JP2010268011A - 半導体装置、電極用部材および電極用部材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】パワーモジュールのヒートサイクル耐量、パワーサイクル耐量を向上させる。
【解決手段】ＩＧＢＴ１０のエミッタ電極が形成されている面側に、セラミックス材の支持体３１に設けた複数の貫通孔３１ａに銅ポスト３２を形成した電極用部材３０を半田接合する。電極に複数の銅ポスト３２を半田接合することにより、ＩＧＢＴ１０に発生する熱が電極用部材３０へと移動して放熱されるとともに、ＩＧＢＴ１０の構成材料と銅との間に熱膨張率差があっても、半田接合界面に加わる応力を低減して歪を小さく抑え、クラックの発生を減少させることが可能になる。それにより、パワーモジュールのヒートサイクル耐量、パワーサイクル耐量を向上させることが可能になる。
【選択図】図１
【解決手段】ＩＧＢＴ１０のエミッタ電極が形成されている面側に、セラミックス材の支持体３１に設けた複数の貫通孔３１ａに銅ポスト３２を形成した電極用部材３０を半田接合する。電極に複数の銅ポスト３２を半田接合することにより、ＩＧＢＴ１０に発生する熱が電極用部材３０へと移動して放熱されるとともに、ＩＧＢＴ１０の構成材料と銅との間に熱膨張率差があっても、半田接合界面に加わる応力を低減して歪を小さく抑え、クラックの発生を減少させることが可能になる。それにより、パワーモジュールのヒートサイクル耐量、パワーサイクル耐量を向上させることが可能になる。
【選択図】図１
Description
本発明は半導体装置、電極用部材および電極用部材の製造方法に関し、特に大電流・高電圧の動作環境下で用いられる半導体装置、そのような半導体装置の電極用部材および電極用部材の製造方法に関する。
近年、ロボット、工作機、電気自動車等には、そのモーター駆動用のインバータ／コンバータ等の電力変換装置に、大電流・高電圧の動作環境にも耐性を有するパワーモジュールが用いられるようになってきている。現在、このようなパワーモジュールは、主に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor，ＩＧＢＴ）やフリーホイーリングダイオード（Free Wheeling Diode，ＦＷＤ）等のパワー半導体素子を用いて構成されている（例えば特許文献１参照。）。
図１７は従来のパワーモジュールの要部断面模式図である。
この図１７には、パワーモジュール内のＩＧＢＴ１００の実装状態を示している。ＩＧＢＴ１００は、通常、その一方の面側にエミッタ電極とゲート電極（「エミッタ電極等」という。）が形成され、反対の面側にコレクタ電極が形成されている。図１７では、エミッタ電極等を図中上方に向け、コレクタ電極を図中下方に向けて、実装されているものとする。その場合、上面側のエミッタ電極等は、例えば図１７に示したように、それぞれの対応する外部接続用端子（図示せず。）にアルミワイヤ１０１で接続される。
この図１７には、パワーモジュール内のＩＧＢＴ１００の実装状態を示している。ＩＧＢＴ１００は、通常、その一方の面側にエミッタ電極とゲート電極（「エミッタ電極等」という。）が形成され、反対の面側にコレクタ電極が形成されている。図１７では、エミッタ電極等を図中上方に向け、コレクタ電極を図中下方に向けて、実装されているものとする。その場合、上面側のエミッタ電極等は、例えば図１７に示したように、それぞれの対応する外部接続用端子（図示せず。）にアルミワイヤ１０１で接続される。
一方、下面側のコレクタ電極は、図示しない銅（Ｃｕ）の放熱ベース（「銅ベース」という。）上に設けられた絶縁基板１０２の上に配置される。絶縁基板１０２は、例えば、伝熱性の良いアルミナ等のセラミックス板からなり、その両面には銅箔１０２ａ，１０２ｂが貼り付けられている。そして、上面側の銅箔１０２ａとコレクタ電極の間、および下面側の銅箔１０２ｂと銅ベースとの間が、それぞれ半田接合されている。このような構造とすることにより、ＩＧＢＴ１００とその外部との電気的な接続を確保しつつ、ＩＧＢＴ１００と放熱系との間の絶縁を確保し、動作時に発生した熱を絶縁基板１０２、銅ベースへと伝熱することが可能になっている。
ところが、このような従来の実装形態では、ＩＧＢＴ１００の下面側からは絶縁基板１０２や銅ベースを介して放熱が可能であるものの、その上面側には例えば線径が３００μｍ〜４００μｍ程度の細いアルミワイヤ１０１が接続されているのみであり、加えてアルミワイヤ１０１の通電に伴う発熱もあって、上面側からの放熱効果はほとんど期待できない。また、アルミワイヤ１０１の発熱で素子の特性が損なわれてしまう場合もある。アルミワイヤ１０１を、熱伝導率の高い銅ワイヤに代えることも考えられるが、通常ワイヤは電流容量に合った本数をＩＧＢＴ１００表面に超音波接合するため、素子表面を傷つけないよう、アルミワイヤ１０１に比べて硬度の高い銅ワイヤは用いない方が好ましい。
図１８は従来の別のパワーモジュールの要部断面模式図である。なお、図１８では、図１７に示した要素と同一の要素には同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
アルミワイヤを用いるために生じる問題を回避するため、従来、この図１８に示すようにしてＩＧＢＴ１００のエミッタ電極等が形成されている上面側に銅電極１０３を半田接合し、この銅電極１０３にパワーモジュール外部に引き出される外部接続用端子１０４を接合して外部との電気的な接続を確保するとともに、この銅電極１０３を利用して上面側からも放熱が行えるようにする試みもなされている。
アルミワイヤを用いるために生じる問題を回避するため、従来、この図１８に示すようにしてＩＧＢＴ１００のエミッタ電極等が形成されている上面側に銅電極１０３を半田接合し、この銅電極１０３にパワーモジュール外部に引き出される外部接続用端子１０４を接合して外部との電気的な接続を確保するとともに、この銅電極１０３を利用して上面側からも放熱が行えるようにする試みもなされている。
なお、パワーモジュール内にＦＷＤが実装される場合も同様であり、例えば、そのアノード電極を上面側に、カソード電極を下面側にして、上面側にアルミワイヤが超音波接合され、あるいは銅電極が半田接合されて、下面側が銅ベース上の絶縁基板に貼り付けられた銅箔に半田接合される。
しかし、上記のように放熱性を考慮してＩＧＢＴやＦＷＤの上面側にアルミワイヤに代えて銅電極を半田接合した場合には、ＩＧＢＴやＦＷＤの主要構成材料であるシリコン（Ｓｉ）の熱膨張率が約２．６ｐｐｍ／℃であるのに対し、銅の熱膨張率が約１７ｐｐｍ／℃と大きく、それらの熱膨張率の差からヒートサイクル時やパワーサイクル時に半田接合界面に熱応力が加わり、それによって生じる歪でクラックが発生してしまい、パワーモジュールとしての目標寿命を満たせない場合があった。
また、このような半田接合界面のクラック発生の問題は、ＩＧＢＴやＦＷＤの下面側でも同様に起こる場合がある。すなわち、アルミナ表面に銅箔を貼り付けた絶縁基板では、その熱膨張率が約７ｐｐｍ／℃であり、これが熱膨張率の高い銅ベースに半田接合されるため、それらの熱膨張率の差から半田接合界面に熱応力が加わり、歪が生じてクラックが発生してしまう場合がある。例えば、−４０℃〜＋１２５℃のヒートサイクルがかかった場合、絶縁基板と銅ベースとの間の半田接合界面には、そのとき生じる歪によって５００サイクル程度でクラックが発生し始めることがわかっている。
パワーモジュールの放熱ベース材料に銅を用いるのは、約３５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）というその熱伝導率の良さからであるが、このようなクラック発生を回避するため、銅ベースに代えて銅モリブデン（ＣｕＭｏ）複合材料やアルミニウムシリコンカーバイト（ＡｌＳｉＣ）等の熱膨張率が７ｐｐｍ／℃に近い材料を用いることも行われている。しかし、これらの材料は、銅に比べ、熱膨張率は小さいものの熱伝導率は約１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低く、最近のＩＧＢＴやＦＷＤの低損失化には不利な特性である。また、これらの材料を用いて形成される放熱ベースのコストも、銅ベースに比べて約２０倍と非常に高くなってしまう。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、内部に発生する熱を効率的に放熱するとともに、内部に存在する接合界面に加わる熱応力を小さく抑えた、信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、半導体装置内部に発生する熱を効率的に放熱するとともに、内部に存在する接合界面に加わる熱応力を小さく抑えることのできる電極用部材およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明では上記問題を解決するために、表面に電極を備えた半導体素子を有する半導体装置において、主面間を貫通する複数の貫通孔を有するセラミックス材を材料とする絶縁性の支持体と、複数の前記貫通孔それぞれに配置された金属ポストと、複数の各前記金属ポストと前記半導体素子の前記電極とを接合する半田層と、を備え、複数の各前記金属ポストは、前記支持体を介して互いに分離していることを特徴とする半導体装置が提供される。
このような半導体装置によれば、表面に電極を備えたＩＧＢＴ等の半導体素子を用いてパワーモジュール等を構成するような場合に、絶縁性の支持体の主面間を貫通する複数の各貫通孔に金属ポストを形成した電極用部材が半導体素子の電極に接合される。電極に複数の金属ポストを接合することにより、半導体素子で発生する熱を電極用部材へと移動させて放熱することが可能になる。また、複数の金属ポストを電極に接合することにより、たとえ半導体素子と金属ポストを構成する金属との間の熱膨張率差がある場合でも、全面に金属が露出する部材等を電極に接合した場合に比べて、それらの接合界面に加わる熱応力が小さく抑えられるようになる。
さらに、本発明では表面に電極を備えた半導体素子を有する半導体装置において、主面間を貫通する複数の貫通孔を有するセラミックス材を材料とする絶縁性の支持体と前記各貫通孔に配置されて前記貫通孔の内面と接合された金属ポストとからなる電極用部材と、前記電極用部材と前記半導体素子の前記電極とを接合する半田層と、を備え、前記金属ポストが銅を材料とすることを特徴とする半導体装置が提供される。
このような半導体装置によれば、電極用部材が、主面間を貫通する複数の貫通孔を有する絶縁性の支持体とその各貫通孔に配置した金属ポストからなり、例えば、このような電極用部材を介して半導体素子の電極と外部接続用端子が接続される。これにより、半導体素子と外部接続用端子との間に熱膨張率差がある場合でも、それらの接合界面に加わる熱応力が小さく抑えられ、クラックの発生が抑えられるようになる。
また、本発明では、半導体装置の電極に接合される電極用部材において、主面間を貫通する複数の貫通孔を有するセラミックス材を材料とする絶縁性の支持体と、前記各貫通孔に配置した金属ポストとからなり、前記支持体の縁部に、前記支持体の中央部に配置した金属ポストよりも小さい径の金属ポストが配置されていることを特徴とする電極用部材が提供される。
このような電極用部材によれば、複数の金属ポストで電極に接合されるため、電極側に発生した熱が電極用部材へと移動して放熱されるようになるとともに、たとえ電極側と金属ポストを構成する金属との間の熱膨張率差がある場合でも、それらの接合界面に加わる熱応力が小さく抑えられるようになる。
また、本発明では、半導体装置の電極に接合される電極用部材の製造方法において、主面間を貫通する複数の貫通孔を有するセラミックス材を材料とする絶縁性の支持体の前記各貫通孔に金属ポストを挿入し、前記支持体と前記金属ポストとを接着、嵌合により一体的に形成することを特徴とする電極用部材の製造方法が提供される。
また、本発明では、半導体装置の電極に接合される電極用部材の製造方法において、主面間を貫通する複数の貫通孔を有するセラミックス材を材料とする絶縁性の支持体の一方の主面に銅層を形成し、前記銅層をシードにして電解メッキにより前記各貫通孔の貫通孔内を銅で充填することによって、前記各貫通孔に金属ポストを形成することを特徴とする電極用部材の製造方法が提供される。
本発明では、半導体素子の電極に、複数の金属ポストを形成した電極用部材を接合するようにした。これにより、半導体素子に発生した熱を効率的に放熱することができるとともに、材料の熱膨張率の影響を抑えて接合界面の歪を小さく抑えることができる。その結果、接合界面におけるクラックの発生を大幅に減らすことができるようになり、信頼性の高い半導体装置を実現することが可能になる。
以下、本発明の実施の形態を、ＩＧＢＴやＦＷＤを備えたパワーモジュールに適用した場合を例に、図面を参照して詳細に説明する。
まず、第１の実施の形態について説明する。
まず、第１の実施の形態について説明する。
図１は第１の実施の形態のパワーモジュールの要部断面模式図であり、図２は第１の実施の形態のパワーモジュールに用いられるＩＧＢＴの一例の要部平面模式図である。また、図３は第１の実施の形態の電極用部材の模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のａ−ａ断面図である。
図２に示すＩＧＢＴ１０は、一方の面側にエミッタ電極１０ａとゲート電極１０ｂが形成されており、図示しない他方の面側にはコレクタ電極が形成されている。例えばこのようなＩＧＢＴ１０を用いたパワーモジュールは、図１に示すように、ＩＧＢＴ１０が、コレクタ電極を絶縁基板２０側に半田接合され、一方、エミッタ電極１０ａを電極用部材３０に半田接合されている。
絶縁基板２０は、伝熱性の良いアルミナ等のセラミックスで構成され、その表面には導体パターン等を構成する銅箔２１，２２が貼り付けられている。これらの銅箔２１，２２のうち、上面側の銅箔２１はＩＧＢＴ１０のコレクタ電極と半田接合されており、下面側の銅箔２２はその下に設けられる放熱ベースとしての銅ベース（図示せず。）と半田接合される。パワーモジュールを構成する場合、このような絶縁基板２０によって、ＩＧＢＴ１０が実装される側と銅ベース側とで５０００Ｖ以上の絶縁耐圧が得られるようにする。
電極用部材３０は、図３に示すように、アルミナ，コージェライト等のセラミックス材に主面間を貫通する複数の貫通孔３１ａが列状に形成された支持体３１と、その各貫通孔３１ａに銅が埋め込まれた銅ポスト３２で構成されている。そして、図１に示したように、この電極用部材３０の銅ポスト３２の一端はＩＧＢＴ１０のエミッタ電極１０ａに半田接合されており、その他端は外部接続用端子兼銅電極（以下、単に「銅電極」という。）４０に半田接合されている。
ＩＧＢＴ１０の電極、例えばエミッタ電極１０ａに電極部材３０を接合することにより、ＩＧＢＴ１０に発生した熱を効率的に放熱することができると共に、電極用部材３０とＩＧＢＴ１０との熱膨張の相違により発生する、ＩＧＢＴ１０と電極用部材３０との接合界面の歪を小さく抑えることができる。この理由は次の通りである。
ＩＧＢＴ１０に発生した熱を効率的に放熱することができるのは、ＩＧＢＴ１０のエミッタ電極１０ａに電極用部材３０の熱伝導率が高い銅（銅ポスト３２）が接合されているので、この銅ポスト３２を通じて放熱が促進されるためである。また、接合界面の歪を小さく抑えることができる理由は次のように考えられる。セラミックスの熱膨張率は、例えばアルミナでは７〜８ｐｐｍ／℃程度、特にコージェライトでは０．５〜３ｐｐｍ／℃程度であるので、支持体３１を構成するセラミックスの熱膨張率は銅ポスト３２を構成する銅の熱膨張率（１６．５〜１８ｐｐｍ／℃程度）に比べて小さい。このため、電極用部材３０がＩＧＢＴ１０から発生する熱によって熱膨張する際、支持体３１が銅ポスト３２の熱膨張を拘束するので電極用部材３０の熱膨張が抑制され、その結果、ＩＧＢＴ１０と電極用部材３０の接合面で両者の熱膨張の差を小さくすることができるからである。
このような電極用部材３０は、例えば、次のようにして形成される。第１の方法として、まず、セラミックス粉末をプレス成型して所定位置に所定数の貫通孔３１ａを有する成型体を形成し、その成型体を高温で焼成することにより、支持体３１を形成する。次いで、この支持体３１を溶融した銅に含浸して貫通孔３１ａ内に銅を侵入させ、その後、銅を固化し、必要に応じて表面に残る銅を研磨等して除去し、銅ポスト３２を有する電極用部材３０を形成する。第２の方法として、同様にして貫通孔３１ａを有する支持体３１を形成し、さらに貫通孔３１ａに挿入可能な銅からなる金属ポストを準備し、その金属ポストを支持体３１の貫通孔３１ａに挿入し、支持体３１と金属ポストを接着、嵌合等により一体的に形成して銅ポスト３２を有する電極用部材３０を形成する。
ＩＧＢＴ１０と銅電極４０の間にこのような電極用部材３０を設けることにより、ＩＧＢＴ１０と銅電極４０が伝熱的に接続されるとともに、複数の銅ポスト３２および各部材（エミッタ電極１０ａ，銅電極４０）の接合界面の半田層（図示せず。）によって電気的に接続される。
そして、このように複数の銅ポスト３２が形成された電極用部材３０とＩＧＢＴ１０とを接合した場合の方が、全面に銅が露出する銅電極４０とＩＧＢＴ１０とを接合する場合に比べ、熱膨張率の異なるもの同士の接合面積が減るため、熱が発生したときにその熱膨張率差に起因して接合界面の半田層に加わる熱応力は小さくなる。さらに、ＩＧＢＴ１０と電極用部材３０との接合界面の半田層は、双方を電気的・伝熱的に接続する役割とともに、そのような熱応力を緩和する役割も果たす。また、この電極用部材３０は、銅電極４０とともにヒートシンクとして機能するため、ＩＧＢＴ１０の上面側から効率的に放熱を行うことができるようになる。結果、半田接合界面には歪が生じ難くなり、ヒートサイクル耐量やパワーサイクル耐量を向上させることができるようになる。
このように、ＩＧＢＴ１０と銅電極４０との間に電極用部材３０を半田接合することにより、ＩＧＢＴ１０と電極用部材３０との半田接合界面の歪を小さくすることができるとともに、ＩＧＢＴ１０で発生した熱を効率的に放熱することができる。それにより、半田接合界面におけるクラックの発生が大幅に抑えられるようになる。
また、図４は第１の実施の形態のパワーモジュールの別の例を示した要部断面模式図である。
この第１の実施の形態では、銅電極４０を電極用部材３０上に接合するようにしているが、銅電極４０は上記図１に示したように外部接続用端子として構成するほか、この図４に示すように、絶縁基板２０上の他の銅箔２１への接続導体として構成してもよい。
この第１の実施の形態では、銅電極４０を電極用部材３０上に接合するようにしているが、銅電極４０は上記図１に示したように外部接続用端子として構成するほか、この図４に示すように、絶縁基板２０上の他の銅箔２１への接続導体として構成してもよい。
なお、ＩＧＢＴ１０のゲート電極１０ｂは、ワイヤボンディング等で配線されるが、ここでは図示を省略している。図１から図４の例では、電極用部材３０を略エミッタ電極１０ａの大きさとしているが、ＩＧＢＴ１０のチップサイズと同等の大きさとしてゲート電極１０ｂも同時に半田接合してもよい。このとき、ゲート電極１０ｂに接続された銅ポスト３２をゲート電極１０ｂの接続部とし、銅ポスト３２にワイヤボンディングや銅電極４０等で配線すればよい。
図５は放熱効果の説明図である。
図５は、ＩＧＢＴ１０のエミッタ電極１０ａをワイヤボンディングによって外部接続した場合と、電極用部材３０および銅電極４０によるリードフレーム構造によって外部接続した場合とで、ＤＣ５０Ａの定常通電を行った際の温度分布を示している。この図５において、横軸は各場合の温度測定の基準点からのパワーモジュール深さ方向（ＩＧＢＴ１０から絶縁基板２０に向かう方向）の距離（ｍｍ）を表し、縦軸は温度（℃）を表している。なお、ＴWBはワイヤボンディングの場合の温度、ＴLFはリードフレーム構造の場合の温度、Ｔjはワイヤまたは電極用部材３０のＩＧＢＴ１０への接合温度である。
図５は、ＩＧＢＴ１０のエミッタ電極１０ａをワイヤボンディングによって外部接続した場合と、電極用部材３０および銅電極４０によるリードフレーム構造によって外部接続した場合とで、ＤＣ５０Ａの定常通電を行った際の温度分布を示している。この図５において、横軸は各場合の温度測定の基準点からのパワーモジュール深さ方向（ＩＧＢＴ１０から絶縁基板２０に向かう方向）の距離（ｍｍ）を表し、縦軸は温度（℃）を表している。なお、ＴWBはワイヤボンディングの場合の温度、ＴLFはリードフレーム構造の場合の温度、Ｔjはワイヤまたは電極用部材３０のＩＧＢＴ１０への接合温度である。
図５より、ワイヤボンディングの場合には、ワイヤ表面を温度測定の基準点（０ｍｍ）として、Ｔjが１７７．５℃であるのに対し、ＴWBの最大値は２１０．０℃であり、Ｔjの値を上回る。さらに、基準点からパワーモジュール深さ方向に一旦温度が上昇し、その後深くなるに従って温度が低下していく挙動を示し、内部からの放熱が良好に行われていないことがわかる。また、ワイヤ自体が熱の供給体にもなってしまっていることが示唆される。
一方、リードフレーム構造とした場合には、電極用部材３０直近の銅電極４０部分の表面を温度測定の基準点（０ｍｍ）として、Ｔjが１５５．０℃であるのに対し、ＴLFの最大値は１５２．４℃であり、電極用部材３０の領域を含むどの深さでもＴjの値を上回ることがない。さらに、ワイヤボンディングの場合に比べて全体的に大幅な温度低下を実現することができ、電極用部材３０および銅電極４０は内部に発生する熱の良好な熱伝導体として機能するということができる。
なお、以上の説明ではＩＧＢＴ１０を例にして述べたが、ＦＷＤの場合も、例えばカソード電極を絶縁基板２０表面の銅箔２１に半田接合し、アノード電極を電極用部材３０に半田接合することで、上記同様の構成が得られ、上記同様の効果を得ることが可能である。
また、ここでは、上面側のエミッタ電極１０ａあるいはアノード電極にのみ電極用部材３０を設けることとしたが、このような電極用部材３０は、下面側のコレクタ電極あるいはカソード電極と絶縁基板２０表面の銅箔２１との間や、絶縁基板２０下面の銅箔２２と銅ベースとの間に設けるようにしてもよい。
図６は第１の実施の形態の電極用部材を用いたパワーモジュールの模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｂ−ｂ断面図である。
図６に示すパワーモジュールは、上記のようにＩＧＢＴ１０と銅電極４０の間およびＦＷＤ５０と銅電極４０の間が電極用部材３０で接続されているほか、ＩＧＢＴ１０，ＦＷＤ５０，銅電極４０，４１，４２と銅箔２１との各間、銅箔２２と銅ベース６０との間も電極用部材３０で接続されている。このような構成により、上記同様の効果を得ることができる。すなわち、ＩＧＢＴ１０，ＦＷＤ５０で発生した熱を銅ベース６０側にも効率的に伝熱することができるようになるとともに、電極用部材３０なしで接合した場合に比べて各半田接合界面に加わる熱応力を緩和して歪を小さくし、クラックの発生を抑えることができるようになる。
図６に示すパワーモジュールは、上記のようにＩＧＢＴ１０と銅電極４０の間およびＦＷＤ５０と銅電極４０の間が電極用部材３０で接続されているほか、ＩＧＢＴ１０，ＦＷＤ５０，銅電極４０，４１，４２と銅箔２１との各間、銅箔２２と銅ベース６０との間も電極用部材３０で接続されている。このような構成により、上記同様の効果を得ることができる。すなわち、ＩＧＢＴ１０，ＦＷＤ５０で発生した熱を銅ベース６０側にも効率的に伝熱することができるようになるとともに、電極用部材３０なしで接合した場合に比べて各半田接合界面に加わる熱応力を緩和して歪を小さくし、クラックの発生を抑えることができるようになる。
次に、第２の実施の形態について説明する。
図７は第２の実施の形態の電極用部材の模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｃ−ｃ断面図である。なお、図７では、図３に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
図７は第２の実施の形態の電極用部材の模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｃ−ｃ断面図である。なお、図７では、図３に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
第２の実施の形態の電極用部材３０ａは、図７に示すように、支持体３１の一方の面に導体層である銅層３３が形成されている点で、第１の実施の形態の電極用部材３０と相違する。
このような電極用部材３０ａは、例えば、貫通孔３１ａを形成した支持体３１の一方の面に銅層３３を形成した後、その銅層３３をシードにして電解メッキにより貫通孔３１ａ内を銅で充填して形成することができる。シードとなる銅層３３は、例えば、支持体３１の一方の面に銅箔を貼り付けたり無電解メッキを行ったりして形成することが可能である。あるいは、この電極用部材３０ａは、例えば、上記第１の実施の形態の電極用部材３０の形成と同様にして、支持体３１を溶融状態の銅に含浸した後に、銅層３３を残す面と反対の他方の面のみ支持体３１が露出するまで銅を研磨等で除去して形成するようにしてもよい。
この第２の実施の形態の電極用部材３０ａをパワーモジュールに用いることにより、第１の実施の形態と同様、ＩＧＢＴ，ＦＷＤといった素子と銅電極あるいは絶縁基板表面の銅箔との間、絶縁基板表面の銅箔と銅ベースとの間を電気的・伝熱的に接続することが可能になるとともに、各部材の半田接合界面の歪を小さくしてクラックの発生を抑えることが可能になる。また、このような電極用部材３０ａは、例えば、ＩＧＢＴやＦＷＤと銅電極との間に銅層３３を銅電極側に向けて配置したり、ＩＧＢＴやＦＷＤと絶縁基板との間に銅層３３を絶縁基板側に向けて配置したりすることにより、上記第１の実施の形態と同様の効果が得られるとともに、この銅層３３によって電極用部材３０ａ平面方向の電気的な接続を確保することが可能になる。このように、第２の実施の形態の電極用部材３０ａは、上下方向の導通とともに横方向の導通が必要になるような場所に好適である。
次に、第３の実施の形態について説明する。
図８は第３の実施の形態の電極用部材の模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｄ−ｄ断面図である。なお、図８では、図３に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
図８は第３の実施の形態の電極用部材の模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｄ−ｄ断面図である。なお、図８では、図３に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
第３の実施の形態の電極用部材３０ｂは、図８に示すように、支持体３１の両面に銅ポスト３２の端部が突出している点で、第１の実施の形態の電極用部材３０と相違する。
このような電極用部材３０ｂは、例えば、セラミックス材の支持体３１に形成した貫通孔３１ａ内に銅ポスト３２を形成した後、ケミカルエッチング技術を用いてその支持体３１を表面からエッチングしていくことにより形成することができる。このようなケミカルエッチングに用いるエッチング液としては、例えば、金属に対してセラミックスを選択的にエッチングすることのできるフッ酸等を用いることが可能である。
このような電極用部材３０ｂは、例えば、セラミックス材の支持体３１に形成した貫通孔３１ａ内に銅ポスト３２を形成した後、ケミカルエッチング技術を用いてその支持体３１を表面からエッチングしていくことにより形成することができる。このようなケミカルエッチングに用いるエッチング液としては、例えば、金属に対してセラミックスを選択的にエッチングすることのできるフッ酸等を用いることが可能である。
この第３の実施の形態の電極用部材３０ｂをパワーモジュールに用いることにより、第１の実施の形態と同様、これを挟んで設けられる各部材間を電気的・伝熱的に接続することが可能になるとともに、各部材の半田接合界面の歪を小さくしてクラックの発生を抑えることが可能になる。さらに、素子の発熱時に加わる熱応力を緩和することのできる半田層を、最大で銅ポスト３２の端部が支持体３１から突出する分だけ厚くすることができるため、半田接合界面のクラックの発生をいっそう抑えることが可能になる。
なお、ここでは電極用部材３０ｂの両面側に銅ポスト３２の端部が突出する構成としたが、いずれか一方の面側にのみ銅ポスト３２の端部が突出する構成とすることも可能である。
次に、第４の実施の形態について説明する。
図９は第４の実施の形態の電極用部材の模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｅ−ｅ断面図である。なお、図９では、図３に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
図９は第４の実施の形態の電極用部材の模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｅ−ｅ断面図である。なお、図９では、図３に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
第４の実施の形態の電極用部材３０ｃは、図９に示すように、その両面側で銅ポスト３２の端部が支持体３１から突出しており、さらに、その両面側の銅ポスト３２の間が内部で絶縁されている点で、第１の実施の形態の電極用部材３０と相違する。
このような電極用部材３０ｃは、例えば、次のようにして形成される。まず、支持体３１の貫通孔３１ａ内に銅ポスト３２を形成した後、フッ酸等を用い、支持体３１を一方の面側から選択的にエッチングし、その一方の面に銅ポスト３２の端部を突出させる。そして、このように支持体３１の一方の面にのみ銅ポスト３２の端部を突出させたものを２つ用意し、それらの銅ポスト３２の端部が突出してない他方の面間に絶縁板３４を挟んで接着等する。これにより、図９に示した電極用部材３０ｃを形成することができる。
あるいは、支持体３１の両主面から互いに貫通しない孔を形成し、該孔内に銅ポスト３２を形成する。電極用部材３０ｃをこのように形成することで、銅ポスト３２を内部で１つの支持体３１で絶縁した電極用部材３０ｃを一体に形成することができ、上記のように絶縁板３４を介して接着する等の手間が不要となる。なお、図９に示したように銅ポスト３２の端部を支持体３１から突出させる場合には、支持体３１に銅ポスト３２を形成した後、それをフッ酸等を用いて選択的にエッチングすればよい。
この第４の実施の形態の電極用部材３０ｃは、銅ポスト３２が電極用部材３０ｃ内部で絶縁されているため、一方の主面にＩＧＢＴ，ＦＷＤといった素子を配置し、他方の主面に放熱ベースとしての銅ベースを接合すれば、素子実装側と銅ベース側とを絶縁する絶縁基板として用いることが可能である。また、複数の銅ポスト３２で接合を行い、さらに、銅ポスト３２の端部が支持体３１から突出する分だけ半田層を厚くすることができることから、各部材の半田接合界面の歪を小さくしてクラックの発生を抑えることが可能になる。
なお、ここでは電極用部材３０ｃの両面側に銅ポスト３２の端部が突出する構成としたが、いずれか一方の面側にのみ銅ポスト３２の端部が突出する構成とすることも可能である。また、半田層は薄くなるが、いずれの面側にも銅ポスト３２の端部が突出しない構成とすることも可能である。
次に、第５の実施の形態について説明する。
図１０は第５の実施の形態の電極用部材の模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｆ−ｆ断面図である。なお、図１０では、図３に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
図１０は第５の実施の形態の電極用部材の模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｆ−ｆ断面図である。なお、図１０では、図３に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
第５の実施の形態の電極用部材３０ｄは、図１０に示すように、支持体３１の両面に銅ポスト３２の端部が突出しており、さらに、銅ポスト３２が、中央部にあるものほどその断面積（径）が大きく、縁部に向かって断面積が次第に小さくなり、かつ、縁部ほどその数が密になるように形成されている点で、第１の実施の形態の電極用部材３０と相違する。
このような電極用部材３０ｄは、例えば、次のようにして形成される。まず、支持体３１に、その中央部で径が大きく、縁部に向かうに従って径が小さくかつ数が密になるように貫通孔３１ａを形成し、その貫通孔３１ａ内に銅ポスト３２を形成する。そして、ケミカルエッチング技術を用いて支持体３１を表面から選択的にエッチングしていく。これにより、図１０に示した電極用部材３０ｄを形成することができる。
図１１は第５の実施の形態の電極用部材を用いた素子実装状態の一例を示す図である。
通常、部材間の半田接合界面に加わる熱応力は、その中央部よりも縁部の方が大きくなる。そのため、この第５の実施の形態の電極用部材３０ｄのように、熱応力の小さい中央部に断面積の大きな銅ポスト３２を形成するとともに、熱応力の大きい縁部に断面積の小さな銅ポスト３２を数多く形成するようにすれば、これに部材７０が半田接合された場合にも、半田層（図示せず。）を銅ポスト３２の突出分だけ厚くすることができる効果と相俟って、半田接合界面でのクラックの発生を抑えることが可能になる。
通常、部材間の半田接合界面に加わる熱応力は、その中央部よりも縁部の方が大きくなる。そのため、この第５の実施の形態の電極用部材３０ｄのように、熱応力の小さい中央部に断面積の大きな銅ポスト３２を形成するとともに、熱応力の大きい縁部に断面積の小さな銅ポスト３２を数多く形成するようにすれば、これに部材７０が半田接合された場合にも、半田層（図示せず。）を銅ポスト３２の突出分だけ厚くすることができる効果と相俟って、半田接合界面でのクラックの発生を抑えることが可能になる。
なお、この電極用部材３０ｄをそのいずれか一方の面側にのみ銅ポスト３２の端部が突出する構成とすることも可能である。また、いずれの面側にも銅ポスト３２の端部が突出しない構成とすることも可能である。
次に、第６の実施の形態について説明する。
図１２は第６の実施の形態の電極用部材の模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｇ−ｇ断面図である。なお、図１２では、図３および図９に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
図１２は第６の実施の形態の電極用部材の模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｇ−ｇ断面図である。なお、図１２では、図３および図９に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
第６の実施の形態の電極用部材３０ｅは、図１２に示すように、その一方の面側と他方の面側で支持体３１から突出して形成されている銅ポスト３２が、絶縁板３４の表面に設けた銅層３５ａ，３５ｂによってそれぞれ絶縁板３４の平面方向に電気的に接続されている点で、第４の実施の形態の電極用部材３０ｃと相違する。
このような電極用部材３０ｅは、例えば、第４の実施の形態の場合と同様にして、支持体３１の一方の面にのみ銅ポスト３２の端部を突出させたものを２つ用意した後、それらの銅ポスト３２の端部が突出してない他方の面間に、表面に銅層３５ａ，３５ｂを形成した絶縁板３４を挟むことで形成することができる。
図１３は第６の実施の形態の電極用部材を用いた素子実装状態の一例を示す図である。なお、図１３では、図６に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
このように第６の実施の形態の電極用部材３０ｅは、一方の面側に存在する銅ポスト３２間、他方の面側に存在する銅ポスト３２間がそれぞれ銅層３５ａ，３５ｂで電気的に接続されている。そのため、これに直接ＩＧＢＴ１０およびＦＷＤ５０を半田接合して素子実装側において電気的な接続を確保することができるとともに、素子実装側と放熱ベース側とを絶縁する絶縁基板としてそのまま用いることができる。それにより、電極用部材３０ｅの各面側の平面方向の電気的な接続を確保しつつ、これを挟んで半田接合される各部材間を伝熱的に接続し、各部材の半田接合界面の歪を小さくしてクラックの発生を抑えることが可能になる。
なお、ここでは電極用部材３０ｅの両面側に銅ポスト３２の端部が突出する構成としたが、いずれか一方の面側にのみ銅ポスト３２が突出する構成とすることも可能である。また、いずれの面側にも銅ポスト３２の端部が突出しない構成とすることも可能である。さらに、ここでは絶縁板３４の両面に銅層３５ａ，３５ｂを形成する構成としたが、いずれか一方の面にのみ銅層３５ａまたは銅層３５ｂを形成する構成とすることも可能である。
次に、第７の実施の形態について説明する。
図１４は第７の実施の形態の電極用部材の模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｈ−ｈ断面図である。なお、図１４では、図３および図９に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
図１４は第７の実施の形態の電極用部材の模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｈ−ｈ断面図である。なお、図１４では、図３および図９に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
第７の実施の形態の電極用部材３０ｆは、図１４に示すように、その一方の面側では支持体３１から銅ポスト３２の端部が突出し、他方の面側では支持体３１から銅ポスト３２の端部が突出せずにそれらが銅層３６によって絶縁板３４の平面方向に電気的に接続されている点で、第４の実施の形態の電極用部材３０ｃと相違する。
このような電極用部材３０ｆは、例えば、次のようにして形成される。まず、支持体３１の貫通孔３１ａ内に銅ポスト３２を形成する。その際は、例えば第２の実施の形態でも述べたように、貫通孔３１ａの形成後、支持体３１の一方の面側に銅箔を貼り付けたり無電解メッキを行ったりすることで銅層３６を形成し、それをシードにして電解メッキにより貫通孔３１ａ内を銅で充填して銅ポスト３２を形成する。また、支持体３１を溶融状態の銅に含浸する方法を用いてもよい。そして、支持体３１の一方の面に銅層３６を形成したものと、一方の面にのみ銅ポスト３２の端部を突出させたものとを用意し、それらの銅ポスト３２の端部が突出してない面間に絶縁板３４を挟む。これにより、図１４に示した電極用部材３０ｆを形成することができる。
図１５は第７の実施の形態の電極用部材を用いた素子実装状態の一例を示す図である。なお、図１５では、図６に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
この第７の実施の形態の電極用部材３０ｆは、ＩＧＢＴ１０，ＦＷＤ５０と銅ベース６０との間に設け、素子実装側で電気的な接続を確保するとともに、素子実装側と放熱ベース側とを絶縁する絶縁基板としてそのまま用いることができる。銅層３６を回路パターンとして形成してもよい。
さらに、この電極用部材３０ｆのように銅ポスト３２を突出させた構造とした場合には、これと銅ベース６０との間に冷媒を通す冷却機構を設けることも可能である。
図１６は冷却機構を備えた電極用部材の模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｉ−ｉ断面図である。なお、図１６では、図３，図６および図９に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
図１６は冷却機構を備えた電極用部材の模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｉ−ｉ断面図である。なお、図１６では、図３，図６および図９に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
例えば、第７の実施の形態の電極用部材３０ｆをパワーモジュールに用いた場合、この図１６に示すように、電極用部材３０ｆと銅ベース６０の間の銅ポスト３２の突出部分に残る空間に冷媒８０を通して除熱する冷却機構を設けるようにする。冷却機構は、例えば、冷媒８０として水等を用い、そのような冷媒８０がパワーモジュール外部から導入されて銅ポスト３２の突出部分を経て再びパワーモジュール外部へと排出されるような構成とすることができる。これにより、パワーモジュール内の熱を冷媒８０の利用により直接的に取り除くことができるようになるため、放熱をより効果的に行い、半田接合界面の歪を小さくしてクラックの発生を抑えることが可能になる。
ここでは第７の実施の形態の電極用部材３０ｆをパワーモジュールに用いた場合を例にして述べたが、上記の冷却機構は、一方の面側に銅ポスト３２の端部が突出する構造を有する電極用部材３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅをパワーモジュールに用いた場合にも同様に適用可能である。
このように、上記電極用部材３０，３０ａ〜３０ｆによれば、必要に応じて冷却機構を適用し、効率的に放熱を行いつつ半田接合界面における熱応力を緩和することができ、歪の発生を抑えてヒートサイクル耐量やパワーサイクル耐量の向上を図ることができる。さらに、エミッタ電極等の側に電極用部材３０，３０ａ〜３０ｆを設けることで、アルミワイヤボンディングの場合に比べて導電部分の表面積および体積を増すことができ、放熱効果を高めるとともに、電気抵抗を小さくすることができる。それにより、発熱や素子の特性低下を抑えることができるようになる。また、電極用部材３０，３０ａ〜３０ｆは、必要に応じてその支持体３１部分を厚くしてもよく、例えばそれによって従来の銅ベースと置き換えることも可能である。
なお、以上の説明では、各部材間の接合に半田を用いた場合について述べたが、半田のほか、熱や光によって硬化する導電性ペースト等を用いることも可能であり、この場合も上記各電極用部材３０，３０ａ〜３０ｆを用いることにより、放熱とともに、導電性ペースト接合界面の歪を小さくしてクラックの発生を抑えることが可能である。
また、以上の説明では、各電極用部材３０，３０ａ〜３０ｆを構成するための金属材料として銅を用いるようにしたが、比較的熱伝導率が高いその他の導電性の金属、例えばアルミニウムを用いるようにしてもよい。
また、以上の説明では、ひとつのパワーモジュールに１種類の電極用部材を用いたが、勿論、ひとつのパワーモジュールに複数種の電極用部材を用いるようにしてもよい。
１０ ＩＧＢＴ
１０ａ エミッタ電極
１０ｂ ゲート電極
２０ 絶縁基板
２１，２２ 銅箔
３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆ 電極用部材
３１ 支持体
３１ａ 貫通孔
３２ 銅ポスト
３３，３５ａ，３５ｂ，３６ 銅層
３４ 絶縁板
４０ 銅電極
５０ ＦＷＤ
６０ 銅ベース
７０ 部材
８０ 冷媒
１０ａ エミッタ電極
１０ｂ ゲート電極
２０ 絶縁基板
２１，２２ 銅箔
３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆ 電極用部材
３１ 支持体
３１ａ 貫通孔
３２ 銅ポスト
３３，３５ａ，３５ｂ，３６ 銅層
３４ 絶縁板
４０ 銅電極
５０ ＦＷＤ
６０ 銅ベース
７０ 部材
８０ 冷媒
Claims (17)
- 表面に電極を備えた半導体素子を有する半導体装置において、
主面間を貫通する複数の貫通孔を有するセラミックス材を材料とする絶縁性の支持体と、
複数の前記貫通孔それぞれに配置された金属ポストと、
複数の各前記金属ポストと前記半導体素子の前記電極とを接合する半田層と、を備え、
複数の各前記金属ポストは、前記支持体を介して互いに分離していることを特徴とする半導体装置。 - 前記支持体の前記電極と接合される主面上に導体層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 前記金属ポストの端部が、前記支持体の少なくとも一方の主面より突出していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 前記支持体から突出する前記金属ポストと接合面との間に冷媒を介在させることができるようにしたことを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
- 表面に電極を備えた半導体素子を有する半導体装置において、
主面間を貫通する複数の貫通孔を有するセラミックス材を材料とする絶縁性の支持体と前記各貫通孔に配置されて前記貫通孔の内面と接合された金属ポストとからなる電極用部材と、
前記電極用部材と前記半導体素子の前記電極とを接合する半田層と、を備え、
前記金属ポストが銅を材料とすることを特徴とする半導体装置。 - 少なくとも一方の主面に、前記半導体素子の他方の主面の電極が接続される導体パターンを有する絶縁基板を備え、
前記半導体素子の他方の主面の電極と前記導体パターンとの間に前記電極用部材が接合されていることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。 - 前記絶縁基板の他方の主面に形成された前記導体パターンと、前記半導体素子に生じる熱を放熱する放熱ベースとの間に前記電極用部材が接合されていることを特徴とする請求項６記載の半導体装置。
- 前記半導体素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタであって、前記電極は、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのエミッタ電極、コレクタ電極のうち少なくとも１つであることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記半導体素子は、ダイオードであって、前記電極は、前記ダイオードのアノード電極、カソード電極のうち少なくとも１つであることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の半導体装置。
- 半導体装置の電極に接合される電極用部材において、
主面間を貫通する複数の貫通孔を有するセラミックス材を材料とする絶縁性の支持体と、前記各貫通孔に配置した金属ポストとからなり、
前記支持体の縁部に、前記支持体の中央部に配置した金属ポストよりも小さい径の金属ポストが配置されていることを特徴とする電極用部材。 - 前記金属ポストは、銅またはアルミニウムを用いて形成されていることを特徴とする請求項１０記載の電極用部材。
- 前記金属ポストの少なくとも一方の端面が前記支持体の主面と同一面上に形成されるとともに、その表面上に導体層が形成されていることを特徴とする請求項１０または１１記載の電極用部材。
- 前記金属ポストの端面が前記支持体の少なくとも一方の主面から突出していることを特徴とする請求項１０または１１記載の電極用部材。
- 前記支持体の縁部に配置した金属ポストが、前記支持体の中央部に配置した金属ポストの径より小さく、かつ、密に配置されていることを特徴とする請求項１０乃至請求項１３のいずれかに記載の電極用部材。
- 表面に電極を備えた半導体素子を有する半導体装置において、
前記電極に、請求項１０乃至請求項１４のいずれかに記載の電極用部材が接合されていることを特徴とする半導体装置。 - 半導体装置の電極に接合される電極用部材の製造方法において、
主面間を貫通する複数の貫通孔を有するセラミックス材を材料とする絶縁性の支持体の前記各貫通孔に金属ポストを挿入し、前記支持体と前記金属ポストとを接着、嵌合により一体的に形成することを特徴とする電極用部材の製造方法。 - 半導体装置の電極に接合される電極用部材の製造方法において、
主面間を貫通する複数の貫通孔を有するセラミックス材を材料とする絶縁性の支持体の一方の主面に銅層を形成し、前記銅層をシードにして電解メッキにより前記各貫通孔の貫通孔内を銅で充填することによって、前記各貫通孔に金属ポストを形成することを特徴とする電極用部材の製造方法。
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