(57)【要約】【課題】放熱用金属ベースに簡単な構造変更を加えるだけで、高い放熱性を確保しつつ、絶縁基板との間の接合部に発生する熱ストレスを効果的に緩和してパッケージの信頼性向上が図れるようにする。【解決手段】セラミック絶縁基板２に半導体チップ５をマウントした上で、該絶縁基板を放熱用金属ベース（銅材）１に接合（例えば半田接合）した半導体装置において、放熱用金属ベースの上面に、絶縁基板との間の接合面域を包囲して接合面域と重ならないようにその外周側に熱ストレス緩和溝１ａを凹設して、該溝を境にその内周側部分の見かけの変形剛性を低め、熱サイクルにより金属ベース／絶縁基板間の接合部に作用する熱ストレスの緩和を図る。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の両面に導体パターンを形成した絶縁基板を放熱用金属ベースに接合した半導体装置において、
前記放熱用金属ベースの上面に、絶縁基板との間の接合面域を包囲してその外周側に熱ストレス緩和溝を凹設したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、熱ストレス緩和溝が断面ＵないしＶ形の凹溝であり、かつ該凹溝を絶縁基板との接合面域と重ならないようにその外周縁に近接した位置に形成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の半導体装置において、熱ストレス緩和溝の溝深さを金属ベースの厚さの３０％〜５０％に設定したことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１ないし３記載の半導体装置において、熱ストレス緩和溝を内外二重に凹設したことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック基板の両面に導体パターンを形成した絶縁基板にパワー半導体チップをマウントした上で、該絶縁基板を放熱用金属ベースに載置接合したパッケージ構造になる電力用の半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
まず、頭記半導体装置の従来におけるパッケージ構造を図４に示す。図において、１は銅材で作られた放熱用金属ベース（ヒートシンク）、２はセラミック基板３の両面に導体パターン（銅箔）４をパターン形成した絶縁基板（例えば、Direct Copper Bonding基板）、５はＩＧＢＴなどの半導体チップ、６は金属ベース／絶縁基板，絶縁基板／半導体チップの間を接合した接合材（例えば、半田材）、７は外部端子、８はボンディングワイヤ、９は外囲ケース、１０はゲル状充填材、１１はケース蓋、１２は封止樹脂である。
上記の構成で、通電に伴い半導体チップ５に生じた発熱は絶縁基板２を経て金属ベース１に伝熱し、図示されてない放熱フィンを介して系外に放熱される。
ところで、上記の半導体装置では、熱膨張係数の異なる部品（銅材の放熱用金属ベース１とセラミック絶縁基板２）を組み合わせて構築されていることから、通電時における熱サイクルにより、部品材料の熱膨張係数差に起因して部品間の接合部に熱応力が発生する。ここで、接合材が例えば半田である場合には、熱応力の繰り返し作用により半田層に疲労破壊が生じてクラック，半田剥がれなどが生じてパッケージの伝熱経路の熱抵抗が増大し、このために放熱性が低下して半導体チップが熱破壊にいたるおそれがある。なお、半田接合によらずに、各部材間を直接接合した構造でも部品間の熱膨張係数差に起因する熱ストレスで同様な接合部の界面劣化が懸念される。
【０００３】
次に、図４のパッケージ構造で金属ベース１とセラミック絶縁基板２との間の接合部に発生する熱ストレスの発生メカニズムを図５で説明する。なお、図５はセラミック基板を放熱用金属ベースに半田接合し、その積層方向の断面を中心対象として模擬している。ここで、金属ベース（銅材）１の線膨張係数α2 (１６．５×１０−６／℃)はセラミック基板（Ａｌ２Ｏ３）の線膨張係数α1(７．１×１０−６／℃)よりも大きく、半導体チップの発熱による温度上昇(温度Ｔ)による熱膨張量はα2・Ｔ・Ｌ＞α1・Ｔ・Ｌとなることから、この熱膨張量の差によって接合材（半田層）６の上面側界面には基板の中心から外周側に、下面側界面には逆に外周側から中心に向かう剪断力Ｆが作用するようになる。
この場合に、接合材（半田材）６は金属ベース１，セラミック基板２の材質に比べて弾性率が低いことから、剪断歪みは接合材６の層に大きく作用し、この剪断歪みが熱サイクルにより繰り返し作用すると、接合材６が疲労破壊して先記のような接合部の劣化を引き起こすことになる。
【０００４】
一方、金属ベース／絶縁基板間の接合部に作用する熱ストレスは、前記のように部品の熱膨張係数差に起因することから、金属ベース（ヒートシンク）を例えばＣｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの低熱膨張係数の材料で構成し、セラミック基板との熱膨張係数差を小さくして熱ストレスを緩和することも製品の一部に採用されている。
また、前記した半田接合部の熱ストレス緩和策とは直接関連しないが、図４と同様なパッケージ構造の半導体装置について、放熱用金属ベース１と絶縁基板２との間を半田接合する際に半田付け不良が発生するのを防止することを狙いに、金属ベースの上面には、絶縁基板の下面電極（導体パターン）の外周縁に沿った位置に半田溝（例えば溝幅２mm，溝深さ０．１mm程度の溝）を凹設しておき、半田接合の過程で溶融半田の一部を前記半田溝へ意識的に流し込んでそれ以上に外周への不要な半田のはみ出しを防ぐようにした構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−１６２２３７号公報（図２、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図４に示したパッケージ構造の半導体装置について、熱サイクル時に放熱用金属ベース１とセラミック絶縁基板２との間の接合部に作用する熱ストレスの緩和策として、先記のように金属ベースにＣｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの低熱膨張係数の材料を採用した構成は、部品コストが高くなるほか、低熱膨張係数の材料は銅材に比べて熱伝導率が小さく、このためにパワーＩＧＢＴモジュールのような電力用半導体装置に適用するには、金属ベースの板厚を薄くしてその半導体チップからの熱流束に対する熱抵抗を銅材の金属ベース並に低める必要がある。しかしながら、金属ベースの厚みを薄くすると、半導体チップから絶縁基板を経て金属ベースに伝熱する熱流束の面方向への熱分散性が低下することから、トータル的に高い放熱性を確保することが困難となる問題がある。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、前記のような低熱膨張係数の材料を採用することなく、放熱用金属ベースに簡単な構造変更を加えるだけで、高い放熱性を確保しつつ、絶縁基板との間の接合部に発生する熱ストレスを効果的に緩和してパッケージの信頼性向上が図れるように改良した半導体装置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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明によれば、セラミック基板の両面に導体パターンを形成した絶縁基板を放熱用金属ベースに接合した半導体装置において、
前記放熱用金属ベースの上面に、絶縁基板との間の接合面域を包囲してその外周側に熱ストレス緩和溝を凹設し（請求項１）、具体的には熱ストレス緩和溝を次記のような態様で形成するものとする。
（１）前記の熱ストレス緩和溝は断面ＵないしＶ形の凹溝であり、かつ該凹溝を絶縁基板との接合面域と重ならないようにその外周側に近接した位置に形成する（請求項２）。
（２）前記熱ストレス緩和溝の溝深さを金属ベースの厚さの３０％〜５０％に設定する（請求項３）。
（３）前記の熱ストレス緩和溝を内外二重に凹設する（請求項４）。
【発明の効果】
【０００７】
上記のように絶縁基板との接合部（半田接合，直接接合を含む）を取り囲んで放熱用金属ベースの面上に熱ストレス緩和溝を凹設することにより、該溝を境にしてその内周側の接合面域部と外周側の面域部との間が分断される。また、溝形成によるノッチ効果も加わり、溝を形成しないソリッド体の金属ベースと比べて溝内周側部の見かけの変形剛性が低下（低弾性率化）し、面方向の作用力で溝の内周側部分がすべり変形し易くなる。
これにより、半導体チップをマウントしたセラミック絶縁基板を金属ベースの上に接合した半導体装置の組立状態で、金属ベースとセラミック基板の熱膨張係数差に起因して熱サイクル時に金属ベース／絶縁基板間の接合部に熱ストレスが作用しても、前記溝の機能により接合部に発生する剪断歪みが低減して接合部の界面劣化を効果的に抑制できてパッケージの耐久性，信頼性が向上する。
【０００８】
しかも、熱ストレス緩和溝の溝深さを金属ベースの厚みの３０〜５０％範囲に規定することで、電力用半導体装置のヒートシンクに要求される高い放熱性，熱分散性も確保できる。
また、熱ストレス緩和溝を内外二重に形成しておくことで、金属ベースと絶縁基板の間を半田接合した場合に、その半田付け過程で溶融半田の一部が不測に内周側の溝に流れ込んで溝が埋まって溝の熱ストレス緩和機能が十分に機能しなくなった場合でも、外周側の溝（空溝）がバックアップ溝として熱ストレスの緩和機能を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図３に示す実施例に基づいて説明する。なお、各実施例の図中で、図４に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
【実施例１】
【００１０】
図１（ａ），（ｂ）において、図４のパッケージ構造でセラミック絶縁基板２を実装した放熱用金属ベース１の上面には、絶縁基板２との接合面域（半田接合，直接接合を含む）を囲んでその外周側に熱ストレス緩和溝１ａを凹設しており、この溝を境に接合面域を含む金属ベース１の内周側と外周側との間を分断し、溝無しのソリッド体と比べて内周側面域の見かけの変形剛性を低減するようにしている。
ここで、前記の熱ストレス緩和溝１ａは断面Ｕ形（ないしは断面Ｖ形）の溝で、その溝深さは金属ベース１の板厚の３０〜５０％範囲に設定し、例えば金属ベース１の板厚を３mmとして、溝深さ０．９〜１．５mm、溝幅０．５mmの熱ストレス緩和溝１ａが接合面の外周縁（半田接合では半田フィレットを含めた外周縁）に沿って０〜１mmの外周範囲（半田フィレットの広がりを考慮して、半田が溝内に流れ込まないように接合面の外周縁から０．５mm離れた位置）に形成されている。
【００１１】
次に上記構造による熱ストレス緩和機能を図３（ａ），（ｂ）で説明する。まず、図３（ａ）は、モジュール組立状態（常温）での図１の要部構造を模式的に表した拡大図であり、金属ベース１と絶縁基板２との間の接合材６は半田材である。なお、半田接合の際に溶融半田が絶縁基板２との接合面域を超えて熱ストレス緩和溝１ａに流れ込んで溝が埋まると、熱ストレスの緩和機能が有効に働かなくなるため、半田量を適正に管理するか、あるいは溝の内周側に沿ってダム状の突起を形成して溶融半田の広がりを突起の手前で停止させるような手段を講じるのがよい。
なお、前記の溝構造に関して、先記の特許文献１では、金属ベースの上面に絶縁基板との半田接合部の周囲を囲むように半田溝を形成しているが、特許文献１では半田付けの際に半田溝にフラックスを塗布して溶融半田の一部を積極的に半田溝に引き入れるようにしており、本発明の実施例で金属ベース１に形成した熱ストレス緩和溝１ａとは目的および機能が異なる。
【００１２】
そして、図３（ａ）の状態から半導体チップの通電，非通電に伴う熱サイクルで金属ベース１，セラミック絶縁基板２が昇温すると、図５で述べたように金属ベース１の銅材と絶縁基板２のセラミック材との熱膨張係数差によって接合材６の接合界面に熱応力が発生するようになるが、この場合に金属ベース１／接合材６間の界面には金属ベース１の熱膨張に逆らうように応力が作用するので、熱サイクル緩和溝１ａで分断された金属ベース１の内周側部分（低変形剛性）が図３（ｂ）で表すように滑り変形して応力を吸収緩和する。その結果、熱膨張差に起因して接合材６の上下界面に作用する剪断歪みが低減して金属ベース／絶縁基板間の接合部の界面劣化が効果的に抑制される。この点について、発明者が行った解析結果によれば、厚さ３mmの金属ベースに溝深さ１．５mm，溝幅５mmの熱ストレス緩和溝を形成することで、熱サイクル時に接合半田層に作用する熱応力を従来構造と比べて約２５％低減することが確認されている。
【００１３】
なお、半田接合によらずに金属ベース１／絶縁基板２間を直接接合した場合でも、前記と同様に接合部に作用する熱ストレスを緩和して接合界面の劣化を防止できる。
【実施例２】
【００１４】
図２（ａ），（ｂ）は本発明の請求項４に対応する実施例の構成図で、先記の実施例１で述べた熱ストレス緩和溝として、金属ベース１の上面には内外二重の溝１ａと１ｂが形成されている。
この構成により、金属ベース１に絶縁基板２を半田接合する際に、溶融半田の一部が内周側の熱ストレス緩和溝１ａに流れ込んで溝が埋まった場合でも、外周側の溝１ｂがバックアップして接合部の熱ストレス緩和機能を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１に対応する半導体装置の要部構造図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｘ−Ｘ断面図
【図２】本発明の実施例２に対応する半導体装置の要部構造図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｘ−Ｘ断面図
【図３】図１の構造による熱ストレス緩和機能の説明図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ常温，昇温時における状態を模式的に表した図
【図４】本発明の実施対象となる半導体装置の従来における組立構造の断面図
【図５】図４の構造で昇温時に金属ベース／絶縁基板間の接合部に発生する熱ストレスの発生メカニズムの説明図
【符号の説明】
【００１６】
１    放熱用金属ベース
１ａ，１ｂ  熱ストレス緩和溝
２    絶縁基板
３    セラミック基板
４    導体パターン
５    半導体チップ
６    接合材（半田材）
【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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