JP2005032833A

JP2005032833A - モジュール型半導体装置

Info

Publication number: JP2005032833A
Application number: JP2003193800A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Ishiwatari; 裕石渡; Atsushi Yamamoto; 敦史山本; Hisaaki Matsumoto; 寿彰松本; Suzuo Saito; 涼夫齋藤; Teruo Yoshino; 輝雄吉野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-07-08
Filing date: 2003-07-08
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】炭化珪素製半導体素子を３００℃以上で稼動させても熱応力により接合部や絶縁基板が損傷しないモジュール型半導体装置を提供する。
【解決手段】炭化珪素製半導体素子３を接合する絶縁基板に、炭化珪素製半導体素子３と熱膨張率が近く、かつ、熱伝達率の高い窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を用いた絶縁性セラミックス基板１を用いる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素（ＳｉＣ）を用いた半導体素子によるモジュール型半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の多くは、珪素（Ｓｉ）の単結晶が使用されているが、近年、炭化珪素（ＳｉＣ）を用いた半導体素子（以下、「ＳｉＣ製半導体素子」と称する）が開発されている。このＳｉＣ製半導体素子は従来のＳｉ半導体素子に比べて通電損失が小さく、スイッチング周波数も高く、さらに、Ｓｉ半導体素子の使用温度が１５０℃程度であったのに対して、５００℃程度の高温でも安定して使用できる。このため、従来のＳｉ半導体素子に比べて、これを冷却するための冷却装置のコンパクト化、簡素化が可能であるなど様々な利点がある。
【０００３】
図２２は、従来のＳｉ半導体素子を使用した代表的なモジュール型半導体装置の構造を示す断面図である。同図に示すように、従来のモジュール型半導体装置は、絶縁基板７上に、ハンダによりＳｉ半導体素子２２が接合されている。ここで絶縁基板７は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁性セラミックス基板２１の表面にＳｉ半導体素子２２をハンダ２３により接合するための銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）板２４が接合されており、一方、絶縁性セラミックス基板２１の裏面には絶縁基板７をＣｕ製のベース２５にハンダ２６により接合するために同じくＣｕまたはＡｌ板２７が接合されている。
【０００４】
Ｓｉ半導体素子２２は、他のＳｉ半導体素子や外部端子等にボンディング・ワイヤ２８により結線されている。そして、これらの部品は絶縁性ゲル２９により封止され、さらに絶縁性樹脂ケース３０に収容されてモジュール型半導体装置を構成している。
【０００５】
また、このモジュール型半導体装置のベース２５は、水冷のヒートシンクにボルト９により固定されており、Ｓｉ半導体素子２２から発生した熱を絶縁基板７とベース２５を介して放熱板８に逃がす構造になっている。
【０００６】
しかし、このようなＳｉ半導体素子を用いた従来のモジュール型半導体装置は、通電によるＳｉ半導体素子の温度上昇が１５０℃以下の場合には有効であるが、温度上昇が５００℃程度またはそれ以上の高温においては熱応力により絶縁性セラミックス基板２１に亀裂が発生し絶縁破壊を生じたり、ハンダ２６による接合層やボンディング・ワイヤ２７に、剥離が発生し通電不良を生じる問題があった。
【０００７】
すなわち、モジュール型半導体装置の損傷は、装置を構成する材料の熱膨張差と高温強度に依存するため、ＳｉＣ半導体素子の熱膨張率は約３．９×１０^−６／Ｋ、絶縁基板に使用されているＡｌＮの熱膨張率が約４．６９×１０^−６／Ｋに対して、ベース材料として使用されているＣｕの熱膨張率が約１７．１×１０^−６／Ｋであることから、温度上昇に伴うベースの熱伸びによりモジュール型半導体装置に曲げ応力が作用し、絶縁性セラミックス基板２１やハンダ２６の接合層等に亀裂が発生することとなるのである。
【０００８】
近年、ベース材料を熱膨張率の小さいセラミックス（例えばＳｉＣ粒子）とＡｌの複合材料（ＳｉＣ／Ａｌ複合材料）に変えることにより、熱膨張率を絶縁性セラミックス基板に近づけ、ハンダ層に発生する熱応力を低減する方法が考案され、Ｓｉ半導体素子を搭載した半導体装置で一部実用化されている。しかし、このような複合材料の熱膨張率はせいぜい１０×１０^−６／Ｋ程度であり、１５０℃の温度差には耐えられるが、３００℃を超える温度差では適用できない。
【０００９】
このようなモジュール型半導体装置の熱応力緩和方法に関しては、たとえば、絶縁性セラミックス基板に接合する金属導電層を小さく分割することで、ハンダの熱応力を緩和する技術がある（特許文献１参照）。
【００１０】
また、他の技術として、ベース材料に熱膨張率の小さいＣｕとモリブデン（Ｍｏ）の複合材料を使用することで熱応力を緩和する方法がある（特許文献２参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平８−２７４２２８号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開平１１−２６９６６号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の技術では、絶縁性セラミックス基板の金属導電層が接合されていない部分には大きな引張の熱応力が発生するため、強度的に脆い絶縁性セラミックス基板に亀裂が発生し、絶縁破壊を生じる可能性が高い。
【００１４】
また、特許文献２の技術では、ハンダの熱疲労寿命の向上にはある程度効果的であるものの、ＣｕとＭｏの複合材料の熱膨張率はせいぜい９×１０^−６／Ｋ程度であり、３００℃以上の温度差に耐えることは困難である。
【００１５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＳｉＣ製半導体素子を３００℃で稼動させても熱応力により絶縁基板が損傷しないモジュール型半導体装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明に係るモジュール型半導体装置は、窒化珪素を用いた絶縁性セラミックス基板と、前記絶縁性セラミックス基板に金属層を介して接合された炭化珪素製半導体素子と、を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明にあっては、絶縁性セラミックス基板の材質に窒化珪素を用いることで、絶縁性セラミックス基板に発生する熱応力が低減するとともに曲げ強さが強くなるので、３００℃の高温で稼動させても絶縁基板が損傷しないようにすることができる。
【００１８】
また、金属層の材質として、モリブデン、タングステン、タンタル、これらの金属のいずれかを含む合金、ニッケルと鉄を含む合金のうちのいずれかを用いることで、金属層の熱膨張率が炭化珪素製製半導体素子や絶縁性セラミックス基板に近づくので、絶縁性セラミックス基板に発生する熱応力を低減させることができる。さらに、金属層の熱伝導率が高まることから、炭化珪素製半導体素子の熱を効率良く絶縁性セラミックス基板に導くことができ、良好な放熱性を得ることができる。
【００１９】
第２の本発明に係るモジュール型半導体装置は、モリブデン、タングステン、タンタル、これらの金属のいずれかを含む合金、ニッケルと鉄を含む合金のうちのいずれかを用いた金属層と、前記金属層の表面と裏面のうちの少なくとも一方に設けられ、ニッケル、銅、これらの金属のいずれかを含む合金のうちのいずれかを用いた軟質金属層と、前記金属層に接合された炭化珪素製半導体素子と、前記軟質金属層を介して前記金属層を固定した放熱板と、を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明にあっては、炭化珪素製半導体素子を接合する金属層の材質として、モリブデン、タングステン、タンタル、これらの金属のいずれかを含む合金、ニッケルと鉄を含む合金のうちのいずれかを用いることにより、炭化珪素製半導体素子の稼動時に熱膨張率差に起因する絶縁基板の熱応力を低減でき、３００℃の高温で稼動させても絶縁基板が損傷しないようにすることができる。また、金属層の表面又は裏面の少なくとも一方に、ニッケル、銅、これらの金属のいずれかを含む合金のうちのいずれかを用いた軟質金属層を設けることにより、炭化珪素製半導体素子と金属層との接触界面における熱抵抗を大幅に低下できるとともに、放熱板による冷却効率を著しく向上させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図面においては、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。
【００２２】
本発明者らは、種々の金属材料、セラミックス材料の熱膨張率、熱伝導率、曲げ強度を評価するとともに、様々な材料の組み合わせについて熱応力解析および熱サイクル試験を実施した。その結果、３００℃以上の熱サイクルに耐え得るモジュール型半導体装置の構造は、絶縁特性、導電特性等の個々の構成部材に要求される特性を維持したまま、熱膨張率か小さく、かつ、モジュール型半導体を構成する部品間の熱膨張率差もできるだけ小さくすることが最も効果的であることが判明した。しかしながら、熱膨張率差をゼロにすることは不可能なため、熱応力が発生しても破壊されない十分な強度を有するとともに、熱伝導率が高くＳｉＣ製半導体素子で発生した熱を如何に短時間で放熱し、モジュール型半導体装置内部の温度上昇を抑制するかも重要であることが判明した。この点を考慮して、本発明者らは以下に示すモジュール型半導体装置の基本構造を考案した。
【００２３】
図１は、本発明を適用したモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。同図のモジュール型半導体装置は、絶縁性セラミックス基板１と、この絶縁性セラミックス基板１にＳｉＣ製半導体素子３を接合するための接合材２と、ＳｉＣ製半導体素子３とを有する構成である。
【００２４】
図２は、絶縁性セラミックス基板１の候補となる材料の特性を示す表である。この表から、ＳｉＣ製半導体素子３の熱膨張率は約３．９×１０^−６／Ｋであることから、熱膨張率的にはジルコン（ＺｒＯ_２・ＳｉＯ_２）および窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）が適していると言える。一方、絶縁性セラミックス基板１の特性としては、ＳｉＣ製半導体素子３の熱をヒートシンクに効率良く逃がすために、熱伝導率が高いことが好ましく、かつ、曲げ強度が高く、比抵抗が大きいことが適している。
【００２５】
このような特性をすべて満たす材料としては、図２の表からＳｉ_３Ｎ_４しかなく、ＳｉＣ製半導体素子３を用いたモジュール型半導体装置の絶縁性セラミックス基板１の材料としてはＳｉ_３Ｎ_４が最も適していることが分かる。
【００２６】
図３は、半導体装置の作動温度に対する絶縁性セラミックス基板の応力を示すグラフである。このグラフは、絶縁性セラミックス基板１に、Ｓｉ半導体素子で広く用いられているＡｌＮを用いた場合と、本発明によるＳｉ_３Ｎ_４を用いた場合について、半導体装置のオン／オフに伴い絶縁性セラミックス基板１に発生する熱応力を解析により求めた結果を示したものである。
【００２７】
このグラフから、ＡｌＮを用いた場合は、作動温度２００℃を超えた時点で、ＡｌＮに発生する熱応力がＡｌＮの曲げ強さを超えて絶縁性セラミックス基板１が破壊することがわかる。一方、Ｓｉ_３Ｎ_４を用いた場合は、ＡｌＮに比べて発生する熱応力が低く、かつ、曲げ強さも１０００ＭＰａ以上と高いため、６００℃の高温の熱サイクルを受けても絶縁性セラミックス基板１が破壊されないことが確認された。
【００２８】
また、後述する図７に示すように、絶縁性セラミックス基板１は、その表面にＳｉＣ製半導体素子３を接合するために金属層４を設ける必要があるが、絶縁性セラミックス基板１に発生する熱応力を低減させるためには、この金属層４の熱膨張率もＳｉＣ製半導体素子３やＳｉ_３Ｎ_４絶縁性セラミックス基板１にできるだけ近いことが好ましく、かつ、ＳｉＣ製半導体素子３の熱を効率良く絶縁性セラミックス基板１に導くために高い熱伝導率も必要である。
【００２９】
金属層４の代表的な候補材料の特性を図４の表に示す。同図と図２の表から、熱膨張率がＳｉ_３Ｎ_４に近く、熱伝導率が高い材料としては、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）−鉄（Ｆｅ）合金が適切であることが分かる。
【００３０】
また、図４に示した候補材料のうち、ＣｕとＷを用いた場合のオン／オフ時に金属層４に発生する熱応力値を解析した結果を図５のグラフに示す。ここでは、絶縁性セラミックス基板１の材質にはＳｉ_３Ｎ_４を用いた。
【００３１】
図４の表および図５の結果から、金属層４に熱膨張率がＳｉＣ製半導体素子３やＳｉ_３Ｎ_４絶縁性セラミックス基板１に近く、かつ、強度が高いＷを用いた場合は、Ｗ層に発生する熱応力は５０ＭＰａ程度と低いが、熱膨張率が大きく、高温強度が低いＣｕを用いた場合は、金属層４に発生する熱応力はＣｕの降伏応力よりも著しく高く、Ｃｕには塑性変形が生じ短時間の熱サイクルで剥離が発生することが確認された。
【００３２】
したがって、金属層４の材質としては、低膨張・高強度のＷ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｉ−Ｆｅ合金が適しており、なかでも高熱伝導率の点からは、Ｗ、Ｍｏが好ましいことが明らかとなった。
【００３３】
（第１の実施の形態）
本実施形態におけるモジュール型半導体装置は、図１と同様の構成であり、絶縁性セラミックス基板１としてＳｉ_３Ｎ_４を用い、その表面をメタライズした後に絶縁性セラミックス基板１の表面にろう材を用いた接合材２によりＳｉＣ製半導体素子３を接合した構成である。
【００３４】
実施例１として、絶縁性セラミックス基板１にＳｉ_３Ｎ_４を用い、その厚さを１．０ｍｍとし、その表面にメタライズ処理によって極薄い金属層（不図示）を形成した後、さらにその表面に接合材２としてろう材を用いてＳｉＣ製半導体素子３を接合した試験片を製作した。
【００３５】
また、比較のために、比較例１として、絶縁性セラミックス基板１にＡｌＮを用い、その厚さを１．０ｍｍとし、その表面に同じくろう材を用いてＳｉＣ製半導体素子３を接合した試験片を製作した。
【００３６】
両者の試験片について、放熱板の上に固定し、ＳｉＣ製半導体素子を通電し、所定の温度に到達した後に、室温まで冷却する通電加熱試験を実施した。その際、到達温度を段階的に上げて絶縁性セラミックス基板の損傷状況を評価した。その評価結果を図６の表に示す。
【００３７】
図６の表から、図３に示した解析結果と同様に、ＳｉＣ製半導体素子に比べて熱膨張が大きく、かつ、曲げ強さも低いＡｌＮを絶縁性セラミックス基板に用いた比較例１では、２５０℃に加熱した時点で絶縁性セラミックス基板に亀裂が発生したのに対して、ＳｉＣ製半導体素子との熱膨張差が小さく、かつ、曲げ強さも高いＳｉ_３Ｎ_４を用いた実施例１では３００℃に加熱しても絶縁性セラミックス基板１には全く異常が認められなかった。
【００３８】
以上の結果より、ＳｉＣ製半導体素子に用いる絶縁性セラミックス基板１の材料としては、低熱膨張率と高強度を兼ね備えたＳｉ_３Ｎ_４が最も適しており、半導体装置の耐熱性を大幅に改善できることが明らかとなった。
【００３９】
したがって、本実施の形態によれば、絶縁性セラミックス基板１の材料としてＳｉ_３Ｎ_４を用いることで、絶縁性セラミックス基板１に発生する熱応力が低減するとともに曲げ強さが強くなるので、３００℃の高温で稼動させても絶縁性セラミックス基板が損傷しないようにすることができる。
【００４０】
（第２の実施の形態）
図７は、本実施形態におけるモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。同図のモジュール型半導体装置は、絶縁性セラミックス基板１の表面にＷ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｉ−Ｆｅ合金のうちのいずれかを主成分とする金属層４を設け、この金属層４の表面にＳｉＣ製半導体素子３を接合材２によって接合した構成である。その他の構成については図１と同様である。
【００４１】
実施例２として、絶縁性セラミックス基板１にＳｉ_３Ｎ_４を用い、その厚さを２．０ｍｍとし、その表面にＷからなる金属層４を設け、この金属層４にＳｉＣ製半導体素子３をろう材によって接合した試験片を製作した。
【００４２】
比較のために比較例２として、金属層４の材質をＣｕに替えた試験片を製作した。その他の構成は実施例２と同じである。なお、金属層４の厚さは、実施例２も比較例２も０．１ｍｍとした。
【００４３】
両者の試験片について、到達温度を３００℃一定とし、繰り返し通電加熱を実施することにより熱サイクル試験を行った。このときの通電加熱試験の結果を図８の表に示す。図８の表から、図５に示した解析結果と同様に、金属層４としてＳｉＣ製半導体素子３やＳｉ_３Ｎ_４絶縁性セラミックス基板１と比較的熱膨張率が近く、降伏強さも高いＷを用いた実施例２では、５０サイクル後に金属層４の極僅かな剥離が観察されたが、１００サイクル後でも顕著な損傷は認められなかった。
【００４４】
これに対して、ＳｉＣ製半導体素子３やＳｉ_３Ｎ_４絶縁性セラミックス基板１に比べて熱膨張率が著しく大きく、降伏強さも低いＣｕを金属層４に用いた比較例２では、１０サイクル後で金属層４に多数のシワが発生し、２０サイクルまでにＣｕ層はすべて著しい剥離が発生した。
【００４５】
この実施例２と同様な結果は、たとえばＭｏ、Ｔａ、４２％Ｎｉ−Ｆｅ合金でも観察され、絶縁性セラミックス基板１に接合する金属層４の材質としては、上記のような低熱膨張率、高強度材料が適しており、なかでも熱伝導率が高いＷおよびＭｏが最も適していることが判明した。
【００４６】
したがって、本実施の形態によれば、金属層４の材質として、Ｗ，Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｉ−Ｆｅ合金のうちのいずれかを用いることで、金属層４の熱膨張率がＳｉＣ製半導体素子３やＳｉ_３Ｎ_４絶縁性セラミックス基板１に近いことから、金属層４に発生する熱応力を低減でき、絶縁性セラミックス基板１の損傷をさらに防止することができる。
【００４７】
（第３の実施の形態）
図９は、本実施形態におけるモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。同図のモジュール型半導体装置は、絶縁性セラミックス基板１の表面に金属層４を設けるとともに、接合材２の濡れ性を改善するために、金属層４の表面にさらに軟質金属層５を設け、この軟質金属層５の上面にＳｉＣ製半導体素子３を接合材２によって接合した構成である。その他の構成は図７と同様である。
【００４８】
実施例３として、絶縁性セラミックス基板１にＳｉ_３Ｎ_４を用い、その厚さを２．０ｍｍとし、その表面に厚さ０．１ｍｍのＷからなる金属層４を設け、さらに軟質金属層５として厚さ２０μｍのＮｉ層を設けて熱処理した後に、その上からＳｉＣ製半導体素子３を接合材２（ろう材）によって接合した試験片を製作した。
【００４９】
この試験片を用いて熱サイクル試験を実施した。この熱サイクル試験は、第２の実施の形態と同様にして行った。
【００５０】
試験の結果を図１０の表に示す。同図の表には、実施例２の試験片における熱サイクル試験の結果を合わせて示してある。図１０の結果から、実施例２のように、金属層４の上に直接ＳｉＣ製半導体素子３を接合しただけの場合は、５０サイクルで接合部に極僅かな剥離を生じたが、本実施例３のように、金属層４の表面に薄いＮｉ層（軟質金属層５）を設けた場合は、１００サイクル後でも全く剥離が生じないことが確認された。
【００５１】
したがって、本実施の形態によれば、金属層４の表面にさらに軟質金属層５を設けることで、接合材２の濡れ性が改善されるので、ＳｉＣ製半導体素子３と絶縁性セラミックス基板１との接合強度を向上させることができる。なお、軟質金属層５としては、Ｎｉと同様に接合材２が濡れ易い材料としてＣｕがあり、Ｎｉに代わって金属層４の表面に、薄いＣｕまたはその合金層を設けても同様な効果が期待できる。
【００５２】
（第４の実施の形態）
図１１は、本実施形態におけるモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。同図のモジュール型半導体装置は、絶縁性セラミックス基板１の表面に設けた金属層４と同一材質の金属層６を、絶縁性セラミックス基板１の裏面にも設けた構成である。同図では、金属層４、絶縁性セラミックス基板１、金属層６により絶縁基板７が構成された様子を示してある。その他の構成は図９と同様である。
【００５３】
第２の実施の形態で説明したように、絶縁性セラミックス基板１と、その表面に設けた金属層４とは、両者の熱膨張率をできるだけ近づけることにより熱サイクル寿命を向上できることが判明した。
【００５４】
しかし、それでも両者の熱膨張率は僅かに異なる。このため、加熱、冷却時に、図１２に示すように、ＳｉＣ製半導体素子３が搭載されている面の側へ絶縁基板７に反りが発生してしまい、このような反りの発生しない限度が通電加熱温度の限界となっていた。
【００５５】
そこで、本実施の形態では、図１１に示したように、絶縁性セラミックス基板１の裏面にも金属層４と同一材質の金属層６を設けることにより、曲げ応力のバランスをとるようにした。
【００５６】
実施例４として、金属層４および金属層６に厚さ０．１ｍｍのＷを用いた試験片を製作し、通電加熱試験熱を行った。実施例４の他の部分の構成は実施例３と同様とした。また、比較のために、実施例３による試験片についても通電加熱試験熱を行った。実施例３，４のいずれについても１０個の試験片で試験を開始し、段階的に変化させる各温度において絶縁基板に反りが生じていない試験片の数を記録した。
【００５７】
この試験結果を図１３の表に示す。同図の表から、実施例４では、到達温度が４００℃を超えるまで試験片の全数（１０Ｐ）が、到達温度に達している。これに対して、実施例３では、到達温度が３００℃を超えた辺りから、到達温度に達する試験片が少なくなることが確認された。
【００５８】
したがって、本実施の形態によれば、絶縁性セラミックス基板１の裏面にも金属層４と同一材質の金属層６を設けることにより、曲げ応力をバランスさせることができ、絶縁基板７の反りをほぼ完全に防止することができる。その結果、熱サイクル寿命のバラツキを著しく低減することができる。
【００５９】
（第５の実施の形態）
図１４は、本実施形態におけるモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。本モジュール型半導体装置は、第４の実施の形態と同様の構造からなる絶縁性セラミックス基板１の裏面に設けた金属層６を放熱板８に密着させた状態で、ボルト９、接着剤、ろう付け等により放熱板８に固定した構成である。その他の構成は図１１と同様である。
【００６０】
実施例５として、絶縁基板７を直接的に放熱板８に密着させた状態でボルト９により放熱板８に固定した試験片を製作し、通電加熱試験を行った。実施例５の他の部分の構成は実施例４と同様とした。また、比較のために、絶縁基板７と放熱板８との間に、Ｃｕベースを介した場合（比較例３）、ＳｉＣ／Ａｌ複合材料を介した場合（比較例４）について、同じく通電加熱試験を行った。その結果を図１５の表に示す。
【００６１】
図１５の表から、比較例３および４のように、絶縁基板をベースと呼ばれるＣｕまたはＳｉＣ／Ａｌ複合材料に接合し、これらの材料を介して放熱板８に固定した場合、Ｃｕ、ＳｉＣ／Ａｌ複合材料の熱膨張率は、各々１６．７、１０×１０^−６／Ｋであり、ＳｉＣ製半導体素子３やＳｉ_３Ｎ_４絶縁性セラミックス基板１と大きく異なるため、前者は１５０℃、後者は２５０℃で接合材２に剥離が発生した。一方、実施例５のように、これらの材料を用いず、絶縁基板７を直接放熱板８に固定した場合は、大きな熱応力が発生せず、３００℃の加熱でも接合材２に異常は認められなかった。
【００６２】
したがって、本実施の形態によれば、絶縁性セラミックス基板１の裏面に設けた金属層６を放熱板８に密着させた状態で放熱板８に固定したことで、接合材２に大きな熱応力が発生せず、３００℃の高温で稼動させても接合材２が損傷しないようにすることができる。
【００６３】
（第６の実施の形態）
図１６は、本実施形態におけるモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。本モジュール型半導体装置は、絶縁性セラミックス基板１の裏面に設けた金属層６の表面に、Ｎｉ、Ｃｕ、これらの金属のいずれかを含む合金のうちのいずれかを用いた軟質金属層１０をさらに設けた構成である。その他の構成は図１４と同様である。
【００６４】
実施例６として、金属層６の表面に軟質金属層１０として厚さ２０μｍのＮｉ層を設けた試験片を製作し、通電加熱試験を行った。実施例６の他の部分の構成は実施例５と同様とした。その結果を図１７の表に示す。なお、比較のために、実施例５の試験片による通電加熱試験の結果を合わせて示してある。
【００６５】
図１７の表から、実施例５のように金属層６の表面にＮｉ層を設けない場合は、３５０℃を超えたところで接合材２の剥離が始まったのに対し、実施例６のように金属層６の表面にＮｉ層を設けた場合には、４００度℃を超えるまで接合材２の剥離が始まらないことが確認された。
【００６６】
したがって、本実施の形態によれば、絶縁性セラミックス基板１の裏面に設けた金属層６の表面に、Ｎｉ、Ｃｕ、これらの金属のいずれかを含む合金のうちのいずれかを用いた軟質金属層１０をさらに設けたことで、絶縁基板７と放熱板８との接触熱抵抗を低減することができ、その分、ＳｉＣ製半導体素子３と絶縁基板７の温度を下げることが可能となるので、限界加熱温度を向上させることができる。
【００６７】
（第７の実施の形態）
図１８は、本実施形態におけるモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。本モジュール型半導体装置は、複数個のＳｉＣ製半導体素子３のコレクタ電極を金属製ブスバー１１で電気的に接続し、この金属製ブスバー１１の状面に絶縁性セラミックス１２を介して放熱板１３を密着させた構成である。その他の構成は図１６と同様である。
【００６８】
本実施の形態では、従来は半導体素子間の電気的結線に使用されていたワイヤボンディングを、金属製ブスバー１１に変更することにより、ＳｉＣ製半導体素子３の上面にも放熱板１３を設置することを可能としている。これにより、ＳｉＣ製半導体素子３の熱を効率良く除去することができる。さらに、金属製ブスバー１１と放熱板１３の間に絶縁性セラミックス１２を介在させることにより、外部との絶縁も維持することができる。
【００６９】
（第８の実施の形態）
本実施形態におけるモジュール型半導体装置は、外観構成は図１８に示したものと同様であるが、金属製ブスバー１１と放熱板１３の間に存在する絶縁性セラミックス１２の材質として、熱膨張率および熱伝導率が高いＡｌＮまたはＳｉ_３Ｎ_４を用いた構成である。
【００７０】
本実施の形態では、このように絶縁性セラミックス１２の材料として、熱膨張率がＳｉＣ製半導体素子３やＳｉ_３Ｎ_４製の絶縁性セラミックス基板１に近い材料を選定することにより、絶縁性セラミックス１２に発生する熱応力を低減することができ、かつ、高い熱伝導率の材料を選定することにより効率良く外部に熱を放出させることができる。
【００７１】
（第９の実施の形態）
図１９は、本実施形態におけるモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。本モジュール型半導体装置は、金属製ブスバー１１の材質として、ＳｉＣ製半導体素子、Ｓｉ_３Ｎ_４製の絶縁性セラミックス基板１、およびＡｌＮ製の絶縁性セラミックス１２と熱膨張率が近く、熱伝導率が高いＷ、Ｍｏ、これらの金属を含む合金のうちのいずれかを成分として含み、かつ、その表面または裏面、あるいは表裏面の両面にＣｕまたはＮｉを含む金属層１４を設けた構成である。その他の構成は、図１８と同様である。
【００７２】
本実施の形態では、このように金属製ブスバー１１の材質として、Ｗ、Ｍｏ、これらの金属を含む合金のうちのいずれかを用いるとともに、金属製ブスバー１１の表面と裏面の少なくとも一方にＣｕまたはＮｉを含む金属層１４を設けることで、金属製ブスバー１１と放熱板１３との接合性、接触熱抵抗を低減でき、同部位の熱サイクル寿命の向上や接触熱抵抗の低減による冷却特性を向上させることができる。
【００７３】
（第１０の実施の形態）
図２０は、本実施形態におけるモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。本モジュール型半導体装置は、ＳｉＣ製半導体素子３を接合した金属層４の表面と裏面のうちの少なくとも一方に、Ｎｉ、Ｃｕ、これらの金属のいずれかを含む合金のうちのいずれかを用いた軟質金属層５、１０をそれぞれ設けるとともに、金属層４をボルト９等により軟質金属層１０を介して放熱板８に固定した構成である。
【００７４】
すなわち、絶縁性セラミックス基板１を省略し、金属層４が絶縁基板に相当する構成である。金属層４としては、ＳｉＣと熱膨張率が比較的近いＭｏ、Ｗ、Ｔａ、これらの金属のいずれかを含む合金、またはＮｉとＦｅからなる合金を用いる。その他の構成については図１９と同様である。
【００７５】
本実施の形態では、このようにＳｉＣ製半導体素子３を接合する金属層４の材質をＭｏ、Ｗ、Ｔａ、これらの金属のいずれかを含む合金、またはＮｉとＦｅを含む合金とすることにより、ＳｉＣ製半導体素子の発熱時において熱膨張率差に起因する絶縁基板の熱応力を低減でき、絶縁基板の損傷を防止することができる。また、金属層４の表面又は裏面の少なくとも一方に熱抵抗の小さい軟質金属層５，１０を設けることにより、接触界面における熱抵抗も大幅に低下させることができ、放熱板からの冷却効率も著しく向上させることができる。
【００７６】
（第１１の実施の形態）
図２１は、本実施形態におけるモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。本モジュール型半導体装置は、第１０の実施の形態の構造からなる半導体装置を絶縁性容器１５に収め、この絶縁性容器１５内に絶縁性ガス１６を充填した構成である。絶縁性ガス１６としては、たとえば、ドライ窒素（Ｎ）ガス、または、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガスなどを用いる。
【００７７】
本実施の形態では、このようにモジュール型半導体装置の内部を絶縁性ガス１６により充填することにより、半導体装置の内のアーク放電を防止でき、耐圧性を向上させることができる。
【００７８】
なお、絶縁性容器１５内には、少なくともＳｉＣ製半導体素子３を収納していればよく、この点については第１乃至第９の実施の形態として説明した半導体装置のいずれについても適用でき、いずれの場合も同様の効果を得ることができる。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、３００℃以上の高温で稼動しても、熱応力により絶縁基板が損傷しないモジュール型半導体装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態におけるモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。
【図２】上記半導体装置に用いられる絶縁性セラミックス基板の候補となる材料の特性を示す表である。
【図３】上記半導体装置の作動温度と絶縁性セラミックス基板に作用する熱応力との関係を示すグラフである。
【図４】上記半導体装置の金属層の候補となる材料の特性を示す表である。
【図５】上記半導体装置の作動温度と金属層に作用する熱応力との関係を示すグラフである。
【図６】実施例１と比較例１について通電加熱試験の評価結果を示す表である。
【図７】第２の実施の形態における金属層の接合部分の耐剥離性を向上させたモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。
【図８】実施例２と比較例２について熱サイクル試験の評価結果を示す表である。
【図９】第３の実施の形態における金属層の接合部分の耐剥離性を向上させたモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。
【図１０】実施例２と実施例３について熱サイクル試験の評価結果を示す表である。
【図１１】第４の実施の形態における加熱による曲げ変形を抑制したモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。
【図１２】ＳｉＣ製半導体素子が搭載されている面の側へ絶縁基板に反りが発生する様子を示す図である。
【図１３】実施例３と実施例４について通電加熱試験の評価結果を示す表である。
【図１４】第５の実施の形態における絶縁基板での熱応力の発生を抑制したモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。
【図１５】実施例５と比較例３，４について通電加熱試験の評価結果を示す表である。
【図１６】第６の実施の形態における耐熱特性を向上させたモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。
【図１７】実施例５と実施例６について通電加熱試験の評価結果を示す表である。
【図１８】第７の実施の形態における金属製ブスバーを用いたモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。
【図１９】第９の実施の形態における金属製ブスバーと放熱板との接触熱抵抗を低減したモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。
【図２０】第１０の実施の形態における冷却特性を向上させたモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。
【図２１】第１１の実施の形態における半導体装置内部の耐アーク特性を向上させたモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。
【図２２】従来のモジュール型半導体装置の基本構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１，２１…絶縁性セラミックス基板、
２…接合材、３…炭化珪素製半導体素子、
４…金属層、５，１０…軟質金属層、
６…金属層、７…絶縁基板、８…放熱板、
９…ボルト、１１…金属製ブスバー、
１２…絶縁性セラミックス、１３…放熱板、
１４…金属層、１５…絶縁性容器、
１６…絶縁性ガス、２２…Ｓｉ半導体素子、
２３…ハンダ、２４，２７…Ａｌ板、
２５…ベース、２６…ハンダ、
２８…ワイヤ、２９…絶縁性ゲル、
３０…絶縁性樹脂ケース

Claims

窒化珪素を用いた絶縁性セラミックス基板と、
前記絶縁性セラミックス基板に金属層を介して接合された炭化珪素製半導体素子と、を有することを特徴とするモジュール型半導体装置。
前記金属層の材質は、モリブデン、タングステン、タンタル、これらの金属のいずれかを含む合金、ニッケルと鉄を含む合金のうちのいずれかを用いたことを特徴とする請求項１記載のモジュール型半導体装置。
前記金属層の表面に、ニッケル、銅、これらの金属のいずれかを含む合金のうちのいずれかを用いた軟質金属層を有することを特徴とする請求項１又は２記載のモジュール型半導体装置。
前記金属層と同一材質の金属層を、前記絶縁性セラミックス基板の裏面にも有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモジュール型半導体装置。
前記絶縁性セラミックス基板の裏面に設けた金属層を放熱板に密着させた状態で固定したことを特徴とする請求項４記載のモジュール型半導体装置。
前記絶縁性セラミックス基板の裏面に設けた金属層の表面に、ニッケル、銅、これらの金属のいずれかを含む合金のうちのいずれかを用いた軟質金属層を有することを特徴とする請求項４又は５記載のモジュール型半導体装置。
複数個の炭化珪素製半導体素子のコレクタ電極を電気的に接続する金属製ブスバーを有し、
前記金属製ブスバーを絶縁性セラミックスを介して放熱板に密着させたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のモジュール型半導体装置。
前記絶縁性セラミックスの材質は、窒化アルミニウムまたは窒化珪素であることを特徴とする請求項７記載のモジュール型半導体装置。
前記金属製ブスバーの材質は、タングステン、モリブデン、これらの金属を含む合金のうちのいずれかを用いたものであり、前記金属製ブスバーの表面又は裏面の少なくとも一方に銅またはニッケルを用いた金属層を有することを特徴とする請求項７又は８記載のモジュール型半導体装置。
モリブデン、タングステン、タンタル、これらの金属のいずれかを含む合金、ニッケルと鉄を含む合金のうちのいずれかを用いた金属層と、
前記金属層の表面と裏面うちの少なくとも一方に設けられ、ニッケル、銅、これらの金属のいずれかを含む合金のうちのいずれかを用いた軟質金属層と、
前記金属層に接合された炭化珪素製半導体素子と、
前記軟質金属層を介して前記金属層を固定した放熱板と、を有することを特徴とするモジュール型半導体装置。
前記炭化珪素製半導体素子は、絶縁性ガスが充填された絶縁性容器に収納されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のモジュール型半導体装置。