(57)【要約】【課題】回路基板の構造を簡素化しつつ、熱応力による反りやクラックの発生を防止するとともに、優れた放熱性能を得ること。【解決手段】回路基板とヒートシンク１３をろう付けする際に、裏金属板１６の接合界面に離型剤１９を配置する。そして、回路基板と、ヒートシンク１３と、ろう材１７を積層した状態でろう材１７を溶融凝固させてろう付けを行う。離型剤１９により、裏金属板１６とヒートシンク１３には接合されない非接合領域が形成され、この非接合領域によって熱応力を緩和させることが可能となる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の搭載面を有する回路基板と放熱装置を金属接合材で接合した半導体装置において、
前記回路基板の接合界面及び前記放熱装置の接合界面の少なくともいずれか一方の接合界面に、前記回路基板と前記放熱装置とが接合されない非接合領域を形成する接合防止材を設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記接合防止材は、離型剤又は酸化皮膜からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記回路基板と前記放熱装置の金属接合層には、当該金属接合層の厚みを規定する厚み規定部材が配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
半導体素子の搭載面を有する回路基板と放熱装置を金属接合材で接合した半導体装置の製造方法において、
前記回路基板の接合界面及び前記放熱装置の接合界面の少なくともいずれか一方の接合界面に、前記回路基板と前記放熱装置とが接合されない非接合領域を形成する接合防止材を設けるとともに前記回路基板と前記放熱装置の間に前記金属接合材を配置し、前記金属接合材を溶融温度以上の温度まで加熱して溶融した後に前記金属接合材を前記溶融温度未満の温度まで下げて凝固させることにより、前記回路基板と前記放熱装置を接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記回路基板と前記放熱装置の間には、前記金属接合材として複数の孔を形成したろう材を配置し、前記孔に対応する位置に前記接合防止材を設けることを特徴とする請求項４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、回路基板に放熱装置を接合した半導体装置、及びその半導体装置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ス基板（絶縁基板）の表裏両面に純アルミニウムなどの金属板を接合した回路基板に放熱装置（ヒートシンク）を接合してモジュール化した半導体モジュールが知られている。この種の半導体モジュールでは、回路基板の表面金属板に半田付けなどにより接合した半導体素子の発する熱を、裏面金属板に接合した放熱装置から放熱するようになっている。ところで、半導体モジュールでは、放熱装置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が、従来の構成によれば、使用条件によってはセラミックス基板、金属板及び放熱装置との線熱膨張係数の相違に起因して発生する熱応力によって接合部にクラックや反りが生じ、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。特許文献１に記載の半導体モジュールは、裏面側の金属板に所定深さの段差、溝、凹陥部で形成した熱応力緩和部を設け、熱応力を緩和させている。そして、特許文献１に記載の半導体モジュールでは、表面側の金属板に対する裏面側の金属板の体積比が０．６以下となるように熱応力緩和部を設けている。
【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、特許文献１では、裏面側の金属板に対して熱応力緩和部を直接形成しているので、回路基板の構造が複雑化し、製造し難い。また、通常、回路基板と放熱装置は、回路基板と放熱装置との間にろう材の一種である半田などの金属接合材を配置し、溶融凝固させることによって接合している。特許文献１では、製造時に、溶融した半田が金属板に形成した熱応力緩和部としての段差や溝などに流れ込んで凝固すると、熱応力緩和部の形成部位においても回路基板と放熱装置とが接合されることになり、熱応力緩和部として機能しなくなるおそれがある。
【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、回路基板の構造を簡素化しつつ、熱応力による反りやクラックの発生を防止するとともに、優れた放熱性能を得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、半導体素子の搭載面を有する回路基板と放熱装置を金属接合材で接合した半導体装置において、前記回路基板の接合界面及び前記放熱装置の接合界面の少なくともいずれか一方の接合界面に、前記回路基板と前記放熱装置とが接合されない非接合領域を形成する接合防止材を設けたことを要旨とする。
【０００７】
請求項４に記載の発明は、半導体素子の搭載面を有する回路基板と放熱装置を金属接合材で接合した半導体装置の製造方法において、前記回路基板の接合界面及び前記放熱装置の接合界面の少なくともいずれか一方の接合界面に、前記回路基板と前記放熱装置とが接合されない非接合領域を形成する接合防止材を設けるとともに前記回路基板と前記放熱装置の間に前記金属接合材を配置し、前記金属接合材を溶融温度以上の温度まで加熱して溶融した後に前記金属接合材を前記溶融温度未満の温度まで下げて凝固させることにより、前記回路基板と前記放熱装置を接合することを要旨とする。
【０００８】
請求項１及び請求項４に記載の発明によれば、接合界面に設けた接合防止材により、回路基板と放熱装置とが接合されない非接合領域が形成される。このため、回路基板、及び放熱装置との線熱膨張係数の相違に起因して熱応力が発生した場合でも接合領域の熱応力が分散され、その結果、応力が緩和される。このため、反りやクラックの発生が防止され、放熱性能が維持される。また、接合界面に接合防止材を設ける構成を採用したので、回路基板に直接、熱応力を緩和させる構成を設ける必要がなく、回路基板の構造を簡素化できる。
【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、前記接合防止材は、離型剤又は酸化皮膜からなることを要旨とする。
これによれば、半導体装置の製造時に、回路基板に配置した離型剤又は酸化皮膜の作用によって金属接合材を濡れない領域が作られ、この濡れない領域が非接合領域として形成されることになる。したがって、非接合領域を回路基板自体に加工を施すことなく、容易に作り出すことができる。
【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、前記回路基板と前記放熱装置の金属接合層には、当該金属接合層の厚みを規定する厚み規定部材が配置されていることを要旨とする。
【００１１】
これによれば、回路基板と放熱装置は、所定の厚みを有する接合層を介して接合されることになる。したがって、接合層の厚みを熱応力緩和に必要な面積と高さに維持することができ、熱応力による反りやクラックの発生を防止しつつ、優れた放熱性能を得ることができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、前記回路基板と前記放熱装置の間には、前記金属接合材として複数の孔を形成したろう材を配置し、前記孔に対応する位置に前記接合防止材を設けることを要旨とする。これによれば、回路基板と放熱装置との非接合領域をより確実に作り出すことができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、回路基板の構造を簡素化しつつ、熱応力による反りやクラックの発生を防止する一方で、優れた放熱性能を得ることができる。
【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。
図１及び図２に示すように、半導体装置としての半導体モジュール１０は、回路基板１１と、回路基板１１上に半田付けにより接合された電子部品としての複数の半導体素子１２と、放熱装置としてのヒートシンク１３とから構成されている。回路基板１１は、セラミックス基板（絶縁基板）１４の表裏両面に表金属板（金属回路板）１５と裏金属板１６を接合して構成されている。セラミックス基板１４は、図２において上側が半導体素子１２の搭載面となる表面側とされており、半導体素子１２の搭載面には配線層として機能する表金属板１５が接合されている。そして、半導体素子１２は、半田層Ｈ１を介して表金属板１５に接合されている。半導体素子１２としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）やダイオードが用いられている。
【００１５】
一方、セラミックス基板１４には、図２において下側となる裏面側にセラミックス基板１４とヒートシンク１３とを接合（金属接合）する接合層として機能する裏金属板１６が接合されている。そして、裏金属板１６は、ヒートシンク１３に対して金属接合材としてのろう材１７により直接、ろう付けされている。図２の符号「Ｈ２」は、金属接合層としてのろう付け層を示している。
【００１６】
セラミックス基板１４は、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素などにより形成されている。表金属板１５及び裏金属板１６は、純アルミニウム（例えば、工業用純アルミニウムである１０００系アルミニウム）や銅により形成されている。そして、本実施形態の回路基板１１では、セラミックス基板１４に接合する表金属板１５及び裏金属板１６の厚みを同一に設定している。また、ヒートシンク１３は、表金属板１５及び裏金属板１６と同じ種類の材質で形成されている。また、半田には、鉛半田や鉛フリー半田などが用いられる。また、ろう材１７には、Ａｌ−Ｓｉ系合金（４０００系など）などからなるアルミニウムろう材などが用いられる。
【００１７】
このように構成した半導体モジュール１０は、例えば電動モータを駆動源の一部とするハイブリッドカーなどの車両に適用されることにより、車両の運転状況に応じて電動モータに供給する電力を制御する。そして、半導体素子１２から発せられた熱は、回路基板１１を介してヒートシンク１３に伝えられ、ヒートシンク１３の冷媒流路１３ａを流れる冷却媒体に放熱される。
【００１８】
半導体素子１２から発せられた熱がヒートシンク１３に伝わった際には、回路基板１１及びヒートシンク１３は高温となり、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の温度は常温まで低下し、熱収縮する。そして、熱膨張及び熱収縮の際には、各部材（ヒートシンク１３、セラミックス基板１４、表金属板１５、裏金属板１６）の線熱膨張係数の相違に起因し、熱応力が発生する。このため、本実施形態の半導体モジュール１０は、熱応力を緩和させるための熱応力緩和構造を採用することにより、クラックの発生や反りなどの発生を防止し、放熱性能を長期間にわたって維持させる構成となっている。
【００１９】
以下、本実施形態の熱応力緩和構造について具体的に説明する。
本実施形態の半導体モジュール１０では、熱応力を緩和させるために、ヒートシンク１３と裏金属板１６の接合面積（接合率）を、ヒートシンク１３と裏金属板１６の接合面全体の面積に対して６５％〜８５％の範囲としている。換言すれば、本実施形態の半導体モジュール１０では、ヒートシンク１３と裏金属板１６とが接合されない非接合領域が形成されている。なお、接合面はヒートシンク１３と裏金属板１６を接合する際にろう付けを行う面であり、接合面積はろう付けによって金属接合させる面積である。例えば、裏金属板１６のろう付けを行う面を２７ｍｍ×２７ｍｍの正方形とした場合、接合面全体の面積は２７ｍｍ×２７ｍｍ＝７２９ｍｍ２となる。そして、この面積（７２９ｍｍ２）に対する接合面積６５％〜８５％の範囲とは、４７３．８５ｍｍ２〜６１９．６５ｍｍ２の範囲となる。
【００２０】
接合面積（接合率）の範囲（６５％〜８５％）は、放熱性能と熱応力の緩和の点から好ましいと考えられる範囲を設定している。なお、熱抵抗値と接合率は、接合率を下げると熱抵抗値が上昇して伝熱特性が低下し、接合率を上げると熱抵抗値が下降して伝熱特性が向上する関係を有している。そして、半導体モジュール１０では、放熱性能を向上させる必要があるが、その一方で、熱応力を緩和させる必要もある。このため放熱性能を優先させるためには、接合率を１００％に近づけることが最良となるが、この場合には熱応力を緩和することができなくなる。一方で、熱応力の緩和を優先させるためには、接合率を下げること（すなわち、非接合領域を多く作ること）が最良となるが、この場合には熱抵抗値が上昇して放熱性能が低下することになる。したがって、接合率は、放熱性能と熱応力の緩和の双方のバランスを考えて設定することが好ましい。
【００２１】
そして、本実施形態では、ヒートシンク１３と裏金属板１６の非接合領域を形成するために、図３（ｂ）に示すように裏金属板１６の接合界面に接合防止材となる離型剤１９を配置している。離型剤１９には、例えば、アルミダイカスト用途の離型剤などが用いられる。離型剤１９を配置した場合には、離型剤１９によって溶融したろう材１７が弾かれることでろう材１７が濡れず、その濡れない部分（不濡れの部分）が非接合領域となる。すなわち、本実施形態の熱応力緩和構造では、ろう付けの際にろう材１７が濡れない部分を意図的に作り出し、ろう付け層Ｈ２を熱応力緩和部として機能させるようになっている。
【００２２】
本実施形態においてろう材１７は、図３（ａ），（ｂ）に示すようにシート状（板状）に形成されており、ろう材１７の厚み方向に貫通する平面視円形をなす複数個（本実施形態では３６個）の貫通孔１８が形成されている。貫通孔１８は、ろう材１７の周縁部位を中心に配列されている。そして、図３（ｂ）に示すように、ろう付けを行う際には、裏金属板１６においてろう材１７の貫通孔１８に対応する部位に離型剤１９を配置することにより、貫通孔１８に対応する部位が非接合領域（ろう材１７が濡れないところ）となる。図３（ａ）に示す二点鎖線の領域は、ヒートシンク１３と裏金属板１６が接合される接合領域を示し、二点鎖線を付していない領域が離型剤１９の配置により非接合領域として形成される領域である。
【００２３】
そして、貫通孔１８は、裏金属板１６の接合面全体の面積から各貫通孔１８の開口面積の合算値を減算した場合に、ヒートシンク１３と裏金属板１６の接合面積が前述した６５％〜８５％の範囲となるように形成されている。また、貫通孔１８は、ろう材１７を図３（ａ）に示すように平面域において複数領域（図３（ａ）では４分割）に等分割したとき、各分割領域ａ，ｂ，ｃ，ｄにおける接合面積がほぼ等しくなるように配置されている。このように貫通孔１８を形成して離型剤１９を配置した場合には、非接合領域が均等に形成されることになるので、好適に熱応力を緩和させることが可能となる。
【００２４】
次に、本実施形態の半導体モジュール１０の製造方法の一工程であるろう付け工程において、ヒートシンク１３と裏金属板１６（回路基板１１）のろう付けを行う方法について説明する。
【００２５】
まず、貫通孔１８を形成したろう材１７を用意するとともに、回路基板１１の裏金属板１６に離型剤１９を配置する。なお、離型剤１９は、ろう材１７をヒートシンク１３と裏金属板１６の間に介在させた時に貫通孔１８と対応する部位に配置する。この離型剤１９の配置により、裏金属板１６の接合面に対し、ろう材１７が濡れないように表面処理を施す。そして、ろう材１７がヒートシンク１３と裏金属板１６の間に介在されるように、ヒートシンク１３と、回路基板１１（裏金属板１６）と、ろう材１７を積層状に配置し、加熱する。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。なお、加熱装置としては、リフロー炉などが用いられる。
【００２６】
ろう付けは、ろう材１７の溶融温度以上の温度に加熱してろう材１７を溶融し、その後に溶融したろう材１７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、溶融したろう材１７は、離型剤１９を配置していない部位において濡れ、離型剤１９を配置した部位において濡れない。このため、ろう材１７の溶融凝固時、ヒートシンク１３と裏金属板１６は、ろう材１７が濡れた部位で接合される一方で、ろう材１７が濡れなかった部位で接合されない。すなわち、ろう材１７の溶融凝固時には、離型剤１９の有無により、ヒートシンク１３と裏金属板１６が接合された接合領域と、ヒートシンク１３と裏金属板１６が接合されない非接合領域とが形成される。
【００２７】
なお、ろう材１７は、加熱による溶融前においては貫通孔１８が形成されているが、ろう材１７の溶融により形状は維持されなくなる。しかし、貫通孔１８は、ヒートシンク１３と裏金属板１６の非接合領域を形成するためにろう材１７に形成したものであり、ろう付け時において離型剤１９とともに非接合領域の形成に寄与する。そして、貫通孔１８は、ろう材１７の溶融により形状は維持できないが、離型剤１９を配置していることにより貫通孔１８の形成部位は濡れることなく、この部位においてヒートシンク１３と裏金属板１６は接合されない。
【００２８】
したがって、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）裏金属板１６（回路基板１１）の接合界面に離型剤１９を配置し、ろう付けを行う。これによれば、ろう付け時には、離型剤１９を配置した部位にろう材１７が濡れず、裏金属板１６（回路基板１１）とヒートシンク１３とが接合されていない非接合領域が形成されることになる。このため、回路基板１１（セラミックス基板１４、表金属板１５、裏金属板１６）及びヒートシンク１３との線熱膨張係数の相違に起因して熱応力が発生した場合でも接合領域の熱応力が分散され、その結果、応力が緩和される。このため、反りやクラックの発生が防止され、放熱性能が維持される。また、接合界面に離型剤１９を配置する構成を採用したので、回路基板１１に直接、熱応力を緩和させる構成を設ける必要がなく、回路基板１１の構造を簡素化できる。
【００２９】
（２）ろう材１７に貫通孔１８を形成し、そのろう材１７をヒートシンク１３と裏金属板１６の間に介在させてろう付けを行う。したがって、裏金属板１６（回路基板１１）とヒートシンク１３との非接合領域をより確実に作り出すことができる。
【００３０】
（３）回路基板１１は、表金属板１５と裏金属板１６の厚みが異なる場合、製造時に反りが発生し易い。しかし、本実施形態では、ろう付け層Ｈ２を熱応力緩和部として機能させているので、従来のように回路基板１１に対して熱応力緩和部材を設ける加工などが不要であり、また表金属板１５と裏金属板１６を同一の厚みに設定することができる。したがって、製造時の歩留まり向上に寄与できる。
【００３１】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○  実施形態では、裏金属板１６の接合界面に離型剤１９を配置しているが、図４に示すように、離型剤１９をヒートシンク１３の接合界面に配置し、ろう付けを行っても良い。このように構成した場合でも、実施形態と同様にヒートシンク１３と裏金属板１６が接合されない非接合領域が形成される。
【００３２】
○  実施形態では、裏金属板１６の接合界面に離型剤１９を配置しているが、図５に示すように、離型剤１９をヒートシンク１３の接合界面と裏金属板１６の接合界面のそれぞれに配置し、ろう付けを行っても良い。このように構成した場合でも、実施形態と同様にヒートシンク１３と裏金属板１６が接合されない非接合領域が形成される。
【００３３】
○  実施形態において、図６（ａ），（ｂ）に示すように、ろう材１７に厚み規定部材としての球状部材２０や柱状部材２１を配置し、ろう付けを行っても良い。このように球状部材２０や柱状部材２１を配置すれば、ろう付け後のろう付け層Ｈ２の厚みを規定することができる。したがって、ろう付け層Ｈ２の厚みを熱応力緩和に必要な面積と高さに維持することができ、熱応力による反りやクラックの発生を防止しつつ、優れた放熱性能を得ることができる。球状部材２０や柱状部材２１は、ろう材１７よりも融点が高い材料で構成され、金属材料又は非金属材料の何れでも良い。また、球状部材２０や柱状部材２１は、ろう付け時に配置しても良いし、ろう材１７を製造する際に混入させても良い。特に、柱状部材２１がセラミックスなどの低膨張な材質であれば、ヒートシンク１３と裏金属板１６が接合しない非接合領域を形成する接合防止材として作用し、かつ熱応力を分散させるように作用する。このように柱状部材２１を低膨張な材質で形成する場合には、離型剤１９（及び以下に記載する酸化被膜）を設けなくても良い。
【００３４】
○  実施形態において、離型剤１９に代えて、ヒートシンク１３と裏金属板１６が接合しない非接合領域を形成する部位にアルマイト処理などを施して酸化皮膜を形成しても良い。この場合、酸化皮膜が接合防止材として作用する。
【００３５】
○  実施形態において、ろう材１７に貫通孔１８を形成せずに、ろう材１７を単なるシート状（板状）の部材としても良い。
○  実施形態において、ろう材１７に形成する貫通孔１８の配置を変更しても良い。例えば、貫通孔１８をろう材１７の全体に亘って形成しても良いし、円周上に配置しても良いし、また千鳥状に配置しても良い。なお、非接合領域は、半導体素子１２の直下に形成されない方が伝熱効率を向上させるためには好ましいので、半導体素子１２の直下を避けて貫通孔１８と離型剤１９を配置しても良い。
【００３６】
○  実施形態において、ろう材１７に形成する貫通孔１８の形状を変更しても良い。例えば、平面視した形状が三角形や六角形などでも良く、また長孔でも良い。
○  実施形態において、表金属板１５と裏金属板１６は純アルミニウム以外のアルミニウム合金としても良い。例えば、Ｓｉ：０．２〜０．８質量％、Ｍｇ：０．３〜１質量％、Ｆｅ：０．５質量％以下、Ｃｕ：０．５質量％以下を含有し、さらにＴｉ：０．１質量％以下又はＢ：０．１質量％以下の少なくとも１種を含有し、残部Ａｌ及び不可避不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金を用いても良く、必要な伝熱特性を確保できるのであれば３０００系アルミニウム合金などを用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】半導体モジュールの平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】（ａ）はろう材を示す平面図、（ｂ）は離型剤の配置を示す断面図。
【図４】別例における離型剤の配置を示す断面図。
【図５】別例における離型剤の配置を示す断面図。
【図６】（ａ），（ｂ）は別例においてろう材に厚み規定部材を配置した状態を示す断面図。
【符号の説明】
【００３８】
１０…半導体モジュール、１１…回路基板、１２…半導体素子、１３…ヒートシンク、１４…セラミックス基板、１５…表金属板、１６…裏金属板、１７…ろう材、１９…離型剤、２０…球状部材、２１…柱状部材。
【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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