JP2004247623A - 半導体装置 - Google Patents
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- H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]
Abstract
【課題】高信頼性を有し、且つ熱抵抗の優れた半導体装置を実現する。
【解決手段】半導体パワーモジュールでは、セラミック回路基板2は、窒化ケイ素のセラミック基板3の第1主面にCuの第1の金属板4およびCuの金属パターン4aを形成し、セラミック基板3の第2主面にCuの第2の金属板5を形成している。また、接合層6により第2の金属板5に厚さ3.5mmのCuからなるヒートシンク1が接合され、半田7を介して第1の金属版4にIGBTからなる半導体素子8が接合され、半導体素子8をボンディングワイヤ9を介して金属パターン4aに節蔵している。そして、セラミック基板3は、厚さが0.2〜0.6mmで、抗折強度が450〜1500MPaおよび熱伝導率が60〜320W/mKを有している。
【選択図】 図1
【解決手段】半導体パワーモジュールでは、セラミック回路基板2は、窒化ケイ素のセラミック基板3の第1主面にCuの第1の金属板4およびCuの金属パターン4aを形成し、セラミック基板3の第2主面にCuの第2の金属板5を形成している。また、接合層6により第2の金属板5に厚さ3.5mmのCuからなるヒートシンク1が接合され、半田7を介して第1の金属版4にIGBTからなる半導体素子8が接合され、半導体素子8をボンディングワイヤ9を介して金属パターン4aに節蔵している。そして、セラミック基板3は、厚さが0.2〜0.6mmで、抗折強度が450〜1500MPaおよび熱伝導率が60〜320W/mKを有している。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電鉄用およびハイブリッドカーを含む電気自動車等に使用される半導体パワーモジュールに代表される半導体装置に係わり、特に、高信頼性を有し、且つ熱抵抗の優れた半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体パワーモジュールにおいては、一般の半導体モジュールよりも高い熱放散性と高信頼性が要求されており、搭載される半導体素子の電力が増加するに伴い、半導体パワーモジュールに使用されるセラミック基板および金属板等への機械的および電気的特性要求がより厳しくなっている。
【0003】
この種の半導体パワーモジュールとしては、図6で示すものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
【0004】
この特許文献に開示された半導体パワーモジュールは、図6に示すように、厚さ0.635mmの窒化ケイ素のセラミック基板13、セラミック基板13上に形成された厚さ0.4mmのアルミニウムの第1の金属板14およびセラミック基板13直下に形成された厚さ0.5mmのアルミニウムの第2の金属板15から構成されたセラミック回路基板12と、接合層16により第2の金属板15と接合された厚さ3mmで全面NiメッキされたCu(銅)からなるヒートシンク11と、半田17により第1の金属板14と接合されたIGBTからなる半導体素子18とを備えている。
【0005】
【特許文献1】
特開2002―64169号公報(第7頁、図2)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の半導体パワーモジュールでは、熱伝導率65W/mKで、抗折強度720MPaの値を有する窒化ケイ素のセラミック基板13と、200MPa以下の引っ張り強度と20%以上の伸びを有する金属板を採用していることにより、熱放散性と信頼性を高めている。
【0007】
ところが、近年、今まで以上に高電力を有するIGBTやパワーMOSFET等の半導体素子が開発され、それに伴い半導体パワーモジュールにおいても、高信頼性を維持し、且つ低熱抵抗化を図ることが望まれている。
【0008】
しかし、従来は、高信頼性を重視するあまり低熱抵抗化への取り組みが不充分であり、半導体パワーモジュールを低熱抵抗化しにくいという問題を有していた。
【0009】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、高信頼性を有し、且つ熱抵抗の優れた半導体装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、相対向する第1および第2主面を有するセラミック基板と、このセラミック基板の第1主面および第2主面にそれぞれ設けられた第1のおよび第2の金属板を有するセラミック回路基板と、前記第1の金属板に設けられた半導体素子と、前記第2の金属板に設けられたヒートシンクとを備え、前記セラミック基板は、厚さが0.2〜0.6mmで、抗折強度が450〜1500MPaおよび熱伝導率が60〜320W/mKを有することを特徴とする。
【0011】
本発明によれば、高信頼性を有し、且つ熱抵抗の優れた半導体パワーモジュールからなる半導体装置を提供できる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0013】
(第1の実施の形態)
まず、本発明の第1の実施の形態に係わる半導体装置としての半導体パワーモジュールについて図1乃至図5を参照して説明する。図1は半導体パワーモジュールを示す断面図、図2は半導体パワーモジュールでの抗折強度とピアノ線試験OK線径の関係を示す図、図3は半導体パワーモジュールでのセラミック基板の焼成温度に対する抗折強度および熱伝導率の関係を示す図、図4は半導体パワーモジュールでの金属板およびセラミック基板厚に対する熱抵抗の関係を示す図、図5は半導体パワーモジュールの信頼性試験結果を示す図である。
【0014】
図1に示すように、本実施の形態の半導体パワーモジュールは、窒化ケイ素のセラミック基板3、セラミック基板3の第1主面、例えば、表面上に形成されたCuの第1の金属板4、セラミック基板3の表面上に形成された第1の金属板4とボンディングワイヤ9で接続されたCuの金属パターン4a、およびセラミック基板3の第2主面、例えば、裏面に形成されたCuの第2の金属板5から構成されたセラミック回路基板2と、重量組成が70Ag(銀)−27Cu―3Ti(チタン)からなる接合層6により第2の金属板5に接合された厚さ3.5mmのCuからなるヒートシンク1と、Sn−Pb−Ag系からなる半田7により第1の金属版4に接合されたIGBTからなる半導体素子8を備えている。
【0015】
ここで、セラミック基板3に用いている窒化ケイ素は、原料混合体として、酸素量1.1重量%、不純物陽イオン元素0.1%重量%含有した窒化ケイ素粉末86%に、焼結助剤として、Y2O3(酸化イットリウム)とMgO(酸化マグネシウム)とHfO2(酸化ハフニウム)がトータルで14%混合されている。そして、上記原料を混合し、乾燥した後にプレス成形し、長時間かけて高温焼結させ形成されている。
【0016】
なお、ヒートシンク1としては、Cuを用いているが、アルミニウム、Al−SiC複合材またはCu−Mo(モリブデン)複合材でもよい。また、第1および第2の金属板4、5としては、Cuを用いているが、アルミニウム、Au(金)、Ag(銀)、亜鉛、錫およびそれらの合金等を用いてもよい。そして、接合層6としては、Sn−Pb系半田を用いてもよく、またはセラミック回路基板2を酸化させヒートシンク1と直接接合させてもよい。
【0017】
ここで、半導体パワーモジュール用として用いられるセラミック基板3に要求される特性項目について述べる。半導体パワーモジュールは、大電力を扱うので、
セラミック基板3は、熱伝導率および抗折強度が大きく、且つ熱膨張係数が小さいものでなければならない。
【0018】
まず、図2は半導体パワーモジュールでのセラミック基板の抗折強度とピアノ線試験OK線径の関係を示す図で、抗折強度が大きくなればピアノ線試験OK線径も大きくなっている。
【0019】
このピアノ線試験とは、セラミック基板3とヒートシンク(Cu)1の間にピアノ線を挟み、ネジでセラミック基板3とヒートシンク(Cu)1を締め付ける。即ち、締め付け条件を3N・m、試験電圧を3.8kV、1分かけた時のセラミック基板の耐圧を調べる方法である。
【0020】
これまでの種々の試験結果から、半導体パワーモジュールで必要とされるピアノ線試験OK線径は、最低でも0.15mmが必要であり、図2から明白なように、セラミック基板3の抗折強度は、450MPa以上必要であることがわかる。なお、抗折強度は大きいほどよいが、窒化ケイ素の場合には1500MPaが材料としての限界(Intrinsic)である。
【0021】
次に、図3はセラミック基板の焼成温度に対する抗折強度および熱伝導率の関係を示す図で、図中の実線(a)は、抗折強度を示し、図中の破線(b)は、熱伝導率を示す。
【0022】
この図から明白なように、抗折強度は、実線(a)で示されるように、焼成温度が上がるにつれて低下し、逆に熱伝導率は、破線(b)に示されるように、焼成温度が上がるにつれて向上し、抗折強度と熱伝導率はトレードオフの関係を有することがわかる。そして、セラミック基板3として必要とする抗折強度450MPa以上を満足する熱伝導率の値は、この図において60w/mKであることがわかる。ここで、熱伝導率は大きいほどよいが、窒化ケイ素の場合には320W/mKが材料としての限界(Intrinsic)である。
【0023】
なお、この図は、焼結助剤として、Y2O3(酸化イットリウム)とMgO(酸化マグネシウム)とHfO2(酸化ハフニウム)を添加して、長時間かけて高温焼結させ形成させた窒化ケイ素からなるセラミック基板の場合であり、焼結助剤を変更したり、焼結方法をかえてセラミックの粒子配向性を変化させたり、或いはセラミック材料を変化させれば、抗折強度と熱伝導率はトレードオフの関係も変化し、更にトレードオフの関係が改善される。
【0024】
例えば、焼結方法・焼結助剤等を変えれば、抗折強度900MPaで熱伝導率90W/mKの窒化ケイ素からなるセラミック基板が得られ、更に結晶粒界の大きさ・方向を均一化させると熱伝導率120W/mKを有する窒化ケイ素セラミックが得られる。また、SiC(炭化ケイ素)とアルミナからなるセラミック基板においても、抗折強度500MPaで熱伝導率75W/mKを有するものも得られている。
【0025】
つまり、抗折強度450MPaを満足させながら、熱伝導率60w/mK以上、好ましくは90w/mK以上の熱伝導率の優れたセラミック基板を半導体パワーモジュール用として使用可能であることがわかる。
【0026】
そして、図4は、半導体パワーモジュールでの金属板およびセラミック基板厚に対する熱抵抗の関係を示す図で、横軸が(第1の金属板4の厚さ(T2)+第2の金属板5の厚さ(T3))−セラミック基板3の厚さ(T1)で、縦軸が熱抵抗を示し、図中の線(a)は、セラミック基板3の厚さ0.8mmの場合、図中の線(b)は、セラミック基板3の厚さ0.62mmの場合、図中の線(c)は、セラミック基板3の厚さ0.32mmの場合、図中の線(d)は、セラミック基板3の厚さ0.25mmの場合をそれぞれ表している。なお、全ての条件((a)から(d))とも、セラミック基板3の熱伝導率は90W/mKである。
【0027】
ここで、半導体パワーモジュールに要求される熱抵抗について説明する。近年、今まで以上に高電力を有するIGBTやパワーMOSFET等の半導体素子が開発され、それに伴い半導体パワーモジュールにおいても、高信頼性を維持し、且つ低熱抵抗化を図る場合、具体的には、熱抵抗の値として0.2K/W以下が望まれる。
【0028】
一方、熱抵抗を下げるために半導体パワーモジュール用のセラミック基板3の厚さを薄くすると、熱サイクルによる熱的衝撃や機械的衝撃により、セラミック基板3に亀裂が発生したり、絶縁破壊が発生し半導体パワーモジュールの信頼性を著しく損なうことが判明している。これまでの種々の半導体パワーモジュールの信頼性試験結果からセラミック基板3の厚さの下限としては、0.2mm以上必要であることが判明している。
【0029】
上記知見をもとに、図4の結果を考察すると、抗折強度と熱伝導率に優れたセラミック基板3を用いた熱抵抗と信頼性に優れた半導体パワーモジュールを提供するための条件としては、セラミック基板3の厚さは0.2mm以上、0.6mm以下が必要で、(第1の金属板4の厚さ(T2)+第2の金属板5の厚さ(T3))−セラミック基板3の厚さ(T1)が0以上必要となる。その式は、
【数1】
0.2≦T1≦0.6・・・・・・・・・・(1)
【数2】
(T2+T3)―T1≧0・・・・・・・・(2)
で示される。
【0030】
即ち、熱抵抗と信頼性に優れた半導体パワーモジュールを提供できる条件としては、上記式(1)が必要であり、上記式(1)と式(2)を同時に満足する領域を選択すると、更に熱抵抗と信頼性に優れた半導体パワーモジュールを提供できる。
【0031】
そして、図5は半導体パワーモジュールの信頼性試験結果を示す図で、図1に示した半導体パワーモジュールにおいて、セラミック基板3の厚さ(T1)、第1の金属板4の厚さ(T2)および第2の金属板5の厚さ(T3)を変化させた。なお、金属板材料としては、CuとAl(アルミニウム)を用いている。
【0032】
ここで示す信頼性試験の条件は、TCT(温度:−40℃〜125℃)300サイクルであり、TCT試験後のセラミック基板3のクラックの有無を確認している。
【0033】
図5の結果から、明白なように、図2から図4で求めた条件を用いたセラミック回路基板2を搭載した半導体パワーモジュールにおいては、従来例1、2がクラック発生しているのに対して、すべての条件(実験結果1〜7)共クラック発生していない。
【0034】
以上の結果から、熱抵抗が0.2K/W以下で、且つ信頼性に優れた半導体パワーモジュールを提供できるセラミック基板3としては、厚さが0.2〜0.6mmで、抗折強度が450〜1500MPaおよび熱伝導率が60〜320W/mK、好ましくは90〜320W/mKが必要となる。
【0035】
本実施の形態の半導体パワーモジュールでは、抗折強度と熱伝導率が優れ、厚さを最適化したセラミック基板を用い、第1の金属板の厚さ、第2の金属板の厚さおよびセラミック基板の厚さの関係を最適化させたことにより、低熱抵抗化が達成でき、且つ高信頼性化も達成できる。
【0036】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々、変更しても良い。例えば、上記第1の実施の形態では、半導体素子としてIGBTを用いているが、パワーMOSFET、ダイオード、サイリスタおよびGTOでもよい。また、半導体パワーモジュールの応用分野としては、各種インバータ、携帯電話基地局および誘導電熱等の用途もあげられる。
【0037】
【発明の効果】
本発明によれば、高信頼性を有し、且つ熱抵抗の優れた半導体装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体パワーモジュールを示す断面図。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体パワーモジュールでの抗折強度とピアノ線試験OK線径の関係を示す図。
【図3】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体パワーモジュールでのセラミック基板の焼成温度に対する抗折強度および熱伝導率の関係を示す図。
【図4】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体パワーモジュールでの金属板厚およびセラミック基板厚に対する熱抵抗の関係を示す図。
【図5】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体パワーモジュールの信頼性試験結果を示す図。
【図6】従来の半導体パワーモジュールを示す断面図。
【符号の説明】
1、11 ヒートシンク
2、12 セラミック回路基板
3、13 セラミック基板
4、14 第1の金属板
4a 金属パターン
5、15 第2の金属板
6、16 接合層
7、17 半田
8、18 半導体素子
9 ボンデイングワイヤ
【発明の属する技術分野】
本発明は、電鉄用およびハイブリッドカーを含む電気自動車等に使用される半導体パワーモジュールに代表される半導体装置に係わり、特に、高信頼性を有し、且つ熱抵抗の優れた半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体パワーモジュールにおいては、一般の半導体モジュールよりも高い熱放散性と高信頼性が要求されており、搭載される半導体素子の電力が増加するに伴い、半導体パワーモジュールに使用されるセラミック基板および金属板等への機械的および電気的特性要求がより厳しくなっている。
【0003】
この種の半導体パワーモジュールとしては、図6で示すものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
【0004】
この特許文献に開示された半導体パワーモジュールは、図6に示すように、厚さ0.635mmの窒化ケイ素のセラミック基板13、セラミック基板13上に形成された厚さ0.4mmのアルミニウムの第1の金属板14およびセラミック基板13直下に形成された厚さ0.5mmのアルミニウムの第2の金属板15から構成されたセラミック回路基板12と、接合層16により第2の金属板15と接合された厚さ3mmで全面NiメッキされたCu(銅)からなるヒートシンク11と、半田17により第1の金属板14と接合されたIGBTからなる半導体素子18とを備えている。
【0005】
【特許文献1】
特開2002―64169号公報(第7頁、図2)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の半導体パワーモジュールでは、熱伝導率65W/mKで、抗折強度720MPaの値を有する窒化ケイ素のセラミック基板13と、200MPa以下の引っ張り強度と20%以上の伸びを有する金属板を採用していることにより、熱放散性と信頼性を高めている。
【0007】
ところが、近年、今まで以上に高電力を有するIGBTやパワーMOSFET等の半導体素子が開発され、それに伴い半導体パワーモジュールにおいても、高信頼性を維持し、且つ低熱抵抗化を図ることが望まれている。
【0008】
しかし、従来は、高信頼性を重視するあまり低熱抵抗化への取り組みが不充分であり、半導体パワーモジュールを低熱抵抗化しにくいという問題を有していた。
【0009】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、高信頼性を有し、且つ熱抵抗の優れた半導体装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、相対向する第1および第2主面を有するセラミック基板と、このセラミック基板の第1主面および第2主面にそれぞれ設けられた第1のおよび第2の金属板を有するセラミック回路基板と、前記第1の金属板に設けられた半導体素子と、前記第2の金属板に設けられたヒートシンクとを備え、前記セラミック基板は、厚さが0.2〜0.6mmで、抗折強度が450〜1500MPaおよび熱伝導率が60〜320W/mKを有することを特徴とする。
【0011】
本発明によれば、高信頼性を有し、且つ熱抵抗の優れた半導体パワーモジュールからなる半導体装置を提供できる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0013】
(第1の実施の形態)
まず、本発明の第1の実施の形態に係わる半導体装置としての半導体パワーモジュールについて図1乃至図5を参照して説明する。図1は半導体パワーモジュールを示す断面図、図2は半導体パワーモジュールでの抗折強度とピアノ線試験OK線径の関係を示す図、図3は半導体パワーモジュールでのセラミック基板の焼成温度に対する抗折強度および熱伝導率の関係を示す図、図4は半導体パワーモジュールでの金属板およびセラミック基板厚に対する熱抵抗の関係を示す図、図5は半導体パワーモジュールの信頼性試験結果を示す図である。
【0014】
図1に示すように、本実施の形態の半導体パワーモジュールは、窒化ケイ素のセラミック基板3、セラミック基板3の第1主面、例えば、表面上に形成されたCuの第1の金属板4、セラミック基板3の表面上に形成された第1の金属板4とボンディングワイヤ9で接続されたCuの金属パターン4a、およびセラミック基板3の第2主面、例えば、裏面に形成されたCuの第2の金属板5から構成されたセラミック回路基板2と、重量組成が70Ag(銀)−27Cu―3Ti(チタン)からなる接合層6により第2の金属板5に接合された厚さ3.5mmのCuからなるヒートシンク1と、Sn−Pb−Ag系からなる半田7により第1の金属版4に接合されたIGBTからなる半導体素子8を備えている。
【0015】
ここで、セラミック基板3に用いている窒化ケイ素は、原料混合体として、酸素量1.1重量%、不純物陽イオン元素0.1%重量%含有した窒化ケイ素粉末86%に、焼結助剤として、Y2O3(酸化イットリウム)とMgO(酸化マグネシウム)とHfO2(酸化ハフニウム)がトータルで14%混合されている。そして、上記原料を混合し、乾燥した後にプレス成形し、長時間かけて高温焼結させ形成されている。
【0016】
なお、ヒートシンク1としては、Cuを用いているが、アルミニウム、Al−SiC複合材またはCu−Mo(モリブデン)複合材でもよい。また、第1および第2の金属板4、5としては、Cuを用いているが、アルミニウム、Au(金)、Ag(銀)、亜鉛、錫およびそれらの合金等を用いてもよい。そして、接合層6としては、Sn−Pb系半田を用いてもよく、またはセラミック回路基板2を酸化させヒートシンク1と直接接合させてもよい。
【0017】
ここで、半導体パワーモジュール用として用いられるセラミック基板3に要求される特性項目について述べる。半導体パワーモジュールは、大電力を扱うので、
セラミック基板3は、熱伝導率および抗折強度が大きく、且つ熱膨張係数が小さいものでなければならない。
【0018】
まず、図2は半導体パワーモジュールでのセラミック基板の抗折強度とピアノ線試験OK線径の関係を示す図で、抗折強度が大きくなればピアノ線試験OK線径も大きくなっている。
【0019】
このピアノ線試験とは、セラミック基板3とヒートシンク(Cu)1の間にピアノ線を挟み、ネジでセラミック基板3とヒートシンク(Cu)1を締め付ける。即ち、締め付け条件を3N・m、試験電圧を3.8kV、1分かけた時のセラミック基板の耐圧を調べる方法である。
【0020】
これまでの種々の試験結果から、半導体パワーモジュールで必要とされるピアノ線試験OK線径は、最低でも0.15mmが必要であり、図2から明白なように、セラミック基板3の抗折強度は、450MPa以上必要であることがわかる。なお、抗折強度は大きいほどよいが、窒化ケイ素の場合には1500MPaが材料としての限界(Intrinsic)である。
【0021】
次に、図3はセラミック基板の焼成温度に対する抗折強度および熱伝導率の関係を示す図で、図中の実線(a)は、抗折強度を示し、図中の破線(b)は、熱伝導率を示す。
【0022】
この図から明白なように、抗折強度は、実線(a)で示されるように、焼成温度が上がるにつれて低下し、逆に熱伝導率は、破線(b)に示されるように、焼成温度が上がるにつれて向上し、抗折強度と熱伝導率はトレードオフの関係を有することがわかる。そして、セラミック基板3として必要とする抗折強度450MPa以上を満足する熱伝導率の値は、この図において60w/mKであることがわかる。ここで、熱伝導率は大きいほどよいが、窒化ケイ素の場合には320W/mKが材料としての限界(Intrinsic)である。
【0023】
なお、この図は、焼結助剤として、Y2O3(酸化イットリウム)とMgO(酸化マグネシウム)とHfO2(酸化ハフニウム)を添加して、長時間かけて高温焼結させ形成させた窒化ケイ素からなるセラミック基板の場合であり、焼結助剤を変更したり、焼結方法をかえてセラミックの粒子配向性を変化させたり、或いはセラミック材料を変化させれば、抗折強度と熱伝導率はトレードオフの関係も変化し、更にトレードオフの関係が改善される。
【0024】
例えば、焼結方法・焼結助剤等を変えれば、抗折強度900MPaで熱伝導率90W/mKの窒化ケイ素からなるセラミック基板が得られ、更に結晶粒界の大きさ・方向を均一化させると熱伝導率120W/mKを有する窒化ケイ素セラミックが得られる。また、SiC(炭化ケイ素)とアルミナからなるセラミック基板においても、抗折強度500MPaで熱伝導率75W/mKを有するものも得られている。
【0025】
つまり、抗折強度450MPaを満足させながら、熱伝導率60w/mK以上、好ましくは90w/mK以上の熱伝導率の優れたセラミック基板を半導体パワーモジュール用として使用可能であることがわかる。
【0026】
そして、図4は、半導体パワーモジュールでの金属板およびセラミック基板厚に対する熱抵抗の関係を示す図で、横軸が(第1の金属板4の厚さ(T2)+第2の金属板5の厚さ(T3))−セラミック基板3の厚さ(T1)で、縦軸が熱抵抗を示し、図中の線(a)は、セラミック基板3の厚さ0.8mmの場合、図中の線(b)は、セラミック基板3の厚さ0.62mmの場合、図中の線(c)は、セラミック基板3の厚さ0.32mmの場合、図中の線(d)は、セラミック基板3の厚さ0.25mmの場合をそれぞれ表している。なお、全ての条件((a)から(d))とも、セラミック基板3の熱伝導率は90W/mKである。
【0027】
ここで、半導体パワーモジュールに要求される熱抵抗について説明する。近年、今まで以上に高電力を有するIGBTやパワーMOSFET等の半導体素子が開発され、それに伴い半導体パワーモジュールにおいても、高信頼性を維持し、且つ低熱抵抗化を図る場合、具体的には、熱抵抗の値として0.2K/W以下が望まれる。
【0028】
一方、熱抵抗を下げるために半導体パワーモジュール用のセラミック基板3の厚さを薄くすると、熱サイクルによる熱的衝撃や機械的衝撃により、セラミック基板3に亀裂が発生したり、絶縁破壊が発生し半導体パワーモジュールの信頼性を著しく損なうことが判明している。これまでの種々の半導体パワーモジュールの信頼性試験結果からセラミック基板3の厚さの下限としては、0.2mm以上必要であることが判明している。
【0029】
上記知見をもとに、図4の結果を考察すると、抗折強度と熱伝導率に優れたセラミック基板3を用いた熱抵抗と信頼性に優れた半導体パワーモジュールを提供するための条件としては、セラミック基板3の厚さは0.2mm以上、0.6mm以下が必要で、(第1の金属板4の厚さ(T2)+第2の金属板5の厚さ(T3))−セラミック基板3の厚さ(T1)が0以上必要となる。その式は、
【数1】
0.2≦T1≦0.6・・・・・・・・・・(1)
【数2】
(T2+T3)―T1≧0・・・・・・・・(2)
で示される。
【0030】
即ち、熱抵抗と信頼性に優れた半導体パワーモジュールを提供できる条件としては、上記式(1)が必要であり、上記式(1)と式(2)を同時に満足する領域を選択すると、更に熱抵抗と信頼性に優れた半導体パワーモジュールを提供できる。
【0031】
そして、図5は半導体パワーモジュールの信頼性試験結果を示す図で、図1に示した半導体パワーモジュールにおいて、セラミック基板3の厚さ(T1)、第1の金属板4の厚さ(T2)および第2の金属板5の厚さ(T3)を変化させた。なお、金属板材料としては、CuとAl(アルミニウム)を用いている。
【0032】
ここで示す信頼性試験の条件は、TCT(温度:−40℃〜125℃)300サイクルであり、TCT試験後のセラミック基板3のクラックの有無を確認している。
【0033】
図5の結果から、明白なように、図2から図4で求めた条件を用いたセラミック回路基板2を搭載した半導体パワーモジュールにおいては、従来例1、2がクラック発生しているのに対して、すべての条件(実験結果1〜7)共クラック発生していない。
【0034】
以上の結果から、熱抵抗が0.2K/W以下で、且つ信頼性に優れた半導体パワーモジュールを提供できるセラミック基板3としては、厚さが0.2〜0.6mmで、抗折強度が450〜1500MPaおよび熱伝導率が60〜320W/mK、好ましくは90〜320W/mKが必要となる。
【0035】
本実施の形態の半導体パワーモジュールでは、抗折強度と熱伝導率が優れ、厚さを最適化したセラミック基板を用い、第1の金属板の厚さ、第2の金属板の厚さおよびセラミック基板の厚さの関係を最適化させたことにより、低熱抵抗化が達成でき、且つ高信頼性化も達成できる。
【0036】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々、変更しても良い。例えば、上記第1の実施の形態では、半導体素子としてIGBTを用いているが、パワーMOSFET、ダイオード、サイリスタおよびGTOでもよい。また、半導体パワーモジュールの応用分野としては、各種インバータ、携帯電話基地局および誘導電熱等の用途もあげられる。
【0037】
【発明の効果】
本発明によれば、高信頼性を有し、且つ熱抵抗の優れた半導体装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体パワーモジュールを示す断面図。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体パワーモジュールでの抗折強度とピアノ線試験OK線径の関係を示す図。
【図3】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体パワーモジュールでのセラミック基板の焼成温度に対する抗折強度および熱伝導率の関係を示す図。
【図4】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体パワーモジュールでの金属板厚およびセラミック基板厚に対する熱抵抗の関係を示す図。
【図5】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体パワーモジュールの信頼性試験結果を示す図。
【図6】従来の半導体パワーモジュールを示す断面図。
【符号の説明】
1、11 ヒートシンク
2、12 セラミック回路基板
3、13 セラミック基板
4、14 第1の金属板
4a 金属パターン
5、15 第2の金属板
6、16 接合層
7、17 半田
8、18 半導体素子
9 ボンデイングワイヤ
Claims (6)
- 相対向する第1および第2主面を有するセラミック基板とこのセラミック基板の第1主面および第2主面上にそれぞれ設けられた第1のおよび第2の金属板を有するセラミック回路基板と、
前記第1の金属板に設けられた半導体素子と、
前記第2の金属板に設けられたヒートシンクと、
を備え、
前記セラミック基板は、厚さが0.2〜0.6mmで、抗折強度が450〜1500MPaおよび熱伝導率が60〜320W/mKを有することを特徴とする半導体装置。 - 前記セラミック基板は、熱伝導率が90〜320W/mKを有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記第1の金属板の厚さと前記第2の金属板の厚さの和が、前記セラミック基板の厚さ以上であることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 前記第2の金属板と前記ヒートシンクは、複数の金属または半田からなる接合層により接合され、前記第1の金属板と前記半導体素子は、半田により接合されていることを特徴とする請求項1乃至3記載の半導体装置。
- 前記第1の金属板と第2の金属板は、CuまたはAlであることを特徴とする請求項1乃至4記載の半導体装置。
- 前記セラミック基板は、窒化ケイ素であることを特徴とする請求項1乃至5記載の半導体装置。
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---|---|---|---|
JP2003037590A JP2004247623A (ja) | 2003-02-17 | 2003-02-17 | 半導体装置 |
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EP2146375A1 (de) * | 2008-07-16 | 2010-01-20 | Semikron Elektronik GmbH & Co. KG Patentabteilung | Halbleitermodul |
JP2013219267A (ja) * | 2012-04-11 | 2013-10-24 | Mitsubishi Electric Corp | パワーモジュール |
CN110226363A (zh) * | 2017-03-30 | 2019-09-10 | 株式会社东芝 | 陶瓷铜电路基板及使用了其的半导体装置 |
-
2003
- 2003-02-17 JP JP2003037590A patent/JP2004247623A/ja active Pending
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