阅读说明：本技术 半导体元件接合用基板、半导体装置及电力转换装置 (Substrate for bonding semiconductor element, semiconductor device, and power conversion device ) 是由 石川悟 于 2017-06-02 设计创作，主要内容包括：本发明的目的在于提供一种对通过焊料将半导体元件接合于基板时的缩孔的产生进行抑制,并且使半导体元件的散热性提高的半导体元件接合用基板、半导体装置及电力转换装置。本发明所涉及的半导体元件接合用基板(100)具备绝缘板(1)和与绝缘板(1)的主面接合的金属图案(2),金属图案(2)的与绝缘板(1)相反侧的主面(6)具备供半导体元件(4)通过焊料(5)进行接合的接合区域(6a),金属图案(2)具备配置于主面(6)的至少一个凹坑(7),至少一个凹坑(7)在接合区域(6a)内与接合区域(6a)的中央部分相比配置为更靠近接合区域(6a)的边缘。(The invention aims to provide a substrate for bonding a semiconductor element, a semiconductor device and a power conversion device, which can inhibit the generation of shrinkage cavity when the semiconductor element is bonded to the substrate by solder and improve the heat dissipation of the semiconductor element. A semiconductor element bonding substrate (100) according to the present invention comprises an insulating plate (1) and a metal pattern (2) bonded to a main surface of the insulating plate (1), wherein a main surface (6) of the metal pattern (2) on the opposite side of the insulating plate (1) comprises a bonding region (6a) to which a semiconductor element (4) is bonded by solder (5), the metal pattern (2) comprises at least one recess (7) disposed in the main surface (6), and the at least one recess (7) is disposed in the bonding region (6a) closer to the edge of the bonding region (6a) than to the central portion of the bonding region (6 a).)

半导体元件接合用基板、半导体装置及电力转换装置

技术领域

本发明涉及半导体元件接合用基板、半导体装置以及电力转换装置。

背景技术

为了确保高可靠性，用于将半导体元件和绝缘基板接合的焊料使用以Sn-Cu类、Sn-Ag类、Sn-Sb类、Sn-In类、Sn-Bi类的任意者为主要成分的非共晶类的焊料。这些焊料存在容易产生焊料缩孔的问题。

近年来，即使在高温下也工作的半导体元件的开发在积极地进行，半导体元件的小型化、高耐压化、高电流密度化正在推进。特别是，SiC、GaN等宽带隙半导体与Si半导体相比带隙大，期待半导体装置的高耐压化、小型化、高电流密度化、高温工作(例如参照专利文献1)。但是，如果在半导体元件正下方产生焊料缩孔，则使半导体元件发热时的散热性降低，导致特性降低。因此，需要抑制焊料缩孔的产生，确保半导体装置的稳定动作。

专利文献1：日本特开2005-260181号公报

发明内容

在以往的半导体装置的绝缘基板的表面形成有用于对半导体元件进行焊接的平面的金属图案。在将半导体元件焊接于金属图案时，存在凝固的焊料容易产生缩孔的倾向。如果在半导体元件的端部正下方产生焊料缩孔，则半导体元件的散热性降低，因此，成为半导体元件的电气特性降低、热阻恶化的原因。因此，必须将焊料重新熔融来修正缩孔或者废弃，成为生产率降低的原因。

本发明是为了解决以上那样的课题而提出的，其目的在于提供一种对通过焊料将半导体元件接合于基板时的缩孔的产生进行抑制，并且使半导体元件的散热性提高的半导体元件接合用基板、半导体装置以及电力转换装置。

本发明所涉及的半导体元件接合用基板具备：绝缘板；以及金属图案，其与绝缘板的主面接合，金属图案的与绝缘板相反侧的主面具备供半导体元件通过焊料进行接合的接合区域，金属图案具备配置于主面的至少一个凹坑，至少一个凹坑在接合区域内与接合区域的中央部分相比配置为更靠近接合区域的边缘。

本发明所涉及的半导体元件接合用基板具备：绝缘板；以及金属图案，其与绝缘板的主面接合，金属图案的与绝缘板相反侧的主面具备供半导体元件通过焊料进行接合的接合区域，在接合区域内，在接合区域的中央部分和中央部分的周围，金属图案的主面的高度不同。

发明的效果

就本发明所涉及的半导体元件接合用基板而言，在金属图案的主面，在接合区域的边缘附近设置凹坑。在将半导体元件焊接于接合区域时，焊料被供给至凹坑内部。在熔融的焊料凝固时，充满于凹坑内部的焊料收缩，由此焊料的焊脚(fillet)部的收缩得以缓和。由此，能够对以下情况进行抑制，即，在焊料的焊脚部产生缩孔，缩孔进入半导体元件的下部。通过抑制焊料的缩孔的产生，从而能够提高半导体装置的散热性。

根据本发明所涉及的半导体元件接合用基板，通过在接合区域的中央部分和中央部分的周围使金属图案的主面的高度不同，从而能够在接合区域的中央部分和中央部分的周围使焊料的凝固时刻不同。例如，通过使接合区域6a的中央部分比中央部分的周围低，从而向接合区域的中央的凹部供给焊料，通过充满凹部的焊料，半导体元件的中央部正下方的热容量变大。由此，能够使焊料先从接合区域的边缘起凝固。即，由于接合区域的中央部是焊料的最终凝固点，因此能够在早凝固的焊脚部抑制缩孔的产生。另外，例如，通过使接合区域的中央部分比中央部分的周围高，从而与接合区域的中央部分相比，向中央部分的周围供给更多的焊料。因此，在熔融的焊料凝固时，接合区域的中央部分的周围的焊料收缩，由此，焊料的焊脚部的收缩得以缓和。由此，能够在焊料的焊脚部抑制缩孔的产生。通过抑制焊料的缩孔的产生，从而能够提高半导体装置的散热性。

本发明的目的、特征、方案和优点通过下面的详细说明和附图而变得更加清楚。

附图说明

图1是实施方式1所涉及的半导体元件接合用基板的俯视图。

图2是实施方式1所涉及的半导体装置的剖面图。

图3是实施方式2所涉及的半导体元件接合用基板的俯视图。

图4是实施方式2所涉及的半导体装置的剖面图。

图5是实施方式3所涉及的半导体元件接合用基板的俯视图。

图6是实施方式3所涉及的半导体装置的剖面图。

图7是实施方式4所涉及的半导体元件接合用基板的俯视图。

图8是实施方式4所涉及的半导体装置的剖面图。

图9是实施方式5所涉及的半导体元件接合用基板的俯视图。

图10是实施方式5所涉及的半导体装置的剖面图。

图11是实施方式6所涉及的半导体元件接合用基板的俯视图。

图12是实施方式6所涉及的半导体装置的剖面图。

图13是实施方式7所涉及的半导体元件接合用基板的俯视图。

图14是实施方式7所涉及的半导体装置的剖面图。

图15是表示实施方式8所涉及的电力转换装置的结构的图。

具体实施方式

＜实施方式1＞

图1是本实施方式1的半导体元件接合用基板100的俯视图。另外，图2是本实施方式1的半导体装置101的剖面图。就图2所示的半导体装置101而言，半导体元件4通过焊料5与半导体元件接合用基板100的接合区域6a接合。图2所示的半导体装置101的剖面与沿着图1的线段A-A的剖面对应。

半导体元件接合用基板100具备绝缘板1和金属图案2。金属图案2与绝缘板1的主面接合。金属图案2的与绝缘板1相反侧的主面6具备供半导体元件4通过焊料5进行接合的接合区域6a。在金属图案2的主面6的接合区域6a形成有多个凹坑7。多个凹坑7在接合区域6a内，与接合区域6a的中央部分相比配置为更靠近接合区域6a的边缘。如图2所示，凹坑7形成于金属图案2的位于半导体元件4的端部正下方的部分。

另外，在图1形成有多个凹坑7，但只要形成至少一个凹坑7，就能够得到后述的抑制缩孔的产生的效果。

另外，为了更好地进行金属图案2和半导体元件1的接合，也可以在金属图案2的主面6形成镀层。另外，如图2所示，也可以将背面金属图案3接合于绝缘板1的与金属图案2相反侧的面。

另外，半导体元件4例如是包含SiC半导体的功率半导体元件。半导体元件4例如是IGBT(insulated gate bipolar transistor)、MOSFET(metal-oxide-semiconductorfield-effect transistor)等。

＜效果＞

本实施方式1的半导体元件接合用基板100具备绝缘板1和与绝缘板1的主面接合的金属图案2，金属图案2的与绝缘板1相反侧的主面6具备供半导体元件4通过焊料5进行接合的接合区域6a，金属图案2具备配置于主面6的至少一个凹坑7，至少一个凹坑7在接合区域6a内与接合区域6a的中央部分相比配置为更靠近接合区域6a的边缘。

就本实施方式1的半导体元件接合用基板100而言，在金属图案2的主面6，在接合区域6a的边缘附近设置凹坑7。在将半导体元件4焊接于接合区域6a时，向凹坑7内部供给焊料。在熔融的焊料5凝固时，充满于凹坑7内部的焊料5收缩，由此，焊料5的焊脚部5a的收缩得以缓和。由此，能够对以下情况进行抑制，即，在焊料5的焊脚部5a产生缩孔，缩孔进入半导体元件4的下部。通过抑制焊料5的缩孔的产生，从而能够提高半导体装置101的散热性。

另外，就本实施方式1的半导体元件接合用基板100而言，至少一个凹坑包含多个凹坑7，多个凹坑7沿着接合区域6a的边缘配置。因此，通过沿着接合区域6a的边缘配置多个凹坑7，从而能够在对半导体元件4进行接合的焊料5的外周抑制缩孔的产生。

＜实施方式2＞

图3是本实施方式2的半导体元件接合用基板200的俯视图。另外，图4是本实施方式2的半导体装置201的剖面图。就图4所示的半导体装置201而言，半导体元件4通过焊料5接合于半导体元件接合用基板200的接合区域6a。图4所示的半导体装置201的剖面与沿着图3的线段B-B的剖面对应。

半导体元件接合用基板200具备绝缘板1和金属图案2。金属图案2与绝缘板1的主面接合。金属图案2的与绝缘板1相反侧的主面6具备供半导体元件4通过焊料5进行接合的接合区域6a。在金属图案2的主面的接合区域6a形成有连续的槽8。连续的槽8在接合区域6a内沿着接合区域6a的边缘配置。如图4所示，连续的槽8形成于金属图案2的位于半导体元件4的端部正下方的部分。

另外，为了更好地进行金属图案2和半导体元件1的接合，也可以在金属图案2的主面6形成镀层。另外，如图4所示，也可以将背面金属图案3接合于绝缘板1的与金属图案2相反侧的面。

＜效果＞

就本实施方式2的半导体元件接合用基板200而言，实施方式1所说明的凹坑7是沿着接合区域6a的边缘配置的连续的槽8。因此，通过沿着接合区域6a的边缘配置连续的槽8，从而与如实施方式1那样设置有凹坑7的情况相比，能够向槽8内部供给更多的焊料5。由此，能够更有效地对以下情况进行抑制，即，在焊料5的焊脚部5a产生缩孔，缩孔进入半导体元件4的下部。

＜实施方式3＞

图5是本实施方式3的半导体元件接合用基板300的俯视图。另外，图6是本实施方式3的半导体装置301的剖面图。就图6所示的半导体装置301而言，在半导体元件接合用基板300的接合区域6a，通过焊料5接合有半导体元件4。图6所示的半导体装置301的剖面与沿着图5的线段C-C的剖面对应。

半导体元件接合用基板300与实施方式1的半导体元件接合用基板100(图1)相比，还具备分别在多个凹坑7配置的金属部件9。金属部件9由导热率比焊料5大的材料形成。金属部件9的形状为球状。金属部件9例如是Cu、Ni、Au、Ag、镀Ni的Cu、镀Ni的Al。半导体元件接合用基板300的除了金属部件9以外的结构与半导体元件接合用基板100(图1)相同，因此省略说明。

＜效果＞

本实施方式3的半导体元件接合用基板300还包括金属部件9，该金属部件9分别配置在实施方式1的半导体元件接合用基板100的多个凹坑7，金属部件9的导热率大于焊料5的导热率。

就本实施方式3的半导体元件接合用基板300而言，在金属图案2的主面6，在接合区域6a的边缘附近设置凹坑7，在凹坑7配置金属部件9。在将半导体元件4焊接于接合区域6a、熔融的焊料5凝固时，能够使焊料5先从配置有导热率大的金属部件9的接合区域6a的边缘起凝固。即，由于接合区域6a的中央部是焊料5的最终凝固点，因此，能够在早凝固的焊脚部5a抑制缩孔的产生。通过抑制焊料5的缩孔的产生，从而能够提高半导体装置301的散热性。

＜实施方式4＞

图7是本实施方式4的半导体元件接合用基板400的俯视图。另外，图8是本实施方式4的半导体装置401的剖面图。就图8所示的半导体装置401而言，半导体元件4通过焊料5接合于半导体元件接合用基板400的接合区域6a。图8所示的半导体装置301的剖面与沿着图7的线段D-D的剖面对应。

半导体元件接合用基板400相对于实施方式2的半导体元件接合用基板200(图3)还具备在槽8配置的金属部件10。金属部件10由导热率比焊料5大的材料形成。金属部件10的形状为框状。金属部件10例如为Cu、Ni、Au、Ag、镀Ni的Cu、镀Ni的Al。半导体元件接合用基板400的除了金属部件10以外的结构与半导体元件接合用基板200(图3)相同，因此省略说明。

＜效果＞

本实施方式4的半导体元件接合用基板400还具备金属部件10，该金属部件10配置在实施方式2的半导体元件接合用基板200的槽8，金属部件10的导热率大于焊料5的导热率。

就本实施方式4的半导体元件接合用基板400而言，在金属图案2的主面6设置沿着接合区域6a的边缘的连续的槽8，在槽8配置金属部件10。在将半导体元件4焊接于接合区域6a、熔融的焊料5凝固时，能够使焊料5先从配置有导热率大的金属部件10的接合区域6a的边缘起凝固。即，由于接合区域6a的中央部是焊料5的最终凝固点，因此能够在早凝固的焊脚部5a抑制缩孔的产生。通过抑制焊料5的缩孔的产生，从而能够提高半导体装置401的散热性。

＜实施方式5＞

图9是本实施方式5的半导体元件接合用基板500的俯视图。另外，图10是本实施方式5的半导体装置501的剖面图。就图10所示的半导体装置501而言，半导体元件4通过焊料5接合于半导体元件接合用基板500的接合区域6a。图10所示的半导体装置501的剖面与沿着图9的线段E-E的剖面对应。

半导体元件接合用基板500具备绝缘板1和金属图案2。金属图案2与绝缘板1的主面接合。金属图案2的与绝缘板1相反侧的主面6具备供半导体元件4通过焊料5进行接合的接合区域6a。

在金属图案2的主面6的接合区域6a内，在接合区域6a的中央部分和中央部分的周围，金属图案2的主面6的高度不同。在本实施方式5中，如图10所示，在金属图案2的主面6形成有凹部11，以使接合区域6a的中央部分比中央部分的周围低。

此外，为了更好地进行金属图案2和半导体元件1的接合，也可以在金属图案2的主面6形成镀层。另外，如图10所示，也可以将背面金属图案3接合于绝缘板1的与金属图案2相反侧的面。

＜效果＞

本实施方式5的半导体元件接合用基板500具备绝缘板1和与绝缘板1的主面接合的金属图案2，金属图案2的与绝缘板1相反侧的主面6具备供半导体元件4通过焊料5进行接合的接合区域6a，在接合区域6a内，在接合区域6a的中央部分和中央部分的周围，金属图案2的主面6的高度不同。

根据本实施方式5的半导体元件接合用基板500，通过使金属图案2的主面6的高度在接合区域6a的中央部分和中央部分的周围不同，从而能够使焊料5的凝固时刻在接合区域6a的中央部分和中央部分的周围不同。例如，通过使接合区域6a的中央部分比中央部分的周围低，从而如下所述，能够在接合区域6a的中央部分的周围使焊料5早凝固。

在本实施方式5的半导体元件接合用基板500的接合区域6a内，接合区域6a的中央部分比中央部分的周围低。在将半导体元件4焊接于接合区域6a、熔融的焊料5凝固时，焊料5被供给至接合区域6a中央的凹部11，通过充满凹部11的焊料5，半导体元件4的中央部正下方的热容量变大。由此，能够使焊料5先从接合区域6a的边缘起凝固。即，由于接合区域6a的中央部是焊料5的最终凝固点，因此能够在早凝固的焊脚部5a抑制缩孔的产生。通过抑制焊料5的缩孔的产生，从而能够提高半导体装置501的散热性。

＜实施方式6＞

图11是本实施方式6的半导体元件接合用基板600的俯视图。另外，图12是本实施方式6的半导体装置601的剖面图。就图12所示的半导体装置601而言，半导体元件4通过焊料5接合于半导体元件接合用基板600的接合区域6a。图12所示的半导体装置601的剖面与沿着图11的线段F-F的剖面对应。

半导体元件接合用基板600相对于实施方式5的半导体元件接合用基板500(图9)还具备金属部件12，该金属部件12配置在接合区域6a的中央部分的凹部11。金属部件12由导热率比焊料5小的材料形成。金属部件12例如是以Ni为主的合金。半导体元件接合用基板600的除了金属部件12以外的结构与半导体元件接合用基板500(图9)相同，因此省略说明。

＜效果＞

就本实施方式6的半导体元件接合用基板600而言，在接合区域6a的中央部分的凹部11配置金属部件12，金属部件12的导热率比焊料5的导热率小。

通过在对半导体元件4进行接合的接合区域6a的中央部分埋入导热率小的金属部件12，从而在将半导体元件4焊接于接合区域6a、熔融的焊料5凝固时，半导体元件4的中央部正下方的热容量变大。由此，能够使焊料5先从接合区域6a的边缘起凝固。即，由于接合区域6a的中央部是焊料5的最终凝固点，因此能够在早凝固的焊脚部5a抑制缩孔的产生。通过抑制焊料5的缩孔的产生，从而能够提高半导体装置601的散热性。

＜实施方式7＞

图13是本实施方式7的半导体元件接合用基板700的俯视图。另外，图14是本实施方式7的半导体装置701的剖面图。就图14所示的半导体装置701而言，半导体元件4通过焊料5接合于半导体元件接合用基板700的接合区域6a。图14所示的半导体装置701的剖面与沿着图13的线段E-E的剖面对应。

半导体元件接合用基板700具备绝缘板1和金属图案2。金属图案2与绝缘板1的主面接合。金属图案2的与绝缘板1相反侧的主面6具备供半导体元件4通过焊料5进行接合的接合区域6a。

在金属图案2的主面6的接合区域6a内，在接合区域6a的中央部分和中央部分的周围，金属图案2的主面6的高度不同。在本实施方式7中，如图14所示，在金属图案2的主面6形成有凸部13，以使接合区域6a的中央部分比中央部分的周围高。

此外，为了更好地进行金属图案2和半导体元件1的接合，也可以在金属图案2的主面6形成镀层。另外，如图14所示，也可以将背面金属图案3接合于绝缘板1的与金属图案2相反侧的面。

＜效果＞

就本实施方式7的半导体元件接合用基板700而言，在接合区域6a内，接合区域6a的中央部分比中央部分的周围高。在将半导体元件4焊接于接合区域6a时，与接合区域6a的中央部分相比，向中央部分的周围供给更多的焊料5。因此，在熔融的焊料5凝固时，接合区域6a的中央部分的周围的焊料5收缩，由此，焊料5的焊脚部5a的收缩得以缓和。由此，能够对以下情况进行抑制，即，在焊料5的焊脚部5a产生缩孔，缩孔进入半导体元件4的下部。通过抑制焊料5的缩孔的产生，从而能够提高半导体装置701的散热性。

此外，就实施方式1至7所说明的各个半导体元件接合用基板100、200、300、400、500、600、700而言，也可以在金属图案2的接合区域6a的表面形成镀层。通过在金属图案2的接合区域6a的表面形成例如Ni的薄膜，能够更好地进行基于焊料5的接合。

此外，就实施方式1至7所说明的各个半导体装置101、201、301、401、501、601、701而言，半导体元件4包含功率半导体，该功率半导体包含SiC或者GaN。对于用于电力转换用途等对大电流、高电压进行处理且高速进行通断的开关元件而言特别要求高散热性。在本发明的半导体装置为以下结构的情况下特别有效，即，半导体装置包含功率半导体，该功率半导体包含SiC或GaN。

＜实施方式8＞

本实施方式8是将上述实施方式1至7的任意者的半导体装置101、201、301、401、501、601、701应用于电力转换装置。作为电力转换装置的一个例子，对三相逆变器的电力转换装置800进行说明。

图15是表示本实施方式8的电力转换系统的结构的图。图15所示的电力转换装置800与电源901以及负载902连接。电源901是直流电源，向电力转换装置800供给直流电力。电源901能够由各种电源构成，例如，能够由直流系统、太阳能电池、蓄电池等构成。另外，电源901也可以由与交流系统连接的整流电路、AC/DC转换器等构成。另外，电源901也可以由将从直流系统输出的直流电力转换为规定的电力的DC/DC转换器构成。

电力转换装置800是在电源901与负载902之间连接的三相逆变器。电力转换装置800将从电源901供给的直流电力转换为交流电力，向负载902供给交流电力。如图15所示，电力转换装置800具备电力转换电路801和控制电路802。控制电路802向电力转换电路801输出对电力转换电路801的通断动作进行控制的控制信号。电力转换电路801基于控制信号将直流电力转换为交流电力而输出。

电力转换电路801例如是2电平的三相全桥电路。例如，串联连接的两个半导体装置101分别与U相、V相、W相对应。在这种情况下，电力转换电路801总共具备六个半导体装置101。另外，半导体装置101也可以是半导体装置201、301、401、501、601、701的任意者。

负载902是通过从电力转换装置800供给的交流电力进行驱动的三相电动机。另外，负载902不限于特定用途，是搭载于各种电气设备的电动机。负载902例如是用于混合动力汽车、电动汽车、铁路车辆、电梯、空调设备的电动机。

另外，说明了电力转换电路801是三相全桥电路的情况，但不限于此，只要是至少具备一个半导体装置101、201、301、401、501、601、701中的任意者而对电力进行转换的电路即可。

＜效果＞

本实施方式8的电力转换装置800具备：电力转换电路801，其对被输入进来的电力进行转换而输出；以及控制电路802，其向电力转换电路801输出控制信号，电力转换电路801至少具备一个半导体装置101、201、301、401、501、601、701中的任意者。

如实施方式1至7所说明的那样，就半导体装置101、201、301、401、501、601、701而言，能够抑制焊料5的缩孔的产生而提高散热性。因此，也能够提高具备半导体装置的电力转换装置800的散热性。

此外，本发明在其发明范围内，能够自由地对各实施方式进行组合，或者适当地对各实施方式进行变形、省略。虽然详细地说明了本发明，但上述说明在所有方式都只是例示，本发明并不限定于此。可以理解为在不脱离本发明的范围的情况下能够想到未例示的无数变形例。

标号的说明

1绝缘板，2金属图案，3背面金属图案，4半导体元件，5焊料，5a焊脚部，6主面，7凹坑，8槽，9、10、12金属部件，11凹部，13凸部，100、200、300、400、500、600、700半导体元件接合用基板，101、201、301、401、501、601、701半导体装置，800电力转换装置，801电力转换电路，802控制电路，901电源，902负载。