JPH11509988A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH11509988A
JPH11509988A JP9533045A JP53304597A JPH11509988A JP H11509988 A JPH11509988 A JP H11509988A JP 9533045 A JP9533045 A JP 9533045A JP 53304597 A JP53304597 A JP 53304597A JP H11509988 A JPH11509988 A JP H11509988A
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JP
Japan
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semiconductor device
support member
compensation layer
stress compensation
stress
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JP9533045A
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English (en)
Inventor
グレッチュ、シュテファン
アルトハウス、ハンス―リートヴィッヒ
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 半導体テバイス（１）、例えばパワーレーザダイオードロッドが支持部材上に固定されている。半導体デバイス（１）と支持部材（２）との間にはその膨張率αthが半導体デバイスのそれに適合され高い弾性率を有する応力補償層（３）が備えられてる。機械的応力は弾性ひずみ範囲で応力補償層（３）だけでほぼ完全に補償される。それにより高温耐性及び温度サイクル耐性の接合部を形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 半導体装置 本発明は請求項１の上位概念に基づく半導体装置に関する。特にこの場合例え ばパワーレーザダイオード−ロッド又は冷却体（ヒートシンク）上に固定されて いるパワートランジスタのようなパワー半導体デバイスに関する。 このような半導体装置は例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第４３１５５８ ０号明細書から公知である。そこには銅薄板から成る微細溝ヒートシンク上にレ ーザダイオード−ロッドがろう接されている、レーザダイオード及び冷却系から 成る装置が記載されている。レーザダイオード−ロッド（例えばＧａＡｓ及びＡ ｌxＧａ1-xＡｓ層から成る）と微細溝ヒートシンクの異なる熱膨張に基づく応力 を低減するため接合材として例えばＩｎ、ＩｎＳｎ又はＰｂＳｎのようないわゆ る軟ろうが使用される。軟ろうは極めて良好な可塑変形性を有し、塑性ひずみ範 囲の機械的応力を補償する。 上記の装置の欠点は、レーザダイオード−ロッドと微細溝ヒートシンクとの間 のろう接が塑性ひずみ範囲の頻繁な負荷により部分的又は完全に接合破断を生ず るに至るような極めて低い耐熱性及び僅かな熱サイクル耐性を有するに過ぎない ことにある。しかしレーザダイオード−ロッドと微細溝ヒートシンクとの部分的 又は完全な破断はレーザダイオード−ロッドからの熱の放出を劣化させ、並びに そこに不均質な流れ分布を生じ、極端な場合にはその破壊を招くことになる。 この種の問題は当然レーザダイオードのみに限らず、その熱膨張率が半導体デ バイスのそれと著しく異なる支持部材上に設置される半導体デバイスが作動中に 大きな温度変化に曝されるところであればどこでも生ずものである。 従って本発明の課題は、半導体デバイスと支持部材との間の接合が改善された 耐熱性及び高い熱サイクル耐性を有する半導体装置を開発することにある。 この課題は請求項１又は請求項３の特徴を有する半導体装置により解決される 。本発明の有利な実施態様は請求項２並びに４乃至１１に記載されている。 本発明によれば半導体デバイスと支持部材との間に応力補償層が設けられるよ うにされている。この層は、その熱膨張係数が半導体デバイスの材料のそれに類 似し、弾性ひずみ範囲の異なる熱膨張に基づく半導体デバイスと支持部材との間 の機械的応力を補償するような高い弾性率を有する材料から成る。応力補償層は 第１の硬ろう層により半導体デバイスと、また第２の硬ろう層により支持部材と 接合されている。 この応力補償層は半導体デバイスと支持部材との間の接合範囲のほぼ全体に広 がっていると有利であり、それにより最大の応力補償が保証される。特に有利な 実施形態では、第１の硬ろう層は一方では直接半導体デバイスに接し、他方では 直接応力補償層に接している。これと同様に第２の硬ろう層は一方では直接応力 補償層に接し、他方では直接支持部材に接している。唯一の硬ろう層の場合（そ の際応力補償層は半導体デバイス又は支持部材上に施されている）この層は一方 では応力補償層に、また他方では半導体テバイスもしくは支持部材に接している 。 本発明による半導体装置は、支持部材と半導体デバイスとの異なる熱膨張によ り惹起される機械的応力を、従来技術から公知であるような可塑性の軟ろう材に より補償せず、大部分を弾性ひずみ範囲の応力補償層により吸収させる。従って 極めて耐久性でかつ軟ろう層に比べて極めて堅い接合層、有利には硬ろう層を使 用した場合にも機械的応力は半導体デバイスの内部に伝わらない。半導体デバイ ス内の機械的応力は特に半導体レーザデバイスの場合半導体デバイスの機能に悪 影響を及ぼすものである。従って本発明により半導体デバイスと支持部材との間 に高温耐性（≧２５０℃）でかつ著しい熱サイクル耐性の接合部を形成すること が可能となる。接合層用の硬ろう材としては例えばＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ又はＡｕ Ｓｉが適している。 硬ろう接合部は一般に可塑性のろう材から成る公知の接合部よりも著しく高い 機械的及び熱的安定性を有する。この種の硬ろう材の代わりにもちろん上述の特 性を有する他の接合材も使用することができる。“硬ろう”とは本発明に関して はこれらの材料も含むものとする。 本発明による半導体装置の１つの有利な実施態様では、応力補償層は箔、例え ばモリブデンのリードフレーム（接続端子枠）である。箔は有利には別個に、即 ち半導体デバイスとは切り離されて形成することができ、機械的に極めて耐久性 に形成することができる。即ちこの種の応力補償層を作る際にはもはや半導体テ バイスに損傷を招くような処理工程（例えば高温処理）を省く必要はない。 半導体テバイスを応力補償層の材料から成る導体帯上に取り付けると、本発明 による半導体装置を多数作るのに極めて有利である。この場合半導体デバイスは 簡単な方法で従来の組立てラインを使用して価格上有利に更に加工することがで きる。この実施形態の別の利点は、接続端子翼を有する応力補償層を形成し、そ れを同時に半導体デバイスに電流を供給する電気的接続端子として使用すること ができることにある。 この課題の別の解決方法では、半導体デバイス又は支持部材の主面上に例えば スパッタリング、蒸着又は当業者に適していると見なされている他の公知方法に よって応力補償層を施す。この層は硬ろう層により支持部材もしくは半導体デバ イスと接合され、またその熱膨張係数が半導体テバイスの材料のそれと類似し、 主として弾性ひずみ範囲の半導体デバイスと支持部材の熱膨張の相異による機械 的応力を補償するような高い弾性率を有する材料から成る。このことは支持部材 と応力補償層との間もしくは半導体デバイスと支持部材との間に唯一の硬ろう層 のみを必要とする利点を有する。それにより最初に挙げた実施形態に比べて硬ろ う接合の形成と関連する半導体デバイスの熱負荷が削減される利点を有する。応 力補償層はこの場合も半導体デバイスと支持部材との間の接合範囲全体の上に広 がっていると有利である。 応力補償層には高い弾性率、高い降伏応力及び高い耐熱性を有する全ての材料 が適している。ガリウム砒素及び／又はアルミニウムガリウム砒素から成る半導 体テバイスに有利な応力補償層としては例えばモリブデンを挙げることができよ う。同様に例えばタングステン、銅タングステン合金及び銅モリブデン合金（銅 の分量はそれぞれ１０〜２０％の間とする）も上記の応力補償層の材料に必要な 特性を有する。これらの全ての材料は箔としても、スパッタリング層、蒸着層又 は電気めっき層としても製造することができ、有利なことに良好な熱伝導率を有 する。 本発明は例えば冷却体上に取り付けられるパワーレーザダイオード又はパワー トランジスタのようなパワー半導体デバイスの場合特に優れた効果を生じる。上 述の半導体デバイスが公知のように使用上著しく加熱されるのに対し、冷却体は 規定通りにごく僅かに加熱されるに過ぎない。熱膨張の相異はそのためこれらの デバイスでは不可避である。そのために惹起される半導体デバイスと支持部材と の間の機械的応力は本発明では十分に応力補償層により吸収される。従ってこの 半導体デバイスの機械的負荷は大抵の場合ごく僅かに生じるに過ぎない。 しかし本発明は、大きく変動する環境温度に曝され（例えば自動車、飛行機、 炉の内部など）その熱膨張係数が半導体デバイスのそれとは明らかに異なってい る支持部材上に固定されている半導体デバイスの場合にも、好結果を生じる。例 としてここでは銅のリードフレーム上のシリコン又はＩＩＩ−Ｖ半導体テバイス を挙げておく。 本発明による半導体装置の特に有利な実施形態では、半導体デバイスはＡｌ、 Ｇａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）構造を有し、及び／又は支持部材は主として金属材 料、良好な熱伝導率を有する半導体材料又はダイヤモンドから成る。 本発明のその他の利点、特徴及び有効性は以下に記載する図１〜５と関連する ４つの実施例の説明から明らかである。その際 図１は本発明による半導体装置の第１の実施例の概略切断面図、 図２は本発明による半導体装置の第２の実施例の概略平面図、 図３は本発明による半導体装置の第３の実施例の概略切断面図、 図４は本発明による半導体装置の第４の実施例の概略切断面図、 図５は本発明による半導体装置の第３の実施例の特殊な実施形態の概略平面図 である。 図１に示されている第１の実施例では半導体デバイス１は支持部材２上に固定 されている。半導体デバイス１は例えば規定通りの動作に必要な電気接続端子９ 、１０を有するパワーレーザダイオード、パワーレーザダイオード−ロッド、パ ワートランジスタ又は別の半導体デバイスである。支持部材２は例えば銅、シリ コン、ダイヤモンド又は熱伝導性の良好な他の材料から成る従来からの冷却体又 は同様に銅又は導電性の良好な他の材料から成っていてもよい電気的接続端子板 である。もちろん冷却体は導電性であることを前提として同時に半導体デバイス の電気接続端子として利用することができる。 半導体デバイス１と支持部材２との間には、例えばモリブデン箔（厚さは例え ば２０〜３０μm）又は上記の特性、特に高い弾性率及び半導体デバイス１の材 料のそれに類似する熱膨張係数を有する他の材料から成る箔の応力補償層３があ る。この応力補償層３は接合層４、５により一方では半導体デバイス１と、他方 では支持部材２と堅く接合されており、半導体デバイス１と支持部材２との間の 接合範囲１３の上全体に広がっている。接合層４、５の材料としては例えばＡｕ Ｓｎ、ＡｕＧｅ又はＡｕＳｉのような硬ろう材が適している。 図２に概略的平面図が示されている第２の実施例では、応力補償層３は接続端 子翼６を有する。応力補償層３はこの実施例では同時に半導体デバイスの電気的 接続端子（リードフレーム）の役目をする。応力補償層３及び接合層４、５の材 料に関してはこの実施例は上記の図１の実施例に相応している。 図３の実施例は上記の２つの実施例と比べて、図３に明らかに示されているよ うに半導体デバイス１と応力補償層３との間に接合層４だけが配置されている点 で異なっている。接合層４は同様に硬ろう材から成り、応力補償層３は支持部材 ２の主面７上に直接施されている。この種の補償層３の製造方法としては例えば スパッタリング、蒸着、電気めっき又は当業者に適していると見なされている他 の公知の方法が適している。しかしまた応力補償層３及び支持部材２にこの種の 方法に適した材料が使用されている場合には、予め作られた応力補償層を拡散溶 接又は陽極結合により支持部材２上に固定することも考えられる。 図５に示されているように、図３の実施例の場合のように応力補償層３が支持 部材２上に施されている場合には補償層に接続端子翼６を設けてもよい。接続端 子翼６を有する応力補償層３は例えば応力補償層の材料の構造化被着（スパッタ リング、蒸着その他）により支持部材２上に形成することもできる。 図４に概略的に示されている第４の実施例では、応力補償層３は半導体デバイ ス１の主面８上に施されている。支持部材２と応力補償層３との間には同様に硬 ろう材から成ると有利である接合層５がある。応力補償層は同様にスパッタリン グ、蒸着その他により半導体デバイス１の下側に施すことができる。 最後に図３に破線により暗示されているような本発明による半導体装置の他の 有利な実施形態では、半導体デバイス１の上側の電気接続端子９は接合層１２を 介して応力補償層３と同じ材料から成る接続端子層１１と接続されている。それ により半導体デバイス１と支持部材２の異なる熱膨張係数による半導体デバイス １内の機械的応力は更に低減することができる。本発明のこの実施態様は当然上 記の４つの実施例のいずれの場合にも用いることができる。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １． 半導体デバイスが支持部材上に固定されている半導体装置において、半導 体デバイス（１）と支持部材（２）との間に、その熱膨張係数が半導体デバイス （１）の材料のそれに適合され半導体デバイス（１）と支持部材（２）との間の 機械的応力を補償するような高い弾性率を有する材料から成る応力補償層（３） が設けられ、この応力補償層（３）が第１の硬ろう層（４）により半導体デバイ ス（１）と、また第２の硬ろう層（５）により支持部材（２）と接合されている ことを特徴とする半導体装置。 ２． 応力補償層（３）が主としてモリブデンから成る箔であることを特徴とす る請求項１記載の半導体装置。 ３． 半導体デバイスが支持部材上に固定されている半導体装置において、半導 体デバイス（１）の主面（８）上又は支持部材（２）の主面（７）上に応力補償 層（３）が施され、この応力補償層（３）が硬ろう層（５もしくは４）により支 持部材（２）もしくは半導体デバイス（１）と接合され、その熱膨張係数が半導 体デバイス（１）の材料のそれに適合され応力補償層（３）が半導体デバイス（ １）と支持部材（２）との間の機械的応力を補償するような高い弾性率を有する 材料から成ることを特徴とする半導体装置。 ４． 応力補償層（３）がスパッタリング又は蒸着により施されていることを特 徴とする請求項３記載の半導体装置。 ５． 半導体デバイス（１）がＡｌxＧａ1-x、Ａｓ（０≦ｘ≦１）構造を有する ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体装置。 ６． 応力補償層（３）が主としてモリブデンから成ることを特徴とする請求項 ５記載の半導体デバイス。 ７． 支持部材（２）が金属材料、半導体材料又はダイヤモンドから成ることを 特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の半導体装置。 ８．半導体デバイス（１）がパワー半導体デバイスであり、支持部材（２）がヒ ートシンクであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の半導 体装置。 ９． 半導体デバイス（１）がパワー半導体レーザ−ロッドであることを特徴と する請求項１乃至８の半導体装置。 １０． 応力補償層（３）が半導体デバイス（１）と支持部材（２）との間の接 合領域（１３）全体の上に広がっていることを特徴とする請求項１乃至９のいず れか１つに記載の半導体装置。 １１． 応力補償層（３）が接続端子翼（６）を有していることを特徴とする請 求項１乃至１０のいずれか１つに記載の半導体装置。
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