(57)【要約】【課題】簡単に製造することができるとともに、熱応力によるクラックや剥離の発生を抑制することができる半導体装置、及びその半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置１０は、セラミック基板１４の一面１４ａに半導体素子１２が接合されるとともに他面１４ｂに金属板１６を介してヒートシンク１３が熱的に結合されている。ヒートシンク１３には金属板１６より面積の小さい接合面２０ａを先端に備える凸部２０が設けられるとともに、接合面２０ａは金属板１６の周縁１６ｃより内側に配置されて金属板１６に熱的に結合されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の一面に半導体素子が熱的に結合されるとともに他面に金属層を介して放熱装置が熱的に結合された半導体装置であって、
前記放熱装置に前記金属層より面積の小さい接合面を先端に備えた凸部が設けられるとともに、前記接合面が前記金属層の周縁より内側に配置されて該金属層に熱的に結合されている半導体装置。
【請求項２】
前記接合面は全面が金属層に熱的に結合されている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記接合面は前記金属層に直接ろう付けされている請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記凸部と金属層とは同系の金属材料により形成されている請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
セラミック基板の一面に半導体素子が熱的に結合されるとともに他面に金属層を介して放熱装置が熱的に結合された半導体装置の製造方法であって、
前記放熱装置に前記金属層より面積の小さい接合面を先端に備える凸部を形成し、該凸部の前記接合面を金属層の周縁より内側に配置して該接合面と金属層とを熱的に結合する半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記凸部は前記放熱装置をプレス加工することによって形成される請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板の一面に半導体素子が熱的に結合されるとともに他面に金属層を介して放熱装置が熱的に結合された半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、窒化アルミニウムなどのセラミック基板の表裏両面に金属層を設けるとともに、表面金属層に半導体素子を熱的に結合（接合）し、さらに裏面金属層に半導体素子の発する熱を放熱するためのヒートシンク（放熱装置）を熱的に結合（接合）してモジュール化した半導体装置が知られている。ところで、半導体装置では、ヒートシンクの放熱性能が長期間にわたって維持されることが要求されている。しかし、従来の構成によれば、使用条件によってはセラミック基板、金属層及びヒートシンクとの線膨張係数の相違に起因して発生する熱応力によってセラミック基板と裏面金属層との接合部にクラックが生じたり、さらにはクラックの伸展による剥離が生じたりして、放熱性能が低下する虞がある。
【０００３】
そこで、従来、このような問題を解決するために、特許文献１に記載の半導体モジュールが提案されている。図６に示すように、特許文献１に記載の半導体モジュール７０は、セラミックス基板７４の裏面側の金属板７１に所定深さの段差、溝、凹陥部で形成した熱応力緩和部７１ａを設けるとともにヒートシンク７２と裏面側の金属板７１との間の一部分に厚い半田部を有する半田層（図示せず）が形成されてなる。また、特許文献１に記載の半導体モジュール７０では、セラミックス基板７４の表面側の金属板７３に半導体素子７５が接合されている。また、熱応力緩和部７１ａは、表面側の金属板７３の体積に対する裏面側の金属板７１の体積比が０．６以下となるように金属板７１に設けられている。そして、特許文献１に記載の半導体モジュール７０においては、半田部によって半田層内に生じる熱応力が大幅に緩和低減されて半田クラックが発生しにくくなるとともに、ヒートシンク７２の反りも熱応力緩和部７１ａにおいて吸収される。
【特許文献１】特開２００３−１７６２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、半導体モジュール７０において、熱応力を緩和し、放熱性能の低下を抑制するための熱応力緩和部７１ａは、裏面側の金属板７１をエッチング処理又はプレス加工して形成されており非常に製造し難く、半導体モジュール７０が製造し難い。
【０００５】
この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、簡単に製造することができるとともに、熱応力によるクラックや剥離の発生を抑制することができる半導体装置、及びその半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、セラミック基板の一面に半導体素子が熱的に結合されるとともに他面に金属層を介して放熱装置が熱的に結合された半導体装置であって、前記放熱装置に前記金属層より面積の小さい接合面を先端に備えた凸部が設けられるとともに、前記接合面が前記金属層の周縁より内側に配置されて該金属層に熱的に結合されている。
【０００７】
また、請求項５に記載の発明は、セラミック基板の一面に半導体素子が熱的に結合されるとともに他面に金属層を介して放熱装置が熱的に結合された半導体装置の製造方法であって、前記放熱装置に前記金属層より面積の小さい接合面を先端に備える凸部を形成し、該凸部の前記接合面を金属層の周縁より内側に配置して該接合面と金属層とを熱的に結合する。
【０００８】
請求項１及び請求項５に記載の発明によれば、金属層の周縁より内側に接合面が配置され、金属層において、該金属層の周縁から内側に向けて離れた位置に接合面が接合されている。このため、セラミック基板と金属層の線膨張係数の相違に起因して熱応力が発生したとき、金属層において熱応力が集中的に作用する周縁部には接合面が接合されていない。よって、例えば、金属層の周縁部にも接合面が接合されている場合に比して熱応力を緩和することができる。また、金属層の周縁部には接合面が接合されていないため、熱応力が作用したとき金属層の周縁部の変形が許容される。したがって、金属層の周縁部に放熱装置が接合されている場合に比して、セラミック基板と金属層との接合部における熱応力が緩和される。その結果として、セラミック基板と金属層との接合部にクラックや剥離が生じることを抑制することができる。そして、熱応力を緩和するために設けられた凸部（接合面）は、放熱装置を加工して形成されている。このため、熱応力の緩和のために、厚みが薄く、サイズの小さい金属層をエッチング処理する場合に比して半導体装置を簡単に製造することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置において、前記接合面は全面が金属層に熱的に結合されている。この発明によれば、半導体素子から発せられた熱はセラミック基板及び金属層を介して凸部から放熱装置に伝導される。このとき、接合面の全面が金属層に接合されているため、例えば、凸部の先端に金属層への非接合領域がある場合に比して半導体素子で発せられた熱を放熱装置に効率良く伝導することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の半導体装置において、前記接合面は前記金属層に直接ろう付けされている。この発明によれば、接合面と金属層の間に他の部材が介在する場合に比して、半導体素子で発せられた熱を放熱装置に効率良く伝導することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の半導体装置において、前記凸部と金属層とは同系の金属材料により形成されている。なお、「同系の金属材料」とは、基となる材質が同じで、一方の材料を溶融させて他方の材料に接合した場合に、両者の間に界面を作らない材料を意味する。例えば、純アルミニウムや各種アルミニウム合金は同系の金属材料である。以下、この明細書では「同系の金属材料」とは上記と同じ意味で使用する。そして、この発明によれば、凸部と金属層とを直接、又は同系の金属材料であるろう材を介して接合した箇所に熱伝導を阻害する界面の形成が抑制されるため、高い熱伝導度を確保できる。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の半導体装置の製造方法において、前記凸部は前記放熱装置をプレス加工することによって形成される。この発明によれば、例えば、前記金属層や放熱装置をエッチング処理して凸部を形成する場合に比して、凸部の形成を簡単にし、ひいては半導体装置の製造を簡単にすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡単に製造することができるとともに、熱応力によるクラックや剥離の発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の半導体装置及び該半導体装置の製造方法を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。なお、図１〜図３は、半導体装置を模式的に示したものであり、図示の都合上、一部の寸法を誇張して分かり易くするために、それぞれの部分の幅、長さ、厚さ等の寸法の比は実際の比と異なっている。
【００１５】
図２に示すように、半導体装置１０は、回路基板１１に半導体素子１２と、放熱装置としてのヒートシンク１３とが接合されて構成されている。前記回路基板１１は、セラミック基板（絶縁基板）１４の一面１４ａ（表面）に金属回路１５を接合し、セラミック基板１４において前記一面１４ａに背向する他面１４ｂ（裏面）に金属板１６を接合して構成されている。そして、図３に示すように、回路基板１１におけるセラミック基板１４及び金属板１６は平面視四角形状に形成されている。なお、図３は、説明を分かり易くするため、半導体装置１０における半導体素子１２及び金属回路１５の図示を略している。図１及び図２に示すように、半導体素子１２は平面視四角形状をなすとともに半田層Ｈを介して金属回路１５に接合され、半導体素子１２はセラミック基板１４の一面１４ａに金属回路１５を介して熱的に結合されている。
【００１６】
半導体素子１２は、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｒａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオードが用いられ、回路基板１１には複数の半導体素子１２が接合されている。また、図２に示すように、セラミック基板１４の他面１４ｂたる金属板１６は、セラミック基板１４とヒートシンク１３とを接合する金属層として機能する。そして、半導体素子１２とヒートシンク１３とは、回路基板１１を介して熱的に結合されている。
【００１７】
前記回路基板１１において、セラミック基板１４は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素等により形成されている。また、金属回路１５及び金属板１６は、アルミニウムで形成されている。前記ヒートシンク１３はアルミニウムで形成されている。なお、アルミニウムとは純アルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。また、アルミニウム以外の高熱伝導性材料として、例えば銅や銅合金等によって金属回路１５、金属板１６及びヒートシンク１３を形成してもよい。そして、ヒートシンク１３は、回路基板１１における金属板１６の形成材料に合わせて同じ金属材料によって形成され、金属板１６とヒートシンク１３は線膨張係数が同じになっている。ヒートシンク１３の内部には冷却媒体（例えば、冷却水）が流れる冷媒流路１３ａが形成されている。
【００１８】
次に、ヒートシンク１３に設けられた凸部２０について詳しく説明する。
図２に示すように、ヒートシンク１３の一面たる上面１３ｂには、該上面１３ｂから四角柱状に立設された凸部２０が形成されている。この凸部２０は、ヒートシンク１３の上面１３ｂをプレス加工することにより形成されている。図２及び図３に示すように、凸部２０の先端には平面形状が四角形状をなすとともに平滑面をなす接合面２０ａが形成されている。なお、接合面２０ａの平面形状は金属板１６の平面形状より小さい相似形である。また、接合面２０ａの面積は、金属板１６において、接合面２０ａが接合される面としての下面１６ａの面積より小さくなっている。
【００１９】
そして、ヒートシンク１３と回路基板１１における金属板１６とは、接合面２０ａが金属板１６の下面１６ａにろう付けされることにより直接接合され、回路基板１１とヒートシンク１３とは熱的に結合されている。接合面２０ａは全面が金属板１６の下面１６ａに接合されている。また、接合面２０ａは、金属板１６（下面１６ａ）の範囲内に収まるように金属板１６の下面１６ａに接合されている。このため、接合面２０ａの縁よりも外側となる位置には、金属板１６の全周に亘って一定の幅で延びる周縁部１６ｂが存在している。よって、接合面２０ａは金属板１６の下面１６ａ全面に亘って接合されているのではなく、金属板１６の周縁１６ｃよりも内側に向けて離れた位置に配置された状態で金属板１６に接合されている。
【００２０】
なお、前記周縁部１６ｂにおいて、金属板１６の周方向に対して直交する方向への長さ（以下、周縁部１６ｂの幅Ｗとする）が所定の値になるように、接合面２０ａの面積、すなわち、凸部２０の大きさが設定されている。これは、接合面２０ａの面積が小さくなり過ぎて周縁部１６ｂの幅Ｗが長くなり過ぎると、凸部２０を介したヒートシンク１３への熱の伝導効率が低下して好ましくないからである。また、接合面２０ａの面積が大きくなり過ぎて周縁部１６ｂの幅Ｗが短くなり過ぎると、以下に述べる応力緩和の機能が十分に発揮できなくなり好ましくないからである。
【００２１】
また、金属板１６の下面１６ａとヒートシンク１３の上面１３ｂとの間には応力緩和空間Ｓが形成されている。この応力緩和空間Ｓが形成されることにより、金属板１６が熱膨張した際、金属板１６の周縁部１６ｂにおける変形が許容されるようになっている。
【００２２】
次に、本実施形態の半導体装置１０の製造方法について説明する。
なお、ヒートシンク１３に接合する回路基板１１は、セラミック基板１４に金属回路１５及び金属板１６が予め接合された市販のものを使用する。
【００２３】
まず、ヒートシンク１３の上面１３ｂにプレス加工によって凸部２０を形成するとともに凸部２０の先端に平滑面状に接合面２０ａを形成する。次に、アルミニウム系のろう材（図示せず）が凸部２０の接合面２０ａと金属板１６の下面１６ａとの間に介在されるように、ヒートシンク１３と、回路基板１１と、ろう材を積層状に配置する。このとき、接合面２０ａが金属板１６の周縁１６ｃよりも内側に位置し、金属板１６の下面１６ａにおいて、凸部２０（接合面２０ａ）の周囲に一定幅で周縁部１６ｂが形成されるようにヒートシンク１３と回路基板１１を積層する。
【００２４】
そして、ヒートシンク１３、ろう材、及び回路基板１１の積層物を加熱する。なお、ろう付けは、不活性ガス雰囲気又は還元ガス雰囲気に雰囲気調整された加熱装置内で行われる。また、加熱装置としては、リフロー炉などが用いられる。ろう付けは、ろう材の溶融温度以上の温度に加熱してろう材を溶融し、その後に溶融したろう材を溶融温度未満に冷却して凝固させることにより行われる。そして、ヒートシンク１３（凸部２０）と回路基板１１（金属板１６）は、凸部２０における接合面２０ａ全面がろう材によって金属板１６の下面１６ａに接合され一体化される。その結果、回路基板１１とヒートシンク１３とが接合されて半導体装置１０が製造される。
【００２５】
さて、このように構成した半導体装置１０は、例えば車載電動モータの駆動に適用されることにより、車両の運転状況に応じて車載電動モータに供給する電力を制御する。そして、半導体装置１０における半導体素子１２から発せられた熱は、金属回路１５、セラミック基板１４及び金属板１６を介してヒートシンク１３に伝導される。半導体素子１２から発せられた熱がヒートシンク１３に伝導された際には、回路基板１１に加えヒートシンク１３も高温となり、熱膨張する。一方、半導体素子１２からの発熱が停止すると、回路基板１１及びヒートシンク１３の温度は低下し、熱収縮する。そして、熱膨張及び熱収縮の際には、ヒートシンク１３と、セラミック基板１４との線膨張係数の相違に起因し、半導体装置１０に熱応力が発生する。
【００２６】
しかし、本実施形態の半導体装置１０において、金属板１６とヒートシンク１３とは同じ材料によって形成されているため、金属板１６と凸部２０の線膨張係数が同じになっている。また、接合面２０ａは金属板１６の下面１６ａ全面に亘って接合されておらず、金属板１６の周縁１６ｃより内側に接合され、金属板１６における周縁部１６ｂの下面１６ａとヒートシンク１３の上面１３ｂとの間には応力緩和空間Ｓが形成されている。このため、周縁部１６ｂは応力緩和空間Ｓに向けて変形が許容され、金属板１６の周縁部１６ｂにも接合面２０ａが接合されている場合に比して熱応力が緩和される。
【００２７】
また、セラミック基板１４と金属板１６とは線膨張係数が異なるため、セラミック基板１４と金属板１６との間には熱応力が作用する。ここで、接合面２０ａは金属板１６の周縁１６ｃより内側に配置された状態で接合されている。すなわち、金属板１６において熱応力が集中して作用する周縁部１６ｂを避けて接合面２０ａが接合されている。このため、金属板１６の周縁部１６ｂにも接合面２０ａが接合されている場合に比してセラミック基板１４と金属板１６との接合部における熱応力が緩和される。
【００２８】
また、半導体素子１２から発せられた熱は、金属回路１５、セラミック基板１４、金属板１６及び凸部２０を介してヒートシンク１３に伝導される。ヒートシンク１３に伝導された熱は、ヒートシンク１３内の冷媒流路１３ａを流れる冷却媒体に伝導されるとともに持ち去られる。すなわち、ヒートシンク１３は、冷媒流路１３ａを流れる冷却媒体によって強制冷却されるため、半導体素子１２で発せられた熱が効率良く除去され、結果として半導体素子１２が回路基板１１への結合側（接合側）から冷却される。
【００２９】
また、半導体装置１０において、半導体素子１２の直下となる位置には回路基板１１を介して凸部２０の接合面２０ａが位置している。そして、接合面２０ａは全面が金属板１６の下面１６ａに接合されている。また、接合面２０ａが金属板１６の周縁１６ｃより内側に配置された状態で接合される構成であっても、金属板１６にて接合面２０ａが非接合となる周縁部１６ｂの幅は長くなり過ぎないように接合面２０ａの大きさが設定されている。このため、熱応力を緩和する構成を設けても、半導体素子１２からヒートシンク１３への熱伝導率が極端に低下しないようになっている。
【００３０】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）ヒートシンク１３に凸部２０を形成し、該凸部２０の先端に金属板１６（下面１６ａ）への接合面２０ａを設けるとともに該接合面２０ａの面積を金属板１６の面積より小さく形成した。そして、金属板１６における周縁部１６ｂの下面１６ａと、ヒートシンク１３の上面１３ｂとの間には応力緩和空間Ｓが形成されている。このため、熱応力を受けた金属板１６の変形が応力緩和空間Ｓによって許容され、金属板１６の下面１６ａ全面に接合面２０ａが接合されている場合に比して熱応力が緩和される。
【００３１】
また、金属板１６において熱応力が集中的に作用する周縁部１６ｂには接合面２０ａが接合されていないため、金属板１６の全面に接合面２０ａが接合されている場合に比して金属板１６側の熱膨張及び熱収縮による変形量が抑えられ、セラミック基板１４と金属板１６との接合部における熱応力が緩和される。その結果として、セラミック基板１４と金属板１６との接合部にクラックや剥離が生じたりすることを抑制することができる。そして、熱応力を緩和するために設けられた凸部２０は、ヒートシンク１３の上面１３ｂを加工して形成されている。このため、熱応力の緩和のために、厚みが薄く、サイズの小さい金属板１６をエッチング処理する場合に比して半導体装置１０を簡単に製造することができる。
【００３２】
（２）半導体装置１０は、熱応力の緩和のためにヒートシンク１３に凸部２０を形成しただけである。そして、この半導体装置１０においては、市販されている回路基板１１を加工したり、処理することなく、また、熱応力緩和のための別部材を用いることなく、回路基板１１を接合面２０ａに接合するだけで熱応力を緩和することができる。よって、熱応力を緩和することができる半導体装置１０を簡単に製造することができる。
【００３３】
（３）接合面２０ａはその全面が金属板１６の下面１６ａに接合されている。このため、半導体素子１２から発せられた熱を、金属板１６を介して凸部２０に効率良く伝導することができる。
【００３４】
（４）凸部２０（ヒートシンク１３）を形成する材料と、回路基板１１における金属板１６を形成する材料は同じである。このため、凸部２０と金属板１６とが異なる材料で形成される場合に比して、両者間に熱伝導を阻害する界面が形成されることが抑制され、金属板１６と凸部２０との間での熱伝導度を高くすることができる。
【００３５】
（５）凸部２０はヒートシンク１３をプレス加工することで形成されている。このため、例えば、金属板１６やヒートシンク１３をエッチング処理して凸部２０を形成する場合に比して、凸部２０の形成を簡単にし、ひいては半導体装置１０の製造を簡単にすることができる。
【００３６】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○  図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、凸部２０の先端に複数の凹部２０ｂを形成してもよい。このように構成すると、半導体装置１０に熱応力が発生したとき、凹部２０ｂにより凸部２０の変形が許容され、熱応力が緩和される。
【００３７】
○  図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、凸部２０の先端に複数の溝部２０ｃを形成してもよい。このように構成すると、半導体装置１０に熱応力が発生したとき、溝部２０ｃにより凸部２０の変形が許容され、熱応力が緩和される。
【００３８】
○  凸部２０はヒートシンク１３の上面１３ｂ（一面）をエッチング処理して形成してもよい。
○  金属板１６とヒートシンク１３とは全く同じ材料でなく、同系の材料で形成されていてもよく、例えば、金属板１６が純アルミニウムで形成され、ヒートシンク１３（凸部２０）がアルミニウム合金で形成されていてもよい。
【００３９】
○  ヒートシンク１３は強制冷却式の冷却器であればよく、ヒートシンク１３を流れる冷却媒体は水に限らず、例えば、他の液体や空気などの気体であってもよい。また、沸騰冷却式の冷却器であってもよい。
【００４０】
○  回路基板１１上に金属回路１５が２個形成される構成に限らず、金属回路１５が１個又は３個以上形成されるとともに、金属回路１５上に半導体素子１２が１個又は３個以上接合された構成としてもよい。
【００４１】
○  半導体装置１０は、車載用に限らず他の用途に使用するものに適用してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（１）前記金属層において接合面の外側に位置する周縁部と、放熱装置において前記周縁部に対向する面との間には応力緩和空間が形成されている請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の半導体装置。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施形態の半導体装置を示す平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】半導体装置における回路基板及び凸部を示す平面図。
【図４】（ａ）は凸部の別例を示す平面図、（ｂ）は凸部を示す４ｂ−４ｂ線断面図。
【図５】（ａ）は凸部の別例を示す平面図、（ｂ）は凸部を示す５ｂ−５ｂ断面図。
【図６】背景技術の半導体モジュールを示す断面図。
【符号の説明】
【００４３】
１０…半導体装置、１２…半導体素子、１３…放熱装置としてのヒートシンク、１４…セラミック基板、１４ａ…一面、１４ｂ…他面、１６…金属層としての金属板、１６ｃ…周縁、２０…凸部、２０ａ…接合面。
【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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