CN1835223B - 半导体装置及该半导体装置用绝缘衬底 - Google Patents

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Abstract

本发明提供在半导体装置的温度变化时，防止在构成绝缘衬底的陶瓷衬底上发生裂纹的半导体装置。本发明的半导体装置，其中包括：包含设有第一主面和第二主面的陶瓷衬底、固定于第一主面的第一金属导体及固定于第二主面的第二金属导体的绝缘衬底；搭载到第一主面的第一金属导体上的半导体元件；以及与第二主面的该第二金属导体接合，并承放绝缘衬底的基片，为缓和该陶瓷衬底周围的热应力，上述第二金属导体在与所述第二主面相接触的区域包括固定于上述第二主面的接合区和设于上述接合区周围且不与所述第二主面相接合的非接合区。

Description

半导体装置及该半导体装置用绝缘衬底
技术领域
本发明涉及半导体装置及半导体装置用绝缘衬底，尤其涉及防止热应力的破坏、提高产品寿命的功率用半导体装置及功率用半导体装置用绝缘衬底。
背景技术
功率用半导体装置中，使用将片状金属导体设于陶瓷衬底两面的绝缘衬底。陶瓷衬底表面的金属导体上，例如IGBT那样的功率用半导体元件通过焊接层安装。陶瓷衬底背面的金属导体同样隔着焊接层安装到金属基片上。
由于隔着焊接层安装的陶瓷衬底与金属基片的热膨胀系数不同，当功率用半导体装置的温度变化时焊接层上发生裂纹。为此，例如通过使设于陶瓷衬底背面的金属导体宽于陶瓷衬底背面，防止热应力特别集中到陶瓷衬底角部附近，防止了焊接层上发生裂纹(例如，参照日本专利文献特开2000-349209号公报)。
发明内容
当功率用半导体装置的温度变化时，由于在陶瓷衬底的表面与背面上设置的金属导体形状等不同而对陶瓷衬底施加热应力，存在陶瓷衬底上发生裂纹的问题。
于是，本发明的目的在于提供在半导体装置的温度变化时，防止在构成绝缘衬底的陶瓷衬底上发生裂纹的半导体装置，以及用于该半导体装置的绝缘衬底。
本发明的半导体装置，其中包括：包含设有第一主面和第二主面的陶瓷衬底、固定于第一主面的第一金属导体及固定于第二主面的第二金属导体的绝缘衬底；搭载到第一主面的第一金属导体上的半导体元件；以及与第二主面的该第二金属导体接合，并承放绝缘衬底的基片，为缓和该陶瓷衬底周围的热应力，上述第二金属导体在与所述第二主面相接触的区域包括固定于上述第二主面的接合区和设于上述接合区周围且不与所述第二主面相接合的非接合区。
如上所述，本发明能够提供这样的半导体装置：即便半导体装置的温度变化，构成绝缘衬底的陶瓷衬底上也不会发生裂纹，其可靠性高、寿命长。
附图说明
图1是本发明实施例1的功率用半导体装置的侧视图。
图2是本发明实施例1的绝缘衬底的俯视图。
图3是本发明实施例1的功率用半导体装置的部分放大图。
图4是本发明实施例1的绝缘衬底的侧视图。
图5是本发明实施例1的绝缘衬底的俯视图。
(符号说明)
1 陶瓷衬底，2、3 金属导体，4 接合区，5 焊接层，6 非接合区，10 绝缘衬底，20 半导体元件，30 金属基片，100 半导体装置。
具体实施方式
实施例1
图1是其整体用100表示的、本实施例1的功率用半导体装置的侧视图。功率用半导体装置100包含绝缘衬底10。绝缘衬底10由陶瓷衬底1和分别在该陶瓷衬底1之表面(第一主面)和背面(第二主面)形成的金属导体2、3构成。陶瓷衬底1例如由氧化铝构成。另外金属导体2、3例如由铜构成，用活性金属法等与陶瓷衬底1接合。
在绝缘衬底10表面的金属导体2上，安装了半导体元件20。在半导体元件20，例如采用功率FET、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，FWD(续流二极管)等。
绝缘衬底10用焊接层5还将绝缘衬底10背面的金属导体3和金属基片30接合，从而固定于金属基片20上。金属基片20例如采用铜构成，用以散热半导体元件20上发生的热。
如图1所示，在陶瓷衬底1与金属导体3之间，沿着陶瓷衬底1周围，设有两者未接合的非接合区6。
图2是从上方(半导体元件20侧)观看图1所示的绝缘衬底10时的俯视图。在金属导体2背面接合了陶瓷衬底1，还有在陶瓷衬底1背面接合了金属导体3。金属导体3形成为能够从陶瓷衬底1外缘突出的大小。
还有，这种结构的绝缘衬底10也能销售、流通等。
图2中用阴影表示的部分相当于陶瓷衬底1和金属导体3的非接合区6。即，将与在陶瓷衬底1表面形成的金属导体2夹着陶瓷衬底1相对的区域之周围设成非接合区6。与金属导体2及夹于两个金属导体2之间的区域相对的区域成为接合区4。
图3是图1的部分放大图。接合区4设于夹着陶瓷衬底1与金属导体2相对的区域，其周围成为非接合区6。
在本实施例1的功率用半导体装置100中，金属导体3成为从陶瓷衬底1端部向外部突出的结构。因此，缓和在图3中用“B”表示的焊接层5区域上发生的热应力，能够防止该部分的焊接层5裂开。
还有，焊接层5最好采用例如以锡为主成分并混合银或铜的无铅焊接，由于无铅焊接与铅焊相比热应力有较弱的倾向，通过采用本实施例1的相关结构，能够防止焊接层5的裂开。
还有，功率用半导体装置100中，将夹着陶瓷衬底1而与金属导体2相对的区域设为接合区4，并设其周围为非接合区6，因此与未设非接合区6的场合相比，缓和了在图3的“A”所示部分上发生的热应力。因此，能够防止在陶瓷衬底1的“A”部分上发生裂纹。
这样，本实施例1的功率用半导体装置100中，能够防止在构成绝缘衬底10的陶瓷衬底1以及将绝缘衬底10和金属基片30接合的焊接层5双方上发生的裂纹，能够得到可靠性高且产品寿命长的半导体装置100。
实施例2
图5是本发明实施例2的整体用50表示的绝缘衬底的侧视图。另外，图5为其俯视图。图4、5中与图1相同符号表示相同或相当的部位。该绝缘衬底50可取代上述功率用半导体装置100的绝缘衬底10而使用。
绝缘衬底50中，在金属导体3四角形成大致三角形的非接合区16，并将其它区域设为接合区4。大致三角形的非接合区16最好在夹着陶瓷衬底1而与金属导体2的4个角部相对的位置上，使三角形的一边(长边)大致重叠。
在图3的用“A”表示的部分上发生的热应力在陶瓷衬底1的角部特别大。因此，通过在金属导体3的四角形成大致三角形的非接合区16，特别缓和陶瓷衬底1的四角上的热应力，能够防止裂纹发生。
这样，通过将本实施例2的绝缘衬底50应用于功率用半导体装置100，能够防止在构成绝缘衬底50的陶瓷衬底1以及将绝缘衬底50和金属基片30接合的焊接层5双方上发生的裂纹，能够得到可靠性高且产品寿命长的功率用半导体装置100。
还有，功率用半导体装置100中，第一金属导体2和第二金属导体3可用不同种类的金属或不同膜厚的金属形成。从而，能够缓和绝缘衬底10、50上发生的热应力。

Claims (15)

1.一种半导体装置，其特征在于包括：
包含设有第一主面和第二主面的陶瓷衬底、固定于上述第一主面的第一金属导体及固定于上述第二主面的第二金属导体的绝缘衬底；
搭载到上述第一主面的上述第一金属导体上的半导体元件；以及
与上述第二主面的上述第二金属导体接合，并承放上述绝缘衬底的基片，
为缓和该陶瓷衬底周围的热应力，上述第二金属导体在与所述第二主面相接触的区域包括固定于上述第二主面的接合区和设于上述接合区周围且不与所述第二主面相接合的非接合区。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于：上述第二金属导体包括隔着上述陶瓷衬底与上述第一金属导体相对的上述接合区和沿着上述第二金属导体外缘设置的上述非接合区。
3.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于：上述非接合区是含有上述第二金属导体的角部的大致三角形的区域。
4.如权利要求3所述的半导体装置，其特征在于：上述大致三角形的非接合区的一边隔着上述陶瓷衬底与上述第一金属导体的角部相对。
5.如权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其特征在于：上述第二金属导体从上述陶瓷衬底外缘突出地形成。
6.如权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其特征在于：上述第一金属导体与上述第二金属导体由不同种类的金属构成。
7.如权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其特征在于：上述第一金属导体与上述第二金属导体由不同膜厚的金属构成。
8.如权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其特征在于：上述第二金属导体与上述基片通过不含铅的焊接来接合。
9.一种承放半导体元件的绝缘衬底，其特征在于包括：
设有第一主面和第二主面的陶瓷衬底；
固定于上述第一主面，并承放半导体元件的第一金属导体；以及
固定于上述第二主面，并与基片接合的第二金属导体，
为缓和该陶瓷衬底周围的热应力，上述第二金属导体在与所述第二主面相接触的区域包含固定于上述第二主面的接合区和设于上述接合区周围且不与所述第二主面相接合的非接合区。
10.如权利要求9所述的绝缘衬底，其特征在于：上述第二金属导体包含隔着上述陶瓷衬底与上述第一金属导体相对的上述接合区和沿着该第二金属导体外缘设置的上述非接合区。
11.如权利要求9所述的绝缘衬底，其特征在于：上述非接合区是含有上述第二金属导体的角部的大致三角形的区域。
12.如权利要求11所述的绝缘衬底，其特征在于：上述大致三角形的非接合区的一边隔着上述陶瓷衬底与上述第一金属导体的角部相对。
13.如权利要求9至12中任一项所述的绝缘衬底，其特征在于：上述第二金属导体从上述陶瓷衬底外缘突出地形成。
14.如权利要求9至12中任一项所述的绝缘衬底，其特征在于：上述第一金属导体与上述第二金属导体由不同种类的金属构成。
15.如权利要求9至12中任一项所述的绝缘衬底，其特征在于：上述第一金属导体与上述第二金属导体由不同膜厚的金属构成。
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