JP2764685B2 - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

半導体装置とその製造方法

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JP2764685B2 JP5234328A JP23432893A JP2764685B2 JP 2764685 B2 JP2764685 B2 JP 2764685B2 JP 5234328 A JP5234328 A JP 5234328A JP 23432893 A JP23432893 A JP 23432893A JP 2764685 B2 JP2764685 B2 JP 2764685B2
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    • H01L24/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に係り、金
属放熱板を熱変形の小さい形状にすることにより接合に
掛かる応力を軽減し、長期使用に耐える半導体装置に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体装置の支持部材は半導体装
置の一電極を兼ねる場合が多かった。このため半導体基
板は支持部材上に導電的に接続される必要があり、例え
ばPb−Sn系はんだの軟ろうで接合されている。ま
た、半導体装置が作動する際には電力損失が避けられ
ず、これに伴い半導体基板に発熱が生じる。半導体装置
を安全且つ安定に作動させるためには、半導体装置の動
作時に生じる熱をパッケージ外部に有効に発散させる必
要がある。この熱放散は通常、発熱源である半導体基板
からこれと連なる各部材を通じ気中へ熱伝導されること
で達成される。この熱伝導経路の主要部には上述のPb
−Sn系の軟ろうで接合された部分や支持部材を含む。
【0003】従来の半導体装置は特開昭60−2571
41号公報に見られるような図6に示す構成と成ってい
る。図6において、21はCuベース(支持板)、22
はアルミナ板、23はCu放熱板、24はMo,Wなど
の熱応力緩衝板(以下緩衝板と略記)、25はSiチッ
プであり、これら部材の間は軟ろうのはんだ26、2
7、28、29で接合されている。これらの部材はいず
れも平板で凸面及び曲面加工は施されていなくSiチッ
プ25に流れる電流の断続により、各部材は熱膨張、熱
収縮を繰返し、各部材間のはんだ26〜29の両側の部
材の熱膨張係数差による熱応力(剪断応力)が繰返して
加わる。特に緩衝板を接合している23のCu放熱板の
変形は著しい。その結果はんだ26〜29が脆性破壊を
起こし、き裂を生じる。このき裂は熱サイクルに従って
進行し、熱抵抗が高くなって冷却が十分に行われなくな
り、その結果、熱によるSiチップ25の破壊が起こ
る。この様に各部材を平板のまま接合して用いると、接
合部は部材の熱応力に耐えられず、半導体としての特性
を長期に亘って維持ができなくなる欠点を有した。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術におい
て、各部材を積層した半導体装置は、各部材、特に変形
の多いCu放熱板を平板のまま用いて接合しているた
め、熱膨張による変形が多く、接合部は掛かる応力に耐
えられず、そのため半導体として長期使用することが出
来ない問題があった。そこで緩衝材を接合している金属
放熱板の形状に注目し、緩衝材を接合したCu放熱板の
変形を調査した。ここでは緩衝材としてMoを、放熱板
にCuを、この両者をAu−Sn系はんだで約320℃
ではんだ付した。またこの両者をAg−Cu系のろう材
で約800℃で接合した。その結果、Cu放熱板の変形
ははんだ付で約0.6mm、ろう付では約1.3mmにも達
した。
【0005】半導体装置の製造過程は、この後Pb−S
n系のはんだを用い絶縁基板及び金属基板を接合する。
つまり変形が多いままはんだ付することになる。それは
はんだ付の困難さ及び大きい残留応力を含有したままの
状態を形成していると言える。この変形は他の部材、す
なわち絶縁基板並びに金属支持板をはんだ付する場合、
はんだ付後の熱変形にも影響を及ぼすことになる。これ
らの変形を如何にして少なくするかが課題であり、例え
ばAu−Sn系で緩衝材MoとCu放熱板を接合した場
合を考えると、前述したように0.6mm変形していた。
本発明の目的は、上記のような問題点のない、変形が少
なく、はんだ付部の剥離が発生せず、長期使用に対し信
頼性の高い半導体装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、金属ベース板上に絶縁層又は絶縁基板
を、その上に金属放熱板を設け、その上に電極板、半導
体チップを接合し樹脂封止を行う半導体装置において、
前記金属放熱板が中央部が高く端にいくほど低い半球形
状又は台形形状であることとしたものである。前記半導
体装置において、金属放熱板の上に熱応力緩衝材を設
け、その上に電極板、半導体チップを接合する構造とし
てもよい。
【0007】また、前記金属放熱板の中央部が高く端に
いくほど低い半球形状は、凸面側が両端の厚さを1とし
た場合、中央部の最大厚さが1.05から1.25の比
であるのがよく、平面側は中央部に凹みを設けた構造と
してもよい。さらに、前記金属放熱板の台形形状は、上
下面の長さが異なり、側面が曲面、又は直線の構造とな
っている。
【0008】また、本発明では、金属ベース板上に絶縁
層又は絶縁基板を、その上に金属放熱板、熱応力緩衝材
を順次設け、その上に電極板、半導体チップを接合し樹
脂封止を行う半導体装置の製造方法において、まず金属
放熱板に熱応力緩衝材を接合し、その際形成する金属放
熱板のそりを切削して中央部が高く端にいくほど低い半
球形状又は台形形状とし、次いで熱応力緩衝材上に半導
体チップと電極材を接合してから、絶縁層と金属ベース
板を接合することとした。
【0009】この様に、本発明においては、変形してい
る片面を平に切削し、他の片面は曲面のままの金属放熱
板で、中央部が高く端にいくほど低い半球形状又は台形
形状とすることにより変形の少ない、残留応力の小さ
い、はんだ接合部の剥離が生じ難い半導体装置が作製で
きたものである。本発明において、使用できる材料、材
質は、金属ベース板としては、Cu又はCu合金、例え
ば、剛性率の関係からCuにAu、Ag、Cr、Mo、
Zr等を0.2〜2重量%含有させたものが使用でき、
絶縁基板としては、Al2 3 、AlN、SiC、ムラ
イト等がよく、金属放熱板としては、金属ベース板と同
じCu、Cu合金、又はAl、Al合金等が使用でき、
また、熱応力緩衝材としては、Mo、Fe−Ni、W等
を使用することができる。
【0010】
【作用】前述したように緩衝材のMoと3mm放熱板のC
uをAu−Sn系で接合すると、約0.6mm変形する。
この変形量に基づき最初の放熱板の厚さより予め厚くし
ておく。例えば3mm厚さにしたい場合、変形量を考慮し
て約4mmの放熱板を用いる。厚さの違いによって変形量
も約0.25mmと小さくなる。はんだ付後、裏面を平に
切削する。そのことによって表面は凸面を呈し、中央部
が高く端にいくほど低いいわゆる半球形状になる。
【0011】緩衝材のMoはCuの放熱板の中央部から
端部へと配置されて接合されるが、端部はMoのないC
u板だけになる。従来の同一厚さの場合はMoで拘束さ
れない端部のCuは温度差により変形する。しかし、本
発明の半球形状にするとCu放熱板がMoの搭載されて
いる箇所では厚く、そうでない端部は薄くなる。すなわ
ち、熱膨張による変形が等分布的に掛かることになる。
【0012】この様に変形の大きいCu放熱板の変形を
除去し、尚且つ変形による応力が等分布的になるように
加工したものを適用することで信頼性の高い半導体装置
が得られる。つまり次の工程での絶縁基板及びCu支持
板のはんだ付において、はんだ付性の向上並びにはんだ
付後のヒートサイクル試験においてもはんだ付部に掛か
る変形が非常に小さいことが判明した。
【0013】半球形状を詳細する。端部の厚さが最も薄
く、それを1とすると中央部になるにつれ厚さは増し、
その比は1.01,1.02・・・と段々に増す。端部
を1.0とした場合の中央部の厚さ比を種々検討した結
果、1.05から1.25の範囲が良好であることが分
かった。半球形状としての耐熱疲労寿命が伸びるのは、
1.05からであり、それ以下では効果は見られなかっ
た。1.25を超えるとはんだ付部に掛かる応力が増
し、熱疲労寿命は短くなり、本発明の範囲から除外され
る。
【0014】また、半球形状の変形例として裏面を全て
平面にせず、中央部の一部を変形のままにしたものも接
合部の変形に対し、有効である。残した変形部分は熱変
形による伸縮代になり、他の部分はそのため変形が抑制
される。また、台形形状は熱緩衝材側を長くし、他を短
くすることによって変形が抑えられた接合部に掛かる応
力が少なくなる。
【0015】
【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。 実施例1 図1に本発明の半導体装置の全体断面図を示し、図2に
その斜視図を、図3に拡大断面図を示す。図1〜3にお
いて、1はCu支持板、2はアルミナ絶縁板、3はCu
放熱板、4はMoの熱応力緩衝材、5はSiチップであ
り、これら部材の間ははんだ6、7、8及び9で接合さ
れている。
【0016】次に、この半導体装置の製造方法を説明す
る。接合する順序は、まず8のはんだAu−Sn系でM
oをCuの放熱板に約320℃で接合する。その後、C
uの放熱板の裏面を切削し、両端の厚さを約3mmとし
た。つまり3のCu放熱板は図3のように半球形状であ
り中央部は約3.25mm厚を示した。次に9のはんだS
n−Sb系を用いて5のSiチップをCuの放熱板上の
Moに約270℃ではんだ付した。続いてMoの上にS
iチップが搭載されたCu放熱板と2のアルミナと1の
Cu支持板を、Pb−Sn系のはんだ6及び7を用いて
230℃ではんだ付した。
【0017】その他にCu放熱板の両端と中央部の厚さ
の比を変えて、同様に接合した。比較例として3のCu
放熱板を従来通り3mmの平板とし、前述の本発明の実施
例と同様夫々の部材を、夫々のはんだを用いて接合し
た。接合して作製した半導体装置を通電のON,OFF
による熱疲労寿命サイクル試験を実施した。試験結果を
図4に示す。図4にはバラツキの範囲と平均的値を示
す。
【0018】図4から分かるように従来の半導体装置は
103 回台の熱疲労寿命サイクルであるのに対し、本発
明のものは、半球の高低比が1.15で最も対寿命性が
良く平均値で約3.5万回を示す。その他の1.05か
ら1.25までにおいても104 回台を示し、対寿命性
が著しく向上していることが明らかである。対寿命性が
向上したのは、Cu放熱板の裏面を切削することにより
はんだ付で生じた変形が減少したこと、そのため熱サイ
クルではんだ接合部に掛かる応力が、一段と減少したこ
とによるものである。
【0019】実施例では半球形状の表面に緩衝材を接合
したもので説明したが、図5に示すような3の金属放熱
板形状の構造を用いてもより変形が少なく、本発明の半
導体装置が得られる。すなわち、放熱板を半球形状に予
め加工したもの、図5の(a)を、半球形状の平面側中
央部の一部を変形のまま残した形状、図5の(b)を適
用すると良い。また、台形の放熱板、図5の(c)を適
用することも熱サイクルに対し対寿命性が向上すること
を確認している。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
熱疲労の少ないはんだ付部を維持出来るので、電流のO
N,OFFによる熱疲労寿命サイクルに対し、著しく向
上させた半導体装置を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の全体断面図。
【図2】図1の斜視図。
【図3】図1の部分拡大断面図。
【図4】熱疲労寿命サイクル試験の結果を示すグラフ。
【図5】金属緩衝材の部分拡大断面図。
【図6】従来の半導体を示す概略断面図。
【符号の説明】 1、21:銅支持板、2、22:アルミナ絶縁板、3、
23:金属放熱板、4、24:熱応力緩衝板、5、4
5:シリコンチップ、6、26、7、27、8、28、
9、29:接合部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−19829(JP,A) 特開 昭60−257141(JP,A) 実開 昭60−163739(JP,U) 実開 昭60−101743(JP,U) 実開 昭60−163740(JP,U) 実開 平4−72638(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/52 H01L 23/12

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属ベース板上に絶縁層又は絶縁基板
    を、その上に金属放熱板を設け、その上に電極板、半導
    体チップを接合し樹脂封止を行う半導体装置において、
    前記金属放熱板が中央部が高く端にいくほど低い半球形
    状又は台形形状であることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記半導体装置において、金属放熱板の
    上に熱応力緩衝材を設け、その上に電極板、半導体チッ
    プを接合することを特徴とする請求項1記載の半導体装
    置。
  3. 【請求項3】 前記金属放熱板の中央部が高く端にいく
    ほど低い半球形状は、凸面側が両端の厚さを1とした場
    合、中央部の最大厚さが1.05から1.25の比であ
    ることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 前記金属放熱板の中央部が高く端にいく
    ほど低い半球形状は、平面側の中央部に凹みを設けたこ
    とを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
  5. 【請求項5】 前記金属放熱板の台形形状は、上下面の
    長さが異なり、側面が曲面、又は直線であることを特徴
    とする請求項1又は2記載の半導体装置。
  6. 【請求項6】 金属ベース板上に絶縁層又は絶縁基板
    を、その上に金属放熱板、熱応力緩衝材を順次設け、そ
    の上に電極板、半導体チップを接合し樹脂封止を行う半
    導体装置の製造方法において、まず金属放熱板に熱応力
    緩衝材を接合し、その際形成する金属放熱板のそりを切
    削して中央部が高く端にいくほど低い半球形状又は台形
    形状とし、次いで熱応力緩衝材上に半導体チップと電極
    材を接合してから、絶縁層と金属ベース板を接合するこ
    とを特徴とする半導体装置の製造方法。
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