JPH06334073A - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
- Publication number
- JPH06334073A JPH06334073A JP14158393A JP14158393A JPH06334073A JP H06334073 A JPH06334073 A JP H06334073A JP 14158393 A JP14158393 A JP 14158393A JP 14158393 A JP14158393 A JP 14158393A JP H06334073 A JPH06334073 A JP H06334073A
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- JP
- Japan
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- copper
- kovar
- invar
- heat dissipation
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Abstract
(57)【要約】
【目的】金属からなる放熱板上に樹脂絶縁層を介して金
属パターンを積層してなる放熱回路基板を有し、該基板
上にシリコンペレットを接着する半導体装置において、
熱伝導性や熱衝撃特性等の熱特性が良好であると共にそ
の価格も従来より安価で、かつ組み立て容易で信頼性を
向上できる半導体装置を提供する。 【構成】シリコンペレットをはんだ付けする金属パター
ンの材質を、良熱伝導体の銅と、熱膨脹率がシリコンに
近似するコバールまたはインバーとの 2層クラッド材
（Ｃu ／（コバールまたはインバー））または 3層クラ
ッド材（Ｃu ／（コバールまたはインバー）／Ｃu ）と
し、各金属層の厚さを適値に調整して熱伝導性と熱膨脹
性とがバランスした放熱回路基板を使用する。
属パターンを積層してなる放熱回路基板を有し、該基板
上にシリコンペレットを接着する半導体装置において、
熱伝導性や熱衝撃特性等の熱特性が良好であると共にそ
の価格も従来より安価で、かつ組み立て容易で信頼性を
向上できる半導体装置を提供する。 【構成】シリコンペレットをはんだ付けする金属パター
ンの材質を、良熱伝導体の銅と、熱膨脹率がシリコンに
近似するコバールまたはインバーとの 2層クラッド材
（Ｃu ／（コバールまたはインバー））または 3層クラ
ッド材（Ｃu ／（コバールまたはインバー）／Ｃu ）と
し、各金属層の厚さを適値に調整して熱伝導性と熱膨脹
性とがバランスした放熱回路基板を使用する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、放熱回路基板（以下放
熱基板と呼ぶ）上に半導体素子をはんだ付けして作られ
るモジュール（ module ，回路素子をひとまとめにした
回路部品）等の半導体装置に関するもので、特に半導体
素子が接合される放熱基板側の熱膨張を、素子ペレット
に近似する低膨脹化とすることで、該装置の熱的特性を
改良するものである。
熱基板と呼ぶ）上に半導体素子をはんだ付けして作られ
るモジュール（ module ，回路素子をひとまとめにした
回路部品）等の半導体装置に関するもので、特に半導体
素子が接合される放熱基板側の熱膨張を、素子ペレット
に近似する低膨脹化とすることで、該装置の熱的特性を
改良するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、三相交流発電機の起電力をシリコ
ンダイオードの三相ブリッジ接続で整流する場合などに
用いられてきた半導体整流モジュールの一例を図５に示
す。同図（ａ）は該モジュールの平面図、同図（ｂ）
は、Ａ−Ａ′線で切断した断面図である。また図６は、
図５（ｂ）に示す円周ｐで囲まれた部分の拡大断面図で
ある。放熱基板１は、アルミニウムからなる放熱板１
ａ、樹脂絶縁層２及び金属（本例では銅箔）パターン３
を積層したものである。
ンダイオードの三相ブリッジ接続で整流する場合などに
用いられてきた半導体整流モジュールの一例を図５に示
す。同図（ａ）は該モジュールの平面図、同図（ｂ）
は、Ａ−Ａ′線で切断した断面図である。また図６は、
図５（ｂ）に示す円周ｐで囲まれた部分の拡大断面図で
ある。放熱基板１は、アルミニウムからなる放熱板１
ａ、樹脂絶縁層２及び金属（本例では銅箔）パターン３
を積層したものである。
【０００３】シリコンペレット５は、一方の主面（図の
下面）は、モリブデンディスク４を間に挟み、はんだ７
により、放熱基板１の金属パターン３にはんだ付けさ
れ、他方の主面（図の上面）は、はんだ７により銅リー
ド６に接続され電極導出が行なわれている。符号８は、
上記モジュールの取り付け孔である。
下面）は、モリブデンディスク４を間に挟み、はんだ７
により、放熱基板１の金属パターン３にはんだ付けさ
れ、他方の主面（図の上面）は、はんだ７により銅リー
ド６に接続され電極導出が行なわれている。符号８は、
上記モジュールの取り付け孔である。
【０００４】放熱基板１の金属パターン３は熱伝導性の
良い銅が使用されるが、銅の線熱膨張率（以下単に熱膨
張率という）は16.7×10-6／℃でシリコンの熱膨脹率
2.5×10-6／℃に比して約 6倍と大きいため、シリコン
ペレットを直接銅箔にはんだ付けすると、熱膨張の違い
から、シリコンペレット５がクラックするので、熱緩衝
板としてモリブデンディスク（熱膨脹率 5.5×10-6／
℃）４を挿入することが一般に行なわれている。
良い銅が使用されるが、銅の線熱膨張率（以下単に熱膨
張率という）は16.7×10-6／℃でシリコンの熱膨脹率
2.5×10-6／℃に比して約 6倍と大きいため、シリコン
ペレットを直接銅箔にはんだ付けすると、熱膨張の違い
から、シリコンペレット５がクラックするので、熱緩衝
板としてモリブデンディスク（熱膨脹率 5.5×10-6／
℃）４を挿入することが一般に行なわれている。
【０００５】上記従来技術の欠点は、熱緩衝板として使
用するモリブデンディスクが高価であり、製品価格の低
減化に対し、障害になっている。またモリブデンディス
クを挿入するため、はんだ付け箇所が増加することによ
り、半導体装置の信頼性が低下することになる。
用するモリブデンディスクが高価であり、製品価格の低
減化に対し、障害になっている。またモリブデンディス
クを挿入するため、はんだ付け箇所が増加することによ
り、半導体装置の信頼性が低下することになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】これまで述べたよう
に、従来の放熱基板の金属パターンは、熱伝導性の良い
銅箔を使用している。しかしシリコンペレットを直接銅
箔に接合すると、両者の熱膨脹率の差が大きく、熱疲労
特性や熱衝撃特性が悪く、クラック等の不良を生ずる。
従来技術では銅箔とシリコンペレットとの熱膨脹率の差
を緩和するため、熱伝導は銅に比し劣るが、モリブデン
ディスク等の低熱膨脹率の熱緩衝板を両者の間に挿入
し、熱衝撃特性の改善を計っている。しかしながら前記
の通り、モリブデンディスクは高価で、製品価格の低減
化の障害となり、また組み立てに手数を必要とし、信頼
性を低下させるという課題がある。
に、従来の放熱基板の金属パターンは、熱伝導性の良い
銅箔を使用している。しかしシリコンペレットを直接銅
箔に接合すると、両者の熱膨脹率の差が大きく、熱疲労
特性や熱衝撃特性が悪く、クラック等の不良を生ずる。
従来技術では銅箔とシリコンペレットとの熱膨脹率の差
を緩和するため、熱伝導は銅に比し劣るが、モリブデン
ディスク等の低熱膨脹率の熱緩衝板を両者の間に挿入
し、熱衝撃特性の改善を計っている。しかしながら前記
の通り、モリブデンディスクは高価で、製品価格の低減
化の障害となり、また組み立てに手数を必要とし、信頼
性を低下させるという課題がある。
【０００７】本発明は、放熱基板を使用する半導体装置
において、放熱基板の熱伝導性や熱衝撃特性等の熱特性
がバランスして良好な特性を有すると共に、その価格も
従来より安価で、かつ組み立て容易な放熱基板を使用す
る半導体装置を提供することを目的とする。
において、放熱基板の熱伝導性や熱衝撃特性等の熱特性
がバランスして良好な特性を有すると共に、その価格も
従来より安価で、かつ組み立て容易な放熱基板を使用す
る半導体装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、金属からなる
放熱板上に樹脂絶縁層を介して金属パターンを積層して
なる放熱回路基板を有する半導体装置において、前記金
属パターンの材質が、銅とコバールまたは銅とインバー
の 2層クラッド材、或いは銅とコバールと銅または銅と
インバーと銅の 3層クラッド材から成ることを特徴とす
る半導体装置である。
放熱板上に樹脂絶縁層を介して金属パターンを積層して
なる放熱回路基板を有する半導体装置において、前記金
属パターンの材質が、銅とコバールまたは銅とインバー
の 2層クラッド材、或いは銅とコバールと銅または銅と
インバーと銅の 3層クラッド材から成ることを特徴とす
る半導体装置である。
【０００９】なおコバールはＦe −29％Ｎi −17％Ｃo
合金、インバーはＦe −36％Ｎi 合金である。これらク
ラッド材の好ましい比率における許容度は±10％であ
る。
合金、インバーはＦe −36％Ｎi 合金である。これらク
ラッド材の好ましい比率における許容度は±10％であ
る。
【００１０】
【作用】放熱基板は、金属からなる放熱板上に樹脂絶縁
層で金属パターンを接合したものである。したがって金
属パターンは、良好な熱伝導体であると共に、その上に
接合されるシリコンペレットにできるだけ近い低熱膨脹
率を有し、シリコンペレットを搭載したとき、熱疲労特
性や熱衝撃特性が実用上十分な特性となる安価な材質と
する必要がある。
層で金属パターンを接合したものである。したがって金
属パターンは、良好な熱伝導体であると共に、その上に
接合されるシリコンペレットにできるだけ近い低熱膨脹
率を有し、シリコンペレットを搭載したとき、熱疲労特
性や熱衝撃特性が実用上十分な特性となる安価な材質と
する必要がある。
【００１１】表１に示すように、コバール、インバー合
金等は、低線膨脹金属として知られているが（特開昭63
−252457号参照）、この金属は銅等に比し熱伝導が極端
に悪いので、この金属だけでは、放熱特性の良好な放熱
基板は得られない。
金等は、低線膨脹金属として知られているが（特開昭63
−252457号参照）、この金属は銅等に比し熱伝導が極端
に悪いので、この金属だけでは、放熱特性の良好な放熱
基板は得られない。
【００１２】
【表１】
【００１３】本発明の放熱基板の金属パターンは、銅と
コバール（或いはインバー）合金との 2層（銅／コバー
ル、銅／インバー）または 3層（銅／コバール／銅、銅
／インバー／銅）のクラッド層（地金金属の表裏に被覆
金属を密着させ高温圧延したもの）とする。表１からも
分かるように、銅とコバール（インバー）合金とは、ク
ラッド層の熱伝導率と熱膨脹率に対しては互いにトレー
ドオフの関係にある。本発明は、この点を考慮し、それ
ぞれの層厚の比率を調整し、熱伝導率と線膨脹率がバラ
ンスし、実用上十分満足のできる放熱特性、熱疲労耐性
及び熱衝撃耐性を実現したものである。
コバール（或いはインバー）合金との 2層（銅／コバー
ル、銅／インバー）または 3層（銅／コバール／銅、銅
／インバー／銅）のクラッド層（地金金属の表裏に被覆
金属を密着させ高温圧延したもの）とする。表１からも
分かるように、銅とコバール（インバー）合金とは、ク
ラッド層の熱伝導率と熱膨脹率に対しては互いにトレー
ドオフの関係にある。本発明は、この点を考慮し、それ
ぞれの層厚の比率を調整し、熱伝導率と線膨脹率がバラ
ンスし、実用上十分満足のできる放熱特性、熱疲労耐性
及び熱衝撃耐性を実現したものである。
【００１４】
【実施例】本発明の実施例を図面を参照して以下説明す
る。
る。
【００１５】図１は、本発明を三相全波整流モジュール
に適用した第１の実施例を示し、同図（ａ）は平面図、
同図（ｂ）は同図（ａ）に示すＢ−Ｂ′線断面図であ
る。また図２は、図１（ｂ）に示す円周ｍで囲まれた部
分の拡大断面図である。
に適用した第１の実施例を示し、同図（ａ）は平面図、
同図（ｂ）は同図（ａ）に示すＢ−Ｂ′線断面図であ
る。また図２は、図１（ｂ）に示す円周ｍで囲まれた部
分の拡大断面図である。
【００１６】放熱基板１０は、厚さ 2.0mmのアルミニウ
ムからなる放熱板１１上に、金属パターン１３をケトン
系の熱可塑性樹脂絶縁層１２で接合したものである。金
属パターン１３は、全厚が 0.3mmで、厚さの構成比が
1： 9のコバール層１３ａ／銅層１３ｃもしくはインバ
ー層１３ｂ／銅層１３ｃの 2層クラッド材から成る。樹
脂絶縁層１２の厚さ範囲は、0.05〜0.20mm程度である
が、本実施例では製品の絶縁耐圧特性から0.1mm にし
た。また放熱基板１０の大きさは80mm×40mmである。
ムからなる放熱板１１上に、金属パターン１３をケトン
系の熱可塑性樹脂絶縁層１２で接合したものである。金
属パターン１３は、全厚が 0.3mmで、厚さの構成比が
1： 9のコバール層１３ａ／銅層１３ｃもしくはインバ
ー層１３ｂ／銅層１３ｃの 2層クラッド材から成る。樹
脂絶縁層１２の厚さ範囲は、0.05〜0.20mm程度である
が、本実施例では製品の絶縁耐圧特性から0.1mm にし
た。また放熱基板１０の大きさは80mm×40mmである。
【００１７】放熱基板の作り方は、放熱板１１上に 2層
クラッド材を樹脂絶縁層１２で接着した後、ホトエッチ
ング法によりパターニングし、金属パターン１３を形成
した後、プレス加工で打ち抜き、放熱基板１０を得る。
半導体装置は、この放熱基板１０のパターニングされた
金属パターン１３の 2層クラッド材の表面のコバール層
１３ａまたはインバー層１３ｂにシリコンペレット（ダ
イオード）１５を、はんだ７を用いて取り付ける。シリ
コンペレット１５の上面は、はんだ付けにより、銅リー
ド６に接続される。
クラッド材を樹脂絶縁層１２で接着した後、ホトエッチ
ング法によりパターニングし、金属パターン１３を形成
した後、プレス加工で打ち抜き、放熱基板１０を得る。
半導体装置は、この放熱基板１０のパターニングされた
金属パターン１３の 2層クラッド材の表面のコバール層
１３ａまたはインバー層１３ｂにシリコンペレット（ダ
イオード）１５を、はんだ７を用いて取り付ける。シリ
コンペレット１５の上面は、はんだ付けにより、銅リー
ド６に接続される。
【００１８】コバールと銅、またはインバーと銅の 2層
クラッド材では、試行結果によれば、シリコンペレット
が接合される側にコバールまたはインバーが置かれた場
合、ペレットの受ける熱衝撃が、より有効に緩和される
ことが確認された。そしてその程度はコバールやインバ
ーの層厚によって大きく変化しないので、主として経済
的な意味からコバール等と銅との層厚の比率は 1： 9程
度であることが望ましい。
クラッド材では、試行結果によれば、シリコンペレット
が接合される側にコバールまたはインバーが置かれた場
合、ペレットの受ける熱衝撃が、より有効に緩和される
ことが確認された。そしてその程度はコバールやインバ
ーの層厚によって大きく変化しないので、主として経済
的な意味からコバール等と銅との層厚の比率は 1： 9程
度であることが望ましい。
【００１９】図３は、本発明を三相全波整流モジュール
に適用した第２の実施例を示し、同図（ａ）は平面図、
同図（ｂ）は同図（ａ）に示すＣ−Ｃ′線断面図であ
る。また図４は図３（ｂ）に示す円周ｎで囲まれた部分
の拡大断面図である。
に適用した第２の実施例を示し、同図（ａ）は平面図、
同図（ｂ）は同図（ａ）に示すＣ−Ｃ′線断面図であ
る。また図４は図３（ｂ）に示す円周ｎで囲まれた部分
の拡大断面図である。
【００２０】第２実施例では、放熱基板２０の金属パタ
ーン２３が、Ｃu 層２３ａ／コバール層２３ｂ／ＣU 層
２３ｃもしくはＣu 層２３ａ／インバー層２３ｄ／ＣU
層２３ｃの 3層クラッド材からなり、厚さの構成比が
1： 2： 1であることが、前記第１実施例と異なる主な
点である。図３または図４において、図１と同符号は同
じ部分を表わすので、説明を省略する。
ーン２３が、Ｃu 層２３ａ／コバール層２３ｂ／ＣU 層
２３ｃもしくはＣu 層２３ａ／インバー層２３ｄ／ＣU
層２３ｃの 3層クラッド材からなり、厚さの構成比が
1： 2： 1であることが、前記第１実施例と異なる主な
点である。図３または図４において、図１と同符号は同
じ部分を表わすので、説明を省略する。
【００２１】ここで銅層２３ａとコバール層２３ｂと銅
層２３ｃとの層厚の比率は、 3層クラッド層の熱特性に
影響する。第１表からも分かるように、コバールの占め
る割合が多いと線膨脹係数は低くなりシリコンペレット
を接合したときの熱応力は小になるが、放熱特性は悪く
なり、逆に銅の占める割合が多いと放熱は良いが熱応力
は大となる。
層２３ｃとの層厚の比率は、 3層クラッド層の熱特性に
影響する。第１表からも分かるように、コバールの占め
る割合が多いと線膨脹係数は低くなりシリコンペレット
を接合したときの熱応力は小になるが、放熱特性は悪く
なり、逆に銅の占める割合が多いと放熱は良いが熱応力
は大となる。
【００２２】従って、銅層／コバール層／銅層の厚さの
比率は、製品の要求仕様によって決めればよい。この実
施例では評価結果の最も良かった 1： 2： 1の比率のク
ラッド材を採用した。なおコバールの代わりにインバー
を使用する場合の比率も上記と同様である。
比率は、製品の要求仕様によって決めればよい。この実
施例では評価結果の最も良かった 1： 2： 1の比率のク
ラッド材を採用した。なおコバールの代わりにインバー
を使用する場合の比率も上記と同様である。
【００２３】第１実施例及び第２実施例の製品につい
て、公知の方法による熱疲労試験及び熱衝撃試験を行な
ったが、いずれも規格値を十分満足する結果が得られ
た。また放熱特性についても、従来例（図５）と同等の
結果が得られた。
て、公知の方法による熱疲労試験及び熱衝撃試験を行な
ったが、いずれも規格値を十分満足する結果が得られ
た。また放熱特性についても、従来例（図５）と同等の
結果が得られた。
【００２４】また上記実施例において、従来の方式で 9
mm× 9mm× 1mmのモリブデンディスク 6個使用した場合
と比較し、本発明では 1装置当たり約 150円の材料のコ
ストダウンが可能となり、またはんだ付け箇所が従来に
比し 1箇所減り、作り易さ、信頼性が大きく向上した。
またシリコンペレットに対する緩衝板としての効果も、
モリブデンディスクとほぼ同等の効果が得られた。
mm× 9mm× 1mmのモリブデンディスク 6個使用した場合
と比較し、本発明では 1装置当たり約 150円の材料のコ
ストダウンが可能となり、またはんだ付け箇所が従来に
比し 1箇所減り、作り易さ、信頼性が大きく向上した。
またシリコンペレットに対する緩衝板としての効果も、
モリブデンディスクとほぼ同等の効果が得られた。
【００２５】また上記実施例において、シリコンペレッ
トはダイオードであるがこれに限定されない。サイリス
タ、トランジスタ等の電力制御用素子であっても勿論差
し支えない。
トはダイオードであるがこれに限定されない。サイリス
タ、トランジスタ等の電力制御用素子であっても勿論差
し支えない。
【００２６】
【発明の効果】本発明の放熱基板を使用する半導体装置
においては、該基板の金属パターンの材質を良熱伝導体
の金属と低膨脹率の金属との 2層または 3層クラッド材
としたことにより、熱伝導性や熱衝撃特性等の熱特性が
バランスし、十分実用できる良好な熱特性を有すると共
に、その価格も従来より安価で、かつ組み立て容易で信
頼性も向上する半導体装置を提供できた。
においては、該基板の金属パターンの材質を良熱伝導体
の金属と低膨脹率の金属との 2層または 3層クラッド材
としたことにより、熱伝導性や熱衝撃特性等の熱特性が
バランスし、十分実用できる良好な熱特性を有すると共
に、その価格も従来より安価で、かつ組み立て容易で信
頼性も向上する半導体装置を提供できた。
【図１】本発明の半導体装置の第１実施例で、同図
（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＢ−Ｂ′線断面図であ
る。
（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＢ−Ｂ′線断面図であ
る。
【図２】図１（ｂ）に示す円周ｍで囲まれた領域の部分
拡大断面図である。
拡大断面図である。
【図３】本発明の半導体装置の第２実施例で、同図
（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＣ−Ｃ′線断面図であ
る。
（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＣ−Ｃ′線断面図であ
る。
【図４】図３（ｂ）に示す円周ｎで囲まれた領域の部分
拡大断面図である。
拡大断面図である。
【図５】従来の半導体装置の一例を示すもので、同図
（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ′線断面図であ
る。
（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ′線断面図であ
る。
【図６】図５（ｂ）に示す円周ｐで囲まれた領域の部分
拡大断面図である。
拡大断面図である。
１，１０，２０ 放熱回路基板（放熱基板） １ａ，１１ 放熱板（Ａl ） ２，１２ 樹脂絶縁層 ３，１３，２３ 金属パターン ５，１５ シリコンペレット ６ 銅リード ７ はんだ １３ａ コバール層 １３ｂ インバー層 １３ｃ 銅層 ２３ａ，２３ｃ 銅層 ２３ｂ コバール層 ２３ｄ インバー層
Claims (1)
- 【請求項１】金属からなる放熱板上に樹脂絶縁層を介し
て金属パターンを積層してなる放熱回路基板を有する半
導体装置において、前記金属パターンの材質が、銅とコ
バールまたは銅とインバーの 2層クラッド材、或いは銅
とコバールと銅または銅とインバーと銅の 3層クラッド
材から成ることを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14158393A JPH06334073A (ja) | 1993-05-20 | 1993-05-20 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14158393A JPH06334073A (ja) | 1993-05-20 | 1993-05-20 | 半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06334073A true JPH06334073A (ja) | 1994-12-02 |
Family
ID=15295378
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14158393A Pending JPH06334073A (ja) | 1993-05-20 | 1993-05-20 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06334073A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007173504A (ja) * | 2005-12-22 | 2007-07-05 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 半導体素子を実装するためのモジュールと、半導体素子が実装されている半導体装置 |
| US10515826B2 (en) | 2017-03-31 | 2019-12-24 | Sansha Electric Manufacturing Co., Ltd. | Laminated member |
-
1993
- 1993-05-20 JP JP14158393A patent/JPH06334073A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007173504A (ja) * | 2005-12-22 | 2007-07-05 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 半導体素子を実装するためのモジュールと、半導体素子が実装されている半導体装置 |
| US10515826B2 (en) | 2017-03-31 | 2019-12-24 | Sansha Electric Manufacturing Co., Ltd. | Laminated member |
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