JP2525873B2 - Connection structure between semiconductor device parts - Google Patents

Connection structure between semiconductor device parts

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JP2525873B2 JP63186435A JP18643588A JP2525873B2 JP 2525873 B2 JP2525873 B2 JP 2525873B2 JP 63186435 A JP63186435 A JP 63186435A JP 18643588 A JP18643588 A JP 18643588A JP 2525873 B2 JP2525873 B2 JP 2525873B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、半導体装置用部品間の接続構造に関し、
特に高発熱量の半導体素子、たとえば、ハイパワートラ
ンジスタ、レーザダイオード等を実装するための高熱伝
導性が要求される半導体装置用部品間の接続構造に関す
るものである。
The present invention relates to a connection structure between semiconductor device parts,
In particular, the present invention relates to a connection structure between semiconductor device parts that require high thermal conductivity for mounting a semiconductor element having a high heating value, such as a high power transistor and a laser diode.

[従来の技術] 半導体素子を実装するために構成される半導体装置用
部品間の接続構造は、一般的には、絶縁基材とそれに接
合される接合部材とから構成される。一例を挙げれば、
その接続構造は、半導体素子がその上に載せられる絶縁
基板と、その絶縁基板の上で配線回路等が形成された所
定の部分に銀ろう等を用いたろう接によって接続された
リードフレーム、あるいはその絶縁基板に銀ろう等を用
いたろう接によって接続されたヒートシンクとから構成
される。この場合、絶縁基板には一般的に、半導体素子
と絶縁を保つために電気絶縁性、機械的強度および半導
体素子からの発熱を放散するために熱伝導性が高いこと
が要求される。また、リードフレームとしては、その電
気抵抗が小さいこと、および機械的強度が高いことが要
求される。さらに、ヒートシンクとしては、その熱伝導
性が高いことが要求される。
[Related Art] A connection structure between components for a semiconductor device configured to mount a semiconductor element generally includes an insulating base material and a bonding member bonded thereto. For example,
The connection structure is an insulating substrate on which a semiconductor element is mounted, a lead frame connected to a predetermined portion of the insulating substrate on which a wiring circuit and the like are formed by brazing using silver solder, or the like. The heat sink is connected to the insulating substrate by brazing using silver solder or the like. In this case, the insulating substrate is generally required to have high electrical insulation, high mechanical strength, and high thermal conductivity to dissipate heat generated from the semiconductor element in order to maintain insulation from the semiconductor element. Further, the lead frame is required to have a low electric resistance and a high mechanical strength. Further, the heat sink is required to have high thermal conductivity.

このような半導体装置用部品間の接続構造、たとえ
ば、半導体装置用パッケージ、電子部品等に用いられる
絶縁基板の材料としては、従来より、アルミナ(Al
2O3)が上記の特性を満足するものとして一般的に選択
されている。また、絶縁基板に接続されるべき各種金属
材料等としては以下のものが挙げられる。たとえば、リ
ードフレームとしては、上記の特性を満足するものとし
て商品名コバール(Fe−29重量%Ni−17重量%Co合
金)、42アロイ(Fe−42重量%Ni合金)などの鉄−ニッ
ケル系合金が一般的に選択されている。ヒートシンクと
しては、上記の特性を満足するものとして、銅−タング
ステン合金(W−10〜20重量%Cu合金)が一般的に選択
されている。「化学工業」1984年3月号,特集エレクト
ロセラミックス,『セラミック基板とICパッケージ』p.
59〜67に開示されているように、アルミナからなる絶縁
基板上に配線回路として形成された金属化層の部分に、
商品名コバールからなるリードフレームが銀ろう等によ
ってろうづけされた接続構造が半導体装置搭載用基板に
用いられている。
As a material for such a connection structure between semiconductor device parts, for example, an insulating substrate used for a semiconductor device package, an electronic part, etc., alumina (Al
2 O 3 ) is generally selected to satisfy the above properties. The following are examples of various metallic materials to be connected to the insulating substrate. For example, as lead frames, iron-nickel-based materials such as Kovar (Fe-29 wt% Ni-17 wt% Co alloy) and 42 alloy (Fe-42 wt% Ni alloy) that satisfy the above characteristics Alloys are generally selected. As the heat sink, a copper-tungsten alloy (W-10 to 20 wt% Cu alloy) is generally selected so as to satisfy the above characteristics. "Chemical Industry" March 1984, Special Issue on Electroceramics, "Ceramic Substrates and IC Packages" p.
59-67, in the portion of the metallization layer formed as a wiring circuit on an insulating substrate made of alumina,
A connection structure in which a lead frame made of the product name Kovar is brazed with silver solder or the like is used for a semiconductor device mounting substrate.

第4A図は従来の上述のような構成を有する半導体装置
用部品間の接続構造の一例を示す平面図、第4B図はその
断面図、第4C図はリードフレーム3とアルミナからなる
基板1との接合部を詳細に示す断面図である。
FIG. 4A is a plan view showing an example of a conventional connecting structure for semiconductor device parts having the above-mentioned structure, FIG. 4B is a sectional view thereof, and FIG. 4C is a lead frame 3 and a substrate 1 made of alumina. It is sectional drawing which shows the junction part of in detail.

図において、この半導体装置用部品間の接続構造は、
アルミナからなる基板1の表面の一部には金属化層2が
形成され、この金属化層2にはリードフレーム3が金属
ろう等でろうづけされて接合されている。また、この基
板1の所定位置には高発熱量の電界効果型トランジスタ
(FET)等の半導体素子4が搭載され、金属化層2また
はリードフレーム3とボンディングワイヤ5で結線され
ている。さらに、基板1の裏面にはタングステン合金、
たとえば、銅−タングステン合金からなるヒートシンク
6が取付けられている。また、第4C図に示すように、基
板1とリードフレーム3との接合部は、金属化層2の上
に薄いめっき層7が形成され、リードフレーム3の表面
には金属ろう9の濡れ性を安定させるために、必要に応
じてめっき層8が形成されている。
In the figure, the connection structure between the semiconductor device parts is
A metallized layer 2 is formed on a part of the surface of a substrate 1 made of alumina, and a lead frame 3 is brazed and joined to the metallized layer 2 with a brazing metal or the like. A semiconductor element 4 such as a field effect transistor (FET) having a high heat generation amount is mounted at a predetermined position on the substrate 1, and is connected to the metallized layer 2 or the lead frame 3 with a bonding wire 5. Furthermore, on the back surface of the substrate 1, a tungsten alloy,
For example, a heat sink 6 made of a copper-tungsten alloy is attached. Further, as shown in FIG. 4C, a thin plating layer 7 is formed on the metallization layer 2 at the joint between the substrate 1 and the lead frame 3, and the wettability of the metal braze 9 on the surface of the lead frame 3. A plating layer 8 is formed as necessary to stabilize the temperature.

また、半導体装置用部品間の接続構造の他の例とし
て、絶縁基板に載せられた半導体素子を気密に封止する
ためのキャップを挙げることができる。高度の信頼性が
要求される半導体素子封止用のキャップの材料には、42
アロイ、商品名コバール等の低熱膨張性合金材料、もし
くはアルミナ、ムライト等のセラミックス系材料が採用
されている。
Another example of a connection structure between components for a semiconductor device is a cap for hermetically sealing a semiconductor element mounted on an insulating substrate. The material of the cap for semiconductor device encapsulation that requires high reliability is 42
Low thermal expansion alloy materials such as alloy and Kovar, or ceramics materials such as alumina and mullite are used.

その構造は、第5A図および第5B図に示すとおりであ
る。すなわち、図において、半導体素子4はセラミック
基板101の上に搭載され、この上にカバー部材11が被せ
られている。特に、カバー部材11が絶縁性のセラミック
スから構成されるとき、すなわち、第5A図に示される場
合、カバー部材11の周縁にスカート状の金属枠111が設
けられている。また、カバー部材11が導電性を有する合
金材料であるとき、すなわち、第5B図に示される場合、
カバー部材11と半導体素子4との間の接触部には絶縁層
112が設けられている。上記のように絶縁物を設けるこ
とによって、このキャップは半導体素子4のリーク電流
を防ぐ構造を有するように形成されている。なお、各図
中において各接合箇所には金属化層2が形成され、カバ
ー部材11の上には熱放散性を高めるためにヒートシンク
6が設けられている。
Its structure is as shown in FIGS. 5A and 5B. That is, in the drawing, the semiconductor element 4 is mounted on a ceramic substrate 101, and a cover member 11 is put on the ceramic substrate 101. Particularly, when the cover member 11 is made of insulating ceramics, that is, in the case shown in FIG. 5A, a skirt-shaped metal frame 111 is provided on the peripheral edge of the cover member 11. Further, when the cover member 11 is an alloy material having conductivity, that is, in the case shown in FIG. 5B,
An insulating layer is provided on the contact portion between the cover member 11 and the semiconductor element 4.
112 are provided. By providing the insulator as described above, the cap is formed so as to have a structure for preventing a leak current of the semiconductor element 4. In each of the drawings, a metallized layer 2 is formed at each joint, and a heat sink 6 is provided on the cover member 11 to enhance heat dissipation.

[発明が解決しようとする課題] しかしながら、アルミナは電気絶縁性および機械的強
度に優れている反面、熱伝導率が17Wm-1K-1と小さいた
めに熱放散性が悪く、たとえば、高発熱量の電界効果型
トランジスタ(FET)等を搭載するためには不適当であ
る。高発熱量の半導体素子を搭載するために、熱伝導率
が260Wm-1K-1と高いベリリア(BeO)を用いた絶縁基板
も存在するが、ベリリアは毒性があり使用上の安全対策
が煩雑であるという問題点がある。
[Problems to be Solved by the Invention] However, while alumina has excellent electric insulation and mechanical strength, it has a low thermal conductivity of 17 Wm -1 K -1 and thus has a poor heat dissipation property. It is not suitable for mounting a large amount of field effect transistor (FET). There is an insulating substrate that uses beryllia (BeO), which has a high thermal conductivity of 260 Wm -1 K -1 to mount a semiconductor element with high heat generation, but beryllia is toxic and complicated safety measures are required during use. There is a problem that is.

そこで、最近では、高発熱量の半導体素子搭載用の絶
縁基板として、熱伝導率がベリリアとほぼ同等で、200W
m-1K-1と高い上に毒性がなく、また、アルミナ同等の電
気絶縁性や機械的強度を有する窒化アルミニウム(Al
N)が有望視されている。
Therefore, recently, as an insulating substrate for mounting a semiconductor element with a high calorific value, thermal conductivity is almost the same as that of beryllia, 200 W
It is as high as m -1 K -1 , has no toxicity, and has the same electrical insulation and mechanical strength as alumina.
N) is promising.

しかしながら、窒化アルミニウム基板にリードフレー
ムを金属ろうづけ、たとえば、銀ろう(Ag−Cu)づけす
る場合、窒化アルミニウムは室温から銀ろうづけ温度
(780℃)までの平均熱膨張率が4.3×10-6K-1と小さい
のに対して、リードフレームである鉄−ニッケル系合金
の平均熱膨張率は10×10-6K-1(コバール),11×10-6K
-1(42アロイ)と極めて高い。このため、この熱膨張率
の差により、窒化アルミニウム基板へのリードフレーム
の銀ろうづけ時の冷却過程で窒化アルミニウム基板内に
残留応力として大きな熱応力による歪が発生する結果と
なる。しがって、リードフレームを基板から引き剥がす
方向に引張ると容易に破断が起こり、十分なリードフレ
ーム接合強度が得られないという問題点があった。
However, the metal brazing the lead frame to an aluminum nitride substrate, for example, to marked silver solder (Ag-Cu), the average thermal expansion coefficient of aluminum nitride is from room temperature to the silver brazing temperature (780 ° C.) is 4.3 × 10 - whereas low as 6 K -1, iron is a lead frame - nickel average thermal expansion coefficient 10 × 10 -6 K alloy -1 (Kovar), 11 × 10 -6 K
-1 (42 alloy), extremely high. Therefore, due to the difference in the coefficient of thermal expansion, distortion due to a large thermal stress is generated as a residual stress in the aluminum nitride substrate during the cooling process during the silver brazing of the lead frame to the aluminum nitride substrate. Therefore, when the lead frame is pulled in the direction of peeling it from the substrate, the lead frame is easily broken and there is a problem that sufficient lead frame bonding strength cannot be obtained.

また、半導体素子の発熱量の増大に伴ない、熱放散性
の優れたキヤップの開発が急がれている。たとえば、高
熱伝導性の金属材料によるキャップが用いられたとして
も、前述のように絶縁部分を設ける必要があり、コスト
が上昇するばかりでなく、熱伝導性に問題が生じる。
Further, with the increase in the heat generation amount of the semiconductor element, development of a cap excellent in heat dissipation is urgently required. For example, even if a cap made of a metal material having high thermal conductivity is used, it is necessary to provide an insulating portion as described above, which not only increases cost but also causes a problem in thermal conductivity.

そこで、高熱伝導性でしかも絶縁性に優る材料を用い
たキャップが注目されている。それらの候補材料として
は、ベリリア(BeO),シリコンカーバイド(SiC),窒
化アルミニウム(AlN)が考えられる。しかし、ベリリ
ア、シリコンカーバイドは毒性と供給不安定および電気
的特性の点で問題を有する。したがって、窒化アルミニ
ウムが最も有力であるが、窒化アルミニウムをカバー部
材として用いたキャップを製造するためには、窒化アル
ミニウムからなるカバー部材の表面において枠部材と接
合されるべき箇所に金属化処理を施した後、金属ろうづ
けによってカバー部材と枠部材とをろう接する必要があ
る。
Therefore, a cap made of a material having a high thermal conductivity and an excellent insulating property is drawing attention. Beryllia (BeO), silicon carbide (SiC), and aluminum nitride (AlN) can be considered as the candidate materials. However, beryllia and silicon carbide have problems in terms of toxicity, unstable supply and electrical characteristics. Therefore, although aluminum nitride is most effective, in order to manufacture a cap using aluminum nitride as a cover member, metallization is applied to the surface of the cover member made of aluminum nitride at the portion to be joined with the frame member. After that, it is necessary to braze the cover member and the frame member by metal brazing.

しかしながら、金属ろうづけ、たとえば、銀ろう(Ag
−Cu)づけする場合、上述のように窒化アルミニウムは
室温から銀ろうづけ時の温度(780℃)までの平均熱膨
張率が4.3×10-6K-1と小さいのに対し、枠部材として一
般的に用いられる低熱膨張性の鉄−ニッケル系合金の平
均熱膨張率は10×10-6K-1(コバール)〜11×10-6K
-1(42アロイ)と極めて高い。このためアルミニウムか
らなるカバー部材内に大きな熱応力による残留歪が発生
する結果となる。その残留歪によって窒化アルミニウム
からなるカバー部材にクラックが生じ、枠部材に部材に
反りや変形が生じるため、寸法精度、気密性、信頼性の
高いキャップを提供することはできないという問題点が
あった。
However, metal brazing, for example silver brazing (Ag
-Cu), the average coefficient of thermal expansion of aluminum nitride from room temperature to the temperature during silver brazing (780 ° C) is as small as 4.3 x 10 -6 K -1 as described above, whereas it is used as a frame member. The average coefficient of thermal expansion of commonly used low thermal expansion iron-nickel alloys is 10 × 10 -6 K -1 (Kovar) to 11 × 10 -6 K.
-1 (42 alloy), extremely high. As a result, residual strain due to large thermal stress is generated in the cover member made of aluminum. The residual strain causes a crack in the cover member made of aluminum nitride, and the frame member is warped or deformed, so that there is a problem that it is not possible to provide a cap with high dimensional accuracy, airtightness, and reliability. .

さらに、高熱伝導性が要求される半導体パッケージに
は、放熱基板としてのCu−W合金板と、高放熱性絶縁基
板としてのベリリア(BeO)とが用いられている。しか
ながら、ベリリアに代えて窒化アルミニウムからなる絶
縁基板を用いるにあたって、金属化処理が施された窒化
アルミニウム基板を銀ろうづけによって銅−タングステ
ン合金板と接続する場合には、窒化アルミニウム基板に
クラックが生じたり、あるいは銅−タングステン合金板
に反りが生じるという新たな問題が起こってきた。
Furthermore, a Cu-W alloy plate as a heat dissipation substrate and beryllia (BeO) as a high heat dissipation insulating substrate are used in a semiconductor package that requires high heat conductivity. However, when using an insulating substrate made of aluminum nitride in place of beryllia and connecting the metallized aluminum nitride substrate to the copper-tungsten alloy plate by silver brazing, the aluminum nitride substrate is cracked. There has been a new problem that a copper-tungsten alloy plate is warped.

アルミナからなる封止のためのキャップと窒化アルミ
ニウム基板とをろうづけによて封着をすることが試みら
れているが、この場合においてもアルミナや窒化アルミ
ニウムからなるセラミック部材にクラックや反りが生じ
るために封着を行なうことが困難であった。
Attempts have been made to seal the cap made of alumina and the aluminum nitride substrate by brazing, but in this case as well, cracks or warpage occur in the ceramic member made of alumina or aluminum nitride. Therefore, it was difficult to perform the sealing.

また、ハイパワー半導体モジュール用の放熱基板とし
て、窒化アルミニウム基板の両面に銅板を温度900℃程
度において活性金属ろうを用いることによってろうづけ
が試みられている。しかしながら、この場合において
も、ろうづけされた後、サンプルの一部で窒化アルミニ
ウムにクラックが認められた。クラックが認められない
サンプルについても、−55℃〜+150℃で各5分間、ヒ
ートサイクル試験を行なったところ、サイクル数が100
回に満たないうちに窒化アルミニウムにクラックの発
生、銅板の剥離が認められた。
Further, as a heat dissipation substrate for a high power semiconductor module, brazing has been attempted by using an active metal braze at a temperature of about 900 ° C. for copper plates on both sides of an aluminum nitride substrate. However, even in this case, cracks were observed in the aluminum nitride in a part of the sample after brazing. The samples with no cracks were also subjected to a heat cycle test at -55 ° C to + 150 ° C for 5 minutes each.
Within less than the number of times, cracking of the aluminum nitride and peeling of the copper plate were observed.

以上の問題点を要約すれば、窒化アルミニウムからな
るセラミック部材と、金属材料や他のセラミック材料か
らなる、窒化アルミニウムと異なる材料からなる材料と
のろうづけ時、またはその接続された部材のヒートサイ
クル試験等の信頼性評価において、クラック、割れ、剥
離、反り等が生じることである。たとえば、銀ろうづけ
が施される場合、上述のように、窒化アルミニウムは室
温から銀ろうづけ温度(780℃程度)までの平均熱膨張
率が比較的小さいのに対して、コバール等の低熱膨張性
金属の平均熱膨張率は極めて高い。一方、銅−タングス
テン合金やアルミナ等の塑性変形し難い材料の熱膨張率
は6.5〜9×10-6K-1であり、それらのヤング率は2000〜
37000kg/mm2と大きい。このため、窒化アルミニウムと
これらの異種材料とがろうづけされた場合、このろう接
時の冷却過程において極めて大きい熱応力が発生するこ
とになる。したがって、この熱応力が、ろうづけ時にお
いてクラックの発生をもたらし、あるいは残留応力とし
て部材内に存在するため、ヒートサイクル試験等の信頼
性評価においてもその信頼性が乏しくなるものと考えら
れる。
To summarize the above problems, when a ceramic member made of aluminum nitride is brazed with a material made of a metal material or another ceramic material and made of a material different from aluminum nitride, or the heat cycle of the connected members. In reliability evaluations such as tests, cracks, breaks, peeling, warpage, etc. occur. For example, when silver brazing is applied, as described above, aluminum nitride has a relatively low average thermal expansion coefficient from room temperature to the silver brazing temperature (about 780 ° C), while low thermal expansion coefficient such as Kovar. The average coefficient of thermal expansion of the metal is extremely high. On the other hand, the coefficient of thermal expansion of materials such as copper-tungsten alloy and alumina which are not easily plastically deformed is 6.5 to 9 × 10 -6 K -1 , and their Young's modulus is 2000 to
Large as 37,000 kg / mm 2 . Therefore, when aluminum nitride and these dissimilar materials are brazed, an extremely large thermal stress is generated in the cooling process during the brazing. Therefore, it is considered that this thermal stress causes a crack to occur during brazing or exists as a residual stress in the member, so that the reliability becomes poor in reliability evaluation such as a heat cycle test.

そこで、この発明は、高発熱量の半導体素子を実装す
るために熱放散性の良い窒化アルミニウムからなる部材
を用い、この部材に接続部材を十分な接合強度で接合さ
せることができるとともに、窒化アルミニウムと異なる
材料との接合においてクラックや割れが発生することな
く、変形も少なく、極めて信頼性の高い半導体装置用部
品間の接続構造を提供することを目的とする。
Therefore, the present invention uses a member made of aluminum nitride having a good heat dissipation property for mounting a semiconductor element having a high heat generation amount, and a connecting member can be bonded to this member with sufficient bonding strength, and at the same time, aluminum nitride can be bonded. An object of the present invention is to provide a highly reliable connection structure between semiconductor device parts that does not cause cracks or cracks in joining with a material different from the above, has little deformation, and is highly reliable.

[課題を解決するための手段] この発明の1つの局面によれば、半導体装置用部品間
の接続構造は、その上に半導体素子が載せられるべき主
表面を有する窒化アルミニウムからなる基材と、この基
材に接合されるべきものであり、窒化アルミニウム異な
る材料を主材料とする接続部材と、緩衝材と、基材と緩
衝材と接続部材とを接合するろう接材とを備えている。
緩衝材は、基材と接続部材との間に介在し、ろう接時の
冷却過程で、基材と接続部材との熱膨張率の差によって
発生する熱応力を緩和するように、塑性変形能の高い軟
質金属材料からなる軟質金属層と、その軟質金属層によ
って挾まれたモリブデンおよびタングステンの少なくと
もいずれかの金属を含む金属層とからなる三層構造を有
するものである。
[Means for Solving the Problems] According to one aspect of the present invention, a connection structure between semiconductor device parts has a base material made of aluminum nitride having a main surface on which a semiconductor element is to be mounted, It should be joined to this base material, and is provided with a connection member mainly made of a different material from aluminum nitride, a cushioning material, and a brazing material for joining the base material, the cushioning material and the connection member.
The cushioning material is interposed between the base material and the connecting member, and has a plastic deformability so as to relieve the thermal stress generated by the difference in the coefficient of thermal expansion between the base material and the connecting member during the cooling process during brazing. And a soft metal layer made of a soft metal material having a high temperature, and a metal layer containing at least one metal of molybdenum and tungsten sandwiched by the soft metal layer.

好ましくは、軟質金属材料は、銅、銅合金、アルミニ
ウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄
および鉄合金からなる群より選ばれたいずれかの材料で
あればよい。また、接続部材は鉄−ニッケル−コバルト
合金、銅−タングステン合金からなるものがよい。
Preferably, the soft metal material may be any material selected from the group consisting of copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, nickel, nickel alloy, iron and iron alloy. The connecting member is preferably made of iron-nickel-cobalt alloy or copper-tungsten alloy.

また、この発明のもう1つの局面によれば、半導体装
置用部品間の接続構造として、絶縁基板に載せられた半
導体素子を気密に封止するためのキャップが提供され
る。このキャップは、半導体素子を保護するようにその
上方に設けられ、窒化アルミニウムからなるカバー部材
と、そのカバー部材の下方に位置する半導体素子を取囲
むようにカバー部材に接合されるべきものであり、窒化
アルミニウムと異なる材料を主材料とする枠部材と、緩
衝材と、カバー部材と緩衝材と枠部材とを接合するろう
接材とを備えている。緩衝材は、カバー部材と枠部材と
の間に介在し、ろう接時の冷却過程で、カバー部材と枠
部材との熱膨張率の差によって発生する熱応力を緩和す
るように、塑性変形能の高い軟質金属材料からなる軟質
金属層と、その軟質金属層によって挾まれたモリブデン
およびタングステンの少なくともいずれかの金属を含む
金属層とからなるものである。
According to another aspect of the present invention, a cap for hermetically sealing a semiconductor element mounted on an insulating substrate is provided as a connection structure between semiconductor device parts. This cap is provided above the semiconductor element so as to protect the semiconductor element, and should be joined to the cover member so as to surround the cover member made of aluminum nitride and the semiconductor element located below the cover member. A frame member mainly made of a material different from aluminum nitride, a cushioning material, and a brazing material for joining the cover member, the cushioning material and the frame member. The cushioning material is interposed between the cover member and the frame member and has a plastic deformability so as to relieve the thermal stress generated due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the cover member and the frame member during the cooling process during brazing. And a soft metal layer made of a soft metal material, and a metal layer containing at least one metal of molybdenum and tungsten sandwiched by the soft metal layer.

[作用] ろうづけ時に発生する熱応力を低減せしめる1つの方
法として、窒化アルミニウムからなる部材と異種材料か
らなる部材との間にインサート材として緩衝材を挿入す
ることが考えられる。この緩衝材は大別して2種に区分
される。その1つは極めて塑性変形能に優れた銅やニッ
ケル等の軟質金属材料からなる緩衝材、もう1つは窒化
アルミニウムとほぼ等しい熱膨張率を有し、かつ塑性変
形し難い金属材料、たとえば、モリブデンまたはタング
ステンを含む金属材料からなる緩衝材が提案されてい
る。
[Operation] As one method for reducing the thermal stress generated during brazing, it is conceivable to insert a cushioning material as an insert material between a member made of aluminum nitride and a member made of a different material. This cushioning material is roughly classified into two types. One of them is a cushioning material made of a soft metal material such as copper or nickel having an excellent plastic deformability, the other is a metal material having a thermal expansion coefficient almost equal to that of aluminum nitride and hard to plastically deform, for example, A cushioning material made of a metal material containing molybdenum or tungsten has been proposed.

つまり、それらの接合方法は、(i)異種材料−窒化
アルミニウム間に発生する熱応力を軟質金属材料が塑性
変形することによって吸収する方法、(ii)窒化アルミ
ニウムと熱膨張率がほぼ等しいモリブデンまたはタング
ステン等を含む金属材料をインサート材として介在させ
ることにより、異種材料−インサート材間において熱応
力が発生するものの、インサート材−窒化アルミニウム
間においてはそれらの熱膨張率がほぼ等しいので、発生
した熱応力が窒化アルミニウムに及ばないようにする方
法である。
That is, the joining methods are (i) a method of absorbing the thermal stress generated between the dissimilar material and aluminum nitride by plastically deforming the soft metal material, (ii) molybdenum having a thermal expansion coefficient almost equal to that of aluminum nitride, or By interposing a metal material containing tungsten or the like as an insert material, thermal stress is generated between the dissimilar material and the insert material, but since the thermal expansion coefficients are almost equal between the insert material and aluminum nitride, the generated heat This is a method to prevent stress from reaching aluminum nitride.

しかしながら、前者の軟質金属材料からなる緩衝材を
インサートする方法のみでは発生する熱応力を十分吸収
することができないことがある。インサート材の厚みが
薄ければ、その塑性変形能が乏しく、また、厚すぎれ
ば、その塑性変形能に富むが、インサート材自体の熱応
力が無視し得なくなり、窒化アルミニウム部材に悪影響
を及ぼす。したがって、最適の厚みが存在するが、熱応
力の吸収を十分図ることが可能なインサート材を軟質金
属材料のみで構成することは困難である。
However, the thermal stress generated may not be sufficiently absorbed only by the former method of inserting the cushioning material made of a soft metal material. If the thickness of the insert material is thin, its plastic deformability is poor, and if it is too thick, its plastic deformability is rich, but the thermal stress of the insert material itself cannot be ignored, and it adversely affects the aluminum nitride member. Therefore, although there is an optimum thickness, it is difficult to form the insert material that can sufficiently absorb the thermal stress from only the soft metal material.

また、モリブデンまたはタングステン等の剛直なイン
サート材を用いた接合方法においても、異種材料−イン
サート材間の熱膨張率の差が大きいと、インサート材自
身が弾性変形する場合がある。さらに、モリブデンまた
はタングステンは、そのヤング率が非常に大きいため、
変形量が小さくても発生する応力が大きい。このこと
が、窒化アルミニウム部材に亀裂やクラックを発生せし
める原因となる。このような問題は、モリブデンまたは
タングステン等からなるインサート材の厚みを大きくす
ることによって解決され得る。しかしながら、半導体装
置の設計上の寸法の制約等により、インサート材の厚み
を大きくすることは困難である。
Even in a joining method using a rigid insert material such as molybdenum or tungsten, if the difference in the coefficient of thermal expansion between the different materials and the insert material is large, the insert material itself may elastically deform. In addition, molybdenum or tungsten has a very high Young's modulus,
Even if the amount of deformation is small, the generated stress is large. This causes cracks and cracks in the aluminum nitride member. Such a problem can be solved by increasing the thickness of the insert material made of molybdenum, tungsten, or the like. However, it is difficult to increase the thickness of the insert material due to restrictions on the design dimensions of the semiconductor device.

したがって、本願発明者等は鋭意研究により、軟質金
属材料のみ、またはモリブデン等の塑性変形し難い金属
材料のみからなるインサート材を窒化アルミニウム部材
と異種材料からなる部材との間に介在させた場合より
も、そのインサート材の厚みが薄く、しかもそのインサ
ート材のもたらす熱応力緩和効果が大きく、変形、反り
が少なく、かつクラックが発生することのない信頼性の
高い接続構造を提供することができた。つまり、接続部
分の断面構造は、窒化アルミニウム/軟質金属層/モリ
ブデンおよびタングステンの少なくともいずれかの金属
を含む金属層/軟質金属層/異種材料で構成される。こ
の場合、緩衝材としてインサートされる材料は、各単板
をろうづけすることによって構成されてもよく、クラッ
ド材、つまり一体型のインサート材として介在させても
よい。また、部材を接合するためのろう接材は銀ろう、
金ろう、半田等のいずれの材料からなるものでもよく、
限定されない。
Therefore, the inventors of the present application have earnestly studied, and compared with the case where an insert material made of only a soft metal material or a metal material such as molybdenum which is not easily plastically deformed is interposed between an aluminum nitride member and a member made of a different material. In addition, it was possible to provide a highly reliable connection structure in which the thickness of the insert material is thin, the effect of thermal stress relaxation provided by the insert material is large, deformation and warpage are small, and cracks do not occur. . That is, the cross-sectional structure of the connection portion is composed of aluminum nitride / soft metal layer / metal layer containing at least one metal of molybdenum and tungsten / soft metal layer / different material. In this case, the material inserted as the cushioning material may be configured by brazing each single plate, or may be interposed as a clad material, that is, an integrated insert material. Also, the brazing material for joining the members is silver braze,
It may be made of any material such as gold solder or solder,
Not limited.

たとえば、窒化アルミニウム焼結体からなる基材と、
コバールからなる接続部材としての金属枠とを銀−銅ろ
うでろう接する場合、軟質金属層/モリブデンまたはタ
ングステンを含む金属層/軟質金属層を有する緩衝材と
して、銅/モリブデン/銅から構成されるクラッド材を
選択することができる。この場合の部分構造の断面構造
は、窒化アルミニウム/銅/モリブデン/銅/コバール
から構成される。コバールとモリブデンの熱膨張率の差
によって発生する熱応力は、その間に介在させられた銅
層が塑性変形することによって低減せしめられる。ま
た、モリブデンはそのヤング率が33000kg/mm2と非常に
大きく、塑性変形し難いので、コバールとの間に発生す
る熱応力がモリブデン層に集中し、窒化アルミニウムに
及ぼし難いと考えられる。しかしながら、その熱応力に
よってモリブデンの弾性変形が若干引き起こされると、
その歪によって窒化アルミニウムに熱応力が及ぶ可塑性
が存在する。そのため、この熱応力は低減せしめるため
に、塑性変形能の高い銅層を窒化アルミニウム−モリブ
デンの間にも介在させる。これによって、窒化アルミニ
ウムに熱歪の影響がほとんど及ばないようにすることが
可能となる。このようにして、ろうづけ時の熱歪の少な
い窒化アルミニウム部材と異種材料との接合構造が得ら
れる。また、信頼性試験、たとえば、−55℃〜+150℃
のヒートサイクル試験において、この温度サイクルによ
って発生する熱歪が銅の塑性変形によって緩和されるこ
とが可能となる。こ場合、銅層は窒化アルミニウムまた
はモリブデンと固着されているため、銅の熱膨張も抑え
られ、ヒートサイクルにおける信頼性は格段に向上す
る。
For example, a base material made of an aluminum nitride sintered body,
When brazing with a metal frame as a connecting member made of Kovar with silver-copper brazing, it is composed of copper / molybdenum / copper as a buffer material having a soft metal layer / a metal layer containing molybdenum or tungsten / a soft metal layer. A clad material can be selected. The sectional structure of the partial structure in this case is composed of aluminum nitride / copper / molybdenum / copper / kovar. The thermal stress generated by the difference in the coefficient of thermal expansion between Kovar and molybdenum is reduced by the plastic deformation of the copper layer interposed therebetween. In addition, since the Young's modulus of molybdenum is as large as 33000 kg / mm 2 and it is difficult to plastically deform, it is considered that the thermal stress generated between the molybdenum and Kovar concentrates in the molybdenum layer and hardly affects the aluminum nitride. However, if the thermal stress causes some elastic deformation of molybdenum,
Due to the strain, the aluminum nitride has a plasticity in which thermal stress is exerted. Therefore, in order to reduce this thermal stress, a copper layer having high plastic deformability is also interposed between aluminum nitride and molybdenum. This makes it possible to prevent the influence of thermal strain on aluminum nitride. In this way, a joint structure of the aluminum nitride member and the dissimilar material with less thermal strain during brazing can be obtained. Also, reliability test, for example, -55 ℃ ~ +150 ℃
In the heat cycle test, the thermal strain generated by this temperature cycle can be relaxed by the plastic deformation of copper. In this case, since the copper layer is fixed to aluminum nitride or molybdenum, the thermal expansion of copper is suppressed and the reliability in the heat cycle is significantly improved.

以上のように、この発明に従った半導体装置用部品間
の接続構造においては、緩衝材を構成する軟質金属層は
その塑性変形によって、ろう接時およびヒートサイクル
における熱応力を低減せしめる。また、緩衝材を構成す
るモリブデンおよびタングステンの少なくともいずれか
の金属を含む金属層は、異種材料との熱応力と窒化アル
ミニウム部材に及ぼさないように働く。
As described above, in the connection structure between semiconductor device parts according to the present invention, the soft metal layer forming the cushioning material reduces its thermal stress during brazing and heat cycle due to its plastic deformation. Further, the metal layer containing at least one of the metals of molybdenum and tungsten, which constitutes the buffer material, works so as not to affect the thermal stress with the dissimilar material and the aluminum nitride member.

また、この発明に従った接続構造においては用いられ
る緩衝材の厚みを薄くすることが可能である。たとえ
ば、窒化アルミニウム部材とコバールからなる金属枠と
のろう接においては、信頼性、反り、クラック等の試験
を満足する緩衝材の厚みは、銅層のみでは0.5mm、モリ
ブデン層のみでは0.4mmである。この発明に従って、緩
衝材を銅/モリブデン/銅の三層構造で構成すると、各
層の厚みは0.05/0.1/0.05mmであり、緩衝材全体の厚み
は0.2mmである。したがって、半導体装置の設計に厳し
い制約が課される場合にも本発明は適用され得る。
Further, in the connection structure according to the present invention, it is possible to reduce the thickness of the cushioning material used. For example, in brazing an aluminum nitride member and a metal frame made of Kovar, reliability, warpage, the thickness of the cushioning material that satisfies the tests such as cracks is 0.5 mm only for the copper layer and 0.4 mm for the molybdenum layer only. is there. According to the present invention, when the cushioning material has a three-layer structure of copper / molybdenum / copper, the thickness of each layer is 0.05 / 0.1 / 0.05 mm and the thickness of the entire cushioning material is 0.2 mm. Therefore, the present invention can be applied even when severe restrictions are imposed on the design of the semiconductor device.

[実施例] この発明の1つの局面による半導体装置用部品間の接
続構造の一実施例、たとえば、リードフレームと緩衝材
と窒化アルミニウム基板との接続構造について図を用い
て説明する。
[Embodiment] An embodiment of a connection structure between semiconductor device parts according to one aspect of the present invention, for example, a connection structure of a lead frame, a cushioning material, and an aluminum nitride substrate will be described with reference to the drawings.

第1A図は半導体装置搭載用基板として用いられた一実
施例を示す平面図、第1B図はその断面図、第1C図はリー
ドフレーム3と窒化アルミニウムからなる基板1との接
合部を詳細に示す断面図である。
FIG. 1A is a plan view showing an embodiment used as a semiconductor device mounting substrate, FIG. 1B is a cross-sectional view thereof, and FIG. 1C shows a joint portion between a lead frame 3 and a substrate 1 made of aluminum nitride in detail. It is sectional drawing shown.

図において、この接続構造は、焼結体としての窒化ア
ルミニウムからなる基板1の表面の一部には金属化層2
が形成され、この金属化層2にはリードフレーム3が金
属ろう等でろうづけされて接合されている。金属化層2
とリードフレーム3との間には、その表面にニッケルめ
っき層が形成された緩衝材13が介在している。この緩衝
材は銅等の軟質金属層と、その軟質金属層によって挾ま
れたモリブデンまたはタングステンを含む金属層とから
なる三層構造を有する。また、窒化アルミニウム基板1
の所定位置には高発熱量のFET等の半導体素子4が搭載
され、金属化層2またはリードフレーム3とボンディン
グワイヤ5で結線されている。
In the figure, this connection structure has a metallization layer 2 on a part of the surface of a substrate 1 made of aluminum nitride as a sintered body.
The lead frame 3 is brazed and joined to the metallized layer 2 with a brazing metal or the like. Metallized layer 2
Between the lead frame 3 and the lead frame 3, a cushioning material 13 having a nickel plating layer formed on its surface is interposed. This cushioning material has a three-layer structure including a soft metal layer such as copper and a metal layer containing molybdenum or tungsten sandwiched by the soft metal layer. Also, the aluminum nitride substrate 1
A semiconductor element 4 such as a FET having a high heat generation amount is mounted at a predetermined position of, and is connected to the metallized layer 2 or the lead frame 3 by a bonding wire 5.

さらに、窒化アルミニウム基板1の裏面にはタングス
テン合金、たとえば銅−タングステン合金からなるシー
トシンク6が取り付けられている。このヒートシンク6
と窒化アルミニウム基板1との接合においても、窒化ア
ルミニウム基板1−リードフレーム3間と同様に本発明
に従った緩衝材が介在させられる。
Further, a sheet sink 6 made of a tungsten alloy, for example, a copper-tungsten alloy, is attached to the back surface of the aluminum nitride substrate 1. This heat sink 6
Also in the bonding between the aluminum nitride substrate 1 and the aluminum nitride substrate 1, the cushioning material according to the present invention is interposed similarly to between the aluminum nitride substrate 1 and the lead frame 3.

また、第1C図に示すように、窒化アルミニウム基板1
とリードフレーム3との接合部は、金属化層2上に薄い
めっき層7が形成され、リードフレーム3が、金属ろう
9の濡れ性を安定させるために、必要に応じてコバール
等からなる金属層23の外周面にめっき層8が形成された
ものからなる。
Also, as shown in FIG. 1C, the aluminum nitride substrate 1
A thin plating layer 7 is formed on the metallized layer 2 at the joint between the lead frame 3 and the lead frame 3, and the lead frame 3 is made of metal such as Kovar as necessary in order to stabilize the wettability of the metal braze 9. The plating layer 8 is formed on the outer peripheral surface of the layer 23.

また、この発明に従った半導体装置用部品間の接続構
造が適用されるキャップの構造について図を用いて説明
する。
The structure of a cap to which a connection structure between components for a semiconductor device according to the present invention is applied will be described with reference to the drawings.

第2図はその一例を示す断面図である。窒化アルミニ
ウム焼結体からなるカバー部材11の周縁側部表面には金
属化層2が形成されている。この金属化層2には、銅等
の軟質金属層とモリブデンまたはタングステンを含む金
属層との三層構造からなる緩衝材130を介して、金属ろ
う9によって、鉄−ニッケル系合金の金属層230のみか
ら構成される枠部材30が接合されている。枠部材30の下
端はセラミック基材101に金属化層2を介して接合され
ている。セラミック基板101には半導体素子4が搭載さ
れている。さらに、カバー部材11の上面にはヒートシン
ク6が取付けられることにより、半導体素子4で発生し
た熱はカバー部材11を通してヒートシンク6によって発
散され、その冷却効果が高められる。また、使用される
金属ろう9としては、銀ろうが好ましいが、枠部材30の
接合面や金属化層2の上にろう接材と濡れ性の良い金属
の薄い被覆層を形成すること等によって、両者を強固に
接合できれば、他のろう接材であってもよい。このめっ
き層が果たす役割は、上述のリードフレームと窒化アル
ミニウム基板との接続構造の実施例において説明したと
おりである。
FIG. 2 is a sectional view showing an example thereof. The metallized layer 2 is formed on the peripheral side surface of the cover member 11 made of an aluminum nitride sintered body. The metallized layer 2 is formed of a metal layer 230 of an iron-nickel alloy by a metal braze 9 through a buffer material 130 having a three-layer structure of a soft metal layer such as copper and a metal layer containing molybdenum or tungsten. A frame member 30 composed only of is joined. The lower end of the frame member 30 is joined to the ceramic base material 101 via the metallized layer 2. The semiconductor element 4 is mounted on the ceramic substrate 101. Furthermore, by attaching the heat sink 6 to the upper surface of the cover member 11, heat generated in the semiconductor element 4 is radiated by the heat sink 6 through the cover member 11, and the cooling effect is enhanced. Further, silver braze is preferably used as the metal braze 9, but by forming a thin coating layer of a metal having good wettability with the brazing material on the joint surface of the frame member 30 or on the metallized layer 2, etc. Other brazing materials may be used as long as they can be firmly joined. The role of this plating layer is as described in the embodiment of the connection structure between the lead frame and the aluminum nitride substrate.

実施例1 各試料としての窒化アルミニウム焼結基板にメタライ
ジング処理が施された。窒化アルミニウム焼結基板の大
きさは口20mm×t1.5mmであった。メタライジング処理に
より形成された金属化層の表面には膜厚2μmのニッケ
ルめっき層が形成された。そして、第1表に示される緩
衝材を介在させて、窒化アルミニウム焼結基板と口20mm
×t1.0mmの大きさを有する銅−タングステン合金板とを
温度830℃の水素雰囲気中において、ろう接材として銀
−銅を用いてろうづけした。緩衝材を構成する各金属層
の厚みは第1表に示されている。
Example 1 An aluminum nitride sintered substrate as each sample was subjected to a metalizing treatment. The size of the aluminum nitride sintered substrate was 20 mm × t1.5 mm. A nickel plating layer having a film thickness of 2 μm was formed on the surface of the metallized layer formed by the metallizing treatment. Then, with the buffer material shown in Table 1 interposed, the aluminum nitride sintered substrate and the opening 20 mm
A copper-tungsten alloy plate having a size of × t1.0 mm was brazed in a hydrogen atmosphere at a temperature of 830 ° C. using silver-copper as a brazing material. The thickness of each metal layer constituting the cushioning material is shown in Table 1.

このようにして得られた各接合部材をヒートサイクル
試験(−55〜+150℃、100サイクル)の前後において、
実体顕微鏡および走査型電子顕微鏡を用いて、その接合
構造の断面におけるクラックの有無を調べた。その結果
は第1表に示されている。なお、第1表中、○はクラッ
クの発生が認められなかったことを示し、×はクラック
が発生したことを示している。また、試験No.5〜8は比
較例を示す。
Before and after the heat cycle test (-55 to + 150 ° C, 100 cycles), each of the joint members thus obtained was tested.
The presence or absence of cracks in the cross section of the joint structure was examined using a stereoscopic microscope and a scanning electron microscope. The results are shown in Table 1. In Table 1, ◯ indicates that no crack was found, and x indicates that a crack was created. Test Nos. 5 to 8 show comparative examples.

第1表によれば、この発明に従った構成を有する緩衝
材を用いて窒化アルミニウム焼結基板と銅−タングステ
ン合金板とを接合した場合、クラックの発生が全く認め
られなかった。特に、ヒートサイクル試験後において
は、本発明に従った接合部材にクラックの発生は認めら
れなかった。
According to Table 1, when the aluminum nitride sintered substrate and the copper-tungsten alloy plate were joined using the cushioning material having the structure according to the present invention, no cracks were observed. In particular, after the heat cycle test, no crack was found in the joint member according to the present invention.

実施例2 実施例1と同様に各試料を準備し、低融点ろう接材と
してアルミニウム−シリコンを用いて温度550℃の水素
−窒素雰囲気中においてろうづけした。各試料において
用いられた緩衝材の構成および厚みは第2表に示されて
いる。
Example 2 Each sample was prepared in the same manner as in Example 1 and was brazed in a hydrogen-nitrogen atmosphere at a temperature of 550 ° C. using aluminum-silicon as the low melting point brazing material. The composition and thickness of the cushioning material used in each sample are shown in Table 2.

得られた各試料の接合部材において実施例1と同様に
クラックの発生の有無を調べた。その結果は第2表に示
されている。試料No.3,4は比較例を示す。第2表によれ
ば、本発明に従った構成を有する緩衝材を用いて窒化ア
ルミニウム焼結基板と銅−タングステン合金板とを接合
すれば、ヒートサイクル試験の前後においてクラックの
発生が全く認められないことが理解される。
In the joined members of the obtained samples, the presence or absence of cracks was examined in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2. Sample Nos. 3 and 4 show comparative examples. According to Table 2, when the aluminum nitride sintered substrate and the copper-tungsten alloy plate are joined together using the cushioning material having the structure according to the present invention, cracks are completely observed before and after the heat cycle test. It is understood that there is no.

実施例3 第3図はカバー部材11と枠部材30とが接合されたキャ
ップとして準備された各試料の側断面を示す。第3図を
参照して、窒化アルミニウムからなる厚み1mmの円形状
カバー部材11の外周側面にタングステン・メタライジン
グ処理が施された。金属化層2が形成されたカバー部材
11の外周側面には、さらにニッケルめっき処理が施され
た。その後、第3表に示される各種の緩衝材130を介在
させて、コバールの金属層230のみからなる枠部材30と
カバー部材11とが、温度850℃の水素雰囲気中において
銀ろうづけされた。このようにして得られた各試料の枠
部材30の内径は20mmφであり、その肉厚は0.2mmであっ
た。
Example 3 FIG. 3 shows a side cross section of each sample prepared as a cap in which the cover member 11 and the frame member 30 are joined. Referring to FIG. 3, the outer peripheral side surface of a circular cover member 11 made of aluminum nitride and having a thickness of 1 mm was subjected to a tungsten metallizing treatment. Cover member with metallized layer 2 formed
The outer peripheral side surface of 11 was further plated with nickel. After that, the frame member 30 consisting of only the Kovar metal layer 230 and the cover member 11 were silver-brazed in a hydrogen atmosphere at a temperature of 850 ° C. with various buffer materials 130 shown in Table 3 interposed. The frame member 30 of each sample thus obtained had an inner diameter of 20 mmφ and a wall thickness of 0.2 mm.

このようにして得られた各試料について、実施例1と
同様に信頼性評価試験が行なわれた。その結果は第3表
に示されている。また、キャップとしての各試料の気密
性を評価するために、Heリークチェック法によって気密
性評価試験が行なわれた。この結果も第3表に示されて
いる。なお、第3表中、○はクラック発生なし、または
気密性が良好であることを示し、×はクラック発生有
り、または気密性が不良であることを示す。試料No.5,
6,7は比較例を示す。
A reliability evaluation test was conducted on each of the samples thus obtained in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3. Moreover, in order to evaluate the airtightness of each sample as a cap, the airtightness evaluation test was conducted by the He leak check method. The results are also shown in Table 3. In Table 3, ∘ indicates that no cracks were generated or the airtightness was good, and x indicates that cracks were generated or the airtightness was poor. Sample No. 5,
6 and 7 show comparative examples.

第3表によれば、この発明に従った構成を有する緩衝
材を用いれば、クラックの発生は認められず、気密性に
おいても良好なキャップを得ることができた。
According to Table 3, when the cushioning material having the structure according to the present invention was used, no crack was observed and a cap having good airtightness could be obtained.

実施例4 窒化アルミニウム焼結基板の両面にタングステン・メ
タライジング処理が施された。そのメタライジング処理
が施された表面にはニッケルめっき処理がさらに施され
た。このようにして処理された窒化アルミニウム焼結基
板の各試料に、第4表に示される構成を有する金属板
が、温度920℃の水素雰囲気中において、ろう接材とし
て銀−銅を用いてろうづけされた。このようにして、ハ
イパワー半導体モジュール用基板が作製された。
Example 4 A tungsten metallizing treatment was applied to both surfaces of an aluminum nitride sintered substrate. The surface subjected to the metallizing treatment was further subjected to nickel plating treatment. For each sample of the aluminum nitride sintered substrate thus treated, a metal plate having the structure shown in Table 4 was used in a hydrogen atmosphere at a temperature of 920 ° C. using silver-copper as a brazing material. Was attached. In this way, a high-power semiconductor module substrate was manufactured.

得られた各基板について実施例1と同様にヒートサイ
クル試験を行ない、クラックの発生の有無を調べた。そ
の結果は第4表に示される。試料No.3は比較例を示す。
A heat cycle test was performed on each of the obtained substrates in the same manner as in Example 1 to check whether or not cracks were generated. The results are shown in Table 4. Sample No. 3 shows a comparative example.

第4表によれば、この発明に従った構成を有する金属
板を窒化アルミニウム焼結基板に結合すると、ヒートサ
イクル試験の前後においてクラックの発生が全く認めら
れないハイパワー半導体モジュール用基板を作製するこ
とができた。
According to Table 4, when a metal plate having a structure according to the present invention is bonded to an aluminum nitride sintered substrate, a high power semiconductor module substrate in which no crack is observed before and after the heat cycle test is manufactured. I was able to.

[発明の効果] 以上のように、この発明によれば窒化アルミニウム部
材と異種材料からなる部材とを接合する上において、軟
質金属層と、その軟質金属層によって挾まれたモリブデ
ンまたはタングステンを含む金属層とからなる三層構造
を有する緩衝材を介在させることによって、信頼性の高
い半導体装置用部品間の接続構造を提供することが可能
となる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, in joining an aluminum nitride member and a member made of a different material, a soft metal layer and a metal containing molybdenum or tungsten sandwiched by the soft metal layer. By interposing the cushioning material having a three-layer structure including layers, it is possible to provide a highly reliable connection structure between semiconductor device components.

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

第1A図、第1B図、第1C図はこの発明に従った半導体装置
用部品間の接続構造の一実施例、たとえば、リードフレ
ームと緩衝材と窒化アルミニウム基板との接合構造を示
す平面図、断面図である。 第2図はこの発明に従った半導体装置用部品間の接続構
造としてキャップに適用された一実施例を示す断面図で
ある。 第3図は実施例3において準備されるキャップとして各
試料を示す側断面図である。 第4A図、第4B図、第4C図は従来の半導体装置用部品間の
接続構造、たとえば、リードフレームとアルミナ基板と
の接続構造を示す平面図、断面図である。 第5A図、第5B図は従来の半導体装置用部品間の接続構
造、たとえば、絶縁基板に載せられた半導体素子を気密
に封止するためのキャップに用いられる接続構造を示す
断面図である。 図において、1は基板、3はリードフレーム、6はヒー
トシンク、9は金属ろう、11はカバー部材、13,130は緩
衝材、30は枠部材である。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
1A, 1B, 1C is an embodiment of a connection structure between semiconductor device parts according to the present invention, for example, a plan view showing a joint structure of a lead frame, a buffer material and an aluminum nitride substrate, FIG. FIG. 2 is a sectional view showing an embodiment applied to a cap as a connecting structure between semiconductor device parts according to the present invention. FIG. 3 is a side sectional view showing each sample as a cap prepared in Example 3. FIG. 4A, FIG. 4B, and FIG. 4C are a plan view and a sectional view showing a conventional connection structure between semiconductor device parts, for example, a connection structure between a lead frame and an alumina substrate. 5A and 5B are sectional views showing a conventional connection structure between semiconductor device parts, for example, a connection structure used for a cap for hermetically sealing a semiconductor element mounted on an insulating substrate. In the figure, 1 is a substrate, 3 is a lead frame, 6 is a heat sink, 9 is a brazing metal, 11 is a cover member, 13 and 130 are cushioning materials, and 30 is a frame member. In each drawing, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

フロントページの続き (72)発明者 山川 晃 兵庫県伊丹市昆陽北1丁目1番1号 住 友電気工業株式会社伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 平1−103853(JP,A)Front page continuation (72) Inventor Akira Yamakawa 1-1-1 Kunyokita, Itami City, Hyogo Prefecture, Sumitomo Electric Industries, Ltd. Itami Works (56) References Japanese Patent Laid-Open No. 103853

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】その上に半導体素子が載せられるべき主表
面を有する窒化アルミニウムからなる基材と、 前記基材に接合されるべきものであり、前記窒化アルミ
ニウムと異なる材料を主材料とする接続部材と、 前記基材と前記接続部材との間に介在する緩衝材と、 前記基材と前記緩衝材と前記接続部材とを接合するろう
接材とを備え、 前記緩衝材は、ろう接時の冷却過程で、前記基材と前記
接続部材との熱膨張率の差によって発生する熱応力を緩
和するように、塑性変形能の高い軟質金属材料からなる
軟質金属層と、その軟質金属層によって挾まれたモリブ
デンおよびタングステンの少なくともいずれかの金属を
含む金属層とからなる三層構造を有する、半導体装置用
部品間の接続構造。
1. A base material made of aluminum nitride having a main surface on which a semiconductor element is to be mounted, and a connection which is to be bonded to the base material and whose main material is a material different from the aluminum nitride. A member, a cushioning material interposed between the base material and the connection member, and a brazing material for joining the base material, the cushioning material, and the connection member, wherein the cushioning material is used during brazing In the cooling process of, so as to relieve the thermal stress generated by the difference in the coefficient of thermal expansion of the base material and the connecting member, a soft metal layer made of a soft metal material having high plastic deformability, and the soft metal layer A connection structure between semiconductor device parts, which has a three-layer structure including a metal layer containing at least one of molybdenum and tungsten.
【請求項2】前記軟質金属材料は、銅、銅合金、アルミ
ニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、
鉄、および鉄合金からなる群より選ばれたいずれの材料
からなる、請求項1記載の半導体装置用部品間の接続構
造。
2. The soft metal material is copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, nickel, nickel alloy,
The connection structure between parts for semiconductor devices according to claim 1, which is made of any material selected from the group consisting of iron and iron alloys.
【請求項3】前記接続部材は、鉄−ニッケル−コバルト
合金からなる、請求項1記載の半導体装置用部品間の接
続構造。
3. The connection structure between semiconductor device parts according to claim 1, wherein the connection member is made of an iron-nickel-cobalt alloy.
【請求項4】前記接続部材は、銅−タングステン合金か
らなる、請求項1記載の半導体装置用部品間の接続構
造。
4. The connection structure between semiconductor device parts according to claim 1, wherein the connection member is made of a copper-tungsten alloy.
【請求項5】絶縁基板に載せられた半導体素子を気密に
封止するための半導体装置用部品間の接続構造であっ
て、 前記半導体素子を保護するようにその上方に設けられ、
窒化アルミニウムからなるカバー部材と、 前記カバー部材の下方に位置する前記半導体素子を取囲
むように、前記カバー部材に接合されるべきものであ
り、前記窒化アルミニウムと異なる材料を主材料とする
枠部材と、 前記カバー部材と前記枠部材との間に介在する緩衝材
と、 前記カバー部材と前記緩衝材と前記枠部材とを接合する
ろう部材とを備え、 前記緩衝材は、ろう接時の冷却過程で、前記カバー部材
と前記枠部材との熱膨張率の差によって発生する熱応力
を緩和するように、塑性変形能の高い軟質金属材料から
なる軟質金属層と、この軟質金属層によって挾まれたモ
リブデンおよびタングステンの少なくともいずれかの金
属を含む金属層とからなる三層構造を有する、半導体装
置用部品間の接続構造。
5. A connection structure between semiconductor device parts for hermetically sealing a semiconductor element mounted on an insulating substrate, the connection structure being provided above the semiconductor element so as to protect the semiconductor element.
A frame member mainly made of a material different from the aluminum nitride, which is to be joined to the cover member so as to surround the cover member made of aluminum nitride and the semiconductor element located below the cover member. A cushioning member interposed between the cover member and the frame member, and a brazing member that joins the cover member, the cushioning member, and the frame member, and the cushioning member cools during brazing. In the process, a soft metal layer made of a soft metal material having a high plastic deformability and a soft metal layer sandwiched by the soft metal layer so as to relieve the thermal stress generated by the difference in the coefficient of thermal expansion between the cover member and the frame member. And a connection structure between semiconductor device parts having a three-layer structure including a metal layer containing at least one of molybdenum and tungsten.
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