JP2003258150A - Insulated type semiconductor device - Google Patents

Insulated type semiconductor device

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JP2003258150A
JP2003258150A JP2002055173A JP2002055173A JP2003258150A JP 2003258150 A JP2003258150 A JP 2003258150A JP 2002055173 A JP2002055173 A JP 2002055173A JP 2002055173 A JP2002055173 A JP 2002055173A JP 2003258150 A JP2003258150 A JP 2003258150A
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semiconductor device
wiring
wiring metal
plate
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Yasutoshi Kurihara
保敏 栗原
可昌 ▲高▼橋
Yoshimasa Takahashi
Hironori Kodama
弘則 児玉
Mamoru Iizuka
守 飯塚
Kenji Koyama
賢治 小山
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Hitachi Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a low-cost insulated semiconductor device having superior heat dissipation property and high reliability, without the possibility of deformation, denaturation, and destruction of each member, wherein thermal stress or thermal distortion occurring during manufacturing or during operation is reduced. <P>SOLUTION: An outer casing is constructed with a resin case, having an opening provided therein and a ceramics insulating plate mounted on the opening, and the ceramics insulating plate is constructed with a 0.1 to 2.3 mm thickness wiring metal layer provided on one principal surface of a 0.25 to 1.25 mm thickness ceramics plate and a 0.025 to 2.0 mm thickness back surface metal layer provided on the other principal surface. A semiconductor device substrate is fixed onto the wiring metal layer, and the wiring metal layer and the back surface metal layer are made of an Al alloy, having the same quality and physical property as each other, and further, the ceramics insulating plate constitutes a bottom cover of the outer casing. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は絶縁型半導体装置、
特に絶縁部材を外囲器の底蓋として用いた構造の絶縁型
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 having a structure in which an insulating member is used as a bottom lid of an envelope.

【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, as the first prior art, Japanese Unexamined Patent Publication No.
JP-A-289266 discloses forming a circuit pattern for mounting an electronic component from an Al plate joined to one surface of a ceramics plate made of AlN, alumina or the like, and joining an Al plate for forming a heat radiation portion to the other surface. The Al-ceramic composite substrate is disclosed.

【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先行技術である特開昭59−4605
1号公報には、無機質絶縁部材に設けられた金属板上に
金属ろうにより半導体基体が接着された機能部と、平板
金属の両主面を貫通するように開口部が設けられた保護
部材とを有し、この開口部に上記機能部を固着し、上記
保護部材の開口部と機能部で形成される空間に絶縁樹脂
を充填した絶縁型半導体装置が開示されている。
Third prior art, Japanese Patent Laid-Open No. 59-4605
No. 1 discloses a functional part in which a semiconductor substrate is bonded to a metal plate provided on an inorganic insulating member with a metal brazing material, and a protective member provided with openings so as to penetrate both main surfaces of a flat plate metal. There is disclosed an insulating semiconductor device in which the functional portion is fixed to the opening, and a space formed by the opening and the functional portion of the protective member is filled with an insulating resin.

【0008】第4先行技術である特開平6−18836
3号公報には、半導体素子が箱状の外囲器に収容された
半導体モジュールであって、外囲器の底部が耐熱性絶縁
材を含んだ電力用基板本体と、この電力用基板本体の上
主面上に配設され半導体素子が接続される電力用配線パ
ターンと、電力用基板本体の下主面上に配設され電力用
配線パターンと実質的に同一材料の板材とを一体的に形
成してなる電力用基板を備え、前記板材が外囲器の下側
裏面に露出している半導体モジュールが開示されてい
る。
Fourth prior art, Japanese Patent Laid-Open No. 6-18836
Japanese Patent Publication No. 3 is a semiconductor module in which a semiconductor element is housed in a box-shaped envelope, and the bottom of the envelope includes a power board main body including a heat-resistant insulating material, and the power board main body of the power board body. A power wiring pattern, which is arranged on the upper main surface and to which semiconductor elements are connected, and a plate material, which is arranged on the lower main surface of the power substrate main body and is substantially the same material as the power wiring pattern, are integrally formed. Disclosed is a semiconductor module including a power substrate formed, wherein the plate material is exposed on the lower back surface of the envelope.

【0009】第5先行技術である特開平11−3303
11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。
A fifth prior art, Japanese Patent Laid-Open No. 11-3303
No. 11 publication discloses a silicon nitride substrate having a thermal conductivity of 60 w / m · K or more, a semiconductor element mounted on this substrate,
A metal circuit board made of Cu bonded to the semiconductor element mounting surface of the board and a single metal plate made of Cu bonded to the semiconductor element non-mounted surface of the board and integrally bonded to the equipment casing or the mounting board. A semiconductor module provided is disclosed.

【0010】第6先行技術である特開平7−24973
4号公報には、パワー素子が実装された基板と、パワー
素子に電気的に接続された端子ホルダと、パワー素子及
び端子ホルダをケーシングする外囲器とを有し、外囲器
と基板とによって形成された外囲器内の空間に端子ホル
ダを外部に導出する形で樹脂が充填された大電力用半導
体装置において、外囲器の側壁内側の下部に基板装着溝
を設け、基板は基板装着溝に装着されて外囲器の底蓋と
なるように構成した大電力用半導体装置が開示されてい
る。
Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-24973, which is the sixth prior art.
Japanese Patent Publication No. 4 has a board on which a power element is mounted, a terminal holder electrically connected to the power element, and an envelope for casing the power element and the terminal holder. In a high-power semiconductor device in which a resin is filled in a space inside the envelope formed by the resin so that the terminal holder is drawn out to the outside, a substrate mounting groove is provided in the lower portion inside the side wall of the envelope, and the substrate is a substrate. A high-power semiconductor device configured to be mounted in a mounting groove to serve as a bottom lid of an envelope is disclosed.

【0011】[0011]

【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.

【0012】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 sink side is C-side.
Generally, a metal supporting plate such as u or Mo or a composite supporting plate such as Al / SiC material is integrated by soldering.

【0013】このような構造の場合は、支持板と絶縁部
材の熱膨張率は近接してはいても完全には一致していな
い。この点に起因して、はんだ層の破壊,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
いう問題があった。また、絶縁型半導体装置を構成する
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 the case of such a structure, the thermal expansion coefficients of the support plate and the insulating member are not completely the same even though they are close to each other. Due to this point, there is a problem that the solder layer is broken, the heat flow path is blocked, and the reliability is lowered due to the breakage of the insulating member. Further, the number of members constituting the insulating semiconductor device and the number of assembling steps are large, and there is a problem in cost.

【0014】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, or destruction of each member, to provide a highly reliable, low-cost insulated semiconductor device. Is to provide.

【0015】[0015]

【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、開口部が設けられた樹脂ケース
と該開口部に装着されたセラミックス絶縁板で外囲器が
構成され、該セラミックス絶縁板がセラミックス板の一
方の主面に設けられた配線金属層と他方の主面に設けら
れた裏面金属層で構成され、半導体素子基体が該配線金
属層上に固着され、該配線金属層と該裏面金属層がAl
合金で構成され、該セラミックス絶縁板が該外囲器の底
蓋を構成していることを特徴とする。
In the insulated semiconductor device of the present invention which achieves the above object, an envelope is constituted by a resin case having an opening and a ceramics insulating plate mounted in the opening. The ceramic insulating plate is composed of a wiring metal layer provided on one main surface of the ceramic plate and a back metal layer provided on the other main surface, and the semiconductor element substrate is fixed on the wiring metal layer. Layer and the back metal layer are Al
It is composed of an alloy, and the ceramic insulating plate constitutes a bottom lid of the envelope.

【0016】このような構成に基づき強固な接合性が付
与され、優れた放熱性及び信頼性の維持が図られ、さら
に、廉価な絶縁型半導体装置を得るのに寄与できる。
Based on such a structure, a strong bondability is imparted, excellent heat dissipation and reliability are maintained, and further, it is possible to contribute to obtain an inexpensive insulated semiconductor device.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】ここで、半導体装置における
(1)熱応力,歪,絶縁板の破損、(2)そりによる熱
的係合や絶縁板の破損、(3)組み立て工数・鉛フリー
はんだ化の問題の問題について、以下に説明する。 (1)熱応力,歪,絶縁板の破損 絶縁部材としてのセラミックス絶縁板と支持板の熱膨張
率が互いに異なるため、これらの一体化物には残留熱応
力ないし熱歪が発生する。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、絶縁基板
やろう付け部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。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、
はんだ層(特に後述する#2はんだ層)の疲労破壊によ
る熱流路の遮断と機械的に脆い性質を持つセラミックス
絶縁板の破損を生ずる。このような事柄は絶縁型半導体
装置の正常動作を阻害するだけでなく、特に絶縁基板の
破損で代表されるような安全上の問題にもつながる。 (2)そりによる熱的係合や絶縁板の破損 セラミックス絶縁板と支持板の熱膨張率が互いに異なる
ため、これらの一体化物にはそりを発生する。絶縁型半
導体装置にそりを生ずると、これを冷却フィンに取付け
る際熱伝導グリースの装填が均一になされない。この結
果、支持板と冷却フィン間の熱的係合が良好になされ
ず、この経路の放熱性が損なわれ、絶縁型半導体装置の
正常動作を困難にする。また、絶縁型半導体装置を冷却
フィン上にネジ締め搭載した場合には、新たな外力の印
加により絶縁板の破損が助長される。 (3)組み立て工数の問題及び鉛フリーはんだ化の困難
性 半導体基体とセラミックス絶縁板をはんだ材によりろう
付けする工程(#1はんだ層の形成)と、同様のろう付
けによるセラミックス絶縁板と支持板との一体化工程
(#2はんだ層の形成)が必要で、絶縁型半導体装置の
組み立て工数が多い。これに伴い部材点数も多くなる。
以上の点は絶縁型半導体装置のコストに影響する。ま
た、一般には#1はんだ層と#2はんだ層の形成工程で
は温度階層性(異なる融点を持つはんだ材)が必要にな
るけれども、既存の鉛フリーはんだ材の組み合わせでは
十分な温度階層性を得ることは困難である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Here, (1) thermal stress, strain, and damage to an insulating plate in a semiconductor device, (2) thermal engagement and damage to the insulating plate due to warpage, and (3) assembly man-hour / lead-free solder The problem of the complication is described below. (1) Thermal stress, strain, and damage of insulating plate Since the ceramic insulating plate as an insulating member and the supporting plate have different thermal expansion coefficients, residual thermal stress or thermal strain occurs in these integrated products. 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 an insulating substrate and a brazing part also becomes large. Therefore, residual thermal stress and thermal strain are large, and deformation of each member is easily promoted. Thermal stress during operation is repeatedly applied to the insulated semiconductor device, and when this is superimposed on the residual thermal stress or thermal strain,
Fatigue failure of the solder layer (particularly # 2 solder layer described later) interrupts the heat flow path and damages the ceramic insulating plate having mechanically brittle properties. Such a matter not only hinders the normal operation of the insulated semiconductor device, but also leads to a safety problem particularly typified by damage to the insulated substrate. (2) Thermal engagement due to warpage and damage to insulating plate Since the ceramic insulating plate and the supporting plate have different thermal expansion coefficients, warpage occurs in these integrated products. If the insulating semiconductor device is warped, the heat conductive grease is not uniformly loaded when the semiconductor device is mounted on the cooling fin. As a result, the thermal engagement between the support plate and the cooling fin is not good, the heat dissipation of this path is impaired, and normal operation of the insulated semiconductor device becomes difficult. Further, when the insulated semiconductor device is mounted on the cooling fin with screws, damage to the insulating plate is promoted by the application of new external force. (3) Problem of assembly man-hour and difficulty of lead-free soldering Process of brazing semiconductor substrate and ceramic insulating plate with solder material (formation of # 1 solder layer), and ceramic insulating plate and supporting plate by similar brazing Requires an integration step (formation of # 2 solder layer) with, and the number of assembling steps of the insulating semiconductor device is large. Along with this, the number of members also increases.
The above points affect the cost of the insulating semiconductor device. Generally, the temperature hierarchy (solder materials having different melting points) is required in the process of forming the # 1 solder layer and the # 2 solder layer, but sufficient temperature hierarchy can be obtained by the combination of the existing lead-free solder materials. Is difficult.

【0018】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、後続のパワーモジュ
ール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Al/SiCの製作とセラミックス絶縁板への配線が
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
ス絶縁板が比較的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、上述の
(1)及び(2)の問題が残る。本先行技術にはこれら
に対する解決策、特に絶縁型半導体装置の製作及び稼働
段階での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。更に、配線層を化学エッチングによりパ
ターン化する際、セラミックス絶縁板の表面もエッチン
グされて露出表面に微細な凹凸を生ずる。このエッチン
グ反応はセラミックスの粒界において特に進みやすく、
粒界に沿った深い溝が形成される。この溝部には応力が
集中しやすく、セラミックス板のクラック破壊を助長す
る。
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 subsequent power module assembly process is simplified. Moreover, by pouring the molten Al alloy into a predetermined mold, Al / SiC fabrication and wiring to the ceramic insulating plate are performed in the same step as the integration. 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 ceramics insulating plate are directly integrated at a relatively high temperature,
Stress, strain, and warp deformation are likely to occur in the integrated product, and the problems (1) and (2) described above remain. The prior art does not disclose a solution to these problems, particularly, an optimal structure for avoiding defects in manufacturing and operating stages of an insulating semiconductor device. Furthermore, when the wiring layer is patterned by chemical etching, the surface of the ceramic insulating plate is also etched, and fine irregularities are formed on the exposed surface. This etching reaction is particularly likely to proceed at the ceramic grain boundaries,
Deep grooves are formed along the grain boundaries. Stress is likely to be concentrated in this groove portion, which promotes crack destruction of the ceramic plate.

【0019】第3先行技術における絶縁型半導体装置で
は、セラミックス絶縁板は支持板と固着されないため絶
縁型半導体装置の組み立て工数や部材点数が少なく、廉
価な絶縁型半導体装置を得るのに貢献できる。しかし、
半導体基体搭載用の金属層がセラミックス絶縁板には一
方の主面側にしか形成されていないため、絶縁板全体と
しての内蔵応力及び変形にはアンバランスを生ずる。具
体的には、金属層とセラミックス板間の端部界面に過大
な応力を生じたり、金属層側が凹型になるそり変形を生
ずる。この結果、上述した(1)及び(2)と同様の問
題が残る。
In the insulated semiconductor device of the third prior art, since the ceramics insulating plate is not fixed to the support plate, the number of assembling steps and the number of members of the insulated semiconductor device are small, which can contribute to obtaining an inexpensive insulated semiconductor device. But,
Since the metal layer for mounting the semiconductor substrate is formed only on one main surface side of the ceramic insulating plate, imbalance occurs in the built-in stress and deformation of the insulating plate as a whole. Specifically, excessive stress is generated at the end interface between the metal layer and the ceramics plate, or warpage deformation occurs in which the metal layer side is concave. As a result, the same problems as (1) and (2) described above remain.

【0020】第4先行技術における半導体パワーモジュ
ールの外囲器底部となる電力用基板はアルミナあるいは
AlN板と、その上主面に設けられたCu電力用配線パ
ターンと、下主面上に設けられたCu板材を有してい
る。この際、バイメタル効果によるそり変形を低減する
ため、アルミナあるいはAlN板の面積に対する電力用
配線パターン面積の比率を調整している。しかし、電力
用配線パターン間に所定の絶縁距離を設けたり、電力用
基板の有効面積率を高めたり、放熱効率を調整するため
には、単に電力用配線パターンの占有面積を調整だけで
は十分には対応できない。また、Cu電力用配線パター
ンやCu板材はDBC法(銅−酸素系共晶物質)によっ
てアルミナあるいはAlN板に接合される。この銅−酸
素系共晶物質はセラミックス板と電力用配線パターン及
び板材との間の接合担体となるけれども、脆い性質があ
って強固な接合界面を得ることが困難である。また、こ
の接合担体には通常ボイドやセラミックス板と完全にぬ
れない部分を始めとする欠陥を生ずる。これらの欠陥の
量や種類は電力用配線パターン側と板材側とで異なるの
が一般的である。したがって、完成された電力用基板全
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、電力用配線パターンとセラミックス板
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)及び(2)と同様の問題が残る。
The power substrate, which is the bottom of the envelope of the semiconductor power module in the fourth prior art, is an alumina or AlN plate, a Cu power wiring pattern provided on its upper main surface, and a lower power surface. It has a Cu plate material. At this time, in order to reduce warpage deformation due to the bimetal effect, the ratio of the area of the power wiring pattern to the area of the alumina or AlN plate is adjusted. However, simply adjusting the occupied area of the power wiring pattern is sufficient to provide a predetermined insulation distance between the power wiring patterns, increase the effective area ratio of the power substrate, and adjust the heat dissipation efficiency. Cannot handle. The Cu power wiring pattern and the Cu plate material are joined to the alumina or AlN plate by the DBC method (copper-oxygen eutectic substance). Although this copper-oxygen eutectic substance serves as a bonding carrier between the ceramic plate and the power wiring pattern and plate material, it has a brittle property and it is difficult to obtain a strong bonding interface. In addition, defects such as voids and portions that are not completely wet with the ceramic plate are usually generated in this bonding carrier. Generally, the amount and type of these defects are different between the power wiring pattern side and the plate material side. Therefore, an imbalance is likely to occur in the stress and deformation built in the entire completed power board. Specifically, excessive stress is generated at the end interface between the power wiring pattern and the ceramic plate, and complicated warp deformation along the pattern occurs. As a result, the same problems as (1) and (2) described above also remain with this prior art.

【0021】第5先行技術における半導体パワーモジュ
ール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 Coppe
r)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Cuから
なる金属板とを具備しており、この半導体パワーモジュ
ールの外囲器底部は両面に金属回路板と金属板が接合さ
れた窒化珪素板で構成され、窒化珪素板はケースに取り
付けられたネジ締め部による押圧によりケースに圧接さ
れている。
A semiconductor power module according to the fifth prior art is 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 ( Direct Bonded Coppe
The metal circuit board made of Cu bonded by the r) method and the active metal method or DBC on the surface of the silicon nitride plate on which the semiconductor element is not mounted.
A metal plate made of Cu bonded by the (Direct Bonded Copper) method is provided, and the bottom of the envelope of this semiconductor power module is composed of a silicon nitride plate having a metal circuit plate and a metal plate bonded to both sides. The silicon nitride plate is pressed against the case by being pressed by a screw tightening portion attached to the case.

【0022】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。以上のように、金属回路板及び金属
板を形成した窒化珪素板を得るには多大の工数と経済的
不利を伴う。
Here, in the case of the active metal method, the metal circuit board and the metal plate are, for example, (a) silver brazing paste is printed on both sides of a silicon nitride plate ⇒ (b) a Cu plate is set in a sandwich form. ⇒ (c) Heat treatment under a vacuum or reducing atmosphere (about 800 ° C) ⇒ (d) Photoresist film formation ⇒
(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. As described above, obtaining a metal circuit plate and a silicon nitride plate on which a metal plate is formed involves a great number of man-hours and economical disadvantages.

【0023】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)及び(2)と同様の問題が残る。
Further, the metal circuit board and the carrier for joining the metal plates 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 problems as (1) and (2) described above also remain with this prior art.

【0024】更に、外囲器の一部を構成する金属回路板
及び金属板接合の窒化珪素板とケースは別々の部品であ
り、機器ケーシング又は実装ボードとともにネジ締めに
よって一体化されなければ外囲器の形態をなさない。一
般的には機器ケーシング又は実装ボードは大型の部品で
ある。この際、ワイヤボンディングや、外囲器に収納さ
れた半導体素子や配線を外気から遮断して保護するため
の樹脂モールドを施すためには、機器ケーシング又は実
装ボード単位でモジュール組み立て作業を進める必要が
ある。すなわち、作業性,経済性の面でも多大な不利益
を受けやすい。
Furthermore, the metal circuit board and the silicon nitride plate bonded to the metal plate, which form a part of the envelope, and the case are separate parts, and unless they are integrated with the equipment casing or the mounting board by screwing, the envelope is formed. It does not take the form of a container. Generally, the equipment casing or mounting board is a large component. At this time, it is necessary to proceed with module assembly work for each equipment casing or mounting board in order to perform wire bonding and resin molding for shielding and protecting the semiconductor elements and wirings housed in the envelope from the outside air. is there. That is, it is easy to suffer great disadvantages in terms of workability and economy.

【0025】第6先行技術の大電力用半導体装置では、
外囲器の側壁内側の下部に基板装着溝を設け、セラミッ
クス基板は基板装着溝に装着される。この際、セラミッ
クス基板の装着部(周縁部)には装着のための段差を設
ける必要がある。セラミックス基板周縁部に段差を形成
することは多大の工数を要し、経済的に不利益をもたら
す。また、セラミックス基板周縁部に段差を設けること
は、機械的な強度を確保する観点でも不利である。すな
わち、半導体装置をネジ締め締結に伴う応力は段差部に
集中して、セラミックス基板自体のクラック破壊を生ず
る。この点は、半導体装置の絶縁信頼性を確保に不利益
をもたらす。
In the high power semiconductor device of the sixth prior art,
A substrate mounting groove is provided in the lower portion inside the side wall of the envelope, and the ceramics substrate is mounted in the substrate mounting groove. At this time, it is necessary to provide a step for mounting on the mounting portion (peripheral portion) of the ceramic substrate. Forming a step on the peripheral edge of the ceramic substrate requires a great number of steps and is economically disadvantageous. Providing a step on the peripheral edge of the ceramic substrate is also disadvantageous from the viewpoint of ensuring mechanical strength. That is, the stress caused by tightening the semiconductor device with screws is concentrated on the step portion, and the ceramic substrate itself is cracked. This has a disadvantage in ensuring the insulation reliability of the semiconductor device.

【0026】次に本発明について説明する。Next, the present invention will be described.

【0027】本発明絶縁型半導体装置では、複合部材と
してのセラミックス絶縁板がセラミックス板,裏面金属
層,配線金属層で構成され、裏面金属層と配線金属層は
互いに同質かつ同一物性のAl合金で構成され、配線金
属層が0.1〜2.3mm、裏面金属層が0.025〜2.0
mm、セラミックス板が0.25〜1.25mmの厚さにそれ
ぞれ調整され、そして裏面金属層が該外囲器の底蓋表面
を構成している。
In the insulated semiconductor device of the present invention, the ceramics insulating plate as a composite member is composed of a ceramics plate, a backside metal layer, and a wiring metal layer, and the backside metal layer and the wiring metal layer are Al alloys of the same quality and the same physical properties. The wiring metal layer is 0.1-2.3 mm, and the back metal layer is 0.025-2.0.
mm, the ceramic plate is adjusted to a thickness of 0.25 to 1.25 mm, and the back metal layer constitutes the bottom lid surface of the envelope.

【0028】図1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。セラミッ
クス絶縁板としての複合部材125は窒化珪素板11
0、その一方の主面上に設けられた配線金属層131,
132,130c、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。配線金属層131上に半導体
基体としてのMOS FET素子基体101が固着され
た複合部材125は、主端子30や補助端子31を設け
てあるポリフェニルサルファイド樹脂ケース20の開口
部に装着されている。窒化珪素板110とともに複合部
材125を構成する配線金属層130(131,13
2,130c)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。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、配線金属
層130cと補助端子31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、ケース20の上部に
はポリフェニルサルファイド樹脂蓋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1
01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と複合部材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
(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
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、射出成形
法によってポリフェニルサルファイド樹脂ケース20に
取り付けられている。以上の構成による本発明絶縁型半
導体装置900は、複合部材125はケース20及びポ
リフェニルサルファイド樹脂蓋21とともに絶縁型半導
体装置の外囲器を構成するとともにその底蓋部材の役割
を担い、裏面金属層120が底蓋部の表面を構成してい
る。また、複合部材125は素子基体101で発生され
た熱流を、外囲器の外部に放散するための主要な熱放散
路を兼ねている。樹脂ケース20及び蓋21はポリブチ
レンテレフタレートで代替えすることができる。
FIG. 1 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 composite member 125 as a ceramic insulating plate is a silicon nitride plate 11
0, the wiring metal layer 131 provided on one of the main surfaces,
132 and 130c, and the back surface metal layer 120 provided on the other main surface. The composite member 125 in which the MOS FET element substrate 101 as a semiconductor substrate is fixed on the wiring metal layer 131 is attached to the opening of the polyphenyl sulfide resin case 20 provided with the main terminal 30 and the auxiliary terminal 31. The wiring metal layer 130 (131, 13) forming the composite member 125 together with the silicon nitride plate 110.
2, 130c) and the back surface metal layer 120 are made of Al alloys of the same quality and physical properties. Wire Al wire 117 is bonded between the element base 101 and the wiring metal layers 131 and 132, between the element base 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. It has been subjected. A silicone gel resin 22 is filled in the case 20, and a polyphenyl sulfide resin lid 21 is provided on the case 20. Here, eight element substrates 1 are provided on the wiring metal layer 131.
01 is fixed by the solder 113. This fixing is performed using a flux-containing paste solder material. A temperature detecting thermistor element 34 is brazed between the wiring metal layers 130c by solder 124 (not shown), and the wiring metal layer 130c is connected to the auxiliary terminal 31 by an Al thin wire 117. Although not shown in the drawing, the silicone adhesive resin 35 is provided between the case 20 and the composite member 125 and between the case 20 and the lid 21.
(Not shown) is used for fixing. 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 molded in a predetermined shape in advance and plated with Ni, and are attached to the polyphenyl sulfide resin case 20 by an injection molding method. In the insulated semiconductor device 900 of the present invention having the above-described configuration, the composite member 125 constitutes the envelope of the insulated semiconductor device together with the case 20 and the polyphenyl sulfide resin lid 21, and plays the role of the bottom lid member of the backside metal. Layer 120 constitutes the surface of the bottom lid. The composite member 125 also serves as a main heat dissipation path for dissipating the heat flow generated in the element substrate 101 to the outside of the envelope. The resin case 20 and the lid 21 can be replaced with polybutylene terephthalate.

【0029】図2は本発明絶縁型半導体装置用の複合部
材の断面模式図を示す。複合部材125は、窒化珪素板
(熱膨張率:3.4ppm/℃,熱伝導率:90W/m・
K,厚さ:0.3mm ,サイズ:30×50mm)110
と、窒化珪素板110の一方の主面に設けられたAl合
金(Al−20wt%Si−1.5wt%Mg,固相点:
約550℃)からなる配線金属層130(131,13
2,130c)と、他方の主面に設けられた配線金属層
130と同質かつ同一物性のAl合金からなる裏面金属
層120とで構成されている。ここで、窒化珪素板11
0は厚さ0.3mm、裏面金属層120は厚さ0.2mm、配
線金属層130(131,132,130c)は厚さ0.4
mm にそれぞれ調整されている。図示を省略しているけ
れども、配線金属層130(131,132,130
c)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. 2 is a schematic cross-sectional view of a composite member for an insulating semiconductor device of the present invention. The composite member 125 is a silicon nitride plate (coefficient of thermal expansion: 3.4 ppm / ° C., thermal conductivity: 90 W / m.
K, thickness: 0.3 mm, size: 30 x 50 mm) 110
And an Al alloy (Al-20 wt% Si-1.5 wt% Mg, solid phase point:
Wiring metal layer 130 (131, 13) made of about 550 ° C.
2, 130c) and the back metal layer 120 made of an Al alloy having the same quality and physical properties as the wiring metal layer 130 provided on the other main surface. Here, the silicon nitride plate 11
0 has a thickness of 0.3 mm, the back metal layer 120 has a thickness of 0.2 mm, and the wiring metal layer 130 (131, 132, 130 c) has a thickness of 0.4 mm.
Each is adjusted to mm. Although not shown, the wiring metal layer 130 (131, 132, 130
A nickel plating layer (thickness: 6 μm) is formed on the surface of the c) and the back surface metal layer 120 to provide solder wettability and wire bonding property.

【0030】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、A
l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)は複合部材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130の素材としてAl合金が選択される。
The Al alloy forming the wiring metal layer 130 and the back metal layer 120 has (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
/ M · K, coefficient of thermal expansion: 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 wire bonding. (D) is A as described later.
This is an important matter for efficiently flowing the melt of the 1-alloy into the regions of the back surface metal layer 120 and the wiring metal layer 130.
(E) is important for reducing warpage of the composite member 125. From such a viewpoint, an Al alloy is selected as a material for the back surface metal layer 120 and the wiring metal layer 130.

【0031】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.

【0032】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.

【0033】[0033]

【表1】 [Table 1]

【0034】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
種々の性質向上のため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。これらの金属は窒化物,酸化物の形でA
l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 improving the above-mentioned various properties of the Al alloy. These metals are in the form of nitrides and oxides.
It exists at the interface between the 1-alloy and the ceramic plate 110 and serves as a joint carrier for both. The above-mentioned various metals in the Al alloy serve as a supply source of this bonding carrier.

【0035】本発明では、半導体基体101を搭載する
複合部材125の製造工程が簡略化され、更に後続にお
ける絶縁型半導体装置900の製造工程や部品点数が削
減され、最終的に装置900のコスト低減に寄与する。
この点を図3を用いて説明する。
In the present invention, the manufacturing process of the composite member 125 on which the semiconductor substrate 101 is mounted is simplified, the manufacturing process of the insulating semiconductor device 900 and the number of parts are reduced, and finally the cost of the device 900 is reduced. Contribute to.
This point will be described with reference to FIG.

【0036】図3は本発明絶縁型半導体装置に適用され
る複合部材の製造工程と従来の主要部材製造工程との比
較を示す。本実施例における出発材料はセラミックス板
110としての窒化珪素板(Si34、熱伝導率:90W
/m・K,熱膨張率:3.4ppm/℃,厚さ:0.63m
m)と上述した溶湯用のAl合金である。窒化珪素板1
10を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110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、複合部材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
一物性になる。
FIG. 3 shows a comparison between the manufacturing process of the composite member applied to the insulated semiconductor device of the present invention and the conventional main member manufacturing process. The starting material in this example is a ceramic plate.
Silicon nitride plate as 110 (Si 3 N 4 , thermal conductivity: 90 W
/ MK, thermal expansion coefficient: 3.4 ppm / ° C, thickness: 0.63 m
m) and the above-mentioned Al alloy for molten metal. Silicon nitride plate 1
After 10 is set in a mold made of a metal or an inorganic material, which is molded in a predetermined shape and size in advance, an Al alloy melt is press-fitted into the mold. In this step, the back surface metal layer 120 and the wiring metal layer 130 are simultaneously formed on both surfaces of the silicon nitride plate 110. 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 composite member 125 finally have substantially the same physical properties because the starting material is made of an Al alloy of the same quality.

【0037】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900に適用される複合部材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 composite member 125 applied to the insulated semiconductor device 900 of the present invention is completed.

【0038】例えば第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,裏打ち用金属
板にはんだぬれ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。複合部材はこのように複雑な工程を経て作
製される。
For example, 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 a ceramic plate to form an Al 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 for imparting solder wettability and wire bonding property to the wiring layer and solder wettability to the backing metal plate. Ni plating is applied. 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 composite member is thus manufactured through complicated steps.

【0039】以上までに説明したように、本発明におけ
る複合部材125によれば主要部材の製造工程が簡略化
され、当然ながらこれらのコスト低減に寄与する。
As described above, according to the composite member 125 of the present invention, the manufacturing process of the main members is simplified, which naturally contributes to the cost reduction.

【0040】上記複合部材125によるメリットはその
製造段階にとどまらず、後続の絶縁型半導体装置製作工
程の簡略化へも反映される。この点についても図3を参
照して説明する。本発明絶縁型半導体装置900を製作
する段階では、複合部材125にもう1つの主要部材であ
る半導体基体をはんだ付け搭載(#1はんだ層の形成)す
るだけでよい。なお、絶縁型半導体装置を完成させるた
めにはワイヤボンディング,樹脂ケース取り付け,樹脂
モールド等の工程を経る必要がある。しかし、これらの
工程は次に述べる従来工程の場合にも共通する点であ
る。
The merit of the composite member 125 is reflected not only in the manufacturing stage but also in the simplification of the subsequent manufacturing process of the insulating type semiconductor device. This point will also be described with reference to FIG. At the stage of manufacturing the insulated semiconductor device 900 of the present invention, it suffices to mount the semiconductor substrate, which is another main member, on the composite member 125 by soldering (formation of # 1 solder layer). In order to complete the insulating semiconductor device, it is necessary to go through steps such as wire bonding, resin case attachment, and resin molding. However, these steps are common to the conventional steps described below.

【0041】従来工程における複合部材とAl/SiC
支持板のそれぞれは単体部品である。これらを用いて絶
縁型半導体装置を完成させるためには、複合部材上への
半導体基体の固着(#1はんだ層の形成)と、Al/S
iC支持板への複合部材の固着(#2はんだ層の形成)
の2工程が最低限必要になる。この比較で明らかなよう
に複合部材125によれば、絶縁型半導体装置900の
組み立て段階でも従来法より工数と部品点数を削減でき
る。これは当然ながら絶縁型半導体装置900のコスト
低減に寄与する。
Composite member and Al / SiC in the conventional process
Each of the support plates is a single piece. In order to complete an insulating semiconductor device using these, the semiconductor substrate is fixed on the composite member (# 1 solder layer is formed), and Al / S is formed.
Fixing of composite member to iC support plate (formation of # 2 solder layer)
2 steps are required at a minimum. As is clear from this comparison, according to the composite member 125, the number of steps and the number of parts can be reduced as compared with the conventional method even at the stage of assembling the insulating semiconductor device 900. This naturally contributes to cost reduction of the insulating semiconductor device 900.

【0042】また、従来工程では通常#1はんだ付け後
に#2はんだ付けを施す。この工程に準拠すると、#1
はんだ層は品質管理上後続の#2はんだ付け熱処理で再
溶融しないようにする必要がある。換言すると、#1は
んだ材と#2はんだ材には溶融温度が40〜50℃異な
るように、温度階層性を持たせる必要がある。しかし、
現状において実用可能な鉛フリーはんだ材はSnを母材
にした合金のみであり、十分な温度階層性が付与されて
いない。この点が現在半導体装置製品の鉛フリー化を妨
げている大きな要因である。これに対し複合部材125
の適用によれば、#1はんだ付け工程のみで絶縁型半導
体装置900の製造が可能になるため、製品の鉛フリー
化を促進できる。
In the conventional process, # 2 soldering is usually performed after # 1 soldering. According to this process, # 1
It is necessary to prevent the solder layer from remelting in the subsequent # 2 soldering heat treatment for quality control. In other words, it is necessary that the # 1 solder material and the # 2 solder material have a temperature hierarchy so that the melting temperatures differ by 40 to 50 ° C. But,
Currently, the only practical lead-free solder material is an alloy having Sn as a base material, and sufficient temperature hierarchy is not provided. This is a major factor hindering lead-free semiconductor device products at present. On the other hand, the composite member 125
According to the above method, the insulated semiconductor device 900 can be manufactured only by the # 1 soldering process, so that the lead-free product can be promoted.

【0043】しかしながら、本発明絶縁型半導体装置9
00のメリットは単に複合部材125の製法上の利点のみ
で享受できるものではなく、複合部材125の構造に関
する次の要件を満たすことにより享受できる。
However, the insulated semiconductor device 9 of the present invention
00 can be enjoyed not only by the manufacturing method of the composite member 125, but also by satisfying the following requirements regarding the structure of the composite member 125.

【0044】ここで、絶縁型半導体装置900の最適構
造を得るに至った理由を説明する。 (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、接合強度の強固な界面が得られない。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、本発明における複合部材125の
接合金属層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70M
P以上と高くなり、試験による破断は裏面金属層120
や配線金属層130と窒化珪素板110の間の接合界面
では生じない。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。
Now, the reason why the optimum structure of the insulating semiconductor device 900 is obtained will be described. (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. , A strong joint 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 joining metal layer 120 and the wiring metal layer 130 of the composite member 125 according to 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. 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 is 70M.
Higher than P, the fracture due to the test is the back metal layer 120
It does not occur at the bonding interface between the wiring metal layer 130 and the silicon nitride plate 110. Such advantages are brought about by using an Al alloy.

【0045】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。接合金属層1
20に対応する層と配線金属層130に対応する層がそ
れぞれ異なった物性(熱膨張率,ヤング率)を持つ場合
は、複合部材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ではこれらが同じ物性
を持つため、複合部材125の後述する最適設計が可能
になる。 (B)複合部材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において重要な点は、配
線金属層130の厚さが0.1〜2.3mm、裏面金属層1
20の厚さが0.025〜2.0mm、窒化珪素板110の
厚さが0.25〜1.25mmに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する必要がある。ま
た、マトリックス金属125A用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130の厚さは以下の理由により制限さ
れる。
The back metal layer 120 and the wiring metal layer 130 are made of an Al alloy having the same quality and the same physical properties. Bonding metal layer 1
When the layer corresponding to 20 and the layer corresponding to the wiring metal layer 130 have different physical properties (coefficient of thermal expansion, Young's modulus), it hinders the optimum design of the composite member 125. On the other hand, since the insulating semiconductor device 900 of the present invention has the same physical properties, the composite member 125 can be optimally designed as described later. (B) Adjusting Thickness of Members Constituting Composite Member The important point in the insulated semiconductor device 900 of the present invention is that the wiring metal layer 130 has a thickness of 0.1 to 2.3 mm and the back surface metal layer 1 is
The thickness of 20 is adjusted to 0.025 to 2.0 mm, and the thickness of the silicon nitride plate 110 is adjusted to 0.25 to 1.25 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 make this portion as thick as possible. Further, it is preferable that the thickness is appropriately thick in terms of smoothly flowing the molten metal for the matrix metal 125A. However, the thickness of the wiring metal layer 130 is limited for the following reason.

【0046】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、図1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120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自体の熱抵
抗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〜
7.6mm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 a value when the four semiconductor substrates 101 in the insulated semiconductor device 900 shown in FIG. 1 operate. 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 120 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 thermal resistance 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 set to 0.25 ° C./W or less in order to realize an electrically stable operation. The thickness of the wiring metal layer 130 that satisfies this is 0.1 to
The range is 7.6 mm.

【0047】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,複合部材
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 by simulation (temperature load (550 ° C. ⇒ −55 ° C.), and part e in the schematic cross-sectional view of FIG. The stress in the e portion tends to increase as the thickness of the wiring metal layer 130 increases. Here, a general fracture stress of silicon nitride is about 650 MPa, It is necessary that the e-section stress does not exceed this value, and the thickness of the wiring metal layer 130 selected from this point is 2.3 mm or less.

【0048】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
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 crack observed here starts from the portion corresponding to the e portion. The silicon nitride plate 110 is for maintaining the insulating property of the insulated semiconductor device 900, and if it breaks, the safe operation of the device 900 is hindered. The thickness of the wiring metal layer 130 selected from this viewpoint is 2.4 mm or less.

【0049】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 接合金属層120は半導体基体で生ずる熱を複合部材1
25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、複合
部材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13
0の厚さの方である。この結果を解釈すると、接合金属
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. The thickness of the back surface metal layer The bonding metal layer 120 heats the heat generated in the semiconductor substrate to the composite member 1.
It is a main heat conduction path for discharging to the outside via 25, and the thickness must be selected within a range that does not impair the heat dissipation and reliability of the insulating semiconductor device. It is also an important requirement that the composite member 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. The thermal resistance tends to increase as the thickness of the back metal layer 120 increases, but the amount of change is extremely small. It is rather strongly related to the thermal resistance that the wiring metal layer 13
The thickness is 0. Interpreting this result, the bonding metal layer 120 has 0-4.
It is judged that an arbitrary thickness can be selected within the range of 9 mm.

【0050】(b)のボイド率に注目する。ここで言う
ボイドとは、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0.025mm 以上であれば裏
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A
l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 mentioned here is the area ratio of the non-bonding region generated in the back surface metal layer 120. If the thickness is 0.025 mm 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 gap is narrow
This is because the flow of the molten 1-alloy is hindered. The above tendency shows that 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 ceramic plate 110
The same is true when the thickness 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 dissipation path.

【0051】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
℃)に伴なって複合部材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が厚い場合には配線金属層130に作用する歪は
大きくないため、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
動は全く見られない。これに対し裏面金属層120の厚
さが2.0mm を越えない領域では、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9
00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 composite member 125 is cut off due to the temperature rise, the thermal resistance of the insulating 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 thick, the strain acting on the wiring metal layer 130 is not so large that peeling of the wiring metal layer 130 from the silicon nitride plate 110 due to fatigue hardly occurs. 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 region where the thickness of the back surface metal layer 120 does not exceed 2.0 mm, the strain acting on the wiring metal layer 130 becomes large, and the wiring metal layer 130 is fatigue fractured and separated from the silicon nitride plate 110. 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 when the thickness of the ceramic plate 110 is not shown in the range of 0.25 to 1.25 mm. Therefore, the insulating semiconductor device 9
In order to stably operate 00, the backside metal layer 120 needs to be adjusted to a thickness of 2.3 mm or less.

【0052】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.

【0053】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。絶縁に関す
る支障がなく絶縁型半導体装置900を安全に稼働させ
る観点から、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 safely operating the insulated semiconductor device 900 without any trouble with insulation, the thickness of the silicon nitride plate 110 is selected to be in the range of 0.25 mm or more.

【0054】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
は熱抵抗は全く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90
0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. In the region where the thickness is 1.25 mm or less, the thermal resistance does not change at all, whereas in the region where the thickness is thicker, the thermal resistance increases. 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, the insulating semiconductor device 90
In order to maintain the heat dissipation property of 0, the thickness of the silicon nitride plate 110 needs to be selected within the range of 1.25 mm or less.

【0055】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) are the wiring metal layer 130.
Is 0.6 mm and the back 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.

【0056】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.

【0057】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.

【0058】[0058]

【表2】 [Table 2]

【0059】本発明絶縁型半導体装置900の定常熱抵
抗は0.25℃/W を示した。一方、比較用絶縁型半導
体装置は0.35℃/W を示した。この比較用絶縁型半
導体装置は厚さ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と裏面金属
層を形成した複合部材をAl/SiC支持板(厚さ:3
mm)にはんだ付けし、半導体基体を複合部材上にはんだ
付けした構造を有している。本発明絶縁型半導体装置9
00は比較試料より大幅に優れた放熱性を有しているの
は、比較試料のように放熱路に支持板とはんだ層が配置
されておらず、簡素な構造になっていることによる。ま
た、窒化珪素板110と配線金属層130及び裏面金属層
120の界面が窒化物又は酸化物によって緻密に接合さ
れている点も、本発明絶縁型半導体装置900が優れた
放熱性を有する理由である。一方、比較試料はAlN板
と配線金属層及び裏面金属層の間の界面が緻密に接合さ
れていない。この点が放熱性の劣る理由である。
The steady-state thermal resistance of the insulated semiconductor device 900 of the present invention was 0.25 ° C./W. On the other hand, the insulated semiconductor device for comparison showed 0.35 ° C./W 2. In this comparative insulated semiconductor device, a composite member in which a wiring metal layer made of high-purity Al and a back surface metal layer are formed on both surfaces of an AlN plate having a thickness of 0.63 mm and an Al / SiC support plate ( Thickness: 3
mm) and the semiconductor substrate is soldered onto the composite member. Insulated semiconductor device 9 of the present invention
00 has significantly better heat dissipation than the comparative sample because the supporting plate and the solder layer are not arranged in the heat dissipation path as in the comparative sample, and the structure is simple. In addition, the fact that the interfaces of the silicon nitride plate 110, the wiring metal layer 130, and the back surface metal layer 120 are closely joined by a nitride or an oxide is also because the insulated semiconductor device 900 of the present invention has excellent heat dissipation. is there. On the other hand, in the comparative sample, the interface between the AlN plate and the wiring metal layer and the back surface metal layer is not closely joined. This is the reason for the poor heat dissipation.

【0060】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。
本発明絶縁型半導体装置900(曲線A)は1万サイク
ルを与えても初期値(0.25℃/W)と同等の熱抵抗値
が維持されている。一方、比較用絶縁型半導体装置(曲
線B)は初期熱抵抗が0.35℃/W であり、1千サイ
クルから熱抵抗の増大を生じている。この比較用絶縁型
半導体装置は、本実施例絶縁型半導体装置900と寸法
が略近似した400A級のものであり、第1先行技術と
同様の部材構成をとる複合部材がAl−SiC複合材か
らなる支持板(厚さ:3mm)にはんだ付け搭載されてい
る。この複合部材は厚さ0.63mm のAlN板の両面に
純度3NのAl溶湯を用いてAlからなる配線金属層
(厚さ:0.4mm)及び裏面金属層(厚さ:0.05mm)
を形成したものである。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、本
実施例試料のそれは1万サイクル以上になる。複合部材
の厚さ構成が適正範囲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は、過大な応力
や歪が複合部材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、しかも接合界面にAl,Si,M
gの窒化物が形成されている。この結果放熱路は遮断さ
れにくくなる。また、比較試料のように(1)支持板
や、(2)複合部材と支持板間を接続するはんだ層が共
に存在しておらず、しかも放熱路を構成するはんだ接続
部が削減されている。本発明絶縁型半導体装置900が
優れた放熱信頼性を示すのはこのような理由に基づく。
更に、Al合金を構成する金属の薄く緻密な窒化物層
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。このような窒化物層が
強固な界面を構成していることも、優れた信頼性が付与
された原因になっている。
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 of the present invention (curve A) maintains a thermal resistance value equivalent to the initial value (0.25 ° C./W) even after applying 10,000 cycles. On the other hand, the comparative insulated semiconductor device (curve B) has an initial thermal resistance of 0.35 ° C./W 2, and the thermal resistance increases from 1,000 cycles. The insulating semiconductor device for comparison is of the 400 A class whose dimensions are approximately similar to those of the insulating semiconductor device 900 of this embodiment, and the composite member having the same member configuration as the first prior art is made of an Al-SiC composite material. It is mounted by soldering on a supporting plate (thickness: 3 mm). This composite member is a wiring metal layer (thickness: 0.4 mm) and a back surface metal layer (thickness: 0.05 mm) made of Al using both sides of an AlN plate with a thickness of 0.63 mm and a 3N purity molten aluminum.
Is formed. If the life related to heat dissipation is defined as "the number of temperature cycles when reaching 1.5 times the initial thermal resistance", the life of the comparative sample is about 2,000 cycles, and that of the sample of this example is 10,000 cycles or more. Become. Despite the thickness range of the composite member is adjusted in the proper range,
The reason why the comparative sample reached the end of its life early was that the bonding strength between the wiring metal layer and the back surface metal layer and the AlN plate was not sufficient, the interface was peeled off, and the main heat dissipation 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 insulated semiconductor device 900 of the present invention, the silicon nitride plate 110, the backside metal layer 120, and the wiring metal layer 130 are adjusted to appropriate thicknesses and bonded so that excessive stress and strain are not concentrated on the local parts of the composite member 125. Al, Si, M at the interface
g nitride is formed. As a result, the heat radiation path is less likely to be blocked. Further, unlike the comparative sample, neither (1) the support plate nor (2) the solder layer connecting the composite member and the support plate is present, and the solder connection portion forming the heat dissipation path is reduced. . This is the reason why the insulated semiconductor device 900 of the present invention exhibits excellent heat radiation reliability.
Further, a thin and dense nitride layer of the metal forming the Al alloy exists at the interface between the silicon nitride plate 110 and the back metal layer 120 and the wiring metal layer 130. The fact that such a nitride layer forms a strong interface also contributes to the excellent reliability.

【0061】本発明絶縁型半導体装置900において、
図示はしていないけれども配線金属層130の表面には
Niめっき層(厚さ:6μm)が設けられている。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,Au,Pt,Pd,Zn,C
u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、複合部材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,Sn,Ag,Au,Pt,P
d,Zn,Cuの群から選択された複数金属の積層体で
代替してもよい。
In the insulated semiconductor device 900 of the present invention,
Although not shown, a Ni plating layer (thickness: 6 μm) is provided on the surface of the wiring metal layer 130. Ni
The plating layer is Sn, Ag, Au, Pt, Pd, Zn, C within a range that can secure solder wettability and wire bonding property.
A metal such as u can be substituted, and its thickness can be selected to an arbitrary value within a range that can secure solder wettability and wire bondability and prevent quality deterioration of the composite member 125. Further, the above Ni plating layer is made of Ni, Sn, Ag, Au, Pt, P.
It may be replaced by a laminated body of a plurality of metals selected from the group of d, Zn and Cu.

【0062】複合部材125を構成するセラミックス板
110は必要に応じて複数枚搭載されてもよく、窒化珪
素以外に、窒化アルミニウム(AlN、熱伝導率:19
0W/m・K,熱膨張率:4.3ppm/℃),アルミナ
(Al23、熱伝導率:20W/m・K,熱膨張率:
7.2ppm/℃)を適用することも可能である。
If desired, a plurality of ceramic plates 110 constituting the composite member 125 may be mounted. In addition to silicon nitride, aluminum nitride (AlN, thermal conductivity: 19).
0 W / m · K, thermal expansion coefficient: 4.3 ppm / ° C.), alumina (Al 2 O 3 , thermal conductivity: 20 W / m · K, thermal expansion coefficient:
It is also possible to apply (7.2 ppm / ° C).

【0063】以上の複合部材125を適用した絶縁型半
導体装置900は以下に説明するように、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。
As will be described below, the insulating semiconductor device 900 to which the composite member 125 described above is applied reduces the thermal stress or thermal strain that occurs during manufacturing or operation, and may cause deformation, modification or destruction of each member. In other words, it is effective in providing an insulating semiconductor device which is highly reliable and low in cost.

【0064】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.

【0065】〔実施例1〕本実施例では基本的形態の絶
縁型半導体装置について説明する。
[Embodiment 1] In this embodiment, a basic form of an insulating semiconductor device will be described.

【0066】図8は本実施例絶縁型半導体装置の主要部
を説明する鳥瞰模式図である。この図は、複合部材12
5に半導体基体101をろう付け搭載した状態を示す。
複合部材125のAl−20wt%Si−1.5wt%
Mg 合金からなる配線金属層131(図示省略)上に
MOS FET素子基体(7×7×0.28mm)101が
8個搭載されている。素子基体101と配線金属層13
1の間はSn−5wt%Sb合金からなるはんだ材11
3により固着されている。このような要部構造を有する
本実施例絶縁型半導体装置900は電流400A級のも
ので、複合部材125は図1に示したようにケース30
の開口部に装着されている。
FIG. 8 is a bird's-eye view schematic diagram for explaining the main part of the insulated semiconductor device of this embodiment. This figure shows the composite member 12
5 shows a state in which the semiconductor substrate 101 is mounted by brazing.
Al-20 wt% Si-1.5 wt% of the composite member 125
Eight MOS FET element substrates (7 × 7 × 0.28 mm) 101 are mounted on a wiring metal layer 131 (not shown) made of a Mg alloy. Element base 101 and wiring metal layer 13
Solder material 11 made of Sn-5 wt% Sb alloy during 1
It is fixed by 3. The insulated semiconductor device 900 of this embodiment having such a structure is a current of 400 A class, and the composite member 125 has the case 30 as shown in FIG.
Is installed in the opening of the.

【0067】図9は複合部材の詳細を説明する平面図及
び断面図である。窒化珪素板110は寸法30mm×50
mm×0.3mmを有する焼結体(熱膨張率:3.4ppm/
℃,熱伝導率:90W/m・K)であり、半導体基体1
01が搭載される側の主面には厚さ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。複合部材125は以上
の構成からなる。
FIG. 9 is a plan view and a sectional view for explaining the details of the composite member. The silicon nitride plate 110 has a size of 30 mm × 50
mm × 0.3 mm sintered body (coefficient of thermal expansion: 3.4 ppm /
C, thermal conductivity: 90 W / mK), semiconductor substrate 1
A wiring metal layer 130 (131, 132, 130c (for mounting a thermistor)) having a thickness of 0.4 mm is provided on the main surface on which 01 is mounted. These wiring metal layers 130 are made of Al alloy (Al-20 wt% Si-1.5 wt% Mg).
It is formed by. 0.2mm thick on the opposite main surface
Of the rear surface metal layer 120 of Al having the same quality and physical properties as the wiring metal layer 131 (Al-20 wt% Si-1.5 wt%
It is formed of Mg. The composite member 125 has the above configuration.

【0068】上記複合部材125は更に他の部材と組み
合わされ、絶縁型半導体装置900の主要部を構成して
いる。以下、図1を参照して絶縁型半導体装置900の
構造を詳細に説明する。窒化珪素板110に配線金属層
131を設けた複合部材125上にMOS FET素子基
体101が搭載されている。複合部材125は主端子3
0や補助端子31をあらかじめ設けたポリフェニレンサ
ルファイド樹脂ケース20の開口部に取り付けられてい
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30間,配線金属層130と補助端子31間には、A
l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、ケ
ース20の上部にはポリフェニルサルファイド樹脂蓋2
1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
Sn−5wt%Sbはんだ(厚さ:100μm)113
により固着されている。固着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Sn−5wt%Sbはんだ124(図示を省
略)により固着され、配線金属層130cはAl細線1
17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と複合部材12
5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、射出成形法
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×8
7mm×12mmの外寸法を有している。複合部材125は
ケース20,蓋21とともに絶縁型半導体装置900の
外囲器を構成して底蓋の役割を担い、複合部材125に
設けられた裏面金属層120は底蓋の表面を構成してい
る。ケース20及び蓋21はポリブチレンテレフタレー
ト樹脂で代替できる。
The composite member 125 is combined with another member to form a main part of the insulated semiconductor device 900. Hereinafter, the structure of the insulating semiconductor device 900 will be described in detail with reference to FIG. The MOS FET element substrate 101 is mounted on the composite member 125 in which the wiring metal layer 131 is provided on the silicon nitride plate 110. The composite member 125 is the main terminal 3
0 and the auxiliary terminal 31 are attached to the opening of the polyphenylene sulfide resin case 20 which is provided in advance. Between the element base 101 and the wiring metal layers 131 and 132, between the element base 101 and the auxiliary terminal 31, between the wiring metal layer 131 and the main terminal 30, and between the wiring metal layer 130 and the auxiliary terminal 31,
The thin wire 117 is wire-bonded. A silicone gel resin 22 is filled in the case 20, and a polyphenyl sulfide resin lid 2 is provided on the case 20.
1 is provided. Here, eight element substrates 101 are Sn-5 wt% Sb solder (thickness: 100 μm) 113 on the wiring metal layer 131 provided on the silicon nitride plate 110.
It is fixed by. Fixing is performed in a low vacuum atmosphere using a flux-containing paste solder material.
Further, the temperature detecting thermistor element 34 is fixed between the wiring metal layers 130c by Sn-5 wt% Sb solder 124 (not shown), and the wiring metal layer 130c is formed by the Al thin wire 1.
17 is connected to the auxiliary terminal 31. Although not shown in the drawing, the case 20 and the composite member 12
5 and between the case 20 and the lid 21 are fixed with a silicone adhesive resin 35. 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 copper plates punched and molded in a predetermined shape in advance and plated with Ni, and are attached to the case 20 by an injection molding method. The insulated semiconductor device 900 of the present embodiment having the above-described configuration is 45 mm × 8.
It has outer dimensions of 7 mm x 12 mm. The composite member 125 constitutes an enclosure of the insulated semiconductor device 900 together with the case 20 and the lid 21, and plays a role of a bottom lid. The back surface metal layer 120 provided on the composite member 125 constitutes a surface of the bottom lid. There is. The case 20 and the lid 21 can be replaced with polybutylene terephthalate resin.

【0069】図10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。
本実施例絶縁型半導体装置900は最終的に、図11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. 10 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, each block 910 is connected in series, and an input main terminal 30in, an output main terminal 30out, and an auxiliary terminal 31 are drawn out from a predetermined portion. And constitutes an essential part of the insulated semiconductor device 900. Also,
The temperature detecting thermistor 34 during operation of this circuit is independently arranged in the insulating semiconductor device 900.
The insulated semiconductor device 900 of this embodiment is finally incorporated in the inverter device for controlling the rotation speed of the electric motor 960 shown in FIG.

【0070】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複合部材を用い、本実施例
絶縁型半導体装置900と寸法が略近似した400A級
の絶縁型半導体装置も作製した。この比較試料に用いた
複合部材は、厚さ0.63mmのAlN板の両面に純度3
NのAl溶湯を用いて配線金属層(厚さ:0.4mm)及
び裏面金属層(厚さ:0.05mm)を形成したものであ
る。また、複合部材ははんだ付けによりAl−SiC複
合材からなる支持板(厚さ:3mm)に搭載されている。
In the present embodiment, for comparison, a composite member having the same member configuration as that of the first prior art is used, and a 400A class insulated semiconductor device whose dimensions are approximately similar to those of the insulated semiconductor device 900 of this embodiment is also used. It was made. The composite member used for this comparative sample had a purity of 3 on both sides of an AlN plate with a thickness of 0.63 mm.
A wiring metal layer (thickness: 0.4 mm) and a back surface metal layer (thickness: 0.05 mm) are formed using N Al molten metal. The composite member is mounted on a support plate (thickness: 3 mm) made of an Al-SiC composite material by soldering.

【0071】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。この試験による複合部材
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、複合部材125の各部材が適正
厚さに調整されていること、複合部材125の裏面金属
層120が窒化珪素板110の補強材として機能するこ
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。複合部材を構成する各部材
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S
i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 composite member 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 composite member 125 is adjusted to have an appropriate thickness, the back surface metal layer 120 of the composite member 125 functions as a reinforcing material of the silicon nitride plate 110, the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120. And the silicon nitride plate 110 are bonded together by a dense and strong nitride thin layer of Al, Si, and Mg. On the other hand, the same test (the number of samples: 10) was performed on the comparative sample. As a result, 4
In each sample, cracking of the AlN plate and peeling of the wiring metal layer and backside metal layer were observed. Even though each member constituting the composite member is adjusted to have an appropriate thickness, the destruction or peeling of these members is caused by, for example, S other than Al at the bonding interface.
This is due to the fact that the nitrides of i and Mg are not formed, so that the members are not joined closely and firmly.

【0072】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、複合部材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、複合部材125
の各部材が適正厚さに調整されていること、複合部材1
25の裏面金属層120が窒化珪素板110の補強材と
して機能すること、配線金属層130及び裏面金属層1
20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。
In this embodiment, the insulating semiconductor device 90 is also used.
0 was dropped onto the concrete floor from a height of 1.5 m. For all 10 test samples, the composite member 1
No mechanical damage to No. 25 or deterioration of the electrical function of the insulated semiconductor device 900 was observed. This is the composite member 125
That each member of is adjusted to an appropriate thickness, the composite member 1
25 of the back metal layer 120 functions as a reinforcing material for the silicon nitride plate 110, the wiring metal layer 130 and the back metal layer 1
20 and the silicon nitride plate 110 are dense and strong Al, Si,
Based on Mg nitride bonded with a thin layer.

【0073】図12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。熱抵抗は通電時間を増
すにつれて高い値をとるが、通電時間約3s以降では定
常値(0.25℃/W)を示している。この定常熱抵抗値
は、4個のMOS FET素子基体101がそれぞれ1
00Wの電力(合計400W)を消費した場合でも基体
101は25deg しか温度上昇せず、例えば支持部材1
25の温度が125℃と過酷な環境下に搭載されても絶
縁型半導体装置900は安定に動作できることを意味す
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複合部材125で構成さ
れ、(2)従来構造の絶縁型半導体装置のように支持板
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との接合界面が強固かつ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。
FIG. 12 is a graph showing the transient thermal resistance characteristics of the insulated semiconductor device of this embodiment. The thermal resistance takes a high value as the energization time increases, but shows a steady value (0.25 ° C./W) after the energization time of about 3 s. This steady thermal resistance value is 1 for each of the four MOS FET element bases 101.
Even when the electric power of 00 W (400 W in total) is consumed, the temperature of the base 101 rises only by 25 deg.
This means that the insulated semiconductor device 900 can operate stably even if it is mounted in a harsh environment where the temperature of 25 is 125 ° C. (when the stable operating temperature of the element substrate 101 is 150 ° C.). The reason why such excellent heat dissipation is shown is that (1) the main heat conduction path is composed of the composite member 125 having high heat conductivity, and (2) the support plate or the like as in the insulated semiconductor device of the conventional structure. (3) the solder layer 113 is void-free because it is brazed in a low vacuum atmosphere, and (4) the back surface metal layer 120 is formed by the flow of an Al alloy. It is void-free,
(5) This is because the bonding interface between the silicon nitride plate 110 and the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 is firmly and densely bonded, and the heat flow is efficiently transmitted.

【0074】一方、比較試料の熱抵抗は0.35℃/W
と、本実施例絶縁型半導体装置900より高い値を示し
た。比較試料が高い熱抵抗を示したのは、放熱路に支持
板とはんだ層が配置された複雑な構造であること、高純
度のAlを溶湯用の素材にしているため窒化アルミニウ
ム板と配線金属層及び裏面金属層の界面が緻密に接合さ
れていないことにより、熱流が接合界面で伝達されにく
くなるためである。
On the other hand, the thermal resistance of the comparative sample is 0.35 ° C./W.
And a value higher than that of the insulated semiconductor device 900 of this embodiment. The high thermal resistance of the comparative sample is due to the complicated structure in which the support plate and the solder layer are arranged in the heat dissipation path, and since aluminum of high purity is used as the material for the molten metal, the aluminum nitride plate and the wiring metal This is because the heat flow is less likely to be transferred at the bonding interface because the interface between the layer and the back metal layer is not densely bonded.

【0075】本実施例絶縁型半導体装置900と比較用
試料には、−40〜125℃の温度サイクル試験が施さ
れた。この結果は図7に開示した通りなので詳細は省略
し、要点のみを説明する。本実施例絶縁型半導体装置9
00は選択された厚さ構成の複合部材125を適用して
いるため、1万サイクル以上と優れた放熱信頼性を示し
ている。また、優れた信頼性が得られたのには次の点も
寄与している。同質材料及び同一物性の配線金属層13
0と接合金属層120で窒化珪素絶縁板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絶縁板
110の間の両接合界面が同一の状態に保たれている。
また、界面はAl合金の添加金属の窒化物により強固に
接合されている。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。一方、比較用試料の複合
部材も本実施例絶縁型半導体装置900と厚さの近似し
た配線金属層や裏面金属層が形成されているにもかかわ
らず、放熱信頼性は大幅に劣っている。これは、支持板
やそれを接続するはんだ層が放熱路に存在する複雑構造
をとっていること、配線金属層や裏面金属層が純粋なA
lで構成されこれらの界面が強固に接合されていないこ
とに基づく。
The insulated semiconductor device 900 of this example and the comparative sample were subjected to a temperature cycle test of −40 to 125 ° C. Since the result is as disclosed in FIG. 7, the details are omitted and only the main points will be described. Example Insulated semiconductor device 9
Since 00 uses the composite member 125 having the selected thickness configuration, it exhibits excellent heat dissipation reliability of 10,000 cycles or more. The following points also contribute to the achievement of excellent reliability. Wiring metal layer 13 of the same material and the same physical properties
0 and the bonding metal layer 120 sandwich the silicon nitride insulating plate 110, so that both bonding interfaces between these layers and the silicon nitride insulating plate 110 are kept in the same state.
Further, the interface is firmly bonded by the nitride of the added metal of the Al alloy. As a result, excessive stress and strain are prevented from acting unevenly on the bonding interface between the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120, and peeling and fatigue damage of the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 are suppressed. On the other hand, although the composite member of the comparative sample also has the wiring metal layer and the back surface metal layer of which the thickness is similar to that of the insulated semiconductor device 900 of this embodiment, the heat radiation reliability is significantly inferior. This is because the support plate and the solder layer connecting it have a complicated structure that exists in the heat radiation path, and the wiring metal layer and the back metal layer are pure A
It is based on the fact that it is composed of 1 and these interfaces are not strongly bonded.

【0076】図13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、複合部材125の
温度が30〜100℃の変化を生ずるようにMOS F
ET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の場合は3万サイ
クルまで初期値(0.25℃/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10万サイクルまでは本発明で寿命と定義され
る0.38℃/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、複合部材125の構成部材が適正な値に調整さ
れ、窒化珪素絶縁板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A
l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(0.5
3℃/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優れないのは、基本的に上
述した温度サイクル試験の場合と同様の理由に基づく。
FIG. 13 is a graph showing the transition of thermal resistance due to the intermittent energization test. In this test, the temperature of the composite member 125 was changed to 30 to 100 ° C. so that the MOS F was changed.
The thermal resistance was traced by repeatedly energizing the ET element substrate 101. In the case of the insulated semiconductor device 900 of this embodiment, the value equivalent to the initial value (0.25 ° C./W) is maintained up to 30,000 cycles. Although the thermal resistance gradually increases after 30,000 cycles, it does not exceed 0.38 ° C / W 2, which is defined as the life in the present invention, up to about 100,000 cycles. In this way, the insulated semiconductor device 900 of the present embodiment showed an excellent intermittent current-carrying capacity because the constituent members of the composite member 125 were adjusted to appropriate values, and the wirings were arranged on both sides of the silicon nitride insulating plate 110. The metal layer 130 and the back metal layer 120 have the same physical properties and the same A
In addition to being composed of an alloy material, it is for the same reason as in the case of the temperature cycle test described above. on the other hand,
The initial value of the thermal resistance of the comparative sample was 0.35 ° C / W, but it increased after 5,000 cycles, and the life (0.5
3 ° C / W) is reached in about 10,000 cycles. The reason why the heat dissipation reliability of the comparative sample is not excellent is basically based on the same reason as in the case of the temperature cycle test described above.

【0077】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14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。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。以上から、本実施例絶縁
型半導体装置900は比較試料に比べて、安定して優れ
た絶縁性が維持されている。比較試料が絶縁劣化した主
な理由は、配線金属層がAlN板から剥離したり、配線
金属層に対応する部分のAlN板が機械的に破壊したた
めである。絶縁物の破壊や配線金属層の剥離を生ずる
と、破壊部分や剥離部分で電界が極度に高くなり放電を
生ずる。比較試料では配線金属層や裏面金属層とAlN
板の接合界面の剥離を生じ、この剥離に伴って配線金属
層,裏面金属層,AlN板の適正厚さのバランスが崩れ
る。この結果AlN板のクラック破壊も加速される。コ
ロナ放電電圧が低下したのはこれらの剥離部やクラック
破壊部で放電を生じたことによる。これに対し、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。
In the above 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. 14 is a graph showing the result of the transition of the corona discharge starting 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. 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 is about 1 kV after 30,000 cycles.
And shows an almost constant value. As described above, the insulating semiconductor device 900 of this example maintains stable and excellent insulating properties as compared with the comparative sample. The main reason for the insulation deterioration of the comparative sample is that the wiring metal layer was peeled from the AlN plate or the AlN plate in the portion corresponding to the wiring metal layer was mechanically broken. When the insulator is destroyed or the wiring metal layer is peeled off, the electric field becomes extremely high at the broken portion or the peeled portion, and a discharge is generated. In the comparative sample, the wiring metal layer, the back metal layer and the AlN
Peeling occurs at the joint interface of the plates, and with this peeling, the balance of the appropriate thicknesses of the wiring metal layer, the back surface metal layer, and the AlN plate is lost. As a result, crack destruction of the AlN plate is also accelerated. The decrease in the corona discharge voltage is due to the occurrence of discharge at these peeling parts and crack breaking parts. On the other hand, in the insulated semiconductor device 900 of this embodiment, the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 are firmly bonded, and no excessive stress acts on this bonded interface. Therefore, 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 insulating properties are maintained.

【0078】本実施例絶縁型半導体装置900は図11
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、動力源から車輪
に至る駆動機構を簡素化できたためギヤーの噛込み比率
の違いにより変速していた従来の自動車に比べ、変速時
のショックが軽減され、スムーズな走行が可能で、振動
や騒音の面でも従来の気筒型エンジンを搭載した自動車
より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, the drive mechanism from the power source to the wheels could be simplified, so compared to a conventional vehicle that was shifting due to the difference in the gear engagement ratio, shock during shifting was reduced and smooth running was possible. Also, in terms of vibration and noise, it can be reduced compared to a car equipped with a conventional cylinder type engine.

【0079】更に、本実施例絶縁型半導体装置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:5kW,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 of this embodiment can be incorporated in an air conditioner (power consumption during cooling: 5 kW, 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.

【0080】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.

【0081】なお、本実施例において、配線金属層13
0や裏面金属層120を構成するAl合金は上述した材
料にのみ限定されることはない。Si,Ge,Mn,M
g,Au,Ag,Ca,Cu,Ni,Pd,Sb,T
e,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は
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、P
b,Sn,Sb,Zn,Cu,Ni,Au,Ag,P,
Bi,In,Mn,Mg,Si,Ge,Ti,Zr,
V,Hf,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−0.5
wt%Cu ,Pb−52wt%Sn−8wt%Bi,
Au−12wt%Ge,Au−6wt%Si,Au−2
0wt%Si,Al−11.7wt%Si,Ag−4.5
Si,Au−85wt%Pb,Au−26wt%Sb,
Cu−69.3wt%Mg,Cu−35wt%Mn,C
u−36wt%Pb,Cu−76.5wt%Sb,Cu
−16.5wt%Si,Cu−28wt%Ti,Cu−
10wt%Zrのようなはんだ材を適用できる。
In the present embodiment, the wiring metal layer 13
0 and the Al alloy forming the back surface metal layer 120 are not limited to the above-mentioned materials. Si, Ge, Mn, M
g, Au, Ag, Ca, Cu, Ni, Pd, Sb, T
It is an alloy composed of at least one metal selected from the group of e, Ti, V, Zn, and Zr and Al, and particularly preferably the alloy materials listed in Table 1. Further, the solder material 113 is not limited to only the material (Sn-5 wt% Sb) disclosed in the embodiment. Depending on the manufacturing process and the required characteristics of the insulation type semiconductor device 900, especially the thermal fatigue resistance reliability, Sn or P
b, Sn, Sb, Zn, Cu, Ni, Au, Ag, P,
Bi, In, Mn, Mg, Si, Ge, Ti, Zr,
An alloy composed of two or more kinds selected from the group of V, Hf and Pd can be selected. For example, Sn-3 wt% Ag-0.5
wt% Cu, Pb-52 wt% Sn-8 wt% Bi,
Au-12 wt% Ge, Au-6 wt% Si, Au-2
0 wt% Si, Al-11.7 wt% Si, Ag-4.5
Si, Au-85 wt% Pb, Au-26 wt% Sb,
Cu-69.3 wt% Mg, Cu-35 wt% Mn, C
u-36 wt% Pb, Cu-76.5 wt% Sb, Cu
-16.5 wt% Si, Cu-28 wt% Ti, Cu-
A solder material such as 10 wt% Zr can be applied.

【0082】〔実施例2〕本実施例では、コンピュータ
電源用の絶縁型半導体装置について説明する。
[Embodiment 2] In this embodiment, an insulating semiconductor device for computer power supply will be described.

【0083】図15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。絶縁型半導体装
置900は以下の構成よりなる。SiからなるMOS
FET素子基体101(4個,7×7×0.28mm)は、窒
化アルミニウム板110を母材にした複合部材125上
に搭載されている。窒化アルミニウム板110の両面に
は配線金属層130(131,132)と裏面金属層12
0が形成されている。配線金属層131上には素子基体
101が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。また、配線金属層132にはチップ抵抗112が
Sn−3wt%Ag−0.8wt%Cu合金からなるは
んだ材124(図示を省略)により固着されている。こ
れらのろう付けは、ペースト状はんだ材を塗布した所定
部に素子基体101とチップ抵抗112をセットした後
空気中で加熱し、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させる工程をとる。ま
た、あらかじめCuからなる端子30を一体化したポリ
フェニレンサルファイド樹脂ケース20の開口部に、複
合部材125がシリコーン樹脂接着剤(図示を省略)に
より装着されている。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)1
17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30
c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112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にはポリフェニルサルファイド樹脂
蓋21を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本実施例絶縁型半導体装置9
00は、(c)に示す回路を構成している。
FIG. 15 is a plan view, a sectional view and a circuit diagram for explaining the insulated semiconductor device of this embodiment. The insulating semiconductor device 900 has the following configuration. MOS made of Si
The FET element bases 101 (4 pieces, 7 × 7 × 0.28 mm) are mounted on a composite member 125 having an aluminum nitride plate 110 as a base material. The wiring metal layers 130 (131, 132) and the back surface metal layer 12 are formed on both surfaces of the aluminum nitride plate 110.
0 is formed. The element substrate 101 is fixed on the wiring metal layer 131 with a solder material 113 (thickness: 70 μm) made of Sn-3 wt% Ag-0.8 wt% Cu alloy. Further, the chip resistor 112 is fixed to the wiring metal layer 132 with a solder material 124 (not shown) made of Sn-3 wt% Ag-0.8 wt% Cu alloy. In these brazing, the element substrate 101 and the chip resistor 112 are set in a predetermined portion coated with a paste-like solder material and then heated in air, and when the solder material is melted, a vacuum atmosphere is created to discharge flux and bubbles. Take steps. In addition, the composite member 125 is attached to the opening of the polyphenylene sulfide resin case 20 in which the terminal 30 made of Cu is integrated in advance with a silicone resin adhesive (not shown). An Al wire (diameter: 300 μm) is used for each of the gate, source and drain of the element substrate 101.
17 wire bonds are applied. The gate terminal 30a is shared by each element substrate 101, and the source terminal 30
c 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 mounting portion of the chip resistor 112 is coated with the epoxy resin 22a (not shown). A polyphenyl sulfide resin lid 21 is attached to the case 20 to obtain an insulated semiconductor device 900. The insulated semiconductor device 9 of this embodiment manufactured as described above.
00 constitutes the circuit shown in (c).

【0084】上述の絶縁型半導体装置900において、
複合部材125はケース20,蓋21とともに装置90
0の外囲器を構成するとともに、この外囲器の底蓋の役
割を担っている。
In the insulating semiconductor device 900 described above,
The composite member 125, together with the case 20 and the lid 21, is attached to the device 90.
It constitutes an enclosure of 0 and plays the role of a bottom lid of this enclosure.

【0085】複合部材125は、窒化アルミニウム板
(熱膨張率:4.3ppm/℃,熱伝導率:170W/m・
K,厚さ:1.0mm,サイズ:21×30mm )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(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−
1.5wt%Mg ,固相点:約420℃)からなり、こ
の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4.0mm 、裏面
金属層120は厚さ3.0mm 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:5μm)とAuめっき(厚
さ:1μm)が順次施されている(図示を省略)。
The composite member 125 is an aluminum nitride plate (coefficient of thermal expansion: 4.3 ppm / ° C., thermal conductivity: 170 W / m ·
K, thickness: 1.0 mm, size: 21 × 30 mm) 110 on one main surface of the wiring metal layer 130 (131, 132),
A back surface metal layer 120 is formed on the other main surface. The wiring metal layer 130 (131, 132) and the back surface metal layer 120 have the same quality and the same physical properties as an Al alloy (Al-28 wt% Ge-).
1.5 wt% Mg 3, solid phase point: about 420 ° C.), and is formed by press-fit casting of this Al alloy melt. The wiring metal layer 130 (131, 132) has a thickness of 4.0 mm, and the back metal layer 120 has a thickness of 3.0 mm. Ni plating (thickness: 5 μm) and Au plating (thickness: 1 μm) are sequentially applied to the surfaces of the wiring metal layer 130 (131, 132) and the back surface metal layer 120 (not shown).

【0086】絶縁型半導体装置900に適用された複合
部材125は、既述(図5)の基本プロセスにより製作
された。複合部材125には1.0mm と比較的厚い窒化
アルミニウム板110が用いられ、しかも配線金属層1
30(131,132)と裏面金属層120が同一材
質,同一物性で、約420℃と低温で固相化するAl合
金(Al−28wt%Ge−1.5wt%Mg)で構成さ
れているため、複合部材125はそり量が30μm以下
と平坦性に優れていた。また、本実施例における複合部
材125の温度サイクル試験(−55〜150℃)を実
施(試料数:20個)し、窒化アルミニウム絶縁板11
0のクラックの発生状況,配線金属層130の剥離状況,
裏面金属層120の疲労破壊発生状況,窒化アルミニウ
ム板110と裏面金属層120間の剥離発生状況につい
て観察した。温度サイクルを1万サイクル与える過程で
は、上述したいずれの破壊も観測されていない。複合部
材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、しかもAl合金溶湯が低温
で固相化するため、複合部材125の各構成部材に内蔵
される応力や歪が低減されている。この結果、複合部材
125は優れた破壊耐量が付与されている。
The composite member 125 applied to the insulating semiconductor device 900 was manufactured by the basic process described above (FIG. 5). A relatively thick aluminum nitride plate 110 of 1.0 mm is used for the composite member 125, and the wiring metal layer 1 is used.
30 (131, 132) and the back surface metal layer 120 are made of an Al alloy (Al-28 wt% Ge-1.5 wt% Mg) which is the same material and has the same physical properties and which is solid-phased at a low temperature of about 420 ° C. The composite member 125 was excellent in flatness with a warp amount of 30 μm or less. Further, a temperature cycle test (-55 to 150 ° C.) of the composite member 125 in this example was carried out (the number of samples: 20), and the aluminum nitride insulating plate 11
0 crack occurrence status, wiring metal layer 130 peeling status,
The fatigue fracture occurrence state of the backside metal layer 120 and the peeling occurrence state between the aluminum nitride plate 110 and the backside metal layer 120 were observed. In the process of applying the temperature cycle for 10,000 cycles, none of the above-mentioned breakdowns was observed. The composite member 125 has an excellent fracture resistance because the constituent members are adjusted to have an appropriate thickness and the molten Al alloy is solidified at a low temperature, so that the composite member 125 is built in each constituent member. Stress and strain are reduced. As a result, the composite member 125 is provided with an excellent fracture resistance.

【0087】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。この試験の後に絶縁型半導体装置900の
電気的機能及び機械的破壊による影響について調べた。
電気的機能は初期段階と同等であり、機械的破壊も観測
されなかった。特に本実施例絶縁型半導体装置900で
は、窒化アルミニウム板110を母材とする複合部材1
25が外囲器の底蓋となっているため、複合部材125
の破壊による悪影響が懸念された。しかし、このような
悪影響は全く観測されない。これは、複合部材125の
裏面金属層120が底蓋の表面を構成しているため、落
下による衝撃を裏面金属層120で吸収し、セラミック
ス板110に過大な衝撃力が及ばない構造になっている
ためである。
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 this test, the electrical function of the insulated semiconductor device 900 and the influence of mechanical breakdown were examined.
The electrical function was equivalent to the initial stage, and no mechanical breakdown was observed. Particularly, in the insulated semiconductor device 900 of this embodiment, the composite member 1 having the aluminum nitride plate 110 as a base material is used.
Since 25 is the bottom lid of the envelope, the composite member 125
There was concern about the adverse effects of the destruction of. However, such an adverse effect is not observed at all. Since the back surface metal layer 120 of the composite member 125 constitutes the surface of the bottom lid, the back surface metal layer 120 absorbs the impact due to the drop, and the ceramic plate 110 is not subjected to an excessive impact force. This is because

【0088】図16は本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。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10de
g と少なく、複合部材125が温度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)。このように優れた放熱性を示し
た理由は、(1)窒化アルミニウム板110が1.0mm
と厚く、(2)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、薄くしかも緻密な
Al合金構成金属の窒化物で接合されていること、
(3)熱伝道路に支持板やそれを接続するはんだ層が存
在せず、熱伝導路が短縮されていること、(4)4.0mm
と厚い配線金属層130により熱流が拡大されるこ
と、(5)拡大された熱流が3.0mm と厚く熱容量の大
きい裏面金属層120で吸収されることに基づく。
FIG. 16 is a graph for explaining the transient thermal resistance characteristic of the insulated semiconductor device of this embodiment. The thermal resistance takes a high value as the energization time increases. Steady-state thermal resistance (energization time:
After about 3 s), it was 0.2 ° C / W, indicating excellent heat dissipation. Even if the element base body 101 consumes 50 W of electric power, the temperature rise of the base body 101 is 10 de
The element substrate 101 operates stably even when the temperature of the composite member 125 reaches 140 ° C. (when the safe operating temperature of the substrate is 150 ° C.). The reason why such excellent heat dissipation is shown is (1) the aluminum nitride plate 110 is 1.0 mm
And (2) the aluminum nitride plate 110, the wiring metal layer 130, and the back surface metal layer 120 are bonded with a thin and dense nitride of an Al alloy constituent metal.
(3) The heat conduction path is shortened because there is no support plate or solder layer connecting it to the heat conduction road. (4) 4.0 mm
This is based on the fact that the heat flow is expanded by the thick wiring metal layer 130 and (5) the expanded heat flow is absorbed by the back surface metal layer 120 which is as thick as 3.0 mm and has a large heat capacity.

【0089】本実施例絶縁型半導体装置900には−4
0〜125℃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や接合金属層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、本実施例絶縁型半導体装置900が選択され
た厚さ構成の複合部材125を適用したことによる。同
質かつ同一物性の配線金属層130と接合金属層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、熱伝道路に支持板を接続するはん
だ層が存在していないことも、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 of this embodiment has -4.
A temperature cycle test of 0 to 125 ° C. was performed. As a result of measuring the thermal resistance after continuing this test for 10,000 cycles, 0.2 ° C./W, which was equal to the initial value, was maintained. Further, the ultrasonic cracking method was used to examine the peeling of each laminated interface of the insulating semiconductor device 900, the peeling occurrence status of the wiring metal layer 130 and the bonding metal layer 120, and the crack occurrence status of the aluminum nitride plate 110. As a result, no fracture was detected on any of the observation interfaces and members. The reason why such excellent reliability is obtained is because the composite member 125 having the selected thickness is applied to the insulated semiconductor device 900 of this embodiment. Wiring metal layer 130 and bonding metal layer 120 having the same quality and the same physical properties
Since the aluminum nitride plate 110 is sandwiched, the layers and the aluminum nitride plate 110 are kept in the same interface state. As a result, the fact that excessive stress and strain are prevented from acting unevenly on the interface also contributes to ensuring excellent reliability. Further, the aluminum nitride plate 110 and the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 are bonded with a thin, dense and strong nitride of an Al alloy constituent metal, and a solder layer for connecting the support plate to the heat transfer road. It is also the reason for the excellent temperature cycle reliability.

【0090】なお、表3は窒化アルミニウム板を適用し
た場合の複合部材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 component member thickness of the composite member when an aluminum nitride plate is applied. The optimum thickness is almost the same as in the case of applying the silicon nitride plate, so only the outline will be summarized.

【0091】[0091]

【表3】 [Table 3]

【0092】本実施例において、素子基体101はIG
BT,トランジスタ,サイリスタ,ダイオード等、MO
S 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(Ge:5.8ppm/℃,GaAs:
6.5ppm/℃,GaP:5.3ppm/℃,SiC:3.7pp
m/℃等)からなる場合であっても本実施例と同様の効
果が得られる。
In this embodiment, the element substrate 101 is an IG
BT, transistor, thyristor, diode, etc. MO
It may have an electric function different from that of the SFET element. The semiconductor element substrate is made of Si (4.2ppm / ° C),
Or materials other than Si (Ge: 5.8 ppm / ° C, GaAs:
6.5ppm / ℃, GaP: 5.3ppm / ℃, SiC: 3.7pp
(m / ° C., etc.), the same effect as this example can be obtained.

【0093】図17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. 17 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.

【0094】〔実施例3〕本実施例では、パワー半導体
素子基体とその電気的動作を制御する回路を搭載した絶
縁型半導体装置及びこの半導体装置を用いた自動車用点
火装置について説明する。
[Embodiment 3] In this embodiment, an insulating semiconductor device equipped with a power semiconductor element substrate and a circuit for controlling its electrical operation and an automobile ignition device using this semiconductor device will be described.

【0095】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。支持板と
ケースを兼ねる厚さ1mmのガラスエポキシ板20には後
述する半導体素子基体101が収納される開口部と、制
御回路10が形成されるCu配線領域(19×10×
0.8mm )とを有している。素子基体101は複合部材
125上に搭載され、ガラスエポキシ板20の開口部に
複合部材125とともに装着されている。ガラスエポキ
シ板20のサイズは略25×25mmである。複合部材1
25は窒化珪素板(サイズ:7×8×0.3mm)110の
一方の主面に配線金属層130,他方の主面に裏面金属
層120が形成されこれらの表面にはNiめっき(厚
さ:3〜7μm、図示を省略)43が施されている。素
子基体101(チップサイズ:4×4×0.28mm)は配
線金属層(6×7mm)130上に、組成Sn−5wt%S
b−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。
また、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:3〜7μm、図示を省略)43が
施されている。
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. A glass epoxy plate 20 having a thickness of 1 mm, which also serves as a support plate and a case, has an opening for accommodating a semiconductor element substrate 101, which will be described later, and a Cu wiring region (19 × 10 ×) where the control circuit 10 is formed.
0.8 mm). The element base 101 is mounted on the composite member 125, and is attached to the opening of the glass epoxy plate 20 together with the composite member 125. The size of the glass epoxy plate 20 is approximately 25 × 25 mm. Composite member 1
25 is a silicon nitride plate (size: 7 × 8 × 0.3 mm) 110 having a wiring metal layer 130 on one main surface and a back metal layer 120 on the other main surface, and these surfaces are plated with Ni (thickness: 3 to 7 μm, not shown) 43. The element substrate 101 (chip size: 4 × 4 × 0.28 mm) has a composition of Sn-5 wt% S on the wiring metal layer (6 × 7 mm) 130.
It is fixed by a solder material (thickness: 200 μm) 113 made of b-0.6 wt% Ni-0.05 wt% P alloy.
The surfaces of the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 are plated with Ni (thickness: 3 to 7 μm, not shown) 43.

【0096】一方、制御回路10を構成するサイズ:1
9×10×0.8mm の領域には、厚さ約25μmのCu
配線(図示省略)203が設けられている。領域の所望
部には、Sn−3wt%Ag−0.8wt%Cu 合金か
らなるはんだ材124(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124によりC
u配線203と電気接続され、素子基体101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10
1のエミッタ電極及びゲート電極は直径300μmのA
l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13
0)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10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, the size of the control circuit 10 is: 1
In the area of 9 × 10 × 0.8 mm, Cu with a thickness of about 25 μm
Wiring (not shown) 203 is provided. At a desired portion of the area, a resistor chip 15, an IC chip substrate 16, a capacitor chip 17, and a glass sleeve type Zener diode chip are formed by a solder material 124 (not shown) made of Sn-3 wt% Ag-0.8 wt% Cu alloy. Chip components such as 18 are mounted. As a result, each of the chip components 15, 16, 17, 18 is C by the solder material 124.
A control circuit 10 that is electrically connected to the u wiring 203 and controls the operation of the element substrate 101 is configured. Element base 10
1 has an emitter electrode and a gate electrode of A having a diameter of 300 μm.
The thin wire 117 is in electrical communication with the control circuit 10. Collector electrode of the element substrate 101 (wiring metal layer 13
0) is electrically connected to the terminal 30 via the Cu wiring 203 and the Al thin wire 117. The control circuit 10 is also electrically connected to the terminal 30 by an Al thin wire 117 '.

【0097】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,制御回路部10,Al細線117及び117′が完
全に封止されるように、複合部材125及び端子30の
一部を含めてエポキシ樹脂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:1
6ppm/℃,ガラス転移点:155℃,体積抵抗率:9
×1015Ω・m(RT),曲げ弾性率:15.7GPa
(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2
h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 composite member 125 and a part of the terminal 30 are included so that the mounting portion of the element substrate 101, the control circuit portion 10, and the Al thin wires 117 and 117 'are completely sealed. Then, transfer molding with epoxy resin 22 is performed. Epoxy resin 22 has a coefficient of thermal expansion of 1
6 ppm / ° C, glass transition point: 155 ° C, volume resistivity: 9
× 10 15 Ω · m (RT), flexural modulus: 15.7 GPa
It has a characteristic of (1600 kgf / mm 2 ). Transfer molding is performed at 180 ° C, then 2 minutes at 150 ° C.
Heat treatment of h is applied to accelerate the hardening of the resin.

【0098】また、窒化珪素板110の両面に形成され
た配線金属層(厚さ:0.5mm)130及び裏面金属層(厚
さ:0.1mm)120は同質かつ同一物性を有するAl
合金(Al−28wt%Ge−1.5wt%Mg,固相
点:約420℃)からなり、これらは複合部材125の
要部を構成している。複合部材125はガラスエポキシ
板20,モールド樹脂22とともに絶縁型半導体装置9
00の外囲器を構成し、底蓋の役割を担っている。
The wiring metal layer (thickness: 0.5 mm) 130 and the back surface metal layer (thickness: 0.1 mm) 120 formed on both sides of the silicon nitride plate 110 are made of Al having the same quality and the same physical properties.
It is made of an alloy (Al-28 wt% Ge-1.5 wt% Mg, solid phase point: about 420 ° C.), and these form the main part of the composite member 125. The composite member 125 includes the glass epoxy plate 20 and the mold resin 22 together with the insulating semiconductor device 9
It constitutes the enclosure of No. 00 and plays the role of the bottom lid.

【0099】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。
図中の曲線Aは本実施例絶縁型半導体装置900、そし
て、曲線Bは同サイズの比較用絶縁型半導体装置(Cu
製支持板に銀ろう付けした窒化アルミニウム板を介して
IGBT素子基体をはんだ付け搭載した構造)に関する
ものである。本実施例絶縁型半導体装置900の熱抵抗
は、温度サイクル数: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。以上のように、絶
縁型半導体装置900は優れた信頼性が確保されている
ことが確認される。5千サイクルの試験後にIGBT素
子基体101の搭載部を調べたけれども、はんだ層11
3,窒化珪素板110,配線金属層130,裏面金属層
120,窒化珪素板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
じていなかった。これは複合部材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1
20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の接合部が強固な界
面を構成していることによる。一方、比較用半導体装置
の場合は、100サイクルを過ぎると熱抵抗の上昇を生
じている。これはIGBT素子基体のはんだ付け部に熱
伝導性を阻害する破壊を生じていることを意味する。試
験後の比較用半導体装置を分解調査した結果、はんだ層
が熱疲労破壊していることが確認された。
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.
In the figure, a curve A is an insulated semiconductor device 900 of the present embodiment, and a curve B is a comparative insulated semiconductor device of the same size (Cu
Structure in which an IGBT element substrate is soldered and mounted on a support plate made of aluminum via an aluminum nitride plate brazed with silver. The thermal resistance of the insulated semiconductor device 900 of this embodiment is the initial value in the test up to the temperature cycle number: 5,000 cycles.
(About 0.8 ° C / W) is maintained. As described above, it is confirmed that the insulating semiconductor device 900 has excellent reliability. Although the mounting portion of the IGBT element substrate 101 was examined after the test of 5,000 cycles, the solder layer 11
3. No breakage occurred in any of the silicon nitride plate 110, the wiring metal layer 130, the back surface metal layer 120, and the interface formed by the silicon nitride plate 110 and the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120. This is because the constituent members of the composite member 125 are adjusted to have an appropriate thickness, and the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 1 are formed.
This is because 20 is composed of an Al alloy having the same material and the same physical properties, and the joint portion of the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 constitutes a strong interface. On the other hand, in the case of the comparative semiconductor device, the thermal resistance increases after 100 cycles. This means that the soldering portion of the IGBT element base body is broken to prevent thermal conductivity. As a result of disassembling and investigating the comparative semiconductor device after the test, it was confirmed that the solder layer was broken by thermal fatigue.

【0100】なお、本実施例絶縁型半導体装置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、及び複合部材125が100
℃程度に昇温するエンジンルームに搭載され、このよう
に過酷な環境下で稼働しても素子基体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 insulated semiconductor device 900 of this embodiment is 0.8 ° C./W. This value is 40 deg even when the IGBT element base body 101 consumes 50 W of power.
And the composite member 125 is 100
This means that the temperature of the element substrate 101 does not exceed the limit temperature of 150 ° C. for stable operation even if it is mounted in an engine room that heats up to about 0 ° C. and operates in such a severe environment. This is a particularly preferable point as a semiconductor device for automobiles.

【0101】図20は本実施例絶縁型半導体装置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101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9
00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。これらの回路から構成された絶縁型半導
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 shows an insulated semiconductor device 900 of this embodiment.
3 is a diagram illustrating the circuit of FIG. The emitter and gate of the IGBT element substrate 101 are electrically connected to the control circuit 10, and the operation of the element 101 is controlled by this circuit 10. A resistor chip 15, an IC chip substrate 16, a capacitor chip 17, and a zener diode chip 18 are mounted on the control circuit 10, and these elements are connected by a Cu wiring 203. A terminal 30 is drawn out from each of the element 101 and the control circuit 10. Insulated semiconductor device 9
00 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 composed of these circuits was used to ignite an automobile engine under an environment of a maximum ambient temperature of 80 ° C. Even in the operation equivalent to 100,000 kilometers of automobiles,
It was confirmed that the insulated semiconductor device 900 maintains its circuit function.

【0102】〔実施例4〕本実施例では200A級のD
C/DCコンバータ用絶縁型半導体装置について説明す
る。
[Embodiment 4] In this embodiment, D of 200A class is used.
An insulating semiconductor device for a C / DC converter will be described.

【0103】図21は本実施例絶縁型半導体装置の複合
部材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101(8個、9×9×0.28mm )は、アルミ
ナ板110を母材にした複合部材125上に搭載されて
いる。アルミナ板110の両面には配線金属層130
(131,132)と裏面金属層120が形成されてい
る。配線金属層131上には素子基体101がSn−3
wt%Ag−0.8wt%Cu合金からなるはんだ材1
13(厚さ:70μm)により固着されている。これら
の固着は、ペースト状はんだ材を塗布した所定部に素子
基体101をセットした後空気中で加熱し、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
出させる工程をとる。また、あらかじめCuからなる端
子30,30a,30cを一体化したポリフェニルサル
ファイド樹脂ケース20の開口部に複合部材125が装
着され、これらはシリコーン樹脂接着剤(図示を省略)
により装着されている。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1
01Aで共用するように配線されている。また、端子3
0は入力端子と主視力端子を兼ねている。素子基体10
1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20にはポリフェニルサルファイド樹脂蓋2
1を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本実施例絶縁型半導体装置900
は、(c)に示す回路を構成している。
FIG. 21 is a plan view, a schematic sectional view and a circuit diagram for explaining a composite member of the insulated semiconductor device of this embodiment. Insulated semiconductor device (size: 76 x 46 x 15 mm) 900
Has the following configuration. MOS FET element bases 101 (8 pieces, 9 × 9 × 0.28 mm) made of Si are mounted on a composite member 125 having an alumina plate 110 as a base material. A wiring metal layer 130 is formed on both sides of the alumina plate 110.
(131, 132) and the back surface metal layer 120 are formed. The element substrate 101 is Sn-3 on the wiring metal layer 131.
Solder material 1 consisting of wt% Ag-0.8 wt% Cu alloy
13 (thickness: 70 μm). To fix them, a step of setting the element substrate 101 on a predetermined portion coated with a paste-like solder material, heating it in air, and making a vacuum atmosphere when the solder material is melted to discharge flux and bubbles is taken. Further, the composite member 125 is attached to the opening of the polyphenyl sulfide resin case 20 in which the terminals 30, 30a, 30c made of Cu are previously integrated, and these are made of a silicone resin adhesive (not shown).
It is installed by. 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 dedicated to each element substrate 101, and the auxiliary terminal 30c is a block 1 composed of two element substrates 101.
It is wired so as to be shared by 01A. Also, terminal 3
0 doubles as an input terminal and a main visual acuity terminal. Element base 10
The mounting portion of No. 1 is filled with the silicone gel resin 22. The case 20 has a polyphenyl sulfide resin lid 2
1 is attached to obtain an insulated semiconductor device 900. The isolated semiconductor device 900 of this embodiment manufactured as described above.
Form the circuit shown in (c).

【0104】上述の絶縁型半導体装置900において、
複合部材125はケース20,蓋21とともに装置90
0の外囲器を構成するとともに、この外囲器の底蓋の役
割を担っている。
In the insulating semiconductor device 900 described above,
The composite member 125, together with the case 20 and the lid 21, is attached to the device 90.
It constitutes an enclosure of 0 and plays the role of a bottom lid of this enclosure.

【0105】複合部材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、この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0.3mm、裏面金属層1
20は厚さ0.25mm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:6μm)が施されている(図示を省
略)。
The composite member 125 is an alumina plate (coefficient of thermal expansion: 7.2 ppm / ° C., thermal conductivity: 20 W / m · K, thickness:
A wiring metal layer 130 (131, 132) is formed on one main surface of a 0.25 mm, size: 57 × 34 mm) 110, and a back surface metal layer 120 is formed on the other main surface. 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)
It is formed by press fitting casting of molten alloy. The wiring metal layer 130 (131, 132) has a thickness of 0.3 mm and the back surface metal layer 1
20 has a thickness of 0.25 mm. Wiring metal layer 130
(131, 132) and the front surface of the back metal layer 120,
Ni plating (thickness: 6 μm) is applied (not shown).

【0106】絶縁型半導体装置900に適用された複合
部材125は、既述(図5)の基本プロセスにより製作
された。複合部材125には0.25mm と薄いアルミナ
板110が用いられ、しかも配線金属層130(13
1,132)と裏面金属層120が同一材質かつ同一物
性で約420℃と低温で固相化するAl合金(Al−2
8wt%Ge−1.5wt%Mg )で構成されているた
め、複合部材125はそり量が30μm以下と平坦性に
優れていた。また、本実施例における複合部材125の
温度サイクル試験(−55〜150℃)を実施(試料
数:20個)し、アルミナ板110のクラックの発生状
況,配線金属層130の剥離状況,裏面金属層120の
疲労破壊発生状況,アルミナ板110と接合金属層12
0間の剥離発生状況について観察した。温度サイクルを
1万サイクル与える過程では、上述したいずれの破壊も
観測されていない。複合部材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、
Al合金溶湯が低温で固相化するため複合部材125の
各構成部材に内蔵される応力や歪が低減され、アルミナ
板110と配線金属層130及び接合金属層120の間
の界面に存在するAl合金構成金属の酸化物により緻密
かつ強固に接合されていることに基づく。
The composite member 125 applied to the insulating semiconductor device 900 was manufactured by the basic process described above (FIG. 5). The composite member 125 is made of a thin alumina plate 110 having a thickness of 0.25 mm, and the wiring metal layer 130 (13
1, 132) and the back surface metal layer 120 are made of the same material and have the same physical properties, and an Al alloy (Al-2
8 wt% Ge-1.5 wt% Mg), the composite member 125 was excellent in flatness with a warpage amount of 30 μm or less. In addition, a temperature cycle test (-55 to 150 ° C.) of the composite member 125 in this example was carried out (the number of samples: 20), and the occurrence of cracks in the alumina plate 110, the state of peeling of the wiring metal layer 130, and the back metal. Fatigue Fracture Occurrence of Layer 120, Alumina Plate 110 and Bonding Metal Layer 12
The peeling occurrence state between 0 was observed. In the process of applying the temperature cycle for 10,000 cycles, none of the above-mentioned breakdowns was observed. The composite member 125 has an excellent fracture resistance because the constituent members are adjusted to have an appropriate thickness.
Since the molten Al alloy is solidified at a low temperature, the stress and strain contained in each component of the composite member 125 is reduced, and Al existing at the interface between the alumina plate 110 and the wiring metal layer 130 and the bonding metal layer 120 is reduced. It is based on the fact that they are densely and strongly bonded by the oxides of the alloy constituent metals.

【0107】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を含浸させたベース板(支持
板、厚さ:3mm)を厚さ50μmのAl層により接合
し、アルミナ板の他方の面にAl配線層を形成した回路
基板を用いている。このAl配線層上にはMOS FE
T素子基体(8個、9×9×0.28mm)が固着されてい
る。また、この絶縁型半導体装置は本実施例絶縁型半導
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 4 × 0.25 mm alumina plate and a base plate (support plate, thickness: 3 mm) in which a porous preform made of SiC powder is impregnated with Al are joined by an Al layer having a thickness of 50 μm to form an alumina plate. A circuit board having an Al wiring layer formed on the other surface is used. MOS FE is formed on this Al wiring layer.
T element substrates (8 pieces, 9 × 9 × 0.28 mm) are fixed. The insulated semiconductor device has the same circuit as the insulated semiconductor device 900 of this embodiment.

【0108】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。この試験の後に絶縁型半導体装置900の
電気的機能及び機械的破壊による影響について調べた。
電気的機能は初期段階と同等であり、機械的破壊も観測
されなかった。特に本実施例絶縁型半導体装置900で
は、薄いアルミナ板110を母材とする複合部材125が
外囲器の底蓋となっているため、複合部材125の破壊
による悪影響が懸念された。しかし、このような悪影響
は全く観測されない。これは、複合部材125の裏面金
属層120が底蓋の表面を構成しているため、落下によ
る衝撃を裏面金属層120で吸収し、アルミナ板110
に過大な衝撃力が及ばない構造になっているためであ
る。
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 this test, the electrical function of the insulated semiconductor device 900 and the influence of mechanical breakdown were examined.
The electrical function was equivalent to the initial stage, and no mechanical breakdown was observed. Particularly, in the insulated semiconductor device 900 of this embodiment, since the composite member 125 including the thin alumina plate 110 as a base material serves as the bottom lid of the envelope, there is a concern that the composite member 125 may be damaged. However, such an adverse effect is not observed at all. This is because the back surface metal layer 120 of the composite member 125 constitutes the surface of the bottom lid, and therefore the back surface metal layer 120 absorbs the impact due to the drop, and the alumina plate 110
This is because the structure is such that an excessive impact force does not reach.

【0109】図22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。本実施例絶縁型半導体
装置900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。これに対し比較例絶縁型半導体
装置(曲線B)は、2℃/Wなる定常熱抵抗を示してい
る。このように本実施例絶縁型半導体装置900が優れ
た放熱性を示しているのは次の理由による。すなわち、
複合部材125が外囲器の底蓋となるため放熱路が簡素
化され、半導体素子基体101で生じた熱が外部に効率
よく放散される。これに対し比較試料では、放熱路に支
持板とそれを接続するためのはんだ層が含まれているた
め熱流の伝達が効率よくなされにくい。また、本実施例
絶縁型半導体装置900の優れた放熱性には、0.3mm
と比較的厚い配線金属層131が形成されているため熱
の横方向拡がりが効果的になされる点、アルミナ板が0.
25mmと薄いため絶縁領域での分担熱抵抗が少なくなる
点、アルミナ板110と配線金属層131及び接合金属
層120との間がAl合金構成成分の酸化物により緻密
に接合されている点も寄与している。
FIG. 22 is a graph showing the transient thermal resistance characteristics of the insulated semiconductor device of this embodiment. The thermal resistance (curve A) of the insulated semiconductor device 900 of this embodiment takes a high value as the energization time increases. Steady-state thermal resistance (energization time: about 3 s or more)
Is 1.5 ° C./W. On the other hand, the comparative insulated semiconductor device (curve B) exhibits a steady thermal resistance of 2 ° C./W. The insulating semiconductor device 900 of this embodiment exhibits excellent heat dissipation as described above for the following reason. That is,
Since the composite member 125 serves as the bottom cover of the envelope, the heat dissipation path is simplified, and the heat generated in the semiconductor element substrate 101 is efficiently dissipated to the outside. On the other hand, in the comparative sample, since the heat dissipation path includes the support plate and the solder layer for connecting the support plate, it is difficult to efficiently transfer the heat flow. In addition, the excellent heat dissipation of the insulated semiconductor device 900 of this embodiment is 0.3 mm.
Since the relatively thick wiring metal layer 131 is formed, the lateral spread of heat is effectively performed.
The thickness is as thin as 25 mm, so that the shared heat resistance in the insulating region is reduced, and the fact that the alumina plate 110 and the wiring metal layer 131 and the joining metal layer 120 are closely joined by the oxide of the Al alloy constituent component also contributes. is doing.

【0110】本実施例絶縁型半導体装置900には−4
0〜125℃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、本実施例絶縁型半導体装置900が選択された厚さ
構成の複合部材125を適用したことによる。同質かつ
同一物性の配線金属層130と裏面金属層120でアル
ミナ板110がサンドウイッチされているため、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る
結果、界面に過度の応力や歪が偏って作用することが避
けられる。また、配線金属層130及び裏面金属層12
0とアルミナ板110の間の界面は、緻密かつ強固なA
l合金構成成分の酸化物で接合されている。これらの点
も優れた信頼性の確保に寄与している。
The insulating semiconductor device 900 of this embodiment has -4.
A temperature cycle test of 0 to 125 ° C. 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. Further, the ultrasonic cracking method was used to examine the peeling of each laminated interface of the insulating semiconductor device 900, the peeling occurrence state of the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120, and the crack occurrence situation of the alumina plate 110. As a result, no fracture was detected on any of the observation interfaces and members. The reason why such excellent reliability is obtained is because the composite member 125 having the selected thickness is applied to the insulated semiconductor device 900 of this embodiment. Since the alumina 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 same interface state is maintained between these layers and the alumina plate 110, resulting in excessive stress at the interface. It is possible to avoid bias and distortion. In addition, the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 12
The interface between 0 and the alumina plate 110 is a dense and strong A
L-alloy constituents are joined by oxides. These points also contribute to ensuring excellent reliability.

【0111】なお、本実施例絶縁型半導体装置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複合部材の構
成部材最適厚さは次の通りである。表4はアルミナ板を
適用した場合の複合部材の構成部材最適厚さを示す。最
適厚さは窒化珪素絶縁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 insulated semiconductor device 900 of this embodiment is of the 200 A class, and the allowable thermal resistance is 2 ° C./W.
It is the following. The optimum thickness of the composite member selected from this point of view is as follows. Table 4 shows the component member optimum thickness of the composite member when the alumina plate is applied. The optimum thickness is almost the same as in the case of applying the silicon nitride insulating plate, so only the outline will be summarized.

【0112】[0112]

【表4】 [Table 4]

【0113】図23は本実施例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。DC/DCコンバータ90は絶縁型半導体装置9
00,絶縁型半導体装置900を駆動させるための制御
回路10a,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1
0万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. 23 is a block diagram for explaining a DC / DC converter incorporating the insulated semiconductor device of this embodiment. The DC / DC converter 90 is an isolated semiconductor device 9
00, a control circuit 10a for driving the isolated semiconductor device 900, a transformer 81, a rectifying circuit 82, and a smoothing and control circuit 83 are incorporated to supply the battery 85 with power obtained by stepping up or down the voltage of the input power supply 84. , This 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, the insulated semiconductor device 900 and the converter device 90 of this embodiment are 1
It was confirmed that the expected circuit function was maintained even after traveling for 0,000 kilometers.

【0114】〔実施例5〕本実施例では他形態絶縁型半
導体装置について説明する。この絶縁型半導体装置90
0は、基本的には前記実施例1と同様の機能を有する。
[Embodiment 5] In this embodiment, another form insulating semiconductor device will be described. This insulating semiconductor device 90
0 basically has the same function as in the first embodiment.

【0115】図24は本実施例で用いた複合部材の詳細
を説明する平面図及び断面図である。複合部材125の
母材としての窒化珪素板110は、寸法43mm×85mm
×0.3mmを有する焼結体(熱膨張率:3.4ppm/℃,熱
伝導率:90W/m・K)であり、半導体基体が搭載さ
れる側の主面には厚さ0.4mm の配線金属層131,1
32,130c(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−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1
31,132,130c及び周辺金属層133と同質か
つ同一物性のAl合金(Al−20wt%Si−1.5w
t%Mg)により形成されている。周辺金属層133で
包囲された配線金属層131,132,130cは前記
実施例1における複合部材125と同一面積内(30×
50mm)に設けられ、電気的に活性な領域を構成する。
図示はしていないけれども、配線金属層131上にはM
OS FET素子基体(7×7×0.28mm)101が8
個搭載される。また、複合部材125の端部領域には直
径5.6mm の穴125Gが設けられている。
FIG. 24 is a plan view and a sectional view for explaining the details of the composite member used in this embodiment. The silicon nitride plate 110 as the base material of the composite member 125 has a size of 43 mm × 85 mm.
It is a sintered body (coefficient of thermal expansion: 3.4 ppm / ° C, thermal conductivity: 90 W / mK) having a size of 0.3 mm, and a thickness of 0.4 mm on the main surface on which the semiconductor substrate is mounted. Wiring metal layers 131, 1
32, 130c (for mounting the thermistor), a peripheral metal layer 133 is provided so as to surround these wirings. The wiring metal layers 131, 132, 130c and the peripheral metal layer 133 are made of Al alloy (Al-20 wt% Si).
-1.5 wt% Mg). On the opposite main surface, a backside metal layer 120 having a thickness of 0.2 mm is formed on the wiring metal layer 1.
Al alloys (Al-20 wt% Si-1.5w) of the same quality and physical properties as 31, 132, 130c and the peripheral metal layer 133.
t% Mg). The wiring metal layers 131, 132, and 130c surrounded by the peripheral metal layer 133 have the same area as the composite member 125 of the first embodiment (30 ×).
50 mm) and constitutes an electrically active area.
Although not shown, M is formed on the wiring metal layer 131.
OS FET element substrate (7 × 7 × 0.28 mm) 101 is 8
It is installed individually. Further, a hole 125G having a diameter of 5.6 mm is provided in the end region of the composite member 125.

【0116】以上の主要部構成からなる本実施例絶縁型
半導体装置900は、更に他の部材と組み合わされてい
る。図25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を設けた複合部材125上にMOS FET素子基
体101が搭載されている。複合部材125は主端子3
0や補助端子31をあらかじめ設けたポリフェニルサル
ファイド樹脂ケース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3
0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の上部にはポリフェニルサ
ルファイド樹脂蓋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Sn−5wt%Sbはんだ113に
より固着されている。Sn−5wt%Sbはんだ113
による固着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Sn−
5wt%Sbはんだ124(図示を省略)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と複合部材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、射出成形法によってケ
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×12
mmの外寸法を有している。複合部材125はケース2
0,蓋21とともに絶縁型半導体装置900の外囲器を構
成して底蓋の役割を担い、複合部材125に設けられた
裏面金属層120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。
The insulated semiconductor device 900 of the present embodiment having the above-mentioned main structure is further combined with other members. FIG. 25 is a plan view and a cross-sectional schematic view illustrating the insulated semiconductor device of the present embodiment. The MOS FET element substrate 101 is mounted on the composite member 125 in which the wiring metal layer 131 is provided on the silicon nitride plate 110. The composite member 125 is the main terminal 3
0 and the auxiliary terminal 31 are mounted in the opening of the polyphenyl sulfide resin case 20 in which the 0 and the auxiliary terminal 31 are provided in advance. 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
Between 0, Al thin wire 117 is wire-bonded. A silicone gel resin 22 is filled in the case 20, and a polyphenyl sulfide resin lid 21 is provided on the case 20. Here, eight element bases 101 are fixed to the wiring metal layer 131 provided on the silicon nitride plate 110 with Sn-5 wt% Sb solder 113. Sn-5 wt% Sb solder 113
Is fixed in a low vacuum atmosphere using a paste solder material containing flux. Further, the temperature detecting thermistor element 34 is Sn− between the wiring metal layers 130c.
5 wt% Sb solder 124 (not shown) is brazed, and the wiring metal layer 130 c is connected to the auxiliary terminal 31 by the Al thin wire 117. Although not shown in the drawing, the case 20 and the composite member 125, and the case 20 and the lid 21 are fixed with a silicone adhesive resin 35. The thick portion of the lid 21 has a recess 25,
Each main terminal 30 is provided with a hole 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 molded in a predetermined shape in advance and plated with Ni, and are attached to the case 20 by an injection molding method. The insulated semiconductor device 900 of the present embodiment having the above configuration is 45 mm × 87 mm × 12.
It has an outer dimension of mm. The composite member 125 is the case 2
0 and the lid 21 constitute an envelope of the insulating semiconductor device 900 and play the role of a bottom lid, and the back surface metal layer 120 provided on the composite member 125 constitutes the surface of the bottom lid. In addition,
The case 20 is provided with a hole 125F for tightening a screw when the insulating semiconductor device 900 is attached to the casing.

【0117】絶縁型半導体装置900は図10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
900は最終的に、図11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 900 of this embodiment 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.

【0118】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複合部材を用い、本実施例
絶縁型半導体装置900と寸法が略近似した400A級
の絶縁型半導体装置も作製した。この比較用絶縁型半導
体装置に用いた複合部材は、厚さ0.63mmのAlN板
の両面に純度3NのAl溶湯を用いて配線金属層(厚
さ:0.4mm)及び裏面金属層(厚さ:0.05mm)を形
成したものである。また、複合部材ははんだ付けにより
Al−SiC複合材からなる支持板(厚さ:3mm)に搭載
されている。
In this example, for comparison, a composite member having the same member configuration as that of the first prior art is used, and a 400A class insulated semiconductor device whose dimensions are approximately similar to those of the insulated semiconductor device 900 of this embodiment is also used. It was made. The composite member used in this comparative insulated semiconductor device was manufactured by using an AlN plate having a thickness of 0.63 mm and a 3N-purity molten Al on both sides of a wiring metal layer (thickness: 0.4 mm) and a back metal layer (thickness: 0.4 mm). S: 0.05 mm). The composite member is mounted on a support plate (thickness: 3 mm) made of an Al-SiC composite material by soldering.

【0119】本実施例絶縁型半導体装置900は図12
と同等の過渡熱抵抗特性を示した。定常熱抵抗は0.3
5℃/Wである。この定常熱抵抗値は、4個のMOS
FET素子基体101がそれぞれ100Wの電力(合計4
00W)を消費した場合でも基体101は35deg しか
温度上昇せず、例えば支持部材125の温度が115℃
と過酷な環境下に搭載された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10
1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前記実施例1と同様に、(1)主
要な熱伝導路が熱伝導率の高い複合部材125のみで構
成され、(2)従来構造の絶縁型半導体装置のように支
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との接合界面が強固かつ緻密に接合され
ていて熱流が効率よく伝達されるためである。
The insulated semiconductor device 900 of this embodiment is shown in FIG.
It showed the same transient thermal resistance characteristics as. Steady-state thermal resistance is 0.3
It is 5 ° C / W. This steady thermal resistance value is 4 MOS
Each of the FET element bases 101 has a power of 100 W (total 4
00W), the temperature of the base 101 rises by only 35 deg.
It means that the insulated semiconductor device 900 can operate stably even when mounted in a harsh environment (element base 10
1 when the stable operating temperature is 150 ° C). The reason for exhibiting such excellent heat dissipation is that (1) the main heat conduction path is composed only of the composite member 125 having a high heat conductivity, and (2) the insulated semiconductor of the conventional structure, as in the first embodiment. There is no support plate or a solder layer for fixing it like the device, and (3) the solder layer 113 is brazed in a low vacuum atmosphere so that it is void-free, and (4) the back surface metal layer 120 is Al. It is formed by the flow of the alloy and is made void-free. (5) The bonding interface between the silicon nitride plate 110 and the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120 is firmly and densely bonded, and the heat flow is efficiently transmitted. Because it is done.

【0120】一方、比較用絶縁型半導体装置の熱抵抗は
0.35℃/W と本実施例絶縁型半導体装置900より
高い値を示した。比較用絶縁型半導体装置の配線金属層
や裏面金属層は高純度のAlを溶湯用の素材にしている
ため、窒化アルミニウム板に対するぬれ性が十分でな
く、強固かつ緻密な接合界面が形成されていない。この
結果、熱流が接合界面で伝達されにくくなる。比較試料
が高い熱抵抗を示したのはこのような理由による。
On the other hand, the thermal resistance of the comparative insulating semiconductor device was 0.35 ° C./W, which was higher than that of the insulating semiconductor device 900 of this embodiment. Since the wiring metal layer and the back metal layer of the comparative insulated semiconductor device are made of high-purity Al as the material for the molten metal, the wettability to the aluminum nitride plate is not sufficient and a strong and dense bonding interface is formed. Absent. As a result, it becomes difficult for the heat flow to be transferred at the bonding interface. It is for this reason that the comparative sample showed high thermal resistance.

【0121】本実施例絶縁型半導体装置900と比較用
試料には、−40〜125℃の温度サイクル試験が施さ
れた。この結果、本実施例絶縁型半導体装置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い
のに対し、比較試料は約1千サイクルから熱抵抗の上昇
を示した。本実施例絶縁型半導体装置900は、(1)選
択された厚さ構成の複合部材125が適用され、(2)
同質材料及び同一物性の配線金属層130と接合金属層
120で窒化珪素絶縁板110がサンドウイッチされて
いてこれらの層と窒化珪素絶縁板110の間の両接合界
面が同一の状態に保たれ、(3)界面はAl合金の添加
金属の窒化物により強固に接合され、(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、本実施例絶縁型半導体装置900が優れた
信頼性を示した理由である。一方、比較用試料の複合部
材も本実施例絶縁型半導体装置900とほぼ同じ厚さの
配線金属層や裏面金属層が形成されているにもかかわら
ず、放熱信頼性は大幅に劣っている。これは、配線金属
層や裏面金属層が純粋なAlで構成され、これらの界面
が強固に接合されず、接合界面の応力がアンバランスに
なっていることに基づく。
The insulated semiconductor device 900 of this example and the comparative sample were subjected to a temperature cycle test of −40 to 125 ° C. As a result, the insulated semiconductor device 900 of the present embodiment is 1
No increase in thermal resistance was observed in the test up to 10,000 cycles, whereas the comparative sample showed an increase in thermal resistance from about 1,000 cycles. The insulated semiconductor device 900 of the present embodiment is applied with (1) the composite member 125 having the selected thickness configuration, and (2)
The silicon nitride insulating plate 110 is sandwiched between the wiring metal layer 130 and the bonding metal layer 120 having the same material and the same physical properties, and both bonding interfaces between these layers and the silicon nitride insulating plate 110 are kept in the same state. (3) The interface is strongly bonded by the nitride of the added metal of the Al alloy, and (4) As a result, excessive stress and strain do not act unevenly on the bonding interface of the wiring metal layer 130 and the back surface metal layer 120, ( 5) The 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 insulated semiconductor device 900 of this embodiment has excellent reliability. On the other hand, even in the composite member of the comparative sample, although the wiring metal layer and the back surface metal layer having almost the same thickness as that of the insulated semiconductor device 900 of this embodiment are formed, the heat radiation reliability is significantly inferior. This is based on the fact that the wiring metal layer and the back surface metal layer are made of pure Al, and their interfaces are not firmly joined to each other, resulting in an unbalanced stress at the joint interface.

【0122】本実施例絶縁型半導体装置900には間欠
通電試験(複合部材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、本実施例絶縁型半導体装置90
0は3万サイクルまで初期値(0.35℃/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0.38℃/Wは越えることはなかった。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も、上述した(1)〜(5)の理由
に基づく。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
達した。比較試料が本実施例絶縁型半導体装置900よ
り劣る信頼性を示した理由は上述の温度サイクル試験の
場合と同様である。
The insulated semiconductor device 900 of this example was subjected to an intermittent current test (current is repeatedly applied so that the temperature of the composite member 125 changes from 30 to 100 ° C.), and the transition of thermal resistance was traced. As a result, the insulated semiconductor device 90 of this embodiment is obtained.
In 0, the thermal resistance equivalent to the initial value (0.35 ° C / W) was maintained up to 30,000 cycles. Although the thermal resistance gradually increased after 30,000 cycles, it did not exceed 0.38 ° C / W, which is defined as the life in the present invention, up to about 100,000 cycles. As described above, the insulated semiconductor device 900 according to the present embodiment exhibits excellent intermittent current withstand capability based on the reasons (1) to (5) described above. On the other hand, the thermal resistance of the comparative sample has an initial value of 0.35.
Although it was ℃ / W, it increased after 5,000 cycles and reached the life (0.53 ℃ / W) in about 10,000 cycles. The reason why the comparative sample showed inferior reliability to the insulated semiconductor device 900 of this example is the same as in the case of the above-mentioned temperature cycle test.

【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。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とほとんど変動しない。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
た。以上から、本実施例絶縁型半導体装置900は比較
試料に比べて、安定して優れた絶縁性が維持されること
が確認された。比較試料の絶縁性が劣化した主な理由
は、AlN板が配線金属層131に対応する部分で機械
的に破壊したためである。絶縁物が機械的に破壊する
と、その破壊部分で電界が極度に高くなり放電を生ず
る。比較試料では配線金属層や裏面金属層とAlN板の
接合界面の剥離を生じ、この剥離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。
この結果AlN板もクラック破壊する。コロナ放電電圧
が低下したのはこれらの剥離部やクラック破壊部で放電
を生じたことによる。これに対し、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12
0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。
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 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. 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 a constant value of about 1 kV after 30,000 cycles. Was shown. From the above, it was confirmed that the insulated semiconductor device 900 of this example maintained stable and excellent insulating properties as compared with the comparative sample. The main reason for the deterioration of the insulating property of the comparative sample is that the AlN plate was mechanically broken at the portion corresponding to the wiring metal layer 131. When the insulator mechanically breaks down, the electric field becomes extremely high at the broken part and a discharge occurs. In the comparative sample, peeling occurred at the joint interface between the wiring metal layer or the back surface metal layer and the AlN plate, and the wiring metal layer,
The balance between the appropriate thickness of the back metal layer and the AlN plate is lost.
As a result, the AlN plate also cracks. The decrease in the corona discharge voltage is due to the occurrence of discharge at these peeling parts and crack breaking parts. On the other hand, in the insulated semiconductor device 900 of this embodiment, the wiring metal layer 130 and the back metal layer 12 are formed.
0 is strongly bonded, and no excessive stress acts on this bonding interface. Therefore, 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.
Excellent insulation is maintained.

【0124】更に、本実施例絶縁型半導体装置900の
複合部材のそり量は±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、複合部材125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、複合部
材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。
Further, the warpage amount of the composite member of the insulated semiconductor device 900 of the present embodiment was ± 20 μm (+: convex on the wiring metal layer side, −: convex on the back metal layer side), showing extremely excellent flatness. The reason is that the warp (+) due to the bimetal effect between the silicon nitride plate 110 and the back surface metal layer 120 in the peripheral region of the composite member 125 is opposite to the warp due to the bimetal effect between the silicon nitride plate 110 and the peripheral metal layer 133. This is because the warp (-) in the direction is compensated. This point is particularly preferable in the case of an insulating semiconductor device in which the composite member 125 is screwed.

【0125】本実施例絶縁型半導体装置900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。この試験による複合部材
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、複合
部材125の裏面金属層120が窒化珪素板110の補
強材として機能すること、複合部材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。以上より、前記実施例1の絶縁型半導体
装置より締め付け破壊耐量が増していることが確認され
た。
The insulation type semiconductor device 900 of this embodiment was subjected to the same tightening test as that of the first embodiment under a screw tightening torque of 50 kgf-cm. Composite parts from this test
No mechanical damage to 125 or deterioration of the electrical function of the insulated semiconductor device 900 was observed in any of the samples (10 pieces) put in. In addition to the above (1) to (5), this is because the back surface metal layer 120 of the composite member 125 functions as a reinforcing material for the silicon nitride plate 110, and the peripheral metal layer 133 of the composite member 125 also includes the silicon nitride plate 110. Based on functioning as a reinforcing material. From the above, it was confirmed that the tightening fracture resistance is higher than that of the insulated semiconductor device of the first embodiment.

【0126】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、複合部材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、複合部材
125の裏面金属層120が窒化珪素板110の補強材
として機能すること、複合部材125の周辺金属層13
3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 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 composite member 125 or deterioration of the electrical function of the insulating semiconductor device 900 was observed in any of the individual pieces. In addition to the above (1) to (5), this is because the back surface metal layer 120 of the composite member 125 functions as a reinforcing material for the silicon nitride plate 110, and the peripheral metal layer 13 of the composite member 125.
3 is also based on the fact that it also functions as a reinforcing material for the silicon nitride plate 110.

【0127】本実施例絶縁型半導体装置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 of this embodiment was incorporated into various devices similar to those of the first embodiment, and excellent performance and reliability were confirmed.

【0128】〔実施例6〕本実施例では他形態絶縁型半
導体装置について説明する。この絶縁型半導体装置90
0は前記実施例5と同様の機能を有する。
[Embodiment 6] In this embodiment, another form insulating semiconductor device will be described. This insulating semiconductor device 90
0 has the same function as that in the fifth embodiment.

【0129】図26は本実施例で用いた複合部材の詳細
を説明する平面図及び断面図である。複合部材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. 26 is a plan view and a sectional view for explaining the details of the composite member used in this embodiment. Since the composite member 125 is basically the same as that of the fifth embodiment, detailed description thereof will be omitted and only different points will be described. Peripheral metal layer 133
And the area of the back surface metal layer 120 is narrowed to reduce the silicon nitride plate 110.
Is formed so that the silicon nitride plate 110 is exposed in the end region and the region of the hole 125G.

【0130】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133
の間の剥離耐量が向上する。複合部材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。
With such a structure, the silicon nitride plate 110, the peripheral metal layer 133, and the back surface metal layer 133 are formed.
The peel resistance between the two is improved. When the composite member 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.

【0131】以上の複合部材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 of the fifth embodiment was manufactured using the above composite member 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, further excellent reliability can be secured. 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.

【0132】〔実施例7〕本実施例では他形態絶縁型半
導体装置について説明する。この絶縁型半導体装置90
0は前記実施例1と同様の機能を有する。
[Embodiment 7] In this embodiment, another form insulating semiconductor device will be described. This insulating semiconductor device 90
0 has the same function as in the first embodiment.

【0133】図27は本実施例で用いた複合部材の詳細
を説明する断面模式図である。複合部材125は前記実
施例1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130,13
2及び裏面金属層133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150が設け
られている。この傾斜により窒化珪素板110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. 27 is a schematic sectional view for explaining the details of the composite member used in this example. Since the composite member 125 is basically the same as that of the first embodiment, detailed description thereof will be omitted and only different points will be described. Wiring metal layers 130, 13
2 and an end of the back metal layer 133 is provided with an inclination 150 of about 60 ° (an angle formed with the main surface of the silicon nitride plate 110). Due to this inclination, stress concentrated on the end portion of the bonding interface between the silicon nitride plate 110, the wiring metal layers 130 and 132, and the back surface metal layer 120 is reduced.

【0134】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。複合
部材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。
By adopting such a structure, the silicon nitride plate 110 is cracked and the wiring metal layers 130, 1 are formed.
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.

【0135】以上の複合部材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1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 by using the above composite member 125. As a result, it was confirmed that the performance of the insulated semiconductor device 900 was equivalent to that of the first 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 insulated semiconductor device 900 of the present embodiment, further excellent 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.

【0136】[0136]

【発明の効果】本発明にによれば、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、放熱性が優れるとともに信頼
性が高く、低コストの絶縁型半導体装置を提供すること
ができる。
According to the present invention, the thermal stress or strain generated during manufacturing or operation is reduced, and the deformation of each member,
It is possible to provide a low-cost insulated semiconductor device that is free from denaturation and destruction, has excellent heat dissipation, is highly reliable, and is low cost.

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

【図1】本発明絶縁型半導体装置の基本構造を説明する
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 a basic structure of an insulating semiconductor device of the present invention.

【図2】本発明絶縁型半導体装置用の複合部材の断面模
式図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a composite member for an insulating semiconductor device of the present invention.

【図3】本発明絶縁型半導体装置に適用される複合部材
の製造工程と従来の主要部材製造工程との比較を示す図
である。
FIG. 3 is a diagram showing a comparison between a manufacturing process of a composite member applied to the insulated semiconductor device of the present invention and a conventional main member manufacturing process.

【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の主要部を説明する
鳥瞰模式図である。
FIG. 8 is a schematic bird's-eye view illustrating a main part of an insulated semiconductor device according to an embodiment.

【図9】複合部材の詳細を説明する平面図及び断面図で
ある。
9A and 9B are a plan view and a cross-sectional view illustrating details of a composite member.

【図10】絶縁型半導体装置の回路を説明する図であ
る。
FIG. 10 is a diagram illustrating a circuit of an insulating semiconductor device.

【図11】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. 11 is a diagram illustrating a circuit of an inverter device incorporating an insulating semiconductor device.

【図12】一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。
FIG. 12 is a graph showing transient thermal resistance characteristics of an insulated semiconductor device according to an example.

【図13】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. 13 is a graph illustrating the transition of thermal resistance due to the intermittent energization test.

【図14】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. 14 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15】他実施例の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. 15 is a plan view, a cross-sectional view, and a circuit diagram illustrating an insulated semiconductor device of another embodiment.

【図16】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. 16 is a graph illustrating transient thermal resistance characteristics of another example insulated semiconductor device.

【図17】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. 17 is a block diagram illustrating a power supply circuit device in which an insulated semiconductor device according to another embodiment is incorporated.

【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】他実施例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 insulated semiconductor device according to another embodiment.

【図21】他実施例絶縁型半導体装置の複合部材を説明
する平面及び断面模式図,回路図である。
21A and 21B are a plan view, a cross-sectional schematic diagram, and a circuit diagram illustrating a composite member of an insulated semiconductor device of another embodiment.

【図22】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. 22 is a graph illustrating transient thermal resistance characteristics of another example insulated semiconductor device.

【図23】他実施例絶縁型半導体装置が組み込まれたD
C/DCコンバータを説明するブロック図である。
FIG. 23 is a diagram showing a D in which an insulated semiconductor device according to another embodiment is incorporated.
It is a block diagram explaining a C / DC converter.

【図24】他実施例で用いた複合部材の詳細を説明する
平面図及び断面図である。
FIG. 24 is a plan view and a cross-sectional view illustrating details of a composite member used in another example.

【図25】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. 25 is a schematic plan view and cross-sectional view illustrating an insulated semiconductor device according to another embodiment.

【図26】他実施例で用いた複合部材の詳細を説明する
平面図及び断面図である。
FIG. 26 is a plan view and a cross-sectional view illustrating details of a composite member used in another example.

【図27】他実施例で用いた複合部材の詳細を説明する
断面模式図である。
FIG. 27 is a schematic sectional view illustrating details of a composite member used in another example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,10a…制御回路、11…チップ部品、15,1
12…チップ抵抗、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…ポリフェニルサルファイド樹脂ケー
ス,ガラスエポキシ板、21…ポリフェニルサルファイ
ド樹脂蓋、22…シリコーンゲル樹脂,エポキシ樹脂、
22a…エポキシ樹脂、25…凹み、30…主端子、3
0′,125F,125G…穴、30a…ゲート端子、
30b…ドレイン端子、30c…ソース端子、30in…
入力主端子、30out …出力主端子、31…補助端子、
33…電気的中継部材、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、
101A…ブロック、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、113,12
4…はんだ、117,117′…Al細線、120…裏
面金属層、125,125a,125b…複合部材,支
持部材、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、
960…電動機。
10, 10a ... Control circuit, 11 ... Chip parts, 15, 1
12 ... Chip resistor, 16 ... IC chip base, 17 ... Capacitor chip, 18 ... Glass sleeve type Zener diode chip, 20 ... Polyphenyl sulfide resin case, glass epoxy plate, 21 ... Polyphenyl sulfide resin lid, 22 ... Silicone gel resin ,Epoxy resin,
22a ... Epoxy resin, 25 ... Recess, 30 ... Main terminal, 3
0 ', 125F, 125G ... hole, 30a ... gate terminal,
30b ... Drain terminal, 30c ... Source terminal, 30in ...
Input main terminal, 30out ... Output main terminal, 31 ... Auxiliary terminal,
33 ... Electrical relay member, 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,
101A ... Block, 110 ... Ceramics plate, silicon nitride plate, aluminum nitride plate, alumina plate, 113, 12
4 ... Solder 117, 117 '... Al fine wire, 120 ... Back side metal layer, 125, 125a, 125b ... Composite member, support member, 130, 131, 132, 130c ... Wiring metal layer, 133 ... Peripheral metal layer, 150 ... Inclination, 203 ... Cu
Wiring, 900 ... Insulated semiconductor device, 910 ... Block,
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   ─────────────────────────────────────────────────── ─── 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

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基体と前記半導体基体を搭載する複
合基材であって、セラミックス板の一方の面に設けられ
た配線金属層と前記セラミックス板の他方の面が裏面金
属層はアルミニウム(Al)合金で構成された複合基材
と、上記複合基材を保持する開口部を有する外囲器と、
上記外囲器の少なくとも一方の面であって、前記半導体
基体を含んで樹脂封止する樹脂部とを有し、前記配線金
属層には前記半導体基体が固着され、前記裏面金属層は
前記外囲器の底蓋となることを特徴とする絶縁型半導体
装置。
1. A semiconductor substrate and a composite substrate on which the semiconductor substrate is mounted, wherein a wiring metal layer provided on one surface of a ceramic plate and the other surface of the ceramic plate are made of aluminum (Al). ) A composite base material made of an alloy, and an envelope having an opening for holding the composite base material,
On at least one surface of the envelope, a resin portion including the semiconductor base and sealing with a resin is provided, the semiconductor base is fixed to the wiring metal layer, and the back surface metal layer is the outer surface. An insulated semiconductor device, which is a bottom cover of an enclosure.
【請求項2】半導体基体と前記半導体基体を搭載する複
合基材であって、厚さ0.25〜1.0mmのセラミックス板
の一方の面に設けられた厚さ0.1〜1.2mmの配線金属
層と前記セラミックス板の他方の面が厚さ0.25〜0.
5mmの裏面金属層はアルミニウム(Al)合金で構成さ
れた複合基材と、上記複合基材を保持する開口部を有す
る外囲器と、上記外囲器の少なくとも一方の面であっ
て、前記半導体基体を含んで樹脂封止する樹脂部とを有
し、前記配線金属層には前記半導体基体が固着され、前
記裏面金属層は前記外囲器の底蓋となることを特徴とす
る絶縁型半導体装置。
2. A semiconductor substrate and a composite substrate on which the semiconductor substrate is mounted, 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. The other surface of the wiring metal layer and the ceramic plate has a thickness of 0.25 to 0.2.
The backside metal layer of 5 mm is a composite base material made of an aluminum (Al) alloy, an envelope having an opening for holding the composite base material, and at least one surface of the envelope. An insulating type, comprising: a resin portion including a semiconductor substrate for resin sealing, the semiconductor substrate being fixed to the wiring metal layer, and the back surface metal layer serving as a bottom lid of the envelope. Semiconductor device.
【請求項3】半導体基体と前記半導体基体を搭載する複
合基材であって、セラミックス板の一方の面に設けられ
た配線金属層と前記セラミックス板の他方の面が裏面金
属層はアルミニウム(Al)合金で構成された複合基材
と、上記複合基材を保持する開口部を有する外囲器と、
所定の制御を行う半導体素子からなる回路部と、上記外
囲器の少なくとも一方の面であって、前記半導体基体及
び前記回路部を含んで樹脂封止する樹脂部とを有し、前
記配線金属層には前記半導体基体及び前記回路部が固着
され、前記裏面金属層は前記外囲器の底蓋となることを
特徴とする絶縁型半導体装置。
3. A semiconductor substrate and a composite substrate on which the semiconductor substrate is mounted, wherein a wiring metal layer provided on one side of a ceramic plate and the other side of the ceramic plate are made of aluminum (Al). ) A composite base material made of an alloy, and an envelope having an opening for holding the composite base material,
The wiring metal has a circuit portion formed of a semiconductor element that performs a predetermined control, and a resin portion that is at least one surface of the envelope and is resin-sealed including the semiconductor substrate and the circuit portion. The semiconductor substrate and the circuit portion are fixed to a layer, and the back surface metal layer serves as a bottom lid of the envelope.
【請求項4】半導体基体と前記半導体基体を搭載する複
合基材であって、セラミックス板の一方の面に設けられ
た配線金属層と前記セラミックス板の他方の面が裏面金
属層はアルミニウム(Al)合金で構成された複合基材
と、上記複合基材を保持する開口部を有する外囲器と、
所定の制御を行う半導体素子からなる回路部と、前記半
導体基体と前記回路部とを電気的に接続する第1の配線
部と、前記回路部と外部とを電気的に接続する第2の配
線部と、上記外囲器の少なくとも一方の面であって、前
記半導体基体及び前記回路部を含んで樹脂封止する樹脂
部とを有し、前記配線金属層には前記半導体基体及び前
記回路部が固着され、前記裏面金属層は前記外囲器の底
蓋となることを特徴とする絶縁型半導体装置。
4. A semiconductor substrate and a composite substrate on which the semiconductor substrate is mounted, wherein a wiring metal layer provided on one side of the ceramic plate and the other side of the ceramic plate are made of aluminum (Al). ) A composite base material made of an alloy, and an envelope having an opening for holding the composite base material,
A circuit section including a semiconductor element that performs predetermined control, a first wiring section that electrically connects the semiconductor substrate and the circuit section, and a second wiring that electrically connects the circuit section and the outside. And a resin portion which is at least one surface of the envelope and is resin-sealed including the semiconductor substrate and the circuit portion, and the wiring metal layer includes the semiconductor substrate and the circuit portion. And the back metal layer serves as a bottom lid of the envelope.
【請求項5】請求項4において、前記第2の配線部は、
外部と接続される端子部と前記回路部と前記端子部とを
接続する第3の配線部とを有することを特徴とする絶縁
型半導体装置。
5. The second wiring portion according to claim 4,
An insulating semiconductor device, comprising: a terminal portion connected to the outside, a third wiring portion connecting the circuit portion and the terminal portion.
【請求項6】半導体基体と前記半導体基体を搭載する複
合基材であって、セラミックス板の一方の面に設けられ
た配線金属層と前記セラミックス板の他方の面が裏面金
属層はアルミニウム(Al)合金で構成された複合基材
と、上記複合基材を保持する開口部を有する外囲器と、
上記外囲器のすくなくとも一方の面に搭載された前記半
導体基体を含んで樹脂封止する樹脂部と、上記外囲器の
開口部を閉じる上蓋部とを有し、前記配線金属層には前
記半導体基体が固着され、前記裏面金属層は前記外囲器
の底蓋となることを特徴とする絶縁型半導体装置。
6. A semiconductor substrate and a composite substrate on which the semiconductor substrate is mounted, wherein a wiring metal layer provided on one surface of a ceramic plate and the other surface of the ceramic plate are made of aluminum (Al). ) A composite base material made of an alloy, and an envelope having an opening for holding the composite base material,
A resin portion including the semiconductor substrate mounted on at least one surface of the envelope for resin-sealing, and an upper lid portion for closing the opening of the envelope, and the wiring metal layer has the An insulating semiconductor device, wherein a semiconductor substrate is fixed, and the back metal layer serves as a bottom cover of the envelope.
【請求項7】請求項1乃至6のいずれか1項において、
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。
7. The method according to any one of claims 1 to 6,
The insulating semiconductor device, wherein the ceramic plate contains at least one of silicon nitride, aluminum nitride, and alumina.
【請求項8】請求項1乃至6のいずれか1項において、
前記配線金属層と前記裏面金属層の形成のための溶湯に
は、アルミニウムにSi,Ge,Mn,Mg,Au,A
g,Ca,Cu,Ni,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。
8. The method according to any one of claims 1 to 6,
The molten metal for forming the wiring metal layer and the back surface metal layer includes aluminum containing Si, Ge, Mn, Mg, Au, and A.
g, Ca, Cu, Ni, Pd, Sb, Te, Ti, V,
An insulating semiconductor device comprising at least one of Zn and Zr metals.
【請求項9】請求項1乃至6のいずれか1項において、
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。
9. The method according to any one of claims 1 to 6,
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.
【請求項10】請求項1乃至7のいずれか1項におい
て、半導体基体を固着するために前記配線金属層上にS
n又はPb,Sn,Sb,Zn,Cu,Ni,Au,A
g,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
らなる合金を有することを特徴とする絶縁型半導体装
置。
10. The S according to claim 1, which is provided on the wiring metal layer for fixing a semiconductor substrate.
n or Pb, Sn, Sb, Zn, Cu, Ni, Au, A
g, P, Bi, In, Mn, Mg, Si, Ge, Ti,
An insulating semiconductor device comprising an alloy composed of at least two metals of Zr, V, Hf or Pd.
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