JP2003243610A - Insulation type semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は絶縁型半導体装置、
特にパワーモジュール用として好適なAl配線回路基板
を用いた絶縁型半導体装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an insulating semiconductor device,
In particular, the present invention relates to an insulating semiconductor device using an Al wiring circuit board suitable for a power module.
【0002】[0002]
【従来の技術】パワーモジュールに代表される絶縁型半
導体装置では、全ての電極を金属支持部材から電気的に
絶縁し、これら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。2. Description of the Related Art In an insulated semiconductor device represented by a power module, all electrodes are electrically insulated from a metal supporting member, and these electrodes are insulated from all package members including the metal supporting member by an insulating member. Be pulled out to the outside. Therefore, even in the use example in which the pair of main electrodes are floated 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.
【0003】絶縁型半導体装置では、この装置に収納さ
れた半導体素子を安全かつ安定に動作させるために、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
半導体素子基体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,半導体基体を接着す
る部分等に用いられた接着材層、及び金属支持部材を含
むのが一般的である。In the insulated semiconductor device, in order to safely and stably operate the semiconductor element housed in the device, it is necessary to efficiently dissipate the heat generated during the operation of the device to the outside of the package. This heat dissipation is usually achieved by transferring heat from the semiconductor element substrate, which is a heat source, to the air through each member bonded thereto. Insulated semiconductor devices generally include an insulator, an adhesive layer used in a portion for adhering a semiconductor substrate, and a metal supporting member in the heat transfer path.
【0004】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 electric power handled by a circuit including a semiconductor device becomes higher or the required reliability (stability over time, moisture resistance, heat resistance, etc.) becomes higher, 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 cause but also the case where the electric power handled by the semiconductor device is large and the heat generated in the semiconductor substrate is large.
【0005】絶縁型半導体装置では一般に半導体素子基
体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一部と支持部材とを電気的に絶縁
する必要がある。例えば、第1先行技術としての特開平
9−289266号公報には、AlN,アルミナ等のセ
ラミックス板の一方の面に接合されたAl板から電子部
品を搭載するための回路パターンを形成し、他方の面に
放熱部形成用Al板を接合したAl−セラミックス複合
基板が開示されている。Since an insulated semiconductor device generally incorporates a certain electric circuit including a semiconductor element substrate,
It is necessary to electrically insulate at least a part of the circuit from the support member. For example, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 9-289266 as a first prior art, a circuit pattern for mounting an electronic component is formed from an Al plate joined to one surface of a ceramic plate such as AlN or alumina, and the other is formed. There is disclosed an Al-ceramics composite substrate in which an Al plate for forming a heat radiating portion is bonded to the surface.
【0006】第2先行技術として、特開2000−27
7953号公報には、セラミックス板とSiC粉末で形
成された多孔質プリフォームを隣接させ、前記プリフォ
ームに溶融Alを含浸することによりAl/SiC複合
材を製作すると同時にAl/SiC複合材とセラミック
ス板を溶融Alにより一体化接合し、セラミックス板の
表面にAl回路部を形成した回路基板が開示されてい
る。As a second prior art, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-27
In Japanese Patent Publication No. 7953, a ceramic plate and a porous preform formed of SiC powder are arranged adjacent to each other, and the preform is impregnated with molten Al to manufacture an Al / SiC composite material, and at the same time, an Al / SiC composite material and a ceramic material. A circuit board is disclosed in which plates are integrally joined by molten Al and an Al circuit portion is formed on the surface of a ceramic plate.
【0007】第3先行技術として、特開平11−330
311号公報には、熱伝導率が60w/m・K以上であ
る窒化珪素基板と、この基板に搭載された半導体素子
と、基板の半導体素子搭載面に接合されたCuからなる
金属回路板と、基板の半導体素子非搭載面に接合され、
かつ機器ケーシングあるいは実装ボードに一体に接合さ
れる単数のCuからなる金属板とを具備する半導体モジ
ュールが開示されている。As a third prior art, Japanese Patent Laid-Open No. 11-330
311 discloses a silicon nitride substrate having a thermal conductivity of 60 w / m · K or more, a semiconductor element mounted on this substrate, and a metal circuit board made of Cu bonded to a semiconductor element mounting surface of the substrate. , Bonded to the surface of the substrate on which semiconductor elements are not mounted,
Also disclosed is a semiconductor module including a single metal plate made of Cu that is integrally joined to a device casing or a mounting board.
【0008】[0008]
【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。When the amount of heat generated in the semiconductor device is small and the required reliability is not so high, there is no problem in using any material as a member constituting the device. However, when a large amount of heat is generated and high reliability is required, the member to be applied must be selected.
【0009】従来の絶縁型半導体装置では、第1先行技
術に開示されるような回路基板の回路パターン側には半
導体基体がはんだ付けにより固着され、放熱板側はC
u,Moの如き金属支持板あるいはAl/SiC材の如
き複合材支持板がはんだ付けにより一体化されるのが一
般的である。In the conventional insulated semiconductor device, the semiconductor substrate is fixed to the circuit pattern side of the circuit board as disclosed in the first prior art by soldering, and the heat dissipation plate side is C.
Generally, a metal supporting plate such as u or Mo or a composite supporting plate such as Al / SiC material is integrated by soldering.
【0010】このようなAl−セラミックス材の複合基
板では、回路パターン及び放熱板とセラミックス板の間
の接合界面は欠陥が形成されやすく、接合力の強固な界
面が形成されにくいことに加えて、放熱性,熱応力,信
頼性の観点を考慮した構造設計をしなくてはならないと
いう問題がある。また、Al−セラミックス複合基板を
適用して得た半導体装置は、その稼働段階において熱流
路の遮断,絶縁部材の破壊に基づく信頼性低下を生じや
すいという問題もある。また、Al−セラミックス複合
基板を構成する部材点数や組み立て工数も多く、コスト
上の問題もある。In such an Al-ceramics composite substrate, defects are likely to be formed at the bonding interface between the circuit pattern and the heat dissipation plate and the ceramics plate, and an interface having a strong bonding force is hard to be formed. However, there is a problem in that structural design must be performed in consideration of thermal stress and reliability. In addition, the semiconductor device obtained by applying the Al-ceramics composite substrate also has a problem that the reliability is likely to decrease due to the cutoff of the heat flow path and the breakage of the insulating member in the operation stage. Further, the number of members constituting the Al-ceramics composite substrate and the number of assembling steps are large, and there is a problem in cost.
【0011】本発明の目的は、製造時あるいは運転時に
生ずる熱応力ないし熱歪を軽減し、各部材の変形,変
性,破壊の恐れがなく、信頼性が高く、低コストの絶縁
型半導体装置を提供することである。An object of the present invention is to reduce the thermal stress or thermal strain generated during manufacturing or operation, to prevent the deformation, modification and destruction of each member, to provide a highly reliable, low-cost insulated semiconductor device. Is to provide.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明絶縁型半導体装置はセラミックス板、該セラミックス
板の一方の主面に設けられた配線金属層、該セラミック
ス板の他方の主面に設けられた裏面金属層で構成され、
該配線金属層と該裏面金属層がAl合金で構成されたこ
とを特徴とする。The insulated semiconductor device of the present invention which achieves the above object is a ceramic plate, a wiring metal layer provided on one main surface of the ceramic plate, and another wiring main layer provided on the other main surface of the ceramic plate. A backside metal layer
The wiring metal layer and the back surface metal layer are made of an Al alloy.
【0013】このような構成によって絶縁型半導体装置
は強固な接合性が付与され、優れた放熱性及び信頼性の
維持が図られるとともに廉価化を図ることができる。With such a structure, the insulating semiconductor device is provided with a strong bondability, excellent heat dissipation and reliability can be maintained, and the cost can be reduced.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】本発明絶縁型半導体装置における
回路基板は、セラミックス板の両面に配線金属層と裏面
金属層がそれぞれ設けられ、配線金属層と裏面金属層は
互いに同質かつ同一物性のAl合金で構成され、セラミ
ックス板が0.25〜1.25mm、配線金属層が0.1〜
2.3mm、裏面金属層が0.025〜2.0mmの厚さにそ
れぞれ調整されている。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A circuit board in an insulated semiconductor device according to the present invention is provided with a wiring metal layer and a back surface metal layer on both surfaces of a ceramic plate, and the wiring metal layer and the back surface metal layer have the same quality and the same physical properties as each other. Made of alloy, ceramic plate 0.25 ~ 1.25mm, wiring metal layer 0.1 ~
The thickness of the back metal layer is adjusted to 2.3 mm and the back metal layer is adjusted to 0.025 to 2.0 mm.
【0015】ここで、半導体装置における(1)セラミ
ックス絶縁板の破損、(2)セラミックス絶縁板の製作
工数、(3)化学エッチングのパターニング及び(4)
アルミ層の接合強度の問題について、以下に説明する。Here, in the semiconductor device, (1) damage to the ceramic insulating plate, (2) man-hours for manufacturing the ceramic insulating plate, (3) patterning of chemical etching, and (4)
The problem of the joint strength of the aluminum layer will be described below.
【0016】パワーモジュールで代表される絶縁型半導
体装置では、一般に絶縁部材としてのセラミックス絶縁
板(Al−セラミックス複合基板)は熱膨張率の異なる
支持板上にはんだ付け搭載される。セラミックス絶縁板
や支持板は一体化の際に、はんだ材の融点以上に加熱し
た後室温まで冷却する熱処理工程を経る。この場合、各
部材ははんだ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
の半導体基体はサイズが大きく、また、絶縁型半導体装
置では複数の半導体基体や他の素子も搭載されるので、
絶縁板及びこれをはんだ付けする部分の面積も大きくな
る。このため、残留熱応力や熱歪が大きく、各部材の変
形も促進されやすい。更に、絶縁型半導体装置に稼働時
の熱ストレスが繰返し与えられ、これが上記残留熱応力
ないし熱歪に重畳されると、絶縁板の構成部材であるセ
ラミックス板は機械的に脆い性質を有しているためその
破損を生じたり、セラミックス板に形成してあるAl金
属配線層や反対側に形成してあるAl裏面金属層の剥離
を生ずる。この剥離は金属配線層や裏面金属層の接合界
面で生ずる場合や、接合界面に平行したセラミックス板
のクラック破壊により生ずる場合がある。セラミックス
板,Al金属配線層,Al裏面金属層はいずれも、半導
体素子基体が発生する熱の主要な放散路に配置されてい
る。このため、セラミックス板の破損や、Al金属配線
層あるいはAl裏面金属層の剥離は、絶縁型半導体装置
の熱流路の遮断を引き起こし絶縁型半導体装置の正常動
作を阻害する。また、セラミックス板の破損は絶縁型半
導体装置の電気的絶縁劣化のような安全上の問題を引き
起こす。In an insulating semiconductor device represented by a power module, a ceramic insulating plate (Al-ceramic composite substrate) as an insulating member is generally mounted by soldering on a supporting plate having a different coefficient of thermal expansion. When the ceramics insulating plate and the supporting plate are integrated, a heat treatment step of heating to above the melting point of the solder material and then cooling to room temperature is performed. In this case, each member contracts in accordance with the coefficient of thermal expansion specific to each member while being fixed to each other at the solidification point of the solder material, and thermal stress or thermal strain remains at the bonded portion and deformation occurs. Generally, a semiconductor substrate for electric power has a large size, and since a plurality of semiconductor substrates and other elements are mounted in an insulating semiconductor device,
The area of the insulating plate and the portion where the insulating plate is soldered is also increased. Therefore, residual thermal stress and thermal strain are large, and deformation of each member is easily promoted. Furthermore, when thermal stress during operation is repeatedly applied to the insulating semiconductor device and this is superimposed on the above residual thermal stress or thermal strain, the ceramic plate that is a constituent member of the insulating plate has a mechanically brittle property. As a result, the damage is caused, and the Al metal wiring layer formed on the ceramic plate and the Al back surface metal layer formed on the opposite side are peeled off. This peeling may occur at the bonding interface between the metal wiring layer and the backside metal layer, or may occur due to crack destruction of the ceramic plate parallel to the bonding interface. The ceramic plate, the Al metal wiring layer, and the Al rear surface metal layer are all arranged in the main heat dissipation path of the heat generated by the semiconductor element substrate. For this reason, damage to the ceramic plate or peeling of the Al metal wiring layer or the Al backside metal layer causes interruption of the heat flow path of the insulating semiconductor device, which impedes normal operation of the insulating semiconductor device. Further, the damage of the ceramic plate causes a safety problem such as deterioration of electric insulation of the insulated semiconductor device.
【0017】セラミックス絶縁板(Al−セラミックス
複合基板)の製作にあたっては、ルツボ中で高純度(3
N)のAlを窒素雰囲気下で溶湯化し、ルツボ内に設け
たガイド一体型ダイスの入口からセラミックス板を順番
に挿入してAl溶湯を接触させ、次いで出口側で溶湯を
凝固させることによって、厚さ0.5mm のAl層をセラ
ミックス板の両面に接合させ、引き続き一方の面のAl
板上にエッチングレジストを加熱圧着し、遮光,現像処
理を行って所望の回路パターンを形成し、塩化第2鉄溶
液にてAl層をエッチングして複合基板を得る。このよ
うに複雑な工程を経ることにより、セラミックス絶縁板
及びこれを搭載する絶縁型半導体装置のコスト面で無視
できない損失がもたらされる。In manufacturing a ceramic insulating plate (Al-ceramic composite substrate), high purity (3
N) Al is melted under a nitrogen atmosphere, ceramic plates are inserted in order from the inlet of a guide-integrated die provided in the crucible, the Al molten metal is brought into contact, and then the molten metal is solidified on the outlet side. A 0.5 mm thick Al layer is bonded to both sides of the ceramic plate, and then Al on one side
An etching resist is heat-pressed onto the plate, light-shielding and development are performed to form a desired circuit pattern, and the Al layer is etched with a ferric chloride solution to obtain a composite substrate. Due to such complicated steps, a loss which cannot be ignored in terms of cost of the ceramic insulating plate and the insulating semiconductor device mounting the same is brought about.
【0018】上述したように、セラミックス板に形成さ
れたAl層は化学エッチングにより所定形状にパターン
ニングされる。Al層で被覆されていない領域のセラミ
ックス板表面はエッチング液に直接さらされる。この
際、セラミックス板表面には粒界に沿った谷状のエッチ
ング溝が形成される。上述した熱応力はこれらのエッチ
ング溝の先端に集中して作用する。この集中応力がセラ
ミックス板の破壊強度を上回る状況に至れば、セラミッ
クス板の破損や、金属配線層あるいは裏面金属層の剥離
を引き起こすこととなる。この結果、絶縁型半導体装置
の熱流路遮断に伴う正常動作阻害,電気的絶縁劣化の問
題を生ずる。As described above, the Al layer formed on the ceramic plate is patterned into a predetermined shape by chemical etching. The surface of the ceramic plate that is not covered with the Al layer is directly exposed to the etching solution. At this time, valley-shaped etching grooves are formed along the grain boundaries on the surface of the ceramic plate. The above-mentioned thermal stress concentrates and acts on the tips of these etching grooves. If the concentrated stress exceeds the breaking strength of the ceramic plate, the ceramic plate may be damaged or the metal wiring layer or the backside metal layer may be peeled off. As a result, problems such as normal operation hindrance and electrical insulation deterioration occur due to interruption of the heat flow path of the insulated semiconductor device.
【0019】高純度のAl溶湯はセラミックス板にぬれ
にくい。このため、Al層とセラミックス板の間の界面
に強固な接合力を付与することが困難である。この結
果、上述したようなAl金属配線層やAl裏面金属層の
剥離が助長されやすい。The high-purity Al molten metal does not easily wet the ceramic plate. Therefore, it is difficult to give a strong bonding force to the interface between the Al layer and the ceramic plate. As a result, the peeling of the Al metal wiring layer and the Al back surface metal layer as described above is facilitated.
【0020】第2先行技術に基づくセラミックス回路基
板はAl/SiCベース板とセラミックス絶縁板があら
かじめ直接一体化されているため、絶縁型半導体装置の
組み立て工程は簡素化される。しかも、Al合金溶湯を
所定の型に注入することにより、一体化と同一工程でA
l/SiCの製作とセラミックス板への配線が施され
る。このため、セラミックス回路基板を比較的低コスト
で製作できる可能性を持ち、最終的には絶縁型半導体装
置の廉価化に貢献できることが期待される。しかし、本
構造の場合はAl/SiCベース板とセラミックス絶縁
板が高温のもとで直接一体化されるため、一体化物に応
力や歪,そり変形を生じやすく、セラミックス板やこれ
に形成されたAl配線金属層に上述の問題が残る。本先
行技術にはこれに対する解決策、特に絶縁型半導体装置
の製作及び稼働段階で新たな熱応力あるいは歪の印加に
伴って発生する不具合を回避するための最適構造につい
て開示されていない。In the ceramic circuit board according to the second prior art, the Al / SiC base plate and the ceramic insulating plate are directly integrated in advance, so that the process of assembling the insulating semiconductor device is simplified. Moreover, by pouring the molten Al alloy into a predetermined mold, A
Fabrication of 1 / SiC and wiring to a ceramic plate are performed. For this reason, there is a possibility that the ceramic circuit board can be manufactured at a relatively low cost, and it is expected that the ceramic circuit board will eventually contribute to the cost reduction of the insulating semiconductor device. However, in the case of this structure, since the Al / SiC base plate and the ceramic insulating plate are directly integrated under high temperature, stress, strain, and warp deformation easily occur in the integrated product, and the ceramic plate or the ceramic plate is formed on this. The above problem remains in the Al wiring metal layer. The prior art does not disclose any solution to this problem, in particular, an optimum structure for avoiding a defect caused by application of new thermal stress or strain in the manufacturing and operating stages of the insulating semiconductor device.
【0021】第3先行技術における半導体パワーモジュ
ールでは、高強度かつ高靭性を有する窒化珪素板と、窒
化珪素板に搭載された半導体素子と、窒化珪素板の半導
体素子搭載面に活性金属法又はDBC(Direct Bonded
Copper)法により接合されたCuからなる金属回路板
と、窒化珪素板の半導体素子非搭載面に活性金属法又は
DBC(Direct Bonded Copper)法により接合されたC
uからなる金属板とを具備したセラミックス絶縁板が用
いられている。ここで、金属回路板や金属板は、活性金
属法の場合は一例によれば(a)窒化珪素板の両面に銀
ろうペーストを印刷⇒(b)Cu板をサンドウイッチ状
にセット⇒(c)真空又は還元雰囲気の押圧下で熱処理
(約800℃)⇒(d)フォトレジスト膜の形成⇒
(e)化学エッチング⇒(f)フォトレジスト膜の除去
⇒(g)Niめっきと、複雑な製作工程を経る。また、
DBC法の場合は一例によれば(a)窒化珪素板の両面
にCu板をサンドウイッチ状にセット⇒(b)酸化性雰
囲気の押圧下で熱処理(約1000℃)⇒(c)フォト
レジスト膜の形成⇒(d)化学エッチング⇒(e)フォ
トレジスト膜の除去⇒(f)Niめっきと、これも複雑
な製作工程を経る。したがって、上述した(2),
(3)の問題が残る。In the semiconductor power module according to the third prior art, a silicon nitride plate having high strength and high toughness, a semiconductor element mounted on the silicon nitride plate, and an active metal method or DBC on the semiconductor element mounting surface of the silicon nitride plate. (Direct Bonded
A metal circuit board made of Cu bonded by a copper (Copper) method and a C bonded by a active metal method or a DBC (Direct Bonded Copper) method on a surface of a silicon nitride plate on which a semiconductor element is not mounted.
A ceramic insulating plate including a metal plate made of u is used. Here, according to an example, in the case of the active metal method, for the metal circuit board and the metal plate, (a) the silver braze paste is printed on both surfaces of the silicon nitride plate ⇒ (b) the Cu plate is set in a sandwich form ⇒ (c ) Heat treatment under a vacuum or reducing atmosphere (about 800 ° C) ⇒ (d) Formation of photoresist film ⇒
(E) Chemical etching ⇒ (f) Removal of photoresist film ⇒ (g) Ni plating, and a complicated manufacturing process. Also,
In the case of the DBC method, according to one example, (a) a Cu plate is set in a sandwich shape on both sides of a silicon nitride plate ⇒ (b) heat treatment under pressure in an oxidizing atmosphere (about 1000 ° C.) ⇒ (c) photoresist film Formation ⇒ (d) chemical etching ⇒ (e) removal of photoresist film ⇒ (f) Ni plating, which also goes through a complicated manufacturing process. Therefore, the above (2),
The problem of (3) remains.
【0022】また、金属回路板や金属板の接合担体は、
活性金属法の場合は銀ろう,DBC法の場合はCu−O
系共晶物質によって窒化珪素板に接合される。これらの
接合担体は通常ボイドや窒化珪素板と完全にぬれない部
分を始めとする欠陥を生ずる。これらの欠陥の量や種類
は金属回路板側と金属板側とで異なるのが一般的であ
る。したがって、金属回路板と金属板を接合した窒化珪
素板の全体に内蔵する応力や変形にはアンバランスを生
じやすい。具体的には、金属回路板と金属板間の端部界
面に過大な応力や、パターンに沿った複雑なそり変形を
生ずる。この結果、本先行技術によっても上述した
(1)と同様の問題が残る。Further, the metal circuit board and the joint carrier of the metal plate are
Silver braze in case of active metal method, Cu-O in case of DBC method
Bonded to the silicon nitride plate by the eutectic material. These bonding carriers usually have defects such as voids and parts which are not completely wet with the silicon nitride plate. Generally, the amount and type of these defects differ between the metal circuit board side and the metal plate side. Therefore, an imbalance is likely to occur in the stress and deformation contained in the entire silicon nitride plate obtained by joining the metal circuit plate and the metal plate. Specifically, excessive stress or complicated warp deformation along the pattern occurs at the end interface between the metal circuit board and the metal plate. As a result, the same problem as (1) described above also remains in the present prior art.
【0023】次に本発明について説明する。Next, the present invention will be described.
【0024】図1は本発明絶縁型半導体装置における回
路基板の詳細を説明する平面図及び断面図である。(a)
は半導体基体が搭載される側の状態を示し、セラミック
ス板としての窒化珪素板(焼結体、寸法:30mm×50m
m×0.3mm)110上に厚さ0.4mm の配線金属層13
0(131,132,130c(サーミスタ搭載用))が設
けられている。これらの配線金属層130はAl合金
(Al−20wt%Si−1.5wt%Mg )により形
成されている。(c)は反対側の面の状態を示し、窒化
珪素板110上に厚さ0.2mm の裏面金属層120が配
線金属層130と同質かつ同一物性のAl合金(Al−
20wt%Si−1.5wt%Mg)により形成されて
いる。(b)はA−A′断面の状態を示し、窒化珪素板
110の両面に配線金属層130(131,132,1
30c)と裏面金属層120がサンドウイッチ状に配置
され、回路基板又は配線基板125を構成している。図
示を省略しているけれども、配線金属層130(13
1,132,130c)及び裏面金属層120の表面に
はNiめっき層(厚さ:6μm)が形成され、はんだぬ
れ性とワイヤボンディング性が付与されている。FIG. 1 is a plan view and a sectional view for explaining the details of a circuit board in the insulated semiconductor device of the present invention. (a)
Indicates the state on the side where the semiconductor substrate is mounted, and is a silicon nitride plate (sintered body, size: 30 mm x 50 m) as a ceramic plate.
m × 0.3mm) 110 and wiring metal layer 13 with a thickness of 0.4mm
0 (131, 132, 130c (for mounting the thermistor)) are provided. These wiring metal layers 130 are formed of an Al alloy (Al-20 wt% Si-1.5 wt% Mg). (C) shows the state of the surface on the opposite side, in which a backside metal layer 120 having a thickness of 0.2 mm on the silicon nitride plate 110 has the same quality and the same physical properties as the wiring metal layer 130 (Al-
20 wt% Si-1.5 wt% Mg). (B) shows a state of the AA ′ cross section, and the wiring metal layers 130 (131, 132, 1) are formed on both surfaces of the silicon nitride plate 110.
30c) and the back metal layer 120 are arranged in a sandwich shape to form a circuit board or a wiring board 125. Although not shown, the wiring metal layer 130 (13
Ni plating layers (thickness: 6 μm) are formed on the surfaces of the rear surface metal layer 120 and the rear surface metal layer 120 to provide solder wettability and wire bondability.
【0025】配線金属層130と裏面金属層120を構
成するAl合金は、(a)熱伝導率の高い点、(b)セ
ラミックス板110との接合性に優れること、(c)N
i,Sn,Ag,Au,Pt,Pd,Zn等のめっき層
を容易に湿式法で形成できること、(d)溶融状態のも
とで優れた流動性を示すこと、(e)比較的低温で溶融
すること等から、Alを主成分とする合金(例えば鋳造
又はダイキャスト用合金の場合、熱伝導率:約150W
/m・K,熱膨張率:23ppm /℃)が選択される。
(a)は半導体基体から放出された熱流が効率良く外部
へ放出されるのに重要な意味を持つ。(b)はセラミッ
クス板110に強固に接合して熱伝達を阻害する界面空
隙の発生を抑えるのに必要な事項である。(c)は半導体
基体101のはんだ付け搭載及びワイヤボンディングを
施すのに不可欠である。(d)は後述するように、Al
合金の溶湯を裏面金属層120や配線金属層130の領
域に効率的に流動させるのに重要な事項である。(e)
は回路基板125のそりを軽減するのに重要である。こ
のような観点から、裏面金属層120や配線金属層13
0の素材としてAl合金が選択される。The Al alloys forming the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 have (a) high thermal conductivity, (b) excellent bondability with the ceramic plate 110, and (c) N.
i, Sn, Ag, Au, Pt, Pd, Zn and the like can be easily formed by a wet method, (d) shows excellent fluidity in a molten state, (e) at a relatively low temperature Since it melts, an alloy containing Al as a main component (for example, in the case of an alloy for casting or die casting, thermal conductivity: about 150 W
/ MK, thermal expansion coefficient: 23 ppm / ° C) is selected.
(A) has an important meaning in that the heat flow emitted from the semiconductor substrate is efficiently emitted to the outside. (B) is a matter necessary for firmly bonding to the ceramic plate 110 and suppressing the generation of interfacial voids that obstruct heat transfer. (c) is indispensable for mounting the semiconductor substrate 101 by soldering and performing wire bonding. (D) is Al as described later.
This is an important matter for efficiently flowing the molten alloy into the areas of the back surface metal layer 120 and the wiring metal layer 130. (E)
Are important in reducing warpage of the circuit board 125. From such a viewpoint, the back surface metal layer 120 and the wiring metal layer 13
An Al alloy is selected as the 0 material.
【0026】上述の要件(a)〜(e)を満たすAl合
金は、Si,Ge,Mn,Mg,Au,Ag,Ca,C
u,Ni,Pd,Sb,Te,Ti,V,Zn,Zrの
群から選択された少なくとも1種の金属とAlからなる
合金であることが好ましい。具体的代表例として、Al
−7wt%Si,Al−5wt%Au,Al−7.6wt
%Ca,Al−33wt%Cu,Al−28wt%G
e,Al−35wt%Mg,Al−1wt%Mn,Al
−5.7wt%Ni,Al−3wt%Pd ,Al−2w
t%Sb,Al−11.7wt%Si,Al−15wt
%Te ,Al−0.5wt%Ti,Al−0.6wt%
V,Al−30wt%Zn,Al−0.1wt%Zr等の
2元系合金を挙げることができる。また、上記の合金を
任意に組み合わせた多元系合金を挙げることもできる。Al alloys satisfying the above requirements (a) to (e) are Si, Ge, Mn, Mg, Au, Ag, Ca, C.
It is preferable that the alloy is made of Al and at least one metal selected from the group consisting of u, Ni, Pd, Sb, Te, Ti, V, Zn and Zr. As a specific representative example, Al
-7wt% Si, Al-5wt% Au, Al-7.6wt
% Ca, Al-33 wt% Cu, Al-28 wt% G
e, Al-35 wt% Mg, Al-1 wt% Mn, Al
-5.7 wt% Ni, Al-3 wt% Pd, Al-2w
t% Sb, Al-11.7 wt% Si, Al-15 wt
% Te, Al-0.5 wt% Ti, Al-0.6 wt%
Binary alloys such as V, Al-30 wt% Zn, and Al-0.1 wt% Zr can be mentioned. Further, a multi-component alloy in which the above alloys are arbitrarily combined can be mentioned.
【0027】[0027]
【表1】 [Table 1]
【0028】更に、実用的なAl合金として、表1に掲
げる多元系合金を挙げることができる。Al−Cu系や
Al−Cu−Si系は強度が高く、靭性,耐熱性に優れ
る。Al−Si系(シルミン)は鋳造性,耐食性に優れ
るとともに、熱膨張率が比較的低い。Al−Si−Mg
系(γシルミン)はMg添加で機械的性質が向上し、耐
食性に優れる。Al−Si−Cu系(含銅シルミン)は
Mgの代わりにCuを添加することにより機械的性質が
向上される。Al−Si−Cu−Mg系は耐食性に優れ
る。Al−Cu−Ni−Mg系(Y合金)は200〜2
50℃以下の高温範囲でも硬さや強度を室温なみの値に
維持できる。Al−Mg(ヒドロナリウム)は耐食性に
優れる。Al−Si−Cu−Ni−Mg系はCuやNi
の添加で耐熱強度が向上され、熱膨張率が低く、耐摩耗
性に優れる。更に、Ge,Au,Ag,Ca,Pd,S
b,Te,Vのような金属を微量に添加して、Al合金
の固相点を下げたり、セラミックスとの接合性や耐食性
を向上させたり、溶湯の流動性を向上させたりすること
が可能である。Further, as a practical Al alloy, the multi-component alloys listed in Table 1 can be listed. The Al-Cu system and the Al-Cu-Si system have high strength, and are excellent in toughness and heat resistance. The Al-Si system (silmin) has excellent castability and corrosion resistance, and has a relatively low coefficient of thermal expansion. Al-Si-Mg
The system (γ-sirmine) has improved mechanical properties and excellent corrosion resistance when Mg is added. The mechanical properties of the Al-Si-Cu system (copper-containing silmine) are improved by adding Cu instead of Mg. The Al-Si-Cu-Mg system has excellent corrosion resistance. Al-Cu-Ni-Mg system (Y alloy) is 200-2
Even in a high temperature range of 50 ° C. or lower, the hardness and strength can be maintained at a value similar to room temperature. Al-Mg (hydronalium) has excellent corrosion resistance. The Al-Si-Cu-Ni-Mg system is Cu or Ni.
The heat resistance strength is improved, the coefficient of thermal expansion is low, and the wear resistance is excellent. Furthermore, Ge, Au, Ag, Ca, Pd, S
It is possible to add a small amount of metals such as b, Te, and V to lower the solidus point of the Al alloy, improve the bondability with ceramics and corrosion resistance, and improve the fluidity of the molten metal. Is.
【0029】Alと共に合金を構成するSi,Ge,M
n,Mg,Au,Ag,Ca,Cu,Ni,Pd,S
b,Te,Ti,V,Zn,Zは、Al合金の上述した
性質の調整用として添加すること以外に、Al合金とセ
ラミックス板110との界面を強固かつ緻密に接合する
役割を担う。これらの金属は薄い窒化物,酸化物の形で
Al合金とセラミックス板110の界面に存在し、両者
の接合担体となる。Al合金中の上記各種の金属はこの
接合担体の供給源となる。Si, Ge, M forming an alloy with Al
n, Mg, Au, Ag, Ca, Cu, Ni, Pd, S
b, Te, Ti, V, Zn, and Z play a role of firmly and densely joining the interface between the Al alloy and the ceramic plate 110, in addition to being added for adjusting the above-described properties of the Al alloy. These metals exist in the form of thin nitrides or oxides at the interface between the Al alloy and the ceramic plate 110 and serve as a joint carrier for both. The above-mentioned various metals in the Al alloy serve as a supply source of this bonding carrier.
【0030】本発明では、半導体基体101を搭載する
回路基板125の製造工程が簡略化され、最終的に絶縁
型半導体装置900のコスト低減に寄与する。この点を
図2を用いて説明する。According to the present invention, the manufacturing process of the circuit board 125 on which the semiconductor substrate 101 is mounted is simplified, and finally contributes to cost reduction of the insulating semiconductor device 900. This point will be described with reference to FIG.
【0031】図2は本発明絶縁型半導体装置用回路基板
と従来の回路基板の製造工程の比較を示す。本発明の場
合の出発材料はセラミックス板110としての窒化珪素
板(Si3N4、熱伝導率:90W/m・K,熱膨張率:
3.4ppm/℃,厚さ:0.3mm)と上述した溶湯用のAl
合金である。あらかじめ所定形状及び寸法に成形した金
属又は無機質物質からなる鋳型に窒化珪素板110をセ
ットした後、Al合金溶湯を鋳型に圧入する。この工程
で裏面金属層120と配線金属層130が窒化珪素板1
10の両面に同時形成される。裏面金属層120と配線
金属層130と窒化珪素板110の一体化は、窒化珪素
板110と鋳型の間に設けられた空間にAl合金溶湯を
流動させることによってなされる。したがって、回路基
板125における裏面金属層120及び配線金属層130
は、出発材料が全く同質のAl合金により構成されるた
め最終的には実質的に同質かつ同一物性になる。FIG. 2 shows a comparison of manufacturing processes of the circuit board for an insulating semiconductor device of the present invention and a conventional circuit board. In the case of the present invention, the starting material is a silicon nitride plate (Si 3 N 4 , thermal conductivity: 90 W / m · K, coefficient of thermal expansion: ceramic plate 110).
Al for molten metal described above with 3.4 ppm / ℃, thickness: 0.3 mm)
It is an alloy. After the silicon nitride plate 110 is set in a mold made of a metal or an inorganic substance, which has been formed into a predetermined shape and size in advance, the molten Al alloy is pressed into the mold. In this step, the back surface metal layer 120 and the wiring metal layer 130 are formed on the silicon nitride plate 1
Simultaneously formed on both sides of 10. The back surface metal layer 120, the wiring metal layer 130, and the silicon nitride plate 110 are integrated by flowing an Al alloy molten metal into a space provided between the silicon nitride plate 110 and the mold. Therefore, the back surface metal layer 120 and the wiring metal layer 130 in the circuit board 125.
In the above, since the starting material is composed of an Al alloy of the same quality, the material has substantially the same quality and physical properties in the end.
【0032】上述の裏面金属層120及び配線金属層1
30が形成されたアッセンブリは無電解湿式めっき工程
に移され、裏面金属層120と配線金属層130の表面
にNiめっき層(厚さ:6μm)が形成される。ここ
で、配線金属層130にNiめっき層を設ける理由は半
導体基体101をろう付け搭載する際のはんだぬれ性の
確保と、ワイヤボンディングを確実に遂行する点にあ
る。裏面金属層120の化学的あるいは熱的な変質が許
される場合は、この部分にNiめっき層を設けることは
必須ではない。しかし、変質や変性が許されない場合
は、外気雰囲気から遮断して内部の変質を防ぐ意味でN
iめっき層が設けられる。以上の工程を経て本発明絶縁
型半導体装置用回路基板が125が完成する。The back metal layer 120 and the wiring metal layer 1 described above.
The assembly in which 30 is formed is transferred to an electroless wet plating process, and a Ni plating layer (thickness: 6 μm) is formed on the surfaces of the back surface metal layer 120 and the wiring metal layer 130. Here, the reason for providing the Ni plating layer on the wiring metal layer 130 is to ensure solder wettability when brazing and mounting the semiconductor substrate 101 and to reliably perform wire bonding. When chemical or thermal alteration of the back surface metal layer 120 is allowed, it is not essential to provide the Ni plating layer on this portion. However, if alteration or denaturation is not allowed, N is used in the sense of shutting off from the atmosphere of the outside air and preventing alteration inside.
An i plating layer is provided. Through the above steps, the insulating semiconductor device circuit board 125 of the present invention is completed.
【0033】第1先行技術に基づく従来工程の場合は、
先ずセラミックス板の両面に純度3NのAl溶湯を接触
させ、厚さ0.5mm のAl層を形成させる。その後配線
金属層を形成させるための選択エッチング、そして必要
なら裏面金属層の選択エッチングを施し、配線層にはん
だぬれ性とワイヤボンディング性を付与するための無電
解Niめっきが施される。配線金属層形成用の選択エッ
チングでは、その層が薄い場合は寸法精度の高いパター
ンニングが可能であるけれども、層が厚い場合や細かい
パターンニングが必要な場合は十分な精度が得られな
い。また、選択エッチングのためにはレジスト膜の形成
及び除去の工程も必要になる。従来工程に基づく回路基
板はこのように複雑な工程を経る。In the case of the conventional process based on the first prior art,
First, an aluminum melt having a purity of 3N is brought into contact with both surfaces of the ceramic plate to form an aluminum layer having a thickness of 0.5 mm. After that, selective etching for forming a wiring metal layer and, if necessary, selective etching for the back surface metal layer are performed, and electroless Ni plating for imparting solder wettability and wire bonding property is applied to the wiring layer. In the selective etching for forming the wiring metal layer, patterning with high dimensional accuracy is possible when the layer is thin, but sufficient accuracy cannot be obtained when the layer is thick or fine patterning is required. Further, a step of forming and removing a resist film is also required for selective etching. The circuit board based on the conventional process goes through such complicated process.
【0034】以上までに説明したように、本発明絶縁型
半導体装置用回路基板125によればその製造工程が簡
略化され、当然ながら回路基板125及びこれを用いた
絶縁型半導体装置900のコスト低減に寄与する。As described above, according to the insulating semiconductor device circuit board 125 of the present invention, the manufacturing process thereof is simplified, and naturally the cost of the circuit board 125 and the insulating semiconductor device 900 using the same is reduced. Contribute to.
【0035】しかしながら、本発明のメリットは回路基
板125の製法上だけにあるのではなく、回路基板12
5を適用した本発明絶縁型半導体装置900において更
に大きなものになる。この理由の説明に先だって、絶縁
型半導体装置の構造について述べる。However, the merit of the present invention is not limited only to the method of manufacturing the circuit board 125, but to the circuit board 12 as well.
In the insulated semiconductor device 900 of the present invention to which No. 5 is applied, the size is further increased. Before explaining the reason, the structure of the insulating semiconductor device will be described.
【0036】図3は本発明絶縁型半導体装置の基本構造
を説明する平面及び断面模式図である。(a)は平面
図、(b)は(a)におけるA−A′断面、(c)は
(a)におけるB−B′断面をそれぞれ示す。回路基板
125は、窒化珪素板110と、窒化珪素板110の一
方の主面上に設けられた配線金属層131,132,13
0cと、他方の主面に設けられた裏面金属層120で構
成されている。窒化珪素板110の各主面に設けられた
配線金属層130(131,132,130c)と裏面
金属層120は、互いに同質かつ同一物性のAl合金で
構成されている。回路基板125の配線金属層131上
には、半導体基体としてのMOS FET素子基体10
1がはんだ層113によって固着されている。回路基板
125の裏面金属層120側は、はんだ層114によっ
てAl合金マトリックス(Al−20wt%Si−1.
5wt%Mg、固相点:約550℃)に緑色炭化珪素
(SiC)粉末を分散させた複合体からなる支持板(S
iC添加量:70vol%,熱膨張率:7.2ppm/℃,熱
伝導率:170W/m・K ,厚さ:3mm,サイズ:4
2.5×85mm)115上に固着されている。支持板1
15には、あらかじめ主端子30や補助端子31を設け
たエポキシ系樹脂ケース20が取り付けられている。素
子基体101と配線金属層131,132間、素子基体
101と補助端子31間、配線金属層131と主端子3
0間、配線金属層130cと補助端子31間には、Al
細線(直系:0.4mm)117のワイヤボンディングが施
されている。ケース20内にはシリコーンゲル樹脂22
が充填され、ケース20の上部にはエポキシ樹脂蓋21
が設けられている。ここで、配線金属層131上には8
個の素子基体101がはんだ113により固着されてい
る。この固着はフラックス含有のペーストはんだ材を用
いて実施される。また、配線金属層130c間には温度
検出用サーミスタ素子34がはんだ124(図示を省
略)により固着されている。なお、図面では省略してい
るけれども、ケース20と支持板115の間、そしてケ
ース20と蓋21の間はシリコーン接着樹脂35(図示
を省略)を用いて固定されている。蓋21の肉厚部には
凹み25、主端子30には穴30′がそれぞれ設けら
れ、絶縁型半導体装置900を外部回路配線に連絡する
ためのネジ(図示を省略)が収納されている。主端子3
0や補助端子31はあらかじめ所定形状に打抜き成形さ
れた銅板にNiめっきを施したものであり、トランスフ
ァモールド法によってエポキシ樹脂ケース20に取り付
けられている。以上の構成において、回路基板125は
支持板115とともに絶縁型半導体装置900の主要な
放熱路を担っている。また、回路基板125の配線金属
層130(131,132,130c)と裏面金属層1
20は同質かつ同一物性のAl合金により構成されてい
る。Al合金を適用することにより、窒化珪素板110
と配線金属層130(131,132,130c)及び
裏面金属層120の間の界面には窒化物が介在され、均
一かつ緻密かつ強固な接合界面が形成されている。以上
の構成をとることによって、絶縁型半導体装置900に
は優れた放熱性及び信頼性が付与される。FIG. 3 is a plan view and a sectional schematic view for explaining the basic structure of the insulated semiconductor device of the present invention. (A) is a plan view, (b) is an AA 'cross section in (a), (c) is a BB' cross section in (a), respectively. The circuit board 125 includes a silicon nitride plate 110 and wiring metal layers 131, 132, 13 provided on one main surface of the silicon nitride plate 110.
0c and the back surface metal layer 120 provided on the other main surface. The wiring metal layer 130 (131, 132, 130c) provided on each main surface of the silicon nitride plate 110 and the back surface metal layer 120 are made of Al alloys of the same quality and the same physical properties. On the wiring metal layer 131 of the circuit board 125, the MOS FET element substrate 10 as a semiconductor substrate is provided.
1 is fixed by the solder layer 113. On the back surface metal layer 120 side of the circuit board 125, an Al alloy matrix (Al-20 wt% Si-1.
5 wt% Mg, solid phase point: about 550 ° C) and green silicon carbide
(SiC) Support plate composed of a composite in which powder is dispersed (S
Addition amount of iC: 70vol%, coefficient of thermal expansion: 7.2ppm / ° C, thermal conductivity: 170W / mK, thickness: 3mm, size: 4
2.5 × 85 mm) fixed on 115. Support plate 1
An epoxy resin case 20 provided with a main terminal 30 and an auxiliary terminal 31 in advance is attached to 15. Between the element base 101 and the wiring metal layers 131 and 132, between the element base 101 and the auxiliary terminal 31, the wiring metal layer 131 and the main terminal 3
0 between the wiring metal layer 130c and the auxiliary terminal 31
A fine wire (direct line: 0.4 mm) 117 is wire-bonded. Silicone gel resin 22 in case 20
Is filled with epoxy resin lid 21 on the top of the case 20.
Is provided. Here, 8 is formed on the wiring metal layer 131.
The individual element substrates 101 are fixed by solder 113. This fixing is performed using a flux-containing paste solder material. Further, the temperature detecting thermistor element 34 is fixed between the wiring metal layers 130c with solder 124 (not shown). Although not shown in the drawing, a silicone adhesive resin 35 (not shown) is fixed between the case 20 and the support plate 115 and between the case 20 and the lid 21. A recess 25 is provided in the thick portion of the lid 21, a hole 30 'is provided in the main terminal 30, and a screw (not shown) for connecting the insulated semiconductor device 900 to an external circuit wiring is housed therein. Main terminal 3
0 and the auxiliary terminal 31 are made by punching and forming a predetermined shape into a copper plate and plated with Ni, and are attached to the epoxy resin case 20 by a transfer molding method. In the above structure, the circuit board 125 serves as a main heat dissipation path for the insulating semiconductor device 900 together with the support plate 115. In addition, the wiring metal layer 130 (131, 132, 130 c) of the circuit board 125 and the back surface metal layer 1
20 is composed of an Al alloy having the same quality and the same physical properties. By applying an Al alloy, the silicon nitride plate 110
At the interface between the wiring metal layer 130 (131, 132, 130c) and the back surface metal layer 120, a nitride is interposed to form a uniform, dense and strong bonding interface. With the above configuration, the insulating semiconductor device 900 is provided with excellent heat dissipation and reliability.
【0037】絶縁型半導体装置900に本発明のメリッ
トを反映させるためには、回路基板125には最適構造
に関する次の要因が満たされていなければならない。
(A)配線金属層及び裏面金属層が同質のAl合金で構
成される点
第1先行技術と同様の純度3NのAl溶湯を用いた場合
は、Al溶湯のセラミックス板に対するぬれ性が十分で
ないため、接合強度の高い界面が得られない。本発明者
らの検討によると、窒化珪素板とAl層の接合強度は
6.9MPa 程度(破断界面:窒化珪素板−Al層間)
にしかならない。また、セラミックス板が窒化アルミニ
ウムやアルミナであっても、得られる接合強度は同程度
である。これに対し、本発明絶縁型半導体装置900に
適用する回路基板125の裏面金属層120,配線金属
層130は同一の溶湯を素材とするAl合金で構成され
ている。Al合金中に含まれるSiを始めとする上述の
不純物がセラミックス板の構成成分と化学的に結合し
て、上記不純物の窒化物又は酸化物(セラミックス板1
10がアルミナ板の場合)を生成する。このような窒化
物又は酸化物が裏面金属層120や配線金属層130と
窒化珪素板110の間の接合担体を構成する。この結
果、接合強度は70MP以上と高くなる。このような利
点はAl合金を用いることによりもたらされる。In order to reflect the advantages of the present invention in the insulating semiconductor device 900, the circuit board 125 must satisfy the following factors regarding the optimum structure. (A) The wiring metal layer and the back metal layer are composed of the same Al alloy. When the same 3N-purity Al melt as in the first prior art is used, the wettability of the Al melt to the ceramic plate is not sufficient. , An interface with high bonding strength cannot be obtained. According to the study by the present inventors, the bonding strength between the silicon nitride plate and the Al layer is about 6.9 MPa (broken interface: silicon nitride plate-Al layer).
It's nothing but. Even if the ceramic plate is aluminum nitride or alumina, the obtained bonding strength is about the same. On the other hand, the back surface metal layer 120 and the wiring metal layer 130 of the circuit board 125 applied to the insulated semiconductor device 900 of the present invention are made of an Al alloy made of the same molten metal. The above-mentioned impurities including Si contained in the Al alloy are chemically bonded to the constituent components of the ceramic plate to form a nitride or oxide of the above-mentioned impurities (ceramic plate 1).
10 is an alumina plate). Such a nitride or oxide constitutes a joint carrier between the back metal layer 120 or the wiring metal layer 130 and the silicon nitride plate 110. As a result, the bonding strength increases to 70 MP or more. Such advantages are brought about by using an Al alloy.
【0038】裏面金属層120や配線金属層130は同
質かつ同一物性のAl合金で構成される。裏面金属層1
20と配線金属層130がそれぞれ異なった物性(熱膨
張率,ヤング率)を持つ場合は、回路基板125の最適
設計の妨げになる。これに対し本発明絶縁型半導体装置
900に適用する回路基板125では、これらが同じ物
性を持つため後述(B)で説明する最適設計が可能にな
る。
(B)回路基板を構成する部材の厚さが調整される点
本発明絶縁型半導体装置900に適用する回路基板12
5において重要な点は、配線金属層130が0.1〜2.
3mm、裏面金属層120が0.025〜2.0mm、セラミ
ックス板としての窒化珪素板110が0.25〜1.25
mmの厚さにそれぞれ調整される点である。
・ 配線金属層の厚さ
配線金属層130は絶縁型半導体装置900の主要な導
電路としての役割を持つ。仮に所定の電流を通電した場
合に配線金属層自体が自己発熱すると、半導体基体には
配線による熱が半導体基体自体の発熱に重畳され、絶縁
型半導体装置の安全動作を保証する電流領域が狭められ
る。したがって、広い安全動作領域を確保するために
は、この部分を可能な範囲で厚く形成する必要がある。
また、Al合金溶湯をスムーズに流動させる点でも適度
に厚いことが望ましい。しかしながら、配線金属層13
0の厚さは回路基板125が組み込まれた絶縁型半導体
装置900の性能を考慮して、以下のように制限されな
ければならない。The back surface metal layer 120 and the wiring metal layer 130 are made of an Al alloy having the same quality and the same physical properties. Back metal layer 1
If the 20 and the wiring metal layer 130 have different physical properties (coefficient of thermal expansion, Young's modulus), the design of the circuit board 125 is hindered. On the other hand, in the circuit board 125 applied to the insulated semiconductor device 900 of the present invention, since they have the same physical properties, the optimum design described later in (B) becomes possible. (B) The thickness of members constituting the circuit board is adjusted. Circuit board 12 applied to the insulated semiconductor device 900 of the present invention.
5 is important, the wiring metal layer 130 is 0.1 to 2.
3 mm, the backside metal layer 120 is 0.025 to 2.0 mm, and the silicon nitride plate 110 as a ceramic plate is 0.25 to 1.25.
The point is that each is adjusted to a thickness of mm. -Thickness of wiring metal layer The wiring metal layer 130 serves as a main conductive path of the insulated semiconductor device 900. If the wiring metal layer itself generates heat when a predetermined current is applied, the heat generated by the wiring is superimposed on the heat generated by the wiring in the semiconductor substrate, and the current region that ensures the safe operation of the insulated semiconductor device is narrowed. . Therefore, in order to secure a wide safe operation area, it is necessary to form this portion as thick as possible.
Further, it is desirable that the Al alloy molten metal is appropriately thick in terms of smoothly flowing. However, the wiring metal layer 13
The thickness of 0 should be limited as follows in consideration of the performance of the insulation type semiconductor device 900 in which the circuit board 125 is incorporated.
【0039】図4は絶縁型半導体装置の熱抵抗,応力,
信頼性に関する配線金属層厚さ依存性を示すグラフであ
る。先ず(a)の配線金属層厚さと熱抵抗の関係に注目
する。ここに示した熱抵抗はシミュレーションによるも
ので、図3に示した絶縁型半導体装置900における4
個の半導体基体101が動作した時の値である。配線金
属層130が薄い領域では、半導体基体101で発生し
た熱が横方向へ拡がりにくいため熱抵抗は高い値を示
す。配線金属層130が厚くなるにつれ横方向拡がり効
果が増すため、熱抵抗は緩やかに低下する。更に厚くな
ると配線金属層130自体の縦方向成分が影響してくる
ため、熱抵抗は再び増加に転ずる。ここで、絶縁型半導
体装置900は電流容量400Aのものであり、その目
標熱抵抗は電気的安定動作を実現するため0.25℃/
W 以下に設定されている。これを満足する配線金属層
130の厚さは0.1〜3.7mmの範囲である。FIG. 4 shows the thermal resistance, stress, and
It is a graph which shows the wiring metal layer thickness dependence regarding reliability. First, attention is paid to the relationship between the wiring metal layer thickness and the thermal resistance in (a). The thermal resistance shown here is based on a simulation, and is 4 in the insulating semiconductor device 900 shown in FIG.
It is a value when the individual semiconductor substrates 101 are operated. In the region where the wiring metal layer 130 is thin, the heat generated in the semiconductor substrate 101 is difficult to spread in the lateral direction, so that the thermal resistance shows a high value. As the wiring metal layer 130 becomes thicker, the lateral spreading effect increases, so that the thermal resistance gradually decreases. When the thickness is further increased, the vertical component of the wiring metal layer 130 itself affects, so that the thermal resistance starts to increase again. Here, the insulated semiconductor device 900 has a current capacity of 400 A, and its target thermal resistance is 0.25 ° C./°C for realizing an electrically stable operation.
It is set to W or less. The thickness of the wiring metal layer 130 that satisfies this is in the range of 0.1 to 3.7 mm.
【0040】次に(b)の応力に注目する。ここに示す
縦軸はシミュレーションによる窒化珪素板110の応力
(温度負荷(550℃⇒−55℃)で、(c)の断面模
式図におけるe部(配線金属層端部に対応する部分、回
路基板125の中で最も高い応力を示す部分)における
値である。e部応力は配線金属層130が厚くなるにつ
れ増加する傾向にある。ここで、窒化珪素の一般的な破
壊応力は650MPa程度であり、e部応力はこの値を
越えないことが必要である。この点から選択される配線
金属層130の厚さは2.3mm以下である。Next, pay attention to the stress of (b). The vertical axis shown here is the stress of the silicon nitride plate 110 by simulation (temperature load (550 ° C. ⇒ −55 ° C.), and part e in the schematic sectional view of FIG. This is a value in the highest stress portion of 125. The stress in the e portion tends to increase as the wiring metal layer 130 becomes thicker.Here, the general fracture stress of silicon nitride is about 650 MPa. It is necessary that the stress in the e portion does not exceed this value, and the thickness of the wiring metal layer 130 selected from this point is 2.3 mm or less.
【0041】引き続き(d)のクラック発生率に注目す
る。ここで言うクラックとは、絶縁型半導体装置900
に温度サイクル試験(3000サイクル、−40〜12
5℃)を施した後に発生した窒化珪素板110の機械的
破壊のことである。配線金属層130が厚くなるにつれ
厚さ2.4mm まではクラック破壊は観測されていないの
に対し、これを越えるとその発生率を増す傾向にある。
ここで観測されるクラックはe部に対応する部分を起点
とする。窒化珪素板110は絶縁型半導体装置900の
絶縁性を維持するためのものであり、これが破壊すると
絶縁型半導体装置900の安全動作が阻害されることと
なる。この観点から選択される配線金属層130の厚さ
は2.4mm以下である。Next, pay attention to the crack occurrence rate of (d). The crack referred to here is the insulated semiconductor device 900.
Temperature cycle test (3000 cycles, -40 to 12
This is mechanical breakdown of the silicon nitride plate 110 that occurs after applying (5 ° C.). As the wiring metal layer 130 becomes thicker, crack breakage is not observed up to a thickness of 2.4 mm, but beyond that, the occurrence rate tends to increase.
The cracks observed here start from the portion corresponding to the portion e. The silicon nitride plate 110 is for maintaining the insulating property of the insulating semiconductor device 900, and if it breaks, the safe operation of the insulating semiconductor device 900 will be hindered. The thickness of the wiring metal layer 130 selected from this viewpoint is 2.4 mm or less.
【0042】以上に説明した熱抵抗,応力,信頼性の評
価結果を総合して、全ての点を満足できる配線金属層1
30の厚さは0.1〜2.3mmの範囲である。なお、図4
は窒化珪素板110の厚さが0.3mm、裏面金属層12
0の厚さが0.3mmの場合の結果であるけれども、窒化
珪素板110が0.25〜1.25mm、裏面金属層120
が0.025〜2.0mmの範囲では同様の結果が得られて
いる。
・ 裏面金属層の厚さ
裏面金属層120は半導体基体101で生ずる熱を回路
基板125を経由して外部へ放出するための主要な熱伝
導路であり、絶縁型半導体装置900の放熱性及び信頼
性を阻害しない範囲の厚さが選択されなければならな
い。また、回路基板125を安定的に製作できることも
重要な要件になる。図5は熱抵抗,ボイド率,信頼性に
関する裏面金属層厚さ依存性を示すグラフである。先ず
(a)の熱抵抗に注目する。ここで示す熱抵抗はシミュ
レーションによる値である。熱抵抗は裏面金属層120
が厚くなると増加する傾向があるけれども、その変化量
は極めて小さい。熱抵抗に強く関係するのは、むしろ配
線金属層130の厚さの方である。この結果を解釈する
と、裏面金属層120は熱抵抗の観点からはグラフに掲
げた0〜4.9mm の範囲で任意の厚さを選択できるもの
と判断される。The wiring metal layer 1 satisfying all the points is obtained by synthesizing the evaluation results of the thermal resistance, stress and reliability described above.
The thickness of 30 is in the range of 0.1 to 2.3 mm. Note that FIG.
Is a silicon nitride plate 110 having a thickness of 0.3 mm and a backside metal layer 12
Although the result is that the thickness of 0 is 0.3 mm, the silicon nitride plate 110 has a thickness of 0.25 to 1.25 mm and the back surface metal layer 120
In the range of 0.025 to 2.0 mm, similar results are obtained. Thickness of back surface metal layer The back surface metal layer 120 is a main heat conduction path for releasing heat generated in the semiconductor substrate 101 to the outside via the circuit board 125, and the heat dissipation and reliability of the insulated semiconductor device 900. The thickness must be selected within the range that does not impede sex. It is also an important requirement that the circuit board 125 can be manufactured stably. FIG. 5 is a graph showing the backside metal layer thickness dependence of thermal resistance, void ratio, and reliability. First, pay attention to the thermal resistance of (a). The thermal resistance shown here is a value obtained by simulation. Thermal resistance is on the backside metal layer 120
Although the thickness tends to increase as the thickness increases, the amount of change is extremely small. It is the thickness of the wiring metal layer 130 that is strongly related to the thermal resistance. Interpreting this result, it is judged that the backside metal layer 120 can be selected to have an arbitrary thickness within the range of 0 to 4.9 mm shown in the graph from the viewpoint of thermal resistance.
【0043】(b)のボイド率に注目する。ここで言う
ボイド率とは、裏面金属層120に生じた非接合領域の
面積率のことである。厚さが0.025 以上の範囲では
裏面金属層120にはボイドは生じない。これはAl合
金溶湯が鋳型と窒化珪素板110の間の空隙を効率よく
流動するためである。これに対し0.025mm より薄い
領域ではボイド率は増加している。これは空隙が狭いた
めAl合金溶湯の流動が阻害されるためである。以上の
傾向は配線金属層130の厚さが0.1 〜2.3mmの範
囲、そして図には示していないけれどもセラミックス板
110の厚さが0.25〜1.25mmの範囲では同様であ
る。上述したように裏面金属層120は熱放散のための主
要な伝導路であり、放熱路を確実に確保する観点から裏
面金属層120の厚さは0.025mm 以上に選択する必
要がある。Attention is paid to the void ratio of (b). The void ratio mentioned here is the area ratio of the non-bonding region generated in the back surface metal layer 120. When the thickness is in the range of 0.025 or more, no void is generated in the back surface metal layer 120. This is because the molten Al alloy efficiently flows through the gap between the mold and the silicon nitride plate 110. On the other hand, the void ratio increases in the area thinner than 0.025 mm. This is because the voids are narrow and the flow of the molten Al alloy is obstructed. The above tendency is the same when the thickness of the wiring metal layer 130 is in the range of 0.1 to 2.3 mm, and although not shown in the figure, the thickness of the ceramic plate 110 is in the range of 0.25 to 1.25 mm. . As described above, the back surface metal layer 120 is a main conduction path for heat dissipation, and it is necessary to select the thickness of the back surface metal layer 120 to be 0.025 mm or more from the viewpoint of ensuring the heat radiation path.
【0044】次に(c)の熱抵抗増加率に注目する。温
度サイクル試験(3000サイクル、−40〜125
℃)に伴なって回路基板125における放熱路が遮断さ
れれば、絶縁型半導体装置900の熱抵抗が増加する。
ここで言う熱抵抗増加は裏面金属層120の不適正な厚
さに起因する放熱路の遮断により発生する。裏面金属層
120が薄い場合には、裏面金属層120の影響で配線
金属層130に作用する歪は小さく抑えられるため、疲
労による配線金属層130の窒化珪素板110からの剥
離は生じにくい。この結果、裏面金属層120の厚さが
2.0mm 以下の領域では熱抵抗の変動は見られない。こ
れに対し裏面金属層120の厚さが2.0mmを超える厚
い領域では、配線金属層130に作用する歪が大きくな
り、配線金属層130は疲労破壊して窒化珪素板110
から剥離する。この剥離により熱抵抗は増大する。以上
の傾向は配線金属層130の厚さが0.1〜2.3mmの範
囲、そして図には示していないけれどもセラミックス板
110の厚さが0.25 〜1.25mm の範囲では同様で
ある。したがって、絶縁型半導体装置900を安定動作
させるためには、裏面金属層120は2.3mm 以下の厚
さに調整される必要がある。Next, pay attention to the rate of increase in thermal resistance in (c). Temperature cycle test (3000 cycles, -40 to 125
If the heat dissipation path in the circuit board 125 is cut off due to the temperature rise, the thermal resistance of the insulated semiconductor device 900 increases.
The increase in thermal resistance referred to here is caused by the cutoff of the heat radiation path due to the improper thickness of the back metal layer 120. When the back surface metal layer 120 is thin, strain acting on the wiring metal layer 130 due to the influence of the back surface metal layer 120 can be suppressed to a small level, and thus the wiring metal layer 130 is less likely to be peeled from the silicon nitride plate 110 due to fatigue. As a result, no change in thermal resistance is observed in the region where the thickness of the back metal layer 120 is 2.0 mm or less. On the other hand, in the thick region where the thickness of the back surface metal layer 120 exceeds 2.0 mm, the strain acting on the wiring metal layer 130 becomes large, and the wiring metal layer 130 is fatigue fractured and the silicon nitride plate 110 is damaged.
Peel from. This peeling increases the thermal resistance. The above tendency is the same when the thickness of the wiring metal layer 130 is in the range of 0.1 to 2.3 mm, and in the thickness of the ceramic plate 110 which is not shown in the figure, in the range of 0.25 to 1.25 mm. . Therefore, in order to stably operate the insulated semiconductor device 900, the back surface metal layer 120 needs to be adjusted to a thickness of 2.3 mm or less.
【0045】以上に説明したように、裏面金属層120
の厚さは熱抵抗の観点では0〜4.9mm、ボイド率の観点
では0.025mm 以上、熱抵抗増加率の観点では2.0m
m 以下がそれぞれ選択される。これらを総合して、全て
の点を満足できる裏面金属層120の厚さは0.025
〜2.0mmである。なお、この適正厚さは配線金属層1
30が0.1〜2.3mm、窒化珪素板110が0.25〜
1.25mmの範囲では同様である。
・ 窒化珪素板の厚さ
窒化珪素板110も絶縁型半導体装置900の主要な熱
流路を構成する部材の1つである。熱抵抗を低く抑える
には、この部材は可及的に薄いことが望ましい。しか
し、絶縁担体である以上この性能が損なわれることは許
されない。As described above, the back metal layer 120
The thickness is 0 to 4.9 mm from the viewpoint of thermal resistance, 0.025 mm or more from the viewpoint of void rate, and 2.0 m from the viewpoint of thermal resistance increase rate.
m or less are selected respectively. Overall, the thickness of the back metal layer 120 that satisfies all the points is 0.025.
~ 2.0 mm. In addition, this proper thickness is the wiring metal layer 1
30 is 0.1 to 2.3 mm, and the silicon nitride plate 110 is 0.25 to
The same applies in the range of 1.25 mm. -Thickness of Silicon Nitride Plate The silicon nitride plate 110 is also one of the members constituting the main heat flow path of the insulated semiconductor device 900. In order to keep the thermal resistance low, it is desirable that this member be as thin as possible. However, this performance cannot be impaired as long as it is an insulating carrier.
【0046】図6はクラック破壊率及び熱抵抗増加率の
窒化珪素板厚さ依存性を示すグラフである。先ず(a)
のクラック破壊率に注目する。ここで言うクラック破壊
とは、温度サイクル試験(3000サイクル、−40〜
125℃)による窒化珪素板110の機械的破壊のこと
である。厚さが0.25mm 以上の領域では、窒化珪素板
110の破壊は全く生じていない。これに対し0.25m
m より薄い領域ではクラック破壊を生じている。この破
壊は上述したe部を起点にしたものである。絶縁型半導
体装置900の絶縁劣化を抑えて安全に稼働させる観点
からは、窒化珪素板110の厚さは0.25mm以上の範
囲が選択される。FIG. 6 is a graph showing the dependency of the crack breakage rate and the thermal resistance increase rate on the thickness of the silicon nitride plate. First (a)
Pay attention to the crack destruction rate of. The crack fracture referred to here is a temperature cycle test (3000 cycles, −40 to −40).
The mechanical breakdown of the silicon nitride plate 110 due to 125 ° C.). In the region where the thickness is 0.25 mm or more, the silicon nitride plate 110 is not broken at all. On the other hand, 0.25m
Crack destruction occurs in the region thinner than m. This destruction starts from the above-mentioned part e. From the viewpoint of suppressing the insulation deterioration of the insulated semiconductor device 900 and operating it safely, the thickness of the silicon nitride plate 110 is selected in the range of 0.25 mm or more.
【0047】次に(b)の熱抵抗増加率に注目する。温
度サイクル試験(3000サイクル、−40〜125
℃)に伴なって配線金属層130の疲労破壊が進めば放
熱路が遮断される。ここで言う熱抵抗増加はこの熱流路
遮断に起因して生ずる。厚さが1.25mm 以下の領域で
は熱抵抗は変動していないのに対し、これより厚い領域
では熱抵抗を増している。これは、e部の応力が大きく
なって窒化珪素板110がクラック破壊し、配線金属層
130と窒化珪素板110との間が熱的に係合しなくな
ることによる。したがって、絶縁型半導体装置900の
放熱性を維持させるためには、窒化珪素板110の厚さ
は1.25mm 以下の範囲が選択される必要がある。Next, pay attention to the rate of increase in thermal resistance in (b). Temperature cycle test (3000 cycles, -40 to 125
If the fatigue breakdown of the wiring metal layer 130 progresses with the increase of (.degree. The increase in the thermal resistance referred to here occurs due to the blocking of the heat flow path. While the thermal resistance does not fluctuate in the region where the thickness is 1.25 mm or less, the thermal resistance increases in the thicker region. This is because the stress in the portion e becomes large and the silicon nitride plate 110 is cracked, and the wiring metal layer 130 and the silicon nitride plate 110 are not thermally engaged. Therefore, in order to maintain the heat dissipation of the insulated semiconductor device 900, the thickness of the silicon nitride plate 110 needs to be selected within the range of 1.25 mm or less.
【0048】上記(a)及び(b)は配線金属層130が
0.6mm、裏面金属層120が0.3mmの場合の結果であ
る。配線金属層130が0.1〜2.3mm、裏面金属層1
20が0.025〜2.0mmの厚さを有する場合でも同様
の結果が得られる。The above (a) and (b) show the results when the wiring metal layer 130 is 0.6 mm and the back surface metal layer 120 is 0.3 mm. Wiring metal layer 130 is 0.1 to 2.3 mm, back side metal layer 1
Similar results are obtained when 20 has a thickness of 0.025 to 2.0 mm.
【0049】以上に説明したように、窒化珪素板110
の好ましい厚さは、クラック破壊率の観点では0.25m
m以上、熱抵抗増加率の観点では1.25mm以下である。
これらの評価結果を総合してより好ましい窒化珪素板1
10の厚さは0.25〜1.25mmの範囲である。As described above, the silicon nitride plate 110
The preferable thickness of is 0.25m from the viewpoint of crack fracture rate.
m or more and 1.25 mm or less in terms of the rate of increase in thermal resistance.
A more preferable silicon nitride plate 1 inclusive of these evaluation results
The thickness of 10 is in the range of 0.25 to 1.25 mm.
【0050】表2は、以上までに説明した配線金属層1
30,裏面金属層120,窒化珪素板110の適正厚さ
に関するまとめを示す。配線金属層130は0.1〜2.
3mm、裏面金属層120は0.025〜2.0mm、窒化珪
素板110は0.25〜1.25mmが適正な厚さである。Table 2 shows the wiring metal layer 1 described above.
A summary of appropriate thicknesses of 30, the back surface metal layer 120, and the silicon nitride plate 110 is shown. The wiring metal layer 130 is 0.1-2.
The appropriate thickness is 3 mm, the back metal layer 120 is 0.025 to 2.0 mm, and the silicon nitride plate 110 is 0.25 to 1.25 mm.
【0051】[0051]
【表2】 [Table 2]
【0052】本発明絶縁型半導体装置900の熱抵抗を
比較試料と比べた。比較試料は厚さ0.63mm のAlN
板の両面に第1先行技術と同様に高純度Alからなる配
線金属層(厚さ:0.4mm)と裏面金属層(厚さ:0.0
5mm)を形成した回路基板を、Al−SiC支持板(A
l−20wt%Si−1.5wt%Mg 合金マトリック
スに緑色炭化珪素粉末を分散させた複合体、SiC添加
量:70vol% ,熱膨張率:7.2ppm/℃,熱伝導率:
170W/m・K,厚さ:3mm,サイズ:42.5×85m
m)上に固着し、半導体基体(8個)は回路基板上には
んだ付けした構造のものである。定常熱抵抗は本発明絶
縁型半導体装置900,比較試料ともに0.35℃/W
を示した。初期放熱性は本発明絶縁型半導体装置900
及び比較試料とも同等であるけれども、次に述べる試験
段階で両者の優劣が明確になる。The thermal resistance of the insulated semiconductor device 900 of the present invention was compared with that of a comparative sample. The comparative sample is AlN with a thickness of 0.63 mm.
A wiring metal layer (thickness: 0.4 mm) made of high-purity Al and a back surface metal layer (thickness: 0.0) are formed on both sides of the plate as in the first prior art.
5mm) circuit board, Al-SiC support plate (A
1-20 wt% Si-1.5 wt% Mg alloy matrix composite with green silicon carbide powder dispersed, SiC addition amount: 70 vol%, thermal expansion coefficient: 7.2 ppm / ° C., thermal conductivity:
170W / mK, Thickness: 3mm, Size: 42.5 × 85m
m) and the semiconductor substrate (8 pieces) is soldered on the circuit board. The steady-state thermal resistance is 0.35 ° C./W for both the insulating semiconductor device 900 of the present invention and the comparative sample.
showed that. The initial heat dissipation is the insulation type semiconductor device 900 of the present invention.
Although it is the same as that of the comparative sample, the superiority and inferiority of the both becomes clear in the test stage described below.
【0053】図7は本発明絶縁型半導体装置の温度サイ
クル試験による熱抵抗の推移を説明するグラフである。
絶縁型半導体装置900(曲線A)は1万サイクルを与
えても初期値(0.35℃/W)と同等の値が維持されて
いる。一方、比較試料(曲線B)は同等の初期熱抵抗を
示すけれども、1千サイクルから熱抵抗の増大を生じて
いる。放熱性に関する寿命を“初期熱抵抗の1.5 倍に
到達したときの温度サイクル数”と定義すると、比較試
料の寿命は約2千サイクルであり、絶縁型半導体装置9
00のそれは1万サイクル以上になる。回路基板におけ
る各部材の厚さが適正範囲に調整されているにもかかわ
らず比較試料が早期に寿命に到達した原因は、配線金属
層及び裏面金属層とAlN板の接合強度が十分でなく、
界面が剥離して主要な放熱路が遮断されたことにある。
接合強度が不十分であるのは、接合界面にAl窒化物以
外の物質、例えばSiやMgの窒化物が形成されていな
いためである。本発明絶縁型半導体装置900に適用し
た回路基板125は過大な応力や歪が回路基板125の
局部に集中しないように、窒化珪素板110,裏面金属
層120,配線金属層130が適正厚さに調整されてい
る。しかも、緻密かつ強固なAl,Si,Mgの窒化物
の薄層が、窒化珪素板110と裏面金属層120及び配
線金属層130の間の界面に存在する。このような点が
絶縁型半導体装置900が優れた信頼性示した理由であ
る。FIG. 7 is a graph for explaining the transition of the thermal resistance of the insulated semiconductor device of the present invention by the temperature cycle test.
The insulated semiconductor device 900 (curve A) maintains the same value as the initial value (0.35 ° C./W) even after 10,000 cycles. On the other hand, the comparative sample (curve B) shows the same initial thermal resistance, but the thermal resistance increases from 1,000 cycles. If the life related to heat dissipation is defined as “the number of temperature cycles when the initial thermal resistance reaches 1.5 times”, the life of the comparative sample is about 2,000 cycles.
That of 00 is over 10,000 cycles. The reason why the comparative sample reached the end of its life early even though the thickness of each member on the circuit board was adjusted to an appropriate range was that the bonding strength between the wiring metal layer and the back surface metal layer and the AlN plate was insufficient.
This is because the interface was separated and the main heat radiation path was blocked.
The reason why the bonding strength is insufficient is that substances other than Al nitride, for example, nitrides of Si and Mg are not formed at the bonding interface. In the circuit board 125 applied to the insulated semiconductor device 900 of the present invention, the silicon nitride plate 110, the back surface metal layer 120, and the wiring metal layer 130 have appropriate thicknesses so that excessive stress and strain are not concentrated on the local parts of the circuit board 125. Has been adjusted. Moreover, a dense and strong thin layer of Al, Si, and Mg nitride exists at the interface between the silicon nitride plate 110 and the back metal layer 120 and the wiring metal layer 130. This is the reason why the insulating semiconductor device 900 shows excellent reliability.
【0054】また本発明では、窒化珪素板110がアル
ミナ板に代わった場合は、アルミナ板110と配線金属
層130及び裏面金属層120の界面を接合する担体は
Al,Si,Mgの酸化物になる。Further, in the present invention, when the silicon nitride plate 110 is replaced with an alumina plate, the carrier for joining the interface between the alumina plate 110 and the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 is an oxide of Al, Si, Mg. Become.
【0055】本発明絶縁型半導体装置900における回
路基板125の配線金属層130や裏面金属層120の
表面に形成されるNiめっき層は、はんだぬれ性とワイ
ヤボンディング性を確保できる範囲でSn,Ag,A
u,Pt,Pd,Zn,Cu等の金属で代替でき、その
厚さもはんだぬれ性とワイヤボンディング性を確保し、
回路基板125の品質劣化を防止できる範囲で任意の値
を選択できる。更に、上述のNiめっき層はNi,S
n,Ag,Au,Pt,Pd,Zn,Cuの群から選択
された複数金属の積層体で代替えしてもよい。The Ni plating layer formed on the surface of the wiring metal layer 130 or the back surface metal layer 120 of the circuit board 125 in the insulated semiconductor device 900 of the present invention is Sn, Ag within a range in which solder wettability and wire bondability can be secured. , A
Metals such as u, Pt, Pd, Zn and Cu can be used as substitutes, and their thickness ensures solder wettability and wire bondability,
An arbitrary value can be selected within a range in which the quality deterioration of the circuit board 125 can be prevented. Furthermore, the above Ni plating layer is made of Ni, S
A laminated body of a plurality of metals selected from the group consisting of n, Ag, Au, Pt, Pd, Zn and Cu may be used instead.
【0056】回路基板125を構成するセラミックス板
110は窒化珪素以外に、必要に応じて窒化アルミニウ
ム(AlN、熱伝導率:190W/m・K,熱膨張率:
4.3ppm/℃)、アルミナ(Al2O3、熱伝導率:20
W/m・K,熱膨張率:7.2ppm/℃)で代替えするこ
とが可能である。In addition to silicon nitride, the ceramic plate 110 constituting the circuit board 125 may be aluminum nitride (AlN, thermal conductivity: 190 W / mK, thermal expansion coefficient: if necessary).
4.3 ppm / ° C), alumina (Al 2 O 3 , thermal conductivity: 20)
W / m · K and coefficient of thermal expansion: 7.2 ppm / ° C) can be substituted.
【0057】以上の回路基板125を適用した絶縁型半
導体装置900は、製造時あるいは運転時に生ずる熱応
力ないし熱歪を軽減し、各部材の変形,変性,破壊の恐
れがなく、信頼性が高く、低コストな絶縁型半導体装置
を提供するのに有効である。The insulated semiconductor device 900 to which the circuit board 125 described above is applied reduces the thermal stress or thermal strain generated during manufacturing or operation, and there is no fear of deformation, modification or destruction of each member, and the reliability is high. It is effective to provide a low-cost insulated semiconductor device.
【0058】以下、実施例により本発明を詳細に説明す
る。The present invention will be described in detail below with reference to examples.
【0059】〔実施例1〕本実施例では基本的形態の回
路基板125を適用した絶縁型半導体装置900につい
て説明する。[Embodiment 1] In this embodiment, an insulating semiconductor device 900 to which a circuit board 125 of a basic form is applied will be described.
【0060】本実施例絶縁型半導体装置900用の回路
基板125は図1に示した形態のものである。110は
セラミックス板としての窒化珪素板(寸法:30mm×5
0mm×0.3mm,焼結体、熱膨張率:3.4ppm/℃,熱
伝導率:90W/m・K )であり、半導体基体101
が搭載される側の主面に厚さ0.4mm の配線金属層130
(131,132,130c(サーミスタ搭載用))が
設けられている。これらの配線金属層130はAl合金
(Al−20wt%Si−1.5wt%Mg)により形成
されている。反対側の主面には厚さ0.2mm の裏面金属
層120が配線金属層131と同質かつ同一物性のAl
合金(Al−20wt%Si−1.5wt%Mg)により
形成されている。The circuit board 125 for the insulating semiconductor device 900 of this embodiment has the form shown in FIG. 110 is a silicon nitride plate as a ceramic plate (dimensions: 30 mm × 5)
0 mm × 0.3 mm, sintered body, coefficient of thermal expansion: 3.4 ppm / ° C., thermal conductivity: 90 W / m · K), semiconductor substrate 101
Wiring metal layer 130 with a thickness of 0.4 mm on the main surface on which the
(131, 132, 130c (for mounting the thermistor)) are provided. These wiring metal layers 130 are made of Al alloy
(Al-20 wt% Si-1.5 wt% Mg). On the main surface on the opposite side, a back surface metal layer 120 having a thickness of 0.2 mm is made of Al having the same quality and the same physical properties as the wiring metal layer 131.
It is formed of an alloy (Al-20 wt% Si-1.5 wt% Mg).
【0061】回路基板125は次の簡素化プロセスによ
り得られる。図8は本実施例絶縁型半導体装置用の回路
基板の製法を説明する断面模式図である。(a)に示す
ように、所定形状に成形されたステンレス鋼からなる上
鋳型920と下鋳型921の中空部に窒化珪素板110
をセットする。上鋳型920には裏面金属層120が形
成されるべき空間120′、下鋳型921には配線金属
層130が形成されるべき空間130′が設けられてい
る。空間120′及び130′には、Al合金(Al−
20wt%Si−1.5wt%Mg)からなる溶湯12
5′が供給される湯口125a′と湯道125b′、過
剰な溶湯を系外に除去するための排出口125c′に連
絡されている。あらかじめ約500℃に余熱された鋳型
920,921に、約670℃に加熱したAl合金溶湯
125′を加圧して供給する。Al合金溶湯125′は
湯口125a′と湯道125b′を順次経由して空間1
20′及び130′を満たし、その後排出口125c′
を経て系外に流出される。引き続き、鋳型920,92
1を冷却して溶湯125′を固相化させ、(b)に示すよ
うに窒化珪素板110の両面に配線金属層130と裏面
金属層120が形成された回路基板125を得る。配線
金属層130と裏面金属層120には、無電解めっき法
によりNiめっき層が形成される。The circuit board 125 is obtained by the following simplification process. FIG. 8 is a schematic sectional view illustrating a method for manufacturing a circuit board for the insulated semiconductor device of this embodiment. As shown in (a), the silicon nitride plate 110 is formed in the hollow parts of the upper mold 920 and the lower mold 921 made of stainless steel and molded into a predetermined shape.
Set. The upper mold 920 is provided with a space 120 'in which the back metal layer 120 is to be formed, and the lower mold 921 is provided with a space 130' in which the wiring metal layer 130 is to be formed. Al alloys (Al-
Molten metal 12 consisting of 20 wt% Si-1.5 wt% Mg)
5'is supplied to a spout 125a ', a runner 125b', and a discharge port 125c 'for removing excess molten metal out of the system. The molten Al alloy 125 ′ heated to about 670 ° C. is pressurized and supplied to the molds 920 and 921 preheated to about 500 ° C. The Al alloy molten metal 125 'passes through the sprue 125a' and the runner 125b 'in this order to form the space 1
20 'and 130' are filled and then outlet 125c '
It is leaked out of the system via. Continuously, molds 920, 92
1 is cooled to solidify the molten metal 125 'to obtain a circuit board 125 in which the wiring metal layer 130 and the back metal layer 120 are formed on both surfaces of the silicon nitride plate 110 as shown in (b). A Ni plating layer is formed on the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 by an electroless plating method.
【0062】ここで、配線金属層130と裏面金属層1
20の厚さは、上鋳型920に形成される空間120′
及び下鋳型921に形成される空間130′の深さによ
り調整される。Here, the wiring metal layer 130 and the back metal layer 1
The thickness of 20 corresponds to the space 120 ′ formed in the upper mold 920.
And the depth of the space 130 'formed in the lower mold 921 is adjusted.
【0063】以上の工程に基づいて得られる回路基板1
25では、配線金属層130と裏面金属層120の形状
や寸法は空間120′,130′の寸法やサイズにより
調整される。このため、Al合金溶湯125′の鋳造後
は、先行技術1では必要であった金属層パターンニング
のための選択エッチングを経る必要がない。したがっ
て、エッチング液によるセラミックス板の微細溝が形成
されることがなく、熱応力破壊の抑制が可能な回路基板
125が得られる。Circuit board 1 obtained by the above steps
In 25, the shapes and dimensions of the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 are adjusted by the dimensions and sizes of the spaces 120 ′ and 130 ′. Therefore, after casting the molten Al alloy 125 ', it is not necessary to perform selective etching for patterning the metal layer, which was necessary in the prior art 1. Therefore, the circuit board 125 capable of suppressing the thermal stress destruction can be obtained without forming fine grooves of the ceramic plate by the etching liquid.
【0064】窒化珪素板110と配線金属層130及び
裏面金属層120は、冷却過程でAl合金溶湯125′
の構成成分(Al,Si,Mg)と窒化珪素板110の
反応により界面に生成されるAl,Si,Mgの窒化物
層で接合される。この窒化物層は0.1μm 以下と薄く
かつ緻密で、界面の全面にわたって均一に生成される。
窒化珪素板110と配線金属層130及び裏面金属層1
20の間の接合強度は70MPa以上と強固である。ま
た、配線金属層130及び裏面金属層120は同一の溶
湯125′を供給源としており、しかも界面窒化物層も
同一条件のもとで生成されるため、回路基板125に形
成された配線金属層130及び裏面金属層120は実質
的に同一とみなせる状態(組成,物性,界面状態)にな
る。The silicon nitride plate 110, the wiring metal layer 130, and the back surface metal layer 120 are molten Al alloy 125 'in the cooling process.
The constituent layers (Al, Si, Mg) and the silicon nitride plate 110 are bonded to each other by a nitride layer of Al, Si, Mg generated at the interface. This nitride layer is thin and dense with a thickness of 0.1 μm or less, and is uniformly formed over the entire interface.
Silicon nitride plate 110, wiring metal layer 130, and back metal layer 1
The bonding strength between 20 is as strong as 70 MPa or more. Further, since the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 use the same molten metal 125 ′ as a supply source, and the interface nitride layer is also generated under the same conditions, the wiring metal layer formed on the circuit board 125. 130 and the back surface metal layer 120 are in a state (composition, physical properties, interface state) that can be regarded as substantially the same.
【0065】本実施例絶縁型半導体装置900は図3に
示した構造を有している。(a)は平面図、(b)は
(a)におけるA−A′断面、(c)は(a)におけるB
−B′断面をそれぞれ示す。回路基板125は、窒化珪
素板110と、窒化珪素板110の一方の主面上に設けら
れた配線金属層131,132,130cと、他方の主
面に設けられた裏面金属層120で構成されている。窒
化珪素板110の各主面に設けられた配線金属層130
(131,132,130c)と裏面金属層120は、互
いに同質かつ同一物性のAl合金で構成されている。回
路基板125の配線金属層131上には、半導体基体と
してのMOS FET素子基体101がはんだ層(Sn
−5wt%Sb)113によって固着されている。回路
基板125の裏面金属層120側は、はんだ層(Sn−
5wt%Sb)114によってAl合金マトリックス
(Al−20wt%Si−1.5wt%Mg,固相点:約
550℃)に緑色炭化珪素(SiC)粉末を分散させた
複合体からなる支持板(SiC添加量:70vol%,熱
膨張率:7.2ppm/℃,熱伝導率:170W/m・K,
厚さ:3mm,サイズ:42.5×85mm )115上に固
着されている。支持板115には、あらかじめ主端子3
0や補助端子31を設けたエポキシ樹脂ケース20が取
り付けられている。素子基体101と配線金属層13
1,132間、素子基体101と補助端子31間、配線
金属層131と主端子30間、配線金属層130cと補
助端子31間には、Al細線(直径:0.4mm)117の
ワイヤボンディングが施されている。ケース20内には
シリコーンゲル樹脂22が充填され、ケース20の上部
にはエポキシ樹脂蓋21が設けられている。ここで、配
線金属層131上には8個の素子基体101がはんだ1
13により固着されている。この固着はフラックス含有
のペーストはんだ材を用いて実施される。また、配線金
属層130c間には温度検出用サーミスタ素子34がは
んだ(Sn−5wt%Sb)124(図示を省略)によ
り固着され、配線金属層130cはAl細線117によ
り補助端子31へ連絡されている。なお、図面では省略
しているけれども、ケース20と支持板115の間、そ
してケース20と蓋21の間はシリコーン接着樹脂35
(図示を省略)により固定されている。蓋21の肉厚部
には凹み25、主端子30には穴30′がそれぞれ設け
られ、絶縁型半導体装置900を外部回路配線に連絡す
るためのネジ(図示を省略)が収納されている。主端子
30や補助端子31はあらかじめ所定形状に打抜き成形
された銅板にNiめっきを施したものであり、トランス
ファモールド法によってエポキシ樹脂ケース20に取り
付けられている。以上の構成において、回路基板125
は支持板115とともに絶縁型半導体装置900の主要
な放熱路を担っている。また、回路基板125の配線金
属層130(131,132,130c)と裏面金属層
120は同質かつ同一物性のAl合金により構成されて
いる。Al合金を適用することにより、窒化珪素板11
0と配線金属層130(131,132,130c)及
び裏面金属層120の間の界面には薄い窒化物が介在
し、均一かつ緻密かつ強固な接合界面が形成されてい
る。以上の構成をとることによって、絶縁型半導体装置
900には優れた放熱性及び信頼性が付与される。The insulated semiconductor device 900 of this embodiment has the structure shown in FIG. (A) is a plan view, (b) is an AA 'cross section in (a), (c) is B in (a).
-B 'cross section is shown respectively. The circuit board 125 includes a silicon nitride plate 110, wiring metal layers 131, 132, and 130c provided on one main surface of the silicon nitride plate 110, and a back surface metal layer 120 provided on the other main surface. ing. Wiring metal layer 130 provided on each main surface of silicon nitride plate 110
(131, 132, 130c) and the back surface metal layer 120 are made of Al alloys of the same quality and physical properties. On the wiring metal layer 131 of the circuit board 125, the MOS FET element substrate 101 as a semiconductor substrate is provided with a solder layer (Sn).
-5 wt% Sb) 113. The back surface metal layer 120 side of the circuit board 125 has a solder layer (Sn−
5 wt% Sb) 114 by Al alloy matrix
(Al-20 wt% Si-1.5 wt% Mg, solid phase point: about 550 ° C.) A support plate made of a complex in which green silicon carbide (SiC) powder is dispersed (SiC addition amount: 70 vol%, thermal expansion coefficient) : 7.2 ppm / ° C, thermal conductivity: 170 W / mK,
The thickness is 3 mm and the size is 42.5 × 85 mm. The main terminal 3 is previously provided on the support plate 115.
0 and the epoxy resin case 20 provided with the auxiliary terminal 31 are attached. Element base 101 and wiring metal layer 13
1 and 132, between the element substrate 101 and the auxiliary terminal 31, between the wiring metal layer 131 and the main terminal 30, and between the wiring metal layer 130c and the auxiliary terminal 31, wire Al wire 117 (diameter: 0.4 mm) 117 is wire-bonded. It has been subjected. A silicone gel resin 22 is filled in the case 20, and an epoxy resin lid 21 is provided on the top of the case 20. Here, eight element bases 101 are soldered on the wiring metal layer 131.
It is fixed by 13. This fixing is performed using a flux-containing paste solder material. Further, the temperature detecting thermistor element 34 is fixed between the wiring metal layers 130c by solder (Sn-5 wt% Sb) 124 (not shown), and the wiring metal layer 130c is connected to the auxiliary terminal 31 by the Al thin wire 117. There is. Although not shown in the drawing, a silicone adhesive resin 35 is provided between the case 20 and the support plate 115 and between the case 20 and the lid 21.
It is fixed by (not shown). A recess 25 is provided in the thick portion of the lid 21, a hole 30 'is provided in the main terminal 30, and a screw (not shown) for connecting the insulated semiconductor device 900 to an external circuit wiring is housed therein. The main terminal 30 and the auxiliary terminal 31 are copper plates punched and formed in a predetermined shape in advance and plated with Ni, and are attached to the epoxy resin case 20 by a transfer molding method. In the above configuration, the circuit board 125
Together with the support plate 115 serve as a main heat dissipation path of the insulated semiconductor device 900. Further, the wiring metal layer 130 (131, 132, 130c) of the circuit board 125 and the back surface metal layer 120 are made of an Al alloy having the same quality and the same physical properties. By applying an Al alloy, the silicon nitride plate 11
0, a thin nitride intervenes at the interface between the wiring metal layer 130 (131, 132, 130c) and the back surface metal layer 120, and a uniform, dense and strong bonding interface is formed. With the above configuration, the insulating semiconductor device 900 is provided with excellent heat dissipation and reliability.
【0066】図9は絶縁型半導体装置の回路を説明する
図である。MOS FET素子(4個)101が並列に
配置された2系統のブロック910を有し、各ブロック
910は直列に接続され、入力主端子30in,出力主端子
30out ,補助端子31が所定部から引き出されて絶縁
型半導体装置900の要部を構成している。また、この
回路の稼働時における温度検出用サーミスタ34が絶縁
型半導体装置900内に独立して配置されている。この
絶縁型半導体装置900は最終的に、図10に示す電動
機960の回転数制御用インバータ装置に組み込まれ
た。FIG. 9 is a diagram for explaining the circuit of the insulating semiconductor device. It has a block 910 of two systems in which MOS FET elements (four pieces) 101 are arranged in parallel, and each block
Reference numeral 910 is connected in series, and the input main terminal 30in, the output main terminal 30out, and the auxiliary terminal 31 are pulled out from a predetermined portion to form a main part of the insulated semiconductor device 900. Further, the temperature detecting thermistor 34 during operation of this circuit is independently arranged in the insulating semiconductor device 900. This insulated semiconductor device 900 was finally incorporated into the rotation speed control inverter device of the electric motor 960 shown in FIG.
【0067】なお、本実施例では比較用として第1先行
技術と同様の部材構成をとる回路基板を用い、本実施例
絶縁型半導体装置900と寸法が略近似した400A級
の比較試料も作製した。この比較試料に用いた回路基板
は、厚さ0.63mm のAlN板の両面に第1先行技術と
同様に高純度Al(3N)からなる配線金属層(厚さ:
0.4mm)と裏面金属層(厚さ:0.05mm)を形成した
ものである。回路基板はAl−SiC支持板(Al−2
0wt%Si−1.5wt%Mg 合金マトリックスに緑
色炭化珪素粉末を分散させた複合体、SiC添加量:7
0vol% ,熱膨張率:7.2ppm/℃,熱伝導率:170
W/m・K,厚さ:3mm,サイズ:42.5×85mm)上に
はんだ付けにより固着し、半導体基体(8個)は回路基
板上にはんだ付けした。In this example, for comparison, a circuit board having the same member structure as that of the first prior art was used, and a 400 A class comparative sample whose dimensions were approximately similar to those of the insulated semiconductor device 900 of this example was also prepared. . The circuit board used in this comparative sample was a wiring metal layer (thickness: made of high-purity Al (3N)) on both surfaces of an AlN plate having a thickness of 0.63 mm as in the first prior art.
0.4 mm) and a back metal layer (thickness: 0.05 mm) are formed. The circuit board is an Al-SiC support plate (Al-2
0 wt% Si-1.5 wt% Mg alloy matrix composite with green silicon carbide powder dispersed, SiC addition amount: 7
0 vol%, thermal expansion coefficient: 7.2 ppm / ° C, thermal conductivity: 170
W / m · K, thickness: 3 mm, size: 42.5 × 85 mm) were fixed by soldering, and the semiconductor substrates (8 pieces) were soldered on the circuit board.
【0068】定常熱抵抗は本実施例絶縁型半導体装置9
00及び比較試料ともに0.35℃/Wを示し、初期放
熱性は両試料とも同等である。The steady-state thermal resistance is the insulation type semiconductor device 9 of this embodiment.
00 and the comparative sample both showed 0.35 ° C./W, and the initial heat dissipation was the same for both samples.
【0069】本実施例絶縁型半導体装置900の温度サ
イクル試験(−40〜125℃)による熱抵抗の推移は
図7に示した通りである。絶縁型半導体装置900(曲
線A)は1万サイクルを与えても初期値(0.35℃/
W)と同等の値が維持されている。一方、比較試料(曲
線B)は同等の初期熱抵抗を示すけれども、1千サイク
ルから熱抵抗の増大を生じている。放熱性に関する寿命
を“初期熱抵抗の1.5 倍に到達したときの温度サイク
ル数”と定義すると、比較試料の寿命は約2千サイクル
であり、絶縁型半導体装置900のそれは1万サイクル
以上になる。回路基板の厚さ構成が上述した適正範囲に
調整されているにもかかわらず比較試料が早期に寿命に
到達した原因は、配線金属層及び裏面金属層とAlN板
の接合強度が十分でなく、界面が剥離して主要な放熱路
が遮断されたことにある。接合強度が不十分であるの
は、接合界面にAl窒化物以外の物質、例えばSiやM
gの窒化物が形成されていないためである。The transition of the thermal resistance of the insulated semiconductor device 900 of this embodiment due to the temperature cycle test (-40 to 125 ° C.) is as shown in FIG. The insulated semiconductor device 900 (curve A) has an initial value (0.35 ° C /
The value equivalent to W) is maintained. On the other hand, the comparative sample (curve B) shows the same initial thermal resistance, but the thermal resistance increases from 1,000 cycles. If the life related to heat dissipation is defined as “the number of temperature cycles when the initial thermal resistance reaches 1.5 times”, the life of the comparative sample is about 2,000 cycles, and that of the insulated semiconductor device 900 is 10,000 cycles or more. become. The reason why the comparative sample reached the end of its life early even though the thickness configuration of the circuit board was adjusted to the above-mentioned appropriate range was that the bonding strength between the wiring metal layer and the back surface metal layer and the AlN plate was not sufficient. This is because the interface was separated and the main heat radiation path was blocked. The bonding strength is insufficient because substances other than Al nitride, such as Si and M, are present at the bonding interface.
This is because the nitride of g is not formed.
【0070】一方、本実施例絶縁型半導体装置900で
は、過大な応力や歪が回路基板125の局部に集中しない
ように、窒化珪素板110,裏面金属層120,配線金
属層130が適正厚さに調整されている。しかも、接合
界面にAl合金を構成する金属の薄く緻密なAl,S
i,Mgの窒化物層が、窒化珪素板110と裏面金属層
120及び配線金属層130の間の界面に存在する。ま
た、同質かつ同一物性の配線金属層130と裏面金属層
120で窒化珪素板110がサンドウイッチされている
ため、これらの層と窒化珪素板110の間の接合界面が
同一の状態に保たれている。この結果、配線金属層13
0や裏面金属層120の接合界面に過度の応力や歪が偏
って作用することが避けられ、配線金属層130や裏面
金属層120の剥離や疲労破壊が抑えられる。このような
点が優れた信頼性示した理由である。On the other hand, in the insulated semiconductor device 900 of this embodiment, the silicon nitride plate 110, the backside metal layer 120, and the wiring metal layer 130 have appropriate thicknesses so that excessive stress and strain are not concentrated on the local portion of the circuit board 125. Has been adjusted to. Moreover, the thin and dense Al, S of the metal forming the Al alloy at the joint interface
The i, Mg nitride layer exists at the interface between the silicon nitride plate 110 and the back metal layer 120 and the wiring metal layer 130. Further, since the silicon nitride plate 110 is sandwiched between the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 having the same quality and the same physical properties, the bonding interface between these layers and the silicon nitride plate 110 is kept in the same state. There is. As a result, the wiring metal layer 13
It is possible to prevent excessive stress and strain from acting unevenly on the bonding interface between the zero metal and the back metal layer 120, and to prevent peeling and fatigue damage of the wiring metal layer 130 and the back metal layer 120. This is the reason why the reliability is excellent.
【0071】図11は間欠通電試験による熱抵抗の推移
を示すグラフである。この試験では、支持板115の温
度が30〜100℃の変化を生ずるようにMOS FE
T素子基体101に繰り返し通電して熱抵抗を追跡し
た。本実施例絶縁型半導体装置900は3万サイクルま
で初期値(0.35℃/W)と同等の値が維持されてい
る。3万サイクル以降で熱抵抗は漸増しているけれど
も、約15万サイクルまでは本発明で寿命(初期熱抵抗
の1.5倍)と定義される0.53℃/W を越えていな
い。このように本実施例絶縁型半導体装置900が優れ
た間欠通電耐量を示したのは、回路基板125の構成部
材が適正な値に調整され、窒化珪素板110の両面に配
置されている配線金属層130と裏面金属層120が同
一物性で同一のAl合金素材で構成されていることに基
づくほか、上述した温度サイクル試験の場合と同様の理
由による。一方、比較試料の熱抵抗は初期値は0.35
℃/W であるけれども、5千サイクル以降から増加し
ており、寿命(0.53℃/W)には約1万サイクルで到
達している。このように比較試料の放熱信頼性が劣る理
由は、基本的に上述した温度サイクル試験の場合と同様
である。FIG. 11 is a graph showing the transition of thermal resistance due to the intermittent energization test. In this test, the temperature of the supporting plate 115 was changed to 30 to 100 ° C. so that the MOS FE was changed.
The thermal resistance was traced by repeatedly energizing the T element substrate 101. The insulated semiconductor device 900 of this embodiment maintains a value equivalent to the initial value (0.35 ° C./W) up to 30,000 cycles. Although the thermal resistance gradually increases after 30,000 cycles, it does not exceed 0.53 ° C./W defined as the life (1.5 times the initial thermal resistance) in the present invention up to about 150,000 cycles. In this way, the insulated semiconductor device 900 of the present embodiment exhibited excellent intermittent current resistance because the wiring members arranged on both sides of the silicon nitride plate 110 in which the constituent members of the circuit board 125 were adjusted to appropriate values. It is based on the fact that the layer 130 and the back surface metal layer 120 have the same physical properties and are made of the same Al alloy material, and for the same reason as in the case of the temperature cycle test described above. On the other hand, the thermal resistance of the comparative sample has an initial value of 0.35.
Although it is ℃ / W, it has been increasing since 5,000 cycles, and the life (0.53 ℃ / W) is reached in about 10,000 cycles. The reason why the heat radiation reliability of the comparative sample is poor is basically the same as in the case of the above-mentioned temperature cycle test.
【0072】上述の間欠通電試験では、配線金属層13
1から裏面金属層120に至る積層構造の絶縁に関する
評価も進めた。図12はその結果で、間欠通電試験によ
る配線金属層−裏面金属層間のコロナ放電開始電圧の推
移を説明するグラフである。コロナ放電開始電圧は電荷
量100pCにおける値である。本実施例絶縁型半導体
装置900は約8kVの初期値に対して、13万サイク
ル後においても約8kVとほとんど変動していない。本
実施例絶縁型半導体装置900では、配線金属層130
や裏面金属層120が強固に接合され、この接合界面に
も過度の応力が作用しない。このため窒化珪素板110
の破壊や、配線金属層130や裏面金属層120の剥離
を生じないため、優れた絶縁性が維持される。以上は、
回路基板125の各部材が適正厚さに調整されているこ
と、同質かつ同一物性の配線金属層130及び裏面金属
層120と窒化珪素板110が緻密かつ強固なAl,S
i,Mgの窒化物薄層で接合されているに基づく。In the above-mentioned intermittent energization test, the wiring metal layer 13
Evaluation of insulation of the laminated structure from 1 to the back metal layer 120 was also advanced. FIG. 12 is a graph showing the results of the transition of the corona discharge inception voltage between the wiring metal layer and the back surface metal layer by the intermittent current test. The corona discharge starting voltage is a value when the charge amount is 100 pC. The insulated semiconductor device 900 of this embodiment has an initial value of about 8 kV, which is about 8 kV even after 130,000 cycles. In the insulated semiconductor device 900 of this embodiment, the wiring metal layer 130 is used.
The back surface metal layer 120 is firmly bonded, and no excessive stress acts on this bonding interface. Therefore, the silicon nitride plate 110
Since the wiring is not destroyed and the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 are not peeled off, excellent insulation is maintained. The above is
Each member of the circuit board 125 is adjusted to have an appropriate thickness, and the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 and the silicon nitride plate 110 having the same quality and the same physical properties are dense and strong Al, S.
i, Mg based on a thin nitride layer.
【0073】これに対し、比較試料の放電開始電圧は初
期的には本実施例絶縁型半導体装置900と同等である
が、試験回数を増すにつれて逐次低下し、3万サイクル
以降は約1kVとほぼ一定の値を示している。比較試料
が絶縁型半導体装置900に比べて早期に絶縁劣化した
理由は、配線金属層や裏面金属層がAlN板から剥離し
たり、配線金属層や裏面金属層に対応するAlN板領域
の機械的破壊が早期に進んだためである。絶縁物の破
壊,配線金属層や裏面金属層の剥離を生ずると、これら
の部分で電界が極度に高くなり放電を生ずる。AlN板
領域の機械的破壊,配線金属層や裏面金属層とAlN板
の接合界面剥離を生ずるのに伴って、配線金属層,裏面
金属層,AlN板の適正厚さのバランスが崩れる。これ
により破壊や剥離がいっそう加速される。比較試料の回
路基板の各部材は適正厚さ範囲に調整され、同質かつ同
一物性の配線金属層及び裏面金属層が形成されてはいる
けれども、接合界面を緻密かつ強固に保つ、例えばSi
やMgの窒化物薄層が介在しない。On the other hand, although the discharge start voltage of the comparative sample is initially equivalent to that of the insulated semiconductor device 900 of this embodiment, it gradually decreases as the number of tests increases, and becomes approximately 1 kV after 30,000 cycles. It shows a constant value. The reason why the insulation deterioration of the comparative sample is earlier than that of the insulated semiconductor device 900 is that the wiring metal layer and the back surface metal layer are separated from the AlN plate, or the mechanical properties of the AlN plate region corresponding to the wiring metal layer and the back surface metal layer are mechanically affected. This is because destruction proceeded early. When the insulator is destroyed and the wiring metal layer or the back surface metal layer is peeled off, the electric field becomes extremely high in these portions, and a discharge is generated. Along with mechanical destruction of the AlN plate region and peeling of the bonding interface between the wiring metal layer or the backside metal layer and the AlN plate, the balance between the appropriate thicknesses of the wiring metal layer, the backside metal layer, and the AlN plate is lost. This further accelerates breakage and peeling. Each member of the circuit board of the comparative sample was adjusted to have an appropriate thickness range, and the wiring metal layer and the back metal layer having the same quality and the same physical property were formed, but the bonding interface was kept dense and strong, for example, Si.
No thin nitride layer of Mg or Mg is present.
【0074】本実施例絶縁型半導体装置900は平坦な
Alフィン上に直径200μmのピアノ線を挟んでネジ
締め固定された。この際の締め付けトルクは45kgf−c
m(各ネジ当り)である。この締め付け状態を30日間続
けた後、締め付けを解放した。この試験による回路基板
125の機械的破損や絶縁型半導体装置900の電気的
機能の劣化は投入した試料(10個)のいずれにも認め
られなかった。これは、回路基板125は各部材が適正
厚さに調整されていて外力による新たな応力や歪が重畳
されても破壊を生じないこと、配線金属層130及び裏
面金属層120と窒化珪素板110が緻密かつ強固なA
l,Si,Mgの窒化物薄層で接合されていることに基
づく。一方、比較試料にも同様の試験(試料数:10
個)を施した。この結果、4個の試料にAlN板のクラ
ック破壊,配線金属層や裏面金属層の剥離が観測され
た。回路基板を構成する各部材が適正厚さに調整されて
いるにもかかわらずこれらの破壊や剥離を生じたのは、
接合界面にAl以外の例えばSiやMgの窒化物が形成
されていないため、各部材間が緻密かつ強固に接合され
ていない点に起因する。The insulated semiconductor device 900 of this embodiment was fixed by screwing a piano wire having a diameter of 200 μm on a flat Al fin. The tightening torque at this time is 45 kgf-c
m (for each screw). After this tightened state was continued for 30 days, the tightening was released. No mechanical damage to the circuit board 125 or deterioration of the electrical function of the insulated semiconductor device 900 due to this test was observed in any of the samples (10 pieces) put in. This is because each member of the circuit board 125 is adjusted to have an appropriate thickness so that the circuit board 125 does not break even if new stress or strain due to an external force is superposed thereon. Is precise and strong A
It is based on the fact that they are joined by a thin nitride layer of l, Si and Mg. On the other hand, a similar test (the number of samples: 10
Pieces). As a result, crack breakage of the AlN plate and peeling of the wiring metal layer and the backside metal layer were observed in the four samples. Even though each member that constitutes the circuit board is adjusted to an appropriate thickness, these breakage and peeling occurred.
This is because no nitride other than Al, for example, Si or Mg, is formed at the bonding interface, so that the members are not densely and firmly bonded.
【0075】また本実施例では、絶縁型半導体装置90
0を高さ1.5m の位置からコンクリート床上に落下さ
せた。試験投入試料数10個のいずれにも、回路基板1
25の機械的破損や絶縁型半導体装置900の電気的機
能の劣化は認められなかった。これは、回路基板125
の各部材が適正厚さに調整されていること、配線金属層
130及び裏面金属層120と窒化珪素板110が緻密
かつ強固なAl,Si,Mgの窒化物薄層で接合されて
いるに基づく。Further, in this embodiment, the insulating semiconductor device 90 is used.
0 was dropped onto the concrete floor from a height of 1.5 m. Circuit board 1 for all 10 test samples
No mechanical damage to No. 25 or deterioration of the electrical function of the insulated semiconductor device 900 was observed. This is the circuit board 125
Each member is adjusted to have an appropriate thickness, and the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 are bonded to the silicon nitride plate 110 by a dense and strong nitride thin layer of Al, Si, and Mg. .
【0076】本実施例絶縁型半導体装置900は図10
のインバータ装置に組み込まれ、電動機960の回転数
制御に用いることができる。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
ことができる。この自動車においては、変速時のショッ
クが軽減され、スムーズな走行が可能で、振動や騒音も
軽減することができる。The insulated semiconductor device 900 of this embodiment is shown in FIG.
Can be used for controlling the rotation speed of the electric motor 960. Further, the inverter device and the electric motor can be incorporated in an electric vehicle as a power source thereof. In this vehicle, shock during shifting is reduced, smooth running is possible, and vibration and noise can be reduced.
【0077】更に、絶縁型半導体装置900を組み込ん
だインバータ装置は冷暖房機(冷房時の消費電力:5k
W,暖房時の消費電力:3kW)に組み込むことができ
る。この際、従来の交流電動機を用いた場合より高い効
率を得ることができる。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を、従来の交流
電動機を用いた場合より短縮できる。Further, the inverter device incorporating the insulated semiconductor device 900 is an air conditioner (power consumption during cooling: 5 k
W, power consumption during heating: 3 kW). At this time, it is possible to obtain higher efficiency than in the case of using the conventional AC motor. This helps to reduce the power consumption when using the air conditioner. Further, the time from the start of the operation of the room until it reaches the set temperature can be shortened as compared with the case where the conventional AC motor is used.
【0078】本実施例と同様の効果は、絶縁型半導体装
置900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た場合でも享受で
きる。The same effect as that of this embodiment can be obtained even when the insulating semiconductor device 900 is incorporated in a device for stirring or flowing another fluid, such as a washing machine or a fluid circulating device.
【0079】なお、配線金属層130や裏面金属層12
0を構成するAl合金は本実施例で示した材料に限定さ
れない。Si,Ge,Mn,Mg,Au,Ag,Ca,
Cu,Ni,Pd,Sb,Te,Ti,V,Zn,Zr
の群から選択された少なくとも1種の金属とAlからな
る合金で、特に表1に掲げた合金材であることが好まし
い。また、はんだ材113,114,124は本実施例
に開示した材料(Sn−5wt%Sb)のみには限定さ
れない。絶縁型半導体装置900の製作プロセスや要求
特性特に耐熱疲労信頼性に応じて、Sn又は、Pb,S
n,Sb,Zn,Cu,Ni,Au,Ag,P,Bi,
In,Mn,Mg,Si,Ge,Ti,Zr,V,H
f,Pdの群から選択された2種以上からなる合金を選
択し得る。例えば、Sn−3wt%Ag−0.5wt%
Cu,Pb−52wt%Sn−8wt%Bi,Au−1
2wt%Ge,Au−6wt%Si,Au−20wt%S
i,Al−11.7wt%Si,Ag−4.5Si,Au
−85wt%Pb,Au−26wt%Sb,Cu−6
9.3wt%Mg,Cu−35wt%Mn,Cu−36w
t%Pb,Cu−76.5wt%Sb,Cu−16.5w
t%Si,Cu−28wt%Ti,Cu−10wt%Z
rのようなはんだ材を適用できる。The wiring metal layer 130 and the back metal layer 12
The Al alloy constituting 0 is not limited to the materials shown in this embodiment. Si, Ge, Mn, Mg, Au, Ag, Ca,
Cu, Ni, Pd, Sb, Te, Ti, V, Zn, Zr
It is an alloy composed of at least one metal selected from the group and Al, and the alloy materials listed in Table 1 are particularly preferable. Further, the solder materials 113, 114, and 124 are not limited to only the material (Sn-5 wt% Sb) disclosed in this embodiment. Depending on the manufacturing process and the required characteristics of the insulation type semiconductor device 900, particularly the heat resistance fatigue reliability, Sn, Pb, S
n, Sb, Zn, Cu, Ni, Au, Ag, P, Bi,
In, Mn, Mg, Si, Ge, Ti, Zr, V, H
An alloy composed of two or more kinds selected from the group of f and Pd can be selected. For example, Sn-3 wt% Ag-0.5 wt%
Cu, Pb-52 wt% Sn-8 wt% Bi, Au-1
2 wt% Ge, Au-6 wt% Si, Au-20 wt% S
i, Al-11.7 wt% Si, Ag-4.5Si, Au
-85 wt% Pb, Au-26 wt% Sb, Cu-6
9.3 wt% Mg, Cu-35 wt% Mn, Cu-36w
t% Pb, Cu-76.5 wt% Sb, Cu-16.5w
t% Si, Cu-28wt% Ti, Cu-10wt% Z
A solder material such as r can be applied.
【0080】〔実施例2〕本実施例では、窒化アルミニ
ウム板110からなる回路基板125を適用したコンピ
ュータ電源用絶縁型半導体装置900について説明す
る。[Embodiment 2] In this embodiment, an insulated semiconductor device 900 for a computer power supply to which a circuit board 125 made of an aluminum nitride plate 110 is applied will be described.
【0081】図13は本実施例絶縁型半導体装置用の回
路基板を説明する平面図及び断面図である。(a)は半
導体素子基体を搭載する側の平面図、(b)は断面図、
(c)は支持板と接合される側の平面図を示す。セラミ
ックス板110としての窒化アルミニウム板は熱膨張
率:4.3ppm/℃,熱伝導率:170W/m・K,厚
さ:0.63mm,サイズ:21×30mm を有する焼結体
である。窒化アルミニウム板110の一方の主面上に配
線金属層130(131,132)、他方の主面に裏面
金属層120が形成されている。配線金属層130(1
31,132)と裏面金属層120は同質かつ同一物性
のAl合金(Al−3wt%Cu−7.5wt%Si−
0.3wt%Mg−1wt%Zn−0.9wt%Fe−
0.5wt%Mn−0.5wt%Ni−0.3wt%S
n,固相点:約560℃)からなり、このAl合金から
なる溶湯125′を前記実施例1と同様に圧入鋳造して
形成されている。配線金属層130(131,132)
は厚さ0.8mm 、裏面金属層120は厚さ0.35mm を
有している。配線金属層130(131,132)及び
裏面金属層120の表面には、Niめっき(厚さ:5μ
m)が設けられている(図示を省略)。FIG. 13 is a plan view and a sectional view for explaining a circuit board for the insulated semiconductor device of this embodiment. (A) is a plan view of a side on which a semiconductor element substrate is mounted, (b) is a sectional view,
(c) shows the top view of the side joined with a support plate. The aluminum nitride plate as the ceramic plate 110 is a sintered body having a coefficient of thermal expansion of 4.3 ppm / ° C., a coefficient of thermal conductivity of 170 W / m · K, a thickness of 0.63 mm, and a size of 21 × 30 mm. A wiring metal layer 130 (131, 132) is formed on one main surface of the aluminum nitride plate 110, and a back surface metal layer 120 is formed on the other main surface. Wiring metal layer 130 (1
31 and 132) and the back surface metal layer 120 have the same quality and the same physical properties as an Al alloy (Al-3 wt% Cu-7.5 wt% Si-
0.3 wt% Mg-1 wt% Zn-0.9 wt% Fe-
0.5 wt% Mn-0.5 wt% Ni-0.3 wt% S
n, solid phase point: about 560 ° C.), and is formed by press-fitting and casting a molten metal 125 ′ made of this Al alloy in the same manner as in the first embodiment. Wiring metal layer 130 (131, 132)
Has a thickness of 0.8 mm and the backside metal layer 120 has a thickness of 0.35 mm. The surfaces of the wiring metal layers 130 (131, 132) and the back surface metal layer 120 are plated with Ni (thickness: 5 μm).
m) is provided (not shown).
【0082】窒化アルミニウム板110と配線金属層1
30及び裏面金属層120は、Al合金溶湯125′の
冷却過程でAl合金溶湯125′の構成成分(Al,C
u,Si,Mg,Zn,Fe,Mn,Ni,Sn)と窒
化アルミニウム板110の表面とが反応し、この結果界
面に生成されたAl,Cu,Si,Mg,Zn,Fe,
Mn,Ni,Snの窒化物層により接合される。この窒
化物層は0.1μm 以下と薄くかつ緻密で、界面の全面
にわたって均一に生成される。窒化アルミニウム板11
0と配線金属層130及び裏面金属層120の間の接合
強度は、70MPa以上と強固になっている。また、配
線金属層130及び裏面金属層120は同一の溶湯12
5′を供給源としており、しかも界面窒化物層も同一条
件のもとで生成されるため、回路基板125に形成され
た配線金属層130及び裏面金属層120は実質的に同
一とみなせる状態(組成,物性,界面状態)にある。Aluminum nitride plate 110 and wiring metal layer 1
30 and the back surface metal layer 120 are components (Al, C) of the Al alloy molten metal 125 ′ during the cooling process of the Al alloy molten metal 125 ′.
u, Si, Mg, Zn, Fe, Mn, Ni, Sn) reacts with the surface of the aluminum nitride plate 110, and as a result, Al, Cu, Si, Mg, Zn, Fe, generated at the interface.
It is joined by a nitride layer of Mn, Ni and Sn. This nitride layer is thin and dense with a thickness of 0.1 μm or less, and is uniformly formed over the entire interface. Aluminum nitride plate 11
The bonding strength between 0 and the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 is as strong as 70 MPa or more. Further, the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 are the same molten metal 12
5'is used as the supply source, and the interfacial nitride layer is also generated under the same conditions. Therefore, the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 formed on the circuit board 125 can be regarded as being substantially the same ( Composition, physical properties, interface state).
【0083】回路基板125は温度サイクル試験(−5
5〜150℃、試料数:20個)に投入された。窒化ア
ルミニウム板110のクラックの発生状況,配線金属層
130及び裏面金属層120の剥離状況について観察し
た。1万サイクルの試験によっては、上述したいずれの
破壊も観測されていない。回路基板125が優れた破壊
耐量を有するのは、構成部材が適正な厚さに調整されて
おり、配線金属層130と裏面金属層120は同質かつ
同一物性のAl合金からなり、界面に生成された窒化物
層が薄くかつ緻密で界面の全面にわたって均一に生成さ
れていることに基づく。The circuit board 125 is subjected to a temperature cycle test (-5
5 to 150 ° C., the number of samples: 20). The crack generation state of the aluminum nitride plate 110 and the peeling state of the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 were observed. None of the above failures were observed by the 10,000 cycle test. The circuit board 125 has an excellent breakdown resistance because the constituent members are adjusted to have an appropriate thickness, the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 are made of an Al alloy of the same quality and the same physical properties, and are formed at the interface. It is based on the fact that the nitride layer is thin and dense and is uniformly formed over the entire interface.
【0084】また、回路基板125には次に述べる落下
試験が施された。この試験では、回路基板125を1.
5m の高さからコンクリート床面に落下(3回)させ
た。この試験の後に回路基板125の絶縁耐力を調べ
た。絶縁耐力は初期段階(交流電圧3000V×1min
印加で絶縁劣化なし)と同等であり、窒化アルミニウム
110,配線金属層130及び裏面金属層120の破損
は観測されなかった。回路基板125の優れた破壊耐力
も、構成部材が適正な厚さに調整され、配線金属層13
0と裏面金属層120は同質かつ同一物性のAl合金か
らなり、界面窒化物層が薄く、緻密かつ強固に、均一に
生成されていることが寄与している。The circuit board 125 was subjected to the following drop test. In this test, the circuit board 125 is 1.
It was dropped (3 times) on the concrete floor from a height of 5 m 2. After this test, the dielectric strength of the circuit board 125 was examined. Dielectric strength is in the initial stage (AC voltage 3000V x 1min
It is equivalent to (no insulation deterioration upon application), and no damage to the aluminum nitride 110, the wiring metal layer 130, and the back surface metal layer 120 was observed. With respect to the excellent breaking strength of the circuit board 125, the constituent members are adjusted to have an appropriate thickness, and the wiring metal layer 13
0 and the back surface metal layer 120 are made of an Al alloy of the same quality and the same physical properties, and it is contributed that the interface nitride layer is thin and is densely and strongly formed uniformly.
【0085】図14は本実施例絶縁型半導体装置を説明
する平面図,断面図及び回路図である。(a)及び
(b)に示す絶縁型半導体装置900は以下の構成から
なる。回路基板125は窒化アルミニウム板110に配
線金属層130(131,132)と裏面金属層120が
形成されている。配線金属層131上には、Siからな
るMOS FET素子基体101(4個、7×7×0.2
8mm)がはんだ材113(Sn−3wt%Ag−0.8
wt%Cu合金、厚さ:70μm )により固着されて
いる。配線金属層132にはチップ抵抗112がはんだ
材124(Sn−3wt%Ag−0.8wt%Cu 合
金、図示を省略)により固着されている。また、回路基
板125の裏面金属層120は、Cu支持板(25×3
3mm、厚さ:2mm,厚さ:5μmのNiめっき層を形
成)115上にはんだ材114(Sn−3wt%Ag−
0.8wt%Cu合金、厚さ:70μm )により固着さ
れている。これらのはんだ付けでは、回路基板125の
所定部にペースト状はんだ材を塗布して素子基体101
とチップ抵抗112をセットし、Cu支持板115の所
定部にペースト状はんだ材を塗布して回路基板125を
セットした後窒素中で加熱し、はんだ材が溶融した段階
で真空雰囲気にしてフラックスや気泡を排出する工程を
経る。エポキシ樹脂ケース20にはあらかじめCu端子
30が一体化されており、このケース20はCu支持板
115上にシリコーン接着樹脂35(図示を省略)によ
り取り付けられている。素子基体101のゲート,ソー
ス及びドレインにはそれぞれAl線(直径:300μ
m)117のワイヤボンディングが施こされている。ゲ
ート端子30aは各素子基体101が共用し、ソース端
子30cとドレイン端子30bは各素子基体101で専
用するように配線されている。素子基体101の搭載部
にはシリコーンゲル樹脂22が充填され、チップ抵抗1
12搭載部にはエポキシ樹脂22a(図示を省略)が塗
布されている。ケース20にはシリコーン接着樹脂35
(図示を省略)によりエポキシ樹脂蓋21が取り付けら
れている。以上により製作された絶縁型半導体装置90
0は、(c)に示す回路を構成している。FIG. 14 is a plan view, a sectional view and a circuit diagram for explaining the insulated semiconductor device of this embodiment. The insulated semiconductor device 900 shown in (a) and (b) has the following configuration. In the circuit board 125, the wiring metal layers 130 (131, 132) and the back surface metal layer 120 are formed on the aluminum nitride plate 110. On the wiring metal layer 131, the MOS FET element substrate 101 (4 pieces, 7 × 7 × 0.2) made of Si is formed.
8mm is solder material 113 (Sn-3wt% Ag-0.8)
wt% Cu alloy, thickness: 70 μm). The chip resistor 112 is fixed to the wiring metal layer 132 with a solder material 124 (Sn-3 wt% Ag-0.8 wt% Cu alloy, not shown). In addition, the back surface metal layer 120 of the circuit board 125 is a Cu support plate (25 × 3).
3 mm, thickness: 2 mm, thickness: 5 μm, Ni plating layer is formed.) Solder material 114 (Sn-3 wt% Ag-)
It is fixed by a 0.8 wt% Cu alloy, thickness: 70 μm. In these soldering processes, a paste-like solder material is applied to a predetermined portion of the circuit board 125 to form the element substrate 101.
And the chip resistor 112 are set, a paste-like solder material is applied to a predetermined portion of the Cu support plate 115, the circuit board 125 is set, and then heated in nitrogen. The process of discharging bubbles is performed. The Cu terminal 30 is integrated in advance with the epoxy resin case 20, and the case 20 is attached on the Cu support plate 115 with a silicone adhesive resin 35 (not shown). An Al wire (diameter: 300 μm) is used for the gate, the source and the drain of the element substrate 101.
m) 117 has been wire-bonded. The gate terminal 30a is shared by each element substrate 101, and the source terminal 30c and the drain terminal 30b are wired so as to be dedicated to each element substrate 101. The mounting portion of the element substrate 101 is filled with the silicone gel resin 22, and the chip resistor 1
An epoxy resin 22a (not shown) is applied to the 12 mounting portion. Silicone adhesive resin 35 in case 20
An epoxy resin lid 21 is attached by (not shown). Insulated semiconductor device 90 manufactured as described above
0 constitutes the circuit shown in (c).
【0086】図15は絶縁型半導体装置の過渡熱抵抗特
性を説明するグラフである。熱抵抗は通電時間を増すに
つれて高い値をとる。定常熱抵抗(通電時間:約3s以
降)は0.2℃/W であり、優れた放熱性を示してい
る。この値は、例えば素子基体101が50Wの電力を
消費した場合でも基体101の温度上昇は10deg と少
なく、Cu支持板115の温度が140℃になっても素
子基体101は安定的に動作する(基体の安全動作温度
が150℃の場合)ことを意味する。このように優れた
放熱性を示したのは、(1)熱伝導率の高い(170W
/m・K)窒化アルミニウム板110が用いられ、
(2)窒化アルミニウム板110の両面に比較的厚い配
線金属層(0.8mm)130及び裏面金属層(0.35m
m)120が形成されていること、(3)熱伝導路に熱
伝導性に優れるCu支持板115が配置されていること
による。このような構造をとることにより、半導体基体
101から放出された熱流が厚い配線金属層130によ
り拡大され、拡大熱流が高熱伝導性の窒化アルミニウム
板110を滞留することなく伝達され、伝達された熱流
が0.35mm と厚く熱容量の比較的大きい裏面金属層1
20及びCu支持板115で吸収される。FIG. 15 is a graph for explaining the transient thermal resistance characteristic of the insulating semiconductor device. The thermal resistance takes a high value as the energization time increases. The steady-state thermal resistance (energization time: after about 3 seconds) is 0.2 ° C / W, which shows excellent heat dissipation. This value has a small temperature rise of 10 deg. Even when the element substrate 101 consumes 50 W of electric power, and the element substrate 101 operates stably even when the temperature of the Cu support plate 115 reaches 140 ° C. ( It means that the safe operating temperature of the substrate is 150 ° C.). The excellent heat dissipation was as follows: (1) High thermal conductivity (170 W)
/ MK) aluminum nitride plate 110 is used,
(2) A relatively thick wiring metal layer (0.8 mm) 130 and a back surface metal layer (0.35 m) on both sides of the aluminum nitride plate 110.
m) 120 is formed, and (3) the Cu support plate 115 having excellent heat conductivity is arranged in the heat conduction path. By adopting such a structure, the heat flow emitted from the semiconductor substrate 101 is expanded by the thick wiring metal layer 130, and the expanded heat flow is transferred without staying in the aluminum nitride plate 110 having high thermal conductivity, and the transferred heat flow. The back metal layer 1 has a large thickness of 0.35 mm and a relatively large heat capacity.
20 and the Cu support plate 115.
【0087】絶縁型半導体装置900には−40〜12
5℃の温度サイクル試験が施された。この試験を1千サ
イクル継続した後熱抵抗を測定した結果、初期値と同等
の0.2℃/W が維持されていた。また、超音波探傷法
によって絶縁型半導体装置900の各積層界面の剥離,
配線金属層130や裏面金属層120の剥離発生状況、
窒化アルミニウム板110のクラック発生状況を調べ
た。この結果、いずれの観測界面及び部材にも破壊は検
出されなかった。このように優れた信頼性が得られたの
は、絶縁型半導体装置900に選択された厚さ構成の回
路基板125が適用されていることによる。同質かつ同
一物性の配線金属層130と裏面金属層120で窒化ア
ルミニウム板110がサンドウイッチされているため、
これらの層と窒化アルミニウム板110の間が同一界面
状態に保たれている。この結果、界面に過度の応力や歪
が偏って作用することが避けられた点も優れた信頼性の
確保に寄与している。また、窒化アルミニウム板110
と配線金属層130及び裏面金属層120の間が薄くし
かも緻密かつ強固なAl合金構成金属の窒化物で接合さ
れていることも、優れた温度サイクル信頼性を示した理
由である。The insulated semiconductor device 900 has -40 to 12
A 5 ° C. temperature cycle test was performed. As a result of measuring the thermal resistance after continuing this test for 1,000 cycles, the initial value of 0.2 ° C./W was maintained. Also, peeling of each laminated interface of the insulating semiconductor device 900 by ultrasonic flaw detection,
The peeling occurrence state of the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120,
The crack generation state of the aluminum nitride plate 110 was examined. As a result, no fracture was detected on any of the observation interfaces and members. The reason why such excellent reliability is obtained is that the circuit board 125 having the selected thickness is applied to the insulating semiconductor device 900. Since the aluminum nitride plate 110 is sandwiched by the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 having the same quality and the same physical properties,
The same interface state is maintained between these layers and the aluminum nitride plate 110. As a result, the fact that excessive stress and strain are prevented from acting unevenly on the interface also contributes to ensuring excellent reliability. Also, the aluminum nitride plate 110
The fact that the wiring metal layer 130 and the back metal layer 120 are bonded to each other with a nitride of a thin, dense and strong Al alloy constituent metal is another reason why the excellent temperature cycle reliability is exhibited.
【0088】なお、表3は窒化アルミニウム板を適用し
た場合の回路基板125の構成部材最適厚さを示す。最
適厚さは窒化珪素板適用の場合とほぼ同様であるので、
概要をまとめるにとどめる。Table 3 shows the optimum thickness of the constituent members of the circuit board 125 when the aluminum nitride plate is applied. Since the optimum thickness is almost the same as when applying the silicon nitride plate,
Only put together a summary.
【0089】[0089]
【表3】 [Table 3]
【0090】絶縁型半導体装置900に搭載される素子
基体101は、IGBT,トランジスタ、サイリスタ、
ダイオード等、MOS FET素子と異なる電気的機能
を持つものであってよい。また、半導体素子基体はSi
(4.2ppm/℃)、又はSi以外の材料(例えばGe:
5.8ppm/℃,GaAs:6.5ppm/℃,GaP:5.
3ppm/℃,SiC:3.7ppm/℃等)でもよい。The element substrate 101 mounted on the insulation type semiconductor device 900 includes an IGBT, a transistor, a thyristor,
It may have an electric function different from that of the MOS FET element such as a diode. The semiconductor element substrate is made of Si.
(4.2 ppm / ° C.) or a material other than Si (eg Ge:
5.8 ppm / ° C, GaAs: 6.5 ppm / ° C, GaP: 5.
3 ppm / ° C, SiC: 3.7 ppm / ° C, etc.).
【0091】図16は本実施例絶縁型半導体装置が組み
込まれた電源回路装置を説明するブロック図である。こ
の電源回路装置は、交流電力を整流し、電圧制御された
電力を負荷回路86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86はコンピュータの演算回路
である。FIG. 16 is a block diagram for explaining a power supply circuit device incorporating the insulated semiconductor device of this embodiment. This power supply circuit device rectifies AC power and supplies voltage-controlled power to the load circuit 86. Here, the load circuit 86 in this embodiment is an arithmetic circuit of a computer.
【0092】〔実施例3〕本実施例では他形態の回路基
板125を適用した自動車点火装置用絶縁型半導体装置
900について説明する。[Embodiment 3] In this embodiment, an insulated semiconductor device 900 for an automobile ignition device to which a circuit board 125 of another form is applied will be described.
【0093】図17は本実施例絶縁型半導体装置用回路
基板を説明する平面図及び断面図である。(a)は半導
体素子基体を搭載する側の平面図、(b)は断面図、
(c)は支持板と接合される側の平面図を示す。セラミ
ックス板110としての窒化アルミニウム板は熱膨張
率:4.3ppm/℃,熱伝導率:170W/m・K,厚
さ:0.3mm ,サイズ:10×13mmを有する焼結体で
ある。窒化アルミニウム板110の一方の主面上に配線
金属層130、他方の主面に裏面金属層120が形成さ
れている。配線金属層130と裏面金属層120は同質
かつ同一物性のAl合金(Al−3wt%Cu−7.5
wt%Si−0.3wt%Mg−1wt%Zn−0.9w
t%Fe−0.5wt%Mn−0.5wt%Ni−0.3
wt%Sn、固相点:約560℃)からなり、このAl
合金からなる溶湯125′を前記実施例1と同様に圧入
鋳造して形成されている。配線金属層130は厚さ2.
0mm 、裏面金属層120は厚さ0.35mm を有してい
る。配線金属層130及び裏面金属層120の表面に
は、Niめっき(厚さ:5μm)が設けられている(図
示を省略)。FIG. 17 is a plan view and a sectional view for explaining a circuit board for an insulated type semiconductor device of this embodiment. (A) is a plan view of a side on which a semiconductor element substrate is mounted, (b) is a sectional view,
(C) shows the top view of the side joined with a support plate. The aluminum nitride plate as the ceramic plate 110 is a sintered body having a coefficient of thermal expansion of 4.3 ppm / ° C., a coefficient of thermal conductivity of 170 W / m · K, a thickness of 0.3 mm and a size of 10 × 13 mm. A wiring metal layer 130 is formed on one main surface of the aluminum nitride plate 110, and a back surface metal layer 120 is formed on the other main surface. The wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 have the same quality and the same physical properties as an Al alloy (Al-3 wt% Cu-7.5).
wt% Si-0.3 wt% Mg-1 wt% Zn-0.9w
t% Fe-0.5 wt% Mn-0.5 wt% Ni-0.3
wt% Sn, solid phase point: about 560 ° C)
It is formed by press-fitting a molten metal 125 'made of an alloy in the same manner as in the first embodiment. The wiring metal layer 130 has a thickness of 2.
0 mm, the backside metal layer 120 has a thickness of 0.35 mm. Ni plating (thickness: 5 μm) is provided on the surfaces of the wiring metal layer 130 and the back metal layer 120 (not shown).
【0094】窒化アルミニウム板110と配線金属層1
30及び裏面金属層120は、Al合金溶湯125′の
冷却過程でAl合金溶湯125′の構成成分(Al,C
u,Si,Mg,Zn,Fe,Mn,Ni,Sn)と窒
化アルミニウム板110の表面とが反応し、これにより
界面に生成されたAl,Cu,Si,Mg,Zn,F
e,Mn,Ni,Snの窒化物層で接合される。この窒
化物層は0.1μm 以下と薄くかつ緻密で、界面の全面
にわたって均一に生成される。窒化アルミニウム板11
0と配線金属層130及び裏面金属層120の間の接合
強度は、70MPa以上と強固である。また、配線金属
層130及び裏面金属層120は同一の溶湯125′を
供給源としており、しかも界面窒化物層も同一条件のも
とで生成されるため、これらは実質的に同一とみなせる
状態(組成,物性,界面状態)にある。Aluminum nitride plate 110 and wiring metal layer 1
30 and the back surface metal layer 120 are components (Al, C) of the Al alloy molten metal 125 ′ during the cooling process of the Al alloy molten metal 125 ′.
u, Si, Mg, Zn, Fe, Mn, Ni, Sn) and the surface of the aluminum nitride plate 110 react with each other, and thereby Al, Cu, Si, Mg, Zn, F generated at the interface.
They are joined by a nitride layer of e, Mn, Ni and Sn. This nitride layer is thin and dense with a thickness of 0.1 μm or less, and is uniformly formed over the entire interface. Aluminum nitride plate 11
The bonding strength between 0 and the wiring metal layer 130 and the back metal layer 120 is as strong as 70 MPa or more. Further, since the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 use the same molten metal 125 'as a supply source, and the interfacial nitride layer is also generated under the same condition, they can be regarded as substantially the same ( Composition, physical properties, interface state).
【0095】回路基板125は温度サイクル試験(−5
5〜150℃、試料数:20個)に投入された。窒化ア
ルミニウム板110のクラックの発生状況,配線金属層
130及び裏面金属層120の剥離状況について観察し
た。1万サイクルの試験によっては、上述したいずれの
破壊も観測されていない。回路基板125が優れた破壊
耐量を有するのは、構成部材が適正な厚さに調整されて
おり、配線金属層130と裏面金属層120は同質かつ
同一物性のAl合金からなり、界面に生成された窒化物
層が薄く,緻密かつ強固に、界面の全面にわたって均一
に生成されていることに基づく。The circuit board 125 is subjected to a temperature cycle test (-5
5 to 150 ° C., the number of samples: 20). The crack generation state of the aluminum nitride plate 110 and the peeling state of the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 were observed. None of the above failures were observed by the 10,000 cycle test. The circuit board 125 has an excellent breakdown resistance because the constituent members are adjusted to have an appropriate thickness, the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 are made of an Al alloy of the same quality and the same physical properties, and are formed at the interface. It is based on the fact that the nitride layer is thin, dense and strong, and is uniformly formed over the entire interface.
【0096】また、回路基板125には次に述べる落下
試験が施された。この試験では、回路基板125を1.
5m の高さからコンクリート床面に落下(3回)させ
た。この試験の後に回路基板125の絶縁耐力を調べ
た。絶縁耐力は初期段階(交流3000V×1min で絶
縁劣化なし)と同等であり、窒化アルミニウム110,
配線金属層130及び裏面金属層120の破損は観測さ
れていない。回路基板125の優れた破壊耐力も、構成
部材が適正な厚さに調整され、配線金属層130と裏面金
属層120は同質かつ同一物性のAl合金からなり、界
面窒化物層が薄く,緻密かつ強固に、均一に生成されて
いる点が寄与している。The circuit board 125 was subjected to the following drop test. In this test, the circuit board 125 is 1.
It was dropped (3 times) on the concrete floor from a height of 5 m 2. After this test, the dielectric strength of the circuit board 125 was examined. Dielectric strength is the same as in the initial stage (AC 3000V × 1min without insulation deterioration), and aluminum nitride 110,
Damage to the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 was not observed. The circuit board 125 is also excellent in breakage resistance, the constituent members are adjusted to have an appropriate thickness, the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 are made of an Al alloy of the same quality and the same physical properties, and the interface nitride layer is thin and dense. The strong and uniform generation contributes.
【0097】図18は本実施例絶縁型半導体装置を説明
する鳥瞰図及び断面図である。絶縁型半導体装置900
はSiからなるIGBT素子基体101とその電気的動
作を制御する制御回路10が搭載されている。厚さ1.
5mm のCu支持板115には半導体素子基体101,
回路基板125,制御回路10が搭載されている。素子
基体101(サイズ:4×4×0.28mm)は配線金属層
(6×9mm)130上に、組成Sn−5wt%Sb−
0.6wt%Ni−0.05wt%P合金からなるはんだ
材(厚さ:200μm)113で固着されている。裏面
金属層120は同一組成のはんだ材(厚さ:200μ
m)114で固着されている。FIG. 18 is a bird's-eye view and a cross-sectional view illustrating the insulated semiconductor device of this embodiment. Insulated semiconductor device 900
Is mounted with an IGBT element substrate 101 made of Si and a control circuit 10 for controlling its electrical operation. Thickness 1.
The 5 mm Cu support plate 115 has a semiconductor element substrate 101,
The circuit board 125 and the control circuit 10 are mounted. The element substrate 101 (size: 4 × 4 × 0.28 mm) has a composition of Sn-5 wt% Sb− on the wiring metal layer (6 × 9 mm) 130.
It is fixed by a solder material (thickness: 200 μm) 113 made of a 0.6 wt% Ni-0.05 wt% P alloy. The back surface metal layer 120 is a solder material of the same composition (thickness: 200 μ
m) fixed at 114.
【0098】一方、制御回路10を構成するアルミナ板
(19×10×0.8mm)5には、厚さ約25μmのCu
配線(図示省略)203が設けられている。Cu配線2
03の所望部には、Sn−3wt%Ag−0.8wt%
Cu 合金からなるはんだ材24(図示を省略)により
抵抗チップ15,ICチップ基体16,コンデンサチッ
プ17、そしてガラススリーブ型ツェナーダイオードチ
ップ18等のチップ部品が搭載されている。これによ
り、各チップ部品15,16,17,18ははんだ材1
24によりCu配線203と電気接続され、素子基体1
01の動作を制御する制御回路10が構成されている。
素子基体101のエミッタ電極及びゲート電極は直径3
00μmのAl細線117により制御回路10と電気的
に連絡されている。素子基体101のコレクタ電極(配
線金属層130)は、Cu配線203とAl細線117
を経由して端子30に電気接続されている。制御回路1
0もAl細線117′により端子30と電気的に連絡さ
れている。On the other hand, an alumina plate forming the control circuit 10
(19 x 10 x 0.8 mm) 5 has a thickness of about 25 μm Cu
Wiring (not shown) 203 is provided. Cu wiring 2
No. 03, Sn-3wt% Ag-0.8wt%
Chip components such as a resistor chip 15, an IC chip substrate 16, a capacitor chip 17, and a glass sleeve type Zener diode chip 18 are mounted by a solder material 24 (not shown) made of Cu alloy. As a result, each chip component 15, 16, 17, 18 is soldered to the solder material 1
The element substrate 1 is electrically connected to the Cu wiring 203 by 24.
A control circuit 10 for controlling the operation 01 is configured.
The emitter electrode and gate electrode of the element substrate 101 have a diameter of 3
It is electrically connected to the control circuit 10 by an Al thin wire 117 of 00 μm. The collector electrode (wiring metal layer 130) of the element substrate 101 is composed of the Cu wiring 203 and the Al thin wire 117.
Is electrically connected to the terminal 30 via. Control circuit 1
0 is also electrically connected to the terminal 30 by an Al thin wire 117 '.
【0099】以上の構造を有するアッセンブリは、
(b)の断面図に示すように、素子基体101の搭載
部、制御回路10,Al細線117及び117′が完全
に封止されるようにエポキシ樹脂22によるトランスフ
ァモールドが施されている。エポキシ樹脂22は熱膨張
率:16ppm/℃ ,ガラス転移点:155℃,体積抵抗
率:9×1015Ω・m(RT),曲げ弾性率:15.7G
Pa(1600kgf/mm2)なる特性を有している。トラ
ンスファモールドは180℃で実施し、次いで150℃
で2hの熱処理を施して樹脂の硬化を促進させている。The assembly having the above structure is
As shown in the sectional view of (b), the epoxy resin 22 is transfer-molded so that the mounting portion of the element substrate 101, the control circuit 10, and the Al thin wires 117 and 117 'are completely sealed. Epoxy resin 22 has a thermal expansion coefficient: 16 ppm / ° C., a glass transition point: 155 ° C., a volume resistivity: 9 × 10 15 Ω · m (RT), a bending elastic modulus: 15.7 G.
It has a characteristic of Pa (1600 kgf / mm 2 ). Transfer mold is performed at 180 ℃, then 150 ℃
Then, heat treatment is performed for 2 hours to accelerate the curing of the resin.
【0100】図19は本実施例絶縁型半導体装置の温度
サイクル試験による熱抵抗の推移を示すグラフである。
熱抵抗は5千サイクルまでの試験で初期値(約0.8℃/
W)が維持されている。この試験後にIGBT素子基体
101の搭載部を調べたけれども、はんだ層113,1
14,窒化アルミニウム板110,配線金属層130,
裏面金属層120,窒化アルミニウム板110と配線金
属層130及び裏面金属層120で構成される界面、の
いずれにも破壊は生じていない。これは回路基板125
の構成部材が適正な厚さに調整され、配線金属層130
と裏面金属層120が同材質かつ同一物性のAl合金で
構成され、配線金属層130及び裏面金属層120の接
合部が均一かつ緻密なAl,Cu,Si,Mg,Zn,
Fe,Mn,Ni,Snの窒化物層(0.1μm以下)で
構成され、強固な界面を構成していることによる。FIG. 19 is a graph showing the transition of the thermal resistance of the insulated semiconductor device of this embodiment in the temperature cycle test.
The thermal resistance is the initial value (about 0.8 ° C /
W) is maintained. Although the mounting portion of the IGBT element substrate 101 was examined after this test, the solder layers 113, 1
14, aluminum nitride plate 110, wiring metal layer 130,
No destruction occurs in any of the interface formed by the back surface metal layer 120, the aluminum nitride plate 110, the wiring metal layer 130, and the back surface metal layer 120. This is the circuit board 125
The components of the wiring metal layer 130 are adjusted to have an appropriate thickness.
And the backside metal layer 120 are made of the same material and have the same physical properties as an Al alloy, and the joint portions of the wiring metal layer 130 and the backside metal layer 120 are uniform and dense Al, Cu, Si, Mg, Zn,
This is because it is composed of a nitride layer (0.1 μm or less) of Fe, Mn, Ni, and Sn and forms a strong interface.
【0101】絶縁型半導体装置900の熱抵抗は0.8
℃/W である。この値は、IGBT素子基体101が
50Wの電力を消費した場合でも40deg しか温度上昇
しないこと、及び回路基板125が約100℃に昇温す
るような過酷な環境下(例えばエンジンルーム)に搭載
された場合でも、素子基体101の温度は安定動作のた
めの限界温度150℃を越えないことを意味する。これ
は自動車用半導体装置として特に好ましい点である。The thermal resistance of the insulating semiconductor device 900 is 0.8.
° C / W. This value is set such that even if the IGBT element base body 101 consumes 50 W of power, the temperature rises only 40 deg, and the circuit board 125 is mounted in a harsh environment (for example, an engine room) where the temperature rises to about 100 ° C. Even in the case, the temperature of the element substrate 101 does not exceed the limit temperature of 150 ° C. for stable operation. This is a particularly preferable point as a semiconductor device for automobiles.
【0102】図20は絶縁型半導体装置900の回路を
説明する図である。IGBT素子基体101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、素子1
01の動作はこの回路10により制御される。制御回路
10には抵抗チップ15,ICチップ基体16,コンデ
ンサチップ17、そしてツェナーダイオードチップ18
が搭載され、これらの素子はCu配線203により接続
されている。素子101と制御回路10からはそれぞれ
端子30が引き出されている。絶縁型半導体装置900
は素子101とそれを制御する回路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。このような回路を有する絶縁型半導体装置
900は、最高周囲温度80℃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、絶縁型
半導体装置900はその回路機能を維持することが確認
された。FIG. 20 is a diagram for explaining the circuit of the insulating semiconductor device 900. The emitter and gate of the IGBT element substrate 101 are electrically connected to the control circuit 10, and the element 1
The operation of 01 is controlled by this circuit 10. The control circuit 10 includes a resistor chip 15, an IC chip substrate 16, a capacitor chip 17, and a Zener diode chip 18.
Are mounted, and these elements are connected by Cu wiring 203. A terminal 30 is drawn out from each of the element 101 and the control circuit 10. Insulated semiconductor device 900
Is composed of an element 101 and a circuit 10 for controlling the element 101, and is used for supplying power to a coil of an automobile engine ignition device. The insulated semiconductor device 900 having such a circuit was used to ignite an automobile engine under the environment of the maximum ambient temperature of 80 ° C. It was confirmed that the insulated semiconductor device 900 maintains its circuit function even when the vehicle travels a distance equivalent to 100,000 kilometers.
【0103】〔実施例4〕本実施例では別形態の回路基
板125を適用した200A級DC/DCコンバータ用
絶縁型半導体装置900について説明する。[Embodiment 4] In this embodiment, an insulated semiconductor device 900 for a 200 A class DC / DC converter to which a circuit board 125 of another form is applied will be described.
【0104】図21は本実施例絶縁型半導体装置用回路
基板の半導体基体搭載側を説明する平面模式図である。
回路基板125は、アルミナ板(熱膨張率:7.2ppm/
℃,熱伝導率:20W/m・K,厚さ:0.25mm,サ
イズ:57×34mm)110の一方の主面上に配線金属
層130(131,132)、他方の主面に裏面金属層
120(図示を省略)が形成されている。配線金属層1
30(131,132)と裏面金属層120は同質かつ
同一物性のAl合金(Al−28wt%Ge−1.5w
t%Mg、固相点:約420℃ )からなり、前期実施
例1と同様にAl合金溶湯の圧入鋳造により形成されて
いる。配線金属層130(131,132)は厚さ2.2m
m 、裏面金属層120は厚さ1.8mm を有している。配
線金属層130(131,132)及び裏面金属層12
0の表面には、Niめっき(厚さ:6μm)が施されて
いる(図示を省略)。FIG. 21 is a schematic plan view for explaining the semiconductor substrate mounting side of the circuit board for insulating type semiconductor device of this embodiment.
The circuit board 125 is an alumina plate (coefficient of thermal expansion: 7.2 ppm /
℃, thermal conductivity: 20 W / m · K, thickness: 0.25 mm, size: 57 × 34 mm) 110 is a wiring metal layer 130 (131, 132) on one main surface and the other is a back surface metal A layer 120 (not shown) is formed. Wiring metal layer 1
30 (131, 132) and the back surface metal layer 120 are Al alloys (Al-28 wt% Ge-1.5w) of the same quality and physical properties.
t% Mg, solid phase point: about 420 ° C.), and is formed by press-fitting casting of an Al alloy molten metal as in the first embodiment. The wiring metal layer 130 (131, 132) has a thickness of 2.2 m.
m, the back metal layer 120 has a thickness of 1.8 mm. Wiring metal layer 130 (131, 132) and back metal layer 12
The surface of 0 is plated with Ni (thickness: 6 μm) (not shown).
【0105】回路基板125は既述(図2)の基本プロ
セスにより製作された。回路基板125の母材には0.
25mm と薄いアルミナ板110が用いられ、しかも厚
い配線金属層130(131,132)と裏面金属層1
20が形成されている。にもかかわらず、回路基板12
5はそり量が30μm以下と平坦性に優れ、しかもアル
ミナ板110の破壊を伴わずに製作された。これは、金
属層130,120が同質かつ同一物性の低温で固相化
(約420℃)するAl合金(Al−28wt%Ge−
1.5wt%Mg )で構成され、回路基板125を構成
する各部材が適正厚さに調節され、金属層130,12
0とアルミナ板110の間の界面に薄く(0.1μm以
下)、緻密かつ強固なAl,Ge,Mgの酸化物が介在
していることに基づく。The circuit board 125 was manufactured by the basic process described above (FIG. 2). The base material of the circuit board 125 is 0.
A thin alumina plate 110 having a thickness of 25 mm is used, and a thick wiring metal layer 130 (131, 132) and a back surface metal layer 1 are used.
20 are formed. Nevertheless, the circuit board 12
No. 5, which had a warp amount of 30 μm or less, was excellent in flatness, and was manufactured without breaking the alumina plate 110. This is an Al alloy (Al-28 wt% Ge-) in which the metal layers 130 and 120 are solid and have the same physical properties and solid-phase (about 420 ° C.) at a low temperature.
1.5 wt% Mg 3), each member constituting the circuit board 125 is adjusted to an appropriate thickness, and the metal layers 130, 12 are formed.
It is based on the fact that a thin (0.1 μm or less), dense and strong oxide of Al, Ge, Mg is present at the interface between 0 and the alumina plate 110.
【0106】回路基板125には温度サイクル試験(−
55〜150℃、試料数:20個)が施された。ここで
は、アルミナ板110のクラックの発生状況,配線金属
層130及び裏面金属層120の剥離状況について観察
した。3千サイクルまでの過程では、上述したいずれの
破壊も観測されていない。このように回路基板125が優
れた破壊耐量を有するのも、金属層130,120が同
質かつ同一物性の低温で固相化(約420℃)するAl
合金(Al−28wt%Ge−1.5wt%Mg)で構
成され、回路基板125を構成する各部材が適正厚さに
調節され、金属層130,120とアルミナ板110の
間の界面に薄く(0.1μm以下)、緻密かつ強固なA
l,Ge,Mgの酸化物が介在していることに基づく。A temperature cycle test (-
55 to 150 ° C., the number of samples: 20). Here, the occurrence of cracks in the alumina plate 110 and the peeling of the wiring metal layer 130 and the back metal layer 120 were observed. In the process up to 3000 cycles, none of the above-mentioned fractures was observed. As described above, the circuit board 125 has an excellent breakdown resistance because the metal layers 130 and 120 are solid and have the same physical properties and are solid-phased (about 420 ° C.) at a low temperature.
It is composed of an alloy (Al-28 wt% Ge-1.5 wt% Mg), each member constituting the circuit board 125 is adjusted to have an appropriate thickness, and the interface between the metal layers 130 and 120 and the alumina plate 110 is thin ( 0.1 μm or less), dense and strong A
It is based on the interposition of oxides of 1, Ge and Mg.
【0107】図22は本実施例絶縁型半導体装置を説明
する平面及び断面模式図,回路図である。絶縁型半導体
装置(サイズ:76×46×15mm)900は以下の構
成よりなる。SiからなるMOS FET素子基体10
1(8個、9×9×0.28mm)は、上述した回路基板
125の配線金属層131上にSn−3wt%Ag−
0.8wt%Cu 合金からなるはんだ材113(厚さ:
70μm)により固着されている。回路基板125の裏
面金属層120は、Al支持板(76×46×1.5mm
,厚さ5μmのNiめっき)115上にはんだ材11
4(厚さ:70μm)により固着されている。これらの
はんだ付けでは前記実施例1と同様のプロセスを経てい
る。Al支持板115上には、あらかじめCu端子3
0,30a,30cを一体化したエポキシ樹脂ケース2
0がシリコーン樹脂接着剤(図示を省略)により取り付
けられている。素子基体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)117
のワイヤボンディングが施こされている。ゲート端子3
0aは各素子基体101が専用し、補助端子30cは2
個の素子基体101で構成されるブロック101Aで共
用するように配線されている。また、端子30は入力端
子と出力端子を兼ねている。素子基体101の搭載部に
はシリコーンゲル樹脂22が充填されている。ケース2
0にはエポキシ樹脂蓋21をシリコーン樹脂接着剤(図
示を省略)により取り付けて絶縁型半導体装置900を
得ている。以上により製作された絶縁型半導体装置90
0は、(c)に示す回路を構成している。FIG. 22 is a plan view, a cross-sectional schematic view and a circuit diagram for explaining the insulated semiconductor device of this embodiment. The insulated semiconductor device (size: 76 × 46 × 15 mm) 900 has the following configuration. MOS FET element substrate 10 made of Si
1 (8 pieces, 9 × 9 × 0.28 mm) is Sn-3 wt% Ag− on the wiring metal layer 131 of the circuit board 125 described above.
Solder material 113 (thickness: 0.8 wt% Cu alloy)
70 μm). The back surface metal layer 120 of the circuit board 125 is an Al support plate (76 × 46 × 1.5 mm).
, 5 μm thick Ni plating) 115 on the solder material 11
4 (thickness: 70 μm). In these soldering processes, the same process as in the first embodiment is performed. On the Al support plate 115, the Cu terminal 3 is previously formed.
Epoxy resin case 2 that integrates 0, 30a and 30c
0 is attached by a silicone resin adhesive (not shown). Al gates (diameter: 300 μm) 117 are provided on the gate, source and drain of the element substrate 101, respectively.
Wire bonding has been applied. Gate terminal 3
0a is dedicated to each element substrate 101, and the auxiliary terminal 30c is 2
Wirings are shared so as to be shared by the block 101A composed of individual element bases 101. The terminal 30 also serves as an input terminal and an output terminal. The mounting portion of the element substrate 101 is filled with the silicone gel resin 22. Case 2
An epoxy resin lid 21 is attached to the substrate 0 by a silicone resin adhesive (not shown) to obtain an insulated semiconductor device 900. Insulated semiconductor device 90 manufactured as described above
0 constitutes the circuit shown in (c).
【0108】なお、本実施例では比較用として、第2先
行技術に基づく絶縁型半導体装置(サイズ:76×46
×18mm)も作製した。この装置は、サイズ:57×3
4×0.25mm のアルミナ板とSiC粉末で形成された
多孔質プリフォームにAlを含浸させた支持板(Al/
SiC複合材、厚さ:3mm)を厚さ0.05mm のAl層
により接合し、アルミナ板の他方の面にAl配線層(厚
さ:0.4mm )を形成した回路基板を用いている。この
Al配線層上にはMOS FET素子基体(8個、9×
9×0.28mm)がSn−3wt%Ag−0.8wt%C
u合金からなるはんだ材で固着されている。また、この
比較試料は絶縁型半導体装置900と同様の回路を構成
している。In this example, for comparison, an insulating semiconductor device (size: 76 × 46) based on the second prior art is used.
× 18 mm) was also produced. This device has a size of 57 x 3
A support plate (Al / A / A) with a porous preform formed of a 4 × 0.25 mm alumina plate and SiC powder.
A circuit board is used in which a SiC composite material, thickness: 3 mm, is joined by an Al layer having a thickness of 0.05 mm, and an Al wiring layer (thickness: 0.4 mm) is formed on the other surface of the alumina plate. On this Al wiring layer, MOS FET element substrates (8 pieces, 9 ×
9 × 0.28 mm) is Sn-3 wt% Ag-0.8 wt% C
It is fixed with a solder material made of u alloy. In addition, this comparative sample constitutes a circuit similar to that of the insulating semiconductor device 900.
【0109】絶縁型半導体装置900は次に述べる落下
試験に供された。この試験では、絶縁型半導体装置90
0を1.5m の高さからコンクリート床面に落下(3
回)させた。試験後の絶縁型半導体装置900は初期と
同等の電気的機能が維持され、機械的破壊も観測されな
かった。The insulated semiconductor device 900 was subjected to the drop test described below. In this test, the insulated semiconductor device 90
0 from a height of 1.5 m onto the concrete floor (3
I made it. After the test, the insulated semiconductor device 900 maintained the same electrical function as in the initial stage, and no mechanical breakdown was observed.
【0110】図23は本実施例絶縁型半導体装置の過渡
熱抵抗特性を示すグラフである。絶縁型半導体装置90
0の熱抵抗(曲線A)は通電時間を増すにつれて高い値
をとる。定常熱抵抗(通電時間:約3s以降)は1.5
℃/W である。これに対し比較試料(曲線B)は2℃
/Wを示している。このように絶縁型半導体装置900
が比較試料より優れた放熱性を示しているのは次の理由
による。このように優れた放熱性を示したのは、(1)
薄いアルミナ板110が用いられ、(2)アルミナ板1
10の両面に厚い配線金属層(4mm)130及び裏面金
属層(3mm)120が形成され、(3)熱伝導路に熱伝
導性に優れるAl支持板115が配置されていることに
よる。このような構造をとることにより、半導体基体1
01から放出された熱流が厚い配線金属層130により
拡大され、拡大熱流が高熱伝導性のアルミナ板110に
滞留することなく伝達され、伝達された熱流が熱容量の
大きい裏面金属層120及びAl支持板115で吸収さ
れる。これに対し比較試料では、主要な熱伝導路にAl
板より熱伝導性の劣るAl/SiC複合材支持板が配置
されている。放熱性が絶縁型半導体装置900より劣る
のはこの点に基づく。FIG. 23 is a graph showing the transient thermal resistance characteristics of the insulated semiconductor device of this embodiment. Insulated semiconductor device 90
The thermal resistance of 0 (curve A) takes a higher value as the energization time increases. Steady-state thermal resistance (energization time: after about 3 s) is 1.5
° C / W. On the other hand, the comparative sample (curve B) has a temperature of 2 ° C.
/ W is shown. Thus, the insulated semiconductor device 900
Shows better heat dissipation than the comparative sample for the following reason. Such excellent heat dissipation is due to (1)
A thin alumina plate 110 is used. (2) Alumina plate 1
This is because the thick wiring metal layer (4 mm) 130 and the back surface metal layer (3 mm) 120 are formed on both surfaces of 10, and (3) the Al support plate 115 having excellent heat conductivity is arranged in the heat conduction path. With such a structure, the semiconductor substrate 1
The heat flow released from 01 is expanded by the thick wiring metal layer 130, the expanded heat flow is transferred without staying in the high thermal conductivity alumina plate 110, and the transferred heat flow has a large heat capacity, the back metal layer 120 and the Al support plate. Absorbed at 115. On the other hand, in the comparative sample, Al is used in the main heat conduction path.
An Al / SiC composite support plate having a lower thermal conductivity than the plate is arranged. This is the reason why the heat dissipation property is inferior to that of the insulating semiconductor device 900.
【0111】絶縁型半導体装置900には−40〜12
5℃の温度サイクル試験が施された。この試験を1万サ
イクル継続した後熱抵抗を測定した結果、初期値と同等
の1.5℃/W が維持されていた。また、超音波探傷法
によって絶縁型半導体装置900の各積層界面の剥離,
配線金属層130や裏面金属層120の剥離発生状況,
アルミナ板110のクラック発生状況を調べた。この結
果、いずれの観測界面及び部材にも破壊は検出されなか
った。このように優れた信頼性が得られたのは、絶縁型
半導体装置900が選択された厚さ構成の部材からなる
回路基板125を適用し、同質かつ同一物性の配線金属層
130と裏面金属層120でアルミナ板110がサンド
ウイッチされ、これらの層とアルミナ板110の間が同
一界面状態に保たれているため、界面に過度の応力や歪
が偏って作用することが避けられることによる。また、
配線金属層130及び裏面金属層120とアルミナ板1
10の間の界面は、緻密かつ強固なAl合金構成成分の
薄い酸化物層で接合されている。この点も優れた信頼性
の確保に寄与している。The insulating semiconductor device 900 has -40 to 12
A 5 ° C. temperature cycle test was performed. As a result of measuring the thermal resistance after continuing this test for 10,000 cycles, the initial value of 1.5 ° C./W was maintained. Also, peeling of each laminated interface of the insulating semiconductor device 900 by ultrasonic flaw detection,
The peeling occurrence status of the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120,
The crack generation state of the alumina plate 110 was examined. As a result, no fracture was detected on any of the observation interfaces and members. The reason why such excellent reliability is obtained is that the insulating semiconductor device 900 is applied to the circuit board 125 made of a member having a selected thickness, and the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer having the same and same physical properties are used. This is because the alumina plate 110 is sandwiched by 120 and the layers and the alumina plate 110 are kept at the same interface state, so that excessive stress and strain are prevented from acting unevenly on the interface. Also,
The wiring metal layer 130, the back metal layer 120, and the alumina plate 1
The interfaces between 10 are joined by a thin oxide layer of a dense and strong Al alloy constituent. This point also contributes to ensuring excellent reliability.
【0112】なお、絶縁型半導体装置900は200A
級のものであり、許容される熱抵抗は2℃/W以下であ
る。このような観点で選択される回路基板125の構成
部材の最適厚さは表4に示す通りである。最適厚さは窒
化珪素板適用の場合とほぼ同様であるので、概要をまと
めるにとどめる。The insulation type semiconductor device 900 is 200A
It is of a grade, and the allowable thermal resistance is 2 ° C./W or less. The optimum thicknesses of the constituent members of the circuit board 125 selected from such a viewpoint are as shown in Table 4. The optimum thickness is almost the same as in the case of applying the silicon nitride plate, so only the outline will be summarized.
【0113】[0113]
【表4】 [Table 4]
【0114】図24は絶縁型半導体装置が組み込まれた
DC/DCコンバータを説明するブロック図である。D
C/DCコンバータ90は絶縁型半導体装置900,絶
縁型半導体装置900を駆動させるための制御回路10
a,変圧器81,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85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自動車用
の照明機器,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、本実施例絶縁
型半導体装置900及びコンバータ装置90は10万キ
ロメートル走行後でも所期の回路機能が維持されること
が確認された。FIG. 24 is a block diagram for explaining a DC / DC converter incorporating an insulating semiconductor device. D
The C / DC converter 90 is an insulating semiconductor device 900, and a control circuit 10 for driving the insulating semiconductor device 900.
a, a transformer 81, a rectifier circuit 82, and a smoothing and control circuit 83 are incorporated to supply the battery 85 with electric power obtained by stepping up or down the voltage of the input power supply 84, and this electric power is finally sent to the load circuit 86. Here, the load circuit refers to, for example, lighting equipment for automobiles, wipers, windows, motors as power sources for air conditioners, ignition devices for engines, sensors and the like. The above DC / DC converter device 90 was attached to an automobile, and its performance was confirmed under operating conditions corresponding to a mileage of 100,000 kilometers. As a result, it was confirmed that the insulation type semiconductor device 900 and the converter device 90 of this example maintained their intended circuit functions even after traveling 100,000 kilometers.
【0115】〔実施例5〕本実施例では他形態の回路基
板125を用いた絶縁型半導体装置900について説明
する。[Embodiment 5] In this embodiment, an insulated semiconductor device 900 using a circuit board 125 of another form will be described.
【0116】図25は本実施例絶縁型半導体装置用回路
基板の詳細を説明する平面図及び断面図である。回路基
板125の母材としての窒化珪素板110は焼結体(寸
法:43mm×85mm×0.3mm,熱膨張率:3.4ppm/
℃,熱伝導率:90W/m・K)であり、半導体基体10
1が搭載される側の主面には厚さ0.8mm の配線金属層
131,132,130c(サーミスタ搭載用)ととも
に、これらの配線を包囲する如くに周辺金属層133が
設けられている。これらの配線金属層131,132,
130c及び周辺金属層133はAl合金(Al−0.2
wt%Cu−9wt%Si−0.45wt%Mg−0.5
wt%Ni−0.2wt%Ti−0.45wt%Mn)に
より形成されている。反対側の主面には厚さ0.2mm の
裏面金属層120が配線金属層131,132,130
c及び周辺金属層133と同質かつ同一物性のAl合金
(Al−0.2wt%Cu−9wt%Si−0.45wt
%Mg−0.5wt%Ni−0.2wt%Ti−0.45
wt%Mn )により形成されている。周辺金属層13
3で包囲された配線金属層131,132,130cは
窒化珪素板110のほぼ中央領域(30×50mm)に設
けられ、電気的活性領域を構成する。図示はしていない
けれども、配線金属層131上にはMOSFET素子基
体(7×7×0.28mm)101が8個搭載される。ま
た、回路基板125の端部領域には直径5.6mmの穴1
25Gが設けられている。FIG. 25 is a plan view and a sectional view for explaining the details of the insulating semiconductor device circuit board of this embodiment. The silicon nitride plate 110 as the base material of the circuit board 125 is a sintered body (dimensions: 43 mm × 85 mm × 0.3 mm, coefficient of thermal expansion: 3.4 ppm /
C, thermal conductivity: 90 W / mK), and semiconductor substrate 10
On the main surface on which 1 is mounted, wiring metal layers 131, 132, and 130c (for mounting the thermistor) having a thickness of 0.8 mm are provided, and a peripheral metal layer 133 is provided so as to surround these wirings. These wiring metal layers 131, 132,
130c and the peripheral metal layer 133 are made of Al alloy (Al-0.2
wt% Cu-9 wt% Si-0.45 wt% Mg-0.5
wt% Ni-0.2 wt% Ti-0.45 wt% Mn). A back surface metal layer 120 having a thickness of 0.2 mm is formed on the opposite main surface by wiring metal layers 131, 132, 130.
c and the peripheral metal layer 133 and an Al alloy of the same quality and physical properties (Al-0.2 wt% Cu-9 wt% Si-0.45 wt
% Mg-0.5 wt% Ni-0.2 wt% Ti-0.45
wt% Mn). Peripheral metal layer 13
The wiring metal layers 131, 132, and 130c surrounded by 3 are provided in a substantially central region (30 × 50 mm) of the silicon nitride plate 110 and constitute an electrically active region. Although not shown, eight MOSFET element substrates (7 × 7 × 0.28 mm) 101 are mounted on the wiring metal layer 131. In addition, a hole 1 having a diameter of 5.6 mm is formed in the end area of the circuit board 125.
25G is provided.
【0117】回路基板125のそり量は±20μm
(+:配線金属層側が凸、−:裏面金属層側が凸)と、
極めて優れた平坦性を示した。この理由は、回路基板1
25の周辺領域における窒化珪素板110と裏面金属層
120との間のバイメタル効果によるそり(+)を、窒
化珪素板110と周辺金属層133との間のバイメタル
効果による反対方向のそり(−)で補償されるためであ
る。この点は、後述するように回路基板125がネジ締
めされる形態の絶縁型半導体装置の場合に特に好ましい
ことである。The warp amount of the circuit board 125 is ± 20 μm.
(+: Convex on the wiring metal layer side, −: convex on the back metal layer side),
It showed extremely excellent flatness. The reason for this is the circuit board 1
The warp (+) due to the bimetal effect between the silicon nitride plate 110 and the backside metal layer 120 in the peripheral region of 25 is the warp (+) in the opposite direction due to the bimetal effect between the silicon nitride plate 110 and the peripheral metal layer 133. It is because it is compensated in. This point is particularly preferable in the case of an insulating semiconductor device in which the circuit board 125 is screwed as described later.
【0118】図26は本実施例絶縁型半導体装置を説明
する平面及び断面模式図である。窒化珪素板110に配
線金属層131を設けた回路基板125上にMOS F
ET素子基体101が搭載されている。回路基板125
は主端子30や補助端子31をあらかじめ設けたエポキ
シ樹脂ケース20の開口部に装着されている。素子基体
101と配線金属層131,132間、素子基体101
と補助端子31間、配線金属層131と主端子30間に
は、Al細線117のワイヤボンディングが施されてい
る。ケース20内にはシリコーンゲル樹脂22が充填さ
れ、そしてケース20の上部にはエポキシ樹脂蓋21が
設けられている。ここで、窒化珪素板110に設けられ
た配線金属層131上には8個の素子基体101がはん
だ(Sn−5wt%Sb)113により固着されている。
はんだ付けはフラックス含有のペーストはんだ材を用い
て低真空雰囲気下で実施されている。また、配線金属層
130c間には温度検出用サーミスタ素子34がはんだ
(Sn−5wt%Sb、図示を省略)124によりろう
付けされ、配線金属層130cはAl細線117により
補助端子31へ連絡されている。なお、図面では省略し
ているけれども、ケース20と回路基板125の間、そ
してケース20と蓋21の間はシリコーン接着樹脂35
を用いて固定されている。蓋21の肉厚部には凹み2
5,主端子30には穴30′がそれぞれ設けられ、絶縁
型半導体装置900を外部回路配線に連絡するためのネ
ジ(図示を省略)が収納されている。主端子30や補助
端子31はあらかじめ所定形状に打抜き成形された銅板
にNiめっきを施したものであり、トランスファモール
ド法によってケース20に取り付けられている。以上の
構成からなる本実施例絶縁型半導体装置900は45mm
×87mm×12mmの外寸法を有している。回路基板12
5はケース20,蓋21とともに絶縁型半導体装置90
0の外囲器を構成して底蓋の役割を担い、裏面金属層1
20は底蓋の表面を構成している。なお、ケース20に
は絶縁型半導体装置900を匡体に取り付ける際のネジ
締め用としての穴125Fが設けられている。FIG. 26 is a schematic plan view and a sectional view for explaining the insulated semiconductor device of this embodiment. A MOS F is formed on the circuit board 125 in which the wiring metal layer 131 is provided on the silicon nitride plate 110.
The ET element base 101 is mounted. Circuit board 125
Is attached to the opening of the epoxy resin case 20 in which the main terminal 30 and the auxiliary terminal 31 are provided in advance. Between the element base 101 and the wiring metal layers 131 and 132, the element base 101
The wire bonding of the Al thin wire 117 is performed between the auxiliary terminal 31 and the auxiliary terminal 31, and between the wiring metal layer 131 and the main terminal 30. A silicone gel resin 22 is filled in the case 20, and an epoxy resin lid 21 is provided on the upper portion of the case 20. Here, eight element substrates 101 are fixed by solder (Sn-5 wt% Sb) 113 on the wiring metal layer 131 provided on the silicon nitride plate 110.
Soldering is performed in a low vacuum atmosphere using a flux-containing paste solder material. Further, the temperature detecting thermistor element 34 is brazed between the wiring metal layers 130c by solder (Sn-5 wt% Sb, not shown) 124, and the wiring metal layer 130c is connected to the auxiliary terminal 31 by an Al thin wire 117. There is. Although not shown in the drawing, a silicone adhesive resin 35 is provided between the case 20 and the circuit board 125 and between the case 20 and the lid 21.
It has been fixed using. There is a dent 2 in the thick part of the lid 21.
5. Holes 30 'are provided in the main terminals 30, and screws (not shown) for connecting the insulated semiconductor device 900 to the external circuit wiring are housed therein. The main terminal 30 and the auxiliary terminal 31 are copper plates punched and molded in a predetermined shape in advance and plated with Ni, and are attached to the case 20 by a transfer molding method. The insulated semiconductor device 900 of the present embodiment having the above configuration has a size of 45 mm.
It has outer dimensions of 87 mm x 12 mm. Circuit board 12
Reference numeral 5 designates an insulating semiconductor device 90 together with a case 20 and a lid 21.
The outer metal layer of the backside metal layer 1
20 constitutes the surface of the bottom lid. The case 20 is provided with a hole 125F for tightening a screw when the insulating semiconductor device 900 is attached to the casing.
【0119】絶縁型半導体装置900は図9に示した回
路を構成している。また、本実施例絶縁型半導体装置9
00は最終的に、図10に示した電動機960の回転数
制御用インバータ装置に組み込まれた。いずれも前記実
施例1と同様であるので説明を省略する。The insulating semiconductor device 900 constitutes the circuit shown in FIG. In addition, the insulated semiconductor device 9 of this embodiment
00 was finally incorporated into the inverter device for controlling the rotation speed of the electric motor 960 shown in FIG. Since both are the same as those in the first embodiment, the description thereof will be omitted.
【0120】絶縁型半導体装置900は0.25℃/W
の定常熱抵抗を示した。この値は、4個のMOS FE
T素子基体101がそれぞれ100Wの電力(合計40
0W)を消費した場合でも基体101は25deg しか温
度上昇せず、例えば125℃と過酷な環境下で稼働する
場合でも絶縁型半導体装置900は安定動作し得ること
を意味する(素子基体101の安定動作温度が150℃
の場合)。このように優れた放熱性を示す理由は、(1)
主要な熱伝導路が熱伝導率の高い回路基板125のみで
構成され、(2)支持板やそれを固着するはんだ層が存
在せず、(3)はんだ層113は低真空雰囲気下でろう
付けされているためボイドフリー化され、(4)裏面金
属層120がAl合金の流動により形成されていてボイ
ドフリー化されており、(5)窒化珪素板110と配線
金属層130及び裏面金属層120との接合界面がA
l,Cu,Si,Mg,Fe,Ti,Mnの窒化物薄層
で緻密に接合されていて、熱流が効率よく伝達されるた
めである。The insulation type semiconductor device 900 has a temperature of 0.25 ° C./W.
It showed a steady thermal resistance of. This value is 4 MOS FE
Each of the T-element substrates 101 has a power of 100 W (total 40
(0 W) is consumed, the temperature of the base 101 rises only by 25 deg, which means that the insulated semiconductor device 900 can operate stably even when operating in a harsh environment such as 125 ° C. (the stability of the element base 101). Operating temperature is 150 ℃
in the case of). The reason for such excellent heat dissipation is (1)
The main heat conduction path is composed only of the circuit board 125 having a high heat conductivity, (2) there is no supporting plate or a solder layer for fixing it, and (3) the solder layer 113 is brazed in a low vacuum atmosphere. Since it is void-free, (4) the back surface metal layer 120 is formed by the flow of the Al alloy and is void-free, and (5) the silicon nitride plate 110, the wiring metal layer 130, and the back surface metal layer 120. The joint interface with is A
This is because they are densely joined with a thin nitride layer of 1, Cu, Si, Mg, Fe, Ti, and Mn, and the heat flow is efficiently transmitted.
【0121】絶縁型半導体装置900には−40〜12
5℃の温度サイクル試験が施されたけれども、絶縁型半
導体装置900は1万サイクルまでの試験では熱抵抗の
上昇は認められなかった。絶縁型半導体装置900に
は、(1)選択された厚さ構成の回路基板125が適用
され、(2)同質かつ同一物性の配線金属層130と裏
面金属層120で窒化珪素板110がサンドウイッチさ
れていてこれらの層と窒化珪素板110の間の接合界面
が同一の状態(組成,物性)に保たれ、(3)界面はA
l合金の添加金属の窒化物薄層により強固かつ緻密に接
合され、(4)この結果配線金属層130や裏面金属層
120の接合界面に過度の応力や歪が偏って作用せず、
(5)配線金属層130や裏面金属層120の剥離や疲
労破壊が抑えられる。このような点が、絶縁型半導体装
置900が優れた放熱信頼性を示した理由である。The insulating semiconductor device 900 has -40 to 12
Although the temperature cycle test was conducted at 5 ° C., no increase in thermal resistance was observed in the insulated semiconductor device 900 in the test up to 10,000 cycles. The insulation type semiconductor device 900 is applied with (1) the circuit board 125 having a selected thickness configuration, and (2) the silicon nitride plate 110 is sandwiched between the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 having the same and same physical properties. And the bonding interface between these layers and the silicon nitride plate 110 is kept in the same state (composition and physical properties), and (3) the interface is A
It is firmly and densely bonded by the nitride thin layer of the added metal of the 1 alloy, and (4) As a result, excessive stress or strain does not act unevenly on the bonding interface of the wiring metal layer 130 or the back surface metal layer 120,
(5) Peeling and fatigue damage of the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 can be suppressed. This is the reason why the insulating semiconductor device 900 has excellent heat dissipation reliability.
【0122】絶縁型半導体装置900には間欠通電試験
(回路基板125の温度が30〜100℃の変化を生ず
るように繰り返し通電)を施こし熱抵抗の推移を追跡し
た。この結果、絶縁型半導体装置900は3万サイクル
まで初期値(0.25℃/W)と同等の熱抵抗が維持され
た。3万サイクル以降で熱抵抗は漸増したけれども、約
10万サイクルまでは本発明で寿命と定義される0.3
8℃/W は越えることはなかった。このように絶縁型
半導体装置900が優れた間欠通電耐量を示したのも、
上述した(1)〜(5)の理由に基づく。The insulated semiconductor device 900 was subjected to an intermittent energization test (repeated energization so that the temperature of the circuit board 125 changes from 30 to 100 ° C.) and the transition of thermal resistance was traced. As a result, the insulated semiconductor device 900 maintained the same thermal resistance as the initial value (0.25 ° C./W) up to 30,000 cycles. Although the thermal resistance gradually increased after 30,000 cycles, the life is defined as 0.3 in the present invention up to about 100,000 cycles.
It did not exceed 8 ° C / W. In this way, the insulated semiconductor device 900 exhibits excellent intermittent current resistance.
It is based on the reasons (1) to (5) described above.
【0123】上述の間欠通電試験では、配線金属層13
1から裏面金属層120に至る積層構造の絶縁に関する
評価(電荷量100pCにおけるコロナ放電開始電圧の
推移)も進めた。絶縁型半導体装置900は約8kVの
初期値に対して、13万サイクル後においても約8kV
とほとんど変動しない。このことから絶縁型半導体装置
900は安定して優れた絶縁性が維持される点が確認さ
れた。窒化珪素板110が機械的に破壊したり配線金属
層130や裏面金属層120が剥離したりすると、これ
らの部分で電界が極度に高くなり放電を生ずる。しか
し、絶縁型半導体装置900では、配線金属層130や
裏面金属層120が強固に接合され、この接合界面にも
過度の応力が作用しない。この結果窒化珪素板110の
破壊や、配線金属層130や裏面金属層120の剥離を
生じないため優れた絶縁性が維持される。In the above-mentioned intermittent energization test, the wiring metal layer 13
Evaluation on insulation of the laminated structure from 1 to the back surface metal layer 120 (transition of corona discharge starting voltage at charge amount 100 pC) was also advanced. The insulation type semiconductor device 900 has an initial value of about 8 kV, but it is about 8 kV even after 130,000 cycles.
And hardly changes. From this, it was confirmed that the insulated semiconductor device 900 stably maintains excellent insulating properties. When the silicon nitride plate 110 is mechanically broken or the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 are peeled off, the electric field becomes extremely high in these portions and a discharge is generated. However, in the insulating semiconductor device 900, the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 are firmly bonded, and excessive stress does not act on the bonding interface. As a result, the silicon nitride plate 110 is not broken and the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 are not peeled off, so that excellent insulation is maintained.
【0124】絶縁型半導体装置900にはネジの締め付
けトルク50kgf−cm のもとで前記実施例1と同様の締
め付け試験が施された。この試験による回路基板125
の機械的破損や絶縁型半導体装置900の電気的機能の
劣化は投入した試料(10個)のいずれにも認められなか
った。これは上述の(1)〜(5)に加えて、回路基板
125の裏面金属層120が窒化珪素板110に対する
補強材として機能すること、回路基板125の周辺金属
層133も窒化珪素板110の補強材として機能してい
ることに基づく。The insulating semiconductor device 900 was subjected to the same tightening test as in Example 1 under a screw tightening torque of 50 kgf-cm. Circuit board 125 according to this test
No mechanical damage or deterioration of the electrical function of the insulated semiconductor device 900 was observed in any of the loaded samples (10 pieces). In addition to the above (1) to (5), this is because the back surface metal layer 120 of the circuit board 125 functions as a reinforcing material for the silicon nitride plate 110, and the peripheral metal layer 133 of the circuit board 125 also includes the silicon nitride plate 110. Based on functioning as a reinforcing material.
【0125】また、絶縁型半導体装置900は前記実施
例1と同様の落下試験が施された。試験投入試料数10
個のいずれにも、回路基板125の機械的破損や絶縁型
半導体装置900の電気的機能の劣化は認められなかっ
た。これは上述した(1)〜(5)に加えて、回路基板
125の裏面金属層120や周辺金属層133が窒化珪
素板110の補強材として機能することに基づく。The insulation type semiconductor device 900 was subjected to the same drop test as in the first embodiment. Test input sample number 10
No mechanical damage to the circuit board 125 or deterioration of the electrical function of the insulated semiconductor device 900 was observed in any of the pieces. This is based on the fact that the back surface metal layer 120 and the peripheral metal layer 133 of the circuit board 125 function as a reinforcing material of the silicon nitride plate 110, in addition to the above (1) to (5).
【0126】絶縁型半導体装置900は前記実施例1と
同様の各種の装置に組み込まれ、優れた性能と信頼性が
確認された。The insulated semiconductor device 900 was incorporated into various devices similar to those of the first embodiment, and excellent performance and reliability were confirmed.
【0127】〔実施例6〕本実施例では他形態の回路基
板125を用いた絶縁型半導体装置900について説明
する。この絶縁型半導体装置900は前記実施例5と同
様の機能を有する。[Embodiment 6] In this embodiment, an insulation type semiconductor device 900 using a circuit board 125 of another form will be described. The insulated semiconductor device 900 has the same function as that of the fifth embodiment.
【0128】図27は本実施例絶縁型半導体装置用回路
基板の詳細を説明する平面図及び断面図である。回路基
板125は前記実施例5の場合と基本的に同じであるの
で詳細な説明は省略し、異なる点のみを述べる。周辺金
属層133及び裏面金属層120の面積を狭め、窒化珪
素板110の端部領域及び穴125Gの領域で窒化珪素
板110が露出するように形成されている。FIG. 27 is a plan view and a sectional view for explaining the details of the insulating semiconductor device circuit board of this embodiment. Since the circuit board 125 is basically the same as that of the fifth embodiment, detailed description thereof will be omitted and only different points will be described. Areas of the peripheral metal layer 133 and the back surface metal layer 120 are narrowed so that the silicon nitride plate 110 is exposed in the end region of the silicon nitride plate 110 and the region of the hole 125G.
【0129】このような構成をとることによって、窒化
珪素板110と周辺金属層133及び裏面金属層120
の間の剥離耐量が向上する。回路基板125に温度サイ
クル試験(−55〜150℃、6000サイクル、投入
試料数:20個)を施したところ、周辺金属層133や
裏面金属層120の剥離は全く観測されていない。By adopting such a structure, the silicon nitride plate 110, the peripheral metal layer 133 and the back surface metal layer 120 are formed.
The peel resistance between the two is improved. When the circuit board 125 was subjected to a temperature cycle test (−55 to 150 ° C., 6000 cycles, the number of input samples: 20), no peeling of the peripheral metal layer 133 or the back surface metal layer 120 was observed.
【0130】以上の回路基板125を用いて前記実施例
5と同様の絶縁型半導体装置900を作製した。この結
果、絶縁型半導体装置900の性能は前記実施例5と同
等であることが確認された。また、前記実施例5と同様
の温度サイクル試験を1.2万サイクル与えたけれど
も、絶縁型半導体装置900の熱抵抗は初期値と同等の
値を維持していることが確認された。このように本実施
例絶縁型半導体装置900によれば一層優れた信頼性を確
保できる。この理由は、周辺金属層133及び裏面金属
層120の面積を狭め、窒化珪素板110の端部領域及
び穴125Gの領域で窒化珪素板110が露出するよう
に形成していることによる。An insulating semiconductor device 900 similar to that in the fifth embodiment was manufactured using the above circuit board 125. As a result, it was confirmed that the performance of the insulated semiconductor device 900 was equivalent to that of the fifth embodiment. Further, although the same temperature cycle test as in Example 5 was applied for 12,000 cycles, it was confirmed that the thermal resistance of the insulating semiconductor device 900 maintained the same value as the initial value. As described above, according to the insulated semiconductor device 900 of the present embodiment, it is possible to secure further excellent reliability. The reason is that the peripheral metal layer 133 and the back surface metal layer 120 are formed so that the areas thereof are narrowed so that the silicon nitride plate 110 is exposed in the end region of the silicon nitride plate 110 and the region of the hole 125G.
【0131】〔実施例7〕本実施例では他形態の回路基
板125を用いた縁型半導体装置900について説明す
る。この絶縁型半導体装置900は前記実施例5と同様
の機能を有する。[Embodiment 7] In this embodiment, an edge type semiconductor device 900 using a circuit board 125 of another form will be described. The insulated semiconductor device 900 has the same function as that of the fifth embodiment.
【0132】図28は本実施例絶縁型半導体装置用回路
基板の詳細を説明する断面模式図である。回路基板12
5は前記実施例5の場合と基本的に同じであるので詳細
な説明は省略し、異なる点のみを述べる。配線金属層1
30,132及び裏面金属層120の端部には約60°
(窒化珪素板110の主面との間でなす角度)の傾斜1
50が設けられている。この傾斜により窒化珪素板11
0と配線金属層130,132及び裏面金属層120の
間の接合界面端部に集中する応力が軽減される。FIG. 28 is a schematic sectional view for explaining the details of the insulating type semiconductor device circuit board of this embodiment. Circuit board 12
5 is basically the same as the case of the fifth embodiment, so detailed description will be omitted and only different points will be described. Wiring metal layer 1
The edges of 30, 132 and the backside metal layer 120 have an angle of about 60 °.
Inclination 1 (angle formed with main surface of silicon nitride plate 110)
50 are provided. Due to this inclination, the silicon nitride plate 11
0, the stress concentrated on the junction interface end portion between the wiring metal layers 130 and 132 and the back surface metal layer 120 is reduced.
【0133】このような構成をとることによって、窒化
珪素板110のクラック破壊や、配線金属層130,1
32及び裏面金属層120の剥離耐量が向上する。回路
基板125に温度サイクル試験(−55〜150℃、6
000サイクル、投入試料数:20個)を施したとこ
ろ、窒化珪素板110のクラック破壊や、周辺金属層1
33や裏面金属層120の剥離は全く観測されていなか
った。With such a structure, the silicon nitride plate 110 is cracked and the wiring metal layers 130, 1 are broken.
The peeling resistance of the backside metal layer 32 and the backside metal layer 120 is improved. A temperature cycle test (-55 to 150 ° C, 6
000 cycles, the number of input samples: 20), the silicon nitride plate 110 was cracked and the peripheral metal layer 1
No peeling of 33 or the back surface metal layer 120 was observed at all.
【0134】以上の回路基板125を用いて前記実施例
5と同様の絶縁型半導体装置900を作製した。この結
果、絶縁型半導体装置900の性能は前記実施例5と同
等であることが確認された。また、前記実施例5と同様
の温度サイクル試験を1.3万サイクル与えたけれど
も、絶縁型半導体装置900の熱抵抗は初期値と同等の
値を維持していることが確認された。このように絶縁型
半導体装置900によれば一層優れた放熱信頼性を確保
できる。この理由は、周辺金属層133及び裏面金属層
120の面積を狭め、窒化珪素板110の端部領域及び
穴125Gの領域で窒化珪素板110が露出させた点に
加えて、傾斜150を設けたことによる。An insulating semiconductor device 900 similar to that of the fifth embodiment was manufactured using the above circuit board 125. As a result, it was confirmed that the performance of the insulated semiconductor device 900 was equivalent to that of the fifth embodiment. Further, although the same temperature cycle test as in Example 5 was applied for 130,000 cycles, it was confirmed that the thermal resistance of the insulated semiconductor device 900 maintained the same value as the initial value. As described above, according to the insulating semiconductor device 900, further excellent heat radiation reliability can be secured. The reason for this is that the area of the peripheral metal layer 133 and the back surface metal layer 120 is reduced, and the slope 150 is provided in addition to the point that the silicon nitride plate 110 is exposed in the end region of the silicon nitride plate 110 and the region of the hole 125G. It depends.
【0135】[0135]
【発明の効果】本発明によれば、製造時あるいは運転時
に生ずる熱応力ないし熱歪を軽減し、各部材の変形,変
性,破壊の恐れがなく、放熱性と信頼性が高く、低コス
トの絶縁型半導体装置を得ることができる。According to the present invention, the thermal stress or strain generated during manufacturing or operation is reduced, there is no fear of deformation, modification or destruction of each member, and the heat dissipation and reliability are high and the cost is low. An insulating semiconductor device can be obtained.
【図1】本発明絶縁型半導体装置用回路基板の詳細を説
明する平面図及び断面模式図である。1A and 1B are a plan view and a schematic sectional view illustrating details of a circuit board for an insulating semiconductor device of the present invention.
【図2】本発明絶縁型半導体装置用回路基板と従来の回
路基板の製造工程の比較である。FIG. 2 is a comparison of manufacturing processes of a circuit board for an insulating semiconductor device of the present invention and a conventional circuit board.
【図3】本発明絶縁型半導体装置の基本構造を説明する
平面及び断面模式図である。FIG. 3 is a plan view and a cross-sectional schematic view illustrating the basic structure of the insulated semiconductor device of the present invention.
【図4】絶縁型半導体装置の熱抵抗,応力,信頼性に関
する配線金属層厚さ依存性を説明するグラフである。FIG. 4 is a graph illustrating the dependency of the wiring metal layer thickness on the thermal resistance, stress, and reliability of the insulated semiconductor device.
【図5】熱抵抗,ボイド率,信頼性に関する裏面金属層
厚さ依存性を説明するグラフである。FIG. 5 is a graph illustrating the backside metal layer thickness dependence of thermal resistance, void ratio, and reliability.
【図6】クラック破壊率及び熱抵抗増加率の窒化珪素板
厚さ依存性を説明するグラフである。FIG. 6 is a graph illustrating the dependence of the crack destruction rate and the thermal resistance increase rate on the silicon nitride plate thickness.
【図7】本発明絶縁型半導体装置の温度サイクル試験に
よる熱抵抗の推移を説明するグラフである。FIG. 7 is a graph illustrating the transition of thermal resistance of the insulated semiconductor device of the present invention in a temperature cycle test.
【図8】一実施例絶縁型半導体装置用回路基板の製法を
説明する断面模式図である。FIG. 8 is a schematic sectional view illustrating a method for manufacturing a circuit board for an insulated semiconductor device according to an embodiment.
【図9】絶縁型半導体装置の回路を説明する図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a circuit of an insulating semiconductor device.
【図10】絶縁型半導体装置を組み込んだインバータ装
置の回路を説明する図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a circuit of an inverter device incorporating an insulating semiconductor device.
【図11】間欠通電試験による熱抵抗の推移を説明する
グラフである。FIG. 11 is a graph illustrating the transition of thermal resistance due to the intermittent current test.
【図12】間欠通電試験による配線金属層−裏面金属層
間のコロナ放電開始電圧の推移を説明するグラフであ
る。FIG. 12 is a graph illustrating the transition of the corona discharge inception voltage between the wiring metal layer and the back surface metal layer by the intermittent current test.
【図13】他実施例絶縁型半導体装置用回路基板を説明
する平面図及び断面図である。13A and 13B are a plan view and a cross-sectional view illustrating a circuit board for an insulated semiconductor device according to another embodiment.
【図14】他実施例絶縁型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. 14 is a plan view, a cross-sectional view, and a circuit diagram illustrating an insulated semiconductor device according to another embodiment.
【図15】絶縁型半導体装置の過渡熱抵抗特性を説明す
るグラフである。FIG. 15 is a graph illustrating transient thermal resistance characteristics of an insulating semiconductor device.
【図16】他実施例絶縁型半導体装置が組み込まれた電
源回路装置を説明するブロック図である。FIG. 16 is a block diagram illustrating a power supply circuit device incorporating an insulated semiconductor device according to another embodiment.
【図17】他実施例絶縁型半導体装置用回路基板を説明
する平面図及び断面図である。17A and 17B are a plan view and a cross-sectional view illustrating a circuit board for an insulated semiconductor device according to another embodiment.
【図18】他実施例絶縁型半導体装置を説明する鳥瞰図
及び断面図である。FIG. 18 is a bird's-eye view and a cross-sectional view illustrating an insulated semiconductor device according to another embodiment.
【図19】他実施例絶縁型半導体装置の温度サイクル試
験による熱抵抗の推移を説明するグラフである。FIG. 19 is a graph for explaining the transition of thermal resistance of the insulated semiconductor device of another example in a temperature cycle test.
【図20】絶縁型半導体装置の回路を説明する図であ
る。FIG. 20 is a diagram illustrating a circuit of an insulating semiconductor device.
【図21】他実施例絶縁型半導体装置用回路基板の半導
体基体搭載側を説明する平面模式図である。FIG. 21 is a schematic plan view illustrating a semiconductor substrate mounting side of a circuit board for an insulated semiconductor device according to another embodiment.
【図22】他実施例絶縁型半導体装置を説明する平面及
び断面模式図,回路図である。22A and 22B are a plan view, a cross-sectional schematic view, and a circuit diagram illustrating an insulated semiconductor device according to another embodiment.
【図23】他実施例絶縁型半導体装置の過渡熱抵抗特性
を説明するグラフである。FIG. 23 is a graph illustrating transient thermal resistance characteristics of another example insulated semiconductor device.
【図24】絶縁型半導体装置が組み込まれたDC/DC
コンバータを説明するブロック図である。FIG. 24 is a DC / DC in which an insulating semiconductor device is incorporated.
It is a block diagram explaining a converter.
【図25】他実施例絶縁型半導体装置用回路基板の詳細
を説明する平面図及び断面図である。FIG. 25 is a plan view and a cross-sectional view illustrating details of a circuit board for an insulated semiconductor device according to another embodiment.
【図26】他実施例絶縁型半導体装置を説明する平面及
び断面模式図である。FIG. 26 is a plan view and a cross-sectional schematic diagram illustrating an insulated semiconductor device according to another embodiment.
【図27】他実施例絶縁型半導体装置用回路基板の詳細
を説明する平面図及び断面図である。FIG. 27 is a plan view and a cross-sectional view illustrating details of a circuit board for an insulated type semiconductor device according to another embodiment.
【図28】他実施例絶縁型半導体装置用回路基板の詳細
を説明する断面模式図である。FIG. 28 is a schematic sectional view illustrating details of a circuit board for an insulated type semiconductor device according to another embodiment.
5…アルミナ板、10,10a…制御回路、15,11
2…抵抗チップ、16…ICチップ基体、17…コンデ
ンサチップ、18…ガラススリーブ型ツェナーダイオー
ドチップ、20…エポキシ樹脂ケース、21…エポキシ
樹脂蓋、22…シリコーンゲル樹脂,エポキシ樹脂、2
5…凹み、30…主端子、30′,125F,125G…
穴、30a…ゲート端子、30b…ドレイン端子、30
c…ソース端子、30in…入力主端子、30out …出力
主端子、31…補助端子、34…温度検出用サーミスタ
素子、35…シリコーン接着樹脂、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…DC/DCコ
ンバータ、101…MOS FET素子基体,半導体基
体、110…セラミックス板,窒化珪素板,窒化アルミ
ニウム板,アルミナ板、113,114,124…はん
だ、115…支持板、117,117′…Al細線、1
20…裏面金属層、120′,130′…空間、125
…回路基板、125′…Al合金溶湯、125a′…湯
口、125b′…湯道、125c′…排出口、130,
131,132,130c…配線金属層、133…周辺
金属層、150…傾斜、203…Cu配線、900…絶
縁型半導体装置、910…ブロック、920…上鋳型、
921…下鋳型、960…電動機。5 ... Alumina plate, 10, 10a ... Control circuit, 15, 11
2 ... Resistor chip, 16 ... IC chip base, 17 ... Capacitor chip, 18 ... Glass sleeve type Zener diode chip, 20 ... Epoxy resin case, 21 ... Epoxy resin lid, 22 ... Silicone gel resin, Epoxy resin, 2
5 ... dent, 30 ... main terminal, 30 ', 125F, 125G ...
Hole, 30a ... Gate terminal, 30b ... Drain terminal, 30
c ... Source terminal, 30in ... Input main terminal, 30out ... Output main terminal, 31 ... Auxiliary terminal, 34 ... Temperature detecting thermistor element, 35 ... Silicone adhesive resin, 81 ... Transformer, 82
... rectifier circuit, 83 ... smoothing and control circuit, 84 ... input power supply, 85 ... battery, 86 ... load circuit, 90 ... DC / DC converter, 101 ... MOS FET element base, semiconductor base, 110 ... ceramics plate, silicon nitride plate , Aluminum nitride plate, alumina plate, 113, 114, 124 ... Solder, 115 ... Support plate 117, 117 '... Al fine wire, 1
20 ... Back metal layer, 120 ', 130' ... Space, 125
... circuit board, 125 '... molten Al alloy, 125a' ... sprue, 125b '... runner, 125c' ... discharge port, 130,
131, 132, 130c ... Wiring metal layer, 133 ... Peripheral metal layer, 150 ... Inclination, 203 ... Cu wiring, 900 ... Insulating semiconductor device, 910 ... Block, 920 ... Upper mold,
921 ... Lower mold, 960 ... Electric motor.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 児玉 弘則 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 飯塚 守 長野県小諸市大字柏木190番地 株式会社 日立製作所半導体グループ内 (72)発明者 小山 賢治 長野県小諸市大字柏木190番地 株式会社 日立製作所半導体グループ内 Fターム(参考) 5F036 AA01 BA23 BB01 BC06 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Hironori Kodama 7-1-1, Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki Prefecture Inside the Hitachi Research Laboratory, Hitachi Ltd. (72) Inventor Mamoru Iizuka 190 Kashiwagi, Kojiro City, Nagano Prefecture Hitachi Semiconductor Group (72) Inventor Kenji Koyama 190 Kashiwagi, Kojiro City, Nagano Prefecture Hitachi Semiconductor Group F term (reference) 5F036 AA01 BA23 BB01 BC06
Claims (10)
設けられた配線金属層上に固着され、前記セラミックス
板の他方の面が裏面金属層を介して支持部材に固着さ
れ、前記配線金属層と前記裏面金属層がAl合金で構成
されたことを特徴とする絶縁型半導体装置。1. A semiconductor substrate is fixed on a wiring metal layer provided on one surface of a ceramic plate, and the other surface of the ceramic plate is fixed on a supporting member via a back metal layer, and the wiring metal layer is formed. And the backside metal layer is made of an Al alloy.
ミックス板の一方の面に設けられた厚さ0.1〜1.2mm
の配線金属層上に固着され、前記セラミックス板の他方
の面が厚さ0.25〜0.5mmの裏面金属層を介して厚さ
1〜10mmの支持部材に固着され、前記配線金属層と前
記裏面金属層がアルミニウム(Al)又はアルミニウム
(Al)合金で構成されたことを特徴とする絶縁型半導
体装置。2. A semiconductor substrate having a thickness of 0.1 to 1.2 mm provided on one surface of a ceramic plate having a thickness of 0.25 to 1.0 mm.
Of the ceramic plate, and the other surface of the ceramic plate is fixed to a supporting member having a thickness of 1 to 10 mm via a back surface metal layer having a thickness of 0.25 to 0.5 mm. An insulating semiconductor device, wherein the back metal layer is made of aluminum (Al) or an aluminum (Al) alloy.
の面に設けられた配線金属層上に固着され、前記セラミ
ックス板の他方の面が裏面金属層を介して支持部材に固
着され、前記配線金属層と前記裏面金属層がアルミニウ
ム(Al)又はアルミニウム(Al)合金で構成され、
前記半導体基体及びセラミックス板が樹脂容器によって
覆われていることを特徴とする絶縁型半導体装置。3. A plurality of semiconductor substrates are fixed to a wiring metal layer provided on one surface of a ceramic plate, and the other surface of the ceramic plate is fixed to a supporting member via a back metal layer, The metal layer and the back metal layer are made of aluminum (Al) or an aluminum (Al) alloy,
An insulating semiconductor device, wherein the semiconductor substrate and the ceramic plate are covered with a resin container.
設けられた配線金属層上に固着され、前記セラミックス
板の他方の面が裏面金属層を介して支持部材に固着さ
れ、前記配線金属層と前記裏面金属層がアルミニウム
(Al)又はアルミニウム(Al)合金で構成され、前記
セラミックス板の搭載部分が凹部になっていることを特
徴とする絶縁型半導体装置。4. A semiconductor substrate is fixed on a wiring metal layer provided on one surface of a ceramic plate, and the other surface of the ceramic plate is fixed on a supporting member via a back metal layer, and the wiring metal layer is formed. And the back metal layer is aluminum
An insulating semiconductor device, which is made of (Al) or an aluminum (Al) alloy and in which the mounting portion of the ceramic plate is a recess.
ラミックス板が樹脂容器によって覆われていることを特
徴とする絶縁型半導体装置。5. The insulating semiconductor device according to claim 4, wherein the semiconductor substrate and the ceramic plate are covered with a resin container.
前記セラミックス板は、窒化珪素,窒化アルミニウム又
はアルミナの少なくとも1つを含むことを特徴とする絶
縁型半導体装置。6. The method according to any one of claims 1 to 5,
The insulating semiconductor device, wherein the ceramic plate contains at least one of silicon nitride, aluminum nitride, and alumina.
前記配線金属層と前記裏面金属層は、アルミニウムにS
i,Ge,Mn,Mg,Au,Ag,Ca,Cu,N
i,Pd,Sb,Te,Ti,V,Zn又はZrの金属
の少なくとも1つを含むことを特徴とする絶縁型半導体
装置。7. The method according to any one of claims 1 to 5,
The wiring metal layer and the back metal layer are made of aluminum and S
i, Ge, Mn, Mg, Au, Ag, Ca, Cu, N
An insulated semiconductor device comprising at least one metal of i, Pd, Sb, Te, Ti, V, Zn or Zr.
前記配線金属層と前記裏面金属層の少なくとも1つの層
の表面が、Au,Ag,Cu,Ni,Pd,Pt,Sn
又はZnの金属の少なくとも1つの金属を含んで被覆さ
れていることを特徴とする絶縁型半導体装置。8. The method according to any one of claims 1 to 5,
The surface of at least one of the wiring metal layer and the back metal layer is Au, Ag, Cu, Ni, Pd, Pt, Sn.
Alternatively, the insulating semiconductor device is characterized by being coated with at least one metal of Zn.
前記半導体基体が前記配線金属層上にSn又はPb,S
n,Sb,Zn,Cu,Ni,Au,Ag,P,Bi,
In,Mn,Mg,Si,Ge,Ti,Zr,V,Hf
又はPdの金属の少なくとも2つ以上からなる合金によ
って固着されていることを特徴とする絶縁型半導体装
置。9. The method according to any one of claims 1 to 5,
The semiconductor substrate is Sn or Pb, S on the wiring metal layer.
n, Sb, Zn, Cu, Ni, Au, Ag, P, Bi,
In, Mn, Mg, Si, Ge, Ti, Zr, V, Hf
Alternatively, the insulating semiconductor device is fixed by an alloy composed of at least two metals of Pd.
て、前記半導体基体がSi,Ge,SiC,GaAs又は
GaPの少なくとも1つを母材とすることを特徴とする
絶縁型半導体装置。10. An insulating semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate has at least one of Si, Ge, SiC, GaAs or GaP as a base material.
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---|---|---|---|
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