JPWO2016009741A1 - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図9に示す半導体装置101は、金属製のベース板102を備えている。このベース板102は、図示しないヒートシンク(heat sink)にボルトで取り付けるための貫通孔102aを有している。ベース板102上には、積層基板103が接合材104により接合されている。接合材104は、具体的にははんだである。積層基板103は、絶縁板131と、絶縁板131の一方の面に設けられた金属板132と、絶縁板131のもう一方の面に設けられ、所定の回路を形成する回路板133とからなる。積層基板103は一例ではDCB(Direct Copper Bond)基板である。
接合材104をある程度の厚みとするために、ベース板102には、その主面に突起121が配置されている。突起121によりベース板102と金属板132と距離が規制され、突起121の高さと同じ厚みの接合材104が得られる。
図1は、本発明の実施形態1の半導体装置1の断面図(図1(a))及び平面図(図1(b))である。半導体装置1は、積層基板3と、半導体チップ5と、ベース板2と、接合材4を備えている。
また、本実施形態の半導体装置1は、図1に図示しない部材も備えている。例えば半導体チップ5の電極と回路板33とを電気的に接続する配線部材や、回路板33と電気的かつ機械的に接続される外部端子や、半導体チップ5及び積層基板3等を収容する枠体や、枠体の内部空間に充填される封止材等を備えている。
絶縁板31は例えば窒化アルミニウムや窒化珪素、酸化アルミニウム等の絶縁性セラミックスよりなり、金属板32および回路板33は、例えば銅よりなる。絶縁板31及び金属板32は、略長方形の平面形状を有している。そして回路板33は、図示した例では所定の回路パターンが形成された回路板33a、33b、33c、33dを有している。回路板33の沿面距離を確保するために、絶縁板31の長辺及び短辺は共に、金属板32及び回路板33よりも大きい。積層基板3は、これらの絶縁板31と金属板32、回路板33とを直接接合したDCB基板等を用いることができる。
またベース板2は、図示しないヒートシンクを主面の反対面にボルトで取り付けるための貫通孔2aを、配置領域の外側に有している。ヒートシンクにベース板2をボルトで取り付ける際、グリース等を塗布して放熱性を高めているが、グリースが全面に塗り広がるように、ベース板2はヒートシンク側に凸に反らせる場合が多い。このため、回路板33側に凸に反った積層基板3を用いた場合、図1に示すように反りの向きが逆になるため、積層基板3の端部の接合材4の厚みがさらに薄くなりやすい。このため、接合材4のクラックの問題が顕著となる。
しかし、溝22Aが300μmを超えると、クラック抑制の効果が飽和し、また、放熱性が低下するおそれがあるため好ましくない。溝22Aにおいて、最大深さである位置は、積層基板3の金属板32の端をベース板2に垂直に投影したときの位置と同じにすることが好ましい。
ベース板202には断面矩形形状の溝222が設けられている。本実施形態の溝22Aとの違いは、突起側に積層基板の反りに対応した傾斜22Abではなく、垂直な側面222bが設けられている点である。
図4に示した参考例において、側面222bの近傍における接合材204の厚さは、突起221の高さおよび溝222の深さの合計とほぼ等しくなっている。このため、側面222bの近傍においては、接合材204が所定の厚さ(すなわち突起21の高さ)と比べて大幅に厚くなっている。結果として、金属板232の外縁においては、積層基板3からベース板2への放熱性が著しく悪化している。
また、傾斜22Abを有する溝22Aは、垂直な側面222bを有する溝222よりも、接合時に溶融した接合材4の中に発生するボイドが抜け易い。そのため、接合材の信頼性が高く、クラックの発生、進展を更に抑制することができる。
一方、溝22Aは、角が鈍角な三角形状の金型を用いたプレス加工により形成することができる。このプレス加工は、参考例に比べて加工の難易度が低く、また金型寿命も長い。よって、製造コストを低減することができる。
図5に示すように、溝22Aは、それぞれ配置領域の四隅の外側に配置され、4個の突起21を外側の二方で囲んでいる。そして、溝22Aは、配置領域の短辺側及び、配置領域の長辺側にはそれぞれ中央部を除いて配置されている。
なお、図1では、一つのベース板2に一つの積層基板3が接合されているが、一つのベース板2に複数の積層基板3が接合されている構成とすることもできる。
図8を用いて本発明のパワー半導体モジュールの実施形態2について説明する。
図8は、第2実施形態の半導体装置1のベース板2の平面図であり、先に説明した第1実施形態の図5に対応する図面である。第2実施形態の半導体装置1は、第1実施形態の溝22Aとは異なる平面形状の溝22Dを有している。それ以外の部材の構成については先に説明した第1実施形態の半導体装置1と同じである。また、図8において、図5と同一部材については同一の符号を付している。したがって、以下の説明では第1実施形態と重複する記載は省略する。
結果として、本実施形態により、積層基板3の反りが大きくなった場合においても、ベース板2と積層基板3との接合材4にクラックが発生、進展するのを抑制しつつ放熱性を高めることができる。
本実施形態における溝22Dの断面形状は特に限定されないが、図3、図6および図7で説明した第1実施形態の溝と同様とすることができる。
2 ベース板
21 突起
22A、22B、22C、22D 溝
3 積層基板
31 絶縁板
32 金属板
33 回路板
4、6 接合材
5 半導体チップ
ベース板202には断面矩形形状の溝222が設けられている。本実施形態の溝22Aとの違いは、突起側に積層基板の反りに対応した傾斜22Abではなく、垂直な側面222bが設けられている点である。
図4に示した参考例において、側面222bの近傍における接合材204の厚さは、突起221の高さおよび溝222の深さの合計とほぼ等しくなっている。このため、側面222bの近傍においては、接合材204が所定の厚さ(すなわち突起21の高さ)と比べて大幅に厚くなっている。結果として、金属板232の外縁においては、積層基板203からベース板202への放熱性が著しく悪化している。
Claims (10)
- 回路板、絶縁板及び金属板が積層して構成され、前記回路板側に凸に反った積層基板と、
前記回路板に固定された半導体チップと、
前記積層基板が配置される所定の配置領域と、前記配置領域の外縁に配置された溝と、前記溝に隣接して前記溝よりも前記配置領域の内側に配置された突起を有し、前記溝には前記積層基板の反りによる傾きに対応した傾斜が前記突起側に設けられているベース板と、
前記金属板と前記配置領域との間に充填され、前記溝を埋める接合材と、
を備える半導体装置。 - 回路板、絶縁板及び金属板が積層して構成され、前記回路板側に凸に反った積層基板と、
前記回路板に固定された半導体チップと、
前記積層基板が配置される所定の配置領域と、前記配置領域の外縁に配置された溝と、前記溝に隣接し、前記溝よりも前記配置領域の内側に配置された突起を有し、前記溝は前記配置領域の短辺側には連続して配置され、前記配置領域の長辺側には中央部を除いて配置されるベース板と、
前記金属板と前記配置領域との間に充填され、前記溝を埋める接合材と、
を備える半導体装置。 - 前記溝には、前記積層基板の反りによる傾きに対応した傾斜が前記突起側に設けられている請求項2記載の半導体装置。
- 前記溝は、断面で三角形状、円弧形状、もしくは台形形状である請求項1又は3記載の半導体装置。
- 前記溝の最大深さが、前記ベース板の表面から100μm以上、300μm以下である請求項1又は3記載の半導体装置。
- 前記溝の最大深さである位置は、前記金属板の端を前記ベース板に垂直に投影した位置と同じである請求項1又は3に記載の半導体装置。
- 前記配置領域における前記溝の内側の縁が、前記半導体チップを前記ベース板に垂直に投影した位置よりも外側に位置する請求項1又は3に記載の半導体装置。
- 前記配置領域における前記溝の外側の縁が、前記絶縁板の端を前記ベース板に垂直に投影した位置と同じである請求項1又は3記載の半導体装置。
- 前記配置領域における前記溝の外側の縁が、前記絶縁板の端を前記ベース板に垂直に投影した位置より内側に位置する請求項1又は3記載の半導体装置。
- 前記積層基板は略長方形の平面形状であり、
前記突起は前記配置領域の四隅の近傍にそれぞれ配置されている請求項1又は3記載の半導体装置。
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