WO2016009741A1

WO2016009741A1 - 半導体装置

Info

Publication number: WO2016009741A1
Application number: PCT/JP2015/066386
Authority: WO
Inventors: 瀧澤　直樹
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2014-07-18
Filing date: 2015-06-05
Publication date: 2016-01-21
Anticipated expiration: 2017-01-18
Also published as: CN105900231B; JP6191775B2; JPWO2016009741A1; DE112015000253T5; US9559035B2; US20160322274A1; CN105900231A; DE112015000253B4

Abstract

　半導体装置１は、回路板３３、絶縁板３１及び金属板３２が積層して構成され、回路板３３側に凸に反った積層基板３と、回路板３３に固定された半導体チップ５と、積層基板３が配置される所定の配置領域と、配置領域の外縁に配置された溝２２Ａと、溝２２Ａに隣接して溝２２Ａよりも配置領域の内側に配置された突起２１を有し、溝２２Ａには積層基板３の反りによる傾きに対応した傾斜２２Ａｂが突起２１側に設けられているベース板２と、金属板３２と配置領域との間に充填され、溝２２Ａおよび突起２１を覆う接合材４を備える。

Description

半導体装置

　本発明は、半導体装置に関する。

　従来の半導体装置の一例の要部を図９に断面図（図９（ａ））及び平面図（図９（ｂ））で示す。
　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。

　回路板１３３に、ＩＧＢＴ(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)などの半導体チップ１０５が、導電性の接合材１０６により電気的かつ機械的に接続されている。「電気的かつ機械的に接続されている」とは、対象物同士が直接接合により接続されている場合に限られず、ハンダや金属焼結材などの導電性の接合材を介して対象物同士が接続されている場合も含むものとし、以下の説明でも同様である。

　上記のような半導体装置１０１のベース板１０２と積層基板１０３とは、熱膨張係数が異なるため、半導体チップ１０５の動作時の発熱により接合材１０４に熱応力が加わる。そして、半導体装置１０１の動作時には、この熱応力の繰り返しにより接合材１０４にクラックが生じるおそれがある。図１０に接合材に生じたクラックの状態を観察した超音波観察画像を示す。図１０は、接合材１０４を上方から見た画像であり、白色部分がクラックを示している。図１０で示すように、クラックは、接合材１０４の四隅などの外縁に発生し、内側に向けて進展する。また、接合材１０４のクラックの発生及び進展を抑制するには、接合材１０４をある程度の厚みとすることが有効である。
　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。

　しかしながら、図１１に示すように回路板１３３側への凸の反りが大きい積層基板１０３Ａを備える半導体装置１０１の場合には、金属板１３２の外縁部において接合材１０４の厚みが十分に確保できない。このため、接合材１０４の外縁部に上述のクラックが発生するおそれがある。積層基板１０３Ａの反りは、例えば回路板１３３の総体積と金属板１３２の総体積との相違により生じる。

　回路板１３３側への凸の反りが大きい積層基板１０３Ａの場合であっても、突起１２１を高くして接合材１０４の外縁部を厚くすれば、クラックの発生を抑制できる。しかし、突起１２１を高くすることは、熱伝導率が高くない接合材１０４の中央部を厚くすることにもなる。このため、金属板１３２からベース板１０２への熱伝導性が低下し、半導体チップ１０５から外部への放熱性が低下するおそれがある。

　特許文献１には、ベース板の突起が積層基板の回路板の周縁から１～１０ｍｍ離間した領域に位置し、この突起よりも周縁側に断面矩形形状の溝を設けた半導体装置が記載されている。この溝は、反りが大きい積層基板の場合でもベース板と積層基板の回路板との間の接合材の厚みを維持するのに役立つ。しかしながら、特許文献１に記載のベース板の溝は、断面が矩形形状の空間を有している。溝が矩形形状である場合は、溝内で接合材が厚い範囲が広いために、積層基板からベース板への放熱性の点で改良の余地があった。また、特許文献１に記載の溝は、接合時に接合材中のボイドが抜け難く、接合材の信頼性に改良の余地があった。

　また、特許文献２には、ヒートシンクに密着させるためにベース板の表面に溝が形成され，これによりベース板の反り形状を制御した半導体装置が記載されている。しかし、特許文献２に記載の溝は、接合材の厚みの調整には有効に寄与しなかった。

特開２００２－５７２８０号公報米国特許出願公開第２０１３／０１９３５９１号明細書

　本発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、ベース板と積層基板との接合材にクラックが発生、進展するのを抑制しつつ放熱性を高めることができる半導体装置を提供することを目的とする。

　本発明の一様態の半導体装置は、積層基板と、半導体チップと、ベース板と、接合材とを備えている。上記積層基板は、回路板、絶縁板及び金属板が積層して構成され、該回路板側に凸に反っている。上記半導体チップは、該回路板に固定されている。上記ベース板は、該積層基板が配置される所定の配置領域と、該配置領域の外縁に配置された溝と、該溝に隣接して該溝よりも該配置領域の内側に配置された突起を有している。該溝には該積層基板の反りによる傾きに対応した傾斜が該突起側に設けられている。上記接合材は、該金属板と該配置領域との間に充填され、該溝を埋めている。

　また本発明の別の様態の半導体装置は、積層基板と、半導体チップと、ベース板と、接合材とを備えている。上記積層基板は、回路板、絶縁板及び金属板が積層して構成され、該回路板側に凸に反っている。上記半導体チップは、該回路板に固定されている。上記ベース板は、該積層基板が配置される所定の配置領域と、該配置領域の外縁に配置された溝と、該溝に隣接して該溝よりも該配置領域の内側に配置された突起を有している。該溝は該配置領域の短辺側には連続して配置され、該配置領域の長辺側には中央部を除いて配置されている。上記接合材は、該金属板と該配置領域との間に充填され、該溝を埋めている。

　本発明の半導体装置によれば、ベース板と積層基板との接合材にクラックが発生、進展するのを抑制しつつ放熱性を高めることができる。

本発明の実施形態１の半導体装置の説明図である。クラックの長さと、はんだの厚みとの関係を示すグラフである。本発明の実施形態１のベース板の溝近傍の断面図である。参考例のベース板の溝近傍の断面図である。本発明の実施形態１のベース板の平面図である。本発明の変形例１のベース板の溝近傍の断面図である。本発明の変形例２のベース板の溝近傍の断面図である。本発明の実施形態２の半導体装置のベース板の平面図である。従来の半導体装置の一例の説明図である。接合材のクラックの状態を示した超音波観察画像である。従来の半導体装置の一例の断面図である。

　以下、本発明の半導体装置の実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。

（実施形態１）
　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。

　積層基板３は図１で示すとおり、回路板３３、絶縁板３１および金属板３２が積層して構成されている。
　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。

　半導体チップ５は、おもて面および裏面にそれぞれ電極を有する。そして、裏面の電極がはんだなどの導電性の接合材６により、回路板３３ａ、３３ｂ、３３ｃに電気的かつ機械的に接続されている。半導体チップ５は、具体的には、例えばＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ、ＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）である。半導体チップ５はシリコン半導体からなるものでもよいし、ＳｉＣ半導体からなるものでもよい。半導体チップ５がＩＧＢＴの場合では、裏面の電極はコレクタ電極であり、おもて面の電極はエミッタ電極及びゲート電極である。半導体チップ５が炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなるパワーＭＯＳＦＥＴである場合は、シリコンからなる半導体チップに比べて高耐圧で、かつ高周波でのスイッチングが可能であるために、本実施形態の半導体装置の半導体チップ５として最適である。もっとも、半導体チップ５は、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴに限定されず、スイッチングの動作が可能な半導体素子の一個又は複数個の組み合わせであればよい。

　ベース板２は、その主面に、積層基板３が配置される所定の配置領域を有する。そして、その配置領域の四隅などの外縁に溝２２Ａが配置されている。さらに、溝２２Ａに隣接して、溝２２Ａよりも配置領域の内側に配置された突起２１が配置されている。積層基板３の金属板３２と、ベース板２の所定の配置領域との間に、はんだなどの接合材４が充填され、積層基板３とベース板２が接合されている。その際、突起２１の先端が積層基板３の金属板３２に当接した状態で接合材４により接合されることにより、ベース板２と金属板３２との間の接合材４の厚みを制御することができる。

　図２に、ヒートサイクル３００回の試験後に、接合材４であるはんだに生じたクラックの長さと、はんだの厚みとの関係を、２種類のはんだで調べた結果を示す。図２から分かるように、はんだ厚みが１００μｍ以上あることにより、クラックの進展を抑制することができる。もっとも、ベース板２と金属板３２との間のはんだが３００μｍを超えると、放熱性の低下が顕著となる。したがって、クラックの発生、進展の抑制と放熱性とを考慮して、はんだ厚みは１００μｍ以上、３００μｍ以下とすることが好ましい。すなわち、突起２１の高さは１００μｍ以上、３００μｍ以下が好ましい。

　突起２１は、ベース板２の主面にある積層基板３の配置領域の四隅の近傍の位置であり、かつ、半導体チップ５をベース板２の主面に垂直に投影した位置よりも配置領域の外側に設けられる。例えば、突起２１は配置領域の長辺及び短辺からそれぞれ２～１０ｍｍ程度、好ましくは３～５ｍｍ程度内側の位置に設けられる。突起２１は、例えばベース板２へのプレス加工により形成することができる。
　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。

　ベース板２の突起２１近傍の拡大断面図を図３に示す。ベース板２には、突起２１に隣接して配置領域の外縁に溝２２Ａが配置されている。溝２２Ａは、縦断面において、突起２１側に積層基板３の反りによる傾きに対応した傾斜２２Ａｂを有し、その断面形状は三角形状である。そして、溝２２Ａは接合材４で埋められ、溝２２Ａを埋めた接合材４は金属板３２に接している。これにより、溝２２Ａの範囲内で接合材４の厚みを部分的に大きくすることができる。したがって、積層基板３の反りが生じた場合でもベース板２の突起２１よりも外縁側で所望のはんだ厚み（１００μｍ以上）を確保することができる。

　溝２２Ａの深さは、積層基板３の金属板３２の表面から垂直方向に溝２２Ａまでの距離が１００μｍ以上になるような深さとすればよい。積層基板３の反りの程度によらず接合材４の厚みを１００μｍ以上とするために、溝２２Ａの深さｄは、ベース板２の表面からの最大深さで１００μｍ以上であることが好ましい。
　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。

　溝２２Ａは、ベース板２の主面における内側の端部２２Ａｃが、半導体チップ５及び突起２１よりも外側になるように位置している。これは、半導体チップ５の放熱性を考慮したものである。また、溝２２Ａは、外側の端部２２Ａｅが、積層基板３の絶縁板３１の端をベース板２に垂直に投影したときの位置と同じ又はそれよりも内側に位置している。これは、積層基板３の配置領域よりも外側のベース板２上に、図示しない枠体を絶縁性接着剤で固定するときに、溝２２Ａが枠体と干渉しないようにするためである。

　図４に、参考例の半導体装置２０１における、ベース板２０２の溝近傍の断面図を示す。積層基板２０３は、回路板２３３、絶縁板２３１および金属板２３２が積層して構成されている。半導体チップ２０５の裏面の電極がはんだなどの導電性の接合材２０６により、回路板２３３に電気的かつ機械的に接続されている。
　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。

　一方、図３に示した溝２２Ａは、突起２１に隣接して、積層基板３の反りによる傾きに対応した傾斜２２Ａｂが設けられている。このため、金属板３２の外縁において、金属板３２とベース板２との間の接合材４の厚さを、所定の範囲の厚さに維持することができる。このため、金属板３２の外縁においても積層基板３からベース板２への放熱性を良好に保つことができる。
　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。

　また、参考例の溝２２２をベース板２０２にプレス加工で形成する際は、略直角の角（かど）をもつ金型が必要となる。しかしながら、この金型はプレス加工の難易度が高く、また金型の角もすり減りやすいなどの問題があった。
　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は第１実施形態におけるベース板２の平面図である。
　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。

　接合材４は、図１０に示すように略四角形の平面形状における四隅などの外縁よりクラックが発生し、中央部に向けて進展する。したがって、図５に示すように、ベース板２の溝２２Ａを、少なくとも配置領域の四隅などの外縁を含む範囲に配置すれば、クラックの発生及び進展を有効に抑制することができる。

　図６は、本実施形態における溝の変形例１を示した拡大断面図である。変形例１の半導体装置１１は、ベース板２には、突起２１に隣接して配置領域の外縁に溝２２Ｂが配置されている。溝２２Ｂは、縦断面において、突起２１側に積層基板３の反りによる傾きに対応した傾斜２２Ｂｂを有し、その断面形状は円弧形状である。

　図７は、本実施形態における溝の変形例２を示した拡大断面図である。変形例２の半導体装置１２は、ベース板２には、突起２１に隣接して配置領域の外縁に溝２２Ｃが配置されている。溝２２Ｃは、縦断面において、突起２１側に積層基板３の反りによる傾きに対応した傾斜２２Ｃｂを有し、その断面形状は台形形状である。

　溝２２Ｂ及び溝２２Ｃはいずれも、突起２１側に積層基板３の反りによる傾きに対応した傾斜を備え、また図４の参考例のような垂直な側面２２２ｂを備えていないので、第１の実施形態に示した上記の効果を備えている。
　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。

（実施形態２）
　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。

　図８において、ベース板２は、積層基板３の所定の配置領域の外縁に、溝２２Ｄが配置されている。溝２２Ｄは、積層基板３の配置領域の短辺側には連続して配置されており、積層基板３の配置領域の長辺側には中央部を除いて配置されている。

　この実施形態は、積層基板３の回路板３３側への凸の反りが大きい場合について有効である。この反りが大きい場合、平面長方形状の積層基板３においては、短辺側の変位量が非常に大きくなり、四隅近傍だけでなく、短辺側の中央付近においてもベース板２との距離が非常に小さくなる。このため、短辺側中央部においても、所定のはんだ厚みの確保が重要である。

　一方で、上記反りが大きい場合、長辺側の中央部においては、積層基板３の中心部の凸反りの影響が支配的になり、積層基板３とベース板２の距離はむしろ離れてしまう。このため、長辺側の中央部に溝を設けた場合、溝底部と金属板３２との距離は所定の距離よりも非常に大きくなってしまう。

　このため、配置領域の短辺側には連続して溝２２Ｄを設けることにより、短辺側の中央部においても積層基板３の金属板３２とベース板２の距離を所定の距離に保つことができる。そして、配置領域の長辺側の中央部には溝２２Ｄを設けないことにより、必要以上にはんだ厚みを増やすことが無くなり、放熱性を確保することができる。
　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。

　以上、本発明の半導体装置を図面及び実施形態を用いて具体的に説明したが、本発明の半導体装置は、実施形態及び図面の記載に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で幾多の変形が可能である。

　１　半導体装置
　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

Claims

　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。