JP2002299495A - 半導体回路基板 - Google Patents
半導体回路基板Info
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- H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
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- H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
Abstract
(57)【要約】
【課題】銅パターンと絶縁基板の熱膨張係数差による熱
応力が小さく、銅パターンと絶縁基板の接合界面の剥離
や絶縁基板２の割れが生じ難く、銅パターン層が厚く、
耐ヒートサイクル性に優れた高い信頼性を有する半導体
回路基板を提供すること。 【解決手段】絶縁基板２上に銅パターン７が固着し、銅
パターン２上にはんだ４を介して半導体チップが固着す
る。銅パターン７には銅パターン表面に応力吸収目的の
溝８を設ける。
応力が小さく、銅パターンと絶縁基板の接合界面の剥離
や絶縁基板２の割れが生じ難く、銅パターン層が厚く、
耐ヒートサイクル性に優れた高い信頼性を有する半導体
回路基板を提供すること。 【解決手段】絶縁基板２上に銅パターン７が固着し、銅
パターン２上にはんだ４を介して半導体チップが固着す
る。銅パターン７には銅パターン表面に応力吸収目的の
溝８を設ける。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体回路基板に係
り、配線抵抗低減のために導電部の銅パターンを厚くし
ても冷熱サイクルに対する耐性を維持でき、絶縁基板と
銅パターンの剥離及び絶縁基板の割れの無い、信頼性に
優れた半導体回路基板に関する。
り、配線抵抗低減のために導電部の銅パターンを厚くし
ても冷熱サイクルに対する耐性を維持でき、絶縁基板と
銅パターンの剥離及び絶縁基板の割れの無い、信頼性に
優れた半導体回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の技術では、図３に示すように導電
部である銅パターン１と絶縁部であるアルミナ等の絶縁
基板２とを直接接合法（ＤＢＣ法）や活性金属接合法等
により接合した半導体回路基板６０を使用している。半
導体回路基板６０は各種電気・電子部品の実装に使用さ
れるが、特にＩＧＢＴ等のパワーモジュールでは、発熱
体である半導体チップ３が、直接、半導体回路基板６０
の表面に実装されるので、半導体チップ３から発生する
熱により半導体回路基板の温度は１５０℃近くまで上昇
する。半導体チップ３は導電部である銅パターン１には
んだ４等を用いて接合されており、半導体チップ３で発
生した熱は銅パターン１を通じて絶縁基板２および図示
しない銅ベースや冷却フィン等に伝導させ冷却を行う。
部である銅パターン１と絶縁部であるアルミナ等の絶縁
基板２とを直接接合法（ＤＢＣ法）や活性金属接合法等
により接合した半導体回路基板６０を使用している。半
導体回路基板６０は各種電気・電子部品の実装に使用さ
れるが、特にＩＧＢＴ等のパワーモジュールでは、発熱
体である半導体チップ３が、直接、半導体回路基板６０
の表面に実装されるので、半導体チップ３から発生する
熱により半導体回路基板の温度は１５０℃近くまで上昇
する。半導体チップ３は導電部である銅パターン１には
んだ４等を用いて接合されており、半導体チップ３で発
生した熱は銅パターン１を通じて絶縁基板２および図示
しない銅ベースや冷却フィン等に伝導させ冷却を行う。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】図３に示すように半導
体チップ３が発する熱により銅パターン１と絶縁基板２
との接合界面５に応力が生じる。これは銅パターン１と
絶縁基板２の熱膨張係数が大きく違うことによるもので
あり、銅パターン材料である銅の熱膨張係数は絶縁基板
材料（例えばアルミナなど）の熱膨張係数よりも大き
く、高温時には図４に示すように銅パターン１の膨張量
の方が絶縁基板２の膨張量よりも大きいため接合界面に
図に示した矢印の方向のせん断力応力が生じる。また低
温時にはこの逆で、図５に示すように絶縁基板２よりも
銅パターン１の方の収縮量が大きいため、図５に示した
矢印の方向のせん断応力が生じる。
体チップ３が発する熱により銅パターン１と絶縁基板２
との接合界面５に応力が生じる。これは銅パターン１と
絶縁基板２の熱膨張係数が大きく違うことによるもので
あり、銅パターン材料である銅の熱膨張係数は絶縁基板
材料（例えばアルミナなど）の熱膨張係数よりも大き
く、高温時には図４に示すように銅パターン１の膨張量
の方が絶縁基板２の膨張量よりも大きいため接合界面に
図に示した矢印の方向のせん断力応力が生じる。また低
温時にはこの逆で、図５に示すように絶縁基板２よりも
銅パターン１の方の収縮量が大きいため、図５に示した
矢印の方向のせん断応力が生じる。
【０００４】半導体回路基板６０を用いた装置のスイッ
チングや使用環境温度の変化による冷熱繰り返しによ
り、銅パターン１と絶縁基板２の接合面５には繰り返し
応力が加わり、接合端部に生じる集中応力により接合端
部にクラックが生じ、さらには同パターン１と絶縁基板
２の接合面５（界面）に剥離が生じる。すなわち熱応力
による疲労破壊が生じ、図示しない銅ベースや冷却フィ
ン等への熱伝導ができないという問題が生ずる。
チングや使用環境温度の変化による冷熱繰り返しによ
り、銅パターン１と絶縁基板２の接合面５には繰り返し
応力が加わり、接合端部に生じる集中応力により接合端
部にクラックが生じ、さらには同パターン１と絶縁基板
２の接合面５（界面）に剥離が生じる。すなわち熱応力
による疲労破壊が生じ、図示しない銅ベースや冷却フィ
ン等への熱伝導ができないという問題が生ずる。
【０００５】さらに、半導体チップ本体の温度はスイッ
チング損失やスイッチング速度，耐圧等のチップ性能に
影響し、温度を低く維持することが大変重要である。半
導体チップの性能を充分に発揮するには半導体チップ及
びパッケージ全体の効率よい冷却が必要であり、銅パタ
ーン１と絶縁基板２は高い接合信頼性を持っている必要
がある。特に、機器の小型化のためのパッケージ寸法の
小型化及びパッケージ内の半導体チップの高密度実装で
は放熱性能が非常に重要な技術となる。また、半導体パ
ッケージの電力損失はなるべく小さく抑える必要がある
が、銅パターン１の配線抵抗による電力損失が問題とな
る。銅パターンを厚くすることで配線抵抗の低減が可能
となるが、銅パターン１を厚くすることで銅パターン１
と絶縁基板２との接合界面５に生ずる熱応力が増大し、
耐ヒートサイクル性が落ちるという問題がある。銅パタ
ーンによる配線に替え、空中配線による太線化が考えら
れるが、パッケージ寸法、特にパッケージの高さが設計
上決められている場合には空中配線ができず、銅パター
ンによる配線構造を取るしかない。
チング損失やスイッチング速度，耐圧等のチップ性能に
影響し、温度を低く維持することが大変重要である。半
導体チップの性能を充分に発揮するには半導体チップ及
びパッケージ全体の効率よい冷却が必要であり、銅パタ
ーン１と絶縁基板２は高い接合信頼性を持っている必要
がある。特に、機器の小型化のためのパッケージ寸法の
小型化及びパッケージ内の半導体チップの高密度実装で
は放熱性能が非常に重要な技術となる。また、半導体パ
ッケージの電力損失はなるべく小さく抑える必要がある
が、銅パターン１の配線抵抗による電力損失が問題とな
る。銅パターンを厚くすることで配線抵抗の低減が可能
となるが、銅パターン１を厚くすることで銅パターン１
と絶縁基板２との接合界面５に生ずる熱応力が増大し、
耐ヒートサイクル性が落ちるという問題がある。銅パタ
ーンによる配線に替え、空中配線による太線化が考えら
れるが、パッケージ寸法、特にパッケージの高さが設計
上決められている場合には空中配線ができず、銅パター
ンによる配線構造を取るしかない。
【０００６】本発明の目的は、前記の課題を解決して、
冷熱繰り返し時の銅パターン１と絶縁基板２の熱膨張係
数差による熱応力を低減し、銅パターン１と絶縁基板２
の接合面５（界面）の剥離や絶縁基板２の割れが生じる
ことがなく、損失電力低減のための配線抵抗低減目的で
銅パターン層の厚さを厚くしても、耐ヒートサイクル性
に優れた高い信頼性を有する半導体回路基板を提供する
ことにある。
冷熱繰り返し時の銅パターン１と絶縁基板２の熱膨張係
数差による熱応力を低減し、銅パターン１と絶縁基板２
の接合面５（界面）の剥離や絶縁基板２の割れが生じる
ことがなく、損失電力低減のための配線抵抗低減目的で
銅パターン層の厚さを厚くしても、耐ヒートサイクル性
に優れた高い信頼性を有する半導体回路基板を提供する
ことにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、絶縁基板と、該絶縁基板上に、一方の面を固着し
た配線導体とからなる半導体回路基板であって、前記配
線導体の他方の面に溝を形成する構成とする。また、絶
縁基板と、該絶縁基板上に、一方の面を固着した配線導
体からなる半導体回路基板であって、前記配線導体の一
方の面の前記絶縁基板との固着箇所と、前記絶縁基板の
前記配線導体との固着箇所とがそれぞれ凹凸を有し、前
記配線導体の凹凸と、前記絶縁基板の凹凸が嵌合して固
着するとよい。
めに、絶縁基板と、該絶縁基板上に、一方の面を固着し
た配線導体とからなる半導体回路基板であって、前記配
線導体の他方の面に溝を形成する構成とする。また、絶
縁基板と、該絶縁基板上に、一方の面を固着した配線導
体からなる半導体回路基板であって、前記配線導体の一
方の面の前記絶縁基板との固着箇所と、前記絶縁基板の
前記配線導体との固着箇所とがそれぞれ凹凸を有し、前
記配線導体の凹凸と、前記絶縁基板の凹凸が嵌合して固
着するとよい。
【０００８】また、前記配線導体の凹凸と前記絶縁基板
の凹凸は前記固着箇所の端部に設けるとよい。また、前
記溝の合計体積が、前記配線導体の全体積に対して、１
０％以上で、５０％以下であるとよい。前記のように、
配線導体の表面に溝を設け、この部分で配線導体と絶縁
基板２の熱膨張係数差により発生した熱応力を吸収す
る。
の凹凸は前記固着箇所の端部に設けるとよい。また、前
記溝の合計体積が、前記配線導体の全体積に対して、１
０％以上で、５０％以下であるとよい。前記のように、
配線導体の表面に溝を設け、この部分で配線導体と絶縁
基板２の熱膨張係数差により発生した熱応力を吸収す
る。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１実施例の半
導体回路基板の要部断面図である。半導体回路基板５０
は、銅パターン７（配線導体のこと）と絶縁基板２で構
成される。絶縁基板２上に銅パターン７が固着し、銅パ
ターン２上にはんだ４を介して半導体チップが固着す
る。
導体回路基板の要部断面図である。半導体回路基板５０
は、銅パターン７（配線導体のこと）と絶縁基板２で構
成される。絶縁基板２上に銅パターン７が固着し、銅パ
ターン２上にはんだ４を介して半導体チップが固着す
る。
【００１０】銅パターン７には銅パターン表面に応力吸
収目的の溝８が設けてある。半導体チップ３で生じた熱
は、ハンダ４を介して銅パターン７に伝導し、さらに、
絶縁基板２に伝導する。その後、熱は絶縁基板下部に設
置した図示しない銅ベース及び図示しない冷却装置等に
伝導し、冷却される。銅パターン７に設けた溝８は、巾
５ｍｍ×厚さ０．３ｍｍの銅パターンでは例えば溝の幅
Ｗは１ｍｍで溝と溝の間隔を１ｍｍとし、深さＴは例え
ば０．１５ｍｍとして、銅パターン７の全体積に対し
て、複数個の溝８の合計体積が４０％になるようにし
た。また、溝の形状がストライブ状の場合、その溝１個
の体積は、Ｗ×Ｔ×奥行き（紙面に垂直方向の長さ）と
なる。
収目的の溝８が設けてある。半導体チップ３で生じた熱
は、ハンダ４を介して銅パターン７に伝導し、さらに、
絶縁基板２に伝導する。その後、熱は絶縁基板下部に設
置した図示しない銅ベース及び図示しない冷却装置等に
伝導し、冷却される。銅パターン７に設けた溝８は、巾
５ｍｍ×厚さ０．３ｍｍの銅パターンでは例えば溝の幅
Ｗは１ｍｍで溝と溝の間隔を１ｍｍとし、深さＴは例え
ば０．１５ｍｍとして、銅パターン７の全体積に対し
て、複数個の溝８の合計体積が４０％になるようにし
た。また、溝の形状がストライブ状の場合、その溝１個
の体積は、Ｗ×Ｔ×奥行き（紙面に垂直方向の長さ）と
なる。
【００１１】尚、図６に示すように、溝８の平面形状
は、ストライプ状、円形状、多角形状、リング状などで
ある。また、溝８は、銅パターン７全面に、ほぼ均等に
形成される。熱膨張係数は、絶縁基板材料（例えばアル
ミナ等）よりも銅パターン７の方が大きいので、熱高温
時においては銅パターン７は絶縁基板２よりも熱膨張量
が大きく、銅パターン７と絶縁基板２との接合面５（界
面）に応力が生じるが、銅パターン７に設けた溝８の部
分には膨張に寄与する材料が無く、さらにこの空隙によ
り銅パターン７の熱膨張による変形が吸収されることに
より、銅パターン７と絶縁基板２との接合界面５に生ず
る応力が緩和される。これにより、スイッチングや使用
環境温度の変化による冷熱繰り返しに対し、銅パターン
７と絶縁基板２との接合面５からの剥離及び絶縁基板２
のクラックの発生は無く、耐ヒートサイクル性に優れた
信頼性の高い半導体回路基板とすることができる。
は、ストライプ状、円形状、多角形状、リング状などで
ある。また、溝８は、銅パターン７全面に、ほぼ均等に
形成される。熱膨張係数は、絶縁基板材料（例えばアル
ミナ等）よりも銅パターン７の方が大きいので、熱高温
時においては銅パターン７は絶縁基板２よりも熱膨張量
が大きく、銅パターン７と絶縁基板２との接合面５（界
面）に応力が生じるが、銅パターン７に設けた溝８の部
分には膨張に寄与する材料が無く、さらにこの空隙によ
り銅パターン７の熱膨張による変形が吸収されることに
より、銅パターン７と絶縁基板２との接合界面５に生ず
る応力が緩和される。これにより、スイッチングや使用
環境温度の変化による冷熱繰り返しに対し、銅パターン
７と絶縁基板２との接合面５からの剥離及び絶縁基板２
のクラックの発生は無く、耐ヒートサイクル性に優れた
信頼性の高い半導体回路基板とすることができる。
【００１２】また、前記した銅パターン７に設けた溝８
の幅Ｗおよび深さＴの寸法は、銅パターン７のシート抵
抗値が１ｍΩ／□程度になるようにしながら、溝８の合
計体積を銅パターン７の全体積の１０％から５０％にな
るように決めるとよい。溝８の体積が１０％未満となる
と、銅パターン７の体積が大きくなり、銅パターン７と
絶縁基板２との接合界面５の応力は大きくなる。そのた
め、接合界面５からの剥離や絶縁基板２のクラックの発
生が起こる。一方、溝８の合計体積が銅パターン７の全
体積の５０％を超すと１ｍΩ／□程度のシート抵抗値を
確保する銅パターン７の体積（厚さ）が大きくなり過ぎ
て好ましくない。
の幅Ｗおよび深さＴの寸法は、銅パターン７のシート抵
抗値が１ｍΩ／□程度になるようにしながら、溝８の合
計体積を銅パターン７の全体積の１０％から５０％にな
るように決めるとよい。溝８の体積が１０％未満となる
と、銅パターン７の体積が大きくなり、銅パターン７と
絶縁基板２との接合界面５の応力は大きくなる。そのた
め、接合界面５からの剥離や絶縁基板２のクラックの発
生が起こる。一方、溝８の合計体積が銅パターン７の全
体積の５０％を超すと１ｍΩ／□程度のシート抵抗値を
確保する銅パターン７の体積（厚さ）が大きくなり過ぎ
て好ましくない。
【００１３】図２は、本発明の第２実施例の半導体回路
基板の要部断面図である。図２に示す半導体回路基板５
０では、銅パターン９に第１実施例で述べた銅パターン
７と同様の応力緩和目的の溝８が設置されており、さら
に、絶縁基板１１と固着する銅パターン９の接合面５に
溝１０を形成し、表面を凹凸にして、その凹凸と、噛み
合うように絶縁基板１１の固着面も凹凸にして、互いに
噛み合わせて、銅パターン９と絶縁基板１１を接合面５
で固着する。
基板の要部断面図である。図２に示す半導体回路基板５
０では、銅パターン９に第１実施例で述べた銅パターン
７と同様の応力緩和目的の溝８が設置されており、さら
に、絶縁基板１１と固着する銅パターン９の接合面５に
溝１０を形成し、表面を凹凸にして、その凹凸と、噛み
合うように絶縁基板１１の固着面も凹凸にして、互いに
噛み合わせて、銅パターン９と絶縁基板１１を接合面５
で固着する。
【００１４】このように、銅パターン９の接合面５にも
溝１０を形成することで、溝８、１０の合計体積を増や
すことができるために、銅パターン９の厚さＬを厚くし
ても、銅パターン９の線膨張量を減少させることができ
る。また、溝８、１０の合計体積を銅パターン９の全体
積に対して１０％から５０％にすることで、銅パターン
９の絶縁基板１１からの剥離や絶縁基板１１のクラック
は発生しない。また、銅パターン９の厚さＬを厚くでき
るために、シート抵抗値の確保が第１実施例より容易に
なる。
溝１０を形成することで、溝８、１０の合計体積を増や
すことができるために、銅パターン９の厚さＬを厚くし
ても、銅パターン９の線膨張量を減少させることができ
る。また、溝８、１０の合計体積を銅パターン９の全体
積に対して１０％から５０％にすることで、銅パターン
９の絶縁基板１１からの剥離や絶縁基板１１のクラック
は発生しない。また、銅パターン９の厚さＬを厚くでき
るために、シート抵抗値の確保が第１実施例より容易に
なる。
【００１５】尚、前記の銅パターン９および絶縁基板１
１の固着面に形成した凹凸は、それぞれの外周部のみに
設けても構わない。
１の固着面に形成した凹凸は、それぞれの外周部のみに
設けても構わない。
【００１６】
【発明の効果】本発明によれば、銅パターンに溝を形成
し銅パターンの体積を減少されることで、銅パターンと
絶縁基板との接合界面に生ずる応力集中が緩和され、銅
パターンと絶縁基板との接合界面からの剥離発生のな
い、耐ヒートサイクル性に優れた半導体回路基板を得る
ことができる。
し銅パターンの体積を減少されることで、銅パターンと
絶縁基板との接合界面に生ずる応力集中が緩和され、銅
パターンと絶縁基板との接合界面からの剥離発生のな
い、耐ヒートサイクル性に優れた半導体回路基板を得る
ことができる。
【００１７】また、銅パターンの絶縁基板との固着面に
も溝を形成することで、銅パターンを厚くしても、銅パ
ターンと絶縁基板との接合界面に生ずる応力を低く抑え
ることができ、低配線抵抗で耐ヒートサイクル性に優れ
た半導体回路基板を得ることができる。
も溝を形成することで、銅パターンを厚くしても、銅パ
ターンと絶縁基板との接合界面に生ずる応力を低く抑え
ることができ、低配線抵抗で耐ヒートサイクル性に優れ
た半導体回路基板を得ることができる。
【図１】本発明の第１実施例の半導体回路基板の要部断
面図
面図
【図２】本発明の第２実施例の半導体回路基板の要部断
面図
面図
【図３】従来の半導体回路基板の要部断面図
【図４】従来の半導体回路基板の断面図における高温時
の状態示す図
の状態示す図
【図５】従来の半導体回路基板の断面図における低温時
の状態を示す図
の状態を示す図
【図６】溝の平面形状を示す図
【符号の説明】 １、７、９ 銅パターン ２、１１ 絶縁基板 ３ 半導体チップ ４ はんだ ５ 接合面 ８、１０ 溝 ５０、６０ 半導体回路基板 Ｗ 溝の幅 Ｔ 溝の深さ Ｌ 銅パターンの厚み
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5E338 AA01 AA18 BB02 BB19 BB25 BB61 BB72 CC01 CD05 EE01 EE27 EE28 EE51 5E343 AA24 BB01 BB24 BB54 GG02
Claims (4)
- 【請求項１】絶縁基板と、該絶縁基板上に、一方の面を
固着した配線導体とからなる半導体回路基板であって、
前記配線導体の他方の面に溝を有することを特徴とする
半導体回路基板。 - 【請求項２】絶縁基板と、該絶縁基板上に、一方の面を
固着した配線導体からなる半導体回路基板であって、前
記配線導体の一方の面の前記絶縁基板との固着箇所と、
前記絶縁基板の前記配線導体との固着箇所とがそれぞれ
凹凸を有し、前記配線導体の凹凸と、前記絶縁基板の凹
凸が嵌合して固着することを特徴とする半導体回路基
板。 - 【請求項３】前記配線導体の凹凸と前記絶縁基板の凹凸
は前記固着箇所の端部に設けることを特徴とする請求項
２に記載の半導体回路基板。 - 【請求項４】前記溝の合計体積が、前記配線導体の全体
積に対して、１０％以上で、５０％以下であることを特
徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体回
路基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001099534A JP2002299495A (ja) | 2001-03-30 | 2001-03-30 | 半導体回路基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001099534A JP2002299495A (ja) | 2001-03-30 | 2001-03-30 | 半導体回路基板 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002299495A true JP2002299495A (ja) | 2002-10-11 |
Family
ID=18953062
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001099534A Pending JP2002299495A (ja) | 2001-03-30 | 2001-03-30 | 半導体回路基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002299495A (ja) |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008048508A (ja) * | 2006-08-11 | 2008-02-28 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | リニアモータ及びステージ装置 |
| CN100461466C (zh) * | 2006-02-21 | 2009-02-11 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 避免沉积厚膜发生脱层的方法及其制造的太阳能电池 |
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