JPH03136338A - 半導体装置およびその製造のためのロウ付け方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造のためのロウ付け方法

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JPH03136338A
JPH03136338A JP1275434A JP27543489A JPH03136338A JP H03136338 A JPH03136338 A JP H03136338A JP 1275434 A JP1275434 A JP 1275434A JP 27543489 A JP27543489 A JP 27543489A JP H03136338 A JPH03136338 A JP H03136338A
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JP
Japan
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plate
semiconductor chip
brazing
window space
thermal
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JP1275434A
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Tetsuji Yamaguchi
哲司 山口
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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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〕 この発明は半導体装置およびその製造のためのロウ付け
方法に関するもので、特に、半導体チップにおける熱応
力を緩和するために設けられる熱応力緩和部材の改良と
、その改良部材を用いて半導体チップを所定部材上にロ
ウ付けする方法に関する。
〔従来の技術〕
半導体装置の製造技術において周知のように、所望の活
性領域が形成された半導体チップは、ロウ付けによって
電極板などの所定部材上に固定されることが多い。
第６図は、半導体チップ９の従来のロウ付け構造の代表
例を示す部分断面図である。この図に示すように、この
構成では、放熱板１．絶縁基板３゜電極板５および熱応
力緩和板７が、ロウ材層２゜４および６を用いて順次に
ロウ付けされている。
そして、半導体チップ９はロウ材層８によって熱応力緩
和板７上にロウ付けされている。半導体チップ９がたと
えばパワートランジスタの場合には、電極板６はコレク
タ電極板に相当する。また、半導体チップ９の他の電極
板、すなわちエミッタ電極板およびベース電極板（図示
せず）は、金属線１０を通じて、この半導体チップ９と
接続されている。
これらの各部材のうち、熱応力緩和板７は、ロウ付けプ
ロセスによって半導体チップ９に生ずる熱応力を緩和す
るために設けられている。すなわち、半導体チップ９が
シリコンであり、コレクタ金属板５が銅である場合を例
にとると、コレクタ金属板５の熱膨張係数は半導体チッ
プ９の約５倍であるため、ロウ付け時の高温状態からこ
れらが冷却されたときのそれぞれの収縮量の差は大きい
。
このため、もし熱応力緩和板７を設けておかなければ、
この差に応じた熱応力が直接に半導体チップ９に作用し
、その電気的特性や強度が低下してしまうことになる。
また、熱応力緩和板７は、半導体チップ９に通電したと
きの電気的発熱による熱応力の緩和にも有効である。
このような事情に応じて熱応力緩和板７を設けるわけで
あるから、熱応力緩和板７は、その熱膨張係数が比較的
シリコンに近い材料で形成されなければならない。また
、半導体チップ９の動作時において生ずる熱を速かに放
熱板１へ伝えなければならないため、熱伝導率も大きい
必要がある。
このため、従来の熱応力緩和板７としては、モリブデン
からなる平板が広く用いられている。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが、モリブデンの平板は焼結によって形成される
ために非常に高価であり、その結果、第６図の構造を備
えた半導体装置全体としてのコストが高くなっている。
また、モリブデンの熱伝導率はそれほど大きくないため
、半導体チップ９の動作時に発生する熱を放熱板１へ伝
える効率もそれほど高くはない。
すなわち、熱応力緩和板７としてモリブデン平板を用い
る場合には、熱応力緩和板７の過渡熱抵抗を低減させる
ことが困難である。この問題は特に、高速でスイッチン
グ動作を繰返す大電力用トランジスタにおいて顕著な問
題となる。
このような問題に対処するため、特開昭５８−３２４２
３号および特開昭５７−１２４４５９号公報には、炭素
繊維を埋込んだ銅板を熱応力緩和板として使用する技術
が開示されている。この技術では、銅によって熱伝導率
の高さを確保し、炭素繊維によって熱膨張率を低下させ
ている。
しかしながら、銅板の熱膨張を抑圧するためには、多量
の炭素繊維を銅板中に埋込まねばならない。すると、硬
ロウを用いて高温でロウ付けする際には熱応力緩和板に
局所的なフクレが生じてしまう。実際、上記特開昭５７
−１２４４５９号公報には、７００℃以上で、ロウ付け
を行うと熱応力緩和板のフクレが急激に増大してしまう
ことが明記されている。
また、炭素繊維の熱伝導率や電気伝導度は金属などに比
べて低いため、大量の炭素繊維を埋込むと熱応力緩和板
金体としての熱伝導性や電気伝導性叡阻害してしまう。
この発明は、従来技術における上述の問題の克服を意図
しており、熱伝導率や電気伝導度が高く、ロウ付け温度
における制約も少ない熱応力緩和部材を備えた低コスト
の半導体装置と、そのような装置におけるロウ付け方法
とを提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
上述の目的を達成するため、この発明では、所定部材上
に半導体チップがロウ付けされた半導体装置において、
（ａ）前記所定部材上に設けられた゛第１のロウ材層と
、（ｂ）　　前記半導体チップの３倍以下の熱膨張係数
を有する材料によって形成されて所定形状の窓空間を規
定するフレーム材と；銅、銅合金、アルミニウムおよび
アルミニウム合金の中から選択された材料によって形成
され、前記窓空間内に挿入されて前記フレーム材と一体
化されたプレート材とを有し；前記窓空間の第１の開口
において前記プレート材が前記第１のロウ材層に実質的
に接触するように前記第１のロウ埜層上に設けられた複
合板材と、（ｃ）　　前記複合板材上に設けられ、前記
窓空間の第２の開口において前記プレート材に実質的に
接触する第２のロウ材層とを備えている。そして、前記
半導体チップは前記第２のロウ材層の上に設けられてい
る。
また、この発明のロウ付け方法では、半導体チップを所
定部材上にロウ付けするにあたって、（ａ）　　前記半
導体チップの３倍以下の熱膨張係数を有する材料によっ
て形成されて所定形状の窓空間を規定するフレーム材と
；銅、銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金の
中から選択された材料によって形成され、前記窓空間内
に挿入されて前記フレーム材と一体化されたプレート材
とを有する複合板材を準備する工程と、（ｂ）　　前記
窓空間の第１の開口と前記所定部材とを対向させつつ、
前記複合板材を前記所定部材上にロウ付けする工程と、
（ｃ）　　前記窓空間の第２の開口と前記半導体チップ
とを対向させつつ、前記半導体チップを前記複合板材上
にロウ付けする工程とを実行する。
〔作用〕
この発明に従った半導体装置においては、複合板材が熱
応力緩和部材として機能する。複合板材中のプレート材
として、銅、アルミニウム、またはそれらのうちのいず
れかの合金が使用されるため、複合板材全体としての熱
伝導率および電気伝導度は高い。また、フレーム材は、
半導体チップの３倍以内の熱膨張率を有する合金によっ
て形成されており、プレート材の熱膨張を抑圧するため
、複合板材全体としての半導体チップにおける熱応力緩
和作用も大きい。この発明の複合部材はモリブデンのよ
うな焼結金属や炭素繊維などを含まずに構成できるため
、低コストであり、高いロウ付け温度下でも使用可能で
ある。
また、この発明によるロウ付け方法によれば、上記の特
性を有する半導体装置を、複雑な工程なしに得ることが
できる。
〔実施例〕
第２図および第３図は、それぞれこの発明の一実施例で
ある半導体装置１００の外観を示す平面図および正面図
である。また、第１図は第２図の１−Ｉ切断線に沿った
拡大部分断面図である。半導体装置１００は、第３図に
概念的に示す複数個のパワートランジスタ組立体２０と
、これらの組立体２０を収容するケーシング５０とを備
えている。ケーシング５０は銅製の放熱板６０を底板と
して有しており、樹脂製の側壁部材７０が放熱板６０の
上に接着剤で固定されている。また、側壁部材７０の上
部開口を覆うように、樹脂製の蓋８０が側壁部材７０の
上に固定されている。
ケーシング５０の両端には四部５１が形成されている。
そして、第１図に示すように、凹部５１の底部には、こ
の半導体装置１００を所望の場所に取付ける際に使用さ
れる取付孔５２が設けられている。他方、Ｍ２Ｏには３
ケ所の凸部８１が設けられている。凸部８１内にはナツ
ト８２（第１図）が圧入されており、外部電極板８３と
座金８４とを通して、ボルト８５がナツト８２に螺入さ
れている。そして、ブスバーなどの外部電線が、このボ
ルト８５とナツト８２との組合わせによって外部電極板
８３に接続される。また、第１図〜第３−には図示され
ていないが、外部電極板８３のそれぞれの一端は折れ曲
がっており、蓋８０を貫通して、ケーシング５０の内部
においてパワートランジスタ組立体２０内の電極に電気
的に接続されている。
また、ケーシング５０の上部にはファストン端子８７が
立設されており、トランジスタ組立体２０の制御用信号
が１、このファストン端子８７に与えられ、図示しない
内部配線を介して組立体２０の制御電極に伝達される。
第１図中では一部分が取除かれた状態で描かれているが
、トランジスタ組立体２０および各内部配線を外気から
保護する目的で、トランジスタ組立体２０は樹脂５１１
；よってハウジング５０の内部空間内に封止されている
。
トランジスタ組立体２０は次のように構成されている（
第１図参照）。まず、放熱板６０の上に、アルミナセラ
ミックよりなる絶縁基板２２がロウ材層２１によってロ
ウ付けされている。絶縁基板２２の上面の中央部には、
ロウ材層２３によって銅製のコレクタ電極板２４がロウ
付けされている。
さらに、このコクタ電極板２４の上面には、ロウ材層２
５によって熱応力緩和板４０がロウ付けされる。この熱
応力緩和板４０の構造については後に詳述する。
熱応力緩和４０の上には、ロウ材層２６によって半導体
チップ２７がロウ付けされている。半導体チップ２７は
シリコン基板に不純物をドープして形成されており、複
数の活性領域の接合を含むパワートランジスタである。
絶縁基板２２の上面にはまた、ロウ材層３１によって銅
製のエミッタ電極板３２がロウ付けされている。同様に
、銅製のベース電極板３５がロウ材層３４によってロウ
付けされている。これらのエミッタ電極板３２とベース
電極板３５とは、アルミニウム配線３３．３６によって
、それぞれ半導体チップ２７のエミッタ領域およびベー
ス領域に接続されている。第１図には図示されていない
残りのトランジスタ組立体も同様の構成を有しており、
複数のトランジスタ組立体２０が図示しない配線により
て相互に接続され、それらの出力が外部電極板８３へ導
出される。
第４図は熱応力緩和板４０の一部切欠斜視図である。熱
応力緩和板４０は、矩形のフレーム材４１と、このフレ
ーム材４１で規定される窓空間Ｗ１中に挿入された矩形
のプレート材４２とを備えている。フレーム材４１はイ
ンバー（Ｆｅ−８３，４％、Ｎｉ−８８％、Ｍｎｍ０．
４％およびＣ−０，２％の合金）によって形成されてお
り、プレート材４２は銅によって形成されている。
この熱応力緩和板４０は、矩形のインバーフレームの中
に銅プレートを挿入した組立体を準備し、この組立体を
圧延することによって得ることができる。この圧延によ
ってフレーム材４１とプレート材４２との間のギャップ
は実質的に消失し、フレーム材４１とプレート材４２と
は実質的に一体化する。
熱応力緩和板４０の上面および下面は実質的にフラット
であり、窓空間Ｗ１の下方開口、Ｐｌと上方開口Ｐ２と
６４こおいてプレート材４２が露出している。さらに、
フレーム材４１とプレート材４２とのそれぞれの表面に
は、ロウ付けを容易にするためのニッケルメッキが施さ
れている。このため、第１図のように熱応力緩和板４０
を利用したとき、プレート材４２はロウ材層２５．２６
に実質的に接触する。
フレーム材４１は、コバール（Ｎｉ　−２３〜３０％。
Ｃｏ−８０〜１７％、　　Ｍｎ　−０，８〜０．８％、
残り−Ｆｅの合金）によって形成されていてもよい。コ
バールを用いてフレーム材４１を形成する場合にも、そ
の表面にはニッケルメッキが施される。
第１表は、インバー　コバール、・銅およびシリコンの
それぞれの熱伝導率と熱膨張係数とを示している。また
、従来技術との比較の目的でそりブ第１表 第１表かられかるように、プレート材４２を形成する銅
の熱伝導率はモリブデンの３倍である。
また、この第１表には示されていないが、銅はその電気
伝導度も極めて高い。このため、第４図の熱応力緩和板
４０では、プレート材４２を通した面直方向（Ｚ方向）
の熱伝導率や電気伝導度は極めて高いものとなる。した
がって、ロウ付け時の熱伝導が良好に行われるだけでな
く、半導体チップ２７に通電した際の過渡熱抵抗も小さ
くなる。
その結果、大電力用高速スイッチングトランジスタなど
にも十分に利用可能である。
他方、プレート材４２はコレクタ電極板２４と同一の材
料すなわち銅で形成され、銅の熱膨張係数はシリコンの
約５倍であるため、プレート材４２のみでは、コレクタ
電極板２４と半導体チップ２７との熱膨張率の差に起因
する熱応力を緩和することはできない。しかしながら、
フレーム材４１の材料であるインバーやコバールの熱膨
張係数はシリコンに近いため、フレーム材４１によって
プレート材４１の面内方向（Ｘ−Ｙ方向）の熱膨張を抑
圧することができる。具体的には、熱応力緩和板４０全
体としてのＸ−７面内の熱膨張係数は約６．０ｘｌＯ−
６／’Ｃである。ｘ−ｙ面内の熱膨張の抑圧に応じてプ
レート材４２のＺ方向の膨張量は増えるが、Ｚ方向のプ
レート材４２の全体的膨張は半導体チップ２７に応力を
生じさせる原因とはならないため、実用上の問題は生じ
ない。
すなわち、この実施例の熱応力緩和板４０は、フレーム
材４１とプレート材４２との複合板材として構成される
ことにより、熱伝導率や電気伝導度の向上という第１の
要請と、熱膨張係数を低い値に維持するという第２の要
請とを、部材４１゜４２によって分担して実現するよう
になっている。
また、炭素繊維などの有機材を銅プレートの中に埋込む
従来技術と異なり、金属や合金の組合せによって熱応力
緩和板４０が構成されている。このため、熱応力緩和板
４０における各部材４１，４２間の結合界面は安定であ
り、比較的高い温度でも使用可能であって、硬ロウを用
いたロウ付けにも利用できる。さらに、多量の炭素繊維
の埋込みによる電気伝導度の低下もない。
第５図は、この発明において利用される熱応力緩和板の
他の例を示す一部切欠斜視図である。この熱応力緩和板
４３は、互いに同一形状を有する矩形の格子状のフレー
ム材４４．４６が互いに平・行に配置され、それらの間
にプレート材４５が挿入された複合板材である。この例
においてもまた、フレーム材４４．４６はインバーまた
はコバールによって形成され、プレート材４５は銅によ
って形成されている。
この熱応力緩和板４３は、格子状の１対のインバーフレ
ームまたはコバールフレームの間に銅の平板をサンドイ
ッチ状にはさみ込んだ組立体を準備し、この組立体を圧
延することによって得ることができる。フレーム材４４
．４６とプレート材４５とのそれぞれの表面には、第４
図の熱応力緩和板４０と同様にニッケルメッキが施され
ている。
プレート材４５は、Ｘ−７面内方向に連続する中央部分
４５ａと、この部分４５ａから上下方向に突出した凸部
４５ｂ、４５ｃのマトリクス状配列とを有している。フ
レーム材４４．４６が規定している窓空間Ｗ２のマトリ
クス配列において、凸部４５ｂは下方開口Ｑ１に露出し
、他方の凸部４５ｃは上方開口Ｑ２へ露出している。し
たがって、窓空間Ｗ２それぞれにおいて、プレート材４
５は、窓空間Ｗ２の下方開口Ｑ１がら上方開口Ｑ２へと
連続しており、第４図の熱応力緩和板４０と同様に、２
方向の十分な熱伝導および電気伝導はプレート材４５に
よって確保される。また、第１図の熱応力緩和板４０の
かわりにこの熱応力緩和板４３を用いたときには、プレ
ート材４５がロウ材層２５．２６に実質的に接触する。
熱応力緩和板４３のＸ−Ｙ面内方向の熱膨張は、実質的
にフレーム材４４．４６の熱膨張係数によって規定され
る。したがって、この熱応力緩和板４３もまた、熱伝導
、電気伝導および熱膨張のそれぞれにおいて望ましい性
質を有している。
インバー、コバールおよび銅はモリブデンと比較してか
なり安価であることから、熱応力緩和板４０または４３
を用いて製造された半導体装置１００のコストも低い。
次に、この発明で用いられる熱応力緩和板の材料につい
てさらに検討する。まず、フレーム材４１．４４．４６
に要求される性質としては、その熱膨張係数が半導体チ
ップ２７の材料の熱膨張係数に比較的近いことが必要で
ある。熱膨張係数のどの程度の範囲が許容されるかはロ
ウ付けの状況にも依存するが、半導体チップ２７の材料
の３倍以内の熱膨張係数であれば、実用的な熱応力緩和
作用を得ることができる。半導体チップ２７がシリコン
によって形成されている場合には、第１表によって３．
５ｘｌＯ−６／”Ｃの３倍すなわち約１０、　５　ｘ　
１０−８／’Ｃ以内の熱膨張係数を有する合金をフレー
ム材として使用すれば銅の固有の熱膨張を抑圧可能であ
る。実施例で使用したインバーやコバールがこの条件を
十分に満足していることは、第１表によって確認できる
。また、上記の条件を満足する他の鉄系合金もフレーム
材４１゜４４．４６の材料として利用可能である。
一方、プレート材４２．４５に要求される性質は、熱伝
導率および電気伝導度が高いことである。
このため、銅、銅合金、アルミニウムおよびアルミニウ
ム合金の中から選択された材料が、プレート材４２．４
５において使用される。アルミニウムの熱伝導率は０．
２４Ｗ　／　ａｍ　”Ｃであり、モリブデンの熱伝導率
の約２倍である。また、使用可能な銅合金の例としては
０．１６〜０．２０％のスズを有する銅があり、その熱
伝導率は０．！１５Ｗ　／　＋ａｍ　”Ｃである。さら
に、使用可能なアルミニウム合金の例としては、１〜２
％のシリコンを有するアルミニウムがあり、このような
合金を用いてプレート材４２．４５を形成可能してもよ
い。
なお、この発明は、ＧａＡｓなどシリコン以外の半導体
材料で形成された半導体チッーブのロウ付け構造にも適
用できる。また、半導体チップが所定部材にロウ付けさ
れる半導体装置全般に適用可能である。
（発明の効果〕 以上説明したように、請求項１および２のいずれの発明
においても、熱伝導率や電気伝導度が高いプレート材と
、熱膨張係数が半導体チップに比較的近いフレーム材と
の複合板材を熱応力緩和部材として用いており、これら
の部材は高価な材料を用いなくても形成できる。このた
め、熱伝導率や熱膨張率が高い熱応力緩和部材を備えた
半導体装置を低コストで得ることができる。
また、炭素繊維などの有機繊維を用いていないため、高
温でのロウ付けにも使用可能であって、ロウ付け温度に
対する制約が少ない。
【図面の簡単な説明】
ｊ１１図はこの発明の一実施例である半導体装置の部分
拡大断面図、第２図および第３図はそれぞれ第１図の半
導体装置の平面図および正面図、第４図および第５図は
実施例で用いられる熱応力緩和板の一部切欠斜視図、第
６図は従来のロウ付け構造の例を示す部分断面図である
。 図において、２２は絶縁基板、２４はコレクタ電極板、
２７は半導体チップ、２１．２３．２５゜２６はロウ材
層、４０．４３は熱応力緩和板、４１．４４．４６はフ
レーム材、４２．４５はブレート材、ｗ、ｗ２は窓空間
である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）所定部材上に半導体チップがロウ付けされた半導
    体装置であって、 （ａ）前記所定部材上に設けられた第１のロウ材層と、 （ｂ）前記半導体チップの３倍以下の熱膨張係数を有す
    る材料によって形成されて所定形状の窓空間を規定する
    フレーム材と；銅、銅合金、アルミニウムおよびアルミ
    ニウム合金の中から選択された材料によって形成され、
    前記窓空間内に挿入されて前記フレーム材と一体化され
    たプレート材とを有し；前記窓空間の第１の開口におい
    て前記プレート材が前記第１のロウ材層に実質的に接触
    するように前記第１のロウ材層上に設けられた複合板材
    と、 （ｃ）前記複合板材上に設けられ、前記窓空間の第２の
    開口において前記プレート材に実質的に接触する第２の
    ロウ材層とを備え、 前記半導体チップが前記第２のロウ材層の上に設けられ
    た半導体装置。
  2. （２）半導体チップを所定部材上にロウ付けするための
    方法であって、 （ａ）前記半導体チップの３倍以下の熱膨張係数を有す
    る材料によって形成されて所定形状の窓空間を規定する
    フレーム材と；銅、銅合金、アルミニウムおよびアルミ
    ニウム合金の中から選択された材料によって形成され、
    前記窓空間内に挿入されて前記フレーム材と一体化され
    たプレート材とを有する複合板材を準備する工程と、 （ｂ）前記窓空間の第１の開口と前記所定部材とを対向
    させつつ、前記複合板材を前記所定部材上にロウ付けす
    る工程と、 （ｃ）前記窓空間の第２の開口と前記半導体チップとを
    対向させつつ、前記半導体チップを前記複合板材上にロ
    ウ付けする工程とを備える、半導体装置の製造のための
    ロウ付け方法。
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