(57)【要約】【課題】  半導体装置の放熱性能を向上させるとともに、接合部の熱応力による変形を防止し、製造工程における組立精度を確保してその信頼性を向上させる半導体装置を提供する。【解決手段】  半導体装置１は、回路基板１０の表裏面に半導体チップ２，放熱用ベース３をそれぞれはんだ接合して構成されている。この半導体装置１の放熱用ベース３は、熱伝導に異方性を有し、絶縁基板１１との接合面に沿った方向よりも接合方向である厚み方向に熱伝導率が大きくなるように形成されている。また、熱伝導に異方性のない（又は小さい）回路基板１０の導体パターン１３の厚みをある程度確保して、絶縁基板１１を経由して伝達される熱を放熱用ベース３との接合面の方向に予め拡散して伝導面積を広げることとした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の両面にそれぞれ導体パターンを形成してなる回路基板と、
前記回路基板の一方の面に、前記導体パターンを介して接合された半導体チップと、
前記回路基板の他方の面に、前記導体パターンを介してロー付接合され、前記半導体チップにて発生した熱を、前記導体パターンとは反対側に配置された外部放熱手段に熱伝導させる放熱用ベースと、
を備えた半導体装置であって、
前記放熱用ベースは、
熱伝導性に異方性をもつ材料から構成され、前記回路基板との接合面に沿った方向よりも接合方向である厚み方向に熱伝導率が大きくなるように前記材料を配向して形成され、
前記回路基板との接合面に沿った方向の熱膨張率と、前記絶縁基板の前記接合面に沿った方向の熱膨張率との差が、前記放熱用ベースと前記回路基板との間に発生する熱応力により前記ロー付接合のロー材の破損するのを防止する予め定める所定値以下となるように、その材質が選択されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記放熱用ベースが、炭素系多孔質材料に所定の金属材料を含有させた炭素繊維複合材料あるいは炭素複合材料からなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記放熱用ベースは、前記放熱用ベースの前記回路基板との接合面に沿った方向の熱膨張率と、前記絶縁基板の前記接合面に沿った方向の熱膨張率とがほぼ同じとなるように、前記金属材料の含有量が調整されたことを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記絶縁基板が、窒化アルミニウム又は窒化珪素を含むセラミック材料からなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記絶縁基板と前記放熱用ベースとの間に介装された導体パターンは、前記半導体チップで発生した熱の前記接合面に沿った方向への拡散量を予め定める所定量以上に保持するために、その前記接合方向の厚みが予め定める設定値以上となるように形成されたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記絶縁基板として、アルミナからなるセラミック材料を用いる一方、前記放熱用ベースとの間に介装される導体パターンとして、銅からなるパターンを用い、
前記導体パターンの前記接合方向の厚みｙが、前記絶縁基板の厚みをｘとしたときに、下記の式で表される厚みとなるように形成されたことを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
ｙ≧０．６８８６ｘ+０．２１８
【請求項７】
絶縁基板の両面にそれぞれ導体パターンを形成してなる回路基板と、
前記回路基板の一方の面に、前記導体パターンを介して接合された半導体チップと、
前記回路基板の他方の面に、前記導体パターンを介してロー付接合され、前記半導体チップにて発生した熱を、前記導体パターンとは反対側に配置された外部放熱手段に熱伝導させる放熱用ベースと、
を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記放熱用ベースを、熱伝導性に異方性をもつ材料から構成し、前記回路基板との接合面に沿った方向よりも接合方向である厚み方向に熱伝導率が大きくなるように前記材料を配向して形成するとともに、
前記放熱用ベースとして、前記放熱用ベースの前記回路基板との接合面に沿った方向の熱膨張率と、前記絶縁基板の前記接合面に沿った方向の熱膨張率とが、前記放熱用ベースと前記回路基板との間に発生する熱応力により前記ロー付接合のロー材の破損するのを防止する予め定める所定値以下となる材質のものを使用し、
前記導体パターンが形成された前記回路基板に対し、前記半導体チップと前記放熱用ベースとを、前記導体パターンを介して同時に接合する工程を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記絶縁基板と前記放熱用ベースとの間に介装された導体パターンを、前記半導体チップで発生した熱の前記接合面に沿った方向への拡散量を予め定める所定量以上に保持するために、その前記接合方向の厚みが予め定める設定値以上となるように形成することを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記半導体チップと前記絶縁基板との間に介装された導体パターンの厚さが、前記絶縁基板と前記放熱用ベースとの間に介装された導体パターンの厚さより厚くなるように構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項５に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板の一方の面に半導体チップを、他方の面に半導体チップで発生した熱を放熱させる放熱用ベースを接合した半導体装置及びその製造方法に関し、特に、回路基板と放熱用ベースとが、はんだ等のロー材によりロー付接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】
近年の電子機器等に組み込まれる半導体装置の高性能化に伴い、その半導体装置での発熱量も増加している。このため、かかる半導体装置を保護するため、発生した熱をヒートシンク等の外部の放熱手段にて放熱させる構成が採用されている。図８は、このような従来の半導体装置の概略構成を表す断面図である。
【０００３】
同図に示すように、かかる半導体装置１０１は、例えばセラミック等からなる絶縁基板１１１の両面に銅箔やアルミニウム箔からなる導体パターン（回路パターン）１１２，１１３を形成した回路基板１１０に対し、その一方の面にＩＧＢＴやＦＷＤ（Free-Wheel Diode）などの発熱チップ部品（シリコンチップ：半導体チップ）１０２をはんだ接合し、他方の面に銅板等の金属板からなる放熱用ベース１０３をはんだ接合して構成されている。
【０００４】
ここで、回路基板１１０は、絶縁基板１１１の表裏両面に直接接合法（Direct Bonding）或いは活性金属接合法（Active Metal Bonding）などにより、導体パターン１１２，１１３を接合して構成される。そして、その表面側の導体パターン１１２に半導体チップ１０２をはんだ付けし、裏面側の導体パターン１１３に放熱用ベース１０３をはんだ付けしている。従って、半導体チップ１０２と回路基板１１０との間、及び回路基板１１０と放熱用ベース１０３との間には、それぞれはんだ層１１４，１１５が形成されている。
【０００５】
上述のような従来の半導体装置１０１は、例えば表１に示すように、通常、絶縁基板（正確には回路基板）と放熱用ベースとで熱膨張率の異なる部材をはんだ接合した積層構造を有する。この結果、半導体装置の組立工程やそれを組み込んだ電子機器の組立工程において、異種材料の熱膨張差により、図９に示すように、その組立直後に放熱用ベース１０３に凸状の反りが発生する。
【０００６】
【表１】
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【０００７】
図１１は、放熱用ベースと回路基板との接合に鉛（Ｐｂ）を含有したはんだを用いた場合と、鉛を含有しないはんだを用いた場合のそれぞれにおける放熱用ベースの反り量Δｔ（μｍ）を、はんだ接合直後からの時間（ｈ）の経過とともに測定したものである。同図においては、鉛を含有したはんだとしてスズ（Ｓｎ）をベースとして鉛（Ｐｂ）を６０重量％含むものを使用し、鉛を含有しないはんだとしてスズ（Ｓｎ）をベースとしてアンチモン（Ｓｂ）を５重量％含むものを使用した例を示している。
【０００８】
同図からも分かるように、はんだの素材として鉛を含有したものを選定すれば、はんだ自体がクリープしてその熱応力を緩和するため、その凸形状は時間とともに平坦に戻っていく。
【０００９】
しかし、近年の環境問題に対応すべく、回路基板と放熱用ベースとの間に鉛を含まないスズ（Ｓｎ）を主成分とするリジッドなはんだを用いた場合には、はんだ自体がクリープ変形し難いため、はんだ付け後に上述した反りがそのまま残り、凸状に変形したままとなってしまう。発明者らの実験例によれば、例えば長さ９０ｍｍ〜１１０ｍｍ，幅４３ｍｍ〜６０ｍｍ，厚さ３ｍｍの銅板からなる放熱用ベース１０３を使用した場合、その凸状の反り量（図９のΔｔ）が０．３ｍｍ〜０．７ｍｍ程度と非常に大きくなったことが確認されている。
【００１０】
このような反りが発生すると、はんだ付工程以降に行われる組立工程において、所望の組立精度が得られなくなるといった不具合をきたしてしまう。また、半導体装置１０１は、その放熱用ベース１０３を冷却フィンを有するヒートシンク等の放熱手段に取り付けて使用されるが、放熱用ベースが凸状に反っていると、図１０に示すように半導体装置１０１と放熱手段１２０との間に隙間が生じ、それらの接触面が減少する。その結果、接触熱抵抗の増大を招き、半導体チップ１０２で発生した熱の放散が妨げられ、最終的には、当該半導体チップ１０２がその異常な温度上昇により熱破壊されてしまう。
【００１１】
一方で、例えば車両に用いられる半導体装置では、ヒートサイクル試験における信頼性向上が、従来にも増して要請されている。このヒートサイクル試験における半導体装置の寿命は、基本的に回路基板と放熱用ベースとの間のはんだ層の寿命に律束されている。はんだ接合物（回路基板及び放熱用ベース）の熱膨張率の差がはんだ層に熱応力を加え、当該はんだ層を破壊してしまうためである。従って、このような熱応力を抑制するとともに、その熱伝導効率を向上させることが望まれる。
【００１２】
さらに、車両用の半導体装置には軽量化が必須の課題とされるため、それへの対応が要求される。
こうした中、例えば黒鉛結晶を含む炭素粒子または炭素繊維を含む炭素成形体に、アルミニウム、銅、銀またはこれらの金属の合金を熔湯等により加圧含浸させることより得られた炭素基金属複合材料板状成形体を、回路素子が実装された回路基板にはんだ接合等する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。かかる技術は、放熱用ベースとして、軽量で熱伝導率が高く、面方向の弾性率が小さい機械加工性の良い基板を用いて、熱応力による接合部での破損を防止するものである。
【００１３】
また、放熱性炭素複合板として炭素マトリクス中において、厚さ方向に炭素繊維が配列してなる板状の炭素複合体に液状硬化材料を含浸させることにより、炭素複合体の熱伝導率の向上及び強度の向上を実現する技術も知られている（例えば特許文献２参照）。
【００１４】
さらに、炭素短繊維強化炭素複合材からなり、熱伝導率に異方性を有する放熱板についても知られている（例えば特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００１−５８２５５号公報（段落番号〔００２６〕，図４）
【特許文献２】特開平１１−５４６７７号公報（段落番号〔０００９〕，図１，２）
【特許文献３】特開２００１−３９７７７号公報（段落番号〔０００５〕）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上述したいずれの文献においても、放熱性能を向上させると同時に、接合部の熱応力による変形を防止し、全体として高性能な半導体装置を提供できる技術の詳細については開示されていない。
【００１６】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、半導体装置の放熱性能を向上させるとともに、接合部の熱応力による変形を抑制または防止し、製造工程における組立精度を確保してその性能上の信頼性を向上させ、より好ましくは、軽量化を実現できる半導体装置及びその製造方法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】
【００１７】
上記課題に鑑み、本発明では、絶縁基板の両面にそれぞれ導体パターンを形成してなる回路基板と、前記回路基板の一方の面に、前記導体パターンを介して接合された半導体チップと、前記回路基板の他方の面に、前記導体パターンを介してロー付接合され、前記半導体チップにて発生した熱を、前記導体パターンとは反対側に配置された外部放熱手段に熱伝導させる放熱用ベースと、を備えた半導体装置であって、前記放熱用ベースは、熱伝導性に異方性をもつ材料から構成され、前記回路基板との接合面に沿った方向よりも接合方向である厚み方向に熱伝導率が大きくなるように前記材料を配向して形成され、前記回路基板との接合面に沿った方向の熱膨張率と、前記絶縁基板の前記接合面に沿った方向の熱膨張率との差が、前記放熱用ベースと前記回路基板との間に発生する熱応力により前記ロー付接合のロー材の破損するのを防止する予め定める所定値以下となるように、その材質が選択されたことを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１８】
ここで、絶縁基板とその両面に形成された導体パターンとは回路基板を形成し、ロー付接合には、はんだ等の金属ローが用いられる。尚、半導体チップは、回路基板に対してロー付接合してもよいし、半導体チップそれ自体の一部を溶着等により直接接合するようにしてもよい。
【００１９】
このような半導体装置では、放熱用ベースとして、熱伝導性に異方性をもつ材料から構成されたものを用いる。そして、回路基板との接合面に沿った方向よりも接合方向（厚み方向）に熱伝導率が大きくなるように材料を配向することで、回路基板から伝導された熱を外部放熱手段に効率よく伝導できるように構成されている。
【００２０】
さらに、放熱用ベースの材質として、その放熱用ベースの回路基板との接合面に沿った方向の熱膨張率と、絶縁基板の接合面に沿った方向の熱膨張率との差が所定値以下となるようにし、放熱用ベースと回路基板との間に発生する熱応力によってロー付接合のロー材の破損するのを防止できるものを採用している。
【００２１】
その結果、当該半導体装置によれば、接合部の熱応力による変形を抑制または防止することにより、半導体装置の放熱性能を向上させると同時に、製造工程における組立精度を確保してその性能上の信頼性を向上させることができる。
【００２２】
尚、本発明では、特に懸案となっている放熱用ベースと回路基板との間のロー付接合部の破損を防止するものであるが、これら放熱用ベースと回路基板との間のロー付接合部の変形が防止されることにより、結果的に、半導体チップと回路基板との接合部の破損も防止されることにつながる。
【００２３】
また、上記構成においては、特に、回路基板からの伝導熱を放熱用ベースに伝導する際に接合面に沿った方向に拡散しておくと、その後、放熱用ベースから放熱手段に熱伝導される際の伝導面積が大きくなり、放熱効率を向上させる上で好ましい。
【００２４】
そこで、絶縁基板と放熱用ベースとの間に介装された導体パターンを、接合方向の厚みが予め定める設定値以上となるように形成し、回路基板から伝達された熱の接合面に沿った方向への拡散量を予め定める所定量以上に保持するようにするとよい。
【００２５】
かかる構成によれば、半導体チップでの発生熱を放熱用ベースに至る前にその接合面に沿って拡散でき、放熱用ベースでの放熱面を広げることができる。そして、その状態で放熱用ベースの上記異方性を利用することで、放熱用ベースから放熱手段への迅速な熱伝導を実現することができる。その結果、半導体チップで発生した熱の放熱効率を一層高めることができる。
【００２６】
尚、半導体チップと絶縁基板との間に介装された導体パターンの厚さが、絶縁基板と放熱用ベースとの間に介装された導体パターンの厚さより厚くなるように構成してもよい。このように構成しても、後述するように半導体チップの放熱に有利である。
【００２７】
また、本発明では、絶縁基板の両面にそれぞれ導体パターンを形成してなる回路基板と、前記回路基板の一方の面に、前記導体パターンを介して接合された半導体チップと、前記回路基板の他方の面に、前記導体パターンを介してロー付接合され、前記半導体チップにて発生した熱を、前記導体パターンとは反対側に配置された外部放熱手段に熱伝導させる放熱用ベースと、を備えた半導体装置の製造方法であって、前記放熱用ベースを、熱伝導性に異方性をもつ材料から構成し、前記回路基板との接合面に沿った方向よりも接合方向である厚み方向に熱伝導率が大きくなるように前記材料を配向して形成するとともに、前記放熱用ベースとして、前記放熱用ベースの前記回路基板との接合面に沿った方向の熱膨張率と、前記絶縁基板の前記接合面に沿った方向の熱膨張率とが、前記放熱用ベースと前記回路基板との間に発生する熱応力により前記ロー付接合のロー材の破損するのを防止する予め定める所定値以下となる材質のものを使用し、前記導体パターンが形成された前記回路基板に対し、前記半導体チップと前記放熱用ベースとを、前記導体パターンを介して同時に接合する工程を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００２８】
このような半導体装置の製造方法では、導体パターンが形成された回路基板に対し、半導体チップと放熱用ベースとを導体パターンを介して同時にロー付接合することができる。すなわち、従来は、上述した熱応力に起因した変形による接合部の破損を考慮して、半導体チップを回路基板に対して接合した後に、その接合体に対して放熱用ベースを接合する態様をとっていたが、上述のように半導体装置をその変形を防止できる構成とすることで、これら半導体チップと放熱ベースを回路基板に同時に接合することができるのである。
【００２９】
すなわち、かかる製造方法は、上記半導体装置の構成に特化した製造方法ということができ、半導体装置の製造効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の半導体装置では、放熱用ベースを熱伝導性に異方性をもつ材料から構成し、その回路基板との接合方向に熱伝導率が大きくなるようにするとともに、放熱用ベースの回路基板との接合面に沿った方向の熱膨張率と、絶縁基板のその接合面に沿った方向の熱膨張率との差が小さくなるようにしている。
【００３１】
その結果、半導体装置の放熱性能を向上させると同時に、接合部の熱応力による変形を抑制または防止し、製造工程における組立精度を確保してその性能上の信頼性を向上させることができる。
【００３２】
また、特に、絶縁基板と放熱用ベースとの間に介装された導体パターンの厚みを予め定める設定値以上となるように形成することで、絶縁基板から伝達される熱を放熱用ベースに至る前に拡散し、放熱用ベースでの放熱面を広げることができ、その結果、半導体チップで発生した熱の放熱効率を一層高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明による半導体装置の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は当該半導体装置の概略構成を表す断面図である。
同図に示すように、本実施形態の半導体装置１は、回路基板１０の表裏面に半導体チップ２，放熱用ベース３をそれぞれはんだ接合して構成されている。この半導体装置１は、電子機器に組み付けられる際に、その放熱用ベース３が図示しない冷却フィンを有するヒートシンク（外部放熱手段）に取り付けられる。電子機器の運用時には、半導体チップ２にて発生した熱が、熱伝導により回路基板１０及び放熱用ベース３を介してヒートシンクに伝導され、該ヒートシンクにより放熱される。
【００３４】
具体的には、回路基板１０は、酸化アルミニウム（アルミナ）からなるセラミック絶縁基板１１の表裏面に、導体層である銅製の導体パターン１２，１３を上記直接接合法或いは活性金属接合法等により形成して構成されている。本実施形態においては、絶縁基板１１は、長さ６２ｍｍ，幅３７ｍｍ，厚さ０．２５ｍｍに形成され、各導体パターン１２，１３は、その厚みが０．２５ｍｍに形成されている。
【００３５】
そして、回路基板１０の一方の面に形成された導体パターン１２に対して、Ｓｎ−Ａｇ系のはんだ１４を介して半導体チップ２がはんだ接合され、他方の面に形成された導体パターン１３に対して、Ｓｎ−Ｓｂ系のはんだ１５を介して放熱用ベース３がはんだ接合されている。半導体チップ２は、ＩＧＢＴやＦＷＤなどのシリコンチップからなり、放熱用ベース３は、例えば特開平６−１２８０６３号公報にも記載されたようなカーボン（炭素系多孔質材料）にアルミニウムや銅等の金属材料を含浸させた炭素繊維複合材料や炭素複合材料（以下「Ｃ／Ｃ材料」という）からなる。
【００３６】
このＣ／Ｃ材料は、金属の含浸割合（配合比）によってその熱膨張率を調整することができるものである。すなわち、金属の割合を多くすれば、その熱膨張率は金属の熱膨張率に近づくように大きくなり、カーボンの割合を多くすれば、その熱膨張率はカーボンの熱膨張率に近づくように小さくなる。
【００３７】
また、本実施形態では、半導体チップ２から回路基板１０を介して伝導された熱をヒートシンクに効率よく伝えるために、放熱用ベース３に熱伝導性に異方性のあるＣ／Ｃ材料を使用しており、絶縁基板１１との接合面に沿った方向よりも接合方向である厚み方向に熱伝導率が大きくなるように材料を配向して形成されている。本実施形態においては、放熱用ベース３は、長さ９０ｍｍ，幅４３ｍｍ，厚さ３ｍｍに形成され、回路基板１０との接合方向の熱伝導率が３２０Ｗ／ｍ・Ｋ，接合面に沿った方向（接合方向と直交する方向）の熱伝導率が１７２Ｗ／ｍ・Ｋになるように構成されている。尚、本実施形態の放熱用ベース３には、５μｍのニッケルメッキ（Ｎｉ−Ｐメッキ）が施されている。
【００３８】
そして、さらに回路基板１０とのはんだ接合直後に発生する放熱用ベース３の反りが極力小さくなるように、当該放熱用ベース３の絶縁基板１１との接合面に沿った方向の熱膨張率と、回路基板１０（正確には絶縁基板１１）の当該接合面に沿った方向の熱膨張率との差が、放熱用ベース３と回路基板１０との間に発生する熱応力によりはんだ層１５が破損するのを防止できる予め定める所定値以下となるように、その材質が選択されている。つまり、放熱用ベース３における金属材料の含有量を調整することで、放熱用ベース３の熱膨張率をそのように調整している。
【００３９】
尚、ここでいう「所定値」は、ゼロに近づくほど望ましいが、実用上選択可能な範囲や設計上の安全率を考慮するなど、実験などを通じて経験的に適宜設定することができる。本実施形態では、上述のように絶縁基板１１としてアルミナを用いており、その熱膨張率が約７．８ｐｐｍ／Ｋとなっている。このため、Ｃ／Ｃ材料からなる放熱用ベース３には、その絶縁基板１１との接合方向に約４ｐｐｍ／Ｋ、その接合面に沿った方向に約７ｐｐｍ／Ｋの熱膨張率を有するものを用いている。
【００４０】
さらに、本実施形態では、回路基板１０を経由した伝導熱を、放熱用ベース３との接合面に沿った方向に拡散した上で放熱用ベース３に伝達するため、少なくとも絶縁基板１１と放熱用ベース３との間に介装された導体パターン１３を、その厚みが予め定める設定値以上となるように形成している。
【００４１】
すなわち、本実施形態の放熱用ベース３は、上述のように熱伝導に異方性を有し、絶縁基板１１との接合面に沿った方向よりも接合方向である厚み方向に熱伝導率が大きくなるように形成されている。このため、導体パターン１３の厚みが薄いと、半導体チップ２での発生熱は、回路基板１０を経由してほぼそのままの伝導面積（ここでは、熱が伝わる面積をいう）で放熱用ベース３に伝導され、ヒートシンクに伝わることになる。
【００４２】
そこで、熱伝導に異方性のない（又は小さい）導体パターン１３の厚みをある程度確保して、絶縁基板１１を経由して伝達される熱を放熱用ベース３との接合面の方向に予め拡散して伝導面積を広げることとした。それにより、放熱用ベース３側で熱を受け取る面積が大きくなり、さらに、その状態で放熱用ベース３の熱伝導の異方性（接合方向に大きい）を利用することで、放熱用ベース３からヒートシンクへの迅速な熱伝導を実現している。
【００４３】
そして、以上のようにして、半導体装置１の放熱性能を向上させると同時に、熱膨張率の相違による接合部の熱応力に起因した変形を抑制または防止する構成とすることで、当該半導体装置１の製造を効率的に行うことができる。
【００４４】
すなわち、本実施形態の半導体装置１は、放熱用ベース３の回路基板１０へのはんだ接合時の変形を抑制または防止できるため、導体パターン１２，１３が形成された絶縁基板１１に対し、半導体チップ２と放熱用ベース３とを各導体パターンを介して同時に接合しても、その接合部が熱応力によって破損するといった問題が発生しない。
【００４５】
このため、本実施形態の半導体装置１の製造工程においては、絶縁基板１１の両面に導体パターン１２，１３を形成した後、これらの導体パターンが形成された絶縁基板１１に対し、半導体チップ２と放熱用ベース３とを各導体パターンを介して同時に接合する。
【実施例】
【００４６】
本発明の効果を確認すべく、発明者らは、放熱用ベースの反り量，半導体チップの上昇温度，はんだ接合部の疲労寿命等について、従来構成との比較を行うヒートサイクル試験を行った。以下、表２〜表４及び図２〜図７は各試験の結果を示している。
【００４７】
まず、表２は、放熱用ベース及びはんだの種類により、はんだ接合後の放熱用ベースの反り量がどう変わるかを表すものである。本試験は、放熱用ベースに上述したＣ／Ｃ材料を適用した実施例と、放熱用ベースに従来の銅板を使用した比較例について、放熱用ベースと回路基板との接合に鉛（Ｐｂ）を含有したはんだを用いた場合と、鉛を含有しないはんだを用いた場合のそれぞれにおける放熱用ベースの反り量を測定したものである。
【００４８】
尚、本試験においては、放熱用ベースとして、長さ９０ｍｍ，幅４３ｍｍ，厚さ３ｍｍ（以下「９０ｍｍ×４３ｍｍ×３ｍｍ」のように表記する）のものを使用し、絶縁基板１１として６２ｍｍ×３７ｍｍ×０．２５ｍｍのものを使用し、はんだ付け温度３００℃で６分の試験条件で行った。
【００４９】
【表２】
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【００５０】
同表によれば、鉛を含有したはんだを使用した場合には、比較例における反り量が９０μｍであるのに対し、実施例における反り量はゼロであった（尚、同表においては、図４に示したような上に凸の反り量Δｔをマイナスの値で表した）。また、鉛を含有しないはんだを使用した場合には、比較例における反り量が３５０μｍであるのに対し、実施例における反り量はゼロであった。
【００５１】
すなわち、実施例及び比較例において、鉛を含有したはんだを使用した場合に反り量が減少するのは、上記従来技術の欄で述べたクリープ現象によるものであるが、実施例においては、鉛を含有しないはんだを使用した場合においても反り量がゼロという結果が得られている。これは、実施例においては、Ｃ／Ｃ材料を使用することにより、放熱用ベースの回路基板との接合方向の熱膨張率が近づいたため、熱応力による放熱用ベースの変形が防止されたものと考えられる。従って、本実施例によれば、鉛を含有しないはんだを積極的に用いて半導体装置を製造することができ、環境問題に対応した鉛を含まない鉛フリー構造の半導体装置を提供することができる。
【００５２】
次に、表３は、絶縁基板の種類による放熱効果の違いを表している。本試験は、放熱用ベースにＣ／Ｃ材料を適用した実施例と、放熱用ベースに従来の銅板を使用した比較例について、絶縁基板の材料としてアルミナを用いた場合と、窒化アルミニウムを用いた場合のそれぞれにおける半導体チップの上昇温度を測定したものである。
【００５３】
尚、本試験においては、放熱用ベースには、実施例及び比較例ともに上記と同様のものを使用し、半導体チップとして９．８ｍｍ×９．８ｍｍ×０．１５ｍｍのものを使用した。また、絶縁基板がアルミナからなる場合には当該アルミナの厚みを０．２５ｍｍとし、絶縁基板が窒化アルミニウムからなる場合には当該窒化アルミニウムの厚みを０．６３５ｍｍとした。また、各絶縁基板の両面には銅製の導体パターンをそれぞれ形成し、その厚みをともに０．２５ｍｍとした。そして、半導体チップに１６０Ｗの電力を印加しつづけ、５分後の温度を測定した。
【００５４】
【表３】
2004356625.tif 000005
【００５５】
同表によれば、絶縁基板の材料として窒化アルミニウムを用いることで、放熱用ベースの材料としてＣ／Ｃ材料を用いても、従来構成と同等以上に半導体チップの温度上昇を抑制することができることが分かった。すなわち、銅よりも熱伝導率が低いＣ／Ｃ材料を用いても、同様の放熱効果が得られることが分かった。尚、同表には示さなかったが、絶縁基板の材料として、窒化アルミニウムに代えて窒化珪素を用いても同様の効果が得られることが分かっている。
【００５６】
次に、図２〜図７は、絶縁基板の表裏面に形成された導体パターンの厚さによる放熱効果の違いを表している。本試験は、放熱用ベースにＣ／Ｃ材料を適用した実施例において、絶縁基板の材料としてアルミナ，窒化アルミニウム，窒化珪素を用いた場合における半導体チップの上昇温度を測定したものである。
【００５７】
各図において、実施例の試験結果は実線にて示されている。また、比較対照する基準として、放熱用ベースに従来の銅板を使用した比較例（現行構造）について図中点線で示している。尚、比較例は、絶縁基板としてアルミナからなるセラミック，表裏の導体パターンとして熱伝導に異方性のない銅を採用し、各厚みを０．２５ｍｍとしたものである。この比較例については、半導体チップの上昇温度は１２５℃となっている。
【００５８】
まず、図２〜図４は、絶縁基板の材料として比較例と同じアルミナを使用し、その厚みをそれぞれ０．２５ｍｍ，０．３２ｍｍ，０．６３５ｍｍとしたものである。尚、放熱用ベース及び半導体チップには上記と同様のものを使用した。
【００５９】
各図に示されるように、本試験では、導体パターンの厚みが０．２５ｍｍ，０．３５ｍｍ，０．４０ｍｍ，０．５０ｍｍ，０．６０ｍｍの５種類のものを用意し、各々の回路基板を備えた半導体装置において半導体チップに１６０Ｗの電力を印加しつづけ、５分後の温度を測定した。
【００６０】
これらの図によれば、導体パターンの厚みが大きくなるほど半導体チップの上昇温度が下がり、放熱効果が高まることが分かる。また、絶縁基板（アルミナ）の厚みが大きくなるほどチップ温度が上昇することが分かる。
【００６１】
これら図２〜図４のデータに基づいて、比較例（現行構造）と同等以下のチップ温度を実現するための、絶縁基板（アルミナ）の厚みｘと導体パターン（銅）の厚みｙとの関係を表すと図５のようになり、数式で表すと下記式（１）のようになる。
【００６２】
ｙ≧０．６８８６ｘ+０．２１８  ・・・（１）
従って、上記厚みｙの範囲で導体パターンを形成すれば、従来以上の放熱効果が得られることが分かる。
【００６３】
これは、導体パターンの厚みを上記範囲にすることで、半導体チップ直下及び絶縁基板直下の発熱を横方向（接合面に沿った方向）へ拡散させ、半導体チップの温度上昇を抑制していることによるものである。このように、導体パターンの厚みをある程度大きくとることで、熱伝導性に異方性をもったＣ／Ｃ材料を用いても、従来構造と同等以上に半導体チップの上昇温度を抑制することができる。つまり、絶縁基板の熱伝導率によることなく、Ｃ／Ｃ材料の熱伝導率の異方性によるデメリットを補うことができるのである。
【００６４】
次に、図６，図７は、絶縁基板の材料として、それぞれ窒化アルミニウム，窒化珪素を使用し、その厚みを０．６３５ｍｍとしたものである。尚、放熱用ベース及び半導体チップには上記と同様のものを使用した。
【００６５】
各図に示されるように、本試験においても、導体パターンの厚みが０．２５ｍｍ，０．３５ｍｍ，０．４０ｍｍ，０．５０ｍｍ，０．６０ｍｍの５種類のものを用意し、各々の回路基板を備えた半導体装置において半導体チップに１６０Ｗの電力を印加しつづけて５分後の温度を測定した。尚、比較例については上記と同様である。
【００６６】
これらの図によれば、導体パターンの厚みが大きくなるほど半導体チップの上昇温度が下がり、放熱効果が高まることが分かる。また、いずれの厚みにおいても、比較例より半導体チップの上昇温度が低くなっている。
【００６７】
以上より、絶縁基板の材料として窒化アルミニウム又は窒化珪素を使用した場合には、厚みによらず従来構造よりも優れた放熱効果が得られることが分かった。
ただし、一般に、アルミナを使用した絶縁基板は、窒化アルミニウム又は窒化珪素を使用した絶縁基板よりも安価であるため、アルミナを上述した範囲の厚みで使用した絶縁基板を採用する意義は大きいといえる。
【００６８】
次に、表４は、放熱用ベースと絶縁基板との間のはんだ接合部の寿命が、放熱用ベースの種類によりどのように変わるかを表している。本試験は、放熱用ベースにＣ／Ｃ材料を適用した実施例と、放熱用ベースに従来の銅板を使用した比較例について、そのはんだ接合部に発生した歪みと、はんだ接合部の寿命を測定したものである。
【００６９】
尚、本試験においては、放熱用ベース及び半導体チップには、実施例及び比較例ともに上記と同様のものを使用し、回路基板については、絶縁基板を構成するアルミナの厚みを０．２５ｍｍとし、その絶縁基板の両面に形成した銅製の導体パターンの厚みを０．２５ｍｍとした。そして、半導体装置を−４０℃の容器に１時間，室温（２５℃）の容器に３０分，１２５℃の容器に１時間の条件でヒートサイクル試験を繰り返し、はんだ接合部が破損するまでの寿命（サイクル）を測定した。また、半導体装置を１２５℃の容器に入れて保持した後、容器から取り出して常温としたときのはんだ接合部にて発生した歪み量を測定した。
【００７０】
【表４】
2004356625.tif 000006
【００７１】
同表によれば、発生歪みについては、比較例が１．２８％であったのに対し、実施例では０．７３％であり、Ｃ／Ｃ材料を採用することで、歪みの発生かかなり抑制されている。また、はんだ接合部の寿命については、比較例が約２０００サイクル（実測）であったのに対し、実施例では約１５０００サイクル（歪量−寿命曲線に基づいて算出）であり、Ｃ／Ｃ材料を採用することで、はんだ接合部の寿命が大きく延びていることが分かる。
【００７２】
このように、絶縁基板の熱膨張率に近い放熱用ベースを採用することで、はんだ接合部の寿命を延ばし、その信頼性を向上させることができる。これは、はんだ接合部の疲労劣化が、被接合材である回路基板（絶縁基板）と放熱用ベースの熱膨張率の差によって生じるせん断歪みがはんだ接合部に作用することによって進行するため、この熱膨張率の差を小さくすることで、疲労劣化が抑えられたものと考えられる。
【００７３】
また、絶縁基板の材料として、窒化アルミニウムや窒化珪素よりも安価なアルミナを用いても良好な効果が得られるため、半導体装置を低コストで提供することが可能となる。
さらに、放熱用ベースとしてＣ／Ｃ材料を用いたため、従来の銅板を用いた場合よりも放熱用ベースを軽量化することができ（上記実施形態では従来の１／４）、その結果、半導体装置全体の軽量化を図ることができる。
【００７４】
以上、本発明の一実施形態及び対応する実施例について説明したが、本発明の実施の形態は、上記において説明した態様に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
【００７５】
例えば、上記実施形態では、回路基板，導体パターン，半導体チップ，及び放熱用ベースの材質や寸法の一例を示したが、本発明の作用効果を奏するその他の材質や寸法を選択することも可能である。例えば、上記実施形態では、放熱用ベースの材質としてＣ／Ｃ材料を例に挙げたが、熱伝導性及び熱膨張率に異方性のある材料として、Ｃｕ−３６Ｎｉ・Ｆｅ−Ｃｕの多層からなるクラッド材を採用することも可能である。或いは、低熱膨張率を有する材料として、Ｃｕ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ，Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏ，Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕ，Ｃｕ−Ｃｕ・Ｍｏ−Ｃｕ等の材料を選択することも可能である。
【００７６】
また、上記実施形態では、絶縁基板に対して半導体チップ及び放熱用ベースをはんだを用いて接合した例を示したが、はんだ以外の金属ロー等を用いてロー付接合してもよい。
また、上記実施形態では、絶縁基板の両面に対して同じ厚さの導体パターンを形成した例を示したが、回路基板の半導体チップが接合される導体パターン１２の厚さを、絶縁基板と放熱ベースとの間の導体パターン１３の厚さより厚くしてもよい。
【００７７】
図１２は、絶縁基板の材料としてアルミナを使用し、その厚みを０．３２ｍｍとし、導体パターン１３の厚さを０．３０ｍｍで一定とし、導体パターン１２の厚さを０．３０ｍｍ，０．４０ｍｍ，０．５０ｍｍ，０．６０ｍｍと変化させたものである。各々の回路基板を備えた半導体装置において半導体チップに１６０Ｗの電力を印加しつづけ、５分後の温度を測定した。このように、導体パターン１２の厚さを導体パターン１３の厚さより厚く構成しても、半導体チップ２の放熱に有利である。
【００７８】
さらに、上記実施形態では、絶縁基板として、アルミナ等のセラミック基板を採用した例を示したが、所謂プリント基板を構成するような樹脂製の基板であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施形態にかかる半導体装置の概略構成を表す断面図である。
【図２】回路基板の表裏面に形成された導体パターンの厚さによる放熱効果の違いを表す説明図である。
【図３】導体パターンの厚さによる放熱効果の違いを表す説明図である。
【図４】導体パターンの厚さによる放熱効果の違いを表す説明図である。
【図５】導体パターンの厚さによる放熱効果の違いを表す説明図である。
【図６】導体パターンの厚さによる放熱効果の違いを表す説明図である。
【図７】導体パターンの厚さによる放熱効果の違いを表す説明図である。
【図８】従来の半導体装置の概略構成を表す断面図である。
【図９】従来の半導体装置の問題点を表す説明図である。
【図１０】従来の半導体装置の問題点を表す説明図である。
【図１１】従来の半導体装置の問題点を表す説明図である。
【図１２】導体パターンの厚さによる放熱効果の違いを表す説明図である。
【符号の説明】
【００８０】
１  半導体装置
２  半導体チップ
３  放熱用ベース
１０  回路基板
１１  絶縁基板
１２  導体パターン
１３  導体パターン
１４  はんだ層
１５  はんだ層
【図１】
2004356625.tif 000007
【図２】
2004356625.tif 000008
【図３】
2004356625.tif 000009
【図４】
2004356625.tif 000010
【図５】
2004356625.tif 000011
【図６】
2004356625.tif 000012
【図７】
2004356625.tif 000013
【図８】
2004356625.tif 000014
【図９】
2004356625.tif 000015
【図１０】
2004356625.tif 000016
【図１１】
2004356625.tif 000017
【図１２】
2004356625.tif 000018