(57)【要約】【課題】簡単な構成でパッケージの絶縁性基板のクラックの発生を防止できる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子が実装されたセラミック基板３２と、セラミック基板３２が主平面３１aに接合された金属ベース板３１とを有するパッケージを備える。上記セラミック基板３２の側面側に、金属ベース板３１と接する縁から外方に向かって金属ベース板３１の主平面３１aとの距離が徐々に広くなる傾斜平面３２cが形成され、かつ、その傾斜平面３２cと金属ベース板３１の主平面３１aとのなす角度が鋭角である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板と、上記絶縁性基板が主平面に接合された金属ベース板とを有し、半導体素子が実装されたパッケージを備え、
上記絶縁性基板の側面側に、上記金属ベース板と接する縁から外方に向かって上記金属ベース板の主平面との距離が徐々に広くなる応力分散面が形成され、かつ、その応力分散面に接する接平面と上記金属ベース板の主平面とのなす角度が鋭角であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
上記絶縁性基板の側面側に形成された上記応力分散面は、上記絶縁性基板の側面側の直線状の縁に対して平行な傾斜平面であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置において、
上記応力分散面は、複数の上記傾斜平面を組み合わせることにより形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体装置において、
上記絶縁性基板の側面側に形成された上記応力分散面は、上記絶縁性基板の側面側の直線状の縁に対して母線が平行な凸曲面であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体装置において、
上記絶縁性基板の側面側に形成された上記応力分散面は、上記絶縁性基板の側面側の直線状の縁に対して平行な傾斜平面と、上記絶縁性基板の側面側の直線状の縁に対して母線が平行な凸曲面を組み合わせることにより形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１つに記載の半導体装置において、
上記絶縁性基板は、セラミック基板であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１つに記載の半導体装置において、
上記半導体素子は、ワイドギャップ半導体素子である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】
この発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、導電性部品(金属など)および絶縁性部品(セラミックなど)からなるパッケージにより半導体素子を密封した半導体装置がある。しかしながら、そのようなパッケージに用いられる金属とセラミックでは、熱膨張率が異なるため、加熱処理を含む製造工程において熱歪が生じて、セラミックにクラック(割れ)が生じるという問題がある。
【０００３】
そこで、従来の第１の半導体装置としては、セラミック基板と放熱基板とが接合されたパッケージにおいて、放熱基板に合金を用いて放熱基板の熱膨張率をセラミック基板の熱膨張率に近づけることにより、セラミック基板のクラックを防止するものがある(例えば、特開平１１−３０７７０１号公報(特許文献１)参照)。
【０００４】
また、従来の第２の半導体装置としては、一般的な熱伝導率の高い銅などを放熱基板に用いて、セラミック基板の厚みを増やすことによりセラミック基板の強度を上げたものがある。
【０００５】
しかしながら、上記第１の半導体装置では、合金を用いた放熱基板の熱伝導率が銅の半分以下になって熱伝導が低下し、また、第２の半導体装置では、熱伝導率が低いセラミック基板を厚くすると熱伝導がさらに低下する。このため、上記第１,第２の半導体装置のいずれも、十分な放熱ができず、半導体素子の発熱を外部に逃がすことが容易でない。
【０００６】
さらに、従来の第３の半導体装置では、セラミック基板のコーナー部に大きな曲率半径の部分を設けて熱応力を緩和することにより、セラミック基板のクラックを防ぐものがある(例えば、特開平７−２２１２１８号公報(特許文献２)参照)。
【０００７】
しかしながら、実際のセラミック基板では、１次元の方向に延びる領域も存在し、必ずしもコーナー部にクラックが発生するわけではなく、１次元の方向に延びたセラミック基板の長手方向の両側面に応力集中が発生し、コーナー部でない直線状の領域にクラックが発生するという問題がある。
【０００８】
上記第１〜第３の半導体装置のいずれにおいても、特にＳｉＣ素子のようなワイドギャップ半導体素子が実装された半導体装置の場合は、Ｓｉに比べて動作温度を数倍高くできるため、高温での使用による熱応力が大きくなって、クラック発生の問題がより顕著になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−３０７７０１号公報
【特許文献２】特開平７−２２１２１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、この発明の課題は、簡単な構成でパッケージの絶縁性基板のクラックの発生を防止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】
【００１１】
上記課題を解決するため、この発明の半導体装置は、
絶縁性基板と、上記絶縁性基板が主平面に接合された金属ベース板とを有し、半導体素子が実装されたパッケージを備え、
上記絶縁性基板の側面側に、上記金属ベース板と接する縁から外方に向かって上記金属ベース板の主平面との距離が徐々に広くなる応力分散面が形成され、かつ、その応力分散面に接する接平面と上記金属ベース板の主平面とのなす角度が鋭角であることを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、絶縁性基板の側面側に、金属ベース板と接する縁から外方に向かって金属ベース板の主平面との距離が徐々に広くなる応力分散面を形成し、かつ、その応力分散面に接する接平面と金属ベース板の主平面とのなす角度を鋭角とすることによって、絶縁性基板と金属ベース板との熱膨張率の違いにより熱歪が生じたときに、絶縁性基板の側面側の金属ベース板と接する縁近傍に集中する応力を分散させることが可能となる。ここで、熱歪により生じた応力は、絶縁性基板と金属ベース板との熱膨張率の違いにより、金属ベース板が絶縁性基板よりも大きく膨張するので、例えば長方形状の絶縁性基板では、長手方向の両側面に沿った方向に主に作用する。これにより、加熱工程を含む製造工程において、簡単な構成で絶縁性基板(例えばセラミック基板)のクラックの発生を防止できる。特に、動作温度が高温の例えばワイドギャップ半導体素子が絶縁性基板に実装された半導体装置において、より効果が高い。なお、この発明の半導体装置は、絶縁性基板上に半導体素子が実装されたものだけでなく、金属ベース板上に半導体素子が直接実装されている場合も含む。
【００１３】
また、一実施形態の半導体装置では、上記絶縁性基板の側面側に形成された上記応力分散面は、上記絶縁性基板の側面側の直線状の縁に対して平行な傾斜平面である。
【００１４】
上記実施形態によれば、絶縁性基板の側面側に形成された応力分散面として、絶縁性基板の側面側の直線状の縁に対して平行な傾斜平面を形成することによって、均一な応力分散が可能となると共に、絶縁性基板のエッジ加工が容易にできる。
【００１５】
また、一実施形態の半導体装置は、上記応力分散面は、複数の上記傾斜平面を組み合わせることにより形成されているものであってもよく、同様の効果を有する。
【００１６】
また、一実施形態の半導体装置では、上記絶縁性基板の側面側に形成された上記応力分散面は、上記絶縁性基板の側面側の直線状の縁に対して母線が平行な凸曲面である。
【００１７】
上記実施形態によれば、絶縁性基板の側面側に形成された応力分散面として、絶縁性基板の側面側の直線状の縁に対して母線が平行な凸曲面(例えば円柱面の一部)を形成することによって、均一な応力分散が可能となると共に、絶縁性基板のエッジ加工が容易にできる。
【００１８】
また、一実施形態の半導体装置は、上記絶縁性基板の側面側に形成された上記応力分散面は、上記絶縁性基板の側面側の直線状の縁に対して平行な傾斜平面と、上記絶縁性基板の側面側の直線状の縁に対して母線が平行な凸曲面を組み合わせることにより形成されているものであってもよく、同様の効果を有する。
【００１９】
また、一実施形態の半導体装置では、上記絶縁性基板は、セラミック基板である。
【００２０】
上記実施形態によれば、熱膨張率が金属ベース板と著しく異なるセラミック基板を絶縁性基板に用いた場合は、特にクラック発生を防止する効果が高い。
【００２１】
また、一実施形態の半導体装置では、上記半導体素子は、ワイドギャップ半導体素子である。
【００２２】
上記実施形態によれば、高温動作可能な例えばＳｉＣを母材とするワイドギャップ半導体素子を用いることによって、高温での使用による熱応力が増大しても絶縁性基板のクラックの発生を効果的に防止できる。ここで、ワイドギャップ半導体素子としては、ＳｉＣ以外に窒化ガリウム(ＧａＮ)やダイヤモンドなどのワイドギャップ半導体を用いてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
以上より明らかなように、この発明の半導体装置によれば、半導体素子が密封されたパッケージの絶縁性基板のクラック発生を簡単な構成で防止できる半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１はこの発明の半導体装置のパッケージの解析モデルを示す斜視図である。
【図２】図２は上記パッケージの対象境界条件を用いた１／４モデルを示す図である。
【図３】図３は第１実施例の半導体装置のセラミック基板の側面の角を落としたパッケージの形状を示す図である。
【図４】図４は第２実施例の半導体装置のセラミック基板の側面の角を丸めたパッケージの形状を示す図である。
【図５】図５は比較例の従来のパッケージの形状を示す図である。
【図６】図６は上記第１実施例のセラミック基板の長手方向の側面の中央付近の解析結果を示す図である。
【図７】図７は上記第２実施例のセラミック基板の長手方向の側面の中央付近の解析結果を示す図である。
【図８】図８は上記比較例のパッケージのセラミック基板の長手方向の側面の中央付近の解析結果を示す図である。
【図９】図９は非線形構造解析における計算パラメータを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、この発明の半導体装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２６】
図１はこの発明の半導体装置のパッケージの解析モデル１の斜視図を示している。この解析モデル１は、金属ベース板の一例としての銅ベース板１１と、上記銅ベース板１１の主平面１１aに接合された窒化珪素(Ｓｉ3Ｎ4)からなる絶縁性基板の一例としてのセラミック基板１２とを備えている。この実施の形態では、金属ベース板の材料として銅(Ｃｕ)を用いたが、アルミニウムなどの他の金属を用いてもよく、また、セラミック基板の材料として窒化珪素(Ｓｉ3Ｎ4)を用いたが、アルミナ(Ａｌ２Ｏ３)などの他のセラミックスを用いてもよい。
【００２７】
図１において、セラミック基板１２は長方形状をしており、セラミック基板１２の長手方向の側面すなわち長方形の２つの長辺の側面領域Ａ１,Ａ２では、短辺に沿った方向の熱膨張の量よりも長手方向の熱膨張の量が大きい。このため、銅ベース板１１のセラミック基板１２が接合された主平面と反対側が凸曲面になるように湾曲する一方、セラミック基板１２の銅ベース板１１側が凹曲面になるように湾曲するように、銅ベース板１１とセラミック基板１２との接合部分に応力が働く。
【００２８】
図２は上記パッケージについて対象境界条件を用いた１／４モデル(図１の一点鎖線で囲まれた部分Ｍ)を示している。
【００２９】
〔第１実施例〕
図３はこの発明の第１実施例の半導体装置のセラミック基板の側面の角を落としたパッケージの形状を示している。この第１実施例のパッケージは、金属ベース板の一例としての銅ベース板３１と、上記銅ベース板３１の主平面３１aに接合された窒化珪素(Ｓｉ3Ｎ4)からなる絶縁性基板の一例としてのセラミック基板３２とを備えている。
【００３０】
また、セラミック基板３２は、厚さがｔ[ｍｍ]であり、長手方向の側面の上端から上平面３２aに対して略直角方向に銅ベース板３１側に延びた側面３２bと、その側面３２bの下端よりセラミック基板３２の内側に向かって傾斜した応力分散面の一例としての傾斜平面３２cとを有する。このセラミック基板３２の側面３２bの厚さ方向の長さはｔ／２[ｍｍ]であり、傾斜平面３２cは、側面３２bに対して略４５°の角度で形成され、セラミック基板３２の側面の長手方向に対して平行である。したがって、応力分散面である傾斜平面３２cに接する接平面と銅ベース板３１の主平面３１aとのなす角度θは、４５°の鋭角である。
【００３１】
〔第２実施例〕
図４はこの発明の第２実施例の半導体装置のセラミック基板の側面の角を丸めたパッケージの形状を示している。この第２実施例のパッケージは、金属ベース板の一例としての銅ベース板４１と、上記銅ベース板４１の主平面４１aに接合された窒化珪素(Ｓｉ3Ｎ4)からなる絶縁性基板の一例としてのセラミック基板４２とを備えている。
【００３２】
また、セラミック基板４２は、厚さがｔ[ｍｍ]であり、長手方向の側面の上端から上平面４２aに対して略直角方向に銅ベース板４１側にｔ／２[ｍｍ]延びた側面４２bと、その側面４２bの下端よりセラミック基板４２の内側に向かって湾曲した応力分散面の一例としての凸曲面４２cとを有する。このセラミック基板４２の凸曲面４２cは、曲率半径ｔ／２[ｍｍ]で円柱面の一部として形成され、セラミック基板４２の側面の長手方向に対して凸曲面４２cの母線が平行である。したがって、応力分散面であるセラミック基板４２に接する接平面と銅ベース板４１の主平面４１aとのなす角度は鋭角である
【００３３】
〔比較例〕
図５は比較例の従来のパッケージの形状を示している。この比較例のパッケージは、銅ベース板５１と、上記銅ベース板５１の主平面５１aに接合された窒化珪素(Ｓｉ3Ｎ4)からなるセラミック基板５２とを備えている。
【００３４】
また、セラミック基板５２は、厚さがｔ[ｍｍ]であり、長手方向の側面の上平面５２aに対して略直角な側面５２aを有する。
【００３５】
〔解析結果〕
図３〜図５に示す１／４モデルに対して非線形構造解析を夫々行った結果を図６〜図８に示している。この非線形構造解析の解析ソフトとして、ＡＮＳＹＳ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ(ＡＮＳＹＳ社製)を用いており、図９に示す計算パラメータを用いて非線形構造解析を行った。
【００３６】
図６は上記第１実施例のセラミック基板の長手方向の側面の中央付近の解析結果を示し、図７は上記第２実施例のセラミック基板の長手方向の側面の中央付近の解析結果を示し、図８は従来形状のパッケージのセラミック基板の長手方向の側面の中央付近の解析結果を示している。
【００３７】
図６〜図８において、Ｓ１は応力値が０〜０.１×１０＋９[Ｐａ]の範囲内の領域、Ｓ２は応力値が０.１×１０＋９〜０.２×１０＋９[Ｐａ]の範囲内の領域、Ｓ３は応力値が０.２×１０＋９〜０.３×１０＋９[Ｐａ]の範囲内の領域、Ｓ４は応力値が０.３×１０＋９〜０.４×１０＋９[Ｐａ]の範囲内の領域、Ｓ５は応力値が０.４×１０＋９〜０.５×１０＋９[Ｐａ]の範囲内の領域、Ｓ６は応力値が０.５×１０＋９〜０.６×１０＋９[Ｐａ]の範囲内の領域である。
【００３８】
表１に図６〜図８におけるエッジ部の中央付近の主応力値および主応力値相対比(従来比)を示している。ここで、エッジ部とは、セラミック基板の側面側の銅ベース板と接する縁のことである。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
このように、長手方向の１次元に延びるセラミック基板の熱応力解析を行った結果、長手方向側面の中でも、特にセラミック基板の側面側の銅ベース板に接する縁近傍に応力が集中していることが分かった。この点に着目して、本発明者は、セラミック基板３２(４２)の側面側の銅ベース板３１(４１)に接する縁近傍の応力集中を緩和する方法としてセラミック基板の側面の形状改良技術を開発した。
【００４１】
上記構成の半導体装置によれば、セラミック基板３２(４２)の側面側の金属ベース板３１(４１)と接する縁から外方に向かって金属ベース板３１(４１)の主平面との距離が徐々に広くなる応力分散面(３２c,４２c)を形成し、かつ、その応力分散面に接する接平面と金属ベース板３１(４１)の主平面とのなす角度を鋭角とすることによって、セラミック基板３２(４２)と金属ベース板３１(４１)との熱膨張率の違いにより熱歪が生じたときに、セラミック基板３２(４２)の側面側の金属ベース板３１(４１)と接する縁近傍に集中する応力を分散させることが可能となる。これにより、加熱工程を含む製造工程において、簡単な構成でセラミック基板３２(４２)のクラック発生を防止することができる。
【００４２】
また、図３に示す第１実施例のセラミック基板３２の側面側に形成された応力分散面として、セラミック基板３２の側面の長手方向に対して平行な傾斜平面３２cを形成することによって、均一な応力分散が可能となると共に、セラミック基板３２のエッジ加工が容易にできる。
【００４３】
なお、応力分散面としてセラミック基板４２の同一側面に１つの傾斜平面３２cを設けたが、セラミック基板の同一側面において複数の傾斜平面を組み合わせてもよい。また、傾斜平面と金属ベース板の主平面とのなす角度は４５°に限らず、鋭角であればよい。
【００４４】
また、図４に示す第１実施例のセラミック基板４２の側面側に形成された応力分散面として、セラミック基板４２の側面の長手方向に対して母線が平行な凸曲面４２cを形成することによって、均一な応力分散が可能となると共に、セラミック基板４２のエッジ加工が容易にできる。
【００４５】
なお、曲率半径ｔ／２[ｍｍ]の円柱面形状の凸曲面４２cを有するセラミック基板４２を備えた半導体装置について説明したが、凸曲面の曲率半径や円柱面形状に限らず、凸曲面に接する接平面と金属ベース板の平面とのなす角度が鋭角であり、かつ、セラミック基板の側面の長手方向に対して母線が平行な凸曲面であればよい。
【００４６】
また、熱膨張率が金属ベース板と著しく異なるセラミック基板３２(４２)を絶縁性基板に用いた場合は、特にクラック発生を防止する効果が高い。
【００４７】
また、高温動作可能なＳｉＣを母材とするワイドギャップ半導体素子を用いることによって、高温での使用による熱応力が増大してもセラミック基板３２(４２)のクラック発生を効果的に防止することができる。
【００４８】
また、ＳｉＣ素子は、Ｓｉ素子に比べて動作温度を３倍高くできるため、素子を高温で動作させることができるが、従来のパッケージでは、そのような高温駆動素子用のパッケージの製作は、高温使用でのクラック発生のために困難であった。これに対して、この発明の技術により、パッケージにおける半導体素子搭載時の接着や、動作時の信頼性が向上すると共に、そのようなパッケージを用いることで応用装置の実用化が可能となる。
【００４９】
上記第１実施例では、セラミック基板３２の厚み方向に対する応力分散面である傾斜平面３２cが占める割合を１／２とし、第２実施例では、セラミック基板４２の厚み方向に対する応力分散面である凸曲面４２cが占める割合を１／２としたが、これに限らず、絶縁性基板の厚み方向に対する応力分散面が占める割合は、１／２０〜１／２が好適である。
【００５０】
また、この発明の半導体装置において、応力分散面に接する接平面と金属ベース板の主平面とのなす角度は、０〜８９°であれば、応力分散の効果を発揮することができる。
【００５１】
この発明の半導体装置の半導体素子に用いるワイドギャップ半導体としては、ＳｉＣ以外に窒化ガリウム(ＧａＮ)やダイヤモンドなどのワイドギャップ半導体を用いても同様の効果を得ることができる。ＳiＣ,ＧaＮまたはダイヤモンドのうちのいずれか１つのワイドギャップ半導体を用いた場合は、Ｓiを母材とするスイッチング素子に比べて、損失が著しく少なく、かつ、高温でも動作でき、大電力を変換する電力変換装置に適した半導体装置を実現することができる。
【００５２】
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１…解析モデル
１１,３１,４１,５１…銅ベース板
１２,３２,４２,５２…セラミック基板
３１a,４１a,５１a…主平面
３２a…上平面
３２b…側面
３２c…傾斜平面
４２a…上平面
４２b…側面
４２c…凸曲面
５２a…上平面
５２a…側面
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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