JP2000183234A - 半導体装置及びこれに用いられる複合金属材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低コストで高信頼の半導体装置を得る。 【解決手段】半導体素子が搭載される支持部材（１２
５）の材料を、熱伝導率が高い第１金属（１２５Ａ）の
マトリック中に熱膨張率が小さな第２金属の粉末（１２
５Ｂ）を分散した複合金属材料とする。 【効果】半導体素子の放熱が高くなるとともに熱歪が軽
減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体素子基体を支持する部材は
非絶縁型半導体装置の一電極を兼ねる場合が多かった。
例えば、パワートランジスタチップを銅ベース上にＰｂ
−Ｓｎはんだ材により一体化搭載したパワートランジス
タ装置では、銅ベース（金属支持部材）はトランジスタ
のコレクタ電極と支持部材を兼ねる。このような半導体
装置では、数アンペア以上のコレクタ電流が流れ、トラ
ンジスタチップは発熱する。この発熱に起因する特性の
不安定性や寿命の劣化を避けるため、銅ベースは熱放散
のための部材を兼ねる。また、高耐圧化及び高周波化さ
れ、大電流を流すことの可能な半導体チップを上記銅ベ
ースに直接はんだ付け搭載した場合は、熱放散中継部材
としての銅ベースの役割は一層重要になる。

【０００３】また、半導体装置の全ての電極を金属支持
部材から電気的に絶縁し、もって半導体装置の回路適用
上の自由度を増すことのできる絶縁型半導体装置におい
て、全ての電極は絶縁部材により金属支持部材を含む全
てのパッケージ部材から、絶縁されて外部へ引き出され
る。そのために、一対の主電極が回路上の接地電位から
浮いている使用例であっても、電極電位とは無関係にパ
ッケージを接地電位部に固定できるので、半導体装置の
実装が容易になる。

【０００４】絶縁型半導体装置においても、半導体素子
を安全かつ安定に動作させるためには、半導体装置の動
作時に発生する熱をパッケージの外へ効率良く放散させ
る必要がある。この熱放散は通常、発熱源である半導体
基板からこれと接着された各部材を通じて気中へ熱伝達
させることで達成される。絶縁型半導体装置ではこの熱
伝達経路中に、絶縁体及び半導体基板を接着する部分等
に用いられた接着材層を含む。

【０００５】また、半導体装置を含む回路の扱う電力が
高くなるほど、あるいは要求される信頼性（経時的安定
性，耐湿性，耐熱性等）が高くなるほど、完全な絶縁性
が要求される。ここで言う耐熱性には、半導体装置の周
囲温度が外因により上昇した場合のほか、半導体装置の
扱う電力が大きく、半導体基体で発生する熱が大きくな
った場合の耐熱性も含む。

【０００６】一方、混成集積回路あるいは半導体モジュ
ール装置では、一般に半導体素子を含むあるまとまった
電気回路が組み込まれるため、その回路の少なくとも１
部とこれらの装置の支持部材あるいは放熱部材等の金属
部とを電気的に絶縁する必要がある。例えば、第１先行
技術例としての“半導体・通信用ＤＢＣ基板”：電子材
料（Ｖol.４４，Ｎo.５)，６５〜６９頁（１９８９年）
には、Ｓｉチップを両面に銅板が接合されたＡｌＮセラ
ミックス基板(以下、銅張りＡｌＮ基板と言う)に搭載し
たアッセンブリを、銅支持部材にはんだ付け一体化した
パワーモジュール装置が示されている。

【０００７】上記第１先行技術において、銅張りＡｌＮ
基板はＡｌＮの持つ高熱伝導性(190Ｗ／ｍ・Ｋ），低熱
膨張率（４.３ppm／℃），高絶縁性（１０¹⁵Ω・cm）等
の特長と、銅の持つ高熱伝導性（４０３Ｗ／ｍ・Ｋ），
高電気伝導性(１.７×１０^-6Ω・cm）等の特長とを組み
合わせたもので、電流密度が高く、発熱の著しい電力用
半導体素子基体（Ｓｉ：３.５ppm／℃）を直接はんだ付
け搭載し、優れた放熱性と信頼性を備えたモジュール装
置を得るのに有効な部品である。

【０００８】一般に、銅張りＡｌＮ基板は、これにはん
だ付け搭載された半導体素子基板、又は、これに形成さ
れた電気回路を銅支持部材から電気的に絶縁するととも
に、前記半導体基体から冷却フィンに至る熱流路を形成
し、その放熱効果を高める役割を担う。また、前記銅張
りＡｌＮ基板は、熱膨張率の小さい半導体基体を特別な
熱膨張緩和材（例えば、ＭｏやＷ）を用いずに搭載でき
るため、パワーモジュール装置の部品点数や組み込み工
数を削減できる。

【０００９】第２先行技術としての特開平8−111503号
公報には、Ｓｉチップを銅張りＡlＮ基板に搭載したア
ッセンブリを、Ｍｏからなる支持部材にはんだ付け一体
化した半導体電流制御装置が開示されている。

【００１０】上記第２先行技術において、銅張りＡｌＮ
基板はこれと熱膨張率が略近似したＭｏ支持部材（５.
１ppm／℃）にはんだ付け搭載されているため、これら
部材間のはんだ接続部は優れた信頼性を有し、放熱性劣
化の防止に有効に作用する。

【００１１】第３先行技術としての特公平7−26174号公
報には、サイリスタチップをアルミナ基板に搭載したア
ッセンブリを、Ａｌ又はＡｌ合金にＳｉＣセラミックス
粉末を分散させた複合材（以下、Ａｌ／ＳｉＣ複合材と
言う）からなる支持部材に搭載した半導体モジュール装
置が開示されている。

【００１２】上記第３先行技術において、アルミナ基板
（７.５ppm／℃）はこれと熱膨張率が略近似したＡｌ／
ＳｉＣ複合材支持部材(２〜１３ppm／℃）に搭載されて
いるため、これら部材間の接続部は優れた信頼性を有
し、放熱性劣化の防止に有効に作用する。

【００１３】第４先行技術としての特開平9−17908号公
報には、Ｓｉチップを銅張りＡｌＮ基板にはんだ付け搭
載したアッセンブリを、板状であってその主面におい
て、Ｃｕ層（熱伝導率：４０３Ｗ／ｍ・Ｋ，熱膨張率：
１６.７ppm／℃）とインバ層(Ｆｅ−３６ｗｔ％Ｎｉ，
熱伝導率：１５Ｗ／ｍ・Ｋ，熱膨張率：１.５ppm／℃)
が交互にストライプ状パターンを形成するように積層さ
れた複合材（以下、ストライプ状複合材と言う）からな
る支持部材にはんだ付け一体化した半導体装置が開示さ
れている。

【００１４】上記第４先行技術において、銅張りＡｌＮ
基板はこれと熱膨張率が略近似したストライプ状複合材
支持部材(６.１〜９.２ppm／℃）にはんだ付け搭載され
ているため、これら部材間のはんだ接続部は優れた信頼
性を有し、放熱性劣化の防止に有効に作用する。

【００１５】第５先行技術としての“半導体基板用クラ
ッド材ＣＩＣ”：日立電線株式会社カタログ（ＣＡＴ.
Ｎo.Ｂ₁-１０５)，（１９９３年４月）には、インバ層
の両面にＣｕ層をクラッドした複合材（以下、クラッド
材と言う、４.０〜１０.６ppm／℃）からなる半導体基
板用パワートランジスタ用ヒートシンク材が開示されて
いる。

【００１６】上記第５先行技術において、クラッド材は
Ｓｉチップをはんだ付け搭載した銅張りＡｌＮ基板を支
持する部材として用いることが可能である。この場合
も、銅張りＡｌＮ基板とクラッド材支持部材の熱膨張率
が整合されているため、これら部材間のはんだ接続部は
優れた信頼性を有し、放熱性劣化の防止に有効に作用す
る。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】半導体装置における発
熱量が少なく、要求される信頼性がさほど高くない場合
には、装置を構成する部材としてどのような材料を用い
ても問題はない。しかし、発熱量が大きく高い信頼性が
要求される場合には、適用されるべき部材は選択されね
ばならない。

【００１８】一般に、絶縁型半導体装置では第１先行技
術例のように、Ｓｉチップをはんだ付け搭載した銅張り
ＡｌＮ基板を、はんだ付けにより銅支持部材と一体化し
ている。ここで、熱伝導率の高い銅板が支持部材として
用いられる理由は、銅張りＡｌＮ基板から伝達される熱
流を広げて放熱効果を高める役割を持たせるためであ
る。

【００１９】この場合、銅支持部材と銅張りＡｌＮ基板
の間の熱膨張率差が大きいことに起因して、はんだ層の
破壊，熱流路の遮断，絶縁基板の破壊に基づく信頼性低
下を生じやすい。具体的には、 （１）銅張りＡｌＮ基板と銅支持部材の熱膨張率が互い
に異なるため、これらの一体化物には残留熱応力ないし
熱歪が発生する。即ち、銅張りＡｌＮ基板と銅支持部材
はＰｂ−６０ｗｔ％Ｓｎはんだ材によりろう付けされ、
ろう材の融点以上に加熱した後室温まで冷却する熱処理
を受ける。この場合、各部材がろう材の凝固点で互いに
固定されたまま各部材固有の熱膨張率に従って収縮し、
接着部に熱応力ないし熱歪が残留するとともに変形を生
ずる。一般に、電力用半導体基体はサイズが大きく、ま
た、パワーモジュール装置では複数の半導体基体や他の
素子も搭載されるので、絶縁基板の面積やろう付け面積
も大きくなる。このため、上記残留熱応力ないし熱歪が
大きく、各部材の変形も促進されやすい。モジュール装
置に稼働時の熱ストレスが繰返し与えられ、上記残留熱
応力ないし熱歪に重畳されると、はんだ層の疲労破壊に
よる熱流路の遮断と機械的に脆い性質を持つ絶縁基板の
破損を生ずる。このような事柄は、モジュール装置の正
常な動作を阻害するだけでなく、特に絶縁基板の破損は
安全上の問題にもつながる。

【００２０】（２）銅張りＡｌＮ基板と銅支持部材の熱
膨張率が互いに異なるため、これらの一体化物には反り
を発生する。モジュール装置に反りを生ずると、これを
冷却フィンに取付ける際熱伝導グリースの装填が均一に
なされない。この結果、銅支持部材と冷却フィン間の熱
的係合が完全にはなされず、この経路の放熱性が損なわ
れ、モジュール装置の正常な動作を困難にする。また、
モジュール装置を冷却フィン上にネジ締め搭載した場合
には、新たな外力の印加により絶縁基板の破損が助長さ
れる。

【００２１】上記（１）の課題は第２〜５先行技術例の
ように、熱膨張率を銅張りＡｌＮ基板のそれに整合させ
た支持部材の選択により解決が可能である。しかし、こ
れらの支持部材を適用する場合には、第１先行技術例に
は無い新たな課題を生ずる。即ち、部材製作上の問題点
や支持部材を半導体装置に組み込む上での問題点，放熱
性上の問題点、そしてコスト上の問題点である。具体的
には、 （ａ）Ｍｏ支持部材（第２先行技術例） Ｍｏ素材は稀少金属であり、元々コストの高い材料であ
る。これに加えて、高融点で機械的加工が困難な程に硬
い金属である。したがって、Ｍｏインゴットを得たり所
望の形状・寸法を得るためには、多大の経済的損失を伴
う。

【００２２】（ｂ）Ａｌ／ＳｉＣ複合材支持部材（第３
先行技術例） この支持部材はＳｉＣセラミックス粉末からなる多孔質
プリフォームにＡｌを主成分とする液体金属を含浸させ
ることにより、Ａｌを主成分とするマトリックス金属中
にＳｉＣ粉末を分散させた形態とする。これを銅張りＡ
ｌＮ基板にはんだ付けするためには、Ａｌ／ＳｉＣ複合
材表面にはんだ材との冶金的係合を可能にするメタライ
ズ処理がなされなければならない。しかし、支持部材の
ようにサイズの大きい部材の場合は、平坦で寸法精度の
高い複合材は得られにくい。このため、複合材は所望の
形状や寸法を得るため、表面の機械的加工後にＮｉめっ
き等のメタライズ処理がなされる。この際、機械加工表
面にはＡｌの領域とともにＳｉＣ粒子も露出する。Ｎｉ
めっき層はＳｉＣ粒子表面には析出しにくく、あるい
は、析出しても強固には接着していない。この点が部材
製作上の問題点として挙げられる。

【００２３】このため、後続のはんだ付けを始めとする
熱工程で、ＳｉＣ−Ｎｉめっき界面で剥離，ふくれ等の
望ましくない現象を生ずる。この点は、半導体装置の放
熱性やはんだ接合部の信頼性の面で不都合な結果をもた
らす。この点が半導体装置に組み込む上での問題点であ
る。

【００２４】したがって、複合材の製作が困難であるこ
とに加えて、得られる半導体装置の性能や歩留まりにお
いても悪影響を被ることとなり、経済的不都合は無視で
きないものとなる。

【００２５】（ｃ）ストライプ状複合材支持部材（第４
先行技術例） この複合材は、ストライプ状Ｃｕ層が熱の流入側である
銅張りＡｌＮ基板から放熱側である支持部材裏面まで連
続的に連なっている点で、比較的優れた放熱効果が得ら
れる。しかし、所望の形状や寸法を得るため、複合材の
機械加工（例えば、圧延）が必要になる。この際、Ｃｕ
層とインバ層が交互に整然と配置されたストライプ状の
構成が崩れて、Ｃｕ層とインバ層の配置上の規則性を失
い、ランダムなパターンになりやすい。この点が部材製
作上の問題点である。

【００２６】また、ストライプ状複合材はストライプ方
向とその直角方向では物性が異なる。特に、熱膨張率の
違いは、銅張りＡｌＮ基板をはんだ付けした際に一体化
物の反りを生ずる原因となる。これによる反りはＡｌＮ
基板にまでも及び、ＡｌＮ基板そのものの破壊そして半
導体装置の絶縁性を損なう。加えて、半導体装置を冷却
体にネジ締めする際、更に過大な応力を発生させる。こ
れによっても、ＡｌＮ基板の破壊と絶縁性の低下を伴
う。これらの点が半導体装置に組み込む上での問題点で
ある。

【００２７】したがってこの場合も、複合材製作が困難
であることに加えて、得られる半導体装置の性能や歩留
りにおいても悪影響を被ることとなり、経済的不都合を
生ずる。

【００２８】（ｄ）クラッド材（第５先行技術例） クラッド材はインバ層の両面にＣｕ層を配置している
が、この複合材を平坦に保つためには、両面のＣｕ層が
同じ厚さに保たれなければならない。しかし、厚さのア
ンバランスが存在すると、それが微妙な量であっても平
坦な支持部材は得られない。この点が部材製作上の問題
点である。

【００２９】この欠点はストライプ状複合材の場合と同
様に、銅張りＡｌＮ基板をはんだ付けした際の一体化物
の反りの原因となる。これがＡｌＮ基板の破壊、加えて
半導体装置を冷却体にネジ締めする際のＡｌＮ基板の破
壊と絶縁性の低下につながる。これらの点が半導体装置
に組み込む上での問題点である。

【００３０】また、クラッド材では、両側のＣｕ層は中
央のインバ層で分離されている。インバ層の熱伝導率は
小さいため、この層は銅張りＡｌＮ基板から流入する熱
の支持部材裏面への伝達を阻害するように作用する。こ
の点も半導体装置に組み込む上での欠点になる。

【００３１】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体装置
は、半導体素子が支持部材上に搭載された半導体装置で
ある。支持部材の材料は第１金属のマトリックス中に、
第２金属の粉末を分散した複合金属材料であり、第１金
属は第２金属よりも熱伝導率が高く、第２金属は第１金
属よりも熱膨張率が小さい。

【００３２】上記の複合金属材料は、比較的高い熱伝導
率及び比較的小さな熱膨張率を兼ね備えることができ
る。従って、本複合金属材料を用いて支持部材を形成す
れば、半導体装置の信頼性を向上できる。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明による半導体装置の支持部
材における第１金属は、熱伝導率の高い点から選択され
る。具体的には、Ｃｕ（熱伝導率：４０３Ｗ／ｍ・Ｋ，
熱膨張率：１６.７ppm／℃），Ａｌ(２３６Ｗ／ｍ・
Ｋ，２３ppm／℃），Ｂｅ（２１８Ｗ／ｍ・Ｋ，１４ppm
／℃），Ｃｕ−５ｗｔ％Ｓｎ合金（１８０Ｗ／ｍ・Ｋ，
１７.５ppm／℃），Ｃｕ−３２ｗｔ％Ｚｎ合金（１０６
Ｗ／ｍ・Ｋ，１８.５ppm／℃）,Ａｌ−５ｗｔ％Ｍｇ合
金（熱伝導率，熱膨張率：Ａｌとほぼ同等），Ａｌ−５
ｗｔ％Ｎｉ合金（熱伝導率，熱膨張率：Ａｌとほぼ同
等），Ａｌ−７ｗｔ％Ｓｉ−０.６ｗｔ％Ｍｇ合金(熱伝
導率，熱膨張率：Ａｌとほぼ同等），希土類金属添加
（約１ｗｔ％）のＡｌ−５ｗｔ％Ｚｎ−５ｗｔ％Ｍｇ合
金（熱伝導率，熱膨張率：Ａｌとほぼ同等）の群から選
択された少なくとも１種が好ましい材料として挙げられ
る。これは、半導体基体から発せられた熱流の大半（約
８０％）を第１金属領域を選択的に経由させ、効率良く
外部へ放出するためである。このため、第１金属は、例
えば銅張りＡｌＮ基材の如き絶縁基板から冷却フィンに
至る熱伝達経路において、連続的に連なっている。

【００３４】一方、上記支持部材における第２金属は、
熱膨張率が小さい点から選択される。具体的にはインバ
（Ｆｅ−３６ｗｔ％Ｎｉ，熱膨張率：１.５ppm／℃，熱
伝導率：１５Ｗ／ｍ・Ｋ），４２アロイ（Ｆｅ−４２ｗ
ｔ％Ｎｉ，５ppm／℃，13.4Ｗ／ｍ・Ｋ），コバール
（Ｆｅ−３１ｗｔ％Ｎｉ−１５ｗｔ％Ｃｏ，５ppm／℃,
１６.７Ｗ／ｍ・Ｋ)，Ｆｅ（１１.７ppm／℃，５６Ｗ／
ｍ・Ｋ）の群から選択された少なくとも１種が好ましい
材料として挙げられる。これらの金属は、上記支持部材
の見かけの熱膨張率が大きくなるのを抑制する働きをす
る。

【００３５】以上の第１及び第２金属を複合させた支持
部材は、それぞれの素材の持つ欠点を互いに補完しあ
う。たとえば図１に示す断面模式図のように、支持部材
１２５のバルクは、第１金属のマトリックス１２５Ａ中
に第２金属の粉末１２５Ｂを分散させた構成になってい
る。また、バルクの表面には、はんだ材に対するぬれ性
付与の観点から、Ｎｉめっき層１２５Ｃが望ましくは２
〜７μｍの厚さに形成されている。分散された第２金属
粉末粒子１２５Ｂは、ランダムに配置されている。しか
し、支持部材１２５の全体をマクロに観察する上では、
どの部分をサンプリングしても第２金属粒子１２５Ｂの
濃度あるいは占有体積率は同程度である。この点より、
支持部材１２５の物性特に熱膨張率や熱伝導率は等方性
になる。また、第１金属１２５Ａは発熱源としての半導
体基板あるいは銅張りＡｌＮ基板が搭載される側の主面
１２５ａから熱が放出される側の主面１２５ｂに至るま
で連続的に連なっている。この場合、支持部材１２５の
物性値（熱膨張率及び熱伝導率）は、第１金属１２５Ａ
と第２金属１２５Ｂの中間の値を有している。例えば、
第１金属１２５ＡがＣｕであり第２金属１２５Ｂがイン
バである構成では、図２及び図３のような相関関係を示
す。これらの図を参照すると、Ｃｕ１２５Ａとインバ１
２５Ｂからなる支持部材１２５の場合（Ｃｕの占有率：
５０ｗｔ％）は、熱伝導率：２１２Ｗ／ｍ・Ｋと高い放
熱性を維持したまま、熱膨張率：７.５ppm／℃ と半導
体基体や銅張りＡｌＮ基板の熱膨張率に近接させること
ができる。また、図４は第１金属１２５ＡがＡｌであり
第２金属１２５Ｂがインバである場合の物性値を示す。
この複合材からなる支持部材１２５の場合（Ａｌの占有
率：５０ｗｔ％）は、熱伝導率：１２０Ｗ／ｍ・Ｋと高
い放熱性を維持したまま、熱膨張率：１０ppm／℃ と半
導体基体や銅張りＡｌＮ基板の熱膨張率に近接させるこ
とができる。

【００３６】

【表１】

【００３７】表１は第２金属１２５Ｂとしてのインバと
第１金属１２５Ａとしての各種金属を組み合わせた場合
の熱膨張率を示す。熱膨張率が第１金属の占有率を増す
につれて大きくなる傾向は、第１金属１２５ＡがＣｕや
Ａｌの場合と同様である。これらの組み合わせに基づく
支持部材は、熱膨張率の許容される範囲で任意の第１

【００３８】

【表２】

【００３９】金属占有率（又は第２金属占有率）を選択
できる。また、表２は第２金属１２５Ｂとしてのインバ
と第１金属１２５Ａとしての各種金属を組み合わせた場
合の熱伝導率を示す。熱伝導率が第１金属の占有率を増
すにつれて大きくなる傾向は、第１金属１２５ＡがＣｕ
やＡｌの場合と同様である。これらの組み合わせに基づ
く支持部材は、熱伝導率の許容される範囲で任意の第１
金属占有率（又は第２金属占有率）を選択できる。

【００４０】表３は第２金属１２５Ｂとしての４２アロ
イやコバールと第１金属１２５Ａとしての各種金属を組
み合わせた場合の熱膨張率、そして、表４は第２金属12
5Bとしての４２アロイやコバールと第１金属１２５Ａと
しての各種金属を組み合わせた場合の熱伝導率を示す。
４２アロイやコバールを適用した場合も、インバを適用
した場合と同様に、熱膨張率や熱伝導率の観点で許容さ
れる任意の第１金属占有率（又は第２金属占有率）を選
択できる。

【００４１】

【表３】

【００４２】

【表４】

【００４３】複合材としての支持部材１２５を、第１先
行技術例における銅支持部材の代替として適用した場合
は、次のような特長が得られる。

【００４４】その第１は、支持部材１２５の熱膨張率が
小さく、絶縁部材（ＡｌＮ，ＢｅＯ，アルミナ）のそれ
と近似するため、支持部材１２５と絶縁部材の間のはん
だ層に熱応力ないし熱歪が残留しない点である。これに
より支持部材１２５と絶縁部材間の一体化物は反り等の
変形を生じない。一体化物には残留応力や熱歪がないた
め、半導体装置の稼働時の熱ストレスの重畳を受けて
も、はんだ層の熱疲労破壊による熱流路の遮断や絶縁部
材の機械的破壊を生じにくい。このことは、半導体装置
の正常動作の維持と安全性の確保に寄与する。

【００４５】その第２は、一体化物には反りを生じない
ため、モジュール装置から冷却フィンに至る経路の熱中
継が確実に行われる点である。また、モジュール装置を
冷却フィン上にネジ締め搭載することによる、絶縁部材
の破壊を生じない。このことも、半導体装置の正常動作
の維持と安全性の確保に寄与する。

【００４６】その第３は、はんだ材に対するぬれ性付与
のためのＮｉめっき層１２５Ｃが、支持部材１２５のバ
ルク表面に強固な接着力をもって形成される点である。
Ｎｉめっき層１２５Ｃは第１金属としてのＣｕ，Ａｌ，
Ｂｅ，Ｃｕ−５ｗｔ％Ｓｎ合金，Ｃｕ−３２ｗｔ％Ｚｎ
合金，Ａｌ−５ｗｔ％Ｍｇ合金，Ａｌ−５ｗｔ％Ｎｉ合
金，Ａｌ−７ｗｔ％Ｓｉ−０.６ ｗｔ％Ｍｇ合金、そし
て希土類金属添加（約１ｗｔ％）のＡｌ−５ｗｔ％Ｚｎ
−５ｗｔ％Ｍｇ合金に対しては勿論のこと、第２金属と
してのインバ，４２アロイ，コバールそしてＦｅに対し
ても強固に接着される。このことは、例えば第３先行技
術例におけるＡｌ／ＳｉＣ複合材とは全く異なる。Ａｌ
／ＳｉＣ複合材の表面にＳｉＣ粉末が露出した場合は、
Ｎｉめっき層はＳｉＣ粒子表面には析出しにくく、ある
いは、析出しても強固には接着していない。本発明に係
る支持部材１２５の場合は、後続のはんだ付けを始めと
する熱工程で、第２金属−Ｎｉめっき界面で剥離，ふく
れ等の望ましくない現象を生ずることはない。この点
は、半導体装置の放熱性やはんだ接合部の信頼性の面で
望ましい結果をもたす。Ｎｉめっき層１２５Ｃの代替物
質として、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ等が挙げられる。な
お、はんだ材に対するぬれ性付与の観点から、これらの
めっき層１２５Ｃの形成は望ましいことである。しか
し、一般的なＰｂ−Ｓｎ系はんだ材やＳｎ−Ａｇ系はん
だ材，Ｓｎ−Ｓｂはんだ材は、第１金属に対しては勿論
のこと第２金属に対しても良好なぬれ性を有するから、
めっき層１２５Ｃは必ずしも形成しなくても良い。

【００４７】その第４は、支持部材１２５のバルク材
は、圧延，研削，曲げ等の機械加工が容易である点であ
る。この点を第３先行技術例におけるＡｌ／ＳｉＣ複合
材と比べると、明確な差を確認できる。Ａｌ／ＳｉＣ複
合材のＳｉＣ粉末とＡｌマトリックス金属とはさほど強
固には接合していない。これに例えば圧延加工を施す
と、ＳｉＣ粒子はマトリックス金属から剥がれたり、脱
粒したりする。この部分は、熱伝導に対してはそれを阻
害するように作用する。また、サイズが大型化された半
導体装置に適用される支持部材１２５には、他の部材と
の係合を強固にする目的から、取付け穴やネジ締め穴を
形成する必要がある。このような研削加工の場合にも、
ＳｉＣ粒子はマトリックス金属から剥がれたり，脱粒し
たりする。これに対し、支持部材１２５では、第２金属
が第１金属から剥がれたり，脱粒したりすることはな
い。したがって、機械加工を施しても、熱伝導を阻害す
る欠陥は生じない。

【００４８】以上のように、本発明による半導体装置
は、製造時あるいは運転時に生ずる熱応力を軽減し、各
部材の変形，変性、あるいは破壊の恐れがなく信頼性の
高いものとなる。この結果、半導体装置を製造あるいは
稼働させる上での経済的利点も享受できる。

【００４９】上記構成の支持部材１２５は、次の方法に
より得ることができる。

【００５０】支持部材に付与すべき物性値に応じて選択
される所望量の第１金属１２５Ａの原料粉末と、所望量
の第２金属１２５Ｂの粉末とを有機ビヒクルとともに混
合する。この混合物の圧粉成形体を窒素雰囲気中で加圧
焼結（例えば第１金属125AがＣｕの場合、０.２ＭＰａ
，１０００℃）して、複合化されたインゴット材が得
られる。このインゴット材を圧延するとともに所望寸法
に切り出した後、Ｎｉめっきを施して支持部材１２５と
する。本発明において使用できる有機ビヒクルとして
は、脂肪族アルコール、そのようなアルコールのエステ
ル例えばアセテート及びプロピオネート，テルペン例え
ば松根油及びα−及びβ−テルピネオール等、溶媒例え
ば根松油及びエチレングリコールモノアセテートのポリ
メタクリレートの溶液又はエチレンセルロースの溶液で
ある。このビヒクルは、速やかな乾燥を促進するため揮
発性液体を含有してもよい。

【００５１】また、第２金属１２５Ｂの粉末と有機ビヒ
クルの混合物からなる圧粉成形体に、溶融した第１金属
を含浸させることによっても複合体を得ることができ
る。

【００５２】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明
する。

【００５３】〔実施例１〕ＡｌＮセラミックス板とＣｕ
板とを接合して一体化した金属接合回路基板と、熱伝導
率の高い第１金属としてのＣｕマトリックス１２５Ａと
第１金属より熱膨張率の小さい第２金属としてのインバ
粉末１２５Ｂとで構成された支持部材125とをろう材に
より接合した半導体装置及びこれを電子装置に応用した
実施例について説明する。

【００５４】支持部材１２５は、４０mm×９５mm×３mm
の寸法を有する、Ｎｉめっき（厚さ：５μｍ）した複合
金属であり、熱膨張率：６.１ppm／℃，熱伝導率：１７
５Ｗ／ｍ・Ｋなる物性を有している。以上の性質を得る
ために、支持部材１２５は図１に示したように、第１金
属１２５ＡとしてのＣｕマトリックス（占有率：４２ｗ
ｔ％）中に第２金属１２５Ｂとしてのインバ粉末が分散
されている。第１金属１２５Ａと第２金属１２５Ｂは、
互いに冶金的に結合した状態で一体化されている。この
冶金的結合は、第１金属１２５Ａ及び第２金属１２５Ｂ
が接する界面で相互に拡散することでなされる。第１金
属１２５ＡとしてのＣｕ粉末と第２金属１２５Ｂとして
のインバ粉末からなる圧粉成形体は、窒素雰囲気中で加
圧焼結（０.２ＭＰａ ，１０００℃）が施される。この
熱処理においては、インバは溶融せずに出発原料として
の形状を維持するけれども、Ｃｕ粉末どうしは互いに焼
結して結晶成長する。この結果図１に示したように、Ｃ
ｕマトリックス（第１金属）１２５Ａ中にインバ粉末
（第２金属）１２５Ｂが分散された、複合化インゴット
が得られる。このインゴット材は、所定厚さまで圧延さ
れ、その後所望寸法に打抜き加工が施された。引続き、
打抜き加工に無光沢Ｎｉめっき１２５Ｃを施し、これを
４５０℃の水素中で熱処理する。この熱処理は、Ｎｉめ
っき層125Cと支持部材としての複合材との接合を強固に
保つためになされる。Ｎｉめっき層１２５Ｃは、複合材
を構成するＣｕマトリックス１２５Ａとインバ粉末１２
５Ｂに対しては、強固な接着力を付与されながら析出す
る。これに加えて、上記熱処理により、複合材とＮｉめ
っき層１２５Ｃは更に強固な接合界面を形成する。この
場合も界面は冶金的に結合され、この結合はＮｉめっき
層１２５ＣとＣｕマトリックス１２５Ａあるいはインバ
粉末１２５Ｂとの間で相互拡散を生ずることでなされ
る。

【００５５】図５は第１金属１２５Ａと第２金属１２５
Ｂからなる接合界面のＥＰＭＡによるライン分析波形を
示す。第１金属と第２金属の構成金属は互いに他の領域
に拡散しており、両素材金属は拡散によって接合されて
いることを確認できる。また、図６はＮｉめっき層１２
５Ｃと第１金属１２５Ａ又は第２金属１２５Ｂからなる
接合界面のＥＰＭＡによるライン分析波形を示す。Ｎｉ
めっき層と第１金属又は第２金属の構成金属は互いに他
の領域に拡散しており、各素材金属は拡散によって接合
されていることを確認できる。

【００５６】以上の手順を経て得られた支持部材１２５
には、−５５〜１５０℃の温度サイクル試験を１０００
回与えた後物性値を測定すると、熱膨張率は６.２ppm／
℃、そして、熱伝導率は１７７Ｗ／ｍ・Ｋと、初期値と
ほとんど同じ値が維持される。また、支持部材１２５の
寸法変化や変形は全く観測されない。

【００５７】以上に述べた支持部材１２５は、図７に示
す金属接合回路基板と組み合わされ、ＩＧＢＴ素子を搭
載した２０００Ｖ，７５Ａ級の半導体装置に適用され
る。金属接合回路基板は、寸法３１mm×６０mm×０.６
３mm を有するＡｌＮ焼結体１２の両面に、厚さ３００
μｍの銅板１３ａ（コレクタ電極を兼ねる），１３ｂ
（エミッタ電極を兼ねる)，１３ｃ(ゲート電極を兼ね
る）と、厚さ１５０μｍの銅板１３ｄを、活性金属とし
てのＴｉを２ｗｔ％添加したＡｇ−２８ｗｔ％Ｃｕろう
１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ及び１３０ｄにより接合
されたものである。銅板１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び１
３ｄの表面には、無電解めっきにより厚さ５μｍのＮｉ
層（図示を省略）が形成されている。活性金属としての
代替物として、Ｃｒ，Ｚｒ，Ｈｆ等が挙げられる。これ
らの活性金属は、ＡｌＮ焼結体１２と反応して窒化物を
形成し、ろう層１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ及び１３
０ｄとＡｌＮ焼結体１２の間の接合媒体の役割を演ず
る。活性金属はＴｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｈｆの群から選択さ
れた少なくとも１種を含んでいればよい。

【００５８】図８は支持部材１２５及び図７の金属接合
回路基板を備える半導体装置９００の要部鳥瞰図であ
る。図において、支持部材１２５上に金属接合回路基板
１２２がＰｂ−５０ｗｔ％Ｓｎはんだ１２４（図示を省
略、厚さ：２００μｍ）により接着され、金属接合回路
基板１２２の銅板１３ａ上にはＩＧＢＴ素子（１３mm×
１３mm×０.３mm)１０１がダイオード素子（１０mm×１
０mm×０.３mm)１０１′とともにＳｎ−５ｗｔ％Ｓｂ−
０.６ｗｔ％Ｎｉ−０.０５ｗｔ％Ｐはんだ１１３(図示
を省略、厚さ：２００μｍ)により接着されている。各
素子１０１，101′にはＡｌ線（直径：５５０μｍ）１
１７によるワイヤボンディングが施されエミッタ電極１
３ｂ，ゲート電極１３ｃに接続されている。

【００５９】コレクタ電極１３ａ，エミッタ電極１３
ｂ，ゲート電極１３ｃには、それぞれ外部端子１１６，
１１６′が設けられ更に各素子１０１，１０１′，金属
接合回路基板１２２等が外気から完全に遮断されるよう
に、エポキシ系樹脂ケース（図示を省略）を設けるとと
もに同ケース内にシリコーンゲルやエポキシ系樹脂を充
填，硬化させて半導体装置９００を得る。

【００６０】半導体装置９００は、図９に示す回路を構
成している。また、半導体装置900は、図１０に示す電
動機９５０の回転数制御用インバータ装置に組み込まれ
る。半導体装置９００の素子１０１と支持部材１２５間
の熱抵抗は０.２８℃／Ｗである。この値は第１先行技
術例と同様の部材構成をとる半導体装置（本実施例と同
寸法の金属接合回路基板１２２及び銅支持部材を組み合
せたもの。以下、「比較試料」と記す）の熱抵抗０.２
４℃／Ｗ より高いが、信頼性確保のために好ましい値
である０.４２℃／Ｗ 以下は満たしている。低い熱抵抗
が得られるのは、熱流路を金属接合回路基板１２２や支
持部材１２５等の高熱伝導性部材で構成したこと、及
び、Ｍｏ板の如き熱膨張率緩和部材を省略して簡素な積
層構造をとり得ることが第１の要因である。また、金属
接合回路基板１２２と熱膨張率の整合した支持部材１２
５を適用するため、はんだ層１２４におけるボイド等の
欠陥が低減されることも第２の要因として挙げられる。
〔半導体基体１０１，１０１′〕−〔金属接合回路基板
１２２〕−〔支持部材１２５〕の積層一体化物を形成し
た段階での反り量（腹の高さ）は、最大３０μｍであ
る。これは、比較試料の〔半導体基体〕−〔金属接合回
路基板〕−〔銅支持部材〕の積層一体化物の場合の３０
０μｍより大幅に小さい値である。このことも、支持部
材１２５の熱膨張率が金属接合回路基板１２２のそれと
整合していることに基づく。

【００６１】本実施例においては、半導体装置の熱抵抗
は上述したように０.４２℃／Ｗ の値までは許される。
この熱抵抗値を満たすためには、支持部材１２５は９０
Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有している必要がある。図
３を参照すると、このような熱伝導率は、第１金属１２
５ＡがＣｕ、第２金属１２５Ｂがインバである組み合せ
では、Ｃｕ占有率２０ｗｔ％以上の任意の範囲で得るこ
とが可能である。

【００６２】図１１は間欠通電試験による熱抵抗の推移
を示す（本間欠通電では、半導体装置９００に間欠通電
し、支持部材１２５の温度を３０〜１００℃間に繰り返
し変化させる）。本実施例半導体装置の熱抵抗（Ａ）は
３５００回まではほとんど変動を示さず、４００００回
に至って０.３９℃／Ｗ とわずかに上昇している。しか
し、この熱抵抗上昇は半導体装置９００の機能に支障を
及ぼすものではない。これに対し、比較試料の熱抵抗
（Ｂ）は初期値こそ本実施例の試料より低いものの、試
験回数を増すにつれ著しく上昇し、１５０００回では初
期値の２倍以上に上昇している。このように、半導体装
置９００は、比較試料より格段に安定して優れた放熱性
が維持されている。比較試料が早期に放熱性低下を生じ
た原因は、主として金属接合回路基板１２２と銅支持部
材の間におけるはんだ層の熱疲労破壊である。これは銅
支持部材と金属接合回路基板１２２の熱膨張率が大幅に
異なること、及び、熱膨張率差が大きいことに起因して
はんだ付け部に残留する応力ないし歪がきわめて大きい
ことによる。本実施例半導体装置９００が優れた信頼性
を示す理由は金属接合回路基板１２２と半導体基体１０
１，１０１′間の熱膨張率差がほとんどないため、はん
だ１１３に過大な熱応力や熱歪が作用せず、はんだの熱
疲労破壊が避けられたことの他に、金属接合回路基板１
２２と支持部材１２５の熱膨張率が近似しているため、
はんだ層１２４に作用する熱応力や熱歪が軽減されるこ
とによる。

【００６３】次に、間欠通電試験における、電極１３
ａ，１３ｂ，１３ｃから支持部材125に至る積層構造の
絶縁耐力について述べる。図１２はその結果で、間欠通
電試験による電極−支持部材間のコロナ放電開始電圧の
推移を示す。コロナ放電開始電圧は電荷量１００ｐＣに
おける値である。本実施例試料（Ａ）は初期値約８ｋＶ
に対し、４００００回後においても約８ｋＶと、ほとん
ど変動していない。これに対し、比較試料の放電開始電
圧（Ｂ）は本実施例試料と同等の初期値を示している
が、試験回数を増すにつれて逐次低下し、１５０００回
以降は約１ｋＶとほぼ一定の値を示している。以上か
ら、本実施例試料は比較試料に比べて、安定的に優れた
絶縁性が維持されている。比較試料の絶縁性が劣化する
主たる理由は、金属接合回路基板１２２における絶縁体
としてのＡｌＮ焼結体１２が電極１３ａ，１３ｂ，１３
ｃに対応する部分で機械的に破壊するためである。絶縁
物が機械的に破壊すると、その破壊部分で電界が極度に
高くなる結果放電を生ずる。焼結体の機械的破損は、銅
支持部材と金属接合回路基板１２２の熱膨張率差に起因
する過度な応力ないし歪が作用する結果として生ずる。
これに対し、本実施例試料の支持部材１２５と金属接合
回路基板１２２の一体化部には過度な応力ないし歪が作
用しないため、ＡｌＮ焼結体１２の機械的破損を生じな
い。したがって、絶縁体内部において電界が不連続的に
大きい値を示すこともない。本実施例試料が安定的に優
れた絶縁性を示すのは、以上の理由に基づく。

【００６４】図１３は支持部材と金属接合回路基板間の
熱膨張率差と熱抵抗変化率の関係を示す。ここで示すデ
ータは、試料に上述と同様の間欠通電試験を３００００
回施し、試験の前後における熱抵抗変化を示している。
また、Ａｌ焼結体１２と同じ寸法のＢｅＯ焼結体及びア
ルミナ焼結体を用いた金属接合回路基板１２２の場合も
同時に示す。熱抵抗の変化は、用いた金属接合回路基板
の種類や構成には関係なく、支持部材１２５との間の熱
膨張率差７ppm／℃ を超えた場合に顕著に生じている。
この際の熱抵抗上昇の主因は、はんだ層１２４の熱疲労
破壊によるものである。このことは、はんだ層１２４の
高信頼化のためには、上記熱膨張率差を７ppm／℃以下
に調整する必要があることを示唆している。

【００６５】本実施例によれば、良好な放熱性を確保し
ながら、信頼性を向上させることができる。この効果
は、金属接合回路基板１２２の面積、したがってはんだ
層124の面積が大きくなるほど顕著である。その一例を
図１４により説明する。この図は本実施例と同様の部材
構成を有する半導体装置（Ａ）の金属接合回路基板122
−支持部材１２５間の接着面積〔比較試料（Ｂ）にあっ
ては、金属接合回路基板１２２−支持部材間の接着面
積〕と温度サイクル印加後の故障発生率の関係を示すグ
ラフである。温度サイクルは−５５〜１５０℃のもとで
１０００回与える。図によれば、接着面積が約５００mm
² までは、Ａ，Ｂともに故障発生率は０％である。５０
０mm² を超えると、Ｂでは加速的に故障発生率が増加す
るのに対して、Ａでは７０００mm² まではほぼ０％が維
持されている。また、Ａでは20000mm²の場合に故障発生
率約５％を記録しているが、このことは接着面積２００
００mm² の場合に半導体装置９００の稼働が不可能であ
ることを意味するものではない。換言すると、接着面積
２００００mm² の場合でも、信頼性の水準を低く設定す
れば、半導体装置９００の実稼働は可能である。なお、
ここで言う故障とは、主としてはんだ層１２４に生じる
クラック、あるいは金属接合回路基板１２２の機械的破
損のことである。このように、温度サイクル数が１００
０回と多いにもかかわらず、本実施例構造の試料では大
面積の領域まで故障を生じていない。これは、金属接合
回路基板１２２から支持部材１２５に至る積層構造体の
熱膨張率が整合していることによる。

【００６６】図１５はスイッチング周波数とＩＧＢＴ素
子１０１の発熱温度の関係を示す。（本図は、本実施例
の半導体装置９００を組み込んだ図１０のインバータ装
置を用いて、電動機９５０を回転数制御する場合であ
る。）スイッチング損失は周波数が高くなるにつれて増
すが、商用電源の５０Ｈｚから３０ｋＨｚまでの間で
は、素子１０１が安定して動作し得る温度の、１２５℃
を超えることはない。この間、電動機９５０は特別な異
常を伴わずに作動する。

【００６７】また、インバータ装置及び電動機は、電気
自動車にその動力源として組み込まれる。この自動車に
おいては、動力源から車輪に至る駆動機構を簡素化でき
るため、ギヤーの噛込み比率の違いにより変速していた
従来の自動車に比べ、変速時のショックが軽減される。
更に、この自動車は、０〜２５９km／ｈの範囲でスムー
ズな走行が可能であるほか、動力源を源とする振動や騒
音の面でも従来の気筒型エンジンを搭載した自動車の約
１／２に軽減することができる。

【００６８】更に、本実施例の半導体装置９００を組み
込んだインバータ装置，ブラシレス直流電動機とともに
冷暖房機（冷房時の消費電力：５ｋＷ，暖房時の消費電
力：３ｋＷ，電源電圧：２００Ｖ）に組み込まれる。図
１６はこの際の電動機の効率（Ａ）を示すグラフであ
る。従来の交流電動機を用いた場合（Ｂ）と比較して示
す。本実施例の場合は、比較した全回転数範囲で、従来
の場合より１０％以上高い効率を示している。この点
は、冷暖房機使用時の電力消費を低減するのに役立つ。
また、室内の温度が運転開始から設定温度に到達するま
での時間は、本実施例の場合は従来の交流電動機を用い
た場合より約１／２に短縮される。

【００６９】本実施例と同様の効果は、半導体装置９０
０が他の流体を撹拌又は流動させる装置、例えば洗濯
機，流体循環装置等に組み込まれる場合でも享受でき
る。

【００７０】〔実施例２〕本実施例では、金属接合回路
基板上に多数個の半導体基体が密集して搭載され、これ
らが熱伝導率の高い第１金属のマトリックス中に、粉末
であって第１金属より熱膨張率の小さい第２金属を分散
した複合金属からなる支持部材上に搭載された半導体装
置と、これを用いた電子装置について説明する。

【００７１】本実施例における金属接合回路基板(６８m
m×８６mm×０.６３mm）１２２の電極領域１３ａには、
Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂ−０.６ｗｔ％Ｎｉ−０.０５ｗｔ％
Ｐはんだ(厚さ：２０μｍ）１１３により、ＩＧＢＴ素
子(１３mm×１３mm×０.３mm,６個）１０１と、ダイオ
ード素子(１３mm×１３mm×０.３mm，２個）１０１′が
接着された。引き続き前記実施例１と同様に、素子１０
１，１０１′と電極13b,１３ｃ間のワイヤボンディング
１１７，端子１１６，１１６′の取り付けを行った後、
金属接合回路基板１２２を支持部材（９５mm×１１０mm
×５mm）１２５にＰｂ−６０ｗｔ％Ｓｎはんだ（厚さ：
２００μｍ）１２４により接着する。

【００７２】金属接合回路基板１２２におけるＡｌＮ焼
結体１２の一方の面には電極領域１３ａ，１３ｂ，１３
ｃが形成され、他方の面には金属板１３ｄが形成されて
いる。これらの電極及び金属板は銅からなり、実施例１
と同様の手法でろう付けされている。

【００７３】支持部材１２５は第１金属１２５Ａとして
のＡｌ（占有率：３３ｗｔ％，マトリックス金属）中
に、第２金属１２５Ｂとしてのフェルニコ粉末を分散し
た複合体で構成されており、熱膨張率：１０.２ppm／
℃，熱伝導率：９０Ｗ／ｍ・Ｋなる物性値を有してい
る。この支持部材１２５にはＮｉ層１２５Ｃを厚さ５μ
ｍに電解めっき形成した後、４５０℃の熱処理を施す。
この熱処理はＮｉめっき層１２５Ｃと第１金属１２５Ａ
及び第２金属１２５Ｂとの間の冶金的結合を強固にする
ためである。

【００７４】以上の手順を経て得られる支持部材１２５
には、−５５〜１５０℃の温度サイクルが施される。こ
の試験を１０００回与えた後でも、熱膨張率：１０.４p
pm／℃，熱伝導率：９１Ｗ／ｍ・Ｋと、上記初期値とほ
とんど同じである。また、支持部材１２５の寸法変化や
変形はほとんど観測されない。

【００７５】以下実施例１と同様のパッケージを施し、
半導体装置９００を得る。この装置９００は、実施例１
と同様に、等価的に図９に示す回路を構成している。半
導体装置９００は最終的に、図１０に示した回路数制御
用インバータ装置に組み込まれる。

【００７６】大容量電力を取り扱う半導体装置では、そ
の信頼性をより高める目的のものでは、支持部材１２５
の熱膨張率は接着される相手部材(金属接合回路基板１
２２)のそれより大きい方が好ましい。この理由は、熱
膨張率が相手部材より過度に小さいと、ろう付けされた
一体化物が室温に戻る際に金属接合回路基板１２２に引
張り応力が作用する。この際、焼結体１２の引張り応力
に対する耐破壊強度は金属ほどには大きくないため、破
損を生じやすいからである。金属接合回路基板１２２に
なり得るセラミックス焼結体１２の熱膨張率はＡｌＮ：
４.５ppm／℃，ＢｅＯ：７.５ppm／℃，アルミナ：６.
３ppm／℃である。支持部材１２５の熱膨張率は、これ
ら燃焼体１２の熱膨張率を超えるように調整することが
望ましい。本実施例における支持部材１２５から半導体
基板１０１，１０１′に至る部材構成では、〔半導体基
体（３.５ppm／℃，Ｓｉ）〕−〔金属接合回路基板（銅
板とＡｌＮ焼結体の複合体，５.２ppm／℃〕−〔支持部
材（６.５ppm／℃）〕と、熱膨張率が近似されている。
このため、接着面積が４９６０mm² と大きいにもかかわ
らず、一体化物の反り量は１５μｍに過ぎず、各接着部
に残留する熱応力も少ない。これは、半導体装置９００
を冷却フィンに取付ける際に熱伝導路が遮断されるのを
防止するのに役立つとともに、取付けの際のネジ締めに
よる装置900の構成部品の破損防止に寄与する。

【００７７】以上により得られる半導体装置９００の半
導体基体１０１−支持部材１２５間の熱抵抗は、０.０
３９℃／Ｗ と極めて小さい値である。このように低い
値が得られるのは上記実施例１と同様の理由の他に、多
数の発熱素子１０１，１０１′が放熱性の良い熱伝導路
内に搭載されているため、実効的な放熱性が向上してい
ることによる。即ち、発熱素子１０１，１０１′が金属
接合回路基板１２２の面積に占める割合は２７.３％ に
及んでいる。このように、本実施例構造の放熱機能は、
特に発熱素子の占有面積が大きくなる場合に有効に発揮
される。図１７は金属接合回路基板の面積に対する半導
体基体の占有面積と熱抵抗の関係を示す。占有面積が５
０％になるまでの範囲では、金属接合回路基板の熱流拡
大の機能が有効に作用するため、熱抵抗は逐次減少す
る。しかし、５０％を超えると熱流拡大の機能が反映さ
れなくなるため、熱抵抗は上昇に転ずる。したがって、
本実施例構成の半導体装置は、占有面積５０％までは放
熱機能を向上させることが可能である。

【００７８】半導体装置９００に−５５〜１５０℃の温
度サイクルが３０００回印加すると、〔半導体基体１０
１〕−〔支持部材１２５〕間の熱抵抗は０.０４１℃／
Ｗ とわずかに変化するものの、この変化量は装置９０
０の使用上は全く問題ない範囲である。熱抵抗変化を生
じない最大の理由は、〔半導体基体１０１，１０１′〕
−〔金属接合回路基板１２２〕−〔支持部材１２５〕積
層構造全体の熱膨張率が整合されているため、はんだ層
１１３，１２４の熱疲労破壊が抑制されることによる。

【００７９】図１８は間欠通電試験による熱抵抗の推移
を示す。（本間欠通電試験では、半導体装置９００に間
欠通電を施し、支持部材１２５の温度を３０〜１００℃
の間で繰り返し変化させる。）熱抵抗は５００００回ま
ではほとんど変化を示さず、６００００回に至ってわず
かに上昇し始めているのみである。このように安定した
放熱性が維持されるのは、上記した温度サイクル試験の
場合と同様の理由に基づく。

【００８０】次いで、２４個の本実施例半導体装置９０
０が、図１０と同様のインバータ回路に組み込まれる場
合、１相分として８個の半導体装置９００が割り当てら
れる。これにより得られるインバータ装置（電源電圧：
２５００Ｖ，ピーク出力電流：６５０Ａ，平均周波数：
２ｋＨｚ）を電車用の主電動機（１９０ｋＷ）の速度制
御に用いると、走行開始（加速）時に電動機が発する騒
音は平均周波数１.５ｋＨｚの場合より１／３低く、そ
して、短い駅間距離(１.２km）を想定した走行試験でも
表定速度４０km／ｈと優れた運行性能が得られる。これ
は、高周波化されて発熱の著しい半導体基体１０１を効
率的に冷却できるため、同基体が安定的に動作するため
である。

【００８１】以上に説明したように、本実施例の半導体
装置９００は、電動機の回転速度や移動装置の走行速度
を制御するのに有用である。本実施例と同様の半導体装
置がエレベータ，エスカレータ，ベルトコンベヤー等
の、物体を運搬するシステムに組み込まれた場合でも、
電車に組み込まれた場合と同様の効果が得られる。

【００８２】〔実施例３〕次に、半導体基体が絶縁部材
を介さずに、熱伝導率の高い第１金属のマトリックス中
で、粉末であって第１金属より熱膨張率の小さい第２金
属を分散した複合金属からなる支持部材上に直接搭載さ
れた半導体装置について説明する。

【００８３】図１９は支持部材上に半導体素子基体が直
接搭載された半導体装置の断面模式図を示す。支持部材
１２５（Ｎｉめっき１２５Ｃが形成されているが、図示
を省略する）は、リードフレームとして加工された実施
例１の支持部材と同様の複合金属からなる。また、支持
部材１２５には、リードフレームとして加工されたＣｕ
端子１１６（Ｎｉめっきが形成されているが、図示を省
略する）が設けられている。支持部材１２５上には、ト
ランジスタ素子(６mm×６mm×０.６３mm）１０１がＳｎ
−５ｗｔ％Ｓｂ−０.６ｗｔ％Ｎｉ−０.０５ｗｔ％Ｐは
んだ（厚さ：７０μｍ）１１３により直接はんだ付けさ
れている。実施例１と同様に、素子１０１′のエミッタ
電極及びベース電極と端子１１６の間をＡｌワイヤ（直
径：３００μｍ）１１７によりボンディングする。これ
らのアッセンブリにエポキシ樹脂３００によるトランス
ファモールドを施した後、端子１１６を切断してエミッ
タ，ベース及びコレクタが電気的に独立するようにし
て、半導体装置９００を得る。

【００８４】以上の構成に基づく半導体装置９００に
は、−５５〜１５０℃の温度サイクル試験を２０００回
施しても、ほとんど熱抵抗の変動は観測されない。

【００８５】以上、本発明の実施例について説明したが
支持部材１２５上に設けられるめっき層はＮｉに限定さ
れるものではない。はんだやろう材に対するぬれ性を向
上させるために、表面にＣｕ，Ｎｉ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐ
ｔ，Ｐｄ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ａｌ，Ｚｎ、もしくは、これら
の合金を被覆しても良い。この際、めっき法に限らず、
蒸着法あるいはスパッタリング法によってもよい。

【００８６】また、まんだ材１１３，１２４等は実施例
に開示した材料のみには限定されない。半導体装置が製
作されるプロセス，半導体装置に要求される特性特に耐
熱疲労信頼性に応じて種々の成分及び組成のものを選択
し得る。例えば、Ｐｂ−５ｗｔ％Ｓｂ，Ｐｂ−５２ｗｔ
％Ｓｎ−８ｗｔ％Ｂｉ，Ａｕ−１２ｗｔ％Ｇｅ，Ａｕ−
６ｗｔ％Ｓｉ，Ａｕ−２０ｗｔ％Ｓｉ，Ａｌ−１１.７
ｗｔ％Ｓｉ ，Ａｇ−４.５Ｓｉ，Ａｕ−８５ｗｔ％Ｐ
ｂ，Ａｕ−２６ｗｔ％Ｓｂ，Ｃｕ−６９.３ｗｔ％Ｍ
ｇ，Ｃｕ−３５ｗｔ％Ｍｎ，Ｃｕ−３６ｗｔ％Ｐｂ，Ｃ
ｕ−７６.５ ｗｔ％Ｓｂ，Ｃｕ−１６.５ｗｔ％Ｓｉ
，Ｃｕ−２８ｗｔ％Ｔｉ，Ｃｕ−１０ｗｔ％Ｚｒ、又
は、これらを任意に組み合わせたろう材を適用できる。

【００８７】本発明による半導体装置は負荷に給電する
電気回路に組み込まれて使用される。この際、（１）半
導体装置が、回転装置に給電する電気回路に組み込まれ
て、上記回転装置の回転速度を制御するか、もしくは、
それ自体が移動するシステムに回転装置とともに組み込
まれて上記移動システムの移動速度を制御する場合、
（２）前期回転装置に給電する電気回路がインバータ回
路である場合、（３）半導体装置が流体を撹拌又は流動
させる装置に組み込まれて、被撹拌物又は被流動物の移
動速度を制御する場合、（４）半導体装置が物体を加工
する装置に組み込まれて、被加工物の研削速度を制御す
る場合、（５）半導体装置が発光体に組み込まれて、上
記発光体の放出光量を制御する場合、そして、（６）半
導体装置が出力周波数５０Ｈｚないし３０ｋＨｚで作動
する場合にも、上記実施例の場合と同様の効果，利点を
享受できる。

【００８８】金属接合回路基板１２２に搭載される半導
体基体になり得る素材は、Ｓｉ：４.２ppm／℃，Ｇｅ：
５.８ppm／℃，ＧａＡｓ：６.５ppm／℃，ＧａＰ：５.
３ppm／℃ ，ＳｉＣ：３.５ppm／℃等である。これらの
素材からなる半導体素子を搭載することに何らの制約も
ない。この際、半導体基体はサイリスタ，トランジスタ
等実施例に記載されていない電気的機能を有していても
よい。また、金属接合回路基板１２２に搭載される電気
素子は半導体基体に限定されず、例えばコンデンサ，抵
抗体，コイル等の受動素子であってもよい。

【００８９】さらに、半導体装置の電気回路は、図９，
図１０に示したものに限定されない。例えば、図２０に
示すように、半導体装置の内部で種々の電気回路が設け
られていることは、これを電子装置に用いる上で支障に
なるものではない。この際、半導体装置の内部の電気回
路に受動素子が組み込まれていても良い。

【００９０】

【発明の効果】本発明によれば、熱放散性や信頼性に優
れた半導体装置を提供することができる。また、信頼性
が優れた電子装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】支持部材の断面模式図である。

【図２】第１金属がＣｕであり第２金属がインバである
場合の熱伝導率を示すグラフである。

【図３】第１金属がＣｕであり第２金属がインバである
場合の熱膨張率を示すグラフである。

【図４】第１金属がＡｌであり第２金属がインバである
場合の物性値を示すグラフである。

【図５】第１金属１２５Ａと第２金属１２５Ｂからなる
接合界面のＥＰＭＡによるライン分析波形を示す。

【図６】Ｎｉめっき層１２５Ｃと第１金属１２５Ａ又は
第２金属１２５Ｂからなる接合界面のＥＰＭＡによるラ
イン分析波形を示す。

【図７】金属接合回路基板の断面模式図である。

【図８】半導体装置の要部鳥瞰図である。

【図９】半導体装置の回路である。

【図１０】半導体装置が組み込まれたインバータ装置の
回路である。

【図１１】間欠通電試験による熱抵抗の推移を示すグラ
フである。

【図１２】間欠通電試験による電極−支持部材間のコロ
ナ放電開始電圧の推移を示すグラフである。

【図１３】支持部材と金属接合回路基板間の熱膨張率差
と熱抵抗変化率の関係を示すグラフである。

【図１４】金属接合回路基板−支持部材間の接着面積と
温度サイクル印加後の故障発生率の関係を示すグラフで
ある。

【図１５】スイッチング周波数と半導体素子の発熱温度
との関係を示すグラフである。

【図１６】電動機の効率を示すグラフである。

【図１７】金属接合回路基板の面積に対する半導体基体
の占有面積と熱抵抗の関係を示すグラフである。

【図１８】間欠通電試験による熱抵抗の推移を示すグラ
フである。

【図１９】支持部材上に半導体素子基体が直接搭載され
た半導体装置の断面模式図を示す。

【図２０】半導体装置に内蔵された他の電気回路の例で
ある。

【符号の説明】

１２…焼結体、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ…金属
板、１０１，１０１′…半導体基体、１２２…金属接合
回路基板、１２５…支持部材、１２５Ａ…第１金属、１
２５Ｂ…第２金属、１１３，１２４…ろう材、１１６，
１１６′…端子、９００…半導体装置。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体素子と、前記半導体素子が搭載され
   る支持部材と、を備え、前記支持部材の材料は、第１金
   属のマトリックス中に、第２金属の粉末を分散した複合
   金属材料であり、前記第１金属は前記第２金属よりも熱
   伝導率が高く、前記第２金属は前記第１金属よりも熱膨
   張率が小さいことを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記第１金属は銅又は
   アルミニウムを含む金属から選択され、前記第２金属は
   鉄，ニッケル，コバルトの群から選択された少なくとも
   ２種を含むことを特徴とする半導体装置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記支持部材の熱伝導
   率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする半導体
   装置。
4. 【請求項４】請求項１において、前記半導体素子は絶縁
   物を介して前記支持部材に搭載され、前記絶縁物の熱膨
   張率が前記支持部材の熱膨張率より小さいことを特徴と
   する半導体装置。
5. 【請求項５】請求項４において、前記絶縁物の面積に対
   する前記半導体素子の占有面積の割合が５０％以下であ
   ることを特徴とする半導体装置。
6. 【請求項６】請求項４において、前記絶縁物と前記支持
   部材が一体化された領域が、５００mm² 以上７０００mm
   ² 以下の面積を有していることを特徴とする半導体装
   置。
7. 【請求項７】第１金属のマトリックス中に第２金属の粉
   末が分散され、前記第１金属は前記第２金属よりも熱伝
   導率が高く、前記第２金属は前記第１金属よりも熱膨張
   率が小さい複合金属材料。