JP3313650B2 - 圧接型半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ
Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）等の圧接型
半導体装置に係り、特に装置全体の熱抵抗を低減した圧
接型半導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来の圧接型半導体装置は、少
なくとも一つのＰＮ接合部を有し、両主面に電極を形成
した半導体素子基板と、この半導体素子基板の両主面と
対面し、各々の電極と面接触するように設けられた熱緩
衝板と、これらの半導体素子基板、および熱緩衝板を、
互いに加圧接触させるポスト電極とから構成されてい
る。また、このポスト電極の外側にはこれと接触するよ
うに、半導体素子基板を冷却してこれから発生する熱を
除去するヒートシンクが設けられている。さらに、これ
らの半導体素子基板、熱緩衝板、ポスト電極、およびヒ
ートシンクは、筒形の絶縁容器の内部に収納され、この
筒形の絶縁容器は金属製のフランジを介してポスト電極
と気密接合され、その内部には不活性ガスを主成分とす
る気体が封入されている。

【０００３】ここで、熱緩衝板は、半導体素子基板を均
等に圧接するという役割と、半導体素子基板からの急激
な熱サイクルを緩和するという役割を果たし、一般にＭ
ｏ、Ｗ等が使用される。

【０００４】また、ポスト電極は、熱緩衝板からの熱を
ポスト電極に伝えるという役割を果たし、一般にＣｕ等
が使用される。さらに、ヒートシンクには、一般にＣｕ
製の水冷式のヒートシンクが使用される。

【０００５】この種の圧接型半導体装置では、運転時に
流れる大電流によって発熱するが、半導体素子基板の耐
熱温度はせいぜい１５０℃程度であることから、半導体
素子基板から発生した熱が、熱緩衝板、ポスト電極を経
て、ヒートシンクヘ達し、このヒートシンクから除熱し
て、半導体素子基板の温度上昇を抑えるようになってい
る。

【０００６】ところで、このような圧接型半導体装置に
おける熱抵抗は、半導体素子基板、熱緩衝板、ポスト電
極等の各構成要素の熱抵抗と、各構成要素同士の接触面
から発生する接触熱抵抗から成る。

【０００７】しかしながら、上記のような構成の圧接型
半導体装置では、半導体素子基板の表面に形成した電極
と熱緩衝板との接触、熱緩衝板とポスト電極との接触、
ポスト電極とヒートシンクとの接触という、３つの接触
面があるため、大きな接触抵抗になり、大きな冷却装置
が必要となる。

【０００８】この接触熱抵抗は、加圧力に依存し、加圧
力の増大によって接触熱抵抗は、計算上は減少する。し
かしながら、実際には、加圧力の増大に伴なって、材料
の変形等により均等に圧接することが困難となり、ほと
んど熱抵抗が低減せず、逆に、加圧と除圧を多数回繰り
返した場合には、極端に信頼性が低下するという問題が
生じる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】近年、圧接型半導体装
置の大容量化（高耐圧化、大電流化）の要求が特に高ま
ってきており、それに伴なって、半導体素子基板からの
発熱量も増大する傾向にある。

【００１０】上述したように、従来の圧接型半導体装置
では、熱抵抗、特に接触面数が多いことから、接触熱抵
抗が大きいため、圧接型半導体装置の大容量化を達成す
るには、熱抵抗を低減させる必要がある。特に、信頼性
の観点からは、極端に加圧力を増大することなく、接触
熱抵抗を低減させる必要がある。

【００１１】本発明の目的は、接触面数の低減、接触状
態の改善を施して、極端に加圧力を増大することなく、
装置全体の熱抵抗を低減させることが可能な圧接型半導
体装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明の圧接型半導体装置は、少なくと
も一つのＰＮ接合部を有し、両主面に電極を形成した半
導体素子基板と、半導体素子基板の両主面と対面し、各
々の電極と面接触するように設けられた熱緩衝板と、各
々の熱緩衝板の外側にこれと接触するように設けられ、
半導体素子基板を冷却してこれから発生する熱を除去す
るヒートシンクとを備え、ヒートシンクの外側から半導
体素子基板、熱緩衝板、およびヒートシンクを加圧接触
させて積層体を構成し、積層体を筒形の絶縁容器の内部
に収納し、さらに筒形の絶縁容器をフランジを介して熱
緩衝板と気密接合し、かつ筒形の絶縁容器と熱緩衝板と
フランジとで気密接合された空間内に不活性ガスを主成
分とする気体を封入して成る。

【００１３】従って、請求項１の発明の圧接型半導体装
置においては、半導体素子基板の両主面に面接触するよ
うに熱緩衝板を設け、各々の熱緩衝板の外側に接触する
ようにヒートシンクを設け、ヒートシンクの外側から半
導体素子基板、熱緩衝板、ヒートシンクを加圧接触させ
ることにより、圧接型半導体装置における接触面数を前
述した３つから２つに減少させることが可能となるた
め、その分だけ接触熱抵抗を低減して、極端に加圧力を
増大することなく、圧接型半導体装置全体の熱抵抗を低
減させることができる。

【００１４】また、請求項２の発明では、上記請求項１
の発明の圧接型半導体装置において、熱緩衝板は、Ｍ
ｏ、Ｗ、Ｍｏ−Ｃｕ合金、Ｗ−Ｃｕ合金のいずれかから
なるものとする。

【００１５】従って、請求項２の発明の圧接型半導体装
置においては、熱緩衝板として、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｏ−Ｃｕ
合金、Ｗ−Ｃｕ合金のいずれかからなる複合材料を使用
することにより、上記請求項１の発明と同様の作用を奏
することができる。

【００１６】さらに、請求項３の発明では、上記請求項
１の発明の圧接型半導体装置において、熱緩衝板は、Ｍ
ｏとＣｕの接合体、ＷとＣｕの接合体のいずれかからな
るものとする。

【００１７】従って、請求項３の発明の圧接型半導体装
置においては、熱緩衝板として、ＭｏとＣｕの接合体、
ＷとＣｕの接合体のいずれかからなる接合体を使用する
ことにより、上記請求項１の発明と同様の作用を奏する
ことができる。

【００１８】一方、請求項４の発明では、上記請求項１
または請求項３の発明の圧接型半導体装置において、熱
緩衝板は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒのう
ち、少なくとも一つを含む活性金属ろう材により接合さ
れた接合体からなるものとする。

【００１９】従って、請求項４の発明の圧接型半導体装
置においては、上記接合体の作製時には、Ｔｉ、Ｚｒ、
Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒのうち、少なくとも一つを含む
活性金属ろう材を使用することにより、上記請求項１の
発明と同様の作用を奏することができる。

【００２０】また、請求項５の発明では、上記請求項１
または請求項４の発明の圧接型半導体装置において、熱
緩衝板は、その半導体素子基板に接触する表面が、Ａ
ｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔのいずれかを
主成分とする膜で被覆されているものとする。

【００２１】従って、請求項５の発明の圧接型半導体装
置においては、熱緩衝板の半導体素子基板に接触する表
面を、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔのい
ずれかを主成分とする膜で被覆することにより、圧接型
半導体装置における接触状態を改善することが可能とな
るため、その分だけ接触熱抵抗を低減して、極端に加圧
力を増大することなく、圧接型半導体装置全体の熱抵抗
を低減させることができる。

【００２２】さらに、請求項６の発明では、上記請求項
１または請求項５の発明の圧接型半導体装置において、
熱緩衝板は、その半導体素子基板に接触する表面が、Ｎ
ｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗのいずれかを主成分とする膜で被覆
されているものとする。

【００２３】従って、請求項６の発明の圧接型半導体装
置においては、熱緩衝板の半導体素子基板に接触する表
面を、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗのいずれかを主成分とする
膜で被覆することにより、上記請求項５の発明と同様の
作用を奏することができる。

【００２４】さらにまた、請求項７の発明では、上記請
求項１または請求項６の発明の圧接型半導体装置におい
て、熱緩衝板は、そのうねりが１００μｍ以下であるも
のとする。

【００２５】従って、請求項７の発明の圧接型半導体装
置においては、熱緩衝板のうねりを１００μｍ以下とす
ることにより、上記請求項５の発明と同様の作用を奏す
ることができる。

【００２６】一方、請求項８の発明では、上記請求項１
または請求項７の発明の圧接型半導体装置において、熱
緩衝板と電極との間に、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ
を主成分とする金属箔を挿入している。

【００２７】従って、請求項８の発明の圧接型半導体装
置においては、熱緩衝板と各々の電極との間に、Ａｇ、
Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉを主成分とする金属箔を挿入す
ることにより、上記請求項５の発明と同様の作用を奏す
ることができる。

【００２８】また、請求項９の発明では、上記請求項１
または請求項８の発明の圧接型半導体装置において、筒
形の絶縁容器と熱緩衝板とフランジとの間での気密接合
には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒのうち、少
なくとも一つを含む活性金属ろう材を使用する。

【００２９】従って、請求項９の発明の圧接型半導体装
置においては、筒形の絶縁容器と熱緩衝板とフランジと
の間での気密接合に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、
Ｃｒのうち、少なくとも一つを含む活性金属ろう材を使
用することにより、筒形の絶縁容器と熱緩衝板とフラン
ジとの間をより気密に接合することができる。

【００３０】さらに、請求項１０の発明では、上記請求
項１または請求項９の発明の圧接型半導体装置におい
て、フランジは、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合
金、Ｎｉ−Ｃｕ合金、ステンレスのいずれかからなる
か、または、フランジは、その表面にＮｉ、Ｃｕのいず
れかを被覆したものとする。

【００３１】従って、請求項１０の発明の圧接型半導体
装置においては、フランジとして、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆ
ｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ｃｕ合金、ステンレスのい
ずれかを使用するか、またはフランジの表面にＮｉ、Ｃ
ｕのいずれかを被覆することにより、フランジの、活性
金属ろう材との濡れ性を良くすることができる。

【００３２】一方、請求項１１の発明では、上記請求項
１または請求項１０の発明の圧接型半導体装置におい
て、不活性ガスを主成分とする気体としては、Ｈｅ、Ａ
ｒ、Ｎ₂ 等の不活性ガスを主成分とする気体を封入す
る。

【００３３】従って、請求項１１の発明の圧接型半導体
装置においては、不活性ガスを主成分とする気体とし
て、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ₂ 等の不活性ガスを主成分とする気
体を使用することにより、高熱伝導の観点から好ましい
ものとなる。

【００３４】また、請求項１２の発明では、上記請求項
１または請求項１１の発明の圧接型半導体装置におい
て、各々の熱緩衝板の距離が、筒形の絶縁容器の軸方向
長さよりも小さいものする。

【００３５】従って、請求項１２の発明の圧接型半導体
装置においては、各々の熱緩衝板の距離を、筒形の絶縁
容器の軸方向長さよりも小さくすることにより、従来の
ポスト電極の厚さのほとんどがなくなるため、その分の
熱抵抗が低減でき、さらに圧接型半導体装置とヒートシ
ンクを交互に積み上げた構造の時は、全体の高さを低減
することができ、装置全体の小形化を図ることができ
る。以上により、熱抵抗が著しく低減させた圧接型半導
体装置を得ることができる。

【００３６】

【発明の実施の形態】前述した圧接型半導体装置におい
て、加圧力を極端に増大させずに、圧接型半導体装置の
熱抵抗を低減させるには、接触面の数を減少させるこ
と、あるいは接触状態を改善することが考えられる。

【００３７】そこで、本発明は、圧接型半導体装置にお
ける、（ａ）半導体素子基板の表面に形成した電極と熱
緩衝板との接触、（ｂ）熱緩衝板とポスト電極との接
触、（ｃ）ポスト電極とヒートシンクとの接触、の３つ
の接触面のうち、最も接触熱抵抗が大きい（ｃ）の接触
面を無くしたものである。

【００３８】すなわち、熱緩衝板またはヒートシンク
に、ポスト電極の役割を兼ねさせることにより、接触面
数を３つから２つに減少させる。具体的には、熱緩衝板
として、複合材料（例えば、Ｍｏ−Ｃｕ合金、Ｗ−Ｃｕ
合金）や、接合体（Ｍｏ／Ｃｕ接合体、Ｗ／Ｃｕ接合
体）を使用するものであり、これにより接触熱抵抗を低
減して、圧接型半導体装置全体の熱抵抗の低減を可能と
するものである。

【００３９】以下、上記のような考え方に基づく本発明
の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明す
る。図１は、本実施の形態による圧接型半導体装置の全
体構成例を示す断面図である。

【００４０】すなわち、本実施の形態の圧接型半導体装
置は、図１に示すように、少なくとも一つのＰＮ接合部
を有し、両主面に電極１ａ，１ｂを形成した半導体素子
基板１と、この半導体素子基板１の両主面と対面し、各
々の電極１ａ，１ｂと面接触するように設けられた熱緩
衝板２ａ，２ｂと、各々の熱緩衝板２ａ，２ｂの外側に
これと接触するように設けられ、半導体素子基板１を冷
却してこれから発生する熱を除去するヒートシンク３
ａ，３ｂとを備え、このヒートシンク３ａ，３ｂの外側
から加圧手段により、半導体素子基板１、熱緩衝板２
ａ，２ｂ、およびヒートシンク３ａ，３ｂを加圧接触さ
せて積層体を構成している。

【００４１】また、この積層体を、絶縁性材料からなる
筒形の絶縁容器４の内部に収納し、さらにこの筒形の絶
縁容器４をフランジ５ａ，５ｂを介して熱緩衝板２ａ，
２ｂと気密接合している。

【００４２】さらに、この筒形の絶縁容器４と熱緩衝板
２ａ，２ｂとフランジ５ａ，５ｂとで気密接合された空
間内に、不活性ガスを主成分とする気体を封入してい
る。なお、半導体素子基板１への電流は、ゲート導線６
を介して供給するようになっている。

【００４３】また、半導体素子基板１から発生した熱
は、熱緩衝板２ａ、２ｂを介して、ヒートシンク３ａ，
３ｂから外部に放出されるようになっている。ここで、
熱緩衝板２ａ，２ｂは、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｏ−Ｃｕ合金、Ｗ
−Ｃｕ合金のいずれかからなることが好ましい。

【００４４】あるいは、熱緩衝板２ａ，２ｂは、Ｍｏと
Ｃｕの接合体、ＷとＣｕの接合体のいずれかからなるこ
とが好ましい。もしくは、熱緩衝板２ａ，２ｂは、Ｔ
ｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒのうち、少なくとも
一つを含む活性金属ろう材により接合された接合体から
なることが好ましい。

【００４５】一方、熱緩衝板２ａ，２ｂは、その半導体
素子基板１に接触する表面が、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚ
ｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔのいずれかを主成分とする膜で被
覆されていることが好ましい。

【００４６】あるいは、熱緩衝板２ａ，２ｂは、その半
導体素子基板１に接触する表面が、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、
Ｗのいずれかを主成分とする膜で被覆されていることが
好ましい。

【００４７】また、熱緩衝板２ａ，２ｂは、そのうねり
が１００μｍ以下であることが好ましい。さらに、熱緩
衝板２ａ，２ｂと各々の電極１ａ，１ｂとの間に、Ａ
ｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉを主成分とする金属箔を挿
入することが好ましい。

【００４８】一方、ヒートシンク３ａ，３ｂとしては、
例えば冷却フィン等の冷却手段を用いることが好まし
い。また、筒形の絶縁容器４と熱緩衝板２ａ，２ｂとフ
ランジ５ａ，５ｂとの間での気密接合には、例えば公知
のＭｏ−Ｍｎ法を使用することが好ましい。

【００４９】さらに、加圧手段としては、例えばボルト
等を用いることが好ましい。次に、以上のように構成し
た本実施の形態の圧接型半導体装置においては、半導体
素子基板１の両主面に面接触するように熱緩衝板２ａ，
２ｂを設け、各々の熱緩衝板２ａ，２ｂの外側に接触す
るようにヒートシンク３ａ，３ｂを設け、ヒートシンク
３ａ，３ｂの外側から半導体素子基板１、熱緩衝板２
ａ，２ｂ、ヒートシンク３ａ，３ｂを加圧接触させるよ
うにしていることにより、圧接型半導体装置における接
触面数を、前述した従来の３つから２つ、すなわち半導
体素子基板１の表面に形成した電極１ａ，１ｂと熱緩衝
板２ａ，２ｂとの接触面と、熱緩衝板２ａ，２ｂとヒー
トシンク３ａ，３ｂとの接触面の、２つの接触面に減少
させることができる。

【００５０】これにより、その分だけ接触熱抵抗を低減
して、極端に加圧力を増大することなく、圧接型半導体
装置全体の熱抵抗を低減させることができる。すなわ
ち、具体的には、熱緩衝板２ａ，２ｂとして、Ｍｏ、
Ｗ、Ｍｏ−Ｃｕ合金、Ｗ−Ｃｕ合金のいずれかからなる
複合材料、またはＭｏとＣｕの接合体、ＷとＣｕの接合
体のいずれかからなる接合体を使用することにより、接
触熱抵抗を低減することができ、圧接型半導体装置全体
の熱抵抗を低減させることができる。

【００５１】さらに、上記上記接合体の作製時には、Ｔ
ｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒのうち、少なくとも
一つを含む活性金属ろう材を使用することができる。一
方、熱緩衝板２ａ，２ｂの半導体素子基板１に接触する
表面を、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔの
いずれかを主成分とする膜で被覆するか、または熱緩衝
板２ａ，２ｂの半導体素子基板１に接触する表面を、Ｎ
ｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗのいずれかを主成分とする膜で被覆
していることにより、圧接型半導体装置における接触状
態を改善することができる。

【００５２】これにより、その分だけ接触熱抵抗を低減
して、極端に加圧力を増大することなく、圧接型半導体
装置全体の熱抵抗を低減させることができる。また、熱
緩衝板２ａ，２ｂのうねりを１００μｍ以下としている
ことにより、上記の場合と同様に、圧接型半導体装置に
おける接触状態を改善することができ、同様の作用を奏
することができる。

【００５３】さらに、熱緩衝板２ａ，２ｂと各々の電極
１ａ，１ｂとの間に、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉを
主成分とする金属箔を挿入していることにより、上記の
場合と同様に、圧接型半導体装置における接触状態を改
善することができ、同様の作用を奏することができる。

【００５４】上述したように、本実施の形態の圧接型半
導体装置では、接触面数の低減、接触状態の改善を施し
て、極端に加圧力を増大することなく、装置全体の熱抵
抗を低減させることが可能となり、信頼性の向上を図る
ことができる。

【００５５】

【実施例】次に、前述した本実施の形態による圧接型半
導体装置における熱抵抗の測定結果について、その実施
例を図２を用いて具体的に説明する。測定に使用した半
導体素子基板１は、φ１００ｍｍ、厚さ１ｍｍであり、
半導体素子基板１を挟む２つの熱緩衝板２ａ，２ｂの形
状は同一で、φ１００ｍｍの円柱とした。

【００５６】また、筒形の絶縁容器４には、外径１２０
ｍｍ、内径１１０ｍｍのアルミナセラミックを使用し
た。さらに、Ｍｏ−Ｍｎ法のような金属／セラックの接
合法により、筒形の絶縁容器４と熱緩衝板２ａ，２ｂと
フランジ（例えばＦｅ−Ｎｉ合金）５ａ，５ｂとで形成
された密閉空間内部には、不活性ガスとしてＨｅを封入
させた。

【００５７】一方、ヒートシンク３ａ，３ｂに接触する
上下２つの熱緩衝板２ａ，２ｂの表面には、熱伝導グリ
ースを塗布した。また、加圧手段による圧接型半導体装
置への加圧力は、７０ｋｇｆ／ｃｍ² とした。

【００５８】一方、熱抵抗は、各構成要素の温度を測定
することにより、上下のヒートシンク３ａ，３ｂとの接
触面間の値を算出した。また、最初の熱抵抗を測定した
後に、７０ｋｇｆ／ｃｍ² の加圧と除圧を５０回繰り返
して、再度熱抵抗を測定した。

【００５９】なお、測定値は、後述する比較例１の最初
の熱抵抗の値を１（基準値）とし、その他は相対値で示
した。 （比較例１、実施例１乃至６）熱緩衝板２ａ，２ｂとし
ては、うねりが５０μｍ程度になるように表面を加工し
たＭｏ板を使用した。また、表面には被覆を施さず、半
導体素子基板１との間に、金属箔は挿入しなかった。

【００６０】これらを共通条件として、従来の圧接型半
導体装置と本実施の形態の半導体装置を試作し、熱抵抗
を測定した。その後、加圧と除圧を５０回繰り返した後
に、熱抵抗を測定した結果、初期値のｌ．２倍に増大し
ていた。

【００６１】比較例１である従来の圧接型半導体装置で
は、Ｍｏの厚さは２ｍｍとし、ポスト電極には１８ｍｍ
のＣｕ（無酸素銅）を使用し、熱抵抗を測定した。この
比較例１の測定結果を基準とし、その他の測定結果は相
対値で示した。

【００６２】実施例１では、ポスト電極を介さずに、直
接に熱緩衝板２ａ，２ｂをヒートシンク３ａ，３ｂで圧
接した。ただし、Ｍｏを用いた熱緩衝板２ａ，２ｂの厚
さは１０ｍｍとし、熱抵抗を測定した結果、初期値およ
び５０回加除圧後の値は、比較例１のそれぞれ０．７８
倍と０．８６倍に低減されていた。

【００６３】実施例２では、熱緩衝板２ａ，２ｂとし
て、厚さ１０ｍｍのＷを使用したところ、熱抵抗の初期
値および５０回加除圧後の値は、比較例１の初期値のそ
れぞれ０．６８倍と０．７５倍に低減されていた。

【００６４】実施例３では、熱緩衝板２ａ，２ｂとし
て、厚さ１５ｍｍのＭｏ−Ｃｕ合金（ＭｏとＣｕの体積
比は、例えば５０：５０）を使用したところ、熱抵抗の
初期値および５０回加除圧後の値は、比較例１の初期値
のそれぞれ０．６７倍と０．７４倍に低減されていた。

【００６５】実施例４では、熱緩衝板２ａ，２ｂとし
て、厚さｌ５ｍｍのＷ−Ｃｕ合金を使用した。合金の組
成については、半導体素子基板１側の表面がＷで、ヒー
トシンク３ａ，３ｂ側の表面がＣｕで、約３ｍｍ毎にＣ
ｕの含有率が、０、２５、５０、７５、１００ｖｏｌ％
となるように、段階的に変化するように、固相焼結法で
作製した。そして、この傾斜組成Ｗ−Ｃｕ合金を使用し
たところ、熱抵抗の初期値および５０回加除圧後の値
は、比較例１の初期値のそれぞれ０．６５倍と０．７３
倍に低減されていた。

【００６６】実施例５では、熱緩衝板２ａ，２ｂとし
て、固相拡散接合したＷとＣｕの接合体を使用したとこ
ろ、熱抵抗の初期値および５０回加除圧後の値は、比較
例１の初期値のそれぞれ０．６１倍と０．７３倍に低減
されていた。

【００６７】実施例６では、熱緩衝板２ａ，２ｂとし
て、活性金属ろう材（Ａｇ−２７ｗｔ％Ｃｕ−３ｗｔ％
Ｔｉ）により接合したＭｏとＣｕの接合体を使用したと
ころ、熱抵抗の初期値および５０回加除圧後の値は、比
較例１の初期値のそれぞれ０．５５倍と０．５８倍に低
減されており、特に５０回加除圧後の値の上昇率が極端
に減少していた。

【００６８】なお、本例は、活性金属として、Ｔｉを使
用した例について説明しているが、Ｔｉ以外のＺｒ、Ｈ
ｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒを使用しても、ほぼ同等の結果が
得られた。

【００６９】（実施例７乃至１４）前記比較例１、実施
例１乃至６では、熱緩衝板２ａ，２ｂに表面被覆がない
場合の例について述べたが、本発明の主旨はこれに限ら
れるものではない。

【００７０】実施例７乃至１０では、熱緩衝板２ａ，２
ｂの半導体素子基板１と接触する面に、それぞれＡｇ、
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎを１０μｍの厚さメッキしたところ、
熱抵抗を低減させた圧接型半導体装置が得られた。

【００７１】実施例１１乃至１３では、熱緩衝板２ａ，
２ｂの半導体素子基板１と接触する面に、それぞれＡ
ｌ、Ａｕ、Ｐｔをスパッタ法により１μｍ成膜したとこ
ろ、熱抵抗を低減させた圧接型半導体装置が得られた。

【００７２】実施例１４では、熱緩衝板２ａ，２ｂの半
導体素子基板１と接触する面に、Ａｇ−５ｗｔ％Ｃｕを
合金電着したところ、熱抵抗２ａ，２ｂを低減させた圧
接型半導体装置が得られた。

【００７３】（実施例１５乃至１９）前記比較例１、実
施例１乃至１４では、熱緩衝板２ａ，２ｂに表面被覆が
無い例、あるいは熱緩衝板２ａ，２ｂの半導体素子基板
１と接触する面を被覆した場合について述べたが、本発
明の主旨はこれに限られるものではない。

【００７４】実施例１５乃至１８では、熱緩衝板２ａ，
２ｂのヒートシンク３ａ，３ｂと接触する面に、それぞ
れ真空蒸着法によりＮｉ、イオンプレーティング法によ
りＡｕを、スパッタ法によりＰｔを、化学気相蒸着法
（ＣＶＤ法）によりＷを成膜したところ、熱抵抗を低減
させた圧接型半導体装置が得られた。

【００７５】実施例１９では、熱緩衝板２ａ，２ｂの両
面にＡｕをメッキしたところ、熱抵抗特性に優れた圧接
型半導体装置が得られた。 （実施例２０乃至２１、比較例２）前記比較例１、実施
例１乃至１９では、熱緩衝板２ａ，２ｂの表面うねりが
５０μｍの例について述べたが、本発明の主旨はこれに
限られるものではない。

【００７６】実施例２０〜２１では、熱緩衝板２ａ，２
ｂの表面うねりを、それぞれ２０μｍ、８０μｍとした
ところ、熱抵抗を低減させた圧接型半導体装置が得られ
た。しかしながら、比較例２では、熱緩衝板２ａ，２ｂ
の表面うねりを１５０μｍとしたところ、熱抵抗の初期
値は、比較例１の初期値の０．９１倍であったが、加圧
と除圧の繰り返しにより、ヒートシンク３ａ，３ｂ表面
の変形が目立つようになり、温度が過度に上昇してしま
い、途中で測定を中止した。

【００７７】（実施例２２乃至２６）前記比較例１乃至
２、実施例１乃至２１では、熱緩衝板２ａ，２ｂと半導
体素子基板１との間に金属箔を挿入していない例につい
て述べたが、本発明の主旨はこれに限られるものではな
い。

【００７８】実施例２２乃至２６では、熱緩衝板２ａ，
２ｂと半導体素子基板１との間に、それぞれ厚さ５０μ
ｍのＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉを挿入したところ、
熱抵抗を低減させた圧接型半導体装置が得られた。

【００７９】以上の結果が示すように、本実施の形態の
圧接型半導体装置によって、圧接型半導体装置全体の熱
抵抗を低減させることが可能となる。 （その他の実施の形態） （ａ）前記実施の形態では、筒形の絶縁容器４と熱緩衝
板２ａ，２ｂとフランジ５ａ，５ｂとの間での気密接合
の方法としては、Ｍｏ−Ｍｎ法を用いる場合について説
明したが、これに限られず、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、
Ｔａ、Ｃｒのうち、少なくとも一つを含む活性金属ろう
材を使用して接合する方法、すなわち活性金属法を用い
ても、前述の場合と同様の効果を得ることが可能であ
る。この場合、フランジ５ａ，５ｂとしては、Ｆｅ−Ｎ
ｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ｃｕ等の低熱膨
張合金を用いることが好ましいが、ＳＵＳ３０４Ｌ等の
ステンレスを使用することも可能である。また、フラン
ジ５ａ，５ｂの表面には、活性金属ろう材との濡れ性を
良くするために、Ｎｉ、Ｃｕのいずれかを被覆すること
が好ましい。

【００８０】（ｂ）筒形の絶縁容器４と熱緩衝板２ａ，
２ｂとフランジ５ａ，５ｂとで形成された密閉空間内に
封入される不活性ガスを主成分とする気体については、
実施例で述べたように、高熱伝導の観点からはＨｅが好
ましいが、これ以外にも、例えばＡｒ、Ｎ₂ 等の非酸化
性の気体であれば、使用することが可能である。

【００８１】（ｃ）２つの熱緩衝板２ａ，２ｂの距離
が、筒形の絶縁容器４の軸方向長さ（高さ）よりも小さ
いものすることにより、半導体素子基板１からヒートシ
ンク３ａ，３ｂまでの距離が小さくなるため、従来のポ
スト電極の厚さのほとんどがなくなるため、その分の熱
抵抗が低減でき、さらに圧接型半導体装置とヒートシン
ク３ａ，３ｂを交互に積み上げた構造の時は、全体の高
さを低減することができ、装置全体の小形化を図ること
が可能となる。

【００８２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧接型半
導体装置によれば、接触面数の低減、接触状態の改善を
施して、極端に加圧力を増大することなく、装置全体の
熱抵抗を低減させることが可能となる。さらに、半導体
素子基板からヒートシンクまでの距離が小さくなるた
め、圧接平形半導体装置全体の小形化も期待することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による圧接型半導体装置の一実施の形態
を示す断面図。

【図２】同実施の形態の圧接型半導体装置における熱抵
抗の測定結果の一例を比較して示す図。

【符号の説明】

１…半導体素子基板、 １ａ，１ｂ…電極、 ２ａ，２ｂ…熱緩衝板、 ３ａ，３ｂ…ヒートシンク、 ４…筒形の絶縁容器、 ５ａ，５ｂ…フランジ、 ６…ゲート導線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 敦史 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東 芝府中工場内 (72)発明者 石渡 裕 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番 地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 関 経世 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東 芝府中工場内 (72)発明者 木本 淳志 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番 地 株式会社東芝京浜事業所内 (56)参考文献 特開 平６−13419（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−57276（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−307555（ＪＰ，Ａ) 特公 昭49−40386（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/52 H01L 29/74

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一つのＰＮ接合部を有し、両
   主面に電極を形成した半導体素子基板と、前記半導体素
   子基板の両主面と対面し、前記各々の電極と面接触する
   ように設けられた熱緩衝板と、前記各々の熱緩衝板の外
   側にこれと接触するように設けられ、前記半導体素子基
   板を冷却してこれから発生する熱を除去するヒートシン
   クとを備え、 前記ヒートシンクの外側から前記半導体素子基板、熱緩
   衝板、およびヒートシンクを加圧接触させて積層体を構
   成し、 前記積層体を筒形の絶縁容器の内部に収納し、さらに前
   記筒形の絶縁容器をフランジを介して前記熱緩衝板と気
   密接合し、かつ前記筒形の絶縁容器と熱緩衝板とフラン
   ジとで気密接合された空間内に不活性ガスを主成分とす
   る気体を封入して成ることを特徴とする圧接型半導体装
   置。
2. 【請求項２】 前記請求項１に記載の圧接型半導体装置
   において、 前記熱緩衝板は、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｏ−Ｃｕ合金、Ｗ−Ｃｕ
   合金のいずれかからなることを特徴とする圧接型半導体
   装置。
3. 【請求項３】 前記請求項１に記載の圧接型半導体装置
   において、 前記熱緩衝板は、ＭｏとＣｕの接合体、ＷとＣｕの接合
   体のいずれかからなることを特徴とする圧接型半導体装
   置。
4. 【請求項４】 前記請求項１または請求項３に記載の圧
   接型半導体装置において、 前記熱緩衝板は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ
   のうち、少なくとも一つを含む活性金属ろう材により接
   合された接合体からなることを特徴とする圧接型半導体
   装置。
5. 【請求項５】 前記請求項１乃至請求項４のいずれか１
   項に記載の圧接型半導体装置において、 前記熱緩衝板は、その半導体素子基板に接触する表面
   が、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔのいず
   れかを主成分とする膜で被覆されていることを特徴とす
   る圧接型半導体装置。
6. 【請求項６】 前記請求項１乃至請求項５のいずれか１
   項に記載の圧接型半導体装置において、 前記熱緩衝板は、その半導体素子基板に接触する表面
   が、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗのいずれかを主成分とする膜
   で被覆されていることを特徴とする圧接型半導体装置。
7. 【請求項７】 前記請求項１乃至請求項６のいずれか１
   項に記載の圧接型半導体装置において、 前記熱緩衝板は、そのうねりが１００μｍ以下であるこ
   とを特徴とする圧接型半導体装置。
8. 【請求項８】 前記請求項１乃至請求項７のいずれか１
   項に記載の圧接型半導体装置において、 前記熱緩衝板と各々の電極との間に、Ａｇ、Ｃｕ、Ａ
   ｕ、Ａｌ、Ｎｉを主成分とする金属箔を挿入したことを
   特徴とする圧接型半導体装置。
9. 【請求項９】 前記請求項１乃至請求項８のいずれか１
   項に記載の圧接型半導体装置において、 前記筒形の絶縁容器と前記熱緩衝板と前記フランジとの
   間での気密接合には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、
   Ｃｒのうち、少なくとも一つを含む活性金属ろう材を使
   用することを特徴とする圧接型半導体装置。
10. 【請求項１０】 前記請求項１乃至請求項９のいずれか
    １項に記載の圧接型半導体装置において、 前記フランジは、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合
    金、Ｎｉ−Ｃｕ合金、ステンレスのいずれかからなる
    か、 または、前記フランジは、その表面にＮｉ、Ｃｕのいず
    れかを被覆したものであることを特徴とする圧接型半導
    体装置。
11. 【請求項１１】 前記請求項１乃至請求項１０のいずれ
    か１項に記載の圧接型半導体装置において、 前記不活性ガスを主成分とする気体としては、Ｈｅ、Ａ
    ｒ、Ｎ₂ 等の不活性ガスを主成分とする気体を封入した
    ことを特徴とする圧接型半導体装置。
12. 【請求項１２】 前記請求項１乃至請求項１１のいずれ
    か１項に記載の圧接型半導体装置において、 前記各々の熱緩衝板の距離が、前記筒形の絶縁容器の軸
    方向長さよりも小さいことを特徴とする圧接型半導体装
    置。