JPWO2019167509A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

熱応力の発生と共に、品質の低下を抑制することができる。半導体装置（１０）は、側断面視で、導電パターン（１５ａ）の第１端面（１５ａ１）の位置は、ディンプル（１６ａ）の最外端部（１６ａ１）の位置と、ディンプル（１６ｂ）の最内端部（１６ｂ２）の位置との間に位置している。このため、半導体装置（１０）における温度変化に応じた熱応力がセラミック回路基板（１３）に生じても、複数のディンプル（１６ａ，１６ｂ）により温度変化によるセラミック回路基板（１３）に対する変形が緩和されるようになる。したがって、セラミック回路基板（１３）の割れ、金属板（１６）並びに導電パターン（１５ａ）の剥がれを防止することができる。

Description

本発明は、半導体装置に関する。
ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の半導体素子を含む半導体装置は、例えば、電力変換装置として利用されている。このような半導体装置は、当該半導体素子と共に絶縁板と絶縁板のおもて面に形成され、半導体素子が配置される複数の導電パターンと絶縁板の裏面に形成された金属板とを有するセラミック回路基板を含んでいる。さらに、半導体装置は、動作時に半導体素子の発熱を冷却するために、上記セラミック回路基板が、例えば、銅で構成されたヒートシンク等の放熱部に配置される。
このような半導体装置では、半導体素子をセラミック回路基板、セラミック回路基板を放熱部にそれぞれはんだを介して接合する際に加熱されて、冷却される。また、半導体装置は自身の動作に応じて温度変化し、また、外部環境の温度変化を受ける。このため、セラミック回路基板は、絶縁板の導電パターン並びに金属板に対する熱膨張係数の差により、熱応力を受けてしまう。セラミック回路基板が熱応力を受けてしまうと、絶縁板が割れてしまうおそれがある。これが半導体装置の信頼性の低下につながる。
そこで、セラミック回路基板に、ディンプル（孔）を形成することで、セラミック回路基板に発生する熱応力を緩和することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
米国特許第５５２７６２０号明細書
特許文献１に記載されたディンプルは、セラミック回路基板の導電パターンのおもて面に形成される。そのため、半導体素子、電子部品や配線部材等の実装面積が少なくなり、相対的に大きなセラミック回路基板が必要であった。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、コンパクトで、熱応力を緩和することができ、信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の一観点によれば、半導体素子と、絶縁板と前記絶縁板のおもて面に形成され、前記半導体素子が配置される導電パターンと前記絶縁板の裏面に形成され、前記導電パターンの第１端面の位置よりも外側に位置する第２端面を備え、複数の第１凹部が外周縁部の少なくとも一部に沿って裏面に形成された金属板とを有する基板と、を有し、側断面視で、前記第１凹部の最外端部の位置は前記導電パターンの前記第１端面の位置よりも外側に位置している、半導体装置が提供される。
また、前記金属板の裏面に複数の第２凹部が前記複数の第１凹部の内側に前記外周縁部に沿って形成されている。
また、側断面視で、前記第２凹部の最内端部は、前記第１端面よりも内側に位置している。
また、側断面視で、前記第２凹部の前記最内端部が前記半導体素子の第３端面の位置よりも外側に位置している。
また、前記金属板の裏面に前記第１凹部と前記第２凹部との間に、前記外周縁部に沿って複数列の凹部が形成されている。
また、前記金属板の裏面に形成された前記第１凹部同士の間隔は、０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下である。
また、前記第１凹部の底部から前記金属板のおもて面までは第１厚さの厚みが存在している。
また、前記第１厚さは、前記金属板の厚さに対して、３０％以上、９５％以下である。
また、前記第２凹部の底部から前記金属板のおもて面までは第２厚さの厚みが存在している。
また、前記第２厚さは、前記金属板の厚さに対して、３０％以上、９５％以下である。
また、前記複数の第１凹部が前記金属板の裏面に前記外周縁部に沿って環状に形成されている。
また、前記半導体素子は、前記第１凹部が形成されている前記金属板の裏面の第１領域よりも中央側の第２領域上に対応する前記導電パターン上に配置されている。
また、側断面視で、前記第１凹部の最内端部の位置は前記導電パターンの前記第１端面の位置よりも内側に位置している。
また、前記基板がはんだを介して接合されている放熱板をさらに有する。
開示の技術によれば、コンパクトで、熱応力を緩和して、半導体装置の信頼性の低下を防止することができる。
本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。
第１の実施の形態の半導体装置の側断面図である。 第１の実施の形態の半導体装置のセラミック回路基板の金属板の裏面の平面図である。 参考例の半導体装置の要部拡大側断面図（その１）である。 参考例の半導体装置の要部拡大側断面図（その２）である。 第１の実施の形態の半導体装置の要部拡大側断面図である。 第２の実施の形態の半導体装置の要部拡大側断面図である。 第３の実施の形態の半導体装置の要部拡大側断面図である。
以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。
［第１の実施の形態］
まず、第１の実施の形態の半導体装置について図１を用いて説明する。図１は、第１の実施の形態の半導体装置の側断面図である。半導体装置１０は、図１に示されるように、半導体素子１１ａ，１１ｂと、半導体素子１１ａ，１１ｂがおもて面に接合されたセラミック回路基板１３（基板）と、セラミック回路基板１３の裏面に接合された放熱板１７とを有している。なお、このように図１に示す半導体装置１０は、後述する図２における第１領域１６ｃ及び第２領域１６ｄを含むような位置の断面図である。
半導体素子１１ａ，１１ｂは、例えば、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子を含んでいる。当該スイッチング素子は、シリコンまたは炭化シリコンから構成される。このような半導体素子１１ａ，１１ｂは、例えば、裏面にドレイン電極（または、コレクタ電極）を、おもて面にゲート電極及びソース電極（または、エミッタ電極）をそれぞれ備えている。また、半導体素子１１ａ，１１ｂは、必要に応じて、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等のダイオードを含んでいる。このような半導体素子１１ａ，１１ｂは、裏面に主電極としてカソード電極を、おもて面に主電極としてアノード電極をそれぞれ備えている。なお、図１に示す半導体素子１１ａ，１１ｂの個数（２個）は一例である。この場合に限らずに、適宜設計により個数を定めることができる。
セラミック回路基板１３は、絶縁板１４と絶縁板１４のおもて面に形成された導電パターン１５ａ，１５ｂと絶縁板１４の裏面に形成された金属板１６とを有している。絶縁板１４は、熱伝導性に優れた、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素等の熱伝導性が高いセラミックスにより構成されている。絶縁板１４の厚さは、好ましくは、０．２ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下であり、より好ましくは、０．２５ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下である。導電パターン１５ａ，１５ｂは、導電性に優れた材質により構成されている。このような材質として、例えば、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの一種を含む合金等により構成されている。導電パターン１５ａ，１５ｂの厚さは、好ましくは、０．１ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下であり、より好ましくは、０．１２５ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下である。このような導電パターン１５ａ，１５ｂ上に、半導体素子１１ａ，１１ｂがはんだ１２ａ，１２ｂを介してそれぞれ接合されている。なお、このような導電パターン１５ａ，１５ｂ上には、半導体素子１１ａ，１１ｂの他に、サーミスタやコンデンサ等の電子部品、ボンディングワイヤー、リードフレームや接続端子等の配線部材を、適宜配置することができる。また、導電パターン１５ａ，１５ｂは、耐食性に優れた材質によりめっき処理を行うことも可能である。このような材質は、例えば、ニッケル、チタン、クロム、モリブデン、タンタル、ニオブ、タングステン、バナジウム、ビスマス、ジルコニウム、ハフニウム、金、銀、白金、パラジウム、または、少なくともこれらの一種を含む合金等である。なお、図１に示す導電パターン１５ａ，１５ｂも個数、配置位置並びに形状は一例である。この場合に限らずに、適宜設計により個数、配置位置並びに形状を定めることができる。
金属板１６は、熱伝導性に優れた銅、アルミニウム、鉄、銀、または、少なくともこれらの一種を含む合金等の金属により構成されている。金属板１６の厚さＴ１は、好ましくは、０．１ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下であり、より好ましくは、０．１２５ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下である。また、金属板１６の裏面に複数のディンプル１６ａ，１６ｂ（凹部）がそれぞれ形成されている。ディンプル１６ａ，１６ｂは、金属板１６を貫通するものではない。ディンプル１６ａ，１６ｂの深さＤは、好ましくは、金属板１６の厚さＴ１の３０％以上、９５％以下であって、より好ましくは、金属板１６の厚さＴ１の６０％以上、９０％以下である。ディンプル１６ａ，１６ｂは、深くすることで応力を緩和する効果を大きくすることができる。一方、深すぎると、はんだ１８とディンプル１６との間に空隙が生じやすく、放熱性の低下や部分放電が発生するおそれがある。例えば、金属板１６の厚さＴ１が０．３ｍｍ程度である場合に、ディンプル１６ａ，１６ｂの深さＤは０．２５ｍｍ程度であって、ディンプル１６ａ，１６ｂの底部から金属板１６のおもて面までの厚さＴ２は０．０５ｍｍ程度である。また、金属板１６には、図１に示されるように第１領域及び第２領域が設定されている。なお、金属板１６のディンプル１６ａ，１６ｂ並びに第１領域及び第２領域の詳細については後述する。
このような構成を有するセラミック回路基板１３として、例えば、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板、ＡＭＢ（Active Metal Blazed）基板を用いることができる。セラミック回路基板１３は、半導体素子１１ａ，１１ｂで発生した熱を導電パターン１５ａ，１５ｂ、絶縁板１４及び金属板１６を介して、放熱板１７に伝導させることができる。なお、絶縁板１４は平面視で、例えば、矩形状を成している。また、金属板１６は平面視で、絶縁板１４よりも面積が小さな矩形状を成している。したがって、セラミック回路基板１３は、例えば、矩形状を成している。
放熱板１７は、図１に示されるように、そのおもて面にセラミック回路基板１３がはんだ１８を介して配置されている。このような放熱板１７は、熱伝導性に優れた、例えば、アルミニウム、鉄、銀、銅、または、少なくともこれらの一種から構成される合金、アルミニウムと炭化シリコンからなる複合材、マグネシウムと炭化シリコンとからなる複合材により構成されている。また、耐食性を向上させるために、例えば、ニッケル等の材料をめっき処理等により放熱板１７の表面に形成してもよい。具体的には、ニッケルの他に、ニッケル−リン合金、ニッケル−ボロン合金等がある。なお、この放熱板１７の裏面側に冷却器（図示を省略）をはんだまたは銀ろう等を介して接合させ、または、サーマルペースト等を介して機械的に取りつけてもよい。これにより放熱性をさらに向上させることも可能である。この場合の冷却器は、例えば、熱伝導性に優れたアルミニウム、鉄、銀、銅、または、少なくともこれらの一種から構成される合金等により構成されている。また、冷却器として、フィン、または、複数のフィンから構成されるヒートシンク並びに水冷による冷却装置等を適用することができる。また、放熱板１７は、このような冷却器と一体化されていてもよい。その場合は、熱伝導性に優れたアルミニウム、鉄、銀、銅、または、少なくともこれらの一種により構成される。そして、耐食性を向上させるために、例えば、ニッケル等の材料をめっき処理等により冷却器と一体化された放熱板の表面に形成してもよい。具体的には、ニッケルの他に、ニッケル−リン合金、ニッケル−ボロン合金等がある。また、セラミック回路基板１３の裏面には、上記の放熱板１７に代わって、上記の冷却器をはんだ１８を介して、接合してもよい。なお、上記の半導体装置１０で利用されているはんだ１２ａ，１２ｂ，１８は、例えば、錫−銀−銅からなる合金、錫−亜鉛−ビスマスからなる合金、錫−銅からなる合金、錫−銀−インジウム−ビスマスからなる合金のうち少なくともいずれかの合金を主成分とする鉛フリーはんだにより構成される。さらに、ニッケル、ゲルマニウム、コバルトまたはシリコン等の添加物が含まれてもよい。
また、このような構成を有する半導体装置１０では、放熱板１７上の半導体素子１１ａ，１１ｂ及びセラミック回路基板１３を封止部材により封止してもよい。または、放熱板１７に半導体素子１１ａ，１１ｂ及びセラミック回路基板１３を囲むケースを取り付けてケース内を封止部材により封止してもよい。なお、この場合の封止部材は、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイミド樹脂、シリコン樹脂、シリコンゲル等の熱硬化性樹脂を適用することができる。さらに、フィラーとして酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化ホウ素または窒化アルミニウム等の充填材とを含んでいてもよい。そして、ケースは、半導体素子１１ａ，１１ｂ及びセラミック回路基板１３の側部を覆う箱型であって、熱可塑性樹脂により構成されている。当該樹脂として、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、または、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）樹脂等がある。また、このようなケースは、接着剤（図示を省略）を介して放熱板１７に接合される。
次に、このような半導体装置１０のセラミック回路基板１３の金属板１６のディンプル１６ａ，１６ｂについて、図２を用いて説明する。図２は、第１の実施の形態の半導体装置のセラミック回路基板の金属板の裏面の平面図である。なお、図２は、図１の半導体装置１０のセラミック回路基板１３の金属板１６を裏面から見た場合を示している。このような金属板１６の裏面は、ディンプル１６ａ，１６ｂが外周縁部に沿って環状に形成される第１領域１６ｃと、ディンプル１６ａ，１６ｂが形成されていない、第１領域１６ｃ以外の第２領域１６ｄとが設定されている。
第１領域１６ｃは、金属板１６の中央部を取り囲む領域に設定されている。第１領域１６ｃには、外側にディンプル１６ａが所定の間隔Ｗで金属板１６の外周縁部に沿って環状に形成されている。ディンプル１６ａの内側に、ディンプル１６ｂが所定の間隔Ｗで金属板１６の外周縁部に環状に沿って形成されている。このような間隔Ｗは、狭すぎると、はんだ１８の流れが悪くなる。また、間隔Ｗが大きすぎると、ディンプル１６ａ，１６ｂの効果が得られない。そのため、ディンプル１６ａ，１６ｂの間隔Ｗは、好ましくは、０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下であり、より好ましくは０．１５ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下である。なお、第１の実施の形態では、第１領域１６ｃに、金属板１６の外周に沿って２列のディンプル１６ａ，１６ｂが形成されている場合を示している。この場合に限らず、１列でも、３列以上のディンプルを形成することも可能である。
また、第２領域１６ｄは、金属板１６の中央部であって、第１領域１６ｃに周りを取り囲まれている。半導体装置１０における半導体素子１１ａ，１１ｂは、図１に示したように、セラミック回路基板１３の金属板１６の第２領域１６ｄ上に配置される。半導体素子１１ａ，１１ｂから発生した熱は導電パターン１５ａ，１５ｂ及び絶縁板１４を経由して金属板１６の第１領域１６ｃに伝導する。例えば、半導体素子１１ａ，１１ｂがセラミック回路基板１３の金属板１６の第１領域１６ｃ上に配置されると、金属板１６の第１領域１６ｃには複数のディンプル１６ａ，１６ｂが形成されているために、熱伝導性が低下してしまう。一方、半導体素子１１ａ，１１ｂをセラミック回路基板１３の金属板１６の第２領域１６ｄ上に配置すると、第１領域１６ｃ上に配置された場合に比べて放熱性の低下が抑制される。なお、図１及び図２では、ディンプル１６ａ，１６ｂの平面視の形状は円形状（断面は半球状）である場合を示しているがこの場合に限らない。例えば、ディンプル１６ａ，１６ｂの平面視の形状としては楕円形状、長穴形状、方形状でもよい。また、ディンプル１６ａ，１６ｂの断面形状として、例えば、方形状、台形状、三角形状等でもよい。
このように上記半導体装置１０は、セラミック回路基板１３の金属板１６の裏面の外周縁部に沿って環状に外周縁部寄りの第１領域１６ｃに複数のディンプル１６ａ，１６ｂが形成されている。このため、半導体装置１０における温度変化に応じた熱応力がセラミック回路基板１３に生じても、複数のディンプル１６ａ，１６ｂにより温度変化によるセラミック回路基板１３に対する収縮が緩和されるようになる。したがって、セラミック回路基板１３の割れ、金属板１６並びに導電パターン１５ａ，１５ｂの剥がれを防止することができる。
また、金属板１６の裏面に形成されたディンプル１６ａ，１６ｂは、金属板１６を貫通していない。金属板１６は、ディンプル１６ａ，１６ｂの底面から金属板１６のおもて面まで厚さを備えている。このため、半導体素子１１ａ，１１ｂ等の実装部品を減らすことなく、信頼性の高い半導体装置１０が得られる。また、ディンプル１６ａ，１６ｂ内にはんだ１８が充填されて、はんだ１８は金属板１６と接合することができる。さらに、ディンプル１６ａ，１６ｂにはんだ１８が充填されるとディンプル１６ａ，１６ｂに空隙ができない。このため、放熱性の低下並びに部分放電の発生が防止される。なお、図２では、セラミック回路基板１３の金属板１６の裏面の第１領域１６ｃにおいて、外周縁部に沿って複数のディンプル１６ａ，１６ｂが環状に形成されている場合を示したが、この場合に限らない。例えば、複数のディンプル１６ａ，１６ｂは、第１領域１６ｃにおいて、矩形な金属板１６の２つの短辺に沿って形成され、２つの長辺に沿った位置には形成されなくてもよい。また、例えば、複数のディンプル１６ａ，１６ｂは、第１領域１６ｃにおいて、金属板１６の角部近傍にのみに形成されていてもよい。また、図２では、ディンプル１６ａは、矩形状の金属板１６の角部に対応した第１領域１６ｃの角部にも形成する場合を示したが、この場合に限らない。例えば、ディンプル１６ａは、金属板１６の角部に対応した第１領域１６ｃの角部近傍に弓なりに複数並んでいてもよい。また、例えば、金属板１６の角部が面取りされている場合には、第１領域１６ｃの角部も面取りされていてよい。その場合、ディンプル１６ａは、面取りされた第１領域に対応した縁部に並んで配置されていてよい。
ところで、半導体装置１０では、セラミック回路基板１３に対するディンプル１６ａ，１６ｂの位置に応じて、セラミック回路基板１３に対する熱応力に起因した損傷をより抑制することができる。そこで、以下では、半導体装置１０のセラミック回路基板１３に対する熱応力に起因した損傷を確実に抑制するためのセラミック回路基板１３に対するディンプル１６ａ，１６ｂの適切な位置について説明する。
まず、参考例としての半導体装置について図３及び図４を用いて説明する。図３及び図４は、参考例の半導体装置の要部拡大側断面図である。なお、図３及び図４の半導体装置２０，３０は、図１に示した半導体装置１０の金属板１６以外の構成については半導体装置１０と同じ構成を有して、同じ符号を付しており、それらの詳細な説明については省略する。また、図３及び図４に示す半導体装置２０，３０は、図１で示すところの半導体装置１０の左側のディンプル１６ａ，１６ｂに当たる領域の周辺を拡大して表示している。
半導体装置２０は、図３に示されるように、半導体素子１１ａと、半導体素子１１ａがおもて面に接合されたセラミック回路基板２３と、セラミック回路基板２３の裏面に接合された放熱板１７とを有している。セラミック回路基板２３は、絶縁板１４と絶縁板１４のおもて面に形成された導電パターン１５ａと絶縁板１４の裏面に形成された金属板２６とを有している。金属板２６の裏面に複数のディンプル２６ａ，２６ｂがそれぞれ形成されている。ディンプル２６ａ，２６ｂは、金属板３６を貫通するものではない。
このような半導体装置２０では、図３によれば、セラミック回路基板２３において、絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から導電パターン１５ａの最外端部の第１端面１５ａ１の位置までの距離を距離ａ、絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から金属板２６の最外端部の第２端面２６ｅの位置までの距離を距離ｂとする。半導体装置２０では、距離ａと距離ｂとが等しい。すなわち、セラミック回路基板２３では、導電パターン１５ａの第１端面１５ａ１の位置と金属板２６の最外端部の第２端面２６ｅの位置とが等しい。また、絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から金属板２６の裏面の最外部に形成されたディンプル２６ａの最外端部２６ａ１の位置までの距離を距離ｃとする。半導体装置２０では、距離ａ＝距離ｂ、なおかつ、距離ｃ＞距離ａである。すなわち、半導体装置２０では、ディンプル３６ａ，３６ｂが導電パターン１５ａの第１端面１５ａ１の位置よりも内側に形成されている。
このような半導体装置２０では、距離ａ＝距離ｂである。このため、温度変化が発生しても、セラミック回路基板２３において、絶縁板１４における曲げ応力の発生は小さい。しかしながら、ディンプル２６ａ，２６ｂの有無に関わらず、導電パターン１５ａの第１端面１５ａ１の直下近傍と金属板２６の第２端面２６ｅの直上近傍に応力が集中する。表裏で対向した部分に応力が集中するため、絶縁板１４は、この領域に亀裂が生じて、割れてしまうおそれがある。
また、半導体装置３０は、図４に示されるように、半導体素子１１ａと、半導体素子１１ａがおもて面に接合されたセラミック回路基板３３と、セラミック回路基板３３の裏面に接合された放熱板１７とを有している。セラミック回路基板３３は、絶縁板１４と絶縁板１４のおもて面に形成された導電パターン１５ａと絶縁板１４の裏面に形成された金属板３６とを有している。金属板３６の裏面に複数のディンプル３６ａ，３６ｂがそれぞれ形成されている。ディンプル３６ａ，３６ｂは、金属板３６を貫通するものではない。
このような半導体装置３０では、図４に示されるように、セラミック回路基板３３において、絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から導電パターン１５ａの最外端部の第１端面１５ａ１の位置までの距離を距離ａ、絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から金属板３６の最外端部の第２端面３６ｅの位置までの距離を距離ｂとする。また、絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から金属板３６の裏面の最外部に形成されたディンプル３６ａの最外端部３６ａ１の位置までの距離を距離ｃとする。半導体装置３０では、距離ａ＞距離ｂ、なおかつ、距離ｃ＞距離ａである。すなわち、半導体装置３０では、ディンプル３６ａ，３６ｂが導電パターン１５ａの第１端面１５ａ１の位置よりも内側に形成されている。半導体装置３０のセラミック回路基板３３では、温度変化による熱応力が発生すると、導電パターン１５ａの第１端面１５ａ１の直下近傍に変曲点が発生する。このため、絶縁板１４は、図４中の破線の円Ｃで囲まれた領域に亀裂が生じて、割れてしまうおそれがある。
そこで、上記を鑑みて、金属板１６に対してディンプル１６ａ，１６ｂを形成した第１の実施の形態の半導体装置１０について、図５を用いて説明する。図５は、第１の実施の形態の半導体装置の要部拡大側断面図である。なお、図５は、図１の半導体装置１０の左側のディンプル１６ａ，１６ｂの周辺を拡大して表示している。また、図５では、半導体装置１０の左側のディンプル１６ａ，１６ｂの周辺を拡大して表示している。一方、半導体装置１０の右側のディンプル１６ａ，１６ｂの周辺も同様の構成である。
図５によれば、セラミック回路基板１３において、絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から導電パターン１５ａの最外端部の第１端面１５ａ１の位置までの距離を距離ａとする。そして、絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から金属板１６の最外端部の第２端面１６ｅの位置までの距離を距離ｂとする。このような半導体装置１０では、距離ｂ＜距離ａとなるように、セラミック回路基板１３を形成している。なお、図５では図示していない導電パターン１５ｂについても、絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から導電パターン１５ａの最外端部の第１端面の位置までの距離も距離ａである。また、絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から金属板１６の裏面の最外部に形成されたディンプル１６ａの最外端部１６ａ１の位置までの距離を距離ｃとする。絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から金属板１６の裏面の最内部に形成されたディンプル１６ｂの最内端部１６ｂ２の位置までの距離を距離ｄとする。さらに、絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から半導体素子１１ａの第３端面１１ａ１までの距離を距離ｅとする。このような半導体装置１０では、距離ｃ＜距離ａ、さらに、距離ａ＜距離ｄ、さらに、距離ｄ＜距離ｅとなるように、セラミック回路基板１３及びディンプル１６ａ，１６ｂを形成している。半導体装置１０のセラミック回路基板１３では、温度変化による熱応力が発生すると、ディンプル１６ａの最外端部１６ａ１の位置からディンプル１６ｂの最内端部１６ｂ２の位置までの領域において、応力が緩和される。そのため、導電パターン１５ａ近傍の変形が小さく、変曲点が発生しない。このため、絶縁板１４の割れが防止される。
上記半導体装置１０は、半導体素子１１ａ，１１ｂと、セラミック回路基板１３と、を有している。セラミック回路基板１３は、絶縁板１４と絶縁板１４のおもて面に形成され、半導体素子１１ａ，１１ｂが配置される導電パターン１５ａ，１５ｂと絶縁板１４の裏面に形成され、導電パターン１５ａの第１端面１５ａ１の位置よりも外側に位置する第２端面１６ｅを備え、複数のディンプル１６ａが外周縁部の少なくとも一部に沿って裏面に形成された金属板１６とを有する。そして、半導体装置１０において、側断面視で、ディンプル１６ａの最外端部１６ａ１は、導電パターン１５ａの第１端面１５ａ１の位置よりも外側に位置している。このため、半導体装置１０における温度変化に応じた熱応力がセラミック回路基板１３に生じても、複数のディンプル１６ａ，１６ｂにより温度変化によるセラミック回路基板１３に対する変形が緩和されるようになる。したがって、セラミック回路基板１３の割れ、金属板１６並びに導電パターン１５ａ，１５ｂの剥がれを防止することができる。
さらに、半導体装置１０において、側断面視で、ディンプル１６ｂの最内端部１６ｂ２は、導電パターン１５ａの第１端面１５ａ１の位置よりも内側に位置している。また、側断面視で、ディンプル１６ｂの最内端部１６ｂ２は、半導体素子１１ａの第３端面１１ａ１の位置よりも外側に位置している。このため、温度変化によるセラミック回路基板１３に対する変形が、より緩和されるようになる。また、セラミック回路基板１３の外縁部に外力が加わっても、絶縁板１４の割れが防止される。
そして、金属板１６の裏面に形成されたディンプル１６ａ，１６ｂは、金属板１６を貫通しておらず、ディンプル１６ａ，１６ｂの底面から金属板１６のおもて面まで厚さを備えている。このため、ディンプル１６ａ，１６ｂ内にはんだ１８が充填されて、はんだ１８は金属板１６と接合することができる。また、ディンプル１６ａ，１６ｂにはんだ１８が充填されるとディンプル１６ａ，１６ｂに空隙ができないために、放熱性の低下並びに部分放電の発生が防止される。さらに、金属板１６の裏面の第１領域１６ｃに形成されているディンプル１６ａ，１６ｂのそれぞれの間隔Ｗは、０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下である。このため、はんだ１８がセラミック回路基板１３の外縁部まで濡れ広がり、セラミック回路基板１３と放熱板１７とをはんだ１８により隙間なく確実に接合することができる。したがって、このような半導体装置１０は品質の低下を抑制して、信頼性の低下を防止することができる。
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態では、第１の実施の形態の金属板１６に対してディンプルの数を増やした場合の半導体装置について、図６を用いて説明する。図６は、第２の実施の形態の半導体装置の要部拡大側断面図である。なお、図６の半導体装置１０ａは、半導体装置１０の金属板１６以外の構成については半導体装置１０と同じ構成を有している。また、同じ構成には同じ符号を付しており、それらの詳細な説明については省略する。また、図６に示す半導体装置１０ａは、図１で示すところの半導体装置１０の左側のディンプル１６ａ，１６ｂの周辺を拡大して表示している。
半導体装置１０ａは、図６に示されるように、半導体素子１１ａと、半導体素子１１ａがおもて面に接合されたセラミック回路基板１３と、セラミック回路基板１３の裏面に接合された放熱板１７とを有している。セラミック回路基板１３は、絶縁板１４と絶縁板１４のおもて面に形成された導電パターン１５ａ，１５ｂと絶縁板１４の裏面に形成された金属板１６とを有している。金属板１６は、断面視で金属板１６の裏面（第１領域１６ｃ（図２参照））にディンプル１６ａ，１６ｂの間にさらにディンプル１６ｆ，１６ｇがそれぞれ形成されている。ディンプル１６ｆ，１６ｇは、金属板１６を貫通するものではない。なお、ディンプル１６ｆ，１６ｇのサイズは、ディンプル１６ａ，１６ｂのサイズと同様である。また、このようなディンプル１６ａ，１６ｂ，１６ｆ，１６ｇは、例えば、第１領域１６ｃには、外側にディンプル１６ａが所定の間隔Ｗで金属板１６の外周縁部に沿って環状に形成されている。ディンプル１６ａの内側に、ディンプル１６ｆが所定の間隔Ｗで金属板１６の外周縁部に沿って環状に形成されている。さらに、ディンプル１６ｆの内側に、ディンプル１６ｇが所定の間隔Ｗで金属板１６の外周縁部に沿って環状に形成されている。最内部に、ディンプル１６ｂが所定の間隔Ｗで金属板１６の外周縁部に沿って環状に形成されている。
また、半導体装置１０ａでも、セラミック回路基板１３において、距離ａ、距離ｂ、距離ｅが設定されている。また、絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から金属板１６の裏面の最外部に形成されたディンプル１６ａの最外端部１６ａ１の位置までの距離を距離ｃとする。絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から金属板１６の裏面の最内部に形成されたディンプル１６ｂの最内端部１６ｂ２の位置までの距離を距離ｄとする。このような半導体装置１０ａでも、距離ｃ＜距離ａ、さらに、距離ａ＜距離ｄ、さらに、距離ｄ＜距離ｅとなるように、セラミック回路基板１３及びディンプル１６ａ，１６ｂ，１６ｆ，１６ｇを形成している。
半導体装置１０ａのセラミック回路基板１３でも、温度変化による熱応力が発生すると、ディンプル１６ａの最外端部１６ａ１の位置からディンプル１６ｂの最内端部１６ｂ２の位置までの領域において、導電パターン１５ａ近傍の応力が緩和される。そのため、変形が小さく、変曲点が発生しない。このため、絶縁板１４の割れが防止される。なお、第２の実施の形態では、ディンプル１６ａ，１６ｂの間に２つのディンプル１６ｆ，１６ｇを追加した場合を例に挙げて説明した。ディンプル１６ａ，１６ｂの間に追加可能なディンプルの数は１つでも、３つ以上でもよい。
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態では、第１の実施の形態の金属板１６に対してディンプルが１つの場合の半導体装置について、図７を用いて説明する。図７は、第３の実施の形態の半導体装置の要部拡大側断面図である。なお、図７の半導体装置１０ｂは、半導体装置１０と同じ構成を有している。同じ構成には同じ符号を付しており、それらの詳細な説明については省略する。また、図７に示す半導体装置１０ｂは、図１で示すところの半導体装置１０の左側のディンプル１６ａ，１６ｂの周辺を拡大して表示している。
半導体装置１０ｂは、図７に示されるように、半導体素子１１ａと、半導体素子１１ａがおもて面に接合されたセラミック回路基板１３と、セラミック回路基板１３の裏面に接合された放熱板１７とを有している。セラミック回路基板１３は、絶縁板１４と絶縁板１４のおもて面に形成された導電パターン１５ａ，１５ｂと絶縁板１４の裏面に形成された金属板１６とを有している。金属板１６は、側断面視で金属板１６の裏面（第１領域１６ｃ（図２参照））にディンプル１６ａのみが形成されている。また、このようなディンプル１６ａは、例えば、第１領域１６ｃに、ディンプル１６ａが所定の間隔Ｗで金属板１６の外周に沿って形成されている。また、半導体装置１０ｂでも、セラミック回路基板１３においても、距離ａ、距離ｂ、距離ｅが設定されている。また、絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から金属板１６の裏面の最外部に形成されたディンプル１６ａの最外端部１６ａ１の位置までの距離を距離ｃ、絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から金属板１６の裏面の最内部に形成されたディンプル１６ａの最内端部１６ａ２の位置までの距離を距離ｄとする。このような半導体装置１０ｂでも、距離ｃ＜距離ａ、さらに、距離ａ＜距離ｄ、さらに、距離ｄ＜距離ｅとなるように、セラミック回路基板１３及びディンプル１６ａを形成している。
半導体装置１０ｂのセラミック回路基板１３でも、温度変化による熱応力が発生すると、ディンプル１６ａの最外端部１６ａ１の位置からディンプル１６ａの最内端部１６ａ２の位置までの領域において、導電パターン１５ａ近傍の応力が緩和される。そのため、変形が小さく、変曲点が発生しない。このため、絶縁板１４の割れが防止される。
さらに、第２，第３の実施の形態の半導体装置１０ａ，１０ｂも、第１の実施の形態の半導体装置１０と同様に、金属板１６の裏面に形成されたディンプル１６ａ，１６ｂ，１６ｆ，１６ｇは、金属板１６を貫通しておらず、ディンプル１６ａ，１６ｂ，１６ｆ，１６ｇの底面から金属板１６のおもて面まで厚さを備えている。このため、ディンプル１６ａ，１６ｂ，１６ｆ，１６ｇ内にはんだ１８が充填されて、はんだ１８は金属板１６と接合することができる。また、ディンプル１６ａ，１６ｂ，１６ｆ，１６ｇにはんだ１８が充填されるとディンプル１６ａ，１６ｂ，１６ｆ，１６ｇに空隙ができないために、放熱性の低下並びに部分放電の発生が防止される。
さらに、金属板１６の裏面の第１領域１６ｃに形成されているディンプル１６ａ，１６ｂ，１６ｆ，１６ｇのそれぞれの間隔Ｗは、０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下である。このため、はんだ１８がセラミック回路基板１３の外縁部まで濡れ広がり、セラミック回路基板１３と放熱板１７とをはんだ１８により隙間なく確実に接合することができる。したがって、このような半導体装置１０ａ，１０ｂは品質の低下を抑制して、信頼性の低下を防止することができる。
上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成及び応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例及び均等物は、添付の請求項及びその均等物による本発明の範囲とみなされる。
１０，１０ａ，１０ｂ 半導体装置
１１ａ，１１ｂ 半導体素子
１１ａ１ 第３端面
１２ａ，１２ｂ，１８ はんだ
１３ セラミック回路基板
１４ 絶縁板
１４ａ 最外端面
１５ａ，１５ｂ 導電パターン
１５ａ１ 第１端面
１６ 金属板
１６ａ，１６ｂ，１６ｆ，１６ｇ ディンプル
１６ａ１ 最外端部
１６ａ２，１６ｂ２ 最内端部
１６ｃ 第１領域
１６ｄ 第２領域
１６ｅ 第２端面
１７ 放熱板
本発明の一観点によれば、半導体素子と、絶縁板と前記絶縁板のおもて面に形成され、前記半導体素子及び配線部材が配置される導電パターンと前記絶縁板の裏面に形成され、前記導電パターンの第１端面の位置よりも外側に位置する第２端面を備え、複数の第１凹部が外周縁部の少なくとも一部に沿って裏面に形成された金属板とを有する基板と、を有し、側断面視で、前記第１凹部の最外端部の位置は前記導電パターンの前記第１端面の位置よりも外側に位置している、半導体装置が提供される。
金属板１６は、熱伝導性に優れた銅、アルミニウム、鉄、銀、または、少なくともこれらの一種を含む合金等の金属により構成されている。金属板１６の厚さＴ１は、好ましくは、０．１ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下であり、より好ましくは、０．１２５ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下である。また、金属板１６の裏面に複数のディンプル１６ａ，１６ｂ（凹部）がそれぞれ形成されている。ディンプル１６ａ，１６ｂは、金属板１６を貫通するものではない。ディンプル１６ａ，１６ｂの深さＤは、好ましくは、金属板１６の厚さＴ１の３０％以上、９５％以下であって、より好ましくは、金属板１６の厚さＴ１の６０％以上、９０％以下である。ディンプル１６ａ，１６ｂは、深くすることで応力を緩和する効果を大きくすることができる。一方、深すぎると、はんだ１８とディンプル１６ａ，１６ｂとの間に空隙が生じやすく、放熱性の低下や部分放電が発生するおそれがある。例えば、金属板１６の厚さＴ１が０．３ｍｍ程度である場合に、ディンプル１６ａ，１６ｂの深さＤは０．２５ｍｍ程度であって、ディンプル１６ａ，１６ｂの底部から金属板１６のおもて面までの厚さＴ２は０．０５ｍｍ程度である。また、金属板１６には、図１に示されるように第１領域及び第２領域が設定されている。なお、金属板１６のディンプル１６ａ，１６ｂ並びに第１領域及び第２領域の詳細については後述する。
このような構成を有するセラミック回路基板１３として、例えば、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板、ＡＭＢ（Active Metal Brazed）基板を用いることができる。セラミック回路基板１３は、半導体素子１１ａ，１１ｂで発生した熱を導電パターン１５ａ，１５ｂ、絶縁板１４及び金属板１６を介して、放熱板１７に伝導させることができる。なお、絶縁板１４は平面視で、例えば、矩形状を成している。また、金属板１６は平面視で、絶縁板１４よりも面積が小さな矩形状を成している。したがって、セラミック回路基板１３は、例えば、矩形状を成している。
このような半導体装置２０では、図３によれば、セラミック回路基板２３において、絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から導電パターン１５ａの最外端部の第１端面１５ａ１の位置までの距離を距離ａ、絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から金属板２６の最外端部の第２端面２６ｅの位置までの距離を距離ｂとする。半導体装置２０では、距離ａと距離ｂとが等しい。すなわち、セラミック回路基板２３では、導電パターン１５ａの第１端面１５ａ１の位置と金属板２６の最外端部の第２端面２６ｅの位置とが等しい。また、絶縁板１４の最外端面１４ａの位置から金属板２６の裏面の最外部に形成されたディンプル２６ａの最外端部２６ａ１の位置までの距離を距離ｃとする。半導体装置２０では、距離ａ＝距離ｂ、なおかつ、距離ｃ＞距離ａである。すなわち、半導体装置２０では、ディンプル２６ａ，２６ｂが導電パターン１５ａの第１端面１５ａ１の位置よりも内側に形成されている。
そこで、上記を鑑みて、金属板１６に対してディンプル１６ａ，１６ｂを形成した第１の実施の形態の半導体装置１０について、図５を用いて説明する。図５は、第１の実施の形態の半導体装置の要部拡大側断面図である。なお、図５は、図１の半導体装置１０の左側のディンプル１６ａ，１６ｂの周辺を拡大して表示している。一方、半導体装置１０の右側のディンプル１６ａ，１６ｂの周辺も同様の構成である。

Claims (14)

  1. 半導体素子と、
    絶縁板と前記絶縁板のおもて面に形成され、前記半導体素子が配置される導電パターンと前記絶縁板の裏面に形成され、前記導電パターンの第１端面の位置よりも外側に位置する第２端面を備え、複数の第１凹部が外周縁部の少なくとも一部に沿って裏面に形成された金属板とを有する基板と、
    を有し、
    側断面視で、前記第１凹部の最外端部の位置は前記導電パターンの前記第１端面の位置よりも外側に位置している、
    半導体装置。
  2. 前記金属板の裏面に複数の第２凹部が前記複数の第１凹部の内側に前記外周縁部に沿って形成されている、
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 側断面視で、前記第２凹部の最内端部は、前記第１端面よりも内側に位置している、
    請求項２に記載の半導体装置。
  4. 側断面視で、前記第２凹部の前記最内端部が前記半導体素子の第３端面の位置よりも外側に位置している、
    請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記金属板の裏面に前記第１凹部と前記第２凹部との間に、前記外周縁部に沿って複数列の凹部が形成されている、
    請求項２に記載の半導体装置。
  6. 前記金属板の裏面に形成された前記第１凹部同士の間隔は、０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下である、
    請求項１に記載の半導体装置。
  7. 前記第１凹部の底部から前記金属板のおもて面までは第１厚さの厚みが存在している、
    請求項１に記載の半導体装置。
  8. 前記第１厚さは、前記金属板の厚さに対して、３０％以上、９５％以下である、
    請求項７に記載の半導体装置。
  9. 前記第２凹部の底部から前記金属板のおもて面までは第２厚さの厚みが存在している、
    請求項２に記載の半導体装置。
  10. 前記第２厚さは、前記金属板の厚さに対して、３０％以上、９５％以下である、
    請求項９に記載の半導体装置。
  11. 前記複数の第１凹部が前記金属板の裏面に前記外周縁部に沿って環状に形成されている、
    請求項１に記載の半導体装置。
  12. 前記半導体素子は、前記第１凹部が形成されている前記金属板の裏面の第１領域よりも中央側の第２領域上に対応する前記導電パターン上に配置されている、
    請求項１１に記載の半導体装置。
  13. 側断面視で、前記第１凹部の最内端部の位置は前記導電パターンの前記第１端面の位置よりも内側に位置している、
    請求項１に記載の半導体装置。
  14. 前記基板がはんだを介して接合されている放熱板をさらに有する、
    請求項１に記載の半導体装置。
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