JPH05175378A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JPH05175378A
JPH05175378A JP3344272A JP34427291A JPH05175378A JP H05175378 A JPH05175378 A JP H05175378A JP 3344272 A JP3344272 A JP 3344272A JP 34427291 A JP34427291 A JP 34427291A JP H05175378 A JPH05175378 A JP H05175378A
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JP
Japan
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cfrc
semiconductor device
bonding
metal
thermal expansion
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Application number
JP3344272A
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Japanese (ja)
Inventor
Hisanobu Okamura
久宣 岡村
Masahiko Sakamoto
征彦 坂本
Hiroshi Akiyama
秋山  浩
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
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Publication of JPH05175378A publication Critical patent/JPH05175378A/en
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321Disposition
    • H01L2224/32151Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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    • H01L2224/80Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
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    • H01L2224/83101Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector the layer connector being supplied to the parts to be connected in the bonding apparatus as prepeg comprising a layer connector, e.g. provided in an insulating plate member

Abstract

PURPOSE:To prevent deformation and breakage when members with different thermal expansion coefficients are bonded by arranging carbon fiber reinforced carbon compound at the specific part on the compound material and a semiconductor device. CONSTITUTION:Tungsten 1 and copper 2 are bonded by arranging CFRC 3 in between. The tungsten 1 is 5mm (thickness)X50mm (width), the copper plate is 20mm (thickness)X50mm (width), the CFRC 3 is 30mm (thickness)X50mm (width) and the orientation direction of the carbon fiber is arranged to be vertical to the bonding plane. A metallized layer 4 is previously formed of paste composition which is silver solder containing titanium of 2vol.% on the bonding plane of the CFRC 3 by being heated in a vacuum furnace. Thus, deformation and breakage of the compound material formed by bonding the members with different thermal expansion coefficients are prevented and the highly reliable compound material is obtained.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、航空宇宙機器、核融合
装置等の工業製品に広く適用される熱膨張率の異なる部
材から構成される複合体、並びに熱膨張率の異なる部材
を接合して得られる半導体装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composite composed of members having different thermal expansion coefficients, which are widely applied to industrial products such as aerospace equipment and nuclear fusion devices, and a member having different thermal expansion coefficients. The present invention relates to a semiconductor device obtained.

【0002】[0002]

【従来の技術】各々の部材の特徴を生かすことを目的と
して、熱膨張率の異なる部材を接合によって複合化する
場合、両者の熱膨張差に伴う熱応力によって、複合体に
変形または破壊が生じ、使用目的を十分に達成する複合
体が得られないという問題がある。この問題は熱膨張率
差の大きい部材の組合せを必要とする場合により顕著で
ある。
2. Description of the Related Art In the case of joining members having different coefficients of thermal expansion by joining for the purpose of utilizing the characteristics of each member, the composite is deformed or destroyed by the thermal stress caused by the difference in thermal expansion between the members. However, there is a problem that a complex that sufficiently achieves the purpose of use cannot be obtained. This problem is more remarkable when a combination of members having a large difference in coefficient of thermal expansion is required.

【0003】従来、この対策として、下記のような方法
が開示されている。すなわち、特開昭60-77181及び特開
昭60-155577では、金属とセラミックスとの間に銅等の
延性の大きい軟質金属を配置して接合している。特開平
1-119571では、窒化ケイ素セラミックスと金属との接合
にニッケルやタングステン合金などの熱膨張率が中間の
部材を介在させて接合している。特開昭62-132780で
は、非酸化物系セラミックスと金属との間に、ワイヤ状
の金属を介在させて接合している。特開昭62-38319で
は、セラミックスと金属の間に無機質からなる繊維と金
属マトリックスとの複合材を介して接合している。特開
平1-290569では、ジルコニアと金属との接合において、
パラジウム及びパラジウム合金を応力緩和材にしてい
る。
Conventionally, the following methods have been disclosed as measures against this. That is, in JP-A-60-77181 and JP-A-60-155577, a soft metal having high ductility such as copper is arranged and bonded between a metal and a ceramic. Kohei
In 1-119571, the silicon nitride ceramics and the metal are joined together by interposing a member having an intermediate coefficient of thermal expansion such as nickel or tungsten alloy. In JP-A-62-132780, a wire-shaped metal is interposed between the non-oxide ceramics and the metal to bond them. In Japanese Unexamined Patent Publication No. 62-38319, ceramics and metal are bonded together via a composite material of fibers made of an inorganic material and a metal matrix. In JP-A 1-290569, in joining zirconia and metal,
Palladium and palladium alloys are used as stress relaxation materials.

【0004】しかし、上記、従来の接合方法で接合され
た複合体は、熱膨張率差に伴う複合体の破壊は完全に防
止できていなかった。また、破壊が発生しない場合でも
複合体の強度、耐熱性などに多くの問題があった。特に
この問題は、複合体が大きい場合に顕著である。一方、
最近の電力用あるいはLSI用などの半導体素子は発熱量
が高く、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、高熱伝導性の炭化ケ
イ素セラミックスやAINセラミックス等がある。いずれ
も熱膨張率がシリコンと同等であるため、半導体素子と
の間の接合上の問題は少ない。しかし、金属支持体との
間では熱膨張係数差が拡大する方向にあり、該セラミッ
クス基板と金属基板とを接合した場合のセラミックスの
破壊または接合層の熱疲労が大きな問題となっていた。
この問題は、絶縁基板として、アルミナセラミックスを
使用する半導体装置の場合も同様である。従来、この対
策として、特開昭56-146261号公報では、発熱するシリ
コンチップの放熱を容易にするためと、シリコンチップ
とアルミナセラミックス間の熱膨張率差を緩和するため
に、シリコンチップとアルミナセラミックス間にモリブ
デン等の金属の熱応力緩和材を挿入していた。しかし、
この場合でもシリコンチップとモリブデン間の、又はア
ルミナセラミックスとモリブデンとの間の熱膨張率差に
よる特に接合層の熱疲労が問題となっていた。
However, the above-mentioned composite body joined by the conventional joining method could not completely prevent the composite body from being broken due to the difference in thermal expansion coefficient. Further, even when no breakage occurred, there were many problems in the strength and heat resistance of the composite. This problem is especially noticeable when the complex is large. on the other hand,
Recently, semiconductor elements for power or LSI have a high heat generation amount, and it is necessary to use an insulating material having a good heat dissipation characteristic in a module, a package or the like in which they are mounted. Ceramic materials suitable for this include high thermal conductivity silicon carbide ceramics and AIN ceramics. Since both of them have the same coefficient of thermal expansion as that of silicon, there are few problems in bonding with the semiconductor element. However, the difference in thermal expansion coefficient between the metal support and the metal support tends to increase, and destruction of the ceramics or thermal fatigue of the bonding layer when the ceramics substrate and the metal substrate are bonded poses a serious problem.
This problem also applies to a semiconductor device using alumina ceramics as an insulating substrate. Conventionally, as a countermeasure against this, in Japanese Patent Laid-Open No. 56-146261, in order to facilitate heat dissipation of a silicon chip that generates heat and to alleviate a difference in thermal expansion coefficient between the silicon chip and the alumina ceramics, the silicon chip and the alumina A thermal stress relaxation material such as molybdenum was inserted between the ceramics. But,
Even in this case, the thermal fatigue of the bonding layer due to the difference in thermal expansion coefficient between the silicon chip and molybdenum or between the alumina ceramics and molybdenum is a problem.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記、従来技術では熱
膨張率の異なる部材を接合によって複合化した場合の変
形及び破壊は完全に防止することは困難であるため、品
質信頼性の高い複合体を得ることはできなかった。ま
た、変形や破壊が発生しない場合でも、複合体の強度や
耐熱性に問題があり、特にこの問題は、複合化する部材
が大きい程、顕著である。
SUMMARY OF THE INVENTION In the above-mentioned prior art, it is difficult to completely prevent deformation and breakage when members having different coefficients of thermal expansion are combined by joining, and therefore a composite having high quality reliability. Couldn't get Further, even when no deformation or breakage occurs, there is a problem in strength and heat resistance of the composite body, and this problem is more remarkable as the composite member is larger.

【0006】一方、半導体装置は、通常半導体素子とし
てのシリコンチップ、絶縁基板としてのセラミックス及
び、セラミックスを支持し、かつ半導体素子からの熱を
放熱する金属板等の熱膨張率が大きく異なる部材から構
成されている。さらに、これらの部材は、はんだ材やろ
う材による接合によって組立てられている。したがっ
て、半導体装置においても構成要素同士の熱膨張率差に
伴う多くの問題が存在する。例えば、上記で述べたセラ
ミックスは、いずれの場合も半導体装置の機械的強度保
全のため及び放熱のために銅、鉄、アルミニウム、又は
それらの合金からなる金属支持体に接合材によって固定
されている。また、絶縁を必要としない目的の場合は、
半導体素子と金属支持体が直接接合されるのが通例であ
る。しかし、これらの半導体装置は、金属支持体とセラ
ミックスや半導体素子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
クスや半導体素子または接合層に破壊が生じることが多
い。そして、これによってこの半導体装置の放熱特性が
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った。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なり、この問題はより
顕著である。
On the other hand, a semiconductor device is usually made of a silicon chip as a semiconductor element, a ceramic as an insulating substrate, and a member having a large coefficient of thermal expansion such as a metal plate that supports the ceramic and radiates heat from the semiconductor element. It is configured. Further, these members are assembled by joining with a solder material or a brazing material. Therefore, even in the semiconductor device, there are many problems due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the constituent elements. For example, in any case, the ceramics described above are fixed to a metal support made of copper, iron, aluminum, or an alloy thereof by a bonding material in order to maintain mechanical strength of a semiconductor device and for heat dissipation. .. For purposes that do not require insulation,
It is customary to directly bond the semiconductor element and the metal support. However, since these semiconductor devices have a large difference in coefficient of thermal expansion between the metal support and the ceramics or semiconductor element, the ceramics, the semiconductor element, or the bonding layer may be broken due to thermal stress during the bonding process or thermal fatigue during use. There are many. As a result, the heat dissipation characteristic of the semiconductor device is deteriorated, and there is a problem that the function as a semiconductor device is impaired after a short period of use. Particularly in the case of a power semiconductor mounted with a semiconductor element that generates a large amount of heat, the temperature rise of the entire device and the temperature difference between the members also increase, and this problem is more pronounced.

【0007】さらに、半導体装置の高出力化に伴って、
半導体装置の放熱特性の向上も要求される。すなわち、
本発明の目的は、熱膨張率の異なる部材を接合によって
複合した場合の変形及び破壊を防止し、品質における信
頼性の高い複合体、並びに放熱特性に優れ品質に対する
信頼性の高い半導体装置を提供することにある。
Further, with the increase in output of semiconductor devices,
It is also required to improve the heat dissipation characteristics of semiconductor devices. That is,
An object of the present invention is to prevent deformation and breakage in the case where members having different thermal expansion coefficients are combined by joining to provide a composite having high reliability in quality, and a semiconductor device having excellent heat dissipation characteristics and high reliability in quality. To do.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者は、前記課題に
鑑み鋭意検討を重ねた結果、炭素繊維強化炭素複合体(C
arbon Fiber Reinforced Carbon, 以下「CFRC」と記載
する) を複合材と半導体装置の特定部位に配置すること
により、かかる課題を解決し得ることを見出した。
Means for Solving the Problems The present inventor has conducted extensive studies in view of the above-mentioned problems, and as a result, the carbon fiber reinforced carbon composite (C
It has been found that such problems can be solved by disposing arbon Fiber Reinforced Carbon (hereinafter referred to as “CFRC”) at a specific portion of the composite material and the semiconductor device.

【0009】すなわち、本発明は、第1に熱膨張率の異
なる部材の間の少なくとも一側面に金属化層が形成され
たCFRCを配置し、複合化されていることを特徴とする複
合体を;第2に半導体素子が搭載されたセラミックス基
板と、これを支持する金属支持板とを、接合材を介して
組立てられる構造の半導体装置において、当該セラミッ
クス基板と金属支持板との間、又は半導体素子とセラミ
ックス基板との間の少なくともいずれか一方に、CFRCを
配置して構成されていることを特徴とする半導体装置、
及び半導体素子と金属支持板との間にCFRCを配置して構
成されていることを特徴とする半導体装置を提供するも
のである。
That is, according to the present invention, firstly, a CFRC having a metallized layer formed on at least one side surface between members having different coefficients of thermal expansion is arranged and composited. Secondly, in a semiconductor device having a structure in which a ceramic substrate on which a semiconductor element is mounted and a metal supporting plate supporting the same are assembled via a bonding material, between the ceramic substrate and the metal supporting plate, or a semiconductor At least one of the element and the ceramics substrate, a semiconductor device characterized in that it is configured by disposing a CFRC,
And a semiconductor device characterized in that a CFRC is arranged between a semiconductor element and a metal supporting plate.

【0010】(1) 複合体 本発明複合体に用いられる熱膨張率の異なる部材の組合
せとしては、例えば、タングステンと銅、モリブデンと
銅、タングステンとステンレス鋼、モリブデンとステン
レス鋼等の熱膨張率が異なる金属同士の組合せ;銅と炭
化ケイ素セラミックス、銅とアルミナセラミックス、ス
テンレス鋼と炭化ケイ素セラミックス、ステンレス鋼と
アルミナセラミックス等の金属とセラミックス同士の組
み合せ;銅と当方性黒鉛、ステンレス鋼と当方性黒鉛等
の金属と黒鉛同士の組み合せ;又は当方性黒鉛と銅、当
方性黒鉛とステンレス鋼等の黒鉛と金属同士の組み合せ
等を例示することができる。
(1) Composite As a combination of members having different coefficients of thermal expansion used in the composite of the present invention, for example, the coefficient of thermal expansion of tungsten and copper, molybdenum and copper, tungsten and stainless steel, molybdenum and stainless steel, etc. Combinations of metals that are different from each other; combinations of metals and ceramics such as copper and silicon carbide ceramics, copper and alumina ceramics, stainless steel and silicon carbide ceramics, stainless steel and alumina ceramics; copper and isotropic graphite, stainless steel and isotropic Examples thereof include a combination of a metal such as graphite and graphite, or a combination of isotropic graphite and copper, a combination of isotropic graphite and stainless steel and the like, and graphite.

【0011】次に、本発明複合体は、上記熱膨張率の異
なる部材の間の少なくとも一側面に金属化層が形成され
たCFRCが配置され又は介されていることを特徴とする。
配置するCFRCの他の部材との接合面に対する炭素繊維の
配向方向は、本発明における複合体の具体的用途に応じ
決定される。すなわち、本発明複合体を断熱性が要求さ
れる用途に使用する場合には、かかる炭素繊維の配向方
向は、他の部材との接合面に対して平行になるよう配置
するのが好ましく、放熱性が要求される用途に使用する
場合には、直角に配置するのが好ましい。
Next, the composite of the present invention is characterized in that CFRC having a metallized layer is disposed or interposed on at least one side surface between the members having different thermal expansion coefficients.
The orientation direction of the carbon fibers with respect to the joint surface of the CFRC to be arranged with other members is determined according to the specific application of the composite in the present invention. That is, when the composite of the present invention is used for applications requiring heat insulation, it is preferable that the orientation direction of such carbon fibers is arranged so as to be parallel to the joint surface with other members. When it is used for the purpose in which the property is required, it is preferable to arrange it at a right angle.

【0012】なお、本発明複合体は、原子炉の第一壁
等、主に放熱性が要求される用途に用いることが期待さ
れており、かかる意味において、上記配向方向は、接合
面に対して直角であることが好ましい。なお、当該CFRC
としては、市販品を用いることも、通常公知の方法を用
いて製造することも可能である。
The composite of the present invention is expected to be used mainly in applications requiring heat dissipation, such as the first wall of a nuclear reactor. In this sense, the above orientation direction is relative to the joint surface. It is preferable that they are at right angles. The CFRC
As the above, it is possible to use a commercially available product or a commonly known method.

【0013】本発明複合体においては、CFRCと他の部材
の間の少なくとも一側面に金属化層が形成されているこ
とを特色とする。この金属化層を形成することにより、
従来から金属の接合に一般に適用されている銀ろう又は
ニッケルろうのような汎用ろう材によるろう付やはんだ
付がかかる他部材との間で容易になる。このCFRCの表面
に接合用の金属化層を形成する方法は、下記の方法によ
り可能である。 (1) 炭素と反応して炭化物を形成する元素または該元素
を含む合金を、CFRCの表面に蒸着などの物理的方法又は
めっきなどの化学的方法により付着後、加熱する方法。 (2) 銅、銀、ニッケルの単体又は該金属を一種類以上含
む合金、または混合粉末中に最大でも50容量%のチタン
を含む組成物をCFRCの表面に配置または塗付後、非酸化
性雰囲気中で該合金箔または混合粉末の融点以上に加熱
する方法。この場合、特に銅と銀との合金中にチタンを
1〜10wt%添加した組成物は、 800〜900℃の加熱温度
で、また、ニッケル又は銅に30wt%のチタンを添加した
組成物は 900〜1000℃の加熱温度で、さらに、ニッケル
とクロムを主成分とする合金の場合は、約1000℃の加熱
温度で金属化層が形成される。
The composite of the invention is characterized in that a metallization layer is formed on at least one side surface between the CFRC and the other member. By forming this metallized layer,
This facilitates brazing or soldering with other members using a general-purpose brazing material such as a silver brazing material or a nickel brazing material which has been generally applied to joining metals. The method of forming the metallization layer for bonding on the surface of this CFRC can be performed by the following method. (1) A method in which an element that reacts with carbon to form a carbide or an alloy containing the element is attached to the surface of CFRC by a physical method such as vapor deposition or a chemical method such as plating, and then heated. (2) Non-oxidizing after arranging or applying a composition containing copper, silver, nickel alone or an alloy containing one or more kinds of the metals, or a composition containing at least 50% by volume of titanium in the mixed powder on the surface of CFRC. A method of heating in the atmosphere above the melting point of the alloy foil or the mixed powder. In this case, in particular, a composition in which 1 to 10 wt% of titanium is added to an alloy of copper and silver is at a heating temperature of 800 to 900 ° C., and a composition in which 30 wt% of titanium is added to nickel or copper is 900 A metallization layer is formed at a heating temperature of up to 1000 ° C., and in the case of alloys based on nickel and chromium, at a heating temperature of about 1000 ° C.

【0014】さらに、CFRC表面に予め、接合用の金属化
層を設けることにより、ろう材を広範囲に選定できるた
め、多くの種類の部材との複合化が可能である。例え
ば、高温加熱の不適当な部材とのろう接に、軟ろう等の
低融点のろう材も適用できるため、接合過程で生じる熱
応力を低減でき、品質信頼性の高い複合体が得られる。
さらに、大気中での接合も可能であるため、複雑な形状
部材や大型部材との接合も可能となる。また、CFRC表面
に予め接合用の金属化層を設ける方法により、本発明に
おける複合体の量産も容易である。
Further, since a brazing material can be selected over a wide range by previously providing a metallizing layer for bonding on the CFRC surface, it is possible to form a composite with many kinds of members. For example, since a brazing material having a low melting point such as soft brazing can be applied to brazing with a member which is not suitable for high temperature heating, thermal stress generated in the joining process can be reduced and a composite having high quality reliability can be obtained.
Further, since it is possible to join in the atmosphere, it is possible to join with a member having a complicated shape or a large member. Further, mass production of the composite of the present invention is easy by the method of previously providing a metallization layer for bonding on the CFRC surface.

【0015】なお、金属化層は銀ろうに対し、炭素と反
応して炭化物を形成するタングステン、チタン、ジルコ
ニウム、ハフニウム、ニオブ等の金属を含むペーストを
使用して形成するのが好ましく、これらの金属は0.1〜
10容量%、好ましくは0.5〜5容量%がペースト中に含
有される。 (2) 半導体装置 本発明半導体装置は、セラミックス基板と金属支持板又
は半導体素子とセラミックス基板との間に、あるいは半
導体素子と金属支持板との間にCFRCが配置されているこ
とを特徴とする。
The metallized layer is preferably formed by using a paste containing a metal such as tungsten, titanium, zirconium, hafnium or niobium which reacts with carbon to form a carbide with respect to the silver brazing material. Metal is 0.1-
10% by volume, preferably 0.5-5% by volume, is contained in the paste. (2) Semiconductor Device The semiconductor device of the present invention is characterized in that the CFRC is arranged between the ceramic substrate and the metal supporting plate or between the semiconductor element and the ceramic substrate, or between the semiconductor element and the metal supporting plate. ..

【0016】かかる半導体装置において、CFRCの他部材
との接合面に対する配置方向は、本来自由に決定できる
が、半導体装置の熱放散性を改善するという所期の目的
の達成を考慮すれば、上記の接合面に対して、CFRCの炭
素繊維は直角になるよう配置するのが好ましい。この半
導体装置のCFRCと他部材との接合方法は、チタン等の活
性金属を含むろう材により直接接合する方法又は前記の
CFRCの表面に予め金属化層を施した後、通常のろう材に
より接合する通常公知の方法、例えば、無機系又は有機
系の接着材を用いる方法等をも採用することができる。
In such a semiconductor device, the disposition direction of the CFRC with respect to the joint surface with other members can be originally determined freely, but considering the achievement of the intended purpose of improving the heat dissipation of the semiconductor device, It is preferable to arrange the carbon fibers of CFRC at right angles to the joint surface. The method of joining CFRC and other members of this semiconductor device is a method of directly joining with a brazing material containing an active metal such as titanium or the above-mentioned method.
A conventionally known method of joining a metallized layer on the surface of CFRC in advance and then bonding it with an ordinary brazing material, for example, a method using an inorganic or organic adhesive, can also be employed.

【0017】なお、本発明半導体装置においては、CFRC
により生ずる炭素粉が電気回路に付着して回路に導電障
害を惹き起こすこと等を防止するために、CFRCの表面を
セラミックスやガラス状の炭素膜で被覆するのが好まし
い。かかるセラミックスやガラス状の炭素膜によるCFRC
の被覆方法としては、例えばCFRCの表面にSiCをCVDによ
り被覆し、これらにさらに通常のガラス被覆をする方法
等を例示できる。
In the semiconductor device of the present invention, the CFRC
In order to prevent the carbon powder generated by the above from adhering to the electric circuit and causing a conductive failure in the circuit, it is preferable to coat the surface of the CFRC with a ceramic or glassy carbon film. CFRC with such ceramics and glassy carbon film
As a coating method of, for example, a method of coating the surface of CFRC with SiC by CVD and further coating these with ordinary glass can be exemplified.

【0018】[0018]

【作用】次に本発明の複合体及び半導体装置におけるCF
RCの作用について説明する。本目的を達成するためのCF
RCは、炭素繊維の織物にフェノール樹脂やピッチなどを
含浸して焼成これを何度も繰返してマトリックスを炭素
化して作られる。炭素繊維はピッチ系でもパン系でも本
目的を達成できる。また、複合化は炭素繊維を羽毛状積
層法、紙漉法、等方鋳込み法、スプレイ積層法、クロス
積層法などの積層法によって得られる。また、炭素繊維
は1次元、2次元、3次元のいずれの方法によって織ら
れてもよい。
Next, the CF in the composite and semiconductor device of the present invention
The function of RC will be described. CF to achieve this objective
RC is made by impregnating a carbon fiber woven fabric with phenolic resin, pitch, etc. and firing it many times to carbonize the matrix. The carbon fiber can achieve this object whether it is pitch-based or bread-based. Further, the composite is obtained by laminating methods such as a feather-like laminating method, a paper making method, an isotropic casting method, a spray laminating method and a cloth laminating method. The carbon fibers may be woven by any one-dimensional, two-dimensional or three-dimensional method.

【0019】上記の方法によって製造されたCFRCは、炭
素繊維の種類と配向方向を制御することにより、熱膨張
率及び熱伝導率並びに弾性率を広い範囲にわたり制御で
きる。すなわち、CFRCは以下に示す特徴を有し、この特
徴を最大限に利用することにより、本発明の所期の目的
の達成が可能である。 (1) CFRCは炭素繊維の配向方向によって熱膨張率を金属
とセラミックスや半導体素子との中間の値に制御でき
る。特に繊維の配向方向に対して直角方向の熱膨張率を
1〜10×10-6/℃の間で変化できる。このため、セラミ
ックスまたは半導体素子や金属等の熱膨張率の異なる部
材と接合した場合の接合面の熱応力を低減できる。炭素
繊維は直径10μm 以下、好ましくは0.1〜10μm の長さ
の繊維が用いられ、一方向に配向させたものが好まし
く、その含有量は10〜80体積%、好ましくは20〜60体積
%である。また、強度は3点曲げ強度として炭素繊維の
配向方向に対して10kg/mm2 以上、好ましくは20〜60kg
/mm2程度である。 (2) CFRCは繊維の配向方向によって弾性率をも制御でき
る。特に繊維の配向方向に対して直角方向の弾性率を3
GPa 程度まで小さくできる。このため、セラミックスや
金属等の熱膨張率の異なる部材と接合した場合の接合面
の熱応力を低減できる。
The CFRC manufactured by the above method can control the thermal expansion coefficient, the thermal conductivity and the elastic modulus over a wide range by controlling the type and the orientation direction of the carbon fiber. That is, CFRC has the following characteristics, and by making the best use of these characteristics, the intended purpose of the present invention can be achieved. (1) CFRC can control the coefficient of thermal expansion to an intermediate value between metals and ceramics or semiconductor elements depending on the orientation direction of carbon fibers. In particular, the coefficient of thermal expansion in the direction perpendicular to the fiber orientation direction can be changed within the range of 1 to 10 × 10 -6 / ° C. For this reason, it is possible to reduce the thermal stress on the joint surface when joined to a member having a different coefficient of thermal expansion such as ceramics, a semiconductor element, or a metal. Carbon fibers having a diameter of 10 μm or less, preferably 0.1 to 10 μm in length are used, and those oriented in one direction are preferable, and the content thereof is 10 to 80% by volume, preferably 20 to 60% by volume. Is. In addition, the strength is a 3-point bending strength of 10 kg / mm 2 or more, preferably 20 to 60 kg, with respect to the orientation direction of the carbon fiber.
It is about / mm 2 . (2) CFRC can also control the elastic modulus depending on the fiber orientation direction. Especially, the elastic modulus in the direction perpendicular to the fiber orientation direction is 3
Can be as small as GPa. For this reason, it is possible to reduce the thermal stress on the joint surface when joined to members having different coefficients of thermal expansion such as ceramics and metals.

【0020】したがって、CFRCの上記(1)(2)の作用によ
って、セラミックスと金属を接合した場合のセラミック
スの破壊を防止できる。 (3) CFRCの最も大きな特徴の一つは、繊維の配向方向を
制御することにより、CFRCにクラックが発生した場合で
もクラックの進展を抑制できるという点である。特に接
合面を繊維の配向方向に対して直角方向になるように配
置して接合することにより、熱膨張率の異なる部材の接
合面に平行方向に発生したクラックの進展を炭素繊維と
マトリックスとの界面でピン止めの効果により阻止でき
る。すなわち、熱応力に対し、炭素繊維の層間で大きな
熱応力やひずみを収容できる。したがって、板厚方向に
配向させた炭素繊維のためにクラックの進展は容易に阻
止され、品質に欠陥のない複合体を得ることができる。
Therefore, the effects of the above (1) and (2) of CFRC can prevent the destruction of ceramics when the ceramics and the metal are joined. (3) One of the greatest features of CFRC is that by controlling the fiber orientation direction, even if a crack occurs in CFRC, it is possible to suppress the progress of the crack. In particular, by arranging and joining the joint surface so as to be perpendicular to the orientation direction of the fibers, the progress of cracks generated in the parallel direction to the joint surfaces of the members having different thermal expansion coefficients is It can be prevented by the effect of pinning at the interface. That is, with respect to thermal stress, a large thermal stress or strain can be accommodated between the layers of carbon fibers. Therefore, due to the carbon fibers oriented in the plate thickness direction, the development of cracks is easily prevented, and a composite having no defect in quality can be obtained.

【0021】前記、クラックの進展を防止し得るCFRCの
特徴を半導体装置を適用することにより、半導体装置を
製造する過程及び稼働中にセラミックスや接合層に発生
する破壊を防止し、その品質に対して信頼性の高い半導
体装置を得ることができる。 (4) CFRCは繊維の配向方向の熱伝導率を銅と同等かそれ
以上に高くできる。したがって、CFRCをセラミックスや
金属等との接合面に対して繊維の配向方向が直角方向に
なるようにCFRCを配置することにより冷却特性の優れた
複合体を得ることができる。逆に繊維の配向方向を接合
面に対して平行になるようにCFRCを配置することによ
り、熱を遮蔽する複合体を得ることができる。
By applying the characteristics of CFRC which can prevent the development of cracks to the semiconductor device, it is possible to prevent the destruction of the ceramics and the bonding layer during the process of manufacturing the semiconductor device and during the operation, and to improve its quality. Therefore, a highly reliable semiconductor device can be obtained. (4) CFRC can increase the thermal conductivity in the fiber orientation direction to be equal to or higher than that of copper. Therefore, by arranging the CFRC so that the orientation direction of the fibers is at right angles to the joint surface with the ceramic or metal, a composite having excellent cooling characteristics can be obtained. On the contrary, by arranging the CFRC so that the orientation direction of the fibers is parallel to the joint surface, it is possible to obtain a composite that shields heat.

【0022】一方、前記、CFRCの特徴を半導体装置に配
置することにより、放熱特性に優れた半導体装置を得る
ことができる。すなわち、前述のごとく該CFRCを半導体
素子とセラミックス基板との間、または、セラミックス
基板と金属基板との間、あるいは半導体素子と金属基板
との間に接合面に対して繊維の配向方向が直角方向にな
るようにCFRCを配置することにより、半導体素子からの
熱を効率的に放散できる。これによって、半導体装置を
長時間使用した場合でも放熱特性を低下することなく、
高い品質信頼性を維持できる。 (5) CFRCの密度は、2g/cm3 (2×103kg/m3) 以下と小
さいため、従来のMo等を使用した複合体や半導体装置に
比べて軽量化が図れる。
On the other hand, by arranging the above-mentioned features of CFRC in the semiconductor device, it is possible to obtain a semiconductor device having excellent heat dissipation characteristics. That is, as described above, the CFRC is placed between the semiconductor element and the ceramic substrate, or between the ceramic substrate and the metal substrate, or between the semiconductor element and the metal substrate, in which the fiber orientation direction is perpendicular to the bonding surface. By arranging the CFRC so that, the heat from the semiconductor element can be efficiently dissipated. As a result, even when the semiconductor device is used for a long time, the heat dissipation characteristics are not deteriorated,
High quality reliability can be maintained. (5) Since the density of CFRC is as small as 2 g / cm 3 (2 × 10 3 kg / m 3 ) or less, it can be made lighter in weight than conventional composites and semiconductor devices using Mo or the like.

【0023】なお、本発明における半導体装置はA4サイ
ズ大の金属放熱板に名刺大のセラミックス板とCFRC板と
の組合せ複合板を複数枚搭載し、各々に複数の半導体素
子を搭載するパワー半導体装置に適用できる。かかる半
導体素子はセラミックス側に搭載するのが好ましい。
The semiconductor device according to the present invention is a power semiconductor device in which a plurality of combination composite plates of a business card size ceramic plate and a CFRC plate are mounted on an A4 size metal heat dissipation plate, and a plurality of semiconductor elements are mounted on each of them. Applicable to Such a semiconductor element is preferably mounted on the ceramic side.

【0024】[0024]

【発明の効果】本発明により、第一に、熱膨張率の異な
る部材を接合によって複合化した場合の変形及び破壊を
防止し、品質における信頼性の高い複合体を得ることが
できる。第二に、高温で安定で、かつ放熱特性に優れた
半導体装置を得ることができる。
According to the present invention, firstly, it is possible to prevent deformation and breakage when members having different thermal expansion coefficients are combined by joining to obtain a composite having high reliability in quality. Secondly, it is possible to obtain a semiconductor device which is stable at high temperature and has excellent heat dissipation characteristics.

【0025】[0025]

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。EXAMPLES Examples of the present invention will be described below.

【0026】[0026]

【実施例1】図1は、タングステンと銅との間にCFRCを
配置して接合される複合体の分解断面図である。図1に
おいて、1はタングステン、2は銅板、3はCFRC、4は
金属化層、5a及び5b はろう材を表している。
Example 1 FIG. 1 is an exploded cross-sectional view of a composite body in which CFRC is arranged and joined between tungsten and copper. In FIG. 1, 1 is tungsten, 2 is a copper plate, 3 is CFRC, 4 is a metallized layer, and 5a and 5b are brazing materials.

【0027】タングステン1は厚さ5mm・50mm角であ
り、銅板2は厚さ20mm・50mm角であり、CFRC3は厚さ3
mm・50mm角であり、かつその炭素繊維の配向方向が接合
面に対して直角になるように配置されている。本実施例
で使用したCFRC3の特性は表1に示した。
The tungsten 1 has a thickness of 5 mm and 50 mm square, the copper plate 2 has a thickness of 20 mm and 50 mm square, and the CFRC 3 has a thickness of 3.
It is a square of 50 mm and is arranged so that the orientation direction of the carbon fiber is perpendicular to the joint surface. The characteristics of CFRC3 used in this example are shown in Table 1.

【0028】[0028]

【表1】 [Table 1]

【0029】表中、X・Y・Zは、次記図2における炭
素繊維の配向方向を示したものである。なお、表1のCF
RCは直径7μm の炭素繊維をフェルト状に積層して製作
された。そして、図2は炭素繊維の配向方向を示したCF
RCの模式図である。この図2において、矢印はCFRCの炭
素繊維の配向方向を示すものである。金属化層4は、銀
ろう中に2容量%のチタンを添加したペースト状の組成
物により、真空炉中で850℃、3分間加熱する方法によ
り予めCFRC3の接合面に、100μmの厚さで形成されてい
る。ろう材5a 及び5b は、厚さ100μmの銀ろう箔であ
る。
In the table, X, Y, Z indicate the orientation directions of the carbon fibers in FIG. 2 below. The CF in Table 1
RC was manufactured by laminating carbon fibers with a diameter of 7 μm in a felt shape. And, FIG. 2 shows CF showing the orientation direction of carbon fiber.
It is a schematic diagram of RC. In FIG. 2, arrows indicate the orientation directions of CFRC carbon fibers. The metallized layer 4 was formed on the bonding surface of the CFRC 3 with a thickness of 100 μm in advance by a method of heating in a vacuum furnace at 850 ° C. for 3 minutes, using a paste-like composition in which 2% by volume of titanium was added to silver braze. Has been formed. The brazing materials 5a and 5b are silver brazing foils having a thickness of 100 μm.

【0030】各々の部材同士の接合は、真空炉中で 830
℃において3分間加熱して行なった。この方法により接
合されたタングステン−銅−CFRCの複合体についてせん
断試験を行なった結果、CFRCの強度と同等の強度の複合
体であることが判明した。なお、この実施例において、
タングステンの代りにモリブデンを用いた複合体につい
ても、上記のせん断試験において、同様の結果が得られ
た。
The respective members are joined together in a vacuum furnace.
Heating was carried out at 0 ° C. for 3 minutes. As a result of performing a shear test on the composite of tungsten-copper-CFRC joined by this method, it was found that the composite had a strength equivalent to that of CFRC. In this example,
Similar results were obtained in the above shear test for the composite using molybdenum instead of tungsten.

【0031】[0031]

【実施例2】図3は、当方性黒鉛と銅との間にCFRCを配
置して接合される複合体の分解断面図である。図3にお
いて、1は当方性黒鉛、2銅板、3はCFRC、4は金属化
層、5a 及び5b はろう材を表している。
Example 2 FIG. 3 is an exploded cross-sectional view of a composite body in which CFRC is arranged and bonded between isotropic graphite and copper. In FIG. 3, 1 is an isotropic graphite, 2 is a copper plate, 3 is CFRC, 4 is a metallized layer, 5a and 5b are brazing materials.

【0032】当方性黒鉛1は厚さ5mm・50mm角であり、
銅板2は厚さ20mm・50mm角であり、CFRC3は厚さ3mm・
50mm角でありかつその炭素繊維の配向方向が接合面に対
して直角になるよう配置されている。このCFRC3の特性
等は実施例1と同様である。金属化層4はチタン粉末を
有機溶材と混合したペースト状の組成物を予めCFRC3の
接合面に100μmの厚さで印刷形成したものである。ろう
材5a 及び5b は、厚さ100μmの銀ろう箔である。
The isotropic graphite 1 has a thickness of 5 mm and 50 mm square,
The copper plate 2 has a thickness of 20 mm and 50 mm square, and the CFRC 3 has a thickness of 3 mm and
The carbon fibers are 50 mm square and arranged so that the orientation direction of the carbon fibers is perpendicular to the joint surface. The characteristics and the like of this CFRC3 are the same as those in the first embodiment. The metallized layer 4 is formed by printing a paste-like composition in which titanium powder is mixed with an organic solution material on the bonding surface of the CFRC 3 in advance to a thickness of 100 μm. The brazing materials 5a and 5b are silver brazing foils having a thickness of 100 μm.

【0033】各々の部材同士の接合は、真空炉中で 830
℃において3分間加熱して行なった。この方法により接
合された複合体についてせん断試験を行なった結果、こ
の複合体はCFRCと同等の強度の複合体であることが判明
した。なお、この実施例において、銅板2の代りに炭化
ケイ素セラミックスを用いた複合体についても、上記の
せん断試験において、同様の結果が得られた。
The joining of the members is carried out in a vacuum furnace.
Heating was carried out at 0 ° C. for 3 minutes. As a result of a shear test on a composite joined by this method, it was found that this composite had a strength equivalent to that of CFRC. In addition, in this example, the same result was obtained in the above shear test for the composite body using the silicon carbide ceramics instead of the copper plate 2.

【0034】[0034]

【実施例3】図4は、シリコンチップとセラミックス基
板との間にCFRCを配置した場合の半導体装置の各々の部
品を示した接合前の分解断面図である。図4において、
3はCFRC、11はシリコンチップ、12はアルミナセラミッ
クス、13は金属支持板、14a〜14cは接合材、15は金属
化層を表している。
[Embodiment 3] FIG. 4 is an exploded cross-sectional view showing respective parts of a semiconductor device when CFRC is arranged between a silicon chip and a ceramic substrate before joining. In FIG.
3 is CFRC, 11 is a silicon chip, 12 is alumina ceramics, 13 is a metal support plate, 14a to 14c are bonding materials, and 15 is a metallized layer.

【0035】CFRC3の厚さは2mmで、両側面に予め接合
用の金属化層15が形成されている。この金属化層15の形
成方法は実施例1と同様である。またCFRC3は実施例1
と同じ特性のものを使用し、炭素繊維の配向方向は、接
合面に対して直角方向になるように配置した、金属支持
板13としては銅板を用いた。接合材14aは、融点が310
℃の95鉛−5すず (wt%) はんだ、接合材14b及び14c
は、融点が 183℃の63すず−37鉛 (wt%) のはんだであ
る。従って、接合の順序は、シリコンチップ11とCFRC3
が接合材14aによって最初に接合され、次に接合材14b
及び14cによって、CFRC3−アルミナセラミックス12−
銅支持板13が同時に接合される。
The CFRC 3 has a thickness of 2 mm and has metallization layers 15 for bonding formed on both side surfaces thereof in advance. The method for forming the metallized layer 15 is the same as in the first embodiment. CFRC3 is the first embodiment
A copper plate was used as the metal supporting plate 13, which had the same characteristics as the above, and was arranged so that the orientation direction of the carbon fibers was perpendicular to the joint surface. The bonding material 14a has a melting point of 310.
95 ℃ Lead-5tin (wt%) solder, bonding materials 14b and 14c
Is a 63 tin-37 lead (wt%) solder with a melting point of 183 ° C. Therefore, the order of joining is silicon chip 11 and CFRC3.
Are first bonded by the bonding material 14a, and then the bonding material 14b
CFRC3-alumina ceramics 12-
The copper support plate 13 is simultaneously joined.

【0036】上記構造の半導体装置について、パワーサ
イクル試験を行なった結果、50000サイクル以上まで熱
抵抗の変化が見られず、従来の構造に比較して、約5倍
以上の品質信頼性が確保された。なお、この実施例にお
いて、接合材14bに銀ろうとして銀ろうを用い、CFRC3
とアルミナセラミックス12とをろう付け後、14a及び14
cをはんだ材によって接合した場合も同様に従来品に比
し約5倍以上の品質信頼性が確保されることが証明され
た。
The semiconductor device having the above structure was subjected to a power cycle test, and as a result, no change in thermal resistance was observed up to 50000 cycles or more, and about 5 times or more quality reliability was secured as compared with the conventional structure. It was In this example, silver brazing was used as the brazing material 14b, and the CFRC3
14a and 14 after brazing aluminum and alumina ceramics 12
It was also proved that the quality reliability of about 5 times or more as compared with the conventional product is secured when c is joined by the solder material.

【0037】[0037]

【実施例4】図5は、シリコンチップとアルミナセラミ
ックス基板並びにアルミナセラミックス基板と金属支持
板との間にCFRCが配置されている半導体装置の各々の部
品を示した接合前の分解断面図である。図5において、
3a 及び3b はCFRC、11はシリコンチップ、12はアルミ
ナセラミックス、13は金属支持板、14a〜14dは接合
材、15は金属化層を示している。
[Embodiment 4] FIG. 5 is an exploded cross-sectional view showing respective parts of a semiconductor device in which a CFRC is arranged between a silicon chip and an alumina ceramics substrate and between an alumina ceramics substrate and a metal supporting plate before joining. .. In FIG.
3a and 3b are CFRC, 11 is a silicon chip, 12 is an alumina ceramics, 13 is a metal support plate, 14a to 14d are bonding materials, and 15 is a metallized layer.

【0038】CFRC3a 及び3b の厚さは3mmで、この一
側面には予め接合用の金属化層15が形成されている。こ
の金属化層15の形成方法は実施例1と同様である。ま
た、CFRC3a 及び3b は実施例1と同じ特性のものを使
用し、炭素繊維の配向方向は、接合面に対して直角方向
になるように配置した。金属支持板13としては、銅板を
使用した。本実施例における接合材14aは、融点が 280
℃の1.5銀−5すず−93.5鉛 (wt%) はんだ、14b及び
14cは融点が 780℃の銀ろう、3d は融点が 183℃の63
すず−37鉛 (wt%) のはんだである。従って、接合の順
序は、接合材14b及び14cによって、アルミナセラミッ
クス12の両面にCFRC3a 及び3b がろう付される。次い
で、シリコンチップ11が接合材14aによって、CFRC3a
の所定の位置にはんだ付される。最後に接合材14dによ
ってCFRC3b は金属支持板13にはんだ付される。
The CFRCs 3a and 3b have a thickness of 3 mm, and a metallization layer 15 for bonding is previously formed on one side surface thereof. The method for forming the metallized layer 15 is the same as in the first embodiment. Further, CFRCs 3a and 3b having the same characteristics as in Example 1 were used, and the carbon fibers were arranged so that the orientation direction thereof was perpendicular to the joint surface. A copper plate was used as the metal supporting plate 13. The bonding material 14a in this embodiment has a melting point of 280
C. 1.5 silver-5 tin-93.5 lead (wt%) solder, 14b and
14c is a silver solder with a melting point of 780 ° C, and 3d is 63 with a melting point of 183 ° C.
Tin-37 Lead (wt%) solder. Therefore, as for the order of joining, CFRCs 3a and 3b are brazed to both surfaces of the alumina ceramic 12 by the joining materials 14b and 14c. Then, the silicon chip 11 is bonded to the CFRC 3a by the bonding material 14a.
Is soldered in place. Finally, the CFRC 3b is soldered to the metal supporting plate 13 by the joining material 14d.

【0039】上記構造の半導体装置において、パワーサ
イクル試験を行なった結果、50000サイクル以上まで電
気抵抗の変化が見られず、従来の構造に比較して、約5
倍以上の品質信頼性が確保された。なお、この実施例に
おいて、接合材14dに銀ろうを用い、予めCFRC3b と金
属支持板13をろう付後、接合材14a、14b、及び14cに
はんだを用いて接合しても同様の結果が得られた。
The semiconductor device having the above structure was subjected to a power cycle test, and as a result, no change in electric resistance was observed up to 50,000 cycles or more, which was about 5 times that of the conventional structure.
The quality reliability is more than doubled. In this embodiment, the same result can be obtained by using silver solder for the joining material 14d, brazing the CFRC 3b and the metal support plate 13 in advance, and then joining the joining materials 14a, 14b, and 14c with solder. Was given.

【0040】[0040]

【実施例5】図6は、セラミックス基板と金属支持板と
の間にCFRCが配置されている半導体装置の各々の部品を
示した接合前の分解断面図である。図6において、3は
CFRC、11はシリコンチップ、12はAINセラミックス、13
は金属支持板、14a〜14cはろう材、15は金属化層を表
している。
[Embodiment 5] FIG. 6 is an exploded cross-sectional view showing respective parts of a semiconductor device in which a CFRC is arranged between a ceramic substrate and a metal supporting plate before joining. In FIG. 6, 3 is
CFRC, 11 is a silicon chip, 12 is AIN ceramics, 13
Is a metal support plate, 14a to 14c are brazing filler metals, and 15 is a metallized layer.

【0041】CFRC3の厚さは5mmで、両側面に予め接合
用の金属化層15が形成されている。この金属化層15の厚
さは1μm で蒸着法により、CFRC3側からチタン−鉛−
ニッケルの順で形成した。また、CFRC3は表2に示す特
性のものを用い、炭素繊維の配向方向が接合面に対して
直角方向になるように配置した。
The CFRC 3 has a thickness of 5 mm and has metallization layers 15 for bonding formed on both side surfaces thereof in advance. The metallized layer 15 has a thickness of 1 μm and is formed by a vapor deposition method from the CFRC3 side to titanium-lead-
It was formed in the order of nickel. Further, CFRC3 having the characteristics shown in Table 2 was used, and the CFRC3 was arranged so that the orientation direction of the carbon fibers was perpendicular to the joint surface.

【0042】[0042]

【表2】 [Table 2]

【0043】なお、表2においてX・Y・Zは、前記表
1と同様である。また、CFRCは直径10μm の炭素繊維を
一方向に配向し、これをピッチ系の熱可塑性樹脂で含浸
して炭素化することにより製作したものである。AINセ
ラミックス12は、熱伝導率が400W/m・K である。金属支
持板13としては銅板を用いた。接合材14aは、融点が31
0℃の95銅−5すず (wt%) はんだ、14bは融点が 183
℃の63すず−37鉛 (wt%) はんだ、3c は融点が 780℃
の銀ろうである。従って、接合の順序は、シリコンチッ
プ1は接合材14aによってAINセラミックス12に、CFRC
3は接合材14cによって金属支持板13に別々に接合され
る。最後に接合材14bによってAINセラミックス12とCFR
C3が接合させる。
In Table 2, X, Y and Z are the same as in Table 1 above. The CFRC is manufactured by orienting carbon fibers having a diameter of 10 μm in one direction and impregnating them with a pitch-based thermoplastic resin to carbonize them. AIN ceramics 12 has a thermal conductivity of 400 W / m · K. A copper plate was used as the metal supporting plate 13. The bonding material 14a has a melting point of 31.
95 ° C-5 tin (wt%) solder at 0 ° C, 14b has a melting point of 183
63-37 Lead (wt%) solder at 3 ° C, 3c has a melting point of 780 ° C
It is silver wax. Therefore, the order of bonding is that the silicon chip 1 is bonded to the AIN ceramics 12 by the bonding material 14a, the CFRC
3 are separately bonded to the metal supporting plate 13 by a bonding material 14c. Finally, the AIN ceramics 12 and CFR are bonded by the bonding material 14b.
C3 joins.

【0044】上記構造の半導体装置について、パワーサ
イクル試験を行なった結果、50000サイクル以上まで電
気抵抗の変化が見られず、従来の構造に比較して、約5
倍以上の品質信頼性が確保された。なお、この実施例に
おいて、 AINセラミックス12と接合材14bを省略し、シ
リコンチップ11と金属支持板13とCFRC3とを介して、接
合材14a及び14cによって接合した場合も同様の結果が
得られた。
The semiconductor device having the above structure was subjected to a power cycle test, and as a result, no change in electric resistance was observed up to 50,000 cycles or more, which was about 5 times that of the conventional structure.
The quality reliability is more than doubled. In this embodiment, the same result was obtained when the AIN ceramics 12 and the bonding material 14b were omitted and the bonding was carried out by the bonding materials 14a and 14c through the silicon chip 11, the metal supporting plate 13 and the CFRC3. ..

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】実施例1に示す複合体の分解断面図である。FIG. 1 is an exploded cross-sectional view of a composite body shown in Example 1.

【図2】炭素繊維の配向方向を示したCFRCの模式図であ
る。
FIG. 2 is a schematic diagram of CFRC showing the orientation direction of carbon fibers.

【図3】実施例2に示す複合体の分解断面図である。FIG. 3 is an exploded cross-sectional view of the complex shown in Example 2.

【図4】実施例3に示す半導体装置の分解断面図であ
る。
FIG. 4 is an exploded sectional view of a semiconductor device shown in a third embodiment.

【図5】実施例4に示す半導体装置の分解断面図であ
る。
FIG. 5 is an exploded sectional view of a semiconductor device shown in a fourth embodiment.

【図6】実施例5に示す半導体装置の分解断面図であ
る。
FIG. 6 is an exploded sectional view of a semiconductor device shown in a fifth embodiment.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体素子が搭載されたセラミック基板
と、これを支持する金属支持板とを有する半導体装置に
おいて、当該セラミックス基板と金属支持板との間、又
は半導体素子とセラミックス基板との間の少なくともい
ずれか一方に、炭素繊維強化炭素複合材を配置して構成
されていることを特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor device having a ceramic substrate on which a semiconductor element is mounted and a metal supporting plate supporting the ceramic substrate, wherein the ceramic substrate and the metal supporting plate are disposed between the semiconductor device and the ceramic substrate. A semiconductor device comprising a carbon fiber reinforced carbon composite material disposed on at least one of them.
【請求項2】 半導体素子と金属支持板との間に、炭素
繊維強化複合材が配置して構成されていることを特徴と
する半導体装置。
2. A semiconductor device comprising a carbon fiber reinforced composite material disposed between a semiconductor element and a metal support plate.
【請求項3】 請求項1又は請求項2記載の炭素繊維強
化複合材の表面に、接合用の金属化層が形成されている
ことを特徴とする半導体装置。
3. A semiconductor device, wherein a metallization layer for bonding is formed on the surface of the carbon fiber reinforced composite material according to claim 1 or 2.
【請求項4】 半導体装置が搭載されたセラミック基板
と、これを支持する金属支持板とを有する半導体装置に
おいて、当該セラミック基板と金属支持板との間、又は
半導体素子とセラミック基板との間の少なくともいずれ
か一方に配置した炭素繊維強化炭素複合材の炭素繊維の
配向方向が、接合面に対して直角になるように配置して
構成されていることを特徴とする半導体装置。
4. A semiconductor device having a ceramic substrate on which a semiconductor device is mounted and a metal supporting plate for supporting the semiconductor substrate, wherein the ceramic substrate and the metal supporting plate are disposed between the semiconductor element and the ceramic substrate. A semiconductor device, characterized in that the carbon fibers of the carbon fiber reinforced carbon composite material arranged in at least one of them are arranged so that the orientation direction of the carbon fibers is perpendicular to the joint surface.
【請求項5】 炭素繊維強化炭素複合材の表面が、ガラ
ス状のカーボン膜又は金属膜によって覆われていること
を特徴とする請求項1、請求項2、請求項3、又は請求
項4記載の半導体装置。
5. The carbon fiber reinforced carbon composite material as claimed in claim 1, wherein the surface of the carbon fiber reinforced carbon composite material is covered with a glassy carbon film or a metal film. Semiconductor device.
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