JPH02348A

JPH02348A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH02348A
Application number: JP13232587A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yamaguchi; 健司山口; Yasuhiko Miyake; 三宅　保彦; Sadahiko Sanki; 参木　貞彦
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1987-05-28
Filing date: 1987-05-28
Publication date: 1990-01-05

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は、半導体装置、特にヒートシンクを介して半導
体素子が金属基板に搭載される半導体装置に関する。

〈従来の技術〉従来のパワーＩＣ等の半導体素子を搭載した半導体装置
は金属基板（Ｃｕ板）上に純Ｃｕ板をヒートシンクとし
てろう付し、そのヒートシンク上に半導体素子を固着し
たものである。

しかしながら、半導体素子すなわちＳｉ素子の熱膨張係
数αが３．５Ｘ　１０−’／”Ｃであるに対してヒート
シンクになっているＣｕ板の熱膨張係数αは１６．４ｘ
　１０−６／”Ｃであり、両者の熱膨張差が大きいため
、パワーＩＣ等Ｓｉ素子の実装密度が高く、サイズが大
きくなる場合にはその発熱に伴う熱応力により、ろう材
部にクラックあるいは、Ｓｉ素子に割れが発生する場合
が多い。

そこで、ヒートシンクとしては、熱膨張係数αがＳｉ素
子と金属基板の熱膨張係数αの中間の値を持ちしかも放
熱性を良好にするため熱伝導率の高いものが要求される
。　かかるヒートシンク材として、一般には、ＭＯ板あ
るいはＷ板が使用されている。　しかしＭＯｌＷは稀少
金属であるためコスト高になり、しか・も加工性が悪い
という問題点を有する。

一方、熱伝導性が比較的良好で、熱膨張係数αの小さい
ヒートシンク材としてＣｕ　／　Ｆ　ｅ　−３６％Ｎｉ
合金／　Ｃｕの三層構造クラツド材も使用されている。

　しかし、このようなりラッド材は金属基板がＡｌ２製
の場合、基板へのろう付が難しいという問題点を有する
。

また、クラツド材のＣｕ表面からのＣｕイオン流出が嫌
われる場合には、その防止を図るために、めっき、蒸着
、スパッタ等の表面処理が必要となり、製造工程が複雑
になる。

さらに、Ｃｕ　／　Ｆ　ｅ　−３６％Ｎｉ合金／　Ｃｕ
の三層構造クラツド材の板厚比が１：３：１の場合には
、熱膨張係数は６．７Ｘ　１０−６７”Ｃとなり、従来
のヒートシンク材であるＣｕ（α＝１６、４Ｘ　１０−
６／”Ｃ）に比べてＳｉ素子の熱膨張係数（α＝３．５
ｘ　１０−６／℃）に近くなるものの、このようなりラ
ッド材の縦弾性係数Ｅは１２５００ｋｇｆ／ｍｍ２と大
きいので結局、昇温時の熱応力σは、温度差Δｔ＝２０
０℃の場合、σ＝Ｅ・Δα・Δｔ　＝　１２５００　Ｘ
（６、７ｘ　１０−６−３　、　５　ｘ　１０−６）　
ｘ２００　＝　８　ｋｇｆ／ｍｍ２にもなるという問題
点を有する。　従って、半導体装置の信頼性を高めるた
めには、熱応力０が抑制されるようにすることが必要と
なっていた。

〈発明が解決しようとする問題点〉本発明の目的は、前記した従来技術の問題点を解消しよ
うとするものであって、半導体装置の昇温時の熱応力が
大幅に低下せられた、へ１金属基板とのろう付が容易で
安価なヒートシンク材を使用した半導体装置を提供する
ことにある。

く問題を解決するための手段〉本発明者はヒートシンクにＦｅ−Ｎｉ系合金と体積率ｏ
、ｏｏｔ〜７０％のＡＲ，層とを有する複合材を使用す
ることにより、半導体装置の昇温時の熱応力が著しく低
下することを見出し本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は、金属基板上にヒートシンクを介し
て半導体素子を搭載する半導体装置において、前記ヒー
トシンクがＦｅ−Ｎｉ、％合金層とＡｌ層の多層構造の
複合材であって、半導体素子および／または金属基板と
接合のためのＡｌ１層がＦｅ−Ｎｉ系合金層上に少なく
とも部分的に形成されており、前記複合体に占めるＡｌ
層の体積率が０．００１〜７０％であることを特徴とす
る半導体装置を提供する。

上記発明においては、前記複合材がＡｆｆｉ／Ｆｅ−Ｎ
ｉ系合金／Ａｌの３層構造であることが好ましい。

前記複合材がＡ　１．　／　Ｆ　ｅ　−Ｎ　ｉ系合金／
Ａ　Ｉｔ　／　Ｆ　ｅ　−Ｎ　ｉ系合金／ＡＭの５層構
造であることが好ましい。

前記Ｆｅ−Ｎｉ系合金がＦｅ−３６％Ｎｉ合金であるこ
とが好ましい。

前記Ｆｅ−Ｎｉ系合金がＣｏまたはＣｒを含む合金であ
ることが好ましい。

前記Ａ２層が純ＡｊＺまたはＡｌ−１％Ｓｉ合金である
ことが好ましい。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明のヒートシンクとして使用される複合材において
、Ｆｅ−Ｎｉ系合金層は複合材の熱膨張係数αを小さく
し、Ｓｉ素子の熱膨張係数αに近似させるという機能を
有する。

Ｆｅ−Ｎｉ系合金としては、熱膨張係数αが低く、加工
性も良いインバー（Ｆｅ−３６％Ｎｉ合金、α＝１．２
Ｘ１０−６／”Ｃ）を使用するのが好ましいが、さらに
熱膨張係数αを低下させたい場合にはＣｏまたはＣｒを
含むＦｅ−Ｎｉ系合金を使用することが好ましい。　例
えば、Ｆｅ−３１％Ｎｉ−５，５％Ｃｏ合金（温度０〜
６０℃でα−０，５×１０−６７℃）、コバール（Ｆｅ
−２９％Ｎｉ−１７，５％Ｃｏ合金）（温度３０〜５０
０℃でα＝６．０Ｘ１０−６／℃）　　　Ｆｅ−３６％
Ｎｉ−８，０％Ｃｒ合金（温度２０〜１００℃でａ＝７
．５ｘ１０−’／’Ｃ）等を好適に使用できる。

なお、Ｆｅ−Ｎｉ系合金には属さないが、熱膨張係数α
が小さい（α＝　１０ｘ　１０−６／”Ｃ以下）、５Ｕ
Ｓ４３０　（Ｆｅ−１６％Ｃｒ合金、α＝９．２ｘ　１
０−６／”Ｃ）あるいは、ステンレスインバー（５４％
Ｃｏ−３６，５％Ｆｅ−９，５％Ｃｒ合金、ａ＝０．Ｉ
　Ｘ　１０−’／”Ｃ）を使用することもできる。

本発明でヒートシンクとして使用される複合材において
、へ２層は複合材の縦弾性係数Ｅを小さくし、またヒー
トシンクと金属基板間のろう付性を向上させるという機
能を有する。

本発明ではＡＩｌ、層は複合材に対して体積率が０．０
０１〜７０％になるように形成されている。

ＡＩｌの体積率をｏ、ｏｏｉ〜７０％に変えることによ
り、複合材の熱膨張係数αを０．５〜１２、　５ｘ　１
０−６／”Ｃ１また縦弾性係数Ｅを１４０００〜６５０
０ｋｇｆ／ｍｍ２に適宜設定することができる。

ここで、Ａｆｌの体積率が０．００１％未満であると複
合材の縦弾性係数Ｅが大きくなり、またヒートシンクと
金属基板間のろう付性が低下するので好ましくない。　
一方、７０％を超えると複合材の熱膨張係数αが大きく
なり、ヒートシンク材として適さなくなるので好ましく
ない。　なお％Ａｌｌ／Ｆｅ−３６％Ｎｉ合金／ＡＩｔ
の３層クラツド材のＡ２の体積率が７０％であるものは
Ｃｕ　／　Ｆ　ｅ　−３６％Ｎ　ｉ／　Ｃｕの３層クラ
ツド材のＣｕの体積率が７０％であるものと熱膨張係数
αは同じになるが（α＝６、７　Ｘ　１０−６／”Ｃ）
　、縦弾性係数Ｅが小さいので（ＥＡｔ　／Ｐｅ−３６
３ＩＮｉ／　Ａｌｌ　＝　６５００ｋｇｆ／Ｉｎ１２Ｅ
ＣＵ／ｒｅ−ｚ６ｓＮ、ｙｃｕ　＝　１２５００ｋｇ’
／”２）、この場合でもＳｉ素子搭載時の熱応力σは、
ａ＝Ｅ　（α−α８１）ΔＴより、Ｃｕのクラツド材の
約％に抑制される。

ＡＩｌ層の形成態様は、半導体素子および／または金属
基板との優れたろう付性を確保するためＦｅ−Ｎｉ系合
金層上に少なくとも部分的に形成されているならば特に
制限的でない。

すなわちＦｅ−Ｎｉ系合金層の両面に部分的に形成され
ていてもよく、両面全体に形成されていてもよい。　さ
らにそのようなＦｅ−Ｎｉ系合金層の内部にＡＩｌ、層
が形成されていてもよい。　しかし、一般には、圧延圧
接の製造工程上の適宜からＡ　ｆｌ　／　Ｆ　ｅ　−Ｎ
　ｉ系合金／Ａｌの３層構造になるように形成すること
が好ましく、また特に高い熱伝導度が要求される場合、
または曲げ強さが要求される場合にはＡｌ／Ｆｅ−Ｎｉ
、９５合金／　Ａ　Ｉｔ　／　Ｆ　ｅ　−Ｎ　ｉ系合金
／ＡＪ２の５層構造になるように形成することが好まし
い。

またサイズの大きいＬＳＩあるいは、電力用パワーＩＣ
を搭載する場合には、Ｓｉ素子とそれを搭載する部分の
中心付近のヒートシンクの熱膨張係数の差を特に小さい
ものとし、それにより熱応力σの発生を抑制することが
必要とされるので、ＡＩｌ、層がＦｅ−Ｎｉ系合金層上
であってＳｉ素子が搭載される部分の中心付近に部分的
に形成されるようにすることが好ましい。

すなわち、Ｓｉ素子の大部分はＦｅ−Ｎｉ系合金層上に
直接配されるようにし、Ｓｉ素子の固着部分はＡｌ層上
にあるようにするのである。　これにより、Ｓｉ素子の
大部分は熱膨張係数がＳｉ素子と著しく近似したＦｅ−
Ｎｉ系合金層上に配されるので熱応力の発生が抑制され
、一方Ｓｉ素子の固着はＡｌ層となされるのでろう付性
も優れたものになる。

Ａ２層としては、純Ａｌの他に、ＡＭ−１％Ｓｉ合金Ａ
６０６３　（Ａｆｆｉ−０，４％５ｉ−０，７％Ｍｇ合
金）、Ａ２０２４　（ＡＪＺ−４，５％Ｃｕ−０，６％
Ｍｎ−１，５％Ｍｇ合金）等導電率が５０％Ｉ　ＡＣ３
以上のＡ２系合金であってもよい。　導電率が５ｏ％Ｉ
　ＡＣ３未満であると急激に熱伝導度が小さくなるので
好ましくない。

また、Ａｌ層をＦｅ−Ｎｉ系合金層に形成する方法とし
ては、圧延圧接によるクラッド法、蒸着、イオンブレー
ティング、スパッタ法、ＰＶＤ等の気相法をあげること
ができる。

本発明の半導体装置は上記のような複合材をヒートシン
クとして使用するものであるが、複合材の厚さや大きさ
は搭載する半導体素子、半導体装置の用途等に応じて適
宜窓められる。

本発明に使用する金属基板としてはＡｌ１板、Ａ２クラ
ツド４２合金板等半導体装置に使用する一般的な金属基
板を好適に使用することかできる。

また、ヒートシンクと金属基板との接合およびヒートシ
ンクへの半導体素子の搭載は常法のろう付によりなされ
、半導体素子が実装される。

〈実施例〉以下、実施例により本発明を具体的に説明するが本発明
はこれに限定されるものではない。

〈実施例１〉Ａ２層の厚さ０　、２０　＋ｎｍ、　　Ｆ　ｅ　−３６
％Ｎｉ合金板の厚さ０．６０ｍｍ、Ａｌ層の厚さ０．２
０ｍｍで全板厚が１．０ｍｍの純Ａｌ／Ｆｅ−３６％Ｎ
ｉ合金／純Ａｌの三層構造の複合材を圧延圧接法により
製造した。

この複合材をヒートシンクとして、第１図に示すように
Ａｌ１．金属基板にパワーＩＣ用Ｓｉ素子を実装し、本
発明の半導体装置を製造した。

なお、Ａ２金属基板とヒートシンク間およびヒートシン
クとＳｉ素子間のろう付はＡｌ−１０％５ｉ−１０％Ｚ
ｎ−４％Ｃｕ合金により行った。

この半導体装置を実用に供したところ、ろう付接合部の
剥離やＳｉ素子の割れは生じなかった。　また、ヒート
シンクとして使用したこの複合材の熱膨張係数αと縦弾
性係数Ｅとを測定したところ、熱膨張係数αは、６．３
×１０−６／”Ｃで、Ｓｉ素子のα（３，５ｘ１０−６
／’Ｃ）とＡｌ金属基板のα（２３，５ｘ１０−６／℃
）の中間値であった。　また、縦弾性係数Ｅは、８２０
０ｋｇｆ／ｍｎ＋２であり、従来ヒートシンクとして使
用されていたＣ　ｕ　／　Ｆ　ｅ　−３６％Ｎｉ合金／
　Ｃｕよりも小さかフた。

〈実施例２〉第２図に示すように、ヒートシンクとして厚さ１．００
ｍｍのＦｅ−３６％Ｎｉ合金板の両面に圧延圧接法によ
り厚さ０．２０ｍｍのＡｌ１層を部分的に形成して複合
材を製造した。　この複合材をＡｌ金属基板とパワーＩ
Ｃ用Ｓｉ素子との間に介し、ろう付して本発明の半導体
装置を製造した。

この半導体装置を実用に供したところ、ろう付接合部の
剥離やＳｉ素子の割れは生じなかった。

〈実施例３〉厚さ０．０５ｍｍの純Ａ２材と厚さ０．１５ｍｍのＦｅ−３６％Ｎｉ合金材を厚さ０．６ｍ
ｍの純ＡＩｌ母材の両面に圧延圧接し、全板厚が１．０
ｍｍの純Ａ　１　／　Ｆ　ｅ　−３６％Ｎｉ合金／純Ａ
　１１　／　Ｆ　ｅ　−３６％Ｎｉ合金／純Ａ２の五層
構造クラツド材を製造した。

このクラツド材をヒートシンクとして、第３図に示すよ
うに、Ａｌ金属基板とパワーＩＣ用Ｓｉ素子との間に介
し、ろう付けして本発明の半導体装置を製造した。

この半導体装置を実用に供したところ、ろう付は接合部
の剥離やＳｉ素子の割れは生じなかった。

く効果〉本発明によれば半導体装置のヒートシンクとして使用す
る複合材の熱膨張係数αを、複合材のＡｌあるいは、へ
２合金の体積率を０．００１〜７０％に変えることによ
りα＝０．５〜１２．５Ｘ　１０−’／”ＣまでＳｉ素
子の熱膨張係数に近い値に自由に選定でき、しかも、縦
弾性係数ＥをＥ　＝　１４０００〜６５００ｋｇｆ／ｍ
ｏ＋２の小さい値に自由に選定できるので、半導体素子
を搭載して実用に供した際に発生する熱応力を小さく抑
制でき、高信頼性の半導体装置が提供される。

すなわち、パワーＩＣあるいは、ＶＬＳＩ用の表面実装
としてＳｉ素子を多数搭載してもろう付接合部の剥離も
なく実装上優れた半導体装置が提供される。

また、本発明でヒートシンクとして使用する複合材の表
面にはＡｌ層が存在するためＡ４製金属基板とのろう付
性が優れている。

さらに、本発明で使用するヒートシンクは蒸着、スパッ
タ等の気相法並びに圧延圧接による圧接法で製造できる
ので、本発明の半導体装置は量産性に適した安価なもの
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は本発明の実施例の概略を
示す半導体装置の断面図である。符号の説明ａ・・・半導体素子Ｃ・・・金属基板１・・・Ｆｅ−Ｎｉ系合金層ｂ・・・ヒートシンクｄ・・・ろう材部２−Ａ　Ｉｌ、層

Claims

【特許請求の範囲】

（１）金属基板上にヒートシンクを介して半導体素子を
搭載する半導体装置において、前記ヒートシンクがＦｅ
−Ｎｉ系合金層とＡｌ層の多層構造の複合材であって、
半導体素子および／または金属基板と接合のためのＡｌ
層がＦｅ−Ｎｉ系合金層上に少なくとも部分的に形成さ
れており、前記複合体に占めるＡｌ層の体積率が０．０
０１〜７０％であることを特徴とする半導体装置。
（２）前記複合材がＡｌ／Ｆｅ−Ｎｉ系合金／Ａｌの３
層構造であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
記載の半導体装置。
（３）前記複合材がＡｌ／Ｆｅ−Ｎｉ系合金／Ａｌ／Ｆ
ｅ−Ｎｉ系合金／Ａｌの５層構造であることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項に記載の半導体装置。
（４）前記Ｆｅ−Ｎｉ系合金がＦｅ−３６％Ｎｉ合金で
あることを特徴とする特許請求の範囲第１〜３項のいず
れか１項に記載の半導体装置。
（５）前記Ｆｅ−Ｎｉ系合金がＣｏまたはＣｒを含む合
金であることを特徴とする特許請求の範囲第１〜３項の
いずれか１項に記載の半導体装置。
（６）前記Ａｌ層が純ＡｌまたはＡｌ−１％Ｓｉ合金で
あることを特徴とする特許請求の範囲第１〜５項いずれ
か１項に記載の半導体装置。