JP2001110959A - Semiconductor device and electronic device using the same - Google Patents

Semiconductor device and electronic device using the same

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JP2001110959A
JP2001110959A JP29058399A JP29058399A JP2001110959A JP 2001110959 A JP2001110959 A JP 2001110959A JP 29058399 A JP29058399 A JP 29058399A JP 29058399 A JP29058399 A JP 29058399A JP 2001110959 A JP2001110959 A JP 2001110959A
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metal plate
semiconductor
circuit
brazing material
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Yasutoshi Kurihara
保敏 栗原
Mamoru Iizuka
守 飯塚
Tsuneo Endo
恒雄 遠藤
Yoshio Sudo
義雄 須藤
Toshiji Niitsu
利治 新津
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Renesas Eastern Japan Semiconductor Inc
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Hitachi Ltd
Hitachi Tohbu Semiconductor Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the reliability of a semiconductor device where a semiconductor substrate is stuck to a mounting member via a middle metal plate. SOLUTION: A semiconductor substrate, a middle metal plate, and a mounting member are stuck by a brazing material that is made of Sn and at least one type of substance selected from a group of Sn, Ag, Cu, Ni, P, Bi, Zn, Au, and In, and a thermal coefficient of expansion in a direction in parallel with the sticking surface of the middle metal plate and thermal conductivity are adjusted to 7-13.5 ppm/ deg.C and 150 W/m.K or higher, respectively, thus improving reliability for joining the semiconductor substrate to the placement member without losing a cooling property.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子基体を
載置部材上に中間金属板を介してろう付けされた構造を
有する半導体装置及びこれを用いた電子装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device having a structure in which a semiconductor element substrate is brazed on a mounting member via an intermediate metal plate, and an electronic device using the same.

【0002】[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素子基体を上記銅ベース
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。
2. Description of the Related Art Heretofore, a member for supporting a semiconductor element substrate often also serves as one electrode of a non-insulated semiconductor device.
For example, a power transistor chip is mounted on a copper base with Pb
In a power transistor device mounted with -Sn solder material, a copper base (metal supporting member) also serves as a collector electrode and a supporting member of the transistor. In such a semiconductor device, a collector current of several amperes or more flows, and the transistor chip generates heat. In order to avoid instability of characteristics and deterioration of life due to the heat generation, the copper base also serves as a member for heat dissipation. Further, when a semiconductor element substrate having a high withstand voltage and a high frequency and capable of flowing a large current is directly soldered and mounted on the copper base, the role of the copper base as a heat dissipation relay member becomes more important.

【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構造が出現している。こ
のような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。
In addition, a structure has emerged in which all electrodes of a semiconductor device are electrically insulated from a metal support member, thereby increasing the degree of freedom in circuit application of the semiconductor device. In such an insulated semiconductor device, all the electrodes are insulated from all the package members including the metal supporting member by the insulating member and are drawn out to the outside. Therefore, even in a usage example in which the pair of main electrodes is floating from the ground potential on the circuit, the package can be fixed to the ground potential portion regardless of the electrode potential, so that the semiconductor device can be easily mounted.

【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よく放散させ
る必要がある。この熱放散は通常、発熱源である半導体
基体からこれに接着された各部材を通じて気中へ熱伝達
され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,半導体基体を接着する部分等に
用いられた接着材層(ろう材又ははんだ材)を含む。
[0004] In an insulated semiconductor device, in order to operate a semiconductor element safely and stably, it is necessary to efficiently dissipate heat generated during operation of the semiconductor device to the outside of a package. This heat dissipation is usually achieved by transferring heat from the semiconductor substrate, which is a heat source, to the air through the members bonded thereto. In the insulation type semiconductor device, the heat transfer path includes an adhesive layer (brazing material or solder material) used for a portion for bonding the insulator, the semiconductor substrate, and the like.

【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。
Further, as the power handled by a circuit including a semiconductor device increases, or as the required reliability (eg, stability over time, moisture resistance, heat resistance, etc.) increases, complete insulation is required. The heat resistance referred to here includes not only the case where the ambient temperature of the semiconductor device rises due to an external factor, but also the heat resistance when the power handled by the semiconductor device is large and the heat generated in the semiconductor base is large.

【0006】一方、混成集積回路装置あるいは半導体モ
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風見明による“MIST基板”:工
業材料(Vol.30,No.3),22〜26頁(198
3年)には、両面にアルマイト層(14〜30μm)を
形成したアルミニウム板(1〜2mm)の一方の面上に、
エポキシ系絶縁層(28μm)を介して銅箔(35μ
m)を形成した混成集積回路装置用基板が開示されてい
る。また、上記銅箔を選択エッチングして回路配線を施
した上記混成集積回路装置用基板上に、はんだ付けによ
りパワー半導体素子及び受動素子が搭載された混成集積
回路装置が開示されている。
On the other hand, in a hybrid integrated circuit device or a semiconductor module device, since a certain electric circuit including a semiconductor element is generally incorporated, at least a part of the circuit and a metal portion such as a support member or a heat radiation member of these devices are included. Must be electrically insulated. For example, the first
"MIST Substrate" by Kazami Akira as a prior art example: Industrial Materials (Vol. 30, No. 3), pp. 22-26 (198)
3 years), on one side of an aluminum plate (1-2 mm) with an alumite layer (14-30 μm) formed on both sides,
Copper foil (35μ) via epoxy-based insulating layer (28μm)
A substrate for a hybrid integrated circuit device formed with m) is disclosed. Also disclosed is a hybrid integrated circuit device in which a power semiconductor element and a passive element are mounted by soldering on the hybrid integrated circuit device substrate on which the copper foil is selectively etched and circuit wiring is provided.

【0007】第2先行技術例としてのN. Sakamoto らに
よる“An Improvement on SolderJoint Reliability fo
r Aluminum Based IMST Substrate”:IMC 1992Proceed
ings、525〜532頁(1992年)には、上記混成
集積回路装置用基板上にPb−60wt%Sn系はんだ
材によりパワートランジスタ素子やセラミック製コンデ
ンサ及びチップ抵抗を搭載し、これらの搭載素子をアル
ミニウムと同等の熱膨張率(25ppm/℃)を持つエポキ
シ樹脂によりモールド封止した構造のハイブリッドIC
装置が開示されている。
As a second prior art example, “An Improvement on Solder Joint Reliability fo” by N. Sakamoto et al.
r Aluminum Based IMST Substrate ”: IMC 1992 Proceed
ings, pp. 525-532 (1992), a power transistor element, a ceramic capacitor, and a chip resistor are mounted on the above-mentioned substrate for a hybrid integrated circuit device using a Pb-60 wt% Sn-based solder material. Hybrid IC with structure sealed with epoxy resin having the same thermal expansion coefficient (25 ppm / ° C) as aluminum
An apparatus is disclosed.

【0008】上記第1及び第2先行技術例に基づく混成
集積回路装置やハイブリッドIC装置は、放熱を促進さ
せるためアルミニウムフィン等のヒートシンクへ機械的
に取り付けるか、又は、外部回路の形成された例えばプ
リント回路基板のようなものはんだ付けにより固着され
て使用される。
The hybrid integrated circuit device and the hybrid IC device based on the first and second prior art examples are mechanically attached to a heat sink such as an aluminum fin or the like in order to promote heat radiation, or are provided with an external circuit. A printed circuit board or the like is used by being fixed by soldering.

【0009】一般に、半導体素子基体は載置部材上に融
点の比較的低いろう材により接着される。例えば、第3
先行技術例としての特開平4−49630号公報には、Sn−
Sb系合金ろう材であって、Ni,Cu及びPを共に含
有した半導体装置組み立て用合金ろう材が開示されてい
る。この場合、SnにSbを添加することによってろう
材自体の機械的強度を高め、はんだ層と被接着部材の表
面との界面にNi−SnあるいはCu−Snの金属間化
合物が生成されるのを抑えるため、半導体装置の信頼性
向上が可能になると言う。
In general, a semiconductor element substrate is bonded onto a mounting member with a brazing material having a relatively low melting point. For example, the third
JP-A-4-49630 as a prior art example discloses Sn-
There is disclosed an Sb-based brazing alloy, which contains both Ni, Cu and P, for assembling semiconductor devices. In this case, the mechanical strength of the brazing material itself is increased by adding Sb to Sn, and the formation of an intermetallic compound of Ni-Sn or Cu-Sn at the interface between the solder layer and the surface of the member to be bonded is prevented. It says that it is possible to improve the reliability of the semiconductor device because of the suppression.

【0010】第4先行技術例としての特公平3−3937 号
公報には、半導体素子とこれを支持する載置部材とをろ
う材でろう付けした半導体装置において、前記ろう材の
組成を重量比87〜92.4% の錫と重量比7.0〜1
0.0%のアンチモンと重量比0.6〜3.0%のニッケ
ルより構成する半導体装置が開示されている。この技術
によれば、ろう材の機械的強度が高く、銅と錫の合金の
生成が抑制され、半導体装置の信頼性が高くなると言わ
れる。
Japanese Patent Publication No. Hei 3-3937 as a fourth prior art example discloses a semiconductor device in which a semiconductor element and a mounting member for supporting the semiconductor element are brazed with a brazing material. 87 to 92.4% tin and 7.0 to 1 by weight
A semiconductor device comprising 0.0% of antimony and 0.6 to 3.0% by weight of nickel is disclosed. According to this technique, it is said that the mechanical strength of the brazing material is high, the formation of an alloy of copper and tin is suppressed, and the reliability of the semiconductor device is improved.

【0011】上記第3及び第4先行技術例に基づくろう
材を用いて回路素子を搭載した混成集積回路装置やハイ
ブリッドIC装置は、近年の環境保全に対するアプロー
チ、即ちPdフリーはんだ化の目的に沿った装置になり
得る。
A hybrid integrated circuit device or a hybrid IC device in which circuit elements are mounted using a brazing material based on the third and fourth prior art examples is an approach to environmental protection in recent years, that is, in accordance with the purpose of Pd-free soldering. Device.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】第1及び2先行技術例
に基づく混成集積回路装置やハイブリッドIC装置(以
下、半導体装置と言う)の場合は、熱膨張率の小さい搭
載部品、例えば、半導体素子基体:3.5ppm/℃(S
i)が、熱膨張率の大きい回路基板(Al:23ppm/
℃)上にPb−Sn系合金材のろう付けにより固着され
る。ろう付け部は搭載部品を基板上の所定位置に固定す
るとともに、上記半導体装置の配線及び放熱路の役割を
担う。しかし、上記半導体装置には稼働時や休止時に伴
う熱ストレスが繰り返し印加され、最終的にろう付け部
の熱疲労破壊を生ずるに至る。特に、樹脂モールド封止
が必要な場合にこの樹脂の熱膨張率が混成集積回路用基
板に対して適切に調整されていないと、両者の接合界面
に過大な残留応力が内在することとなる。これに半導体
装置の稼働時の熱応力が重畳されると、ろう付け部の熱
疲労破壊が一層加速される。以上の熱疲労破壊が進む
と、断線,熱放散路の遮断等の悪影響を生ずる。この結
果、半導体装置はその回路機能を失う。したがって第1
の課題は、半導体素子基板と回路基板の間の熱膨張率差
に基づく過大な応力を緩和する手段が必要となる点であ
る。
In the case of a hybrid integrated circuit device or a hybrid IC device (hereinafter referred to as a semiconductor device) based on the first and second prior art examples, a mounting component having a small coefficient of thermal expansion, for example, a semiconductor device Substrate: 3.5 ppm / ° C (S
i) is a circuit board having a large coefficient of thermal expansion (Al: 23 ppm /
C), and is fixed by brazing of a Pb-Sn alloy material. The brazing portion fixes the mounted component at a predetermined position on the substrate and plays a role of a wiring and a heat radiation path of the semiconductor device. However, the semiconductor device is repeatedly subjected to thermal stress during operation or at rest, which eventually leads to thermal fatigue failure of the brazed portion. In particular, when resin molding is required, if the coefficient of thermal expansion of the resin is not properly adjusted with respect to the substrate for a hybrid integrated circuit, an excessive residual stress will be present at the joint interface between them. When thermal stress during operation of the semiconductor device is superimposed on this, thermal fatigue fracture of the brazed portion is further accelerated. When the above-mentioned thermal fatigue fracture proceeds, adverse effects such as disconnection and interruption of the heat dissipation path occur. As a result, the semiconductor device loses its circuit function. Therefore the first
The problem of (1) is that a means for relaxing excessive stress based on a difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor element substrate and the circuit board is required.

【0013】半導体装置における熱発生量が少なく、要
求される信頼性がさほど高くない場合には、半導体基体
をどのような回路基板に搭載しても問題はない。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、
半導体基体が搭載される部分の構造は適切に選択されね
ばならない。第1及び第2先行技術例に基づく回路基板
は、アルミニウム板上にエポキシ絶縁層を介して銅箔配
線を形成した断面構造を有している。発熱源としての半
導体基体が上記回路基板に直接ろう付け搭載された場合
は、半導体基体から放出される熱はろう材層,銅箔配線
層,エポキシ絶縁層及びアルミニウム板を順次経由して
外部へ放出される。このような搭載構造を採った場合の
放熱性は、一般的にはさほど高くない。これは、熱伝導
率の小さいエポキシ絶縁層が放熱経路に介在しているか
らである。放熱性が十分でない場合は、稼働時における
半導体基体はより高温となって熱暴走を生じ、過熱によ
る半導体装置としての回路機能喪失,半導体基体自体の
破壊,回路の断線や短絡,エポキシ絶縁層の絶縁劣化等
の好ましくない現象を生ずる。したがって第2の課題
は、半導体素子基板と回路基板の間の放熱経路に伝熱を
助ける手段が必要となる点である。
In the case where the amount of heat generated in the semiconductor device is small and the required reliability is not so high, there is no problem if the semiconductor substrate is mounted on any circuit board. However, when the heat generation is large and high reliability is required,
The structure of the part on which the semiconductor substrate is mounted must be appropriately selected. Circuit boards based on the first and second prior art examples have a cross-sectional structure in which copper foil wiring is formed on an aluminum plate via an epoxy insulating layer. When the semiconductor substrate as the heat source is directly mounted on the circuit board by brazing, the heat released from the semiconductor substrate is transferred to the outside via the brazing material layer, the copper foil wiring layer, the epoxy insulating layer, and the aluminum plate in order. Released. The heat dissipation when such a mounting structure is adopted is generally not so high. This is because an epoxy insulating layer having a low thermal conductivity is interposed in the heat radiation path. If the heat dissipation is not sufficient, the temperature of the semiconductor substrate during operation becomes higher and thermal runaway occurs, resulting in loss of circuit function as a semiconductor device due to overheating, destruction of the semiconductor substrate itself, disconnection or short circuit of the circuit, and epoxy insulating layer. Undesirable phenomena such as insulation deterioration occur. Therefore, a second problem is that a means for assisting heat transfer is required in a heat dissipation path between the semiconductor element substrate and the circuit board.

【0014】本発明は、上述の問題点を考慮してなされ
たものであり、放熱性を損ねることなく優れた信頼性を
維持できる半導体装置及びそれを用いた電子装置を提供
する。
The present invention has been made in consideration of the above-described problems, and provides a semiconductor device capable of maintaining excellent reliability without impairing heat dissipation and an electronic device using the same.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明による半導体装置
は、半導体基体,金属板の主面に絶縁層を介して配線層
を設けた載置部材又は金属板からなる載置部材、及び半
導体基体と載置部材の間に配置された中間金属板が、S
n,Sb,Ag,Cu,Ni,P,Bi,Zn,Auそ
してInの群から選択された少なくとも1種の物質とS
nからなるろう材により固着され、中間金属板の固着面
と平行な方向の熱膨張率が7〜13.5ppm/℃ そして
熱伝導率が150W/m・K以上に調整されていること
を特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION A semiconductor device according to the present invention comprises a semiconductor substrate, a mounting member having a wiring layer provided on a main surface of a metal plate via an insulating layer or a mounting member formed of a metal plate, and a semiconductor substrate. And an intermediate metal plate disposed between the mounting member and
at least one substance selected from the group consisting of n, Sb, Ag, Cu, Ni, P, Bi, Zn, Au and In;
n is fixed by a brazing material made of n, the coefficient of thermal expansion in the direction parallel to the fixing surface of the intermediate metal plate is adjusted to 7 to 13.5 ppm / ° C., and the thermal conductivity is adjusted to 150 W / m · K or more. And

【0016】本発明による半導体装置を用いた電子装置
は、半導体基体,金属板の主面に絶縁層を介して配線層
を設けた載置部材又は金属板からなる載置部材、及び半
導体基体と載置部材の間に配置された中間金属板が、S
n,Sb,Ag,Cu,Ni,P,Bi,Zn,Auそ
してInの群から選択された少なくとも1種の物質とS
nからなるろう材により固着され、中間金属板の固着面
と平行な方向の熱膨張率が7〜13.5ppm/℃そして熱
伝導率が150W/m・K以上に調整されている半導体
装置が、負荷に給電する装置に組み込まれる。
An electronic device using a semiconductor device according to the present invention is a semiconductor substrate, a mounting member having a wiring layer provided on a main surface of a metal plate via an insulating layer, or a mounting member formed of a metal plate; The intermediate metal plate disposed between the mounting members is S
at least one substance selected from the group consisting of n, Sb, Ag, Cu, Ni, P, Bi, Zn, Au and In;
The semiconductor device is fixed by a brazing material made of n, and has a coefficient of thermal expansion of 7 to 13.5 ppm / ° C. and a thermal conductivity of 150 W / m · K or more in a direction parallel to the fixing surface of the intermediate metal plate. , And is incorporated in a device that supplies power to the load.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0018】図1は本発明の一実施例の半導体装置を示
す断面図である。本発明による半導体装置30は、金属
板(厚さ:0.8〜5mm)201の一方の主面に絶縁層2
02を介してCu配線層203が選択形成された回路基
板2上に、半導体素子基体1と、チップ抵抗である抵抗
11やチップコンデンサであるコンデンサ13などから
なる受動素子と、端子7とが、Sn,Sb,Ag,C
u,Ni,P,Bi,Zn,AuそしてInの群から選
択された少なくとも1種の物質とSnからなるろう材
(厚さ:30〜200μm)3,31により導電的かつ
機械的に固着され、半導体素子基体1は回路基板2との
間に中間金属板(厚さ:0.3〜2mm)4を介して搭載さ
れ、Al線6のボンディングによりCu配線層203と
電気接続されている。これらの搭載部品(符号1,4,
11,13,7,6,3,31)や回路基板2は、モー
ルド用のエポキシ樹脂8により気密的に封止されてい
る。
FIG. 1 is a sectional view showing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. The semiconductor device 30 according to the present invention includes an insulating layer 2 on one main surface of a metal plate (thickness: 0.8 to 5 mm) 201.
On the circuit board 2 on which the Cu wiring layer 203 is selectively formed through the semiconductor device substrate 02, the passive element including the resistor 11 as a chip resistor and the capacitor 13 as a chip capacitor, and the terminal 7, Sn, Sb, Ag, C
At least one material selected from the group consisting of u, Ni, P, Bi, Zn, Au, and In and a brazing material (thickness: 30 to 200 μm) made of Sn and electrically and mechanically fixed by a brazing material 3,31. The semiconductor element base 1 is mounted between the circuit board 2 and the circuit board 2 via an intermediate metal plate (thickness: 0.3 to 2 mm) 4 and is electrically connected to the Cu wiring layer 203 by bonding of Al wires 6. These mounted parts (reference numerals 1, 4,
11, 13, 7, 6, 3, 31) and the circuit board 2 are hermetically sealed with an epoxy resin 8 for molding.

【0019】図2は半導体素子基体1と回路基板2との
間に配置して固着される中間金属板4の一例を説明する
断面図である。中間金属板4は、板状の第1金属41の
両面にサンドウイッチ状に板上の第2金属42を接合し
てなるものである。ここで、板上の第1金属41は中間
金属板4の固着面に平行な方向の熱膨張率を小さい値に
保つためのもので、インバ(Fe−36wt%Ni,
1.5ppm/℃),42アロイ(Fe−42wt%Ni,
7ppm/℃),フェルニコ(Fe−31wt%Ni−15
wt%Co,5ppm/℃),Mo(5ppm/℃),W(4p
pm/℃)等のように低熱膨張率の材料が望ましい。一
方、第2金属42は中間金属板4の固着面に平行な方向
の熱伝導率を大きい値に保つためのもので、Cu(40
3W/m・K),Al(236W/m・K),青銅(1
80W/m・K),黄銅(106W/m・K)等のよう
に熱伝導率の高い材料が望ましい。中間金属板4の熱伝
導率や熱膨張率は第1金属41と第2金属42の厚さ比
率を調整することにより制御される。例えば、第1金属
41が厚さ0.2mm のインバで、両側の第2金属42が
各厚さ0.2mm のCuである場合は、熱伝導率は262
W/m・Kそして熱膨張率は10.6ppm/℃である。第
1金属41と第2金属42の一体化物にはNiめっき
(厚さ3〜7μm)43が施されている。Niめっき4
3は一体化物の表面の品質を保ち、欠陥のないろう付け
を実現するために設けられる。NiめっきはAu,Ag
によって代替されてもよい。しかし、一体化物の品質が
良好な状態に管理される場合は、めっき43を設けるこ
とは必須でない。
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining an example of the intermediate metal plate 4 which is arranged and fixed between the semiconductor element base 1 and the circuit board 2. The intermediate metal plate 4 is formed by joining a second metal 42 on a plate in a sandwich shape to both surfaces of a first metal 41 in a plate shape. Here, the first metal 41 on the plate is for keeping the coefficient of thermal expansion in a direction parallel to the fixing surface of the intermediate metal plate 4 at a small value, and is made of invar (Fe-36 wt% Ni,
1.5 ppm / ° C.), 42 alloy (Fe-42 wt% Ni,
7ppm / ° C), Fernico (Fe-31wt% Ni-15)
wt% Co, 5 ppm / ° C), Mo (5 ppm / ° C), W (4p
pm / ° C.) and the like. On the other hand, the second metal 42 is for keeping the thermal conductivity in the direction parallel to the fixing surface of the intermediate metal plate 4 at a large value,
3W / m · K), Al (236W / m · K), bronze (1
A material having high thermal conductivity such as 80 W / m · K) and brass (106 W / m · K) is desirable. The thermal conductivity and the thermal expansion coefficient of the intermediate metal plate 4 are controlled by adjusting the thickness ratio between the first metal 41 and the second metal 42. For example, when the first metal 41 is an invar having a thickness of 0.2 mm and the second metal 42 on both sides is Cu having a thickness of 0.2 mm, the thermal conductivity is 262.
W / m · K and the coefficient of thermal expansion are 10.6 ppm / ° C. An integrated product of the first metal 41 and the second metal 42 is plated with Ni (thickness: 3 to 7 μm) 43. Ni plating 4
3 is provided to maintain the quality of the surface of the integrated product and to achieve defect-free brazing. Ni plating is Au, Ag
May be substituted. However, when the quality of the integrated product is managed in a good state, it is not essential to provide the plating 43.

【0020】図3は半導体素子基体1の搭載部の詳細を
説明する断面図である。半導体素子基体1は、Alから
なる金属板201の一方の主面にエポキシ樹脂絶縁層2
02を介してCu配線層203が選択形成された回路基
板2上に、Sn,Sb,Ag,Cu,Ni,P,Bi,
Zn,AuそしてInの群から選択された少なくとも1
種の物質とSnからなるろう材3,ろう付け31により
導電的かつ機械的に固着されている。この際、半導体素
子基体1は回路基板2との間に図3で説明した中間金属
板4を介して搭載されている。
FIG. 3 is a sectional view for explaining details of the mounting portion of the semiconductor element substrate 1. The semiconductor element substrate 1 has an epoxy resin insulating layer 2 on one main surface of a metal plate 201 made of Al.
02 on the circuit board 2 on which the Cu wiring layer 203 is selectively formed via Sn, Sb, Ag, Cu, Ni, P, Bi,
At least one selected from the group consisting of Zn, Au and In
It is conductively and mechanically fixed by a brazing material 3 and a brazing material 31 made of a seed material and Sn. At this time, the semiconductor element base 1 is mounted between the semiconductor element base 1 and the circuit board 2 via the intermediate metal plate 4 described with reference to FIG.

【0021】ここで、本発明半導体装置において最も重
要な点は、半導体素子基体1と回路基板2との間に配置
して固着される中間金属板4の被固着面と平行な方向の
見かけの熱膨張率が7〜13.5ppm/℃そして熱伝導率
が150W/m・K以上に調整されていることである。
図4は半導体素子基体1が中間金属板4を介して回路基
板2上に固着された部分のろう材層31,3における熱
歪を示すグラフである。ここで、グラフはシミュレーシ
ョンによる結果であり、150℃における歪が0%の状
態から−55℃まで冷却された際にろう材層端部に生ず
る相当歪を表わす。また、ろう材層31は組成Sn−5
wt%Sb材(厚さ:70μm)、そしてろう材層3は
組成Sn−3wt%Ag−0.8wt%Cu材(厚さ:7
0μm)からなっている。図中の曲線Aは図3における
A部、曲線Bは同図のB部に生ずる歪をそれぞれ表わ
す。A部の歪は中間金属板4の熱膨張率が大きくなるに
つれ増大する。A部の歪を小さくするためには、中間金
属板4の熱膨張率が小さい方が有利である。一方、B部
の歪は中間金属板4の熱膨張率が大きくなるにつれ減少
する。この歪を小さくするためには、中間金属板4の熱
膨張率が大きい方が有利である。このように、A部とB
部の歪は互いにトレードオフの関係にあり、両者がバラ
ンスするのは熱膨張質が約10ppm/℃の場合である。
Here, the most important point of the semiconductor device of the present invention is that the intermediate metal plate 4 arranged and fixed between the semiconductor element substrate 1 and the circuit board 2 has an apparent parallel direction to the surface to be fixed. The thermal expansion coefficient is adjusted to 7 to 13.5 ppm / ° C. and the thermal conductivity is adjusted to 150 W / m · K or more.
FIG. 4 is a graph showing the thermal strain in the brazing material layers 31 and 3 at the portion where the semiconductor element substrate 1 is fixed on the circuit board 2 via the intermediate metal plate 4. Here, the graph is the result of a simulation, and represents the equivalent strain generated at the end of the brazing material layer when the strain at 150 ° C. was cooled from 0% to −55 ° C. The brazing material layer 31 has a composition of Sn-5.
wt% Sb material (thickness: 70 μm), and the brazing material layer 3 was composed of the composition Sn-3 wt% Ag-0.8 wt% Cu material (thickness: 7).
0 μm). A curve A in the drawing represents a distortion generated in a portion A in FIG. 3, and a curve B represents distortion generated in a B portion in FIG. The distortion of the portion A increases as the coefficient of thermal expansion of the intermediate metal plate 4 increases. In order to reduce the distortion of the portion A, it is advantageous that the intermediate metal plate 4 has a small coefficient of thermal expansion. On the other hand, the distortion of the portion B decreases as the coefficient of thermal expansion of the intermediate metal plate 4 increases. In order to reduce this distortion, it is advantageous that the thermal expansion coefficient of the intermediate metal plate 4 is large. Thus, part A and B
The strains of the portions are in a trade-off relationship with each other, and the two are balanced when the thermal expansion material is about 10 ppm / ° C.

【0022】図5は半導体素子基体ろう付け部の温度サ
イクル試験による破壊寿命のワイブル分布を示すグラフ
である。熱膨張率16.5ppm/℃のCuを中間金属板と
して用いた場合は、形状パラメータm=3.0,平均寿
命μ=1120回のMo(5ppm/℃)の寿命分布を示し
ている。この場合に寿命を支配するのは、ろう材による
ろう付け31のクラックによる破壊である。量産品を考
慮した−3σ水準(累積不良率=約0.1%)の寿命は
120回と極めて短い。また、熱膨張率5ppm/℃のM
oを中間金属板として用いた場合は、形状パラメータm
=5.5,平均寿命μ=800回の寿命分布を示してい
る。この場合の寿命を支配する要因はろう材3のクラッ
ク破壊で、−3σ水準寿命は240回とCuの場合より
向上している。しかし、Cu及びMoの場合はいずれ
も、十分な余裕を備えた信頼性と言えない。中間金属板
の熱膨張率が過大に小さい場合にろう材31のクラック
が、そして、熱膨張率が過大に大きい場合にろう材3の
クラックが進行する点は、図4の歪発生の傾向と符合す
る。このことは、長い寿命を確保するためには、ろう材
31又は3の一方の破壊が先行して進まないようにすべ
きである点を示唆する。一方、熱膨張率10.6ppm/℃
のCu(0.2mm)−インバ(0.2mm)−Cu(0.2mm)ク
ラッド材からなる中間金属板4を用いた本発明半導体装
置30では、形状パラメータm=5.3,平均寿命μ=4
300回、そして−3σ水準寿命1300回と飛躍的に
向上した寿命分布を示している。
FIG. 5 is a graph showing the Weibull distribution of the destruction life of the brazed portion of the semiconductor element substrate by the temperature cycle test. When Cu having a coefficient of thermal expansion of 16.5 ppm / ° C. is used as the intermediate metal plate, a life distribution of Mo (5 ppm / ° C.) with a shape parameter m = 3.0 and an average life μ = 1120 times is shown. In this case, the life is governed by the fracture of the brazing 31 by the brazing material due to cracks. The life at the -3σ level (cumulative failure rate = approximately 0.1%) in consideration of mass-produced products is as short as 120 times. In addition, M having a coefficient of thermal expansion of 5 ppm / ° C.
When o is used as the intermediate metal plate, the shape parameter m
= 5.5, average life μ = 800 times. In this case, the factor governing the life is crack fracture of the brazing material 3, and the -3σ level life is 240 times, which is better than that of Cu. However, in the case of Cu and Mo, the reliability cannot be said to have sufficient margin. The crack progress of the brazing material 31 when the coefficient of thermal expansion of the intermediate metal plate is too small, and the cracking of the brazing material 3 when the coefficient of thermal expansion is too large, are shown in FIG. Match. This implies that in order to ensure a long service life, the destruction of one of the brazing materials 31 or 3 should not proceed in advance. On the other hand, the coefficient of thermal expansion is 10.6 ppm / ° C.
In the semiconductor device 30 of the present invention using the intermediate metal plate 4 made of Cu (0.2 mm) -invar (0.2 mm) -Cu (0.2 mm) clad material, the shape parameter m = 5.3 and the average life μ = 4
The life distribution is dramatically improved to 300 times, and to the -3σ level life of 1300 times.

【0023】図6は半導体素子基体ろう付け部の温度サ
イクル試験による−3σ水準寿命を示すグラフである。
熱膨張率が小さい側ではろう材3のクラックによる破壊
が先行して進むため、半導体装置としての寿命は短くな
る。5〜約10ppm/℃ の範囲では熱膨張率が大きくな
るにつれ寿命は延び、約10〜16.5ppm/℃の範囲で
は熱膨張率が大きくなるにつれ寿命は低下する。特に、
熱膨張率が大きい側ではろう材31のクラックによる破
壊が先行して進むため、半導体装置としての寿命は短く
なる。半導体装置の一般的な稼働条件のもとでは、温度
サイクル寿命は1000回以上(条件:−55〜150
℃)を有することが望ましい。このような観点から選択
される金属中間板4の熱膨張率は7〜13.5ppm/℃の
範囲である。
FIG. 6 is a graph showing a -3σ level life of a brazed portion of a semiconductor element substrate by a temperature cycle test.
On the side where the coefficient of thermal expansion is small, the breakage of the brazing material 3 due to cracks proceeds first, so that the life of the semiconductor device is shortened. In the range of 5 to about 10 ppm / ° C., the life increases as the coefficient of thermal expansion increases, and in the range of about 10 to 16.5 ppm / ° C., the life decreases as the coefficient of thermal expansion increases. In particular,
On the side where the coefficient of thermal expansion is large, the breakage of the brazing material 31 due to cracks proceeds first, so that the life of the semiconductor device is shortened. Under general operating conditions of a semiconductor device, the temperature cycle life is 1000 times or more (condition: −55 to 150).
C). The thermal expansion coefficient of the metal intermediate plate 4 selected from such a viewpoint is in the range of 7 to 13.5 ppm / ° C.

【0024】本発明においては、発熱の著しい半導体素
子基体1は、Alのごとき金属板201の一方の主面に
エポキシ樹脂からなる絶縁層202を介してCuからな
る配線層203が選択形成された回路基板2上にはんだ
付け搭載される。半導体素子基体1から金属板201に
至る放熱経路の中で、放熱を最も阻害するのはエポキシ
絶縁層202である。この場合、半導体装置としての放
熱性の良否は、半導体基体からエポキシ絶縁層に至る経
路で熱流をいかに広げるかにかかる。図7は半導体装置
に電力を印加したときの半導体素子基体の温度上昇を示
すグラフである。このグラフはシミュレーションの結果
で、半導体素子基体1の消費電力は10W,半導体素子
基体1の表面は断熱状態、そして放熱面としてのAlか
らなる金属板201の表面は0℃に保たれていると仮定
している。半導体素子基体1の上昇温度は、金属中間板
4の固着面と平行な方向の熱伝導率が大きいほど低くな
る傾向を示している。半導体素子基体1の安定的動作を
維持するための温度は125℃程度と考えられる。ま
た、半導体装置はなるべく高い周囲温度(Alからなる
金属板201の温度)のもとで安定的動作を維持できる
ことが望ましい。周囲温度90℃のもとで安定的動作さ
せるためには、グラフを参照すると、金属中間板の熱伝
導率が150W/m・K以上に調整されていることが必
要である。このような観点から選択される金属中間板4
の熱伝導率は150W/m・K以上である。
In the present invention, a wiring layer 203 made of Cu is selectively formed on one main surface of a metal plate 201 such as Al via an insulating layer 202 made of an epoxy resin. It is mounted on the circuit board 2 by soldering. In the heat radiation path from the semiconductor element base 1 to the metal plate 201, the epoxy insulating layer 202 most hinders heat radiation. In this case, the quality of the heat dissipation property of the semiconductor device depends on how to spread the heat flow in the path from the semiconductor base to the epoxy insulating layer. FIG. 7 is a graph showing the temperature rise of the semiconductor element base when power is applied to the semiconductor device. This graph is the result of a simulation. The power consumption of the semiconductor element substrate 1 is 10 W, the surface of the semiconductor element substrate 1 is insulated, and the surface of the metal plate 201 made of Al as a heat radiation surface is kept at 0 ° C. I assume. The rising temperature of the semiconductor element base 1 tends to decrease as the thermal conductivity in the direction parallel to the fixing surface of the metal intermediate plate 4 increases. The temperature for maintaining the stable operation of the semiconductor element substrate 1 is considered to be about 125 ° C. Further, it is desirable that the semiconductor device can maintain a stable operation under as high an ambient temperature as possible (the temperature of the metal plate 201 made of Al). In order to operate stably at an ambient temperature of 90 ° C., referring to the graph, it is necessary that the thermal conductivity of the metal intermediate plate is adjusted to 150 W / m · K or more. Metal intermediate plate 4 selected from such a viewpoint
Has a thermal conductivity of 150 W / m · K or more.

【0025】なお、上述までに説明した回路基板2は、
Alからなる金属板201の一方の主面にエポキシ樹脂
絶縁層202を介してCu配線層203が選択形成され
たものである。しかし、本発明における回路基板2は、
Alからなる金属板201上に絶縁層202を介して配
線層203が設けられた形態に限定されることはない。
この理由の第1は、エポキシ樹脂絶縁層202やCu配
線層203のないAlからなる金属板201上に半導体
素子基体1を直接ろう付け搭載した場合でも、第1及び
第2先行技術例と同様に熱膨張率の小さい搭載部品が熱
膨張率の大きい回路基板にろう付けされる点では同じで
あり、したがって同様の課題を持つことによる。また第
2の理由は、Alからなる金属板201上に金属中間板
4を介して半導体素子基体1をろう付け搭載した場合で
も、絶縁層202や配線層203を設けた回路基板2の
場合と同様の信頼性向上を図り得るからである。したが
って、本発明においては、後述する実施例3の如く回路
の形成されていないベース板2も回路基板2の範囲に含
まれる。
The circuit board 2 described above is
A Cu wiring layer 203 is selectively formed on one main surface of an Al metal plate 201 via an epoxy resin insulating layer 202. However, the circuit board 2 in the present invention
The present invention is not limited to the configuration in which the wiring layer 203 is provided on the metal plate 201 made of Al with the insulating layer 202 interposed therebetween.
The first reason is that even when the semiconductor element substrate 1 is directly brazed and mounted on the metal plate 201 made of Al without the epoxy resin insulating layer 202 and the Cu wiring layer 203, the same as in the first and second prior art examples. However, it is the same in that a component having a low coefficient of thermal expansion is brazed to a circuit board having a high coefficient of thermal expansion, and therefore has a similar problem. The second reason is that even when the semiconductor element substrate 1 is brazed and mounted on the metal plate 201 made of Al via the metal intermediate plate 4, the case of the circuit board 2 provided with the insulating layer 202 and the wiring layer 203 is different from that of the circuit board 2. This is because a similar improvement in reliability can be achieved. Therefore, in the present invention, the base plate 2 on which no circuit is formed as in a third embodiment described later is also included in the range of the circuit board 2.

【0026】上述したように本発明において重要な点
は、半導体素子基体1と回路基板2との間に固着される
中間金属板4の被固着面と平行な方向の熱膨張率が7〜
13.5ppm/℃ そして熱伝導率が150W/m・K以上に
調整されていることである。このような条件を満たし得
る材料は、図2に示したような第1金属41の両面にサ
ンドウイッチ状に第2金属42を接合してなるものだけ
に限らない。
As described above, an important point in the present invention is that the coefficient of thermal expansion of the intermediate metal plate 4 fixed between the semiconductor element substrate 1 and the circuit board 2 in the direction parallel to the surface to be fixed is 7 to 7 or more.
13.5 ppm / ° C and the thermal conductivity is adjusted to 150 W / m · K or more. The material that can satisfy such a condition is not limited to a material in which the second metal 42 is joined in a sandwich shape to both surfaces of the first metal 41 as shown in FIG.

【0027】図8は中間金属板の代替材料を説明する断
面図である。(a)は第1金属41としてのインバと第
2金属42としてのCuとを交互にストライプ状に接合
した2枚のアッセンブリを、ストライプ方向が互いに直
角になるように配置して接合したものである。この場合
の熱膨張率や熱伝導率は、第1金属41と第2金属42
の配置量比率,アッセンブリの重ね数,厚さ等により調
整される。この観点から、アッセンブリは1枚でもよい
し、2枚以上でもよい。(b)は第1金属41としての
インバ粒が第2金属42としてのCuマトリックス中に
分散された状態のものである。この場合の熱膨張率や熱
伝導率は、第1金属41と第2金属42の配合量比率
や、厚さ等により調整される。(c)は第1金属41と
してのMo粒と第2金属42としてのCu粒との混合体
が焼結された状態のものである。この場合の熱膨張率や
熱伝導率も、第1金属41と第2金属42の配合量比率
や、厚さ等により調整される。以上の(a)〜(c)にお
ける第1金属41は中間金属板4の熱膨張率を小さい値
に保つためのもので、インバ(Fe−36wt%Ni,
1.5ppm/℃),42アロイ(Fe−42wt%Ni,
7ppm/℃),フェルニコ(Fe−31wt%Ni−15
wt%Co,5ppm/℃),Mo(5ppm/℃),W(4p
pm/℃)等が選択される。また、第2金属42は中間金
属板4の熱伝導率を大きい値に保つためのもので、Cu
(403W/m・K),Al(236W/m・K),青銅
(180W/m・K),黄銅(106W/m・K)等が
選択される。(d)は第1金属41と同様の役割を持つ
SiC粉末41′が第2金属42としてのAlマトリッ
クス中に分散された状態のものである。この場合の熱膨
張率や熱伝導率は、SiC粉末41′と第2金属42の
配合量比率により調整される。(e)は第1金属41と
同様の役割を持つSiC繊維クロス41″が第2金属4
2としてのCuマトリックス中に埋め込まれた状態のも
のである。この場合の熱膨張率や熱伝導率は、SiC繊
維クロス41″と第2金属42の配合量比率により調整
される。上記(d)及び(e)において、第2金属42
としてはCu(403W/m・K)やAl(236W/
m・K)を用いることができる。第1金属41と同様の
役割を持つSiC粉末41′やSiC繊維クロス41″
は、炭素,窒化アルミニウム,アルミナ,窒化シリコン
からなる材料で代替できる。上記(a)〜(e)において
は、いずれにもNiめっき43が施されている。これは
Au,Agによって代替されてもよい。しかし、品質が
良好な状態に管理される場合は、めっき43を設けるこ
とは必須ではない。
FIG. 8 is a sectional view for explaining an alternative material for the intermediate metal plate. (A) shows a structure in which two assemblies in which invar as the first metal 41 and Cu as the second metal 42 are alternately joined in a stripe shape are arranged and joined so that the stripe directions are perpendicular to each other. is there. In this case, the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity are determined by the first metal 41 and the second metal 42.
Is adjusted by the ratio of the arrangement amount, the number of overlapping assemblies, and the thickness. From this viewpoint, the number of assemblies may be one, or two or more. (B) shows a state in which invar grains as the first metal 41 are dispersed in a Cu matrix as the second metal 42. In this case, the coefficient of thermal expansion and the coefficient of thermal conductivity are adjusted by the compounding ratio of the first metal 41 and the second metal 42, the thickness, and the like. (C) shows a state in which a mixture of Mo particles as the first metal 41 and Cu particles as the second metal 42 is sintered. In this case, the coefficient of thermal expansion and the coefficient of thermal conductivity are also adjusted by the mixing ratio of the first metal 41 and the second metal 42, the thickness, and the like. The first metal 41 in (a) to (c) above is for keeping the coefficient of thermal expansion of the intermediate metal plate 4 at a small value, and is made of invar (Fe-36 wt% Ni,
1.5 ppm / ° C.), 42 alloy (Fe-42 wt% Ni,
7ppm / ° C), Fernico (Fe-31wt% Ni-15)
wt% Co, 5 ppm / ° C), Mo (5 ppm / ° C), W (4p
pm / ° C) or the like. The second metal 42 is for keeping the thermal conductivity of the intermediate metal plate 4 at a large value,
(403 W / m · K), Al (236 W / m · K), bronze (180 W / m · K), brass (106 W / m · K), and the like. (D) is a state where SiC powder 41 ′ having the same role as the first metal 41 is dispersed in an Al matrix as the second metal 42. In this case, the coefficient of thermal expansion and the coefficient of thermal conductivity are adjusted by the compounding ratio of the SiC powder 41 ′ and the second metal 42. (E) shows a SiC fiber cloth 41 ″ having the same role as the first metal 41,
2 in a state embedded in a Cu matrix. In this case, the coefficient of thermal expansion and the coefficient of thermal conductivity are adjusted by the compounding ratio of the SiC fiber cloth 41 ″ and the second metal 42. In the above (d) and (e), the second metal 42 is used.
Cu (403 W / mK) and Al (236 W /
m · K) can be used. SiC powder 41 'or SiC fiber cloth 41 "having the same role as the first metal 41.
Can be replaced with a material composed of carbon, aluminum nitride, alumina, and silicon nitride. In the above (a) to (e), the Ni plating 43 is applied to all. This may be replaced by Au or Ag. However, when the quality is managed in a good state, it is not essential to provide the plating 43.

【0028】表1は中間金属板としての各種代替材料の
物性値の例を示す。ここに掲げる熱膨張率及び熱伝導率
は、中間金属板4の被固着面と平行な方向の値である。
いずれの材料も本発明において必須な熱膨張率(7〜1
3.5ppm/℃)及び熱伝導率(150W/m・K以上)
に調整されている。
Table 1 shows examples of physical property values of various alternative materials as the intermediate metal plate. The thermal expansion coefficient and the thermal conductivity listed here are values in a direction parallel to the surface to which the intermediate metal plate 4 is fixed.
Each material has a thermal expansion coefficient (7-1 to 1) which is essential in the present invention.
3.5ppm / ° C) and thermal conductivity (150W / mK or more)
Has been adjusted.

【0029】[0029]

【表1】 [Table 1]

【0030】本発明による半導体装置30は、金属板2
01の一方の主面にエポキシ樹脂絶縁層202を介して
配線層203が選択形成された回路基板2上に、半導体
素子基体1は中間金属板4を介して、Sn,Sb,A
g,Cu,Ni,P,Bi,Zn,AuそしてInの群
から選択された少なくとも1種の物質とSnからなるろ
う材3,31により導電的かつ機械的に固着されてい
る。具体的なろう材3,31としては、Sn単体金属、
Sn−5wt%Sb−0.6wt%Ni−0.05wt%
P やSn−5wt%Sbで代表されるようなSn−S
b系、Sn−3.5wt%Ag、Sn−3wt%Ag−
0.8wt%Cu で代表されるようなSn−Ag系、S
n−58wt%Biで代表されるようなSn−Bi系
、Sn−0.7wt%Cuで代表されるようなSn−C
u系、Sn−52wt%Inで代表されるようなSn−
In系、Sn−9wt%Znで代表されるようなSn−
Zn系、In−10wt%Agで代表されるようなIn
−Ag系、そして、Au−20wt%Snで代表される
ようなAu−Sn系の材料を適用することが可能であ
る。
The semiconductor device 30 according to the present invention includes the metal plate 2
On a circuit board 2 on which a wiring layer 203 is selectively formed on one main surface of the semiconductor device 1 via an epoxy resin insulating layer 202, the semiconductor element substrate 1 is provided with Sn, Sb, A via an intermediate metal plate 4.
At least one material selected from the group consisting of g, Cu, Ni, P, Bi, Zn, Au and In is electrically and mechanically fixed by a brazing material 3 and 31 made of Sn. Specific brazing materials 3 and 31 include Sn simple metal,
Sn-5 wt% Sb-0.6 wt% Ni-0.05 wt%
Sn or Sn-S represented by Sn-5wt% Sb
b type, Sn-3.5 wt% Ag, Sn-3 wt% Ag-
Sn-Ag based such as represented by 0.8 wt% Cu, S
Sn-Bi system represented by n-58 wt% Bi, Sn-C represented by Sn-0.7 wt% Cu
u-based, Sn- as represented by Sn-52wt% In
In-based, Sn- as represented by Sn-9 wt% Zn
Zn-based, In-10 represented by In-10 wt% Ag
It is possible to apply an Ag-based material and an Au-Sn-based material typified by Au-20wt% Sn.

【0031】半導体素子基体1はIGBT,トランジス
タ,サイリスタ,ダイオード,MOSFETトランジスタ等、
異なる電気的機能を持つものであってよい。また、半導
体素子基体1はSi(4.2ppm/℃)、又はSi以外の
材料(Ge:5.8ppm/℃,GaAs:6.5ppm/℃,
GaP:5.3ppm/℃,SiC:3.5ppm/℃等)から
なる場合であっても同様の効果が得られる。
The semiconductor element substrate 1 includes IGBTs, transistors, thyristors, diodes, MOSFET transistors, etc.
They may have different electrical functions. The semiconductor element substrate 1 is made of Si (4.2 ppm / ° C.) or a material other than Si (Ge: 5.8 ppm / ° C., GaAs: 6.5 ppm / ° C.,
The same effect can be obtained even in the case of GaP: 5.3 ppm / ° C., SiC: 3.5 ppm / ° C.).

【0032】搭載素子である半導体素子基体1,抵抗1
1,コンデンサ13や部品である回路基板2,中間金属
板4,端子7等を封止するモールド用樹脂8は、フィラ
ーとしてSiO2 (溶融シリカ,結晶シリカ)やZnO
粉末を添加したフェノール硬化型エポキシ樹脂が多く用
いられる。この場合、フィラーの添加量は所望の熱膨張
率及びモールド処理温度に応じて50〜90%の範囲の
任意の組成を選ぶことが可能である。また、ゴム変性エ
ポキシ樹脂を用いてもよい。樹脂による封止は、生産
性,経済性の観点からトランスファモールド法によるこ
とが望ましい。しかし、所望の耐水性,電気性能,信頼
性等を満たす範囲では、ポッティング法により封止する
ことも可能である。
Semiconductor element base 1 as mounting element, resistor 1
1, a molding resin 8 for sealing the capacitor 13 and the circuit board 2, which is a component, an intermediate metal plate 4, a terminal 7, etc., is made of SiO 2 (fused silica, crystalline silica) or ZnO as a filler.
A phenol-curable epoxy resin to which a powder is added is often used. In this case, it is possible to select an arbitrary composition of the filler in the range of 50 to 90% depending on the desired coefficient of thermal expansion and the mold processing temperature. Further, a rubber-modified epoxy resin may be used. The encapsulation with resin is preferably performed by a transfer molding method from the viewpoint of productivity and economy. However, as long as desired water resistance, electrical performance, reliability, and the like are satisfied, sealing can be performed by a potting method.

【0033】以上の構成を、図面を用いて説明する。The above configuration will be described with reference to the drawings.

【0034】〔実施例1〕本実施例では、MOSFETパワー
半導体素子基体が組み込まれた半導体装置及びこの半導
体装置を用いた電子装置について説明する。
[Embodiment 1] In this embodiment, a semiconductor device in which a MOSFET power semiconductor element substrate is incorporated and an electronic device using this semiconductor device will be described.

【0035】図9は本発明一実施例の半導体装置30を
説明する平面図,断面図及び回路図である。半導体素子
基体1としてのSiからなるMOSFETチップ(4個,チッ
プサイズ:7×7×0.28mm)は、サイズ8×8×0.
6mmの中間金属板4を介して、Al絶縁回路基板である
回路基板2上にろう材3によるろう付け31により搭載
されている。中間金属板4は、第1金属41としてのイ
ンバ(厚さ:0.2mm)両面にサンドウィッチ状に第2金
属42としてのCu(各厚さ:0.2mm)を接合したクラ
ッド材で、表面にNiめっき(厚さ:3〜7μm)43
が施されている。回路基板2は金属板としてのAl板
(サイズ:40.7×29.4×1.5mm)201の一方の
主面にエポキシ樹脂絶縁層(厚さ:150μm)202
を介してCu配線層(厚さ:70μm)203が選択形成
されている。MOSFETチップ101と中間金属板4は組成
Sn−5wt%Sbなるろう材(厚さ70μm,温度:
270±10℃)3により、そして中間金属板4と回路
基板2は組成Sn−3wt%Ag−0.8wt%Cu な
るろう材(厚さ70μm,温度:240±10℃)3に
よりそれぞれろう付けされている。またCu配線層20
3間には、チップ抵抗である抵抗11がろう材3により
固着されている。これらのろう付けは、ペースト状ろう
材を所定部に塗布し、この塗布部に所要部材を搭載した
後、空気中で加熱する工程で実施されている。次いで、
エポキシ樹脂からなる枠21とCuからなる端子7とを
一体化したケース20を回路基板2に、シリコーン樹脂
接着剤(図示を省略)25により取り付けた。MOSFETチ
ップ101のゲート,ソース及びドレインにはそれぞれ
Al線(直径:300μm)6のワイヤボンディングを
施した。ゲート端子7aは各MOSFETチップ101で共用
し、ソース端子7cとドレイン端子7bは各MOSFETチッ
プ101で専用するように配線されている。図示を省略
しているが、チップ抵抗である抵抗11の搭載部にはエ
ポキシ樹脂8bを、そしてMOSFETチップ101の搭載部
にはシリコーンゲル樹脂8aをポッティング塗布し、そ
れぞれ150℃×2hの熱処理を施して硬化した。最終
的にエポキシ樹脂からなるケース蓋(図示を省略)22
を取り付けて、半導体装置30を完成した。これによ
り、搭載素子であるMOSFETチップ101,抵抗11や回
路基板2等は、モールド樹脂8a,8bにより気密的に
封止されている。
FIG. 9 is a plan view, a sectional view, and a circuit diagram illustrating a semiconductor device 30 according to an embodiment of the present invention. A MOSFET chip (four pieces, chip size: 7 × 7 × 0.28 mm) made of Si as the semiconductor element substrate 1 has a size of 8 × 8 × 0.2 mm.
It is mounted on a circuit board 2 which is an Al insulated circuit board by a brazing material 31 via a 6 mm intermediate metal plate 4. The intermediate metal plate 4 is a clad material in which Cu (each thickness: 0.2 mm) as a second metal 42 is sandwiched on both sides of an invar (thickness: 0.2 mm) as a first metal 41 in a sandwich manner. Ni plating (thickness: 3-7 μm) 43
Is given. The circuit board 2 is an Al plate as a metal plate
(Size: 40.7 × 29.4 × 1.5 mm) Epoxy resin insulating layer (thickness: 150 μm) 202 on one main surface of 201
, A Cu wiring layer (thickness: 70 μm) 203 is selectively formed. The MOSFET chip 101 and the intermediate metal plate 4 are made of a brazing material (thickness: 70 μm, temperature:
270 ± 10 ° C.) 3 and the intermediate metal plate 4 and the circuit board 2 are brazed with a brazing material (thickness 70 μm, temperature: 240 ± 10 ° C.) 3 of composition Sn-3 wt% Ag-0.8 wt% Cu. Have been. The Cu wiring layer 20
A resistor 11, which is a chip resistor, is fixed between the three by a brazing material 3. The brazing is performed in a process in which a paste-like brazing material is applied to a predetermined portion, necessary members are mounted on the application portion, and then heated in the air. Then
The case 20 in which the frame 21 made of epoxy resin and the terminal 7 made of Cu were integrated was attached to the circuit board 2 with a silicone resin adhesive (not shown) 25. The gate, source, and drain of the MOSFET chip 101 were each subjected to wire bonding of an Al wire (diameter: 300 μm) 6. The gate terminal 7a is shared by each MOSFET chip 101, and the source terminal 7c and the drain terminal 7b are wired so as to be dedicated to each MOSFET chip 101. Although not shown, an epoxy resin 8b is potted on the mounting portion of the resistor 11, which is a chip resistor, and a silicone gel resin 8a is potted on the mounting portion of the MOSFET chip 101, and heat treatment is performed at 150 ° C. for 2 hours. Applied and cured. Finally, a case lid (not shown) made of epoxy resin 22
To complete the semiconductor device 30. As a result, the MOSFET chip 101, the resistor 11, the circuit board 2, and the like, which are mounted elements, are hermetically sealed with the mold resins 8a and 8b.

【0036】以上により製作された本実施例半導体装置
30は、(c)に示す回路を構成している。
The semiconductor device 30 of the present embodiment manufactured as described above constitutes the circuit shown in FIG.

【0037】図10は本実施例半導体装置30の過渡熱
抵抗特性を示すグラフである。熱抵抗は通電時間を増す
につれて高い値をとるが、通電時間約3s以降では定常
値(約2.7℃/W)を示している。この値は、周囲温
度:98℃の条件下でMOSFETチップ101が10Wの電
力を消費した場合でも、チップ101は安定的に動作し
得ることを意味する。
FIG. 10 is a graph showing the transient thermal resistance characteristics of the semiconductor device 30 of this embodiment. The thermal resistance takes a higher value as the energizing time increases, but shows a steady value (about 2.7 ° C./W) after the energizing time of about 3 s. This value means that the chip 101 can operate stably even when the MOSFET chip 101 consumes 10 W of power under the condition of an ambient temperature: 98 ° C.

【0038】図11は代表的な本実施例半導体装置30
の温度サイクル試験による熱抵抗の推移を示す。温度サ
イクル数:2000回までは、初期値と同等の熱抵抗
(約2.7 ℃/W)が維持されている。熱抵抗の増大は
温度サイクル数:2000回以降で生じている。初期値
の1.5 倍に到達した時の温度サイクル数を寿命と定義
すると、本実施例半導体装置30の寿命は約5000回
になる。以上のようにして得られた本実施例半導体装置
30の寿命は、統計的には図5の直線Cで表わされる分
布を有している。直線Cから得られる−3σ水準寿命は
1300回(−55〜150℃)であり、本実施例半導
体装置30は量産製品として十分な信頼性を有している
ことを示している。また、本実施例の半導体装置30で
は、金属中間板4の熱膨張率が10.6ppm/℃と好まし
い熱膨張率範囲(7〜13.5ppm/℃)に調整されてい
る。このことは、ろう材層よりなるろう付け31やろう
材3のいずれかが先行破壊するのを抑え、半導体装置全
体としての寿命を長くするのに寄与する。
FIG. 11 shows a typical semiconductor device 30 of this embodiment.
3 shows the transition of the thermal resistance by the temperature cycle test. The number of temperature cycles: Up to 2000 times, the same thermal resistance (about 2.7 ° C./W) as the initial value is maintained. The increase in thermal resistance occurs after the number of temperature cycles: 2000 times. If the number of temperature cycles when 1.5 times the initial value is reached is defined as the life, the life of the semiconductor device 30 of this embodiment is about 5000 times. The life of the semiconductor device 30 of the present embodiment obtained as described above has a distribution statistically represented by a straight line C in FIG. The −3σ level life obtained from the straight line C is 1300 times (−55 to 150 ° C.), indicating that the semiconductor device 30 of the present example has sufficient reliability as a mass-produced product. In the semiconductor device 30 of the present embodiment, the coefficient of thermal expansion of the metal intermediate plate 4 is adjusted to a preferable range of 10.6 ppm / ° C. (7-13.5 ppm / ° C.). This suppresses premature breakage of either the brazing material 31 or the brazing material 3 made of the brazing material layer, and contributes to prolonging the life of the semiconductor device as a whole.

【0039】図12は本実施例半導体装置30が組み込
まれた電子装置としての電源回路装置90を説明するブ
ロック図である。この電源回路装置90は、交流電力を
整流し、電圧制御された電力を負荷回路に供給するもの
である。ここで、本実施例における負荷回路はコンピュ
ータの演算回路である。
FIG. 12 is a block diagram for explaining a power supply circuit device 90 as an electronic device in which the semiconductor device 30 of this embodiment is incorporated. The power supply circuit device 90 rectifies AC power and supplies voltage-controlled power to a load circuit. Here, the load circuit in this embodiment is an arithmetic circuit of a computer.

【0040】〔実施例2〕本実施例では、Al板に回路
配線を形成した載置部材上にパワー半導体素子基体を搭
載した半導体装置及びこの半導体装置を用いた電子装置
について説明する。
[Embodiment 2] In this embodiment, a semiconductor device in which a power semiconductor element substrate is mounted on a mounting member in which circuit wiring is formed on an Al plate and an electronic device using this semiconductor device will be described.

【0041】図1は本実施例の半導体装置30の断面模
式図を示す。半導体装置30は、Alからなる金属板2
01(寸法:20.5×38×1.5mm)の一方の主面にエ
ポキシ樹脂絶縁層202(厚さ:80μm)を介してC
u配線層203(厚さ:70μm)が選択形成された載
置部材としての回路基板2上に、チップ抵抗である抵抗
11やチップコンデンサであるコンデンサ13からなる
受動素子とリン青銅からなる端子7とが、組成Sn−5
wt%Sbなるろう材3(厚さ:50〜100μm)に
より導電的及び機械的に固着されている。また、回路基
板2上には、パワーMOSFETである半導体素子基体1(寸
法:5×5×0.25mm)が中間金属板4を介して、組
成Sn−5wt%Sbなるろう材によるろう付け31
(厚さ:50〜100μm)及びろう材3(厚さ:50
〜100μm)により導電的及び機械的に固着されてい
る。中間金属板4は、第1金属41としてのインバ(厚
さ:0.2mm)両面にサンドウィッチ状に第2金属42
としてのCu(各厚さ:0.2mm)を接合したクラッド材
で、表面にNiめっき((厚さ:3〜7μm)43が施さ
れている。半導体素子基体1とCu配線層203の間に
は直径300μmのAl線6が超音波ボンディングによ
って形成されている。これらの搭載部品(符号1,1
1,13,7)、ろう材3,Al線6及び回路基板2
は、熱膨張率16ppm/℃ に調整されたエポキシ樹脂8
のトランスファモールドにより、気密的に封止されてい
る。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a semiconductor device 30 according to this embodiment. The semiconductor device 30 includes a metal plate 2 made of Al.
01 (dimensions: 20.5 × 38 × 1.5 mm) on one main surface via an epoxy resin insulating layer 202 (thickness: 80 μm).
On the circuit board 2 as a mounting member on which the u wiring layer 203 (thickness: 70 μm) is selectively formed, a passive element including a resistor 11 as a chip resistor and a capacitor 13 as a chip capacitor and a terminal 7 made of phosphor bronze. Has the composition Sn-5
It is electrically and mechanically fixed by a brazing material 3 (thickness: 50 to 100 μm) of wt% Sb. On the circuit board 2, a semiconductor element substrate 1 (size: 5 × 5 × 0.25 mm), which is a power MOSFET, is brazed by a brazing material having a composition of Sn-5 wt% Sb via an intermediate metal plate 4.
(Thickness: 50-100 μm) and brazing material 3 (thickness: 50
100100 μm) so as to be electrically and mechanically fixed. The intermediate metal plate 4 is sandwiched on both sides of an invar (thickness: 0.2 mm) serving as a first metal 41 in the form of a second metal 42.
Is a clad material joined with Cu (each thickness: 0.2 mm), and the surface thereof is plated with Ni (thickness: 3 to 7 μm) 43. Between the semiconductor element substrate 1 and the Cu wiring layer 203 Are formed with an Al wire 6 having a diameter of 300 μm by ultrasonic bonding.
1, 13, 7), brazing material 3, Al wire 6, and circuit board 2
Is an epoxy resin 8 adjusted to a thermal expansion coefficient of 16 ppm / ° C.
Is hermetically sealed by the transfer mold.

【0042】図13は本実施例半導体装置30の内部を
示すブロック図である。半導体装置30には、MOSFETで
ある半導体素子基体1を駆動させるためのゲート駆動回
路60と、このゲート駆動回路60を制御するためのコ
ントロール部70とが内蔵されている。更に半導体装置
30は、共振電源コントロールICを採用し、耐圧20
0VのパワーMOSFETトランジスタである半導体素子基体
1を収納しており、小型,高効率,低ノイズの共振型電
源装置、特に共振型AC/DCコンバータ電源用として
好適である。共振型AC/DCコンバータの場合は、ス
イッチング周波数0.5GHz で効率90%以上の性能
が得られている。これは、(1)過電流過電圧保護機
能、(2)過熱保護機能、(3)ゲート駆動回路、
(4)ソフトスタート機能、(5)特性の揃った2個の
パワーMOSFETトランジスタを、それぞれ内蔵しているこ
とに基づく。
FIG. 13 is a block diagram showing the inside of the semiconductor device 30 of this embodiment. The semiconductor device 30 includes a gate drive circuit 60 for driving the semiconductor element substrate 1 which is a MOSFET, and a control unit 70 for controlling the gate drive circuit 60. Further, the semiconductor device 30 employs a resonance power control IC,
It houses a semiconductor element substrate 1 which is a 0V power MOSFET transistor, and is suitable for a compact, high-efficiency, low-noise resonance type power supply device, particularly for a resonance type AC / DC converter power supply. In the case of the resonance type AC / DC converter, a performance with an efficiency of 90% or more is obtained at a switching frequency of 0.5 GHz. These are (1) overcurrent overvoltage protection function, (2) overheat protection function, (3) gate drive circuit,
This is based on the fact that (4) a soft start function and (5) two power MOSFET transistors with uniform characteristics are built in.

【0043】なお、本実施例の半導体装置30では、中
間金属板4の熱膨張率が10.6ppm/℃と好ましい熱膨
張率範囲(7〜13.5ppm/℃)に調整されている。こ
のことは、ろう付け31やろう材3のいずれかが先行破
壊するのを抑え、半導体装置全体としての寿命を長くす
るのに寄与している。
In the semiconductor device 30 of the present embodiment, the coefficient of thermal expansion of the intermediate metal plate 4 is adjusted to a preferable range of 10.6 ppm / ° C. (7-13.5 ppm / ° C.). This suppresses premature breakage of either the brazing material 31 or the brazing material 3, and contributes to extending the life of the semiconductor device as a whole.

【0044】〔実施例3〕本実施例では、パワー半導体
素子基体とその電気的動作を制御する制御回路を搭載し
た半導体装置及びこの半導体装置を用いた自動車用点火
装置としての電子装置について説明する。
[Embodiment 3] In this embodiment, a semiconductor device equipped with a power semiconductor element base and a control circuit for controlling its electric operation and an electronic device as an automobile ignition device using this semiconductor device will be described. .

【0045】半導体素子基体1とその電気的動作を制御
する制御回路10を搭載した半導体装置30は、図14
に示す鳥瞰図構造及び断面構造を有している。Siから
なるIGBTチップ基体1(チップサイズ:5×5×0.
25mm)は、厚さ1mm,面積約25×20mmのAlベー
ス板である回路基板2上に中間金属板(サイズ:6×6
×0.6mm)4を介して、組成Sn−5wt%Sb−0.
6wt%Ni−0.05wt%Pのろう材によるろう付
け(厚さ:200μm,温度:270±10℃)31及
び組成Sn−3wt%Ag−0.8wt%Cu のろう材
(厚さ:200μm,温度:240±10℃)3により
固着されている。中間金属板4は、第1金属41として
のインバ(厚さ:0.2mm)両面にサンドウィッチ状に第
2金属42としてのCu(各厚さ:0.2mm)を接合した
クラッド材で、表面にNiめっき(厚さ:3〜7μm)
43が施されている。また、Alベース板である回路基
板2の表面には、Niめっき(厚さ:3〜7μm)43
が施されている。
A semiconductor device 30 mounted with a semiconductor element substrate 1 and a control circuit 10 for controlling its electric operation is shown in FIG.
Has a bird's-eye view structure and a cross-sectional structure shown in FIG. IGBT chip base 1 made of Si (chip size: 5 × 5 × 0.
25 mm) is an intermediate metal plate (size: 6 × 6) on a circuit board 2 which is an Al base plate having a thickness of 1 mm and an area of about 25 × 20 mm.
× 0.6 mm) 4 through the composition Sn-5 wt% Sb-0.
Brazing (thickness: 200 μm, temperature: 270 ± 10 ° C.) 31 with brazing material of 6 wt% Ni-0.05 wt% P and brazing material of composition Sn-3 wt% Ag-0.8 wt% Cu (thickness: 200 μm) , Temperature: 240 ± 10 ° C.) 3. The intermediate metal plate 4 is a clad material in which Cu (each thickness: 0.2 mm) as a second metal 42 is sandwiched on both sides of an invar (thickness: 0.2 mm) as a first metal 41 on both surfaces. Ni plating (thickness: 3-7 μm)
43 is given. Also, Ni plating (thickness: 3 to 7 μm) 43 is provided on the surface of the circuit board 2 which is an Al base plate.
Is given.

【0046】一方、厚さ約15μmのCu配線層(図示
省略)203,厚膜抵抗である抵抗11及びオーバコー
トガラス層(図示省略)を設けた、サイズ:19×10
×0.8mm のアルミナセラミックス基板5を用意した。
次いで、アルミナセラミックス基板5の所望領域に、最
終的にろう材層3′となる組成Sn−3wt%Ag−
0.8wt%Cu のろう材粉末を含有したペーストを印
刷し、この印刷部にICチップ基体12,コンデンサ1
3、そしてガラススリーブ型ツェナーダイオードチップ
であるダイオード14等のチップ部品を搭載し、空気中
で250±10℃に加熱した。これにより、各チップ部品
(符号12,13,14)や抵抗11はろう材層3′に
よりCu配線層203と電気的に接続され、アルミナセ
ラミックス基板5上にはIGBTチップである半導体素
子基体1の動作を制御する制御回路10が形成された。
このアルミナセラミックス基板5はシリコーン樹脂接着
剤(図示省略)9により、Alベース板である回路基板2
上に取り付けられている。IGBTチップである半導体
素子基体1のエミッタ電極及びゲート電極は直径300
μmのAl線6により制御回路10と電気的に連絡され
ている。IGBTチップである半導体素子基体1のコレ
クタ電極は、Alベース板である回路基板2とAl線6
を経由して端子7と電気的に連絡されている。制御回路
10もAl線6′により端子7と電気的に連絡されてい
る。端子7はAlベース板である回路基板2と同質の材
料からなり、その表面にはNiめっき(図示省略,厚
さ:3〜7μm)が施されている。
On the other hand, a Cu wiring layer (not shown) 203 having a thickness of about 15 μm, a resistor 11 which is a thick film resistor, and an overcoat glass layer (not shown) are provided.
A 0.8 mm alumina ceramic substrate 5 was prepared.
Next, in a desired region of the alumina ceramic substrate 5, a composition Sn-3wt% Ag-
A paste containing 0.8 wt% Cu brazing filler metal powder is printed, and the printed portion has an IC chip substrate 12 and a capacitor 1.
3. Then, chip components such as a diode 14 which is a glass sleeve type Zener diode chip were mounted and heated to 250 ± 10 ° C. in air. Thus, each chip component (symbols 12, 13, and 14) and the resistor 11 are electrically connected to the Cu wiring layer 203 by the brazing material layer 3 ', and the semiconductor element substrate 1 as an IGBT chip is formed on the alumina ceramic substrate 5. A control circuit 10 for controlling the operation of (1) is formed.
The alumina ceramic substrate 5 is coated with a circuit board 2 which is an Al base plate by a silicone resin adhesive (not shown) 9.
Mounted on top. The emitter electrode and the gate electrode of the semiconductor element substrate 1 which is an IGBT chip have a diameter of 300.
It is electrically connected to the control circuit 10 by a μm Al wire 6. The collector electrode of the semiconductor element substrate 1 that is an IGBT chip is composed of a circuit board 2 that is an Al base plate and an Al wire 6.
And is electrically connected to the terminal 7 via. The control circuit 10 is also electrically connected to the terminal 7 by the Al wire 6 '. The terminals 7 are made of the same material as the circuit board 2 which is an Al base plate, and the surface thereof is plated with Ni (not shown, thickness: 3 to 7 μm).

【0047】以上の概略構造を有するアッセンブリは、
(b)に示す断面図の破線で示すように、IGBTチッ
プである半導体素子基体1の搭載部,チップ部品が取り
付けられたアルミナセラミックス基板5の搭載部,Al
線6及び6′が完全に封止される如くに、Alベース板
である回路基板2及び端子7の一部を含めてエポキシ樹
脂8によりトランスファモールドが施されている。エポ
キシ樹脂8は熱膨張率:16ppm/℃,ガラス転移点:
155℃,体積抵抗率:9×1015Ω・m(RT),曲げ
強度:体積抵抗率:3×1015kgf/mm2,曲げ弾性率:
1600kgf/mm2なる特性を有している。トランスファ
モールドは180℃のもとで実施し、次いで150℃の
もとで2hの熱処理を施して樹脂の硬化を促進させた。
The assembly having the above schematic structure is as follows:
As shown by the broken line in the cross-sectional view shown in (b), the mounting portion of the semiconductor element substrate 1 which is an IGBT chip, the mounting portion of the alumina ceramic substrate 5 to which the chip components are attached,
In order to completely seal the wires 6 and 6 ′, transfer molding is performed with an epoxy resin 8 including a part of the terminal 7 and the circuit board 2 which is an Al base plate. Epoxy resin 8 has a thermal expansion coefficient of 16 ppm / ° C. and a glass transition point of:
155 ° C., volume resistivity: 9 × 10 15 Ω · m (RT), flexural strength: volume resistivity: 3 × 10 15 kgf / mm 2 , flexural modulus:
It has a characteristic of 1600 kgf / mm 2 . The transfer mold was performed at 180 ° C., and then subjected to a heat treatment at 150 ° C. for 2 hours to accelerate the curing of the resin.

【0048】図15は半導体装置の温度サイクル試験に
よる熱抵抗の推移を示す。図中の曲線Aは本実施例の半
導体装置30、そして、曲線Bは比較用半導体装置(M
oからなる中間金属板を適用)に関するものである。本
実施例の半導体装置30の熱抵抗は、温度サイクル数:
5000回までの試験で初期値(約1.1℃/W)が維持
されている。以上のように、本実施例半導体装置30は
優れた信頼性が確保されていることが確認される。50
00回までの試験後にIGBTチップのろう付け部を調
べたが、破壊はろう材層によるろう付け31及びろう材
3のいずれにも生じていないことが確認された。これ
は、中間金属板4の熱膨張率が10.6ppm/℃と好まし
い熱膨張率範囲(7〜13.5ppm/℃)に調整されている
ため、ろう材層によるろう付け31やろう材3のいずれ
か一方の破壊が先行するのを抑え、半導体装置全体とし
ての寿命を長くするのに寄与していることに基づく。一
方、比較用半導体装置の場合は、温度サイクル数:10
0回を過ぎると熱抵抗の上昇を生じている。このこと
は、IGBTチップのろう付け部に熱伝導性を阻害する
破壊を生じていることを意味する。試験後の比較用半導
体装置を分解し、IGBTチップのろう付け部を調べた結
果、破壊はろう材3で生じていることが確認された。
FIG. 15 shows a change in thermal resistance of a semiconductor device in a temperature cycle test. A curve A in the figure is a semiconductor device 30 of this embodiment, and a curve B is a semiconductor device for comparison (M
o applied intermediate metal plate). The thermal resistance of the semiconductor device 30 of the present embodiment is determined by the number of temperature cycles:
The initial value (approximately 1.1 ° C./W) is maintained in the test up to 5000 times. As described above, it is confirmed that the semiconductor device 30 of this example has excellent reliability. 50
After the test up to 00 times, the brazing portion of the IGBT chip was examined, and it was confirmed that no breakage occurred in any of the brazing material 31 and the brazing material 3 by the brazing material layer. This is because the thermal expansion coefficient of the intermediate metal plate 4 is adjusted to a preferable thermal expansion coefficient range of 10.6 ppm / ° C. (7-13.5 ppm / ° C.). This is based on the fact that the destruction of either one of the above is suppressed and the life of the semiconductor device as a whole is prolonged. On the other hand, in the case of the comparative semiconductor device, the number of temperature cycles: 10
Exceeding zero causes an increase in thermal resistance. This means that the brazing portion of the IGBT chip has been broken to inhibit thermal conductivity. As a result of disassembling the comparative semiconductor device after the test and examining the brazed portion of the IGBT chip, it was confirmed that destruction occurred in the brazing material 3.

【0049】なお、本実施例の半導体装置30の熱抵抗
初期値は約1.1℃/W である。この値は、周囲温度:
114℃の条件下でIGBTチップが10Wの電力を消
費した場合でも、IGBTチップは安定的に動作し得る
ことを意味する。このように優れた放熱性は、エンジン
ルーム等の過酷な温度条件の所に半導体装置30を実装
しても安定した性能を維持できることを意味し、自動車
用半導体装置として特に好ましい点である。
The initial value of the thermal resistance of the semiconductor device 30 of this embodiment is about 1.1 ° C./W. This value depends on the ambient temperature:
This means that the IGBT chip can operate stably even when the IGBT chip consumes 10 W of power under the condition of 114 ° C. Such excellent heat dissipation means that stable performance can be maintained even when the semiconductor device 30 is mounted in a severe temperature condition such as an engine room, and is particularly preferable as a semiconductor device for automobiles.

【0050】図16は本実施例半導体装置30の回路を
説明する図である。IGBT素子である半導体素子基体
1のエミッタ及びゲートは制御回路10と電気的に接続
され、半導体素子基体1の動作はこの制御回路10によ
り制御される。制御回路10には抵抗11,ICチップ
基体12,コンデンサ13が搭載され、これらの素子は
Cu配線層203により接続されている。IGBTであ
る半導体素子基体1と制御回路10からはそれぞれ端子
7が引き出されている。半導体装置30はIGBT素子であ
る半導体素子基体1とそれを制御する制御回路10とか
ら構成され、自動車用エンジン点火装置30はIGBT
素子1とそれを制御する制御回路10とから構成され、
自動車用エンジン点火装置のコイルへ給電するのに用い
られる。また図17は、図16の回路と同様に自動車用
エンジン点火装置のコイルへ給電するのに用いられる、
他の半導体装置の例である。この場合の制御回路には、
サージ保護素子13Aやダイオード14も搭載されてい
る。これらの回路から構成された半導体装置30は、最
高周囲温度110℃の環境のもとで自動車用エンジンを
点火するのに使用された。自動車の走行距離10万キロ
メートルに相当する稼働においても、本実施例の半導体
装置30はその回路機能を維持することが確認された。
FIG. 16 is a diagram for explaining the circuit of the semiconductor device 30 of this embodiment. The emitter and the gate of the semiconductor element substrate 1 which is an IGBT element are electrically connected to a control circuit 10, and the operation of the semiconductor element substrate 1 is controlled by the control circuit 10. The control circuit 10 includes a resistor 11, an IC chip base 12, and a capacitor 13, and these elements are connected by a Cu wiring layer 203. Terminals 7 are respectively drawn from the semiconductor element substrate 1 which is an IGBT and the control circuit 10. The semiconductor device 30 comprises a semiconductor element base 1 which is an IGBT element and a control circuit 10 for controlling the same.
It comprises an element 1 and a control circuit 10 for controlling the element 1,
It is used to supply power to the coil of the engine ignition device for automobiles. FIG. 17 is used to supply power to the coil of the vehicle engine ignition device in the same manner as the circuit of FIG.
13 is an example of another semiconductor device. The control circuit in this case includes
A surge protection element 13A and a diode 14 are also mounted. The semiconductor device 30 composed of these circuits was used to ignite an automobile engine under an environment having a maximum ambient temperature of 110 ° C. It has been confirmed that the semiconductor device 30 of the present embodiment maintains its circuit function even when the vehicle travels for 100,000 kilometers.

【0051】〔実施例4〕本実施例では、MOSFETパワー
半導体素子基体が組み込まれたDC/DCコンバータ用
半導体装置及びこの半導体装置を用いたDC/DCコン
バータとしての電子装置について説明する。
Embodiment 4 In this embodiment, a semiconductor device for a DC / DC converter incorporating a MOSFET power semiconductor element substrate and an electronic device as a DC / DC converter using this semiconductor device will be described.

【0052】本実施例DC/DCコンバータ用の半導体
装置30は、半導体素子基体1としてのSiからなるMO
SFETチップ101(8個,チップサイズ:9×9×0.
28mm)は、サイズ10×10×0.6mmの中間金属板4
を介して、回路基板である回路基板2上にろう付け3
1,ろう材3により搭載されている。中間金属板4は、
第1金属41としてのインバ(厚さ:0.2mm)両面にサ
ンドウィッチ状に第2金属42としてのCu(各厚さ:
0.2mm)を接合したクラッド材で、表面にNiめっき
(厚さ:3〜7μm)43が施されている。回路基板で
ある回路基板2は金属板201としてのAl板(サイ
ズ:68×46×1.5mm)の一方の主面にエポキシ樹
脂絶縁層(厚さ:150μm)202を介してCu配線
層(厚さ:70μm)203が選択形成されている。MO
SFETチップである半導体素子基体1と中間金属板4は組
成Sn−5wt%Sbなるろう材(厚さ:70μm,温
度:270±10℃)によるろう付け31により、そして
中間金属板4とAl絶縁回路基板である回路基板2は組
成Sn−3wt%Ag−0.8wt%Cu なるろう材
(厚さ:70μm,温度:240±10℃)3によりそ
れぞれろう付けされている。次いで、エポキシ樹脂枠2
1とCuからなる端子7とを一体化したケース20を回
路基板である回路基板2に、シリコーン樹脂接着剤25
により取り付けた。MOSFETチップである半導体素子基体
1のゲート,ソース及びドレインにはそれぞれAl線
(直径:300μm)6のワイヤボンディングを施し
た。また、MOSFETチップである半導体素子基体1の搭載
部にはシリコーンゲル樹脂8aをポッティング塗布し、
150℃×2hの熱処理を施して硬化した。最終的にエ
ポキシ樹脂からなるケース蓋22を取り付けて、半導体
装置30を完成した。
In this embodiment, a semiconductor device 30 for a DC / DC converter is a semiconductor device
SFET chip 101 (8 pieces, chip size: 9 x 9 x 0.
28mm) is an intermediate metal plate 4 of size 10 × 10 × 0.6mm.
3 on the circuit board 2 which is a circuit board through
1, the brazing material 3. The intermediate metal plate 4
Cu (as each thickness: 0.2 mm) as a second metal 42 is sandwiched on both sides of an invar (thickness: 0.2 mm) as a first metal 41.
0.2 mm), and the surface thereof is plated with Ni (thickness: 3 to 7 μm) 43. The circuit board 2, which is a circuit board, has a Cu wiring layer (thickness: 150 μm) 202 on one main surface of an Al plate (size: 68 × 46 × 1.5 mm) as a metal plate 201 via an epoxy resin insulating layer (thickness: 150 μm). (Thickness: 70 μm) 203 is selectively formed. MO
The semiconductor element substrate 1 as an SFET chip and the intermediate metal plate 4 are brazed by a brazing material (thickness: 70 μm, temperature: 270 ± 10 ° C.) having a composition of Sn-5 wt% Sb, and are insulated from the intermediate metal plate 4 by Al. The circuit board 2, which is a circuit board, is brazed by a brazing material (thickness: 70 μm, temperature: 240 ± 10 ° C.) 3 having a composition of Sn-3 wt% Ag-0.8 wt% Cu. Next, the epoxy resin frame 2
1 and a terminal 7 made of Cu are integrated with a circuit board 2 which is a circuit board.
Mounted by The gate, source, and drain of the semiconductor element substrate 1, which is a MOSFET chip, were each subjected to Al wire (diameter: 300 μm) 6 wire bonding. Further, a silicone gel resin 8a is applied by potting to a mounting portion of the semiconductor element substrate 1 which is a MOSFET chip,
It was cured by applying a heat treatment at 150 ° C. × 2 h. Finally, the semiconductor device 30 was completed by attaching the case lid 22 made of epoxy resin.

【0053】以上により製作された本実施例半導体装置
30は、図18に示す回路を構成している。ゲート端子
7aは各MOSFETチップである半導体素子基体1ごとに専
用のものを配置し、ソース端子7cや入力端子7A,出
力端子7Bは各MOSFETチップである半導体素子基体1間
で共用するように配線されている。
The semiconductor device 30 of the present embodiment manufactured as described above constitutes a circuit shown in FIG. The gate terminal 7a is provided exclusively for each semiconductor element substrate 1 as each MOSFET chip, and the source terminal 7c, the input terminal 7A, and the output terminal 7B are wired so as to be shared between the semiconductor element substrates 1 as each MOSFET chip. Have been.

【0054】本実施例の半導体装置30の1個のMOSFET
チップである半導体素子基体1当たりの定常熱抵抗は、
約1.5℃/W であった。この値は、周囲温度:110
℃の条件下でMOSFETチップである半導体素子基体1が1
0Wの電力を消費した場合でも、MOSFETチップ1は安定
的に動作できることを意味する。
One MOSFET of the semiconductor device 30 of this embodiment
The steady thermal resistance per semiconductor element substrate as a chip is
It was about 1.5 ° C / W. This value is the ambient temperature: 110
The semiconductor element substrate 1 which is a MOSFET chip under the condition of
This means that the MOSFET chip 1 can operate stably even when the power of 0 W is consumed.

【0055】本実施例の半導体装置30の温度サイクル
試験(−55〜150℃)による熱抵抗の推移を追跡し
た。温度サイクル数:5000回までは、初期値と同等
の熱抵抗(約1.5C/W)が維持された。本実施例の半
導体装置30では、中間金属板4の熱膨張率が10.6p
pm/℃と好ましい熱膨張率範囲(7〜13.5ppm/℃)に
調整されているため、ろう材層によるろう付け31やろ
う材3のいずれかが先行破壊するのが抑えられ、半導体
装置全体としての寿命が伸長されている。
The transition of the thermal resistance of the semiconductor device 30 of the present embodiment by the temperature cycle test (−55 to 150 ° C.) was traced. Temperature cycle number: Up to 5000 times, the same thermal resistance (about 1.5 C / W) as the initial value was maintained. In the semiconductor device 30 of this embodiment, the thermal expansion coefficient of the intermediate metal plate 4 is 10.6 p.
Since the thermal expansion coefficient is adjusted to a preferable range of pm / ° C. (7-13.5 ppm / ° C.), any of the brazing material 31 and the brazing material 3 by the brazing material layer is prevented from being prematurely destroyed. The overall life is extended.

【0056】図19は本実施例の半導体装置30が組み
込まれたDC/DCコンバータとしての電子装置90を
説明するブロック図である。DC/DCコンバータであ
る電子装置90は本実施例の半導体装置30、半導体装
置30を駆動させるための制御回路10A,変圧器8
1,整流回路82、そして平滑及び制御回路83が組み
込まれ、入力電源84の電圧を昇降圧した電力を電池8
5に供給し、この電力は最終的に負荷回路86に送られ
る。ここで、負荷回路とは例えば照明機器,ワイパー,
窓,エアコン等の動力源としてのモータ類,エンジン用
点火装置,センサ類などを言う。以上のDC/DCコン
バータ装置である電子装置90は自動車に取り付けら
れ、走行距離10万キロメートルに相当する稼働条件下
で性能が確認された。この結果、本実施例の半導体装置
30は及びコンバータ装置である電子装置90は10万
キロメートル走行後でも所期の回路機能を維持されるこ
とが確認された。
FIG. 19 is a block diagram for explaining an electronic device 90 as a DC / DC converter in which the semiconductor device 30 of the present embodiment is incorporated. The electronic device 90, which is a DC / DC converter, includes a semiconductor device 30, a control circuit 10A for driving the semiconductor device 30, and a transformer 8 according to the present embodiment.
1, a rectifier circuit 82, and a smoothing and control circuit 83 are incorporated.
5 and this power is ultimately sent to the load circuit 86. Here, the load circuit is, for example, a lighting device, a wiper,
Motors as power sources for windows, air conditioners, etc., engine ignition devices, sensors, etc. The electronic device 90, which is a DC / DC converter device described above, was mounted on an automobile, and its performance was confirmed under operating conditions corresponding to a running distance of 100,000 kilometers. As a result, it was confirmed that the semiconductor device 30 of the present example and the electronic device 90 as the converter device maintained their intended circuit functions even after traveling 100,000 km.

【0057】〔実施例5〕本実施例では、パワー半導体
素子基体とその電気的動作を制御する制御回路を搭載し
た半導体装置及びこの半導体装置を用いた自動車用点火
装置としての電子装置について説明する。
[Embodiment 5] In this embodiment, a semiconductor device equipped with a power semiconductor element base and a control circuit for controlling the electrical operation thereof, and an electronic device as an automobile ignition device using this semiconductor device will be described. .

【0058】本実施例の半導体装置30は、基本的に前
記実施例3に記載の半導体装置と同様の構成を有してい
る(図14,図16,図17参照)。したがって、変更
した要点のみを以下に記述する。
The semiconductor device 30 of this embodiment has basically the same configuration as the semiconductor device described in the third embodiment (see FIGS. 14, 16 and 17). Therefore, only the changed points are described below.

【0059】中間金属板(サイズ:6×6×0.6mm)4
は表1に示した材料で構成され、その表面にはNiめっ
き(厚さ:3〜7μm)43が施されている。IGBT
チップ基体である半導体素子基体1(チップサイズ:5
×5×0.25mm)は、厚さ1mm,面積約25×20mm
のAlベース板である回路基板2上に中間金属板(サイ
ズ:6×6×0.6mm)4を介して、組成Sn−5wt
%Sb−0.6wt%Ni−0.05wt%P のろう材
(厚さ:200μm,温度:270±10℃)31及び
組成Sn−3wt%Ag−0.8wt%Cuのろう材(厚
さ:200μm,温度:240±10℃)3により固着
されている。Alベース板である回路基板2の表面に
は、Niめっき(厚さ:3〜7μm)43が施されてい
る。また、前記実施例3と同様の制御回路10が形成さ
れたアルミナセラミックス基板5をシリコーン樹脂接着
剤9によりAlベース板である回路基板2上に取り付
け、所定の配線及び樹脂モールド封止をして半導体装置
30を得た。
Intermediate metal plate (size: 6 × 6 × 0.6 mm) 4
Is made of the material shown in Table 1, and its surface is subjected to Ni plating (thickness: 3 to 7 μm) 43. IGBT
Semiconductor element substrate 1 which is a chip substrate (chip size: 5
× 5 × 0.25mm) is 1mm thick and about 25 × 20mm in area
Of a composition Sn-5wt on a circuit board 2 which is an Al base plate of the above through an intermediate metal plate (size: 6 × 6 × 0.6 mm) 4
% Sb-0.6 wt% Ni-0.05 wt% P brazing material (thickness: 200 μm, temperature: 270 ± 10 ° C.) 31 and a brazing material of composition Sn-3 wt% Ag-0.8 wt% Cu : 200 μm, temperature: 240 ± 10 ° C.) 3. The surface of the circuit board 2 which is an Al base plate is plated with Ni (thickness: 3 to 7 μm) 43. Further, an alumina ceramics substrate 5 on which a control circuit 10 similar to that of the third embodiment is formed is mounted on a circuit board 2 which is an Al base plate with a silicone resin adhesive 9, and predetermined wiring and resin molding are performed. The semiconductor device 30 was obtained.

【0060】表2は本実施例の半導体装置30の性能を
示す。熱抵抗は0.8〜1.7℃/Wである。これらは、
周囲温度:108℃より高い温度のもとでIGBTチッ
プである半導体素子基体1が10Wの電力を消費した場
合でも、IGBTチップは安定的に動作し得ることを意
味する。このように優れた放熱性は、エンジンルーム等
の過酷な温度条件の所に半導体装置30を実装しても安
定した性能を維持できることを意味し、自動車用半導体
装置として特に好ましい点である。また、温度サイクル
数:5000回までの試験では、各試料とも熱抵抗の増
大を生じていない。これは、中間金属板4の熱膨張率が
表2に示したように好ましい熱膨張範囲(7〜13.5p
pm/℃)に調整されているため、ろう材層によるろう付
け31やろう材3のいずれか一方の先行破壊が抑えら
れ、半導体装置全体としての寿命が伸長されることに基
づく。
Table 2 shows the performance of the semiconductor device 30 of this embodiment. Thermal resistance is 0.8-1.7 ° C / W. They are,
Ambient temperature: This means that the IGBT chip can operate stably even when the semiconductor element substrate 1 as the IGBT chip consumes 10 W of power at a temperature higher than 108 ° C. Such excellent heat dissipation means that stable performance can be maintained even when the semiconductor device 30 is mounted in a severe temperature condition such as an engine room, and is particularly preferable as a semiconductor device for automobiles. Further, in the test up to the number of temperature cycles: 5000, no increase in the thermal resistance occurred in each sample. This is because the intermediate metal plate 4 has a preferable coefficient of thermal expansion as shown in Table 2 (7-13.5p).
(pm / ° C.), so that the pre-breakage of either the brazing material 31 or the brazing material 3 by the brazing material layer is suppressed, and the life of the semiconductor device as a whole is extended.

【0061】[0061]

【表2】 [Table 2]

【0062】本施例の半導体装置30はIGBT素子で
ある半導体素子基体1とそれを制御する制御回路10と
からなり、図16に示した回路を有し、そして自動車用
エンジン点火装置のコイルへ給電するのに用いられる。
この半導体装置30は、最高周囲温度110℃の環境の
もとで自動車用エンジンを点火するのに使用された。自
動車の走行距離10万キロメートルに相当する稼働にお
いても、本実施例の半導体装置30はその回路機能を維
持することが確認された。
The semiconductor device 30 of this embodiment comprises a semiconductor element base 1 which is an IGBT element and a control circuit 10 for controlling the same. The circuit has the circuit shown in FIG. Used to supply power.
This semiconductor device 30 was used to ignite an automobile engine in an environment having a maximum ambient temperature of 110 ° C. It has been confirmed that the semiconductor device 30 of the present embodiment maintains its circuit function even when the vehicle travels for 100,000 kilometers.

【0063】以上までに、本発明の実施例について説明
した。本発明における半導体装置30は、実施例記載の
範囲に限定されるものではない。
The embodiments of the present invention have been described above. The semiconductor device 30 in the present invention is not limited to the range described in the embodiment.

【0064】例えば、本発明における半導体装置30は
図20に示す回路を構成する装置に展開されてもよい。
この場合、半導体装置30は図21に示す電動機950
の回転数制御用インバータ装置である電子装置90に組
み込まれる。インバータ装置である電子装置90は、本
発明における電子装置であり、電動機950とともに電
気自動車にその動力源として組み込まれた。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、ギヤの噛込み比率の違いにより変則していた
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。また、本発明半導
体装置30を組み込んだインバータ装置である電子装置
90は、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)に組み込まれてもよい。この場合
は、高いエネルギー効率を得ることができる、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を、
交流電動機を用いた場合より約1/2に短縮できる。
For example, the semiconductor device 30 according to the present invention may be expanded to a device constituting a circuit shown in FIG.
In this case, the semiconductor device 30 is a motor 950 shown in FIG.
Is incorporated in an electronic device 90 which is an inverter device for controlling the number of revolutions. The electronic device 90, which is an inverter device, is an electronic device according to the present invention, and is incorporated into an electric vehicle together with the electric motor 950 as a power source thereof. In this vehicle, the driving mechanism from the power source to the wheels can be simplified, so that the shock at the time of shifting is reduced as compared with a conventional vehicle that is irregular due to a difference in the gear engagement ratio.
Furthermore, this car can run smoothly in the range of 0 to 259 km / h, and in terms of vibration and noise generated by a power source, it is about half that of a car equipped with a conventional cylinder engine. Can be reduced. The electronic device 90, which is an inverter device incorporating the semiconductor device 30 of the present invention, is incorporated in a cooling / heating machine (power consumption during cooling: 5 kW, power consumption during heating: 3 kW, power supply voltage: 200 V) together with a brushless DC motor. You may. In this case, it is possible to obtain high energy efficiency, which is useful for reducing power consumption when using the air conditioner / heater. Also, the time from when the indoor temperature reaches the set temperature until the operation starts,
It can be reduced to about 1 / compared to the case where an AC motor is used.

【0065】同様の効果は、半導体装置30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。
The same effect can be obtained even when the semiconductor device 30 is incorporated in a device for stirring or flowing another fluid, for example, a washing machine, a fluid circulation device, or the like.

【0066】本発明において、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(例えば、電車,
エレベータ,エスカレータ,ベルトコンベア)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)前記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3
0kHz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。
In the present invention, the semiconductor device is used by being incorporated in an electric circuit for supplying power to a load. On this occasion,
(1) A semiconductor device is incorporated in an electric circuit for supplying power to a rotating device to control the rotation speed of the rotating device, or to move the system itself (for example, a train,
(Elevator, escalator, belt conveyor) together with the rotating device to control the moving speed of the moving system; (2) when the electric circuit for feeding the rotating device is an inverter circuit; (4) When the semiconductor device is incorporated in a device for processing an object and the grinding speed of the workpiece is controlled, the semiconductor device is incorporated in a device for agitating or flowing the object to control the moving speed of the object to be stirred or the fluid. (5) When the semiconductor device is incorporated in a light emitting body to control the amount of light emitted from the light emitting body; and (6) When the semiconductor device has an output frequency of 50 Hz to 3 Hz.
Even when operating at 0 kHz, the same effects and advantages as those of the above embodiment can be obtained.

【0067】本発明において、半導体装置の電気回路は
実施例に掲げたものに限定されない。例えば、図22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ることも、好ましいこと
である。
In the present invention, the electric circuit of the semiconductor device is not limited to those described in the embodiments. For example, as shown in FIG. 22, the provision of various electric circuits inside the semiconductor device does not hinder the use of these circuits in an electronic device. At this time, it is also preferable that a passive element is incorporated in an electric circuit inside the semiconductor device.

【0068】[0068]

【発明の効果】本発明によれば、半導体基体を載置部材
に固着する部分の課題な応力を緩和するとともに放熱性
を向上させ、運転時の熱的及び機械的変化による半導体
装置の破損を防止し、放熱性を損ねることなく優れた信
頼性の維持が可能な半導体装置及びそれを用いた電子装
置を提供できる。
According to the present invention, the stress at the portion where the semiconductor substrate is fixed to the mounting member is relieved and the heat dissipation is improved, so that damage to the semiconductor device due to thermal and mechanical changes during operation is prevented. It is possible to provide a semiconductor device capable of preventing the occurrence and maintaining excellent reliability without deteriorating heat dissipation, and an electronic device using the same.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例の半導体装置を示す断面図で
ある。
FIG. 1 is a sectional view showing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.

【図2】半導体素子基体と回路基板との間に配置して固
着される中間金属板の一例を説明する断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of an intermediate metal plate arranged and fixed between a semiconductor element substrate and a circuit board.

【図3】半導体素子基体1の搭載部の詳細を説明する断
面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating details of a mounting portion of the semiconductor element substrate 1.

【図4】半導体素子基体が中間金属板を介して回路基板
上に固着された部分のろう材層における熱歪を示すグラ
フである。
FIG. 4 is a graph showing a thermal strain in a brazing material layer at a portion where a semiconductor element substrate is fixed on a circuit board via an intermediate metal plate.

【図5】半導体素子基体ろう付け部の温度サイクル試験
による破壊寿命のワイブル分布を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a Weibull distribution of a destructive life of a brazed portion of a semiconductor element substrate by a temperature cycle test.

【図6】半導体素子基体ろう付け部の温度サイクル試験
による−3σ水準寿命を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a -3σ level life of a brazed portion of a semiconductor element substrate by a temperature cycle test.

【図7】半導体装置に電力を印加したときの半導体素子
基体の温度上昇を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing a temperature rise of a semiconductor element base when power is applied to a semiconductor device.

【図8】中間金属板の代替材料を説明する断面図であ
る。
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating an alternative material for the intermediate metal plate.

【図9】本発明一実施例の半導体装置を説明する平面
図,断面図及び回路図である。
FIG. 9 is a plan view, a cross-sectional view, and a circuit diagram illustrating a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

【図10】一実施例半導体装置の過渡熱抵抗特性を示す
グラフである。
FIG. 10 is a graph showing transient thermal resistance characteristics of the semiconductor device according to one embodiment.

【図11】一実施例半導体装置の温度サイクル試験によ
る熱抵抗の推移を示すグラフである。
FIG. 11 is a graph showing a change in thermal resistance of a semiconductor device according to an example in a temperature cycle test.

【図12】一実施例半導体装置が組み込まれた電子装置
を説明するブロック図である。
FIG. 12 is a block diagram illustrating an electronic device in which a semiconductor device according to one embodiment is incorporated.

【図13】他実施例半導体装置の内部を示すブロック図
である。
FIG. 13 is a block diagram showing the inside of a semiconductor device according to another embodiment.

【図14】パワー半導体素子基体とその制御回路を搭載
した半導体装置を説明する鳥瞰図及び断面図である。
14A and 14B are a bird's-eye view and a cross-sectional view illustrating a semiconductor device on which a power semiconductor element substrate and a control circuit thereof are mounted.

【図15】半導体装置の温度サイクル試験による熱抵抗
の推移を示すグラフである。
FIG. 15 is a graph showing changes in thermal resistance of a semiconductor device in a temperature cycle test.

【図16】他実施例半導体装置の回路を説明する図であ
る。
FIG. 16 is a diagram illustrating a circuit of a semiconductor device according to another embodiment.

【図17】自動車用エンジン点火装置のコイルへ給電す
るのに用いられる他の半導体装置の回路図である。
FIG. 17 is a circuit diagram of another semiconductor device used to supply power to a coil of an automobile engine ignition device.

【図18】他実施例半導体装置の回路を説明する図であ
る。
FIG. 18 is a diagram illustrating a circuit of a semiconductor device according to another embodiment.

【図19】他実施例半導体装置が組み込まれたDC/D
Cコンバータとしての電子装置を説明するブロック図で
ある。
FIG. 19 is a DC / D in which a semiconductor device according to another embodiment is incorporated.
It is a block diagram explaining the electronic device as a C converter.

【図20】本発明半導体装置の他の回路を説明する図で
ある。
FIG. 20 is a diagram illustrating another circuit of the semiconductor device of the present invention.

【図21】本発明半導体装置を組み込んだインバータ装
置を説明する図である。
FIG. 21 is a diagram illustrating an inverter device incorporating the semiconductor device of the present invention.

【図22】本発明半導体装置の他の電気回路を説明する
図である。
FIG. 22 is a diagram illustrating another electric circuit of the semiconductor device of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…半導体素子基体、2…回路基板、3…ろう材、3′
…ろう材層、4…中間金属板、5…アルミナセラミック
ス基板、6,6′…Al線、7…端子、7a…ゲート端
子、7b…ドレイン端子、7c…ソース端子、7A…入
力端子、7B…出力端子、8…エポキシ樹脂、8a…シ
リコーンゲル樹脂、8b…エポキシ樹脂,モールド樹
脂、9,25…シリコーン樹脂接着剤、10,10A…
制御回路、11…抵抗、12…ICチップ基体、13…
コンデンサ、13A…サージ保護素子、14…ダイオー
ド、20…ケース、21…エポキシ樹脂枠、22…ケー
ス蓋、30…半導体装置、31…ろう付け、41…第1
金属、41′…SiC粉末、41″…SiC繊維クロ
ス、42…第2金属、43…Niめっき、60…ゲート
駆動回路、70…コントロール部、81…変圧器、82
…整流回路、83…平滑及び制御回路、84…入力電
源、85…電池、86…負荷回路、90…電子装置、2
01…金属板、202…エポキシ樹脂絶縁層、203…
Cu配線層、950…電動機。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor element base, 2 ... Circuit board, 3 ... Brazing material, 3 '
... brazing material layer, 4 ... intermediate metal plate, 5 ... alumina ceramics substrate, 6, 6 '... Al wire, 7 ... terminal, 7a ... gate terminal, 7b ... drain terminal, 7c ... source terminal, 7A ... input terminal, 7B ... output terminal, 8 ... epoxy resin, 8a ... silicone gel resin, 8b ... epoxy resin, mold resin, 9,25 ... silicone resin adhesive, 10,10A ...
Control circuit, 11: resistor, 12: IC chip base, 13 ...
Capacitor, 13A: surge protection element, 14: diode, 20: case, 21: epoxy resin frame, 22: case lid, 30: semiconductor device, 31: brazing, 41: first
Metal, 41 ': SiC powder, 41 ": SiC fiber cloth, 42: Second metal, 43: Ni plating, 60: Gate drive circuit, 70: Control unit, 81: Transformer, 82
... Rectifier circuit, 83 ... Smoothing and control circuit, 84 ... Input power supply, 85 ... Battery, 86 ... Load circuit, 90 ... Electronic device, 2
01 ... metal plate, 202 ... epoxy resin insulating layer, 203 ...
Cu wiring layer, 950 ... motor.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯塚 守 群馬県高崎市西横手町111番地 株式会社 日立製作所半導体グループ技術開発部内 (72)発明者 遠藤 恒雄 東京都千代田区神田駿河台四丁目6番地 株式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 須藤 義雄 埼玉県入間郡毛呂山町旭台15番地 日立東 部セミコンダクタ株式会社内 (72)発明者 新津 利治 東京都千代田区神田駿河台四丁目6番地 株式会社日立製作所半導体事業部内 Fターム(参考) 5F036 AA00 BB08 BC06 BD01 BE01 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Mamoru Iizuka 111 Nishiyokote-cho, Takasaki City, Gunma Prefecture Semiconductor Engineering Division, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Tsuneo Endo 4-6-1 Kanda Surugadai, Chiyoda-ku, Tokyo Shares (72) Inventor Yoshio Sudo, 15 Asahidai, Moroyama-cho, Iruma-gun, Saitama Hitachi, Ltd. Inside Semiconductor Co., Ltd. (72) Inventor Toshiharu Niitsu 4-6-6 Kanda Surugadai, Chiyoda-ku, Tokyo Hitachi, Ltd. F term in the Semiconductor Division (reference) 5F036 AA00 BB08 BC06 BD01 BE01

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基体,金属板の主面に絶縁層を介し
て配線層を設けた載置部材又は金属板からなる載置部
材、及び該半導体基体と該載置部材の間に配置された中
間金属板が、Sn,Sb,Ag,Cu,Ni,P,B
i,Zn,AuそしてInの群から選択された少なくと
も1種の物質とSnからなるろう材により固着され、該
中間金属板の固着面と平行な方向の熱膨張率が7〜1
3.5ppm/℃そして熱伝導率が150W/m・K以上に
調整されていることを特徴とする半導体装置。
1. A mounting member comprising a semiconductor substrate, a metal plate and a mounting member provided with a wiring layer on a main surface of the metal plate via an insulating layer, and a mounting member formed of a metal plate and disposed between the semiconductor substrate and the mounting member. The intermediate metal plate is Sn, Sb, Ag, Cu, Ni, P, B
At least one material selected from the group consisting of i, Zn, Au and In is fixed by a brazing material made of Sn, and the thermal expansion coefficient in a direction parallel to the fixing surface of the intermediate metal plate is 7-1.
A semiconductor device wherein the thermal conductivity is adjusted to 3.5 ppm / ° C. and the thermal conductivity is adjusted to 150 W / m · K or more.
【請求項2】請求項1において、該半導体基体が固着さ
れた部分を樹脂により封止することを特徴とする半導体
装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a portion to which the semiconductor substrate is fixed is sealed with a resin.
【請求項3】半導体基体,金属板の主面に絶縁層を介し
て配線層を設けた載置部材又は金属板からなる載置部
材、及び該半導体基体と該載置部材の間に配置された中
間金属板が、Sn,Sb,Ag,Cu,Ni,P,B
i,Zn,AuそしてInの群から選択された少なくと
も1種の物質とSnからなるろう材により固着され、該
中間金属板の固着面と平行な方向の熱膨張率が7〜1
3.5ppm/℃そして熱伝導率が150W/m・K以上に
調整されている半導体装置が、負荷に給電する装置に組
み込まれたことを特徴とする電子装置。
3. A mounting member having a wiring layer provided on a main surface of a semiconductor substrate and a metal plate via an insulating layer or a mounting member formed of a metal plate, and a mounting member disposed between the semiconductor substrate and the mounting member. The intermediate metal plate is Sn, Sb, Ag, Cu, Ni, P, B
At least one material selected from the group consisting of i, Zn, Au and In is fixed by a brazing material made of Sn, and the thermal expansion coefficient in a direction parallel to the fixing surface of the intermediate metal plate is 7-1.
An electronic device, wherein a semiconductor device adjusted to 3.5 ppm / ° C. and a thermal conductivity of 150 W / m · K or more is incorporated in a device for supplying power to a load.
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