JP2003092383A - パワー半導体装置およびそのヒートシンク - Google Patents

パワー半導体装置およびそのヒートシンク

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JP2003092383A
JP2003092383A JP2001284406A JP2001284406A JP2003092383A JP 2003092383 A JP2003092383 A JP 2003092383A JP 2001284406 A JP2001284406 A JP 2001284406A JP 2001284406 A JP2001284406 A JP 2001284406A JP 2003092383 A JP2003092383 A JP 2003092383A
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power semiconductor
heat sink
ceramic insulating
heat
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JP2001284406A
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Noriyuki Watabe
典行 渡部
Yasuo Kondo
保夫 近藤
Kiyomitsu Suzuki
清光 鈴木
Teruyoshi Abe
輝宜 阿部
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Hitachi Ltd
株式会社日立製作所
Hitachi Cable Ltd
日立電線株式会社
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    • H01L2924/13091Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い熱伝導性を有し、接合強度と組立て性に
優れたヒートシンクおよびこれを用いたパワー半導体装
置の構造を提供する。 【解決手段】 セラミック絶縁基板5の表面に回路を形
成する金属層を有し、裏面に放熱板2を接合してなるパ
ワー半導体装置とそのヒートシンクであって、放熱板2
は、Cuの粒子と、CuO、CuO、Al
SiOまたはSnOの少なくとも1種の粒子とを含
む複合材2からなり、放熱板2とセラミック絶縁基板5
とは、はんだを介さずに、基板裏面に配設された金属層
1(図1)もしくはナノサイズ金属酸化物層4(図2)
に直接接合されている。そのため、はんだ接合を用いず
に高い熱伝導性を有し、絶縁基板と放熱板との信頼性の
高い一体化構造を有するパワー半導体装置およびそのヒ
ートシンクが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はパワー半導体装置お
よびそのヒートシンクに係り、特に、セラミック絶縁基
板の裏面に放熱板が接合されたパワー半導体装置とその
ヒートシンクに関する。
【0002】
【従来の技術】電子デバイスによる電力やエネルギーの
変換および制御に関連した技術、特に、オン・オフモー
ドで用いられる電力用電子デバイスとその応用技術とし
ての電力変換システムがパワーエレクトロニクスシステ
ムである。
【0003】電力変換のため、各種のオン・オフ機能を
持つパワー半導体素子が用いられている。この半導体素
子としては、pn接合体を内蔵し、一方向のみの導電性
をもつ整流ダイオードをはじめ、種々のpn接合の組合
せ構造により、サイリスタ、バイポーラトランジスタ、
MOSFET等が実用化され、更には、絶縁ゲート型バ
イポーラトランジスタ(IGBT)や、ゲート信号によ
りターンオフ機能を併せもつゲートターンオフサイリス
タ(GTO)も開発されている。
【0004】これらの電力用半導体素子は、通電により
発熱し、その高容量化、高速化に伴い発熱量も増大する
傾向にある。発熱に起因する半導体素子の特性劣化、短
寿命化を防止するためには、放熱部を設け、半導体素子
およびその近傍での温度上昇を抑制する必要がある。
【0005】Cuは、熱伝導率が393W/m・Kと大
きく、かつ低価格であるため、放熱部材として一般に用
いられている。しかし、パワー半導体素子を備える半導
体装置の放熱部材は、熱膨張率が4.2×10−6/℃
のSiと接合されるため、熱膨張率がこれに近い放熱部
材が望まれる。
【0006】Cuは熱膨張率が17×10−6/℃と大
きいため、半導体素子とのはんだ接合性は好ましくな
く、MoやWといった熱膨張率がSiと近い材料を放熱
部材として用いたり、半導体素子と放熱部材の間に設け
たりしている。
【0007】以上のように、パワー素子を搭載した半導
体装置は、いずれもその動作において熱を発生し、素子
温度が上昇すると半導体素子の機能を損ねる恐れがあ
る。このため、発生する熱を外部に放散するための熱伝
導性に優れた放熱板等の放熱部分が必要となる。放熱板
は、直接あるいは絶縁層を介して半導体素子と接合され
るため、熱伝導性だけでなく、熱膨張の点でも半導体素
子との整合性が要求される。
【0008】現在用いられている半導体素子は、主にS
iおよびGaAsである。これらの熱膨張係数は、それ
ぞれ、2.6×10−6 〜3.6×10−6/℃、5.
7×10−6 〜6.9×10−6/℃である。これら
に近い熱膨張係数をもつ放熱板材料としては、Al−S
iC、Cu−WあるいはCu−Mo等のAlもしくはC
uの2種類の合金が知られているが、これらは熱伝達係
数と熱伝導率を任意にコントロールすることが困難であ
るとともに、加工性に乏しくコストが高いという問題が
ある。
【0009】一般に、セラミック絶縁基板は、表面には
回路を形成する金属導体層が、裏面には基板の反りを防
止するための同様の金属層が接着されている。すなわ
ち、基板両面にAlあるいはCuからなる金属板が積層
接着され、金属層を介してはんだ接合によって放熱板と
一体化されている。
【0010】そして、パワー素子より発生した熱は、は
んだ層 → 表面側金属板 → 絶縁基板 → 裏面側
金属板 → はんだ層 → 放熱板の経路を辿って放熱
される。このため熱抵抗を低減し、熱ストレスに対する
信頼性の高い接合技術が要求される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来公知の放熱
板材料は、その構成する成分の比率を変えることによっ
て、狭い範囲では熱伝達係数および熱伝導率をコントロ
ール可能ではあるが、コストが高く、また、機械加工性
が低く、所望の形状を付与することも困難であり、低熱
膨張性と高熱伝導性を兼ね備えた低コスト放熱材が求め
られていた。
【0012】一方、従来のパワー半導体装置において
は、使用中に放熱板側はんだ層に、熱サイクルによって
亀裂が生じて熱抵抗の増加を招くことがあり、信頼性の
高い接合構造が求められていた。
【0013】本発明者らは、PCT/JP98/055
27に記載されているように、低熱膨張性高熱伝導性を
有し、かつ加工性に優れたCuとCuO、Al
、SiOおよびSnOの少なくとも1種の粒
子との複合材料およびその製造方法と、それをヒートシ
ンクに用いた半導体装置等の各種用途に関して提案し
た。
【0014】しかし、ヒートシンクとセラミック絶縁基
板との接合は、その表裏面に設けられた金属層(導体
層)を介して、はんだ接合あるいは樹脂によって接合さ
れたものであり、本発明のように、ヒートシンクとセラ
ミック絶縁基板との接合が、はんだ接合によらずに金属
層あるいは金属酸化物を介して一体接合されることは全
く記載されていない。
【0015】なお、半導体装置の先行技術としては、例
えば、特開昭63−166774号公報に記載の例があ
る。本例は、銅板とアルミナ基板とを、アルミナとガラ
ス質形成物質との化合物(CuAl、AlCu
Mgなど)を形成させ、接合する方法である。
【0016】これに対して本発明は、 Cu金属層と
CuO、Al、SiOおよびSnOの少な
くとも1種の粒子との複合材料からなるヒートシンクの
接合を、Cuと複合材料中のCuO、Al、S
iOおよびSnOとの反応により行なう。 Al
、AlN、またはSiのいずれかのセラミ
ックスよりなる絶縁基板と、前記複合材料からなるヒー
トシンクの接合を、Fe、SiO、TiO
およびB、の少なくとも1種のナノ粒子を接合材
に用いて行なう方法である。
【0017】また、特開平11−343178号公報に
記載の例は、Cu板とAlNあるいはSiとの接
合を、酸化物セラミックス層を介して接合することは共
通するが、酸化物セラミックス層は、Al、Zr
もしくはムライトを主成分として、これに、SiO
、MgO、CaO、Y、の少なくとも1種の添
加物を0〜20質量%混合した混合酸化物であり、本発
明で用いられるFe、SiO、TiO、およ
びB、の少なくとも1種のナノ粒子からなる接合
材とは異なる。
【0018】また、特開平2−177463号公報に記
載の例は、セラミック−金属基板の製造方法において、
両者の接合を活性金属(Ti)を用いて行なう方法であ
り、本発明とは基本的に相異する。
【0019】以上の課題に対して、本発明者らは、パワ
ー素子から発生する熱を効率よく系外に放熱し、信頼性
の高い接合性を確保するためには、低熱膨張性と高熱伝
導性とを兼備え、かつ接合層に発生する熱応力を緩和す
る低ヤング率の放熱板の適用と、はんだよりも高い接合
強度が得られる接合が必要であると考えた。
【0020】本発明の目的は、パワー半導体装置および
そのヒートシンクにおいて、はんだ接合を用いずに高い
熱伝導性を有し、かつ信頼性の高い、絶縁基板・放熱板
一体化構造を実現することである。
【0021】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、セラミック絶縁基板の表面に回路を形成
する金属層を有し、裏面に放熱板を接合してなるパワー
半導体装置であって、前記放熱板は、Cuの粒子と、C
O、Al、SiOおよびSnOより選ば
れる少なくとも1種の粒子とを含む複合材からなり、該
放熱板と前記セラミック絶縁基板とは、はんだを介さず
に、前記裏面に配設された金属層もしくはナノサイズ金
属酸化物層を介して一体接合されたことを特徴とするも
のである。
【0022】本発明によれば、はんだを省略してセラミ
ック絶縁基板と放熱板とを一体接合できるので、はんだ
による熱抵抗が減少して放熱効率が向上する。また、放
熱板に含まれる銅および酸化金属粒子と、セラミック絶
縁基板の裏面に配設された金属層の金属粒子もしくはナ
ノサイズ金属酸化物層のナノサイズ粒子とが拡散接合さ
れるため、接合強度が著しく高くなり接合信頼性が向上
する。
【0023】また、本発明は、前記放熱板は、熱膨張係
数が13×10−6/℃以下、熱伝導率が130W/m
・K以上、ヤング率が40〜80GPaであることを特
徴とし、また、前記セラミック絶縁基板は、Al
、AlN、またはSiのいずれかよりなる
ことを特徴とし、また、前記ナノサイズ金属酸化物は、
Fe 、SiO、TiOおよびBの少な
くとも1種のナノ粒子からなることを特徴とする。
【0024】本発明に用いた前記複合材は、例えば、表
1に示すような組成を有し、そのため、セラミック絶縁
基板と放熱板の熱膨張係数差を小さくすることができる
ので、温度変化時のセラミック絶縁基板−放熱板接合部
分や、セラミックへの熱応力を低減でき、接合信頼性が
高くなる。また、温度変化時のそりも低減できる。さら
に、前記複合材は、ヤング率がCuの0.3〜0.6倍程
度であるため、セラミック絶縁基板−放熱板接合部分の
熱応力が緩和され、接合部分やセラミックの劣化が避け
られる。
【0025】
【表1】
【0026】セラミック絶縁基板の表面には、配線パタ
ーンが形成された例えば銅よりなる金属導体層が接合さ
れる。そして、セラミック絶縁基板の裏面に基板の反り
を防止するために同様の金属層が配設される場合は、こ
の金属層と前記放熱板とをはんだを介さずに直接接合す
る。また、裏面の金属層がない場合は、基板裏面に前記
ナノサイズ粒子の金属酸化物の被膜層を配設し、この被
膜層と前記複合材とをはんだを介さず直接接合する。そ
のため、はんだによる熱ストレス等の不具合が解消さ
れ、はんだに比べて接合強度が高くなり、信頼性が向上
する。
【0027】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、図
面を用いて具体的に説明する。本実施形態の概略は、パ
ワー半導体装置およびそのヒートシンクにおいて、放熱
板2に、Cuの粒子と、CuO、Al、SiO
およびSnOから選ばれる少なくとも1種の粒子と
を含む複合材を採用し、この放熱板2(複合材2ともい
う)をセラミック絶縁基板(単に基板ともいう)5の裏
面にはんだを用いずに一体接合したものである。
【0028】すなわち、セラミック絶縁基板5の裏面に
金属層(Cu箔1)を有する場合は、Cu箔1と複合材
2とを固相拡散により直接接合して一体化させた(図
1)。また、基板5の裏面に金属層を有しない場合は、
基板裏面に後述するナノ粒子フィラー4を介在させ、こ
のナノ粒子フィラー4と複合材2とを固相拡散により直
接接合して一体化させた(図2)。
【0029】〔実施形態1〕まず、本発明の実施形態1
として、CuとCuOから構成される複合材2と、C
u箔1との直接接合について、図1に基づいて述べる。
ここで、本発明におけるセラミック絶縁基板・放熱板一
体型ヒートシンクにおいては、複合材2は放熱板を構成
し、Cu箔1はセラミック絶縁基板5の裏面に貼られた
金属層に相当する。セラミック絶縁基板5にはAl
、AlN、またはSiのいずれかのセラミック
スが用いられる。
【0030】図1において、複合材2にはCu−50体
積%CuOを用い、厚さは3mmとした。また、Cu
箔1の厚さは0.2mmである。複合材2およびCu箔
1を重ねた状態で、これらに200g/cmの荷重を
加え、アルゴンガス中で950℃に加熱して、そのまま
1時間保持し、複合材2とCu箔1を固相拡散により直
接接合した。Cu箔1は、接合面3で複合材2中のCu
Oと固相反応するために、複合材2と強固に接合する
ことが可能である。
【0031】なお、接合温度および保持時間は、複合材
2の組成や、大きさおよび形状によって決定されるが、
800℃〜1000℃、30分〜3時間の範囲が好まし
く、また、加えられる荷重は、接合温度によって50〜
500g/cmの範囲で選択される。接合は不活性ガ
ス中であればよく、窒素ガス中でも構わない。
【0032】〔実施形態2〕図2は、本発明の実施形態
2を示し、Al基板5とCu−50体積%Cu
O複合材2をナノサイズのFeフィラー4を介し
て接合した接合層断面のミクロ組織を示す。複合材2の
厚さは3mm、Al基板5の厚さは0.25mm
とした。また、フィラー4の厚さは約8μmである。
【0033】まず、Al基板5の表面に、50n
mのFeナノ粒子からなるフィラー4を塗布し、
乾燥後に1000℃に加熱してFe皮膜を形成し
た。このとき、基板5のAlとフィラー4のFe
とが相互拡散して強固に接合される。
【0034】次に、皮膜面上に複合材2を重ねた状態
で、これらに500g/cmの荷重を加え、アルゴン
ガス中で1000℃に加熱し、そのまま1時間保持し、
複合材2、フィラー4、およびAl基板5を固相
拡散接合して一体化した。Fe 皮膜は、複合材2
中のCuOと固相反応するとともに、複合材2との熱
膨張係数の差が小さいことによって、複合材2と強固に
接合することが可能である。
【0035】本実施形態では、セラミック絶縁基板5が
Al、ナノ粒子フィラー4がFeの場合に
ついて述べたが、セラミック絶縁基板5は、AlNまた
はSiであっても良く、また、ナノ粒子フィラー
4が、Fe、SiO、TiOおよびB
の少なくとも1種の粒子金属酸化物であっても一体接合
が達成される。
【0036】セラミック絶縁基板5が、AlNまたはS
の窒化物である場合は、酸化物であるナノ粒子
フィラー4との反応によって酸化され、接合界面にそれ
ぞれAlあるいはSiOが生成して、ナノ粒子
フィラー4と一体化される。
【0037】なお、接合温度および保持時間は、複合
材、ナノ粒子フィラーおよびセラミック絶縁基板の組成
などによって決定されるが、800℃〜1000℃、3
0分〜3時間の範囲が好ましく、また加えられる荷重
は、接合温度によって500g/cm〜2000g/
cmの範囲で選択される。また、ナノ粒子フィラーの
粒径は、10nmから200nmが適当であり、皮膜の
厚さは5μm〜100μm程度が好適であった。また、
接合は不活性ガス中であればよく、窒素ガス中でも構わ
ない。
【0038】〔実施形態3〕図3は、本発明に係るヒー
トシンクおよびそれを用いたパワー半導体装置の断面図
である。半導体素子101は例えばIGBTやパワーM
OSであり、セラミック絶縁基板109、放熱板110
上に搭載されている。
【0039】半導体素子101の裏面は、はんだなどの
接合材102によってセラミック絶縁基板109上の表
面金属配線パターン106に接続されている。チップ表
面側はAl等からなる太線ワイヤ103によってチップ
表面電極とセラミック絶縁基板上の金属配線パターン1
11が接続された構造となっている。
【0040】チップ表面はゲルやモールドレジン105
によりコーティングされ、各電極端子は外部引き出し端
子に接続され、これらはプラスチック製のケース104
内に実装されている。本発明においては、これらのモー
ルドレジン105とケース104が一体材料で構成され
たトランスファモールド構造でもよい。
【0041】このようなパワー半導体モジュールが熱伝
導グリース等を介して電力変換器の共通ヒートシンク上
に実装され、適宜配線バーを接続することにより電力変
換装置が構成されている。
【0042】本実施形態の特徴とするところは、パワー
半導体モジュールの裏面側で放熱を行う部分の構造に関
するものである。すなわち、セラミック絶縁基板109
裏面の金属層107は、放熱板110に直接接合され一
体化直接接合構造ヒートシンクとなっている。
【0043】すなわち、セラミック絶縁基板109裏面
の金属層107と放熱板110との間には、接合材とし
てのはんだ等はなく、接合界面108で直接接合してい
る。セラミック絶縁基板109は例えばAlNからな
り、表面および裏面には、Cuからなる金属層106、
107、111があらかじめ銀ローなどの公知の方法で
接合されている。
【0044】裏面Cu金属層107の表面には、Ni等
の通常用いられるメッキ層はない。放熱板110はCu
とCuO粒子から構成されており、裏面金属層107
と直接接触させ、拡散接合によってCu金属層107と
金属結合して強固な直接接合界面108を構成してい
る。
【0045】ここで、放熱板材料についてさらに詳述す
る。放熱板110は、熱膨張係数が13×10−6/℃
以下、熱伝導率が130W/m・K以上、ヤング率が4
0〜80GPaで、例えば銅(Cu)と第一酸化銅(C
O)との複合材からなり、特に、CuOを30〜
50体積%含む組成が好ましい。
【0046】金属層が接合されているセラミック絶縁基
板109と放熱板110はあらかじめ直接接合処理を行
って一体化構造ヒートシンク部材として扱う方が好まし
い。図4は、一体化直接接合工程を示したものである。
【0047】すなわち、表裏面のCu合金層106、1
07、111が銀ローなどにより接合されたAlN等の
セラミック絶縁基板109を、Ni等のメッキを施さな
い状態で準備し(図中のS1)、メッキを施さない状態
のCu−CuO複合材からなる放熱板110に重ねた
状態で接合する。
【0048】接合は不活性ガス雰囲気中で、800℃〜
1000℃に加熱保持して固相拡散接合する(図中のS
2)。加熱処理によりCu−CuO複合材表面とCu
金属層表面が接合界面108にて金属結合する。このよ
うな直接接合処理後Niメッキなどを施し(図中のS
3)、一体化構造ヒートシンクが形成される。接合に際
しては、ヒートシンクの形状、大きさに応じて、50g
/cm〜500g/cmの荷重を付与することが望
ましい。
【0049】以上のように、金属層が接合されているセ
ラミック絶縁基板109と、Cu−CuO複合材放熱
板110とが直接金属接合されているため、接合部分の
強度や接合信頼性が高く、また、はんだがないためセラ
ミック厚さも薄くできることから熱抵抗も低減できる。
【0050】さらに、放熱板110としてCu−Cu
O複合材を用いているため、セラミック絶縁基板109
との熱膨張係数差が小さいことにより、また、ヤング率
が80Mpa以下であるため、熱膨張係数差が無視でき
ない値である場合でも、Cu−CuO複合材が熱応力
により変形することにより、セラミック側への応力が緩
和され、セラミック割れやクラック等の劣化が避けられ
る。
【0051】なお、セラミック絶縁基板は、AlNのほ
かに、Al、Siなど、他の材質でも本発
明の構造が適用できるのは言うまでもない。
【0052】〔実施形態4〕図5は、本発明に係るパワ
ー半導体装置の他の実施形態の断面図である。セラミッ
ク絶縁基板109の表面のみに、Cuよりなる金属層1
06が接合され、また、基板裏面はナノ粒子サイズの金
属酸化物層(図示していない)からなる接合面108を
介して放熱板110と接合されていることを除いては、
図3に示したものと同様の構造である。
【0053】すなわち、半導体素子101は例えばIG
BTやパワーMOSであり、セラミック絶縁基板10
9、放熱板110上に搭載されている。半導体素子10
1の裏面ははんだなどの接合材102によってセラミッ
ク絶縁基板109上の表面金属配線パターン106に接
続されている。
【0054】チップ表面側は、Al等からなる太線ワイ
ヤ103によってチップ表面電極とセラミック絶縁基板
上の金属配線パターン111とが接続された構造となっ
ている。チップ表面はゲルやモールドレジン105によ
りコーティングされ、各電極端子は外部引き出し端子に
接続され、これらはプラスチック製のケース104内に
実装されている。
【0055】本発明においては、これらのモールドレジ
ン105とケース104が一体材料で構成されたトラン
スファモールド構造でもよい。このようなパワー半導体
モジュールが、熱伝導グリース等を介して電力変換器の
共通ヒートシンク上に実装され、適宜配線バーを接続す
ることにより電力変換装置が構成されている。
【0056】本実施形態の特徴とするところは、前述の
ように、パワー半導体モジュールの裏面側で放熱を行う
部分の構造に関するものである。セラミック絶縁基板1
09裏面には金属層がなく、ナノ粒子金属酸化物からな
るフィラー(図示していない)からなる接合面108を
介して放熱板110に直接接合されたヒートシンクとな
っている。
【0057】すなわち、セラミック絶縁基板109裏面
と放熱板110の間には接合材としてのはんだはなく、
接合面108で直接接合している。セラミック絶縁基板
109は例えばAlNからなり、表面にはCuからなる
金属層106、111があらかじめ銀ローなどの公知の
方法で接合されている。また放熱板110の表面にはN
i等の通常用いられるメッキ層はない。
【0058】放熱板110はCuとCuO粒子から構
成されており、まず、セラミック絶縁基板109裏面
に、5〜100nmのFe、SiO、TiO
およびBの少なくとも1種のナノ粒子金属酸化物
からなるフィラーを塗布し、乾燥後に800〜1000
℃に加熱して皮膜(図示していない)を形成した。
【0059】このときに、絶縁基板がAlであれ
ばFeと相互拡散して界面にAl・Fe
化合物が生成し、またセラミック絶縁基板がAl
N、またはSiの窒化物である場合は、酸化物で
あるナノ粒子フィラーとの反応によって酸化されて、接
合界面にそれぞれAlあるいはSiOが生成
し、それがナノ粒子フィラーと反応して複合酸化物を生
成して一体化される。
【0060】次に、上記皮膜面上に複合材を重ねた状態
で、これらに500〜2000g/cmの荷重を加
え、アルゴンガス中で1000℃に加熱して、そのまま
30分〜3時間保持し、放熱板110とセラミック絶縁
基板109とを固相拡散接合して一体化した。このよう
に皮膜は、放熱板110中のCuOと固相反応するこ
とと、また熱膨張係数の差が小さいことによって、放熱
板110と強固に接合することが可能である。
【0061】以上のように、表面に金属層106が接合
されているセラミック絶縁基板109とCu−Cu
複合材放熱板110とが直接金属接合されているため、
接合部分の強度および接合信頼性が高く、また、はんだ
がないのでセラミック厚さも薄くできることから熱抵抗
も低減できる。
【0062】さらに、放熱板110としてCu−Cu
O複合材を用いているため、セラミック絶縁基板109
との熱膨張係数差が小さいことにより、また、ヤング率
が80Mpa以下であるため、熱膨張係数差が無視でき
ない値である場合でも、Cu−CuO複合材が熱応力
により変形することにより、セラミック側への応力が緩
和されセラミック割れやクラック等の劣化が避けられ
る。
【0063】また、本実施形態でも放熱板の形状が平板
について述べたが、放熱板の背面に複数の冷却用のフィ
ンを設けたヒートシンクおよびそれを用いたパワー半導
体装置に対しても適用が可能であることは言うまでもな
い。
【0064】
【発明の効果】以上述べたように、はんだ接合を用いず
に高い熱伝導性を有し、絶縁基板と放熱板との信頼性の
高い一体化構造を有するパワー半導体装置およびそのヒ
ートシンクが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1に係る試料のミクロ組織を
示す断面模式図。
【図2】本発明の実施形態2に係る試料のミクロ組織を
示す断面模式図。
【図3】本発明の実施形態3に係る半導体装置の断面
図。
【図4】本発明の実施形態3に係るセラミック絶縁基板
と放熱板との直接接合構造を示すヒートシンク製造工程
説明図。
【図5】本発明の実施形態4に係る半導体装置の断面
図。
【符号の説明】
1 Cu箔(金属層) 2 複合材(放熱板) 3 複合材とCu箔の接合面 4 ナノ粒子フィラー 5 セラミック絶縁基板 101 半導体素子 102 はんだ 103 ワイヤ 104 ケース 105 ゲルまたはモールドレジン 106、107、111 セラミック絶縁基板上に接合
された金属層 108 金属層と放熱板の接合面 109 セラミック絶縁基板 110 放熱板
フロントページの続き (72)発明者 近藤 保夫 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 鈴木 清光 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 阿部 輝宜 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Fターム(参考) 5F036 AA01 BB01 BB08 BB21 BD01 BD13

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミック絶縁基板の表面に回路を形成
    する金属層を有し、裏面に放熱板を接合してなるパワー
    半導体装置であって、前記放熱板は、Cuの粒子と、C
    O、Al、SiOおよびSnOより選ば
    れる少なくとも1種の粒子とを含む複合材からなり、該
    放熱板と前記セラミック絶縁基板とは、はんだを介さず
    に、前記裏面に配設された金属層もしくはナノサイズ金
    属酸化物層を介して一体接合されたことを特徴とするパ
    ワー半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記放熱板は、熱膨張係数が13×10
    −6/℃以下、熱伝導率が130W/m・K以上、ヤン
    グ率が40〜80GPaであることを特徴とする請求項
    1に記載のパワー半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記セラミック絶縁基板は、Al
    、AlN、またはSiのいずれかよりなる
    ことを特徴とする請求項1に記載のパワー半導体装置。
  4. 【請求項4】 前記ナノサイズ金属酸化物は、Fe
    、SiO、TiOおよびBの少なくとも1
    種のナノ粒子からなることを特徴とする請求項1に記載
    のパワー半導体装置。
  5. 【請求項5】 請求項1〜3のうちいずれか1項に記載
    のパワー半導体装置に用いられ、前記放熱板と前記セラ
    ミック絶縁基板とが、はんだを介さずに、前記セラミッ
    ク絶縁基板の裏面に配設された金属層を介して一体接合
    されたことを特徴とするパワー半導体装置用のヒートシ
    ンク。
  6. 【請求項6】 請求項1〜4のうちいずれか1項に記載
    のパワー半導体装置に用いられ、前記放熱板と前記セラ
    ミック絶縁基板とが、はんだを介さずに、前記セラミッ
    ク絶縁基板の裏面に配設されたナノサイズ金属酸化物層
    を介して一体接合されたことを特徴とするパワー半導体
    装置用のヒートシンク。
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