(57)【要約】      （修正有）【課題】セラミックス基板上に金属板からなる回路基板を接合し、該金属回路基板の所要箇所に半導体素子を装着する構成の半導体装置で、氷点下から100℃以上の高温ヒートサイクルにも耐える高耐熱性を有した構成の提供。【解決手段】半導体素子３の直下にMo材４ａを配置しかつ当該素子の接合部にはCu材４ｂを配置した構成とすることで、金属回路基板２と半導体素子間において、Mo材は該素子に対してCu材の平面方向の膨張を抑制でき、接合面にはMo材に比べ柔らかいCu材があることで接合部に与える応力を緩和でき、高耐熱、高強度な実装が可能となり、また、同様の作用効果を有する応力緩和機構として、Mo材は該素子直下の接合部のCu材を拘束するように配置、筒形状のMo材を採用できる。【選択図】図１
2007273661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板上に金属回路基板を接合し、該金属回路基板の所要箇所に半導体素子を着設する構成の半導体装置であり、前記金属回路基板と半導体素子との間に、Cu層が前記素子側と接しMo層が該回路基板と接するようMo層とCu層との板状の2層上側クラッド材を、前記Cu層が前記素子と接するように介在固着させた半導体装置。
【請求項２】
セラミックス基板上に金属回路基板を接合し、該金属回路基板の所要箇所に半導体素子を着設する構成の半導体装置であり、前記金属回路基板と半導体素子との間に、Cu層が前記素子側と接しMo層が前記素子直下のCu層外周側に接する環状上側クラッド材を配置固着した半導体装置。
【請求項３】
半導体素子の直下のセラミックス基板と金属回路基板との接合部に、Cu層が前記セラミックス基板と接しMo層が該回路基板と接するようMo層とCu層の2層下側クラッド材を配置固着した請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。
【請求項４】
上側クラッド材は、半導体素子の接合箇所にのみ介在固着させた請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
2層の上側クラッド材又は下側クラッド材は、圧接又はろう材で接合している請求項1又は請求項3に記載の半導体装置。
【請求項６】
セラミックス基板、金属回路基板、半導体素子、上側クラッド材、下側クラッド材のそれぞれの接合箇所のいずれか又は複数箇所あるいは全て箇所がろう材で接合された請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
ろう材は、Sn-Cu系ろう材である請求項5又は請求項6に記載の半導体装置。
【請求項８】
Sn-Cu系ろう材は、1〜13質量%Sn-Cuである請求項7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、セラミックス基板に金属板からなる回路基板を接合し、該金属回路基板に半導体素子を装着する構成の半導体装置における放熱基板の新規な構成に関し、半導体素子の直下の接合部にCu、金属回路基板との接合部にMoを配置し、さらにセラミックス基板と金属回路基板との接合部も同様構成とし、100℃以上の高温、例えば氷点下から300℃程度のヒートサイクルテストにも耐える高耐熱性を発揮できる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車や内燃機関とモーターを用いたハイブリッド車、燃料電池自動車などのインバーター制御に用いられるIGBT、スイッチング電源などの各種パワーモジュール等には、セラミックス基板に金属板からなる回路基板を接合し、これをエッチングなどで金属回路基板となし、この金属回路基板に直接半導体素子を装着する構成の半導体装置(特許文献1)が用いられる。
【０００３】
上記用途に用いられる半導体装置は、取り出す出力の向上を図るために昇圧電圧やスイッチング周波数が高く要求されるようになり、その結果、半導体素子からの発熱が増大して100℃以上、さらには300℃以上に達することがあり、高耐熱性を得るためにセラミックス基板に金属回路基板と半導体素子を直接載置する前記構成を採用する。
【特許文献１】特開2005-005404
【特許文献２】特開2004-343035
【特許文献３】特開平05-226527
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
かかる構成の半導体装置は、自動車に使用されると、その環境によっては、氷点下数十℃から300℃の広い範囲のヒートサイクルを繰り返し受けることが想定されるため、半導体装置としての動作保証を得るために各接合部はこのヒートサイクルに耐える高耐熱性が要求される。
【０００５】
セラミックス基板と金属回路基板間、金属回路基板と半導体素子間の各接合部には、100℃以上の高温で常用可能な高耐熱で高強度な実装が必要となり、苛酷なヒートサイクルで剥離しない強固な接合強度も要求される一方で、接合相手材料との熱膨係数差に起因して接合部にクラックを発生させないように応力緩和の機構も要求されるため、かかる相反する条件を満足する接合構造が必要である。
【０００６】
この発明は、セラミックス基板上に金属板からなる回路基板を接合し、該金属回路基板の所要箇所に半導体素子を装着する構成の半導体装置において、100℃以上の高温で使用可能であり、さらには氷点下から300℃のヒートサイクルテストにも耐える高耐熱性を有した半導体装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らは、上述の半導体装置において、100℃以上の温度域での高耐熱、高強度な実装を実現するため、金属回路基板と半導体素子間の接合構造について、鋭意検討した結果、半導体素子の直下にMo材を配置しかつ当該素子の接合部にはCu材を配置した構成とすることで、金属回路基板と半導体素子間において、Mo材は該素子に対してCu材の平面方向の膨張を抑制でき、接合面にはMo材に比べ柔らかいCu材があることで接合部に与える応力を緩和でき、高耐熱、高強度な実装が可能となることを知見した。
【０００８】
また、発明者らは、上記の半導体素子の接合部にCu材を配置しかつ該素子の直下にMo材を配置する応力緩和機構は、Mo材は該素子の直下でなく該素子接合部のCu材を拘束するように配置、例えば筒形状のMo材であっても同様の作用効果で金属回路基板と半導体素子間の接合部に発生する応力を緩和できることを知見した。
【０００９】
さらに、上記の金属回路基板と半導体素子間の接合構造に加え、さらにセラミックス基板と金属回路基板との接合部も同様構成、すなわち、半導体素子の直下のセラミックス基板との接合部はCu材で、このCu材にはMo材を配置してCu又はAlの金属回路基板と接続される構成を採用すると、半導体装置全体の高耐熱性がより向上することを知見し、この発明を完成した。
【００１０】
すなわち、この発明は、セラミックス基板上に金属板からなる回路基板を接合し、該金属回路基板の所要箇所に半導体素子を着設する構成の半導体装置であり、金属回路基板と半導体素子の接合部に、Mo層とCu層とが積層された上側クラッド材を、前記Cu層が前記素子と接するように介在させたことを特徴とする半導体装置である。
【００１１】
この発明は、金属回路基板と半導体素子の接合部に、Cu層が前記素子側と接しMo層が該回路基板と接するようMo層とCu層との板状の2層上側クラッド材を配置するか、あるいはCu層が前記素子側と接しMo層が前記素子直下のCu層外周側に一部又は全周囲に環状に接する環状上側クラッド材を配置したことを特徴とする半導体装置である。
【００１２】
また、この発明は、上記構成の半導体装置において、半導体素子の直下のセラミックス基板と金属回路基板との接合部に、Cu層が前記セラミックス基板と接しMo層が該回路基板と接するようMo層とCu層との板状の2層下側クラッド材を配置したことを特徴とする半導体装置である。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によると、金属回路基板と半導体素子の接合部で、接合部に発生する応力を緩和して強固な接合を維持でき、さらに、半導体素子直下のセラミックス基板と金属回路基板との接合部も同様に同部に発生する応力を緩和して強固な接合を維持できる。従って、この発明によると、100℃〜400℃の温度域おいて高耐熱、高強度な実装が要求される半導体装置を提供できる。
【００１４】
この発明によると、半導体装置を製造する際に、Niめっきが不要であるろう付けにて接合が可能であり、また、セラミックス基板、金属回路基板、半導体素子、上側クラッド材、下側クラッド材のそれぞれの接合箇所のいずれか又は複数箇所を選択してろう付けにより接合したり、あるいは全ての箇所をろう付けとすることで1回の接合で組立てを完了できる。
【００１５】
この発明によると、ろう付けを採用することで、上側クラッド材を半導体チップ実装部箇所にのみ局所配置することが可能となり、Mo使用量を必要最低限にできる。さらには、ろう材に高融点ろう材、例えばCu系ろう材を用いることで、接合部の熱伝導性、電気的特性にすぐれた半導体装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明において、半導体装置の構成は、セラミックス基板上に金属板からなる回路基板を接合し、該金属回路基板の所要箇所に半導体素子を着設する構成であればいずれの構成でもよい。
【００１７】
セラミックス基板は、SiN、AlN、Al2O3、SiC、Si3N4などが採用でき、特に、Si3N4が高強度が期待できる。
【００１８】
金属回路基板は、Cu、Al、Ag、Auなど導電性に優れた材料が採用でき、特に、Cuは電気抵抗が低く種々厚みのものが入手が容易で一般的であり、Alは電気抵抗が低くAlワイヤーボンディングが容易であることが至便である。
【００１９】
半導体素子は、Si、SiC、GaN、GaAsなどが採用でき、特に、耐熱性に優れるSiCが好適である。
【００２０】
この発明において、セラミック基板1上に設けた金属回路基板2と半導体素子3の接合部に、Cu層が半導体素子3と接するように介在させるMo層とCu層とを積層した構成の上側クラッド材4は、例えば、図1Aに示すごとく、Cu層が上記半導体素子3側と接してMo層が金属回路基板2と接するようMo層とCu層との板状の2層構造の上側クラッド材4の構成、また、図2Aに示すごとく、Cu層が上記半導体素子3側と接してMo層が上記素子3直下にあるCu層の外周側に接するよう構成した環状構造(リング構造)の上側クラッド材6の構成が採用できる。
【００２１】
Mo層とCu層を積層する上側クラッド材の構成としては、圧接又はAg系ろう材、Cu系ろう材により容易に接合することができる。圧接方法としては、特に限定されないが、CuとMo素材を所要の板厚み比率となるように準備して、これらを合わせて圧下率が例えば60〜80%となるように圧接し、その後、拡散焼鈍処理、例えば900℃〜1000℃、1〜10分保持する方法が採用できる。
【００２２】
Ag系ろう材、Cu系ろう材組成としては、特に限定しないが、例えばCu系ろう材組成として、Sn-Cu材が密着強度に優れ、接合性や取扱いが容易である。組成としては、1〜13質量%Sn-Cu材が好ましく、特に2〜7質量%Sn-Cu材は、高融点(970℃〜890℃)で熱伝導率(230W/m・K以上)が高いためさらに好ましい。
【００２３】
Cu層が前記素子側と接しMo層が前記素子直下のCu層外周側に一部又は全周囲に環状に接するクラッド材の構成としては、Ag系ろう材、Cu系ろう材により容易に接合することができる。ろう材組成については特に限定しないが、Cu系ろう材組成としては、上記のSn-Cu材が好ましい。
【００２４】
上記の積層した上側クラッド材は、Mo層とCu層の厚み比率は特に限定されないが、Moが全体厚みの20%〜80%であることが好ましい。
また、Mo層が前記素子直下のCu層外周側に環状に接するクラッド材において、Moの平面方向のは厚みとしては特に限定しないが、Mo-Cu-Moに並ぶ構成でMoが全体厚みの20%〜80%であることが好ましい。
【００２５】
この発明において、半導体素子3の直下のセラミックス基板1と金属回路基板2との接合部は、図1B、図2Bに示すごとく、Cu層が前記セラミックス基板1と接しMo層が該回路基板2と接するようMo層とCu層の2層板構造の下側クラッド材5を配置した構成を採用することができる。
【００２６】
Mo層とCu層を積層する下側クラッド材の構成としては、圧接又はAg系ろう材、Cu系ろう材により容易に接合することができる。圧接方法やろう材組成については特に限定しないが、圧接方法としては、Mo層とCu層の2層のみを圧接することはもちろん、その後に金属回路を構成するCu、Al、Ag、Auなどの金属層を、さらに圧接、あるいはスパッターやめっきにて成膜するほか、予め上記金属層とMo層とCu層を同時に圧接して所要厚みとすることが可能である。
【００２７】
下側クラッド材のMo層とCu層を積層するろう材組成については特に限定しないが、Cu系ろう材組成としては、上記のSn-Cu材が好ましい。
また、下側クラッド材をろう材で接合した構成の場合、金属回路を構成する金属層との接合は、Cu系ろう材組成としては、上記のSn-Cu材が好ましい。
【００２８】
また、このセラミックス基板と金属回路基板との接合部において、金属回路基板は、下側クラッド材のMo層とCu層の厚み比率は特に限定されないが、Moが全体厚みの20%〜80%であることが好ましい。
【００２９】
この発明において、半導体素子と上側クラッド材との接合、上側クラッド材と金属回路基板の金属回路層との接合、下側クラッド材とセラミックス基板との接合、の各接合には、公知のはんだまたは高融点ろう材を採用できる。高融点ろう材としては、Ag-Sn系、Ag-Cu系、Sn-Cu系、Al-Si系、Au-Sn系、Au-Si系ろう材や各種高耐熱金属ペーストやナノ金属ペーストなどがある。これらの高融点ろう材は一般的にはんだに比べ強度が高いため、この発明で採用するCuの応力緩和による効果がより一層顕著に現れると考えられる。
【実施例】
【００３０】
実施例1
図1Aに示す実施例の半導体装置の構成として、Si3N4板のセラミック基板1上に所要パターンで設けた厚みが300μmの圧延によるCu箔の金属回路基板2と、SiCからなる半導体素子3との接合部に、Mo材とCu材を圧延圧接して厚みが200μmからなる2層構造の上側クラッド材4が介在接合される構成を採用した。
【００３１】
まず、セラミック基板1上に、厚み50μmのCu系ろう材(3Sn-Cu)を介在させて、厚みが300μmのCu箔材を載置してこれらを接合積層した後、エッチングにより所要パターンを形成して金属回路基板2となした。
【００３２】
次に、この金属回路基板2の所要位置に半導体素子3を載置すべく2層構造の上側クラッド材4を介在させて接合した。金属回路基板2と上側クラッド材4のMo層4aとの間に、厚み50μmのCu系ろう材(3Sn-Cu)箔を配置して上側クラッド材4を積層した。さらに、上側クラッド材4のCu層4b上に、厚み50μmのろう材箔(80Au-Sn)を配置して半導体素子3を載置して接合した。
【００３３】
得られた図1Aに示す構成の半導体装置を用いて、ヒートサイクル試験(A試験、B試験)に供した。その結果、A試験、B試験ともに全ての接合部に剥離などの欠陥は認められなかった。
【００３４】
ヒートサイクル試験は、雰囲気を-40℃から120℃(A試験)又は350℃(B試験)迄の間を、まず常温から120℃又は350℃の高温へ加熱し、該高温から放熱させて常温を経て冷却して-40℃の低温へ、該低温から放置して常温へと連続的に戻る過程を1サイクルとし、これを連続的又は断続的に、A試験は10,000サイクル、B試験は100〜1,000サイクル繰り返す条件で行った。
【００３５】
実施例2
図1Bに示す実施例の半導体装置の構成として、Si3N4板のセラミック基板1上に所要パターンで設けた厚みが300μmの圧延によるCu箔の金属回路基板2との間に、Mo材とCu材を圧延圧接して厚みが150μmからなる2層構造の下側クラッド材5を介在させてあり、また、この金属回路基板2とSiCからなる半導体素子3との接合部にも、Mo材とCu材を圧延圧接して厚みが150μmからなる2層構造の上側クラッド材4を介在接合した構成を採用した。
【００３６】
セラミック基板1上に厚み50μmのCu系ろう材(2Sn-Cu)箔を配置して、上記2層構造の下側クラッド材5を載置し、さらに厚み50μmのCu系ろう材(2Sn-Cu)箔を配置して、厚みが300μmのCu箔材を載置してこれらを同時に接合積層した後、エッチングにより所要パターンを形成して金属回路基板2となした。
【００３７】
次に、この金属回路基板2の所要位置に半導体素子3を載置すべく上記2層構造の上側クラッド材4を介在させて接合した。まず、金属回路基板2と上側クラッド材4のMo層4aとの間に、厚み50μmのCu系ろう材(2Sn-Cu)箔を配置して上側クラッド材4を積層した。さらに、上側クラッド材4のCu層4b上に、厚み50μmのろう材(80Au-Sn)箔を配置して半導体素子3を載置して接合した。
【００３８】
得られた図1Bに示す構成の半導体装置を用いて、実施例1のヒートサイクル試験に供した。その結果、A試験、B試験ともに全ての接合部に剥離などの欠陥は認められなかった。
【００３９】
実施例3
図2Aに示す実施例の半導体装置の構成として、Si3N4板のセラミック基板1上に所要パターンで設けた厚みが300μmの圧延によるCu箔の金属回路基板2と、SiCからなる半導体素子3との接合部に、厚みが200μmのCu層6bが前記素子3と接し、前記素子3直下のCu層6bの外周側にMo層6aが圧接された構成の環状上側クラッド材6が介在接合される構成を採用した。
【００４０】
まず、セラミック基板1上に、厚み50μmのCu系ろう材(3Sn-Cu)を介在させて、厚みが300μmのCu箔材を載置してこれらを接合積層した後、エッチングにより所要パターンを形成して金属回路基板2となした。
【００４１】
次に、この金属回路基板2の所要位置に半導体素子3を載置すべく環状上側クラッド材6を介在させて接合した。金属回路基板2と環状上側クラッド材6の環状Mo層6a及びCu層6bとの間に、厚み50μmのCu系ろう材(3Sn-Cu)箔を配置して環状上側クラッド材6を積層した。さらに、環状上側クラッド材6のCu層6b上に、厚み50μmのろう材箔(80Au-Sn)を配置して半導体素子3を載置して接合した。
【００４２】
得られた図2Aに示す構成の半導体装置を用いて、ヒートサイクル試験(A試験、B試験)に供した。その結果、A試験、B試験ともに全ての接合部に剥離などの欠陥は認められなかった。
【００４３】
実施例4
図2Bに示す実施例の半導体装置の構成として、Si3N4板のセラミック基板1上に所要パターンで設けた厚みが300μmの圧延によるCu箔の金属回路基板2との間に、Mo材とCu材を圧延圧接して厚みが150μmからなる2層構造の下側クラッド材5を介在させてあり、また、この金属回路基板2とSiCからなる半導体素子3との接合部にも、厚みが200μmのCu層6bが前記素子3と接し、前記素子3直下のCu層6bの外周側にMo層6aが圧接された構成の環状上側クラッド材6を介在接合した構成を採用した。
【００４４】
セラミック基板1上に厚み50μmのCu系ろう材(2Sn-Cu)箔を配置して、上記2層構造の下側クラッド材5を載置し、さらに厚み50μmのCu系ろう材(2Sn-Cu)箔を配置して、厚みが300μmのCu箔材を載置してこれらを同時に接合積層した後、エッチングにより所要パターンを形成して金属回路基板2となした。
【００４５】
次に、この金属回路基板2の所要位置に半導体素子3を載置すべく上記環状上側クラッド材6を介在させて接合した。金属回路基板2と環状上側クラッド材6の環状Mo層6a及びCu層6bとの間に、厚み50μmのCu系ろう材(2Sn-Cu)箔を配置して環状上側クラッド材6を積層した。さらに、環状上側クラッド材6のCu層6b上に、厚み50μmのろう材箔(80Au-Sn)を配置して半導体素子3を載置して接合した。
【００４６】
得られた図1Bに示す構成の半導体装置を用いて、実施例1のヒートサイクル試験に供した。その結果、A試験、B試験ともに全ての接合部に剥離などの欠陥は認められなかった。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
この発明による半導体装置は、電気自動車や内燃機関とモーターを用いたハイブリッド車、燃料電池自動車などのインバーター制御に用いられるIGBT、スイッチング電源などの各種パワーモジュール等において、例えば氷点下から120℃あるいは350℃のヒートサイクルを繰り返す高負荷熱試験にも耐える高耐熱性を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図1Aは、この発明の半導体装置の2層構造の上側クラッド材を用いる実施例、図1Bは、2層構造の上側クラッド材と下側クラッド材を用いる実施例の構成を示す説明図である。
【図２】図2Aは、この発明の半導体装置の環状上側クラッド材を用いる実施例、図2Bは、環状上側クラッド材と2層下側クラッド材を用いる実施例の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
1  セラミック基板
2  金属回路基板
3  半導体素子
4  上側クラッド材
4a,6a  Mo層
4b,6b  Cu層
5  下側クラッド材
6  環状上側クラッド材
【図１】
2007273661.tif 000003
【図２】
2007273661.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成18年4月28日(2006.4.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板上に金属回路基板を接合し、該金属回路基板の所要箇所に半導体素子を着設する構成の半導体装置であり、前記金属回路基板と半導体素子との間に、Cu層が前記半導体素子側と接しMo層が前記金属回路基板と接するようMo層とCu層との板状の2層上側クラッド材を配置固着させた半導体装置。
【請求項２】
セラミックス基板上に金属回路基板を接合し、該金属回路基板の所要箇所に半導体素子を着設する構成の半導体装置であり、前記金属回路基板と半導体素子との間に、Cu層が前記半導体素子側と接しMo層が前記半導体素子直下のCu層外周側に接する環状上側クラッド材を配置固着した半導体装置。
【請求項３】
半導体素子の直下のセラミックス基板と金属回路基板との接合部に、Cu層が前記セラミックス基板と接しMo層が前記金属回路基板と接するようMo層とCu層の2層下側クラッド材を配置固着した請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記上側クラッド材は、半導体素子の接合箇所にのみ配置固着させた請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記上側クラッド材のCu層とMo層又は前記下側クラッド材のCu層とMo層は、圧接又はろう材で接合している請求項1から請求項4のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記セラミックス基板、前記金属回路基板、前記半導体素子、前記上側クラッド材、前記下側クラッド材のそれぞれの接合箇所のいずれか又は複数箇所あるいは全ての箇所がろう材で接合された請求項1から請求項5のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記ろう材は、Sn-Cu系ろう材である請求項5又は請求項6に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記Sn-Cu系ろう材は、1〜13質量%Sn-Cuである請求項7に記載の半導体装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
この発明は、金属回路基板と半導体素子の接合部に、Cu層が前記半導体素子側と接しMo層が前記金属回路基板と接するようMo層とCu層との板状の2層上側クラッド材を配置するか、あるいはCu層が前記半導体素子側と接しMo層が前記半導体素子直下のCu層外周側に一部又は全周囲に環状に接する環状上側クラッド材を配置したことを特徴とする半導体装置である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
また、この発明は、上記構成の半導体装置において、半導体素子の直下のセラミックス基板と金属回路基板との接合部に、Cu層が前記セラミックス基板と接しMo層が前記金属回路基板と接するようMo層とCu層との板状の2層下側クラッド材を配置したことを特徴とする半導体装置である。