JP2006351927A - 半導体装置、回路基板及び電気接続箱 - Google Patents

Abstract

【課題】ろう材中に残留する気泡を低減する事で、放熱性の向上等を図った半導体装置、回路基板及び電気接続箱を提供する。
【解決手段】導電体３の上下面には、逃がし溝１２が格子状のパターンで形成されている。逃がし溝１２は、基材３Ａの表面に形成されたメッキ層３Ｂの一部をレーザ等により除去することで形成される。接合時には、導電体３とろう材５との間に挟まれた外気や、ろう材５やメッキ層３Ｂから発生したガスが逃がし溝１２を通じて逃がされる。また、絶縁板と放熱板の間で接合がなされる導電体、および放熱板に関しても上下面に同じ逃し溝が形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体装置、回路基板及び電気接続箱に関するものである。

従来より、自動車のバッテリーから各車載負荷へ電力を分配するために用いられる配電回路に、ＩＧＢＴ等のパワー半導体装置を用いたものが知られている（例えば特許文献１参照）。このようなパワー半導体装置は、例えば絶縁基板の表裏両面に回路を構成する導電体を銀ろう等によって接合し、さらに一方の導電体に半導体チップを重ねて半田等で接合し、もう一方の導電体に放熱板を重ねて半田等で接合した構成となっている。
特開２００３−１６４０３９公報

上記のように、銀ろうや半田等のろう材を用いた接合作業の際には、接合しようとする導電体や絶縁基板等とろう材との間に外気が挟み込まれて気泡ができることがある。また、加熱によりろう材や、あるいは導電体等の表面に設けられたメッキ層からガスが発生して気泡となることもある。このようにして、接合後にろう材中に多くの気泡が残ると、ろう材が剥がれやすくなって電気接続の信頼性が損なわれたり、あるいは熱抵抗が大きくなって放熱性が大きく低下するおそれがある。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、その目的は、ろう材中に残留する気泡を低減することで、放熱性の向上等を図るところにある。

上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明に係る半導体装置は、絶縁基板に導電体がろう材を用いて接合された半導体装置であって、前記導電体における前記絶縁基板の接合面には、接合時に気体を逃がすための逃がし溝が形成されているところに特徴を有する。

請求項２の発明に係る半導体装置は、導電体に半導体チップがろう材を用いて接合された半導体装置であって、前記導電体における前記半導体チップの接合面には、接合時に気体を逃がすための逃がし溝が形成されているところに特徴を有する。

請求項３の発明に係る半導体装置は、導電体に放熱板がろう材を用いて接合された半導体装置であって、前記放熱板における前記導電体の接合面には、接合時に気体を逃がすための逃がし溝が形成されているところに特徴を有する。

請求項４の発明は、請求項１または請求項２に記載のものにおいて、前記導電体は、基材の表面にメッキ層を設けてなり、前記逃がし溝は、前記メッキ層の一部を除去することで形成されているところに特徴を有する。

請求項５の発明は、請求項３に記載のものにおいて、前記放熱板は、基材の表面にメッキ層を設けてなり、前記逃がし溝は、前記メッキ層の一部を除去することで形成されているところに特徴を有する。

請求項６の発明は、請求項４または請求項５に記載のものにおいて、前記逃がし溝は、前記メッキ層が線状に除去されてなるところに特徴を有する。

請求項７の発明は、請求項４または請求項５に記載のものにおいて、前記逃がし溝は、前記メッキ層が格子状に除去されてなるところに特徴を有する。

請求項８の発明は、請求項１から請求項７のいずれかに記載のものにおいて、前記逃がし溝の底部は、周辺部に比べて前記ろう材の濡れ性が低くされているところに特徴を有する。

請求項９の発明に係る回路基板は、請求項１から請求項８のいずれかに記載の半導体装置を実装したところに特徴を有する。

請求項１０の発明に係る電気接続箱は、請求項９に記載の回路基板を備えたところに特徴を有する。

＜請求項１の発明＞
導電体における絶縁基板の接合面に逃がし溝が形成されているため、ろう材による接合時に気体が逃がし溝により逃がされる。これにより、ろう材中に残留する気泡を低減することができ、放熱性を向上させることができる。

＜請求項２の発明＞
導電体における半導体チップの接合面に逃がし溝が形成されているため、ろう材による接合時に気体が逃がし溝により逃がされる。これにより、ろう材中に残留する気泡を低減することができ、放熱性を向上させることができる。

＜請求項３の発明＞
放熱板における導電体の接合面に逃がし溝が形成されているため、ろう材による接合時に気体が逃がし溝により逃がされる。これにより、ろう材中に残留する気泡を低減することができ、放熱性を向上させることができる。

＜請求項４及び請求項５の発明＞
逃がし溝は、メッキ層の一部を除去することで形成されるため、簡易に形成することができる。

＜請求項６の発明＞
逃がし溝は、メッキ層を線状に除去することで形成されている。このため、逃がし溝を例えばレーザ等によって簡易に形成することができる。

＜請求項７の発明＞
逃がし溝は、メッキ層を格子状に除去することで形成されている。このため、逃がし溝を例えばレーザ等によって簡易に形成することができる。また、ろう材の流動を抑えることができる。

＜請求項８の発明＞
逃がし溝の底部が周辺部に比べてろう材の濡れ性が低くなっているため、接合時に逃がし溝がろう材で埋められにくくなる。従って、逃がし溝の通気性を確保することができる。

＜請求項９及び請求項１０の発明＞
回路基板に実装される半導体装置においてろう材中に残留する気泡が低減されるため、信頼性を高めることができる。

＜実施形態１＞
以下、本発明の実施形態１を図１ないし図３によって説明する。
本実施形態のパワー半導体装置１は、自動車のバッテリーから各車載負荷へ電力を分配するために用いられる電気接続箱（図示せず）の一構成部品として用いられる。電気接続箱は、パワー半導体装置１が実装された回路基板をケース（図示せず）内に収容してなる。

パワー半導体装置１は、図１に示すように、窒化アルミニウム等からなる絶縁基板２を備えており、この絶縁基板２の上下面には、導電体３，４が銀ろう５，６を用いて接合されている。導電体３，４は、図２にも示すように、銅箔やアルミニウム箔からなる基材３Ａの表面に、ろう材（銀ろう、半田）に対する濡れ性に優れたＮｉ等のメッキ層３Ｂが形成されている。また、上側の導電体３の上面には、ＩＧＢＴ等の半導体チップ７が半田８を用いて接合されている。さらに、下側の導電体４の下面には、放熱板９が半田１０を用いて接合されている。放熱板９は、ＡｌＳｉＣ（アルミ・シリコン・カーバイド）等からなる基材９Ａの表面にろう材（銀ろう、半田）に対する濡れ性に優れたＮｉ等のメッキ層９Ｂ（図４参照）を形成してなる。

各導電体３，４の上下面には、図３に部分的に示すように、逃がし溝１２が格子状のパターンで形成されている。この逃がし溝１２は、例えば導電体３，４の表面にレーザ光線を照射して、メッキ層３Ｂの一部を除去することで形成される。このようにしてメッキ層３Ｂの一部が除去されると、そこから露出した銅やアルミニウムからなる基材３Ａの表面が酸化して酸化皮膜（図示せず）が形成される。このため、逃がし溝１２の底部は、メッキ層３Ｂの表面に比べて半田濡れ性が低くなっている。

一方、放熱板９の上面にも、図４に部分的に示すように、逃がし溝１３が格子状のパターンで形成されている。この逃がし溝１３も、同じくレーザ光線の照射等により、放熱板９のメッキ層９Ｂの一部を除去することで形成される。逃がし溝１３の底部は、基材９Ａが露出しているために、メッキ層９Ｂの表面に比べて半田濡れ性が低くなっている。

パワー半導体装置１を製造するには、まず銀ろう５，６を絶縁基板２の両面に所定の厚さで印刷する。そして、導電体３，４となる一対の金属板を、絶縁基板２の両面に印刷された銀ろう５，６上に載せ、所定の温度、例えば５００℃〜６００℃で熱処理することにより、絶縁基板２の両面に導電体３，４を接合する。その後、放熱板９の上面に半田１０（例えば融点約２６０℃の高温半田）を印刷し、その上に下側の導電体４を載せて、熱処理することにより、放熱板９と導電体４とを接合する。さらに、上側の導電体３の上面に半田８（例えば融点約１５０℃の低温半田）を印刷し、その上に半導体チップ７を載せ、熱処理することにより、導電体３と半導体チップ７とを接合する。

ここで、上記の絶縁基板２と導電体３，４とを接合する工程において、熱処理により銀ろう５，６が溶融すると、その銀ろう５，６が濡れ性の良い導電体３，４のメッキ層３Ｂの表面を伝って濡れ拡がる一方で、濡れ性が低い逃がし溝１２の底部には付着しない（図２参照））。このため、導電体３，４と銀ろう５，６との間に挟まれた外気や、銀ろう５，６やメッキ層３Ｂから発生したガスが逃がし溝１２を通じて外部に逃がされる。これにより、冷却後に銀ろう５，６中に残留する気泡が低減される。さらに、逃がし溝１３が格子状に形成されることでろう材の濡れ性が良好なメッキ層３Ｂがブロック状に分断されているため、銀ろう５，６がそのブロックよりも外側に流動しにくくなる。このため、接合時に導電体３，４が銀ろう５，６の流動に伴って移動することが防止され、部品の位置決めの精度を高めることができる。

同様に、放熱板９上に導電体４を接合する工程、若しくは導電体３上に半導体チップ７を接合する工程においても、導電体３，４若しくは放熱板９の表面に形成された逃がし溝１２，１３によって、導電体３，４若しくは放熱板９と半田８，１０との間に挟まれた外気や、半田８，１０やメッキ層３Ｂ，９Ｂから発生したガスが逃がし溝１２，１３を通じて外部に逃がされるため、冷却後に半田８，１０中に残留する気泡が低減される。さらに、逃がし溝１２，１３が格子状に形成されることで半田８，１０が流動しにくくなり、これにより、接合時に導電体４や半導体チップ７が半田８，１０の流動に伴って移動することが防止され、部品の位置決めの精度を高めることができる。

以上のように本実施形態によれば、導電体３，４における絶縁基板２の接合面、導電体３における半導体チップ７の接合面、放熱板９における導電体４の接合面に逃がし溝１２，１３が形成されているため、ろう材による接合時に気体が逃がし溝１２，１３により逃がされる。これにより、ろう材５，６，８，１０中に残留する気泡を低減することができ、放熱性を向上させることができる。

逃がし溝１２，１３は、メッキ層３Ｂ，９Ｂの一部を除去することで形成されるため、簡易に形成することができる。

逃がし溝１２，１３は、メッキ層３Ｂ，９Ｂを線状または格子状に除去することで形成されている。このため、逃がし溝１２，１３を例えばレーザ等によって簡易に形成することができる。また、逃がし溝１２，１３が格子状に形成されていることで、ろう材５，６，８，１０の流動を抑えることができる。

逃がし溝１２，１３の底部が周辺部に比べてろう材の濡れ性が低くなっているため、接合時に逃がし溝１２，１３がろう材で埋められにくくなる。従って、逃がし溝１２，１３の通気性を確保することができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記実施形態では、逃がし溝を格子状のパターンで形成したものを示したが、逃がし溝の形状は適宜変更できる。例えば図５に示したものでは、導電体３の上面において線状の８本の逃がし溝１２Ａが半導体チップ７の接合領域（鎖線で示す）の中心から放射状に延びて形成されている。また、図６に示したものでは、導電体３の上面において８本の線状の逃がし溝１２Ｂが半導体チップ７の接合領域の中央を除いた外周部に放射状に延びて形成されている。
（２）上記実施形態に例示した製造工程はあくまでも一例であって、適宜に変更可能である。
（３）メッキ層は、異なる成分を含む層が複数積層されたものであっても良い。この場合、逃がし溝を形成するために、メッキ層を形成する複数の層の全てを削っても良く、表面側の一部の層のみを削っても良い。
（４）逃がし溝は、導電体等のメッキ層を削って形成しても良く、あるいは導電体等の基材部分に形成しても良い。また、メッキ層を備えていない導電体等に、逃がし溝を形成しても良い。

本発明の実施形態１に係るパワー半導体装置の断面図 絶縁基板と導電体との接合部分を示す部分拡大断面図 導電体の一部を示す平面図 放熱板の一部を示す平面図 他の実施形態に係る導電体の一部を示す平面図 別の他の実施形態に係る導電体の一部を示す平面図

符号の説明

１…パワー半導体装置
２…絶縁基板
３，４…導電体
３Ａ…基材
３Ｂ…メッキ層
５，６…銀ろう（ろう材）
７…半導体チップ
８，１０…半田（ろう材）
９…放熱板
９Ａ…基材
９Ｂ…メッキ層
１２，１３…逃がし溝

Claims (10)

1. 絶縁基板に導電体がろう材を用いて接合された半導体装置であって、
   前記導電体における前記絶縁基板の接合面には、接合時に気体を逃がすための逃がし溝が形成されていることを特徴とする半導体装置。
2. 導電体に半導体チップがろう材を用いて接合された半導体装置であって、
   前記導電体における前記半導体チップの接合面には、接合時に気体を逃がすための逃がし溝が形成されていることを特徴とする半導体装置。
3. 導電体に放熱板がろう材を用いて接合された半導体装置であって、
   前記放熱板における前記導電体の接合面には、接合時に気体を逃がすための逃がし溝が形成されていることを特徴とする半導体装置。
4. 前記導電体は、基材の表面にメッキ層を設けてなり、前記逃がし溝は、前記メッキ層の一部を除去することで形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
5. 前記放熱板は、基材の表面にメッキ層を設けてなり、前記逃がし溝は、前記メッキ層の一部を除去することで形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
6. 前記逃がし溝は、前記メッキ層が線状に除去されてなることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記逃がし溝は、前記メッキ層が格子状に除去されてなることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の半導体装置。
8. 前記逃がし溝の底部は、周辺部に比べて前記ろう材の濡れ性が低くされていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の半導体装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の半導体装置を実装した回路基板。
10. 請求項９に記載の回路基板を備えた電気接続箱。

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