JP2013165117A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス絶縁基板 (ＤＣＢ基板)を搭載する放熱用金属ベース側に簡易な構造変更を加えるだけで、高い放熱性を確保しつつ、ＤＣＢ基板と放熱用金属ベースとの間の接合部(半田層)に発生する熱応力を効果的に緩和して熱サイクル耐量の向上化が図れるように改良した半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体チップ１をマウントしたセラミックス絶縁基板（ＤＣＢ基板）２を放熱用銅ベース３に搭載して両者間を半田接合したパッケージ構造になる半導体装置において、放熱用銅ベース３における前記セラミックス絶縁基板２の搭載面域に沿ってその外周側に、熱応力緩和用のディンプル３ａを分散形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＧＢＴなどのパワー半導体チップをセラミックス絶縁基板にマウントした上で、該セラミックス絶縁基板を放熱用金属ベースに搭載して半田接合したパッケージ構造になる電力用の半導体装置に関する。

電力用の半導体装置では、アルミナ，窒化アルミなどのセラミックス基板の表裏両主面に導体パターン（厚み0．2〜0．6mm程度の銅箔）を直接接合したセラミックス絶縁基板（以下、“ＤＣＢ(Direct Copper Bonding)基板２”と呼称する）にパワー半導体チップをマウントした上で、該ＤＣＢ基板を放熱用金属ベース（厚さ３mm程度の銅板）に搭載して半田接合した放熱用ベース付きパッケージ構造が広く採用されている。

ところで、前記の放熱用ベース付きパッケージ構造になる半導体装置は、熱膨張係数の異なるＤＣＢ基板と放熱用金属ベース（銅ベース）を組み合わせて構築されていることから、実使用の通電，非通電に伴う熱サイクルによって部品間の接合界面には熱応力が繰り返し発生する。このために、ＤＣＢ基板と放熱用金属ベースとを接合している半田層には、疲労破壊によるクラック，半田剥がれなどが発生してパッケージの伝熱経路の熱抵抗が増大し、このために放熱性が低下して半導体チップが熱破壊にいたるおそれがある。

一方、前記熱応力の緩和策として、従来より各種方式のパッケージ構造が提案されており、その一例として放熱用金属ベースに搭載して半田接合するＤＣＢ基板の裏面側導体パターン（金属板）にディンプル，ないし凹溝を分散形成したパッケージ構造の半導体モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１７３４０５号公報

ところで、前記特許文献１のように、ＤＣＢ基板の裏面側金属板に応力緩和用のディンプル，凹溝を凹設した上でヒートヒンクに接合したパッケージ構造では次記のような課題が残る。すなわち、
（１）ＤＣＢ基板の裏面側金属板に形成したディンプル，凹溝は、ヒートヒンクとの間の非接合領域となってＤＣＢ基板／ヒートヒンク間の伝熱面積が減少する。このために、トータル的にＤＣＢ基板にマウントしたパワー半導体チップとヒートヒンクとの間の伝熱経路の熱抵抗が増加してパッケージの放熱性，熱分散性が低下する。
（２）かかる点、ＤＣＢ基板の裏面側金属板（銅箔）の厚さを厚くすれば放熱用金属ベースへの放熱性が改善されるものの、この銅箔を厚くすると見かけ上の熱膨張係数が増加して熱応力がセラミックス基板との間に集中する問題もあって実用的には前記銅箔の厚み増加には制約がある。
（３）そのほか、ＤＣＢ基板の導体パターン（厚さ：0．2〜0．6mm程度）にレーザー加工などの手法を用いてディンプル(ハーフディンプル)を凹設形成するには高度な加工技術と加工設備を要するなど加工工程上の問題もある。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、セラミックス絶縁基板 (ＤＣＢ基板)には応力緩和用ディンプルの加工を施すことなく、放熱用金属ベース側に簡易な構造変更を加えるだけで、高い放熱性を確保しつつ、ＤＣＢ基板と放熱用金属ベースとの間の接合部(半田層)に発生する熱応力を効果的に緩和して熱サイクル耐量の向上化が図れるように改良した半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、半導体チップをマウントしたセラミックス絶縁基板を放熱用金属ベースに搭載して両者間を半田接合したパッケージ構造になる半導体装置において、
前記放熱用金属ベースにおける前記セラミックス絶縁基板の搭載面域に沿ってその外周側に、熱応力緩和用のディンプルを分散形成する（請求項１）。

ここで、前記セラミックス絶縁基板として、セラミックス基板の両面に銅箔を直接接合したＤＣＢ基板を採用する（請求項２）。

上記構成により、セラミックス絶縁基板（ＤＣＢ基板）と放熱用金属ベースとの間を接合する半田層の接合界面に作用する熱応力は放熱用金属ベースの周域に分散形成したディンプルの変形によって吸収緩和される。

ここで、ＤＣＢ基板と放熱用金属ベースとの熱膨張係数差に起因して発生する熱応力はＤＣＢ基板の周縁側に集中する傾向を示すことから、放熱用金属ベースの上面に凹設したディンプルを基板搭載面域の外周側に沿って分散して形成することにより、熱応力の緩和機能を効果的に発揮して半導体装置の熱応力耐性の向上化が図れる。しかも、ディンプルの形状（穴径，深さ）、および放熱用金属ベース上における分布パターンは、ＤＣＢ基板のサイズ，およびセラミックス基板の材質に応じて自由，かつ最適に設定，変更することが可能である。

また、ＤＣＢ基板の裏面側導体パターン，および該ＤＣＢ基板を搭載する放熱用金属ベースの基板搭載面域には、従来構造（特許文献１）のようにディンプル，凹溝などの非接触領域部が形成されてないので、半導体チップの発生熱に対して高い放熱性を確保できるほか、ＤＣＢ基板の裏面側導体パターン（銅箔）についても、従来のような厚みの制約を受けることがないので、放熱性を優先して導体パターン厚みの設計自由度を高めることができる。

そのほか、通常の放熱用金属ベースは厚みが少なくとも３mm以上であって、ＤＣＢ基板の導体パターン（厚さ：0．2〜0．6mm程度）に比べて格段に厚いので、レーザー加工などによるディンプル加工も容易に行えて加工性が向上する。

本発明の実施例による半導体装置のパッケージ構造を表す断面図である。 図１におけるディンプルの形成パターンを表す放熱用金属ベースの平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図１，図２に示す実施例に基づいて説明する。図示のパッケージ構造において、１はＩＧＢＴ，ＦＷＤなどのパワー半導体チップ、２はセラミック基板２ａの表裏両主面に表面側銅箔２ｂ，および裏面側銅箔２ｃを直接接合したセラミックス絶縁基板（ＤＣＢ基板）、３は放熱用銅ベース、４はヒートヒンク、５はＤＣＢ基板２を搭載してその裏面側銅箔２ｃと放熱用銅ベース３との間を接合した半田層、６は放熱用銅ベース３とヒートヒンク４との間に塗布して熱伝導性を高めるサーモグリースであり、ＤＣＢ基板２の表面側銅箔２ｂにマウントされている半導体チップ１の発生熱は、ＤＣＢ基板２→半田層５→放熱用銅ベース３→サーモグリース６→ヒートヒンク４に伝熱して放熱される。

上記構成になるパッケージ構造において、ＤＣＢ基板２を搭載する放熱用銅ベース３は、ＤＣＢ基板２の基板搭載面域を平坦面とした上で、該基板搭載面域を取り囲むようにその外周側に沿ってディンプル３ａが分散形成されている。なお、図示実施例の放熱用金属ベース３には、熱応力が集中し易いＤＣＢ基板２の外周コーナー部位に合わせて基板搭載面域の四隅コーナー部分にディンプル３ａが高密度に形成されている。

上記の構成により、ＤＣＢ基板２と放熱用銅ベース３との間で高い伝熱性，放熱性を確保しつつ、半導体チップ１の通電，非通電に伴ってＤＣＢ基板２と放熱用金属ベース３との間を接合部（半田層５）に発生する熱応力を効果的に緩和してパッケージ構造の熱応力耐性を高めることができる。

さらに、応力緩和用のディンプルを板厚の厚い放熱用銅ベース３に形成しているので、ＤＣＢ基板の導体パターンにディンプルを形成した従来のパッケージ構造と比べて、ディンプルを容易に加工，形成できる。そのほか、ディンプル３の形状（直径，深さ）、およびその形成パターンは、ＤＣＢ基板２のサイズ，およびセラミックス基板２ａの材質によって自由に変更することが可能である。

１ パワー半導体チップ
２ セラミックス絶縁基板（ＤＣＢ基板）
２ａ セラミックス基板
２ｂ 表面側銅箔
２ｃ 裏面側銅箔
３ 放熱用銅ベース
４ ヒートヒンク
５ 半田層

Claims (2)

1. 半導体チップをマウントしたセラミックス絶縁基板を放熱用金属ベースに搭載して両者間を半田接合したパッケージ構造になる半導体装置において、
   前記放熱用金属ベースにおける前記セラミックス絶縁基板の搭載面域に沿ってその外周側に、熱応力緩和用のディンプルを分散形成したことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、セラミックス絶縁基板がセラミックス基板の両面に銅箔を直接接合したＤＣＢ基板であることを特徴とする半導体装置。