JPH0883864A - 電力用半導体装置 - Google Patents
電力用半導体装置Info
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- JPH0883864A JPH0883864A JP21776294A JP21776294A JPH0883864A JP H0883864 A JPH0883864 A JP H0883864A JP 21776294 A JP21776294 A JP 21776294A JP 21776294 A JP21776294 A JP 21776294A JP H0883864 A JPH0883864 A JP H0883864A
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- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 半導体モジュールの熱歪み・応力を低減す
る。 【構成】 セラミック板２の上面に配線用銅箔板３が貼
着され、下面に放熱用銅箔板４が貼着されたサンドイッ
チ構造のＤＢＣ基板１を用い、この基板１の上面に半導
体チップ６を設け、下面に放熱用銅板５を接合した半導
体モジュールにおいて、基板の配線用銅箔板３の厚みを
放熱用銅箔板４の厚みより大きくする。これにより放熱
用銅板５との力学的な不均衡を是正され、半導体モジュ
ールの熱歪み・応力が低減する。そのため長寿命の電力
用半導体装置が得られる。
る。 【構成】 セラミック板２の上面に配線用銅箔板３が貼
着され、下面に放熱用銅箔板４が貼着されたサンドイッ
チ構造のＤＢＣ基板１を用い、この基板１の上面に半導
体チップ６を設け、下面に放熱用銅板５を接合した半導
体モジュールにおいて、基板の配線用銅箔板３の厚みを
放熱用銅箔板４の厚みより大きくする。これにより放熱
用銅板５との力学的な不均衡を是正され、半導体モジュ
ールの熱歪み・応力が低減する。そのため長寿命の電力
用半導体装置が得られる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体モジュールの熱
歪み・応力を低減しうるようにした電力用半導体装置に
関する。
歪み・応力を低減しうるようにした電力用半導体装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に電力用半導体モジュールは図３に
示すように、放熱用銅板５を取り付けたセラミック基板
１の上に銅配線を施し、半導体チップ６を半田付けし、
チップ６上の電極と上記銅配線とをアルミワイヤで電気
的に接続する。更に、各端子１０やＰＢＴ，ＰＰＳ（エ
ジニヤリングプラスチック）で作られた枠８や端子台９
を取り付けた後、内部の空間部に応力緩和のためシリコ
ンゲル１１で満たし、エポキシ樹脂１２で気密に封止し
て構成されている。
示すように、放熱用銅板５を取り付けたセラミック基板
１の上に銅配線を施し、半導体チップ６を半田付けし、
チップ６上の電極と上記銅配線とをアルミワイヤで電気
的に接続する。更に、各端子１０やＰＢＴ，ＰＰＳ（エ
ジニヤリングプラスチック）で作られた枠８や端子台９
を取り付けた後、内部の空間部に応力緩和のためシリコ
ンゲル１１で満たし、エポキシ樹脂１２で気密に封止し
て構成されている。
【０００３】一般にセラミック基板１としては図４に示
すように、予めセラミック板２の上面に配線用銅箔板３
が、下面に放熱用銅箔板４が張り付けられたサンドイッ
チ構造のＢＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｅｄ Ｃｏｐ
ｐｏｒ）基板１が用いられている。
すように、予めセラミック板２の上面に配線用銅箔板３
が、下面に放熱用銅箔板４が張り付けられたサンドイッ
チ構造のＢＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｅｄ Ｃｏｐ
ｐｏｒ）基板１が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】現在用いられている一
般的なＢＤＣ基板１に接合されている銅箔板３，４とし
ては、同じ厚み（ｔ１＝ｔ２＝０．３ｍｍ）のものが用
いられている。
般的なＢＤＣ基板１に接合されている銅箔板３，４とし
ては、同じ厚み（ｔ１＝ｔ２＝０．３ｍｍ）のものが用
いられている。
【０００５】図５に、セラミック板２が厚さ０．６３５
ｍｍ，長さ７５ｍｍ，幅５３ｍｍ、銅箔板３，４が厚み
０．３ｍｍのＢＤＣ基板を用い、その裏面に長さ１０６
ｍｍ，幅６０ｍｍ，厚さｔの放熱用銅板５を接合し、温
度差１００℃として放熱用銅板の厚みｔを変えた時のた
わみ量を示す。放熱用銅板５は３．５ｍｍの厚さの場合
１００℃の温度差で基板２と共に０．２ｍｍ程たわむ。
（ただし、銅自身の降伏現象は考慮していない。）放熱
用銅板の厚さを厚くする程放熱板の曲げ方向強度が強く
なり、たわみ量は減少するが、図６に示すように、放熱
用銅板５とＤＢＣ基板１との間に発生するせん断応力が
高くなり接合面の剥離が生じる危険性がある。従って上
記従来のサイズのＤＢＣ基板では放熱用銅板５の厚みｔ
は３．５ｍｍが適当とされる。
ｍｍ，長さ７５ｍｍ，幅５３ｍｍ、銅箔板３，４が厚み
０．３ｍｍのＢＤＣ基板を用い、その裏面に長さ１０６
ｍｍ，幅６０ｍｍ，厚さｔの放熱用銅板５を接合し、温
度差１００℃として放熱用銅板の厚みｔを変えた時のた
わみ量を示す。放熱用銅板５は３．５ｍｍの厚さの場合
１００℃の温度差で基板２と共に０．２ｍｍ程たわむ。
（ただし、銅自身の降伏現象は考慮していない。）放熱
用銅板の厚さを厚くする程放熱板の曲げ方向強度が強く
なり、たわみ量は減少するが、図６に示すように、放熱
用銅板５とＤＢＣ基板１との間に発生するせん断応力が
高くなり接合面の剥離が生じる危険性がある。従って上
記従来のサイズのＤＢＣ基板では放熱用銅板５の厚みｔ
は３．５ｍｍが適当とされる。
【０００６】上記従来のＤＢＣ基板を用いて作成した半
導体モジュールはその構成材料の熱膨張係数等の違いか
ら、実用時に発声する熱でかなりの大きさの熱歪み・応
力が生じ、断続動作等のヒートショックの繰り返しでモ
ジュールが壊れてしまう。
導体モジュールはその構成材料の熱膨張係数等の違いか
ら、実用時に発声する熱でかなりの大きさの熱歪み・応
力が生じ、断続動作等のヒートショックの繰り返しでモ
ジュールが壊れてしまう。
【０００７】本発明は、従来のこのような問題点に鑑み
てなされたものであり、その目的とするところは、半導
体モジュールの熱歪み・応力を低減しうる電力用半導体
装置を提供することにある。
てなされたものであり、その目的とするところは、半導
体モジュールの熱歪み・応力を低減しうる電力用半導体
装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明における電力用半導体装置は、セラミック板
の上面に配線用銅箔板が貼着され、下面に放熱用銅箔板
が貼着されたサンドイッチ構造のＤＢＣ基板を用い、こ
の基板の上面に半導体チップを設け、下面に放熱用銅板
を接合した半導体モジュールにおいて、前記基板の配線
用銅箔板の厚みを放熱用銅箔板の厚みより大きくしたこ
とを特徴とする。
に、本発明における電力用半導体装置は、セラミック板
の上面に配線用銅箔板が貼着され、下面に放熱用銅箔板
が貼着されたサンドイッチ構造のＤＢＣ基板を用い、こ
の基板の上面に半導体チップを設け、下面に放熱用銅板
を接合した半導体モジュールにおいて、前記基板の配線
用銅箔板の厚みを放熱用銅箔板の厚みより大きくしたこ
とを特徴とする。
【０００９】
【作用】基板の放熱用銅板が接合される面と反対側面の
銅箔板の厚みを放熱用銅板が接合される面の銅箔板より
大きくしたので、放熱用銅板との力学的な不均衡が是正
され、基板の熱応力及び歪みが減少する。従って半導体
モジュールの熱歪み・応力が低減する。
銅箔板の厚みを放熱用銅板が接合される面の銅箔板より
大きくしたので、放熱用銅板との力学的な不均衡が是正
され、基板の熱応力及び歪みが減少する。従って半導体
モジュールの熱歪み・応力が低減する。
【００１０】
【実施例】図１は電力用半導体モジュールのＤＢＣ基板
部分の側面を示すもので、１はＤＢＣ基板で、寸法０．
６３５ｍｍ×３０ｍｍ（厚さｔ×長さＬ）のセラミック
板２の表面に寸法０．６ｍｍ（ｔ１）×２０ｍｍの銅箔
３を接合し、裏面に寸法０．３ｍｍ（ｔ２）×２０ｍｍ
の銅箔４を接合して構成されている。５はＤＢＣ基板２
の銅箔４の下面に固着された寸法３．５ｍｍ×３０ｍｍ
の放熱板、６は銅箔３の上面に固着された寸法１ｍｍ×
１０ｍｍのＳｉチップである。
部分の側面を示すもので、１はＤＢＣ基板で、寸法０．
６３５ｍｍ×３０ｍｍ（厚さｔ×長さＬ）のセラミック
板２の表面に寸法０．６ｍｍ（ｔ１）×２０ｍｍの銅箔
３を接合し、裏面に寸法０．３ｍｍ（ｔ２）×２０ｍｍ
の銅箔４を接合して構成されている。５はＤＢＣ基板２
の銅箔４の下面に固着された寸法３．５ｍｍ×３０ｍｍ
の放熱板、６は銅箔３の上面に固着された寸法１ｍｍ×
１０ｍｍのＳｉチップである。
【００１１】上記実施例に対して比較例として実施例の
ＤＣ基板の銅箔３の厚みｔ１のみを銅箔４の厚み（ｔ
２）と同じく０．３ｍｍとしたＤＢＣ基板を用い、これ
に実施例と同様に放熱板５及びＳｉチップ６を固着した
ものを作り、実施例及び比較例のものに、温度差ｄＴ＝
１００℃を与え、このとき発生するＤＢＣ基板のセラミ
ック板の端部ａのひずみと、銅箔板３の端部ｂにおける
Ｃｕ−セラミック接合部ｂの垂直応力と、銅箔４の端部
ｃにおけるＤＢＣ−Ｃｕ接合部ｃの垂直応力と、Ｓｉチ
ップ６の端部ｄにおけるＳｉ−ＤＢＣ接合部ｄの垂直応
力をシミュレーションした結果、表１に示すデータが得
られた。
ＤＣ基板の銅箔３の厚みｔ１のみを銅箔４の厚み（ｔ
２）と同じく０．３ｍｍとしたＤＢＣ基板を用い、これ
に実施例と同様に放熱板５及びＳｉチップ６を固着した
ものを作り、実施例及び比較例のものに、温度差ｄＴ＝
１００℃を与え、このとき発生するＤＢＣ基板のセラミ
ック板の端部ａのひずみと、銅箔板３の端部ｂにおける
Ｃｕ−セラミック接合部ｂの垂直応力と、銅箔４の端部
ｃにおけるＤＢＣ−Ｃｕ接合部ｃの垂直応力と、Ｓｉチ
ップ６の端部ｄにおけるＳｉ−ＤＢＣ接合部ｄの垂直応
力をシミュレーションした結果、表１に示すデータが得
られた。
【００１２】
【表１】
【００１３】このデータから明らかなように、ＤＢＣ基
板１の銅箔３，４の厚みｔ１，ｔ２をｔ１＝２×ｔ２と
することにより比較例のｔ１＝ｔ２のものより銅箔４の
端部におけるＤＢＣ−Ｃｕ接合部ｃの垂直応力が約７０
Ｎ／ｍｍ2から約４０Ｎ／ｍｍ2と約４３％減少した。
板１の銅箔３，４の厚みｔ１，ｔ２をｔ１＝２×ｔ２と
することにより比較例のｔ１＝ｔ２のものより銅箔４の
端部におけるＤＢＣ−Ｃｕ接合部ｃの垂直応力が約７０
Ｎ／ｍｍ2から約４０Ｎ／ｍｍ2と約４３％減少した。
【００１４】即ち、ＤＢＣ基板の銅箔板の厚みを従来の
ｔ１＝ｔ２からｔ１＞ｔ２とすることで、銅の放熱板と
の力学的な不均衡を是正することができた。
ｔ１＝ｔ２からｔ１＞ｔ２とすることで、銅の放熱板と
の力学的な不均衡を是正することができた。
【００１５】なお、ＤＢＣ基板の配線用銅箔３を厚くす
るには、図２（Ａ）に示すように高温下で銅を半溶解
し、物理的に接合させる方法（接合界面に接合材を使っ
たものを含む）、又は図２（Ｂ）に示すように従来のＤ
ＢＣ基板上に新たな銅箔板を常温又は高温下で張り合わ
せる方法（加工圧接，半田結合、他金属接合など。特に
接合面にモリブデン，タングステン等，低熱膨張材を用
いるクラッド化も含む）を用いればよい。
るには、図２（Ａ）に示すように高温下で銅を半溶解
し、物理的に接合させる方法（接合界面に接合材を使っ
たものを含む）、又は図２（Ｂ）に示すように従来のＤ
ＢＣ基板上に新たな銅箔板を常温又は高温下で張り合わ
せる方法（加工圧接，半田結合、他金属接合など。特に
接合面にモリブデン，タングステン等，低熱膨張材を用
いるクラッド化も含む）を用いればよい。
【００１６】
【発明の効果】本発明は、上述のとおりＤＢＣ基板の銅
配線側銅箔板の厚みを放熱板接合面側銅箔板の厚みより
大きくしたので、半導体モジュールにかかる熱応力・歪
みが低減され、長寿命の電力用半導体装置が得られる。
配線側銅箔板の厚みを放熱板接合面側銅箔板の厚みより
大きくしたので、半導体モジュールにかかる熱応力・歪
みが低減され、長寿命の電力用半導体装置が得られる。
【図１】本発明の実施例に係る半導体モジュールのＤＢ
Ｃ基板部分を示す側面図。
Ｃ基板部分を示す側面図。
【図２】実施例のＤＢＣ基板の配線を厚くする方法の説
明図。
明図。
【図３】電力用半導体モジュール構造の構成説明図。
【図４】従来ＤＢＣ構造の説明図。
【図５】ＤＢＣ基板に固着された放熱用銅板の板厚とＤ
ＢＣ基板のたわみ量の関係を示すグラフ。
ＢＣ基板のたわみ量の関係を示すグラフ。
【図６】ＤＢＣ基板に固着された放熱用銅板の板厚とＤ
ＢＣ基板との間に生ずるせん断応力を示すグラフ。
ＢＣ基板との間に生ずるせん断応力を示すグラフ。
１…セラミック基板（ＤＢＣ基板） ２…セラミック板 ３…配線用銅箔板（銅配線） ３′…銅配線 ４…放熱用銅箔板 ５…放熱用銅板 ６…半導体（Ｓｉ）チップ ７…リード ８…枠 ９…端子台 １１…Ｓｉゲル １２…エポキシ樹脂
Claims (1)
- 【請求項１】 セラミック板の上面に配線用銅箔板が貼
着され、下面に放熱用銅箔板が貼着されたサンドイッチ
構造のＤＢＣ基板を用い、この基板の上面に半導体チッ
プを設け、下面に放熱用銅板を接合した半導体モジュー
ルにおいて、 前記基板の配線用銅箔板の厚みを放熱用銅箔板の厚みよ
り大きくし、半導体モジュールの熱歪み・応力を低減す
ることを特徴とした電力用半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21776294A JPH0883864A (ja) | 1994-09-13 | 1994-09-13 | 電力用半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21776294A JPH0883864A (ja) | 1994-09-13 | 1994-09-13 | 電力用半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0883864A true JPH0883864A (ja) | 1996-03-26 |
Family
ID=16709341
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21776294A Pending JPH0883864A (ja) | 1994-09-13 | 1994-09-13 | 電力用半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0883864A (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0862209A2 (de) | 1997-03-01 | 1998-09-02 | Jürgen Dr.-Ing. Schulz-Harder | Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates und Metall-Keramik-Substrat |
| KR100354462B1 (ko) * | 1998-11-04 | 2002-09-30 | 가부시끼가이샤 도시바 | 모듈형 반도체 장치 |
| JP2003017627A (ja) * | 2001-06-28 | 2003-01-17 | Toshiba Corp | セラミックス回路基板およびそれを用いた半導体モジュール |
| JP2005116934A (ja) * | 2003-10-10 | 2005-04-28 | Dowa Mining Co Ltd | 金属−セラミックス接合基板およびその製造方法 |
| US7919852B2 (en) | 2005-03-16 | 2011-04-05 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor device and insulating substrate utilizing a second conductor with a non-joint area |
| JP2012156215A (ja) * | 2011-01-24 | 2012-08-16 | Toyota Motor Corp | 半導体素子装置 |
| JP2012160548A (ja) * | 2011-01-31 | 2012-08-23 | Toyota Central R&D Labs Inc | 絶縁基板とその絶縁基板を有するパワーモジュール |
| CN111566807A (zh) * | 2018-01-24 | 2020-08-21 | 三菱综合材料株式会社 | 功率模块用基板的制造方法及陶瓷-铜接合体 |
| CN116454040A (zh) * | 2023-06-15 | 2023-07-18 | 湖南大学 | 一种功率半导体器件封装结构 |
| CN111566807B (en) * | 2018-01-24 | 2024-10-25 | 三菱综合材料株式会社 | Method for manufacturing substrate for power module and ceramic-copper junction body |
-
1994
- 1994-09-13 JP JP21776294A patent/JPH0883864A/ja active Pending
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0862209A3 (de) * | 1997-03-01 | 2000-01-12 | Jürgen Dr.-Ing. Schulz-Harder | Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates und Metall-Keramik-Substrat |
| EP0862209A2 (de) | 1997-03-01 | 1998-09-02 | Jürgen Dr.-Ing. Schulz-Harder | Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates und Metall-Keramik-Substrat |
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| DE102006011689B4 (de) * | 2005-03-16 | 2014-11-06 | Mitsubishi Denki K.K. | Halbleitervorrichtung und isolierendes Substrat für dieselbe |
| US7919852B2 (en) | 2005-03-16 | 2011-04-05 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor device and insulating substrate utilizing a second conductor with a non-joint area |
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| EP3745452A4 (en) * | 2018-01-24 | 2021-10-27 | Mitsubishi Materials Corporation | PROCESS FOR MANUFACTURING SUBSTRATE FOR POWER MODULE, AND CERAMIC-COPPER JOINT BODY |
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