(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属層と、
前記第１金属層の第１面に接合された第２金属層であって、厚み方向に貫通する複数の第１貫通孔が設けられた第２金属層と、
前記第１金属層の、前記第１面の反対側の第２面に接合された第３金属層であって、厚み方向に貫通する複数の第２貫通孔が設けられた第３金属層と、
前記第２金属層の、前記第１金属層の前記第１面に接合された面の反対側の面に接合された第４金属層と、
前記第３金属層の、前記第１金属層の前記第２面に接合された面の反対側の面に接合された第５金属層と、
前記複数の第１貫通孔、および前記複数の第２貫通孔に充填された金属部材と、を含み、
前記第１金属層、前記第４金属層、および前記第５金属層は、前記第２金属層、および前記第３金属層のヤング率よりも小さいヤング率を有し、
平面視で、前記複数の第１貫通孔の各々の図心と、前記複数の第２貫通孔の各々の図心とがずれていることを特徴とする放熱基板。
【請求項２】
前記第１金属層、前記第４金属層、前記第５金属層、および前記金属部材は、銅または銅を含む合金からなり、前記第２金属層、および前記第３金属層は、モリブデンまたはモリブデンを含む合金からなることを特徴とする請求項１に記載の放熱基板。
【請求項３】
前記第１金属層、前記第４金属層、および前記第５金属層は、前記第２金属層、および前記第３金属層の厚みよりも大きい厚みを有することを特徴とする請求項１または２に記載の放熱基板。
【請求項４】
平面視で、前記複数の第１貫通孔、および前記複数の第２貫通孔は、矩形格子状または斜方格子状に配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の放熱基板。
【請求項５】
平面視で、前記複数の第１貫通孔と、前記複数の第２貫通孔とが重ならないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の放熱基板。
【請求項６】
平面視で、前記複数の第１貫通孔の各々は、前記複数の第２貫通孔のうちの少なくともいずれか１つに重なっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の放熱基板。
【請求項７】
平面視で、前記複数の第１貫通孔の面積が互いに等しいとともに、前記複数の第２貫通孔の面積が互いに等しく、前記複数の第２貫通孔の面積は、前記複数の第１貫通孔の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の放熱基板。
【請求項８】
平面視で、前記複数の第１貫通孔、および前記複数の第２貫通孔は、各々、楕円形状または長円形状を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の放熱基板。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の放熱基板と、
前記放熱基板の前記第４金属層に固定された、絶縁体からなる枠体と、
該枠体に取り付けられた電力供給用端子と、
を含む半導体パッケージ。
【請求項１０】
請求項９記載の半導体パッケージと、
該半導体パッケージに搭載された半導体素子と、
を含む半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体素子などの半導体素子から発生した熱を放熱するための放熱基板、および該放熱基板を用いた半導体パッケージならびに半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載されるように、電力供給用半導体チップから発生した熱を放熱するための放熱基板は、銅または銅合金の高熱伝導層と、Ｆｅ−Ｎｉ系合金の低熱膨張層とを交互に複数積層してなり、低熱膨張層を挟持する高熱伝導層が、低熱膨張層に形成された複数の貫通孔を介して連続する構成を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１７３１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の放熱基板は、銅または銅合金とＦｅ−Ｎｉ系合金との熱膨張係数の違いにより、放熱基板に反りが発生する場合があり、外部への放熱性が低下し易いという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態の放熱基板は、
第１金属層と、
前記第１金属層の第１面に接合された第２金属層であって、厚み方向に貫通する複数の第１貫通孔が設けられた第２金属層と、
前記第１金属層の、前記第１面の反対側の第２面に接合された第３金属層であって、厚み方向に貫通する複数の第２貫通孔が設けられた第３金属層と、
前記第２金属層の、前記第１金属層の前記第１面に接合された面の反対側の面に接合された第４金属層と、
前記第３金属層の、前記第１金属層の前記第２面に接合された面の反対側の面に接合された第５金属層と、
前記複数の第１貫通孔、および前記複数の第２貫通孔に充填された金属部材と、を含み、
前記第１金属層、前記第４金属層、および前記第５金属層は、前記第２金属層、および前記第３金属層のヤング率よりも小さいヤング率を有し、
平面視で、前記複数の第１貫通孔の各々の図心と、前記複数の第２貫通孔の各々の図心とがずれていることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の実施形態の半導体パッケージは、上記の放熱基板と、
前記放熱基板の前記第４金属層に固定された、絶縁体からなる枠体と、
該枠体に取り付けられた電力供給用端子と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の実施形態の半導体装置は、上記の半導体パッケージと、
該半導体パッケージに搭載された半導体素子と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態の放熱基板によれば、半導体素子から発生した熱により放熱基板が加
熱されたときに、放熱基板の反りを抑制することができる。
【０００９】
また、本発明の実施形態の半導体パッケージによれば、上記の放熱基板を備えることにより、放熱基板の反りに起因する放熱性の低下を抑制することができる。
【００１０】
また、本発明の実施形態の半導体装置によれば、上記の半導体パッケージを備えることにより、半導体素子から発生した熱を良好に放散させることができ、高い信頼性を実現できる
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る放熱基板の斜視図である。
【図２】（ａ）は図１のＡ−Ａ線における放熱基板の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の部分拡大断面斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る放熱基板の分解斜視図である。
【図４】放熱基板を構成する各金属層の一つの態様を示す平面図である。
【図５】放熱基板を構成する各金属層の他の態様を示す平面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る半導体パッケージを示す斜視図である。
【図７】本発明の実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態に係る放熱基板、半導体パッケージ、および半導体装置について以下に詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る放熱基板の斜視図である。図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ線における放熱基板の断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の部分拡大断面斜視図である。図３は、本発明の実施形態に係る放熱基板の分解斜視図である。図４は、本発明の実施形態に係る放熱基板を構成する各金属層の平面図である。図５は、本発明の他の実施形態に係る放熱基板を構成する各金属層の平面図である。図６は、本発明の実施形態に係る半導体パッケージを示す斜視図である。図７は、本発明の実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。
【００１４】
放熱基板１００は、第１金属層１、第２金属層２、第３金属層３、第４金属層４、および第５金属層５、および金属部材６を含む。
【００１５】
第１金属層１は、第１面１ａと、第１面の反対側の第２面１ｂとを有する。第１面１ａには第２金属層２が接合され、第２面１ｂには、第３金属層３が接合される。さらに、第４金属層４が、第２金属層２の、第１金属層１の第１面１ａに接合された面の反対側の面に接合される。また、第５金属層５が、第３金属層３の、第１金属層１の第２面１ｂに接合された面の反対側の面に接合される。すなわち、本発明の実施形態の放熱基板１００は、図３に示すように、第５金属層５、第３金属層３、第１金属層１、第２金属層２、および第４金属層４が、順次積層された構成を有する。
【００１６】
また、第１金属層１、第４金属層４、および第５金属層５のヤング率は、第２金属層２、および第３金属層３のヤング率よりも小さくなっている。第１金属層１、第４金属層４、第５金属層５は、第２金属層２、および第３金属層３のヤング率よりも小さいヤング率を有していればよく、第１金属層１と、第４金属層４と、第５金属層５とは、同一のヤング率を有してもよく、異なるヤング率を有してもよい。また、第２金属層２、および第３金属層３は、第１金属層１、第４金属層４、および第５金属層５よりも大きいヤング率を有していればよく、第２金属層２と、第３金属層３とは、同一のヤング率を有してもよく、異なるヤング率を有してもよい。
【００１７】
さらに、第１金属層１、第４金属層４、第５金属層５、および金属部材６には、熱伝導率が、第２金属層２および第３金属層３の熱伝導率よりも大きいものが用いられる。また、第１金属層１、第４金属層４、第５金属層５、および金属部材６の熱膨張係数は、第２金属層２および第３金属層３の熱膨張係数よりも大きい。
【００１８】
第１金属層１、第４金属層４、第５金属層５、および金属部材６の例としては、例えば、銅、銀、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）等の金属材料、またはこれらの合金から形成したものが挙げられる。本実施形態では、第１金属層１、第４金属層４、および第５金属層５は、銅または銅を含む合金から成る。
【００１９】
第２金属層２、および第３金属層３は、モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ）等の金属材料、またはこれらの合金（銅−モリブデン焼結体、銅−タングステン焼結体等）から形成されてもよい。本実施形態では、第２金属層２、および第３金属層３は、モリブデンまたはモリブデンを含む合金から成る。
【００２０】
第１金属層１と、第４金属層４と、第５金属層５とは、同じ厚みを有してもよく、異なる厚みを有してもよい。また、第２金属層２と、第３金属層３とは、同じ厚みを有してもよく、異なる厚みを有してもよい。なお、第１金属層１と、第４金属層４と、第５金属層５とが同じ材料の同じ厚みとし、第２金属層２と、第３金属層３とが同じ材料の同じ厚みとすることがより好ましい。これにより、放熱基板１００に熱が加えられた際に生じる放熱基板１００の反りや変形が抑制される。
【００２１】
本発明の実施形態に係る放熱基板１００では、第１金属層１、第４金属層４、および第５金属層５が、第２金属層２、および第３金属層３の厚みよりも大きい厚みを有しており、平面視にて同じ外形を有している。例えば平面視において、第１金属層１、第４金属層４、および第５金属層５は、長辺が５ｍｍ〜３０ｍｍ、短辺が４ｍｍ〜２８ｍｍである。また、厚みは０．２ｍｍ〜２ｍｍである。第２金属層２および第３金属層３は、平面視において、長辺が５ｍｍ〜３０ｍｍ、短辺が４ｍｍ〜２８ｍｍである。また、厚みは０．１ｍｍ〜１ｍｍである。より具体的には例えば、第１金属層１の厚みは０．２ｍｍ、第４金属層４および第５金属層５の厚みは０．３ｍｍ、第２金属層２および第３金属層３の厚みは０．１ｍｍとすればよい。
【００２２】
図２（ｂ），図３に示すように、第２金属層２には、第２金属層２を厚み方向に貫通する複数の第１貫通孔２ａが設けられ、第３金属層３には、第３金属層３を厚み方向に貫通する複数の第２貫通孔３ａが設けられる。
【００２３】
第１貫通孔２ａおよび第２貫通孔３ａは、開口形状が、例えば、円形状、楕円形状、長円形状、正方形状、矩形形状であってもよく、その他の形状であってもよい。本発明の実施形態の放熱基板１００では、第１貫通孔２ａおよび第２貫通孔３ａの開口形状は、円形状、楕円形状、または長円形状とされている。第１貫通孔２ａおよび第２貫通孔３ａを円形状とすることにより、放熱基板１００に加えられる熱によって、第１貫通孔２ａおよび第２貫通孔３ａに生じる応力が中心軸に関して対称になり、一部に偏りにくいものとなる。
【００２４】
複数の第１貫通孔２ａは、平面視で、互いに等しい面積を有してもよく、互いに異なる面積を有してもよい。複数の第２貫通孔３ａも、平面視で、互いに等しい面積を有してもよく、互いに異なる面積を有してもよい。複数の第１貫通孔２ａおよび複数の第２貫通孔３ａの面積を平面視にて互いに等しい面積とすれば、放熱基板１００に加えられる熱によって第１貫通孔２ａおよび第２貫通孔３ａの各々に生じる応力が均等になりやすい。
【００２５】
なお、第１貫通孔２ａは、例えば平面視において、直径が０．５ｍｍ〜２ｍｍの円形状、または、長径が０．５ｍｍ〜２ｍｍ、短径が０．４ｍｍ〜１．８ｍｍの楕円形状、長径方向の長さが０．５ｍｍ〜２ｍｍ、短径方向の長さが０．４ｍｍ〜１．８ｍｍの長円形状である。
【００２６】
第１貫通孔２ａまたは第２貫通孔３ａの開口形状が、楕円形状または長円形状である場合には、放熱基板１００の長辺方向と第１貫通孔２ａまたは第２貫通孔３ａの長径方向とが平行になるように配置することが好ましい。長辺方向では、第１貫通孔２ａまたは第２貫通孔３ａと、それに隣接する第１貫通孔２ａまたは第２貫通孔３ａとの間の第２金属層２や第３金属層３が連続して配置される。すなわち、長辺方向では第１貫通孔２ａまたは第２貫通孔３ａを横切らずに一辺から他辺まで連続しているのに対し、短辺方向では第１貫通孔２ａまたは第２貫通孔３ａを横切ってしまう場合が多くなる。このため、長辺方向の曲げ応力が強くなり、長辺方向の反りや変形が抑制される。
【００２７】
また、図２（ｂ），図３に示すように、第１貫通孔２ａおよび第２貫通孔３ａには、金属部材６が充填される。金属部材６は、例えば、銅、銀、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）等の熱伝導性に優れた金属、またはこれらの合金から成ることが好ましい。
【００２８】
金属部材６は、第１金属層１、第４金属層４、および第５金属層５のいずれかと同じ材料から形成されてもよく、第１金属層１、第４金属層４、および第５金属層５とは異なる材料から形成されてもよい。また、第１貫通孔２ａに充填される金属部材と、第２貫通孔３ａに充填される金属部材とは、同じ材料から形成されてもよく、異なる材料から形成されてもよい。本実施形態では、第１貫通孔２ａに充填される金属部材と、第２貫通孔３ａに充填される金属部材とは、第１金属層１、第４金属層４、および第５金属層５と同一の、銅または銅を含む合金から成る。
【００２９】
また、本実施形態の放熱基板１００では、図４，図５に示すように、複数の第１貫通孔２ａおよび複数の第２貫通孔３ａは、平面視で、複数の第１貫通孔２ａの各々の図心と、複数の第２貫通孔３ａの各々の図心とがずれるように配設される。図心とは、第１貫通孔２ａおよび第２貫通孔３ａの内側平面の重心位置を意味する。以下、特に断らない限り、第１貫通孔２ａおよび第２貫通孔３ａの位置についての記載は、図心に基づくものである。
【００３０】
第１貫通孔２ａおよび第２貫通孔３ａの図心が一致するように配置されているとすると、第１貫通孔２ａおよび第２貫通孔３ａの存在する放熱基板１００の一方面から他方面に至る断面に於いて、第２金属層２または第３金属層３が存在しない部分が生じる。本発明の実施形態に係る放熱基板１００によれば、放熱基板１００の一方面から他方面に至る断面内に於いて、少なくとも第２金属層２または第３金属層３が配置される構造とすることができる。それによって、放熱基板１００の反りや変形を小さくすることができる。
【００３１】
放熱基板１００は、第５金属層５の、第３金属層３に接合された面と反対側の面を、外部基板（図示せず）等の外部放熱体に接触させた状態で使用されるので、放熱基板１００に反りが発生すると、放熱基板１００と外部基板との接触面積が減少し、放熱性が低下する。本発明の実施形態に係る放熱基板１００によれば、放熱基板１００の反りを低減し、放熱性の低下を抑制することができる。なお、隣接する第１貫通孔２ａ同士の間隔と、隣接する第２貫通孔３ａ同士の間隔を同じにすることが好ましい。また、平面視にて隣接する第１貫通孔２ａの中央に第２貫通孔３ａを配置するようにすることが好ましい。放熱基板１００に加えられる熱によって、第１貫通孔２ａおよび第２貫通孔３ａの周辺に生じる応力による変形が局所的に大きくならないようにすることができる。
【００３２】
放熱基板１００は、例えば半導体パッケージ２００として、第５金属層５の、第３金属層３に接合された面と反対側の面を、外部基板（図示せず）に接触させた状態で使用されるので、放熱基板１００に反りや変形が発生すると、放熱基板１００と外部基板との接触面積が減少し、放熱基板１００を介した半導体パッケージ２００の放熱性が低下する。本発明の実施形態に係る放熱基板１００によれば、放熱基板１００の反りや変形を低減し、放熱性の低下を抑制することができる。
【００３３】
また、放熱基板１００において、第２金属層２、および第３金属層３は、第１金属層１、第４金属層４、および第５金属層５のヤング率よりも大きなヤング率を有し、第２金属層２は、第１金属層１と第４金属層４との間に挟持され、第３金属層３は、第１金属層１と第５金属層５との間に挟持された構成を有する。このような構成によれば、放熱基板１００の剛性の低下を効果的に抑制するとともに、放熱基板１００の表面の平坦度を向上させることができる。
【００３４】
また、第１金属層１と第４金属層４の間、および第１金属層１と第５金属層５との間にそれぞれ熱膨張係数の小さな第２金属層２および第３金属層３が挟持されているので、第１金属層１、第４金属層４および第５金属層５は第２金属層２および第３金属層３に拘束されて熱膨張が抑制される。これによって、熱膨張係数の小さい半導体素子９の搭載が容易になる。
【００３５】
また、複数の第１貫通孔２ａ、および複数の第２貫通孔３ａは、平面視で、矩形格子状または斜方格子状に配設されていることが好ましい。第１貫通孔２ａおよび第２貫通孔３ａが斜方格子状に配置された例を図４および図５に示す。このような構成によれば、第２金属層２を介する放熱経路が第２金属層２に分散して設けられ、第３金属層３を介する放熱経路が第３金属層３に分散して設けられるので、放熱基板１００における熱分布の偏りを低減することができ、それによって、放熱基板１００の反りを効果的に抑制することができる。
【００３６】
第１貫通孔２ａおよび第２貫通孔３ａを斜方格子状に配置すると、放熱基板１００の長辺方向または短辺方向の反りや曲がりを生じ難くできる。
【００３７】
平面視で、複数の第１貫通孔２ａと、複数の第２貫通孔３ａとは、重ならないように配設されてもよい。すなわち、複数の第１貫通孔２ａと、複数の第２貫通孔３ａとは、平面視で、重複する部分がないように配設されてもよい。このような構成によれば、放熱基板１００の反りを一層効果的に低減することができる。
【００３８】
複数の第１貫通孔２ａの各々は、平面視したときに、複数の第２貫通孔３ａのうちの少なくともいずれか１つに重なるように配設されてもよい。すなわち、複数の第１貫通孔２ａの各々は、複数の第２貫通孔３ａのうちの少なくともいずれか１つに一部分が重複するように配設されてもよい。このような構成によれば、放熱基板１００における熱分布の偏りを低減することが可能になるとともに金属部材６を介した、放熱基板１００の厚み方向における効率的な熱伝導が可能になる。
【００３９】
また、平面視で、複数の第１貫通孔２ａの面積が互いに等しく、複数の第２貫通孔３ａの面積が互いに等しく、さらに第２貫通孔３ａの面積が、第１貫通孔２ａの面積よりも大きいようにしてもよい。これによって、放熱基板１００の第４金属層４から第５金属層５の方向への熱伝導性をよくすることができる。
【００４０】
本発明の実施形態に係る放熱基板１００は、以下のようにして作製される。
【００４１】
先ず、金型を用いた打ち抜き加工や切削加工を施すことによって、銅または銅を含む合金から成る第１金属層１、第４金属層４、および第５金属層５を準備し、金型を用いた打ち抜き加工や切削加工を施すことによって、モリブデンまたはモリブデンを含む合金から成る複数の第１貫通孔２ａが形成された第２金属層２、および複数の第２貫通孔３ａが形成された第３金属層３を準備する。
【００４２】
次いで、第１金属層１、第２金属層２、第３金属層３、第４金属層４、および第５金属層５を、所定の順序で積層した後、圧延圧着処理を施すことによって、第１金属層１、第４金属層４、および第５金属層５を構成する金属部材６が、第１貫通孔２ａおよび第２貫通孔３ａに充填された放熱基板１００が得られる。
【００４３】
本発明の実施形態に係る放熱基板１００は、次のように作製されてもよい。先ず、上記のように、第１金属層１、第４金属層４、および第５金属層５を準備する。さらに、第１貫通孔２ａに金属部材６が予め充填された第２金属層２、および第２貫通孔３ａに金属部材６が予め充填された第３金属層３を準備する。次いで、第１金属層１と第２金属層２との間、第１金属層１と第３金属層３との間、第２金属層２と第４金属層４との間、および第３金属層３と第５金属層５との間に銀−銅ロウ等のロウ材のプリフォームを挟み込む。この状態で高温炉（例えば、銀−銅ロウを用いる場合は約８００℃）内に投入し、ロウ材のプリフォームを溶融させた後、高温炉から取り出して冷却することによって、放熱基板１００が得られる。
【００４４】
本発明の実施形態に係る半導体パッケージ２００は、上記構成の放熱基板１００と、絶縁体からなる枠体７と、電力供給用端子８とを含んで構成され、放熱基板１００の第４金属層４に、絶縁体からなる枠体７を取り付け、枠体７に電力供給用端子８を取り付けることにより作製される。
【００４５】
枠体７は、絶縁性を有するものであればよく、例えば、樹脂から成ってもよく、セラミックスから成ってもよい。本発明の実施形態に係る半導体パッケージ２００では、枠体７は、例えば、Ａｌ２Ｏ３質セラミックス、ＡｌＮ質セラミックス、３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２質セラミックス等の絶縁体から成る。
【００４６】
半導体パッケージ２００によれば、放熱基板１００を含むことにより、放熱基板１００の反りや変形に起因する外部放熱体への放熱性の低下を抑制することができる。また、放熱基板１００の反りが少ないので、放熱基板１００に取り付けた枠体７が剥離したり、曲げ応力によって亀裂を生じたりする可能性を低減できる。半導体パッケージ２００は、特に大電力用途の半導体素子９、その他高発熱性の電子部品等を搭載する用途に好適である。
【００４７】
本発明の実施形態に係る半導体装置３００は、上記構成の半導体パッケージ２００と、半導体素子９とを含んで構成され、半導体パッケージ２００に半導体素子９を搭載し、電力供給用端子８と半導体素子９とをボンディングワイヤ１０で電気的に接続することにより作製される。半導体素子９は、第４金属層４の、枠体７の内側の領域に搭載される。
その後、半導体素子９をポッティング樹脂で封止したり、枠体７の上面に蓋体を取り付けて半導体素子９を封止したりして保護し、半導体装置３００が完成する。
【００４８】
半導体装置３００によれば、半導体パッケージ２００を含むことにより、放熱基板１００の反りや変形を抑制できるとともに、半導体素子９から発生した熱を良好に放散させることができ、封止性能にも優れるので、信頼性が向上された半導体装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１      第１金属層
１ａ    第１面
１ｂ    第２面
２      第２金属層
２ａ    第１貫通孔
３      第３金属層
３ａ    第２貫通孔
４      第４金属層
５      第５金属層
６      金属部材
７      枠体
８      電力供給用端子
９      半導体素子
１０    ボンディングワイヤ
１００  放熱基板
２００  半導体パッケージ
３００  半導体装置
【図１】
0006549502.tif 000002
【図２】
0006549502.tif 000003
【図３】
0006549502.tif 000004
【図４】
0006549502.tif 000005
【図５】
0006549502.tif 000006
【図６】
0006549502.tif 000007
【図７】
0006549502.tif 000008