JPH06140446A

JPH06140446A - 半導体装置及びそれを用いた電子装置

Info

Publication number: JPH06140446A
Application number: JP4194252A
Authority: JP
Inventors: Yasutoshi Kurihara; 保敏栗原; Shigeru Takahashi; 茂高橋; Tsutomu Yao; 勉八尾
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-07-21
Filing date: 1992-07-21
Publication date: 1994-05-20

Abstract

(57)【要約】【目的】熱歪や破壊、変質がなく信頼性の高い半導体
装置及び信頼性や性能の優れた電子装置を提供するこ
と。【構成】半導体基体１０１、１０１’を直接搭載する
導電性部材１０として、炭素を主体として、これに金属
と、セラミックスの少なくとも一方を含む複合炭素焼結
体１００を用い、これにより、電気的に活性な領域にあ
って導電機能、熱伝導路にあって熱中継もしくは熱流拡
大の機能、そして半導体基体もしくは絶縁部材との間の
熱応力を緩和する機能を兼備するようにしたもの。【効果】支持板温度４０〜１００℃の間欠通電サイク
ル３０,０００回に耐え得る長寿命を得ることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、導電性部材の表面に半
導体基体を搭載した半導体装置及びそれを用いた電子装
置に係り、特に、ある程度大きな電力を扱う半導体回路
に好適な半導体装置及びそれを用いた電子装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、非絶縁型半導体装置においては、
半導体素子基体を支持する部材が電極の一部を兼ねてい
る場合が多かった。例えば、 (1) 有野靖三ほか２名による“半導体アセンブリ用ソル
ダー”電子技術Ｖol.２３，Ｎo.７，８８〜９８頁
(１９８１年) には、パワートランジスタチップを、Ｐｂ−Ｓｎ又はＰ
ｂ−Ｉｎソルダーを介して銅ベース上に一体化搭載した
パワートランジスタ装置が示されている。この先行技術
例において、銅ベースはトランジスタのコレクタ電極を
兼ねた支持部材である。

【０００３】ところで、このようなパワー半導体装置で
は、数アンペア以上のコレクタ電流が流れるが、この
際、トランジスタチップは、その内部でかなり発熱す
る。そこで、この発熱に起因する特性の不安定性や寿命
の劣化を避けるため、銅ベースが熱放散のための部材を
兼ねるようになっている。

【０００４】次に、 (2) 笹田従道ほか１名による“電力用ＩＧＢＴ”東芝レ
ビューＶol.４３，Ｎo.４，３３６〜３３８頁(１９
８８年) には、高耐圧化(１０００Ｖ)され、５０Ａものコレクタ
電流を流すことが可能なＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipo
lar Transistor)チップが示されているが、このよう
に、更に大容量化されたＩＧＢＴチップを、上記(1) の
場合と同様に、銅ベースに直接はんだ付け搭載した場合
は、熱放散中継部材としての銅ベースの役割は一層重要
になる。

【０００５】一方、半導体装置の全ての電極を金属支持
部材から電気的に絶縁し、もって半導体装置の回路適用
上の自由度を増すことのできる構造の装置も知られてお
り、例えば、 (3) 岩田伸一ほか３名による“大電力絶縁基板への窒化
アルミニウムの応用”第３回マイクロエレクトロニクス
シンポジウム論文集１５〜１８頁(１９８９年) には、金属支持部材上に、厚付け銅めっき(１００μｍ)
により導体領域が形成された窒化アルミニウム(ＡｌＮ)
基板を設け、この基板に絶縁部材を介して６００Ｖ，３
０Ａクラスの高周波ＳＩＴチップを搭載した絶縁型半導
体装置が示されている。

【０００６】この半導体装置においては、全ての電極は
ＡｌＮ基板により金属支持部材を含む全てのパッケージ
部材から絶縁されて外部へ引き出される。そのために、
一対の主電極が回路上の接地電位から浮いている使用例
であっても、電極電位とは無関係にパッケージを接地電
位部に固定できるので、半導体装置の実装が容易にな
る。

【０００７】さらに、混成集積回路装置、或いは半導体
モジュール装置では、一般に半導体素子を含む、まとま
った電気回路が組み込まれるため、その回路の少なくと
も一部とこれらの装置の支持部材、或いは放熱部材等の
金属部とを電気的に絶縁する必要がある。そこで、例え
ば (4) 杉浦康之ほか１名による“窒化アルミニウム基板実
装応用製品”東芝レビューＶol.４４，Ｎo.８，６２
６〜６２９頁(１９８９年）には、両面に銅板が接合された窒化アルミニウム基板上
に、チップサイズ１０〜２０ｍｍ角のＩＧＢＴチップを
複数個搭載し、窒化アルミニウム基板を金属支持部材上
に搭載したパワーモジュール装置が示されている。

【０００８】この銅板接合窒化アルミニウム基板は、半
導体素子又は電気回路を金属支持部材から電気的に絶縁
すると共に、半導体素子から冷却フィンなどに至る熱流
路を形成し、その放熱を助ける役割を担う。また、上記
基板は熱膨張率が小さく、半導体素子を特別な熱膨張緩
和材（例えば、ＭｏやＷ板)を用いずに搭載できるた
め、この基板によれば、パワーモジュールの部品点数を
削減できる。

【０００９】他方、上記パワーモジュール装置と同様の
機能を持つものとして、例えば、 (5) 杉浦康之ほか２名による“半導体・通信用ＤＢＣ基
板”電子材料Ｖol.４４，No.５，６５〜６９頁(１９
８９年) には、熱膨張緩衝材となるＭｏ板を介して銅板に搭載し
たＳｉチップからなるアッセンブリを、Ｍｏメタライズ
層を形成した後Ｎｉめっきを施したアルミナ基板を介し
て、銅支持部材と一体化したパワーモジュール装置が示
されている。

【００１０】このように、熱伝導性が窒化アルミニウム
より劣るアルミナ基板を絶縁体として用いた場合は、モ
ジュール装置全体としての熱伝達効率を補完するため、
発熱の著しい半導体基体から絶縁基板に至る熱流路に銅
板の如き高熱伝導性部材を熱拡散板として配置する必要
があり、従って、上記アッセンブリにおける銅板は、こ
のような役割を担っており、さらにモジュール装置の主
電流路を形成する役割を担っている。しかし、銅板は熱
膨張率が大きいため、半導体素子の搭載に当ってはＭｏ
やＷ等の熱膨張緩和材を設けることが必要である。

【００１１】ところで、これらのパワーモジュール装置
では、金属支持部材上に無機質の絶縁体を配置し、この
絶縁体上に所定の電気回路を組み立てることにより、上
述の絶縁を達成しており、従って、このようなモジュー
ル装置も、また、絶縁型半導体装置である。

【００１２】このような絶縁型半導体装置においても、
半導体素子を安全かつ安定に動作させるためには、半導
体装置の動作時に発生する熱をパッケージの外へ効率良
く放散させる必要があるが、この熱放散は通常、発熱源
である半導体基体から、これに接着された各部材を通じ
て気中へ熱伝達させることで達成される。そして絶縁型
半導体装置では、この熱伝達経路中に絶縁体及び絶縁体
と半導体基体を接着する部分等に用いられた接着材層を
含むことになっている。

【００１３】さらに、半導体装置を含む回路の扱う電力
が高くなるほど、或いは要求される信頼性(経時的安定
性、耐湿性、耐熱性等)が高くなるほど、完全な絶縁性
が要求される。上述の耐熱性には、半導体装置の周囲温
度が外因により上昇した場合のほか、半導体装置の扱う
電力が大きく、半導体基体で発生する熱が大きくなった
場合の耐熱性も含む。

【００１４】ここで、本発明に関連する半導体素子の実
装技術分野においては、以下の従来技術が存在する。

【００１５】(6) 特開昭５２−１３５６７８号公報これには、アルミナセラミックス容器に内装された抵抗
値１.１×１０~ ³Ω・ｃｍのパイロリティックグラファ
イトに半導体素子をろう付けし、アルミナ容器を銅放熱
体にろう付けした半導体装置が開示されている。

【００１６】(7) 特公昭６１−６１６８１号公報これには、チタン酸バリウム半導体をグラファイトシー
トを介して金属基板に圧接する正特性磁器半導体の製造
方法が示されている。

【００１７】(8) 特開平２−９４６５２号公報これには、ＷやＭｏの薄板を窒化アルミニウム絶縁板を
介して黒鉛ヒートシンクへろう付けした半導体装置用基
板についての開示がある。

【００１８】(9) 特開平２−９８１６２号公報これには、ＳｉＣを被覆したグラファイトに半導体素子
を搭載する半導体パッケージが開示されている。

【００１９】(10) 特開昭５８−１５７１４４号公報これには、グラファイト基板に半導体素子を搭載したパ
ワー半導体素子が開示されている。

【００２０】これら(6)〜(10)の各従来技術では、炭素
部材は半導体基体を直接又は間接に搭載するものである
が、しかし、電気的に活性な領域に用いられるものにつ
いては開示していない。また、(7)では、炭素部材が電
気的に活性な領域に用いられてはいるが、熱流を拡大し
て外部へ放散する機能を有していない。

【００２１】さらに、 (11) 特開昭５８−３２４２３号には、銅マトリックス中に炭素繊維を埋設した複合体を
介して、半導体チップを銅フィンにろう付けした半導体
装置が開示されている。しかし、この従来技術における
複合体は、銅の持つ利点を残しつつ物性を改善したもの
であるが、主体が金属銅であって、炭素の物性をより積
極的に活用したものではない。これに開示された複合体
又は同類の複合体は、後述する理由により、炭素焼結体
をマトリックスとする本発明とは関係がない。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】非絶縁型半導体装置で
も、絶縁型半導体装置でも扱う電力が小さいなどの理由
により、内部での発熱が比較的小さく、かつ要求される
信頼性がさほど高くない場合には、接着材層、絶縁基板
としてどのようなものを用いても問題はない。しかし、
発熱が大きい場合や信頼性に対する要求が高い場合に
は、絶縁基板としてセラミックスのような無機質材料が
選択される。また、接着材層としても、例えばＰｂ−Ｓ
ｎ系はんだ材のような金属ろうが選択される。有機材料
は耐熱性や信頼性の点でこれらの材料より劣るからであ
る。

【００２３】しかして、これらの場合、次のような解決
すべき問題点があった。一般に、非絶縁型半導体装置で
は半導体基体は金属支持板に直接ろうつ付け搭載され
る。この金属板としては、銅等の低抵抗(１.７×１０~
⁶Ω・ｃｍ)、かつ高熱伝導率(４０３Ｗ／ｍ・Ｋ)のもの
が選ばれる。ところが、この金属などの熱膨張率(１６.
７×１０~ ⁶／℃)は、半導体基体のそれ(Ｓｉ：３.５×
１０~ ⁶／℃)とは大幅に異なる。

【００２４】また、絶縁型半導体装置では、半導体基体
は絶縁基板に直接ではなく、半導体基体と外部の電源と
を結ぶ導電路及び半導体基体からの熱を絶縁基板に効率
的に伝える熱伝導路としての金属板(熱拡散板)を介して
取付けられる。この金属板としても、一般に上述と同様
の理由から銅等が用いられる。この場合も、金属板と半
導体基体及び絶縁基板(アルミナ：６.３×１０~ ⁶／
℃，ＡｌＮ：４.３×１０~ ⁶／℃)との間の熱膨張率差
は極めて大きい。

【００２５】この結果、この熱膨張率差により、非絶縁
型半導体装置の場合には半導体基体と金属支持板をろう
付けした時、そして絶縁型半導体装置の場合には半導体
基体や絶縁基板を金属板にろう付けした時に生じる。即
ち、この場合には、ろう材を介装した半導体基体と金属
支持板の積層体又はろう材を介装した絶縁基板、金属
板、半導体基体の積層体を、ろう材の融点以上に加熱し
た後室温まで冷却する過程により各部材の一体化が図ら
れるが、各部材はろう材の凝固点で互いに固定される。
その後は凝固したろう材により固定されたまま、各部材
固有の熱膨張率に従って収縮してゆく。

【００２６】この際、上述の熱膨張率差によって各部材
の収縮量が異なり、各部材の接着部に熱応力及び熱歪が
残留してしまう。これらの応力や歪は、それらが或る程
度以下のときは、最も軟らかい部材であるろう材層で吸
収することができるが、吸収しきれない場合は接着部、
したがって接着された各部材が変形するに至る。このと
き、パワー半導体基体は一般にそのサイズが大きく、ま
た、パワーモジュール装置では一般に複数の半導体基体
や他の素子が搭載されるので、上述の絶縁基板の面積や
ろう付け面積も大きくなり、各部材の変形が起きやす
い。そして特に半導体基体の変形は、半導体装置の電気
的特性を損なうとともに、機械的に脆い性質を有する半
導体基体を破損させる虞れを生ずるほか、絶縁型半導体
装置にあっては、やはり機械的に脆い性質を有する絶縁
基板を破損させてしまう虞れを生じてしまう。これが第
１の問題点である。

【００２７】問題点の第２は、上述の熱膨張率差によ
り、絶縁型半導体装置の場合、半導体基体や絶縁基板を
金属板にろう付けしたアッセンブリを金属支持部材にろ
う付けした時に生じる。一般には、金属支持部材から半
導体基体に至る一連の積層構成物は、一度のろう付け工
程だけで全体を一体化するのではない。また、絶縁型半
導体装置では複数個の素子が搭載されて所定の電気回路
機能を有するが、この回路が高機能化されたものである
ほど搭載素子も多く、ろう付け不良による歩留まり低下
の確率も高くなる。

【００２８】したがって、これを避けるため、所定の性
能を維持している上述のアッセンブリを選択した後、金
属支持部材へのろう付け搭載がなされる。この際、アッ
センブリは、大容量かつ高機能で、サイズが大きいもの
ほど変形されている。そしてこのように変形の著しいア
ッセンブリを金属支持部材へのろう付けした場合は、接
着層、即ちろう層に空隙が発生し易く、この空隙が半導
体基体から外気に至る主要な放熱路に含まれている場合
は、放熱路の熱抵抗を著しく増大させることとなり、半
導体装置としての所定の性能と信頼性を確保するのに重
大な障害となってしまう。これが第２の問題点である。

【００２９】問題点の第３は、非絶縁型及び絶縁型半導
体装置の使用時に生ずる。即ち、半導体装置の通電、休
止動作に伴って、上述のろう付け接着部には高温状態
(例えば、１００〜１５０℃)と低温状態(周囲温度)が繰
返し与えられる。このようなヒートサイクル(高温−低
温の繰返し)毎に、各部材はそれらの固有の熱膨張率に
従って膨張、収縮を繰返す。各部材は互いに固定されて
いるから、各部材の熱膨張率の違いに基づく膨張、収縮
量の差は、最も軟らかい部材であるろう材層(接着層)に
加わり、熱歪となって現われる。そして、ヒートサイク
ル数が多くなると、ろう材層は引張り歪、圧縮歪の周期
的かつ度重なる印加により、次第に脆くなり、ついには
熱疲労現象により破損するに至る。例えば、ろう材層に
クラックが生じ、接着力の低下、電気及び熱伝導性の低
下を引き起こす。そして、このような現象は、ろう材層
の露出端面において顕著である。

【００３０】さらにパワー半導体基体は、一般にそのサ
イズが大きいためろう付け面積も大きく、また、パワー
モジュール装置では、絶縁基板の面積やろう付け面積も
更に大きくなるため、上述の熱疲労現象が促進されやす
い。これが第３の問題点である。

【００３１】問題点の第４は、大容量化かつ高機能化さ
れた半導体装置になるほど、非絶縁型半導体装置にあっ
ては金属支持部材上に設けられる絶縁端子部において生
じ、また、絶縁型半導体装置にあってはアッセンブリの
金属板上に設けられる絶縁端子部において生ずる。例え
ば、半導体基体がトランジスタやＩＧＢＴの場合はエミ
ッタ端子はコレクタ電極から絶縁されていなければなら
ず、この端子は非絶縁型半導体装置にあっては金属支持
部材上そして絶縁型半導体装置にあってはアッセンブリ
の金属板上に、絶縁部材としてのアルミナ条片板を介し
てろう付け搭載される。この条片板は電流容量確保の必
要性から、多数の金属ワイヤをボンディングできるスペ
ースを有していなければならず、条片板のサイズ、従っ
てろう付け面積も大きくなる。この場合もまた、第１の
問題点と同様の理由により、条片板の変形を生ずること
となり、機械的に脆い性質を有する条片板の破損とエミ
ッタ−コレクタ間の絶縁性の低下を招く。これが第４の
問題点である。

【００３２】上述の第１の問題点、特に半導体基体に加
わる応力を緩和するために、半導体基体と導電、導熱の
ための金属板との間に、導電、導熱には若干劣るが、熱
膨張率が半導体基体のそれに近似した金属片、例えばモ
リブデン片(５.６×１０~ ⁶Ω・ｃｍ，１３９Ｗ／ｍ・
Ｋ，５.３×１０~ ⁶／℃)を介装させることが知られて
いる。しかし、このような対策は、半導体基体の劣化防
止には役立つものの、その他の部材の変形防止には効果
がない。さらに第２〜４の問題の解決に対しては無力で
ある。

【００３３】また、モリブデン片と銅部材との間の熱膨
張率差は、この部分の変形やろう付け層の熱疲労にとっ
て重要な問題点を含む。例えば、この間を融点が低く、
軟らかいＰｂ−Ｓｎ系ろう材で接着した場合は、接着部
の変形は許容できる量であっても、第３の問題点で指摘
した場合と同様、モリブデン片−銅部材間の熱疲労破壊
を生じる。また、融点が高く、硬いＡｇ−Ｃｕ系ろう材
で接着した場合は、接着部の熱疲労破壊防止には効果的
であるが、モリブデン片−銅部材間の変形は著しく、第
２及び４の問題点を新たに生じる。

【００３４】特に、第２の問題を避けるためには、あら
かじめモリブデン片と銅部材をＡｇ−Ｃｕ系ろう材で接
着した後、少なくとも絶縁基板と接着される面を平坦化
しておく必要を生じ、さらに部品点数の増加、ろう付け
部分の増加、工数の増加を招き、コスト、熱放散性の点
でも問題点を生む。

【００３５】また、従来技術(4)に示されているよう
に、両面に銅板があらかじめ接合された窒化アルミニウ
ム基板(４.３×１０~ ⁶／℃)上に半導体基体を搭載した
ものでは、半導体基体を搭載した直下の銅板が主導電路
としての役割と共に熱拡散板としての役割を担うことに
なる。しかし、一般的にこの銅板は１００〜３００μｍ
程度の厚さのものに限定される。この理由は、上述した
ように銅と窒化アルミニウムは熱膨張率が大幅に異な
り、銅板が厚くなると接合部の残留応力や変形が著しく
大きくなるからである。

【００３６】しかして、熱拡散板としての銅板が上述の
程度の厚さに限られると、著しい発熱を伴う半導体基体
を搭載する場合には、その熱流路を銅板の主平面方向に
広げる、熱拡散板としての効果があまり得られない。他
方、この種の絶縁基板としては、両面に銅板があらかじ
め接合されたアルミナ基板(６.３×１０~ ⁶／℃)も一般
的であるが、熱拡散板としての効果が薄れる点では窒化
アルミニウム基板の場合と同様である。

【００３７】熱拡散板としての金属板の効果を積極的に
引き出すためには、その厚さを大きくする必要があり、
この点らすれば、従来技術(5)の手法におけるアルミナ
を窒化アルミニウム基板に置き換えることが考えられ
る。しかし、この場合でも、上述した第１〜４の問題点
はそのまま残るだけでなく、モリブデン片等の熱膨張緩
和材を用いることが必須となる。

【００３８】さらに、上記従来技術(6)〜(10)に開示さ
れた炭素部材を適用した場合であっても、上述した第２
〜４の全ての問題点を解決することはできない。

【００３９】本発明の目的は、上述の問題点を解決し、
製造時あるいは運転時に生ずる熱歪を軽減し、各部材の
変形、変性、或いは破壊の虞れがなく信頼性の高い非絶
縁型又は絶縁型の半導体装置を提供することにある。

【００４０】また、本発明の他の目的は、運転時の性能
及び信頼性の高い、半導体装置が組み込まれた電子装置
を提供することにある。

【００４１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、複合炭素焼
体からなる導電性部材を用い、これに半導体基体を直接
搭載することによって、電気的に活性な領域における導
電材の役割と半導体基体の発する熱を中継したり熱流を
拡大したりする役割、そして、半導体基体又は無機質絶
縁部材との熱膨張率差を整合する役割の全ての役割を兼
備させることにより達成される。

【００４２】本発明において言う導電性部材とは、炭素
と炭素以外の物質との複合炭素焼結体を母材とし、この
焼結体の少なくとも半導体素子基体を搭載する部分に金
属化が施されたものを言う。

【００４３】ここで、まず、通常の炭素焼結体(本発明
における複合炭素焼結体ではない)について説明する
と、これは、例えば炭素粉末と有機バインダーからなる
組成物を成形した後、約４００℃まで空気中で焼成して
有機バインダー成分を炭化又は飛散除去し、その後、窒
素中で約２０００℃に加熱して得られる。そして、この
ようにして得られた純度９９％、密度１.８ｇ／ｃｍ³の
炭素焼結体の典型例では、熱膨張率：４.３×１０~ ⁶／
℃，熱伝導率：２３０Ｗ／ｍ・Ｋで、電気抵抗率：約１
００×１０~ ⁶Ω・ｃｍである。

【００４４】一般に、このような炭素焼結体は、可及的
緻密で、熱伝導性や電気伝導性を阻害する物質を含まな
いことが望ましい。例えば、炭素焼結体の密度が密度
１.６ｇ／ｃｍ³の場合と、同１.７５ｇ／ｃｍ³の場合を
比較すると、前者の熱伝導率は後者の０.７倍になり、
従って、密度は１.６５ｇ／ｃｍ³以上が望ましい。

【００４５】また、炭素焼結体中に不純物として鉄が２
ｗｔ％含まれた場合は、それが１ｗｔ％の場合に比べ熱
伝導率は約０.７倍、そして電気抵抗率は１.３倍とな
る。炭素焼結体の熱伝導性や電気伝導性を阻害するよう
に作用する物質としては、上述の鉄のほか、アンチモ
ン、クロム、水銀、酸素、鉛、ビスマス、タンタル、白
金、マンガンが挙げられる。

【００４６】逆に、熱伝導性や電気伝導性の観点で阻害
要因にならない物質としては、銅、銀、アルミニウム、
金、インジウム、カドミウム、タングステン、ニッケ
ル、モリブデン、マグネシウム、ベリリウム、イリジウ
ム、パラジウム、ロジウム等が挙げられる。この場合で
も、これらの金属は酸化物の形で含まれることは避ける
ことが望ましい。

【００４７】一般に、このような炭素焼結体に緻密性が
要求される第２の理由は、炭素それ自身だけでは極めて
吸着性の強い物質であることに由来する。焼結体に揮発
性物質が吸着されると、後述の金属化の際の熱処理段階
で吸着物質を放出し、金属化層の品質を損なうばかりで
なく、半導体装置を組み込む際のろう付け処理段階で
も、ろう層のぬれ性を阻害したり、気泡を生じたりする
要因になるからである。

【００４８】一方、本発明における複合炭素焼結体は、
炭素粉末と、炭素以外の物質の粉末と、有機バインダー
からなる組成物を、炭素焼結体の場合と同様の手法によ
り処理して得られる。ただし、添加する金属の種類によ
り焼結温度は異なる。本発明の一実施例である炭素−３
０ｗｔ％銅の複合焼結体の場合は、熱膨張率は５.７×
１０~ ⁶／℃，熱伝導率は３００Ｗ／ｍ・Ｋ，そして電
気抵抗率は約６０×１０~ ⁶Ω・ｃｍである。

【００４９】上記の物性値を有する本発明における導電
性部材は、半導体基体としてのシリコン、絶縁部材とし
ての窒化アルミニウム、アルミナ、ベリリヤ、窒化硼素
と熱膨張率が近似するだけでなく、従来一般に多用され
熱伝導路に組み込まれてきた熱膨張緩衝部材(モリブデ
ン：１３９Ｗ/ｍ・Ｋやタングステン：１７７Ｗ/ｍ・
Ｋ)、及びＰｂ−Ｓｎ系ろう材(Ｐｂ−５ｗｔ％Ｓｎ：４
０Ｗ/ｍ・Ｋ)より大幅に高い熱伝導性を有している。こ
れらのことは、導電性部材が非絶縁型半導体装置にあっ
ては支持部材、絶縁型半導体装置にあっては熱拡散板部
材として好適なことを意味する。

【００５０】しかし、複合炭素焼結体は、それ単独では
支持部材又は熱拡散板部材として半導体装置に組み込む
ことは困難であり、従って、上記したように、複合焼結
体の被接着面に金属化処理が施されなければならない。
この金属化は以下のようにして行なわれる。

【００５１】(a) Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ等の活性金属を含有
したＡｇ−Ｃｕ系ろうをスクリーン印刷した後、真空
中、不活性又は還元性雰囲気中で熱処理する。 (b) 上記(1)におけるのろう材と共に厚さ１０〜３００
μｍの銅板を積層し、真空中、不活性雰囲気又は還元性
雰囲気中でろう付けする。 (c) 真空蒸着、スパッタリング等の手法で、例えばＴｉ
−Ｐｔ−Ａｕ、Ｃｒ−Ｎｉ−Ａｇの如き多層金属層を被
着形成する。 (d) Ｐｄの如き金属により界面の活性化処理を施した
後、めっき法によりＣｕ，Ｎｉ等の金属層を形成す
る。 (e) Ｍｏ−Ｍｎの如き高融点金属を焼成した後Ｎｉめっ
きを施すこと。

【００５２】ところで、本発明においては、このような
金属化層は、半導体基体や絶縁基板とのろう付け一体化
を可能にすることを目的として設けられるものである
が、本発明においては、上記複合炭素焼結体は、一方で
は半導体装置の主電流路としての役割を兼ねるから、そ
の電気抵抗率は可及的に小さいことが望ましい。しか
し、上記した複合炭素焼結体は、銅(１.７×１０~ ⁶Ω
・ｃｍ)や、モリブデン(５.６×１０~ ⁶Ω・ｃｍ)、は
んだ材(Ｐｂ−５ｗｔ％Ｓｎ：２０×１０~ ⁶Ω・ｃｍ)
等よりは高抵抗で、大電流を通電する場合には、発熱や
電力損失の問題が発生する。

【００５３】しかしながら、上述した金属化層は、電気
的には複合炭素焼結体より低抵抗であり、電流路確保の
点で複合炭素焼結体の特性を補うものとしても作用す
る。従って、ろう付け性能及び低抵抗化の観点で選択さ
れる上記金属化層の材質としては、少なくとも表面が
銅、ニッケル、銀、金、白金、パラジウム、錫、鉛、ア
ンチモン、アルミニウム、亜鉛等の金属、又は、これら
の合金で構成されていることが望ましい。なお、この主
電流路の低抵抗化は、上述の金属化層による以外にも複
合炭素焼結体の厚さを増したり、導電性の良い金属との
複合体、例えば上述した炭素−３０ｗｔ％銅の如き複合
焼結体を用いることにより可能である。

【００５４】本発明における複合炭素焼結体は、炭素焼
結体の中に炭素以外の物質が可及的均一に分散されてい
る状態が最も望ましい。この理由は、複合炭素焼結体の
物性に異方性が生じないためである。例えば、熱膨張率
に異方性を有する複合材を絶縁型半導体装置に適用した
場合は、熱拡散板は特定の方向に対しては半導体基体や
絶縁基板と整合して膨張、収縮するので問題ないが、上
記特定の方向とは直角な方向に対しては整合性のない膨
張、収縮をするので半導体装置の製造時及び使用時に問
題が多く生じる。

【００５５】本発明において、複合炭素焼結体に含まれ
る炭素以外の分散物質は、炭素焼結体そのものの特性を
補なう立場で選択される必要がある。例えば、機械的強
度、特に引張応力に対する耐破壊強度や、導電性を改善
するだけでなく、熱伝導性を更に高めるのに寄与するも
のである必要があり、この観点から推奨される金属物質
としては、銅、銀、アルミニウム、金、インジウム、カ
ドミウム、タングステン、ニッケル、モリブデン、マグ
ネシウム、ベリリウム、イリジウム、パラジウム、ロジ
ウム等が挙げられる。そして、これらの金属物質は、重
量比で６０ｗｔ％以下であることが望ましい。この理由
は、６０ｗｔ％を以上では複合炭素焼結体の物性、特に
熱膨張率が大きくなり、複合炭素焼結体の好ましい特性
が充分に得られないからである。

【００５６】本発明におけるこれらの金属物質は、上述
の観点で選択される限り、単一の種類に限定される必要
はなく、複数の種類にわたって添加されることは許され
る。また、添加金属物質が複数の種類にわたる場合で
も、６０ｗｔ％より少ない範囲では、それぞれの金属物
質の量を任意に調整して良い。

【００５７】また、本発明において、複合炭素焼結体に
含ませる炭素以外の分散物質は金属に限られず、上述し
たように炭素焼結体の特性を補なう立場で選択される限
り、非金属物質であっても良い。例えば、炭化珪素、ベ
リリヤ又はアルミナを含有した炭化珪素、窒化アルミニ
ウム、イットリヤ又はカルシヤを含有した窒化アルミニ
ウム、窒化硼素、ベリリヤ、窒化珪素等のセラミックス
が挙げられる。これらの物質は、複合炭素焼結体の熱伝
導率、熱膨張率を調整するのに有効である。しかし、こ
れらの物質は電気抵抗率が高く、複合焼結体のそれをも
高める方向に作用するから、添加量は複合炭素焼結体の
電気伝導性を著しく損なわない分量に限る必要がある。
例えば、イットリヤ又はカルシヤを含有した窒化アルミ
ニウムを１０ｗｔ％添加した複合焼結体では、これを添
加しない炭素焼結体に比べ、熱伝導率、熱膨張率、機械
的強度は不変であるが、電気抵抗率は１.２倍になる。
他の非金属物質を添加した場合も、これと同様の傾向を
示す。

【００５８】さらに、本発明における炭素以外の分散物
質は繊維状のものであっても良い。例えば、直径１５μ
ｍ、長さ１.５ｍｍのＳｉＣや、同寸法のタングステン
繊維物質を分散させた場合は、３点曲げ強度は、分散さ
せない炭素焼結体に比べ１.８倍に向上する。しかし、
繊維状物質は、繊維の長さはその直径の１００倍以内に
限られるのが望ましい。この理由は、繊維物質の分散と
方向が不均一になりやすいため、複合炭素焼結体の物
性、特に熱膨張率に方向性を生ずるからである。

【００５９】

【作用】本発明における複合炭素焼結体からなる導電性
部材は、半導体基体を直接ろう付け搭載するための支持
部材となり、半導体基体の所定の電気領域又は半導体装
置の導電領域を形成し、そして、半導体基体の発する熱
を冷却手段へ伝達する熱伝導又は熱拡散部材として作用
する。

【００６０】本発明における複合炭素焼結体からなる導
電性部材が好適な支持部材になり得るのは、半導体基体
及び無機質絶縁部材と熱膨張率が近似し、これに連なっ
て一体化される部材との間の熱応力及び熱歪が軽減され
ることに基づく。この結果、上述した第１の問題点、即
ち部材間の熱膨張率差により各部材の接着部に熱応力及
び熱歪が残留する問題が軽減され、そして、第２の問題
点、即ち一体化物の変形やろう層の空隙発生が避けられ
る。

【００６１】また、第３の問題点である半導体基体又は
絶縁部材の接着部のろう層の熱疲労破壊が避けられ、そ
して、第４の問題点である絶縁部材条片板の変形や破壊
が避けられ、所定の電気特性及び熱的特性が維持され
る。ところで、本発明においては、複合炭素焼結体から
なる導電性部材の表面が金属化されているとを必須とす
るが、その理由はろう材に対するぬれ性を付与し、ろう
付けを可能ならしめるためである。

【００６２】複合炭素焼結体が電気的に導体である点が
本発明の要点の第２であり、これにより同部材に半導体
装置の主電流路を担わせることが可能になる。そして、
このとき、金属化層は主電流路の電気伝導性を一層高め
るのにも寄与する。

【００６３】複合炭素焼結体が優れた熱伝導性材である
ことが本発明の要点の第３で、放熱性の良い半導体装置
を具現するのに寄与する。

【００６４】したがって、この複合炭素焼結体を半導体
装置に適用することにより、その製造時や運転時に生ず
る熱歪を軽減し、各部材の変形、変性、あるいは破壊の
虞れがなく、熱放散性に優れ、接着部の信頼性が高く、
そして半導体装置の大容量化を可能にする。また、この
半導体装置は、それを組み込んだ電子装置の性能及び信
頼性の向上に寄与する。

【００６５】

【実施例】以下、本発明による半導体装置及びそれを用
いた電子装置について、図示の実施例により詳細に説明
する。図１は、何れも本発明の実施例で、図１の(a)は
非絶縁型半導体装置による本発明の実施例で、同(b)は
絶縁型半導体装置による実施例で、これらの図におい
て、１０は導電性部材で、複合炭素焼結体１００を母材
とし、その両主面１１、１２に金属化層１１１、１２１
があらかじめ形成されている。

【００６６】まず、図１の(a)非絶縁型半導体装置の場
合は、金属化層１１１上にろう層１１３を介して半導体
基体１０１が搭載されている。また、金属化層１１１の
半導体基体１０１の周辺にはろう層１１３Ａを介して絶
縁部材片１１４が設けられ、これにより電極１１５と端
子１１６が、導電性部材１０から電気的に絶縁された状
態で、ろう層１１３Ｂ及び１１５Ａにより取付けられて
いる。

【００６７】端子１１５は、半導体基体１０１の所定の
電気的領域から導かれた金属細線１１７により結線さ
れ、半導体装置の電極の一部、例えば半導体基体１０１
がＩＧＢＴ素子の場合はゲートとエミッタを構成してい
る。この場合、導電性部材１０は半導体基体１０１のコ
レクタ電極、基体１０１を搭載する支持部材、そして金
属化層１２１を経て外部へ放出される熱の伝導路の役割
を兼ねている。

【００６８】次に、図１の(b)の絶縁型半導体装置にお
いては、複合炭素焼結体１００を母材とした導電性部材
１０は、主絶縁基板１２２により接地電位から絶縁さ
れ、電気的活性領域を担うようになっている。なお、こ
の絶縁型半導体装置の場合は、金属化層１２１は装置の
機能や信頼性を確保するのに必須なものではなく、必要
に応じて省略できる。

【００６９】この図１(b)の絶縁型半導体装置において
は、導電性部材１０は、主絶縁基板１２２を介して支持
部材１２５上にろう層１２３、１２４により一体化され
ており、この導電性部材１０上には端子１１６’が、ろ
う層１１３Ａにより取付けられる。従って、この実施例
では、半導体基体１０１の全ての電気領域は支持部材１
２５から絶縁され、そして、端子１１６’は、半導体基
体１０１がＩＧＢＴ素子の場合は、コレクタ電極に接続
されることになる。

【００７０】これらの実施例においては、電極１１５と
端子１１６は、半導体装置における電気的活性領域、例
えばダイオードにあってはアノード電極又はカソード電
極、トランジスタにあってはエミッタ又はベース電極、
ＩＧＢＴにあってはエミッタ又はゲート電極、そしてサ
イリスタにあってはカソード又はゲート電極に接続され
る。従って、これらの実施例では、これらの電気領域は
コレクタやアノード電極を含めて、本発明にいう電気的
活性領域に含まれる。

【００７１】ところで、これらの実施例において、導電
性部材１０に搭載される半導体基体１０１は単一である
必要はなく、複数個搭載されてもよい。この場合、複数
の半導体基体１０１の電気領域は、必要に応じて互いに
並列もしくは直列に結線されて良い。さらに、導電性部
材１０には、半導体基体１０１と共に受動素子が搭載さ
れても良い。

【００７２】図２は、本発明による半導体装置が適用と
する電気回路の幾つかの例を示したもので、同図(a)は
唯１個の半導体素子(ＩＧＢＴ)１０１Ａが半導体基体１
０１に搭載された例、同図(b)は機能が同じ複数個の半
導体素子１０１Ａ、１０１Ａ’を半導体基体１０１に搭
載した例、同図(c)は機能の異なる２種類の半導体素子
(ＩＧＢＴとダイオード)１０１Ａ、１０１Ｂを半導体基
体１０１に搭載した例、同図(ｄ)は機能の異なる２種類
の半導体素子がそれぞれ複数個(１０１Ａ’、１０１
Ａ”、１０１Ｂ、１０１Ｂ’)、半導体基体１０１に搭
載された例、そして同図(ｅ)は機能の異なる２種類の半
導体基体１０１、１０１’が導電性部材１０に搭載さ
れ、直列に結線された絶縁型半導体装置の例である。な
お、これらの例において、○印は端子もしくは電極を表
す。また、同図(ｅ)の場合、一対の半導体基体１０１、
１０１’が並列接続された回路(破線内)は、ともに支持
部材１２５からは絶縁されているものである。

【００７３】ところで、本発明による半導体装置は、回
転装置の速度を制御する電気回路に組み込まれるか、も
しくは、それ自体が移動する装置に回転装置と共に組み
込まれて、その移動速度を制御する電子装置として好適
であり、従って、以下、この電子装置の実施例について
説明する。

【００７４】図３は回転装置の一例である電動機の回転
速度を制御する電気回路で、ＩＧＢＴとダイオードが組
み込まれた電子装置の例を示す。この回路において、本
発明による半導体装置は、例えば図２(ｅ)に示した回路
を有する絶縁型半導体装置９００(破線)として組み込ま
れ、全体として回転速度制御用インバータ回路(主回路)
を構成し、電動機(三相交流電動機)９５０に可変周波数
で可変電圧の制御された交流電流を供給し、その回転速
度を制御する機能を有するものである。そして、この実
施例における回転装置としては、上述の電動機以外に、
物体を加工する装置、例えば旋盤を働かせる電動機も含
まれる。

【００７５】また、本発明による電子装置は、流体を撹
拌又は流動させる装置に組込まれ、その撹拌又は流動速
度を制御する場合にも適用可能であり、従って、本発明
による電子装置は、このような流体を撹拌又は流動させ
る装置、例えば洗濯機、冷暖房機送風機、流体循環装置
などに使用されるものも含まれる。さらに、本発明によ
る電子装置は、移動する装置又はシステムに組み込ま
れ、同移動装置の移動速度を制御するのにも適用でき、
従って、本発明による電子装置には、このような移動装
置又はシステム、例えば自動車、電車、エレベータ、エ
スカレータ、ベルトコンベア等も含まれる。

【００７６】同様に、本発明による半導体装置は、回転
装置や移動装置の速度制御に組み込まれることのみに限
定されない。例えば、発光体に給電する電気回路に組み
込まれ、その光量を制御する半導体装置や、これにより
得られる照明装置も本発明による電子装置の範囲に含ま
れる。

【００７７】以下、本発明の実施例について、さらに具
体的に説明する。実施例１この実施例では、半導体基体としてＩＧＢＴ素子を搭載
した絶縁型半導体装置とそれを用いた電子装置について
説明する。半導体装置を得るに先立ち、図４に示す断面
構造を有する導電性部材１０を作製した。

【００７８】本実施例の導電性部材１０は、炭素粉末に
３０ｗｔ％の銅粉末を添加した混合粉末を出発材料と
し、この圧粉成形体を焼結して得た複合炭素焼結体１０
０を母材にしている。この複合炭素焼結体１００は、熱
膨張率：５.７×１０~ ⁶／℃、熱伝導率：約３００Ｗ／
ｍ・Ｋ、抵抗率：約６０×１０~ ⁶Ω・ｃｍ、そして相
対密度：９０％で、物性値に異方性のないものである。
図８に複合炭素焼結体１００の断面構造模式図を示す。
炭素の焼結体粒子１００Ａのマトリックスの中に、銅焼
結体粒子１００Ｂが埋め込まれている。埋め込まれた銅
粒子１００Ｂは焼結体１００のいずれの部分にもほぼ均
等に分散されていて、方向性は見られない。上述した物
性が異方性を示さないのは、この点に基づく。

【００７９】次に、この複合焼結体１００の両主面１
１，１２に、Ｔｉを２ｗｔ％添加したＡｇ−２８ｗｔ％
Ｃｕろう材１１１’，１２１’により、厚さ３００μｍ
の無酸素銅板１１１，１２１をろう付けし、２５ｍｍ×
２５ｍｍ×１ｍｍの導電性部材１０を得た。

【００８０】図９は一例としての炭素−銅複合焼結体の
物性を示すグラフである。複合炭素焼結体では、銅粉末
の添加量を増すにつれ、熱膨張率や熱伝導率を増し、抵
抗率を減ずる。これらの物性値は、非絶縁型半導体装置
の支持部材又は絶縁型半導体装置の導電性部材として許
される範囲内では、いかなる値でも選択され得る。しか
し、大容量電力を取り扱う半導体装置においては、特に
導電性部材１０が接着される相手の部材より熱膨張率が
大きくなることは、信頼性の点で好ましくない。この理
由は、熱膨張率が相手部材より過度に大きいと、ろう付
けされた一体化物が室温に戻る際に、炭素部材１０に引
張り応力が作用し、この結果、複合焼結体１００は引張
り応力に対する耐破壊強度は金属ほどには大きくないた
め、破損を生じやすいからである。

【００８１】半導体基体になり得る材料の熱膨張率はシ
リコン：４.２×１０~ ⁶／℃、ゲルマニウム：５.８×
１０~ ⁶／℃、砒化ガリウム：６.５×１０~ ⁶／℃、燐
化ガリウム：５.３×１０~ ⁶／℃であり、他方、絶縁部
材になり得る材料の熱膨張率は窒化アルミニウム：４.
５×１０~ ⁶／℃、ベリリヤ：７.６×１０~ ⁶／℃、ア
ルミナ：７.０×１０~ ⁶／℃、窒化硼素：３.７×１０~
⁶／℃であるから、これらの中で最も熱膨張率の大きい
ベリリヤのそれを越えないようにするためには、複合炭
素部材１００中での銅の量は６０ｗｔ％を越えないよう
にする必要がある。

【００８２】表１は熱膨張率が７.６×１０~ ⁶／℃を越
えない金属添加物の添加量範囲を示す。この表から、銅
以外の金属添加物の場合は、最大６０ｗｔ％未満までの
添加が許されることが判る。

【００８３】

【表１】

【００８４】次に、この導電性部材１０を用い、ＩＧＢ
Ｔ素子を搭載した１２００Ｖ，７５Ａ級の半導体装置９
００を作製した。図５は半導体装置９００の要部俯瞰図
である。この図５において、銅支持板(Ｎｉめっき：３
μｍ，４０ｍｍ×９５ｍｍ×３ｍｍ)１２５上に、３１
ｍｍ×６０ｍｍ×０.６３ｍｍの窒化アルミニウム絶縁
基板１２２が、Ｐｂ−５０ｗｔ％Ｓｎはんだ１２４(図
示を省略、厚さ：２００μｍ)により接着されている。
そして、この絶縁基板１２２上には導電性部材１０が２
個並んで、Ｐｂ−５０ｗｔ％Ｓｎはんだ１２３(図示を
省略、厚さ：２００μｍ)により接着され、その上には
ＩＧＢＴ素子が形成された１３ｍｍ×１３ｍｍ×０.３
ｍｍの大きさの半導体基体１０１と、ダイオード素子が
形成された１０ｍｍ×１０ｍｍ×０.３ｍｍの大きさの
半導体基体１０１’とが、共にＳｎ−５ｗｔ％Ｓｂ−
０.６ｗｔ％Ｎｉ−０.０５ｗｔ％Ｐはんだ１１３(図示
を省略、厚さ：２００μｍ)により接着されている。

【００８５】各半導体基体１０１，１０１’にはＡｌ線
(直径：５００μｍ)１１７によるワイヤボンディングが
施され、エミッタ電極１３ｂ、ゲート電極１３ｃに接続
されている。これらの電極１３ｂ，１３ｃは銅条片から
なり、３ｍｍ×２３ｍｍ×２ｍｍのアルミナ条片１１４
にろう層(図示を省略、Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂ−０.６ｗｔ
％Ｎｉ−０.０５ｗｔ％Ｐ、厚さ：２００μｍ)１３’に
より接着され、アルミナ条片１１４は同じろう材(図示
を省略)１４’により導電性部材１０に接着されてい
る。そして、導電性部材１０は、コレクタ電極１３ａを
担う、つまり形成している。

【００８６】これらコレクタ電極１３ａ、エミッタ電極
１３ｂ、ゲート電極１３ｃには、それぞれ外部端子１１
６，１１６’や中継端子１２６が設けられ、更に各半導
体基体１０１，１０１’及び導電性部材１０等が外気か
ら完全に遮断されるように、エポキシ系樹脂製ケース
(図示を省略)を設けると共に、このケース内にシリコー
ンゲルやエポキシ樹脂を充填、硬化させて、製品として
通用する半導体装置９００を得た。この半導体装置９０
０は図２(e)に示した回路を構成している。

【００８７】一方、これと並行して、比較用として、導
電性部材１０を同寸法の銅板に置き換えた試料も作製し
てある。そして、この実施例による半導体装置９００
は、最終的に電動機の回転数制御用インバータ装置に搭
載され、所定の条件のもとで動作させながら、ＩＧＢＴ
素子１０１と銅支持板１２５間の熱抵抗を測定してみる
と、０.３０Ｗ／℃という値が得られ、比較用の試料で
の測定値０.４２Ｗ／℃より低い値が得られた。

【００８８】この実施例による半導体装置９００で低熱
抵抗化が得られたのは、熱流路を複合炭素焼結体や窒化
アルミニウム等の高熱伝導性部材で構成したこと、及
び、熱膨張率差緩衝部材が省略でき、簡素な積層構造を
とり得たことが第１の理由であるが、絶縁部材１２２か
ら半導体基体１０１，１０１’に至る積層体の変形を低
減できたため、銅支持板１２５−絶縁基板１２２−導電
性部材１０間の接着部における気泡等の欠陥が低減され
たことも第２の理由として挙げられる。

【００８９】次に、この半導体装置９００における半導
体基体１０１，１０１’−導電性部材１０−絶縁部材１
２２の積層一体化物を形成した段階での反り量(腹の高
さ)の測定結果は、最大５０μｍであった。これは、比
較試料での測定値３００μｍより大幅に小さい値で、接
着部欠陥の低減に多大の寄与をしていることが示唆され
ている。

【００９０】このような反りは、銅支持板の窒化アルミ
ニウム基板が接着された部分の外周部にエポキシ樹脂製
等の枠あるいは蓋を設置するときに、枠あるいは蓋と銅
支持板との間にすきまを生ずるので密封性、従って耐水
性の点で好ましくない。更に、銅支持板を外部放熱フィ
ン等に取付けるとき、支持板に反りがあるとすきまを生
じ、放熱性が低下するので好ましくないが、上記したよ
うに、この実施例によれば、これらの欠点は生じない。

【００９１】次に、半導体装置９００に間欠通電し、支
持板１２５の温度を４０〜１００℃間で繰返し変化させ
る試験を施してみた。そして、この試験を３００００回
施した後の熱抵抗は０.３６Ｗ／℃と若干増加したが、
比較試料の同試験３０００回における熱抵抗０.５４Ｗ
／℃より格段に安定しており、従って、この実施例によ
れば、優れた放熱性が維持されていることが判る。な
お、このように、本実施例半導体装置９００が優れた信
頼性を示した最大の理由は、導電性部材１０と半導体基
体１０１，１０１’間の熱膨張率差がほとんどないた
め、はんだ１１３に過大な熱応力や熱歪が作用せず、同
はんだの熱疲労破壊が避けられたためである。

【００９２】この実施例における導電性部材１０の熱膨
張率が絶縁部材１２２と近似しているため、はんだ１２
３に作用する熱応力や熱歪が軽減されたこと、そして、
上述の積層一体化物の反り量が少ないため、絶縁部材１
２２−支持板１２５間のはんだ層１２４に極端に薄い部
分を有していないことも、信頼性の向上に寄与してい
る。

【００９３】このように本実施例によれば、比較試料に
比べて、放熱性を実質上犠牲にせずに信頼性を向上させ
得た。そして、この効果は、窒化アルミニウム基板の面
積、従って複合炭素焼結体の面積(比較試料における銅
板の面積)が大きくなるほど顕著であった。その一例を
図６により説明する。この図６は、窒化アルミニウム基
板−導電性部材間の接着面積、及び窒化アルミニウム基
板−銅板間の接着面積と温度サイクル印加後の故障発生
率の関係を示すグラフで、(Ａ)はこの実施例による半導
体装置の特性で、(Ｂ)は上記した比較試料の特性であ
り、温度サイクルは−５５℃〜＋１５０℃とし、回数は
１５０回である。

【００９４】この図６によれば、接着面積が約５００ｍ
ｍ²までは、(Ａ)，(Ｂ)ともに故障発生率は０％である
が、約５００ｍｍ²を越えると(Ｂ)では加速度的に故障
発生率が増加するのに対し、(Ａ)では依然として０％で
あることが判る。なお、ここで言う故障とは、主として
はんだ層１２４に生じたクラック、あるいは部分的剥離
のことである。

【００９５】また、上述の間欠通電試験では、導電性部
材１０−支持板１２５間の電気絶縁性、そして、導電性
部材１０−エミッタ電極１３ｂ、ゲート電極１３ｃ間の
電気絶縁性も追跡してみた。この結果、３００００回の
試験後における絶縁耐圧(周波数：６０Ｈｚ)は５ｋＶ以
上と、初期値と同等の値が維持され、絶縁物の破壊によ
る耐圧劣化は観測されなかった。この効果も、上述と同
様に、導電性部材１０が絶縁部材１２２や条片１１４と
近似した熱膨張率を有しているため、これらの部材に過
大な熱応力や熱歪が作用しないためであると考えられ
る。

【００９６】一方、この本発明の実施例による半導体装
置９００では、密度が比較的小さい炭素(１.８ｇ／ｃｍ
³)を主体にした導電性部材１０を用いているため、半導
体装置９００の重量が低減されている。

【００９７】次に、この実施例による半導体装置９００
を組み込んだインバータ装置を用いて、電動機の回転数
制御を行なう電子装置について説明する。図７は、この
電子装置におけるインバータ装置のスイッチング周波数
とＩＧＢＴ素子１０１の発熱温度の関係を示したもの
で、スイッチング損失は周波数の上昇につれて増加す
が、商用電源での周波数５０Ｈｚから３０ｋＨｚまでの
間では半導体基体１０１が安定して動作するのに必要な
上限温度である１２５℃を越えることはなかった。この
間、電動機は何らの異常を伴わずに作動したのは勿論の
ことである。

【００９８】次に、上記本発明の実施例による電子装置
はインバータ装置として、それにより制御される電動機
と共に自動車の動力源として組み込まれ、電気自動車と
して実施される。この電気自動車の実施例によれば、ギ
ヤーの噛み込み比率の違いにより変速していた従来の自
動車に比べ、動力源から車輪に至る駆動機構が簡素化で
き、しかも変速時のショックを軽減することができる。
さらに、この実施例による電気自動車は、０〜２５０ｋ
ｍ／ｈの範囲でスムーズな走行が可能であったほか、動
力源を発生源とする振動や騒音の面でも従来の内燃機関
を搭載した自動車の約１／２に軽減することができた。

【００９９】実施例２この実施例でも、前記実施例１と同じく、複合炭素焼結
体を用いた半導体装置及び電子装置について説明する。
まず、実施例１と同様にして複合炭素焼結体１００を
得、これに、同じく実施例１と同様にして銅板１１１，
１２１をろう付けし、４７ｍｍ×７６ｍｍ×３ｍｍの導
電性部材１０を得る。

【０１００】次に、導電性部材１０は、組成が炭素−３
０ｗｔ％銅の複合炭素焼結体からなる支持板(９５ｍｍ
×１１０ｍｍ×５ｍｍ)１２５に、Ｐｂ−６０ｗｔ％Ｓ
ｎはんだ(厚さ：２００μｍ)１２４により接着されたア
ルミナ絶縁基板(６８ｍｍ×８６ｍｍ×０.６３ｍｍ)１
２２の上に、Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂ−０.６ｗｔ％Ｎｉ−
０.０５ｗｔ％Ｐはんだ(厚さ：２００μｍ)１２３によ
り搭載される。

【０１０１】ついで、この導電性部材１０には、Ｓｎ−
５ｗｔ％Ｓｂ−０.６ｗｔ％Ｎｉ−０.０５ｗｔ％Ｐはん
だ(厚さ：２００μｍ)１１３により、６個のＩＧＢＴ素
子が形成されている１３ｍｍ×１３ｍｍ×０.３ｍｍの
大きさの半導体基体１０１と、２このダイオード素子が
形成された１３ｍｍ×１３ｍｍ×０.３ｍｍの大きさの
半導体基体１０１’が接着され、以下、実施例１と同様
にして部材搭載、配線、パッケージングを施し、半導体
装置９００を得る。なお、こうして得た本発明の実施例
による半導体装置９００は、搭載された全ての素子が並
列に接続され等価的に図２(ｃ)に示す回路を構成するよ
うに作られている。

【０１０２】本実施例における支持板１２５から半導体
基体１０１，１０１’に至る部材構成では、半導体基体
(４.２×１０~ ⁶／℃)−金属化炭素部材(５.７×１０~
⁶／℃)−絶縁部材(７.０×１０~ ⁶／℃)−支持板(５.７
×１０~ ⁶／℃)と、熱膨張率が近似されている。このた
め、接着面積が３５７２ｍｍ²と大きいにもかかわら
ず、一体化物の反り量は４５μｍに過ぎず、各接着部に
残留する熱応力も少ないことが裏付けられている。

【０１０３】以上により得られた半導体装置９００に
は、−５５℃〜＋１５０℃の温度サイクルが３０００回
印加されたが、これによる半導体基体１０１，１０１’
−支持板１２５間熱抵抗(初期値：０.３８℃/Ｗ)の変化
は観測されなかった。

【０１０４】なお、この実施例でも、実施例１と同様、
支持板１２５として熱膨張率がアルミナ板１２２と近似
された他の複合材料、例えば銅−インバール−銅のよう
なクラッド材、銅−炭素繊維複合材、銅−ダイヤモンド
繊維複合材、炭素−炭素繊維複合材等を用いることは好
ましいことである。

【０１０５】次いで、この実施例による半導体装置９０
０が２４個、図３と同様のインバータ回路に組み込まれ
た。ここでは、１相分として８個の半導体装置９００が
割り当てられている。こうして得られたインバータ装置
(電源電圧：１５００Ｖ，ピーク出力電流：６５０Ａ，
平均周波数：２ｋＨｚ)は、電車用の主電動機(１９０ｋ
Ｗ)の速度制御に使用され、その結果、走行開始(加速)
時に電動機が発する騒音は、平均周波数１.５ｋＨｚの
場合より１／３低く、そして、短い駅間距離(１.２ｋ
ｍ)を想定した走行試験でも表定速度４０ｋｍ／ｈと優
れた運行性能が得られた。これは、高周波化されて発熱
の著しい半導体基体１０１を効率的に冷却できるため、
同基体が安定的に動作するためである。

【０１０６】以上に説明したように、この実施例２の半
導体装置９００は、電動機の回転速度や移動装置の走行
速度を制御するのに有用であるが、この実施例と同様の
半導体装置がエレベータ、エスカレータ、ベルトコンベ
ヤー等の物体を運搬する装置やその装置に組み込まれた
場合でも、電車に組み込まれた場合と同様の効果が得ら
れる。

【０１０７】実施例３この実施例３では、１個の基体の中にＩＧＢＴ素子を６
素子、ダイオード素子を６素子内蔵した半導体基体１０
１を用い、これを搭載した絶縁型半導体装置、及びそれ
を用いた電子装置について説明する。半導体装置を得る
に用いた導電性部材１０は、３５ｍｍ×３５ｍｍ×１ｍ
ｍの寸法を有する実施例１と同質の複合炭素焼結体１０
０に、厚さ２００μｍの無酸素銅板１１１，１２１を、
Ｔｉを２ｗｔ％添加したＡｇ−２８ｗｔ％Ｃｕろう材１
１１’，１２１’によりろう付けしたものである。

【０１０８】銅支持板(Ｎｉめっき：３μｍ，５０ｍｍ
×６０ｍｍ×３ｍｍ)１２５上に、４０ｍｍ×４０ｍｍ
×０.６３ｍｍの窒化アルミニウム絶縁基板１２２が接
着され、絶縁基板１２２上には導電性部材１０が１個接
着され、導電性部材１０には上記半導体基体(１５ｍｍ
×１５ｍｍ×０.３ｍｍ)１０１が接着されている。半導
体基体１０１にはＡｌ線(直径：３００μｍ)１１７によ
るワイヤボンディングが施され、電極１３ｂ，１３ｃに
接続されている。

【０１０９】銅条片からなるこれらの電極１３ｂ，１３
ｃはアルミナ条片１１４にろう付けされ、アルミナ条片
１１４は導電性部材１０にろう付けされている。そし
て、以上の積層体を、実施例１と同様に樹脂封止して半
導体装置９００を得た。なお、この半導体装置９００
は、これのみで図３と同様のインバータ回路を構成し、
本発明による電子装置の一実施例を構成している。

【０１１０】この実施例３のよる半導体装置９００から
なるインバータ装置は、ブラシレス直流電動機と共に家
庭用冷暖房機(暖房時の消費電力：１５０〜１８６０
Ｗ、冷房時の消費電力：２００〜１３７５Ｗ、電源電
圧：１００Ｖ)に組み込まれた。図１０は、この実施例
によるインバータ装置を用いた電動機の効率を示すグラ
フで、(Ａ)は本発明の実施例の特性を表わし、(Ｂ)は従
来の交流電動機を用いた場合の特性を表わしており、こ
れから明らかなように、本発明の実施例の場合は比較し
た全回転数範囲で、従来の場合より１０％以上高い効率
を示していることが判る。

【０１１１】従って、本発明の実施例によれば、冷暖房
機使用時の電力消費を低減するのに役立つ。また、室内
の温度が運転開始から設定温度に到達するまでの時間
も、本発明の実施例の場合は、従来の交流電動機を用い
た場合より約１／２に短縮されており、高性能が得られ
ている。この実施例の場合と同様の効果は、半導体装置
９００が他の流体を撹拌又は流動させる装置、例えば洗
濯機、流体循環装置等に組み込まれた場合でも享受でき
る。

【０１１２】実施例４この実施例４では、導電性部材１０を適用した非絶縁型
半導体装置とそれを用いた電子装置について説明する。
ここで用いた導電性部材１０は、２０ｍｍ×３５ｍｍ×
１ｍｍの寸法を有するもので、炭素焼結体マトリックス
の中にイットリヤを５ｗｔ％添加した窒化アルミニウム
粒子を５ｗｔ％分散して得た複合炭素焼結体１００に、
厚さ２００μｍの無酸素銅板１１１を、実施例１と同様
にして設けたものである。

【０１１３】図１１は複合炭素焼結体１００の断面構造
模式図である。窒化アルミニウム粒子１００Ｂは、炭素
焼結体粒子１００Ａ間の境界に介在し、複合炭素焼結体
１００のいずれの部分にもほぼ均一に分布している。こ
の複合炭素焼結体の物性は、熱膨張率：４.４×１０~ ⁶
／℃、熱伝導率：約２５０Ｗ／ｍ・Ｋ、抵抗率：約３０
０×１０~ ⁶Ω・ｃｍ、そして相対密度：９０％で、物
性値に異方性のないものである。

【０１１４】他方、この実施例４では、変形例として、
窒化アルミニウム粒子の代わりに、アルミナ、ベリリ
ヤ、窒化硼素、ベリリヤ添加炭化珪素、カルシヤ添加窒
化アルミニウム粒子を添加した複合炭素焼結体１００を
も作製しており、図１２は、この変形例におけるセラミ
ックス粒子を添加した場合の添加量と、複合炭素焼結体
の抵抗率の関係を示すグラフである。この図１２のグラ
フから明らかなように、個々の添加物の種類によって若
干の相違はあるが、抵抗率は添加量を増すにつれてほぼ
同様の傾向で増加していることが判る。これは、分散材
そのものの抵抗率が高いことに基づく。

【０１１５】しかして、このように複合炭素焼結体の抵
抗率が高いことは、これが組み込まれた半導体装置の電
力損失を増すことを意味し、また、ある一定の電気伝導
性を確保するには複合炭素焼結体のサイズを大きくする
必要を意味するので好ましくない。従って、実用的には
１０³×~ ⁶Ω・ｃｍ以下が望ましい。この観点で図１２
を参照すると、セラミックス粒子の添加量は１０ｗｔ％
以下であるのが好ましい実施例となる。

【０１１６】図１３は、本発明をパワートランジスタ装
置用に適用した場合の一実施例による導電性部材１０の
要部俯瞰図で、上述した複合炭素焼結体１００上に、金
属化層１１１が形成されている。この金属化層１１１に
は、トランジスタ素子が形成された１５ｍｍ×１５ｍｍ
×０.３ｍｍの大きさの半導体基体１０１(図５)が接着
され、金属化層１１１から延長された領域１１１Ａには
銅−ベリリウム合金からなるコレクタ端子１１６’(図
５)がろう付けされる。

【０１１７】金属化層１１１に、厚さ５０μｍのＰｂ−
５ｗｔ％Ｓｎ−１.５ｗｔ％Ａｇはんだ１１３により固
着された半導体基体１０１は、Ａｌ線(直径：３００μ
ｍ)１１７(図５)のワイヤボンディングにより銅−ベリ
リウム合金からなるリードフレームと電気的に接続さ
れ、最後にエポキシ樹脂によるモールドを経てトランジ
スタ装置９００が完成される。ここで、ワイヤボンディ
ングにより接続されたリードフレームはトランジスタの
エミッタ端子及びベース端子を構成する。このようにし
て得たトランジスタ装置９００は、電源の整流装置及び
屋外の照明設備の光量を制御するインバータ装置に組み
込まれて、屋外に設置された。

【０１１８】ところで、本発明では、複合焼結炭素部材
１００上に設けられる金属化層１１１は、この部材１０
０の主面１１の全面に設けられることを必須とするもの
ではない。電気伝導性や熱伝導性に関して支障がない限
り、その上に搭載する素子や部材がろう付けされる領域
にのみに選択的に設けられて良く、そして、選択的に設
けられる金属化層１１１は複数であっても良い。

【０１１９】また、本発明においては、ろう材１１３，
１２３，１２４等は実施例に開示した材料のみには限定
されず、半導体装置が製作されるプロセス、半導体装置
に要求される特性、特に耐熱疲労信頼性に応じて、種々
の成分及び組成のものを選択しうる。例えば、Ｐｂ−５
ｗｔ％Ｓｂ，Ｐｂ−５２ｗｔ％Ｓｎ−８ｗｔ％Ｂｉ，Ａ
ｕ−１２ｗｔ％Ｇｅ，Ａｕ−６ｗｔ％Ｓｉ，Ａｕ−２０
ｗｔ％Ｓｉ，Ａｌ−１１.７ｗｔ％Ｓｉ，Ａｇ−４.５ｗ
ｔ％Ｓｉ等を適用できる。

【０１２０】さらに、本発明においては、金属化層１１
１，１２１は互いに対向する面に分離されて形成される
必要はなく、例えば複合焼結炭素部材１００の側面に延
長して設けられも本発明の効果は変わらない。

【０１２１】また、本発明においては、半導体基体１０
１，１０１’はシリコンであることに限定されない。例
えば、ゲルマニウム、砒化ガリウム、燐化ガリウム、砒
化ガリウムアルミニウム等であっても良い。また、導電
性部材１０に搭載される素子は半導体基体に限定され
ず、例えばコンデンサ、抵抗体、コイル等が搭載されて
も良い。

【０１２２】

【発明の効果】本発明によれば、製造時又は運転時に生
ずる熱歪を低減し、各部材の変形、変性、或いは破壊の
虞れがなく、熱放散性や信頼性に優れた非絶縁型又は絶
縁型半導体装置を提供することができる。また、運転時
の性能や信頼性が優れ、消費電力の少ない電子装置を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体装置の一実施例を示す説明
図である。

【図２】本発明による半導体装置に内蔵される電気回路
の幾つかの例を示す回路図である。

【図３】本発明による半導体装置が組み込まれた電子装
置の一例を示すブロック図である。

【図４】本発明の一実施例における導電性部材の断面図
である。

【図５】本発明による半導体装置の一実施例を示す要部
俯瞰図である。

【図６】半導体装置における接着面積と温度サイクル印
加後の故障発生率の関係を示すグラフである。

【図７】半導体装置のスイッチング周波数と半導体素子
の発熱温度との関係を示すグラフである。

【図８】本発明の一実施例における銅を添加した複合炭
素焼結体の断面構造を示す模式図である。

【図９】炭素−銅系複合焼結体の物性を示すグラフであ
る。

【図１０】本発明による電子装置における電動機の効率
と従来の電動機の効率とを示すグラフである。

【図１１】本発明の一実施例におけるセラミックスを添
加した複合炭素焼結体の断面構造を示す模式図である。

【図１２】複合炭素焼結体のセラミックス粒子の添加量
と抵抗率の関係を示すグラフである。

【図１３】本発明による半導体装置をパワートランジス
タ装置に適用した場合の一実施例における導電性部材の
要部俯瞰図である。

【符号の説明】

１０導電性部材１００複合炭素焼結体１０１、１０１’ 半導体基体１１１、１２１金属化層１１３、１２３、１２４ろう材１１４、１２２絶縁部材１１５電極材１１６、１１６’ 端子１２５支持板１２６中継端子

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成５年１１月１１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】銅、銀、アルミニウム、金、インジウ
ム、カドミウム、タングステン、ニッケル、モリブデ
ン、マグネシウム、ベリリウム、イリジウム、パラジウ
ム、ロジウムの群から選択された少なくとも１種の金属
を炭素中に分散した複合炭素焼結体からなる導電性部材
上に金属化層を形成し、この金属化層を介して半導体基
体が搭載されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】炭化珪素、ベリリヤ、窒化アルミニウ
ム、窒化硼素、窒化珪素、アルミナ、ベリリヤ又はアル
ミナを含有した炭化珪素、イットリヤ又はカルシヤを含
有した窒化アルミニウムの群から選択された少なくとも
１種のセラミックスを炭素中に分散した複合炭素焼結体
からなる導電性部材上に金属化層を形成し、この金属化
層を介して半導体基体が搭載されていることを特徴とす
る半導体装置。
【請求項３】銅、銀、アルミニウム、金、インジウ
ム、カドミウム、タングステン、ニッケル、モリブデ
ン、マグネシウム、ベリリウム、イリジウム、パラジウ
ム、ロジウムの群から選択された少なくとも１種の金属
と、炭化珪素、ベリリヤ、窒化アルミニウム、窒化硼
素、窒化珪素、アルミナ、ベリリヤ又はアルミナを含有
した炭化珪素、イットリヤ又はカルシヤを含有した窒化
アルミニウムの群から選択された少なくとも１種のセラ
ミックスとを炭素中に分散した複合炭素焼結体からなる
導電性部材上に金属化層を形成し、この金属化層を介し
て半導体基体が搭載されていることを特徴とする半導体
装置。
【請求項４】請求項１又は３の発明において、上記金
属が粒子状をなし、その添加量が６０ｗｔ％未満である
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】請求項２又は３の発明において、上記セ
ラミックスが粒子状をなし、その添加量が１０ｗｔ％未
満であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】請求項１、２及び３の何れかの発明にお
いて、上記金属化層の表面が銅、ニッケル、銀、金、白
金、パラジウム、錫、鉛、アンチモン、アルミニウム、
亜鉛、若しくはこれらの合金で構成されていることを特
徴とする半導体装置。
【請求項７】請求項１、２及び３の何れかの発明にお
いて、上記導電性部材が無機質絶縁部材を介して支持部
材にろう付け搭載されていることを特徴とする半導体装
置。
【請求項８】請求項７において、上記無機質絶縁部材
が、窒化アルミニウム、アルミナ、ベリリヤ、窒化硼素
の群から選択された少なくとも１種からなるセラミック
スで構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】請求項１、２及び３の何れかの発明にお
いて、上記導電性部材上に、この導電性部材から絶縁さ
れた電気的活性領域が形成されたことを特徴とする半導
体装置。
【請求項１０】回転装置に給電する電気回路として請
求項１〜９の何れかの半導体装置を用い、上記回転装置
の回転速度を制御するように構成したことを特徴とする
電子装置。
【請求項１１】回転装置に給電する電気回路として請
求項１〜９の何れかの半導体装置を用い、移動装置に上
記回転装置と共に組み込まれて該移動装置の移動速度を
制御するように構成したことを特徴とする電子装置。
【請求項１２】請求項１０又は１１の発明において、
上記電気回路がインバータ回路であることを特徴とする
電子装置。
【請求項１３】請求項１０の発明において、上記回転
装置が流体を撹拌又は流動させる装置に組み込まれ、撹
拌速度及び流動速度の少なくとも一方を制御するように
構成されていることを特徴とする電子装置。
【請求項１４】請求項１０の発明において、上記回転
装置が、物体を加工する装置に組み込まれ、加工速度を
制御するように構成されていることを特徴とする電子装
置。
【請求項１５】発光体に給電する電気回路として請求
項１〜９の何れかの半導体装置を用い、上記発光体の放
出光量を制御するように構成されていることを特徴とす
る電子装置。