詳細には半導
体素子基板２は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、
アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等のセラミックスで形成された絶
縁基板３を備えており、更にその上面及び下面には回路
パターン４及び裏面パターン５をそれぞれがロウ材など
を用いて接合して備えている。回路パターン４及び裏面
パターン５はいずれもＡｌ合金で形成されている。金属
ベース板１の厚さは例えば３．５〜５．５ｍｍに設定さ
れ、絶縁基板３の厚さは例えば０．５〜１ｍｍに設定さ
れ、回路パターン４の厚さは０．４〜０．６ｍｍに設定
されている。裏面パターン５は絶縁基板３の全面に配設
されている。
【００１４】回路パターン４には電力用ＭＯＳトランジ
スタなどの第１の半導体素子６及びフリーホイールダイ
オードなどの第２の半導体素子７が、それぞれハンダ層
８Ａ，８Ｂを介して載置されている。一方、裏面パター
ン５はハンダ層８Ｃを介して金属ベース板１上に接合さ
れている。金属ベース板１は半導体素子基板２のヒート
シンクとして機能する。
【００１５】金属ベース板１上には、半導体素子基板２
を囲みつつケース１０が載置され、ケース１０には半導
体素子基板２に対向する側に蓋１２が載置される。主回
路端子１１はケース１０に保持されており、内部接続用
アルミワイヤ１３によって第１及び第２の半導体素子
６，７と電気的に接続される。
【００１６】図２は半導体素子基板２近傍の構成要素の
厚さを図示する断面図である。本発明において厚さ
ｔ2，ｔ3は、それぞれ裏面パターン５及びハンダ層８Ｃ
の厚さを示す。
【００１７】実施の形態１．図３は本発明の構成を説明
するグラフであり、線群Ｌ１は熱サイクルによってハン
ダ層８Ｃに生じる歪みε（無名数）の、線群Ｌ２は熱抵
抗Ｒth（℃／Ｗ）の、いずれもハンダ層８Ｃの厚さｔ3
に対する依存性を示す。
【００１８】熱サイクルの条件としては、−４０〜１２
５℃であり、その回数は高い信頼性が要求される電鉄用
や自動車用のパワーモジュールにおいて１０００〜１５
００サイクルが目標とされる。
【００１９】線群Ｌ１において線Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１
３，Ｌ１４はそれぞれ裏面パターン５の厚さｔ2が０．
１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍの場合を
示し、線群Ｌ２において線Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３，Ｌ
２４はそれぞれ裏面パターン５の厚さｔ2が０．１ｍ
ｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍの場合を示
す。セラミックスで形成された絶縁基板３に対してＡｌ
箔を裏面パターン５として接合する場合にはほぼ０．１
ｍｍ程度が下限と考えられる。金属ベース板１、絶縁基
板３、回路パターン４の上述の厚さの範囲内ではこれら
の厚さによっては線Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ１４，
Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３，Ｌ２４は殆ど変動しない。な
お、比較のために回路パターン４及び裏面パターン５に
Ｃｕ合金を用いた場合、具体的には前者として０．３ｍ
ｍ、後者として０．１５ｍｍを形成した場合を、線Ｌ１
９，Ｌ２９（それぞれ線群Ｌ１，Ｌ２に属する）として
画いている。
【００２０】ハンダ層８Ｃの厚さｔ3が厚いほど、また
裏面パターン５の厚さｔ2が薄いほど、ハンダ層８Ｃに
生じる歪みεは低下する。回路パターン４及び裏面パタ
ーン５にＣｕ合金を用いた場合（線Ｌ１９）よりも小さ
な歪みεを得るには、Ａｌ合金を用いた場合にはその厚
さｔ2が０．１ｍｍ（線Ｌ１１）であることが望まし
い。しかし、ハンダ層８Ｃに生じる歪みεを許容値ε0
よりも小さくするためには、裏面パターン５の厚さｔ2
が０．１ｍｍの場合にはハンダ層８Ｃの厚さｔ3は１０
０μｍ以上必要である。
【００２１】ハンダ層８Ｃの厚さｔ3が薄いほど、また
裏面パターン５の厚さｔ2が薄いほど、熱抵抗Ｒthは低
下する。回路パターン４及び裏面パターン５にＣｕ合金
を用いた場合（線Ｌ２９）よりも小さな熱抵抗は得られ
ていないが、Ａｌ合金を用いた場合にはその厚さｔ2が
０．１ｍｍであること（線Ｌ２１）が望ましい。しか
し、熱抵抗Ｒthを許容値Ｒth0よりも小さくするために
は、裏面パターン５の厚さｔ2が０．１ｍｍ（線Ｌ２
１）の場合であっても、ハンダ層８Ｃの厚さｔ3は３０
０μｍ以下に設定されることが望ましい。一方、裏面パ
ターン５の厚さｔ2が０．２ｍｍの場合（線Ｌ１２）で
あっても、ハンダ層８Ｃの厚さｔ3が３００μｍであれ
ばハンダ層８Ｃに生じる歪みεは許容値ε0よりも小さ
い。
【００２２】以上のことから、回路パターン４及び裏面
パターン５をいずれもＡｌ合金で形成した場合には、例
えば金属ベース板１、絶縁基板３、回路パターン４の上
述の厚さの範囲において、裏面パターン５の厚さｔ2が
０．２ｍｍ以下の場合に、ハンダ層８Ｃの厚さｔ3を１
００〜３００μｍの範囲に設定すれば歪みεと熱抵抗Ｒ
thとを好適に抑制することができ、放熱性とヒートサイ
クルに優れた電力用半導体装置を提供することができ
る。しかも金属ベース板１には高価なＡｌ／ＳｉＣやＣ
ｕ／Ｍｏ材を採用する必要が無く、安価なＣｕ合金を採
用することができる。
【００２３】勿論、回路パターン４及び裏面パターン５
にＣｕ合金を用いた場合と比較して、Ａｌ合金を使用し
た場合のメリットは従来通り享受できる。即ち、弾性係
数が小さい故に絶縁基板３に対して掛ける応力が小さい
という点、回路パターン４へ第１及び第２の半導体素子
６，７をハンダ層８Ａ，８Ｂで接合して搭載する際にも
ハンダの飛沫が付着しにくいという点、のいずれのメリ
ットも得られる。
【００２４】実施の形態２．線群Ｌ１における線Ｌ１
０、線群Ｌ２における線Ｌ２０は、いずれもメタライズ
層を裏面パターン５として採用した場合を示している。
金属ベース板１、絶縁基板３、回路パターン４の上述の
厚さの範囲内では、これらの厚さによっては線Ｌ１０，
Ｌ２０は殆ど変動しない。当該メタライズ層は公知のメ
タライズ技術、例えば溶射や蒸着で形成することがで
き、その膜厚は０．００５〜０．１ｍｍに、望ましくは
０．０２０ｍｍ以下に設定される。メタライズ層の材料
としては、Ｍｏ−Ｍｎ（モリブデン−マンガン）、Ｗ
（タングステン）を採用することができる。あるいは回
路パターン４と絶縁基板３との間に設けられるロウ材、
例えばＡｌ系の材料を用いても良い。いずれにしてもメ
タライズ層の表面、即ち金属ベース板１と接合される側
は、ハンダ層８Ｃとの密着性、濡れ性を向上させるため
に、Ｎｉ（ニッケル）メッキを施すことが望ましい。
【００２５】このようにメタライズ層を裏面パターン５
として採用することにより、その膜厚を非常に薄くでき
るので、ハンダ層８Ｃの厚さｔ3の選択範囲は広がる。
具体的には、例えば金属ベース板１、絶縁基板３、回路
パターン４の上述の厚さの範囲において、ハンダ層８Ｃ
に生じる歪みεはハンダ層８Ｃの厚さｔ3が５０μｍ以
上あれば許容値ε0よりも小さくでき、熱抵抗Ｒthはハ
ンダ層８Ｃの厚さｔ3が４００μｍ以下であれば許容値
Ｒth0よりも小さくできる。つまりハンダ層８Ｃの厚さ
ｔ3は５０〜４００μｍの間で設定できる。
【００２６】以上のことから本実施の形態によれば、ハ
ンダ層８Ｃの厚さも薄くすることができ、結果として放
熱性、生産性に優れ、安価な電力用半導体装置を提供す
ることができる。
【００２７】実施の形態３．図１や図２に示されるよう
に、裏面パターン５と金属ベース板１との間にはハンダ
層８Ｃに接触して、例えばＡｌ製のワイヤバンプ９が挟
まれており、金属ベース板１と半導体素子基板２との間
隔を均一にする機能を果たしている。
【００２８】これにより裏面パターン５と金属ベース板
１との接合において絶縁基板３が傾くことを回避でき
る。そして裏面パターン５と金属ベース板１との間隔を
確保することができ、ハンダ層８Ｃの厚さを均一にし易
く、よってその薄肉化も容易とする。従って生産性に優
れ、コスト低減に極めて有効である。
【００２９】なお、ワイヤバンプ９の直径は放熱性及び
信頼性を考慮して５０〜４００μｍ程度が望ましく、そ
れ故、上記２つの実施の形態にはもちろん適応できる。
【００３０】
【発明の効果】この発明のうち請求項１にかかる発明に
よれば、放熱性とヒートサイクルに優れた電力用半導体
装置を提供することができる。
【００３１】この発明のうち請求項２にかかる発明によ
れば、裏面パターンにメタライズ層を採用したので、そ
の厚さを薄くすることができるのみならず、ハンダ層の
厚さも薄くすることができ、結果として放熱性、生産性
に優れ、安価な電力用半導体装置を提供することができ
る。
【００３２】この発明のうち請求項３にかかる発明によ
れば、裏面パターンと金属ベース板との接合においてセ
ラミック基板が傾くことを回避できる。裏面パターンと
金属ベース板との間隔を確保することができ、ハンダ層
の厚さを均一にし易く、よってその薄肉化も容易とす
る。従って生産性に優れ、コスト低減に極めて有効であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明が適用可能な電力用半導体装置を例示
する断面図である。
【図２】 半導体素子基板２近傍の構成要素の厚さを示
す断面図である。
【図３】 本発明の構成を説明するグラフである。
【符号の説明】
１ 金属ベース板、３ 絶縁基板、４ 回路パターン、
５ 裏面パターン、６第１の半導体素子、７ 第２の半
導体素子、８Ｃ ハンダ層、９ ワイヤバンプ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 貴信 福岡県福岡市西区今宿東一丁目１番１号 福菱セミコンエンジニアリング株式会社内 (72)発明者 吉松 直樹 福岡県福岡市西区今宿東一丁目１番１号 福菱セミコンエンジニアリング株式会社内 (72)発明者 高尾 治雄 福岡県福岡市西区今宿東一丁目１番１号 福菱セミコンエンジニアリング株式会社内 (72)発明者 木本 信義 福岡県福岡市西区今宿東一丁目１番１号 福菱セミコンエンジニアリング株式会社内 (72)発明者 上貝 康己 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 厚さが０．５〜１ｍｍのセラミック基板
    と、 前記セラミック基板の表主面においてアルミニウム合金
    で形成され、電力用半導体素子が載置される０．４〜
    ０．６ｍｍの厚さの回路パターンと、 前記セラミック基板の前記表主面とは反対側の裏主面に
    ０．２ｍｍ以下の厚さの前記アルミニウム合金で全面に
    配設される裏面パターンと、 厚さ３．５〜５．５ｍｍの銅合金で形成され、前記裏面
    パターンと対向する金属ベース板と、 前記裏面パターンの全面と前記金属ベース板との間に介
    在して両者を接合する厚さ１００〜３００μｍのハンダ
    層とを備える電力用半導体装置。
  2. 【請求項２】 厚さが０．５〜１ｍｍのセラミック基板
    と、 前記セラミック基板の表主面においてアルミニウム合金
    で形成され、電力用半導体素子が載置される０．４〜
    ０．６ｍｍの厚さの回路パターンと、 前記セラミック基板の前記表主面とは反対側の裏主面に
    ０．１ｍｍ以下の厚さのメタライズ層で全面に配設され
    る裏面パターンと、 厚さ３．５〜５．５ｍｍの銅合金で形成され、前記裏面
    パターンと対向する金属ベース板と、 前記裏面パターンの全面と前記金属ベース板との間に介
    在して両者を接合する厚さ５０〜４００μｍのハンダ層
    とを備える電力用半導体装置。
  3. 【請求項３】 前記裏面パターン上に配設されたワイヤ
    バンプを更に備える、請求項１又は請求項２記載の電力
    用半導体装置。
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