(57)【要約】【課題】  接合材にクラックの発生を抑制し、高信頼性が得られる半導体集積回路装置を提供する。【解決手段】  半導体チップと、前記半導体チップが搭載されたセラミックス基板と、前記セラミックス基板の前記半導体チップが搭載されている面と対向する面に、接合材を介して接合され、前記接合材と接する面であって、前記半導体チップの下部を除く領域の少なくとも一部の厚さが部分的に薄く形成された放熱用金属板と、を有することを特徴とする半導体集積回路装置。【選択図】  図１
2006140402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、
前記半導体チップが搭載されたセラミックス基板と、
前記セラミックス基板の前記半導体チップが搭載されている面と対向する面に、接合材を介して接合され、前記接合材と接する面であって、前記半導体チップの下部を除く領域の少なくとも一部の厚さが部分的に薄く形成された放熱用金属板と、
を有することを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項２】
半導体チップと、
前記半導体チップが搭載されたセラミックス基板と、
前記セラミックス基板の前記半導体チップが搭載されている面と対向する面に、接合材を介して接合され、前記接合材と接する面であって、前記半導体チップの下部を除く領域の少なくとも一部に溝が形成された放熱用金属板と、
を有することを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項３】
半導体チップと、
前記半導体チップが搭載されたセラミックス基板と、
前記セラミックス基板の前記半導体チップが搭載されている面と対向する面に形成された接続用金属と、
前記セラミックス基板と前記接続用金属及び接合材を介して接合され、前記接合材と接する面であって、前記半導体チップの下部を除く領域の少なくとも一部の厚さが薄く形成された放熱用金属板とを有し、
前記放熱用金属板内の前記厚さが部分的に薄く形成された領域は、前記接続用金属の端部よりも外側に延在して形成されていることを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項４】
半導体チップと、
前記半導体チップが搭載されたセラミックス基板と、
前記セラミックス基板の前記半導体チップが搭載されている面と対向する面に形成された接続用金属と、
前記セラミックス基板と接合材を介して接合され、前記接合材と接する面であって、半導体チップの下部を除く領域の少なくとも一部に溝が形成された放熱用金属板と、
前記放熱用金属板内の前記溝は、前記接続用金属の端部よりも外側に延在して形成されていることを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項５】
前記放熱用金属板内の前記厚さが部分的に薄く形成された領域が、前記セラミックス基板の外周部に形成されていることを特徴とする請求項１または３に記載の半導体集積回路装置。
【請求項６】
前記放熱用金属板の前記溝が、前記セラミックス基板の外周部に形成されていることを特徴とする請求項２または４に記載の半導体集積回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体集積回路装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴモジュールなど大電力を使用する半導体モジュールは、例えば特許文献１に開示されているように、半導体チップとセラミックス基板とをはんだ等の接合材で接合し、セラミックス基板と放熱用金属板とを同じくはんだ等の接合材で接合している。セラミックス基板のうち、半導体チップと対向する面（上面）と放熱用金属板と対抗する面（下面）との、それぞれの面には、半導体チップ、放熱用金属板と接合するための金属板が設けられ、これらの金属板にはんだが接着されることにより、半導体チップとセラミックス基板、セラミックス基板と放熱用金属板が接合される。
【０００３】
このような半導体モジュールでは、プロセス・品質の安定性及び接合強度の点から放熱用金属板とセラミックス基板の放熱側銅板とを接合するはんだ層の厚さを１００μｍとなるように１２０μｍ厚さのはんだシートを用いて、セラミックス基板の放熱側金属板と放熱用金属板とを接合している。そして、放熱用金属板を介して、半導体チップの動作時の発熱を良好に放熱させることが可能となっている。
【０００４】
しかしながら、セラミックス基板と放熱用金属板との熱膨張係数が大きく相違することから、温度が上下し、セラミックス基板と放熱用金属板とが膨張、収縮を繰り返し、セラミックス基板と放熱用金属板との間のはんだにクラックが発生し、剥離が生じて信頼性が著しく劣化する場合がある。特に、セラミックス基板の外周部に接合されているはんだは、クラックが発生しやすく、クラックの発生源となっていた。そして、近年、接合材として、従来用いられていたＰｂ−Ｓｎはんだに比べて脆くクラックが発生しやすいＰｂフリーはんだが用いられているので、クラックの発生が顕著となっていた。
【０００５】
そのはんだ層でのクラックの発生の対策として、はんだ層の厚さを厚くするために１２０μｍより厚いはんだシートを適用した場合でも、冷却後のはんだ厚さのばらつきがより大きくなり、やはりはんだ厚さの薄い部分から優先的にＴＣＴによるはんだ脆化が発生する。
【０００６】
また、はんだ層が２５０μmより厚いと、はんだ自体の熱伝導率が小さいために熱抵抗が大きくなり、やはり製品動作時チップの熱破壊につながる。
【特許文献１】特開平９−２７５１７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、接合材にクラックが発生しにくく、高信頼性が得られる半導体集積回路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】
【０００８】
本発明の一態様の半導体集積回路装置は、半導体チップと、前記半導体チップが搭載されたセラミックス基板と、前記セラミックス基板の前記半導体チップが搭載されている面と対向する面に、接合材を介して接合され、前記接合材と接する面であって、前記半導体チップの下部を除く領域の少なくとも一部の厚さが部分的に薄く形成された放熱用金属板と、を有することを特徴としている。
【０００９】
また、本実施例の他の一態様の半導体集積回路装置は、半導体チップと、前記半導体チップが搭載されたセラミックス基板と、前記セラミックス基板の前記半導体チップが搭載されている面と対向する面に、接合材を介して接合され、前記接合材と接する面であって、前記半導体チップの下部を除く領域の少なくとも一部に溝が形成された放熱用金属板と、を有することを特徴としている。
【００１０】
また、本実施例の他の一態様の半導体集積回路装置は、半導体チップと、前記半導体チップが搭載されたセラミックス基板と、前記セラミックス基板の前記半導体チップが搭載されている面と対向する面に形成された接続用金属と、前記セラミックス基板と前記接続用金属及び接合材を介して接合され、前記接合材と接する面であって、前記半導体チップの下部を除く領域の少なくとも一部の厚さが薄く形成された放熱用金属板とを有し、前記放熱用金属板内の前記厚さが部分的に薄く形成された領域は、前記接続用金属の端部よりも外側に延在して形成されていることを特徴としている。
【００１１】
また、本実施例の他の一態様の半導体集積回路装置は、半導体チップと、前記半導体チップが搭載されたセラミックス基板と、前記セラミックス基板の前記半導体チップが搭載されている面と対向する面に形成された接続用金属と、前記セラミックス基板と接合材を介して接合され、前記接合材と接する面であって、半導体チップの下部を除く領域の少なくとも一部に溝が形成された放熱用金属板と、前記放熱用金属板内の前記溝は、前記接続用金属の端部よりも外側に延在して形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、接合材にクラックが発生しにくく高信頼性が得られる半導体集積回路装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。
【実施例】
【００１４】
本発明の実施例に係る半導体集積回路装置を図１乃至図３を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の実施例に係る半導体集積回路装置の上面図であり、図１（b）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、図１（c）は、図１（b）の点線部の部分拡大図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施例に係る半導体集積回路装置（半導体モジュール）は、半導体チップ１、セラミックス基板３、放熱金属板７を有している。半導体チップ１は、セラミックス基板３の上面に形成された上面のＣｕ板４上及び接合材（はんだ層）２を介して、セラミックス基板３上に、マウントされている。
【００１６】
セラミックス基板３の半導体チップ１が搭載されている面と対向する面には、下面のＣｕ板５が設けられている。この下面のＣｕ板５は、放熱用金属板７とセラミックス基板３とを接合するために設けられているものであり、セラミックス基板３の下面のＣｕ板５と放熱用金属板７が接合材（はんだ層）６を介して接合され、半導体チップ１がマウントされたセラミックス基板３が、放熱用金属板７に取り付けられている。この放熱用金属板７は、半導体チップ１で生じた熱を外部に放熱するためのものである。はんだ層２及び６としては、Ｐｂ−Ｓｎはんだのほか、Ｐｂフリーはんだが用いられている。
【００１７】
そして、セラミックス基板３の外周部の下部であって、上部に半導体チップが形成されていない位置の放熱用金属板７には、溝８が形成されている。この溝８部分の部分拡大図を図１（c）に示す。
【００１８】
図１（c）に示すように、放熱用金属板７の上面には、溝８が形成されている。溝８は、放熱用金属板７のうちセラミックス基板３が搭載されている面に形成され、溝８は、はんだ層６の一部が、溝８の内部に充填される位置に形成される。つまり、溝８の上部にもはんだ層６が設けられるようにして、放熱用金属板７に、はんだシートを載せ、その上部に半導体チップ１がマウントされたセラミックス基板を接合した後に、放熱用金属板７内の溝８にはんだ層６が埋め込まれるような位置に溝８が形成されている。本実施例では、セラミックス基板３の下面のＣｕ板５と同等のサイズのはんだシートを用いてセラミックス基板３と放熱用金属板７とを接合しているので、溝８の一部が、下面のＣｕ板５の端部よりも内側に形成されていればよい。
【００１９】
そして、この溝８の内部にもはんだ層６が埋め込まれて、セラミックス基板３と放熱用金属板７とを接合している。
【００２０】
この溝８の形状は、図２(a)に示すように、セラミックス基板３の外周に沿って外周の内側に設けられていてもよいし、図２（ｂ）に示すように、セラミックス基板３の角部（コーナー部）の内側に設けられていてもよい。
【００２１】
本実施例では、図２（ａ）及び図２（ｂ）に、溝８の形状の一例を示したが、本願発明はこれらの溝の形状に限定されるものではなく、溝のほかに凹部等、はんだ層の脆性を強化しようとする部分の放熱用金属板７の肉厚が部分的に薄く形成されていればよい。
【００２２】
このように、溝８を放熱用金属板７に設け、その部分にはんだ層６を充填しておくことで、局所的に、はんだ層６の肉厚が厚い部分が設けられる。このはんだ層６の肉厚が厚い部分は、その他の溝８が形成されていない放熱用金属板７の部分に比べて脆性が強くなる。
【００２３】
半導体チップ１が、ＩＧＢＴ等の大電力を使用する半導体チップである場合には、半導体チップ１が発熱するため、実際の使用状況に耐えうるための試験として、ＴＣＴ（temperature cycling test）、ＴＦＴ（thermal fatigue test）等の繰り返し試験が行なわれる。これらの繰り返し試験及び実際の使用状況では、セラミックス基板３及び放熱用金属板７が熱の影響により変形する。そして、セラミックス基板３と放熱用金属板７とでは、
セラミックス基板の熱膨張率：７．３×１０-6  [１/℃]
放熱用金属板（Ｃｕ板）の熱膨張率：１６．５×１０-6  [１/℃]
というように、熱膨張率が異なる。
【００２４】
このように熱膨張率が異なるので、組立工程において、材料のソリ、うねりなどの影響で、リフローによる接合後、はんだ層６の厚さが２０〜１１０μｍ程度ばらつく。このばらつきは、１２０μｍのはんだシートを用いたときに、はんだ層６の厚さは、２０〜１１０μｍ程度ばらつき、はんだ層６の厚さが薄い部分では、はんだ層６が脆化し、はんだ層６にクラック（亀裂）が生じ、そこを起点として進展するとともに、はんだ層６の熱抵抗が低下し、チップが破壊されてしまう。
【００２５】
そのため、はんだ層６のうち、特にクラックが発生しやすい部分を中心として、放熱用金属板７に溝８を設け、セラミックス基板３と放熱用金属板７とを接合する。これにより、放熱用金属板７に溝８が形成されているところでは、溝８の内部にまではんだ層６が埋め込まれるので、溝８が形成されていないところと比べて、溝８の深さ分だけ、局所的にはんだ層６の厚さが厚くなる。はんだ層６の厚さが厚いもののほうが、薄いものに比べてクラックが発生しにくいので、はんだ層６の外周部は、溝８を設けなかったときに比べて、はんだ層６の厚さが厚くなっているため、クラックが発生しにくくなる。
【００２６】
また、溝８は、放熱用金属板７のうち、上部に半導体チップ１が形成されている部分には設けられない。これは、半導体モジュール内で発熱源である半導体チップ１の下部に、放熱用金属板７（窒化アルミ基板：熱伝導率１７０[Ｗ/mK]）に比べて熱伝導率の悪いはんだ層６（Ｓｎ６３−Ｐｂ３７はんだ：熱伝導率４９[Ｗ/mK]）が厚く形成されていると、半導体モジュールの放熱効率が低下するため、半導体チップ１の下部を避けるように、溝８を形成されている。
【００２７】
また、図１（c）に図示しているように、下面のＣｕ板５の端部よりも、溝８の一部が外部に形成されることにより、放熱用金属板７と、セラミックス基板３を接合するときのあわせずれに対しても強固となる。
【００２８】
以上のように、本実施例では、放熱用金属板に溝を設け、局所的にセラミックス基板と放熱用金属板との距離が大きい部分を設け、その間にはんだ層を形成している。そのため、局所的にはんだ層の厚さが大きい部分を設けている。これにより、たとえ、はんだ層の厚さがばらつき、はんだ層の厚さの薄い部分が発生したとしても、溝部分においては、溝の深さ部分の厚さのはんだ層により接合することが可能となる。
【００２９】
また、本実施例では、溝は放熱用金属板内の一部にのみ設けているので、溝を設けていない部分のはんだ層の厚さを増大させることなく、放熱金属板内の一部分のみ、はんだ層の厚さを厚くしている。そのため、熱伝導率が放熱用金属板に比べて悪いはんだ層の配設量を少なくし、かつ、クラックが発生しやすい部分のはんだ層の厚さを厚く配設しているので、半導体モジュール内での放熱効率の低減を抑制することが可能となる。
【００３０】
そして、本実施例においては、放熱用金属板に溝を形成する位置に特徴を有する。放熱用金属板において、セラミックス基板の外周部の直下部分の放熱用金属板に溝を形成している。これは、はんだ層にクラックが発生しやすい領域である外周部に溝を形成することにより、クラックの発生を抑えている。
【００３１】
さらに、本実施例においては、半導体チップの直下部分の放熱用金属板には、溝を形成しない。この理由は次のとおりである。放熱用金属板は、はんだ等の接合材に比べて熱伝導率が良好である。そして、半導体チップの直下部分とその近隣は、半導体チップから発生した熱が通る経路となる。この熱が通る経路の熱伝導率が悪いと、半導体チップの放熱効率を低下させ、半導体モジュールの故障の原因となる。そのため、半導体モジュール内での発熱減である半導体チップの下部の熱抵抗を小さくするため、熱伝導率の悪いはんだ層の配設量を増大させないために、半導体チップの下部の放熱用金属板には溝を設けていない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例に係る半導体集積回路装置の上面図、断面図、部分拡大図。
【図２】本発明の実施例に係る溝の形状の一例を説明する図。
【符号の説明】
【００３３】
１  半導体チップ
２、６  接合材（はんだ層）
３  セラミックス基板
４  表のＣｕ板
５  裏のＣｕ板
７  放熱用金属板
８  溝（凹部）
【図１】
2006140402.tif 000003
【図２】
2006140402.tif 000004