JPH09148523A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH09148523A
JPH09148523A JP7302905A JP30290595A JPH09148523A JP H09148523 A JPH09148523 A JP H09148523A JP 7302905 A JP7302905 A JP 7302905A JP 30290595 A JP30290595 A JP 30290595A JP H09148523 A JPH09148523 A JP H09148523A
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semiconductor device
insulating substrate
semiconductor element
heat
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Masakatsu Takashita
正勝 高下
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】大電力用半導体装置において、大電力用半導体
素子の発生熱を放散する放熱経路の熱抵抗の増加を検出
でき、使用状態における素子搭載用絶縁基板と放熱基と
を固着する半田のクラック発生などによる脆弱化を早期
に検出する。 【解決手段】半導体素子１１と、放熱板１３と、半導体
素子と放熱板との間に介在し、半導体素子を搭載した電
気伝導度の高い絶縁基板１２と、絶縁基板と放熱板とを
固着する半田層１４と、半導体素子の使用状態における
発生熱を放散する放熱経路の熱抵抗の増加を検出する素
子２１と、検出結果を半導体装置外部に出力する熱抵抗
検出結果出力用配線１９とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に係
り、特に大電力用半導体素子の発生熱の放散性を向上す
るために素子搭載用絶縁基板と放熱板とが半田固着され
た構造を有する大電力用半導体装置に関するもので、例
えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポートランジスタ）な
どに使用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】図７は、大電力用半導体装置の断面構造
の一例を示している。図７において、１１は大電力用半
導体素子（チップ）、１２は大電力用半導体素子を搭載
する電気伝導度の高い素子搭載用絶縁基板、１３は例え
ばＣｕをベースとする放熱板、１４は上記素子搭載用絶
縁基板１２と放熱板１３とを固着した半田層である。
【０００３】上記素子搭載用絶縁基板１２は、例えばセ
ラミックスのような絶縁基材１５の素子実装面上に例え
ばＣｕなどのメタルパターン１６が形成されており、上
記絶縁基材１５の裏面に例えばＣｕなどのメタル１７が
形成されている。
【０００４】そして、上記メタルパターン１６の素子搭
載部上に前記チップ１１が第１の半田層１８により固着
され、メタルパターン１６の配線部と前記チップ１１の
パッド部とがボンディングワイヤー１９により接続され
ており、裏面のメタル１７が第２の半田層１４により前
記放熱板に固着されている。
【０００５】なお、１０１は大電力系および信号系の主
端子であり、例えば前記メタルパターン１６の配線部に
半田付けにより接続されている。上記構造においては、
大電力用半導体素子１１と放熱板１３との間に電気伝導
度の高い素子搭載用絶縁基板１２が介在し、大電力用半
導体素子１１と絶縁基板１２とが第１の半田層１８によ
り固着され、絶縁基板１２と放熱板１３とが第２の半田
層１４により固着されることにより、大電力用半導体素
子１１と外部との電気的絶縁を保ちながら高い放熱性を
実現している。
【０００６】ところで、大電力用半導体素子１１は発生
熱が大きいので、半導体素子の使用状態における発生熱
を放散する放熱経路の熱抵抗の増加に起因して半導体素
子の不良（熱損失の増加、熱破壊など）が発生するおそ
れがある。
【０００７】即ち、上記したようにセラミックスにＣｕ
が張り合わされた素子搭載用絶縁基板１２とＣｕをベー
スとする放熱板１３とが半田固着された構造は、絶縁基
板１２と放熱板１３との熱膨脹係数の違いにより、温度
サイクルにより膨脹・収縮が繰り返されるので、両者間
の半田（第２の半田層１４）に疲労が生じ、半田クラッ
クが発生し、半田が脆弱化する。
【０００８】これにより、放熱経路の熱抵抗が増加し、
半導体素子の発生熱を十分に放散することが不可能にな
り、最終的には、半導体素子に急速な温度上昇が生じ、
熱破壊が発生するおそれがある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記したように素子搭
載用絶縁基板と放熱板とが半田固着された構造を有する
従来の半導体装置は、半導体素子の使用状態における発
生熱を放散する放熱経路の熱抵抗の増加に起因して半導
体装置の不良が発生するおそれがあるという問題があっ
た。
【００１０】本発明は上記の問題点を解決すべくなされ
たもので、半導体素子の発生熱を放散する放熱経路の熱
抵抗の増加を検出でき、半導体素子の使用状態における
素子搭載用絶縁基板と放熱板とを固着する半田のクラッ
ク発生などによる脆弱化を早期に検出でき、高信頼性の
高い大電力用半導体装置を実現し得る半導体装置を提供
することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
半導体素子と、放熱板と、前記半導体素子と放熱板との
間に介在する電気伝導度の高い絶縁基板と、前記半導体
素子と絶縁基板とを固着する第１の半田層と、前記絶縁
基板と放熱板とを固着する第２の半田層と、前記半導体
素子の使用状態における発生熱を放散する放熱経路の熱
抵抗の増加を検出する熱抵抗検出手段と、上記検出結果
を半導体装置外部に出力する熱抵抗検出結果出力手段と
を具備することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の半導体装
置の第１の実施の形態に係る大電力用半導体装置の断面
構造の一例を示している。
【００１３】図２は、図１中の絶縁基板上の平面パター
ンの一例を概略的に示している。図１および図２に示す
大電力用半導体装置は、大電力用半導体素子（チップ）
１１と例えばＣｕをベースとする放熱板１３との間に電
気伝導度の高い大電力用半導体素子搭載用の絶縁基板１
２が介在し、大電力用半導体素子１１と絶縁基板１２と
が第１の半田層１８により固着され、絶縁基板１２と放
熱板１３とが第２の半田層１４により固着されている。
【００１４】上記素子搭載用絶縁基板１２は、例えばセ
ラミックスのような絶縁基材１５の素子実装面上に例え
ばＣｕなどのメタルパターン１６が形成されており、上
記絶縁基材１５の裏面に例えばＣｕなどのメタル１７が
形成されている。
【００１５】そして、上記メタルパターン１６の素子搭
載部上に前記チップ１１が第１の半田層１８により固着
され、メタルパターン１６の配線部と前記チップ１１の
パッド部とがボンディングワイヤー１９により接続され
ており、裏面のメタル１７が第２の半田層１４により前
記放熱板に固着されている。
【００１６】なお、１０１は大電力系および信号系の主
端子であり、例えば前記メタルパターン１６の配線部に
半田付けにより接続されている。また、１００はモジュ
ール領域である。
【００１７】即ち、図１に示した大電力用半導体装置
は、大電力用半導体素子１１と、絶縁基材１５の素子実
装面上にメタルパターン１６が形成されるとともに裏面
にメタル１７が形成された絶縁基板１２と、前記絶縁基
板１２のメタルパターン１６の素子搭載部上に前記大電
力用半導体素子１１を搭載した状態で両者を固着する第
１の半田層１８と、前記絶縁基板１２のメタルパターン
１６の配線部と前記半導体素子１１のパッド部との間に
接続されたボンディングワイヤー１９と、放熱板１３
と、前記放熱板１３上に前記絶縁基板１２の裏面のメタ
ル１８が対接した状態で両者を固着する第２の半田層１
４とを具備する。
【００１８】さらに、大電力用半導体素子１１の使用状
態における発生熱を放散する放熱経路の熱抵抗の増加を
検出する熱抵抗検出手段と、上記検出結果を半導体装置
外部に出力する熱抵抗検出結果の出力手段が付加されて
いる。
【００１９】ここで、絶縁基板と放熱板とを固着する半
田のクラックの発生などによる脆弱化は周辺部から進行
するという事実（例えば、wuchen Wu, Marcel Held, et
al., "Thermal Stress Related Packaging Failure in
Power IGBT Modules", Proceedings of 1995 Internat
ional Symposium on Power Semiconductor Devices &IC
s, Yokohama, 1995-MAY-24,p330-334の報告）に着目す
る。
【００２０】参考のために、絶縁基板１２・放熱板１３
間の第２の半田層１４の温度サイクル前後における状態
の一例を図３（ａ）および（ｂ）に示しており、温度サ
イクル後には周辺部にボイド領域（クラック発生などに
よる脆弱化領域）１４ａがみられる。
【００２１】前記熱抵抗検出手段として以下に挙げるよ
うな具体的構成が可能である。 （１）図１および図２に示すように、絶縁基板１２上の
少なくとも周辺部に温度依存性を持つ１個または複数個
の温度検知素子２１（例えばサーミスタ、ダイオード）
を配置し、上記検知素子２１の検知出力に基づいて熱抵
抗が設定値よりも高くなったことを検出する。この場
合、図３に示したように、第２の半田層１４の周辺部に
クラックが発生していると、放熱効果が低下し、温度が
上昇するので、放熱経路の熱抵抗の増加を検出可能であ
る。
【００２２】なお、図２中に実線で示すように、絶縁基
板１２上の周辺部に１個の温度検知素子２１を配置した
場合には、上記温度検知素子２１の検知出力を基準値と
比較することにより、検知出力が基準値を越えると、放
熱経路の熱抵抗が設定値よりも高くなったものとして検
知する。
【００２３】これに対して、さらに、図２中に点線で示
すように、絶縁基板１２上の周辺部以外（例えば中央
部）に少なくとも１個の温度検知素子２２を配置した場
合には、周辺部の１個の温度検知素子２１の検知出力を
周辺部以外の温度検知素子２２の検知出力と比較し、素
子２１の出力が素子２２の出力を越えると、放熱経路の
熱抵抗が設定値よりも高くなったものとして検知する。
【００２４】（２）図４に示すように、絶縁基板１２上
の少なくとも周辺部に１個または複数個の熱抵抗検知用
素子３１を配置し、上記検知用素子３１の熱抵抗に依存
する特性を測定した出力に基づいて熱抵抗が設定値より
も高くなったことを検出する。 この場合、熱抵抗検知
用素子３１としては、温度依存性を持つ温度検知素子
（例えばダイオード）を用い、熱抵抗測定回路用ＩＣ
（集積回路）３０としては、半導体素子にパルス電流を
複数回印加し、最初のパルス印加後のダイオードの順方
向電圧降下と最後のパルス印加後のダイオードの順方向
電圧降下とを比較する回路を用いることにより、放熱経
路の熱抵抗の増加を検出可能である。
【００２５】なお、図４中に実線で示すように、絶縁基
板上の周辺部に１個の熱抵抗用検知素子３１および熱抵
抗測定回路用ＩＣ３０を配置した場合には、上記熱抵抗
検知用素子３１の検知出力を用いた熱抵抗を基準値と比
較することにより放熱経路の熱抵抗の増加を検出する。
【００２６】これに対して、さらに、図４中に点線で示
すように、絶縁基板１２上の周辺部以外に少なくとも１
個の熱抵抗検知用素子３２および熱抵抗測定回路用ＩＣ
３３を配置した場合には、周辺部の１個の熱抵抗検知用
素子３１の検知出力を用いた熱抵抗を周辺部以外の熱抵
抗検知用素子３２の検知出力を用いた熱抵抗と比較する
ことにより放熱経路の熱抵抗の増加を検出する。
【００２７】（３）図５に示すように、前記半導体素子
１１のチップ上の周辺部に少なくても１個の温度検知素
子あるいは熱抵抗検知用素子５１を配置し、上記素子５
１の検知出力に基づいて熱抵抗が設定値よりも高くなっ
たことを検出する。
【００２８】この場合、第１の半田層１８の周辺部にク
ラックが発生していると、放熱効果が低下し、温度が上
昇するので、半導体素子１１の放熱経路の熱抵抗の増加
を検出可能である。
【００２９】一方、前記実施の形態における熱抵抗検出
結果の出力手段の一例として、図１中に示すように、前
記検知素子２１（あるいは３１、または測定回路用ＩＣ
３０あるいは３３）とメタルパターン１６の配線部とを
ボンディングワイヤー１９により接続し、上記検知素子
（あるいは測定回路用ＩＣ）の検出結果を配線および検
出端子１０２を介して半導体装置外部に出力するように
している。
【００３０】上記熱抵抗検出結果の出力手段の他の例と
して、図６中に示すように、前記検知素子２１あるいは
３１の検出結果を適宜処理した警報信号（音声信号、表
示信号など）を生成し、検出端子１０２を介して半導体
装置外部の警報装置（例えば発光ダイオード）１０３に
出力するようにしてもよい。
【００３１】即ち、上記半導体装置によれば、大電力用
半導体素子の発生熱を放散する放熱経路の熱抵抗の増加
を検出でき、使用状態における素子搭載用絶縁基板と放
熱基とを固着する半田のクラック発生などによる脆弱化
を検出して外部に知らせる機能を有するので、大電力用
半導体素子自体の熱抵抗が劣化する以前に適切な対策
（例えば交換）を促すことが可能になる。
【００３２】従って、半導体装置に各種の保護機能を内
蔵する多機能化の方向に進んでいる半導体装置に対する
市場の要求に対応することができ、信頼性の高い大電力
用半導体装置を実現できる。
【００３３】
【発明の効果】上述したように本発明の半導体装置によ
れば、半導体素子の発生熱を放散する放熱経路の熱抵抗
の増加を検出でき、使用状態における素子搭載用絶縁基
板と放熱基とを固着する半田のクラック発生などによる
脆弱化を早期に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の第１の実施の形態に係る
大電力用半導体装置の一例を示す断面図。
【図２】図１中の絶縁基板上の平面パターンの一例を概
略的に示す図。
【図３】図１中の絶縁基板・放熱板間の第２の半田層の
温度サイクル前後における状態の一例を示す図。
【図４】図１中の絶縁基板上に設けられた熱抵抗検出手
段の他の例として熱抵抗検知用素子および熱抵抗測定回
路の配置の一例を示す図。
【図５】図１の大電力用半導体装置に設けられた熱抵抗
検出手段の一具体例として半導体素子のチップ上に配置
された検知素子の配置の一例を示す図。
【図６】図１の大電力用半導体装置に設けられた熱抵抗
検出結果の出力手段の他の例を示す断面図。
【図７】従来の大電力用半導体装置の一例を示す断面
図。
【符号の説明】
１１…大電力用半導体素子（チップ）、 １２…素子搭載用絶縁基板、 １３…放熱板、 １４…第２の半田層、 １５…絶縁基材、 １６…メタルパターン、 １７…メタル、 １８…第１の半田層、 １９…ボンディングワイヤー、 ２１、２２…温度検知素子、 ３０、３３…熱抵抗測定回路、 ３１、３２…熱抵抗検知用素子、 ５１…温度検知素子あるいは熱抵抗検知用素子、 １０１…主端子、 １０２…検出端子、 １０３…警報装置。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体素子と、放熱板と、前記半導体素
    子と放熱板との間に介在し、前記半導体素子を搭載した
    電気伝導度の高い絶縁基板と、前記絶縁基板と放熱板と
    を固着する半田層と、前記半導体素子の使用状態におけ
    る発生熱を放散する放熱経路の熱抵抗の増加を検出する
    熱抵抗検出手段と、上記検出結果を半導体装置外部に出
    力する熱抵抗検出結果出力手段とを具備することを特徴
    とする半導体装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体装置において、前
    記熱抵抗検出手段は、前記絶縁基板上の少なくとも周辺
    部に配置された１個または複数個の温度検知素子の温度
    検知出力に基づいて熱抵抗が一定値以上に増加したこと
    を検出することを特徴とする半導体装置。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の半導体装置において、前
    記熱抵抗検出手段は、前記絶縁基板上の少なくとも周辺
    部に配置された１個または複数個の熱抵抗検知用素子の
    熱抵抗に依存する特性を測定することを特徴とする半導
    体装置。
  4. 【請求項４】 請求項１記載の半導体装置において、前
    記熱抵抗検出手段は、前記半導体素子のチップ上の周辺
    部に配置された温度検知素子を用いて熱抵抗の増加を検
    出することを特徴とする半導体装置。
  5. 【請求項５】 半導体素子と、絶縁基材の素子実装面上
    にメタルパターンが形成されるとともに裏面にメタルが
    形成された絶縁基板と、前記絶縁基板のメタルパターン
    の素子搭載部上に前記半導体素子を搭載した状態で両者
    を固着する第１の半田層と、前記絶縁基板のメタルパタ
    ーンの配線部と前記半導体素子のパッド部との間に接続
    されたボンディングワイヤーと、放熱板と、前記放熱板
    上に前記絶縁基板の裏面のメタルが対接した状態で両者
    を固着する第２の半田層と、前記半導体素子の使用状態
    における発生熱を放散する放熱経路の熱抵抗の増加を検
    出する熱抵抗検出手段と、上記検出結果をチップ外部に
    出力する熱抵抗検出結果出力手段とを具備することを特
    徴とする半導体装置。
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