(57)【要約】【課題】絶縁基板の横ずれと接合材の厚さを制御することで、放熱性と寿命に優れた半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】複数の凹部が形成されている放熱部材と、第一主面に接合された第一導板と第二主面に接合された第二導板を有し、放熱部材が第一導板と第一接合材を用いて固定されている絶縁基板と、絶縁基板の第二導板と第二接合材を用いて固定されている半導体チップと、絶縁基板と半導体チップを封止する樹脂部材と、を備えている半導体装置。第一導板は主凸部と複数の補助凸部を有しており、複数の補助凸部は主凸部よりも背が高くかつ主凸部の周囲に配設されていて、複数の補助凸部は複数の凹部と個々に嵌合していて、主凸部と放熱部材の間には第一接合材が介在している。【選択図】図２
2015167171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の凹部が形成されている放熱部材と、
第一主面に接合された第一導板と第二主面に接合された第二導板を有し、前記放熱部材が前記第一導板と第一接合材を用いて固定されている絶縁基板と、
前記絶縁基板の第二導板と第二接合材を用いて固定されている半導体チップと、
前記絶縁基板と前記半導体チップを封止する樹脂部材と、を備え、
前記第一導板は主凸部と複数の補助凸部を有しており、前記複数の補助凸部は前記主凸部よりも背が高くかつ前記主凸部の周囲に配設されていて、
前記複数の補助凸部は前記複数の凹部と個々に嵌合していて、前記主凸部と前記放熱部材の間には前記第一接合材が介在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
複数の補助凸部が形成されている放熱部材と、
第一主面に接合された第一導板と第二主面に接合された第二導板を有し、前記放熱部材が前記第一導板と第一接合材を用いて固定されている絶縁基板と、
前記絶縁基板の第二導板と第二接合材を用いて固定されている半導体チップと、
前記絶縁基板と前記半導体チップを封止する樹脂部材と、を備え、
前記第一導板は主凸部と複数の凹部を有しており、前記複数の凹部は前記主凸部の周囲に配設されていて、
前記複数の補助凸部は前記複数の凹部と個々に嵌合していて、前記主凸部と前記放熱部材の間には前記第一接合材が介在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
主凸部と複数の補助凸部が形成されている放熱部材と、
第一主面に接合された第一導板と第二主面に接合された第二導板を有し、前記放熱部材が前記第一導板と第一接合材を用いて固定されている絶縁基板と、
前記絶縁基板の第二導板と第二接合材を用いて固定されている半導体チップと、
前記絶縁基板と前記半導体チップを封止する樹脂部材と、を備え、
前記第一導板は複数の凹部を有しており、前記複数の補助凸部は前記主凸部よりも背が高くかつ前記主凸部の周囲に配設されていて、
前記複数の補助凸部は前記複数の凹部と個々に嵌合していて、前記主凸部と前記第一導板の間には前記第一接合材が介在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
主凸部と複数の凹部が形成されている放熱部材と、
第一主面に接合された第一導板と第二主面に接合された第二導板を有し、前記放熱部材が前記第一導板と第一接合材を用いて固定されている絶縁基板と、
前記絶縁基板の第二導板と第二接合材を用いて固定されている半導体チップと、
前記絶縁基板と前記半導体チップを封止する樹脂部材と、を備え、
前記第一導板は複数の補助凸部を有しており、前記複数の凹部は前記主凸部の周囲に配設されていて、
前記複数の補助凸部は前記複数の凹部と個々に嵌合していて、前記主凸部と前記第一導板の間には前記第一接合材が介在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
複数の補助凹部が形成されている放熱部材と、
第一高さを有する嵌合部材と、
前記第一高さよりも高い第二高さを有しかつ前記嵌合部材の周囲に配設されている複数のスペーサ部材と、
第一主面に接合された第一導板と第二主面に接合された第二導板を有し、前記放熱部材が前記第一導板と第一接合材を用いて固定されている絶縁基板と、
前記絶縁基板の第二導板と第二接合材を用いて固定されている半導体チップと、
前記絶縁基板と前記半導体チップを封止する樹脂部材と、を備え、
前記第一導板は主凹部を有しており、前記嵌合部材は前記主凹部に嵌合されていて、
前記複数のスペーサ部材は前記複数の補助凹部と個々に嵌合していて、前記嵌合部材と前記放熱部材の間には前記第一接合材が介在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
主凹部が形成されている放熱部材と、
第一高さを有する嵌合部材と、
前記第一高さよりも高い第二高さを有しかつ前記嵌合部材の周囲に配設されている複数のスペーサ部材と、
第一主面に接合された第一導板と第二主面に接合された第二導板を有し、前記放熱部材が前記第一導板と第一接合材を用いて固定されている絶縁基板と、
前記絶縁基板の第二導板と第二接合材を用いて固定されている半導体チップと、
前記絶縁基板と前記半導体チップを封止する樹脂部材と、を備え、
前記第一導板は複数の補助凹部を有しており、前記嵌合部材は前記主凹部に嵌合されていて、
前記複数のスペーサ部材は前記複数の補助凹部と個々に嵌合していて、前記嵌合部材と前記第一導板の間には前記第一接合材が介在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
主凸部が形成されている放熱部材と、
前記主凸部の周囲に配設される複数のスペーサ部材と、
第一主面に接合された第一導板と第二主面に接合された第二導板を有し、前記放熱部材が前記第一導板と第一接合材を用いて固定されている絶縁基板と、
前記絶縁基板の第二導板と第二接合材を用いて固定されている半導体チップと、
前記絶縁基板と前記半導体チップを封止する樹脂部材と、を備え、
前記第一導板は複数の凹部を有しており、前記複数のスペーサ部材は前記複数の凹部と個々に嵌合していて、
前記主凸部と前記第一導板の間には前記第一接合材が介在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
複数の凹部が形成されている放熱部材と、
前記複数の凹部と個々に嵌合している複数のスペーサ部材と、
第一主面に接合された第一導板と第二主面に接合された第二導板を有し、前記放熱部材が前記第一導板と第一接合材を用いて固定されている絶縁基板と、
前記絶縁基板の第二導板と第二接合材を用いて固定されている半導体チップと、
前記絶縁基板と前記半導体チップを封止する樹脂部材と、を備え、
前記第一導板は主凸部を有しており、前記複数のスペーサ部材は前記主凸部の周囲に配設されていて、
前記主凸部と前記放熱部材の間には前記第一接合材が介在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
主凹部と複数の補助凹部が形成されている放熱部材と、
前記主凹部に嵌合されている嵌合部材と、
第一主面に接合された第一導板と第二主面に接合された第二導板を有し、前記放熱部材が前記第一導板と第一接合材を用いて固定されている絶縁基板と、
前記絶縁基板の第二導板と第二接合材を用いて固定されている半導体チップと、
前記絶縁基板と前記半導体チップを封止する樹脂部材と、を備え、
前記第一導板は複数の凸部を有しており、前記複数の補助凹部は前記主凹部の周囲に配設されていて、
前記複数の凸部は前記複数の補助凹部と個々に嵌合していて、前記嵌合部材と前記第一導板の間には前記第一接合材が介在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
複数の補助凹部が形成されている放熱部材と、
前記複数の補助凹部の内側に配設される嵌合部材と、
第一主面に接合された第一導板と第二主面に接合された第二導板を有し、前記放熱部材が前記第一導板と第一接合材を用いて固定されている絶縁基板と、
前記絶縁基板の第二導板と第二接合材を用いて固定されている半導体チップと、
前記絶縁基板と前記半導体チップを封止する樹脂部材と、を備え、
前記第一導板は主凹部と複数の凸部を有しており、前記複数の凸部は前記主凹部の周囲に配設されていて、前記嵌合部材は前記主凹部に嵌合されていて、
前記複数の凸部は前記複数の補助凹部と個々に嵌合していて、前記嵌合部材と前記放熱部材の間には前記第一接合材が介在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
複数の凸部が形成されている放熱部材と、
前記複数の凸部の内側に配設されている嵌合部材と、
第一主面に接合された第一導板と第二主面に接合された第二導板を有し、前記放熱部材が前記第一導板と第一接合材を用いて固定されている絶縁基板と、
前記絶縁基板の第二導板と第二接合材を用いて固定されている半導体チップと、
前記絶縁基板と前記半導体チップを封止する樹脂部材と、を備え、
前記第一導板は主凹部と複数の補助凹部を有しており、前記嵌合部材は前記主凹部に嵌合されていて、
前記複数の凸部は前記複数の補助凹部と個々に嵌合していて、前記嵌合部材と前記放熱部材の間には前記第一接合材が介在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
主凹部と複数の凸部とが形成されている放熱部材と、
前記主凹部に嵌合されている嵌合部材と、
第一主面に接合された第一導板と第二主面に接合された第二導板を有し、前記放熱部材が前記第一導板と第一接合材を用いて固定されている絶縁基板と、
前記絶縁基板の第二導板と第二接合材を用いて固定されている半導体チップと、
前記絶縁基板と前記半導体チップを封止する樹脂部材と、を備え、
前記第一導板は複数の補助凹部を有しており、前記複数の凸部は前記複数の補助凹部と個々に勘合していて、
前記嵌合部材と前記第一導板の間には前記第一接合材が介在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
前記半導体チップの少なくとも一部がワイドバンドギャップ半導体により形成されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素，窒化ガリウム系材料，ダイヤモンドのいずれかの半導体であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に、放熱性が要求される半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体チップを使用した半導体装置（パワーモジュール）においては、半導体チップから発せられる熱を効率良く放熱して、半導体チップの温度を所定温度以下に保つ必要がある。このため、高熱伝導性の絶縁セラミック板と、その両面に設けられた導板とが一体となった所謂絶縁基板の一面に、半田等の接合材を介して半導体チップが接合されたパワーモジュールが提案されている。絶縁基板の他面には、半田等の接合材を介して直接的ないし間接的に放熱部材が接合されている。
【０００３】
絶縁基板の絶縁板には窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ等の高熱伝導性のセラミック板が採用されている。絶縁基板の導板にはアルミニウム（アルミニウム合金を含むものとする）、銅（銅合金を含むものとする）等の高熱伝導性金属が用いられる。半導体装置（パワーモジュール）では、絶縁基板と放熱部材との間の熱膨張係数の相違に起因して絶縁基板と放熱部材とを接合する接合材に熱応力が作用する。使用条件によっては、接合材にクラックが生じて、要求される寿命期間に十分な放熱性能を維持できない場合が発生する。このような、熱応力の作用に起因するクラックの発生を防止するために多くの技術が創出されてきた（例えば特許文献１〜５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１４９６９５号公報
【特許文献２】特開平４−１２３４４１号公報
【特許文献３】特開２００４−３２７７３７号公報
【特許文献４】特開２００９−２７２５３６号公報
【特許文献５】特開２０１２−１６９３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には被接合面に凸部を設けた接合構造が開示されている。熱応力によるクラックは接合材の上面視外周部において発生する。発熱体である半導体チップが上面視中央付近に接合されているため、接合材を介してヒートシンクに伝わる熱量は接合材の上面視中央部において大きい。一般に導板に用いられる材料はアルミニウムあるいは銅であり、接合材に用いられる半田などの材料と比較して熱伝導率が高い。特許文献１では凸構造を設けることで、上面視中央部と比較して相対的に上面視外側の接合材を肉厚として、接合材の熱応力低減と半導体装置の放熱性能向上を図っている。
【０００６】
しかしながら、このような凸部は絶縁基板を拘束する構造を持たないために、ヒートシンクと絶縁基板を接合するリフロー処理工程において絶縁基板が自由に変位し、横ずれが発生する。また、このような凸部は接合材の厚さを制御する構造を持たないために、上面視外側の一部において接合材が薄肉となる場合があり、熱応力に起因するクラックが発生する場合がある。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、絶縁基板の横ずれと接合材の厚さを制御することで、放熱性と寿命に優れた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】
【０００８】
本願にかかわる半導体装置は、複数の凹部が形成されている放熱部材と、第一主面に接合された第一導板と第二主面に接合された第二導板を有し、放熱部材が第一導板と第一接合材を用いて固定されている絶縁基板と、絶縁基板の第二導板と第二接合材を用いて固定されている半導体チップと、絶縁基板と半導体チップを封止する樹脂部材と、を備え、第一導板は主凸部と複数の補助凸部を有しており、複数の補助凸部は主凸部よりも背が高くかつ主凸部の周囲に配設されていて、複数の補助凸部は複数の凹部と個々に嵌合していて、主凸部と放熱部材の間には第一接合材が介在している。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の態様によれば、絶縁基板の横ずれを防止できるので、生産性向上の効果が得られる。また、接合材の厚さを制御することができるので、接合材の一部が薄肉となることを防ぐことが可能となり、クラックの防止効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態に関する半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】実施の形態１に関する半導体装置の接合構造を示す断面図である。
【図３】実施の形態１に関する導板の上面視構造を示す断面図である。
【図４】本発明の接合構造における応力と熱流速の分布を示す模式図である。
【図５】比較例の接合構造における応力と熱流速の分布を示す模式図である。
【図６】実施形態２に関する接合構造を示す断面図である。
【図７】実施形態３に関する接合構造を示す断面図である。
【図８】実施形態４に関する接合構造を示す断面図である。
【図９】実施形態５に関する接合構造を示す断面図である。
【図１０】実施形態６に関する接合構造を示す断面図である。
【図１１】実施形態７に関する接合構造を示す断面図である。
【図１２】実施形態８に関する接合構造を示す断面図である。
【図１３】実施形態９に関する接合構造を示す断面図である。
【図１４】実施形態１０に関する接合構造を示す断面図である。
【図１５】実施形態１１に関する接合構造を示す断面図である。
【図１６】実施形態１２に関する接合構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態に係る半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。なお、各図において、同一または同様の構成部分については同じ符号を付している。各図間の図示では、対応する各構成部のサイズや縮尺はそれぞれ独立している。例えば構成の一部を変更した断面図の間で、変更されていない同一構成部分を図示する際に、同一構成部分のサイズや縮尺が異なっている場合もある。また、半導体装置の構成は、実際にはさらに複数の部材を備えているが、説明を簡単にするため、説明に必要な部分のみを記載し、他の部分については省略している。
【００１２】
実施の形態１．
実施の形態１による半導体装置について、図を参照して説明する。図１に、半導体装置１００の全体構成を示す。半導体装置１００は、半導体チップ１、放熱部材７、絶縁基板８、ケース２０、封止樹脂部材２１、ボンディングワイヤ２２、導電端子（またはリードフレーム）２４などから構成されている。半導体チップ１、放熱部材７、絶縁基板８、ボンディングワイヤ２２、導電端子２４などが封止樹脂部材２１で封止されている。絶縁基板８は、導板（または導電パターン）３と絶縁セラミック４と導板（または導電パターン）５とより成る。半導体チップ１には電力用トランジスタ１ａや電力用ダイオード１ｂが含まれる。
【００１３】
パッケージタイプの半導体装置１００は、ワイヤボンディングの終わった仕掛品を金型にセットして、熱硬化性のエポキシ樹脂を流し込んで成形されている。電力用トランジスタ１ａには、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などが用いられる。電力用トランジスタ１ａと電力用ダイオード１ｂは逆並列に接続されている。半導体装置１００は導電端子２４などを使って外部機器に接続される。放熱部材７は、単体または複数枚の絶縁基板８とはんだなどの接合材（第一接合材）６によって接合されている。放熱部材７は、半導体チップ１の放熱板としての役割を果たすと共に、放熱部材７の底面７ａが熱伝導グリス等でヒートシンクへ接続されることで、半導体装置で発生した熱を効率よく外部へ放熱させる。
【００１４】
放熱部材７の下方には、例えば、液冷タイプ冷却のためのウォータージャケットを備えることができる。半導体チップ１は、ダイボンド材（第二接合材）２を介して絶縁基板８の上に接合されている。ダイボンド材２には、銀ナノ粒子の低温焼結材、液相拡散接合材（Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎなど）、半田等の、熱の良導体である接合材料を用いることができる。半導体チップ１と絶縁基板８とは、Ｃｕ固相拡散接合または超音波接合等の直接接合で接合されていてもよい。放熱部材７は導板５と接合材６を用いて固定されている。半導体チップ１は、絶縁基板８の導板３とダイボンド材（第二接合材）２を用いて固定されている。封止樹脂部材２１は、絶縁基板８と半導体チップ１を封止している。
【００１５】
半導体チップ１は、珪素（Ｓｉ）によって形成されたものの他に、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成したものを好適に使用することができる。ワイドバンドギャップ半導体としては、炭化珪素（ＳｉＣ）、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、電力用半導体チップを用いた装置の小型化が可能となる。
【００１６】
図２は、実施の形態１に関する半導体装置の接合構造を示す断面図である。絶縁セラミック４（および絶縁基板８）は裏面となる第一主面４ａおよび表面となる第二主面４ｂに導板（第一導板）５および導板（第二導板）３がそれぞれ接合されている。放熱部材７の上には絶縁基板８と半導体チップ１が接合材料を介して積層され、これにリフロー処理が施されることによって放熱部材７と絶縁基板８と半導体チップ１が接合される。本願では、特に指定なく銅またはアルミニウム等の材料名を記載した場合は、他の添加物を含んだ銅合金またはアルミニウム合金なども包含するものとする。絶縁基板８は、第一主面４ａに接合された導板５と第二主面４ｂに接合された導板３を有している。
【００１７】
絶縁基板８は、ダイボンド材２に接する導板３と、放熱部材７に向かい合う導板５と、導板３および導板５に挟まれて配置された絶縁セラミック４とを備えている。これらはろう材等を用いてあらかじめ一体化されている。導板３および導板５には、銅、アルミニウム等の電気および熱の良導体を用いることができる。導板３および導板５が厚い場合には絶縁セラミック４の破壊が発生し、薄い場合には、接合材の破壊および半導体チップで発生した熱の広がりが低下することにより熱抵抗が増加する。そこで導板３および導板５の厚さは０．２ｍｍから１．５ｍｍであることが望ましい。
【００１８】
絶縁セラミック４には、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ等の、電気的に絶縁体であり、かつ、熱の良導体であるセラミックを用いることができる。接合材６には、銀ナノ粒子の低温焼結材、液相拡散接合材（Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎなど）、半田等の、電気および熱の良導体である接合材料を用いることができる。接合層は熱抵抗となるので、できるだけ薄いことが望ましいが、過度に薄い場合には熱応力で接合層にクラックが生じる。放熱性の低下を防ぐには、接合層の厚さは例えば０．１ｍｍ〜０．７ｍｍ程度とすることが望ましい。
【００１９】
本実施の形態の半導体装置においては、導板５はその平面視中央部が肉厚とされている。すなわち、導板５には絶縁基板８の裏面側から絶縁基板８の厚さ方向に向かって突出する主凸部９が形成されている。主凸部９の周囲には、主凸部９から離間してスペーサとして機能する複数の補助凸部１０が形成されている。主凸部９の導板５から突出している部分の高さは、補助凸部１０の導板５から突出している高さから補助凹部１１に嵌り込んでいる補助凸部１０の先端部分の長さを減じた値よりも小さい。主凸部９に接する位置の接合材６の厚さは、主凸部９のない位置の接合材６の厚さの５％から９０％程度となることが望ましい。
【００２０】
補助凸部１０が形成されていない放熱部材７には、補助凸部１０が接合される位置に補助凹部１１が形成されている。補助凸部１０は、補助凸部１０に対応する位置に設けられている補助凹部１１に嵌り込んでいる。放熱部材７と絶縁基板８は、補助凸部１０が補助凹部１１に嵌り込んだ状態で、接合材６を介して接合される。補助凹部１１は切削加工、エッチング、あるいはプレス加工により製作できる。複数の補助凸部１０は複数の補助凹部１１と個々に嵌合していて、主凸部９と放熱部材７の間には接合材６が介在している。
【００２１】
図３は実施の形態１に関する導板５の上面視構造を示す断面図である。導板５には主凸部９と複数個の補助凸部１０が形成されている。補助凸部１０はスペーサとして作用する。主凸部９および補助凸部１０は、円柱、三角柱、直方体、円錐、三角錐、四角錐などの形状を有する。主凸部９の面積は導板５の上面視投影面積の１０％以上９０％以下であることが望ましい。このような構成に依れば、絶縁基板８と放熱部材７の接合時の横ずれを防止することができる。
【００２２】
図４は本発明の接合構造における応力と熱流速の分布を示す模式図である。本発明の構成に依れば、図中の矢印で示される横方向の力が加えられたとしても絶縁基板８と放熱部材７の接合時の横ずれを防止することができる。発熱体である半導体チップ１から放熱部材７までの熱抵抗は上面視中央部において小さく、優れた放熱性を示す。また、絶縁基板８と放熱部材７との線膨張係数の相違に起因する熱応力は、相対的に肉厚である上面視外側が吸収するため、絶縁基板８と放熱部材７との間の接続信頼性が確保される。さらに、スペーサとなる補助凸部１０により接合材６の厚さが規定されているので、接合材６が過度に薄くなりクラックが発生することを防ぐことができる。
【００２３】
図５は比較例の接合構造における応力と熱流速の分布を示す模式図である。比較例にかかわる半導体装置には、複数個の補助凸部が形成されていない。このような比較例の構成に依れば、接合時に横方向の力が加わった場合、絶縁基板８と放熱部材７に横ずれが生じる。接合材６の厚さが規定されていないので、接合材６が過度に薄くなりクラックが発生しやすい。
【００２４】
複数の補助凹部１１が形成されている放熱部材７は、構造材を兼ねている。特に車載用途等においては、共振周波数を高く設定して、実使用時に共振しないよう配慮する必要があるため、放熱部材７には一定の厚さが必要である。車載用途等では、放熱部材７は、およそ２ｍｍ以上、固定使用の場合でも１ｍｍ以上の厚さを有していることが好ましい。逆に放熱部材７の厚さが厚すぎると熱抵抗の増加が顕著になるため、１０ｍｍ以下の厚さとしておくことが望ましい。
【００２５】
本実施の形態では、半導体チップ１の搭載数は２つとなっているが、同種、若しくは、ＩＧＢＴとダイオードとの組み合わせのような機能の異なる半導体チップが、同一の絶縁基板に複数搭載されている場合であってもよい。また、複数の絶縁基板が同一の放熱部材に搭載されている場合等の様々な組み合わせが可能であり、特に制約はない。半導体チップ１の材質に関しては、Ｓｉのみならず、ＳｉＣまたはＧａＮ等のような所謂ワイドバンドギャップ半導体、あるいはそれらの混載等が可能であり、特に制約はない。
【００２６】
ワイドバンドギャップ半導体とは、一般に、およそ２ｅＶ以上の禁制帯幅をもつ半導体を指し、ＧａＮに代表される３族窒化物、ＺｎＯに代表される２族窒化物、ＺｎＳｅに代表される２族カルコゲナイドおよびＳｉＣ等が知られている。特に、Ｓｉチップに比べ大電流密度で使用可能で、チップ面積さらには装置全体の小型化が可能なＳｉＣチップは、チップ面積が小さいために発熱密度が高くなる可能性がある。よって放熱性に優れる本発明はＳｉＣチップ搭載の半導体装置に対して好適である。
【００２７】
実施の形態２．
図６は、実施の形態２に関する半導体装置の接合構造を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置においては、導板５はその平面視中央部が肉厚とされている。すなわち、導板５には、主凸部９が、放熱部材７に向かって突出して形成されている。補助凸部１０は放熱部材７に主凸部９の周囲から離間して複数個が形成されている。主凸部９および補助凸部１０は、円柱、三角柱、直方体、円錐、三角錐、四角錐などの形状である。補助凸部１０はスペーサとして作用する。放熱部材７は複数の補助凸部１０が形成されている。
【００２８】
導板５には、補助凸部１０が接合される位置に複数の補助凹部１１が形成されている。補助凸部１０は、補助凸部１０と対応する位置に設けられている補助凹部１１に嵌り込む。放熱部材７と絶縁基板８は、補助凸部１０が補助凹部１１に嵌り込んだ状態で、接合材６を介して接合される。補助凹部１１は切削加工、エッチング、あるいはプレス加工により製作できる。このような構成に依れば、絶縁基板８と放熱部材７の接合時の横ずれを防止することができる。
【００２９】
導板５は主凸部９と複数の補助凹部１１を有しており、複数の補助凹部１１は主凸部９の周囲に配設されている。主凸部９の導板５から突出している部分の高さは、補助凸部１０の放熱部材７から突出している高さから、補助凹部１１に嵌り込んでいる補助凸部１０の先端部分の長さを減じた値よりも小さい。主凸部９に接する位置の接合材６の厚さは、主凸部９のない位置の接合材６の厚さの５％から９０％程度となることが望ましい。複数の補助凸部１０は複数の補助凹部１１と個々に嵌合していて、主凸部９と放熱部材７の間には接合材６が介在している。
【００３０】
実施の形態３．
図７は、実施の形態３に関する半導体装置の接合構造を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置においては、放熱部材７はその平面視中央部が肉厚とされている。すなわち、放熱部材７には、主凸部９が、絶縁基板８の導板５に向かって突出して形成されている。補助凸部１０は放熱部材７に主凸部９の周囲から離間して複数個が形成されている。主凸部９および補助凸部１０は、円柱、三角柱、直方体、円錐、三角錐、四角錐などの形状である。補助凸部１０はスペーサとして作用する。放熱部材７は主凸部９と複数の補助凸部１０が形成されている。
【００３１】
導板５には、補助凸部１０が接合される位置に補助凹部１１が形成されている。補助凸部１０は補助凹部１１に嵌り込む。放熱部材７と絶縁基板８は、複数の補助凸部１０が複数の補助凹部１１に個々に嵌り込んだ状態で、接合材６を介して接合される。補助凹部１１は切削加工、エッチング、あるいはプレス加工により製作できる。このような構成に依れば、絶縁基板８と放熱部材７の接合時の横ずれを防止することができる。
【００３２】
主凸部９の放熱部材７から突出している部分の高さは、補助凸部１０の放熱部材７から突出している高さから、補助凹部１１に嵌り込んでいる補助凸部１０の先端部分の長さを減じた値よりも小さい。主凸部９に接する位置の接合材６の厚さは、主凸部９のない位置の接合材６の厚さの５％から９０％程度となることが望ましい。導板５は複数の補助凹部１１を有しており、複数の補助凸部１０は主凸部９よりも背が高くかつ主凸部９の周囲に配設されている。複数の補助凸部１０は複数の補助凹部１１と個々に嵌合していて、主凸部９と導板５の間には接合材６が介在している。
【００３３】
実施の形態４．
図８は、実施の形態４に関する半導体装置の接合構造を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置においては、放熱部材７はその平面視中央部が肉厚とされている。すなわち、放熱部材７には、主凸部９が、絶縁基板８に向かって突出して形成されている。補助凸部１０は導板５に主凸部９の周囲から離間して複数個が形成されている。主凸部９および補助凸部１０は、円柱、三角柱、直方体、円錐、三角錐、四角錐などの形状である。補助凸部１０はスペーサとして作用する。
【００３４】
放熱部材７は主凸部９と複数の補助凹部１１が形成されている。放熱部材７には、補助凸部１０が接合される位置に補助凹部１１が形成されている。補助凸部１０は補助凹部１１に嵌り込む。放熱部材７と絶縁基板８は、補助凸部１０が補助凹部１１に嵌り込んだ状態で、接合材６を介して接合される。補助凹部１１は切削加工、エッチング、あるいはプレス加工により製作できる。このような構成に依れば、絶縁基板８と放熱部材７の接合時の横ずれを防止することができる。
【００３５】
主凸部９の放熱部材７から突出している部分の高さは、補助凸部１０の導板５から突出している高さから、補助凹部１１に嵌り込んでいる補助凸部１０の先端部分の長さを減じた値よりも小さい。主凸部９に接する位置の接合材６の厚さは、主凸部９のない位置の接合材６の厚さの５％から９０％程度となることが望ましい。導板５は複数の補助凸部１０を有しており、複数の補助凹部１１は主凸部９の周囲に配設されている。複数の補助凸部１０は複数の補助凹部１１と個々に嵌合していて、主凸部９と導板５の間には接合材６が介在している。
【００３６】
実施の形態５．
図９は、実施の形態５に関する半導体装置の接合構造を示す断面図である。本実施の形態は、実施の形態１〜４の主凸部９および補助凸部１０を、導板５あるいは放熱部材７とは別部材とし、それぞれ嵌合部材１２およびスペーサ部材１３とした構成である。導板５には、主凹部１４が、設けられている。補助凹部１１は、放熱部材７および導板５に設けられている。嵌合部材１２およびスペーサ部材１３には熱の良電体であるアルミニウム、銅などの金属を用いることが望ましい。特に嵌合部材１２は絶縁セラミック４とのロウ付け性を考慮せずに材料を選定可能であり、例えば、低コストである低純度銅を用いるなどして、放熱性とコストの両立を図ることが可能となる。
【００３７】
嵌合部材１２およびスペーサ部材１３はあらかじめ導板５と先接合された状態で、絶縁基板８と放熱部材７を接合するリフロー処理が施されても良い。リフロー処理前の嵌合部材１２およびスペーサ部材１３と導板５および放熱部材７との先接合には、リフロー処理温度よりも融点の高い接合方法を用いる。具体的には銀ナノ粒子の低温焼結材、液相拡散接合材（Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎなど）あるいは半田接合である。さらに、Ｃｕ固相拡散接合または超音波接合等の直接接合で接合されていてもよい。嵌合部材１２を導板５に先接合する際には、主凹部１４を用いて位置決めを行なう。ただし超音波接合など冶具を必要とする接合方法の場合には主凹部１４は不要である。
【００３８】
放熱部材７は複数の補助凹部１１が形成されている。複数のスペーサ部材１３は、嵌合部材１２の高さよりも高い高さを有しかつ嵌合部材１２の周囲に配設されている。導板５は主凹部１４を有しており、嵌合部材１２は主凹部１４に嵌合されている。複数のスペーサ部材１３は複数の補助凹部１１と個々に嵌合していて、嵌合部材１２と放熱部材７の間には接合材６が介在している。このような構成に依れば、実施の形態１と同じ効果をもつ構造が、より安価に製作できる場合がある。また、上記実施の形態では、各構成要素の材質、材料、実施の条件等についても記載しているが、これらは例示であって記載したものに限られるものではない。
【００３９】
実施の形態６．
図１０は、実施の形態６に関する半導体装置の接合構造を示す断面図である。本実施の形態は、実施の形態１〜４の主凸部９および補助凸部１０を、導板５あるいは放熱部材７とは別部材とし、それぞれ嵌合部材１２およびスペーサ部材１３とした構成である。放熱部材７には、主凹部１４が設けられている。補助凹部１１は、放熱部材７および導板５に設けられている。嵌合部材１２およびスペーサ部材１３には熱の良電体であるアルミニウム、銅などの金属を用いることが望ましい。特に嵌合部材１２は絶縁セラミック４とのロウ付け性を考慮せずに材料を選定可能であり、例えば、低コストである低純度銅を用いるなどして、放熱性とコストの両立を図ることが可能となる。
【００４０】
嵌合部材１２およびスペーサ部材１３はあらかじめ放熱部材７と先接合された状態で、絶縁基板８と放熱部材７を接合するリフロー処理が施されても良い。リフロー処理前の嵌合部材１２およびスペーサ部材１３と導板５および放熱部材７との先接合には、リフロー処理温度よりも融点の高い接合方法を用いる。具体的には銀ナノ粒子の低温焼結材、液相拡散接合材（Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎなど）あるいは半田接合である。さらに、Ｃｕ固相拡散接合または超音波接合等の直接接合で接合されていてもよい。嵌合部材１２を放熱部材７に先接合する際には、主凹部１４を用いて位置決めを行なう。ただし超音波接合など冶具を必要とする接合方法の場合には主凹部１４は不要である。
【００４１】
本実施の形態では放熱部材７は主凹部１４が形成されている。複数のスペーサ部材１３は、嵌合部材１２の高さよりも高い高さを有しかつ嵌合部材１２の周囲に配設されている。絶縁基板８は第一主面４ａに接合された導板５と第二主面４ｂに接合された導板３を有し、放熱部材７は導板５と接合材６を用いて固定されている。半導体チップ１は絶縁基板８の導板３とダイボンド材２を用いて固定されている。導板５は複数の補助凹部１１を有しており、嵌合部材１２は主凹部１４に嵌合されている。複数のスペーサ部材１３は複数の補助凹部１１と個々に嵌合していて、嵌合部材１２と導板５の間には接合材６が介在している。
【００４２】
実施の形態７．
図１１は、実施の形態７に関する半導体装置の接合構造を示す断面図である。本実施の形態は、実施の形態１〜４の補助凸部１０を、導板５あるいは放熱部材７とは別部材とし、スペーサ部材１３とした構成である。放熱部材７には、主凸部９が設けられている。補助凹部１１は、放熱部材７および導板５に設けられている。スペーサ部材１３には熱の良電体であるアルミニウム、銅などの金属を用いることが望ましい。スペーサ部材１３は絶縁セラミック４とのロウ付け性を考慮せずに材料を選定可能であり、例えば、低コストである低純度銅を用いるなどして、放熱性とコストの両立を図ることが可能となる。放熱部材７は主凸部９が形成されている。複数のスペーサ部材１３は主凸部９の周囲に配設される。
【００４３】
スペーサ部材１３はあらかじめ放熱部材７と先接合された状態で、絶縁基板８と放熱部材７を接合するリフロー処理が施されても良い。リフロー処理前のスペーサ部材１３と導板５または放熱部材７との先接合には、リフロー処理温度よりも融点の高い接合方法を用いる。具体的には銀ナノ粒子の低温焼結材、液相拡散接合材（Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎなど）あるいは半田接合である。さらに、Ｃｕ固相拡散接合または超音波接合等の直接接合で接合されていてもよい。スペーサ部材１３を放熱部材７に先接合する際には、導板５の補助凹部１１を用いて位置決めを行なう。ただし超音波接合など冶具を必要とする接合方法の場合には導板５の補助凹部１１は不要である。導板５は複数の補助凹部１１を有しており、複数のスペーサ部材１３は複数の補助凹部１１と個々に嵌合している。主凸部９と導板５の間には接合材６が介在している。
【００４４】
実施の形態８．
図１２は、実施の形態８に関する半導体装置の接合構造を示す断面図である。本実施の形態は、実施の形態１〜４の補助凸部１０を、導板５あるいは放熱部材７とは別部材とし、スペーサ部材１３とした構成である。導板５には、主凸部９が設けられている。補助凹部１１は、放熱部材７および導板５に設けられている。スペーサ部材１３には熱の良電体であるアルミニウム、銅などの金属を用いることが望ましい。スペーサ部材１３は絶縁セラミック４とのロウ付け性を考慮せずに材料を選定可能であり、例えば、低コストである低純度銅を用いるなどして、放熱性とコストの両立を図ることが可能となる。放熱部材７は複数の補助凹部１１が形成されている。複数のスペーサ部材１３は複数の補助凹部１１と個々に嵌合している。
【００４５】
スペーサ部材１３はあらかじめ導板５と先接合された状態で、絶縁基板８と放熱部材７を接合するリフロー処理が施されても良い。リフロー処理前のスペーサ部材１３と導板５または放熱部材７との先接合には、リフロー処理温度よりも融点の高い接合方法を用いる。具体的には銀ナノ粒子の低温焼結材、液相拡散接合材（Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎなど）あるいは半田接合である。さらに、Ｃｕ固相拡散接合または超音波接合等の直接接合で接合されていてもよい。スペーサ部材１３を導板５に先接合する際には、放熱部材７の補助凹部１１を用いて位置決めを行なう。ただし超音波接合など冶具を必要とする接合方法の場合には放熱部材７の補助凹部１１は不要である。導板５は主凸部９を有しており、複数のスペーサ部材１３は主凸部９の周囲に配設されている。主凸部９と放熱部材７の間には接合材６が介在している。
【００４６】
実施の形態９．
図１３は、実施の形態９に関する半導体装置の接合構造を示す断面図である。本実施の形態は、実施の形態１〜４の主凸部９を、導板５あるいは放熱部材７とは別部材とし、嵌合部材１２とした構成である。放熱部材７には、主凹部１４が設けられている。補助凹部１１は、放熱部材７に設けられている。嵌合部材１２には熱の良電体であるアルミニウム、銅などの金属を用いることが望ましい。嵌合部材１２は絶縁セラミック４とのロウ付け性を考慮せずに材料を選定可能であり、例えば、低コストである低純度銅を用いるなどして、放熱性とコストの両立を図ることが可能となる。放熱部材７は主凹部１４と複数の補助凹部１１が形成されている。嵌合部材１２は主凹部１４に嵌合されている。
【００４７】
嵌合部材１２はあらかじめ放熱部材７と先接合された状態で、絶縁基板８と放熱部材７を接合するリフロー処理が施されても良い。リフロー処理前の嵌合部材１２と放熱部材７との先接合には、リフロー処理温度よりも融点の高い接合方法を用いる。具体的には銀ナノ粒子の低温焼結材、液相拡散接合材（Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎなど）あるいは半田接合である。さらに、Ｃｕ固相拡散接合または超音波接合等の直接接合で接合されていてもよい。嵌合部材１２を放熱部材７に先接合する際には、放熱部材７の主凹部１４を用いて位置決めを行なう。ただし超音波接合など冶具を必要とする接合方法の場合には放熱部材７の主凹部１４は不要である。導板５は複数の補助凸部１０を有しており、複数の補助凹部１１は主凹部１４の周囲に配設されている。複数の補助凸部１０は複数の補助凹部１１と個々に嵌合していて、嵌合部材１２と導板５の間には接合材６が介在している。
【００４８】
実施の形態１０．
図１４は、実施の形態１０に関する半導体装置の接合構造を示す断面図である。本実施の形態は、実施の形態１〜４の主凸部９を、導板５あるいは放熱部材７とは別部材とし、嵌合部材１２とした構成である。導板５には、主凹部１４が設けられている。補助凹部１１は、放熱部材７に設けられている。嵌合部材１２には熱の良電体であるアルミニウム、銅などの金属を用いることが望ましい。嵌合部材１２は絶縁セラミック４とのロウ付け性を考慮せずに材料を選定可能であり、例えば、低コストである低純度銅を用いるなどして、放熱性とコストの両立を図ることが可能となる。放熱部材７は複数の補助凹部１１が形成されている。嵌合部材１２は複数の補助凹部１１の内側に配設される。
【００４９】
嵌合部材１２はあらかじめ導板５と先接合された状態で、絶縁基板８と放熱部材７を接合するリフロー処理が施されても良い。リフロー処理前の嵌合部材１２と導板５との先接合には、リフロー処理温度よりも融点の高い接合方法を用いる。具体的には銀ナノ粒子の低温焼結材、液相拡散接合材（Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎなど）あるいは半田接合である。さらに、Ｃｕ固相拡散接合または超音波接合等の直接接合で接合されていてもよい。嵌合部材１２を導板５に先接合する際には、導板５の主凹部１４を用いて位置決めを行なう。ただし超音波接合など冶具を必要とする接合方法の場合には導板５の主凹部１４は不要である。導板５は主凹部１４と複数の補助凸部１０を有しており、複数の補助凸部１０は主凹部１４の周囲に配設されている。嵌合部材１２は主凹部１４に嵌合されている。複数の補助凸部１０は複数の補助凹部１１と個々に嵌合していて、嵌合部材１２と放熱部材７の間には接合材６が介在している。
【００５０】
実施の形態１１．
図１５は、実施の形態１１に関する半導体装置の接合構造を示す断面図である。本実施の形態は、実施の形態１〜４の主凸部９を、導板５あるいは放熱部材７とは別部材とし、嵌合部材１２とした構成である。導板５には、主凹部１４と補助凹部１１が設けられている。嵌合部材１２には熱の良電体であるアルミニウム、銅などの金属を用いることが望ましい。嵌合部材１２は絶縁セラミック４とのロウ付け性を考慮せずに材料を選定可能であり、例えば、低コストである低純度銅を用いるなどして、放熱性とコストの両立を図ることが可能となる。放熱部材７は複数の補助凸部１０が形成されている。嵌合部材１２は複数の補助凸部１０の内側に配設されている。
【００５１】
嵌合部材１２はあらかじめ導板５と先接合された状態で、絶縁基板８と放熱部材７を接合するリフロー処理が施されても良い。リフロー処理前の嵌合部材１２と導板５との先接合には、リフロー処理温度よりも融点の高い接合方法を用いる。具体的には銀ナノ粒子の低温焼結材、液相拡散接合材（Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎなど）あるいは半田接合である。さらに、Ｃｕ固相拡散接合または超音波接合等の直接接合で接合されていてもよい。嵌合部材１２を導板５に先接合する際には、導板５の主凹部１４を用いて位置決めを行なう。ただし超音波接合など冶具を必要とする接合方法の場合には導板５の主凹部１４は不要である。導板５は主凹部１４と複数の補助凹部１１を有しており、嵌合部材１２は主凹部１４に嵌合されている。複数の補助凸部１０は複数の補助凹部１１と個々に嵌合していて、嵌合部材１２と放熱部材７の間には接合材６が介在している。
【００５２】
実施の形態１２．
図１６は、実施の形態１２に関する半導体装置の接合構造を示す断面図である。本実施の形態は、実施の形態１〜４の主凸部９を、導板５あるいは放熱部材７とは別部材とし、嵌合部材１２とした構成である。放熱部材７には、主凹部１４が設けられている。補助凹部１１は、導板５に設けられている。嵌合部材１２には熱の良電体であるアルミニウム、銅などの金属を用いることが望ましい。嵌合部材１２は絶縁セラミック４とのロウ付け性を考慮せずに材料を選定可能であり、例えば、低コストである低純度銅を用いるなどして、放熱性とコストの両立を図ることが可能となる。放熱部材７は主凹部１４と複数の補助凸部１０とが形成されている。嵌合部材１２は主凹部１４に嵌合されている。
【００５３】
嵌合部材１２はあらかじめ放熱部材７と先接合された状態で、絶縁基板８と放熱部材７を接合するリフロー処理が施されても良い。リフロー処理前の嵌合部材１２と放熱部材７との先接合には、リフロー処理温度よりも融点の高い接合方法を用いる。具体的には銀ナノ粒子の低温焼結材、液相拡散接合材（Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎなど）あるいは半田接合である。さらに、Ｃｕ固相拡散接合または超音波接合等の直接接合で接合されていてもよい。嵌合部材１２を放熱部材７に先接合する際には、放熱部材７の主凹部１４を用いて位置決めを行なう。ただし超音波接合など冶具を必要とする接合方法の場合には放熱部材７の主凹部１４は不要である。導板５は複数の補助凹部１１を有しており、複数の補助凸部１０は複数の補助凹部１１と個々に勘合している。嵌合部材１２と導板５の間には接合材６が介在している。
【００５４】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１  半導体チップ、１ａ  電力用トランジスタ、１ｂ  電力用ダイオード、２  ダイボンド材、３  導板、４  絶縁セラミック、４ａ  第一主面、４ｂ  第二主面、５  導板、６  接合材、７  放熱部材、７ａ  底面、８  絶縁基板、９  主凸部、１０  補助凸部、１１  補助凹部、１２  嵌合部材、１３  スペーサ部材、１４  主凹部、２１  封止樹脂部材、２２  ボンディングワイヤ、２４  導電端子、２０  ケース、１００  半導体装置
【図１】
2015167171.tif 000003
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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