JPH04287952A - 複合絶縁基板およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は複合絶縁基板およびそ
れを用いて構成された半導体装置に関するもので、特に
、パワーモジュール用として有用な複合絶縁基板に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来の半導体パワーモジュールの
一例を示す平面図であり、図５はその拡大断面図である
。このパワーモジュール１００は、銅ベース板１０１の
上に配列された複数の絶縁基板１１０を備えている。 図７に拡大して示すように、これらの絶縁基板１１０の
それぞれはセラミック基板１１１の両面に銅板１１２，
１１３を接合して構成されている。このうち銅板１１２
の平面形状は回路接続パターンに合わせた形状となって
いる。そして図５に示すように絶縁基板１１０の上には
半導体チップ１２０がハンダ付けされており、半導体チ
ップ１２０にはアルミワイヤ１２１が電気的に接続され
ている。

【０００３】また、電極端子１３１を有するアウトサー
トケース１３０がその端部１３２において銅ベース板１
０１に接着されており、これによって絶縁基板１１０や
半導体チップ１２０はアウトサートケース１３０の中に
収容される。また、電極端子１３１と電気的に一体化さ
れた接続端子部分１３３が絶縁基板１１０内の銅板１１
３（図５には図示せず）からなる回路パターンにハンダ
付けされることによって、電極端子１３１と半導体チッ
プ１２０とが電気的に接続されている。このため、電極
端子１３１を介してこのパワーモジュール１００の駆動
や制御を行なうことができる。

【０００４】このパワーモジュール１００の製造にあた
っては、まず、銅ベース板１０１に絶縁基板１１０をハ
ンダ付けする。そして絶縁基板１１０上へ半導体チップ
１２０をハンダ付けするとともに、後述する継ぎ電極１
５０の取付けを行なう。また、半導体チップ１２０への
アルミワイヤ１２１のボンディングを行なう。この状態
の半製品はベース組立て完了品と呼ばれる。

【０００５】次に絶縁基板１１０の回路パターン部分の
上に選択的にハンダを塗布するとともに、アウトサート
ケース１３０の端部１３２に接着剤を塗布する。そして
このベース組立て完了品にアウトサートケース１３０を
上からかぶせ、接着剤によるアウトサートケース１３０
と銅ベース板１０１との接着を行うとともに、接続端子
部分１３３と回路パターンとのハンダ付けを行なう。こ
の接着工程は加熱しつつ実行される。

【０００６】その後、ハンダ付け用に使用したフラック
スを洗浄する。そしてシリコンゲル１４１をケース１３
０の中に注入し、オーブンによって加熱キュアを行なう
。さらにケース１３０の中の残部の空間にエポキシ樹脂
１４２を注入し、オーブンによって同様の加熱キュアを
行なう。これによってパワーモジュール１００のアセン
ブリが完了する。

【０００７】ところで一般に、パワーモジュールは大電
流下で使用するためにその発熱も大きなものとなる。従
ってパワーモジュール１００に繰返して通電すると、絶
縁基板１１０は温度差の大きなヒートサイクルの影響を
受けることになる。そして従来の絶縁基板１１０では、
熱膨張係数が互いに大きく異なるセラミック基板１１１
と銅板１１２，１１３のみによって形成されているため
、仮に絶縁基板１１０の平面サイズを大きくすると上記
ヒートサイクルによってセラミック基板１１１と銅板１
１２，１１３との間に大きな応力が発生し、セラミック
基板１１１にクラックが生ずることがある。

【０００８】また、絶縁基板１１０の製造にあたっては
銅板１１２，１１３をセラミック基板１１１に硬ロウ付
けしなければならないため、このときにも温度分布の不
均一によって歪やソリが生じやすい。

【０００９】このため、絶縁基板１１０の平面サイズと
しては実用上５０ｍｍ×５０ｍｍが限界となっている。

【００１０】一方、例示したパワーモジュール１００な
どにおいては半導体チップ１２０や他の部品の実装のた
めに、上記限界サイズの数倍のサイズを持った絶縁基板
を必要としている。従ってこの要求を満足させるために
上記限界サイズまたはそれ以下のサイズを持つ複数の絶
縁基板１１０を配列し、それらの間の電気的接続はブリ
ッジ状の継ぎ電極１５０を用いて達成するという構成を
とっている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところがこのような従
来の構成では継ぎ電極１５０による接続工程が必要にな
るだけでなく、複数の絶縁基板１１０の相対的位置決め
を精度よく行なうことが困難である。その結果、パワー
モジュール１００のアセンブリにおける工程数が多く、
その組立て精度に限界があった。

【００１２】このような状況に対処するため、特開昭２
−３４５７７号公報では図８のような複合絶縁基板２１
０が提案されている。この複合絶縁基板２１０では図７
の銅板１１２のかわりに多層金属板２２０を使用してい
る。この多層金属板２２０は２枚の銅板２１１，２１３
の間にモリブデン板２１２を挟んで構成されており、多
層金属板２２０全体としての熱膨張係数がセラミック基
板１１１の熱膨張係数に比較的近くなっている。

【００１３】ところが、このような複合絶縁基板２１０
ではセラミック基板１１１の上部に存在する多層金属板
２２０と下部に存在する銅板１１３とのそれぞれの熱膨
張係数が互いに異なるため、ヒートサイクルを受けた際
にセラミック基板１１１の上下における力学的バランス
が崩れ、複合絶縁基板２１０にソリが発生し易いという
問題がある。

【００１４】この発明は従来技術における上述の問題の
克服を意図しており、高い歩留りで比較的大きなサイズ
のものが製造可能であり、ヒートサイクルによってクラ
ックが発生することもなく、ソリも発生しにくい複合絶
縁基板を得ることを第１の目的としている。

【００１５】またこの発明の第２の目的は、上記のよう
な複合絶縁基板を用いることによって、組立工程数が少
なく、継ぎ電極による接続工程も不要であるとともに、
内部部品の位置決め精度も高い半導体装置を得ることで
ある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、この発明にかかる複合絶縁基板では、（ａ）　セ
ラミック基板と、（ｂ）　前記セラミック基板の第１の
表面上に接合された第１の多層金属板と、（ｃ）　前記
セラミック基板の第２の表面上に接合された第２の多層
金属板とを備える。

【００１７】そして、前記第１の多層金属板は、（ｂ−
１）　銅または銅合金よりなり、前記第１の表面上に固
着された第１の金属板と、（ｂ−２）　モリブデン、タ
ングステンまたはそれらのうちのいずれかの合金よりな
り、前記第１の金属板の上に固着された第２の金属板と
、（ｂ−３）　銅または銅合金よりなり、前記第２の金
属板上に固着された第３の金属板とを有している。

【００１８】また、前記第２の多層金属板は、（ｃ−１
）　銅または銅合金よりなり、前記第２の表面上に固着
された第４の金属板と、（ｃ−２）　モリブデン、タン
グステンまたはそれらのうちのいずれかの合金よりなり
、前記第４の金属板の上に固着された第５の金属板と、
（ｃ−３）　銅または銅合金よりなり、前記第５の金属
板上に固着された第６の金属板とを有する。

【００１９】この発明は上記複合絶縁基板が用いられた
半導体装置をも対象としており、この半導体装置は、（
ａ）　金属ベース板と、（ｂ）　前記第６の金属板が前
記金属ベース板の上に接合されることによって前記金属
ベース板上に固定され、かつ前記第１の多層金属板が所
定のパターンに加工された上記複合絶縁基板と、（ｃ）
　前記第１の多層金属板の上に配置された半導体チップ
とを備える。

【００２０】好ましくは、前記第２の多層金属板の平面
サイズが前記第１の多層金属板の平面サイズよりも大き
くされ、かつ、前記第１と第２の多層金属板のそれぞれ
の体積を実質的に同一とする。

【００２１】

【作用】この発明にかかる複合絶縁基板およびそれをも
用いて構成された半導体装置では、セラミック基板の両
面に多層金属板が設けられており、各多層金属板の熱膨
張係数がセラミック基板の熱膨張係数に近くなっている
。このため、ヒートサイクルを受けた際にもセラミック
基板にクラックが生じにくい。その結果、比較的大きな
サイズの複合絶縁基板が高い歩留りで製造可能であり、
継ぎ電極を必要としない。

【００２２】またセラミック基板の両面側における力学
的バランスがよく、複合絶縁基板のソリが防止される。

【００２３】一方、半導体チップで発生した熱が金属ベ
ース板に向って拡散する際には、その熱流の断面積は半
導体チップから金属ベース板へと向って次第に広がって
行く。このため、半導体チップ側に設けてある第２の多
層金属板の平面サイズを金属ベース板側の第１の多層金
属板の平面サイズよりも大きくすることによって、熱の
拡散能力を高めることができる。この場合において、第
１のと第２の多層金属板のそれぞれの体積を実質的に同
一とすれば、第１のと第２の多層金属板からセラミック
基板へ与えられるそれぞれの拘束力が実質的に同一とな
って、セラミック基板の上下における力学的バランスを
さらに高めることができる。

【００２４】

【実施例】図１は、この発明の一実施例である複合絶縁
基板１の断面図である。また図２は、この複合絶縁基板
１０を用いて構成した半導体装置（パワーモジュール）
５０についてそのケーシング前の状態を示す平面図であ
り、図２のＩ−Ｉ断面が図１に相当する。図１に示すよ
うに、この複合絶縁基板１はセラミック基板３の上面と
下面とのそれぞれのの上に第１と第２の多層金属板１０
，２０をそれぞれ硬ロウ付けすることによって構成され
ている。

【００２５】第１の多層金属板１０は、２枚の銅板１１
，１３の間にモリブデン板１２を挟むようにこれらを相
互に接合して形成されている。同様に、第２の多層金属
板２０も、２枚の銅板２４，２６の間にモリブデン板２
５を挟むようにこれらを相互に接合して形成されている
。第１の多層金属板１０はその上に形成すべき電子回路
の形状に合わせてパターニングされている（図２参照）
。セラミック基板１２，２５の材料としては、たとえば
アルミナ（Ａｌ２　Ｏ３　）や窒化アルミ（ＡｌＮ）を
母材とするセラミックが使用される。

【００２６】第２の多層金属板２０の平面サイズＲ２は
、第１の多層金属板１０の平面サイズＲ１よりも大きく
されており、第１の多層金属板１０の外周部は第２の多
層金属板２０の外周部よりも内側に存在している。また
、各部材３，１１〜１３，２４〜２６のそれぞれの厚さ
Ｔ０，Ｔ１〜Ｔ３，Ｔ４〜Ｔ６は次のようになっている
。

【００２７】Ｔ０＝０．６３５ｍｍ， Ｔ１＝０．５ｍｍ，　　　　Ｔ２＝０．１ｍｍ，　　　
　Ｔ３＝０．５ｍｍ， Ｔ４＝０．４ｍｍ，　　　　Ｔ５＝０．１ｍｍ，　　　
　Ｔ６＝０．４ｍｍ このため、第１と第２の多層金属板１０，２０のそれぞ
れの厚さＴ１０，Ｔ２０は次のようになり、第１の多層
金属板１０の厚さＴ１０は、第の多層金属板２０厚さＴ
２０よりも厚い。

【００２８】 Ｔ１０＝１．１ｍｍ，　　　　Ｔ２０＝０．９ｍｍそし
て、好ましくは、第１の多層金属板１０の体積が、第２
の多層金属板１０の体積と実質的に等しくなるように、
これらの多層金属板１０，２０のサイズが決定される。

【００２９】図２を参照して、この複合絶縁基板１は、
第２の多層金属板２０を銅ベース板１０１の上に固着し
て使用される。第１の多層金属板１０は回路パターンに
合わせてパターニングされており、その上にはシリコン
からなる半導体チップ１２０がハンダ付けされている。 図２には示されていないが、このパワーモジュール５０
は図４〜図６に示した従来のパワーモジュール１００と
同様に、各半導体チップ１２０や回路パターンがアルミ
ワイヤによって電気的に接続されており、電極端子を有
するアウトサートケース内に収容される。アウトサート
ケース内の各部材が樹脂封止されることも図４〜図６の
モジュールと同様である。アウトサートケースのかわり
にインサートケースなどを用いることもできる。

【００３０】従来のパワーモジュール１００においては
複数の絶縁基板１１０が使用されているが、この実施例
のパワーモジュール５０では１枚の複合絶縁基板１のみ
が使用されており、継ぎ電極は不要である。それは、複
合絶縁基板１の製造過程においてこの複合絶縁基板１に
加わる熱や、半導体チップ１２０の繰返し動作時のヒー
トサイクルに対するセラミック基板３の変形が小さいた
め、たとえば１００ｍｍ×１００ｍｍという大サイズの
複合絶縁基板１を高歩留りで製造し、それを利用できる
からである。その理由の詳細は以下の通りである。

【００３１】この実施例で使用される銅板，モリブデン
板，セラミック板のそれぞれの熱膨張係数αＣｕ，αＭ
ｏ，αＳｅの値は次の通りである。

【００３２】 αＣｕ＝１６．５×１０−６／度 αＭｏ＝　　３．０×１０−６〜４．０×１０−６／度
αＳｅ＝　　５．０×１０−６／度 したがって銅板１１，１３，２４，２６の熱膨張係数α
Ｃｕはセラミック基板３の熱膨張係数αＳｅよりもかな
り大きいが、セラミック基板３の熱膨張係数αＳｅに近
い熱膨張係数αＭｏを持つモリブデン板１２，２５が銅
板１１，１３，２４，２６の拘束部材として設けられて
いることにより、ヒートサイクル時における多層金属板
１０，２０の熱膨張とセラミック基板３熱膨張のとの差
は小さくなる。その結果、ヒートサイクル時などにおい
てセラミック基板３に加わるストレスが減少し、複合絶
縁基板１のサイズを大きくしてもセラミック基板３にク
ラックが生じることが防止される。また、セラミック基
板３の上面と下面とのそれぞれに第１と第２の多層金属
板１０，２０が固着されているため、セラミック基板３
に加わる水平方向の応力はその上下面でほぼ等しくなり
、セラミック基板３にソリが生じることもない。

【００３３】このため、継ぎ電極を用いずに比較的多数
の半導体チップ１２０をひとつの複合絶縁基板１の上に
実装可能であって、パワーモジュール５０の組立て工程
数が減少し、各部材の相対的位置決め精度も向上する。

【００３４】次に、第１と第２の多層金属板１０，２０
のサイズの関係について述べる。図２のような態様で複
合絶縁基板１を使用する場合、半導体チップ１２０で発
生する熱は図３の放熱経路ＴＤに沿って複合絶縁基板１
からベース板１０１に拡散する。セラミック基板３の中
における放熱経路ＴＤのひろがり角度はおよそ４５度で
ある。そして第２の多層金属板２０の平面サイズを第１
の多層金属板１０の平面サイズよりも大きくしているた
め、第１の多層金属板１０の端部付近から放射状に拡散
する熱を第２の多層金属板２０によって受取り、それを
ベース板１０１へと効率良く伝えることができる。すな
わち、第２の多層金属板２０の平面サイズを第１の多層
金属板１０のサイズと同一のサイズまで小さくした場合
と比較して、第１の多層金属板１０の端部付近からの熱
がベース板１０１に伝わり易くなり、複合絶縁基板１の
熱放散能力が向上する。

【００３５】ところで、相対的に第１の多層金属板１０
の平面サイズは第２の多層金属板２０の平面サイズより
も小さいが、この実施例では第１の多層金属板１０の厚
さＴ１０を第２の多層金属板２０の厚さＴ２０よりも厚
くしてそれぞれの体積が実質的に同一となるようにして
いる。このため、第１の多層金属板１０全体としての熱
膨張力や熱収縮力は第２の多層金属板２０全体としての
それと近くなっており、セラミック基板３のソリがより
有効に防止される。

【００３６】複合絶縁基板１を製造するにあたっては、
矩形の形状を持つ２枚の多層金属板をセラミック基板３
の上面と下面とにそれぞれロウ付けし、その後に上面側
の多層金属板を選択的にエッチングして、パターン化さ
れた第１の多層金属板１０を得てもよい。また、第１の
多層金属板１０は、あらかじめパターン化しておいた多
層金属板をセラミック基板３の上面にロウ付けすること
によって得てもよい。どのような回路パターンを形成す
るかが事前にわかっているときには、そのパターン面積
を考慮して第１と第２の多層金属板１０，２０の体積が
実質的に同一になるようにそれぞれの厚さの比を定める
ことが可能である。また、標準的な回路パターンを想定
し、そのパターン面積に対して第１と第２の多層金属板
１０，２０の体積が実質的に同一になるように第１と第
２の多層金属板１０，２０のサイズや厚さを決めること
もできる。さらに、パターン化する前の状態で第１と第
２の多層金属板１０，２０の体積がほぼ同一となるよう
にしておくことも可能である。

【００３７】上記実施例では第１と第２の多層金属板１
０，２０の中の拘束部材としてモリブデン板１２，２５
を用いたが、モリブデン合金板、タングステン板または
タングステン合金板を用いることもできる。また、銅板
１１，１３，２４，２６のかわりに銅合金の板を使用し
てもよい。さらに、他の金属板を付加することもできる
。

【００３８】この発明の複合絶縁基板はパワーモジュー
ルに特に有効であるが、それ以外の各種の半導体装置に
も使用可能である。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、セラミック基板の両面に多層金属板が設けられ
ており、各多層金属板はその熱膨張係数がセラミック基
板の熱膨張係数に近くなるような構造を持っている。こ
のため、比較的大きなサイズの複合絶縁基板が高い歩留
りで製造可能であり、ヒートサイクルを受けた際にもセ
ラミック基板にクラックが生じにくい。

【００４０】またセラミック基板の片面ではなく両面に
多層金属板を設けていることによって、セラミック基板
の両面側における力学的バランスが高まり、複合絶縁基
板のソリが有効に防止される。

【００４１】請求項２の発明にかかる半導体装置では上
記の複合絶縁基板を使用していることによって、継ぎ電
極を不要とすることが可能である。その結果、半導体装
置の内部部品の位置決め精度が高まり、組立工程数も減
少する。

【００４２】請求項３の発明にかかる半導体装置では、
半導体チップ側に設けてある第２の多層金属板の平面サ
イズを金属ベース板側の第１の多層金属板の平面サイズ
よりも大きくすることによって、熱の拡散能力を高める
ことができる。そして、第１と第２の多層金属板のそれ
ぞれの体積が実質的に同一となっているため、第１と第
２の多層金属板からセラミック基板へ与えられるそれぞ
れの拘束力が実質的に同一となって、セラミック基板の
上下における力学的バランスをさらに高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例である複合絶縁基板の断面
図である。

【図２】実施例の複合絶縁基板を備えたパワーモジュー
ルの組立工程の途中における平面図である。

【図３】一実施例の複合絶縁基板における熱拡散機能の
説明図である。

【図４】パワーモジュールの平面図である。

【図５】従来の複合絶縁基板を備えたパワーモジュール
の断面図である。

【図６】図６に示したパワーモジュールの組立工程の途
中における平面図である。

【図７】従来の絶縁基板の断面図である。

【図８】従来の複合絶縁基板の断面図である。

【符号の説明】

１　　複合絶縁基板 ３　　セラミック基板 １０，２０　　多層金属板 １１，１３，２４，２６　　銅板 １２，１５　　モリブデン板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　複合絶縁基板であって、（ａ）　セラ
   ミック基板と、（ｂ）　前記セラミック基板の第１の表
   面上に接合された第１の多層金属板と、（ｃ）　前記セ
   ラミック基板の第２の表面上に接合された第２の多層金
   属板とを備え、前記第１の多層金属板は、（ｂ−１）　
   銅または銅合金よりなり、前記第１の表面上に固着され
   た第１の金属板と、（ｂ−２）　モリブデン、タングス
   テンまたはそれらのうちのいずれかの合金よりなり、前
   記第１の金属板の上に固着された第２の金属板と、（ｂ
   −３）　銅または銅合金よりなり、前記第２の金属板上
   に固着された第３の金属板とを有し、前記第２の多層金
   属板は、（ｃ−１）　銅または銅合金よりなり、前記第
   ２の表面上に固着された第４の金属板と、（ｃ−２）　
   モリブデン、タングステンまたはそれらのうちのいずれ
   かの合金よりなり、前記第４の金属板の上に固着された
   第５の金属板と、（ｃ−３）　銅または銅合金よりなり
   、前記第５の金属板上に固着された第６の金属板とを有
   することを特徴とする複合絶縁基板。
2. 【請求項２】　　請求項１の複合絶縁基板が用いられた
   半導体装置であって、（ａ）　金属ベース板と、（ｂ）
   　前記第６の金属板が前記金属ベース板の上に接合され
   ることによって前記金属ベース板上に固定され、かつ前
   記第１の多層金属板が所定のパターンに加工された請求
   項１の複合絶縁基板と、（ｃ）　前記第１の多層金属板
   の上に配置された半導体チップとを備えることを特徴と
   する半導体装置。
3. 【請求項３】　　請求項２の半導体装置であって、前記
   第２の多層金属板の平面サイズが前記第１の多層金属板
   の平面サイズよりも大きくされ、かつ、前記第１と第２
   の多層金属板のそれぞれの体積を実質的に同一としたこ
   とを特徴とする半導体装置。