JPH0815189B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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- JPH0815189B2 JPH0815189B2 JP62004156A JP415687A JPH0815189B2 JP H0815189 B2 JPH0815189 B2 JP H0815189B2 JP 62004156 A JP62004156 A JP 62004156A JP 415687 A JP415687 A JP 415687A JP H0815189 B2 JPH0815189 B2 JP H0815189B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は半導体装置の製造方法に関する。
（従来の技術） 従来、電子機器に広く用いられている半導体装置は、
第５図で示すように表面および内部に導体配線を施した
絶縁性の基板１の中央部に半導体チップ２を載置して、
この半導体チップ２を基板１の導体配線にワイヤボンデ
ィングで接続し、基板１の半導体チップ配置部を封止材
（蓋）３で封止したものである。
第５図で示すように表面および内部に導体配線を施した
絶縁性の基板１の中央部に半導体チップ２を載置して、
この半導体チップ２を基板１の導体配線にワイヤボンデ
ィングで接続し、基板１の半導体チップ配置部を封止材
（蓋）３で封止したものである。
そして、この半導体装置における基板１には、高電気
絶縁性を有し、機械的強度が高く経済性も良いことから
セラミックス材料が採用されており、一般にはアルミナ
基板が用いられている。
絶縁性を有し、機械的強度が高く経済性も良いことから
セラミックス材料が採用されており、一般にはアルミナ
基板が用いられている。
（発明が解決しようとする問題点） しかして、半導体装置においては、半導体チップが発
熱するために半導体チップの熱により装置が熱せられて
温度上昇し、装置温度が半導体チップの許容温度を超え
ると半導体チップの正常な動作が損なわれてしまう。こ
のため、半導体チップの熱による装置の温度上昇を抑制
して半導体チップの機能劣化の発生を防止する必要があ
る。
熱するために半導体チップの熱により装置が熱せられて
温度上昇し、装置温度が半導体チップの許容温度を超え
ると半導体チップの正常な動作が損なわれてしまう。こ
のため、半導体チップの熱による装置の温度上昇を抑制
して半導体チップの機能劣化の発生を防止する必要があ
る。
しかるに、半導体チップの発熱に対する冷却を半導体
装置自身で行う手段として、半導体チップの熱を基板に
伝導させて外部に放出させる方法がある。
装置自身で行う手段として、半導体チップの熱を基板に
伝導させて外部に放出させる方法がある。
しかしながら、従来の半導体装置におけるアルミナ基
板の熱伝導性（熱伝導率約20W/mk）は、半導体の熱を良
好に伝導して外部に放出し半導体装置の温度上昇を確実
に抑制するには不充分であり、特に高出力、高集積度の
半導体装置では装置の温度上昇により半導体の機能劣化
を引き起こす。そこで、従来の特に高出力、高集積度の
半導体装置においては、空冷式または水冷式の複雑な構
成をなす冷却装置を付帯させ、この冷却装置を用いて半
導体装置を冷却することにより温度上昇を抑制する方法
が採用されている。
板の熱伝導性（熱伝導率約20W/mk）は、半導体の熱を良
好に伝導して外部に放出し半導体装置の温度上昇を確実
に抑制するには不充分であり、特に高出力、高集積度の
半導体装置では装置の温度上昇により半導体の機能劣化
を引き起こす。そこで、従来の特に高出力、高集積度の
半導体装置においては、空冷式または水冷式の複雑な構
成をなす冷却装置を付帯させ、この冷却装置を用いて半
導体装置を冷却することにより温度上昇を抑制する方法
が採用されている。
したがって、従来の冷却装置を付帯した半導体装置は
デバイスとして大型化するとともに価格が高くなるとい
う問題がある。
デバイスとして大型化するとともに価格が高くなるとい
う問題がある。
本発明は前記事情に基づいてなされたもので、冷却装
置を不要または簡略化として小型化および低価格化を図
った自己冷却能力が優れた高出力用の半導体装置の製造
方法を提供することを目的とするものである。
置を不要または簡略化として小型化および低価格化を図
った自己冷却能力が優れた高出力用の半導体装置の製造
方法を提供することを目的とするものである。
［発明の構成］ （問題点を解決するための手段と作用） 前記目的を達成するために本発明の半導体装置の製造
方法は、開口部を有するアルミナ基板の前記開口部を覆
うように窒化アルミニウム板を600℃以下の融点を有す
るろう材により前記ろう材の融点以上の温度で接合し、
冷却後半導体チップを前記アルミナ基板の開口部に位置
し、かつ前記窒化アルミニウム板に載置することを特徴
とするものである。
方法は、開口部を有するアルミナ基板の前記開口部を覆
うように窒化アルミニウム板を600℃以下の融点を有す
るろう材により前記ろう材の融点以上の温度で接合し、
冷却後半導体チップを前記アルミナ基板の開口部に位置
し、かつ前記窒化アルミニウム板に載置することを特徴
とするものである。
本発明の製造方法による半導体装置の基本的な構成を
第１図について説明する。
第１図について説明する。
図中11はアルミナ焼結体からなるアルミナ多層基板
で、このアルミナ多層基板11の中央部は例えば凹部とな
っており、この凹部の底部には開口部12が形成されてい
る。また、アルミナ多層基板11の表面および内部には導
体配線が形成されている。13は窒化アルミニウム（Al
N）の焼結体からなる窒化アルミニウム板で、この窒化
アルミニウム板13はアルミナ多層基板11の底面中央部に
開口部12を覆うように接合されている。窒化アルミニウ
ムは熱伝導率（70〜260W/mk）がアルミナに比して非常
に大きく放熱性に優れており、また電気絶縁性も大変優
れている。この窒化アルミニウム板13の厚さは0.3〜3.0
mmである。14は半導体チップ例えばSiチップで、この半
導体チップ14はアルミナ多層基板11の開口部12において
アルミナ多層基板11に接合された窒化アルミニウム板13
に載置して設けられている。この半導体チップ14はワイ
ヤ15によりアルミナ多層基板11の導体配線と電気的に接
続されている（ワイヤボンディング）。また、Siチップ
の熱膨張係数（3.7×10-6/℃）は窒化アルミニウムの熱
膨張係数（4.5×10-6/℃）と近似しているため、大型サ
イズのSiチップを直接ハンダ付けにより載置することが
できる。アルミナ基板（熱膨張係数7.0×10-6/℃）の場
合は、両者の熱膨張係数差が大きくハンダ付け時の熱応
力でSiチップを破壊させることがある。16はFe−Ni合金
などからなる封止材で、この封止材16はアルミナ多層基
板11の凹部つまり半導体チップ配置部の上部を覆うよう
にアルミナ多層基板11の表面に接合されている。なお、
17はアルミナ多層基板11の表面に取り付けられた電気入
出力用端子ピンで、アルミナ多層基板11にろう付けさ
れ、アルミナ多層基板の内部導体配線と接続されてい
る。
で、このアルミナ多層基板11の中央部は例えば凹部とな
っており、この凹部の底部には開口部12が形成されてい
る。また、アルミナ多層基板11の表面および内部には導
体配線が形成されている。13は窒化アルミニウム（Al
N）の焼結体からなる窒化アルミニウム板で、この窒化
アルミニウム板13はアルミナ多層基板11の底面中央部に
開口部12を覆うように接合されている。窒化アルミニウ
ムは熱伝導率（70〜260W/mk）がアルミナに比して非常
に大きく放熱性に優れており、また電気絶縁性も大変優
れている。この窒化アルミニウム板13の厚さは0.3〜3.0
mmである。14は半導体チップ例えばSiチップで、この半
導体チップ14はアルミナ多層基板11の開口部12において
アルミナ多層基板11に接合された窒化アルミニウム板13
に載置して設けられている。この半導体チップ14はワイ
ヤ15によりアルミナ多層基板11の導体配線と電気的に接
続されている（ワイヤボンディング）。また、Siチップ
の熱膨張係数（3.7×10-6/℃）は窒化アルミニウムの熱
膨張係数（4.5×10-6/℃）と近似しているため、大型サ
イズのSiチップを直接ハンダ付けにより載置することが
できる。アルミナ基板（熱膨張係数7.0×10-6/℃）の場
合は、両者の熱膨張係数差が大きくハンダ付け時の熱応
力でSiチップを破壊させることがある。16はFe−Ni合金
などからなる封止材で、この封止材16はアルミナ多層基
板11の凹部つまり半導体チップ配置部の上部を覆うよう
にアルミナ多層基板11の表面に接合されている。なお、
17はアルミナ多層基板11の表面に取り付けられた電気入
出力用端子ピンで、アルミナ多層基板11にろう付けさ
れ、アルミナ多層基板の内部導体配線と接続されてい
る。
次にアルミナ多層基板11と窒化アルミニウム板13との
接合構造について説明する。
接合構造について説明する。
この接合構造として好ましいものは第２図ないし第４
図で示す３種類の構造が挙げられる。
図で示す３種類の構造が挙げられる。
第２図で示す接合構造は、アルミナ多層基板11と窒化
アルミニウム板13とろう材18を用いてろう付けにより直
接接合したものである。ろう材18としてAg−Cu−Sn合
金、Ag−Cu−In合金などの低温のろう材を使用し、約60
0℃の温度でろう付けを行う。これらのろう材は600℃以
下の融点を有するものであるので、融点以上の温度（例
えば600℃）でろう付けを行えば、ろう材は溶融し、そ
の後冷却することにより、アルミナ多層基板11と窒化ア
ルミニウム板13とを接合できる。なお、アルミナ多層基
板11と窒化アルミニウム板13のそれぞれの接合面には、
前処理としてＷまたはMoメタライズを施した後にNiメッ
キを施してろう材が確実に溶着するようにする。この接
合構造によれば、低温でろう付けを行っているので、ろ
う付けの熱処理によりアルミナ多層基板11と窒化アルミ
ニウム板13に大きな熱的応力を生じさせることがない。
アルミナ多層基板11と窒化アルウミニウム板13は比較的
熱膨張係数差が大きく、これに起因して大きな熱応力が
生じると破損することが多いので、この破損を防止でき
る。
アルミニウム板13とろう材18を用いてろう付けにより直
接接合したものである。ろう材18としてAg−Cu−Sn合
金、Ag−Cu−In合金などの低温のろう材を使用し、約60
0℃の温度でろう付けを行う。これらのろう材は600℃以
下の融点を有するものであるので、融点以上の温度（例
えば600℃）でろう付けを行えば、ろう材は溶融し、そ
の後冷却することにより、アルミナ多層基板11と窒化ア
ルミニウム板13とを接合できる。なお、アルミナ多層基
板11と窒化アルミニウム板13のそれぞれの接合面には、
前処理としてＷまたはMoメタライズを施した後にNiメッ
キを施してろう材が確実に溶着するようにする。この接
合構造によれば、低温でろう付けを行っているので、ろ
う付けの熱処理によりアルミナ多層基板11と窒化アルミ
ニウム板13に大きな熱的応力を生じさせることがない。
アルミナ多層基板11と窒化アルウミニウム板13は比較的
熱膨張係数差が大きく、これに起因して大きな熱応力が
生じると破損することが多いので、この破損を防止でき
る。
第３図で示す接合構造は、アルミナ多層基板11と窒化
アルミニウム板13との間に環状をなす１個のスペーサ19
を介在させ、アルミナ多層基板11とスペーサ19とをろう
材18によるろう付けで接合し、また窒化アルミニウム板
13とスペーサ19とを同じくろう付けにより接合したもの
である。スペーサ19にはアルミナと窒化アルミニウウム
の両者の熱膨張係数を緩和する両者の間の熱膨張係数を
有する材料などからなる板材を使用する。例えばCu単体
からなる板、あるいはCu/Mo/Cuクラッド材を用いる。Cu
板は、熱膨張係数（18×10-6/℃）は大きいが、塑性変
形が著しく容易であり熱応力を緩和する。スペーサ19の
厚さは0.1〜0.3mmである。ろう付けにはろう材18として
第２図で示す接合構造に用いる低温ろう材を用いる。
アルミニウム板13との間に環状をなす１個のスペーサ19
を介在させ、アルミナ多層基板11とスペーサ19とをろう
材18によるろう付けで接合し、また窒化アルミニウム板
13とスペーサ19とを同じくろう付けにより接合したもの
である。スペーサ19にはアルミナと窒化アルミニウウム
の両者の熱膨張係数を緩和する両者の間の熱膨張係数を
有する材料などからなる板材を使用する。例えばCu単体
からなる板、あるいはCu/Mo/Cuクラッド材を用いる。Cu
板は、熱膨張係数（18×10-6/℃）は大きいが、塑性変
形が著しく容易であり熱応力を緩和する。スペーサ19の
厚さは0.1〜0.3mmである。ろう付けにはろう材18として
第２図で示す接合構造に用いる低温ろう材を用いる。
第４図で示す接合構造は、アルミナ多層基板11と窒化
アルミニウク板13との間に複数個例えば２個の環状をな
すスペーサ20,21を重ねて介在させ、アルミナ多層基板1
1とスペーサ20、スペーサ20とスペーサ21、スペーサ21
と窒化アルミニウム板13をそれぞれろう材18を用いたろ
う付けにより接合する。スペーサ20には例えばFe64％−
Ni29％−Co17％合金（コバール）、Fe58％−Ni42％合金
などの材料で形成した板材を使用し、スペーサ21には例
えばMo、Ｗからなるものを使用する。これらの材料で形
成するスペーサ20,21の熱膨張係数はそれぞれ６〜７×1
0-6/℃、４〜６×10-6/℃であり、アルミナ多層基板1
1、窒化アルミニウム板13のそれに近似させる。その厚
さは0.1〜0.3mmである。ろう材18は第２図および第３図
で示す接合構造に用いるものと同様である。この接合構
造によれば、接合面積が大きくてもろう付けにて生じた
熱応力をスペーサ20,21が吸収してAl2O3、AlNの各セラ
ミックス基板に作用することを阻止してセラミックスの
クラックの発生を防止できる。
アルミニウク板13との間に複数個例えば２個の環状をな
すスペーサ20,21を重ねて介在させ、アルミナ多層基板1
1とスペーサ20、スペーサ20とスペーサ21、スペーサ21
と窒化アルミニウム板13をそれぞれろう材18を用いたろ
う付けにより接合する。スペーサ20には例えばFe64％−
Ni29％−Co17％合金（コバール）、Fe58％−Ni42％合金
などの材料で形成した板材を使用し、スペーサ21には例
えばMo、Ｗからなるものを使用する。これらの材料で形
成するスペーサ20,21の熱膨張係数はそれぞれ６〜７×1
0-6/℃、４〜６×10-6/℃であり、アルミナ多層基板1
1、窒化アルミニウム板13のそれに近似させる。その厚
さは0.1〜0.3mmである。ろう材18は第２図および第３図
で示す接合構造に用いるものと同様である。この接合構
造によれば、接合面積が大きくてもろう付けにて生じた
熱応力をスペーサ20,21が吸収してAl2O3、AlNの各セラ
ミックス基板に作用することを阻止してセラミックスの
クラックの発生を防止できる。
アルミナ多層基板11と窒化アルミニウム板13との接合
部の大きさによりそこに発生する熱応力が異なるため
に、接合部の大きさに応じて各接合構造を選択的に採用
する。
部の大きさによりそこに発生する熱応力が異なるため
に、接合部の大きさに応じて各接合構造を選択的に採用
する。
しかして、本発明の製造方法による半導体装置は、ア
ルミナ多層基板11に接合した窒化アルミニウム板13に半
導体チップを載置しているので、半導体チップ14の発熱
が高い熱伝導性を有する窒化アルミニウム板13によって
良好に伝道され外部に放出される。このため、この半導
体装置は半導体チップ14の発熱による装置の温度上昇を
確実に抑制でき、低出力、低集積度のものはもちろんの
こと高出力、高集積度のものにおいても複雑な構成の空
冷式あるいは水冷式の冷却装置を付帯させる必要がなく
なり、装置の小型化、低価格化が達成できる。また、半
導体チップ14を窒化アルミニウム板13に直接載置でき、
その作業性および信頼性を向上させることができる。も
ちろん、基板としてアルミナ多層基板11および窒化アル
ミニウム板13を用いているので、機械的強度が優れ耐熱
性も良いという利点も得られる。
ルミナ多層基板11に接合した窒化アルミニウム板13に半
導体チップを載置しているので、半導体チップ14の発熱
が高い熱伝導性を有する窒化アルミニウム板13によって
良好に伝道され外部に放出される。このため、この半導
体装置は半導体チップ14の発熱による装置の温度上昇を
確実に抑制でき、低出力、低集積度のものはもちろんの
こと高出力、高集積度のものにおいても複雑な構成の空
冷式あるいは水冷式の冷却装置を付帯させる必要がなく
なり、装置の小型化、低価格化が達成できる。また、半
導体チップ14を窒化アルミニウム板13に直接載置でき、
その作業性および信頼性を向上させることができる。も
ちろん、基板としてアルミナ多層基板11および窒化アル
ミニウム板13を用いているので、機械的強度が優れ耐熱
性も良いという利点も得られる。
なお、本発明の製造方法はDIP（Dual Inline Packa
ge）、PGA（Pin Grid Array）、フラットパッケージ
などの半導体装置に広く適用できる。
ge）、PGA（Pin Grid Array）、フラットパッケージ
などの半導体装置に広く適用できる。
（実施例） 本発明例としてアルミナ多層基板（開口部12×12mm）
に第３図で示す接合構造で窒化アルミニウム板（16×16
×t0.635mm）をAg−Cu−Inろう材を用いて600℃で接合
した。スペーサにはCu板（16×12×t0.15mm）を用い
た。そして、窒化アルミニウム板に寸法が10×10mmのSi
チップ（LSI）を載置して半導体装置を製作した。この
半導体装置に電流を通じて5Wの消費電力のもとで過渡熱
抵抗を測定した結果、自然対流の場合16.9℃/W、ヒート
シンク取り付け（2m/sec空冷）の場合4.0℃/Wであっ
た。
に第３図で示す接合構造で窒化アルミニウム板（16×16
×t0.635mm）をAg−Cu−Inろう材を用いて600℃で接合
した。スペーサにはCu板（16×12×t0.15mm）を用い
た。そして、窒化アルミニウム板に寸法が10×10mmのSi
チップ（LSI）を載置して半導体装置を製作した。この
半導体装置に電流を通じて5Wの消費電力のもとで過渡熱
抵抗を測定した結果、自然対流の場合16.9℃/W、ヒート
シンク取り付け（2m/sec空冷）の場合4.0℃/Wであっ
た。
従来例として第５図に示すアルミナ多層基板を使用
し、この基板に寸法が10×10mmであるSiチップを載置し
て上記に相当する半導体装置の場合には、それぞれ28.6
℃/W、13.2℃/Wであった。本発明の製造方法による半導
体装置では、いずれの冷却方式においても従来基板と比
較して放熱性が著しく改良され、半導体の高出力化、品
質信頼性、高寿命化が達成された。
し、この基板に寸法が10×10mmであるSiチップを載置し
て上記に相当する半導体装置の場合には、それぞれ28.6
℃/W、13.2℃/Wであった。本発明の製造方法による半導
体装置では、いずれの冷却方式においても従来基板と比
較して放熱性が著しく改良され、半導体の高出力化、品
質信頼性、高寿命化が達成された。
［発明の効果］ 以上説明したように本発明の製造方法による半導体装
置は、アルミナ基板と窒化アルミニウム板を組み合わせ
た基板構造を採用して自己冷却能力に優れているので、
特別に冷却装置を付帯させる必要がなく高出力でかつ小
型で安価に製作できる。
置は、アルミナ基板と窒化アルミニウム板を組み合わせ
た基板構造を採用して自己冷却能力に優れているので、
特別に冷却装置を付帯させる必要がなく高出力でかつ小
型で安価に製作できる。
また、アルミナ基板と窒化アルミニウム板とを、融点
が600℃以下のろう材を用いてろう材の融点以上の温度
で接合後冷却しているので、ろう付けの熱処理によりア
ルミナ基板と窒化アルミニウム板に大きな熱的応力が発
生することがなく、これに起因するアルミナ基板と窒化
アルミニウム板の破損を防止できる。
が600℃以下のろう材を用いてろう材の融点以上の温度
で接合後冷却しているので、ろう付けの熱処理によりア
ルミナ基板と窒化アルミニウム板に大きな熱的応力が発
生することがなく、これに起因するアルミナ基板と窒化
アルミニウム板の破損を防止できる。
第１図は本発明の製造方法による半導体装置を示す断面
図、第２図ないし第４図は本発明の製造方法による半導
体装置におけるアルミナ多層基板と窒化アルミニウム板
との接合構造を示す断面図、第５図は従来の半導体装置
を示す断面図である。 11……アルミナ多層基板 13……窒化アルミニウム板 14……半導体チップ
図、第２図ないし第４図は本発明の製造方法による半導
体装置におけるアルミナ多層基板と窒化アルミニウム板
との接合構造を示す断面図、第５図は従来の半導体装置
を示す断面図である。 11……アルミナ多層基板 13……窒化アルミニウム板 14……半導体チップ
Claims (4)
- 【請求項１】開口部を有するアルミナ基板の前記開口部
を覆うように窒化アルミニウム板を600℃以下の融点を
有するろう材により前記ろう材の融点以上の温度で接合
し、冷却後半導体チップを前記アルミナ基板の開口部に
位置し、かつ前記窒化アルミニウム板に載置することを
特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項２】窒化アルミニウム板をアルミナ基板に直接
ろう付けする特許請求の範囲第１項に記載の半導体装置
の製造方法。 - 【請求項３】アルミナ基板と窒化アルミニウム板との間
にろう付けに伴う熱応力緩和用のスペーサを介在し、か
つアルミナ基板とスペーサおよび窒化アルミニウム板と
スペーサとをそれぞれろう付けする特許請求の範囲第１
項に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項４】ろう材はAg−Cu−Sn合金またはAg−Cu−In
合金である特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ
かに記載の半導体装置の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62004156A JPH0815189B2 (ja) | 1987-01-13 | 1987-01-13 | 半導体装置の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62004156A JPH0815189B2 (ja) | 1987-01-13 | 1987-01-13 | 半導体装置の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63173348A JPS63173348A (ja) | 1988-07-16 |
| JPH0815189B2 true JPH0815189B2 (ja) | 1996-02-14 |
Family
ID=11576887
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62004156A Expired - Lifetime JPH0815189B2 (ja) | 1987-01-13 | 1987-01-13 | 半導体装置の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0815189B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPS6334962A (ja) * | 1986-07-30 | 1988-02-15 | Hitachi Ltd | パツケ−ジ構造体 |
-
1987
- 1987-01-13 JP JP62004156A patent/JPH0815189B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63173348A (ja) | 1988-07-16 |
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