(57)【要約】【課題】半導体チップの上面主電極に重ねて半田接合する放熱板に関して、高い伝熱性と導電性を確保しつつ、半田接合部に発生する熱応力を十分に低減して高い熱サイクル耐量を確保できるように放熱板の複合材質，板厚を選定した高信頼性の半導体装置を提供する。【解決手段】絶縁基板２にマウントした半導体チップ３に対し、該半導体チップの上面に導電性の放熱板４を重ねて半導体チップの主電極面に半田接合した上で、該放熱板の上面に配線リード５を接合した組立構造の半導体装置において、前記放熱板４を、炭素，炭化珪素，またはその混合物の粒子成形体にアルミニウムを加圧鋳造法により含浸させて作製した複合材で構成し、かつその板厚ｔを０．２〜２mmの範囲に設定する。さらに、放熱板の半田接合面にはＮｉメッキ層７形成しておき、半導体チップ３の上面主電極に重ねて半田接合する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板にマウントした半導体チップに対し、該半導体チップの上面に導電性の放熱板を搭載して半導体チップの主電極面に半田接合した上で、該放熱板の上面に配線リードを接合した組立構造になる半導体装置において、
前記放熱板が、炭素，炭化珪素，またはその混合物の粒子成形体にアルミニウムを加圧鋳造法により含浸させた複合材で構成し、かつその板厚を０．２〜２mmの範囲に設定したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、放熱板の外周域に、中央面域の肉厚に比べて薄肉な応力緩和部を形成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置において、放熱板の半田接合面にメッキを施して少なくとも厚さ２μｍ以上のＮｉメッキ層を形成したことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置などに適用するパワー半導体モジュールを対象とした半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年になり、頭記したパワー半導体モジュールの小形化，大容量化が進んでおり、これに伴いモジュールに搭載するＩＧＢＴ（(Insulated Gate Bipolar Transistor) などの半導体チップは高い電流密度で通電使用されることから、その放熱対策が重要な課題となっている。
すなわち、ＩＧＢＴなどのパワー半導体デバイスに搭載する半導体チップはその接合部温度Ｔj に上限保証温度(例えば１２５℃)が規定されている。これに対して、放熱用金属ベースに絶縁基板を介して半導体チップをマウントした片面冷却方式のパッケージ構造では、半導体チップの上面側が樹脂で封止されているためにチップ上面側からの放熱は殆ど期待できない。また、半導体チップの発熱はチップの中央部分に集中することから、その上面主電極に線径φ３００〜４００μｍ程度の細いアルミワイヤをボンディングした配線構造では、チップ温度を保証温度以下に抑えることが困難であるばかりか、アルミワイヤの通電に伴うジュール発熱も加わってワイヤが断線するおそれもあり、このままでは熱サイクル，パワーサイクル耐量の低下が懸念される。
【０００３】
そこで、半導体チップの上面側のからの放熱性を高めて熱サイクル，パワーサイクル耐量を向上させる手段として、前記アルミワイヤに変えて幅の広い金属箔（アルミ箔）の導体を半導体チップの上面主電極に接合し、この金属箔を伝熱経路としてチップの発生熱を上面側からも放熱させるようにした配線構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、チップ上面側からの放熱性を高め、併せてチップ発熱の集中緩和を図る手段として、半導体チップの上面に放熱体として機能するように高伝熱性の金属板（例えば、銅，アルミ材）で作られたヒートスプレッダを伝熱的に接合し、このヒートスプレッダを介して半導体チップの中央部分に集中する発熱を全域に分散させ、チップ全体での温度分布を平均化させるようにした構成のものも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
さらに、前記した金属箔の配線リードとヒートスプレッダを組合せてチップ上面側からの放熱性を高めるようにした構成のパワー半導体モジュールが本発明と同一出願人より特願２００４−２９３６６２号として先に提案されており、そのモジュール組立構造を図１（ａ）を援用して説明する。
図１（ａ）において、１は金属ベース（銅ベース）、２はセラミックス基板２ａの両面に導体パターン２ｂ，２ｃを形成して金属ベース１に半田接合した絶縁基板（例えば、Direct Copper Bonding基板）、３は下面電極（コレクタ電極）を絶縁基板２の導体パターン２ａに向けて半田マウントした半導体チップ（ＩＧＢＴ）、４は半導体チップ３の上面主電極（エミッタ電極）の上に重ねて半田接合したヒートスプレッダとしての放熱板、５は放熱板４の上面と絶縁基板２の導体パターンとの間に配線して接合（例えば超音波ボンディング）したアルミ箔の配線リード、６は半田であり、従来の半導体モジュールでは放熱板４が銅あるいはアルミニウムなどの単一金属材で作られている。
【０００５】
なお、図示してないが、前記組立体には外囲樹脂ケースを組み付けた上で、ケース内に封止樹脂を充填して半導体モジュールを構成し、実使用状態では前記金属ベースをヒートシンクに重ねて半導体チップの発熱を系外に放熱するようにしている。
一方、半導体モジュール組立体のベース，あるいは半導体チップとベースとの間に介在させる伝熱用の放熱基板などに適用する材料として、多孔質の黒鉛質，炭化珪素質の成形体にアルミニウムなどの金属を加圧鋳造法により含浸させて製造した高熱伝導率，低熱膨張率の複合材が知られている（例えば、特許文献３，４，５参照）。なお、これら特許文献３〜５には、半導体チップの上面主電極面に半田接合した前記放熱板４（ヒートスプレッダ）への適用を示唆する開示はない。
【特許文献１】特開２００１−３３２６６４号公報
【特許文献２】特開２０００−３０７０５８号公報
【特許文献３】特開２００５−２４７０号公報
【特許文献４】特開２００４−５５５７７号公報
【特許文献５】特２００１−５８２５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、図１（ａ）に示した半導体モジュールにおいて、半導体チップ３の上面主電極に半田接合した放熱板４を銅，アルミ材などで作製した従来構造は次記のような問題点がある。すなわち、半導体チップ３に発生した熱流束を吸熱する放熱板４は、十分な熱容量を確保する上から板厚はできるだけ厚いほうがよいが、板厚が厚くなると放熱板４の材質（銅，アルミニウム）と半導体チップの材質Ｓｉとの熱膨張係数差に起因して熱サイクル時に半田接合部に大きな熱応力が発生し、このために半田接合部にクラックが生じるなどのダメージを受けるおそれがある。
かかる点、放熱板４の材質が高熱伝導率で、かつ熱膨張率がＳｉに近い材料であれば、半導体チップ３との間の半田接合部に生じる熱応力を低く抑えつつ、放熱板４の板厚を増して放熱性を高めることが可能であると推測される。
【０００７】
そこで、発明者は先記の特許文献３〜５に開示されている高伝熱性，低熱膨張係数の複合材に着目し、これを参考に作製した複合材の放熱板を半導体チップの上面主電極に半田接合したモジュール組立体について検証し、半導体チップの放熱性および半田接合部に与える熱応力の影響について次記のような知見を得た。すなわち、前記複合材の放熱板は、金属単体（銅，アルミなど）で作られた放熱板と比べて、金属単体と同等な熱伝導率，電気抵抗を確保しつつ、熱膨張係数が大幅に減少することが確認されたが、熱サイクル試験の結果から、複合材の放熱板の板厚を厚く（２mm以上）すると熱応力の影響で半田層の周縁コーナー部分にクラックの欠陥発生が認められた。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、前記の考察で得た知見を基に、半導体チップの上面主電極に半田接合する放熱板に関して、高い伝熱性と導電性を確保しつつ、半田接合部に発生する熱応力を十分に低減して実用上で高い熱サイクル耐量を確保できるように材質，板厚を選定し、この放熱板を採用して構成した高信頼性の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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明によれば、絶縁基板にマウントした半導体チップに対し、該半導体チップの上面に導電性の放熱板を重ねて半導体チップの主電極面に半田接合した上で、該放熱板の上面に配線リードを接合した組立構造の半導体装置において、
前記の放熱板を、炭素，炭化珪素，またはその混合物の粒子成形体にアルミニウムを加圧鋳造法により含浸させて作製した複合材で構成し、かつその板厚を０．２〜２mmの範囲に設定するものとする（請求項１）。
また、前記放熱板の好ましい態様として、次記のような構成することができる。
（１）半田接合部の熱応力を低減してクラック発生を防ぐために、放熱板の外周域に、その中央面域の肉厚に比べて薄肉な応力緩和部を形成する（請求項３）。
（２）また、半導体チップ／放熱板間の半田接合性を高めるために、放熱板の半田接合面にメッキを施して少なくとも厚さが２μｍ以上のＮｉメッキ層を形成する（請求項４）。
【発明の効果】
【０００９】
上記の複合材で作製した放熱板は、アルミニウムと同等な伝熱性と高い導電性を有し、かつ熱膨張率については半導体チップ（Ｓｉ）に近い材料特性を示す。ここで、放熱板の板厚を０．２〜２mmとし、さらに好ましくは放熱板の外周域には薄肉な応力緩和部を形成することにより、熱サイクルで半田接合部に発生する熱応力を十分に低減してクラック発生を防止できる。また、放熱板の半田接合面に層厚２μｍ以上のＮｉメッキを施しておくことで、半田食われの影響を抑えて安定した半田接合性を確保できる。
これにより、半導体チップ／放熱板間の半田接合部に発生する熱応力を十分に低減しつつ、半導体チップの上面からの放熱性を高めて半導体装置の熱サイクル，パワーサイクル耐量の向上化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図３に示す実施例に基づいて説明する。
図１（ａ）に示す半導体モジュールの組立構造において、半導体チップ３の上面主電極に重ねて半田接合した放熱板４は、本発明により後記のように炭素，炭化珪素，またはその混合物の粒子成形体にアルミニウムを加圧鋳造法により含浸させた複合材で作製するものとし、この放熱板４は図２で表すようにその板厚ｔを０．２mm以上，２mm以下の範囲に限定している。
次に、前記の複合材からなる放熱板４の製作方法を図３（ａ）〜（ｆ）で説明する。なお、図中で８は加圧鋳造用の金型で、８ａ，８ｂは金型８のキャビティに嵌挿したパンチを示す。まず、金型８のキャビティに下パンチ８ａをセットした状態で、その上にカーボンもしくはＳｉＣの微細粒子（粒径：５０μｍ以下）を積盛りしてプレスし、所定の厚さ（０．２〜２mm）の多孔質成形体９を成形する。なお、積盛りした微細粒子をプレスする代わりに、別な工程で焼結して多孔質成形体９を成形してもよい。次に坩堝１０で溶解したアルミニウムの溶湯１１を金型８のキャビティに注入する（図３（ａ）参照）。なお、この場合に溶湯１１の急激な温度低下を防ぐために金型８は予熱しておく。また、金型８に注入するアルミニウム溶湯１１は、多孔質成形体９の容積よりも注入量を多くする。続いて金型８に上パンチ８ｂをセットし、この状態で上方より加圧力（１００ＭＰａ以上）を加え（図３（ｂ）参照）、多孔質成形体９にアルミニウム溶湯１１を含浸させて加圧鋳造する。図３（ｃ）はアルミニウム溶湯が凝固した状態を表し、１２が鋳造体である。
【００１１】
次に、金型８から上パンチ８ｂを抜き取った上で、下パンチ８ａを上方に押し上げて鋳造体１２を金型８から取り出す（図３（ｄ）参照）。この鋳造体１２は、その上層部分がアルミニウムの凝固部１２ａで、下層部分には前記の多孔質成形体９にアルミニウムが含浸した複合材部１２ｂが形成されている。そして、この鋳造体１２を図３（ｅ）の矢視Ｘ−Ｘに沿って切り出し加工し、図３（ｆ）に示す所定厚さｔの放熱板４を得る。
ここで、上記の製造方法で作製した複合材の放熱板５についての材料特性値を、比較例（銅，アルミニウム，Ａｌ２Ｏ３，Ｓｉ）ととも次記の表１に示す。
【００１２】
【表１】
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なお、表１に表記した発明１（Ｃ），発明２（ＳｉＣ）は、それぞれ多孔質成形体９の微粒子材質がカーボン，ＳｉＣ（炭化珪素）である複合材を表している。この表１から判るように、発明１（Ｃ），発明２（ＳｉＣ）の放熱板の材料特性値は、電気抵抗がアルミニウムに，熱伝導率が銅と略同じで、熱膨張率がＳｉに近い値を示している。
また、上記の放熱板４については、図１（ｂ）で示すように放熱板の下面（半導体チップの上面主電極に半田接合する面）に電解もしくは無電解のＮｉメッキを施して層厚２μｍ以上のＮｉメッキ層７を形成しておき、図１の半導体モジュールを組み立てる際に、このＮｉメッキ層７を半導体チップ３の上面主電極面に重ね合わせて放熱板４をリフロー半田付けするようにしている。なお、放熱板４の上面に接続する配線リード５を半田接合する場合には、放熱板４の上面にも前記と同様にＮｉメッキ層７を形成しておくようにする。ここで、Ｎｉメッキ層７は厚さが薄いと半田接合の際に生じる半田食われ（半田溶食）により所要の接合強度が確保できなくなるおそれがあるが、Ｎｉメッキ層の厚を２μｍ以上としておくことで長期安定した半田接合部を維持できる。
【００１３】
そして、図１（ａ）の半導体モジュール組立体に前記の複合材からなる放熱板４を採用することにより、銅，アルミなどの単一金属で作られた従来の放熱板と比べて、半導体チップ３との熱膨張差が小さくなって通電時に半田接合部に生じる熱応力が低減する。
次に、熱応力の低減効果をさらに高めるよう改良した放熱板４の実施例を図２に示す。この実施例では、放熱板４の外周域に中央面域の板厚ｔよりも肉薄（厚さｔ1 ）な鍔状の応力緩和部４ａを形成している。この応力緩和部４ａの肉厚ｔ1 は、放熱板4の中央面域板厚ｔを２mmとして例えば最小厚さの０．２mmに設定し、図３の製造法で作製した放熱板４に対して、その周囲四辺の外周域を薄肉加工して鍔状の応力緩和部４ａを形成するようにする。
上記のような材質の複合材から作製した放熱板４を半導体チップ３の上面主電極面に半田接合して図１（ａ）の半導体モジュールを構成することにより、半導体チップ／放熱板間の半田接合部に発生する熱応力を十分に低めてクラック発生を抑制しつつ、放熱板４の板厚を増して半導体チップ上面からの放熱性を高め、半導体モジュールの熱サイクル，パワーサイクル耐量を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明実施例の構成図で，（ａ）は半導体モジュールの組立構造図、（ｂ）は（ａ）における放熱板について、高伝熱性，低膨張係数の複合材で作製した放熱板の半田接合面にＮｉメッキを施した実施例の側面図
【図２】図１（ａ）に示した放熱板の外周域に応力緩和部を形成した本発明の異なる実施例の構成図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ平面図，および断面図
【図３】複合材からなる放熱板の製造工程図で、（ａ）〜（ｄ）は放熱板の加圧鋳造工程、（ｅ）は加圧鋳造後に金型から取り出した鋳造体、（ｆ）は（ｅ）の鋳造体から切り出した放熱板を表す図
【符号の説明】
【００１５】
１    金属ベース
２    絶縁基板
３    半導体チップ
４    放熱板
４ａ  応力緩和部
５    配線リード
６    半田
７    Ｎｉメッキ層
８    加圧鋳造用金型
９    多孔質成形体
１１    アルミニウム溶湯
１２    凝固後の鋳造体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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