(57)【要約】【課題】ベースと半導体素子を搭載した基板との間での熱膨張係数の差に起因して接続材の亀裂の発生を起こさせるようなことのない半導体装置を得る。【解決手段】ベース３と、このベース３に接続材９を介して接続されたセラミック基板２と、このセラミック基板２に搭載された半導体素子１と、セラミック基板２および半導体素子１を覆ったシリコーン樹脂からなるゲル１０とを備え、接続材９は、半導体素子１の作動時は液相であり、半導体素子１の非作動時は固相である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、このベースに接続材を介して接続された基板と、この基板に搭載された半導体素子とを備えた半導体装置において、
前記接続材は、前記半導体素子の作動時は液相である液体金属である半導体装置。
【請求項２】
前記接続材は、前記半導体素子の非作動時には凝固する液体金属である請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記液体金属は、周囲が樹脂で覆われ、この樹脂により液相の前記液体金属の流出が防止される請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記樹脂は、ゼリー状のゲルである請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記液体金属は、ガリウムまたはその合金である請求項２ないし請求項４の何れかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記液体金属と接触する、前記ベースおよび前記基板の両面の金属被膜には、前記液体金属との間で溶解反応が生じるのを防止する処理膜が形成されている請求項１ないし請求項５の何れかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記処理膜は、酸化膜、窒化膜、炭化膜および有機膜の何れかの一つである請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記基板、前記半導体素子は、密封された容器に内蔵されている請求項１ないし請求項７の何れかに記載の半導体装置。
【請求項９】
前記容器には、内部の圧力変動に応じて内体積を変動させ、内部の圧力を一定にする体積変動機構が設けられている請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記容器内には、大気圧以上の気体が封入され、前記基板と前記ベースとの間に挟まれた前記接続材は加圧されるようになっている請求項８または請求項９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】
この発明は、ベースと、このベースに接続材を介して接続された基板と、この基板に搭載された半導体素子とを備えた半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体チップと基材とが接合金属であるはんだ合金により接合された半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２６４６８１号公報（図１１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体装置では、半導体チップと接合金属のはんだ合金、あるいはこのはんだ合金と基材のアルミナとの熱膨張係数が大きく異なるため、半導体装置を動作中にこれ自身から発生する熱や半導体装置が設置される環境の温度変化等によって、半導体チップと基材との接合部に熱応力が生じ、これによって接合部のはんだ合金に亀裂が発生し、半導体チップから基材への熱の流路が狭められるため、十分な放熱が得られないとともに、亀裂が伝播し、最終的には半導体装置が破壊するに至るという問題点があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、ベースと半導体素子を搭載した基板との間での熱膨張係数の差に起因して接続材の亀裂の発生を起こさせるようなことのない半導体装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体装置は、ベースと、このベースに接続材を介して接続された基板と、この基板に搭載された半導体素子とを備え、前記接続材は、前記半導体素子の作動時は液相である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による半導体装置を示す側断面図である。
この半導体装置は、銅合金からなるベース３と、このベース３に接続材９を介して接続されたセラミック基板２と、このセラミック基板２に搭載されたＳｉからなる半導体素子１と、ベース３とともに容器を構成するエポキシ樹脂製のケース４と、絶縁材で例えば安価なシリコーン樹脂からなるゼリー状のゲル１０とを備えている。
セラミック基板２は、上面と下面に例えば銅からなる導電膜２ａが形成され、芯材が例えば窒化アルミニウムで構成されている。接続材９は、半導体素子１の作動による発熱で溶融するとともに、半導体素子１の非作動時には凝固する液体金属であり、具体的には融点が２８℃のガリウム金属で構成されている。この接続材９は、固相のときには、導電膜２ａおよびベース３の両面に接触しているとともに、ケース４の下側内側面で内側に突出した突起部４ａで平面方向の移動が規制されている。
【０００８】
この発明の半導体装置では、半導体素子１が作動して発熱すると、その熱がセラミック基板２を通じて接続材９やベース３に伝達されて半導体装置全体の温度が上昇し、接続材９は融点に達し、溶融する。従って、セラミック基板２とベース３との熱膨張係数が大きく異なっていても、接続材９に熱応力が生じることがない。これによって、接続材９に亀裂が生じることなく、放熱性に支障を生じるようなことはない。また、接続材９は、この溶融したときでも、セラミック基板２は、ゲル１０によって覆われ、位置決めされているので、半導体素子１が変動するようなこともないし、外部に流出することもなく、半導体素子１の短絡等は発生しない。
【０００９】
なお、この実施の形態では、液体金属としてガリウム金属を用いたが、勿論このものに限定されるものではなく、融点が１００℃以下の金属であればよく、例えばガリウム合金、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ、Ｒｂ等でもよい。但し、水分が存在した場合の爆発性や毒性を考慮するとガリウムが最も推奨される。
半導体素子１の耐熱上限温度は通常約１２０℃であるが、１００℃以上で溶融する金属を用いた場合、金属が溶融する前に、熱温度分布によっては半導体素子１が熱破損してしまうことがあり、そのため金属の融点は１００℃以下である必要性がある。
また、セラミック基板２は窒化アルミニウムに限るものではなく、アルミナ、窒化珪素などを芯材とする基板であってもよい。また、ベース３も銅に限るものではなく、アルミニウムなどの金属でもよく、あるいは炭化珪素等のセラミックスとの複合材料でも同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００１０】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２による半導体装置を示す側断面図であり、この実施の形態では、接続材９と接触する、ベース３の表面およびセラミック基板２の導電膜２ａの表面には、接続材９との間での溶解反応で銅が接続材９に溶けるのを防止する処理膜である酸化膜１１が形成されている。この酸化膜１１は、１５０℃以下の温度において金属と化学反応を生じない処理であり、十分な厚さを得るために予め高温に曝すことで簡単に形成される。その他の構成は実施の形態１と同様である。なお、１５０℃は、半導体素子１の作動時において部分的にも接続材９が達すると想定される上限値である。
【００１１】
この実施の形態の半導体装置では、半導体素子１が作動して発熱した時に接続材９が溶融するので、セラミック基板２とベース３との熱膨張係数差による熱応力が接続材９に発生しない点では実施の形態１と同様である。
また、セラミック基板２の下面の導電膜２ａとベース３の表面に酸化膜１１が存在するため、接続材９のガリウムと、セラミック基板２の導電膜２ａの銅、ベース３の銅とが直接接触することがなく、溶解反応が生じず、接続材９の融点が上昇するようなことはない。さらに、酸化膜１１があるため、セラミック基板２の導電膜２ａおよびベース３の浸食も防止される。
【００１２】
なお、上記実施の形態では、処理膜として酸化膜１１を形成した場合について説明したが、１５０℃以下の温度において金属と化学反応を生じない処理であれば、これに限るものではなく、例えば窒化膜、炭化膜、有機膜などでも同様の効果が得られる。また、酸化膜や窒化膜は、下層金属の酸化物や窒化物に限るものではなく、別の金属の酸化物や窒化物をコーティングしても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００１３】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３による半導体装置を示す側断面図である。
この実施の形態では、ケース４の上に例えばエポキシ樹脂からなる蓋１２が被せられており、この蓋１２、ベース３およびケース４により、ゲル１０が充填された密閉容器を構成している。他の構成は、実施の形態２と同様である。
この実施の形態の半導体装置によれば、セラミック基板２、半導体素子１は、密封容器に内蔵されているので、半導体素子１が作動して発熱した時に接続材９が溶融したり、半導体素子１が作動を終了して温度が低下し、接続材９が凝固した時に、相変化による体積変化を生じるものの、その体積の増減は密閉容器の変形で吸収され、ゲル１０が外部に流出したりすることがない。また、接続材９の体積変化は、ゲル１０によって均一な内圧変化にするため、ケース４や蓋１２の一部が隆起したり陥没したりすることもない。
【００１４】
なお、蓋１２はエポキシ樹脂で構成されているが、接続材９の相変化による体積変化に対応できる強度のある蓋であれば他の樹脂でもよく、また樹脂以外の金属やセラミックであってもよい。
【００１５】
実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４による半導体装置を示す側断面図である。
この実施の形態では、容器に内部の圧力変動に応じて内体積を変動させ、内部の圧力を一定に保持する体積変動機構である圧力調整弁１３が設けられている。この圧力調整弁１３は、シリンダ１３ａとピストン１３ｂとから構成されている。他の構成は、実施の形態３と同様である。
この実施の形態の半導体装置によれば、半導体素子１が作動して発熱した時に接続材９が溶融したり、半導体素子１が作動を終了して温度が低下して接続材９が凝固した時に、相変化による体積変化を生じ、半導体装置内の圧力が変化しようとしても圧力調整弁１３のピストン１３ｂがシリンダ１３ａ内を移動し、ゲル１０を流動させるため、内圧を一定に保持することができ、セラミック基板２、ベース３と、接続材９との密着性を確保でき、放熱性を安定化させることができる。
【００１６】
なお、体積変動機構として圧力調整弁について説明したが、内部圧力を調整できる機構であれば他の構造でもよく、例えば、蓋が伸縮性を有しており、蓋１２全体が変形する構造であっても同様の効果が得られる。
【００１７】
実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５による半導体装置を示す側断面図である。
この実施の形態では、密閉容器の内部の上部に大気圧以上の圧力の気体で、例えば２気圧の空気１４が封入されている。その他の構成は、実施の形態３と同様である。
この実施の形態の半導体装置によれば、半導体素子１の作動により発熱して接続材９が溶融し、半導体素子１の作動終了により温度が低下して接続材９が凝固した時に、接続材９は相変化により体積変化が生じるものの、密封された空気１４がその体積変化を吸収し、かつゲル１０を加圧し続けるため、セラミック基板２とベース３との間に挟まれた接続材９は加圧され、セラミック基板２、ベース３と、接続材９との密着性が確保され、優れた放熱性が確保される。
【００１８】
なお、密閉容器内は、大気圧以上の気体が封入されていればよく、空気１４以外の窒素やアルゴン等の不活性ガスでも同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００１９】
なお、上記の各実施の形態では、液体金属としてガリウム金属を用いた場合について説明したが、融点が１００℃以下の金属であればよいのであって、半導体素子の非作動時でも液相である金属で、例えば水銀であっても、この発明は適用できる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の半導体装置によれば、ベースと、このベースに接続材を介して接続された基板と、この基板に搭載された半導体素子とを備え、前記接続材は、前記半導体素子の作動時は液相である液体金属であるので、前記ベースと前記基板との間での熱膨張係数に起因して前記接続材に亀裂が生じるようなことがなく、半導体素子の放熱性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による半導体装置の側断面図である。
【図２】この発明の実施の形態２による半導体装置の側断面図である。
【図３】この発明の実施の形態３による半導体装置の側断面図である。
【図４】この発明の実施の形態４による半導体装置の側断面図である。
【図５】この発明の実施の形態５による半導体装置の側断面図である。
【符号の説明】
１  半導体素子、２  セラミック基板、３  ベース、４  ケース、９  接続材、１０  ゲル、１１  酸化膜（処理膜）、１２  蓋、１３  圧力調整弁、１４  空気。
【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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