(57)【要約】【課題】半導体モジュールの絶縁基板と、金属ベースとの接着層の歪緩和をしたまま、半導体装置の耐振性を確立する。【解決手段】半導体モジュール９内の絶縁基板の回路３、４に応力緩和層６、７を設け、半導体モジュールが接触する金属ベースを、薄肉低剛性の第１の金属ベース１１と厚肉高剛性の第２の金属ベース１３に分割し、半導体モジュール９を第１の金属ベース１１に接着後、第１と第２の金属ベースを接合し一体化する。【選択図】図１
2015002305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁材の上面、下面に装着され第一の金属材料で形成される上回路と下回路を有する絶縁基板と、上記絶縁基板の上記上回路に接着されて電気的に接続され、オンオフのスイッチング動作により電流の導通、非導通を制御する半導体素子と、上記半導体素子と上記絶縁基板を保護するための樹脂ケースとから構成されるパワー半導体モジュール、および、上記絶縁基板の上記下回路と接着層を介して接着される接着面の反対面に冷却媒体が接触して、上記パワー半導体モジュール内の上記半導体素子を冷却するための金属ベースを備えた半導体装置であって、上記絶縁基板の上記絶縁材と上記上回路との間および上記絶縁材と上記下回路との間に、第二の金属材料で形成される応力緩和層を設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
上記金属ベースは、低剛性となるように厚みを薄くした第１の金属ベースと、高剛性となるように厚みを厚くした第２の金属ベースとで構成され、上記第１の金属ベースを上記接着層を介して上記絶縁基板の上記下回路に接続し、上記第１の金属ベースと上記第２の金属ベースとを接合手段で接合して一体化するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
上記第一の金属材料は銅、上記第二の金属材料はアルミとしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
上記第１の金属ベースの厚みを数ミリとしたことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項５】
上記応力緩和層と上記絶縁材、および上記応力緩和層と上記上回路、下回路との接着は蝋付けで行い、上記金属ベースと上記下回路との接続は、はんだまたはシンタリングの接着層で行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
上記第１の金属ベースと上記第２の金属ベースとの接合手段を、溶接または摩擦攪拌接合またはねじとしたことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項７】
絶縁材の上面、下面に装着され第一の金属材料で形成される上回路と下回路を有する絶縁基板と、上記絶縁基板の上記上回路に接着されて電気的に接続され、オンオフのスイッチング動作により電流の導通、非導通を制御する半導体素子と、上記半導体素子と上記絶縁基板を保護するための樹脂ケースとから構成されるパワー半導体モジュール、および、上記絶縁基板の上記下回路と接着層を介して接着される接着面の反対面に冷却媒体が接触して、上記パワー半導体モジュール内の上記半導体素子を冷却するための金属ベースを備えた半導体装置であって、上記第一の金属材料を銅とすると共に、
上記金属ベースは、低剛性となるように厚みを薄くした第１の金属ベースと、高剛性となるように厚みを厚くした第２の金属ベースとで構成し、上記第１の金属ベースをはんだまたはシンタリングの接着層を介して上記絶縁基板の上記下回路に接続し、上記第１の金属ベースと上記第２の金属ベースとを接合手段で接合して一体化するようにしたことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
上記絶縁基板の上回路および下回路の厚さを実質的に１ミリとし、上記第１の金属ベースの厚みを数ミリとしたことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
上記第１の金属ベースと上記第２の金属ベースとの接合手段を、溶接または摩擦攪拌接合またはねじとしたことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
上記パワー半導体モジュールを上記第１の金属ベースに接着後、上記第１の金属ベースと上記第２の金属ベースとを接合手段で接合して一体化するようにしたことを特徴とする請求項２または請求項７に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば自動車などの移動体に搭載される電力変換装置に用いられる半導体装置に関し、特に、インバータなどに用いられるパワー半導体モジュールの構造及び実装方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３は、例えば電力変換装置に用いられる一般的なパワー半導体モジュールの断面構造模式図である。図３において、IGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの半導体スイッチング素子（以下、単に半導体素子ともいう。）１とフリーホイールダイオード２は絶縁材５上の上回路３にはんだ接着され、絶縁材５上の下回路４は、フィン１２が成形された金属ベース１３に、はんだ、またはシンタリングの接着層１０を介して接着されている。
金属ベース１３にカバー１４を固定することで冷却水路が構成されており、フィン１２を直接冷却することにより、半導体素子１、フリーホイールダイオード２から冷却水までの熱抵抗の低減化が図られている。
【０００３】
また、特許文献１（特開２００６−４９６１号公報）においては、絶縁基板の下回路を省略し、絶縁基板を剛性が低く柔らかいフィン付金属ベースに接着し、熱抵抗の低減化と高信頼性が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−４９６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のパワー半導体モジュールは、半導体素子、フリーホイールダイオードをはんだ接着等の手段で固定した絶縁基板、例えば窒化珪素基板を、銅やアルミ等の金属ベース上にはんだ接着等の手段で接着した構造である。
パワー半導体モジュールは動作により発熱と冷却を繰り返すため、モジュール内の各部材は、部材の線膨張係数に従い線膨張を繰り返す。
一般に、金属ベースを構成する銅、アルミニウム等の金属と、絶縁基板を構成する窒化珪素、窒化アルミ等では線膨張係数が大幅に異なる。
尚、絶縁基板上に形成される回路は銅、アルミ等の金属で形成されるが、厚みが薄く剛性が低いので、絶縁基板の線膨張には殆ど影響しない。従って、金属ベースと絶縁基板を接着するはんだ層等の接着層に最大の熱歪が発生する。
また、はんだ層等の接着層の信頼性を確保するには、剛性の高い金属ベースの強度を下げる必要があるが、その場合には耐振性が悪化するため、金属ベースの強度不足で車載の振動に耐えることができないという問題を生じるものであった。
【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、パワー半導体モジュールを備えた半導体装置内の金属ベースと絶縁基板の接着層の歪緩和をしたまま、耐振性を確立できる、信頼性の高い半導体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】
【０００７】
この発明に係る半導体装置は、絶縁材の上面、下面に装着され第一の金属材料で形成される上回路と下回路を有する絶縁基板と、上記絶縁基板の上記上回路に接着されて電気的に接続され、オンオフのスイッチング動作により電流の導通、非導通を制御する半導体素子と、上記半導体素子と上記絶縁基板を保護するための樹脂ケースとから構成されるパワー半導体モジュール、および、上記絶縁基板の上記下回路と接着層を介して接着される接着面の反対面に冷却媒体が接触して、上記パワー半導体モジュール内の上記半導体素子を冷却するための金属ベースを備えた半導体装置であって、上記絶縁基板の上記絶縁材と上記上回路との間および上記絶縁材と上記下回路との間に、第二の金属材料で形成される応力緩和層を設けたものである。
【０００８】
また、絶縁材の上面、下面に装着され第一の金属材料で形成される上回路と下回路を有する絶縁基板と、上記絶縁基板の上記上回路に接着されて電気的に接続され、オンオフのスイッチング動作により電流の導通、非導通を制御する半導体素子と、上記半導体素子と上記絶縁基板を保護するための樹脂ケースとから構成されるパワー半導体モジュール、および、上記絶縁基板の上記下回路と接着層を介して接着される接着面の反対面に冷却媒体が接触して、上記パワー半導体モジュール内の上記半導体素子を冷却するための金属ベースを備えた半導体装置であって、上記第一の金属材料を銅とすると共に、上記金属ベースは、低剛性となるように厚みを薄くした第１の金属ベースと、高剛性となるように厚みを厚くした第２の金属ベースとで構成し、上記第1の金属ベースをはんだまたはシンタリン
グの接着層を介して上記絶縁基板の上記下回路に接続し、上記第1の金属ベースと上記第２の金属ベースとを接合手段で接合して一体化するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の半導体装置によれば、パワー半導体モジュールを備えた半導体装置内の金属ベースと絶縁基板の接着層の歪緩和をしたまま、耐振性を確立できる、信頼性の高い半導体装置を得ることができるものである。
【００１０】
上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１による半導体装置を示す断面構造模式図である。
【図２】この発明の実施の形態２による半導体装置を示す断面構造模式図である。
【図３】従来の半導体装置を示す断面構造模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図中、同一符号は、同一または相当部分を示すものとする。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる半導体装置を示す断面構造模式図である。
図1において、パワー半導体モジュール９は、窒化珪素または窒化アルミの絶縁材５の表面および裏面に、第二の金属材料である純アルミ製の緩衝上回路６と緩衝下回路７がロウ付けされ、さらにその緩衝上回路６と緩衝下回路７に第一の金属材料である銅製の上回路３と下回路４がロウ付けされた絶縁基板に、半導体スイッチング素子１とフリーホイールダイオード２が上回路３にはんだまたはシンタリング接着されており、樹脂８で封止されて構成されている。
【００１４】
絶縁基板の下回路４は、厚さを例えば数ミリの薄肉とすることで低剛性とした第１の金属ベースであるフィン付薄肉ベース１１へ、はんだまたはシンタリングの接着層１０で接続されており、また、薄肉ベース１１は、厚肉で水路が成形された高剛性の第２の金属ベース１３に接合されている。
【００１５】
以上のように構成された実施の形態１の半導体装置によれば、応力緩和層である緩衝下回路７は純アルミなので耐力が低く、はんだまたはシンタリングの接着層１０の耐力と比較しても同等以下であるので、接着層１０に発生する熱歪を低減することが出来る。
また、絶縁材５は樹脂ケース８で封止されているので、絶縁材５の線膨張が大きくなり、接着層１０に発生する熱歪を低減することが出来る。
【００１６】
また、薄肉ベース１１の厚みを数ミリにすることで低剛性となり、接着層１０に発生する熱歪を低減することが出来る。
さらに、厚肉で剛性の高い第２の金属ベース１３と薄肉ベース１１とを、溶接または摩擦撹拌接合またはねじ固定することで耐振性を向上でき、接着層１０の歪緩和をしたまま、半導体装置の耐振性を確立することができる。
なお、通常インバータなどの電力変換装置は、パワー半導体モジュール９を数個配列するので、薄肉ベース１１と剛性の高い第２の金属ベース１３との接合箇所を水路１５の外周だけでなく、隣接したパワー半導体モジュール９間の薄肉ベース１１と水路１５の中央部を接合すれば、更なる高耐振性が確立することができる。
【００１７】
実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２に係わる半導体装置を示す断面構造模式図である。
図２に示されるように、パワー半導体モジュール９は、窒化珪素または窒化アルミの薄板の絶縁材５の表面および裏面に、厚み1ｍｍ程度の第一の金属材料である銅製の上回路３
と下回路４がロウ付けされた絶縁基板に、半導体スイッチング素子１とフリーホイールダイオード２が上回路３にはんだまたはシンタリング接着されており、樹脂ケース８で封止されて構成されている。
【００１８】
絶縁基板の下回路４は、厚さ数ミリの薄肉とすることで低剛性化した第１の金属ベースであるフィン１２付薄肉ベース１１へ、はんだまたはシンタリングの接着層１０で接続されており、また薄肉ベース１１は、厚肉で水路が成形された高剛性の第２の金属ベース１３に接合されている。
【００１９】
以上のように構成されたこの発明の実施の形態２の半導体装置によれば、以下のような優れた作用効果を奏するものである。
（１）パワー半導体モジュールの熱抵抗を低減させるには上回路３と下回路４を銅製にする必要がある。ここで、上回路３と下回路４の厚みが薄い場合は絶縁材５の線膨張には殆ど影響しないが、実施の形態２のように、1ｍｍ程度まで厚くした場合は、絶縁材５の線膨張が大きくなり、接着層１０に発生する熱歪を低減することが出来る。
また、絶縁材５は樹脂８で封止されているので、絶縁材５の線膨張が大きくなり、接着層１０に発生する熱歪を低減することが出来る。
（２）また、薄肉ベース１１の厚みを数ミリにすることで低剛性となり、接着層１０に発生する熱歪を低減することが出来る。
さらに、厚肉で剛性の高い第２の金属ベース１３と薄肉ベース１１とを、溶接または摩擦撹拌接合またはねじ固定することで耐振性を向上でき、接着層１０の歪緩和をしたまま、半導体装置の耐振性を確立できる。
なお、通常インバータなどの電力変換装置は、パワー半導体モジュール９を数個配列するので、薄肉ベース１１と剛性の高い第２の金属ベース１３との接合箇所を水路１５の外周だけでなく、隣接した半導体パワーモジュール９間の薄肉ベース１１と水路１５の中央部を接合すれば、更なる高耐振性が確立することができる。
【００２０】
なお、上記実施の形態１、２において、第1の金属ベースである薄肉ベース１１と剛性の高い第２の金属ベース１３を接合後にパワー半導体モジュールの下回路４を接続する場合は、インバータサイズ、形状での工作となるため設備が大型化、複雑化となり、特に、はんだ接続の場合は熱容量が大きくなり、接合が極めて困難になるが、薄肉ベース１１とパワー半導体モジュール９の下回路４を先に接合あるいは接続することにより、工作性を格段に向上させることができ、信頼性の高い接続方法の選択が可能となる。
【符号の説明】
【００２１】
１  半導体スイッチング素子、２  フリーホイールダイオード、
３  上回路、４  下回路、５  絶縁材、６  緩衝上回路（応力緩和層）、
７  緩衝下回路（応力緩和層）、８  樹脂ケース、９  パワー半導体モジュール、
１０  接着層、１１  薄肉ベース（第１の金属ベース）、１２  フィン、
１３  第２の金属ベース、１５  水路。
【図１】
2015002305.tif 000003
【図２】
2015002305.tif 000004
【図３】
2015002305.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成26年8月25日(2014.8.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁材の上面、下面に装着され第一の金属材料で形成される上回路と下回路を有する絶縁基板と、上記絶縁基板の上記上回路に接着されて電気的に接続され、オンオフのスイッチング動作により電流の導通、非導通を制御する半導体素子と、上記半導体素子と上記絶縁基板を保護するための樹脂ケースとから構成されるパワー半導体モジュール、および、上記絶縁基板の上記下回路と接着層を介して接着される接着面の反対面に冷却媒体が接触して、上記パワー半導体モジュール内の上記半導体素子を冷却するための金属ベースを備えた半導体装置であって、上記絶縁基板の上記絶縁材と上記上回路との間および上記絶縁材と上記下回路との間に、第二の金属材料で形成される応力緩和層を設け、上記金属ベースは、低剛性となるように厚みを薄くした第１の金属ベースと、高剛性となるように厚みを厚くした第２の金属ベースとで構成され、上記第１の金属ベースを上記接着層を介して上記絶縁基板の上記下回路に接続し、上記第１の金属ベースと上記第２の金属ベースとを接合手段で接合して一体化するようにしたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
上記第一の金属材料は銅、上記第二の金属材料はアルミとしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
上記第１の金属ベースの厚みを数ミリとしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
上記応力緩和層と上記絶縁材、および上記応力緩和層と上記上回路、下回路との接着は蝋付けで行い、上記金属ベースと上記下回路との接続は、はんだまたはシンタリングの接着層で行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
上記第１の金属ベースと上記第２の金属ベースとの接合手段を、溶接または摩擦攪拌接合またはねじとしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
絶縁材の上面、下面に装着され第一の金属材料で形成される上回路と下回路を有する絶縁基板と、上記絶縁基板の上記上回路に接着されて電気的に接続され、オンオフのスイッチング動作により電流の導通、非導通を制御する半導体素子と、上記半導体素子と上記絶縁基板を保護するための樹脂ケースとから構成されるパワー半導体モジュール、および、上記絶縁基板の上記下回路と接着層を介して接着される接着面の反対面に冷却媒体が接触して、上記パワー半導体モジュール内の上記半導体素子を冷却するための金属ベースを備えた半導体装置であって、上記第一の金属材料を銅とすると共に、
上記金属ベースは、低剛性となるように厚みを薄くした第１の金属ベースと、高剛性となるように厚みを厚くした第２の金属ベースとで構成し、上記第１の金属ベースをはんだまたはシンタリングの接着層を介して上記絶縁基板の上記下回路に接続し、上記第１の金属ベースと上記第２の金属ベースとを接合手段で接合して一体化するようにしたことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
上記絶縁基板の上回路および下回路の厚さを実質的に１ミリとし、上記第１の金属ベースの厚みを数ミリとしたことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
上記第１の金属ベースと上記第２の金属ベースとの接合手段を、溶接または摩擦攪拌接合またはねじとしたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
上記パワー半導体モジュールを上記第１の金属ベースに接着後、上記第１の金属ベースと上記第２の金属ベースとを接合手段で接合して一体化するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項６に記載の半導体装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
この発明に係る半導体装置は、絶縁材の上面、下面に装着され第一の金属材料で形成される上回路と下回路を有する絶縁基板と、上記絶縁基板の上記上回路に接着されて電気的に接続され、オンオフのスイッチング動作により電流の導通、非導通を制御する半導体素子と、上記半導体素子と上記絶縁基板を保護するための樹脂ケースとから構成されるパワー半導体モジュール、および、上記絶縁基板の上記下回路と接着層を介して接着される接着面の反対面に冷却媒体が接触して、上記パワー半導体モジュール内の上記半導体素子を冷却するための金属ベースを備えた半導体装置であって、上記絶縁基板の上記絶縁材と上記上回路との間および上記絶縁材と上記下回路との間に、第二の金属材料で形成される応力緩和層を設け、上記金属ベースは、低剛性となるように厚みを薄くした第１の金属ベースと、高剛性となるように厚みを厚くした第２の金属ベースとで構成され、上記第１の金属ベースを上記接着層を介して上記絶縁基板の上記下回路に接続し、上記第１の金属ベースと上記第２の金属ベースとを接合手段で接合して一体化するようにしたものである。