(57)【要約】【課題】クラックが発生・進展しにくい電力用半導体装置を提供する。【解決手段】電力用半導体素子１６が表面４２側に実装された絶縁基板１０と、絶縁基板１０の裏面４４側に配置された放熱板２０とが、接合部材５０を介して接合された電力用半導体装置１であって、絶縁基板１０及び放熱板２０の間隙を規制する間隙規制部３０が、接合部材５０の外側領域２２に設けられている。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体素子が表面側に実装された絶縁基板と、絶縁基板の裏面側に配置された放熱板とが、接合部材を介して接合された電力用半導体装置であって、
絶縁基板及び放熱板の間隙を規制する間隙規制部が、接合部材の外側領域に設けられていることを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
接合パターン及び間隙規制部は、絶縁基板の裏面上に形成されるとともに、上記接合パターンと同じ材料で構成されていることを特徴とする、請求項１記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
上記間隙規制部は、上記接合パターンより厚み方向に突出し、該間隙規制部の高さが、上記絶縁基板の表面上に形成された回路電極パターンの高さと上記接合パターンの高さとの合計した値より小さいことを特徴とする、請求項２記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
上記間隙規制部が上記放熱板の表面上に設けられていることを特徴とする、請求項１記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
上記間隙規制部の先端が尖っていないことを特徴とする、請求項１記載の電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力用半導体装置に関し、詳細には、発熱する電力用半導体素子の実装された絶縁基板が、接合部材を介して放熱板に接合されている電力用半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力用半導体素子１１６は多量の熱を発生する素子であり、その熱を逃がすために、図１に示すように、電力用半導体素子１１６の実装された絶縁基板１１０は、ハンダ接合部材１５０を介して放熱板１２０に接合されている。絶縁基板１１０においては、電力用半導体素子１１６の接続される回路電極パターン１１２が表面に、ハンダ接合材１５０を介して放熱板１２０に接合される接合パターン１１４が裏面に、それぞれ形成されている。
【０００３】
そして、絶縁基板１１０と放熱板１２０との間隔、すなわちハンダ接合部材１５０の厚みを一定にするために、スペーサ１３０がハンダ接合部材１５０の中にを配置された構成が開示されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０５−１２１６０３号公報
【特許文献２】
特開平０５−１６０２８９号公報
【０００５】
電力用半導体素子１１６がオン動作を行うと発熱し、素子１１６がオフ動作になると発熱が止まるので、電力用半導体素子１１６がオン・オフ動作を行うことにより、温度サイクル試験がなされているのと大略等価である。電力用半導体装置１０１が温度サイクルを受けると、電力用半導体装置１０１を構成する各部材の熱膨張係数の違いにより、クラックが発生・進展する。図１に開示された接合構造においては、スペーサ１３０がハンダ接合部材１５０の中に配置されている。このような構成をした電力用半導体装置１０１が温度サイクル試験を受けると、図２に示すように、ハンダ接合部材１５０のコーナー部に配置されたスペーサ１３０がクラック１４０の起源となって、クラック１４０が広範に且つ急速に発生・進展する。したがって、従来の接合構造では、図２に示すように、広範に進展したクラックにより、絶縁基板１１０と放熱板１２０との間には広い面積の隙間が形成されてしまうので、放熱効率が低下するという問題を有している。
【０００６】
また、絶縁基板１１０を放熱板１２０に接合させる接合作業を行う前では、図３に示すように、スペーサ１３０付きの絶縁基板１１０が積み重ねて保管されている。この場合、積層された絶縁基板１１０の重量によりスペーサ１３０が押圧されるために、スペーサ１３０が変形して、ハンダ接合部材１５０の厚みがばらついてしまうという問題を有している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の解決すべき技術的課題は、クラックが発生・進展しにくい電力用半導体装置を提供することである。
【０００８】
本発明のさらに解決すべき技術的課題は、ハンダ接合部材の厚みが均一な電力用半導体装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段・作用・効果】
上記技術的課題を解決するために、本発明は、電力用半導体素子が表面側に実装された絶縁基板と、絶縁基板の裏面側に配置された放熱板とが、接合部材を介して接合された電力用半導体装置であって、絶縁基板及び放熱板の間隙を規制する間隙規制部が、接合部材の外側領域に設けられていることを特徴としている。
【００１０】
上記構成によれば、絶縁基板と放熱板とを接合する接合部材の中に間隙規制部が存するのではなくて、間隙規制部が接合部材の外側領域に存するという構成であるので、間隙規制部が接合部材中でのクラックの起源となることがない。したがって、クラックが接合部材中に広範に且つ急速に発生・進展して、放熱効率が低下するという事態が防止される。
【００１１】
好ましくは、接合パターン及び間隙規制部は、絶縁基板の裏面上に形成されるとともに、上記接合パターンと同じ材料で構成されている。
【００１２】
上記構成によれば、接合パターン及び間隙規制部が同じ製造工程で形成されるので、生産性が優れている。
【００１３】
絶縁基板を放熱板に接合させる接合作業を行う前では、間隙規制部付きの絶縁基板が多段に積み重ねて保管されている。間隙規制部の変形を防止するために、間隙規制部は、上記接合パターンよりも厚み方向に突出し、該間隙規制部の高さが、上記絶縁基板の表面上に形成された回路電極パターンの高さと上記接合パターンの高さとの合計した値より小さいことが好ましい。
【００１４】
上記構成によれば、絶縁基板が多段に積層されている場合、間隙規制部の高さが回路電極パターンと接合パターンとの合計高さより小さいので、積層された絶縁基板の重量により間隙規制部が押圧変形されることがなくなる。その結果、接合部材の厚みがばらつくことが防止されて、接合部材の厚みが一定に保たれる。
【００１５】
間隙規制部は、上述したように、絶縁基板上に設ける代わりに、放熱板の表面上に設けることができる。加工性に優れている場合、放熱板自体を加工して間隙規制部を形成することができる。
【００１６】
間隙規制部の先端は、不用意に欠落して間隙規制量が小さくならないように、尖っていないことが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の第一実施形態に係る電力用半導体装置１について、図４及び５を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
図４は、本発明に係る電力用半導体装置１を示す側面図であり、図５は、温度サイクル試験後の電力用半導体装置１を放熱板２０（裏面）側から見た模式図である。
【００１９】
図４に示すように、電力用半導体装置１は、電力用半導体素子１６の実装された電気絶縁性のセラミック基板１０と、電力用半導体素子１６から発生した熱を高効率で放熱する放熱板２０と、セラミック基板１０及び放熱板２０を接合するハンダ接合部材５０とを備えている。
【００２０】
方形形状をしたセラミック基板１０は、アルミナ（ＡＩ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡＩＮ）等の電気絶縁性のセラミック材料から構成されている。セラミック基板１０の表面４２上には、回路電極パターン１２が所望のパターン形状で形成されている。回路電極パターン１２はＡｌ合金やＣｕ合金等からなり、これらの合金の表面は、好ましくはニッケルメッキ処理が施されている。
【００２１】
回路電極パターン１２の上には、電力用ＭＯＳトランジスタ等の電力用半導体素子１６が、ハンダ１８を介して実装されている。
【００２２】
一方、セラミック基板１０の裏面４４の略中央部には、接合パターン１４がベタ状に形成されている。接合パターン１４も、Ａｌ合金やＣｕ合金等の金属材料からなり、これらの合金の表面は、好ましくはニッケルメッキ処理が施されている。
【００２３】
そして、接合パターン１４の外側領域２２には、Ａｌ合金やＣｕ合金等の金属材料からなる間隙規制パターン３１が形成されている。図５に示すように、間隙規制パターン３１は、例えば、セラミック基板１０の裏面４４側の外側領域２２すなわち４つのコーナー部にスポット状にそれぞれ設けられる。この間隙規制パターン３１は、後述するように、間隙規制部３０として作用する。間隙規制パターン３１の突出高さは、間隙規制部３０として作用するように、すなわち、接合パターン１４の高さより高く、後述する接合部材としてのハンダ５０の所望の厚みが得られるようなサイズに決定される。
【００２４】
ヒートシンクとしての放熱板２０は、熱伝導性の高い材料、例えば、Ｃｕ合金やＡｌ合金やＡｌ／ＳｉＣ複合材やＣｕ／Ｍｏ材やグラファイト等の金属系、セラミックス系、複合材料系といった各種材料からなる。
【００２５】
接合部材としてのハンダ接合層５０を形成するために、例えば、ハンダペーストが使用される。ハンダペーストが、セラミック基板１０の接合パターン１４又は放熱板２０の表面４６の上に、所望のパターンで印刷塗布される。そのあと、セラミック基板１０の裏面４４と放熱板２０の表面４６とを重ね合わせた状態で、赤外線リフロー炉等の熱処理炉の中に通すことにより、ハンダペーストが溶融してハンダ接合層５０になる。その結果、ハンダ接合層５０を介してセラミック基板１０及び放熱板２０が一体的に接合される。このとき、ハンダ接合層５０の厚みは、接合パターン１４の外側領域２２に設けられた間隙規制パターン３１で規制されて、一義的に決定される。
【００２６】
このような電力用半導体装置１を所定の温度サイクル試験を行うと、図５に示すように、セラミック基板１０や放熱板２０やハンダ接合層５０の三者間の熱膨張係数の違いに起因したクラック４０がコーナー部にわずかに発生した。しかしながら、図２に示した従来のものと比較して、クラック４０の広がった範囲は狭く、その進展スピードも遅かった。したがって、電力用半導体装置１における放熱効果を長期間にわたって維持することができる。
【００２７】
また、図６に示すように、回路電極パターン１２、接合パターン１４及び間隙規制パターン３１の三者の高さを最適化することにより、間隙規制パターン３１付きのセラミック基板１０を積層保管する際に、間隙規制パターン３１が押圧変形されることが防止される。
【００２８】
すなわち、セラミック基板１０を放熱板２０に接合させる接合作業を行う前では、間隙規制パターン３１付きのセラミック基板１０が多段に積み重ねて保管されている。間隙規制パターン３１の接触変形を防止するために、間隙規制パターン３１は、接合パターン１４よりも厚み方向に突出し、この間隙規制パターン３１の高さが、回路電極パターン１２の高さと接合パターン１４の高さとの合計値より小さくなるように構成されている。例えば、回路電極パターン１２の突出高さが０．５ｍｍで、接合パターン１４の突出高さが０．５ｍｍで、間隙規制パターン３１の突出高さが０．７ｍｍという寸法構成である。
【００２９】
このように構成することにより、セラミック基板１０が多段に積層されても、間隙規制パターン３１の高さが回路電極パターン１２と接合パターン１４との合計高さよりも小さくて間隙規制パターン３１がセラミック基板１０に接触しないので、積層されたセラミック基板１０の重量により間隙規制パターン３１が押圧変形されることがない。その結果、ハンダ接合層５０の厚みがばらつくことが防止されて、ハンダ接合層５０の厚みが一定に保たれる。
【００３０】
また、セラミック基板１０の裏面４４上に形成される接合パターン１４及び間隙規制パターン３１は、次のようなプロセスで作成される。
【００３１】
セラミック基板１０の裏面４４上において、所定の間隙規制パターン３１の高さ以上の金属層を形成した後、第一エッチング工程で接合パターン１４及び間隙規制パターン３１を所定の高さまでエッチングし、第二エッチング工程で接合パターン１４をマスクした状態で間隙規制パターン３１をエッチングする。その結果、接合パターン１４及び間隙規制パターン３１が同じ材質から構成され、間隙規制パターン３１が接合パターン１４よりも突出した段差構造が形成される。このように、同様のエッチング工程を繰り返すだけでよいので、製造工程が簡略化される。
【００３２】
さらにまた、セラミック基板１０の裏面４４上に形成される接合パターン１４及び間隙規制パターン３１は、次のようなプロセスでも形成することができる。
【００３３】
まず、鋳鉄や耐熱鋼等の鋳型に、それぞれ所定の高さで突出した接合パターン１４及び間隙規制パターン３１に対応した凹部を作成する。そのあと、その鋳型にアルミニウム合金溶湯を流し込みながらその上面にセラミック基板１０を載置した状態で冷却する。その結果、固化したアルミニウム合金がセラミック基板１０上に接合されて、接合パターン１４及び間隙規制パターン３１付きセラミック基板１０が得られる。
【００３４】
次に、図７を参照しながら、本発明の第二実施形態に係る電力用半導体装置１について説明する。
【００３５】
図７は、本発明の第二実施形態に係る電力用半導体装置１を示す側面図である。基本的構成は上述した第一実施形態のものと同じであるので、共通部分の説明を省略する。図７から分かるように、ハンダ接合層５０の厚みを規制する構成要素が裏面外周パターン３２の上に別途設けられている点が、第一実施形態のものと異なっている。
【００３６】
すなわち、セラミック基板１０の裏面４４上に、接合パターン１４及び裏面外周パターン３２が同じ高さで形成されており、裏面外周パターン３２の上に金属バンプ３３が設けられている。ハンダ接合層５０の厚みは、金属バンプ３３で規制されるために、一義的に決定される。金属バンプ３３の高さを自在に変えることにより、ハンダ接合層５０の厚みを変えることができ、設計自由度が高くなる。
【００３７】
次に、図８を参照しながら、本発明の第三実施形態に係る電力用半導体装置１について説明する。
【００３８】
図８は、本発明の第三実施形態に係る電力用半導体装置１を示す側面図である。基本的構成は上述した第一実施形態のものと同じであるので、共通部分の説明を省略する。図８から分かるように、ハンダ接合層５０の厚みを規制する間隙規制部３０すなわち突起３４が放熱板１０の側に設けられている点が、第一実施形態のものと異なっている。
【００３９】
放熱板２０が加工性の優れた材料である場合には直接的に加工することにより、あるいは、加工性が乏しい材料である場合には間接的に加工することにより、間隙規制部３０としての突起３４が、放熱板２０の表面４６側の外側領域２２に設けられる。放熱板２０の母材から突起３４を直接的に加工する方法としては、例えば、公知の各種の機械的加工法やエッチング加工法等が適用可能である。また、突起３４を間接的に加工する方法としては、例えば、加工しやすい材料を放熱板２０の母材上に設けた後、その易加工性材料を公知の各種の機械的加工法やエッチング加工法等で加工することができる。
【００４０】
このようにして加工された突起３４の先端は、加工工程や接合工程等の様々な処理工程を受ける過程で、不用意に欠落して間隙規制量が変化しないように、すなわち小さくならないように、尖っていないことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の電力用半導体装置を示す側面図である。
【図２】温度サイクル試験後の電力用半導体装置を放熱板側から見た模式図である。
【図３】従来の電力用半導体装置の積載方法を示す側面図である。
【図４】本発明の第一実施形態に係る電力用半導体装置を示す側面図である。
【図５】温度サイクル試験後の電力用半導体装置を放熱板側から見た模式図である。
【図６】間隙規制部付きの絶縁基板の積載方法を示す側面図である。
【図７】本発明の第二実施形態に係る電力用半導体装置を示す側面図である。
【図８】本発明の第三実施形態に係る電力用半導体装置を示す側面図である。
【符号の説明】
１  電力用半導体装置、  １０  セラミック基板（絶縁基板）、  １２  回路電極パターン、  １４  接合パターン、  １６  電力用半導体素子、  １８  ハンダ、  ２０  放熱板、  ２２  外側領域、  ３０  スペーサ（間隙規制部）、  ３１  間隙規制パターン、  ３２  裏面外周パターン、  ３３  金属バンプ、  ３４  突起、  ４２  表面、  ４４  裏面、  ４６  表面、  ４８  裏面、  ５０  ハンダ接合層（接合部材）。
【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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【図７】
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【図８】
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