JP2936987B2 - 半導体装置とその製造方法並びに半導体素子搭載用金属支持板及び放熱板 - Google Patents
半導体装置とその製造方法並びに半導体素子搭載用金属支持板及び放熱板Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に係り、特
にIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の
パワー半導体素子を複数個並べてモジュール化した半導
体装置に関する。
にIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の
パワー半導体素子を複数個並べてモジュール化した半導
体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、電力制御装置として高速でスイッ
チングを行い、電力を制御するPWM(Pulse Width Mo
duration)制御が主流になってきている。この制御素子
としては、バイポーラトランジスター,FET(Field E
ffect Transisitor),IGBT素子などが使用されてい
るが、中でもIGBT素子はその効率の高さによりエレ
ベータ,車両,工作機械,無停電電源などの産業用、更
にはエアコン,電子レンジなどの民生用の装置に広く使
われるようになってきている。
チングを行い、電力を制御するPWM(Pulse Width Mo
duration)制御が主流になってきている。この制御素子
としては、バイポーラトランジスター,FET(Field E
ffect Transisitor),IGBT素子などが使用されてい
るが、中でもIGBT素子はその効率の高さによりエレ
ベータ,車両,工作機械,無停電電源などの産業用、更
にはエアコン,電子レンジなどの民生用の装置に広く使
われるようになってきている。
【0003】これら電力制御素子は、より高速化,高出
力化のニーズに伴いより高い電圧,電流を制御する必要
から、半導体素子の発熱がますます増加する傾向にあ
る。このため、半導体素子からの発生熱を効率良く放散
することが重要となってきている。これら半導体装置の
構造としては、金属支持板上に半田等のろう材を用いて
順次絶縁板,金属放熱板,熱応力緩和材,半導体素子を
接合した構造が知られている。熱応力緩和材は半導体素
子であるSiの熱膨張係数、約4.5×10-6/℃と金
属放熱板であるCuの熱膨張係数17×10-6/℃の差
によって生ずる熱応力により半導体素子が割れることを
防止するために用いられる。金属放熱板は放熱性向上の
ため熱伝導率の大きい材料でかつ半導体素子の電極とも
なるため電気伝導性も良い材料である必要から一般的に
Cuが用いられる。絶縁板は金属支持板と電気的絶縁性
を得るため必要であるが、この基板としてはAl2O3セ
ラミックスが耐電圧,固有抵抗の電気的特性や機械的強
度、更にはコスト面でもっとも一般的に用いられてい
る。金属支持板は放熱性にも寄与するため熱伝導率の大
きい材料である必要からCuが用いられている。上記構
造の電力制御装置は運転,停止を繰り返すことにより、
発熱,冷却サイクルが繰り返される。そのため熱膨張差
による熱応力が金属放熱板,金属支持板と絶縁板を接合
しているろう材にかかり、割れや空隙が生ずる。この問
題の解決のため、特開平5−136286 号では図4に示すよ
うに放熱板3と絶縁板2との中間の熱膨張率を持つ金属
による網状体18を挿入することにより、均一厚さの半
田層を設けて半田層を強化し、上記熱応力による割れや
空隙部の発生を防止している。また、特開平4−287952
号では図5に示すように絶縁板と金属放熱板との接合部
にそれぞれMo等の熱応力緩和材20,23を設けるこ
とにより、上記熱応力による割れや空隙部の発生を防止
している。
力化のニーズに伴いより高い電圧,電流を制御する必要
から、半導体素子の発熱がますます増加する傾向にあ
る。このため、半導体素子からの発生熱を効率良く放散
することが重要となってきている。これら半導体装置の
構造としては、金属支持板上に半田等のろう材を用いて
順次絶縁板,金属放熱板,熱応力緩和材,半導体素子を
接合した構造が知られている。熱応力緩和材は半導体素
子であるSiの熱膨張係数、約4.5×10-6/℃と金
属放熱板であるCuの熱膨張係数17×10-6/℃の差
によって生ずる熱応力により半導体素子が割れることを
防止するために用いられる。金属放熱板は放熱性向上の
ため熱伝導率の大きい材料でかつ半導体素子の電極とも
なるため電気伝導性も良い材料である必要から一般的に
Cuが用いられる。絶縁板は金属支持板と電気的絶縁性
を得るため必要であるが、この基板としてはAl2O3セ
ラミックスが耐電圧,固有抵抗の電気的特性や機械的強
度、更にはコスト面でもっとも一般的に用いられてい
る。金属支持板は放熱性にも寄与するため熱伝導率の大
きい材料である必要からCuが用いられている。上記構
造の電力制御装置は運転,停止を繰り返すことにより、
発熱,冷却サイクルが繰り返される。そのため熱膨張差
による熱応力が金属放熱板,金属支持板と絶縁板を接合
しているろう材にかかり、割れや空隙が生ずる。この問
題の解決のため、特開平5−136286 号では図4に示すよ
うに放熱板3と絶縁板2との中間の熱膨張率を持つ金属
による網状体18を挿入することにより、均一厚さの半
田層を設けて半田層を強化し、上記熱応力による割れや
空隙部の発生を防止している。また、特開平4−287952
号では図5に示すように絶縁板と金属放熱板との接合部
にそれぞれMo等の熱応力緩和材20,23を設けるこ
とにより、上記熱応力による割れや空隙部の発生を防止
している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記金属によ
る網状体を挿入することにより、均一厚さの半田層を設
けて半田層を強化する方法では、上記問題はかなり解決
されるものの、実機に応用した場合まだ割れの発生が認
められ、十分な解決策となっていない。また、絶縁板と
金属放熱板との接合部にそれぞれMo等の熱応力緩和材
を設ける方法では、接合部材の数の増加による、コスト
高,接合面の増加による不良発生率の増加が生じ、実用
的な解決策とはなっていなかった。本発明の目的は、上
記接合部における熱応力による割れや空隙部の発生の問
題を解決し、電力制御用の半導体装置の装置寿命が長
く、従って高信頼性をもつ半導体装置とその製造方法並
びに半導体素子搭載用金属支持板及び放熱板を提供する
ことにある。
る網状体を挿入することにより、均一厚さの半田層を設
けて半田層を強化する方法では、上記問題はかなり解決
されるものの、実機に応用した場合まだ割れの発生が認
められ、十分な解決策となっていない。また、絶縁板と
金属放熱板との接合部にそれぞれMo等の熱応力緩和材
を設ける方法では、接合部材の数の増加による、コスト
高,接合面の増加による不良発生率の増加が生じ、実用
的な解決策とはなっていなかった。本発明の目的は、上
記接合部における熱応力による割れや空隙部の発生の問
題を解決し、電力制御用の半導体装置の装置寿命が長
く、従って高信頼性をもつ半導体装置とその製造方法並
びに半導体素子搭載用金属支持板及び放熱板を提供する
ことにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために金属支持板上に順次絶縁基板,金属放熱
板、及び前記金属放熱板に複数個の熱応力緩和材が搭載
され、該熱応力緩和材の上に半導体素子が搭載されてい
る半導体装置において、前記金属放熱板は、その高温で
の硬度が室温での硬度の1/2となる軟化温度が、前記
絶縁基板,金属放熱板,熱応力緩和材,半導体素子の接
合温度の内、最も高い接合温度以上であるCu基合金を
前記半導体装置に用いた。
成するために金属支持板上に順次絶縁基板,金属放熱
板、及び前記金属放熱板に複数個の熱応力緩和材が搭載
され、該熱応力緩和材の上に半導体素子が搭載されてい
る半導体装置において、前記金属放熱板は、その高温で
の硬度が室温での硬度の1/2となる軟化温度が、前記
絶縁基板,金属放熱板,熱応力緩和材,半導体素子の接
合温度の内、最も高い接合温度以上であるCu基合金を
前記半導体装置に用いた。
【0006】また、本発明は、前記構成の半導体装置に
おいて、前記金属支持板は、その高温での硬度が、室温
での硬度の1/2となる軟化温度が、前記金属放熱板と
の接合温度以上であり、かつ室温における熱伝導率が3
20J/sec・m・K以上または室温における電気伝導率
(IACS)が50%以上であるCu基合金であること
を特徴とする半導体装置である。
おいて、前記金属支持板は、その高温での硬度が、室温
での硬度の1/2となる軟化温度が、前記金属放熱板と
の接合温度以上であり、かつ室温における熱伝導率が3
20J/sec・m・K以上または室温における電気伝導率
(IACS)が50%以上であるCu基合金であること
を特徴とする半導体装置である。
【0007】また、本発明は、前記構成の半導体装置に
おいて、前記金属放熱板は、その高温での硬度が、室温
での硬度の1/2となる軟化温度が、前記熱応力緩和材
との接合温度以上であり、かつ室温における熱伝導率が
320J/sec・m・K以上または室温における電気伝導
率(IACS)が50%以上であるCu基合金であるこ
とを特徴とする半導体装置である。
おいて、前記金属放熱板は、その高温での硬度が、室温
での硬度の1/2となる軟化温度が、前記熱応力緩和材
との接合温度以上であり、かつ室温における熱伝導率が
320J/sec・m・K以上または室温における電気伝導
率(IACS)が50%以上であるCu基合金であるこ
とを特徴とする半導体装置である。
【0008】本発明は、前記構成の半導体装置におい
て、前記金属放熱板または前記金属支持板の少なくとも
一方の部材は、室温における熱伝導率が320J/sec・
m・K以上または室温における電気伝導率(IACS)
が50%以上及び室温での弾性率が130GPa以上で
あるCu基合金からなることを特徴とする半導体装置で
ある。
て、前記金属放熱板または前記金属支持板の少なくとも
一方の部材は、室温における熱伝導率が320J/sec・
m・K以上または室温における電気伝導率(IACS)
が50%以上及び室温での弾性率が130GPa以上で
あるCu基合金からなることを特徴とする半導体装置で
ある。
【0009】本発明は、前記構成の半導体装置におい
て、前記金属放熱板または前記金属支持板の少なくとも
一方の部材は、その高温での硬度が室温での硬度の1/
2となる軟化温度が、前記絶縁基板,金属放熱板,熱応
力緩和材,半導体素子の接合温度の内、最も高い接合温
度以上であり、かつ室温における熱伝導率が320J/
sec・m・K以上または室温における電気伝導率(IAC
S)が50%以上及び室温での弾性率が130GPa以
上である金属材料であることを特徴とする半導体装置で
ある。
て、前記金属放熱板または前記金属支持板の少なくとも
一方の部材は、その高温での硬度が室温での硬度の1/
2となる軟化温度が、前記絶縁基板,金属放熱板,熱応
力緩和材,半導体素子の接合温度の内、最も高い接合温
度以上であり、かつ室温における熱伝導率が320J/
sec・m・K以上または室温における電気伝導率(IAC
S)が50%以上及び室温での弾性率が130GPa以
上である金属材料であることを特徴とする半導体装置で
ある。
【0010】本発明は、前記構成の半導体装置におい
て、前記金属放熱板または前記金属支持板の少なくとも
一方の部材は、Cr,Zr,Ti,Be,Sn,Ag,
Cdのうちの1種以上を含有するCu基合金からなり、
該Cu基合金の高温での硬度が、室温での硬度の1/2
となる軟化温度が350℃以上であり、かつ室温におけ
る熱伝導率が320J/sec・m・K以上または室温にお
ける電気伝導率(IACS)が50%以上であることを特徴
とする半導体装置である。
て、前記金属放熱板または前記金属支持板の少なくとも
一方の部材は、Cr,Zr,Ti,Be,Sn,Ag,
Cdのうちの1種以上を含有するCu基合金からなり、
該Cu基合金の高温での硬度が、室温での硬度の1/2
となる軟化温度が350℃以上であり、かつ室温におけ
る熱伝導率が320J/sec・m・K以上または室温にお
ける電気伝導率(IACS)が50%以上であることを特徴
とする半導体装置である。
【0011】本発明は、前記構成の半導体装置におい
て、前記金属放熱板または前記金属支持板の少なくとも
一方の部材は、Cuと該Cuに対し固溶限以上の他の金
属元素を含有するCu基合金からなり、該合金は時効硬
化処理が施され、該Cu基合金の高温での硬度が、室温
での硬度の1/2となる軟化温度が350℃以上であ
り、かつ室温における熱伝導率が320J/sec・m・K
以上または室温における電気伝導率(IACS)が50
%以上であることを特徴とする半導体装置である。本発
明は、前記構成の半導体装置において、前記金属放熱板
または前記金属支持板の少なくとも一方の部材は、Cu
が重量比で98.7% 以上であり残部がCr,Zr,A
g,Snから選ばれた1種以上の元素が含まれているC
u基合金からなり、該Cu基合金の高温での硬度が室温
での硬度の1/2となる軟化温度が350℃以上である
ことを特徴とする半導体装置である。
て、前記金属放熱板または前記金属支持板の少なくとも
一方の部材は、Cuと該Cuに対し固溶限以上の他の金
属元素を含有するCu基合金からなり、該合金は時効硬
化処理が施され、該Cu基合金の高温での硬度が、室温
での硬度の1/2となる軟化温度が350℃以上であ
り、かつ室温における熱伝導率が320J/sec・m・K
以上または室温における電気伝導率(IACS)が50
%以上であることを特徴とする半導体装置である。本発
明は、前記構成の半導体装置において、前記金属放熱板
または前記金属支持板の少なくとも一方の部材は、Cu
が重量比で98.7% 以上であり残部がCr,Zr,A
g,Snから選ばれた1種以上の元素が含まれているC
u基合金からなり、該Cu基合金の高温での硬度が室温
での硬度の1/2となる軟化温度が350℃以上である
ことを特徴とする半導体装置である。
【0012】本発明は、前記構成の半導体装置におい
て、前記金属放熱板または前記金属支持板の少なくとも
一方の部材は、Cuが重量比で98.7% 以上であり残
部がCr,Zr,Ag,Snから選ばれた1種以上の元
素が含まれているCu基合金からなり、該Cu合金の室
温における熱伝導率が320J/sec・m・K以上または
室温における電気伝導率(IACS)が50%以上であ
ることを特徴とする半導体装置である。
て、前記金属放熱板または前記金属支持板の少なくとも
一方の部材は、Cuが重量比で98.7% 以上であり残
部がCr,Zr,Ag,Snから選ばれた1種以上の元
素が含まれているCu基合金からなり、該Cu合金の室
温における熱伝導率が320J/sec・m・K以上または
室温における電気伝導率(IACS)が50%以上であ
ることを特徴とする半導体装置である。
【0013】本発明は、金属支持板の上下面にCu箔の
電極をもつ絶縁基板,複数個の半導体素子が搭載されて
いる半導体装置において、前記金属支持板の部材は、そ
の高温での硬度が室温での硬度の1/2となる軟化温度
が前記金属支持板の接合温度以上であり、かつ室温にお
ける熱伝導率が320J/sec・m・K以上または室温に
おける電気伝導率(IACS)が50%以上であること
を特徴とする半導体装置である。
電極をもつ絶縁基板,複数個の半導体素子が搭載されて
いる半導体装置において、前記金属支持板の部材は、そ
の高温での硬度が室温での硬度の1/2となる軟化温度
が前記金属支持板の接合温度以上であり、かつ室温にお
ける熱伝導率が320J/sec・m・K以上または室温に
おける電気伝導率(IACS)が50%以上であること
を特徴とする半導体装置である。
【0014】本発明は、金属支持板の上下面にCu箔の
電極をもつ絶縁基板、複数個の半導体素子が搭載されて
いる半導体装置において、前記金属支持板の部材は、C
uが重量比で98.7% 以上であり残部がCr,Zr,
Ag,Snから選ばれた1種以上の元素がそれぞれ単独
または合計で1.1% 以内の範囲で含まれているCu基
合金からなり、該合金の室温における熱伝導率が320
J/sec・m・K以上または室温における電気伝導率(I
ACS)が50%以上であることを特徴とする半導体装
置である。
電極をもつ絶縁基板、複数個の半導体素子が搭載されて
いる半導体装置において、前記金属支持板の部材は、C
uが重量比で98.7% 以上であり残部がCr,Zr,
Ag,Snから選ばれた1種以上の元素がそれぞれ単独
または合計で1.1% 以内の範囲で含まれているCu基
合金からなり、該合金の室温における熱伝導率が320
J/sec・m・K以上または室温における電気伝導率(I
ACS)が50%以上であることを特徴とする半導体装
置である。
【0015】本発明は、金属支持板上に順次絶縁基板,
金属放熱板、及び前記金属放熱板に複数個の熱応力緩和
材とそれと同数の半導体素子が搭載されている半導体装
置において、前記金属放熱板または前記金属支持板の少
なくとも一方の部材の高温での硬度が、室温での硬度の
1/2以下となる温度を軟化温度と定義し、その軟化温
度は350℃以上であり、かつ室温における熱伝導率が
320J/sec・m・K以上または室温における電気伝導
率(IACS)が50%以上であるCu基合金を用い、
更に前記絶縁板と金属放熱板又は金属支持板との接合層
には、熱膨張率が各部材の中間の値を有する網または網
状のシートを配置して構成されるものである。
金属放熱板、及び前記金属放熱板に複数個の熱応力緩和
材とそれと同数の半導体素子が搭載されている半導体装
置において、前記金属放熱板または前記金属支持板の少
なくとも一方の部材の高温での硬度が、室温での硬度の
1/2以下となる温度を軟化温度と定義し、その軟化温
度は350℃以上であり、かつ室温における熱伝導率が
320J/sec・m・K以上または室温における電気伝導
率(IACS)が50%以上であるCu基合金を用い、
更に前記絶縁板と金属放熱板又は金属支持板との接合層
には、熱膨張率が各部材の中間の値を有する網または網
状のシートを配置して構成されるものである。
【0016】本発明は、上記に記載の半導体素子と金属
放熱板の間の熱応力緩和材はMo,W,Taあるいはそ
の合金から選ばれるものであってもよい。
放熱板の間の熱応力緩和材はMo,W,Taあるいはそ
の合金から選ばれるものであってもよい。
【0017】本発明は、上記に記載の絶縁基板はAl2
O3,AlN,SiCから選ばれたことを特徴とする半
導体装置である。
O3,AlN,SiCから選ばれたことを特徴とする半
導体装置である。
【0018】本発明は、金属支持板上に順次絶縁基板,
金属放熱板、及び前記金属放熱板に複数個の熱応力緩和
材とそれと同数の半導体素子が搭載されている半導体装
置の製造方法において、前記金属放熱板上に複数個の前
記熱応力緩和材を接合した後、前記熱応力緩和材の各々
に前記半導体素子を接合し、次いで前記金属放熱板に前
記絶縁基板及び金属支持板を同時に接合することを特徴
とする半導体装置の製造方法である。
金属放熱板、及び前記金属放熱板に複数個の熱応力緩和
材とそれと同数の半導体素子が搭載されている半導体装
置の製造方法において、前記金属放熱板上に複数個の前
記熱応力緩和材を接合した後、前記熱応力緩和材の各々
に前記半導体素子を接合し、次いで前記金属放熱板に前
記絶縁基板及び金属支持板を同時に接合することを特徴
とする半導体装置の製造方法である。
【0019】本発明は、金属支持板上に順次絶縁基板,
金属放熱板、及び前記金属放熱板に複数個の熱応力緩和
材とそれと同数の半導体素子が搭載されている半導体装
置の製造方法において、接合に使用するろう材を接合順
序に従い、融点が低いろう材を用いることを特徴とする
半導体装置の製造方法である。
金属放熱板、及び前記金属放熱板に複数個の熱応力緩和
材とそれと同数の半導体素子が搭載されている半導体装
置の製造方法において、接合に使用するろう材を接合順
序に従い、融点が低いろう材を用いることを特徴とする
半導体装置の製造方法である。
【0020】本発明は、上記に記載の金属支持板,金属
放熱板を用い、ろう材を用いて順次絶縁基板,金属放熱
板,熱応力緩和材及び半導体素子を接合した半導体装置
において、前記半導体素子と熱応力緩和材及び金属放熱
板の接合体を作製した際、該金属放熱板のそりを機械加
工により切削して該金属放熱板の平坦化したものを、前
記絶縁基板、前記金属支持板と接合することを特徴とす
る半導体装置である。本発明は、上記に記載の金属支持
板,金属放熱板を用い、ろう材を用いて順次絶縁基板,
金属放熱板,熱応力緩和材及び半導体素子を接合した半
導体装置において、前記金属放熱板は前記熱応力緩和材
側あるいは前記絶縁基板側の少なくともいずれか一方の
面に溝を形成したことを特徴とする半導体装置である。
放熱板を用い、ろう材を用いて順次絶縁基板,金属放熱
板,熱応力緩和材及び半導体素子を接合した半導体装置
において、前記半導体素子と熱応力緩和材及び金属放熱
板の接合体を作製した際、該金属放熱板のそりを機械加
工により切削して該金属放熱板の平坦化したものを、前
記絶縁基板、前記金属支持板と接合することを特徴とす
る半導体装置である。本発明は、上記に記載の金属支持
板,金属放熱板を用い、ろう材を用いて順次絶縁基板,
金属放熱板,熱応力緩和材及び半導体素子を接合した半
導体装置において、前記金属放熱板は前記熱応力緩和材
側あるいは前記絶縁基板側の少なくともいずれか一方の
面に溝を形成したことを特徴とする半導体装置である。
【0021】本発明は、上記に記載の金属支持板,金属
放熱板を用い、ろう材を用いて順次絶縁基板,金属放熱
板,熱応力緩和材及び半導体素子を接合した半導体装置
において、前記熱放熱板の端部にテーパーを設けること
を特徴とする半導体装置である。
放熱板を用い、ろう材を用いて順次絶縁基板,金属放熱
板,熱応力緩和材及び半導体素子を接合した半導体装置
において、前記熱放熱板の端部にテーパーを設けること
を特徴とする半導体装置である。
【0022】本発明は、上記の構造を備えた半導体装置
におけるIGBT(Insulated GateBipolar Transisto
r),ダイオード,サイリスタ等の半導体素子を用いる
ことを特徴とする半導体装置である。
におけるIGBT(Insulated GateBipolar Transisto
r),ダイオード,サイリスタ等の半導体素子を用いる
ことを特徴とする半導体装置である。
【0023】本発明は、上記半導体装置を用いることを
特徴とする電力制御装置である。
特徴とする電力制御装置である。
【0024】本発明は、上記電力制御装置を搭載するこ
とを特徴とする車両,エレベータ制御装置,工作機械で
ある。
とを特徴とする車両,エレベータ制御装置,工作機械で
ある。
【0025】本発明は、半導体素子搭載用の金属支持板
において、金属支持板は、その高温での硬度が室温での
硬度の1/2となる軟化温度が350℃以上であり、か
つ室温における熱伝導率が320J/sec・m・K以上ま
たは室温における電気伝導率(IACS)が50%以上
であるCu基合金からなることを特徴とする半導体素子
搭載用の金属支持板である。
において、金属支持板は、その高温での硬度が室温での
硬度の1/2となる軟化温度が350℃以上であり、か
つ室温における熱伝導率が320J/sec・m・K以上ま
たは室温における電気伝導率(IACS)が50%以上
であるCu基合金からなることを特徴とする半導体素子
搭載用の金属支持板である。
【0026】本発明は、半導体素子搭載用の金属放熱板
において、金属放熱板は、その高温での硬度が室温での
硬度の1/2となる軟化温度が350℃以上であり、か
つ室温における熱伝導率が320J/sec・m・K以上ま
たは室温における電気伝導率(IACS)が50%以上
であるCu基合金からなることを特徴とする半導体素子
搭載用の金属放熱板である。
において、金属放熱板は、その高温での硬度が室温での
硬度の1/2となる軟化温度が350℃以上であり、か
つ室温における熱伝導率が320J/sec・m・K以上ま
たは室温における電気伝導率(IACS)が50%以上
であるCu基合金からなることを特徴とする半導体素子
搭載用の金属放熱板である。
【0027】本発明は、半導体素子搭載用の金属支持板
の製造方法において、Cr,Zr,Ti,Be,Sn,
Ag,Cdのうちの1種以上を少量含有するCu基合金
を溶体化処理後、時効処理することを特徴とする半導体
素子搭載用の金属支持板の製造方法である。
の製造方法において、Cr,Zr,Ti,Be,Sn,
Ag,Cdのうちの1種以上を少量含有するCu基合金
を溶体化処理後、時効処理することを特徴とする半導体
素子搭載用の金属支持板の製造方法である。
【0028】
【作用】金属支持板上に順次絶縁基板,金属放熱板,複
数個の熱応力緩和材及び前記熱応力緩和材と同数の半導
体素子を搭載する場合、近年の電力制御装置の大容量化
に伴い、半導体素子の個数が増加し、部品も大型化し、
金属支持板の大きさは90mm角以上、金属放熱板の大き
さは45mm角以上となっているため、これらを一度に積
層して接合することが構造的に難しくなってきている。
何故なら、各部材の接合層の強度を確保するため、接合
層の厚さを一定以上に制御する必要があるからである。
接合層の厚さが均一でないと、接合層の薄い部分から、
割れ,空隙部が発生する。このため、各部材の間の接合
は階層的に行い治具に各基板をセットして、ろう層の厚
さを制御するなどの方法を採用している。従って、上記
半導体装置はまず、もっとも高い温度で溶融するろう材
(340℃で接合するAu−Sn半田または810℃で
接合する72重量%Ag−Cuろう)を用いてMo等の
熱応力緩和材を金属放熱板に接合し、次に270℃で溶
融するろう材(Sn−Sb半田)で半導体素子と熱応力
緩和材を接合,最後に半導体素子,熱応力緩和材を接合
した金属放熱板と絶縁板,金属支持板を最も融点の低い
ろう材(240℃前後で接合するPb−Sn半田)で接合
する工程をとらざるを得なくなった。従来の低い融点の
ろう材(Pb−Sn半田)のみを用いて一体接合した場
合、材料の高温での硬度が、室温での硬度の1/2とな
る温度を軟化温度と定義したとき、その軟化温度が20
0℃〜300℃程度である純Cuを用いても、接合温度
が250℃以下であるため、反りはそれほど問題になら
なかった。しかし、上記のように高い融点のろう材を用
いる場合、接合時の金属放熱板に発生する熱応力による
歪が大きく、冷却後の金属放熱板は大きくそってしま
う。接合温度が純Cuの軟化点より高く接合時に材料が
軟化してしまうため、材料の硬度,剛性が低下し、その
結果反り量が大きくなるからである。本発明は、この問
題に着目し、軟化温度が接合温度以上であるCu基合金
を金属放熱板または金属支持板に用いることによって材
料の軟化による硬度,剛性の低下をふせぎ,反り量を小
さくすることができた。
数個の熱応力緩和材及び前記熱応力緩和材と同数の半導
体素子を搭載する場合、近年の電力制御装置の大容量化
に伴い、半導体素子の個数が増加し、部品も大型化し、
金属支持板の大きさは90mm角以上、金属放熱板の大き
さは45mm角以上となっているため、これらを一度に積
層して接合することが構造的に難しくなってきている。
何故なら、各部材の接合層の強度を確保するため、接合
層の厚さを一定以上に制御する必要があるからである。
接合層の厚さが均一でないと、接合層の薄い部分から、
割れ,空隙部が発生する。このため、各部材の間の接合
は階層的に行い治具に各基板をセットして、ろう層の厚
さを制御するなどの方法を採用している。従って、上記
半導体装置はまず、もっとも高い温度で溶融するろう材
(340℃で接合するAu−Sn半田または810℃で
接合する72重量%Ag−Cuろう)を用いてMo等の
熱応力緩和材を金属放熱板に接合し、次に270℃で溶
融するろう材(Sn−Sb半田)で半導体素子と熱応力
緩和材を接合,最後に半導体素子,熱応力緩和材を接合
した金属放熱板と絶縁板,金属支持板を最も融点の低い
ろう材(240℃前後で接合するPb−Sn半田)で接合
する工程をとらざるを得なくなった。従来の低い融点の
ろう材(Pb−Sn半田)のみを用いて一体接合した場
合、材料の高温での硬度が、室温での硬度の1/2とな
る温度を軟化温度と定義したとき、その軟化温度が20
0℃〜300℃程度である純Cuを用いても、接合温度
が250℃以下であるため、反りはそれほど問題になら
なかった。しかし、上記のように高い融点のろう材を用
いる場合、接合時の金属放熱板に発生する熱応力による
歪が大きく、冷却後の金属放熱板は大きくそってしま
う。接合温度が純Cuの軟化点より高く接合時に材料が
軟化してしまうため、材料の硬度,剛性が低下し、その
結果反り量が大きくなるからである。本発明は、この問
題に着目し、軟化温度が接合温度以上であるCu基合金
を金属放熱板または金属支持板に用いることによって材
料の軟化による硬度,剛性の低下をふせぎ,反り量を小
さくすることができた。
【0029】図6に各種Cu合金の、試験温度とその温
度での材料硬度の関係を示す。高温での硬度の測定は、
通常、毎分数10℃程度の昇温速度で目的の温度まで昇
温し、測定試料の温度が均一になるまで5分間程度保持
した後、測定を行う。純Cuでは280℃程度で材料の
硬度が室温での硬度約110HVの1/2の約55HVと
なっている。図6から読みとった各Cu合金の軟化温度
を表1に示す。
度での材料硬度の関係を示す。高温での硬度の測定は、
通常、毎分数10℃程度の昇温速度で目的の温度まで昇
温し、測定試料の温度が均一になるまで5分間程度保持
した後、測定を行う。純Cuでは280℃程度で材料の
硬度が室温での硬度約110HVの1/2の約55HVと
なっている。図6から読みとった各Cu合金の軟化温度
を表1に示す。
【0030】
【表1】
【0031】図6中に示されていない金属も同様の方法
によって軟化温度を決定することができる。軟化温度
は、材料の純度や熱処理の方法により多少変化する。例
えば、純度99.96% 以上の純Cuでは軟化点200
℃,リン0.015〜0.040重量%が含有した純度9
9.90% 以上のリン脱酸Cuは軟化点320℃であ
る。本発明の半導体基板の接合温度の最高は340℃で
あるので、上記半導体装置に用いる金属放熱板または金
属支持板は、軟化温度が340℃以上であるCu合金で
あることが望ましい。図6でいえばCu−Ag,Cu−
Cd,Cu−Zr,Cu−Cr,Cu−Zr−Crが良
い。その中でも軟化温度の高いCu−Zr,Cu−Zr
−Crが最も好ましい。しかし、軟化温度が高いだけで
は金属放熱板または金属支持板には適用できない。金属
放熱板,金属支持板は半導体素子に発生する熱の放散性
が重要である。熱の放散性の指標となる熱伝導率は32
0J/sec・m・K以上であることが必要である。熱伝導
率の小さい材料を用いると使用中に半導体素子の温度が
上昇し電気的特性が劣化したり、熱応力が大きくなって
半導体素子が割れるなどの問題も起こる。熱伝導率はで
きるだけ大きい方が良いが、実験の結果320J/sec・
m・K以上の熱伝導率をもっていれば実用には問題無
い。また、金属放熱板は電極としての作用も果たすた
め、電気伝導率も、できるだけ大きい方が良い。電気抵
抗が大きいと、発熱という形で電気エネルギーの損失と
なり、また、その発熱により半導体素子の温度上昇をも
たらす。純Cuの電気伝導率を100とした電気伝導率
の表示法であるIACSでは、50%以上が必要である
ことが実験からわかった。金属の場合、熱伝導率,電気
伝導率は、伝達媒体がどちらも同じ電子であるため、熱
伝導率の大きいものは、電気伝導率も大きい。従って、
熱伝導率320J/sec・m・K以上、または電気伝導率
(IACS)が50%以上のどちらかの条件を満たし、
更に軟化温度が接合温度以上であるCu合金であればよ
い。熱伝導率,電気伝導率の低下を防ぐためには、合金
元素の添加量は一定量以下である必要がある。なお、金
属材料においては、本発明の軟化温度に類似の焼鈍(や
きなまし)温度というものも存在する。これは、ある温
度で一定時間熱処理した後の、室温での材料硬度が急激
に低下する熱処理温度のことであり、本発明の軟化温度
とは異なる。焼鈍温度は発明者等の実験によると軟化温
度より100℃程度高い温度となる。
によって軟化温度を決定することができる。軟化温度
は、材料の純度や熱処理の方法により多少変化する。例
えば、純度99.96% 以上の純Cuでは軟化点200
℃,リン0.015〜0.040重量%が含有した純度9
9.90% 以上のリン脱酸Cuは軟化点320℃であ
る。本発明の半導体基板の接合温度の最高は340℃で
あるので、上記半導体装置に用いる金属放熱板または金
属支持板は、軟化温度が340℃以上であるCu合金で
あることが望ましい。図6でいえばCu−Ag,Cu−
Cd,Cu−Zr,Cu−Cr,Cu−Zr−Crが良
い。その中でも軟化温度の高いCu−Zr,Cu−Zr
−Crが最も好ましい。しかし、軟化温度が高いだけで
は金属放熱板または金属支持板には適用できない。金属
放熱板,金属支持板は半導体素子に発生する熱の放散性
が重要である。熱の放散性の指標となる熱伝導率は32
0J/sec・m・K以上であることが必要である。熱伝導
率の小さい材料を用いると使用中に半導体素子の温度が
上昇し電気的特性が劣化したり、熱応力が大きくなって
半導体素子が割れるなどの問題も起こる。熱伝導率はで
きるだけ大きい方が良いが、実験の結果320J/sec・
m・K以上の熱伝導率をもっていれば実用には問題無
い。また、金属放熱板は電極としての作用も果たすた
め、電気伝導率も、できるだけ大きい方が良い。電気抵
抗が大きいと、発熱という形で電気エネルギーの損失と
なり、また、その発熱により半導体素子の温度上昇をも
たらす。純Cuの電気伝導率を100とした電気伝導率
の表示法であるIACSでは、50%以上が必要である
ことが実験からわかった。金属の場合、熱伝導率,電気
伝導率は、伝達媒体がどちらも同じ電子であるため、熱
伝導率の大きいものは、電気伝導率も大きい。従って、
熱伝導率320J/sec・m・K以上、または電気伝導率
(IACS)が50%以上のどちらかの条件を満たし、
更に軟化温度が接合温度以上であるCu合金であればよ
い。熱伝導率,電気伝導率の低下を防ぐためには、合金
元素の添加量は一定量以下である必要がある。なお、金
属材料においては、本発明の軟化温度に類似の焼鈍(や
きなまし)温度というものも存在する。これは、ある温
度で一定時間熱処理した後の、室温での材料硬度が急激
に低下する熱処理温度のことであり、本発明の軟化温度
とは異なる。焼鈍温度は発明者等の実験によると軟化温
度より100℃程度高い温度となる。
【0032】また、上記半導体装置に用いる金属放熱板
または金属支持板はCu合金でなくとも、軟化温度が接
合温度以上であって、熱伝導率320J/sec・m・K以
上、または電気伝導率(IACS)が50%以上のどち
らかの条件を満たし更に、弾性率が130GPa以上で
あればよい。弾性率が小さいものは軟化温度が接合温度
以上であっても、接合時の反り量が大きいため、適さな
い。放熱性,熱伝導率の条件はCu合金の場合と同じで
ある。
または金属支持板はCu合金でなくとも、軟化温度が接
合温度以上であって、熱伝導率320J/sec・m・K以
上、または電気伝導率(IACS)が50%以上のどち
らかの条件を満たし更に、弾性率が130GPa以上で
あればよい。弾性率が小さいものは軟化温度が接合温度
以上であっても、接合時の反り量が大きいため、適さな
い。放熱性,熱伝導率の条件はCu合金の場合と同じで
ある。
【0033】本発明の金属放熱板または金属支持板材料
は、高温での硬度が室温での硬度の1/2となる軟化温
度が350℃以上である範囲で、主成分がCuよりな
り、さらにCr,Zr,Ti,Be,Sn,Ag,Cd
の少なくとも1種以上が含有され、熱伝導率320J/
sec・m・K以上、または電気伝導率(IACS)が50
%以上のどちらかの条件を満たしていればよい。本発明
の半導体基板の接合温度の最高は340℃であるので軟
化温度は温度制御の精度を見込んで350℃以上の条件
とした。これらの材料は、必要に応じて熱処理を施した
材料が望ましい。熱処理としてはCr,Zr,Ti,B
e,Sn,Ag,Cd元素をCu母相内に均一に固溶さ
せる溶体化処理とそれに引き続き、前記元素を母相内に
均一析出させる時効処理からなる。溶体化処理温度はC
uの融点より50℃程度低い温度で1時間以上保持する
ことにより行い、時効処理は500℃程度の温度で数時
間行う。この熱処理を行うことで、強度の向上さらには
電気伝導率の向上が得られる。Cr,Zr,Ti,B
e,Sn,Ag,Cd元素はCu中に析出して、軟化温
度を向上させる働きがあるため、350℃以上の軟化温
度をもつCu合金が得られる。また、これらの添加元素
は、熱伝導率320J/sec・m・K以上、または電気伝
導率(IACS)が50%以上の条件を満たすため、添
加量を少なく抑える必要がある。添加量が増えると、熱
伝導率,電気伝導度が指数関数的に低下するからであ
る。
は、高温での硬度が室温での硬度の1/2となる軟化温
度が350℃以上である範囲で、主成分がCuよりな
り、さらにCr,Zr,Ti,Be,Sn,Ag,Cd
の少なくとも1種以上が含有され、熱伝導率320J/
sec・m・K以上、または電気伝導率(IACS)が50
%以上のどちらかの条件を満たしていればよい。本発明
の半導体基板の接合温度の最高は340℃であるので軟
化温度は温度制御の精度を見込んで350℃以上の条件
とした。これらの材料は、必要に応じて熱処理を施した
材料が望ましい。熱処理としてはCr,Zr,Ti,B
e,Sn,Ag,Cd元素をCu母相内に均一に固溶さ
せる溶体化処理とそれに引き続き、前記元素を母相内に
均一析出させる時効処理からなる。溶体化処理温度はC
uの融点より50℃程度低い温度で1時間以上保持する
ことにより行い、時効処理は500℃程度の温度で数時
間行う。この熱処理を行うことで、強度の向上さらには
電気伝導率の向上が得られる。Cr,Zr,Ti,B
e,Sn,Ag,Cd元素はCu中に析出して、軟化温
度を向上させる働きがあるため、350℃以上の軟化温
度をもつCu合金が得られる。また、これらの添加元素
は、熱伝導率320J/sec・m・K以上、または電気伝
導率(IACS)が50%以上の条件を満たすため、添
加量を少なく抑える必要がある。添加量が増えると、熱
伝導率,電気伝導度が指数関数的に低下するからであ
る。
【0034】また、本発明の金属放熱板または金属支持
板材料は、高温での硬度が室温での硬度の1/2となる
軟化温度が350℃以上である範囲で、主成分がCuよ
りなり、さらにCuと該Cuに対し固溶限以上の他の金
属元素を含有するCu基合金からなり、該合金は時効硬
化処理が施され、かつ熱伝導率320J/sec・m・K以
上、または電気伝導率(IACS)が50%以上のもの
が好適である。添加する合金元素は、前述の溶体化処
理,時効処理の熱処理によって析出硬化による時効硬化
作用強度,電気伝導率の向上が得られるものの中から選
ばれる。Cuに添加することによって、Niのような全
率固溶型の合金をつくるもの、Znのような黄銅型の合
金であれば、析出硬化作用は期待できず本発明の目的に
は適さない。この場合も熱伝導率320J/sec・m・K
以上、または電気伝導率(IACS)が50%以上の条件
を満たすため、添加量を少なく抑える必要がある。時効
硬化型の合金を作る元素としては、Ag,Mg,La,
Pr,Th,Zr,Be,Tiなどが知られている。特
に、Beを添加したCu合金は時効性合金として、Cu
合金中最も優れた機械的性質を示す。重量でCu−0.
25〜0.5%Be−1.4〜1.6%Ni,Cu−0.4
〜0.7%Be−2.35〜2.7%Co,Cu−1.0〜
1.2%Be−0.4〜0.7%Sn−1.5〜2.25%
Zn,Cu−1.6〜1.8%Be−0.2〜0.6%Ni
の組成をもったものは、溶体化処理は温度700〜98
0℃で1〜3時間、その後の時効処理は温度300〜4
80℃で2〜5時間の熱処理を行うことによって弾性
率,電気伝導率を最も高くすることができる。このよう
に機械的性質の改善のためには、単独の元素だけではな
く、複数の元素の添加が望ましい場合が多い。熱伝導率
320J/sec・m・K以上、または電気伝導率(IAC
S)が50%以上の条件を満たした上で、できるだけ弾
性率,軟化温度が高くなるような組成とすることが望ま
しい。
板材料は、高温での硬度が室温での硬度の1/2となる
軟化温度が350℃以上である範囲で、主成分がCuよ
りなり、さらにCuと該Cuに対し固溶限以上の他の金
属元素を含有するCu基合金からなり、該合金は時効硬
化処理が施され、かつ熱伝導率320J/sec・m・K以
上、または電気伝導率(IACS)が50%以上のもの
が好適である。添加する合金元素は、前述の溶体化処
理,時効処理の熱処理によって析出硬化による時効硬化
作用強度,電気伝導率の向上が得られるものの中から選
ばれる。Cuに添加することによって、Niのような全
率固溶型の合金をつくるもの、Znのような黄銅型の合
金であれば、析出硬化作用は期待できず本発明の目的に
は適さない。この場合も熱伝導率320J/sec・m・K
以上、または電気伝導率(IACS)が50%以上の条件
を満たすため、添加量を少なく抑える必要がある。時効
硬化型の合金を作る元素としては、Ag,Mg,La,
Pr,Th,Zr,Be,Tiなどが知られている。特
に、Beを添加したCu合金は時効性合金として、Cu
合金中最も優れた機械的性質を示す。重量でCu−0.
25〜0.5%Be−1.4〜1.6%Ni,Cu−0.4
〜0.7%Be−2.35〜2.7%Co,Cu−1.0〜
1.2%Be−0.4〜0.7%Sn−1.5〜2.25%
Zn,Cu−1.6〜1.8%Be−0.2〜0.6%Ni
の組成をもったものは、溶体化処理は温度700〜98
0℃で1〜3時間、その後の時効処理は温度300〜4
80℃で2〜5時間の熱処理を行うことによって弾性
率,電気伝導率を最も高くすることができる。このよう
に機械的性質の改善のためには、単独の元素だけではな
く、複数の元素の添加が望ましい場合が多い。熱伝導率
320J/sec・m・K以上、または電気伝導率(IAC
S)が50%以上の条件を満たした上で、できるだけ弾
性率,軟化温度が高くなるような組成とすることが望ま
しい。
【0035】また、本発明の金属放熱板または金属支持
板材料として、Cuが重量比で98.7%以上であり残部が
Cr,Zr,Ag,Snから選ばれた1種以上の元素が
含まれているものがよい。Cr,Zr,Ag,SnはC
uに添加することにより、析出硬化作用が顕著で、少量
の添加で強度,電気伝導率の向上が著しい元素である。
添加量を1.3% 未満と限定するのは、電気伝導率(I
ACS)が50%以上であるためである。電気伝導率は
Cu以外の元素量、また元素の種類により大きく左右さ
れる。Cuの結晶格子内に置換型固溶するような元素は
特に電気伝導率を低下させる。図7にCuの含有量と電
気伝導率(IACS)の関係の一例を示す。この場合C
u以外の元素としてSnを添加している。SnはCuの
結晶格子内に置換型固溶するため特に電気伝導率を低下
させる元素である。この図から電気伝導率(IACS)
50%以上とするためには、Cu以外の元素の添加量は
約1.3% 以下としなければならないことがわかる。も
っともこれは、添加元素をSnと固定したときの結果で
あり、添加元素の種類によっては多少変化する可能性が
あるが、Cu含有量97%から100%の範囲内で電気
伝導率が指数関数的に変化することは、同じである。電
気伝導率(IACS)50%以上の範囲で、軟化温度が
最も高くなる元素の添加が望ましい。また、それぞれの
添加元素の1種類の添加量が1.1% 以内であるほうが
析出硬化作用が顕著である。特に重量でCu−0.5〜
1.5%Cr−0.05〜0.3%Zr,Cu−0.5〜
1.5%Cr,Cu−0.05〜0.3%Zr、これらに
Ti0.1% 以下含有させ、軟化温度が500℃以上
で、室温での弾性率が140MPa以上と高くしたもの
は、本発明の金属放熱板,金属支持板の材料としては最
も好適である。
板材料として、Cuが重量比で98.7%以上であり残部が
Cr,Zr,Ag,Snから選ばれた1種以上の元素が
含まれているものがよい。Cr,Zr,Ag,SnはC
uに添加することにより、析出硬化作用が顕著で、少量
の添加で強度,電気伝導率の向上が著しい元素である。
添加量を1.3% 未満と限定するのは、電気伝導率(I
ACS)が50%以上であるためである。電気伝導率は
Cu以外の元素量、また元素の種類により大きく左右さ
れる。Cuの結晶格子内に置換型固溶するような元素は
特に電気伝導率を低下させる。図7にCuの含有量と電
気伝導率(IACS)の関係の一例を示す。この場合C
u以外の元素としてSnを添加している。SnはCuの
結晶格子内に置換型固溶するため特に電気伝導率を低下
させる元素である。この図から電気伝導率(IACS)
50%以上とするためには、Cu以外の元素の添加量は
約1.3% 以下としなければならないことがわかる。も
っともこれは、添加元素をSnと固定したときの結果で
あり、添加元素の種類によっては多少変化する可能性が
あるが、Cu含有量97%から100%の範囲内で電気
伝導率が指数関数的に変化することは、同じである。電
気伝導率(IACS)50%以上の範囲で、軟化温度が
最も高くなる元素の添加が望ましい。また、それぞれの
添加元素の1種類の添加量が1.1% 以内であるほうが
析出硬化作用が顕著である。特に重量でCu−0.5〜
1.5%Cr−0.05〜0.3%Zr,Cu−0.5〜
1.5%Cr,Cu−0.05〜0.3%Zr、これらに
Ti0.1% 以下含有させ、軟化温度が500℃以上
で、室温での弾性率が140MPa以上と高くしたもの
は、本発明の金属放熱板,金属支持板の材料としては最
も好適である。
【0036】半導体装置は、より信頼性の高いものが要
求され、図15に示すような金属放熱板,熱応力緩和材
が無く、絶縁基板の上下面にCu箔の電極をもつ絶縁基
板に半導体素子が直接接合された構造の半導体基板が提
案されてきている。この場合は接合層の数が4層から2
層になる分、信頼性の向上が期待できるが、一方絶縁基
板と金属支持板の間の接合層に対する熱応力が従来構造
に比べより大きくなる。従って、本発明の金属支持板を
用いることにより、信頼性の向上がより著しくなること
が期待できる。なお、この場合は金属支持板が放熱板を
兼ねるため、絶縁板は半導体素子より発生する熱を効率
良く放散するため熱伝度率の高いAlN,SiCが用い
られる。
求され、図15に示すような金属放熱板,熱応力緩和材
が無く、絶縁基板の上下面にCu箔の電極をもつ絶縁基
板に半導体素子が直接接合された構造の半導体基板が提
案されてきている。この場合は接合層の数が4層から2
層になる分、信頼性の向上が期待できるが、一方絶縁基
板と金属支持板の間の接合層に対する熱応力が従来構造
に比べより大きくなる。従って、本発明の金属支持板を
用いることにより、信頼性の向上がより著しくなること
が期待できる。なお、この場合は金属支持板が放熱板を
兼ねるため、絶縁板は半導体素子より発生する熱を効率
良く放散するため熱伝度率の高いAlN,SiCが用い
られる。
【0037】更に、金属放熱板と絶縁基板,金属支持板
の接合層に熱膨張係数が各部材の中間の値を有する網ま
たは網状のシート(方形の枠のようなものでも良い)を
配置する方法を用い、更に軟化温度が350℃以上であ
り、かつ熱伝導率320J/sec・m・K以上、または電
気伝導率(IACS)が50%以上の条件を満たすCu
合金を用いた上記金属放熱板または金属支持板の部材の
採用を併用することにより、ろう層の厚さを均一にする
ことができ、基板の熱応力による反りも小さくできると
いう相乗効果により、ろう材の割れ,空隙部の発生を一
層抑制することが可能となる。
の接合層に熱膨張係数が各部材の中間の値を有する網ま
たは網状のシート(方形の枠のようなものでも良い)を
配置する方法を用い、更に軟化温度が350℃以上であ
り、かつ熱伝導率320J/sec・m・K以上、または電
気伝導率(IACS)が50%以上の条件を満たすCu
合金を用いた上記金属放熱板または金属支持板の部材の
採用を併用することにより、ろう層の厚さを均一にする
ことができ、基板の熱応力による反りも小さくできると
いう相乗効果により、ろう材の割れ,空隙部の発生を一
層抑制することが可能となる。
【0038】また、熱応力緩和材としては熱膨張係数の
点から、Mo,W,Taあるいはそれらの合金から選ば
れたものが好適である。該熱応力緩和材の熱膨張係数は
Siの4.5×10-6/℃ に近い方が望ましい。
点から、Mo,W,Taあるいはそれらの合金から選ば
れたものが好適である。該熱応力緩和材の熱膨張係数は
Siの4.5×10-6/℃ に近い方が望ましい。
【0039】また、絶縁基板材としては、熱伝導率が大
きく、熱膨張係数がCuと半導体素子の中間程度のもの
が良い。その条件にあてはまるものとしてAl2O3,A
lN,SiCから選ばれたものが好適である。
きく、熱膨張係数がCuと半導体素子の中間程度のもの
が良い。その条件にあてはまるものとしてAl2O3,A
lN,SiCから選ばれたものが好適である。
【0040】また、熱応力緩和材を接合し、反りの発生
した金属放熱板を絶縁板,金属支持板と接合する前に、
金属放熱板の裏面(熱応力緩和材を接合していない面)
を平坦に機械研削し反りを修正して平らにした後、絶縁
板,金属支持板と接合する方法を上記Cu合金を使用す
る際に併用することにより、使用時の金属放熱板と絶縁
板の間のろう材の割れ,空隙部の発生を抑制することが
できる。
した金属放熱板を絶縁板,金属支持板と接合する前に、
金属放熱板の裏面(熱応力緩和材を接合していない面)
を平坦に機械研削し反りを修正して平らにした後、絶縁
板,金属支持板と接合する方法を上記Cu合金を使用す
る際に併用することにより、使用時の金属放熱板と絶縁
板の間のろう材の割れ,空隙部の発生を抑制することが
できる。
【0041】また、金属放熱板の半導体素子搭載面に溝
を入れることにより同様の熱応力開放作用がある。
を入れることにより同様の熱応力開放作用がある。
【0042】また、金属放熱板に半導体素子非搭載面の
面積が搭載面より大きくなるようにテーパーを付けるこ
とは、接合端部への応力集中を小さくするのに有効であ
る。上記の半導体装置の半導体素子はIGBT素子,バ
イポーラトランジスタ,FET,ダイオード,サイリス
タなどのスイッチング作用をもつ半導体素子であれば、
PWMによる電力制御を行うことができる。
面積が搭載面より大きくなるようにテーパーを付けるこ
とは、接合端部への応力集中を小さくするのに有効であ
る。上記の半導体装置の半導体素子はIGBT素子,バ
イポーラトランジスタ,FET,ダイオード,サイリス
タなどのスイッチング作用をもつ半導体素子であれば、
PWMによる電力制御を行うことができる。
【0043】上記の半導体装置を用いた電力制御装置
は、装置の運転,停止の繰返しによるヒートサイクルが
多くなっても、半導体素子の熱劣化や,割れが生じない
ため装置信頼性を高めることができる。前記の電力制御
装置を搭載した列車,電気自動車等の車両,エレベータ
制御装置,工作機械は安定した性能を発揮することがで
きる。その他、電動機,発振器,加熱器などで電力制御
を必要とする機器には、本発明の半導体装置は装置信頼
性を向上させることができ好適である。
は、装置の運転,停止の繰返しによるヒートサイクルが
多くなっても、半導体素子の熱劣化や,割れが生じない
ため装置信頼性を高めることができる。前記の電力制御
装置を搭載した列車,電気自動車等の車両,エレベータ
制御装置,工作機械は安定した性能を発揮することがで
きる。その他、電動機,発振器,加熱器などで電力制御
を必要とする機器には、本発明の半導体装置は装置信頼
性を向上させることができ好適である。
【0044】
(実施例1)図1にIGBTモジュールの断面構造,図
2にケース,樹脂等を除いたIGBT基板のみの上面図を示
す。図3は、本発明のIGBT基板の断面構造である。
IGBTモジュールは、下記の手順で組み立てられたIGB
T基板にリード線13を半田付けし、エポキシ製のケー
ス12をかぶせた後、半導体素子の耐電圧を確保するた
めのシリコンゲル9を充填する。次に、シリコンゲルの
気密封止およびリード線13の固定のためエポキシレジ
ン(ハードレジン)10を充填し、電極11を取付け、
エポキシ製のふた14をして完成する。IGBT基板最
下部の金属支持板はねじにより所定の場所に固定され
る。次にIGBT基板の組立て手順について説明する。
厚さ4mmのCu−Cr−Zr製放熱板3と熱応力緩和材
の純度99%のMoブロック(厚さ1mm)4を4行2
列,計8個をAu−20%Snはんだ61で接合して、
図17に示す接合体25を得る。その後熱応力緩和材と
同数の8個の半導体素子5及び絶縁層のAl2O3を介し
た電極17をSn−5%Sbはんだ62等でMoブロッ
ク4やCu−Cr−Zr製放熱板3の上にそれぞれ接合
した。更に、絶縁基板2のAl2O3セラミック(厚さ0.
7mm)と純Cu製支持板1(厚さ10mm)をSn−40
%Pbはんだ63で接合した後、樹脂で充填して図1に
示す半導体装置とした。ここで使用した金属放熱板3は
Cu−1.1 重量%Cr−0.11 重量%Zr合金材で
あり、1000℃で1時間溶体化処理した後、500℃
で3時間時効処理を行ったものであり、接合前の弾性率
130MPa,熱伝導率340J/sec・m・K,電気伝導
率(IACS)83%であり軟化点は約580℃の材料
特性をもつものである。
2にケース,樹脂等を除いたIGBT基板のみの上面図を示
す。図3は、本発明のIGBT基板の断面構造である。
IGBTモジュールは、下記の手順で組み立てられたIGB
T基板にリード線13を半田付けし、エポキシ製のケー
ス12をかぶせた後、半導体素子の耐電圧を確保するた
めのシリコンゲル9を充填する。次に、シリコンゲルの
気密封止およびリード線13の固定のためエポキシレジ
ン(ハードレジン)10を充填し、電極11を取付け、
エポキシ製のふた14をして完成する。IGBT基板最
下部の金属支持板はねじにより所定の場所に固定され
る。次にIGBT基板の組立て手順について説明する。
厚さ4mmのCu−Cr−Zr製放熱板3と熱応力緩和材
の純度99%のMoブロック(厚さ1mm)4を4行2
列,計8個をAu−20%Snはんだ61で接合して、
図17に示す接合体25を得る。その後熱応力緩和材と
同数の8個の半導体素子5及び絶縁層のAl2O3を介し
た電極17をSn−5%Sbはんだ62等でMoブロッ
ク4やCu−Cr−Zr製放熱板3の上にそれぞれ接合
した。更に、絶縁基板2のAl2O3セラミック(厚さ0.
7mm)と純Cu製支持板1(厚さ10mm)をSn−40
%Pbはんだ63で接合した後、樹脂で充填して図1に
示す半導体装置とした。ここで使用した金属放熱板3は
Cu−1.1 重量%Cr−0.11 重量%Zr合金材で
あり、1000℃で1時間溶体化処理した後、500℃
で3時間時効処理を行ったものであり、接合前の弾性率
130MPa,熱伝導率340J/sec・m・K,電気伝導
率(IACS)83%であり軟化点は約580℃の材料
特性をもつものである。
【0045】上記構造の半導体装置について、動作,停
止を10分間ずつ行い、実装時の経時劣化を模擬するパ
ワーサイクル試験を行った結果、50kサイクル以上に
おいても熱抵抗の増加や電気的性能の劣化は見られず、
従来の純Cu放熱板を用いた半導体装置に比べて約5倍
以上のパワーサイクル寿命であることを確認した。
止を10分間ずつ行い、実装時の経時劣化を模擬するパ
ワーサイクル試験を行った結果、50kサイクル以上に
おいても熱抵抗の増加や電気的性能の劣化は見られず、
従来の純Cu放熱板を用いた半導体装置に比べて約5倍
以上のパワーサイクル寿命であることを確認した。
【0046】(実施例2)金属放熱板の軟化温度と接合
後の基板反り及び接合層の欠陥発生の関係を明確にする
ため、まず、Mo製熱応力緩和材(厚さ1mm)を4行,
2列,計8個を配置し、厚さ4mmの金属放熱板として、
本発明のCu−1.0重量%Cr(軟化温度540℃)
と、比較として純Cu(軟化温度280℃)をAu−2
0%Snはんだを用いて接合し、接合後の変形量を調べ
た。変形量は図8に示したように、長辺側のものをレー
ザー干渉式の基板平面度測定装置を用いて調べた。図9
に従来材の純Cu製の変形量、図10に本発明のCu−
Cr製放熱板を用いたものの変形量を示す。試料数はそ
れぞれ78個と70個である。純Cu製の変形量は46
0〜490μmの付近に集中しているが本発明の変形量
は370〜400μmであることがわかる。すなわち、
100μm程度変形量が小さくなっている。
後の基板反り及び接合層の欠陥発生の関係を明確にする
ため、まず、Mo製熱応力緩和材(厚さ1mm)を4行,
2列,計8個を配置し、厚さ4mmの金属放熱板として、
本発明のCu−1.0重量%Cr(軟化温度540℃)
と、比較として純Cu(軟化温度280℃)をAu−2
0%Snはんだを用いて接合し、接合後の変形量を調べ
た。変形量は図8に示したように、長辺側のものをレー
ザー干渉式の基板平面度測定装置を用いて調べた。図9
に従来材の純Cu製の変形量、図10に本発明のCu−
Cr製放熱板を用いたものの変形量を示す。試料数はそ
れぞれ78個と70個である。純Cu製の変形量は46
0〜490μmの付近に集中しているが本発明の変形量
は370〜400μmであることがわかる。すなわち、
100μm程度変形量が小さくなっている。
【0047】更に、上記の基板に絶縁基板,金属支持板
を接合したものを、室温〜150℃の温度サイクルを繰
り返す熱サイクル試験を行い試験後の接合層(ろう材
部)の欠陥発生率(ボイド発生率)を超音波探傷法で調
べた。また、図11に示すように基板を切断し、図12
に示すように剪断試験を行い接合部の接着強度を調べ
た。図13に熱サイクル数とボイド発生率の関係を示
す。Cu−Cr合金を放熱板として用いたものは、温度
サイクル数が増加してもボイド発生率は組み立て直後
(サイクル数0回)とほとんど変わらないのに対し、純
Cuを放熱板として用いたものは、サイクル数に比例し
てボイド発生率が増加している(同一サイクル数の2つ
の黒丸はデータのばらつきを示している。)温度サイク
ル試験では、温度が高くなった時は金属放熱板の反り
は、応力が緩和され小さくなるが、室温に戻ると再び反
りが大きくなる。この繰返しによって、接合部に割れ,
空隙部が発生する。図14に上記温度サイクル試験後の
基板の剪断試験後の累積破断確率と剪断強度の関係を示
す。累積破断確率50%でCu−1.0 重量%Cr合
金の剪断強度は純Cuの場合の1.5 倍以上となってい
る。また、剪断強度が最低値でも3kg/mm2 であること
から接合部はほぼ均一に接合していることがわかる。図
13の結果と合わせて考えて、Cu−1.0重量%Cr
合金を金属放熱板,金属支持板に用いた場合、ろう材に
割れ,空隙部の発生が抑制されて剪断強度が大きいと考
えられる。
を接合したものを、室温〜150℃の温度サイクルを繰
り返す熱サイクル試験を行い試験後の接合層(ろう材
部)の欠陥発生率(ボイド発生率)を超音波探傷法で調
べた。また、図11に示すように基板を切断し、図12
に示すように剪断試験を行い接合部の接着強度を調べ
た。図13に熱サイクル数とボイド発生率の関係を示
す。Cu−Cr合金を放熱板として用いたものは、温度
サイクル数が増加してもボイド発生率は組み立て直後
(サイクル数0回)とほとんど変わらないのに対し、純
Cuを放熱板として用いたものは、サイクル数に比例し
てボイド発生率が増加している(同一サイクル数の2つ
の黒丸はデータのばらつきを示している。)温度サイク
ル試験では、温度が高くなった時は金属放熱板の反り
は、応力が緩和され小さくなるが、室温に戻ると再び反
りが大きくなる。この繰返しによって、接合部に割れ,
空隙部が発生する。図14に上記温度サイクル試験後の
基板の剪断試験後の累積破断確率と剪断強度の関係を示
す。累積破断確率50%でCu−1.0 重量%Cr合
金の剪断強度は純Cuの場合の1.5 倍以上となってい
る。また、剪断強度が最低値でも3kg/mm2 であること
から接合部はほぼ均一に接合していることがわかる。図
13の結果と合わせて考えて、Cu−1.0重量%Cr
合金を金属放熱板,金属支持板に用いた場合、ろう材に
割れ,空隙部の発生が抑制されて剪断強度が大きいと考
えられる。
【0048】(実施例3)実施例1と同様の構造におい
て、金属放熱板3をCu−0.7 重量%Cr材を950
℃で1時間溶体化処理を行い、その後500℃で時効処
理を4時間行った材料を用い半導体装置を試作した。上
記材質の材料特性は弾性率140MPa、熱伝導率32
0J/sec・m・K,電気伝導率(IACS)83%,軟
化点は約450℃の材料特性をもつものである。この半
導体装置をパワーサイクル試験を50kサイクル行い、
電気的特性,熱抵抗を調べた。その結果、実施例1と同
様、従来の純Cu放熱板を用いた半導体装置に比べ、約
5倍以上のパワーサイクル寿命であることを確認した。
て、金属放熱板3をCu−0.7 重量%Cr材を950
℃で1時間溶体化処理を行い、その後500℃で時効処
理を4時間行った材料を用い半導体装置を試作した。上
記材質の材料特性は弾性率140MPa、熱伝導率32
0J/sec・m・K,電気伝導率(IACS)83%,軟
化点は約450℃の材料特性をもつものである。この半
導体装置をパワーサイクル試験を50kサイクル行い、
電気的特性,熱抵抗を調べた。その結果、実施例1と同
様、従来の純Cu放熱板を用いた半導体装置に比べ、約
5倍以上のパワーサイクル寿命であることを確認した。
【0049】(実施例4)実施例1と同様の構造におい
て、金属支持板及び放熱板をCu−0.1 重量%Zr材
を1000℃で1時間溶体化処理を行い、その後500
℃で時効処理を4時間行った材料を用い半導体装置を試
作した。上記材質の材料特性は弾性率130MPa,熱伝
導率360J/sec・m・K,電気伝導率(IACS)9
4%、軟化点は約450℃の材料特性をもつものであ
る。この半導体装置をパワーサイクル試験を50kサイ
クル行い、電気的特性,熱抵抗を調べた。その結果、実
施例1と同様、従来の純Cu放熱板を用いた半導体装置
に比べ、約5倍以上のパワーサイクル寿命であることを
確認した。
て、金属支持板及び放熱板をCu−0.1 重量%Zr材
を1000℃で1時間溶体化処理を行い、その後500
℃で時効処理を4時間行った材料を用い半導体装置を試
作した。上記材質の材料特性は弾性率130MPa,熱伝
導率360J/sec・m・K,電気伝導率(IACS)9
4%、軟化点は約450℃の材料特性をもつものであ
る。この半導体装置をパワーサイクル試験を50kサイ
クル行い、電気的特性,熱抵抗を調べた。その結果、実
施例1と同様、従来の純Cu放熱板を用いた半導体装置
に比べ、約5倍以上のパワーサイクル寿命であることを
確認した。
【0050】(実施例5)実施例1と同様の構造におい
て、金属支持板及び放熱板をCu−1.0 重量%Cr−
0.1重量%Zr−0.03重量%Ti材を850℃で1
時間溶体化処理を行い、その後500℃で時効処理を3
0分行った材料を用い、該金属放熱板2と熱応力緩和材
のMoブロック3をAu−20重量%Snろう材で接合
した半導体装置を試作した。上記材質の材料特性は弾性
率130MPa,熱伝導率360J/sec・m・K,電気
伝導率(IACS)94%,軟化点は約450℃の材料
特性をもつものである。この半導体装置をパワーサイク
ル試験を50kサイクル行い、電気的特性,熱抵抗を調
べた。その結果、実施例1と同様、従来の純Cu放熱板
を用いた半導体装置に比べ、約5倍以上のパワーサイク
ル寿命であることを確認した。
て、金属支持板及び放熱板をCu−1.0 重量%Cr−
0.1重量%Zr−0.03重量%Ti材を850℃で1
時間溶体化処理を行い、その後500℃で時効処理を3
0分行った材料を用い、該金属放熱板2と熱応力緩和材
のMoブロック3をAu−20重量%Snろう材で接合
した半導体装置を試作した。上記材質の材料特性は弾性
率130MPa,熱伝導率360J/sec・m・K,電気
伝導率(IACS)94%,軟化点は約450℃の材料
特性をもつものである。この半導体装置をパワーサイク
ル試験を50kサイクル行い、電気的特性,熱抵抗を調
べた。その結果、実施例1と同様、従来の純Cu放熱板
を用いた半導体装置に比べ、約5倍以上のパワーサイク
ル寿命であることを確認した。
【0051】(実施例6)図15の構造のIGBT基板
の金属支持板にCu−0.15重量%Zrを950℃で1時
間、溶体化処理し、500℃で3時間時効処理したもの
を用いた。これをIGBTモジュールとして組み込み、
実施例1と同様の方法によりパワーサイクル試験を50
kサイクル行い、電気的特性,熱抵抗を調べた。その結
果、実施例1と同様、従来の純Cu金属支持板を用いた
半導体装置に比べ、約5倍以上のパワーサイクル寿命で
あることを確認した。
の金属支持板にCu−0.15重量%Zrを950℃で1時
間、溶体化処理し、500℃で3時間時効処理したもの
を用いた。これをIGBTモジュールとして組み込み、
実施例1と同様の方法によりパワーサイクル試験を50
kサイクル行い、電気的特性,熱抵抗を調べた。その結
果、実施例1と同様、従来の純Cu金属支持板を用いた
半導体装置に比べ、約5倍以上のパワーサイクル寿命で
あることを確認した。
【0052】(実施例7)実施例5において、金属放熱
板3と熱応力緩和材4の間の接合層に、図16のように
Ni製の網状の構造体を挿入してろう材による接合を行
った。これにより、ろう層の厚さが均一になり、実施例
5以上のパワーサイクル寿命が得られた。 (実施例8)実施例5において、金属放熱板3と熱応力
緩和材4の接合体25において、図17のごとく該金属
接合体25の熱応力緩和材4と接合した反対側の面26
を図18のように切削加工して平滑化した。その後、絶
縁基板,金属支持板を接合した半導体装置も接合層に発
生する熱応力の低減ができるため、実施例5以上のパワ
ーサイクル寿命が得られた。
板3と熱応力緩和材4の間の接合層に、図16のように
Ni製の網状の構造体を挿入してろう材による接合を行
った。これにより、ろう層の厚さが均一になり、実施例
5以上のパワーサイクル寿命が得られた。 (実施例8)実施例5において、金属放熱板3と熱応力
緩和材4の接合体25において、図17のごとく該金属
接合体25の熱応力緩和材4と接合した反対側の面26
を図18のように切削加工して平滑化した。その後、絶
縁基板,金属支持板を接合した半導体装置も接合層に発
生する熱応力の低減ができるため、実施例5以上のパワ
ーサイクル寿命が得られた。
【0053】(実施例9)実施例5において、金属放熱
板3の端部27を図19のごとく該金属放熱板をテーパ
ー状に切削加工した。その後、絶縁基板,金属支持板を
接合した半導体装置も接合層に発生する熱応力の低減が
できるため、実施例5以上のパワーサイクル寿命が得ら
れた。
板3の端部27を図19のごとく該金属放熱板をテーパ
ー状に切削加工した。その後、絶縁基板,金属支持板を
接合した半導体装置も接合層に発生する熱応力の低減が
できるため、実施例5以上のパワーサイクル寿命が得ら
れた。
【0054】(実施例10)実施例5において、金属放
熱板3の熱応力緩和材接着側に図20のごとく該金属放
熱板に溝加工28を施した。その後、絶縁基板,金属支
持板を接合した半導体装置も接合層に発生する熱応力の
低減ができるため、実施例5以上のパワーサイクル寿命
が得られた。
熱板3の熱応力緩和材接着側に図20のごとく該金属放
熱板に溝加工28を施した。その後、絶縁基板,金属支
持板を接合した半導体装置も接合層に発生する熱応力の
低減ができるため、実施例5以上のパワーサイクル寿命
が得られた。
【0055】(実施例11)図15に示す構造の半導体
基板の金属支持板1(厚さ10mm)としてCu−0.2
重量%Ag合金を950℃で1時間、溶体化処理し、5
00℃で3時間時効処理したものを用いた。組立ては、
まず熱伝導率の良いAlN基板(厚さ1mm)を絶縁基板2
とし、上下面にCu箔の電極29を設けた後、半導体素
子5を4行,2列,計8個,Au−20%Snはんだ6
1で接合した。これをSn−5%Sbはんだ62を用い
て金属支持板1に接合した。これを実施例1と同様にケ
−スをかぶせ樹脂等を流し込んでIGBTモジュールと
して組み込んだ。このIGBTモジュールを実施例1と
同様の方法によりパワーサイクル試験を50kサイクル
行い、電気的特性,熱抵抗を調べた。その結果、実施例
1と同様、従来の純銅金属支持板を用いた半導体装置に
比べ、約5倍以上のパワーサイクル寿命であることを確
認した。
基板の金属支持板1(厚さ10mm)としてCu−0.2
重量%Ag合金を950℃で1時間、溶体化処理し、5
00℃で3時間時効処理したものを用いた。組立ては、
まず熱伝導率の良いAlN基板(厚さ1mm)を絶縁基板2
とし、上下面にCu箔の電極29を設けた後、半導体素
子5を4行,2列,計8個,Au−20%Snはんだ6
1で接合した。これをSn−5%Sbはんだ62を用い
て金属支持板1に接合した。これを実施例1と同様にケ
−スをかぶせ樹脂等を流し込んでIGBTモジュールと
して組み込んだ。このIGBTモジュールを実施例1と
同様の方法によりパワーサイクル試験を50kサイクル
行い、電気的特性,熱抵抗を調べた。その結果、実施例
1と同様、従来の純銅金属支持板を用いた半導体装置に
比べ、約5倍以上のパワーサイクル寿命であることを確
認した。
【0056】(実施例12)実施例11において、金属
支持板と絶縁基板の間に純度99.0%,太さ0.1mmの
Ni線でできた枠(長方形)を介在させ、接合層の厚さ
を100μmになるようにして、Sn−5%Sbはんだ
で、前記金属支持板と絶縁基板を接合して、IGBT基
板を作製した。これを実施例1と同様にケースをかぶせ
樹脂等を流し込んでIGBTモジュールとして組み込ん
だ。このIGBTモジュールを実施例1と同様の方法に
より試験を行ったが、実施例11の結果以上の寿命が得
られることを確認した。
支持板と絶縁基板の間に純度99.0%,太さ0.1mmの
Ni線でできた枠(長方形)を介在させ、接合層の厚さ
を100μmになるようにして、Sn−5%Sbはんだ
で、前記金属支持板と絶縁基板を接合して、IGBT基
板を作製した。これを実施例1と同様にケースをかぶせ
樹脂等を流し込んでIGBTモジュールとして組み込ん
だ。このIGBTモジュールを実施例1と同様の方法に
より試験を行ったが、実施例11の結果以上の寿命が得
られることを確認した。
【0057】
【発明の効果】本発明によれば金属放熱板の接合時の反
り量を小さくすることができ、従って使用時のヒートサ
イクルによるろう材の割れ,空隙の発生を抑制すること
ができる。それにより装置寿命の長い、従って装置信頼
性の高い半導体装置を提供できる。
り量を小さくすることができ、従って使用時のヒートサ
イクルによるろう材の割れ,空隙の発生を抑制すること
ができる。それにより装置寿命の長い、従って装置信頼
性の高い半導体装置を提供できる。
【図1】IGBT横断面図。
【図2】IGBT基板上面図。
【図3】IGBT基板断面図。
【図4】従来IGBT構造。
【図5】従来IGBT構造。
【図6】時効処理した高力導電用Cu合金の高温硬さ。
【図7】Cu含有量と電気伝導率の関係の一例。
【図8】金属放熱板の変形量測定方法。
【図9】純Cuを金属放熱板に用いた場合の基板変形
量。
量。
【図10】本発明のCu−Cr合金を金属放熱板に用い
た場合の基板変形量。
た場合の基板変形量。
【図11】ろう層の剪断強度測定用試験片採取方法。
【図12】ろう層の剪断強度測定方法。
【図13】超音波探傷法によるろう層の観察結果。
【図14】ろう層の剪断強度測定結果。
【図15】Cu箔電極をもつ絶縁基板を用いた半導体基
板の断面図。
板の断面図。
【図16】金属網状体を併用した半導体基板の断面図。
【図17】接合後の反りの模式図。
【図18】金属放熱板裏面研削の模式図。
【図19】金属放熱板のテーパー加工の模式図。
【図20】金属放熱板の溝加工の模式図。
1…金属支持板、2…絶縁基板、3…金属放熱板、4…
熱応力緩和材、5…半導体素子、6…ろう層、7…アル
ミ線、8…半導体装置固定用ねじ穴、9,10…封止用
樹脂、11…電極、12…ケース、13…リード線、1
4…ふた、15…ダイオード素子、16…IGBT素
子、17…電極、18…網状体、19,21,22,2
4…銅板、20,23…モリブデン板、25…熱応力緩
和材と金属放熱板の接合体、26…裏面切削面、27…
テーパー加工面、28…溝研削部、29…Cu箔電極。
熱応力緩和材、5…半導体素子、6…ろう層、7…アル
ミ線、8…半導体装置固定用ねじ穴、9,10…封止用
樹脂、11…電極、12…ケース、13…リード線、1
4…ふた、15…ダイオード素子、16…IGBT素
子、17…電極、18…網状体、19,21,22,2
4…銅板、20,23…モリブデン板、25…熱応力緩
和材と金属放熱板の接合体、26…裏面切削面、27…
テーパー加工面、28…溝研削部、29…Cu箔電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋山 浩 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 斉藤 隆一 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 小池 義彦 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 北野 誠 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (56)参考文献 特開 平2−100346(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 23/36 H01L 23/12 H01L 21/52,21/58 H01L 25/04
Claims (11)
- 【請求項1】金属支持板上に順次絶縁基板,金属放熱
板、及び前記金属放熱板に複数個の熱応力緩和材が搭載
され、該熱応力緩和材の上に半導体素子が搭載されてい
る半導体装置において、前記金属放熱板は、その高温で
の硬度が室温での硬度の1/2となる軟化温度が、前記
絶縁基板,金属放熱板,熱応力緩和材,半導体素子の接
合温度の内、最も高い接合温度以上であるCu基合金か
らなることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】金属支持板上に順次絶縁基板,金属放熱
板、及び前記金属放熱板に複数個の熱応力緩和材が搭載
され、該熱応力緩和材の上に半導体素子が搭載されてい
る半導体装置において、前記金属放熱板または前記金属
支持板の少なくとも一方の部材は、その高温での硬度
が、室温での硬度の1/2となる軟化温度が、前記絶縁
基板,金属放熱板,熱応力緩和材,半導体素子の接合温
度の内最も高い接合温度以上であり、かつ室温における
熱伝導率が320J/sec・m・K以上または室温におけ
る電気伝導率(IACS)が50%以上であるCu基合
金からなることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項3】金属支持板上に順次絶縁基板,金属放熱
板、及び前記金属放熱板に複数個の熱応力緩和材が搭載
され、該熱応力緩和材の上に半導体素子が搭載されてい
る半導体装置において、前記金属放熱板または前記金属
支持板の少なくとも一方の部材は、Cr,Zr,Ti,
Be,Sn,Ag及びCdの1種を1.3 重量%以下又
は2種以上を合計で1.3 重量%以下を含有するCu基
合金からなることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項4】金属支持板の上下面にCu箔の電極をもつ
絶縁基板、複数個の半導体素子が搭載されている半導体
装置において、前記金属支持板の部材は、その高温での
硬度が室温での硬度の1/2となる軟化温度が前記金属
支持板の接合温度以上であり、かつ室温における熱伝導
率が320J/sec・m・K以上または室温における電気
伝導率(IACS)が50%以上であることを特徴とす
る半導体装置。 - 【請求項5】金属支持板の上下面にCu箔の電極をもつ
絶縁基板、複数個の半導体素子が搭載されている半導体
装置において、前記金属支持板の部材は、Cuが重量比
で98.7% 以上であり、Cr,Zr,Ag,Snから
選ばれた1種以上の元素が含まれているCu合金からな
ることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項6】金属支持板上に順次絶縁基板,金属放熱
板、及び前記金属放熱板に複数個の熱応力緩和材が搭載
され、該熱応力緩和材の上に半導体素子が搭載されてい
る半導体装置において、前記金属放熱板または前記金属
支持板の少なくとも一方の部材は、その高温での硬度が
室温での硬度の1/2となる軟化温度が350℃以上で
あり、かつ該合金の室温における熱伝導率が320J/
sec・m・K以上または室温における電気伝導率(IAC
S)が50%以上であるCu基合金からなり、更に前記
絶縁板と金属放熱板又は金属支持板との接合層には、熱
膨張率が各部材の中間の値を有する網または網状のシー
トを配置して構成したことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項7】金属支持板上に順次絶縁基板,金属放熱
板、及び前記金属放熱板に複数個の熱応力緩和材が搭載
され、該熱応力緩和材の上に半導体素子が搭載されてい
る半導体装置の製造方法において、前記金属放熱板上に
複数個の前記熱応力緩和材を接合した後、前記熱応力緩
和材の各々に前記半導体素子を接合し、次いで前記金属
放熱板に前記絶縁基板及び金属支持板を同時に接合する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項8】半導体素子搭載用の金属支持板において、
金属支持板は、その高温での硬度が室温での硬度の1/
2となる軟化温度が350℃以上であり、かつ該合金の
室温における熱伝導率が320J/sec・m・K以上また
は室温における電気伝導率(IACS)が50%以上で
あるCu合金からなることを特徴とする半導体素子搭載
用金属支持板。 - 【請求項9】半導体素子搭載用の金属放熱板において、
金属放熱板は、その高温での硬度が室温での硬度の1/
2となる軟化温度が350℃以上であり、かつ該合金の
室温における熱伝導率が320J/sec・m・K以上また
は室温における電気伝導率(IACS)が50%以上で
あるCu合金からなることを特徴とする半導体素子搭載
用金属放熱板。 - 【請求項10】半導体素子搭載用の金属支持板におい
て、Cr,Zr,Ti,Be,Sn,Ag及びCdの1
種を1.3 重量%以下又は2種以上を合計で1.3 重量
%以下含有するCu合金からなることを特徴とする半導
体素子搭載用金属支持板。 - 【請求項11】半導体素子搭載用の金属放熱板におい
て、Cr,Zr,Ti,Be,Sn,Ag及びCdの1
種を1.3 重量%以下又は2種以上を合計で1.3 重量
%以下含有するCu合金からなることを特徴とする半導
体素子搭載用金属放熱板。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP33490893A JP2936987B2 (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 半導体装置とその製造方法並びに半導体素子搭載用金属支持板及び放熱板 |
EP19940309433 EP0661748A1 (en) | 1993-12-28 | 1994-12-16 | Semiconductor device |
US08/363,245 US5621243A (en) | 1993-12-28 | 1994-12-23 | Semiconductor device having thermal stress resistance structure |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33490893A JP2936987B2 (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 半導体装置とその製造方法並びに半導体素子搭載用金属支持板及び放熱板 |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07201895A JPH07201895A (ja) | 1995-08-04 |
JP2936987B2 true JP2936987B2 (ja) | 1999-08-23 |
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ID=18282586
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP33490893A Expired - Fee Related JP2936987B2 (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 半導体装置とその製造方法並びに半導体素子搭載用金属支持板及び放熱板 |
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SG157957A1 (en) * | 2003-01-29 | 2010-01-29 | Interplex Qlp Inc | Package for integrated circuit die |
JP4560645B2 (ja) * | 2005-09-20 | 2010-10-13 | Dowaメタルテック株式会社 | 複数の半導体基板を搭載するための放熱板およびそれを用いた半導体基板接合体 |
JP4967447B2 (ja) * | 2006-05-17 | 2012-07-04 | 株式会社日立製作所 | パワー半導体モジュール |
JP4840314B2 (ja) * | 2007-09-26 | 2011-12-21 | 三菱電機株式会社 | 電力半導体モジュール |
JP2012054513A (ja) * | 2010-09-03 | 2012-03-15 | Toshiba Corp | 半導体パッケージ |
JP2015076562A (ja) * | 2013-10-11 | 2015-04-20 | 三菱電機株式会社 | パワーモジュール |
KR102565415B1 (ko) * | 2018-02-21 | 2023-08-09 | 삼성디스플레이 주식회사 | 표시 장치 |
-
1993
- 1993-12-28 JP JP33490893A patent/JP2936987B2/ja not_active Expired - Fee Related
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