JPH04192341A - 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、半導体装置に関し、特に、数Ｗ以上の電力を
取扱えるパワー素子を有する半導体装置に関する。

［従来の技術］ 従来、Ｓｉと金属支持体間にＡ１□Ｏ，セラミックスを
挿入した絶縁型半導体装置は、特開昭５６−１４６２６
１号公報に開示されているように、発熱するＳｉの放熱
を容易にするためと、５ｌ−Ａｌ□０３間の熱膨張差を
緩和するために、５ｉ−Ａｌ□０３間に金属の熱拡散板
が挿入されている。

また、Ａｌ２Ｏ３セラミックスには、半導体装置の機械
的強度保全のためと放熱のために、Ｃｕ。

Ｆｅ、Ａｌ又はそれらの合金からなる金属支持体が、接
合材によって接続されている。

一方、熱膨張係数がＳｉに近いＡＩＮやＳｉＣ等の非酸
化物系のセラミックスは、熱伝導率が高いこともあって
、Ｓｉセラミックス表面に、直接、。

搭載されることが多い。しかし、この場合は、−般の酸
化物系セラミックスと異なり、表面のメタライズ膜形成
が難しいことと、セラミックスと金属支持体間とでは熱
膨張係数差が大きいこと等の理由から、特開昭６０−７
７１８１号公報に開示されるように、セラミックスの両
生表面にＡｇろうを介してＣｕ箔を張り、その一方のＣ
ｕ箔に、接合材を介して、金属支持体を張付ける方法が
提案されている。

この方法によると、比較的大型のセラミックスが容易に
接続でき、リード部分を含む比較的大きな電流容量の半
導体装置を搭載することができる利点がある。

しかし、この方法の欠点は、セラミックスの両生表面に
張られたＣｕ箔の厚みと大きさとが対称形であることを
必要とされていることである。例えば、裏側より半導体
装置が搭載される表面のＣｕ箔の面積が小さい場合、あ
るいは、表面にリードパターンが形成されている場合等
においては、Ｃｕ箔の張られていない外周部や、Ｃｕ箔
間の切れぬ等のセラミックス表面に、クラックが生じて
半導体装置の信頼性を著しく阻害する。また、セラミッ
クスとＣｕ箔の接続材であるＡｇろうは、ＰｂやＳｎを
主成分とする一般の接合材に比べて変形しにくいため、
接続面のセラミックスに強い応力作用をして剥がれる等
、長期の信頼性上問題がある。

また、この方法は、先に、抵抗や導体あるいはコンデン
サ等が形成された回路基板の接続には適用できない。

一方、Ｓｉ、Ａｌ□０３．Ｃｕ等を接合材で接続する技
術としては、実開昭５９−１９２８３８号公報に記載の
技術がある。

この技術では、熱膨張差による接合材のクラック防止と
、接合材の厚みを一定にするために、ＳｉとＡ１□０３
間に、外形がＳｉに等しいループ状の金属箔を挿入して
いる。しかし、この技術では、接合材中の気泡が抜けに
くいので、熱抵抗にばらつきが生じやすいという問題が
ある。Ａ１□０３とＣｕ間は熱膨張差が余り大きくない
ため問題とはなっていない。

［発明が解決しようとする課題］ 最近の電力用あるいはＬＳＩ等一般の半導体チップは発
熱量が多く、それらを搭載するモジュールやパッケージ
等では、放熱特性の良い材料を使用していく必要がある
。これらに適したセラミックス材料には、高熱伝導性の
ＳｉＣやＡＩＮ等がある。いずれも熱膨張係数が８１に
近いため、半導体チップ自体の接続は問題がないが、金
属支持体との間では熱膨張係数が拡大する方向にある。

上記の従来技術では、低膨張係数のセラミックスと金属
支持体間の接合材接続については配慮がなされておらず
、ＳｉＣやＡＩＮ等のセラミックスを適用した信頼性の
良好な半導体装置を製造することができないという問題
がある。

本発明は、セラミックスや接合材のクラックを防止し、
半導体装置の信頼性を向上させることを目的とする。

［問題を解決するための手段］ 」二記目的は、セラミックス基板と金属支持体との間に
、応力緩和材を備えて構成される半導体装置により達成
できる。

この応力緩和材は、セラミックス基板と金属支持体との
間に、接合材を介して設けられ、応力緩和材の外周部は
、上記接合材で覆われているほうがよい。

［作用コ 本発明に係る半導体装置を動作させると、半導体チップ
に熱が発生する。この熱のために、半導体チップは膨張
する。

一方、この熱は、接合材を経由して、セラミックに伝導
する。セラミックも熱膨張するが、その膨張係数は半導
体チップの膨張係数に近いので、これらの接続について
は問題は生じない。

半導体チップで発生した熱は、さらに、接合材を経由し
て、応力緩和材および金属支持体に伝達される。

金属支持体の熱膨張係数は、セラミックの熱膨張係数に
比べると大きいので、熱応力により、セラミックと金属
支持体との間で反り、剥離が生じる場合がある。また、
接合材にクラックが生じる場合もある。特に、この装置
の外周部には応力が集中して、反り、剥離が生じやすい
。

このような場合において、本発明では、応力緩和材が、
上記応力を緩和するので、反り、剥離、クラック等の発
生を防止する。

この結果、大型で低膨張係数のセラミックを金属支持体
に、接合材を介して、接続することが可能となり、半導
体チップの発生する熱を効率よく逃すことができる。

［実施例コ 次に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本実施例の半導体装置の各々の部品を接続す
る前の分Ｍ断面図である。

Ｓｉチップ１は、はんだ２８等の接合材を介して、予め
メタライズ膜を形成されたセラミックス３の所定の位置
に接続されている。

次に、Ｓｉチップが搭載されたセラミックス３、はんだ
２ｂ、両面にＮｉめっき股７を形成した応力緩和材４等
の応力緩和材、はんだ２ｃ、金属支持体５の順に並べ、
加熱して、すべてが接続されている。

第２図は、これらを接続する作業の説明図である。

Ｓｉチップ１と応力緩和材４とには、あらかじめ予備の
はんだ２ａ、２ｂを施す。はんだ２ａを付けたＳｉチッ
プ１を、所望のセラミックス基板上に重ねあわせた後、
再加熱して接続する。Ｓｉチップ１の搭載されたセラミ
ックス３の基板と、金属支持体５との接続は、両者間に
あらかじめはんだ付けした金属箔からなる応力緩和材４
を挿入して再加熱する。各部材にあらかじめ予備はんだ
を施す理由は、はんだ内部の気泡の発生を防ぐためであ
る。

ここで用いたはんだは、２ａが２ｂ、２ｃより少なくと
も５０℃以上高い方が、Ｓｉチップ１のずれなどを防止
する意味で好ましい。

また、２ｂと２０のはんだの組成は、Ｐｂが６５〜３５
重量％で、Ｓｎが３５〜６５重量％であることが望まし
い。

この理由を次に述べる。

上記接続方法を用いる場合は、セラミックス３と金属支
持体５との接続部端部には、熱膨張係数の違いから、両
者を引き剥がすような応力が作用する。従って、両者を
接続した試料は、かなりのそりがみられ、熱サイクル試
験を行うときは、セラミックス３が割れたりする。さら
には、長期の熱サイクルではんだ接続部にクラックが生
じ、放熱特性を低下させる原因ともなる。

これらを改善するためには、既に報告があるように（プ
リント回路学会誌、「サーキットチクノロジノ、νｏ１
．５　Ｎｏ、１　（１９９０，１）　）　、接続後のは
んだ内部に生成する結晶を制御する必要がある。

上記した組成内にあるはんだは、軟らかで小粒の初品α
−Ｐｂが均一に生成する。このようなはんだを接続に用
いた場合は、応力の分散効果と滑り変形効果が期待でき
、安定性の高い接続構造体が得られるからである。

また、２ｂや２ｃのはんだ厚みに関していえば、熱設計
上杵される範囲内で、前者を厚くした方が信頼性上好ま
しい結果が得られる。この理由は、セラミックス３のメ
タライズ膜６近傍に最も強い応力が作用するからである
。

一方、応力緩和材としては、ヤング率が６（ｔｏ。

〜１５０００の範囲内で、厚さが５０〜２５０μｍであ
るＣｕ、Ａｌ、Ｆｅあるいはそれらの合金からなる箔が
選ばれる。

この理由は、これらは、セラミックス３と金属支持体５
との間に生ずる応力に対応して、比較的容易に変形して
くれる材料であるからである。しかし、Ａｌｌのように
やわらかい材料であっても、厚みが２５０μｍを超える
ような場合には容易に変形しなくなるため好ましくない
。

次に、第３図を用いて、挿入箔の厚みとそりとの関係を
示す。

第３図は、セラミック３としてＡＩＮを用い、金属支持
体５としてＡｌ板を用いた場合において、応力緩和材４
としてＣｕｌを使用したときの、箔の厚みと試料全体の
そりとの関係を示すグラフである。

縦軸はそりを示し、横軸は挿入Ｃｕ箔の厚みを示す。

また、白丸３３は実測値を示し、斜線部３１はＡＩＮと
Ａｌ板との間に何も挿入しない場合、斜線部３２はＡＩ
ＮにＣｕを直接接続した従来法の場合を示す。

同図に示すように、ＡＩＮとＡｌ板との間に何も挿入し
ない場合のそりは、へ１Ｎ側を凸にし３５０μｍと大き
く反っている。しかし、ＡＩＮとＡｌ板との間にＣｕ箔
を挿入した場合は、そりが大幅に改善できる。

この場合、Ｃｕ１ｔｉｆｉの厚みは、プロセス上扱える
範囲において、できるだけ薄いものを利用することが好
ましい。この理由は、Ｃｕ箔が２５０μｍを超える厚さ
になると、斜線部３２に示すように、ＡＩＮに通常のＣ
ｕ板を直接接続したと同様なそりの状態を示すようにな
るからである９この傾向は、その後の熱サイクル試験等
信頼性試験で生しる、ＡＩＮやはんだのクラックの発生
状況でも同様なことが言える。例えば、そりが２００μ
ｍを超えるような試料では短期間にＡＩＮやはんだにク
ラックが生じ、放熱特性や絶縁特性が低下するという現
象が多発している。これと同様の現象は、応力緩和材と
してＡｌ、Ｆｅあるいはそれらの合金を用いた場合にお
いても観察される。

ただし、応力緩和材としてのＡｌ、Ｆｅの表面はもちる
んのこと、Ｃｕ箔あるいはそれらの合金の表面は、はん
だ付けが容易に行えるＮｉめっき膜で覆う必要がある。

この理由は、ＡＩの場合ははんだ付けできないので当然
であるが、ＣｕやＦｅあるいはそれらの合金の場合でも
、長期しこ保存されると表面が酸化され、ぬれ性が悪い
こと、接続作業中に生成する脆い合金層により界面剥離
が発生し、放熱特性が低下する等信頼性上野ましくない
からである。

次に、第４図（ａ）、（ｂ）に、本実施例の半導体装置
の部分拡大断面図を示す。

同図しこ示すように、試料の外周部詳しくは、応力緩和
材４の端部は、はんだによって覆われていることが特徴
である。この結果、セラミックス３と金属支持体５との
間に生じる引張応力は、その大部分がはんだんによって
吸収され、応力緩和材４としてのＣｕ、Ａｌ、Ｆｅある
いはそれらの合金箔は、その引張応力の一部を吸収する
。

したがって、応力緩和材４の形状は、セラミックス３の
外周にほぼ等しい（第４図（ａ））か、それより０．１
〜１０堕小さい（第４図（ｂ））ものを用意し、接続後
の断面は、はんだが応力緩和材４の側面を覆い、かつ、
セラミックス３と金属支持体５とが、直接、はんだによ
ってつながっていることが肝要である。

なお、応力緩和材４の形状は、ＷＩ状のものであっても
、シート状のものを使用したと同じ効果が得られている
。

次に、応力緩和材４の端部の形状について、第５図を用
いて説明する。

第５図（ａ）、（ｂ）は、２種類の応力緩和材端部の形
状を示す部分拡大断面図である。

同図に示す応力緩和材の形状にすれば、試料端部のはん
だの厚みを稼げる点で効果的である。

次に、第７図を用いて、応力緩和材の有無と熱抵抗と関
係を示す。

第７図は、応力緩和材のない従来構造と、本実施例の構
造を用いて作製した、半導体モジュールの熱サイクル試
験後の熱抵抗分布示すグラフである。

縦軸は熱抵抗（’Ｃ／　Ｗ　）を示し、横軸は中心から
の距離（α）を示す。

なお、この熱サイクル試験は、金属支持板としてＡｌ、
セラミックスとしてＡＩＮを用いた。

同図に示すように、応力緩和材のない従来構造では、初
期の状態でも熱抵抗が大きくなっていたり、比較的短い
期間で熱抵抗が急増したりする現象が見られている。こ
れらは、全てはんだ接続部の破壊しこよるものである。

一方、本実施例の半導体装置では、金属支持板の種類に
もよるが、熱膨張係数の大きなＡ１を用いた場合でも、
熱抵抗の変化は少なく、従来品に比べ約１０倍寿命が伸
だ。特に、ＡＩより熱膨張係数の小さなＣｕを用いた場
合においては、通常の規格値である１０００サイクルを
超える領域でも、はんだ接続部の破壊が見られず、した
がって熱抵抗の変化も見られなかった。

また、セラミックスとして、Ａｌ２Ｏ，を用いてもよく
、同様の効果がある。

次に、第６図を参照して、リード類によって、電子回路
どうしを接続する場合に、応力緩衝材を用いた効果を説
明する。

第６図は、本実施例の半導体装置、あるいはセラミック
ス基板上に抵抗、容量、導体等が形成された電子回路と
他の種の電子回路とを接続するためのリード類を、はん
だにより、直接、接続した場合の部分拡大断面図を示す
。

この場合において、リード類の断面積が比較的大きいも
のでは、はんだに応力がかかり、ｌａ７線し、機能停止
することが多い。このような場合でも。

本実施例の半導体装置の構造を応用し、例えば、接続面
積に等しいか、わずかに小さめな金属油を、セラミック
ス基板とリード類との間に挿入することで、応力が緩和
でき、大幅な寿命の改善ができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の半導体装置は、熱膨張差
によるセラミックスの破壊、あるいは接続部の破壊によ
る熱抵抗の増加等が防止され、信頼性が向上する。また
、大型で低膨張係数のセラミンクを金属支持体に、はん
だ等の接合材を介して、接続することが可能となり、半
導体チップの発生する熱を効率よく逃すことができる半
導体装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の半導体装置の各々の部品を接続する前
の分解断面図、第２図は第１図に示す部品を接続する作
業の説明図、第３図は挿入箔の厚みとそりとの関係を示
すグラフ、第４図は実施例の半導体装置の部分拡大断面
図、第５図は２種類の応力緩和材端部の形状を示す部分
拡大断面図、第６図は実施例の半導体装置等と他の種の
電子回路とを接続するためのリード類をはんだにより直
接接続した場合の部分拡大断面図、第７図は応力緩和材
のない従来構造と本実施例の構造を用いて作製した半導
体モジュールの熱サイクル試験後の熱抵抗分布示すグラ
フである。 １−　Ｓ　ｉチップ、２ａ、ｂ、ｃ、ｄ−はんだ、３・
・セラミック、４・・・応力緩和材、５・・・金汎支持
体、６・・・メタライズ膜、７・・・Ｎｉめっき膜、８
・・・リード類

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体チップが搭載されたセラミックス基板と、こ
   れらを支持する金属支持体とを、接合材を介して、接続
   する構造の半導体装置において、上記セラミックス基板
   と金属支持体との間に、応力緩和材を配置して構成され
   ることを特徴とする半導体装置。 ２、上記応力緩和材は、金属であることを特徴とする請
   求項１記載の半導体装置。 ３、上記応力緩和材は、厚さが５０〜２００μｍの範囲
   内にあることを特徴とする請求項１または２記載の半導
   体装置。 ４、上記応力緩和材は、Ｃｕ、Ｃｕを主成分とする合金
   、Ａｌ、Ａｌを主成分とする合金、ＦｅおよびＦｅを主
   成分とする合金のうち、いずれかであることを特徴とす
   る請求項１、２または３記載の半導体装置。 ５、上記応力緩和材の形状は、板状および網状のいずれ
   かであることを特徴とする請求項１、２、３または４記
   載の半導体装置。 ６、上記応力緩和材の大きさは、上記セラミック基板と
   略等しいことを特徴とする請求項１、２、３、４または
   ５記載の半導体装置。 ７、上記応力緩和材の外周部は、上記接合材で覆われて
   いることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または
   ６記載の半導体装置。 ８、上記応力緩和材の表面には、接合材付けを容易にす
   る薄膜が形成されることを特徴とする請求項１、２、３
   、４、５、６または７記載の半導体装置。 ９、上記セラミックス基板と応力緩和材との間に介在す
   る第１の接合材の厚みは、上記応力緩和材と金属支持体
   との間に介在する第２の接合材より厚く形成されること
   を特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７または
   ８記載の半導体装置。 １０、上記セラミックス基板と応力緩和材との間に介在
   する第１の接合材の厚みは５０〜２００μｍであること
   を特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８ま
   たは９記載の半導体装置。 １１、上記応力緩和材と金属支持体との間に介在する第
   ２の接合材の厚みは５０〜１００μｍであることを特徴
   とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９また
   は１０記載の半導体装置。 １２、上記薄膜は、Ｎｉめっき膜であることを特徴とす
   る請求項８記載の半導体装置。 １３、セラミックス基板上に、電子回路を接続するため
   のリードが形成された半導体装置において、セラミック
   ス基板とリードとの接続部間に、接合材を介して、応力
   緩和材を備えて構成されていることを特徴とする半導体
   装置。 １４、上記応力緩和材は、接続面積に略等しい大きさの
   金属箔であることを特徴とする請求項１３記載の半導体
   装置。 １５、上記接合材の材料の成分は、Ｐｂが６５〜３５重
   量％で、Ｓｎが３５〜６５重量％からなるはんだである
   ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、
   ８、９、１０、１１、１２、１３または１４記載の半導
   体装置。 １６、上記セラミックス基板は、その外周部に段差を形
   成する構造であることを特徴とする請求項１、２、３、
   ４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１
   ４または１５記載の半導体装置。 １７、半導体チップが搭載された基板と、この基板を支
   持する、この基板と膨張率がことなる支持体とを、接合
   材を介して、接続する構造の半導体装置において、 上記基板と支持体との間に、応力緩和材を備えて構成さ
   れることを特徴とする半導体装置。、