JP4207710B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ベース基板上に半導体素子が接合されてなる半導体装置、特に半導体素子の冷却構造に関する。

半導体ベース基板上に半導体素子が接合された半導体装置において、作動時は半導体素子で熱が発生する。半導体素子が一定温度以上になると破壊するおそれがあるため、従来から冷却手段により半導体素子を冷却し、温度上昇を抑制している。

図６に示す従来例（特許文献１参照）では、セラミックス絶縁体からなる半導体ベース基板１００の上面に複数の回路導体１０２，１０３及び１０４が接合され、そのうちの一つの回路導体１０２にはんだ層１０６により半導体素子１０７が実装されている。半導体ベース基板１００の下面には、冷媒流路１１１が形成された第１裏面部材１１０が接着層により接着され、第２裏面部材１１３により覆われている。半導体装置の作動時、冷媒流路１１１に冷媒を流通させて半導体素子１０７を冷却し温度上昇を抑制している。
特開平６−７７３６８号公報

しかし、上記従来例では半導体素子１０７が回路導体１０２から分離したり、半導体素子１０７が破壊するおそれがある。半導体素子１０７の銅から成る電極板と、セラミックスから成る半導体ベース基板１００とは物性値（例えば線膨張係数）が異なる。よって、両者間に介在された金属層１０６は半導体素子１０７側の表面と回路導体１０２側の裏面とで膨張量及び収縮量が異なる。

その結果、半導体素子１０７の作動及び非作動の繰り返しにより、金属層１０６が繰り返し膨張及び収縮してはんだクラック等による接着劣化を生じ、半導体素子１０７が回路導体１０２から分離することがある。最悪の場合、金属層１０６から加わる外力により半導体素子１０７が破壊することもある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、半導体ベース基板上にはんだ層等の金属層で接合された半導体素子が半導体ベース基板から分離し難くすることを目的とする。

本発明は、半導体ベース基板に絶縁層を介して半導体素子を接合する金属層の表面側の半導体素子の膨張量及び収縮量と、裏面側の半導体ベース基板の膨張量及び収縮量との差を極力小さくすることにより金属部の接着劣化を低減し、上記課題を解決する。

本願の発明による半導体装置は、請求項１に記載したように、第１半導体ベース基板の表面に第１絶縁層及び第１金属層を介して半導体素子の裏面が接合され、半導体素子の表面に第２金属層及び第２絶縁層を介して第２半導体ベース基板の表面が接合されて成る半導体装置であって、第１絶縁層及び第２絶縁層はそれぞれ半導体素子の基板又は第１半導体ベース基板及び第２半導体ベース基板の少なくとも一方の元素と同じ元素を含み、第１半導体ベース基板はその裏面に冷媒が流通する第１くぼみを備え、第２半導体ベース基板はその裏面に冷媒が流通する第２くぼみを備えている。

この半導体装置において、半導体素子の作動時に第１半導体ベース基板の第１くぼみ及び第２半導体ベース基板の第２くぼみに冷媒を流通させると、冷媒が半導体素子の表裏両面で温度上昇を抑制する。

請求項２の半導体装置は、請求項１において、第１半導体ベース基板、第１金属層及び第１絶縁層、又は第２半導体ベース基板、第２金属層及び第２絶縁層の何れか一方は、半導体素子に対応する領域に半導体素子に向かって突出した突出部を有している。請求項３の半導体装置は、請求項２において、第１くぼみ又は第２くぼみは突出部の背後に形成されている。

本発明の半導体装置によれば、半導体装置の裏面側では第１半導体ベース基板の冷媒流路を流通する冷媒が、表面側では第２半導体ベース部材の冷媒流路を流通する冷媒がそれぞれ表裏両面から半導体装置を冷却する。しかも、第１及び第２絶縁層と半導体素子との基板との間で膨張量及び収縮量の差が小さいので、第１及び第２金属層の表裏両面での膨張量及び収縮量の差が小さい。よって、第１及び第２金属層の接合劣化が低減でき、半導体素子が第１及び第２半導体ベース基板から分離し難くなる。

加えて、第１及び第２絶縁層と第１及び第２半導体ベース基板との間で膨張量及び収縮量の差が小さいので、第１及び第２半導体ベース基板と第１及び第２絶縁層即ち半導体素子とが分離し難くなる。

請求項２の半導体装置によれば、第１及び第２半導体ベース基板等の半導体素子への接合が容易になる。請求項３の半導体装置によれば、第１及び第２半導体ベース基板の冷媒流路の形成が容易で、しかも半導体素子が集中的に冷却される。

本発明の半導体装置は半導体素子の一面（下面）側の第１半導体ベース基板及び他面（上面）側の第２半導体ベース基板に冷媒流路が形成される。

本発明の半導体装置では、半導体素子の裏面側及び表面側にそれぞれ金属層、絶縁層及び半導体ベース基板が配置されている。

（１）半導体ベース基板
半導体ベース基板はその裏面に冷媒が流通するくぼみを持ち、くぼみは複数の仕切板により区画された複数の凹溝から成ることが望ましい。凹溝はエッチング又は、ブレード等により機械的に溝を切ることで形成でき、その形状（幅、深さ）や本数は冷媒の種類や、半導体素子の発熱に応じた必要な冷却能力を考慮して決める。半導体ベース基板は半導体素子の基板の元素（ＳｉやＳｉＣ，ＧａＡｓ，ＳｉＧｅ，ＧａＮ及び／又はＧａＰ）と同じ元素（Ｓｉ，Ｇｅ，Ｇａ，Ｎ等）を含むことができる。

半導体ベース基板の凹溝をカバー部材で覆うと冷媒流路が形成される。カバー部材の材料としては金属やセラミックを使用し、半導体ベース基板との接合部のギャップをシール材でシールすれば、ギャップからの冷媒の漏れを防止できる。ここで、カバー部材の材料として半導体ベース基板と同一の元素を含む材料を使用すると、両者の線膨張係数等の物性値が近くなり、温度変化によるカバー部材と半導体ベース基板との接合ギャップが小さく抑えられ、冷媒の漏れをより防ぐことができる。

（２）絶縁層、金属層
絶縁層は半導体ベース基板と半導体素子とを電気的に絶縁するもので、半導体ベース基板の表面に積層される。例えば、半導体素子の基板と同じ元素（Ｓｉ、Ｇｅ等）の窒素化合物や酸化物等から成る。また、絶縁層は半導体ベース基板と同じ元素（ＳｉＣ、ＧａＡｓ等）を含んでも良い。

金属層は、はんだ層による半導体素子の半導体ベース基板（厳密には絶縁層）へのはんだ付けを可能にするもので、絶縁層の表面に積層される。ニッケル、銅及び金等の層でも良いし、これらとはんだ層との複層で形成されても良い。

半導体素子の裏面側に位置する第１半導体ベース基板、第１金属層及び第１絶縁層の半導体素子に対応する部分が突出させ、表面側に位置する第２半導体ベース基板、第２金属層及び第２絶縁層の半導体素子に対応する部分も同様に突出させることができる。

以下、本発明の参考例及び実施例を添付図面を参照しつつ説明する。

＜参考例＞
（構成）
図１、図２及び図３に参考例による半導体装置を示す。この半導体装置は半導体ベース基板１０と、カバー部材２０と、絶縁膜２５と、金属膜３０から３２及び金属層３５から３７と、ＳｉＣ、ＧａＡｓ等から成る半導体素子４０と、リードフレーム４２等と、モールド樹脂５５とから成る。

このうち、ＳｉＣ、ＧａＡｓ等から成る半導体ベース基板１０は矩形状の天井部１２と、その左右両端から直角方向（但し、直角以外でも良い）に延びた一対の側壁部１４とを持つ。図２及び図３から分かるように、天井部１２には複数の仕切板１５が側壁部１４と同一方向にむかって形成され、その結果、隣接する仕切板１５間に凹溝１６が形成されている。各凹溝１６は所定の幅及び深さを有し、天井部１２の全幅（図３で上下方向全体）にわたって延びている。

カバー部材２０はＡｌ等の金属やセラミック、Ｓｉ等の半導体材料等から成り、矩形状の底部（床部）２２と、その左右両端から直角方向（直角以外でも良い）に延びた一対の側壁部２４とを持つ。床部２２の幅及び長さは半導体ベース基板１０の幅及び長さにほぼ等しい。カバー部材２０の床部２２が半導体ベース基板１０の凹溝１６の下方開口を覆い、冷媒流路１８を形成している。

半導体ベース基板１０の天井部１２全体にシリコンの酸化膜（ＳｉＯ₂）から成る絶縁層２５が積層されている。絶縁層２５上には中央部の大きな金属層３０と、その一側の細長い金属層３１と、その他側の小さな複数の金属層３２とが積層されている（図４（ｄ）（ｅ）参照）。

金属層３０上にはんだ層３５，３６により半導体素子４０と外部接続端子用リードフレーム４２の一端部４３が接合されている。絶縁層２５上の金属層３１に外部接続端子４５がはんだ層３７により接合され、絶縁層２５上の金属層３２に外部接続端子４７がはんだ層３８により接合されている。半導体素子４０と外部接続端子４５及び外部接続端子４７とがそれぞれワイヤ５１及び５２によりボンディングされている。

モールド樹脂（図１では図示省略）５５は半導体ベース基板１０、カバー部材２０、半導体素子４０、リードフレーム４２等を封止して一体化している。以上の説明から分かるように、この半導体装置は半導体素子４０の一面（下面）に冷却構造が形成されている。

（製造方法）
上記半導体装置は以下のようにして製造した。先ず、図４（ａ）に示すように、例えばＳｉＣから成る半導体ベース基板１０を準備する。半導体ベース基板１０の裏面に所定幅及び所定深さで幅方向（紙面に垂直な方向）に延びる複数本の凹溝１６をエッチング又はブレードで機械的に溝を切ることにより形成する。なお、この工程は絶縁層２５や金属層３０の形成後に行っても良い。図４（ｂ）に示すように、半導体ベース基板１０の表面全体にＳｉＯ₂から成る保護酸化膜（絶縁膜）２５を形成する。このとき、溝部にもＳｉＯ₂が形成されても構わない。

次に、図４（ｃ）に示すように、絶縁膜２５の表面全体に金属層３３を形成する。金属層３３はＮｉ等から成り、膜厚は５μｍ程度である。その後、金属層３３を所定のパターンでエッチングし、図４（ｄ）に示すように、金属層３０，３１及び３２を残す。次に、図４（ｅ）に示すように、金属層３０にはんだ層３５により半導体素子４０を接合し、リードフレーム４２の一端部４３をはんだ層３５で金属層３０に接合する。

また、外部接続端子４５をはんだ層３７により金属層３１に接合し、外部接続端子４７をはんだ層３８により金属層３２に接合する。そして、ワイヤ５１，５２により半導体素子４０と外部接続端子４５及び外部接続端子４７とを接続する。その後、カバー部材２０をベース部材１０に取り付ける。

（作用効果）
この参考例において、半導体素子４０を作動させるとともに、半導体ベース基板１０の冷媒流路１８に冷媒を流通させる。半導体ベース基板１０は絶縁層２５及び金属層３０から３２を介して半導体素子４０に近接している。よって、半導体素子４０は冷媒流路１８を流通する冷媒（例えばフロンやＣＯ₂，冷却水等）により冷却される。

この参考例によれば、半導体素子４０の冷却に関し、以下の効果が得られる。第１に、半導体素子４０のはんだ層３５からの分離が防止される。はんだ層３５の表面側における半導体素子４０の膨張量及び収縮量と、裏面側における半導体ベース基板１０の膨張量及び収縮量との差が小さいため、はんだクラック等による接続劣化が低減されるからである。これは、半導体素子４０の基板と絶縁層２５とが同じ元素（Ｓｉ）を含むことにより達成された。

第２に、半導体素子４０の半導体ベース基板１０からの分離が防止される。絶縁層２５の表面側における半導体素子４０の膨張量及び収縮量と、裏面側における半導体ベース基板１０の膨張量及び収縮量との差が小さいからである。これは、絶縁層２５と半導体ベース基板１０及び半導体素子４０の基板とが同じ元素（Ｓｉ）を含むことで達成された。

第３に、複数の冷媒流路１８の形成が容易で、しかもシールが確実である。冷媒流路１８は半導体ベース基板１０の仕切板１７間の凹溝１６をカバー部材２０で覆うことにより形成されている。即ち、従来例のように別部材を介在させることなく、直接半導体ベース基板１０に形成されている。凹溝１６はエッチング又はブレード等により機械的に溝を切って半導体ベース基板１０の裏面に容易に形成できる。また、カバー部材２０の半導体ベース基板１０への取付けも簡単である。

＜実施例＞
図５に本発明の実施例による半導体装置を示す。この半導体装置は、上記半導体装置に比べて、半導体素子４０の表裏両面に冷却構造が形成されている点が異なり、その他の部分は同じである。以下、異なる構成（第２ベース基板が突出している例）を中心に説明する。

（構成）
下方（第１）半導体ベース基板１０、第１（下方）ベース部材２０及び下方（第１）絶縁層２５の構成は、基本的に第１実施例と同じである。下方金属層３１及び下方はんだ層３８は図示を省略している。以下、上方（第２）半導体ベース基板７０、上方（第２）カバー部材７５、上方（第２）絶縁層８０、上方（第２）金属層８５及び第２（上方）はんだ層９５について説明する。

第２半導体ベース基板７０の表面（図５では下面）には中央部に盛上り部７１が形成され、裏面には盛上り部７１に対応する部分に凹溝７２が形成されている。凹溝７２は第２カバー部材７５により覆われ、冷媒流路７６となっている。上方絶縁層８０も中央部が盛り上がり、頂面及び一方の傾斜面に上方金属層８５が積層されている。上方はんだ層９０により半導体素子４０の表面及び外部接続端子４５が接合されている。そして、半導体素子４０、下方半導体ベース基板１０及び下方半導体ベース基板７０等が樹脂モールド９５で一体化されている。

この半導体装置の製造時は、下方半導体ベース基板１０に下方絶縁層２５、下方金属層３０から３２及び第１はんだ層３５から３７を介して半導体素子４０を接合する。次に、上方絶縁層８０のついた上方半導体ベース基板７０を、上方金属層８５及び上方はんだ層９０を介して半導体素子４０に接合する。それらに、第１（下方）カバー部材２０，第２（上方）カバー部材７５をはめ込み、樹脂モールド９５で一体化する。

（作用効果）
この実施例によれば、半導体素子４０は、その裏面側では第１半導体ベース基板２０の冷媒流路１８を流通する冷媒により、その表面側では第２半導体ベース基板７０の冷媒流路７６を流通する冷媒によりそれぞれ冷却される。表裏両面からの冷却の結果、半導体素子４０の温度上昇がより効果的に抑制、防止される。その結果、第１半導体ベース基板１０及び／又は第２半導体ベース基板７０からの半導体素子４０の分離や、第１半導体ベース基板１０及び／又は第２半導体ベース基板７０と第１カバー部材及び／又は第２カバー部材との分離が、より確実に防止される。

また、第２半導体ベース基板７０の裏面（上面）には半導体素子４０に対応する中央部のみに冷媒流路７６を形成しているため、冷媒流路７６を形成する時間、手間が少なくできる。しかも、冷媒流路７６を流通する冷媒が半導体素子４０を集中的に冷却する。

本発明の参考例の平面図である。 同じく断面図である。 図２の３−３断面図である。 （ａ）から（ｅ）は製造工程を示す説明図であり、（ｄ）は図４（ｃ）の断面図である。 本発明の実施例の断面図である。 従来例を示す断面図である。

符号の説明

１０：半導体ベース基板 １６：凹溝
１８：冷媒流路 ２０：カバー部材
２５：絶縁層 ３０から３２：金属層
３５から３７：はんだ層 ４０：半導体素子
４２，４５，４７：端子 ５５：樹脂モールド

Claims (3)

1. 第１半導体ベース基板の表面に第１絶縁層及び第１金属層を介して半導体素子の裏面が接合され、半導体素子の表面に第２金属層及び第２絶縁層を介して第２半導体ベース基板の表面が接合されて成る半導体装置であって、
   前記第１絶縁層は前記第１半導体ベース基板又は前記半導体素子の基板の少なくとも一方の元素と同じ元素を含み、前記第２絶縁層は前記第２半導体ベース基板又は該半導体素子の基板の少なくとも一方の元素と同じ元素を含み、
   前記第１半導体ベース基板はその裏面に冷媒が流通する第１くぼみを備え、前記第２半導体ベース基板はその裏面に冷媒が流通する第２くぼみを備えている、
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記第１半導体ベース基板、前記第１金属層及び前記第１絶縁層、又は前記第２半導体ベース基板、前記第２金属層及び前記第２絶縁層の何れか一方は、前記半導体素子に対応する領域に該半導体素子に向かって突出した突出部を有している請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１くぼみ又は前記第２くぼみは突出部の背後に形成されている請求項２に記載の半導体装置。

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