JP2010232545A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気自動車やハイブリッド車等の電動機の電力変換装置として用いられる半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device used as a power conversion device for an electric motor such as an electric vehicle or a hybrid vehicle.
電気自動車やハイブリッド車等の電動機の電力変換装置として、従来、半導体パワー素子を用いる半導体装置が知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, semiconductor devices using semiconductor power elements are known as power conversion devices for electric motors such as electric vehicles and hybrid vehicles.
前記半導体装置は、前記電力変換装置として用いられるときには、大電圧が印加されることに伴って発熱量も大になる。そこで、半導体素子が搭載された基板の該半導体素子とは反対側の面に、ハンダ層を介して放熱板を接合した半導体装置が知られている(例えば特許文献1参照)。 When the semiconductor device is used as the power converter, the amount of heat generated increases as a large voltage is applied. Therefore, a semiconductor device is known in which a heat sink is joined to a surface of a substrate on which a semiconductor element is mounted on the side opposite to the semiconductor element via a solder layer (see, for example, Patent Document 1).
前記従来の半導体装置によれば、前記半導体素子に大電圧が印加されたときの発熱を前記放熱板により、外部に逃がすことができる。しかし、前記半導体装置では、前記基板と前記放熱板とが前記発熱により熱膨張すると、線膨張係数の相違により互いに剥離することがあるという問題がある。 According to the conventional semiconductor device, heat generated when a large voltage is applied to the semiconductor element can be released to the outside by the heat radiating plate. However, the semiconductor device has a problem that when the substrate and the heat radiating plate are thermally expanded due to the heat generation, they may be separated from each other due to a difference in coefficient of linear expansion.
前記問題を解決するために、前記基板として、セラミックスからなる基板の表裏両面に金属板を備える絶縁基板を用いることが考えられる。前記絶縁基板において、前記金属板がCuからなるものはDCB(Direct Copper Bonding)基板として公知である。 In order to solve the above problem, it is conceivable to use an insulating substrate having metal plates on both the front and back surfaces of a ceramic substrate as the substrate. In the insulating substrate, the metal plate made of Cu is known as a DCB (Direct Copper Bonding) substrate.
前記絶縁基板によれば、前記金属板の厚さ、大きさ等により、該絶縁基板全体の線膨張係数を調整することができる。そこで、前記絶縁基板の第1の金属板上にハンダ層を介して前記半導体素子を接合すると共に、第2の金属板上にハンダ層を介して放熱板を接合することにより、該絶縁基板と該放熱板とが熱膨張したときにも互いに剥離することを防止することができると期待される。 According to the insulating substrate, the linear expansion coefficient of the entire insulating substrate can be adjusted by the thickness, size, etc. of the metal plate. Therefore, the semiconductor element is bonded to the first metal plate of the insulating substrate via a solder layer, and the heat sink is bonded to the second metal plate via a solder layer, thereby It is expected that separation from each other can be prevented even when the heat radiating plate is thermally expanded.
前記絶縁基板を備える半導体装置では、前記絶縁基板に備えられる各金属板は互いに平行な2組の辺と、相隣り合う2辺を接続する角部とからなる矩形状を備え、該角部は例えば円弧状とされている。そして、第2の金属板は、放熱効率を向上すると共に、前記セラミックス基板に対する応力を軽減するために第1の金属板より大面積であり、平面視したときに第1の金属板が第2の金属板の内周側に配置されるように、該セラミックス基板を介して積層されている。 In the semiconductor device including the insulating substrate, each metal plate provided in the insulating substrate has a rectangular shape including two sets of sides parallel to each other and corners connecting two adjacent sides. For example, it has an arc shape. The second metal plate has a larger area than the first metal plate in order to improve heat dissipation efficiency and reduce stress on the ceramic substrate, and the first metal plate is second when viewed in plan. It is laminated via the ceramic substrate so as to be disposed on the inner peripheral side of the metal plate.
しかしながら、前記半導体装置では、経時的に、前記ハンダ層の第2の金属板との界面付近に応力集中による亀裂が生じ、耐久信頼性が低減するという不都合がある。 However, the semiconductor device has a disadvantage in that cracks due to stress concentration occur near the interface between the solder layer and the second metal plate over time, and durability reliability is reduced.
本発明は、かかる不都合を解消して、優れた耐久信頼性を備える半導体装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device that eliminates such disadvantages and has excellent durability and reliability.
かかる目的を達成するために、本発明は、表裏両面に金属板を備える絶縁基板と、該絶縁基板の第1の金属板上に第1のハンダ層を介して接合されている半導体素子と、該絶縁基板の第2の金属板上に第2のハンダ層を介して接合されている放熱用金属板とを備え、該絶縁基板に備えられる各金属板は互いに平行な2組の辺と、相隣り合う2辺を接続する角部とからなる矩形状を備え、第2の金属板は第1の金属板より大面積であり、第1の金属板と第2の金属板とは該絶縁基板を介して各辺が平行となるように積層されている半導体装置であって、第2の金属板の各角部の少なくとも一部が第1の金属板の各角部と重なるように積層されていることを特徴とする。 In order to achieve such an object, the present invention provides an insulating substrate having metal plates on both front and back surfaces, and a semiconductor element bonded to the first metal plate of the insulating substrate via a first solder layer, A heat dissipating metal plate joined on a second metal plate of the insulating substrate via a second solder layer, each metal plate provided on the insulating substrate having two sets of sides parallel to each other; It has a rectangular shape composed of corners connecting two adjacent sides, the second metal plate has a larger area than the first metal plate, and the first metal plate and the second metal plate are insulated from each other. A semiconductor device is laminated so that each side is parallel through a substrate, and is laminated so that at least a part of each corner of the second metal plate overlaps each corner of the first metal plate It is characterized by being.
本発明の半導体装置において、前記絶縁基板は、表裏両面に設けられた前記第1、第2の両金属板の厚さ、大きさ等により、該絶縁基板全体の線膨張係数を調整することができる。そこで、本発明の半導体装置は、第1の金属板上に半導体素子が接合されると共に、第2の金属板上に放熱用金属板が接合される構成を備えることにより、該絶縁基板と該放熱板とが熱膨張により互いに剥離することを防止することができる。 In the semiconductor device of the present invention, the insulating substrate can be adjusted in linear expansion coefficient of the entire insulating substrate by the thickness, size, etc. of the first and second metal plates provided on both the front and back surfaces. it can. Therefore, the semiconductor device of the present invention includes a structure in which a semiconductor element is bonded to the first metal plate and a heat dissipation metal plate is bonded to the second metal plate, so that the insulating substrate and the It is possible to prevent the heat sink from being separated from each other due to thermal expansion.
また、本発明の半導体装置において、前記第1、第2の両金属板は、互いに平行な2組の辺と、相隣り合う2辺を接続する角部とからなる矩形状を備えている。また、第2の金属板は第1の金属板より大面積であり、第1の金属板と第2の金属板とは前記絶縁基板を介して各辺が平行となるように積層されている。 In the semiconductor device of the present invention, each of the first and second metal plates has a rectangular shape including two sets of sides parallel to each other and corners connecting two adjacent sides. In addition, the second metal plate has a larger area than the first metal plate, and the first metal plate and the second metal plate are laminated so that each side is parallel through the insulating substrate. .
そして、本発明の半導体装置では、第1の金属板の各角部の少なくとも一部が第2の金属板の各角部と重なるように積層されている。この結果、本発明の半導体装置によれば、第2のハンダ層の第2の金属板との界面付近における応力集中を緩和することができ、該界面付近における経時的な亀裂の発生を低減して、優れた耐久信頼性を得ることができる。 And in the semiconductor device of this invention, it laminates | stacks so that at least one part of each corner | angular part of a 1st metal plate may overlap with each corner | angular part of a 2nd metal plate. As a result, according to the semiconductor device of the present invention, the stress concentration in the vicinity of the interface between the second solder layer and the second metal plate can be relaxed, and the generation of cracks over time near the interface can be reduced. Excellent durability and reliability can be obtained.
前記応力集中を緩和するために、第1の金属板の各角部は、第2の金属板の各角部と接していることが好ましいが、該応力集中を緩和することができる範囲であれば、第1の金属板の各角部が第2の金属板の各角部から外方に突出していてもよい。 In order to alleviate the stress concentration, each corner of the first metal plate is preferably in contact with each corner of the second metal plate, but the stress concentration can be alleviated. For example, each corner of the first metal plate may protrude outward from each corner of the second metal plate.
また、本発明の半導体装置において、前記絶縁基板は、セラミックス基板の表裏両面に前記金属板を備えることにより、該絶縁基板全体の線膨張係数を容易に調整することができる。前記セラミックス基板は、例えば、Si3N4、AlN、Al2O3からなる群から選択される1種のセラミックスからなるものを好適に用いることができる。また、前記金属板は、例えば、CuまたはAlのいずれか1種の金属からなるものを好適に用いることができる。 In the semiconductor device of the present invention, the insulating substrate includes the metal plates on both the front and back surfaces of the ceramic substrate, whereby the linear expansion coefficient of the entire insulating substrate can be easily adjusted. As the ceramic substrate, for example, a substrate made of one kind of ceramic selected from the group consisting of Si 3 N 4 , AlN, and Al 2 O 3 can be suitably used. Moreover, the said metal plate can use suitably what consists of any 1 type of metal of Cu or Al, for example.
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
図1に示すように、本実施形態の半導体装置1は、セラミックス基板2の表裏両面に金属板3,4が接合されている絶縁基板5を備えている。絶縁基板5の金属板3には、ハンダ層6を介して半導体素子としての半導体パワー素子7が接合されている。また、絶縁基板5の金属板4には、ハンダ層8を介して放熱用金属板としてのヒートシンク9が接合されている。
As shown in FIG. 1, the
セラミックス基板2としては、例えば、Si3N4、AlN、Al2O3からなる群から選択される1種のセラミックスからなるものを好適に用いることができる。また、金属板3,4としては、例えば、CuまたはAlのいずれか1種の金属からなるものを好適に用いることができる。
As the
ハンダ層6を形成するハンダは、金属板3と半導体パワー素子7とを接合できるものであればどのようなものであってもよい。また、ハンダ層8を形成するハンダは、金属板4とヒートシンク9とを接合できるものであればどのようなものであってもよい。
The solder for forming the solder layer 6 may be any solder as long as it can join the
図2に示すように、金属板3は、互いに平行な2組の辺3a,3bと、相隣り合う2辺3a,3bを接続する角部3cとからなる矩形状を備えている。角部3cは、所定の半径を備える円弧状を備えている。
As shown in FIG. 2, the
また、金属板4は、互いに平行な2組の辺4a,4bと、相隣り合う2辺4a,4bを接続する角部4cとからなる矩形状を備えている。角部4cは、角部3cより大きな所定の半径を備える円弧状を備えている。
Further, the
そして、金属板3,4は、辺3a,4aと、辺3b,4bとが互いに平行となるようにされて、金属板3が金属板4の内周側に配置されると共に、角部3cが角部4cに接するように、セラミックス基板2を介して積層されている。
The
尚、図2は、ハンダ層6,8、半導体パワー素子7を省略して示している。 In FIG. 2, the solder layers 6 and 8 and the semiconductor power element 7 are omitted.
本実施形態の半導体装置1によれば、金属板3,4が前述のように積層されているので、半導体パワー素子7による発熱と冷却とが繰り返されても、経時的にハンダ層8の金属板4との界面付近に生じる応力集中を低減することができる。この結果、半導体装置1によれば、経時的にハンダ層8の金属板4との界面付近における経時的な亀裂の発生を低減して、優れた耐久信頼性を得ることができる。
According to the
また、金属板4は、図3に示すように、辺4a,4bを結ぶ直線からなる角部4cを備えていてもよい。この場合、角部3cは、角部4cを形成する前記直線に接している。
Moreover, the
本実施形態では、角部3cは角部4cに接するようにしているが、ハンダ層8の金属板4との界面付近に生じる前記応力集中を低減することができる範囲であれば、角部3cが角部4cから外方に突出していてもよい。
In the present embodiment, the
次に、図1及び図2に示す半導体装置1を実施例とし、図4に示す半導体装置10を比較例として、ハンダ層8の金属板4との界面付近における亀裂の発生を比較した。
Next, using the
図4に示す半導体装置10は、金属板4の角部4cが金属板3の角部3cと同一の半径の円弧状であり、角部3cが角部4cの内周側に位置していて、角部4cに接していないことを除いて、図1及び図2に示す半導体装置1と全く同一の構成を備えている。
In the
次に、半導体装置1,10をそれぞれ6個ずつ用意し、半導体装置1,10を加熱炉に入れて、半導体装置1,10を105〜150℃の範囲の温度、例えば125℃の温度に30分間保持した後、冷却して−40℃の温度に30分間保持する操作を1サイクルとして、熱サイクル試験を行った。そして、各サイクル毎に、ハンダ層8の金属板4との界面付近にいて亀裂が発生した半導体装置1,10の数を調べ、全数で除することにより、亀裂発生率を算出した。結果を図5に示す。
Next, six
図5から、半導体装置10(比較例)は100サイクル付近で前記亀裂が発生し始めるのに対し、半導体装置1(実施例)は1500サイクル付近まで前記亀裂の発生が認められず、優れた耐久信頼性を備えていることが明らかである。 From FIG. 5, the semiconductor device 10 (comparative example) begins to generate the cracks in the vicinity of 100 cycles, whereas the semiconductor device 1 (example) does not show the generation of cracks in the vicinity of 1500 cycles and has excellent durability. It is clear that it has reliability.
1…半導体装置、 3…第1の金属板、 3c…角部、 4…第2の金属板、 4c…角部、 5…絶縁基板、 6…第1のハンダ層、 7…半導体素子、 8…第2のハンダ層、 9…放熱用金属板。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
該絶縁基板の第1の金属板上に第1のハンダ層を介して接合されている半導体素子と、
該絶縁基板の第2の金属板上に第2のハンダ層を介して接合されている放熱用金属板とを備え、
該絶縁基板に備えられる各金属板は互いに平行な2組の辺と、相隣り合う2辺を接続する角部とからなる矩形状を備え、第2の金属板は第1の金属板より大面積であり、
第1の金属板と第2の金属板とは該絶縁基板を介して各辺が平行となるように積層されている半導体装置であって、
第1の金属板の各角部の少なくとも一部が第2の金属板の各角部と重なるように積層されていることを特徴とする半導体装置。 An insulating substrate with metal plates on both front and back surfaces;
A semiconductor element bonded to the first metal plate of the insulating substrate via a first solder layer;
A heat dissipating metal plate joined via a second solder layer on the second metal plate of the insulating substrate,
Each metal plate provided on the insulating substrate has a rectangular shape including two sets of sides parallel to each other and corners connecting two adjacent sides, and the second metal plate is larger than the first metal plate. Area,
The first metal plate and the second metal plate are semiconductor devices stacked so that each side is parallel through the insulating substrate,
A semiconductor device, wherein at least a part of each corner of the first metal plate is stacked so as to overlap each corner of the second metal plate.
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102856272A (en) * | 2011-06-27 | 2013-01-02 | 北京兆阳能源技术有限公司 | Insulating and radiating electronic subassembly |
JP2013258334A (en) * | 2012-06-13 | 2013-12-26 | Denso Corp | Semiconductor device and manufacturing method of the same |
CN104733404A (en) * | 2013-12-19 | 2015-06-24 | 株式会社东芝 | Semiconductor device |
JP2020533797A (en) * | 2017-09-12 | 2020-11-19 | ロジャーズ ジャーマニー ゲーエムベーハーRogers Germany GmbH | Adapter elements for joining components such as laser diodes to heat sinks, systems including laser diodes, heat sinks and adapter elements, and methods of manufacturing adapter elements. |
DE102020134951A1 (en) | 2020-02-07 | 2021-08-12 | Fuji Electric Co., Ltd. | SEMI-CONDUCTOR DEVICE |
JP7529038B2 (en) | 2020-11-16 | 2024-08-06 | 富士電機株式会社 | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005011862A (en) * | 2003-06-17 | 2005-01-13 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device |
JP2006261293A (en) * | 2005-03-16 | 2006-09-28 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device and insulation substrate for use thereof |
-
2009
- 2009-03-27 JP JP2009080437A patent/JP2010232545A/en active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005011862A (en) * | 2003-06-17 | 2005-01-13 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device |
JP2006261293A (en) * | 2005-03-16 | 2006-09-28 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device and insulation substrate for use thereof |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102856272A (en) * | 2011-06-27 | 2013-01-02 | 北京兆阳能源技术有限公司 | Insulating and radiating electronic subassembly |
JP2013258334A (en) * | 2012-06-13 | 2013-12-26 | Denso Corp | Semiconductor device and manufacturing method of the same |
CN104733404A (en) * | 2013-12-19 | 2015-06-24 | 株式会社东芝 | Semiconductor device |
JP2020533797A (en) * | 2017-09-12 | 2020-11-19 | ロジャーズ ジャーマニー ゲーエムベーハーRogers Germany GmbH | Adapter elements for joining components such as laser diodes to heat sinks, systems including laser diodes, heat sinks and adapter elements, and methods of manufacturing adapter elements. |
JP7034266B2 (en) | 2017-09-12 | 2022-03-11 | ロジャーズ ジャーマニー ゲーエムベーハー | Adapter elements for joining components such as laser diodes to heat sinks, systems including laser diodes, heat sinks and adapter elements, and methods of manufacturing adapter elements. |
DE102020134951A1 (en) | 2020-02-07 | 2021-08-12 | Fuji Electric Co., Ltd. | SEMI-CONDUCTOR DEVICE |
US11337306B2 (en) | 2020-02-07 | 2022-05-17 | Fuji Electric Co., Ltd. | Semiconductor device |
JP7529038B2 (en) | 2020-11-16 | 2024-08-06 | 富士電機株式会社 | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
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