专利名称：元件搭载用基板及利用该基板的元件容纳用封装件的制作方法
技术领域：
该发明涉及一种用于装载功率用半导体元件的元件搭载用基板及利用该基板的 元件容纳用封装件。
背景技术：
作为半导体元件的材料，广泛使用了硅元素(Si)的单晶体，但是近几年开发了利 用碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石等耐热性突出的半导体材料的半导体元件(例如，参 照专利文献1)。这些半导体元件与以往的Si制半导体元件相比，通电损耗小，且开关频率 也高。另外，适于使由这些耐热性材料形成的半导体材料良好地进行动作的温度(以下称 作“动作温度”)比Si制半导体元件的动作温度(15 120°C左右)高(SiC制半导体元件 的动作温度300 500°C左右)，因此期望作为流过大电流的功率用半导体元件来利用。但是，这样的高耐热性的半导体元件由于其动作温度区域比以往的Si制半导体 元件的动作温度区域高，因此容纳在以往的封装件中来使用时，将封装件内的温度设定为 半导体元件的动作温度是非常困难的。因此，要求一种能够将高耐热性的半导体元件容易 地设定在可使其良好地发挥作用的温度范围内的新的封装件。
发明内容
本发明的一实施方式的元件搭载用基板具备支承体，其具有用于在一个主面上 装载功率用半导体元件的元件搭载部，并且具有设置为在厚度方向上离开所述搭载面且互 相隔着间隔而配置的多个柱部；和蓄热区域，其设置在所述柱部间，且热传导率比所述支承 体低。本发明的一实施方式的元件搭载用基板具备与所述支承体的下表面接合的基体， 所述支承体在内部形成有多个气孔。本发明的一实施方式的元件容纳用封装件具备上述元件搭载用基板；框体，其 在内部容纳所述元件搭载用基板，且设置为包围所述功率用半导体元件；和罩体，其接合在 所述框体的上表面上。根据上述的元件搭载用基板及元件容纳用封装件，能够轻易地将功率用半导体元 件设定为适于动作的温度，并且起到能够使功率用半导体元件良好地发挥作用的效果。
图1是表示本发明的一实施方式的元件容纳用封装件的一例的剖视图。图2是表示上述元件容纳用封装件的一例的立体图。图3是表示了上述元件容纳用封装件中的支承体的分解立体图。图4是表示在柱部间的基体中形成了切口部时的上述元件容纳用封装件的一例 的剖视图。图5是表示了变形例1的支承体的分解立体图。
图6是表示了变形例2的支承体的分解立体图。图7是表示了变形例3的支承体的分解立体图。图8是表示变形例4的元件容纳用封装件的一例的剖视图。图9是表示变形例5的元件容纳用封装件的一例的剖视图。图10是表示变形例6的元件容纳用封装件的一例的剖视图。图11是表示变形例7的元件容纳用封装件的一例的剖视图。
具体实施例方式以下，参照
本发明的实施方式。如图1以及图2所示，本实施方式的元件容纳用封装件1具备基体2、支承体3、功 率用半导体元件4、框体5、功率供给用端子6以及罩体7。另外，在图2中，省略了罩体7的 图示。在此，支承体3以及功率用半导体元件4构成本发明的元件搭载用基板的一实施方 式。基体2例如由陶瓷材料、金属材料、玻璃材料或高耐热的树脂材料等形成。陶瓷 材料例如是氧化铝质烧结体、多铝红柱石质烧结体、碳化硅(SiC)质烧结体、氮化铝质烧结 体、氮化硅质烧结体或玻璃陶瓷等。另外，金属材料例如是Fe系合金、无氧铜(oxygen free copper)或SUS等。另外，玻璃材料例如是硼硅酸玻璃或石英玻璃等。并且，高耐热性的树 脂材料例如是聚酰亚胺等。支承体3接合在基体2的上表面上。另外，支承体3的上表面(具体而言是后述 的元件搭载部31的主面)接合有功率用半导体元件4。在此，在本实施方式中，功率用半导 体元件4是SiC制半导体元件，但是并非限于此，也可以是利用硅元素、氮化镓或金刚石等 的半导体元件。即，针对本发明的功率用半导体元件4的种类并没有特别的限定。另外，一 般的功率用半导体元件4通常将动作温度的范围例如设定在200°C以上500°C以下。在此，本实施方式的支承体3支承功率用半导体元件4，并且对从功率用半导体元 件4产生的热进行绝热，且具有向外部进行散热的功能。在此，支承体3例如由陶瓷材料或 金属材料等形成。陶瓷材料例如是氧化铝质烧结体、多铝红柱石质烧结体、碳化硅质烧结 体、氮化铝质烧结体、氮化硅质烧结体或玻璃陶瓷等。另外，金属材料例如是铜-钨复合材 料、铜-钼复合材料等。如图3所示，支承体3包括具有柱部32的元件搭载部31。元件搭载部31是在主 面(一个主面)31a上装载功率用半导体元件4的部件。即，在元件搭载部31的主面31a 上装载功率用半导体元件4。由此，可由平板状的元件搭载部31扩散从功率用半导体元件 4产生的热。另外，柱部32从元件搭载部31的内面(另一个主面)31b突出，并设有多个。 而且，多个柱部32的下表面32a上接合有基体2。另外，针对柱部32间的间隔、柱部32的 长度、柱部32的数量等，根据功率用半导体元件4的种类或使用状况而适当任意设定。而 且，柱部32彼此之间设有空间Pl。由于柱部32的热传导率比空间Pl大，因此相邻的柱部32之间存在热传导率比柱 部32低的蓄热区域。另外，柱部32的热传导率例如设定为lff/(m · K)以上400ff/(m · K)。另外，为了降低从柱部32向基体2传递的热量从而使功率用半导体元件4处于 动作温度的范围内，柱部32的下表面32a与基体2之间的接合材料使用例如银-铜钎料、金_锗焊锡、陶瓷粘接剂或高耐热性的树脂粘接剂等材料。功率用半导体元件4所产生的热中，大部分热可良好地从支承体3的上方通过下 方的柱部32向基体2排出，但是一部分热经由支承体3的上方向空间Pl内传递，具有该热 滞留在空间Pl内的倾向。因此，在功率用半导体元件4的附近区域中，通过降低支承体3 的温度，能够防止功率用半导体元件4成为过度的高温。另外，在离开功率用半导体元件4 的区域，即在柱部32间的空间Pl的附近区域中，能够利用功率用半导体元件4所产生的热 来进行良好的蓄热，在良好地抑制封装件内的温度过分降低的基础上，能够良好地抑制从 封装件排出的热影响配置在封装件周围的其他电子部件的动作。另外，这样的元件容纳用封装件例如作为家电制品的变换器或在发电站/变电站 中使用的功率变换装置等各种电子设备的部件而使用。框体5设置在基体2的上表面，且包围支承体3以及功率用半导体元件4。在此， 框体5例如由陶瓷材料、金属材料、玻璃材料或高耐热的树脂材料等形成。另外，框体5可 以与基体2 —体形成，也可以与基体2分别独立形成。在框体5与基体2分别独立形成的 情况下，例如通过焊锡或钎料等粘接剂来接合框体5与基体2。功率供给用端子6是用于向功率用半导体元件4提供功率的端子。因此，功率供 给用端子6通过引线(接合引线)W而电连接在功率用半导体元件4上。罩体7接合于框体5的上表面。即，罩体7在框体5的上表面通过焊料或钎料材 料等粘接剂接合，以便使得由框体5形成的容纳功率用半导体元件4的容纳空间，例如在空 气、惰性气体或真空状态下密闭。如上所述，根据本实施方式的元件搭载用基板、利用该基板的元件容纳用封装件 1，能够以简单的构成对从功率用半导体元件4产生的热进行绝热，并且能够进行散热。其 结果，本实施方式的元件搭载用基板、利用该基板的元件容纳用封装件1起到能够在功率 用半导体元件的动作温度范围内有效利用从功率用半导体元件所产生的热的效果。另外，即使是上述的构成，根据功率用半导体元件4的种类或使用状况等，也会存 在功率用半导体元件4的温度会超过动作温度的隐患。在这样的情况下，如图4所示，在柱 部32间的基体2上形成切口部8。此时，滞留在柱部32间的空间Pl内的热易从形成了切 口部8的基体2向外散发。由此，能够降低从功率用半导体元件4产生的热的温度。也就 是说，这是因为形成了切口部8的基体2的厚度变得比未形成切口部8的基体2的厚度薄。 即，即使是如图4所示的构成，也能够以简单的构成对从功率用半导体元件4产生的热进行 绝热，并且能够进行散热。另外，针对切口部8的深度、切口部8的数量等，根据功率用半导 体元件4的种类或使用状况等而适当任意设定。另外，在上述内容中，说明了容纳在元件容纳用封装件1内的功率用半导体元件4 为一个的情况，但是并未限于此。即，容纳在元件容纳用封装件1内的功率用半导体元件4 的数量是任意的。也就是说，也可以在元件容纳用封装件1内容纳多个支承体3、分别装载 在多个支承体3之上的多个功率用半导体元件4。另外，也可以在元件容纳用封装件1内容 纳1个支承体3、装载在该支承体3之上的多个功率用半导体元件4。另外，上述的实施方式表示本发明的实施方式的一个具体例，能够进行各种变更。 以下，表示几个主要的变形例。(变形例1)
在上述的实施方式中，如图3所示，说明了具备以下各元件的元件搭载用基板在 主面31a上装载功率用半导体元件4的元件搭载部31、从元件搭载部31的内面31b突出的 多个柱部32、与多个柱部32的下表面32a接合的基体2。但是，即使是这样地构成，根据功 率用半导体元件4的种类或使用状况，也会存在过度地对从功率用半导体元件4产生的热 进行散热的情况。因此，在变形例1的元件搭载用基板Ia中，如图5所示，以在支承体3a 中包括与多个柱部32的下表面32a连接的底板33为例进行说明。另外，在图5中，对于具 有与图3相同功能的构成附加相同的参考标记，并省略其说明。如图5所示，变形例1的支承体3a具有元件搭载部31、柱部32、以及底板33。元 件搭载部31是在主面31a上搭载功率用半导体元件4的部件。另外，柱部32从元件搭载 部31的内面31b突出，并设有多个。另外，底板33与多个柱部32的下表面32a连接。而 且，底板33上接合有基体2。如上所述，根据变形例1的元件搭载用基板、以及利用该基板的元件容纳用封装 件la，连接多个柱部32d下表面32a与底部33，并且接合底板33与基体2，因此不会直接向 基体2传递从功率用半导体元件4产生的热。因此，与上述的实施方式相比，易在柱部32间 (即，元件搭载部31与底板33之间)的空间Pl中滞留从功率用半导体元件4产生的热。 另外，根据变形例1的元件搭载用基板、利用该基板的元件容纳用封装件la，由于具备多个 柱部32，因此能够从多个柱部32的侧面32b对从功率用半导体元件4产生的热进行散热。 另外，也能够从与底板33接合的基体2对从功率用半导体元件4产生的热进行散热。如上 所述，根据变形例1的元件搭载用基板、利用该基板的元件容纳用封装件la，与上述的实施 方式相比，能够更好地对从功率用半导体元件4产生的热进行绝热，而且在某一程度上进 行散热。(变形例2)在上述的变形例1中，如图5所示，说明具备以下各元件的元件搭载用基板主面 31a上装载半导体元件4的平板状的元件搭载部31、从元件搭载部31的内面31b突出的多 个柱部32、与多个柱部32的下表面32a连接的底板33、与底板33接合的基体2。但是，即 使是这样的构成，根据功率用半导体元件4的种类或使用状况，也会存在过度地对从功率 用半导体元件4产生的热进行散热的情况。因此，在变形例2的元件搭载用基板Ib中，如 图6所示，在支承体3上设置连接在元件搭载部31的内面31b上且包围多个柱部32的围 绕部。在此，作为围绕部，以侧面板34为例进行说明。另外，在图6中，对于具有与图3相 同功能的构成附加相同的参照标记，并省略其说明。如图6所示，变形例2的支承体3b具备元件搭载部31、柱部32、以及侧面板34。 元件搭载部31是在主面31a上装载功率用半导体元件4的部件。另外，柱部32从元件搭载 部31的内面31b突出，并设有多个。另外，侧面板34连接在元件搭载部31的内面31b上， 且设置为围绕多个柱部32。而且，多个柱部32的下表面32a以及侧面板34的下表面34a 上接合有基体2。
即S卩，根据变形例2的元件搭载用基板及利用该基板的元件容纳用封装件lb，具备 连接在元件搭载部31的内面31b上且设置为围绕多个柱部32的侧面板34。因此，与变形 例1相比，从功率用半导体元件4产生的热容易滞留在柱部32间(即，元件搭载部31与基 体2之间)的空间Pl中。另外，根据变形例2的元件搭载用基板及利用该基板的元件容纳用封装件lb，能够从侧面板34以及基体2对从功率用半导体元件4产生的热进行散热。如 上所述，根据变形例2的元件搭载用基板及利用该基板的元件容纳用封装件lb，与变形例 1相比，能够进一步对从功率用半导体元件4产生的热进行绝热，而且能够进行某一程度的 散热。(变形例3)在上述的变形例2中，如图6所示，说明了具备以下元件的元件搭载用基板主面 31a上装载功率用半导体元件4的平板状的元件搭载部31、从元件搭载部31的内面31b突 出的多个柱部32、与元件搭载部4的内面31b连接且设置为包围多个柱部32的侧面板34、 与多个柱部32的下表面32a以及侧面板34的下表面34a接合的基体2。但是，即使是这样 的构成，根据功率用半导体元件4的种类或使用状况，也会存在过度地对从功率用半导体 元件4产生的热进行散热的情况。因此，在变形例3的元件搭载用基板Ic中，如图7所示， 以在支承体3c中包括连接了多个柱部32的下表面32a以及侧面板35的下表面35a的底 板36为例进行说明。另外，在图7中，对于具有与图3相同功能的构成附加相同的参照标 记，并省略其说明。如图7所示，变形例3的支承体3c具备元件搭载部31、柱部32、侧面板35、以及底 板36。元件搭载部31是在主面31a上装载功率用半导体元件4的部件。另外，柱部32从 元件搭载部31的内面31b突出，并设有多个。另外，侧面板35连接在元件搭载部31的内 面31b上，且设置为围绕多个柱部32。另外，底板36与多个柱部32的下表面32a以及侧面 板35的下表面35a连接。而且，底板36上接合有基体2。也就是说，根据变形例3的元件搭载用基板及利用该基板的元件容纳用封装件 lb,由于多个柱部32的下表面32a以及侧面板35的下表面35与底板36连接，并且底板36 与基体2接合，因此不会直接向基体2传递从功率用半导体元件4产生的热。并且，由于具 备连接在元件搭载部31的内面31b上且设置为围绕多个柱部32的侧面板35，因此与变形 例2相比，从功率用半导体元件4产生的热容易滞留在柱部32间(即，元件搭载部31与底 板36之间)的空间Pl中。另外，根据变形例3的元件搭载用基板及利用该基板的元件容 纳用封装件lc，能够从侧面板35以及基体2对从功率用半导体元件4产生的热进行散热。 如上所述，根据变形例3的元件搭载用基板及利用该基板的元件容纳用封装件lc，与变形 例2相比，能够进一步对从功率用半导体元件4产生的热进行绝热，而且能够进行某一程度 的散热。(变形例4)如图8所示，变形例4的元件容纳用封装件Id代替图1所示的支承体3而具备支 承体3d。另外，在图8中，对于具有与图3相同功能的构成附加相同的参照标记，并省略其 说明。如图8所示，变形例4的元件搭载用基板Id具备在上表面装载半导体元件4的支 承体3d。另外，变形例4的基体2与支承体3d的下表面接合。而且，支承体3d在内部形成 有多个气孔B。另外，在支承体3d例如由陶瓷材料形成的情况下，支承体3d内部的多个气 孔B例如按照以下方式形成。即，预先在陶瓷材料中混合多个树脂珠。之后，通过将陶瓷材 料与树脂珠一起在规定的温度下进行煅烧，从而使树脂珠分解。由此，不存在树脂珠的地方 成为气孔B，并且在支承体3d的内部形成多个气孔B。另外，这仅仅是一个例子，对于在支
7承体3d的内部形成气孔B的方法并没有特别的限定。也就是说，根据变形例4的元件搭载用基板及利用该基板的元件容纳用封装件 Id,由于在支承体3d的内部形成有多个气孔B，因此从功率用半导体元件4产生的热容易 滞留在形成于支撑体3d的内部的多个气孔B中。另外，根据变形例4的元件搭载用基板及 利用该基板的元件容纳用封装件ld，能够从与支承体3d的下表面接合的基体2对从功率 用半导体元件4产生的热进行散热。如上所述，根据变形例4的元件搭载用基板及利用该 基板的元件容纳用封装件ld，能够以简单的构成对从功率用半导体元件4产生的热进行绝 热，并且能够进行散热。在此，如图8所示，优选形成在支承体3d的内部中的多个气孔B的气孔率随着从 支承体3d的功率用半导体元件4侧向基体2侧而变高。即，气孔率越高，则热的传递特性 就越低(很难传递热)。因此，根据随着从支承体3d的功率用半导体元件4侧向基体2侧 气孔率变高，能够使从功率用半导体元件4产生的热滞留在基体2侧的支承体3d的气孔B 中，而不是滞留在功率用半导体元件4侧的支承体3d的气孔B中。另外，即使从其他电子 部件产生的热通过基体2传递到支承体3d，该热也有可能滞留在基体2侧的支承体3d的气 孔B中。由此，能够降低功率用半导体元件4超过动作温度的可能性。(变形例5)在上述的实施方式以及变形例1 4中，说明了在元件容纳用封装件l、la Id 内只容纳支承体3、3a 3d、以及功率用半导体元件4的例子。但是，如图9所示，也可以在 元件容纳用封装件Ie内，与支承体3以及功率用半导体元件4 一起还容纳接合于基体2的 上表面的台座11、装载于台座11的上表面的电子部件12。S卩，框体5设置为在基体2的上 表面且包围功率用半导体元件4和电子部件12。在此，电子部件12例如是电阻器、压电元 件、晶体振荡器或陶瓷振荡器等。由此，能够在元件容纳用封装件Ie内容纳功率用半导体 元件4以及电子部件12这两者。另外，也可以代替电子部件12而使用半导体元件(例如， SiC制半导体元件、Si制半导体元件、利用氮化镓或金刚石等的半导体元件)。另外，在图9中，图示了容纳在元件容纳用封装件Ie内的支承体为上述的实施方 式中所说明的支承体3(参照图3)的情况，但是并非限于此。即，容纳在元件容纳用封装件 Ie内的支承体可以是变形例1的支承体3a(参照图5)、变形例2的支承体3b(参照图6)、 变形例3的支承体3c (参照图7)、变形例4的支承体3d (参照图8)。在此，为了使从功率 用半导体元件4产生的热不会影响电子部件12，优选使用绝热性高的支承体。例如，是变形 例2的支承体3b或者变形例3的支承体3c。另外，在上述中，说明了容纳在元件容纳用封装件Ie内的电子部件12为一个的情 况，但是并非仅限于此。即，容纳在元件容纳用封装件Ie内的电子部件12的数量是任意的。(变形例6)在上述的变形例5的图9中，图示了台座11为长方体的例子。但是，在上述的变 形例5中，从功率用半导体元件4产生的热通过支承体3、基体2、以及台座11传递到电子 部件12。因此，电子部件12受到很大程度的从功率用半导体元件4产生的热的影响。因 此，由于从功率用半导体元件4产生的热，存在电子部件12产生故障的可能性。因此，在变 形例6中，如图10所示，说明在柱部132间的基体2中形成切口部14的例子。另外，代替 电子部件12，也可以使用半导体元件(例如，SiC制半导体元件、Si制半导体元件、利用氮化镓或金刚石等的半导体元件)。如图10所示，变形例6的元件容纳用封装件If的台座13具有在主面(一个主 面)上装载有电子部件12的平板状的电子部件搭载部131、从电子部件搭载部131的内面 (另一个主面)突出的多个柱部132。另外，在多个柱部132的下表面接合有基体2。在此，柱部132间的基体2中形成有切口部14。该切口部14随着远离功率用半导 体元件4，在基体2的厚度方向上被深深地切入。由此，如图10的箭头(热的路径)所示， 从功率用半导体元件4产生的热易从切口部14的下方的基体2散发至元件容纳用封装件 If的外部。因此，根据变形例6的元件容纳用封装件If，电子部件12能够抑制从功率用半 导体元件4产生的热的影响。(变形例7)在上述的实施方式中，如图3所示，说明了具备以下元件的元件搭载用基板在主 面31a上装载功率用半导体元件4的元件搭载部31、从元件搭载部31的内面31b突出的多 个柱部32、与多个柱部32的下表面32a接合的基体2。但是，即使是这样的构成，根据功率 用半导体元件4的种类或使用状况，也会存在过度地对从功率用半导体元件4产生的热进 行散热的情况。在此，如图11所示，变形例7的元件容纳用封装件Id代替设置在图1所示 的柱部彼此间的空间P1，在柱部彼此间设置了保温材料P2。另外，在图11中，对于具有与 图3相同功能的构成附加相同的参照标记，并省略其说明。如图11所示，变形例7的支承体3a具备元件搭载部31、柱部32。元件搭载部31 是在主面31a上装载功率用半导体元件4的部件。另外，柱部32从元件搭载部31的内面 31b突出，并设有多个。另外，底板33与多个柱部32的下表面32a连接。而且，底板33上 接合有基体2。另外，在柱部32彼此间设有保温材料P2。保温材料P2由热传导率比柱部32低的材料构成。保温材料P2例如由玻璃、高耐 热的树脂等材料构成，并且加工成纤维状或者由内部形成有气泡的材料构成。保温材料P2 的热传导率例如设定为0. 02ff/(m · K)以上2ff/(m · K)以下。如上所述，根据变形例7的元件搭载用基板及利用该基板的元件容纳用封装件 la,由于在多个柱部32彼此间设有保温材料P2，因此不会直接向基体2传递从功率用半导 体元件4产生的热。因此与上述的实施方式相比，从功率用半导体元件4产生的热易滞留 在柱部32间(即，元件搭载部31与底板33之间)的保温材料P2中。如上所述，根据变形 例7的元件搭载用基板及利用该基板的元件容纳用封装件la，与上述的实施方式相比，能 够进一步在元件容纳用封装件Ia内对从功率用半导体元件4产生的热保温。
权利要求
一种元件搭载用基板，具备支承体，其具有用于在一个主面上装载功率用半导体元件的元件搭载部，并且具有设置为在厚度方向上离开所述搭载面且互相隔着间隔而配置的多个柱部；和蓄热区域，其设置在所述柱部间，且热传导率比所述支承体低。
2.根据权利要求1所述的元件搭载用基板，其中， 还具备基体，其在所述柱部中与所述支承体接合， 并且在所述柱部间的所述基体中形成有切口部。
3.根据权利要求1或2所述的元件搭载用基板，其中， 所述支承体还具有围绕部，其设置为包围所述多个柱部。
4.一种元件搭载用基板，具备支承体，其在上表面装载功率用半导体元件；和 基体，其与所述支承体的下表面接合， 所述支承体在内部中形成有多个气孔。
5.根据权利要求4所述的元件搭载用基板，其中，形成于所述支承体的内部的多个气孔的气孔率随着从所述支承体的所述功率用半导 体元件侧向所述基体侧而变高。
6.根据权利要求1至5的任一项所述的元件搭载用基板，其中， 所述功率用半导体元件是由SiC构成的半导体元件。
7.—种元件容纳用封装件，具备权利要求1至6的任一项所述的元件搭载用基板；框体，其在内部容纳所述元件搭载用基板，且设置为包围所述功率用半导体元件；和 罩体，其接合在所述框体的上表面上。
8.根据权利要求7所述的元件容纳用封装件，其中， 还具备台座，其在所述框体内装载电子部件。
全文摘要
本发明提供一种元件搭载用基板及利用该基板的元件容纳用封装件，该元件搭载用基板能够轻易地将功率用半导体元件设定为适于动作的温度中，并且起到能够使功率用半导体元件良好地发挥作用的效果。元件搭载用基板具备支承体(3)，其具有用于在一个主面(31a)上装载功率用半导体元件(4)的元件搭载部(31)，并且具有设置为在厚度方向上远离元件搭载部(31)且互相隔着间隔而配置的多个柱部(32)；和蓄热区域，其设置在柱部(32)间，且热传导率比支承体(3)低。
文档编号H01L23/36GK101925998SQ201080001027
公开日2010年12月22日 申请日期2010年1月22日 优先权日2009年1月22日
发明者中本真二, 宫胁清茂, 川畑和弘, 杉本努, 植田义明 申请人:京瓷株式会社