JP2503778B2 - 半導体装置用基板 - Google Patents
半導体装置用基板Info
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- JP2503778B2 JP2503778B2 JP25294488A JP25294488A JP2503778B2 JP 2503778 B2 JP2503778 B2 JP 2503778B2 JP 25294488 A JP25294488 A JP 25294488A JP 25294488 A JP25294488 A JP 25294488A JP 2503778 B2 JP2503778 B2 JP 2503778B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- plate material
- semiconductor device
- substrate
- heat sink
- alloy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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- Joining Of Glass To Other Materials (AREA)
- Insulated Metal Substrates For Printed Circuits (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体装置の高集積化および大電力化に
十分対応することができる半導体装置用基板に関するも
のである。
十分対応することができる半導体装置用基板に関するも
のである。
従来、一般に、半導体装置用基板としては、例えば第
２図に概略説明図で示されるように、酸化アルミニウム
（Al2O3）焼結体からなる絶縁板材Ｃ′の上下両面に、C
u薄板材Ｂ′を液相接合し、この液相接合は、例えば前
記Cu薄板材の接合面に酸化銅（Cu2O）を形成しておき、
前記Al2O3製絶縁板材と重ね合わせた状態で、1065〜108
5℃に加熱して接合面に前記Cu2OとCuとの間で液相を発
生させて結合する方法であり、また前記Cu薄板材のう
ち、Al2O3製絶縁板材Ｃ′の上面側が回路形成用導体と
なり、同下面側がはんだ付け用となるものであり、この
状態で、通常Pb-Sn合金からなるはんだ材（融点:450℃
以下をはんだという）Ｄ′を用いて、Cuからなるヒート
シンク板材Ａ′に接合してなる構造をもつことが知られ
ている。
２図に概略説明図で示されるように、酸化アルミニウム
（Al2O3）焼結体からなる絶縁板材Ｃ′の上下両面に、C
u薄板材Ｂ′を液相接合し、この液相接合は、例えば前
記Cu薄板材の接合面に酸化銅（Cu2O）を形成しておき、
前記Al2O3製絶縁板材と重ね合わせた状態で、1065〜108
5℃に加熱して接合面に前記Cu2OとCuとの間で液相を発
生させて結合する方法であり、また前記Cu薄板材のう
ち、Al2O3製絶縁板材Ｃ′の上面側が回路形成用導体と
なり、同下面側がはんだ付け用となるものであり、この
状態で、通常Pb-Sn合金からなるはんだ材（融点:450℃
以下をはんだという）Ｄ′を用いて、Cuからなるヒート
シンク板材Ａ′に接合してなる構造をもつことが知られ
ている。
しかし、近年の半導体装置の高集積化および大電力化
によって半導体装置に発生する熱量が増大するようにな
り、これに伴って半導体装置が受ける発熱・冷却の繰り
返しからなる温度サイクルもその振幅が大きく、苛酷に
なる傾向にあるが、上記した構造の従来半導体装置用基
板では、このような苛酷な温度サイクルにさらされる
と、例えば純度:96％のAl2O3焼結体の熱膨張係数が６×
10-6／℃、Cuのそれが17.2×10-6／℃であるように、Al
2O3製絶縁板材Ｃ′とCu薄板材Ｂ′との間に存在する大
きな熱膨張差によって、延性のないAl2O3製絶縁板材に
は割れが発生し易くなるばかりでなく、はんだ材Ｄ′に
は、熱疲労が発生し易く、このはんだ材層に剥離現象が
生じるようになり、この状態になると半導体装置内に発
生した熱のヒートシンク板材Ａ′からの放熱を満足に行
なうことができなくなるという問題が発生し、かかる点
で半導体装置の高集積化および大電力化に十分対応する
ことができないのが現状である。
によって半導体装置に発生する熱量が増大するようにな
り、これに伴って半導体装置が受ける発熱・冷却の繰り
返しからなる温度サイクルもその振幅が大きく、苛酷に
なる傾向にあるが、上記した構造の従来半導体装置用基
板では、このような苛酷な温度サイクルにさらされる
と、例えば純度:96％のAl2O3焼結体の熱膨張係数が６×
10-6／℃、Cuのそれが17.2×10-6／℃であるように、Al
2O3製絶縁板材Ｃ′とCu薄板材Ｂ′との間に存在する大
きな熱膨張差によって、延性のないAl2O3製絶縁板材に
は割れが発生し易くなるばかりでなく、はんだ材Ｄ′に
は、熱疲労が発生し易く、このはんだ材層に剥離現象が
生じるようになり、この状態になると半導体装置内に発
生した熱のヒートシンク板材Ａ′からの放熱を満足に行
なうことができなくなるという問題が発生し、かかる点
で半導体装置の高集積化および大電力化に十分対応する
ことができないのが現状である。
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、半導
体装置の高集積化および大電力化に対応することができ
る半導体装置用基板を開発すべく研究を行なった結果、
半導体装置用基板を、第１図に概略説明図で示されるよ
うに、結合材としてシリケート系ガラスまたはりん酸系
ガラスなどの酸化物系ガラスを用い、この酸化物系ガラ
ス層Ｅを介して、いずれもCuまたはCu合金からなる回路
形成用薄板材Ｂとヒートシンク板材Ａとを接合した構造
をもつものとすると、前記薄板材Ｂとヒートシンク板材
Ａとは上記酸化物系ガラス層によって強固に接合され、
さらに前記酸化物系ガラス層Ｅは、高い絶縁抵抗をもつ
ので、基板に要求される特性をすべて具備したものにな
ると共にに、前記薄板材Ｂおよびヒートシンク板材Ａを
構成するCuおよびCu合金と近似する10〜16×10-6／℃の
熱膨張係数（ちなみにCuの熱膨張係数は上記の通り17.2
×10-6／℃、また例えばCu-10％Ｗ合金のそれは15.2×1
0-6／℃）をもつことから、基板が苛酷な温度サイクル
にさらされても上記薄板材Ｂ、酸化物系ガラス層Ｅ、お
よびヒートシンク板材Ａ間に熱疲労が原因の剥離や割れ
の発生がなく、すぐれた熱の拡散性と放熱性を発揮する
ようになるという知見を得たのである。
体装置の高集積化および大電力化に対応することができ
る半導体装置用基板を開発すべく研究を行なった結果、
半導体装置用基板を、第１図に概略説明図で示されるよ
うに、結合材としてシリケート系ガラスまたはりん酸系
ガラスなどの酸化物系ガラスを用い、この酸化物系ガラ
ス層Ｅを介して、いずれもCuまたはCu合金からなる回路
形成用薄板材Ｂとヒートシンク板材Ａとを接合した構造
をもつものとすると、前記薄板材Ｂとヒートシンク板材
Ａとは上記酸化物系ガラス層によって強固に接合され、
さらに前記酸化物系ガラス層Ｅは、高い絶縁抵抗をもつ
ので、基板に要求される特性をすべて具備したものにな
ると共にに、前記薄板材Ｂおよびヒートシンク板材Ａを
構成するCuおよびCu合金と近似する10〜16×10-6／℃の
熱膨張係数（ちなみにCuの熱膨張係数は上記の通り17.2
×10-6／℃、また例えばCu-10％Ｗ合金のそれは15.2×1
0-6／℃）をもつことから、基板が苛酷な温度サイクル
にさらされても上記薄板材Ｂ、酸化物系ガラス層Ｅ、お
よびヒートシンク板材Ａ間に熱疲労が原因の剥離や割れ
の発生がなく、すぐれた熱の拡散性と放熱性を発揮する
ようになるという知見を得たのである。
この発明は、上記知見にもとづいてなされたものであ
って、CuまたはCu合金からなるヒートシンク板材の片面
に、CuまたはCu合金と近似した熱膨張係数を有する、望
ましくはシリケート系ガラスまたはりん酸系ガラスから
なる酸化物系ガラス絶縁層を介して、CuまたはCu合金か
らなる回路形成用薄板材を接合してなる半導体装置用基
板に特徴を有するものである。
って、CuまたはCu合金からなるヒートシンク板材の片面
に、CuまたはCu合金と近似した熱膨張係数を有する、望
ましくはシリケート系ガラスまたはりん酸系ガラスから
なる酸化物系ガラス絶縁層を介して、CuまたはCu合金か
らなる回路形成用薄板材を接合してなる半導体装置用基
板に特徴を有するものである。
つぎに、この発明の半導体装置用基板を実施例により
具体的に説明する。
具体的に説明する。
いずれも第１表に示される材質を有し、かつ幅:50mm
×厚さ:3mm×長さ:75mmの寸法をもったヒートシンク板
材Ａ、および幅:45mm×厚さ:0.3mm×長さ:70mmの寸法を
もった回路形成用薄板材Ｂ、さらに同じく第１表に示さ
れる組成、溶融点、および熱膨張係数を有するシリケー
ト系ガラスおよびりん酸系ガラスからなる酸化物系ガラ
スを用意し、第１表に示される組合せにおいて、まず、
第１図に示される通り、ヒートシンク板材Ａの深さ:1mm
の上面凹みに前記酸化物系ガラスのペーストの状態で所
定の厚さに塗布した後、窒素雰囲気中で、それぞれ第１
表に示される温度に加熱して前記酸化物系ガラスを溶融
または半溶融状態とし、冷却して厚さ:1mmの酸化物系ガ
ラス絶縁層Ｅを焼付け形成し、ついで前記酸化物系ガラ
ス絶縁層Ｅの上に回路形成用薄板材Ｂを重ね合わせ、１
kg/cm2の荷重を付加した状態で、窒素雰囲気中、同じく
第１表に示される温度に加熱して前記薄板材Ｂを酸化物
系ガラス絶縁層Ｄを介してヒートシンク板材Ａに接合す
ることにより本発明基板１〜10をそれぞれ製造した。
×厚さ:3mm×長さ:75mmの寸法をもったヒートシンク板
材Ａ、および幅:45mm×厚さ:0.3mm×長さ:70mmの寸法を
もった回路形成用薄板材Ｂ、さらに同じく第１表に示さ
れる組成、溶融点、および熱膨張係数を有するシリケー
ト系ガラスおよびりん酸系ガラスからなる酸化物系ガラ
スを用意し、第１表に示される組合せにおいて、まず、
第１図に示される通り、ヒートシンク板材Ａの深さ:1mm
の上面凹みに前記酸化物系ガラスのペーストの状態で所
定の厚さに塗布した後、窒素雰囲気中で、それぞれ第１
表に示される温度に加熱して前記酸化物系ガラスを溶融
または半溶融状態とし、冷却して厚さ:1mmの酸化物系ガ
ラス絶縁層Ｅを焼付け形成し、ついで前記酸化物系ガラ
ス絶縁層Ｅの上に回路形成用薄板材Ｂを重ね合わせ、１
kg/cm2の荷重を付加した状態で、窒素雰囲気中、同じく
第１表に示される温度に加熱して前記薄板材Ｂを酸化物
系ガラス絶縁層Ｄを介してヒートシンク板材Ａに接合す
ることにより本発明基板１〜10をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、第２図に示されるように、 絶縁板材Ｃ′として幅:50mm×厚さ:0.63mm×長さ:75mm
の寸法をもった純度96％のAl2O3焼結体を、また回路形
成用およびはんだ付け用として、幅:45mm×厚さ:0.3mm
×長さ:70mmの寸法をもった無酸素銅薄板材Ｂ′（２
枚）をそれぞれ用意し、これら両者を重ね合わせた状態
で、酸素:1容量％含有のAr雰囲気中、温度:1075℃に50
分間保持の条件で加熱し、前記酸化性雰囲気によって形
成したCu2OとCuとの共晶による液相を接合面に発生させ
て接合し、ついでこの接合体を厚さ:300μｍのPb-60％S
n合金からなるはんだ材Ｄ′を用いて、幅:50mm×厚さ:3
mm×長さ:75mmの寸法をもった無酸素銅からなるヒート
シンク板材Ａ′の片面にはんだ付けすることにより従来
基板を製造した。
の寸法をもった純度96％のAl2O3焼結体を、また回路形
成用およびはんだ付け用として、幅:45mm×厚さ:0.3mm
×長さ:70mmの寸法をもった無酸素銅薄板材Ｂ′（２
枚）をそれぞれ用意し、これら両者を重ね合わせた状態
で、酸素:1容量％含有のAr雰囲気中、温度:1075℃に50
分間保持の条件で加熱し、前記酸化性雰囲気によって形
成したCu2OとCuとの共晶による液相を接合面に発生させ
て接合し、ついでこの接合体を厚さ:300μｍのPb-60％S
n合金からなるはんだ材Ｄ′を用いて、幅:50mm×厚さ:3
mm×長さ:75mmの寸法をもった無酸素銅からなるヒート
シンク板材Ａ′の片面にはんだ付けすることにより従来
基板を製造した。
つぎに、この結果得られた本発明基板１〜８および従
来基板に対して、温度:150℃に加熱後、−55℃に冷却を
１サイクルとする繰り返し加熱冷却試験を行ない、本発
明基板については、薄板材Ｂとヒートシンク板材Ａ間
に、また従来基板については、Cu薄板材Ｂ′とヒートシ
ンク板材Ａ′間にそれぞれ剥離が発生するまでのサイク
ル数を20サイクル毎に観察し、測定した。これらの結果
を第１表に示した。
来基板に対して、温度:150℃に加熱後、−55℃に冷却を
１サイクルとする繰り返し加熱冷却試験を行ない、本発
明基板については、薄板材Ｂとヒートシンク板材Ａ間
に、また従来基板については、Cu薄板材Ｂ′とヒートシ
ンク板材Ａ′間にそれぞれ剥離が発生するまでのサイク
ル数を20サイクル毎に観察し、測定した。これらの結果
を第１表に示した。
第１表に示される結果から明らかなように、本発明基
板１〜10は、苛酷な条件下での加熱・冷却の繰り返しに
よっても、剥離の発生がないので、すぐれた熱伝導性お
よび放熱性を示すのに対して、従来基板においては比較
的早期に剥離が発生し、かつ絶縁板材Ｃ′にはすべてに
割れが発生していた。
板１〜10は、苛酷な条件下での加熱・冷却の繰り返しに
よっても、剥離の発生がないので、すぐれた熱伝導性お
よび放熱性を示すのに対して、従来基板においては比較
的早期に剥離が発生し、かつ絶縁板材Ｃ′にはすべてに
割れが発生していた。
上述のように、この発明の半導体装置用基板は、苛酷
な温度サイクルによっても剥離や割れの発生がなく、す
ぐれた熱伝導性および放熱性を示すので、半導体装置の
高集積化および大電力化に十分に対応することができる
きわめて信頼性の高いものである。
な温度サイクルによっても剥離や割れの発生がなく、す
ぐれた熱伝導性および放熱性を示すので、半導体装置の
高集積化および大電力化に十分に対応することができる
きわめて信頼性の高いものである。
第１図は本発明半導体装置用基板の概略説明図、第２図
は従来半導体装置用基板の概略説明図である。 A,A′……ヒートシンク板材、B,B′……薄板材、Ｃ′…
…絶縁板材、Ｄ′……はんだ材、Ｅ……酸化物系ガラス
絶縁層。
は従来半導体装置用基板の概略説明図である。 A,A′……ヒートシンク板材、B,B′……薄板材、Ｃ′…
…絶縁板材、Ｄ′……はんだ材、Ｅ……酸化物系ガラス
絶縁層。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−289950（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−65653（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−226645（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−30042（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−94648（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】CuまたはCu合金からなるヒートシンク板材
の片面に、CuまたはCu合金と近似した熱膨張係数を有す
る酸化物系ガラス絶縁層を介して、CuまたはCu合金から
なる回路形成用薄板材を接合してなる半導体装置用基
板。 - 【請求項２】上記酸化物系ガラス絶縁層が、シリケート
系ガラスまたはりん酸系ガラスからなることを特徴とす
る上記特許請求の範囲第（１）項記載の半導体装置用基
板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25294488A JP2503778B2 (ja) | 1988-10-07 | 1988-10-07 | 半導体装置用基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25294488A JP2503778B2 (ja) | 1988-10-07 | 1988-10-07 | 半導体装置用基板 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02100346A JPH02100346A (ja) | 1990-04-12 |
| JP2503778B2 true JP2503778B2 (ja) | 1996-06-05 |
Family
ID=17244332
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25294488A Expired - Lifetime JP2503778B2 (ja) | 1988-10-07 | 1988-10-07 | 半導体装置用基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2503778B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006132222A1 (ja) | 2005-06-07 | 2006-12-14 | Fujikura Ltd. | 発光素子実装用基板、発光素子モジュール、照明装置、表示装置及び交通信号機 |
| WO2017217149A1 (ja) * | 2016-06-14 | 2017-12-21 | 株式会社デンソー | 半導体装置 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0703612B1 (en) * | 1994-09-20 | 1998-11-25 | STMicroelectronics S.r.l. | Method for electrically insulating heat sinks in electronic power devices |
| JP3676268B2 (ja) | 2001-08-01 | 2005-07-27 | 株式会社日立製作所 | 伝熱構造体及び半導体装置 |
-
1988
- 1988-10-07 JP JP25294488A patent/JP2503778B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006132222A1 (ja) | 2005-06-07 | 2006-12-14 | Fujikura Ltd. | 発光素子実装用基板、発光素子モジュール、照明装置、表示装置及び交通信号機 |
| US7699500B2 (en) | 2005-06-07 | 2010-04-20 | Fujikura Ltd. | Light-emitting element mounting board, light-emitting element module, lighting device, display device, and traffic signal equipment |
| WO2017217149A1 (ja) * | 2016-06-14 | 2017-12-21 | 株式会社デンソー | 半導体装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02100346A (ja) | 1990-04-12 |
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