(57)【要約】【課題】電力用半導体装置において、高信頼性の電力用半導体装置を提供すること。【解決手段】窒化珪素を主成分とする焼結体で構成された絶縁基板と、絶縁基板の１主面上に形成された銅を主成分とする配線層と、配線層上にはんだで固定された電力用半導体素子とを有する電力用半導体装置であって、絶縁基板に接する部分に於ける配線層の降伏応力が１００ＭＰａ以下であり、配線層の絶縁基板に接する部分に於ける降伏応力が、配線層表面に於ける降伏応力より小さいことを特徴とする電力用半導体装置。【選択図】図２
2008004652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素を主成分とする焼結体で構成された絶縁基板と、
前記絶縁基板の１主面上に形成された銅を主成分とする配線層と、
前記配線層上に搭載された電力用半導体素子とを有する電力用半導体装置において、
前記絶縁基板に接する部分に於ける前記配線層の降伏応力が１００ＭＰａ以下であり、
前記配線層の絶縁基板に接する部分に於ける降伏応力が、前記配線層表面に於ける降伏応力より小さいことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力用半導体装置において、
前記電力用半導体素子搭載領域に於ける前記配線層表面の降伏応力が、その他の領域に於ける前記配線層表面の降伏応力より小さいことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電力用半導体装置において、
前記電力用半導体素子搭載領域に於ける前記配線層の厚さが、その他の領域に於ける前記配線層の厚さより小さいことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電力用半導体装置において、
前記電力用半導体素子搭載領域に於ける前記配線層を表面から削ることにより、前記配線層の厚さをその他の領域より小さくすることを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の電力用半導体装置において、
前記絶縁基板の厚さが０.５mm以下であり、
前記配線層の厚さが０.５mm以上であることを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項６】
窒化珪素を主成分とする焼結体で構成された絶縁基板と、
前記絶縁基板の１主面上に形成された銅を主成分とする配線層と、
前記配線層上に搭載された電力用半導体素子とを有する電力用半導体装置において、
前記配線層が、前記絶縁基板に接する降伏応力が１００ＭＰａ以下の第１の銅による配線層と、それより降伏応力の大きい表面側の第２の銅による配線層との２層構造であることを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項７】
請求項６に記載の電力用半導体装置において、
降伏応力が１００ＭＰａ以下の第１の銅を前記絶縁基板の表面に形成し、その上部にそれより降伏応力の大きい第２の銅を形成することにより、２層構造の配線層としたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項８】
請求項６に記載の電力用半導体装置において、
前記配線層が、電力用半導体素子を搭載する領域を前記第１の銅による配線層の１層構造とし、その他の領域を前記２層構造としたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項９】
請求項６に記載の電力用半導体装置において、
電力用半導体素子搭載領域に於ける前記第２の銅による配線層を表面から削ることにより、前記電力用半導体素子搭載領域に於ける前記配線層表面の降伏応力をその他の領域に於ける前記配線層表面の降伏応力よりも小さくしたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の電力用半導体装置において、
前記絶縁基板に接する部分に於ける前記配線層を構成する銅を主成分とする素材の銅を除いた組成が、前記配線層の表面に於ける前記配線層を構成する銅を主成分とする素材の銅を除いた組成と異なることを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の電力用半導体装置において、
前記絶縁基板に接する部分に於ける前記配線層に与える加工硬化の度合いと、
前記配線層の表面に於ける前記配線層に与える加工硬化の度合いが異なることを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の電力用半導体装置において、
前記絶縁基板の前記配線層を形成する主面とは反対側の主面に接続された金属板を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電力用半導体装置において、
前記絶縁基板の前記配線層を形成する主面の反対側の主面に銅を主成分とする第２の層が形成され、前記第２の層にはんだで銅またはアルミニウムを主成分とする前記金属板が接着されていることを電力用半導体装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の電力用半導体装置において、
前記金属板が前記絶縁基板に直接接着されていることを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の電力用半導体装置において、
前記電力用半導体素子のはんだ付け面の反対側の表面に固定された配線手段と、
少なくとも前記電力用半導体素子を格納するための筐体とを有することを特徴とする電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化珪素を主成分とする絶縁基板の表面に形成された配線層に半導体素子が搭載された電力用半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置においては、種々の熱膨張係数の素材を混在して使用する。特に電力用半導体装置では使用する部材の寸法が大きいこと、心臓部である電力用半導体素子から発生する熱が大きいことのために、素材間の熱膨張係数の違いに基づく内部応力の発生が大きい。したがって、熱疲労が深刻な問題である。
【０００３】
電力用半導体装置に使用する素材の中で熱膨張係数の小さいグループに属するものとして電力用半導体素子（構成材は珪素）を挙げることができる。対して熱膨張係数の大きい素材は、配線に使用する銅やアルミニウム等の金属である。絶縁材料の熱膨張係数は、両者を包含する範囲を超えたかなり広い範囲で選ぶことができる。
【０００４】
電力用半導体装置では、上述したように高密度の熱流を処理する必要があり、絶縁材料に熱伝導率の高い素材を使用する。電気絶縁性を有する素材を大きく分けると無機物と有機物となるが、一般に無機物の方が有機物よりも熱伝導率が高い。したがって、無機物の絶縁材料による絶縁基板を使用する場合が多い。
【０００５】
電気絶縁性の無機物の中でとくに熱伝導率の高い素材としては、ダイヤモンドを挙げることができるが大きいものを作りづらいこと、体積当たりの単価が大きいことのためにレーザーダイオード等、ごく一部でしか使われていない。これに対して、加工性，コスト等の優位性が認められて多用されている素材は、アルミナ（酸化アルミニウム）セラミックス及びＡｌＮ（窒化アルミニウム）セラミックスである。価格的にはアルミナが有利であるが熱伝導率が劣るため、電力用半導体装置ではＡｌＮがもっとも一般的な絶縁基板の素材と言える。
【０００６】
ＡｌＮセラミックスは電力用半導体素子を構成するシリコンの熱膨張係数に近いことも、熱疲労で電力用半導体素子に損傷を与えにくいという意味で有利である。
【０００７】
しかしながら、電力用半導体装置全体として見ると、配線材料（金属）の大きな熱膨張係数との不整合が際立ってしまうという問題が生じる。
【０００８】
これを避けるために、配線材料として純粋な銅ではなく熱膨張係数の小さい素材との混合物とする解決策がある。しかし、熱膨張係数が下がるまで多量に添加物を混入すると、純粋な銅に比較し熱伝導率が小さくなり、熱性能が劣化する。もちろん、電気抵抗も増す。
【０００９】
また、電力用半導体素子の上面側には、一般にボンディングワイヤが接着される。これは、アルミニウム等の熱膨張係数の大きい素材で構成されるため、絶縁基板に接する配線材料のみ熱膨張係数を下げるとボンディングワイヤ等の電力用半導体素子上面側の熱膨張係数との不整合も大きくなる。さらに、電力用半導体装置に接するヒートシンクの素材は銅或いはアルミニウムが一般的であり、これらは熱膨張が大きいので整合に問題が生ずる。
【００１０】
以上述べたように、電力用半導体装置を構成する素材の熱膨張係数をどのように整合させるかは、非常に重要で、かつ困難な課題である。
【００１１】
電力用半導体素子を構成する珪素（シリコン）と配線材料やヒートシンクを構成する銅或いはアルミニウムの両方と熱膨張係数の整合を図る構造として、シリコンと接する部分は熱膨張係数を小さく、その他と接する部分は熱膨張係数を大きくするという解が考えられる。すなわち、絶縁基板を芯材とし、片面あるいは両面に配線材料を張り付けた、絶縁配線基板表面の熱膨張係数（複合材としての実効的な熱膨張係数）を大きくしながら、その中心のセラミックスの熱膨張係数は小さいものを選定する。という構成である。この構成では、セラミックスに熱膨張係数の矛盾がすべて集約され、大きな熱応力がかかる。特許文献１では、応力緩和層を挿入するという発想でこの問題を回避しようとしている。これらの構造は、それなりに有効であるが、熱伝導が悪くなるというジレンマを抱えている。電力用半導体装置では熱伝導は死命命題である。
【００１２】
そこで、ＡｌＮの２倍という大きな応力に耐えられるＳｉＮ（窒化珪素）セラミックスの使用により、熱膨張係数の両立と熱伝導の低下抑制が同時に図れる構造が成り立つ。
ＳｉＮは強い素材であるので、基本的に問題はないが、一つだけ解決されていない問題がある。それはパターン端部の応力集中である。絶縁基板に接する配線材料には適宜パターンが切られて必要な回路を形成する。パターンの端部には、集中的に剪断応力が発生する。特許文献２では、この応力を緩和するための種々の工夫が開示されている。
【００１３】
【特許文献１】特開２００３−２６４７８号公報
【特許文献２】特開２００５−２６８８２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述の通り、電力用半導体装置において、各素材の熱膨張係数の整合性の問題、パターン端部の応力集中の問題は深刻な課題である。
【００１５】
本発明では、上記従来技術にはない、銅配線そのものに応力集中が起こりにくい性質を持たせ、しかも、配線層表面の熱膨張係数を大きく保つことで、電力用半導体装置を構成する各素材との熱膨張の整合を図ることが可能な電力用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】
【００１６】
上記課題を解決するために本発明の電力用半導体装置は、窒化珪素を主成分とする焼結体で構成された絶縁基板と、絶縁基板の１主面上に形成された銅を主成分とする配線層と、配線層上にはんだで固定された電力用半導体素子と、電力用半導体素子のはんだ付け面の反対側の表面に固定された配線手段と、構成物を格納するための筐体よりなる電力用半導体装置であって、絶縁基板に接する部分に於ける配線層の降伏応力が１００ＭＰａ以下であり、配線層の絶縁基板に接する部分に於ける降伏応力が、配線層表面に於ける降伏応力より小さいことを特徴とする。
【００１７】
また、窒化珪素を主成分とする焼結体で構成された絶縁基板と、絶縁基板の１主面上に形成された銅を主成分とする配線層と、配線層上に搭載された電力用半導体素子とを有する電力用半導体装置であって、配線層が、絶縁基板に接する降伏応力が１００ＭＰａ以下の第１の銅による配線層と、それより降伏応力の大きい表面側の第２の銅による配線層との２層構造であることを特徴とする。
【００１８】
なお、本発明において、電力用半導体素子とは、整流ダイオード，パワートランジスタ，パワーＭＯＳＦＥＴ，絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ），サイリスタ，ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）等のパワーデバイスを指し、電力の変換や制御用の電力機器向けの半導体素子である。
【発明の効果】
【００１９】
窒化珪素セラミックスの絶縁基板とその表面に形成した銅配線層との界面における銅の降伏応力を１００ＭＰａ以下にすることにより、銅配線層パターン端部における窒化珪素基板との界面応力の局所増大を緩和し、高信頼性の電力用半導体装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明が目指す電力用半導体装置の熱膨張係数の設定は次のようになる。すなわち、半導体素子に接する部分ではシリコンに近い、比較的小さな熱膨張係数、その他の部分では配線やヒートシンクに使われる金属材料に近い、比較的大きな熱膨張係数ということになる。
【００２１】
この矛盾する数値の仲介を高熱伝導の無機絶縁基板を芯材とする絶縁配線基板に持たせる構成が本発明の対象技術である。すなわち、シリコンに近い熱膨張係数を有する絶縁基板と表面に形成する銅配線層の大きい熱膨張係数をうまく活用するのである。
【００２２】
発明者らの実験及び計算から、熱膨張係数がシリコンに近く熱伝導率の高い絶縁物を絶縁基板としその片面又は両面に熱伝導率及び電機伝導率が大きく熱膨張係数の大きい金属である銅の配線材料を配線層として形成する構成を選ぶと、配線層の表面における熱膨張係数は、シリコンに近い値から金属（銅或いはアルミニウム）に近い値まで様々なものを作ることができる。その場合、芯材であるセラミックスの熱膨張係数は配線層表面の熱膨張係数に近いものになる。すなわち、配線層の表面の熱膨張係数を銅の熱膨張係数に近く設定すると、セラミックスの熱膨張係数も銅の熱膨張係数に近くなるのである。このことは、セラミックスに多大の熱応力がかかっていることを意味している。
【００２３】
シリコンに近い熱膨張係数を持つ高熱伝導セラミックスの代表的な材料である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は機械的な強度が弱く、配線層表面の熱膨張係数を銅の熱膨張係数に近づける構造には耐えられない。実用されている構成を見ると、配線層の素材に軟らかいアルミニウムを使用したものに限られており、この場合配線層表面の熱膨張係数がアルミナセラミックス程度（約７ppm ／Ｋ）止まりで銅或いはアルミニウムのそれまで近づくことはない。
【００２４】
ＡｌＮセラミックスの曲げ強度は３００〜４００ＭＰａである。これに対して、窒化珪素（ＳｉＮ）セラミックスの曲げ強度は６００〜８００ＭＰａと約２倍であり、靭性の高い素材である。熱膨張係数は、シリコンとほぼ同じ約３ppm ／Ｋである。
【００２５】
ＳｉＮを使用した絶縁配線基板では、表面の配線材料として比較的降伏応力の高い銅を使用することが可能であり、配線層表面の熱膨張係数を銅のそれ（１６〜１７ppm ／Ｋ）に近い１１ppm ／Ｋ程度まで上昇させることが可能である。
【００２６】
ＳｉＮが銅から受ける熱応力は、銅とＳｉＮを張り合わせた絶縁配線基板の銅表面の熱膨張係数(ＳｉＮも近い値になる)及びＳｉＮの厚さでほぼ一意的に決まる。すなわち、配線層表面の熱膨張係数が決まればＳｉＮの受ける熱応力は決まる。しかもこの値は、張り合わせ材の大きさ、すなわち平面方向の寸法によらない。もちろん、この現象は、ＳｉＮに限ったことではない。ＡｌＮでも同様である。配線層表面の熱膨張係数を１０ppm ／Ｋ以上に保つ構造を作製した場合、ＡｌＮでは強度不足に見舞われて成り立たないということである。
【００２７】
以上述べたように、静的には配線層表面の熱膨張係数を１０ppm ／Ｋ以上の絶縁基板と配線層の張り合わせ材が成り立つ。ところが、配線層には必ず配線パターンが存在し、パターンには端がある。
【００２８】
パターンの端では、ＳｉＮと銅（Ｃｕ）との応力バランスが崩れるため、局部的に強い応力が発生する。もともとＡｌＮでは耐えられないレベルの応力がかかっている構造で、さらに局所的な応力が重畳されるとＳｉＮとＣｕの界面で剥離を生じやすくなる。
【００２９】
これを避けるための構造として、一般的にはパターン端部の曲率を大きくする対策を取る。しかし、曲率を大きくすると実装密度が低下し、半導体装置の寸法が大きくなる。そこで、本発明ではＳｉＮとＣｕの界面におけるＣｕの降伏応力に着目して解決を図った。
【００３０】
本発明の電力用半導体装置は、ＳｉＮセラミックスによる絶縁基板表面にＣｕ配線層を形成した絶縁配線基板構造において、ＳｉＮとの界面におけるＣｕの降伏応力を１００
ＭＰａ以下に規定することによりＣｕのパターン端部で発生する重畳的な局所応力を緩和する構造とすることを特徴とする。また、銅配線層として、配線層の表面側が高降伏応力、絶縁基板側が低降伏応力となる２層構造とすることを特徴とする。
【００３１】
本発明において、電力用半導体素子搭載領域に於ける配線層表面の降伏応力が、その他の領域に於ける配線層表面の降伏応力より小さい構成とすることが好ましい。
【００３２】
また、電力用半導体素子搭載領域に於ける配線層の厚さが、その他の領域に於ける配線層の厚さより小さい構成とすることが好ましい。
【００３３】
また、電力用半導体素子搭載領域に於ける配線層を表面から削ることにより、厚さをその他の領域より小さくする構成とすることが好ましい。
【００３４】
また、絶縁基板の厚さが０.５mm以下であり、配線層の厚さが０.５mm以上である構成とすることが好ましい。
【００３５】
また、絶縁基板の配線層を形成する主面の反対側の主面に銅を主成分とする第２の層を形成し、第２の層にはんだで銅を主成分とする板を接着する構成とすることが好ましい。
【００３６】
また、絶縁基板の配線層を形成する主面の反対側の主面に銅を主成分とする第２の層を形成し、第２の層にはんだでアルミニウムを主成分とする板を接着する構成とすることが好ましい。
【００３７】
また、絶縁基板の前記配線層を形成する主面の反対側の主面に銅を主成分とする板を直接接着する構成とすることが好ましい。
【００３８】
また、降伏応力が１００ＭＰａ以下の第１の銅を絶縁基板の表面に形成し、その上部にそれより降伏応力の大きい第２の銅を形成することにより、２層構造の配線層とする構成とすることが好ましい。
【００３９】
また、電力用半導体素子搭載領域に於ける第２の銅を形成せず、第１の銅による配線層のみとすることにより、電力用半導体素子搭載領域に於ける配線層表面の降伏応力がその他の領域に於ける配線層表面の降伏応力より小さい構成とする。つまり、電力用半導体素子を搭載する領域を前記第１の銅による配線層の１層構造とし、その他の領域が上述の２層構造である配線層とした構成とすることが好ましい。
【００４０】
また、電力用半導体素子搭載領域に於ける第２の銅による配線層を表面から削ることにより、電力用半導体素子搭載領域に於ける前記配線層表面の降伏応力がその他の領域に於ける配線層表面の降伏応力より小さい構成とすることが好ましい。
【００４１】
また、絶縁基板に接する部分に於ける配線層を構成する銅を主成分とする素材の銅を除いた組成が配線層の表面に於ける配線層を構成する銅を主成分とする素材の銅を除いた組成と異なることにより、絶縁基板に接する部分に於ける配線層の降伏応力が１００ＭＰａ以下であり、表面に於ける配線層の降伏応力が、絶縁基板に接する部分に於ける配線層の降伏応力より大きい構成とすることが好ましい。
【００４２】
また、絶縁基板に接する部分に於ける配線層に与える加工硬化の度合いと、配線層の表面に於ける配線層に与える加工硬化の度合いが異なることにより、絶縁基板に接する部分に於ける配線層の降伏応力が１００ＭＰａ以下であり、表面に於ける配線層の降伏応力が、絶縁基板に接する部分に於ける配線層の降伏応力より大きい構成とすることが好ましい。
【００４３】
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。なお、本明細書で開示する技術的思想を用いた種々の変更は当然に適宜可能であり、本発明が実施例に狭く限定されることはない。
【実施例１】
【００４４】
本発明の第１の実施例について、図１〜図６を参照して説明する。
【００４５】
図１は、本発明の第１の実施例による電力用半導体装置を斜め上方から眺めた図である。半導体装置の内部が見えるように、上蓋を外し、樹脂ケース１２２の一部を切り取ってある。
【００４６】
本実施例による電力用半導体装置は、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)によるインバータ回路を構成している。ＩＧＢＴ素子は一辺１５mmの正方形で、２個搭載しており、半導体装置全体で直流電源から交流を発生するインバータ１相分の回路構成である。すなわち、ハイサイドＩＧＢＴチップ１１３及びローサイドＩＧＢＴチップ１１４が直列に接続されている。ローサイドＩＧＢＴチップ１１４のアノードとハイサイドIGBTチップ１１３のカソードがハイサイドカソードローサイドアノード銅箔パターン１０９及びハイサイドメインワイヤ１１７によって接続されている。通常のＩＧＢＴの使用法に則り、各ＩＧＢＴには逆並列にダイオードが接続されている。すなわち、ハイサイドダイオードチップ１１５及びローサイドダイオードチップ１１６である。寸法は１５mm×１２mmである。
【００４７】
半導体装置の主電流の出入口である主端子は、３つある。すなわち、直流電源のプラスに接続するＰ端子１０１，直流電源のマイナスに接続するＮ端子１０２、及び交流出力の出力端子１０３である。また、制御用端子としてハイサイドＩＧＢＴチップ１１３を駆動するためのハイサイドゲート端子１０４及びローサイドＩＧＢＴチップ１１４を駆動するためのローサイドゲート端子１０５も当該半導体装置の外部（上部）に突き出ている。
【００４８】
本実施例による電力用半導体装置の定格電力は、６００Ｖ×２００Ａである。
【００４９】
本実施例による電力用半導体装置の外壁を構成するのは、次の部品である。すなわち、底面のＣｕベース１２１，側面の樹脂ケース１２２，上面の上蓋（図示せず）、及び上記した５個の端子群（上蓋の穴を通じて外部に突き出している）である。
【００５０】
次に、本実施例による電力用半導体装置の内部について説明する。図１のハイサイド
ＩＧＢＴチップ１１３部で切断した断面図である図２を併用して説明する。なお、図２でも上蓋は表示していない。
【００５１】
Ｃｕベース１２１上にＳｉＮ絶縁配線基板２１２がＣｕベース上はんだ２１０で接着されている。ＳｉＮ絶縁配線基板２１２は、芯材であるＳｉＮ基板１０７の片面にハイサイドアノード銅箔パターン１０８，ハイサイドカソードローサイドアノード銅箔パターン
１０９，ローサイドカソード銅箔パターン１１０，ハイサイドゲート銅箔パターン１１１及びローサイドゲート銅箔パターン１１２からなる上面銅箔パターンを形成し、ＳｉＮ基板１０７の逆の面に下面銅箔２０６（全面べた）を形成した複合部材である。
【００５２】
上面銅箔パターン（断面ではハイサイドアノード銅箔パターン１０８が見えている）上には半導体素子であるハイサイドＩＧＢＴチップ１１３，ローサイドＩＧＢＴチップ114，ハイサイドダイオードチップ１１５、及びローサイドダイオードチップ１１６がチップ下はんだ２０８を介して接着されている。さらに、上面銅箔パターン上には大小の５個の端子、すなわち、Ｐ端子１０１，Ｎ端子１０２，出力端子１０３，ハイサイドゲート端子１０４、及びローサイドゲート端子１０５が端子接続はんだ２０９で接着されている。また、ハイサイドカソードローサイドアノード銅箔パターン１０９にはハイサイドメインワイヤ１１７，ローサイドカソード銅箔パターン１１０にはローサイドメインワイヤ１１８がそれぞれ超音波溶接法によりボンディングされている。ＩＧＢＴ素子のゲート端子を外部と接続するために、ハイサイドゲート銅箔パターン１１１にはハイサイドゲートワイヤ１１９が、ローサイドゲート銅箔パターン１１２にはローサイドゲートワイヤ１２０がそれぞれボンディングされている。
【００５３】
ＩＧＢＴ及びダイオードの各半導体素子、ＳｉＮ絶縁配線基板２１２、及び各ワイヤを外気から遮断するためにシリコーンゲル２０７が充填されている。シリコーンゲル２０７の容器壁となるのが、樹脂ケース１２２であり、Ｃｕベース１２１に樹脂ケース接着部
２１１で固定されている。
【００５４】
ここで、本実施例の特徴である銅箔の構造について述べる。
【００５５】
ＳｉＮ基板１０７に接する部分は、上面（半導体素子搭載）側が低降伏応力Ｃｕ２０３、下面側が低降伏応力Ｃｕ２０５であり、ＳｉＮ絶縁配線基板２１２の銅箔表面は高降伏応力Ｃｕ２０２及び高降伏応力Ｃｕ２０４である。高降伏応力のＣｕは銅箔表面の熱膨張係数をＣｕに近づける機能を有し、低降伏応力のＣｕはＣｕパターンの端部（べたの下面にも端部は存在する）におけるＣｕとＳｉＮ界面の応力緩和の機能を有する。
【００５６】
本実施例特有の機能として、低降伏応力のＣｕは、半導体素子（図２ではハイサイド
ＩＧＢＴチップ１１３が見える）直下のＣｕの熱膨張係数を下げ、チップ下はんだ２０８内の応力を緩和する機能も有する。
【００５７】
図３〜図６を用いて、本実施例の効果について述べる。
【００５８】
図３は、厚さ０.３mmのＳｉＮ基板の両面に同じ厚さ（０.６mm）のＣｕを張り合わせた場合のＣｕ表面の熱膨張係数がＣｕの降伏応力とどのような関係になるかを示したグラフである。Ｃｕの降伏応力が小さいと、ＳｉＮの小さい熱膨張係数(２.８〜３.０ppm ／Ｋ)の影響を受けやすく、Ｃｕの表面の熱膨張係数は小さくなる。本発明が目指す半導体装置では、Ｃｕの表面の熱膨張係数をＣｕ（１６〜１７ppm／Ｋ）或いはＡｌ（２３〜２４ppm／Ｋ）に近づける構成とするため、Ｃｕの降伏応力は大きい方が良い。
【００５９】
図４は、同じくＣｕの降伏応力に対するＣｕ／ＳｉＮ界面の応力を示している。すでに述べたように、熱膨張係数の異なる部材を張り合わせてあるため、その界面には熱応力が発生する。実線で示した全体応力は、パターンの中央でも端部でも同じ値となる。これに対して、パターンの端では、破線で示す応力がさらに重畳される。すなわち、パターン端部以外では実線の応力が生じており、パターン端部では実線プラス破線の応力が発生している。図３で述べたように、Ｃｕ表面の熱膨張係数を大きくするためにはＣｕの降伏応力を大きくする必要がある。その場合、図４に示す実線と破線を合計した界面応力が５００ＭＰａ以上となるので、曲げ強度がだいたい３００〜４００ＭＰａであるＡｌＮでは耐えられないことが分かる。その点、曲げ強度が６００〜８００ＭＰａあるＳｉＮセラミックスでは図４の右端の応力状態でも持ちこたえられる。しかし、かなり余裕の少ない状態であることは否めない。すなわち、図３で述べたように、熱膨張係数を大きくするために降伏応力の高いＣｕを使用することは、界面応力、とくにパターン端部の界面応力の面からは望ましくない状態を招く。
【００６０】
図５は、図１及び図２に示したような、Ｃｕの表面が高降伏応力、ＳｉＮとの界面が低降伏応力（１００ＭＰａ以下）で、Ｃｕの合計厚さを０.６mm にした場合の低降伏応力
Ｃｕの厚さとパターン端部の界面応力との関係を示している。なお、芯材のＳｉＮセラミックスの厚さは０.３mmである。ＳｉＮセラミックスの厚さが０.５mmより厚くなるか、若しくはＣｕの厚さが０.５mm 未満になると、ＳｉＮの熱膨張係数の影響が大きくなり、
Ｃｕ箔による熱膨張係数の増加が起こりにくくなる。すなわち、Ｃｕ表面の熱膨張係数を大きくするという、本特許で述べる構成が有効になるためには、ＳｉＮセラミックスの厚さが０.５mm以下で同時にＣｕの厚さが０.５mm以上であることが望ましい。
【００６１】
図５で明らかなように、低降伏応力のＣｕ層の厚さは、ごく薄くても有効である。１０μｍでもパターン端部の応力発生を小さく抑える効果が顕著である。低降伏応力のＣｕが薄いと、Ｃｕ表面の熱膨張係数は、高降伏応力のＣｕのみの場合とほぼ同じになるので、界面応力を下げながら大きな熱膨張係数を実現することが可能になり、相矛盾する要求をどちらも満足させることができる。その観点から、低降伏応力のＣｕを薄くすることは望ましい構成である。
【００６２】
図６は、ＳｉＮセラミックスとの界面を低降伏応力のＣｕとし、表面を高降伏応力の
Ｃｕとして、Ｃｕの熱膨張係数を大きくしながら同時に界面のパターン端部における応力集中を緩和する構造において、シリコンチップを搭載する部分のみ、表面側の高降伏応力Ｃｕを取り除いた場合、取り除かない場合に比べてシリコンチップ端部の応力集中がどの程度緩和されるかを示している。白の棒がシリコンチップ端部にかかる応力であり、高降伏応力のＣｕを取り除くことで４分の１以下まで応力を下げることができることを示している。その理由は、黒の棒で示すように、シリコンチップ直下のＣｕの熱膨張係数に大きな違いが生じるためである。すなわち、高降伏応力のＣｕでは、自身の大きい熱膨張係数に近い値（ここでは８ppm ／Ｋ）になるのに対し、低降伏応力（１００ＭＰａ以下）の
Ｃｕではシリコン及びＳｉＮの小さい熱膨張係数の影響を受けて、熱膨張係数が下がる
（ここでは５ppm ／Ｋ）ためである。シリコンの熱膨張係数が３ppm であるから、Ｃｕとシリコンの熱膨張係数の差は、高降伏応力Ｃｕでは５ppm 、低降伏応力Ｃｕでは２ppm と半減以下になっている。このことがシリコンチップ端部の応力集中緩和に効いている。
【００６３】
以上述べたように、ＳｉＮセラミックスを芯材とし両面にＣｕ箔を張り付けた、ＳｉＮ絶縁配線基板において、ＳｉＮに接する部分のＣｕの降伏応力を１００ＭＰａ以下にし、その他の部分のＣｕの降伏応力をそれ以上にすることによって、Ｃｕ箔に設けたパターンの端部における界面応力の集中を緩和できる。さらに、シリコンチップ搭載部の高降伏応力Ｃｕを取り除くことにより、シリコンチップ端部にかかる応力を緩和することができる。
【００６４】
つぎに、２相のＣｕ箔を作製する手法について述べる。本実施例では、工業用の純銅
（無酸素銅）と、耐熱銅合金（銅に添加元素を加え８００℃でも結晶成長のない合金、市販品）とをクラッドしたものを使用した。耐熱銅合金には、予め半導体素子搭載領域に穴を開けておいた。無酸素銅は、ＳｉＮセラミックスに最高温度約８００℃でりん銅ろうによりろう付けする際に焼き鈍しされるために、降伏応力が約３０ＭＰａに低下する。一方、耐熱銅合金はろう付け時の熱履歴で降伏応力に変化を生じない（約２００ＭＰａ）。
【００６５】
したがって、ＳｉＮ絶縁配線基板が完成する際には、ＳｉＮセラミックス界面に接するＣｕの降伏応力は１００ＭＰａ以下、その他の部分のＣｕはそれより大きい降伏応力になっている。
【００６６】
なお、本実施例では半導体素子搭載領域の耐熱銅合金を予め取り除いてからクラッドしたが、全面クラッドの後に、エッチング等の手法で当該領域を削ることでも同様の構造を得ることができ、同様の効果が得られる。
【実施例２】
【００６７】
本発明の第２の実施例について、図７を参照して説明する。
【００６８】
図７は、第１の実施例の図２と同じ部分の断面を示している。ここで、第１の実施例との相違は、ハイサイドアノード銅箔パターン７０５及び下面銅箔７０６の構成である。すなわち、低降伏応力Ｃｕ７０２を蒸着で形成し、高降伏応力Ｃｕ７０１を、予め形成した低降伏応力Ｃｕ７０２を電極として電解めっきで形成してハイサイドアノード銅箔パターン７０５としている。ここで、低降伏応力Ｃｕ７０２の形成法は蒸着に限らず、スパッタリング，イオンプレーティング，ＣＶＤ等、いわゆる薄膜形成法であればどれを採用しても良い。降伏応力を小さくできる純銅に近い組成の膜を形成できるプロセスであれば良い。
【００６９】
低降伏応力Ｃｕ７０２を薄膜で作製すると、膜厚は比較的薄い。本実施例では１０μｍである。薄いが応力緩和効果は充分ある。降伏応力は８０ＭＰａである。また、高降伏応力Ｃｕ７０１はめっきで作製されるため、構造に欠陥があり、さらに不純物の影響もあって降伏応力は高い。本実施例では３００ＭＰａである。
【００７０】
一方、ＳｉＮ基板１０７の反対側の面では、下面銅箔７０６がろう付けで張り付けられている。この部分の銅は、高降伏応力の１層であり、Ａｌベース上はんだ７０９を介してＡｌベース７０８に接着される。Ａｌベース７０８には、はんだ付けが可能になるようにＮｉめっきを施してある。本実施例でＡｌベース７０８を使用する理由は、コスト及び重量である。アルミニウムは銅に比べて熱膨張係数が大きいため、下面銅箔７０６表面における熱膨張係数は第１の実施例よりさらに大きいことが望ましい。また、２層のＣｕを形成するのはコスト上不利である。そこで、低降伏応力の銅を省略して高降伏応力の銅のみで構成した。その結果、パターン端部での応力集中が懸念される。しかし、下面銅箔706はべたパターンであるので、角部は四隅の４個所のみであり、さらに曲率を大きくすることが可能であるので、曲率を大きくすることで応力集中を回避した。
【００７１】
本実施例では、めっき時にハイサイドＩＧＢＴチップ１１３等の半導体素子搭載領域をマスキングし、めっき膜が形成されないようにした。全面めっきの後に、エッチング等の手法で当該領域を削ることでも同様の構造を得ることができ、同様の効果が得られる。
【００７２】
本実施例の欠点は、コストが高いことである。しかし、反面、高精度の加工が可能であり、設計の自由度は高い。また、下面を簡素化することでコストアップを最小限に止めている。
【実施例３】
【００７３】
本発明の第３の実施例について、図８を参照して説明する。
【００７４】
図８は、第１の実施例の図２と同じ部分の断面を示している。ここで、第１の実施例との相違は、ハイサイドアノード銅箔パターン８０５及び下面Ｃｕベース８０６の構成である。すなわち、本実施例ではＣｕを１層で形成し、後処理で表面のＣｕの降伏応力を大きくした。降伏応力を増すために加工硬化を利用した。表面のみ加工することでＳｉＮとの界面における降伏応力よりＣｕ表面における降伏応力を高くした。表面のみを加工するプロセスとして、本実施例では微細セラミックス粉末を高圧で照射する、サンドブラスト法を採用した。微細領域の圧延，球状物を投射するショットピーニング等、表面のみを加工する手立ては他にもあり、どの方法を使用しても同様の効果を得ることができる。その結果、降伏応力５０ＭＰａの低降伏応力Ｃｕ８０２の表面側に降伏応力１５０ＭＰａの高降伏応力Ｃｕ８０１が形成された。
【００７５】
また、下面については、第２の実施例と同じく低降伏応力のＣｕ層を廃し、１層のＣｕとするとともに、さらにＣｕベースも一体化した。すなわち、下面Ｃｕベース８０６とした。その結果、Ｃｕベース一体ＳｉＮ絶縁配線基板８０７となり、Ｃｕベースの接着工程を省略できた。
【００７６】
なお、下面Ｃｕベース８０６をＳｉＮ基板１０７にろう付けする際の熱履歴で、ハイサイドアノード銅箔パターン８０５を含む、上面側のＣｕ箔が総て焼き鈍しを受ける。したがって、サンドブラスト処理を下面Ｃｕベース８０６のろう付け後に実施した。
【００７７】
本実施例では、サンドブラストの後でハイサイドＩＧＢＴチップ１１３等の半導体素子搭載領域を削り取る方法を採用した。もちろん、サンドブラスト時にマスキングし、半導体素子搭載部のＣｕが加工硬化を免れる方法もあり得る。
【００７８】
本実施例の副次的効果として、Ｃｕ表面が荒れるためアンカー効果が生じ、樹脂との接着力が増すことを挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施例１に係る電力用半導体装置の部分切断斜視を示す図である。
【図２】図１に係る電力用半導体装置の断面を示す図である。
【図３】本発明の原理を説明するためのグラフである。
【図４】本発明の原理を説明するためのグラフである。
【図５】本発明の原理を説明するためのグラフである。
【図６】本発明の実施例１の特徴を説明するためのグラフである。
【図７】本発明の実施例２に係る電力用半導体装置の断面を示す図である。
【図８】本発明の実施例３に係る電力用半導体装置の断面を示す図である。
【符号の説明】
【００８０】
１０１…Ｐ端子、１０２…Ｎ端子、１０３…出力端子、１０４…ハイサイドゲート端子、１０５…ローサイドゲート端子、１０６…シリコーンゲルの表面、１０７…ＳｉＮ基板、１０８，７０５，８０５…ハイサイドアノード銅箔パターン、１０９…ハイサイドカソードローサイドアノード銅箔パターン、１１０…ローサイドカソード銅箔パターン、111…ハイサイドゲート銅箔パターン、１１２…ローサイドゲート銅箔パターン、１１３…ハイサイドＩＧＢＴチップ、１１４…ローサイドＩＧＢＴチップ、１１５…ハイサイドダイオードチップ、１１６…ローサイドダイオードチップ、１１７…ハイサイドメインワイヤ、１１８…ローサイドメインワイヤ、１１９…ハイサイドゲートワイヤ、１２０…ローサイドゲートワイヤ、１２１…Ｃｕベース、１２２…樹脂ケース、２０１…Ｐ端子の固定部、２０２，２０４，７０１，８０１…高降伏応力Ｃｕ、２０３，２０５，７０２，８０２…低降伏応力Ｃｕ、２０６，７０６…下面銅箔、２０７…シリコーンゲル、２０８…チップ下はんだ、２０９…端子接続はんだ、２１０…Ｃｕベース上はんだ、２１１…樹脂ケース接着部、２１２，７０７…ＳｉＮ絶縁配線基板、７０８…Ａｌベース、７０９…Ａｌベース上はんだ、８０６…下面Ｃｕベース、８０７…Ｃｕベース一体ＳｉＮ絶縁配線基板。
【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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