JP2007095942A - 接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】金属板に半導体素子を接合する場合など、異なる材料間の接合面に生じる熱応力を低減してクラックの発生を防止した接合構造を提供する。
【解決手段】アルミニウム板２に半導体チップ１を接合し、アルミニウム板２における半導体チップ１の四隅近傍に亜鉛体４を埋設することにより、半導体チップ１やアルミニウム板２に温度変化が発生した場合でも、亜鉛体４の熱応力によって半導体チップ１とアルミニウム板２との接合面に生じる残留応力を緩和し、繰り返し使用時には、アルミニウム板２の繰り返しの疲労を軽減し、寿命を延ばすことができる。したがって、半導体チップ１の角部、アルミニウム板２の領域２ｂ、領域２ｂ上の接合剤３において、クラックの発生を抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属板に異材を接合する際の応力を緩和した接合構造に関する。

従来、金属板に異材を接合した接合構造として、たとえば特許文献１に記載されたように半導体素子を金属板に実装した実装構造がある。
この実装構造は、セラミック板の両面にアルミニウムからなる金属板を接合し、金属板上に半導体素子をろう付けで接合したものである。
この場合、金属板と半導体素子はろう付け温度まで加熱され、その後、室温まで冷却されるという温度変化を受ける。
よって、半導体素子と金属板との間の熱膨張係数差により、半導体素子と金属板との接合部に残留応力が発生し、設計の如何によっては接合部にクラックが発生する可能性が生じる。
同様に、半導体装置の繰り返しの動作によっても、温度上昇と温度降下で繰り返しの熱応力が発生し、金属疲労によって接合部にクラックが生じてしまう可能性がある。
また熱応力の大きさは、熱膨張係数差、接合距離、温度差、ヤング率等の影響を受けることが分かっている。
特にこれらのクラックは、半導体素子の角部に発生し易く、半導体素子の接続信頼性を低下させる可能性がある。

そこで特許文献１においては、一般的に半導体素子を実装する金属板として用いられている銅に替えて、銅よりもヤング率の低いアルミニウムを用いることにより、半導体素子と金属板との接合部分の熱応力を緩和している。
これにより、半導体素子、ろう材、または金属板へのクラックの発生を防止して、信頼性の向上を計っている。
特開２００１−１４４２２４号公報

しかしながら、こうしたベース基材を高温で使用可能な半導体素子（たとえばＳｉＣ等）の実装構造に、上記の実装構造を適用しようとした場合、半導体素子が高温で作動した時に金属板と半導体素子との間の熱応力が大きくなることから、金属板の材質変更だけでは、半導体素子、ろう材、または金属板へのクラックの発生を防止することがさらに困難になってくるといった問題があった。

そこで本発明はこのような問題点に鑑み、金属板に半導体素子を接合する場合など、異なる材料間の接合面に生じる熱応力をさらに低減した、接合構造を提供することを目的としている。

本発明は、第１の部材の主面に第２の部材を接合し、第２の部材の周囲に、第３の部材を第１の部材の主面に臨むように配置するものとした。

本発明によれば、第２の部材の周囲に第３の部材を配置したので、第３の部材の熱応力によって第１の部材と第２の部材との接合面に生じる残留応力を緩和し、第１の部材に生じるクラックを防止することができる。

次に本発明の実施の形態を実施例により説明する。
まず第１の実施例について説明する。
なお本実施例において、異なる材料同士を接合した接合構造として、半導体チップをアルミニウム板に実装した実装構造について説明する。
図１の（ａ）に、本実施例における実装構造の平面形状を示し、図１の（ｂ）に、図１の（ａ）におけるＡ−Ａ部断面を示す。
アルミニウム板２の素子取り付け面２ａに、接合剤３によって四角形状の半導体チップ１が接合される。
半導体チップ１は、アルミニウム板２と比べると低熱膨張体であり、たとえばＳｉＣ等からなるワイドバンドギャップの化合物半導体で構成されたパワー半導体チップである。
半導体チップ１の周囲、かつ半導体チップ１の四隅近傍には、アルミニウム板２に四角柱形状の亜鉛体４が埋設されている。
アルミニウム板２は、接合された半導体チップ１に流れる電流の電流経路になると同時に、半導体チップ１を取り付けた素子取り付け面２ａに対して反対側の面において放熱機能を有する。
一方、亜鉛体４はアルミニウム板２よりも高い熱膨張係数をもち、かつ高いヤング率と高い降伏応力を有している。

アルミニウム板２に半導体チップ１を実装した状態で、本実装構造に温度変化が生じた場合について説明する。
図２の（ａ）に、本実装構造の平面形状を示し、図２の（ｂ）に、図２の（ａ）におけるＢ−Ｂ部断面を示す。
特に図２の（ｂ）は、半導体チップ１の角部周囲を拡大して示し、接合剤３は図示省略してある。
なお半導体チップ１は、ＳｉＣを基体として構成されたＳｉＣチップであるものとする。
また、アルミニウム板２のヤング率を７０ＧＰａ、亜鉛体４のヤング率を９０ＧＰａとする。
半導体チップ１をろう付けする場合には、半導体チップ１やアルミニウム板２が高温から室温へと温度降下する。
このとき、図２の（ａ）に矢印で示すように、半導体チップ１、アルミニウム板２、亜鉛体４が縮む方向の応力が発生する。

アルミニウム板２（Ａｌ板）には、図２の（ｂ）に示すように半導体チップ１（ＳｉＣチップ）の角部の直下において熱収縮により熱応力ＴＡ１が発生する。
この熱応力ＴＡ１の向きは、アルミニウム板２の中心側を向き、熱応力ＴＡ１の大きさは２４ｐｐｍ／Ｋ×ΔＴとなる。
ここで、Ｋはヤング率であり、ΔＴは高温から室温へと温度降下したときの温度差である。
半導体チップ１も熱収縮により、半導体チップ１の角部において熱応力ＴＳ１が発生する。
この熱応力ＴＳ１の向きは、半導体チップ１の中心側を向く、すなわち熱応力ＴＡ１と同一方向であり、熱応力ＴＳ１の大きさは３ｐｐｍ／Ｋ×ΔＴとなる。

亜鉛体４（Ｚｎ板）には、半導体チップ１の角部側の端部に、亜鉛体４の中心方向に向く熱応力ＴＺ１が発生する。
亜鉛体４は、アルミニウム板２よりも熱膨張率が大きいことから、アルミニウム板２よりも大きく熱収縮する。
この熱応力ＴＺ１の大きさは、３５ｐｐｍ／Ｋ×ΔＴとなる。
なお、亜鉛体４において熱応力ＴＺ１が発生している側の端部に対して反対側の端部にも、熱応力ＴＺ１と向きが正反対であり、かつ、同じ大きさの熱応力ＴＺ１’が発生している。

図２の（ｂ）に示すように、アルミニウム板２の熱応力ＴＡ１と、亜鉛体４の熱応力ＴＺ１の向きが逆方向であるため、アルミニウム板２における半導体チップ１の角部直下の領域（以下、領域２ｂと呼ぶ）では、アルミニウム板２の熱収縮による変位が打ち消されることとなる。
したがって領域２ｂにおいて、半導体チップ１とアルミニウム板２との熱収縮差による熱応力が緩和される。
同様に、半導体チップ１の温度が上昇（半導体チップの作動によって温度が上昇した場合）した後に温度降下する際においても、領域２ｂの熱応力を緩和することができる。
なお本実施例において、アルミニウム板２が本発明における第１の部材を構成し、半導体チップ１が本発明における第２の部材を構成する。また亜鉛体４が本発明における第３の部材を構成する。

本実施例は以上のように構成され、アルミニウム板２に半導体チップ１を接合し、アルミニウム板２における半導体チップ１の四隅近傍に亜鉛体４を埋設することにより、半導体チップ１やアルミニウム板２に温度変化が発生した場合でも、亜鉛体４の熱応力によって半導体チップ１とアルミニウム板２との接合面に生じる残留応力を緩和し、繰り返し使用時には、アルミニウム板２の繰り返しの疲労を軽減し、寿命を延ばすことができる。
したがって、半導体チップ１の角部、アルミニウム板２の領域２ｂ、領域２ｂ上の接合剤３において、クラックの発生を抑制することができる。
アルミニウム板２よりも高いヤング率を有する亜鉛体４を用いたので、亜鉛体４の熱変形による応力を、亜鉛体４が大きく撓むことなく、効果的にアルミニウム板２に伝達することができ、亜鉛体４によって領域２ｂの熱応力を低減する効果を高めることができる。

また、亜鉛体４の形状は四角柱形状に限定されず、円柱状等の他の形状であってもよく、図３の（ａ）の上面図に示すように、半導体チップ１の各角部を断面Ｌ字形状の亜鉛体４Ａによってそれぞれ取り囲むような形状とすることもできる。
さらに、亜鉛体４をアルミニウム板２に埋設する以外にも、たとえば図３の（ｂ）の断面図に示すように、素子取り付け面２ａ上に亜鉛体４Ａを接合することもできる。
なお図３の（ｂ）は、図３の（ａ）におけるＢ−Ｂ部断面を示す図である。
また亜鉛体４は、亜鉛を主成分とする合金であってもよい。
第１の実施例において、異なる材料の接合構造としてアルミニウム板２に半導体チップ１を接合した実装構造について説明したが、これ以外にも、たとえばアルミニウム板２にセラミック板を接合した接合構造においても、実施例と同様の効果を得ることができる。
アルミニウム板２に替えて、銅板や銅を主成分とする合金板の上に半導体チップ１を接合する場合には、亜鉛体４に替えてアルミニウムやアルミニウムを主成分とする合金を用いることもできる。

次に第２の実施例について説明する。
図４の（ａ）に、第２の実施例における実装構造の平面形状を示し、図４の（ｂ）に、図４の（ａ）におけるＣ−Ｃ部断面を示す。
本実施例における実装構造は、第１の実施例と同様にアルミニウム板２の素子取り付け面２ａに接合剤３を用いて半導体チップ１を接合し、アルミニウム板２における半導体チップ１の四隅に亜鉛体４を埋設し、さらに、アルミニウム板２における素子取り付け面２ａの反対側面にセラミックス板５を接合したものである。
セラミックス板５としては、熱伝導性と絶縁性がよい材料で構成され、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素等を用いることができる。
第１の実施例と同様の構成については、同一番号を付して説明を省略する。

本実装構造に、温度変化が生じた場合について説明する。
温度の降下時には、第１の実施例と同様にアルミニウム板２には、半導体チップ１の角部の直下において熱収縮により熱応力ＴＡ１が発生する。
また亜鉛体４には、半導体チップ１の角部側の端部に、亜鉛体４の中心方向に向く熱応力ＴＺ１が発生する。
図示しないが、第１の実施例と同様に、半導体チップ１にも熱応力ＴＳ１が発生する。

ここで亜鉛体４には、アルミニウム板２の熱収縮にともなって亜鉛体４自身の位置が半導体チップ１に近い側（アルミニウム板２の中心側）へ引き込まれる力が作用する。
この力は、領域２ｂにおいて亜鉛体４が熱応力ＴＺ１によってアルミニウム板２を引っ張る力を弱める方向に作用するものである。
そこで、セラミックス板５にアルミニウム板２と亜鉛体４とを固定することにより、亜鉛体４がアルミニウム板２の中心側へと引き込まれる力が抑制され、亜鉛体４が熱応力ＴＺ１によってアルミニウム板２を引っ張る力が弱まることなく、アルミニウム板２へ伝達することができる。
同様に、半導体チップ１の温度が上昇した後に温度降下する場合においても、領域２ｂの熱応力を緩和することができる。
なお、セラミックス板５が本発明における第４の部材を構成する。

本実施例は以上のように構成され、アルミニウム板２に半導体チップ１を接合し、アルミニウム板２における半導体チップ１の四隅近傍に亜鉛体４を埋設し、さらにアルミニウム板２にセラミックス板５を接合したので、亜鉛体４がアルミニウム板２の中心側へ引き込まれることが抑制され、亜鉛体４による熱応力ＴＺ１を効果的にアルミニウム板２へと伝達することができ、繰り返し使用時には、領域２ｂの繰り返し疲労を軽減し、寿命を延ばすことができる。
また、亜鉛体４による熱応力ＴＺ１を効果的にアルミニウム板２に伝達することができるので、小さなサイズの亜鉛体４であっても、領域２ｂに発生する熱応力を緩和することができる。

なお、以上説明した各実施例は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。従って、上記各実施例に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

第１の実施例における実装構造を示す図である。 熱応力の詳細を示す図である。 亜鉛体の変形例を示す図である。 第２の実施例における実装構造を示す図である。

符号の説明

１ 半導体チップ
２、２Ａ アルミニウム板
２ａ 素子取り付け面
２ｂ 領域
３ 接合剤
４、４Ａ 亜鉛体
５ セラミックス板
ＴＺ１、ＴＺ１’、ＴＡ１、ＴＳ１ 熱応力

Claims (9)

1. 第１の部材の主面に第２の部材を接合した接合構造であって、
   前記第１の部材において、前記第１の部材と前記第２の部材との接合部分の周囲に少なくとも１つ以上配置され、前記第１の部材の主面に臨む第３の部材を備えることを特徴とする接合構造。
2. 前記第３の部材は、前記第１の部材に埋設され、または前記第１の部材の主面に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の接合構造。
3. 前記第３の部材は、前記第１の部材よりも高い熱膨張係数を有し、
   前記第２の部材は、前記第１の部材よりも低い熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１または２に記載の接合構造。
4. 前記第３の部材は、前記第１の部材よりもヤング率が高く、かつ、降伏応力が高い材料によって構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の接合構造。
5. 前記第１の部材は、銅、または銅を主成分とする合金によって構成され、
   前記第３の部材は、アルミニウム、またはアルミニウムを主成分とする合金、もしくは亜鉛、または亜鉛を主成分とする合金によって構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の接合構造。
6. 前記第１の部材は、アルミニウム、またはアルミニウムを主成分とする合金によって構成され、
   前記第３の部材は、亜鉛、または亜鉛を主成分とする合金によって構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の接合構造。
7. 前記第２の部材は多角形であり、
   前記第３の部材は、前記第２の部材の角部と前記第１の部材の接合部分の外方側に少なくとも一つ以上配置されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１に記載の接合構造。
8. 前記第１の部材において前記主面に対して反対側の面に、前記第１の部材よりも低い熱膨張係数を有し、かつ同等もしくは高いヤング率を有する第４の部材が接続されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１に記載の接合構造。
9. 前記第２の部材は、半導体素子であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１に記載の接合構造。

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