JP2014093342A

JP2014093342A - 絶縁基板および半導体装置

Info

Publication number: JP2014093342A
Application number: JP2012241695A
Authority: JP
Inventors: Choichi Ishimura; 暢一石村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-11-01
Filing date: 2012-11-01
Publication date: 2014-05-19

Abstract

【課題】本発明は、加熱および冷却しても割れおよび反りが生じにくい絶縁基板の提供を目的とする。
【解決手段】本発明に係る絶縁基板１００は、絶縁性の第１熱伝導素材１１と、絶縁性の弾性素材１２とを備え、第１熱伝導素材１１は、間隙を介して分散して配置され、弾性素材１２は、間隙を充填し一体化していることを特徴とする。また、本発明に係る絶縁基板２００は、第１熱伝導素材１１と熱伝導率の異なる第２熱伝導性素材１１Ａをさらに備え、第２熱伝導素材１１Ａは、第１熱伝導素材１１が分散配置された領域と異なる領域に、間隙を介して分散配置され、弾性素材１２は、第１熱伝導素材１１の間隙および第２熱伝導素材１２Ａの間隙を充填し一体化していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は絶縁基板および半導体装置に関し、例えば、電力変換用途の半導体装置に関する。

従来の絶縁基板は、絶縁基板の表裏の絶縁を保つために、板状のＡｌＮ等で形成されていた。絶縁基板上に配置した電力変換用の半導体素子などでスイッチングを行った場合、この素子で発生した熱は、絶縁基板に伝わり、絶縁基板裏側に接合された、例えば銅製のベース板を介して外部に放出される。このようにして、半導体素子で生じる熱を、絶縁基板を介して放熱することにより、半導体素子の温度上昇を抑制することができる。

例えば、特許文献１では、異なる素材の絶縁体を選択的に配置して絶縁基板を構成している。このような構成とすることで、電力変換用の半導体素子などのように、発熱の大きい素子を配置する領域には、特に熱伝導率の高い絶縁体を選択的に配置することが可能となり、効率的な排熱を行うことができる。

特開平９−１２１００４号公報

上述の特許文献１の絶縁基板は、２種類の絶縁体を組み合わせて構成されるが、各素材で熱膨張係数が異なる。よって、絶縁基板が加熱および冷却される際、絶縁体の界面に応力が発生し、絶縁基板に割れが発生する可能性がある。

また、絶縁基板を１種類の絶縁体で形成した場合であっても、ベース板とはんだ接合を行うために加熱および冷却する際に、絶縁基板に反りが生じ、割れが発生することがあった。

本発明は以上の課題を解決するためになされたものであり、加熱および冷却しても割れおよび反りが生じにくい絶縁基板の提供を目的とする。

本発明に係る絶縁基板は、絶縁性の第１熱伝導素材と、絶縁性の弾性素材とを備え、第１熱伝導素材は、間隙を介して分散して配置され、弾性素材は、前記間隙を充填し一体化していることを特徴とする。

本発明によれば、絶縁基板が加熱および冷却された際に、第１熱伝導素材の膨張または収縮により絶縁基板界面に応力が発生しても、第１熱伝導素材の間隙を充填する弾性素材の弾性により応力が吸収されるため、絶縁基板の割れおよび反りを防止することが可能である。また、絶縁基板の割れおよび反りを防止することができるため、絶縁基板をベース板にハンダ接合する際の加熱処理における歩留まりが向上する。また、絶縁基板上に半導体素子を配置して半導体装置を形成した場合、この半導体装置の耐久性を向上させることができる。

実施の形態１に係る絶縁基板の平面図および断面図である。実施の形態１に係る絶縁基板の製造方法を示す図である。実施の形態２に係る絶縁基板の平面図である。実施の形態３に係る半導体装置の概略平面図である。

＜実施の形態１＞
＜構成＞
図１（ａ），（ｂ）に、本実施の形態における絶縁基板１００の平面図と断面図をそれぞれ示す。絶縁基板１００は、絶縁性の弾性素材１２と、絶縁性の第１熱伝導素材１１とから構成される。第１熱伝導素材１１は、間隙を介して分散して配置され、弾性素材１２は、この間隙を充填し一体化している。

より具体的には、図１（ａ）に示す様に、第１熱伝導素材１１の各々は、平面視で一辺が３ｍｍの正方形であり、１ｍｍの間隙を介して周期的に配置されている。弾性素材１２は、この１ｍｍの間隙を充填し、分散して配置される第１熱伝導素材１１を一体化している。また、図１（ｂ）に示す様に、分散して配置された第１熱伝導素材１１の各々は、絶縁基板１００の両面に露出している。

第１熱伝導素材１１は、セラミック系素材であり、例えばＡｌＮである。弾性素材１２は、例えば合成樹脂である。

絶縁基板１００は単体で使用されるものではなく、例えば、その一方主面が放熱のための銅製のベース板に接合され、他方主面上には、銅製の回路パターンを介して、パワートランジスタやダイオード等の電力変換用の素子が配置される。

絶縁基板１００をベース板にはんだ接合する際に、加熱および冷却処理が行われる。その際に、分散して配置された第１熱伝導素材１１の各々には、熱による膨張および収縮により絶縁基板１００界面に応力が発生するが、第１熱伝導素材１１の間隙に充填された弾性素材１２の弾性により、応力が吸収される。よって、絶縁基板１００に生じる割れおよび反りを防止することが可能である。

また、絶縁基板１００上に、動作に発熱を伴う半導体素子を配置した場合、半導体素子の動作に伴って絶縁基板１００が加熱され膨張する。この様な場合にも、第１熱伝導素材１１界面に発生する応力が弾性素材１２の弾性により吸収されるため、絶縁基板１００に生じる割れおよび反りを防止することが可能である。

以上で述べた様に、絶縁基板１００が加熱および冷却された際に、第１熱伝導素材の膨張または収縮により絶縁基板１００界面に生じる応力が、弾性素材１２の弾性により吸収されるため、絶縁基板１００の割れおよび反りを防止することが可能である。

＜製造方法＞
図２を用いて、絶縁基板１００の製造方法を説明する。まず、図２（ａ）に示す様に、第１熱伝導素材１１の配置に対応する部分に窪みが形成された下金型２０を用意する。次に、下金型２０の窪みに、第１熱伝導素材１１の各々を配置する。

次に、図２（ｂ）に示す上金型３０を用意する。上金型３０は、下金型２０に配置された第１熱伝導素材１１を覆う形状である。

そして、図２（ｃ）に示すように、第１熱伝導素材１１が配置された下金型２０と上金型３０とを組み合わせる。さらに、下金型２０と上金型３０の隙間に弾性素材１２を注入することにより、分散して配置された第１熱伝導素材１１の間隙に弾性素材１２が充填されて一体化される。

以上のようにして、絶縁基板１００が製造される。なお、図２（ｃ）に示す様に、絶縁基板１００下面には、下金型２０の窪みの影響で凹凸が形成される。この凹凸は必要に応じて平坦に整形される。

この後、絶縁基板１００の一方主面には、放熱のためのベース板がはんだ接合され、絶縁基板１００の他方主面には、例えば銅製の回路パターンが形成され、その上に半導体素子等が配置される。

なお、本実施の形態において、放熱性と弾性の観点から、第１熱伝導素材１１の形状を、平面視で一辺３ｍｍの正方形としたが、望ましくは一辺３ｍｍ以下であり、また、第１熱伝導素材１１の間隙は、望ましくは１ｍｍ以下である。

＜効果＞
本実施の形態における絶縁基板１００は、絶縁性の第１熱伝導素材１１と、絶縁性の弾性素材１２とを備え、第１熱伝導素材１１は、間隙を介して分散して配置され、弾性素材１２は、この間隙を充填し一体化していることを特徴とする。

従って、絶縁基板１００が加熱および冷却された際に、第１熱伝導素材１１の膨張または収縮により絶縁基板１００界面に応力が発生しても、第１熱伝導素材１１の間隙を充填する弾性素材１２の弾性により応力が吸収されるため、絶縁基板１００の割れおよび反りを防止することが可能である。また、絶縁基板１００の割れおよび反りを防止することができるため、絶縁基板１００をベース板にハンダ接合する際の加熱処理における歩留まりが向上する。また、絶縁基板１００上に半導体素子を配置して、半導体装置を形成した場合、この半導体装置の耐久性を向上させることができる。

また、本実施の形態における絶縁基板１００において、第１熱伝導素材１１は、周期的に分散して配置されていることを特徴とする。

従って、第１熱伝導素材１１を周期的に分散して配置することにより、絶縁基板１００の設計および製造が容易になる。

＜実施の形態２＞
図３に、本実施の形態における絶縁基板２００の平面図を示す。実施の形態１における絶縁基板１００（図１）には、１種類の熱伝導素材、即ち第１熱伝導素材１１が分散して配置された。一方、本実施の形態における絶縁基板には、熱伝導率の異なる２種類の熱伝導素材が分散して配置される。

本実施の形態において用いる熱伝導素材は、第１熱伝導素材１１と、これと熱伝導率の異なる（本実施の形態では第１熱伝導素材よりも熱伝導率の低い）第２熱伝導素材１１Ａの２種類である。第１熱伝導素材１１としては、例えばＡｌＮを用い、第２熱伝導素材１１Ａとしては、例えば酸化アルミニウムを用いる。

図３における高熱伝導領域５０には、第１熱伝導素材１１が間隙を介して分散して配置される。また、低熱伝導領域５０Ａには、第２熱伝導素材１１Ａが間隙を介して分散して配置される。第１熱伝導素材１１および第２熱伝導素材１１Ａの間隙には絶縁性の弾性素材が充填されて一体化される。

実施の形態１と同様に、第１熱伝導素材１１および第２熱伝導素材１１Ａの各々は、平面視で一辺３ｍｍの正方形であり、また、これらの間隙は１ｍｍであるとする。つまり、第１熱伝導素材１１と第２熱伝導素材１１Ａは同じ周期で分散して配置される。

なお、本実施の形態における絶縁基板２００の断面は、図１（ｂ）と同様であり、第１熱伝導素材１１および第２熱伝導素材１１Ａの各々は、絶縁基板２００の両面に露出している。

本実施の形態の絶縁基板２００上に半導体素子等を配置する場合、例えば、高熱伝導領域５０には、発熱の比較的大きい半導体素子等が配置され、低熱伝導領域５０Ａには、発熱の比較的小さい半導体素子等が配置される。

本実施の形態における絶縁基板２００の製造方法は、実施の形態１で述べた製造方法（図２）と同様である。下金型２０に熱伝導素材を配置する際、下金型２０の高熱伝導領域５０に対応する領域に第１熱伝導素材１１を配置し、下金型２０の低熱伝導領域５０Ａに対応する領域に第２熱伝導素材１１Ａを配置する。それ以外の製造工程は実施の形態１と同じであるため、説明を省略する。

なお、高熱伝導領域５０および低熱伝導領域５０Ａの形状は、図２に示した形状に限るものではなく、絶縁基板２００上に配置する半導体素子等の回路パターンに応じて、任意の形状としてよい。

本実施の形態における絶縁基板２００は、第１熱伝導素材１１と熱伝導率の異なる第２熱伝導素材１１Ａをさらに備え、第２熱伝導素材１１Ａは、第１熱伝導素材１１が分散して配置された領域と異なる領域に、間隙を介して分散して配置され、弾性素材１２は、第１熱伝導素材１１の間隙および第２熱伝導素材１１Ａの間隙を充填し一体化していることを特徴とする。

従って、第１熱伝導素材１１および第２熱伝導素材１１Ａが分散して配置されているため、第１熱伝導素材１１または第２熱伝導素材１１Ａが加熱および冷却により膨張または収縮して、絶縁基板２００界面に応力が発生した場合であっても、弾性素材１２の弾性により応力が吸収されるため、絶縁基板２００の割れおよび反りを防止することが可能である。

さらに、第１熱伝導素材１１と第２熱伝導素材１１Ａを異なる領域に形成することによって、発熱の比較的大きい半導体素子等を配置する領域に対応した高熱伝導領域５０に、熱伝導率の高い熱伝導素材（即ち第１熱伝導素材１１）を配置し、発熱の比較的小さい半導体素子等を配置する領域に対応した低熱伝導領域５０Ａに、熱伝導率の低い熱伝導素材（即ち第２熱伝導素材１１Ａ）を配置することが可能となる。よって、一般に、熱伝導率の高い熱伝導素材はコストが高いため、上述の様に、熱伝導率の高い熱伝導素材の配置を高熱伝導領域５０に限定することで、絶縁基板２００の割れおよび反りを防止する効果を保ったまま、製造コストの削減が可能である。

また、本実施の形態における絶縁基板２００において、第１熱伝導素材１１は、周期的に分散して配置されており、第２熱伝導素材１１Ａは、第１熱伝導素材１１と同じ周期で分散して配置されていることを特徴とする。

従って、第１熱伝導素材１１と第２熱伝導素材１１Ａを同じ周期で分散して配置することによって、絶縁基板２００の設計および製造が容易になる。

＜実施の形態３＞
図４に、本実施の形態における半導体装置の概略平面図を示す。本実施の形態における半導体装置は、実施の形態２における絶縁基板２００と、絶縁基板２００上に形成される半導体素子とそれ以外の回路構成物から構成される。本実施の形態における半導体装置は、例えば、電力変換用の半導体装置である。

絶縁基板２００の高熱伝導領域５０には、半導体素子４０が配置される。また、低熱伝導領域５０Ａには、半導体素子４０は配置されず、半導体素子４０以外の回路構成物（図示せず）が配置される。半導体素子４０は、例えばＩＧＢＴおよびＩＧＢＴと並列接続される還流ダイオードであり、半導体素子４０間は、例えばアルミワイヤ等で接続されている。

本実施の形態における半導体装置は、絶縁基板２００を備え、第１熱伝導素材１１と第２熱伝導素材１１Ａのうちの熱伝導率が高い方が分散して配置された領域上、即ち高熱伝導領域５０上に半導体素子４０が配置され、第１熱伝導素材１１と第２熱伝導素材１１Ａのうちの熱伝導率が低い方が分散して配置された領域上、即ち低熱伝導領域５０Ａ上に半導体素子４０以外の回路構成物が配置されることを特徴とする。

従って、高熱伝導領域５０上にのみ比較的発熱の大きい半導体素子４０を配置することにより、絶縁基板２００の放熱性を保ったまま、高熱伝導領域５０の面積を最小限に留めることが可能である。よって、一般に、熱伝導率の高い熱伝導素材はコストが高いため、高熱伝導領域５０の面積を最小限にすることで、製造コストの削減が可能である。

＜実施の形態４＞
実施の形態３では、高熱伝導領域５０にのみ半導体素子４０を配置したが、本実施の形態では、半導体素子４０をＳｉＣ半導体素子に限定する。低熱伝導領域５０Ａには、ＳｉＣ半導体素子は配置されず、ＳｉＣ半導体素子以外の回路構成物が配置される。

本実施の形態における半導体装置は、絶縁基板２００を備え、第１熱伝導素材１１と第２熱伝導素材１１Ａのうちの熱伝導率が高い方が分散して配置された領域上にＳｉＣ半導体素子が配置され、第１熱伝導素材１１と第２熱伝導素材１１Ａのうちの熱伝導率が低い方が分散して配置された領域上にＳｉＣ半導体素子以外の回路構成物が配置されることを特徴とする。

従って、高熱伝導領域５０上にのみ、半導体素子の中でも特に高温動作が想定されるＳｉＣ半導体素子を配置することにより、絶縁基板２００の放熱性を保ったまま、高熱伝導領域５０の面積を最小限に留めることが可能である。よって、一般に、熱伝導率の高い熱伝導素材はコストが高いため、高熱伝導領域５０の面積を最小限にすることで、製造コストの削減が可能である。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１１第１熱伝導素材、１１Ａ第２熱伝導素材、１２弾性素材、２０下金型、３０上金型、４０半導体素子、５０高熱伝導領域、５０Ａ低熱伝導領域、１００，２００絶縁基板。

Claims

絶縁性の第１熱伝導素材と、
絶縁性の弾性素材と、
を備え、
前記第１熱伝導素材は、間隙を介して分散して配置され、
前記弾性素材は、前記間隙を充填し一体化していることを特徴とする、
絶縁基板。
前記第１熱伝導素材と熱伝導率の異なる第２熱伝導性素材をさらに備え、
前記第２熱伝導素材は、前記第１熱伝導素材が分散配置された領域と異なる領域に、間隙を介して分散配置され、
前記弾性素材は、前記第１熱伝導素材の前記間隙および前記第２熱伝導素材の前記間隙を充填し一体化していることを特徴とする、
請求項１に記載の絶縁基板。
前記第１熱伝導素材は、周期的に分散して配置されていることを特徴とする、
請求項１に記載の絶縁基板。
前記第１熱伝導素材は、周期的に分散して配置されており、
前記第２熱伝導素材は、前記第１熱伝導素材と同じ周期で分散して配置されていることを特徴とする、
請求項２に記載の絶縁基板。
請求項２または４に記載の絶縁基板を備え、
前記第１熱伝導素材と前記第２熱伝導素材のうちの熱伝導率が高い方が分散して配置された領域上に半導体素子が配置され、
前記第１熱伝導素材と前記第２熱伝導素材のうちの熱伝導率が低い方が分散して配置された領域上に前記半導体素子以外の回路構成物が配置されることを特徴とする、
半導体装置。
請求項２または４に記載の絶縁基板を備え、
前記第１熱伝導素材と前記第２熱伝導素材のうちの熱伝導率が高い方が分散して配置された領域上にＳｉＣ半導体素子が配置され、
前記第１熱伝導素材と前記第２熱伝導素材のうちの熱伝導率が低い方が分散して配置された領域上に前記ＳｉＣ半導体素子以外の回路構成物が配置されることを特徴とする、
半導体装置。