(57)【要約】【課題】消費電力を増加させたり、工数増加により生産コストを上昇させることなく、疲労破壊を防止して信頼性に優れた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１は、半導体素子２、回路金属板５及び絶縁板７を有し、半導体素子２が回路金属板５の一方の主面に鑞材により接合され、回路金属板５の他方の主面に絶縁板７が鑞材により接合され、半導体素子２と回路金属板５との間に第１の鑞材層４が形成され、回路金属板５と絶縁板７との間に第２の鑞材層６が形成されており、半導体素子２の周囲を囲むことが可能な形状の開口３ａが形成された剛性板３をさらに有し、剛性板３は、開口３ａにより半導体素子２の周囲を囲みながら、回路金属板５の一方の主面に鑞材により接合されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子、回路金属板及び絶縁板を有し、前記半導体素子が前記回路金属板の一方の主面に鑞材により接合され、前記回路金属板の他方の主面に前記絶縁板が鑞材により接合された半導体装置であって、
前記半導体素子の周囲を囲むことが可能な形状を持つ開口が形成された剛性板をさらに有し、
前記剛性板は、前記開口により前記半導体素子の周囲を囲みながら、前記回路金属板の一方の主面に鑞材により接合された半導体装置。
【請求項２】
前記回路金属板の一方の主面と前記剛性板とを接合している鑞材から成る鑞材層のうち、前記剛性板に接触していない非接触部分の厚さが、前記剛性板に接触している接触部分の厚さに対して相対的に厚くなっている請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記剛性板は、前記回路金属板より大きなヤング率を持つと共に、前記回路金属板より小さな熱膨張係数を持つ請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体素子の作動温度内において、前記鑞材層の非接触部分の厚さが、前記剛性板の板厚に対して相対的に小さくなっている請求項２又は３記載の半導体装置。
【請求項５】
前記回路金属板の一方の主面と前記剛性板とを接合している鑞材、又は、前記回路金属板の他方の主面と前記絶縁板とを接合している鑞材の少なくとも一方は、前記回路金属板より小さなヤング率を持つ請求項１〜４の何れかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記剛性板の前記鑞材に接合されている面のうち、前記回路金属板に実質的に平行な面のみがメタライズ処理されている請求項１〜５の何れかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記剛性板に形成された前記開口の周縁が曲面状に形成されている請求項１〜６の何れかに記載の半導体装置。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかに記載の半導体装置を製造するための半導体装置の製造方法であって、
前記回路金属板の主面に実質的に直交する方向に沿って、前記剛性板及び前記絶縁板に対して押圧力を印加しながら、前記半導体素子及び前記剛性板と前記回路金属板の一方の主面との鑞付けと、前記回路金属板の他方の主面と前記絶縁板との鑞付けと、を同時に行う半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子が回路金属板の一方の主面に鑞付けされていると共に、当該回路金属板の他方の主面に絶縁板が鑞付けされた半導体装置及び該半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体素子は数ｍＡ程度の電流を信号として制御することに用いられていたが、近年では、数百Ａの電流を制御する高速スイッチとしての役割を担うようになっている。これに伴って、半導体素子の発熱量が増加し、半導体素子と回路金属板との接合部等に印加される熱応力も増加する傾向にある。そして、この熱応力が繰り返し印加されることにより半導体装置の疲労破壊が発生し易くなっている。
【０００３】
このような熱応力が発生する原因としては、半導体素子の熱膨張係数と、当該素子を接合する鑞材の熱膨張係数や当該素子が接合される回路金属板の熱膨張係数と、に大きな差が存在するためである。具体的には、半導体素子の熱膨張係数としては、例えばシリコン（Ｓｉ）半導体が２．６ｐｐｍ／Ｋ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体が３．５ｐｐｍ／Ｋであるのに対して、鑞材の熱膨張係数としては、例えばＰｂ−６３Ｓｎハンダ合金が２４．７ｐｐｍ／Ｋ、回路金属板の熱膨張係数としては、例えば銅（Ｃｕ）が１７ｐｐｍ／Ｋ、アルミニウム（Ａｌ）が２４ｐｐｍ／Ｋとなっている。
【０００４】
このような熱膨張に伴う熱応力を緩和するために、半導体素子と回路金属板との中間の熱膨張係数を持つ例えばＦｅ−Ｎｉ合金、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等の低い熱膨張係数の金属材料で構成した応力緩衝板を、半導体素子と回路金属板との間に挟んで接合する技術や、半導体装置の放熱能力を向上させて素子周辺の温度上昇を抑制する技術が知られている。
【０００５】
しかしながら、応力緩衝板を用いる技術では、当該緩衝板を構成する低熱膨張係数の金属材料自体の電気抵抗が高いため、半導体素子で消費される電力が増加する。また、モリブデンやタングステンはそれ自身が高価であるので、量産性に適していないという問題もある。
【０００６】
一方、放熱能力を向上させる具体的な技術として、半導体装置の金属支持板の素子直下の部分を高熱伝導性の金属材料で構成すると共にその他の部分を剛性の高い別の金属材料で構成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この方法では、金属支持板に２種類以上の金属部材を用いているため、それらを接合する工数が必要となり生産コストが上昇する。
【特許文献１】特開平９−８２８５８号公報
【発明の開示】
【０００７】
本発明は、消費電力を増加させたり、工数増加により生産コストを上昇させることなく、疲労破壊を防止して信頼性に優れた半導体装置及び該半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、半導体素子、回路金属板及び絶縁板を有し、前記半導体素子が前記回路金属板の一方の主面に鑞材により接合され、前記回路金属板の他方の主面に前記絶縁板が鑞材により接合された半導体装置であって、前記半導体素子の周囲を囲むことが可能な形状を持つ開口が形成された剛性板をさらに有し、前記剛性板は、前記開口により前記半導体素子の周囲を囲みながら、前記回路金属板の一方の主面に鑞材により接合された半導体装置が提供される。
【０００８】
本発明では、半導体素子の周囲を囲むことが可能な形状の開口を具備した剛性板を回路金属板に鑞材により接合し、当該剛性板と絶縁板との間に回路金属板を挟み込むことにより、鑞材から成る鑞材層及び回路金属板を機械的に拘束する。これにより、回路金属板及び鑞材層の熱膨張が抑制され、熱膨張に起因する応力集中が緩和されるので、半導体装置の疲労破壊が防止され信頼性が向上する。
【発明の実施の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係る半導体装置を示す上部平面図、図２は図１のII-II線に沿った断面図である。
【００１１】
本発明の第１実施形態に係る半導体装置１は、図１及び図２に示すように、例えばトランジスタ素子やダイオード素子等の半導体素子２と、半導体素子２が一方の主面に鑞材により接合された回路金属板５と、当該回路金属板５の他方の主面に鑞材により接合された絶縁板７と、絶縁板７の回路金属板５に接合された面の反対面に接合されたヒートシンク９と、を有しており、半導体素子２と回路金属板５との間に第１の鑞材層４が形成され、回路金属板５と絶縁板７との間に第２の鑞材層６が形成され、さらに、絶縁板７とヒートシンク９との間に第３の鑞材層８が形成されている。
【００１２】
なお、図２には特に図示しないが、半導体素子２、後述する剛性板３、回路金属板５、絶縁板７及びヒートシンク９における鑞材との接合界面であって鑞材との接合が弱い面については、必要に応じて、蒸着処理やメッキ処理、スパッタリング等の手法によりメタライズ処理されている。
【００１３】
回路金属板５は、例えば銅、アルミニウム、鉄若しくは銀等の金属やこれらのうちの少なくとも一つの金属を含有した合金等の電気抵抗の少ない材料で構成されている。
【００１４】
ヒートシンク９は、半導体素子２を放熱するために、例えば鉄、銅、アルミニウム若しくは銀等の金属やこれらのうち少なくとも一つの金属を含有した合金等の熱伝導性に優れた材料で構成されている。
【００１５】
これに対し、絶縁板７は、導電性の回路金属板５とヒートシンク９とを絶縁するために、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）若しくは炭化ケイ素（ＳｉＣ）等やこれらを含む複合材料等の電気絶縁性に優れた材料で構成されている。
【００１６】
さらに、本実施形態に係る半導体装置１は、図１及び図２に示すような剛性板３を有している。この剛性板３は、同図に示すように、当該半導体素子２の周囲を囲むことが可能な形状を持つ開口３ａが形成された平板状の部材である。この剛性板３は、開口３ａにより半導体素子２の周囲を囲みながら、回路金属板５の一方の主面に鑞材により接合されており、当該剛性板３と回路金属板５との間に、上述の第１の鑞材層４が広がって形成されている。なお、この開口３ａの形状は、半導体素子２の周囲を囲むことが可能な形状であれば特に限定されず、図１に示すように、円形状（図１上部の開口３ａ参照）であっても、矩形形状（図１下部の開口３ａ参照）であっても良い。
【００１７】
このように、本実施形態では、剛性板３と絶縁板７との間に回路金属板５を挟み込むことにより、第１の鑞材層４、回路金属板５及び第２の鑞材層６が機械的に拘束され、回路金属板５及び鑞材層４、６の熱膨張が抑制されるので、半導体装置１の疲労破壊が防止される。
【００１８】
この剛性板３は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）若しくは炭化ケイ素（ＳｉＣ）等やこれらを含む複合材料等の絶縁板７と同じ材料で構成されている。剛性板３を絶縁板７と同じ材料で構成することにより、剛性板３を構成する材料の熱膨張係数と、絶縁板７を構成する材料の熱膨張係数との差によって生じる反りの発生を抑制することが出来る。なお、この剛性板３には絶縁板７のような電気絶縁性は要求されないので、例えばＦｅ−Ｎｉ系合金のような導電性材料で構成しても良い。
【００１９】
また、剛性板３は、上述のように、回路金属板５及び鑞材層４、６を絶縁板７との間に挟み込むことにより熱膨張を抑える機能を備えているので、回路金属板５や第１及び第２の鑞材層４、６より大きなヤング率を持つと共に、回路金属板５や第１及び第２の鑞材層４、６より小さな熱膨張係数を持つことが好ましい。
【００２０】
本実施形態では、図２に示すように、半導体素子２の周囲が剛性板３で囲われているので、回路金属板５の一方の主面と剛性板３とを接合している第１の鑞材層４のうち、剛性板３に接触してない非接触部分４ａの厚さを、剛性板３に接触している接触部分４ｂの厚さに対して相対的に厚くすることが可能となっている。
【００２１】
これにより、回路金属板５に接合された剛性板３の開口３ａにより半導体素子２の直下及びその周囲に位置する第１の鑞材層４の非接触部分４ａが、剛性板３の開口３ａで囲われているので、当該非接触部分４ａの熱膨張が抑制され、熱膨張に起因する応力集中が緩和される。
【００２２】
また、一般的に鑞材層は厚くするほどその応力緩衝作用が高まるので、本実施形態では、第１の鑞材層４の非接触部分４ａを接触部分４ｂより厚くすることにより、第１の鑞材層４の応力緩衝作用が高まるので、温度変化により回路金属板５に熱膨張や反り等が生じた場合であっても、半導体素子２や第１の鑞材層４の非接触部分４ａへの応力集中が緩和される。なお、このように非接触部分４ａの厚さを厚くしても、半導体素子２の密度が鑞材の密度より大きくしかも濡れ性に劣るので、鑞付け時に半導体素子２が鑞材中に埋もれることなく鑞材の表面で浮かんだ状態で回路金属板５に接合される。
【００２３】
さらに、本実施形態では、半導体素子２の作動温度内において、第１の鑞材層４の非接触部分４ａの厚さが、剛性板３の板厚に対して相対的に小さくなるように設定されている。具体的には、第１の鑞材層４ａの厚さと、剛性板３の板厚とが、下記の式（１）を満たすように設定されている。
【００２４】
Ｔｍａｘ・（αｒ・Ｌｒ−αｇ・Ｌｇ）＜（Ｌｇ−Ｌｒ）  …  式（１）
但し、上記の式（１）において、Ｔｍａｘは半導体素子２の最高作動温度、Ｌｒは常温での第１の鑞材層４の非接触部分４ａの厚さ、αｒは鑞材の熱膨張係数、Ｌｇは常温での剛性板３の板厚、αｇは剛性板３の熱膨張係数である。
【００２５】
上述のように第１の鑞材層４を構成する鑞材は剛性板３よりも熱膨張係数が大きいので、高温になると第１の鑞材層４の非接触部分４ａの厚さが剛性板３の板厚よりも大きくなり、第１の鑞材層４の非接触部分４ａが剛性板３の上面から突出する場合もある。この場合には、剛性板３の開口3ａにより第１の鑞材層４の非接触部分４ａが拘束されないので、当該非接触部分４ａの熱膨張が抑制されない。
【００２６】
これに対し、本実施形態では、上述のように半導体素子２の作動温度内では常に剛性板３の板厚よりも第１の鑞材層４の非接触部分４ａの厚さを小さく設定することにより、剛性板３の開口３ａにより非接触部分４ａの鑞材を常時拘束することが可能となっているので、第１の鑞材層４の非接触部分４ａの熱膨張が抑制され、その熱膨張に起因する応力集中が緩和される。
【００２７】
第１の鑞材層４の非接触部分４ａの具体的な厚さは、応力緩衝作用が高まる限界である数ｍｍ程度とすることが可能であるが、鑞材の電気抵抗を考慮して数百μｍ〜１ｍｍ程度としても良い。
【００２８】
第１の鑞材層４を構成する鑞材は、例えばアルミニウム鑞や銀鑞、ハンダ等の低ヤング率、低電気抵抗且つ低熱抵抗の材料で構成されている。
【００２９】
第２の鑞材層６を構成する鑞材は、第１の鑞材層４を構成する鑞材と同じものが好ましいが、固相温度が同程度であれば異なる物質であっても良い。これにより、後述するように、半導体装置１の製造時に、半導体素子２、剛性板３、回路金属板５及び絶縁板７を一度に同時に鑞付けすることが可能となる。
【００３０】
第１の鑞材層４及び第２の鑞材層６を構成する鑞材のヤング率は、回路金属板５のヤング率以下であることが好ましい。これにより応力緩衝作用が高まるので、温度変化により回路金属板５に熱膨張や反りを生じた場合に応力集中を緩和出来る。
【００３１】
以上に説明した半導体装置１の製造方法について説明すると、先ず、鑞付けを行う前に、半導体素子２の鑞材が接合される面の反対面にアルミニウム等で電極を予め形成すると共に、必要な場合には、蒸着処理やメッキ処理、スパッタリング等の手法により所定接合界面をメタライズ処理しておく。
【００３２】
次いで、シート状の鑞材を、半導体素子２及び剛性板３と回路金属板５との間に挟み込むと共に回路金属板５と絶縁板７との間に挟み込み、絶縁板７、第２の鑞材層６、回路金属板５、第１の鑞材層４、及び、半導体素子２並びに剛性板３の順序で積層する。この際、第１の鑞材層４の非接触部分４ａを厚くするために、半導体素子２の直下及びその周囲に剛性板３の開口３ａの形状に対応したシート状の鑞材を予め敷いておく。
【００３３】
次いで、剛性板３に対して上方から押圧力を印加して、その状態を維持したまま、第１の鑞材層４及び第２の鑞材層６の固相温度まで雰囲気温度を上昇させる。鑞材が溶融したら温度を降下させて、剛性板３に印加された押圧力を解除する。その後、シート状の鑞材を、絶縁板７とヒートシンク９との間に挟み込んで当該鑞材を溶融させ第３の鑞材層８を形成することにより半導体装置１が製造される。
【００３４】
このように、半導体素子２及び剛性板３と回路金属板５との鑞付けと、回路金属板５と絶縁板７との鑞付けと、を同時に行うことにより、通常２回で行う鑞付けを一回に減らすことが出来るので、工数削減によるコストダウンが図れる。
【００３５】
また、回路金属板５に対して片面ずつ鑞付けすると反りが発生するが、回路金属板５の両面を同時に鑞付けすることにより反りが低減され、この反りにより発生する応力が低減する。
【００３６】
さらに、回路金属板５に実質的に直交する方向に沿って、剛性板３及び絶縁板７に対して押圧力を印加しているので、他の部分より厚い第１の鑞材層４の非接触部分４ａの鑞材が接触部分４ｂに入り込んで当該非接触部分４ａが薄くなることはない。
【００３７】
なお、ヒートシンク９は、絶縁板７に直接鑞付けされる他に、例えば絶縁板７との間に支持板等を介在させて、当該支持板にボルト締結等により機械的に固定されても良い。
【００３８】
［第２実施形態］
図３は本発明の第２実施形態を説明するための前記図２に対応した図であり、同一の符号のものは第１実施形態にて説明したものと同一のものを示している。
【００３９】
本実施形態においては、図３に示すように、剛性板３の第１の鑞材層４が接合される面のうち回路金属板５に実質的に平行なメタライズ面４ｂのみが、蒸着処理やメッキ処理、スパッタリング等の手法によりメタライズ処理されており、その他の面、特に開口３ａの内壁面はメタライズ処理されていない。
【００４０】
例えばセラミックスやＦｅ−Ｎｉ系合金、モリブデン、タングステン等から構成される剛性板３は、接合面をメタライズ処理されていないと、アルミニウム鑞や銀鑞、ハンダ等の鑞材と接合しなかったり、たとえ接合しても剥離し易くなる。このため、開口３ａの内壁面を意図的にメタライズ処理しないことにより、第１の鑞材層４の非接触部分４ａが回路金属板５に対して垂直方向に沿って比較的自由に伸縮することが可能となるので、剛性板３の接合面全面をメタライズ処理している場合と比較して、第１の鑞材層４に発生する熱応力が低減される。
【００４１】
［第３実施形態］
図４は本発明の第３実施形態を説明するための前記図２に対応した図であり、同一の符号のものは第１実施形態にて説明したものと同一のものを示している。
【００４２】
本実施形態では、図４に示すように、剛性板３に形成された開口３ａの周縁において、回路金属板５側の周縁３ｃが曲面状に形成されている。剛性板３と第１の鑞材層４との接合界面に角が尖った部分があるとそこに応力が集中し易くなるが、本実施形態では、剛性板３の開口３ａの周縁に曲面状の曲面部３ｃを形成して角部を排除することにより、応力集中が緩和される。
【００４３】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体装置を示す上部平面図である。
【図２】図１のII-II線に沿った断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１…半導体装置
２…半導体素子
３…剛性板
３ａ…開口
３ｂ…メタライズ面
３ｃ…曲面部
４…第１の鑞材層
４ａ…非接触部分
４ｂ…接触部分
５…回路金属板
６…第２の鑞材層
７…絶縁板
８…第３の鑞材層
９…ヒートシンク
【図１】
2006041256.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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