JP2006261293A - 半導体装置および該半導体装置用絶縁基板 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体装置の温度が変化する場合に、絶縁基板を構成するセラミック基板においてクラックの発生を防止した半導体装置を提供する。
【解決手段】第１主面と第２主面とを備えたセラミック基板１と、第１主面に固定された第１金属導体２と、第２主面に固定された第２金属導体３とを含む絶縁基板１０と、第１主面の第１金属導体に搭載された半導体素子２０と、第２主面の該第２金属導体に接合され、絶縁基板を載置するベース板３０とを含む半導体装置が、第２金属導体が第２主面に固定された接合領域４と、接合領域の周りに設けられた非接合領域６とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置および半導体装置用絶縁基板に関し、特に、熱応力による破壊を防止し、製品寿命を向上させた電力用半導体装置および電力用半導体装置用絶縁基板に関する。
電力用半導体装置では、シート状の金属導体がセラミック基板の両面に設けられた絶縁基板が用いられる。セラミック基板の表面の金属導体には、例えばＩＧＢＴのような電力用半導体素子が半田層で取り付けられる。セラミック基板の裏面の金属導体は、同じく半田層を介して金属ベース板に取り付けられる。
半田層を介して取り付けられるセラミック基板と金属ベース板とは熱膨張係数が異なるため、電力用半導体装置の温度が変化した場合に半田層にクラックが発生した。これに対して、例えば、セラミック基板の裏面に設けられた金属導体をセラミック基板の裏面より広くすることにより、特に、セラミック基板の隅部近傍での熱応力の集中を防止して、半田層におけるクラックの発生を防止していた（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３４９２０９号公報
電力用半導体装置の温度が変化する場合、セラミック基板の表面と裏面に設けられた金属導体の形状等が異なるためにセラミック基板にも熱応力が加わり、セラミック基板にクラックが発生するという問題があった。
そこで、本発明は、半導体装置の温度が変化する場合に、絶縁基板を構成するセラミック基板においてクラックの発生を防止した半導体装置、およびかかる半導体装置に用いる絶縁基板の提供を目的とする。
本発明は、第１主面と第２主面とを備えたセラミック基板と、第１主面に固定された第１金属導体と、第２主面に固定された第２金属導体とを含む絶縁基板と、第１主面の第１金属導体に搭載された半導体素子と、第２主面の該第２金属導体に接合され、絶縁基板を載置するベース板とを含む半導体装置であって、第２金属導体が、第２主面に固定された接合領域と、接合領域の周りに設けられた非接合領域とを含むことを特徴とする半導体装置である。
以上のように、本発明のかかる半導体装置では、半導体装置の温度が変化した場合でも、絶縁基板を構成するセラミック基板にクラックが発生せず、信頼性が高く、寿命の長い半導体装置を提供できる。
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置の側面図である。電力用半導体装置１００は、絶縁基板１０を含む。絶縁基板１０は、セラミック基板１と、その表面（第１主面）と裏面（第２主面）にそれぞれ形成された金属導体２、３からなる。セラミック基板１は、例えばアルミナからなる。また金属導体２、３は、例えば銅からなり、活性金属法等によりセラミック基板１に接合されている。
絶縁基板１０の表面の金属導体２の上には、半導体素子２０が取り付けられる。半導体素子２０には、例えば、パワーＦＥＴ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＦＷＤ（フリーホイールダイオード）等が用いられる。
絶縁基板１０は、更に、絶縁基板１０の裏面の金属導体３と金属ベース板３０とを半田層５で接合することにより、金属ベース板２０の上に固定されている。金属ベース板２０は、例えば銅からなり、半導体素子２０で発生した熱を放出するために用いられる。
図１に示すように、セラミック基板１と金属導体３との間には、セラミック基板１の周りに沿って、両者が接合されていない非接合領域６が設けられている。
図２は、図１に示す絶縁基板１０を上方（半導体素子２０の側）から見た場合の上面図である。金属導体２の裏面にセラミック基板１が接合され、更に、セラミック基板１の裏面に金属導体３が接合されている。金属導体３は、セラミック基板１の外縁からはみだすような大きさに形成されている。
なお、かかる構成の絶縁基板１０としても、販売、流通等させることが可能である。
図２に斜線で示した部分が、セラミック基板１と金属導体３との非接合領域６に該当する。即ち、セラミック基板１の表面に形成した金属導体２と、セラミック基板１を挟んで対向する領域の周囲を、非接合領域６としている。金属導体２および２つの金属導体２に挟まれた領域に対向する領域は、接合領域４となっている。
図３は、図１の部分拡大図である。接合領域４が、セラミック基板１を挟んで金属導体２と対向する領域に設けられ、その周囲が非接合領域６となっている。
本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００では、金属導体３がセラミック基板１の端部より外部にはみ出した構造となっている。このため、図３に「Ｂ」で示した半田層５の領域で発生する熱応力が緩和され、この部分における半田層５の割れを防止することができる。
なお、半田層５には、例えば錫を主成分として銀や銅を混合した鉛フリー半田を用いるのが好ましいが、鉛フリー半田は鉛半田と比較して熱応力に弱い傾向にあるため、本実施の形態１にかかる構造を用いることにより、半田層５の割れを防止できる。
更に、電力用半導体装置１００では、セラミック基板１を挟んで、金属導体２と対向する領域に接合領域４を設け、その周囲を非接合領域６としたため、非接合領域６を設けない場合に比較して、図３の「Ａ」で示す部分で発生する熱応力が緩和される。このため、セラミック基板１の「Ａ」の部分において、クラックの発生を防止できる。
このように、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００では、絶縁基板１０を構成するセラミック基板１、および絶縁基板１０と金属ベース板３０とを接合する半田層５の、双方に発生するクラックを防止でき、信頼性が高く、製品寿命の長い半導体装置１００を得ることができる。
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２にかかる、全体が５０で表される絶縁基板の側面図である。また、図５は、その上面図である。図４、５中、図１と同一符合は、同一又は相当箇所を示す。かかる絶縁基板５０は、上述の電力用半導体装置１００の絶縁基板１０に代えて使用することができる。
絶縁基板５０では、金属導体３の四隅に略三角形の非接合領域１６を形成し、他の領域を接合領域４としている。略三角形の非接合領域１６は、セラミック基板１を挟んで金属導体２の４つの角部に対向する位置に、三角形の一辺（長辺）が略重なるように形成するのが好ましい。
図３の「Ａ」で示す部分で発生する熱応力は、特にセラミック基板１の隅部で大きくなる。このため、金属導体３の四隅に略三角形の非接合領域１６を形成することにより、特に、セラミック基板１の四隅における熱応力が緩和され、クラックの発生を防止できる。
このように、本実施の形態２にかかる絶縁基板５０を電力用半導体装置１００に適用することにより、絶縁基板５０を構成するセラミック基板１、および絶縁基板５０と金属ベース板３０とを接合する半田層５の、双方に発生するクラックを防止でき、信頼性が高く、製品寿命の長い電力用半導体装置１００を得ることができる。
なお、電力用半導体装置１００において、第１金属導体２と第２金属導体３を、種類の異なる金属や、膜厚の異なる金属から形成してもよい。これにより、絶縁基板１０、５０で発生する熱応力を緩和できるからである。
本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の側面図である。 本発明の実施の形態１にかかる絶縁基板の上面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の部分拡大図である。 本発明の実施の形態１にかかる絶縁基板の側面図である。 本発明の実施の形態１にかかる絶縁基板の上面図である。
符号の説明
１ セラミック基板、２、３ 金属導体、４ 接合領域、５ 半田層、６ 非接合領域、１０ 絶縁基板、２０ 半導体素子、３０ 金属ベース板、１００ 半導体装置。

Claims (15)

  1. 第１主面と第２主面とを備えたセラミック基板と、該第１主面に固定された第１金属導体と、該第２主面に固定された第２金属導体とを含む絶縁基板と、
    該第１主面の該第１金属導体に搭載された半導体素子と、
    該第２主面の該第２金属導体に接合され、該絶縁基板を載置するベース板とを含む半導体装置であって、
    該第２金属導体が、該第２主面に固定された接合領域と、該接合領域の周りに設けられた非接合領域とを含むことを特徴とする半導体装置。
  2. 上記第２金属導体が、上記セラミック基板を挟んで上記第１金属導体と対向する上記接合領域と、該第２金属導体の外縁に沿って設けられた上記非接合領域とを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 上記非接合領域が、上記第２金属導体の隅部を含む略三角形の領域であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  4. 上記略三角形の非接合領域の一辺が、上記セラミック基板を挟んで上記第１金属導体の角部と対向することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  5. 上記第２金属導体が、上記セラミック基板の外縁からはみ出して形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
  6. 上記第１金属導体と上記第２金属導体とが、種類の異なる金属からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
  7. 上記第１金属導体と上記第２金属導体とが、膜厚の異なる金属からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
  8. 上記第２金属導体と上記ベース板とが、鉛を含まない半田により接合されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
  9. 半導体素子を載置する絶縁基板であって、
    第１主面と第２主面とを備えたセラミック基板と、
    該第１主面に固定され、半導体素子が載置される第１金属導体と、
    該第２主面に固定され、ベース板に接合される第２金属導体とを含み、
    該第２金属導体が、該第２主面に固定された接合領域と、該接合領域の周りに設けられた非接合領域とを含むことを特徴とする絶縁基板。
  10. 上記第２金属導体が、上記セラミック基板を挟んで上記第１金属導体と対向する上記接合領域と、該第２金属導体の外縁に沿って設けられた上記非接合領域とを含むことを特徴とする請求項９に記載の絶縁基板。
  11. 上記非接合領域が、上記第２金属導体の隅部を含む略三角形の領域であることを特徴とする請求項９に記載の絶縁基板。
  12. 上記略三角形の非接合領域の一辺が、上記セラミック基板を挟んで上記第１金属導体の角部と対向することを特徴とする請求項１１に記載の絶縁基板。
  13. 上記第２金属導体が、上記セラミック基板の外縁からはみ出して形成されたことを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の絶縁基板。
  14. 上記第１金属導体と上記第２金属導体とが、種類の異なる金属からなることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の絶縁基板。
  15. 上記第１金属導体と上記第２金属導体とが、膜厚の異なる金属からなることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の絶縁基板。

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