JP2013161996A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置のヒートシンクへのロウ付けに起因してクラックが発生しても、クラックによる放熱効率の低下を抑制する技術を提供する。
【解決手段】半導体装置４は、セラミック基板１４の両側に金属回路板１２と金属板１６が取り付けられており、金属回路板１２の上に半導体チップ６が取り付けられている。セラミック基板１４と金属板１６の接合面において、セラミック基板１４の端部に凸部２１が設けられており、金属板１６には、凸部２１と嵌合する凹部２２が設けられている。フラックスとの反応がセラミック基板１４と金属板１６の接合面の縁から進行しても、凸部２１と凹部２２の嵌合部でせき止められる。凸部２１よりも内側でクラックが発生することが防止され、放熱効率の低下が抑制される。
【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、セラミック基板の両側に金属回路板と金属板が取り付けられており、金属回路板の上に半導体チップが取り付けられた半導体装置に関する。

半導体チップを備える半導体装置の中には次の構造を備えているものがある。半導体装置は、絶縁体であるセラミック基板を有し、その上に回路をプリントした金属回路板が接合されており、その金属回路基板の上に半導体知チップが取り付けられている。セラミック基板の下面には、別の金属板が接合されている。別の金属板は、半導体装置を取り付けるケースやヒートシンクに半導体チップの熱を効率よく拡散させるために設けられるものであり、いわゆる放熱板として機能する。

セラミック基板は、典型的には、絶縁物質である窒化アルミニウムなどで作られており、金属板は、アルミニウム、あるいは、導電性のアルミニウム合金で作られていることが多い。よく用いられるのは、純度９９．９９％（４Ｎ）のアルミニウムである。

セラミック基板と金属板はハンダ付けやロウ付けにて接合される。セラミック基板と金属板の間にクラック（亀裂）が生じることがある。クラックが生じると、セラミック基板と金属板の間の伝熱効率が低下する。そこで、クラック発生を抑制する技術が例えば特許文献１、２に提案されている。

特許文献１は、金属板の下面に多数のスリットを設けた半導体装置を開示している。スリットを設けることによって金属板の剛性を下げ、熱応力に対して金属板が柔軟に変形するように構成し、クラックの発生を抑制する。

特許文献２は、ヒートシンクに取り付けられる半導体装置であって、半導体装置最下層の金属板とヒートシンクとの間に別の金属板（応力緩和部材）を配置し、その応力緩和部材における金属板と対向する面にスリットを設ける。応力緩和部材は、セラミック基板とヒートシンクの間の熱応力を緩和し、セラミック基板と金属板の間のクラック発生を抑制する。

特開２００８−１３５５１１号公報 特開２００８−２９４２８０号公報

特許文献１と２の技術はいずれも、セラミック基板と他の板（金属板やヒートシンク）との間の熱応力に起因するクラックを抑制する技術である。近年は、ロウ付けによる接合技術が進歩し、セラミック基板と金属板、及び、金属板とヒートシンク（即ち、半導体装置とヒートシンク）がそれぞれロウ付けにより接合されることが多い。次に示すように、このロウ付けに起因してクラックが生じる問題がある。ロウ材には、母材表面の酸化を防ぐとともにロウ材の流動性を促進するフラックスという薬剤が混ぜられる。半導体装置において、セラミック基板と金属板はロウ付けされる。その半導体装置をヒートシンク（あるいはケースなどのベースプレート）にロウ付けする際、蒸発したフラックスが、既に接合しているセラミック基板と金属板の間のロウ材に作用し、接合面を劣化させる。より具体的には、接合面に存在する酸化物の残滓とフラックスと反応し、セラミック基板と金属板を接合しているロウ材を溶かし、ロウ材を剥離させることがある。ロウ材が剥離すると、接合力が落ち、経年劣化でセラミック基板と金属板の接合面にクラックが生じ易くなってしまう。本明細書は、半導体装置のヒートシンクへのロウ付けに起因してクラックが発生しても、クラックによる放熱効率の低下を抑制する技術を提供する。なお、以下では、半導体装置のヒートシンクへのロウ付けを二次ロウ付けと称する。

本明細書が開示する技術は、セラミック基板の両面のそれぞれに金属回路板と金属板が取り付けられており、金属回路板の上に半導体チップが取り付けられた半導体装置に関する。その半導体装置は、セラミック基板と金属板の接合面において、セラミック基板の端部に凸部を設け、金属板に上記凸部と嵌合する凹部を設けている。凸部と凹部は次の作用効果を奏する。二次ロウ付け時のフラックスと接合面（既に接合しているセラミック基板と金属板の間の接合面）の反応は、接合面の端部から内側へと進行する。セラミック基板と金属板の接合面は、セラミック基板からみて凸状になっている。従って、フラックスと接合面の反応は、凸部に達して止まるか、止まらずとも、凸部を超えるのに距離を要するので、凸部よりも内側にまで侵食する可能性は低くなる。フラックスと反応する領域は凸部より内側には拡がらず、それゆえ、凸部よりも内側でクラックが発生する可能性は低くなる。即ち、凸部よりも内側ではセラミック基板と金属板との接合は確保され放熱効率の低下が抑えられる。

本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

半導体装置を実装した回路基板の平面図である。 図２（Ａ）は、１つの半導体装置とその周囲の拡大平面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 図２（Ｂ）の破線Ｃで囲った領域の拡大図である。

図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。図１は、幾つかの半導体装置４、４ａ、４ｂを実装した回路基板１０の平面図である。この回路基板１０は、例えば電気自動車のインバータを構成する基板の一つである。幾つかの半導体装置４、４ａ、４ｂは、ヒートシンク２の上に固定されている。各半導体装置４、４ａ、４ｂは、それぞれ、半導体チップ６、６ａ、６ｂを載せている。なお、図１では、半導体チップ以外の電子部品（抵抗やコンデンサなど）と、半導体チップと電子部品を接続するリード線の図示を省略している。半導体チップ６、６ａ、６ｂは、ＩＧＢＴやダイオードなど、スイッチング回路を構成する半導体素子を内蔵している。スイッチング回路は、電気自動車の駆動用モータに供給する交流電流を作る回路であり、スイッチング回路を構成する素子には大電流が流れるので発熱量が大きい。それゆえ、各半導体装置はヒートシンク２に搭載される。

図２に、一つの半導体装置４の平面図と断面図を示す。図２（Ａ）が平面図を示し、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面を示している。ここで、平面図は、平板型の半導体装置４の平面に直交する方向から見た図に相当する。半導体装置４は、半導体チップ６、金属回路板１２、セラミック基板１４、及び、放熱板１６（金属板）で構成されている。半導体チップ６は、ＩＧＢＴやダイオードをモールドした樹脂のパッケージである。金属回路板１２は、内部に回路線が形成されている。回路線は、半導体チップ内部のＩＧＢＴなどの端子と外部のコンデンサや抵抗などを接続するためのリード線の役割を果たす。回路線は、エッチングなどの加工法により金属回路板１２に形成される。半導体チップ６は、金属回路板１２にハンダ付けされる。

金属回路板１２は、セラミック基板１４に接合している。セラミック基板１４の反対側の面には、放熱板１６が接合している。セラミック基板１４は、例えば、セラミック材の一つである窒化アルミニウムで作られている。セラミック基板１４は絶縁体である。放熱板１６は、熱伝導率の高い金属で作られており、例えば、純度９９．９９％（４Ｎ）のアルミニウムで作られている。なお、金属回路板１２も、純度９９．９９％のアルミニウムで作られる場合がある。

セラミック基板１４の下面、即ち、放熱板１６と対向する面には凸部２１が設けられており、放熱板１６において凸部２１と対向する位置に凹部２２が設けられている。凸部２１と凹部２２は相互に嵌合する。図２（Ａ）の平面図では、理解を助けるために凸部２１（凹部２２）をグレーで示している。図２（Ａ）に示すように、凸部２１（凹部２２）は、セラミック基板１４の端部に設けられている。なお、凸部２１（凹部２２）は、セラミック基板１４と放熱板１６の接合面の縁よりも内側に設けられている。また、図２（Ａ）に示すように、凸部２１（凹部２２）は、平面視において半導体チップ６を囲むように設けられている。

金属回路板１２とセラミック基板１４はロウ付けにより接合している。セラミック基板１４と放熱板１６もロウ付けにより接合している。ロウ材は、母材（この場合はセラミック基板１４と金属回路板１２、及び、放熱板１６）よりも融点の低い合金でできており、例えば、アルミニウムにシリコンを添加した合金などが用いられる。ロウ材には、フラックスと呼ばれる薬剤も添加される。フラックスは、母材表面の酸化を防ぐとともにロウ材の流動性を促進する薬剤である。ロウ付けには、例えば、ノコロックと呼ばれる方法が採用される。ノコロックとは、ロウ材を塗布して組み立てた半導体装置を不活性ガスで満たした高温チャンバに入れ、ロウ材を溶かしてロウ付けする方法である。この方法は、母材をチャンバに入れるだけであるので、工程が簡単であるという利点を有する。

完成した半導体装置４をヒートシンク２に接合するのもロウ付けによる。なお、図２（Ｂ）に示すように、放熱板１６の下面（ヒートシンクと対向する面）には、複数の切り込み２３が設けられている。この切り込み２３は、その内部にロウ材Ｌが入り込み、ヒートシンクとの接合の強度を高めるためである。半導体装置４とヒートシンク２も例えばノコロック法による。

セラミック基板１４への金属回路板１２と放熱板１６のロウ付けを一次ロウ付けと称し、ヒートシンク２への半導体装置４のロウ付けを二次ロウ付けと称する。二次ロウ付けの際、ロウ材からフラックスが気化する。なお、一般的には、アルミニウムのロウ付け温度は５８０度〜６２０度であり、フラックスの活性化温度は５６０度程度である。気化したフラックスは、セラミック基板１４と放熱板１６の接合面に達し、そこで酸化物の残滓や一次ロウ付けのロウ材と反応する。その化学反応により、セラミック基板１４と放熱板１６の接合面のロウ材の一部が溶ける（あるいは溶けずとも劣化する）。この化学反応により、セラミック基板１４と放熱板１６の接合の耐久性が損なわれ、それらの間にクラックが生じ易くなる。凸部２１と凹部２２は、クラックが生じてもクラックが内部まで拡がるのを阻止する。このことを、図３を使って次に説明する。なお、以後、「内側」、「内部」とは、半導体装置４を平面視したときに凸部２１（凹部２２）のループの「内側」、「内部」を意味することに留意されたい。

図３は、図２（Ｂ）において符号Ｃが示す領域の拡大図である。気化したフラックスと接合面におけるロウ材との反応は、セラミック基板１４と放熱板１６の接合面の端部（図３にて符号Ｐａが示すポイント）から始まり、接合面に沿って内部へと進行する。図３中の矢印Ａが、フラックスとロウ材の反応の進行方向を示す。接合面は、凸部２１と凹部２２の嵌合箇所（図３中の符号Ｐｂが示すポイント）で直角に折れ曲がる。それゆえ、フラックスとロウ材の反応は、ポイントＰｂでせき止められる。あるいは、ポイントＰｂでせき止められずとも、反応は凸部２１に沿って進むことになる（図３の矢印Ｂ参照）。すなわち、フラックスとロウ材の反応は、凸部２１を回り込むように長い距離を進まないと、凸部２１の内側へは到達しない。凸部２１よりも内側にまで反応が進むことが阻止される。それゆえ、フラックスとロウ材が反応してロウ材が劣化したとしても、凸部よりも内側でクラックが発生することが防止される。図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、半導体チップ６は、平面視でみたときに凸部２１（凹部２２）のループの内側に配置されている。凸部２１（凹部２２）よりも内側でクラックが生じなければ、半導体チップ６の直下ではセラミック基板１４と放熱板１６の密なる接合が維持される。即ち、半導体チップ６の放熱効率の低下が抑制される。

実施例の技術に関する留意点を述べる。凸部２１と凹部２２の嵌合は、セラミック基板１４と放熱板１６の接合の物理的な強度を高める効果も奏する。実施例では、凸部２１は断面矩形であったが、凸部２１は断面がくさび状であってもよい。また、凸部（及び凹部）を２重、３重に設けることも好適である。実施例では半導体装置４はヒートシンク２にロウ付けされた例を示したが、半導体装置４はインバータなどのデバイスのケース、或いはヒートシンクではない別の板にロウ付けされるものであってもよい。

実施例の放熱板は純度９９．９９％のアルミニウムで作られており、セラミック基板１４は窒化アルミニウムで作られていた。放熱板はセラミック基板の材質はこれらのものに限られない。例えば、放熱板は熱伝導率の高い銅で作られていてもよい。

金属回路板１２を第１金属板と称し、放熱板１６を第２金属板と称すると、実施例の半導体装置４の特徴は次のように表現することができる。半導体装置４は、セラミック基板１４の両面のそれぞれに第１金属板（金属回路板１２）と第２金属板（放熱板１６）が取り付けられており、第１金属板の上に半導体チップ６取り付けられたデバイスである。セラミック基板１４と第２金属板の接合面において、セラミック基板１４の端部（縁よりは内側）に凸部２１が設けられており、第２金属板に凸部２１と嵌合する凹部２２が設けられている。凸部２１と凹部２２は、別言すれば、半導体装置４を平面視したときに、半導体チップ６を囲むように設けられている（図２（Ａ）参照）。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ヒートシンク
４：半導体装置
６：半導体チップ
１０：回路基板
１２：金属回路板
１４：セラミック基板
１６：放熱板（金属板）
２１：凸部
２２：凹部
Ｌ：ロウ材

Claims (1)

1. セラミック基板の両面のそれぞれに金属回路板と金属板が取り付けられており、金属回路板の上に半導体チップが取り付けられた半導体装置であって、
   セラミック基板と金属板の接合面において、セラミック基板の端部に凸部が設けられており、金属板に前記凸部と嵌合する凹部が設けられていることを特徴とする半導体装置。

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