JP7264627B2 - Ceramic plates, semiconductor devices and semiconductor modules - Google Patents
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Description
本発明は、窒化ケイ素質焼結体を有するセラミック板、半導体装置および半導体モジュールに関する。 The present invention relates to a ceramic plate, a semiconductor device and a semiconductor module having a silicon nitride sintered body.
パワー半導体素子等の半導体素子は、セラミック板等の絶縁板に搭載され、半導体装置として各種機器に実装される。例えば、絶縁板に搭載された半導体素子は、絶縁板等を介して金属製の放熱体に熱的に接続され、放熱体を介して外部に放熱される。半導体素子は、リード端子等の導電性接続材を介して外部の電気回路と電気的に接続される。半導体素子が搭載される絶縁板は、例えば放熱フィンまたは冷却管を含む伝熱体等の放熱体に熱的に接続される。 A semiconductor element such as a power semiconductor element is mounted on an insulating plate such as a ceramic plate and mounted on various devices as a semiconductor device. For example, a semiconductor element mounted on an insulating plate is thermally connected to a metallic radiator through the insulating plate or the like, and heat is radiated to the outside through the radiator. A semiconductor element is electrically connected to an external electric circuit through a conductive connecting member such as a lead terminal. The insulating plate on which the semiconductor element is mounted is thermally connected to a radiator such as a heat conductor including radiator fins or cooling pipes.
セラミック板としては、窒化ケイ素質焼結体からなるセラミック板が用いられるようになってきている。窒化ケイ素質焼結体は、比較的、機械的強度が高く、熱伝導率が比較的大きいため、熱伝導率が高い薄い絶縁板として使用できる。そのため、絶縁板を備える半導体装置の軽量化が図れる。窒化ケイ素質焼結体としては、例えば特許文献1~3等に記載された技術が提案されている。
As the ceramic plate, a ceramic plate made of a silicon nitride sintered body has come to be used. Since the silicon nitride sintered body has relatively high mechanical strength and relatively high thermal conductivity, it can be used as a thin insulating plate with high thermal conductivity. Therefore, the weight of the semiconductor device including the insulating plate can be reduced. As a silicon nitride sintered body, for example, techniques described in
近年、セラミック板において、熱伝導率の向上とあわせて、機械的強度の向上が求められるようになってきている。 In recent years, ceramic plates are required to have not only improved thermal conductivity but also improved mechanical strength.
本発明の実施形態に係るセラミック板は、窒化ケイ素の第1結晶を複数含む第1相と、前記第1結晶よりも大きい窒化ケイ素の第2結晶を複数含み、前記複数の第2結晶同士が接している第2相と、を備えており、
前記第1相および前記第2相の間に粒界相が存在し、前記粒界相の弾性率は前記第1結晶および前記第2結晶よりも小さく、断面視における前記粒界相の面積の割合が5%以上20%以下であり、
断面視における、前記第1相の面積の割合が40%以上であり、前記第2相の面積の割合が20%以上である。
A ceramic plate according to an embodiment of the present invention includes a first phase containing a plurality of silicon nitride first crystals and a plurality of silicon nitride second crystals larger than the first crystals, and the plurality of second crystals are separated from each other. a second phase in contact;
A grain boundary phase exists between the first phase and the second phase, the elastic modulus of the grain boundary phase is smaller than that of the first crystal and the second crystal, and the area of the grain boundary phase in a cross-sectional view is The ratio is 5% or more and 20% or less ,
In a cross-sectional view, the ratio of the area of the first phase is 40% or more, and the ratio of the area of the second phase is 20% or more.
本発明の実施形態に係る半導体装置は、上記構成のセラミック板と、該セラミック板の表面に配置された半導体素子とを備える。 A semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes the ceramic plate configured as described above and a semiconductor element arranged on the surface of the ceramic plate.
本発明の実施形態に係る半導体モジュールは、上記構成の半導体装置と、該半導体装置と接している放熱体とを備える。 A semiconductor module according to an embodiment of the present invention includes the semiconductor device configured as described above and a radiator in contact with the semiconductor device.
本発明の実施形態に係るセラミック板によれば、上記構成であることから、優れた熱伝導性および優れた機械的強度を兼ね備えることが可能となる。すなわち、主に第1相によって機械的強度の向上を図りつつ、主に第2相によって熱伝導性の向上を図ることができる。 Since the ceramic plate according to the embodiment of the present invention has the above structure, it is possible to have both excellent thermal conductivity and excellent mechanical strength. That is, it is possible to improve the mechanical strength mainly by the first phase and improve the thermal conductivity mainly by the second phase.
本発明の実施形態に係る半導体装置によれば、上記構成のセラミック板を含むことから
、セラミック板と、セラミック板の表面に配置された半導体素子等との間の熱伝導性の向上が可能となる。
Since the semiconductor device according to the embodiment of the present invention includes the ceramic plate having the above structure, it is possible to improve the thermal conductivity between the ceramic plate and the semiconductor element or the like arranged on the surface of the ceramic plate. Become.
本発明の実施形態に係る半導体モジュールによれば、上記構成の半導体装置を含むことから、半導体装置と、半導体装置と接している放熱体等との間の熱伝導性の向上が可能で、外部への放熱性の向上が可能となる。 Since the semiconductor module according to the embodiment of the present invention includes the semiconductor device having the above configuration, it is possible to improve the thermal conductivity between the semiconductor device and a radiator or the like in contact with the semiconductor device. It is possible to improve the heat dissipation to.
本発明の実施形態に係るセラミック板、半導体装置および半導体モジュールについて、添付の図面を参照して説明する。 A ceramic plate, a semiconductor device, and a semiconductor module according to embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
なお、以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際にセラミック板等が用いられるときの上下方向を特定するものではない。また、以下の説明において、窒化ケイ素の第1結晶および第2結晶を特に区別せず、単に結晶として総称する場合がある。また、第1相および第2相を特に区別せず、単に結晶相として総称する場合がある。 It should be noted that the distinction between upper and lower sides in the following description is for convenience and does not specify the upper and lower directions when a ceramic plate or the like is actually used. Further, in the following description, the first crystal and the second crystal of silicon nitride are sometimes collectively referred to simply as crystals without distinguishing them from each other. In addition, the first phase and the second phase are sometimes collectively referred to simply as crystal phases without being distinguished from each other.
<セラミック板>
本発明の実施形態に係るセラミック板10は、窒化ケイ素の第1結晶1を複数含む第1相1Aと、第1結晶1よりも大きい窒化ケイ素の第2結晶2を複数含み、複数の第2結晶2同士が接している第2相2Aとによって基本的に構成されている。セラミック板10は窒化ケイ素質焼結体(以下、単に焼結体ともいう)である。第2結晶2の互いに接し合っている部分は、互いに焼結している。本実施形態のセラミック板10において、母材として機能し得る第1相1Aの中に(第1相1Aの間に)第2相2Aが分散して位置していると考えることができる。具体的には、互いに一部同士が接し合っている第2結晶2(第2相2A)が、その周囲に存在する第1結晶1(第1相1A)によって囲まれている。ここで、第2結晶2は単結晶である。また、第1結晶1は多結晶である。
<Ceramic plate>
The
そして、本実施形態に係るセラミック板10は、主として大きさの異なる第1結晶1と第2結晶2とによって構成されるものであって、第1結晶1の大きさは、例えば0.1~1.0μm程度であり、第2結晶2の大きさは、例えば2~6μm程度である。第1結晶1および第2結晶2は、例えば、六角柱等の柱状または長球状(長軸を回転軸とした回転楕円体状)等の形状である。このような第1結晶1および第2結晶2の大きさは、例えば、柱状のものの長さまたは長球状のものの長軸の長さ(本明細書において両者を区別せずに長軸長さともいう。)によって特定する。これらの長軸長さは、例えば図1に示すような、セラミック板10の断面をSEMなどの電子顕微鏡を用いた観察によって測定することができる。なお、第1結晶1と第2結晶2との大きさの比は、例えば、1:3~0.2:10程度である。なお、第1結晶1および第2結晶2それぞれの平均粒径は、例えば、上述のように複数の第1結晶1および複数の第2結晶2の長軸の長さを測定して算術平均を計算する方法で測定することができる。
The
ここで、第2相2Aに含まれる複数の第2結晶2の平均粒径は、第1相1Aに含まれる第1結晶1の平均粒径の3~50倍とすればよい。この場合には、平均粒径が比較的大きい第2結晶2が第2相2Aを構成するため、第2相2A内に存在する粒界を低減することができる。そのため、第2相2Aの熱伝導性を効果的に高めることができ、セラミック板10としての熱伝導性も効果的に高めることができる。
Here, the average grain size of the plurality of
すなわち、第2結晶2の平均粒径が第1結晶1の平均粒径の3倍以上であれば、上記のような粒界低減による熱伝導性向上の効果を有効に得ることができる。つまり、セラミック板10の熱伝導性の向上に有効である。また、第2結晶2の平均粒径が第1結晶1の平均粒径の50倍以下であれば、第2結晶2の周囲を平均粒径が比較的小さい第1結晶1によって効率よく囲むことができ、第1相1Aと第2相2Aとの接合強度を向上させることができる。つまり、セラミック板10の機械的強度の向上に有効である。
That is, if the average grain size of the
なお、第1結晶1と第2結晶2との平均粒径の比率は、例えば後述するような結晶の寸法を調整する方法を適用することで、調整することができる。また、第1結晶1および第2結晶2の平均粒径も、後述する方法(断面を観察する方法)で測定および算出することができる。
The ratio of the average grain size between the
本実施形態に係るセラミック板10において、第1結晶1および第2結晶2は柱状等の結晶であるが、例えば図4に示すように、複数の第2結晶2が柱状結晶であり、これらの柱状結晶の端部同士が互いに接するようにすればよい。なお、複数の第2結晶2は長手方向の端部同士で接するようにすればよく、これによれば熱伝導性をより向上させることができる。隣り合う柱状結晶は、この接した端部間で焼結し合い、個々の第2結晶2の長さ方向に連続した第2相2Aを形成する。個々の結晶内における熱伝導性は粒界部分よりも大きいので、接し合った第2結晶2の長さ方向に、熱伝導性の高い伝熱経路が形成される。これにより、セラミック板10内の熱伝導性を効果的に向上させることができる。柱状の第2結晶2は、例えば、その長さ方向の寸法と幅方向(長さ方向に直交する方向)の寸法との比率が約5:1~10:1であればよい。第2結晶2の寸法および形状(柱状にすること等)は、例えば後述する結晶の寸法を調整する方法を適用することで調整することができる。
In the
また、セラミック板10全体における第1相1Aの面積の割合は、例えば40~80%の範囲に設定すればよい。このような面積割合とすれば、第1相1Aに第2相2Aがいわば分散しているような配置、あるいは、第1相1Aに第2相2Aが囲まれているような配置にすることができる。第1相1Aが40%以上であれば、セラミック板10の機械的強度を効果的に向上させることができる。また、第1相1Aが80%以下であれば(第2相2Aが20%以上であれば)、セラミック板10の熱伝導性を効果的に向上させることができる。ここで、第1相1Aと第2相2Aとの割合は、例えば図4に示すような断面を観察して、面積比として算出することができる。
Also, the ratio of the area of the
また、第2結晶2同士の接触部位に、ガラス層5が存在するようにすればよい。ガラス層5は、窒化ケイ素の結晶よりも、熱伝導率および機械的強度が低いものの、窒化ケイ素の結晶の接触部位に所定厚みのガラス層5が存在することによって、全体の熱伝導率および機械的強度を向上させることが可能となる。
Also, the
ガラス層5としては、希土類及びアルカリ金属類などを含む。
The
ガラス層5は、第2結晶2同士が互いに接している部分のうち中央部に、5nm以下の厚みで存在すればよい。ここで、ガラス厚みの測定は、例えば、TEM写真において、第
2結晶2同士が接している部分の両端の中点(あるいは両端からの距離が同じ点)を測定することによって行なえばよい。
The
具体的な実験結果としては、図5に示すように、実施例のNo.1~5においてはガラス厚みが2~4nmであり、比較例のNo.6および7においてはガラス厚みがそれぞれ9nmと7nmであった。そして、その評価結果は、ガラス層5の厚みが5nm以下である実施例のNo.1~5では、セラミック板の熱伝導率は72~74W/mKであり、抗折強度は717~845MPaであった。これに対して、ガラス層5の厚みが5nmよりも大きい比較例のNo.6および7では、セラミック板の熱伝導率は60~65W/mKと低く、抗折強度も666~695MPaと低くなった。つまり、ガラス層5の厚みを5nm以下にすると、優れた熱伝導率及び優れた抗折強度を兼ね備える結果となることが分かった。
As a specific experimental result, as shown in FIG. In Nos. 1 to 5, the glass thickness is 2 to 4 nm. In 6 and 7, the glass thickness was 9 nm and 7 nm, respectively. The evaluation results were obtained for No. 1 of the example in which the thickness of the
また、第1結晶1同士の接触部位にも、ガラス層5が存在するようにすればよい。この場合、第2結晶2同士の接触部位に介在しているガラス層5は、第1結晶1同士が互いに接している部分のうち中央部に存在しているガラス層5よりも厚みを小さくすればよい。
Also, the
また、第1結晶1と第2結晶2と接触部位にもガラス層5が存在するようにすることができる。
Also, the
また、セラミック板10は、窒化ケイ素の結晶(第1結晶1、第2結晶2)および結晶相(第1相A1、第2相A2)以外に、焼結助材等の成分が含まれていてもよい。焼結助材等の成分は、例えば、窒化ケイ素の結晶同士の間(粒界部分)に存在する。
In addition, the
また、実施形態に係るセラミック板10は、第1相1Aおよび第2相2Aの間に存在している粒界相4をさらに備えていてもよい。粒界相4は、例えば前述した焼結助材を主に含む相であり、例えば、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化エルビウムおよび酸化イットリウム等の酸化物である。なお、図を見やすくするために、図4において粒界相4にはハッチングを施していない。
Moreover, the
このような酸化物を含む粒界相4が存在することにより、互いに粒径が異なる第1相1Aの第1結晶1と第2相2Aの第2結晶2との間の焼結強度を高めて、セラミック板10の機械的強度を高めることができる。また、窒化ケイ素の結晶(第1結晶1および第2結晶2)に比べて弾性率が比較的小さい粒界相4の存在により、セラミック板10の靭性を向上させることもできる。したがって、セラミック板10のクラック等の機械的な破壊の可能性を低減することができる。つまり、信頼性向上に有効なセラミック板10とすることができる。
The presence of the
粒界相4は、例えば図4に示すような断面視において、セラミック板10全体の約5~20%程度存在していれば、上記のような効果を十分に得ることができる。また、セラミック板10の熱伝導率を、粒界相4が含まれていないときと同じ程度に高く確保することもできる。
If the
なお、セラミック板10は、窒化ケイ素の結晶および結晶相以外に、上面または下面等の外表面に付着したガラスコーティング層等の他の部材(図示せず)を含んでいてもよい。
The
以上のように、本実施形態に係るセラミック板10は、窒化ケイ素の結晶を含むものであり、窒化ケイ素質焼結体である。窒化ケイ素質焼結体における第1相1Aは、主に、焼結体としての機械的強度(本明細書において、抗折強度ということもある。)を確保する
機能を有している。換言すれば、第1相1Aが、セラミック板10を基本的に構成する部分である。第1相1Aは、比較的粒径が小さい窒化ケイ素の第1結晶1が互いに焼結し合い、機械的強度の高い焼結体を形成している。また、第2相2Aが、主に、セラミック板10における熱伝導率を高める機能を有している。すなわち、第2相2Aが、セラミック板10を厚み方向等において熱伝導率が比較的大きい伝熱経路を構成する。第2相2Aは、比較的粒径が大きい窒化ケイ素の第2結晶2の一部同士が互いに接して焼結し、伝熱経路を形成している。第2結晶2は、個々の結晶が比較的大きいため、粒界が少なく、粒界(結晶同士がつながっている界面部分)における熱伝導性低下の影響が比較的小さい。そのため、セラミック板10の熱伝導率を第2相2Aによって効果的に高めることができる。なお、セラミック板10の機械的強度は、第1相1Aのみに依存するのではなく、第2相2Aもセラミック板10の機械的強度を確保する機能を有している。また、セラミック板10の熱伝導性は、第2相2Aのみに依存するのではなく、第1相1Aもセラミック板10の熱伝導性を確保する機能を有している。以上のように、本実施形態に係るセラミック板10によれば、第1相1Aと第2相2Aとを備えることで、優れた熱伝導率および優れた機械的強度を兼ね備えることが可能となる。
As described above, the
また、本実施形態に係るセラミック板10は、図2に示すように平板状であり、平面視において長方形状または正方形状等の四角形状等である。セラミック板10は、互いに反対側に位置する上面および下面を含む表面2を有している。
Further, the
セラミック板10は、このような構成であることから、後述するように表面2に半導体素子11が配置されたときに、半導体素子11の作動にともない発生する熱を効率よく、半導体素子11が配置された位置から離れた位置に伝導させることができる。例えば、半導体素子11がセラミック板10の上面の中央部に配置される場合であれば、上記の熱をセラミック板10の下面側および外周部側にスムーズに伝えること並びに外部に放熱することができる。したがって、半導体素子11が実装されたときの外部への放熱性の向上が容易なセラミック板10とすることができる。
Since the
(実施例)
本実施形態に係るセラミック板10は、第1結晶1および第2結晶2が前述のような大きさであるときに、熱伝導率が約70~75W/mKであり、抗折強度は約800~850MPaである。ここで、本明細書において、熱伝導率と抗折強度は例えば次のような方法で測定すればよい。セラミック板10の熱伝導率は、例えばレーザーフラッシュ法で測定することができる。また、セラミック板10の抗折強度は、例えば3点曲げ試験法(JIS-K7171に準拠)で測定することができる。
(Example)
The
(比較例1)
これに対し、結晶の長軸長さが約4~20μm程度の窒化ケイ素質焼結体からなるセラミック板の場合には、熱伝導率は約75W/mKと大きくできるものの、抗折強度は約650MPaと比較的小さい。言い換えれば、機械的強度を確保する必要がある場合には、セラミック板の厚みを小さくすること(薄型化)が難しい。そのため、このようなセラミック板は、例えば上面に搭載された半導体素子から後述する下面に接続される放熱体までの伝熱経路の短縮が難しく、放熱性の向上が難しい。
(Comparative example 1)
On the other hand, in the case of a ceramic plate made of a silicon nitride sintered body having a crystal major axis length of about 4 to 20 μm, the thermal conductivity can be as high as about 75 W/mK, but the bending strength is about Relatively small at 650 MPa. In other words, it is difficult to reduce the thickness of the ceramic plate (reduction in thickness) when it is necessary to ensure mechanical strength. Therefore, in such a ceramic plate, it is difficult to shorten the heat transfer path from the semiconductor element mounted on the upper surface to the radiator connected to the lower surface, which will be described later, and it is difficult to improve the heat dissipation.
(比較例2)
また、結晶の長軸長さが約1~7μm程度の窒化ケイ素質焼結体からなるセラミック板の場合には、抗折強度は約850~900MPaと大きくできるものの、熱伝導率は約60W/mKと比較的小さい。言い換えれば、セラミック板は、薄型化できるとしても、熱伝導性の向上が難しい。そのため、このようなセラミック板は、例えば薄型化により、上面に搭載された半導体素子から下面に接続される放熱体までの伝熱経路を短くできるとしても、熱伝導性自体が比較的小さいため、放熱性の向上が難しい。
(Comparative example 2)
In addition, in the case of a ceramic plate made of a silicon nitride sintered body having a crystal major axis length of about 1 to 7 μm, the bending strength can be increased to about 850 to 900 MPa, but the thermal conductivity is about 60 W/ mK and relatively small. In other words, even if the ceramic plate can be made thinner, it is difficult to improve the thermal conductivity. Therefore, even if the heat transfer path from the semiconductor element mounted on the upper surface to the radiator connected to the lower surface can be shortened by, for example, thinning the ceramic plate, the thermal conductivity itself is relatively small. It is difficult to improve heat dissipation.
(評価結果)
具体的な例を挙げれば、平面視における外形寸法が60mm×35mmであり、厚さが約0.35mmである、本実施形態に係るセラミック板10は、発熱量が300Wである半導体素子11が搭載されたときに、下面側に214Wの伝熱が可能である。これに対し、比較例1のセラミック板の場合には、セラミック板の厚みを0.46mm程度よりも小さくすることが難しい。そのため、本実施形態に係るセラミック板10と他の条件が同じであるとき、比較例1のセラミック板の下面側への熱伝導は163W程度に留まる。また、比較例2のセラミック板の場合には、その厚みを本実施形態に係るセラミック板10と同じ程度に薄型化することはできるものの、本実施形態に係るセラミック板10と他の条件が同じであるとき、その下面側への熱伝導は171W程度に留まる。
(Evaluation results)
As a specific example, the
<セラミック板の製造方法>
上述の実施形態に係るセラミック板10は、例えば以下の工程によって製造することができる。
<Ceramic plate manufacturing method>
The
まず、窒化ケイ素、シリカ(酸化ケイ素)、酸化マグネシウム、酸化エルビウムおよび酸化イットリウム等の原料粉末、有機溶剤、並びにバインダを、ミル等の粉砕手段で粉砕して原料粉末を作製する。この時に、それぞれの材料に応じた粒径まで混合し、スラリーを調整する。ここで、シリカ(酸化ケイ素)、酸化マグネシウム、酸化エルビウム、酸化イットリウム等は、焼結助材等の添加材である。 First, raw material powders such as silicon nitride, silica (silicon oxide), magnesium oxide, erbium oxide and yttrium oxide, an organic solvent, and a binder are pulverized by pulverizing means such as a mill to produce raw material powders. At this time, the materials are mixed to a particle size corresponding to each material to prepare a slurry. Here, silica (silicon oxide), magnesium oxide, erbium oxide, yttrium oxide, etc. are additives such as sintering aids.
次に、調整したスラリーをドクターブレード法等の方法でシート状に成形して帯状のセラミックグリーンシートを作製する。作製したセラミックグリーンシートを、適当な寸法および形状に切断して複数のシートを作製する。 Next, the prepared slurry is formed into a sheet by a method such as a doctor blade method to produce a strip-shaped ceramic green sheet. The produced ceramic green sheet is cut into a suitable size and shape to produce a plurality of sheets.
その後、これらのシートを、必要に応じて複数上下に重ね合わせた後、約1400~1900℃の温度で焼成する。本工程において、窒素加圧下、1500~1700℃で1~3時間保持して窒化ケイ素をα型からβ型へ転移し結晶を析出させ、さらに温度を上げ1800~1900℃で数時間焼成することにより、第1結晶1を含む第1相1Aおよび第2結晶2を含む第2相2Aを備えるセラミック板10を製造することができる。
Thereafter, a plurality of these sheets are superimposed one on top of the other as required, and then fired at a temperature of about 1400 to 1900.degree. In this step, the silicon nitride is held at 1500 to 1700° C. for 1 to 3 hours under nitrogen pressure to transform the silicon nitride from α-type to β-type to precipitate crystals. Thus, the
以上の工程によって、本実施形態に係るセラミック板10を製造することができる。
ケイ素 なお、セラミック板10を製造する工程において、例えば、窒化ケイ素の原料粉末における粒径、添加する焼結助材の種類および添加量、焼成時の温度の高さおよびキープ時間等の条件を適宜調整することにより、第1結晶1および第2結晶2の粒径を調整することができる。具体例は以下のとおりである。窒化ケイ素をα型からβ型へ転移し結晶を析出させる温度(1600~1700℃)での時間と結晶を成長させる温度(1800~1900℃)での時間との比率により、第1結晶1を含む第1相1Aおよび第2結晶2を含む第2相2Aの比率を調整できる。また、焼成時のキープ時間を長くすれば、粒成長により結晶の粒径を全体に大きくすることができ、焼結助材の量を多くすれば結晶の粒径を全体に小さくすることができる。
Through the steps described above, the
In the process of manufacturing the
<半導体装置、半導体モジュール>
本発明の実施形態に係る半導体装置20は、図2および図3に示すように、上記構成のセラミック板10と、セラミック板10の上面の搭載領域3に配置された半導体素子11とによって構成されている。セラミック板10と半導体素子11とはろう材等の接合材(符号なし)を用いて接続することができる。図2の例では、半導体素子11とセラミック板10とを分けて示している。なお、セラミック板10は、半導体素子11を位置決め固定する基材として機能する。
<Semiconductor device, semiconductor module>
As shown in FIGS. 2 and 3, a
このような半導体装置20によれば、半導体素子11の作動にともない発生する熱を、セラミック板10を通して、半導体素子11が配置された位置から離れた位置に効率よく伝導させることができる。例えば、半導体素子11がセラミック板10の上面の中央部に配置される場合であれば、上記の熱をセラミック板10の下面側および外周部側にスムーズに伝えることができる。そして、セラミック板10の下面および外周部から効果的に放熱させることもできる。
According to such a
この例における半導体素子11は、セラミック板10上面の中央部に位置する搭載領域3に搭載される。半導体素子11は、例えば接合材12等によってセラミック板10に接合され、固定される。接合材12としては、例えば金-スズろう材等の低融点ろう材が挙げられる。また、接合材は、スズ-銀系ろう材等でもよく、異方導電性接着剤等を含む接着剤等でもよい。
The
例えば、金-スズろう材のプレフォームを介して搭載領域3に半導体素子11を位置合わせして、これらを所定の温度に加熱することで、半導体素子11をセラミック板10に接合することができる。この工程によって、図3に示すような実施形態に係る半導体装置20を製造することができる。
For example, the
なお、セラミック板10およびこれに搭載された半導体素子11は、外部との電気信号の送受信および外部への放熱の基本的な単位となるものである。外部電気回路(図示せず)からの種々の電気信号が半導体素子11で受信され、半導体素子11で演算等の各種の操作が行なわれる。この操作の結果が外部電気回路に送信され、外部電気回路を含む機器の制御等が行なわれる。この機器としては、例えば、コンピュータ、通信機器および自動車のエンジン等を制御する制御機器等が挙げられる。
The
本発明の実施形態に係る半導体モジュール30は、上記構成の半導体装置20と、半導体素子11と電気的に接続された外部接続導体22と、半導体素子11と熱的に接続された放熱体21とによって構成されている。なお、半導体モジュール30において、半導体素子11を外部に電気接続するための外部接続導体22は必須ではなく配置してもよい。このような半導体モジュール30によれば、上記構成の半導体装置20を含むことから、セラミック板10と、セラミック板10に熱的に接続される放熱体21等との間の熱伝導性の向上が容易で、外部への放熱性の向上が容易となる。また、半導体モジュール30におけるセラミック板10は、半導体素子11で発生する熱を放熱体21に伝導して外部に放熱させる機能をも有する。
The
なお、半導体素子11と放熱体21との熱的な接続は、半導体装置20のセラミック板10の表面と放熱体21とが接続材を介して互いに接続される。すなわち、半導体装置20と放熱体21とが、例えば接続材を介して機械的および熱的に互いに接続されている。ここで、半導体素子11と放熱体21との熱的な接続とは、両者の間の熱伝導率が約20W/mK以上である状態をいう。この場合、半導体素子11と放熱体21とが直接に接し合っていてもよく、前述したように接続材を介して互いに接続固定されていてもよい。接続材としては、例えば粘性材料を含む接続材が挙げられる。
As for the thermal connection between the
なお、図3に示す例では、半導体装置20と放熱体21および外部接続導体22とは分けて示している。この例において、半導体装置20、放熱体21および外部接続導体22が封止樹脂(図示せず)によって一体的に被覆されていてもよい。これによって、半導体素子11等の外部環境(酸素および水分等)による酸化、腐食が効果的に抑制される。
In the example shown in FIG. 3, the
半導体装置20と放熱体21との接続固定は、例えば、グリス等の粘性材料(図示せず)を介して両者を貼り合わせる方法で行なうことができる。粘性材料には、その熱伝導性を高めるためのフィラー粒子が添加されていてもよい。伝熱粒子25を保持するための基材である。粘性材料がセラミック板10と放熱体21との間に介在して両者に機械的に接続されることにより、両者の熱的な接続も行なわれる。フィラー粒子を形成している材料は、例えば、熱伝導率が約50W/mK以上の材料であればよい。フィラー粒子の具体例としては、酸化アルミニウム、酸化亜鉛等のセラミック材料、カーボン等の無機材料等の良熱伝導材料が挙げられる。
The connection and fixation of the
1・・・第1結晶
1A・・・第1相
2・・・第2結晶
2A・・・第2相
3・・・搭載領域
4・・・粒界相
5・・・ガラス層
10・・・セラミック板
11・・・半導体素子
12・・・接合材
20・・・半導体装置
21・・・放熱体
22・・・外部接続導体
Claims (11)
前記第1結晶よりも大きい窒化ケイ素の第2結晶を複数含み、前記複数の第2結晶同士が接している第2相と、を備えており、
前記第1相および前記第2相の間に粒界相が存在し、前記粒界相の弾性率は前記第1結晶および前記第2結晶よりも小さく、断面視における前記粒界相の面積の割合が5%以上20%以下であり、
断面視における、前記第1相の面積の割合が40%以上であり、前記第2相の面積の割合が20%以上である、セラミック板。 a first phase containing a plurality of silicon nitride first crystals;
a second phase including a plurality of second crystals of silicon nitride larger than the first crystals, wherein the plurality of second crystals are in contact with each other;
A grain boundary phase exists between the first phase and the second phase, the elastic modulus of the grain boundary phase is smaller than that of the first crystal and the second crystal, and the area of the grain boundary phase in a cross-sectional view is The ratio is 5% or more and 20% or less ,
A ceramic plate , wherein the area ratio of the first phase is 40% or more and the area ratio of the second phase is 20% or more in a cross-sectional view.
前記セラミック板の表面に配置された半導体素子と、を備える半導体装置。 a ceramic plate according to any one of claims 1 to 8 ;
and a semiconductor element arranged on the surface of the ceramic plate.
前記半導体素子と接している放熱体と、を備える半導体モジュール。 a semiconductor device according to claim 9 ;
and a radiator in contact with the semiconductor element.
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