(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１２２）に結合される半導体チップ（１２８）と、
前記基板（１２２）に結合されるベースプレートであって、前記基板（１２２）は前記半導体チップ（１２８）と前記ペースプレートとの間に配置され、前記ベースプレートは第２の金属層（１０６）に直接、クラッド接合する第１の金属層（１０８）を含み、前記第２の金属層（１０６）は平面部（１１３）と前記平面部から伸びたピン−フィンまたはフィンの冷却構造（１１２）とを設けるように変形される、ベースプレートと、を含む半導体装置であって、
前記第１の金属層（１０８）は第１の厚さ（ｄ１０８）を有し、
前記平面部（１１３）は第２の厚さ（ｄ１１３）を有し、
前記第１の厚さ（ｄ１０８）と前記第２の厚さ（ｄ１１３）の比は少なくとも４：１であり、
前記第１の金属層（１０８）は第１の材料を含み、前記第２の金属層（１０６）は第１の材料とは異なる第２の材料を含み、
前記基板（１２２）はセラミック層を含み、前記セラミック層の第１の面には第３の金属層が直接、結合し、第１の面とは反対側にある前記セラミック層の第２の面には第４の金属層が直接、結合する、
半導体装置。
【請求項２】
前記第１の厚さ（ｄ１０８）と前記第２の厚さ（ｄ１１３）の比は少なくとも１０：１である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２の厚さ（ｄ１１３）は０．２ｍｍ〜０．５ｍｍである、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の金属層（１０８）は銅を含み、前記第２の金属層（１０６）はアルミニウムを含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１の金属層（１０８）は２．５ｍｍ〜１０ｍｍの厚さ（ｄ１０８）を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第２の金属層（１０６）の反対側の前記第１の金属層（１０８）に接合する第５の金属層（１０９）クラッドをさらに含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第５の金属層（１０９）は１μｍ〜０．１ｍｍの厚さを有する、請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第５の金属層（１０９）は銀とパラジウムの１つを含む、請求項６または７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記基板（１２２）は前記第５の金属層（１０９）に拡散半田付けされるか焼結されるかのいずれかである、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第５の金属層（１０９）はアルミニウムを含む、請求項６乃至９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記第５の金属層（１０９）は半田停止層を設けるように構成され、前記基板（１２２）は前記第１の金属層（１０８）へ半田付けされる、請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記第１の金属層（１０８）と、前記平面部（１１３）および前記ピン−フィンまたはフィン（１１２）を含む前記第２の金属層（１０６）は、両金属層間の界面（１６８）に平行な方向にそれぞれ、２０°Ｃで１８ｐｐｍ／Ｋ以下の熱膨張率と１７ｐｐｍ／Ｋ未満の熱膨張率を有する合成物を形成する、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１３】
セラミック層、セラミック層の第１の面に直接、結合される第１の金属層、セラミック層の第１の面とは反対側にあるセラミック層の第２の面に直接、結合される第２の金属層を有する第１の金属化セラミック基板（１２２）と、
前記第１の金属化セラミック基板（１２２）の第１の面に結合される第１の半導体チップ（１２８）と、
前記第１の金属化セラミック基板（１２２）の第１の面の反対側にある前記第１の金属化セラミック基板（１２２）の第２の面に結合されるベースプレート（１０４、２１０、２２０）であって、前記ベースプレート（１０４、２１０、２２０）はアルミニウムを含む第２の層（１０６）にクラッド接合する銅を含む第１の層（１０８）を含み、前記第２の層はピン−フィンまたはフィンの冷却構造（１１２）を設けるように変形される、ベースプレート（１０４、２１０、２２０）と、を含む半導体装置であって、
前記第２の金属層（１０６）は前記冷却構造（１１２）をその上に形成した平面部（１１３）を含み、
前記第１の金属層（１０８）は第１の厚さ（ｄ１０８）を有し、
前記平面部（１１３）は第２の厚さ（ｄ１１３）を有し、
前記第１の厚さ（ｄ１０８）と前記第２の厚さ（ｄ１１３）の比は少なくとも４：１である、半導体装置。
【請求項１４】
前記第１の金属層（１０８）と、前記平面部（１１３）および前記ピン−フィンまたはフィン（１１２）を含む前記第２の金属層（１０６）は、両金属層間の界面（１６８）に平行な方向にそれぞれ、２０°Ｃで１８ｐｐｍ／Ｋ以下の熱膨張率と１７ｐｐｍ／Ｋ未満の熱膨張率を有する合成物を形成する、請求項１３に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記第１の厚さ（ｄ１０８）と前記第２の厚さ（ｄ１１３）の比は少なくとも１０：１である、請求項１３または１４に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記第２の厚さ（ｄ１１３）は０．２ｍｍ〜０．５ｍｍである、請求項１３乃至１５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記第１の金属化セラミック基板（１２２）の前記第１の面に結合される第２の半導体（１２８）チップをさらに含む、請求項１３乃至１６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記ベースプレート（１０４、２１０、２２０）は前記第１の金属化セラミック基板（１２２）の前記第１の面の反対側の第２の面に結合される、請求項１６または１７に記載の半導体装置。
【請求項１９】
冷却流体を受け入れ、入口（１４２）と出口（１４４）を含み、冷却構造を囲むチャンバ（１０２）と、
前記ベースプレート（１０４、２１０、２２０）に取り付けられるフレーム（１３４、３２４）と、
前記半導体チップ（１２８）と前記基板（１２２）を囲むポッティングと、
前記ポッティング（１３８）の上のキャップ（１４０、３６２）と、をさらに含む請求項１６乃至１８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項２０】
前記第１の半導体チップ（１２８）に電気的に接続される電力用端子（３２８、３３０、３３２）と、
前記第１の半導体チップ（１２８）に電気的に接続される制御端子（３３４）と、をさらに含み、
前記電力用端子（３２８、３３０、３３２）と前記制御端子（３３４）は同じ寸法を有す、請求項１６乃至１９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項２１】
第２の金属層（１０６）に接合する第１の金属層（１０８）クラッドを含むクラッド型ストリップを設ける工程と、
ピン−フィンまたはフィンの冷却構造（１１２）を形成するように前記第２の金属層（１０６）を構成する工程と、
基板（１２２）に半導体チップ（１２８）を結合する工程と、
前記基板（１２２）を前記第１の金属層（１０８）に結合する工程と、を含む半導体装置を作製する方法であって、
前記第２の金属層（１０６）は前記冷却構造（１１２）をその上に形成した平面部（１１３）を含み、
前記第１の金属層（１０８）は第１の厚さ（ｄ１０８）を有し、
前記平面部（１１３）は第２の厚さ（ｄ１１３）を有し、
前記第１の厚さ（ｄ１０８）と前記第２の厚さ（ｄ１１３）の比は少なくとも４：１であり、
前記第１の金属層（１０８）は第１の材料を含み、前記第２の金属層（１０６）は第１の材料とは異なる第２の材料を含み、
前記基板（１２２）はセラミック層を含み、前記セラミック層の第１の面には第３の金属層が直接、結合し、第１の面とは反対側にある前記セラミック層の第２の面には第４の金属層が直接、結合する、
方法。
【請求項２２】
前記第１の金属層（１０８）と、前記平面部（１１３）および前記ピン−フィンまたはフィン（１１２）を含む前記第２の金属層（１０６）は、両金属層間の界面（１６８）に平行な方向にそれぞれ、２０°Ｃで１８ｐｐｍ／Ｋ以下の熱膨張率と１７ｐｐｍ／Ｋ未満の熱膨張率を有する合成物を形成する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の厚さと前記第２の厚さ（ｄ１１３）の比は少なくとも１０：１である、請求項２１または２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第２の厚さ（ｄ１１３）は０．２ｍｍ〜０．５ｍｍである、請求項２１乃至２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記クラッド型ストリップを設ける工程は、銅を含む前記第１の金属層（１０８）とアルミニウムを含む前記第２の金属層（１０６）とを含む前記クラッド型ストリップを設けることを含む、請求項２１乃至２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記クラッド型ストリップを設ける工程は、２．５ｍｍ〜１０ｍｍの厚さを有する前記第１の金属層（１０８）を含む前記クラッド型ストリップを設けることを含む、請求項２１乃至２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記第２の金属層（１０６）を構成する工程は、前記第２の金属層（１０６）をスタンピングすること、前記第２の金属層（１０６）を切断すること、前記第２の金属層（１０６）を機械的かつ可塑的に変形すること、のうちの１つを含む、請求項２１乃至２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
アルミニウムを含む第２の金属層（１０６）に接合する銅を含む第１の金属層（１０８）クラッドを含むクラッド型ストリップを設ける工程と、
ピン−フィンまたはフィンの冷却構造を形成するように前記第２の金属層（１０６）を構成する工程と、
金属化セラミック基板（１２２）の第１の面に半導体チップ（１２８）を結合する工程と、
前記金属化セラミック基板（１２２）の前記第１の面の反対側の第２の面を前記第１の金属層（１０８）に結合する工程と、を含む、半導体装置を作製する方法であって、
前記第２の金属層（１０６）は前記冷却構造（１１２）をその上に形成した平面部（１１３）を含み、
前記第１の金属層（１０８）は第１の厚さ（ｄ１０８）を有し、
前記平面部（１１３）は第２の厚さ（ｄ１１３）を有し、
前記第１の厚さ（ｄ１０８）と前記第２の厚さ（ｄ１１３）の比は少なくとも４：１である、方法。
【請求項２９】
前記第１の金属層（１０８）と、前記平面部（１１３）および前記ピン−フィンまたはフィン（１１２）を含む前記第２の金属層（１０６）は、両金属層間の界面（１６８）に平行な方向にそれぞれ、２０°Ｃで１８ｐｐｍ／Ｋ以下の熱膨張率と１７ｐｐｍ／Ｋ未満の熱膨張率を有する合成物を形成する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１の厚さ（ｄ１０８）と前記第２の厚さ（ｄ１１３）の比は少なくとも１０：１である、請求項２８または２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記第２の厚さ（ｄ１１３）は０．２ｍｍ〜０．５ｍｍである、請求項２８乃至３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
前記クラッド型ストリップを設ける工程は、銅合金を含む前記第１の金属層（１０８）を設けることとアルミ合金を含む前記第２の金属層（１０６）を設けることの少なくとも１つを含む、請求項２９乃至３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
前記クラッド型ストリップを設ける工程は、前記第２の金属層（１０６）反対側にある前記第１の金属層（１０８）に接合する第５の金属層（１０９）クラッドを含む前記クラッド型ストリップを設けることを含む、請求項２９乃至３２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１の金属層（１０８）の一部を露出するように前記第５の金属層（１０９）を構成する工程と、をさらに含み、
前記金属化セラミック基板（１２２）の前記第２の面を前記第１の金属層（１０８）に結合する工程は、前記金属化セラミック基板（１２２）の前記第２の面を前記第１の金属層（１０８）へ半田付けすることを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記金属化セラミック基板（１２２）の前記第２の面を前記第１の金属層（１０８）に結合する工程は、前記金属化セラミック基板（１２２）の前記第２の面を前記第５の金属層（１０９）に拡散半田付けすることおよび焼結することのうちの１つを含む、請求項３３または３４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
パワーエレクトロニクスモジュールはパワーエレクトロニクス回路に使用される半導体パッケージである。パワーエレクトロニクスモジュールは通常、インバータ、整流器等の車両および工業アプリケーションに使用される。パワーエレクトロニクスモジュール内に含まれる半導体部品として、通常、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  ｇａｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）半導体チップまたは金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｉｅｌｄ  ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）半導体チップがある。ＩＧＢＴとＭＯＳＦＥＴの半導体チップには様々な定格の電圧と電流のものがある。その他、パワーエレクトロニクスモジュール内に含まれる半導体部品として、ダイオード、サイリスタ、接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ：ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｇａｔｅ  ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）およびバイポーラトランジスタを含んでもよい。受動素子と制御電子回路の両方がパワーエレクトロニクスモジュール内に含まれてもよい。半導体部品は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ等の基板から作られる。パワーエレクトロニクスモジュールのなかには半導体パッケージ内に過電圧保護用の追加の半導体ダイオード（すなわちフリーホイールダイオード）を含むものがある。
【背景技術】
【０００２】
通常、２つの異なるパワーエレクトロニクスモジュール設計が使用される。１つの設計は大電力アプリケーション用であり、他の設計は低電力アプリケーション用である。大電力アプリケーションに関しては、パワーエレクトロニクスモジュールは通常、単一基板上に集積化されるいくつかの半導体チップを含む。基板は通常、パワーエレクトロニクスモジュールを絶縁するためにＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４等の材料の絶縁セラミック基板を含む。セラミック基板の少なくとも上面は、半導体チップの電気的および機械的接触を設けるために純粋またはめっきによるＣｕ、Ａｌ等の材料で金属化される。金属層は通常、直接銅ボンディング（ＤＣＢ：ｄｉｒｅｃｔ  ｃｏｐｐｅｒ  ｂｏｎｄｉｎｇ）処理、直接アルミニウムボンディング（ＤＡＢ：ｄｉｒｅｃｔ  ａｌｕｍｉｎｕｍ  ｂｏｎｄｉｎｇ）処理または活性金属ろう付け（ＡＭＢ：ａｃｔｉｖｅ  ｍｅｔａｌ  ｂｒａｚｉｎｇ）処理を使用してセラミック基板にボンディングされる。
【０００３】
通常、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ等の半田合金による軟質半田付けは、半導体チップを金属化セラミック基板へ結合するために使用される。通常、いくつかの基板が平面金属ベースプレート上に組み合わせられる。この場合、セラミック基板の裏面もまた、基板を平面金属ベースプレートに結合するために純粋またはめっきによるＣｕ、Ａｌ等の材料で金属化される。平面金属ベースプレートに基板を結合するために、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ等の半田合金による軟質半田付けが通常使用される。平面金属ベースプレートは次に、動作中のパワーエレクトロニクスモジュールの過熱を防ぐために、その中を冷却材が流れることができる冷却素子に取り付けられてもよい。
【０００４】
過酷な環境（例えば自動車用途）でのパワーエレクトロニクス回路の使用がますます望まれるとともに、半導体チップの集積化が進むにつれて、外部および内部への熱放散は増加の一途をたどっている。したがって、最高２００℃さらにはそれ以上の内部および外部温度で動作することができる高温パワーエレクトロニクスモジュールへの需要が高まっている。また、パワーエレクトロニクス回路の電流密度は増加し続け、これにより電力損失密度の増加を生ずる。したがって過熱を防ぐために冷却素子を介したパワーエレクトロニクス回路の液体冷却がますます重要になっている。
【０００５】
これらおよび他の理由のために、本発明が必要である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態は半導体装置を提供する。半導体装置は、基板に結合された半導体チップと基板に結合されたベースプレートとを含む。ベースプレートは第２の金属層に接合する第１の金属層クラッドを含む。第２の金属層はピン−フィンまたはフィン冷却構造を設けるために変形される。第２の金属層はピンもピン−フィンも有しない副層を有する。第１の金属は第１の厚さを有し、副層は第２の厚さを有する。第１の厚さと第２の厚さの比は少なくとも４：１である。
【０００７】
添付図面は実施形態をさらに理解するために含めたものであって、本書に組み込まれてその一部を構成するものである。図面は、実施形態を例示したものであって、明細書の説明と相俟って実施形態の原理を説明することに役立つ。他の実施形態、および実施形態の意図した利点の多くについても、以下の詳細な説明を通じてより明らかになることによって、容易に理解されるであろう。添付図面の構成要素は相互に必ずしも縮尺通りにはなっていない。同様の参照符号は対応する同様の部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】半導体装置の一実施形態の断面図を示す。
【図２】バイメタルリボン（バイメタルクラッド型ストリップ）の一実施形態の断面図を示す。
【図３】トリメタルリボン（トリメタルクラッド型ストリップ）の一実施形態の断面図を示す。
【図４】冷却構造を含むベースプレートの一実施形態の断面図を示す。
【図５】冷却構造を含むベースプレートの別の実施形態の断面図を示す。
【図６】基板アセンブリの一実施形態の断面図を示す。
【図７】ベースプレートに結合された基板アセンブリの一実施形態の断面図を示す。
【図８】ベースプレートに結合された基板アセンブリの別の実施形態の断面図を示す。
【図９】基板アセンブリ、ベースプレート、端子、およびフレームの一実施形態の断面図を示す。
【図１０】基板アセンブリ、ベースプレート、端子、フレーム、およびポッティング材の一実施形態の断面図を示す。
【図１１】基板アセンブリ、ベースプレート、端子、フレーム、ポッティング材、およびキャップの一実施形態の断面図を示す。
【図１２】冷却流体を受け入れるためのチャンバを含む半導体装置の一実施形態の断面図を示す。
【図１３】冷却流体を受け入れるためのチャンバを含む半導体装置の別の実施形態の断面図を示す。
【図１４】半導体装置の別の実施形態の斜視図を示す。
【図１５】半導体装置の別の実施形態の斜視図を示す。
【図１６】半導体装置を作製する方法の一実施形態を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下の詳細な説明では、本書の一部をなす添付図面を参照して、本発明を実施し得る特定の実施態様を例示として示す。この点に関し、「最上部」、「最下部」、「前部」「後部」、「先端の」、「後端の」等の方向用語は説明される図面の配向に関連して使用される。実施形態の構成要素は多くの異なる配向で配置されることができるので、上記方向用語は例示のために使用され、決して限定するものではない。他の実施形態を利用してもよく、また本発明の範囲から逸脱することなく構造的または論理的変更をなし得ることは明らかである。したがって以下の詳細な説明は限定的な意味でとらえるべきでなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲により規定されるものである。
【００１０】
本書に記載の様々な例示実施形態の特徴は特に明記しない限り互いに組み合わせられ得るということは明らかである。
【００１１】
本書で使用されるように、用語「電気的に接続」は構成要素同士が直接接続されなければならないことを意味するものではなく、「電気的に接続」された構成要素間に構成要素が介在してもよい。
【００１２】
図１に、半導体装置１００の一実施形態の断面図を示す。一実施形態では、半導体装置１００は高温（最高温度が２００℃またはそれ以上の）ハイパワーエレクトロニクスモジュールである。パワーエレクトロニクスモジュール１００は、冷却流体を受け入れるためのチャンバ１０２、ベースプレート１０４、接合１１８、基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂ、フレーム１３４、端子１３６、ポッティング１３８、およびキャップ１４０を含む。各基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂは、金属の面または層１２０と１２４を含む金属化セラミック基板１２２、接合１２６、半導体チップ１２８、およびボンディングワイヤ１３０を含む。
【００１３】
ベースプレート１０４は第１の金属層１０８と第２の金属層１０６を含む。第１の金属層１０８と第２の金属層１０６は異なる材料で作られる。一実施形態では、第１の金属層１０８は銅層または銅合金層であり、第２の金属層１０６はアルミニウム層またはアルミ合金層である。他の実施形態では、第１の金属層１０８と第２の金属層１０６は他の好適な材料で作られる。一実施形態では、ベースプレート１０４はまた、第２の金属層１０６の反対側に第３の金属層１１０を含む。第３の金属層１１０と第１の金属層１０８は異なる材料で作られる。一実施形態では、第３の金属層１１０はアルミニウム層またはアルミ合金層である。他の実施形態では、第３の金属層１１０は、銀層、銀合金層、パラジウム層、パラジウム合金層または別の好適な原料層である。第１の金属層１０８クラッドは第２の金属層１０６に接合する。第３の金属層１１０クラッドは第１の金属層１０８に接合する。第２の金属層１０６は、ピン−フィンまたはフィン１１２と、ピン−フィンまたはフィン１１２間のスペース１１４と、を設けるように構成される。
【００１４】
ベースプレート１０４はバイメタル（２種金属）またはトリメタル（３種金属）のリボン（クラッド型ストリップ）から形成される。ベースプレート１０４は、第１の金属層の故に片面上に良好な半田濡れ性を有する低コストの板を提供する。さらに、ベースプレート１０４は、反対面上に、第２の金属層により冷却流体との相性がよい冷却フィンまたはピンを含む。
【００１５】
冷却流体を受け入れるためのチャンバ１０２は、ベースプレート１０４のピン−フィンまたはフィン１１２間のスペース１１４を介し冷却流体を通すための入口１４２と出口１４４を含む。チャンバ１０２はねじ１１６を介しベースプレート１０４に結合される。他の実施形態では、ねじ１１６は使用されず、チャンバ１０２はベースプレート１０４に接着またはレーザー溶接される。各基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂは接合１１８を介しベースプレート１０４に結合される。接合１１８は軟質半田付け接合、焼結接合、拡散半田接合または他の好適な接合である。
【００１６】
セラミック基板１２２はＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４または他の好適な材料を含む。一実施形態では、セラミック基板１２２はそれぞれ０．２ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲の厚さを有する。金属層１２０と１２４はＣｕ、Ａｌまたは別の好適な材料を含む。一実施形態では、金属層１２０および／または１２４はＮｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄの１つまたは複数の層でめっきされる。一実施形態では、金属層１２０と１２４はそれぞれ０．１ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲の厚さを有する。一実施形態では、金属層１２０と１２４は、ＤＣＢ基板を提供するために直接銅ボンディング（ＤＣＢ）処理を、ＤＡＢ基板を提供するために直接アルミニウムボンディング（ＤＡＢ）処理を、あるいはＡＭＢ基板を提供するために活性金属ろう付け（ＡＭＢ）処理を使用してセラミック基板１２２にボンディングされる。接合１２６は金属層１２４を半導体チップ１２８に接続する。接合１２６は、軟質半田付け接合、焼結接合、拡散半田接合、または他の好適な接合である。
【００１７】
半導体チップ１２８は、ボンディングワイヤ１３０を介し金属層１２４に電気的に結合される。一実施形態では、半導体チップ１２８は電力半導体チップであり、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、サイリスタ、ダイオードおよび／または他の好適な電力素子を含んでもよい。ボンディングワイヤ１３０はＡｌ、Ｃｕ、Ａｌ−Ｍｇ、Ａｕ、または別の好適な材料を含む。一実施形態では、ボンディングワイヤ１３０は、超音波ワイヤーボンディングを使用して半導体チップ１２８と金属層１２４とにボンディングされる。金属層１２４および／または半導体チップ１２８は端子１３６に電気的に接続される。端子１３６は、電力および制御接続の両方のために、パワーエレクトロニクスモジュール１００に外部電気的接続を設けるようにフレーム１３４を貫通する。
【００１８】
フレーム１３４は、接合１１８、基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂ、ボンディングワイヤ１３０、および端子１３６の一部を囲う。フレーム１３４はテクニカルプラスチック等の材料を含む。フレーム１３４は、ねじ止め、接着、クランピング、溶接等により、ベースプレート１０４に結合される。ポッティング材１３８は、接合１１８、基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂ、ボンディングワイヤ１３０、および端子１３６の一部の周囲のフレーム１３４内の領域を充填する。ポッティング材１３８は、電気的絶縁を与えるためのシリコーンゲル、シリコーンの被覆、ポリイミドの被覆、エポキシの被覆等の材料を含む。ポッティング材１３８は、絶縁破壊によるパワーエレクトロニクスモジュール１００の損傷を防ぐ。キャップ１４０は、基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂとポッティング１３８とを覆うようにフレーム１３４に取り付けられる。一実施形態では、キャップ１０４は、エポキシ等のキャッピング材料等の第２のポッティング層である。別の実施形態では、キャップ１０４は、スナップイン、溶接、接着等によりフレーム１３４に取り付けられるカバーアセンブリである。
【００１９】
以下の図２〜図１３は、図１を参照して先に説明し示した半導体装置１００等の半導体装置を作製する方法を示す。
【００２０】
図２に、バイメタルリボン（すなわちバイメタルクラッド型ストリップ）２００ａの一実施形態の断面図を示す。バイメタルリボン２００ａは第１の金属層１０８と第２の金属層１０７を含む。第１の金属層１０８と第２の金属層１０７は異なる材料である。一実施形態では、第１の金属層１０８は半田付け可能材料で作られ、２０°Ｃで１８ｐｐｍ／Ｋ未満の熱膨張率（ＣＴＥ：ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）を有する。第２の金属層１０７は容易に機械加工できるよう（例えば、整形可能、エッジング可能、ビード化可能）に選択される。一実施形態では、第２の金属層１０７は液体冷却回路内のアルミニウムと化学的に相性がよい。一実施形態では、第１の金属層１０８は銅層または銅合金層であり、第２の金属層１０７はアルミニウム層またはアルミ合金層である。他の実施形態では、第１の金属層１０８と第２の金属層１０７は他の好適な金属である。
【００２１】
一実施形態では、バイメタルリボン２００ａの合計厚が５ｍｍ〜６ｍｍである。一実施形態では、第１の金属層１０８の厚さは第２の金属層１０７の厚さに等しい。一実施形態では、第１の金属層１０８の厚さは２．５ｍｍ〜３ｍｍであり、第２の金属層１０７の厚さは２．５ｍｍ〜３ｍｍである。別の実施形態では、第１の金属層１０８の厚さは２．５ｍｍ〜１０ｍｍであり、第２の金属層１０７の厚さは２．５ｍｍ〜１０ｍｍである。他の実施形態では、第１の金属層１０８の厚さと第２の金属層１０７の厚さはベースプレートを形成するのに好適な他の値を有する。
【００２２】
第１の金属層１０８クラッドは第２の金属層１０７に接合する。一実施形態では、第１の金属層１０８は、これら別々の層をまとめてクラッディングスタンド（ｃｌａｄｄｉｎｇ  ｓｔａｎｄ）のロール（ｒｏｌｌｓ）にすることにより、第２の金属層１０７に接合する。ロールからの一様な圧力が個々の層を圧縮して接触面間の接合を形成する。ボンディングされた層は次に、再結晶アニールおよび圧延され仕上げ寸法となる。仕上げ寸法に圧延後、ボンディングされた層は層同士を密接に融合させるために別の熱処理にさらされる。他の実施形態では、第１の金属層１０８クラッドは別の好適な技術を使用して、第２の金属層１０７に接合する。
【００２３】
図３に、トリメタルリボン（トリメタルクラッド型ストリップ）２００ｂの一実施形態の断面図を示す。トリメタルリボン２００ｂは、図２を参照して先に説明し示したように第１の金属層１０８と第２の金属層１０７と、そして第３の金属層１０９を含む。第３の金属層１０９と第１の金属層１０８は異なる材料である。一実施形態では、第３の金属層１０９と第２の金属層１０７は同じ材料である。一実施形態では、第３の金属層１０９はアルミニウムまたはアルミ合金である。他の実施形態では、第３の金属層１０９は銀、銀合金、パラジウム、パラジウム合金、または別の好適な金属である。第３の金属層１０９は、第１の金属層１０８の厚さおよび第２の金属層１０７の厚さ未満の厚さを有する。一実施形態では、第３の金属層１０９は１μｍ〜０．１ｍｍの厚さを有する。第３の金属層１０９クラッドは、図２を参照して先に説明したようにクラッド処理等の好適な技術を使用して、第２の金属層１０７の反対側にある第１の金属層１０８に接合する。
【００２４】
以下の図４〜図１３は図３を参照して先に説明し示したトリメタルリボン２００ｂを利用した半導体装置の作製を示すが、示された処理はまた、図２を参照して先に説明し示したバイメタルリボン２００ａにも適用可能である。
【００２５】
図４に、冷却構造を含むベースプレート２１０の一実施形態の断面図を示す。図３を参照して先に説明し示したベースプレート２００ｂの第２の金属層１０７は、ピン−フィンまたはフィン１１２間にスペース１１４を有するピン−フィンまたはフィン１１２を有する冷却構造を形成するように構成される。第２の金属層１０７は、第２の金属層１０６を設けるために切断、スタンピングまたは微小変形技術（ＭＤＴ：ｍｉｃｒｏ  ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）によって変形される。ＭＤＴは、いかなる金属も除去することなくピン−フィンまたはフィン１１２を形成するように機械的かつ可塑的に第２の金属層１０７を変形する。第２の金属層１０７は、第２の金属層１０６に面する第１の金属層１０８の表面のいかなる部分も露出されないように変形される。第１の金属層１０８の表面を露出しないことにより、第１の金属層１０８は腐食から保護される。
【００２６】
一実施形態では、ピン−フィンまたはフィン１１２は、５．５ｍｍ〜６．０ｍｍの長さを有するピン−フィンまたはフィン１１２を設けるようにＭＤＴ、圧力鋳造、またはコイニング（ｃｏｉｎｉｎｇ）により形成される。別の実施形態では、ピン−フィンまたはフィン１１２は、２ｍｍ〜１０ｍｍの長さｄ１１２を有するピン−フィンまたはフィン１１２と１ｍｍ〜１０ｍｍの幅ｗ１１５を有するスペース１１４とを設けるためにＭＤＴにより形成される。別の実施形態では、ピン−フィンまたはフィン１１２は、２ｍｍ〜２０ｍｍの長さｄ１１２を有するピン−フィンまたはフィン１１２と１ｍｍ〜２０ｍｍの幅ｗ１１５を有するスペース１１４とを設けるように圧力鋳造またはコイニングにより形成される。他の実施形態では、ピン−フィンまたはフィン１１２は他の好適な長さを有するように形成される。一実施形態では、孔２１２は、図１を参照して先に説明し示した冷却流体を受け入れるためのチャンバ１０２等の他の素子構造にベースプレート２１０を搭載するためのベースプレート２１０を介し切断またはスタンピングされる。
【００２７】
図４に示すように、第２の金属層１０６はピンもピン−フィン１１２も有しない副層１１３を含んでもよい。第１と第２の金属層１０８と１０６間の界面１６８に垂直な方向に、副層１１３は厚さｄ１１３を有する。一実施形態では、厚さｄ１１３は０．２ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲であってよい。あるいはまたはそれに加えて、第１の金属層１０８の厚さｄ１０８と副層１１３の厚さｄ１１３の比は少なくとも４：１または少なくとも１０：１であってよい。
【００２８】
通常、第１の金属層１０８の材料と厚さと、第２の金属層１０６と副層１１３の材料と厚さと構造は、第１の金属層１０８と、副層１１３とピン−フィンまたはフィンの１１２を含む第２の金属層１０６と、の合成物が、第１と第２の金属層１０８と１０６間の界面１６８に平行なそれぞれの方向に１８ｐｐｍ／Ｋ以下または１７ｐｐｍ／Ｋ未満のＣＴＥを有するように、選択される。
【００２９】
図５に、冷却構造を含むベースプレート２２０の別の実施形態の断面図を示す。ベースプレート２２０は、ベースプレート２２０が孔２１２を除くことと、第３の金属層１０９が第３の金属層１１０を設けるように構成されたことと、を除いて、図４を参照して先に説明し示したベースプレート２１０と同様である。第３の金属層１０９の一部は、第１の金属層１０８の一部２２２を露出するとともに第３の金属層１１０を設けるために別の好適な技術を使用して、エッチング、スクラッチ、ピーリング、または除去される。第３の金属層１０９は、ピン−フィンまたはフィン１１２の形成前にあるいはその後に第３の金属層に１１０を設けるように構成されてもよい。一実施形態では、第１の金属層１０８は銅を含み、第３の金属層の構成することで第１の金属層上に半田付けのためのベースプレート２２０を作成する。一実施形態では、第３の金属層１１０はアルミニウムを含み、半田マスクと半田ストッパーを設ける。
【００３０】
図６に、基板アセンブリ１３２ａの一実施形態の断面図を示す。基板アセンブリ１３２ａは、金属の面または層１２０と１２４を含む金属化セラミック基板１２２、接合１２６ａと１２６ｂ、半導体チップ１２８ａと１２８ｂ、およびボンディングワイヤ１３０を含む。第１の半導体チップ１２８ａは第１の接合１２６ａを介し金属層１２４に取り付けられる。第２の半導体チップ１２８ｂは第２の接合１２６ｂを介し金属層１２４に取り付けられる。接合１２６ａと１２６ｂは、軟質半田付け接合、焼結接合、拡散半田接合部または他の好適な接合である。
【００３１】
半導体チップ１２８ａと１２８ｂは、ボンディングワイヤ１３０を介し金属層１２４に電気的に結合される。一実施形態では、半導体チップ１２８ａと１２８ｂは電力半導体チップであり、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、サイリスタ、ダイオード、および／または他の好適な電力部品を含んでもよい。ボンディングワイヤ１３０はＡｌ、Ｃｕ、Ａｌ−Ｍｇ、Ａｕ等の材料を含む。一実施形態では、ボンディングワイヤ１３０は、超音波ワイヤーボンディングを使用して半導体チップ１２８ａおよび１２８ｂと金属層１２４とにボンディングされる。他の実施形態では、クリップまたは銅ストリップと焼結が、半導体チップ１２８ａと１２８ｂを金属層１２４に電気的に接続するために使用される。図１を参照して先に説明し示した基板アセンブリ１３２ｂ等の他の基板アセンブリもまた作製されてもよい。
【００３２】
図７に、ベースプレート１０４に結合された基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂの一実施形態の断面図を示す。基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂは接合１１８を介し第１の金属層１０８に結合される。他の実施形態では、基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂはベースプレート１０４上に作製される。一実施形態では、基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂは半田接合１１８を設けるために第１の金属層１０８に軟質半田付けされる。半田接合１１８としてはＳｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｓｂ等の半田合金を含む。一実施形態では、第１の金属層１０８は銅または銅合金を含み、第３の金属層１１０はアルミニウムまたはアルミ合金を含み半田付け処理用の半田マスクと半田ストッパーを提供する。
【００３３】
別の実施形態では、基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂは、拡散半田接合１１８を設けるために第１の金属層１０８に拡散半田付けされる。拡散半田付け処理中、軟質半田は完全に固化され、拡散半田付け処理後に純粋な金属間接合（例えば、Ｃｕ３Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５、Ａｇ３Ｓｎ）を設ける。別の実施形態では、基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂは、焼結接合１１８を設けるために第１の金属層１０８に焼結される。各焼結接合１１８は、Ａｇナノ粒子、Ａｕナノ粒子、Ｃｕナノ粒子または他の好適なナノ粒子等の焼結ナノ粒子を含む焼結金属層である。基板アセンブリ１３２ａは、ボンディングワイヤ１３０を介し基板アセンブリ１３２ｂに電気的に結合される。
【００３４】
図８に、第３の金属層１０９を含むベースプレートに結合される基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂの別の実施形態の断面図を示す。この実施形態では、第３の金属層１０９は第１の金属層１０８を露出するように構成されなかった。基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂは、接合２４２を設けるために第３の金属層１０９に、軟質半田付け、拡散半田付け、または焼結される。一実施形態では、第３の金属層１０９は銀、銀合金、パラジウムまたはパラジウム合金を含む。第３の金属層１０９は焼結または拡散半田付けのための界面を提供してもよい。
【００３５】
以下の図９〜図１３は基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂを第１の金属層１０８に結合する接合１１８を含むが、これら実施形態はまた、基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂを第３の金属層１０９に結合する接合２４２を利用する場合に適用可能である。
【００３６】
図９に、基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂ、ベースプレート１０４、端子１３６、およびフレーム１３４の一実施形態の断面図を示す。フレーム１３４は、ねじ止め、接着、クランプ、溶接または他の好適な方法を介しベースプレート１０４に取り付けられる。一実施形態では、フレーム１３４は、第３の金属層１１０の上面と、第１の金属層１０８、第２の金属層１０６、および第３の金属層１１０の側壁と、を接触させる。他の実施形態（例えば図１）では、フレーム１３４は、第３の金属層１１０または第１の金属層１０８の上面を接触するだけである（すなわち、第３の金属層１１０が除外される場合）。
【００３７】
端子１３６は、電力および制御接続のために端子１３６の一部分がフレーム１３４外に延在するようにフレーム１３４を介し挿入または形成される。端子１３６の一部分は、基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂへの内部電気的接続のためにフレーム１３４内に延在する。端子１３６は、ボンディングワイヤ１３０を介し基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂに電気的に結合される。他の実施形態では、端子１３６は、溶接または別の好適な技術を介し基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂに直接電気的に接続される。
【００３８】
図１０に、基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂ、ベースプレート１０４、端子１３６、フレーム１３４、およびポッティング材１３８の一実施形態の断面図を示す。一実施形態では、シリコーンゲルが、ポッティング１３８を設けるためにフレーム１３４内の基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂの上に塗布される。他の実施形態では、基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂは、電気的絶縁を与えるためにシリコーン、ポリイミド、エポキシ等の材料で被覆する。
【００３９】
図１１に、基板アセンブリ１３２ａと１３２ｂ、ベースプレート１０４、端子１３６、フレーム１３４、ポッティング材１３８、キャップ１４０の一実施形態の断面図を示す。一実施形態では、エポキシ等の第２のポッティング材が、キャップ１４０を設けるためにポッティング１３８の上に塗布される。別の実施形態では、カバーアセンブリが、キャップ１４０を設けるためにスナップイン、溶接、接着または別の好適な方法を介しフレーム１３４に取り付けられる。
【００４０】
図１２に、冷却流体を受け入れるためのチャンバ１０２を含む半導体装置１００の一実施形態の断面図を示す。チャンバ１０２はねじ１１６を介しベースプレート１０４に取り付けられる。他の実施形態では、チャンバ１０２は、接着、溶接等の方法によりベースプレート１０４に取り付けられる。一実施形態では、チャンバ１０２はアルミニウムまたはアルミ合金から作られる。他の実施形態では、チャンバ１０２は冷却流体と相性がよい別の好適な材料から作られる。チャンバ１０２は入口と出口を含む。一実施形態では、チャンバ１０２は、同様なまたは異なる半導体チップの接合温度の小さな差異を補償する最適のやり方でホットエリアへ冷却流体を誘導する。
【００４１】
図１３に、冷却流体を受け入れるためのチャンバ３０２を含む半導体装置３００の別の実施形態の断面図を示す。この実施形態では、チャンバ３０２は、薄い金属層をベースプレート１０４の第２の金属層１０６へレーザー溶接または接着することにより作製される。薄い金属層は、例えば参照符号３０４で示すように複数の点で第２の金属層１０６に接着またはレーザー溶接される。接続点３０４の場所は、チャンバを通る冷却流体の圧力および／または流れを調整するように選択されてもよい。一実施形態では、薄い金属層はアルミニウムまたはアルミ合金である。他の実施形態では、薄い金属層は冷却流体と相性がよい別の好適な材料である。半導体装置３００はまた、ベースプレート１０４とチャンバ３０２を貫通する孔２１２を含む。孔２１２は、半導体装置３００を別の構造に取り付けるために使用されてもよい。
【００４２】
図１４に、半導体装置３２０の別の実施形態の斜視図を示す。一実施形態では、半導体装置３２０はハイパワーエレクトロニクスモジュールである。パワーエレクトロニクスモジュール３２０は、ベースプレート３２２、フレーム３２４、電力半導体チップ３２６、電力用端子３２８、３３０、３３２、および制御用端子３３４を含む。一実施形態では、電力用端子２２８は負端子であり、電力用端子３３０は正端子であり、電力用端子３３２は位相出力端子である。
【００４３】
端子２３８、３３０、３３２、３３４はボンディングワイヤ３３６を介し電力半導体チップ３２６に電気的に接続される。端子３２８、３３０、３３２、３３４は、単一端子タイプがパワーエレクトロニクスモジュール３２０の全端子に使用されるように、それぞれが同じ寸法を有するプレスばめピン（ｐｒｅｓｓｆｉｔ−ｐｉｎ）である。さらに、端子３２８、３３０、３３２、３３４は、パワーエレクトロニクスモジュール３２０の周辺部のフレーム３２４を貫通する。一実施形態では、ベースプレート３２２は図１を参照して先に説明し示したベースプレート１０４と同様である。
【００４４】
図１５に、半導体装置３６０の別の実施形態の斜視図を示す。半導体装置３６０は、半導体装置３６０がキャップ３６２を含むことと、ベースプレート３２２がベースプレート３６４で置換されたこととを除き、図１４を参照して先に説明し示した半導体装置３２０と同様である。キャップ３６２はスナップインキャップである。ベースプレート３６４はピン−フィン３６６を含む。一実施形態では、ベースプレート３６４は図１を参照して先に説明し示したベースプレート１０４と同様である。
【００４５】
図１６は、図１と図１２を参照して先に説明し示した半導体装置１００、あるいは図１３を参照して先に説明し示した半導体装置３００等の半導体装置を作製する方法４００の一実施形態を説明する流れ図である。工程４０２では、バイメタルまたはトリメタルのリボン（クラッド型ストリップ）が形成される（例えば、図２と図３を参照して先に説明し示したように）。工程４０４では、クラッド型ストリップの最下層がピン−フィンまたはフィンの冷却構造を有するベースプレートを形成するように変形される（例えば、図４を参照して先に説明し示したように）。工程４０６では、基板と半導体チップ（例えば、基板アセンブリまたは別個の部品）がベースプレートに取り付けられる（例えば、図７を参照して先に説明したように）。工程４０８では、フレームが組み立てられ、ポッティングが加えられ、パッケージが閉じられる（例えば、図９〜図１１を参照して先に説明し示したように）。工程４１０では、冷却流体を受け入れるためのチャンバがベースプレートに取り付けられる（例えば、図１２と図１３を参照して先に説明したように）。
【００４６】
実施形態は、冷却構造を含むクラッド型のバイメタルまたはトリメタルのベースプレートを含む半導体装置を提供する。クラッド型ベースプレートは、基板アセンブリに結合するのに適した第１の金属層と、冷却流体との相性がよい冷却構造を形成するのに適した第２の金属層とを含むベースプレートを提供することにより、低コスト解決策を提供するものである。さらに、クラッド層間の接合力は、コールドガススプレーまたはバイメタル押出などの他の技術より著しく強い。
【００４７】
以上、特定の実施形態について例示し、説明してきたが、当業者には明らかなように、以上の特定の実施形態は、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な代替および／または均等な実施形態で置換し得るものである。本願は、本書で説明した特定の実施形態のあらゆる適合化または変形をカバーするように意図されている。したがって本発明は特許請求の範囲とその均等物のみによって限定されるように意図されている。
【符号の説明】
【００４８】
１００  半導体装置
１０２  チャンバ
１０４  ベースプレート
１０６  第２の金属層
１０７  第２の金属層
１０８  第１の金属層
１０９  第３の金属層
１１０  第３の金属層
１１２  ピン−フィン
１１３  副層
１１４  スペース
１１６  ねじ
１１８  接合
１２０、１２４  金属層
１２２  セラミック基板
１２６、１２６ａ、１２６ｂ  接合
１２８、１２８ａ、１２８ｂ  半導体チップ
１３０  ボンディングワイヤ
１３２ａ、１３２ｂ  基板アセンブリ
１３４  フレーム
１３６  端子
１３８  ポッティング材
１４０  キャップ
１４２  入口
１４４  出口
１６８、１７８  界面
２００ａ  バイメタルリボン
２００ｂ  トリメタルリボン
２１０  ベースプレート
２１２  孔
２２０  ベースプレート
２２２  第１の金属層の一部
２２８  電力用端子
２４２  接合
３００  半導体装置
３０２  チャンバ
３０４  接続点
３２０  半導体装置
３２２  ベースプレート
３２４  フレーム
３２６  電力半導体チップ
３２８、３３０、３３２  電力用端子
３３４  制御用端子
３３６  ボンディングワイヤ
３６０  半導体装置
３６２  キャップ
３６４  ベースプレート
３６６  ピン−フィン
ｄ１０８、ｄ１１２、ｄ１１３  厚さ
ｗ１１５  幅
【図１】
0005572678.tif 000002
【図２】
0005572678.tif 000003
【図３】
0005572678.tif 000004
【図４】
0005572678.tif 000005
【図５】
0005572678.tif 000006
【図６】
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【図７】
0005572678.tif 000008
【図８】
0005572678.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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