(57)【要約】【課題】ロウ付けされる部材間に、厚さ方向と厚さに垂直な方向とで強度及び伸縮性が均一な応力緩和層を備え、優れた応力緩和性能が得られる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１は、両面に金属層３，７を備える絶縁基板２と、絶縁基板２の一方の面の金属層３上に搭載される半導体素子４と、絶縁基板２の他方の面側に配設される金属放熱板５と、半導体素子４の絶縁基板２と反対側の面に配設される導電体９とからなる各部材を積層し、各部材の少なくとも２つをロウ付けにより接合してなる。ロウ付けされる部材の間に介装されると共に熱膨張の差による応力を緩和する金属製応力緩和層６，１０を備える。金属製応力緩和層６，１０は、金属繊維集合体１３,１５又は無方向性の細孔を備える多孔質金属成形体からなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面に金属層を備える絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面の該金属層上に搭載される半導体素子と、該絶縁基板の他方の面側に配設される金属放熱板と、該半導体素子の該絶縁基板と反対側の面に配設される導電体とからなる各部材を積層し、各部材の少なくとも２つをロウ付けにより接合してなる半導体装置であって、
ロウ付けされる部材の間に介装されると共に熱膨張の差による応力を緩和する金属製応力緩和層を備え、該金属製応力緩和層は、無方向性の多孔質金属からなる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、前記ロウ付けされる部材は、前記絶縁基板と前記金属放熱板とであることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の半導体装置において、前記ロウ付けされる部材は、前記半導体素子と前記導電体とであることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の半導体装置において、前記無方向性の多孔質金属は、金属繊維集合体又は無方向性の細孔を備える多孔質金属成形体からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項４記載の半導体装置において、前記金属繊維集合体は、前記ロウ付けされる部材の間に所定の間隔を保持する間隔保持部材を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項５記載の半導体装置において、前記間隔保持部材は、前記金属繊維集合体中に配設される球状部材であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項５記載の半導体装置において、前記間隔保持部材は、前記金属繊維集合体に樹脂が含浸されてなる樹脂層であり、該樹脂層は前記ロウ付けされる部材に対向する面から該金属繊維集合体の一部が露出していることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項７記載の半導体装置において、前記樹脂層から露出している金属繊維集合体は、ロウ付けに用いるロウ材に対する濡れ性を付与するメッキが施されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項５記載の半導体装置において、前記間隔保持部材は、前記ロウ付けされる部材の少なくとも一方から他方に向けて突出して、前記金属繊維集合体を厚さ方向に貫通する突起部材である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、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワーモジュール等の半導体装置では、絶縁基板の一方の面に半導体素子が搭載されると共に、他方の面側に該半導体素子の発熱を外部に逃がす金属放熱板が配設されている。前記絶縁基板は、例えば、少なくとも一方の面に導電性金属からなる配線パターンを備える配線基板であり、前記半導体素子は該配線パターンに接続されることにより実装される。
【０００３】
一方、前記金属放熱板は、前記配線パターンと反対側の面に設けられた金属層にロウ付けにより接合されている。前記絶縁基板は、前記配線パターンと反対側の面にも配線パターンを備えていてもよいが、この場合には前記金属層は、該配線パターンとは独立に形成されている。
【０００４】
また、前記半導体装置として、前記半導体素子の前記絶縁基板と反対側の面に導電体としてのバスバーを備えるものも知られている。前記バスバーは、複数の導電部を備えて前記半導体素子に給電を行う部材であり、前記半導体素子にロウ付けにより接合されている。
【０００５】
ところが、前記半導体装置では、前記絶縁基板と前記金属放熱板との間、又は前記バスバーと前記半導体素子との間で線膨張率が相違するために両者の熱膨張に差が生じ、該熱膨張の差による応力のため、前記ロウ付けによる接合層に亀裂が生じる。前記亀裂が生じると、前記絶縁基板と前記金属放熱板との間では放熱性が低下し、前記バスバーと前記半導体素子との間では電気抵抗が増大するという問題がある。
【０００６】
そこで、前記問題を解消するために、ロウ付けされる部材の間に、両者の熱膨張の差による応力を緩和する応力緩和層を設けることが行われている。前記応力緩和層として、例えば、前記絶縁基板と前記金属放熱板との間に、厚さ方向に貫通する空洞部を備える多孔質金属板を介装することが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２３７５５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記多孔質金属板は、厚さ方向に貫通する空洞部のみを備えるので、厚さ方向（空洞部に沿う方向）と厚さ方向に垂直な方向（空洞部を横切る方向）とで強度及び伸縮性が異なり、十分な応力緩和性能を得ることができないという不都合がある。
【０００９】
本発明は、かかる不都合を解消して、ロウ付けされる部材間に、厚さ方向と厚さ方向に垂直な方向とで強度及び伸縮性が均一である応力緩和層を備え、優れた応力緩和性能を得ることができる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】
【００１０】
かかる目的を達成するために、本発明は、両面に金属層を備える絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面の該金属層上に搭載される半導体素子と、該絶縁基板の他方の面側に配設される金属放熱板と、該半導体素子の該絶縁基板と反対側の面に配設される導電体とからなる各部材を積層し、各部材の少なくとも２つをロウ付けにより接合してなる半導体装置であって、ロウ付けされる部材の間に介装されると共に熱膨張の差による応力を緩和する金属製応力緩和層を備え、該金属製応力緩和層は、無方向性の多孔質金属からなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の半導体装置は、ロウ付けされる部材の間の熱膨張の差による応力を緩和する金属製応力緩和層が該ロウ付けされる部材の間に介装されており、該金属製応力緩和層は各部材にロウ付けされている。前記ロウ付けされる部材は、前記絶縁基板と前記金属放熱板とであるか、又は前記半導体素子と前記導電体とである。また、前記ロウ付けされる部材は、前記絶縁基板及び前記金属放熱板と、前記半導体素子及び前記導電体との両方であってもよい。
【００１２】
ここで、前記金属製応力緩和層は、無方向性の多孔質金属からなる。従って、前記金属製応力緩和層は、厚さ方向と厚さ方向に垂直な方向とで強度及び伸縮性が均一であり、前記絶縁基板と前記金属放熱板との間、又は前記半導体素子と前記導電体との間で、優れた応力緩和性能を得ることができる。
【００１３】
尚、本出願において、「ロウ付け」とは、はんだ、銀ロウ等のロウ材により金属材料同士を接合することを意味する。また、前記銀ロウは、ナノオーダーの銀粒子を含むものとする。
【００１４】
前記金属製応力緩和層を形成する無方向性の多孔質金属としては、例えば、金属繊維集合体又は無方向性の細孔を備える多孔質金属成形体を挙げることができる。
【００１５】
前記金属繊維集合体は、例えば、特開２０００−１９２１０８号公報記載のステンレス鋼、チタン合金、ニッケル等の金属から、単伸線、集束伸線、コイル切削法等により製造された金属繊維からなるもの等を挙げることができる。また、前記無方向性の細孔を備える多孔質金属成形体としては、例えば、特開２０１０−９０４１６号公報記載の金属粉末と発泡剤とを含む発泡性スラリーを板状に成形し、発泡させた後に焼結したもの等を挙げることができる。
【００１６】
また、本発明の半導体装置において、前記金属繊維集合体は、前記ロウ付けされる部材の間に所定の間隔を保持する間隔保持部材を備えることが好ましい。前記金属繊維集合体は、前記間隔保持部材により、前記ロウ付けされる部材の間に所定の間隔を保持することにより、該部材間でさらに優れた応力緩和性能を得ることができる。
【００１７】
前記間隔保持部材として、例えば、前記金属繊維集合体中に配設される球状部材等のスペーサを挙げることができる。
【００１８】
また、前記間隔保持部材は、前記金属繊維集合体に樹脂が含浸されてなる樹脂層であってもよく、該樹脂層は前記ロウ付けされる部材に対向する面から該金属繊維集合体の一部が露出していることが好ましい。前記金属繊維集合体は、前記樹脂層の前記ロウ付けされる部材に対向する面からその一部が露出しているので、露出する部分により該部材にロウ付けすることができ、該露出する部分により、該ロウ付けされる部材間の熱膨張の差による応力を緩和することができる。
【００１９】
ここで、前記金属繊維集合体が前記ロウ付けに用いるロウ材に対する濡れ性に富むときには、前記樹脂層が無いと該金属繊維集合体の全体が該ロウ材により被覆されることにより硬化又は脆化し、応力緩和性能が低減することが懸念される。しかし、前記金属繊維集合体は、前記樹脂層を備えることにより前記ロウ材により被覆される部分を制限することができるので、応力緩和性能の低減を避けることができる。
【００２０】
一方、前記金属繊維集合体が前記ロウ付けに用いるロウ材に対する濡れ性に乏しいときには、前記樹脂層から露出している該金属繊維集合体は、該ロウ材に対する濡れ性を付与するメッキが施されていることが好ましい。このようにすることにより、前記金属繊維集合体が前記ロウ付けに用いるロウ材に対する濡れ性に乏しいときにも、前記ロウ付けされる部材に確実にロウ付けすることができる。
【００２１】
また、前記間隔保持部材は、前記ロウ付けされる部材の少なくとも一方から他方に向けて突出して、前記金属繊維集合体を厚さ方向に貫通する突起部材であってもよい。前記突起部材は、前記ロウ付けされる部材のどちらか一方のみに備えられていてもよく、両方に備えられていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の半導体装置の構成を示す説明的断面図。
【図２】図１に示す半導体装置における絶縁基板と金属放熱板との一構成例の要部を拡大して示す説明的断面図。
【図３】図１に示す半導体装置における絶縁基板と金属放熱板との他の構成例の要部を拡大して示す説明的断面図。
【図４】図１に示す半導体装置における絶縁基板と金属放熱板とのさらに他の構成例の要部を拡大して示す説明的断面図。
【図５】図１に示す半導体装置における半導体素子と導電体との一構成例の要部を拡大して示す説明的断面図。
【図６】図１に示す半導体装置における半導体素子と導電体との他の構成例の要部を拡大して示す説明的断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００２４】
図１に示す本実施形態の半導体装置１は、パワーモジュールとして用いられるものである。半導体装置１は、アルミナ等のセラミックスからなる絶縁基板２と、絶縁基板２の一方の面に備えられた金属層としての配線パターン３と、配線パターン３上に搭載されて実装されているＩＧＢＴ等の半導体素子４とを備えている。絶縁基板２の半導体素子４と反対側の面には金属放熱板５が配設されており、絶縁基板２と金属放熱板５との間には、金属製応力緩和層６が介装されている。
【００２５】
金属製応力緩和層６は、絶縁基板２と金属放熱板５との熱膨張の差による応力を緩和する機能を備え、絶縁基板２の配線パターン３とは反対側の面に備えられた金属層７と金属放熱板５とにロウ材層８ａ，８ｂを介してロウ付けされている。絶縁基板２は、配線パターン３と反対側の面にも配線パターン（図示せず）を備える両面配線基板であってもよいが、この場合、金属層７は同一面に設けられた配線パターンとは独立に形成されている。
【００２６】
また、半導体素子４の絶縁基板２の反対側の面には、半導体素子４に給電する導電体としてのバスバー９が配設されており、半導体素子４とバスバー９との間には、金属製応力緩和層１０が介装されている。金属製応力緩和層１０は、半導体素子４とバスバー９との熱膨張の差による応力を緩和する機能を備え、半導体素子４とバスバー９とにロウ材層１１ａ，１１ｂを介してロウ付けされている。
【００２７】
ロウ材層８ａ，８ｂ，１１ａ，１１ｂを形成するロウ材としては、はんだ、銀ロウ等のそれ自体公知のロウ材を用いることができ、前記銀ロウはナノオーダーの銀粒子からなるものであってもよい。また、半導体素子４は、配線パターン３にはんだ層１２を介してはんだ付けされている。
【００２８】
金属製応力緩和層６，１０は、無方向性の多孔質金属からなる。本実施形態の半導体装置１において、前記無方向性の多孔質金属としては、金属繊維集合体又は無方向性の細孔を備える多孔質金属成形体を用いることができる。
【００２９】
前記金属繊維集合体は、例えば、金属繊維を長さ方向に揃えて束にしたトウ状のもの、或いは丸めて玉状にしたピリング状のもの、トウ状のものとピリング状のものとの混合物等からなる。また、金属繊維集合体は、前記トウ状又はピリング状の状態で、上下から複数のニードルを挿入することにより、密度を向上させることができると共に、繊維の方向を該ニードルの挿入方向に揃えることができる。
【００３０】
前記金属繊維は、ステンレス鋼、Ｔｉ合金、Ｎｉ等の金属から、単伸線、集束伸線、コイル切削法等の製造方法により製造することができ、数μｍから数十μｍの径を備えている。
【００３１】
また、前記多孔質金属成形体は、例えば、金属粉末と発泡剤とを含む発泡性スラリーを板状に成形し、発泡させた後に焼結したものである。前記金属粉末は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｇ、ステンレス鋼等の金属から、アトマイズ法、酸化物還元法、湿式還元法、化学プロセス法等の製造方法により製造することができ、０．５〜３０μｍの範囲の平均粒子径を備えていることが好ましい。
【００３２】
前記金属繊維集合体又は多孔質金属成形体は、いずれも無方向性の多孔質体であるので、厚さ方向と厚さ方向に垂直な方向とで強度及び伸縮性が均一である。従って、金属製応力緩和層６として、絶縁基板２と金属放熱板５との間に介装されたときに、絶縁基板２と金属放熱板５との熱膨張の差による応力に対し、優れた応力緩和性能を得ることができる。また、金属製応力緩和層１０として、半導体素子４とバスバー９との間に介装されたときに、半導体素子４とバスバー９との熱膨張の差による応力に対し、優れた応力緩和性能を得ることができる。
【００３３】
また、前記金属繊維集合体は、それ自体弾性を備え、伸縮性に優れているので、さらに優れた応力緩和性能を得ることができる。そこで、次に、金属製応力緩和層６，１０に用いる無方向性の多孔質金属として、前記金属繊維集合体を用いる場合について説明する。
【００３４】
尚、本実施形態の半導体装置１では、金属製応力緩和層６と金属製応力緩和層１０との両方を備えるものとしているが、金属製応力緩和層６と金属製応力緩和層１０とのいずれか一方のみを備えるものであってもよい。
【００３５】
図２に示すように、絶縁基板２に備えられた金属層７と金属放熱板５との間に金属繊維集合体１３が介装される場合、金属繊維集合体１３はロウ材層８ａ，８ｂを介して金属層７と金属放熱板５とにロウ付けされることにより接合され金属製応力緩和層６を形成する。
【００３６】
このとき半導体装置１は、図３に示すように、金属繊維集合体１３に樹脂を含浸させて樹脂層１４を形成し、樹脂層１４の両面、すなわち絶縁基板２と金属放熱板５とにそれぞれ対向する面から金属繊維集合体１３の一部を露出させる構成とすることが好ましい。半導体装置１は、金属繊維集合体１３が、樹脂層１４を備えることにより、絶縁基板２と金属放熱板５との間隔を保持することができる。
【００３７】
金属繊維集合体１３は、樹脂層１４の両面からその一部が露出しているので、露出する部分により絶縁基板２の金属層７と金属放熱板５とにロウ付けすることができる。また、金属繊維集合体１３は、前記露出する部分の露出量を調整することにより、絶縁基板２と金属放熱板５との熱膨張の差による応力を緩和することができる。
【００３８】
樹脂層１４を形成する樹脂としては、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂等を用いることができ、弾性率を制御しながら熱伝導率を向上させるフィラー等の添加剤を添加するようにしてもよい。図３に示す構成は、一旦金属繊維集合体１３全体が埋設されるように樹脂層１４を形成した後、樹脂層１４の両面を切削するか、又は溶解させることにより、金属繊維集合体１３の一部を露出させることにより得ることができる。
【００３９】
ここで、金属繊維集合体１３がロウ材層８ａ，８ｂを形成するロウ材に対する濡れ性に富むときには、樹脂層１４が無いと金属繊維集合体１３全体が該ロウ材により被覆されることにより硬化又は脆化し、応力緩和性能が低減することが懸念される。しかし、金属繊維集合体１３は、樹脂層１４を備えることにより前記ロウ材により被覆される部分を制限することができ、応力緩和性能の低減を避けることができる。
【００４０】
一方、金属繊維集合体１３が前記ロウ材に対する濡れ性に乏しいときには、樹脂層１４から露出している金属繊維集合体１３に、該ロウ材に対する濡れ性を付与するメッキを施すことが好ましい。このようにすることにより、金属繊維集合体１３が前記ロウ材に対する濡れ性に乏しいときにも、絶縁基板２の金属層７と金属放熱板５とに、ロウ材層８ａ，８ｂを介して確実にロウ付けすることができる。
【００４１】
また、絶縁基板２と金属放熱板５との間隔を保持するために、図４に示すように、絶縁基板２と金属放熱板５とに、それぞれ金属繊維集合体１３を厚さ方向に貫通して、該間隔を保持する突起部材２ａ，５ａを設けるようにしてもよい。
【００４２】
絶縁基板２に設けられた突起部材２ａはその先端が金属放熱板５に当接し、金属放熱板５に設けられた突起部材５ａはその先端が絶縁基板２に当接することにより、絶縁基板２と金属放熱板５との間隔を保持することができる。尚、半導体装置１では、絶縁基板２のみが突起部材２ａを備えるようにしてもよく、金属放熱板５のみが突起部材５ａを備えるようにしてもよい。
【００４３】
一方、図５に示すように、半導体素子４とバスバー９との間に金属繊維集合体１５が介装される場合には、金属繊維集合体１５はロウ材層１１ａ，１１ｂを介して半導体素子４とバスバー９とにロウ付けされることにより接合され金属製応力緩和層１０を形成する。
【００４４】
このとき半導体装置１では、金属繊維集合体１５中にＣｕボール等の球状部材１６をスペーサとして配設することが好ましい。半導体装置１は、金属繊維集合体１５中に球状部材１６を配設することにより、半導体素子４とバスバー９との間隔を保持することができる。
【００４５】
また、半導体素子４とバスバー９との間隔を保持するために、図６に示すように、バスバー９に、金属繊維集合体１５を厚さ方向に貫通して、該間隔を保持する突起部材９ａを設けるようにしてもよい。バスバー９に設けられた突起部材９ａはその先端が半導体素子４に当接することにより、半導体素子４とバスバー９ととの間隔を保持することができる。
【００４６】
尚、半導体装置１では、金属繊維集合体１３に樹脂層１４を設け、金属繊維集合体１５中に球状部材１６を配設するようにしているが、金属繊維集合体１３中に球状部材１６を配設し、金属繊維集合体１５に樹脂層１４を設けるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１…半導体装置、  ２…絶縁基板、  ２ａ…突起部材、  ３…配線パターン、  ４…半導体素子、  ５…金属放熱板、  ５ａ…突起部材、  ６，１０…応力緩和層、  ７…金属層、  ８ａ，８ｂ…ロウ材層、  ９…バスバー、  ９ａ…突起部材、  １１ａ，１１ｂ…ロウ材層、  １３，１５…金属繊維集合体、  １４…樹脂層、  １６…球状部材。
【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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