JP3199058B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、モータ制御、エア
コン等のインバータあるいはＮＣ制御などに使用される
パワーモジュールのように、表面に銅箔が張られたアル
ミナからなる絶縁基板上に半導体素子が実装される半導
体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年の電子機器の発達は著しく、高集積
化、小型軽量化が急激に進んでおり、その中核を担って
いるのは半導体装置である。その中で上記のような制御
用に用いられるパワーモジュールは、通常電力用半導体
素子のほかに付属回路の素子を含む複数の素子を一つの
容器内に収容して小型化を図っている。このようなパワ
ーモジュールでは、素子相互間あるいは素子との絶縁の
ために、両面にろう付け可能な金属箔を張った絶縁基板
を用いて素子を実装していた。以前は、このパワーモジ
ュールの絶縁基板の材料のセラミックとしては、アルミ
ナ (Al2Ｏ3) を用いたものが主流であったが、新型素子
の小型化, 高機能化にともない、熱伝導率がさらに高い
窒化アルミニウム (AlＮ) 基板などが使用されるように
なった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】AlＮの熱伝導率は80〜
140 Ｗ／(m・ｋ) で、Al2Ｏ3の17Ｗ／(m・ｋ) の約５倍
であり、基板を通じての放熱の大幅な改善が期待できる
が、価格が高いために特殊用途に限定されている。そこ
で、安価なAl2Ｏ3基板の厚さを薄くして熱伝導を良好に
することが考えられるが、薄くすることにより応力耐性
が低下する。すなわち、従来用いられていた0.635mm の
厚さのAl2Ｏ3基板の抗折強度は８kgであるのに対し、0.
275mmに薄くすると抗折強度が２kgとなり、75％も低下
する。従って組立時の熱履歴で亀裂が発生するおそれが
ある。
【０００４】本発明の目的は、安価なAl2Ｏ3を材料と
し、厚さを薄くすることによって熱伝導を良くした絶縁
基板を用い、しかも組立熱履歴で亀裂の発生することの
ない半導体装置を提供するものとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、Al2Ｏ3からなる平板の両面にCu箔が張
られた絶縁基板の一面のCu箔上に半導体素子が実装され
る半導体装置において、 Al2Ｏ3板の厚さが0.26〜0.29m
mであり、両面のCu箔の縁とAl2Ｏ3板の端面とのそれぞ
れの寸法の差の絶対値が0.5mm 以下であるものとする。
さらに、両面のCu箔が基板面に垂直方向から見て上下に
重なるようなパターンを有することが有効である。
【０００６】絶縁基板の両面のCu箔をAl2Ｏ3板の端面ま
で張ると、沿面距離がAl2Ｏ3板の厚みのみとなり、絶縁
耐圧が得られないので、端面までは張っていない。すな
わち図２に示すように、Al2Ｏ3板１の両面で端面からそ
れぞれ寸法Ａ、Ｂだけ引下がった位置までCu箔２、３が
張られている。組立熱履歴で亀裂の発生する個所を調べ
て見ると、ＡとＢの寸法の大きい方、すなわちAl2Ｏ3板
１の端面からの引下がりが大きい方のCu箔の縁の下のAl
2Ｏ3板に亀裂が発生することがわかった。これは、両面
のCu箔の引下がりが異なると、温度変化時にセラミック
に働く応力が異なり、引下がりの大きい方のCu箔の縁に
応力が集中するためと考えられる。組立熱履歴での冷却
時にAl2Ｏ3板の両面に発生するセラミックへの引張り応
力を有限要素法を用いて計算した場合、技術計算値によ
るある物理定数での応力値のＡ−Ｂ値に対する依存性を
図３に示す。計算の根拠として、Al2Ｏ3板１の厚さを0.
27mm、Cu箔２、３の厚さをそれぞれ0.25mmとした。図の
冷却時に実線31がCu箔２のAl2Ｏ3板１に及ぼす引張り応
力であり、点線32がCu箔３のAl2Ｏ3板１に及ぼす引張り
応力である。引張り応力はCu箔の縁がAl2Ｏ3板１の端面
から遠ざかるにつれて大きくなる。すなわち、線31に示
すようにCu箔２のAl2Ｏ3板１に及ぼす引張り応力はＡ−
Ｂの値が正に大きくなったときに大きくなり、負に大き
くなったときに小さくなる。逆に、線32に示すようにCu
箔３のAl2Ｏ3板１に及ぼす引張り応力は控え寸法Ａ−Ｂ
が正に大きくなったときに小さくなり、負に大きくなっ
たときに大きくなる。この両者から控え寸法Ａ−Ｂの絶
対値にAl2Ｏ3板が割れないための適正範囲がでてくる。
さらに一歩進めてＡ−Ｂ＝０にすると共に、Cu箔のパタ
ーンを絶縁基板面に垂直方向から見て上下に重なるよう
にすれば、組立時に両面のCu箔がAl2Ｏ3板に及ぼす応力
は釣合うことになり、亀裂の発生するおそれがなくな
る。
【０００７】
【発明の実施の形態】0.275mm の厚さのAl2Ｏ3板１上に
厚さ0.25mmのCu箔２、３を張ったセラミック絶縁基板を
用いてパワーモジュールの組立てを行った。Cu箔２、３
の張り方を種々変えて控え寸法Ｒ＝｜Ａ−Ｂ｜を変化さ
せたところ、組立熱履歴でAl2Ｏ3板に亀裂の発生するも
のがあった。図１はその亀裂発生率とＲとの関係を示
す。図より明らかなように控え寸法Ｒが0.5 以下のとき
には亀裂が発生せず、0.5 を超えると急激に亀裂の発生
が多くなる。この結果を参照してＲ≦0.５に設定して絶
縁基板を準備したところ、組立時の不良の発生なしにパ
ワーモジュールを製作することができた。
【０００８】図４は本発明の別の実施例を示し絶縁基板
の上下両面の平面図でAl2Ｏ3板１の上のCu箔２、３のパ
ターンが線対称の形状をもち、基板面に垂直の方向から
見て重なるようになっている。従来は素子を実装する側
のCu箔２はパターニングされているが、放熱体としての
Cu基板とはんだ付けされる側のCu箔３はパターニングさ
れていなかったのに対し、このように両面をパターニン
グされることにより、組立時の熱履歴の際に生ずる応力
が均衡する。なお、Cu箔３はその下のはんだ層と共に素
子からの熱の放熱基板への径路になるが、Cu箔２の上に
実装される素子の直下には必ずCu箔３が存在するので、
放熱に対する影響はない。
【０００９】
【発明の効果】本発明によれば、半導体素子を実装する
絶縁基板を0.26〜0.29mmと薄くして放熱を良好にし、安
価にする場合に、両面に張られたCu箔の縁とAl2Ｏ3板の
端面とのそれぞれの寸法の差の絶対値を0.５mm以下とす
ることにより、両面でのCu箔のAl2Ｏ3板に及ぼす応力の
均衡がとれることから、Al2Ｏ3板の破損が少なくなる。
これによって、高集積化、小型化が可能になる。さら
に、絶縁基板両面のCu箔に上下に重なり合うパターンを
持たせることにより、一層の応力の均衡を図ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の効果を示す控え寸法の絶対値と亀裂発
生率の関係線図
【図２】本発明の実施される絶縁基板の端部断面図
【図３】絶縁基板の両面における応力計算値と控え寸法
との関係線図
【図４】本発明の別の実施例における両面のCu箔パター
ンを(a) 、(b) に示す平面図
【符号の説明】 １ Al2Ｏ3板 ２ Cu箔 ３ Cu箔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 23/12 - 23/15 H05K 1/02 H05K 1/03 630

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】アルミナからなる平板の両面に銅箔の張ら
    れた絶縁基板の一面の銅箔上に半導体素子が実装される
    ものにおいて、アルミナ板の厚さが0.26〜0.29mmであ
    り、両面の銅箔の縁とアルミナ板の端面とのそれぞれの
    寸法の差の絶対値が0.５mm以下であることを特徴とする
    半導体装置。
  2. 【請求項２】両面の銅箔が基板面に垂直方向から見て上
    下に重なるようなパターンを有する請求項１記載の半導
    体装置。
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