(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ベース板と、
前記金属ベース板の上面に設けられた上面セラミック基板と、
前記上面セラミック基板の上に設けられた半導体素子と、
前記金属ベース板の中に設けられ、埋め込みセラミック基板と、前記埋め込みセラミック基板の上面に設けられた上面金属パターンと、前記埋め込みセラミック基板の下面に設けられた下面金属パターンと、を有する基板と、を備え、
前記上面金属パターンの熱伝導率と前記下面金属パターンの熱伝導率は、前記金属ベース板の熱伝導率より大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記埋め込みセラミック基板の端部は前記金属ベース板に覆われた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】
前記下面金属パターンの下面が外部に露出したことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記基板は前記金属ベース板に埋め込まれ、前記金属ベース板の下面が外部に露出したことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記金属ベース板の下面にピンフィンを設けたことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記上面金属パターンと前記下面金属パターンの厚みが異なることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記上面金属パターンは前記下面金属パターンよりも厚いことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記基板を複数備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記半導体素子は複数設けられ、前記半導体素子の直下に前記基板が設けられたことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記上面セラミック基板の上に設けられた金属膜を備え、
前記半導体素子は前記金属膜に固定され、
前記金属膜の下面外縁をとおる鉛直線と、前記金属膜の下面外縁と前記上面金属パターンの上面外縁を結ぶ線とのなす角は４５°以上であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記半導体素子は複数設けられ、前記上面金属パターンは島状に複数形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記基板は前記半導体素子の直下に基板貫通孔を有し、前記基板貫通孔は前記金属ベース板で埋められていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記上面セラミック基板の上に設けられた金属膜を備え、
前記半導体素子は前記金属膜に固定され、
前記金属膜の下面外縁をとおる鉛直線と、前記金属膜の下面外縁と前記基板貫通孔の上面外縁を結ぶ線とのなす角は４５°以上であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記基板には前記半導体素子より幅が小さい複数の基板貫通孔が形成され、前記複数の基板貫通孔は前記金属ベース板によって埋められたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記埋め込みセラミック基板には複数のセラミック基板貫通孔が形成され、前記複数のセラミック基板貫通孔は、前記上面金属パターンと前記下面金属パターンを接続する接続金属によって埋め込まれたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記上面金属パターンと前記下面金属パターンと前記接続金属は同じ材料で形成されたことを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記埋め込みセラミック基板はＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４で形成されたことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば大電力の制御に用いられる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、セラミックス基板の一方の面に金属板の一方の面が接合するとともに、セラミックス基板の他方の面に金属ベース板の一方の面が接合した金属−セラミックス接合基板が開示されている。この金属−セラミックス接合基板は金属ベース板に少なくとも１個以上の強化材が接合されたものである。強化材の材料はセラミックスである。強化材の一部が金属ベース板から露出している。金属ベース板の上には上述のセラミックス基板が設けられている。このセラミック基板の上に回路パターンである金属板が形成されている。特許文献１に開示の技術は、強化材の配置と位置を精密に制御することによって反りの制御と放熱性確保の両立を図るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】日本特開２０１１−７７３８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
金属ベース板と、金属ベース板の上に設けられたセラミックス基板との熱膨張率の違いにより半導体素子の動作時に金属ベース板が反るおそれがある。そこで、特許文献１に開示の技術では、セラミックスを材料とする強化材を金属ベース板の内に挿入している。【０００５】
セラミックスを材料とする強化材の熱伝導率は金属ベース板の熱伝導率より小さい。そのため、特許文献１に開示される金属−セラミックス接合基板を用いると熱抵抗の悪化が想定される。熱抵抗の悪化により、装置の使用温度を決める半導体素子の最大接合温度に配慮する必要が生じ、半導体素子の性能を十分に活用できなくなるおそれがある。すなわち、熱抵抗が高いために半導体素子の通電量を低下させなければならないことがある。しかも、大電流で使用する大型モジュールほど金属ベース板の反りおよび反りのばらつきが大きくなるため、金属ベース板の反りを抑制するために強化材を厚くしなければならず、強化材を厚くすれば熱抵抗がさらに悪化してしまう。【０００６】
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、金属ベース板の反りを抑制しつつ放熱性を向上させることができる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】
【０００７】
本願の発明にかかる半導体装置は、金属ベース板と、該ベース板の上面に設けられた上面セラミック基板と、該上面セラミック基板の上に設けられた半導体素子と、該金属ベース板の中に設けられ、埋め込みセラミック基板と、該埋め込みセラミック基板の上面に設けられた上面金属パターンと、該埋め込みセラミック基板の下面に設けられた下面金属パターンと、を有する基板と、を備え、該上面金属パターンの熱伝導率と該下面金属パターンの熱伝導率は、該金属ベース板の熱伝導率より大きいことを特徴とする。【０００８】
本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、金属ベース板に埋め込む埋め込みセラミック基板の上面と下面に、金属ベース板の熱伝導率よりも熱伝導率が大きい上面金属パターンと下面金属パターンを設けたので、金属ベース板の反りを抑制しつつ放熱性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。
【図２】実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。
【図３】変形例に係る半導体装置の断面図である。
【図４】実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。
【図５】実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。
【図６】実施の形態５に係る半導体装置の断面図である。
【図７】図６の一部拡大図である。
【図８】実施の形態６に係る半導体装置の断面図である。
【図９】図８の基板貫通孔等の平面図である。
【図１０】図８の一部拡大図である。
【図１１】実施の形態７に係る半導体装置の断面図である。
【図１２】図１１の半導体装置の基板等の平面図である。
【図１３】実施の形態８に係る半導体装置の断面図である。
【図１４】接続金属等の平面図である。
【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面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０の断面図である。半導体装置１０は金属ベース板１２を備えている。金属ベース板１２は例えばアルミ又はアルミニウム合金で形成されている。金属ベース板１２の中には基板１３が設けられている。基板１３は埋め込みセラミック基板１４と、埋め込みセラミック基板１４の上面に設けられた上面金属パターン１６と、埋め込みセラミック基板１４の下面に設けられた下面金属パターン１８と、を有している。埋め込みセラミック基板１４はセラミックを材料とする板である。埋め込みセラミック基板１４はＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４で形成することが好ましい。これらの材料は高強度材料であるので、埋め込みセラミック基板１４をＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４で形成すれば、反りに対するロバスト性を高めることができる。
【００１３】
上面金属パターン１６と下面金属パターン１８は例えば銅パターンである。上面金属パターン１６と下面金属パターン１８には酸化防止のため表面処理を施すことが好ましい。また、上面金属パターン１６と下面金属パターン１８は例えばろう材で埋め込みセラミック基板１４に接合する。
【００１４】
基板１３の上面と側面は金属ベース板１２に覆われている。そのため、埋め込みセラミック基板１４の端部は金属ベース板１２に覆われている。下面金属パターン１８の下面は金属ベース板１２に覆われておらず外部に露出している。
【００１５】
金属ベース板１２と上面金属パターン１６と下面金属パターン１８の材料選定は、上面金属パターン１６の熱伝導率と下面金属パターン１８の熱伝導率が、金属ベース板１２の熱伝導率より大きくなるように行う。例えば金属ベース板１２をアルミで形成した場合は、アルミよりも熱伝導率が大きい銅などで上面金属パターン１６と下面金属パターン１８を形成する。上記の熱伝導率の関係を満たす任意の材料を用いることができる。
【００１６】
金属ベース板１２の上面には上面セラミック基板２２が設けられている。上面セラミック基板２２はセラミックを材料とする板である。上面セラミック基板２２の上には金属膜２４が形成されている。金属膜２４は上面セラミック基板２２に形成された金属パターンである。はんだ２６により、金属膜２４に半導体素子２８が固定されている。はんだ２６に代えて鉛フリーの導電性接着剤を用いてもよい。半導体素子２８は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）又は還流ダイオードである。このように、上面セラミック基板２２の上に半導体素子２８が設けられている。
【００１７】
金属ベース板１２と基板１３と上面セラミック基板２２は、例えば鋳造により形成することができる。具体的には、鋳型に上面セラミック基板２２と基板１３をセットして、鋳型の中に溶融金属を流し込む。その後型開きすることで、上面セラミック基板２２と基板１３が固定された金属ベース板１２を得ることができる。必要に応じて、下面金属パターン１８に冷却器を固定する。冷却器を固定する場合は、下面金属パターン１８の平面度は０〜２００μｍとすることが望ましい。
【００１８】
本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０は、金属ベース板１２に埋め込まれた埋め込みセラミック基板１４を備えるので、金属ベース板１２の反りを抑制することができる。そのため反りのばらつきも抑制される。さらに、上面金属パターン１６と下面金属パターン１８の熱伝導率αＭと、金属ベース板１２の熱伝導率αＢの関係をαＭ＞αＢとした。そのため、上面金属パターン１６と下面金属パターン１８を設けることによる半導体装置の放熱性の向上ができる。
【００１９】
また、埋め込みセラミック基板１４の端部が金属ベース板１２から露出していると、外部からの衝撃により埋め込みセラミック基板１４が割れる恐れがある。これに対し、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０では、埋め込みセラミック基板１４の端部を金属ベース板１２で覆ったので、埋め込みセラミック基板１４の割れを回避できる。
【００２０】
実施の形態１に係る半導体装置１０はその特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。例えば、半導体素子２８の数は特に限定されない。半導体装置１０で３相交流インバータ回路を構成するときは、６つのＩＧＢＴと６つの還流ダイオードを設ける。上述の変形は以下の実施の形態に係る半導体装置にも応用できるものである。なお、以下の実施の形態に係る半導体装置については、実施の形態１に係る半導体装置１０と共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。
【００２１】
実施の形態２．
図２は、実施の形態２に係る半導体装置３０の断面図である。下面金属パターン１８の下面は金属ベース板１２に覆われている。すなわち、基板１３は金属ベース板１２に埋め込まれている。そのため、金属ベース板１２の下面が外部に露出している。下面金属パターン１８が外部に露出していると下面金属パターン１８が酸化および腐食するおそれがある。しかしながら、半導体装置３０の下面金属パターン１８は金属ベース板１２に覆われているので、下面金属パターン１８の酸化および腐食を防止することができる。このため半導体装置３０の長寿命化が期待できる。
【００２２】
図３は、変形例に係る半導体装置の断面図である。金属ベース板１２の下面にピンフィン１２Ａが設けられている。金属ベース板１２の一部にピンフィン１２Ａを設けることで金属ベース板１２を直接冷却することが可能となる。また、金属ベース板１２と冷却器の熱接続に用いられるサーマルグリースを省略できるので、熱抵抗の改善が期待できる。
【００２３】
実施の形態３．
図４は、実施の形態３に係る半導体装置５０の断面図である。上面金属パターン１６と下面金属パターン１８の厚みが異なっている。より具体的には、上面金属パターン１６の厚みＴ１は下面金属パターン１８の厚みＴ２より大きい。Ｔ１は例えば１．０ｍｍであり、Ｔ２は例えば０．３ｍｍである。上面金属パターン１６を厚くするほど半導体素子２８からの発熱を上面金属パターン１６にて蓄積し熱拡散できる。そのため、上面金属パターン１６を厚くするほど過渡熱抵抗の向上が期待できる。本発明の実施の形態３では上面金属パターン１６を下面金属パターン１８より厚く形成したので、良好な放熱性を提供することができる。
【００２４】
上面金属パターン１６と下面金属パターン１８の厚みを自由に制御して、これらが異なる値となるようにすることで、金属ベース板１２全体の反り量を制御することができる。そのため、必ずしも上面金属パターン１６を下面金属パターン１８より厚くしなくてもよい。金属ベース板１２の反りを抑制するために、下面金属パターン１８を上面金属パターン１６より厚くしてもよい。
【００２５】
実施の形態４．
図５は、実施の形態４に係る半導体装置６０の断面図である。基板１３ａは、埋め込みセラミック基板１４ａ、埋め込みセラミック基板１４ａの上面に形成された上面金属パターン１６ａおよび埋め込みセラミック基板１４ａの下面に形成された下面金属パターン１８ａを備えている。基板１３ｂは、埋め込みセラミック基板１４ｂ、埋め込みセラミック基板１４ｂの上面に形成された上面金属パターン１６ｂおよび埋め込みセラミック基板１４ｂの下面に形成された下面金属パターン１８ｂを備えている。
【００２６】
左側の半導体素子２８の直下に基板１３ａが設けられ、右側の半導体素子２８の直下に基板１３ｂが設けられている。すなわち、半導体素子２８は複数設けられ、半導体素子２８の直下に１つの基板が設けられる。例えば、６相入りモジュールの場合は６つの基板を用意し、半導体素子の直下にそれぞれ基板を配置する。
【００２７】
埋め込みセラミック基板を有する基板は応力緩和層である。複数の基板１３ａ、１３ｂを設けることで、１枚あたりの基板にかかる応力を低減することができる。そのため、金属ベース板１２全体の反り量を低減することができる。金属ベース板１２の反り量の低減により、半導体装置６０のサイズを大きくすることができる。半導体装置６０は、基板を複数備える限り上述の構成に限定されない。提供される基板の数は特に限定されない。
【００２８】
実施の形態５．
図６は、実施の形態５に係る半導体装置７０の断面図である。１つの埋め込みセラミック基板１４の上面に上面金属パターン１６ｃ、１６ｄが形成されている。上面金属パターン１６ｃと上面金属パターン１６ｄは分離している。左側の半導体素子２８の直下に上面金属パターン１６ｃがあり、右側の半導体素子２８の直下に上面金属パターン１６ｄがある。上面金属パターン１６ｃ、１６ｄの幅は半導体素子２８の幅より大きい。
【００２９】
図７は、図６の一部拡大図である。金属膜２４の下面外縁をとおる鉛直線Ｌ１と、金属膜２４の下面外縁と上面金属パターン１６ｃの上面外縁を結ぶ線Ｌ２が示されている。鉛直線Ｌ１と線Ｌ２とのなす角θは４５°以上とした。このような鉛直線Ｌ１と線Ｌ２の関係は、上面金属パターン１６ｃの上面外縁のすべての点において成立している。したがって、平面視すれば、上面金属パターン１６ｃの外縁は、金属膜２４の外縁の拡大相似形となっている。すべての上面金属パターンがこの４５°の関係を満たすことが好ましい。
【００３０】
半導体素子２８で熱が発生し、その熱は金属膜２４に達し、主として、右側の線Ｌ２と左側の線Ｌ２の間の金属ベース板１２に熱拡散する。そのため、十分な放熱をするためには、右側の線Ｌ２と左側の線Ｌ２に挟まれた部分に上面金属パターンを設けることが重要である。言い換えれば、右側の線Ｌ２と左側の線Ｌ２に挟まれていない部分に上面金属パターンを設けても放熱性の本質的な向上は期待できない。
【００３１】
そこで、本発明の実施の形態５では、上述のとおり、右側の線Ｌ２と左側の線Ｌ２に挟まれた部分に上面金属パターン１６ｃ、１６ｄを設けた。言い換えれば、鉛直線Ｌ１と線Ｌ２のなす角θが４５°以上となるように上面金属パターン１６ｃ、１６ｄを設けた。なす角が４５°となるように上面金属パターン１６ｃ、１６ｄを設けることは、必要最小限の上面金属パターンを設けることに対応する。なす角θを増やすことは、上面金属パターンの幅を大きくすることに対応する。上面金属パターン１６ｃ、１６ｄの面積を最小化することはコスト削減に貢献する。なお、上面金属パターン１６ｃ、１６ｄの面積に応じて、金属ベース板１２の反り量を制御することもできる。
【００３２】
半導体素子２８は２つに限定されない。半導体素子２８を複数設けた場合、上面金属パターンを島状に複数形成し、上述の鉛直線Ｌ１と線Ｌ２の関係を満たすようにすれば、すべての上面金属パターンの面積を最小化することができる。
【００３３】
実施の形態６．
図８は、実施の形態６に係る半導体装置８０の断面図である。基板１３は半導体素子２８の直下に基板貫通孔１３ｃを有している。基板貫通孔１３ｃは上面金属パターン１６、埋め込みセラミック基板１４及び下面金属パターン１８を貫通する貫通孔である。そのため、基板貫通孔１３ｃがある部分には埋め込みセラミック基板１４、上面金属パターン１６及び下面金属パターン１８はない。この基板貫通孔１３ｃは金属ベース板１２の一部１２ａによって埋められている。図９は、図８の基板貫通孔１３ｃ等の平面図である。半導体素子２８の形状は破線で示されている。基板貫通孔１３ｃの外縁は、半導体素子２８の外縁の拡大相似形となっている。
【００３４】
図１０は、図８の一部拡大図である。金属膜２４の下面外縁をとおる鉛直線Ｌ１と、金属膜２４の下面外縁と基板貫通孔１３ｃの上面外縁を結ぶ線Ｌ２が示されている。鉛直線Ｌ１と線Ｌ２のなす角を４５°以上とすることが好ましい。半導体素子２８の熱は、主として右側の線Ｌ２と左側の線Ｌ２に挟まれた領域に拡散する。そのため、この放熱経路に、金属ベース板１２よりも低い熱伝導率を持つ埋め込みセラミック基板１４を設けることは避けることが好ましい。
【００３５】
本発明の実施の形態６では、半導体素子２８の熱が金属ベース板１２に達しそこから上述の４５°の角度で熱拡散するときの放熱経路から埋め込みセラミック基板１４を除去した。これにより、半導体装置８０の放熱性を高めることができる。なお、基板貫通孔１３ｃを半導体素子２８の直下だけに設け、その基板貫通孔１３ｃを金属ベース板１２で埋めることでもある程度の放熱性改善効果を得ることができる。この場合、半導体素子２８の平面形状と基板貫通孔１３ｃの平面形状が一致する。
【００３６】
実施の形態７．
図１１は、実施の形態７に係る半導体装置９０の断面図である。基板１３には複数の基板貫通孔１３ｄが形成されている。基板貫通孔１３ｄの径は半導体素子２８の幅より小さい。半導体素子２８の直下には複数の基板貫通孔１３ｄが設けられている。そして、複数の基板貫通孔１３ｄは金属ベース板１２の一部１２ｃによって埋められている。図１２は、図１１の半導体装置の基板１３等の平面図である。基板貫通孔１３ｄは丸穴としたが、任意の形状の穴としてもよい。
【００３７】
本発明の実施の形態７に係る半導体装置９０によれば、半導体素子２８からの放熱経路に、金属ベース板１２よりも低い熱伝導率を持つ埋め込みセラミック基板１４が無い部分があるので放熱性が改善される。また、前述の実施の形態６では基板貫通孔１３ｃの大きさが半導体素子２８の大きさに依存して変化するが、実施の形態７の基板貫通孔１３ｄは半導体素子２８の大きさと無関係である。よって、複数の品種で共通する部品として基板１３を利用できるので、コスト低減が期待できる。
【００３８】
実施の形態８．
図１３は、実施の形態８に係る半導体装置１００の断面図である。埋め込みセラミック基板１４には複数のセラミック基板貫通孔１４ｈが形成されている。セラミック基板貫通孔１４ｈの径は半導体素子２８の幅より小さい。半導体素子２８の直下には複数のセラミック基板貫通孔１４ｈが設けられている。複数のセラミック基板貫通孔１４ｈは上面金属パターン１６と下面金属パターン１８を接続する接続金属１０２によって埋め込まれている。
【００３９】
上面金属パターン１６と下面金属パターン１８と接続金属１０２は同じ材料とすることがこの好ましい。上面金属パターン１６と下面金属パターン１８と接続金属１０２を同じ材料とすれば、上面金属パターン１６と下面金属パターン１８と接続金属１０２はすべて金属ベース板１２よりも熱伝導率が大きい材料で形成されることになる。接続金属１０２を上面金属パターン１６及び下面金属パターン１８と異なる材料とする場合、少なくとも埋め込みセラミック基板１４よりは熱伝導率の高い材料で形成する。図１４は、図１３の半導体装置１００の接続金属１０２等の平面図である。セラミック基板貫通孔１４ｈは丸穴であるが、任意の形状の穴としてもよい。
【００４０】
埋め込みセラミック基板１４が大きな一枚の板であると、埋め込みセラミック基板１４によって半導体素子２８の放熱が妨げられる。そこで、本発明の実施の形態８では、埋め込みセラミック基板１４にセラミック基板貫通孔１４ｈを設け、そこに接続金属１０２を設けた。これにより、半導体素子２８の熱を上面金属パターン１６と接続金属１０２と下面金属パターン１８を経由させて速やかに外部に放出できる。特に、図７の２本の線Ｌ２に挟まれる領域にセラミック基板貫通孔１４ｈを集中的の設けることで更なる放熱性の改善が可能である。例えば、図７の２本の線Ｌ２に挟まれる領域にのみセラミック基板貫通孔１４ｈを設けてもよい。
【００４１】
なお、上記の各実施の形態に係る半導体装置の特徴を組み合わせて本発明の効果を高めても良い。
【符号の説明】
【００４２】
１０  半導体装置、  １２  金属ベース板、  １３  基板、  １４  埋め込みセラミック基板、  １６  上面金属パターン、  １８  下面金属パターン、  ２２  上面セラミック基板  
【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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【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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