JP2011253928A

JP2011253928A - 電力半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP2011253928A
Application number: JP2010126605A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Sato; 正章佐藤; Hiroshi Nishibori; 弘西堀; Kunihiro Yoshihara; 邦裕吉原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2011-12-15

Abstract

【課題】ヒートシンクを薄厚化することによって、絶縁基板下のはんだクラックの発生を抑制できるとともに、ヒートシンクの反りを抑えることができる電力半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明にかかる電力半導体装置は、電力半導体素子１が載置される絶縁基板２と、金属層であるはんだ５を介して絶縁基板２を搭載するヒートシンク３とを備え、ヒートシンク３は、絶縁基板２を搭載する第１領域の厚さが、第１領域を囲む、絶縁基板２を搭載しない第２領域の厚さより薄い。
【選択図】図１

Description

本発明は電力半導体装置およびその製造方法に関し、特に、絶縁基板をヒートシンクにはんだ付けしている構造において、電力半導体素子での発熱を絶縁基板とヒートシンクを通して放散させる電力半導体装置およびその製造方法に関する。

電力半導体素子がより高温下で使用される電力半導体装置は、電力半導体素子が載置される絶縁基板下のはんだクラックの発生が加速し、信頼性が低下しやすい問題を有している。

電力半導体装置の構成部材における線膨張係数は、はんだを介して絶縁基板を搭載するヒートシンクがＣｕである場合では１６．８×１０^-6／Ｋ（Ａｌの場合では２３×１０^-6／Ｋ）であるのに対し、電力半導体素子が載置されるセラミック基材よりなる絶縁基板の線膨張係数は４〜７×１０^-6／Ｋであるため、温度変化によって、ヒートシンクと絶縁基板との線膨張係数差に起因する歪みが、絶縁基板下のはんだに影響し、また繰り返し温度変化が起こることにより金属疲労が促進され、絶縁基板下のはんだにクラックが発生する。

特開２００８−２７７６５４号公報

温度の変化が大きいほど、はんだにかかる歪みの影響は大きくなり、はんだクラックの発生および、進展が加速される。今後、ＳｉＣ等の高Ｔｊ（ジャンクション温度）対応の電力半導体装置を用いるにあたって、ますます大きな問題となる。

この問題を防止する方法の一つとして、絶縁基板と接続されるヒートシンクを薄くして、はんだにかかる歪みの影響を低減する方法があるが（特許文献１参照）、ヒートシンクの薄厚化によってヒートシンクに生じる反りが大きくなり、放熱フィンに電力半導体装置を取り付けた際の放熱性の低下や、絶縁基板であるセラミック基材の割れが発生するという問題があった。

この発明は上記の問題点を解消するためになされたもので、ヒートシンクを薄厚化することによって、絶縁基板下のはんだクラックの発生を抑制できるとともに、ヒートシンクの反りを抑えることができる電力半導体装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる第１の電力半導体装置は、電力半導体素子が載置される絶縁基板と、金属層を介して前記絶縁基板を搭載するヒートシンクとを備え、前記ヒートシンクは、前記絶縁基板を搭載する第１領域の厚さが、前記第１領域を囲む、前記絶縁基板を搭載しない第２領域の厚さより薄い。

また、本発明にかかる第２の電力半導体装置は、電力半導体素子が載置される絶縁基板と、金属層を介して前記絶縁基板を搭載するヒートシンクとを備え、前記ヒートシンクは、前記絶縁基板を搭載する第１領域と、前記第１領域を囲む、前記絶縁基板を搭載しない第２領域との境界に、溝を備える。

また、本発明にかかる電力半導体装置の製造方法は、（ａ）電力半導体素子が載置される絶縁基板を用意する工程と、（ｂ）ヒートシンクを用意する工程と、（ｃ）前記絶縁基板を、金属層を介して前記ヒートシンクに搭載する工程とを備え、前記工程（ｂ）において、前記ヒートシンクは、前記絶縁基板を搭載する第１領域の厚さが、前記第１領域を囲む、前記絶縁基板を搭載しない第２領域の厚さより薄くなるように切削される。

本発明にかかる第１の電力半導体装置によれば、電力半導体素子が載置される絶縁基板と、金属層を介して前記絶縁基板を搭載するヒートシンクとを備え、前記ヒートシンクは、前記絶縁基板を搭載する第１領域の厚さが、前記第１領域を囲む、前記絶縁基板を搭載しない第２領域の厚さより薄いことにより、絶縁基板とヒートシンクとを接続する金属層への歪みの影響が緩和され、また、第２領域が第１領域より厚いため、ヒートシンクの反りが低減される。

また、本発明にかかる第２の電力半導体装置によれば、電力半導体素子が載置される絶縁基板と、金属層を介して前記絶縁基板を搭載するヒートシンクとを備え、前記ヒートシンクは、前記絶縁基板を搭載する第１領域と、前記第１領域を囲む、前記絶縁基板を搭載しない第２領域との境界に、溝を備えることにより、ヒートシンクの反りが緩和される。

また、本発明にかかる電力半導体装置の製造方法によれば、（ａ）電力半導体素子が載置される絶縁基板を用意する工程と、（ｂ）ヒートシンクを用意する工程と、（ｃ）前記絶縁基板を、金属層を介して前記ヒートシンクに搭載する工程とを備え、前記工程（ｂ）において、前記ヒートシンクは、前記絶縁基板を搭載する第１領域の厚さが、前記第１領域を囲む、前記絶縁基板を搭載しない第２領域の厚さより薄くなるように切削されることにより、絶縁基板とヒートシンクとを接続する金属層への歪みの影響が緩和され、また、第２領域が第１領域より厚いため、ヒートシンクの反りが低減される。

実施の形態１にかかる電力半導体装置の断面図である。実施の形態１にかかる電力半導体装置の上面図である。実施の形態２にかかる電力半導体装置の断面図である。実施の形態２にかかる電力半導体装置の上面図である。実施の形態３にかかる電力半導体装置の断面図である。実施の形態３にかかる電力半導体装置の上面図である。実施の形態３にかかる電力半導体装置の上面図である。実施の形態３にかかる電力半導体装置の上面図である。実施の形態４にかかる電力半導体装置の断面図である。実施の形態４にかかる電力半導体装置の上面図である。実施の形態４にかかる電力半導体装置の断面図である。実施の形態１にかかる電力半導体装置のはんだクラック発生状況を表す図である。実施の形態４にかかる電力半導体装置のヒートシンクの反りの変化量を現す図である。

＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．構成＞
以下、この発明の実施の形態１を図１〜２を用いて説明する。図１に示すように本発明にかかる電力半導体装置は、例えばＣｕから成るヒートシンク３と、ヒートシンク３上に金属層としてのはんだ５を介して搭載された絶縁基板２と、絶縁基板２上の回路パターン２０１と、回路パターン２０１とはんだ４を介して接続された電力半導体素子１とを備える。絶縁基板２は、例えばＡｌ₂Ｏ₃のセラミック基材２０２と、セラミック基材２０２の裏面に形成された、例えばＣｕの裏面パターン２０３とを備える。

第１領域としての絶縁基板２搭載部に対応するヒートシンク３は薄く形成されており、第２領域としての絶縁基板２搭載部以外のヒートシンク３は、絶縁基板２搭載部と比較して相対的に厚くなっている。図２は、図１に示す電力半導体装置の平面図（上面図）である。

このように構成された電力半導体装置において、絶縁基板２搭載部のヒートシンク３を薄くすることにより、絶縁基板２の線膨張係数７×１０^-6／Ｋとヒートシンク３の線膨張係数１６．８×１０^-6／Ｋとの差に起因する、温度変化時のはんだの歪みを低減することができ、絶縁基板２下のはんだ５のクラックの発生が減少される。

＜Ａ−２．動作＞
図１２に、ヒートシンク３の厚さを変えた場合で、電力半導体装置にＨ／Ｃサイクルを施した際の絶縁基板２下のはんだ５のクラックの発生状況を表す評価データを示す。縦軸ははんだクラック長の相対値を示し、横軸はＨ／Ｃサイクルのサイクル回数を示す。

図１２に示すように、絶縁基板２搭載部に対応するヒートシンク３の厚さを薄くすることで、クラックの発生は抑制される。このとき、絶縁基板２搭載部以外のヒートシンク３を相対的に厚くしておくことによって、この厚い部分がフランジの役割をし、ヒートシンク３を薄くすることによる温度変化時のヒートシンク３の反りの増加を抑制することができる。

絶縁基板２搭載部のヒートシンク３を薄くする一手段としては、ヒートシンク３を切削することにより、絶縁基板２搭載部のヒートシンク３を薄く、絶縁基板２搭載部以外のヒートシンク３を厚くするものがある。

＜Ａ−３．効果＞
本発明にかかる実施の形態１によれば、電力半導体装置において、電力半導体素子１が載置される絶縁基板２と、金属層であるはんだ５を介して絶縁基板２を搭載するヒートシンク３とを備え、ヒートシンク３は、絶縁基板２を搭載する第１領域としての絶縁基板２搭載部の厚さが、絶縁基板２搭載部を囲む、絶縁基板２を搭載しない第２領域としての絶縁基板２搭載部以外の厚さより薄いことで、絶縁基板２とヒートシンク３とを接続するはんだ５への歪みの影響が緩和され、また、ヒートシンクの反りが低減される。

また、本発明にかかる実施の形態１によれば、電力半導体装置の製造方法において、（ａ）電力半導体素子１が載置される絶縁基板２を用意する工程と、（ｂ）ヒートシンク３を用意する工程と、（ｃ）絶縁基板２を、金属層であるはんだ５を介してヒートシンク３に搭載する工程とを備え、工程（ｂ）において、ヒートシンク３は、絶縁基板２を搭載する第１領域の厚さが、第１領域を囲む、絶縁基板２を搭載しない第２領域の厚さより薄くなるように切削されることで、絶縁基板２とヒートシンク３とを接続するはんだ５への歪みの影響が緩和され、また、ヒートシンク３の反りが低減される。また、切削によって製造するため、部品点数を増大させることがない。

＜Ｂ．実施の形態２＞
＜Ｂ−１．構成＞
以下、この発明の実施の形態２を図３〜４を用いて説明する。図３は薄い平板状部材である例えばＣｕのヒートシンク３上の絶縁基板２搭載部以外の箇所に、例えばＦｅの補強部材６を、ネジ７によってネジ締めしたものである。図４は図３の平面図（上面図）である。

図１と同様に絶縁基板２搭載部のヒートシンク３を薄く、絶縁基板２搭載部以外のヒートシンク３を厚くすることによって、絶縁基板２下のはんだ５のクラックの発生を抑制しつつ、ヒートシンク３の反りを抑えることができる。

また、補強部材６をヒートシンク３の材質Ｃｕよりも線膨張係数の小さい例えばＦｅ（線膨張係数１２．１×１０^-6／Ｋ）、ＳＵＳ、Ｍｏにすることで、反りの抑制効果を向上することができる。

＜Ｂ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態２によれば、電力半導体装置において、ヒートシンク３は、第１、第２領域に渡る平板状部材と、第２領域において平板状部材上に形成された補強部材６とを備えることで、絶縁基板２下のはんだ５のクラックの発生を抑制しつつ、ヒートシンク３の反りを抑えることができる。

また、部品加工コストや材料コストを低減でき、また、ヒートシンク３とは異種材料を用いることができる。

また、本発明にかかる実施の形態２によれば、電力半導体装置において、補強部材６は、金属部材であることで、ヒートシンク３の放熱性を損なうことなく、絶縁基板２下のはんだ５のクラックの発生を抑制しつつ、ヒートシンク３の反りを抑えることができる。また、放熱性も維持できる。

また、本発明にかかる実施の形態２によれば、電力半導体装置において、補強部材６の線膨張係数は、平板状部材の線膨張係数とは異なることで、適切な線膨張係数の補強部材６を選択し、ヒートシンク３の反りの程度によってその剛性を調節することができる。

＜Ｃ．実施の形態３＞
＜Ｃ−１．構成＞
以下、この発明の実施の形態３を図５〜８を用いて説明する。図５は薄いＣｕのヒートシンク３の絶縁基板２搭載部以外の箇所に、Ｃｕよりも線膨張係数の大きい樹脂等の補強部材６を熱硬化型の接着剤８で接着したものである。図６は図５の平面図（上面図）である。なお、補強部材６として、Ｃｕより線膨張係数の大きい金属部材を用いてもよい。

絶縁基板２搭載部のヒートシンク３を薄くすることで、絶縁基板２下のはんだ５のクラックの発生を抑制することができる。また高温下において、熱硬化型の接着剤８でヒートシンク３と補強部材６とを接着することで、接合時には線膨張係数の大きい補強部材６が大きく膨張し、その状態で常温まで冷やされると、ヒートシンク３と補強部材６との線膨張係数の差で下向きに凸の反りが発生する。このヒートシンク３を放熱フィンにネジ締めすることで、この反りは補正され放熱性の低下を防ぐことができる。

また、補強部材６に絶縁物である樹脂を用いることで、電力半導体素子１や回路パターン２０１との絶縁耐量を上げることができる。

さらに、以下に２つの変形例を示す。図７は図６の補強部材６に欠損領域として穴９を形成したもので、補強部材６に穴９を開けることで補強部材６の剛性を制御し、ヒートシンク３の反りを制御することができる。

図８は図６の補強部材６の中央の幅を細くしたもので、欠損領域として、補強部材６の中央の幅を細くする（切り欠け部分を形成する）ことで補強部材６の剛性を制御し、ヒートシンク３の反りを制御することができる。

＜Ｃ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態３によれば、電力半導体装置において、補強部材６の線膨張係数は、平板状部材の線膨張係数とは異なることで、線膨張係数が補強部材６の方が大きい場合、高温下で接合され常温に冷やされることで下向きに凸の反りが発生し、さらにこのヒートシンク３を放熱フィンにネジ締めすることで、この反りは補正され放熱性の低下を防ぐことができる。

また、本発明にかかる実施の形態３によれば、電力半導体装置において、補強部材６には、欠損領域が形成されることで、補強部材６の剛性を制御し、ヒートシンク３の反りを制御することができる。

また、本発明にかかる実施の形態３によれば、電力半導体装置において、欠損領域は、平面視において穴９又は切り欠け部分が形成された領域であることで、補強部材６の剛性を制御し、ヒートシンク３の反りを制御することができる。

＜Ｄ．実施の形態４＞
＜Ｄ−１．構成＞
以下、この発明の実施の形態４を図９〜１１を用いて説明する。図９は薄いＣｕのヒートシンク３の絶縁基板２搭載部周囲に溝１０が形成されているものである。すなわち、絶縁基板２を搭載する第１領域を囲む第２領域との境界に、溝１０が形成されている。図１０は図９の平面図（上面図）である。

絶縁基板２搭載部のヒートシンク３を薄くすることで、絶縁基板２下のはんだ５のクラックの発生を抑制することができる。また、溝１０を形成することでヒートシンク３の反りを、絶縁基板２搭載部と絶縁基板２搭載部以外とで分けることができ、ヒートシンク３の反りを低減することができる。

さらに、以下に変形例を示す。図１１は図９の絶縁基板２搭載部周囲の溝１０をヒートシンク３の表面および裏面に形成したものである。ヒートシンク３の表面および裏面に溝１０を形成することで、溝１０で発生するヒートシンク３の反りを低減することができる。

＜Ｄ−２．動作＞
図１３に、ヒートシンク３の厚さを変えた場合で、溝１０を形成した場合と溝１０を形成していない場合の、温度上昇時のヒートシンク３の反りの変化量を表す評価データを示す。縦軸は反り変化量の相対値を示し、横軸は温度変化量を示す。

図１３に示すように、どちらの厚さの場合（３ｍｍ、４ｍｍ）でも、溝１０を設けた方が反り変化量が減少していることが分かる。

＜Ｄ−３．効果＞
本発明にかかる実施の形態４によれば、電力半導体装置において、電力半導体素子１が載置される絶縁基板２と、金属層であるはんだ５を介して絶縁基板２を搭載するヒートシンク３とを備え、ヒートシンク３は、絶縁基板２を搭載する第１領域と、第１領域を囲む、絶縁基板２を搭載しない第２領域との境界に、溝１０を備えることで、ヒートシンク３の反りを、絶縁基板２搭載部である第１領域と絶縁基板２搭載部以外である第２領域とで分けることができ、ヒートシンク３の反りを低減することができる。

また、本発明にかかる実施の形態４によれば、電力半導体装置において、溝１０は、ヒートシンク３の表面と裏面とにそれぞれ備えられることで、溝１０部分での特定方向への反りの発生を低減することができる。

１半導体素子、２絶縁基板、３ヒートシンク、４，５はんだ、６補強部材、７ネジ、８接着剤、９穴、１０溝、２０１回路パターン、２０２セラミック基材、２０３裏面パターン。

Claims

電力半導体素子が載置される絶縁基板と、
金属層を介して前記絶縁基板を搭載するヒートシンクとを備え、
前記ヒートシンクは、前記絶縁基板を搭載する第１領域の厚さが、前記第１領域を囲む、前記絶縁基板を搭載しない第２領域の厚さより薄い、
電力半導体装置。
前記ヒートシンクは、前記第１、第２領域に渡る平板状部材と、前記第２領域において前記平板状部材上に形成された補強部材とを備える、
請求項１に記載の電力半導体装置。
前記補強部材は、金属部材である、
請求項２に記載の電力半導体装置。
前記補強部材の線膨張係数は、前記平板状部材の線膨張係数とは異なる、
請求項２または３に記載の電力半導体装置。
前記補強部材には、欠損領域が形成される、
請求項２〜４のいずれかに記載の電力半導体装置。
前記欠損領域は、平面視において穴又は切り欠け部分が形成された領域である、
請求項２〜５のいずれかに記載の電力半導体装置。
電力半導体素子が載置される絶縁基板と、
金属層を介して前記絶縁基板を搭載するヒートシンクとを備え、
前記ヒートシンクは、前記絶縁基板を搭載する第１領域と、前記第１領域を囲む、前記絶縁基板を搭載しない第２領域との境界に、溝を備える、
電力半導体装置。
前記溝は、前記ヒートシンクの表面と裏面とにそれぞれ備えられる、
請求項７に記載の電力半導体装置。
（ａ）電力半導体素子が載置される絶縁基板を用意する工程と、
（ｂ）ヒートシンクを用意する工程と、
（ｃ）前記絶縁基板を、金属層を介して前記ヒートシンクに搭載する工程とを備え、
前記工程（ｂ）において、前記ヒートシンクは、前記絶縁基板を搭載する第１領域の厚さが、前記第１領域を囲む、前記絶縁基板を搭載しない第２領域の厚さより薄くなるように切削される、
電力半導体装置の製造方法。