JPH0964234A - 半導体装置 - Google Patents
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- JPH0964234A JPH0964234A JP7216908A JP21690895A JPH0964234A JP H0964234 A JPH0964234 A JP H0964234A JP 7216908 A JP7216908 A JP 7216908A JP 21690895 A JP21690895 A JP 21690895A JP H0964234 A JPH0964234 A JP H0964234A
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/321—Disposition
- H01L2224/32151—Disposition 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
- H01L2224/32221—Disposition 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
- H01L2224/32225—Disposition 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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- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
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- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
- H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
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- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/03—Use of materials for the substrate
- H05K1/05—Insulated conductive substrates, e.g. insulated metal substrate
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- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
- H05K3/30—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor
- H05K3/32—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits
- H05K3/34—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits by soldering
- H05K3/341—Surface mounted components
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- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ等の電
力制御用であって、半導体素子搭載の基板の支持部材と
して熱変形の小さい金属支持板を用いることにより、耐
熱疲労特性に優れ、安価な半導体装置を提供する。 【構成】 金属支持板上にアルミナ絶縁板が、さらにこ
の絶縁板上に形成された配線パターンにＳｉチップが搭
載され、かつ樹脂封止される半導体装置において、金属
支持板は、炭素鋼板と、該鋼板の両面にはり合わせて接
合されたＣｕ板材とから構成されたクラッド材からな
り、一方のＣｕ板材、炭素鋼板および他方のＣｕ板材の
板厚比を１：０．８：１ないし１：０．２：１にしたこ
とを特徴とする。
力制御用であって、半導体素子搭載の基板の支持部材と
して熱変形の小さい金属支持板を用いることにより、耐
熱疲労特性に優れ、安価な半導体装置を提供する。 【構成】 金属支持板上にアルミナ絶縁板が、さらにこ
の絶縁板上に形成された配線パターンにＳｉチップが搭
載され、かつ樹脂封止される半導体装置において、金属
支持板は、炭素鋼板と、該鋼板の両面にはり合わせて接
合されたＣｕ板材とから構成されたクラッド材からな
り、一方のＣｕ板材、炭素鋼板および他方のＣｕ板材の
板厚比を１：０．８：１ないし１：０．２：１にしたこ
とを特徴とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、絶縁ゲート・バイポー
ラトランジスタ（Insulated-Gate Bipolar Transistor:
ＩＧＢＴ)等の電力制御用半導体装置に係り、特に半導
体チップを搭載する半導体基板の支持部材となる金属支
持板の信頼性が高く、使用時の加熱冷却の温度サイクル
に対して熱特性の劣化が少なく、且つ安価で高信頼性を
有する半導体装置に関するものである。
ラトランジスタ（Insulated-Gate Bipolar Transistor:
ＩＧＢＴ)等の電力制御用半導体装置に係り、特に半導
体チップを搭載する半導体基板の支持部材となる金属支
持板の信頼性が高く、使用時の加熱冷却の温度サイクル
に対して熱特性の劣化が少なく、且つ安価で高信頼性を
有する半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体装置の支持部材である金属
支持板は、半導体装置の一電極を兼ねる場合が多かっ
た。このため半導体チップ、配線パターンを有する半導
体基板は支持部材上に導電的に接続される必要があり、
例えばＰb−Ｓn系はんだの軟ろうで接合されている。ま
た、半導体装置が作動する際には電力損失が避けられ
ず、これに伴い半導体基板に発熱が生じる。半導体装置
を安全且つ安定に作動させるためには、半導体装置の動
作時に生じる熱を半導体装置のパッケージ外部へ有効に
発散させる必要がある。この熱放散は通常、発熱源であ
る半導体基板からこの基板に連なる各部材を通じ気中へ
熱伝導されることで達成される。この熱伝導経路の主要
部には上述のＰb−Ｓn系の軟ろうで接合された部分や支
持部材を含む。
支持板は、半導体装置の一電極を兼ねる場合が多かっ
た。このため半導体チップ、配線パターンを有する半導
体基板は支持部材上に導電的に接続される必要があり、
例えばＰb−Ｓn系はんだの軟ろうで接合されている。ま
た、半導体装置が作動する際には電力損失が避けられ
ず、これに伴い半導体基板に発熱が生じる。半導体装置
を安全且つ安定に作動させるためには、半導体装置の動
作時に生じる熱を半導体装置のパッケージ外部へ有効に
発散させる必要がある。この熱放散は通常、発熱源であ
る半導体基板からこの基板に連なる各部材を通じ気中へ
熱伝導されることで達成される。この熱伝導経路の主要
部には上述のＰb−Ｓn系の軟ろうで接合された部分や支
持部材を含む。
【０００３】支持部材は熱伝導体であることから、適用
される材料はＣｕが一般的に多い。しかし、Ｃｕ材は大
気中に放置されると酸化、及び腐食の問題がありその対
策として通常はＣｕ材にＮiめっきが施される。
される材料はＣｕが一般的に多い。しかし、Ｃｕ材は大
気中に放置されると酸化、及び腐食の問題がありその対
策として通常はＣｕ材にＮiめっきが施される。
【０００４】従来の半導体装置は、図４に示すような構
成と成っている。即ち、Ｓiチップ21は、ＡｌＮ（窒化
アルミニウム）板22上に軟ろうのはんだ29により接合さ
れ、さらに、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）板22はＣｕ支
持板25にはんだ210で接合されている。接合は実際的に
は、接合面全面にＮiめっきを施して行われる。めっき
厚さは夫々の材料によって異なるが３〜５μm程度であ
る。この構造の半導体装置はＳｉチップを搭載する部材
がＡｌＮ板22およびＣｕ支持板25の２重構造であり、特
開昭60-257141号公報に記載のようにＳｉチップを搭載
する部材としてＳｉチップから順次にＭｏ熱応力緩衝材
／Ｃｕ放熱板／アルミナ絶縁板／Ｃｕ支持板を積層した
４重構造に比べると部材数が半分になり、それに伴って
接合部も半分である。接合部が少なく信頼性的には有利
ではあるが、ＡｌＮの絶縁板とＣｕの支持板との熱膨張
差が大きく、はんだによる接合部に応力が掛かり、長期
使用に対し信頼性に欠ける問題点があった。
成と成っている。即ち、Ｓiチップ21は、ＡｌＮ（窒化
アルミニウム）板22上に軟ろうのはんだ29により接合さ
れ、さらに、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）板22はＣｕ支
持板25にはんだ210で接合されている。接合は実際的に
は、接合面全面にＮiめっきを施して行われる。めっき
厚さは夫々の材料によって異なるが３〜５μm程度であ
る。この構造の半導体装置はＳｉチップを搭載する部材
がＡｌＮ板22およびＣｕ支持板25の２重構造であり、特
開昭60-257141号公報に記載のようにＳｉチップを搭載
する部材としてＳｉチップから順次にＭｏ熱応力緩衝材
／Ｃｕ放熱板／アルミナ絶縁板／Ｃｕ支持板を積層した
４重構造に比べると部材数が半分になり、それに伴って
接合部も半分である。接合部が少なく信頼性的には有利
ではあるが、ＡｌＮの絶縁板とＣｕの支持板との熱膨張
差が大きく、はんだによる接合部に応力が掛かり、長期
使用に対し信頼性に欠ける問題点があった。
【０００５】また、その改良として熱膨張の小さいＭｏ
支持板の採用が行われているが、Ｍｏは熱伝導性が小さ
く、熱拡散についてもＣｕ等に比べると著しく悪い。更
にＭｏ自身の価格が非常に高く、量産性に不適である欠
点を有する。
支持板の採用が行われているが、Ｍｏは熱伝導性が小さ
く、熱拡散についてもＣｕ等に比べると著しく悪い。更
にＭｏ自身の価格が非常に高く、量産性に不適である欠
点を有する。
【０００６】その他に、特開昭61-240665号、特開昭61-
240665号公報には、両主面をＣｕ板で形成し、両Ｃｕ板
間に熱膨張係数の低い材料としてインバー(36%Ni-Fe合
金)を挿入した３層複合板を、半導体装置のヒートシン
クや支持部材に適用することが示されている。また特開
平3-241859号公報にはＣｕ板、モリブデン板、Ｃｕ板を
順次積層した３層複合板を半導体装置のヒートシンクに
適用することが記載されている。しかし、これら公報に
記載された各複合板に用いるインバーやモリブデンは、
高価であるととともに、入手容易な材料でないというこ
ともあり、入手が容易な一般的材料、またはインバーや
モリブデン以外の材料を用いることにより材料の選択幅
を広げることが望まれていた。
240665号公報には、両主面をＣｕ板で形成し、両Ｃｕ板
間に熱膨張係数の低い材料としてインバー(36%Ni-Fe合
金)を挿入した３層複合板を、半導体装置のヒートシン
クや支持部材に適用することが示されている。また特開
平3-241859号公報にはＣｕ板、モリブデン板、Ｃｕ板を
順次積層した３層複合板を半導体装置のヒートシンクに
適用することが記載されている。しかし、これら公報に
記載された各複合板に用いるインバーやモリブデンは、
高価であるととともに、入手容易な材料でないというこ
ともあり、入手が容易な一般的材料、またはインバーや
モリブデン以外の材料を用いることにより材料の選択幅
を広げることが望まれていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の各部材を積
層した半導体装置は、Ｓｉチップ／ＡｌＮ絶縁板／Ｃｕ
支持板や、Ｓｉチップ／ＡｌＮ絶縁板／Ｍｏ支持板等の
積層構造のモジュールが最近見受けられる。これらのモ
ジュールは、接合部が２層と少なく、接合部の信頼性か
らすれば、その効果は大きいものがある。しかし、Ｃｕ
の支持板は、SiチップやＡｌＮ絶縁板との熱膨張差に大
きな違いが存在する。また、Ｍｏ支持板は、熱膨張に関
しては良好な部類に属するが熱拡散が小さいこと、更に
Ｍｏ単品としての価格が著しく高い。これらの組合せを
用いる限り半導体装置の維持にはおのずと限界がある。
すなわち、半導体装置として、基板の熱サイクルにより
熱変形が生じ、それに伴い繰返し応力が大きくなる。疲
労強度的な観点からも、長期使用中においてモジュール
中の弱い部分から亀裂の発生を抑制できず、また価格面
においてもＭｏ等を適用するなど低価格に対する配慮が
不十分であった。また、３層板材でなるヒートシンクや
支持部材のうちＣｕ板でクラッドされる中層板材として
のインバーも入手が容易とはいえず、材料の選択幅が広
がることが望まれていた。
層した半導体装置は、Ｓｉチップ／ＡｌＮ絶縁板／Ｃｕ
支持板や、Ｓｉチップ／ＡｌＮ絶縁板／Ｍｏ支持板等の
積層構造のモジュールが最近見受けられる。これらのモ
ジュールは、接合部が２層と少なく、接合部の信頼性か
らすれば、その効果は大きいものがある。しかし、Ｃｕ
の支持板は、SiチップやＡｌＮ絶縁板との熱膨張差に大
きな違いが存在する。また、Ｍｏ支持板は、熱膨張に関
しては良好な部類に属するが熱拡散が小さいこと、更に
Ｍｏ単品としての価格が著しく高い。これらの組合せを
用いる限り半導体装置の維持にはおのずと限界がある。
すなわち、半導体装置として、基板の熱サイクルにより
熱変形が生じ、それに伴い繰返し応力が大きくなる。疲
労強度的な観点からも、長期使用中においてモジュール
中の弱い部分から亀裂の発生を抑制できず、また価格面
においてもＭｏ等を適用するなど低価格に対する配慮が
不十分であった。また、３層板材でなるヒートシンクや
支持部材のうちＣｕ板でクラッドされる中層板材として
のインバーも入手が容易とはいえず、材料の選択幅が広
がることが望まれていた。
【０００８】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、熱電導性が優れるとともに、変形が小さく、熱疲労
を抑制できる構造を有し、安価でかつ信頼性の高い半導
体装置を提供することを目的とする。
で、熱電導性が優れるとともに、変形が小さく、熱疲労
を抑制できる構造を有し、安価でかつ信頼性の高い半導
体装置を提供することを目的とする。
【０００９】特に半導体チップ、配線パターン等を有す
る半導体基板を支える金属支持板の信頼性が高く、使用
時の加熱冷却の温度サイクルに対して熱特性の劣化が少
なく、且つ安価で高信頼性を有する半導体装置に関する
ものである。
る半導体基板を支える金属支持板の信頼性が高く、使用
時の加熱冷却の温度サイクルに対して熱特性の劣化が少
なく、且つ安価で高信頼性を有する半導体装置に関する
ものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体装置は、金属支持板上に耐熱絶縁板
が接合され、この耐熱絶縁板上に形成された配線パター
ンに半導体素子が接合され、樹脂封止を行う半導体装置
であって、金属支持板は、炭素鋼板と、この炭素鋼板の
両面にはり合わせて接合されたＣｕ板とから構成された
クラッド材からなることを特徴とする。そしてクラッド
材の一方のＣｕ板、炭素鋼板および他方のＣｕ板の板厚
比が１：０．８：１ないし１：０．２：１とするのがよ
い。さらにクラッド材表面に、Ｎｉ系のめっきを施すこ
とが好ましい。
に、本発明の半導体装置は、金属支持板上に耐熱絶縁板
が接合され、この耐熱絶縁板上に形成された配線パター
ンに半導体素子が接合され、樹脂封止を行う半導体装置
であって、金属支持板は、炭素鋼板と、この炭素鋼板の
両面にはり合わせて接合されたＣｕ板とから構成された
クラッド材からなることを特徴とする。そしてクラッド
材の一方のＣｕ板、炭素鋼板および他方のＣｕ板の板厚
比が１：０．８：１ないし１：０．２：１とするのがよ
い。さらにクラッド材表面に、Ｎｉ系のめっきを施すこ
とが好ましい。
【００１１】また金属支持板として、上記のＣｕ板／炭
素鋼板／Ｃｕ板のクラッド材の代わりに、Ｃｕ板／Ｎｉ
板／Ｃｕ板のクラッド材、あるいはＣｕ板／Ｆｅ−Ｎｉ
−Ｃｏ合金板／Ｃｕ板のクラッド材を用いることもで
き、この場合も板厚比が１：０．８：１ないし１：０．
２：１とするのがよく、クラッド材表面にＮｉ系のめっ
きを施すことが好ましい。
素鋼板／Ｃｕ板のクラッド材の代わりに、Ｃｕ板／Ｎｉ
板／Ｃｕ板のクラッド材、あるいはＣｕ板／Ｆｅ−Ｎｉ
−Ｃｏ合金板／Ｃｕ板のクラッド材を用いることもで
き、この場合も板厚比が１：０．８：１ないし１：０．
２：１とするのがよく、クラッド材表面にＮｉ系のめっ
きを施すことが好ましい。
【００１２】さらに、金属支持板として、Ｃｕ板／炭素
鋼板／Ｃｕ板のクラッド材、またはＣｕ板／Ｎｉ板／Ｃ
ｕ板のクラッド材、またはＣｕ板／Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合
金板／Ｃｕ板のクラッド材のいずれかを２枚以上重ねて
構成してもよい。但し、一方のＣｕ板と、炭素鋼、Ｎｉ
またはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金の金属板と、他方のＣｕ板
の板厚比は、上記同様に１：０．８：１ないし１：０．
２：１とする。
鋼板／Ｃｕ板のクラッド材、またはＣｕ板／Ｎｉ板／Ｃ
ｕ板のクラッド材、またはＣｕ板／Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合
金板／Ｃｕ板のクラッド材のいずれかを２枚以上重ねて
構成してもよい。但し、一方のＣｕ板と、炭素鋼、Ｎｉ
またはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金の金属板と、他方のＣｕ板
の板厚比は、上記同様に１：０．８：１ないし１：０．
２：１とする。
【００１３】
【作用】半導体素子としてのＳｉチップと、アルミナま
たは窒化アルミニウムからなる耐熱絶縁板と、クラッド
支持板が本発明の半導体装置の主要素である。この中で
クラッド材からなる金属支持板が本発明に該当する。
たは窒化アルミニウムからなる耐熱絶縁板と、クラッド
支持板が本発明の半導体装置の主要素である。この中で
クラッド材からなる金属支持板が本発明に該当する。
【００１４】この構造で例えばアルミナ絶縁板について
考える。Ｓｉチップの発生熱はアルミナ絶縁板を経て支
持板に放熱される。この場合、支持板には水冷却体が装
着されており、最も温度が低い個所である。すなわち、
Ｓｉチップの温度が最も高く、支持板が最も低く、そし
てアルミナ等絶縁板はその中間的温度を有する。絶縁板
及び支持板は、熱伝導性に優れていることが必要であ
る。そして、これらははんだで接合されるのが一般的で
ある。また、上記３つの主要素をはんだで接合し、１つ
のモジュールを形成するが、夫々に物性値が異なるため
温度差による変形（熱膨張差）が生じる。そのために
は、熱膨張差の小さい材料の組合せも重要な因子となっ
てくる。
考える。Ｓｉチップの発生熱はアルミナ絶縁板を経て支
持板に放熱される。この場合、支持板には水冷却体が装
着されており、最も温度が低い個所である。すなわち、
Ｓｉチップの温度が最も高く、支持板が最も低く、そし
てアルミナ等絶縁板はその中間的温度を有する。絶縁板
及び支持板は、熱伝導性に優れていることが必要であ
る。そして、これらははんだで接合されるのが一般的で
ある。また、上記３つの主要素をはんだで接合し、１つ
のモジュールを形成するが、夫々に物性値が異なるため
温度差による変形（熱膨張差）が生じる。そのために
は、熱膨張差の小さい材料の組合せも重要な因子となっ
てくる。
【００１５】アルミナ絶縁板の熱伝導性の向上のために
その板厚を出来るだけ薄くすること、一方、アルミナ絶
縁板の表裏に配線パターンとして形成される導体層には
熱伝導性に優れるＣｕを用い、且つ、その厚さをコント
ロールすることにより熱伝導性を向上させる。
その板厚を出来るだけ薄くすること、一方、アルミナ絶
縁板の表裏に配線パターンとして形成される導体層には
熱伝導性に優れるＣｕを用い、且つ、その厚さをコント
ロールすることにより熱伝導性を向上させる。
【００１６】絶縁板と組み合わせる支持板を構成するク
ラッド材は、種々の特性を有する必要がある。特性とし
て、まず、熱伝導性と放熱性が極めて重要であり、その
特性を十分満足出来る材料にはＡｌ，Ｃｕ、Ａｕ，Ａｇ
等の単体金属が該当し、またこれら金属の合金で熱電導
度２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料であれば適用できる。つ
まり熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ未満の材料ではＳｉチッ
プの熱拡散が十分に行われないことになる。ここでは材
料的に安価なＣｕ板の適用を考える。次に熱膨張による
変形を機械的に拘束するための材料についても種々考え
られる。この種の材料には、Ｍｏ，Ｎｉ，Ｆｅ（炭素鋼
を含む）、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等が
該当する。すなわち、ヤング率１８×１０3ｋｇ／ｍｍ2
以上の材料であれば本発明の半導体装置の特性を満足で
きるものである。ヤング率１８×１０3ｋｇ／ｍｍ2未満
の材料では、熱膨張により金属支持板が変形することに
なり、半導体装置としての長寿命化にそぐわない。ここ
では材料的に安価なＦｅを適用して考える。このＦｅは
中間材として適用する。そしてＦｅ中間材の両面を被覆
する表裏層には熱伝導性と放熱性に優れるＣｕを適用す
る。つまりＣｕ／Ｆｅ／Ｃｕの３層クラッド材が一つの
支持板として適用するものである。
ラッド材は、種々の特性を有する必要がある。特性とし
て、まず、熱伝導性と放熱性が極めて重要であり、その
特性を十分満足出来る材料にはＡｌ，Ｃｕ、Ａｕ，Ａｇ
等の単体金属が該当し、またこれら金属の合金で熱電導
度２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料であれば適用できる。つ
まり熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ未満の材料ではＳｉチッ
プの熱拡散が十分に行われないことになる。ここでは材
料的に安価なＣｕ板の適用を考える。次に熱膨張による
変形を機械的に拘束するための材料についても種々考え
られる。この種の材料には、Ｍｏ，Ｎｉ，Ｆｅ（炭素鋼
を含む）、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等が
該当する。すなわち、ヤング率１８×１０3ｋｇ／ｍｍ2
以上の材料であれば本発明の半導体装置の特性を満足で
きるものである。ヤング率１８×１０3ｋｇ／ｍｍ2未満
の材料では、熱膨張により金属支持板が変形することに
なり、半導体装置としての長寿命化にそぐわない。ここ
では材料的に安価なＦｅを適用して考える。このＦｅは
中間材として適用する。そしてＦｅ中間材の両面を被覆
する表裏層には熱伝導性と放熱性に優れるＣｕを適用す
る。つまりＣｕ／Ｆｅ／Ｃｕの３層クラッド材が一つの
支持板として適用するものである。
【００１７】熱伝導と熱膨張差によるモジュールの変形
をバランスさせるためには、クラッドの比率を種々検討
する必要がある。クラッド材としての特性は、前述した
ように熱伝導度が高く、かつ機械的剛性が高いことを満
足する必要がある。高熱伝導度材については、安価なＣ
ｕ材が選ばれるが、高剛性の材料には前述した様に種々
考えられ、どの材料を用いるかによってはその厚みも変
わってくる。その厚みも熱伝導性に優れる材料であれば
考慮の必要性はない。しかし、一般的には剛性の高い材
料は熱伝導性に劣る。そこで剛性の高い材料は、熱伝導
性を余り悪くしないようにその厚さを薄くする必要性が
出てくる。この考え方は高熱伝導性平板材／高剛性平板
材／高熱伝導性平板材を組み合わせたクラッド材の支持
板の場合である。
をバランスさせるためには、クラッドの比率を種々検討
する必要がある。クラッド材としての特性は、前述した
ように熱伝導度が高く、かつ機械的剛性が高いことを満
足する必要がある。高熱伝導度材については、安価なＣ
ｕ材が選ばれるが、高剛性の材料には前述した様に種々
考えられ、どの材料を用いるかによってはその厚みも変
わってくる。その厚みも熱伝導性に優れる材料であれば
考慮の必要性はない。しかし、一般的には剛性の高い材
料は熱伝導性に劣る。そこで剛性の高い材料は、熱伝導
性を余り悪くしないようにその厚さを薄くする必要性が
出てくる。この考え方は高熱伝導性平板材／高剛性平板
材／高熱伝導性平板材を組み合わせたクラッド材の支持
板の場合である。
【００１８】電力制御用半導体装置は、Ｓｉチップによ
り制御を行っており、電力の増大に伴いＳｉチップへの
発熱も著しく増加の傾向にある。それ故に発熱が発生し
たらすぐさま冷却する事が重要である。
り制御を行っており、電力の増大に伴いＳｉチップへの
発熱も著しく増加の傾向にある。それ故に発熱が発生し
たらすぐさま冷却する事が重要である。
【００１９】Ｃｕ(第１層)／Ｆｅ(第２層)／Ｃｕ(第３
層)クラッド支持板についてその板厚の比率を考える事
にする。熱変化による変形を考慮すると、比率が１／
０．８／１であるのが理想に近い。しかし、前述のよう
に機械的剛性を分担する材料(第２層)は、Ｃｕ等に比べ
て熱伝導性が悪いため、厚さを小さくする必要が出てく
る。第２層の厚さを種々変えて実験した。その結果、比
率が０．２からその特性を維持、継続出来ることが分
り、その比率は０．８まで特性を有する事が明らかとな
った。その中でも材料によっても異なってくるが、Ｆｅ
系材料であれば０．５から０．７の範囲が特性値が安定
しており、信頼性が一段と高いことも判明した。０．８
を超えて適用すると熱伝導性が材料特有の値を示し、熱
が第２層目で保温されることになり半導体装置として不
適である。
層)クラッド支持板についてその板厚の比率を考える事
にする。熱変化による変形を考慮すると、比率が１／
０．８／１であるのが理想に近い。しかし、前述のよう
に機械的剛性を分担する材料(第２層)は、Ｃｕ等に比べ
て熱伝導性が悪いため、厚さを小さくする必要が出てく
る。第２層の厚さを種々変えて実験した。その結果、比
率が０．２からその特性を維持、継続出来ることが分
り、その比率は０．８まで特性を有する事が明らかとな
った。その中でも材料によっても異なってくるが、Ｆｅ
系材料であれば０．５から０．７の範囲が特性値が安定
しており、信頼性が一段と高いことも判明した。０．８
を超えて適用すると熱伝導性が材料特有の値を示し、熱
が第２層目で保温されることになり半導体装置として不
適である。
【００２０】これらのクラッド支持板は、第１〜３層の
板材を重ねあわせ、冷間圧延機（または熱間で）で圧延
することにより製作することが出来る。製作された帯状
のクラッド支持板は、所定の形状に加工されその後、Ｎ
ｉめっきが全表面に施されて半導体の支持板に適用され
ることになる。
板材を重ねあわせ、冷間圧延機（または熱間で）で圧延
することにより製作することが出来る。製作された帯状
のクラッド支持板は、所定の形状に加工されその後、Ｎ
ｉめっきが全表面に施されて半導体の支持板に適用され
ることになる。
【００２１】加熱、冷却において第２層の厚さによって
クラッド支持板の変形が小さくなるのは、Ｃｕは熱膨
張：１６．５×１０~6、ヤング率：１１．２５×１０3
ｋｇ／ｍｍ2に対し、Ｆｅは熱膨張：１１．５×１０
~6、ヤング率：２２．０×１０3ｋｇ／ｍｍ2というよう
に物性値が違うためである。この様に第１層、第３層の
物性値と第２層の物性値が異なるために、第２層の比率
を小さく変える事により熱伝導性を維持しつつ熱変形を
小さく抑える事が可能である事が分かった。
クラッド支持板の変形が小さくなるのは、Ｃｕは熱膨
張：１６．５×１０~6、ヤング率：１１．２５×１０3
ｋｇ／ｍｍ2に対し、Ｆｅは熱膨張：１１．５×１０
~6、ヤング率：２２．０×１０3ｋｇ／ｍｍ2というよう
に物性値が違うためである。この様に第１層、第３層の
物性値と第２層の物性値が異なるために、第２層の比率
を小さく変える事により熱伝導性を維持しつつ熱変形を
小さく抑える事が可能である事が分かった。
【００２２】
（実施例１）本発明の主要な実施例を図面により説明す
る。図１は実施例１の半導体装置である絶縁ゲート・バ
イポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のモジュールの構成
を示す。
る。図１は実施例１の半導体装置である絶縁ゲート・バ
イポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のモジュールの構成
を示す。
【００２３】図１に示すように、半導体モジュールは、
表面に金属パターン３を、裏面に金属パターン４を形成
されたアルミナ絶縁板２(大きさ54×36mm、厚さ1mm)
と、表面金属パターン３上にはんだ付けされたＳｉチッ
プ１(大きさ13mm×13mm、厚さ2mm)と、裏面金属パター
ン４にはんだ付けされてアルミナ絶縁板２を支持するク
ラッド支持板５(大きさ74mm×65mm、厚さ3mm)とから構
成されている。そしてＳｉチップ１と表面金属パターン
３はＰｂ−1.5%Ａｇ−5%Ｓｎはんだ９により、また裏面
金属パターン４とクラッド支持板５はＰｂ-60%Ｓｎのは
んだ１０により接合されている。
表面に金属パターン３を、裏面に金属パターン４を形成
されたアルミナ絶縁板２(大きさ54×36mm、厚さ1mm)
と、表面金属パターン３上にはんだ付けされたＳｉチッ
プ１(大きさ13mm×13mm、厚さ2mm)と、裏面金属パター
ン４にはんだ付けされてアルミナ絶縁板２を支持するク
ラッド支持板５(大きさ74mm×65mm、厚さ3mm)とから構
成されている。そしてＳｉチップ１と表面金属パターン
３はＰｂ−1.5%Ａｇ−5%Ｓｎはんだ９により、また裏面
金属パターン４とクラッド支持板５はＰｂ-60%Ｓｎのは
んだ１０により接合されている。
【００２４】クラッド支持板５は、積層された３枚の
板、すなわち、上層のＣｕ板６（厚さ1.1mm)と中層の冷
間圧延鋼板７（JIS SPCC、厚さ0.8mm）と下層のＣｕ板
８(厚さ1.1mm)が接合されて構成されており、上層のＣ
ｕ板６上に裏面金属パターン４がはんだ付けされいる。
クラッド支持板５の作製はＣｕ板６、鋼板７及びＣｕ板
８を重ね合わせて圧延機に挿入し、圧縮力を与えて夫々
の材料を金属的に接合する。接合を終えたものは、次に
所定の形状に加工を施し、クラッド支持板に適用され
る。なお冷間圧延鋼板(JIS SPCC)は、Ｃ：０.１２％以
下、Ｍｎ：０.５０％以下、Ｐ：０.０４％以下、Ｓ：
０.０４５％以下の化学組成をもつ材料である。
板、すなわち、上層のＣｕ板６（厚さ1.1mm)と中層の冷
間圧延鋼板７（JIS SPCC、厚さ0.8mm）と下層のＣｕ板
８(厚さ1.1mm)が接合されて構成されており、上層のＣ
ｕ板６上に裏面金属パターン４がはんだ付けされいる。
クラッド支持板５の作製はＣｕ板６、鋼板７及びＣｕ板
８を重ね合わせて圧延機に挿入し、圧縮力を与えて夫々
の材料を金属的に接合する。接合を終えたものは、次に
所定の形状に加工を施し、クラッド支持板に適用され
る。なお冷間圧延鋼板(JIS SPCC)は、Ｃ：０.１２％以
下、Ｍｎ：０.５０％以下、Ｐ：０.０４％以下、Ｓ：
０.０４５％以下の化学組成をもつ材料である。
【００２５】図２は図１に示す半導体モジュールを用い
た半導体装置を示す図である。この半導体装置の製作に
おいては、Ｓｉチップ１に上方に延びる導線を適宜取り
付けた後に、半導体モジュールの上にエポキシ製のケー
ス11をかぶせ、半導体素子の耐電圧を確保するためのシ
リコンゲル12を半導体モジュールを覆うように充填す
る。次に、シリコンゲル12の気密封止および電極13の固
定のためエポキシレジンを充填し、電極14を取付けて半
導体装置が完成する。このＩＧＢＴのクラッド支持板５
はねじにより所定の場所に固定される。
た半導体装置を示す図である。この半導体装置の製作に
おいては、Ｓｉチップ１に上方に延びる導線を適宜取り
付けた後に、半導体モジュールの上にエポキシ製のケー
ス11をかぶせ、半導体素子の耐電圧を確保するためのシ
リコンゲル12を半導体モジュールを覆うように充填す
る。次に、シリコンゲル12の気密封止および電極13の固
定のためエポキシレジンを充填し、電極14を取付けて半
導体装置が完成する。このＩＧＢＴのクラッド支持板５
はねじにより所定の場所に固定される。
【００２６】熱疲労試験に供するために、上記第１実施
例の半導体装置とともに、図４に示すような従来構造の
半導体モジュールを有する半導体装置を比較例として作
製した。比較例の半導体装置は、クラッド支持板を除い
て、各部材の形状および組み合わせは実施例1と同様で
ある。21は半導体素子のSiチップ、22はアルミナ絶縁
板、25は金属支持板（Ｃｕ）である。ここでの金属支持
板25はＣｕ単体でなる。夫々の部材の接合は、実施例1
と同様に夫々のはんだを用いて行った。これも図２のよ
うに半導体装置として完成した。
例の半導体装置とともに、図４に示すような従来構造の
半導体モジュールを有する半導体装置を比較例として作
製した。比較例の半導体装置は、クラッド支持板を除い
て、各部材の形状および組み合わせは実施例1と同様で
ある。21は半導体素子のSiチップ、22はアルミナ絶縁
板、25は金属支持板（Ｃｕ）である。ここでの金属支持
板25はＣｕ単体でなる。夫々の部材の接合は、実施例1
と同様に夫々のはんだを用いて行った。これも図２のよ
うに半導体装置として完成した。
【００２７】（実施例２）本実施例の半導体装置は、金
属支持板の構成を除いて、実施例１と同様な構造を有す
るものである。実施例２のクラッド支持板５は、上層６
にＣｕ(厚さ１mm)を、中層７にＦｅ−20%Ｎｉ−9%Ｃｏ
(厚さ０．８mm)を、下層８にＣｕ(厚さ１mm)を用いたも
のである。なおＦｅ−20%Ｎｉ−9%Ｃｏは通称ファーニ
コである。但し、本実施例の半導体装置には、このクラ
ッド支持板５を３枚重ねて組込んで、熱疲労試験に供し
た。
属支持板の構成を除いて、実施例１と同様な構造を有す
るものである。実施例２のクラッド支持板５は、上層６
にＣｕ(厚さ１mm)を、中層７にＦｅ−20%Ｎｉ−9%Ｃｏ
(厚さ０．８mm)を、下層８にＣｕ(厚さ１mm)を用いたも
のである。なおＦｅ−20%Ｎｉ−9%Ｃｏは通称ファーニ
コである。但し、本実施例の半導体装置には、このクラ
ッド支持板５を３枚重ねて組込んで、熱疲労試験に供し
た。
【００２８】（実施例３）本実施例の半導体装置は、金
属支持板の構成を除いて、実施例１と同様な構造を有す
る。実施例３ではクラッド支持板５の上層６にＣｕ（厚
さ1.2mm)を、中層７にはＮｉ(厚さ0.6mm)を、下層８に
はＣｕ(厚さ1.2mm)を用いた。
属支持板の構成を除いて、実施例１と同様な構造を有す
る。実施例３ではクラッド支持板５の上層６にＣｕ（厚
さ1.2mm)を、中層７にはＮｉ(厚さ0.6mm)を、下層８に
はＣｕ(厚さ1.2mm)を用いた。
【００２９】（実施例４）本実施例の半導体装置は、絶
縁板２を窒化アルミニュム(ＡlＮ)から構成した点を除
いて、実施例１と同様な構造を有する。ちなみに実施例
１では絶縁板２はアルミナ製である。ＡlＮ絶縁板２
は、表面に金属パターン３が、裏面に金属パターン４が
施されている。クラッド支持板５は、実施例１と同様に
Ｃｕ板（厚さ1.1mm)／SPCC（厚さ0.8mm）／Ｃｕ(厚さ1.
1mm)の全体厚さ３mmのものである。
縁板２を窒化アルミニュム(ＡlＮ)から構成した点を除
いて、実施例１と同様な構造を有する。ちなみに実施例
１では絶縁板２はアルミナ製である。ＡlＮ絶縁板２
は、表面に金属パターン３が、裏面に金属パターン４が
施されている。クラッド支持板５は、実施例１と同様に
Ｃｕ板（厚さ1.1mm)／SPCC（厚さ0.8mm）／Ｃｕ(厚さ1.
1mm)の全体厚さ３mmのものである。
【００３０】以上の接合により作製した実施例１〜４、
また比較例のIGBTの半導体装置を電気的通電のON,OFFに
よる熱疲労寿命サイクル試験を行い、半導体素子(Ｓｉ
チップ)が発生する熱によって劣化するまでの寿命、い
わゆる熱疲労寿命を測定した。サイクル数が多いほど実
際に使用する際の寿命が長いことを意味する。結果を図
３に示す。図にはデータのバラツキの範囲(縦棒長さ)と
平均値(丸印)を示す。
また比較例のIGBTの半導体装置を電気的通電のON,OFFに
よる熱疲労寿命サイクル試験を行い、半導体素子(Ｓｉ
チップ)が発生する熱によって劣化するまでの寿命、い
わゆる熱疲労寿命を測定した。サイクル数が多いほど実
際に使用する際の寿命が長いことを意味する。結果を図
３に示す。図にはデータのバラツキの範囲(縦棒長さ)と
平均値(丸印)を示す。
【００３１】図からわかるように従来の半導体装置(比
較例の図４)は約１０3サイクルの熱疲労寿命サイクルで
あるのに対し、本発明のものは、図１(実施例１)の半導
体装置で平均３万サイクル、実施例２〜４の各半導体装
置ではほぼ同様で平均には約２.５万サイクルを示し
た。この様に従来の単体の金属支持板を用いたものと比
較して、クラッド材を適切に適用することによって耐熱
疲労特性が著しく向上することが実証された。
較例の図４)は約１０3サイクルの熱疲労寿命サイクルで
あるのに対し、本発明のものは、図１(実施例１)の半導
体装置で平均３万サイクル、実施例２〜４の各半導体装
置ではほぼ同様で平均には約２.５万サイクルを示し
た。この様に従来の単体の金属支持板を用いたものと比
較して、クラッド材を適切に適用することによって耐熱
疲労特性が著しく向上することが実証された。
【００３２】耐熱疲労特性が向上したのは、金属支持板
としてクラッド材、すなわち熱拡散特性に優れる材料
と、熱変形を抑制する特性に優れる材料と、更に熱拡散
特性に優れる材料とを組み合わせた部材を用いることに
よって、クラッド材の熱変形が小さくなり、ひいては半
導体装置の熱変形が小さくなったからである。
としてクラッド材、すなわち熱拡散特性に優れる材料
と、熱変形を抑制する特性に優れる材料と、更に熱拡散
特性に優れる材料とを組み合わせた部材を用いることに
よって、クラッド材の熱変形が小さくなり、ひいては半
導体装置の熱変形が小さくなったからである。
【００３３】なお、実施例1の半導体装置が最も良好な
結果を示したのは、クラッドの中層の材料とその厚さが
適切であったため、それに伴い熱変形量が最も小さくな
ったことによる。
結果を示したのは、クラッドの中層の材料とその厚さが
適切であったため、それに伴い熱変形量が最も小さくな
ったことによる。
【００３４】また、図１に示すクラッド材５として、Ｃ
ｕ板/Ｎｉ−Ｃｒ−Ｃｏ板/Ｃｕ板、Ｃｕ板/ＳｉＣ板/Ｃ
ｕ板等の３層組合せ材を用いた半導体装置も、実施例２
〜４の構造の半導体装置とほぼかわりない耐熱疲労寿命
特性を示した。
ｕ板/Ｎｉ−Ｃｒ−Ｃｏ板/Ｃｕ板、Ｃｕ板/ＳｉＣ板/Ｃ
ｕ板等の３層組合せ材を用いた半導体装置も、実施例２
〜４の構造の半導体装置とほぼかわりない耐熱疲労寿命
特性を示した。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
熱疲労の小さい構造体を維持出来るので、電気的通電の
ON,OFFによる熱疲労寿命サイクルに対し、著しく向上さ
せた半導体装置を得ることが出来る。
熱疲労の小さい構造体を維持出来るので、電気的通電の
ON,OFFによる熱疲労寿命サイクルに対し、著しく向上さ
せた半導体装置を得ることが出来る。
【図１】本発明の実施例の半導体モジュールを示す概略
断面図である。
断面図である。
【図２】絶縁ゲート・バイポーラトランジスタの概略断
面図である。
面図である。
【図３】本発明と従来構造の半導体装置に関する熱疲労
試験の結果を示す図である。
試験の結果を示す図である。
【図４】従来の半導体モジュールを示す概略断面図であ
る。
る。
１ Ｓｉチップ ２ 絶縁板 ３ 表面金属パターン ４ 裏面金属パターン ５ クラッド支持板 ６ 支持板の上層 ７ 支持板の中層 ８ 支持板の下層 ９、１０ はんだ接合部 １１ ケース １２ シリコンゲル １３、１４ 電極
Claims (7)
- 【請求項１】 金属支持板上に耐熱絶縁板が接合され、
該耐熱絶縁板上に形成された配線パターンに半導体素子
が搭載されてなり、かつ樹脂封止される半導体装置にお
いて、前記金属支持板は、炭素鋼板と、該炭素鋼板の両
面にはり合わせて接合されたＣｕ板とから構成されたク
ラッド材からなることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】 前記クラッド材のうちの一方のＣｕ板、
炭素鋼板および他方のＣｕ板の板厚比が１：０．８：１
ないし１：０．２：１の範囲にあることを特徴とする請
求項１記載の半導体装置。 - 【請求項３】 前記クラッド材表面に、Ｎｉ系のめっき
を施したことを特徴とする請求項１または２に記載の半
導体装置。 - 【請求項４】 金属支持板上に耐熱絶縁板が接合され、
該耐熱絶縁板上に形成された配線パターンに半導体素子
が搭載されてなり、かつ樹脂封止される半導体装置にお
いて、前記金属支持板は、ＮｉまたはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ
合金からなる金属板と、該金属板の両面にはり合わせて
接合されたＣｕ板とから構成されたクラッド材からなる
ことを特徴とする半導体装置。案 - 【請求項５】 前記クラッド材のうちの一方のＣｕ板、
金属板および他方のＣｕ板の板厚比が１：０．８：１な
いし１：０．２：１の範囲にあることを特徴とする請求
項４記載の半導体装置。 - 【請求項６】 前記クラッド材表面に、Ｎｉ系のめっき
を施したことを特徴とする請求項４または５に記載の半
導体装置。 - 【請求項７】 金属支持板上に耐熱絶縁板が接合され、
該耐熱絶縁板上に形成された配線パターンに半導体素子
が搭載されてなり、かつ樹脂封止される半導体装置にお
いて、前記金属支持板は、炭素鋼、Ｎｉ、またはＦｅ−
Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる金属板と、該金属板の両面には
り合わせて接合されたＣｕ板とから構成され、金属板の
一方の面のＣｕ板、金属板および金属板の他方の面のＣ
ｕ板の板厚比を１：０．８：１ないし１：０．２：１の
範囲としたクラッド材を２枚以上重ねた部材からなるこ
とを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7216908A JPH0964234A (ja) | 1995-08-25 | 1995-08-25 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7216908A JPH0964234A (ja) | 1995-08-25 | 1995-08-25 | 半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0964234A true JPH0964234A (ja) | 1997-03-07 |
Family
ID=16695808
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7216908A Pending JPH0964234A (ja) | 1995-08-25 | 1995-08-25 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0964234A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100277308B1 (ko) * | 1997-04-17 | 2001-02-01 | 마찌다 가쯔히꼬 | 반도체장치 |
| DE102012102090A1 (de) * | 2012-01-31 | 2013-08-01 | Curamik Electronics Gmbh | Thermoelektrisches Generatormodul, Metall-Keramik-Substrat sowie Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates |
-
1995
- 1995-08-25 JP JP7216908A patent/JPH0964234A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100277308B1 (ko) * | 1997-04-17 | 2001-02-01 | 마찌다 가쯔히꼬 | 반도체장치 |
| DE102012102090A1 (de) * | 2012-01-31 | 2013-08-01 | Curamik Electronics Gmbh | Thermoelektrisches Generatormodul, Metall-Keramik-Substrat sowie Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates |
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