JP2665203B2

JP2665203B2 - 半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP2665203B2
Application number: JP7133964A
Authority: JP
Inventors: 昭二橋詰; 祥宏槙
Original assignee: 山形日本電気株式会社
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1995-05-31
Publication date: 1997-10-22
Anticipated expiration: 2012-10-22
Also published as: JPH08330486A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置及びその製造
方法に関し、特に放熱板とパタートランジスタとを備え
た半導体装置及びそのろう付け方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体装置の上面図を示す図６
（ａ）、Ｘ−Ｘ′線の矢視断面図を示す（ｂ）を参照す
ると、この半導体装置は、長方形の平面の両端にそれぞ
れネジ止め用孔５６が開孔した板状の第２の放熱板５４
と、この主表面の略中央部分にろう付けされた第１の放
熱板５３と、この放熱板５３の主表面にろう付けされた
この主表面積より大なる絶縁性基板５２と、この主表面
にろう付けされた一対のリード５１，５１′と、さらに
基板５２の主表面に固着されるパワートランジスタ（図
示せず）とを備える。

【０００３】絶縁性基板５２の裏面（下面）は、全面に
メラタイズ層が形成され、主表面（上面）にはリード５
１に接続された第１のメタライズ層５９とリード５１′
に接続された第２のメタライズ層５８と第３のメタライ
ズ層５７とが互いに電気的に分離されて形成されてい
る。これらのメタライズ層５７，５８，５９は、図示さ
れていないパワートランジスタのエミッタ，ベース，コ
レクタに対応して、形成されている。メタライズ層５７
は、例えば、絶縁性基板５２の側面に形成したメタライ
ズ層を介して、第２の放熱板５４と電気的に接続されて
いる場合もある。

【０００４】絶縁性基板５２は、放熱性及び絶縁性に優
れたベリリアあるいは窒化アルミニウム等からなる。

【０００５】第２の放熱板５４は、絶縁性基板５２等が
破損しないように、高熱伝導性を有すると共に、この絶
縁性基板５２と熱膨脹特性が略同等である金属例えばＣ
ｕとＷとの焼結金属、あるいはＣｕとＭｏとＣｕのクラ
ッド材等が用いられる。

【０００６】ところで、このようなＣｕとＷとの焼結金
属やＣｕとＭｏとＣｕのクラッド材等は、切削加工性及
びプレス加工性に劣り、これがため極力単純な形状の設
計が行われている。

【０００７】第１の放熱板５３は、こうした第２の放熱
板５４の欠点を補うために、加工性に優れると共に、さ
らに高熱伝導性に優れたＣｕまたはＣｕ合金かならな
り、絶縁性基板５２の角部欠けを防止する目的で、放熱
板５３の主表面の縦横寸法は、絶縁性基板５２よりも若
干小さいことが好ましい。第２の放熱板５４の下面は、
直接又は絶縁シートを介して、他の支持体に孔５６でネ
ジ止めされて使用されるが、放熱性を良好にするため、
この支持体には放熱フィンが使用されることが好まし
い。

【０００８】リード５１，５１′絶縁性基板５２，第
１，第２の放熱板５３，５４の相互接続に用いるろう材
としては、高熱伝導特性に優れたＡｇ−Ｃｕ共晶合金
（融点約７８０℃）が用いられる場合が多い。

【０００９】以上のような構造のパッケージは、防食
性，搭載する半導体素子のろう付け性や半導体素子と電
極とを電気的に接続するためのワイヤボンディング性等
を良好する目的で、ろう付け組立後において、金属部と
メタライズ層に、ＡｕやＡｇ等の貴金属メッキが施され
る。

【００１０】上述した従来の半導体装置に用いられるパ
ッケージは、高出力化及び高周波動作化のニーズに伴っ
て、大型化している。第１の放熱板５３のろう付け面積
が大きくなっており、最近ではろう接面積が１０ｍｍ平
方を越えるパッケージが急増している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うにろう付け面積が大きいパッケージでは、ろう付け面
積が大きいためにろう付け界面で多くの気泡が発生し易
く、気泡の熱伝導性がろう材に比べて著しく劣るため、
パッケージの放熱性を損ね、出力低下やパワートランジ
スタの熱暴走等を引き起し、信頼性の低下を招いてい
た。

【００１２】気泡発生のメカニズムを説明すると、接合
部分には溶融したろう材だけでなく、空気や水分等も存
在する。接合するため、両サイドから圧迫されると、接
合面に残存した空気や水分等は、接合面の側方から排出
される以外に、排出経路がない。溶融したろう材を押し
開くようにして陽圧となっている気泡の排出経路がで
き、これが外気と交通するようになると、空気や水分の
蒸発等で発生した気泡は外気圧と等しくなり、この気泡
のあった部分に溶融したろう材が直ちに侵入し、良好な
ろう材接合が実現する。

【００１３】しかしながら、このような排出経路が確保
されない場合が生じる。その原因の一つは排出経路が長
いこと即ちろう接面積が大きいことである。二つ目とし
て、溶融したろう材の粘性が高いことである。粘性が高
いため、気泡が押し開くことができない場合である。三
つ目として、ろう材に印加された熱が低下して、半溶融
状態あるいは硬化状態となった場合で、やはり気泡がろ
う材を押し開くことができない。四つ目としてろう付け
のため加熱された温度により、空気が膨脹し、水分は蒸
発してさらに膨脹することにより、気泡が大きく成長す
ることである。加熱温度が低下すると気泡が小さくなる
が、その前にろう材はすでに硬化しており排気は不可能
で、気泡を埋め合わすことができない。五つ目として、
ろう付けの接合面の周端部は直接外気に触れているた
め、内部に比較して、はやく冷却されることである。こ
のため気泡の排出経路を阻止してしまう。これに対し
て、第２の放熱板５４と絶縁性基板５２との間の内部の
ろう材は、これらの熱容量が大きい関係から、周端部の
ろう材よりも冷却時間を長く要し、これがため硬化が遅
れる。

【００１４】接合面に発生する気泡を抑制することを目
的とした特開平２−１６１７３６号公報，実開昭６３−
１１８２４４号公報を参照すると、いずれも接合面に溝
を形成し、この溝内にも半田を埋め込む技術があるが、
このような溝内には元来空気や水分等が多く残存してい
るため、かえって気泡が生じ易すくなり、さらにこのよ
うな溝内にも半田を埋め込もうとすれば、気泡の排気経
路が逆に阻害されてしまうという心配がある。

【００１５】同様な目的の実開昭６３−４４４５３号公
報，特開昭５８−１８２５５６号公報，実開昭５８−３
７１５２号公報を参照すると、いずれも溝やスリットを
形成しているが、この種の凹部の形成では排気経路の確
保が充分でないばかりでなく、上述したＣｕとＷとの焼
結金属等が使用できないという問題がある。

【００１６】パワートランジスタのパッケージのろう材
は、上述したように約１８０℃の高融点のＡｇ−Ｃｕ共
晶合金が使用され、ベルト炉によるろう付け方法が用い
られる。このような高温度下において、上述した公知技
術のような浅い溝の形成では、ろう接界面の気泡を外部
に導出することが難しく、多くの気泡が発生する。ま
た、８００℃程度の高温下では、スクラブなどの摺動が
できないばかりでなく、常温にもどった隙の温度差が大
きいため、熱膨脹差に起因するクラック等や接合面の剥
離等が生じるため、接合する金属の選択も合わせて、設
計する必要がある。

【００１７】半導体素子は、ろう付けの後工程で比較的
低温で固着されるが、この固着の隙にろう付け部分が軟
化しないためにも高温のろう付けが必要となり、また高
出力の素子を使用する程発熱も大きく、熱抵抗の大きな
材料や熱抵抗を増大させるような接合方法は採用できな
い。

【００１８】以上の諸問題点に鑑み、本発明では、次の
各課題を挙げる。

【００１９】（１）接合面の気泡の排気性を良好にし
て、気泡の残存を防止する。

【００２０】（２）接合面の電気的及び機械的接続性を
良好にすること。

【００２１】（３）約８００℃程度の高温度のろう付け
も、できるようにすること。

【００２２】（４）熱膨脹差に起因するクラックや剥離
等が生じないようにすること。

【００２３】（５）気泡の排出経路を短くすること。

【００２４】（６）接合面積が大きくなっても、気泡が
残存しないようにすること。

【００２５】（７）接合面を構成する金属の切削加工性
やプレス加工性等を容易にするようにすること。

【００２６】（８）高出力のパワートランジスタを備え
た半導体装置の信頼性を低下させないようにすること。

【００２７】（９）ろう付け及び前後の自動化プロセス
の設備を複雑にせず簡素化するようにすること。

【００２８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成は、
半導体素子が主表面に固着される絶縁性基板の裏面と、
所定の支持体に固定される第２の放熱板の主表面とが前
記絶縁性基板より平面積が小の４辺形状の第１の放熱板
を介して、ろう材で接合されている半導体装置におい
て、前記第１の放熱板には、４個の側面のそれぞれと両
主表面とに開口している複数の貫通溝が形成されている
ことを特徴とする。

【００２９】

【００３０】また、特に前記第１の放熱板は、前記第２
の放熱板とは異なる銅又は銅合金素材からなることも特
徴とする。

【００３１】さらに、特に前記貫通溝の幅は、前記第１
の放熱板の厚さに略等しくなっていることも特徴とす
る。

【００３２】本発明の第２の構成は、半導体素子が主表
面に固着される絶縁性基板の裏面と、所定の支持体に固
定される第２の放熱板の主表面とを複数の貫通溝を形成
した第１の放熱板の両主表面を介して所定厚のろう材で
ろう付けする工程を備えた半導体装置の製造方法におい
て、前記ろう材の厚さはいずれも前記第１の放熱板の厚
さの４乃至１０パーセントであり、かつ前記ろう材の平
面寸法はいずれも前記第１の放熱板の主表面と略共通し
ているものが使用されることを特徴とする。

【００３３】本発明の第３の構成は、半導体素子が主表
面に固着される絶縁性基板の裏面と、所定の支持体に固
定される第２の放熱板の主表面とを複数の貫通溝を形成
した第１の放熱板の両主表面を介して所定厚のろう材で
ろう付けする工程を備えた半導体装置の製造方法におい
て、前記ろう材は、前記第１の放熱板の素材の主表面に
熱圧着法または無電解メッキ法によりあらかじめ形成し
ておき、その後ろう付けする工程を施すことを特徴とす
る。

【００３４】

【実施例】本発明の第１の実施例の上面図を示す図１
（ａ），Ｘ−Ｘ′線の矢視断面図の（ｂ）を参照する
と、この実施例は、第１の放熱板１３の構造以外図６
（ａ），（ｂ）を参照して説明した従来の技術と共通す
るため、共通した参照数字で示すに留め、説明を省略す
る。

【００３５】この実施例の第１の放熱板１３は、主表面
が方形の板状を示しているのみならず、この主表面の中
央部分から各辺に伸びる線上に沿って各々貫通溝１，
２，３，４を備えている。これら貫通溝１，２，３，４
は、中央部分にはなく、放熱板１３の各側面と主表面
（上面）と裏面（下面）とに貫通している。このため、
接合時に発生する気泡は、これら貫通溝１，２，３，４
にも排出されるため、残存する気泡は極めて少ない。貫
通溝１，２，３，４内には余分のろう材が漏出すること
もあるが、それでもろう材で見たされて排出経路が閉塞
しないような溝の大きさを有し、また必要以上のろう剤
が供給されないように、後述する所定量のろう材が、放
熱板１３の主表面，裏面には付着される。また、外気と
直接触れる放熱板１３の側面と比較して、溝内の外気
は、直接外気と触れず、このため自然冷却又は強制冷却
は徐々に行われ、はやくろう材が冷却硬化して、排出経
路を閉塞するような心配がない。

【００３６】即ち、発生した気泡が排出され易くなり、
外気と一度交通すると、周囲のろう材を押し開げるよう
な陽圧が消失するため、直ちにここにろう材が侵入し
て、気泡の残存しない接合状態が得られる。

【００３７】ここで、第１の放熱板１３は、熱伝導性に
優れ、また切削及びプレス加工性にも優れたＣｕまたは
Ｃｕ合金第２の放熱板５４と別種の金属で形成し、さら
に複数の貫通溝を形成し、高融点のろう材でこれら双方
を固着する技術は、絶縁性基板５２の裏面と第２の放熱
板５４主の表面とが理想的な平面状態になっていないこ
とに起因する接合不良やクラック，あるいは変形等を防
止すると共に、上面に接合したリード５１や半導体素子
にまで及ぶ接合不良の発生やクラックの発生をも防止す
る上で、さらにこのような微細な機械的変形を放熱板１
３自体の塑性変形により、吸収する上で、極めて重要で
ある。

【００３８】このような構成は８００℃程度でろう付け
しても心配がなく、熱抵抗の高い部分が発生する心配も
少なく、低不良率で高量産性のパワートランジスタの半
導体装置を供給する上でも、必要である。

【００３９】第１の放熱板１３の素材は、絶縁性基板５
２及び第２の放熱板５４よりも、柔らかいことが、好ま
しい。

【００４０】この実施例に用いるよう材は、Ａｇ−Ｃｕ
共晶合金等の高融点のろうであり、またろう接後は、従
来と同様にメタライズ層５７，５８，５９を含む金属部
の表面に．ＡｕやＡｇ等の貴金属メッキを施す。

【００４１】上述した第１の実施例の第１の放熱板１３
の平面図を示す図２（ａ），その側面図を示す（ｂ）を
参照すると、この第１の放熱板１３は、方形の裏面が略
１５．０ｍｍ平方となっており、板厚は０．５ｍｍであ
り、上述した貫通溝１，２，３，４を備える。これら貫
通溝１，２，３，４の内端平面は、平面となっている
が、この他に円形となっていてもよい。この中央部分に
は、放熱板１３を分離して作業上を低下させないため
に、一体となるように貫通溝が形成されないのが好まし
い。これら貫通溝１，２，３，４の幅寸法は、第１の放
熱板１３の板厚に略等しい。これら貫通溝は、方形の対
角線上に各々形成されてもよい。即ち、貫通溝は、放熱
板１３の略中心を中心点とした点対称的あるいは放射状
に形成されるが、その総個数は４個が最も好ましく、比
較的小さい寸法の放熱板１３では２個，比較的大きい寸
法のものでは６個あるいは８個が好ましい。

【００４２】上述した第１の実施例で用いるろう材の平
面図，側面図を示す図３（ａ），（ｂ）を参照すると、
このろう材６は、第１の放熱板１３の外形寸法と略同一
であり、この板厚は第１の放熱板１３の厚さの１０％以
下がより好ましい。このろう材６には、貫通溝１，２，
３，４に対応して、除去してもよいが、加工性や作業性
の面から除去しなくとも使用できる。除去しない場合
は、ろう材厚をさらに小さくすることが好ましく、いず
れにしても貫通溝が溶融したろう材６で埋まらないよう
に、適宜選択的に用いられる。このろう材６は、第１の
放熱板１３の主表面と裏面とに各々仮接着されて、その
後上述したろう付け工程で第２の放熱板５４，絶縁性基
板５２に固着される。

【００４３】第１の実施例で用いたろう材は、上述した
ものの他に、貫通溝内の貴金属メッキの不着事故に備え
て、腐食防止目的で、Ｎｉ−Ｐ共晶合金またはＮｉ−Ａ
ｕ共晶合金等の耐食性に優れた合金ろう材が選択し得
る。

【００４４】図２，図３で示した第１の放熱板とろう材
との他の固着方法を示す図４（ａ）の平面図，（ｂ）の
側面図を参照すると、まず最初に第１の放熱板１３′の
材料となる帯状板材の両面に、ろう材６′の帯状合金を
熱圧着法で形成した後、金型によるプレスで、貫通溝
１，２，３，４と共に方形の外形を打ちぬく。これを用
いて、上述した第１の実施例を構成してもよい。

【００４５】さらに、他の固着方法として、帯状板材の
両面に無電解メッキ法で、ろう材６′を形成する。次
に、エッチング等の加工方法で、所定の形状を造っても
よい。

【００４６】上述した二つの固着方法は、ろう材６′の
位置ずれがないばかりでなく、そのろう材料を適宜調整
し易く、また接合作業性が優れている。

【００４７】次に本発明の第１の実施例に基いて２０個
の半導体装置の試作をし、その実験を行ったデータを示
す図５を参照すると、第１の放熱板１３に貫通溝が有る
場合とない場合とに分け、貫通溝がある場合には溝数が
２個と４個とに分け、さらに、用いるろう材の厚さをパ
ラメータにして、第１の放熱板の表面に占める残存気泡
面積比率をパーセントで示している。

【００４８】上述した第１の放熱板として外形寸法が１
５．０ｍｍ平方，膜厚０．５ｍｍ，各貫通溝が０．５ｍ
ｍ幅で長さが５．０ｍｍとなっているものを用意する。
その他の構造や、ろう材等は第１の実施例と共通してい
るため、共通した部分は説明を省く。

【００４９】図５から明白になっているように、貫通溝
が形成されていない場合には、発生気泡面積を３５パー
セント以下に低減することができなかった。しかし、貫
通溝を２個形成したものは、ろう材厚が２０，３５μｍ
で５乃至１０パーセント，５０μｍで５乃至１５パーセ
ント，１００μｍで１０乃至５０パーセントであった。
この結果、貫通溝が２個の場合は、２０乃至５０μｍ程
度のろう材厚で、実用上問題のないレベルにまで、気泡
面積を減少させることができた。

【００５０】さらに、貫通溝が４個の場合（図２，図３
の実施例で示した場合）、ろう材厚が２０乃至５０μｍ
で気泡面積は１５％以下となり、ろう材厚が１００μｍ
でも３０％以下となっているので、実用上支障のないレ
ベルにまで面積減少させることができた。尚、各ろう材
厚は、２個の半導体装置に同一の寸法のものを用いて、
各々試作実験を行ったが、図５で得られたデータは、そ
の後の量産品の試験を行った場合でも、共通した傾向と
特徴があることが判明しつつある。

【００５１】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、第
２の放熱板と絶縁性基板との間に接合する第１の放熱板
に複数の貫通溝を形成したことにより、上述した（１）
乃至（９）の各課題が達成されると共に、次のような優
れた効果が得られる。

【００５２】（１０）絶縁性基板や第１，第２の放熱板
等の微細な凹凸や反り等による界面の隙間が原因で生じ
る気泡をも、容易に排出することができる。

【００５３】（１１）発生した気泡は、スクラブ等の摺
動を行わなくとも、上面からの荷重と自然排出作用によ
り、残存する気泡は極めて少なくなる。

【００５４】（１２）特に、ろう材と第１の放熱板とを
一体成形した場合は、位置ずれによる隙間の発生を防止
することができる。さらに、ろう接時の部品点数を削減
することができ、組立加工性に優れ、低コストな半導体
装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施例の上
面図，Ｘ−Ｘ′線の矢視断面図である。

【図２】（ａ），（ｂ）は、第１の実施例の第１の放熱
板を示す上面図，側面図である。

【図３】（ａ），（ｂ）は第１の実施例のろう材を示す
上面図，側面図である。

【図４】第１の実施例の第１の放熱板，ろう材を他の形
成方法で造った上面図，側面図である。

【図５】本発明の第１の実施例の試作実験データを示す
図である。

【図６】（ａ），（ｂ）は、従来の高出力トランジスタ
を備えた半導体装置を示す上面図，側面図である。

【符号の説明】

１，２，３，４貫通溝６，６′ ろう材１３，１３′，５３第１の放熱板５１，５１′ リード５２絶縁性基板５４第２の放熱板５６ネジ止め用孔５７，５８，５９メタライズ層

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体素子が主表面に固着される絶縁性
基板の裏面と、所定の支持体に固定される第２の放熱板
の主表面とが前記絶縁性基板より平面積が小の４辺形状
の第１の放熱板を介して、ろう材で接合されている半導
体装置において、前記第１の放熱板には、４個の側面の
それぞれと両主表面とに開口している複数の貫通溝が形
成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】前記第１の放熱板は、前記第２の放熱板
とは異なる銅又は銅合金素材からなる請求項１記載の半
導体装置。
【請求項３】前記貫通溝の幅は、前記第１の放熱板の
厚さに略等しくなっている請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】半導体素子が主表面に固着される絶縁性
基板の裏面と、所定の支持体に固定される第２の放熱板
の主表面とを複数の貫通溝を形成した第１の放熱板の両
主表面を介して所定厚のろう材でろう付けする工程を備
えた半導体装置の製造方法において、前記ろう材の厚さ
はいずれも前記第１の放熱板の厚さの４乃至１０パーセ
ントであり、かつ前記ろう材の平面寸法はいずれも前記
第１の放熱板の主表面と略共通しているものが使用され
ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】半導体素子が主表面に固着される絶縁性
基板の裏面と、所定の支持体に固定される第２の放熱板
の主表面とを複数の貫通溝を形成した第１の放熱板の両
主表面を介して所定厚のろう材でろう付けする工程を備
えた半導体装置の製造方法において、前記ろう材は、前
記第１の放熱板の素材の主表面に熱圧着法または無電解
メッキ法によりあらかじめ形成しておき、その後ろう付
けする工程を施すことを特徴とする半導体装置の製造方
法。