JP2000200865A

JP2000200865A - 絶縁基板及び半導体装置

Info

Publication number: JP2000200865A
Application number: JP11001274A
Authority: JP
Inventors: Isao Okutomi; 功奥富; Yutaka Ishiwatari; 裕石渡; Atsushi Yamamoto; 敦史山本; Takashi Kusano; 貴史草野; Takanobu Nishimura; 隆宣西村; Akira Tanaka; 明田中; Koji Araki; 浩二荒木; Hiroshi Fukuyoshi; 寛福吉
Original assignee: Toshiba Corp; Shibafu Engineering Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Shibafu Engineering Corp
Priority date: 1999-01-06
Filing date: 1999-01-06
Publication date: 2000-07-18
Anticipated expiration: 2019-01-06
Also published as: JP3519299B2

Abstract

(57)【要約】【課題】放熱しやすく温度の上がりにくい半導体装置
を提供する。【解決手段】単数又は複数の半導体チップ１が接合さ
れ下面が下に凸である絶縁基板４が、絶縁基板４の周囲
に位置しヒートシンク１３に螺着する支持フレーム１７
により絶縁基板４の周辺部を圧接されることで、ヒート
シンク１３に密着し、熱抵抗が低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は大電流化が進むパワ
ーＩＣなどの半導体装置に係り、特に半導体装置の半導
体チップをのせる絶縁基板とこれをヒートシンクに密着
してなる半導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体チップは数ｍＡから数Ａの微少電
流の制御に用いられていたが、近年では数１０Ａから１
００Ａ近くの電流の制御が可能となっている。そして、
１つの絶縁性樹脂ケースの中に複数個の半導体チップを
内蔵した半導体装置では、数１００Ａから１０００Ａの
電流制御が可能である。これらは圧延プラントや化学プ
ラントにおける大型モータの駆動用電源や車両等に幅広
く使用されている。ただ、半導体チップの大電流化は半
導体チップからの発熱量の増大を招き、熱応力による絶
縁基板の破損をいかに防止し、半導体チップから発生す
る熱をいかに除去し冷却するかが、半導体装置の大電流
化において大きな問題となっている。熱応力により絶縁
基板が破損すれば地絡により半導体装置の機能が停止し
てしまう。また、半導体チップの耐熱温度は高くても１
５０℃程度であり、冷却が不十分であるために半導体チ
ップが自体の温度の上昇により破損してしまうことがあ
る。

【０００３】図１５は従来の半導体装置の断面図であ
る。半導体チップ１は絶縁性セラミックス２の表裏面に
導電層３、１２を接合した絶縁基板４の上にハンダ層５
により接合されている。絶縁基板４は金属ベース６の上
に同じくハンダ層７により接合されている。また、半導
体チップ１は絶縁性ゲル９により封止され、さらに絶縁
性樹脂ケース１０に収容されている。金属ベース６はヒ
ートシンク１３にボルト１４で固定されて、全体で半導
体装置を構成している。半導体チップ１から発生した熱
は絶縁基板４と金属ベース６を介してヒートシンク１３
から逃げる構造になっている。なお、半導体チップ１を
封止している絶縁性ゲル９や樹脂ケース１０は金属に比
べて熱伝導率が劣るため、こちらの面からはほとんど熱
は除去されない。この半導体装置においては、大電流化
により半導体チップの温度は益々高くなる傾向にあり、
熱応力により絶縁基板４が破損したり、冷却不足により
半導体チップ１が損傷することが多々あった。

【０００４】このような対策として特開平９−２７５１
７０号では、金属ベースとヒートシンクの表面にスリッ
ト状の溝を形成し、お互いの溝がかみ合うように設置し
接合する方法が提案されている。金属ベースとヒートシ
ンクがスリット状の溝にかみ合うことで接触面積が増加
し、かつ、両者を接合することにより接触熱抵抗を下げ
ることができるので、半導体装置の冷却効率は著しく改
善できる。しかし、半導体装置の交換時にはヒートシン
クも交換する必要があり、通常１台のヒートシンクに複
数の半導体装置が装着されていることを考えると、１台
の半導体装置の交換時に同一のヒートシンクに装着され
ている半導体装置も含めて交換する必要があり必ずしも
実用的でない。

【０００５】また、特開平９−２４６４４３号では、水
冷のヒートシンクの上蓋の代わりに半導体装置の金属ベ
ースを、シール材料（オーリング）を介してボルトによ
り締結することで、金属ベースの裏面が直接冷却水に接
する構造が提案されている。この様な構造により確かに
半導体装置の冷却効率は向上する。しかし、冷却水のシ
ール性の観点から半導体装置毎に水冷ヒートシンクが必
要になり、ヒートシンクの固定構造やヒートシンクを連
結する冷却水配管等が必要になり、設置スペースの増大
を招くので必ずしも好ましくない。

【０００６】また、特開平９−８２８５８号では、ベー
ス材料として剛性の強い合金を用い、半導体チップの下
部に当たる部分のみ熱伝導率に優れた金属材料にするこ
とでベース金属の厚さを薄くし、かつ、高い熱伝導率が
維持できる構造が提案されている。しかし、一般に剛性
の高い合金材料と熱伝導率に優れた金属材料（銅やアル
ミニウム）とは熱膨張係数が大きく違うので、半導体装
置稼働時の加熱と冷却により金属ベースに反りや割れが
発生し、ヒートシンクとの接触が悪くなることが危惧さ
れる。さらに、半導体チップの熱はベース金属を板厚方
向だけでなく横方法にも拡散するため、半導体チップの
下部のみの熱伝導率を向上させても半導体装置を充分に
冷却できない可能性がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上、従来の技術で
は、放熱が不十分であるために半導体装置が装置自体の
発熱による温度上昇により破壊してしまう問題がある。

【０００８】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、メンテナンス性を低
下させたり、設置スペースを増大させたり、周辺構造を
複雑にさせたりすることなく、熱応力による絶縁基板の
破損を防止し、冷却効率の高い半導体装置を提供するこ
とにある。

【０００９】本発明の他の目的は、半導体装置を低温化
するための絶縁基板を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】発明者等は、図１５に示
した半導体装置において、半導体チップ１から絶縁基板
４、金属ベース６及びヒートシンク１３までの熱解析を
行った結果、金属ベース６の熱抵抗が最も大きいことが
判明した。

【００１１】絶縁基板４を構成している絶縁性セラミッ
クス２は絶縁耐圧の観点から厚さが１ｍｍ前後である
が、窒化アルミニウムのように熱伝導率の優れた材料を
利用すれば大きな熱抵抗にはならない。また、この絶縁
性セラミックス２の表裏面に接合されている上部導電層
３と下部導電層１２は銅やアルミニウム等の熱導電率に
優れた金属材料を用い、その厚さを０．２〜０．３ｍｍ
程度にすれば、熱抵抗値を非常に小さくできる。

【００１２】一方、金属ベース６は熱伝導率を高くする
ために銅、銅／モリブデン合金、アルミニウム基複合材
料等を使用しているが、半導体装置の変形を防止するた
めにその厚さを厚くし剛性を高める必要がある。金属ベ
ース６はこの厚みのために大きな熱抵抗を有することが
わかった。金属ベース６は、銅を用いた場合では厚さが
３〜９ｍｍ、アルミニウム基複合材料を用いた場合でも
２〜４ｍｍである。熱抵抗を低減させるために金属ベー
スの厚さを薄くすると、剛性の低下により半導体装置の
変形を増大させることになり、強度的に脆い絶縁性セラ
ミックス層が破壊する可能性がある。

【００１３】そこで金属ベース６が無くても剛性が高
く、熱抵抗の低い半導体装置が不可欠であると考えるに
至った。しかし、絶縁基板を支持フレームを介してヒー
トシンクにボルトにより固定した場合、絶縁基板が上に
凸の形状に反るため、下部導電層の周辺部近傍はヒート
シンクに密着するが、中央部は浮き上がるためヒートシ
ンクに密着しないことが判明した。

【００１４】上記目標を達成するために、本発明の第１
の特徴は、絶縁基板に係るものであり、上部導電層、絶
縁性セラミックスと下部導電層の積層構造を有し、下面
が下に凸である絶縁基板であることである。このことに
より、支持フレームの圧接が無い場合には絶縁基板が下
に凸の形状になるように反りを与えておき、支持フレー
ムで絶縁基板の周囲を圧接することにより、下部導電層
がヒートシンクに密着し、半導体チップの熱を効率よく
除去することができる。

【００１５】そして、凸の量が５μｍ以上１００μｍ以
下であることが好ましい。このことにより、ボルト締結
時に、絶縁基板に作用する歪みを破壊歪み以下に制御す
ることができ、絶縁基板に過度な曲げ応力が発生し損傷
することを防止することが出来る。下限値を５μｍとす
るのは一般に絶縁基板には最大で５μｍ程度のうねりが
あるからである。

【００１６】本発明の第１の特徴は、上部導電層の厚さ
が下部導電層の厚さより厚い絶縁基板であることにより
その効果を発する。このことにより、ヒートシンク側に
凸の形状の絶縁基板を得ることができる。これは、絶縁
基板は絶縁性セラミックスの表裏面に上部導電層と下部
導電層を銅直接接合法や活性金属ろう等を用いて接合す
る。この接合温度は８００℃以上と高く、接合後の冷却
過程で絶縁基板には絶縁性セラミックスと、上部導電層
と下部導電層との熱膨張係数差、厚さ、ヤング率、降伏
応力等によりその大きさが決定される残留応力が発生す
ることを利用したものである。そして、上部導電層と下
部導電層の厚さを制御することにより絶縁基板に任意の
反りを再現性良く付与することができ、製造においても
新たな装置が不要でコスト的にも有利である。

【００１７】本発明の第１の特徴は、上部導電層の材料
に比べて下部導電層の材料の熱膨張係数が小さいことに
よってもその効果を発する。すなわち、ヒートシンク側
に凸の形状の絶縁基板を得ることができる。これらのこ
とにより、絶縁基板に任意の反りを再現性良く付与する
ことができ、半導体チップと上部導電層との熱膨張のミ
スマッチによる熱応力が低減できる。

【００１８】本発明の第１の特徴は、絶縁性セラミック
スが金属窒化物又は金属酸化物であり、上部導電層と下
部導電層が金、銀、銅、アルミニウム又は金、銀、銅若
しくはアルミニウムを主成分とする合金であることによ
っていっそう効果的である。このことにより、絶縁性セ
ラミックスは高い絶縁性と高い熱伝導を有し、また、上
部導電層と下部導電層は高い熱伝導を有する。

【００１９】次に、本発明の第２の特徴は、半導体装置
の全体に係ることであり、単数又は複数の半導体チップ
と、この半導体チップが接合された絶縁基板と、この絶
縁基板に密着するヒートシンクと、絶縁基板の周囲に位
置しヒートシンクに螺着し絶縁基板の周辺部に圧接する
支持フレームとを有する半導体装置であることである。
上記構成の半導体装置では、製造時に変形し易い絶縁基
板を矯正しヒートシンクに密着させることが可能になる
ので、絶縁基板とヒートシンクの熱抵抗が小さく、著し
く優れた冷却特性を得ることができる。また、半導体チ
ップの発熱による熱応力による絶縁基板の曲げ変形の発
生を防止し、絶縁性セラミックス層の損傷を回避するこ
とができる。これらこのことにより、絶縁信頼性の高い
半導体装置を得ることができ、半導体装置の大電流化が
達成できる。なお、半導体装置のメンテナンス性を低下
させることもない。

【００２０】本発明の第２の特徴は、絶縁基板の支持フ
レームに圧接される領域の直下で、絶縁基板とヒートシ
ンクの間に存在する空隙の高さが５μｍ以上１００μｍ
以下であることが効果的である。このことにより、支持
フレームをボルトでヒートシンクに固定すると、下部導
電層がヒートシンクに密着し、この間の熱抵抗を著しく
低減でき、かつ、絶縁性セラミックスがボルト締め付け
時の曲げ応力で破損しない半導体装置を得ることができ
る。下限値を５μｍとするのは一般に絶縁基板には最大
で５μｍ程度のうねりがあるからである。

【００２１】本発明の第３の特徴は、半導体装置の特に
支持フレームに係るものであり、支持フレームが、絶縁
基板に圧接する上部支持フレームと、上部支持フレーム
とヒートシンクに螺着する下部支持フレームとを有する
ような半導体装置であることである。このことにより、
組立性やメンテナンス性も著しく改善でき、半導体チッ
プの交換性にも優れた絶縁信頼性の高い半導体装置を得
ることができる。もちろん絶縁性基板４の厚みの変化に
対応すべく、スペーサとしての中部フレームを設け、上
部、中部、下部の３つに分割されていても良い。

【００２２】本発明の第３の特徴は、支持フレームが、
絶縁基板の周囲の方向に分割されていてもよい。このこ
とにより、損傷防止だけでなく、加熱による支持フレー
ム自体の熱応力も緩和でき、組立時やメンテナンス時の
作業性に優れるので、耐熱応力性と絶縁信頼性に高い半
導体装置を得ることができる。

【００２３】そして、支持フレームは絶縁基板の反りを
矯正し、かつ、通電時の熱応力による変形を防止する機
能が要求される。従って、支持フレームは剛性の高い材
料が好ましい。支持フレームの剛性を高める方法として
は、支持フレームの大きさを大きくする方法や支持フレ
ームに弾性係数の高い材料を使用する方法が考えられ
る。ただ、前者は半導体装置の大きさが大きくなる点
で、後者の弾性係数の大きい材料を使用する方が好まし
い。支持フレームに必要な弾性係数は絶縁基板の寸法や
支持フレームの寸法に依存するが、発明者らの応力解析
結果から現状の半導体装置の寸法の範囲内では概ね１５
０ＧＰａ以上が好ましい。

【００２４】また、下部導電層と支持フレームとの間隔
が小さいと、沿面の絶縁破壊が問題となる。この様な観
点から、支持フレームは絶縁性に優れた材料が適してい
る。したがって、本発明の第三の特徴は、支持フレーム
が金属窒化物又は金属酸化物であることによりいっそう
効果的である。このことにより、支持フレームと絶縁基
板間の沿面絶縁耐圧を著しく向上できるので、絶縁信頼
性の高い半導体装置を得ることができる。

【００２５】さらに、半導体チップで発生した熱は絶縁
基板を介してヒートシンクに逃げるが、同時に支持フレ
ームを介してもヒートシンクに逃げる。このことで半導
体装置の冷却を促進することができる。支持フレームの
材料としては熱導電率に優れた材料が好ましく、銅、ア
ルミニウム及びこれらの合金が適している。しかし、こ
れらの金属材料のヤング率は低く絶縁基板の変形を矯正
することが困難な場合が考えられる。

【００２６】そこで、本発明の第３の特徴は、支持フレ
ームが、金、銀、銅、アルミニウム又は金、銀、銅若し
くはアルミニウムを主成分とする合金と、セラミック
ス、タングステン又はモリブデンとの複合材料であるこ
とによりいっそう効果的である。

【００２７】このことにより、剛性が強く熱伝導率に優
れた支持フレームを形成することができる。

【００２８】絶縁セラミックス層の端部は上下方向から
支持フレームにより固定されるが、固定される領域が小
さいとボルトによりヒートシンクに固定する際の機械的
応力や、通電時の熱応力により絶縁セラミックスの端部
が破損する。発明者らは支持フレームにより固定される
絶縁性セラミックス層の領域を種々変えて締め付け試験
及び通電試験を行った。その結果、支持フレームにより
固定される絶縁性セラミックスのエッジ部からの距離が
０．５ｍｍ以上、絶縁性セラミックスの強度のばらつき
を考慮すれば１．０ｍｍ以上が必要なことが判明した。

【００２９】そこで、本発明の第４の特徴は、絶縁基板
と支持フレームの位置関係に係るものであり、絶縁基板
において、支持フレームに圧接される領域が、絶縁基板
のエッジ部から内側０．５ｍｍ以上までの領域であるこ
とを特徴とする。このことにより、絶縁性セラミックス
層が支持フレームに固定される十分なスペースを確保す
ることができ、支持フレームの局部的な拘束による絶縁
性セラミックスの破損を防止し、沿面絶縁抵抗に優れた
半導体装置を得ることができる。

【００３０】絶縁基板と支持フレームは半導体チップか
らの熱により加熱され膨張する。その際、絶縁基板を構
成する絶縁性セラミックスと支持フレームの熱膨張率が
異なると、絶縁性セラミックスに局所的に歪みが集中し
破損に至る可能性がある。そこで、本発明の第４の特徴
は、支持フレームと絶縁性セラミックスの熱膨張係数と
の差が、５×１０^-6／Ｋ以下であることにより効果的で
ある。この差は小さければ小さいほど好ましい。このこ
とにより、絶縁性セラミックスと支持フレーム間の熱応
力を低減でき、熱サイクル特性と冷却特性に優れた半導
体装置を得ることができる。

【００３１】また、絶縁基板と支持フレームは半導体チ
ップ１からの熱により加熱され膨張するが、ボルト間隔
はヒートシンクがあまり昇温しないため変化しない。そ
のため、絶縁セラミックス２の側面は支持フレームによ
り熱膨張を拘束される。その結果、絶縁基板が変形しヒ
ートシンクとの接触面が減少したり、絶縁基板に曲げ応
力が発生し損傷する可能性がある。そこで、本発明の第
４の特徴は、絶縁セラミックスの端面と、絶縁セラミッ
クスの端面と対向する支持フレームの面の距離が、０．
２ｍｍ以上、好ましくは０．５ｍｍ以上で、１０ｍｍ以
下であることにより効果的である。このことにより、支
持フレームと絶縁基板が緩衝により損傷するのを防止で
き、半導体装置が大きくなりすぎることもない。

【００３２】さらに、支持フレームと絶縁基板を構成す
る絶縁性セラミックスとの接触面の摩擦係数を小さくす
ることが効果的である。このような接触面の摩擦係数を
小さくする方法としては、様々な表面処理方法が提案さ
れているが、発明者らの実験結果から、接触面の表面粗
さを小さくすることで十分効果があることが判明した。
また、必要な表面粗さは、絶縁性セラミックスや支持フ
レームの材質、及び、ボルトの締め付け圧力（接触面
圧）に依存する。そこで、本発明の第４の特徴は、絶縁
性セラミックスと、支持フレームの圧接面の表面粗さが
Ｒｍａｘ：５μｍ以下、好ましく２μｍ以下であること
によりさらに効果的である。なお、この表面粗さは小さ
ければ小さいほど好ましい。このことにより、熱膨張時
に両者が滑るので、絶縁性セラミックスと支持フレーム
との緩衝による損傷を防止でき、絶縁信頼性の高いモジ
ュール型半導体を得ることができる。

【００３３】本発明の第４の特徴は、支持フレームが、
絶縁基板の上部導電層と下部導電層に接しないことによ
り効果的である。このことにより、支持フレームと絶縁
基板との沿面絶縁耐圧を向上できるので、沿面絶縁耐圧
の優れた半導体装置を得ることができる。

【００３４】支持フレームに金属材料を用いた場合に
は、絶縁基板を構成する導電層と支持フレームとの沿面
絶縁耐圧が問題になる。沿面絶縁耐圧は導電層と支持フ
レームとの距離を大きくすることにより向上するが、不
必要に大きすぎると半導体装置の大型化を招く。発明者
らの絶縁耐圧試験から、この距離が０．５ｍｍ以上あれ
ば現状の半導体装置における沿面絶縁破壊は防止できる
ことがわかった。環境中の湿度が高い場合には沿面絶縁
破壊電圧が低下するので、好ましくは、１ｍｍ以上の距
離が望ましい。また、１０ｍｍ以下であれば半導体装置
の使用の際に大きすぎることはない。そこで、本発明の
第４の特徴は、上部導電層の端面と、支持フレームの端
面との距離が０．５ｍｍ以上、好ましくは、１ｍｍ以上
で、１０ｍｍ以下であることによりいっそう効果的であ
る。このことを絶縁基板からみれば、上部導電層の端面
と絶縁基板の端面との距離が１．０ｍｍ以上、好ましく
は２．０ｍｍ以上で、１０ｍｍ以下にすることにより、
絶縁セラミックスに支持フレームが圧接される十分なス
ペースを確保できるので支持フレームの局部的な拘束に
よる絶縁性セラミックスの破損を防止するとともに、支
持フレームと上部導電層との間に沿面放電が発生するの
を防止する十分な距離を保つことができる。１０ｍｍ以
下であれば半導体装置の使用の際に大きすぎることはな
い。

【００３５】本発明の第４の特徴は、支持フレームが、
少なくとも上部導電層の対向面上と上面上に被着する金
属酸化物又は金属窒化物の膜を有することを特徴とす
る。さらに、金属酸化物又は金属窒化物の膜の厚さが、
０．２ｍｍ以上、好ましくは０．５ｍｍ以上で、１０ｍ
ｍ以下であることによりいっそう効果的である。この厚
さは厚ければ厚いほど好ましいが、絶縁基板が熱膨張し
てもこの膜に緩衝しないようにする。このことにより、
支持フレーム１７と絶縁基板４との間の距離が小さい場
合でも、沿面絶縁特性に優れた半導体装置を得ることが
できる。

【００３６】本発明の第５の特徴は、絶縁基板と支持フ
レームを被装する絶縁樹脂ケースと、露出する半導体チ
ップ、絶縁基板と支持フレームの表面を包囲する絶縁性
ゲルとを有する半導体装置であることである。このこと
により、半導体装置内部の沿面絶縁性を向上できるの
で、絶縁性と冷却特性に優れた半導体装置を得ることが
できる。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施の形態を説明する。以下の図面の記載において同一又
は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。た
だし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との
関係、各層の厚みとの比率等は現実のものとは異なるこ
とに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸
法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。ま
た、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率の異
なる部分が含まれるのはもちろんである。

【００３８】図１は本発明の実施の形態に係る半導体装
置の上面図（ａ）、断面図（ｂ）と支持フレームを除去
した半導体装置の断面図（ｃ）である。なお、（ｂ）は
（ａ）のI-I方向の断面図である。本発明の実施の形態
に係る半導体装置は、単数又は複数の半導体チップ１
と、この半導体チップ１が接合された絶縁基板４と、絶
縁基板４に密着するヒートシンク１３と、絶縁基板４の
周囲に位置し、ヒートシンク１３に螺着し、絶縁基板４
の周辺部に圧接する支持フレーム１７とを有している。

【００３９】半導体チップ１は絶縁基板４にハンダ層５
により接合している。絶縁基板４は絶縁性セラミックス
２の表裏面に上部導電層３と下部導電層１２を接合した
ものである。絶縁基板４は支持フレーム１７で周辺部
を表裏からボルト１４により固定されており、水冷また
は風冷のヒートシンク１３に密着して、半導体チップ１
で発生した熱を絶縁基板４を介してヒートシンク１３に
逃がす構造になっている。支持フレーム１７は上部支持
フレーム１５と下部支持フレーム１６とで構成されてい
る。半導体チップ１と絶縁基板４はハンダ層５により冶
金的に接合されているため、これらの部品間の接触熱抵
抗はそれほど大きくない。

【００４０】冶金的な接合はの接触熱抵抗は著しく低減
できるが、絶縁基板４とヒートシンク１３との接合に冶
金的な接合は半導体装置のメンテナンス性の観点から好
ましくないので、単にボルト１４により機械的に接触し
ている。機械的な接触における接触熱抵抗は互いに接触
する部材の熱伝導率だけでなく、硬さ、表面粗さと接触
面圧にも起因する。そこで、ボルト１４で締結すること
により必要な面圧を得ることが不可欠である。

【００４１】なお、下部導電層１２とヒートシンク１３
の間に導電性グリスや導電性ペーストの塗布、導電性イ
ンサート材料の挿入等を行うことにより、更に、導電率
を向上させることも効果的である。

【００４２】本発明の実施の形態に係る半導体装置は、
絶縁基板４の支持フレーム１７に圧接される領域の直下
で、絶縁基板４とヒートシンク１３の間に存在する空隙
の高さが１００μｍ以下である。半導体装置を効率よく
冷却するためには、下部導電層１２がヒートシンク１３
に密着することが好ましい。下部導電層１２の厚さｈは
下部支持フレーム１６の絶縁性セラミックス層２の直下
部の厚さａよりも厚いことが好ましい。下部導電層１２
をヒートシンク１３に密着させるためには、両者の厚さ
の差（ｈ−ａ）がプラスであることが必要である。逆に
ｈ−ａが大きすぎると支持フレーム１７をボルト１４に
よりヒートシンク１３に固定する際、絶縁基板４に曲げ
応力が発生し破損する。従って、ｈ−ａは１００μｍ以
下、絶縁性セラミックス２の破壊歪みのばらつきを考慮
すると５０μｍ以下が適している。同様な理由からｍ−
ｎも１００μｍ以下、絶縁性セラミックス２の破壊歪み
のばらつきを考慮すると５０μｍ以下が適している。

【００４３】また、本発明の実施の形態に係る絶縁基板
４は、上部導電層３、絶縁性セラミックス２と下部導電
層１２の積層構造を有し、下面が下に凸であることを特
徴とする。このことにより、支持フレーム１７の圧接が
無い場合には図１（ｃ）のように絶縁基板４が下に凸の
形状になるように反りを与えておき、支持フレーム１７
で絶縁基板４の周囲を圧接することにより、下部導電層
１２がヒートシンク１３に密着し、半導体チップの熱を
効率よく除去することができる。

【００４４】そして、凸の量ｅが１００μｍ以下である
ことが好ましい。ボルト１４締結時に損傷しない絶縁基
板４の反り量ｅは、絶縁基板４、特に絶縁性セラミック
ス２の材質と大きさに依存するが、発明者等の応力解析
結果から絶縁性セラミックス２として窒化アルミニウム
を用い、一般に使用されている絶縁基板４の大きさにお
いては反り量ｅが１００μｍ以下であることがわかっ
た。

【００４５】なお、窒化アルミニウムの破壊歪みはばら
つきが大きく、統計的な処理により得られる窒化アルミ
ニウムの破壊歪みを基にすれば、反り量ｅは５０μｍ以
下が好ましい。

【００４６】図２（ａ）は本発明の実施の形態の変形例
に係る支持フレームを除去した半導体装置の断面図であ
る。本発明の実施の形態の変形例に係る絶縁基板４は、
上部導電層３の厚さｔ１が下部導電層１２の厚さｔ２よ
り厚い。

【００４７】図２（ｂ）も本発明の実施の形態の変形例
に係る支持フレームを除去した半導体装置の断面図であ
る。本発明の実施の形態の変形例に係る絶縁基板４は、
上部導電層３の材料に比べて下部導電層１２の材料の熱
膨張係数が小さい。また、図２の（ａ）と（ｂ）を組み
合わせて上部導電層３と下部導電層１２の材質と厚さの
両法を変えることも効果的である。

【００４８】図３は本発明の実施の形態の変形例に係る
支持フレームを除去した半導体装置の断面図である。図
３に示すような構造でも下部導電層１２とヒートシンク
１３とが密着可能な半導体装置を提供できる。図３
（ａ）では絶縁性セラミックス２の下面が下に凸なって
いる。（ｂ）ではヒートシンク１３の上面が上に凸なっ
ている。（ｃ）では下部導電層１２の下面が下に凸なっ
ている。上記３つの場合について凸の量ｅは１００μｍ
以下で好ましくは５０μｍ以下である。

【００４９】本発明の実施の形態に係る半導体装置は、
絶縁性セラミックス２が金属窒化物又は金属酸化物であ
ることを、また、上部導電層３と下部導電層１２が、
金、銀、銅、アルミニウム又は金、銀、銅若しくはアル
ミニウムを主成分とする合金である。図４は、セラミッ
クス材料の比抵抗と熱伝導率を示す図である。半導体装
置の冷却特性を向上させるには、発熱体である半導体チ
ップ１からヒートシンク１３までの熱抵抗を低減させる
ことが効果的である。この様な観点から、半導体チップ
１とヒートシンク８の間に介在する絶縁性セラミックス
２及び導電層３、１２は熱伝導率に優れた材料が好まし
い。そこで、絶縁性セラミックス２については図４に掲
げた金属窒化物及び金属酸化物が適しており、中でも酸
化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）と窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）が優れている。図４に掲げた金属炭化物や金属ホウ
化物も比抵抗が小さく絶縁性の点で難はあるものの熱伝
導率の面では優れており適している。

【００５０】また、導電層３、１２とヒートシンク１３
については、熱伝導率が高く比抵抗の低い材料が適して
おり、この様な観点から、金、銀、銅、アルミニウムが
適している。中でもコストの面から、銅、アルミニウム
又はこれらの合金が適している。

【００５１】本発明の実施の形態に係る半導体装置にお
いては、図１に示すように支持フレーム１７が、絶縁基
板４に圧接する上部支持フレーム１５と、上部支持フレ
ーム１５とヒートシンク１３に螺着する下部支持フレー
ム１６とを有する。図５は本発明の実施の形態に係る半
導体装置の支持フレーム１７を構成する下部支持フレー
ム１６と上部支持フレーム１５の上面図と断面図であ
る。なお、図５（ｂ）は（ａ）のII-II方向の断面図で
あり、（ｄ）は（ｃ）のIII-III方向の断面図である。
図１と図５に示すように、支持フレーム１７が上部支持
フレーム１５と下部支持フレーム１６の絶縁基板の上下
方向に分割されている。そして、上部支持フレーム１５
と下部支持フレーム１６で表裏面方向から絶縁基板を固
定する。

【００５２】図６は本発明の実施の形態の変形例に係る
半導体装置の上面図と断面図である。

【００５３】なお、図６（ｂ）は（ａ）のIV-IV方向の
断面図である。本発明の実施の形態の変形例に係る半導
体装置は、支持フレーム１７が、絶縁基板４の周囲の方
向に分割されている。

【００５４】図７は、本発明の実施の形態の変形例に係
る半導体装置の支持フレーム１７の上面図、断面図と鳥
瞰図である。なお、図７（ｂ）は（ａ）のV-V方向の断
面図である。支持フレーム１７は４つに分割され、それ
ぞれの内側に溝１８が形成される。これに図６に示すよ
うに絶縁基板４を挿入し固定する。

【００５５】図８も、本発明の実施の形態の変形例に係
る半導体装置の支持フレーム１７の上面図と断面図であ
る。なお、図８（ｂ）は（ａ）のVI-VI方向の断面図で
ある。これは支持フレーム１７を２つに分割した場合で
ある。

【００５６】図９は、本発明の実施の形態の変形例に係
る半導体装置の下部支持フレーム１６と上部支持フレー
ム１５の上面図と断面図である。なお、図９（ｂ）は
（ａ）のVII-VII方向の断面図であり、（ｄ）は（ｃ）
のVIII-VIII方向の断面図である。下部支持フレーム１
６は分割せず、上部支持フレーム１５のみを複数に分割
することによっても同様な効果を得ることが出来る。

【００５７】本発明の実施の形態に係る半導体装置は、
支持フレーム１７の弾性係数が１５０ＧＰａ以上であ
る。

【００５８】本発明の実施の形態に係る半導体装置は、
支持フレーム１７が金属窒化物又は金属酸化物であるこ
とを特徴とする。特に図４に掲げた金属窒化物及び金属
酸化物が適しているといえる。

【００５９】支持フレーム１７を前記金属材料とセラミ
ックス材料の複合材料とすることで高い熱導電率と高い
ヤング率を兼ね備えた支持フレームを得ることができ
る。複合化するセラミックス材料としては熱伝導率とヤ
ング率が共に高い炭化珪素のような図４に掲げた金属炭
化物と金属ホウ化物が好ましい。また、同様な特性を有
する材料としてはタングステンやモリブデンがあり、前
述のセラミックスの代わりにタングステンやモリブデン
を複合化しても良好な支持フレームを得ることができ
る。

【００６０】本発明の実施の形態に係る半導体装置の絶
縁基板４において、支持フレーム１７に圧接される領域
は、絶縁基板４のエッジ部から内側０．５ｍｍ以上まで
の領域である。

【００６１】絶縁性セラミックス２と支持フレーム１７
とは熱膨張係数が等しいことが望まれる。発明者等の半
導体装置の通電時における熱応力解析結果と、絶縁性セ
ラミックス２の強度、破壊歪みの値から、本発明の実施
の形態に係る半導体装置の支持フレーム１７と絶縁性セ
ラミックス２の熱膨張係数との差は、５×１０^-6／Ｋ以
下である。

【００６２】また、絶縁基板４と支持フレーム１７は半
導体チップ１からの熱により加熱され膨張するが、ボル
ト間隔はヒートシンク１３があまり昇温しないため変化
しない。そこで、図１に示すように絶縁性セラミックス
２の側面と、対向する支持フレーム１７の面との間にギ
ャップｄを設けることにより、絶縁基板４の変形や破損
を回避することができる。このギャップｄの大きさは絶
縁性セラミックス２や支持フレーム１７の材質により異
なるが、絶縁性セラミックス２や支持フレーム１７の熱
膨張率の差が２×１０^-6以内の場合はギャップｄは０．
２ｍｍ程度で十分であるが、熱膨張率の差が２×１０^-6
を超える場合はさらに大きい値を取る必要があり、ギャ
ップｄは０．５ｍｍ以上が好ましい。

【００６３】そして、本発明の実施の形態に係る半導体
装置は、絶縁性セラミックス２と、前記支持フレーム１
７の圧接面の表面粗さＲｍａｘを５μｍ以下にすれば、
絶縁性セラミックス２と支持フレーム１７とは概ね良好
な滑り状態が得られる。また、ボルト締め付け圧力の不
均一性を考慮すればＲｍａｘを２μｍ以下にすることが
好ましい。

【００６４】図１のように、本発明の実施の形態に係る
半導体装置は、支持フレーム１７が、絶縁基板４の上部
導電層３と下部導電層１２に接しないことを特徴とす
る。このことにより、支持フレーム１７が導電材料で構
成されている場合でも半導体チップの絶縁が維持でき
る。

【００６５】図１０は、本発明の実施の形態の変形例に
係る絶縁基板と半導体装置の断面図である。下部導電層
１２の端部と絶縁基板４の端部の距離ｐが、絶縁基板４
の支持フレーム１７に圧接される領域の絶縁基板４の端
部からの最大幅ｆより小さい場合に図１０の半導体装置
は図１の半導体装置と同様の効果が得られる。なお、図
１０（ａ）の絶縁基板４の下面は下に凸形状を有するの
はもちろんである。

【００６６】図１と図１０において、支持フレーム１７
に金属材料を用いた場合には、上部導電層３と支持フレ
ーム１７との沿面絶縁耐圧が問題になる。上部導電層３
と支持フレーム１７との距離ｂを０．５ｍｍ以上あれば
現状の半導体装置における沿面絶縁破壊は防止できる。
環境中の湿度が高い場合には沿面絶縁破壊電圧が低下す
るので、好ましくは、１ｍｍ以上の距離が望ましい。

【００６７】また、このことを絶縁基板からみれば、本
発明の実施の形態に係る半導体装置は、上部導電層３の
端面と絶縁基板４の端面との距離ｃが１．０ｍｍ以上、
好ましくは２．０ｍｍ以上であることを特徴とすること
となる。

【００６８】図１１は、本発明の実施の形態の変形例に
係る半導体装置の断面の拡大図である。図１と図１０に
おいて、支持フレーム１７の材質が金属である場合は、
半導体装置のさらなる高耐圧化や、雰囲気の湿度が著し
く高い時には沿面絶縁破壊が生じる可能性がある。そこ
で、図１１のように、支持フレーム１７の少なくとも上
部導電層３と下部導電層１２側及び上面に絶縁性コーテ
ィング膜１９を施すことにより沿面絶縁破壊を防止する
ことができる。コーティング材料としては電気抵抗の大
きい図４に示した金属酸化物と金属窒化物が適してい
る。

【００６９】絶縁性コーティング膜１９の厚さｔは、
０．２ｍｍ以上あれば十分であるが、コーティング被膜
中には気孔が残留しやすいことを考慮すれば、０．５ｍ
ｍ以上の厚さが好ましいといえる。もちろんＰＶＤ法や
反応性のスパッタ法により成膜することも可能である。

【００７０】図１２と図１３は、本発明の実施の形態の
変形例に係る絶縁基板と半導体装置の断面図である。支
持フレーム１７が絶縁物で構成されている場合は、半導
体チップ１の絶縁が支持フレーム１７によって確保され
る。図１２と図１３のように、支持フレーム１７により
絶縁基板４を構成する絶縁性セラミックス２と導電層３
さらには導電層１２も含めて支持できるため、強度的に
脆い絶縁性セラミックス２を保護する観点で好ましい。
なお、図１２（ａ）と図１３（ａ）の絶縁基板４の下面
は下に凸形状を有するのはもちろんである。図１のｍ−
ｎと同様な理由からｋ−ｎも１００μｍ以下、絶縁性セ
ラミックス２の破壊歪みのばらつきを考慮すると５０μ
ｍ以下が適している。

【００７１】図１４は、本発明の実施の形態の変形例に
係る半導体装置の断面図である。半導体装置の沿面絶縁
耐圧を向上させるために、絶縁基板４を絶縁性樹脂でで
きた絶縁樹脂ケース１０の中に収納し、かつ、半導体チ
ップ１と絶縁基板４上を絶縁性ゲル９で封止する。

【００７２】（その他の実施の形態）上記のように、本
発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす
論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解す
べきでない。この開示から当業者には様々な代替しうる
実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになろう。

【００７３】既に述べた実施の形態の説明においては、
絶縁基板４が単層の場合についてのみ述べたが、半導体
チップ１を接合した絶縁基板４が積層されてあっても良
い。

【００７４】また、半導体装置の構成部品として大電流
制御用の半導体素子について述べたが、これに限られ
ず、汎用のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）やワークス
テーション（ＷＳ）等のＣＰＵや半導体レーザなどの発
光素子などに適用してもかまわない。

【００７５】この様に、本発明はここでは記載していな
い様々な実施の形態を包含するということを理解すべき
である。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許
請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定される
ものである。

【００７６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、メ
ンテナンス性を低下させたり、設置スペースを増大させ
たり、周辺構造を複雑にさせることなく、熱応力による
絶縁基板の破損を防止し、冷却効率の高い半導体装置を
提供することができる。

【００７７】また、本発明によれば、半導体装置を低温
化するための絶縁基板を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る半導体装置の上面図
（ａ）、断面図（ｂ）と支持フレームを除去した半導体
装置の断面図（ｃ）である。

【図２】本発明の実施の形態の変形例に係る支持フレー
ムを除去した半導体装置の断面図である。

【図３】本発明の実施の形態の変形例に係る支持フレー
ムを除去した半導体装置の断面図である。

【図４】セラミックス材料の比抵抗と熱伝導率を示す図
である。

【図５】本発明の実施の形態に係る下部支持フレームと
上部支持フレームの上面図と断面図である。

【図６】本発明の実施の形態の変形例に係る半導体装置
の上面図と断面図である。

【図７】本発明の実施の形態の変形例に係る支持フレー
ムの上面図、断面図と鳥瞰図である。

【図８】本発明の実施の形態の変形例に係る支持フレー
ムの上面図と断面図である。

【図９】本発明の実施の形態の変形例に係る上部支持フ
レームの上面図と断面図である。

【図１０】本発明の実施の形態の変形例に係る絶縁基板
と半導体装置の断面図である。

【図１１】本発明の実施の形態の変形例に係る半導体装
置の断面の拡大図である。

【図１２】本発明の実施の形態の変形例に係る絶縁基板
と半導体装置の断面図である。

【図１３】本発明の実施の形態の変形例に係る絶縁基板
と半導体装置の断面図である。

【図１４】本発明の実施の形態の変形例に係る半導体装
置の断面図である。

【図１５】従来の半導体装置の断面図である。

【符号の説明】

１半導体チップ２絶縁性セラミックス３上部導電層４絶縁基板５、７ハンダ層６金属ベース９絶縁性ゲル１０絶縁性樹脂ケース１２下部導電層１３ヒートシンク１４ボルト１５上部支持フレーム１６下部支持フレーム１７支持フレーム１８溝１９絶縁性コーティング膜

フロントページの続き (72)発明者石渡裕神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者山本敦史東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中工場内 (72)発明者草野貴史東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中工場内 (72)発明者西村隆宣東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中工場内 (72)発明者田中明神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者荒木浩二神奈川県川崎市幸区小向東芝町１株式会社東芝多摩川工場内 (72)発明者福吉寛神奈川県川崎市幸区小向東芝町１株式会社東芝多摩川工場内Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BB01 BB08 BC03 BC06 BD13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上部導電層、絶縁性セラミックスと下部
導電層の積層構造を有し、前記下部導電層の下面が下に
凸であることを特徴とする絶縁基板。
【請求項２】前記凸の量が５μｍ以上１００μｍ以下
であることを特徴とする請求項１記載の絶縁基板。
【請求項３】前記上部導電層の厚さが前記下部導電層
の厚さより厚いことを特徴とする請求項１又は請求項２
記載の絶縁基板。
【請求項４】前記上部導電層の材料に比べて前記下部
導電層の材料の熱膨張係数が小さいことを特徴とする請
求項１乃至３のいずれか１記載の絶縁基板。
【請求項５】前記絶縁性セラミックスが金属窒化物又
は金属酸化物であることを特徴とする請求項１乃至４の
いずれか１記載の絶縁基板。
【請求項６】前記上部導電層と前記下部導電層が、
金、銀、銅、アルミニウム又は金、銀、銅若しくはアル
ミニウムを主成分とする合金であることを特徴とする請
求項１乃至５のいずれか１記載の絶縁基板。
【請求項７】単数又は複数の半導体チップと、該半導
体チップが接合された前記請求項１乃至６記載の絶縁基
板と、該絶縁基板に密着するヒートシンクと、前記絶縁
基板の周囲に位置し、前記ヒートシンクに螺着し、前記
絶縁基板の周辺部に圧接する支持フレームとを有するこ
とを特徴とする半導体装置。
【請求項８】前記絶縁基板の前記支持フレームに圧接
される領域の直下で、前記絶縁基板と前記ヒートシンク
の間に存在する空隙の高さが５μｍ以上１００μｍ以下
であることを特徴とする請求項７記載の半導体装置。
【請求項９】前記支持フレームが、前記絶縁基板に圧
接する上部支持フレームと、該上部支持フレームと前記
ヒートシンクに螺着する下部支持フレームとを有するこ
とを特徴とする請求項７又は請求項８記載の半導体装
置。
【請求項１０】前記支持フレームが、前記絶縁基板の
周囲の方向に分割されていることを特徴とする請求項７
乃至９のいずれか１記載の半導体装置。
【請求項１１】前記支持フレームの弾性係数が１５０
ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項７乃至１０の
いずれか１記載の半導体装置。
【請求項１２】前記支持フレームが、金属窒化物又は
金属酸化物であることを特徴とする請求項７乃至１１の
いずれか１記載の半導体装置。
【請求項１３】前記支持フレームが、金、銀、銅、ア
ルミニウム又は金、銀、銅若しくはアルミニウムを主成
分とする合金と、セラミックス、タングステン又はモリ
ブデンとの複合材料であることを特徴とする請求項７乃
至１２のいずれか１記載の半導体装置。
【請求項１４】前記絶縁基板において、前記支持フレ
ームに圧接される領域が、前記絶縁基板の端部から内側
０．５ｍｍ以上までの領域であることを特徴とする請求
項７乃至１３のいずれか１記載の半導体装置。
【請求項１５】前記支持フレームと前記絶縁性セラミ
ックスの熱膨張係数との差が、５×１０^-6／Ｋ以下であ
ることを特徴とする請求項７乃至１４のいずれか１記載
の半導体装置。
【請求項１６】前記絶縁性セラミックスの端面と、該
絶縁性セラミックスの端面と対向する支持フレームの面
の距離が、０．２ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特
徴とする請求項７乃至１５のいずれか１記載の半導体装
置。
【請求項１７】前記絶縁性セラミックスと、前記支持
フレームの圧接面の表面粗さがＲｍａｘ：５μｍ以下で
あることを特徴とする請求項７乃至１６のいずれか１記
載の半導体装置。
【請求項１８】前記支持フレームが、前記上部導電層
と下部導電層に接しないことを特徴とする請求項７乃至
１７のいずれか１記載の半導体装置。
【請求項１９】前記上部導電層の端面と、前記支持フ
レームの端面との距離が０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下で
あることを特徴とする請求項７乃至１８のいずれか１記
載の半導体装置。
【請求項２０】前記上部導電層の端面と前記絶縁基板
の端面との距離が１．０ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるこ
とを特徴とする請求項７乃至１８のいずれか１記載の半
導体装置。
【請求項２１】前記支持フレームが、少なくとも前記
上部導電層の対向面上と上面上に被着する金属酸化物又
は金属窒化物の膜を有することを特徴とする請求項１９
又は請求項２０記載の半導体装置。
【請求項２２】前記金属酸化物又は金属窒化物の膜の
厚さが、０．２ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴
とする請求項２１記載の半導体装置。
【請求項２３】前記絶縁基板と前記支持フレームを被
装する絶縁樹脂ケースと、露出する前記半導体チップ、
前記絶縁基板と前記支持フレームの表面を包囲する絶縁
性ゲルとを有することを特徴とする請求項７乃至２２の
いずれか１記載の半導体装置。