JPH0320067A - セラミック放熱フィン付半導体装置 - Google Patents

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】 イ．発明の目的 〔産業上の利用分野〕 本発明は電力増幅を目的に使用する電力増幅回路を構成
する半導体装置において、熱伝導性に優れたセラミック
を用い、セラミック放熱フィンを形成したセラミックス
基板と、半導体素子とを一体に構成したセラミックス放
熱フィン付半導体装置に関する． 〔従来の技術〕 従来、発熱を伴うパワートランジスタ，　ＭＯＳＩＣ等
の、電子機器に実装する電力増幅回路に使用される半導
体素子は、金属ケースに実装し、電気絶縁材を介して熱
伝導と放熱性に優れた金属のアルミニウム等を用い、作
ったフィンを取り付けて、半導体装置の放熱が行なわれ
ている。また、放熱フィンは、半導体素子の接合面側、
即ちコレクタ側又はドレン側に１個取り付けられ，コレ
クタ側又はドレン側の一方向のみへの熱伝導による放熱
構造がとられている。近年、半導体素子の高性能化、高
密度化の傾向が進み、それに伴い素子の単位面積当たり
の発熱量も増してきており、装置を小形化する目的から
放熱効率のよい半導体装置が要求されている。

従来の技術において、半導体素子より発生した熱は、有
機フィルム等熱伝導性に劣る絶縁シートを介し、半導体
素子を納めた金属ケースをアルミニウム等のフィンに実
装しているため、放熱方向は絶縁シート側一方向のみで
あり，介在する絶縁シートにより熱抵抗が増加し、放熱
特性が悪いという問題を有していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、前記の課題に対し、半導体素子から発生する
熱を、金属アルミニウムと同様な熱伝導率を有する、窒
化アルミニウム、炭化珪素、酸化ベリリウムで代表され
る高熱伝導性セラミックにより、半導体素子を両面から
サンドイッチにする構造にして、セラミック片面に放熱
フィンを形成し、該セラミックの平滑な面に半導体素子
を直接実装する構造とし、半導体素子より発生する熱を
直接セラミックを介して半導体素子の２面より２方向に
放熱させるよう構成したセラミック放熱フィン付半導体
装置を提供することを目的とする。

ロ．発明の構成 〔課題を解決するための手段〕 前記目的を達成するために、本発明におけるセラミック
放熱フィン付半導体装置は、允熱に伴う半導体素子を実
装するための配線基板として、窒化アルミニウム、炭化
珪素、酸化ベリリウム等の高熱伝導性セラミックを用い
る。

これらのセラミックは、熱伝導率が２００Ｗ／ｍｋなイ
Ｉ，　２７０Ｗ／ｍｋ前後と，熱伝導率が２４０Ｗ／ｍ
ｋ程度の金属アルミニウムとほぼ同程度の熱伝導特性を
有し、しかも電気絶縁体である。これらのセラミック基
板表面にそれぞれのセラミックに適するメタライズ手法
により配線パターンを設け、半導体装置の実装基板とし
、周辺回路と接続可能な構造とする。

本構造のセラミック放熱フィン付基板を半導体素子の両
側からサンドイッチとなるように構成することにより、
半導体素子より発生する熱を半導体素子両面より直接セ
ラミック放熱フィン付基板へ逃がすことが出来るように
するものである。

即ち本開明は、 １．一方の面に放熱フィンを形成し、もう一方の面には
金属導体パターンが形成された絶縁性セラミック基板２
個の間に、少なくとも１個の半導体素子をサンドイッチ
状に挟持し、前記半導体素子の電極端子を、それぞれ前
記２個の絶縁性セラミック基板の導体パターンと導通さ
せ、しかも該セラミック基板に外部回路へ接続する所定
の端子が形成してあることを特徴とするセラミックス放
熱フィン付半導体装置である。

２．前記絶縁性セラミック基板の少なくとも１個を窒化
アルミニウムにより形成した事を特徴とする請求項ｌ記
載のセラミック放熱フィン付半導体装置である。

３．２つの絶縁性セラミック基板の間の半導体素子の電
極付前配絶縁性セラミック基板上に形成した導体パター
ンとの間にうす板の半田をおき、２つの絶縁性セラミッ
ク基板を決める間の長さのスペーサを持つ連結ボルトに
より２つの絶縁性セラミック基板を固定した後、昇温し
て２つの絶縁性セラミック基板、半導体素子、基板上の
スペーサを半田により固定したことを特徴とする請求項
１、請求項２記載のセラミック放熱フィン付半導体製造
装置である。

〔作用〕 高出力特性の半導体素子を、放熱フィンの形に加工した
高い熱伝導率特性を持つ窒化アルミニウム、炭化珪素，
酸化ベリリウムのセラミックの面に電極パターン、並び
に導体パターンを取付け、半導体素子のドレン面をセラ
ミックの面に半田によりリフロー溶接を行い、一方半導
体素子のソース電極面は、一方の放熱フィン付セラミッ
クの上に形成したソース電極パターンに接触させ、２つ
の放熱フィン付セラミックは４隅にあけた連結用穴を用
い、中央に半導体素子と電極パターン，半田層等の各部
品の合計長さのスペーサを取付け、両側にねじ取付けた
連結ボルトを通し、ナットにより固定する構造のセラミ
ック放熱フィン付半導体装置とする。従って従来のパワ
ー用半導体装置では金属製放熱フィンとの間には電気絶
縁のための樹脂製フィルムを挿入し又半導体素子と金属
ケースの間の接続にモリブデン板等を用いていたのに対
して、半導体素子のドレン電極、並びにソース電極は、
電極パターンのみであり、高い熱伝導特性を持つ放熱フ
ィン付セラミックに前記ドレン電極とソース電極が直接
接触する構造であるので、半導体素子に発生する熱は、
直接セラミックスの放熱フィンに伝達される。一方半導
体素子と電極パターンは、金属棒の中央に、半導体素子
、半田層、導体パターンの厚さの合計に相当する一体構
造のスペーサを取り付けた連結ボルトにより組立て固定
する構造であるので、半導体素子に応力による歪を与え
ることはない。又半導体素子の各電極パターンは、放熱
フィン付セラミックの下面に導き出されており、直接基
板導体に接続される構造としてある。

〔実施例〕

本発明の実施例について図面を参照し、詳細に説明する
． 第１図は本発明によるセラミック放熱フィン付半導体装
置の平面図であり、第２図は本発明によるセラミック放
熱フィン付半導体装置の正面図であり，第３図はセラミ
ック放熱？イン付半導体装置の半導体素子を実施した面
の平面図、第４図はソース電極を取り付けたセラミック
放熱フィンの平面図を示す．高い熱伝導特性を有するセ
ラミックで作られた半導体素子を実装する窒化アルミニ
ウム放熱フィン付基板１ａ、１ｂは、本発明の実施例で
は粒径が１μｍ以下の窒化アルミニウム原料粉に、酸化
イットリウムを３重量％添加して混合を行い、得られた
混合粉末にポリブチルブチラール（ＰＶＢ）をバインダ
ーとして添加し、乾式プレス法によりｌ　ｔｏｎ／ｃｍ
２の圧力で成形体を作る。成形体を５００℃に於て除々
にバインダーを除去した後、非酸化性雰囲気中、例えば
窒素ガス、又はアルゴンガス雰囲気中で１８５０℃で５
時間の焼結を行い、窒化アルミニウム放熱フィン付基板
の焼結体ブロックを得る。放熱フィンは研削によりｒＲ
１０を形成する。

ついで、電極パターンを形成する面を研摩した窒化アル
ミニウム放熱フィン付基板１ａの面に、半導体装置の電
極を形成するためのドレン電極パターン２ａを、窒化ア
ルミニウム放熱フィン付基板１ｂの面にはソース電極パ
ターン２Ｃを形成する。窒化アルミニウムフィン付基板
に銅層を主層とするドレン電極パターン２ａ、ゲート電
極パターン２ｂ、ソース電極パターン２Ｃを形成する手
段は、本発明の発明者等によりすでに出願されている昭
和６３年特許願第２１０２５号の手法による。

各電極パターンの構成はその概要を述べると、ニッケル
無電解メッキ層を３μｍないし５μｍ窒化アルミニウム
面に形成後、電気メッキにより銅層の厚さをほぼ１００
μｍの厚さにメッキして形成し、銅メッキ層の上にニッ
ケルに微量のボロンを添加した合金層を数μｍの厚さに
形成し、一部に必要に応じ鉛一錫共晶半田被覆を施す。

ついで第３図に示す形状にドレン電極パターン２ａ、ゲ
ート電極パターン２ｂを、第４図に示す形状のソース電
極パターン２ｃを設け、ドレン電極パターン２ａ上に本
発明では静電誘導トランジスターの半導体素子５のドレ
ン電極を接続した。

通常パワー用の半導体素子は、ドレン側にメタライズ層
を形成した半導体素子をモリブデン板等にろう付けし形
成されるが、本発明ではセラミック表面に形成された電
極パターンのドレン電極パターン２ａ上に、半導体素子
底面のドレン部と同じ大きさで，厚みが５０μｍの半田
薄板を切断して設置し、半導体素子の上から荷重を加え
ながら３５０℃でリフロー半田溶接を行った。

ついで、第３図に示すように半導体素子５のゲート電極
４ｂと、セラミックの導体パターンのゲート電極パター
ン２ｂを、直径５０μｍのアルミ線を用い超音波ボンデ
ィングにより接続した。尚、ドレン電極パターン２ａ及
びゲート電極パターン２ｂは、本半導体装置をプリント
基板等の表面に実装する際，プリント基板側の配線パタ
ーンとの接合を容易にするため、プリント基板対向面の
導体パターン２ａ−１．　２ｂ−１，　２ｃ−１には、
あらかじめ３０μｎ前後の厚みで鉛一錫共晶半田メッキ
による塗装を施した．一方、半導体装置のソース部に対
向するソース電極パターン２Ｃは、同様の手法にて他方
の窒化アルミニウム放熱フィン付基板１ｂのセラミック
表面に形成され、予め導体表面は３０μｍ前後の鉛一錫
共晶半田により被覆を施した。そして、ドレン電極パタ
ーン、接合半田層、ドレン電極パターン、半導体素子、
ゲート電極パターン，ソース電極パターンの積層厚さに
相当したスペーサ８ａを取り付けた連結ボルト９を用い
て組立て、第１図、第２図に示すように連結ボルトの両
側ボルト部分を窒化アルミニウム放熱フィン付基板四隅
の連結用孔に通し、ナットにより２つの窒化アルミニウ
ム放熱フィン付基板を連結し固定する。従って半導体素
子のソース電極パターン２ｃに半田付け、又はろう付け
を行うことなく接触のみで接続する。又このようにして
形成された１組みのセラミック放熱フィン付半導体装置
は、２７０℃でリフロー炉を通過させ半導体素子のソー
ス電極パターン２ｃと導体パターン２ｃ−１を半田接合
する。最後に耐湿性を考慮して２つのセラミック放熱フ
ィン付基板の間を被覆樹脂７より完全に覆い固化し、半
導体素子，ジャンパー線、電極パターンを覆い完成する
。樹脂としては日本チバガイギー株式会社製半導体チッ
プノコーティング樹脂、ＸＮＲ５１００、ＸＮＨ５１０
０等を用いれればよい． 尚、本発明の実施例は窒化アルミニウムの例により説明
したが、熱伝導特性に優れたセラミックである窒化アル
ミニウム以外の、炭化珪素、酸化ベリリウム等を用いた
組合せも、本発明と同様なセラミック放熱フィン付半導
体装置を形成し得ることは当然である。又窒化アルミニ
ウム表面に形成する金属層は，薄い銅層を例に説明した
が、ニッケルメッキ、金属アルミニウムや他の金属層を
形成してもよい。

ハ．発明の効果 〔弗明の効果】 本発明は以上に説明したように構成されているので、以
下に記載されるような効果を奏する．半導体素子は、金
属アルミニウムと同じ熱伝導特性を有し、しかも電気絶
縁特性を持つ放熱フィン付セラミックに半導体素子をマ
ウントし金属ケースを介さずに一体化した実装構造とし
、半導体チップの両面に放熱フィンを構成した構造とな
っているため、放熱効果が極めて大きく、従来の構造に
比較して大出力の半導体装置を小型化して提供できる． 以下余白

【図面の簡単な説明】

第１図は本開明によるセラミック放熱フィン付半導体装
置を示す平面図。 第２図は本発明によるセラミック放熱フィン付半導体装
置を示す正面図。 第３図は第１図における窒化アルミニウム放熱フィン付
基板１ａの半導体素子搭載面の平面図。 第４図はソース電極パターン形成面の平面図。 ｌａ，　ｌｂ・・・窒化アルミニウム放熱フィン付基板
、２ａ・・・ドレン電極パターン、２ｂ・・・ゲート電
極パターン、２ｃ＝・ソース電極パターン、２ａ−１，
　２ｂ−１，　２ｃ−１　−・・導体パターン、３・・
・シリコンチップ接合半田層、４ａ・・・ドレン電極、
４ｂ・・・ゲート電極、４Ｃ・・・ソース電極、５・・
・半導体素子、６・・・ジャンパー線、７・・・被覆樹
脂、８・・・ナット、８ａ・・・スペーサ、９・・・連
結ボルト、１０・・・溝、１１・・・ナット。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一方の面に放熱フィンを形成し、もう一方の面には
   金属導体パターンが形成された絶縁性セラミック基板２
   個の間に、少なくとも１個の半導体素子をサンドイッチ
   状に挟持し、前記半導体素子の電極端子を、それぞれ前
   記２個の絶縁性セラミック基板の導体パターンと導通さ
   せ、しかも該セラミック基板に外部回路へ接続する所定
   の端子が形成してあることを特徴とするセラミック放熱
   フィン付半導体装置。 ２、前記絶縁性セラミック基板の少なくとも１個を、窒
   化アルミニウムにより形成した事を特徴とする請求項１
   記載のセラミック放熱フィン付半導体装置。 ３、２つの絶縁性セラミック基板の間の半導体素子の、
   電極付前配絶縁性セラミック基板上に形成した導体パタ
   ーンとの間にうす板の半田をおき、２つの絶縁性セラミ
   ック基板の間を決める長さのスペーサを持つ連結ボルト
   により２つの絶縁性セラミック基板を固定した後、昇温
   して２つの絶縁性セラミック基板、半導体素子、基板上
   のスペーサを半田により固定したことを特徴とする請求
   項１、請求項２記載のセラミック放熱フィン付半導体製
   造装置。