(57)【要約】【課題】より簡易な構造でありながら、半導体素子や絶縁基板の接合に用いられる半田等、導電性の接合層に生じるクラック等の劣化の有無を精度よく管理することのできる半導体装置を提供する。【解決手段】絶縁基板１２０に半田層を介して実装された半導体素子１１０が絶縁基板１２０と共々、特定の角部１１０ａ及び１２０ａ以外の角部の面取りによってその熱応力の集中する部位がこれらの角部１１０ａ及び１２０ａに偏倚されるようにする。そして、これら角部１１０ａ及び１２０ａにはその温度を検知する温度検知素子ＴＭ１及びＴＭ２が設けて、半田層へのクラック等の発生の有無、すなわち劣化の有無を管理する。【選択図】図１
2010212294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板に導電性の接合層を介して実装された半導体素子が絶縁基板と共々、その熱応力の集中する部位が特定の角部に偏倚された状態で、この偏倚された角部に当該部位の温度を検知する温度検知素子が設けられてなる
半導体装置。
【請求項２】
前記熱応力の集中する部位の前記特定の角部への偏倚が、該特定の角部以外の角部の面取りによってなされてなる
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記熱応力の集中する部位の前記特定の角部への偏倚が、前記半導体素子の前記絶縁基板に対する該特定の角部寄りへのオフセット実装によってなされてなる
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記特定の角部が単一の角部に設定されてなる
請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記特定の角部には、前記半導体素子及び前記絶縁基板のそれぞれに対応して前記温度検知素子が各別に設けられてなる
請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体素子の実装された絶縁基板が導電性の接合層を介して放熱板上に搭載されてなる
請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記導電性の接合層が半田層からなる
請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力の変換や各種電力制御等に用いられる電力用の半導体素子が半田等により絶縁基板に実装された半導体装置に関し、特に半導体素子や絶縁基板の温度検知に基づいて半田等からなる接合層の状態を管理可能な装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
こうした半導体装置としては、例えば電気自動車やハイブリッド車などにあって、車載バッテリから供給される直流電力をモータ駆動用の三相交流等に変換するなどの電力変換を行うインバータ装置が知られている。そして、このような半導体装置は通常、半導体素子（電力用半導体素子）を含んで構成される構造体が放熱板に一体に接合されていることが多い。すなわち、半導体素子が絶縁基板や放熱板に半田付け等によって実装されている上記構造体を、熱交換機能を有する放熱板に半田付けやロウ付けなどにより接合、固定することで、半導体素子動作時の発熱を緩和するようにしている。
【０００３】
ただし、半導体装置としてこのような接合構造を採用する場合、半導体素子と絶縁基板に用いられる材料とでは一般にその線膨張係数が異なり、また、絶縁基板に用いられる材料と放熱板に用いられる材料とでもその線膨張係数が異なるために、こうした線膨張係数の相違に起因する応力が発生する。そして通常、このような応力は、熱膨張及び熱収縮の度合いが最も大きくなる半導体素子や絶縁基板、放熱板等の周辺角部、すなわち各構成部品の四隅を起点として発生するため、それらの間に介在される半田層にその四隅から中心部に向かってクラックが生じるようになる。そして、こうしたクラックが発生した領域では半田層の熱抵抗が増大し、半導体素子と放熱板との間での熱交換が妨げられるようになる。
【０００４】
そこで、このようなクラックに起因する熱抵抗の増大を検出すべく、例えば特許文献１にあっては、半導体素子の周辺端部に配置された少なくとも一つの端部温度検知素子と同半導体素子の中心部に配置された少なくとも一つの中心部温度検知素子とによって半導体素子の温度推移を検出し、半導体素子の中心部と端部との温度差に基づいて上記半田層へのクラックの発生の有無を管理するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２５９７５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、特許文献１に記載の装置によれば、複数の温度検知素子によって検知される半導体素子の温度推移を通じて、確かに上記半田層に生じるクラックの有無を管理することができるようにはなる。
【０００７】
しかし、半田層に生じるクラックは、上述のように、各構成部品の四隅を起点として発生するため、それら四隅のいずれが起点となってクラックが発生しているかを正確に特定するには、自ずとそれら四隅を含めるかたちで温度検知箇所を増やす必要がある。そして、このように温度検知箇所を増やすことは、当該半導体装置としての生産コストの増大を招くことにもなりかねない。
【０００８】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より簡易な構造で
ありながら、半導体素子や絶縁基板の接合に用いられる半田等、導電性の接合層に生じるクラック等の劣化の有無を精度よく管理することのできる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、絶縁基板に導電性の接合層を介して実装された半導体素子が絶縁基板と共々、その熱応力の集中する部位が特定の角部に偏倚された状態で、この偏倚された角部に当該部位の温度を検知する温度検知素子が設けられてなることを要旨とする。
【００１０】
上記構成によるように、絶縁基板に導電性の接合層を介して実装された半導体素子を絶縁基板と共々、その熱応力の集中する部位を特定の角部に偏倚させることとすれば、換言すれば、前述したクラック発生の起点となる四隅の角部のうち特に熱応力が集中しやすい角部を作り出すこととすれば、温度の検知に基づきクラック発生の有無を監視すべき角部も自ずと特定されるようになる。このため、この偏倚させた、すなわちあえて作り出した角部の温度の検出のみを通じて極めて簡易に上記導電性の接合層に生じるクラック等の発生の有無を管理することができるようになる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置において、前記熱応力の集中する部位の前記特定の角部への偏倚が、該特定の角部以外の角部の面取りによってなされてなることを要旨とする。
【００１２】
上記構成によるように、特定の角部以外の角部を面取りすることとすれば、面取りされた角部よりも面取りのされていないこの特定の角部に対してより熱応力が集中しやすくなる。このため、上記熱応力の集中する部位の上記特定の角部への偏倚方法、すなわちこの特定の角部を作り出す方法としては、この特定の角部以外の角部を面取りすることが、簡易であるとともに有効である。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置において、前記熱応力の集中する部位の前記特定の角部への偏倚が、前記半導体素子の前記絶縁基板に対する該特定の角部寄りへのオフセット実装によってなされてなることを要旨とする。
【００１４】
上記構成によるように、半導体素子を絶縁基板に対する特定の角部寄りにオフセット実装することとすれば、半導体素子の中心から離れた角部よりもこのオフセットにより半導体素子の中心が近づけられた特定の角部に対してより熱応力が集中しやすくなる。したがって、上記熱応力の集中する部位の上記特定の角部への偏倚方法、すなわち特定の角部を作り出す方法としては、こうした半導体素子のオフセット実装も、簡易かつ有効な方法である。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記特定の角部が単一の角部に設定されてなることを要旨とする。
上記構成によるように、熱応力の集中を招く上記特定の角部を単一の角部に設定することとすれば、この単一の角部のみの温度を検知することによって上述した接合層の劣化の有無を管理することができるようになり、その半導体装置としての構造、並びに管理そのものの大幅な簡略化が可能となる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記特定の角部には、前記半導体素子及び前記絶縁基板のそれぞれに対応して前記温度検知素子が各別に設けられてなることを要旨とする。
【００１７】
上記構成によるように、半導体素子及び絶縁基板のそれぞれに対応して上記特定の角部に温度検知素子を各別に設けることとすれば、それらの間に介在する導電性の接合層のクラック等の発生に起因する温度変化をより高い精度のもとに検知することができるようになる。これにより、上記接合層の劣化の有無についてもこれをより高い精度のもとに管理することができるようになる。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記半導体素子の実装された絶縁基板が導電性の接合層を介して放熱板上に搭載されてなることを要旨とする。
【００１９】
上記構成によれば、半導体素子と絶縁基板との間に介在する接合層、さらには絶縁基板と放熱板との間に介在する接合層の各々についてその劣化の有無を管理することができるようになる。また、特にこの構成が上記請求項５に記載の構成に適用される場合には、半導体素子及び絶縁基板の各々での温度検知態様に基づいて上記各接合層の劣化の関係についてもその管理が可能となる。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記導電性の接合層が半田層からなることを要旨とする。
通常、接合材としての半田層は高い熱伝導率を有していることから、こうした半田層にクラックが生じた場合には、クラックが生じた特定領域での熱抵抗が増大し、この半田層を介して接合される半導体素子と絶縁基板等との熱交換が阻害されるようになる。このため、こうした半田層を介して接合される半導体素子や絶縁基板等の温度推移も顕著となる。この点、上記構成により、こうした半田層の劣化の有無、すなわちクラック等の発生の有無を高い精度で管理することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明にかかる半導体装置の第１の実施の形態についてその概略の平面構造を示す平面図。
【図２】同実施の形態の半導体装置について図１のＡ−Ａ線に沿った断面構造を示す断面図。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、同実施の形態の半導体装置に装着された温度検知素子により検知された半導体素子と絶縁基板との温度推移例を示すグラフ。
【図４】本発明にかかる半導体装置の第２の実施の形態についてその概略の平面構造を示す平面図。
【図５】同実施の形態の半導体装置について図４のＢ−Ｂ線に沿った断面構造を示す断面図。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、同実施の形態の半導体装置に装着された温度検知素子により検知された半導体素子と絶縁基板との温度推移例を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（第１の実施の形態）
以下、本発明にかかる半導体装置の第１の実施の形態について図１〜図３を参照して説明する。
【００２３】
図１は、この第１の実施の形態にかかる半導体装置の平面構造を模式的に示したものであり、また図２では、この図１のＡ−Ａ線に沿った断面構造を示したものである。これら図１及び図２に示されるように、この半導体装置は、大きくは、半導体素子１１０及びこの半導体素子１１０が実装された絶縁基板１２０からなる構造体１００が、その支持体としての放熱板３００に搭載されて構成されている。
【００２４】
ここで、上記半導体素子１１０は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）などの動作時に高温の熱を発する電力用半導体素子である。また、上記絶縁基板１２０は、ＤＢＡ（ダイレクト・ブレイジング・アルミニウム）と称される積層基板であって、例えば板厚が０．２５ｍｍ、外形寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍのセラミック基板１２１の両面にアルミニウム板１２２及び１２３がロウ付け等によって接着固定されている。なお、これらアルミニウム板１２２及び１２３は半田のぬれ性が得られるように表面処理されており、アルミニウム板１２２の上面に上記半導体素子１１０が半田付けによって実装されている。また、本実施の形態では、これら半導体素子１１０の中心部と絶縁基板１２０の中心部とが一致するかたちで半導体素子１１０が絶縁基板１２０に実装されており、半導体素子１１０の外縁と絶縁基板１２０の外縁との距離が全周に亘り均等になっている。
【００２５】
一方、その支持体である放熱板３００は、半導体素子１１０の動作に伴って発せられる熱を熱交換することで半導体素子１１０の発熱を放熱処理するものであり、この放熱板３００上に上記絶縁基板１２０が半田付けによって固定、搭載されている。なお、放熱板３００としては、モリブデン（Ｍｏ）、銅−モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）合金、アルミニウム−炭化ケイ素（Ａｌ−ＳｉＣ）合金、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などで形成されたものが望ましく、中でも特に、高い熱伝導率とパワー半導体素子に近い熱膨張係数を有するモリブデン（Ｍｏ）が好適である。
【００２６】
そして、本実施の形態においては、図１に併せて示すように、上記半導体素子１１０は、その４隅のうちの３隅が面取り寸法２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で直線状に面取りされている。これにより、同半導体素子１１０には、面取りされていない一つの角部１１０ａと３つの面取り部１１０ｂ〜１１０ｄとが形成されている。また、絶縁基板１２０も、半導体素子１１０の上記角部１１０ａと同一の方向に角部１２０ａを有するかたちで４隅のうちの３隅が面取りされており、これにより絶縁基板１２０にも、一つの角部１２０ａと３つの面取り部１２０ｂ〜１２０ｄとが形成されている。このような選択的な面取りにより、半導体素子１１０及び絶縁基板１２０の各面取り部１１０ｂ〜１１０ｄ及び１２０ｂ〜１２０ｄでは、熱応力の集中が緩和される一方、半導体素子１１０の角部１１０ａ及び絶縁基板１２０の角部１２０ａに熱応力が集中的に印加されるようになる。すなわち、熱応力の集中する部位がこれら角部１１０ａ及び角部１２０ａに偏倚されるようになる。そして、こうした半導体素子１１０の角部１１０ａ及び絶縁基板１２０の角部１２０ａには、それら部分の温度を検知すべく、サーミスタや熱電対等からなる温度検知素子ＴＭ１及びＴＭ２が、それら半導体素子１１０及び絶縁基板１２０の別に同一対角線上に設けられている。
【００２７】
このように構成される半導体装置は、そのＡ−Ａ線に沿った断面構造を図２に示すように、上記半導体素子１１０と絶縁基板１２０との間に接合層としての第１半田層２１０が介在するとともに、絶縁基板１２０と放熱板３００との間にも同じく接合層としての第２半田層２２０が介在するようになる。そして、半導体素子１１０の動作に伴って高温の熱が発せられると、これら第１半田層２１０及び第２半田層２２０を介して半導体素子１１０と放熱板３００との熱交換がなされ、半導体素子１１０の発熱が放熱処理されるようになる。
【００２８】
ところで、このように構成される半導体装置は、前述のように、半導体素子１１０と絶縁基板１２０、並びに絶縁基板１２０と放熱板３００との材質の違いにより、それぞれの線膨張係数が異なるものとなっている。このため、上記半導体素子１１０の動作に伴って高温の熱が発せられると、絶縁基板１２０や放熱板３００は高温となって熱膨張する一方、半導体素子１１０の動作が停止すれば、絶縁基板１２０や放熱板３００は次第に低温と
なり熱収縮する。そして、このような絶縁基板１２０や放熱板３００の熱膨張や熱収縮の際に、半導体素子１１０と絶縁基板１２０、並びに絶縁基板１２０と放熱板３００との線膨張係数が異なることに起因して応力の内在を招き、それらの間に介在する半田層２１０、２２０にその周辺端部から中心部に向かってクラックが生じる虞がある。この結果、クラックの生じた半田層２１０、２２０の領域では、熱抵抗が増大して上記半導体素子１１０と放熱板３００との熱交換が阻害されるようになり、半田層２１０、２２０に生じるクラックが進行するにつれて半導体素子１１０の温度が過度に上昇するようになる。
【００２９】
そこで、本実施の形態では、図１を参照して上述したように、半導体素子１１０及び絶縁基板１２０にそれぞれ一つの角部１１０ａ及び角部１２０ａを残すかたちで面取り部１１０ｂ〜１１０ｄ及び１２０ｂ〜１２０ｄを形成するようにしている。すなわち、これら角部１１０ａ及び角部１２０ａに上記応力を集中させることによって、こうした応力に起因する半田層２１０、２２０のクラックの発生箇所をそれら角部１１０ａ及び角部１２０ａの近傍に特定できるようにしている。そして、上記温度検知素子ＴＭ１及びＴＭ２によって検知される半導体素子１１０あるいは絶縁基板１２０の角部１１０ａ、角部１２０ａの温度に基づき半田層２１０、２２０のクラックに起因する熱抵抗の増大をその初期段階で検知することにより、半田層２１０、２２０の劣化状況を管理するようにしている。
【００３０】
なお、上述のような応力は、角部１１０ａあるいは角部１２０ａを起点として半導体素子１１０あるいは絶縁基板１２０の中心部に向かって作用するため、この応力に起因して第１半田層２１０や第２半田層２２０に生じるクラックも角部１１０ａあるいは角部１２０ａを起点として上記各中心部に向かうように進行する。そこで、本実施の形態では、上記第１温度検知素子ＴＭ１と第２温度検知素子ＴＭ２とを、半導体素子１１０及び絶縁基板１２０の各角部１１０ａ、１２０ａの同一対角線上に配置することとしている。これにより、これら第１温度検知素子ＴＭ１及び第２温度検知素子ＴＭ２の検知温度に基づき半田層２１０、２２０の劣化状況を高い精度で管理することのできるようになる。
【００３１】
次に、このような温度検知素子ＴＭ１及びＴＭ２によって検知される半導体素子１１０及び絶縁基板１２０の各角部１１０ａ及び１２０ａの温度推移の一例を図３を参照して説明する。なお、図３（ａ）は、上記第１半田層２１０にクラックが生じた場合の半導体素子１１０及び絶縁基板１２０の温度推移を、また、図３（ｂ）は、上記第２半田層２２０にクラックが生じた場合の半導体素子１１０及び絶縁基板１２０の温度推移をそれぞれ想定している。
【００３２】
いま、半導体素子１１０の動作に伴って半導体素子１１０から高温の熱が発せられたとすると、上述のように第１半田層２１０、絶縁基板１２０、第２半田層２２０を介して半導体素子１１０と放熱板３００との間で熱交換が行われることとなる。そして、こうした半導体素子１１０と放熱板３００との熱交換によって絶縁基板１２０や放熱板３００の温度が上昇すると、これら半導体素子１１０、絶縁基板１２０、放熱板３００の線膨張係数が異なることに起因してこれらの間に介在している第１半田層２１０や第２半田層２２０に上述した熱応力が内在するようになる。
【００３３】
そこで、まず半導体素子１１０と絶縁基板１２０との間にこうした応力が発生したとすると、それらの間に介在する第１半田層２１０に集中して応力が加わることとなる。そしてこのとき、半導体素子１１０の四隅が角部１１０ａを残すかたちで残りの三隅が面取りされていることによって、この角部１１０ａに集中的に応力が加わるようになり、ひいては、当該角部１１０ａの直下に位置する第１半田層２１０の特定の領域に集中して応力が加わるようになる。そして、このような応力の印加に起因して第１半田層２１０の特定の領域にクラックが発生した場合には、その領域での熱抵抗が上昇し、半導体素子１１０と放熱板３００との間での熱交換が次第に阻害されるようになる。
【００３４】
すなわちこの場合、図３（ａ）に実線Ｌ１として示すように、半導体素子１１０の角部１１０ａに設けられた第１温度検知素子ＴＭ１の検知温度は、まず、半導体素子１１０の動作が開始されてから第１半田層２１０にクラックが生じるまでは緩やかに上昇する（ｔ０−ｔ１）。そして、応力発生の起点となる角部１１０ａの直下に位置する第１半田層２１０の特定の領域にクラックが生じると、半導体素子１１０の角部１１０ａ付近において放熱板３００との熱交換が阻害されるようになり、第１温度検知素子ＴＭ１の検知温度は急激に上昇するようになる（ｔ１−ｔ２）。
【００３５】
一方、絶縁基板１２０の角部１２０ａに設けられた第２温度検知素子ＴＭ２の検知温度は、図３（ａ）に実線Ｌ２として示すように、まず、半導体素子１１０の動作が開始されてから第１半田層２１０にクラックが生じるまでは同様に緩やかに上昇する（ｔ０−ｔ１）。そして、応力発生の起点となる角部１１０ａの直下に位置する第１半田層２１０の特定の領域にクラックが生じると、この第１半田層２１０の特定の領域での熱交換が阻害されたことによって、半導体素子１１０から絶縁基板１２０の角部１２０ａに伝達される熱が低減し、第２温度検知素子ＴＭ２の検知温度の上昇率は低下するようになる（ｔ１−ｔ２）。
【００３６】
このように、第１半田層２１０にクラックが生じた場合には、半導体素子１１０の角部１１０ａの温度上昇率が高まる一方、絶縁基板１２０の角部１２０ａの温度上昇率は低くなり、これら半導体素子１１０の角部１１０ａと絶縁基板１２０の角部１２０ａとの温度差が拡大されるようになる。そして、こうした第１温度検知素子ＴＭ１及び第２温度検知素子ＴＭ２によって検知されるこれら角部１１０ａ及び角部１２０ａの温度推移に基づいて、第１半田層２１０にクラックが発生したか否かをその初期段階で検知することができるようになる。
【００３７】
他方、絶縁基板１２０と放熱板３００との間に応力が発生したとすると、それらの間に介在する第２半田層２２０に集中して応力が加わることとなる。そしてこのとき、絶縁基板１２０が角部１２０ａを残すかたちで面取りされていることによって、この角部１２０ａに集中的に応力が加わるようになり、ひいては当該角部１２０ａの直下に位置する第２半田層２２０の特定の領域に集中的に応力が加わるようになる。そして、このような圧力の印加に起因して第２半田層２２０の特定の領域にクラックが発生した場合には、その特定の領域での熱抵抗が上昇し、半導体素子１１０と放熱板３００との間での熱交換が阻害されるようになる。
【００３８】
すなわちこの場合には、図３（ｂ）に実線Ｌ３として示すように、半導体素子１１０の角部１１０ａに設けられた第１温度検知素子ＴＭ１の検知温度は、まず、半導体素子１１０の動作が開始されてから第２半田層２２０にクラックが生じるまでは緩やかに上昇する（ｔ０−ｔ１）。そして、応力発生の起点となる角部１２０ａの直下に位置する第２半田層２２０の特定の領域にクラックが生じると、その熱抵抗の増大に伴って第１温度検知素子ＴＭ１の検知温度がさらに高まるように推移するものの、第１半田層２１０にクラックが生じたときよりはその影響が少なくなっている（ｔ１−ｔ２）。
【００３９】
一方、絶縁基板１２０の角部１２０ａに設けられた第２温度検知素子ＴＭ２の検知温度は、図３（ｂ）に実線Ｌ４として示すように、まず、半導体素子１１０の動作が開始されてから第２半田層２２０にクラックが生じるまでは緩やかに上昇する（ｔ０−ｔ１）。そして、応力発生の起点となる角部１２０ａの直下に位置する第２半田層２２０の特定の領域にクラックが生じると、この第２半田層２２０の特定の領域において放熱板３００との熱交換が阻害されるようになり、絶縁基板１２０の角部１２０ａに設けられた第２温度検知素子ＴＭ２の検知温度は急激に上昇するようになる（ｔ１−ｔ２）。
【００４０】
このように、第２半田層２２０にクラックが生じた場合には、半導体素子１１０の角部１１０ａ及び絶縁基板１２０の角部１２０ａの双方の温度上昇率が高まるようになる。また、絶縁基板１２０の角部１２０ａの温度上昇率は半導体素子１１０の角部１１０ａの温度上昇率よりも高くなるため、絶縁基板１２０の角部１２０ａの温度が半導体素子１１０の角部１１０ａの温度に近づく態様で推移し、それら角部１１０ａと角部１２０ａとの温度差が次第に縮小されるようになる。そして、こうした第１温度検知素子ＴＭ１及び第２温度検知素子ＴＭ２によって検知されるこれら角部１１０ａ及び角部１２０ａの温度推移に基づいて、第２半田層２２０にクラックが発生したか否かをもその初期段階で検知することができるようになる。
【００４１】
以上説明したように、本実施の形態にかかる半導体装置によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）半導体素子１１０及び絶縁基板１２０にそれぞれ一つの角部１１０ａ及び角部１２０ａを残すかたちで他の三隅に面取り部１１０ｂ〜１１０ｄ及び１２０ｂ〜１２０ｄを形成し、各構成部品の線膨張係数の相違に起因して生じる応力の起点をそれら角部１１０ａ及び角部１２０ａに特定できるようにした。そして、これら角部１１０ａ及び角部１２０ａにそれぞれ第１温度検知素子ＴＭ１、第２温度検知素子ＴＭ２を設けることとした。これにより、第１半田層２１０あるいは第２半田層２２０のこれら角部１１０ａ及び角部１２０ａに対応する領域を起点としてクラックが生じたとしても、第１温度検知素子ＴＭ１及び第２温度検知素子ＴＭ２の検知温度に基づいてクラックに起因する熱抵抗の増大をその初期段階で検知することができるようになる。すなわち、必要最低限の温度検知素子によって半導体装置の半田層に生じる劣化状況を高い精度のもとに管理することができるようになり、ひいては、半導体素子１１０の破損等をも未然に防止することができるようになる。
【００４２】
（２）上記第１温度検知素子ＴＭ１、第２温度検知素子ＴＭ２を、半導体素子１１０の角部１１０ａ及び絶縁基板１２０の角部１２０ａの同一対角線上に配置することとした。これにより、これら第１温度検知素子ＴＭ１及び第２温度検知素子ＴＭ２の検知温度に基づき半田層２１０、２２０に発生するクラックを検知する上で、その検知精度も高く維持されるようになる。
【００４３】
（３）半導体素子１１０と絶縁基板１２０とでその中心部とが一致するかたちで半導体素子１１０を絶縁基板１２０に実装することとした。このため、絶縁基板１２０の周辺端部の温度変化幅を同一の条件とすることができ、半導体素子１１０及び絶縁基板１２０の四隅の形状のみに依存するかたちで応力発生の起点を調整することが可能となる。すなわち、上記半導体素子１１０の角部１１０ａ及び角部１２０ａを応力発生の起点として特定できるようにする上で、その信頼性も高められるようになる。
【００４４】
（第２の実施の形態）
以下、本発明にかかる半導体装置を具体化した第２の実施の形態を図４〜図６を参照して説明する。なお、この第２の実施の形態は、先の第１の実施の形態において半導体素子１１０及び絶縁基板１２０に面取り部を形成したことに代えて、半導体素子１１０を絶縁基板１２０に対し特定の角部寄りにオフセット実装することにより半導体素子１１０あるいは絶縁基板１２０に生じる応力の発生起点を特定できるようにしたものである。
【００４５】
図４及び図５は、先の図１及び図２に対応する図として、この第２の実施の形態にかかる半導体装置の構成を示したものである。なお、これら図４及び図５において、先の図１及び図２に示した各要素と同一の要素についてはそれぞれ同一の符号を付して示しており、それら要素についての重複する説明は割愛する。
【００４６】
一般に、半導体素子１１０、絶縁基板１２０、放熱板３００に生じる応力は、それらの温度変化幅が大きいほど生じやすくなる。そして、これらの温度変化幅は、発熱源となる半導体素子１１０の中心部Ｏ１に近いほど大きくなる一方、半導体素子１１０の中心部から遠いほど小さくなる。
【００４７】
そこで、本実施の形態では、図４に示すように、半導体素子１１０の角部１１０ｅ〜１１０ｈあるいは絶縁基板１２０の角部１２０ｅ〜１２０ｈのうち応力発生の起点となる箇所を特定できるようにすべく、半導体素子１１０の中心部Ｏ１が絶縁基板１２０の一隅に向かって偏る態様で半導体素子１１０を絶縁基板１２０に実装する。具体的には、発熱源となる半導体素子１１０の中心部Ｏ１が絶縁基板１２０の中心部Ｏ２から角部１２０ｅに向かって距離Ｗ０だけ偏る態様で、半導体素子１１０を絶縁基板１２０上にオフセット実装する。これにより、半導体素子１１０の中心部Ｏ１と絶縁基板１２０の角部１２０ｅとの距離（Ｗ１）が、半導体素子１１０の中心部Ｏ１と絶縁基板１２０のその他の角部１２０ｆ〜１２０ｈとの各距離（Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４）よりも相対的に近づけられることとなる。（Ｗ１＜（Ｗ２、Ｗ４）＜Ｗ３）。そして、こうして互いに距離が近づけられた角部１１０ｅ及び角部１２０ｅには、第１温度検知素子ＴＭ１と第２温度検知素子ＴＭ２とが半導体素子１１０及び絶縁基板１２０の同一対角線上に設けられている。
【００４８】
半導体装置としてのこのような構成によれば、半導体素子１１０の中心部Ｏ１と絶縁基板１２０の角部１２０ｅとの距離（Ｗ１）が相対的に近づけられたことによって、絶縁基板１２０の各角部１２０ｅ〜１２０ｈのうち角部１２０ｅの温度変化幅が最も大きくなり、こうした温度変化に起因する熱膨張あるいは熱収縮の度合いも大きくなる。このため、半導体素子１１０、絶縁基板１２０、放熱板３００の各線膨張係数が異なることに起因する熱応力は、絶縁基板１２０の各角部１２０ｅ〜１２０ｈのうち最も温度変化幅の大きな角部１２０ｅ、あるいはこの角部１２０ｅに近づけられた半導体素子１１０の角部１１０ｅを起点として生じるようになる。すなわち応力の集中する部位がこれら角部１１０ｅ及び角部１２０ｅに偏倚されるようになる。そしてこれにより、こうした応力に起因する半田層２１０、２２０のクラックの発生起点も、これら角部１１０ｅ及び角部１２０ｅ近傍に特定されるようになる。
【００４９】
本実施の形態では、このような前提のもとに、上記温度検知素子ＴＭ１及びＴＭ２によって、半田層２１０、２２０のクラックに起因する半導体素子１１０あるいは絶縁基板１２０の熱抵抗の増大をその初期段階で検知し、それらの検知値に基づき半田層２１０、２２０の劣化状況を監視することとしている。
【００５０】
次に、温度検知素子ＴＭ１及びＴＭ２によって検知される半導体素子１１０及び絶縁基板１２０の角部１１０ｅ及び第２各部１２０ｅの温度推移の一例を図６を参照して説明する。なお、図６（ａ）は、上記第１半田層２１０にクラックが生じた場合の半導体素子１１０及び絶縁基板１２０の温度推移を、また、図６（ｂ）は、上記第２半田層２２０にクラックが生じた場合の半導体素子１１０及び絶縁基板１２０の温度推移をそれぞれ想定している。
【００５１】
すなわちいま、半導体素子１１０の動作に伴って半導体素子１１０から高温の熱が発せられたとすると、上述のように絶縁基板１２０、半田層２１０、２２０を介して半導体素子１１０と放熱板３００との間で熱交換が行われることとなる。そしてこのとき、半導体素子１１０の中心部Ｏ１が絶縁基板１２０の角部１２０ｅに偏る態様で絶縁基板１２０上に半導体素子１１０が実装されたことによって、角部１２０ｅの熱膨張あるいは熱収縮の度合いがその他の角部１２０ｆ〜１２０ｈよりも相対的に大きくなる。このため、こうした絶縁基板１２０の上層に位置する半導体素子１１０と下層に位置する放熱板３００との
線膨張係数の相違の影響が局所的に大きくなり、これに応じてそれらの間に介在している第１半田層２１０や第２半田層２２０に上述した熱応力が内在するようになる。
【００５２】
そこでまず、絶縁基板１２０の上層の第１半田層２１０に対してこうした応力が加わった場合には、この第１半田層２１０のうちの角部１２０ｅ寄りの特定の領域に集中的に応力が加わるようになり、その応力の増大に伴って第１半田層２１０の特定の領域でクラックが発生するようになる。こうして、この第１半田層２１０の特定の領域にクラックが発生すると、その領域での熱抵抗が上昇するようになり、半導体素子１１０と放熱板３００との間での熱交換が次第に阻害されるようになる。
【００５３】
すなわちこの場合、図６（ａ）に実線Ｌ５として示すように、半導体素子１１０の角部１１０ｅに設けられた第１温度検知素子ＴＭ１の検知温度は、まず、半導体素子１１０の動作が開始されてから第１半田層２１０にクラックが生じるまでは緩やかに上昇する（ｔ０−ｔ１）。そして、応力発生の起点となる角部１１０ｅの直下に位置する第１半田層２１０の特定の領域にクラックが生じると、半導体素子１１０の角部１１０ｅ付近において放熱板３００との熱交換が阻害されるようになり、第１温度検知素子ＴＭ１の検知温度は急激に上昇するようになる（ｔ１−ｔ２）。
【００５４】
一方、絶縁基板１２０の角部１２０ｅに設けられた第２温度検知素子ＴＭ２の検知温度は、図６（ａ）に実線Ｌ６として示すように、まず、半導体素子１１０の動作が開始されてから第１半田層２１０にクラックが生じるまでは同様に緩やかに上昇する（ｔ０−ｔ１）。なお、このとき第２温度検知素子ＴＭ２の検知温度は、半導体素子１１０の中心部Ｏ１に角部１２０ｅが近づけられた分、半導体素子１１０の温度推移に近似するようになっている。
【００５５】
そして、応力発生の起点となる角部１１０ｅの直下に位置する第１半田層２１０の特定の領域にクラックが生じると、この第１半田層２１０の特定の領域での熱交換が阻害されることにより、半導体素子１１０から絶縁基板１２０の角部１２０ｅに伝達される熱が低減し、第２温度検知素子ＴＭ２の検知温度の上昇率は低下するようになる（ｔ１−ｔ２）。
【００５６】
このように、第１半田層２１０にクラックが生じた場合には、半導体素子１１０の角部１１０ｅの温度上昇率が高まる一方、絶縁基板１２０の角部１２０ｅの温度上昇率は低くなり、これら半導体素子１１０の角部１１０ｅと絶縁基板１２０の角部１２０ｅとの温度差が拡大されるようになる。これにより、本実施の形態においても、こうした第１温度検知素子ＴＭ１及び第２温度検知素子ＴＭ２によって検知されるこれら角部１１０ｅ及び角部１２０ｅの温度推移に基づいて、第１半田層２１０にクラックが発生したか否かをその初期段階で検知することができるようになる。なお、同図６（ａ）に破線Ｌ７として示されるように、例えば、角部１２０ｅと対向する角部１２０ｇの温度推移は、半導体素子１１０の中心部Ｏ１から離間されたことによって、その温度変化幅も小さくなっている。こうしたことからも、半導体素子１１０の中心部Ｏ１に角部１２０ｅが近づけられたことによって角部１２０ｅの温度変化幅が増大されたことを確認することができる。
【００５７】
他方、絶縁基板１２０の下層の第２半田層２２０に対して応力が加わった場合には、この第２半田層２２０のうち角部１２０ｅ直下の特定の領域に集中して応力が加わるようになり、その応力の増大に伴って第２半田層２２０の特定の領域でクラックが発生するようになる。こうして、この第２半田層２２０の特定の領域にクラックが発生すると、その領域の熱抵抗が上昇し、半導体素子１１０と放熱板３００との熱交換が次第に阻害されるようになる。
【００５８】
すなわちこの場合には、図６（ｂ）に直線Ｌ８として示すように、半導体素子１１０の角部１１０ｅに設けられた第１温度検知素子ＴＭ１の検知温度は、まず、半導体素子１１０の動作が開始されてから第２半田層２２０にクラックが生じるまでは緩やかに上昇する（ｔ０−ｔ１）。そして、応力発生の起点となる角部１２０ｅの直下に位置する第２半田層２２０の特定の領域にクラックが生じると、その熱抵抗の増大に伴って第１温度検知素子ＴＭ１の検知温度がさらに高まるように推移する（ｔ１−ｔ２）。なお、この際の第１温度検知素子ＴＭ１の検知温度の変化幅は、半導体素子１１０の中心部Ｏ１と絶縁基板１２０の角部１２０ｅとの距離Ｗ１が短縮されたことによって、第２半田層２２０に生じたクラックに起因する影響もさらに顕著となっている。
【００５９】
一方、絶縁基板１２０の角部１２０ｅに設けられた第２温度検知素子ＴＭ２の検知温度は、図６（ｂ）に直線Ｌ９として示すように、まず、半導体素子１１０の動作が開始されてから第２半田層２２０にクラックが生じるまでは緩やかに上昇する（ｔ０−ｔ１）。そして、応力発生の起点となる角部１２０ｅの直下に位置する第２半田層２２０の特定の領域にクラックが生じると、この第２半田層２２０の特定の領域において放熱板３００との熱交換が阻害されるようになり、絶縁基板１２０の角部１２０ｅに設けられた第２温度検知素子ＴＭ２の検知温度は急激に上昇するようになる（ｔ１−ｔ２）。なお、このときにおいても、第２温度検知素子ＴＭ２の検知温度は、半導体素子１１０の中心部Ｏ１に角部１２０ｅが近づけられた分、半導体素子１１０の温度推移に近似するようになっている。そして、同図６（ｂ）に破線Ｌ１０として示されるように、同じく角部１２０ｅと対向する角部１２０ｇの温度変化幅も小さくなっており、角部１２０ｅの温度変化幅が相対的に増大されたことを確認することができる。
【００６０】
このように、第２半田層２２０にクラックが生じた場合には、半導体素子１１０の角部１１０ｅ及び絶縁基板１２０の角部１２０ｅの双方の温度上昇率が高まるようになる。また、絶縁基板１２０の角部１２０ｅの温度上昇率は半導体素子１１０の角部１１０ｅの温度上昇率よりも高くなるため、絶縁基板１２０の角部１２０ｅの温度が半導体素子１１０の角部１１０ｅの温度に近づく態様で推移し、半導体素子１１０の角部１１０ｅと絶縁基板１２０の角部１２０ｅとの温度差が次第に縮小されるようになる。そして、こうした第１温度検知素子ＴＭ１及び第２温度検知素子ＴＭ２によって検知されるこれら角部１１０ｅ及び角部１２０ｅの温度推移に基づいて、第２半田層２２０にクラックが発生したか否かをもその初期段階で検知することができるようになる。
【００６１】
以上説明したように、この第２の実施の形態にかかる半導体装置によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）発熱源となる半導体素子１１０の中心部Ｏ１が絶縁基板１２０の中心部Ｏ２から角部１２０ｅに向かって距離Ｗ０だけ偏る態様で半導体素子１１０を絶縁基板１２０上にオフセット実装し、各構成部品の線膨張係数の相違に起因して生じる応力の起点をそれら角部１１０ａ及び角部１２０ａに特定できるようにした。そして、これら角部１１０ａ及び角部１２０ａにそれぞれ第１温度検知素子ＴＭ１、第２温度検知素子ＴＭ２を設けることとした。これにより、第１半田層２１０あるいは第２半田層２２０のこれら角部１１０ａ及び角部１２０ａに対応する領域を起点としてクラックが生じたとしても、第１温度検知素子ＴＭ１及び第２温度検知素子ＴＭ２の検知温度に基づいてクラックに起因する熱抵抗の増大をその初期段階で検知することができるようになる。すなわち、必要最低限の温度検知素子によって半導体装置の半田層に生じる劣化状況を高い精度のもとに管理することができるようになり、ひいては、半導体素子１１０の破損等をも未然に防止することができるようになる。
【００６２】
（２）上記第１温度検知素子ＴＭ１、第２温度検知素子ＴＭ２を、半導体素子１１０の角部１１０ａ及び絶縁基板１２０の角部１２０ａの同一対角線上に配置することとした。
これにより、これら第１温度検知素子ＴＭ１及び第２温度検知素子ＴＭ２の検知温度に基づき半田層２１０、２２０に発生するクラックを検知する上で、その検知精度も高く維持されるようになる。
【００６３】
（他の実施の形態）
なお、上記実施の形態は、以下のような形態をもって実施することもできる。
・上記第１の実施の形態では、面取り寸法２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で半導体素子１１０及び絶縁基板１２０の三隅を面取りすることとしたが、面取り寸法は任意であり、これに限定されるものではない。また、面取り寸法を調整することによって角部１１０ａあるいは角部１２０ａに集中される応力の度合いを調整することも可能である。
【００６４】
・上記第１の実施の形態では、直線状の面取り部１１０ｂ〜１１０ｄ、１２０ｂ〜１２０ｄを半導体素子１１０及び絶縁基板１２０に設けることとしたが、面取りされていない角部１１０ａあるいは角部１２０ａに応力が集中して印加される構造であればよく、面取り部１１０ｂ〜１１０ｄ、１２０ｂ〜１２０ｄの形状は任意である。例えば、円弧状の面取り部を設けるようにしてもよい。
【００６５】
・上記第１の実施の形態では、半導体素子１１０及び絶縁基板１２０の各四隅のうちの角部１１０ａ及び角部１２０ａのみを残すかたちで他の三隅を面取りすることとしたが、応力の集中が偏倚される角部の数や位置は任意であり、例えば２つの角部を残して他の２つの角部を面取りすることとし、この面取りされていない２つの角部に温度検知素子を設けるようにしてもよい。これによっても、四隅のそれぞれに温度検知素子を設ける場合に比べれば、その数を確実に減らすことができる。
【００６６】
・上記第２の実施の形態では、発熱源となる半導体素子１１０の中心部Ｏ１が絶縁基板１２０の中心部Ｏ２から角部１２０ｅに向かって距離Ｗ０だけ偏る態様で、半導体素子１１０を絶縁基板１２０上にオフセット実装することとした。これに限らず、半導体素子１１０の実装位置は、絶縁基板１２０上であればよく、半導体素子１１０の中心部Ｏ１と絶縁基板１２０の各角部１２０ｅ〜１２０ｈとの各距離Ｗ１〜Ｗ４の設定は任意である。また、角部１２０ｅに集中する応力の度合いは、半導体素子１１０の中心部と近づくにつれて大きくなるものであり、半導体素子１１０の中心部Ｏ１と応力が集中的に印加される角部との距離を調整することによって応力の集中の度合いを調整することも可能である。
【００６７】
・上記第２の実施の形態では、発熱源となる半導体素子１１０の中心部Ｏ１が絶縁基板１２０の中心部Ｏ２から角部１２０ｅに向かって偏る態様で、半導体素子１１０を絶縁基板１２０上にオフセット実装することとしたが、半導体素子１１０の中心部Ｏ１と絶縁基板１２０の角部１２０ｅ〜１２０ｈのうち特定の角部との距離が相対的に近づけられるものであればよく、これに限定されるものでない。すなわち、例えば半導体素子１１０の中心部Ｏ１と絶縁基板１２０の角部１２０ｅ及び１２０ｆの２つ角部との距離が相対的に近づけられる態様で半導体素子１１０を絶縁基板１２０にオフセット実装するようにしてもよい。この場合も温度検出素子はそれら２つの角部に対応して設けられることとなるが、これによっても、四隅のそれぞれに温度検知素子を設ける場合に比べれば、その数を確実に減らすことができる。
【００６８】
・上記各実施の形態では、半導体素子１１０の角部１１０ａ（１１０ｅ）及び絶縁基板１２０の角部１２０ａ（１２０ｅ）に、それぞれ第１温度検知素子ＴＭ１及び第２温度検知素子ＴＭ２を設けることとした。これに限らず、半田層２１０、２２０の熱抵抗の増大を検知する上では、角部１１０ａ（１１０ｅ）あるいは角部１２０ａ（１２０ｅ）の一カ所に一つの温度検知素子を設けるようにしてもよい。すなわち、先の図３及び図６に示したように、第１半田層２１０あるいは第２半田層２２０にクラックが発生した場合には、
角部１１０ａ（１１０ｅ）及び角部１２０ａ（１２０ｅ）の双方に温度変化が生じることとなる。このため、上述のような温度変化に基づいて第１半田層２１０及び第２半田層２２０のクラックの発生の有無を検知可能な場合には、一つの温度検知素子のみによって第１半田層２１０及び第２半田層２２０の劣化状況を管理するようにしてもよい。これにより、当該半導体装置に必要とされる温度検知素子の数をさらに削減することができるようになる。
【００６９】
・上記温度検知素子としてサーミスタや熱電対を用いることとしたが、半導体素子１１０や絶縁基板１２０の温度状態を検知可能なものであればよく、必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００７０】
・上記角実施の形態では、導電性の接合層として半田を用いることとしたが、この接合層としては熱伝導性と接合機能とを備えるものであればよく、例えば、ロウ材によって絶縁基板１２０と放熱板３００とが接合される構成であってもよい。
【００７１】
・上記各実施の形態では、絶縁基板１２０の下層に第２半田層２２０を介して一体に接合される支持体として放熱板３００を用いることとした。これに限らず、この放熱板３００に代えて冷却器を支持体として用いる構成であってもよい。その他、半導体素子１１０や絶縁基板１２０の温度状態に基づいてそれらの間に介在される接合層の劣化状況を監視するものであればよく、放熱板３００等の支持体を割愛し、第１半田層２１０を介して一体に接合された半導体素子１１０と絶縁基板１２０とによって上記半導体装置を構成するようにしてもよい。
【００７２】
・上記各実施の形態では、応力発生の起点となる箇所を限定すべく、例えば、第１の実施の形態では、半導体素子１１０及び絶縁基板１２０の特定の角部以外の角部を面取りすることとし、また、第２の実施の形態では、半導体素子１１０の絶縁基板１２０に対する特定の角部寄りにオフセット実装することとした。これに限らず、接合層に生じるクラックの発生箇所を特定する上では、半導体素子１１０及び絶縁基板１２０の特定の角部以外の角部を面取りするとともに、これらの角部の距離が相対的に近づけられる態様で半導体素子１１０を絶縁基板１２０上にオフセット実装する構成であってもよい。すなわち、上記各変形例も含め、第１の実施の形態と第２の実施の形態との組み合わせによって当該半導体装置を構成することもできる。
【符号の説明】
【００７３】
１００…構造体、１１０…半導体素子、１１０ａ、１１０ｅ〜１１０ｈ…角部、１１０ｂ〜１１０ｄ…面取り部、１２０…絶縁基板、１２０ａ、１２０ｅ〜１２０ｈ…角部、１２０ｂ〜１２０ｄ…面取り部、１２１…セラミック基板、１２２、１２３…アルミニウム板、２１０…第１半田層、２２０…第２半田層、３００…放熱板、Ｏ１、Ｏ２…中心部、ＴＭ１…第１温度検知素子、ＴＭ２…第２温度検知素子。
【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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