JPH05136286A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】本発明は半導体装置を構成する各部材間の熱膨
張率差にもとづく、半導体素子１、セラミックス基板２
並びに接合層の破壊を防止し、半導体装置の信頼性向上
を目的とするものである。 【構成】本目的を達成するため、半導体装置を構成する
各部材間の中間の熱膨張率を有する網状のシート４を各
接合層に配置して接合することにより、熱応力の減少並
びに接合層の厚さを制御し、熱疲労による各部材の破壊
を防止するものである。
張率差にもとづく、半導体素子１、セラミックス基板２
並びに接合層の破壊を防止し、半導体装置の信頼性向上
を目的とするものである。 【構成】本目的を達成するため、半導体装置を構成する
各部材間の中間の熱膨張率を有する網状のシート４を各
接合層に配置して接合することにより、熱応力の減少並
びに接合層の厚さを制御し、熱疲労による各部材の破壊
を防止するものである。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、新規な半導体装置に関
し、特に数Ｗ以上の電力を取扱えるパワー素子を搭載す
る半導体装置とそれに用いる複合はんだに関する。
し、特に数Ｗ以上の電力を取扱えるパワー素子を搭載す
る半導体装置とそれに用いる複合はんだに関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に半導体装置は、半導体素子，セラ
ミックス絶縁基板，金属放熱板、または、金属支持板か
らなり、前記、部材の間をはんだ等の接合材によって組
立てらる。なお、金属放熱板は金属支持板を兼ねる場合
もあり、これらの材料として一般にＣｕやＡｌが適用さ
れている。ここで、最近の電力用あるいはＬＳＩ等の半
導体素子は、高密度化並びに高速化の方向にあり、半導
体素子からの発熱量がますます大きくなっている。この
ため、これを搭載するモジュールやパッケージ等では、
放熱特性の良い絶縁材料を使用する必要がある。これに
適したセラミックス材料には、高熱伝導性のＳｉＣセラ
ミックスやＡＩＮセラミックス等がある。いずれも熱膨
張係数が半導体素子のＳｉチップと同等であるため、半
導体素子とセラミックス基板との間の接合上の問題は比
較的少ない。しかし、前記セラミックス基板と金属支持
板または金属放熱板との間では、熱膨張係数差に基づく
歪がアルミナセラミックスに比べて拡大する方向にあ
る。このため、各部材間の熱膨張率差による接合層の熱
疲労やセラミックスの破壊が問題となる。
ミックス絶縁基板，金属放熱板、または、金属支持板か
らなり、前記、部材の間をはんだ等の接合材によって組
立てらる。なお、金属放熱板は金属支持板を兼ねる場合
もあり、これらの材料として一般にＣｕやＡｌが適用さ
れている。ここで、最近の電力用あるいはＬＳＩ等の半
導体素子は、高密度化並びに高速化の方向にあり、半導
体素子からの発熱量がますます大きくなっている。この
ため、これを搭載するモジュールやパッケージ等では、
放熱特性の良い絶縁材料を使用する必要がある。これに
適したセラミックス材料には、高熱伝導性のＳｉＣセラ
ミックスやＡＩＮセラミックス等がある。いずれも熱膨
張係数が半導体素子のＳｉチップと同等であるため、半
導体素子とセラミックス基板との間の接合上の問題は比
較的少ない。しかし、前記セラミックス基板と金属支持
板または金属放熱板との間では、熱膨張係数差に基づく
歪がアルミナセラミックスに比べて拡大する方向にあ
る。このため、各部材間の熱膨張率差による接合層の熱
疲労やセラミックスの破壊が問題となる。
【０００３】一方、絶縁基板として、Ａｌ2Ｏ3セラミッ
クスを適用する半導体装置の場合は、特開昭56−146261
号公報に開示されているように、発熱するＳｉチップの
放熱を容易にするためと、ＳｉチップとＡｌ2Ｏ3セラミ
ックス間の熱膨張率差を減少するために、Ｓｉチップと
Ａｌ2Ｏ3間にＭｏ等の金属の熱拡散板が配置されてい
る。しかし、この場合でも部材間の熱膨張率差があるた
め、長期間の稼働の間に熱疲労に伴って接合層に破壊生
じるという問題がある。
クスを適用する半導体装置の場合は、特開昭56−146261
号公報に開示されているように、発熱するＳｉチップの
放熱を容易にするためと、ＳｉチップとＡｌ2Ｏ3セラミ
ックス間の熱膨張率差を減少するために、Ｓｉチップと
Ａｌ2Ｏ3間にＭｏ等の金属の熱拡散板が配置されてい
る。しかし、この場合でも部材間の熱膨張率差があるた
め、長期間の稼働の間に熱疲労に伴って接合層に破壊生
じるという問題がある。
【０００４】さらに、上記で述べた該セラミックス基板
は、いずれの場合も半導体装置の機械的強度保全のため
と放熱のために、ＣｕやＡｌなの高熱伝導性の金属又は
それらの合金からなる金属支持板に接合材によって固定
されている。ここで、前記、金属支持板とセラミックス
との熱膨張率差が大きいため、接合過程の熱応力または
使用中の熱疲労によってセラミックスまたは接合層に破
壊が生じる。これによって、放熱特性が低下し、短期間
の使用で半導体装置としての機能が損なわれるという問
題がある。特に発熱量の大きい半導体素子を搭載するパ
ワー半導体の場合は、装置全体の温度上昇及び部材間の
温度差も大きく、この問題はより顕著である。
は、いずれの場合も半導体装置の機械的強度保全のため
と放熱のために、ＣｕやＡｌなの高熱伝導性の金属又は
それらの合金からなる金属支持板に接合材によって固定
されている。ここで、前記、金属支持板とセラミックス
との熱膨張率差が大きいため、接合過程の熱応力または
使用中の熱疲労によってセラミックスまたは接合層に破
壊が生じる。これによって、放熱特性が低下し、短期間
の使用で半導体装置としての機能が損なわれるという問
題がある。特に発熱量の大きい半導体素子を搭載するパ
ワー半導体の場合は、装置全体の温度上昇及び部材間の
温度差も大きく、この問題はより顕著である。
【０００５】従来、この問題の対策として、半導体素子
とセラミックス基板との間またはセラミックス基板と金
属支持板との間に熱膨張率が中間のコバールやＭｏまた
は軟質金属のＣｕなどの箔を介して接合している。しか
し、上記の従来技術では、単に箔のため、接合層の厚さ
も均一にできず、セラミックス及び接合層の破壊は完全
に防止でない。同様の問題は、半導体素子をＣｕやＡｌ
またはそれらの合金からなる金属支持体に接合材によっ
て直接固定される場合にも生じ、信頼性の点で問題があ
った。
とセラミックス基板との間またはセラミックス基板と金
属支持板との間に熱膨張率が中間のコバールやＭｏまた
は軟質金属のＣｕなどの箔を介して接合している。しか
し、上記の従来技術では、単に箔のため、接合層の厚さ
も均一にできず、セラミックス及び接合層の破壊は完全
に防止でない。同様の問題は、半導体素子をＣｕやＡｌ
またはそれらの合金からなる金属支持体に接合材によっ
て直接固定される場合にも生じ、信頼性の点で問題があ
った。
【０００６】一方、特開昭62−198140号では、半導体素
子とＭｏ板とのはんだ層の間に、Ｃｕからなる網状体を
配置して接合している半導体装置を開示している。しか
し、この場合でも熱膨張率差による各部材間の不具合は
考慮さあれておらず、熱歪による半導体素子，セラミッ
クス基板，接合層などの破壊は完全に防止できないとい
う問題がある。
子とＭｏ板とのはんだ層の間に、Ｃｕからなる網状体を
配置して接合している半導体装置を開示している。しか
し、この場合でも熱膨張率差による各部材間の不具合は
考慮さあれておらず、熱歪による半導体素子，セラミッ
クス基板，接合層などの破壊は完全に防止できないとい
う問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】前記のごとく、特にＳ
ｉＣやＡＩＮ等のセラミックスを適用した半導体装置及
びＡｌ2Ｏ3セラミックスを適用した大型の半導体装置で
は信頼性の向上が課題である。
ｉＣやＡＩＮ等のセラミックスを適用した半導体装置及
びＡｌ2Ｏ3セラミックスを適用した大型の半導体装置で
は信頼性の向上が課題である。
【０００８】特に半導体素子は高速化，大容量にともな
って、絶縁バイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴと
記述）の適用が増加している。このＩＧＢＴを数個並列
接続してインバータ装置として適用される。このため、
半導体装置も大型の方向にある。この半導体装置の大型
にともなって、熱応力も大きくなる。すなわち、半導体
装置を構成する各部材間の熱膨張率差にもとづく熱歪に
よって、接合層の熱疲労並びにセラミックス基板または
半導体素子に破壊が生じ、短期間の使用で半導体装置の
機能が損なわれるという問題がある。本発明の目的は、
前記、接合層の熱疲労並びにセラミックス基板または半
導体素子の破壊を防止し、半導体装置全体の信頼性が高
い半導体装置及びそれに用いる複合はんだ材とその製造
法を提供するにある。
って、絶縁バイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴと
記述）の適用が増加している。このＩＧＢＴを数個並列
接続してインバータ装置として適用される。このため、
半導体装置も大型の方向にある。この半導体装置の大型
にともなって、熱応力も大きくなる。すなわち、半導体
装置を構成する各部材間の熱膨張率差にもとづく熱歪に
よって、接合層の熱疲労並びにセラミックス基板または
半導体素子に破壊が生じ、短期間の使用で半導体装置の
機能が損なわれるという問題がある。本発明の目的は、
前記、接合層の熱疲労並びにセラミックス基板または半
導体素子の破壊を防止し、半導体装置全体の信頼性が高
い半導体装置及びそれに用いる複合はんだ材とその製造
法を提供するにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的は、半導体装置
を構成する半導体素子を搭載した、セラミックス基板を
金属放熱板又は金属支持板に搭載し、セラミック基板と
金属放熱板又は金属支持板とを熱膨張率が前記各部材の
間の値を有する網又は網状のシートを配置してはんだ接
合することにより達成できる。ここで、本目的をより有
効に達成するための網又は網状のシートは、室温におけ
る熱膨張率が両者の中間が好ましく、特に４〜１５×１
０-6／℃、縦弾性係数が３〜２０×１０3ｋｇｆ／mm2の
特性を有する金属または無機質材から構成されるものが
望ましい。特にＮｉ繊維または炭素繊維または箔から構
成されるものが望ましい。
を構成する半導体素子を搭載した、セラミックス基板を
金属放熱板又は金属支持板に搭載し、セラミック基板と
金属放熱板又は金属支持板とを熱膨張率が前記各部材の
間の値を有する網又は網状のシートを配置してはんだ接
合することにより達成できる。ここで、本目的をより有
効に達成するための網又は網状のシートは、室温におけ
る熱膨張率が両者の中間が好ましく、特に４〜１５×１
０-6／℃、縦弾性係数が３〜２０×１０3ｋｇｆ／mm2の
特性を有する金属または無機質材から構成されるものが
望ましい。特にＮｉ繊維または炭素繊維または箔から構
成されるものが望ましい。
【００１０】一方、網又は網状のシートは、半導体装置
として組立てる前に、予めその表面にはんだ層を形成し
た複合はんだシートとして使用することにより、作業性
も向上し、より信頼性の高い接合層が得られる。
として組立てる前に、予めその表面にはんだ層を形成し
た複合はんだシートとして使用することにより、作業性
も向上し、より信頼性の高い接合層が得られる。
【００１１】なお、前記、複合はんだ材は、複数の開口
部を有する箔または網状のシートを溶融はんだバスの中
に挿入し、前記、箔またはシートの表面に均一な厚さの
はんだ層が形成されるように、はんだバスから引き上げ
ることにより得られる。また、複数の開口部を有する箔
または網状のシートの両面又は一方の面に、はんだ箔を
配置後、プレス又はロールなどの加圧によって前記、箔
またはシートの表面に均一な厚さのはんだ層を形成する
ことによっても達成できる。
部を有する箔または網状のシートを溶融はんだバスの中
に挿入し、前記、箔またはシートの表面に均一な厚さの
はんだ層が形成されるように、はんだバスから引き上げ
ることにより得られる。また、複数の開口部を有する箔
または網状のシートの両面又は一方の面に、はんだ箔を
配置後、プレス又はロールなどの加圧によって前記、箔
またはシートの表面に均一な厚さのはんだ層を形成する
ことによっても達成できる。
【００１２】
【作用】本発明は半導体装置を構成する各部材間の接合
層の中に、熱膨張率が各部材間の中間の値を有する網状
のシートのような複数の開口部を有する箔を挿入して接
合することにより、各部材間の熱膨張率差の減少のみな
らず、接合層の厚さを一定に制御できる。すなわち、半
導体装置における半導体素子やセラミックス及び接合層
の破壊は、各部材間の熱膨張率差だけでなく、接合層の
厚さによっても大きく影響される。特に接合層の熱疲労
による破壊は、接合層の厚さが小さいほど顕著になる。
ただし、接合層の厚さが増加すると熱抵抗も増加し、放
熱性の点で問題があり、適正な厚さに管理する必要があ
る。したがって、本発明は、半導体装置を構成する各部
材間の接合層の中に、各部材間の中間の熱膨張率を有す
る網状のシートを配置して接合することにより、部材間
の熱応力を減少するとともに、接合層の厚さを一定に管
理することができる。すなわち、接合層に本発明の該シ
ートを配置して接合することにより、はんだ材と網状シ
ートの複合化による機械強度や疲労強度の向上がもたら
される。また、この該シートの配置によって、接合層に
加わる熱応力の局部集中を減少させる効果もある。さら
に、接合層に発生するボイドなどの欠陥も減少できる。
これによって、接合層の熱疲労やＳｉチップ及びセラミ
ックスの破壊の進展が抑制され、熱疲労による寿命が大
幅に改善され、半導体装置全体の信頼性が向上する。
層の中に、熱膨張率が各部材間の中間の値を有する網状
のシートのような複数の開口部を有する箔を挿入して接
合することにより、各部材間の熱膨張率差の減少のみな
らず、接合層の厚さを一定に制御できる。すなわち、半
導体装置における半導体素子やセラミックス及び接合層
の破壊は、各部材間の熱膨張率差だけでなく、接合層の
厚さによっても大きく影響される。特に接合層の熱疲労
による破壊は、接合層の厚さが小さいほど顕著になる。
ただし、接合層の厚さが増加すると熱抵抗も増加し、放
熱性の点で問題があり、適正な厚さに管理する必要があ
る。したがって、本発明は、半導体装置を構成する各部
材間の接合層の中に、各部材間の中間の熱膨張率を有す
る網状のシートを配置して接合することにより、部材間
の熱応力を減少するとともに、接合層の厚さを一定に管
理することができる。すなわち、接合層に本発明の該シ
ートを配置して接合することにより、はんだ材と網状シ
ートの複合化による機械強度や疲労強度の向上がもたら
される。また、この該シートの配置によって、接合層に
加わる熱応力の局部集中を減少させる効果もある。さら
に、接合層に発生するボイドなどの欠陥も減少できる。
これによって、接合層の熱疲労やＳｉチップ及びセラミ
ックスの破壊の進展が抑制され、熱疲労による寿命が大
幅に改善され、半導体装置全体の信頼性が向上する。
【００１３】次に網状シートを構成する材料を具体的に
説明する。
説明する。
【００１４】前記目的をより有効に達成するための該網
状シートは、熱膨張率が半導体装置を構成する各部材間
の中間であるだけでなく、弾性係数もできるかぎりはん
だ材に近い小さいものが接合層の熱応力を減少できる点
で望ましい。まず、熱膨張率の点から具体的に説明す
る。
状シートは、熱膨張率が半導体装置を構成する各部材間
の中間であるだけでなく、弾性係数もできるかぎりはん
だ材に近い小さいものが接合層の熱応力を減少できる点
で望ましい。まず、熱膨張率の点から具体的に説明す
る。
【００１５】Ｓｉチップ及びＳｉＣ並びにＡｌＮセラミ
ックスの熱膨張率は、３〜４×10-6℃、アルミナセラミ
ックスの熱膨張率は６〜７×１０-6／℃である。また、
金属支持板や熱放熱板には一般にＣｕやＡｌが適用さ
れ、それらの熱膨張率は１７〜２２×１０-6／℃であ
る。したがって、該網状シートの熱膨張率は、該部材の
中間である４〜１５×１０-6／℃の間のものが望まし
い。
ックスの熱膨張率は、３〜４×10-6℃、アルミナセラミ
ックスの熱膨張率は６〜７×１０-6／℃である。また、
金属支持板や熱放熱板には一般にＣｕやＡｌが適用さ
れ、それらの熱膨張率は１７〜２２×１０-6／℃であ
る。したがって、該網状シートの熱膨張率は、該部材の
中間である４〜１５×１０-6／℃の間のものが望まし
い。
【００１６】前記、熱膨張率を有する金属は多く存在す
るが、弾性係数もできるかぎりはんだ材に近い小さい方
が接合層の熱応力を減少できる点で望ましい。具体的に
は弾性係数ははんだ材よりわずかに大きい３〜２０×１
０3ｋｇｆ／mm2の特性を有するものが望ましい。
るが、弾性係数もできるかぎりはんだ材に近い小さい方
が接合層の熱応力を減少できる点で望ましい。具体的に
は弾性係数ははんだ材よりわずかに大きい３〜２０×１
０3ｋｇｆ／mm2の特性を有するものが望ましい。
【００１７】前記特性を有する材料として、金属の中で
はＮｉが特に望ましい。Ｎｉは800℃程度の温度で加熱
炉冷する焼鈍処理を施すことにより、弾性係数をＣｕや
Ａｌと同等まで低下できる。また、はんだとのぬれ性も
良好で、かつ、熱伝導率が金属の中で比較的高い。この
ため、接合層の熱抵抗も増加しない。
はＮｉが特に望ましい。Ｎｉは800℃程度の温度で加熱
炉冷する焼鈍処理を施すことにより、弾性係数をＣｕや
Ａｌと同等まで低下できる。また、はんだとのぬれ性も
良好で、かつ、熱伝導率が金属の中で比較的高い。この
ため、接合層の熱抵抗も増加しない。
【００１８】一方、無機質の中では炭素繊維または箔が
望ましい。炭素繊維または炭素の箔の表面に、金属化層
を形成することによって、はんだのぬれ性を向上でき
る。さらに、該繊維または箔の表面に形成する金属被膜
層の種類と厚さを制御することにより、熱膨張率を４〜
１０×１０-6／℃に、また、弾性係数を３〜１０×103
ｋｇｆ／mm2 に制御できる。該金属被膜層は、炭素繊維
側炭素と反応して炭化物を生成する元素、例えばＣｒ，
Ｍｏ，Ｔｉなどが望ましい。一方、表面層はＮｉやＣｕ
層が炭素繊維と金属化層の界面強度及びはんだ材とのぬ
れ性を向上できる点で望ましい。該繊維への金属被膜層
は、例えば、ＣｒまたはＮｉめっき等の化学的方法また
は蒸着等の物理的方法によって容易に形成できる。
望ましい。炭素繊維または炭素の箔の表面に、金属化層
を形成することによって、はんだのぬれ性を向上でき
る。さらに、該繊維または箔の表面に形成する金属被膜
層の種類と厚さを制御することにより、熱膨張率を４〜
１０×１０-6／℃に、また、弾性係数を３〜１０×103
ｋｇｆ／mm2 に制御できる。該金属被膜層は、炭素繊維
側炭素と反応して炭化物を生成する元素、例えばＣｒ，
Ｍｏ，Ｔｉなどが望ましい。一方、表面層はＮｉやＣｕ
層が炭素繊維と金属化層の界面強度及びはんだ材とのぬ
れ性を向上できる点で望ましい。該繊維への金属被膜層
は、例えば、ＣｒまたはＮｉめっき等の化学的方法また
は蒸着等の物理的方法によって容易に形成できる。
【００１９】網状のシートの厚さは、はんだ層の熱疲労
及び熱抵抗の点から５０〜５００μｍが望ましい。ま
た、該網状シートの孔径は、該シートの一方向に配置し
たはんだ材が孔を貫通して、反対側の表面にぬれ広がる
ことが望ましい。１００μｍ以下の場合は、はんだ材が
反対側にぬれ難い。１０００μｍ以上の場合は、はんだ
層にボイドなどの欠陥が多くなる。したがって、該網状
シートの孔径は、100〜１０００μｍが望ましい。
及び熱抵抗の点から５０〜５００μｍが望ましい。ま
た、該網状シートの孔径は、該シートの一方向に配置し
たはんだ材が孔を貫通して、反対側の表面にぬれ広がる
ことが望ましい。１００μｍ以下の場合は、はんだ材が
反対側にぬれ難い。１０００μｍ以上の場合は、はんだ
層にボイドなどの欠陥が多くなる。したがって、該網状
シートの孔径は、100〜１０００μｍが望ましい。
【００２０】なお、接合に配置する該網状のシートは、
接合層の全面だけでなく、接合面の中央部または接合面
の外周部だけでも効果がある。
接合層の全面だけでなく、接合面の中央部または接合面
の外周部だけでも効果がある。
【００２１】該網状のシートは、はんだ接合によって半
導体装置を組立てる際に、接合用のはんだ箔と重ねて接
合部に配置しても効果がある。さらに、予め、半導体装
置を組立てる前に、該網状シートの表面にはんだ層が形
成された複合はんだ材として配置することにより、作業
性及び接合部の信頼性が向上する。
導体装置を組立てる際に、接合用のはんだ箔と重ねて接
合部に配置しても効果がある。さらに、予め、半導体装
置を組立てる前に、該網状シートの表面にはんだ層が形
成された複合はんだ材として配置することにより、作業
性及び接合部の信頼性が向上する。
【００２２】次に、網状のシートの表面にはんだ層が形
成された複合はんだ材の製造方法について説明する。
成された複合はんだ材の製造方法について説明する。
【００２３】(1）複数の開口部を有する箔，網または網
状のシートを一方から溶融はんだバスの中に漬積し、前
記、箔，網またはシートの表面に均一な厚さのはんだ層
を形成しながら溶融はんだバスから引き上げ連続的に製
造することができる。ここで、溶融はんだバスから引き
上げる際に、ロールなどの一定間隔を有する治具を通し
て圧延することにより、より均一な厚さのはんだが形成
される。
状のシートを一方から溶融はんだバスの中に漬積し、前
記、箔，網またはシートの表面に均一な厚さのはんだ層
を形成しながら溶融はんだバスから引き上げ連続的に製
造することができる。ここで、溶融はんだバスから引き
上げる際に、ロールなどの一定間隔を有する治具を通し
て圧延することにより、より均一な厚さのはんだが形成
される。
【００２４】(2）複数の開口部を有する箔または網状の
シートの両面又は一方の面に、はんだ箔を配置後、該シ
ートをプレス又はロール等により加圧する。
シートの両面又は一方の面に、はんだ箔を配置後、該シ
ートをプレス又はロール等により加圧する。
【００２５】前記、(1）及び(2）の製造方法は、Ｎｉ及
び炭素以外の材料例えばＣｕやＡｌ，Ｆｅなどにも適用
できる。
び炭素以外の材料例えばＣｕやＡｌ，Ｆｅなどにも適用
できる。
【００２６】本発明はＡ４サイズの金属支持板に５cm×
８cm程度以上の名刺大の大きさの複数のセラミックス基
板を搭載するとともに、その基板に複数個の半導体素子
を搭載してはんだ被覆した網状シートを介してはんだに
よって支持板とセラミックス基板とを接合した大型の半
導体装置に適用することができる。特に、セラミックス
基板４ケと、その基板上に８ケの素子を搭載した構造が
好ましい。
８cm程度以上の名刺大の大きさの複数のセラミックス基
板を搭載するとともに、その基板に複数個の半導体素子
を搭載してはんだ被覆した網状シートを介してはんだに
よって支持板とセラミックス基板とを接合した大型の半
導体装置に適用することができる。特に、セラミックス
基板４ケと、その基板上に８ケの素子を搭載した構造が
好ましい。
【００２７】
【実施例】（実施例１）図１は半導体素子のＳｉチップ
１，絶縁基板としてのＡｌＮセラミックス基板２，銅の
金属支持板３からなる半導体装置において、接合部に本
発明の網状のシート４を配置してはんだ接合した構造の
半導体装置の断面図を示す。ただし、電極や配線材料は
省略している。
１，絶縁基板としてのＡｌＮセラミックス基板２，銅の
金属支持板３からなる半導体装置において、接合部に本
発明の網状のシート４を配置してはんだ接合した構造の
半導体装置の断面図を示す。ただし、電極や配線材料は
省略している。
【００２８】なお、本実施例で用いた半導体素子は、８
mm角の絶縁バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であ
る。
mm角の絶縁バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であ
る。
【００２９】半導体素子のＳｉチップ１は、予めメタラ
イズ膜が形成されたＡｌＮセラミックス基板２の所定の
位置に、はんだ５ａによって固定される。次に、Ｓｉチ
ップ１が接合されたＡｌＮセラミックス基板２を、銅の
金属支持板３に、はんだ５ｂにより接合するにあたり、
厚さ１００μｍのＮｉ繊維からなる網状のシート４を配
置し、金属支持板３に固定される。これによって、はん
だ層の厚さは１００〜２００μｍに維持される。なお、
はんだ５ａは、融点が２８０℃の１.５Ａｇ −５Ｓｎ−
９３.５Ｐｂ(ｗｔ％）の高温はんだ、はんだ５ｂは融点
が１８３℃の６３Ｓｎ−３７Ｐｂ（ｗｔ％）の共晶はん
だである。
イズ膜が形成されたＡｌＮセラミックス基板２の所定の
位置に、はんだ５ａによって固定される。次に、Ｓｉチ
ップ１が接合されたＡｌＮセラミックス基板２を、銅の
金属支持板３に、はんだ５ｂにより接合するにあたり、
厚さ１００μｍのＮｉ繊維からなる網状のシート４を配
置し、金属支持板３に固定される。これによって、はん
だ層の厚さは１００〜２００μｍに維持される。なお、
はんだ５ａは、融点が２８０℃の１.５Ａｇ −５Ｓｎ−
９３.５Ｐｂ(ｗｔ％）の高温はんだ、はんだ５ｂは融点
が１８３℃の６３Ｓｎ−３７Ｐｂ（ｗｔ％）の共晶はん
だである。
【００３０】一方、本実施例で使用した網状のシート４
は、径が２００μｍのＮｉ繊維をクロス状に編み、これ
を圧延した後８００℃×１０分加熱による焼鈍を施し、
厚さが１００μｍ、孔径が５００μｍのシートとしたも
のである。この弾性係数は９×１０3ｋｇｆ／mm2であっ
た。また、本実施例では、該シートを接合部に配置する
前に、融点が１８３℃の６３Ｓｎ−３７Ｐｂ（ｗｔ％）
の共晶はんだバスの中に浸積後、該シート表面に付着す
るはんだの厚さが一定になるように、はんだバスの中か
ら引上げ、はんだの中にＮｉ網が埋め込まれ空隙がない
複合はんだ材を使用した。はんだの厚さは５〜５０μｍ
が好ましい。
は、径が２００μｍのＮｉ繊維をクロス状に編み、これ
を圧延した後８００℃×１０分加熱による焼鈍を施し、
厚さが１００μｍ、孔径が５００μｍのシートとしたも
のである。この弾性係数は９×１０3ｋｇｆ／mm2であっ
た。また、本実施例では、該シートを接合部に配置する
前に、融点が１８３℃の６３Ｓｎ−３７Ｐｂ（ｗｔ％）
の共晶はんだバスの中に浸積後、該シート表面に付着す
るはんだの厚さが一定になるように、はんだバスの中か
ら引上げ、はんだの中にＮｉ網が埋め込まれ空隙がない
複合はんだ材を使用した。はんだの厚さは５〜５０μｍ
が好ましい。
【００３１】前記方法によって接合された半導体装置に
ついて、パワーサイクル試験を行った結果、熱抵抗は２
００００サイクル以上まで変化が見られず、従来の構造
に比較して、約２倍以上の信頼性が確保された。
ついて、パワーサイクル試験を行った結果、熱抵抗は２
００００サイクル以上まで変化が見られず、従来の構造
に比較して、約２倍以上の信頼性が確保された。
【００３２】（実施例２）図２は実施例１と同様の組合
わせの半導体装置において、Ｎｉ繊維からなる網上のシ
ート４を、ＡｌＮセラミックス基板２の端部にのみ配置
してはんだ接合した半導体装置を示す。ただし、本実施
例における網状のシート４は、径が２００μｍのＮｉ繊
維をクロス状に編み、これを圧延して、厚さが１００μ
ｍ、孔径が５００μｍのシートとしたものである。ま
た、該シートを接合部に配置する前に、該シートの両面
に厚さ５０μｍ、融点が１８３℃の６３Ｓｎ−３７Ｐｈ
(wt%)の共晶はんだを配置し、これをロール圧延加工を
施すことによって、該網状シートの表面に均一な厚さの
はんだ層を形成した複合はんだ材として使用した。な
お、接合方法は実施例１と同様である。上記方法によっ
て組立てられた半導体装置について、パワーサイクル試
験を行った結果、熱抵抗は６００００サイクル以上まで
変化が見られず、従来の構造に比較して、約３倍以上の
信頼性が確保された。また、前記、Ｎｉ繊維からなる網
状のシートを図２のＡｌＮ基板の中心部に配置した場合
も同様の結果が得られた。前記構造の半導体装置４個を
並列に接続し、モータ制御用のインバータ装置とした。
わせの半導体装置において、Ｎｉ繊維からなる網上のシ
ート４を、ＡｌＮセラミックス基板２の端部にのみ配置
してはんだ接合した半導体装置を示す。ただし、本実施
例における網状のシート４は、径が２００μｍのＮｉ繊
維をクロス状に編み、これを圧延して、厚さが１００μ
ｍ、孔径が５００μｍのシートとしたものである。ま
た、該シートを接合部に配置する前に、該シートの両面
に厚さ５０μｍ、融点が１８３℃の６３Ｓｎ−３７Ｐｈ
(wt%)の共晶はんだを配置し、これをロール圧延加工を
施すことによって、該網状シートの表面に均一な厚さの
はんだ層を形成した複合はんだ材として使用した。な
お、接合方法は実施例１と同様である。上記方法によっ
て組立てられた半導体装置について、パワーサイクル試
験を行った結果、熱抵抗は６００００サイクル以上まで
変化が見られず、従来の構造に比較して、約３倍以上の
信頼性が確保された。また、前記、Ｎｉ繊維からなる網
状のシートを図２のＡｌＮ基板の中心部に配置した場合
も同様の結果が得られた。前記構造の半導体装置４個を
並列に接続し、モータ制御用のインバータ装置とした。
【００３３】（実施例３）図３は半導体素子のＳｉチッ
プ１が銅の放熱板６にＭｏ板７を介してはんだ接合さ
れ、さらに、銅の放熱板６は、アルミナセラミックス基
板２を介して、銅の金属支持板３にはんだ接合されてい
る構造の半導体装置の断面図を示す。まず、Ｓｉチップ
１は、Ｍｏ板７を介してはんだ材５ｃによって銅放熱板
７に接合される。この場合、Ｍｏ板７は銅放熱板６に、
予め、銀ろう５ｄによって接合されている。次に、前記
方法によって、複数のＳｉチップが接合された銅放熱板
６を、アルミナセラミックス基板２を介して、銅の金属
支持板３上にはんだ５ｅ及び５ｆによって固定される。
ここで、はんだ材５ｃは融点が３００℃の９５Ｐｂ−５
Ｓｎ(ｗｔ％)の高温はんだ、はんだ５ｅ及び５ｆは融点
が１８３℃の６３Ｓｎ−３７Ｐｂ（ｗｔ％）の共晶はん
だである。
プ１が銅の放熱板６にＭｏ板７を介してはんだ接合さ
れ、さらに、銅の放熱板６は、アルミナセラミックス基
板２を介して、銅の金属支持板３にはんだ接合されてい
る構造の半導体装置の断面図を示す。まず、Ｓｉチップ
１は、Ｍｏ板７を介してはんだ材５ｃによって銅放熱板
７に接合される。この場合、Ｍｏ板７は銅放熱板６に、
予め、銀ろう５ｄによって接合されている。次に、前記
方法によって、複数のＳｉチップが接合された銅放熱板
６を、アルミナセラミックス基板２を介して、銅の金属
支持板３上にはんだ５ｅ及び５ｆによって固定される。
ここで、はんだ材５ｃは融点が３００℃の９５Ｐｂ−５
Ｓｎ(ｗｔ％)の高温はんだ、はんだ５ｅ及び５ｆは融点
が１８３℃の６３Ｓｎ−３７Ｐｂ（ｗｔ％）の共晶はん
だである。
【００３４】はんだ材５ｅ及び５ｆには、本発明のＮｉ
繊維からなる厚さ１００μｍの網状のシートが配置さ
れ、これによって、はんだ層７及び８の厚さは、１００
〜200μｍになっている。
繊維からなる厚さ１００μｍの網状のシートが配置さ
れ、これによって、はんだ層７及び８の厚さは、１００
〜200μｍになっている。
【００３５】Ｎｉ繊維からなる該網状のシート４は、径
が１５０μｍのＮｉ繊維をクロス状に編み、これを圧延
して、前述と同様に焼鈍し、厚さが１００μｍ、孔径が
400μｍのシートとしたものである。また、該シートを
融点が１８３℃の６３Ｓｎ−３７Ｐｂ（ｗｔ％）の共晶
はんだバスの中に浸積後、該シート表面に付着するはん
だの厚さが一定になるように、はんだバスの中から引上
げ、はんだの中にＮｉ網が埋め込まれた複合はんだ材と
して使用した。
が１５０μｍのＮｉ繊維をクロス状に編み、これを圧延
して、前述と同様に焼鈍し、厚さが１００μｍ、孔径が
400μｍのシートとしたものである。また、該シートを
融点が１８３℃の６３Ｓｎ−３７Ｐｂ（ｗｔ％）の共晶
はんだバスの中に浸積後、該シート表面に付着するはん
だの厚さが一定になるように、はんだバスの中から引上
げ、はんだの中にＮｉ網が埋め込まれた複合はんだ材と
して使用した。
【００３６】上記構造の半導体装置について、パワーサ
イクル試験を行った結果、熱抵抗は６００００サイクル
以上まで変化が見られず、従来の構造に比較して、約６
倍の信頼性が確保された。
イクル試験を行った結果、熱抵抗は６００００サイクル
以上まで変化が見られず、従来の構造に比較して、約６
倍の信頼性が確保された。
【００３７】図２の実施例において、Ｎｉ繊維からなる
網状のシートを接合部の端部または中央部に配置した場
合も同様の結果が得られた。
網状のシートを接合部の端部または中央部に配置した場
合も同様の結果が得られた。
【００３８】図３において、該Ｎｉ繊維からなる網状の
シートを、Ｍｏ板２と銅放熱板６との間に配置し、これ
を９５Ｐｂ−５Ｓｎ（ｗｔ％）の高温はんだで接合した
場合も同様の結果が得られた。
シートを、Ｍｏ板２と銅放熱板６との間に配置し、これ
を９５Ｐｂ−５Ｓｎ（ｗｔ％）の高温はんだで接合した
場合も同様の結果が得られた。
【００３９】前記構造の半導体装置を電車及びエレベー
タ用電動機の制御装置として使用した。
タ用電動機の制御装置として使用した。
【００４０】（実施例４）図４は半導体素子のＳｉチッ
プ１をアルミナセラミッス基板２に直接はんだ接合した
場合の半導体装置の断面図を示す。Ｓｉチップ１をアル
ミナセラミックス基板２に、はんだ５ｇによって接合す
ると同時に、該アルミナセラミックス基板２を銅の金属
支持板３にはんだ５ｈによって接合する。なお、銅の金
属支持板３は放熱板も兼ねている。また、はんだ５ｇ及
び５ｈの組成は５０Ｓｎ−６０Ｐｂ（ｗｔ％）である。
プ１をアルミナセラミッス基板２に直接はんだ接合した
場合の半導体装置の断面図を示す。Ｓｉチップ１をアル
ミナセラミックス基板２に、はんだ５ｇによって接合す
ると同時に、該アルミナセラミックス基板２を銅の金属
支持板３にはんだ５ｈによって接合する。なお、銅の金
属支持板３は放熱板も兼ねている。また、はんだ５ｇ及
び５ｈの組成は５０Ｓｎ−６０Ｐｂ（ｗｔ％）である。
【００４１】ここで、はんだ層５ｇには炭素繊維からな
る厚さ１５０μｍの網状のシートを配置して接合する。
この場合、炭素繊維の表面は、内面側がＣｒ層、その表
面側がＮｉ層の金属化層が形成されている。この金属化
層の形成によって、該網状シートの熱膨張率は、５×１
０-6／℃、弾性係数は７×１０3ｋｇｆ／mm2である。該
網状のシートに実施例１と同様の方法によって、予め、
はんだ層を形成したものを使用する。一方、はんだ層５
ｈは実施例１と同様のＮｉ繊維からなる厚さ２００μｍ
の網状のシート配置している。
る厚さ１５０μｍの網状のシートを配置して接合する。
この場合、炭素繊維の表面は、内面側がＣｒ層、その表
面側がＮｉ層の金属化層が形成されている。この金属化
層の形成によって、該網状シートの熱膨張率は、５×１
０-6／℃、弾性係数は７×１０3ｋｇｆ／mm2である。該
網状のシートに実施例１と同様の方法によって、予め、
はんだ層を形成したものを使用する。一方、はんだ層５
ｈは実施例１と同様のＮｉ繊維からなる厚さ２００μｍ
の網状のシート配置している。
【００４２】上記、構造の半導体装置について、パワー
サイクル試験を行った結果、熱抵抗は１００００サイク
ル以上まで変化が見られず、従来の構造に比較して、約
３倍の信頼性が確保された。
サイクル試験を行った結果、熱抵抗は１００００サイク
ル以上まで変化が見られず、従来の構造に比較して、約
３倍の信頼性が確保された。
【００４３】（実施例５）Ｎｉ，Ｃｕ、並びに炭素繊維
からなる各々の厚さ７０μｍ、孔径５００μｍの網状の
シートを、６３Ｓｎ−３７Ｐｂ（ｗｔ％）の組成からな
る溶融はんだバスの中に浸積する。次に、該シートの表
面に均一な厚さのはんだ層が形成されるように引上げ
る。この工程によって、該網状シートの表面に、厚さ約
１０μｍのはんだ層形成され、はんだの中にＮｉまたは
Ｃｕ並びに炭素の各々の繊維からなる網状のシートが埋
め込まれた複合はんだ材が製造できる。この場合、該シ
ートをはんだバスから引上げる際に、一定の間隔を有す
る治具またロールの間を通すことにより、はんだの厚さ
をより均一にできる。なお、Ｎｉ箔並びにＣｕ箔に複数
の孔が形成された場合も前記と同様の方法によって、複
合はんだ材が製造できる。
からなる各々の厚さ７０μｍ、孔径５００μｍの網状の
シートを、６３Ｓｎ−３７Ｐｂ（ｗｔ％）の組成からな
る溶融はんだバスの中に浸積する。次に、該シートの表
面に均一な厚さのはんだ層が形成されるように引上げ
る。この工程によって、該網状シートの表面に、厚さ約
１０μｍのはんだ層形成され、はんだの中にＮｉまたは
Ｃｕ並びに炭素の各々の繊維からなる網状のシートが埋
め込まれた複合はんだ材が製造できる。この場合、該シ
ートをはんだバスから引上げる際に、一定の間隔を有す
る治具またロールの間を通すことにより、はんだの厚さ
をより均一にできる。なお、Ｎｉ箔並びにＣｕ箔に複数
の孔が形成された場合も前記と同様の方法によって、複
合はんだ材が製造できる。
【００４４】（実施例６）Ｎｉ繊維並びにＣｕ繊維から
なる各々の厚さ１００μｍ、孔径４００μｍの網状のシ
ートの両面に、５０Ｓｎ−５０Ｐｂ（ｗｔ％）の組成か
らなる厚さが各々５０μｍのはんだ箔を配置する。次
に、これをロールによって加圧することにより、該シー
トの表面に均一な厚さのはんだ層が形成され、はんだの
中にＮｉまたはＣｕ繊維からなる網状のシートが埋め込
まれた複合はんだ材が製造できる。
なる各々の厚さ１００μｍ、孔径４００μｍの網状のシ
ートの両面に、５０Ｓｎ−５０Ｐｂ（ｗｔ％）の組成か
らなる厚さが各々５０μｍのはんだ箔を配置する。次
に、これをロールによって加圧することにより、該シー
トの表面に均一な厚さのはんだ層が形成され、はんだの
中にＮｉまたはＣｕ繊維からなる網状のシートが埋め込
まれた複合はんだ材が製造できる。
【００４５】
【発明の効果】本発明の半導体装置によって、熱膨張率
差による半導体素子及びセラミックス並びに接合層の破
壊が防止され、半導体装置全体の信頼性が向上する。
差による半導体素子及びセラミックス並びに接合層の破
壊が防止され、半導体装置全体の信頼性が向上する。
【図１】本発明の実施例を示す半導体装置の断面図であ
る。
る。
【図２】本発明の実施例を示す半導体装置の断面図であ
る。
る。
【図３】本発明の実施例を示す半導体装置の断面図であ
る。
る。
【図４】本発明の実施例を示す半導体装置の断面図であ
る。
る。
１…Ｓｉチップ、２…セラミックス基板、３…金属支持
板、４…Ｎｉの網状シート、５…はんだ、６…銅放熱
板、７…Ｍｏ板。
板、４…Ｎｉの網状シート、５…はんだ、６…銅放熱
板、７…Ｍｏ板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桜田 修文 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内
Claims (14)
- 【請求項１】半導体素子を搭載した、セラミックス基板
を金属放熱板または金属支持板に搭載した半導体装置に
おいて、前記セラミックス基板と金属放熱板または金属
支持板との接合層は、熱膨張率が各部材の間の値を有す
る網又は網状のシートを配置して構成されることを特徴
とする半導体装置。 - 【請求項２】請求項１記載の網又は網状のシートは、室
温における熱膨張率が４〜１５×１０-6／℃、縦弾性係
数が４〜２０×１０3ｋｇｆ／mm2の特性を有する金属ま
たは無機質材からなることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項３】請求項１又は２記載の網又は網状のシート
は、Ｎｉの繊維または箔から構成されることを特徴とす
る半導体装置。 - 【請求項４】請求項１又は２記載の網又は網状のシート
は、表面に金属皮膜が形成された炭素繊維から構成され
ることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項５】前記炭素繊維の表面にＮｉまたはＣｕの被
覆層が設けられていることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項６】請求項１，２，３記載の網又は網状のシー
トは、はんだ材によって半導体装置として組立られる前
に、予め、はんだ材の中に埋め込まれていることを特徴
とする半導体装置。 - 【請求項７】複数の開口部を有する箔，網または網状の
シート表面に、はんだの被覆層が形成されていることを
特徴とする複合はんだ材。 - 【請求項８】請求項７記載の箔，網又は網状上シートの
厚さは、５０〜５００μｍ、孔径は１００〜１０００μ
ｍであることを特徴とする複合はんだ材。 - 【請求項９】複数の開口部を有する箔，網または網状の
シートを溶融はんだ槽の中に浸積し、前記箔または該シ
ートの表面に均一な厚さのはんだ層を形成しながら溶融
はんだ槽の中から引上げる工程によって、該箔，網また
は網状シートの表面にはんだ層を形成することを特徴と
する複合はんだ材の製造方法。 - 【請求項１０】複数の開口部を有する箔，網または網状
のシートの両面又は一方の面に、はんだ箔を配置する工
程、次に該シートを加圧する工程によって、前記箔，網
または網状シートの表面に均一な厚さのはんだ層を形成
することを特徴とする複合はんだ材の製造方法。 - 【請求項１１】半導体装置を構成する各部材をはんだ層
を介して組立られる構造の半導体装置に置いて、上記、
各部材間の少なくともいずれか一方のはんだ層に、請求
項７から１０のいずれかに記載の方法によって製造され
た複合はんだ材を配置して互いに接合されていることを
特徴とする半導体装置。 - 【請求項１２】請求項７から１０のいずれかに記載の方
法によって製造された複合はんだ材を配置して互いに接
合されている半導体装置によって制御される電動機及び
制御装置。 - 【請求項１３】半導体装置を構成する各部材が、はんだ
層を介して組立られる構造の半導体装置において、上
記、各部材間の少なくともいずれか一方のはんだ層に、
請求項７から１０記載の方法によって製造された複合は
んだ材が配置されている半導体装置によって構成される
ことを特徴とするインバータ装置。 - 【請求項１４】半導体装置を構成する半導体素子，セラ
ミックス基板，金属放熱板、または、金属支持板の各々
の間が、接合材を介して組立られる構造の半導体装置に
おいて、前記、各部材間の少なくともいずれか一方の接
合層に、熱膨張率が各部材間の中間の値を有する網状の
シートを配置して構成されることを特徴とする半導体装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3292700A JPH05136286A (ja) | 1991-11-08 | 1991-11-08 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3292700A JPH05136286A (ja) | 1991-11-08 | 1991-11-08 | 半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05136286A true JPH05136286A (ja) | 1993-06-01 |
Family
ID=17785174
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3292700A Pending JPH05136286A (ja) | 1991-11-08 | 1991-11-08 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05136286A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0661748A1 (en) * | 1993-12-28 | 1995-07-05 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor device |
| US5641995A (en) * | 1995-03-22 | 1997-06-24 | Hewlett-Packard Company | Attachment of ceramic chip carriers to printed circuit boards |
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