JPH0382142A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は信頼性に優れた半導体装置に関する。

（従来の技術） セラ【ツクス基板上にチップを搭載し半導体装置または
ハイブリッドＩＣとして用いる方法は多く採用されてお
り、例えば、「最新ハイブリッドＩＣ技術」　（工業調
査会発行　１９８４．６　　Ｐ。

４８　図３．Ｐ、２２５写真１１）に示されている。

最近では、金属板上に有機系の絶縁層と導体配線を形成
した金属基板上にペアチップを搭載した半導体装置も考
案されている。例えば、アルミニウム板を用いた金属基
板にパワーチップを搭載する方法としては、「機能回路
用セラミック基板」（電子材料工業全編１９８５．Ｂ　
　Ｐ、１５８図９．９）に示されているようにパワート
ランジスタの放熱を助けるためにパワーチップと金属基
板の間にヒートスプレッダを用いる方法があり、ヒート
スプレッダとしては、熱伝導率が高く、熱膨張率がチッ
プの熱膨張率と大きくかけはなれていないことからモリ
ブデンもしくは銅が用いられる。

また、金属板とパワーチップとの熱膨張の整合をはかり
、基板とパワーチップ接続部の信頼性を高める方法も提
案されており、例えば、特開昭６１−２９５６９３号公
報に開示されているように、金属板にインバー材を用い
る方法や、特開昭６１−２９５６９２号公報に開示され
ているように、銅タラッドインバー材を用いる方法があ
る。

（発明が解決しようとする課題） セラミックス基板は、本質的に厚膜法もしくは薄膜法で
配線形成されるため、配線形成コストが高い。また、−
Ｍ的な基板材質であるアルミナの場合、熱伝導率が２０
　Ｗ／℃−ｍ程度であり、鉄の約１７４程度、銅の約ｌ
／２０程度と低い。このため、例えばチップ搭載部の裏
面にヒートシンクを取りつけ、チップからの発熱を裏面
から逃がす場合、アルもす基板の厚さを厚くすると熱抵
抗が増加してしまうことから、０．６ｍｍ厚さ程度の基
板が用いられることが多い、しかし、このように薄い基
板を用いて半導体装置を製造した場合、製造時に割れた
り欠けたりする欠点があった。また、より高熱伝導なセ
ラミックス基板として窒化アルミニウム基板があるが、
アルミナ基板以上に高価であるという問題があった。

そこで、「機能回路用セラミック基板」に示されている
ように金属基板を用いる方法があるが、従来の金属基板
を用いた場合、熱抵抗、熱膨張の整合の点で充分ではな
いためヒートスプレッダを用いる必要があった。

ヒートスプレッダを設けた場合半導体装置の組立時にチ
ップと基板との間の接合箇所が２ケ所となり、製造工程
が煩雑になる問題点があった。また、金属板にインバー
を用いる場合、インバーの熱伝導性が低いために熱抵抗
が大きくなる問題点があり、パワーチップ搭載には適し
ていなかった。

金属板に銅タラッドインバー材を用いる場合、インバー
使用時に比べ熱抵抗的に改善されるものの、やはり法線
方向の熱伝導率が悪いために、パワーチップ搭載には適
しておらず、また、大変高価であるという問題点があっ
た。

本発明は、信頼性に優れ、容易に安価に製造可能な半導
体装置を提供するものである。

（問題を解決するための手段） 本発明の半導体装置は、第１図（ａ）に示すように、鉄
または鉄合金の金属板１と、有機樹脂と無機物の複合材
料である絶縁層２と、接続バッド部５を有する金属導体
である配線層３と、前記接続バッド５と接続されたパワ
ーチップ４とからなり、前記絶縁層２の熱伝導率が０．
５　ｗ／”ｃ　−ｍ以上であり、前記絶縁層２の厚さが
１００μｍ以下であり、パワーチップ４と接続するバッ
ド部５の面積が７ｍｍ角以上の面積であり、かつ、パッ
ド部５の導体の厚さが９０μｍ以上であることを特徴と
する。

本発明に用いる金属板１としては、鉄または鉄合金が好
ましい、その理由の１つとしては、パワーチップ４とパ
ッド部５とのはんだ接続部の信頼性として２０００サイ
クル以上の熱サイクル寿命を得るためには、第２図のア
ルミニウム、ｗ４゜鉄を用いた場合のはんだ厚みとはん
だ接合部の寿命の関係から、金属板１に、アルミニウム
を用いた場合には、はんだグイボンドの厚さを４０μｍ
以上にする必要があるが、銅の場合は２３μｍ以上、鉄
の場合は１３μｍ以上あれば良い。この接続部のはんだ
厚みを４０μｍ以上にすることは、クリームはんだをス
クリーン印刷しリフローする方法、はんだ薄片（リボン
はんだ）を用いリフローする方法、電気はんだめっきす
る方法、または、はんだ噴流を用いる方法を用いれば、
可能ではあるが、はんだ厚さが厚いとパワーチップ４を
接合する時に、パワーチップ４が傾斜しやすく、ワイヤ
ボンディング接続に必要な強度が得られないこともある
。

他の理由は、信頼性の点から熱膨張係数が銅（１７Ｘ　
ｌ　Ｏ−’／℃）よりも小さい材料が好ましく、このよ
うな材料としてアルミニウム、銅または鉄がある。また
、第３図に示すように、アルミニウム、銅または鉄の材
料単体の熱膨張係数と、この材料に絶縁層２と回路とな
る銅箔とを貼り合わせた複合材の熱膨張係数とを比較す
れば分かるように、複合材の熱膨張係数はこの金属板１
の材質に支配されており、アルミニウム板を用いた場合
は、接続パッド５に１０５μｍと厚い銅箔を用いた場合
でもほぼアルミニウム板の熱膨張係数に等しくなること
がわかる。

以上の理由により、金属板１に鉄を用いることが、優れ
た接続信頼性を得るのに必要なはんだ量が最も少なく、
はんだ量の制御が容易で、剛性が高く、複合材としても
接続バッド５との接続を行った上でも熱膨張係数が金属
板１とほぼ同等であって、信頼性が高いことが分かった
０本発明の金属板１に用いる鉄または鉄合金としては、
鉄と熱伝導率、熱膨張率が大きく鉄と変わらない範囲の
鉄合金を意味するものであり、実用的目的により、表面
処理（クラッド、めっき）等が施されているものを含む
、特に亜鉛めっきやアルミニウムめっき等のなされた亜
鉛処理鋼板や、アルミニウム処理鋼板は本目的に適して
いる。

パワーチップを搭載した半導体装置の重要な点は、はん
だ接続部の信頼性とともに効率よく放熱し、チップの温
度上昇を許容範囲内に制御することである。

放熱方法としては、半導体装置の裏面から自然対流によ
る方法、強制対流による方法、ヒートシンクを裏面に設
は対流の効率を上げる方法、または筺体に接着し伝導に
より放熱する方法等があり、いずれの場合も、半導体装
置の熱抵抗が低い程大容量のパワーチップを搭載できる
点で好ましく、調査の結果、半導体装置の熱抵抗が２℃
／Ｗ近辺であれば、２ＯＷクラスのパワーチップが搭載
可能であり、大抵の用途に使用可能であった。実際に樹
脂封止され市販されているパワーチップの熱抵抗も２℃
／Ｗ程度であり、この程度に熱抵抗を抑えれば現在市販
のパワーチップとの置き換えが可能である。

半導体装置の熱抵抗はチップ面積によっても変化するが
電力量とチップ面積には比例的な関係があるので、チッ
プ面積との関係で熱抵抗を規定する必要があり３ｍｍ角
チツプ面積で２°ｃ／Ｗ程度の熱抵抗を考えておけば良
い、なお、より電力容量の大きいチップの場合チップ面
積（＝基板との接触面積）も大きくなり、基板の熱抵抗
が減少するので、実際には２ＯＷクラス以上のチップも
搭載が可能となる。

第４図〜第７図に、金属基板１（ベース：鉄１ｍｍ厚）
の熱抵抗を一定に保ち、絶縁層の厚さを、２５．５０．
７０．１１００ＩＩと変えた時の絶縁層の熱伝導率とパ
ッドの導体厚さとの関係を示した。図中のθｒ：＝２℃
／Ｗは計算値である。

第８図は金属板１の熱伝導率による熱抵抗への寄与分を
計算したものである。４２アロイを用いた場合には、回
路導体に２５０μｍのｔＲｖ３を用いても、０．８℃程
度の金属板による熱抵抗寄与分があり、基板部分の熱抵
抗は２℃／Ｗ以下にならないので、４２アロイは、本発
明の目的には適していないことが分かる。

ｍ縁層の熱伝導率２Ｗ／℃−ｍの境界は、有機物（樹脂
）と無機物との混合物によって得られるほぼ上限の値で
ある。また、銅箔の厚さ２００μｍは、コストまで含め
た実用的な上限値である。

第４図〜第７図より、絶縁層の厚さを１００μｍ以下に
することにより本発明の目的を達成しうることか分かる
。絶縁層の厚さは、より望ましくは７０μｍ以下であり
最も望ましくは５０μｍ以下である。

また、電気絶縁性の観点から、絶縁層の厚さは、２５μ
ｍ以上が望ましい。

絶縁層の熱伝導率及び厚さの範囲は、第４図〜第７図に
より本来求まるものであるが、熱伝導率が０．５Ｗ／’
Ｃ−ｍ以下の場合、絶縁層の厚さの変化による熱抵抗の
変化が大きくなるため絶縁層の厚さの管理巾が小さくな
り製造がむずかしくなる。このことにより、絶縁層の熱
伝導率は０．　５Ｗ／℃・ｍ以上が必要である。絶縁層
の熱伝導率の最大値は、樹脂と無機物との混合によって
得られる複合材料の最大値により規定されるが発明者ら
の実験、及び公知の文献等からその最大値はほぼ２Ｗ／
℃−ｍである。このような複合材料ｍ或として樹脂は、
耐熱性の点からガラス転移点が７０℃以上の有機樹脂が
適しておりより望ましくは１００℃以上である。熱伝導
率を０．５Ｗ／℃・ｍ以上にするためには、熱伝導性の
高い無Ｉｌ＠ｌＩ、例えば金属酸化物（酸化アルミニウ
ム、酸化マグネシウム、二酸化ケイ素、ガラス等）、炭
酸塩（炭酸カルシウム等）、または、窒素物（窒素ホウ
素、窒素アルミニウム等）から選択されたものの粉状物
を樹脂に混入する方法、前記無機物のウィスカーを樹脂
に混入する等の方法もしくは金属酸化物の織布または紙
状物（例えばアルミナペーパー等）に樹脂を含浸させ加
熱硬化する方法がある。熱伝導率、を気持性１価格等の
点から平均粒径５μｍ以下の酸化アルミニウムを入れる
方法が最も望ましい。ガラス転移点が７０℃以上の有機
樹脂としては、組成上エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、
ポリアミド樹脂に分類される樹脂等があり、電気特性上
もこれらの樹脂は適している。

接続バッド部５の厚さは、回路形成性の点から２００μ
ｍ以下が好ましく、配線板用銅箔として市販されており
、入手し易い点から、１０５μｍ（３８■銅箔）前後、
（９０〜１２０１Ｉｍ）がより望ましい、なお、電気め
っき等を用いて銅の厚づけを行なう場合も、同様に、２
００μｍがコストも含め実用的上限であり、より望まし
くは１２０μｍ以下である。この接続パッド部の厚さの
下限は、第４図より製造上の管理巾も含めて９０μｍ以
上が必要である。

なお、本発明は接続パッド部５の厚さは規定しているが
、その他の配線層については何ら規定するものではない
。

接続パッド部５の面積は、第９図に接続パッド部５の面
積を一定にしたときの熱抵抗と金属板１の種類とその厚
さとの関係を示すように、最小限７ｍｍ角の面積があれ
ば良い。

また、配線層及び接続パッド部５に用いる材料としては
、熱伝導性、電気特性２価格の点から銅が最も適してい
る。しかし、必要に応じ、銅表面にニッケル、金、銀、
アルミニウムのめっきを施しても良いし、又、前記金属
とのクラツド箔を用いることも可能である。

パワーチップと接続バッドとの結合材料としては、熱疲
労の点から鉛及びスズを含むはんだ材料が望ましく、一
般的な材料としては、スズ：鉛＝６０：４０の共晶はん
だが適しているが、他の素子のはんだ接続と温度を変え
てはんだづけする場合にはスズ：鉛が１０：９０〜５：
９５のはんだを用いることもできる。

以上の様な条件のもとで作製された半導体装置を実際に
使用する場合、環境からの汚染１機械的振動等の悪影響
を防ぐために表面を封止する必要がある。少なくともパ
ワーチップ部分を封止する必要があるが全体封止を行な
っても良い、封止材料はゲル、ゴム、または樹脂等が使
用できる。

（作用） 本発明の半導体装置は、チップからの発熱を接続バンド
中に効率よく熱拡散し、法線方向の熱流束の密度を減少
させ、さらに高熱伝導な絶縁層により金属板まで効率良
く熱を伝えることと、金属板自体にチップとの熱膨張の
整合性と熱伝導のバランスのとれた鉄板を用いることに
より２０Ｗクラスのパワーチップ搭載時にも信頼性の高
い半導体装置とすることができ、材料自体の価格も低い
ことから、経済的である。

実施例 厚さ１ｍｍの亜鉛鋼板と酸化アルミニウム粒子を含むエ
ポキシ樹脂（平均粒径１μｍの酸化アルミニウム粒子が
約５５体積％）と３オンス銅箔（１０５μｍ厚）とを積
層接着し、エツチングにより配線形成を行なった。この
時の絶縁層の厚さは４０μｍとなるようにした。

この絶縁層の熱伝導率は別途測定したところ約２Ｗ／“
Ｃ−ｍであった。

また、パワーチップ接続バット部の大きさは１０ｍｍ角
とし、約５ｍｍ角のチップを搭載し、半導体装置の熱抵
抗を測定したところ２℃／Ｗであった。

（発明の効果） 以上に説明したように、本発明によって、信頼性に優れ
、容易に安価に製造可能な半導体装置を提供することが
できた。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の１実施例の斜視図、第１図（ｂ
）は本発明の１実施例の断面図、第２図は本発明の詳細
な説明するためのチップ接合部のはんだ寿命（計算）を
示す線図、第３図は本発明の詳細な説明するための歪み
ゲージによる熱膨張測定結果を示す線図、第４図〜第７
図は本発明の詳細な説明するための熱抵抗の計算を示す
線図、第８図は本発明の詳細な説明するためのベース金
属の熱抵抗相当分の計算値を示す線図、第９図は接続パ
ッドによる熱抵抗の違いの実測値を示す線図である。 符号の説明 １、鉄または銅系の金属板 ２、有機樹脂と無機物の複合材料である絶縁層３、本質
的に金属鋼からなる配線層 ４、パワーチップ ５、接続パッド部 第 図 １１Ａｌ板役用 １２ＣｕＪ１．裡罪 １３ＦｅＪＪｃ＆ｌｆ＋ 測定試料 ＡＩ板：板厚１閣 銅板：板厚１− ４２７０イ板：板厚１１１１１ 絶縁層：厚さ５０μｍ スラー　：アルミナ 制 ４．０ ２’１ｐ４１ＰＬノ絶縁層の熱伝導率Ｋ　（Ｗ／’ｃ−
ｍ） 第 図 ｊｏＰｍの絶縁層の熱伝導率Ｋ　（Ｗ／’Ｃ・ｍ）第 図 ｆ１ Ｄ 第 図 ０ ２．０ ４．０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、鉄または鉄合金の金属板１と、有機樹脂と無機物の
   複合材料である絶縁層２と、接続パッド部５を有する金
   属導体である配線層３と、前記接続パッド５と接続され
   たパワーチップ４とからなり、前記絶縁層２の熱伝導率
   が０．５Ｗ／℃・ｍ以上であり、前記絶縁層２の厚さが
   １００μｍ以下であり、パワーチップ４と接続するパッ
   ド部５の面積が７ｍｍ角以上の面積であり、かつ、パッ
   ド部５の導体の厚さが９０μｍ以上であることを特徴と
   する半導体装置。 ２、前記絶縁層２が、酸化アルミニウム、酸化マグネシ
   ウム、二酸化ケイ素、ガラス等の金属酸化物、炭酸カル
   シウム等の炭酸塩、または窒化ホウ素、窒化アルミニウ
   ム等の窒化物からなる無機物の群から選択されたものの
   粉状物またはウィスカーと、ガラス転移点７０℃以上の
   有機樹脂との複合材料である請求項１または２のうちい
   ずれかに記載の半導体装置。 ３、前記絶縁層２が、酸化アルミニウム、酸化マグネシ
   ウム、二酸化ケイ素、またはガラス等の金属酸化物の群
   から選択された織布または紙状物と、ガラス転移点７０
   ℃以上の有機樹脂との複合材料である請求項１または２
   のうちいずれかに記載の半導体装置。