JP4266689B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ベースと、このベースに接続材を介して接続された基板と、この基板に搭載された半導体素子とを備えた半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体チップと基材とが接合金属であるはんだ合金により接合された半導体装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平8−264681号公報(図11)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体装置では、半導体チップと接合金属のはんだ合金、あるいはこのはんだ合金と基材のアルミナとの熱膨張係数が大きく異なるため、半導体装置を動作中にこれ自身から発生する熱や半導体装置が設置される環境の温度変化等によって、半導体チップと基材との接合部に熱応力が生じ、これによって接合部のはんだ合金に亀裂が発生し、半導体チップから基材への熱の流路が狭められるため、十分な放熱が得られないとともに、亀裂が伝播し、最終的には半導体装置が破壊するに至るという問題点があった。
【0005】
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、ベースと半導体素子を搭載した基板との間での熱膨張係数の差に起因して接続材の亀裂の発生を起こさせるようなことのない半導体装置を得ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体装置は、ベースと、このベースに接続材を介して接続された基板と、この基板に搭載された半導体素子とを備え、前記接続材は、前記半導体素子の作動時は液相である液体金属であり、前記液体金属は、周囲が樹脂で覆われ、この樹脂により液相の前記液体金属の流出が防止され、前記樹脂は、ゼリー状のゲルであり、前記基板、前記半導体素子は、密封された容器に内蔵され、前記容器内には、前記樹脂を加圧し続ける加圧気体が封入されて、前記基板と前記ベースとの間に挟まれた前記接続材は加圧されるようになっている。
【0007】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による半導体装置を示す側断面図である。
この半導体装置は、銅合金からなるベース3と、このベース3に接続材9を介して接続されたセラミック基板2と、このセラミック基板2に搭載されたSiからなる半導体素子1と、ベース3とともに容器を構成するエポキシ樹脂製のケース4と、絶縁材で例えば安価なシリコーン樹脂からなるゼリー状のゲル10とを備えている。
セラミック基板2は、上面と下面に例えば銅からなる導電膜2aが形成され、芯材が例えば窒化アルミニウムで構成されている。接続材9は、半導体素子1の作動による発熱で溶融するとともに、半導体素子1の非作動時には凝固する液体金属であり、具体的には融点が28℃のガリウム金属で構成されている。この接続材9は、固相のときには、導電膜2aおよびベース3の両面に接触しているとともに、ケース4の下側内側面で内側に突出した突起部4aで平面方向の移動が規制されている。
【0008】
この発明の半導体装置では、半導体素子1が作動して発熱すると、その熱がセラミック基板2を通じて接続材9やベース3に伝達されて半導体装置全体の温度が上昇し、接続材9は融点に達し、溶融する。従って、セラミック基板2とベース3との熱膨張係数が大きく異なっていても、接続材9に熱応力が生じることがない。これによって、接続材9に亀裂が生じることなく、放熱性に支障を生じるようなことはない。また、接続材9は、この溶融したときでも、セラミック基板2は、ゲル10によって覆われ、位置決めされているので、半導体素子1が変動するようなこともないし、外部に流出することもなく、半導体素子1の短絡等は発生しない。
【0009】
なお、この実施の形態では、液体金属としてガリウム金属を用いたが、勿論このものに限定されるものではなく、融点が100℃以下の金属であればよく、例えばガリウム合金、Na、K、Cs、Rb等でもよい。但し、水分が存在した場合の爆発性や毒性を考慮するとガリウムが最も推奨される。
半導体素子1の耐熱上限温度は通常約120℃であるが、100℃以上で溶融する金属を用いた場合、金属が溶融する前に、熱温度分布によっては半導体素子1が熱破損してしまうことがあり、そのため金属の融点は100℃以下である必要性がある。
また、セラミック基板2は窒化アルミニウムに限るものではなく、アルミナ、窒化珪素などを芯材とする基板であってもよい。また、ベース3も銅に限るものではなく、アルミニウムなどの金属でもよく、あるいは炭化珪素等のセラミックスとの複合材料でも同様の効果が得られることは言うまでもない。
【0010】
実施の形態2.
図2はこの発明の実施の形態2による半導体装置を示す側断面図であり、この実施の形態では、接続材9と接触する、ベース3の表面およびセラミック基板2の導電膜2aの表面には、接続材9との間での溶解反応で銅が接続材9に溶けるのを防止する処理膜である酸化膜11が形成されている。この酸化膜11は、150℃以下の温度において金属と化学反応を生じない処理であり、十分な厚さを得るために予め高温に曝すことで簡単に形成される。その他の構成は実施の形態1と同様である。なお、150℃は、半導体素子1の作動時において部分的にも接続材9が達すると想定される上限値である。
【0011】
この実施の形態の半導体装置では、半導体素子1が作動して発熱した時に接続材9が溶融するので、セラミック基板2とベース3との熱膨張係数差による熱応力が接続材9に発生しない点では実施の形態1と同様である。
また、セラミック基板2の下面の導電膜2aとベース3の表面に酸化膜11が存在するため、接続材9のガリウムと、セラミック基板2の導電膜2aの銅、ベース3の銅とが直接接触することがなく、溶解反応が生じず、接続材9の融点が上昇するようなことはない。さらに、酸化膜11があるため、セラミック基板2の導電膜2aおよびベース3の浸食も防止される。
【0012】
なお、上記実施の形態では、処理膜として酸化膜11を形成した場合について説明したが、150℃以下の温度において金属と化学反応を生じない処理であれば、これに限るものではなく、例えば窒化膜、炭化膜、有機膜などでも同様の効果が得られる。また、酸化膜や窒化膜は、下層金属の酸化物や窒化物に限るものではなく、別の金属の酸化物や窒化物をコーティングしても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【0013】
実施の形態3.
図3はこの発明の実施の形態3による半導体装置を示す側断面図である。
この実施の形態では、ケース4の上に例えばエポキシ樹脂からなる蓋12が被せられており、この蓋12、ベース3およびケース4により、ゲル10が充填された密閉容器を構成している。他の構成は、実施の形態2と同様である。
この実施の形態の半導体装置によれば、セラミック基板2、半導体素子1は、密封容器に内蔵されているので、半導体素子1が作動して発熱した時に接続材9が溶融したり、半導体素子1が作動を終了して温度が低下し、接続材9が凝固した時に、相変化による体積変化を生じるものの、その体積の増減は密閉容器の変形で吸収され、ゲル10が外部に流出したりすることがない。また、接続材9の体積変化は、ゲル10によって均一な内圧変化にするため、ケース4や蓋12の一部が隆起したり陥没したりすることもない。
【0014】
なお、蓋12はエポキシ樹脂で構成されているが、接続材9の相変化による体積変化に対応できる強度のある蓋であれば他の樹脂でもよく、また樹脂以外の金属やセラミックであってもよい。
【0015】
実施の形態4.
図4はこの発明の実施の形態4による半導体装置を示す側断面図である。
この実施の形態では、容器に内部の圧力変動に応じて内体積を変動させ、内部の圧力を一定に保持する体積変動機構である圧力調整弁13が設けられている。この圧力調整弁13は、シリンダ13aとピストン13bとから構成されている。他の構成は、実施の形態3と同様である。
この実施の形態の半導体装置によれば、半導体素子1が作動して発熱した時に接続材9が溶融したり、半導体素子1が作動を終了して温度が低下して接続材9が凝固した時に、相変化による体積変化を生じ、半導体装置内の圧力が変化しようとしても圧力調整弁13のピストン13bがシリンダ13a内を移動し、ゲル10を流動させるため、内圧を一定に保持することができ、セラミック基板2、ベース3と、接続材9との密着性を確保でき、放熱性を安定化させることができる。
【0016】
なお、体積変動機構として圧力調整弁について説明したが、内部圧力を調整できる機構であれば他の構造でもよく、例えば、蓋が伸縮性を有しており、蓋12全体が変形する構造であっても同様の効果が得られる。
【0017】
実施の形態5.
図5はこの発明の実施の形態5による半導体装置を示す側断面図である。
この実施の形態では、密閉容器の内部の上部に大気圧以上の圧力の気体で、例えば2気圧の空気14が封入されている。その他の構成は、実施の形態3と同様である。
この実施の形態の半導体装置によれば、半導体素子1の作動により発熱して接続材9が溶融し、半導体素子1の作動終了により温度が低下して接続材9が凝固した時に、接続材9は相変化により体積変化が生じるものの、密封された空気14がその体積変化を吸収し、かつゲル10を加圧し続けるため、セラミック基板2とベース3との間に挟まれた接続材9は加圧され、セラミック基板2、ベース3と、接続材9との密着性が確保され、優れた放熱性が確保される。
【0018】
なお、密閉容器内は、大気圧以上の気体が封入されていればよく、空気14以外の窒素やアルゴン等の不活性ガスでも同様の効果が得られることは言うまでもない。
【0019】
なお、上記の各実施の形態では、液体金属としてガリウム金属を用いた場合について説明したが、融点が100℃以下の金属であればよいのであって、半導体素子の非作動時でも液相である金属で、例えば水銀であっても、この発明は適用できる。
【0020】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の半導体装置によれば、ベースと、このベースに接続材を介して接続された基板と、この基板に搭載された半導体素子とを備え、前記接続材は、前記半導体素子の作動時は液相である液体金属であるので、前記ベースと前記基板との間での熱膨張係数に起因して前記接続材に亀裂が生じるようなことがなく、半導体素子の放熱性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1による半導体装置の側断面図である。
【図2】 この発明の実施の形態2による半導体装置の側断面図である。
【図3】 この発明の実施の形態3による半導体装置の側断面図である。
【図4】 この発明の実施の形態4による半導体装置の側断面図である。
【図5】 この発明の実施の形態5による半導体装置の側断面図である。
【符号の説明】
1 半導体素子、2 セラミック基板、3 ベース、4 ケース、9 接続材、10 ゲル、11 酸化膜(処理膜)、12 蓋、13 圧力調整弁、14 空気。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device including a base, a substrate connected to the base via a connecting material, and a semiconductor element mounted on the substrate.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a semiconductor device in which a semiconductor chip and a base material are bonded by a solder alloy that is a bonding metal is known (for example, see Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-8-264682 (FIG. 11)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional semiconductor device, the thermal expansion coefficient of the semiconductor chip and the solder alloy of the joining metal, or the solder alloy and the alumina of the base material are greatly different. Thermal stress is generated at the joint between the semiconductor chip and the base material due to temperature changes in the environment in which it is installed, and this causes cracks in the solder alloy at the joint, thereby creating a heat flow path from the semiconductor chip to the base material. Since it is narrowed, there is a problem that sufficient heat dissipation cannot be obtained, cracks propagate, and eventually the semiconductor device is destroyed.
[0005]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and the crack of the connecting material is caused by the difference in the thermal expansion coefficient between the base and the substrate on which the semiconductor element is mounted. An object is to obtain a semiconductor device which does not cause generation.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor device according to the present invention includes a base, a substrate connected to the base via a connecting material, and a semiconductor element mounted on the substrate, and the connecting material is liquid when the semiconductor element is in operation. Ri liquid metal der is a phase, said liquid metal, surrounding is covered with a resin, the outflow of the liquid metal in the liquid phase is prevented by the resin, the resin is a jelly-like gel, the substrate, The semiconductor element is contained in a sealed container, and a pressurized gas that continues to pressurize the resin is sealed in the container, and the connecting material sandwiched between the substrate and the base is added. It comes to be pressed.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 is a side sectional view showing a semiconductor device according to
This semiconductor device includes a
The
[0008]
In the semiconductor device of the present invention, when the
[0009]
In this embodiment, gallium metal is used as the liquid metal, but it is of course not limited to this, and any metal having a melting point of 100 ° C. or lower may be used. For example, gallium alloy, Na, K, Cs , Rb, etc. However, gallium is most recommended in view of explosiveness and toxicity in the presence of moisture.
The heat-resistant upper limit temperature of the
The
[0010]
FIG. 2 is a side sectional view showing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, the surface of the
[0011]
In the semiconductor device of this embodiment, the
Further, since the
[0012]
In the above embodiment, the case where the oxide film 11 is formed as the treatment film has been described. However, the treatment is not limited to this as long as the treatment does not cause a chemical reaction with the metal at a temperature of 150 ° C. or lower. The same effect can be obtained with a film, a carbonized film, an organic film, or the like. In addition, the oxide film and the nitride film are not limited to the oxide or nitride of the lower layer metal, and it goes without saying that the same effect can be obtained by coating another metal oxide or nitride.
[0013]
3 is a side sectional view showing a semiconductor device according to
In this embodiment, a lid 12 made of, for example, an epoxy resin is put on the case 4, and the lid 12, the
According to the semiconductor device of this embodiment, since the
[0014]
The lid 12 is made of an epoxy resin, but other resins may be used as long as the lid is strong enough to cope with the volume change caused by the phase change of the connecting
[0015]
Embodiment 4 FIG.
4 is a side sectional view showing a semiconductor device according to Embodiment 4 of the present invention.
In this embodiment, the container is provided with a
According to the semiconductor device of this embodiment, when the
[0016]
Although the pressure adjustment valve has been described as the volume variation mechanism, other structures may be used as long as the internal pressure can be adjusted. For example, the lid has elasticity and the entire lid 12 is deformed. However, the same effect can be obtained.
[0017]
5 is a side sectional view showing a semiconductor device according to
In this embodiment, air 14 having a pressure of atmospheric pressure or higher, for example, 2 atmospheres of air 14 is enclosed in the upper part of the inside of the sealed container. Other configurations are the same as those of the third embodiment.
According to the semiconductor device of this embodiment, when the
[0018]
It should be noted that the sealed container only needs to be filled with a gas at atmospheric pressure or higher, and it goes without saying that the same effect can be obtained with an inert gas such as nitrogen or argon other than the air 14.
[0019]
In each of the embodiments described above, the case where gallium metal is used as the liquid metal has been described. However, any metal having a melting point of 100 ° C. or lower may be used, and it is in a liquid phase even when the semiconductor element is not operating. Even if it is a metal, for example, mercury, this invention can be applied.
[0020]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor device of the present invention, it includes a base, a substrate connected to the base via a connecting material, and a semiconductor element mounted on the substrate, Since the liquid metal is in a liquid phase when the semiconductor element is operated, the connection material is not cracked due to the thermal expansion coefficient between the base and the substrate, and the heat dissipation of the semiconductor element is achieved. Sex is secured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a side sectional view of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a side sectional view of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a side sectional view of a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記接続材は、前記半導体素子の作動時は液相である液体金属であり、
前記液体金属は、周囲が樹脂で覆われ、この樹脂により液相の前記液体金属の流出が防止され、
前記樹脂は、ゼリー状のゲルであり、
前記基板、前記半導体素子は、密封された容器に内蔵され、
前記容器内には、前記樹脂を加圧し続ける加圧気体が封入されて、前記基板と前記ベースとの間に挟まれた前記接続材は加圧されるようになっている
半導体装置。In a semiconductor device comprising a base, a substrate connected to the base via a connecting material, and a semiconductor element mounted on the substrate,
The connecting member is, during operation of the semiconductor device Ri liquid metal der is a liquid phase,
The liquid metal is covered with resin, and the resin prevents the liquid metal from flowing out of the liquid phase.
The resin is a jelly-like gel,
The substrate and the semiconductor element are embedded in a sealed container,
A pressurized gas that continues to pressurize the resin is sealed in the container, and the connecting material sandwiched between the substrate and the base is pressurized. Semiconductor apparatus.
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