JPH0236553A - Connection structure between components for semiconductor device - Google Patents

Connection structure between components for semiconductor device

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JPH0236553A
JPH0236553A JP18643588A JP18643588A JPH0236553A JP H0236553 A JPH0236553 A JP H0236553A JP 18643588 A JP18643588 A JP 18643588A JP 18643588 A JP18643588 A JP 18643588A JP H0236553 A JPH0236553 A JP H0236553A
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    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
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Abstract

PURPOSE:To offer a highly reliable connection structure between components for semiconductor device use by a method wherein a buffer material is formed into a three-layer structure, which consists of soft metal layers consisting of a soft metal material having a high plastic deformation power and a metal layer, which is pinched by the soft metal layers and contains at least one metal of molybdenum and tungsten. CONSTITUTION:A metallized layer 2 is formed on part of the surface of a substrate 1 consisting of Al nitride and lead frames 3 are soldered to this layer 2 with a metal solder or the like and the layer 2 and the frames 3 are bonded to each other. A buffer material with a nickel-plated layer formed on its surface is interposed between the layer 2 and the frames 3. This material has a three- layer structure, which consists of soft metal layers consisting of copper or the like and a molybdenum or tungsten-containing metal layer pinched by the soft metal layers. Moreover, a semiconductor element 4 of a high-calorific value FET and the like is mounted at a prescribed position on the Al nitride substrate 1 and is connected with the layer 2 or the frames 3 by bonding wires 5.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野コ この発明は、半導体装置用部品間の接続構造に関し、特
に高発熱量の半導体素子、たとえば、ハイパワートラン
ジスタ、レーザダイオード等を実装するための高熱伝導
性が要求される半導体装置用部品間の接続構造に関する
ものである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Field of Application] This invention relates to a connection structure between parts of a semiconductor device, and is particularly suitable for mounting semiconductor elements with high heat generation, such as high power transistors, laser diodes, etc. The present invention relates to a connection structure between parts of a semiconductor device that requires high thermal conductivity.

[従来の技術] 半導体素子を実装するために構成される半導体装置用部
品間の接続構造は、一般的には、絶縁基材とそれに接合
される接合部材とから構成される。
[Prior Art] A connection structure between parts for a semiconductor device configured to mount a semiconductor element is generally composed of an insulating base material and a joining member joined to the insulating base material.

−例を挙げれば、その接続構造は、半導体素子がその上
に載せられる絶縁基板と、その絶縁基板の上で配線回路
等が形成された所定の部分に銀ろう等を用いたろう接に
よって接続されたリードフレーム、あるいはその絶縁基
板に銀ろう等を用いたろう接によって接続されたヒート
シンクとから構成される。この場合、絶縁基板には一般
的に、半導体素子と絶縁を保つために電気絶縁性、機械
的強度および半導体素子からの発熱を放散するために熱
伝導性が高いことが要求される。また、リードフレーム
としては、その電気抵抗か小さいこと、および機械的強
度が高いことが要求される。さらに、ヒートシンクとし
ては、その熱伝導性が高いことが要求される。
- For example, the connection structure includes an insulating substrate on which a semiconductor element is placed, and a predetermined portion on which a wiring circuit is formed on the insulating substrate by soldering using silver solder or the like. It consists of a lead frame or a heat sink connected to the insulating substrate by soldering using silver solder or the like. In this case, the insulating substrate is generally required to have electrical insulation and mechanical strength to maintain insulation from the semiconductor element, and high thermal conductivity to dissipate heat generated from the semiconductor element. Furthermore, the lead frame is required to have low electrical resistance and high mechanical strength. Furthermore, the heat sink is required to have high thermal conductivity.

このような半導体装置用部品間の接続構造、たとえば、
半導体装置用パッケージ、電子部品等に用いられる絶縁
基板の材料としては、従来より、アルミナ(ALO3)
が上記の特性を満足するものとして一般的に選択されて
いる。また、絶縁基数に接続されるべき各種金属材料等
としては以下のものか挙げられる。たとえば、リードフ
レームと[、では、上記の特性を満足するものとして商
品名コバール(Fe−29重重二Ni−17重量%Co
合金)、4270イ(F e −42重量%Ni合金)
などの鉄−ニッケル系合金か一般的に選択されている。
Connection structures between such semiconductor device parts, for example,
Alumina (ALO3) has traditionally been used as a material for insulating substrates used in semiconductor device packages, electronic components, etc.
is generally selected as satisfying the above characteristics. Further, various metal materials to be connected to the insulating base include the following. For example, in the case of lead frames and [,], the product name Kovar (Fe-29 Ni-17 weight% Co
alloy), 4270i (Fe-42 wt% Ni alloy)
Generally, iron-nickel alloys such as iron-nickel alloys are selected.

ヒートシンクとしては、上記の特性を満足するものとし
て、銅−タングステン合金(W−10〜20重ff19
6 Cu合金)が一般的に選択されている。[化学工業
J1984年3月号特集エレクトロセラミックス、 「
セラミック基板とICパンケージjp、59〜67に開
示されているように、アルミナからなる絶縁基板上に配
線回路として形成された金属化層の部分に、商品名コバ
ールからなるリードフレームか銀ろう等によってろうづ
けされた接続構造が半導体装置搭載用基板に用いられて
いる。
As a heat sink, a copper-tungsten alloy (W-10 to 20 heavy FF19) that satisfies the above characteristics is used.
6 Cu alloy) is commonly selected. [Chemical Industry J March 1984 issue special feature on electroceramics, “
As disclosed in Ceramic Substrates and IC Pancage JP, 59-67, a metallized layer formed as a wiring circuit on an insulating substrate made of alumina is coated with a lead frame made of Kovar (trade name) or silver solder. A brazed connection structure is used on a substrate for mounting a semiconductor device.

第4A図は従来の上述のような構成を何する半導体装置
用部品間の接続構造の一例を示す平面図、第4B図はそ
の断面図、第4C図はリードフレーム3とアルミナから
なる基板1との接合部を詳細に示す断面図である。
FIG. 4A is a plan view showing an example of a conventional connection structure between components for a semiconductor device having the above-described configuration, FIG. 4B is a cross-sectional view thereof, and FIG. 4C is a diagram showing a lead frame 3 and a substrate 1 made of alumina. FIG.

図において、この″f−導体装置用部品間の接続構造は
、アルミナからなる基板1の表面の一部には金属化層2
が形成され、この金属化層2にはリードフレーム3が金
属ろう等でろうづけされて接合されている。また、この
括仮1の所定位1uには高発熱量の電界効果型トランジ
スタCFET)等の半導体索子4が搭載され、金属化層
2またはリードフレーム3とボンディングワイヤ5で結
線されている。さらに、基板1の裏面にはタングステン
合金、たとえば、銅−タングステン合金からなるヒート
シンク6が取付けられている。また、第4C図に示すよ
うに、基板1とリードフレーム3との接合部は、金属化
層2の上に薄いめっき層7が形成され、リードフレーム
3の表面には金属ろう9の濡れ性を安定させるために、
必要に応じてめっき層8が形成されている。
In the figure, the connection structure between parts for this "f-conductor device" is such that a metallized layer 2 is formed on a part of the surface of a substrate 1 made of alumina.
is formed, and a lead frame 3 is bonded to this metallized layer 2 by brazing with metal solder or the like. Further, at a predetermined position 1u of the bracket 1, a semiconductor wire 4 such as a high heat generating field effect transistor (CFET) is mounted and connected to the metallized layer 2 or the lead frame 3 with a bonding wire 5. Further, a heat sink 6 made of a tungsten alloy, for example a copper-tungsten alloy, is attached to the back surface of the substrate 1. Further, as shown in FIG. 4C, at the joint between the substrate 1 and the lead frame 3, a thin plating layer 7 is formed on the metallized layer 2, and the surface of the lead frame 3 has a wettability of the metal solder 9. In order to stabilize
A plating layer 8 is formed as necessary.

また、半導体装置用部品間の接続構造の他の例として、
絶縁基板に載せられた半導体素子を気密に封止するため
のキャップを挙げることができる。
In addition, as another example of a connection structure between parts for a semiconductor device,
Examples include a cap for hermetically sealing a semiconductor element mounted on an insulating substrate.

高度の信頼性が要求される半導体素子封止用のキャップ
の材料には、42アロイ、商品名コバール等の低熱膨張
性合金材料、もしくはアルミナ、ムライト等のセラミッ
クス系材料か採用されている。
The materials used for caps for sealing semiconductor devices, which require a high level of reliability, include low thermal expansion alloy materials such as 42 Alloy and Kovar (trade name), or ceramic materials such as alumina and mullite.

その構造は、第5A図および第5B図に示すとおりであ
る。すなわち、図において、半導体素子4はセラミック
基板101の上に搭載され、この上にカバー部材11が
被せられている。特に、カバー部材11が絶縁性のセラ
ミックスから構成されるとき、すなわち、第5A図に示
される場合、カバー部材11の周縁にスカート状の金属
枠111が設けられている。また、カバー部材11が導
電性を有する合金材料であるとき、すなわち、第5B図
に示される場合、カバー部材11と半導体素子4との間
の接触部には絶縁層112が設けられている。上記のよ
うに絶縁物を設けることによって、このキャップは半導
体素子4のリーク電流を防ぐ構造を有するように形成さ
れている。なお、各図中において各接合箇所には金属化
層2が形成され、カバー部材11の上には熱放散性を高
めるためにヒートシンク6か設けられている。
Its structure is as shown in FIGS. 5A and 5B. That is, in the figure, the semiconductor element 4 is mounted on a ceramic substrate 101, and the cover member 11 is placed over this. Particularly, when the cover member 11 is made of insulating ceramics, that is, in the case shown in FIG. 5A, a skirt-shaped metal frame 111 is provided around the periphery of the cover member 11. Further, when the cover member 11 is made of an alloy material having conductivity, that is, in the case shown in FIG. 5B, an insulating layer 112 is provided at the contact portion between the cover member 11 and the semiconductor element 4. By providing the insulator as described above, this cap is formed to have a structure that prevents leakage current from the semiconductor element 4. In each figure, a metallized layer 2 is formed at each joint, and a heat sink 6 is provided on the cover member 11 to improve heat dissipation.

[発明が解決しようとする課題] しかしながら、アルミナは電気絶縁性および機械的強度
に優れている反面、熱伝導率が17Wm−’に一’ と
小さいために熱放散性が悪く、たとえば、高発熱量の電
界効果型トランジスタ(FET)等を搭載するためには
不適当である。高発熱量の半導体素子を搭載するために
、熱伝導率が260Wm−’ K−’ と高いベリリア
(B e O)を用いた絶縁基板も存在するが、ベリリ
アは毒性かあり、使用上の安全対策が煩雑であるという
問題点がある。
[Problems to be Solved by the Invention] However, although alumina has excellent electrical insulation and mechanical strength, its thermal conductivity is as low as 17 Wm-', resulting in poor heat dissipation. It is unsuitable for mounting large amounts of field effect transistors (FETs) and the like. Insulating substrates using beryllia (B e O), which has a high thermal conductivity of 260 Wm-'K-', exist in order to mount semiconductor elements that generate a high amount of heat, but beryllia is toxic and is not safe for use. The problem is that the countermeasures are complicated.

そこで、最近では、高発熱量の半導体素子搭載用の絶縁
基板として、熱伝導率がベリリアとほぼ同等で、200
Wm−’ K−’ と高い上に毒性かなく、また、アル
ミナと同等の電気絶縁性や機械的強度を有する窒化アル
ミニウム(AQN)が有望視されている。
Recently, the thermal conductivity is almost the same as that of beryllia, and 200%
Aluminum nitride (AQN), which has a high Wm-'K-', is non-toxic, and has electrical insulation properties and mechanical strength equivalent to alumina, is viewed as promising.

しかしながら、窒化アルミニウム基板にリードフレーム
を金属ろうづけ、たとえば、銀ろう(Ag−Cu)づけ
する場合、窒化アルミニウムは室温から銀ろうづけ温度
(780℃)までの平均熱膨張率が4.3X10−6に
−’ と小さいのに対して、リードフレームである鉄−
ニッケル系合金の平均熱膨張率はl0XIO−’に一’
  (コバール)、llXl0−6に一’  (427
0イ)と極めて高い。このため、この熱膨張率の差によ
り、窒化アルミニウム基板へのリードフレームの銀ろう
づけ時の冷却過程で窒化アルミニウム基板内に残留応力
としての大きな熱応力による歪が発生する結果となる。
However, when metal brazing a lead frame to an aluminum nitride substrate, for example, silver brazing (Ag-Cu), aluminum nitride has an average coefficient of thermal expansion of 4.3X10- from room temperature to silver brazing temperature (780°C). Although it is small at 6-', the lead frame is made of iron.
The average coefficient of thermal expansion of nickel-based alloys is 10XIO-'
(Kovar), llXl0-6 to 1' (427
0b), which is extremely high. Therefore, due to this difference in coefficient of thermal expansion, distortion due to large thermal stress as residual stress occurs in the aluminum nitride substrate during the cooling process during silver brazing of the lead frame to the aluminum nitride substrate.

したがって、リードフレームを基板から引き剥がす方向
に引張ると容易に破断が起こり、十分なリードフレーム
接合強度が得られないという問題点があった。
Therefore, when the lead frame is pulled in the direction of peeling it off from the substrate, it easily breaks, resulting in a problem in that sufficient lead frame bonding strength cannot be obtained.

また、半導体素子の発熱量の増大に伴ない、熱放散性の
優れたキャップの開発が急がれている。
Furthermore, as the amount of heat generated by semiconductor elements increases, there is an urgent need to develop caps with excellent heat dissipation properties.

たとえば、高熱伝導性の金属材料によるキャップが用い
られたとしても、前述のように絶縁部分を設ける必要か
あり、コストが上昇するばかりでなく、熱伝導性に問題
が生じる。
For example, even if a cap made of a highly thermally conductive metal material is used, it is necessary to provide an insulating portion as described above, which not only increases cost but also causes problems in thermal conductivity.

そこで、高熱伝導性でしかも絶縁性に優る材料を用いた
キャップが注目されている。それらの候補材料としては
、ベリリア(Bell、  シリコンカーバイド(S 
i C) 、窒化アルミニウム(AfLN)か考えられ
る。しかし、ベリリア、シリコンカーバイドは毒性と供
給不安定および電気的特性の点で問題を有する。したが
って、窒化アルミニウムが最も有力であるが、窒化アル
ミニウムをカバー部材として用いたキャップを製造する
ためには、窒化アルミニウムからなるカバー部材の表面
において枠部材と接合されるべき箇所に金属化処理を施
した後、金属ろうづけによってカバー部材と枠部材とを
ろう接する必要がある。
Therefore, caps made of materials with high thermal conductivity and excellent insulation properties are attracting attention. Candidate materials include beryllia (Bell), silicon carbide (S
i C), aluminum nitride (AfLN) may be considered. However, beryllia and silicon carbide have problems in terms of toxicity, unstable supply, and electrical properties. Therefore, aluminum nitride is the most promising material, but in order to manufacture a cap using aluminum nitride as a cover member, metallization treatment must be performed on the surface of the cover member made of aluminum nitride at the location where it is to be joined to the frame member. After that, it is necessary to solder the cover member and the frame member by metal brazing.

しかしながら、金属ろうづけ、たとえば、銀ろう(Ag
−Cu)づけする場合、上述のように窒化アルミニウム
は室温から銀ろうづけ時の温度(780℃)までの平均
熱膨張率が4.3X10−6に−1と小さいのに対し、
枠部材として一般的に用いられる低熱膨張性の鉄−ニッ
ケル系合金の平均熱膨張率はl0XIO−’に一部  
(コバール)〜llXl0−6に一部  (42アロイ
)と極めて高い。このため、窒化アルミニウムからなる
カバー部材内に大きな熱応力による残留歪が発生する結
果となる。その残留歪によって窒化アルミニウムからな
るカバー部材にクラックが生じ、枠部材に反りや変形が
生じるため、寸法精度、気密性、信頼性の高いキャップ
を提供することはてきないという問題点があった。
However, metal brazing, such as silver brazing (Ag
-Cu), as mentioned above, the average coefficient of thermal expansion of aluminum nitride from room temperature to the silver brazing temperature (780°C) is as small as -1 to 4.3 x 10-6.
The average coefficient of thermal expansion of low thermal expansion iron-nickel alloys commonly used as frame members is 10XIO-'.
(Kovar) to 11X10-6 (42 alloy), which is extremely high. Therefore, residual strain due to large thermal stress is generated within the cover member made of aluminum nitride. The residual strain causes cracks in the cover member made of aluminum nitride, causing warping and deformation of the frame member, which poses a problem in that it is impossible to provide a cap with high dimensional accuracy, airtightness, and reliability.

さらに、高熱伝導性が要求される半導体パッケージには
、放熱基板としてのCu−W合金板と、高放熱性絶縁基
板としてのベリリア(Bed)とか用いられている。し
かしながら、ベリリアに代えて窒化アルミニウムからな
る絶縁基板を用いるにあたって、金属化処理が施された
窒化アルミニウム基板を銀ろうづけによって銅−タング
ステン合金板と接続する場合には、窒化アルミニウム基
板にクラックが生じたり、あるいは銅−タングステン合
金板に反りが生じるという新たな問題が起こってきた。
Further, in semiconductor packages that require high thermal conductivity, a Cu-W alloy plate is used as a heat dissipation substrate, and beryllia (Bed) is used as a highly heat dissipation insulating substrate. However, when using an insulating substrate made of aluminum nitride instead of beryllia, cracks may occur in the aluminum nitride substrate when connecting the metallized aluminum nitride substrate to a copper-tungsten alloy plate by silver brazing. A new problem has arisen in which copper-tungsten alloy plates warp or warp.

アルミナからなる封止のためのキャップと窒化アルミニ
ウム基板とをろうづけによって封着をすることが試みら
れているが、この場合においてもアルミナや窒化アルミ
ニウムからなるセラミック部材にクラックや反りが生じ
るために封着を行なうことが困難であった。
Attempts have been made to seal the sealing cap made of alumina and the aluminum nitride substrate by brazing, but even in this case, cracks and warpage occur in the ceramic member made of alumina and aluminum nitride. It was difficult to seal.

また、ハイパワー半導体モジュール用の放熱基板として
、窒化アルミニウム基板の両面に銅板を温度900℃程
度において活性金属ろうを用いることによってろうづけ
が試みられている。しかしながら、この場合においても
、ろうづけされた後、サンプルの一部で窒化アルミニウ
ムにクラックが認められた。クラックが認められないサ
ンプルについても、−55℃〜+150℃で各5分間、
ヒートサイクル試験を行なったところ、サイクル数が1
00回に満たないうちに窒化アルミニウムにクラックの
発生、銅板の剥離が認められた。
Further, attempts have been made to braze copper plates on both sides of an aluminum nitride substrate using active metal solder at a temperature of about 900° C. as a heat dissipation substrate for high power semiconductor modules. However, even in this case, cracks were observed in the aluminum nitride in some of the samples after being brazed. Samples with no cracks were also heated at -55°C to +150°C for 5 minutes each.
When we conducted a heat cycle test, the number of cycles was 1.
In less than 00 cycles, cracks were observed in the aluminum nitride and peeling of the copper plate was observed.

以上の問題点を要約すれば、窒化アルミニウムからなる
セラミック部材と、金属材料や他のセラミック材料から
なる、窒化アルミニウムと異なる材料からなる部材との
ろうづけ時、またはその接続された部材のヒートサイク
ル試験等の信頼性評価において、クラック、割れ、剥離
、反り等が生じることである。たとえば、銀ろうづけが
施される場合、上述のように、窒化アルミニウムは室温
から銀ろうづけ温度(780°C程度)までの平均熱膨
張率が比較的小さいのに対し、コバール等の低熱膨張性
金属の平均熱膨張率は極めて高い。
To summarize the above problems, the heat cycle of the ceramic member made of aluminum nitride and the member made of a material different from aluminum nitride, such as a metal material or other ceramic material, or the connected member. Cracks, cracks, peeling, warping, etc. occur during reliability evaluations such as tests. For example, when silver brazing is applied, as mentioned above, aluminum nitride has a relatively small average coefficient of thermal expansion from room temperature to the silver brazing temperature (about 780°C), whereas Kovar etc. have a low thermal expansion coefficient. The average coefficient of thermal expansion of metals is extremely high.

方、銅−タングステン合金やアルミナ等の塑性変形し難
い材料の熱膨張率は6.5〜9X10−6に−1であり
、それらのヤング率は29000〜37000kg/m
m2と大きい。コノため、窒化アルミニウムとこれらの
異種材料とがろうづけされた場合、そのろう接待の冷却
過程において極めて大きい熱応力が発生することになる
。したがって、この熱応力が、ろうづけ時においてクラ
ックの発生をもたらし、あるいは残留応力として部村内
に存在するため、ヒートサイクル試験等の信頼性評価に
おいてもその信頼性が乏しくなるものと考えられる。
On the other hand, the coefficient of thermal expansion of materials that are difficult to deform plastically, such as copper-tungsten alloy and alumina, is 6.5 to 9X10-1, and their Young's modulus is 29,000 to 37,000 kg/m.
It is large at m2. Therefore, when aluminum nitride and these dissimilar materials are brazed, extremely large thermal stress will occur during the cooling process of the solder. Therefore, this thermal stress causes cracks to occur during brazing, or exists as residual stress within the joint, which is thought to result in poor reliability in reliability evaluations such as heat cycle tests.

そこで、この発明は、高発熱量の半導体素子を実装する
ために熱放散性の良い窒化アルミニウムからなる部材を
用い、この部材に接続部材を十分な接合強度で接合させ
ることができるとともに、窒化アルミニウムと異なる材
料との接合においてクラックや割れが発生することなく
、変形も少なく、極めて信頼性の高い半導体装置用部品
間の接続構造を提供することを目的とする。
Therefore, the present invention uses a member made of aluminum nitride with good heat dissipation properties in order to mount a semiconductor element with a high calorific value, and a connecting member can be bonded to this member with sufficient bonding strength. It is an object of the present invention to provide a connection structure between parts for a semiconductor device that does not cause cracks or fractures when bonded to different materials, has little deformation, and has extremely high reliability.

[課題を解決するための手段] この発明の1つの局面によれば、半導体装置用部品間の
接続構造は、その上に半導体素子が載せられるべき主表
面を有する窒化アルミニウムからなる基材と、この基材
に接合されるべきものであり、窒化アルミニウムと異な
る材料を主材料とする接続部材と、緩衝材と、基材と緩
衝材と接続部材とを接合するろう接材とを備えている。
[Means for Solving the Problems] According to one aspect of the present invention, a connection structure between parts for a semiconductor device includes a base material made of aluminum nitride and having a main surface on which a semiconductor element is to be placed; It is to be joined to this base material and includes a connecting member whose main material is a material different from aluminum nitride, a cushioning material, and a brazing material for joining the base material, the cushioning material, and the connecting member. .

緩衝材は、基材と接続部材との間に介在し、ろう接待の
冷却過程で、基材と接続部材との熱膨張率の差によって
発生する熱応力を緩和するように、塑性変形能の高い軟
質金属材料からなる軟質金属層と、その軟質金属層によ
って挾まれたモリブデンおよびタングステンの少なくと
もいずれかの金属を含む金属層とからなる三層構造を有
するものである。
The buffer material is interposed between the base material and the connecting member, and has a plastic deformability so as to relieve the thermal stress generated due to the difference in thermal expansion coefficient between the base material and the connecting member during the cooling process of soldering. It has a three-layer structure consisting of a soft metal layer made of a highly soft metal material, and a metal layer containing at least one of molybdenum and tungsten sandwiched between the soft metal layers.

好ましくは、軟質金属材料は、銅、銅合金、アルミニウ
ム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄お
よび鉄合金からなる群より選ばれたいずれかの材料であ
ればよい。また、接続部材は鉄−ニッケル−コバルト合
金、銅−タングステン合金からなるものがよい。
Preferably, the soft metal material may be any material selected from the group consisting of copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, nickel, nickel alloy, iron, and iron alloy. Further, the connecting member is preferably made of an iron-nickel-cobalt alloy or a copper-tungsten alloy.

また、この発明のもう1つの局面によれば、半導体装置
用部品間の接続構造として、絶縁基板に載せられた半導
体素子を気密に封止するためのキャップが提供される。
According to another aspect of the present invention, a cap for airtightly sealing a semiconductor element mounted on an insulating substrate is provided as a connection structure between components for a semiconductor device.

このキャップは、半導体素子を保護するようにその上方
に設けられ、窒化アルミニウムからなるカバー部材と、
そのカバー部材の下方に位置する半導体素子を取囲むよ
うにカバー部月に接合されるべきものであり、窒化アル
ミニウムと異なる材料を主材料とする枠部材と、緩衝材
と、カバー部材と緩衝材と枠部材とを接合するろう接材
とを備えている。緩衝材は、カバー部材と枠部材との間
に介在し、ろう接待の冷却過程で、カバー部材と枠部材
との熱膨張率の差によって発生する熱応力を緩和するよ
うに、塑性変形能の高い軟質金属材料からなる軟質金属
層と、その軟質金属層によって挾まれたモリブデンおよ
びタングステンの少なくともいずれかの金属を含む金属
層とからなるもである。
The cap is provided above the semiconductor element to protect it, and includes a cover member made of aluminum nitride;
It should be joined to the cover part so as to surround the semiconductor element located below the cover member, and includes a frame member whose main material is a material different from aluminum nitride, a cushioning material, a cover member and the cushioning material. and a brazing material for joining the frame member. The cushioning material is interposed between the cover member and the frame member, and has a plastic deformability so as to relieve the thermal stress generated due to the difference in thermal expansion coefficient between the cover member and the frame member during the cooling process of wax entertainment. It consists of a soft metal layer made of a highly soft metal material, and a metal layer containing at least one of molybdenum and tungsten sandwiched between the soft metal layers.

[作用コ ろうづけ時に発生する熱応力を低減せしめる1つの方法
として、窒化アルミニウムからなる部材と異種材料から
なる部材との間にインサート材として緩衝材を挿入する
ことが考えられる。この緩衝材は大別して2種に区分さ
れる。その1つは極めて塑性変形能に優れた銅やニッケ
ル等の軟質金属材料からなる緩衝材、もう1つは窒化ア
ルミニウムとほぼ等しい熱膨張率を有し、かつ塑性変形
し難い金属材料、たとえば、モリブデンまたはタングス
テンを含む金属材料からなる緩衝材が提案されている。
[Operation] One possible method for reducing the thermal stress generated during brazing is to insert a cushioning material as an insert between a member made of aluminum nitride and a member made of a different material. This cushioning material is roughly classified into two types. One is a buffer material made of a soft metal material such as copper or nickel that has extremely excellent plastic deformability, and the other is a metal material that has a coefficient of thermal expansion almost equal to that of aluminum nitride and is difficult to plastically deform, such as: Cushioning materials made of metal materials containing molybdenum or tungsten have been proposed.

つまり、それらの接合方法は、(i)異種材料窒化アル
ミニウム間に発生する熱応力を軟質金属材料が塑性変形
することによって吸収する方法、(11)窒化アルミニ
ウムと熱膨張率がほぼ等しいモリブデンまたはタングス
テン等を含む金属材料をインサート材として介在させる
ことにより、異種材料−インサート材間において熱応力
が発生するものの、インサート材−窒化アルミニウム間
においてはそれらの熱膨張率がほぼ等しいので、発生し
た熱応力が窒化アルミニウムに及ばないようにする方法
である。
In other words, these joining methods are: (i) a method in which a soft metal material absorbs the thermal stress generated between dissimilar aluminum nitride materials through plastic deformation, and (11) a method in which molybdenum or tungsten, which has approximately the same coefficient of thermal expansion as aluminum nitride, is used. By interposing a metal material containing aluminum nitride as an insert material, thermal stress is generated between the different materials and the insert material, but since the coefficients of thermal expansion are almost the same between the insert material and aluminum nitride, the generated thermal stress This is a method to prevent aluminum nitride from reaching the same level as aluminum nitride.

しかしながら、前者の軟質金属材料からなる緩衝材をイ
ンサートする方法のみでは発生する熱応力を十分吸収す
ることができないことがある。インサート材の厚みが薄
ければ、その塑性変形能が乏しく、また、厚すぎれば、
その塑性変形能に富むが、インサート月自体の熱応力が
無視し得なくなり、窒化アルミニウム部材に悪影響を及
ぼす。
However, the former method of inserting a cushioning material made of a soft metal material may not be able to sufficiently absorb the generated thermal stress. If the insert material is thin, its plastic deformability is poor, and if it is too thick,
Although it has high plastic deformability, the thermal stress of the insert itself cannot be ignored, which adversely affects the aluminum nitride member.

したがって、最適の厚みが存在するが、熱応力の吸収を
十分図ることが可能なインサート材を軟質金属材料のみ
で構成することは困難である。
Therefore, although there is an optimal thickness, it is difficult to construct an insert material that can sufficiently absorb thermal stress only from soft metal materials.

また、モリブデンまたはタングステン等の剛直なインサ
ート材を用いた接合方法においても、異種材料−インサ
ート材間の熱膨張率の差が大きいと、インサート材自身
が弾性変形する場合がある。
Further, even in a joining method using a rigid insert material such as molybdenum or tungsten, if the difference in coefficient of thermal expansion between different materials and the insert material is large, the insert material itself may be elastically deformed.

さらに、モリブデンまたはタングステンは、そのヤング
率が非常に大きいため、変形量が小さくても発生する応
力が大きい。このことが、窒化アルミニウム部材に亀裂
やクラックを発生せしめる原因となる。このような問題
は、モリブデンまたはタングステン等からなるインサー
ト材の厚みを大きくすることによって解決され得る。し
かしながら、半導体装置の設計上の寸法の制約等により
、インサート材の厚みを大きくすることは困難である。
Furthermore, molybdenum or tungsten has a very large Young's modulus, so even if the amount of deformation is small, the stress generated is large. This causes cracks to occur in the aluminum nitride member. Such problems can be solved by increasing the thickness of the insert material made of molybdenum, tungsten, or the like. However, it is difficult to increase the thickness of the insert material due to dimensional constraints in the design of semiconductor devices.

したかって、本願発明者等は鋭意研究により、軟質金属
材料のみ、またはモリブデン等の塑性変形し雌い金属材
料のみからなるインサート材を窒化アルミニウム部材と
異種材料からなる部材との間に介在させた場合よりも、
そのインサート材の厚みが薄く、しかもそのインサート
材のもたらす熱応力緩和効果が大きく、変形、反りが少
なく、かつクラックが発生することのない信頼性の高い
接続構造を提供することができた。つまり、接続部分の
断面構造は、窒化アルミニウム/軟質金属層/モリブデ
ンおよびタングステンの少なくともいずれかの金属を含
む金属層/軟質金属層/異種材料で構成される。この場
合、緩衝材としてインサートされる材料は、各単板をろ
うづけすることによって構成されてもよく、クラツド材
、つまり一体型のインサート祠として介在させてもよい
Therefore, through intensive research, the inventors of the present application interposed an insert material made only of a soft metal material or a plastically deformed female metal material such as molybdenum between an aluminum nitride member and a member made of a different material. than if
The thickness of the insert material is small, and the thermal stress relaxation effect brought about by the insert material is large, so that it is possible to provide a highly reliable connection structure that is less deformed and warped, and is free from cracks. That is, the cross-sectional structure of the connection portion is composed of aluminum nitride/soft metal layer/metal layer containing at least one of molybdenum and tungsten/soft metal layer/different material. In this case, the material inserted as a cushioning material may be constructed by brazing each veneer, or may be interposed as a cladding material, that is, an integrated insert hole.

また、部材を接合するためのろう接材は銀ろう、金ろう
、半田等のいずれの材料からなるものでもよく、限定さ
れない。
Further, the soldering material for joining the members may be made of any material such as silver solder, gold solder, solder, etc., and is not limited.

たとえば、窒化アルミニウム焼結体からなる基材と、コ
バールからなる接続部材どしての金属枠とを銀−銅ろう
でろう接する場合、軟質金属層/モリブデンまたはタン
グステンを含む金属層/軟質金属層を釘する緩衝材とし
て、銅/モリブデン/銅から構成されるクラツド材を選
択することができる。この場合の部分構造の断面構造は
、窒化アルミニウム/銅/モリブデン/銅/コバールか
う構成される。コバールとモリブデンの熱膨張率の差に
よって発生する熱応力は、その間に介在させられた銅層
が塑性変形することによって低減せしめられる。また、
モリブデンはそのヤング率が330001c g/mm
2 と非常に大きく、塑性変形し難いので、コバールと
の間に発生する熱応力がモリブデン層に集中し、窒化ア
ルミニウムに及ぼし難いと考えられる。しかしながら、
その熱応力によってモリブデンの弾性変形が若干引き起
こされると、その歪によって窒化アルミニウムに熱応力
が及ぶ可能性が存在する。そのため、この熱応力を低減
せしめるために、塑性変形能の高い銅層を窒化アルミニ
ウム−モリブデンの間にも介在させる。これによって、
窒化アルミニウムに熱歪の影響がほとんど及ばないよう
にすることが可能となる。このようにして、ろうづけ時
の熱歪の少ない窒化アルミニウム部材と異押祠料との接
合構造が得られる。また、信頼性試験、たとえば、55
℃〜+150℃のヒートサイクル試験において、この温
度サイクルによって発生する熱歪が銅の塑性変形によっ
て緩和されることが可能となる。
For example, when a base material made of an aluminum nitride sintered body and a metal frame such as a connecting member made of Kovar are soldered with silver-copper solder, a soft metal layer/a metal layer containing molybdenum or tungsten/a soft metal layer A cladding material consisting of copper/molybdenum/copper can be selected as a buffer material for nailing. The cross-sectional structure of the partial structure in this case is composed of aluminum nitride/copper/molybdenum/copper/Kovar. Thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficients between Kovar and Molybdenum is reduced by plastic deformation of the copper layer interposed therebetween. Also,
Molybdenum has a Young's modulus of 330001c g/mm.
2 and is difficult to plastically deform, it is thought that the thermal stress generated between the molybdenum layer and Kovar concentrates on the molybdenum layer and is difficult to affect the aluminum nitride. however,
If the thermal stress causes some elastic deformation of the molybdenum, there is a possibility that the thermal stress will be applied to the aluminum nitride due to the strain. Therefore, in order to reduce this thermal stress, a copper layer with high plastic deformability is also interposed between aluminum nitride and molybdenum. by this,
It becomes possible to make aluminum nitride hardly affected by thermal strain. In this way, a bonding structure between the aluminum nitride member and the abrasive material with less thermal strain during brazing can be obtained. Also, reliability tests, e.g. 55
In a heat cycle test from .degree. C. to +150.degree. C., thermal strain caused by this temperature cycle can be alleviated by plastic deformation of the copper.

こ場合、銅層は窒化アルミニウムまたはモリブデンと固
着されているため、銅の熱膨張も抑えられ、ヒートサイ
クルにおける信頼性は格段に向上する。
In this case, since the copper layer is fixed with aluminum nitride or molybdenum, thermal expansion of the copper is also suppressed, and reliability in heat cycles is significantly improved.

以上のように、この発明に従った半導体装置用部品間の
接続構造においては、緩衝材を構成する軟質金属層はそ
の塑性変形によって、ろう接待およびヒートサイクルに
おける熱応力を低減せしめる。また、緩衝材を構成する
モリブデンおよびタングステンの少なくともいずれかの
金属を含む金属層は、異種材料との熱応力を窒化アルミ
ニウム部材に及ぼさないように働く。
As described above, in the connection structure between parts for a semiconductor device according to the present invention, the soft metal layer constituting the buffer material reduces thermal stress during soldering and heat cycles due to its plastic deformation. Further, the metal layer containing at least one of molybdenum and tungsten, which constitutes the buffer material, works to prevent thermal stress from being exerted on the aluminum nitride member due to the different material.

また、この発明に従った接続114造においては用いら
れる緩衝材の厚みを薄くすることが可能である。たとえ
ば、窒化アルミニウム部材とコバールからなる金属枠と
のろう接においては、信頼性、反り、クラック等の試験
を満足する緩衝材の厚みは、81層のみでは0.5mm
、モリブデン層のみでは0.4mmである。この発明に
従って、緩衝材を銅/モリブデン/銅の三層構造で構成
すると、各層の厚みは0.0510.110.05mm
であり、緩衝材全体の厚みは0.2mmである。したか
って、半導体装置の設計に厳しい制約が課される場合に
も本発明は適用され得る。
Further, in the connection 114 structure according to the present invention, it is possible to reduce the thickness of the cushioning material used. For example, in brazing an aluminum nitride member and a metal frame made of Kovar, the thickness of the cushioning material that satisfies tests for reliability, warping, cracking, etc. is 0.5 mm with only 81 layers.
, the molybdenum layer alone is 0.4 mm. According to this invention, when the cushioning material is composed of a three-layer structure of copper/molybdenum/copper, the thickness of each layer is 0.0510.110.05 mm.
The total thickness of the cushioning material is 0.2 mm. Therefore, the present invention can be applied even when severe constraints are imposed on the design of a semiconductor device.

[実施例] この発明の1つの局面による半導体装置用部品間の接続
構造の一実施例、たとえば、リードフレームと緩衝材と
窒化アルミニウム基板との接続1を造について図を用い
て説明する。
[Embodiment] An embodiment of a connection structure between parts for a semiconductor device according to one aspect of the present invention, for example, a connection 1 between a lead frame, a buffer material, and an aluminum nitride substrate will be described with reference to the drawings.

第1A図は半導体装置搭載用基板として用いられた一実
施例を示す平面図、第1B図はその断面図、第1C図は
リードフレーム3と窒化アルミニウムからなる基板1と
の接合部を詳細に示す断面図である。
FIG. 1A is a plan view showing an embodiment used as a substrate for mounting a semiconductor device, FIG. 1B is a sectional view thereof, and FIG. 1C is a detailed view of the joint between the lead frame 3 and the substrate 1 made of aluminum nitride. FIG.

図において、この接続構造は、焼結体としての窒化アル
ミニウムからなる基板1の表面の一部には金属化層2が
形成され、この金属化層2にはリードフレーム3が金属
ろう等でろうづけされて接合されている。金属化層2と
リードフレーム3との間には、その表面にニッケルめっ
き層が形成された緩衝材13が介在している。この緩衝
材は銅等の軟質金属層と、その軟質金属層によって挾ま
れたモリブデンまたはタングステンを含む金属層とから
なる三層構造を有する。また、窒化アルミニウム基板1
の所定位置には高発熱量のFET等の半導体素子4が搭
載され、金属化層2またはリードフレーム3とボンディ
ングワイヤ5で結線されている。
In the figure, in this connection structure, a metallized layer 2 is formed on a part of the surface of a substrate 1 made of aluminum nitride as a sintered body, and a lead frame 3 is attached to this metallized layer 2 with metal solder or the like. attached and joined. A buffer material 13 having a nickel plating layer formed on its surface is interposed between the metallized layer 2 and the lead frame 3. This buffer material has a three-layer structure consisting of a soft metal layer such as copper, and a metal layer containing molybdenum or tungsten sandwiched between the soft metal layers. In addition, aluminum nitride substrate 1
A semiconductor element 4 such as a FET that generates a large amount of heat is mounted at a predetermined position, and is connected to the metallized layer 2 or the lead frame 3 with a bonding wire 5.

さらに、窒化アルミニウム基板1の裏面にはタングステ
ン合金、たとえば銅−タングステン合金からなるヒート
シンク6が取付けられている。このヒートシンク6と窒
化アルミニウム基板1との接合においても、窒化アルミ
ニウム基板1−リードフレーム3間と同様に本発明に従
った緩衝材が介在させられる。
Furthermore, a heat sink 6 made of a tungsten alloy, such as a copper-tungsten alloy, is attached to the back surface of the aluminum nitride substrate 1. In the bonding between the heat sink 6 and the aluminum nitride substrate 1 as well, the buffer material according to the present invention is interposed as in the case between the aluminum nitride substrate 1 and the lead frame 3.

また、第1C図に示すように、窒化アルミニウム基板1
とリードフレーム3との接合部は、金属化層2上に薄い
めっき層7が形成され、リードフレーム3が、金属ろう
9の濡れ性を安定させるために、必要に応じてコバール
等からなる金属層23の外周面にめっき層8が形成され
たものからなる。
Further, as shown in FIG. 1C, an aluminum nitride substrate 1
A thin plating layer 7 is formed on the metallized layer 2 at the joint between the lead frame 3 and the lead frame 3. In order to stabilize the wettability of the metal solder 9, the lead frame 3 is coated with a metal such as Kovar as necessary. The plating layer 8 is formed on the outer peripheral surface of the layer 23.

また、この発明に従った半導体装置用部品間の接続構造
が適用されるキャップの構造について図を用いて説明す
る。
Further, the structure of a cap to which the connection structure between parts for a semiconductor device according to the present invention is applied will be explained with reference to the drawings.

第2図はその一例を示す断面図である。窒化アルミニウ
ム焼結体からなるカバー部材11の周縁側部表面には金
属化層2が形成されている。この金属化層2には、銅等
の軟質金属層とモリブデンまたはタングステンを含む金
属層との三層構造からなる緩衝材130を介して、金属
ろう9によって、鉄−ニッケル系合金の金属層230の
みから構成される枠部材30が接合されている。枠部材
30の下端はセラミック基板101に金属化層2を介し
て接合されている。セラミック基板101には半導体素
子4が搭載されている。さらに、カバー部材11の上面
にはヒートシンク6が取付けられることにより、半導体
素子4で発生した熱はカバー部材11を通してヒートシ
ンク6によって発散され、その冷却効果が高められる。
FIG. 2 is a sectional view showing one example. A metallized layer 2 is formed on the peripheral side surface of the cover member 11 made of a sintered aluminum nitride body. A metal layer 230 of an iron-nickel alloy is applied to the metallized layer 2 by a metal solder 9 via a buffer material 130 having a three-layer structure of a soft metal layer such as copper and a metal layer containing molybdenum or tungsten. A frame member 30 made of only one piece is joined. The lower end of the frame member 30 is joined to the ceramic substrate 101 via the metallized layer 2. A semiconductor element 4 is mounted on the ceramic substrate 101. Furthermore, by attaching the heat sink 6 to the upper surface of the cover member 11, the heat generated in the semiconductor element 4 is dissipated by the heat sink 6 through the cover member 11, thereby enhancing its cooling effect.

また、使用される金属ろう9としては、銀ろうが好まし
いが、枠部材30の接合面や金属化層2の上にろう接材
と濡れ性の良い金属の薄い被覆層を形成すること等によ
って、両者を強固に接合できれば、他のろう接材であっ
てもよい。このめっき層が果たす役割は、上述のリード
フレームと窒化アルミニウム基板との接続構造の実施例
において説明したとおりである。
Although silver solder is preferable as the metal solder 9 used, it is also possible to However, other brazing materials may be used as long as they can be firmly joined together. The role played by this plating layer is as explained in the above-mentioned embodiment of the connection structure between the lead frame and the aluminum nitride substrate.

実施例1 各試料としての窒化アルミニウム焼結基板にメタライジ
ング処理が施された。窒化アルミニウム焼結基板の大き
さは口20mmXt1.5mmであった。メタライジン
グ処理により形成された金属化層の表面には膜厚2μm
の二;ノケルめつき層が形成された。そして、第1表に
示される緩衝材を介在させて、窒化アルミニウム焼結基
板と、口20mmXt1.Ommの大きさを有する銅−
タングステン合金板とを温度830℃の水素雰囲気中に
おいて、ろう接材として銀−銅を用いてろうづけした。
Example 1 A metallizing treatment was performed on an aluminum nitride sintered substrate as each sample. The size of the aluminum nitride sintered substrate was 20 mm x 1.5 mm. The surface of the metallized layer formed by metallizing treatment has a film thickness of 2 μm.
2: A plating layer was formed. Then, an aluminum nitride sintered substrate with a mouth of 20 mm x 1. Copper with a size of Omm -
The tungsten alloy plate was brazed with silver-copper as a brazing material in a hydrogen atmosphere at a temperature of 830°C.

緩衝ヰ」を構成する各金属層の厚みは第1表に示されて
いる。
The thickness of each metal layer constituting the buffer is shown in Table 1.

このようにして得られた各接合部材をヒートサイクル試
験(−55〜+150°C,100サイクル)の前後に
おいて、実体顕微鏡および走査型電子顕微鏡を用いて、
その接合構造の断面におけるクラックの有無を調べた。
Each bonded member thus obtained was subjected to a heat cycle test (-55 to +150°C, 100 cycles) using a stereomicroscope and a scanning electron microscope.
The presence or absence of cracks in the cross section of the joint structure was investigated.

その結果は第1表に示されている。なお、第1表中、O
はクラックの発生が認められなかったことを示し、×は
クラックが発生したことを示している。また、試料No
The results are shown in Table 1. In addition, in Table 1, O
indicates that no cracks were observed, and x indicates that cracks occurred. Also, sample No.
.

5〜8は比較例を示す。5 to 8 show comparative examples.

第1表によれば、この発明に従った構成を有する緩衝材
を用いて窒化アルミニウム焼結基板と銅−タングステン
合金板とを接合した場合、クラックの発生が全く認めら
れなかった。特に、ヒートサイクル試験後においては、
本発明に従った接合部材にクラックの発生は認められな
かった。
According to Table 1, no cracks were observed when the aluminum nitride sintered substrate and the copper-tungsten alloy plate were bonded using the buffer material having the structure according to the present invention. Especially after the heat cycle test,
No cracks were observed in the bonded member according to the present invention.

実施例2 実施例1と同様に各試料を準備し、低融点ろう接材とし
てアルミニウムーシリコンを用いて温度550℃の水素
−窒素雰囲気中においてろうづけした。各試料において
用いられた緩衝材の構成および厚みは第2表に示されて
いる。
Example 2 Each sample was prepared in the same manner as in Example 1, and brazed in a hydrogen-nitrogen atmosphere at a temperature of 550° C. using aluminum-silicon as a low-melting point brazing material. The composition and thickness of the buffer material used in each sample are shown in Table 2.

得られた各試料の接合部材において実施例1と同様にク
ラックの発生の有無を調べた。その結果は第2表に示さ
れている。試料No、3.4は比較例を示す。第2表に
よれば、本発明に従った構成を有する緩衝材を用いて窒
化アルミニウム焼結基板と銅−タングステン合金板とを
接合すれば、ヒートサイクル試験の前後においてクラッ
クの発生が全く認められないことが理解される。
In the same manner as in Example 1, the joint members of each of the obtained samples were examined for the occurrence of cracks. The results are shown in Table 2. Sample No. 3.4 shows a comparative example. According to Table 2, when a sintered aluminum nitride substrate and a copper-tungsten alloy plate are bonded using a buffer material having a structure according to the present invention, no cracks are observed before or after the heat cycle test. It is understood that there is no.

(以下余白) 実施例3 第3図はカバー部材11と枠部材30とが接合されたキ
ャップとして準備された各試料の側断面を示す。第3図
を参照して、窒化アルミニウムからなる厚み1mmの円
形状カバー部材11の外周側面にタングステン・メタラ
イジング処理が施された。金属化層2が形成されたカバ
ー部材11の外周側面には、さらにニッケルめっき処理
が施された。その後、第3表に示される各種の緩衝材1
30を介在させて、コバールの金属層230のみからな
る枠部材30とカバー部材11とが、温度850℃の水
素雰囲気中において銀ろうづけされた。このようにして
得られた各試料の枠部材30の内径は20mmφであり
、その肉厚は0.2mmであった。
(The following is a blank space) Example 3 FIG. 3 shows a side cross section of each sample prepared as a cap in which a cover member 11 and a frame member 30 were joined. Referring to FIG. 3, tungsten metallization treatment was performed on the outer peripheral side surface of a circular cover member 11 made of aluminum nitride and having a thickness of 1 mm. The outer peripheral side surface of the cover member 11 on which the metallized layer 2 was formed was further subjected to nickel plating treatment. After that, various cushioning materials 1 shown in Table 3
The frame member 30 consisting of only the Kovar metal layer 230 and the cover member 11 were silver-soldered to each other in a hydrogen atmosphere at a temperature of 850° C. with the Kovar metal layer 230 interposed therebetween. The inner diameter of the frame member 30 of each sample thus obtained was 20 mmφ, and the wall thickness was 0.2 mm.

このようにして得られた各試料について、実施例1と同
様に信頼性評価試験が行なわれた。その結果は第3表に
示されている。また、キャップとしての各試料の気密性
を評価するために、Heリークチエツク法によって気密
性評価試験が行なわれた。この結果も第3表に示されて
いる。なお、第3表中、○はクラック発生なし、または
気密性が良好であることを示し、×はクラック発生有り
、または気密性が不良であることを示す。試料No。
For each sample thus obtained, a reliability evaluation test was conducted in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3. Further, in order to evaluate the airtightness of each sample as a cap, an airtightness evaluation test was conducted using the He leak check method. The results are also shown in Table 3. In Table 3, ◯ indicates that no cracks were generated or that the airtightness was good, and × indicates that there were cracks or that the airtightness was poor. Sample No.

5.6.7は比較例を示す。5.6.7 shows a comparative example.

第3表によれば、この発明に従った構成を有する緩衝材
を用いれば、クラックの発生は認められず、気密性にお
いても良好なキャップを得ることができた。
According to Table 3, when the cushioning material having the structure according to the present invention was used, no cracks were observed and a cap with good airtightness could be obtained.

(以下余白) 実施例4 窒化アルミニウム焼結基板の両面にタングステン・メタ
ライジング処理が施された。そのメタライジング処理が
施された表面にはニッケルめっき処理がさらに施された
。このようにして処理された窒化アルミニウム焼結基板
の各試料に、第4表に示される構成を有する金属板か、
温度920℃の水素雰囲気中において、ろう接材として
銀−銅を用いてろうづけされた。このようにして、ハイ
パワー半導体モジュール用基板が作製された。
(Left below) Example 4 Tungsten metallization treatment was applied to both sides of a sintered aluminum nitride substrate. Nickel plating was further applied to the metallized surface. Each sample of the aluminum nitride sintered substrate treated in this way was coated with either a metal plate having the configuration shown in Table 4 or
Brazing was performed in a hydrogen atmosphere at a temperature of 920° C. using silver-copper as a soldering material. In this way, a high power semiconductor module substrate was manufactured.

得られた各基板について実施例1と同様にヒートサイク
ル試験を行ない、クラックの発生の有無を調べた。その
結果は第4表に示される。試料No、3は比較例を示す
A heat cycle test was conducted on each of the obtained substrates in the same manner as in Example 1 to check for the occurrence of cracks. The results are shown in Table 4. Sample No. 3 shows a comparative example.

第4表によれば、この発明に従った構成を有する金属板
を窒化アルミニウム焼結基板に接合すると、ヒートサイ
クル試験の前後においてクラックの発生が全く認められ
ないハイパワー半導体モジュール用基板を作製すること
ができた。
According to Table 4, when a metal plate having the structure according to the present invention is bonded to an aluminum nitride sintered substrate, a high power semiconductor module substrate is produced in which no cracks are observed before or after the heat cycle test. I was able to do that.

[発明の効果] 以上のように、この発明によれば窒化アルミニウム部材
と異種材料からなる部材とを接合する上において、軟質
金属層と、その軟質金属層によって挾まれたモリブデン
またはタングステンを含む金属層とからなる三層構造を
有する緩衝材を介在させることによって、信頼性の高い
半導体装置用部品間の接続構造を提供することが可能と
なる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, when joining an aluminum nitride member and a member made of different materials, a soft metal layer and a metal containing molybdenum or tungsten sandwiched by the soft metal layer are used. By interposing a buffer material having a three-layer structure consisting of the following layers, it is possible to provide a highly reliable connection structure between components for a semiconductor device.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1A図、第1B図、第1C図はこの発明に従った半導
体装置用部品間の接続構造の一実施例、たとえば、リー
ドフレームと緩衝材と窒化アルミニウムIJ、板との接
合構造を示す平面図、断面図である。 第2図はこの発明に従った半導体装置用部品間の接続構
造としてキャップに適用された一実施例を示す断面図で
ある。 第3図は実施例3において準備されるキャップとしての
各試料を示す側断面図である。 第4A図、第4B図、第4C図は従来の半導体装置用部
品間の接続構造、たとえば、リードフレームとアルミナ
基板との接続構造を示す平面図、断面図である。 第5A図、第5B図は従来の半導体装置用部品間の接続
構造、たとえば、絶縁基板に載せられた半導体素子を気
密に封止するためのキャップに用いられる接続構造を示
す断面図である。 図において、1は基板、3はリードフレーム、6はヒー
トシンク、9は金属ろう、11はカバー部材、13,1
30は緩衝材、30は枠部材である。 なお、各図中、同一7〕号は同一または相当部分を示す
。 第1A図 第2図 第78図 130: 慴iη1チオ↑ 第1C図 第3図 13:緩T針科 第4A図 第4B図 第4図 第夕A図 第5B図
1A, 1B, and 1C are plan views showing an embodiment of a connection structure between parts for a semiconductor device according to the present invention, for example, a connection structure between a lead frame, a buffer material, an aluminum nitride IJ, and a plate. FIG. 2 is a cross-sectional view. FIG. 2 is a sectional view showing an embodiment of the present invention applied to a cap as a connection structure between parts for a semiconductor device. FIG. 3 is a side sectional view showing each sample as a cap prepared in Example 3. FIGS. 4A, 4B, and 4C are a plan view and a sectional view showing a conventional connection structure between components for a semiconductor device, for example, a connection structure between a lead frame and an alumina substrate. 5A and 5B are cross-sectional views showing a conventional connection structure between components for a semiconductor device, for example, a connection structure used in a cap for hermetically sealing a semiconductor element mounted on an insulating substrate. In the figure, 1 is a board, 3 is a lead frame, 6 is a heat sink, 9 is a metal solder, 11 is a cover member, 13, 1
30 is a cushioning material, and 30 is a frame member. In each figure, the same number 7 indicates the same or equivalent part. Figure 1A Figure 2 Figure 78 Figure 130: 慴iη1THIO↑ Figure 1C Figure 3 Figure 13: Loose T Acupuncture Figure 4A Figure 4B Figure 4 Evening A Figure Figure 5B

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)その上に半導体素子が載せられるべき主表面を有
する窒化アルミニウムからなる基材と、前記基材に接合
されるべきものであり、前記窒化アルミニウムと異なる
材料を主材料とする接続部材と、 前記基材と前記接続部材との間に介在する緩衝材と、 前記基材と前記緩衝材と前記接続部材とを接合するろう
接材とを備え、 前記緩衝材は、ろう接時の冷却過程で、前記基材と前記
接続部材との熱膨張率の差によって発生する熱応力を緩
和するように、塑性変形能の高い軟質金属材料からなる
軟質金属層と、その軟質金属層によって挾まれたモリブ
デンおよびタングステンの少なくともいずれかの金属を
含む金属層とからなる三層構造を有する、半導体装置用
部品間の接続構造。
(1) A base material made of aluminum nitride and having a main surface on which a semiconductor element is to be placed, and a connecting member that is to be joined to the base material and whose main material is a material different from the aluminum nitride. , a buffer material interposed between the base material and the connection member, and a brazing material for joining the base material, the buffer material, and the connection member, the buffer material being used for cooling during brazing. In the process, a soft metal layer made of a soft metal material with high plastic deformability is sandwiched between the soft metal layers so as to alleviate the thermal stress generated due to the difference in thermal expansion coefficient between the base material and the connection member. A connection structure between parts for a semiconductor device, the structure having a three-layer structure including a metal layer containing at least one of molybdenum and tungsten.
(2)前記軟質金属材料は、銅、銅合金、アルミニウム
、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、お
よび鉄合金からなる群より選ばれたいずれかの材料から
なる、請求項1記載の半導体装置用部品間の接続構造。
(2) The semiconductor device according to claim 1, wherein the soft metal material is made of any material selected from the group consisting of copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, nickel, nickel alloy, iron, and iron alloy. Connection structure between parts.
(3)前記接続部材は、鉄−ニッケル−コバルト合金か
らなる、請求項1記載の半導体装置用部品間の接続構造
(3) The connection structure between parts for a semiconductor device according to claim 1, wherein the connection member is made of an iron-nickel-cobalt alloy.
(4)前記接続部材は、銅−タングステン合金からなる
、請求項1記載の半導体装置用部品間の接続構造。
(4) The connection structure between parts for a semiconductor device according to claim 1, wherein the connection member is made of a copper-tungsten alloy.
(5)絶縁基板に載せられた半導体素子を気密に封止す
るための半導体装置用部品間の接続構造であって、 前記半導体素子を保護するようにその上方に設けられ、
窒化アルミニウムからなるカバー部材と、前記カバー部
材の下方に位置する前記半導体素子を取囲むように、前
記カバー部材に接合されるべきものであり、前記窒化ア
ルミニウムと異なる材料を主材料とする枠部材と、 前記カバー部材と前記枠部材との間に介在する緩衝材と
、 前記カバー部材と前記緩衝材と前記枠部材とを接合する
ろう接材とを備え、 前記緩衝材は、ろう接時の冷却過程で、前記カバー部材
と前記枠部材との熱膨張率の差によって発生する熱応力
を緩和するように、塑性変形能の高い軟質金属材料から
なる軟質金属層と、その軟質金属層によって挾まれたモ
リブデンおよびタングステンの少なくともいずれかの金
属を含む金属層とからなる三層構造を有する、半導体装
置用部品間の接続構造。
(5) A connection structure between parts for a semiconductor device for hermetically sealing a semiconductor element mounted on an insulating substrate, the structure being provided above the semiconductor element to protect it;
A cover member made of aluminum nitride, and a frame member that is to be joined to the cover member so as to surround the semiconductor element located below the cover member, and whose main material is a material different from the aluminum nitride. and a buffer material interposed between the cover member and the frame member, and a brazing material for joining the cover member, the buffer material, and the frame member, the buffer material being used during soldering. In the cooling process, a soft metal layer made of a soft metal material with high plastic deformability is sandwiched between the soft metal layers so as to relieve thermal stress caused by a difference in thermal expansion coefficient between the cover member and the frame member. A connection structure between parts for a semiconductor device, the structure having a three-layer structure including a metal layer containing at least one of molybdenum and tungsten.
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