(57)【要約】【課題】基板に形成される金属回路に接合された接合物と金属回路間の熱膨張係数差により発生する応力を分散させる。【解決手段】金属回路３０１ａを分割するようにＶ字型のスリットパターン４ａを金属回路３０１ａに入れることにより、金属回路３０１ａと金属回路３０１ａに半田２ａで接合される半導体素子１との接合部の最大距離を半減し、また金属回路３０１ａの膨張変形がスリットパターン４ａ側へも拡がることにより抑制されるため、金属回路３０１ａと半田２ａで接合された半導体素子１との間の熱膨張係数差により発生する応力を分散させることができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁板に第１の金属回路が形成された基板と、
前記第１の金属回路に接合された接合物とを有する半導体装置において、
前記第１の金属回路に第１のスリットパターンを設け、
前記第１のスリットパターンの前記絶縁板側の前記絶縁板側パターン幅を前記第１のスリットパターンの前記第１の金属回路の接合面側の接合面側パターン幅よりも小さくしたこと
、を特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記接合面側パターン幅を前記絶縁板の厚みの２倍以下とし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】
前記接合面側パターン幅を、前記第１のスリットパターンから前記接合物の接合面の外周位置までの距離のうちの最大距離と、前記接合物と前記第１の金属回路との熱膨張係数差と、前記接合物及び前記第１の金属回路に加えられる最高温度から最低温度を差し引いた最大温度差との積以上と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】
前記第１のスリットパターンが分離されたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１のスリットパターンが前記第１の金属回路の外周まで達していないことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１のスリットパターンの絶縁板側パターンが前記絶縁板に達しないことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１のスリットパターンが独立した複数の円錐部により構成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか又は６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１のスリットパターンが前記接合面において前記接合物の外周コーナー部を囲う曲線形状であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第１のスリットパターンは前記接合物の活性領域の直下を避けて配置していることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記絶縁板がセラミックス板であり、前記接合物として半導体素子、金属端子の少なくとも一方を接合したことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記金属端子に応力緩和溝を設け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】
前記セラミックス板の前記第１の金属回路が形成された面とは反対側の面に第２の金属回路が形成され、前記第２の金属回路に放熱ベース又は放熱器を接合したことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記第２の金属回路に第２のスリットパターンを設け、前記第２のスリットパターンの前記セラミックス板側のセラミックス板側パターン幅を前記第２のスリットパターンの前記第２の金属回路の接合面側の接合面パターン幅よりも小さくした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】
前記第２の金属回路に第２のスリットパターンを設け、前記第２の金属回路の接合面側パターン幅を前記セラミックス板の厚みの２倍以下としたことを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記第２の金属回路の接合面側パターン幅を、前記第２のスリットパターンから前記放熱ベース又は放熱器との接合面の外周位置までの距離のうちの最大距離と、前記放熱ベース又は放熱器と前記第２の金属回路との熱膨張係数差と、前記放熱ベース又は放熱器及び前記第２の金属回路に加えられる最高温度から最低温度を差し引いた最大温度差との積以上としたことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は絶縁板に金属回路が形成された基板と、金属回路に接合された接合物とを有する半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平８−３１６５９１号公報。
【０００３】
従来の半導体装置においては、特許文献１に示されるように、プリント基板のチップ部品を半田付けする２つのランド間の中程にスリットを設けている。
【０００４】
この半導体装置では、チップ部品とプリント基板との熱膨張係数が異なったとしても、チップ部品が発熱したときに、プリント基板のスリット部が変形するから、チップ部品とプリント基板のランドとの接合部に加わる応力を緩和させることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に示された半導体装置においては、チップ部品の直下にスリットが設けられているから、チップ部品で生じる熱がプリント基板に効果的に伝わらず、冷却能力が悪化し、その結果発熱によるチップ部品の故障を引き起こすことがあり、半導体装置の信頼性が低い。
【０００６】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、信頼性を向上す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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明においては、第１の金属回路に第１のスリットパターンを設け、前記第１のスリットパターンの絶縁板側パターン幅を接合面側パターン幅よりも小さくする。
【０００８】
【発明の効果】
本発明に係る半導体装置においては、接合物と第１の金属回路との熱膨張係数が異なったとしても、接合面に加わる応力を緩和させることができ、しかも効果的に放熱を行なうことができるから、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００１０】
図１および図２に本発明の第１の実施の形態を示す。
【００１１】
図１において１は半導体素子、２ａは第１の金属回路３０１ａと半導体素子１を接合する半田、３ａは金属回路３０１ａを備えたセラミックス絶縁基板、３０２ａはセラミックス絶縁基板３ａの絶縁板となるセラミックス板、そして４ａは金属回路３０１ａに十の字型で４分割するように施した第１のスリットパターンである。また、５ａはこれら半導体素子１、半田２ａ、セラミックス絶縁基板３ａの部材の組合せによって成り立つ半導体装置を示している。
【００１２】
図２はスリットパターン４ａの断面図を示している。この形状は、半田２ａを用いて半導体素子１を接合する金属回路３０１ａの接合面３０１ｆにおけるパターン幅（接合面側パターン幅）Ｄｕｐより金属回路３０１ａが形成されているセラミックス板３０２ａの接合表面３０２ｆにおけるパターン幅（絶縁板側パターン幅）Ｄｌｏｗの方が小さくなるような傾斜を有している。即ち、金属回路３０１ａに形成されるスリットパターン４ａの断面は、Ｄｕｐ＞Ｄｌｏｗとなっている。
【００１３】
あるいは図２の（ｄ）に示すようにスリットパターン４ａがセラミックス板３０２ａの接合表面３０２ｆに達していない場合は、スリットパターン４ａのパターン幅Ｄｕｐよりセラミックス板３０２ａの接合表面３０２ｆにより近いスリットパターン４ａのパターン幅（絶縁板側パターン幅）が小さくなるよう傾斜している。
【００１４】
半導体素子１が発熱したり、半導体装置５ａが設置されている環境によって、温度変化が加えられると、半導体素子１と金属回路３０１ａは、その材料に依存する熱膨張係数差によって接合部に歪が生じ、その歪が応力となって、半導体素子１と金属回路３０１ａ間に存在する半田２ａ、半導体素子１および金属回路３０１ａに加わる。
【００１５】
この時の応力の大きさは、半田２ａの塑性変形を考慮しない場合、二つの材料を固定している接合面内の距離、即ち半導体素子１の外周位置からスリットパターン４ａまでの距離と、二つの材料、即ち半導体素子１と金属回路３０１ａとの熱膨張係数差と、半導体素子１及び金属回路３０１ａに加えられる温度差の積に比例する。従って、この応力が最も集中する場所としては、熱膨張係数差と加えられる温度差が一定の場合、二つの材料を固定している接合面内の距離が最も遠くなるコーナー部となる。
【００１６】
図１および図２に示した第１の実施の形態によると、セラミックス絶縁基板３ａの金属回路３０１ａには、図２のような断面形状をしたスリットパターン４ａが図１のように半導体素子１の中央直下を通る十字模様に入っているので、高温時に金属回路３０１ａの膨張変形がスリットパターン４ａ側へも拡がり、金属回路３０１ａの外側、特にコーナー部への膨張変形が抑制される。即ちこれは、二つの材料の接合面内の距離が、スリットパターン４ａが無い場合の半導体素子１の一方の外周からもう一方の外周までの距離に比べて、スリットパターン４ａがある場合の半導体素子１の外周からスリットパターン４ａまでの距離の方が、約１／２以下に減少するためである、と言える。従って、ヒートサイクルにおいて最も大きな歪を生じる半田２ａのコーナー部分の応力緩和につながり半田２ａにより接合された接合面の破壊防止ができ、半導体装置５ａとしての信頼性が向上する。
【００１７】
また、同時に、スリットパターン４ａは、図２のような断面形状をしているため、パターン幅Ｄｌｏｗは小さく、半田接合性の悪いセラミックス板３０２ａの接合面３０２ｆにおいて、熱伝達の悪い空気層となる危険のある金属回路３０１ａが形成されない接合表面３０２ｆの面積が小さくなり、半導体素子１で生じた熱は、半田２ａを経由し、比較的熱伝導率の高い金属回路３０１ａの内部で十分に拡散され、熱伝達に必要十分な金属回路３０１ａとセラミックス板３０２ａとの接合面積を経てセラミックス板３０２ａへと伝えられる。従って、半導体装置５ａの冷却能力を悪化させないで、半田２ａに加わる応力緩和ができ半導体装置５ａとしての信頼性を向上することができる。
【００１８】
図２におけるスリットパターン４ａのパターン幅Ｄｕｐは、セラミックス板３０２ａの厚みｈによって、２×ｈ以下が望ましい。その理由は、半導体素子１から生じた熱を金属回路３０１ａを経由してセラミックス板３０２ａで十分な熱拡散を行おうとした時、熱の広がりを計算する上で一般的な４５度広がりの考え方をすると、スリットパターン４ａのパターン幅Ｄｕｐが２×ｈ以上となると、セラミックス板３０２ａの内部で熱が伝わらない部分が発生し、セラミックス絶縁基板３ａとしての放熱性は極端に悪化するためである。従って、半導体装置５の冷却能力を悪化させないためには、スリットパターン４ａのパターン幅Ｄｕｐは、可能な限り小さく、最大でも厚みｈの２倍以下（２×ｈ以下）とすることが望ましい。
【００１９】
この時の応力の大きさは、半導体素子１の外周位置からスリットパターン４ａまでの距離と、半導体素子１と金属回路３０１ａとの熱膨張係数差と、半導体素子１および金属回路３０１ａに加えられる温度差の積に比例する。
【００２０】
一方、図２におけるスリットパターン４ａのパターン幅Ｄｕｐは、金属回路３０１ａの外周に向けての熱膨張を緩和させるために内側に熱膨張するための最低幅が存在する。その理由は、半田２ａに生じる歪は半田２ａの塑性変形を考慮しない場合、金属回路３０１ａと半導体素子１との膨張変形量の差に依存するものであり、その歪は半導体素子１の外周位置からスリットパターン４ａまでの距離のうちの最大距離Ｌｍａｘと、半導体素子１と金属回路３０１ａとの熱膨張係数差Δαと、半導体素子１及び金属回路３０１ａに加えられる最高温度から最低温度を差し引いた最大温度差ΔＴｍａｘの積より求められる。最も大きな歪の生じる半田２ａのコーナー部分における応力緩和を効果的に行うためには、金属回路３０１ａのスリットパターン４ａ側に対する熱膨張を十分に受け入れられるパターン幅Ｄｕｐが必要であり、パターン幅Ｄｕｐを最大距離Ｌｍａｘと熱膨張係数差Δαと最大温度差ΔＴｍａｘとの積（Ｌｍａｘ×Δα×ΔＴｍａｘ）以上とするのが望ましい。
【００２１】
このように金属回路３０１ａにスリットパターン４ａを形成し、パターン幅Ｄｕｐを定めれば、半導体装置としての冷却能力を悪化させずに、接合面に生じる応力を分散させることができ、信頼性のみを向上させる半導体装置を提供することが可能である。
【００２２】
図３に本発明の第２の実施の形態を示す。
【００２３】
図３におけるスリットパターン４ａはストッパー部６を有しておりストッパー部６によりスリットパターン４ａが分離されている。このストッパー部６によりスリットパターン４ａによって４分割された金属回路３０１ａが電気的につながり、金属回路３０１ａのどこからでも同じ電極をとることができる。また、半導体素子１を半田２ａによって金属回路３０１ａに接合する際、半田２ａがスリットパターン４ａの溝内を通って金属回路３０１ａの外周に向けて流れ出すことを防止し、その結果、半導体素子１の位置ずれや、半導体素子１直下の半田２ａの接合時の厚みが場所によってばらついたり、ばらつきによって冷却能力のアンバランスが生じたりすることを防止できる。
【００２４】
従って、第１の実施の形態で説明した内容と同等な効果に加え、金属回路３０１ａが電気的に共通でどこからでも電極がとれ、半導体素子１直下の接合時の半田厚みばらつきによる冷却能力のアンバランスを防止することが可能である。
【００２５】
図４に本発明の第３の実施の形態を示す。
【００２６】
図４におけるスリットパターン４ａは金属回路３０１ａの外周まで達していない。従って、第２の実施の形態で説明した内容と同等な効果が得られる。
【００２７】
図２（ｄ）に本発明の第４の実施の形態であるスリットパターン４ａの断面形状を示す。
【００２８】
スリットパターン４ａによって４分割された金属回路３０１ａは、スリットパターン４ａの絶縁板側パターンがセラミックス板３０２ａの接合表面３０２ｆまで達しておらず完全には分割されていないため、金属回路３０１ａは全ての場所において電気的につながっている。従って、金属回路３０１ａを電気的に分割せずに、第１の実施の形態で説明した内容と同等な効果が得られる。
【００２９】
図５に本発明の第５の実施の形態を示す。
【００３０】
図５におけるスリットパターン４ａは独立した複数の円錐状の穴（円錐部）が連続した形状になっているため、金属回路３０１ａは電気的につながっており、且つ、放熱性能の悪化もより一層防止可能となる。従って、第４の実施の形態で説明した内容と同等な効果が得られる。
【００３１】
図６に本発明の第６の実施の形態を示す。
【００３２】
図６におけるスリットパターン４ａは曲線で接合面における接合物の外周コーナー部を囲うような形状をしている。その結果、最も応力が集中する接合物の外周コーナー部で特に応力緩和が図れ、且つ、スリットパターン４ａが熱の溜まりやすい半導体素子の中央部を避けているため放熱性能の悪化もより一層防止可能となる。従って、第１の実施の形態で説明した内容と同等な効果が得られる。また、第２〜第５の実施の形態であげた特徴と併用することで、それぞれの効果も同時に達成可能である。
【００３３】
図７に本発明の第７の実施の形態を示す。
【００３４】
図７においては、複数のスリットパターン４ａが存在し、この複数のスリットパターン４ａは半導体素子１の活性領域１０１が接合される直下の場所を避けるような形状となっている。その結果、接合面内の最大距離Ｌｍａｘがより短くなり、より一層の応力緩和が図れ、また、スリットパターン４ａが発熱の大きい半導体素子の活性領域の直下を避けているため放熱性能の悪化もより一層防止可能となる。従って、第１の実施の形態で説明した内容と同等な効果が得られる。また、第２〜第６の実施の形態であげた特徴と併用することで、それぞれの効果も同時に達成可能である。
【００３５】
図８に本発明の第８の実施の形態を示す。
【００３６】
図８は金属端子７ａ等を金属回路３０１ａに半田２ａを用いて接合している半導体装置５ｂを示している。金属端子７ａが接合される金属回路３０１ａには第１の実施の形態から第７の実施の形態で記述したスリットパターン４ａが適応できるので第１の実施の形態で説明した内容と同等の効果が得られる。また、第２〜第６の実施の形態であげた特徴と併用することで、それぞれの効果も同時に達成可能である。
【００３７】
図９に本発明の第９の実施の形態を示す。
【００３８】
図９において、７ｂは応力緩和溝を持つ金属端子である。半田２ａを用いて接合される金属端子７ｂとセラミックス絶縁基板３ａに形成されている金属回路３０１ａとの間で温度変化による膨張収縮変形量の差がより大きい場合は、金属回路３０１ａにスリットパターン４ａを入れるとともに、金属端子７ｂに応力緩和溝を入れることが有効であり、第１の実施の形態で説明した内容と同等な効果が得られる。また、第２〜第６の実施の形態であげた特徴と併用することで、それぞれの効果も同時に達成可能である。
【００３９】
図１０は本発明の第１０の実施の形態を示す図である。
【００４０】
図１０において、３ｂは第１および第２の金属回路３０１ａ、３０１ｂを備えるセラミックス絶縁基板、３０２ｂはセラミックス絶縁基板３ｂの絶縁板となるセラミックス板、８は金属複合材によって形成された放熱器、２ｂは第２の金属回路３０１ｂに放熱器８を接合する半田、４ｂは金属回路３０１ｂに入れられた第２のスリットパターンである。
【００４１】
図１０においては、セラミックス絶縁基板３ｂの金属回路３０１ｂに金属複合材によって形成された放熱器８を半田２ｂを用いて接合する。半田２ｂを用いて接合された金属回路３０１ｂと放熱器８との間で温度変化による膨張収縮変形量の差が生じる場合は、金属回路３０１ｂにスリットパターン４ｂを入れることが有効であり、第１の実施の形態で説明した内容と同等な効果が得られる。また、スリットパターン４ｂについても第２〜第６の実施の形態と同様にしてもよい。
【００４２】
ここに１０の実施形態を示したが、基板に形成されている金属回路に接合される接合物は、半導体素子や金属端子、放熱ベースや放熱器だけとは限らず、また金属回路が形成されている基板は、セラミックス絶縁基板だけとは限らず、半田、ろう材、圧接、又はその他の接合方法を用いて接合される二つの材料間に熱膨張係数差が存在する場合、更には、二つの部品間で膨張収縮変形量の差が生じる場合において、全ての材料、または部品に対して有効である。
【００４３】
また、接合方法としては、半田接合だけとは限らず、ろう材接合や圧接はもちろんのことながら、本特許の請求するスリットパターンによって接合部の応力緩和や放熱性能が効果的に作用する全ての接合方法に対して有効である。
【００４４】
また、これらの実施の形態であげられたスリットパターンの本数や形状はあくまで一例であり、実際の本数は問わず、形状においては本特許の請求範囲内において全ての形状に対して有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態を補足する図および第４の実施の形態を示す図。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す図。
【図４】本発明の第３の実施の形態を示す図。
【図５】本発明の第５の実施の形態を示す図。
【図６】本発明の第６の実施の形態を示す図。
【図７】本発明の第７の実施の形態を示す図。
【図８】本発明の第８の実施の形態を示す図。
【図９】本発明の第９の実施の形態を示す図。
【図１０】本発明の第１０の実施の形態示す図。
【符号の説明】
１  半導体素子
２ａ、２ｂ  半田
３ａ、３ｂ  セラミックス絶縁基板
３０１ａ、３０１ｂ  第１、第２の金属回路
３０１ｆ  第１の金属回路の接合面
３０２ａ、３０２ｂ  セラミックス板
３０２ｆ  セラミックス板の接合表面
４ａ、４ｂ  第１、第２のスリットパターン
５ａ、５ｂ  半導体装置
６  ストッパー部
７ａ、７ｂ  金属端子
８  放熱器
Ｄｕｐ  接合面側パターン幅
Ｄｌｏｗ  絶縁板側パターン幅
ｈ  セラミックス板の厚み
【図１】
2004158613.tif 000003
【図２】
2004158613.tif 000004
【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】
2004158613.tif 000009
【図８】
2004158613.tif 000010
【図９】
2004158613.tif 000011
【図１０】
2004158613.tif 000012