JPH09275170A

JPH09275170A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH09275170A
Application number: JP8081171A
Authority: JP
Inventors: Akira Morozumi; 両角　　朗; Kenya Sakurai; 建弥桜井; Yoshinori Oda; 佳典小田; Atsushi Miyazawa; 篤宮澤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1996-04-03
Filing date: 1996-04-03
Publication date: 1997-10-21

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の半導体装置と比べて半導体チップ−ヒー
トシンク間の熱抵抗を低めて放熱性を高め、製品の信頼
性向上を図る。【解決手段】半導体チップ４を搭載したセラミックス基
板２と、該セラミックス基板に装着した外囲樹脂ケース
７と、樹脂ケースより引出した外部導出端子５と、ヒー
トシンクとしての冷却体１１との組立体からなり、セラ
ミックス基板を半田などの金属接合材１４，もしくは有
機系耐熱接着剤により冷却体の端面に接合して半導体チ
ップ−冷却体間の放熱経路の熱抵抗を低く抑える。さら
に、冷却体の端面には多数条のスリット状溝１１ａを形
成することにより、接合材の層内に熱抵抗増加の原因と
なるボイドが発生するのを抑え、併せて接合材に働く応
力を分散して接合部の剥離，セラミックス基板のクラッ
ク，割れを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スイッチング電源
装置，定電圧定周波数制御装置（ＣＶＣＦ），可変電圧
可変周波数電源装置（ＶＶＶＦ）などに適用するインバ
ータ，コンバータに組み込んだパワートランジスタモジ
ュール，インテリジェントパワーモジュールを対象とす
る電力用の半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】まず、頭記のパワートランジスタモジュ
ールを対象に、従来における半導体装置の組立構造を図
６に、またその使用状態を図７に示す。図６において、
１は放熱用の金属ベース板、２は金属ベース板の上に搭
載して半田３で接合したセラミックス基板、４はセラミ
ックス基板２にマウントした半導体チップ（ＩＧＢＴな
どのパワーチップ）、５は一端をセラミックス基板２に
半田接合して外部に引出した外部導出端子、６はボンデ
ィングワイヤ、７はセラミックス基板２，半導体チップ
４を包囲して金属ベース板１の周縁に装着した外囲樹脂
ケース、７はケース蓋を兼ねた端子ブロック、９は外囲
樹脂ケース７の内方に充填したゲル状樹脂（シリコーン
ゲル）、１０は上部空間に注入した封止樹脂（エポキシ
樹脂）である。ここで、前記セラミックス基板２は、セ
ラミックス板２ａの表裏両面に銅箔２ｂ，２ｃを貼り合
わせたＣＢＣ基板である。

【０００３】かかる構成の半導体装置は、図７で示すよ
うに、ヒートシンクとしてのAl製冷却体（フィン付き放
熱ブロック）１１の端面に金属ベース板１を重ね合わせ
て締結ねじ１２により固定した上で、インバータ装置な
どに組み込まれる。また、この場合に半導体装置の金属
ベース板１と冷却体１１の接触面間に残る空隙を埋めて
両者間の伝熱性を確保するために、一般にシリコーン系
の放熱グリース１３を金属ベース板１と冷却体１１との
接触面に塗布している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記のよう
にセラミックス基板２を銅などの金属ベース板１に搭載
した構造の半導体装置を別部品の冷却体１１に取付ける
際に、金属ベース板１と冷却体１１の端面の間に放熱グ
リース１３を塗布してねじ１２で締結したものでは、放
熱性などの面で次記のような問題点がある。すなわち、１）パワートランジスタなどの半導体チップは通電に伴
ってジャンクションに多量の熱が発生するが、先記した
従来の構成では半導体チップ４の発生熱はセラミックス
基板２から金属ベース板１に伝熱し、さらに金属ベース
板１から放熱グリース１３を経て冷却体１１に伝熱した
後、冷却体１１より系外に放熱される。したがって、金
属ベース板１と冷却体１１との間の接触界面の熱伝導性
の良否が、半導体装置，および半導体装置を組み込んだ
電子機器の動作特性に大きく影響を与える。

【０００５】しかしながら、放熱グリース１３は金属に
比べて熱伝導性が低くく、この放熱グリースが伝熱抵抗
として冷却体１１との間の熱伝導性を妨げる。この結
果、冷却体１１のもつ放熱機能が十分に発揮されなくな
る。なお、セラミックス基板（ＣＢＣ基板）２のセラミ
ックス板２ａを窒化アルミニウム、金属ベース板１を
銅，冷却体１１をアルミニウムとして、放熱グリース13
と比較した各材料の熱伝導率は次の通りである。

【０００６】窒化アルミニウム：１８０Ｗ／ｍＫ銅：３９３Ｗ／ｍＫアルミニウム：２３８Ｗ／ｍＫ放熱グリース：１Ｗ／ｍＫ２）図８は図６，図７に示した従来の半導体装置（１０
０Ａクラス）について、半導体チップのジャンクション
−金属ベース間の熱抵抗Ｒth(j-c),およびジャンクショ
ン−冷却体間の熱抵抗Ｒth(j-f) お時間依存性を表した
熱抵抗特性図であり、この特性図から判るように、金属
ベース板−冷却体間の接触熱抵抗はジャンクション−冷
却体間の熱抵抗の約３０％を占めており、放熱グリース
自身の熱抵抗が半導体装置の放熱性を悪化させる大きな
原因となっている。

【０００７】３）半導体装置の金属ベース板１をねじ１
２で冷却体１１に締結する際に、両者間の接触面の平坦
度が低いと、金属ベース板１に半田接合したセラミック
ス基板２に曲げ応力が生じる。また、セラミックス基板
と金属ベース板，冷却体との熱膨張係数差に起因するバ
イメタル効果により、通電時のヒートサイクルでセラミ
ックス基板に反り，熱応力が生じる。この結果、曲げ強
度，撓み許容量の小さいセラミックス基板２にクラッ
ク，割れが生じて絶縁不良を来すおそれがあるほか、セ
ラミックス基板／金属ベース板間の半田層が剥離, 疲労
破壊を生じ、これが原因で熱抵抗が一層増加して半導体
チップが熱的破壊に至るおそれがある。

【０００８】なお、セラミックス基板のクラック防止対
策として、セラミックス基板を分割して個々の基板に加
わる撓み量を低く抑える方法が一部で実施されている
が、この方式では回路の集積度が低下して半導体装置が
大形化するほか、部品点数の増加に伴い基板相互間での
内部配線も複雑化してコスト高となる。本発明は上記の
点にかんがみなされたものであり、その目的は前記課題
を解決し、従来の構成と比べて放熱性の大幅な改善が図
れるように構成した新規な半導体装置を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体装置は、半導体チップを搭載したセ
ラミックス基板と、該セラミックス基板に装着した外囲
樹脂ケースと、一端をセラミックス基板に接続して樹脂
ケースより引出した外部導出端子と、ヒートシンクとし
ての冷却体とからなり、前記セラミックス基板を冷却体
の端面に接合して構成するものとする。

【００１０】また、前記構成を基本として、本発明によ
れば、次記のような具体的態様で半導体装置を構成す
る。１）セラミックス基板はセラミックス板の両面に銅箔を
貼り合わせたＣＢＣ基板とする。２）冷却体の材質は、Al, Alを主成分とする合金、Cu,
Cuを主成分とする合金、Fe, Feを主成分とする合金のい
ずれかとする。

【００１１】３）冷却体を液冷式ヒートシンクとして、
その基体に冷却媒体が循環通流する導管を設ける。４）セラミックス基板と冷却体の端面との間を金属の接
合材でろう付けするものとし、この金属接合材としてS
n, Pbを主成分とする合金、Alを主成分とする合金のい
ずれかを用いる。

【００１２】５）セラミックス基板と冷却体の端面との
間を有機系耐熱接着剤で接合するものとし、この有機系
耐熱接着剤にシリコーン樹脂接着剤に金属粒子を混入し
たもの用いる。６）セラミックス基板と冷却体とを接合する前記の接合
材厚さを５０〜３００μｍの範囲に定める。

【００１３】７）セラミックス基板と冷却体との間を前
記の金属接合材，接着剤で接合する場合に、冷却体の端
面に多数条のスリット状溝，もしくはディンプルを形成
しておく。８）冷却体の端面に、金属接合材との親和性を高める金
属薄膜を被着形成する。また、その場合に金属薄膜を複
数層として、各層の金属薄膜をその熱膨張係数が冷却体
からセラミックス基板に向けて順に小さくなるように選
定する。

【００１４】９）セラミックス基板と冷却体との間に、
熱膨張係数が冷却体よりも小さくてセラミックスに近い
材質の応力緩和材を介挿して拡散接合，もしくは接合材
を介して貼り合わせるものする。また、この応力緩和材
にMo, Ｗ，Cu, Fe、もしくはこれらを主成分とする合金
のいずれかを用いる。１０）外囲樹脂ケースをセラミックス基板の周縁との間
で有機系耐熱性接着剤により接合し、さらに外囲樹脂ケ
ースを冷却体の端面にねじ締結する。

【００１５】上記構成のように、従来の半導体装置にお
ける金属ベース板, 放熱グリースを排除し、セラミック
ス基板と冷却体との間を金属接合材でろう付けするか、
もしくは耐熱性接着剤で接合して組立てたことにより、
半導体チップのからヒートシンクに至る伝熱経路の伝熱
抵抗が低下して放熱性が大幅に向上する。この場合に、
金属接合材, 接着剤の層厚は薄過ぎると応力緩和効果が
低くなり、また層厚が厚過ぎると熱抵抗が増大するが、
層厚を５０〜３００μｍの範囲に定めることで実用的に
応力緩和効果を発揮しつつ熱抵抗を低く抑えることがで
きる。さらに、冷却体を液冷式のヒートシンクとするこ
とで、放熱性がより一層高まる。

【００１６】また、セラミックス基板と冷却体との間を
金属接合材（例えば半田シート）でろう付けする場合
に、あらかじめ冷却体の端面にスリット状溝，ディンプ
ルを形成しておくことにより、ろう付けの過程で冷却体
の端面と溶融状態の金属接合材との間に閉じ込められた
エアが溝を通じて外部に排出されるので、金属接合材に
接合欠陥の原因となるボイドの発生が防げるほか、セラ
ミックス基板と冷却体との熱膨張係数差に起因して生じ
る熱的応力がスリット状溝，ディンプルで分散されるの
で、接合材の剥離，クラックなどが良好に防げる。

【００１７】また、セラミックス基板と冷却体との間を
金属接合材でろう付けする場合に、あらかじめ冷却体の
端面に金属接合材との親和性を高める金属薄膜を成層し
ておくことでろう付けの接合性が向上する。加えて、こ
の金属薄膜を複数層として、各層の金属薄膜をその熱膨
張係数が冷却体からセラミックス基板に向けて順に小さ
くなるように選定することで、セラミックス基板に加わ
る熱的応力が緩和される。

【００１８】また、セラミックス基板と冷却体との間
に、熱膨張係数が冷却体よりも小さくてセラミックスに
近い熱的応力緩和用の金属材を介挿して拡散接合，もし
くは接合材を介して貼り合わせることで、前記と同様に
セラミックス基板に加わる熱的応力を緩和できる。ま
た、外囲樹脂ケースをセラミックス基板の周縁との間で
有機系耐熱性接着剤により接合し、さらに外囲樹脂ケー
スを冷却体の端面にねじ締結することで、組立強度がよ
り一層強化されて信頼性が向上する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１ない
し図５に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図
６，図７に対応する同一部材には同じ符号が付してあ
る。まず、図１において、本発明による半導体装置は、
基本的にセラミックス基板（ＣＢＣ基板）２と、セラミ
ックス基板２に搭載した半導体チップ４と、外部導出端
子５と、外囲樹脂ケース７と、ケース内に充填したゲル
状樹脂９とで組立てた半導体モジュールと、この半導体
モジュールに取付けたヒートシンクとしてのAl製の冷却
体１１とで構成され、かつ前記セラミックス基板２の裏
面側に貼り合わせた銅箔２ｃと冷却体１１の端面との間
が、Sn, Pbを主成分とする合金（半田），あるいはAlを
主成分とする合金の金属接合材１４でろう付け接合され
ている。また、外囲樹脂ケース７はセラミックス基板２
の周縁に有機系耐熱接着剤１５で接合され、かつ樹脂ケ
ース７の外周フランジ部７ａが締結ねじ１２により冷却
体１１に固定されている。なお、金属系の接合材１４の
代わりに、有機系耐熱性接着剤、例えばシリコーン樹脂
に伝熱性を高めるようAgなどの金属粒子を混入した接着
剤でセラミックス基板２と冷却体１１とを接合すること
もできる。

【００２０】上記構成から判るように、実施例の半導体
装置は、図６，図７で述べた従来の半導体装置の構成と
比べて、金属ベース板１が省略されており、かつ金属ベ
ース板１と冷却体１１との間の接触面に塗布した放熱グ
リース１３も使用ない。さらに、図１（ａ),（ｂ）の実
施例では、冷却体１１の端面に深さ１mm，幅２mm程度の
スリット状溝１１ａが多数条形成されている。このスリ
ット状溝１１ａは、図２（ａ）の縞状，あるいは（ｂ）
の碁盤目状のパターンに形成される。また、スリット状
溝１１ａの代わりに、図２（ｃ）で示すように冷却体１
１の端面に多数のディンプル１１ｂを形成してもよい。

【００２１】このように、セラミックス基板２と接合す
る冷却体１１の端面にスリット状溝１１ａ，あるいはデ
ィンプル１１ｂを形成しておくことにより、冷却体１１
の端面上に半田シートを挟んでセラミックス基板２を載
置して半田付する過程で、スリット状溝１１ａ，ディン
プル１１ｂの隙間を通して接合面域からエアを逃がすこ
とができ、これによりろう付け接合部（例えば半田接合
部）に接合欠陥，伝熱抵抗増加の原因となるボイドの発
生が防げる。また、セラミックス基板２と冷却体１１と
の熱膨張係数差に起因して接合部に加わる熱的応力がス
リット状溝１１ａ，ディンプル１１ｂで分散されるの
で、金属接合部の剥離，クラックなどの欠陥発生が防止
できる。

【００２２】また、図３に示す実施例では、冷却体１１
に水冷式のヒートシンクを採用し、冷却体の基体に外部
から水などの冷却媒体を循環送流する冷媒導管１６が蛇
行状に配管されている。これにより、冷却体１１の放熱
性能がより一層高まる。次に、図４（ａ),（ｂ）は本発
明の応用実施例を示すものである。すなわち、図１で述
べたように、セラミックス基板２と冷却体１１の端面と
の間を金属接合材１４，例えば半田で接合する場合に、
半田と親和性を高めてAl製の冷却体１１との間で十分な
接合強度を得るために、冷却体１１の端面にあらかじめ
Cu, Ni,Crなどの金属薄膜１７を蒸着法などにより被着
形成したものである。ここで、図４（ａ）は金属接合材
と親和性のある前記材料を選んで金属薄膜１７を単層形
成しており、（ｂ）ではセラミックス基板と冷却体との
熱膨張係数差に起因する熱的応力を緩和させるために、
金属薄膜を１７ａ，１７ｂ，１７ｃの３層として、各層
の金属薄膜の材料を冷却体１１からセラミックス基板２
（図１参照）に向けて熱膨張係数が順に小さくなるよう
に設定している。図示例では、冷却体１１に近い方の薄
膜層１７ａをCu，中間の薄膜層１７ｂをNi，セラミック
ス基板に隣接する薄膜層１７ｃを最も熱膨張係数の小さ
なCrとしており、これにより応力緩和の効果が発揮でき
る。

【００２３】さらに、図５に熱的応力の緩和策を施した
本発明の応用実施例を示す。この実施例においては、半
導体モジュールのセラミックス基板２を冷却体１１の端
面に半田付けする際に、セラミックス基板２の裏面側に
Mo, Ｗ，Cu, Fe、もしくはこれらを主成分とする合金で
作られた応力緩和材１８として例えば板厚0.５mm程度の
薄いMo板を重ね合わせて接合したものである。このMo板
の熱膨張係数は4.９×１０^-6／Ｋで、Siの半導体チッ
プ，およびアルミナ, 窒化アルミニウムなどのセラミッ
クス基板材料の熱膨張係数に近く、かつ物性としてセラ
ミックスよりも強靱である。これにより、Mo板がセラミ
ックス基板２の補強板の役目を果たし、Al製の冷却体１
１とセラミックス基板２との熱膨張係数差に起因してセ
ラミックス基板２に働く熱的応力を緩和できる。なお、
応力緩和材１８としてのMo板は、セラミックス基板２，
冷却体１１に対して半田付けなどの金属接合材１４，あ
るいは有機系耐熱接着剤で接合するほか、接合材を用い
ずに拡散接合法などで直接接合することもできる。

【００２４】なお、発明者等は前記実施例の構成になる
半導体装置（パワートランジスタモジュール）につい
て、半導体チップのジャンクション−冷却体（ヒートシ
ンク）間の熱抵抗の時間依存性を実測によって求め、そ
の測定結果を基に図７に示した従来構成のものと対比し
て図９に示す熱抵抗特性を得た。この特性図から判るよ
うに、本発明によるジャンクション−冷却体間の熱抵抗
Ｒth(j-f')は、放熱グリースを塗布してモジュールの金
属ベース板と冷却体との間を伝熱結合する従来構成の熱
抵抗Ｒth(j-f) と比べて、熱抵抗が大幅に低減している
ことが評価, 確認できる。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の構成によれ
ば、従来構成における金属ベース板,放熱グリースを排
除して、半導体チップを搭載したセラミックス基板をヒ
ートシンクである冷却体の端面に接合して半導体装置を
組立て構成したたとにより、従来構成の半導体装置と比
べて半導体チップと冷却体との間の熱抵抗を大幅に低減
して放熱性の改善，製品の信頼性向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の組立構造を表す図であり、
（ａ）は構成断面図、（ｂ）は（ａ）図における要部の
拡大図

【図２】図１における冷却体の溝，ディンプルのパター
ンを表す平面図であり、（ａ),（ｂ）はスリット状溝の
パターン図、（ｃ）はディンプルのパターン図

【図３】冷却体に液冷式ヒートシンクを採用した本発明
の応用実施例の構成図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）
は平面図

【図４】冷却体の端面に金属薄膜を成層した本発明の応
用実施例を表す図であり、（ａ）は単層，（ｂ）は複数
層の金属皮膜を成層した冷却体の側面図

【図５】冷却体とセラミックス基板の間に応力緩和材を
介挿した本発明の応用実施例の構成を表す断面図

【図６】従来における半導体装置の構成断面図

【図７】図６の半導体装置を冷却体に取付けた使用状態
を表す図

【図８】図７の半導体装置における熱抵抗特性図

【図９】本発明の実施例と従来構成の半導体装置を対比
して表した熱抵抗特性図

【符号の説明】

２セラミックス基板（ＣＢＣ基板）２ａセラミックス板２ｂ，２ｃ銅箔４半導体チップ５外部導出端子７外囲樹脂ケース１１冷却体（ヒートシンク）１１ａスリット状溝１１ｂディンプル１２締結ねじ１４金属接合材１５接着剤１６冷媒導管１７，１７ａ〜１７ｃ金属薄膜１８応力緩和剤（Mo板)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮澤篤神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体チップを搭載したセラミックス基板
と、該セラミックス基板に装着した外囲樹脂ケースと、
一端をセラミックス基板に接続して樹脂ケースより引出
した外部導出端子と、ヒートシンクとしての冷却体とか
らなり、前記セラミックス基板を冷却体の端面に接合し
たことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】請求項１記載の半導体装置において、セラ
ミックス基板がセラミックス板の両面に銅箔を貼り合わ
せたＣＢＣ基板であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】請求項１記載の半導体装置において、冷却
体の材質が、Al, Alを主成分とする合金、Cu, Cuを主成
分とする合金、Fe, Feを主成分とする合金のいずれかで
あることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】請求項３記載の半導体装置において、冷却
体を液冷式ヒートシンクとして、その基体に冷却媒体が
循環通流する導管を設けたことを特徴とする半導体装
置。
【請求項５】請求項１ないし４記載の半導体装置におい
て、セラミックス基板と冷却体の端面との間を金属の接
合材でろう付けしたことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】請求項５記載の半導体装置において、金属
の接合材がSn, Pbを主成分とする合金、Alを主成分とす
る合金のいずれかであることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】請求項１ないし４に記載の半導体装置にお
いて、セラミックス基板と冷却体の端面との間を有機系
耐熱接着剤で接合したことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】請求項７記載の半導体装置において、有機
系耐熱接着剤がシリコーン樹脂接着剤に金属粒子を混入
したものであることを特徴とする半導体装置
【請求項９】請求項５ないし８のいずれかに記載の半導
体装置において、セラミックス基板と冷却体とを接合す
る接合材の厚さを５０〜３００μｍの範囲に定めたこと
を特徴とする半導体装置。
【請求項１０】請求項５ないし８のいずれかに記載の半
導体装置において、冷却体の端面に多数条のスリット状
溝，もしくはディンプルを形成したことを特徴とする半
導体装置。
【請求項１１】請求項５，または６記載の半導体装置に
おいて、冷却体の端面に、金属接合材との親和性を高め
る金属薄膜を被着形成したことを特徴とする半導体装
置。
【請求項１２】請求項１１記載の半導体装置において、
金属薄膜が複数層からなり、かつ各層の金属薄膜の熱膨
張係数が冷却体からセラミックス基板に向けて順に小さ
くなるように選定したことを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】請求項１ないし４記載の半導体装置にお
いて、セラミックス基板と冷却体との間に、熱膨張係数
が冷却体よりも小さくてセラミックスに近い材質の応力
緩和材を介挿して拡散接合，もしくは接合材を介して貼
り合わせたことを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】請求項１３記載の半導体装置において、
応力緩和材の材質が、Mo, Ｗ，Cu, Fe、もしくはこれら
を主成分とする合金のいずれかであることを特徴とする
半導体装置。
【請求項１５】請求項１記載の半導体装置において、外
囲樹脂ケースをセラミックス基板の周縁との間で有機系
耐熱性接着剤により接合し、さらに冷却体の端面にねじ
締結したことを特徴とする半導体装置。