(57)【要約】【課題】高温に対応する信頼性の高い半導体装置を得ることを目的とする。【解決手段】セラミックの基材５の両面に導体層６が形成され、両面の導体層６のうちの一方（導体層６ａ）に電力用半導体素子１が接合される絶縁基板２であって、基材５は第一厚み（厚み５ｔ）を有する窒化ケイ素板であり、両面の導体層６はそれぞれ第二厚み（厚み６ｔ）を有する銅材であり、第二厚みを第一厚みで除した値（６ｔ／５ｔ）が２．１９以上、３．４４以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックの基材の両面に導体層が形成され、前記両面の導体層のうちの一方に電力用半導体素子が接合される絶縁基板であって、
平面方向の見かけの線膨張係数が８ｐｐｍ／Ｋ以上、１１ｐｐｍ／Ｋ以下に調整されていることを特徴とする絶縁基板。
【請求項２】
前記両面の導体層のそれぞれは、第一部材で形成された第一層と、前記第一層と前記基材との間に介在し、前記第一部材よりも弾性率が低い第二部材によって形成された第二層とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の絶縁基板。
【請求項３】
前記第一部材は銅で、前記第二部材がアルミニウムであることを特徴とする請求項２に記載の絶縁基板。
【請求項４】
セラミックの基材の両面に導体層が形成され、前記両面の導体層のうちの一方に電力用半導体素子が接合される絶縁基板であって、
前記基材は第一厚みを有する窒化ケイ素板であり、
前記両面の導体層はそれぞれ第二厚みを有する銅材であり、
前記第二厚みを前記第一厚みで除した値が２．１９以上、３．４４以下であることを特徴とする絶縁基板。
【請求項５】
前記両面の導体層のそれぞれが前記基材を覆う被覆率の平均値が６２％以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の絶縁基板。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の絶縁基板と、
前記絶縁基板の一方の面に接合された電力用半導体素子と、
前記電力用半導体素子を含む回路部材を封止する封止体と、
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項７】
前記封止体が８ｐｐｍ／Ｋ以上、１３ｐｐｍ／Ｋ以下の線膨張係数を有することを特徴とする請求項６に記載の電力用半導体装置。
【請求項８】
前記電力用半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の電力用半導体装置。
【請求項９】
前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体素子を実装するための絶縁基板、およびそれを用いた電力用半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置は、電力用半導体素子(チップ)を用いて電力回路を形成したものであるが、小型化・大容量化にともない、発熱量が増大し、効率よく放熱することが求められている。そこで、熱伝導性に優れたセラミック材の両面に銅または銅合金の導体層が形成された絶縁基板が用いられるようになってきた。また、電力回路を保護するために、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂やゲル状樹脂により、回路面が封止されている。
【０００３】
例えば、シリコーンゲルなどのゲル状樹脂は、非常に柔らかく扱いが容易である。しかし、酸素や水分の透過性が高いため、高温環境下では耐熱性が不足してゲル内部での気泡発生、導体層の酸化の影響によるゲルと導体層界面での剥離発生により、絶縁信頼性が低下することが懸念される。一方、例えば、モールド樹脂として用いられる熱硬化樹脂は、高温環境下での気泡発生、導体層の酸化に対しては防止効果が高いが、ゲル状樹脂と比べて弾性率が高い。そのため、熱応力によりモールド樹脂とチップ、モールド樹脂と絶縁基板界面での剥離が発生しやすくなるという課題がある。
【０００４】
そこで、絶縁基板の見かけの熱膨張係数を金属ベース板に近づけるため、絶縁基板の両面に形成された回路配線パターン（導体層）の厚みを大きくすることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０-１０５０５号公報（段落０１２４〜０１４４、図１５〜図１９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、セラミック材の厚み範囲および導体層の厚み範囲が個別に規定されているだけであり、絶縁基板の熱膨張係数についての具体的な指標については何ら示されていない。そのため、様々な部材を用いる電力用半導体装置において、有効に熱応力を低減することは困難であった。とくに、高効率が期待されるワイドバンドギャップ半導体と称される炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いたチップは、従来のシリコン（Ｓｉ）に比較して弾性率が高いため、発生する熱応力が大きくなる。さらに、Ｓｉ表面にある水酸基等の極性基が、ＳｉＣ表面にはないため、モールド樹脂との接着強度も低くなり、剥離対策がますます重要となってくる。
【０００７】
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、高温に対応する信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる絶縁基板は、セラミックの基材の両面に導体層が形成され、前記両面の導体層のうちの一方に電力用半導体素子が接合される絶縁基板であって、平面方向の見かけの線膨張係数が８ｐｐｍ／Ｋ以上、１１ｐｐｍ／Ｋ以下に調整されていることを特徴とする。
【０００９】
あるいは、本発明にかかる絶縁基板は、セラミックの基材の両面に導体層が形成され、前記両面の導体層のうちの一方に電力用半導体素子が接合される絶縁基板であって、前記基材は第一厚みを有する窒化ケイ素板であり、前記両面の導体層はそれぞれ第二厚みを有する銅材であり、前記第二厚みを前記第一厚みで除した値が２．１９以上、３．４４以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、封止体と電力用半導体素子間、および封止体と絶縁基板間にかかる応力をともに低減できるので、封止体と電力用半導体素子界面、絶縁基板界面での剥離をともに防止でき、高温に対応する信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる絶縁基板の構成を説明するための平面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる絶縁基板の線膨張係数の測定方法を説明するための側面図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる絶縁基板の構成を説明するための断面模式図である。
【図５】本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１〜図３は、本発明の実施の形態１にかかる絶縁基板およびその絶縁基板を用いた電力用半導体装置について説明するためのもので、図１は電力用半導体装置の断面模式図であり、図２は絶縁基板部分の平面図である。また、図３は複合材である絶縁基板としての線膨張係数の測定方法を説明するためのもので、絶縁基板を測定機器に設置した際の様子を示す側面模式図である。以下、詳細について説明する。
【００１３】
本発明の実施の形態１にかかる絶縁基板２は、図１に示すように、熱伝導性に優れたセラミックの基材５の両面に導体層６ａ、６ｂ（まとめて導体層６）が形成されたものである。そして、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０は、上述した絶縁基板２の一方の面（回路面）の導体層６ａに、接合層３によって電力用半導体素子１（の裏面電極）が接合され、電力用半導体素子１の表側の主電極に、接合層３によってリードフレーム４Ｂの一端部が接合されている。また、導体層６ａの別の部分には、接合層３によってリードフレーム４Ａの一端部が接合されている。また、電力用半導体素子１の表面側の図示しない制御用電極は、図示しないアルミワイヤボンドによって、外部と電気接続されている。
【００１４】
そして、絶縁基板２の他方の面の導体層６ｂの面が露出した状態で、電力用半導体素子１を含む回路面全体を包むように、封止樹脂（封止体９）で封止されている。このとき、リードフレーム４Ａと４Ｂ（まとめてリードフレーム４）の他端部は、封止体９から露出しており、電力用半導体素子１と外部回路との電気接続が可能となる。なお、以降、単に機械的な性質を述べる場合、あるいは複数の仕様のものをまとめて述べる場合、電力用半導体装置１０を「モジュール」、電力用半導体素子１を「チップ」、絶縁基板２を「基板」と称することがある。
【００１５】
絶縁基板２は、図２に示すように、基材５には、外形２５ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ０．３２ｍｍの窒化ケイ素（ＳＮ）板を使用し、両面の導体層６として、それぞれ２２ｍｍ×１２ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの無酸素銅（Ｃ１０２０）によるパターンが形成されている。基材５となるセラミック材としては、ＳＮ、窒化アルミ（ＡｌＮ）、アルミナ、Ｚｒ含有アルミナを用いることができる。特に、熱伝導性の点からＡｌＮ、ＳＮが好ましく、材料強度の点からＳＮがより好ましい。
【００１６】
なお、導体層６ａと６ｂは同じ厚みを有する必要はあるが、面積については必ずしも同一である必要はない。例えば、一方の導体層と他方の導体層の面積の比が１〜０．８５の範囲に入るようであれば、厚み方向の仕様の違いによる反り等の発生を抑制することができる。なお、一般的には、チップが実装される側の導体層６ａの面積を他方の導体層６ｂの面積よりも狭くすることが多く、例えば、導体層６ａの面積を導体層６ｂの面積の８５％以上、１００％以下にするように調整される。導体層６の構成材としては、電気伝導、熱伝導性に優れた金属、例えば、アルミニウムおよびアルミニウム合金、銅および銅合金を用いることができる。特に、熱伝導、電気伝導の観点から銅を用いるのが好ましい。
【００１７】
電力用半導体素子１は、電力（パワー）を制御するための素子であり、パワー半導体素子とも称される。具体的には、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子、あるいは還流ダイオードのような整流素子が用いられる。電力用半導体素子１には、本実施の形態１および以降の実施の形態においては、背景技術で説明したように、耐剥離性の克服が従来のシリコンと比べて重要となるワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣを用いた例について示す。
【００１８】
なお、ワイドバンドギャップ半導体を構成する材料（半導体材料）としては、例えば、ＳｉＣの他、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドなどがある。ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失も低いため、装置の小型化が可能となる。なお、本実施の形態では条件が過酷になるワイドバンドギャップ半導体を例に示しているが、従来のシリコン半導体に対しても適用できることは言うまでもない。
【００１９】
電力用半導体素子１には、チップ厚が０．３ｍｍのものを使用したが、とくに制約はない。しかし、０．１〜０．４ｍｍの範囲に調整することが好ましい。チップ厚を０．１ｍｍより薄くするためには、非常に硬いＳｉＣウエハを研削するため、時間と費用が余分にかかる。一方、０．４ｍｍより厚い場合は、チップの放熱性の低下やモジュールの縦方向が厚くなるという弊害がある。つまり、チップ厚は、製造上、あるいは製品としての放熱性等への影響を考慮して選定したが、耐温度サイクル性を考慮したものではなく、後述するように絶縁基板２の構成を最適化することで信頼性を向上させることができる。
【００２０】
チップと絶縁基板２（厳密には導体層６）とを接合する接合層３には、はんだを用いる例を示すが、はんだに限ることなく、焼結銀なども適用可能である。焼結銀は熱伝導性がはんだより良好なため、チップの放熱性が向上して信頼性が向上する。また、すべての接合層３を同じ接合材で形成する必要はなく、適宜変更可能であるのは言うまでもない。
【００２１】
リードフレーム４は、例えば、厚み０．５ｍｍの銅リードフレームで、エッチング、金型打ち抜きで所定の形状に加工する。
【００２２】
つぎに、本実施の形態１にかかる絶縁基板２の線膨張係数を最適化するため、基材５と導体層６の外形は、上述した値で一定とし、基材５の厚みｔ５と導体層６の厚みｔ６（片面分）構成をパラメータとして、様々なサンプル（例）を試作した。そして、絶縁基板２単体の線膨張係数を測定するとともに、モジュールに組み込んで温度サイクル試験を実施し、耐温度サイクル性として、剥離の有無の評価を行った。
【００２３】
絶縁基板２の線膨張係数は、熱機械分析装置ＴＭＡ７１００（日立ハイテクサイエス社製）を用いて測定した。なお、基板の平面方向における線膨張係数を測定するため、線膨張係数測定用のサンプルでは、両端に導体層６が存在するように、基板の両端を切断し、外形を２０ｍｍ×１０ｍｍにしている。そして、図３に示すように、切断した両端の一方を分析装置の基準面Ｆｂに、他方を端子の端面Ｆｐに接触させ、温度が３０℃〜１７５℃における基準面Ｆｂと端面Ｆｐ間の距離Ｌ２の変化から、線膨張係数を算出した。
【００２４】
一方、耐温度サイクル性評価用の基板は、図２で説明した外形のものを使用し、図１で説明したように、チップおよびリードフレーム４を所定の位置にはんだ接合する。このようにして形成された回路部材に対し、チップおよび基板に接合されたリードフレーム４を用いてモールド金型に位置決めしてセットする。そして、トランスファモールド装置により、シリカ粒子が充填されたエポキシ樹脂／フェノール樹脂硬化剤系の封止樹脂（線膨張係数：１２ｐｐｍ／Ｋ）で、１８０℃−３分間の条件でモールド成形した。その後、封止樹脂を１７５℃―６時間硬化させて評価用モジュールを作製した。
【００２５】
評価用モジュールの封止樹脂（封止体９）と基板（絶縁基板２）との界面、封止樹脂とチップ（電力用半導体素子１）との界面での剥離の有無は、超音波映像装置ＦｉｎｅＳＡＴ（日立エンジニアリングアンドサービス社製）で行った。剥離観察は、初期と温度サイクル試験（−４０〜１７５℃：各３０分）５００サイクル後に行った。
【００２６】
上述した厚み構成をパラメータとした各試験サンプル（例）の仕様と測定結果、および評価結果を表１に示す。表中、例５が、実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０として用いた絶縁基板２の仕様である。例１〜例１２は、基板の仕様が異なるだけで、他の部分については、同様の仕様（部材構成、製造方法）でモジュール化したものである。線膨張係数は、３０℃から１７５℃の間の平均値を示し、温度サイクル剥離判定の結果では、温度サイクル後に剥離が観察されない場合を「○」、剥離が観察された場合を「×」で示している。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
表１に示すように、導体層の厚みｔ６が厚くなると封止樹脂とチップとの界面で剥離が生じやすくなり、厚みｔ６が薄くなると封止樹脂と基板との界面で剥離が生じやすくなり、導体層６の厚みｔ６には最適領域があることがわかる。これは、基材５を構成するＳＮ板の線膨張係数が３ｐｐｍ／Ｋ、導体層６を構成する銅の線膨張係数が１６ｐｐｍ／Ｋと異なるため、線膨張係数の測定結果が示すように、その厚さの比率により、基板の見かけの線膨張係数が変動する。そのため、導体層６の厚みｔ６と基材５の厚みｔ５の比率を適正化して、基板の線膨張係数を最適化すると、封止樹脂と基板との界面、および封止樹脂とチップとの界面の双方で、剥離を防止することが可能となる。
【００２９】
表１の結果から、基材５の厚みｔ５が０．３２ｍｍ、０．２５ｍｍと異なっていても、基板の線膨張係数が８ｐｐｍ／Ｋ以上、１１ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲であれば、剥離を防止できることがわかる。なお、表１に示す以外の厚みｔ５を有する基材５を用いて同様の評価を行ったところ、同様の結果が得られた。つまり、基材５にどのような厚みｔ５のＳＮ板を用いても、基板の線膨張係数が８ｐｐｍ／Ｋ以上、１１ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲に入るように調整すれば、剥離を防止できることがわかった。
【００３０】
さらには、両面に同じ厚みと材質の導体層６が形成されていれば、導体層６および基材５に、表１の評価に用いた材料と異なる材質（線膨張係数、弾性率）を有する材料を使用しても、同様の結果を得ることができた。つまり、どのような材料の組合せでも、基板の線膨張係数が８〜１１ｐｐｍ／Ｋの範囲に入るように、厚み構成を調整すれば、封止樹脂と基板との界面、および封止樹脂とチップとの界面の双方で、剥離を防止できることがわかった。
【００３１】
一方、ＳＮ板を用いた基材５の厚みｔ５と銅を用いた導体層６の厚みｔ６の関係について検討したところ、ｔ６とｔ５の比を式（１）に示すように、２．１９〜３．４４の範囲に入るように調整すれば、上述した線膨張係数を得られることがわかった。
2.19  ≦  t6/t5  ≦  3.44  ・・・（１）
また、式（１）の関係は、本実施の形態で示した無酸素銅（Ｃ１０２０）に限らず、一般的な配線部材として用いられる銅材であれば、成立することがわかった。
【００３２】
つまり、式（１）に示す関係が、基材５にＳＮ板を、導体層６に銅材を用いたときの、上述した線膨張係数を得るための実効的な指標となる。ただし、上述した関係を維持するためには、基材５の厚みｔ５が厚くなると、導体層６の厚みｔ６も厚くなる。その結果、基板トータルの厚さが厚くなるので、熱抵抗が増大し、加工性も低下する。一方、基材５の厚みｔ５を薄くすると、絶縁耐圧が低下し、また基板の強度が低下して、基板を製造する際、あるいはモジュール組立時に基板が割れ、製造歩留まりが低下する。これらの観点から、基材５の厚みｔ５は、０．２ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下の範囲に調整することが望ましい。
【００３３】
次に、基板中の導体層６の基材５に対する被覆率の影響について評価を行った。評価用サンプルとしては、基材５の寸法（厚さ０．３２ｍｍ、外形２５×１５）、および導体層６の厚みを一定とし、導体層６の外形（被覆率）が異なるものを作成した。被覆率は、導体層６の面積（片側）を基材５の面積で割った値で定義している。例えば、基材５の外形が２５×１５に対し、導体層６の外形が２２×１２の場合、７０％（０．７０４：（２２×１２＝２６４ｍｍ２）／（２５×１５＝３７５ｍｍ２））となる。なお、基材５はＳＮ板、導体層６は上述した無酸素銅で形成している。
【００３４】
作成した被覆率の異なる基板に対し、厚み構成をパラメータとした試験と同様にモジュールを作成し、温度サイクル試験を行って剥離の有無を評価した。なお、被覆率をパラメータとする試験では、被覆率の影響を最も受けると考えられる基材５の端部での封止樹脂の剥離の有無を判断基準とした。上述した被覆率をパラメータとした各試験サンプル（例）の仕様、および評価結果を表２に示す。表中、例１５が、実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０として用いた絶縁基板２の仕様である。
【００３５】
【表２】
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【００３６】
表２に示すように、導体層６の被覆率が低下すると、基材５の端部で、封止樹脂と基板との界面で剥離が生じやすくなることがわかる。基材５の端部において封止樹脂との界面で剥離が発生すると、基材５の表裏の導体層６ａ−６ｂ間で、放電や短絡が発生し、絶縁特性が低下して信頼性が低下するため、この評価項目も重要である。
【００３７】
導体層６と基材５とが接合した基板部分は、見かけの線膨張係数が大きくなり、封止樹脂との線膨張係数との差が小さくなり、温度サイクルでの熱応力が低下して剥離が防止可能となる。しかし、導体層６の被覆率が低くなると、基材５の端部は、導体層６による熱膨張への影響が減少して、ＳＮ板単体とほぼ同様の熱膨張挙動を示す。更に、基材５の端部は基板の最外周部であるため、熱応力が集中する場所であり、剥離が発生しやすい。そのため、導体層６の被覆率が低くなると、基材５の端部で封止樹脂との線膨張係数との差が大きくなり、温度サイクルでの熱応力が増加して剥離が発生する。
【００３８】
しかしながら、本試験で明らかなように、導体層の被覆率を６２％以上に設定すれば、基材５の端部と封止樹脂との界面での剥離を防止できることがわかった。なお、本試験においては、基材５の両側の導体層６ａ、６ｂが同じ外形（被覆率）を有するものを使用したが、上述したように、一般的には回路面側（導体層６ａ）の方が、放熱面側（導体層６ｂ）よりも被覆率が低くなるように設定されることがある。このように、導体層６ａと６ｂの被覆率が異なる場合、両導体層６ａ、６ｂの平均の被覆率が６２％以上になるように構成すれば、基材５の端部と封止樹脂との界面での剥離を防止することができる。
【００３９】
なお、本実施の形態１において、封止体９を構成する封止樹脂には、マトリクス樹脂であるエポキシ樹脂／フェノール樹脂硬化剤系の樹脂に、フィラーとしてシリカ粒子が充填されたものを用いた例を示した。封止樹脂において、充填されるシリカ粒子の含有率は、モジュールに用いられる部材の線膨張係数などを考慮して最適な量が選定される。例えば、線膨張係数が上述した８〜１１ｐｐ／Ｋの絶縁基板２を用いた場合、封止樹脂の線膨張係数が８〜１３ｐｐｍ／Ｋになるように、マトリクス樹脂へのフィラーの充填量が設定される。このようにすることにより、熱応力が小さく、反りのない電力用半導体装置１０を得ることができる。なお、封止樹脂の線膨張係数が１０〜１３ｐｐｍ／Ｋの範囲内であれば、さらに耐剥離性が向上する。
【００４０】
以上のように、本発明の実施の形態１にかかる絶縁基板２によれば、セラミックの基材５の両面に導体層６が形成され、両面の導体層６のうちの一方（例えば、導体層６ａ）に電力用半導体素子１が接合される絶縁基板２であって、平面方向の見かけの線膨張係数が８ｐｐｍ／Ｋ以上、１１ｐｐｍ／Ｋ以下に調整されているように構成したので、チップと封止樹脂、および基板と封止樹脂との界面に発生する熱応力が低減され、チップと封止樹脂との界面、および基板と封止樹脂との界面での剥離やクラックが防止でき、高温に対応する信頼性の高い電力用半導体装置１０を得ることができる。
【００４１】
あるいは、本発明の実施の形態１にかかる絶縁基板２によれば、セラミックの基材５の両面に導体層６が形成され、両面の導体層６のうちの一方（例えば、導体層６ａ）に電力用半導体素子１が接合される絶縁基板２であって、基材５は第一厚み（厚み５ｔ）を有する窒化ケイ素板であり、両面の導体層６はそれぞれ第二厚み（厚み６ｔ）を有する銅材であり、第二厚みを第一厚みで除した値（６ｔ／５ｔ）が２．１９以上、３．４４以下であるように構成したので、チップと封止樹脂、および基板と封止樹脂との界面に発生する熱応力が低減され、チップと封止樹脂との界面、および基板と封止樹脂との界面での剥離やクラックが防止でき、高温に対応する信頼性の高い電力用半導体装置１０を得ることができる。
【００４２】
両面の導体層６のそれぞれ（６ａ、６ｂ）が基材５を覆う被覆率の平均値が、６２％以上であるように構成すれば、基材５の端部と封止樹脂との界面での剥離を防止できる。
【００４３】
また、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０によれば、上述した絶縁基板２と、絶縁基板２の一方の面（導体層６ａ）に接合された電力用半導体素子１と、電力用半導体素子１を含む回路部材を封止する封止体９と、を備えたので、チップと封止樹脂との界面、および基板と封止樹脂との界面での剥離やクラックが防止でき、高温に対応する信頼性の高い電力用半導体装置１０を得ることができる。
【００４４】
実施の形態２．
上記実施の形態１にかかる絶縁基板、およびそれを用いた電力用半導体装置では、基材の両面に単層の導体層が形成される例について説明した。本実施の形態２にかかる絶縁基板は、２層構成の導体層を用いるようにしたものである。図４は、本発明の実施の形態２にかかる絶縁基板の構成を説明するための断面模式図である。図中、実施の形態１と同様のものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。なお、絶縁基板以外の部材については実施の形態１と同様であり、本実施の形態２にかかる電力用半導体装置、あるいは、線膨張係数の測定方法については、図１〜３を援用し、重複する説明は省略する。
【００４５】
本発明の実施の形態２にかかる絶縁基板２は、図４に示すように、基材５の両面に形成された導体層６ａ、６ｂのそれぞれが、銅製の銅パターン６１ａ、６１ｂ（まとめて銅パターン６１）と、基材５と銅パターン６１との間に介在するアルミニウム製の緩衝層６２ａ、６２ｂ（まとめて緩衝層６２）によって構成された２層構造になっている。セラミック（ＳＮ板）の基材５と銅パターン６１との間に介在する緩衝層６２は、銅よりも弾性率が低い（柔らかい）ので、応力緩和効果を発揮する。そのため、緩衝層６２を設けることで、温度サイクルにおける基材５と銅パターン６１間の応力を緩和し、基材５からの銅パターン６１の剥離を防止することができ、信頼性が向上する。
【００４６】
次に、実施の形態１で示したように、銅パターン６１の厚みの性能への影響について評価を行った。評価用サンプルとしては、基材５の寸法（厚さ０．３２ｍｍ、外形２５×１５）、導体層６については、外形（銅パターン６１と緩衝層６２は同一：２１×１１）と緩衝層６２の厚みｔ６２（０．５ｍｍ）を一定とし、銅パターン６１の厚みｔ６１が異なるものを作成した。そして、実施の形態１における厚み構成をパラメータとした試験と同様に、線膨張係数測定用のサンプルと温度サイクルにおける耐剥離性試験用のモジュールを作製した。
【００４７】
上述した、緩衝層６２が形成された基板における、銅パターン６１の厚みｔ６１をパラメータとした各試験サンプル（例）の仕様と測定結果、および評価結果を表３に示す。
【００４８】
【表３】
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【００４９】
表３に示すように、銅パターン６１と基材５との間に緩衝層６２を介在させた場合でも、基板の線膨張係数が８〜１１ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲であれば、剥離を防止できることがわかる。なお、表３では、基材５の厚みｔ５が０．３２ｍｍ、緩衝層６２の厚みｔ６２が０．５ｍｍの場合を示したが、それ以外の厚み構成でも、基材としての線膨張係数を上述した範囲内に調整できれば、同様の効果が得られる。
【００５０】
なお、緩衝層６２の厚みｔ６２をパラメータとして試験したところ、緩衝層６２の厚みｔ６２を薄くすると、基材５と銅パターン６２間の応力緩和効果が低下し、厚みｔ６２を０．２ｍｍ以上にすることが好ましい。一方、緩衝層６２の厚みｔ６２を厚くした場合、上述した範囲の線膨張係数を得るために必要な銅パターン６１の厚みｔ６１が増大することが分かった。つまり、緩衝層６２の厚みｔ６２を厚くすると、銅パターン６２も厚くする必要が生じて、熱抵抗が大きくなり、また、加工性も低下する。これらの観点から、緩衝層６２の厚みｔ６２は、０．２ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下の範囲に収めることが好ましいことがわかった。
【００５１】
なお、緩衝層６２を設けた導体層６であっても、基材に対する被覆率を６２％以上にすることで、基材５の端部と封止樹脂との界面での剥離を防止することができる。
【００５２】
以上のように、本実施の形態２にかかる絶縁基板２によれば、両面の導体層６のそれぞれは、第一部材（銅）で形成された第一層（銅パターン６１）と、第一層（銅パターン６１）と基材５との間に介在し、第一部材（銅）よりも弾性率が低い第二部材（Ａｌ）によって形成された第二層（緩衝層６２）とで構成されているので、温度サイクルにおける基材５と銅パターン６１間の応力を緩和し、基材５からの銅パターン６１の剥離を防止することができ、信頼性が向上する。
【００５３】
また、本実施の形態２にかかる電力用半導体装置１０によれば、緩衝層６２を有する導体層６が形成された絶縁基板２と、絶縁基板２の一方の面（導体層６ａ）に接合された電力用半導体素子１と、電力用半導体素子１を含む回路部材を封止する封止体９と、を備えたので、チップと封止樹脂との界面、および基板と封止樹脂との界面での剥離やクラックが防止でき、高温に対応する信頼性の高い電力用半導体装置１０を得ることができる。
【００５４】
実施の形態３．
上記実施の形態１あるいは２では、トランスファモールド成型のように成形金型による成形で封止体を形成し、封止体がモジュールの筐体を兼ねるように構成していた。しかし、本実施の形態３にかかる電力用半導体装置では、筐体となるケースを別途製造し、ケース内に硬化前の液状の樹脂材料を注入し、封止体を形成するようにしたものである。絶縁基板については、実施の形態１あるいは２で説明したものを用いている。図５は、本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面模式図である。図中、実施の形態１または２と同様のものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００５５】
本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置１０は、図５に示すように、絶縁基板２にケース８をシリコーンゴム系の接着剤（図示せず）で接合して、回路部材を内包する容器を形成し、その内部に液状の樹脂材料を注入して封止したものである。モールド金型を使用せずに樹脂封止するため、リードフレーム４を上出しにすることが可能となり、モジュール幅を狭くすることができるので、電力用半導体装置１０の小型化が可能となる。
【００５６】
液状の樹脂材料は、シリカ粒子が充填された２液タイプのエポキシ樹脂／酸無水物硬化剤系の液状封止樹脂（線膨張係数：１３ｐｐｍ／Ｋ）を用い、減圧注入装置を用いた。具体的には、減圧脱泡した２液をミキサーで混合し、減圧チャンバー内でケース８（と基板とで形成した空間）内に所定量の液状封止樹脂を注入して封止を行った（封止体９を形成した）。その後、１００℃−１ｈｒ、さらに１５０℃−２ｈｒの条件で封止樹脂を硬化させ、電力用半導体装置１０を作製した。
【００５７】
このような封止体９を用いてモジュールを形成した際の耐温度サイクル性を評価するため、実施の形態１における厚み構成をパラメータとした評価試験を行った。その際の仕様、および評価結果を表４に示す。
【００５８】
【表４】
2015170785.tif 000006
【００５９】
表４に示すように、導体層６の厚みｔ６と基材５の厚みｔ５の比（ｔ６／ｔ５）、および基板の線膨張係数に対する温度サイクル剥離判定結果は、実施の形態１と同様の結果が得られた。つまり、液状の封止樹脂を用いた封止体９でモジュールを形成しても、基板の線膨張係数を８〜１１ｐｐｍ／Ｋの範囲に調整することにより、封止樹脂とチップとの界面、および封止樹脂と基板との面の双方で、剥離を防止でき、耐熱性や信頼性の高い電力用半導体装置１０を得ることができる。あるいは、基材５にＳＮ板、導体層６に銅を用いた場合、基材５と導体層６（片面あたり）の厚み比（ｔ６／ｔ５）を２．１９〜３．４４の範囲に調整することにより、封止樹脂とチップとの界面、および封止樹脂と基板との面の双方で、剥離を防止でき、耐熱性や信頼性の高い電力用半導体装置１０を得ることができる。
【００６０】
なお、液状の封止樹脂を注入して封止体９を形成した場合でも、基材に対する被覆率を６２％以上にすることで、基材５の端部と封止樹脂との界面での剥離を防止することができる。
【００６１】
また、封止樹脂の線膨張係数を８〜１３ｐｐｍ／Ｋの範囲内にフィラーの充填量を調整すれば、熱応力が小さく、反りのない電力用半導体装置１０を得ることができる。さらに、封止樹脂の線膨張係数が１０〜１３ｐｐｍ／Ｋの範囲内であれば、耐剥離性がさらに向上する。
【００６２】
以上のように、本実施の形態３にかかる電力用半導体装置１０によれば、モジュールの外枠となるケース８を備え、封止体９は、硬化前の液状の樹脂をケース８の中に注入することによって形成されたものであっても、絶縁基板２の仕様を調整していれば、上記実施の形態１あるいは２と同様に、封止樹脂とチップとの界面、および封止樹脂と基板との面の双方で、剥離を防止でき、耐熱性や信頼性の高い電力用半導体装置１０を得ることができる。
【００６３】
なお、上記実施の形態１〜３においては、電力用半導体素子１にワイドバンドギャップ半導体材料であるＳｉＣを適用することを想定しているが、一般的に用いられているシリコンを使用してもよいことは言うまでもない。しかし、バンドギャップが大きい、いわゆるワイドギャップ半導体を形成できる炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンド又は酸化ガリウム系材料を用いた時の方が、高耐電圧、耐高温動作を要求されるため、本発明の効果が顕著に顕れる。とくに、ＳｉＣチップは封止樹脂との接着性が低いので、より一層、本発明の効果を発揮できる。つまり、本発明による効果を発揮することで、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かすことができるようになる。
【符号の説明】
【００６４】
１：電力用半導体素子、  ２：絶縁基板、  ３：接合層、  ４：リードフレーム、  ５：基材、  ６：導体層、  ８：ケース、  ９：封止体、  １０：電力用半導体装置、  ６１：銅パターン（第一層）、  ６２:緩衝層（第二層）、
ｔ５：基材の厚み（第一厚み）、  ｔ６：導体層（のそれぞれ）の厚み（第二厚み）。
【図１】
2015170785.tif 000007
【図２】
2015170785.tif 000008
【図３】
2015170785.tif 000009
【図４】
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【図５】
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