JPS5811097B2 - ハンドウタイソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体基体の片側または両側に支持電極を備え
た半導体装置に係り、特に支持電極の改良に関する。

シリコン、ゲルマニウム、金属間化合物などの半導体材
料を基体（ウェハー）とする半導体装置の大きな課題は
、装置の運転時に半導体に発生する熱をいかに有効に放
散させるか、あるいは熱の発生をいかに最小限におさえ
るか、ということである。

半導体基体の放熱を良くするためには熱伝導の良い支持
電極材およびパース電極材が必要であり、さらに熱の発
生を最小限にするには電気伝導度の良い支持電極材およ
びベース材が必要である。

また、支持電極は熱膨張係数が半導体ウェハーに近いこ
とが必要である。

支持電極の熱膨張係数が半導体ウェハーと大きく異なる
と両者の界面に熱膨張係数の相違から熱応力が加わり、
機械的に脆い半導体ウェハーが破壊される。

従来から支持電極材にはタングステン、モリブデンが使
用されており、これらはシリコンやゲルマニウムにほぼ
等しい熱膨張係数を有し、かつ熱伝導および電気伝導性
が比較的良好なので、この材料を支持電極材に用いると
半導体素子に生ずる熱を、半導体ウェハーを破壊させる
ことなく有効に放散させることができ、さらに効果的に
は接合に特殊ろうを介して半導体ウェハーの破壊を防止
していた。

このようにタングステン、モリブデンは支持電極材とし
て好適な特性を具えている。

しかし半導体素子の特性の向上に対する要求はこれに止
まっていない。

この種の分野における技術の進歩にはめざましいものが
あり、半導体装置の大容量化や小型化が一層強く叫ばれ
ている。

このような背景から本発明者らは最近繊維複合材料を支
持電極に用いる研究を行なってきた。

しかしながら繊維複合材料においてタングステンやモリ
ブデンに匹敵する熱膨張係数を得るには、繊維の容積量
を３０体積％から６０体積％にしなければならなかった
。

繊維量を増加するとろうおよび半田付は性が悪くなり、
半導体素子に組立てる際に、ろうおよび半田を介しての
接合が不可能となる。

このため、繊維複合材を支持電極材に直接使用するには
問題があった。

本発明の目的は繊維複合材の支持電極と半導体ウェハー
との接合を半田あるいはろうを介して行なえるようにし
た半導体装置を提供するにある。

本発明はせんい複合材で構成された支持電極の半導体ウ
ェハー側に銅、銀、金、ニッケルから選ばれた金属の層
を設けるものである。

またその層の厚さは５〜２００μｍにするものである。

せんい複合体は、半導体ウェハーにほぼ近い熱膨張係数
を有するように構成する。

たとえばタングステンやモリブデンのせんいを、熱、電
気伝導性の良い銅、銀などの母体金属（マトリックスｍ
ａｔｒｉｘ）と複合化したものからなる。

せんいは一方向に整列している必要はなく、二方向さら
には無方向に配ダルていてよい。

無方向の配列はせんい複合体としての熱膨張係数をあら
ゆる方向でほぼ等しくできるという利点を有する。

せんい複合体の特性を損わずに、ろう付性および半田付
性を高めるために、複合体の表面に濡れ性が良くかつ複
合体材料と化合物を生成しない金属が被覆される。

これは具体的には銅、銀、金、ニッケルから選ばれる。

被覆層にはせんいを混入させてもよいが、その場合の混
入量は１５容量％以下とする。

これ以上になるとろう付および半田付性がきわめて悪く
なり、強固な接合ができなくなる。

被覆層の厚さはせんい複合体の半導体ウェハーへの作用
が損なわれない厚さ、実際には５〜２００μｍに制御さ
れる。

これらの被覆層はめつきなどの表面処理法あるいは拡散
接合法などを利用して容易に行なうことができる。

実施例 １ ０．１ｍｍ径のタングステン繊維と無酸素銅繊維を３〜
５ｍｍピッチでより合せ、長さ５ｍｍに切断して、成型
圧力２〜５ｔｏｎ／ｃｍ２で金型成型し、たて４０ｍｍ
、よこ３０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのタングステンスケルト
ンを作製して、２〜５×１０−４ｍｍＨｇの真空中で加
熱温度９００℃、１時間保持の脱ガス処理をした。

他方、２〜５×１０−４ｍｍＨｇの真空中で無酸素銅を
１３００〜１３５０℃に加熱溶融し、その溶湯中に脱ガ
ス処理したタングステンスケルトンを徐々に沈下させた
。

真空室中へアルゴンガスを封入し室の圧力を１気圧とし
た。

溶融した無酸素銅はタングステンスケルトン中の銅繊維
を溶かしながらタングステンスケルトン全体に浸透した
。

その後冷却してタングステン繊維量が２５体積％および
５５体積％を占める無方向性鋼−タングステン繊維複合
材料を作製した。

第１図に銅−２５体積％タングステン繊維複合体、第２
図に銅−５５体積％タングステン繊維複合体の断面組織
を１０倍に拡大して示す。

第１，２図からも判るように無方向にタングステン繊維
は分散されている。

またこれら複合材の強度、導電率、熱膨張係数を測定し
、同時に熱伝導率をモリブデンと比較した結果下表の如
きデータが得られた。

実施例 ２ 実施例１の手法で作製した無方向性鋼−５５体積％タン
グステン繊維複合材料を２〜３ｍｍ厚さに、無酸素銅を
０．１ｍｍの厚さに冷間圧延して、それぞれの表面を洗
処理した。

これら薄板の複合材と無酸素銅板を合せ、５０，１００
，１５０，２００Ｋｇ／ｃｍ２の圧力で、加熱温度５０
０，６００，７００゜８００．９００．１０００℃で水
素雰囲気により３０分間保持し拡散接合した。

第３図に無酸素銅板と銅−タングステン繊維複合体の拡
散接合可能領域曲線を示す。

実線より右上側部の範囲では完全に接合界面が密着して
おり、左下側の範囲では接着が不完全であった。

実施例 ３ 実施例２の手法で０．１ｍｍ厚さの無酸素鋼と２ｍｍ厚
さの銅−タングステン繊維複合体を圧力１００Ｋｇ／ｃ
ｍ２、加熱温度６００℃の水素雰囲気で３０分間保持し
拡散接合した。

第４図に拡散接合後の接合部の断面組織（１５０倍）を
示す。

無酸素銅と銅−タングステン複合体の接合状態は複合体
中の銅と無酸素銅とが接着されているが、銅とタングス
テンの接着面には空孔が存在し接着が不完全である。

実施例 ４ 実施例２の手法で１．５ｍｍ厚さの無酸素銅と２ｍｍ厚
さの銅−タングステン繊維複合材料を圧力１００Ｋｇ／
ｃｍ２、加熱温度９００℃の水素雰囲気で３０分間保持
し拡散接合した。

第５図に拡散接合後の断面組織（２０倍）を示すが、無
酸素銅と銅−タングステン繊維複合材の界面は一様に完
全に接着されていることが判る。

実施例 ５ 銅−３０体積％タングステン複合材上部に直接半田を介
して半導体ウェハーを接合させたものと、半導体ウェハ
ーと銅ベース電極との中間に、半導体ウェハーに与える
熱応力を防止するために、タングステンまたはモリブデ
ンの支持材を装入し、これらを金−錫系の半田を介し接
合させた。

本発明の半導体装置において、銅ベース電極材の上部に
直接無方向性鋼−タングステン複合材と被覆材を積み重
ね、それらを同時に拡散接合し、さらに半田を介して半
導体ウェハーを接合した。

このようにして作製した半導体電極を繰り返し熱応力を
加えた寿命試験の結果、従来の半導体電極よりも３〜４
倍も寿命が向上し、かつ大容量の半導体電極の作製が可
能になった。

本発明を従来技術、すなわち応力を緩和するための厚い
半田層や、モリブデン支持板を設けた場合と比較すると
、熱抵抗が大略１／３になるため電流容量が３倍までも
増加でき、かつ半導体ウェハーに作用する熱応力が約１
／２になるために半導体素子の寿命が２〜３倍に増加で
きた。

また特殊な厚い半田層を必要とせず、直接拡散接合させ
るために性能のばらつきが向上し、作業工程を一部省約
することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は無方向性銅−２５体積％タングステン繊維複合
材の断面組織、第２図は無方向性鋼−５５体積％タング
ステン繊維複合材の断面組織、第３図は銅−タングステ
ン繊維複合材と銅の拡散接合領域を示す特性図、第４図
は銅−タングステン繊維複合材に銅板を拡散接合した断
面組織、第５図は銅−タングステン繊維複合材に銅板を
拡散接合した断面組織、第６図は銅−３０体積％タング
ステン繊維複合材と錫−鉛系半田の半田付は後の断面組
織、第７図は銅−１０体積％タングステン繊維複合材と
錫−鉛系半田の半田付は後の断面組織、および第８図は
銅−タングステン繊維複合材に銅を被覆接合した面に鉛
−錫系半田を半田付けした後の断面組織である。 １・・・・・・半田、３・・・・・・タングステンせん
い、４・・・・・・銅、５・・・・・・被覆層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体基体の片側または両側に支持電極を備えたも
   のにおいて、上記支持電極を銅または銀の母体金属とタ
   ングステン又はモリブデンせんいとからなり、半導体基
   体にほぼ近い熱膨張係数を有する複合体で構成し、かつ
   その複合体の上記半導体基体に接する面に銅、銀、金お
   よびニッケルから選ばれた金属の層を５〜２００μｍの
   厚さに設けたことを特徴とする半導体装置。