(57)【要約】  接合部コーナーでの応力集中を低減することにより、温度サイクル等の信頼性試験でのはんだ層のクラック進行を抑制し、或いは防止できる半導体装置とその製造方法を提供する。  この半導体装置は、両面に導体パターン（２ａ，２ｂ）が接合形成された絶縁基板（１）上に半導体チップ（３）がマウントされる。絶縁基板（１）は、放熱用ベース部材（４）と接合して、半導体チップ（３）の発熱が外部に放出可能な接続構造を有する。半導体チップ（３）がマウントされた表面側の導体パターン（２ａ）に対して一端が接合される内部接続端子（７０）は、その接合部（７１，７２）の形状が円形に構成されている。また、放熱用ベース部材（４）と接合された裏面側の導体パターン（２ｂ）は、その接合面の形状が矩形であって、かつコーナー部近傍で所定の曲率半径を有している。その結果、半田等の固着層のコーナー部に加わる応力を弾性限界以下まで小さく設定できる。
2012157584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表裏面に導体パターンを接合形成してなる絶縁基板上にパワー半導体チップをマウントするとともに前記絶縁基板を放熱用ベース部材と接続して、前記パワー半導体チップの発熱を外部に放出可能とする接続構造を有する半導体装置において、
前記放熱用ベース部材と接合された裏面側の前記導体パターンは、その接合部の形状が矩形であって、かつコーナー部近傍で所定の曲率半径を有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記パワー半導体チップがマウントされた表面側の前記導体パターンに対して一端が接合される金属端子は、その接合部が円形状に構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の半導体装置。
【請求項３】
前記放熱用ベース部材と接合される前記絶縁基板の裏面には、複数個に分割された導体層からなる導体パターンが設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の半導体装置。
【請求項４】
前記放熱用ベース部材と接合された裏面側の前記導体パターンは、複数に区分された領域毎に前記放熱用ベース部材側に突起する接合部を備えていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の半導体装置。
【請求項５】
前記放熱用ベース部材と接合された裏面側の前記導体パターンは、前記絶縁基板との接合面周縁部での前記導体パターンの厚みが当該接合部中心に比較して薄く形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の半導体装置。
【請求項６】
前記金属端子は、前記パワー半導体チップがマウントされている前記絶縁基板から引き出される外部引出端子であって、
前記外部引出端子の接合部は、表面側の前記導体パターンに対して複数の突起部が設けられていることを特徴とする請求の範囲第２項記載の半導体装置。
【請求項７】
前記金属端子は、前記パワー半導体チップの表面電極と前記導体パターンとを互いに接続する内部接続端子であって、
前記内部接続端子の各接合部には、複数の突起部が設けられていることを特徴とする請求の範囲第２項記載の半導体装置。
【請求項８】
絶縁基板上にパワー半導体チップをマウントするとともに前記絶縁基板を放熱用ベース部材と接続して、前記パワー半導体チップの発熱を外部に放出可能とする接続構造を有する半導体装置の製造方法において、
前記絶縁基板の表裏面に導体パターンを接合するとともに、前記絶縁基板の裏面においてはその接合部の形状が矩形であって、かつコーナー部近傍で所定の曲率半径を有する導体パターンを接合する工程と、
前記放熱用ベース部材と前記導体パターンとの間に、前記導体パターンと同じ平面形状で所定の厚みを有するシート状半田を設置して加熱する工程と、
前記シート状半田を固化して、前記導体パターンを前記放熱用ベース部材に接続する半田固着層を生成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
絶縁基板上にパワー半導体チップをマウントするとともに前記絶縁基板を放熱用ベース部材と接続して、前記パワー半導体チップの発熱を外部に放出可能とする接続構造を有する半導体装置の製造方法において、
前記絶縁基板の表裏面に導体パターンを接合するとともに、前記絶縁基板の裏面においてはその接合部の形状が矩形であって、かつコーナー部近傍で所定の曲率半径を有する導体パターンを接合する工程と、
前記導体パターンと前記放熱用ベース部材との間をろう付けによって接着する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールなどを対象とした半導体装置とその製造方法に関し、とくに絶縁基板上にパワー半導体チップをマウントするとともに絶縁基板を放熱用ベース部材に接合して、パワー半導体チップの発熱が外部に放出可能な接続構造を有する半導体装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体モジュールなどを対象とした半導体装置では、電流容量が増大化する一方で小形化、高密度化が進み、これに対応してパッケージ内部の配線についても、通電容量が大きくなり、その放熱性を向上する必要がある。また、配線インダクタンスの低減化を図るために、従来のアルミワイヤのボンディングに代えて銅板を用いたリードフレームが多く採用されるようになっている。【０００３】
図８は、従来の半導体装置を示す縦断面図および平面図である。
図８（Ａ）は、同図（Ｂ）におけるＡ−Ａ矢視線に沿って示す縦断面図であって、セラミック等の絶縁基板１は、両面に導体パターン２ａ，２ｂが接合形成されたＤＢＣ（Direct Bonding Copper）基板である。また、絶縁基板１の表面側の銅回路として形成された導体パターン２ａには、半田接合によって半導体チップ３がマウントされている。絶縁基板１の裏面側には、導体パターン２ａと同様の厚さで接合された導体パターン２ｂが放熱用ベース部材４に接合され、半導体チップ３の発熱を外部に放出している。また、放熱用ベース部材４は樹脂ケース５の底面を構成しており、そこに大小２枚の絶縁基板１が接合され、樹脂ケース５内に充填されたゲル状の封止材６によって半導体チップ３や内部接続端子７、アルミワイヤ８を保護している。【０００４】
図８（Ｂ）は封止材６を充填する以前の半導体装置の状態を示す平面図であって、半導体チップ３の金属電極３ａ，３ｂは内部接続端子７、アルミワイヤ８により導体パターン２ａの所定部に内部配線されている。また、複数の外部引出端子９ａ，９ｂが導体パターン２ａから樹脂ケース５の上面に引き出されている。なお、内部接続端子７や外部引出端子９ａ，９ｂは、銅板を加工してなるリードフレームとして構成されるものである。【０００５】
このようなモジュール型パワー半導体装置、インテリジェント・パワーモジュール、ディスクリート半導体製品などの半導体装置は、半導体チップ３の金属電極３ａ，３ｂと内部接続端子７、内部接続端子７と絶縁基板１上に固着された導体パターン２ａとの間がデバイス内部で配線され、外部引出端子９ａ，９ｂがデバイス外部に導出される。半導体装置内部における半導体チップ３と導体パターン２ａ、導体パターン２ｂと放熱用ベース部材４、あるいは導体パターン２ａと内部接続端子７や外部引出端子９ａ，９ｂとの間は、通常、はんだ付け、ろう付け、超音波接合、レーザ溶接接合などで接続して配線される。しかも、通常の場合は、半導体装置を構成する部品形状が正方形や長方形であって、しかも熱膨張係数が異なる金属を互いに固着して構成される。【０００６】
図９は、図８（Ａ）に示す従来の半導体装置のIX−IX断面矢視図である。
パワー半導体モジュールなどを対象とした半導体装置内部では、放熱用ベース部材４に接合される導体パターン２ｂの形状は、通常、この図９に示すように正方形、あるいは長方形となっている。また、一般に半導体チップと金属端子、金属同士、或いは金属端子と絶縁基板上に固着された金属パターンとの配線等がなされる場合でも、互いに接続される各々の部品形状はモジュール外形に合わせる形で、正方形、あるいは長方形のものが採用されていた。そのため、半田付けやろう付けなどで、半導体チップと金属端子、或いは熱膨張係数が異なる金属同士が接続される場合、温度サイクルなどの信頼性試験においてそれぞれの部品相互で熱膨張係数が異なり、角張ったコーナー部においてその接合面に沿って生じる応力が集中するために、半田層やろう材層に割れ目、裂け目等の亀裂（クラック）が進行しやすい。【０００７】
図１０は、温度サイクル試験における半田固着層のクラックを示す図である。同図（Ａ）（Ｂ）には、図８に示す大小２枚の絶縁基板１の裏面に形成された導体パターン２ｂについて、半田接合によって放熱用ベース部材４上に固着された状態で温度サイクルなどの信頼性試験においてそれぞれの部品相互での膨張・収縮が繰り返されて生じるクラックを示している。【０００８】
図中、それぞれの固着層１３ａ，１３ｂに生じる亀裂の進行方向が、矢印によって表示されている。また、図１０（Ａ）に示す平面正方形状の固着層１３ａの超音波写真では、半田の亀裂発生部分に相当する領域が、白色部分を多く含む領域として表示される。【０００９】
このように、図１０の金属部材１２に相当する導体パターン２ｂの下面を金属部材１１に相当する放熱用ベース部材４上に半田接合した半導体装置では、固着層１３のコーナー部分で大きなせん断歪みが生じて、そこから亀裂が広がっていることが分かる。そして、この絶縁基板１のコーナー部に発生した亀裂が半導体チップ３との接合面域まで成長すると、絶縁基板１から放熱用ベース部材４へ伝熱する熱流束が亀裂により阻害される。このために、半導体チップ３の発生熱に対する放熱性を妨げられ、その結果として素子のジャンクション温度が異常上昇して熱破壊に至るおそれがある。【００１０】
下記特許文献１では、半田層の厚みが薄いと、使用環境でのヒートサイクルにより、絶縁基板とリードフレームとの熱膨張差に起因して半田接合部に発生した熱応力で早期に疲労破壊に至ることから、リードフレームまたは絶縁基板の銅回路パターンの半田接合面に突起を形成して半田層の厚みのバラツキを防ぐようにした接続構造の半導体装置が示されている。【００１１】
また、別の特許文献２では、接合部に加わる応力の緩和策として、基板の四隅コーナー部に面取り部、あるいは導体パターンにスリットを形成した構成を採用することにより、熱サイクルに起因する接合部の熱応力を緩和して亀裂が発生するまでの時間を延ばし、さらに亀裂の成長を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第４１００６８５号公報（段落番号［０００８］〜［００１４］参照）
【特許文献２】特許第４１２４０４０号公報（段落番号［００２４］〜［００７１］参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
このように、正方形或いは長方形で構成された金属部品のコーナー部にはせん断応力が集中しやすく、固着層のコーナー部から亀裂が進行する原因になる。そして、こうした接合面に生じる亀裂が進展することで半導体装置の放熱性能が低下するから、とりわけパワー半導体モジュールでは発生する熱が外部に逃げにくくなる等、最終的には半導体装置自体が熱破壊に至るという深刻な問題点があった。【００１４】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、接合部コーナーでの応力集中を低減することにより、温度サイクル等の信頼性試験でのはんだ層のクラック進行を抑制し、或いは防止できる半導体装置とその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明では、上記問題を解決するために、表裏面に導体パターンを接合形成してなる絶縁基板上にパワー半導体チップをマウントするとともに前記絶縁基板を放熱用ベース部材と接続して、前記パワー半導体チップの発熱を外部に放出可能とする接続構造を有する半導体装置が提供される。この半導体装置では、前記放熱用ベース部材と接合された裏面側の前記導体パターンは、その接合部の形状が矩形であって、かつコーナー部近傍で所定の曲率半径を有している。所定の曲率半径は、１ｍｍから１０ｍｍの範囲にとる。【００１６】
また、本発明では、上記問題を解決するために、表裏面に導体パターンを接合形成してなる絶縁基板上にパワー半導体チップをマウントするとともに前記絶縁基板を放熱用ベース部材と接続して、前記パワー半導体チップの発熱を外部に放出可能とする接続構造を有する半導体装置が提供される。この半導体装置では、前記放熱用ベース部材と接合された裏面側の前記導体パターンは、その接合部の形状が、対応する放熱用ベース部材に対して複数の接合部からなっていて、複数の接合部のそれぞれは矩形であって、かつコーナー部近傍で所定の曲率半径を有している。所定の曲率半径は、１ｍｍから１０ｍｍの範囲にとる。【００１７】
また、本発明では、上記問題を解決するために、表裏面に導体パターンを接合形成してなる絶縁基板上にパワー半導体チップをマウントするとともに前記絶縁基板を放熱用ベース部材と接続して、前記パワー半導体チップの発熱を外部に放出可能とする接続構造を有する半導体装置が提供される。この半導体装置では、前記放熱用ベース部材と接合された裏面側の前記導体パターンは、その接合部の形状が、対応する放熱用ベース部材に対して複数の接合部からなっていて、それら複数の接合部のそれぞれは矩形であって、かつコーナー部近傍で所定の曲率半径を有している。所定の曲率半径は、１ｍｍから１０ｍｍの範囲にとる。【００１８】
また、本発明では、上記問題を解決するために、表裏面に導体パターンを接合形成してなる絶縁基板上にパワー半導体チップをマウントするとともに前記絶縁基板を放熱用ベース部材と接続して、前記パワー半導体チップの発熱を外部に放出可能とする接続構造を有する半導体装置が提供される。この半導体装置では、前記放熱用ベース部材と接合された裏面側の前記導体パターンは、その接合部の形状が、一つ以上の湾曲部を有していて、かつその湾曲部及びコーナー部近傍で所定の曲率半径を有している。所定の曲率半径は、１ｍｍから１０ｍｍの範囲にとる。【００１９】
また、本発明では、上記問題を解決するために、表裏面に導体パターンを接合形成してなる絶縁基板上にパワー半導体チップをマウントするとともに前記絶縁基板を放熱用ベース部材と接続して、前記パワー半導体チップの発熱を外部に放出可能とする接続構造を有する半導体装置が提供される。この半導体装置では、前記放熱用ベース部材と接合された裏面側の前記導体パターンは、その接合部の形状が、対応する放熱用ベース部材に対して複数の接合部からなっていて、それら複数の接合部のそれぞれは六以上の多角形である。【００２０】
また、本発明は、絶縁基板上にパワー半導体チップをマウントするとともに前記絶縁基板を放熱用ベース部材と接続して、前記パワー半導体チップの発熱を外部に放出可能とする接続構造を有する半導体装置の製造方法において、前記絶縁基板の表裏面に導体パターンを接合するとともに、前記絶縁基板の裏面においてはその接合部の形状が矩形であって、かつコーナー部近傍で所定の曲率半径を有する導体パターンを接合する工程と、前記放熱用ベース部材と前記導体パターンとの間に、前記導体パターンと同じ平面形状で所定の厚みを有するシート状半田を設置して加熱する工程と、前記シート状半田を固化して、前記導体パターンを前記放熱用ベース部材に接続する半田固着層を生成する工程と、を備えたことを特徴とするものである。所定の曲率半径は、１ｍｍから１０ｍｍの範囲にとる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、固着層のコーナー部に加わる応力を弾性限界以下まで小さく設定することによって、そこに生じる亀裂を抑制し、防止することができる。したがって、過酷な温度条件で使用される半導体装置の放熱性を確保して、その長寿命化を図ることができる。【００２２】
本発明の上記および他の目的、特徴およ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。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置を示す縦断面図および平面図である。
【図２】図１（Ａ）のII−II線に沿って示す平面断面図である。
【図３】２つの金属部材が半田固着層によって接合された状態を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の放熱用ベース部材と絶縁基板の接合状態を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の放熱用ベース部材と絶縁基板の接合状態を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係る半導体装置を示す平面図および縦断面図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態に係る半導体装置の放熱用ベース部材と絶縁基板の接合状態を示す図である。
【図８】従来の半導体装置を示す縦断面図および平面図である。
【図９】図８（Ａ）に示す従来の半導体装置のIX−IX断面矢視図である。
【図１０】温度サイクル試験における半田固着層のクラックを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置を示す縦断面図および平面図であり、図２は、図１（Ａ）のII−II線に沿って示す平面断面図である。
【００２５】
図示したパワー半導体装置は、表裏面に導体パターン２ａ，２ｂを接合形成してなる絶縁基板１上に半導体チップ３をマウントするとともに、絶縁基板１を放熱用ベース部材４と接合して、半導体チップ３での発熱を外部に放出可能としている。また、このパワー半導体装置は、半導体チップ３がマウントされている絶縁基板１の表面側の導体パターン２ａに、銅板のリードフレームからなる外部引出端子９ａ，９ｂが接合され、さらに、半導体チップ３の金属電極３ａと導体パターン２ａとを互いに接続する内部接続端子７０を備えている。こうした接続構造自体は、図８に示した従来装置と同じである。
【００２６】
このパワー半導体装置の特徴は、第１に内部接続端子７０および外部引出端子９ａ，９ｂの接合部７１，７２および９１の外形が円形状に例示される曲線形状に形成されていることである。第２の特徴は、図２に示すように、放熱用ベース部材４と接合される導体パターン２ｂから角張ったコーナー部をなくして導体パターンの外形を曲線形状で形成し、応力集中を低減することで放熱用ベース部材４との間の半田固着層に亀裂が生じることを防いでいる点である。すなわち、図２に示すように、絶縁基板１の裏面側で放熱用ベース部材４と接合される導体パターン２ｂは、その接合部の形状が絶縁基板１より一回り小さい矩形形状であって、かつコーナー部近傍で所定の曲率半径を有している。この曲率半径は、実験的に、１ｍｍから１０ｍｍの範囲にとるのがよい。
【００２７】
そのうえで、半導体チップ３がマウントされた表面側の導体パターン２ａに対して一端が接合される内部接続端子７０は、その接合部７１，７２の形状が円形に構成されている。また、表面側の導体パターン２ａから引き出される外部引出端子９ａ，９ｂについても、その接合部９１の形状が円形に構成されている。これにより、半田による固着層にもコーナー部がなくなって、そこに加わる応力をその弾性限界以下まで小さく設定できるようになり、半導体装置の放熱性が確保される。
【００２８】
つぎに、熱膨張係数が異なる接合部材の間を半田層によって接合したときに生じる亀裂（クラック）について説明する。
熱膨張係数が異なる金属部材を接続した場合に、その環境温度が上昇と下降を繰り返すとき、それぞれの金属部材が異なる割合で伸縮するために、それらの間を接合する半田層、あるいはろう材層等には繰り返し応力が加えられて、そこに亀裂が生じやすい。
【００２９】
図３は、２つの金属部材が半田固着層によって接合された状態を示す断面図である。
同図において、Ｘ軸は部材の長さ方向、Ｙ軸は部材の厚さ方向を示している。ここで、金属部材１１，１２は互いに異なる熱膨張係数α１，α２（α１＜α２）を有し、縦弾性係数がそれぞれＥ１，Ｅ２であるものとする。また、固着層１３はせん断弾性係数をＧｃとする半田層であって、その厚みをｈとする。
【００３０】
図８に示すように、第１の金属部材１１上に被着される第２の金属部材１２を半田による固着層１３を介して接合した状態では、固着層１３の外周部分に半田フィレットが形成されている。一般に、厚さｔ１の第１の金属部材１１上に、長さＬ、厚さｔ２を有する第２の金属部材１２を接合して、そこにＴ［℃］の温度変化が生じたときに固着層１３の半田に生じるせん断歪み率（Δγ）については、以下の式（１）によって計算されることが知られている。
【００３１】
Δγ≒（Ｌ／２）・（α２−α１）・Ｔ／｛（√Ａ）・ｈ｝…（１）
ここで、係数ＡはＧｃ／ｈ・｛１／（Ｅ２・ｔ２）＋１／（Ｅ１・ｔ１）｝である。
この（１）式によれば、第１、第２の金属部材１１，１２の厚さｔ１，ｔ２および第２の金属部材１２の長さＬが大きいほど、固着層１３には大きなせん断歪み率Δγで応力が加わって、そこから亀裂が入りやすくなる。
【００３２】
すなわち、半導体チップ３がマウントされた表面側の導体パターン２ａに対して、内部接続端子７０および外部接続導体９０の接合部７１，７２および９１を接合する場合に、その形状が円形に構成されていることによって、（１）式のＬが小さくなる。同様に、絶縁基板１の裏面側に接合された導体パターン２ｂについても、放熱用ベース部材４との接合面の形状が矩形であって、かつそのコーナー部近傍で所定の曲率半径を有していることによって、（１）式のＬが小さくなる。こうして、固着層１３に作用するせん断歪み率Δγを減少することができる。
【００３３】
こうしたパワー半導体装置の製造方法では、最初に、絶縁基板１の表裏面に導体パターン２ａ，２ｂを接合するとともに、絶縁基板１の裏面においてはその接合部の形状が矩形であって、かつコーナー部近傍が曲面によって構成された導体パターン２ａ，２ｂを接合する工程を実施する。
【００３４】
次に、放熱用ベース部材４と導体パターン２ｂとの間に導体パターン２ｂと同じ平面形状で所定の厚みを有するシート状半田を設置して加熱する。その後、溶融したシート状半田を固化して、導体パターン２ｂを放熱用ベース部材４に接続する半田固着層が生成される。なお、導体パターン２ｂと放熱用ベース部材４との間をろう付けによって接着してもよい。
【００３５】
なお、導体パターン２ａ，２ｂのうち放熱用ベース部材４側に接合形成された導体パターン２ｂを、絶縁基板１との接合面周縁部での厚みを当該接合部中心に比較して薄くするように形成することで、半田固着層に加わる応力をその弾性限界以下まで小さく設定できる。したがって、図３に示す固着層１３に作用するせん断歪み率Δγは、さらに減少する。
【００３６】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の放熱用ベース部材と絶縁基板の接合状態を示す図である。
放熱用ベース部材４と接合される絶縁基板１ａ，１ｂの裏面には、それぞれ４個、あるいは１０個に分割された導体層２ｃからなる導体パターンが設けられている。しかも、いずれの導体層２ｃもコーナー部に丸みを有する矩形のパターン形状をなしている。これにより、個別の導体層２ｃを放熱用ベース部材４に固着するための半田の固着層１３は、その大きさを小さくできる。
【００３７】
すなわち、図３に示す第２の金属部材１２の長さＬが小さくなり、上述した（１）式から固着層１３に作用するせん断歪み率Δγが減少するから、亀裂の発生を抑制して、半導体装置自体の熱破壊を防止することができる。上述の４個あるいは１０個に分割された導体層２ｃの分割数は、これらに限らず一つの絶縁基板に対して２以上の分割数であれば効果がある。
【００３８】
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の放熱用ベース部材と絶縁基板の接合状態を示す図である。
このパワー半導体装置は、放熱用ベース部材４と接合される裏面側の導体パターン２ｂから、その複数に区分された領域毎に放熱用ベース部材４側へ突起する接合部２０を備えている。この場合でも、個別の接合部２０を放熱用ベース部材４に固着するための半田の固着層１３は、その大きさを小さくできる。
【００３９】
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体装置を示す平面図および縦断面図である。
ここでは、内部接続端子７３は、その各接合部７３ａ，７３ｂに複数の円形突起部７ｆが形成されている。同様に、外部引出端子９ａ，９ｂでも、その接合部９１にそれぞれ２個の円形突起部９ｆが形成されている。
【００４０】
こうした円形突起部７ｆ，９ｆは、それぞれ独立した半田の固着層１３を介して金属電極３ａや導体パターン２ａと接合されることになる。したがって、半田の固着層１３の大きさを小さくして、固着層１３に作用するせん断歪み率Δγを減少することができる。
【００４１】
図７は、本発明の第５の実施の形態に係る半導体装置の放熱用ベース部材と絶縁基板の接合状態を示す図である。
ここには、図２に示す第１の実施の形態の変形例、および図４に示す第２の実施の形態の変形例として、それぞれ絶縁基板１ａ，１ｂを放熱用ベース部材４に接合する導体パターン２ｂの２通りの形状を示している。このうち、図７（Ａ）に示す導体パターン２ｂは、コーナー部近傍での曲率半径ｒを有する矩形の接合部として構成され、かつ接合部の各辺には、凹形をなす複数の湾曲部（bend）ｂが形成されている。この曲率半径ｒは、実験的に、１ｍｍから１０ｍｍの範囲にとるのがよい。
【００４２】
こうした湾曲部ｂの大きさについては、コーナー部近傍の曲率半径をｒとしたとき、湾曲部ｂの幅Ｂｗがｒ以上であり、湾曲部ｂの深さＢｄもｒ以上であることが好ましい。これにより、図７（Ａ）に示す導体パターン２ｂは、図３の第２の金属部材１２における直線部分の長さＬが小さくなるように構成される。なお、湾曲部の内側底部のコーナーも同様の曲率半径を有していることが好ましい。このように構成することによって、コーナー部分におけるせん断歪み率Δγを減少できる。
【００４３】
一方、図７（Ｂ）に示す導体パターンは、複数の区分された導体層２ｄによって構成されており、六角形あるいはその一部を構成する台形によるパターン形状をなしている。この場合、その導体パターンの面内短手方向での寸法をＳｄとしたとき、各導体層２ｄそれぞれの間隔Ｓｇを０．１×Ｓｄ以上として配置することが望ましい。これにより、個別の導体層２ｄを放熱用ベース部材４に固着する際には、半田の固着層１３の大きさを小さくすることができ、固着層１３に作用するせん断歪み率Δγが減少される。この複数に区分された導体層は、六角形形状に限らず六以上の多角形でよい、この多角形は正多角形でなくともよい。六以上の多角形であればコーナー部分におけるせん断歪み率Δγを減少できる。なお、この多角形の角部にさらに上述のような曲率半径を持たせることも有効である。
【００４４】
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およ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および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。
【符号の説明】
【００４５】
１  絶縁基板
２ａ，２ｂ  導体パターン
２ｃ  導体層
３  半導体チップ
４  放熱用ベース部材
５  樹脂ケース
６  封止材
７，７０，７３  内部接続端子
７ｆ，９ｆ  円形突起部
８  アルミワイヤ
９ａ，９ｂ  外部引出端子
１１  第１の金属部材
１２  第２の金属部材
１３，１３ａ，１３ｂ  固着層
２０，７１，７２，７３ａ，７３ｂ，９１  接合部
９０  外部接続導体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年10月10日(2013.10.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
図８は、従来の半導体装置を示す縦断面図および平面図である。
図８（Ａ）は、同図（Ｂ）におけるＡ−Ａ矢視線に沿って示す縦断面図であって、セラミック等の絶縁基板１は、両面に導体パターン２ａ，２ｂが接合形成されたＤＢＣ（Direct Bonding Copper）（東芝マテリアル株式会社の登録商標）基板である。また、絶縁基板１の表面側の銅回路として形成された導体パターン２ａには、半田接合によって半導体チップ３がマウントされている。絶縁基板１の裏面側には、導体パターン２ａと同様の厚さで接合された導体パターン２ｂが放熱用ベース部材４に接合され、半導体チップ３の発熱を外部に放出している。また、放熱用ベース部材４は樹脂ケース５の底面を構成しており、そこに大小２枚の絶縁基板１が接合され、樹脂ケース５内に充填されたゲル状の封止材６によって半導体チップ３や内部接続端子７、アルミワイヤ８を保護している。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
図３に示すように、第１の金属部材１１上に被着される第２の金属部材１２を半田による固着層１３を介して接合した状態では、固着層１３の外周部分に半田フィレットが形成されている。一般に、厚さｔ１の第１の金属部材１１上に、長さＬ、厚さｔ２を有する第２の金属部材１２を接合して、そこにＴ［℃］の温度変化が生じたときに固着層１３の半田に生じるせん断歪み率（Δγ）については、以下の式（１）によって計算されることが知られている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
こうしたパワー半導体装置の製造方法では、最初に、絶縁基板１の表裏面に導体パターン２ａ，２ｂを接合するとともに、絶縁基板１の裏面においてはその接合部の形状が矩形であって、かつコーナー部近傍が曲面によって構成された導体パターン２ｂを接合する工程を実施する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表裏面に導体パターンを接合形成してなる絶縁基板上にパワー半導体チップをマウントするとともに前記絶縁基板を放熱用ベース部材と接続して、前記パワー半導体チップの発熱を外部に放出可能とする接続構造を有する半導体装置において、
前記放熱用ベース部材と接合された裏面側の前記導体パターンは、その接合部の形状が矩形であって、かつコーナー部近傍で所定の曲率半径を有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記パワー半導体チップがマウントされた表面側の前記導体パターンに対して一端が接合される金属端子は、その接合部が円形状に構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記放熱用ベース部材と接合される前記絶縁基板の裏面には、複数個に分割された導体層からなる導体パターンが設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記放熱用ベース部材と接合された裏面側の前記導体パターンは、複数に区分された領域毎に前記放熱用ベース部材側に突起する接合部を備えていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記放熱用ベース部材と接合された裏面側の前記導体パターンは、前記絶縁基板との接合面周縁部での前記導体パターンの厚みが当該接合部中心に比較して薄く形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記金属端子は、前記パワー半導体チップがマウントされている前記絶縁基板から引き出される外部引出端子であって、
前記外部引出端子の接合部は、表面側の前記導体パターンに対して複数の突起部が設けられていることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項７】
前記金属端子は、前記パワー半導体チップの表面電極と前記導体パターンとを互いに接続する内部接続端子であって、
前記内部接続端子の各接合部には、複数の突起部が設けられていることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項８】
絶縁基板上にパワー半導体チップをマウントするとともに前記絶縁基板を放熱用ベース部材と接続して、前記パワー半導体チップの発熱を外部に放出可能とする接続構造を有する半導体装置の製造方法において、
前記絶縁基板の表裏面に導体パターンを接合するとともに、前記絶縁基板の裏面においてはその接合部の形状が矩形であって、かつコーナー部近傍で所定の曲率半径を有する導体パターンを接合する工程と、
前記放熱用ベース部材と前記導体パターンとの間に、前記導体パターンと同じ平面形状で所定の厚みを有するシート状半田を設置して加熱する工程と、
前記シート状半田を固化して、前記導体パターンを前記放熱用ベース部材に接続する半田固着層を生成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
絶縁基板上にパワー半導体チップをマウントするとともに前記絶縁基板を放熱用ベース部材と接続して、前記パワー半導体チップの発熱を外部に放出可能とする接続構造を有する半導体装置の製造方法において、
前記絶縁基板の表裏面に導体パターンを接合するとともに、前記絶縁基板の裏面においてはその接合部の形状が矩形であって、かつコーナー部近傍で所定の曲率半径を有する導体パターンを接合する工程と、
前記導体パターンと前記放熱用ベース部材との間をろう付けによって接着する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【国際調査報告】
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