(57)【要約】【課題】優れた耐久信頼性を備える半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１は、絶縁基板５の金属板３ａ上にハンダ層６を介して接合されている半導体素子７と、金属板４上にハンダ層８を介して接合されている放熱用金属板９とを備える。金属板３は互いに平行な２組の辺３ａ，３ｂと、辺３ａ，３ｂを接続する角部３ｃとからなる矩形状を備え、金属板４は互いに平行な２組の辺４ａ，４ｂと、辺４ａ，４ｂを接続する角部４ｃとからなる矩形状を備える。金属板４は金属板３より大面積であり、金属板３，４は絶縁基板５を介して各辺３ａ，４ａと、各辺３ｂ，４ｂとが平行となり、角部３ｃの少なくとも一部が角部４ｃと重なるように積層されている。絶縁基板５は、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３からなる群から選択される１種のセラミックスからなり、金属板３，４はＣｕまたはＡｌからなる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表裏両面に金属板を備える絶縁基板と、
該絶縁基板の第１の金属板上に第１のハンダ層を介して接合されている半導体素子と、
該絶縁基板の第２の金属板上に第２のハンダ層を介して接合されている放熱用金属板とを備え、
該絶縁基板に備えられる各金属板は互いに平行な２組の辺と、相隣り合う２辺を接続する角部とからなる矩形状を備え、第２の金属板は第１の金属板より大面積であり、
第１の金属板と第２の金属板とは該絶縁基板を介して各辺が平行となるように積層されている半導体装置であって、
第１の金属板の各角部の少なくとも一部が第２の金属板の各角部と重なるように積層されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁基板は、セラミックス基板の表裏両面に前記金属板を備え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】
前記絶縁基板は、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３からなる群から選択される１種のセラミックスからなる前記セラミックス基板の表裏両面に、ＣｕまたはＡｌのいずれか１種の金属からなる前記金属板を備えることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車やハイブリッド車等の電動機の電力変換装置として用いられる半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッド車等の電動機の電力変換装置として、従来、半導体パワー素子を用いる半導体装置が知られている。
【０００３】
前記半導体装置は、前記電力変換装置として用いられるときには、大電圧が印加されることに伴って発熱量も大になる。そこで、半導体素子が搭載された基板の該半導体素子とは反対側の面に、ハンダ層を介して放熱板を接合した半導体装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
前記従来の半導体装置によれば、前記半導体素子に大電圧が印加されたときの発熱を前記放熱板により、外部に逃がすことができる。しかし、前記半導体装置では、前記基板と前記放熱板とが前記発熱により熱膨張すると、線膨張係数の相違により互いに剥離することがあるという問題がある。
【０００５】
前記問題を解決するために、前記基板として、セラミックスからなる基板の表裏両面に金属板を備える絶縁基板を用いることが考えられる。前記絶縁基板において、前記金属板がＣｕからなるものはＤＣＢ(Direct Copper Bonding)基板として公知である。
【０００６】
前記絶縁基板によれば、前記金属板の厚さ、大きさ等により、該絶縁基板全体の線膨張係数を調整することができる。そこで、前記絶縁基板の第１の金属板上にハンダ層を介して前記半導体素子を接合すると共に、第２の金属板上にハンダ層を介して放熱板を接合することにより、該絶縁基板と該放熱板とが熱膨張したときにも互いに剥離することを防止することができると期待される。
【０００７】
前記絶縁基板を備える半導体装置では、前記絶縁基板に備えられる各金属板は互いに平行な２組の辺と、相隣り合う２辺を接続する角部とからなる矩形状を備え、該角部は例えば円弧状とされている。そして、第２の金属板は、放熱効率を向上すると共に、前記セラミックス基板に対する応力を軽減するために第１の金属板より大面積であり、平面視したときに第１の金属板が第２の金属板の内周側に配置されるように、該セラミックス基板を介して積層されている。
【０００８】
しかしながら、前記半導体装置では、経時的に、前記ハンダ層の第２の金属板との界面付近に応力集中による亀裂が生じ、耐久信頼性が低減するという不都合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１４１９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、かかる不都合を解消して、優れた耐久信頼性を備える半導体装置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】
【００１１】
かかる目的を達成するために、本発明は、表裏両面に金属板を備える絶縁基板と、該絶縁基板の第１の金属板上に第１のハンダ層を介して接合されている半導体素子と、該絶縁基板の第２の金属板上に第２のハンダ層を介して接合されている放熱用金属板とを備え、該絶縁基板に備えられる各金属板は互いに平行な２組の辺と、相隣り合う２辺を接続する角部とからなる矩形状を備え、第２の金属板は第１の金属板より大面積であり、第１の金属板と第２の金属板とは該絶縁基板を介して各辺が平行となるように積層されている半導体装置であって、第２の金属板の各角部の少なくとも一部が第１の金属板の各角部と重なるように積層されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の半導体装置において、前記絶縁基板は、表裏両面に設けられた前記第１、第２の両金属板の厚さ、大きさ等により、該絶縁基板全体の線膨張係数を調整することができる。そこで、本発明の半導体装置は、第１の金属板上に半導体素子が接合されると共に、第２の金属板上に放熱用金属板が接合される構成を備えることにより、該絶縁基板と該放熱板とが熱膨張により互いに剥離することを防止することができる。
【００１３】
また、本発明の半導体装置において、前記第１、第２の両金属板は、互いに平行な２組の辺と、相隣り合う２辺を接続する角部とからなる矩形状を備えている。また、第２の金属板は第１の金属板より大面積であり、第１の金属板と第２の金属板とは前記絶縁基板を介して各辺が平行となるように積層されている。
【００１４】
そして、本発明の半導体装置では、第１の金属板の各角部の少なくとも一部が第２の金属板の各角部と重なるように積層されている。この結果、本発明の半導体装置によれば、第２のハンダ層の第２の金属板との界面付近における応力集中を緩和することができ、該界面付近における経時的な亀裂の発生を低減して、優れた耐久信頼性を得ることができる。
【００１５】
前記応力集中を緩和するために、第１の金属板の各角部は、第２の金属板の各角部と接していることが好ましいが、該応力集中を緩和することができる範囲であれば、第１の金属板の各角部が第２の金属板の各角部から外方に突出していてもよい。
【００１６】
また、本発明の半導体装置において、前記絶縁基板は、セラミックス基板の表裏両面に前記金属板を備えることにより、該絶縁基板全体の線膨張係数を容易に調整することができる。前記セラミックス基板は、例えば、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３からなる群から選択される１種のセラミックスからなるものを好適に用いることができる。また、前記金属板は、例えば、ＣｕまたはＡｌのいずれか１種の金属からなるものを好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の半導体装置の一構成例を示す説明的断面図。
【図２】図１に示す半導体装置を半導体素子の方向から見た平面図。
【図３】本発明の半導体装置の一構成例を半導体素子の方向から見た平面図。
【図４】比較例の半導体装置の構成を半導体素子の方向から見た平面図。
【図５】図１に示す半導体装置に対して熱サイクル試験を行ったときの亀裂発生率を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態の半導体装置１は、セラミックス基板２の表裏両面に金属板３，４が接合されている絶縁基板５を備えている。絶縁基板５の金属板３には、ハンダ層６を介して半導体素子としての半導体パワー素子７が接合されている。また、絶縁基板５の金属板４には、ハンダ層８を介して放熱用金属板としてのヒートシンク９が接合されている。
【００２０】
セラミックス基板２としては、例えば、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３からなる群から選択される１種のセラミックスからなるものを好適に用いることができる。また、金属板３，４としては、例えば、ＣｕまたはＡｌのいずれか１種の金属からなるものを好適に用いることができる。
【００２１】
ハンダ層６を形成するハンダは、金属板３と半導体パワー素子７とを接合できるものであればどのようなものであってもよい。また、ハンダ層８を形成するハンダは、金属板４とヒートシンク９とを接合できるものであればどのようなものであってもよい。
【００２２】
図２に示すように、金属板３は、互いに平行な２組の辺３ａ，３ｂと、相隣り合う２辺３ａ，３ｂを接続する角部３ｃとからなる矩形状を備えている。角部３ｃは、所定の半径を備える円弧状を備えている。
【００２３】
また、金属板４は、互いに平行な２組の辺４ａ，４ｂと、相隣り合う２辺４ａ，４ｂを接続する角部４ｃとからなる矩形状を備えている。角部４ｃは、角部３ｃより大きな所定の半径を備える円弧状を備えている。
【００２４】
そして、金属板３，４は、辺３ａ，４ａと、辺３ｂ，４ｂとが互いに平行となるようにされて、金属板３が金属板４の内周側に配置されると共に、角部３ｃが角部４ｃに接するように、セラミックス基板２を介して積層されている。
【００２５】
尚、図２は、ハンダ層６，８、半導体パワー素子７を省略して示している。
【００２６】
本実施形態の半導体装置１によれば、金属板３，４が前述のように積層されているので、半導体パワー素子７による発熱と冷却とが繰り返されても、経時的にハンダ層８の金属板４との界面付近に生じる応力集中を低減することができる。この結果、半導体装置１によれば、経時的にハンダ層８の金属板４との界面付近における経時的な亀裂の発生を低減して、優れた耐久信頼性を得ることができる。
【００２７】
また、金属板４は、図３に示すように、辺４ａ，４ｂを結ぶ直線からなる角部４ｃを備えていてもよい。この場合、角部３ｃは、角部４ｃを形成する前記直線に接している。
【００２８】
本実施形態では、角部３ｃは角部４ｃに接するようにしているが、ハンダ層８の金属板４との界面付近に生じる前記応力集中を低減することができる範囲であれば、角部３ｃが角部４ｃから外方に突出していてもよい。
【００２９】
次に、図１及び図２に示す半導体装置１を実施例とし、図４に示す半導体装置１０を比較例として、ハンダ層８の金属板４との界面付近における亀裂の発生を比較した。
【００３０】
図４に示す半導体装置１０は、金属板４の角部４ｃが金属板３の角部３ｃと同一の半径の円弧状であり、角部３ｃが角部４ｃの内周側に位置していて、角部４ｃに接していないことを除いて、図１及び図２に示す半導体装置１と全く同一の構成を備えている。
【００３１】
次に、半導体装置１，１０をそれぞれ6個ずつ用意し、半導体装置１，１０を加熱炉に入れて、半導体装置１，１０を１０５〜１５０℃の範囲の温度、例えば１２５℃の温度に３０分間保持した後、冷却して−４０℃の温度に３０分間保持する操作を１サイクルとして、熱サイクル試験を行った。そして、各サイクル毎に、ハンダ層８の金属板４との界面付近にいて亀裂が発生した半導体装置１，１０の数を調べ、全数で除することにより、亀裂発生率を算出した。結果を図５に示す。
【００３２】
図５から、半導体装置１０（比較例）は１００サイクル付近で前記亀裂が発生し始めるのに対し、半導体装置１（実施例）は１５００サイクル付近まで前記亀裂の発生が認められず、優れた耐久信頼性を備えていることが明らかである。
【符号の説明】
【００３３】
１…半導体装置、  ３…第１の金属板、  ３ｃ…角部、  ４…第２の金属板、  ４ｃ…角部、  ５…絶縁基板、  ６…第１のハンダ層、  ７…半導体素子、  ８…第２のハンダ層、  ９…放熱用金属板。
【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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